KR20150031883A - 태양전지 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는, 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되고, 갈륨을 포함하는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은, 상기 후면 전극층 상에 배치되는 제 1 광 흡수층; 및 상기 제 1 광 흡수층 상에 배치되는 제 2 광 흡수층을 포함하고, 상기 제 1 광 흡수층은, 상기 제 2 광 흡수층으로 갈수록 상기 갈륨의 양이 감소하고. 상기 제 2 광 흡수층은, 상기 버퍼층으로 갈수록 상기 갈륨의 양이 증가한다.
Description
실시예는 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양전지가 주목받고 있다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이다.
예로서 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg: Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: Photovoltage)이 발생하게 된다. 이때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.
태양전지는 지지기판 상에 후면 전극층, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면 전극층을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다.
이때, 상기 광 흡수층은 CIGS계(Cu(In,Ga)Se2) 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 버퍼층은 황화 카드뮴(CdS)를 사용할 수 있다. 황화 카드뮴은 상기 CIGS계 광 흡수층과 에너지 밴드갭 얼라인 측면에서 좋은 특성을 가지나 카드뮴으로 인한 환경 오염 문제에 있어서 취약한 측면이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 ZnO 또는 Zn(O,S)를 버퍼층으로 이용하고 있으나, ZnO 또는 Zn(O,S)의 경우 CdS보다 높은 에너지 밴드갭을 가지고 있어 CIGS계 광 흡수층과 에너지 밴드갭에 있어 미스매치가 발생할 수 있고, 이로 인해 태양전지의 효율이 저하될 수 있다.
따라서, 광 흡수층과 버퍼층의 에너지 밴드갭을 제어할 수 있는 새로운 구조의 태양전지가 요구된다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는, 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되고, 갈륨을 포함하는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은, 상기 후면 전극층 상에 배치되는 제 1 광 흡수층; 및 상기 제 1 광 흡수층 상에 배치되는 제 2 광 흡수층을 포함하고, 상기 제 1 광 흡수층은, 상기 제 2 광 흡수층으로 갈수록 상기 갈륨의 양이 감소하고. 상기 제 2 광 흡수층은, 상기 버퍼층으로 갈수록 상기 갈륨의 양이 증가한다.
실시예에 따른 태양전지는 광 흡수층에서 갈륨의 양을 제어할 수 있다. 또는 상기 광 흡수층에서 에너지 밴드갭 범위를 제어할 수 있다.
종래에는, 버퍼층으로서 CdS를 사용하였으나, 최근에는 카드뮴 등의 부작용에 따른 환경 오염 문제로 ZnS 또는 Zn(0,S) 등을 버퍼층으로 이용하고 있다. 상기 ZnS 또는 Zn(0,S) 등의 경우 환경 오염 문제는 해결할 수 있으나, CdS에 비해 더 큰 에너지 밴드갭을 가지고 있어, 광 흡수층과 밴드 미스매칭(band missmatching)이 발생하여 효율이 저하될 수 있는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 실시예에 따른 태양전지는 광 흡수층과 버퍼층의 계면에서 갈륨의 양을 제어하여 에너지 밴드갭을 증가시킨다. 즉, 광 흡수층과 버퍼층의 계면에서 에너지 밴드갭을 증가시켜, 에너지 밴드갭이 큰 ZnS 또는 Zn(0,S)를 버퍼층으로 이용할 때, 이로 인한 버퍼층과 광 흡수층의 에너지 밴드갭의 미스매치를 감소시킬 수 있다. 또한, 밴드갭의 증가로 인해 개방 전압(Voc)를 향상시킬 수 있다.
따라서, 실시에에 따른 태양전지는, 광 흡수층과 버퍼층의 계면에서 갈륨의 양을 제어하여 에너지 밴드갭의 범위를 최적화함으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지 패널을 도시한 평면도이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 태양전지의 후면 전극층, 광 흡수층 및 버퍼층의 단면을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지에서 갈륨 및 에너지 밴드갭 변화를 도시한 그래프들이다.
