KR20150132787A - 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 원자층 증착법으로 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 원자층 증착법으로 형성된 제1전면전극층과 스퍼터링법으로 형성된 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경규제에 따라 탄소 배출량을 줄이기 위한 신재생 에너지 개발의 일환으로, 태양광을 전기에너지로 변환하므로 설치장소에 제약이 작고 쉽게 전력을 발전할 수 있는 태양전지가 주목받고 있다.
이러한 태양전지는 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제작되나, 일반적으로 단결정 실리콘이 광전변환 효율이 가장 높아 대규모 발전시스템 분야 등에서 널리 사용된다. 그러나, 이러한 단결정 실리콘은 제작공정이 복잡하고 가격이 높아 비경제적이다.
따라서, 비록 효율은 비교적 떨어지지만 저급의 실리콘 웨이퍼를 사용하는 다결정 실리콘으로 태양전지를 제조하는 방법이 개발되어 현재 주택용 발전시스템 등에 사용되고 있다. 그러나, 이 역시 공정이 복잡하고 최근 실리콘의 가격 급등으로 인한 원자재 가격의 단가 상승으로 인하여 태양전지 제조비용을 낮추는데 한계가 있다.
이에 따라, 최근에는 이를 극복하기 위한 박막형 태양전지로서, 다중접합구조의 비정질 실리콘을 사용하는 방법과, 칼코게나이드계 화합물 등의 화합물 반도체를 사용하는 방법이 개발되고 있다.
상기 칼코게나이드계 화합물 반도체 중 하나인 CIGS(CuInGaSe) 태양전지는 광흡수가 뛰어나고, 얇은 두께로도 높은 광전변환효율을 얻을 수 있으며, 전기 광학적 안정성이 우수하여 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지로 부각되고 있다.
일반적으로 CIGS 태양전지는 기판/후면전극층/광흡수층/버퍼층/전면전극층 구조를 포함한다.
이 중 버퍼층은 광흡수층과 전면전극층 간의 밴드갭 차이를 완충하는 동시에, 표면이 고르지 못한 다결정 광흡수층 박막의 표면에 고루 증착함으로써 최종 태양전지 소자상의 결함을 노출시키지 않도록 하는 역할을 한다. 이러한 버퍼층은 광흡수층에 입사하는 빛이 차단되는 것을 최대한 억제할 수 있도록 박막을 형성하는 것이 중요하다.
따라서 최근 버퍼층을 원자층 증착법에 의하여 형성하는 방안에 대하여 연구가 활발히 이루어지고 있는 실정이다.
한편, 태양전지의 경우 모노리식 집적화의 관점에서 전면전극층은 일정 두께를 만족하는 것이 필요한 바, 전면전극층은 스퍼터링법에 의해 형성하는 것이 일반적이다.
스퍼터링법에 의하여 전면전극층을 형성하는 과정에서, 플라즈마에 의하여 광흡수층의 손상이 일어나는 문제점이 있는데, 이를 방지하기 위해서 현재 버퍼층을 두껍게 하거나, 버퍼층과 전면전극층 사이에 투명저항층이라고 불리우는 비전도성의 추가층을 형성하는 기술이 제안된 바 있다.
그러나, 버퍼층을 두껍게 하는 경우 광흡수층에 도달하는 빛이 차단되어 효율이 크게 떨어지게 되며, 투명저항층을 추가로 형성하는 경우 공정상의 비효율의 문제가 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점에 착안하여, 기판; 상기 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성된 제1전면전극층과 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지를 제공한다.
더욱 구체적으로, 기판; 상기 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 원자층 증착법으로 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 원자층 증착법으로 형성된 제1전면전극층과 스퍼터링법으로 형성된 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지를 제공함으로써, 스퍼터링법에 의한 전면전극층 형성시 광흡수층의 손상이 최소화되며, 공정 효율도 개선된 효과를 얻고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 기판; 상기 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성된 제1전면전극층과 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지가 제공된다.
구체적으로는 기판; 상기 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 원자층 증착법으로 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 원자층 증착법으로 형성된 제1전면전극층과 스퍼터링법으로 형성된 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, (a) 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; (b) 상기 후면전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계; (c) 상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 버퍼층 상에 제1전면전극층을 형성하고, 상기 제1전면전극층 상에 제2전면전극층을 형성함으로써 상기 제1전면전극층 및 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법이 제공된다.
