KR101081443B1 - Ｃｉｇｓ 박막 제조 방법과 ｃｉｇｓ 박막 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예는, PVA(poly vinyl alcohol)가 포함된 전착용액과 -1 ~ 5V 범위의 직류(DC) 전압 조건으로 실시되는 전착법으로 태양전지용 CuXInYGaZSeN (X=0-2, Y=0-2, Z=0-2, N=0-3) 층의 광흡수층 형성을 위해 금속 전구체를 이용하여 이온화된 구리(Cu), 인듐(In), 칼슘(Ca), 셀렌(Se) 성분을 전착하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조 방법을 제공한다.
PVA, 전착용액, 광흡수층, CIGS
Description
본 발명의 실시예는 CIGS 박막 제조 방법과 CIGS 박막 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 주목받고 있다.
CIGS(copper-indium-gallium-selenid) 박막은 높은 광 흡수 계수와 변환 효율을 보이므로 차세대 박막 태양전지 제조에 적용이 기대되는 재료이다. 최근 연구결과에서 CIGS 태양전지는 박막형 비정질 실리콘 태양전지에 비해 효율이 높은 것으로 보고되었으며, CIGS 박막 태양전지의 상용화가 가시화되고 있다.
일반적으로 CIGS 박막 태양전지 제조에 있어 전착법을 이용하는 경우 형성되는 박막의 금속 성분의 균일한 제어가 어렵고 비교적 낮은 효율을 갖는다. 또한, 전착법을 사용하였을 때 형성된 박막의 표면에 불규칙한 균열과 국부적인 금속 입자군 형성 등과 같이 균일한 두께의 박막 형성이 어려운 단점이 있다. 이에 따라, 전착법에 의한 CIGS 흡수층 형성에 있어 표면의 물리적 특성 및 정밀 조성제어를 위한 개선 방안이 요구되고 있다.
상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예는, 전착법을 이용한 박막 태양전지의 CIGS 박막 형성에 있어 전착용액에 PVA를 첨가하여 표면 물리적 특성과 CIGS 금속 성분들의 부착성을 개선하여 고품질의 CIGS 광흡수층을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제 해결 수단으로 본 발명의 실시예는, PVA(poly vinyl alcohol)가 포함된 전착용액과 -1 ~ 5V 범위의 직류(DC) 전압 조건으로 실시되는 전착법으로 태양전지용 CuXInYGaZSeN (X=0-2, Y=0-2, Z=0-2, N=0-3) 층의 광흡수층 형성을 위해 금속 전구체를 이용하여 이온화된 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀렌(Se) 성분을 전착하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조 방법을 제공한다.
PVA는 전착용액의 0.5 ~ 40 중량% 범위로 포함될 수 있다.
CIGS 광흡수층은, 전착용액에 몰리브덴이 0.6 ~ 2 ㎛의 두께로 소다석회 유리에 부착된 기판을 사용하여 0.1 ~ 5V의 전압조건에서 전착을 하는 단계와, 전착이 진행된 기판을 셀렌 성분 증기 및 질소 분위기에서 소성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 다른 측면에서 본 발명의 실시예는 제1항 또는 제2항 중 하나의 방법으 로 제조된 CIGS 박막 태양전지를 제공한다.
본 발명의 실시예는, 전착법을 이용한 박막 태양전지의 CIGS 박막 형성에 있어 전착용액에 PVA를 첨가하여 표면 물리적 특성과 CIGS 금속 성분들의 부착성을 개선하여 고품질의 CIGS 광흡수층을 제조하는 방법과 CIGS 박막 태양전지를 제공하는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 CIGS 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, CIGS 박막 태양전지는 소다석회 유리 등으로 형성된 기판(110)을 포함한다. 기판(110)은 몰리브덴(Mo)으로 형성된 전극층(120)을 포함한다. 전극층(120) 상에는 접착성의 향상시키기 위해 구리(Cu)로 형성된 접착층(130)이 더 부착될 수도 있다. 기판(110) 상에 형성된 전극층(120) 또는 접착층(130) 상에 이온화된 금속 전구체를 전착법(電着法)에 의하여 부착시켜 CIGS 광흡수층(140)을 형성한다. CIGS 광흡수층(140)의 조성은 화학식 CuXInYGaZSeN (X=0-2, Y=0-2, Z=0-2, N=0-3)으로 나타낼 수 있다.
