KR101373250B1 - 박막 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 박막 태양전지는, 기판 및 상기 기판 상에 적층된 후면 전극; 상기 후면 전극 상에 적층된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층의 상부 표면 내부에 형성되어 상기 광 흡수층에 입사되는 태양광의 반사를 억제하는 반사억제 도트로 이루어지는 반사억제 층을 포함한다.
본 발명에 따르면, 광 흡수층에서의 태양광의 반사율을 최소화 함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 광 흡수층에서의 태양광의 반사율을 최소화 함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 우수한 태양광 흡수율을 갖는 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전 세계 각 국에서는 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위해, 환경에 악영향을 끼치지 않으면서도 고갈될 염려도 없는 새로운 에너지원인 대체에너지 및 청정에너지에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행 중이다.
한때, 원자력발전이 현실성 있는 대체에너지로 개발되어 높은 기여도를 보이기도 하였지만, 불안정성과 사고로 인한 심각한 피해 등의 문제가 제기됨으로써, 점차 이에 대한 의존도를 줄이는 추세이며, 그 대신 청정의 무한한 에너지원이라는 측면에서 태양에너지를 현실적으로 활용할 수 있는 방안이 더욱 각광받고 있다.
종래에는 이러한 태양에너지를 활용할 수 있는 방법 중 하나로서, 태양전지(Solar Cell)와 같은 반도체 소자를 이용하여, 태양광을 수광하고, 이를 다시 전기에너지로 변환하는 방법이 주를 이루었으나, 최근에는 이보다 태양광 흡수율이 높고, 태양광 또는 방사선에 대한 열화 현상이 적으며, 박막화가 가능하고, 제작상 재료비도 절감할 수 있는 CIGS계 박막 태양전지가 등장하였다.
CIGS계 박막 태양전지란, Cu(In1-xGax)Se2로 조성된 4원계 화합물로 형성된 직접천이형 반도체로서, 광흡수 계수가 높으며, 안정성이 뛰어나 박막 태양전지로서 커다란 응용 잠재력을 갖고 있다.
도 1은 종래의 박막 태양전지를 나타내는 부분 단면도이다. 도 1을 참조하여 종래의 박막 태양전지를 간략하게 설명하면, 기판(1, Substrate) 상부에 후면 전극(2, Back Contact) 및 CIGS계 화합물로 형성된 광 흡수층(3, Absorber Layer)이 순차로 적층된 구조를 갖는다.
그러나, 이러한 박막 태양전지의 광 흡수층(3)은 특정한 입사각을 가지며 입사된 태양광 중 많은 양을 반사시키고 일부만을 흡수하며, 이는 박막 태양전지의 에너지 효율을 높이는데 한계로 작용하게 된다.
따라서, 태양광 흡수율을 최대화 함으로써 높은 효율을 갖는 박막 태양전지에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 태양광의 흡수율을 높임으로써 고에너지 효율을 달성할 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지는, 기판 및 상기 기판 상에 적층된 후면 전극; 상기 후면 전극 상에 적층된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층의 상부 표면 내부에 형성되어 상기 광 흡수층에 입사되는 태양광의 반사를 억제하는 반사억제 도트로 이루어지는 반사억제 층을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 반사억제 도트는, 유전함수가 음의 값을 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 반사억제 도트는, 금, 은, 구리 및 알루미늄을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 반사억제 층은, 10nm 내지 200nm 의 직경을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 반사억제 층은, 상기 광 흡수층이 갖는 면적 중 0% 초과 60% 이하에 해당하는 영역을 덮도록 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층은, 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 함유하는 CIGS계 화합물 층을 포함할 수 있다.
