KR20120090395A - Solar cell apparatus and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.An embodiment relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.Recently, as the demand for energy increases, development of solar cells for converting solar energy into electrical energy is in progress.
특히, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 윈도우층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.In particular, a CIGS solar cell which is a pn heterojunction device having a substrate structure including a glass substrate, a metal back electrode layer, a p-type CIGS-based light absorbing layer, a high resistance buffer layer, an n-type window layer, and the like is widely used.
이러한 태양전지에 있어서 낮은 저항, 높은 투과율 등의 전기적인 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다.In such a solar cell, research is being conducted to improve electrical characteristics such as low resistance and high transmittance.
실시예는 카드뮴을 포함하지 않는 버퍼층을 형성하여 친환경 공법이 가능하고, 광 흡수층과 버퍼층의 계면에서 캐리어의 재결합을 감소시켜 광-전 변환 효율이 향상된 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.Embodiment is to provide a buffer layer that does not contain cadmium, environmentally friendly method is possible, and to reduce the recombination of the carrier at the interface between the light absorbing layer and the buffer layer to provide a photovoltaic conversion efficiency improved solar cell and its manufacturing method.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되고 ZnM1M2의 화학식을 갖는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;을 포함한다.Solar cell according to one embodiment includes a substrate; A back electrode layer disposed on the substrate; A light absorbing layer disposed on the back electrode layer; A buffer layer disposed on the light absorbing layer and having a chemical formula of ZnM1M2; And a window layer disposed on the buffer layer.
일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 기판 상에 이면전극층을 형성하는 단계; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 ZnM1M2의 화학식을 갖는 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함한다.A solar cell manufacturing method according to an embodiment includes forming a back electrode layer on a substrate; Forming a light absorbing layer on the back electrode layer; Forming a buffer layer having a chemical formula of ZnM1M2 on the light absorbing layer; And forming a window layer on the buffer layer.
CIGS 태양전지의 일반적인 버퍼층으로 사용되는 CdS는 유해 중금속인 Cd를 포함하고 있어 환경오염의 문제가 있다.CdS, which is used as a general buffer layer of CIGS solar cells, contains Cd, which is a harmful heavy metal, causing environmental pollution.
또한, 상기 Cd 외에 Zn 또는 In을 사용하는 경우 광 흡수층과의 격자상수의 차이로 인하여 P-N 접합면 사이의 부정합률이 높아질 수 있다. 이는 디펙(defect)으로 작용하여 광 흡수층과 버퍼층 사이의 계면에서 캐리어 재결합이 증가하여 광-전 변환효율이 감소할 수 있다. In addition, when Zn or In is used in addition to the Cd, a mismatch rate between P-N junction surfaces may increase due to a difference in lattice constant with the light absorbing layer. This acts as a defect, thereby increasing carrier recombination at the interface between the light absorbing layer and the buffer layer, thereby reducing the photoelectric conversion efficiency.
따라서 본 발명의 실시예에서는 Cd를 사용하지 않으면서도 격자상수를 조정하여 캐리어 재결합을 감소시키는 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.Therefore, an embodiment of the present invention provides a solar cell and a method for manufacturing the same, which reduce carrier recombination by adjusting the lattice constant without using Cd.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지 패널을 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.1 is a cross-sectional view showing a solar cell according to an embodiment.
2 to 5 are views illustrating a process of manufacturing the solar cell panel according to the embodiment.
실시예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 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.In the description of the embodiments, where each substrate, layer, film, or electrode is described as being formed "on" or "under" of each substrate, layer, film, or electrode, etc. , "On" and "under" include both "directly" or "indirectly" formed through other components. In addition, the upper or lower reference of each component is described with reference to the drawings. The size of each component in the drawings may be exaggerated for the sake of explanation and does not mean the size actually applied.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 태양전지 패널은 지지기판(100), 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 윈도우층(500)을 포함한다.1 is a cross-sectional view showing a solar cell according to an embodiment. Referring to FIG. 1, the solar cell panel includes a
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 배리어층(200), 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 윈도우층(500)을 지지한다.The
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 폴리머와 같은 플라스틱기판, 또는 금속기판일 수 있다. 이외에, 지지기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.The
상기 지지기판(100)으로 소다 라임 글래스가 사용되는 경우, 소다 라임 글래스에 함유된 나트륨(Na)이 태양전지의 제조공정 중에 CIGS로 형성된 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있는데, 이에 의해 광 흡수층(300)의 전하 농도가 증가하게 될 수 있다. 이는 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있는 요인이 될 수 있다.When soda lime glass is used as the
상기 지지기판(100) 상에는 이면전극층(200)이 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.The
또한, 상기 이면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 이면전극층(200)은 열팽창 계수의 차이로 인하여 상기 지지기판(100)과 박리현상이 발생되지 않도록 상기 지지기판(100)과 접착성이 우수하여야 한다.In addition, the
이러한 이면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고 상술한 이면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.The
상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.The
상기 이면전극층(200) 상에는 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1.1eV 내지 1.2eV일 수 있다.The light absorbing
상기 광 흡수층(300)이 CIGS인 경우, 격자상수는 약 0.575nm의 값을 가질 수 있다.When the
상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 배치된다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(500) 간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.The
상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 2.2eV 내지 2.5eV일 수 있다. 상기 버퍼층(400)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있고 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하나, Cd는 유해 중금속으로 환경오염의 문제가 있다.The energy bandgap of the
이를 개선하기 위해 Cd 대신에 Zn 또는 In을 단독으로 사용하는 경우, 상기 물질을 포함하는 버퍼층은 광 흡수층과의 격자상수의 차이가 크기 때문에 광 흡수층과 버퍼층의 계면에서 부정합률이 높아지게 되고, 이에 따라 캐리어의 재결합이 증가하게 된다. 이에 따라, 태양전지의 필팩터(FF) 및 광-전 변환효율이 감소하게 된다. In order to improve this, when Zn or In is used instead of Cd alone, the buffer layer including the material has a large lattice constant between the light absorbing layer and the mismatch rate at the interface between the light absorbing layer and the buffer layer. Recombination of carriers is increased. Accordingly, the fill factor (FF) and photoelectric conversion efficiency of the solar cell are reduced.
