KR100649743B1 - Solar cells comprising cnt and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

A solar cell including a CNT(carbon nanotube) is provided to form a solar cell including CNT with excellent conversion efficiency by using a conductive NWNT(multi-wall carbon nanotube) as an electrode of a solar cell. A back plate(12) is formed on a substrate(11). The substrate can be a flexible substrate of one of Cu foil, Al foil, stainless steel or polymer. A conductive CNT arrangement body(13) is formed on the back plate. A p-type semiconductor layer(15) is formed between the respective CNT of the arrangement body and on the arrangement body, including Ib-IIIb-VIb group elements. An n-type semiconductor layer(16) is formed on the semiconductor layer, including IIb-Via group elements. A ZnO window layer(17) is formed on the n-type semiconductor layer.

Description

ＣＮＴ를 포함하는 태양전지 및 그 제조방법{Solar cells comprising CNT and its manufacturing method}Solar cell comprising CNT and its manufacturing method {Solar cells comprising CNT and its manufacturing method}

도 1은 종래의 태양전지 구조를 나타내는 측단면도이다.1 is a side cross-sectional view showing a conventional solar cell structure.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 포함하는 태양전지의 측단면도이다. 2 is a side cross-sectional view of a solar cell including a CNT according to an embodiment of the present invention.

도 3(a)는 본 발명에 따른 태양전지에 빛이 조사되는 것을 보여주는 개략측면도이다.Figure 3 (a) is a schematic side view showing that light is irradiated to the solar cell according to the present invention.

도 3(b)는 도 3(a)의 태양전지를 구성하는 p-n접합부(A)에서의 MWNT의 FESEM사진이다.FIG. 3 (b) is a FESEM photograph of MWNT at the p-n junction portion A constituting the solar cell of FIG. 3 (a).

도 3(c)는 도 3(a)의 태양전지를 구성하는 p-n접합부(A)에서의 collection factor의 개선원리를 보여주는 그림이다. FIG. 3 (c) is a diagram showing the principle of improvement of the collection factor in the p-n junction portion A constituting the solar cell of FIG. 3 (a).

도 4는 본 발명의 일시예에 따른 CNT 태양전지의 제조공정도이다. 4 is a manufacturing process chart of a CNT solar cell according to one embodiment of the present invention.

본 발명은 CNT를 포함하는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄소나노튜브(CNT)를 전극으로 이용함으로써 그 변환효율이 우수한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a solar cell comprising a CNT and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a solar cell having excellent conversion efficiency by using carbon nanotubes (CNT) as an electrode and a method for manufacturing the same.

태양전지는 반도체 p-n접합의 특성을 이용하여 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 디바이스로서 미래의 중요한 에너지원으로 인식되어 지고 있다. 이중 주로 지상용 태양전지는 박막형 태양전지들이 사용되고 있는데, 그 종류로는 CuInSe2계 태양전지, 비정질 Si 태양전지, 그리고 CdTe 태양전지등이 있다. 이들 중 CuInSe2계 태양전지는 변환효율 및 전지의 안정성 측면에서 비정질 Si 태양전지 보다 우수한 것으로 평가받고 있다. 이러한 CuInSe2로 대표되는 I-III-VI족계 화합물 반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있어, 광흡수계수가 1×105cm-1로 반도체중에서 가장 높아 두께 1~2㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고 또한 장기적으로 전기광학적인 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 따라서 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.Solar cells are recognized as important energy sources of the future as devices that convert the light energy of the sun into electrical energy using the characteristics of semiconductor pn junctions. Among them, ground solar cells are thin-film solar cells, which include CuInSe 2 solar cells, amorphous Si solar cells, and CdTe solar cells. Among these, CuInSe 2 solar cells are evaluated to be superior to amorphous Si solar cells in terms of conversion efficiency and battery stability. Group I-III-VI compound semiconductors represented by CuInSe 2 have a direct transition energy bandgap, and have a light absorption coefficient of 1 × 10 5 cm −1 , which is the highest among semiconductors, even in a thin film having a thickness of 1 to 2 μm. It is possible to manufacture high efficiency solar cell and has very good electro-optic stability in the long term. Therefore, it is emerging as a low-cost, high-efficiency solar cell material that can significantly improve the economics of photovoltaic power generation by replacing expensive crystalline silicon solar cells currently used.

CIS계 태양전지의 개발은 CIS cell에 Ga나 S를 첨가함으로써 보다 그 효율을 증진시키는 방향으로 진행되고 있다. The development of CIS-based solar cells is progressing toward improving the efficiency by adding Ga or S to the CIS cell.