도 8 내지 도 14는 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 태양전지의 후면 전극층, 광 흡수층 및 버퍼층의 단면을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지에서 갈륨 및 에너지 밴드갭 변화를 도시한 그래프들이다.
도 8 내지 도 14는 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하, 도 1 내지 도 14를 참조하여, 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법을 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 태양전지 패널을 도시한 평면도이고, 도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이며, 도 3은 실시예에 따른 태양전지의 후면 전극층, 광 흡수층 및 버퍼층의 단면을 도시한 도면이고, 도 4 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지에서 갈륨 및 에너지 밴드갭 변화를 도시한 그래프들이며, 도 8 내지 도 14는 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 후면 전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 전면 전극층(500) 및 다수 개의 접속부(600)들을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가질 수 있다. 상기 지지기판(100)은 상기 후면 전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400), 상기 전면 전극층(500) 및 상기 접속부(600)들을 지지할 수 있다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱 기판 또는 금속 기판을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판을 포함할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 또한, 상기 지지기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 후면 전극층(200)은 도전층일 수 있다. 상기 후면 전극층(200)으로 사용되는 물질로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 후면 전극층(200)에는 제 1 관통홈(TH1)들이 형성될 수 있다. 상기 제 1 관통홈(TH1)들은 상기 지지기판(100)의 상면을 노출하는 오픈 영역일 수 있다. 상기 제 1 관통홈(TH1)들은 평면에서 보았을 때, 제 1 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 관통홈(TH1)들의 폭은 약 80㎛ 내지 약 200㎛일 수 있으나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 제 1 관통홈(TH1)들은 다양한 크기의 폭으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 관통홈(TH1)들에 의해서 상기 후면 전극층(2000은 다수 개의 후면 전극층으로 구분될 수 있다. 즉, 상기 후면 전극층(200)은 상기 제 1 관통홈(TH1)들에 의해서 다수 개의 후면 전극들로 정의될 수 있다.
상기 후면 전극들은 상기 제 1 관통홈(TH1)들에 의해서 서로 이격될 수 있다. 상기 후면 전극들은 스트라이프 형태로 배치될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 후면 전극들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 이때, 상기 제 1 관통홈(TH1)들은 평면에서 보았을 때, 격자 형태로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면 전극층(200) 상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(300)에 포함되는 물질은 상기 제 1 관통홈(TH1)들에 채워질 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 상기 광 흡수층(300)은 갈륨의 분포에 따라 2개의 층으로 구분될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면 전극층(200) 상에 배치되는 제 1 광 흡수층(310)과 상기 제 1 광 흡수층(310) 상에 배치되는 제 2 광 흡수층(320)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 광 흡수층(310)은 상기 후면 전극층(200) 및 상기 제 2 광 흡수층(320)과 접촉하며 배치된다. 이에 따라, 상기 제 1 광 흡수층(310)은 상기 후면 전극층(200)과 접촉하는 부분에서 제 1 계면(331)이 형성되고, 상기 제 2 광 흡수층(320)과 접촉하는 부분에서 제 2 계면(332)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 광 흡수층(320)은 상기 버퍼층(400) 및 상기 제 1 광 흡수층(310)과 접촉하며 배치된다. 이에 따라, 상기 제 2 광 흡수층(320)은 상기 버퍼층(400)과 접촉하는 부분에서 제 3 계면(333)이 형성되고, 상기 제 1 광 흡수층(310)과 접촉하는 부분에서 제 2 계면(332)이 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는 갈륨(Ga)의 양이 변화될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는 상기 버퍼층(400) 방향으로 갈수록 갈륨(Ga)의 양이 감소될 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는 상기 제 2 광 흡수층(320) 방향으로 갈수록 갈륨(Ga)의 양이 감소될 수 있다. 즉, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는, 상기 제 1 계면(331)에서 상기 제 2 계면(332)으로 연장될수록 갈륨(Ga)의 양이 감소될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는, 상기 제 1 광 흡수층(310)에 포함되는 갈륨과 인듐의 합에 대한 갈륨의 중량%(갈륨/갈륨 및 인듐)가 약 40 중량% 내지 약 60 중량%에서 약 15 중량% 내지 약 20 중량%로 변화될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 광 흡수층(310)은 상기 제 1 계면(331)에서는, 갈륨과 인듐의 합에 대한 갈륨의 중량%가 약 40 중량% 내지 약 60 중량%일 수 있고, 상기 제 2 계면(332)에서는, 갈륨과 인듐의 합에 대한 갈륨의 중량%가 약 15 중량% 내지 약 20 중량%가 되도록 갈륨의 양이 변화될 수 있다.
