KR20170073183A - 농도 구배를 갖는 i-ZnO 층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은,
기판;
상기 기판 상에 배치되는 후면 전극층;
상기 후면 전극층 상에 배치되는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 배치되는 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 배치되고, 하기 화학식 1로 표시되는 진성 산화아연(i-ZnO)층; 및
상기 진성 산화아연층 상에 배치되는 전면 전극층 포함하며,
상기 진성 산화아연층의 산소(O)의 함량은 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로부터 상기 진성 산화아연층과 전면 전극층의 계면으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 관한 것이다.
ZnO1+x (1)
상기 식에서, 0≤x<1이다.

Description

농도 구배를 갖는 i-ZnO 층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 {Thin Film Solar Cell Comprising i-ZnO layer with Concentration Gradient and Method of Manufacturing thereof}
본 발명은 농도 구배를 갖는, 상세하게는 산소(O)의 농도 구배를 갖는 i-ZnO 층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어, 직면한 에너지 문제를 해결하기 위하여, 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지원에 대한 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히, 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되고 있다.
이들 중에서, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 광전 소자인 태양전지는 기타 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로, 1983년 Se 태양 전지가 개발된 이후 많은 각광을 받고 있다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로, 그 구성 재료에 따라 무기 소재로 이루어진 실리콘, 화합물 반도체와 같은 무기 태양전지(inorganic solar cell)와 유기물질을 포함하는 유기 태양전지(organic solar cell)로 분류할 수 있다. 그 중에서, 박막 태양전지로서 CuInSe2(CIS)로 대표되는 I-III-VI2족 칼코파이라이트 (Chalcopyrite)계 화합물 반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1x105cm-1로 반도체 중에서 가장 높아, 두께 1~2 ㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 따라서, 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광 발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.
그러나, CIGS계의 박막 태양 전지에 대한 잠재성에도 불구하고, 인듐(In)의 원가와 공급량 부족으로 인하여 CIGS계의 광흡수층을 이용한 박막 태양전지의 광범위한 용도 및 적용성에 주요한 장애가 되고 있는 바, 최근에는 상기 CIGS계의 광흡수층에 대한 대안으로 In-free 나 In-less의 저가 범용 원소로서 구리, 아연, 주석, 황, 또는 셀레늄 원소를 포함하는 CZTS(Cu2ZnSn(S,Se)4)계 태양전지가 주목받고 있다. 상기 CZTS는 약 1.0 내지 1.5eV의 직접 밴드갭(direct band gap) 및 104 ㎝-1 이상의 흡수계수를 갖고 있고, 상대적으로 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 Sn과 Zn을 사용하는 장점을 가지고 있다.
이러한 박막 태양전지 일반적으로 유리를 기판으로 후면 전극층을 먼저 증착하고, 그 위에 CIGS 또는 CZTS 광흡수층, 버퍼층, 전면 전극층, 및 집전 전극을 순차적으로 형성시켜 제조된다.
구체적으로, 상기 단위 박막들은 다양한 종류의 물리적, 화학적 방법으로 형성되는데, 통상 박막 태양전지는 기판 상에 직류 스퍼터링법에 의해 후면 전극층을 형성하고, 후면 전극층 상에 진공 증착법, 스퍼터링법, 전착법, 잉크 코팅법 등을 사용하여 광흡수층을 형성하며, 광흡수층 상에 CBD(chemical bath deposition) 방법을 사용하여 버퍼층을 형성한 후, 고주파 스퍼터링법, 반응성 스퍼터링법, 또는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 방법을 이용하여 전면 전극층을 형성한다.
한편, 상기 버퍼층과 전면 전극층 사이에는, 버퍼층과 전면 전극층의 누설전류를 차단하기 위해, 스퍼터링법에 의해 아주 얇게 버퍼층의 일종인 진성 산화아연층을 형성하고 있다.
