KR20180015388A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180015388A
KR20180015388A KR1020160098851A KR20160098851A KR20180015388A KR 20180015388 A KR20180015388 A KR 20180015388A KR 1020160098851 A KR1020160098851 A KR 1020160098851A KR 20160098851 A KR20160098851 A KR 20160098851A KR 20180015388 A KR20180015388 A KR 20180015388A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
semiconductor layer
cds
cadmium sulfide
type
partial pressure
Prior art date
Application number
KR1020160098851A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101835221B1 (ko
Inventor
김은규
이경수
오규진
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020160098851A priority Critical patent/KR101835221B1/ko
Publication of KR20180015388A publication Critical patent/KR20180015388A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101835221B1 publication Critical patent/KR101835221B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656—Special treatments
    • H01L21/02664—Aftertreatments
    • H01L21/02667—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H01L21/02675—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth using laser beams
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0272—Selenium or tellurium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0296—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, HgCdTe
    • H01L31/02966—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, HgCdTe including ternary compounds, e.g. HgCdTe
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H01L31/03925—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate including AIIBVI compound materials, e.g. CdTe, CdS
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

태양전지 및 이의 제조방법이 제공된다. 구체적으로, 태양전지는, 기판 상에 배치된 투명 산화물 전극층, 투명 산화물 전극층 상에 배치되고 산소를 포함하는 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층, 산소를 포함하는 n형 황화카드뮴 반도체층 상에 배치되는 p형 텔루르화카드뮴(CdTe) 반도체층, 및 p형 텔루르화카드뮴 반도체층 상에 배치되는 금속 전극층을 포함한다. 산소를 포함한 n형 황화카드뮴 반도체층은 Cd:S:O의 함량비(원자%)가 47~49 : 31~32 : 19~21 이다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학적 특성 및 전기적 특성이 우수한 광투과층을 갖는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 다이오드와 비슷하게, p형 반도체 및 n형 반도체의 접합 구조를 가지며, PN 접합 구조에서 태양광에 의해 전자 및 정공이 이동함에 따라 전류가 흐르게 된다. 이러한 광기전력 효과(photovoltaic effect)는 상기 p형 반도체 및 n형 반도체에 각각 연결된 전극을 통해 외부 회로에 전류를 흐르게 만든다.
II-VI 계열 태양전지는 광흡수층인 n형 반도체층과 투명 전극 간에 격자 부정합을 갖는다. 이에 따라, II-VI 계열의 광흡수층과 투명 전극 간의 격자 불일치를 감소시키기 위한 버퍼층으로서 황화카드뮴(CdS)으로 구성된 p형 반도체층이 사용되고 있다. 황화카드뮴은 상온에서 에너지 밴드갭이 2.4 eV 이고 섬아연광(zinc blende)형 구조를 가지며 co=6.713 Å의 격자 상수를 가져 광흡수층과 투명 전극 사이의 광투과층으로 사용될 수 있다.
황화카드뮴 박막은 기상 에피택시법(vapor phase epitaxy), 스퍼터링법(sputtering), 또는 화학용액 성장법(chemical bath deposition)에 의해 형성될 수 있다. 그러나 기상 에피택시법 및 스퍼터링법은 제조비용이 비싸며, 화학용액 성장법은 반응을 위해 고온을 유지해야 하는 단점이 있다.
따라서, 낮은 온도에서 간단하게 박막을 형성하면서도, 광학적 특성과 전기적 특성이 우수한 황화카드뮴 박막에 대한 기술이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광학적 특성 및 전기적 특성이 우수한 광투과층을 가지면서 저비용으로 제조될 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 태양전지를 제공한다. 상기 태양전지는 기판 상에 배치된 투명 산화물 전극층, 상기 투명 산화물 전극층 상에 배치되고 산소를 포함하는 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층, 상기 산소를 포함하는 n형 황화카드뮴 반도체층 상에 배치되는 p형 텔루르화카드뮴(CdTe) 반도체층, 및 상기 p형 텔루르화카드뮴 반도체층 상에 배치되는 금속 전극층을 포함한다. 상기 산소를 포함한 n형 황화카드뮴 반도체층은 Cd:S:O의 함량비(원자%)가 47~49 : 31~32 : 19~21 이다.
상기 산소를 포함한 n형 황화카드뮴 반도체층은 Cd:S:O의 함량비(원자%)가 48:32:20일 수 있다.
