KR102337783B1 - Thin film solar cell having tin(ⅱ) sulfide light-absorber layer and method of manufacturing the thin film solar cell - Google Patents

Thin film solar cell having tin(ⅱ) sulfide light-absorber layer and method of manufacturing the thin film solar cell Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a thin film solar cell capable of generating electrical energy using sunlight, and a method for manufacturing the same. The thin film solar cell comprises: a first electrode and a second electrode disposed to face each other; a light absorber layer disposed between the first electrode and the second electrode and formed of tin sulfide (SnS); a first buffer layer disposed between the light absorber layer and the first electrode and forming p-n bonding by contacting with the light absorber layer; and a second buffer layer disposed between the first buffer layer and the first electrode and formed of zinc-magnesium oxide containing a crystalline zinc oxide phase and an amorphous magnesium oxide phase.

Description

황화주석 광흡수층을 구비하는 박막태양전지 및 이의 제조방법{THIN FILM SOLAR CELL HAVING TIN(Ⅱ) SULFIDE LIGHT-ABSORBER LAYER AND METHOD OF MANUFACTURING THE THIN FILM SOLAR CELL}Thin film solar cell having tin sulfide light absorption layer and manufacturing method thereof

본 발명은 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있는 박막태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film solar cell capable of generating electrical energy using sunlight and a method for manufacturing the same.

최근 몇 년 사이 박막 태양전지가 결정질 실리콘 태양전지의 대체 기술로 부상되고 있다. 여전히 결정질 실리콘 태양전지가 세계 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있으나, 실리콘 태양전지의 경우 플렉서블하지 않을 뿐만 아니라 상대적으로 무거운 무게 등의 이유로 건물 일체형 태양광 발전시스템(Building integrated photovoltaic system, BIPV), 차량 일체형 태양광 발전시스템(Vehicle integrated photovoltaic system, VIPV) 등과 같은 분야에 적용이 어렵다는 단점을 가지고 있다. In recent years, thin-film solar cells have emerged as an alternative technology to crystalline silicon solar cells. Although crystalline silicon solar cells still account for more than 90% of the global solar cell market, silicon solar cells are not flexible and, due to their relatively heavy weight, use building integrated photovoltaic systems (BIPV), It has a disadvantage that it is difficult to apply to fields such as a vehicle integrated photovoltaic system (VIPV).

이에 반해, 박막 태양전지는 플렉서블하여 건물 일체형 태양광 발전시스템(Building integrated photovoltaic system, BIPV), 차량 일체형 태양광 발전시스템(Vehicle integrated photovoltaic system, VIPV) 등의 여러 분야에 접목이 가능할 뿐만 아니라, 얇게 제조할 수 있어 원료 소모를 줄이고 생산비용을 대폭 절감할 수 있는 이점을 가지고 있다. 대표적인 박막 태양전지로는 CdTe와 Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 등이 있으며 약 22% 이상의 효율(Efficiency, η)이 보고되고 있다. 하지만, 인듐(In), 갈륨(Ga) 등은 부족한 매장량으로 인해 가격이 비싸고 카드뮴(Cd)은 독성을 가지고 있는 문제가 있다. On the other hand, thin film solar cells are flexible and can be applied to various fields such as building integrated photovoltaic system (BIPV) and vehicle integrated photovoltaic system (VIPV). Since it can be manufactured, it has the advantage of reducing raw material consumption and significantly reducing production costs. Representative thin film solar cells include CdTe and Cu(In,Ga)Se 2 (CIGS), and an efficiency (Efficiency, η) of about 22% or more has been reported. However, indium (In), gallium (Ga), etc. are expensive due to insufficient reserves, and cadmium (Cd) has a problem of toxicity.

상기와 같은 박막 태양전지의 문제를 해결하기 위해, 매장량이 풍부하고 무독성 원소로 이루어진 흡수층 물질에 대한 연구가 필수적이다. 저가 박막 태양전지로는 Cu2ZnSnS4(CZTS), Cu2ZnSnSe4(CZTSe), Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe), Sb2Se3, SnS 등이 제시되고 있고, 이 중. 특히 SnS는 무독성이면서 CIGS와 CdTe에 비해 가격이 매우 낮아 SnS를 흡수층으로 적용 가능할 경우 태양전지 모듈의 제조 원가를 크게 낮출 수 있을 것으로 기대되고 있다. SnS는 b 축으로 긴 Orthorhombic 구조를 가지고, 약 1.3 eV의 적절한 밴드갭에너지 및 104 cm-1 이상의 높은 광 흡수 계수를 가지는 등 박막 태양전지 소재로서 우수한 특성을 가지고 있기 때문에, 차세대 저가형 태양전지의 흡수층 소재로 적합한 것으로 평가받고 있다.In order to solve the problem of the thin film solar cell as described above, it is essential to study the absorption layer material having abundant reserves and made of non-toxic elements. As low-cost thin film solar cells, Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), Cu 2 ZnSnSe 4 (CZTSe), Cu 2 ZnSn(S,Se) 4 (CZTSSe), Sb 2 Se 3 , SnS, etc. are suggested, among them. In particular, since SnS is non-toxic and has a very low price compared to CIGS and CdTe, it is expected that the manufacturing cost of solar cell modules can be greatly reduced if SnS can be applied as an absorber layer. SnS has excellent properties as a thin film solar cell material, such as having a long orthorhombic structure along the b-axis, an appropriate band gap energy of about 1.3 eV, and a high light absorption coefficient of 10 4 cm -1 or more. It is evaluated as suitable as an absorbent layer material.

하지만, SnS를 흡수층으로 적용한 박막 태양전지의 경우, 이론적으로 달성 가능한 효율이 약 32%임에도 불구하고, 현재 보고되고 있는 SnS 기반 박막 태양전지의 효율은 약 1 내지 3%에 불과하다. 따라서, SnS 기반 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.However, in the case of a thin film solar cell using SnS as an absorption layer, although the theoretically achievable efficiency is about 32%, the currently reported efficiency of a SnS-based thin film solar cell is only about 1 to 3%. Therefore, it is necessary to develop a technology capable of improving the efficiency of the SnS-based thin film solar cell.

본 발명의 일 목적은 캐소드 전극과 황화주석(SnS) 기반 광흡수층 사이에 1차 버퍼층과 함께 Zn-Mg-O로 형성된 2차 버퍼층을 구비하여 광전 효율이 향상된 박막 태양전지를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a thin film solar cell with improved photoelectric efficiency by providing a secondary buffer layer formed of Zn-Mg-O together with a primary buffer layer between a cathode electrode and a tin sulfide (SnS)-based light absorption layer.

본 발명의 다른 목적은 상기 박막 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the thin film solar cell.

본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지는 서로 대향하게 배치된 제1 전극과 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 황화주석(SnS)으로 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층과 상기 제1 전극 사이에 배치되고, 상기 광흡수층과 접촉하여 p-n 접합을 형성하는 제1 버퍼층; 및 상기 제1 버퍼층과 상기 제1 전극 사이에 배치되고, 결정질 아연산화물상 및 비정질 마그네슘산화물상을 구비하는 아연-마그네슘 산화물로 형성된 제2 버퍼층을 포함한다. A thin film solar cell according to an embodiment of the present invention includes a first electrode and a second electrode disposed to face each other; a light absorption layer disposed between the first electrode and the second electrode and formed of tin sulfide (SnS); a first buffer layer disposed between the light absorption layer and the first electrode and forming a p-n junction in contact with the light absorption layer; and a second buffer layer disposed between the first buffer layer and the first electrode and formed of zinc-magnesium oxide including a crystalline zinc oxide phase and an amorphous magnesium oxide phase.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 버퍼층은 카드뮴황화물(CdS), 아연황화물(ZnS), 아연산화물(ZnO), 아연황산화물(Zn(O,S)) 및 아연카드뮴황화물(ZnCdS)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다. In one embodiment, the first buffer layer is a group consisting of cadmium sulfide (CdS), zinc sulfide (ZnS), zinc oxide (ZnO), zinc sulfate (Zn(O,S)) and zinc cadmium sulfide (ZnCdS). It may be formed of one or more selected from.

일 실시예에 있어서, 상기 아연-마그네슘 산화물에서, 아연 원소(Zn)와 마그네슘 원소(Mg)의 전체 수에 대한 상기 마그네슘 원소 수의 비율은 0.015 이상 0.190 이하의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 비율은 0.015 이상 0.025 이하의 범위 내에 있을 수 있다. In an embodiment, in the zinc-magnesium oxide, a ratio of the number of magnesium elements to the total number of zinc elements (Zn) and magnesium elements (Mg) may be in the range of 0.015 or more and 0.190 or less. For example, the ratio may be in the range of 0.015 or more and 0.025 or less.

