KR20160031167A - Solar cells and manufacturing method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CIGS, 염료감응형과 같은 박막 태양전지는 물론 결정질 실리콘 태양전지에 자발분극 및/또는 잔류분극 특성을 가지는 결정성의 전기분극물질층을 설치함으로써 내장전계를 형성하여 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킨 태양전지의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a thin film solar cell such as a CIGS and a dye-sensitized solar cell, as well as a crystalline electro-polarizing material layer having spontaneous polarization and / To thereby improve the photoelectric conversion efficiency of the solar cell and a method of manufacturing the solar cell.
박막 태양전지 기술은 현재 가장 큰 시장점유율을 보이고 있는 결정질 Si 태양전지와 비교되는 차세대 태양전지 기술로서, 박막 태양전지는 결정질 Si 태양전지보다 효율은 높으면서, 저가로 제조할 수 있는 태양전지이다.Thin film solar cell technology is next generation solar cell technology compared with crystalline Si solar cell, which has the biggest market share at present. Thin film solar cell is a solar cell that can be manufactured at a lower cost and higher efficiency than crystalline Si solar cell.
박막 태양전지는 다양한 종류가 개발되고 있는데, 그 대표적인 예로 CIGS(Cu(In, Ga)Se2) 태양전지를 들 수 있다.A variety of thin-film solar cells are being developed, such as CIGS (Cu (In, Ga) Se 2 ) solar cells.
CIGS 태양전지란, 일반적인 유리를 기판으로 기판-배면 전극-광흡수층-버퍼층-전면 투명전극 등으로 이루어진 전지로서, 그 중 태양광을 흡수하는 광흡수층이 CIGS 또는 CIS(CuIn(S,Se)2)로 이루어진 전지를 의미한다. 상기 CIGS 또는 CIS 중, CIGS가 더 널리 사용되므로, 이하에서는 CIGS 태양전지에 대하여 설명하기로 한다.CIGS solar cells is, in a typical glass substrate substrate, the back electrode-light absorbing-buffer layer - the front transparent as a cell consisting of electrodes and the like, the light absorption layer CIGS or CIS (CuIn (S, Se) to absorb the sunlight of the second ). ≪ / RTI > Among CIGS or CIS, CIGS is more widely used, and therefore, a CIGS solar cell will be described below.
CIGS는 I-III-VI족 황동광(chalcopyrite)계 화합물 반도체로서 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 약 1×105cm-1로 반도체 중에서 가장 높은 편에 속하여, 두께 1㎛ 내지 2㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능한 물질이다.CIGS is a chalcopyrite compound semiconductor of I-III-VI family. It has a direct transition type energy bandgap and has a light absorption coefficient of about 1 × 10 5 cm -1 , To 2 [micro] m, it is possible to manufacture a solar cell with high efficiency.
CIGS 태양전지는 실외에서도 전기광학적으로 장기 안정성이 매우 우수하고, 복사선에 대한 저항력이 뛰어나므로 우주선용 태양전지에도 적합한 태양전지이다.CIGS solar cells are excellent for long-term electro-optic stability even outdoors, and have excellent resistance to radiation, making them suitable for spacecraft solar cells.
이러한 CIGS 태양전지는 일반적으로는 유리를 기판으로 사용하나, 유리 기판 이외에도 고분자(예: 폴리이미드) 또는 금속박막(예: 스테인리스강, Ti) 기판 위에 증착하여 플렉시블 태양전지 형태로 제조할 수도 있으며, 특히, 최근 박막 태양전지 중 가장 높은 19.5%의 에너지 변환 효율이 구현됨에 따라 실리콘 결정질 태양전지를 대체할 수 있는 저가형 고효율 박막형 태양전지로써 상업화 가능성이 아주 높은 태양전지로 알려져 있다.Such a CIGS solar cell generally uses glass as a substrate, but it can also be manufactured in the form of a flexible solar cell by depositing it on a substrate such as a polymer (for example, polyimide) or a metal thin film (for example, stainless steel, Ti) In particular, as the highest energy conversion efficiency of 19.5% of the recent thin film solar cells is realized, it is known as a low-cost, high-efficiency thin film type solar cell that can replace silicon crystalline solar cells and is highly commercialized.
CIGS는 양이온인 Cu, In, Ga과 음이온인 Se를 각각 다른 금속이온이나 음이온으로 대체하여 사용할 수 있으며, 이를 통칭하여 CIGS계 화합물 반도체로 표현할 수 있다. 대표적인 화합물은 Cu(In,Ga)Se2 이며, 이러한 CIGS계 화합물 반도체는 구성하고 있는 양이온(예: Cu, Ag, In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 등) 및 음이온(예: Se, S)의 종류와 조성을 변화시키면 결정격자 상수뿐만 아니라 에너지 밴드갭의 조절이 가능한 물질이다.CIGS can be replaced with CIGS compound semiconductors by replacing the positive ions Cu, In, Ga and an anion Se with different metal ions or anions, respectively. Representative compounds Cu (In, Ga) and Se 2, such a CIGS-based compound semiconductor is a cation that is configured (for example: Cu, Ag, In, Ga , Al, Zn, Ge, Sn , etc.) and anions (such as: Se, S) is a material which can control the energy bandgap as well as the crystal lattice constant by changing the kind and composition of the material.
그러므로 CIGS 물질을 포함하여 유사한 화합물 반도체 물질로 이루어지는 광흡수층을 사용할 수도 있다. 상기 광흡수층은 M1, M2, X(여기에서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 또는 이들의 조합이고, X는 Se, S 또는 이들의 조합임)및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 최근에는 저가형 화합물 반도체 물질로서 Cu2ZnSnS4(CZTS)나 Cu2SnxGeyS3(CTGS) 등의 물질을 사용하기도 한다(여기서 x, y는 임의의 양의 소수).Therefore, a light absorbing layer made of a similar compound semiconductor material including a CIGS material may be used. Wherein the light absorbing layer comprises at least one of M1, M2, X (where M1 is Cu, Ag or a combination thereof, M2 is In, Ga, Al, Zn, Ge, Combinations thereof), and combinations thereof. For example, in recent years, materials such as Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) and Cu 2 Sn x Ge y S 3 (CTGS) have been used as low-cost compound semiconductor materials (where x and y are arbitrary positive numbers).
한편, 종래의 박막 태양전지에 있어서도 압전소자(piezoelectric device)와의 융합을 통하여 효율을 더욱 증가시키기 위한 기술이 개발되고 있다.On the other hand, also in the conventional thin film solar cell, a technique for further increasing efficiency by fusion with a piezoelectric device has been developed.
