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KR20120054365A - 화합물 반도체 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

화합물 반도체 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20120054365A
KR20120054365A KR1020100115710A KR20100115710A KR20120054365A KR 20120054365 A KR20120054365 A KR 20120054365A KR 1020100115710 A KR1020100115710 A KR 1020100115710A KR 20100115710 A KR20100115710 A KR 20100115710A KR 20120054365 A KR20120054365 A KR 20120054365A
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KR
South Korea
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impurity diffusion
solar cell
compound semiconductor
diffusion barrier
layer
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KR1020100115710A
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Inventor
조대형
정용덕
Original Assignee
한국전자통신연구원
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Publication date
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Abstract

본 발명의 실시예는, 기판 상에 제공되되, 알칼리 성분이 첨가되고 크롬, 코발트 또는 구리 중 어느 하나의 금속층으로 이루어진 불순물 확산 방지막; 상기 불순물 확산 방지막 상에 제공되되, 몰리브덴으로 이루어진 후면전극; 상기 후면전극 상에 제공된 CIGS계 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 제공된 전면 투명전극을 포함하는 화합물 반도체 태양전지를 제공한다.

Description

화합물 반도체 태양전지 및 그 제조방법{COMPOUND SEMICONDUCTOR SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 화합물 반도체 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CIGS계 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지 시장의 성장에 따른 실리콘 원소재 부족 문제로 인하여 박막 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 박막 태양전지는 소재에 따라 비정질 또는 결정질 실리콘 박막 태양전지, CIGS계 박막 태양전지, CdTe 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 등으로 구분될 수 있다. CIGS계 박막 태양전지의 광흡수층은 CuInSe2로 대표되는 I-Ⅲ-VI2족 화합물 반도체로 구성되며 직접천이형 에너지 밴드 갭을 가지며, 광흡수계수가 높아서 1~2㎛의 박막으로 고효율의 태양전지 제조가 가능하다.
CIGS계 태양전지의 효율은 비정질 실리콘, CdTe 등 일부 실용화되어 있는 박막 태양전지에 비하여 높을 뿐만 아니라 기존의 다결정 실리콘 태양전지에 근접하는 것으로 알려져 있다. 또한, CIGS계 태양전지는 구성하는 소재가격이 다른 종류의 태양전지 소재에 비해 저렴하고 유연하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라 오랜 시간 동안 성능이 약화되지 않는 특성을 가진다.
본 발명의 목적은 효율이 향상된 화합물 반도체 태양전지를 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 제조 원가는 절감하면서 효율을 향상시킬 수 있는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지는, 기판 상에 제공되되, 알칼리 성분이 첨가되고 크롬, 코발트 또는 구리 중 어느 하나의 금속층으로 이루어진 불순물 확산 방지막; 상기 불순물 확산 방지막 상에 제공되되, 몰리브덴으로 이루어진 후면전극; 상기 후면전극 상에 제공된 CIGS계 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 제공된 전면 투명전극을 포함할 수 있다.
상기 알칼리 성분은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프란슘(Fr), 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 바나듐(V), 니오브(Nb) 및 탄탈륨(Ta)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 불순물 확산 방지막에 첨가되는 상기 알칼리 성분의 함량은 상기 금속층의 전체 중량 대비 0.1원자% 내지 50원자%일 수 있다.
상기 불순물 확산 방지막은 0.01㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광흡수층은 I-Ⅲ-VI2족 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
상기 광흡수층은 상기 불순물 확산 방지막에서 확산된 상기 알칼리 성분을 포함할 수 있다.
상기 기판은 소다회 유리 기판, 세라믹 기판, 금속 기판 또는 고분자 필름 중 어느 하나일 수 있다.
상기 광흡수층과 상기 전면 투명전극 사이에 제공된 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
상기 전면 투명전극 상의 일 영역에 제공된 반사방지막; 및 상기 반사방지막의 측면에 제공되되, 상기 전면 투명전극과 접촉된 그리드 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조방법은, 기판 상에, 알칼리 성분이 첨가되고 크롬, 코발트 또는 구리 중 어느 하나의 금속층으로 이루어진 불순물 확산 방지막을 형성하는 단계; 상기 불순물 확산 방지막 상에 몰리브덴으로 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 CIGS계 광흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광흡수층 상에 전면 투명전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 불순물 확산 방지막은 스퍼터링(sputtering) 방법으로 형성할 수 있다.
