KR101173417B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은 상기 후면전극층 및 상기 전면전극층 사이에 배치되고, 다수 개의 기공들을 포함하는 담체부; 및 상기 기공들 내에 각각 배치되는 다수 개의 광 흡수 유닛들을 포함한다.
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지 또는 실리콘계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
실시예는 향상된 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은 상기 후면전극층 및 상기 전면전극층 사이에 배치되고, 다수 개의 기공들을 포함하는 담체부; 및 상기 기공들 내에 각각 배치되는 다수 개의 광 흡수 유닛들을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 다수 개의 기공들을 포함하는 담체부를 형성하는 단계; 상기 기공들 내에 다수 개의 광 흡수 유닛들을 각각 형성하는 단계; 및 상기 담체부 및 상기 광 흡수 유닛들 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 담체부의 기공들에 배치되는 광 흡수 유닛들을 포함한다. 이에 따라서, 상기 광 흡수 유닛들의 크기는 상기 기공들의 직경에 따라서 달라질 수 있다.
이때, 기공들의 직경이 매우 작을 수 있고, 상기 광 흡수 유닛들의 크기도 매우 작을 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층은 미세한 크기를 가지는 광 흡수 유닛들을 포함할 수 있다.
이에 따라서, 상기 광 흡수 유닛들의 매우 넓은 표면적을 가질 수 있고, 상기 광 흡수 유닛들로 태양광이 용이하게 입사될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 태양 전지는 태양광을 효과적으로 입사받아, 향상된 변환 효율로 전기에너지로 변환시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 다양한 담체부의 결정구조들을 도시한 사시도이다.
도 5 내지 도 9는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
도 2 내지 도 4는 다양한 담체부의 결정구조들을 도시한 사시도이다.
도 5 내지 도 9는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
실시 예의 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 1은 제 1 실시예에 따른 태양광 발전장치를 도시한 단면도이다. 도 2 내지 도 5는 다양한 담체부의 결정구조들을 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 지지기판(100), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 상기 전면전극층(600)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 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다. 또한, 상기 후면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 후면전극층(200)의 두께는 약 0.5㎛ 내지 약 1.5㎛일 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 및 상기 전면전극층(600) 사이에 개재된다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 및 상기 버퍼층(400) 사이에 개재된다. 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 및 상기 버퍼층(400)에 직접 접촉될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 담체부(310) 및 다수 개의 광 흡수 유닛들(320)을 포함한다.
상기 담체부(310)는 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 담체부(310)는 상기 후면전극층(200) 및 상기 전면전극층(600) 사이에 개재된다. 더 자세하게, 상기 담체부(310)는 상기 후면전극층(200) 및 상기 버퍼층(400) 사이에 개재된다.
상기 담체부(310)는 투명할 수 있다. 상기 담체부(310)는 절연체일 수 있다. 상기 담체부(310)는 다수 개의 기공들(311)을 포함할 수 있다. 상기 기공들(311)의 직경은 약 10㎚ 내지 약 50㎚일 수 있다.
상기 담체부(310)의 두께는 약 0.5㎛ 내지 약 1.5㎛일 수 있다. 상기 담체부(310)는 투명할 수 있다. 또한, 상기 담체부(310)는 절연체일 수 있다. 상기 담체부(310)로 실리카가 사용될 수 있다. 더 자세하게, 상기 담체부(310)로 다공질 실리카(mesoporous silica)가 사용될 수 있다.
상기 담체부(310)는 상기 광 흡수 유닛들(320)을 수용할 수 있다. 더 자세하게, 상기 담체부(310)는 상기 광 흡수 유닛들(320)을 상기 기공들(311) 내에 수용할 수 있다.
상기 담체부(310)는 다양한 결정구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 담체부(310)는 도 2 내지 도 5의 결정 구조들을 가질 수 있다.
상기 광 흡수 유닛들(320)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수 유닛들(320)은 상기 후면전극층(200)에 전기적으로 접속된다. 더 자세하게, 상기 광 흡수 유닛들(320)은 상기 후면전극층(200)에 직접 접촉될 수 있다.
또한, 상기 광 흡수 유닛들(320)은 상기 담체부(310) 내에 배치된다. 더 자세하게, 상기 광 흡수 유닛들(320)은 상기 기공들(311) 내에 배치된다. 상기 광 흡수 유닛들(320)은 상기 기공들(311) 내에 채워진다. 이에 따라서, 상기 광 흡수 유닛들(320)의 형상은 상기 기공들(311)의 형상과 실질적으로 동일할 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수 유닛들(320)의 직경은 약 10㎚ 내지 약 50㎚일 수 있다.