예를 들어, Wang 등에 의한 하기 특허문헌 1에는 하이브리드 태양광 발전기(hybrid solar nanogenerator)에 있어서, 염료태양전지(dye-sensitized solar cell)의 전극에 직렬 또는 병렬로 ZnO 나노선(nanowire)을 이용한 압전 나노발전소자(piezoelectric nanogenerator)를 설치하여 기계적 진동에 의해 생성된 전하를 수집하여 광전류와 함께 발전량에 기여하도록 함으로써 효율을 개선하도록 하는 방법이 제시되어 있다. 그런데, 하기 특허문헌 1에 개시된 기술은 기계적 진동을 발생시키기 위한 에너지와 장치가 부수적으로 필요하므로 경제성이 떨어지는 단점이 있다.For example, the following patent document 1 by Wang et al. Discloses a hybrid solar nanogenerator, which uses a ZnO nanowire in series or in parallel with an electrode of a dye-sensitized solar cell, A method of improving the efficiency by arranging a piezoelectric nanogenerator to collect electric charges generated by mechanical vibration and contributing to a power generation amount together with a photocurrent is proposed. However, the technique disclosed in Patent Document 1 has a disadvantage in that it is economically disadvantageous because energy and apparatus for generating mechanical vibration are incidentally required.
또한, 하기 특허문헌 2에는, 전기장 향상 효과에 의하여 개선된 광전환 효율을 나타낼 수 있는 태양전지 기술이 개시되어 있는데, 이 기술은 박막 태양전지의 전극에 전계 방출 효과를 갖는 나노막대, 나노선 또는 나노튜브 등의 형태를 갖는 나노구조물을 포함하는 전계방출층을 설치하여 빛에 의하여 광활성층으로부터 발생된 전자와 정공을 각 전극으로 효과적으로 전달시킴으로써 태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위한 것이나, 실제 다양한 박막 태양전지에 적용한 결과, 효율 개선 효과는 미미한 반면, 나노구조물의 제작에 소요되는 공정비용이 증가하여, 특허문헌 1에 개시된 기술과 마찬가지로 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.In addition, the following Patent Document 2 discloses a solar cell technology capable of exhibiting light conversion efficiency improved by an electric field enhancement effect. This technology is applicable to nanorods, nanowires, or the like having a field emission effect on electrodes of thin film solar cells A field emission layer including a nanostructure having a shape of a nanotube or the like is provided to effectively transfer electrons and holes generated from the photoactive layer to each electrode by light to improve the photoelectric conversion efficiency of the solar cell, As a result of the application to the thin film solar cell, the efficiency improvement effect is insignificant, but the process cost required for fabricating the nanostructure is increased, which is inferior in economical efficiency as in the technique disclosed in Patent Document 1.
본 발명의 과제는 자발분극(spontaneous polarization)과 잔류분극(remanent polarization) 특성을 갖는 전기분극(electrical polarization) 물질을 광흡수층에 인접하여 설치함으로써 내장전계(built-in electric field)를 형성하여 광흡수에 의해 p-n접합 반도체 내에서 생성된 전자와 정공의 재결합(recombination)을 감소시키는 동시에 전극에의 수집(collection) 효율을 개선하여 효율을 증대시킬 수 있는 태양전지의 구조와 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a built-in electric field by providing an electrical polarization material having a spontaneous polarization and a remanent polarization property adjacent to a light absorption layer, Which can reduce the recombination of electrons and holes generated in the pn junction semiconductor and improve the collection efficiency to the electrode, thereby increasing the efficiency.
또한, 본 발명의 다른 과제는 상기 전기분극물질이 미소 결정(microcrystal) 또는 다결정(polycrystal)을 포함한 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a solar cell including the polycrystalline or polycrystalline material, and a method of manufacturing the same.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1측면은, 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 내장 전계를 형성하는 전기분극물질을 포함하는 전기분극층을 포함하고, 상기 전기분극물질이 결정질을 포함하여 이루어진 태양전지를 제공하는 것이다.According to a first aspect of the present invention, there is provided an electro-optical device comprising an electro-polarizing layer including an electro-polarizing material for forming a built-in electric field between two electrodes disposed opposite to each other, To provide a solar cell.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제2측면은, 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 내장 전계를 형성하는 전기분극물질을 포함하는 전기분극층과, 광흡수층을 포함하고, 상기 전기분극물질이 결정질을 포함하여 이루어진 태양전지를 제공하는 것이다.According to a second aspect of the present invention, there is provided an electro-optical device, comprising: an electro-polarizing layer including an electro-polarizing material for forming a built-in electric field between two electrodes disposed opposite to each other; and a light absorbing layer, And a crystalline material.
또한, 상기 전기분극물질은 미소 결정(microcrystal) 또는 다결정(polycryatal)을 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, the electro-polarizing material may include a microcrystal or polycrystalline material.
또한, 상기 태양전지 동작 시의 전기분극 감소율이 동작 전에 비교하여 60% 이하일 수 있다.In addition, the electric polarization reduction rate during the solar cell operation may be 60% or less before operation.
또한, 상기 전기분극층에 인접하여 형성된 광흡수층의 두께는 상기 광흡수층의 소수 캐리어의 확산거리 이하로 형성될 수 있다.The thickness of the light absorbing layer formed adjacent to the electric polarization layer may be less than the diffusion distance of the minority carriers of the light absorbing layer.
또한, 상기 전기분극층은 선택적 방위를 가지는 것을 포함할 수 있다.In addition, the electric polarization layer may include one having an optional orientation.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제3측면은, 기판 상에 제1전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극 상에 전기분극층을 형성하는 단계; 상기 전기분극층 상에 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 전기분극물질이 결정질을 포함하여 이루어지는 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a first electrode on a substrate; Forming an electric polarization layer on the first electrode; And forming a second electrode on the electric polarization layer, wherein the electric polarization material comprises crystalline material.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제4측면은, 기판 상에 제1전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극 상에 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 상에 전기분극층을 형성하는 단계; 상기 전기분극층 상에 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 전기분극물질이 결정질을 포함하여 이루어지는 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a first electrode on a substrate; Forming a light absorbing layer on the first electrode; Forming an electric polarization layer on the light absorption layer; And forming a second electrode on the electric polarization layer, wherein the electric polarization material comprises crystalline material.
상기 제3측면 또는 제4측면에 있어서, 상기 전기분극층은 스퍼터링 또는 전자빔 증발법으로 형성될 수 있다.In the third aspect or the fourth aspect, the electric polarization layer may be formed by sputtering or electron beam evaporation.
상기 제3측면 또는 제4측면에 있어서, 상기 전기분극층을 형성함과 동시에 형성되는 전기분극층에 잔류분극이 형성되도록 할 수 있다.In the third aspect or the fourth aspect, a residual polarization may be formed in the electric polarization layer formed at the same time as forming the electric polarization layer.
상기 제3측면 또는 제4측면에 있어서, 상기 전기분극층을 형성할 때, 0V 미만 ~ -5V의 범위로 음의 전압을 인가하여 잔류분극이 형성되도록 할 수 있다.In the third aspect or the fourth aspect, when the electric polarization layer is formed, a negative voltage may be applied in a range of less than 0 V to -5 V to form a remnant polarization.
또한, 상기 스퍼터링은, 전기분극물질의 성분을 갖는 타겟(target)을 설치하고 진공상태에서 불활성 가스와 반응성 기체를 주입하는 단계와, 플라즈마를 발생하여 Ar 이온이 타겟에 충돌하여 방출되는 전기분극물질이 산소 플라즈마와 반응하여 산화물이 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The sputtering may include a step of providing a target having a component of an electric polarization material and injecting an inert gas and a reactive gas in a vacuum state, And reacting with the oxygen plasma to form an oxide.