따라서 본 발명의 실시예에서는 이를 해소하기 위해 ZnM1M2의 화학식을 갖는 버퍼층(400)을 형성한다. 상기 화학식에서 M1은 금속물질, 예를 들어 Mn, Co 또는 Ca를 포함할 수 있고, M2는 Se 또는 S를 포함할 수 있다. 상기 화학식을 갖는 버퍼층(400)의 격자상수는 0.500nm 내지 0.610nm 범위일 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention to form a
상기 버퍼층(400)은 10nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다. The
상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.A high resistance buffer layer (not shown) may be disposed on the
상기 윈도우층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 윈도우층(500)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(500)의 저항은 상기 이면전극층(200)의 저항보다 높다.The
상기 윈도우층(500)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 윈도우층(500)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.The
또한, 상기 윈도우층(500)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.In addition, the
본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 따르면, Cd를 사용하지 않는 버퍼층을 형성하여 친환경공법이 가능하고, 격자상수를 조정하여 광 흡수층과 버퍼층과의 계면에서 캐리어 재결합을 감소시켜 광-전 변환효율이 향상된 태양전지 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
According to the solar cell according to the embodiment of the present invention, an environmentally friendly method is possible by forming a buffer layer that does not use Cd, and by adjusting the lattice constant, carrier recombination is reduced at the interface between the light absorbing layer and the buffer layer to reduce photoelectric conversion efficiency. This improved solar cell and its manufacturing method can be provided.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.2 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment. For a description of the present manufacturing method, refer to the description of the solar cell described above. The description of the solar cell described above may be essentially combined with the description of the present manufacturing method.
도 2를 참조하면, 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 형성된다. 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴을 사용하여 증착될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 2, the
또한, 상기 지지기판(100) 및 이면전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.In addition, an additional layer such as a diffusion barrier may be interposed between the
도 3을 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.Referring to FIG. 3, a
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.When the metal precursor film is formed and selenization is subdivided, a metal precursor film is formed on the
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.Thereafter, the metal precursor film is formed of a copper-indium-gallium-selenide-based (Cu (In, Ga) Se 2; CIGS-based) light absorbing
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.Alternatively, the copper target, the indium target, the sputtering process using the gallium target, and the selenization process may be performed simultaneously.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.Alternatively, the CIS-based or CIG-based
도 4를 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)은 PVD 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4, a
상기 버퍼층(400)은 ZnM1M2의 화학식을 갖는다. 상기 화학식에서 M1은 금속물질, 예를 들어 Mn, Co 또는 Ca를 포함할 수 있고, M2는 Se 또는 S를 포함할 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 10nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다. The
도 5를 참조하면, 상기 버퍼층(400) 상에 윈도우층(500)이 형성된다. 상기 윈도우층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 투명한 도전물질이 증착되어 형성된다.Referring to FIG. 5, a
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Features, structures, effects, and the like described in the above embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.
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.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.
Claims (8)
상기 기판 상에 배치되는 이면전극층;
상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되고 ZnM1M2의 화학식을 갖는 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;을 포함하는 태양전지.Board;
A back electrode layer disposed on the substrate;
A light absorbing layer disposed on the back electrode layer;
A buffer layer disposed on the light absorbing layer and having a chemical formula of ZnM1M2; And
And a window layer disposed on the buffer layer.
상기 화학식의 M1은 Mn, Co 및 Ca 중 하나를 포함하는 태양전지.The method of claim 1,
M1 of the above formula is a solar cell comprising one of Mn, Co and Ca.
상기 화학식의 M2는 Se 또는 S 중 하나를 포함하는 태양전지.The method of claim 1,
M2 of the above formula is a solar cell comprising one of Se or S.
상기 버퍼층은 10nm 내지 100nm의 두께로 형성되는 태양전지.The method of claim 1,
The buffer layer is a solar cell formed to a thickness of 10nm to 100nm.
상기 버퍼층의 격자상수는 0.50nm 내지 0.61nm의 범위를 갖는 태양전지.The method of claim 1,
The lattice constant of the buffer layer is a solar cell having a range of 0.50nm to 0.61nm.
상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
상기 광 흡수층 상에 ZnM1M2의 화학식을 갖는 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지 제조방법.Forming a back electrode layer on the substrate;
Forming a light absorbing layer on the back electrode layer;
Forming a buffer layer having a chemical formula of ZnM1M2 on the light absorbing layer; And
Forming a window layer on the buffer layer;
상기 버퍼층은 PVD의 방법으로 형성되는 태양전지 제조방법.The method of claim 6,
The buffer layer is a solar cell manufacturing method formed by the method of PVD.
상기 화학식의 M1은 Mn, Co 및 Ca 중 하나를 포함하고, M2는 Se 또는 S 중 하나를 포함하는 태양전지 제조방법.The method of claim 6,
M1 of the formula comprises one of Mn, Co and Ca, M2 is a solar cell manufacturing method comprising one of Se or S.
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