구체적으로는 (a) 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;(b) 상기 후면전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계; (c) 상기 광흡수층 상에 원자층 증착법으로 버퍼층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 버퍼층 상에 원자층 증착법으로 제1전면전극층을 형성하고, 상기 제1전면전극층 상에 스퍼터링법으로 제2전면전극층을 형성함으로써 상기 제1전면전극층 및 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 태양전지는 버퍼층 상에 원자층 증착법으로 형성된 제1전면전극층과 스퍼터링법으로 형성된 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 포함함으로써, 버퍼층의 두께가 최소화되었음에도 불구하고 제2전면전극층 형성시 발생할 수 있는 광흡수층의 손상을 최소화할 수 있고, 버퍼층의 두께를 최소화하는 것을 가능하게 하여 광전변환효율이 높은 효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 의하면, 버퍼층과 제1전면전극층의 형성이 모두 원자층 증착법에 의해 이루어지므로, 인-시추(in-situ) 방식이 가능하여 공정효율이 높아지고, 투명저항층 형성을 최소화하거나 생략하는 것이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
이하에서 기재의 “상 (또는 하)”에 임의의 구성이 형성된다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상 (또는 하)에 접하여 형성되는 것을 의미할 뿐만 아니라, 상기 기재와 기재 상 (또는 하) 형성된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성된 제1전면전극층과 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 포함한다.
더욱 구체적으로 본 발명의 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 원자층 증착법으로 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 원자층 증착법으로 형성된 제1전면전극층과 스퍼터링법으로 형성된 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지는 기판(10); 상기 기판 상에 형성된 후면전극층(20); 상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층(30); 상기 광흡수층 상에 원자층 증착법으로 형성된 버퍼층(40); 및 상기 버퍼층 상에 원자층 증착법으로 형성된 제1전면전극층(51)과 스퍼터링법으로 형성된 제2전면전극층(52)을 포함하는 하이브리드 전면전극층(50)을 포함한다.
상기 기판(10)은 일반적으로 유리 기판이 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속 기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime) 또는 고변형점 소다유리(high strained pointsoda glass) 기판을 사용할 수 있고, 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있으며, 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide) 기판을 사용할 수 있다.
상기 기판(10)은 투명할 수 있다. 상기 기판(10)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다.
상기 후면전극층(20)은 상기 기판(10) 상에 형성되고, 도전층으로서, Mo 등의 금속을 포함할 수 있다.
상기 후면전극층(20)은 하나의 층으로 이루어질 수도 있고, 2층 이상의 복수층으로 이루어질 수도 있다. 상기 후면전극층(20)이 2층 이상의 복수층으로 이루어지는 경우, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극층(20)의 형성은 스퍼터링, 진공증발법, 화학기상법, 원자층 증착법, 이온빔증착법, 스크린프린팅, 스프레이 딥코팅, 테이프개스팅 및 잉크젯으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 공지의 방법에 의한 것일 수 있다.
상기 후면전극층(20)의 두께는 0.1㎛ 내지 1㎛인 것이 바람직하고, 0.5㎛인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 광흡수층(30)은 광흡수층 물질로 CuInS2(CIS), CuGaS2(CGS), CuInSe2(CISe), CuGaSe2(CGSe), CuAlSe2(CASe), CuInTe2(CITe), CuGaTe2(CGTe), Cu(In, Ga)S2(CIGS), Cu(In, Ga)Se2(CIGSe), Cu2ZnSnS4(CZTS) 및 CdTe로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 칼코게나이드계 화합물을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 광흡수층 물질의 증착은 진공 증착에 의할 수 있고, 비진공 증착에 의할 수도 있다. 구체적으로, 상기 광흡수층 물질의 증착은 진공 증착에 의한 것으로, 스퍼터링, 진공증발법, 화학기상법, 원자층 증착법 및 이온빔증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법에 의할 수 있고, 상기 광흡수층 물질의 증착은 비진공 증착에 의한 것으로, 스크린프린팅, 스프레이 딥코팅, 테이프개스팅 및 잉크젯으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법에 의할 수도 있다.
상기 광흡수층 물질의 증착과 동시, 또는 이후에 열처리를 할 수 있는데, 상기 열처리는 Se 분위기 또는 S 분위기 하에 수행될 수 있고, 상기 열처리는 300? 내지 600?에서 30분 내지 1시간 동안 수행될 수 있다.