일 실시예에 있어서, 상기 아연-마그네슘 산화물은 상기 제1 버퍼층의 재료보다 큰 밴드갭을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 버퍼층은 황화카드뮴(CdS)으로 형성되고, 상기 제2 버퍼층은 3.25 내지 3.56 eV의 밴드갭에너지를 갖는 아연-마그네슘 산화물로 형성될 수 있다. In an embodiment, the zinc-magnesium oxide may have a larger bandgap than the material of the first buffer layer. For example, the first buffer layer may be formed of cadmium sulfide (CdS), and the second buffer layer may be formed of zinc-magnesium oxide having a band gap energy of 3.25 to 3.56 eV.

본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 기판 상에 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속으로 이루어진 애노드 전극을 형성하는 제1 단계; 상기 애노드 전극 상에 황화주석(SnS)으로 형성된 광흡수층을 형성하는 제2 단계; 상기 광흡수층 상에 카드뮴황화물(CdS), 아연황화물(ZnS), 아연산화물(ZnO), 아연황산화물(Zn(O,S)) 및 아연카드뮴황화물(ZnCdS)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 형성된 제1 버퍼층을 형성하는 제3 단계; 상기 제1 버퍼층 상에 산화아연(ZnO) 타겟 및 산화마그네슘(MgO) 타겟을 이용한 RF-코스퍼터링 공정을 통해 아연-마그네슘 산화물로 이루어진 제2 버퍼층을 형성하는 제4 단계; 및 상기 제2 버퍼층 상에 투명 전도성 산화물로 형성된 캐소드 전극을 형성하는 제5 단계를 포함한다. The method of manufacturing a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention is a method of manufacturing a thin film solar cell on a substrate, aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co) ), lead (Pb), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), tantalum (Ta), and a first step of forming an anode electrode made of one or more metals selected from the group consisting of niobium (Nb); a second step of forming a light absorption layer formed of tin sulfide (SnS) on the anode electrode; Cadmium sulfide (CdS), zinc sulfide (ZnS), zinc oxide (ZnO), zinc sulfate (Zn(O,S)) and zinc cadmium sulfide (ZnCdS) formed on the light absorption layer at least one selected from the group consisting of a third step of forming a first buffer layer; a fourth step of forming a second buffer layer made of zinc-magnesium oxide on the first buffer layer through an RF-cosputtering process using a zinc oxide (ZnO) target and a magnesium oxide (MgO) target; and a fifth step of forming a cathode electrode formed of a transparent conductive oxide on the second buffer layer.

일 실시예로, 상기 제4 단계에 있어서, 상기 산화마그네슘(MgO) 타겟에 인가되는 RF-전력은 상기 산화아연(ZnO) 타겟에 인가되는 RF-전력의 35% 이상 135% 이하일 수 있다. In one embodiment, in the fourth step, the RF-power applied to the magnesium oxide (MgO) target may be 35% or more and 135% or less of the RF-power applied to the zinc oxide (ZnO) target.

일 실시예에 있어서, 상기 제4 단계에서 결정질 산화아연상과 비정질 산화마그네슘상으로 이루어지고, 아연 원소(Zn)와 마그네슘 원소(Mg)의 전체 수에 대한 상기 마그네슘 원소 수의 비율은 0.015 이상 0.190 이하의 범위 내에 있는 아연-마그네슘 산화물 박막이 형성될 수 있다.In one embodiment, in the fourth step, a crystalline zinc oxide phase and an amorphous magnesium oxide phase are formed, and the ratio of the number of elements of magnesium to the total number of elemental zinc (Zn) and elemental magnesium (Mg) is 0.015 or more and 0.190 A zinc-magnesium oxide thin film within the following range may be formed.

본 발명의 박막 태양전지에 따르면, 황화 주석 기반의 광흡수층과 캐소드 전극 사이에 제1 버퍼층과 제2 버퍼층이 배치된 구조를 갖고, 상기 캐소드 전극에 인접한 상기 제2 버퍼층이 아연-마그네슘 산화물로 형성되므로, 높은 개방전압과 낮은 션트 컨덕턴스를 가져서 높은 광전효율을 나타낼 수 있다.According to the thin film solar cell of the present invention, it has a structure in which a first buffer layer and a second buffer layer are disposed between a tin sulfide-based light absorption layer and a cathode electrode, and the second buffer layer adjacent to the cathode electrode is formed of zinc-magnesium oxide Therefore, it has a high open-circuit voltage and low shunt conductance, so that high photoelectric efficiency can be exhibited.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 비교예 1-1('0 W’)의 순수 아연 산화물층, 실시예 1-1 내지 1-3('30 W', '50 W', '80 W') 및 비교예 1-2('100 W')의 아연-마그네슘 산화물층들에 대해 측정된 XRD 패턴을 나타낸다.
도 3a는 비교예 1-1('0 W’)의 순수 아연 산화물층, 실시예 1-1 내지 1-3('30 W', '50 W', '80 W') 및 비교예 2('100 W')의 아연-마그네슘 산화물층들에 대해 측정된 광투과율을 나타내는 그래프이고, 도 3b는 하기 수식 1의 Tauc 방정식을 이용하여 상기 도 3a에 도시된 광투과율 그래프로부터 산출된 밴드갭 에너지들을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 비교예 1-2의 아연-마그네슘 산화물층에 대한 SEM 이미지와 EDX 그래프이고, 도 4b는 비교예 1-1('0 W’)의 순수 아연 산화물층, 실시예 1-1 내지 1-3('30 W', '50 W', '80 W') 및 비교예 2('100 W')의 아연-마그네슘 산화물층들에 대한 Mg/(Mg+Zn) 비율을 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예 2-1 내지 2-3, 비교예 2-1과 2-2에 따른 박막 태양전지들에 대해 측정된 전압-전류 특성 및 성능 파라미터들을 각각 나타내는 그래프들이다.
도 6a 내지 도 6d는 실시예 2-1 내지 2-3, 비교예 2-1과 2-2에 따른 박막 태양전지들에 대해 암(dark) 상태에서 측정된 전압-전류 특성, 직렬 저항(Rs), 션트 컨덕턴스(Gsh) 및 전류 밀도(Jo)를 각각 나타내는 그래프들이다.1 is a view for explaining a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 ('0 W'), Examples 1-1 to 1-3 ('30 W', '50 W', '80 W') and Comparative Example 1- The measured XRD pattern for 2 ('100 W') zinc-magnesium oxide layers is shown.
Figure 3a is a pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 ('0 W'), Examples 1-1 to 1-3 ('30 W', '50 W', '80 W') and Comparative Example 2 ( '100 W') is a graph showing the light transmittance measured for the zinc-magnesium oxide layers, and FIG. 3b is a bandgap energy calculated from the light transmittance graph shown in FIG. 3a using the Tauc equation of Equation 1 below. is a graph representing
Figure 4a is an SEM image and EDX graph of the zinc-magnesium oxide layer of Comparative Example 1-2, Figure 4b is the pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 ('0 W'), Examples 1-1 to 1 -3 ('30 W', '50 W', '80 W') and Comparative Example 2 ('100 W') is a graph showing the Mg/(Mg+Zn) ratio for the zinc-magnesium oxide layers.
5A and 5B are graphs respectively showing voltage-current characteristics and performance parameters measured for thin film solar cells according to Examples 2-1 to 2-3 and Comparative Examples 2-1 and 2-2.
6A to 6D are voltage-current characteristics and series resistance (R) measured in a dark state for thin film solar cells according to Examples 2-1 to 2-3 and Comparative Examples 2-1 and 2-2; s ), shunt conductance (G sh ), and current density (J o ) are graphs respectively.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, and includes one or more other features or steps. , it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of an operation, a component, a part, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막태양전지를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지(100)는 캐소드 전극(110), 애노드 전극(120), 광흡수층(130), 제1 버퍼층(140) 및 제2 버퍼층(150)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , a thin film solar cell 100 according to an embodiment of the present invention includes a cathode electrode 110 , an anode electrode 120 , a light absorption layer 130 , a first buffer layer 140 , and a second buffer layer 150 . ) may be included.