또한, 상기 전자빔 증발법은, 진공 챔버의 증발원 홀더에 전기분극 재료의 펠렛을 장입하고 전자빔 가열에 의하여 해당 물질의 원자를 증발시키는 단계를 포함할 수 있다.The electron beam evaporation method may include charging pellets of an electric polarization material into an evaporation source holder of a vacuum chamber and evaporating atoms of the material by electron beam heating.
또한, 상기 전기분극층을 형성하는 방법은, 전기분극물질의 성분을 갖는 재료를 사용하여 기판 위에 산화물층을 형성하는 단계와 상기 산화물을 증착한 후 열처리를 통해, 화학반응을 일으키도록 함으로써, 복합 화합물로 이루어진 전기분극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the method for forming the electric polarization layer may include a step of forming an oxide layer on a substrate using a material having a component of an electric polarization material, and a chemical reaction through heat treatment after depositing the oxide, And forming an electric polarization layer made of a compound.
또한, 상기 전기분극층을 형성하는 방법은, 전기분극물질을 형성하는 단계와, 열처리를 통해 상기 전기분극물질에 결정 성장을 일으키는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the method of forming the electric polarization layer may include forming an electric polarization material and causing crystal growth to occur in the electric polarization material through heat treatment.
또한, 상기 전기분극층이 선택적 방위를 가지며, 상기 선택적 방위는, 전기분극물질을 형성하는 동안에 전기분극물질에 전기장을 인가하거나, 전기분극물질을 형성하고 열처리하는 과정에서 전기장을 인가하여 형성될 수 있다.In addition, the electric polarization layer has an optional orientation, and the selective orientation can be formed by applying an electric field to the electric polarization material during formation of the electric polarization material, or by applying an electric field in the process of forming the electric polarization material and heat- have.
또한, 상기 열처리 방법은, 진공, 또는 질소나 아르곤 기체 중에서 한가지 이상의 기체를 이용한 불활성 분위기에서 250 ~ 600℃의 온도에서 30분 ~ 1시간 동안 진행하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the heat treatment method may include a step of conducting the reaction at a temperature of 250 to 600 ° C for 30 minutes to 1 hour in an inert atmosphere using vacuum or at least one gas of nitrogen or argon gas.
또한, 상기 선택적 방위를 형성한 이후, 추가로 열처리를 진행하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, after the selective orientation is formed, further heat treatment may be performed.
또한, 상기 추가로 진행하는 열처리는, 산소, 암모니아, 수소 중에서 한가지 이상의 기체가 포함된 반응성 분위기에서 수행할 수 있다.Further, the further heat treatment may be performed in a reactive atmosphere including at least one of oxygen, ammonia, and hydrogen.
본 발명에 따른 태양전지는 전기분극층 또는 전기분극물질이 결정성을 가지도록 형성함으로써 분극의 크기를 향상시키고 분극의 안정성을 개선하여, 시간이 경과함에 따라 광전 변환 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 태양전지를 제조할 수 있다.The solar cell according to the present invention can improve the size of the polarization and improve the stability of the polarization by forming the electric polarization layer or the electro-polarizing material so as to have crystallinity so as to prevent the photoelectric conversion efficiency from being lowered with time The solar cell can be manufactured.
또한, 본 발명에 따른 태양전지는, 전기분극물질에 인접한 광흡수층의 두께를 소수 캐리어 확산 거리 이내로 형성함으로써, 전기분극물질에 의한 수집효율을 보다 향상시킬 수 있다.In addition, the solar cell according to the present invention can further improve the collection efficiency by the electric polarization material by forming the thickness of the light absorption layer adjacent to the electric polarization substance within the minority carrier diffusion distance.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 의하면, 반응성 이온 스퍼터링 또는 전자빔 증발법과 같은 방법을 통해 결정화가 용이한 방법을 사용함으로써, 보다 안정적인 전기분극물질과 분극효과를 얻을 수 있다.In addition, according to the method for manufacturing a solar cell according to the present invention, more stable electro-polarizing material and polarization effect can be obtained by using a method that is easy to crystallize through a method such as reactive ion sputtering or electron beam evaporation method.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 의하면, 전기분극물질을 형성하면서 동시에 바이어스 전압을 인가하여 형성된 결정내에 잔류분극이 형성되도록 함으로써, 안정적인 잔류분극 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있어, 태양전지의 효율을 보다 장시간 유지할 수 있을 것으로 기대된다.In addition, according to the method of manufacturing a solar cell according to the present invention, a remanent polarization is formed in a crystal formed by forming an electric polarization material and simultaneously applying a bias voltage, thereby stably maintaining a stable remanent polarization state, It is expected to be able to maintain the efficiency for a longer time.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 의하면, 전기분극물질의 박막을 형성한 이후에 열처리 과정을 통하여 결정 성장(grain growth)을 일으키는 방법을 적용함으로써 결정 크기가 증가함에 따라 전기분극을 증가시킬 수 있다.In addition, according to the method for manufacturing a solar cell according to the present invention, after a thin film of an electro-active material is formed, a method of causing grain growth through a heat treatment process is applied to increase the electric polarization .
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 의하면, 전기분극층의 결정에 있어서 각각의 결정면이 특정한 방향성, 즉 선택적 방위(preferred orientation)를 가지도록 형성함으로써 전기분극의 크기를 더욱 증가시킬 수 있다.Further, according to the method of manufacturing a solar cell according to the present invention, the size of the electric polarization can be further increased by forming each crystal plane in the crystal of the electric polarization layer to have a specific directionality, that is, a preferred orientation .
도 1은 ABO3 결정구조를 갖는 강유전체의 분극 원리를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기분극물질을 포함하는 CIGS 박막 태양전지의 단면구조로서 모식도를 나타낸 도면이다.1 shows a polarization principle of a ferroelectric having an ABO 3 crystal structure.
2 is a schematic view illustrating a cross-sectional structure of a CIGS thin film solar cell including an electro-polarizing material according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. Also, when a part is referred to as "including " an element, it does not exclude other elements unless specifically stated otherwise.
본 발명에 있어서, '미소 결정'이란 단위 결정의 크기가 1~100nm 범위인 상태의 결정질을 의미한다. 또한, '다결정'이란 단위 결정의 크기가 0.1㎛ 이상인 결정질을 의미한다.In the present invention, 'microcrystalline' means a crystalline state in which the size of a unit crystal is in a range of 1 to 100 nm. In addition, 'polycrystalline' means a crystalline material having a unit crystal size of 0.1 μm or more.
도 1은 ABO3 결정구조를 갖는 강유전체의 분극 원리를 나타낸다.1 shows a polarization principle of a ferroelectric having an ABO 3 crystal structure.