그러나, 기존의 상기 진성 산화아연층은 두께를 기준으로 전체적으로 동일한 산소(O)의 함량을 가지고 있어, 각 계면에서의 밴드갭(band gap)이 너무 급격하게 변하는 바 전하들이 계면들을 통과할 때 이동을 방해하여 태양전지의 효율을 떨어트리는 문제가 있었다.
또한, 스퍼터링법에 의해 진성 산화아연층을 형성하는 경우에는 표면이 고르지 못하여 투과도나 저항의 불균일한 문제가 존재하여 누설전류의 차단을 효과적으로 발휘하지 못하거나, 광흡수층까지의 광투과율을 현저히 떨어뜨리는 문제가 있었다.
따라서, 상기 문제점들을 해결할 수 있는 태양전지에 대한 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 태양전지를 제조함에 있어, 진성 산화아연(i-ZnO)층의 산소의 함량이 두께 방향의 위치에 따라 달라지도록 구성하는 경우, 상기 문제를 해결하고 본 발명이 의도한 효과를 발휘할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 태양전지는,
기판;
상기 기판 상에 배치되는 후면 전극층;
상기 후면 전극층 상에 배치되는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 배치되는 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 배치되고, 하기 화학식 1로 표시되는 진성 산화아연(i-ZnO)층; 및
상기 진성 산화아연층 상에 배치되는 전면 전극층 포함하며,
상기 진성 산화아연층의 산소(O)의 함량은 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로부터 상기 진성 산화아연층과 전면 전극층의 계면으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 한다.
ZnO1+x (1)
상기 식에서, 0≤x<1이고, 상세하게는 0≤x≤0.5일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 전면 전극층과의 계면에서는 밴드갭의 높은 장벽을 낮춰 배열을 맞추기 위해서 x값이 0인 것이 바람직한 바, 상기 산소의 함량은 버퍼층에서 전면 전극층의 방향으로 연속적으로 감소하는 농도 구배를 가질 수 있다.
여기서, 농도 구배는 당해 기술분야에서 표준적인 의미, 즉, 진성 산화아연층을 통과하는 거리의 함수로서 두께 방향으로의 농도 기울기를 의미한다. 또한 연속적이라는 것은 예를 들어, AES(Auger Electron Spectroscopy)에 의하여 측정되는 정확도 수준에서 이 변수에 연속적인 변화가 있음을 의미한다.
이와 같이 진성 산화아연층의 산소의 함량은 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로부터 상기 진성 산화아연층과 전면 전극층의 계면으로 갈수록 감소하고, 이에 따라, 전자 및/또는 전공의 이동 저항은 감소하는 바, 반대로 전자 전도도는, 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로부터 상기 진성 산화아연층과 전면 전극층의 계면으로 갈수록 증가할 수 있다.
이러한 진성 산화아연층의 두께는 1 nm 내지 100 nm임이 바람직하고, 이때, 진성 산화아연층에 포함되는 전체 산소의 함량의 70% 이상이 진성 산화아연층 두께를 반으로 나눌 때 버퍼층과 가까운 쪽에 포함될 수 있다.
한편, 상기 진성 산화아연층의 제조방법은, 당업계에서 태양전지의 진성 산화아연층의 제조를 위해 사용되는 방법이라면 한정 없이 사용이 가능하고, 예를 들어, 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(Chemicalbath deposition), VTD법(Vapor transport deposition), 원자층 증착법 (Atomic layer deposition: ALD), 및 전착법(electrodeposition) 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있으나, 상세하게는, 원자층 증착법에 의하여 제조될 수 있다.
이하에서는, 태양전지의 기타 구성과 그의 제조방법에 대해 설명한다.
상기 기판은 유리 기판, 고분자 기판, 세라믹 기판, 또는 금속 기판일 수 있고, 상세하게는 유리 기판을 사용할 수 있으며, 예를 들어, Corning 7059, 파이렉스(pyrex)유리나, 값싼 소다회 유리(sodalime glass)가 사용될 수 있다.
