[go: up one dir, main page]

KR101412150B1 - 탠덤 구조 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

탠덤 구조 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101412150B1
KR101412150B1 KR1020070133436A KR20070133436A KR101412150B1 KR 101412150 B1 KR101412150 B1 KR 101412150B1 KR 1020070133436 A KR1020070133436 A KR 1020070133436A KR 20070133436 A KR20070133436 A KR 20070133436A KR 101412150 B1 KR101412150 B1 KR 101412150B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solar cell
cigs
film
cigs solar
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
KR1020070133436A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20090065894A (ko
Inventor
김호경
최영호
최용우
이영희
김형석
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020070133436A priority Critical patent/KR101412150B1/ko
Publication of KR20090065894A publication Critical patent/KR20090065894A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101412150B1 publication Critical patent/KR101412150B1/ko
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/16—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers
    • H10F10/161—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising multiple PN heterojunctions, e.g. tandem cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/16—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers
    • H10F10/167—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising Group I-III-VI materials, e.g. CdS/CuInSe2 [CIS] heterojunction photovoltaic cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

탠덤(tandem) 구조 CIGS 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 탠덤 구조 CIGS 태양전지는 두 셀 사이에 금속 나노입자 층이 형성되며, 이에 따라 셀 경계면의 에너지 전자 및 홀(hole)의 운동성이 향상되어 그 효율이 극대화된다.
본 발명은의 탠덤 구조 CIGS 태양전지는, 하부 CIGS 태양전지 셀과 상부 CIGS 태양전지 셀이 차례로 적층되어 형성되고, 상기 하부 CIGS 태양전지 셀과 상부 CIGS 태양전지 셀의 경계면에 금속 나노입자로 구성되는 나노입자 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
CIGS 태양전지, 탠덤 구조, 나노입자, 에너지 밴드, 에너지 장벽