상기 박막 태양전지는, 상기 광 흡수층의 상부에 형성되는 버퍼 층을 더 포함할 수 있고, 상기 버퍼 층의 상부에 형성되는 윈도우 층을 더 포함할 수도 있으며, 이에 더하여 상기 윈도우 층의 상부에 형성되는 전면 전극을 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, (a) 기판의 상부에 후면 전극을 형성시키는 단계; 및 (b) 상기 후면 전극의 상부에 광 흡수층 및 상기 광 흡수층의 상부 표면 또는 내부에 형성되어 상기 광 흡수층에 입사되는 태양광의 반사를 억제하는 반사억제 도트로 이루어지는 반사억제 층을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 반사억제 도트는, 유전함수가 음의 값을 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 (b)단계는, 상기 반사억제 도트가 10nm 내지 200nm 의 직경을 가지며 형성되도록 하는 단계일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b)단계는, 상기 반사억제 층이 상기 광 흡수층의 면적 중 0% 초과 60% 이하에 해당하는 영역을 덮으며 형성되도록 하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 (b)단계는, 상기 후면 전극의 상부에 CIGS계 화합물 층을 형성시키는 단계; 및 상기 CIGS계 화합물 층의 상부 표면에 상기 반사억제 층을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 (b)단계는, 상기 반사억제 층이 상기 CIGS계 화합물 층의 내부에 형성되도록 셀렌화 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 (b)단계는, 상기 반사억제 층이 상기 CIG계 화합물 층의 내부에 위치하도록 상기 CIGS계 화합물 층의 상부에 CIG계 화합물 층을 형성시키는 단계; 및 상기 CIGS계 화합물 층 및 상기 CIG계 화합물 층을 포함하는 적층체가 단일한 CIGS계 화합물 층이 되도록 셀렌화 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 (b)단계는, 상기 후면 전극의 상부에 CIG계 화합물 층을 형성시키는 단계; 상기 CIG계 화합물 층의 상부 표면에 상기 반사억제 층을 형성시키는 단계; 및 상기 반사억제 층이 CIGS계 화합물 층의 내부에 형성되도록 셀렌화 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광 흡수층에서의 태양광의 반사율을 최소화 함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 박막 태양전지를 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 박막 태양전지에 채용된 반사 억제 도트(dot)의 형성 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 박막 태양전지에 채용된 반사 억제 도트에 의한 태양광 흡수율 향상의 원리를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 도 5에 도시된 박막 태양전지에 채용된 반사 억제 도트의 형성 과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은, 반사 억제 도트의 형성 밀도에 따른 박막 태양전지의 효율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 반사 억제 도트의 형성 밀도를 달리하는 박막 태양전지 각각이 갖는 태양광 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 12는 반사 억제 도트의 형성 밀도를 달리하는 박막 태양전지 각각이 갖는 태양광 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 1은 종래의 박막 태양전지를 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 박막 태양전지에 채용된 반사 억제 도트(dot)의 형성 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 박막 태양전지에 채용된 반사 억제 도트에 의한 태양광 흡수율 향상의 원리를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 도 5에 도시된 박막 태양전지에 채용된 반사 억제 도트의 형성 과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은, 반사 억제 도트의 형성 밀도에 따른 박막 태양전지의 효율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 반사 억제 도트의 형성 밀도를 달리하는 박막 태양전지 각각이 갖는 태양광 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 12는 반사 억제 도트의 형성 밀도를 달리하는 박막 태양전지 각각이 갖는 태양광 흡수율을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 박막 태양전지에 채용된 반사 억제 도트(dot)의 형성 과정을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 박막 태양전지에 채용된 반사 억제 도트에 의한 태양광 흡수율 향상의 원리를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)는 순차적으로 적층된 기판(11), 후면 전극(12), 광 흡수층(13) 및 반사억제 층(14)을 포함한다. 또한, 상기 박막 태양전지(10)는 광 흡수 층(13) 상에 형성되는 버퍼 층(15), 윈도우 층(16) 및 전면 전극(17)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기판(11)으로는 소다라임 글래스(sodalime glass)로 이루어진 기판이 사용될 수 있다. 다만, 이로써 본 발명에서 채용되는 기판(11)의 종류가 한정되는 것은 아니며, 그 외에도 적층 구조의 기초가 될 수 있는 다양한 재질의 기판이 사용될 수 있음은 자명한 것이다. 또한, 상기 기판(11)이 갖는 면적 역시 얻고자 하는 박막 태양전지(10)의 면적에 따라 다양하게 선택될 수 있음은 자명한 것이다.