상술하면, 초기 CIS 태양전지의 기판으로는 borosulicate glass나 연마된 세라믹 기판을 사용하였지만, 최근 들어서는 제조단가의 절감을 위하여 새로운 기판인 soda-lime glass가 사용되기 시작하였다. soda-lime glass를 사용할 경우 효율도 향상시킬 수 있는데, 이는 기판의 Na 성분이 박막의 결정성을 향상시키고, 또한 박막의 전도성을 소자의 효율에 영향을 미치기 때문이다. 또한 이제까지는 태양광의 효율적인 흡수를 위해 앞면 투명전극(window layer)으로 CdS를 사용하여 왔으나, 최근에는 환경적인 문제로 ZnO를 많이 사용하고 있는 추세이다. 나아가, 폴리이미드등과 같은 기판재료를 사용하여 가요성을 갖는 박막 태양전지 제조공정이 일본 공개특허 JP2003-179238호에 제시되어 있다. In detail, although a borosulicate glass or a polished ceramic substrate was used as the substrate of the initial CIS solar cell, recently, a new substrate, soda-lime glass, has been used to reduce manufacturing costs. When soda-lime glass is used, the efficiency can be improved because the Na component of the substrate improves the crystallinity of the thin film and the conductivity of the thin film affects the efficiency of the device. In addition, CdS has been used as a front transparent electrode (window layer) for efficient absorption of sunlight until recently, but recently, ZnO has been used for environmental reasons. Furthermore, a process for manufacturing a flexible thin film solar cell using a substrate material such as polyimide or the like is disclosed in JP2003-179238A.

도 1은 이러한 CIS계 재료를 광흡수층으로 사용하는 종래의 CuInSe2 박막 태양전지의 측단면도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 종래의 태양전지(10)는 크게 유리기판(1)상에, 배면전극(3), 광흡수층(5), 버퍼층(6), 앞면 투명전극(7) 및 반사방지층(9)이 순차적으로 적층되어 형성된 구조를 가진다. 상기 단위막들을 이루는 재료의 조성들은 디양하며, 또한 제조공정도 여러 물리적 화학적 박막 제조공정을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 배면전극(3)은 sputtering이나 e-beam evaporation를 사용하여 Mo을 증착함으로써 형성할 수 있으며, 상기 광흡수층(5)과 버퍼층(6)는 CBD법을 이용하여 Cu(In,Ga)(Se,S)2와 CdS를 각각 증착시켜 형성할 수 있다. 또한 상기 전면 투명전극(7)은 sputtering이나 CVD법을 이용하여 ZnO로 형성할 수 있다. 1 illustrates a conventional CuInSe 2 using such a CIS-based material as a light absorption layer. Side cross-sectional view of a thin film solar cell. As shown in FIG. 1, a conventional solar cell 10 is largely formed on a glass substrate 1 with a back electrode 3, a light absorbing layer 5, a buffer layer 6, a front transparent electrode 7 and an antireflection layer. (9) has a structure which is formed by sequentially stacking. Compositions of the materials forming the unit membranes are varied, and the manufacturing process may use various physical chemical thin film manufacturing processes. For example, the back electrode 3 may be formed by depositing Mo using sputtering or e-beam evaporation. The light absorption layer 5 and the buffer layer 6 may be formed of Cu (In, Ga) using a CBD method. (Se, S) 2 and CdS may be formed by vapor deposition, respectively. In addition, the front transparent electrode 7 may be formed of ZnO by sputtering or CVD.

한편, 상기와 같이 마련된 CIS계 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 p형의 반도체와 n형의 반도체의 접합형태를 가지며, 그 기본구조가 다이오드와 동일하다. 즉, 외부에서 빛이 태양전지에 입사되었을 때 , p-형 반도체의 전도대(conduction band) 전자는 입사된 광에너지에 의해 가전자대(valance band)로 여기 된다. 그리고 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한개의 전자-정공쌍(EHP:electron hole pair)을 생성하게 된다. 이렇게 발생된 전저-정공쌍 중 전자는 p-n접합 사이에 존재하는 전기장에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급할 수 있는 것이다. On the other hand, the CIS-based solar cell provided as described above is a semiconductor device that converts solar energy into electrical energy has a junction type of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor, the basic structure is the same as the diode. That is, when light is incident on the solar cell from outside, the conduction band electrons of the p-type semiconductor are excited to the valence band by the incident light energy. The excited electrons generate one electron-hole pair (EHP) inside the p-type semiconductor. The electrons of the generated low-hole pairs are transferred to the n-type semiconductor by an electric field existing between the p-n junctions to supply current to the outside.

그런데 상기 CIS계 태양전지에 있어서 흡수층으로 사용되는 p형 반도체는 다결정 재료특성 문제와 박막화에 따른 다른 계면과의 접합 문제로 인하여 여기된 전자와 정공의 재결합(recombination) 현상 등이 발생한다. 이에 따라 상기 CIS 태양전지는 그 효율이 수년간 정체상태로 되어 있는 실정으로, 이에 대한 새로운 해결책이 본 기술분야에서 요망되고 있는 실정이다. However, the p-type semiconductor used as an absorbing layer in the CIS-based solar cell has a problem of recombination of excited electrons and holes due to problems of polycrystalline material properties and bonding problems with other interfaces due to thinning. Accordingly, the CIS solar cell has been in a state of stagnation for many years, and a new solution for this situation is desired in the art.

