KR101047941B1 - Ｃｉ(ｇ)ｓ 태양전지 후면 전극의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CI(G)S(Cupper-Indium-Gallium-Selenide) 광흡수층을 포함하는 태양전지의 후면 전극(back contact)을 제조하는 방법으로서, 불활성 가스 분위기에서 DC 스퍼터링에 의해 기판 상에 후면 전극을 형성하는 과정에서, 알칼리 성분이 도핑된 후면 전극용 타겟을 사용하고 상기 기판 상에 RF 바이어스를 인가함으로써 CI(G)S 광흡수층에 포함시키고자 하는 알칼리 성분의 함량을 조절하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 상기 후면 전극의 제조를 위한 스퍼터링 과정에서 RF 바이어스를 인가함으로써 별도의 공정 없이 간단한 방법으로 알칼리 성분의 함량을 정밀하게 제어할 수 있으므로 공정 효율이 뛰어날 뿐만 아니라, 전극과 유리 기판 사이의 접착성이 뛰어나면서 나트륨 확산이 용이한 구조와 상대적으로 낮은 비저항의 전극 특성을 갖는 후면 전극의 제조가 가능하다.
Description
본 발명은 CI(G)S(Cupper-Indium-Gallium-Selenide) 광흡수층을 포함하는 태양전지의 후면 전극(back contact)을 제조하는 방법으로서, 불활성 가스 분위기에서 DC 스퍼터링에 의해 기판 상에 후면 전극을 형성하는 과정에서, 알칼리 성분이 도핑된 후면 전극용 타겟을 사용하고 상기 기판 상에 RF 바이어스를 인가함으로써 CI(G)S 광흡수층에 포함시키고자 하는 알칼리 성분의 함량을 조절하는 것으로 구성되는 태양전지의 후면 전극을 제조하는 방법을 제공한다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는 구성성분에 따라 실리콘 반도체 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 적층형 태양전지 등으로 분류되며, 본 발명과 같은 CI(G)S 광흡수층을 포함하 는 태양전지는 그 중 화합물 반도체 태양전지의 분류에 속한다.
CI(G)S 광흡수층 기반의 태양전지는 유리 등의 기판(substrate)에 몰리브덴 등의 후면 전극(back contact)과 CI(G)S 광 흡수층을 순차적으로 형성하여 제조한다.
상기 CI(G)S계 태양전지의 기판 또는 후면 전극에 알칼리 성분이 포함되어 있는 경우, 이러한 알칼리 성분은 CuInSe2 막으로 확산되어 결정 입자가 성장하게 됨으로써, 태양전지의 에너지 변환 효율이 높아진다는 사실이 알려져 있다 (제12회 유럽 광전력 태양에너지 회의 M.Bodegard 등, 'The influence of sodium on the grain structure of cuinse2 films for photovoltaic applications' 참조). 또한, Na을 포함하는 유리 상에 적층한 CIGS 막은 저항값이 낮고, 기판 상에 Na2O2 막을 적층한 후 CIGS 막을 형성한 태양전지에서는 에너지 변환 효율이 Na2O2 막을 퇴적하고 있지 않은 태양전지에 비해 약 2% 향상하며, Cu/In비에 크게 의존하는 에너지 변환 효율이 Cu/In비에 관계없이 일정하다는 것이 알려져 있다 (제1회 광전력 에너지 변환 세계 회의 M.Ruckh 등, 'Influence of substrates on the electrical properties of Cu(In,Ga)Se2 thinfilms').
이상 살펴본 바와 같이, Na의 확산 또는 첨가로 인해 CuInSe2 막의 성장의 촉진과 캐리어 농도의 증가 및 태양전지의 에너지 변환 효율이 향상될 수 있다. 따라서, 탄산나트륨 라임 유리(soda lime glass; SLG)에는 Na 등의 알칼리 성분이 자 연적으로 존재하는 바, 일반적으로 이를 기판으로 사용하였다. 상기 SLG에 포함된 Na는 CI(G)S 광흡수층의 형성을 위한 열처리시 확산될 수 있기는 하지만, 그 함량을 조절하기 어렵고 대부분의 경우에 충분한 양의 Na을 확산시킬 수 없다는 문제가 있다.