상기 캐소드 전극(110)은 상기 광흡수층(130)에서 생성된 정공을 수용할 수 있는 전기전도성 재료로 형성될 수 있다. 상기 캐소드 전극(110)의 재료로는 공지의 태양전지용 캐소드 전극 재료가 제한 없이 적용될 수 있다. 일 실시예로, 상기 캐소드 전극(110)은 투명한 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐소드 전극(110)은 ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Al-doped Zinc Oxide), IZO(In-doped Zinc Oxide), GZO(Ga-doped Zinc Oxide), SnO2:F 등으로 이루어질 수 있다. The cathode electrode 110 may be formed of an electrically conductive material capable of accommodating the holes generated in the light absorption layer 130 . As a material of the cathode electrode 110 , a known cathode electrode material for a solar cell may be applied without limitation. In an embodiment, the cathode electrode 110 may be formed of a transparent conductive oxide. For example, the cathode electrode 110 may include Indium Tin Oxide (ITO), Al-doped Zinc Oxide (AZO), In-doped Zinc Oxide (IZO), Ga-doped Zinc Oxide (GZO), SnO 2 :F, etc. can be made with

상기 애노드 전극(120)은 상기 캐소드 전극(110)과 이격된 상태에서 상기 캐소드 전극(110)과 마주보게 배치될 수 있다. 상기 애노드 전극(120)은 상기 광흡수층(130)에서 생성된 전자를 수용할 수 있는 전기전도성 재료로 형성될 수 있다. 상기 애노드 전극(120)의 재료로는 공지의 태양전지용 애노드 전극 재료가 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 애노드 전극(120)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb) 등으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금으로 형성되거나, 전도성 탄소 소재, 전도성 복합체 소재 및 투명한 전도성 산화물 등으로 형성될 수 있다.The anode electrode 120 may be disposed to face the cathode electrode 110 while being spaced apart from the cathode electrode 110 . The anode electrode 120 may be formed of an electrically conductive material capable of accommodating electrons generated in the light absorption layer 130 . As the material of the anode electrode 120, a known anode electrode material for a solar cell may be applied without limitation. For example, the anode electrode 120 is aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), lead (Pb) , molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), tantalum (Ta), formed of one or more metals or alloys selected from niobium (Nb), etc., or made of a conductive carbon material, a conductive composite material, and a transparent conductive oxide can be formed.

상기 광흡수층(130)은 상기 캐소드 전극(110)과 상기 애노드 전극(120) 사이에 배치되고, 상기 태양광을 수용하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 상기 캐소드 전극(110)과 상기 애노드 전극(120) 사이의 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 내부 전하의 농도 차에 의해 상기 광흡수층(130)에서 생성된 상기 정공과 전자는 상기 캐소드 전극(110)과 상기 애노드 전극(120)으로 각각 이동될 수 있고, 그 결과 광전류가 발생하게 된다. The light absorption layer 130 may be disposed between the cathode electrode 110 and the anode electrode 120 and receive the sunlight to generate electrons and holes. The holes and electrons generated in the light absorption layer 130 by the concentration difference between the internal electric field and internal charge formed by the difference in the work function between the cathode electrode 110 and the anode electrode 120 are the cathode electrode 110 . and the anode electrode 120, respectively, and as a result, a photocurrent is generated.

일 실시예에 있어서, 상기 광흡수층(130)은 황화주석(SnS)으로 형성될 수 있다. 상기 황화주석은 b 축으로 긴 사방정계(Orthorhombic) 결정구조를 가지고, 약 1.3 내지 1.4 eV의 밴드갭에너지 및 약 104 cm-1 이상의 높은 광 흡수 계수를 가지는 반도체 재료로서, 태양광을 수용하여 전자와 정공을 생성할 수 있어서 태양전지 소재로서 적합하고, 매장량이 풍부하고 무독성 원소로 이루어져서 저가의 친환경 소재로 평가받고 있다.In one embodiment, the light absorption layer 130 may be formed of tin sulfide (SnS). The tin sulfide is a semiconductor material having a long orthorhombic crystal structure along the b-axis, a band gap energy of about 1.3 to 1.4 eV, and a high light absorption coefficient of about 10 4 cm -1 or more. It is suitable as a solar cell material because it can generate and holes, and it is evaluated as a low-cost eco-friendly material because it has abundant reserves and is made of non-toxic elements.

상기 제1 버퍼층(140)은 상기 캐소드 전극(110)과 상기 광흡수층(130) 사이에 배치될 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 버퍼층(140)은 상기 캐소드 전극(110)과 상기 광흡수층(130) 사이 중 상기 광흡수층(130)과 접촉하도록 배치될 수 있고, 상기 광흡수층(130)과 p-n 접합을 형성할 수 있는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 상기 제1 버퍼층(140)에 의해 높은 캐리어 농도를 갖는 상기 캐소드 전극(110)과 상기 광흡수층(310) 사이의 캐리어의 재결합이 현저하게 감소될 수 있고, 그 결과 상기 박막 태양전지(100)의 개방 전압(Open circuit voltage, Voc) 및 단락 전류 밀도(Short circuit current density, Jsc)가 향상될 수 있다. The first buffer layer 140 may be disposed between the cathode electrode 110 and the light absorption layer 130 . In an embodiment, the first buffer layer 140 may be disposed between the cathode electrode 110 and the light absorption layer 130 to be in contact with the light absorption layer 130 , and the light absorption layer 130 and pn It may be formed of a semiconductor material capable of forming a junction. By the first buffer layer 140 , recombination of carriers between the cathode electrode 110 having a high carrier concentration and the light absorption layer 310 can be significantly reduced, and as a result, the thin film solar cell 100 Open circuit voltage (V oc ) and short circuit current density (J sc ) may be improved.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 버퍼층(140)은 카드뮴황화물(CdS), 아연황화물(ZnS), 아연산화물(ZnO), 아연황산화물(Zn(O,S)), 아연카드뮴황화물(ZnCdS) 등으로부터 선택된 하나 이상의 반도체 재료로 형성될 수 있다. In one embodiment, the first buffer layer 140 is cadmium sulfide (CdS), zinc sulfide (ZnS), zinc oxide (ZnO), zinc sulfate (Zn(O,S)), zinc cadmium sulfide (ZnCdS) and the like.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 버퍼층(140)이 카드뮴황화물(CdS)로 형성된 경우, 상기 제1 버퍼층(140)은 약 30 내지 60nm의 두께를 가질 수 있다. 다만, 상기 제1 버퍼층(140)의 두께는 상기 제1 버퍼층(140)의 재료, 상기 광흡수층(130)의 두께 또는 재료 등에 따라 변경될 수 있다. In an embodiment, when the first buffer layer 140 is formed of cadmium sulfide (CdS), the first buffer layer 140 may have a thickness of about 30 to 60 nm. However, the thickness of the first buffer layer 140 may be changed according to the material of the first buffer layer 140 and the thickness or material of the light absorption layer 130 .

상기 제2 버퍼층(150)은 상기 캐소드 전극(110)과 상기 제1 버퍼층(140) 사이에 배치되고, 션트 컨덕턴스(shunt conductance)를 감소시키고 포화 전류 밀도(saturation current density)를 증가시켜 상기 박막 태양전지(100)의 광전 효율을 향상시킬 수 있다. 일 실시예로, 상기 제2 버퍼층(150)은 상기 캐소드 전극(110)과 상기 제1 버퍼층(140) 사이에서 상기 캐소드 전극(110)과 상기 제1 버퍼층(140) 중 하나 이상과 접촉하도록 배치될 수 있다. The second buffer layer 150 is disposed between the cathode electrode 110 and the first buffer layer 140, and reduces shunt conductance and increases saturation current density to increase the thin film solar The photoelectric efficiency of the battery 100 may be improved. In an embodiment, the second buffer layer 150 is disposed between the cathode electrode 110 and the first buffer layer 140 to contact at least one of the cathode electrode 110 and the first buffer layer 140 . can be

일 실시예에 있어서, 상기 제2 버퍼층(150)은 아연-마그네슘 산화물(Zn-Mg-O)로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 버퍼층(150)은 결정질의 아연산화물상 및 비정질의 마그네슘 산화물상을 포함할 수 있다. 상기 결정질의 아연산화물은 상기 광흡수층(130)의 표면에 수직한 c-축 방향으로 배향된 육방정계 ZnO를 포함할 수 있고, 상기 비정질의 마그네슘 산화물은 비정질 MgO를 포함할 수 있다. In an embodiment, the second buffer layer 150 may be formed of zinc-magnesium oxide (Zn-Mg-O). For example, the second buffer layer 150 may include a crystalline zinc oxide phase and an amorphous magnesium oxide phase. The crystalline zinc oxide may include hexagonal ZnO oriented in a c-axis direction perpendicular to the surface of the light absorption layer 130 , and the amorphous magnesium oxide may include amorphous MgO.

