WO2014010926A1 - 태양전지용 cigs 광흡수층 형성 방법 및 cigs 태양전지 - Google Patents

태양전지용 cigs 광흡수층 형성 방법 및 cigs 태양전지 Download PDF

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solar cell
light absorption
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absorption layer
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윤재호
곽지혜
안세진
윤경훈
신기식
안승규
조아라
박상현
박희선
최성우
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한국에너지기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a method for forming a CIGS light absorbing layer for a solar cell and a CIGS solar cell, and more particularly, CIGS light which can improve solar cell efficiency when the concentration of alkali contained in the substrate is low and the depletion layer of the CIGS light absorbing layer is thick. It relates to a method of forming an absorbing layer.
  • the solar cell is a device that directly converts solar energy into electrical energy, and is expected to be an energy source capable of solving future energy problems due to its low pollution, infinite resources, and a semi-permanent lifetime.
  • Solar cells are classified into various types according to materials used as light absorption layers, and at present, the most commonly used are silicon solar cells using silicon.
  • silicon solar cells using silicon.
  • Thin-film solar cells are manufactured with a thin thickness, so the materials are consumed less and the weight is lighter, so the application range is wide.
  • As a material of the thin-film solar cell research on amorphous silicon, CdTe, CIS (CuInSe 2 ) or CIGS (CuIn 1-x Ga x Se 2 ) has been actively conducted.
  • the CIGS thin film has a high absorption coefficient of 1 ⁇ 10 5 cm -1 , and the band gap can be adjusted in a wide range of 1 ⁇ 2.7 eV depending on the additive material. In addition, since it is thermally very stable, there is almost no decrease in efficiency caused by solar heat even when exposed to light for a long time, and it is also excellent in moisture resistance.
  • the CIGS thin film is formed by various methods, but the efficiency of the solar cell using the CIGS thin film formed by the simultaneous vacuum evaporation method by PVD is the highest. In the case of applying the simultaneous vacuum evaporation method, it is divided into the first stage simultaneous evaporation method, the second stage simultaneous evaporation method, and the three stages simultaneous vacuum evaporation method.
  • FIG. 4 is a view showing a process of forming a CIGS light absorbing layer by a three-step simultaneous vacuum evaporation method.
  • In and Ga and Se are evaporated at a substrate temperature of about 450 ° C. to deposit (In, Ga) 2 Se 3.
  • Cu and Cu are raised while raising the substrate temperature to about 700 ° C. Supplying Se makes the Cu-rich state.
  • In, Ga, and Se are evaporated while maintaining the substrate temperature to form a Cu-deficient CIGS thin film.
  • the CIGS thin film is formed by Cu 2-x Se on the surface of Cu - rich state and grows into an alpha phase. From this, the ⁇ -CIGS and ⁇ -CIGS formed in the first step are transformed into ⁇ -CIGS in the second step, and grains are coarsened.
  • the bandgap energy changes according to the Ga / (In + Ga) ratio
  • the three-step simultaneous vacuum evaporation method reduces the Ga / (In + Ga) ratio in the second stage
  • the efficiency of the CIGS thin film solar cell can be improved by using a double grading structure with high band gap energy at the surface side and low band gap energy at the center portion.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a case where a double bandgap slope is formed in a CIGS thin film.
  • the opening voltage is increased and the recombination is reduced.
  • the band gap at the back side is higher than the band gap at the center of the CIGS film, the electron mobility is increased. It works.
  • CIGS solar cells are generally manufactured on soda-lime glass substrates. This is because Na contained in the soda lime glass substrate improves the efficiency of CIGS solar cells through various actions.
  • the soda-lime glass substrate has a low melting point, which limits the manufacturing of CIGS solar cells, and the inability to use flexible substrates made of metal or polymer is considered to be a disadvantage of CIGS solar cells.
  • various methods such as a method of forcibly injecting Na are being studied, but there is a growing demand for a technology for improving the efficiency of solar cells without adding Na.