상기 산소를 포함한 n형 황화카드뮴 반도체층은, X선 회절분석법에 따른 피크가 2θ=24.6°, 26.5° 및 28.2°에서 나타나되, 2θ=24.6°의 피크가 2θ=26.5°의 피크보다 강할 수 있다.
상기 산소를 포함한 n형 황화카드뮴 반도체층은 2.5 eV 초과 및 3.1 eV 미만의 광학적 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 태양전지의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은, 산소 분압 하에서 기판 상에 황화카드뮴(CdS)을 펄스 레이저 증착하여 광투과층을 형성하는 단계, 및 상기 광투과층 상에 텔루르화카드뮴(CdTe)을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 산소 분압은 1.5 mTorr 내지 2.5 mTorr이다.
상기 펄스 레이저 증착은 15℃ 내지 25℃에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양전지가 광투과층으로서 산소가 함유된 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층을 포함함으로써, 광투과층의 광 투과율을 향상시면서, 광투과층의 비저항을 감소시킬 수 있다.
또한, 산소 분압이 조절된 펄스 레이저 증착법을 이용하여 광투과층을 형성함으로써, 원하는 산소 함량을 갖는 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층을 상온에서 성장시킬 수 있고, 그에 따라 제조비용을 감소시킬 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴을 도시한 도면이다.
도 3은 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층을 펄스 레이저 증착하는 산소 분압에 따른 Cd, S, O의 함량비를 도시한 그래프이다.
도 4는 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층을 X선 광전자 분광분석법에 따라 측정한 그래프이다.
도 5는 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층의 광 투과도를 도시한 도면이다.
도 6은 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층을 펄스 레이저 증착하는 산소 분압에 따른 광학적 밴드갭을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 축소된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참고번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 기판(10), 투명 산화물 전극층(20), 광투과층(30), 광흡수층(40) 및 금속 전극층(50)을 포함한다.
기판(10)은 투명한 절연 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 실리콘 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 단결정 실리콘 기판, 다결정 실리콘 기판, 유리 기판, 사파이어 기판, 고분자 기판 등일 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
투명 산화물 전극층(20)은 기판(10) 상에 배치되며, 광을 투과시키는 산화물 전극 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 투명 산화물 전극층(20)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide) 등을 포함할 수 있다. 투명 산화물 전극층(20)은 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 마그네트론 스퍼터링법(magnetron sputtering) 등에 의해 형성될 수 있다.
광투과층(30)은 투명 산화물 전극층(20) 상에 배치되며, 산소를 포함하는 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체 재질을 포함한다. 이때, 광투과층(30)에 함유된 Cd:S:O의 함량비(원자%)는 47~49 : 31~32 : 19~21 일 수 있고, 바람직하게는, 48:32:20일 수 있다. 이러한 함량비는 산소를 포함한 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층이 성장되는 최적 조건에 따라 조성되는 것이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 태양전지에 포함된 광투과층(30)으로서, 산소를 포함한 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층은 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition, PLD)에 의해 형성될 수 있다. 여기서 PLD 공정은 상온(약 15℃ 내지 약 25℃)에서 산소 기체를 포함하여 수행될 수 있다. PLD 공정에서 산소 분압은 1.5 mTorr 내지 2.5 mTorr일 수 있으며, 바람직하게는 2 mTorr일 수 있다. PLD 공정에서 사용된 산소 분압이 달라지는 경우, 최종 형성된 CdS:O 반도체층의 결정 구조, 광학 특성 및 전기적 특성이 모두 달라지기 때문에, 상기 산소 분압은 상온에서 PLD 공정에 의해 형성되는 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층의 광학 특성 및 전기적 특성을 향상시키기 위한 최적의 산소 분압이다. 또한, PLD 공정에 의해 형성된 CdS:O 반도체층의 조성비(Cd:S:O) 또한, 산소 분압에 따라 달라지기 때문에, 최적의 산소 분압 조건 하에서 성장된 CdS:O 반도체층의 조성비(Cd:S:O)는 일정 범위의 비율을 갖게 된다. 즉, 광투과층(30)에 함유된 Cd:S:O의 함량비(원자%)가 47~49 : 31~32 : 19~21, 바람직하게는, 48:32:20 인 경우에, 광투과층(30)의 광 투과도 및 전기적 특성이 향상된다. 이는 후술하는 실시예들 및 도면들을 통해 자세히 설명한다.