일 실시예에 있어서, 상기 아연-마그네슘 산화물(Zn-Mg-O)로 형성된 제2 버퍼층(150)에서, 아연 원소(Zn)와 마그네슘 원소(Mg)의 전체 수에 대한 상기 마그네슘 원소 수의 비율(

Figure 112020119820647-pat00001
)은 약 0.015 내지 0.190의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 비율이 0.015 미만인 경우 및 0.190을 초과하는 경우에는 직렬 저항과 션트 컨덕턴스의 급격한 증가로 인해 단락 전류가 감소하고 이에 따라 광전효율이 감소되는 문제점이 발생할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 버퍼층(150)에서, 상기 아연 원소와 상기 마그네슘 원소의 전체 수에 대한 상기 마그네슘 원소 수의 비율(
Figure 112020119820647-pat00002
)은 약 0.015 내지 0.025의 범위 내에 있을 수 있다.In one embodiment, in the second buffer layer 150 formed of the zinc-magnesium oxide (Zn-Mg-O), the ratio of the number of magnesium elements to the total number of zinc elements (Zn) and magnesium elements (Mg) (
Figure 112020119820647-pat00001
) may be in the range of about 0.015 to 0.190. When the ratio is less than 0.015 and exceeds 0.190, a short circuit current may decrease due to a sharp increase in series resistance and shunt conductance, and thus photoelectric efficiency may be reduced. For example, in the second buffer layer 150 , a ratio (
Figure 112020119820647-pat00002
) may be in the range of about 0.015 to 0.025.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 버퍼층(150)의 두께는 상기 제1 버퍼층(140) 두께의 약 50 내지 150%일 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 버퍼층(150)의 두께는 상기 제1 버퍼층(140) 두께의 약 80 내지 120%일 수 있다. 다만, 상기 제2 버퍼층(150)의 두께는 이의 재료, 상기 제1 버퍼층(140)의 재료 등에 따라 적절하게 변경할 수 있다. In an embodiment, the thickness of the second buffer layer 150 may be about 50 to 150% of the thickness of the first buffer layer 140 . For example, the thickness of the second buffer layer 150 may be about 80 to 120% of the thickness of the first buffer layer 140 . However, the thickness of the second buffer layer 150 may be appropriately changed according to the material thereof, the material of the first buffer layer 140 , and the like.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 버퍼층(140)은 상온에서 약 2.4 eV의 밴드갭에너지를 갖는 카드뮴황화물(CdS)로 형성될 수 있고, 이 경우, 상기 제2 버퍼층(150)은 상기 카드뮴황화물(CdS)보다 큰 밴드갭에너지, 예를 들면, 약 3.25 내지 3.56 eV의 밴드갭에너지를 갖는 아연-마그네슘 산화물(Zn-Mg-O)로 형성될 수 있다. In one embodiment, the first buffer layer 140 may be formed of cadmium sulfide (CdS) having a band gap energy of about 2.4 eV at room temperature, in this case, the second buffer layer 150 is the cadmium sulfide It may be formed of zinc-magnesium oxide (Zn-Mg-O) having a band gap energy greater than (CdS), for example, a band gap energy of about 3.25 to 3.56 eV.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 버퍼층(150)은 아연 산화물 타겟 및 마그네슘 산화물 타겟을 이용한 코스퍼터링(Co-sputtering) 공정을 통해 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 아연산화물 타겟에 인가되는 제1 RF 전력(RF-power)과 상기 마그네슘 산화물 타겟에 인가되는 제2 RF 전력을 조절함으로써 상기 아연-마그네슘 산화물(Zn-Mg-O)로 형성된 제2 버퍼층(150)에 포함되는 아연 산화물상과 마그네슘 산화물상의 비율을 조절할 수 있다. In an embodiment, the second buffer layer 150 may be formed through a co-sputtering process using a zinc oxide target and a magnesium oxide target. In this case, by adjusting the first RF power applied to the zinc oxide target (RF-power) and the second RF power applied to the magnesium oxide target, the second RF power applied to the zinc-magnesium oxide (Zn-Mg-O) is adjusted. The ratio of the zinc oxide phase and the magnesium oxide phase included in the buffer layer 150 may be adjusted.

일 실시예로, 상기 코스퍼터링(Co-sputtering) 공정은 약 10℃ 이상 50℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있고, 이 경우, 상기 코스퍼터링(Co-sputtering) 공정에서 형성되는 아연산화물상은 결정질 구조를 가지고, 마그네슘산화물상은 비정질 구조를 가질 수 있다. In an embodiment, the co-sputtering process may be performed at a temperature of about 10° C. or more and 50° C. or less, and in this case, the zinc oxide phase formed in the co-sputtering process has a crystalline structure. , and the magnesium oxide phase may have an amorphous structure.

일 실시예로, 상기 제1 RF 전력(RF-power)은 약 60 내지 100 W일 수 있고, 이 경우, 상기 제2 RF 전력은 상기 제1 RF 전력의 약 35 내지 135%일 수 있다. 상기와 같이 제1 및 제2 RF 전력을 조절하는 경우, 상기 제2 버퍼층(150)에서 아연 원소(Zn)와 마그네슘 원소(Mg)의 전체 수에 대한 상기 마그네슘 원소 수의 비율(

Figure 112020119820647-pat00003
)은 약 0.015 내지 0.190의 범위 내에 있을 수 있다.In one embodiment, the first RF power (RF-power) may be about 60 to 100 W, in this case, the second RF power may be about 35 to 135% of the first RF power. When the first and second RF powers are adjusted as described above, the ratio of the number of magnesium elements to the total number of zinc elements (Zn) and magnesium elements (Mg) in the second buffer layer 150 (
Figure 112020119820647-pat00003
) may be in the range of about 0.015 to 0.190.

한편, 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드 전극(110)과 상기 애노드 전극(120) 중 하나는 투명 기판(미도시) 상에 형성될 수 있다. 상기 투명 기판으로는 통상의 태양전지용 기판이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 투명 기판은 글라스 기판, 규소(Si) 기판, 산화규소(SiO2) 기판, 산화알루미늄(Al2O3) 기판, STO(SrTiO3) 기판, 수정 기판, 폴리머 기판 등으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. Meanwhile, in an embodiment, one of the cathode electrode 110 and the anode electrode 120 may be formed on a transparent substrate (not shown). As the transparent substrate, a conventional solar cell substrate may be used without limitation. For example, the transparent substrate may be selected from a glass substrate, a silicon (Si) substrate, a silicon oxide (SiO 2 ) substrate, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) substrate, an STO (SrTiO 3 ) substrate, a quartz substrate, a polymer substrate, and the like. may contain one.

본 발명의 박막 태양전지에 따르면, 황화 주석 기반의 광흡수층과 캐소드 전극 사이에 제1 버퍼층과 제2 버퍼층이 배치된 구조를 갖고, 상기 캐소드 전극에 인접한 상기 제2 버퍼층이 아연-마그네슘 산화물로 형성되므로, 높은 개방전압과 낮은 션트 컨덕턴스를 가져서 높은 광전효율을 나타낼 수 있다. According to the thin film solar cell of the present invention, it has a structure in which a first buffer layer and a second buffer layer are disposed between a tin sulfide-based light absorption layer and a cathode electrode, and the second buffer layer adjacent to the cathode electrode is formed of zinc-magnesium oxide Therefore, it has a high open-circuit voltage and low shunt conductance, so that high photoelectric efficiency can be exhibited.

이하 본 발명의 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 일부 실시형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the following examples are only some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예 1-1 내지 1-3, 비교예 1-1과 1-2][Examples 1-1 to 1-3, Comparative Examples 1-1 and 1-2]

ZnO 타겟에 인가되는 RF 전력은 70 W로 고정하고, MgO 타겟에 인가되는 RF 전력을 30 W('실시예 1-1'), 50 W('실시예 1-2'), 80 W('실시예 1-3') 및 100 W(‘비교예 1-2’)로 변경하여 인가하며 상온에서 수행된 코스퍼터링 공정을 통해 실리콘 기판 상에 약 50 nm 두께의 아연-마그네슘 산화물층들을 각각 형성하였다. The RF power applied to the ZnO target is fixed at 70 W, and the RF power applied to the MgO target is 30 W ('Example 1-1'), 50 W ('Example 1-2'), 80 W (' Example 1-3') and 100 W ('Comparative Example 1-2') were changed and applied, and zinc-magnesium oxide layers with a thickness of about 50 nm were respectively formed on a silicon substrate through a co-sputtering process performed at room temperature. did

또한, ZnO 타겟에만 70 W의 RF 전력을 인가하고 상온에서 수행된 스퍼터링 공정을 통해 실리콘 기판 상에 약 50 nm 두께의 순수 아연 산화물층(‘비교예 1-1’)을 형성하였다.In addition, a pure zinc oxide layer ('Comparative Example 1-1') with a thickness of about 50 nm was formed on a silicon substrate through a sputtering process performed at room temperature by applying an RF power of 70 W only to the ZnO target.