Description

탠덤 구조 ＣＩＧＳ 태양전지 및 그 제조방법 {TANDEM STRUCTURE CIGS SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 탠덤 구조 CIGS 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 탠덤 구조 CIGS 태양전지에 포함되는 2 개의 CIGS 태양전지 셀 사이에 금속 나노입자 층을 형성시켜 셀 경계면의 에너지 장벽을 낮춰줌으로써 전자 및 홀(hole)의 터널링 이동을 자유롭게 하여 태양전지의 효율을 높이는 탠덤 구조 CIGS 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신·재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되어 지고 있다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다. 이러한 태양전지는 독립적으로는 전자시계, 라디오, 무인등대, 인공위성, 로켓 등의 주전력원으로 이용되고, 상용교류전원의 계통과 연계되어 보조전력원으로도 이용되며, 최근 대체 에너지에 대한 필요성이 증가하면서 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 태양전지에서는, 입사되는 태양 광을 전기 에너지로 변환시키는 비율과 관계된 변환효율(Efficiency)을 높이는 것이 매우 중요하다. 변환효율을 높이기 위해서 여러가지 연구가 행해지고 있으며, 높은 광흡수 계수를 갖는 박막을 태양전지에 포함시킴으로써 변환효율을 높이고자 하는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.
높은 광흡수 계수를 가지는 물질로서는 CIGS(Copper Indium Galium Selenide)가 소개되었으며, 이러한 CIGS를 박막 태양전지의 제조에 사용함으로써 높은 변환효율을 얻을 수 있다는 것이 발견되었다. 이에 따라 필름형 CIGS 태양전지가 효율이 높은 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
도 1은 종래 단일 셀 CIGS 태양전지의 구조를 나타낸 것이다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 종래 CIGS 태양전지(100)는, 유리 기판(110), 몰디브덴(Mo) 막(120), CIGS 막(130), 황화카드뮴(CdS) 막(140), i형 산화아연(i-ZnO) 막(150), 도핑된 Zno:Al 막(160), 반사방지막(170)이 차례로 적층된 형태이며, 그 위에 그리드 전극(180)이 형성되어 있는 구조이다.
단일 셀 CIGS 태양전지(100)의 CIGS막(130)은 p형 이고, i-ZnO 막(150)은 n 형이다. 이때 CIGS 막(130)과 i-ZnO 막(150) 사이의 에너지 밴드 갭 차이와 격자 상수의 차이가 비교적 커서 태양전지의 효율이 떨어질 수 있는데, 이를 방지하기 위해 버퍼층으로서의 황화카드뮴(CdS) 막(140)이 상기 CIGS 막(130)과 i-ZnO 막(150) 사이에 도입된다. 황화카드뮴(CdS) 막(140)은 CIGS 막(130)과 i-ZnO 막(150) 사이의 에너지 밴드 갭 차이 및 격자 상수의 차이를 완화시켜 태양전지의 효율을 높혀준다.
한편, CIGS 태양전지의 효율을 더욱더 높이기 위해서 단일 셀 CIGS 태양전지 두 개를 적층시켜 사용하기도 하였다. 이렇게 두 개의 셀을 적층시켜 형성되는 CIGS 태양전지의 구조를 탠덤(tandem) 구조라고 한다.
그러나, 이러한 탠덤 구조 CIGS 태양전지는 하부 셀과 상부 셀이 모두 p-n 구조 또는 n-p 구조이므로 그 경계면에서는 n-p 접합 또는 p-n 접합이 이루어져 전기적으로 다른 방향성을 갖게 된다. 이에 따라 두 셀 사이의 경계면에서 에너지 장벽이 매우 높게 형성되어 전자 및 홀(hole)의 운동성을 저해한다. 이에 따라 탠덤 구조에 의하더라도 태양전지의 효율을 극대화할 수 없는 문제가 있었다.
따라서, 탠덤 구조 CIGS 태양전지에 있어서 두 개의 셀 사이 경계면에서의 전자 및 홀(hole)의 운동성을 향상시켜 태양전지의 효율을 극대화하는 기술에 대한 개발이 필요하다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 탠덤 구조 CIGS 태양전지에 있어서 두 셀 사이 경계면에서의 에너지 장벽이 낮춰 전자 및 홀(hole)의 운동성을 향상시킴으로써 그 효율이 극대화되는 탠덤 구조 CIGS 태양전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 두 셀 사이 경계면에 금속 나노입자를 도입함으로써 에너지 장벽을 낮춰 전자 및 홀(hole)의 터널링 이동을 용이하게 함으로써 그 효율을 극대화시킬 수 있는 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 하부 CIGS 태양전지 셀과 상부 CIGS 태양전지 셀이 차례로 적층되어 형성되는 탠덤(tandem) 구조 CIGS 태양전지에 있어서, 상기 하부 CIGS 태양전지 셀과 상부 CIGS 태양전지 셀의 경계면에 금속 나노입자로 구성되는 나노입자 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지가 제공된다.
