KR101091319B1 - Solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 비정질의 알루미늄 도핑된 산화아연을 형성되고, 제1 면저항을 가지는 제1 윈도우층; 및 상기 제1 윈도우층 상에 결정질의 알루미늄 도핑된 산화아연으로 형성되고, 상기 제1 면저항 보다 낮은 제2 면저항을 가지는 제2 윈도우층을 포함하는 것으로, 전면전극층의 전기적인 특성이 향상될 수 있다. Solar cell according to the embodiment, the back electrode layer formed on the substrate; A light absorbing layer formed on the back electrode layer; A buffer layer formed on the light absorbing layer; A first window layer having amorphous aluminum doped zinc oxide on the buffer layer and having a first sheet resistance; And a second window layer formed of crystalline aluminum doped zinc oxide on the first window layer and having a second sheet resistance lower than the first sheet resistance, thereby improving electrical characteristics of the front electrode layer. .
태양전지, CIGS Solar cell, CIGS
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. An embodiment relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
최근 태양광 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다. Recently, as the demand for solar energy increases, development of solar cells for converting solar energy into electrical energy is in progress.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn접합 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다. In particular, CIGS-based solar cells, which are pn-junction heterojunction devices 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, are widely used.
이러한 태양전지는 각 층의 전기적인 특성이 전체 태양전지의 효율에 영향을 미칠 수 있다. In such a solar cell, the electrical characteristics of each layer may affect the efficiency of the entire solar cell.
실시예에서는 공정을 단순화 시키면서, 향상된 효율 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. In the embodiment, to simplify the process, to provide a solar cell having an improved efficiency and a method of manufacturing the same.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 비정질의 알루미늄 도핑된 산화아연을 형성되고, 제1 면저항을 가지는 제1 윈도우층; 및 상기 제1 윈도우층 상에 결정질의 알루미늄 도핑된 산화아연으로 형성되고, 상기 제1 면저항 보다 낮은 제2 면저항을 가지는 제2 윈도우층을 포함한다.Solar cell according to the embodiment, the back electrode layer formed on the substrate; A light absorbing layer formed on the back electrode layer; A buffer layer formed on the light absorbing layer; A first window layer having amorphous aluminum doped zinc oxide on the buffer layer and having a first sheet resistance; And a second window layer formed of crystalline aluminum doped zinc oxide on the first window layer and having a second sheet resistance lower than the first sheet resistance.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 비정질의 알루미늄 도핑된 산화아연을 형성되고, 제1 면저항을 가지는 제1 윈도우층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 윈도우층 상에 결정질의 알루미늄 도핑된 산화아연으로 형성되고, 상기 제1 면저항 보다 낮은 제2 면저항을 가지는 제2 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a solar cell 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 on the light absorbing layer; Forming amorphous aluminum doped zinc oxide on the buffer layer, and forming a first window layer having a first sheet resistance; And forming a second window layer formed of crystalline aluminum doped zinc oxide on the first window layer and having a second sheet resistance lower than the first sheet resistance.
실시예에 의하면, 전면전극층 형성 시 구조와 형상이 다른 제1 윈도우층 및 제2 윈도우층이 형성된다. According to the embodiment, the first window layer and the second window layer having different structures and shapes are formed when the front electrode layer is formed.
상기 제1 윈도우층은 저항이 높은 비정질의 투명층으로 형성되고, 상기 제2 윈도우층은 저항이 낮은 결정형의 투명층으로 형성될 수 있다. The first window layer may be formed of an amorphous transparent layer having a high resistance, and the second window layer may be formed of a crystalline transparent layer having a low resistance.
이에 따라, 상기 제1 윈도우층이 광 흡수층과 제2 윈도우층 사이에 개재되고, 누설전류를 방지할 수 있다.Accordingly, the first window layer is interposed between the light absorbing layer and the second window layer, thereby preventing leakage current.
또한, 상기 제1 윈도우층이 고저항 버퍼층 역할을 하므로, 별도의 고저항 버퍼층 형성이 생략될 수 있다. In addition, since the first window layer serves as a high resistance buffer layer, a separate high resistance buffer layer may be omitted.
이에 따라, 태양전지의 생산성이 향상될 수 있다. Accordingly, the productivity of the solar cell can be improved.
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.In the description of an embodiment, each substrate, layer, film, grain or electrode or the like is on or "under" the substrate, layer, film, grain or electrode or the like. In the case where it is described as being formed in, "on" and "under" include both those formed "directly" or "indirectly" 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 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.1 to 4 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment.
