KR101416723B1 - 나노구조층을 포함하는 고 헤이즈율 투명전극, 상기 투명전극 제조방법 및 상기 투명전극을 포함하는 박막 태양전지 - Google Patents

나노구조층을 포함하는 고 헤이즈율 투명전극, 상기 투명전극 제조방법 및 상기 투명전극을 포함하는 박막 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명전극 및 상기 투명전극 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기판과 투명전극층사이에 나노구조를 갖는 투명산화물층을 삽입하여 새로운 구조를 갖는 고 헤이즈율 투명전극 및 상기 투명전극 제조방법에 관한 것이다.

Description

나노구조층을 포함하는 고 헤이즈율 투명전극, 상기 투명전극 제조방법 및 상기 투명전극을 포함하는 박막 태양전지{High hase transparent electrode comprising nanostructured layer, method for preparing the same, and thin film solar cell comprising the same }
본 발명은 투명전극 및 상기 투명전극 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기판과 투명전극층사이에 나노구조를 갖는 투명산화물층을 삽입하여 새로운 구조를 갖는 고 헤이즈율 투명전극, 상기 투명전극 제조방법 및 상기 투명전극을 포함하는 박막 태양전지에 관한 것이다.
박막태양전지구조에 있어 텍스쳐 구조를 갖는 투명전극은 외부로부터 유입되는 태양광을 효과적으로 산란시켜 광변환 효율을 극대화하는 매우 중요한 역할을 담당한다. 이러한 텍스쳐구조의 투명전극을 제조하는 기존의 방법은 화학약품을 통한 에칭법과, 성장조건을 제어한 자가 텍스쳐구조 형성법 등이 있다.
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위해 연구를 거듭한 결과 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 기판과 투명전극층사이에 나노구조를 갖는 투명산화물층이 삽입된 새로운 구조로 인해 고 헤이즈율 투명전극 및 상기 투명전극 제조방법 을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 헤이즈율을 갖는 투명전극을 포함함으로써 광 포획(light trapping) 효과가 우수한 박막태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 유리기판; 상기 유리기판상에 형성된 산화물 시드층; 상기 산화물 시드층상에 형성된 나노구조산화물층; 및 상기 나노구조산화물층상에 형성된 투명전극층을 포함하는 고헤이즈율 투명전극을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화물 시드층은 100 내지 150nm의 두께를 갖는다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 투명전극층은 400 내지 800nm의 두께를 갖는다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 유리기판을 통해 유입되는 빛이 상기 나노구조산화물층과 투명전극층의 계면에서 산란된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화물 시드층 및 나노구조산화물층은 ZnO으로 구성되고, 상기 투명전극층은 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막으로 구성된다.
또한, 본 발명은 유리기판 상에 산화물 시드층을 증착시켜 형성하는 단계; 상기 산화물 시드층상에 홀로그램리소그래피 공정 및 수열합성장치를 이용하여 나노구조산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 나노구조산화물층상에 투명전극층을 증착시켜 형성하는 단계를 포함하는 고헤이즈율 투명전극 제조방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화물 시드층은 100 내지 150nm의 두께를 갖도록 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 나노구조산화물층을 형성하는 단계는 상기 산화물 시드층상에 포토레지스트 용액을 도포하여 포토레지스트 층을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트층상에 홀로그램리소그래피 공정을 이용하여 기 설정된 나노패턴을 상기 산화물 시드층이 노출되도록 패터닝 하는 단계; 상기 패터닝 된 기판을 수열합성장치에 투입하여 산화물층을 성장시키는 단계; 및 상기 기판으로부터 잔여 포토레지스트층을 제거하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화물 시드층 및 나노구조산화물층은 산화아연으로 형성되고, 상기 투명전극층은 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막으로 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 투명전극층은 400 내지 800nm의 두께로 형성된다.
또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 투명전극 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 투명전극을 포함하는 박막 태양전지를 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명의 투명전극 및 상기 투명전극 제조방법에 의하면 기판과 투명전극층사이에 나노구조를 갖는 투명산화물층이 삽입된 새로운 구조로 인해 고 헤이즈율을 갖는다.