광흡수층(40)은 광투과층(30) 상에 배치되며, p형 텔루르화카드뮴(CdTe) 반도체 재질을 포함한다. CdTe는 광흡수 계수가 104 cm-1 이상으로 높아, 가시광 영역, 근적외선 영역의 입사광을 대부분 흡수할 수 있다. p-CdTe 반도체층은 CSS(closed space sublimation), CBD(chemical bath deposition), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 등에 의해 형성될 수 있다.
금속 전극층(50)은 광흡수층(40) 상에 배치되며, Mo, Au, Ag, Ni 등을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 금속 전극층(50)과 광흡수층(40) 사이에, 텔루르화안티몬, 텔루르화구리 등을 포함하여 접촉 저항을 감소시키기 위한, 오믹 콘택층을 더 포함할 수 있다. 금속 전극층(50)은 스퍼터링(sputtering), 스크린 프린팅(screen printing)법 등에 의해 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 태양전지에 포함된 광투과층으로서, 산소가 포함된 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층을 제조하는 방법을 상세히 설명한다. 다만, 이는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다.
제조예
초기 진공을 1×10-6 mTorr로 하여, 사파이어 기판 상에 펄스 레이저 증착(PLD)법으로 CdS:O 박막을 형성하였다. PLD 공정 시 사용된 레이저는 Nd:YAG 비선형 조화 발진으로서 파장 266 nm의 에너지 밀도 10 J cm- 2 인 10 Hz 레이저 펄스를 이용하였다. 이때, 비선형 조화 발진(266 nm)을 사용한 것은, 기본파(fundamental harmonics) 및 제2 고조파(second harmonics)의 경우(523 nm)보다 파장이 작아, CdS 타깃에 더 큰 에너지를 가할 수 있어 박막 증착에 유리하기 때문이다.
PLD 공정시, 산소 분압은 약 2 mTorr를 유지하였으며, CdS:O의 박막은 약 200 nm의 두께로 성장시켰다.
비교예들
하기의 표 1은, PLD 공정의 산소 분압을 제외하고는, 제조예와 모두 동일한 조건으로 CdS:O 박막을 형성한 비교예들의 산소 분압을 나타낸다.
산소 분압 (mTorr)
비교예 1 0
비교예 2 1
비교예 3 3
비교예 4 4
비교예 5 5
비교예 6 10
비교예 7 20
도 2는 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 펄스 레이저 증착(PLD) 공정에 따라 형성된 CdS 박막 또는 CdS:O 박막의 결정 구조는, PLD 공정 시의 산소 분압에 따라 크게 달라진다. 구체적으로, 산소 분압이 0 mTorr인 경우(비교예 1의 경우) 형성된 CdS 박막은, 육방(hexagonal) 밀집구조로서, 2θ=24.6°및 2θ=28.2°에서 (100) 피크 및 (101) 피크가 나타났으며 2θ=26.5°에서는 (002) 피크가 나타났다.
반면, 제조예에서와 같이 산소 분압이 2 mTorr인 경우에 PLD 증착된 CdS:O 박막에서는 (100) 피크 및 (101) 피크가 비교예 1 및 비교예 2의 경우보다 증가한 것으로 나타났다. 특히, 제조예에 의해 형성된 CdS:O의 박막에서는, 2θ=24.6°, 26.5° 및 28.2°에서 피크가 나타나되, 2θ=24.6°의 피크가 2θ=26.5°의 피크보다 강하게 나타났다. 또한, 비교예 1 및 비교예 2에 비해, (110) 피크가 (103) 피크 및 (112) 피크보다 강하게 나타나는 것으로 확인되었다. 이는 PLD 공정시 포함되는 산소 분압에 따라, CdS 박막 또는 CdS:O 박막의 결정 구조가 상이해지기 때문이다.
반면, 비교예 3 및 비교예 4의 경우, 산소 분압이 3 mTorr 및 4 mTorr로 증가됨에 따라, 제조예의 CdS:O 박막에서 나타나던 피크들이 약해지면서 결정 구조가 약해지는 것을 알 수 있다. 나아가, 비교예 5 내지 7과 같이, 산소 분압이 5 mTorr 이상으로 증가된 경우 비정질 구조를 갖게 된다.
도 3은 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층을 펄스 레이저 증착하는 산소 분압에 따른 Cd, S, O의 함량비를 도시한 그래프이다. 표 2는 도 3에 도시된 함량비를 측정한 수치들을 나타낸다.