상기 후면 전극(12)은 기판(11)의 상부에 적층되는 박막으로서, 소스 물질이 스퍼터링(sputtering)에 의해 기판(11) 면에 증착됨으로써 형성된다. 이 때, 상기 후면 전극(12) 형성을 위한 소스로는 통상적으로 몰리브덴(Mo)이 사용된다. 다만, 이로써 상기 후면 전극(12)의 재질을 한정하는 것은 아니며, 전도성이 높은 금속 재질이라면 제한 없이 사용이 가능함은 자명한 것이다.
상기 광 흡수층(13)은 후면 전극(12)의 상부에 적층되는 것으로서, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 4원계 화합물인 Cu(In1-xGax)Se2으로 이루어지는 태양광 흡수 층이다.
본 발명에 있어서, 상기 광 흡수층(13)을 이루는 CIGS계 화합물 층은 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 구리, 인듐 및 갈륨을 후면 전극(12) 상에 증착시켜 CIG계 금속 전구체를 형성한 이후에 대략 300℃ 내지 600℃ 범위에 해당하는 고온에서의 셀렌화(selenization) 공정을 거침으로써 형성될 수 있다. 다만, 상기 CIGS계 화합물 층의 형성 방법은 이에 한정되지 않으며, 다양한 방법이 적용될 수 있다. 상기 CIGS계 화합물 층은, 예를 들어 스퍼터링 공정을 통해 후면 전극(12) 상에 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 동시에 또는 번갈아서 증착시킴으로써 형성될 수도 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 반사억제 층(14)은 스퍼터링 공정 등에 의해 광 흡수층(13)의 상부 표면, 즉 후면 전극(12)이 위치하는 방향과 반대측 표면에 형성될 수 있다.
이러한 반사억제 층(14)은 대략 수십 내지 수백 나노미터 수준의 직경을 갖는 대략 구 형상의 반사억제 도트(dot, D)들로 이루어지며, 좀 더 구체적으로는 대략 10nm 내지 200nm 범위의 직경을 갖는 반사억제 도트(D)들로 이루어질 수 있다. 상기 반사억제 도트(D)는 음의 유전함수 값을 갖는 귀금속(noble metal) 물질로 이루어지는 것으로서, 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 등이 반사억제 도트(D)의 재료로 사용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 반사억제 도트(D)에 입사된 태양광 중 특정 파장을 갖는 태양광은 반사되지 않고 반사억제 도트(D)의 표면을 따라 광 흡수층(13) 방향으로 진행하여 흡수된다.
이러한 태양광의 거동은 음의 유전함수 값을 갖는 반사억제 도트(D)와 양의 유전함수 값을 갖는 인접 물질의 계면을 따라 전파하는 전도대(conduction band) 전자들의 집단적인 진동(collective oscillation) 현상에 의한 것이다. 이러한 전자들의 집단적인 진동에 의해 형성된 표면파는 나노 사이즈의 반사억제 도트(D)와 특정 파장을 갖는 태양광과의 상호작용의 결과로서, 입사되는 태양광보다 증강된 크기를 갖고 계면에서 수직한 방향으로 멀어질수록 지수적으로 감소하는 소멸파(evanescent wave)의 성질과 형태를 갖게 된다.
한편, 상기 광 흡수층(13)의 상부 표면이 갖는 면적 대비 반사억제 층(14)을 이루는 반사억제 도트(D)에 의해 커버되는 면적의 비율은 대략 0% 초과 60% 이하의 범위에서 결정되는 것이 바람직하다. 반사억제 효과의 극대화를 위해서는 반사억제 도트(D)가 많이 형성되는 것이 유리하지만, 커버 면적이 60%를 초과하는 경우에는 오히려 반사억제 도트(D)에 의해 태양광이 흡수되어버리는 현상이 발생됨으로써 광 흡수층(13)의 흡수율을 극대화시키는 효과를 기대하기 어렵다.
상기 버퍼 층(15)은 일반적으로 광전도 셀의 소재로 이용되는 황화카드뮴(CdS)을 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition; CBD)을 이용하여 광 흡수층(13) 상에 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 다만, 이러한 버퍼 층(14)의 형성 방법은 이에 한정되지 않으며, 다양한 방법이 적용될 수 있다. 즉, 상기 버퍼 층(15)은, 예를 들어 황화카드뮴을 스퍼터링 공정을 이용하여 광 흡수층(13) 상에 증착시킴으로써 형성될 수도 있다.