CIGS 광흡수층(140)을 전착시킨 후에는 CIGS 광흡수층(140)을 세척해야 한다. CIGS 광흡수층(140)을 세척 방법으로는 탈이온수를 사용하여 세척하고, 유동 질소 가스로 건조시키는 방법이 있으나 이에 한정되지 않는다. CIGS 광흡수층(140)을 세척한 후에는 인듐(In)+셀린(Se) 또는 구리(Cu)+셀렌(Se)의 추가층(150)을 단독으로 또는 갈륨과 함께 물리적인 증착에 의해 부착시킴으로써 CIGS 최종 막의 조성을 조정할 수 있다. 한편, CIGS 광흡수층(140)이 조성된 기판(110)은 물리적 증기 증착법(PVD) 처리를 진행할 수 있고, 이후 CIGS 광흡수층(140)의 균일성과 품질을 향상시키도록 어닐링(annealing) 처리를 진행할 수 있다.
CIGS 광흡수층(140)을 위와 같이 어닐링한 후에는 황화 카드뮴을 포함하는 n-형 반도체로 된 CDS박막층(160)을 부착킨다. CDS박막층(160)은 화학욕 부착(CBD)에 의하여 부착될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. CDS박막층(160) 상에는 n-형 반도체 물질의 넓은 띠 간격을 전도시키는 전도층(170)을 부착시킨다. 전도층(170)은 동종의 물질이 2개의 층으로 형성된 것을 이용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 전도층(170) 상에는 금속전극층(180)을 부착시킨다. 금속전극층(180)은 집전 표면을 가로지르는 미세한 격자선에 배치하고, 적합한 전류 집전 전극에 접속될 수 있다. 금속전극층(180) 상에는 박막의 효율을 증가시키기 위해 난반사 코팅이나 무반사 코팅 등의 코팅층(190)이 더 부착될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
한편, 전술한 실시예에서는 태양전지용 CuXInYGaZSeN (X=0-2, Y=0-2, Z=0-2, N=0-3) 층의 금속 전구체(140)을 전착할 때, PVA(poly vinyl alcohol)가 포함된 전착용액과 -1 ~ 5V 범위의 직류(DC) 전압 조건으로 실시되는 전착법으로 진행한다.
금속 전구체(140)을 전착하기 위한 방법은 다음과 같다.
먼저, 구리, 인듐, 갈륨 및 셀렌 중 1종 이상의 원소가 포함된 전착용 전구체 용액을 제조한다. 다음, 80 ℃ 조건에서 증류수를 사용하여 함량의 PVA를 첨가하여 PVA 수용액을 제조한다. 다음, 금속 전구체 용액에 PVA 수용액을 첨가하여 혼합한다. 다음, 혼합 용액에 몰리브덴 0.6 ~ 2 ㎛의 두께로 소다석회 유리에 부착된 기판(110)을 -1 ~ 5V 전압조건에서 전착을 진행한다. 다음, 전착이 진행된 기판(110)을 셀렌(Se) 성분 증기 및 질소 분위기에서 소성을 진행한다. 다만, 전착법 진행시 PVA는 0.5 ~ 40 질량% 범위로 첨가될 수 있다.
실험결과 인듐(In) 및 갈륨(Ga)의 경우 기준전극을 기준으로 마이너스(-) 일 때 전착률이 증가하였고 5V 이상 전압사용 시 가수분해로 인한 기포발생으로 박막의 표면 물리적 특성이 저하하였다. 따라서, 바람직하게는 -1V에서 1.5V 범위의 전압 조건에서 표면 및 계면의 물리적 특성이 우수한 CIGS 광흡수층(140) 형성이 가능하였다. 그리고 5V 이상하의 전압 조건에서는 전착용액상에서 가수분해가 진행되거나 기포발생으로 인한 박막상의 기공 발생과 같은 막질의 저하 현상의 미발생으로 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 성분의 부착률이 감소하는 문제가 해결되었다.