산소 분압(mTorr) 함량 (at.%)
Cd S O
비교예 1 0 61 37 2
비교예 2 1 51 33 16
제조예 2 48 32 20
비교예 3 3 46 30 24
비교예 4 4 45 26 29
비교예 5 5 44 27 29
비교예 6 10 35 23 42
비교예 7 20 34 19 47
표 2 및 도 3을 참조하면, 제조예 및 비교예 1 내지 7의 CdS 박막 또는 CdS:O 박막에 포함된 Cd, S, 및 O의 함량비는, 산소 분압이 증가함에 따라 증가 또는 감소된다. 구체적으로, PLD 공정에서의 산소 분압이 증가함에 따라 카드뮴(Cd) 및 황(S)의 함량이 감소하고, 산소(O)의 함량이 증가한다.
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 산소 분압이 2 mTorr인 경우, 즉, 펄스 레이저 증착된 CdS:O 박막의 함량비(원자%)가 48:32:20 인 경우에, 다른 산소 분압에서 형성된 CdS 박막 또는 CdS:O 박막과 달리 고유한 결정 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 이러한 결정 구조에 따라, CdS:O 박막의 광학 특성 및 전기적 특성이 달라진다.
도 4는 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층을 X선 광전자 분광분석법(X-ray photoelectron spectroscopy)에 따라 측정한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 산소 분압이 0 mTorr부터 20 mTorr까지 다르게 성장된 CdS 박막 또는 CdS:O 박막의 S2s의 코어 레벨 방출(core level emissions)된 XPS 측정 결과가 도시되었다. 도 4와 같이 XPS 측정 결과, 161.6 eV와 167.8 eV 부근에서 2p3/2와 S6+에 해당하는 피크가 검출되었다. 이때, 2p3 /2는 S2-이므로 Cd2 +와 결합하여 CdS를 형성하며, S6+는 CdSO4를 형성하는데, CdSO4는 산화물 계열이므로 CdS:O 박막에 CdSO4성분이 많을수록 저항이 커질 것으로 추정할 수 있다.
표 3은 산소 분압에 따른 CdS 박막 또는 CdS:O 박막의 전기적 특성을 측정한 결과이다.
산소 분압 (mTorr) 홀 농도(cm-3) 비저항 (Ωcm) 홀 이동도
(cm2 V- 1 s-1)
비교예 1 0 semi-insulating > 105 semi-insulating
비교예 2 1 8.3 × 1018 8.0 × 10-3 8
제조예 2 6.7 × 1019 3.5 × 10-3 2.7 × 101
비교예 3 3 7.3 × 1019 6.3 × 10-3 1.4 × 101
비교예 4 4 6.7 × 1018 1.4 × 10-2 5
비교예 5 5 1.7 × 1018 1.6 × 10-1 2.3 × 101
비교예 6 10 semi-insulating > 105 semi-insulating
비교예 7 20 semi-insulating > 105 semi-insulating
표 3을 참조하면, 산소 분압 0 mTorr인 조건에서 PLD 증착된 CdS 박막(비교예 1)에서는 비저항이 105 Ωcm 이상으로 커서 전기 전도도가 낮고 반절연(semi-insulating) 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 반면, 산소 분압이 2 mTorr인 조건에서 PLD 증착된 CdS:O 박막(제조예)의 비저항은 3.5×10-3 Ωcm으로 측정되어 비교예 1의 CdS 박막보다 가장 우수한 전기적 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 비교예 4 및 비교예 5에서와 같이, 산소 분압을 4 mTorr 및 5 mTorr로 증가하여 PLD 증착한 CdS:O 박막은 홀 이동도가 5 cm2V-1s-1로 낮거나 비저항이 1.6×10-1 Ωcm로 증가하였으며, 비교예 6 및 비교예 7과 같이 산소 분압이 10 mTorr 및 20 mTorr에서 성장한 CdS:O 박막은 CdS 박막(비교예 1)과 마찬가지로, 비저항이 크고 반절연 특성을 갖는 것으로 확인되었다.
따라서, 표 3 및 도 4를 참조하면, CdS:O 박막을 PLD 공정으로 형성할 경우, 산소 분압이 2 mTorr로부터 20 mTorr까지 증가함에 따라 CdSO4 성분이 증가하여 박막의 비저항이 증가하고 반절연 특성을 갖게 됨을 알 수 있다.
