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KR101428469B1 - 요철구조의 이중 후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법 - Google Patents

요철구조의 이중 후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법 Download PDF

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KR101428469B1
KR101428469B1 KR1020130036139A KR20130036139A KR101428469B1 KR 101428469 B1 KR101428469 B1 KR 101428469B1 KR 1020130036139 A KR1020130036139 A KR 1020130036139A KR 20130036139 A KR20130036139 A KR 20130036139A KR 101428469 B1 KR101428469 B1 KR 101428469B1
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조준식
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곽지혜
윤재호
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신기식
안승규
윤경훈
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박상현
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 후면전극이 이중층으로 구성된 CIGS 박막 태양전지에 관한 것으로, 별도의 요철형성 공정이 필요없이 CIGS 광흡수층의 고온의 공정과정을 거치면서 자연스럽게 후면전극에 요철구조가 생성되는 태양전지의 제조방법 및 태양전지에 관한 것이다.

Description

요철구조의 이중 후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법{Fabrication Method for CIGS Solar Cell having Double Texturing Electrode Layer.}
본 발명은 요철구조의 이중 후면전극을 갖는 CIGS 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 친환경적인 미래 에너지원으로 크게 주목받고 있다. 태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 전기를 생산하는데, 구체적으로 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공은 P형 반도체 쪽으로 이동하고 상기 전자는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생된다.
태양전지는 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있는데, 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체층을 형성하여 태양전지를 제조한 것이다. 최근에는 CIGS 광흡수층을 이용한 태양전지의 개발을 통해 효율 향상을 도모하고 있다.
태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위해서는 광흡수층에 흡수되는 태양광의 비율을 높여야 한다. 박막형 태양전지의 경우, 기판형 태양전지에 대비하여 박막의 광흡수층을 사용함에 따라 제조단가를 낮출 수 있으나 광흡수율이 떨어지는 문제점이 있다. 이와 같은 광흡수율 저하를 극복하기 위한 방안으로, 태양전지의 단위기능막에 표면요철을 부여하는 방법이 있다.
표면요철구조가 형성된 상태에서 태양광이 입사하면 요철과 부딪혀 태양광의 산란이 발생되어 광흡수층에서 흡수되는 태양광의 비율을 높일 수 있게 된다. 즉, 산란되어 확산되는 빛에 의해 광흡수층 내에서의 광경로가 길어지게 되고, 광흡수층을 박막으로 만들더라도 광흡수층에 흡수될 확률이 높아지게 되어 태양전지의 효율을 높이는 것이 가능하다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제 10-1065744는 요철구조가 형성된 기판을 이용한 태양전지의 제조방법으로서, (a) 기판의 일면에 요철부를 형성하는 텍스쳐링 단계; (b) 요철부가 형성된 기판을 화학적으로 식각하는 습식 식각 단계; (c) 기판의 요철부 상에 하부전극을 형성하는 단계; (d) 하부전극 상에 비정질 반도체층이 적층된 광전소자를 형성하는 단계; (e) 비정질 반도체층을 열처리하여 다결정 반도체층(311, 321,331)으로 결정화하는 단계; 및 (f) 다결정 반도체층(311, 321, 331) 상에 상부전극(500)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 기판 상에 형성된 요철부의 거칠기를 감소시키고 경사를 완만하게 하여 기판의 요철부 상에 형성되는 하부전극과의 계면 특성과 광 투과율을 향상시킬 수 있고, 결정화시 열처리에 의한 하부전극의 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다. 하지만 요철을 형성하기 위한 추가적인 공정이 더 필요하여 경제적이지 않은 단점이 있다.
태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위해서는 광흡수층에 흡수되는 태양광의 비율을 높여야 한다. 박막형 태양전지의 경우, 기판형 태양전지에 대비하여 박막의 광흡수층을 사용함에 따라 제조단가를 낮출 수 있으나 광흡수율이 떨어지는 문제점이 있다. 이와 같은 광흡수율 저하를 극복하기 위한 방안으로, 태양전지의 단위기능막에 표면요철을 부여하는 방법이 있다.