  • the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, a low concentration of alkali contained in the substrate of the CIGS light absorbing layer that can improve the efficiency of the CIGS solar cell including a CIGS light absorbing layer having a thick depth of the depletion layer
  • the purpose is to provide a method of forming.
  • the method for forming a CIGS light absorbing layer for solar cells according to the present invention for achieving the above object is a method of forming a CIGS light absorbing layer for solar cells by a three-step simultaneous vacuum evaporation method, by evaporating and depositing In, Ga and Se simultaneously First step; Simultaneously evaporating and depositing Cu and Se; And a third step of evaporating and depositing In, Ga, and Se at the same time, wherein the amount of evaporated and supplied Ga in the first step is greater than the amount of evaporated and supplied Ga in the third step. It features.
  • the depth of the depletion layer region formed in the CIGS light absorption layer is preferably 400 nm or more.
  • the present invention is more effective in improving efficiency when forming a CIGS light absorbing layer having a deeper depth of the depletion layer than a CIGS light absorbing layer formed on a conventional general soda lime glass substrate.
  • the CIGS light absorbing layer having a deep depth of the depletion layer is formed when a substrate having a low Na concentration is used, and the substrate is made of a material other than a soda lime glass substrate or a soda lime glass substrate having an alkali concentration of 8 wt% or less in glass. Can be.
  • the In evaporation amount of the first step and the third step is 3 mW / s
  • the Ga evaporation amount of the first step is 1.6 mW / s or more
  • the Ga evaporation amount of the third step is 1.5 mW / s.
  • the first step is performed in the range of the substrate temperature 300 ⁇ 450 ° C
  • the second and third steps are preferably performed in the range of the substrate temperature of 480 ⁇ 550 ° C.
  • CIGS solar cell according to another aspect of the present invention, characterized in that it comprises a CIGS light absorbing layer formed by one of the methods described above.
  • a CIGS solar cell by another aspect of this invention is a substrate; An electrode layer formed on the substrate; And a CIGS light absorbing layer formed on the electrode layer, wherein a ratio of Ga / (In + Ga) at an interface between the electrode layer and the CIGS light absorbing layer is 0.45 or more.
  • the inventors of the present invention have developed a CIGS solar cell having improved efficiency by using a light absorption layer having a high Ga / (In + Ga) ratio at the rear electrode interface by increasing the Ga ratio.
  • the depth of the depletion layer region formed in the CIGS light absorbing layer is preferably 400 nm or more.
  • a substrate made of a material other than a soda lime glass substrate or a soda lime glass substrate having an alkali concentration of 8 wt% or less may be used.
  • CIGS is formed on a substrate having a low Na concentration by increasing the amount of Ga evaporation in the first step in the process of forming the CIGS light absorption layer by a three-step simultaneous vacuum evaporation method. There is an effect of improving the efficiency of the solar cell.
  • CIGS solar cells can be manufactured using a substrate other than a soda-lime glass substrate or a soda-lime glass substrate having low Na concentration, CIGS using a substrate having excellent thermal stability and a substrate having various characteristics There is an effect to manufacture a solar cell.
  • 1 is a graph showing the Ga / (In + Ga) ratio distribution of the CIGS light absorbing layer formed while changing the evaporation amount of Ga in the first step according to the present embodiment.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the structure of the CIGS solar cell manufactured in the present embodiment.
  • FIG 3 is a graph measuring the efficiency of a solar cell including a CIGS light absorption layer formed according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a view showing a process of forming a CIGS light absorbing layer by a three-step simultaneous vacuum evaporation method.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a case where a double bandgap slope is formed in a CIGS thin film.
  • a molybdenum back electrode was deposited to a thickness of about 1 ⁇ m by using a DC sputtering method on a soda-lime glass substrate having an alkali concentration of 8 wt%.