상기 광 흡수 유닛들(320)은 상기 후면전극층(200)으로부터 상기 전면전극층(600)으로 연장될 수 있다. 상기 광 흡수 유닛들(320)은 상기 후면전극층(200)으로부터 상기 전면전극층(600)으로 수직으로 연장될 수 있다. 이와는 다르게, 상기 광 흡수 유닛들(320)은 상기 후면전극층(200)으로부터 상기 전면전극층(600)으로, 상기 후면전극층(200)에 대하여, 다양한 방향으로 연장될 수 있다.
상기 광 흡수 유닛들(320)은 불투명하다. 상기 광 흡수 유닛들(320)은 입사되는 태양광을 흡수한다. 상기 광 흡수 유닛들(320)은 p형 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 광 흡수 유닛들(320)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수 유닛들(320)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 흡수 유닛들(320)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 상기 담체부(310) 및 상기 광 흡수 유닛들(320) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 상기 담체부(310) 및 상기 광 흡수 유닛들(320)을 덮을 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수 유닛들(320)에 직접 접속될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 1.9eV 내지 약 2.3eV일 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(400)의 두께는 약 30㎚ 내지 약 70㎚일 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400)에 직접 접촉될 수 있다. 또한, 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않는 징크 옥사이드를 포함할 수 있다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV일 수 있다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 두께는 약 50㎚ 내지 약 100㎚일 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300)을 전체적으로 덮을 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수 유닛들(320)에 접속된다. 더 자세하게, 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 및 상기 버퍼층(400)을 통하여, 상기 광 흡수 유닛들(320)에 접속될 수 있다. 즉, 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500)에 직접 접촉될 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 투명하다. 또한, 상기 전면전극층(600)은 도전층(201)이다. 상기 전면전극층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 들 수 있다. 상기 전면전극층(600)의 두께는 약 1㎛ 내지 약 1.5㎛일 수 있다.
실시예에 따른 태양전지는 상기 광 흡수 유닛들(320)을 담체부(310)의 기공들(311)에 배치시킨다. 이에 따라서, 상기 광 흡수 유닛들(320)의 크기는 상기 기공들(311)의 직경과 같이 매우 작은 크기를 가질 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층(300)은 미세한 크기를 가지는 광 흡수 유닛들(320)을 포함할 수 있다.
이에 따라서, 상기 광 흡수 유닛들(320)의 매우 넓은 표면적을 가질 수 있고, 상기 광 흡수 유닛들(320)로 태양광이 용이하게 입사될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 태양 전지는 태양광을 효과적으로 입사받아, 향상된 변환 효율로 전기에너지로 변환시킬 수 있다.
도 5 내지 도 9는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 도면들이다. 본 제조방법에서는 앞서 설명한 태양광 발전장치를 참고하여 설명한다. 본 제조방법에 대한 설명에, 앞선 태양광 발전장치에 관한 설명은 본질적으로 결합될 수 있다.
도 5을 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다. 상기 후면전극층(200)은 스퍼터링 공정 등에 의해서, 인듐 틴 옥사이드 또는 인듐 징크 옥사이드 등과 같은 투명 도전 물질이 상기 지지기판(100)의 상면에 증착되어, 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 담체부(310)가 형성된다. 상기 후면전극층(200) 상에 다공성 실리카가 증착되어, 상기 담체부(310)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 담체부(310)는 다음과 같은 공정에 의해서 형성될 수 있다.
먼저, 수산화 알킬트리메틸(에틸)암모늄 등과 같은 계면활성제가 친수성 용매 등에 용해된다.
이와 같은 용액에, 실리카를 형성하기 위한 전구체가 첨가된다. 상기 전구체의 예로서는 다양한 알킬그룹을 가지는 테트라알콕시실란 화합물 등을 들 수 있다. 더 자세하게, 상기 전구체로 테트라에톡시실란(TEOS), 또는 테트라메톡시실란(TMOS) 등이 사용될 수 있다.
상기 전구체가 첨가된 용액에 상기 후면전극층(200)이 딥핑되고, 상기 후면전극층(200)의 상면에 다공성 실리카를 포함하는 담체부(310)가 형성될 수 있다.
상기 담체부(310)는 상기 반응계의 온도 및 반응 시간에 따라서 다양한 두께를 가질 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 담체부(310)에 형성된 기공들(311) 내에 다수 개의 광 흡수 유닛들(320)이 각각 형성될 수 있다. 상기 광 흡수 유닛들(320)은 습식 공정에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수 유닛들(320)은 다음과 같은 공정에 의해서 형성될 수 있다.
