KR101273174B1 - Solar cell apparatus and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되고 12족 원소를 포함하는 혼합층; 상기 혼합층 상에 배치되는 버퍼층; 및 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 mixed layer disposed on the light absorbing layer and including a group 12 element; A buffer layer disposed on the mixed layer; And a window layer disposed on the buffer layer.
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.Particularly, a CIGS-based solar cell which is a pn heterojunction device of a substrate structure including a glass substrate, a metal back electrode layer, a p-type CIGS 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 신뢰성이 향상된 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.The embodiment provides a solar cell and a method of manufacturing the same having improved reliability.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되고 12족 원소를 포함하는 혼합층; 상기 혼합층 상에 배치되는 버퍼층; 및 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 mixed layer disposed on the light absorbing layer and including a group 12 element; A buffer layer disposed on the mixed layer; And a window layer disposed on the buffer layer.
일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 기판 상에 이면전극층을 배치하는 단계; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 12족 원소를 포함하는 혼합층을 형성하는 단계; 상기 혼합층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함한다.A solar cell manufacturing method according to an embodiment includes disposing a back electrode layer on a substrate; Forming a light absorbing layer on the back electrode layer; Forming a mixed layer including a Group 12 element on the light absorbing layer; Forming a buffer layer on the mixed layer; And forming a window layer on the buffer layer.
실시예에 따르면, 광 흡수층과 버퍼층의 사이에 금속을 포함하는 혼합층이 형성되어 광 흡수층과 버퍼층의 격자 상수 및 에너지 밴드갭 차이를 효과적으로 완화할 수 있다.According to the embodiment, a mixed layer including a metal may be formed between the light absorbing layer and the buffer layer to effectively alleviate the difference in lattice constant and energy band gap between the light absorbing layer and the buffer layer.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
도 6은 실시예에 따른 태양전지에서 광 흡수층과 버퍼층 사이에서 S/Zn 원소의 비율을 나타내는 그래프이다.1 is a cross-sectional view showing a solar cell according to an embodiment.
2 to 5 are views illustrating a process of manufacturing a solar cell according to the embodiment.
6 is a graph showing a ratio of S / Zn elements between the light absorbing layer and the buffer layer in the solar cell 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” 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)과, 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 혼합층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)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 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 혼합층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)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(SUS), 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.The
상기 지지기판(100) 상에 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 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. The light absorbing
상기 광 흡수층(300)은 p형 광 흡수층(310)과 상기 p형 광 흡수층(310) 상에 형성된 n형 광흡수층(350)을 포함할 수 있다.The light absorbing
상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함하여 형성되나, 광 흡수층(300) 전체가 p형으로 형성되는 것은 아니고 상기 광 흡수층(300) 상부의 일부 영역에 n형 광 흡수층(350)이 형성될 수 있다.The light absorbing
상기 n형 광흡수층(350)은 p형 광 흡수층(310)보다 얇은 두께로 형성될 수 있으며, p형 광 흡수층(310)에 비해 구리(Cu) 또는 셀레늄(Se)의 함유량이 높다.The n-type
상기 광 흡수층(300)의 밴드갭은 1.0eV 내지 1.3eV일 수 있으며, 상기 버퍼층(500)은 3.6 eV일 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 혼합층(400)의 에너지 밴드갭은 상기 광 흡수층(300)과 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭의 사이에 존재할 수 있다.The band gap of the
상기 광 흡수층(300) 상에는 혼합층(400)이 형성될 수 있다. 상기 혼합층(400)은 아연(Zn) 등의 금속을 포함할 수 있다. 상기 혼합층(400)은 상기 n형 광흡수층(350)과 버퍼층(500)의 사이에 형성되어 밴드갭 및 격자상수의 차이를 완화시키는 역할을 한다.The
상기 혼합층(400)은 상기 n형 광흡수층(350)의 표면에 암모니아수와 황산아연(ZnSo4) 등 아연 화합물을 포함하는 용액을 이용하여 Zn2 + 부분 전해(PE:partical electrolysis)처리를 통해 형성할 수 있다.The