예를 들어, Cu, In, Ga, Se 전구체(precursor)를 스퍼터링 방법에 의해 증착하고, 열처리 챔버에서 H2Se나 H2S 가스를 이용하여 열처리하여 셀렌화(selenization)시켜 Cu(In, Ga)S2(CIGS) 칼코게나이드계 화합물을 포함하는 광흡수층(30)을 형성할 수도 있고, Cu, In, Ga, Se 소스(source)가 고체 형태로 들어있는 도가니를 가열시켜 열처리하면서, 고진공 분위기에서 동시에 증발시켜 Cu(In, Ga)S2(CIGS) 칼코게나이드계 화합물을 포함하는 광흡수층(30)을 형성할 수도 있다.
상기 버퍼층(40)은 상기 광흡수층(30) 상에 형성되는 것으로, 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 버퍼층(40)은 n형 반도체 층이고, 상기 광흡수층(30)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광흡수층(30) 및 버퍼층(40)은 pn 접합을 형성한다. 상기 광흡수층(30)과 전면전극층(50)은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(40)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
본 발명에서는 상기 버퍼층(40)으로 상기 광흡수층(30) 상에 원자층 증착법(atomic layer deposition; ALD)으로 형성된 Cd-free 버퍼층을 이용한다.
상기 버퍼층(40)은 CdS를 배제한 것을 특징으로 하는바, Cd-free 버퍼층인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 즉, Cd-free 버퍼층이라 함은 환경 규제를 받지 않는 친환경 공정이 가능하도록 카드뮴이 포함되지 않은 버퍼층을 말한다.
상기 버퍼층(40)이 Cd-free 버퍼층으로, Zn(O, S)의 조성을 포함하는 경우, Zn, S, Zn, O의 원자층이 원자층 증착법에 의해 반복 적층되어 형성될 수 있다. 이때, 버퍼층(40) 내 O:S의 몰비가 3:1~10:1일 수 있다.
상기 버퍼층(40)의 밴드갭 에너지는 3.2 eV 내지 3.6eV인 것이 바람직하고, 3.25 eV 내지 3.55eV인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 버퍼층(40)이 ZnO의 조성만 포함하는 경우에는 밴드갭 에너지가 3.2 eV이고, 상기 버퍼층(40)이 ZnS의 조성만 포함하는 경우에는 밴드갭 에너지가 3.6 eV인바, 버퍼층(40) 내 O:S의 몰비를 조절함으로써 상기 범위의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다.
상기 버퍼층(40)의 두께는 일반적으로 3nm 내지 100nm인 것이 바람직하나, 본 발명의 경우 플라즈마 손상을 최소화 수 있으므로 버퍼층의 두께를 최소화하는 것이 가능하다. 즉, 3nm~10nm의 범위를 구현하는 것이 가능하다. 이때, 버퍼층(40)의 두께가 상기 범위 미만인 경우, 버퍼층(40)이 균일하게 형성되지 않아 전면전극층(50)과 광흡수층(30)이 접촉하는 부분이 생기며 이로 인해 광전변환효율이 감소되는 문제점이 있고, 버퍼층(40)의 두께가 상기 범위를 초과하는 경우, 버퍼층(40)의 투과도가 감소하여 광흡수층(30)으로 들어오는 광량이 감소하여 광전환변환효율이 감소되는 문제점이 있다. 특히, 버퍼층(40)의 두께를 10nm 이하로 형성함으로써, 제조 공정시, 효율성(throughput) 향상 및 캐패시티-업(capacity-up) 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 버퍼층(40)을 형성한 후 버퍼층(40) 표면을 열처리하고 세정할 수 있다. 이 경우 알칼리 화합물(Na-O, Na-Se-O) 확산에 의한 션트저항(R shunt)을 증가시켜 충전인자(FF)를 높일 수 있다.
증착이 완료된 버퍼층(40)은 원자층 증착법(ALD) 산화제, H2O, H2O2, O3 등 외기에 노출되는데, 버퍼층(40) 표면에는 기판(10)이 함유하고 있는 Na이 확산되어, 불순물에 해당하는 알칼리 화합물(Na-O, Na-Se-O)이 존재하게 되는바, 이를 제거함으로써 태양전지의 성능 저하를 막을 필요성이 요구된다.
