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KR101154786B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR101154786B1
KR101154786B1 KR1020110052488A KR20110052488A KR101154786B1 KR 101154786 B1 KR101154786 B1 KR 101154786B1 KR 1020110052488 A KR1020110052488 A KR 1020110052488A KR 20110052488 A KR20110052488 A KR 20110052488A KR 101154786 B1 KR101154786 B1 KR 101154786B1
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layer
buffer layer
solar cell
light absorbing
buffer
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최철환
최인환
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중앙대학교 산학협력단
엘지이노텍 주식회사
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Abstract

일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되고 CdS를 포함하는 제1 버퍼층; 상기 제1 버퍼층 상에 형성되고 아연(Zn)을 포함하는 제2 버퍼층; 및 상기 제2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;을 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 버퍼층, n형 윈도우층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합(hetero junction) 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지에 있어서 낮은 저항, 높은 투과율 등의 전기적인 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
실시예는 카드뮴(Cd)의 두께가 얇은 버퍼층을 형성하여 친환경 공법이 가능하고, 생산성 및 광-전 변환 효율이 향상된 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되고 CdS를 포함하는 제1 버퍼층; 상기 제1 버퍼층 상에 형성되고 아연(Zn)을 포함하는 제2 버퍼층; 및 상기 제2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 기판 상에 이면전극층을 형성하는 단계; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 CdS를 포함하는 제1 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1 버퍼층 상에 아연(Zn)을 포함하는 제2 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따르면, 버퍼층에 포함되는 황화카드뮴(CdS)의 두께를 얇게 형성하여 유해 중금속인 Cd에 의한 환경오염의 문제를 개선하고, 열적 안정성 및 전기적 특성이 우수한 태양전지를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 제2 버퍼층의 형성시 주입되는 물질을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예에 따른 제2 버퍼층의 구조도이다.
도 4는 실시예에 따른 태양전지의 파장과 양자효율의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5 내지 도 8은 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 단면도이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 또는 전극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 태양전지 패널은 지지기판(100)과, 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 제1 버퍼층(410), 제2 버퍼층(420)을 포함하는 버퍼층(400) 및 윈도우층(500)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 폴리머와 같은 플라스틱기판, 또는 금속기판일 수 있다. 이외에, 지지기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸(SUS), 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 이면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 이면전극층(200)은 열팽창 계수의 차이로 인하여 상기 지지기판(100)과 박리현상이 발생되지 않도록 상기 지지기판(100)과 접착성이 우수하여야 한다.
이러한 이면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고 상술한 이면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 이면전극층(200) 상에는 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1.1eV 내지 1.2eV일 수 있다.
상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 배치된다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(500) 박막간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층(400)이 필요하다.
상기 버퍼층(400)은 제1 버퍼층(410)과 제2 버퍼층(420)을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 제1 버퍼층(410)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있으나 일반적으로 버퍼층은 CdS를 CBD법으로 증착하여 형성하는 것이 에너지 변환 효율 측면에서 유리하다. 그러나 CdS는 에너지 밴드갭보다 짧은 파장대인 500nm이하의 빛을 흡수하기 때문에 에너지 변환 효율을 극대화할 수 없을 뿐만 아니라, 중금속인 카드뮴(Cd)을 포함하고 있어, 이를 대체할 수 있는 기술을 개발하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
황화카드뮴을 대체하는 물질로 황화아연(ZnS)이 사용되고 있으나, CdS만큼 안정적이지 못하며, 에너지 변환효율 또한 이에 미치지 못하고 있다. ZnS는 에너지 밴드갭이 윈도우층으로 일반적으로 사용되는 ZnO보다 크기 때문에 투과되는 빛의 손실은 줄일 수 있지만 광 흡수층 내 Zn원자의 확산도가 Cd에 비하여 매우 커 열적안정성이 떨어질 뿐 아니라, 전도대의 밴드 오프셋(Band offset)으로 인하여 바람직한 다이오드 특성을 얻을 수 없다. 본원 발명의 실시예에서는 기존 CdS 버퍼층의 장점을 유지하고, 단점을 최소화하면서 태양전지의 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 버퍼층을 제공한다.
본원발명의 실시예에서는 상기 광 흡수층(300) 상에 제1 버퍼층(410)을 형성한다. 상기 제1 버퍼층(410)은 CdS를 포함할 수 있다. 상기 제1 버퍼층(410)은 20nm 이하의 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 상기와 같이 CdS를 포함하는 제1 버퍼층(410)을 얇은 두께로 형성함으로써 버퍼층에 의한 500nm 이하 파장대의 빛 흡수를 최소화할 수 있다.
상기 제1 버퍼층 상에 제2 버퍼층(420)을 형성한다. 상기 제2 버퍼층(420)은 아연, 황, 산소 이온을 MOCVD 또는 ALD(atomic layer deposition)법으로 증착하여 형성할 수 있다.
상기 제2 버퍼층(420)이 MOCVD의 공정으로 형성되는 경우, ZnS와 ZnO가 순차적으로 번갈아 형성될 수 있다. 예를 들어, ZnS는 0.3nm 내지 0.7nm의 두께로 적층되고 ZnO는 3nm 내지 7nm의 두께로 적층될 수 있으며, 각 층이 복수회 적층될 수 있다. 상기 제2 버퍼층(420)은 60nm 내지 70nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 ZnS 대신에 In2Se3가 형성될 수도 있다.
