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KR101765987B1 - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR101765987B1
KR101765987B1 KR1020140007717A KR20140007717A KR101765987B1 KR 101765987 B1 KR101765987 B1 KR 101765987B1 KR 1020140007717 A KR1020140007717 A KR 1020140007717A KR 20140007717 A KR20140007717 A KR 20140007717A KR 101765987 B1 KR101765987 B1 KR 101765987B1
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Abstract

태양 전지의 제조 방법이 제곤된다. 상기 태양 전지의 제조 방법은, 챔버 내에 기판의 준비하는 단계, 상기 챔버 내의 온도를 제1 온도로 설정하고, 상기 챔버 내에 제1 소스를 공급하여, 상기 기판 상에 광 흡수층을 형성하는 단계, 상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 설정하고, 상기 챔버 내에 상기 제1 소스를 공급하여, 상기 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 및 상기 챔버 내에 상기 제1 소스와 다른 제2 소스를 공급하여, 상기 기판 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

태양 전지 및 그 제조 방법{Solar cell and method of fabricating the same}
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 서로 다른 온도에서 형성된 광 흡수층과 버퍼층을 포함하는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
태양전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기에너지로 전환하는 광전 에너지 변환 시스템(photovoltaic energy conversion system)이다.
실리콘 태양전지는 상기 광전 에너지 변환을 위해 실리콘 내에 형성되는 p-n 접합다이오드(p-n junction diode)를 이용하지만, 전자 및 홀의 때이른 재결합(premature recombination)을 방지하기 위해서는, 사용되는 실리콘이 높은 순도 및 낮은 결함을 가져야 한다. 이러한 기술적 요구는 사용되는 재료 비용의 증가를 가져오기 때문에, 실리콘 태양전지의 경우, 전력당 제조비용이 높다. 이에 더하여, 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 광자들(photons)만이 전류를 생성하는데 기여하기 때문에, 실리콘 태양전지의 실리콘은 가능한 낮은 밴드갭(bandgap)을 갖도록 도핑된다. 하지만, 이처럼 낮춰진 밴드갭 때문에, 청색광 또는 자외선에 의해 여기된 전자들(excited electrons)은 과도한 에너지를 갖게 되어, 전류생산에 기여하기 보다는 열로써 소모되는 문제점이 있다.
또한, 광자(photon)가 캡쳐링(capturing)될 가능성을 증가시키기 위해서는, p형 층(p-type layer)은 충분히 두꺼워야 하지만, 이러한 두꺼운 p형 층은 여기된 엑시톤(전자·정공 쌍)이 p-n 접합에 도달하기 전에 전자·정공 쌍이 서로 재결합 할 가능성을 증가시키기 때문에, 실리콘 태양전지의 효율은 높지 않은 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, CIGS 박막 태양 전지가 개발 중이다. CIGS 박막 태양 전지는 실리콘 태양 전지에 비해 효율이 높고, 초기 열화 현상이 없어 비교적 안정성이 높아 상용화를 위한 기술개발이 진행 중에 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2012-0079292(출원번호 10-2011-0000509)에는 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시키기 위해, CIGS 태양전지와 실리콘 태양전지 또는 염료감응형 태양전지를 적층 구조로 형성하는 하이브리드 태양 전지 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.
하지만, CIGS 태양 전지의 제조에 필요한 인듐(In), 갈륨(Ga) 은 가격이 비싸 CIGS 태양 전지의 제조 단가가 높으며, CIGS 박막을 형성하기 위한 Cu, In, Ga, Se의 Co-evaporation 공정은 공정 최적화가 용이하지 않다. 또한, CIGS 태양 전지에 포함된 CdS 버퍼층이 습식 공정으로 제조되어, 스퍼터링과 같은 진공 공정과 함께 연속적인 생산이 불가능하여, 생산성이 낮다. 또한, CdS 버퍼층에 사용되는 카드뮴(Cd)은 독성이 강한 중금속으로 환경오염을 유발하는 문제가 있다.
