KR20100098008A - 태양전지 - Google Patents

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KR20100098008A
KR20100098008A KR1020090016955A KR20090016955A KR20100098008A KR 20100098008 A KR20100098008 A KR 20100098008A KR 1020090016955 A KR1020090016955 A KR 1020090016955A KR 20090016955 A KR20090016955 A KR 20090016955A KR 20100098008 A KR20100098008 A KR 20100098008A
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이우수
이병주
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Abstract

태양전지가 제공된다. 태양전지는, 기판, 기판 상에 형성되고, 몰리브덴(Mo)을 포함하는 배면 전극층, 배면 전극층 상에 형성되고 실리콘(Si)을 포함하는 보호층, 보호층 상에 형성되고, 구리(Cu)와, 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질과, 셀레늄(Se)을 포함하는 광흡수층 및 광흡수층 상에 형성된 투명 전극층을 포함한다.
배면 전극층, 밴드갭 에너지, 몰리브덴, 실리콘

Description

태양전지{Solar cell}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 효율이 향상된 태양전지에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자이다. 일반적으로 반도체의 p-n접합으로 만들어진다. 태양전지에 반도체의 밴드갭 에너지(Band-gap Energy; Eg)보다 큰 에너지를 가진 태양빛이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 p-n 접합부 간에 기전력이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
최근 들어 온실 가스 배출 및 화석연료의 공급 불안정 문제로 인하여, 무한정의 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양전지에 대한 관심이 급증하고 있다. 다만, 태양전지의 낮은 광전 변환 효율은 개선되어야 할 과제이다.
종래 태양전지의 경우, 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여, 광흡수층 을 고온에서 열처리하는 시도가 이루어 졌다. 그러나 고온에서 열처리할 경우, 배면 전극층과 광흡수층을 형성하는 물질간에 부반응이 발생하여, 배면 전극층과 기판 간의 부착성이 저하될 수 있어, 태양전지의 안정성이 저하되었다.
또한, 부반응에 의해 생성되는 물질은 배면 전극층에 대비해 부피가 3-4배 정도 커지는 현상이 발생하여, 배면 전극층과 광흡수층 간의 저항을 증가시켜 태양전지의 효율이 저하되었다.
이러한 현상을 해결하기 위하여, 온도에 민감한 부반응의 발생을 최소로 하기 위해, 광흡수층의 형성 시, 온도를 낮추어 열처리를 하였으나, 이럴 경우 형성된 광흡수층의 특성이 저하되었고, 이에 의해, 태양전지의 효율이 전반적으로 저하되는 문제가 발생하였다. 또한, 이러한 방법으로도 자연스럽게 발생되는 부반응을 독립적으로 제어하기가 어려워 부반응의 발생을 방지하는 것이 어려웠다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배면 전극층과 광흡수층을 형성하는 물질간의 부반응을 방지하여, 광전 변환 효율이 향상되고 안정성이 확보된 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, 기판, 상기 기판 상에 형성되고, 몰리브덴(Mo)을 포함하는 배면 전극층, 상기 배면 전극층 상에 형성되고 실리콘(Si)을 포함하는 보호층, 상기 보호층 상에 형성되고, 구리(Cu)와, 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질과, 셀레늄(Se)을 포함하는 광흡수층 및 상기 광흡수층 상에 형성된 투명 전극층을 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 단면도이고, 도 2는 제1 실시예의 제1 변형예에 따른 태양전지의 단면도이고, 도 3은 도 2의 태양전지의 밴드갭(band gap) 에너지의 다이어그램(diagram)이고, 도 4는 제1 실시예의 제2 변형예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지는 기판(10), 배면 전극층(20), 보호층(30), 광흡수층(44), 투명 전극층(50)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 태양전지의 베이스로써, 일반적으로 절연성이 있는 유리가 사용될 수 있다. 특히, 소다회(sodalime) 유리가 사용될 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. 소다회 유리에 함유된 나트륨(Na)은 태양전지의 제조 중에 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 화합물(이하, 'CIGS' 라 한다.)로 형성된 광흡수층(44)으로 확산될 수 있다. 나트륨(Na)의 확산에 의해, CIGS로 형성된 광흡수층(44)의 전하 농도가 증가될 수 있고, 이에 의해, 태양전지의 광전 변환 효율이 증가될 수 있다. 따라서, 광전 변환 효율의 증가 측면에서, 제1 실시예에 따른 태양전지의 기판(10)으로 소다회(sodalime) 유리가 사용되는 것이 유리하다. 이외에, 기판(10)은 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등의 재질이 사용될 수 있다.
