KR101103914B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

태양전지가 개시된다. 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층; 및 상기 윈도우층 상에 배치되며, 전도성 폴리머를 포함하는 전도성 고분자층을 포함한다.
전도성, 고분자, 폴리머, 태양, 전지

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
광전 변환 효과를 이용하여 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전 모듈은 지구 환경의 보전에 기여하는 무공해 에너지를 얻는 수단으로 널리 사용되고 있다.
태양 전지의 광전 변환 효율이 개선됨에 따라, 태양광 발전 모듈을 구비한 많은 태양광 발전 시스템이 주거 용도로까지 설치되기에 이르렀다.
실시예는 향상된 광전 변환효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층; 및 상기 윈도우층 상에 배치되며, 전도성 폴리머를 포함하는 전도성 고분자층을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 지지기판 상에 이면전극층을 형성하는 단계; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 윈도우층을 형성하는 단계; 상기 윈도우층 상에 전도성 폴리머를 포함하는 전도성 고분자층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 윈도우층 상에 배치되는 전도성 고분자층을 포함하기 때문에, 윈도우층의 전기적인 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전도성 고분자층의 표면이 텍스쳐링되고, 전도성 고분자층에 의해서, 반사율이 감소되고, 광 흡수율이 향상될 수 있다.
특히, 전도성 고분자층은 전도성 폴리머를 포함하기 때문에, 임프린팅 방식 등에 의해서, 다양한 형상의 패턴이 용이하게 형성될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 전기적인 특성 및 향상된 광학적 특성을 가지고, 이에 따라서, 향상된 광-전 변환 효율을 가진다.
또한, 실시예에 따른 태양전지는 용이하게 제조될 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 셀, 부, 층, 전극 또는 패턴 등이 각 기판, 셀, 부, 층, 전극 또는 패턴 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 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 지지기판(100), 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500), 윈도우층(600) 및 전도성 고분자층(700)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 이면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400), 상기 고저항 버퍼층(500), 상기 윈도우층(600) 및 상기 전도성 고분자층(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. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200) 상에 배치된다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)를 포함하며, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2eV 내지 2.4eV일 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV일 수 있다.
상기 윈도우층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 윈도우 층(600)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(600)의 저항은 상기 이면전극층(200)의 저항보다 높다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)의 저항은 상기 이면전극층(200)의 저항보다 약 10 내지 200배 더 클 수 있다. 상기 윈도우층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO) 등을 들 수 있다.
상기 전도성 고분자층(700)은 상기 윈도우층(600) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 전도성 고분자층(700)은 상기 윈도우층(600)의 상면에 직접 접촉한다. 상기 전도성 고분자층(700)은 투명하며, 도전체이다. 상기 전도성 고분자층(700)은 상기 윈도층(600)을 이루는 물질보다 낮은 비저항을 가지는 물질로 이루어 질 수 있다.
예를 들어, 상기 전도성 고분자층(700)으로 사용되는 물질의 예로서는 전도성 폴리머 등을 들 수 있다. 더 자세하게, 상기 전도성 고분자층(700)으로 사용되는 물질의 예로서는 폴리(설퍼니트릴)(poly(sulfurnitrile)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(페닐렌 설파이드)(poly(phenylene sulfide)), 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene) 등과 같은 전도성 폴리머를 들 수 있다.
상기 전도성 고분자층(700)은 다양한 형상의 패턴(710)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 고분자층(700)은 돌기 패턴 또는 홈 패턴을 포함할 수 있다. 또한, 상기 패턴(710)은 엠보싱 형상, 피라미드 형상 등과 같은 뿔 형상, 렌티큘라 형상 또는 단면이 삼각형인 막대 등과 같은 막대 형상 등의 다양한 형상을 가 질 수 있다.
상기 전도성 고분자층(700)의 상면은 텍스쳐링 처리될 수 있다. 즉, 상기 전도성 고분자층(700)의 상면이 텍스쳐링 처리되어, 상기 패턴(710)이 형성될 수 있다.
도면에는 도시되지 않았지만, 실시예에 따른 태양전지는 상기 전도성 고분자층(700), 상기 윈도우층(600), 상기 고저항 버퍼층(500), 상기 버퍼층(400) 및 상기 광 흡수층(300)을 관통하는 관통홈들을 포함할 수 있다.
