KR20210014191A - Cigs 박막형 광흡수층의 제조방법, 이를 이용한 박막 태양 전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 박막 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CIGS 태양전지의 광흡수층을 제조하는 방법으로서, 단일 공정법을 이용하여 Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 박막층을 기판에 증착시키는 단계를 n번(여기서 n은 2 이상의 자연수) 반복하여 n개의 층으로 구성된 박막층이 형성된 CIGS 광흡수층의 제조 방법, 이에 의해 제조된 CIGS 박막형 광흡수층을 이용한 박막 태양 전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 박막 태양 전지에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 상기 제조 방법을 통해 CIGS 광흡수층을 제조하는 경우, 단일 공정법을 통해서도 밴드갭 기울기를 갖는 박막층을 제조할 수 있어 공정이 간단하면서도 얇은 두께에서도 밴드갭 기울기를 갖는 박막을 제조할 수 있다.

Description

CIGS 박막형 광흡수층의 제조방법, 이를 이용한 박막 태양 전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 박막 태양 전지{MANUFACTURING METHOD FOR CIGS THIN FILM TYPE ABSORBER LAYER, MANUFACTURING METHOD FOR THIN FILM SOLAR CELL USING THEREOF AND THIN FILM SOLAR CELL}
본 발명은 CIGS 박막형 광흡수층의 제조방법, 이를 이용한 박막 태양 전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 박막 태양 전지에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 CIGS 태양전지의 광흡수층을 제조하는 방법으로서, a) Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 제1 CIGS 박막층을 기판에 증착시키는 단계; b) Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 상기 단계 a)에서 제1 CIGS 박막층을 증착시킨 기판에 제2 CIGS 박막층을 증착시키는 단계; 및 c) Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 상기 단계 b)에서 제2 CIGS 박막층을 증착시킨 기판에 제3 CIGS 박막층을 증착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법, 이에 의해 제조된 CIGS 박막형 광흡수층을 이용한 박막 태양 전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 박막 태양 전지에 관한 것이다.
태양전지 기술은 친환경적인 신재생 에너지 기술로써 각광받고 있으며, 상업적인 전력 생산과 휴대용 또는 모바일형의 전자 장치들의 에너지원으로 큰 주목을 받고 있다. 태양전지에는 광을 흡수하기 위한 흡수층이 형성되는데, 이러한 광 흡수층은 박막형으로 제조된다.
박막형 광흡수층은 태양 전지의 광전 흡수 변환 효율을 높이기 위하여 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(또는, 셀레늄)(Se)의 조성을 가지는 CIGS 박막이 사용되었는데, 이는 CIGS가 높은 광 흡수 계수와 넓은 밴드갭을 가질 수 있어 광학적으로 안정성이 높고, 높은 광전 흡수 변환 효율을 나타내고 있기 때문이다.
CIGS 태양전지는 소다라임 유리기판 위에 Mo 후면전극, p-형 반도체 CIGS 광흡수층, n-형 반도체 CdS 버퍼층, 진성(intrinsic)-ZnO/Al:ZnO 투명창층, MgF2 무반사층과 Al/Ni 그리드 전극층으로 구성되어 있다. 상기 CIGS 태양전지 중에서 가장 중요한 구성은 빛을 흡수하는 CIGS 광흡수층이다.
CIGS 태양전지가 고효율 및 대면적 가능성의 장점에도 불구하고 산업적으로 믿을만한 CIGS 제조공정이 확립되지 못하여 산업화가 부진한 상황이다. 종래에 알려진 CIGS의 제조방법으로는 동시진공증착, 스퍼터링, MOCVD, MBE 나노프린팅, 전기증착, CBD 등이 있다.
이 중 가장 많이 활용되고 있는 동시진공증착 방법인 동시진공증발법은 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 열 증발원(thermal evaporator혹은 Knudsen cell)을 이용하여 동시에 증발시켜 고온 기판에 박막을 형성하는 방법으로서, 하나의 온도에서 원소를 동시에 증발시킨다고 하여 단일 공정법(single-stage process)으로 알려져있다.
동시진공증발법에서 중요한 변수 중 하나는 기판의 온도이다. 이러한 변수를 줄이고 CIGS 결정(phase)을 최적화하기 위하여 박막이 증착되는 동안 기판의 온도를 3 차례 변화시켜주는 3 단계 공정법(three-step process)이 개발되었다. 3 단계 공정법은 낮은 기판온도에서 In, Ga, Se을 증발시켜 전구체를 형성하고 다음으로 기판의 온도를 상승시켜 Cu를 공급하여 전체적으로 Cu-rich 한 박막을 형성한 후, 마지막으로 다시 In, Ca을 공급하여 표면에 Cu-poor한 조성을 만들어 주는 공정이다.