상기 기판 상에 형성되는 후면 전극층은 일반적으로 전극으로 사용되는 모든 금속을 사용할 수 있고, 상세하게는, Mo, Ni, Au, 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하여 사용할 수 있으며, 더욱 상세하게는 높은 전도도, 광흡수층에 사용되는 화합물에의 저항성 접촉(ohmic contact), Se 분위기 하에서의 고온 안정성을 유지할 수 있는 Mo을 사용할 수 있다.
상기 광흡수층은 후면 전극층 상에 형성되며, I족 원소, III족 원소 및 VI족 원소를 함유하고 있어야 하는데, VI족 원소는 열처리 단계에서 추가될 수도 있다. 이와 같이 형성된 광흡수층은 하기 화학식 2 또는 3의 화합물을 포함할 수 있다.
Cu(InaGa1-a)(SebS1-b)2 (2)
Cu2(ZncSnc)(SedS1-d)4 (3)
상기 식들에서, 0<a≤1, 0<b≤1, 0<c≤1, 0<d≤1이다.
상기 버퍼층은, 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 또는 인듐(In)을 포함하는 화합물로 이루어질 수 있고, 상세하게는, ZnS, CdS, ZnSe, InS, InSe, InOOH 및 ZnOOH 로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있으며, 더욱 상세하게는, 하기 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어질 수 있다.
ZnO1-ySy (4)
상기 식에서, 0≤y≤1이다.
이때, 상기 버퍼층 또한, 상기 진성 산화아연층과 같이, 산소(O)의 함량이, 상기 광흡수층과 버퍼층의 계면으로부터 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로 갈수록 증가하는 구조일 수 있다.
마지막으로, n형의 도전형을 갖고 광흡수층과 p-n 접합을 형성하는 상기 전면 전극층은 입사되는 태양광의 투과율이 80%이상 담보될 수 있도록 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 붕소(B)로 도핑된 ZnO를 포함할 수 있으며, 또한 필요에 따라, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 붕소(B)로 도핑된 ZnO층과 ITO(Indium Tin Oxide)층을 포함하는 이중층 구조로 형성함으로써 더욱 낮은 저항 값과 높은 광투과도를 얻을 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지는, 두께 방향의 위치에 따라 산소(O)의 함량이 달라지는 진성 산화아연(i-ZnO)층을 포함함으로써, 전체적으로 동일한 조성을 갖는 경우와 비교하여 진성 산화아연층과 전면 전극츠의 산화아연층 사이의 계면효과를 줄여 전하들의 재결합을 줄일 수 있고, 산소가 확산되는 것을 방지하여 산화아연층의 정확한 설계가 가능한 효과가 있다.
또한, 원자층 증착법을 이용하여 매우 균일하게 상기 진성 산화아연층을 제조함으로써, 기존의 방법에 의해 형성하는 경우와 비교하여 표면을 매우 고르게 형성 할 수 있어, 투과도나 저항의 불균일한 문제를 해소하고, 우수한 누설전류 차단 효과를 갖는 한편, 광투과율을 높일 수 있는 효과가 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지는,
기판;
상기 기판 상에 배치되는 후면 전극층;
상기 후면 전극층 상에 배치되는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 배치되는 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 배치되고, 하기 화학식 1로 표시되는 진성 산화아연(i-ZnO)층; 및
상기 진성 산화아연층 상에 배치되는 전면 전극층 포함하며,
상기 진성 산화아연층의 산소(O)의 함량은 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로부터 상기 진성 산화아연층과 전면 전극층의 계면으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 한다.
ZnO1+x (1)
상기 식에서, 0≤x<1이고, 상세하게는 0≤x≤0.5일 수 있다.
상기 진성 산화아연층은, 산소의 함량을 과량으로 추가하여, ZnO의 격자 내 중간 중간에 산소가 존재하게 함으로써 전자 및/또는 전공의 이동 저항을 높여 전자 전도도를 낮춤으로써 누설 전류를 차단하는 효과를 갖는다.