배면 전극층(20)은 태양전지 중 광흡수층(44)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 배면 전극층(20)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 배면 전극층(20)은 광흡수층(44)을 형성하는 CIGS 화합물과 접촉되므로, p-형 반도체인 CIGS 화합물과 배면 금속층(20) 간에 접촉 저항치가 작은 저항성 접촉(ohmic contact)이 되어야 한다. 또한, 배면 전극층(20)은 CIGS 화합물 형성 시 수반되는 셀레늄(Se)을 포함한 반응 가스 분위기에서 열처리할 때, 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 배면 전극층(20)은 열팽창 계수의 차이로 인한 기판(10)으로부터의 박리현상이 발생되지 않도록 기판(10)에의 접착성이 우수하여야 한다.
이러한 특성을 전반적으로 갖춘 물질로는 몰리브덴(20)이 있다. 따라서, 상술한 배면 전극층(20)의 특성에 부합되도록, 제1 실시예에 따른 태양전지의 배면 전극층(20)은 몰리브덴(Mo)으로 형성된다.
보호층(30)은 배면 전극층(20) 상에 형성된다. 보호층(30)은 후술할 광흡수층(44)의 형성 시 사용되는 셀레늄(Se)과 배면 전극층(20)을 형성하는 몰리브덴(Mo) 간의 부반응을 억제한다. 즉, 셀레늄(Se)이 배면 전극층(20)으로 확산되는 것을 방지한다. 또한, 보호층(30)은 광흡수층(44)을 이루는 CIGS와 접촉면에서 포텐셜을 형성하여, 광흡수층(40)에서 생성된 전자(electron) 및 정공(hole)이 수집되는 효율을 증가시킬 수 있다.
보호층(30)은 실리콘(Si)으로 형성될 수 있다. 보호층(30)을 형성하는 실리콘(Si)은 비정질 실리콘(amorphous silicone) 또는 다결정 실리콘(poly silicone)이다.
보호층(30)을 형성하는 실리콘은 3족 원소인 붕소(B), 알루미늄(Al) 등을 도 펀트(dopant)로 하여 도핑된다. 이에 의해 보호층(30)은 p-형 반도체의 성질을 갖는다. 보호층(30)을 p-형 반도체로 형성하는 이유는 다음과 같다.
제1 실시예에 따른 태양전지의 광흡수층(44)은 CIGS 화합물로 형성되므로 일반적으로 p-형 반도체의 특성을 갖는다. 또한, 후술할 투명 전극층(50) 또는 제2 버퍼층(도 4의 45참조)은 n-형 반도체의 성질을 갖는다. 따라서, 광흡수층(44)과 투명 전극층(50) 또는 제2 버퍼층(도 4의 45참조)의 접합에 의해, 광흡수층(44)과 투명 전극층(50) 또는 제2 버퍼층(도 4의 45참조)은 전체적으로 p-n접합을 이룬다. 이에 의해, 광흡수층(44)에서 태양광을 흡수하여 생성된 전자(electron)와 정공(hole)은 각각 일 방향으로 이동할 수 있다. 즉, 광흡수층(44)에서 태양광을 흡수하여 생성된 전자(electron)과 정공(hole)은 각각 투명 전극층(50)과 배면 전극층(20)으로 이동한다. 이때, 배면 전극층과 광흡수층 사이에 위치하는 보호층(30)이 n-형 반도체라면, 전체적으로 n-p-n의 접합을 이루게 되므로, 광흡수층(44)에서 태양광을 흡수하여 생성된 전자(electron)와 정공(hole)의 이동이 원활하지 않게 된다. 이에 의해, 태양전지의 전체적인 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 제1 실시예에 의한 태양전지가 전체적으로 p-n접합을 유지하고, 태양전지의 효율이 저하되는 것을 방지하기 위하여 보호층(30)의 실리콘(Si)은 p-형 반도체로 형성될 수 있다.
