KR20140142771A - 저저항 금속층을 가지는 후면전극과 이를 이용한 태양전지 및 이들을 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 후면전극이 다중층으로 구성된 CIGS 박막 태양전지에 관한 것으로, 태양전지의 기판(100)위에 형성되는 후면전극(200)에 있어서, 태양전지 후면전극의 제조방법에 있어서, (i) 태양전지의 기판(100) 위에 저저항 금속으로 저저항 금속층(210)을 형성시키는 단계(s1000), (ii) 상기 저저항 금속층(210) 위에 몰리브덴(Mo)층(220)을 형성시키는 단계(s2000) 를 포함하는 것을 특징으로 하여 태양전지의 광전변환효율을 높이는 효과가 있는 것임.
Description
본 발명은 후면전극을 개량한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 후면전극을 다중층 구조로 하여 저항성능을 개선하는 기술에 관한 것이다.
태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 친환경적인 미래 에너지원으로 크게 주목받고 있다. 태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 전기를 생산하는데, 구체적으로 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공은 P형 반도체 쪽으로 이동하고 상기 전자는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생된다.
태양전지는 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있는데, 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체층을 형성하여 태양전지를 제조한 것이다. 최근에는 도 1에 도시된 바와 같이, CIGS 광흡수층을 이용한 태양전지의 개발을 통해 효율 향상을 도모하고 있다.
태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위해서는 광흡수층에 흡수되는 태양광의 비율을 높여야 한다. 박막형 태양전지의 경우, 기판형 태양전지에 대비하여 박막의 광흡수층을 사용함에 따라 제조단가를 낮출 수 있으나 광흡수율이 떨어지는 문제점이 있다. 이와 같은 광흡수율 저하를 극복하기 위한 방안으로, 태양전지의 단위기능막에 표면요철을 부여하는 방법이 있다.
표면요철구조가 형성된 상태에서 태양광이 입사하면 요철과 부딪혀 태양광의 산란이 발생되어 광흡수층에서 흡수되는 태양광의 비율을 높일 수 있게 된다. 즉, 산란되어 확산되는 빛에 의해 광흡수층 내에서의 광경로가 길어지게 되고, 광흡수층을 박막으로 만들더라도 광흡수층에 흡수될 확률이 높아지게 되어 태양전지의 효율을 높이는 것이 가능하다.
CIGS 광흡수층 기반의 태양전지는 유리 등의 기판(substrate)에 몰리브덴 등의 후면전극(backcontact)과 CIGS 광흡수층을 순차적으로 형성하여 제조하게 된다. 이러한 후면전극의 제조방법은 미국 등록특허 제6,258,620호에 일부 개시되어 있다. 상기 특허에는 몰리브덴을 스퍼터링 증착 공정에 의해 2층(bilayer)
구조로 제조하는 방법이 개시되어 있는 바, 첫 번째 단계에서 상대적으로 높은 아르곤 압력하에 기판에높은 접착력을 나타내는 제 1 몰리브덴 층을 형성하고, 두 번째 단계에서 상대적으로 낮은 아르곤 압력하에 상기 제 1 층 상에 낮은 비저항의 제 2 몰리브덴 층을 형성한다. 그러나, 상기 특허는 2층(bi-layer) 구조의 도전층 형성에 대한 내용만을 제시하고 있을 뿐이고, 상기특허에 의해 제조되는 도전층은 소망하는 정도의 충분히 낮은 비저항을 발휘하지 못하는 것으로 확인되었다. 또한, 상기 특허에 따르면, 금속 원자들간의 높은 밀도는 기판으로부터 공급되는 나트륨의 확산을 억제하여 태양전지의 성능에 중요한 요소로 작용하는 유효공정농도를 저하시키는 원인이 된다.
태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위해서는 광흡수층에 흡수되는 태양광의 비율을 높이는 것이 중요하지만 후면전극의 저항을 감소시키는 것도 간과할 수 없다. 즉 생성된 전류의 손실을 최소화하며, 후면전극의 비저항을 감소시키는 기술이 필요한 것이다.