상기 후면전극은 상기 불순물 확산 방지막과 동일한 챔버에서 상기 스퍼터링 방법으로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 알칼리 성분이 첨가된 불순물 확산 방지 기능의 금속층을 불순물 확산 방지막으로 사용하되, 이를 후면전극과 동일한 챔버에서 형성함으로써, 태양전지의 제조 원가를 절감할 수 있고, 기판의 불순물이 광흡수층으로 확산되는 것은 방지하면서 상기 불순물 확산 방지막에 첨가된 알칼리 성분은 상기 광흡수층으로 확산시킴에 따라 태양전지의 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 기판이 소다회 유리에 한정되지 않고 다양하게 적용가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS계 박막 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS계 박막 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS계 박막 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되는 것으로 해석되어져서는 안되며, 당업계에서 보편적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 따라서, 도면에서의 요소들이 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS계 박막 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS계 박막 태양전지(100)는 기판(110)과 상기 기판(110) 상에 차례로 제공된 불순물 확산 방지막(120), 후면전극(130), CIGS계 광흡수층(140), 버퍼층(150), 전면 투명전극(160), 반사방지막(170) 및 그리드(grid) 전극(180)을 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 소다회 유리(sodalime glass) 기판일 수 있다. 상기 소다회 유리 기판은 상대적으로 값싼 기판 재료로 알려져 있다. 또한, 상기 소다회 유리 기판의 나트륨(Na)이 상기 CIGS계 광흡수층(140)으로 확산되어, 상기 태양전지(100)의 광전변환효율을 증가시킬 수 있다.
이와 다르게, 상기 기판(110)은 알루미나(alumina, Al2O3), 석영과 같은 세라믹 기판, 스테인리스 스틸(stainless steel), 구리 테이프(Cu tape), 크롬 스틸(Cr steel), 니켈(Ni)과 철(Fe)의 합금(alloy)인 코바(Kovar), 티타늄(Ti), 페라이트 스틸(ferritic steel), 몰리브덴(Mo) 등의 금속 기판 또는 캡톤(Kapton), 폴리에스테르(polyester) 또는 폴리이미드(polyimide) 필름(예, Upilex, ETH-PI) 등의 고분자(poly) 필름일 수 있다. 상기 기판(110)은 일반적으로 상기 CIGS계 광흡수층(140)의 제조 시 Na 등의 알칼리 성분이 상기 광흡수층(140)으로 확산될 수 있는 상기 소다회 유리 기판을 사용하고 있으나, 본 발명에서는 상기 불순물 확산 방지막(120)에 알칼리 성분(120b)을 포함시킴으로 상기 기판(110)이 상기 소다회 유리 기판에 한정되지 않으며, 상기 알칼리 성분(120b)을 포함하지 않는 기판을 사용할 수 있다.
상기 불순물 확산 방지막(120)은 상기 광흡수층(140)으로의 상기 알칼리 성분(120b)의 공급원 및 상기 기판(110)으로부터 상기 광흡수층(140)으로의 불순물의 확산을 방지하는 역할을 수행하는 것이 바람직하다.
일례로, 상기 불순물 확산 방지막(120)은 상기 알칼리 성분(120b)이 첨가된 불순물 확산 방지용 금속층(120a)으로 형성될 수 있다. 유연한 기판에 대표적으로 사용되는 상기 스테인리스 스틸은 철(Fe)과 같은 불순물을 함유하고 있는데, 상기 후면전극(130)으로 사용되는 몰리브덴(Mo)은 상기 광흡수층(140)의 제조공정 중에 상기 불순물이 상기 광흡수층(140)으로 확산되는 것을 방지하지 못하기 때문에 상기 불순물 확산 방지막(120)이 개재되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 몰리브덴(Mo)은 두께가 두꺼우면 어느 정도 불순물 확산 방지 역할을 기대할 수는 있으나, 상대적으로 비싼 가격으로 인해 제조 단가를 고려할 때 이는 바람직하지 않다.