본 발명에 따라, 표면 열처리하고 세정하는 단계는 버퍼층(40)을 형성한 후 버퍼층(40) 표면에서 이루어질 수 있는데, 버퍼층(40) 표면의 불순물에 해당하는 알칼리 화합물(Na-O, Na-Se-O)을 제거하여 태양전지의 개방전압(Voc) 및 충전 인자 (Fill Factor)을 높일 수 있다.
상기 표면 열처리는 공기(air), N2, Ar, O2, H20 및 H2O2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 가스 분위기 하에 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 표면 열처리는 100℃ 내지 250℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 표면 열처리가 100℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우, 버퍼층 표면에서 반응 활성화 에너지가 낮아 Na-O, Na-Se-O등 알칼리 화합물이 충분히 형성되지 않는 문제점이 있고, 표면 열처리가 250℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우, 버퍼층 표면에서 과도한 반응 활성화로 인해 과도한 표면 산화가 진행되어 산화층이 형성됨으로써 태양 전지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
상기 표면 열처리는 1분 내지 30분 동안 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 표면 열처리가 1분 미만으로 수행되는 경우, 버퍼층 표면에서 반응 활성화 에너지가 낮아 Na-O, Na-Se-O등 알칼리 화합물이 충분히 형성되지 않는 문제점이 있고, 표면 열처리가 30분을 초과하여 수행되는 경우, 버퍼층 표면에서 과도한 반응 활성화로 인해 과도한 표면 산화가 진행되어 산화층이 형성됨으로써 태양 전지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이때, 상기 표면 열처리는 Ex-situ 또는 In-situ에서 수행될 수 있고, 진공 또는 상압에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 세정은 세정용액에 의하거나, 세정 가스 및 플라즈마 중 하나 이상을 공급하여 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 세정은 NH4OH, HNO3, HCl, H2SO4, NH4F, HF, H2O2, CdSO4, KCN 및 DI-water로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 세정용액에 의할 수 있다.
즉, 상기 세정 용액은 NH4OH, HNO3, HCl, H2SO4, NH4F, HF, H2O2, CdSO4, KCN 및 DI-water로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 세정 용액은 버퍼층(40) 표면의 불순물에 해당하는 알칼리 화합물(Na-O, Na-Se-O)을 제거하는 역할을 한다.
상기 세정은 세정 용액의 종류에 따라 온도 범위는 변화될 수 있으나, 25℃ 내지 120℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 버퍼층(40) 표면의 처리가 25℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우, 세정 용액과 버퍼층(40) 표면의 반응성 불량으로 인해 버퍼층(40) 표면이 세정이 되지 않거나 일부만 세정되는 문제점이 있고, 세정이 120℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우, 세정 용액과 버퍼층(40) 표면의 과도한 반응으로 인한 버퍼층(40) 표면의 과도한 세정으로 인해 버퍼층(40)의 두께를 감소시키고, 버퍼층(40) 조성의 변화를 유발하여 태양전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
상기 세정 용액이 H2SO4 또는 H2O2인 경우에는 90℃ 내지 120℃의 온도에서 수행되는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 세정은 30초 내지 5분 동안 수행되는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 세정 시간이 30초 미만으로 수행되는 경우, 세정 용액과 버퍼층(40) 표면의 반응성 불량으로 인해 광흡수층 표면이 세정이 되지 않거나 일부만 세정되는 문제점이 있고, 세정 시간이 5분을 초과하여 수행되는 경우, 세정 용액과 버퍼층(40) 표면의 과도한 반응으로 인하여 버퍼층(40)의 두께를 감소시키고, 버퍼층(40) 조성의 변화를 유발하여 태양전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상기 세정은 세정 가스 및 플라즈마 중 하나 이상을 공급하여 이루어질 수 있다.