도 1을 참조하여, 기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다. Referring to FIG. 1, a
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다. The
예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다. 금속 기판으로는 스 테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있다 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다. For example, soda lime glass or high strained point soda glass may be used as the glass substrate. As the metal substrate, a substrate including stainless steel or titanium may be used. As the polymer substrate, polyimide may be used.
상기 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다. The
상기 후면전극층(200)은 금속등의 도전체로 형성될 수 있다. The
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다. For example, the
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.This is because of high electrical conductivity of molybdenum (Mo), ohmic bonding with the light absorbing layer, and high temperature stability under Se atmosphere.
상기 후면전극층(200)인 몰리브덴(Mo) 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야하고, 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 기판(100)에의 점착성이 뛰어나야 한다. The molybdenum (Mo) thin film, which is the
한편, 상기 후면전극층(200)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고, 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수도 있다. Meanwhile, the material forming the
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.Although not shown in the drawing, the
도 2를 참조하여, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. Referring to FIG. 2, a
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.The light absorbing
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.In more detail, the
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.Alternatively, the
예를 들어, 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. For example, in order to form the
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(300)이 형성된다.Thereafter, the metal precursor film is reacted with selenium (Se) by a selenization process to form a CIGS-based
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 확산된다.In addition, during the process of forming the metal precursor film and the selenization process, an alkali component included in the
알칼리(alkali) 성분은 상기 광 흡수층(300)의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있다.An alkali component may improve grain size and improve crystallinity of the
또한, 상기 광 흡수층(300)은 구리,인듐,갈륨,셀레나이드(Cu, In, Ga, Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.In addition, the
상기 광 흡수층(300)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(300)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.The light absorbing
도 3를 참조하여, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. Referring to FIG. 3, a
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있으며, 황화 카드뮴(CdS)으로 형성될 수 있다.The
이때, 상기 버퍼층(400)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 버퍼층(400)은 pn접합을 형성한다. In this case, the
도 4를 참조하여, 상기 버퍼층(400) 상에 제1 윈도우층(510) 및 제2 윈도우층(520)을 포함하는 전면전극층(500)이 형성된다. Referring to FIG. 4, a
상기 제1 윈도우층(510) 및 제2 윈도우층(520)은 투명한 도전물질을 적층하여 형성되고, 서로 다른 전도성을 가질 수 있다.The
즉, 상기 제1 윈도우층(510)은 높은 저항을 가지는 투명층일 수 있고, 상기 제2 윈도우층(520)은 낮은 저항을 가지는 투명층일 수 있다. That is, the
예를 들어, 상기 제1 및 제2 윈도우층(510, 520)은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga), 등의 불순물을 포함하는 아연계 산화물 또는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성될 수 있다. For example, the first and
상기 제1 윈도우층(510)과 제2 윈도우층(520)은 1:4~7의 두께 비를 가지도록 형성될 수 있다. The
상기 제1 윈도우층(510)은 비정질(amorphous materials)로 형성되고, 높은 저항 및 낮은 전도성을 가질 수 있다. The
예를 들어, 상기 제1 윈도우층(510)은 그레인 사이즈(grain size)가 10~90nm로서 배향성의 거의 없는 비정질 구조로 형성될 수 있다. For example, the
상기 제1 윈도우층(510)은 10~100kΩ/□의 면저항을 가질 수 있다. The
상기 제1 윈도우층(510)이 높은 저항 및 낮은 전도성을 가지므로, 상기 버퍼층(400)과 전면전극층(500) 사이에서 완충 역할을 할 수 있다.Since the
또한, 상기 광 흡수층(300)이 전면전극층(500)과 직접 접촉하는 것을 방지함으로써, 누설전류의 발생을 차단할 수 있다. In addition, the
상기 제2 윈도우층(520)은 결정질(crystalline structure)로 형성되고, 낮은 저항 및 높은 전도성을 가질 수 있다.The
예를 들어, 상기 제2 윈도우층(520)은 그레인 사이즈(Grain size)가 500~1000nm이고, 원주 형태(columnar)의 배향성을 가지도록 형성될 수 있다. For example, the
상기 제2 윈도우층(520)은 10~50Ω/□의 면저항을 가질 수 있다. The
상기 제2 윈도우층(520)은 낮은 저항 및 높은 전도성을 가지므로, 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하여 태양전지 전면의 투명전극 역할을 할 수 있다. Since the
상기와 같이 버퍼층(400)과 상기 전면전극인 제2 윈도우층(520) 사이에 상기 제1 윈도우층(510)이 형성되어, i-ZnO와 같은 고저항 버퍼층이 생략될 수 있다. As described above, the
이에 따라, 태양전지 제조공정이 단순해지고, 생산성이 향상될 수 있다.Accordingly, the solar cell manufacturing process can be simplified and productivity can be improved.
