KR101322024B1 - 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Ｆｅ-Ｎｉ합금 기판 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일측면은 Fe-Ni합금의 조성 및 두께를 최적화시킴으로써 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 기판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 저렴한 비용으로 제조가 가능하고, 박막화 및 대량생산이 용이한 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 기판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 Ni함량이 30~55중량%이고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 전기주조법에 의해 제조되어 두께가 30~100㎛의 범위를 갖는 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 제조가 가능하고, 박막화 및 대량생산이 용이한 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 저렴한 비용으로 제조가 가능하고, 박막화 및 대량생산이 용이한 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 기판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 Ni함량이 30~55중량%이고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 전기주조법에 의해 제조되어 두께가 30~100㎛의 범위를 갖는 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 제조가 가능하고, 박막화 및 대량생산이 용이한 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Fe-Ni합금 기판의 두께를 제어하여 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판 및 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 에너지 전환효율과 셀 전환효율(실험실 최고의 에너지 전환효율에 대한 양산시 전환효율의 비율)이 비교적 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.
상기 박막형 태양전지에 적용되는 기판으로는, 가공성 및 작업성을 고려하여 우수한 가요성을 가지고, 권취 및 전개가 용이한 유기 플렉시블(flexible) 기판이 주로 이용된다. 그러나, 상기 유기 플렉시블 기판은 내열성이 충분히 확보되지 않아 가열에 의하여 쉽게 변형되기 때문에, 광흡수층을 형성할 때, 기판의 온도를 높게 할 수 없다는 단점이 있으며, 상기 유기 플렉시블 기판은 대개 습기 투과성이 낮은 수지로 이루어지기 때문에, 옥외에서 장시간 사용시 내구성이 문제되며, 외부적인 충격이나 마모에 의해 쉽게 열화된다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 일측면은 Fe-Ni합금의 조성 및 두께를 최적화시킴으로써 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 기판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 저렴한 비용으로 제조가 가능하고, 박막화 및 대량생산이 용이한 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 기판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 Ni함량이 30~55중량%이고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 전기주조법에 의해 제조되어 두께가 30~100㎛의 범위를 갖는 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판을 제공한다.
상기 기판은 표면거칠기(Rz)가 10~20nm인 것이 바람직하다.
본 발명은 전해조, 음극 드럼, 양극, 전원을 구비하는 전기주조장치를 이용하여 기판을 제조하는 방법에 있어서, Fe 전구체: 1~15g/L 및 Ni전구체: 10~40g/L를 포함하는 전해액을 준비하는 단계; 상기 전해액에 음극 드럼의 일부를 침지시키는 단계; 및 상기 음극 드럼의 표면에 금속 기판이 형성되도록 상기 음극 드럼 및 양극에 전류를 인가하는 단계를 포함하는 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법을 제공한다.
상기 전해액은 0.05~0.4g/L의 계면활성제를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 우수한 가요성 및 내구성을 갖는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 제조가 가능하고, 박막화 및 대량생산이 용이한 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 전기주조장치의 일례를 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 유기 플렉시블 기판이 갖는 우수한 가요성을 이용할 수 있으면서도, 상기 유기 플렉시블 기판의 문제점으로 지적되고 있는 내구성을 향상시킬 수 있는 방안에 대해 연구를 행하던 중, 상기 유기 플렉시블 기판 대신 금속 기판을 태양전지에 적용하게 되면 상기 유기 플렉시블 기판이 가지고 있는 단점을 보완할 수 있다는 점을 인지하게 되었다. 또한, 유기 플렉서블 기판이 가지고 있는 우수한 가요성을 금속 기판에 부여하기 위해서는 상기 금속 기판의 두께를 제어함으로써 해결할 수 있다는 점을 인지하게 되었다. 결국, 금속 기판 고유의 특성인 일정 수준 이상의 강도와 경도 등의 기계적 특성을 이용하면서도 동시에 두께 제어를 통해 유연함을 갖는 태양전지용 기판을 제조할 수 있다는 점을 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에 적용되는 금속 기판으로는 Fe-Ni합금을 사용하는 것이 바람직하다. Fe는 경하면서도 유연하고, 값이 싸며, 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 즉, 일정 수준 이상의 강도 또는 경도를 확보하고 있음과 동시에 유연하기 때문에, 물리적 충격에 의한 균열 혹은 파단이 잘 발생하지 않아, 내구성 확보 측면에서 유리하다. 또한, 전기주조법을 통해 제조할 경우에는 제조 비용이 저렴하고, 박막화가 용이하며, 대량생산이 가능하기 때문에 생산성 측면에서도 유리하는 이점이 있다. 나아가, 롤과 같은 형태로 쉽게 변화되기 때문에, 보관이 용이하고, 고객사의 요구에 맞게 기판의 크기를 제어하는 것이 쉽다.
