KR101135609B1 - 산화 아연 잉크를 이용한 인쇄 가능한 저가형 ｐ-ｎ 헤테로 접합 태양전지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인쇄 가능한 저가형 태양전지를 제조하기 위한 것으로서, 모노에탄올아민(Monoethanolamine) 0.214g을 순수 에탄올 10ml에 해리시킨 후 아세트산아연(Zinc acetate, Zn(CH₃COO)₂.2H₂O) 0.768g(ALDRICH)를 첨가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 산화 아연 잉크의 제조방법에 따라 제조된 본 발명의 산화아연 잉크를 사용하여 태양전지를 제조하면 그 제조 과정이 간단하고 제조 가격이 매우 저렴하여 저가의 태양전지 제조가 가능하고 n형 산화아연의 경우 발명에서와 같은 간단한 열처리 과정을 통하여 n형 반도체가 쓰일 수 있는 트렌지스터, 다이오드 등의 전자소자의 적용 가능성이 매우 높아 당분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Description

산화 아연 잉크를 이용한 인쇄 가능한 저가형 Ｐ-Ｎ 헤테로 접합 태양전지의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING LOW PRICE TYPE P-N HETEROJUNCTION SOLAR CELL WHICH CAN BE PRINTED USING ZINC OXIDE INK}

본 발명은 인쇄 가능한 저가형 태양전지를 제조하기 위한 것으로서, 보다 구체적으로는 제조 공정이 단순하고 제조 단가가 저렴한 n 형 반도체인 산화아연을 n형 반도체 층에 이용한 인쇄 가능한 저가형 p-n 헤테로 접합 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.

태양전지는 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 것으로, 현재까지 개발된 태양전지는 소형의 장비나 특정한 지역 및 장비를 위한 독립전원으로 극히 제한적으로 사용되며 고가이다. 즉, 현재 기술의 고효율 태양전지는 제조 단가가 높아 경제성이 떨어지므로, 인공위성 등 주로 특수한 목적에 일부 이용되고, 대부분의 경우는 여러 에너지원 중 효율과 제조단가를 같이 평가하여 경제성이 있는 것이 실제로 이용되게 된다. 이에, 화석연료의 사용이 필요없고, 특별한 유지관리 없이 전기를 생산할 수 있는 미래의 핵심적 대체에너지원인 태양에너지를 이용한 기술은 대중적으로 사용하기 위해 고효율화와 저가화의 방향으로 기술발전이 이루어져 왔다.

이상과 같은 태양전지와 관련하여 P-N 접합 구조의 태양전지 내에 다층 구조를 형성하여 태양광의 전파장 영역을 효율적으로 이용하고자 하는 연구가 일부 진행되어 왔다. 여기서, 태양광의 장파장과 단파장을 효율적으로 활용할 수 있도록 탠덤(tandem) 구조를 설계하고, 밴드 갭이 작은 물질인 GaAs, CdSe, InP 등의 물질을 박막으로 형성하여 실리콘 전지의 뒷면에 위치하게 하여, 실리콘 전지가 활용하지 못하는 단파장을 최대한 활용하고자 하는 노력을 하였다. 또한, 최근에는 실리콘 태양전지 내에 여러 층을 두어 약 350～1000nm에 걸쳐 존재하는 연속 파장으로 구성된 광을 효율적으로 이용하고자 하였다. 이에 반하여, 저가 공정을 채택한 광감응형 태양전지와 복합화한 예는 극히 미미한 실정이다.

TiO2 또는 ZnO 광감응형 산화물 태양전지에서는 산화물 반도체에 의하여 400nm 이하의 빛을 주로 이용하여 발전하고, 염료를 산화물 반도체에 착색함에 따라 주로 400～800nm의 빛까지 흡수하여 발전한다. 실리콘계 태양전지의 경우는 400nm 이상의 빛에서 적외선 영역의 아주 약한 빛까지 흡수하여 발전한다.

현재 개발된 염료감응형 태양전지는 어느 정도 투명하지만 기존의 저가 양산용 실리콘 태양전지와 복합화하기에 적합하지 못하다. 왜냐하면, 현재의 염료감응형 태양전지의 투명도로서는 복합화할 경우 충분히 발전할 수 없는 문제가 있기 때문이다.

