KR101327091B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다. 실시예에 따른 태양전지는 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 배치되는 고저항 버퍼층; 상기 고저항 버퍼층 상에 배치되는 소수성(hydrophobic) 입자층; 및 상기 소수성(hydrophobic) 입자층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함한다.
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 p-n 접합 다이오드에 빛을 쪼이면 전자가 생성 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자로 정의할 수 있다. 태양전지는 접합 다이오드로 사용되는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, I-III-VI족 또는 III-V족 화합물로 대표되는 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지로 나눌 수 있다.
I-III-VI족 Chalcopyrite계 화합물 반도체 중 하나인 CIGS(CuInGaSe) 태양전지는 광 흡수가 뛰어나고, 얇은 두께로도 높은 광전 변환효율을 얻을 수 있으며, 전기 광학적 안정성이 매우 우수하여 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지로 부각되고 있다.
CIGS 태양전지는 외부로부터 수분(H2O) 또는 산소(O2) 등에 저항력이 있어야 하며, 이러한 신뢰성 문제를 해결 하는 것은 CIGS 태양전지 성능에 있어 상당히 중요한 요소 중 하나이다. CIGS 태양전지가 수분에 노출되는 경우, CIGS 막에 균열이나 막 벗겨짐이 발생하고, CIGS 조성에도 변화를 가져온다. 또한, 수분에 노출된 CIGS 태양전지는 반사도가 증가할 뿐만 아니라 효율이 저하되는 등의 문제가 발생한다.
실시예는 신뢰성 및 안정성이 향상되고, 광-전 변환효율이 향상된 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 배치되는 고저항 버퍼층; 상기 고저항 버퍼층 상에 배치되는 소수성(hydrophobic) 입자층; 및 상기 소수성(hydrophobic) 입자층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 지지기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 고저항 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 고저항 버퍼층 상에 소수성(hydrophobic) 입자층을 형성하는 단계; 및 상기 소수성(hydrophobic) 입자층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 소수성(hydrophobic) 입자층을 제공함으로써, 수분(H2O) 또는 산소(O2)가 계면을 따라 태양전지 내부로 침투하는 것을 최소화 할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지는 수분과 산소로부터 태양전지 셀들을 효과적으로 보호함으로써, 소자의 안정성 및 신뢰성 확보에 크게 기여할 수 있다. 또한, 소수성 입자층에서 수분이 흘러내릴 때, 오염물질도 함께 흘러감으로써 자가세정(selfcleaning)의 효과가 있다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시하는 단면도들이다.
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.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 방법을 설명하는 단면도들이다. 이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법을 상세히 서술하도록 한다.
도 1을 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면 전극층(200)을 형성한다. 상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면 전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500), 소수성 입자층(600) 및 전면 전극층(700)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 또한, 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 플렉서블 기판일 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면 전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면 전극층(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 있다.
도 2를 참조하면, 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면 전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)(Se,S)2; CIGSS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
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.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(300) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다. 이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2; CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
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.
도 3을 참조하면, 상기 버퍼층(400) 및 상기 고저항 버퍼층(500)은 순차적으로 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다.
상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴, ZnS, InXSY 및 InXSeYZn(O, OH) 등을 포함한다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴이 화학 용액 증착법(chemical bath deposition; CBD)에 의해서 증착되어 형성될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정에 의하여 증착될 수 있다. 예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)일 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 소수성 입자층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 소수성 입자층(600)은 다수개의 소수성 입자들(610)로 형성될 수 있다. 또한, 상기 소수성 입자들(610) 각각은 산화물 입자(611) 및 상기 산화물 입자를 둘러싸는 소수성막(612)으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 소수성 입자들(610)은 산화물 입자(611) 및 소수성막(612)으로 이루어진 코어-쉘 구조를 가질 수 있다.
상기 소수성 입자층(600)의 두께는 약 1 nm 내지 약 10 nm 일 수 있으며, 더 자세하게, 상기 소수성 입자층(600)의 두께는 약 5 nm 내지 약 10 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 소수성 입자들(610)의 평균 직경은 1 nm 내지 10 nm 일 수 있으며, 더 자세하게, 상기 소수성 입자들(610)의 평균 직경은 약 5 nm 내지 약 10 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 도 4에는 단일층의 소수성 입자층(600)만을 개시하였으나, 실시예는 이에 제한되지 않는다. 즉, 다수층의 소수성 입자층도 본원의 실시예에 포함될 수 있다.
상기 산화물 입자(611)는 상기 고저항 버퍼층(500)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 산화물 입자(611)는 상기 고저항 버퍼층(500)과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 입자(611) 및 상기 버퍼층(500) 각각은불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)로 형성될 수 있다.
상기 소수성막(612)은 상기 산화물 입자(611)를 둘러싼다. 또한, 상기 소수성막(612)은 하기 화학식 1로 표시되는 실란 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
R1-Si(X)3
상기 화학식 1에서, R1 및 X는 각각 독립적으로 수소원자; 할로겐 원자; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알키닐기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기를 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 R1은 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알키닐기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기일 수 있고, 상기 X는 할로겐 원자, 예를 들어, 염소(Cl)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예로, 상기 소수성막(612)은 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane; OTS), 옥타데실트리에톡시실란, 페닐옥시운데실트리메톡시실란, 또는 (헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로데실)트리에톡시실란으로 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 소수성막(612)은 옥타데실트리클로로실란(OTS)으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 소수성 입자층(600)은 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 일 구현예로, 상기 소수성 입자층(600)은 소수성 물질과 유기 용매를 포함하는 혼합 용매 제조하고, 산화물 입자(611)를 상기 혼합 용매에 분산시키고, 상기 혼합 용매를 상기 고저항 버퍼층 상에 도포하고, 열처리하여 상기 산화물 입자 상에 소수성막(612)을 코팅함으로써 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
보다 상세하게, 소수성 물질은 상기 언급한 화학식 1로 표시되는 물질이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 소수성 물질로는 옥타데실트리클로로실란을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 본원에서 사용되는 용매는 상기 소수성 물질을 녹일 수 있는 용매, 예를 들어, 지방족 탄화수소 용매, 방향족계 탄화수소 용매, 케톤계 용매, 에테르계 용매, 아세테이트계 용매, 알콜계 용매, 아미드계 용매, 실리콘계 용매 및 상기 용매들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 용매로는 톨루엔을 사용할 수 있다. 이에 따라, 옥타데실트리클로로실란-톨루엔 혼합 용액을 제조할 수 있다.