상기 제1 윈도우층(510) 및 제2 윈도우층(520)은 동일한 스퍼터링 챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다. The
예를 들어, 상기 제1 윈도우층(510)은 제1 스퍼터링 공정에 의하여 형성되고, 상기 제2 윈도우층520)은 제2 스퍼터링 공정에 의하여 연속적으로 진행될 수 있다. 이때 타겟 물질은 산화아연(ZnO) 및 알루미늄(Al) 일 수 있다. For example, the
구체적으로, 상기 제1 스퍼터링 공정은 15±3mTorr 공정압력과, 70±20 sccm의 아르곤 가스(Ar) 및 100±40sccm의 산소 가스(O2)를 포함하는 공급가스와, 0.7±0.2kW의 DC 파워(power)로 진행될 수 있다.Specifically, the first sputtering process is a supply gas containing 15 ± 3 mTorr process pressure, 70 ± 20 sccm argon gas (Ar) and 100 ± 40 sccm oxygen gas (O 2 ), 0.7 ± 0.2 kW DC It may proceed with power.
이때, 상기 기판(100)이 설치되는 애노드(anode)에 플러스(+) 전위를 인가하여 상기 버퍼층(400) 상에 제1 윈도우층(510)을 형성할 수 있다. In this case, a
예를 들어, 상기 제1 윈도우층(510)은 약 100nm±30의 비정질층으로 형성될 수 있다. For example, the
상기 제1 스퍼터링 공정이 높은 압력 및 낮은 파워에 의하여 진행되고, 상기 기판(100)에 대한 플러스(+) 전위 인가로 인하여, 상기 버퍼층(400)이 플라즈마 데미지를(plasma damage)를 최대한 방지하면서 제1 윈도우층(510)이 형성될 수 있다. The first sputtering process is performed by high pressure and low power, and due to application of a positive (+) potential to the
상기 제1 스퍼터링 공정은 DI 워터(De-ionized water)에 의한 쿨링 공정(cooling process)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 스퍼터링 공정이 진행될 때 쿨링 공정이 동시에 진행될 수 있다. The first sputtering process may further include a cooling process using DI water (De-ionized water). When the first sputtering process is performed, the cooling process may be performed at the same time.
즉, 상기 제1 윈도우층(510)이 상기 버퍼층(400) 상에 형성될 때 상기 기판(100)으로 DI 워터를 공급할 수 있다. That is, when the
이러한 쿨링 공정은 상기 제1 윈도우층(510)의 그레인(grain)이 결정형으로 성장하는 것을 방지하고, 비정질(amorphous) 상태로 형성할 수 있다. Such a cooling process may prevent grains of the
따라서, 상기 제1 윈도우층(510)은 배향성이 없는 비정질의 상태로 형성될 수 있고, 높은 저항성을 가질 수 있다. Therefore, the
상기 제1 스퍼터링 공정 이후 제2 스퍼터링 공정이 진행된다. After the first sputtering process, a second sputtering process is performed.
상기 제2 스퍼터링 공정은 5±3mTorr 공정압력과, 150±20 sccm의 아르곤 가스(Ar)를 포함하는 공급가스와, 4±2kW의 DC 파워(power)로 진행될 수 있다.The second sputtering process may be performed at a 5 ± 3mTorr process pressure, a supply gas including argon gas (Ar) of 150 ± 20 sccm, and a DC power of 4 ± 2kW.
따라서, 상기 제1 윈도우층(510) 상에 제2 윈도우층(520)이 형성될 수 있다.Thus, a
상기 제2 스퍼터링 공정은 낮은 압력 및 높은 파워에 의하여 진행되므로, 상기 제2 윈도우층(520)은 결정성 구조를 가질 수 있다. Since the second sputtering process is performed by low pressure and high power, the
즉, 상기 제2 윈도우층(520)은 500~1000nm의 그레인 사이즈로 형성될 수 있고, 원주(Colunmar) 형태의 배향성을 가지도록 성장될 수 있다. That is, the
특히, 상기 제2 윈도우층(520)이 상기 기판(100)에 대하여 수직방향인 C축 방향으로 성장될 수 있다.In particular, the
따라서, 상기 제2 윈도우층(520)이 원주형태의 배향성을 가지도록 결정질 구조로 형성되고, 낮은 저항성 및 높은 전도성을 가질 수 있다. Therefore, the
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.Although described above with reference to the embodiment is only an example and is not intended to limit the invention, those of ordinary skill in the art to which the present invention does not exemplify the above within the scope not departing from the essential characteristics of this embodiment It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다. 1 to 4 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment.
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