KR20140140962A - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 III-VI족 화합물을 포함하는 제1 박막을 형성하는 단계, 상기 제1 박막 위에 I-III족 화합물을 포함하는 제2 박막을 형성하는 단계, 상기 제2 박막 위에 III족 원소를 포함하는 제3 박막을 형성하는 단계, 상기 제1 박막, 상기 제2 박막 및 상기 제3 박막을 VI족 원소 함유 기체 분위기에서 열처리하는 단계, 그리고 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소는 동일하고, 상기 제2 박막에 포함된 III족 원소는 상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소와 상이한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

태양 전지 및 그 제조 방법{SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광 활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
상기 광 활성층으로 I-III-VI족 원소를 포함하는 화합물 반도체를 사용할 수 있다. 상기 화합물 반도체는 광 흡수계수가 높고 전기 광학적 안정성이 높아 고효율의 태양 전지를 구현할 수 있다.
그러나 상기 화합물 반도체는 형성단계에서 원소들 간의 반응성 차이로 인해 광 활성층의 내부와 표면에서 각 원소들의 비율 차이가 크게 발생할 수 있다. 이 경우 광 활성층은 위치에 따라 원소들의 조성이 크게 상이한 박막으로 형성될 수 있고 이에 따라 효율이 저하될 수 있다.
일 구현예는 균일한 분포를 가지는 광 활성층을 구현함으로써 효율을 개선할 수 있는 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
다른 구현예는 상기 방법으로 형성된 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 III-VI족 화합물을 포함하는 제1 박막을 형성하는 단계, 상기 제1 박막 위에 I-III족 화합물을 포함하는 제2 박막을 형성하는 단계, 상기 제2 박막 위에 III족 원소를 포함하는 제3 박막을 형성하는 단계, 상기 제1 박막, 상기 제2 박막 및 상기 제3 박막을 VI족 원소 함유 기체 분위기에서 열처리하는 단계, 그리고 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소는 동일하고, 상기 제2 박막에 포함된 III족 원소는 상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소와 상이한 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소는 상기 제2 박막에 포함된 III족 원소보다 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 높을 수 있다.
상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소는 인듐(In)일 수 있고, 상기 제2 박막에 포함된 III족 원소는 갈륨(Ga)일 수 있다.
상기 제1 박막에 포함된 VI족 원소와 상기 VI족 원소 함유 기체에 포함된 VI족 원소는 동일할 수 있다.
상기 VI족 원소는 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 황(S) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제2 박막에 포함된 I족 원소는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제1 박막, 상기 제2 박막 및 상기 제3 박막을 형성하는 단계는 증착 또는 스퍼터링으로 수행할 수 있다.
상기 VI족 원소 함유 기체를 공급하는 단계는 약 400 내지 600℃에서 수행할 수 있다.
상기 제1 박막은 약 50nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 박막의 III족 원소와 VI족 원소는 약 0.66:1 내지 1:1의 비율로 포함될 수 있다.
상기 제1 박막의 III-VI족 화합물은 InSe, In2Se3 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 제2 박막의 I-III족 화합물은 CuGa을 포함할 수 있고, 상기 제3 박막의 III족 원소는 In을 포함할 수 있고, 상기 VI족 원소 함유 기체는 Se 함유 기체를 포함할 수 있다.
상기 열처리하는 단계에서 상기 제1 박막의 III-VI족 화합물, 상기 제2 박막의 I-III족 화합물 및 상기 제3 박막의 III족 원소가 반응하여 I-III-VI 족 화합물을 포함하는 광 활성층이 형성될 수 있다.
상기 광 활성층은 CuInxGa1 - xSe (0.1≤x≤0.9)의 조성을 가질 수 있다.
상기 광 활성층은 실질적으로 단일상(single phase)일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 방법으로 형성된 태양 전지를 제공한다.
균일한 분포를 가지는 광 활성층을 구현함으로써 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 차례로 도시한 단면도이고,
도 5는 실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지에서 광 활성층의 단면을 보여주는 SEM 사진이고,
도 6은 실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지에서 광 활성층의 XRD 그래프이고,
도 7은 실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지에서 광 활성층의 깊이에 따른 갈륨(Ga)의 분포량을 보여주는 SIMS 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 1 내지 도 4를 참고하여 설명한다.