따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전도성 MWNT(Multi-wall Carbon nanotube)를 태양전지의 전극으로 이용함으로써 종래기술 대비 변환효율이 우수한 CNT를 포함하는 태양전지를 제공함을 그 목적으로 한다. Therefore, the present invention has been made to solve the problems of the prior art, by using a conductive MWNT (Multi-wall Carbon nanotube) as the electrode of the solar cell to provide a solar cell comprising a CNT excellent conversion efficiency compared to the prior art. For that purpose.

또한 본 발명은 그 변화효율이 우수한 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a solar cell manufacturing method comprising a CNT having excellent change efficiency.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, The present invention for achieving the above object,

기판상에 형성된 배면전극;A back electrode formed on the substrate;

상기 배면전극상에 형성된 전도성 탄소나노튜브(CNT:carbon nanotube) 배열체;A conductive carbon nanotube (CNT) array formed on the back electrode;

상기 배열체를 구성하는 개개의 탄소나노튜브 사이 및 그 배열체의 상부에 형성된, Ib-IIIa-VIa족 원소를 포함하여 조성된 p-형 반도체층;A p-type semiconductor layer comprising an Ib-IIIa-VIa element formed between and over each of the carbon nanotubes constituting the array;

상기 반도체층상에 형성된 IIb-VIa족 원소를 포함하여 조성된 n-형 반도체층; 및An n-type semiconductor layer including an IIb-VIa group element formed on the semiconductor layer; And

상기 n-형 반도체층상에 형성된 ZnO 윈도우층;을 포함하는 변환효율이 우수한 CNT를 포함하는 태양전지에 관한 것이다. ZnO window layer formed on the n-type semiconductor layer; relates to a solar cell comprising a CNT having excellent conversion efficiency.

또한 본 발명은,In addition, the present invention,

기판상에 배면전극을 형성하는 공정;Forming a back electrode on the substrate;

상기 형성된 배면전극상에 탄소나노튜브 배열체를 형성하는 공정;Forming a carbon nanotube array on the formed back electrode;

상기 배열체를 구성하는 개개의 탄소나노튜브 사이 및 그 배열체의 상부에 Ib-IIIa-VIa족 원소를 포함하여 조성된 p-형 반도체층을 형성하는 공정;Forming a p-type semiconductor layer comprising a group Ib-IIIa-VIa element between the individual carbon nanotubes constituting the array and on top of the array;

상기 반도체층상에 IIb-VIa족 원소를 포함하여 조성된 n-형 반도체층을 형성하는 공정; 및Forming an n-type semiconductor layer comprising an IIb-VIa group element on the semiconductor layer; And

상기 n-형 반도체층상에 ZnO 윈도우층을 형성하는 공정;을 포함하는 변환효율이 우수한 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법에 관한 것이다. Forming a ZnO window layer on the n-type semiconductor layer; and a solar cell manufacturing method including CNTs having excellent conversion efficiency.

또한 본 발명은,In addition, the present invention,

기판의 배면전극상에 길이 3-10nm의 전이금속층을 다수 형성하는 공정;Forming a plurality of transition metal layers having a length of 3-10 nm on the back electrode of the substrate;

상기 형성된 전이금속층상에 사전설정된 길이를 갖는 탄소나노튜브들을 PECVD공정을 이용하여 형성하는 공정;Forming carbon nanotubes having a predetermined length on the formed transition metal layer using a PECVD process;

상기 형성된 탄소나노튜브들 주위에 Ib-IIIa-VIa족 원소를 포함하여 조성된 p-형 반도체층을 형성하는 공정;Forming a p-type semiconductor layer including an Ib-IIIa-VIa group element around the formed carbon nanotubes;

상기 반도체층상에 IIb-VIa족 원소를 포함하여 조성된 n-형 반도체층을 형성하는 공정; 및Forming an n-type semiconductor layer comprising an IIb-VIa group element on the semiconductor layer; And

상기 n-형 반도체층상에 ZnO 윈도우층을 형성하는 공정;을 포함하는 변환효율이 우수한 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법에 관한 것이다. Forming a ZnO window layer on the n-type semiconductor layer; and a solar cell manufacturing method including CNTs having excellent conversion efficiency.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 태양전지의 측단면도이다. 2 is a side cross-sectional view of a CNT solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 태양전지(20)는, 기판(11)상에, 배면전극(12), 전도성 탄소나노튜브(carbon nanotube) 배열체(13), Ib-IIIb-VIb족 원소를 포함하는 p-형 반도체층(15), IIb-VIa족 원소를 포함하는 n-형 반도체층(16) 및 ZnO 윈도우층(17)을 순차적으로 적층하여 형성될 수 있으며, 아울러, 상기 ZnO 윈도우층(17)상에 반사방지층(18)과 전면전극(19)이 추가로 포함할 수도 있다. As shown in FIG. 2, the solar cell 20 of the present invention has a back electrode 12, a conductive carbon nanotube array 13, and a group Ib-IIIb-VIb on a substrate 11. P-type semiconductor layer 15 including an element, n-type semiconductor layer 16 including an IIb-VIa group element, and ZnO window layer 17 may be sequentially stacked, and the ZnO The antireflection layer 18 and the front electrode 19 may be further included on the window layer 17.