일반적으로 강유전체 재료는 ABO3 구조 혹은 페로브스카이트 구조라 불리는 격자구조로 되어 있는데, 이 격자의 중앙에 위치한 원자 B가 인가전압의 극성에 따라 상하로 움직이면서 분극 현상을 나타낸다. 이 원자의 위치에 따라 전압에 따른 전기분극의 크기가 다르게 나타난다. 즉, 격자에 위쪽으로부터 양의 전압(전기장)이 인가되면 중앙에 위치한 원자 B는 아래로 이동하며, 인가 전압의 증가에 따라 이동 거리도 길어지나, 전압이 차단되면 안정된 에너지 위치로 고정된다. 이때, 일정 크기의 분극이 존재하는데, 이를 잔류분극이라고 하며, 외부의 전기장이 없는 상태에서 스스로 분극을 가지는 것을 자발분극이라고 한다.In general, the ferroelectric material has a lattice structure called an ABO 3 structure or a perovskite structure. At the center of this lattice, the atom B exhibits polarization phenomenon as it moves up and down according to the polarity of the applied voltage. The size of the electric polarization depends on the position of the atom. That is, when a positive voltage (electric field) is applied to the lattice from the upper side, the atom B positioned at the center moves downward. As the applied voltage increases, the travel distance becomes longer. At this time, there is a certain size of polarization, which is referred to as a remanent polarization, and having self-polarization in the absence of an external electric field is called spontaneous polarization.
이러한 잔류분극과 자발분극의 특성을 갖는 전기분극물질을 광흡수층에 인접하여 배치함으로써 내장전계를 형성하여 광흡수에 의해 p-n접합 반도체 내에서 생성된 전자와 정공의 재결합을 감소시키는 동시에 전극에의 수집 효율을 개선하여 효율을 증대시킬 수 있다.Electrically polarizing materials having the characteristics of remanent polarization and spontaneous polarization are disposed adjacent to the light absorption layer to form a built-in electric field to reduce the recombination of electrons and holes generated in the pn junction semiconductor by light absorption, The efficiency can be improved and the efficiency can be increased.
태양전지가 동작 중일 때는 순방향 전압이 인가되는 효과를 가지므로 이러한 경우에 전기분극층의 전기분극 크기와 방향이 변동하게 되어 전기분극이 태양전지의 동작 이전보다 감소하는 경향이 있으므로, 태양전지에 형성된 전기분극층의 효과를 일정 수준으로 유지하기 위해서는 전기분극층의 결정성을 높임으로써 동작시의 동작 전압(operating voltage) 범위에 있어서 전기분극 감소율을 최소화할 수 있다.Since the forward voltage is applied when the solar cell is in operation, the electric polarization and the direction of the electric polarization of the electric polarization layer fluctuate in such a case, so that the electric polarization tends to decrease compared to before the operation of the solar cell. In order to maintain the effect of the electric polarization layer at a certain level, it is possible to minimize the electric polarization reduction ratio within the operating voltage range by increasing the crystallinity of the electric polarization layer.
본 발명은 일반적인 박막 태양전지의 구조의 광흡수층에 인접하여 추가로 미소 결정 또는 다결정으로 이루어진 결정질의 전기분극층을 형성하는데 특징이 있다.The present invention is characterized by forming a crystalline electropolished layer of a microcrystalline or polycrystalline structure adjacent to a light absorbing layer of a general thin film solar cell structure.
상기 전기분극층을 형성하는 방법으로는 결정질의 형성이 용이한, 반응성 이온 스퍼터링법, 전자빔 증발법과 같은 물리기상증착(PVD: physical vapor deposition)법을 이용하는 것이 바람직하다.As the method of forming the electric polarization layer, it is preferable to use a physical vapor deposition (PVD) method such as a reactive ion sputtering method or an electron beam evaporation method in which crystalline is easily formed.
반응성 이온 스퍼터링법의 경우, 진공 챔버 안에 형성하고자 하는 전기분극물질의 성분을 갖는 타겟(target)을 설치하고 진공상태에서 Ar과 같은 불활성 가스와 O2와 같은 반응성 기체를 주입하여 플라즈마를 발생시켜서 Ar 이온이 타겟에 충돌하여 방출되는 전기분극물질이 산소 플라즈마와 반응하여 산화물이 형성되면서 기판 위에 결정성 박막으로 형성되도록 할 수 있다.In the case of the reactive ion sputtering method, a target having a component of an electric polarization material to be formed in a vacuum chamber is provided, and an inert gas such as Ar and a reactive gas such as O 2 are injected in a vacuum state to generate a plasma, Ions may collide with the target and the emitted electric polarization material may react with the oxygen plasma to form an oxide and be formed as a crystalline thin film on the substrate.
또한, 전자빔 증발법의 경우, 진공 챔버의 증발원 홀더에 전기분극물질을 포함하는 펠렛(pellet)이나 분말을 장입하고 전자빔을 조사하여 전기분극물질의 원자를 증발시킨 후, 광흡수층 상에 응축되도록 하여 결정성을 갖는 전기분극층이 형성되도록 할 수 있다.In the case of the electron beam evaporation method, a pellet or powder containing an electro-polarizing material is charged in an evaporation source holder of a vacuum chamber, and an electron beam is irradiated to evaporate atoms of the electro-polarizing material and then be condensed on the light absorbing layer An electric polarization layer having crystallinity can be formed.
이와 같이 결정성을 가지는 전기분극층은 그 분극의 크기가 향상되고 분극의 안정성이 개선되므로, 외부 환경의 변화에 대하여 안정적인 물성을 유지할 수 있으므로 태양전지의 신뢰성을 개선시킬 수 있다.Since the electric polarization layer having such crystallinity has improved polarization magnitude and improved stability of polarization, stable physical properties can be maintained against changes in the external environment, thereby improving the reliability of the solar cell.
한편, 태양전지가 동작 중일 때는 순방향 전압이 인가되는 효과를 가지므로 이러한 경우에 전기분극층의 전기분극 크기와 방향이 변동하게 되어 전기분극이 태양전지의 동작 이전보다 감소하게 된다. 예를 들어, 전기분극층을 적용한 CIGS 태양전지에 있어서 태양전지의 동작 전압인 약 0.5 ~ 1V 범위 이내에서는 전기분극 이 동작 전에 비교하여 감소함에 따라 광전류 감소율이 63% ~ 18% 범위로 나타났다. 여기서, 광전류가 전기분극 크기에 비례하는 것으로 상정하면 전기분극이 동작전에 비하여 동작 중에 63% ~ 18%까지 감소하는 것을 알 수 있다.On the other hand, since the forward voltage is applied when the solar cell is in operation, in this case, the electric polarization and the direction of the electric polarization layer fluctuate, so that the electric polarization is reduced before the operation of the solar cell. For example, in a CIGS solar cell employing an electric polarization layer, the photocurrent reduction rate is in the range of 63% to 18% as the electric polarization decreases before operation in a range of about 0.5-1 V, which is the operating voltage of the solar cell. Here, assuming that the photocurrent is proportional to the magnitude of the electric polarization, it can be seen that the electric polarization is reduced by 63% to 18% during operation compared to before operation.
따라서, 상기 전기분극층은 태양전지의 동작 전압인 약 0.5 ~ 1V 범위 이내에서는 전기분극 감소율이 동작 전에 비교하여 60% 이하가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable that the electric polarization layer is adjusted so that the electric polarization reduction ratio is less than 60% before the operation within the operating voltage of the solar cell within the range of about 0.5 to 1V.