도 1 내지 도 4는 일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 차례로 도시한 단면도이다.
먼저 도 1을 참고하면, 기판(110) 위에 하부 전극(120)을 형성한다.
기판(110)은 예컨대 유리 기판, 세라믹 기판, 금속판, 반도체 기판 또는 고분자 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하부 전극(120)은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 금속 실리사이드 또는 이들의 합금으로 만들어질 수 있다.
이어서 하부 전극(120) 위에 III-VI족 화합물을 포함하는 제1 박막(130a), I-III족 화합물을 포함하는 제2 박막(130b) 및 III족 원소를 포함하는 제3 박막(130c)을 차례로 형성한다. 제1 박막(130a), 제2 박막(130b) 및 제3 박막(130c)은 예컨대 증착 또는 스퍼터링으로 형성될 수 있다. 제1 박막(130a), 제2 박막(130b) 및 제3 박막(130c)은 광 활성층을 형성하기 위한 전구체 박막이다.
여기서, I족 원소는 예컨대 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 또는 이들의 조합일 수 있고, III족 원소는 예컨대 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 또는 이들의 조합일 수 있고, VI족 원소는 예컨대 세륨(Se), 텔루륨(Te), 황(S) 또는 이들의 조합일 수 있다.
여기서 제1 박막(130a)과 제3 박막(130c)에 포함된 III족 원소는 동일할 수 있고, 제2 박막(130b)에 포함된 III족 원소는 제1 박막(130a)과 제3 박막(130c)에 포함된 III족 원소와 상이할 수 있다. 이 때 제1 박막(130a)과 제3 박막(130c)에 포함된 III족 원소는 제2 박막(130b)에 포함된 III족 원소보다 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 높을 수 있다. 예컨대 제1 박막(130a)과 제3 박막(130c)에 포함된 III족 원소는 인듐(In)일 수 있고, 제2 박막(130b)에 포함된 III족 원소는 갈륨(Ga)일 수 있다.
이와 같이 본 구현예에서는 광 활성층을 형성하기 위한 전구체 박막에 두 종류의 III족 원소를 포함하며, 이때 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 상대적으로 높은 III족 원소를 제2 박막(130b)의 하부 및 상부, 즉 제1 박막(130a)과 제3 박막(130c)에 공통적으로 포함할 수 있다. 만일 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 상대적으로 높은 III족 원소를 제2 박막(130b)의 하부 또는 상부에만 포함하는 경우, 상기 VI족 원소 함유 기체 분위기에 노출시, 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 상대적으로 높은 III족 원소가 상기 VI족 원소 함유 기체와 우선적으로 반응하여 광 활성층의 표면에 대부분 위치하고 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 상대적으로 낮은 III족 원소가 하부 전극(120) 측에 대부분 위치하여 상 분리(phase separation)가 발생할 수 있다.
본 구현예에서는 제2 박막(130b)의 하부인 제1 박막(130a)과 제2 박막(130b)의 상부인 제3 박막(130c)에 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 상대적으로 높은 III족 원소를 공통적으로 포함함으로써 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 상대적으로 높은 III족 원소가 광 활성층의 표면뿐만 아니라 하부 전극(120) 측에도 균일하게 분포할 수 있고 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 상대적으로 낮은 III족 원소가 하부 전극(120) 측에 쏠리지 않고 광 활성층의 표면 측으로도 균일하게 분포될 수 있다. 따라서 광 활성층 전체에 걸쳐 실질적으로 균일한 조성의 화합물 반도체로 형성될 수 있으며 그레인(grain) 크기가 큰 결정층을 형성할 수 있다.
제1 박막(130a)의 III-VI족 화합물은 III족 원소와 VI족 원소가 약 0.66:1 내지 1:1의 비율로 포함될 수 있으며, 예컨대 InSe, In2Se3 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제1 박막(130a)은 약 50nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 범위로 형성됨으로써 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 상대적으로 낮은 III족 원소와 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 상대적으로 높은 III족 원소가 광 활성층 전체에 걸쳐 실질적으로 균일한 조성의 화합물 반도체를 형성할 수 있다.