  • the soda-lime glass substrate used in this embodiment is generally lower in alkali concentration than 12 wt%, the concentration of alkali contained in the soda-lime glass substrate used in CIGS solar cells.
  • the CIGS light absorption layer was formed by three-step simultaneous vacuum evaporation.
  • the first step is to deposit In, Ga, and Se while maintaining the substrate temperature in the range of 300 to 450 degrees Celsius
  • the second step is to deposit Cu and Se while maintaining the substrate temperature in the range of 480 to 550 degrees Celsius
  • In the third step In, Ga, and Se are evaporated and deposited while maintaining the substrate temperature in the range of 480 to 550 ° C. This is the same as the general method of the three-stage co-vacuum evaporation method for forming the CIGS light absorbing layer, but this embodiment adjusted the evaporation amount of Ga in the first step.
  • the evaporation amount of In was fixed at 3 kW / s, but the evaporation amount of Ga was changed to 1.5, 1.6, 1.7 and 1.8 kW / s to carry out the simultaneous vacuum evaporation method.
  • the thickness deposited in the first step is equal to 1 ⁇ m.
  • the evaporation amount of In and the evaporation amount of Ga were fixed at 3 kV / s and 1.5 kV / s, respectively, and co-evaporation was performed.
  • the evaporation amount of Se in the whole process is 3 kW / s
  • the Cu evaporation amount is 2.5 kPa in the second step.
  • the Ga / (In + Ga) ratio affects the preferential orientation of the CIGS film, and the closer the Ga / (In + Ga) ratio is to 0.3 ⁇ 0.35, the CIGS film has a preferred orientation of (220) / (204). Since the evaporation amount of Ga and In is adjusted to match this. However, since the double grading structure is formed by the three-step simultaneous vacuum evaporation method, the Ga / (In + Ga) ratio at the interface between the back electrode and the CIGS light absorbing layer is generally about 0.4.
  • the left side is the surface side and the right side is the rear electrode side.
  • the CIGS light absorbing layer forming method of the present embodiment is to form a CIGS thin film on the rear electrode
  • the portion formed in the first step is the right part close to the rear electrode, and as shown, the more the Ga evaporation amount, the higher the CIGS light absorbing layer and the rear surface. It can be seen that the Ga / (In + Ga) ratio at the interface of the electrode increases.
  • the substrate used in this embodiment is generally lower than the alkali concentration of 12wt% of the soda-lime glass substrate used in the CIGS solar cell, and therefore the melting point is relatively high, so that the higher temperature in the manufacturing process of the CIGS solar cell Can be used.
  • the concentration of alkali contained in these substrates affects the depth of the depletion layer of the CIGS light absorbing layer, and CIGS light is used when a soda lime glass substrate having an alkali concentration of about 12 wt% or more is commonly used in CIGS solar cells.
  • the depletion layer of the absorbing layer is in the range of 200-300 nm from the surface side, but the depth of the depletion layer is 400-600 nm in the CIGS light absorbing layer of this embodiment using a relatively low concentration soda lime glass substrate having an alkali concentration of 8 wt% or less. In the case of using a metal or polymer substrate having a lower alkali concentration, the depth of the depletion layer formed in the CIGS light absorbing layer will be deeper.
  • the CIGS solar cell was manufactured to measure photoelectric conversion efficiency.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the CIGS solar cell manufactured in the present embodiment.
  • the CIGS solar cell manufactured according to the present embodiment has the same structure as the general CIGS solar cell as shown, except for the Ga / (In + Ga) ratio at the interface between the CIGS light absorbing layer and the rear electrode.
  • the substrate, the back electrode, and the light absorbing layer have been described above, and the buffer layer, the window layer, the front anti-reflection film layer, and the front electrode have the same structure as the general structure, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG 3 is a graph measuring the efficiency of a solar cell including a CIGS light absorption layer formed according to the present embodiment.