이와 달리, 보호층(30)의 실리콘(Si)은 진성(intrinsic) 반도체로도 형성될 수 있다. 이에 의해, 보호층(30)의 실리콘은 금속성을 갖는 정공(hole)의 이동 통로가 될 수 있고, 제1 실시예에 따른 태양전지는 전체적으로 p-n접합을 유지할 수 있다.
보호층(30)은 광흡수층(44)의 두께에 대해 0.005 내지 0.2의 비로 형성된다. 예를 들어, 광흡수층(44)의 두께가 1 내지 2㎛로 형성되는 경우, 보호층(30)의 두께는 10 내지 200㎚로 형성될 수 있다. 이때, 광흡수층(44)의 두께에 대한 보호층(30)의 두께비가 0.005미만이면, 광흡수층(44) 형성 시 사용되는 셀레늄(Se)이 보호층(30)을 용이하게 투과할 수 있어, 배면 전극층(20)의 몰리브덴(Mo)과 셀레늄(Se)의 부반응을 억제할 수 없다. 이에 의해 MoSe2가 생성될 수 있어, 태양전지의 효율 및 안정성 측면에서 바람직하지 않다. 한편, 광흡수층(44)의 두께에 대한 보호층(30)의 두께비가 0.2를 초과하면, 광흡수층(44)에서 생성된 정공(hole)이 배면 전극층(20)으로 이동하는 경로가 증가됨에 다라 저항이 증가될 수 있어, 태양전지의 효율 측면에서 바람직하지 않다.
보호층(30)은 1.2 내지 1.8eV의 밴드갭 에너지(band gap energy; Eg)를 갖는다. 보호층(30)의 밴드갭 에너지(Eg)가 1.2eV 미만이면, 광흡수층(44)과의 접촉에 의한 포텐셜이 형성되지 않을 수 있어, 전자나 정공에 대한 집광 효율이 저하될 수 있다. 한편, 보호층(30)의 밴드갭 에너지(Eg)가 1.8eV를 초과하면, 정공(hole) 등이 배면 전극층(20)으로 이동하기 어려워, 태양전지의 효율이 오히려 저하될 수 있다.
광흡수층(44)은 보호층(30)상에 형성된다. 광흡수층(44)은 구리(Cu)와, 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질과, 셀레 늄(Se)을 포함하는 화합물로 형성된다. 이에 따라, 제1 실시예에 따른 광흡수층(44)은 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 사원 화합물, 또는 구리(Cu)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se) 및 구리(Cu)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 삼원 화합물에서 선택되는 어느 하나일수 있다. 이하에서는, 사원 화합물을 중심으로 광흡수층(44)을 설명한다.
사원 화합물로 형성된 광흡수층(44)은 Cu(GaxIn1 -x)Se2의 화학식을 갖는다. 여기서, Cu(GaxIn1-x)Se2 화합물의 결정 격자 구조는 인듐(In)의 일부를 갈륨(Ga)이 대체하는 구조를 갖는다.
이러한 CIGS를 칼코파이라이트(Chalcopyrite)계 화합물이라고 하며, p형 반도체의 성질을 갖는다. CIGS 화합물 반도체는 직접 천이형 밴드갭 에너지를 갖는다. 또한, 광 흡수계수가 1x105㎝-1로 반도체 중에서 가장 높아 수㎛ 두께의 박막으로도 고효율 태양전지의 제조가 가능하다. 또한, CIGS는 화학적으로 매우 안정하여, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수하다.
투명 전극층(50)은 광흡수층(44) 상에 형성된다. 투명 전극층(50)은 태양빛이 광흡수층(30)으로 투과될 수 있도록 광 투과율이 높은 물질로 형성된다. 또한, 전극층으로 기능할 수 있도록 저항이 낮은 전도성 물질로 형성된다. 이러한 투명 전극층(50)을 형성하는 물질로는 산화아연(ZnO)이나 산화인듐주석(ITO; Indium Tin Oxide)등이 있다. 산화아연(ZnO)은 전도성 물질로써, 밴드갭 에너지가 3.3eV이고, 약 80 % 이상의 높은 광 투과도를 갖는다. 또한, n-형의 반도체 특성을 갖는다. 따 라서, 광흡수층(44)과 투명 전극층(50)은 p-n접합을 이룬다.
