KR101228692B1 - ＺｎＯ계 전극층이 구비된 박막형 태양전지용 기판의 제조방법 및 이를 이용한 박막형 태양전지용 기판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, a-Si 박막형 태양전지의 기판을 철강소재 기판으로 사용할 경우 기판의 상부에 투명전극을 다단계 공정에 의하여 형성하지 아니하고도, 고온 산화열처리만으로 형성시킬 수 있다. 본 발명을 통하여, 투명전극 제조공정을 종래에 비하여 간략화하고 그 효율성을 증대시킬 수 있으며, 상기 열처리 온도를 제어함으로써, 투명전극의 두께를 제어하여 본 발명이 목적하고자 하는 전극을 제조할 수 있다.
Description
ZnO계 전극층이 구비된 박막형 태양전지용 기판의 제조방법 및 이를 이용한 박막형 태양전지용 기판{METHOD FOR MANUFACTURING SUBSTRATE FOR THIN FILM SOLAR CELL HAVING ZnO ELECTRODE AND SUBSTRATE USING THE SAME}
최근 들어 화석연료의 고갈 등으로 인하여 새로운 재생에너지에 대한 관심이 증대되고 있다. 점차적으로 전통적인 에너지생산 방법은 그 한계를 보이고 있으며, 특히, 석유 연료의 경우에는 예측자마다 약간씩 다르기는 하지만, 그리 멀지 않은 기간 안에 고갈될 것으로 바라보는 전망이 우세하다.
그리고 전세계적으로 지구 온난화에 대한 심각성을 각인하고 다양한 협약을 통하여 이를 제어한다. 구체적으로, 교토 의정서로 대표되는 에너지 기후 협약에 따르면, 화석 연료의 연소에 따라 생성되는 이산화탄소(CO2)의 배출을 감소시킬 것을 각각의 국가에 강제적으로 요구하고 있다. 따라서, 현재의 교토 의정서 체약국은 물론이며, 향후에는 전세계 각국이 교토 의정서에 따라 화석연료의 연간 사용량에 제약을 받을 것으로 예상된다.
이러한 화석연료를 대체하기 위하여 사용되는 가장 대표적인 에너지 자원은 원자력이다. 이러한 원자력 발전은 원료로 사용되는 우라늄이나 플루토늄 등의 단위 중량당 채취 가능한 에너지의 양이 매우 크고, 이산화탄소 등의 온실가스를 발생시키지 않으므로, 화석연료를 대체할 수 있는 유력한 대체 에너지원으로 각광 받아왔다. 그러나, 원자력 발전에 따른 핵폐기물의 처리나 원자력 발전소의 사고는 무한의 청정 에너지원으로 간주되어 왔던 원자력의 안전성을 다시 검토하게 하는 계기가 되었으며, 그 결과 원자력이 아닌 또 다른 대체 에너지의 도입이 어느 때보다도 절실히 요구되고 있다.
그 밖의 대체 에너지로서 많이 사용되고 있는 에너지 원으로서는 수력 발전을 들 수 있으나, 상기 수력 발전은 지형적인 인자와 기후적인 인자에 의해 많이 영향 받기 때문에 그 사용이 제한적일 수 밖에 없다. 또한, 기타의 대체 에너지원들 역시 발전용량이 제한되거나 사용 지역이 크게 제한되는 등의 이유로 화석연료의 대체수단으로까지는 사용되기 어렵다.
이에 대하여, 최근 들어 주목 받고 있는 에너지원은 태양광이다. 태양발전은 적당한 일조량만 보장된다면 어디서나 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 발전용량과 설비규모가 거의 선형적으로 비례하기 때문에, 가정용과 같은 소용량 수요로 사용할 경우에는 건물 옥상 등에 작은 면적으로 태양 전지 모듈을 설치함으로써 발전이 가능하다는 장점이 있어, 세계적으로 그 이용이 증가되고 있을 뿐만 아니라, 그와 관련된 연구 역시 증가하고 있다.
태양전지는 반도체의 원리를 이용한 것으로서, p-n 접합된 반도체에 일정 수준 이상의 에너지를 갖춘 빛을 조사하면 상기 반도체의 가전자가 자유롭게 이동할 수 있는 가전자로 여기되어 전자와 정공의 쌍(EHP: electron hole pair)이 생성된다. 생성된 전자와 정공은 서로 반대쪽에 위치하는 전극으로 이동하여 기전력을 발생시키게 된다.