즉, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는 상기 제 2 계면(332) 즉, 상기 제 2 광 흡수층(320)으로 연장될수록 갈륨의 양이 점차적으로 감소될 수 있다.
상기 제 2 광 흡수층(320)에서는 갈륨(Ga)의 양이 변화될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 광 흡수층(320)에서는 상기 버퍼층(400) 방향으로 갈수록 갈륨(Ga)의 양이 증가될 수 있다. 즉, 상기 제 2 광 흡수층(320)에서는, 상기 제 2 계면(332)에서 상기 제 3 계면(333)으로 연장될수록 갈륨(Ga)의 양이 증가될 수 있다.
상기 제 2 광 흡수층(320)에서는, 상기 제 1 광 흡수층(320)에 포함되는 갈륨과 인듐의 합에 대한 갈륨의 중량%(갈륨/갈륨 및 인듐)가 약 15 중량% 내지 약 20 중량%에서 약 37 중량% 내지 약 42 중량%로 변화될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 광 흡수층(320)은 상기 제 2 계면(333)에서는, 갈륨과 인듐의 합에 대한 갈륨의 중량%가 약 15 중량% 내지 약 20 중량%일 수 있고, 상기 제 3 계면(333)에서는, 갈륨과 인듐의 합에 대한 갈륨의 중량%가 약 37 중량% 내지 약 42 중량%가 되도록 갈륨의 양이 변화될 수 있다.
즉, 상기 제 2 광 흡수층(320)에서는 상기 제 3 계면(333) 즉, 상기 버퍼층(400)으로 연장될수록 갈륨의 양이 점차적으로 증가될 수 있다. 다시 말해, 상기 제 2 광 흡수층(320)에서는 갈륨과 인듐의 합에 대한 갈륨의 중량%가 약 37 중량% 내지 약 42 중량% 일 수 있다.
이에 따라, 상기 버퍼층 특히, ZnO 또는 Zn(O,S)를 버퍼층으로 이용하는 경우, 에너지 밴드갭 차이에 따른 광 흡수층과 버퍼층의 에너지 밴드갭 미스매치를 감소시킬 수 있다. 상기 제 2 광 흡수층(320)에서 갈륨과 인듐의 합에 대한 갈륨의 중량%가 약 37 중량% 미만인 경우, 광 흡수층과 버퍼층과의 에너지 밴드갭 차이로 밴드갭 미스매치가 발생할 수 있고, 갈륨과 인듐의 합에 대한 갈륨의 중량%가 약 42 중량%를 초과하는 경우, 광 흡수층에서 투과되는 광량이 저하되어 효율이 저하될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제 1 광 흡수층(310) 및 상기 제 2 광 흡수층(320) 사이에는 제 3 광 흡수층이 더 형성되어, 상기 광 흡수층(300)에는 제 1 계면, 제 2 계면, 제 3 계면 및 제 4 계면이 형성될 수 있다.
즉, 상기 제 1 계면은 상기 후면 전극층과 상기 제 1 광 흡수층의 계면일 수 있고, 상기 제 2 계면은 상기 제 1 광 흡수층과 상기 제 3 광 흡수층의 계면일 수 있으며, 상기 제 3 계면은 상기 제 3 광 흡수층과 상기 제 2 광 흡수층의 계면일 수 있고, 상기 제 4 계면은 상기 제 2 광 흡수층과 상기 버퍼층의 계면일 수 있다.