그리고 PVA를 0.5 ~15 질량% 범위로 첨가하였을 때 CIGS 광흡수층(140)의 물리적특성 및 In, Ga 부착률이 10%이상 증가하였다. 또한 PVA는 고분자라는 물질 특 성상 평균 분자량이 31,000에서 186,000 사이의 값을 가짐으로써 상대적으로 저분자량을 갖는 PVA 사용시 40 질량% 범위까지 첨가 가능하다. 그런데, 전착용액 내에 50 질량% 이상 첨가 시 PVA는 CIGS 광흡수층(140) 내부에 다량 포함되어 어닐링시간 증가 및 소성온도를 필요 이상 높여야하는 문제가 발생하게 된다.
한편, 실시예의 전착법은 CIGS 광흡수층(140) 형성 시의 표면 물리적 특성과 금속 성분의 부착 성능을 증진시키기 위한 것으로 이와 유사한 박막 형성 공정에도 응용 및 적용가능하다.
실시예의 전착법을 이용한 CIGS 박막 제조 방법에 있어 PVA의 구성 및 작용은 다음과 같다.
도 2는 종래 금속 전구체가 포함된 용액을 이용하여 전착법으로 제조된 CIGS 광흡수층 박막의 전면을 주사전자현미경을 통하여 분석한 결과이고, 도 3은 PVA가 첨가된 전착용액을 사용하여 제조된 CIGS 광흡수층 박막의 전면을 주사전자현미경을 통하여 분석한 결과이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 종래 전착방법으로 제조된 CIGS 광흡수층 박막의 경우 표면이 매우 거칠며 국부적으로 금속 입자군 형성 및 표면의 균열을 확인할 수 있었다. 반면, 동일 조건하에서 PVA를 첨가하여 전착을 실시한 결과 종래 전착방법보다 표면의 균일성이 증진되어 표면 물리적 특성이 개선되었다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, CIGS 광흡수층이 형성된 박막 표면의 성분 분석 결과 전착용액에 PVA 첨가를 통하여 갈륨(Ga) 및 인듐(In)의 부착률이 10 ~ 30% 범위로 증가 되었음 을 확인할 수 있었다. 한편, 본 발명은 앞서 설명한 공정조건에 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 사상을 달성할 수 있는 범위에서 작업자가 선택이 가능함은 당업자에게 자명하다.
이상 본 발명은 전착법을 이용한 박막 태양전지의 CIGS 박막 형성에 있어 전착용액에 PVA를 첨가하여 표면 물리적 특성과 CIGS 금속 성분들의 부착성을 개선하여 고품질의 CIGS 광흡수층을 제조하는 방법과 CIGS 박막 태양전지를 제공하는 효과가 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 CIGS 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 종래 금속 전구체가 포함된 용액을 이용하여 전착법으로 제조된 CIGS 광흡수층 박막의 전면을 주사전자현미경을 통하여 분석한 결과도.
도 3은 PVA가 첨가된 전착용액을 사용하여 제조된 CIGS 광흡수층 박막의 전면을 주사전자현미경을 통하여 분석한 결과도.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
110: 기판 120: 전극층
130: 접착층 140: CIGS 광흡수층
150: 추가층 160: CDS박막층
170: 전도층 180: 금속전극층
Claims (4)
- 구리, 인듐, 갈륨 및 셀렌 중 1종 이상의 원소가 포함된 전구체 용액과, PVA(poly vinyl alcohol)가 포함된 용액을 혼합하여 전착용액을 제조하는 단계; 및전극층이 형성된 기판에 -1 ~ 5V 범위의 직류(DC) 전압을 인가하여 이온화된 상기 구리, 상기 인듐, 상기 갈륨, 상기 셀렌 성분 중 1종 이상의 성분을 상기 전극층 상에 부착시켜 태양전지용 CuXInYGaZSeN (X=0-2, Y=0-2, Z=0-2,N=0-3)을 포함하는 광흡수층 형성하는 단계를 포함하는 CIGS 박막 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 PVA는 상기 전착용액의 0.5 ~ 40 중량% 범위로 포함된 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 CIGS 광흡수층은,상기 전착용액에 몰리브덴이 0.6 ~ 2 ㎛의 두께로 소다석회 유리에 부착된 기판을 사용하여 0.1 ~ 5V의 전압조건에서 전착을 하는 단계와,상기 전착이 진행된 기판을 셀렌 성분 증기 및 질소 분위기에서 소성하는 단계를 포함하는 CIGS 박막 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항 중 하나의 방법으로 제조된 CIGS 박막 태양전지.
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