이에, 본 발명은 태양전지 후면전극의 제조방법에 있어서,
(i) 태양전지의 기판(100) 위에 저저항 금속으로 저저항 금속층(210)을 형성시키는 단계(s1000);
(ii) 상기 저저항 금속층(210) 위에 몰리브덴(Mo)층(220)을 형성시키는 단계(s2000);
를 포함시킴으로써 상기와 같은 문제를 해결하고자 한다.
본 발명에 따르면, 몰리브덴(Mo)층의 몰리브덴은 상기 CIGS 광흡수층의 셀레늄(Se)과 셀렌화 반응으로 셀렌화몰리브덴을 형성하여 후면전극의 접촉저항을 개선하며, 몰리브덴층 저부의 저저항금속층이 전체적인 면저항값을 낮추어 주는 효과가 있는 것이다.
결론적으로 후면전극의 비저항을 감소시키고, 접촉저항을 개선하여 전자와 정공의 재결합을 줄임으로써 태양전지의 광전변환효율을 높이는 것이 가능하게 된다.
도 1은 일반적인 CIGS 광흡수층을 이용한 태양전지의 요부발췌 단면도.
도 2는 본 발명의 후면전극(200)과 태양전지를 도시한 요부 발췌 분해사시도.
도 3은 본 발명의 후면전극(200)과 태양전지를 도시한 요부발췌 단면도.
도 4는 본 발명의 후면전극(200)과 광흡수층(300) 경계면에서 셀렌화몰리브덴(MoSe)가 형성되는 것을 설명하기 위한 설명도.
도 5는 본 발명의 태양전지를 제조하는 방법을 설명하는 순서도.
도 2는 본 발명의 후면전극(200)과 태양전지를 도시한 요부 발췌 분해사시도.
도 3은 본 발명의 후면전극(200)과 태양전지를 도시한 요부발췌 단면도.
도 4는 본 발명의 후면전극(200)과 광흡수층(300) 경계면에서 셀렌화몰리브덴(MoSe)가 형성되는 것을 설명하기 위한 설명도.
도 5는 본 발명의 태양전지를 제조하는 방법을 설명하는 순서도.
본 발명인 요철구조의 이중후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법의 일실시예를 하기 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명인 후면전극과 태양전지를 도시한 요부 발췌 분해사시도이고. 도 3은 본 발명의 후면전극(200)과 태양전지를 도시한 요부발췌 단면도이다.
본 발명은 태양전지 후면전극의 제조방법에 있어서,
(i) 태양전지의 기판(100) 위에 저저항 금속으로 저저항 금속층(210)을 형성시키는 단계(s1000);
(ii) 상기 저저항 금속층(210) 위에 몰리브덴(Mo)층(220)을 형성시키는 단계(s2000);
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (i) 태양전지의 기판(100) 위에 저저항 금속으로 저저항 금속층(210)을 형성시키는 단계(s1000)에서의 저저항 금속은 은(Ag), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 아연(Zn) 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (i) 태양전지의 기판(100) 위에 저저항 금속으로 저저항 금속층(210)을 형성시키는 단계(s1000)에서 저저항 금속층(210)은 저저항 금속을 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법스퍼터링, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 증착시켜 형성한다.
상기 증착과정을 통해 저저항 금속층(210)은 그 두께가 100nm~10μm로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 (ii) 저저항 금속층(210) 위에 몰리브덴(Mo)층(220)을 형성시키는 단계(s2000)에서 몰리브덴(Mo)층(220)은 저저항 금속을 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법스퍼터링, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 증착시켜 형성한다.
상기 몰리브덴(Mo)층(220)의 두께는 100nm~5μm인 것이 바람직하다. 상기 몰르브덴층은 몰리브덴이 기본적인 저항수치는 높으나, 도 4에 도시된 바와 같이, CIGS 층의 셀레늄(Se)과 셀렌화몰리브덴을 형성시켜 접촉저항을 감소시키기 위한 것이므로, 상기 저저항 금속층에 비해 얇은 두께를 갖도록 형성시킨다.