표면요철구조가 형성된 상태에서 태양광이 입사하면 요철과 부딪혀 태양광의 산란이 발생되어 광흡수층에서 흡수되는 태양광의 비율을 높일 수 있게 된다. 즉, 산란되어 확산되는 빛에 의해 광흡수층 내에서의 광경로가 길어지게 되고, 광흡수층을 박막으로 만들더라도 광흡수층에 흡수될 확률이 높아지게 되어 태양전지의 효율을 높이는 것이 가능하다.
표면요철을 부여하는 방식으로 박막층의 표면을 거친 도구로 문지르는 등 기계적인 방식을 이용하여 표면요철을 부여하는 방식, 에칭시키는 등 화학적인 반응을 이용하여 표면요철을 부여하는 방식 등이 사용되어 왔다.
본 발명은 태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위한 방법으로써, 태양전지의 후면전극에 표면요철을 형성하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 기판 위에 저융점의 금속층을 형성하고 그 위에 몰리브덴 등으로 후면전극을 형성하게 되고, CIGS 광흡수층을 형성하는 고온의 공정 과정에서 상기 저융점의 금속층에 자연스럽게 요철이 형성되게 하고 또한 상기 저융점의 금속층과 면접촉하고 있는 후면전극에도 요철이 만들어지게 함으로써, 별도의 요철형성의 공정이 없이 광흡수층 제조 과정에서 후면전극에 요철이 형성되도록 한다.
또한 상기 CIGS 광흡수층을 제조하는 과정에서 후면전극을 몰리브덴으로 하여 몰리브덴과 광흡수층 경계에 셀렌화몰리브덴이 형성되게 하여 후면전극의 접촉저항을 개선하여 전자와 정공의 재결합을 줄여준다.
CIGS 광흡수층을 형성하는 고온의 공정 과정에서 상기 저융점의 금속층에 자연스럽게 요철이 형성되게 하고 또한 상기 저융점의 금속층과 면접촉하고 있는 후면전극에도 요철이 만들어지게 함으로써, 별도의 요철형성의 공정이 없이 광흡수층 제조 과정에서 후면전극에 요철이 형성되도록 한다. 따라서 요철 형성 공정이 경제적이고 단순하게 이루어질 수 있다.
후면전극과 광흡수층 사이에 셀렌화 몰리브덴이 형성됨으로써 후면전극의 접촉저항을 개선하여 전자와 정공의 재결합을 줄일 수 있다.
결론적으로 태양광의 광흡수층 내에서의 광경로가 증가하게 되고, 접촉저항 개선으로 전자와 정공의 재결합을 줄임으로써 태양전지의 광전변환효율을 높이는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명인 요철구조의 이중 후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 2는 이중후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 3은 요철구조의 이중 후면전극을 갖는 태양전지의 구성도이다.