한편, 산화아연(ZnO) 또는 산화인듐주석(ITO; Indium Tin Oxide)의 전기 전도성을 증가시키기 위하여 산화아연(ZnO)에 붕소(B) 또는 알루미늄(Al)을 도핑한다. 붕소(B) 또는 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(ZnO)은 저항치가 10-4 Ω*㎝이하의 값을 가져 전극으로 사용되기에 적합하다. 특히, 붕소(B)가 도핑된 산화아연(ZnO)은 근적외선 영역의 광 투과도를 증가시켜 태양전지의 단락 전류를 증가시키는 효과가 있다.
도시하지는 않았지만, 투명 전극층(50) 상에 추가적으로 반사 방지막(70)이 형성될 수 있다. 투명 전극층(50) 상에 반사 방지막(70)을 형성하여, 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄일 수 있다. 이에 의해, 태양전지의 효율이 향상될 수 있다. 반사 방지막(70)은 MgF2로 형성될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예의 제1 변형예에 따른 태양전지를 설명한다. 설명의 편의상, 상기 제1 실시예의 도면에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략한다. 제1 변형예에 따른 태양전지는 다음을 제외하고, 제1 실시예에 따른 태양전지와 기본적으로 동일한 구조를 갖는다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 변형예에 따른 태양전지는 보호층(30)과 배면 전극층(20) 사이에 제1 버퍼층(25)이 형성되어 있다.
제1 버퍼층(25)은 보호층(30)과 배면 전극층(20) 사이에 형성되어 보호층(30)과 배면 전극층(20) 간의 저항성 접촉(ohmic contact)을 형성한다. 이에 의 해, 광흡수층(44)에서 생성된 정공(hole)이 보호층(30)을 통과하여 배면 전극층(20)으로 손실 없이 이동할 수 있다. 이에 의해, 태양전지의 개방전압(Voc)이 강하되는 것을 방지할 수 있어, 태양전지의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제1 버퍼층(25)은 보호층(30)과 배면 전극층(20) 사이의 부착력(adhesion)을 증가시켜, 보호층(30)과 배면 전극층(20) 간의 벗겨짐(peeling)을 방지한다. 즉, 태양전지의 안정성이 향상될 수 있다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 또는 제1 변형예에 따른 태양전지의 밴드갭 에너지(Eg)에 대하여 설명한다.
Ev는 가전자대 에너지 밴드를 나타내는 것이고, Ec는 전도대 에너지 밴드를 나타내는 것이다. 밴드갭 에너지(Eg)는 전도대 에너지 밴드(Ec)와 가전자대 에너지 밴드(Ev)간의 에너지 갭을 나타낸다.
일반적으로, 배면 전극층(20) 부근에서 밴드갭 에너지(Eg)가 크면, 광흡수층 내의 전자와 정공이 재결합(recombination) 되는 것이 방지되어 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 배면 전극층(20) 부근에서 밴드갭 에너지(Eg)가 크면, 태양전지의 개방전압(Voc)이 커지고, 태양전지의 효율이 향상된다.
여기서, 개방 전압(Voc)은 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때, 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다. 이는 태양전지로부터 얻을 수 있는 최대 전압이다. 일반적으로, 개방 전압(Voc)은 개방 회로(open circuit)의 전류가 단락 회로(short circuit)의 전류보다 현저하게 작을 경우 입사광의 세기에 비례한 다. 또한, p-n 접합(junction)이 잘 형성되면, 금지대폭이 큰 반도체일수록 개방 전압(Voc)이 커진다. 또한, 밴드갭 에너지(Eg)가 커지면 개방(open) 상태에서 전류가 감소하기 때문에, 개방 전압(Voc)이 증가한다.
따라서, 광흡수층(44)과 배면 전극층(20)의 계면에서 밴드갭 에너지(Eg)를 크게 하면, 재결합을 방지하고 개방전압(Voc)이 커져 전체적으로 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예 또는 제1 변형예에 따른 태양전지는 배면 전극층(20)과 광흡수층(44) 사이에 보호층(30) 또는 제1 버퍼층(25)이 위치한다. 이에 의한, 태양전지의 밴드갭 에너지(Eg)에 대해 설명한다.
