KR101273175B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지가 개시된다. 실시예에 따른 태양전지는 지지기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되며, 알칼리계 물질을 포함하는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하며, 상기 알칼리계 물질의 함량은 상기 전면전극층에서 멀어짐에 따라 감소한다.
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경 오염 문제와 화석 에너지 고갈로 인해, 신·재생에너지에 대한 필요성 및 관심이 고조되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한하며 반 영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 무공해 에너지 원으로 기대되고 있다.
태양전지는 p-n 접합 다이오드에 빛을 쪼이면 전자가 생성 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자로 정의할 수 있다. 태양전지는 접합 다이오드로 사용되는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, I-III-VI족 또는 III-V족 화합물로 대표되는 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지로 나눌 수 있다.
I-III-VI족 Chalcopyrite계 화합물 반도체 중 하나인 CIGS(CuInGaSe) 태양전지는 광 흡수가 뛰어나고, 얇은 두께로도 높은 광전 변환효율을 얻을 수 있으며, 전기 광학적 안정성이 매우 우수하여 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지로 부각되고 있다.
일반적으로, CIGS 태양전지는 유리 기판 상에 후면 전극층, 광 흡수층, 버퍼층, 전면 전극층을 순차적으로 형성시켜 제조될 수 있다. 먼저, 기판으로는 소다라임 유리판(sodalime glass), 스텐레스 스틸(stainless steel), 폴리머 (polyimide; PI) 등 다양한 소재가 사용될 수 있다. 후면 전극층은 비저항이 낮고 유기 기판과 열팽창 계수 차이가 적은 몰리브덴(Mo)이 주로 사용된다.
버퍼층은 격자상수와 에너지 밴드갭 차이가 큰 광 흡수층과 전면전극층 사이에 배치되어 양호한 접합을 형성한다. 버퍼층으로는 화학 용액 증착법(chemical bath deposition;CBD)에 의해 제조되는 황화카드뮴이 주로 사용된다.
전면 전극층은 n 형 반도체층으로서, 버퍼층과 함께 광 흡수층과 pn 접합을 형성한다. 또한, 전면 전극층은 태양전지 전면의 투명전극으로서의 기능을 하기 때문에, 광 투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO) 가 주로 사용된다. 이와 관련하여, CIGS 태양전지의 구성 및 제조방법은 한국등록특허 제 10-0999810 호를 참조하면 보다 구체화 될 수 있을 것이다.
태양으로부터 입사되는 광을 전자로 변환하는 광 흡수층은 p 형 반도체층으로서 CuInSe2 또는 In의 일부를 Ga원소로 대치한 Cu(InxGa1 -x)Se2 등이 주로 사용된다. 광 흡수층은 증발법, 스퍼터링 및 셀렌화 공정 또는 전기 도금 등의 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다. 또한, CIGS 태양전지의 효율 및 특성을 개선하기 위하여 광 흡수층 내에 나트륨(Na)의 농도를 올리기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다.
실시예는 향상된 효율을 가지고, 제조가 용이한 태양전지를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 지지기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되며, 알칼리계 물질을 포함하는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하며, 상기 알칼리계 물질의 함량은 상기 전면전극층에서 멀어짐에 따라 감소한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 지지기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 Ⅰ족 물질, Ⅲ족 물질, Ⅵ족 물질 및 알칼리계 물질을 전착(electrodeposition)하여 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 나트륨을 직접 포함시켜서, 광 흡수층을 형성한다. 이에 따라서, 광 흡수층에 포함되는 나트륨의 양은 효율적으로 조절될 수 있고, 실시예에 따른 태양전지가 최대의 광-전 변환 효율을 가지도록, 광 흡수층의 나트륨의 양이 최적화될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 전착법을 이용하여 광 흡수층을 간단하고 효율적인 방법으로 제조할 수 있다. 즉, 진공 조건을 요구하지 않아 제조 공정이 단순화 될 수 있으며, 이에 따라 제조 단가를 낮출 수 있다. 특히, 공정 조건을 최적화함으로써, 광 흡수층의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1 은 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 알칼리계 물질의 함량을 도시한 그래프이다.
도 3은 실시예에 따른 광 흡수층 전착을 위한 전착 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 7은 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 알칼리계 물질의 함량을 도시한 그래프이다.