상기 관통홈들에 의해서, 실시예에 따른 태양전지는 다수 개의 셀들로 구분될 수 있다.
상기 전도성 고분자층(700)은 상기 윈도우층(600)보다 더 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)의 굴절률은 약 1.5 내지 약 1.6 이고, 상기 전도성 고분자층(700)의 굴절률은 약 1.4 내지 약 1.5 일 수 있다.
상기 전도성 고분자층(700)은 상기 윈도우층(600)의 전면에 배치된다. 더 자세하게, 상기 전도성 고분자층(700)은 상기 윈도우층(600) 상면 전체에 접촉될 수 있다.
상기 전도성 고분자층(700)은 상기 윈도우층(600)에 직접 접촉하여, 상기 윈도우층(600)의 전기적인 특성을 보조할 수 있다. 즉, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 상기 전도성 고분자층(700)에 의해서, 전체적인 전기적인 특성을 향상시킬 수 있고, 향상된 효율을 가질 수 있다.
특히, 상기 전도성 고분자층(700)이 상기 윈도우층(600)의 전기적인 특성을 보상하기 때문에, 상기 윈도우층(600)은 낮은 전기적인 특성을 가지더라도, 향상된 광학적 특성을 가지도록 설계될 있다.
즉, 상기 윈도우층(600)의 두께가 얇아짐에 따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 높은 광 투과율을 가진다. 하지만, 상기 윈도우층(600)의 두께가 얇아짐에 따라서, 상기 윈도우층(600)의 저항이 증가될 수 있다. 이때, 상기 전도성 고분자층(700)은 상기 윈도우층(600)의 저항 특성을 보상하여, 상기 윈도우층(600) 및 상기 전도성 고분자층(700) 전체의 저항은 낮아진다.
따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 전기적인 특성을 저하시키지 않고, 높은 광 투과율을 구현할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 보다 많은 광을 상기 광 흡수층에 입사시킬 수 있다. 이때, 실시예에 따른 태양광 발전장치의 전기적인 특성은 감소되지 않고, 오히려 더 향상될 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자층(700)은 패턴(710)을 포함하기 때문에, 상기 전도성 고분자층(700)에 의해서, 반사율이 감소되고, 광 흡수율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자층(700)의 굴절률이 상기 윈도우층(600)의 굴절률보다 작은 경우, 상기 전도성 고분자층(700)은 공기와 상기 윈도우층(600) 사이에서 버퍼기능을 수행한다. 이에 따라서, 상기 전도성 고분자층(700)은 반사율을 감소시키고, 입사율을 증가시킬 수 있다.
특히, 상기 전도성 고분자층(700)은 폴리머로 이루어질 수 있기 때문에, 임프린팅 방식 등에 의해서, 다양한 형상의 패턴(710)이 용이하게 형성될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 전기적인 특성 및 향상된 광학적 특성을 가지고, 이에 따라서, 향상된 광-전 변환 효율을 가진다.
또한, 실시예에 따른 태양전지는 용이하게 제조될 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자층(700)은 높은 전자 포집 능력을 가지고, 실시예에 따른 태양광 발전장치의 광 전류밀도를 향상시킨다.
따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 높은 입사율, 향상된 전기적인 특성 및 향상된 광-전 변환 효율을 가진다.
도 2 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 즉, 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.
도 2를 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서, 몰리브덴 등과 같은 금속이 증착되고, 이면전극층(200)이 형성된다. 상기 이면전극층(200)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서, 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 이면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 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(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(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.
이후, 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴(CdS)이 증착되어, 버퍼층(600)이 형성된다.
상기 버퍼층(600)은 화학 용액 성장법(chemical bath depositon;CBD)에 의해서 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(600)이 형성되기 위해서, 상기 버퍼층(600)을 형 성하기 위한 이온들이 과포화된 수용액이 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 수용액은 Cd2 + 및 S2 -를 과포화된 상태로 포함할 수 있다.
더 자세하게, 상기 수용액은 카드뮴 아세테이트(cadmium acetate) 및 티오우레아(thiourea)를 포함할 수 있으며, 완충제 및 암모니아 등을 더 포함할 수 있다.