한편, 상기 버퍼 층(15)이 광 흡수층(13) 상에 증착됨으로써, 반사억제 층(14)을 이루는 반사억제 도트(D)들은 버퍼 층(15) 내부의 하단 영역에 위치하게 된다.
상기 윈도우 층(16)은 버퍼 층(15)의 상부에 형성되는 것으로서, 예를 들어 ITO, ZnO 및 i-ZnO 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이러한 윈도우 층(16)은 다양한 방식에 의해 형성될 수 있는데, 윈도우 층(16)이 ZnO 층으로 이루어진 경우를 예로 들면, ZnO를 타겟으로 하는 스퍼터링 공정에 의해 ZnO 층을 형성할 수도 있고, 이와는 달리 산소 분위기 하에서 Zn 타겟을 이용하여 ZnO 층을 형성할 수도 있다.
한편, 상기 버퍼 층(15) 및 윈도우 층(16)은 광 흡수층(13)과 전면 전극(17) 사이에 형성되어 광 흡수층(13)과 전면 전극(17) 사이의 접합이 양호하게 이루어질 수 있도록 한다.
상기 전면 전극(17)은 윈도우 층(16)의 상부에 형성되는 것으로서, 알루미늄(Al)이나 니켈(Ni) 등의 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전면 전극(17)은 박막 태양전지(10) 전면의 투명 전극으로 기능할 수 있도록 투명 도전성 물질로 이루어질 수도 있을 뿐만 아니라, 저항 값을 낮추기 위해 ZnO 등의 투명 도전성 물질에 알루미늄 또는 알루미나(alumina) 등이 도핑된 물질로 이루어질 수도 있다.
한편, 상기 전면 전극(17)은 예를 들어 RF 스퍼터링(ZnO 타겟을 이용), 반응성 스퍼터링(Zn 타겟을 이용) 또는 유기금속 화학 증착법 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 전기 광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 ZnO 박막 상에 증착시킴으로써 이중 구조로 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)는 광 흡수층(13)의 상부 표면에 나노 사이즈의 반사억제 도트(D)로 이루어지는 반사억제 층(14)을 구비함으로써 광 흡수층(13)에 입사되는 태양광의 반사량을 최소화시킬 수 있으며, 이로써 향상된 에너지 효율을 가질 수 있다.
다음은, 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)를 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 적층 구조를 나타내는 단면도이고, 도 6 내지 도 8은 도 5에 도시된 박막 태양전지에 채용된 반사 억제 도트의 형성 과정을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)는 순차적으로 적층된 기판(21), 후면 전극(22) 및 내부에 반사억제 층(24)이 형성된 광 흡수층(23)을 포함한다. 또한, 상기 박막 태양전지(20)는 광 흡수 층(23) 상에 형성되는 버퍼 층(25), 윈도우 층(26) 및 전면 전극(27)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)는 앞선 실시예에 따른 박막 태양전지(10)와 비교할 때, 공정상의 차이로 인해 반사억제 층(24)의 형성 위치가 다를 뿐 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)를 설명함에 있어서, 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략하기로 하며 반사억제 층(24)의 형성 위치에 대해서 중점적으로 설명하기로 한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 반사억제 층(24)은 다양한 방식의 공정에 의해 광 흡수층(23)의 내부에 형성된다.
먼저, 도 6을 참조하면, 상기 박막 태양전지(20)는 기판(21), 후면 전극(22) 및 CIGS계 화합물 층(23a)이 순차적으로 적층되어 형성된 적층체의 상부 표면에 스퍼터링 등의 공정에 의해 반사억제 도트(D)들을 증착시켜 반사억제 층(24)을 형성한 후, 대략 300℃ 내지 600℃의 고온에서 셀렌화 공정을 수행함으로써 얻어질 수 있다.
즉, 상기 CIGS계 화합물 층(23a)은 셀렌화 공정을 거침으로써 더욱 두꺼워진 광 흡수층(23)을 형성하며, 반사억제 층(24)은 이러한 광 흡수층(23)의 내부에 위치하게 된다.