이에 따라, 친환경적이고, 생산성이 높고, 제조 단가가 낮은 태양 전지의 연구개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 제조단가가 감소된 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 친환경적인 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 공정 최적화가 용이한 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 제조 공정이 간소화된 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 태양 전지의 제조 방법은, 챔버 내에 기판의 준비하는 단계, 상기 챔버 내의 온도를 제1 온도로 설정하고, 상기 챔버 내에 제1 소스를 공급하여, 상기 기판 상에 광 흡수층을 형성하는 단계, 상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 설정하고, 상기 챔버 내에 상기 제1 소스를 공급하여, 상기 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 및 상기 챔버 내에 상기 제1 소스와 다른 제2 소스를 공급하여, 상기 기판 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 소스는, 주석(Sn) 및 황(S)을 포함하고, 상기 제2 소스는, 주석(Sn), 및 산소(O)를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 제1 소스를 공급하기 전 또는 후, 상기 제2 소스를 상기 챔버 내에 공급하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 태양 전지의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계, 제1 온도에서 상기 기판 상에 광 흡수층을 형성하는 단계, 상기 제1 온도와 다른 제2 온도에서, 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 및 상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮은 것을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층은, 상기 제1 온도에서 제1 소스가 공급되어 형성된 제1 화합물을 포함하고, 상기 버퍼층은, 상기 제2 온도에서 상기 제1 소스가 공급되어 형성된 제2 화합물을 포함하되, 상기 제2 화합물은, 상기 제1 화합물을 구성하는 원소와 동일한 원소를 포함하되 상기 제1 화합물과 다른 조성비를 가질 수 있다.
상기 제1 화합물은 SnS를 포함하고, 상기 제2 화합물은 SnS2를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 제1 소스에 포함된 금속과 동일한 금속, 및 상기 제1 소스에 포함된 반응가스와 다른 반응가스를 포함하는 제2 소스를 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 버퍼층은, 상기 제1 소스에 의해 형성된 SnS2, 및 상기 제2 소스 의해 형성된 SnO2를 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층, 상기 버퍼층, 및 상기 윈도우층은 동일한 챔버 내에서 형성되는 것을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층, 상기 버퍼층, 및 상기 윈도우층은 건식 공정으로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 태양 전지를 제공한다.
상기 태양 전지는, 기판 상에 배치되고, 제1 화합물을 포함하는 광 흡수층, 상기 광 흡수층 상에 배치되고, 상기 제1 화합물을 구성하는 원소와 동일한 원소를 포함하되 상기 제1 화합물과 다른 조성비를 갖는 제2 화합물을 포함하는 버퍼층, 및 상기 버퍼층 상의 윈도우층을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층 및 상기 버퍼층은 서로 다른 결정 구조(crystal structure)를 갖는 것을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층은 사방정계(orthorhombic) 결정 구조를 갖고, 상기 버퍼층은 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 갖는 것을 포함할 수 있다.
상기 제1 화합물은 SnS를 포함하고, 상기 제2 화합물은 SnS2를 포함할 수 있다.
상기 윈도우층 및 상기 버퍼층은 상기 제1 화합물 및 상기 제2 화합물에 포함된 금속 원소의 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 동일한 챔버 내에서 건식 공정으로 광 흡수층, 버퍼층, 및 윈도우층이 연속적으로 그리고 일괄적으로 형성될 수 있다. 이로 인해, 제조 공정이 간소화된 태양 전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층은 인듐(In) 및 갈륨(Ga)의 사용을 최소화하여 형성되고, 이성분계의 화합물로 형성될 수 있다. 이로 인해, 제조 단가가 감소되고, 공정 최적화가 용이한 태양 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층은 인체에 유해한 중금속의 사용을 최소화하여 형성되어, 친환경적인 태양 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광 흡수층 및 버퍼층의 특성을 설명하기 위한 XRD 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광 흡수층 및 버퍼층의 특성을 설명하기 위한 TEM 회절 패턴이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광 흡수층 및 버퍼층의 광 투과도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광 흡수층 및 버퍼층의 광 밴드 갭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지를 사용하는 태양전지 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지를 사용하는 태양광 발전시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 명세서 소스(source)라는 용어는 기판 상에 막(layer)을 형성하기 위해 챔버 내에 제공되는 재료를 포함하는 것으로, 소스 가스(source gas), 및 시료(target material)를 모두 포함하는 의미로 사용된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2 내지 4는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100)이 준비된다.(S110) 상기 기판(100)은 챔버 내에 준비될 수 있다. 상기 기판(100)은 유리 기판, 또는 플라스틱 기판 등 다양한 기판이 사용될 수 있다.