상기 금속층(120a)은 크롬(Cr), 코발트(Co) 또는 구리(Cu) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 크롬(Cr), 코발트(Co) 및 구리(Cu)는 몰리브덴(Mo)에 비해 상대적으로 가격이 저렴하고, 두께 대비 불순물 확산 방지 기능이 우수하다.
상기 알칼리 성분(120b)은, 예를 들어, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프란슘(Fr), 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 바나듐(V), 니오브(Nb) 및 탄탈륨(Ta) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 알칼리 성분(120b)은 제조 비용, 상기 CIGS계 광흡수층(140)과의 결정성 관계, 불순물로서의 활성화 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 상기 알칼리 성분(120b)은 Li, Na 또는 K이 바람직하게 사용될 수 있으며, 그 중에서도 Na이 더욱 바람직하다. 상기 알칼리 성분(120b)은 상기 광흡수층(140)으로 확산되어 상기 CIGS계 박막 태양전지(100)의 광전변환효율을 증가시킬 수 있다. 이는 상기 알칼리 성분(120b)이 CIGS 박막의 조직을 더 잘 형성시키고, 그레인 경계(grain boundary)에서 보호막 역할을 하고, p형 전기전도도를 향상시키고, CIGS 박막의 결함을 줄여주기 때문이다.
상기 불순물 확산 방지막(120)은 상기 기판(110)으로부터의 불순물의 확산은 방지하면서 박막의 태양전지가 구현될 수 있도록 0.01㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가된 상기 알칼리 성분(120b)의 함량은 상기 광흡수층(140)의 두께, 조성, 공정 조건 등에 따라 달라질 수 있다. 상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가되는 상기 알칼리 성분(120b)이 과량이면 불순물로서 작용하여 층간 결합력 또는 상기 태양전지(100)의 효율을 저하시킬 수 있다. 반면에, 상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가되는 상기 알칼리 성분(120b)의 함량이 너무 적으면 상기 CIGS 박막에 대해 원하는 결정성장 및 상기 태양전지(100) 효율의 증대 효과를 발휘할 수 없다. 따라서, 상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가되는 상기 알칼리 성분(120b)의 함량은 상기 금속층(120a)의 전체 중량 대비 0.1원자% 내지 50원자%일 수 있다.
상기 후면전극(130)은 비저항이 낮으며, 상기 CIGS계 광흡수층(140)과의 오믹 접합(ohmic contact) 형성 특성이 우수한 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 후면전극(130)은 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수 있다. 상기 몰리브덴(Mo)은 높은 전기전도도 및 셀레늄(Se) 분위기 하에서 고온 안정성을 가질 수 있고, 상기 CIGS계 광흡수층(140)과 열팽창계수의 차이로 인한 박리현상이 발생하지 않는다.
상기 광흡수층(140)은 I-Ⅲ-VI2족 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 상기 I-Ⅲ-VI2족 화합물 반도체는, 예를 들어, CuInSe, CuInSe2, CuInGaSe, CuInGaSe2 , AgCuInGaSe2, AgCuInGaSe2, CuInGaSSe2, CuInGaS2 등의 캘코파이라이트(chalcopyrite)계 화합물 반도체일 수 있다. 이러한 화합물 반도체는 CIGS계 박막으로 통칭될 수 있다.
바람직하게, 상기 광흡수층(140)은 단일접합 태양전지에서 기존 웨이퍼 형태의 다결정실리콘 태양전지의 최고효율에 근접한 약 1.2eV의 에너지 밴드갭을 가지는 CuInGaSe2로 형성될 수 있다. 상기 광흡수층(140)은 상기 불순물 확산 방지막(120)에서 확산된 상기 알칼리 성분(120b)을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층(150)은 상기 광흡수층(140)과 상기 전면 투명전극(160) 간의 격자상수와 에너지 밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 위하여 추가로 제공될 수 있다. 상기 버퍼층(150)은 에너지 밴드갭이 상기 광흡수층(140)과 상기 전면 투명전극(160)의 중간에 위치하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 버퍼층(150)은 황화카드뮴(CdS) 박막, 황화아연(ZnS) 박막 또는 InxSey 박막 등으로 형성될 수 있다. 상기 CdS 박막은 약 500Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 CdS 박막은 2.46eV의 에너지 밴드갭을 가지며, 이는 약 550nm의 파장에 해당한다. 상기 CdS 박막은 n형 반도체로서, 낮은 저항값을 얻기 위하여 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al) 등이 도핑(doping)될 수 있다. 상기 버퍼층(150)은 생략될 수 있다.