한편, 도 6에 도시된 공정 과정에서 초기 CIGS계 화합물 층(23a)의 두께를 적절히 조절하고, 셀렌화 공정의 수행 시간 및 온도 등의 공정 조건을 적절히 조절함으로써 반사억제 층(24)이 광 흡수층(23)의 내부에서 비교적 상부에 위치하도록 할 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 상기 박막 태양전지(20)는 기판(21), 후면 전극(22), CIGS계 화합물 층(23a) 및 반사억제 층(24)이 순차적으로 적층되어 형성된 적층체의 상부에 CIG계 화합물 층(23b)을 형성시킨 후, 대략 300℃ 내지 600℃의 고온에서 셀렌화 공정을 수행함으로써 얻어질 수 있다.
즉, 상기 CIG계 화합물 층(23b)은 셀렌화 공정을 통해 CIGS계 화합물이 되고, 이로써 반사억제 층(24)은 CIGS계 화합물로 이루어지는 광 흡수층(23)의 내부에 위치하게 된다. 여기서, 상기 CIG계 화합물 층(23b)은, 예를 들어 스퍼터링 공정을 통해 후면 전극(22) 상에 구리, 인듐 및 갈륨을 동시에 또는 번갈아서 증착시킴으로써 형성될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 공정 과정에서 초기 CIGS계 화합물 층(23a) 및 CIG계 화합물 층(23b)의 두께를 적절히 조절하고, 셀렌화 공정의 수행 시간 및 온도 등의 공정 조건을 적절히 조절함으로써 반사억제 층(24)이 광 흡수층(23)의 내부에서 두께 방향으로 대략 중간 영역에 위치하도록 할 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 상기 박막 태양전지(20)는 기판(21), 후면 전극(22) 및 CIG계 화합물 층(23b)이 순차적으로 적층되어 형성된 적층체의 상부 표면에 스퍼터링 등의 공정에 의해 반사억제 도트(D)들을 증착시켜 반사억제 층(24)을 형성한 후, 대략 300℃ 내지 600℃의 고온에서 셀렌화 공정을 수행함으로써 얻어질 수 있다.
즉, 상기 CIG계 화합물 층(23b)은 셀렌화 공정을 거침으로써 초기 CIG계 화합물 층(23b)보다 더 두꺼워진 CIGS계 화합물 층으로 이루어지는 광 흡수층(23)을 형성하며, 반사억제 층(24)은 이러한 광 흡수층(23)의 내부에 위치하게 된다.
한편, 도 8에 도시된 공정 과정에서 초기 CIG계 화합물 층(23b)의 두께를 적절히 조절하고, 셀렌화 공정의 수행 시간 및 온도 등의 공정 조건을 적절히 조절함으로써 반사억제 층(24)이 광 흡수층(23)의 내부에서 비교적 하부 영역에 위치하도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지(20)는 광 흡수층(23)의 내부에 나노 사이즈의 반사억제 도트(D)로 이루어지는 반사억제 층(24)을 구비함으로써 광 흡수층(23)의 내부로 입사되는 태양광의 반사량을 최소화시킬 수 있으며, 이로써 향상된 에너지 효율을 가질 수 있다.
다음은, 도 9를 참조하여 앞서 설명한 본 발명에 따른 박막 태양전지(10,20)를 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 박막 태양전지(10,20)의 제조 방법은 후면 전극(12,22)을 형성하는 단계(S1) 및 광 흡수층(13,23)과 반사억제 층(14,24)을 형성하는 단계(S2)를 포함한다. 또한, 상기 박막 태양전지(10,20)의 제조 방법은 버퍼 층(15,25)을 형성하는 단계(S3), 윈도우 층(16,26)을 형성하는 단계(S4) 및 전면 전극(17,27)을 형성하는 단계(S5)를 더 포함할 수 있다.
상기 S1 단계는, 예를 들어 몰리브덴(Mo)과 같은 전도성이 높은 금속 재질을 소스로 하여 스퍼터링 공정을 수행함으로써 기판(11,21) 상에 후면 전극(12,22)을 형성시키는 단계이다.
상기 S2 단계는, 후면 전극(12,22)의 상부에 광 흡수층(13,23) 및 반사억제 층(14,24)을 형성시키되, 반사억제 층(14,24)이 광 흡수층(13,23)의 상부 표면 또는 내부에 형성되도록 하는 단계이다.