공정의 재현성을 확보하고 결정립계가 큰 광흡수층을 얻기 위해서는 실시간으로 기판의 온도 및 조성을 제어하는 것이 중요하다. 그러나, 상기 3 단계 공정법은 박막의 온도를 실시간으로 확인하기 어려울 뿐만 아니라 두 번째 과정에서 화학반응에 의한 온도저하 특성 관찰이 어려워 광흡수층 박막 두께가 얇은 투광형 태양전지에서는 일반적으로 3 단계 공정법을 이용하는데는 한계가 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점들을 극복하기 위하여 예의 연구노력한 결과, CIGS 태양전지의 광흡수층을 제조하는 방법으로서, 단일 공정법을 이용하여 Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 박막층을 기판에 증착시키는 단계를 n번(여기서 n은 2 이상의 자연수) 반복하여 n개의 층으로 구성된 박막층이 형성된 CIGS 광흡수층을 제조하는 경우, 공정이 간단하면서도 얇은 두께에서도 밴드갭 기울기를 갖는 박막을 제조함으로써 전하 재결합(carrier recombination)을 줄이고, 광포획(light trapping) 효과를 증가시켜 광흡수 효율을 증대시킬 수 있음을 확인하고, 본　발명을 완성하게 되었다.
KR 10-1638379 B KR 10-1271753 B
따라서, 본 발명의 주된 목적은 공정이 간단하면서도 얇은 두께에서도 밴드갭 기울기를 갖는 박막을 제조함으로써 전하 재결합(carrier recombination)을 줄이고, 광포획(light trapping) 효과를 증가시켜 광흡수 효율을 증대시킬 수 있는 CIGS 광흡수층의 제조 방법 및 이의 제조 방법에 따라 제조된 CIGS 광흡수층을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 CIGS 광흡수층을 이용하여 제조하는 CIGS 박막 태양전지의 제조 방법 및 상기 CIGS 광흡수층을 포함하는 CIGS 박막 태양전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 한 양태에 따르면, 본 발명은 CIGS 태양전지의 광흡수층을 제조하는 방법으로서, a) Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 제1 CIGS 박막층을 기판에 증착시키는 단계, b) Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 상기 단계 a)에서 제1 CIGS 박막층을 증착시킨 기판에 제2 CIGS 박막층을 증착시키는 단계, c) Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 상기 단계 b)에서 제2 CIGS 박막층을 증착시킨 기판에 제3 CIGS 박막층을 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법을 제조한다.
본 발명에 있어서, 상기 CIGS 태양전지의 광흡수층의 제조는 종래에 광흡수층에 박막을 증착시키기 위해서 이용된 어떠한 방법으로도 이용가능하며, 바람직하게는 동시진공증착, 스퍼터링, MBE 또는 MOCVD법을 이용하여 증착시킬 수 있으며, 더욱 바람직하게는 동시진공증착법인 동시진공증발 공정을 통해 박막을 증착시키는 것을 특징으로 한다.
종래에 CIGS 박막을 제조하기 위한 동시진공증발공정 중 3 단계 공정법은 CIGS 결정상(phase)의 최적화가 가능하다는 장점이 있으나, 3 단계 공정으로 얇은 CIGS 박막을 성장을 시도할 경우, 두 번째 과정의 온도 드랍(drop) 특성의 관찰이 어려워 의도적 밴드갭 기울기 구조를 만들기 어렵다는 단점이 있다. 이에, 본 발명자들은 온도 드랍 특성 관찰이 필요하지 않은 단일 공정법을 이용하여 박막층을 기판에 증착시키는 단계를 n번 반복할 경우, 밴드갭 기울기를 인위적으로 조절함으써 얇은 두께를 갖으면서도 밴드갭 기울기를 갖는 CIGS 광흡수층을 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 CIGS 광흡수층의 제조 방법에 있어서, 상기 단계 a) 내지 단계 c)의 박막을 증착시키는 단계는 단일 공정법(single-stage process)을 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 용어 ‘단일 공정법’은 동시진공증발공정에서 원소들을 동시에 증발시켜 하나의 온도로 유지되는 고온 기판에 박막을 형성하는 방법을 일컫는다.
