KR101131008B1 - Ｓｅ 또는 Ｓ계 박막태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 Mo 후면전극 상에 적층되는 광흡수층의 우선배향성을 제어하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 Se 또는 S계 박막태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 Se 또는 S계 박막태양전지는 후면전극과 광흡수층이 순차적으로 적층된 Se 또는 S계 박막태양전지에 있어서, 후면전극과 광흡수층 사이에 우선배향성 제어층을 구비시키고, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 조절함으로써 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 제어하는 것을 특징으로 한다. 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절하여 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 갖는 결정립과 (112) 우선배향성을 갖는 결정립의 비율을 1～24로 제어할 수 있다.
Description
본 발명은 Se계 또는 S계 박막태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Mo 후면전극 상에 적층되는 광흡수층의 우선배향성을 제어하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 Se 또는 S계 박막태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2계 반도체 화합물을 광흡수층으로 사용하는 (Ag1 -xCux)(Ina,Gab,Alc)(a+b+c=1)(Se1-ySy)2, 및 Cu2ZnSn(Se,S)4(CZTS) 등의 Se, S계 박막태양전지에서 후면전극 재료로 몰리브덴(Mo)이 유일하게 사용되고 있다. Mo이 후면전극으로 이용되는 주된 이유는 Mo의 내열특성, CIGS 박막과의 우수한 전기접촉특성, 전기전도도 및 미세구조 제어를 통한 기판과의 우수한 계면접착력 때문이다.
Mo 박막은 스퍼터링(sputtering)과 같은 진공증착법을 통해 형성되는데, Mo 원자의 이동도(mobility)가 낮기 때문에 증착되는 입자의 에너지 크기를 조절함으로써 박막의 기공을 제어할 수 있으며, 이를 통해 다양한 미세구조의 박막을 얻을 수 있다. 예를 들어, 증착 압력을 높이면 입자 간의 충돌이 증가되어 입자 에너지가 감소하고 이에 따라, 결정립의 크기가 작아지고 박막의 기공성이 증가한다. 이 경우, 잔류응력은 압축잔류응력에서 인장잔류응력으로 변하며, 전기전도도가 감소하게 된다.
한편, 박막태양전지에서 후면전극이 갖추어야 할 기본적인 기능은 크게 기판과의 우수한 계면접착력과 높은 전기전도도이다. Mo 박막의 계면접착력을 향상시키기 위해서는 잔류응력과 막의 밀도를 최소화하여야 하나, 이는 원자구조를 느슨하게 만들어 전기저항을 증가시킨다. 이를 극복하기 위해 2중층 형태로 후면전극을 형성하는 기술이 제시된 바 있다. 구체적으로, 제 1 Mo층과 제 2 Mo층을 순차적으로 적층하여 후면전극을 형성하는 기술이 제시되었는데, 제 1 Mo층은 기공성이 높은 미세구조로 형성함으로써 전기저항은 높지만 외부의 힘이 작용할 때 충격을 완화시키는 역할을 하도록 하고, 제 2 Mo층은 치밀한 미세구조로 형성하여 전기저항을 낮추는 역할을 부여한다. 이러한 2중층 구조의 후면전극은 미국등록특허 제6,258,620호에 제시되어 있고, 한국등록특허 제743923호에는 제 1 전극층과 제 2 전극층의 증착 조건 및 증착 두께를 한정한 개념을 제시하고 있다.
그러나, 이러한 2중층 구조의 후면전극은 계면접착력과 전기전도도 측면의 최적화에는 유리한 구조이나, 아래에서 기술하는 바와 같은 광흡수층의 미세구조 및 특성을 독립적으로 제어함에는 어려움이 있다.