상기 기판(100) 상에 하부 전극층(110)이 형성될 수 있다. 상기 하부 전극층(110)은 스퍼터링(sputtering) 또는 이베포레이션(evaporation) 등의 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 전극(110)은 몰리브데늄(Mo)으로 형성될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 하부 전극층(110)이 형성된 상기 기판(100) 상에 광 흡수층(120)이 형성될 수 있다.(S120) 상기 광 흡수층(120)은 가시광선 영역의 빛을 흡수할 수 있다. 상기 광 흡수층(120)을 형성하는 단계는, 상기 기판(100)이 준비된 상기 챔버 내의 온도를 제1 온도로 설정하는 단계, 및 상기 챔버 내에 제1 소스를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 온도는 150℃보다 높은 온도일 수 있다. 상기 광 흡수층(120)의 두께는 100nm~2μm일 수 있다.
상기 제1 소스는, 주석(Sn) 및 황(S)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 소스는, TDMASn(Tetrakis(dimethylamino)tin), SnCl (Tin(IV) chloride), Sn(acac)2) (tin 2,4-pentanedionate), 또는 Sn(amd)2 (bis(N,-N’-didisopropylacetamidinato)tin(II)) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, H2S 또는 Na2S2O3 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층(120)은 건식 공정으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(120)은 스퍼터링(Sputtering), 전자빔 증착법(E-Beam Evaporation), 열증착법(Thermal Evaporation), 펄스레이저 증착법 (Pulsed Laser Deposition), SILAR (Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction), 열 화학기상 증착법 (Thermal Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학기상 증착법 (Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition), 또는 플라즈마 강화 원자층 증착법 (Plasma-enhanced Atomic Layer Deposition) 으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(120)은, 상기 제1 온도에서 상기 챔버 내에 상기 제1 소스를 공급하여 상기 하부 전극층(110) 상에 형성된 제1 화합물을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 광 흡수층(120)을 구성하는 상기 제1 화합물은, 주석(Sn)을 포함하는 전구체(예를 들어, TDMASn 전구체), 및 황(S)을 포함하는 반응가스(예를 들어, H2S)를 이용하여 원자층 증착법으로 형성된 SnS를 포함할 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, CuInSe, CuInSe2, CuInGaSe, 또는 CuInGaSe2를 태양 전지의 광 흡수층으로 사용하는 경우, 가격이 높은 인듐(In) 및 갈륨(Ga)으로 인해 태양 전지의 제조 단가를 감소시키는데 한계가 있다. 또한, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se)을 이용한 광 흡수층은, 다양한 종류의 재료들이, 스퍼터링(sputtering), 어닐링(annealing), 및 습식공정 등 다양한 종류의 제조 공법을 사용하여 형성되기 때문에, 제조 공정의 최적화가 용이하지 않다.
하지만, 상술된 본 발명의 실시 예와 같이, SnS를 태양 전지의 상기 광 흡수층(120)으로 사용하는 경우, 가격이 높은 인듐(In) 및 갈륨(Ga)의 사용이 최소화되어 태양 전지의 제조 단가가 감소될 수 있다. 또한, SnS는 이성분계 화합물이기 때문에 SnS로 형성된 상기 광 흡수층(120)을 형성하기 위한 공정 최적화가 용이하다. 이로 인해, 제조 단가가 감소되고, 공정 최적화가 용이한 태양 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 광 흡수층(120) 상에 버퍼층(130)이 형성될 수 있다.(S130) 상기 버퍼층(130)은, 상기 광 흡수층(120)과 후술되는 윈도우층(140) 사이의 격자 불일치 및 전도대 뒤틀림을 완화하여, 전자와 정공의 재결합을 방지할 수 있다. 상기 버퍼층(130)의 두께는 상기 광 흡수층(120의 두께보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(130)의 두께는 10~100nm일 수 있다.