따라서, x가 0을 초과하여 그 함량이 증가할수록 상기 효과는 커진다. 반면, 산소의 함량이 특정 값 이상을 초과하여 너무 많이 포함되는 경우에는, 저항이 지나치게 높거나, 그 위에 적용될 전면 전극층의 산화아연층에 불필요한 산소가 확산되어 전도도를 떨어트리는 문제가 있을 수 있는 바, 상기의 범위 내인 것이 바람직하다.
한편, 전면 전극층과의 계면에서는 밴드갭의 높은 장벽을 낮춰 배열을 맞추기 위해서 x값이 0인 것이 바람직한 바, 상기 산소의 함량은 버퍼층에서 전면 전극층의 방향으로 연속적으로 감소하는 농도 구배를 가질 수 있다.
여기서, 농도 구배는 당해 기술분야에서 표준적인 의미, 즉, 진성 산화아연층을 통과하는 거리의 함수로서 두께 방향으로의 농도 기울기를 의미한다. 또한 연속적이라는 것은 예를 들어, AES(Auger Electron Spectroscopy)에 의하여 측정되는 정확도 수준에서 이 변수에 연속적인 변화가 있음을 의미한다.
예를 들어, 상기 진성 산화아연층 내의 산소(O)의 함량은 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면에서부터 연속적으로 감소하여, 전면 전극층과 진성 산화아연층의 계면에서는 x가 0인 ZnO의 조성을 가질 수 있다.
이와 같이 진성 산화아연층의 산소의 함량은 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로부터 상기 진성 산화아연층과 전면 전극층의 계면으로 갈수록 감소하고, 이에 따라, 전자 및/또는 전공의 이동 저항은 감소하는 바, 반대로 전자 전도도는, 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로부터 상기 진성 산화아연층과 전면 전극층의 계면으로 갈수록 증가할 수 있다.
따라서, 두께 방향의 위치에 따라 산소(O)의 함량이 달라지는 경우에는, 전체적으로 동일한 조성을 갖는 경우와 비교하여 두 산화 아연층의 계면 효과를 줄여 전하들의 재결합을 줄일 수 있고, 산소가 확산되는 것을 방지하여 산화아연층의 정확한 설계가 가능한 효과가 있다.
이러한 진성 산화아연층의 두께는 1 nm 내지 100 nm임이 바람직하고, 이때, 진성 산화아연층에 포함되는 전체 산소의 함량의 70% 이상이 진성 산화아연층 두께를 반으로 나눌 때 버퍼층과 가까운 쪽에 포함될 수 있다.
한편, 상기 진성 산화아연층의 제조방법은, 당업계에서 태양전지의 진성 산화아연층의 제조를 위해 사용되는 방법이라면 한정 없이 사용이 가능하고, 예를 들어, 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(Chemicalbath deposition), VTD법(Vapor transport deposition), 원자층 증착법 (Atomic layer deposition: ALD), 및 전착법(electrodeposition) 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있으나, 상세하게는, 원자층 증착법에 의하여 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 원자층 증착법을 이용한 진성 산화아연층의 제조방법은, 아연(Zn) 전구체, 산소(O) 전구체, 및 과산화수소(H2O2)를 순차적으로 공급함으로써 수행될 수 있다.
여기서, 상기 과산화수소가, 버퍼층과 전면 전극층의 누설전류를 차단하기 위해, 진성 산화아연(i-ZnO)층 내 포함되는 산소의 함량을 늘리는 역할을 수행한다.