또한, 상기 몰리브덴(M0)층(220)은 단일층에 한정되지 아니하며 다중층으로 구성될 수 있다. 예로서 용이한 나트륨(Na) 확산을 위하여 나트륨(Na)이 도핑된 몰리브덴 하부층과, 몰리브덴으로만 구성된 몰리브덴 상부층으로 구성시킬 수 있으며, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제 10-0838167와 같이, 5 ~ 15 mTorr 압력의 반응 가스하에서 DC 스퍼터링에 의해 기판 상에 제 1 도전층을 형성하는 과정; 및 상기 과정의 압력보다 낮은 범위에서 1 ~ 5 mTorr 압력의 반응 가스하에서 상기 기판 상에 RF 바이어스를 인가하면서 DC 스퍼터링에 의해 상기 제 1 도전층 상에 제 2 도전층을 형성시키는 방법을 적용할 수도 있는 것이다. 이러한 다중층의 구조를 갖는 경우 각 층의 두께는 전체 몰리브덴층(220)의 두께를 균등분할하는 것이 바람직하다.
본 발명은 이에 나아가 상기의 후면전극을 이용한 태양전지의 제조방법을 제공한다.
도 5는 본 발명의 태양전지를 제조하는 방법을 설명하는 순서도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지 제조방법은,
(i) 기판(100)을 준비하는 단계(s100);
(ii) 상기 기판 위에 후면전극층(200)을 형성하는 단계(s200);
(iii) 후면전극층(200) 위에 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층(300)을 형성하는 단계(s300);
(iv) 상기 광흡수층(300) 위에 CdS, ZnS, InOH 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 버퍼층(400)을 형성하는 단계(s400);
(v) 상기 버퍼층(400) 위에 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 및 이들 중 2 이상의 물질의 산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 투명전도층(500)을 형성하는 단계(s500);
를 포함하는 것에 있어서,
상기, 기판 위에 후면전극층(200)을 형성하는 단계(s200)는 상기 기 서술한 후면전극을 제조하는 방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
후면전극층(200) 위에 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층(300)을 형성하는 단계(s300)는 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 전착법(Electrodeposition), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 스크린프린팅법(Screen printing), 입자증착법(Particle deposition) 중에서 어느 하나의 방법을 적용할 수 있다.
상기 CIGS 광흡수층(300)이 후면전극층(200)위에 형성됨으로써 셀렌화 공정을 수행 후, 상기 몰리브덴층(220)과 상기 광흡수층(300)의 경계면에 셀렌화몰리브덴이 형성 된다. 상기의 셀렌화몰리브덴 등이 형성됨으로써 접촉저항이 줄어들고 전자-홀 재결합을 줄여주는 장점이 있다.
상기 광흡수층(300) 위에 CdS, ZnS, InOH 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 버퍼층(400)을 형성하는 단계(s400)는 용액성장법(CBD), 전착법(Electrodeposition), 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 화학기상증착법(CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 분무열분해법(Spray pyrolysis), ILGAR(Ion Layer Gas Reaction), 레이저증착법(Pulsed Laser Deposition)중에서 적어도 어느 하나의 방법을 적용하는 것이 바람직하다.