한편, 태양전지는 그 구성요소들간의 열팽창 계수가 거의 유사한 수준으로 제어되어야 한다. 이는, 온도의 상승 혹은 저하에 따라, 기판 혹은 이 위에 적층되는 물질들에 가해지는 응력이 차이가 나게 되므로, 상기 기판이나 다른 물질들에 균열 혹은 파단을 야기시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 상기 Fe에 Ni을 함유시키는 것이 바람직한데, 이와 같이, Fe-Ni합금으로서 기판이 제조되는 경우에는, 상기 Ni함량의 제어를 통해, 태양전지 기판에 적용될 수 있도록 열팽창 계수를 최적화시킬 수 있다. 또한, 상기 Fe-Ni합금은 내부식성 확보가 용이한 물질이며, 동시에 제조를 위해 전기주조법을 이용하는 경우, 상기 Fe-Ni합금의 형성이 용이하다는 장점이 있다. 다만, 상기와 같이 주조를 행할 경우, Fe 및 Ni이외에 기타 불가피한 불순물이 포함될 수 있다.
한편, 상기 Fe-Ni합금 기판이 박막 태양전지에 바람직하게 적용되고, 보다 우수한 가요성을 지니기 위해서는, 두께가 30~100㎛로 제어되는 것이 바람직하다. 30㎛미만인 경우에는 공정상 기판의 핸들링이 어렵고, 100㎛를 초과하는 경우에는 가요성을 충분히 확보하기 어려울 뿐만 아니라, 압연법을 이용하여 박막 기판을 제조하는 기술 대비 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
이 때, 상기 Fe-Ni합금 기판은 Ni의 함량이 30~55중량%인 것이 바람직하다. 만일, 30중량% 미만이거나 55%를 초과하는 경우에는 열팽창 계수가 10×10-6/K를 초과하게 되어 태양전지 기판과 이 기판 위에 형성되는 투명전극 혹은 광흡수층과 같은 태양전지 구성요소들과의 열팽창 계수 차이로 인해 열응력 발생이 커지게 되어 , 태양전지 특히, CIGS계 태양전지에 적용되기 곤란해질 수 있다. 또한, Ni함량을 상기 범위가 되도록 제어함으로써, 내구성을 보다 유리하게 확보할 수 있다.
추가적으로, 상기 Fe-Ni합금 기판은 표면거칠기(Rz)가 10~20nm인 것이 바람직한데, 금속 기판에 상기 범위의 표면 거칠기를 부여함으로써, 태양전지에 입사되는 빛을 가두는 효과를 향상시킬 수 있으므로, 태양전지에 바람직하게 적용시킬 수 있으며, 보다 바람직하게는 비정질 실리콘계 태양전지에 적용할 수 있다. 또한, 태양전지 기판은 표면돌기(spike) 혹은 공동(cavity)이 있을 경우, 전극 사이에 분로(shunt)를 형성할 우려가 높고, 불순물에 대한 확산방지막이나 전기적인 절연막을 형성할 때 표면거칠기가 상기 범위를 갖는 것이 유리하다. 다만, 음극 드럼의 표면거칠기를 매우 미세하게 컨트롤하는 것은 어려우므로, 상기 표면거칠기를 10nm미만으로 제어하는 것은 용이하지 않을 수 있으며, 20nm를 초과하는 경우에는 전술한 효과가 충분하지 않을 수 있다.
본 발명의 상기 Fe-Ni합금 기판은 추가적으로 수지 필름이 코팅되어 있는 것이 바람직하다. 상기 수지 필름은 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 본 발명에 적용될 수 있는 수지 필름의 예로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycabonate, PC), 폴리에스터(polyester, PES), 폴리이미드(polyimide, PI) 등이 있다. 바람직하게는 폴리이미드계 수지를 사용할 수 있는데, 상기 폴리이미드계 수지는 우수한 열적 안정성(Thermal resistance)과 화학 저항성(Chemical resistance)을 가지므로, 우수한 내구성을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 태양전지용 Fe-Ni합금 기판은 전기주조법에 의해 제조되는 것임을 기술적 요지로 한다. 상기 전기주조법은 전해조, 음극 드럼, 양극, 전원을 구비하는 전기주조장치를 이용하여 기판을 제조하는 방법이며, 상기 전기주조장치의 일례를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타난 전기주조장치(100)는 전해조(102)의 내부에 양극(104) 및 음극 드럼(106)이 구비되게 되고, 상기 양극(Anode)(104)과 음극(Cathode) 드럼(106)은 소정의 간격을 유지하도록 위치된다. 상기 양극(104)과 음극 드럼(106)은 전원(108)과 전기적으로 연결되게 되어, 전류가 흐르게 된다. 상기 전해조(102)에 전해액이 주입되고, 상기 전해액에 침지된 양극(104)과 음극 드럼(106)에 전류가 인가되면 음극 드럼의 표면 일부에 금속판이 형성되게 되고, 상기 금속판을 상기 음극 드럼(106)으로부터 분리시키게 됨으로써, Fe-Ni합금 기판(1)으로 사용할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이, 전기주조법에 의해 금속 기판을 제조할 경우에는, 기존의 압연 공정에 비하여 단순한 공정으로도 기판을 제조할 수 있기 때문에, 생산성이 뛰어나며, 기판의 박막화를 용이하게 달성할 수 있다. 반면, 압연법을 이용하여 유선 극박 기판을 제조하는 경우 두께가 얇아질수록 제조 원가가 급증하며, 태양전지 기판으로 사용하기 위해서는 표면 거칠기의 관리가 필수적인데, 압연법으로 기판을 제조하는 경우 개재물이 표면층에 분포하여 표면 거칠기를 제어하기 어렵다는 단점이 있다.