제2 박막(130b)의 I-III족 화합물은 예컨대 CuGa을 포함할 수 있고, 제3 박막(130c)의 III족 원소는 예컨대 In을 포함할 수 있다. 제2 박막(130b)과 제3 박막(130c)은 각각 약 300nm 내지 500nm 및 약 200nm 내지 400nm의 두께로 형성될 수 있다.
다음 도 2를 참고하면, 하부 전극(120), 제1 박막(130a), 제2 박막(130b) 및 제3 박막(130c)이 적층되어 있는 기판(110)을 챔버(50)에 배치하고 VI족 원소 함유 기체(60)를 공급하면서 열처리한다. 열처리는 약 400 내지 600℃에서 약 30 내지 120분 동안 수행될 수 있다.
제1 박막(130a)에 포함된 VI족 원소와 VI족 원소 함유 기체(60)에 포함된 VI족 원소는 동일할 수 있으며, 예컨대 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 황(S) 또는 이들의 조합일 수 있으며, 예컨대 셀레늄(Se)일 수 있다. VI족 원소가 셀레늄(Se)인 경우, VI족 원소 함유 기체(60)는 예컨대 H2Se 일 수 있다.
도 3을 참고하면, 상기 열처리 단계에서 제1 박막(130a)의 III-VI족 화합물, 제2 박막(130b)의 I-III족 화합물 및 제3 박막(130c)의 III족 원소가 반응하여 I-III-VI 족 화합물을 포함하는 광 활성층(130)을 형성한다.
광 활성층(130)은 I족 원소, 두 종류의 III족 원소 및 VI족 원소를 포함하는 화합물 반도체일 수 있으며, 예컨대 CuInxGa1 - xSe (0.1≤x≤0.9)의 조성을 가지는 화합물 반도체일 수 있다. 광 활성층(130)은 상기 화합물 반도체의 조성이 실질적으로 균일한 단일 상(single phase)일 수 있다.
도 4를 참고하면, 광 활성층(130) 위에 상부 전극(140)을 형성한다. 상부 전극(140)은 투명 전극일 수 있으며, 예컨대 ZnO 내지 ITO 로 만들어질 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 측면들을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
태양 전지의 제조
실시예 1
유리 기판 위에 몰리브덴(Mo) 전극 400nm을 스퍼터링으로 형성하고, 몰리브덴(Mo) 전극 위에 InSe 박막 50nm, CuGa 박막 320nm 및 In 박막 295nm를 차례로 증착하였다. 이어서 수정 챔버 내에 상기 유리 기판을 배치하고 H2Se를 1sccm 유량으로 공급하면서 450℃에서 30분 동안 열처리하여 CuIn0 .6Ga0 .4Se 및 CuIn0 .85Ga0 .15Se (표면 부분) 조성을 가지는 광 활성층을 형성하였다. 이어서 상기 유리 기판을 수정 챔버에서 꺼낸 후 광 활성층 위에 ZnO 전극을 1000nm 두께로 스퍼터링하여 태양 전지를 제조하였다.
실시예 2
InSe 박막 50nm 대신 InSe 박막 100nm 으로 형성하여 CuIn0 .7Ga0 .3Se 조성을 가지는 광 활성층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
비교예 1
InSe 박막을 형성하지 않고 CuGa 박막 및 In 박막만을 사용하여 광 활성층을 형성하여 CuIn0 .5Ga0 .5Se 및 CuInSe (표면) 조성을 가지는 광 활성층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
평가 1
실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지에서 광 활성층의 단면을 SEM 관찰하여 결정 크기를 비교하였다.
도 5는 실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지에서 광 활성층의 단면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 5를 참고하면, 실시예 1, 2에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 그레인 크기가 큰 것을 확인할 수 있다. 이로부터 실시예 1, 2에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 개방 전압이 상승하여 효율이 개선될 수 있음을 알 수 있다.