CIGS 박막태양전지에 있어서, 광흡수층인 CIGS 박막의 우선배향성은 CIGS 박막태양전지의 효율에 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 미국의 National Renewable Energy Laboratory(NREL)에서는 19.5% 이상의 광전변환효율을 갖는 CIGS 박막태양전지의 CIGS 박막에 있어서 (220)/(204) 우선배향성을 갖는 결정립과 (112) 우선배향성을 갖는 결정립의 비율이 15 이상에 이르는 반면, 18.5%의 광전변환효율을 갖는 CIGS 박막태양전지의 CIGS 박막의 경우 그 비가 1.5에 불과하다는 사실을 보고한 바 있다. 또한, Se flux를 변화시켜서 (220)/(204) 우선배향성을 강화시킨 CIGS 박막의 경우 개방전압(Voc) 및 FF(fill factor)가 증가하는데, 이는 (220)/(204) 우선배향성을 갖는 결정립의 경우, CIGS/CdS p-n 계면 공핍층(space charge region)으로 인해 캐리어 재결합이 억제되는 것으로 설명한 바 있다. 따라서, Mo 미세구조의 제어를 통해 CIGS 박막의 미세구조를 제어할 수 있다면 태양전지의 광전변환효율을 도모할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, Mo 후면전극 상에 적층되는 광흡수층의 우선배향성을 제어하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 Se 또는 S계 박막태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 Se 또는 S계 박막태양전지는 후면전극과 광흡수층이 순차적으로 적층된 Se 또는 S계 박막태양전지에 있어서, 후면전극과 광흡수층 사이에 우선배향성 제어층을 구비시키고, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 조절함으로써 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절할 수 있다. 또한, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절하여 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 갖는 결정립과 (112) 우선배향성을 갖는 결정립의 비율을 1~24로 제어할 수 있다.
상기 우선배향성 제어층과 광흡수층 사이의 계면에 우선배향성 제어층을 구성하는 금속(M)과 광흡수층의 Se이 반응하여 형성된 MxSe1-x가 구비되며, 상기 M은 Mo, Ni, W, Co, Ti, Cu, Cr, Al, Au 중 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 후면전극과 우선배향성 제어층은 동일 물질로 구성될 수 있다.
상기 후면전극은 단일층 또는 이중층 구조로 이루어지며, 상기 후면전극 및 우선배향성 제어층은 Mo, Ni, W, Co, Ti, Cu, Cr, Al, Au 중 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 광흡수층은 Se계 또는 S계 광흡수층이며, 세부적으로 (Ag1 - xCux)(Ina,Gab,Alc)(a+b+c=1)(Se1 - ySy)2, 및 Cu2ZnSn(Se,S)4(CZTS)의 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2계 반도체 화합물일 수 있다.
본 발명에 따른 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법은 후면전극, 우선배향성 제어층 및 광흡수층을 순차적으로 적층하며, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 조절함으로써 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절할 수 있으며, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절하여 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 갖는 결정립과 (112) 우선배향성을 갖는 결정립의 비율을 1～24로 제어할 수 있다. 또한, 상기 우선배향성 제어층의 증착시 증착 압력을 4～25mTorr로 조절하여 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 제어할 수 있다.
상기 광흡수층의 증착시, 우선배향성 제어층을 구성하는 금속(M)과 광흡수층의 Se이 반응하여 MxSe1-x가 형성될 수 있다. 또한, 상기 광흡수층의 증착시, 3단계 동시증발법을 이용하며 제 1 단계로 IGS 박막을 증착하며, 상기 IGS 박막과 우선배향성 제어층 사이에 우선배향성 제어층을 구성하는 금속(M)과 광흡수층의 Se이 반응하여 MxSe1-x가 형성될 수 있다.
본 발명은 따른 Se 또는 S계 박막태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
후면전극 상에 우선배향성 제어층을 구비시키고, 우선배향성 제어층의 벌크기공율 조절을 통해 광흡수층의 우선배향성을 제어함으로써 박막태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 우선배향성 제어층이 구비됨에 따라, 후면전극의 미세구조를 치밀하게 구현할 수 있게 되며 이에 따라, 후면전극의 두께를 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Se 또는 S계 박막태양전지의 구성도.
도 2는 증착 압력에 따른 우선배향성 제어층(Mo)의 잔류응력, 결정립도 및 전기비저항 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 증착 압력에 따른 우선배향성 제어층(Mo)의 표면기공율 및 벌크기공율을 나타낸 그래프.
도 4는 우선배향성 제어층(Mo)의 미세구조에 따른 IGS 박막과 CIGS 박막의 우선배향성 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 치밀한 미세구조 및 열린 미세구조를 갖는 우선배향성 제어층(Mo) 상에 각각 증착된 IGS 박막의 TEM 사진.