상기 제2 버퍼층(420)이 ALD 법으로 형성되는 경우, 각각 Zn, S, Zn, O로 형성된 원자층이 번갈아 적층되어 형성될 수도 있다. 상기 제2 버퍼층(420)이 ALD 법으로 형성되는 경우에 대해서는 도 2 및 도 3을 예로 들어 후술하기로 한다.
상기 버퍼층(400) 상에 윈도우층(500)이 형성될 수 있다. 상기 윈도우층(500)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(500)의 저항은 상기 이면전극층(200)의 저항보다 높다.
상기 윈도우층(500)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 윈도우층(500)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 윈도우층(500)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 따르면, 버퍼층(400)에 포함되는 황화카드뮴(CdS)의 두께를 얇게 형성하여 유해 중금속인 Cd에 의한 환경오염의 문제를 개선하고, 제2 버퍼층(420)을 형성하여 열적 안정성 및 전기적 특성이 우수한 태양전지를 제공할 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 제2 버퍼층(420)의 형성시 주입되는 물질을 나타낸 그래프이고, 도 3은 실시예에 따른 제2 버퍼층의 구조도이다.
실시예에서는 제2 버퍼층(420)을 ALD의 방법으로 형성하였으나 이에 대해 한정하지는 않는다. 제2 버퍼층(420)을 ALD의 방법으로 형성하는 경우, 처음 4초 동안 S의 소스로 T-BuSH를 주입하고 이후 6초 동안 퍼지(purge)시킨다. 다음 4초 동안 Zn의 소스로 DMZn을 주입하고 이후 6초간 퍼지시킨다. 다시 4초 동안 S의 소스로 T-BuSH를 주입하고 이후 6초 동안 퍼지시킨 후, 4초 동안 Zn의 소스로 DMZn을 주입하고 이후 6초간 퍼지시킨다. 상기 공정에 의해 도 3에서와 같이 Zn과 S가 원자층 증착된다.
이후, 4초 동안 Zn의 소스로 DMZn을 주입하고 이후 6초간 퍼지시키고, O의 소스로 H2O를 4초간 주입하고 6초간 퍼지시킨다. 상기 공정을 반복하여 Zn과 O가 원자층 증착된다.
상기와 같이 Zn, S, Zn, O의 원소가 순차적으로 적층되어 제2 버퍼층(420)을 형성할 수 있다. 제2 버퍼층(420)은 60nm 내지 70nm의 두께로 형성될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 태양전지의 파장과 양자효율의 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광 흡수층(300) 상에 CdS만을 이용하여 버퍼층을 형성한 경우보다 CdS를 포함하는 제1 버퍼층(410)을 20nm 이하의 얇은 두께로 형성하고 ZnS와 ZnO가 순차적으로 번갈아 형성된 제2 버퍼층(420)의 경우에 양자변환효율이 증가함을 확인할 수 있다. 특히 600nm 이하의 파장대에서 CdS만을 이용하여 버퍼층을 형성한 경우보다 효과적임을 알 수 있다.
도 5 내지 도 8은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴을 사용하여 증착될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지기판(100) 및 이면전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
다음으로, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)이 형성되는 과정에서 상기 배리어층(300)에 포함된 Na이 분리되어 상기 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있다. 이에 의해 광 흡수층(300)의 전하 농도가 증가하여 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath depositon;CBD) 등에 의해서 증착되어 제1 버퍼층(410)이 형성된다. 상기 제1 버퍼층(410)은 20nm이하의 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 10nm이하의 두께로 형성될 수 있다.
다음으로 상기 제1 버퍼층(410) 상에 제2 버퍼층(420)이 형성될 수 있다. 상기 제2 버퍼층(420)은 Zn(S, O)박막을 MOCVD 법에 의해 순차적으로 반복하여 적층하거나 ALD 법에 의해 Zn, S, Zn, O로 형성된 원자층이 번갈아 적층되어 형성될 수도 있다.
상기 제2 버퍼층(420) 상에는 인듐 징크 옥사이드(i-ZnO)가 형성될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 상기 버퍼층(400) 상에 윈도우층(500)이 형성된다. 상기 윈도우층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 투명한 도전물질이 증착되어 형성된다. 상기 윈도우층(500)은 ZnO를 포함하여 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한 붕소가 포함될 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 이면전극층;
    상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치되고 CdS를 포함하는 제1 버퍼층;
    상기 제1 버퍼층 상에 형성되고 아연(Zn)을 포함하는 제2 버퍼층; 및
    상기 제2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층은 20nm 이하의 두께로 형성되는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층은 S와 O를 포함하는 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층은 ZnS와 ZnO를 반복 적층하여 형성되는 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 ZnS는 0.3nm 내지 0.7nm의 두께로 적층되고 ZnO는 3nm 내지 7nm의 두께로 적층되는 태양전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층은 Zn, S, Zn, O의 원자층이 반복 적층되어 형성되는 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층은 60nm 내지 70nm의 두께로 형성되는 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층은 In2Se3를 포함하는 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층과 윈도우층 사이에 인듐 징크 옥사이드(i-ZnO)가 형성되는 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우층은 ZnO를 포함하여 형성되는 태양전지
  11. 제10항에 있어서,
    상기 윈도우층은 붕소를 포함하는 태양전지.
  12. 기판 상에 이면전극층을 형성하는 단계;
    상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 CdS를 포함하는 제1 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 제1 버퍼층 상에 아연(Zn)을 포함하는 제2 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층은 10nm 이하의 두께로 형성하는 태양전지 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층은 Zn, O, S를 이용하여 ALD(atomic layer deposition)의 방법으로 형성하는 태양전지 제조방법
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