따라서, 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해 광흡수층에 나트륨을 효과적으로 확산시키기 위한 기술들이 일부 존재한다.
예를 들어, 일본 특허출원공개 제1996-222750호는 Mo층 상에 증착법 또는 스퍼터링법에 의해 알카리 금속 원소를 함유하는 알칼리층을 형성한 후, CI(G)S 층의 형성을 위한 적층 전구체를 도포하고 셀렌화하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 Na 또는 Na 화합물층은 흡습성을 가지고 있기 때문에 변질 또는 박리되는 문제가 있다.
일본 특허출원공개 제2004-140307호는 알칼리 성분을 포함하는 기판을 이용하고, 후면 전극층과 CI(G)S 전구체막과의 사이에 알칼리 층을 형성하여, 열처리시 기판 및 알칼리층으로부터 알카리 금속 원소가 광흡수층으로 확산하게 하는 한편, 확산량을 이면 전극층에 의해 제어하는 기술을 개시하고 있다. 상기 출원 명세서에는 후면 전극층의 막 두께 또는 막질을 조절함으로써 확산량을 제어할 수 있는 것으로 설명되어 있다. 그러나, 이러한 방법으로는 알칼리 성분의 확산량을 정밀하게 제어할 수 없는 것으로 확인되었다.
또한, Cu-Ga 합금층 및 In 층으로 되는 적층 전구체 막을 형성하고, Se 분위기에서 열처리하여 CI(G)S 층의 형성하는 과정에서 적층 전구체와 동시에 나트륨을 도핑하는 기술이 알려져 있으나 이러한 기술은 작업 공정이 매우 번잡하여 실용화에 한계가 있다. 또한, 미국 특허등록 제7,018,858호는 후면 전극 상에 침지법에 의해 Na2S층을 형성한 후 CI(G)S층을 형성하는 기술을 개시하고 있지만, 상기 기술은 Na2S층의 형성 공정이 불연속적이므로 공정 효율이 떨어진다는 문제가 있다.
최근에는, Na이 도핑된 Mo 전극층을 나트륨이 도핑되지 않은 Mo층과 함께 이중층으로 증착하는 기술이 개발되었지만, 상기 기술은 이중층을 증착하기 위해 공정 중에 상이한 Ar 분압을 만들어야 하므로, 전체적으로 공정이 번잡하고 재연성에 한계가 있다.
한편, Na 등이 CI(G)S 광흡수층에 지나치게 다량 포함되면 오히려 불순물로서 작용하여 전지 효율을 저하시키고 층간 계면 결합력이 낮아지므로, 이를 방지하기 위해, Na 등의 알칼리 성분의 함량을 적정한 범위로 조절하기 위한 시도들이 행해져 왔다.
예를 들어, 일본 특허출원공개 제1997-55378호는 CI(G)S 광흡수층의 제조를 위한 전구체 물질을 진공 증착하는 과정에서 Na을 함께 포함시키는 기술로서, Mo 막을 커버한 유리 기판 위에 Cu-In-O: NaO2막을 스퍼터 증착하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 Cu-In-O: NaO2막의 형성을 위해 두 개의 타겟을 사용하고 2 단계의 스퍼터링 공정을 수행하는 바, 공정이 매우 복잡하다는 문제가 있다.
