KR101373787B1 - 알칼리 하이드라이드를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 박막형 태양전지 제조 방법 - Google Patents

알칼리 하이드라이드를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 박막형 태양전지 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101373787B1
KR101373787B1 KR1020110003294A KR20110003294A KR101373787B1 KR 101373787 B1 KR101373787 B1 KR 101373787B1 KR 1020110003294 A KR1020110003294 A KR 1020110003294A KR 20110003294 A KR20110003294 A KR 20110003294A KR 101373787 B1 KR101373787 B1 KR 101373787B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solar cell
ink
alkali hydride
alkali
precursor
Prior art date
Application number
KR1020110003294A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120081899A (ko
Inventor
윤여권
Original Assignee
지에스칼텍스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 지에스칼텍스 주식회사 filed Critical 지에스칼텍스 주식회사
Priority to KR1020110003294A priority Critical patent/KR101373787B1/ko
Publication of KR20120081899A publication Critical patent/KR20120081899A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101373787B1 publication Critical patent/KR101373787B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0749—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type including a AIBIIICVI compound, e.g. CdS/CulnSe2 [CIS] heterojunction solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02623—Liquid deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H01L31/0326—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising AIBIICIVDVI kesterite compounds, e.g. Cu2ZnSnSe4, Cu2ZnSnS4
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/186—Particular post-treatment for the devices, e.g. annealing, impurity gettering, short-circuit elimination, recrystallisation
    • H01L31/1864—Annealing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

CIGS 혹은 CZTS와 같은 화합물 반도체로 이루어진 광흡수층을 포함하는 박막형 태양전지 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 박막형 태양전지 제조 방법은 화합물 반도체를 이용하여 광흡수층을 형성하되, 알칼리 하이드라이드(alkali hydride)를 이용하여 상기 광흡수층에 알칼리 금속 첨가 및 상기 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 전구체의 환원을 동시에 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

알칼리 하이드라이드를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 박막형 태양전지 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING THIN FILM SOLAR CELL USING ALKALI HYDRIDE}
본 발명은 박막형 태양전지 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알칼리 하이드라이드를 이용하여 CIGS층 혹은 CZTS층과 같은 광흡수층 형성시에 알칼리 금속 첨가와 환원이 동시에 가능한 알칼리 하이드라이드를 이용한 박막형 태양전지 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 광흡수층의 두께에 따라서 벌크형 태양전지와 박막형 태양전지로구분된다. 벌크형 태양전지는 광흡수층이 수백 마이크론(㎛) 정도의 두께로 형성되며, 단결정 실리콘 혹은 다결정 실리콘과 같은 결정질 실리콘을 주로 이용한다. 반면, 박막형 태양전지는 광흡수층이 수 마이크론 이하의 두께로 형성되며, 비정질 실리콘이나, CdTe, CIS 등과 같은 화합물 반도체를 주로 이용한다.
현재 상용화된 대부분의 태양전지는 결정질 실리콘 기반의 벌크형 태양전지이다. 결정질 실리콘 기반의 벌크형 태양전지는 다른 태양전지에 비하여 상대적으로 높은 광 변환효율을 나타내는 장점이 있다.
그러나, 결정질 실리콘 기반의 벌크형 태양전지는 원재료로 사용되는 단결정 실리콘 혹은 폴리 실리콘의 제조 단가가 매우 높다. 따라서, 이를 기반으로 제조되는 태양전지 역시 그 제조 단가가 매우 높으며, 이는 태양광 발전의 경제성을 저해하는 요인으로 작용한다.
따라서, 최근에는 수 ㎛ 이하의 두께로도 높은 광흡수 효율을 나타내며, 전기광학적 안정성이 우수한 CIS 등과 같은 화합물 반도체를 기반으로 하는 박막형 태양전지에 많은 연구가 이루어지고 있다.
CIS 박막형 태양전지는 통상, 하부로부터 글래스 기판, Mo 배면 전극, CIS계 광흡수층, CdS 버퍼층, ZnO 투명창층 및 Al/Ni 전면 전극을 포함하는 구조로 형성된다.