도 6은 후면전극, 우선배향성 제어층(Mo) 및 CIGS 박막이 순차적으로 적층된 상태에서 CIGS 박막의 우선배향성 변화를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막태양전지의 전압-전류 특성을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막태양전지의 스펙트럼별 광전류 수집효율을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막태양전지의 효율인자를 분석한 그래프.
도 2는 증착 압력에 따른 우선배향성 제어층(Mo)의 잔류응력, 결정립도 및 전기비저항 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 증착 압력에 따른 우선배향성 제어층(Mo)의 표면기공율 및 벌크기공율을 나타낸 그래프.
도 4는 우선배향성 제어층(Mo)의 미세구조에 따른 IGS 박막과 CIGS 박막의 우선배향성 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 치밀한 미세구조 및 열린 미세구조를 갖는 우선배향성 제어층(Mo) 상에 각각 증착된 IGS 박막의 TEM 사진.
도 6은 후면전극, 우선배향성 제어층(Mo) 및 CIGS 박막이 순차적으로 적층된 상태에서 CIGS 박막의 우선배향성 변화를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막태양전지의 전압-전류 특성을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막태양전지의 스펙트럼별 광전류 수집효율을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막태양전지의 효율인자를 분석한 그래프.
본 발명은, 후면전극 상에 우선배향성 제어층을 구비시킴으로써 광흡수층의 우선배향성을 제어하고 이를 통해 박막태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 것에 그 특징이 있다. 세부적으로, Mo 재질의 후면전극 상에 Mo 재질의 우선배향성 제어층을 구비시켜, 광흡수층의 증착시 우선배향성 제어층과 광흡수층 사이에 MoxSe1-x가 형성되도록 함으로써 광흡수층 박막의 (220)/(204) 우선배향성을 극대화하는 것을 특징으로 한다.
MoxSe1-x가 우선배향성 제어층 전면 상에 균일하게 분포하고 일정 두께를 갖게 되면 광흡수층 박막의 (220)/(204) 우선배향성이 증가하는데, MoxSe1-x의 균일한 분포 및 일정 두께 이상의 형성은 우선배향성 제어층의 벌크기공율에 의해 좌우된다. 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절함으로써 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 갖는 결정립과 (112) 우선배향성을 갖는 결정립의 비율을 1～24로 제어할 수 있다. 우선배향성 제어층의 벌크기공율이 0.1% 이하이면 우선배향성 제어층의 미세구조가 치밀한 구조를 갖기 때문에 MoxSe1-x가 잘 형성되지 않으며, 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 20% 이상이 되면 우선배향성 제어층 하부의 치밀한 후면전극(Mo)이 노출됨에 따라 마찬가지로 MoxSe1-x의 형성이 어렵다. 또한, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율 0.1～20%는 우선배향성 제어층의 증착시 증착 압력을 4～25mTorr로 조절함으로써 달성할 수 있다. 한편, 상기 우선배향성 제어층을 Mo로 구성하는 것을 중심으로 설명하였으나, Mo 이외에 Ni이 사용될 수도 있다.
본 발명에 있어서, 박막태양전지라 함은 Se계 또는 S계 박막태양전지를 일컬으며, 광흡수층은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2계 반도체 화합물로서 (Ag1 -xCux)(Ina,Gab,Alc)(a+b+c=1)(Se1-ySy)2 또는 Cu2ZnSn(Se,S)4(CZTS)를 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 Se 또는 S계 박막태양전지는 도 1에 도시한 바와 같이 기판(110) 상에 후면전극(120), 우선배향성 제어층(130), 광흡수층(140)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어지며, 상기 광흡수층(140) 상에 윈도우층(window layer)(150) 및 투명전극층(160)이 구비될 수 있다. 상기 기판은 투명 재질의 절연물질(예를 들어, 유리기판), 금속(예를 들어, 철강, Ti, Cu 등), 폴리머(예를 들어, 폴리이미드(polyimide) 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 후면전극 및 우선배향성 제어층은 Mo, Ni, W, Co, Ti, Cu, Cr, Al, Au 중 어느 하나 또는 이들의 합금으로 구성될 수 있다. Mo, Ni, W, Co, Ti, Cu, Cr, Al, Au 는 내열성이 강하고 전기비저항이 작은 금속이다. 한편, 상기 후면전극층과 우선배향성 제어층은 동일 물질로 구성되는 것이 바람직하며, 스퍼터링 또는 증발(Evaporation) 공정 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 후면전극(120)은 단일층으로 구성되거나 이중층으로 구성될 수 있다. 이중층(제 1 후면전극층과 제 2 후면전극층)으로 구성되는 경우, 기판과 접하는 제 1 후면전극층(121)은 기판과의 계면접착력을 고려하여 기공성이 있는 미세구조로 형성하고, 제 2 후면전극층(122)은 전기전도도 향상을 위해 치밀한 미세구조로 형성하는 것이 바람직하다.