상기 전면 투명전극(160)은 광투과율이 높고 전기전도성이 양호한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 전면 투명전극(160)은 ZnO 박막으로 형성될 수 있다. 상기 ZnO 박막은 약 3.3eV의 에너지 밴드갭을 가지며, 약 80% 이상의 높은 광투과율을 가질 수 있다. 상기 ZnO 박막은 알루미늄(Al) 또는 붕소(B) 등이 도핑되어 낮은 저항값을 가질 수 있다.
이와 다르게, 상기 전면 투명전극(160)은 상기 ZnO 박막 위에 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO 박막이 적층되어 형성되거나 ITO 박막의 단일층으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전면 투명전극(160)은 도핑되지 않은 i형의 ZnO 박막 위에 낮은 저항을 가진 n형의 ZnO 박막이 적층되어 형성될 수 있다. 상기 전면 투명전극(160)은 n형 반도체로서 p형 반도체인 상기 광흡수층(140)과 pn접합을 형성한다.
상기 반사방지막(170)은 상기 태양전지(100)에 입사되는 태양광의 반사 손실을 감소시킬 수 있다. 상기 반사방지막(170)에 의하여 상기 태양전지(100)의 효율이 향상될 수 있다. 일례로, 상기 반사방지막(170)은 MgF2 박막으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 반사방지막(170)은 생략될 수 있다.
상기 그리드 전극(180)은 상기 전면 투명전극(160)과 접촉하여 상기 반사방지막(170)의 일측에 제공될 수 있다. 상기 그리드 전극(180)은 상기 태양전지(100) 표면에서의 전류를 수집하기 위한 것이다. 상기 그리드 전극(180)은 알루미늄(Al) 또는 니켈(Ni)/알루미늄(Al) 등의 금속으로 형성될 수 있다. 상기 그리드 전극(180)이 차지하는 부분은 태양광이 입사되지 않기 때문에, 그 부분을 최소화할 필요가 있다.
상기 CIGS계 박막 태양전지(100)는 양단의 상기 후면전극(130) 및 상기 전면 투명전극(160)에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 후면전극(130) 하부에 상기 알칼리 성분(120b)이 첨가된 상기 금속층(120a)을 포함한 상기 불순물 확산 방지막(120)을 개재함으로써, 상기 기판(110)의 불순물이 상기 광흡수층(140)으로 확산되는 것은 방지되고 상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가된 상기 알칼리 성분(120b)이 선택적으로 상기 광흡수층(140)으로 확산됨에 따라 상기 태양전지(100)의 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 기판(110)이 소다회 유리에 한정되지 않고 다양하게 적용가능하다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS계 박막 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS계 박막 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2a 및 도 3을 참조하면, 기판(110) 상에 불순물 확산 방지막(120)을 형성한다(S10). 상기 기판(110)은 소다회 유리(sodalime glass) 기판일 수 있다. 상기 소다회 유리 기판은 상대적으로 값싼 기판 재료로 알려져 있다. 또한, 상기 소다회 유리 기판의 나트륨(Na)이 CIGS계 광흡수층(140, 도 2c 참조)으로 확산되어, 태양전지(100, 도 2g 참조)의 광전변환효율을 증가시킬 수 있다.