이중, CIS계 광흡수층은 주로 진공방식인 동시 증발법(co-evaporation)이나 스퍼터링(sputtering) 방식으로 형성된다. 최근에는 비진공 방식인 전구체 코팅/열처리법으로 광흡수층을 형성하는 기술이 제시되어 있다.
동시 증발법은 구리, 인듐 등과 같은 단위 성분들을 열 증발원을 이용하여 동시에 증발 시켜 고온 기판에 직접 CIS계 박막을 형성하는 방법이다. 동시 증발법은 광흡수층을 구성하는 각 성분의 조성비 제어가 용이한 장점이 있다. 그러나, 동시 증발법은 열 증발원이 점원(point source)인 점에서 기술적인 측면과 제조 비용 측면에서 대면적 기판에 적용이 어려운 문제점이 있다.
스퍼터링 방식은 아르곤 가스와 같은 스퍼터링 가스를 진공분위기로 이루어진 챔버 내로 주입하여 형성하고자 하는 구리, 인듐 등과 같은 타겟 물질들과 충돌시켜 플라즈마를 생성시킨 후, 이를 기판에 코팅시키는 방법이다. 스퍼터링 방식은 막 두께의 균일성이 우수하고, 박막의 밀착력이 우수한 장점이 있다. 그러나, 스퍼터링 방식은 느린 성막 속도와 기판이 과열되기 쉬운 단점이 있다.
반면, 전구체 코팅/열처리법은 기판 위에 구리, 인듐 등과 같은 단위 성분들의 산화물과 같은 전구체를 코팅한 후, 환원 분위기에서 열처리를 통하여 CIS계 박막을 형성하는 방법이다. 이 방법은 저가의 장비를 활용하여 CIS계 박막의 균일성 확보에 용이하며, 소재 활용률이 상대적으로 높아 제조 비용 절감에 유리하다.
본 발명의 목적은 CIS, CGS, CIGS, CZTS 등의 화합물 반도체를 광흡수층으로 이용하는 박막형 태양전지를 제조함에 있어, 알칼리 하이드라이드(alkali hydride)를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 박막형 태양전지 제조 방법은 화합물 반도체를 이용하여 광흡수층을 형성하되, 알칼리 하이드라이드(alkali hydride)를 이용하여 상기 광흡수층에 알칼리 금속 첨가 및 상기 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 전구체의 환원을 동시에 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 광흡수층은 Ⅰ-III-VI 계(여기서, I은 Cu, Ag 및 Au 중에서 1종 이상, III은 In, Ga 및 Al 중에서 1종 이상, VI은 S, Se 및 Te 중에서 1종 이상) 및 Ⅰ-Ⅱ-IV-VI 계(여기서, I은 Cu, Ag 및 Au 중에서 1종 이상, II는 Zn 및 Cd 중에서 1종 이상, IV 는 Si, Ge, Sn 및 Pb 중에서 1종 이상, VI은 S, Se 및 Te 중에서 1종 이상) 중에서 선택되는 화합물 반도체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 알칼리 하이드라이드는 LiH, NaH, KH, CsH, LiBH4, NaBH4, LiAlH4, NaBH(OAc)3, LiBHEt3, NaCNBH3, NaAlH4, LiHMDS(Lithium bis(trimethylsilyl)amide) 및 NaHMDS (Sodium bis(trimethylsilyl)amide) 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
또한, 상기 알칼리 하이드라이드는 상기 광흡수층에 알칼리 금속이 0.1~10 atom%가 포함되도록, 사용량을 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 광흡수층은 상기 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 전구체를 함유하는 전구체 잉크 및 상기 알칼리 하이드라이드를 함유하는 알칼리 하이드라이드 잉크를 각각 인쇄하는 인쇄 과정을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 광흡수층은 상기 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 전구체 및 상기 알칼리 하이드라이드를 함유하는 복합 잉크를 인쇄하는 인쇄 과정을 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 박막형 태양전지 제조 방법은 알칼리 하이드라이드를 이용함으로써 광흡수층 형성에 요구되는 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 환원과 광흡수층에 알칼리 금속 첨가를 동시에 수행할 수 있다.