상기 버퍼층(130)을 형성하는 단계는, 상기 광 흡수층(120)이 형성된 상기 기판(100)이 준비된 상기 챔버 내의 온도를 제2 온도로 설정하는 단계, 및 상기 챔버 내에 상기 제1 소스를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 온도는 상기 제1 온도와 다른 온도일 수 있다. 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮은 온도일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 온도는 150℃ 이하의 온도일 수 있다.
상기 버퍼층(130)은, 상기 제2 온도에서 상기 챔버 내에 상기 제1 소스를 공급하여 형성된 제2 화합물을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 버퍼층(130)을 구성하는 상기 제1 화합물은, 상기 제2 온도 조건에서, 주석(Sn)을 포함하는 전구체(예를 들어, TDMASn 전구체), 및 황(S)을 포함하는 반응가스(예를 들어, H2S)를 이용하여 원자층 증착법으로 형성된 SnS2를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층(130)이 상기 광 흡수층(120)과 동일한 챔버 내에서, 동일한 상기 제1 소스를 이용하여 형성되되, 상기 버퍼층(130)은 상기 광 흡수층(120)이 형성되는 상기 제1 온도보다 낮은 상기 제2 온도에서 형성될 수 있다. 이로 인해, 상기 제2 화합물(예를 들어, SnS2)은, 상기 제1 화합물(예를 들어, SnS)을 구성하는 원소들과 동일한 원소들을 포함하되, 상기 제1 화합물과 다른 조성비를 가질 수 있다.
이로 인해, 상기 제2 화합물로 형성된 상기 버퍼층(130)의 광 밴드 갭이 상기 제1 화합물로 형성된 상기 광 흡수층(120)의 광 밴드 갭과 상이할 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(130)의 광 밴드 갭은 2.4eV~2.8eV이고, 상기 광 흡수층(120)의 광 밴드 갭은 1.6eV~1.7eV일 수 있다.
또한, 상기 제2 화합물로 형성된 상기 버퍼층(130)은 상기 제1 화합물로 형성된 상기 광 흡수층(120)의 결정 구조(crystal structure)와 다른 결정 구조를 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 광 흡수층(120, 예를 들어, SnS)은 사방정계(orthorhombic) 결정 구조를 갖고, 상기 버퍼층(130, 예를 들어, SnS2)은 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 가질 수 있다.
상술된 것과 달리, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 버퍼층(130)은, 상기 제2 화합물 외에, 상기 제2 화합물에 적층된 제3 화합물을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따른 상기 버퍼층(130)을 형성하는 단계는, 상기 제1 소스를 상기 챔버 내에 공급하기 전 또는 후, 제2 소스를 상기 챔버 내에 공급하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 소스는 주석(Sn) 및 산소(O)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 소스는, TDMASn(Tetrakis(dimethylamino)tin), SnCl (Tin(IV) chloride), Sn(acac)2) (tin 2,4-pentanedionate), 또는 Sn(amd)2 (bis(N,-N’-didisopropylacetamidinato)tin(II)) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, H2O를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따라 형성된 상기 버퍼층(130)은, 상기 제2 온도에서 상기 제1 소스가 상기 챔버 내에 공급되어 형성된 상기 제2 화합물(예를 들어, SnS2), 및 상기 제2 온도에서 상기 제2 소스가 상기 챔버 내에 공급되어 형성된 제3 화합물(예를 들어, SnO2)이 적층된 것을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 화합물(예를 들어, SnS2)과 상기 제3 화합물(예를 들어, SnO2)의 조성비를 조절하여, 상기 버퍼층(130)의 광 밴드 갭이 조절될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예들과 달리, CdS가 태양 전지의 버퍼층으로 사용되는 경우, 독성이 강한 카드뮴(Cd)의 사용에 따라 환경 오염을 유발할 수 있다. 