따라서, 상기 농도 구배는, 과산화수소의 공급 횟수를 진성 산화아연층의 형성 두께에 따라 달리함으로써 형성할 수 있다. 즉, 버퍼층 상에 진성 산화아연층을 형성하는 시점에서는 과산화수소를 다수 공급, 예를 들어, 산소(O) 전구체의 공급 횟수와 동일하게 공급하고, 점점 과산화수소의 공급 횟수를 줄여 진성 산화아연층의 형성이 완료되는 전면 전극층과의 계면에서는 과산화수소의 공급이 0이 되도록 함으로써 형성할 수 있다. 이때, 과산화수소의 사용량 변화율은 농도 구배의 기울기와 진성 산화아연층의 두께, 각 계면에서의 함량 등을 고려하여 적절히 설정될 수 있다.
한편, 상기 '순차적으로 공급'한다는 것의 의미는, 아연(Zn) 전구체를 운반가스 등에 의하여 일정한 짧은 시간 동안 진공 챔버 내부에 공급하여 후면 전극층, 광흡수층, 및 버퍼층이 형성된 기판과 반응시킨 후, 퍼징가스를 진공 챔버 내부로 공급함으로써 퍼징하는 과정을 한 번 이상 반복하여 아연(Zn) 전구체 박막을 기판 상에 성장시킨 다음, 산소(O) 전구체 및/또는 과산화수소를 아연(Zn) 전구체와 마찬가지로 운반가스 등에 의하여 일정한 짧은 시간 동안 진공 챔버 내부에 공급하여 기판과 반응시킨 후, 퍼징가스를 진공 챔버 내부로 공급함으로써 퍼징하는 과정을 한 번 이상 반복하여, 아연(Zn) 화합물 박막 상에 산화물을 반응시키는 방법으로 증착을 진행하는 것을 말한다.
즉, 1) 진공 챔버 내부에 후면 전극층, 광흡수층, 및 버퍼층이 형성된 기판을 위치시키는 단계; 2) 진공 챔버 내부로 아연(Zn) 전구체를 공급하고 반응시키는 단계; 3) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제 1 퍼징 단계; 4) 진공 챔버 내부로 산소(O) 전구체를 공급하고 반응시키는 단계; 5) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제 2 퍼징 단계; 6) 진공 챔버 내부로 과산화수소(H2O2)를 공급하고 반응시키는 단계; 및 7) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제 3 퍼징 단계;를 포함하여, 하나의 공정가스를 연속적으로 공급하는 것이 아니라, 짧은 시간 동안 공급하고 차단하는 단속적인 공급을 말하는 것이며, 공정가스가 공급되지 않고 차단되는 동안에는 미반응 가스 및 반응 부산물을 제거하여 더 이상 반응이 진행되지 않도록 퍼징하는 공정이 반복되는 것이다.
이때, 상기 진성 산화아연층의 두께는, 상기 1) 단계부터 7) 단계의 반복 횟수로 조절될 수 있고, 두께에 따른 산소의 함량은, 상기에서 설명한 바와 같이, 1) 단계에서 7) 단계의 반복 과정에서 6) 단계 및 7) 단계의 포함 횟수와 유무를 달리함으로써 조절될 수 있다.
상기 제조방법에서 사용되는 아연(Zn) 전구체는, 예를 들어, 디메틸아연(dimethylzinc), 디에틸아연(diethylzinc), 디이소프로필아연(diisopropylzinc), 에틸이소프로필아연(ethylisopropylzinc), 디터트부틸아연(ditertiarybutylzinc), 및 이소프로필터트부틸아연(isopropyltertiarybutylzinc)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 산소(O) 전구체는, 예를 들어, 물(H2O), 산소(O2), 오존(O3) 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 상기 예들에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전구체들을 진공 챔버 내부로 운반하는 운반 가스는, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 질소(N2) 가스 등을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있고, 미반응 가스 및 반응 부산물을 제거하기 위해 공급되는 퍼징 가스는 헬륨(He), 수소(H2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 및 암모니아(NH3)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나가 사용될 수 있으며, 퍼징 방법으로는, 퍼징 가스를 상기 진공 챔버 내부로 주입하고, 진공 챔버에 마련되는 진공 펌프를 이용하여 진공 챔버 내에 존재하는 가스를 흡입하여 제거하는 방식이 사용될 수 있다.