이후, 상기 광 흡수층(300)은 상기 수용액에 딥핑(dipping)된다. 즉, 상기 광 흡수층(300)은 상기 수용액과 직접 접촉하고, 화학 반응에 의해서, 상기 광 흡수층(300) 상에 상기 버퍼층(600)이 형성된다. 이때, 반응 온도는 약 60℃ 내지 약 80℃일 수 있다. 또한, 반응 시간은 약 10분 내지 약 15분 일 수 있다.
상기 버퍼층(600) 상에 불순물이 도핑되지 않는 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(700)이 형성된다.
도 4를 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(700) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)을 형성하기 위해서, 상기 고저항 버퍼층(700) 상에 투명한 도전물질이 적층된다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 윈도우층(600) 상에 전도성 고분자층(700)이 형성된다. 상기 전도성 고분자층(700)이 형성되기 위해서, 상기 윈도우층(600) 상에 예비 전도성 고분자층(700a)이 형성된다.
상기 예비 전도성 고분자층(700a)은 상기 윈도우층(600) 상에 진공 증착 또는 스핀 코팅 등과 같은 코팅 공정에 의해서, 전도성 폴리머가 증착되어 형성된다.
도 6을 참조하면, 상기 예비 전도성 고분자층(700a)는 패터닝된다. 예를 들 어, 상기 예비 전도성 고분자층(700a)의 상면은 아르곤 플라즈마 등에 의해서, 텍스쳐링되고, 상기 전도성 고분자층(700)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 예비 전도성 고분자층(700a)에 성형 패턴이 형성된 몰드 등에 의해서, 열 및/또는 압력이 가해지고, 이에 따라서, 패턴(710)을 포함하는 상기 전도성 고분자층(700)이 형성될 수 있다.
이와는 다르게, 성형 패턴이 형성된 몰드 상에 예비 전도성 고분자층이 따로 형성되고, 임프린팅 방식에 의해서, 예비 전도성 고분자층(700)이 상기 윈도우층(600)에 부착 또는 접착되어, 상기 전도성 고분자층(700)이 형성될 수 있다.
이후, 상기 전도성 고분자층(700), 상기 윈도우층(600), 상기 고저항 버퍼층(500), 상기 버퍼층(300) 및 상기 광 흡수층(300)을 관통하는 관통홈들이 형성되어, 실시예에 따른 태양전지는 다수 개의 셀들로 구분될 수 있다.
이와 같이, 상기 전도성 고분자층(700)은 폴리머로 형성되기 때문에, 상기 패턴(710)이 용이하게, 형성된다.
즉, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 향상된 성능을 가지는 태양전지를 용이하게 제공할 수 있다.
또한, 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 포함되 는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.

Claims (9)

  1. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 배치되는 이면전극층;
    상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층; 및
    상기 윈도우층 상에 배치되며, 전도성 폴리머를 포함하는 전도성 고분자층을 포함하고,
    상기 전도성 고분자층은 패턴을 포함하는 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 패턴은 엠보싱 형상, 렌티큘라 형상, 막대 형상 또는 뿔 형상을 가지는 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 폴리머는 폴리(설퍼니트릴)(poly(sulfurnitrile)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(페닐렌 설파이드)(poly(phenylene sulfide)), 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)을 포함하는 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 고분자층의 굴절률은 상기 윈도우층의 굴절률보다 작은 태양전지.
  6. 지지기판 상에 이면전극층을 형성하는 단계;
    상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;
    상기 윈도우층 상에 전도성 폴리머를 포함하는 전도성 고분자층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전도성 고분자층을 형성하는 단계는
    상기 윈도우층 상에 상기 전도성 폴리머를 포함하는 예비 전도성 고분자층을 형성하는 단계; 및
    상기 예비 전도성 고분자층을 패터닝하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 예비 전도성 고분자층을 패터닝하는 단계에서, 상기 예비 전도성 고분자층에 아르곤 플라즈마를 분사하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 전도성 고분자층을 형성하는 단계는
    성형 패턴을 포함하는 몰드 상에 예비 전도성 고분자층을 형성하는 단계; 및
    상기 예비 전도성 고분자층을 상기 윈도우층에 부착시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
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