<실험예 1><Experimental Example 1>

도 2는 비교예 1-1('0 W’)의 순수 아연 산화물층, 실시예 1-1 내지 1-3('30 W', '50 W', '80 W') 및 비교예 1-2('100 W')의 아연-마그네슘 산화물층들에 대해 측정된 XRD 패턴을 나타낸다. 2 is a pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 ('0 W'), Examples 1-1 to 1-3 ('30 W', '50 W', '80 W') and Comparative Example 1- The measured XRD pattern for 2 ('100 W') zinc-magnesium oxide layers is shown.

도 2를 참조하면, 비교예 1-2의 아연-마그네슘 산화물층을 제외한 비교예 1-1의 순수 아연 산화물층과 실시예 1-1 내지 1-3의 아연-마그네슘 산화물층들에서는 (102), (110) 피크에 비해 상대적으로 강한 (002) 피크가 나타났다. 상기 (002) 피크는 ZnO 결정에 관한 것으로서, 도 2로부터 실시예 1-1 내지 1-3의 아연-마그네슘 산화물층들에는 c 축 우선 배향된 육방정계 ZnO가 형성되었음을 알 수 있다. Referring to FIG. 2 , in the pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 and the zinc-magnesium oxide layers of Examples 1-1 to 1-3 except for the zinc-magnesium oxide layer of Comparative Example 1-2, (102) , showed a relatively strong (002) peak compared to the (110) peak. The (002) peak relates to a ZnO crystal, and it can be seen from FIG. 2 that c-axis preferentially oriented hexagonal ZnO was formed in the zinc-magnesium oxide layers of Examples 1-1 to 1-3.

한편, MgO 타겟이 인가되는 RF-power가 0 W에서 100 W로 증가할수록 ZnO에 대응되는 피크들이 감소하는 것으로 나타났다. 이는, 상온에서 증착된 MgO는 일반적으로 비정질 상태이므로, MgO 타겟이 인가되는 RF-power가 증가할수록 비정질 MgO 비율이 증가하고 결정질 ZnO의 비율은 감소하기 때문이다. On the other hand, as the RF-power applied to the MgO target increased from 0 W to 100 W, the peaks corresponding to ZnO decreased. This is because, since MgO deposited at room temperature is generally in an amorphous state, the ratio of amorphous MgO increases and the ratio of crystalline ZnO decreases as the RF-power applied to the MgO target increases.

이상의 결과로부터 실시예 1-1 내지 1-3의 아연-마그네슘 산화물층들은 결정질 ZnO 상과 비정질 MgO 상으로 이루어진 아연-마그네슘 산화물로 형성됨을 알 수 있다. From the above results, it can be seen that the zinc-magnesium oxide layers of Examples 1-1 to 1-3 are formed of zinc-magnesium oxide including a crystalline ZnO phase and an amorphous MgO phase.

도 3a는 비교예 1-1('0 W’)의 순수 아연 산화물층, 실시예 1-1 내지 1-3('30 W', '50 W', '80 W') 및 비교예 2('100 W')의 아연-마그네슘 산화물층들에 대해 측정된 광투과율을 나타내는 그래프이고, 도 3b는 하기 수식 1의 Tauc 방정식을 이용하여 상기 도 3a에 도시된 광투과율 그래프로부터 산출된 밴드갭 에너지들을 나타내는 그래프이다. Figure 3a is a pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 ('0 W'), Examples 1-1 to 1-3 ('30 W', '50 W', '80 W') and Comparative Example 2 ( '100 W') is a graph showing the measured light transmittance for the zinc-magnesium oxide layers, and FIG. 3b is a bandgap energy calculated from the light transmittance graph shown in FIG. 3a using the Tauc equation of Equation 1 below. is a graph representing

[수식 1][Formula 1]

Figure 112020119820647-pat00004
Figure 112020119820647-pat00004

상기 수식 1에서 α,

Figure 112020119820647-pat00005
, A 및
Figure 112020119820647-pat00006
는 흡수계수, 포톤 에너지, 상수 및 밴드갭에너지를 각각 나타내고, n은　직접　밴드갭 (Direct bandgap)의　경우에는 1/2이며　간접　밴드갭(Indirect bandgap)의　경우에는　2이다. In Equation 1, α,
Figure 112020119820647-pat00005
, A and
Figure 112020119820647-pat00006
denotes the absorption coefficient, photon energy, constant and bandgap energy, respectively, and n is 1/2 in case of direct bandgap and 2 in case of indirect bandgap.

먼저 도 3a를 참조하면, 비교예 1-1('0 W’)의 순수 아연 산화물층, 실시예 1-1 내지 1-3('30 W', '50 W', '80 W') 및 비교예 2('100 W')의 아연-마그네슘 산화물층들은 약 400 내지 700 nm 파장 영역의 가시광선에 대해 평균 90% 이상의 높은 투과율을 나타냈다. 그리고, MgO 비율이 증가함에 따라 투과 영역이 단 파장 영역으로 쉬프트(shift)되는 것으로 나타났고, 이는 아연-마그네슘 산화물층의 밴드갭에너지는 Mg/(Mg+Zn) 비율 변화에 따라 변화하기 때문인 것으로 판단된다. First, referring to Figure 3a, the pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 ('0 W'), Examples 1-1 to 1-3 ('30 W', '50 W', '80 W') and The zinc-magnesium oxide layers of Comparative Example 2 ('100 W') exhibited high transmittance of 90% or more on average for visible light in a wavelength range of about 400 to 700 nm. And, as the MgO ratio increases, the transmission region is shifted to a shorter wavelength region, which is because the band gap energy of the zinc-magnesium oxide layer changes with the change in the Mg/(Mg+Zn) ratio. is judged

이어서 도 3b를 참조하면, 비교예 1-1('0 W’)의 순수 아연 산화물층, 실시예 1-1 내지 1-3('30 W', '50 W', '80 W') 및 비교예 2('100 W')의 아연-마그네슘 산화물층들은 3.23 eV, 3.30 eV, 3.39 eV, 3.55 eV 및 3.60 eV의 밴드갭 에너지들을 각각 갖는 것으로 계산되었다. 즉, 아연-마그네슘 산화물층의 밴드갭은 MgO의 비율이 증가함에 따라, 즉, Mg/(Mg+Zn) 비율이 증가함에 따라 커지는 것으로 나타났다. 이는 ZnO와 MgO의 밴드갭에너지는 각각 3.3 eV와 7.8 eV인 것으로 알려져 있는데, 상기 아연-마그네슘 산화물층의 밴드갭은 ZnO 및 MgO의 비율에 의해 영향을 받기 때문이다. Then, referring to Figure 3b, the pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 ('0 W'), Examples 1-1 to 1-3 ('30 W', '50 W', '80 W') and The zinc-magnesium oxide layers of Comparative Example 2 ('100 W') were calculated to have bandgap energies of 3.23 eV, 3.30 eV, 3.39 eV, 3.55 eV and 3.60 eV, respectively. That is, it was found that the band gap of the zinc-magnesium oxide layer increases as the ratio of MgO increases, that is, as the ratio of Mg/(Mg+Zn) increases. It is known that the band gap energies of ZnO and MgO are 3.3 eV and 7.8 eV, respectively, because the band gap of the zinc-magnesium oxide layer is affected by the ratio of ZnO and MgO.

도 4a는 비교예 1-2의 아연-마그네슘 산화물층에 대한 SEM 이미지와 EDX 그래프이고, 도 4b는 비교예 1-1('0 W’)의 순수 아연 산화물층, 실시예 1-1 내지 1-3('30 W', '50 W', '80 W') 및 비교예 2('100 W')의 아연-마그네슘 산화물층들에 대한 Mg/(Mg+Zn) 비율을 나타내는 그래프이다. Figure 4a is an SEM image and EDX graph of the zinc-magnesium oxide layer of Comparative Example 1-2, Figure 4b is the pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 ('0 W'), Examples 1-1 to 1 -3 ('30 W', '50 W', '80 W') and Comparative Example 2 ('100 W') is a graph showing the Mg/(Mg+Zn) ratio for the zinc-magnesium oxide layers.