상기 세정 가스는 NH3, ClF3, F2, H2O, O2, N2O, NF3 및 N2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하고, NH3, ClF3 및 F2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 세정 가스의 흐름량은 30sccm 내지 5000sccm인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 세정 가스의 흐름량은 챔버의 크기에 따라 결정되는 것으로, 세정 가스의 흐름량이 30sccm 미만인 경우, 미량의 세정 가스로 인한 세정 균일도가 불량이 되는 문제점이 있고, 세정 가스의 흐름량이 5000sccm을 초과하는 경우, 과도한 가스 주입으로 인한 와류(turbulence gas flow)가 형성되어 세정 균일도가 불량이 되고, 버퍼층(40)의 과도한 세정으로 인해 태양전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
상기 세정 가스의 흐름시간은 1분 내지 60분인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 세정 가스의 흐름시간은 챔버의 크기에 따라 결정되는 것으로, 세정 가스의 흐름시간이 1분 미만인 경우, 미량의 세정 가스로 인한 세정 균일도가 불량이 되는 문제점이 있고, 세정 가스의 흐름시간이 60분을 초과하는 경우, 제1전면전극층(51)의 과도한 세정으로 인해 태양전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
플라즈마란 기체 상태의 분자들이 일정량의 고에너지를 흡수하여 전기적 성질을 띤 입자(음이온, 양이온, 전자, 라디칼)와 전기적 중성인 입자로 존재하는 것을 말한다. 이는 높은 에너지의 반응성이 높은 상태로 존재하며 다른 물질과 빠르게 반응하는 특성이 있다.
상기 플라즈마는 Ar, N2, O2, H2O, H2, He, CH4, NH3, CF4, C2H2 및 C3H8으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 반응 가스에 의해 형성되는 것이 바람직하고, Ar 및 N2로 이루어진 혼합 반응 가스에 의해 형성되는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 상기 플라즈마는 챔버 내 Ar, N2, O2, H2O, H2, He, CH4, NH3, CF4, C2H2 및 C3H8으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 반응 가스 또는 Ar 및 N2로 이루어진 혼합 반응 가스를 공급한 후 전원을 가하여 진공 또는 대기압에서 발생된 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 플라즈마의 흐름시간은 1분 내지 30분인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 플라즈마의 흐름시간이 1분 미만인 경우, 버퍼층(40)의 불충분한 세정으로 인한 세정 균일도가 불량이 되는 문제점이 있고, 플라즈마의 흐름시간이 30분을 초과하는 경우, 과도한 이온 충격(ion bombardment)로 인한 버퍼층(40)의 과도한 세정으로 인해 태양전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
상기 세정은 세정 가스 및 플라즈마를 동시에 공급하여 이루어지는 경우, 가장 효율적이다.
상기 세정은 25℃ 내지 120℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 세정이 25℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우, 세정 가스 및 플라즈마 중 하나 이상과 버퍼층(40)의 반응성 불량으로 인해 버퍼층(40) 표면의 세정이 되지 않거나 일부만 세정이 되는 문제점이 있고, 버퍼층(40) 표면의 처리가 120℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우, 세정 가스 및 플라즈마 중 하나 이상과 버퍼층(40) 표면의 과도한 반응성으로 인한 버퍼층(40) 표면의 과도한 세정으로 인해 태양전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
상기 세정은 30초 내지 5분 동안 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 세정이 30초 미만 동안 수행되는 경우, 세정 가스 및 플라즈마 중 하나 이상과 버퍼층(40)의 반응성 불량으로 인해 버퍼층(40) 표면의 세정이 되지 않거나 일부만 세정이 되어 균일도가 불량해지는 문제점이 있고, 세정이 5분 초과 시간 동안 수행되는 경우, 세정 가스 및 플라즈마 중 하나 이상과 버퍼층(40) 표면의 과도한 반응으로 인한 버퍼층(40) 표면의 과도한 세정으로 인해 하부 광흡수층-버퍼층 계면에 데미지를 주어 태양 전지 디바이스의 성능이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 버퍼층(40)을 형성한 후, 표면을 열처리하고 세정함으로써 버퍼층(40) 표면의 불순물을 제거하여 개방전압(Voc) 및 충전 인자 (Fill Factor)를 높일 수 있고, 알칼리 화합물 확산에 의한 션트저항(R shunt)을 증가시켜 충전인자(FF)를 높일 수 있다.
상기 하이브리드 전면전극층(50)은 상기 버퍼층(40) 상에 형성되는 것으로, 상기 전면전극층(50)은 상기 광흡수층(30)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 스퍼터링 등에 의하여 AZO, Ti-ZnO, ZTO, IGO, IGZO, ITO 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 전면전극층(50)은 원자층 증착법으로 형성되는 제1 전면전극층(51); 및 상기 제1전면전극층(51) 상에 스퍼터링법으로 형성되는 제2전면전극층(52)을 포함하는 하이브리드 형태이다.