  • the efficiency of the solar cell increases. From this, CIGS is formed on a substrate having a lower Na concentration than a conventional soda-lime glass substrate, and thus has a thick depth of the depletion layer. It can be seen that the light absorption layer has improved solar cell efficiency as the Ga / (In + Ga) value at the interface with the rear electrode increases.

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Abstract

본 발명은 기판의 Na의 농도가 낮아서 CIGS 광흡수층의 공핍층이 얇은 경우에 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 CIGS 광흡수층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 3단계의 동시진공증발법에 의하여 태양전지용 CIGS 광흡수층을 형성하는 방법으로서, In과 Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 증착하는 제1단계; Cu와 Se를 동시에 증발시켜 증착하는 제2단계; In과 Ga 및 Se를 동시에 증발시켜 증착하는 제3단계;를 포함하여 구성되며, 상기 제1단계에서 Ga을 증발시켜 공급하는 양이, 상기 제3단계에서 Ga를 증발시켜 공급하는 양보다 많은 것을 특징으로 한다. 본 발명의 다른 형태에 의한 CIGS 태양전지는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 전극층; 및 상기 전극층 위에 형성된 CIGS 광흡수층을 포함하여 구성되며, 상기 전극층과 상기 CIGS 광흡수층의 계면에서의 Ga/(In+Ga)의 비율이 0.45 이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명은, 3단계 동시진공증발법으로 CIGS 광흡수층을 형성하는 과정에서 제1단계의 Ga 증발량을 늘림으로써, Na의 농도가 낮은 기판 위에 형성되어 공핍층의 깊이가 깊은 CIGS 태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

태양전지용 CIGS 광흡수층 형성 방법 및 CIGS 태양전지
본 발명은 태양전지용 CIGS 광흡수층 형성 방법 및 CIGS 태양전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 기판에 포함된 알칼리의 농도가 낮아서 CIGS 광흡수층의 공핍층이 두꺼운 경우에 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 CIGS 광흡수층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라서 다양한 종류로 구분되며, 현재 가장 많이 사용되는 것은 실리콘을 이용한 실리콘 태양전지이다. 그러나 최근 실리콘의 공급부족으로 가격이 급등하면서 박막형 태양전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 박막형 태양전지는 얇은 두께로 제작되므로 재료의 소모량이 적고, 무게가 가볍기 때문에 활용범위가 넓다. 이러한 박막형 태양전지의 재료로는 비정질 실리콘과 CdTe, CIS(CuInSe2) 또는 CIGS(CuIn1-xGaxSe2)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
CIGS 박막은 1 × 105cm-1의 높은 흡수 계수를 가지며, 첨가물질에 따라서 밴드갭을 1~2.7eV의 넓은 범위에서 조절할 수 있다. 또한 열적으로 매우 안정하기 때문에 장시간 빛에 노출되어도 태양열에 의한 효율감소가 거의 없으며, 내습성도 뛰어나다. 이러한 CIGS박막은 다양한 방법으로 형성되고 있으나, PVD에 의한 동시진공증발법으로 형성된 CIGS 박막을 이용한 태양전지의 효율이 가장 높다. 동시진공증발법을 적용하는 경우에도 1단계 동시진공증발법과 2단계 동시진공증발법 및 3단계 동시진공증발법으로 나뉘며, 이중 3단계의 동시진공증발법으로 형성된 경우에 효율이 가장 뛰어나다.
도 4는 3단계 동시진공증발법으로 CIGS 광흡수층을 형성하는 과정을 나타내는 도면이다.
먼저, 제1단계에서는 약 450도씨의 기판 온도에서 In과 Ga 및 Se을 증발시켜 (In,Ga)2Se3를 증착하고, 제2단계에서 기판 온도를 약 700도씨로 올리면서 Cu와 Se를 공급하여 Cu가 풍부한 상태를 만들어준다. 마지막으로 제3단계에서는 기판 온도를 유지하면서 In과 Ga 및 Se를 증발시켜 Cu가 부족한 CIGS 박막을 형성한다.
