KR20170036606A - A CZTS based solar cell comprising a double light aborbing layer - Google Patents

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양기정
김영일
심준형
손대호
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Abstract

The present invention relates to a thin film solar cell including a dual light absorbing layer and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a thin film solar cell that has a dual-layered light absorbing layer by applying a sulfurization process and a selenization process to a primary light absorbing layer and a secondary light absorbing layer having different bandgaps, and improves photo-conversion efficiency through improvement of a light absorption rate. The thin film solar cell according to the present invention includes two light absorbing layers having different bandgaps, and thus may absorb a wide region corresponding to the sunlight wavelength, thereby achieving high photo-conversion efficiency. In particular, when the light absorbing layer is formed between the rear electrode and the buffer layer in an order of CZTS/CZTSe, electrons formed in the two-layered light absorbing layer may form a smooth band interface between the light absorbing layer and the buffer layer, so that current characteristics may be entirely improved.

Description

이중 광흡수층을 포함하는 CZTS계 박막 태양전지{A CZTS based solar cell comprising a double light aborbing layer}[0001] The present invention relates to a CZTS thin film solar cell comprising a double light absorbing layer,

본 발명은 이중 광흡수층을 포함하는 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 밴드갭이 서로 다른 1차 광흡수층과 2차 광흡수층을 황화공정과 셀렌화공정을 각각 적용하여 이중층의 광흡수층을 형성하고, 광흡수율 향상을 통한 광전변환효율을 향상시킨 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film solar cell including a dual light absorbing layer and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a thin film solar cell including a double light absorbing layer, To a thin film solar cell having a photoabsorption layer and a photoelectric conversion efficiency by improving a light absorptivity, and a method of manufacturing the same.

화석연료의 고갈과 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 대체에너지에 대한 연구가 늘어나고 있다. 그 중에서도 태양전지는 실용성, 친환경성, 반영구성 등의 장점 때문에 대체에너지원 중에서도 가장 폭넓은 연구가 이루어지고 있다. 태양전지는 크게 실리콘계, 화합물계, 유기물계 그리고 텐뎀 태양전지로 분류된다.As fossil fuel depletion and environmental concerns grow, research on alternative energy sources is increasing. Among them, solar cell has been studied extensively among alternative energy sources because of advantages such as practicality, environment friendliness, and reflecting structure. Solar cells are largely divided into silicon, compound, organic and tentem solar cells.

초기태양전지연구는 실리콘계 태양전지를 중심으로 이루어졌으나, 고가의 실리콘 재료비 혹은 실리콘이 간접천이형 반도체이기 때문에 적당량의 태양광을 흡수하기 위해서 필요한 두꺼운 디바이스 두께(수백 μm) 등을 해결하고자 보다 저가의 화합물계 박막 태양전지(CdTe, 구리-인듐-갈륨-황(이하, CIGS))가 개발되었다. 그 중에서도 CIGS 태양전지는 단결정 실리콘 태양전지와 거의 비슷한 수준의 효율을 보이며 차세대 태양전지로 주목 받았으나 CIGS 역시 희소원소(인듐, 갈륨)를 사용하기에 수요 대비 가격이 비싸다는 단점이 있다.The initial solar cell research was centered on silicon solar cells. However, since expensive silicon material costs or silicon is an indirect transition type semiconductor, it is necessary to solve a thick device thickness (several hundreds of micrometers) required to absorb an appropriate amount of solar light, Compound thin film solar cells (CdTe, copper-indium-gallium-sulfur (CIGS)) have been developed. Among them, CIGS solar cell has attracted attention as a next generation solar cell showing almost the same efficiency as monocrystalline silicon solar cell, but CIGS also has a disadvantage that it is expensive compared to demand due to the use of rare elements (indium, gallium).

이러한 문제를 극복하기 위해 CIGS와 비슷한 결정구조(칼코겐화물)를 가지며 저가의 원소로 구성된 Cu2ZnSnSe4(CZTSe), Cu2ZnSnS4(CZTS) 또는Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)와 같은 Cu-Zn-Sn-(S,Se)계(이하, ‘CZTS계’라 함)가 주목받고 있다.In order to overcome this problem, Cu 2 ZnSnSe 4 (CZTSe), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) or Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 (CZTSSe) having a similar crystal structure (chalcogenide) (Hereinafter, referred to as "CZTS system") such as Cu-Zn-Sn- (S, Se)

CZTS계 태양전지는 직접천이 반도체 화합물로서 추가적인 원소 도핑을 통하여 밴드갭을 1.0~2.7eV까지 변환할 수 있어 유연한 밴드갭 형성이 가능하다. 또한, 광흡수계수가 10-4cm이상으로 실리콘 태양전지에 비해 매우 얇은 두께(1~2 μm) 로도 고효율 태양전지 제작이 가능하다. 따라서 CZTS계 태양전지는 현재 상용화 되어 있는 고가의 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 친환경 저가 태양전지로 활발히 연구가 이루어지고 있다.The CZTS solar cell is a direct transition semiconductor compound that can be converted to 1.0 ~ 2.7eV bandgap through additional element doping, enabling flexible bandgap formation. In addition, it has a light absorption coefficient of 10-4 cm or more, which makes it possible to fabricate a high efficiency solar cell with a very thin thickness (1 to 2 μm) as compared with a silicon solar cell. Therefore, the CZTS solar cell is being actively researched as a next-generation eco-friendly low-cost solar cell that can replace expensive silicon solar cells that are currently in commercial use.

