KR101081300B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지가 개시된다. 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 징크 화합물을 포함하는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다. 징크 화합물은 화학식 ZnXAY으로 표현된다. 여기서, A는 황, 셀레늄 및 텔레늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, X는 0보다 크고 2보다 작으며, Y는 0보다 크고 2보다 작다.
태양전지, 징크, 텔레늄, 버퍼층
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
실시예는 향상된 효율을 가지고, 카드뮴 등과 같은 중금속이 없거나, 중금속을 적게 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 징크 화합물을 포함하는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 아래의 화학식으로 표현되는 징크 화합물을 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 징크 화합물은 화학식 ZnXAY으로 표현되고, A는 황, 셀레늄 및 텔레늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, X는 0보다 크고 2보다 작으며, Y는 0보다 크고 2보다 작다.
실시예에 따른 태양전지는 황화 카드뮴 대신에 상기 징크 화합물을 포함하는 버퍼층을 포함한다. 즉, 실시예에 다른 태양전지는 카드뮴을 사용하지 않고, 버퍼층을 형성할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 카드뮴 등과 같은 중금속을 포함하지 않 거나, 매우 적게 포함된다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 인체에 손상을 가하지 않으며, 중금속에 의한 오염을 방지한다.
또한, 상기 징크 화합물을 포함하는 버퍼층에는 은 또는 알루미늄이 용이하게 도핑될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 버퍼층의 밴드갭 에너지를 은 또는 알루미늄에 의해서 용이하게 조절할 수 있고, 효율을 향상시킬 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극, 홈 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막, 홈 또는 층 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 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 지지기판(100), 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 이면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 상기 윈도우층(600)을 지지 한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 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 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)에 직접 접촉한다.
상기 버퍼층(400)은 징크 화합물을 포함한다. 상기 버퍼층(400)은 상기 징크 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 징크 화합물은 화학식 ZnXAY으로 표현되고, 여기서, A는 황, 셀레늄 및 텔레늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, X는 0보다 크고 2보다 작으며, Y는 0보다 크고 2보다 작다.
즉, 상기 버퍼층(400)은 징크 설파이트, 징크 셀레나이드 또는 징크 텔로리움 등을 포함할 수 있다.
더 자세하게, 상기 버퍼층(400)은 징크 설파이트, 징크 셀레나이드 또는 징크 텔로리움으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 버퍼층(400)은 ZnS, ZnSe 또는 ZnTe를 포함할 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(400)은 ZnS, ZnSe 또는 ZnTe로 이루어 질 수 있다.
또한, X는 약 0.9 내지 1.1일 수 있고, Y는 약 0.9 내지 1.1일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 은 또는 알루미늄을 포함한다. 더 자세하게, 상기 버퍼층(400)은 은 또는 알루미늄을 도펀트로 포함할 수 있다.
즉, 상기 버퍼층(400)은 상기 징크 화합물로 이루어지고, 상기 징크 화합물에 은 또는 알루미늄이 도핑될 수 있다.
은은 약 1wt% 내지 10wt%의 농도로 도핑될 수 있다. 또한, 알루미늄은 1wt% 내지 10wt%의 농도로 도핑될 수 있다.
또한, 은 및 알루미늄이 동시에 상기 징크 화합물에 도핑될 수 있다.
상기 버퍼층(400)의 두께는 약 50㎚ 내지 약 150㎚일 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지는 약 2 eV 내지 약 2.5 eV일 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상 에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.
상기 윈도우층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 상기 윈도우층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO) 등을 들 수 있다.
상기 버퍼층은 황화 카드뮴 대신에 상기 징크 화합물을 포함한다. 즉, 실시예에 다른 태양전지는 카드뮴을 사용하지 않고, 버퍼층을 형성할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 카드뮴 등과 같은 중금속을 포함하지 않거나, 매우 적게 포함된다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 인체에 손상을 가하지 않으며, 중금속에 의한 오염을 방지한다.
또한, 상기 버퍼층에는 은 또는 알루미늄이 용이하게 도핑될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 상기 버퍼층의 밴드갭 에너지를 은 또는 알루미늄에 의해서 용이하게 조절할 수 있고, 전체적인 광-전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에서는 앞서 설명한 태양전지를 참고하여 설명한다. 본 제조방법에 대한 설명에 있어서, 앞선 태양전지에 관한 설명은 본질적으로 결합될 수 있다.
도 2을 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 몰리브덴 등과 같은 금속이 증착되고, 이면전극층(200)이 형성된다. 상기 이면전극층(200)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 이면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300) 및 버퍼층(400)이 차례로 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 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.
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.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
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.
이후, 상기 광 흡수층(300) 상에 징크 화합물이 증착되어 상기 버퍼층(400)이 형성된다.