도 4a를 참조하면, 비교예 1-2의 아연-마그네슘 산화물층은 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 산소(O)의 원소들로 이루어져 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4A , it can be seen that the zinc-magnesium oxide layer of Comparative Example 1-2 is made of elements of zinc (Zn), magnesium (Mg), and oxygen (O).

도 4b를 참조하면, 비교예 1-1('0 W’)의 순수 아연 산화물층, 실시예 1-1 내지 1-3('30 W', '50 W', '80 W') 및 비교예 2('100 W')의 아연-마그네슘 산화물층들의 Mg/(Mg+Zn) 비율은 각각 0, 0.02, 0.11, 0.18, 0.19 인 것으로 나타났다. 4B, the pure zinc oxide layer of Comparative Example 1-1 ('0 W'), Examples 1-1 to 1-3 ('30 W', '50 W', '80 W') and Comparative Example The Mg/(Mg+Zn) ratios of the zinc-magnesium oxide layers of Example 2 ('100 W') were 0, 0.02, 0.11, 0.18, and 0.19, respectively.

한편, 아연-마그네슘 산화물층을 제2 버퍼층으로 적용한 SnS 기반 박막 태양전지에서 아연-마그네슘 산화물층 내의 Mg/(Mg+Zn) 비율이 소자의 성능에 미치는 영향을 조사하였고, 이하에서는 그 결과에 대해 설명한다. On the other hand, the effect of the Mg/(Mg+Zn) ratio in the zinc-magnesium oxide layer on the device performance was investigated in a SnS-based thin-film solar cell in which a zinc-magnesium oxide layer was applied as a second buffer layer. Explain.

[실시예 2-1][Example 2-1]

몰리브덴(Mo)이 코팅된 2.5 ×2.5 cm2 크기의 소다석회유리 기판(SLG) 상에 기상증착법 (Vapor transport deposition, VTD) 방식으로 황화주석(SnS) 광흡수층을 형성하였고, 이어서, CBD(Chemical bath deposition) 공정을 통해 상기 황화주석(SnS) 광흡수층 상에 약 45 nm 두께의 황화카드뮴(CdS)으로 이루어진 제1 버퍼층을 형성하였다. A tin sulfide (SnS) light absorption layer was formed by a vapor transport deposition (VTD) method on a soda-lime glass substrate (SLG) having a size of 2.5 × 2.5 cm 2 coated with molybdenum (Mo), and then, a chemical A first buffer layer made of cadmium sulfide (CdS) having a thickness of about 45 nm was formed on the tin sulfide (SnS) light absorption layer through a bath deposition) process.

이어서, ZnO 타겟 및 MgO 타겟에 70 W의 RF 전력 및 30 W의 RF 전력을 각각 인가하고 상온에서 수행된 코스퍼터링(Co-sputtering) 공정을 통해 상기 황화카드뮴(CdS)의 제1 버퍼층 상부에 아연-마그네슘 산화물로 이루어진 약 50 nm 두께의 제2 버퍼층을 형성하였다. Then, 70 W of RF power and 30 W of RF power were applied to the ZnO target and the MgO target, respectively, and zinc on the first buffer layer of cadmium sulfide (CdS) was applied through a co-sputtering process performed at room temperature. -A second buffer layer with a thickness of about 50 nm made of magnesium oxide was formed.

이어서, 상기 제2 버퍼층 상부에 RF-스퍼터링 공정을 이용하여 약 400 nm 두께의 AZO(Al-dopped ZnO) 층을 형성하였고, 그 위에 DC-스퍼터링 공정을 통해 약 1 ㎛ 두께의 알루미늄(Al)을 증착하여, “SLG/Mo/SnS/CdS/ZnMgO/AZO/Al”적층 구조의 박막 태양전지를 제조하였다. Then, an Al-doped ZnO (AZO) layer of about 400 nm thickness was formed on the second buffer layer by using an RF-sputtering process, and aluminum (Al) with a thickness of about 1 μm was formed thereon through a DC-sputtering process. By deposition, a thin film solar cell with a “SLG/Mo/SnS/CdS/ZnMgO/AZO/Al” layered structure was manufactured.

[실시예 2-2][Example 2-2]

ZnO 타겟 및 MgO 타겟에 70 W의 RF 전력 및 50 W의 RF 전력을 각각 인가하는 코스퍼터링(Co-sputtering) 공정을 통해 상기 제2 버퍼층을 형성하는 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일하게 박막 태양전지를 제조하였다. In the same manner as in Example 2-1, except that the second buffer layer is formed through a co-sputtering process in which an RF power of 70 W and an RF power of 50 W are respectively applied to the ZnO target and the MgO target. A thin film solar cell was manufactured.

[실시예 2-3][Example 2-3]

ZnO 타겟 및 MgO 타겟에 70 W의 RF 전력 및 80 W의 RF 전력을 각각 인가하는 코스퍼터링(Co-sputtering) 공정을 통해 상기 제2 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일하게 박막 태양전지를 제조하였다. In the same manner as in Example 2-1, except that the second buffer layer was formed through a co-sputtering process of applying an RF power of 70 W and an RF power of 80 W to the ZnO target and the MgO target, respectively. A thin film solar cell was manufactured.

[비교예 2-1][Comparative Example 2-1]

ZnO 타겟에만 70 W의 RF 전력을 인가한 RF-스퍼터링 공정을 통해 ZnO로 이루어진 제2 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일하게 박막 태양전지를 제조하였다.A thin film solar cell was manufactured in the same manner as in Example 2-1, except that a second buffer layer made of ZnO was formed through an RF-sputtering process in which an RF power of 70 W was applied only to the ZnO target.

[비교예 2-2][Comparative Example 2-2]

ZnO 타겟 및 MgO 타겟에 70 W의 RF 전력 및 100 W의 RF 전력을 각각 인가하는 코스퍼터링(Co-sputtering) 공정을 통해 상기 제2 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일하게 박막 태양전지를 제조하였다. In the same manner as in Example 2-1, except that the second buffer layer was formed through a co-sputtering process of applying an RF power of 70 W and an RF power of 100 W to the ZnO target and the MgO target, respectively. A thin film solar cell was manufactured.

<실험예><Experimental example>

도 5a 및 도 5b는 실시예 2-1 내지 2-3, 비교예 2-1과 2-2에 따른 박막 태양전지들에 대해 측정된 전압-전류 특성 및 성능 파라미터들을 각각 나타내는 그래프들이고, 하기 표 1은 측정된 성능 파라미터들의 결과값들이다.5A and 5B are graphs respectively showing voltage-current characteristics and performance parameters measured for thin film solar cells according to Examples 2-1 to 2-3 and Comparative Examples 2-1 and 2-2, 1 is the result values of the measured performance parameters.

ParameterParameter Mg/(Mg+Zn) ratioMg/(Mg+Zn) ratio 0
[비교예 2-1]0
[Comparative Example 2-1] 0.02
[실시예 2-1]0.02
[Example 2-1] 0.11
[실시예 2-2]0.11
[Example 2-2] 0.18
[실시예 2-3]0.18
[Example 2-3] 0.19
[비교예 2-2]0.19
[Comparative Example 2-2] Voc (V)V oc (V) 0.2000.200 0.3020.302 0.2990.299 0.2790.279 0.2910.291 Jsc (mA cm-2)J sc (mA cm -2 ) 11.3611.36 13.5513.55 10.6410.64 10.5510.55 7.987.98 FFFF 0.4010.401 0.4500.450 0.3960.396 0.3910.391 0.2840.284 η (%)η (%) 0.9110.911 1.8421.842 1.2601.260 1.1491.149 0.6600.660 RSL (Ω cm2)R SL (Ω cm 2 ) 6.5526.552 5.7465.746 9.3999.399 9.1289.128 22.0222.02 GSL (mS cm-2)G SL (mS cm -2 ) 28.4128.41 16.7316.73 16.7916.79 17.3917.39 29.9529.95

표 1과 함께 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 개방 전압(Voc)의 경우, 제2 버퍼층을 순수 아연산화물로 형성한 비교예 2-1의 박막 태양전지에 비해 제2 버퍼층을 아연-마그네슘 산화물로 형성한 실시예 2-1 내지 2-3 및 비교예 2-2의 박막 태양전지들의 개방 전압(Voc)가 크게 증가한 것으로 나타났다. Referring to FIGS. 5A and 5B together with Table 1, in the case of an open circuit voltage (V oc ), the second buffer layer is zinc-magnesium, compared to the thin film solar cell of Comparative Example 2-1 in which the second buffer layer is formed of pure zinc oxide. It was found that the open circuit voltage (V oc ) of the thin film solar cells of Examples 2-1 to 2-3 and Comparative Example 2-2 formed of the oxide was significantly increased.