또한, 상기 전기분극물질층에 인접한 광흡수층을 소수 캐리어 확산거리(minority carrier diffusion length) 이내의 두께가 되도록 형성할 경우, 확산된 소수 캐리어의 상당 부분을 상기 전기분극물질에 형성된 내장전계를 통해 수집할 수 있어, 광변환 전류를 증대시킬 수 있다.In addition, when the light absorption layer adjacent to the electric polarization material layer is formed to have a thickness within the minority carrier diffusion length, a considerable portion of the diffused minority carriers is collected through the built-in electric field formed in the electric polarization material And the photoconversion current can be increased.
한편, CIGS 광흡수층에 대하여 소수 캐리어의 확산거리는 광흡수층의 형성방법과 사용온도에 따라 다소 차이가 있지만 약 0.3 ~ 4.5㎛이므로, 전기분극층에 인접하는 광흡수층의 두께는 상기 수치 범위를 고려하여, 소수 캐리어의 확산거리 이내로 형성하는 것이 바람직하다.
On the other hand, although the diffusion distance of the minority carriers with respect to the CIGS light absorption layer is somewhat different depending on the method of forming the light absorption layer and the use temperature, it is about 0.3 to 4.5 占 퐉. Therefore, the thickness of the light absorption layer adjacent to the electric polarization layer, , It is preferable that the distance is set within the diffusion distance of the minority carriers.
[실시예 1][Example 1]
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 전기분극물질을 포함하는 CIGS 박막 태양전지의 단면구조로서 모식도를 나타낸 것이다.2 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a CIGS thin film solar cell including an electro-polarizing material according to Examples 1 and 2 of the present invention.
본 발명의 실시예 1에서는, 도 2의 전기분극물질을 갖는 CIGS 박막 태양전지를 다음과 같은 과정을 통해 제조하였다.In Example 1 of the present invention, a CIGS thin film solar cell having the electric polarization material of FIG. 2 was manufactured through the following procedure.
먼저, SLG 유리 기판(110) 위에, 스퍼터링 방법을 사용하여 Mo 층을 약 1㎛ 두께로 증착하여 하부전극(120)을 형성하였다. 이어서 CIGS 박막을 약 2 ~ 4㎛ 두께로 증착하여 광흡수층(130)을 형성하였다. CIGS 박막은 Cu, In, Ga, Se 등의 원소를 개별적으로 고진공 분위기에서 동시에 증발시키고, 기판을 550℃로 가열하여 상기 원소들을 증착하는 동시증발법을 사용하였다.First, on the
CIGS 광흡수층을 형성하는 방법으로는 동시증발법 외에도, Cu, Ga, In 등의 원소를 포함하는 전구체 혹은 Se를 포함한 전구체를 이용하여 박막을 형성한 다음, H2Se 기체 혹은 Se 증기 분위기에서 셀렌화를 진행하는 방법이 사용될 수 있다. 이와 같이 2단계 방법을 사용할 때 전구체 박막은 스퍼터링 방법으로 형성하는 것이 일반적이나, 전기도금, 잉크 프린팅, 스프레이 열분해법과 같은 저비용의 비진공법도 사용될 수 있다.In addition to the method, co-evaporation method to form a CIGS light absorbing layer, Cu, Ga, using a precursor including the precursor or Se containing an element, such as In the formation of the thin film, and then, H 2 Se gas or Se in the Se vapor atmosphere A method of proceeding with the conversion can be used. When the two-step method is used, the precursor thin film is generally formed by a sputtering method, but a low cost non-invasive method such as electroplating, ink printing, and spray pyrolysis can also be used.
이후, CIGS 광흡수층의 표면에 반응성 이온 스퍼터링 방법을 이용하여 CuTiO3 등의 박막을 10 ~ 100nm의 두께로 형성하여 전기분극층을 형성하였다.Then, a thin film of CuTiO 3 or the like was formed to a thickness of 10-100 nm on the surface of the CIGS light absorption layer using a reactive ion sputtering method to form an electric polarization layer.
구체적으로, Cu 및 Ti 스퍼터링 타겟은 99.99% 이상의 순도를 갖는 재료를 사용한다. 반응성 이온 스퍼터링법에 의한 전기분극층 증착 단계는 시간대별로 4개 구간으로 구분하여 진행한다. 먼저, Cu와 Ti 스퍼터링 타겟재료를 설치한 다음, Ar을 캐리어 기체로, O2를 반응 기체로 하여 주입하는 단계와 플라즈마를 발생시켜서 Ar 이온을 이용하여 타겟재료로부터 금속원자를 방출시키는 단계와 산소 이온이 방출된 금속원자와 반응하여 Cu, Ti가 포함된 산화물을 형성하는 단계를 통하여(Cu,Ti)Ox (x는 임의의 양수)를 포함하는 복합 산화물 박막을 형성한다.Specifically, the Cu and Ti sputtering targets use a material having a purity of 99.99% or more. The step of depositing the electric polarization layer by reactive ion sputtering is divided into four sections according to time. First, a Cu and Ti sputtering target material is placed, then, injecting Ar as a carrier gas and O 2 as a reaction gas, and generating a plasma to release metal atoms from the target material using Ar ions, (Cu, Ti) O x (x is an arbitrary positive number) through the step of forming an oxide containing Cu and Ti by reacting with the metal atoms from which the ions are emitted.
상기 스퍼터링에 있어서 공정온도는 200℃ 이상, 공정 압력은 2 mTorr, Ar 유량은 20 ~ 50sccm, O2 유량은 10 ~ 30sccm, 직류 전력은 500 ~ 800W를 적용하고, 시간은 1시간 이내에서 진행하여, 약 10nm ~ 100nm 두께의 전기분극층(140)을 형성할 수 있다. 바람직하게는 200℃에서 1분을 적용하여 약 50nm의 CuTiO3 등의 물질을 포함하는 전기분극층을 형성한다.In the above sputtering, the process temperature is 200 ° C or higher, the process pressure is 2 mTorr, the Ar flow rate is 20 to 50 sccm, the O 2 flow rate is 10 to 30 sccm, the DC power is 500 to 800 W, , An
마지막으로 상기 전기분극층 위에 약 0.5㎛ 두께로 ZnO층을 증착하여 윈도우층과 상기 윈도우층 상에 약 0.5㎛ 두께의 Al 그리드층을 형성하여 상부전극(150)을 형성함으로써, 실시예 1에 따른 CIGS 박막 태양전지(100)를 완성하였다.
Finally, a ZnO layer having a thickness of about 0.5 탆 was deposited on the electric polarization layer to form a window layer and an Al grid layer having a thickness of about 0.5 탆 on the window layer to form an
[실시예 2][Example 2]
본 발명의 실시예 2는 실시예 1과 동일한 구조를 갖는 CIGS 박막 태양전지로서, 전기분극층을 실시예 1의 스퍼터링법 대신에 전자빔 증발법으로 형성한 차이가 있다.Example 2 of the present invention is a CIGS thin film solar cell having the same structure as that of Example 1 except that the electric polarization layer is formed by the electron beam evaporation method instead of the sputtering method of Example 1. [
구체적으로, CIGS 광흡수층(120)의 표면에 전자빔 증발법을 이용하여 (Cu,Ti)Ox (x는 임의의 양수)를 포함하는 박막을 10 ~ 100nm의 두께로 형성하여 전기분극층(130)을 형성하였다. 구체적으로, 증발원은 CuTiO3 분말, 펠렛, 조각 등으로서 99.99% 이상의 순도를 갖는 재료를 사용한다.Specifically, a thin film containing (Cu, Ti) O x (x is an arbitrary positive number) is formed on the surface of the CIGS
전자빔 증발법에 의한 전기분극층 증착 단계는 다음과 같이 구분하여 진행한다. 먼저, Cu와 Ti 및 O를 함유하는 증발재료를 설치한 다음, 진공을 1×10-6 Torr 이하로 형성하는 단계와 DC 고전압을 -5KV 이상으로 인가하여 고전류를 발생시켜서 Cu, Ti 및 O가 함유된 혼합산화물을 증발시키는 단계를 통하여 (Cu,Ti)Ox (x는 임의의 양수) 산화물을 포함하는 박막을 형성한다.The step of depositing the electric polarization layer by the electron beam evaporation method is divided into the following steps. First, the evaporation material containing Cu, Ti, and O is installed, and then a vacuum is formed to 1 × 10 -6 Torr or less, and a DC high voltage is applied at -5 KV or more to generate a high current to generate Cu, Ti, and O (Cu, Ti) O x (x is any positive number) oxide is formed through evaporation of the mixed oxide contained therein.
상기 전자빔 증발법에 있어서 공정온도는 200℃ 이상, 시간은 1시간 이내에서 진행하여 약 10 ~ 100nm 두께까지 전기분극물질을 형성할 수 있다. 바람직하게는 200℃에서 5분을 적용하여 약 50nm의 CuTiO3 등의 물질을 포함하는 전기분극층을 형성한다.In the electron beam evaporation method, an electro-polarizing material may be formed to a thickness of about 10 to 100 nm at a process temperature of 200 ° C or higher and for a time of 1 hour or less. Preferably by applying a 5 min at 200 ℃ forms an electric polarization layer comprises a material, such as about 50nm of CuTiO 3.
본 발명의 실시예 2에 따른 전기분극층은 CuTiO3 등의 혼합 산화물로 된 펠렛을 이용하여 형성할 수도 있으나, TiO2 증착재료를 사용하여 기판 위에 Ti의 산화물층을 형성하는 단계와, 상기 산화물을 증착한 후 열처리를 통해, CIGS 층을 구성하는 Cu, Ga 및 In 원자와 TiO2층이 화학반응을 일으키도록 함으로써 (Cu,Ti)Ox (x는 임의의 양수) 등의 복합 화합물로 이루어진 전기분극층을 형성할 수도 있다.The electric polarization layer according to Example 2 of the present invention may be formed using pellets made of a mixed oxide such as CuTiO 3. Alternatively, the electric polarization layer may include a step of forming an oxide layer of Ti on a substrate using a TiO 2 deposition material, (Cu, Ti) O x (x is an arbitrary positive number) by allowing the Cu, Ga, and In atoms and the TiO 2 layer constituting the CIGS layer to undergo a chemical reaction through the heat treatment after the vapor deposition An electric polarization layer may be formed.
구체적으로는, CIGS 층 상에 CuTiO3의 혼합 산화물로 된 펠렛을 이용하여 200℃에서 전자빔 증발법에 의하여 CuTiO3를 포함하는 박막을 증착하거나, 200℃ 이하의 온도에서 TiO2 박막을 증착한 후에 200℃ 이상의 온도로 열처리하는 과정을 통하여 CIGS 층을 구성하는 Cu, Ga 및/또는 In 원자와의 상호 확산 및 화학반응에 의하여 (Cu,Ti)Ox, (Cu,Ga,In)TixOy(x, y는 임의의 양수) 등의 전기분극층이 형성되도록 할 수도 있다.Specifically, a thin film containing CuTiO 3 is deposited by electron beam evaporation at 200 ° C. using a pellet of a mixed oxide of CuTiO 3 on the CIGS layer, or a TiO 2 thin film is deposited at a temperature of 200 ° C. or lower (Cu, Ti) O x , (Cu, Ga, In) Ti x O by interdiffusion and chemical reaction with Cu, Ga and / or In atoms constituting the CIGS layer through heat treatment at a temperature of 200 ° C. or higher y (where x and y are arbitrary positive numbers) may be formed.
이후, 상기 전기분극층 상에 약 0.5㎛ 두께로 ZnO층을 증착하여 윈도우층과 상기 윈도우층 상에 약 0.5㎛ 두께의 Al 그리드층을 형성하여 상부전극을 형성함으로써, CIGS 박막 태양전지를 완성하였다.Thereafter, a ZnO layer was deposited to a thickness of about 0.5 탆 on the electric polarization layer to form a window layer and an Al grid layer having a thickness of about 0.5 탆 on the window layer to form an upper electrode, thereby completing a CIGS thin film solar cell .
본 발명의 실시예에 있어서는 광흡수층과 전기분극층을 별개의 층으로 형성하는 경우를 설명하였으나, 전기분극층이 광흡수층의 역할을 하는 경우에는 광흡수층을 형성하는 과정을 생략할 수도 있다.In the embodiments of the present invention, the light absorption layer and the electric polarization layer are formed as separate layers. However, when the electric polarization layer serves as the light absorption layer, the process of forming the light absorption layer may be omitted.
상기의 실시예와 같이 전기분극층을 형성함에 있어서 결정질이 형성되도록 태양전지를 제작하면 전기분극 효과가 증대되므로 효율이 증가하였다.When the solar cell is fabricated to form a crystalline material in the formation of the electric polarization layer as in the above-described embodiment, the electric polarization effect is increased and the efficiency is increased.
즉, 전기분극층을 실온에서 형성하여 비정질로 이루어지는 경우에는 적용한태양전지의 효율이 2.5% ~ 3.3%인데 반하여, 본 발명의 실시예와 같이 전기분극층이 결정질을 포함하도록 형성한 경우에는 25.0% ~ 36.7%로 향상되었다.That is, when the electric polarization layer is made of amorphous material at room temperature, the efficiency of the applied solar cell is 2.5% to 3.3%, whereas when the electric polarization layer is formed to contain crystalline as in the embodiment of the present invention, To 36.7%.
그밖에, 광흡수층의 두께에 있어서도 소수 캐리어 확산범위를 고려하여 광흡수층을 약 2㎛로 적용한 경우와 3~4㎛로 적용한 경우를 비교하면 광흡수층의 두께에 따른 효율의 차이가 크지 않으므로 광흡수층의 두께는 소수캐리어 확산거리를 포함하는 범위에서 적용하는 것이 효율 향상과 재료 절감 등의 관점에서 유리하게 된다.In addition, the thickness of the light absorbing layer is not significantly different from the case of applying the light absorbing layer of about 2 μm and the case of applying the light absorbing layer of 3 to 4 μm in consideration of the minority carrier diffusion range, It is advantageous from the viewpoint of efficiency improvement and material reduction that the thickness is applied in a range including the minority carrier diffusion distance.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서 전기분극물질을 형성하는 단계나 후속 단계에 있어서, 기판 즉 CIGS 박막 쪽에 역방향 바이어스(bias)를 인가하여 전기분극층 내에 잔류분극을 형성하는 과정(폴링: poling)을 적용할 수 있다. 이때 역방향 바이어스 전압의 범위는 CIGS 다이오드의 역방향 파괴전합 이내의 범위로서 0 ~ -5V 이내의 음의 전압이 바람직하다.Also, in the embodiment of the present invention, a process of forming a remnant polarization in the electric polarization layer by applying a reverse bias to the substrate or the CIGS thin film in a step of forming an electric polarization material or a subsequent step (poling) Can be applied. In this case, the range of the reverse bias voltage is within the range of the reverse breakdown junction of the CIGS diode, and a negative voltage within the range of 0 to -5 V is preferable.
한편, 일반적으로 강유전체 박막은 입자크기가 증가할수록 전기분극이 증가하므로 전기분극물질의 박막을 형성한 이후에 열처리 과정을 통하여 결정 성장(grain growth)을 일으키는 방법을 적용할 수 있다. 이때 열처리는 진공 또는 질소나 아르곤 기체 중에서 한가지 이상의 기체를 이용한 불활성 분위기에서 200 ~ 600℃의 온도에서 10분 ~ 1시간 동안 진행하는 방법을 포함한다.On the other hand, generally, since the ferroelectric thin film increases the electric polarization as the particle size increases, a method of causing crystal growth through heat treatment after forming the thin film of the electro-polarizing material can be applied. In this case, the heat treatment includes a method of proceeding at a temperature of 200 to 600 DEG C for 10 minutes to 1 hour in an inert atmosphere using vacuum or at least one gas of nitrogen or argon gas.
또한, 전기분극층을 이루는 미소 결정이나 다결정에 있어서 각각의 결정면이 특정한 방향성을 가지는 경우, 즉 선택적 방위(preferred orientation)를 가질 때 전기분극의 크기가 증가하므로 전기분극층이 선택적 방위를 가지도록 형성하는 것이 바람직하다. 이렇게 선택적 방위를 갖도록 하기 위해서는 전기분극물질을 형성하는 동안에 전기분극물질에 전기장을 인가하거나 박막을 형성하고 열처리하는 과정에서 전기장을 인가하는 방법을 적용할 수 있다. 이때 열처리는 진공 또는 질소나 아르곤 기체 중에서 한가지 이상의 기체를 이용한 불활성 분위기에서 200 ~ 600℃의 온도에서 10분 ~ 1시간 동안 진행하는 방법을 포함한다.In addition, when the crystal planes of the electric polarization layer and the polycrystals have specific orientation, that is, when they have a preferred orientation, the size of the electric polarization increases, so that the electric polarization layer is formed to have a selective orientation . In order to have the selective orientation, an electric field may be applied to the electro-polarizing material during the formation of the electro-polarizing material, or a method of applying an electric field in the process of forming the thin film and heat-treating the electro-polarizing material. In this case, the heat treatment includes a method of proceeding at a temperature of 200 to 600 DEG C for 10 minutes to 1 hour in an inert atmosphere using vacuum or at least one gas of nitrogen or argon gas.
그밖에, 전기분극층을 이루는 결정에 선택적 방위를 조성한 이후에 결정 입자의 이동을 억제하면 잔류분극의 변동이나 감소를 방지할 수 있으므로 열처리 과정 중에 산소, 암모니아, 수소 중에서 한가지 이상의 기체가 포함된 반응성 분위기에서 열처리하는 단계를 도입함으로써 반응을 통하여 입계(grain boundary)에서의 반응물의 생성을 통하여 입계가 고착(pinning)되도록 하는 방법을 적용할 수 있다. 이때 열처리는 200 ~ 600℃의 온도에서 10분 ~ 1시간 동안 진행하는 방법을 적용할 수 있다.In addition, it is possible to prevent the fluctuation or decrease of the remanent polarization by suppressing the movement of the crystal grains after forming the selective orientation in the crystals constituting the electric polarization layer. Therefore, in the heat treatment process, the reactive atmosphere containing one or more gases among oxygen, ammonia, A method may be employed in which the grain boundary is pinned through reaction in the grain boundary through the reaction. In this case, the heat treatment may be performed at a temperature of 200 to 600 ° C for 10 minutes to 1 hour.
한편, CIGS는 양이온인 Cu, In, Ga과 음이온인 Se를 각각 다른 금속이온이나 음이온으로 대체하여 사용할 수 있으며, 이를 통칭하여 CIGS계 화합물 반도체로 표현할 수 있다. 대표적인 화합물은 Cu(In,Ga)Se2 이며, 이러한 CIGS계 화합물 반도체는 구성하고 있는 양이온(예: Cu, Ag, In, Ga, Al 등) 및 음이온(예: Se, S)의 종류와 조성을 변화시키면 결정격자 상수뿐만 아니라 에너지 밴드갭의 조절이 가능한 물질이다. 그러므로 본 발명의 실시예에서는 CIGS 물질의 광흡수층을 갖는 태양전지에 적용한 경우에 대하여 기술하였으나, 이를 포함하여 유사한 화합물 반도체 물질로 이루어지는 광흡수층에 대해서도 적용할 수 있다. 즉, 상기 광흡수층은 M1, M2, X(여기에서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 또는 이들의 조합이고, X는 Se, S 또는 이들의 조합임)및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 최근에는 저가형 화합물 반도체 물질로서 Cu2ZnSnS4(CZTS)나 Cu2Sn1-xGexS3(CTGS) 등의 물질을 사용하기도 한다.On the other hand, CIGS can be replaced with CIGS compound semiconductors by replacing the positive ions Cu, In, Ga and an anion Se with different metal ions or anions, respectively. (CIGS) compound semiconductors are composed of Cu (In, Ga) Se 2 , and the composition and composition of cations (eg, Cu, Ag, In, Ga, Al) and anions It is a material that can control not only the crystal lattice constant but also the energy band gap. Therefore, the present invention is applied to a solar cell having a light absorption layer of a CIGS material, but the present invention can be applied to a light absorption layer made of a similar compound semiconductor material. In other words, the light absorbing layer may be formed of M1, M2, X (where M1 is Cu, Ag or a combination thereof, M2 is In, Ga, Al, Zn, Ge, And combinations thereof), and combinations thereof. For example, Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) or Cu 2 Sn 1-x Ge x S 3 (CTGS) is recently used as a low-cost compound semiconductor material.
그밖에도, Si 박막 태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기 태양전지 등 기판을 사용하는 다른 박막형 태양전지나 결정질 태양전지 등 통상적인 태양전지에 대해서도 동일한 효과를 위하여 적용할 수 있다.In addition, the present invention can be applied to other solar cells such as Si thin film solar cells, dye-sensitized solar cells, organic solar cells, and other solar cells using thin films and crystalline solar cells.
100: 태양전지
110: 기판
120: 하부전극
130: 광흡수층
140: 전기분극층
150: 상부전극100: Solar cell
110: substrate
120: Lower electrode
130: light absorbing layer
140: electric polarization layer
150: upper electrode
Claims (20)
상기 전기분극물질이 결정질을 포함하여 이루어진 태양전지.And an electric polarization layer including an electric polarization material which forms a built-in electric field between two electrodes arranged so as to face each other,
Wherein the electro-polarizing material comprises a crystalline material.
상기 전기분극물질이 결정질을 포함하여 이루어진 태양전지.An electric polarization layer including an electric polarization material that forms a built-in electric field between two electrodes arranged so as to face each other; and a light absorbing layer,
Wherein the electro-polarizing material comprises a crystalline material.
상기 전기분극물질은 미소 결정 또는 다결정을 포함하여 이루어진 태양전지.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the electro-polarizing material comprises a polycrystal or a polycrystal.
상기 태양전지 동작 시의 전기분극 감소율이 동작 전에 비교하여 60% 이하인 태양전지.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the electric polarization reduction ratio in the solar cell operation is 60% or less before operation.
상기 전기분극층에 인접하여 형성된 광흡수층의 두께는 상기 광흡수층의 소수 캐리어의 확산거리 이하로 형성된 태양전지.3. The method of claim 2,
Wherein a thickness of the light absorption layer formed adjacent to the electric polarization layer is equal to or smaller than a diffusion distance of a minority carrier of the light absorption layer.
상기 전기분극층은 선택적 방위를 가지는 것을 포함하는 태양전지. 3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the electric polarization layer has an optional orientation.
상기 제1전극 상에 전기분극층을 형성하는 단계;
상기 전기분극층 상에 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 전기분극물질이 결정질을 포함하여 이루어지는 태양전지의 제조방법.Forming a first electrode on the substrate;
Forming an electric polarization layer on the first electrode;
And forming a second electrode on the electric polarization layer,
Wherein the electric polarization material comprises a crystalline material.
상기 제1전극 상에 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층 상에 전기분극층을 형성하는 단계;
상기 전기분극층 상에 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 전기분극물질이 결정질을 포함하여 이루어지는 태양전지의 제조방법.Forming a first electrode on the substrate;
Forming a light absorbing layer on the first electrode;
Forming an electric polarization layer on the light absorption layer;
And forming a second electrode on the electric polarization layer,
Wherein the electric polarization material comprises a crystalline material.
상기 전기분극층은 스퍼터링 또는 전자빔 증발법으로 형성하는 태양전지의 제조방법.9. The method according to claim 7 or 8,
Wherein the electric polarization layer is formed by sputtering or electron beam evaporation.
상기 전기분극층을 형성함과 동시에 형성되는 전기분극층에 잔류분극이 형성되도록 하는 태양전지의 제조방법.9. The method according to claim 7 or 8,
Thereby forming a remnant polarization in the electric polarization layer formed at the same time as forming the electric polarization layer.
상기 전기분극층을 형성할 때, 0V 미만 ~ -5V의 범위로 음의 전압을 인가하여 잔류분극이 형성되도록 하는 태양전지의 제조방법.9. The method according to claim 7 or 8,
Wherein a negative voltage is applied in a range of less than 0 V to -5 V to form a remnant polarization when the electric polarization layer is formed.
상기 스퍼터링은,
전기분극물질의 성분을 갖는 타겟(target)을 설치하고 진공상태에서 불활성 가스와 반응성 기체를 주입하는 단계와,
플라즈마를 발생하여 Ar 이온이 타겟에 충돌하여 방출되는 전기분극물질이 산소 플라즈마와 반응하여 산화물이 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.10. The method of claim 9,
In the sputtering,
Providing a target having a component of an electro-polarizing material and injecting an inert gas and a reactive gas in a vacuum state;
Generating a plasma, and causing the Ar ion to collide with the target, and causing the released electro-polar material to react with the oxygen plasma to form an oxide.
상기 전자빔 증발법은,
진공 챔버의 증발원 홀더에 전기분극 재료의 펠렛을 장입하고 전자빔 가열에 의하여 해당 물질의 원자를 증발시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.10. The method of claim 9,
In the electron beam evaporation method,
Charging a pellet of an electric polarization material into an evaporation source holder of a vacuum chamber, and evaporating atoms of the substance by electron beam heating.
상기 전기분극층을 형성하는 방법은,
전기분극물질의 성분을 갖는 재료를 사용하여 기판 위에 산화물층을 형성하는 단계와
상기 산화물을 증착한 후 열처리를 통해, 화학반응을 일으키도록 함으로써, 복합 화합물로 이루어진 전기분극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.9. The method according to claim 7 or 8,
The method for forming the electric polarization layer includes:
Forming an oxide layer on the substrate using a material having a component of an electro-polarizing material;
And forming an electric polarization layer made of a complex compound by allowing the oxide to evaporate and then cause a chemical reaction through heat treatment.
상기 전기분극층을 형성하는 방법은,
전기분극물질을 형성하는 단계와,
열처리를 통해 상기 전기분극물질에 결정 성장을 일으키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.9. The method according to claim 7 or 8,
The method for forming the electric polarization layer includes:
Forming an electro-polarizing material;
And causing crystal growth in the electric polarization material through heat treatment.
상기 전기분극층이 선택적 방위를 가지며,
상기 선택적 방위는, 전기분극물질을 형성하는 동안에 전기분극물질에 전기장을 인가하거나, 전기분극물질을 형성하고 열처리하는 과정에서 전기장을 인가하여 형성되는 태양전지의 제조방법.9. The method according to claim 7 or 8,
Wherein the electric polarization layer has an optional orientation,
Wherein the selective orientation is formed by applying an electric field to the electro-polarizing material during formation of the electro-polarizing material, or by applying an electric field in the process of forming the electro-polarizing material and heat-treating the electro-polarizing material.
상기 열처리 방법은, 진공, 또는 질소나 아르곤 기체 중에서 한가지 이상의 기체를 이용한 불활성 분위기에서 250 ~ 600℃의 온도에서 30분 ~ 1시간 동안 진행하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.15. The method of claim 14,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature of 250 to 600 ° C for 30 minutes to 1 hour in an inert atmosphere using vacuum or at least one gas in nitrogen or argon gas.
상기 열처리 방법은, 진공, 또는 질소나 아르곤 기체 중에서 한가지 이상의 기체를 이용한 불활성 분위기에서 250 ~ 600℃의 온도에서 30분 ~ 1시간 동안 진행하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.16. The method of claim 15,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature of 250 to 600 ° C for 30 minutes to 1 hour in an inert atmosphere using vacuum or at least one gas in nitrogen or argon gas.
선택적 방위를 형성한 이후, 추가로 열처리를 진행하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.17. The method of claim 16,
And after the formation of the selective orientation, further conducting a heat treatment.
상기 추가로 진행하는 열처리는, 산소, 암모니아, 수소 중에서 한가지 이상의 기체가 포함된 반응성 분위기에서 수행하는 태양전지의 제조방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the further heat treatment is performed in a reactive atmosphere including at least one of oxygen, ammonia, and hydrogen.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |