KR101253907B1 - Ｎａ이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 하부기판으로부터 불순물 등의 확산을 억제하는 동시에, 태양전지에 Na를 공급할 수 있는 태양전지 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서,
전기 도금을 위한 전해액에 Na 포함 금속입자를 분산시키는 단계; 및
상기 Na 포함 금속입자가 분산된 전해액을 이용하여 하부기판에 전기 도금하여 Na가 포함된 금속층을 형성하여 확산방지막을 제조하는 단계
를 포함하는 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 제조방법과 태양전지 기판에 관한 것이다.
전기 도금을 위한 전해액에 Na 포함 금속입자를 분산시키는 단계; 및
상기 Na 포함 금속입자가 분산된 전해액을 이용하여 하부기판에 전기 도금하여 Na가 포함된 금속층을 형성하여 확산방지막을 제조하는 단계
를 포함하는 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 제조방법과 태양전지 기판에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CI(G)S 태양전지의 하부기판 및 하부전극과 상기 하부기판 및 하부전극 사이에 확산방지막을 형성하여 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 태양전지 기판과 그 제조방법에 관한 것이다.
지구의 온난화, 연료 자원의 고갈, 환경오염 등의 영향으로 화석연료를 사용하여 에너지를 채취하는 전통적인 에너지 채취 방법은 서서히 한계에 달하고 있다. 특히, 석유 연료의 경우에는 예측자마다 약간씩 상이하기는 하지만, 그리 멀지 않은 시간내에 바닥을 드러낼 것이라는 전망이 우세하다.
뿐만 아니라, 교토 의정서로 대표되는 에너지 기후 협약에 따르면, 화석 연료의 연소에 따라 생성되는 이산화탄소의 배출을 감소시킬 것을 강제적으로 요구하고 있다. 따라서, 현재의 체약국은 물론이며 향후에는 전세계 각국에 그 효력이 미쳐서 화석연료의 연간 사용량에 제약을 받을 것은 불을 보듯이 명확하다.
화석연료에 대체하기 위하여 사용되는 가장 대표적인 에너지 원으로서는, 원자력 발전을 들 수 있다. 원자력 발전은 원료가 되는 우라늄이나 플루토늄 단위 중량당 채취 가능한 에너지의 양이 크고, 이산화탄소 등의 온실가스를 발생시키지 않으므로, 상기 석유 등의 화석연료를 대체할 수 있는 유력한 무한에 가까운 대체 에너지원으로 각광 받아왔다.
그러나, 구소련 체르노빌 원자력 발전소나, 동일본 대지진에 의한 일본 후쿠시마 원자력 발전소 등의 폭발 사고는 무한의 청정 에너지원으로 간주되어 왔던 원자력의 안전성을 다시 검토하게 하는 계기가 되었으며, 그 결과 원자력이 아닌 또다른 대체 에너지의 도입이 어느 때보다도 절실히 요망되고 있다.
그 밖의 대체 에너지로서 많이 사용되고 있는 에너지 원으로서는 수력 발전을 들 수 있으나, 상기 수력 발전은 지형적인 인자와 기후적인 인자에 의해 많이 영향받기 때문에 그 사용이 제한적일 수 밖에 없다. 또한, 기타의 대체 에너지원들 역시 발전양이 적거나 또는 사용 지역이 크게 제한되는 등의 이유로 화석연료의 대체수단으로까지는 사용되기 어렵다.
그러나, 태양 전지는 적당한 일조량만 보장된다면 어디서나 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 발전용량과 설비규모가 거의 직선적으로 비례하기 때문에, 가정용과 같은 소용량 수요로 사용할 경우에는 건물 옥상 등에 작은 면적으로 전지판을 설치함으로써 발전이 가능하다는 잇점이 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 이동될 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 또다른 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 상술한 과정으로 태양전지를 제조하는 것이 아니라, 기판 위에 순차적으로 필요한 박막층을 적층하는 형태로 제조하기 때문에, 그 과정이 단순하며, 두께가 얇아 재료비용이 저렴하다는 장점을 가진다.
그러나, 많은 경우 아직까지는 상기 실리콘계 태양전지와 비교할 때 에너지 전환효율이 높지 않아 상용화에 많은 걸림돌이 되고 있으나, 일부 높은 에너지 전환효율을 가진 태양전지가 개발되어 상용화 추진 중에 있다.
그 중 하나로서 CI(G)S계 태양전지를 들 수 있는데, 상기 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 게르마늄(Ge)(게르마늄은 포함되지 않을 수 있음. 게르마늄이 포함되지 않을 경우에는 CIS로 불림), 셀레늄(Se)을 포함하는 CI(G)S 화합물 반도체를 기본으로 한 것이다.
상기 반도체는 3 또는 4가지 원소를 포함하고 있기 때문에 원소의 함량을 조절함으로써 밴드갭의 폭을 제어할 수 있어 에너지 변환효율을 상승시킬 수 있다는 장점을 가진다. 간혹 셀레늄(Se)을 황(S)으로 대체하거나 셀레늄(Se)을 황(S)과 함께 사용하는 경우도 있다. 본 발명에서는 이러한 경우 모두 CI(G)S 태양전지로 간주한다.
CIGS(게르마늄이 포함된 경우) 태양전지는 최하층에 하부기판이 존재하며, 상기 하부기판 위에 전극으로 사용되는 하부전극이 형성된다. 상기 하부기판과 하부전극을 포함하여 통상 태양전지 기판으로 칭한다. 상기 하부전극 위에는 p형 반도체로서 광흡수층(CIGS)과 n형 반도체로서 버퍼층(예를 들면 CdS), 투명창, 상부 전극이 순차적으로 형성된다.
한편, 상기 하부기판으로는 유리가 많이 사용되었다. 상기 유리내에는 Na이 포함되어 있고, 이러한 Na은 CIGS 층으로 확산되어 태양전지의 개방전압과 충실도를 높이는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 상기 적절한 양의 Na은 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있으나, 과도한 확산의 경우에는 오히려 태양전지의 효율을 저하시키는 문제가 있다.
최근에, 고가이고 대량 생산이 적지 않으며, 정형화된 형태로만 사용될 수 있는 유리 기판 대신에 유연성 기판을 사용하고자 하는 시도가 다수 이루어졌다. 유연성 기판은 유리에 비해서는 저렴하며, 롤 투 롤(Roll to Roll) 방식으로 태양전지를 제조할 수 있으며, 여러가지 형태로 가공할 수 있기 때문에 건물 일체형 모듈(BIPV) 뿐만 아니라 항공 우주용 등의 다양한 용도로 사용될 수 있다. 상기 유연성 기판으로는 스테인레스강, 알루미늄 호일, 폴리이미드 필름와 같은 금속판이나 플라스틱 계열의 기판이 많이 사용된다. 이러한, 유연성 기판의 경우에는 Fe를 비롯한 많은 불순물이 포함되어, 이러한 불순물이 하부전극이나 CIGS 층으로 확산되어 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 문제를 일으키고 있다. 양한 용도로 사용될 수 있다. 상기 유연성 기판으로는 스테인레스강, 알루미늄 호일, 폴리이미드 필름와 같은 금속판이나 플라스틱 계열의 기판이 많이 사용된다. 이러한, 유연성 기판의 경우에는 Fe를 비롯한 많은 불순물이 포함되어, 이러한 불순물이 하부전극이나 CIGS 층으로 확산되어 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 문제를 일으키고 있다.
유리 기판을 사용하는 경우에 Na의 과도한 확산을 억제하고, 유연성 기판의 불순물 확산을 억제하기 태양전지의 하부기판과 하부전극 사이에 확산방지막을 형성하는 기술이 개발되었다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이, Na는 태양전지의 성능을 개선하는 역할을 하므로, Na의 첨가가 필요한 경우가 있으나, 상기 확산방지막으로 인해 Na의 확산이 억제되므로, 이에 대한 보완할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 일측면은 태양전지의 하부기판으로부터 불순물 등의 확산을 억제하는 동시에, 태양전지에 Na를 공급할 수 있는 확산방지막을 갖는 태양전지 기판 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 전기 도금을 위한 전해액에 Na 포함 금속입자를 분산시키는 단계; 및
상기 Na 포함 금속입자가 분산된 전해액을 이용하여 하부기판에 전기 도금하여 Na가 포함된 금속층을 형성하여 확산방지막을 제조하는 단계
를 포함하는 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 하부기판 및 상기 하부기판 상부에 형성되는 하부전극을 포함하고,
상기 하부기판과 하부전극 사이에 Na가 포함된 금속층인 확산방지막을 포함하는 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판을 제공한다.
본 발명에 의하면, 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 Na를 확산방지막 형성과 동시에, 용이하게 포함시킬 수 있는 장점이 있으며, 별도 Na를 도핑시키거나, 추가적인 처리를 요하지 않으면서 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자들은 태양전지의 성능을 향상시키기 위해, Na이 도핑될 수 있는 방법에 관해 깊이 연구한 결과, 태양전지의 하부기판과 하부전극 사이에 확산방지막을 형성하면서, Na의 도핑을 동시에 행하는 방법을 개발하여 본 발명에 이르게 되었다.
먼저, 본 발명의 Na이 포함된 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판을 제조하는 방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에서는 태양전지 하부기판에 금속을 전기 도금하여 확산방지막을 제조하는 방법을 이용한다.
상기 전기 도금을 위한 전해액에 Na 포함 금속입자를 분산시키고, 상기 Na 포함 금속입자가 분산된 전해액을 이용하여 상기 하부기판에 전기 도금을 실시하여 Na가 포함된 금속층인 확산방지막을 제조한다.
본 발명은 태양전지 하부기판에 전기 도금을 행하여 금속층을 형성함으로서, 확산방지막을 제조하는 방법에 있어서, 상기 전기 도금을 위한 전해액에 Na 포함 금속입자를 분산시킨다. 상기 Na 포함 금속입자가 전해액에 분산되어 있고, 이러한 전해액을 이용하여 전기 도금을 행하는 경우에, 전해액에 분산된 Na이 상기 하부기판에 상기 금속층을 형성하는 금속과 함께 부착되어 도금된다. 이를 통해, 한번의 도금 공정을 통해, 간단히 Na이 포함된 확산방지막을 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기 분산시킨 Na 포함 금속입자는 그 종류를 특별히 한정하는 것이 아니며, Na가 상기 전기 도금욕에 불용성인 입자로 입자 형태로 분산될 수 있는 것이면 충분하다. 바람직한 예로는 산화나트륨(NaO2) 나노입자가 있다. 상기 Na 포함 금속입자의 형태는 둥근 형태가 유리하며, 크기는 입경이 10~100㎚가 사용될 수 있고, 바람직하게는 10~50㎚이다.
한편, 산화나트륨을 사용하는 경우에, 상기 산화나트륨의 입자 농도가 0.1~100g/l에서 분산도금이 가능하지만, 바람직하게는 1~50g/l, 보다 바람직하게는 5~50g/l이다.
상기 분산도금시 고체입자인 산화나트륨이 가라앉는 것을 방지하기 위해서 분산제가 사용될 수 있다.
상기 전기 도금하는 금속은 Cr, Ni, Ti 등이 사용된다.
상기 Na 포함 금속입자가 분산된 전해액을 이용하여 전기 도금 방법으로 상기 태양전지 하부기판에 금속층의 확산방지막을 형성하고, 이때 형성된 금속층에는 Na가 포함되어 있다.