본 발명에서는 상기 기판(11)으로서 시공성등이 우수한 플렉시블(flexible) 기판을 이용함이 바람직하다. 이러한 플렉시블 기판의 예로는 Cu호일이나 Al호일, Stainless steel, 폴리이미드와 같은 폴리머를 들 수 있으며, 이들 중 선택된 1종 을 기판재료로 이용함이 보다 소망스럽다. In the present invention, it is preferable to use a flexible substrate having excellent workability as the substrate 11. Examples of such flexible substrates include polymers such as Cu foil, Al foil, stainless steel, and polyimide, and it is more desirable to use one of these as the substrate material.

상기 배면전극(12)은 Mo로 형성함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 sputtering법을 이용하여 1~2㎛ 두께로 형성하는 것이다.The back electrode 12 is preferably formed of Mo, and more preferably is formed to a thickness of 1 ~ 2㎛ by sputtering method.

나아가, 상기 전도성 탄소나노튜브(carbon nanotube) 배열체(13)를 구성하는 개개의 나노튜브의 길이를 1-3㎛로 제어함이 바람직하다.Furthermore, it is preferable to control the length of each nanotube constituting the conductive carbon nanotube array 13 to 1-3 μm.

본 발명의 태양전지(20)는 상기 탄소나노튜브(carbon nanotube) 배열체(13)를 구성하는 개개의 탄소튜브 사이 및 상기 배열체의 상부에 형성된, Ib-IIIa-VIa족 원소를 포함하는 p-형 반도체층(빛흡수층:15)을 갖는다. 이러한 반도체층은 CuInSe2와 Cu(In,Ga)Se2중 선택된 어느 하나로 형성된 CIS계 반도체층인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상기 p-형 반도체층의 두께를 약 3㎛로 제한하는 것이다. The solar cell 20 of the present invention includes p-containing elements of Group Ib-IIIa-VIa formed between and on top of individual carbon tubes constituting the carbon nanotube array 13. -Type semiconductor layer (light absorption layer: 15). The semiconductor layer is preferably a CIS-based semiconductor layer formed of any one selected from CuInSe 2 and Cu (In, Ga) Se 2 . More preferably, the thickness of the p-type semiconductor layer is limited to about 3 μm.

그리고 상기 IIb-VIa족 원소를 포함하는 반도체층(16)은 n-형 반도체층으로서 상기 p-형 반도체층(15)과 pn 접합을 구성하고 있다. 상기 n-형 반도체층(16)는 CdS 반도체층임이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 n-형 반도체층(16)의 두께를 40~150nm로 제한하는 것이다.The semiconductor layer 16 containing the IIb-VIa group element constitutes a pn junction with the p-type semiconductor layer 15 as an n-type semiconductor layer. The n-type semiconductor layer 16 is preferably a CdS semiconductor layer. More preferably, the thickness of the n-type semiconductor layer 16 is limited to 40 to 150 nm.

또한 본 발명의 태양전지(20)은 상기 n-형 반도체층(16)상에 형성된 ZnO 윈도우층(window layer:17)을 포함한다. 상기 ZnO층은 태양전지로 입사된 빛을 상기 흡수층(15)으로 안내하고 그 빛의 반사를 억제하는 역할을 한다. The solar cell 20 also includes a ZnO window layer 17 formed on the n-type semiconductor layer 16. The ZnO layer guides the light incident on the solar cell to the absorbing layer 15 and suppresses the reflection of the light.

바람직하게는 상기 ZnO 윈도우층(17)의 두께를 50~100nm로 제한하는 것이다. Preferably, the thickness of the ZnO window layer 17 is limited to 50 to 100 nm.

나아가 본 발명에서는 선택적으로 상기 윈도우층(17)상에 MgF2로 이루어진 반사방지층을 형성할 수도 있다. 또한 본 기술분야의 당업자에게 자명한 바와 같이, 상기 윈도우층(17), 또는 반사방지층(18) 위에 Ni이나 Al으로 이루어진 전면전극(19)이 형성될 수 있다. Furthermore, in the present invention, an antireflection layer made of MgF 2 may be selectively formed on the window layer 17. In addition, as will be apparent to those skilled in the art, the front electrode 19 made of Ni or Al may be formed on the window layer 17 or the antireflection layer 18.

한편, 도 3(a)는 본 발명에 따른 태양전지에 빛이 조사되는 것을 보여주는 개략측면도이다. 그리고 도 3(b)는 도 3(a)의 태양전지를 구성하는 pn 접합부(A)에서의 MWNT(multi-wall carbon nanotube)의 FESEM사진이며, 도 3(c)는 도 3(a)의 태양전지를 구성하는 pn 접합부(A)에서의 collection factor의 개선원리를 보여주는 그림이다. On the other hand, Figure 3 (a) is a schematic side view showing that the light is irradiated to the solar cell according to the present invention. 3 (b) is a FESEM photograph of a multi-wall carbon nanotube (MWNT) at the pn junction portion (A) constituting the solar cell of FIG. 3 (a), and FIG. The figure shows the principle of improvement of the collection factor at the pn junction (A) constituting the solar cell.