저가의 박막 태양전지 구현에 유리한 CZTS계 박막 태양전지는 흡수층의 광흡수율에 의해 광전변환효율 특성이 좌우된다. 입사되는 태양광의 파장 영역을 광범위하게 흡수할 경우 높은 광전변환효율을 구현할 수 있다. 따라서 단파장과 장파장 영역의 태양광을 모두 흡수할 수 있는 넓은 태양광 파장 영역대를 갖는 흡수층 소재의 개발이 필요하다.In the CZTS thin film solar cell, which is advantageous for realizing a low cost thin film solar cell, the photoelectric conversion efficiency characteristic depends on the light absorption rate of the absorption layer. A high photoelectric conversion efficiency can be realized when the wavelength region of incident sunlight is widely absorbed. Therefore, it is necessary to develop an absorbing layer material having a wide range of solar wavelength band that can absorb both sunlight in a short wavelength and a long wavelength region.

이에, 본 발명자들은 밴드갭이 서로 다른 두 광흡수층을 포함함으로써 넓은 태양광 파장 영역을 흡수할 수 있는 CZTS계 박막 태양전지를 제조하고자 하였으며, 그 결과 후면전극과 버퍼층 사이에 CZTS/CZTSe 순서로 형성된 이중 광흡수층을 포함하는 태양전지 소자가 전기적 특성이 향상되는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have made a CZTS thin film solar cell capable of absorbing a broad wavelength region of the sunlight by including two light absorption layers having different band gaps. As a result, the CZTS / CZTSe sequence formed between the rear electrode and the buffer layer The present inventors have completed the present invention by confirming that the solar cell device including the double light absorbing layer has improved electrical characteristics.

한국등록특허 제10-1542342호Korean Patent No. 10-1542342

따라서 본 발명의 목적은 이중 광흡수층을 포함하여 우수한 전지 특징 및 광전변환효율을 가지는 태양전지를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a solar cell including a double light absorbing layer and having excellent cell characteristics and photoelectric conversion efficiency.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method of manufacturing the solar cell.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,In order to achieve the above-mentioned object of the present invention,

본 발명은 서로 다른 2개의 밴드갭 특성을 갖는 이중 광흡수층을 포함하는 박막 태양전지를 제공한다.The present invention provides a thin film solar cell including a dual light absorbing layer having two different band gap characteristics.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 태양전지는 기판, 후면전극, 광흡수층, 버퍼층, 윈도우층 및 전면전극이 순차적으로 형성되어 있을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solar cell may have a substrate, a rear electrode, a light absorbing layer, a buffer layer, a window layer, and a front electrode sequentially formed.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 이중 광흡수층은, 하나의 광흡수층 밴드갭이 0.9 eV 내지 1.1 eV이고, 다른 하나의 광흡수층 밴드갭이 1.4 eV 내지 1.6 eV일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the double light absorbing layer may have one light absorbing layer band gap of 0.9 eV to 1.1 eV and another light absorbing layer band gap of 1.4 eV to 1.6 eV.

또한, 본 발명은 후면전극 상에 전구체층을 형성한 후 황화처리하는 단계; 및 상기 황화처리한 전구체층 상에 다시 전구체층을 형성한 후 셀렌화처리하는 단계를 포함하는, 박막 태양전지 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a precursor layer on a back electrode; And forming a precursor layer on the sulfided precursor layer and then subjecting the precursor layer to a selenization treatment.

또한, 본 발명은 후면전극 상에 전구체층을 형성한 후 셀렌화처리하는 단계; 및 상기 셀렌화처리한 전구체층 상에 다시 전구체층을 형성한 후 황화처리하는 단계를 포함하는, 박막 태양전지 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a precursor layer on a rear electrode; And forming a precursor layer on the selenized precursor layer and then sulfiding the precursor layer.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 황화처리는 황 소스가 놓여지는 부분과 소자가 놓여지는 부분의 온도가 다르게 제어되는 퍼니스(Furnace)에서 이루어질 수 있다. In one embodiment of the present invention, the sulfidation treatment may be performed in a furnace in which the temperature of a portion where a sulfur source is placed and a portion where a device is placed are controlled differently.

본 발명의 일실시예에 있어서, 황 소스가 놓여지는 부분은 250~350℃의 온도로 제어되며, 소자가 놓여지는 부분은 550~600℃의 온도로 제어될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the portion where the sulfur source is placed is controlled to a temperature of 250 to 350 ° C, and the portion where the device is placed can be controlled to a temperature of 550 to 600 ° C.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전구체층은 스퍼터링법(sputtering), 증발법(evaporation), CVD법(Chemical vapor deposition), 유기금속화학기상증착(MOCVD), 근접승화법(Close-spaced sublimation, CSS), 스프레이 피롤리시스(Spray pyrolysis), 화학 스프레이법(Chemical spraying), 스크린프린팅법(Screeen printing), 비진공 액상성막법, CBD법(Chemical bath deposition), VTD법(Vapor transport deposition), 및 전착법(electrodeposition) 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the precursor layer may be formed by sputtering, evaporation, CVD (Chemical Vapor Deposition), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), Close-spaced sublimation , CSS, spray pyrolysis, chemical spraying, screen printing, non-vacuum liquid deposition, CBD (chemical bath deposition), VTD (vapor transport deposition) , And an electrodeposition method.