또한, CdS 버퍼층은 습식 공정으로 제조되기 때문에, 제조 공정의 복잡해지고, 소자가 공기 중에 노출되어 산소, 물 등의 영향을 받기 쉽고, CdS 버퍼층의 형성에 사용되는 수용액의 mol비율에 따라 CdS 버퍼층의 특성 변화가 커, CdS 버퍼층의 신뢰성을 확보하는 것이 용이하지 않다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라, SnS2 또는 SnS2/SnO2가 태양 전지의 상기 버퍼층(130)으로 사용되는 경우, 상기 버퍼층(130)이 건식 공정으로 상기 광 흡수층(120)과 동일한 챔버 내에서 연속적으로 형성될 수 있다. 또한, 인체에 유해한 중금속(예를 들어, 카드뮴(Cd))의 사용이 최소화될 수 있다. 이로 인해, 제조 공정이 간소화되고, 친환경적인 태양 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
계속해서, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 버퍼층(130) 상에 윈도우층(140)이 형성될 수 있다.(S140) 상기 윈도우층(140)은 상기 광 흡수층(120) 및 상기 버퍼층(130)과 동일한 챔버 내에서 건식 공정으로 형성될 수 있다. 상기 윈도우층(140)을 형성하는 단계는, 상기 챔버 내의 온도를 상기 제2 온도로 설정하는 단계, 및 상기 챔버 내에 상기 제2 소스를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 윈도우층(140)은, 주석을 포함하는 전구체(예를 들어, TDMASn 전구체), 및 산소(O)를 포함하는 반응 가스(예를 들어, H2O)를 이용하여, 원자층 증착법으로 형성된 SnO2를 포함할 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, ZnO 또는 ZnOAl을 태양 전지의 윈도우층으로 사용하는 경우, ZnO 또는 ZnOAl 윈도우층을 형성하기 위한 스퍼터링 공정에 의해, 상기 버퍼층(130)이 손상될 수 있다. 이로 인해, 상기 버퍼층(130)의 신뢰성이 저하되어, 태양 전지의 효율 및 특성이 감소될 수 있다.
하지만 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라, SnO2가 태양 전지의 상기 윈도우층(140)으로 사용되는 경우, 상기 윈도우층(140)이 상기 버퍼층(130) 및 상기 광 흡수층(120)과 동일한 챔버 내에서 연속적으로 형성되어, 태양 전지의 제조 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 윈도우층(140)이 화학 기상 증착법으로 형성될 수 있어, 상기 윈도우층(140) 아래의 상기 버퍼층(130)의 손상이 최소화될 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(130) 및 상기 광 흡수층(120)의 형성을 위해 사용된 금속 전구체(주석을 포함하는 전구체)와 동일한 금속 전구체를 이용하여, 상기 윈도우층(140)이 형성될 수 있어, 태양 전지의 제조에 필요한 전구체가 효율적으로 관리될 수 있다.
상기 윈도우층(140) 상에 상부 전극층(150)이 형성될 수 있다. 상기 상부 전극층(150)은 투명한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 전극층(150)은 ITO, GZO, AZO 등으로 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 광 흡수층(120) 및 상기 버퍼층(130)의 특성이 설명된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광 흡수층 및 버퍼층의 특성을 설명하기 위한 XRD 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광 흡수층 및 버퍼층의 특성을 설명하기 위한 TEM 회절 패턴이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 60℃~180℃의 공정 온도에서 TDMASn 전구체와 H2S 반응 가스를 챔버 내에 공급하여, 원자층 증착법으로 50nm 두께의 SnSx(X는 양의 정수)막을 증착하였다. 150℃ 이하의 공정 온도에서는 사방정계(orthorhombic) 결정 구조를 갖는 SnS2 막이 형성되며, 150℃를 넘는 공정 온도에서는 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 갖는 SnS 막이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 9의 (a) 내지 (c)는 각각, 100℃, 140℃, 및 180℃에서 증착된 SnSx막들의 TEM 회절 패턴들이다. 공정 온도 100℃에서 비정질 상태의 SnS2 막이 증착되었고, 공정 온도 140℃에서 사방정계 결정 구조를 갖는 SnS2 막이 증착되었고, 공정 온도 180℃에서 육방정계 결정 구조를 갖는 SnS 막이 증착되었다.