또한, 본 발명의 투명전극을 포함하는 박막태양전지는 박막태양전지에 포함된 투명전극이 높은 헤이즈율을 가지므로 광 포획(light trapping) 효과가 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극 즉 기판과 투명전극층( TCO) 사이에 나노구조 (ZnO nanorod)가 형성된 구조를 갖는 투명전극의 모식도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명전극의 제조방법을 나타내는 제조 공정 흐름도,
도 3은 도 2에 따른 제조방법에서 사용되는 홀로그램 리소그래피의 개념도,
도 4는 도 2에 따른 제조방법으로 수열합성법에 의해 제조된 ZnO 나노로드의 경사면 SEM 이미지 (inset은 평면 SEM 이미지),
도 5는 도 2에 따른 제조방법으로 ZnO 나노로드 위에 형성된 AZO 박막의 SEM 이미지,
도 6은 도 2에 따른 제조방법으로 형성된 투명전극(AZO/ZnO nanorod/glass) 샘플의 전기적 특성그래프,
도 7은 도 2에 따른 제조방법으로 형성된 투명전극(AZO/ZnO nanorod/glass) 샘플의 광학적 특성(헤이즈율) 그래프.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 기술적 특징은 기판과 투명전극층 사이에 나노구조를 갖는 투명산화물층을 삽입하여 새로운 구조를 갖는 고 헤이즈율 투명전극 및 그 제조방법에 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 갖게 되면 유리기판을 통해 유입되는 빛이 나노구조산화물층과 투명전극층의 계면에서 산란되어 헤이즈(Haze)율을 높일 수 있기 때문이다. 그 결과 본 발명의 투명전극이 박막 태양전지에 사용되는 경우 태양전지 내부의 흡수층에서 유입된 빛이 더 효과적으로 흡수될 수 있도록 하여 광 포획(light trapping) 효과를 나타내게 된다.
따라서, 본 발명의 투명전극은 도 1에 도시된 바와 같이 유리기판, 유리기판상에 형성된 산화물 시드층(Seed), 산화물 시드층상에 형성된 나노구조산화물층, 및 나노구조산화물층상에 형성된 투명전극층을 포함한다.
여기서, 산화물 시드층은 100 내지 150nm의 두께를 갖고, 투명전극층은 400 내지 800nm의 두께를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 또한 산화물 시드층 및 나노구조산화물층은 산화아연(ZnO)으로 구성되고, 투명전극층은 알루미늄이 도핑된 산화아연(Al-doped ZnO, AZO) 박막으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 투명전극제조방법은 유리기판 상에 산화물 시드층을 증착시켜 형성하는 단계; 상기 산화물 시드층상에 홀로그램리소그래피 공정 및 수열합성장치를 이용하여 나노구조산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 나노구조산화물층상에 투명전극층을 증착시켜 형성하는 단계를 포함한다.
실시예
도 2에 도시된 제조공정 흐름도에 따라 투명전극(AZO/ZnO nanorod/glass)을 다음과 같이 제조하였다.
먼저 유리기판위에 스퍼터 공정을 이용하여 산화아연(ZnO) 시드층을 약 100~150 nm 정도 증착하여 형성하였다.
산화아연 시드층 위에 포토레지스트(PR) 용액을 도포한 후 건조하여 도 3에서 보는 바와 같이 홀로그램 리소그래피 공정을 통해 기 설정된 패턴으로 나노 사이즈의 패터닝을 수행하였다. 여기서, 홀로그램 리소그래피 기술은 도 3에 도시된 홀로그램 리소그래피 기술의 개념도와 같이 마스크 등을 이용한 포토리소그래피 공정과 달리 마스크 없이 나노패턴의 패터닝이 가능한 기술이다. 이와 같이 홀로그램 리소그래피 공정으로 패터닝을 수행하게 되면 아래쪽의 산화아연층이 노출된 패턴이 형성된다.
그 후 패터닝 된 기판을 수열합성장치에 투입하여 산화아연 시드층을 성장시키면 포토레지스트층(PR층) 위에서는 산화아연 나노로드의 성장이 억제되고, 산화아연 시드층이 노출된 영역에서만 제한적으로 산화아연 나노로드가 형성되므로, 수열합성장치로 산화아연 나노로드를 성장시킨 후, 포토레지스트층을 제거하면 결과적으로 도 4에 도시된 바와 같이 나노로드 구조의 나노구조산화물층이 형성된다.
