KR20110001734A - 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제1 CBD 공정(Chemial Bath Deposition)에 의하여 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 제2 CBD 공정에 의하여 고저항 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 고저항 버퍼층 상에 제3 CBD 공정에 의하여 전면전극층을 포함하는 것으로, 상기 태양전지를 이루는 각층의 계면특성이 향상될 수 있다.
태양전지, 계면
Description
실시예는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
상기 태양전지를 이루는 각각의 층들은 서로 다른 공정을 통해 형성되어, 그 계면에 손상이 가해질 수 있다.
이러한 태양전지의 효율을 높이기 위해서, 각 층들의 전기적인 특성을 향상시키기 위한 연구들이 진행되고 있다.
실시예는 태양전지를 이루는 각층의 계면특성을 향상시킬 수 있는 태양전지 의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제1 CBD 공정(Chemial Bath Deposition)에 의하여 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 제2 CBD 공정에 의하여 고저항 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 고저항 버퍼층 상에 제3 CBD 공정에 의하여 전면전극층을 포함한다.
실시예에 의하면, 태양전지 셀의 광 흡수층 상부의 버퍼층, 고저항 버퍼층 및 전면전극층이 CBD(화학적 용액 성장법) 공정에 의하여 형성될 수 있다.
즉, 상기 버퍼층, 고저항 버퍼층 및 전면전극층이 치밀한 막질을 가질 수 있게 된다.
상기 버퍼층, 고저항 버퍼층 및 전면전극층이 CBD 공정에 의하여 형성되므로 공정을 단순화 시키고, 하부막이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 전면전극층은 격자 불일치에 의한 원자 치환(atom displacement)이 최소화되고, 플랫(flat)한 표면을 가질 수 있게 된다
이에 따라, 각층에서의 계면스트레스를 방지하여, 태양전지의 효율을 향상시 킬 수 있다.
또한, 각 층에서의 밀착력을 확보할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층, 고저항 버퍼층 및 전면전극층이 모두 플랫한 계면을 가지므로, 경계면에서의 캐리어 재결합(carrier recombination)을 방지하여 각층을 이루는 입자들이 다른 층으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막, 그레인(grain) 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 그레인(grain) 또는 전극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하여, 기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다.
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다. 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있다 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다.
상기 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 금속등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 500~1000nm의 두께를 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
상기 후면전극층(200)인 몰리브덴(Mo) 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야하고, 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 기판(100)에의 점착성이 뛰어나야 한다.
한편, 상기 후면전극층(200)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고, 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수도 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 상기 후면전극층(200)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 상기 후면전극층(200)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극층(200)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 1000~2500nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극층(200) 상에 CIG계 금속 프리커서(precursor)막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(300)이 형성된다.
또한, 상기 금속 프리커서막을 형성하는 공정 및 셀레니제이션 공정 동안에, 상기 기판(100)에 포함된 알칼리(alkali) 성분이 상기 후면전극층(200)을 통해서, 상기 금속 프리커서막 및 상기 광 흡수층(300)에 확산될 수도 있다.
알칼리(alkali) 성분은 상기 광 흡수층(300)의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)은 구리,인듐,갈륨,셀레나이드(Cu, In, Ga, Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.
상기 광 흡수층(300)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(300)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
도 3을 참조하여, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다.
상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 제1 CBD(Chemical Bath Deposition:화학적 용액 성장법) 공정에 의하여 약 50~100nm의 두께로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴 물질을 포함하는 제1 케미컬이 담긴 제1 베스(bath)에 상기 광 흡수층(300)이 형성된 기판(100)을 담그고 교반시킴으로써 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)이 제1 CBD 공정에 의하여 형성되므로, 균일한 격자구조의 그레인(grain)들로 성장될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 버퍼층(400)은 pn 접합을 형성할 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 투명전극층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(500)은 ITO, ZnO, i-ZnO 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 제2 CBD(Chemical Bath Deposition:화학적 용액 성장법) 공정에 의하여 약 50~100nm의 두께로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 CBD 공정은 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zinc Acetate dihydrate) 및 아세틱 애시드 솔벤트(Adetic acid sovent)가 혼합된 제2 케미컬이 담긴 제2 베스에 상기 버퍼층(400)이 형성된 기판(100)을 담근다.
이때, 상기 제2 케미컬은 물과 혼합되어 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 케미컬과 물의 혼합비율은 75:25일 수 있다. 또한, 상기 제2 베스의 온도는 80℃±20으로 유지될 수 있다.