도 5는 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층의 광 투과도를 도시한 도면이다. 도 6은 제조예 및 비교예들에 따른 광투과층을 펄스 레이저 증착하는 산소 분압에 따른 광학적 밴드갭을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, PLD 공정시 포함되는 산소 분압이 증가할수록 300 nm 내지 800 nm에서의 광 투과율이 증가하는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 제조예에 따른 CdS:O 박막의 경우, 산소 분압이 0 mTorr일 때 형성된 CdS 박막에 비해 550 nm 내지 800 nm의 가시광 및 근적외광 영역에서 투과율이 0.6 이상 0.9 이하로 향상되는 것으로 확인되었다. 산소 분압이 증가함에 따라 광투과층의 투과율은 더 향상되지만, 전술한 바와 같이 박막의 비저항이 함께 증가하여 반절연 특성을 갖게 되므로, 광 투과도 및 전기적 특성을 함께 향상시키기 위해서는 최적의 산소 분압 조건(즉, 제조예 2의 2 mTorr) 하에서 CdS:O 박막을 성장시킬 필요가 있다.
도 6을 참조하면, PLD 공정시 산소 분압에 따른 CdS:O 박막의 광학적 밴드갭의 변화가 도시되었다. CdS의 광학적 밴드갭(CdS Eg)은 2.4 eV이지만, 비교예 1의 경우 표 2에서와 같이 PLD 장비의 진공 챔버 내에 존재하는 미량의 산소(< 1 mTorr)로 인하여 CdS 박막에 소량의 산소(2 at.%)가 포함됨에 따라 2.5 eV의 밴드갭을 갖는 것으로 확인되었다. 본 발명의 일 실시예인 제조예의 CdS:O 박막은 광학적 밴드갭이 그보다 큰 2.7 eV으로 확인되었다. 비교예 5 내지 비교예 7과 같이 산소 분압이 5 mTorr 이상인 조건에서 PLD 증착된 CdS:O 박막에서는, CdO의 광학적 밴드갭(CdO Eg)인 3.1 eV 이상의 값을 갖는 것으로 확인되었다. 다만, 전술한 바와 같이, PLD 증착되는 산소 분압이 5 mTorr 이상인 경우에는 CdS:O 박막의 전기적 특성이 저하되므로, 최적의 산소 분압 하에 형성되는 CdS:O 박막의 광학적 밴드갭은 2.5 eV 초과 및 3.1 eV 미만의 범위를 갖게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라 CdS:O 박막을 PLD 증착함으로써, 2.5 eV 초과 및 3.1 eV 미만의 광학 밴드갭을 가진 광투과층을 형성할 수 있다. 그에 따라, 도 5와 같이, 550 nm 내지 800 nm의 가시광 및 근적외광 영역에서 투과율이 향상될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따르면, 태양전지가 광투과층으로서 최적의 비율로 산소가 함유된 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층을 포함함으로써, 광투과층의 광 투과율을 향상시키면서, 광투과층의 비저항을 감소시킬 수 있다.
또한, 산소 분압이 조절된 펄스 레이저 증착법을 이용하여 광투과층을 형성함으로써, 원하는 산소 함량을 갖는 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층을 상온에서 성장시킬 수 있고, 제조비용을 감소시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 기판
20: 투명 산화물 전극층
30: 산소가 포함된 n형 황화카드뮴 반도체층(광투과층)
40: p형 텔루르화카드뮴 반도체층(광흡수층)
50: 금속 전극층

Claims (6)

  1. 기판 상에 배치된 투명 산화물 전극층;
    상기 투명 산화물 전극층 상에 배치되고, 산소를 포함하는 n형 황화카드뮴(CdS:O) 반도체층;
    상기 산소를 포함하는 n형 황화카드뮴 반도체층 상에 배치되는 p형 텔루르화카드뮴(CdTe) 반도체층; 및
    상기 p형 텔루르화카드뮴 반도체층 상에 배치되는 금속 전극층을 포함하고,
    상기 산소를 포함한 n형 황화카드뮴 반도체층은 Cd:S:O의 함량비(원자%)가 47~49 : 31~32 : 19~21 인 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산소를 포함한 n형 황화카드뮴 반도체층은 Cd:S:O의 함량비(원자%)가 48:32:20인 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산소를 포함한 n형 황화카드뮴 반도체층은, X선 회절분석법에 따른 피크가 2θ=24.6°, 26.5° 및 28.2°에서 나타나되, 2θ=24.6°의 피크가 2θ=26.5°의 피크보다 강한 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산소를 포함한 n형 황화카드뮴 반도체층은 2.5 eV 초과 및 3.1 eV 미만의 광학적 밴드갭을 갖는 태양전지.