본 발명의 탠덤 구조 태양전지는 반드시 상기의 구조만으로 한정되는 것이 아니며, 하부 CIGS 태양전지 셀과 상부 CIGS 태양전지 셀이 차례로 적층된 이중의 태양전지셀이 추가로 더 형성된 복수 개의 이중 태양전지셀을 구비할 수도 있다.
상기 나노입자 층에 포함되는 상기 금속 나노입자의 재질은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 CIGS 태양전지 셀들은 각각 차례로 적층되는 CIGS 막, 버퍼층, 및 산화아연(ZnO) 막을 포함할 수 있고, 상기 상부 CIGS 태양전지 셀에 포함되는 CIGS 막은 하부CIGS 태양전지 셀에 포함되는 CIGS 막보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖을 수 있다.
상기 CIGS 태양전지 셀들은 각각 차례로 적층되는 산화아연(ZnO) 막, 버퍼층, 및 산화아연(ZnO) 막을 포함할 수 있고, 상기 하부 CIGS 태양전지 셀에 포함되는 CIGS 막은 상부 CIGS 태양전지 셀에 포함되는 CIGS 막보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖을 수 있다.
상기 버퍼층은, 황화카드뮴(CdS) 막, 황화아연(ZnS) 막, 산화인듐(In2O3) 막 중 하나일 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 하부 CIGS 태양전지 셀과 상부 CIGS 태양전지 셀이 차례로 적층되어 형성되는 탠덤(tandem) 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법에 있어서, 상기 하부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계, 상기 하부 CIGS 태양전지 셀 상에 금속 나노입자로 구성되는 나노입자 층을 형성하는 단계, 및 상기 나노입자 층 상에 상기 상부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법이 제공된다.
상기 나노입자 층에 포함되는 상기 금속 나노입자의 재질은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 나노입자 층을 형성하는 단계는, 상기 금속 나노입자가 포함된 콜로이드 용액을 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 나노입자 층을 형성하는 단계는, 금속 박막을 증착하는 단계, 및 상기 금속 박막을 열처리하여 상기 금속 나노입자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계 및 상기 상부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계는, CIGS 막, 버퍼층, 및 산화아연(ZnO) 막을 차례로 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계 및 상기 상부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계는, 산화아연(ZnO) 막, 버퍼층, 및 CIGS 막을 차례로 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층은, 황화카드뮴(CdS) 막, 황화아연(ZnS) 막, 산화인듐(In2O3) 막 중 하나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 탠덤 구조 CIGS 태양전지에 있어서 두 셀 사이 경계면에 금속 나노입자를 도입함으로써 그 경계면에서의 에너지 장벽을 낮춰 전자 및 홀(hole)의 터널링 이동을 자유롭게 할 수 있으며, 이에 따라 효율이 극대화된 탠 덤 구조 CIGS 태양전지를 얻을 수 있다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 CIGS 태양전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 CIGS 태양전지(200)는 서브스트레이트(substrate) 탠덤(tandem) 구조 CIGS 태양전지의 두 셀(cell) 사이에 나노입자 층(230)가 도입되어 있는 것을 특징으로 한다.
CIGS 태양전지의 효율을 높이기 위해서 두 개의 셀을 기계적 또는 일체적으로 적층시키는 탠덤 구조의 CIGS 태양전지가 널리 사용되고 있으며, 탠덤 구조 CIGS 태양전지는 다시 서브스트레이트 형과 슈퍼스트레이트(superstrate) 형으로 나뉘어진다.