도 3의 "1"로 도시된 부분은 다음과 같다. 일반적으로 광흡수층(44)인 CIGS는 갈륨(Ga)의 농도에 따라 대략 1 내지 1.7eV의 밴드갭 에너지를 갖는다. 다만, CIGS는 갈륨(Ga)과 인듐(In) 농도의 합에 대한 갈륨(Ga)의 농도(=[Ga]/([Ga+In]))가 대략 20 내지 30%일 때, 가장 우수한 효율을 나타낸다. 이때의 CIGS의 밴드갭 에너지(Eg)는 대략 1.2eV이다.
한편, 보호층(30)은 실리콘(Si)으로 형성되며, 실리콘(Si)의 밴드갭 에너지는 1.7eV이다. 따라서, 보호층(30)과 광흡수층(44)의 계면에서는 보호층(30)의 밴드갭 에너지(Eg)와 광흡수층(44)의 밴드갭 에너지(Eg)의 차이에 상당하는 0.5eV의 포텐셜(Vbi)이 형성된다. 또한, 광흡수층(44)에 비해 더 큰 밴드갭 에너지(Eg)를 갖는 보호층(30)은 광흡수층(44)에 대해 네가티브(negative) 성질을 나타내며, 광흡수층(44)은 보호층(30)에 대해 포지티브(positive)의 성질을 갖는다. 이에 의해, 태양광을 흡수하여 여기된 전자는 보호층(30)과 광흡수층(44)에 형성된 포텐셜(0.5eV)과 상술한 보호층(30)과 광흡수층(44)의 성질에 의해 보호층(30)으로부터 투명 전극층(50)의 방향으로 용이하게 이동(drift)될 수 있다.
따라서, 제1 실시예 또는 제1 변형예에 의할 경우, 광흡수층(44)과 배면 전극층(20) 사이에 보호층(30) 및 제1 버퍼층(25)을 형성함으로써, 내부 전기장이 형성될 수 있고 이에 의해 광흡수층(44)에서 생성된 전하가 전극에서 효과적으로 수집될 수 있다. 즉, 향상된 BSF(Back Surface Field)효과가 생기며, 전체적으로 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
도 3의 "2"로 도시된 부분은 다음과 같다. 상술한 바와 같이, 보호층(30)과 광흡수층(44)의 계면에 형성된 포텐셜(0.5eV)과 보호층(30)과 광흡수층(44)의 성질에 의해, 광흡수층(44)에서 생성된 정공(hole)은 배면 전극층(20) 방향으로 이동한다. 따라서, 제1 실시예 또는 제1 변형예에 의할 경우, 배면 전극층(20)에서 정공(hole)을 효과적으로 수집할 수 있다. 이에 의해, 태양전지의 전체적인 효율이 증가하게 된다.
도 3의 "3"으로 도시된 부분은 다음과 같다. CIGS를 형성하기 위해서는 고온 열처리를 하여야 한다. 고온 열처리를 하는 과정에서, 배면 전극층(20)의 몰리브덴(Mo)과 보호층(30)의 실리콘이 반응하여 MoSi2가 형성된다. 즉, 제1 버퍼층(25)이 형성된다.
상술한 바와 같이, MoSi2는 보호층(30)과 배면 전극층(20) 사이의 부착 력(adhesion)을 증가시킨다. 또한, 보호층(30)과 배면 전극층(20) 간의 저항성 접촉(ohmic contact)을 형성한다. 이에 의해, 태양전지의 안정성이 향상되고, 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
도 3의 "4"로 도시된 부분은 다음과 같다. 배면 전극층(20)의 몰리브덴(Mo) 또는 제1 버퍼층(25)의 MoSi2와 보호층(30)의 실리콘(Si)의 계면에는 전도대 베리어(conduction band barrier)가 형성된다. 이에 의해, 배면 전극층(20)의 몰리브덴(Mo) 또는 제1 버퍼층(25)의 MoSi2로부터 유입되는 전자와 광흡수층(44)에서 생성되어 배면 전극층(20)으로 이동하는 정공(hole)간의 재결합(recombination)이 방지된다. 따라서, 태양전지의 효율 저하의 주요한 요인인 재결합(recombination)이 방지되어, 전체적으로 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
한편, 상술한 내용은 후술할 제2 변형예에 의한 태양전지의 밴드갭 에너지에도 동시에 적용될 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예의 제2 변형예에 따른 태양전지를 설명한다. 설명의 편의상, 상기 제1 실시예의 도면에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략한다. 제2 변형예에 따른 태양전지는 다음을 제외하고, 제1 실시예에 따른 태양전지와 기본적으로 동일한 구조를 갖는다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 변형예에 따른 태양전지는 광흡수층(44)과 투명 전극층(50) 사이에 제2 버퍼층(45)이 형성되어 있다.