이와 다르게, 상기 기판(110)은 알루미나(alumina, Al2O3), 석영과 같은 세라믹 기판, 스테인리스 스틸(stainless steel), 구리 테이프(Cu tape), 크롬 스틸(Cr steel), 니켈(Ni)과 철(Fe)의 합금(alloy)인 코바(Kovar), 티타늄(Ti), 페라이트 스틸(ferritic steel), 몰리브덴(Mo) 등의 금속 기판 또는 캡톤(Kapton), 폴리에스테르(polyester) 또는 폴리이미드(polyimide) 필름(예, Upilex, ETH-PI) 등의 고분자(poly) 필름일 수 있다. 상기 기판(110)은 일반적으로 상기 CIGS계 광흡수층(140, 도 2c 참조)의 제조 시 Na 등의 알칼리 성분이 상기 광흡수층(140, 도 2c 참조)으로 확산될 수 있는 상기 소다회 유리 기판을 사용하고 있으나, 본 발명에서는 상기 불순물 확산 방지막(120)에 알칼리 성분(120b)을 포함시킴으로 상기 기판(110)이 상기 소다회 유리 기판에 한정되지 않으며, 알칼리 성분을 포함하지 않는 기판을 사용할 수 있다.
상기 불순물 확산 방지막(120)은 상기 광흡수층(140, 도 2c 참조)으로의 알칼리 성분의 공급원 및 상기 기판(110)으로부터 상기 광흡수층(140, 도 2c 참조)으로의 불순물의 확산을 방지하는 역할을 수행하는 것이 바람직하다.
일례로, 상기 불순물 확산 방지막(120)은 알칼리 성분(120b)이 첨가된 불순물 확산 방지용 금속층(120a)으로 형성할 수 있다. 유연한 기판에 대표적으로 사용되는 상기 스테인리스 스틸은 철(Fe)과 같은 불순물을 함유하고 있는데, 후면전극(130, 도 2b 참조)으로 사용되는 몰리브덴(Molybdenum, Mo)은 상기 광흡수층(140, 도 2c 참조)의 제조공정 중에 상기 불순물이 상기 광흡수층(140, 도 2c 참조)으로 확산되는 것을 방지하지 못하기 때문에 상기 불순물 확산 방지막(120)을 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 몰리브덴(Mo)은 두께가 두꺼우면 어느 정도 불순물 확산 방지 역할을 어느 정도 기대할 수는 있으나, 상대적으로 비싼 가격으로 인해 제조 단가를 고려할 때 이는 바람직하지 않다.
상기 금속층(120a)은 크롬(Cr), 코발트(Co) 또는 구리(Cu) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 크롬(Cr), 코발트(Co) 및 구리(Cu)는 몰리브덴(Mo)에 비해 상대적으로 가격이 저렴하고, 두께 대비 불순물 확산 방지 기능이 우수하다.
상기 알칼리 성분(120b)은, 예를 들어, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프란슘(Fr), 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 바나듐(V), 니오브(Nb) 및 탄탈륨(Ta) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 알칼리 성분(120b)은 제조 비용, 상기 CIGS계 광흡수층(140, 도 2c 참조)과의 결정성 관계, 불순물로서의 활성화 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 상기 알칼리 성분(120b)은 Li, Na 또는 K이 바람직하게 사용될 수 있으며, 그 중에서도 Na이 더욱 바람직하다. 상기 알칼리 성분(120b)은 상기 광흡수층(140, 도 2c 참조)으로 확산되어 상기 CIGS계 박막 태양전지(100, 도 2g 참조)의 광전변환효율을 증가시킬 수 있다. 이는 상기 알칼리 성분(120b)이 CIGS 박막의 조직을 더 잘 형성시키고, 그레인 경계(grain boundary)에서 보호막 역할을 하고, p형 전기전도도를 향상시키고, CIGS 박막의 결함을 줄여주기 때문이다.
상기 불순물 확산 방지막(120)은 상기 기판(110)으로부터의 불순물의 확산은 방지하면서 박막 태양전지가 구현될 수 있도록 0.01㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성할 수 있다.