따라서, 박막형 태양전지 제조 공정을 단순화할 수 있으며, 이에 따라 박막형 태양전지 제조 비용 절감 효과를 가져올 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 박막형 태양전지 구조를 간략히 나타낸 것이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광흡수층 형성 방법들을 개략적으로 나타낸 것으로, 전구체 잉크와 알칼리 하이드라이드 잉크를 각각 인쇄하여 광흡수층을 형성하는 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광흡수층 형성 방법을 개략적으로 나타낸 것으로, 전구체와 알칼리 하이드라이드가 모두 포함된 복합 잉크를 인쇄하여 광흡수층을 형성하는 과정을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 알칼리 하이드라이드를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 박막형 태양전지 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 박막형 태양전지 구조를 간략히 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 박막형 태양전지는 기판(110), 배면 전극(120) 및 광흡수층(130)을 포함한다.
기판(110)은 글래스 재질이 이용될 수 있다. 또한, 기판(110)은 폴리이미드와 같은 고분자 재질이나, 티타늄, 스테인리스 스틸과 같은 금속 재질 등이 이용될 수도 있다.
배면 전극(120)은 고온에서 안정성이 우수하며, 높은 전기전도도와 함께 CIGS, CZTS 등과 같은 화합물 반도체와의 접합성이 우수한 몰리브덴(Mo)이 이용될 수 있다.
광흡수층(130)은 Ⅰ-III-VI 계 화합물 반도체 혹은 Ⅰ-Ⅱ-IV-VI 계 화합물 반도체 등으로 형성될 수 있다. 여기서, I은 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등이 될 수 있다. 또한 II는 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 등이 될 수 있다. 또한, III은 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등이 될 수 있다. 또한, IV는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb) 등이 될 수 있다. 또한, VI은 황(S), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te) 등이 될 수 있다.
상기 Ⅰ-III-VI 계 화합물 반도체는 CIS, CGS, CIGS (여기서, C는 구리(Cu), I는 인듐(In), G는 갈륨(Ga), S는 황(S)과 셀레늄(Se) 중 1종 이상) 등의 화합물 반도체가 될 수 있다. 보다 구체적으로, Ⅰ-III-VI 계 화합물 반도체는 CuInS2, CuInSe2, CuIn(S,Se)2, CuGaS2, CuGaSe2, CuGa(S,Se)2, Cu(In,Ga)(S,Se)2 등이 될 수 있다.
또한, 상기 Ⅰ-Ⅱ-IV-VI 계 화합물 반도체는 CZTS (여기서, C는 구리(Cu), Z는 아연(Zn), T는 주석(Sn), S는 황(S)과 셀레늄(Se) 중 1종 이상) 화합물 반도체가 될 수 있다. 보다 구체적으로, Ⅰ-Ⅱ-IV-VI 계 화합물 반도체는 Cu2(Zn,Sn)S4, Cu2(Zn,Sn)Se4, Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4 등이 될 수 있다.
상기 예시된 화합물 반도체들은 수 마이크론(㎛) 이하의 두께로도 높은 광흡수 효율을 나타내며, 전기광학적 안정성이 우수한 장점이 있다.
또한, 광흡수층(130)을 구성하는 화합물 반도체에 나트륨(Na)이 고용체(solid solution)로 포함될 경우, 광 흡수 효율이 보다 향상된다.
또한, 박막형 태양전지는 도 1에 도시된 기판(110), 배면 전극(120) 및 광흡수층(130) 이외에도, CdS, ZnS, ZnSe, In2S3 등과 같은 물질로 형성되는 버퍼층, ZnO 등과 같은 물질로 형성되는 투명창층, Ni/Al과 같은 형태로 형성되는 전면 전극을 포함할 수 있다.
이때, 광흡수층(130)은 동시 증발법(co-evaporation), 스퍼터링(sputtering)이나 전구체 코팅/열처리법 등에 의하여 형성될 수 있는데, 전술한 바와 같이, 박막의 균일성이나 제조 비용 등의 측면에서 전구체 코팅/열처리법이 더 유리하다.