버퍼층(500)은 상기 혼합층(400) 상에 배치된다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(600) 박막간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.The
버퍼층(500)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS 등이 있다. 본원발명에서는 황화아연(ZnS)을 이용하여 버퍼층(500)을 형성하였으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다.Materials for forming the
상기 버퍼층(500) 상에는 고저항 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. A high resistance buffer layer (not shown) may be formed on the
상기 버퍼층(500) 상에는 윈도우층(600)이 배치된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(600)의 저항은 상기 이면전극층(200)의 저항보다 높다.The
상기 윈도우층(600)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)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(600)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, 광 흡수층(300)과 버퍼층(500) 사이에 혼합층(400)이 형성되어 격자 상수 및 에너지 밴드갭을 효과적으로 완화할 수 있다.According to the solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention, the
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 형성될 수 있다. 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.After the metal precursor film is formed and then subjected to selenization, 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
증착(evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정으로 상기 광 흡수층(300)을 형성함에 있어서, 시간이 지남에 따라 Cu2Se3 증착량을 증가시킨다. 이에 따라, 상기 이면전극층(200)과 상대적으로 가까운 영역에서는 p형 흡수층(310)이 형성되고, 버퍼층(500)과 상대적으로 가까운 영역에서는 n형 흡수층(350)이 형성된다.In forming the
도 4를 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 혼합층(400)이 형성된다. 상기 혼합층(400)은 상기 n형 광흡수층(350)의 표면에 암모니아수와 황산아연(ZnSo4) 등 아연 화합물을 포함하는 용액을 이용하여 전해(electrolysis)처리를 통해 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4, a
도 5를 참조하면, 상기 혼합층(400) 상에 황화 아연이 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공정 또는 용액성장법(chemical bath depositon;CBD) 등에 의해서 증착되어 버퍼층(500)이 형성되고 상기 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 증착되어 윈도우층(600)이 형성된다.Referring to FIG. 5, zinc sulfide is deposited on the
도 6은 실시예에 따른 태양전지에서 광 흡수층과 버퍼층 사이에서 원소의 비율을 나타내는 그래프이다. 상기 n형 광 흡수층(350)에서 버퍼층(500)으로 갈수록 S/Zn의 값이 완만하게 높아짐을 알 수 있다.6 is a graph showing the ratio of elements between the light absorbing layer and the buffer layer in the solar cell according to the embodiment. It can be seen that the value of S / Zn gradually increases from the n-type
종래 광 흡수층과 윈도우층의 격자상수를 완화하기 위해 버퍼층만을 형성한 경우에 비교하여, 본원발명은 광 흡수층이 p형 광 흡수층 및 n형 광흡수층으로 나뉘어 형성되고, 상기 n형 광흡수층 상에 12족 원소를 포함하는 혼합층을 형성한 후, 상기 혼합층 상에 상기 혼합층에 포함된 12족 원소를 포함하는 버퍼층을 형성함으로써 밴드갭의 에너지 분포가 완만한 곡선을 그리면서 변화하게 된다.Compared to the case where only the buffer layer is formed to alleviate the lattice constant between the conventional light absorbing layer and the window layer, the present invention is characterized in that the light absorbing layer is formed by dividing the p-type light absorbing layer and the n-type light absorbing layer, After forming a mixed layer containing a group element, by forming a buffer layer containing a Group 12 element included in the mixed layer on the mixed layer, the energy distribution of the band gap is changed while drawing a gentle curve.
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 each embodiment 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 (10)
상기 기판 상에 배치되는 이면전극층;
상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되고, 아연을 포함하는 혼합층;
상기 혼합층 상에 배치되는 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층을 포함하고,
상기 광 흡수층은,
p형 광 흡수층; 및
상기 p형 광 흡수층 상에 배치되는 n형 광 흡수층을 포함하며,
상기 버퍼층은 아연을 포함하는 태양전지.Board;
A back electrode layer disposed on the substrate;
A light absorbing layer disposed on the back electrode layer;
A mixed layer disposed on the light absorbing layer and comprising zinc;
A buffer layer disposed on the mixed layer; And
A window layer disposed on the buffer layer,
The light absorbing layer,
p-type light absorbing layer; And
An n-type light absorbing layer disposed on the p-type light absorbing layer,
The buffer layer is a solar cell containing zinc.
상기 n형 광 흡수층에서 상기 버퍼층으로 갈수록 S/Zn의 값이 증가하는 태양전지.The method of claim 1,
A solar cell of which the value of S / Zn increases from the n-type light absorbing layer to the buffer layer.
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