한편, 기존의 탠덤 구조는 전술한 바와 같이 밴드 갭이 작은 물질인 GaAs, CdSe, InP 등의 물질을 박막으로 형성하였는데, 재료들의 가격이 비싸고 박막형성 공정에 많은 비용이 소요되어 경제성을 갖지 못하고 있으며, 소면적이나 특수 용도로 제한되어 사용되고 있는 실정이다. 특히, 박막공정 자체가 재현성이 떨어져 품질과 성능이 균질한 셀을 대량으로 생산하는데 적합하지 못한 문제점이 있다.

전통적으로 P-N 접합 태양전지는 글로우 방전에서 발생되는 정 이온을 전계에 의해 높은 에너지로 가속시켜 고에너지의 정 이온이 고체의 표면과 충돌하면 고체표면의 원자 또는 분자가 표면에서 밖으로 튀어나오는 스퍼터링 물리기상 증착, 반응실에 도입된 원료가스를 여기시켜 기상 또는 기판상에서 기상화학반응(열분해, 산화, 질화 등)을 통해 박막을 퇴적시키는 화학기상증착, RF 코일에 의해 약 300~900℃ 정도로 가열된 서셉터(susseptor)위에 실리콘 웨이퍼를 배치하여 웨이퍼 표면에서 반응가스와의 화학반응을 통해 박막을 퇴적시키는 열 CVD법, 감압 상태에서 글로우 방전을 통해 발생하는 고에너지의 전지를 반응가스와 충돌시켜 가스분자를 해리시킴으로써 반응기(radical)나 이온을 생성하는 플라즈마를 이용하여 원료가스를 화학적으로 활성화한 반응을 촉진시킴으로써 막을 퇴적하는 방식의 CVD법 등의 제조 공정에 의하여 제작되어 졌다. 하지만 이러한 장비들은 매우 고가이며 셀을 제작하는 공정 또한 복잡하고 많은 시간과 재료의 손실이 심하게 발생한다는 단점을 갖는다. 이러한 복잡하고 고가인 공정을 대신하고자 최근 들어 인쇄 방식을 이용한 태양전지 및 전자소자의 개발이 진행 중이다. 그 중에서 넓은 범위의 밴드갭을 갖는 transparents conductive oxide를 이용하고자 하며 transparents conductive oxide 중에서도 합성과정이 단순하고 넓은 밴드 겝(3.4eV)과 더불어 높은 엑시톤 결합에너지(60mV)를 갖는 n형 산화아연 반도체 층을 이용한 태양전지 개발을 진행하고자 하고 있다. 그러나, 기존에 개발되어진 산화 아연의 경우 산소를 포함하는 혼합가스를 이용하고 산소의 함량에 의해 산화아연의 특성을 조절하기가 어렵다는 단점이 있다.

이에 본 발명자들은 기존의 고가장비와 복잡한 공정, 재료의 손실이 큰 진공증착 공정으로 제조되었던 태양전지 셀의 제조 단가를 낮출 수 있는 저가형 p-n 헤테로 접합 태양전지를 개발하기 위해 계속 연구를 진행하던 중 제조 공정이 단순하고 제조 단가가 저렴한 n 형 반도체인 산화아연을 잉크화하여 이를 이용하여 고효율 및 저가인 인쇄가능한 태양전지를 개발할 수 있음을 발견함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 기존의 고가장비와 복잡한 공정, 재료의 손실이 큰 진공증착 공정으로 제조되었던 태양전지 셀의 제조 단가를 낮출 수 있는 저가형 p-n 헤테로 접합 태양전지를 개발하기 위한 것으로서 이러한 태양전지의 제조에 사용되는 산화아연 잉크의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 따라 제조된 산화아연 잉크를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 산화아연 잉크를 이용한 태양전지의 제조에 사용되는 p-n 헤테로접합을 이룬 셀을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 산화 아연 잉크를 이용하여 인쇄 가능한 고 효율의 저가형 p-n 헤테로접합 태양전지를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 모노에탄올아민(Monoethanolamine) 0.214g을 순수 에탄올 10ml에 해리시킨 후 아세트산아연(Zinc acetate, Zn(CH₃COO)₂.2H₂O) 0.768g(ALDRICH)를 첨가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 산화 아연 잉크의 제조방법을 제공한다.

상기한 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 상기 방법에 의해 제조된 태양전지 제조용 산화 아연 잉크를 제공한다.