먼저, 상기 광 흡수 유닛들(320)을 형성하기 위한 전구체들이 피리딘 등과 같은 용매에 첨가된다. 이와 같이 형성된 용액에 상기 담체부(310)가 딥핑되고, 상기 전구체들이 반응에 의해서, 상기 기공들(311) 내에 상기 광 흡수 유닛들(320)이 형성될 수 있다.
상기 전구체들의 예로서는 CuI, InI3, GaI3 및 Na2Se 등을 들 수 있다. 더 자세하게, CuI, InI3 및 GaI3가 피리딘 등의 용매에 첨가되고, 상기 담체부(310)가 상기 용액에 딥핑된다. 이후, Na2Se가 상기 용액에 첨가되고, 반응이 진행될 수 있다.
이때, 상기 광 흡수 유닛들(320)을 형성하기 위한 화합물 반도체는 상기 기공들(311) 내 뿐만 아니라, 상기 담체부(310)의 상면에도 증착될 수 있다. 상기 담체부(310) 상에 증착된 반도체 화합물은 이후의 에칭 공정 등에 의해서 제거될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)은 화학 용액 증착 공정(chemical bath deposition;CBD)에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 황화 카드뮴을 형성하기 위한 물질들을 포함하는 용액에 침지되고, 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴을 포함하는 상기 버퍼층(400)이 형성된다.
이후, 상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(500)이 형성된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드 타겟을 사용한 스퍼터링 공정에 의해서 형성될 수 있다.
이후, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 증착되어, 전면전극층(600)이 형성된다. 예를 들어, 상기 전면전극층(600)은 스퍼터링 공정에 의해서, 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등의 투명한 도전 물질이 증착되어, 형성될 수 있다.
이와 같이, 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지가 용이하게 형성될 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 포함되는 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.
Claims (10)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되는 후면전극층;
상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고,
상기 광 흡수층은
상기 후면전극층 및 상기 전면전극층 사이에 배치되고, 다수 개의 기공들을 포함하는 담체부; 및
상기 기공들 내에 각각 배치되는 다수 개의 광 흡수 유닛들을 포함하는 태양전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 담체부는 다공성 실리카를 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기공들의 직경은 10㎚ 내지 50㎚인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광 흡수 유닛들은 화합물 반도체를 포함하는 태양전지.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광 흡수 유닛들은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 화합물을 포함하는 태양전지.
- 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
상기 후면전극층 상에 다수 개의 기공들을 포함하는 담체부를 형성하는 단계;
상기 기공들 내에 다수 개의 광 흡수 유닛들을 각각 형성하는 단계; 및
상기 담체부 및 상기 광 흡수 유닛들 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제 6 항에 있어서, 상기 담체부는 다공질 실리카를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 광 흡수 유닛들을 형성하는 단계는,
Ⅰ족 원소 화합물, Ⅲ족 원소 화합물 및 Ⅵ족 원소 화합물이 용해된 용액을 형성하는 단계; 및
상기 용액에 상기 담체부를 딥핑하여, 상기 기공들 내에서 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 화합물 반도체를 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제 8 항에 있어서, 상기 Ⅰ족 원소 화합물은 구리 화합물을 포함하고,
상기 Ⅲ족 원소 화합물은 갈륨 화합물 및 인듐 화합물 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 Ⅵ족 원소 화합물은 셀레늄 화합물 및 황 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제 6 항에 있어서, 상기 담체부를 형성하는 단계는,
계면 활성제를 포함하는 용액에 실리카 전구체를 첨가하는 단계; 및
상기 실리카 전구체가 첨가된 용액을 상기 후면전극층 상면에 접촉시키고, 실리카를 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
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| KR1020110057122A KR101173417B1 (ko) | 2011-06-13 | 2011-06-13 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
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| KR101173417B1 true KR101173417B1 (ko) | 2012-08-10 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200105164A (ko) * | 2019-02-28 | 2020-09-07 | 성균관대학교산학협력단 | 박막 태양전지 광활성층 제조용 전구체 화합물 및 이의 제조 방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2004047860A (ja) | 2002-07-15 | 2004-02-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 薄膜太陽電池およびその製造方法 |
| JP2010182772A (ja) | 2009-02-04 | 2010-08-19 | Toyota Motor Corp | 太陽電池 |
-
2011
- 2011-06-13 KR KR1020110057122A patent/KR101173417B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR102205004B1 (ko) * | 2019-02-28 | 2021-01-18 | 성균관대학교산학협력단 | 박막 태양전지 광활성층 제조용 전구체 화합물 및 이의 제조 방법 |
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