이러한 과정으로 형성된 CIGS 박막은 제2단계에서 Cu가 풍부한 상태에 의하여 표면에 Cu2-xSe가 형성하여 알파상으로 성장하게 된다. 이로부터 제1단계에서 형성된 β-CIGS와 γ-CIGS가 제2단계에서 α-CIGS로 상변태 하면서 결정립이 조대화된다.
또한, CIGS 박막의 경우는 Ga/(In+Ga) 비율에 따라서 밴드갭 에너지가 변화하며, 3단계 동시진공증발법은 제2단계에서 Ga/(In+Ga) 비율을 낮춤으로써 후면전극 쪽과 표면 쪽에서는 밴드갭 에너지가 높고 중심부는 밴드갭 에너지가 낮은 더블 그레이딩(double grading) 구조를 이용하여 CIGS 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 CIGS 박막에서 이중의 밴드갭 기울기를 형성한 경우를 나타내는 모식도이다.("High efficiency graded bandgap thin-film polycrystalline Cu(In,Ga)Se2-based solar cells", Solar Energy Materials and Solar Cells 41/42 (1996) 231-246)
이렇게 CIGS 박막의 중심부의 밴드갭보다 표면측의 밴드갭이 높으면 개방전압이 증가하고 재결합이 감소하는 효과가 있고, CIGS 박막의 중심부의 밴드갭보다 후면측의 밴드갭이 높으면 전자이동도가 증가하는 효과가 있다.
한편, CIGS 태양전지는 소다라임 유리 기판 위에서 제조하는 것이 일반적이다. 이는 소다라임 유리 기판에 포함된 Na가 다양한 작용을 통해 CIGS 태양전지의 효율을 향상시키기 때문이다. 다만, 소다라임 유리 기판은 녹는점이 낮아서 CIGS 태양전지 제조에 제약이 있으며, 금속 또는 폴리머 재질의 유연성 기판을 사용하지 못하는 점은 CIGS 태양전지의 단점으로 꼽힌다. 이러한 단점을 해소하기 위하여 Na를 강제로 주입하는 방법 등 다양한 방법이 연구 중에 있으나, Na를 첨가하지 않고 태양전지의 효율을 향상시키는 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.
따라서 소다라임 유리 기판 및 Na를 사용하지 않고 CIGS 박막 형성과정을 개선하는 방법으로 태양전지의 효율을 높이는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
[선행기술문헌] "High efficiency graded bandgap thin-film polycrystalline Cu(In,Ga)Se2-based solar cells", Solar Energy Materials and Solar Cells 41/42 (1996) 231-246
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판에 포함된 알칼리의 농도가 낮아서 공핍층의 깊이가 두꺼운 CIGS 광흡수층을 포함하는 CIGS 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 CIGS 광흡수층의 형성하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 태양전지용 CIGS 광흡수층 형성 방법은, 3단계의 동시진공증발법에 의하여 태양전지용 CIGS 광흡수층을 형성하는 방법으로서, In과 Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 증착하는 제1단계; Cu와 Se를 동시에 증발시켜 증착하는 제2단계; In과 Ga 및 Se를 동시에 증발시켜 증착하는 제3단계;를 포함하여 구성되며, 상기 제1단계에서 Ga을 증발시켜 공급하는 양이, 상기 제3단계에서 Ga를 증발시켜 공급하는 양보다 많은 것을 특징으로 한다.
종래에 소다라임 유리 기판을 사용하여 제조된 CIGS 태양전지의 경우는 3단계 동시진공증발방법을 적용하는 경우에 Ga을 공급하는 비율을 변경하여 태양전지의 효율을 향상시키려는 노력이 있었으나, 제1단계의 Ga 공급량을 변경하여 큰 효과가 없었기 때문에, 제1단계와 제3단계에서 동일한 양으로 Ga를 공급하는 것이 일반적이나, 본 발명의 발명자들은 동시증발 공정의 제1단계에서 Ga의 비율을 증가시키는 방법으로 태양전지의 효율을 향상시키는 방법을 개발하였다.