서브스트레이트 형 탠덤 구조는 CIGS 막 위에, 버퍼층으로서의 CdS 막 및 태양광을 흡수하는 윈도우 층으로서의 ZnO 막이 증착되어 형성되는 단일 셀 CIGS 태양전지를 차례로 적층시킨 것을 말하며, 슈퍼스트레이트 형 탠덤 구조는 서브스트레이트 형과는 반대로 윈도우 층으로서의 ZnO 막을 먼저 증착하고 그 위에 버퍼층으로서의 CdS 막 및 CIGS 막을 증착하여 형성되는 단일 셀 CIGS 태양전지가 차례로 적층된 형태를 말한다.
도 2는 상기 탠덤 구조들 중 서브스트레이트 형 탠덤 구조 CIGS 태양전지이며, 서브스트레이트 형 CIGS 태양전지, 즉, CIGS 막(212, 222) 상에 CdS 막(214, 224)막 및 i-ZnO 막(215, 225)이 차례로 증착되어 있는 단일 셀 태양전지 두 개가 적층되어 형성되는 데에 있어서 두 셀 사이에 나노입자 층(230)이 도입되어 있다.
통상적인 탠덤 구조 태양전지에서는 두 개의 셀, 즉, 하부 셀과 상부 셀은 그 경계면을 사이로 서로 다른 방향성을 갖게 된다. 도 2의 CIGS 태양전지(200)를 참조하면, 하부 셀(210)과 상부 셀(220)은 모두 윗 방향으로 p-n 접합 구조를 갖는다. 이 경우, 하부 셀(210)과 상부 셀(220) 경계면에서는 n-p 접합이 형성되기 때문에, 이 때 생기는 에너지 장벽으로 인해 전자와 홀(hole)의 움직임이 저해될 수 밖에 없다. 이로 인해, 탠덤 구조로 CIGS 태양전지를 제조한다 하더라도, 충분한 효율을 얻을 수 없게 된다.
본 발명의 CIGS 태양전지(200)는 하부 셀(210)과 상부 셀(220) 사이의 나노입자 층(230)이 경계면에서 에너지 장벽 증가의 원인이 되는 공핍층 생성 및 확산을 최소화시켜준다.
구체적으로 설명하면, 하부 셀(210)의 ZnO:Al 막(216)은 높은 n 형 도핑을 보이고 상부 셀(220)의 CIGS 막(223)은 높은 p 형 도핑을 보이기 때문에, 하부 셀(210)과 상부 셀(220) 사이의 경계면에 높은 농도로 도핑된 p+-n+ 접합이 생기게 되며, 전술한 바와 같은 이유로 생기는 높은 에너지 장벽에 의해 전자 및 홀(hole)의 운동이 저해될 수 있는데, 나노 사이즈의 금속입자로 구성되어 있는 나노입자 층(230)은 반도체와의 접합에 있어서 공핍층 발생을 최소화시키게 된다. 이에 따 라, 에너지 장벽의 두께가 얇아져 높은 농도의 p+-n+ 접합을 이루는 전자 및 홀(hole)의 터널링 이동이 쉽게 일어날 수 있는 것이다.
나노입자 층(230)은 위에서 설명한 바와 같이 공핍층 발생을 최소화시킬 수 있는 물질이어야 한다. 반도체와 접합하는 면적이 작을수록 공핍층 발생이 최소화될 수 있기 때문에, 나노입자 층(230)에 포함되는 입자의 크기는 최소화하는 것이 바람직하며, 정량적으로는 그 입자의 크기를 수십 나노미터 이하로 하는 것이 바람직하다. 나노입자 층(230)에 포함되는 금속 나노입자로는 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni) 등을 이용할 수 있다. 또한, 나노입자 층(230)의 밀도는 전술한 바와 같은 공핍층 발생을 최소화할 수 있으면서 상부 셀(220)로부터 하부 셀(210)로의 태양광 통과를 방해하지 않는 범위 내에서 적절하게 선택될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 CIGS 태양전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3의 CIGS 태양전지(300)는 슈퍼스트레이트 탠덤(tandem) 구조 CIGS 태양전지로서, 도 2의 CIGS 태양전지(200)와 같이 두 셀(cell) 사이에 나노입자 층(330)이 도입되어 있는 것을 특징으로 한다.
CIGS 태양전지(300)는 슈퍼스트레이트 탠덤 구조로서 i-ZnO 막(313, 323) 상에 CdS 막(314, 324)막 및 CIGS 막(315, 325)이 차례로 증착되어 있는 형태이며, 도 2의 CIGS 태양전지(200)와 같이 두 셀 사이에 나노입자 층(330)이 도입되어 있다.
CIGS 태양전지(300)의 나노입자 층(330)도 CIGS 태양전지(200)의 나노입자 층(330)과 동일한 원리로 전자 및 홀의 이동을 용이하게 함으로써 태양전지의 효율을 높인다. 즉, CIGS 태양전지(300)의 하부 셀과 상부 셀은 모두 n-p 접합을 이루고 있고, 이로 인한 경계면에서의 p-n 접합에 의해 높은 에너지 장벽이 형성되어 전자 및 홀의 이동이 저해될 수 있는데, 나노입자 층(330)이 공핍층 발생 및 확산을 최소화하여 에너지 장벽을 낮춤으로써 전자 및 홀의 터널링을 용이하게 하여 태양전지의 효율을 높혀준다.
도 4는 도 2의 CIGS 태양전지(200)의 제조과정을 나타내는 공정도이다. 이하, 도 4를 참조하여 도 2의 서브스트레이트 형 탠덤 구조 CIGS 태양전지(200)의 제조과정을 설명하도록 한다.
먼저, 도 4a에 도시되는 바와 기판(211) 상에 몰디브덴(Mo) 막(212)을 증착한다. 기판(211)은 유리 기판, 플라스틱 기판 등 투명 기판이 사용될 수 있고, 몰디브덴 막(212)은 스퍼터링 법, 기계적/화학적 증착법 등 공지의 증착법을 이용하여 증착될 수 있다.