상기한 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 상기 산화 아연 잉크를 p형 실리콘 기판 위에 잉크젯 인쇄, 바코터, 슬릿다이코터, 롤코터 또는 스핀코터의 방법으로 코팅한 후 공기 중 300℃의 열처리 조건에서 예비 열처리를 실시한 후 450~550℃의 불활성 가스 분위기에서 열처리를 실시하여 태양전지 제조용 p-n 헤테로접합을 이룬 셀을 제조하는 방법을 제공한다.

상기한 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 상기 산화 아연 잉크를 이용하여 인쇄 가능한 고 효율의 저가형 p-n헤테로 접합 태양전지를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따라 제조된 산화아연 잉크를 사용하여 태양전지를 제조하면 그 제조 과정이 간단하고 제조 가격이 매우 저렴하여 저가의 태양전지 제조가 가능하고 n형 산화아연의 경우 발명에서와 같은 간단한 열처리 과정을 통하여 n형 반도체가 쓰일 수 있는 트렌지스터, 다이오드 등의 전자소자의 적용 가능성이 매우 높아 당분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 산화아연 잉크 제조의 전체 공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 인쇄된 산화아연 필름의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 인쇄된 산화아연 필름의 인쇄 횟수에 따른 두께 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 인쇄된 산화아연 필름의 열처리 조건에 따른 XRD 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 산화아연을 이용하여 제작된 셀의 광-전 변환효율 그래프를 나타낸 것이다.

본 발명에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있다.

본 발명에서 사용하는 산화아연 잉크는 모노에탄올아민(Monoethanolamine) 0.214g을 순수 에탄올(absolute ethanol) 10ml에 해리시킨 후 아세트산아연(Zinc acetate, Zn(CH₃COO)₂.2H₂O) 0.768g를 첨가함으로써 제조할 수 있다. 상기 모노에탄올아민, 순수 에탄올 및 아세트산아연은 시중에서 시판되는 것을 사용할 수 있으며, 특히 Aldrich 사에서 구입가능하다.

이 때 도 1에 도시한 공정 흐름도와 같이 산화아연의 전자가 이동할 수 있는 페르미 준위 조절을 위하여 도핑 물질을 첨가할 수도 있으며 사용되는 도핑 물질은 Al, Mn, Ga, In, F 등과 같은 물질이 이에 속한다.

합성된 산화아연 용액은 식각을 통해 SiO₂층이 제거된 p형 실리콘 웨이퍼 위에 잉크젯 방법, 스핀코터, 바코터, 슬릿다이 코터, 롤코터 등을 통하여 코팅한 후 공기중 300℃ 열처리 조건에서 예비열처리를 진행한다. 이 때 인쇄 횟 수에 따라 필름의 두께를 조절할 수 있으며, 예를 들어 3회 194nm, 5회 242nm, 7회 323nm, 9회 399nm로 필름을 형성할 수 있다. 도 2는 인쇄된 산화아연 필름의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.도 3에 도시된 SEM 이미지에서 확인한 바와 같이 젯팅 횟 수에 의해 형성된 산화 아연의 두께 조절이 가능하다.

이렇게 형성된 산화아연 층은 불활성 가스의 분위기 하에서 450~550℃ 열처리 온도를 거쳐 도 4에 도시한 바와 같이 완벽하게 결정성을 갖는 필름이 형성되어 p형 실리콘 웨이퍼와 p-n 접합을 이룬 셀이 제조할 수 있다.

마지막으로 p형 반도체와 n형 산화아연층과의 접촉저항을 최대로 줄일 수 있는 전극을 선택하여 양극에 접합한다. p형 실리콘 쪽에는 금을 접합하고 n형 산화아연 쪽에는 은을 접합하여 최종적으로 셀을 만든다.

이렇게 제작된 셀은 태양전지측정기를 통하여 광-전 변환 효율을 분석하였으며 측정된 광-전 변환효율은 제조 조건에 따라 2.24~7%였다.