도 3(a)와 같이, 빛이 전지에 조사되면, photon energy가 ZnO 윈도우층(17)을 통과하고, 이어, CdS n-형 반도체층(16)을 지나 p-형 반도체층(15) 표면에 흡수된다. 이와 같이 빛에너지가 흡수되면, pn junction 원리로 전자가 여기 되면서 기전력에 영향을 주게 된다. 그런데 본 발명에서는 도 3(a),(b)에 나타난 바와 같이, 수직성장된 탄소나노튜브 배열체(13)를 전극으로 사용하며, 이러한 나노튜브전극이 도 3(c)와 같이 상기 흡수영역 근처에 존재하게 된다. 따라서 종래의 CIS 태양전지에서 발생하는 전자정공의 재결합 없이 여기된 전자가 곧바로 탄소나노튜브 전극을 통하여 흐를 수 있으므로 그 변환효율을 최대화시킬 수 있다. 또한 도 3(c)와 같이, 반도체내에서 junction의 표면적을 종래 대비 최대화할 수 있으므로 변환 효율에 직접적으로 영향을 미치는 소수캐리어의 수를 늘려 collection factor를 보다 개선할 수 있는 것이다. As shown in FIG. 3A, when light is irradiated to the cell, photon energy passes through the ZnO window layer 17, and then passes through the CdS n-type semiconductor layer 16 to surface the p-type semiconductor layer 15. Is absorbed in. As such, when light energy is absorbed, electrons are excited by the pn junction principle, which affects the electromotive force. However, in the present invention, as shown in Figure 3 (a), (b), a vertically grown carbon nanotube array 13 is used as an electrode, the nanotube electrode is the absorption region as shown in Figure 3 (c) Will be nearby. Therefore, since the excited electrons can flow directly through the carbon nanotube electrode without recombination of the electron holes generated in the conventional CIS solar cell, the conversion efficiency can be maximized. In addition, as shown in FIG. 3 (c), since the surface area of the junction in the semiconductor can be maximized, the number of minority carriers directly affecting the conversion efficiency can be increased to further improve the collection factor.

다음으로, 본 발명의 CNT 태양전지 제조공정을 설명한다. Next, the CNT solar cell manufacturing process of this invention is demonstrated.

도 4는 본 발명의 일시예에 따른 CNT 태양전지의 제조공정도이다. 4 is a manufacturing process chart of a CNT solar cell according to one embodiment of the present invention.

도 4(a)와 같이, 본 발명에서는 먼저, 기판(41)상에 배면전극(42)을 형성한다. 상기 기판은 그 제조된 태양전지의 시공성 등을 고려하여 플렉시블 기판인 것이 소망스럽다. 바람직하게는 상기 기판(41)을 Cu호일, Al호일, Stainless steel 및 폴리머 재료중 선택된 1종으로 형성하는 것이다. As shown in FIG. 4A, first, the back electrode 42 is formed on the substrate 41. It is desirable that the substrate be a flexible substrate in consideration of the workability of the manufactured solar cell. Preferably, the substrate 41 is formed of one selected from Cu foil, Al foil, stainless steel, and a polymer material.

그리고 상기 배면전극(42)은 상기 기판(41)상에 Mo로 sputtering함으로써 형성할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 배면전극(42)의 두께를 1~2㎛로 제한하는 것이다. The back electrode 42 may be formed by sputtering Mo on the substrate 41. More preferably, the thickness of the back electrode 42 is limited to 1 to 2 μm.

이어, 본 발명에서는 상기 형성된 배면전극(42)상에 탄소나노튜브 배열체(43)를 형성한다. Subsequently, in the present invention, the carbon nanotube array 43 is formed on the formed rear electrode 42.

구체적으로, 본 발명에서는 도 4(b)와 같이, 상기 배면전극(42)상에 전이금속을 증착 형성한다. 이러한 전이금속의 증착은 통상의 E-beam evaporator를 이용하여 수행될 수 있다. Specifically, in the present invention, as shown in Figure 4 (b), the transition metal is formed on the back electrode 42 by deposition. Deposition of such transition metal may be performed using a conventional E-beam evaporator.

본 발명에서는 상기 전이금속으로 Fe나 Ni중 선택된 1종을 이용함이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 형성된 전이금속층(43a)의 길이를 3~10nm로 제한 하는 것이다. In the present invention, it is preferable to use one selected from Fe or Ni as the transition metal. More preferably, the length of the formed transition metal layer 43a is limited to 3 to 10 nm.

그리고 본 발명에서는 도 4(c)와 같이, 통상의 PECVD공정을 이용하여 상기 형성된 전이금속층(43a)에 field를 부과하면서 반응가스인 암모니아(NH3)와 아세틸렌(C2H2)을 사용하여 분해시킴으로써 탄소나노튜브 배열체(43)을 형성함다. 이때, 본 발명에서는 상기 배열체(43)를 구성하는 나노튜브의 길이를 1~2㎛로 제한함이 바람직하다. In the present invention, as shown in Figure 4 (c), by using a normal PECVD process to impose a field on the formed transition metal layer (43a) using the reaction gases ammonia (NH 3 ) and acetylene (C 2 H 2 ) By decomposition, the carbon nanotube array 43 is formed. At this time, in the present invention, it is preferable to limit the length of the nanotubes constituting the array 43 to 1 ~ 2㎛.