제 1 후면전극층과 제 2 후면전극층의 이중층으로 구성함에 있어서, 제 2 후면전극층을 치밀한 미세구조로 형성하면, 후속의 광흡수층 증착시 제 2 후면전극층과 광흡수층 사이에 MoxSe1-x가 잘 형성되지 않아 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성 특성이 악화된다. 이에 따라, 종래 기술처럼 단순히 제 1 후면전극층, 제 2 후면전극층 및 광흡수층이 순차적으로 적층되는 구조의 경우, 제 2 후면전극층의 미세구조를 치밀한 형태로 유지할 수 없게 되는데 이로 인해 전기전도도가 저하되는 것을 보상하기 위해 제 2 후면전극층의 두께를 증가시킬 수밖에 없다. 반면, 본 발명에서와 같이 제 2 후면전극층 상에 우선배향성 제어층을 구비시키게 되면, 제 2 후면전극층의 미세구조를 치밀하게 형성할 수 있으며 그에 따라 제 2 후면전극층의 두께를 최소화할 수 있게 된다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 우선배향성 제어층(Mo) 및 CIGS계 박막태양전지의 특성을 살펴보기로 한다.
<실시예 1> - 우선배향성 제어층(Mo)의 특성
DC 마그네트론 스퍼터링을 통해 다양한 미세구조의 우선배향성 제어층(Mo)을 유리기판 상에 증착하였다. 구체적으로, 증착 압력을 3.3～10.3mTorr로 변화시켜서 Mo 박막의 미세구조를 변화시킨 후 잔류응력, 전기비저항, 결정립 크기 및 기공율을 평가하였다.
실험 결과, 증착 압력에 따라 잔류응력, 전기비저항 및 결정립 크기가 크게 변화됨을 알 수 있었다. 이는 증착 압력 증가에 따라 기판에 증착하는 입자의 에너지가 감소하기 때문이다. 도 2를 참조하면, 낮은 증착 압력 구간(region 1)에서는 즉, 입자의 에너지가 상대적으로 높은 구간에서는 Mo 박막이 치밀한 구조를 이루며 증착 압력의 점차적 증가에 따라 결정립도가 작아지는 경향을 보인다. 따라서, 낮은 증착 압력 하에 형성된 Mo 박막에서는 전자의 결정립계 산란이 증가하여 전자 이동도가 감소하고, 결정립계 증가에 따라 결정립계 주변의 원자가 인력이 증가하여 인장잔류응력이 증가하는 것으로 나타났다.
반대로, 높은 증착 압력 구간(region 2)에서는 잔류응력이 오히려 감소하면서 전기비저항은 급격히 증가하는 현상을 보인다. 이는 입자 에너지의 감소로 원자 이동도가 감소하여 결정립계에 대한 충진율이 감소하면서 결정립계에 기공이 형성되기 때문이며, 도 3을 참고하면 증착 압력 점차적 증가에 따라 벌크기공율(bulk void fraction) 및 표면기공율(surface void fraction)이 증가함을 확인할 수 있다.