즉, 상기 하이브리드 전면전극층(50)은 그 형성 방법이 제1전면전극층(51)의 경우 원자층 증착법, 제2전면전극층(52)의 경우 스퍼터링법에 의하는바, 이종의 방법이 혼합되어 있으므로 본 발명에서는 이를 통틀어 “하이브리드 전면전극층(50)”이라 명명한다.
본 발명에서 상기 하이브리드 전면전극층(50)은, 제1전면전극층(51)과 제2전면전극층(52)을 포함하는데, 제1전면전극층(51)과 제2전면전극층(52)는 다음과 같은 특징을 가지므로, 서로 구별이 가능하다.
알루미늄 도핑된 ZnO를 예시로 하면, 먼저, 제1전면전극층(51)은 스퍼터링 법에 의하여 형성되므로, 알루미늄 도핑된 ZnO층의 단면의 XRD 분석시 (100) 방향의 피크강도가 (002) 방향의 피크강도와 유사하다.
제2전면전극층(52)은 원자층 증착법에 의하여 형성되므로, 알루미늄 도핑된 ZnO층의 단면의 XRD 분석시 (002) 방향의 피크강도가 (100) 방향의 피크강도보다 우세하다.
또한, 제1전면전극층(51)은 원자층 증착법에 의하기 때문에 물리적 방법인 스퍼터링법에 의하여 형성한 제2전면전극층(52) 보다 탄소와 같은 불순물 함량이 높다.
상기 하이브리드 전면전극층(50)은 제1전면전극층(51)과 제2전면전극층(52) 사이에 존재하는 계면을 포함한다.
상기 제1전면전극층(51)은 원자층 증착법에 의해 형성한다. 버퍼층(40)도 원자층 증착법에 의해 형성하므로, 버퍼층(40)의 증착이 완료되면 인-시추(in-situ)로 제1전면전극층(51)의 형성이 가능하게 되어 공정의 효율이 상당히 증가하게 된다.
제1전면전극층(51)의 두께는 500nm이상, 바람직하게는 500nm 내지 1000nm이다. 제1전면전극층(51)의 두께를 500nm 이상으로 충분히 형성할 경우, 차후 증착방법을 스퍼터링법으로 바꾸어 제2전면전극층(52)을 형성할 때 플라즈마 파워를 최소한으로 유지할 수 있으므로, 플라즈마에 의한 광흡수층(30) 내지 제1전면전극층(51) 상부의 손상(결정질의 비정질화)에 따른 디바이스의 열화 현상을 막을 수 있다.
본 발명에 의하면, 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 상기 제1전면전극층(51)의 표면은 텍스처링 될 수 있다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 태양전지의 단면도다. 텍스처링은 표면에 요철을 형성하여 광포획 능력을 최대화하기 위한 것으로, 원자층 증착법에 의하여 제1전면전극층(51)을 형성한 후 동일 반응기 내에서 인-시추(in-situ)로 에칭가스를 흘려줌으로써 형성할 수 있다. 이 때 사용되는 가스는 ClF3, F2, NH3 등 일반적으로 건식 식각에 사용되는 가스가 사용될 수 있으며, 그 종류는 특별히 제한되지 않는다.
상기 제2전면전극층(52)은 제1전면전극층(51)과 동일한 물질, 즉 AZO, Ti-ZnO, ZTO, IGO, IGZO, ITO 중 선택된 1종 이상을 포함한다. 다만 제1전면전극층(51)과 달리, 스퍼터링법에 의하여 형성된다.
제1전면전극층(51)이 버퍼층(40) 형성 이후 인-시추(in-situ)로 원자층 증착법에 의하여 충분한 두께를 형성하게 되면, 후속 스퍼터링 공정에서는 제2전면전극층(52)의 두께를 최소화하는 것이 가능하게 된다. 이로써 스퍼터링 공정에 필요한 플라즈마 파워를, 두께 1000nm 기준, 600×1200mm2 size 대면적 패널의 경우, 5~6KW 범위로 최소화하는 것이 가능하게 되며, 따라서 광흡수층(30) 손상에 의한 효율 저하를 막을 수 있다.