그리고 본 발명에서는 도 4(d)와 같이, 상기 배열체를 구성하는 개개의 탄소튜브 사이 및 상기 배열체의 상부에 Ib-IIIa-VIa족 원소를 포함하는 재료를 이용하여 태양전지의 빛흡수층인 p-형 반도체층(45)을 형성한다. 즉, 상기 반도체층(45)은 상기 재료를 Co-evaporator법을 이용하여 상기 형성된 다수의 탄소나노튜브 주위에 증착함으로써 형성될 수 있다. 본 발명에서 상기 반도체층(45)은 CuInSe2와 Cu(In,Ga)Se2 중 선택된 어느 하나로 형성된 CIS계 반도체층임이 바람직하다. In the present invention, as shown in Fig. 4 (d), the light absorbing layer of the solar cell using a material containing a group Ib-IIIa-VIa element between the individual carbon tubes constituting the array and on the upper portion The p-type semiconductor layer 45 is formed. That is, the semiconductor layer 45 may be formed by depositing the material around the formed carbon nanotubes using the Co-evaporator method. In the present invention, the semiconductor layer 45 is preferably a CIS-based semiconductor layer formed of any one selected from CuInSe 2 and Cu (In, Ga) Se 2 .

보다 바람직하게는 상기 p-형 반도체층(45)의 두께를 약 3㎛로 제한하는 것이다. More preferably, the thickness of the p-type semiconductor layer 45 is limited to about 3 μm.

다음으로, 도 4(e)와 같이, 상기 형성된 p-형 반도체층(45)상에 IIb-VIa족 원소를 포함하는 재료를 이용하여 n-형 반도체층(46)을 형성한다, 이러한 n-형 반도체층(46)은 바람직하게는 CBD(chemical bath deposition)법을 이용하여 마련될 수 있다. Next, as shown in FIG. 4E, the n-type semiconductor layer 46 is formed on the formed p-type semiconductor layer 45 by using a material containing a IIb-VIa group element. The type semiconductor layer 46 may preferably be provided using a chemical bath deposition (CBD) method.

또한 상기 n-형 반도체층(46)이 CdS 반도체층인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 n-형 반도체층의 두께를 40~150nm로 제한하는 것이다.It is also preferable that the n-type semiconductor layer 46 is a CdS semiconductor layer. More preferably, the thickness of the n-type semiconductor layer is limited to 40 to 150 nm.

후속하여, 본 발명에서는 도 4(f)와 같이, 상기 n-형 반도체층(46)상에 통상의 sputtering법 등을 이용하여 ZnO 윈도우층(47)을 형성한다. 바람직하게는 상기 ZnO 윈도우층(47)의 두께를 50~100nm로 제한하는 것이다. Subsequently, in the present invention, as shown in FIG. 4 (f), the ZnO window layer 47 is formed on the n-type semiconductor layer 46 by using a conventional sputtering method or the like. Preferably, the thickness of the ZnO window layer 47 is limited to 50 to 100 nm.

이어, 본 발명에서는 도 4(g)와 같이, 필요에 따라 상기 윈도우층(47)상에 바람직하게는 E-beam evapotator법을 이용하여 MgF2로 이루어진 반사방지층(48)을 형성할 수도 있다. Subsequently, in the present invention, as shown in FIG. 4 (g), an anti-reflection layer 48 made of MgF 2 may be formed on the window layer 47 by using an E-beam evapotator method.

그리고 상기 반사방지층(48)상에 통상의 E-beam evaporator법을 이용하여 Ni이나 Al으로 이루어진 전면전극(49)을 증착 형성함으로써 탄소나노튜브 배열체(43)을 포함하는 태양전지를 형성할 수 있는 것이다. The solar cell including the carbon nanotube array 43 may be formed by depositing and forming a front electrode 49 made of Ni or Al on the anti-reflection layer 48 using a conventional E-beam evaporator method. It is.

상술한 바와 같이, 본 발명은 수직성장된 전도성 탄소나노튜브 배열체를 CIS태양전지의 전극으로 이용함으로써, 변환효율이 우수한 태양전지를 구현할 수 있는 것이다. As described above, the present invention can realize a solar cell having excellent conversion efficiency by using a vertically grown conductive carbon nanotube array as an electrode of a CIS solar cell.

상기와 같이, 본 발명은 바람직한 일실시예를 들어 설명되었지만, 본 발명은 상기 기재내용에 제한되는 것은 아니다. 즉, 첨부된 본원의 특허청구범위의 기재범위내에서 다양한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본원의 기술적 범위에 속함은 이해되어야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to a preferred embodiment, but the present invention is not limited to the above description. That is, various imitations or improvements are possible within the scope of the appended claims, and all of them belong to the technical scope of the present application.