도 3은 실시예에 따른 광 흡수층 전착을 위한 전착 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 7은 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.
실시예의 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.
본 명세서에서 사용되는 용어 “Ⅰ족 물질(또는 Ⅰ족 원소)” 는 구리(Cu), 은(Ag), 또는 금(Au)을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 “알칼리계 물질”은 리륨(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 또는 프란슘(Pr)을 의미한다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 후면전극층(200), 알칼리계 물질을 포함하는 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), 상기 버퍼층(400), 상기 고저항 버퍼층(500), 상기 전면전극층(600) 을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 예를 들어, 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.
이와는 다르게, 상기 지지기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고 상술한 후면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 후면전극층(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 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 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 1 eV 내지 1.8 eV일 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물 뿐만 아니라, 알칼리계 물질을 포함한다. 상기 알칼리계 물질은 리륨(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프란슘(Pr) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 알칼리계 물질은 나트륨(Na)일 수 있다. 상기 알칼리계 물질은 상기 광 흡수층(300)의 결정립을 크게 하여, 결과적으로 태양전지의 전기적인 특성을 향상시킬 수 있다.
이 때, 상기 광 흡수층(300) 내에서, 상기 알칼리계 물질의 평균 함량은 약 100 ppm 내지 약 1000 ppm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 알칼리계 물질의 함량은 상기 광 흡수층(300) 내의 위치에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리계 물질의 함량은 상기 광 흡수층(300) 상에 상기 전면전극층(600)에서 멀어짐에 따라 감소할 수 있다. 또한, 상기 알칼리계 물질의 함량은 상기 후면전극층(200)으로 가까워짐에 따라 감소할 수 있다. 즉, 상기 광 흡수층(300)은 상기 지지 기판(100)으로부터 높이가 높아짐에 따라서, 높은 함량의 알칼리계 물질을 포함하고, 상기 지지 기판(100)으로부터 높이가 낮아짐에 따라서, 낮은 함량의 알칼리계 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리계 물질의 함량은 도 2에서와 같이 상기 광 흡수층(300)과 상기 전면전극층(600)의 계면에서 가장 높을 수 있다.
한편, 상기 광 흡수층(300)은 상기 알칼리계 물질 외에도 음이온 물질을 추가로 포함할 수 있다. 상기 음이온 물질은 상기 알칼리계 물질과 대응하여 알칼리 염을 형성하는 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 음이온 물질은 Cl-, SO4 -, CO3 2 - 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질일 수 있다.
상기 광 흡수층(300) 내의 음이온 물질의 분포는 상기 광 흡수층(300) 내의 알칼리계 물질의 분포와 유사할 수 있다. 즉, 상기 광 흡수층(300)은 상기 지지 기판(100)으로부터 높이가 높아짐에 따라서, 높은 함량의 음이온 물질을 포함하고, 상기 지지 기판(100)으로부터 높이가 낮아짐에 따라서, 낮은 함량의 음이온 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 음이온 물질의 함량은 도 2에서와 같이 상기 광 흡수층(300)과 상기 전면전극층(600)의 계면에서 가장 높을 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴, ZnS, InXSY 및 InXSeYZn(O,OH) 등을 포함한다. 상기 버퍼층(400)의 두께는 약 50 ㎚ 내지 약 150 ㎚ 일 수 있으며, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2 eV 내지 2.4 eV 일 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 3.1 eV 내지 3.3 eV 일 수 있다. 또한, 상기 고저항 버퍼층(500)은 생략될 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300) 상의 고저항 버퍼층(500)과 직접 접촉하여 배치될 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 투광성 전도성 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(600)은 n 형 반도체의 특성을 가질 수 있다. 이 때, 상기 전면전극층(600)은 상기 버퍼층(400)과 함께 n 형 반도체층을 형성하여 p 형 반도체층인 상기 광 흡수층(300)과 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 전면전극층(600)은, 예를 들어, 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO)로 형성될 수 있다.
상기 전면전극층(600)의 두께는 약 100 nm 내지 약 500 nm 일 수 있다.