단락 전류(Jsc)의 경우, 제2 버퍼층의 Mg/(Mg+Zn) 비율이 0일 때보다 0.02의 비율일 때 크게 증가하였으나, Mg/(Mg+Zn) 비율이 0.02를 초과하여 증가하는 경우에는 점차적으로 감소하는 것으로 나타났고, Mg/(Mg+Zn) 비율이 0.19일 때에는 급격히 감소된 것으로 나타났다. 또한, 션트 컨덕턴스(Shunt conductance under light, GSL)의 경우, 제2 버퍼층의 Mg/(Mg+Zn) 비율이 0일 때보다 0.02일 때 현저하게 낮았고, 이 후 Mg/(Mg+Zn) 비율이 증가함에 따라 지속적인 증가하는 것으로 나타났으며, Mg/(Mg+Zn) 비율이 0.19에서 급격히 증가한 것으로 나타났다. In the case of the short-circuit current (J sc ), the Mg/(Mg+Zn) ratio of the second buffer layer increased significantly when the ratio was 0.02 than when the ratio was 0, but the Mg/(Mg+Zn) ratio increased beyond 0.02. case, it was gradually decreased, and when the Mg/(Mg+Zn) ratio was 0.19, it was shown to be sharply decreased. In addition, in the case of shunt conductance under light (G SL ), the Mg/(Mg+Zn) ratio of the second buffer layer was significantly lower when 0.02 than when 0, and then the Mg/(Mg+Zn) ratio It was shown that it continuously increases as the α increases, and the Mg/(Mg+Zn) ratio rapidly increased from 0.19.

일반적으로 태양전지의 흡수층과 버퍼층 사이의 전도대역 오프셋(Conduction Band Offset, CBO)이 약 0 내지 0.4 eV의 차이를 가질 때 최적의 소자 특성을 나타내는데, Mg/(Mg+Zn) 비율이 0.19 이상으로 증가하는 경우에는 밴드갭에너지와 함께 전도대역 최소값(Conduction Band Minimum, CBM)도 높아지면서 스파이크형(spike type)의 밴드 구조가 형성되고, 이로 인해 전자 수집에 방해를 받게 되어 단락 전류가 급격히 줄어들기 때문인 것으로 판단된다. In general, optimal device characteristics are exhibited when the conduction band offset (CBO) between the absorption layer and the buffer layer of the solar cell has a difference of about 0 to 0.4 eV, and the Mg/(Mg+Zn) ratio is 0.19 or more. When it increases, the conduction band minimum (CBM) increases along with the bandgap energy to form a spike-type band structure, which interferes with electron collection and sharply reduces the short-circuit current. is considered to be due to

직렬저항(Series resistance under light, RSL)의 경우, Mg/(Mg+Zn) 비율이0.02일 때 가장 낮고, 이 후 Mg/(Mg+Zn) 비율이 증가함에 따라 지속적인 증가하는 것으로 나타났으며, Mg/(Mg+Zn) 비율이 0.19에서 급격히 증가한 것으로 나타났다. 충진율(Fill Factor, FF)은 직렬저항(RSL)에 영향을 받아서, Mg/(Mg+Zn) 비율이0.02일 때 가장 높았고, 이 후 Mg/(Mg+Zn) 비율이 증가함에 따라 지속적인 감소하는 것으로 나타났으며, Mg/(Mg+Zn) 비율이 0.19에서 급격히 감소한 것으로 나타났다. In the case of series resistance under light (R SL ), it is the lowest when the Mg/(Mg+Zn) ratio is 0.02, and thereafter it appears to continuously increase as the Mg/(Mg+Zn) ratio increases. , it was found that the Mg/(Mg+Zn) ratio increased sharply from 0.19. The fill factor (FF) was affected by the series resistance (R SL ) and was highest when the Mg/(Mg+Zn) ratio was 0.02, and then continued to decrease as the Mg/(Mg+Zn) ratio increased. and the Mg/(Mg+Zn) ratio rapidly decreased from 0.19.

한편, 실시예 2-1 내지 2-3의 박막 태양전지의 광전 효율(η)은 비교예 2-1의 박막 태양전지보다 현저하게 향상되었고, 특히, 실시예 2-1의 박막 태양전지의 광전 효율은 비교예 2-1의 박막 태양전지보다 약 2배 이상 향상된 것으로 나타났다. On the other hand, the photoelectric efficiency (η) of the thin film solar cells of Examples 2-1 to 2-3 was remarkably improved than that of the thin film solar cells of Comparative Example 2-1, and in particular, the photoelectric efficiency (η) of the thin film solar cells of Example 2-1. It was found that the efficiency was improved by about 2 times or more than that of the thin film solar cell of Comparative Example 2-1.

도 6a 내지 도 6d는 실시예 2-1 내지 2-3, 비교예 2-1과 2-2에 따른 박막 태양전지들에 대해 암(dark) 상태에서 측정된 전압-전류 특성, 직렬 저항(Rs), 션트 컨덕턴스(Gsh) 및 전류 밀도(Jo)를 각각 나타내는 그래프들이다. 6A to 6D are voltage-current characteristics and series resistance (R) measured in a dark state for thin film solar cells according to Examples 2-1 to 2-3 and Comparative Examples 2-1 and 2-2; s ), shunt conductance (G sh ), and current density (J o ) are graphs respectively.

도 6a 내지 도 6d를 참조하면, Mg/(Mg+Zn) 비율이 0.02일 때 암(dark) 상태에의 직렬저항(Rs)이 가장 낮은 것으로 나타났고, 이후 Mg/(Mg+Zn) 비율이 증가함에 따라 직렬저항이 증가하고, Mg/(Mg+Zn) 비율이 0.19에서 급격히 증가한 것으로 나타났다. 이는 ZnMgO 박막 내에서 Mg 비율이 증가함에 따라 Mg와 산소의 결합으로 인해 Zn의 산소 결핍 현상이 감소되기 때문인 것으로 판단된다. 6A to 6D , when the Mg/(Mg+Zn) ratio is 0.02, the series resistance (R s ) in the dark state was the lowest, and then the Mg/(Mg+Zn) ratio It was found that the series resistance increased with this increase, and the Mg/(Mg+Zn) ratio rapidly increased from 0.19. This is considered to be because the oxygen deficiency of Zn decreases due to the combination of Mg and oxygen as the Mg ratio increases in the ZnMgO thin film.

한편, 암(dark) 상태에서의 션트 컨덕턴스의 경우, 제2 버퍼층이 순수 아연산화물로 형성된 비교예 2-1의 박막 태양전지에 비해 제2 버퍼층이 아연-마그네슘 산화물로 형성된 실시예 2-1 내지 2-3 및 비교예 2-2의 박막 태양전지가 현저하게 낮은 것으로 나타났다. 다만, 제2 버퍼층이 아연-마그네슘 산화물로 형성된 경우에는 Mg/(Mg+Zn) 비율이 증가함에 따라 암(dark) 상태에서의 션트 컨덕턴스(Gsh)도 대체적으로 증가하는 것으로 나타났다. On the other hand, in the case of the shunt conductance in the dark state, compared to the thin film solar cell of Comparative Example 2-1 in which the second buffer layer was formed of pure zinc oxide, the second buffer layer was formed of zinc-magnesium oxide in Examples 2-1 to It was found that the thin film solar cells of 2-3 and Comparative Example 2-2 were remarkably low. However, when the second buffer layer is formed of zinc-magnesium oxide, as the Mg/(Mg+Zn) ratio increases, the shunt conductance (Gsh) in the dark state also generally increases.

이상의 결과들로부터, 아연-마그네슘 산화물로 형성된 제2 버퍼층에 있어서,

Figure 112020119820647-pat00007
비율은 0.015 내지 0.190의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 약 0.015 내지 0.025의 범위 내에 있는 것이 더욱 바람직한 것으로 판단된다. From the above results, in the second buffer layer formed of zinc-magnesium oxide,
Figure 112020119820647-pat00007
It is determined that the ratio is preferably within the range of 0.015 to 0.190, more preferably within the range of about 0.015 to 0.025.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. You will understand that you can.