본 발명에 따라 제조된 산화아연 잉크를 사용하여 태양전지를 제조하면 그 제조 과정이 간단하고 제조 가격이 매우 저렴하여 저가의 태양전지 제조가 가능하고 n형 산화아연의 경우 발명에서와 같은 간단한 열처리 과정을 통하여 n형 반도체가 쓰일 수 있는 트렌지스터, 다이오드 등의 전자소자의 적용 가능성이 매우 높아 당분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

이하, 본 발명의 구체적인 방법을 제조예 및 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명의 권리범위는 이들 제조예 및 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

제조예 1: 산화아연 잉크의 제조

모노에탄올아민 0.214g(ALDRICH)을 순수 에탄올 10ml (ALDRICH)에 해리시킨 후 아세트산 아연(Zn(CH₃COO)₂.2H₂O) 0.768g(ALDRICH)을 첨가한 후 60℃에서 2시간동안 환류시키며 반응시켰다. 반응이 끝난 용액을 상온에서 식힌 후 0.45μm 실린지 필터를 이용하여 여과시켜 제조하였다. 도 1은 산화아연 용액 제조의 전체 공정도를 나타낸 것이다.

제조예 2: 산화아연 필름 제조

산화 아연 잉크를 잉크젯 인쇄 방법을 이용하여 필름을 형성하였으며, 잉크젯 외에 스핀코터, 바코터, 슬릿다이 코터, 롤코터 등을 이용할 수 있다. 인쇄 횟 수에 따라 3회 194nm, 5회 242nm, 7회 323nm, 9회 399nm로 필름을 형성하였다.

산화 아연 잉크를 잉크젯 인쇄 방법을 이용하여 필름을 형성한 후 공기 중 300℃에서 예비 열처리를 하고 500℃ 불활성 가스 분위기에서 후 열처리를 실시하여 결정형 산화아연 필름을 형성하였다. 이어서, p형 실리콘 웨이퍼와 p-n 접합을 이룬 셀이 제조하였다.

도 2는 인쇄된 산화아연 필름의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.

도 3은 인쇄된 산화아연 필름의 인쇄 횟수에 따른 두께 SEM 이미지를 나타낸 것이고, 도 4는 인쇄된 산화아연 필름의 열처리 조건에 따른 XRD 이미지를 나타낸 것이다.

실시예 1: 산화 아연을 포함하는 태양전지 제조

상기 제조예에서 제조조된 산화아연 잉크를 이용하여 저가형 태양전지를 제조하였다.

시험예 1

상기 제조예 2에서 제조된 셀을 태양전지측정기를 통하여 광-전 변환 효율을 분석하였다. 그 결과 측정된 광-전 변환효율은 제조 조건에 따라 2.24 내지 7%를 나타내었다. 도 5는 산화아연을 이용하여 제작된 셀의 광-전 변환효율 그래프를 나타낸 것이다.

이상의 설명은 본 특허의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 특허가 속하는 기술분야의 당업자라면 본 특허의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형을 할 수 있을 것이다.

또한, 본 특허에 개시된 실시예는 본 특허의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 특허의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

그러므로 본 특허의 보호범위는 하기 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 특허의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따라 제조된 산화아연 잉크를 사용하여 태양전지를 제조하면 그 제조 과정이 간단하고 제조 가격이 매우 저렴하여 저가의 태양전지 제조가 가능하고 n형 산화아연의 경우 발명에서와 같은 간단한 열처리 과정을 통하여 n형 반도체가 쓰일 수 있는 트렌지스터, 다이오드 등의 전자소자의 적용 가능성이 매우 높아 당분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (6)

1. a) 모노에탄올아민을 순수 에탄올에 해리시키는 단계;
   b) 모노에탄올아민이 해리된 순수 에탄올에 아세트산아연을 첨가하여 환류 반응하는 단계;
   를 포함하는 태양전지 제조용 산화 아연 잉크의 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 따른 방법에 의해 제조된 태양전지 제조용 산화 아연 잉크.
4. c) 제 3항에 따른 산화 아연 잉크를 p형 실리콘 기판 위에 잉크젯 인쇄, 바코터, 슬릿다이코터, 롤코터 또는 스핀코터의 방법으로 코팅하는 단계;
   d) 공기 중에서 예비 열처리 후 불활성 가스 분위기에서 450~550℃로 열처리하여 상기 p형 실리콘기판과 헤테로 접합된 n형 산화아연 필름을 제조하는 단계;
   를 포함하는 태양전지 제조용 p-n 헤테로접합을 이룬 셀을 제조하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 c)단계는 잉크젯 인쇄에 의해 수행되며,
   c)단계에서 실리콘 기판위에 인쇄되는 산화아연 잉크의 인쇄 횟수에 따라 인쇄된 필름의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 p-n 헤테로접합을 이룬 셀을 제조하는 방법.
6. 삭제

Images