도 3 내지 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시하는 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다
도 3을 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다. 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴을 사용하여 증착될 수 있다. 상기 후면전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지기판(100) 및 후면전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 Ⅰ족 물질, Ⅲ족 물질, Ⅵ족 물질 및 알칼리계 물질을 전착(electrodeposition)하여 형성된다. 즉, 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 종래 진공 조건을 요구하는 동시증착법, 스퍼터링 공정이 아닌, 비진공 분위기의 전착법을 이용하여 상기 광 흡수층(300)을 간단하고 효율적으로 제조할 수 있다. 이에 따라, 제조 공정이 단순화 될 수 있으며, 제조 단가를 낮출 수 있다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 상기 Ⅰ족 물질의 전구체, 상기 Ⅲ족 물질의 전구체, 상기 Ⅵ족 물질의 전구체 및 상기 알칼리계 물질의 전구체를 물 또는 완충액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계(S1); 상기 혼합 용액에 작업 전극 및 상대 전극을 침지시키는 단계(S2); 상기 작업전극 및 상기 상대전극에 전압을 인가하여 상기 작업 전극에 상기 광 흡수층을 형성하는 단계(S3)에 의해 형성될 수 있다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법에 있어서, 상기 Ⅰ족 물질의 전구체는 CuCl2, Cu(NO3)2, CuSO4, Cu(CH3COO)2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 Ⅲ족 물질의 전구체는 인듐 전구체와 갈륨 전구체를 포함한다. 예를 들어, 상기 Ⅲ족 물질의 전구체는 InCl3, In(NO3)3, In(CH3COO)3, In2(SO4)3, GaCl3, Ga(NO3)3, GaI3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 Ⅵ족 물질의 전구체는 SeO2, H2SeO3, SeCl4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 알칼리계 물질의 전구체는 NaCl, Na2SO4, Na2CO3, 나트륨 시트레이트(Na-Citrate), 트리에탄올아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5는 실시예에 따른 광 흡수층 전착을 위한 전착 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 상기 혼합 용액은 상기 Ⅰ족 물질의 전구체 내지 상기 Ⅵ족 물질의 전구체(30)와 상기 알칼리계 물질의 전구체(40)를 포함한다.
상기 혼합 용액을 제조하는 단계(S1)는 혼합 용액의 pH는 약 1 내지 약 5 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 더 자세하게, 상기 혼합 용액의 pH는 약 1.5 내지 약 2.5 로 조절할 수 있다. 상기 혼합 용액 상에서 일정한 조성비를 갖는 광 흡수층(300)이 형성되기 위해서는 수소 이온(H+)의 충분한 공급이 이루어져야 한다. 용액의 pH가 높아지면 반응에 필요한 수소 이온(H+)이 충분하지 않기 때문에 반응이 일어나지 않거나 부가생성물이 같이 얻어질 수 있어 pH는 5를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 혼합 용액의 pH가 1보다 작으면 기판이 산화되거나 식각 되어 원활한 전착이 이루어질 수 없어 바람직하지 못하다.
이어서, 상기 혼합 용액에 작업 전극(20) 및 상대 전극(10)을 침지시킨다(S2). 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 전착을 위하여 도 5에서와 같이 작업 전극(20) 및 상대 전극(10)을 포함하는 2 전극 셀을 이용할 수도 있으나, 기준 전극(미도시)을 더 포함하는 3 전극 셀을 이용할 수도 있다. 이 때, 상기 기준 전극(미도시)은 다른 전극의 전위를 측정하는 기능을 한다.
상기 상대 전극(10)으로는 Ag/AgCl 을 사용할 수 있다. 또한, 상기 기준 전극으로는 Pt 전극을 사용할 수 있다. 또한, 상기 상대 전극(10)에 대응하는 상기 작업전극(20)은 상기 지지 기판(100) 상에 배치되는 상기 후면전극층(200)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 작업전극(20)으로는 유리 기판 상에 스퍼터링 방법으로 증착된 몰리브덴 박막을 사용할 수 있다.
마지막으로, 상기 작업전극(20) 및 상기 상대전극(10)에 전압을 인가하여 상기 작업전극(20) 상에 상기 광 흡수층(300)을 형성(S3)한다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족 화합물 및 알칼리계 물질을 모두 포함한다. 일반적인 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족 화합물을 포함하는 광 흡수층이 제조되는 반응식과 각 물질의 표준환원전위는 다음과 같다.
[반응식 1]
Cu2 + + xIn3 + + (1-x)Ga3 ++ 2SeO3 2 - + 12H+ + 13e- → CuInxGa1 - xSe2 + 6H2O (0≤x≤1)
Cu2 + + 2e- → Cu, E0 = +0.34V
In3 + + 3e- → In, E0 = ?0.34 V
Ga3 + + 3e- → Ga, E0 = ?0.56 V
H2SeO3+ 4H+ + 4e- → Se + 3H2O E0 = +0.74V
실시예에 따른 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 단계(S3)에 의해 형성되는 광 흡수층(300)은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족 화합물 외에도 알칼리계 물질을 동시에 포함한다. 즉, 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 상기 광 흡수층(300)의 형성과정에서 알칼리계 물질을 직접 전착시킴으로써 알칼리계 물질을 포함하는 광 흡수층(300)을 직접 형성할 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층(300)에 포함되는 나트륨의 양은 효율적으로 조절될 수 있고, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 최대의 광-전 변환 효율을 가지도록 상기 광 흡수층(300)이 최적의 양으로 나트륨을 조절할 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)에 나트륨을 공급하기 위해서, 나트륨을 포함하는 지지기판이 사용될 필요가 없다. 예를 들어, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에서는 소다라임 글래스 기판이 사용될 필요가 없다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에서는 향상된 강도 및 향상된 내열성을 가지는 강화유리기판이 상기 지지기판(100)으로 사용될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 강도를 가지며, 높은 온도에서 제조공정이 진행될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 알칼리계 물질의 전구체로서 NaCl, Na2SO4, Na2CO3, 나트륨 시트레이트(Na-Citrate), 및 트리에탄올아민을 각각 사용하거나, 이들을 조합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리계 물질의 전구체로는 나트륨 시트레이트(Na-Citrate)와 NaCl을 함께 사용할 수 있다. 상기 나트륨 시트레이트(Na-Citrate)는 알칼리계 물질을 포함하고 있으나, 상기 나트륨 시트레이트의 친수성으로 인해 혼합 용액에 극소량만 포함되는 경우 상기 광 흡수층(300)으로 도핑이 용이하지 못한 문제가 있다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 실시예에 따른 태양전지는 상기 나트륨 시트레이트 외에도 NaCl과 같은 알칼리 공급 물질을 추가로 사용함으로써 혼합 용액 내 알칼리 물질을 과포화 상태로 형성하고, 이에 따라 알칼리 물질의 전착을 보다 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 전착 과정(S3)에서, 알칼리계 물질염의 양이온(알칼리계 물질) 뿐만 아니라, 알칼리계 물질염의 음이온도 상기 광 흡수층(300)에 소량 전착될 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리계 물질염의 음이온은 Cl-, SO4 -, CO3 2 - 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질일 수 있다.
상기 광 흡수층(300)을 형성하는 공정(S3)은 순환전압전류법Cyclic Voltammetry; CV) 또는 시간대 전류법(Chronoamperometry)을 이용하여 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 공정(S3)은 약 40℃ 내지 약 100℃에서 수행될 수 있다. 40℃ 미만의 온도에서는 용액 내 인듐 및 갈륨의 반응성이 낮아져 이들 원소를 포함하지 않거나 매우 적은 양의 인듐 및 갈륨 원소를 포함하는 박막이 형성될 수 있다. 또한, 100℃ 를 초과하는 온도에서는 증발에 의한 수용액의 손실을 피할 수 없기 때문에 효율적인 전착이 이루어질 수 없다.
한편, 상기 광 흡수층(300)을 형성하는 공정(S3) 시 인가 전압은 약 -1.0 V 내지 5.0 V(vs. Ag/AgCl)로 유지될 수 있다. 더 자세하게, 2 전극 셀에서 상기 인가 전압은 약 1.3 V 내지 약 2.0 V 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 2 전극 셀에서 상기 인가 전압은 약 -0.4 V 내지 약 -1.0 V 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 같은 전압 범위를 벗어나는 경우에는 반응이 일어나지 않거나 낮은 밀도를 가지는 박막이 형성되는 등 목적하는 광 흡수층(300)이 형성되지 않을 수 있다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법에 있어서, 상기 광 흡수층(300)을 형성하는 공정(S3)은 두 단계로 나누어 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 Ⅰ족-Ⅵ족-알칼리 물질을 포함하는 제 1 광 흡수층(310)이 형성되고, 이어서, 상기 제 1 광 흡수층(310) 상에 Ⅲ족-Ⅵ족-알칼리 물질을 포함하는 제 2 광 흡수층(320)이 형성되는 공정에 의해 제조될 수 있다.