한편, 일본 특허출원공개 제1999-335016호는 유리 기판 상에 전구체 III-VI 막 및 Cu 막을 순차적으로 성막하고 적층막을 H2Se 또는 Se 증기로 셀렌화하고 CIS계 칼코파이라이트 화합물 반도체 박막을 형성하는 방법에서, 전구체 III-VI 막을 유리 기판으로부터 Cu 막 방향으로 향하도록 하여, 결정에서 무정형(amorphous)으로 연속적으로 변화시키는 기술을 개시하고 있다. 상기 기술에 따르면, 강온 속도를 제어함으로써 결정화도를 변화시켜 알칼리 성분의 분포도를 조절하고, 광 흡수층의 표면에서 요철이 형성되는 현상을 방지할 수 있음을 기재하고 있으나, 결정화도는 사용되는 전구체 물질에 따라 달라지므로 적용에 한계가 있으며, 알칼리 성분의 함량을 정밀하게 조절할 수 없다는 문제가 여전히 존재한다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결하면서 보다 고효율의 태양전지를 제조할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명은 목적은 알칼리 성분이 도핑된 후면 전극용 타겟을 사용하고 상기 기판 상에 RF 바이어스를 인가함으로써, CI(G)S 광흡수층에 포함되는 Na 등의 알칼리 성분의 함량을 효과적으로 조절하고, 낮은 비저항을 가지면서, 동시에 CI(G)S 광흡수층에 나트륨 확산이 용이한 구조를 갖는 후면 전극의 제조방법, 및 그러한 후면 전극을 포함하는 고효율 CI(G)S 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 CI(G)S(Cupper-Indium-Gallium-Selenide) 광흡수층을 포함하는 태양전지의 후면 전극(back contact)을 제조하는 방법으로서, 불활성 가스 분위기에서 DC 스퍼터링에 의해 기판 상에 후면 전극을 형성하는 과정에서, 알칼리 성분이 도핑된 후면 전극용 타겟을 사용하고, 상기 기판 상에 RF 바이어스를 인가함으로써 CI(G)S 광흡수층에 포함시키고자 하는 알칼리 성분의 함량을 조절하는 것으로 구성되어 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, CI(G)S 광흡수층에 나트륨, 칼륨 등이 포함되어 있으면, 전지의 전압이 증가하게 되고 전지 효율이 높아진다. 이는, 알칼리 성분에 의해 CI(G)S 광흡수층 내의 입자가 주상 구조로 배열하는 경향이 뚜렷해지고, 입자의 크기가 커지며, 구조가 보다 치밀해질 뿐만 아니라, 저항이 낮아지게 되기 때문이다. 그러나, 이러한 알칼리 성분의 함량이 너무 많으면, 불순물로서 작용하여 오히려 전지 성능을 저하시킬 수 있으므로, 알칼리 성분의 함량을 적절한 범위로 조절하는 것이 매우 중요하다.
이에 본 발명은, RF 바이어스의 인가 전력 또는 시간 등을 조절함으로써, 하나의 타겟만을 사용하여 1 회의 스퍼터링 공정에 의해 간단한 방법으로, CI(G)S 광흡수층에 포함시키고자 하는 알칼리 성분의 함량을 정밀하게 제어하는 기술을 제공한다. 따라서, 알칼리 성분을 포함시키기 위한 별도의 성막 공정 등을 거칠 필요 가 없고, 연속적인 공정에 의해 알칼리 성분을 포함시킬 수 있으므로 공정 효율이 매우 뛰어나며, 알칼리 성분의 함량을 정밀하게 제어할 수 있으므로 이러한 방법으로 제조된 후면 전극을 포함하는 CI(G)S계 태양전지는 우수한 에너지 효율을 갖는다.
보다 구체적으로, 후면 전극의 제조를 위한 DC 스퍼터링 과정에서 RF 바이어스를 인가하면, 양이온보다 훨씬 가벼운 전자가 기판 쪽으로 우선적으로 이동하므로, 결과적으로 기판 쪽에 negative 바이어스가 걸린 것과 유사한 효과를 낼 수 있다. 따라서, 타겟에서 떨어져 나온 금속 이온의 직진성을 높일 수 있으며, 이 때, 분자량이 낮아 상대적으로 가벼운 나트륨 등의 알칼리 성분이 먼저 기재 상에 증착될 수 있어서, 소망하는 함량의 알칼리 성분을 조절하여 후면 전극에 포함시킬 수 있게 된다. 더욱이, 상기 RF 바이어스의 인가로 인해 타겟에서 떨어져 나온 몰리브덴 등의 후면 전극 형성 물질 또한 더 치밀한 조직을 만들 수 있으므로, 후면 전극층의 잔류 응력을 최소화하여 매우 낮은 비저항을 가지는 후면 전극을 형성할 수 있다는 장점도 있다.