그 후, 도 4b에 도시되는 바와 같이, CIGS 막(213)을 증착한다. CIGS 막(213)은 네 개의 금속원소를 출발원소로 사용하는 동시증발법을 사용하여 증착될 수도 있고, 나노입자를 이용한 스크린 인쇄(printing)법 등에 의해 증착될 수도 있다. CIGS 막(213)의 증착 두께는 약 1~3 ㎛ 정도로 한다. CIGS 막(213)을 형성하는 데에 있어서, CuInSe2 는 에너지 밴드 갭이 1.04eV정도이며, 단락전류는 높으나 개방전압이 낮아 효율이 낮으므로 Ga의 첨가량을 조절하여 에너지 밴드 갭을 적절히 조절함으로써 최적의 효율이 되는 조건을 찾을 수 있다.
다음으로, 도 4c 및 도 4d에 도시되는 바와 같이, 버퍼층으로서의 CdS 막(214), i-ZnO 막(215), 및 ZnO:Al 막(216)을 차례로 증착한다. CIGS 막(213)과 i-ZnO 막(215) 사이의 에너지 밴드 갭이 크고 격자 상수 차이가 크므로, CdS 막(214)을 버퍼층으로 사용하는 것이다. CdS 막(214)은 CIGS 막(213)과 i-ZnO 막(215) 사이의 에너지 밴드 갭을 완화하고 격자상수 차이를 줄임으로써 태양전지의 효율 증가에 도움을 준다. CdS 막(214)은 약 50 nm정도로 증착하는 것이 바람직하며, 버퍼층으로서의 CdS 막(214) 대신 황화아연(ZnS) 막 또는 산화인듐(In2O3) 막 등 다른 버퍼 재료로 대체할 수도 있다.
한편, i-ZnO 막(215)은 스퍼터링 법 등 공지의 증착법을 이용하여 증착될 수 있으며, 증착 두께는 수십 나노미터로 하는 것이 적당하다. ZnO:Al 막(216)은 수백 나노미터의 두께로 증착하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 4e에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 특징적 구성인 나노입자 층(230)을 상기 ZnO:Al 막(216) 상에 형성시킨다. 나노입자 층(230)은 금속 나노입자가 포함된 콜로이드 용액을 도포하여 형성시킬 수도 있고,약 2 nm 정도의 얇은 금속막을 증착한 후 열처리를 통해 형성시킬 수도 있다. 나노입자 층(230)에 포함되는 금속 나노입자로는 전술한 바와 같이, 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni) 등이 이용될 수 있다. 또한, 나노입자 층(230)의 밀도는 공핍층 발생을 최소화할 수 있으면서 상부 셀(220)로부터 아래층 셀(210)로의 태양광 통과를 방해하지 않는 범위 내에서 적절하게 선택될 수 있다. 한편, 후속 공정에서 사용되는 온도에서 나노입자 층(230)에 포함되는 금속입자가 CIGS 층(223)으로 확산되어 그 막질을 떨어뜨릴 수 있으므로 이를 고려하여 후속공정의 조건 및 나노입자의 종류를 적절히 선택할 수 있다.
이렇게 나노입자 층(230)을 형성시킨 후에는, 그 위에 상부 셀(220)을 형성시킨다. 먼저, 도 4f에 도시되는 바와 같이, CIGS 막(223)을 증착시킨다. 서브스트레이트 형 탠덤 구조 CIGS 태양전지(200)는 전술한 바와 같이, 하부 셀(210)과 상부 셀(220)의 경계면에 생기는 높은 에너지 장벽에 의해 전자의 움직임이 저해될 수 있는데, CIGS 막(223)을 형성시킬 시에 높은 p형을 갖는 구리(Cu) 층을 먼저 수십 나노미터 이하의 두께로 얇게 증착시킴으로써, 하부 셀(210)과 상부 셀(220) 사이의 경계면에 발생할 수 있는 공핍층이 CIGS 막(223)으로 확산되는 것을 최대한 방지할 수 있다. 이로 인해, 경계면에서의 전자 및 홀(hole)의 터널링 이동이 최대한 자유스러워질 수 있으며, 나노입자 층(230)의 도입과 함께 태양전지의 효율을 극대화 할 수 있다.
한편, CIGS 막(223)의 밴드 갭 에너지값을 하부층보다 조금 더 높게 하여 긴 파장대의 빛이 하부층으로 잘 투과하도록 함으로써, 태양전지의 효율을 더욱더 높일 수 있다. 일례로서, CIGS 막(223)의 밴드 갭 에너지값을 1.6 eV, CIGS 막(213)의 밴드 갭 에너지값을 1.2 eV로 할 수 있다.
다음으로, 도 4g에 도시되는 바와 같이, 버퍼층으로서의 CdS 막(224), i-ZnO 막(225), 및 ZnO:Al 막(226)을 차례로 증착한다. 상기 막들의 증착 방법은 하부 셀(210)의 CdS 막(214), i-ZnO 막(215), 및 ZnO:Al 막(216)을 증착시키는 것과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
그 후, 도 4h에 도시되는 바와 같이, ZnO:Al 막(216) 상에 반사방지막(227) 및 그리드(grid) 전극(240)을 형성시킴으로써 서브스트레이트 형 탠덤 구조 CIGS 태양전지(200)의 제조가 완료된다.