본 발명의 상기 용어 ‘3 단계 공정법’은 동시진공증발공정에서 3 단계에 걸쳐 기판의 온도 및 사용되는 원소들의 조건을 변화시키면서 기판에 박막을 형성하는 방법을 일컫는다.
본 발명의 상기 용어 ‘밴드갭 기울기’는 밴드갭 단일 기울기 및 밴드갭 이중 기울기 모두를 포함하는 것으로, ‘밴드갭 단일 기울기’는 CIGS 박막을 제조하기 위한 동시진공증발공정 중 2 단계 공정법을 통해 형성되는 CIGS 박막의 밴드갭 기울기와 같은 형상을 갖는 것을 의미하는 것으로, 구체적으로 수직 상승 곡선 형상 또는 수직 하향 곡선 형상을 갖는 것을 의미한다. 또한,‘밴드갭 이중 기울기’는 CIGS 박막을 제조하기 위한 동시진공증발공정 중 3 단계 공정법을 통해 형성되는 CIGS 박막의 밴드갭 기울기와 같은 형상을 갖는 것으로, 하나의 박막층이 수직 상승 곡선 형상 또는 수직 하향 곡선 형상 중 하나의 밴드갭 기울기를 갖는 것이 아닌, 하나의 박막층이 이중의 밴드갭 기울기를 갖는 것을 의미하며, 일반적으로 V자 형태와 유사한 형상을 나타낸다.
본 발명의 CIGS 광흡수층의 제조 방법에 있어서, 상기 제1 CIGS 박막층을 기판에 증착시키는 단계 a)는 Ga/(Ga+In)의 비율(GGI)이 0.3 내지 0.7이고, 상기 제2 CIGS 박막층을 기판에 증착시키는 단계 b)는 Ga/(Ga+In)의 비율(GGI)이 0.01 내지 0.4이며, 상기 제3 CIGS 박막층을 기판에 증착시키는 단계 c)는 Ga/(Ga+In)의 비율(GGI)이 0.3 내지 0.7인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 CIGS 광흡수층의 제조 방법에 있어서, 단계 a)는 제1 CIGS 박막층이 1.1 내지 1.5eV 의 밴드갭을 갖도록 증착하고, 단계 b)는 제2 CIGS 박막층이 1.0 내지 1.2eV의 밴드갭을 갖도록 증착하며, 단계 c)는 제3 CIGS 박막층이 1.1 내지 1.5eV 밴드갭을 갖도록 증착하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 CIGS 박막층을 제조하는 각 단계의 Ga/(Ga+In)의 비율(GGI)을 특정함으로써 각 박막층의 밴드갭을 상이하게 조절할 경우, 단일 공정법을 통해서도 밴드갭 기울기를 갖는 CIGS 박막층을 제조할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는, 본 발명에 따른 Ga/(Ga+In)의 비율(GGI)을 특정하여 밴드갭을 조절한다면 단일 공정법을 통해서도 밴드갭 기울기를 갖는 CIGS 박막층을 제조할 수 있음을 시사한다(도 3 내지 도 5 참조).
본 발명의 CIGS 광흡수층의 제조 방법에 있어서, 제1 CIGS 박막층 내지 제3 CIGS 박막층의 총 두께가 200nm 내지 1.2 μm일 수 있으며, 바람직하게는 500nm인 것을 특징으로 한다. 상기 박막층의 총 두께가 1.2 μm 이상일 경우, 투광형 태양전지의 광흡수층으로 응용하기에 광투광도가 너무 낮아져서 투광형 태양전지로 응용하기에는 두께가 너무 두껍다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 CIGS 태양전지의 광흡수층을 제조하는 방법으로서, 단일 공정법(single stage process)을 이용하여 Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 박막층을 기판에 증착시키는 단계를 n번(여기서 n은 2 이상의 자연수) 반복하여 n개의 층으로 구성된 박막층을 형성하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 CIGS 광흡수층의 제조 방법에 있어서, 상기 박막층을 기판에 증착시키는 단계는 2 내지 30번 반복하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 CIGS 광흡수층의 제조 방법에 있어서, 상기 n이 2일 때, n개의 층으로 구성된 박막층 중에서 두 번째의 박막층은 첫 번째 박막층의 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 CIGS 광흡수층의 제조 방법에 있어서, 상기 n이 3일 때, n개의 층으로 구성된 박막층 중에서 두 번째의 박막층은 첫 번째 박막층 및 세 번째 박막층의 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 CIGS 광흡수층의 제조 방법에 있어서, 상기 n이 4 이상일 때, n개의 박막층 중에서, 2번째 층부터 a번째층(a는 1과 n사이의 자연수)의 밴드갭은 당해 층 이전 층의 밴드갭보다 작고, a+1번째 층부터 n 번째층의 밴드갭은 당해 층 이전층의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 한다.