상술한 바와 같이, CIGS를 광흡수층(44)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS와 n형 반도체인 투명 전극층(50)인 산화아연(ZnO) 간에 p-n 접합을 형성한다. 그러나 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 p-n접합을 형성하기 어렵다. 따라서, 양호한 p-n접합을 형성하기 위해, 광흡수층(44)의 CIGS보다는 크고, 투명 전극층(50)의 산화아연(ZnO) 보다는 작은 밴드갭 에너지를 갖는 물질로 형성된 제2 버퍼층을 형성하는 것이 필요하다.
이러한 제2 버퍼층(40)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있다. CdS, ZnS는 n형 반도체이다 또한, 이들 물질에 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑하여 낮은 저항값을 갖도록 할 수 있다.
이하, 도 5 내지 11을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명한다. 도 5 내지 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 태양전지를 형성하는 챔버(100) 내의 지지대(110) 상에 태양전지의 베이스가 되는 기판(10)을 제공한다. 기판(10) 유리, 세라믹, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 재질 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 유리가 사용되는 경우라면, 상술한 바와 같이, 소다회(sodalime) 유리가 사용되는 것이 좋다.
계속해서, 기판(10) 상에 배면 전극층(20)을 형성한다. 배면 전극층(20)은 상술한 배면 전극층(20)이 갖출 조건에 부합되는 물질인 몰리브덴(Mo)으로 형성된다. 배면 전극층(20)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 하는 DC 스퍼터링(sputtering)의 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법으로도 형성될 수 있다.
계속해서, 도 6을 참조하면, 배면 전극층(20) 상에 보호층(30)이 형성된다. 보호층(30)은 실리콘(Si)으로 형성된다. 이때, 보호층(30)은 수소화 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다. 이러한 비정질 실리콘은 SiH4, SiH2Cl2 또는 SiH2F2 등의 실리콘을 함유하는 가스와 수소의 혼합 가스를 사용하여 형성된다. 이와 달리, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법을 통해 다결정 실리콘을 배면 전극층(20) 상에 적층하여, 보호층(30)을 형성할 수도 있다.
계속해서, 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 보호층(30)을 형성한 후에, 3족 원소인 붕소(B), 알루미늄(Al) 등을 도펀트(dopant)로 사용하는 이온 도핑공정을 수행하여, p-형 반도체로 형성할 수 있다. 보호층(30)에서 도펀트의 도핑 농도가 증가될 경우, 보호층(30)과 광흡수층(44)의 계면에 형성된 포텐셜 기울기가 증가될 수 있다.
계속해서, 도 7을 참조하면, 보호층(30) 상에 구리(Cu)와, 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 그룹에서 선택된 하나의 물질을 포함하는 제1 전구체층(41)을 형성한다.
제1 전구체층(41)은 구리(Cu), 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)을 각각 타겟물질로 하여 스퍼터링(sputtering)하는 방법에 의해 형성될 수 있다. 또는 구리(Cu)-갈륨(Ga) 합금이나 구리(Cu)-인듐(In) 합금을 타겟 물질로 사용할 수도 있다. 이에 의해, 제1 전구체층(41)은 구리(Cu)-갈륨(Ga) 또는 구리(Cu)-인듐(Cu)을 포함한다.
계속해서, 도 8을 참조하면, 제1 전구체(41) 상에 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 그룹에서 선택된 하나의 물질을 포함하는 제2 전구체층(43)을 형성한다. 제1 전구체층(41)이 구리(Cu)-갈륨(Ga)을 포함하면, 제2 전구체층(43)은 인듐(In)으로 형성될 수 있다. 이와 달리, 제1 전구체층(41)이 구리(Cu)-인듐(In)을 포함하면, 제2 전구체층(43)은 갈륨(Ga)으로 형성될 수 있다. 제2 전구체는 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)을 타겟 물질로 하여 스퍼터링(sputtering)하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
계속해서, 도 9 및 도 10을 참조하면, 제1 전구체(41), 제2 전구체(43)가 셀레늄(Se)을 포함하는 반응 가스(60)에 의해 열처리된다. 열처리를 위하여 챔버(100) 내를 진공으로 만든다.