본 발명에 따른 박막 태양전지는 밴드갭이 서로 다른 두 광흡수층을 포함함으로써 넓은 태양광 파장 영역을 흡수할 수 있어 높은 광전변환효율을 구현할 수 있다. 특히, 후면전극과 버퍼층 사이에 CZTS/CZTSe 순서로 광흡수층이 형성된 경우 2개층의 광흡수층에서 형성된 전자가 광흡수층과 버퍼층과의 원활한 밴드 계면을 형성할 수 있으므로 전류 특성이 전체적으로 향상된다.The thin film solar cell according to the present invention includes two light absorbing layers having different band gaps, so that it can absorb a wide wavelength region of the sunlight, thereby realizing high photoelectric conversion efficiency. In particular, when the light absorption layer is formed between the rear electrode and the buffer layer in the order of CZTS / CZTSe, electrons formed in the two light absorption layers can form a smooth band interface between the light absorption layer and the buffer layer.

도 1은 CZTS계 박막 태양전지의 구조를 나타낸다.
도 2a, 도 2b, 도 2c는 각각 비교예, 실시예 1 및 2에 따른 광흡수층 제작 순서를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 비교예의 태양전지 소자 제작 공정도를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1의 태양전지 소자 제작 공정도를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 2의 태양전지 소자 제작 공정도를 나타낸 것이다.
도 6은 비교예, 실시예 1 및 2에 따른 각각의 흡수층이 적용된 소자 구조를 나타낸다.
도 7은 비교예, 실시예 1 및 2에 따른 각각의 태양전지 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
1 shows the structure of a CZTS thin film solar cell.
FIGS. 2A, 2B, and 2C are schematic views schematically showing a manufacturing procedure of a light absorbing layer according to Comparative Example and Embodiments 1 and 2, respectively.
Fig. 3 shows a manufacturing process of a solar cell element in a comparative example.
Fig. 4 shows a process flow of manufacturing the solar cell element according to the first embodiment.
5 shows a process of manufacturing a solar cell element according to the second embodiment.
Fig. 6 shows a device structure to which each absorption layer according to Comparative Example, Examples 1 and 2 is applied.
FIG. 7 is a graph showing current-voltage characteristics of each solar cell device according to Comparative Example, Examples 1 and 2. FIG.

본 발명은 서로 다른 2개의 밴드갭 특성을 갖는 이중 광흡수층을 포함하는 박막 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film solar cell including a dual light absorbing layer having two different band gap characteristics.

본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판의 “위(또는 상)”에 있다고 기재된 경우, 상기 어떤 막(또는 층)이 상기 다른 막(또는 층) 위에 직접 존재할 수 있고, 그 사이에 제3의 다른 막(또는 층)이 개재될 수 있다.The embodiments of the present invention can be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention. It is to be understood that any film (or layer) may be directly present on the other film (or layer) if it is described herein as being "on (or over) And a third other film (or layer) may be interposed therebetween.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings.

도 1은 박막 태양전지의 개략적 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a thin film solar cell.

도 1을 참조하면, 박막 태양전지는 기판(100), 후면전극(200), 광흡수층(300), 버퍼층(400), 윈도우층(500), 전면전극(600)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a thin film solar cell may include a substrate 100, a rear electrode 200, a light absorption layer 300, a buffer layer 400, a window layer 500, and a front electrode 600.

기판(100)은 단단한(hard) 재질의 기판 또는 유연성(flexible) 재질의 기판을 사용한다. 예를 들어, 기판(110)으로 단단한 재질의 기판을 사용하는 경우, 유리 플레이트, 석영 플레이트, 실리콘 플레이트, 합성수지 플레이트, 금속 플레이트 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 기판으로 투명한 절연 물질이 사용될 수 있으며, 구체적으로 소다 라임 유리(soda lime glass), 보로실리케이트 유리(borosilicate glass) 및 무알칼리 유리(alkali free glass) 기판 등 또한 이에 포함된다.The substrate 100 uses a substrate of hard material or a flexible material. For example, when the substrate 110 is made of a rigid substrate, it may include a glass plate, a quartz plate, a silicon plate, a synthetic resin plate, a metal plate, and the like. Preferably, a transparent insulating material may be used for the substrate. Specifically, soda lime glass, borosilicate glass, and alkali free glass substrate are included.

상기 기판(100) 위에 형성되는 후면전극(200)은 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티탄(Ti), 구리(Cu), 금(Au) 또는 이들의 합금 중 어느 하나일 수 있다. 이 때 전극은 몰리브덴(Mo) 전극이 바람직하다. 몰리브덴(Mo)은 높은 전기전도성과 CZTS계 광흡수층과의 오믹 접합이 가능하고 내열특성 및 계면 접착력이 우수하다. 후면전극 두께는 0.2μm 내지 5μm일 수 있으며 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있다.The rear electrode 200 formed on the substrate 100 may be formed of a metal such as Mo, Cu, Al, Ni, W, C, Ti, (Cu), gold (Au), or an alloy thereof. In this case, the electrode is preferably a molybdenum (Mo) electrode. Molybdenum (Mo) has high electrical conductivity and is capable of ohmic bonding with a CZTS-based light absorption layer, and is excellent in heat resistance characteristics and interfacial adhesion. The back electrode thickness may be from 0.2 탆 to 5 탆 and may be formed by a sputtering process.