상술한 바와 같이, 본 발명은 전도성 탄소나노튜브를 CIS 태양전지의 전극으로 이용함으로써, p-n juncton 표면적으로 최대화시켜 흡수층에 흡수된 빛에너지를 효과적으로 전기에너지로 변환함에 유용한 효과가 있다. As described above, the present invention has a useful effect of effectively converting light energy absorbed in the absorber layer into electrical energy by maximizing the p-n juncton surface area by using conductive carbon nanotubes as electrodes of CIS solar cells.

Claims (25)

기판상에 형성된 배면전극;A back electrode formed on the substrate; 상기 배면전극상에 형성된 전도성 탄소나노튜브(CNT:carbon nanotube) 배열체;A conductive carbon nanotube (CNT) array formed on the back electrode; 상기 배열체를 구성하는 개개의 탄소나노튜브 사이 및 그 배열체의 상부에 형성된, Ib-IIIb-VIb족 원소를 포함하여 조성된 p-형 반도체층;A p-type semiconductor layer comprising an Ib-IIIb-VIb group element formed between and on the individual carbon nanotubes constituting the array; 상기 반도체층상에 형성된 IIb-VIa족 원소를 포함하여 조성된 n-형 반도체층; 및An n-type semiconductor layer including an IIb-VIa group element formed on the semiconductor layer; And 상기 n-형 반도체층상에 형성된 ZnO 윈도우층;을 포함하는 변환효율이 우수한 CNT를 포함하는 태양전지. ZnO window layer formed on the n- type semiconductor layer; including a CNT having excellent conversion efficiency. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 Cu호일, Al호일, Stainless steel 및 폴리머중 선택된 1종의 플렉시블 기판인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지. The solar cell of claim 1, wherein the substrate is a flexible substrate selected from Cu foil, Al foil, stainless steel, and a polymer. 제 1항에 있어서, 상기 배면전극은 Mo로 형성되며, 그 두께가 1~2㎛인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지.The solar cell of claim 1, wherein the back electrode is made of Mo and has a thickness of 1 to 2 µm. 제 1항에 있어서, 상기 전도성 탄소나노튜브(carbon nanotube) 배열체를 구성하는 탄소나노튜브의 길이가 1-3㎛인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전 지.The solar cell of claim 1, wherein the carbon nanotubes constituting the conductive carbon nanotube array have a length of 1-3 μm. 제 1항에 있어서, 상기 Ib-IIIa-VIa족 원소를 포함하여 조성되는 p-형 반도체층은, CuInSe2와 Cu(In,Ga)Se2중 선택된 어느 하나로 형성된 CIS계 반도체층인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지. The p-type semiconductor layer of claim 1, wherein the p-type semiconductor layer including the Group Ib-IIIa-VIa element is a CIS-based semiconductor layer formed of any one selected from CuInSe 2 and Cu (In, Ga) Se 2 . Solar cell comprising a CNT. 제 1항에 있어서, 상기 IIb-VIa족 원소를 포함하여 조성된 n-형 반도체층이 CdS 반도체층인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지.The solar cell of claim 1, wherein the n-type semiconductor layer including the IIb-VIa element is a CdS semiconductor layer. 제 1항에 있어서, 상기 n-형 반도체층은 그 두께가 40~150nm인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지.The solar cell of claim 1, wherein the n-type semiconductor layer has a thickness of 40 to 150 nm. 제 1항에 있어서, 상기 ZnO 윈도우층은 그 두께가 50~100nm인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지.The solar cell of claim 1, wherein the ZnO window layer has a thickness of 50 nm to 100 nm. 제 1항에 있어서, 상기 윈도우층상에 MgF2로 이루어진 반사방지층이 형성되어 있음을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지.The solar cell of claim 1, wherein an antireflection layer made of MgF 2 is formed on the window layer. 기판상에 배면전극을 형성하는 공정;Forming a back electrode on the substrate; 상기 형성된 배면전극상에 탄소나노튜브 배열체를 형성하는 공정;Forming a carbon nanotube array on the formed back electrode; 상기 배열체를 구성하는 개개의 탄소나노튜브 사이 및 그 배열체의 상부에 Ib-IIIb-VIb족 원소를 포함하여 조성된 p-형 반도체층을 형성하는 공정;Forming a p-type semiconductor layer comprising an Ib-IIIb-VIb group element between individual carbon nanotubes constituting the array and on top of the array; 상기 반도체층상에 IIb-VIa족 원소를 포함하여 조성된 n-형 반도체층을 형성하는 공정; 및Forming an n-type semiconductor layer comprising an IIb-VIa group element on the semiconductor layer; And 상기 n-형 반도체층상에 ZnO 윈도우층을 형성하는 공정;을 포함하는 변환효율이 우수한 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법. Forming a ZnO window layer on the n-type semiconductor layer; solar cell manufacturing method comprising a CNT having excellent conversion efficiency. 제 10항에 있어서, 상기 기판은 Cu호일, Al호일, Stainless steel 및 폴리머중 선택된 1종의 플렉시블 기판인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법. The method of claim 10, wherein the substrate is a CNT, Al foil, stainless steel, or a solar cell manufacturing method including a CNT, wherein the flexible substrate is one selected from a polymer. 