상기 태양전지의 가장 최초 형태는 실리콘 기판에 불순물(B)을 도핑하여 p형 반도체를 형성시킨 다음 그 위에 또 다른 불순물(P)을 도핑시켜 층의 일부를 n형 반도체화 함으로써 p-n 접합이 이루어지도록 한 실리콘계 태양전지로서 1세대 태양전지로 많이 불린다.
상기 실리콘계 태양전지는 비교적 높은 에너지 전환효율과 셀 전환효율(실험실 최고의 에너지 전환효율에 대한 양산시 전환효율의 비율)이 높기 때문에, 가장 상용화 정도가 높다. 그러나, 상기 실리콘계 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 우선 소재로부터 잉곳을 제조하고 상기 잉곳을 웨이퍼화한 후 셀을 제조하고 모듈화한다고 하는 다소 복잡한 공정단계를 거쳐야 할 뿐만 아니라, 벌크 재질의 재료를 사용하기 때문에, 재료소비가 증가하여 제조비용이 높다는 문제가 있다.
이러한 실리콘계 태양전지의 단점을 해결하기 위하여, 2세대 태양전지로 불리우는 소위 박막형 태양전지가 제안되게 되었다. 박막형 태양전지는 기판 위에 순차적으로 필요한 박막층을 적층하는 형태로 제조하기 때문에, 그 과정이 단순하고 비용이 저렴하다.
일반적인 태양전지는 투명전극으로 산화아연(ZnO) 박막을 사용하는데, 산화아연 박막은 스퍼터링(Sputtering), 상압 화학기상증착법(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 저압 화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 유기금속 화학기상증착법(Metal Organic Chemical VaporDeposition; MOCVD)을 이용하여 기판에 증착된다. 이때, 텍스처링과 전기전도도 개선을 위해 고온에서 증착하는 것이 일반적이다.
그러나. 이러한 증착공정은 그 공정이 복잡하고 비용이 많이 소요되는 문제점이 있어서, 특히 유연성(flexible) a-Si박막 태양전지 제조시 비용 및 시간에 큰 제약이 따른다.
본 발명은 박막형 태양전지용 기판에 구비되는 투명전극층을 별도의 공정을 통하여 제조하는 대신에, 박막형 태양전지용 기판의 제조공정시 아연도금재를 가열하여 산화시킴으로서, 상기 아연도금재 상부에 ZnO계 전극층을 직접 형성시킨 박막형 태양전지용 기판의 제조방법 및 이를 이용한 박막형 태양전지용 기판을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면은 ZnO계 전극층을 포함하는 박막형 태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 아연도금재를 준비한 후 상기 아연도금재 상부에 ZnO계 전극층이 생성되도록 상기 아연도금재를 250~1500℃에서 가열하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지용 기판의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 아연도금재를 가열하기 전, 상기 아연도금 하부기판의 상부에 Ga를 도포하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 그리고, 상기 아연도금재를 가열하기 전, 상기 하부기판의 상부에 Al을 도포하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 일측면은 아연도금재와 상기 아연도금재 상부에 형성된 ZnO계 전극층을 포함하고, 상기 ZnO계 전극층의 두께는 0.01~5㎛인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지용 기판을 제공한다.
상기 ZnO계 전극층은 GZO(Gallium-Doped Zinc Oxide)을 포함할 수 있으며, 상기 ZnO계 전극층은 AZO(Aluminum-Doped Zinc Oxide)을 포함할 수 있다.
철강 소재 기판을 활용하여 박막 태양전지 제조시 일반적인 증착법을 통하여 투명전극을 제조하는데, 본 발명에 의하면, 이러한 공정을 거치지 아니하고 아연도금강판을 고온 산화처리하여 기판 상에 ZnO 투명전극을 효과적으로 형성할 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예인 태양전지의 제조방법에 관한 흐름도이다.
도2는 본 발명의 일실시예인 태양전지의 제조방법에 관한 흐름도이다.
도3은 본 발명의 일실시예인 태양전지의 제조방법에 관한 흐름도이다.
도4는 본 발명의 일실시예인 아연도금재 및 ZnO계 전극층의 단면개략도이다.
도2는 본 발명의 일실시예인 태양전지의 제조방법에 관한 흐름도이다.
도3은 본 발명의 일실시예인 태양전지의 제조방법에 관한 흐름도이다.
도4는 본 발명의 일실시예인 아연도금재 및 ZnO계 전극층의 단면개략도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자들은 a-Si 박막 태양전지를 제조하기 위하여 필요한 투명전극의 적층에 대한 공정의 간소화 방안을 깊이 연구한 결과, 일반적으로 사용하는 적층방법을 배제하고 철강 소재 기판을 산화처리하여 효과적으로 투명전극층을 형성함으로서, 이를 해결할 수 있음을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.