그리고, 상기 제2 케미컬을 약 5~15분 동안 교반(stirrer)시켜서 상기 버퍼층(400) 상에 i-ZnO(intrinsic ZnO)층을 성장시킬 수 있다.
상기 제2 CBD 공정에 의하여 형성된 상기 고저항 버퍼층(500)은 격자구조가 균일하고, 조밀한 막 형태로 형성될 수 있다.
이에 따라 상기 고저항 버퍼층(500)은 격자 불일치에 의한 원자 치환(atom displacement)가 최소화되고, 플랫(flat)한 표면을 가질 수 있게 된다.
또한, 상기 버퍼층(400)과 동일한 CBD 공정에 의하여 형성되므로 상기 버퍼층(400)의 계면이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 고저항 버퍼층(500)과 상기 버퍼층(400)의 밀착력이 향상될 수 있다.
상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성된 전면전극층의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드갭의 차이가 크기 때문에, 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 전면전극층(600)이 형성된다.
상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 형성될 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga)등의 불순물을 포함하는 아연계 산화물 또는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성될 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 제3 CBD(Chemical Bath Deposition:화학적 용액 성장법) 공정에 의하여 약 300~1000nm의 두께로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제3 CBD 공정은 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zinc Acetate dihydrate), 알루미늄 아세테이트 디하이드레이트(Aluminum Acetate dihydrate) 및 아세틱 애시드 솔벤트(Adetic acid sovent)가 혼합된 제3 케미컬이 담긴 제3 베스에 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된 기판(100)을 담근다.
이때, 상기 제3 케미컬은 물과 혼합되어 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 케미컬과 물의 혼합비율은 75:25일 수 있다. 또한, 상기 제3 베스의 온도는 90℃±20로 유지될 수 있다.
그리고, 상기 제3 케미컬을 약 20~50분 동안 교반(stirrer)시켜서 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 알루미늄 도핑된 산화아연(Al doped ZnO)층을 성장시킬 수 있다.
상기 제3 CBD 공정에 의하여 형성된 상기 전면전극층(600)은 격자구조가 균 일하고, 조밀한 막 형태로 형성될 수 있다.
이에 따라 상기 전면전극층(600)은 격자 불일치에 의한 원자 치환(atom displacement)이 최소화되고, 플랫(flat)한 표면을 가질 수 있게 된다.
또한, 상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층과 동일한 CBD 공정에 의하여 형성되므로 상기 고저항 버퍼층(500)의 계면이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 전면전극층(600)과 상기 고저항 버퍼층(500)의 밀착력이 향상될 수 있다.
상기 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)이 CBD 공정에 의하여 형성되므로, 별도의 진공장비가 생략되고 공정을 단순화 시킬 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)이 모두 플랫한 계면을 가지므로, 경계면에서의 캐리어 재결합(carrier recombination)을 방지하여 각층을 이루는 입자들이 다른 층으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 도시한 단면도이다.
Claims (6)
- 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;상기 광 흡수층 상에 제1 CBD 공정(Chemial Bath Deposition)에 의하여 버퍼층을 형성하는 단계;상기 버퍼층 상에 제2 CBD 공정에 의하여 고저항 버퍼층을 형성하는 단계; 및상기 고저항 버퍼층 상에 제3 CBD 공정에 의하여 전면전극층을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 고저항 버퍼층은 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zinc Acetate dihydrate) 및 아세틱 애시드 솔벤트(Adetic acid sovent)의 혼합 케미컬을 이용한 제1 CBD 공정에 의하여 성장되는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 전면전극층은 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zinc Acetate dihydrate), 알루미늄 아세테이트 디하이드레이트(Aluminum Acetate dihydrate) 및 아세틱 애시드 솔벤트(Adetic acid sovent)의 혼합 케미컬을 이용한 제2 CBD 공정 에 의하여 성장되는 태양전지의 제조방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 혼합 케미컬은 물에 희석되고, 상기 혼합 케미컬과 물은 75:25의 비율로 혼합되는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1 CBD 공정, 제2 CBD 공정 및 제3 CBD 공정은 60~100℃의 온도에서 진행되는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 버퍼층, 고저항 버퍼층 및 전면전극층의 각 그레인들은 균일한 사이즈로 형성되는 태양전지의 제조방법.
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