예컨대, 상기 n이 6이고 a가 4일 경우, 두 번째 박막층은 첫 번째 박막층보다, 세 번째 박막층은 두 번째 박막층보다, 네 번째 박막층은 세 번째 박막층보다 밴드갭이 작고, 다섯 번째 박막층은 네 번째 박막층보다, 여섯 번째 박막층은 다섯 번째 박막층보다 밴드갭이 큰 것을 의미한다.
상기 n이 3 이상일 때의 각 n개층의 밴드갭의 크기는 각 n층의 밴드갭을 조절함으로써 밴드갭 단일 기울기 또는 밴드갭 이중 기울기를 형성할 수 있음을 설명하고자 하는 것이지, 각 n층의 밴드갭의 크기가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 제조방법과 같이 단일 공정법을 여러번 반복하여 증착시킬 경우, 종래의 3　단계 공정을 통해 제조된 밴드갭 이중 기울기를 갖는 박막층(도 1) 및 종래의 2 단계 공정을 통해 제조된 밴드갭 단일 기울기를 갖는 박막층(도 2)와 유사한 형상의 밴드갭기울기를 갖는 CIGS 박막층을 제조할 수 있음을 확인하였다(도 3 내지 도 5 참조). 이러한 결과는, 단일 공정법을 통해서도밴드갭 기울기를 갖는 얇은 박막층을 제조할 수 있어 간편한 공정을 통해서도 광흡수층의 효율이 증대된 CIGS 박막층을 제조할 수 있으므로, 경제적인 측면에서 이점을 나타낼 수 있음을 시사한다.
본 발명의 CIGS 광흡수층의 제조 방법에 있어서, 상기 n번 반복하여 박막층을 기판에 증착시키는 단계는 박막이 200nm 내지 1.2μm의 두께를 갖도록 증착시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 제조 방법에 따라 제조된 CIGS 태양전지의 광흡수층을 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 CIGS 광흡수층을 구비하는 태양전지를 제조하는 방법에 있어서, 상기 CIGS 광흡수층은 상기 제조 방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 태양전지를 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 광흡수층을 포함하는 CIGS 박막 태양전지를 제공한다.
전술한 바와 같이, CIGS 태양전지의 광흡수층을 제조하는 방법으로서, 단일 공정법을 이용하여 Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 박막층을 기판에 증착시키는 단계를 n번(여기서 n은 2 이상의 자연수) 반복하여 n개의 층으로 구성된 박막층이 형성된 CIGS 광흡수층을 제조하는 경우, 단일 공정법을 통해서도 밴드갭 기울기를 갖는 박막층을 제조할 수 있어 간편한 공정을 통해서도 광흡수층의 효율이 증대된 CIGS 박막층을 제조할 수 있다.
도 1은 종래의 3 단계 공정을 통해 제조된 CIGS 박막층의 밴드갭 이중 기울기를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 2 단계 공정을 통해 제조된 CIGS 박막층의 밴드갭 단일 기울기를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 CIGS 박막층의 밴드갭 이중 기울기를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 CIGS 박막층의 밴드갭 이중 기울기를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 CIGS 박막층의 밴드갭 이중 기울기를 나타내는 도면이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
실시예 1: CIGS 박막형 광흡수층의 제조 (1)
투광형 기판(ITO 또는 FTO)을 준비하여 CIGS층이 투광성을 가질 수 있도록 광흡수층의 전체 두께가 500nm 정도의 두께가 되도록 CIGS를 3단계에 나누어 single-stage 증착법을 이용하여 3가지 다른 밴드갭을 갖는 CIGS 박막을 순차적으로 증착시켜 최종적으로 CIGS 박막형 광흡수층을 제조하였으며, 구체적인 제조 단계는 아래와 같다.
제1 단계; 제1 CIGS 박막층의 제조
CIGS 밴드갭을 결정하는 Ga/(Ga+In) 비율(GGI)을 0.4~0.6으로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.3~1.5 eV를 갖도록 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 1 내지 150 nm로 측정되었다.