이후에, 상기 광 흡수층(300)을 세척하는 공정이 추가로 수행될 수 있다. 더 자세하게, 상기와 같은 방법에 의하여 형성된 광 흡수층(300)을 반응조로부터 꺼내어 증류수와 알코올로 세척하고 상압에서 건조시키는 공정(S4)을 추가로 수행할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴이 화학 용액 증착법(chemical bath deposition;CBD)에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.
이후, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 상기 전면전극층(600)이 형성된다. 상기 전면전극층(600)을 형성하기 위해서, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 적층된다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 또는 보론 등이 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 전면전극층(600)을 형성하기 위한 공정은 상온 내지 약 300℃의 온도에서 진행될 수 있다.
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.
또한, 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 (15)
- 지지기판 상에 배치되는 후면전극층;
상기 후면전극층 상에 배치되며, 알칼리계 물질을 포함하는 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하며,
상기 알칼리계 물질의 함량은 상기 후면전극층에 가까워짐에 따라 감소하고, 상기 전면전극층에서 멀어짐에 따라 감소하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 알칼리계 물질의 함량은 상기 광 흡수층과 상기 전면전극층의 계면에서 가장 높은 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수층에 대한 상기 알칼리계 물질의 평균 함량은 100 ppm 내지 1000 ppm 인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 알칼리계 물질은 리륨(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프란슘(Pr) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수층은 상기 알칼리계 물질과 대응하여 알칼리 염을 형성하는 음이온 물질을 더 포함하며,
상기 음이온 물질의 함량은 상기 후면전극층에 가까워짐에 따라 감소하고, 상기 전면전극층에서 멀어짐에 따라 감소하는 태양전지.
- 제 5 항에 있어서,
상기 음이온 물질은 Cl-, SO4 -, CO3 2 - 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 태양전지.
- 지지기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
상기 후면전극층 상에 Ⅰ족 물질, Ⅲ족 물질, Ⅵ족 물질 및 알칼리계 물질을 전착(electrodeposition)하여 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 광 흡수층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 알칼리계 물질의 함량은 상기 후면전극층에 가까워지고, 상기 전면전극층에서 멀어짐에 따라 감소하는 태양전지의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 광 흡수층을 형성하는 단계는,
상기 Ⅰ족 물질의 전구체, 상기 Ⅲ족 물질의 전구체, 상기 Ⅵ족 물질의 전구체 및 상기 알칼리계 물질의 전구체를 물 또는 완충액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계;
상기 혼합 용액에 작업 전극 및 상대 전극을 침지시키는 단계;
상기 작업전극 및 상기 상대전극에 전압을 인가하여 상기 작업 전극에 상기 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 Ⅰ족 물질의 전구체는 CuCl2, Cu(NO3)2, CuSO4, Cu(CH3COO)2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 Ⅲ족 물질의 전구체는 InCl3, In(NO3)3, In(CH3COO)3, In2(SO4)3, GaCl3, Ga(NO3)3, GaI3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 Ⅵ족 물질의 전구체는 SeO2, H2SeO3, SeCl4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 알칼리계 물질의 전구체는 NaCl, Na2SO4, Na2CO3, 나트륨 시트레이트(Na-Citrate), 트리에탄올아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 작업전극은 상기 지지기판 및 상기 후면전극층을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 광 흡수층을 형성하는 단계는 40℃ 내지 100℃ 에서,
-1.0 V 내지 5.0 V 의 전압을 인가하여 수행되는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 혼합 용액의 pH는 1 내지 5 인 태양전지의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110094484A KR101273175B1 (ko) | 2011-09-20 | 2011-09-20 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
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| JPH08222750A (ja) * | 1994-12-01 | 1996-08-30 | Siemens Ag | 基板上に太陽電池を製造する方法及びカルコパイライト吸収層を有する太陽電池 |
| JP2010141307A (ja) * | 2008-11-11 | 2010-06-24 | Kyocera Corp | 薄膜太陽電池の製法 |
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