전구체 코팅은 전기화학 증착 방식, 잉크 프린팅 방식 등이 있다. 이들 방법들 중에서 잉크 프린팅 방식은 화합물 반도체를 구성하는 물질들 또는 그 물질들의 산화물과 같은 전구체들이 용매에 분산된 전구체 잉크를 이용한다. 이러한 잉크 프린팅을 이용한 방식은 다른 방식들에 비하여 간단하면서도 균일한 코팅이 가능한 장점이 있다.
잉크 프린팅 방식으로 전구체 잉크를 코팅하고 열처리하여 광흡수층을 형성하는 방법은 다음과 같은 예를 제시할 수 있다.
우선, 구리 산화물, 인듐 산화물, 갈륨 산화물이 혼합된 파우더를 제조한다. 이때, 본 과정 혹은 후술하는 전구체 잉크 제조 과정에서 광효율 향상을 위하여 나트륨을 일정량 첨가한다.
다음으로, 이들 파우더들이 용매에 분산된 전구체 잉크를 제조한다.
다음으로, 전구체 잉크를 Mo 전극 상에 프린팅한 후, 건조 과정을 통하여 용매를 제거한다. 건조 조건은 전구체 잉크에 사용된 용매에 따라 결정될 수 있다.
다음으로, H2 또는 H2Se 분위기에서 열처리를 통하여 전구체를 환원시켜 광흡수층을 형성한다.
상기 과정은 나트륨 첨가 과정과 전구체 환원 과정이 따로따로 존재한다. 따라서, 이들 나트륨 첨가와 전구체 환원이 동시에 수행될 수 있다면, 태양전지 제조 공정은 더욱 간단해지고, 또한 고효율의 박막형 태양전지를 저비용을 제조할 수 있게 된다.
나트륨 첨가 효과 및 전구체 환원의 동시 수행을 위하여, 본 발명에서는 NaH와 같은 알칼리 하이드라이드(alkali hydride)를 이용한다.
알칼리 하이드라이드에서 알칼리 금속은 광흡수층을 형성하기 위한 화합물 반도체에 나트륨(Na)과 같은 알칼리 금속의 첨가 효과를 제공하고, 수소는 광흡수층을 형성하기 위한 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 전구체의 환원 효과를 제공한다.
알칼리 하이드라이드에 포함되는 알칼리 금속은 Li, Na, K, Cs 등과 같은 순수한 의미의 알칼리 금속이 될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에서 이용 가능한 알칼리 하이드라이드는 LiH, NaH, KH, CsH, LiBH4, NaBH4, LiAlH4, NaBH(OAc)3, LiBHEt3, NaCNBH3, NaAlH4, LiHMDS(Lithium bis(trimethylsilyl)amide), NaHMDS (Sodium bis(trimethylsilyl)amide) 등을 제시할 수 있다. 이들 알칼리 하이드라이드는 단독으로 혹은 2종 이상 혼용할 수 있다.
상기 알칼리 하이드라이드를 함유하는 잉크는, 용매로 THF(Tetrahydrofuran), 디에틸 에테르(Diethyl ether)와 같은 에테르 결합을 갖는 것이나 디클로로메탄(dichloromethane)과 같이 클로라이드(Cl)를 함유하는 것 등을 이용할 수 있다. 이들 용매는 휘발성이 강하다. 따라서, 알칼리 하이드라이드 잉크 인쇄 후, 용매 증발에 따라 쉽게 막을 형성할 수 있다.
한편, 광흡수층에는 나트륨(Na)과 같은 알칼리 금속이 0.1~10 atom%가 포함되는 것이 바람직하다. 이는 알칼리 하이드라이드의 사용량 혹은 알칼리 하이드라이드 잉크의 인쇄량을 조절함으로써 해결할 수 있다. 광흡수층에 알칼리 금속이 0.1 atom% 미만으로 첨가되면 알칼리 금속 첨가에 따른 광 흡수 효율 향상 효과가 불충분하다. 또한 알칼리 금속은 광흡수층에 대략 10 atom%의 함량비로 첨가될 때 그 효과가 포화되며, 이를 초과하는 경우, 오히려 광 흡수 효율이 저하될 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광흡수층 형성 방법들을 개략적으로 나타낸 것이다. 보다 구체적으로 도 2 내지 도 4는 알칼리 하이드라이드 잉크 및 전구체 잉크를 각각 인쇄하는 예들을 나타낸 것이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 예에서, 알칼리 하이드라이드 잉크는 전술한 알칼리 하이드라이드가 THF, 디에틸 에테르, 디클로로메탄과 같은 용매에 분산된 잉크이다. 또한 전구체 잉크는 화합물 반도체의 전구체들을 함유하는 잉크이다. 또한, 알칼리 하이드라이드 잉크 및 전구체 잉크의 인쇄 후에는 건조 과정이 포함될 수 있다.