제2 단계; 제2 CIGS 박막층의 제조
GGI를 0.25~0.3으로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.15 eV를 갖도록 증착 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 200 내지 450 nm로 측정되었다.
제3 단계; 제3 CIGS 박막층의 제조
GGI를 0.35~0.4로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.25~1.4 eV를 갖도록 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 1 내지 150 nm로 측정되었다.
상기와 같이 3회 반복하여 제조된 CIGS 박막형 광흡수층을 이용하여 CIGS 박막 태양전지를 일반적인 제조 공정에 따라 제조하여 밴드갭 기울기를 확인하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
그 결과, 도 3에서 확인할 수 있듯이, V자 모양의 밴드갭 이중 기울기 프로파일을 갖게 됨으로써 전하 재결합을 줄이고, 상대적으로 작은 굴절률을 가지는 제1 CIGS 박막층과 제3 CIGS 박막층의 CIGS층 사이에 상대적으로 굴절률차이가 큰 제2 CIGS 박막층의 CIGS를 배치함으로써 광 가둠효과(light-trapping effect)를 발생시킬 수 있으며, 갇힌 빛에 의해 광흡수 효율을 증대시킬 수 있다.
실시예 2: CIGS 박막형 광흡수층의 제조(2)
투광형 기판(ITO 또는 FTO)을 준비하여 CIGS층이 투광성을 가질 수 있도록 광흡수층의 전체 두께가 500 nm 정도의 두께가 되도록 CIGS를 3단계에 나누어 single-stage 증착법을 이용하여 3가지 다른 밴드갭의 CIGS 박막을 순차적으로 증착시켜 최종적으로 CIGS 박막형 광흡수층을 제조하였으며, 구체적인 제조 단계는 아래와 같다.
제1 단계; 제1 CIGS 박막층의 제조
CIGS 밴드갭을 결정하는 Ga/(Ga+In) 비율(GGI)을 0.3~0.6으로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.25~1.5 eV를 갖도록 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 1 내지 150 nm로 측정되었다.
제2 단계; 제2 CIGS 박막층의 제조
GGI를 0.25~0.3으로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.15 eV를 갖도록 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 200 내지 450 nm로 측정되었다.
제3 단계; 제3 CIGS 박막층의 제조
GGI를 0.3~0.6으로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.25~1.5 eV를 갖도록 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 1 내지 100 nm로 측정되었다.
그 결과, 도 4에서 확인할 수 있듯이, V자 모양의 밴드갭 프로파일을 갖게 됨으로써 전하 재결합을 줄이고, 상대적으로 작은 굴절률을 가지는 제1 CIGS 박막층과 제3 CIGS 박막층의 CIGS층 사이에 상대적으로 굴절률 차이가 큰 제2 CIGS 박막층의 CIGS를 배치함으로써 광 가둠효과(light-trapping effect)를 발생시킬 수 있으며, 갇힌 빛에 의해 광흡수 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 실시예 1에 비하여 제2 CIGS 박막층와 제3 CIGS 박막층 계면에서의 굴절률 차이를 더 크게 갖도록 설계하여 더 향상된 빛가둠효과를 기대할 수 있으며, 제3 CIGS 박막층의 CIGS 두께를 제1 CIGS 박막층에 비하여 상대적으로 얇게 함으로써 캐리어 이동을 더 향상시킬 수 있다.
실시예 3: CIGS 박막형 광흡수층의 제조(3)
투광형 기판(ITO 또는 FTO)을 준비하여 CIGS층이 투광성을 가질 수 있도록 광흡수층의 전체 두께가 500nm 정도의 두께가 되도록 CIGS를 6단계에 나누어 single-stage 증착법을 이용하여 6가지 다른 밴드갭을 갖는 CIGS 박막을 순차적으로 증착시켜 최종적으로 CIGS 박막형 광흡수층을 제조하였으며, 구체적인 제조 단계는 아래와 같다.
제1 단계; 제1 CIGS 박막층의 제조
CIGS 밴드갭을 결정하는 Ga/(Ga+In) 비율(GGI)을 0.5~0.6으로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.4~1.5 eV를 갖도록 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 1 내지 100 nm로 측정되었다.
제2 단계; 제2 CIGS 박막층의 제조
CIGS 밴드갭을 결정하는 Ga/(Ga+In) 비율(GGI)을 0.4~0.5으로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.3~1.4 eV를 갖도록 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 1 내지 100 nm로 측정되었다.