그 밖의 원자층 증착법의 구체적인 내용은 종래 당업계에서 알려진 바와 같다.
이하에서는, 태양전지의 기타 구성과 그의 제조방법에 대해 설명한다.
상기 기판은 유리 기판, 고분자 기판, 세라믹 기판, 또는 금속 기판일 수 있고, 상세하게는 유리 기판을 사용할 수 있으며, 예를 들어, Corning 7059, 파이렉스(pyrex)유리나, 값싼 소다회 유리(sodalime glass)가 사용될 수 있다.
이러한 기판은 사용에 따라 유연한 정도를 결절할 수 있고, 유연한 정도에 따라 플렉서블한 태양전지 또한 제조할 수 있어, 태양전지의 활용도를 높일 수도 있다.
상기 기판 상에 형성되는 후면 전극층은 일반적으로 전극으로 사용되는 모든 금속을 사용할 수 있고, 상세하게는, Mo, Ni, Au, 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하여 사용할 수 있으며, 더욱 상세하게는 높은 전도도, 광흡수층에 사용되는 화합물에의 저항성 접촉(ohmic contact), Se 분위기 하에서의 고온 안정성을 유지할 수 있는 Mo을 사용할 수 있다. 이러한 후면 전극층은 전자빔(Beam)증착, 저항가열증착법 또는 스퍼터링(sputtering)법에 의해 0.5 마이크로미터 내지 2 마이크로미터의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광흡수층은 후면 전극층 상에 형성되며, 동시 증발법(co-evaporation), 스퍼터링법, 전착법(electrodeposition), 유기금속화학증착법(MOCVD), 또는 화합물 입자를 이용한 ink 코팅법에 의해 1.0 마이크로미터 내지 3.0 마이크로미터의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광흡수층은 I족 원소, III족 원소 및 VI족 원소를 함유하고 있어야 하는데, VI족 원소는 열처리 단계에서 추가될 수도 있다. 이와 같이 형성된 광흡수층은 하기 화학식 2 또는 3의 화합물을 포함할 수 있다.
Cu(InaGa1-a)(SebS1-b)2 (2)
Cu2(ZncSnc)(SedS1-d)4 (3)
상기 식들에서, 0<a≤1, 0<b≤1, 0<c≤1, 0<d≤1이다.
상기 버퍼층은, p형의 도전형을 갖는 상기 광흡수층과 후술할 n형의 도전형을 갖는 투면 전극의 전면 전극층이 p-n 접합을 형성함에 있어서, 두 물질 간의 격자상수와 에너지밴드갭의 차이가 커 그들 간의 양호한 접합을 형성하기 위해 그 사이에 형성되는 층이다. 따라서, 상기 버퍼층은 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 물질로 이루어짐이 바람직하다.
구체적으로, 상기 버퍼층은, 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 또는 인듐(In)을 포함하는 화합물로 이루어질 수 있고, 상세하게는, ZnS, CdS, ZnSe, InS, InSe, InOOH 및 ZnOOH 로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있으며, 더욱 상세하게는, 하기 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어질 수 있다.
ZnO1-ySy (4)
상기 식에서, 0≤y≤1이다.
이때, 상기 버퍼층 또한, 상기 진성 산화아연층과 같이, 산소(O)의 함량이, 상기 광흡수층과 버퍼층의 계면으로부터 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로 갈수록 증가하는 구조일 수 있다.
즉, 상기 버퍼층 내의 산소(O)의 함량은, 상기 버퍼층과 광흡수층의 계면으로부터 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로 갈수록 0에서 1로 연속적으로 증가함에 따라, 황(S)의 함량은 1에서 0으로 연속적으로 감소될 수 있다.