이 경우, 도 5에 도시되어 있듯이, 상기 광 흡수층(300)은 상기 제 1 광 흡수층에서는 갈륨의 양이 감소하고, 상기 제 2 광 흡수층에서는 갈륨의 양이 일정하게 유지되며, 상기 제 3 광 흡수층에서는 갈륨의 양이 증가될 수 있다
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는 에너지 밴드갭이 변화될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는 상기 버퍼층(400) 방향으로 갈수록 에너지 밴드갭이 감소될 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는 상기 제 2 광 흡수층(320) 방향으로 갈수록 에너지 밴드갭이 감소될 수 있다. 즉, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는, 상기 제 1 계면(331)에서 상기 제 2 계면(332)으로 연장될수록 에너지 밴드갭이 감소될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는, 에너지 밴드갭이 약 1.26 eV 내지 약 1.40 eV에서 약 1.10 eV 내지 약 1.14 eV로 변화될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 광 흡수층(310)은 상기 제 1 계면(331)에서는, 에너지 밴드갭이 약 1.26 eV 내지 약 1.40 eV일 수 있고, 상기 제 2 계면(332)에서는, 에너지 밴드갭이 약 1.10 eV 내지 약 1.14 eV가 되도록 밴드갭이 변화될 수 있다.
즉, 상기 제 1 광 흡수층(310)에서는 상기 제 2 계면(332) 즉, 상기 제 2 광 흡수층(320)으로 연장될수록 에너지 밴드갭이 점차적으로 감소될 수 있다.
상기 제 2 광 흡수층(320)에서는 에너지 밴드갭이 변화될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 광 흡수층(320)에서는 상기 버퍼층(400) 방향으로 갈수록 에너지 밴드갭이 증가될 수 있다. 즉, 상기 제 2 광 흡수층(320)에서는, 상기 제 2 계면(332)에서 상기 제 3 계면(333)으로 연장될수록 에너지 밴드갭이 증가될 수 있다.
상기 제 2 광 흡수층(320)에서는, 에너지 밴드갭이 약 1.10 eV 내지 약 1.14 eV에서 약 1.24 eV 내지 약 1.27 eV로 변화될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 광 흡수층(320)은 상기 제 2 계면(332)에서는, 에너지 밴드갭이 약 1.10 eV 내지 약 1.14 eV일 수 있고, 상기 제 3 계면(333)에서는, 에너지 밴드갭이 약 1.24 eV 내지 약 1.27 eV가 되도록 에너지 밴드갭이 변화될 수 있다.
즉, 상기 제 2 광 흡수층(320)에서는 상기 제 3 계면(333) 즉, 상기 버퍼층(400)으로 연장될수록 에너지 밴드갭이 점차적으로 증가될 수 있다. 다시 말해, 상기 제 2 광 흡수층(320)에서는 상기 에너지 밴드갭이 약 1.24 eV 내지 약 1.27 eV를 가진다.
이에 따라, 상기 버퍼층 특히, ZnO 또는 Zn(O,S)를 버퍼층으로 이용하는 경우, 에너지 밴드갭 차이에 따른 광 흡수층과 버퍼층의 에너지 밴드갭 미스매치를 감소시킬 수 있다. 상기 제 2 광 흡수층(320)에서 에너지 밴드갭이 1.24 eV 미만인 경우, 버퍼층과의 에너지 밴드갭 차이로 광 흡수층과 버퍼층의 밴드갭 미스매치가 발생할 수 있고, 에너지 밴드갭이 1.27 eV 을 초과하는 경우, 광 흡수층에서 투과되는 광량이 저하되어 효율이 저하될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제 1 광 흡수층(310) 및 상기 제 2 광 흡수층(320) 사이에는 제 3 광 흡수층이 더 형성되어, 상기 광 흡수층(300)에는 제 1 계면, 제 2 계면, 제 3 계면 및 제 4 계면이 형성될 수 있다.
