KR101210110B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는 후면전극층; 및 상기 후면전극층 상에 배치되는 광흡수층을 포함하고, 상기 광흡수층은 미도핑영역 및 상기 미도핑영역 상에 위치하는 도핑영역을 포함하며, 상기 도핑영역은 아연을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 상에 도펀트공급층을 형성하는 단계; 및 상기 도펀트공급층을 확산시키는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 상에 도펀트공급층을 형성하는 단계; 및 상기 도펀트공급층을 확산시키는 단계를 포함한다.
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양광 발전을 위한 태양전지의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 기판이 제공되고, 상기 기판 상에 후면전극층이 형성되고, 레이저에 의해서 패터닝되어, 다수 개의 이면전극들이 형성된다.
이후, 상기 이면전극들 상에 광 흡수층, 버퍼층 및 고저항 버퍼층이 차례로 형성된다. 상기 광 흡수층을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다. 상기 광 흡수층의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 내지 1.8 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층 상에 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 2.2 내지 2.4 eV 이다. 이후, 상기 버퍼층 상에 징크 옥사이드(ZnO)를 포함하는 고저항 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층, 상기 버퍼층 및 상기 고저항 버퍼층에 홈 패턴이 형성될 수 있다.
이후, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명한 도전물질이 적층되고, 상기 홈패턴이 상기 투명한 도전물질이 채워진다. 이에 따라서, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명전극층이 형성되고, 상기 홈 패턴 내측에 접속배선들이 각각 형성된다. 상기 투명전극층 및 상기 접속배선으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 투명전극층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 투명전극층 등에 홈 패턴이 형성되어, 다수 개의 태양전지들이 형성될 수 있다. 상기 투명전극들 및 상기 고저항 버퍼들은 각각의 셀에 대응한다. 상기 투명전극들 및 상기 고저항 버퍼들은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 투명전극들 및 상기 이면전극들은 서로 미스 얼라인되며, 상기 투명전극들 및 상기 이면전극들은 상기 접속배선들에 의해서 각각 전기적으로 연결된다. 이에 따라서, 다수 개의 태양전지들이 서로 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다.
이와 같이, 태양광을 전기에너지로 변환시키기 위해서, 다양한 형태의 태양광 발전장치가 제조되고, 사용될 수 있다. 이와 같은 태양광 발전장치는 특허 공개 공보 10-2008-0088744 등에 개시된다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 후면전극층; 및 상기 후면전극층 상에 배치되는 광흡수층을 포함하고, 상기 광흡수층은 미도핑영역 및 상기 미도핑영역 상에 위치하는 도핑영역을 포함하며, 상기 도핑영역은 아연을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 상에 도펀트공급층을 형성하는 단계; 및 상기 도펀트공급층을 확산시키는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지에 포함되는 광 흡수층은 도핑영역 및 미도핑영역을 포함한다. 상기 광 흡수층의 도핑영역 및 미도핑영역이 동질의 PN접합을 형성하므로, 계면(interface) 내의 재조합(recombination)을 감소시킬 수 있고, 이로 인해 개방 전압이 향상될 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층의 도핑영역 및 미도핑영역이 유사한 에너지 밴드갭을 가질 수 있어 전자의 수득율을 높일 수 있다.
한편, 실시예에 따른 태양전지에 포함되는 버퍼층은 마그네슘 아연 산화물을 포함한다. 실시예에 따른 태양전지는 황화 카드뮴만으로 이루어진 버퍼층을 가지는 기존 태양전지와 비교하여, 향상된 개방 전압을 가진다.
또한, 카드뮴 프리(Cd free)를 통해 환경 규제를 받지 않는 친환경 공정이 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 실시예와 비교예의 개방 전압(Voc)을 비교한 그래프이다.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다.
도 2는 실시예와 비교예의 개방 전압(Voc)을 비교한 그래프이다.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하, 도 1을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 전면전극층(500)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 상기 전면전극층(500)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 상기 지지기판(100)의 상면에 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 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 적어도 일부는 아연으로 도핑된다. 구체적으로, 상기 광 흡수층(300)은 미도핑영역(310) 및 도핑영역(320)을 포함하고, 상기 도핑영역(320)은 아연을 포함한다. 이때, 상기 아연이 0.1 wt% 내지 3 wt% 포함될 수 있다.
상기 도핑영역(320)에 대한 상기 미도핑영역(310)의 두께는 0.5 미만일 수 있다.
상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
실시예에서는 상기 광 흡수층(300)의 미도핑영역(310) 및 도핑영역(320)이 동질의 PN접합을 형성하므로, 계면(interface) 내의 재조합(recombination)을 감소시킬 수 있고, 이로 인해 개방 전압이 향상될 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(300)의 미도핑영역(310) 및 도핑영역(320)이 유사한 에너지 밴드갭을 가질 수 있어 전자의 수득율을 높일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)에 직접 접촉한다.
상기 버퍼층(400)은 마그네슘 아연 산화물(MgZnO)을 포함할 수 있다.
상기 마그네슘 아연 산화물은 하기 화학식으로 표현된다.
화학식
(MgxZn1 -x)O
여기서, 상기 x는 아래의 식1을 만족한다.
식1
0.3≤x≤0.7
한편, 상기 마그네슘 아연 산화물의 질량비율은 하기와 같은 식2를 만족할 수 있다.
식2
Mg/Zn≤0.7
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 황화 카드뮴만으로 이루어진 버퍼층을 가지는 기존 태양전지와 비교하여, 향상된 개방 전압(Voc)을 가진다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 카드뮴 프리(Cd free)를 통해 환경 규제를 받지 않는 친환경 공정이 가능하다.
상기 전면전극층(500)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 전면전극층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다.
상기 전면전극층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 전면전극층(500)은 투명하다.