이와 같이, 두께 방향의 위치에 따라 산소(O)의 함량이 달라지는 경우에는 순차적인 전위 장벽을 가지는 버퍼층이 형성될 수 있어, 전체적으로 동일한 조성을 가짐으로써 하나의 높은 전위 장벽을 갖는 종래 버퍼층에 비해 태양광에 의해서 형성된 전자 및/또는 전공이, 후면 전극층 및 전면 전극층에 보다 용이하게 수송될 수 있는 바, 향상된 발전 효율을 가질 수 있다.
이러한 버퍼층은 CBD(Chemical Bath Deposition)법, RF 스퍼터링법, 또는 원자층 증착법에 의해 1 nm 내지 100 nm의 두께로 형성될 수 있다.
마지막으로, n형의 도전형을 갖고 광흡수층과 p-n 접합을 형성하는 상기 전면 전극층은 태양전지 전면의 투명전극으로서의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높아야 하고 전기전도성이 좋아야 한다. 구체적으로, 상기 전면 전극층은 입사되는 태양광의 투과율이 80%이상 담보될 수 있도록 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 붕소(B)로 도핑된 ZnO를 포함할 수 있으며, 또한 필요에 따라, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 붕소(B)로 도핑된 ZnO층과 ITO(Indium Tin Oxide)층을 포함하는 이중층 구조로 형성함으로써 더욱 낮은 저항 값과 높은 광투과도를 얻을 수도 있다.
상기 전면 전극층은 RF 스퍼터링법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 금속을 이용한 리액티브 스파터링(reactive sputtering)법, 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 0.1 마이크로미터 내지 1.0 마이크로미터의 두께로 형성될 수 있다.
이와 같이 태양전지의 그 밖의 구성 및 제조방법에 대해 간단히 설명하였지만, 상기 설명에 한정되지 아니하고, 종래 당업계에서 알려진 구성 및 제조방법을 포함하는 것은 물론이다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 후면 전극층;
    상기 후면 전극층 상에 배치되는 광흡수층;
    상기 광흡수층 상에 배치되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 배치되고, 하기 화학식 1로 표시되는 진성 산화아연(i-ZnO)층; 및
    상기 진성 산화아연층 상에 배치되는 전면 전극층 포함하며,
    상기 진성 산화아연층의 산소(O)의 함량은 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로부터 상기 진성 산화아연층과 전면 전극층의 계면으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 태양전지:
    ZnO1+x (1)
    상기 식에서, 0≤x<1이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 x는 0≤x≤0.5인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 함량은 버퍼층에서 전면 전극층의 방향으로 연속적으로 감소하는 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 진성 산화아연층의 전자 전도도는 상기 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로부터 상기 진성 산화아연층과 전면 전극층의 계면으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 진성 산화아연층은 원자층 증착법을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 진성 산화아연층의 두께는 1 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 유리 기판, 고분자 기판, 세라믹 기판, 또는 금속 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 후면 전극층은 Mo, Ni, Au, 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 후면 전극층은 Mo로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수층은 하기 화학식 2 또는 3의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
    Cu(InaGa1-a)(SebS1-b)2 (2)
    Cu2(ZncSnc)(SedS1-d)4 (3)
    상기 식들에서, 0<a≤1, 0<b≤1, 0<c≤1, 0<d≤1이다.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층은 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 또는 인듐(In)을 포함하는 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 버퍼층은 하기 화학식 4로 표시되는 것을 특징으로 하는 태양전지:
    ZnO1-ySy (4)
    상기 식에서, 0≤y≤1이다.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 버퍼층에서 산소(O)의 함량은 상기 광흡수층과 버퍼층의 계면으로부터 버퍼층과 진성 산화아연층의 계면으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 태양전지:
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전면 전극층은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 붕소(B)로 도핑된 ZnO를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전면 전극층은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 또는 붕소(B)로 도핑된 ZnO층과 ITO(Indium Tin Oxide)층을 포함하는 이중층 구조인 것을 특징으로 하는 태양전지.
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