즉, 상기 제 1 계면은 상기 후면 전극층과 상기 제 1 광 흡수층의 계면일 수 있고, 상기 제 2 계면은 상기 제 1 광 흡수층과 상기 제 3 광 흡수층의 계면일 수 있으며, 상기 제 3 계면은 상기 제 3 광 흡수층과 상기 제 2 광 흡수층의 계면일 수 있고, 상기 제 4 계면은 상기 제 2 광 흡수층과 상기 버퍼층의 계면일 수 있다.
이 경우, 도 7에 도시되어 있듯이, 상기 광 흡수층(300)은 상기 제 1 광 흡수층에서는 에너지 밴드갭이 감소하고, 상기 제 2 광 흡수층에서는 에너지 밴드갭이 일정하게 유지되며, 상기 제 3 광 흡수층에서는 에너지 밴드갭이 증가될 수 있다.
상기 제 1 광 흡수층(310)과 상기 제 2 광 흡수층(320)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 광 흡수층(310)은 상기 제 2 광 흡수층(320)보다 더 큰 두께를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 광 흡수층(300)은 광 흡수층로 입사되는 광의 투과율과 버퍼층과의 밴드갭 미스매치의 감소를 적절하게 제어할 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 버퍼층(400)은 상기 제 2 광 흡수층(320) 상에 배치될 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 상기 제 2 광 흡수층(320)과 직접 접촉할 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 ZnS 또는 Zn(O,S)를 포함할 수 있다. 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 약 3.5eV일 수 있다.
상기 버퍼층(400) 상에는 제 2 관통홈(TH2)들이 형성될 수 있다. 상기 제 2 관통홈(TH2)들은 상기 후면 전극층(200)의 상면을 노출하는 오픈 영역일 수 있다. 상기 제 2 관통홈(TH2)들은 평면에서 보았을 때, 일 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다. 상기 제 2 관통홈(TH2)들의 폭은 약 80㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있으나, 실시예는 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 버퍼층(400)은 상기 제 2 관통홈(TH2)들에 의해서, 다수 개의 버퍼층들로 정의될 수 있다. 즉, 상기 버퍼층(400)은 상기 제 2 관통홈(TH2)들에 의해서, 다수 개의 버퍼층들로 구분될 수 있다.
상기 전면 전극층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치될 수 있다. 상기 전면 전극층(500)은 투명하며 도전층일 수 있다. 또한, 상기 전면 전극층(500)의 저항은 상기 후면 전극층(500)의 저항보다 높을 수 있다.
상기 전면 전극층(500)은 산화물을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 전면 전극층(500)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnC;AZO), 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide;IZO) 또는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide;ITO) 등을 들 수 있다.
상기 전면 전극층(500)은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 내부에 위치하는 접속부(600)들을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층(400) 및 상기 전면 전극층(500)에는 제 3 관통홈(TH3)들이 형성될 수 있다. 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 버퍼층(400)의 일부 또는 전부 및 상기 전면 전극층(500)을 관통할 수 있다. 즉, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 후면 전극층(200)의 상면을 노출시킬 수 있다.
상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들에 인접하는 위치에 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 옆에 배치될 수 있다. 즉, 평면에서 보았을 때, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 옆에 나란히 배치될 수 있다. 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 1 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 상기 전면 전극층(500)은 다수 개의 전면 전극들로 구분될 수 있다. 즉, 상기 전면 전극들은 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서 정의될 수 있다.
상기 전면 전극들은 상기 후면 전극들과 대응되는 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전면 전극들은 스트라이프 형태로 배치될 수 있다. 이와는 다르게, 상기 전면 전극들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 다수 개의 태양전지들(C1, C2...)이 정의된다. 더 자세하게, 상기 제 2 관통홈(TH2)들 및 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 상기 태양전지들(C1, C2...)이 정의된다. 즉, 상기 제 2 관통홈(TH2)들 및 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 실시예에 따른 태양전지는 상기 태양전지들(C1, C2...)로 구분된다. 또한, 상기 태양전지들(C1, C2...)은 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 서로 연결된다. 즉, 상기 태양전지들(C1, C2...)을 통하여 상기 제 2 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
즉, 상기 태양전지 패널(10)은 상기 지지기판(100) 및 상기 태양전지들(C1, C2...)을 포함할 수 있다. 상기 태양전지들(C1, C2...)은 상기 지지기판(100) 상에 배치되고, 서로 이격된다. 또한, 상기 태양전지들(C1, C2...)은 상기 접속부(600)들에 의해서 서로 직렬로 연결될 수 있다.