이때, CIGS 광흡수층에 형성되는 공핍층 영역의 깊이가 400nm이상인 것이 바람직하다. 본 발명은 종래의 일반적인 소다라임 유리기판 위에 형성된 CIGS 광흡수층보다 공핍층의 깊이가 더 깊은 CIGS 광흡수층을 형성하는 경우에 효율 향상의 효과가 더 뛰어나다.
이러한 공핍층의 깊이가 깊은 CIGS 광흡수층은 Na의 농도가 낮은 기판을 사용하는 경우에 형성되며, 이러한 기판은 유리 내의 알칼리 농도가 8wt% 이하인 소다라임 유리기판 또는 소다라임 유리기판 이외의 재질인 기판일 수 있다.
나아가 제1단계와 제3단계의 In 증발량은 3Å/s이며, 제1단계의 Ga 증발량은 1.6Å/s 이상이고 제3단계의 Ga 증발량은 1.5Å/s인 것이 바람직하다.
또한, 제1단계는 기판온도 300~450도씨의 범위에서 수행되고, 제2단계와 제3단계는 기판온도 480~550도씨의 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 형태에 의한 CIGS 태양전지는, 상기한 방법들 중에 하나의 방법으로 형성된 CIGS 광흡수층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 또 다른 형태에 의한 CIGS 태양전지는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 전극층; 및 상기 전극층 위에 형성된 CIGS 광흡수층을 포함하여 구성되며, 상기 전극층과 상기 CIGS 광흡수층의 계면에서의 Ga/(In+Ga)의 비율이 0.45 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발명자들은 동시증발 공정의 제1단계에서 Ga의 비율을 증가시켜서 후면 전극 계면에서의 Ga/(In+Ga)의 비율을 높인 광흡수층을 이용하여 효율을 높인 CIGS 태양전지를 개발하였다.
이때, CIGS 광흡수층에 형성되는 공핍층 영역의 깊이가 400nm이상인 것이 바람직하며, 이를 위하여 유리 내의 알칼리 농도가 8wt% 이하인 소다라임 유리기판 또는 소다라임 유리기판 이외의 재질인 기판을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 3단계 동시진공증발법으로 CIGS 광흡수층을 형성하는 과정에서 제1단계의 Ga 증발량을 늘림으로써, Na의 농도가 낮은 기판 위에 형성되어 공핍층의 깊이가 깊은 CIGS 태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 Na농도가 낮은 소다라임 유리기판 또는 소다라임 유리기판 이외 재질의 기판을 이용하여 CIGS 태양전지를 제조할 수 있기 때문에, 열안정성이 뛰어난 기판 및 다양한 특성을 가지는 기판을 이용하여 CIGS 태양전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 의해서 제1단계에서 Ga의 증발량을 변화시키면서 형성한 CIGS 광흡수층의 Ga/(In+Ga) 비율 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 실시예에서 제조된 CIGS 태양전지의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 실시예에 따라 형성된 CIGS 광흡수층을 포함하는 태양전지의 효율을 측정한 그래프이다.
도 4는 3단계 동시진공증발법으로 CIGS 광흡수층을 형성하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 CIGS 박막에서 이중의 밴드갭 기울기를 형성한 경우를 나타내는 모식도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
먼저 알칼리의 농도가 8wt%인 소다라임 유리기판에 DC 스퍼터링 방법으로 몰리브덴 후면전극을 약 1㎛ 두께로 증착하여 준비하였다. 본 실시예에 사용된 소다라임 유리기판은 일반적으로 CIGS 태양전지에 사용되는 소다라임 유리기판에 포함된 알칼리의 농도인 12wt%보다 상대적으로 알칼리의 농도가 낮은 것이다.
그리고 3단계 동시진공증발법으로 CIGS 광흡수층을 형성하였다.