상기 전기 도금 방법은 통상의 전기 도금 방법에 의하며, 특별히 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 적용될 수 있는 전기 도금 방법의 구체적인 예를 설명하면, 순수를 50~60℃가 되도록 가열하고, 여기에 상기 도금되는 금속인 Cr, Ni, Ti 등의 금속염(주로 황산염)을 금속이온농도가 1~100g/l이 되도록 용해시킨 다음, 산화나트륨 입자를 첨가한다. 이때 묽은 황산용액(약 5%황산)을 사용하여 용액의 pH를 1~6으로 조절하여 도금욕을 제조하고, 양극으로는 불용성 양극인 티타늄 판에 산화이리듐(IrO2)을 코팅한 것을 사용하여 도금을 목적하는 음극에 전류밀도 0.1~100A/dm2 를 인가하여 도금한다. 도금시간은 코팅층의 두께에 따라 달리한다.
상기 하부기판은 상기 기판의 재질은 유리 뿐만 아니라, 유연성 기판도 적용된다. 상기 유연성 기판이라 함은 금속재질(스테인레스, 알루미늄 호일, Fe-Ni계 금속판, Fe-Cu계 금속판 등)이나, 폴리이미드와 같은 플라스틱 계열 등을 모두 포함한다.
이하, 본 발명의 태양전지 기판에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명 태양전지 기판은 하부기판 및 하부전극 사이에 형성되고, Na을 포함하는 금속층으로 이루어진 확산방지막으로 이루어진다. 본 발명에서 상기 태양전지 기판은 하부기판과 구별되는 것으로서, 하부기판 뿐만 아니라, 확산방지막과 하부전극을 포함하는 것이다.
상기 Na의 함량은 0.0005~0.1 중량%인 것이 바람직하다. 상기 Na의 함량이 5ppm 미만에서는 Na의 함량이 너무 적어, Na의 확산에 의한 CIGS 태양전지의 영향이 거의 없으므로, 첨가에 의한 태양전지의 개방전압 향상 효과를 기대하기 어렵고, 그 함량이 0.1중량%를 초과하는 경우에는 Na 첨가에 따른 태양전지 성능 향상을 더 이상 기대하기 어려운 점이 있으므로, 경제성을 고려하면 0.1중량% 미만으로 함유하는 것이 바람직하다.
상기 확산방지막의 매트릭스를 이루는 금속층의 금속은 Cr, Ni, Ti 등이 사용될 수 있다.
Claims (9)
- 전기 도금을 위한 전해액에 Na 포함 금속입자를 분산시키는 단계; 및
상기 Na 포함 금속입자가 분산된 전해액을 이용하여 하부기판에 전기 도금하여 Na가 포함된 금속층을 형성하여 확산방지막을 제조하는 단계
를 포함하는 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속은 Cr, Ni, Ti 중 어느 하나인 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 Na 포함 금속입자는 산화나트륨(Na2O)인 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 제조방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 산화나트륨(NaO2)의 크기는 입경이 10~100㎚인 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 제조방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 분산된 산화나트륨의 입자농도는 0.1~100g/l인 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전기 도금은 도금되는 금속의 금속염을 금속이온농도 1~100g/l이 되도록 용해되고, Na 포함 금속입자가 분산된 도금욕을 50~60℃가 되도록 가열하고, 전류밀도 0.1~100A/dm2 를 인가하여 도금하는 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 제조방법.
- 하부기판 및 상기 하부기판 상부에 형성되는 하부전극을 포함하고,
상기 하부기판과 하부전극 사이에 Na가 포함된 금속층인 확산방지막을 포함하고, 상기 확산방지막은 청구항 1 내지 6 중 어느 하나의 방법으로 제조된 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판.
- 청구항 7에 있어서,
상기 금속층에 포함된 Na의 함량은 0.0005~0.1 중량%인 Na이 포함된 확산방지막을 갖는 태양전지 기판.
- 삭제
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| KR20050021995A (ko) * | 2002-06-21 | 2005-03-07 | 맷슨 테크놀로지, 인크. | 무전해 도금 욕조의 온도 제어 시퀀스 |
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- 2011-06-13 KR KR1020110057115A patent/KR101253907B1/ko active IP Right Grant
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