본 발명에 따르면, RF 바이어스의 인가에 의해 알칼리 성분의 함량을 제어하는 바, 하나의 바람직한 예에서, 상기 알칼리 성분의 함량은 RF 바이어스의 강도 또는 인가 시간을 제어함으로써 조절할 수 있다.
즉, RF 바이어스가 인가되면 양전압시에는 전자가 전기적 인력에 의해 기판 쪽으로 끌려오게 되고, 반대로 음전압시에는 양이온이 끌려오게 되는데, 전자와 양이온간에 질량 차이에 의해, 기판은 전체적으로 전자가 많은 상태가 되어, negative bias가 걸린 것과 같은 분위기를 만들 수 있다. 이러한 상태에서, 분자량이 작은 알칼리 성분의 양이온이 전기적 인력에 의해 우선적으로 기판 상에 증착될 수 있게 된다. 따라서, RF 바이어스의 강도를 높이거나 인가 시간을 늘림으로써 알칼리 성분의 함량을 증가시킬 수 있다. 또한, 이와 같이 RF 바이어스의 인가 조건을 제어함으로써 후면 전극 내에서 알칼리 성분의 분포 역시 효과적으로 조절할 수 있다는 장점이 있다.
RF 바이어스의 강도는 알칼리 성분의 적정한 함량을 고려하여, 10 내지 300 W 정도인 것이 바람직하다. 또한, RF 바이어스의 인가 시간은 5 내지 60 분인 것이 바람직하다.
상기 후면 전극용 타겟에 도핑된 알칼리 성분의 함량은 CI(G)S 광흡수층의 두께, 조성, 공정 조건 등에 따라 달라질 수 있다. 다만, RF 바이어스의 인가로 조절할 수 없을 정도의 많은 양의 알칼리 성분이 포함되는 것은 바람직하지 않다. 또한, 후면 전극에 포함되는 알칼리 성분이 과량이면 불순물로서 작용하여 층간 결합력 또는 전지 효율이 저하시키는 문제가 있다. 반대로, 알칼리 성분의 함량이 너무 적은 경우에는 소망하는 결정 성장 및 전지 효율의 증대 효과를 발휘할 수 없으므로, 이를 고려하여 바람직하게는 타겟의 전체 중량 대비 1 ~ 10 중량%, 더욱 바람직하게는 1 ~ 3 중량%일 수 있다.
본원 발명에서는 RF 바이어스의 인가로 그 함량을 조절하므로 알칼리 성분의 분자량이 후면 전극 형성 물질의 분자량보다 크면 그 함량을 조절하기가 용이하지 않다. 따라서, 상기 알칼리 성분의 분자량은 후면 전극 형성 물질의 분자량보다 작은 것이 바람직하다.
상기 알칼리 성분은, 예를 들어, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, N, P, As, Sb, Bi, V, Nb, Ta 등을 들 수 있으며, 제조 비용, CI(G)S 광흡수층의 결정성과의 관계, 불순물로서의 활성화 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있고, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이 바람직하게 사용될 수 있으며, 그 중에서도 나트륨이 특히 바람직하다.
이러한 알칼리 성분은 알칼리 성분 그 자체로 또는 화합물의 형태로 타겟에 포함될 수 있다. 예를 들어, 나트륨의 경우, 나트륨 금속 또는 산화 나트륨, 셀레늄화 나트륨 등의 형태로 타겟 성분과 함께 포함될 수 있다.
상기 후면 전극층은 DC 스퍼터링법에 의해 제조된다. 종래 전자빔 증착(e-beam evaporation) 또는 RF 스퍼터링 등을 통해 후면 전극을 제조하는 경우도 있으나, RF 스퍼터링의 경우에는 다른 디지털 회로에 노이즈(noise)의 발생 원인이 될 수 있기 때문에 노이즈 필터 또는 절연체에 의한 차폐와 접지가 필요하며, DC 스퍼터링에 비해 증착속도가 떨어지는 문제가 있다. 또한, 전자빔 증착법은 증착하고자 하는 면적이 넓어질 경우 균일한 두께로 증착하기 어려워져 양산성이 떨어지는 문제가 있으므로 바람직하지 않다.