상기 버퍼층(400)은 화학 용액 성장법(chemical bath depositon;CBD) 또는 스프레이법에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 버퍼층(400)이 CBD 공정에 의해서, 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(400)이 형성되기 위해서, 먼저, 징크 설페이트, 텔루륨 및 암모니아를 포함하는 수용액이 제조된다.
상기 수용액은 징크 설페이트를 약 1mM 내지 약 5mM로 포함하고, 텔루륨을 약 10mM 내지 약 50mM로 포함하고, 암모니아를 약 1mM 내지 약 10mM로 포함할 수 있다.
이후, 상기 광 흡수층(300)은 상기 수용액에 노출된다. 즉, 상기 광 흡수층(300)은 상기 수용액과 직접 접촉하고, 화학 반응에 의해서, 상기 광 흡수층(300) 상에 상기 버퍼층(400)이 형성된다. 이때, 반응 온도는 약 60℃ 내지 약 80℃일 수 있다. 또한, 반응 시간은 약 10분 내지 약 15분 일 수 있다.
또한, 상기 수용액에 은 및/또는 알루미늄의 화합물이 포함되고, 상기 CBD 공정에서, 상기 버퍼층(400)에 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 버퍼층(400)은 스프레이법에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 징크 화합물 입자가 알콜계 용매에 분산되고, 상기 징크 화합물이 분산된 용매는 상기 광 흡수층(300)에 분사된다. 이때, 상기 징크 화합물의 입자의 크기는 약 5㎚ 내지 약 100㎚일 수 있다. 또한, 상기 용매가 분사되는 과정에서 열처리 공정도 진행될 수 있다.
상기 용매가 분사되는 과정은 약 100℃ 내지 약 150℃의 온도에서 진행될 수 있으며, 약 5분 내지 15분 동안 진행될 수 있다.
상기 용매에 은 및/또는 알루미늄이 분산될 수 있다. 이에 따라서, 상기 버퍼층(400)에 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
이후, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)을 형성하기 위해서, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 적층된다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 징크 화합물 포함하는 버퍼층(400)을 제공하여, 중금속을 포함하지 않고, 향상된 효율을 가지는 태양전지를 제공할 수 있다.
실험예
소다라임 글래스 기판 상에 몰리브덴을 증착하여, 약 1000㎚의 이면전극층을 형성하였다. 이후, 상기 이면전극층 상에 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 동시 증발법에 의해서 증착하여, 약 1800㎚의 광 흡수층을 형성하였다. 이후, 상기 광 흡수층은 약 3mM의 ZnSO4, 약 30mM의 Te, 약 0.5mM의 AgSO4 및 약 5mM의 NH4OH를 포함하는 수용액에 약 12분 동안 담겨진다. 상기 수용액의 온도는 약 70℃였다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층 상에 약 75㎚의 두께를 가지는 버퍼층#1이 형성되었다. 이후, 상기 버퍼층 상에 i-ZnO를 약 75 ㎚로 증착하여, 고저항 버퍼층을 형성하였고, 상기 고저항 버퍼층 상에 알루미늄 도핑된 ZnO(AZO)를 약 800 ㎚의 두께로 증착하여 윈도우층을 형성하였다. 상기 버퍼층#의 밴드갭 에너지는 약 2.2eV 이었다.
비교예
나머지 층은 실험예와 동일하고, 버퍼층#2는 CdS를 사용하여, 약 75㎚의 두께로, CBD에 의해서 형성하였다.
실험예의 태양전지는 비교예의 태양전지 보다 약 1 % 더 향상된 출력을 가졌다.
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 가지 의 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 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다.
Claims (7)
- 기판;상기 기판 상에 배치되는 광 흡수층;상기 광 흡수층 상에 배치되며, 아래의 화학식으로 표현되는 징크 화합물을 포함하는 버퍼층; 및상기 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층을 포함하는 태양전지.화학식ZnXAY여기서, A는 텔레늄이고, X는 0보다 크고 2보다 작으며, Y는 0보다 크고 2보다 작다.
- 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층 및 상기 윈도우층 사이에 개재되며, 징크 옥사이드를 포함하는 고저항 버퍼층을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층은 은 또는 알루미늄을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층은 2 eV 내지 2.5 eV의 밴드갭 에너지를 가지는 태양전지.
- 기판 상에 전극층을 형성하는 단계;상기 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;상기 광 흡수층 상에 아래의 화학식으로 표현되는 징크 화합물을 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계; 및상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.화학식ZnXAY여기서, A는 텔레늄이고, X는 0보다 크고 2보다 작으며, Y는 0보다 크고 2보다 작다.
- 제 5 항에 있어서, 상기 버퍼층을 형성하는 단계는징크 설페이트 및 상기 A를 포함하는 용액을 형성하는 단계; 및상기 광 흡수층을 상기 용액에 노출시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 버퍼층을 형성하는 단계는상기 징크 화합물를 용매에 분산시키는 단계; 및상기 징크 화합물이 분산된 용매를 상기 광 흡수층에 분사하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
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