전술한 바와 같이, 전기주조법을 이용하여 Fe-Ni합금 기판을 제조하기 위해서는, 전해조에 투입되는 전해액이 Fe전구체로서, 황산철, 염화철, 질산철 또는 설파민산철 등이, Ni전구체로서, 황산니켈, 염화니켈, 질산니켈 또는 설파민산니켈 등이 포함되게 함으로써, 상기 Fe-Ni합금이 제조될 수 있다.
상기 Fe-Ni합금은 Ni함량이 30~55중량%인 것이 바람직한데, 이를 위해, 전해액의 조성을 물 1L당, Fe 전구체가 1~15g, Ni 전구체가 10~40g이 되도록 하는 것이 바람직하며, 전기 주조가 용이하게 이루어지기 위해서, 전해액의 pH를 조절하기 위한 pH완충제, 혹은 기판의 응력을 저감시켜 음극 드럼으로부터 기판이 용이하게 탈착되도록 하는 저응력제 등이 추가적으로 포함될 수 있다.
상기 금속 기판은 일정 수준의 표면 조도, 즉, 10~20nm의 표면 거칠기가 부여되는 것이 바람직한데, 전기 주조를 행함에 있어 음극 드럼을 나노 패터닝화 즉, 음극 드럼 표면 자체를 컨트롤하여, 이 표면에 형성되는 기판이 전기주조됨과 동시에 상기 범위의 표면거칠기가 형성되도록 할 수 있으며, 다른 방법으로는 계면활성제를 0.05~0.4g/L의 범위로 투입하는 것이다. 다만, 상기 계면활성제를 0.05g/L 미만으로 투입하게 되면 기판의 표면이 과도하게 거칠어질 수 있으며, 4.0g/L를 초과하게 되면 기판에 일정 수준 이상의 표면 거칠기를 부여하는 것이 곤란해질 수 있다.
본 발명에서는 추가적으로 전기주조법에 의해 제조된 금속 기판 위에 수지를 코팅시켜 수지 필름을 형성할 수 있다. 상기 수지 필름을 형성하는 과정은 상기 전기주조로 제조된 금속 기판 위에 수지 전구체를 코팅하여 수지 필름을 형성하고, 이를 수지 필름을 가열하여 경화시켜 형성한다.
상기 수지 필름의 형성은 그 방법을 특별히 한정하는 것은 아니나, 롤 코팅법을 사용하는 방법, 스프레이 코팅법에 의하는 방법이 있다. 한편, 상기 수지 전구체는 폴리이미드계인 것이 바람직하다.
상기 수지 필름을 가열항 경화시키는 과정은 250~550℃의 온도범위로 가열하여 행하는 것이 바람직하다. 상기 가열 온도가 250℃미만일 경우, 수지 필름이 경화되지 않을 수 있으며, 550℃를 초과하는 경우에는 금속 기판으로부터 금속 원소가 이동하는 현상이 발생할 수 있어, 제품의 품질저하가 우려될 수 있다.
1 : Fe-Ni합금 기판 100 : 전기주조장치
102 : 전해조 104 : 양극
106 : 음극 드럼 108 : 전원
102 : 전해조 104 : 양극
106 : 음극 드럼 108 : 전원
Claims (10)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 전해조, 음극 드럼, 양극, 전원을 구비하는 전기주조장치를 이용하여 기판을 제조하는 방법에 있어서,
Fe 전구체: 1~15g/L 및 Ni전구체: 10~40g/L를 포함하는 전해액을 준비하는 단계;
상기 전해액에 음극 드럼의 일부를 침지시키는 단계; 및
상기 음극 드럼의 표면에 금속 기판이 형성되도록 상기 음극 드럼 및 양극에 전류를 인가하는 단계
를 포함하며,
상기 전류 인가 단계 후, 형성된 금속 기판 위에 수지 전구체를 코팅하여 수지 필름을 형성하는 단계; 및
상기 형성된 수지 필름을 가열하여 경화시키는 단계를 추가로 포함하는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 전해액은 0.05~0.4g/L의 계면활성제를 추가로 포함하는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법.
- 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 수지 필름을 형성하는 단계는 롤 코팅법에 의한 것임을 특징으로 하는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 수지 필름을 형성하는 단계는 스프레이 코팅법에 의한 것임을 특징으로 하는 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 수지 전구체는 폴리이미드계인 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 가열 온도는 250~550℃인 태양전지용 Fe-Ni합금 기판의 제조방법.
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| KR20090036713A (ko) * | 2007-10-10 | 2009-04-15 | 삼성전자주식회사 | 니켈-철 합금층과, 그의 전주 장치 및 전주 방법과, 그의제조 장치 및 방법 |
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2011
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