상기 전면전극층(500)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO), 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide;IZO) 또는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide;ITO) 등을 들 수 있다.
상기 전면전극층(500)의 두께는 약 500㎚ 내지 약 1.5㎛일 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(500)이 알루미늄이 도핑되는 징크 옥사이드로 형성되는 경우, 알루미늄은 약 1.5wt% 내지 약 3.5wt%의 비율로 도핑될 수 있다. 상기 전면전극층(500)은 도전층이다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위해 앞서 설명한 내용과 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은, 후면전극층(200)을 형성하는 단계, 예비광흡수층(351)을 형성하는 단계, 도펀트공급층(352)을 형성하는 단계 및 광 흡수층(300)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 도 3을 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 몰리브덴 등과 같은 금속이 증착되고, 후면전극층(200)이 형성된다. 상기 후면전극층(200)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 후면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
상기 후면전극층(200) 상에 예비광흡수층(351)이 형성된다. 상기 예비광흡수층(351)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계를 포함할 수 있다. 상기 예비광흡수층(351)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 예비광흡수층(351)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 후면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 예비광흡수층(351)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 상기 예비광흡수층(351) 상에 도펀트공급층(352)을 형성할 수 있다. 상기 도펀트공급층(352)은 아연화합물을 포함한다. 구체적으로, 상기 도펀트공급층(352)은 디메틸아연(dimethylzinc)((CH3)2Zn)을 포함할 수 있다. 상기 도펀트공급층(352)은 불활성 캐리어 가스(carrier gas)를 통해 증착될 수 있다.
이어서, 도 5를 참조하면, 광 흡수층(300)을 형성하는 단계를 거친다. 상기 광 흡수층(300)을 형성하는 단계에서는 상기 도펀트공급층(352)을 확산시켜 상기 광 흡수층(300)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 도펀트공급층(352)이 상기 예비광흡수층(351)에 확산될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)을 형성하는 단계는 350℃ 이하의 온도에서 이루어질 수 있다.
상기 광 흡수층(300)을 형성하는 단계는 600초 이하의 시간 동안 이루어질 수 있다. 이를 통해, 상기 도펀트공급층(352)에 포함된 아연이 상기 예비광흡수층(351)의 하면까지 도달하지 않도록 하여, 앞서 설명한 도핑영역(320)을 확보할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 광 흡수층(300)을 형성하는 단계 이후, 버퍼층(400)을 형성하는 단계를 거칠 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 마그네슘 아연 산화물을 물리 기상 증착(physical vapor deposition;PVD)함으로써 형성될 수 있다. 상기 전면전극층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 증착되어 형성된다.
예를 들어, 상기 전면전극층(500)은 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 등과 같은 투명한 도전물질이 상기 버퍼층(400)의 상면에 스퍼터링 공정에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.
상술한 실시예에 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 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 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, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실험예
소라라임 글라스 기판 상에 몰리브덴이 스퍼터링 공정에 의해서, 약 1㎛의 두께로 증착되어 후면전극층이 형성되었다 이후, 상기 후면전극층 상에 증발법에 의해서, CuIn0.3Ga0.7Se2이 약 1㎛의 두께로 증착되어, 광 흡수층이 형성되었다. 이후, 상기 광 흡수층 상에 스퍼터링 공정에 의해서, 약 50㎚의 두께로 MgZnO가 증착되어 버퍼층이 형성되었다. 이후, 상기 버퍼층 상에 불순물이 포함되지 않는 징크 옥사이드가 약 70㎚의 두께로 증착되어, 고저항 버퍼층이 형성되었다. 이후, 알루미늄이 약 3wt%로 도핑된 징크 옥사이드 타겟이 사용되어, 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 고저항 버퍼층 상에 전면전극층이 형성되었다.
비교예
실험예와 동일하게 광 흡수층이 형성된 후, CdS가 화학 용액 성장법에 의해서, 상기 광 흡수층 상에 약 70㎚의 두께로 증착되었다. 이후, 실험예와 동일하게 고저항 버퍼층 및 전면전극층이 형성되었다.
도 2를 참조하면, 실험예의 태양전지는 비교예의 태양전지에 비해 개방 전압(Voc)이 향상됨을 알 수 있다.
Claims (13)
- 후면전극층; 및
상기 후면전극층 상에 배치되는 광흡수층을 포함하고,
상기 광흡수층은 미도핑영역 및 상기 미도핑영역 상에 위치하는 도핑영역을 포함하며,
상기 도핑영역은 아연을 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 아연이 0.1 wt% 내지 3 wt% 포함되는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 광흡수층 상에 배치되는 버퍼층을 더 포함하고,
상기 버퍼층은 마그네슘 아연 산화물(MgZnO)을 포함하는 태양전지. - 제3항에 있어서,
상기 마그네슘 아연 산화물은 하기 화학식으로 표현되는 태양전지.
(MgxZn1 -x)O - 제4항에 있어서,
상기 x는 아래의 식을 만족하는 태양전지.
0.3≤x≤0.7 - 제2항에 있어서,
상기 미도핑영역에 대한 상기 도핑영역의 두께비는 0.5 미만인 태양전지. - 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
상기 후면전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층 상에 도펀트공급층을 형성하는 단계; 및
상기 도펀트공급층을 확산시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 광흡수층은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계를 포함하는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 도펀트공급층은 아연화합물을 포함하는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 도펀트공급층은 디메틸아연(dimethylzinc)을 포함하는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 도펀트공급층을 확산시키는 단계는 350℃ 이하의 온도에서 이루어지는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 광흡수층을 형성하는 단계는 600초 이하의 시간 동안 이루어지는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 광흡수층을 형성하는 단계 이후, 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 버퍼층은 마그네슘 아연 산화물을 포함하는 태양전지의 제조 방법.
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