제3 단계; 제3 CIGS 박막층의 제조
GGI를 0.3~0.4으로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.2~1.3 eV를 갖도록 증착 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 100 내지 300 nm로 측정되었다.
제4 단계; 제4 CIGS 박막층의 제조
GGI를 0.25~0.3으로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.15 eV를 갖도록 증착 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 100 내지 300 nm로 측정되었다.
제5 단계; 제5 CIGS 박막층의 제조
GGI를 0.3~0.35로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.2~1.3 eV를 갖도록 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 1 내지 150 nm로 측정되었다.
제6 단계; 제6 CIGS 박막층의 제조
GGI를 0.35~0.4로 조정하여 CIGS 밴드갭이 1.25~1.4 eV를 갖도록 증착시켰으며, 상기 GGI 및 밴드갭에 따라 제조된 박막의 두께는 1 내지 150 nm로 측정되었다.
상기와 같이 6회 반복하여 제조된 CIGS 박막형 광흡수층을 이용하여 CIGS 박막 태양전지를 일반적인 제조 공정에 따라 제조하여 밴드갭 기울기를 확인하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
그 결과, 도 5에서 확인할 수 있듯이, 앞선 실시예와 같이 V자 모양의 밴드갭 이중 기울기 프로파일을 갖으면서도 밴드갭 변화가 더 부드럽게 되어 전하 재결합을 줄이면서도, 더 많은 계면을 갖게하여 더 향상된 계면 사이에서 굴절률 차이에 의한 광 가둠효과(light-trapping effect)를 발생시킬 수 있으며, 갇힌 빛에 의해 광흡수 효율을 증대시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. CIGS 태양전지의 광흡수층을 제조하는 방법으로서,
    a) Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 제1 CIGS 박막층을 기판에 증착시키는 단계;
    b) Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 상기 단계 a)에서 제1 CIGS 박막층을 증착시킨 기판에 제2 CIGS 박막층을 증착시키는 단계; 및
    c) Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 상기 단계 b)에서 제2 CIGS 박막층을 증착시킨 기판에 제3 CIGS 박막층을 증착시키는 단계;를 포함하며,
    상기 단계 a) 내지 단계 c)의 박막을 증착시키는 단계는 단일 공정법(single-stage process)을 이용하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 CIGS 박막층을 기판에 증착시키는 단계 a)는 Ga/(Ga+In)의 비율(GGI)이 0.3 내지 0.7이고, 상기 제2 CIGS 박막층을 기판에 증착시키는 단계 b)는 Ga/(Ga+In)의 비율(GGI)이 0.01 내지 0.4이며, 상기 제3 CIGS 박막층을 기판에 증착시키는 단계 c)는 Ga/(Ga+In)의 비율(GGI)이 0.3 내지 0.7인 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    제3 CIGS 박막층의 밴드갭은 제2 CIGS 박막층의 밴드갭보다는 크고 제1 CIGS 박막층의 밴드갭보다는 작거나 같은 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    단계 a)는 제1 CIGS 박막층이 1.1 내지 1.5eV 의 밴드갭을 갖도록 증착하고, 단계 b)는 제2 CIGS 박막층이 1.0 내지 1.2eV의 밴드갭을 갖도록 증착하며, 단계 c)는 제3 CIGS 박막층이 1.1 내지 1.5eV의 밴드갭을 갖도록 증착하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법.
  5. CIGS 태양전지의 광흡수층을 제조하는 방법으로서,
    단일 공정법(single stage process)을 이용하여 Cu, In, Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 박막층을 기판에 증착시키는 단계를 n번(여기서 n은 2 이상의 자연수) 반복하여 n개의 층으로 구성된 박막층을 형성하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 박막층을 기판에 증착시키는 단계는 2 내지 30번 반복하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 n이 2일 때, n개의 층으로 구성된 박막층 중에서 두 번째의 박막층은 첫 번째 박막층의 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 n이 3일 때, n개의 층으로 구성된 박막층 중에서 두 번째의 박막층은 첫 번째 박막층 및 세 번째 박막층의 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 n이 4 이상일 때, n개의 박막층 중에서, 2번째 층부터 a번째층(a는 1과 n사이의 자연수)의 밴드갭은 당해 층 이전 층의 밴드갭보다 작고, a+1번째 층부터 n 번째층의 밴드갭은 당해 층 이전층의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층의 제조 방법.
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