상기 DC 스퍼터링은 DC 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)인 것이 더욱 바람직하다. 마그네트론 스퍼터링은 발생된 플라즈마를 영구자석에서 발생하는 자속(flux)에 의해 집진하여 기판에 성막하는 방법이다. 이러한 방법을 사용하여 증착이 이루어질 경우, 발생한 플라즈마가 전체적으로 일정하게 되어 결과적으로 균일한 박막의 제조가 가능해진다. 사용되는 영구자석은 주로 NbFeB계이며, 일 반적으로 평판 형태로 제작되어 음극(cathode; target)의 하단에 놓여진다.
상기 반응 가스는 불활성 가스(inert gas) 또는 산소를 일부 포함하는 분위기일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 특히 아르곤(Ar)을 사용하는 것이 바람직하다. 아르곤을 반응 가스로 사용하는 경우에 그 공정 과정을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 스퍼터링 장치는 성막하고자 하는 물질(target)을 음극(cathode)으로 하고 기판(substrate)쪽을 양극(anode)로 한다. 전원을 인가하면 주입된 아르곤은 음극쪽에서 방출된 전자와 충돌하여 여기(excite)되어 아르곤 이온(Ar+)으로 되고, 아르곤 이온은 음극쪽으로 끌려서 성막하고자 하는 물질(target)과 충돌하다. 이때 아르곤 이온 입자 하나하나는 E = hν 만큼의 에너지를 갖고 있으며, 충돌시 그 에너지는 성막하고자 하는 물질(target)쪽으로 전이된다. 전이된 에너지가 물질(target)을 이루고 있는 원소의 결합력과 전자의 일함수(work function)를 극복할 수 있을 때 플라즈마를 방출하게 되고, 이때 떨어져 나온 금속 원자 또는 이온은 기판 상에 적층된다.
상기 기판은 유리 기판, 알루미늄 호일, 카본 필름 또는 폴리이미드 등이 다양하게 사용될 수 있으며, 바람직하게는 유리 기판이 사용된다.
종래에는 일반적으로 CI(G)S 광흡수층의 제조를 위한 열처리시 Na 등의 알칼리 성분이 확산될 수 있는 탄산나트륨 라임 유리(SLG)를 사용하고 있으나, 본 발명에서는 후면 전극층에 알칼리 성분을 포함시키므로 이에 한정되지 않으며, 알칼리 성분을 포함하지 않는 기판을 사용할 수 있다.
또한, 알칼리 성분의 보다 정밀한 제어를 위해 기판 상에 알칼리 성분 배리어(barrier) 층이 형성되어 있는 기판을 사용할 수도 있다. 즉, 기판에 알칼리 성분이 함유되어 있는 경우에는, 이들 성분이 CI(G)S 광흡수층에 포함시키고자 하는 함량을 조절하기 어려우므로, 소망하는 정도의 알칼리 성분 만을 포함시키기 위해서는 조절할 수 없는 알칼리 성분을 차단하기 위한 베리어층이 형성되어 있는 기판이 효과적일 수 있다.
상기 알칼리 성분 베리어층은 예를 들어, 질화 규소, 질화 티탄(Titan), 산화 알루미늄, SiO2, TiO2 또는 ZrO2 박막 등을 들 수 있으나 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
그러나, 이러한 알칼리 성분 배리어층은 선택적인 사항이므로, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되지 않음은 물론이다.
상기 후면 전극은 몰리브덴, 알루미늄, 니켈, 티탄, 텅스텐, 크롬 또는 탄탈륨 중에서 하나 이상을 선택하여 제조할 수 있으며, 특히 몰리브덴을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 후면 전극의 제조에 몰리브덴을 사용하는 이유는, 우선 CI(G)S 태양전지의 기판으로 2 ~ 4 mm 두께의 유리를 사용할 때, 유리 기판과의 접착성이 뛰어나고 낮은 비저항을 가지고 있어 전극 특성이 뛰어나며, 후속 CI(G)S 광흡수층을 형성하는 공정에서 약 500℃ 정도의 고온이 가해지게 되는데, 이때 유리 기판과 열팽창계수의 차이로 인한 박리 현상이 일어나지 않는 장점이 있기 때문 이다. 또한, CI(G)S 광흡수층과 후속 고온 공정시 계면에서 MoSe2 상을 형성함으로써 낮은 접촉 저항을 갖기 때문이다.
상기 후면 전극은 박막 내에서 내부 응력(intrinsic stress)이 높은 인장력을 가질 수 있고, 동시에 후속 CI(G)S 광흡수층의 열처리 공정시 유리 기판 내에 함유되어 있는 나트륨의 확산이 용이한 개방 구조(open structure)를 가질 수 있도록 2 ~ 10 mTorr의 아르곤 분위기에서 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 후면 전극의 전체 두께는 700 ~ 1500 nm의 범위 내인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 타겟 물질의 전체 중량 대비 나트륨을 1 내지 3 중량%로 포함하는 후면 전극 형성용 타겟에 관한 것이다.
이와 같이 미량의 나트륨 만을 포함하는 경우에도, 스퍼터링 과정에서 RF 바이어스의 인가시 소망하는 양의 나트륨 성분이 후면 전극에 증착될 수 있으므로, 이를 이용하여 제조된 후면 전극은 CI(G)S 층에 효과적으로 나트륨 이온을 확산시킬 수 있다. 따라서, 이를 사용하여 제조된 후면 전극을 포함하는 태양전지는 우수한 효율을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 방법으로 제조된 후면 전극을 포함하는 CI(G)S 태양전지셀과, 다수의 상기 태양전지셀들로 구성된 태양전지 모듈을 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 CI(G)S계 태양전지셀은, 기판 상에 알칼리 성분을 포함하는 후면 전극용 타겟을 이용하여, 스퍼터링법에 의해 후면 전극을 증착한 후, CI(G)S 광 흡수층의 형성을 위한 전구체 층을 형성하고, 열처리 과정을 통해 상기 전구체 성분들을 소결시키는 한편, 후면 전극에 포함되어 있는 알칼리 성분을 CI(G)S 광 흡수층으로 확산시킨다.
상기 CI(G)S 광 흡수층 형성을 위한 전구체 층의 형성 방법은 특별히 제한되지 않으며, 전구체 입자들이 분산된 용액을 코팅하는 방법, 진공 증착하는 방법 등 공지의 다양한 방법들이 모두 적용될 수 있다.
또한, 열처리 과정의 열처리 온도는 전구체 입자들의 크기, 성분 등에 따라 달라질 수 있으며, 바람직하게는 200 ~ 1000℃, 더욱 바람직하게는 400 ~ 600℃일 수 있다.
CI(G)S 태양전지셀과 태양전지 모듈의 구성 및 그것의 구체적인 제조방법은 당업계에 알려져 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정된 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일례에 따라 DC 스퍼터링 공정시 RF 바이어스를 인가하여 몰리브덴 후면 전극층를 형성하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다. 구체적으로, 타겟을 음극(cathode)으로 하고, 유리 기판(substrate)을 양극(anode)으로 하여 DC 전원을 인가한다.
추가적으로 기판 쪽에 RF 바이어스를 걸어주게 되면, 양전압 인가시에는 전자가 음전압 인가시에는 양이온이 기판 쪽에 전기적 인력을 받아 끌려오게 되는데, 전자와 양이온간의 질량 차이에 의해 기판쪽에 전체적으로 전자가 많은 상태가 되어 negative 바이어스가 걸린 것과 같은 분위기를 만들 수 있게 된다.
또한, 타겟에서 떨어져 나온 알칼리 성분 및 몰리브덴 원자 또는 이온의 직진성을 높일 수 있고, 상대적으로 질량이 적은 알칼리 성분이 몰리브덴에 비해 우선적으로 기판 상에 증착되게 된다. 이 때, RF 바이어스의 전력 또는 인가 시간을 조절함으로써, 알칼리 성분의 함량을 정밀하게 제어할 수 있다. RF 바이어스의 인가는 또한 더욱 치밀한 조직의 후면 전극의 제조를 가능하게 하고, 이에 따라 매우 낮은 비저항을 가지는 후면 전극을 형성할 수 있다.
도 2에는 후면 전극의 인장 강도에 영향을 미치는 금속 결합의 조건들이 모식적으로 도시되어 있다. 먼저 금속 원자들이 밀집된 상태(1)에서는 인접한 원자들간의 반발력으로 인해 후면 전극의 인장력이 약해지게 되고, 나트륨의 확산이 어려워져 태양전지의 효율이 저하된다. 반대로, 원자들간의 결합거리가 지나치게 멀어지게 되면(3), 상대적으로 더욱 개방된 구조가 형성되어 나트륨의 확산은 용이하게 되지만, 금속결합이 끊어지면서 비저항이 다시 커지게 되어 바람직하지 못하다. 따라서, 최대 인장력을 가지는 조건으로서, 금소결합을 유지하면서 낮은 비저항을 유지하는 상태에서 최대한 개방된 구조를 형성하는 상태(2)를 유지시켜 주는 것이 바람직하다.
이와 관련하여, 본 발명자들이 수행한 실험에 따르면, 반응 가스의 압력이 증가함에 따라 증착되는 금속 원자들의 밀집정도는 낮아지며 적정 수준의 압력(2 ~ 10 mTorr)에서 최대의 인장력을 갖게 됨을 확인하였다. 따라서, 상기 조건에서, 높은 인장력과 나트륨의 용이한 확산을 위해 개방된 구조가 요구되는 후면 전극층을 형성하는 것이 바람직하다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 CI(G)S(Cupper-Indium-Gallium-Selenide)계 태양전지의 후면 전극은, 후면 전극 형성을 위한 스퍼터링 과정에서 알칼리 성분을 포함하는 타겟을 사용하고 RF 바이어스를 인가함으로써 CI(G)S 광흡수층에 포함시키고자 하는 알칼리 성분의 함량을 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 비저항을 갖고 유리 기판과의 접착성이 뛰어난 후면 전극의 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스퍼터링 공정에 대한 모식도이다;
도 2는 도전층의 인장력에 영향을 주는 금속 결합의 조건에 대한 모식도이다.
Claims (14)
- CI(G)S(Cupper-Indium-Gallium-Selenide) 광흡수층을 포함하는 태양전지의 후면 전극(back contact)을 제조하는 방법으로서, 불활성 가스 분위기에서 DC 스퍼터링에 의해 기판 상에 후면 전극을 형성하는 과정에서, 상기 후면 전극층은 2 ~ 10 mTorr의 아르곤 분위기에서 700 ~ 1500 nm의 두께로 형성되고, 타겟의 전체 중량 대비 1 ~ 3 중량%로 알칼리 성분이 도핑된 후면 전극용 타겟을 사용하며, 상기 기판 상에 RF 바이어스를 인가함으로써 CI(G)S 광흡수층에 포함시키고자 하는 알칼리 성분의 함량을 RF 바이어스의 강도 또는 인가 시간의 제어에 의해 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 RF 바이어스의 강도는 10 내지 300 W인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 RF 바이어스의 인가 시간은 5 내지 60 분(min)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 알칼리 성분은 Na 또는 K인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 DC 스퍼터링은 DC 마그네트론 스퍼터링인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 유리 기판, 알루미늄 호일, 카본 필름 또는 폴리이미드이고, 상기 후면 전극은 몰리브덴, 알루미늄, 텅스텐, 크롬 또는 탄탈륨인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 유리 기판이고, 상기 후면 전극은 몰리브덴인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 불활성 가스는 아르곤인 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 후면 전극을 포함하는 CI(G)S 태양전지셀.
- 제 13 항에 따른 다수의 태양전지셀로 구성된 태양전지 모듈.
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