이와 같은 구조의 나노구조산화물층이 형성된 기판 즉 산화아연 나노로드(ZnO nanorod)/글래스(glass) 기판위에 스퍼터 공정을 통해 투명전극층으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막을 형성하여 투명전극(AZO/ZnO nanorod/glass)을 제조할 수 있다.
이 때, 투명전극층을 형성하기 위한 증착온도를 실온(RT) 및 350도 중 어느 하나로 하고, 박막 두께는 400, 800nm 중 어느 하나로 증착된 샘플들을 제조할 수 있다.
실험예 1
실시예에서 제조된 투명전극(AZO/ZnO nanorod/glass)을 SEM 으로 관찰하고 그 결과사진을 도 5에 도시하였다.
도 5에 도시된 바와 같이 기저에 형성된 산화아연 나노로드 위에 박막형태로 구성되는 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막을 관찰할 수 있다.
실험예 2
실시예에서 제조된 투명전극(AZO/ZnO nanorod/glass)샘플의 전기적 특성을 분석하고 그 결과그래프를 도 6 에 도시하였다.
도 6은 실시예에서 제조된 투명전극(AZO/ZnO nanorod/glass) 샘플의 전기적 특성을 보여주는 데이터로, 중착온도는 각각 RT, 350도이며, AZO 박막의 두께는 400nm 및 800nm의 경우를 보여준다. 표면 및 단면구조를 SEM으로 분석한 결과를 보여주는데, 비저항은 RT 및 350도 모두 ~10-3Ω/□대의 값을 보여주고 있어, 투명전극의 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
실험예 3
실시예에서 제조된 투명전극(AZO/ZnO nanorod/glass)샘플의 광학적 특성을 분석하고 그 결과그래프를 도 7 에 도시하였다.
도 7은 실시예에서 제조된 투명전극(AZO/ZnO nanorod/glass) 샘플의 광학적 특성을 나타내는 데이터로 350도에서 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막의 두께가 400nm의 경우, 가장 높은 헤이즈율을 나타내는 것으로 관찰되었다.
기존 나노구조를 갖지 않는 기판 (기판 B)위에 증착한 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막의 경우 가시광 영역에서의 헤이즈율이 10% 이하로 매우 낮음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라 기판 위에 나노구조를 갖고, 나노구조 위에 투명전극층이 형성된 투명전극은 높은 헤이즈율을 가지므로 박막 태양전지에 응용할 경우, 광 포획(light trapping) 효과가 극히 우수할 것으로 예측된다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 유리기판 상에 산화물 시드층을 증착시켜 형성하는 단계;
    상기 산화물 시드층상에 홀로그램리소그래피 공정 및 수열합성장치를 이용하여 나노구조산화물층을 형성하는 단계; 및
    상기 나노구조산화물층상에 투명전극층을 증착시켜 형성하는 단계;를 포함하는,
    상기 나노구조산화물층을 형성하는 단계는,
    상기 산화물 시드층상에 포토레지스트 용액을 도포하여 포토레지스트 층을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트층상에 홀로그램리소그래피 공정을 이용하여 기 설정된 나노패턴을 상기 산화물 시드층이 노출되도록 패터닝 하는 단계;
    상기 패터닝 된 기판을 수열합성장치에 투입하여 산화물층을 성장시키는 단계; 및
    상기 기판으로부터 잔여 포토레지스트층을 제거하는 단계;를 포함하는 고헤이즈율 투명전극제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 산화물 시드층은 100 내지 150nm의 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고헤이즈율 투명전극 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 산화물 시드층 및 나노구조산화물층은 산화아연으로 형성되고, 상기 투명전극층은 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고헤이즈율 투명전극 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 투명전극층은 400 내지 800nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 고헤이즈율 투명전극 제조방법.
  11. 제6항, 제7항, 제9항 또는 제10항의 고헤이즈율 투명전극 제조방법으로 제조된 투명전극을 포함하는 박막 태양전지.
  12. 제6항, 제7항, 제9항 또는 제10항의 고헤이즈율 투명전극 제조방법으로 제조된 고 헤이즈율 투명전극.
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