반사방지막(227)으로는 플루오르화 마그네슘(MgF2)가 사용될 수 있으며, 증착 방법으로는 전자빔 증발법 등이 이용될 수 있으며, 그 증착 두께는 약 100 nm정도로 하는 것이 바람직하다. 한편, 그리드 전극(240)은 알루미늄(Al) 또는 니켈 알루미늄 합금(Ni/Al) 등을 이용하여 형성될 수 있으며, 알루미늄으로 할 경우에는 그 두께를 약 1㎛ 이상으로 하고, 니켈로 하는 경우에는 그 두께를 수십 나노미터로 하는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하여 설명한 CIGS 태양전지(200)의 제조에 있어서 하부 셀(210)을 형성한 후에 상부 셀(220)을 형성할 때 공정온도를 지나치게 높게 하면 하부 셀의 특성을 악화시킬 수 있으므로 이를 고려하여 공정온도를 조절하는 것이 바람직하다.
도 3의 슈퍼스트레이트 형 탠덤 구조 CIGS 태양전지(300)의 제조는 하부 셀(310) 및 상부 셀(320) 모두에 있어서 ZnO:Al 막(312, 322), i-ZnO 막(313, 323), CdS 막(314, 324), 및 CIGS 막(315, 325)을 증착시키는 순서만이 차이가 있고, 본 발명의 특징인 하부 셀(310) 증착 후 나노입자 층(330)을 형성시키고 그 위 에 위층 셀(320)을 형성시키는 구성은 동일하므로, 이의 제조 과정에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 CIGS 태양전지의 에너지 밴드를 나타내는 다이어그램이다. 먼저, 도 5a는 단일 셀 구조의 CIGS 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이고, 도 5b는 종래 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이며, 도 5c는 본 발명에 따른 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이다.
전술한 바와 같이, CIGS 태양전지에 있어서, CIGS 막과 ZnO 막 사이의 큰 에너지 밴드 갭 차이 및 큰 격자 상수의 차이를 완화하여 태양전지의 효율을 증가시키기 위해서 상기 CIGS 막과 ZnO 막 사이에 버퍼층으로서의 CdS 막을 형성시킨다. 도 5a에 도시되는 바와 같이, CdS 막이 버퍼층으로서의 역할을 해줌으로써 i-ZnO 막과 CIGS 막 사이의 에너지 장벽이 낮아지게 되어 전자 및 홀(hole)의 터널링 이동이 자유롭게 될 수 있으며, 이로 인해 태양전지의 효율이 높아질 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 종래 서브스트레이트 형 탠덤 구조 CIGS 태양전지는 아래층 셀 및 위층 셀 모두 p-n 방향으로 적층되기 때문에, 하부 셀과 상부 셀 사이의 경계면에서는 n-p 접합이 이루어지게 되어 도 5에 도시되는 것과 같은 높은 에너지 장벽이 형성되게 된다. 이로 인해 하부 셀과 상부 셀 사이의 경계면에 높은 농도로 p+-n+ 접합을 이루는 전자 및 홀(hole)의 터널링 이동이 저해되어, 태양전지의 효율이 낮아질 수 있다.
도 5c는 나노입자 층의 도입으로 인해 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 하부 셀과 상부 셀 사이의 에너지 장벽이 낮아진 결과를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 나노 사이즈의 금속 입자들로 구성되는 나노입자 층에 의해 공핍층 형성 및 확산을 최소화함으로써 에너지 장벽이 낮아지게 되고, 그 결과 전자 및 홀(hole)의 터널링 이동이 쉽게 되어 태양전지의 효율이 높아지게 된다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소는 당업자가 공지된 다양한 구성요소로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 종래 단일 셀 CIGS 태양전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 CIGS 태양전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 CIGS 태양전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2의 CIGS 태양전지의 제조과정을 나타내는 공정도이다.
도 5a는 단일 셀 구조의 CIGS 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5b는 종래 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5c는 본 발명에 따른 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
210, 310: 하부 태양전지 셀
220, 320: 상부 태양전지 셀
211, 311: 기판
213, 223, 315, 325: CIGS 막
214, 224, 314, 324: CdS 막
215, 225, 313, 323: i-ZnO 막
216, 226, 312, 322: ZnO:Al 막
230, 330: 나노입자 층