상기 후면전극(200) 위에 형성되는 광흡수층(300)은 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하고, 전자와 정공을 각각 다른 전극으로 전달하여 전류를 흐르게 하는 역할을 수행한다. 광흡수층은 CZTS(Copper, Zinc, Tin, Sulfur 또는 Selenid) 계열의 광흡수층일 수 있다.The light absorbing layer 300 formed on the rear electrode 200 absorbs light to form electron-hole pairs, and transmits electrons and holes to the other electrodes to flow current. The light absorption layer may be a light absorbing layer of CZTS (Copper, Zinc, Tin, Sulfur or Selenide) series.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광흡수층(300)은 서로 다른 2개의 밴드갭 특성을 갖는 이중 광흡수층일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the light absorbing layer 300 may be a double light absorbing layer having two different band gap characteristics.

상기 이중 광흡수층 중 하나의 광흡수층 밴드갭은 0.9 eV 내지 1.1 eV이고, 다른 하나의 광흡수층 밴드갭은 1.4 eV 내지 1.6 eV일 수 있다.One of the double absorption layers may have a band gap of 0.9 eV to 1.1 eV and the other band of the absorption layer may be 1.4 eV to 1.6 eV.

도 6에서 본 발명의 태양전지 소자의 구성을 간략하게 모식화하였으며, 본 발명의 태양전지는 도 6에서 보이는 바와 같이 광흡수층이 서로 다른 2개의 밴드갭을 갖는 이중 광흡수층(실시예 1: Cu2ZnSnS4/Cu2ZnSnSe4, 실시예 2: Cu2ZnSnSe4/Cu2ZnSnS4)으로 형성될 수 있다.6, the solar cell of the present invention has a structure in which the light absorption layer has two bandgaps different from each other as shown in FIG. 6 (Example 1: Cu 2 ZnSnS 4 / Cu 2 ZnSnSe 4, and Example 2: Cu 2 ZnSnSe 4 / Cu 2 ZnSnS 4 ).

상기 광흡수층 위에 형성되는 버퍼층(400)은 CdS, ZnS, Zn(O,S), CdZnS 및 ZnSe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 윈도우층(500)과 광흡수층(300) 사이의 높은 밴드 갭을 해소해 주는 역할을 한다.The buffer layer 400 formed on the light absorption layer may be at least one selected from the group consisting of CdS, ZnS, Zn (O, S), CdZnS and ZnSe, It plays a role of solving the high band gap.

상기 버퍼층(400) 위에 형성되는 윈도우층(500)은 ZnO:Al, ZnO:AZO, ZnO:B(BZO) 및 ZnO:Ga(GZO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 태양전지의 전면의 투명전극으로 기능을 하므로 광투과율이 높고, 전기전도도가 좋을 수 있다.The window layer 500 formed on the buffer layer 400 may be at least one selected from the group consisting of ZnO: Al, ZnO: AZO, ZnO: B (BZO), and ZnO: Ga (GZO) And functions as a transparent electrode on the front surface, so that the light transmittance can be high and the electric conductivity can be good.

상기 윈도우층(500) 위에 형성되는 전면전극(600)은 태양전지의 표면에서 전류 수집을 위한 기능을 하며, 하기 실시예에서는 알루미늄을 사용하였으나, 당업계에서 사용하는 전면전극이라면 그 종류를 특별히 제한하는 것은 아니다.The front electrode 600 formed on the window layer 500 functions to collect current from the surface of the solar cell. In the following embodiments, aluminum is used. However, if the front electrode used in the related art is limited specifically, It does not.

또한, 본 발명은 후면전극 상에 전구체층을 형성한 후 황화처리하는 단계; 및 상기 황화처리한 전구체층 상에 다시 전구체층을 형성한 후 셀레화처리하는 단계를 포함하는, 박막 태양전지 제조방법에 관한 것이다.The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a precursor layer on a back electrode; And a step of forming a precursor layer on the sulfided precursor layer and then performing a cellarizing treatment.

또한, 본 발명은 후면전극 상에 전구체층을 형성한 후 셀렌화처리하는 단계; 및 상기 셀렌화처리한 전구체층 상에 다시 전구체층을 형성한 후 황화처리하는 단계를 포함하는, 박막 태양전지 제조방법에 관한 것이다.The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a precursor layer on a rear electrode; And forming a precursor layer on the selenized precursor layer, followed by sulfiding the thin film solar cell.

상기 전구체층은 후면전극 상에 Cu 층, Zn 층, Sn 층, CuS 층, ZnS 층, SnS 층, CuSe 층, ZnSe 층, SnSe 층, CuSSe 층, ZnSSe 층 및 SnSSe 층으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 층이 적층된 구조로 형성될 수 있다.The precursor layer may include one or more selected from the group consisting of a Cu layer, Zn layer, Sn layer, CuS layer, ZnS layer, SnS layer, CuSe layer, ZnSe layer, SnSe layer, CuSSe layer, ZnSSe layer, The above layers may be formed in a laminated structure.

상기 전구체층을 형성은 스퍼터링법(sputtering), 동시증발증착법(evaporation), CVD법(Chemical vapor deposition), 유기금속화학기상증착(MOCVD), 근접승화법(Close-spaced sublimation, CSS), 스프레이 피롤리시스(Spray pyrolysis), 화학 스프레이법(Chemical spraying), 스크린프린팅법(Screeen printing), 비진공 액상성막법, CBD법(Chemical bath deposition), VTD법(Vapor transport deposition), 및 전착법(electrodeposition) 중에서 어느 하나의 방법에 의하여 형성(증착)될 수 있다. The precursor layer may be formed by sputtering, evaporation, chemical vapor deposition (MOCVD), close-spaced sublimation (CSS), sputtering A chemical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, a screen printing method, a non-vacuum liquid phase film forming method, a CBD method (chemical bath deposition), a VTD method (vapor transport deposition), and an electrodeposition (Deposited) by any one of the following methods.