제1단계는 기판온도를 300~450도씨 범위로 유지하면서 In과 Ga 및 Se를 증발시켜 증착하는 단계이고, 제2단계는 기판온도를 480~550도씨 범위로 유지하면서 Cu와 Se를 증착하는 단계이며, 제3단계는 기판온도를 480~550도씨 범위로 유지하면서 In과 Ga 및 Se를 증발시켜 증착하는 단계이다. 이는 CIGS 광흡수층을 형성하기 위한 3단계 동시진공증발법의 일반적인 방법과 같으나, 본 실시예는 제1단계에서 Ga의 증발량을 조절하였다.
구체적으로 제1단계에서 In의 증발량은 3Å/s로 고정하였으나, Ga의 증발량은 1.5, 1.6, 1.7 및 1.8Å/s로 변경하여 동시진공증발법을 수행하였다. 이때, Ga의 증발량의 증가에 따라서 증착두께가 변경되는 영향을 배재하기 위하여, 제1단계에서 증착되는 두께가 1㎛로 동일하도록 하였다.
반면에 제3단계에서는 In의 증발량과 Ga의 증발량을 각각 3Å/s과 1.5Å/s로 고정하고 동시진공증발법을 수행하였다. 한편, 전체 공정에서 Se의 증발량은 3Å/s이고, 제2단계에서 Cu의 증발량은 2.5Ås이다.
CIGS 박막에서 Ga/(In+Ga) 비율은 CIGS 박막의 우선배향성에 영향을 미치며, Ga/(In+Ga) 비율이 0.3~0.35에 가까울수록 CIGS 박막은 (220)/(204)의 우선배향성을 보이기 때문에 Ga와 In의 증발량을 조절하여 이에 맞추고 있다. 다만, 3단계 동시진공증발법에 의해서 더블 그레이딩 구조를 형성하기 때문에, 후면전극과 CIGS 광흡수층의 접하는 계면에서의 Ga/(In+Ga) 비율은 약 0.4 부근인 것이 일반적이다.
도 1은 본 실시예에 의해서 제1단계에서 Ga의 증발량을 변화시키면서 형성한 CIGS 광흡수층의 Ga/(In+Ga) 비율 분포를 나타내는 그래프이다. 그래프에서 왼쪽이 표면 쪽이고, 오른쪽이 후면전극 쪽이다.
본 실시예의 CIGS 광흡수층 형성방법은 후면전극의 위에 CIGS 박막을 형성하는 것이므로, 제1단계에서 형성되는 부분은 후면전극에 가까운 오른쪽 부분이며, 도시된 것과 같이 Ga의 증발량이 많을수록 CIGS 광흡수층과 후면전극의 계면에서의 Ga/(In+Ga) 비율이 높아지는 것을 확인할 수 있다.
이를 표로 나타내면 다음과 같다.
표 1
제1단계의 Ga 증발량 1.5Ås 1.6Å/s 1.7Å/s 1.8Å/s
CIGS 광흡수층과 후면전극 계면의 Ga/(In+Ga) 비율 0.4 0.45 0.54 0.65
한편, 본 실시예에서 사용된 기판은 일반적으로 CIGS 태양전지에 사용된 소다라임 유리기판의 알칼리 농도인 12wt%보다 낮은 농도이며, 이에 따라서 녹는점이 상대적으로 높기 때문에 CIGS 태양전지 제조과정에서 더 높은 온도를 사용할 수 있다.
이러한 기판에 포함된 알칼리의 농도는 CIGS 광흡수층의 공핍층의 깊이에 영향을 미치며, 종래에 CIGS 태양전지에 일반적으로 사용되는 알칼리 농도가 약 12wt%이상인 소다라임 유리기판을 사용하는 경우에 CIGS 광흡수층의 공핍층은 표면쪽에서부터 200~300nm 범위이지만, 알칼리 농도가 8wt% 이하인 상대적으로 낮은 농도의 소다라임 유리기판을 사용한 본 실시예의 CIGS 광흡수층에는 공핍층의 깊이가 400~600nm 범위이다. 알칼리의 농도가 더 낮은 금속이나 폴리머 재질의 기판을 사용하는 경우에는 CIGS 광흡수층에 형성되는 공핍층의 깊이가 더 깊어질 것이다.