본 발명인 요철구조의 이중후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법의 일실시예를 하기 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명인 요철구조의 이중 후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도로서, 요철구조의 이중후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법은 기판(100)을 준비하는 단계; 상기 기판(100) 위에 저융점의 금속을 포함하는 제 1 후면전극층(230)을 형성하는 단계; 상기 제 1 후면전극층(230) 위에 몰리브덴, 텅스텐, 크롬 중에서 어느 하나를 포함하는 제 2 후면전극층(260)을 형성하는 단계; 상기 제 2 후면전극층(260) 위에 광흡수층(300)을 형성하는 단계; 상기 광흡수층을 형성하는 고온의 공정 과정에서 상기 제 1 후면전극층(230)에 요철구조가 형성되는 단계; 상기 요철구조가 형성된 제 1 후면전극층(230)과 면접촉을 이루고 있는 제 2 후면전극층(260)에 요철구조가 형성되는 단계; 상기 광흡수층(300) 위에 버퍼층(400)을 형성하는 단계; 상기 버퍼층(400) 위에 전면전극층(500)을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
도 2는 요철구조의 이중 후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법의 원리를 나타내는 모식도이다. 기판(100) 위에 저융점의 금속층을 형성하고, 광흡수층(300)의 증착 공정에서의 고온의 환경을 가해주면 금속층에 요철구조가 생성되는 원리를 이용한 것으로 상기 제 1 후면전극층(230)에 요철구조가 생기면서 이와 면접촉을 하는 제 2 후면전극층(260)에도 요철구조가 형성되게 된다. 이때, 저융점의 금속은 아연, 카드뮴, 알루미늄, 은, 인듐, 주석, 납, 안티몬, 비스무스, 마그네슘 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있고, 규소, 붕소, 탄소, 산소, 백금 중에서 적어도 어느 하나의 물질을 도핑하여 사용할 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다. 제 1 후면전극층(230)은 상기 기판 위에 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 제 1 후면전극층(230)의 두께는 100nm~10μm일 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
제 2 후면전극층(260)은 상기 제 1 후면전극층(230) 위에 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있고, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 제 2 후면 전극층(260)의 두께는 100nm~5μm일 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
광흡수층(300)은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층이고, 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 전착법(Electrodeposition), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 스크린프린팅법(Screen printing), 입자증착법(Particle deposition) 중에서 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다. 광흡수층을 형성하는 고온의 공정에서 제 1 후면전극에 요철구조가 형성되게 되는데, 이를 통해 태양전지의 제조과정 중에 요철을 형성하기 위한 에칭 등과 같은 공정 없이도 광흡수층을 형성하는 과정에서 요철구조를 갖는 이중 후면전극이 형성되게 된다.
버퍼층(400)은 CdS, ZnS, InOH 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 용액성장법(CBD), 전착법(Electrodeposition), 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 화학기상증착법(CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 분무열분해법(Spray pyrolysis), ILGAR(Ion Layer Gas Reaction), 레이저증착법(Pulsed Laser Deposition)중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
전면전극층(500)은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 전면전극층(500)은 n형 불순물로 도핑될 수 있다. 전면전극층(500)은 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, DC 스퍼터링법, 반응성 스퍼터링법, 증발증착법(Evaporation), 전자선증착법(E-beam evaporation), 유기금속화학증착법(MOCVD), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 분자선성장법(MBE), 전착법(Electrodeposition) 중에서 어느 하나의 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 제 2 후면전극(260)과 상기 광흡수층(300)의 경계면에 셀렌화몰리브덴, 셀렌화텅스텐, 셀렌화크롬 중에서 어느 하나가 더 형성될 수 있다. 이는 제 2 후면전극(260)을 증착한 후 셀렌화 공정을 수행하여 형성될 수 있는데, 셀렌화몰리브덴 등이 형성됨으로써 접촉저항이 줄어들고 전자-홀 재결합을 줄여주는 장점이 있다.
도 3은 요철구조의 이중 후면전극을 갖는 태양전지의 구성도로서, 요철구조의 이중후면전극을 갖는 태양전지는 기판(100); 상기 기판(100) 위에 형성된 저융점 금속을 포함하는 제 1 후면전극(230); 상기 제 1 후면전극(230) 위에 형성된 제 2 후면전극(260); 상기 제 2 후면전극(260) 위에 형성된 광흡수층(300); 상기 광흡수층(300) 위에 형성된 버퍼층(400); 상기 버퍼층(400) 위에 형성된 전면전극(500);을 포함하여 구성되고, 상기 제 1 후면전극과 상기 제 2 후면전극은 요철구조를 갖게 된다.
기판(100)은 유리 기판, 스테인레스스틸 기판 , 티타늄 기판, 폴리머 기판 중에서 어느 하나를 사용할 수 있다.
제 1 후면전극(230)은 아연, 카드뮴, 알루미늄, 은, 인듐, 주석, 납, 안티몬, 비스무스, 마그네슘 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있고, 이때, 제 1 후면전극(230)은 규소, 붕소, 탄소, 산소, 백금 중에서 적어도 어느 하나의 물질을 도핑할 수도 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
제 2 후면전극(260)은 몰리브덴, 텅스텐, 크롬 중에서 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
광흡수층(300)은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층이고, 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 전착법(Electrodeposition), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 스크린프린팅법(Screen printing), 입자증착법(Particle deposition) 중에서 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
이때, 상기 제 2 후면전극(260)과 상기 광흡수층(300) 사이에 셀렌화몰리브덴, 셀렌화텅스텐, 셀렌화크롬 중에서 어느 하나를 더 포함하여 구성될 수 있다.