상기 황화처리 또는 셀렌화처리 공정은 밀폐된 챔버 내에서 불활성 기체 분위기하에서 수행되는 것일 수 있다. 밀폐된 챔버를 사용하는 경우, 셀레늄 또는 황 원소의 침투를 효과적으로 진행할 수 있다. 상기 불활성 기체는 아르곤(Ar)일 수 있으나, 상기 불활성 기체가 이에 제한되는 것은 아니다.The sulfiding or selenization process may be performed in an inert gas atmosphere in a closed chamber. When a sealed chamber is used, penetration of selenium or sulfur element can be effectively carried out. The inert gas may be argon (Ar), but the inert gas is not limited thereto.

상기 황화처리는 황 소스가 놓여지는 부분과 소자가 놓여지는 부분의 온도가 다르게 제어되는 퍼니스(Furnace)에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 황화처리는 2 구역 퍼니스(2-zone furnace) 내에서 이루어지고, 퍼니스의 제 1 구역에는 황 소스가 위치하고, 제 1 구역 보다 높은 온도를 가지는 퍼니스의 제 2 구역에는 전구체층이 형성된 소자가 위치할 수 있다. 이때, 황 소스가 놓여지는 부분은 250~350℃의 온도로 제어되며, 소자가 놓여지는 부분은 550~600℃의 온도로 제어될 수 있다. 상기 황 소스는 파우더 형태일 수 있으며, 두 개의 열처리 구역에 아르곤(Ar) 가스를 석영관(quartz tube)을 통해서 공급시킬 수 있으며, 상기 황화처리 공정은 10분 내지 60분 동안 진행될 수 있다.The sulfidation treatment may be performed in a furnace in which the temperature of a portion where a sulfur source is placed and a portion where a device is placed are controlled differently. For example, the sulphidation process is performed in a 2-zone furnace, where a sulfur source is located in a first zone of the furnace and a precursor layer is formed in a second zone of the furnace having a temperature higher than the first zone The device may be located. At this time, the portion where the sulfur source is placed is controlled to a temperature of 250 to 350 ° C, and the portion where the element is placed can be controlled to a temperature of 550 to 600 ° C. The sulfur source may be in the form of a powder, and argon (Ar) gas may be supplied to the two heat treatment zones through a quartz tube, and the sulfidation process may be performed for 10 to 60 minutes.

이러한 과정을 통해 형성된 CZTS계 광흡수층 두께는 0.5nm 내지 3.0㎛일 수 있다.The thickness of the CZTS light absorbing layer formed through this process may be 0.5 nm to 3.0 탆.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 박막 태양전지 제조방법은 후면전극 상에 광흡수층을 형성하는 단계 이전에 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 후면전극 상에 광흡수층을 형성하는 단계 이후에 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계; 및 윈도우층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 추가적으로 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thin film solar cell manufacturing method may further include forming a rear electrode on the substrate before the step of forming the light absorbing layer on the rear electrode, Forming a buffer layer on the light absorbing layer after forming the buffer layer; Forming a window layer on the buffer layer; And forming a second electrode on the window layer.

상기 버퍼층은 진공공정, 열 증착공정 및 화학적 용액 성장법(Chemical Bath Deposition) 등으로 형성할 수 있으나, 상기 버퍼층의 형성 방법이 이에 제한되는 것은 아니다.The buffer layer may be formed by a vacuum process, a thermal deposition process, or a chemical solution deposition (Chemical Bath Deposition) method, but the method of forming the buffer layer is not limited thereto.

이때, 상기 버퍼층은 CdS, ZnS, Zn(O,S), CdZnS, Inx(OH,S)y, ZnSe 및 Zn1-xMgxO 등으로 제조할 수 있으나, 상기 버퍼층이 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the buffer layer may be made of CdS, ZnS, Zn (O, S), CdZnS, Inx (OH, S) y, ZnSe and Zn1-xMgxO, but the buffer layer is not limited thereto.

한편, 상기 버퍼층의 두께는 10 내지 200nm일 수 있다.The thickness of the buffer layer may be 10 to 200 nm.

만약, 상기 버퍼층의 두께가 10 nm 미만이거나 200nm를 초과하는 경우에는 광투과율이 감소하며, 공핍층 폭의 증가로 인해 전자가 상부 전극으로 전달되기 어려운 문제점이 있다.If the thickness of the buffer layer is less than 10 nm or more than 200 nm, the light transmittance is decreased, and electrons are difficult to be transmitted to the upper electrode due to the increase of the depletion layer width.

상기 윈도우층은 스퍼터링법(sputtering), 진공공정, 열 증착공정 및 화학적 용액 성장법(Chemical Bath Deposition) 등의 방법으로 형성될 수 있으나, 상기 윈도우층의 형성방법이 이에 제한되는 것은 아니다.The window layer may be formed by a sputtering method, a vacuum method, a thermal deposition method, or a chemical solution deposition method, but the method of forming the window layer is not limited thereto.

이때, 윈도우층은 ZnO:Al, ZnO:AZO, ZnO:B(BZO) 및 ZnO:Ga(GZO)등으로 제조될 수 있으나, 상기 윈도우층이 이에 제한되는 것은 아니며, 광투과율이 높고 전기 전도성이 우수한 재료를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.At this time, the window layer may be made of ZnO: Al, ZnO: AZO, ZnO: B (BZO) and ZnO: Ga (GZO), but the window layer is not limited thereto and may have a high light transmittance Excellent materials can be appropriately selected and used.