즉, 상기 S2 단계는, 상기 반사억제 층(14)이 광 흡수층(13)의 상부 표면에 형성되도록 하기 위해, 후면 전극(12)의 상부에 CIGS계 화합물 층을 형성시키는 단계 및 CIGS계 화합물 층의 상부 표면에 스퍼터링 공정 등을 통해 반사억제 층(14)을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 S2 단계는, 상기 반사억제 층(24)이 광 흡수층(23)의 내부에 형성되도록 하기 위해 셀렌화 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 셀렌화 공정에 의해 초기 CIGS계 화합물 층은 더 두꺼워진 광 흡수층(23)을 형성하게 되며, 이러한 광 흡수층(23)의 내부에 반사억제 층(24)이 위치하게 된다. 그 밖에도 상기 반사억제 층(24)이 광 흡수층(23)의 내부에 형성되도록 하는 방법은 여러가지가 있으나, 이러한 추가적인 예들에 대해서는 앞서 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 바 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 S3 단계는, 스퍼터링 공정 또는 화학적 용액 성장법 등의 다양한 방법을 이용하여 황화카드뮴을 광 흡수층(13,23) 상에 증착시킴으로써 버퍼 층(15,25)을 형성하는 단계이다.
상기 S4 단계는 스퍼터링 공정을 이용하여, 예를 들어 ITO, ZnO 또는 i-ZnO 등의 물질을 버퍼 층(15,25) 상에 증착시킴으로써 윈도우 층(16,26)을 형성하는 단계이다.
본 발명에 따른 박막 태양전지(10,20)는 S1 단계와 S5 단계 사이에 S3 단계 및/또는 S4 단계를 거침으로써 광 흡수층(13,23)과 전면 전극(17,27) 사이의 접합이 용이해질 수 있다.
상기 S5 단계는, RF 스퍼터링 또는 반응성 스퍼터링 등을 이용하여 예를 들어 알루미늄이나 니켈 등을 윈도우 층(16,26) 상에 증착시킴으로써 전면 전극(17,27)을 형성하는 단계이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법에 따라 제조된 박막 태양전지(10,20)는, 광 흡수층(13,23)의 상부 표면 또는 내부에 형성된 반사억제 층(14,24)을 구비함으로써 향상된 태양광 흡수 효율을 갖는다.
다음은, 도 10 내지 도 12를 참조하여 광 흡수층(13,23)이 갖는 면적 중 반사억제 도트(D)에 의해 커버되는 면적의 비율이 본 발명에 따른 박막 태양전지(10,20)의 성능에 미치는 영향에 대해서 설명하기로 한다.
도 10은, 반사 억제 도트의 형성 밀도에 따른 박막 태양전지의 효율 변화를 나타내는 그래프이고, 도 11은 반사억제 도트의 형성 밀도를 달리하는 박막 태양전지 각각이 갖는 태양광 반사율을 나타내는 그래프이고, 도 12는 반사 억제 도트의 형성 밀도를 달리하는 박막 태양전지 각각이 갖는 태양광 흡수율을 나타내는 그래프이다.
상기 그래프들에 나타나는 박막 태양전지의 성능은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)와 같이 광 흡수층(13)의 상부 표면에 반사억제 층(14)이 형성된 경우를 기준으로 측정된 것이다.
먼저, 도 10을 참조하면, 반사억제 도트(D)가 차지하는 면적 비율, 즉 광 흡수층(13)의 상부 표면의 면적 중 반사억제 도트(D)에 의해 커버되는 면적의 비율이 커질수록 박막 태양전지(10)의 효율이 증가하나, 60%를 넘는 경우에는 오히려 효율이 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는, 상기 반사억제 도트(D)의 형성 개수가 지나치게 많아지는 경우, 반사억제 도트(D)가 태양광을 흡수하는 현상이 발생되기 때문이다. 여기서, 박막 태양전지(10)의 효율이라 함은, 입사된 태양광이 갖는 에너지 대비 박막 태양전지(10)가 내는 출력 에너지의 비율을 의미하는 것이다.