제 10항에 있어서, 상기 배면전극은 Mo를 sputtering함으로서 형성됨을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법.The method of claim 10, wherein the back electrode is formed by sputtering Mo. 제 10항에 있어서, 상기 전도성 탄소나노튜브(carbon nanotube) 배열체를 구성하는 탄소나노튜브의 길이가 1-3㎛인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법.The method of claim 10, wherein the length of the carbon nanotubes constituting the conductive carbon nanotube array is 1-3 μm. 제 10항에 있어서, 상기 Ib-IIIa-VIa족 원소를 포함하여 조성된 반도체층은, CuInSe2와 Cu(In,Ga)Se2중 선택된 어느 하나로 형성된 CIS계 반도체층인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법. The CNT-based semiconductor layer according to claim 10, wherein the semiconductor layer including the Ib-IIIa-VIa element is a CIS-based semiconductor layer formed of any one selected from CuInSe 2 and Cu (In, Ga) Se 2 . Solar cell manufacturing method comprising. 제 10항에 있어서, 상기 IIb-VIa족 원소를 포함하여 조성된 반도체층은 CdS 반도체층인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법.The method of claim 10, wherein the semiconductor layer including the IIb-VIa element is a CdS semiconductor layer. 제 10항에 있어서, 상기 n-형 반도체층은 그 두께가 40~150nm이며, CBD법으로 형성됨을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법.The method of claim 10, wherein the n-type semiconductor layer has a thickness of 40 to 150 nm and is formed by a CBD method. 제 10항에 있어서, 상기 ZnO 윈도우층은 그 두께가 50~100nm인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지.The solar cell of claim 10, wherein the ZnO window layer has a thickness of 50 nm to 100 nm. 제 10항에 있어서, 상기 윈도우층상에 MgF2로 이루어진 반사방지층이 추가로 형성됨을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법.The method of claim 10, wherein the antireflection layer of MgF 2 is further formed on the window layer. 기판의 배면전극상에 길이 3-10nm의 전이금속층을 다수 형성하는 공정;Forming a plurality of transition metal layers having a length of 3-10 nm on the back electrode of the substrate; 상기 형성된 전이금속층상에 사전설정된 길이를 갖는 탄소나노튜브들을 PECVD공정을 이용하여 형성하는 공정;Forming carbon nanotubes having a predetermined length on the formed transition metal layer using a PECVD process; 상기 형성된 탄소나노튜브들 주위에 Ib-IIIa-VIa족 원소를 포함하여 조성된 p-형 반도체층을 형성하는 공정;Forming a p-type semiconductor layer including an Ib-IIIa-VIa group element around the formed carbon nanotubes; 상기 반도체층상에 IIb-VIa족 원소를 포함하여 조성된 n-형 반도체층을 형성하는 공정; 및Forming an n-type semiconductor layer comprising an IIb-VIa group element on the semiconductor layer; And 상기 n-형 반도체층상에 ZnO 윈도우층을 형성하는 공정;을 포함하는 변환효율이 우수한 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법.Forming a ZnO window layer on the n-type semiconductor layer; solar cell manufacturing method comprising a CNT having excellent conversion efficiency. 제 19항에 있어서, 상기 기판은 Cu호일, Al호일, Stainless steel 및 폴리머중 선택된 1종의 플렉시블 기판인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법. 20. The method of claim 19, wherein the substrate is a flexible substrate selected from Cu foil, Al foil, stainless steel, and a polymer. 제 19항에 있어서, 상기 전이금속층은 Fe와 Ni중 선택된 1종의 전이금속을 sputtering하여 형성됨을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법.The method of claim 19, wherein the transition metal layer is formed by sputtering at least one transition metal selected from Fe and Ni. 제 19항에 있어서, 상기 전도성 탄소나노튜브(carbon nanotube) 배열체를 구성하는 탄소나노튜브의 길이가 1-3㎛인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법.The method of claim 19, wherein the length of the carbon nanotubes constituting the conductive carbon nanotube array is 1-3 μm. 제 19항에 있어서, 상기 Ib-IIIa-VIa족 원소를 포함하여 조성되는 반도체층은, CuInSe2와 Cu(In,Ga)Se2중 선택된 어느 하나로 형성된 CIS계 반도체층인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법. 20. The CNT according to claim 19, wherein the semiconductor layer including the Ib-IIIa-VIa element is a CIS-based semiconductor layer formed of any one selected from CuInSe 2 and Cu (In, Ga) Se 2 . Solar cell manufacturing method comprising. 제 19항에 있어서, 상기 IIb-VIa족 원소를 포함하여 조성된 반도체층은 CdS 반도체층인 것을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법. 20. The method of claim 19, wherein the semiconductor layer including the IIb-VIa group element is a CdS semiconductor layer. 제 19항에 있어서, 상기 윈도우층상에 MgF2로 이루어진 반사방지층이 추가로 형성됨을 특징으로 하는 CNT를 포함하는 태양전지 제조방법.20. The method of claim 19, wherein the antireflection layer of MgF 2 is further formed on the window layer.
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