제1전면전극층(51)이 버퍼층(40) 형성 이후 인-시추(in-situ)로 원자층 증착법에 의하여 충분한 두께를 형성하고 있으므로, 상기 제2전면전극층(52)을 형성하기 위한 후속 스퍼터링 공정 시간도 단축할 수 있게 된다. 구체적으로 공정 시간은, 두께 400nm 기준, 600×1200mm2 size 대면적 패널의 경우, 20분 내지 3O분 일 수 있다.
본 발명에 의할 경우, 스퍼터링법에 의하여만 전면전극층을 형성하는 경우에 비해서 플라즈마에 의한 손상을 최소화할 수 있으므로, 버퍼층(40)의 두께? 최소화하여 포함시키거나 버퍼층(40)과 전면전극층(50) 사이에 손상방지를 위한 투명저항층(60)을 생략하거나, 투명저항층(60)의 두께를 최소화하여 포함시킬 수 있다.
도 3은 투명저항층(60)이 형성된 본 발명의 다른 실시예에 의한 태양전지의 단면도로서, 투명저항층(60)은 버퍼층(40)과 전면전극층(50) 사이에 형성될 수 있다. 투명저항층(60)은 광투과율이 높은 i-ZnO로 형성하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않으며, 그 두께는 전지 효율측면에서 5~2Onm 인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예
1
소다라임 유리(sodalime glass) 기판 상에 제조된 Mo계 합금을 DC 스퍼터링 방법으로 코팅하여 0.5㎛의 후면전극층을 형성하였다. 후면전극층 상에 Cu, In, Ga 및 Se 전구체를 DC sputtering 방법으로 증착한 후, Se 분위기하에 550℃에서 30~60분 동안 열처리하여 2㎛의 CIGS계 화합물을 포함하는 광흡수층을 형성하였다. 광흡수층 상에 10nm의 Zn(O, S) 버퍼층을 원자층 증착법으로 형성하였고, in-situ로 버퍼층 상에 원자층 증착법으로 Al:ZnO층(제1전면전극층)을 600nm 형성하였다. 이후 제1전면전극층 상에 RF 스퍼터링 방법으로 400nm의 Al:ZnO층(제2전면전극층)을 코팅하여 제2전면전극층을 형성함으로써 태양전지를 최종 제조하였다.
실시예
2
실시예 1과 동일하게 태양전지를 제조하되, 제1전면전극층을 형성한 후 in-situ로 암모니아 가스를 이용하여 제1전면전극층의 표면을 식각하여 표면 거칠기(RMS(Root Mean Square) 값 또는 PV(Peak to Valley)값)를 30nm에서 100nm 범위를 가질 수 있도록 텍스처링 하였다.
실시예
3
실시예 1과 동일하게 태양전지를 제조하되, 버퍼층을 형성한 후 원자층 증착법으로 i-ZnO을 포함하는 투명저항층 10nm를 형성하였다. 그 이후 실시예 1과 동일하게 제1전면전극층, 제2전면전극층을 순차적으로 형성하였다.
실시예
4
실시예 1과 동일하게 태양전지를 제조하되, 원자층 증착법에 의하여 제1전면전극층을 형성하기 전에 공기(air) 분위기 하 200℃에서 5분 동안 표면 열처리하고, DI-water 로 이루어진 세정 용액 (300)㎖를 (RT)에서 (3)분 동안 공급하여 버퍼층 표면의 불순물을 제거하였다.
비교예
1
소다라임 유리(sodalime glass) 기판 상에 제조된 Mo계 합금을 DC 스퍼터링 방법으로 코팅하여 0.5㎛의 후면전극층을 형성하였다. 후면전극층 상에 Cu, In, Ga 및 Se 전구체를 DC sputtering 방법으로 증착한 후, Se 분위기하에 550℃에서 30~60분 동안 열처리하여 2㎛의 CIGS계 화합물을 포함하는 광흡수층을 형성하였다. 광흡수층 상에 10nm의 Zn(O, S) 버퍼층을 원자층 증착법으로 형성하였고, 이 후 RF 스퍼터링 방법으로 1000nm의 Al:ZnO박막을 형성하여 전면전극층을 형성함으로써 태양전지를 최종 제조하였다.
비교예
2
비교예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 버퍼층의 두께를 100nm로 형성하였다.
비교예
3
비교예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 버퍼층과 전면전극층 사이에 RF 스퍼터링 방법으로 50nm의 i-ZnO박막을 형성하였다.