다음으로, 도 11 및 도 12를 참조하면, 반사억제 도트(D)가 60%인 경우 박막 태양전지(10)는 넓은 파장 영역대에서 전체적으로 낮은 태양광 반사율을 가지며, 이에 따라 높은 태양광 흡수율 역시 갖는다는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10,20: 박막 태양전지 11,21: 기판
12,22: 후면 전극 13,23: 광 흡수층
D: 반사억제 도트(dot) 14,24: 반사억제 층
15,25: 버퍼 층 16,26: 윈도우 층
17,27: 전면 전극
12,22: 후면 전극 13,23: 광 흡수층
D: 반사억제 도트(dot) 14,24: 반사억제 층
15,25: 버퍼 층 16,26: 윈도우 층
17,27: 전면 전극
Claims (17)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- (a) 기판의 상부에 후면 전극을 형성시키는 단계; 및
(b) 상기 후면 전극의 상부에 광 흡수층 및 상기 광 흡수층의 상부 표면 또는 내부에 형성되어 상기 광 흡수층에 입사되는 태양광의 반사를 억제하는 반사억제 도트로 이루어지는 반사억제 층을 형성시키는 단계를 포함하며,
상기 (b)단계는,
상기 후면 전극의 상부에 CIGS계 화합물 층을 형성시키는 단계;
상기 CIGS계 화합물 층의 상부 표면에 상기 반사억제 층을 형성시키는 단계; 및
상기 반사억제 층이 상기 CIGS계 화합물 층의 내부에 형성되도록 셀렌화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 반사억제 도트는,
유전함수가 음의 값을 갖는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b)단계는,
상기 반사억제 도트가 10nm 내지 200nm 의 직경을 가지며 형성되도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b)단계는,
상기 반사억제 층이 상기 광 흡수층의 면적 중 0% 초과 60% 이하에 해당하는 영역을 덮으며 형성되도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- (a) 기판의 상부에 후면 전극을 형성시키는 단계; 및
(b) 상기 후면 전극의 상부에 광 흡수층 및 상기 광 흡수층의 상부 표면 또는 내부에 형성되어 상기 광 흡수층에 입사되는 태양광의 반사를 억제하는 반사억제 도트로 이루어지는 반사억제 층을 형성시키는 단계를 포함하며,
상기 (b)단계는,
상기 후면 전극의 상부에 CIGS계 화합물 층을 형성시키는 단계;
상기 CIGS계 화합물 층의 상부 표면에 반사억제 층을 형성시키는 단계;
상기 반사억제 층이 CIG계 화합물 층의 내부에 위치하도록 상기 CIGS계 화합물 층의 상부에 CIG계 화합물 층을 형성시키는 단계; 및
상기 CIGS계 화합물 층 및 상기 CIG계 화합물 층을 포함하는 적층체가 단일한 CIGS계 화합물 층이 되도록 셀렌화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 박막 태양전지의 제조 방법. - (a) 기판의 상부에 후면 전극을 형성시키는 단계; 및
(b) 상기 후면 전극의 상부에 광 흡수층 및 상기 광 흡수층의 상부 표면 또는 내부에 형성되어 상기 광 흡수층에 입사되는 태양광의 반사를 억제하는 반사억제 도트로 이루어지는 반사억제 층을 형성시키는 단계를 포함하며,
상기 (b)단계는,
상기 후면 전극의 상부에 CIG계 화합물 층을 형성시키는 단계;
상기 CIG계 화합물 층의 상부 표면에 상기 반사억제 층을 형성시키는 단계; 및
상기 반사억제 층이 CIGS계 화합물 층의 내부에 형성되도록 셀렌화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 박막 태양전지의 제조 방법.
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| KR1020120119245A KR101373250B1 (ko) | 2012-10-25 | 2012-10-25 | 박막 태양전지 및 그 제조 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101843292B1 (ko) * | 2016-11-24 | 2018-03-28 | 전북대학교산학협력단 | 박막 태양전지 및 그 제조 방법 |
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| KR20100070732A (ko) * | 2008-12-18 | 2010-06-28 | 삼성전자주식회사 | 태양 전지 |
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| KR20120067612A (ko) * | 2010-12-16 | 2012-06-26 | 엘지이노텍 주식회사 | 저전력 및 고휘도를 갖는 백라이트 유니트 |
-
2012
- 2012-10-25 KR KR1020120119245A patent/KR101373250B1/ko not_active IP Right Cessation
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