먼저, 본 발명의 일측면인 ZnO계 전극층이 구비된 박막형 태양전지용 기판의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 설명한다. 첨부되는 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 개략적인 것으로서, 그 두께, 비율 등에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 아니한다.
도 1는 본 발명의 일실시예에 대한 흐름도이다. 본 발명은 먼저 아연도금재를 준비(S11, 단 도2에서 기판이라고 기재함)한다. 상기 준비된 아연도금재는 철강소재 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이 후 상기 아연도금재에 열처리 공정(S12)을 실시하여 상기 아연도금재의 상부에 ZnO 전극층을 형성시킬 수 있다(S13). 이를 통하여, 도4에 나타낸 바와 같이, 아연도금재(2) 상부에 ZnO계 전극층(1)을 구비시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 열처리 공정을 실시하면, 아연도금재의 표면에는 ZnO층이 형성될 수 있다. 아연도금층에 존재하는 Zn과 공기 중에 존재하는 O(산소)가 결합하여, 하부기판의 도금층 상부에 ZnO층이 형성된다.
또한, 본 발명의 일실시예로서, 도2에 나타낸 바와 같이, 아연도금재를 준비하고(S21, 단, 도2에 기판이라고 기재함) 상기 아연도금재 상부에 Ga 를 도포(S22)한 후 열처리(S23)하여 GZO(Gallium-Doped Zinc Oxide) 전극층을 형성시킬 수 있다(S24). Ga를 도포한 후 열처리를 하여 공정을 단축하여 상기 전극을 형성시킬 수 있다. 다만, 본 발명은 Ga를 도포하는 방법 및 조건에 한정되는 것은 아니며, 아연도금재 상부에 Ga를 도포하거나 도금 등에 의하여 Ga층을 적층하는 방법으로 실시할 수 있다.
더불어, 본 발명의 일실시예로서, 도3에 나타낸 바와 같이, 아연도금재를 준비하고(S31, 단, 도3에 기판이라고 기재함) 상기 아연도금재 상부에 Al 를 도포(S32)한 후 열처리(S33)하여 AZO(Aluminum-Doped Zinc Oxide) 전극층을 형성시킬 수 있다(S34). Al를 도포한 후 열처리를 하여 공정을 단축하여 상기 전극을 형성시킬 수 있다. 다만, 본 발명은 Al를 도포하는 방법 및 조건에 한정되는 것은 아니며, 아연도금재 상부에 Al를 도포하거나 도금 등에 의하여 Al층을 적층하는 방법으로 실시할 수 있다.
다만, 상술한 바와 같이 Ga층이나 Al층을 적층한 후 합금화공정을 실시할 수 있다. 이때 합금화 공정은 일반적인 합금화공정을 사용하며, 어떠한 방법으로 합금화 공정을 실시하여도 본 발명의 효과를 나타낼 수 있다. 다만, 합금화 열처리 온도는 600℃ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 합금화 온도가 600℃를 초과하는 경우, 도금층의 합금화가 진행되어 내열성이 증가할 수 있으나, 도금층의 취하로 균열이 발생할 수 있으며, 도금층 표면에 스케일이 형성될 수 있다.
여기서 아연도금재나, Al 또는 Ga가 도포된 아연도금재를 가열한다. 열처리시 온도는 250~1500℃로 한정하는 것이 바람직하다. 열처리시 온도가 250℃ 미만인 경우 본 발명이 의도하고자 하는 전극층의 두께를 얻을 수 없으며, 상기 온도가 1500℃를 초과하는 경우에는 산화층이 지나치게 많이 형성되어 산화층이 탈락될 수 있으므로, 본 발명에서 열처리 온도는 250~1500℃로 한정하는 것이 바람직하다.
일반적으로 박막형 태양전지의 투명전극은 기판에 ZnO층을 적층하는 공정을 통하여 제공된다. 이에 반하여, 본원발명은 적층공정을 간소화할 수 있도록, 기판제조 후 열처리 공정을 추가함으로서, 투명전극을 제조할 수 있다.
또한, 일반적인 GZO 전극층 또는 AZO 전극층을 형성하기 위하여는 먼저 ZnO층을 형성시키고 추가적으로 Ga나 Al을 도핑하는 방법을 사용한다. 이에 반하여, 본 발명은 복잡한 공정을 간소화할 수 있도록, Ga나 Al을 도포한 후 열처리를 통하여, GZO 전극층 또는 AZO 전극층을 기판의 상부에 형성시킬 수 있다.