  5. 산소 분압 하에서 기판 상에 황화카드뮴(CdS)을 펄스 레이저 증착하여 광투과층을 형성하는 단계; 및
    상기 광투과층 상에 텔루르화카드뮴(CdTe)을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 산소 분압은 1.5 mTorr 내지 2.5 mTorr인 태양전지의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 증착은 15℃ 내지 25℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
KR1020160098851A 2016-08-03 2016-08-03 태양전지 및 이의 제조방법 KR101835221B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160098851A KR101835221B1 (ko) 2016-08-03 2016-08-03 태양전지 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160098851A KR101835221B1 (ko) 2016-08-03 2016-08-03 태양전지 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180015388A true KR20180015388A (ko) 2018-02-13
KR101835221B1 KR101835221B1 (ko) 2018-04-19

Family

ID=61231750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160098851A KR101835221B1 (ko) 2016-08-03 2016-08-03 태양전지 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101835221B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200133537A (ko) * 2019-05-20 2020-11-30 영남대학교 산학협력단 Uv를 이용한 태양전지 버퍼층의 제조 방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8912037B2 (en) * 2011-07-28 2014-12-16 First Solar, Inc. Method for making photovoltaic devices using oxygenated semiconductor thin film layers

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200133537A (ko) * 2019-05-20 2020-11-30 영남대학교 산학협력단 Uv를 이용한 태양전지 버퍼층의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101835221B1 (ko) 2018-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101869337B1 (ko) 황화주석 박막 및 그 형성 방법, 박막 태양전지 및 그 제조방법
US9608144B2 (en) Photovoltaic devices and method of making
KR101893411B1 (ko) 황화아연 버퍼층을 적용한 czts계 박막 태양전지 제조방법
EP2437316A2 (en) Photovoltaic device and method for making the same
KR20140109530A (ko) 박막 태양전지
KR20150051181A (ko) ＣＺＴＳＳｅ계 박막 태양전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 ＣＺＴＳＳｅ계 박막 태양전지
Warasawa et al. Advantages of using amorphous indium zinc oxide films for window layer in Cu (In, Ga) Se2 solar cells
KR101012847B1 (ko) ＺｎＯ 나노막대를 이용한 화합물 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 화합물 태양전지
KR101415251B1 (ko) 다중 버퍼층 및 이를 포함하는 태양전지 및 그 생산방법
KR101542343B1 (ko) 박막 태양전지 및 이의 제조방법
Kim et al. Correlation between electrical resistivity and optical transmittance of Mg-and Ga-doped ZnO window layers in NIR-IR region and its effect on current density of kesterite solar cells
Wang et al. Heteroepitaxial growth of Cu2O films on Nb-SrTiO3 substrates and their photovoltaic properties
KR101835221B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR101352537B1 (ko) Ｓｅ 또는 Ｓ계 박막태양전지 및 그 제조방법
EP2538458A2 (en) Methods of making absorber layers for photovoltaic devices and photovoltaic devices
KR101482786B1 (ko) 산화인듐을 이용한 ｃｉｇｓ 광흡수층 제조방법
US8809105B2 (en) Method of processing a semiconductor assembly
US20120067422A1 (en) Photovoltaic device with a metal sulfide oxide window layer
KR101908472B1 (ko) 금속 및 화합물 박막 전구체를 이용한 czts계 광흡수층 제조방법
Dhere et al. Investigation of Cd1-xMgxTe alloys for tandem solar cell applications
Hussain et al. On structural and electrical characterization of n-ZnO/p-Si single heterojunction solar cell
KR101686478B1 (ko) 태양전지용 CIGSSe 박막 및 이의 제조방법, 이를 이용한 태양전지
KR101521450B1 (ko) CuSe2를 타겟으로 하는 비셀렌화 스퍼터링 공정을 이용한 CIGS 박막 제조방법
KR102675537B1 (ko) 태양 전지 및 그의 제조 방법
JP5831975B2 (ja) 光発電可能な調光素子およびその製造方法

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)