버퍼층(400)은 CdS, ZnS, InOH 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
전면전극(500)은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있고, 이때, 전면전극(500)은 n형 불순물로 도핑될 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
100: 기판 200: 후면전극
230: 제 1 후면전극층 260: 제 2 후면전극층
300: 광흡수층 400: 버퍼층
500: 전면전극층

Claims (20)

  1. 요철구조의 이중후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법에 있어서,
    (i) 기판을 준비하는 단계;
    (ii) 상기 기판 위에 저융점의 금속을 포함하는 제 1 후면전극층을 형성하는 단계;
    (iii) 상기 제 1 후면전극층 위에 제 2 후면전극층을 형성하는 단계;
    (iv) 상기 제 2 후면전극층 위에 광흡수층을 형성하는 단계;
    (v) 상기 (iv) 단계의 광흡수층을 형성하는 고온의 공정 과정에서 상기 제 1 후면전극층에 요철구조가 형성되는 단계;
    (vi) 상기 요철구조가 형성된 제 1 후면전극층과 면접촉을 이루고 있는 제 2 후면전극층에 요철구조가 형성되는 단계;
    (vii) 상기 광흡수층 위에 버퍼층을 형성하는 단계;
    (viii) 상기 버퍼층 위에 전면전극층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (ii)단계의 저융점의 금속은 아연, 카드뮴, 알루미늄, 은, 인듐, 주석, 납, 안티몬, 비스무스, 마그네슘 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 저융점의 금속은 규소, 붕소, 탄소, 산소, 백금 중에서 적어도 어느 하나의 물질을 도핑한 저융점의 금속인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 1 후면전극층은 상기 기판 위에 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 후면전극층은 몰리브덴, 텅스텐, 크롬 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되고,
    스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법스퍼터링, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (iv) 단계의 광흡수층은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층이고,
    동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 전착법(Electrodeposition), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 스크린프린팅법(Screen printing), 입자증착법(Particle deposition) 중에서 어느 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (vii) 단계의 버퍼층은 CdS, ZnS, InOH 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
    용액성장법(CBD), 전착법(Electrodeposition), 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 화학기상증착법(CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 분무열분해법(Spray pyrolysis), ILGAR(Ion Layer Gas Reaction), 레이저증착법(Pulsed Laser Deposition)중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 (viii) 단계의 전면전극층은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
    스퍼터링법, RF 스퍼터링법, 반응성 스퍼터링법, 증발증착법(Evaporation), 전자선증착법(E-beam evaporation), 유기금속화학증착법(MOCVD), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 분자선성장법(MBE), 전착법(Electrodeposition) 중에서 어느 하나의 방법을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전면전극층은 n형 불순물로 도핑된 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 후면전극과 상기 광흡수층의 경계면에 셀렌화몰리브덴, 셀렌화텅스텐, 셀렌화크롬 중에서 어느 하나가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  11. 제 1항, 제 2항 및 제 5항 내지 제 10항 중의 어느 하나의 제조방법으로 제조된 요철구조의 이중후면전극을 갖는 태양전지에 있어서,
    기판;
    상기 기판 위에 형성된 저융점 금속을 포함하는 제 1 후면전극;
    상기 제 1 후면전극 위에 형성된 제 2 후면전극;
    상기 제 2 후면전극 위에 형성된 광흡수층;
    상기 광흡수층 위에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 위에 형성된 전면전극;
    을 포함하여 구성되고,
    상기 제 1 후면전극과 상기 제 2 후면전극은 요철구조를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 기판은 유리 기판, 스테인레스스틸 기판 , 티타늄 기판, 폴리머 기판 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
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