평가 2
실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지에서 광 활성층의 결정성을 비교하였다.
도 6은 실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지에서 광 활성층의 XRD 그래프이다.
도 6을 참고하면, 실시예 1, 2에 따른 태양 전지는 실질적으로 단일 상의 결정성을 보이는데 반해 비교예 1에 따른 태양 전지는 상분리가 관측되는 것을 확인할 수 있다.
평가 3
실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지에서 광 활성층의 깊이에 따른 갈륨(Ga)의 분포량을 평가하였다. 갈륨(Ga)의 분포량은 SIMS 방법으로 평가되었다.
그 결과는 도 7과 같다.
도 7은 실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지에서 광 활성층의 깊이에 따른 갈륨(Ga)의 분포량을 보여주는 그래프이다.
도 7에서 가로축의 '0'은 광 활성층의 표면이다.
도 7을 참고하면, 실시예 1, 2에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 광 활성층 전체에 대하여 갈륨(Ga) 분포의 균일도가 개선된 것을 확인할 수 있다.
평가 4
실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 태양 전지의 효율을 비교하였다.
그 결과는 표 1과 같다.
개방전압(Voc) 단락전류밀도(Jsc)
(mA/㎠)		 곡선인자(FF)
(%)		 효율
(%)
실시예 1 0.649 33.8 73 15.97
실시예 2 0.669 32.9 74 16.38
비교예 1 0.618 35.2 70 15.26
표 1을 참고하면, 실시예 1, 2에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 효율이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
110: 기판
120: 하부 전극
130: 광 활성층
140: 상부 전극

Claims (15)

  1. 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계,
    상기 제1 전극 위에 III-VI족 화합물을 포함하는 제1 박막을 형성하는 단계,
    상기 제1 박막 위에 I-III족 화합물을 포함하는 제2 박막을 형성하는 단계,
    상기 제2 박막 위에 III족 원소를 포함하는 제3 박막을 형성하는 단계,
    상기 제1 박막, 상기 제2 박막 및 상기 제3 박막을 VI족 원소 함유 기체 분위기에서 열처리하는 단계, 그리고
    제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소는 동일하고,
    상기 제2 박막에 포함된 III족 원소는 상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소와 상이한 태양 전지의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소는 상기 제2 박막에 포함된 III족 원소보다 상기 VI족 원소 함유 기체와의 반응성이 높은 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 박막과 상기 제3 박막에 포함된 III족 원소는 인듐(In)이고,
    상기 제2 박막에 포함된 III족 원소는 갈륨(Ga)인
    태양 전지의 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 박막에 포함된 VI족 원소와 상기 VI족 원소 함유 기체에 포함된 VI족 원소는 동일한 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 VI족 원소는 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 황(S) 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 박막에 포함된 I족 원소는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 박막, 상기 제2 박막 및 상기 제3 박막을 형성하는 단계는 증착 또는 스퍼터링으로 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 VI족 원소 함유 기체를 공급하는 단계는 400 내지 600℃에서 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 제1 박막은 50nm 내지 100nm의 두께로 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 박막의 III족 원소와 VI족 원소는 0.66:1 내지 1:1의 비율로 포함되어 있는 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제1항에서,
    상기 제1 박막의 III-VI족 화합물은 InSe, In2Se3 또는 이들의 조합을 포함하고,
    상기 제2 박막의 I-III족 화합물은 CuGa을 포함하고,
    상기 제3 박막의 III족 원소는 In을 포함하고,
    상기 VI족 원소 함유 기체는 Se 함유 기체를 포함하는
    태양 전지의 제조 방법.
  12. 제1항에서,
    상기 열처리하는 단계에서 상기 제1 박막의 III-VI족 화합물, 상기 제2 박막의 I-III족 화합물 및 상기 제3 박막의 III족 원소가 반응하여 I-III-VI 족 화합물을 포함하는 광 활성층을 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 광 활성층은 CuInxGa1 - xSe (0.1≤x≤0.9)의 조성을 가지는 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제12항에서,
    상기 광 활성층은 단일상(single phase)인 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 형성된 태양 전지.
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