상기 접속부(600)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 내측에 배치될 수 있다. 상기 접속부(600)들은 상기 전면 전극층(500)으로부터 하방으로 연장되며, 상기 후면 전극층(200)에 접속될 수 있다. 예를 들어, 상기 접속부(600)들은 상기 제 1 셀(C1)의 전면전극으로부터 연장되어, 상기 제 2 셀(C2)의 후면전극에 접속될 수 있다.
따라서, 상기 접속부(600)들은 서로 인접하는 태양전지들을 연결할 수 있다. 더 자세하게, 상기 접속부(600)들은 서로 인접하는 태양전지들에 각각 포함된 전면 전극과 후면 전극을 연결할 수 있다.
상기 접속부(600)들은 상기 전면 전극층(600)과 일체로 형성될 수 있다. 즉, 상기 접속부(600)들로 사용되는 물질은 상기 전면 전극층(500)으로 사용되는 물질과 동일할 수 있다.
실시예에 따른 태양전지는 광 흡수층에서 갈륨의 양을 제어할 수 있다. 또는 상기 광 흡수층에서 에너지 밴드갭 범위를 제어할 수 있다.
종래에는, 버퍼층으로서 CdS를 사용하였으나, 최근에는 카드뮴 등의 부작용에 따른 환경 오염 문제로 ZnS 또는 Zn(0,S) 등을 버퍼층으로 이용하고 있다. 상기 ZnS 또는 Zn(0,S) 등의 경우 환경 오염 문제는 해결할 수 있으나, CdS에 비해 더 큰 에너지 밴드갭을 가지고 있어, 광 흡수층과 밴드 미스매칭(band missmatching)이 발생하여 효율이 저하될 수 있는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 실시예에 따른 태양전지는 광 흡수층과 버퍼층의 계면에서 갈륨의 양을 제어하여 에너지 밴드갭을 증가시킨다. 즉, 광 흡수층과 버퍼층의 계면에서 에너지 밴드갭을 증가시켜, 에너지 밴드갭이 큰 ZnS 또는 Zn(0,S)를 버퍼층으로 이용할 때, 이로 인한 버퍼층과 광 흡수층의 에너지 밴드갭의 미스매치를 감소시킬 수 있다. 또한, 밴드갭의 증가에 따라 개방 전압(Voc)를 향상시킬 수 있다.
따라서, 실시에에 따른 태양전지는, 광 흡수층과 버퍼층의 계면에서 갈륨의 양을 제어하여 에너지 밴드갭의 범위를 최적화함으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 14를 참조하여, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명한다. 도 8 내지 도 14는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 8을 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면 전극층(200)이 형성된다.
이어서, 도 9를 참조하면, 상기 후면 전극층(200)은 패터닝되어 제 1 관통홈(TH1)들이 형성된다. 이에 따라서, 상기 지지기판(100) 상에 다수 개의 후면 전극들, 제 1 연결 전극 및 제 2 연결 전극이 형성된다. 상기 후면 전극층(200)은 레이저에 의해서 패터닝된다.
상기 제 1 관통홈(TH1)들은 상기 지지기판(100)의 상면을 노출하며, 약 80㎛ 내지 약 200㎛의 폭을 가질 수 있다.
또한, 상기 지지기판(100) 및 상기 후면 전극층(200) 사이에 확산 방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있고, 이때, 상기 제 1 관통홈(TH1)들은 상기 추가적인 층의 상면을 노출하게 된다.