상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가된 상기 알칼리 성분(120b)의 함량은 상기 광흡수층(140, 도 2c 참조)의 두께, 조성, 공정 조건 등에 따라 달라질 수 있다. 상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가되는 상기 알칼리 성분(120b)이 과량이면 불순물로서 작용하여 층간 결합력 또는 상기 태양전지(100, 도 2g 참조)의 효율을 저하시킬 수 있다. 반면에, 상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가되는 상기 알칼리 성분(120b)의 함량이 너무 적으면 상기 CIGS 박막에 대해 원하는 결정성장 및 상기 태양전지(100, 도 2g 참조) 효율의 증대 효과를 발휘할 수 없다. 따라서, 상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가되는 상기 알칼리 성분(120b)의 함량은 상기 금속층(120a)의 전체 중량 대비 0.1원자% 내지 50원자%일 수 있다.
상기 불순물 확산 방지막(120)은 상기 알칼리 성분(120b)이 첨가된 불순물 확산 방지 금속들 중 어느 하나를 타겟(target)으로 하여 스퍼터링(sputtering) 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 스퍼터링 방법은 통상의 직류(direct current, DC) 스퍼터링 방법일 수 있다. 이때, 상기 기판(110)의 온도는 상온일 수 있다.
도 2b 및 도 3을 참조하면, 상기 불순물 확산 방지막(120) 상에 후면전극(130)을 형성한다(S20). 상기 후면전극(130)은 비저항이 낮으며, 상기 CIGS계 광흡수층(140, 도 2c 참조)과의 오믹 접합(ohmic contact) 형성 특성이 우수한 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 후면전극(130)은 몰리브덴(Mo)으로 형성할 수 있다. 상기 몰리브덴(Mo)은 높은 전기전도도 및 셀레늄(Se) 분위기 하에서 고온 안정성을 가질 수 있고, 상기 CIGS계 광흡수층(140, 도 2c 참조)과 열팽창계수의 차이로 인한 박리현상이 발생하지 않는다.
상기 후면전극(130)은 몰리브덴(Mo)을 함유하는 물질을 타겟(target)으로 하여 상기 불순물 방지 산화막(120)을 증착한 챔버와 동일한 챔버에서 스퍼터링 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 스퍼터링 방법은 통상의 직류 스퍼터링 방법일 수 있다. 이때, 상기 스퍼터링 시 상기 기판(110)의 온도는 상온일 수 있다.
상기 후면전극(130)은 상기 불순물 확산 방지막(120)과 같이 금속으로 이루어지므로 금속으로 인한 오염을 배제할 수 있기 때문에 상기 불순물 확산 방지막(120)을 증착한 챔버와 동일한 챔버에서 제조가 가능하다. 따라서, 설비 투자 비용의 절감을 통해 상기 태양전지(100, 도 2g 참조)의 제조 원가를 절감할 수 있다는 장점을 가진다. 아울러, 인-시튜(in-situ) 공정이 가능하므로 TAT(Turn Around Time) 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 2c 및 도 3을 참조하면, 상기 후면전극(130) 상에 CIGS계 광흡수층(140)을 형성한다(S30). 상기 광흡수층(140)은 I-Ⅲ-VI2족 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 상기 I-Ⅲ-VI2족 화합물 반도체는, 예를 들어, CuInSe, CuInSe2, CuInGaSe, CuInGaSe2 , AgCuInGaSe2, AgCuInGaSe2, CuInGaSSe2, CuInGaS2 등의 캘코파이라이트(chalcopyrite)계 화합물 반도체일 수 있다. 이러한 화합물 반도체는 CIGS계 박막으로 통칭될 수 있다.
바람직하게, 상기 광흡수층(140)은 단일접합 태양전지에서 기존 웨이퍼 형태의 다결정실리콘 태양전지의 최고효율에 근접한 약 1.2eV의 에너지 밴드갭을 가지는 CuInGaSe2로 형성할 수 있다.
상기 광흡수층(140)은 물리적인 방법 또는 화학적인 방법으로 형성할 수 있다. 일례로, 상기 물리적은 방법은 증발법(evaporation method) 또는 스퍼터링과 셀렌화(selenization) 공정의 혼합법일 수 있다. 일례로, 상기 화학적인 방법은 전기도금법(electroplating method)일 수 있다.
상기 물리적 또는 화학적인 방법은 출발물질(금속, 2원 화합물 등)의 종류에 따라 다양한 제조방법이 동원될 수 있다.