이후, 셀레늄(Se)을 포함하는 반응 가스(60)를 챔버(100) 내로 주입한다. 여기서, 셀레늄(Se)을 포함하는 반응 가스(60)는 H2Se나, 셀레늄(Se)의 증기가 이용될 수 있다. 반응 가스(60) 주입시, 챔버(100) 내의 압력을 조절하기 위하여 불활성 가스를 함께 주입시킬 수 있다. 불활성 가스로는 아르곤(Ar)이나, 질소(N2)등이 사용될 수 있다. 이때, 반응 가스(60)는 불활성 가스 100%의 유량에 대해 5 내지 20%의 유량비로 주입시킨다.
열처리는 형성되는 CIGS 내의 전하 이동도 및 태양전지의 전체 효율과 기판의 열적 변형을 고려하여 400 내지 600℃의 온도가 유지되는 챔버(100) 내에서 수행된다. 또한, 열처리는 CIGS 화합물 형성에 필요한 공정상의 잠복기와 CIGS 화합 물의 결정 격자에서 갈륨(Ga)의 위치 편재 불균일에 기인한 태양전지의 성능 저하를 고려할 때, 10 내지 60분 동안 수행된다.
상술한 열처리에 의하여, 제1 전구체(41), 제2 전구체(43) 및 셀레늄(Se)간의 결합에 의해 칼코파이라이트(Chalcopyrite)계 결정 구조를 갖는 CIGS 화합물이 형성된다.
한편, 열처리시 챔버(100)내에 주입된 셀레늄(Se)은 제1 전구체(41)와 제2 전구체(43)로 확산되지만, 보호층(30)에 의해 배면 전극층(20)으로 확산되지 않는다. 이에 의해, 배면 전극층(20)의 몰리브덴(Mo)과 셀레늄(Se)이 접촉되지 않아, 몰리브덴(Mo)과 셀레늄(Se)의 반응에 의한 MoSe2가 생성되지 않는다.
일반적으로, CIGS 형성 시 셀레늄(Se)과 몰리브덴(Mo)의 반응에 의해 생성되는 MoSe2는 기판과 태양전지 간에 부착력을 저하시켜 벗겨짐(peeling) 현상을 유발할 수 있다. 이에 의해, 태양전지의 안정성을 저하시킬 수 있다. 또한, CIGS와 배면 전극층 사이에서 저항을 증가시켜, 필팩터(fill factor)를 감소킬 수 있다. 따라서, CIGS 형성시 MoSe2가 형성되는 것을 방지할 필요성이 있다.
그러나, MoSe2는 CIGS 형성시 고온 열처리 과정에서 자연스럽게 형성되는 것이므로, MoSe2의 형성을 방지하기 위해 독립적으로 제어하는 것은 공정상 매우 어렵다. 특히, CIGS의 막질을 향상시키기 위해서는 550℃이상의 고온 열처리가 필요하나, 550℃이상에서는 셀레늄(Se)이 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 보다 몰리브 덴(Mo)과 급격히 반응하므로 MoSe2가 더 급격히 형성된다. 이에 의해, MoSe2의 생성을 최소로 하고, CIGS를 양질의 결정성을 갖는 화합물로 형성하기 위하여, 양자간에 절충되는 온도를 선택하여 CIGS를 생성하기 위한 열처리를 하였다.
반면, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 배면 전극층(20) 상에 보호층(30)이 형성되어 있어, 셀레늄(Se)이 배면 전극층(20)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 셀레늄(Se)과 몰리브덴(Mo)이 접촉되는 것이 방지되어 셀레늄(Se)과 몰리브덴(Mo)의 반응에 의한 MoSe2의 형성이 방지될 수 있다. 따라서, 제2 실시예에 의할 경우, CIGS 형성을 위한 열처리 온도를 550℃이상으로 할 수 있어, 양질의 결정성을 갖는 CIGS를 형성할 수 있다.