정리하면, 낮은 증착 압력 구간(region 1)에서는 증착 압력의 증가에 따라 인장잔류응력이 증가하여 결정립의 크기가 작아지고, 원자간 거리는 조금씩 커지는 방향으로 미세구조가 변화하며, 높은 증착 압력 구간(region 2)에서는 증착 압력의 증가에 따라 인장잔류응력이 감소하여 결정립계에 기공이 발생하여 기공율이 높아지지만 결정립 내의 원자간 거리는 다소 감소하는 경향을 보인다.
<실시예 2> - CIGS 박막의 우선배향성 특성
다양한 미세구조의 우선배향성 제어층(Mo)을 형성하고, 우선배향성 제어층 상에 CIGS 박막을 증착한 다음, CIGS 박막의 우선배향성을 X-선 회절법(X-ray diffraction)을 통해 분석하였다. 상기 다양한 미세구조의 우선배향성 제어층은 2, 4, 8, 12, 14, 16mTorr의 증착 압력 하에 DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 형성하였다.
CIGS 박막 내의 결정립이 나타내는 주요 결정면은 (112)와 (220)/(204)이다. 앞서 설명한 바와 같이, 증착 압력이 증가하면 Mo의 미세구조가 점점 더 열린구조(벌크기공율 증가)로 변하게 되는데, 도 4를 참고하면 우선배향성 제어층(Mo)의 벌크기공율이 증가할수록 CIGS 박막 내 (220)/(204) 우선배향성이 강해지는 것을 확인할 수 있다. 벌크기공율이 높은 미세구조를 갖는 region Ⅱ 구간에 있어서, 벌크기공율의 증가에도 불구하고 (220)/(204) 우선배향성이 미세하게 약해지는 것으로 나타나고 있는데, 그 변화량이 크지 않아서 감소한다기 보다는 포화된다고 해석하는 것이 타당하다.
한편, CIGS 박막은 3단계 동시증발법(co-evaporation)을 통해 증착되는데, 제 1 단계에서는 (InGa)2Se3(IGS) 박막이 형성된다. IGS 박막의 (300)과 (006)면의 우선배향성 경향과 CIGS 박막의 (220)/(204)와 (112) 우선배향성 경향을 비교한 결과, 두 경향성이 일치하는 것을 확인하였다. 이러한 실험결과는 CIGS 박막의 우선배향성이 IGS 박막의 우선배향성에 의해 결정됨을 의미한다. 즉, IGS 박막이 (006) 우선배향성으로 형성되면 CIGS 박막은 (112) 우선배향성을 갖게 되며, IGS 박막이 (300) 우선배향성을 갖게 되면 CIGS 박막의 우선배향성은 (220)/(204)로 결정된다.
이와 같은 결과를 통해, IGS 박막의 각 결정면과 CIGS 박막의 각 결정면은 결정학적 유사성이 있음을 알 수 있다. 따라서, CIGS 박막의 우선배향성을 조절하기 위해서는 IGS 박막 증착단계에서부터 우선배향성 제어가 필요하며, IGS 박막의 우선배향성은 다음의 실시예 3에서 설명하는 바와 같이 MoxSe1-x의 형성과 밀접한 관계가 있다.
<실시예 3> - MoxSe1-x와 IGS 우선배향성의 관계
우선배향성 제어층(Mo)의 어떤 요소가 IGS 박막의 우선배향성을 결정하는지 확인하기 위해서 Mo/IGS 계면에 대한 투과전자현미경(TEM) 분석을 실시하였다.
2mTorr와 12mTorr의 증착 압력에서 각각 증착된 우선배향성 제어층(Mo)이 포함된 IGS/Mo/Glass 구조의 단면을 집속이온빔(FIB, Focused Ion Beam)으로 가공하여 TEM 샘플을 만든 후, 도 5와 같은 TEM 이미지를 얻었다. 이 때, IGS 박막은 400℃에서 증착되었다. 그 결과, 400℃와 같은 저온에서는 IGS 박막과 Mo 박막 사이에 MoSe2의 형성이 매우 미미하였으며, Mo 박막의 치밀도에 따라서 그 형성 정도가 크게 달라진다. 구체적으로, 치밀도가 높은 Mo 박막(2mTorr)에서는 MoSe2가 발견되지 않았으나, 벌크기공율이 높은 Mo 박막(12mTorr)에서는 2～3nm 두께의 (002) 우선배향성을 갖는 MoSe2가 형성되었다.