상기한 과정으로 CIGS 광흡수층을 형성한 뒤에 최종적으로 CIGS 태양전지를 제조하여 광전변환 효율을 측정하였다.
도 2는 본 실시예에서 제조된 CIGS 태양전지의 구조를 나타내는 모식도이다. 본 실시예에 따라 제조된 CIGS 태양전지는 CIGS 광흡수층과 후면전극의 계면에서의 Ga/(In+Ga) 비율 외에는 도시된 것과 같은 일반적인 CIGS 태양전지와 동일한 구조이다. 기판과 후면전극 및 광흡수층은 앞에서 설명하였으며, 버퍼층, 윈도우층, 전면반사방지막층 및 전면전극은 일반적인 구조와 동일함으로 자세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 실시예에 따라 형성된 CIGS 광흡수층을 포함하는 태양전지의 효율을 측정한 그래프이다.
도시된 것과 같이, 제1단계의 Ga 증발량이 많을수록 태양전지의 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 종래의 일반적인 소다라임 유리기판보다 Na 농도가 낮은 기판에 형성되어 공핍층의 깊이가 두꺼운 CIGS 광흡수층은 후면전극과의 계면에서의 Ga/(In+Ga) 값이 커질수록 태양전지 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 3단계의 동시진공증발법에 의하여 태양전지용 CIGS 광흡수층을 형성하는 방법으로서,
    In과 Ga 및 Se을 동시에 증발시켜 증착하는 제1단계;
    Cu와 Se를 동시에 증발시켜 증착하는 제2단계;
    In과 Ga 및 Se를 동시에 증발시켜 증착하는 제3단계;를 포함하여 구성되며,
    상기 제1단계에서 Ga을 증발시켜 공급하는 양이, 상기 제3단계에서 Ga를 증발시켜 공급하는 양보다 많은 것을 특징으로 하는 태양전지용 CIGS 광흡수층 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 CIGS 광흡수층에 형성되는 공핍층 영역의 깊이가 400nm이상인 것을 특징으로 하는 태양전지용 CIGS 광흡수층 형성 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 GIGS 광흡수층이 형성된 기판이 소다라임 유리기판 이외의 재질인 것을 특징으로 하는 태양전지용 CIGS 광흡수층 형성 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 GIGS 광흡수층이 형성된 기판이 알칼리농도가 8wt%이하인 소다라임 유리기판인 것을 특징으로 하는 태양전지용 CIGS 광흡수층 형성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단계와 상기 제3단계의 In 증발량이 3Ås이며,
    상기 제1단계의 Ga 증발량이 1.6Å/s 이상이고, 상기 제3단계의 Ga 증발량이 1.5Å/s인 것을 특징으로 하는 태양전지용 CIGS 광흡수층 형성 방법.
  6. 청구항 5에서 있어서,
    상기 제1단계가 기판온도 300~450도씨의 범위에서 수행되고, 상기 제2단계와 상기 제3단계가 기판온도 480~550도씨의 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 CIGS 광흡수층 형성 방법.
  7. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 전극층; 및
    상기 전극층 위에 형성된 CIGS 광흡수층을 포함하여 구성되며,
    상기 전극층과 상기 CIGS 광흡수층의 계면에서의 Ga/(In+Ga)의 비율이 0.45 이상인 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 CIGS 광흡수층에 형성된 공핍층의 깊이가 400nm 이상인 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기판이 소다라임 유리기판 이외의 재질인 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 기판이 알칼리농도가 8wt%이하인 소다라임 유리기판인 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지..
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