한편, 보호층(30)이 비정질 실리콘으로 형성된 경우, CIGS를 형성하기 위한 열처리 과정에서 보호층(30)의 비정질 실리콘은 다결정 실리콘으로 결정화 될 수 있다. 이때, 제1 전구체(41)층에 포함된 구리(Cu)가 보호층(30)으로 확산될 수 있다. 보호층(30)으로 확산된 구리(Cu)는 보호층(30)의 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화 시키는 씨드(seed)로 기능할 수 있다. 즉, 비정질 실리콘으로 형성된 보호층(30)으로 구리(Cu)가 확산되어, 비정질 실리콘은 구리(Cu)가 씨드(seed)로 기능하는 금속 유도 결정화(Metal Induced Crystallization; MIC)법에 의해 결정화될 수 있다.
또한, CIGS를 형성하기 위한 열처리 과정에서, 제1 전구체(41) 또는 제2전구체(43)에 포함된 3족 원소인 갈륨(Ga)이나 인듐(In)이 보호층(30)으로 확산될 수 있다. 이에 의해, 열처리 과정에서 보호층(30)을 형성하는 실리콘은 p-형으로 도핑되는 효과가 생길 수 있다.
도 11을 참조하면, CIGS를 형성하기 위한 열처리 과정에서, 보호층(30)의 실리콘(Si)과 배면 전극층(20)의 몰리브덴(Mo)이 반응하여, 제1 버퍼층(25)이 형성될 수 있다. 상술한 열처리 조건에서 몰리브덴(Mo)과 실리콘(Si)은 자연스럽게 결합하여 MoSi2를 형성한다.
계속하여 도 10 또는 도 11의 광흡수층(44)상에 투명 전극층(50)을 형성한다.
투명 전극층(50)은 산화아연(ZnO)으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 투명 전극층(50)은 산화아연(ZnO) 타겟을 사용하는 RF 스퍼터링(sputtering)법, 아연(Zn) 타겟을 사용하는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)법 또는 유기금속화학증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)법 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이에 의해, 도 1 또는 도 2에 도시된 태양전지가 완성된다.
한편, 투명 전극층(50)을 형성하기 전에, 도 10 또는 도 11의 광흡수층(44) 상에 버퍼층(도 4의 45 참조)을 형성할 수 있다.
버퍼층(45)은 주로 CdS 물질을 사용하여 CBD(chemical bath deposition) 방법으로 형성된다. CdS 물질을 사용한 CBD법은 다음과 같다. 먼저, 용액 내에 적정량의 Cd2 +와 S2 - 이온을 만든다. 이후, 용액의 온도를 조절하여 각 이온 농도의 곱이 용액의 용해도 곱보다 큰 경우에 CdS의 형태로 석출시키는 방법이다. 이러한 방법 으로 버퍼층(40)을 대략 50nm정도의 두께로 성막한다. 이에 의해, 도 4에 도시된 태양전지가 완성된다.
추가적으로, 도 1, 도 2 및 도 4의 투명 전극층(50) 상에 반사 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 반사 방지막은 MgF2를 사용하여 전자 빔 증발 법으로 형성될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2는 제1 실시예의 제1 변형예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 3은 도 2의 태양전지의 밴드갭(band gap) 에너지의 다이어그램(diagram)이다.
도 4는 제1 실시예의 제2 변형예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 5 내지 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
10: 기판 20: 배면 전극층
25: 제1 버퍼층 30: 보호층
44: 광흡수층 45: 제2 버퍼층
50: 투명 전극층 100: 챔버
110: 지지대

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되고, 몰리브덴(Mo)을 포함하는 배면 전극층;
    상기 배면 전극층 상에 형성되고 실리콘(Si)을 포함하는 보호층;
    상기 보호층 상에 형성되고, 구리(Cu)와, 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질과, 셀레늄(Se)을 포함하는 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 상에 형성된 투명 전극층을 포함하는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘은 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘인 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 및 상기 다결정 실리콘은 i-형 또는 p-형으로 도핑된 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층의 두께에 대한 상기 보호층의 두께의 비는 0.005 내지 0.2인 태양전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광흡수층의 두께는 10 내지 200㎚인 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층의 밴드갭 에너지는 1.2 내지 1.8eV인 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층과 상기 배면 전극층 사이에 형성된 제1 버퍼층을 더 포함하는 태양전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층은 MoSi2인 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층과 상기 투명 전극층 사이에 형성된 제2 버퍼층을 더 포함하는 태양전지.
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