이하, 본발명의 일측면인 박막형 태양전지용 기판에 대하여 설명한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 아연도금재(2)가 위치되고, 상기 아연도금재 상부에 ZnO계 전극층(1)이 형성된다. 첨부되는 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 개략적인 것으로서, 그 두께, 비율 등에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 아니한다.
여기서 상기 아연도금재의 소지강판은 어떠한 성분계를 갖는 강판이라도 무방하고, 강판에 아연도금이 실시된 것으로서 용융 아연도금처리 또는 전기 아연도금처리를 실시할 수 있으나, 어떠한 방법에 의하여 아연도금을 실시하여도 본 발명의 효과와 무관하다. 더불어, 상기 아연도금층의 성분계도 본 발명의 효과와 무관하다.
본 발명은 상기 ZnO계 전극층의 두께를 0.01~5㎛로 제어한다. 상기 ZnO계 전극층의 두께가 0.01㎛ 미만인 경우 그 두께가 너무 얇아서 a-Si 박막 태양전지용 투명전극으로서 사용되기 어렵다. 반면에, 5㎛를 초과하는 경우에는 박막 태양전지로 이용하기에 지나치게 두껍고, ZnO계 전극층이 부스러지기 쉽고 표면에서 박리될 수 있다. 따라서, 상기 ZnO계 전극층의 두께는 0.01~5㎛로 한정하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명에서는 상기 ZnO계 전극층은 ZnO 이외에 GZO일 수 있다. 또한 AZO일 수 있다. GZO 및 AZO 전극은 ZnO전극보다 높은 전기적 특성을 갖을 수 있다. 상술한 ZnO계 전극층의 두께는 GZO 및 AZO 전극층에도 동일하게 적용된다.
1: ZnO계 전극층,
2: 아연도금재
S11: 기판준비단계,
S12: 열처리단계,
S13: ZnO 전극층 형성단계,
S21: 기판준비단계,
S22: Ga 도포단계,
S23: 열처리단계,
S24: GZO 전극층 형성단계,
S31: 기판준비단계,
S32: Al 도포단계,
S33: 열처리단계,
S34: AZO 전극층 형성단계
2: 아연도금재
S11: 기판준비단계,
S12: 열처리단계,
S13: ZnO 전극층 형성단계,
S21: 기판준비단계,
S22: Ga 도포단계,
S23: 열처리단계,
S24: GZO 전극층 형성단계,
S31: 기판준비단계,
S32: Al 도포단계,
S33: 열처리단계,
S34: AZO 전극층 형성단계
Claims (6)
- 태양전지 하부기판으로 아연도금재를 준비하는 단계;
상기 아연도금재의 상부에 ZnO계 전극층이 형성되도록 아연도금재를 250~1500℃로 가열하는 단계를 포함하며,
상기 아연도금재를 가열하기 전, 상기 아연도금재의 상부에 Ga 또는 Al을 도포하는 단계를 추가로 포함하는 박막형 태양전지용 기판의 제조방법. - 삭제
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Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110057109A KR101228692B1 (ko) | 2011-06-13 | 2011-06-13 | ＺｎＯ계 전극층이 구비된 박막형 태양전지용 기판의 제조방법 및 이를 이용한 박막형 태양전지용 기판 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110057109A KR101228692B1 (ko) | 2011-06-13 | 2011-06-13 | ＺｎＯ계 전극층이 구비된 박막형 태양전지용 기판의 제조방법 및 이를 이용한 박막형 태양전지용 기판 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120137930A KR20120137930A (ko) | 2012-12-24 |
| KR101228692B1 true KR101228692B1 (ko) | 2013-02-01 |
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ID=47904831
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020110057109A KR101228692B1 (ko) | 2011-06-13 | 2011-06-13 | ＺｎＯ계 전극층이 구비된 박막형 태양전지용 기판의 제조방법 및 이를 이용한 박막형 태양전지용 기판 |
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| KR (1) | KR101228692B1 (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001189114A (ja) * | 1999-10-22 | 2001-07-10 | Tokuyama Corp | 透明電極の製造方法 |
| JP2005183054A (ja) * | 2003-12-17 | 2005-07-07 | Ulvac Japan Ltd | 透明導電膜の形成方法及び透明電極 |
-
2011
- 2011-06-13 KR KR1020110057109A patent/KR101228692B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001189114A (ja) * | 1999-10-22 | 2001-07-10 | Tokuyama Corp | 透明電極の製造方法 |
| JP2005183054A (ja) * | 2003-12-17 | 2005-07-07 | Ulvac Japan Ltd | 透明導電膜の形成方法及び透明電極 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20120137930A (ko) | 2012-12-24 |
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