바람직하게, 상기 광흡수층(140)은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)의 금속원소를 출발물질로 하는 동시증발법(co-evaporation method)을 사용하여 형성할 수 있다.
이와는 다르게, 상기 광흡수층(140)은 상기 후면전극(130) 상에 나노크기의 입자(분말, 콜로이드 등)를 합성하고, 이를 용매와 혼합하여 스크린 프린팅(screen printing)한 후 반응소결시켜 형성할 수 있다.
상기 광흡수층(140)의 형성 시, 상기 기판(110)의 온도는 400℃ 내지 600℃일 수 있다. 이처럼, 상기 광흡수층(140)을 형성하는 과정에서 상기 기판(110)이 고온이므로 상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가된 상기 알칼리 성분(120b)의 일부가 상기 광흡수층(140)으로 확산될 수 있다. 하지만, 상기 기판(110)에 포함된 불순물들(미도시)은 상기 불순물 확산 방지막(120)에 의해 상기 광흡수층(140)으로의 확산이 차단될 수 있다.
도 2d 및 도 3을 참조하면, 상기 광흡수층(140) 상에 버퍼층(150)을 형성한다(S40). 상기 버퍼층(150)은 상기 광흡수층(140)과 상기 전면 투명전극(160, 도 2e 참조) 간의 격자상수와 에너지 밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 위하여 추가로 제공될 수 있다. 상기 버퍼층(150)은 에너지 밴드갭이 상기 광흡수층(140)과 상기 전면 투명전극(160, 도 2e 참조)의 중간에 위치하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 버퍼층(150)은 CdS 박막, ZnS 박막 또는 InxSey 박막 등으로 형성할 수 있다. 상기 CdS 박막 및 상기 ZnS 박막은 화학조증착법(Chemical Bath Deposition; CBD) 또는 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 CdS 박막은 약 500Å의 두께로 형성할 수 있다.
상기 CdS 박막은 2.46eV의 에너지 밴드갭을 가지며, 이는 약 550nm의 파장에 해당한다. 상기 CdS 박막은 n형 반도체로서, 낮은 저항값을 얻기 위하여 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al) 등을 도핑(doping) 할 수 있다.
상기 InxSey 박막은 물리적인 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 물리적인 방법은 스퍼터링법 또는 동시증발법일 수 있다. 한편, 상기 버퍼층(150)은 생략 가능하다.
도 2e 및 도 3을 참조하면, 상기 버퍼층(150) 상에 전면 투명전극(160)을 형성한다(S50). 상기 전면 투명전극(160)은 광투과율이 높고 전기전도성이 양호한 물질로 형성할 수 있다.
예를 들면, 상기 전면 투명전극(160)은 ZnO 박막으로 형성할 수 있다. 상기 ZnO 박막은 약 3.3eV의 에너지 밴드갭을 가지며, 약 80% 이상의 높은 광투과율을 가질 수 있다. 이때, 상기 ZnO 박막은 ZnO 타겟을 사용하여 RF(Radio Frequency) 스퍼터링 방법으로 증착하는 방법, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 방법 또는 유기금속화학증착(organic metal chemical vapor deposition)법 등으로 형성할 수 있다. 상기 ZnO 박막은 낮은 저항값을 갖도록 알루미늄(Al) 또는 붕소(B) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.
이와 다르게, 상기 전면 투명전극(160)은 상기 ZnO 박막 위에 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO 박막을 적층하여 형성하거나 ITO 박막을 단독으로 하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 전면 투명전극(160)은 도핑되지 않은 i형의 ZnO 박막 위에 낮은 저항을 가진 n형의 ZnO 박막을 적층하여 형성할 수 있다. 상기 ITO 박막은 통상의 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 전면 투명전극(160)은 n형 반도체로서 p형 반도체인 상기 광흡수층(140)과 pn접합을 형성한다.