도 5 및 도 6에서 알 수 있듯이, 동일한 소스 가스를 이용하더라도 공정 온도를 다르게 하는 경우, 조성비가 다르고, 서로 다른 결정 구조를 갖는 SnS 막 및 SnS2 막이 증착되는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광 흡수층 및 버퍼층의 광 투과도를 설명하기 위한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광 흡수층 및 버퍼층의 광 밴드 갭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 공정 온도가 60℃에서 150℃까지 증가됨에 따라서, 가시 광선 영역의 광에 대한 투과도가 68.25%에서 61.68%로 점차적으로 감소되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 150℃보다 높은 온도인 160℃ 및 180℃에서 증착된 SnS2막의 가시광선 광에 대한 투과도가 급격하게 감소되는 것을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하면, 150℃ 이하의 공정 온도에서 증착된 SnS2 막의 광 밴드 갭은 2.4~2.8eV로 측정되었고, 150℃보다 높은 160℃ 및 180℃의 공정 온도에서 증착된 SnS 막의 광 밴드 갭은 1.6~1.7eV 갖는 것으로 측정되었다.
도 7 및 도 8에서 알 수 있듯이, 상대적으로 높은 온도(150℃ 초과)에서 증착된 SnS 막의 경우 가시광선 영역의 광을 흡수할 수 있고, 상대적으로 낮은 온도(150℃ 이하)에서 증착된 SnS2 막의 경우 가시광선 영역의 광을 흡수하지 않아 버퍼층으로 사용될 수 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따라, 동일한 소스 가스를 이용하여 공정 온도를 달리하여 증착된 SnS 막 및 SnS2 막이, 태양 전지의 광 흡수층 및 버퍼층으로 각각 사용될 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지의 적용 예가 설명된다.
도 9는 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지를 사용하는 태양전지 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 태양전지 어레이(700)는 메인프레임(미도시)에 적어도 하나의 태양전지모듈들(720)을 설치하여 구성될 수 있다. 상기 태양전지 모듈들(720)은 복수의 태양전지(710)를 포함할 수 있다. 상기 태양전지(710)는 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지일 수 있다. 상기 태양전지 어레이(700)는 태양광을 잘 쪼이도록 남쪽을 향해서 일정한 각도를 갖도록 설치될 수 있다.
전술한 태양전지 모듈 또는 태양전지 어레이는 자동차, 주택, 건물, 배, 등대, 교통신호체계, 휴대용 전자기기 및 다양한 구조물상에 배치되어 사용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지를 사용하는 태양광 발전시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 상기 태양광 발전시스템은 상기 태양전지 어레이(700) 및 상기 태양전지 어레이(700)로부터 전력을 공급받아 외부로 송출하는 전력제어장치(800)를 포함할 수 있다. 상기 전력제어장치(800)는 출력장치(810), 축전장치(820), 충방전 제어장치(830), 시스템제어장치(840)를 포함할 수 있다. 상기 출력장치(810)는 전력변환장치(812)를 포함할 수 있다.