이후, 상기 혼합 용액에 상기 산화물 입자(611)를 분산시키고 초음파 세정기 등을 사용하여 교반 시킨다. 이후, 상기 산화물 입자(611)를 포함하는 혼합 용액을 상기 고저항 버퍼층(500)에 도포한다. 이 때, 상기 혼합 용액은 침적법, 스프레이법, 스핀코팅법, 및 프린팅법으로 이루어진 군에서 선택되는 습식 코팅 방법으로 도포될 수 있다. 이어서, 상기 혼합 용액을 열처리하여 용매를 선택적으로 증발 시킴으로써, 상기 산화물 입자(611) 상에 소수성막(612)을 코팅할 수 있다. 상기 열처리 공정은 약 100℃ 내지 약 200℃에서 수행될 수 있다.
상기 언급한 방법에 의하여 제조되는 소수성 입자층(600)은 물과의 접촉각이 약 90° 내지 약 150°일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 같이, 실시예에 따른 태양전지는 고저항 버퍼층(500) 상에 소수성 입자층(600)을 형성함으로써, 외부 습기나 물방울이 상기 소수성 입자층(600) 내부로 스며들지 않고, 상기 소수성 입자층(600)의 표면을 따라 흘러내리게 한다. 따라서, 수분(H2O) 또는 산소(O2)가 계면을 통해 태양전지 내부로 침투하는 것을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 소수성 입자층(600)에서 수분이 흘러내릴 때, 오염물질도 함께 흘러감으로써 자가세정(selfcleaning)의 효과가 있고, 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 전면 전극층(700)은 상기 소수성 입자층(600) 상에 배치된다. 상기 전면 전극층(700)은 투광성 전도성 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전면 전극층(700)은 n 형 반도체의 특성을 가질 수 있다. 이 때, 상기 전면 전극층(700)은 상기 버퍼층(400)과 함께 n 형 반도체층을 형성하여 p 형 반도체층인 상기 광 흡수층(300)과 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 전면 전극층(700)은, 예를 들어, 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO)로 형성될 수 있다.
상기 전면 전극층(700)은 상기 소수성 입자층(600) 상에 투명한 도전물질이 적층됨으로써 제조될 수 있다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 또는 보론 등이 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 전면 전극층(700)을 형성하기 위한 공정은 상온 내지 약 300℃의 온도에서 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 전면 전극층(700)은 스퍼터링 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)에 의하여 제조될 수 있다. 더 자세하게, 상기 스퍼터링에 의하여 전면 전극층(700)을 형성하기 위하여, RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 등이 사용될 수 있다.
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.
또한, 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.
Claims (12)
- 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층;
상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 배치되는 고저항 버퍼층;
상기 고저항 버퍼층 상에 배치되는 소수성(hydrophobic) 입자층; 및
상기 소수성(hydrophobic) 입자층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 소수성 입자층은 다수개의 소수성 입자들을 포함하고,
상기 소수성 입자들 각각은 산화물 입자 및 상기 산화물 입자를 둘러싸는 소수성막을 포함하는 태양전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 소수성막은 하기 화학식 1로 표시되는 실란 화합물을 포함하는 태양전지:
[화학식 1]
R1-Si(X)3
(R1 및 X는 각각 독립적으로 수소원자; 할로겐 원자; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알키닐기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기를 포함한다).
- 제 2 항에 있어서,
상기 소수성막은 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane; OTS), 옥타데실트리에톡시실란, 페닐옥시운데실트리메톡시실란, 또는 (헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로데실)트리에톡시실란으로 형성되는 태양전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 산화물 입자는 상기 고저항 버퍼층과 동일 물질로 형성되는 태양전지.
- 제 5 항에 있어서,
상기 산화물 입자와 상기 고저항 버퍼층은 각각 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함하는 태양전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 소수성 입자들의 평균 직경은 1 nm 내지 10 nm 인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 소수성 입자층의 두께는 1 nm 내지 10 nm 인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 소수성 입자층은 물에 대한 접촉각이 90° 내지 150°인 것을 포함하는 태양전지.
- 지지기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;
상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층 상에 고저항 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 고저항 버퍼층 상에 소수성(hydrophobic) 입자층을 형성하는 단계; 및
상기 소수성(hydrophobic) 입자층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 소수성 입자층을 형성하는 단계는,
소수성 물질과 유기 용매를 포함하는 혼합 용매 제조하고,
산화물 입자를 상기 혼합 용매에 분산시키고,
상기 혼합 용매를 상기 고저항 버퍼층 상에 도포하고, 열처리하여 상기 산화물 입자 상에 소수성막을 코팅하는 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 혼합 용매는 침적법, 스프레이법, 스핀코팅법, 및 프린팅법으로 이루어진 군에서 선택되는 습식 코팅 방법으로 도포되는 태양전지의 제조방법.
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