100: 박막 태양전지 110: 캐소드 전극
120: 애노드 전극 130: 광흡수층
140: 제1 버퍼층 150: 제2 버퍼층100: thin film solar cell 110: cathode electrode
120: anode electrode 130: light absorption layer
140: first buffer layer 150: second buffer layer

Claims (9)

서로 대향하게 배치된 제1 전극과 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 황화주석(SnS)으로 형성된 광흡수층;
상기 광흡수층과 상기 제1 전극 사이에 배치되고, 상기 광흡수층과 접촉하여 p-n 접합을 형성하는 제1 버퍼층; 및
상기 제1 버퍼층과 상기 제1 전극 사이에 배치되고, 결정질 아연산화물상 및 비정질 마그네슘산화물상을 구비하는 아연-마그네슘 산화물로 형성된 제2 버퍼층을 포함하고,
상기 아연-마그네슘 산화물에서, 아연 원소(Zn)와 마그네슘 원소(Mg)의 전체 수에 대한 상기 마그네슘 원소 수의 비율은 0.02 이상 0.19 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 박막 태양전지.a first electrode and a second electrode disposed to face each other;
a light absorption layer disposed between the first electrode and the second electrode and formed of tin sulfide (SnS);
a first buffer layer disposed between the light absorption layer and the first electrode and forming a pn junction in contact with the light absorption layer; and
a second buffer layer disposed between the first buffer layer and the first electrode and formed of zinc-magnesium oxide having a crystalline zinc oxide phase and an amorphous magnesium oxide phase;
In the zinc-magnesium oxide, the ratio of the number of magnesium elements to the total number of zinc elements (Zn) and magnesium elements (Mg) is in the range of 0.02 or more and 0.19 or less, thin film solar cell. 서로 대향하게 배치된 제1 전극과 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 황화주석(SnS)으로 형성된 광흡수층;
상기 광흡수층과 상기 제1 전극 사이에 배치되고, 상기 광흡수층과 접촉하여 p-n 접합을 형성하는 제1 버퍼층; 및
상기 제1 버퍼층과 상기 제1 전극 사이에 배치되고, 결정질 아연산화물상 및 비정질 마그네슘산화물상을 구비하는 아연-마그네슘 산화물로 형성된 제2 버퍼층을 포함하고,
상기 아연-마그네슘 산화물은 상기 제1 버퍼층의 재료보다 큰 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는, 박막 태양전지.a first electrode and a second electrode disposed to face each other;
a light absorption layer disposed between the first electrode and the second electrode and formed of tin sulfide (SnS);
a first buffer layer disposed between the light absorption layer and the first electrode and forming a pn junction in contact with the light absorption layer; and
a second buffer layer disposed between the first buffer layer and the first electrode and formed of zinc-magnesium oxide having a crystalline zinc oxide phase and an amorphous magnesium oxide phase;
The zinc-magnesium oxide is characterized in that it has a larger band gap than the material of the first buffer layer, a thin film solar cell. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 버퍼층은 카드뮴황화물(CdS), 아연황화물(ZnS), 아연산화물(ZnO), 아연황산화물(Zn(O,S)) 및 아연카드뮴황화물(ZnCdS)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는, 박막 태양전지.3. The method of claim 1 or 2,
The first buffer layer is formed of at least one selected from the group consisting of cadmium sulfide (CdS), zinc sulfide (ZnS), zinc oxide (ZnO), zinc sulfate (Zn(O,S)) and zinc cadmium sulfide (ZnCdS). A thin film solar cell, characterized in that. 제2항에 있어서,
상기 비율은 0.020 이상 0.19 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 박막 태양전지.3. The method of claim 2,
The ratio is a thin film solar cell, characterized in that within the range of 0.020 or more and 0.19 or less. 제1항에 있어서,
상기 아연-마그네슘 산화물은 상기 제1 버퍼층의 재료보다 큰 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는, 박막 태양전지.According to claim 1,
The zinc-magnesium oxide is characterized in that it has a larger band gap than the material of the first buffer layer, a thin film solar cell. 제2항에 있어서,
상기 제1 버퍼층은 황화카드뮴(CdS)으로 형성되고,
상기 제2 버퍼층은 3.25 내지 3.56 eV의 밴드갭에너지를 갖는 아연-마그네슘 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는, 박막 태양전지.3. The method of claim 2,
The first buffer layer is formed of cadmium sulfide (CdS),
The second buffer layer is a thin film solar cell, characterized in that formed of zinc-magnesium oxide having a band gap energy of 3.25 to 3.56 eV. 기판 상에 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속으로 이루어진 애노드 전극을 형성하는 제1 단계;
상기 애노드 전극 상에 황화주석(SnS)으로 형성된 광흡수층을 형성하는 제2 단계;
상기 광흡수층 상에 카드뮴황화물(CdS), 아연황화물(ZnS), 아연산화물(ZnO), 아연황산화물(Zn(O,S)) 및 아연카드뮴황화물(ZnCdS)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 형성된 제1 버퍼층을 형성하는 제3 단계;
상기 제1 버퍼층 상에 산화아연(ZnO) 타겟 및 산화마그네슘(MgO) 타겟을 이용한 RF-코스퍼터링 공정을 통해 아연-마그네슘 산화물로 이루어진 제2 버퍼층을 형성하는 제4 단계; 및
상기 제2 버퍼층 상에 투명 전도성 산화물로 형성된 캐소드 전극을 형성하는 제5 단계를 포함하고,
상기 제4 단계에 있어서, 상기 산화마그네슘(MgO) 타겟에 인가되는 RF-전력은 상기 산화아연(ZnO) 타겟에 인가되는 RF-전력의 35% 이상 135% 이하인 것을 특징으로 하는, 박막 태양전지의 제조방법.On the substrate, aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), lead (Pb), molybdenum (Mo), tungsten ( W), a first step of forming an anode electrode made of one or more metals selected from the group consisting of chromium (Cr), tantalum (Ta) and niobium (Nb);
a second step of forming a light absorption layer formed of tin sulfide (SnS) on the anode electrode;
Cadmium sulfide (CdS), zinc sulfide (ZnS), zinc oxide (ZnO), zinc sulfate (Zn(O,S)) and zinc cadmium sulfide (ZnCdS) formed on the light absorption layer at least one selected from the group consisting of a third step of forming a first buffer layer;
a fourth step of forming a second buffer layer made of zinc-magnesium oxide on the first buffer layer through an RF-cosputtering process using a zinc oxide (ZnO) target and a magnesium oxide (MgO) target; and
A fifth step of forming a cathode electrode formed of a transparent conductive oxide on the second buffer layer,
In the fourth step, the RF-power applied to the magnesium oxide (MgO) target is 35% or more and 135% or less of the RF-power applied to the zinc oxide (ZnO) target. manufacturing method. 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 제4 단계에서 결정질 산화아연상과 비정질 산화마그네슘상으로 이루어지고, 아연 원소(Zn)와 마그네슘 원소(Mg)의 전체 수에 대한 상기 마그네슘 원소 수의 비율은 0.015 이상 0.190 이하의 범위 내에 있는 아연-마그네슘 산화물 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는, 박막 태양전지의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the fourth step, zinc is composed of a crystalline zinc oxide phase and an amorphous magnesium oxide phase, and the ratio of the number of magnesium elements to the total number of zinc elements (Zn) and magnesium elements (Mg) is in the range of 0.015 or more and 0.190 or less. - A method of manufacturing a thin film solar cell, characterized in that the magnesium oxide thin film is formed.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101210110B1 (en) * 2011-10-20 2012-12-07 엘지이노텍 주식회사 Solar cell and method of fabricating the same
KR101439992B1 (en) * 2012-12-21 2014-09-16 한국과학기술원 Method to enhance the fill factor of CIGS thin film solar cells using Cd-free buffer layers
KR20140109530A (en) * 2013-02-27 2014-09-16 한국전자통신연구원 A thin film solar cell
KR101439240B1 (en) * 2013-04-03 2014-09-16 한국에너지기술연구원 Fabrication Method of Thin Absorber Layer of Solar Cell at Low Temperature.
KR20190053687A (en) * 2017-11-10 2019-05-20 재단법인대구경북과학기술원 Thin film solar cell and method for manufacturing thin film solar cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101210110B1 (en) * 2011-10-20 2012-12-07 엘지이노텍 주식회사 Solar cell and method of fabricating the same
KR101439992B1 (en) * 2012-12-21 2014-09-16 한국과학기술원 Method to enhance the fill factor of CIGS thin film solar cells using Cd-free buffer layers
KR20140109530A (en) * 2013-02-27 2014-09-16 한국전자통신연구원 A thin film solar cell
KR101439240B1 (en) * 2013-04-03 2014-09-16 한국에너지기술연구원 Fabrication Method of Thin Absorber Layer of Solar Cell at Low Temperature.
KR20190053687A (en) * 2017-11-10 2019-05-20 재단법인대구경북과학기술원 Thin film solar cell and method for manufacturing thin film solar cell

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