상기 버퍼층(400) 위에 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 및 이들 중 2 이상의 물질의 산화물(예; 주석아연산화물(Zinc Tin Oxide)) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 투명전도층(500)을 형성하는 단계(s500)에서 상기 투명전도층(500)은 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, DC 스퍼터링법, 반응성 스퍼터링법, 증발증착법(Evaporation), 전자선증착법(E-beam evaporation), 유기금속화학증착법(MOCVD), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 분자선성장법(MBE), 전착법(Electrodeposition) 중에서 어느 하나의 방법으로 증착되도록 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 투명전도층(500) 위에 전면전극(600)(그리드전극)과 반사방지막(700)이 설치될 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
100: 기판
200: 후면전극
210: 저저항금속층
200: 몰리브덴(Mo)층
300: 광흡수층
400: 버퍼층
500: 투명전도층
600: 전면전극층
700: 반사방지막
200: 후면전극
210: 저저항금속층
200: 몰리브덴(Mo)층
300: 광흡수층
400: 버퍼층
500: 투명전도층
600: 전면전극층
700: 반사방지막
Claims (13)
- 태양전지 후면전극의 제조방법에 있어서,
(i) 태양전지의 기판(100) 위에 저저항 금속으로 저저항 금속층(210)을 형성시키는 단계(s1000);
(ii) 상기 저저항 금속층(210) 위에 몰리브덴(Mo)층(220)을 형성시키는 단계(s2000);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 후면전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (i) 태양전지의 기판(100) 위에 저저항 금속으로 저저항 금속층(210)을 형성시키는 단계(s1000)에서의 저저항 금속은 은(Ag), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 아연(Zn) 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 후면전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 (i) 태양전지의 기판(100) 위에 저저항 금속으로 저저항 금속층(210)을 형성시키는 단계(s1000)의 저저항 금속층(210)은 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법스퍼터링, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 증착시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 후면전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 (i) 태양전지의 기판(100) 위에 저저항 금속으로 저저항 금속층(210)을 형성시키는 단계(s1000)의 저저항 금속층(210)은 그 두께가 100nm~10μm인 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 후면전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 (ii) 저저항 금속층(210) 위에 몰리브덴(Mo)층(220)을 형성시키는 단계(s2000)의 몰리브덴(Mo)층(220)은 저저항 금속을 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법스퍼터링, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 증착시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 후면전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
(ii) 상기 저저항 금속층(210) 위에 몰리브덴(Mo)층(220)을 형성시키는 단계(s2000)에서 상기 몰리브덴(Mo)층(220)의 두께가 100nm~5μm인 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 후면전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
(ii) 상기 저저항 금속층(210) 위에 몰리브덴(Mo)층(220)을 형성시키는 단계(s2000)에서, 상기 몰리브덴(Mo)층(220)은 나트륨(Na)이 도핑된 몰리브덴 하부층(221)과, 몰리브덴으로만 구성된 몰리브덴 상부층(222)으로 구성시키는 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 후면전극의 제조방법.
- 태양전지의 제조방법에 있어서,
(i) 기판(100)을 준비하는 단계(s100);
(ii) 상기 기판 위에 후면전극층(200)을 형성하는 단계(s200);
(iii) 후면전극층(200) 위에 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층(300)을 형성하는 단계(s300);
(iv) 상기 광흡수층(300) 위에 CdS, ZnS, InOH 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 버퍼층(400)을 형성하는 단계(s400);
(v) 상기 버퍼층(400) 위에 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 및 이들 중 2 이상의 물질의 산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 투명전도층(500)을 형성하는 단계(s500);
를 포함하는 것에 있어서,
상기 (ii) 상기 기판 위에 후면전극층(200)을 형성하는 단계(s200)는 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 태양전지의 기판(100)위에 형성되는 후면전극(200)에 있어서,
상기 후면전극(200)은 저저항금속층(210)과 몰리브덴층(220)의 다중층으로 구성된 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 태양전지의 후면전극.
- 제 9항에 있어서 상기 저저항 금속층(210)의 저저항 금속은 은(Ag), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 아연(Zn) 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 태양전지의 후면전극.
- 제 9항에 있어서, 상기 저저항 금속층(210)의 저저항 금속은 그 두께가 100nm~10μm인 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 태양전지의 후면전극.
- 제 9항에 있어서, 상기 몰리브덴층(220)의 두께가 100nm~10μm인 것을 특징으로 하는 저저항 금속층을 가지는 태양전지의 후면전극.
- 태양전지에 있어서,
기판(100)과, 상기 기판(100) 위에 형성된 후면전극층(200)과, 상기 후면전극층(200) 위에 형성되는 광흡수층(300)과, 상기 광흡수층(300) 위에 형성되는 버퍼층(400)과, 상기 버퍼층(400) 위에 형성되는 투명전도층(500)을 포함하는 것에 있어서,
상기 후면전극층(200)은 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 후면전극으로 형성되며;
상기 광흡수층(300)은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
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