이어서, 도 10을 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과, 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 후면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이때, 공정 온도 또는 갈륨의 양을 제어하여 상기 광 흡수층(300) 내에서 갈륨의 분포를 제어할 수 있다. 즉, 앞서 설명하였듯이, 상기 광 흡수층(300)에서는 갈륨의 양이 감소하는 구간인 제 1 광 흡수층 및 갈륨의 양이 증가하는 구간인 제 2 광 흡수층이 정의될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
이후, 도 11을 참조하면, 산화아연(ZnO)이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath depositon;CBD) 등에 의해서 증착되고, 상기 버퍼층(400)이 형성된다.
이어서, 도 12를 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)의 일부가 제거되어 제 2 관통홈(TH2)들이 형성된다. 상기 제 2 관통홈(TH2)들은 팁 등의 기계적인 장치 또는 레이저 장치 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 약 40㎛ 내지 약 180㎛의 폭을 가지는 팁에 의해서, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)은 패터닝될 수 있다. 또한, 상기 제 2 관통홈(TH2)들은 약 200㎚ 내지 약 600㎚의 파장을 가지는 레이저에 의해서 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 2 관통홈(TH2)들의 폭은 약 100㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 제 2 관통홈(TH2)들은 상기 후면전극층(200)의 상면의 일부를 노출하도록 형성된다.
이어서, 도 13을 참조하면, 상기 버퍼층(400) 상에 투명한 도전물질이 증착되어 전면 전극층(500)이 형성된다.
상기 전면 전극층(500)은 무산소 분위기에서 상기 투명한 도전물질이 증착되어 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 전면 전극층(500)은 산소를 포함하지 않는 불활성 기체 분위기에서 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드가 증착되어 형성될 수 있다.
상기 전면 전극층을 형성하는 단계는, RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법 또는 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 방법으로 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드를 증착하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 14를 참조하면, 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400) 및 상기 전면 전극층(500)의 일부가 제거되어 제 3 관통홈(TH3)들이 형성된다. 이에 따라서, 상기 전면 전극층(500)은 패터닝되어, 다수 개의 전면전극들 및 제 1 셀(C1), 제 2 셀(C2) 및 제 3 셀들(C3)이 정의된다. 상기 제 3 관통홈(TH3)들의 폭은 약 80㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (12)
- 지지기판;
상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층;
상기 후면 전극층 상에 배치되고, 갈륨을 포함하는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고,
상기 광 흡수층은, 00
상기 후면 전극층 상에 배치되는 제 1 광 흡수층; 및
상기 제 1 광 흡수층 상에 배치되는 제 2 광 흡수층을 포함하고,
상기 제 1 광 흡수층은, 상기 제 2 광 흡수층으로 갈수록 상기 갈륨의 양이 감소하고.
상기 제 2 광 흡수층은, 상기 버퍼층으로 갈수록 상기 갈륨의 양이 증가하는 태양전지. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 광 흡수층 및 상기 제 2 광 흡수층은 인듐을 더 포함하고,
상기 제 1 광 흡수층에서는, 상기 갈륨 및 상기 인듐의 합에 대한 상기 갈륨의 중량%가 40 중량% 내지 60 중량%에서 15 중량% 내지 20 중량%로 감소하고,
상기 제 2 광 흡수층에서는, 상기 갈륨 및 상기 인듐의 합에 대한 상기 갈륨의 중량%가 15 중량% 내지 60 중량%에서 15 중량% 내지 20 중량%로 감소하는 태양전지. - 제 2항에 있어서,
상기 광 흡수층은 구리 및 셀레늄을 더 포함하고,
상기 버퍼층은 산화아연(ZnO)을 포함하는 태양전지. - 제 3항에 있어서,
상기 제 1 광 흡수층의 두께는 상기 제 2 광 흡수층의 두께보다 더 큰 태양전지. - 지지기판;
상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층;
상기 후면 전극층 상에 배치되고, 갈륨을 포함하는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고,
상기 광 흡수층은,
상기 후면 전극층 상에 배치되는 제 1 광 흡수층; 및
상기 제 1 광 흡수층 상에 배치되는 제 2 광 흡수층을 포함하고,
상기 제 1 광 흡수층은,
상기 후면 전극층과 상기 제 1 광 흡수층 사이에 형성되는 제 1 계면; 및
상기 제 1 광 흡수층과 상기 제 2 광 흡수층 사이에 형성되는 제 2 계면을 포함하고,
상기 제 2 광 흡수층은,
상기 제 2 광 흡수층과 상기 제 1 광 흡수층 사이에 형성되는 제 2 계면; 및
상기 제 2 광 흡수층과 상기 버퍼층 사이에 형성되는 제 3 계면을 포함하고,
상기 제 1 광 흡수층은, 상기 제 1 계면에서 상기 제 2 계면으로 갈수록 상기 갈륨의 양이 감소하고.