도 2는 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄한 후 전구체 잉크를 인쇄하여 광흡수층을 형성하는 예를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 예를 참조하면, 전극(201) 상에 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄하여 알칼리 하이드라이드층(210)을 형성한 후, 형성된 알칼리 하이드라이드층(210) 상에 전구체 잉크를 인쇄하여 전구체층(220)을 형성한다.
도 3은 전구체 잉크를 인쇄한 후 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄하여 광흡수층을 형성하는 예를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 예를 참조하면, 전극(301) 상에 전구체 잉크를 인쇄하여 전구체층(310)을 형성한 후, 형성된 전구체층(310) 상에 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄하여 알칼리 하이드라이드층(320)을 형성한다.
도 4는 전구체 잉크를 인쇄하고, 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄한 후, 다시 전구체 잉크를 인쇄하여 광흡수층을 형성하는 예를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 예를 참조하면, 전극(401) 상에 전구체 잉크를 인쇄하여 전구체층(410)을 형성한 후, 형성된 전구체층(410) 상에 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄하여 알칼리 하이드라이드층(420)을 형성한다. 이후, 형성된 알칼리 하이드라이드층(420) 상에 전구체 잉크를 인쇄하여 전구체층(430)을 형성한다.
도 2 내지 도 4에서는 전구체층(220, 310, 410, 430)의 형성을 위하여, 전구체 잉크를 인쇄하는 방법을 나타내었다. 그러나, 전구체층의 형성 방법은 이러한 전구체 잉크를 이용한 인쇄 방법에 한정되는 것은 아니며, 동시증발법, 스퍼터링, 전기화학증착 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
도 5는 복합 잉크를 인쇄하여 광흡수층을 형성하는 예를 나타낸 것이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 예들에서는 전구체 잉크와 알칼리 하이드라이드 잉크를 각각 별도로 이용하였으나, 도 5에 도시된 예에서는 화합물 반도체의 전구체들과 알칼리 하이드라이드가 모두 포함된 복합 잉크를 이용한다.
따라서, 도 5에 도시된 예의 경우, 인쇄 과정을 1회만 수행해도 되는 장점이 있다.
상기 도 2 내지 도 5에 도시된 예들에 도시된 인쇄 과정 후에는, 전구체 환원을 통한 화합물 반도체의 형성, 그리고 화합물 반도체에 알칼리 금속 첨가를 위하여 열처리를 실시할 수 있다. 열처리를 통하여 최종적으로 광흡수층(230, 330, 440, 520)이 형성될 수 있다.
이러한, 열처리는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 소스 가스 분위기, 불활성 가스 분위기 및 환원 가스 분위기 중 하나 이상의 분위기에서 실시될 수 있다. 여기서, 광흡수 효율 향상을 위하여 화합물 반도체에 첨가되는 알칼리 금속의 함량이 0.1~10 atom% 임을 고려할 때, 알칼리 하이드라이드를 구성하는 수소만으로는 화합물 반도체의 전구체 환원이 불충분할 수 있다. 따라서, 열처리는 H2 가스와 같은 환원 가스 분위기 혹은 H2S 가스, H2Se 가스와 같은 황(S) 또는 셀레늄(Se) 소스 가스 분위기에서 실시되는 것이 더 바람직하다.
또한, 열처리는 200 ~ 700℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 200℃ 미만일 경우 전구체 환원이 제대로 이루어지지 않거나 전구체 환원 시간이 매우 길어지는 문제점이 있을 수 있다. 반대로, 열처리 온도가 700℃를 초과하는 경우, 유리나 폴리머 기판이 녹는 문제점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 알칼리 하이드라이드를 이용함으로써 화합물 반도체에 나트륨(Na)과 같은 알칼리 금속 첨가 효과 및 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 전구체를 환원하는 효과를 동시에 얻을 수 있다.