한편, 상기 윈도우층의 두께는 100 내지 1000nm일 수 있다.Meanwhile, the thickness of the window layer may be 100 to 1000 nm.

만약, 상기 윈도우층의 두께가 100nm 미만이거나 1000nm 를 초과하는 경우에는 광투과율의 감소와 전류-전압 특성의 저하로 소자의 광효율이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.If the thickness of the window layer is less than 100 nm or more than 1000 nm, a decrease in light transmittance and a decrease in the current-voltage characteristic may cause a problem that the light efficiency of the device is reduced.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<< 비교예Comparative Example >>

CZTS계CZTS system 태양전지 소자 제조 Photovoltaic device manufacturing

소다라임 유리 기판(Soda Lime Glass: SLG)을 아세톤, 메탄올로 각각 300℃, 초음파로 10분씩 세척 후 증류수로 세척한 다음, 기판 위에 스퍼터링 공정으로 몰리브덴(Mo) 후면전극층을 0.5μm 두께로 형성하였다.The soda lime glass substrate (SLG) was washed with acetone and methanol at 300 ° C for 10 minutes each with ultrasonic waves, and then washed with distilled water. Then, a molybdenum (Mo) rear electrode layer having a thickness of 0.5 μm was formed on the substrate by a sputtering process .

이후 흡수층 전구체는 Zn, Sn, Cu의 순서로 약 0.7μm 두께로 증착되었다. 이후 급속 열처리 공정 (Rapid Thermal Process, RTP)을 통해서 540℃에서 셀렌화 공정을 적용해서 Cu2ZnSnSe4을 형성한 후, 약 50nm 두께의 CdS 버퍼층을 형성한 후, 약 50nm 두께의 ZnO와 알루미늄이 도핑된 ZnO가 약 0.3 μm 두께로 형성되는 윈도우층을 형성 후 약 0.5μm 두께의 알루미늄 전면 전극을 형성했다.Thereafter, the absorption layer precursor was deposited to a thickness of about 0.7 μm in the order of Zn, Sn, and Cu. After the formation of Cu 2 ZnSnSe 4 by applying a selenization process at 540 ° C. through a rapid thermal process (RTP), a CdS buffer layer having a thickness of about 50 nm is formed, and then about 50 nm thick ZnO and aluminum After forming a window layer in which doped ZnO was formed to a thickness of about 0.3 탆, an aluminum front electrode having a thickness of about 0.5 탆 was formed.

상기 소자 제조 공정 순서는 도 2a에서 도식화하였다.The device manufacturing process sequence is illustrated in FIG. 2A.

<< 실시예Example 1> 1>

2개의 Two 광흡수층을The light absorbing layer 포함하는  Included CZTS계CZTS system 태양전지 제조 Solar cell manufacturing

실시예 1에 의한 소자는, 상기 비교예의 소자 공정 중에서 흡수층 공정만을 다르게 진행하였다.In the device according to Example 1, only the absorption layer process was performed differently in the element process of the comparative example.

후면 전극 위에 동일한 방법으로 전구체(Zn, Sn, Cu)를 두께 약 0.3 μm로 증착한 후, 퍼니스에서 황화 공정을 진행했다. 퍼니스는 황화 공정의 황 소스가 놓여지는 부분과 소자가 놓여지는 부분의 온도가 다르게 제어된다. 황 소스가 놓여지는 부분은 약 300℃, 소자가 놓여지는 부분은 약 570℃로 제어하여 10분 동안 황화 공정을 적용하였다. 이 공정을 통해서 Cu2ZnSnS4 광흡수층을 후면 전극상에 우선 형성하였다. 이후 전구체(Zn, Sn, Cu)를 두께 약 0.4 μm로 증착한 후, 비교예와 같은 급속 열처리 공정을 적용하여 540℃에서 10분 동안 셀렌화 공정을 적용하여 Cu2ZnSnSe4 광흡수층을 형성하였다. 이렇게 형성된 2개의 광흡수층에 비교예와 동일한 공정을 통해서 소자를 제작하였다.The precursors (Zn, Sn, Cu) were deposited to a thickness of about 0.3 탆 on the back electrode in the same manner and then subjected to a sulfurization process in the furnace. In the furnace, the temperature of the portion where the sulfur source is placed and the portion where the device is placed is controlled differently in the sulfurization process. Sulfurization process was applied for 10 minutes by controlling the temperature of the part where the sulfur source was placed at about 300 ° C and the part where the device was placed at about 570 ° C. Through this process, a Cu 2 ZnSnS 4 light absorbing layer was first formed on the back electrode. After the precursors (Zn, Sn, Cu) were deposited to a thickness of about 0.4 탆, a rapid thermal annealing process as in the comparative example was applied and a selenization process was performed at 540 캜 for 10 minutes to form a Cu 2 ZnSnSe 4 light absorption layer . The device was fabricated through the same process as the comparative example in the two light absorbing layers thus formed.

상기 소자 제조 공정 순서는 도 2b에서 도식화하였다.The device manufacturing process sequence is illustrated in Figure 2B.

<< 실시예Example 2> 2>

2개의 Two 광흡수층을The light absorbing layer 포함하는  Included CZTS계CZTS system 태양전지 제조 Solar cell manufacturing

실시예 2에 의한 소자는, 상기 비교예의 소자 공정 중에서 흡수층 공정만을 다르게 진행하였다.In the device according to Example 2, only the absorption layer process was carried out differently in the device process of the comparative example.

후면 전극 위에 동일한 방법으로 전구체를 두께 약 0.4 μm로 증착한 후, 비교예와 같은 급속 열처리 공정을 적용하여 540℃에서 10분 동안 셀렌화 공정을 적용하여 Cu2ZnSnSe4 광흡수층을 후면 적극 상에 우선 형성하였다. 이후 전구체를 두께 약 0.3 μm로 증착한 후, 퍼니스에서 황화 공정을 진행했다. 퍼니스는 황화 공정의 황 소스가 놓여지는 부분과 소자가 놓여지는 부분의 온도가 다르게 제어된다. 황 소스가 놓여지는 부분은 약 300℃, 소자가 놓여지는 부분은 약 570℃로 제어하여 10분 동안 황화 공정을 적용했다. 이 공정을 통해서 Cu2ZnSnS4 광흡수층을 형성하였다. 이렇게 형성된 2개의 광흡수층에 비교예와 동일한 공정을 통해서 소자를 제작하였다.The precursor was deposited to a thickness of about 0.4 탆 on the back electrode in the same manner and then subjected to a rapid thermal annealing process as in the comparative example to apply a selenization process at 540 캜 for 10 minutes to form a Cu 2 ZnSnSe 4 light absorbing layer on the rear positive First. Thereafter, the precursor was deposited to a thickness of about 0.3 占 퐉, and then the sulfiding process was carried out in the furnace. In the furnace, the temperature of the portion where the sulfur source is placed and the portion where the device is placed is controlled differently in the sulfurization process. The sulfur source was controlled at about 300 ° C and the device was placed at about 570 ° C for 10 minutes. Through this process, a Cu 2 ZnSnS 4 light absorbing layer was formed. The device was fabricated through the same process as the comparative example in the two light absorbing layers thus formed.

상기 소자 제조 공정 순서는 도 2c에서 도식화하였다.The device manufacturing process sequence is illustrated in Figure 2C.

<< 실험예Experimental Example 1> 1>

태양전지 소자의 Of solar cell element 광전환Light conversion 효율의 평가 Evaluation of efficiency

상기 실시예 1, 2에 따른 박막을 포함하는 태양전지와 비교예에 따른 박막을 포함하는 태양전지의 광전환 효율 비교하였다.The light conversion efficiencies of the solar cells including the thin films according to Examples 1 and 2 and the thin films according to the comparative examples were compared.

그 결과 하기 표 1 및 도 7에서 나타낸 바와 같이, 비교예에 의해서 제작된 소자의 광전변환효율은 3.08%였다. 이에 반해, 실시예1의 경우 개방 전압, 단락전류 그리고 충진률 특성이 비교예 보다 모두 향상되어 5.37%의 효율을 보이는 것을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in Table 1 and Fig. 7, the photoelectric conversion efficiency of the device manufactured by the comparative example was 3.08%. On the contrary, in the case of Example 1, the open-circuit voltage, the short-circuit current, and the filling factor characteristics were improved to 5.37% as compared with the comparative example.

Cu2ZnSnS4 층에 의해서 전체적으로 광흡수층의 밴드갭이 증가하면서 개방전압이 향상되고, 2개층의 광흡수층에서 형성된 전자가 Cu2ZnSnSe4 층과 CdS 버퍼층의 원활한 밴드 계면을 통해서 상부전극으로 이동하면서 전류 특성이 향상되어 전체적으로 효율이 향상된 결과를 보이고 있다. The Cu 2 ZnSnS 4 layer increases the bandgap of the light absorbing layer as a whole and the open voltage is improved. The electrons formed in the two light absorption layers move to the upper electrode through the smooth band interface of the Cu 2 ZnSnSe 4 layer and the CdS buffer layer The current characteristics are improved and the efficiency is improved as a whole.

한편, 실시예 2의 경우, 개방전압은 비교예에 비해서 많이 향상되었으나 단락전류 특성은 감소하는 것으로 나타났다. 실시예 2는 실시예 1과 비교해서, 흡수층 마지막 공정에 황화 공정이 적용된다. 따라서 실시예 1보다 실시예 2의 흡수층에 황이 전체적으로 많이 분포한다. 황은 흡수층의 밴드갭을 증가시키기 때문에, 증가된 흡수층 밴드갭에 기인해서 개방전압이 향상될 수 있다. 그러나 실시예 2 흡수층 상부에 적용된 Cu2ZnSnS4 층은 CdS 버퍼층과 밴드 계면 특성이 불안정하게 된다. 이러한 불안정은 전자가 전면 전극으로 이동하는 특성을 저하시키게 되고, 따라서 실시예 2는 단락 전류 특성이 저하되게 된다.On the other hand, in the case of Example 2, the open-circuit voltage was improved much as compared with the comparative example, but the short-circuit current characteristic was decreased. In Example 2, as compared to Example 1, the sulfidation process is applied to the last step of the absorption layer. Therefore, the sulfur in the absorbent layer of Example 2 is more distributed than in Example 1 as a whole. Since sulfur increases the bandgap of the absorber layer, the open-circuit voltage can be improved due to the increased absorption bandgap. However, the Cu 2 ZnSnS 4 layer applied to the upper part of the absorption layer of Example 2 becomes unstable in the band interface characteristic with the CdS buffer layer. This instability lowers the characteristic of electrons moving to the front electrode, and therefore, the short-circuit current characteristic is lowered in the second embodiment.

상기와 같은 결과를 통해, 본 발명의 실시예 1에서와 같이 이중 광흡수층구조로 후면전극 상에 Cu2ZnSnS4/Cu2ZnSnSe4의 순서로 적층되는 경우 효과적으로 광전변환효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.As a result of the above-mentioned results, it is possible to effectively improve the photoelectric conversion efficiency in the case of stacking Cu 2 ZnSnS 4 / Cu 2 ZnSnSe 4 on the rear electrode in the order of double light absorption layer structure as in Embodiment 1 of the present invention Respectively.

실시예 1,2 및 비교예에 다른 태양전지 소자의 전기적 특성Electrical characteristics of solar cell devices according to Examples 1, 2 and Comparative Example SampleSample 흡수층 구조Absorption layer structure 개방전압
(V)
Open-circuit voltage
(V)
단락전류
(mA/cm2)
Short-circuit current
(mA / cm 2 )
충진률
(%)
Filling rate
(%)
효율
(%)
efficiency
(%)
비교예Comparative Example 기판/ Mo / CZTSeSubstrate / Mo / CZTSe 0.3210.321 24.0424.04 39.8839.88 3.083.08 실시예1Example 1 기판 / Mo / CZTS / CZTSeSubstrate / Mo / CZTS / CZTSe 0.3670.367 35.4735.47 41.2941.29 5.375.37 실시예2Example 2 기판 / Mo / CZTSe / CZTSSubstrate / Mo / CZTSe / CZTS 0.5360.536 12.4912.49 51.4851.48 3.453.45

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

100: 기판
200: 후면전극
300: 광흡수층
400: 버퍼층
500: 윈도우층
600: 전면전극
100: substrate
200: rear electrode
300: light absorbing layer
400: buffer layer
500: window layer
600: front electrode

Claims (8)

서로 다른 2개의 밴드갭 특성을 갖는 이중 광흡수층을 포함하는 박막 태양전지.A thin film solar cell comprising a dual light absorbing layer having two different band gap characteristics. 제1항에 있어서,
기판, 후면전극, 광흡수층, 버퍼층, 윈도우층 및 전면전극이 순차적으로 형성되어 있는 박막 태양전지.
The method according to claim 1,
A thin film solar cell comprising a substrate, a rear electrode, a light absorbing layer, a buffer layer, a window layer, and a front electrode sequentially formed.
제1항에 있어서,
상기 이중 광흡수층은, 하나의 광흡수층 밴드갭이 0.9 eV 내지 1.1 eV이고, 다른 하나의 광흡수층 밴드갭이 1.4 eV 내지 1.6 eV인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the double light absorbing layer has one light absorbing layer band gap of 0.9 eV to 1.1 eV and another light absorbing layer band gap of 1.4 eV to 1.6 eV.
후면전극 상에 전구체층을 형성한 후 황화처리하는 단계; 및
상기 황화처리한 전구체층 상에 다시 전구체층을 형성한 후 셀렌화처리하는 단계를 포함하는, 박막 태양전지 제조방법.
Forming a precursor layer on the rear electrode, and then sulfiding the precursor layer; And
Forming a precursor layer on the sulfided precursor layer, and subjecting the precursor layer to a selenization treatment.
후면전극 상에 전구체층을 형성한 후 셀렌화처리하는 단계; 및
상기 셀렌화처리한 전구체층 상에 다시 전구체층을 형성한 후 황화처리하는 단계를 포함하는, 박막 태양전지 제조방법.
Forming a precursor layer on the rear electrode, and then selenizing the precursor layer; And
Forming a precursor layer on the selenized precursor layer, and then sulfiding the precursor layer.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 황화처리는 황 소스가 놓여지는 부분과 소자가 놓여지는 부분의 온도가 다르게 제어되는 퍼니스(Furnace)에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
The method according to claim 4 or 5,
Wherein the sulfiding treatment is performed in a furnace in which a temperature of a portion where a sulfur source is placed and a temperature of a portion where a device is placed is controlled differently.
6항에 있어서,
황 소스가 놓여지는 부분은 250~350℃의 온도로 제어되며, 소자가 놓여지는 부분은 550~600℃의 온도로 제어되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
6. The method of claim 6,
Wherein a portion where the sulfur source is placed is controlled to a temperature of 250 to 350 ° C, and a portion where the element is placed is controlled to a temperature of 550 to 600 ° C.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 전구체층은 스퍼터링법(sputtering), 증발법(evaporation), CVD법(Chemical vapor deposition), 유기금속화학기상증착(MOCVD), 근접승화법(Close-spaced sublimation, CSS), 스프레이 피롤리시스(Spray pyrolysis), 화학 스프레이법(Chemical spraying), 스크린프린팅법(Screeen printing), 비진공 액상성막법, CBD법(Chemical bath deposition), VTD법(Vapor transport deposition), 및 전착법(electrodeposition) 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
The method according to claim 4 or 5,
The precursor layer may be formed by sputtering, evaporation, chemical vapor deposition (MOCVD), close-spaced sublimation (CSS), spray pyrolysis Spray drying, spray pyrolysis, chemical spraying, screen printing, non-vacuum liquid deposition, CBD (Chemical Bath Deposition), VTD (vapor transport deposition), and electrodeposition Wherein the thin film solar cell is formed by any one method.
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