또한, 모든 샘플의 IGS/Mo 계면을 확인한 결과, <Mo 또는 MoSe2>와 IGS 박막 사이에는 부분적으로 비정질 IGS 박막이 존재하기도 하였다. Mo 미세구조 및 비정질 IGS가 MoSe2와 IGS 박막의 우선배향성에 미치는 영향을 표 1로 정리하였다.
| Mo 증착압력 | MoSe2 방향성 | 비정질 IGS | IGS 우선배향성 | |
| 1 | 2mTorr | negligible | ○ | (006) |
| 2 | 2mTorr | negligible | X | (006) |
| 3 | 12mTorr | (002) | ○ | (006) |
| 4 | 12mTorr | (002) | X | (300) |
표 1을 참고하면, 대부분의 경우(1, 2, 3번) IGS 박막의 우선배향성은 (006)이 우세하였으나, MoSe2 (002)가 형성되고 비정질 IGS상이 존재하지 않는 경우(4번) IGS (300)이 형성되는 것을 확인하였다. 이러한 결과는, IGS (300)면이 MoSe2 (002)면과 결정학적으로 친화성이 있다는 것을 의미한다. 따라서, 3단계 동시증발법의 제 1 단계 IGS 박막 형성시 MoSe2 (002)가 강하게 형성될수록 IGS (300)이 우선적으로 성장하고, 그 결과를 통해 CIGS 박막 내 (220)/(204) 우선배향성이 강화된다고 할 수 있다.
<실시예 4> - 우선배향성 제어층(Mo)과 CIGS 박막의 우선배향성의 관계
유리기판 상에 2중층 구조의 Mo 후면전극(500nm)을 형성하고, Mo 후면전극 상에 50nm의 우선배향성 제어층(Mo)을 형성하였다. 이 때, 우선배향성 제어층(Mo)은 증착 압력을 2mTorr에서 16mTorr로 변화시켜 가면서 증착하였다. 이어, 우선배향성 제어층(Mo) 상에 3단계 동시증발법을 이용하여 CIGS 박막을 증착하였다.
CIGS 박막의 우선배향성 정도를 XRD로 측정하여 (112)면과 (220)/(204)면의 강도비(intensity ratio)를 도 6과 같이 나타내었다. 도 6을 참고하면, 증착 압력에 따라 즉, 우선배향성 제어층(Mo)의 미세구조에 따라 CIGS 박막의 우선배향성이 크게 변함을 알 수 있다. 우선배향성 제어층(Mo)의 벌크기공율이 높임으로써 CIGS 박막의 우선배향성을 (220)/(204)로 유도할 수 있음을 확인하였다.
<실시예 5> - CIGS 박막태양전지의 전기적 특성
실시예 4를 통해 제작된 CIGS 박막 상에 CdS, i-ZnO, AZO 박막을 순차적으로 증착하고, Ni/Al 전극(collection grid)을 형성하여 CIGS 박막태양전지를 완성하였다.
이와 같은 박막태양전지에 대해 1 sun 조건 하에서 전류-전압 특성을 평가하였고(도 7 참고), 광스펙트럼별 광전류 수집효율(QE)을 측정하였다(도 8 참고). 도 7 및 도 8을 참고하면, 대체적으로 안정적인 셀 특성을 보이면서도 우선배향성 제어층(Mo)의 미세구조에 따라 특성에 차이가 있음을 알 수 있다. 한편, 도 7 및 도 8의 결과를 통해 태양전지 셀 효율을 나타내는 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), FF, 직렬저항(Rs), 션트(shunt) 저항(Rsh), 다이오드 이상지수(A) 및 밴드갭을 분석하였다(도 9 참고)
도 9를 참고하면, 우선배향성 제어층(Mo)의 증착 압력이 높아질수록 즉, 우선배향성 제어층(Mo)의 벌크기공율이 높아질수록 셀 효율이 증가함을 알 수 있는데, 그 이유는 개방전압(Voc)의 증가 및 단락전류(Jsc)의 증가 때문으로 파악되었다. Voc의 증가는 다이오드 이상지수(A) 감소에서 보듯이 다이오드의 재결합률 감소로 인한 다이오드 특성의 개선 때문이며, Jsc의 증가는 밴드갭의 감소에 의한 것으로 판단된다. 동일 조성의 CIGS를 증착하였음에도 우선배향성 제어층(Mo)의 미세구조에 의해 CIGS 박막의 우선배향성이 (220)/(204)로 변화되고 그에 따라 다이오드 특성의 개선, 직렬저항의 감소, 밴드갭(Eg)의 감소가 나타나는 것은 동일 조성의 CIGS 박막이라 하더라도 우선배향성에 따라 전기적, 광학적 특성의 변화가 발생될 수 있음을 보여준다.
110 : 기판 120 : 후면전극
121 : 제 1 후면전극층 122 : 제 2 후면전극층
130 : 우선배향성 제어층 140 : 광흡수층
150 : 윈도우층 160 : 투명전극층
121 : 제 1 후면전극층 122 : 제 2 후면전극층
130 : 우선배향성 제어층 140 : 광흡수층
150 : 윈도우층 160 : 투명전극층
Claims (23)
- 후면전극과 광흡수층이 순차적으로 적층된 Se 또는 S계 박막태양전지에 있어서,
후면전극과 광흡수층 사이에 우선배향성 제어층을 구비시키고, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 조절함으로써 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 제어하는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절하는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절하여 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 갖는 결정립과 (112) 우선배향성을 갖는 결정립의 비율을 1～24로 제어하는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 우선배향성 제어층과 광흡수층 사이의 계면에 우선배향성 제어층을 구성하는 금속(M)과 광흡수층의 Se이 반응하여 형성된 MxSe1-x가 구비되는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 제 4 항에 있어서, 상기 M은 Mo, Ni, W, Co, Ti, Cu, Cr, Al, Au 중 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 후면전극과 우선배향성 제어층은 동일 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 후면전극은 단일층 또는 이중층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 후면전극은 Mo, Ni, W, Co, Ti, Cu, Cr, Al, Au 중 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수층은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2계 반도체 화합물로서 (Ag1 -xCux)(Ina,Gab,Alc)(a+b+c=1)(Se1-ySy)2 또는 Cu2ZnSn(Se,S)4(CZTS)인 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 후면전극은 기판 상에 구비되며, 상기 기판은 투명 재질의 절연물질, 금속, 폴리머 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지.
- 후면전극, 우선배향성 제어층 및 광흡수층을 순차적으로 적층하며,
상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 조절함으로써 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 제어하는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절하는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 조절하여 광흡수층의 (220)/(204) 우선배향성을 갖는 결정립과 (112) 우선배향성을 갖는 결정립의 비율을 1～24로 제어하는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 우선배향성 제어층의 증착시 증착 압력을 4～25mTorr로 조절하여 상기 우선배향성 제어층의 벌크기공율을 0.1～20%로 제어하는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 우선배향성 제어층은 스퍼터링을 통해 증착되는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 광흡수층의 증착시, 우선배향성 제어층을 구성하는 금속(M)과 광흡수층의 Se이 반응하여 MxSe1-x가 형성되는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 광흡수층의 증착시, 3단계 동시증발법을 이용하며 제 1 단계로 IGS 박막을 증착하며, 상기 IGS 박막과 우선배향성 제어층 사이에 우선배향성 제어층을 구성하는 금속(M)과 광흡수층의 Se이 반응하여 MxSe1-x가 형성되는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 M은 Mo, Ni, W, Co, Ti, Cu, Cr, Al, Au 중 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 후면전극과 우선배향성 제어층은 동일 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 후면전극은 단일층 또는 이중층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 후면전극은 Mo, Ni, W, Co, Ti, Cu, Cr, Al, Au 중 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 광흡수층은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2계 반도체 화합물로서 (Ag1 -xCux)(Ina,Gab,Alc)(a+b+c=1)(Se1-ySy)2 또는 Cu2ZnSn(Se,S)4(CZTS)인 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 후면전극은 기판 상에 적층되며, 상기 기판은 투명 재질의 절연물질, 금속, 폴리머 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Se 또는 S계 박막태양전지의 제조방법.
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