평가
실시예 1~4 및 비교예 1~3에 따라 제조된 태양전지의 개방전압(Voc), 션트저항(R shunt), 광전변환효율을 평가하였고, 그 결과는 표 1에 나타내었다.
| 구분 | Voc (mV) |
Jsc (mA/cm2) |
R shunt (Ohm) |
Fill Factor (%) |
상대적 효율(%) |
| 실시예 1 | 620 | 35.50 | 2300 | 67.00 | 127.56 |
| 실시예 2 | 620 | 37.00 | 2300 | 67.00 | 132.95 |
| 실시예 3 | 620 | 35.00 | 2300 | 67.00 | 125.76 |
| 실시예 4 | 604 | 36.5 | 2349 | 68.5 | 130.63 |
| 비교예 1 | 580 | 33.22 | 1504 | 60.00 | 100.00 |
| 비교예 2 | 604 | 31.00 | 2200 | 65.00 | 105.28 |
| 비교예 3 | 590 | 32.00 | 2200 | 65.00 | 106.15 |
실시예 1과 비교예 1의 대비를 통해 본 발명의 하이브리드 전면전극층에 의한 태양전지가 광흡수층의 손상이 적어 광전변환효율이 상대적으로 우수한 사실을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1과 비교예 2, 3의 대비를 통해, 본 발명의 하이브리드 전면전극층에 의한 태양전지가 박막 구현이 가능하여 광전변환효율이 상대적으로 우수한 사실을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1과 실시예 2, 4의 대비를 통해, 본 발명의 하이브리드 전면전극층 중 제1전면전극층 상부를 텍스처링 하거나 세정처리 함으로써 개방전압이 높아지고, 션트저항이 낮아짐을 확인할 수 있었는바, 광전변환효율이 상대적으로 우수한 사실을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (16)
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 후면전극층;
상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 형성된 제1전면전극층과 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층;
을 포함하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 버퍼층 및 제1전면전극층은 원자층 증착법에 의하여 형성되고,
상기 제2전면전극층은 스퍼터링법에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1전면전극층은 상기 제2전면전극층 보다 불순물 함량이 높은 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 하이브리드 전면전극층은 상기 제1전면전극층과 제2전면전극층 사이에 존재하는 계면을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1전면전극층의 두께는 500nm 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1전면전극층은 표면이 텍스처링된 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 하이브리드 전면전극층은 AZO, Ti-ZnO, ZTO, IGO, IGZO, ITO 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 하이브리드 전면전극층과 상기 버퍼층 사이에 ZnO를 포함하는 투명저항층을 더 포함하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 버퍼층의 두께는 10nm 이하인 태양전지.
- (a) 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
(b) 상기 후면전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계;
(c) 상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 버퍼층 상에 제1전면전극층을 형성하고, 상기 제1전면전극층 상에 제2전면전극층을 형성함으로써 상기 제1전면전극층 및 제2전면전극층을 포함하는 하이브리드 전면전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 버퍼층 및 제1전면전극층은 원자층 증착법에 의하여 형성되고,
상기 제2전면전극층은 스퍼터링법에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 (d) 단계의 하이브리드 전면전극층의 형성은 인 시추(in-situ)로 진행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 버퍼층을 형성한 후, 버퍼층의 표면을 열처리하고 세정하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 (d) 단계에서 제1전면전극층을 형성한 후, 상기 제1전면전극층의 표면을 텍스처링하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 (d) 단계에서 제2전면전극층 형성시 플라즈마 파워는 두께 1000nm 기준, 600×1200mm2 size 대면적 패널의 경우, 5~6KW 인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 (d) 단계에서 제2전면전극층 형성시간은 두께 400nm 기준, 600×1200mm2 size 대면적 패널의 경우, 20~3O분인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140059240A KR20150132787A (ko) | 2014-05-16 | 2014-05-16 | 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140059240A KR20150132787A (ko) | 2014-05-16 | 2014-05-16 | 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150132787A true KR20150132787A (ko) | 2015-11-26 |
Family
ID=54847364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140059240A KR20150132787A (ko) | 2014-05-16 | 2014-05-16 | 하이브리드 전면전극층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20150132787A (ko) |
-
2014
- 2014-05-16 KR KR1020140059240A patent/KR20150132787A/ko not_active Application Discontinuation
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