상기 전력변환장치(Power Conditioning System: PCS, 812)는 상기 태양전지 어레이(700)로 부터의 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터일 수 있다. 태양광은 밤에는 존재하지 않고 흐린 날에는 적게 비추기 때문에, 발전전력이 감소할 수 있다. 상기 축전장치(820)는 발전전력이 일기에 따라 변화되지 않도록 전기를 저장할 수 있다. 상기 충방전 제어장치(830)는 상기 태양전지 어레이(700)로 부터의 전력을 상기 축전장치(820)에 저장하거나, 상기 축전장치(820)에 저장된 전기를 상기 출력장치(810)로 출력할 수 있다. 상기 시스템제어장치(840)는 상기 출력장치(810), 상기 축전장치(820) 및 상기 충방전 제어장치(830)를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 변환된 교류전류는 자동차, 가정과 같은 다양한 AC 부하(910)로 공급되어 사용될 수 있다. 나아가, 상기 출력장치(810)는 계통연계장치(grid connect system, 814)를 더 포함할 수 있다. 상기 계통연계장치(814)는 다른 전력계통(920)과의 접속을 매개하여, 전력을 외부로 송출할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
110: 하부 전극층
120: 광 흡수층
130: 버퍼층
140: 윈도우층
150: 상부 전극층

Claims (16)

  1. 챔버 내에 기판의 준비하는 단계;
    상기 챔버 내의 온도를 제1 온도로 설정하고, 상기 챔버 내에 제1 소스를 공급하여, 원자층 증착법으로, 상기 기판 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층을 형성하는 공정 조건과 동일한 공정 조건에서, 상기 챔버 내의 온도를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 설정하고, 상기 챔버 내에 상기 제1 소스를 공급하여, 원자층 증착법으로, 상기 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 챔버 내에 상기 제1 소스와 다른 제2 소스를 공급하여, 원자층 증착법으로, 상기 기판 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 소스는, 주석(Sn) 및 황(S)을 포함하고,
    상기 제2 소스는, 주석(Sn), 및 산소(O)를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 소스를 공급하기 전 또는 후, 상기 제2 소스를 상기 챔버 내에 공급하는 것을 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  4. 기판을 준비하는 단계;
    제1 온도에서 상기 기판 상에, 원자층 증착법으로, 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층을 형성하는 공정 조건과 동일한 공정 조건을 갖되, 상기 제1 온도와 다른 제2 온도에서, 원자층 증착법으로, 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    원자층 증착법으로, 상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 광 흡수층은, 상기 제1 온도에서 제1 소스가 공급되어 형성된 제1 화합물을 포함하고,
    상기 버퍼층은, 상기 제2 온도에서 상기 제1 소스가 공급되어 형성된 제2 화합물을 포함하되,
    상기 제2 화합물은, 상기 제1 화합물을 구성하는 원소와 동일한 원소를 포함하되 상기 제1 화합물과 다른 조성비를 갖는 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮은 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 화합물은 SnS를 포함하고,
    상기 제2 화합물은 SnS2를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 버퍼층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 소스에 포함된 금속과 동일한 금속, 및 상기 제1 소스에 포함된 반응가스와 다른 반응가스를 포함하는 제2 소스를 제공하는 것을 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 버퍼층은, 상기 제1 소스에 의해 형성된 SnS2, 및 상기 제2 소스 의해 형성된 SnO2를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 광 흡수층, 상기 버퍼층, 및 상기 윈도우층은 동일한 챔버 내에서 형성되는 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제4 항에 있어서,
    상기 광 흡수층, 상기 버퍼층, 및 상기 윈도우층은 건식 공정으로 형성되는 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  12. 기판 상에 배치되고, 제1 화합물을 포함하는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치되고, 상기 제1 화합물을 구성하는 원소와 동일한 원소를 포함하되 상기 제1 화합물과 다른 조성비를 갖는 제2 화합물을 포함하는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층 상의 윈도우층을 포함하되,
    상기 윈도우층 및 상기 버퍼층은 상기 제1 화합물 및 상기 제2 화합물에 포함된 금속 원소의 산화물을 포함하는 태양 전지.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 광 흡수층 및 상기 버퍼층은 서로 다른 결정 구조(crystal structure)를 갖는 것을 포함하는 태양 전지.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 광 흡수층은 사방정계(orthorhombic) 결정 구조를 갖고,
    상기 버퍼층은 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 갖는 것을 포함하는 태양 전지.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 화합물은 SnS를 포함하고,
    상기 제2 화합물은 SnS2를 포함하는 태양 전지.
  16. 삭제
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