상기 제 2 광 흡수층은, 상기 제 2 계면에서 상기 제 3 계면으로 갈수록 상기 갈륨의 양이 증가하는 태양전지. - 제 5항에 있어서,
상기 제 1 광 흡수층 및 상기 제 2 광 흡수층은 인듐을 더 포함하고,
상기 제 1 광 흡수층에서는,
상기 제 1 계면에서, 상기 갈륨 및 상기 인듐의 합에 대한 상기 갈륨의 중량%는 40 중량% 내지 60 중량%이고,
상기 제 2 계면에서, 상기 갈륨 및 상기 인듐의 합에 대한 상기 갈륨의 중량%는 15 중량% 내지 20 중량%이며,
상기 제 2 광 흡수층에서는,
상기 제 2 계면에서, 상기 갈륨 및 상기 인듐의 합에 대한 상기 갈륨의 중량%는 15 중량% 내지 20 중량%이고,
상기 제 3 계면에서, 상기 갈륨 및 상기 인듐의 합에 대한 상기 갈륨의 중량%는 37 중량% 내지 42 중량%인 태양전지. - 제 6항에 있어서,
상기 광 흡수층은 구리 및 셀레늄을 더 포함하고,
상기 버퍼층은 산화아연(ZnO)을 포함하는 태양전지. - 제 7항에 있어서,
상기 제 1 광 흡수층의 두께는 상기 제 2 광 흡수층의 두께보다 더 큰 태양전지. - 지지기판;
상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층;
상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고,
상기 광 흡수층은,
상기 후면 전극층 상에 배치되는 제 1 광 흡수층; 및
상기 제 1 광 흡수층 상에 배치되는 제 2 광 흡수층을 포함하고,
상기 제 1 광 흡수층은, 상기 제 2 광 흡수층으로 갈수록 에너지 밴드갭이 감소하고.
상기 제 2 광 흡수층은, 상기 버퍼층으로 갈수록 에너지 밴드갭이 증가하는 태양전지. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 광 흡수층에서는 상기 제 2 광 흡수층으로 갈수록 상기 에너지 밴드갭이 1.26 eV 내지 1.40 eV에서 1.10 eV 내지 1.14 eV로 감소하고,
상기 제 2 광 흡수층에서는 상기 버퍼층으로 갈수록 상기 에너지 밴드갭이 1.10 eV 내지 1.14 eV에서 1.24 eV 내지 1.27 eV로 감소하는 태양전지. - 제 10항에 있어서,
상기 광 흡수층은 구리 및 셀레늄을 더 포함하고,
상기 버퍼층은 산화아연(ZnO)을 포함하는 태양전지. - 제 11항에 있어서,
상기 제 1 광 흡수층의 두께는 상기 제 2 광 흡수층의 두께보다 더 큰 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130111653A KR20150031883A (ko) | 2013-09-17 | 2013-09-17 | 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130111653A KR20150031883A (ko) | 2013-09-17 | 2013-09-17 | 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150031883A true KR20150031883A (ko) | 2015-03-25 |
Family
ID=53025293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR20130111653A KR20150031883A (ko) | 2013-09-17 | 2013-09-17 | 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20150031883A (ko) |
-
2013
- 2013-09-17 KR KR20130111653A patent/KR20150031883A/ko not_active Application Discontinuation
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