따라서, 박막형 태양전지 제조 공정을 보다 간소화할 수 있다. 이에 따라 박막형 태양전지 제조 비용을 절감하면서 아울러 고효율의 박막형 태양전지를 제조할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110 : 기판
120, 201, 301, 401, 501 : 전극
130, 230, 330, 440, 520 : 광흡수층
210, 320, 420 : 알칼리 하이드라이드
220, 310, 410, 430 : 전구체
510 : 전구체 + 알칼리 하이드라이드

Claims (11)

  1. 광흡수층으로 화합물 반도체를 이용하는 박막형 태양전지 제조 방법에 있어서,
    알칼리 금속 및 수소를 함유하는 알칼리 하이드라이드(alkali hydride)를 이용하여, 상기 알칼리 하이드라이드에 함유된 알칼리 금속에 의한 상기 광흡수층에 알칼리 금속 첨가 및 상기 알칼리 하이드라이드에 함유된 수소에 의한 상기 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 전구체의 환원을 동시에 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수층은
    Ⅰ-III-VI 계(여기서, I은 Cu, Ag 및 Au 중에서 1종 이상, III은 In, Ga 및 Al 중에서 1종 이상, VI은 S, Se 및 Te 중에서 1종 이상) 및 Ⅰ-Ⅱ-IV-VI 계(여기서, I은 Cu, Ag 및 Au 중에서 1종 이상, II는 Zn 및 Cd 중에서 1종 이상, IV 는 Si, Ge, Sn 및 Pb 중에서 1종 이상, VI은 S, Se 및 Te 중에서 1종 이상) 중에서 선택되는 화합물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 하이드라이드는
    LiH, NaH, KH, CsH, LiBH4, NaBH4, LiAlH4, NaBH(OAc)3, LiBHEt3, NaCNBH3, NaAlH4, LiHMDS(Lithium bis(trimethylsilyl)amide) 및 NaHMDS (Sodium bis(trimethylsilyl)amide) 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 하이드라이드는
    상기 광흡수층에 알칼리 금속이 0.1~10 atom%가 포함되도록, 사용량을 조절하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수층은
    상기 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 전구체를 함유하는 전구체 잉크 및 상기 알칼리 하이드라이드를 함유하는 알칼리 하이드라이드 잉크를 각각 인쇄하는 인쇄 과정을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인쇄 과정은
    상기 전구체 잉크를 인쇄한 후, 상기 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 인쇄 과정은
    상기 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄한 후, 상기 전구체 잉크를 인쇄하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 인쇄 과정은
    상기 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄하고, 상기 전구체 잉크를 인쇄한 후, 상기 알칼리 하이드라이드 잉크를 인쇄하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수층은
    상기 화합물 반도체를 구성하는 물질들의 전구체 및 상기 알칼리 하이드라이드를 함유하는 복합 잉크를 인쇄하는 인쇄 과정을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 인쇄 과정 후, 황(S) 또는 셀레늄(Se) 소스 가스 분위기, 불활성 가스 분위기 및 환원 가스 분위기 중 하나 이상의 분위기에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열처리는
    200 ~ 700℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
KR1020110003294A 2011-01-12 2011-01-12 알칼리 하이드라이드를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 박막형 태양전지 제조 방법 KR101373787B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110003294A KR101373787B1 (ko) 2011-01-12 2011-01-12 알칼리 하이드라이드를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 박막형 태양전지 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110003294A KR101373787B1 (ko) 2011-01-12 2011-01-12 알칼리 하이드라이드를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 박막형 태양전지 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120081899A KR20120081899A (ko) 2012-07-20
KR101373787B1 true KR101373787B1 (ko) 2014-03-17

Family

ID=46713894

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110003294A KR101373787B1 (ko) 2011-01-12 2011-01-12 알칼리 하이드라이드를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 박막형 태양전지 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101373787B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11031566B2 (en) 2016-07-22 2021-06-08 Lg Chem, Ltd. Method for manufacturing laminate for organic-inorganic hybrid solar cell and method for manufacturing organic-inorganic hybrid solar cell