Claims (14)

  1. 하부 CIGS 태양전지 셀과 상부 CIGS 태양전지 셀이 차례로 적층되어 형성되는 탠덤(tandem) 구조 CIGS 태양전지에 있어서,
    상기 하부 CIGS 태양전지 셀과 상부 CIGS 태양전지 셀의 경계면에 금속 나노입자로 구성되는 나노입자 층을 포함하고,
    상기 상부 및 상기 하부 CIGS 태양전지 셀은 각각 CISG 막, 버퍼층, 및 산화아연(ZnO) 막을 포함하고,
    상기 상부 및 하부 CIGS 태양전지 셀 중 하나의 상기 CIGS 막과 다른 하나의 상기 산화아연 막이 서로 가까이 위치하고,
    상기 상부 및 하부 CIGS 태양전지 셀 중 하나의 상기 CIGS 막과 다른 하나의 상기 산화아연 막 사이의 상기 나노입자 층이 형성되며,
    상기 상부 및 하부 CIGS 태양전지 셀 중 하나의 상기 CIGS 막은 상기 나노 입자와 인접한 부분에 p형을 가지는 구리층이 형성된 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자 층에 포함되는 상기 금속 나노입자의 재질은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 CIGS 태양전지 셀은 각각 상기 CIGS 막, 상기 버퍼층, 및 상기 산화아연(ZnO) 막이 차례로 적층되는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부 CIGS 태양전지 셀에 포함되는 상기 CIGS 막은 상기 하부 CIGS 태양전지 셀에 포함되는 상기 CIGS 막보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 CIGS 태양전지 셀은 각각 상기 산화아연(ZnO) 막, 상기 버퍼층, 및 상기 CIGS 막이 차례로 적층되는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하부 CIGS 태양전지 셀에 포함되는 상기 CIGS 막은 상부 CIGS 태양전지 셀에 포함되는 상기 CIGS 막보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지.
  7. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 버퍼층은, 황화카드뮴(CdS) 막, 황화아연(ZnS) 막, 산화인듐(In2O3) 막 중 하나인 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지.
  8. 하부 CIGS 태양전지 셀과 상부 CIGS 태양전지 셀이 차례로 적층되어 형성되는 탠덤(tandem) 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 하부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계;
    상기 하부 CIGS 태양전지 셀 상에 금속 나노입자로 구성되는 나노입자 층을 형성하는 단계; 및
    상기 나노입자 층 상에 상기 상부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계를 포함하고,
    상기 상부 및 상기 하부 CIGS 태양전지 셀은 각각 CISG 막, 버퍼층, 및 산화아연(ZnO) 막을 포함하고,
    상기 상부 및 하부 CIGS 태양전지 셀 중 하나의 상기 CIGS 막과 다른 하나의 상기 산화아연 막이 서로 가까이 위치하고,
    상기 상부 및 하부 CIGS 태양전지 셀 중 하나의 상기 CIGS 막과 다른 하나의 상기 산화아연 막 사이의 상기 나노입자 층이 형성되며,
    상기 상부 및 하부 CIGS 태양전지 셀 중 하나의 상기 CIGS 막은 상기 나노 입자와 인접한 부분에 p형을 가지는 구리층이 형성된 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 나노입자 층에 포함되는 상기 금속 나노입자의 재질은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 나노입자 층을 형성하는 단계는, 상기 금속 나노입자가 포함된 콜로이드 용액을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 나노입자 층을 형성하는 단계는,
    금속 박막을 증착하는 단계; 및
    상기 금속 박막을 열처리하여 상기 금속 나노입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 하부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계 및 상기 상부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계는 각기, 상기 CIGS 막, 상기 버퍼층, 및 상기 산화아연(ZnO) 막을 차례로 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 하부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계 및 상기 상부 CIGS 태양전지 셀을 적층하는 단계는 각기, 상기 산화아연(ZnO) 막, 상기 버퍼층, 및 상기 CIGS 막을 차례로 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 버퍼층은, 황화카드뮴(CdS) 막, 황화아연(ZnS) 막, 산화인듐(In2O3) 막 중 하나인 것을 특징으로 하는 탠덤 구조 CIGS 태양전지의 제조 방법.
KR1020070133436A 2007-12-18 2007-12-18 탠덤 구조 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법 Expired - Fee Related KR101412150B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070133436A KR101412150B1 (ko) 2007-12-18 2007-12-18 탠덤 구조 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070133436A KR101412150B1 (ko) 2007-12-18 2007-12-18 탠덤 구조 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090065894A KR20090065894A (ko) 2009-06-23
KR101412150B1 true KR101412150B1 (ko) 2014-06-26

Family

ID=40994089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070133436A Expired - Fee Related KR101412150B1 (ko) 2007-12-18 2007-12-18 탠덤 구조 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101412150B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101103770B1 (ko) * 2009-10-12 2012-01-06 이화여자대학교 산학협력단 화합물 반도체 태양 전지 및 그 제조 방법
KR101352861B1 (ko) 2012-12-21 2014-02-18 한국에너지기술연구원 코어(Se)-쉘(Ag2Se) 나노입자를 이용한 A(C)IGS계 박막의 제조방법, 이에 의해 제조된 A(C)IGS계 박막 및 이를 포함하는 탠덤 태양전지
KR101481912B1 (ko) * 2013-08-28 2015-01-16 전남대학교산학협력단 태양전지 및 그 제조 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005217041A (ja) * 2004-01-28 2005-08-11 Toyota Motor Corp タンデム型太陽電池
JP2006525671A (ja) * 2003-05-08 2006-11-09 ソリブロ エイビー 薄膜太陽電池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006525671A (ja) * 2003-05-08 2006-11-09 ソリブロ エイビー 薄膜太陽電池
JP2005217041A (ja) * 2004-01-28 2005-08-11 Toyota Motor Corp タンデム型太陽電池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Yakimov et al., High photovoltage multiple-heterojunction organic solar cells incorporating interfacial metallic nanoclusters, Applied Physics Letters, vol. 80, No. 9 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090065894A (ko) 2009-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6689456B2 (ja) 透明トンネル接合を有する光起電力デバイス
KR101372536B1 (ko) 탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법
US11380808B1 (en) High efficiency quantum dot sensitized thin film solar cell with absorber layer
US20090314337A1 (en) Photovoltaic devices
JPWO2004090995A1 (ja) 太陽電池
US20130118569A1 (en) Method for forming thin film solar cell with buffer-free fabrication process
JP6366914B2 (ja) 多接合型太陽電池
US20170243999A1 (en) Solar cell
US20130152999A1 (en) Photovoltaic component for use under concentrated solar flux
KR20120035756A (ko) 태양 전지
JP3837114B2 (ja) 太陽電池
KR101283218B1 (ko) 태양전지 모듈 및 이의 제조방법
KR101412150B1 (ko) 탠덤 구조 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법
Dang Nanostructured semiconductor device design in solar cells
KR20120119807A (ko) 태양 전지
JPH09172193A (ja) 薄膜太陽電池
US20170077327A1 (en) Photoelectric conversion element, solar cell, solar cell module, and solar power generating system
JP2014232764A (ja) 太陽電池
JP2014503128A (ja) 太陽電池及びその製造方法
JP2014503130A (ja) 太陽電池及びその製造方法
KR20090034079A (ko) 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법
KR101338549B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
TWI430466B (zh) 高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構
KR101898858B1 (ko) 태양 전지
JP2005317563A (ja) 太陽電池

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20071218

PG1501 Laying open of application
A201 Request for examination
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20121129

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20071218

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20131204

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20140608

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20140619

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20140619

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PC1903 Unpaid annual fee