도 2f 및 도 3을 참조하면, 상기 전면 투명전극(160) 상의 일 영역에 반사방지막(170)을 형성한다(S60). 상기 반사방지막(170)은 상기 태양전지(100, 도 2g 참조)에 입사되는 태양광의 반사 손실을 감소시킬 수 있다. 상기 반사방지막(170)에 의하여 상기 태양전지(100, 도 2g 참조)의 효율이 향상될 수 있다. 일례로, 상기 반사방지막(170)은 MgF2 박막으로 형성할 수 있다. 상기 MgF2 박막은 전자빔증발(E-beam evaporation)법을 사용하여 형성할 수 있다. 한편, 상기 반사방지막(170)은 생략 가능하다.
도 2g 및 도 3을 참조하면, 상기 반사방지막(170)의 일측 상기 전면 투명전극(170) 상에 그리드 전극(180)을 형성(S70)하여 CIGS계 박막 태양전지(100)를 완성한다. 상기 그리드 전극(180)은 상기 태양전지(100) 표면에서의 전류를 수집하기 위한 것이다. 상기 그리드 전극(180)은 알루미늄(Al) 또는 니켈(Ni)/알루미늄(Al) 등의 금속으로 형성할 수 있다. 상기 그리드 전극(180)은 스퍼터링 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 그리드 전극(180)이 차지하는 부분은 태양광이 입사되지 않기 때문에, 그 부분을 최소화할 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 성분(120b)이 첨가된 불순물 확산 방지 기능의 상기 금속층(120a)을 상기 불순물 확산 방지막(120)으로 사용하되, 이를 상기 후면전극(130)과 동일한 챔버에서 형성함으로써, 상기 태양전지(100)의 제조 원가를 절감할 수 있다. 또한, 상기 기판(110)의 불순물이 상기 광흡수층(140)으로 확산되는 것은 방지하면서 상기 불순물 확산 방지막(120)에 첨가된 상기 알칼리 성분(120b)은 상기 광흡수층(140)으로 확산시킴에 따라 상기 태양전지(100)의 효율이 향상될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: CIGS계 박막 태양전지 110: 기판
120: 불순물 확산 방지막 120a: 금속층
120b: 알칼리 성분 130: 후면전극
140: 광흡수층 150: 버퍼층
160: 전면 투명전극 170: 반사 방지막
180: 그리드 전극

Claims (12)

  1. 기판 상에 제공되되, 알칼리 성분이 첨가되고 크롬, 코발트 또는 구리 중 어느 하나의 금속층으로 이루어진 불순물 확산 방지막;
    상기 불순물 확산 방지막 상에 제공되되, 몰리브덴으로 이루어진 후면전극;
    상기 후면전극 상에 제공된 CIGS계 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 상에 제공된 전면 투명전극을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 알칼리 성분은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프란슘, 질소, 인, 비소, 안티몬, 비스무스, 바나듐, 니오브 및 탄탈륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 화합물 반도체 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물 확산 방지막에 첨가되는 상기 알칼리 성분의 함량은 상기 금속층의 전체 중량 대비 0.1원자% 내지 50원자%인 화합물 반도체 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물 확산 방지막은 0.01㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 I-Ⅲ-VI2족 화합물 반도체로 이루어지는 화합물 반도체 태양전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 상기 불순물 확산 방지막에서 확산된 상기 알칼리 성분을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 소다회 유리 기판, 세라믹 기판, 금속 기판 또는 고분자 필름 중 어느 하나인 화합물 반도체 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층과 상기 전면 투명전극 사이에 제공된 버퍼층을 더 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 투명전극 상의 일 영역에 제공된 반사방지막; 및
    상기 반사방지막의 측면에 제공되되, 상기 전면 투명전극과 접촉된 그리드 전극을 더 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  10. 기판 상에, 알칼리 성분이 첨가되고 크롬, 코발트 또는 구리 중 어느 하나의 금속층으로 이루어진 불순물 확산 방지막을 형성하는 단계;
    상기 불순물 확산 방지막 상에 몰리브덴으로 후면전극을 형성하는 단계;
    상기 후면전극 상에 CIGS계 광흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광흡수층 상에 전면 투명전극을 형성하는 단계를 포함하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 불순물 확산 방지막은 스퍼터링 방법으로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 후면전극은 상기 불순물 확산 방지막과 동일한 챔버에서 상기 스퍼터링 방법으로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
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