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9368657B2 (en) 2012-11-07 2016-06-14 Samsung Sdi Co., Ltd. Solar cell
KR102379759B1 (ko) * 2020-03-31 2022-03-29 인천대학교 산학협력단 알카리 원소 합금에 의한 고품위 광흡수 박막의 제조 방법
KR102596328B1 (ko) * 2020-06-05 2023-11-01 재단법인대구경북과학기술원 Czts계 박막 태양전지 광흡수층의 제조방법, 이로부터 제조되는 czts계 박막 태양전지 광흡수층

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004140307A (ja) * 2002-10-16 2004-05-13 Honda Motor Co Ltd 薄膜太陽電池の製造方法
JP2009283508A (ja) * 2008-05-19 2009-12-03 Showa Shell Sekiyu Kk Ｃｉｓ系薄膜太陽電池の製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004140307A (ja) * 2002-10-16 2004-05-13 Honda Motor Co Ltd 薄膜太陽電池の製造方法
JP2009283508A (ja) * 2008-05-19 2009-12-03 Showa Shell Sekiyu Kk Ｃｉｓ系薄膜太陽電池の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11031566B2 (en) 2016-07-22 2021-06-08 Lg Chem, Ltd. Method for manufacturing laminate for organic-inorganic hybrid solar cell and method for manufacturing organic-inorganic hybrid solar cell

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120081899A (ko) 2012-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9881774B2 (en) Copper indium gallium selenide (CIGS) thin films with composition controlled by co-sputtering
US9087954B2 (en) Method for producing the pentanary compound semiconductor CZTSSe, and thin-film solar cell
CN101814553B (zh) 光辅助方法制备铜铟镓硒薄膜太阳电池光吸收层
KR101094326B1 (ko) 태양전지용 Ｃｕ－Ｉｎ－Ｚｎ－Ｓｎ－（Ｓｅ，Ｓ）계 박막 및 이의 제조방법
KR20090106513A (ko) Ⅰｂⅲａⅵａ 족 화합물 층들을 위한 도핑 기술들
EP1964180A1 (en) Process of making a thin-film photovoltaic device and thin-film photovoltaic device
TW200939492A (en) Laminated structuer of cis-type solar battery and integrated structure
US20090050208A1 (en) Method and structures for controlling the group iiia material profile through a group ibiiiavia compound layer
CN104143579A (zh) 一种锑基化合物薄膜太阳能电池及其制备方法
JP2015233139A (ja) 原子層蒸着法で形成されたバッファ層を含む太陽電池、及び、その製造方法
CN102610673A (zh) 一种铜锌锡硫化合物薄膜太阳能电池及其制备方法
KR20130016528A (ko) 태양전지용 ＣＺＴ(Ｓ,Ｓｅ)계 박막의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 ＣＺＴ(Ｓ,Ｓｅ)계 박막
KR101373787B1 (ko) 알칼리 하이드라이드를 이용하여 광흡수층의 알칼리 금속 첨가 및 환원이 동시에 가능한 박막형 태양전지 제조 방법
Mandati et al. Copper chalcopyrites for solar energy applications
US20140370646A1 (en) Absorber layer for a thin film photovoltaic device with a double-graded band gap
Zhang Organic nanostructured thin film devices and coatings for clean energy
KR101388458B1 (ko) 급속 열처리 공정을 사용한 ｃｉｇｓ 박막의 제조방법
KR102284740B1 (ko) CZTSSe계 광흡수층의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지의 제조방법
JP2014103237A (ja) 光電変換素子および光電変換素子のバッファ層の製造方法
US8632851B1 (en) Method of forming an I-II-VI2 compound semiconductor thin film of chalcopyrite structure
US20150249171A1 (en) Method of making photovoltaic device comprising i-iii-vi2 compound absorber having tailored atomic distribution
WO2012070481A1 (ja) 光電変換装置
KR101160487B1 (ko) 후막형 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법
Li et al. Research Progress of Alkali Doped Cu (In, Ga) Se2 Thin Film Solar Cells
KR101299584B1 (ko) 박막 태양전지 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170302

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee