KR101458993B1 - 광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지 - Google Patents

광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 우수한 전기적 특성 및 투과율을 갖는 광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 기판에 형성되고, 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)이 각각, 0.4~0.5㏖% 및 1.5~1.7㏖%로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지를 제공한다.

Description

광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지{ZINC OXIDE BASED TRANSPARENT CONDUCTIVE FILM FOR PHOTOVOLTAIC AND PHOTOVOLTAIC INCLUDING THE SAME}
본 발명은 광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 우수한 전기적 특성 및 투과율을 갖는 광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지에 관한 것이다.
최근, 에너지 자원 부족과 환경오염의 대책으로 고효율 광전지 모듈(photovoltaic module)의 개발이 대규모로 이루어지고 있다. 상기 광전지 모듈은 광 에너지 예컨대, 태양 에너지를 직접 전기로 변환시키는 광 발전의 핵심소자이다. 이러한 광전지 모듈은 광을 에너지로 이용하여 전력을 생산하기 때문에 전지내부로 광을 흡수해야만 한다. 따라서, 광전지 모듈에서 생산된 전기를 외부로 방출하기 위한 전극을 필요로 하는 구조에 있어 투명전극은 필수적이라 할 수 있다.
투명전극은 일반적으로, ITO(indium tin oxide)가 대표적이다. 이러한 ITO는 디스플레이에 적용되는 공정조건에서 다른 투명전극 재료보다 월등히 뛰어난 특성을 나타내어 대부분의 디스플레이에 적용되고 있다. 그러나 이러한 ITO는 열안정성, 에칭성 및 가격 등의 문제로 광전지 모듈의 투명전극으로 사용하기에는 어려움이 있었다.
한편, ITO와 더불어, SnO2계 투명 도전성 산화물인 FTO(F: SnO2)가 ZnO계열 및 투명전극 기판 쪽에 소량생산 및 연구용으로 활용되고 있다. FTO는 유리가판의 생산 시 화학기상성장(chemical vapor deposition; CVD) 공정을 이용하여 온-라인 타입으로 얻을 수 있다. 그리고 이러한 FTO는 열적 안정성이 우수한 장점을 지닌다. 그러나 FTO는 다른 투명전극 재료에 비해 저항이 높고 투과율이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, ZnO계 투명전극이 많이 연구되고 있다. 여기서, ZnO계는 값이 저렴할 뿐 아니라 높은 밴드갭 에너지로 인해 적절한 도펀트(dopant)의 조절로 높은 투과율 및 낮은 저항을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다.
이때, ZnO에는 3원자가 원소인 B, Ga, Al, In이 주로 도핑되는데, 그 중에서도 Al이 가장 광범위하게 사용되고 있고, 그 다음으로는 Ga 도핑에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 하지만, ZnO에 Al이 도핑돈 경우, 투과율은 우수하나, 타 원소가 도핑된 ZnO에 비해 낮은 전하농도로 인해 전기적 특성이 우수하지 않아 투명전극(TCO)로 적용되기에는 문제가 있다. 또한, ZnO에 Ga이 도핑된 경우, 높은 전하농도와 우수한 결정성으로 인하여 전기적 특성과 내습성 등은 우수하나, Al이 도핑된 경우보다 투과율이 낮은 문제가 있었다.
일본 등록특허공보 제4670877호(2011.01.28.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 우수한 전기적 특성 및 투과율을 갖는 광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)이 각각, 0.4~0.5㏖% 및 1.5~1.7㏖%로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 광전지용 산화아연계 투명 도전막을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기의 산화아연계 투명 도전막을 투명 전극으로 구비하는 것을 특징으로 하는 광전지를 제공한다.
여기서, 상기 광전지는 상기 투명 전극 하측에 차례로 배치되어 있는 보호층, 버퍼층, 광 흡수층, 공통 전극 및 기판을 포함할 수 있다.
이때, 상기 보호층은 i-ZnO로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 보호층은 GZO(Ga-doped ZnO)로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 광 흡수층은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 셀레늄(Se)으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)을 소정의 몰비로 동시에 도핑시킴으로써, 산화아연계 투명 도전막의 전기적 특성과 투과율을 동시에 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)이 소정의 몰비로 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막을 광전지의 투명전극으로 사용함으로써, 광전지의 우수한 에너지 변환 효율을 확보할 수 있고, 광전지 발전 시 고온/내습 저항성을 확보함으로써, 광전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 버퍼층 상에 GZO(Ga-doped ZnO)를 광전지의 보호층으로 형성함으로써, i-ZnO를 보호층으로 형성한 경우보다 광전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막을 투명 전극으로 구비하는 광전지를 개략적으로 나타낸 단면 모식도.
도 2는 알루미늄, 갈륨 및 알루미늄과 갈륨이 동시에 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막의 전기 전도도 및 투과율 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 알루미늄이 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막과 갈륨과 알루미늄이 동시에 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막의 파장별 투과율 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 알루미늄이 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막과 갈륨과 알루미늄이 동시에 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막의 전류-전압 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막의 홀 전하농도에 따른 셀 효율 관계를 나타낸 그래프.
도 6은 알루미늄이 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막과 갈륨과 알루미늄이 동시에 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막의 습열 테스트 결과를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 광전지용 산화아연계 투명 도전막 및 이를 포함하는 광전지에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막은 광전지(10)의 투명 전극(100)으로 형성된다. 이때, 광전지(10)는 차례로 적층된 기판(11), 공통 전극(12), 광 흡수층(13), 버퍼층(14), 보호층(15) 및 투명 전극(100)을 포함하여 형성될 수 있다. 여기서, 기판(11)은 소다라임 유리로 이루어질 수 있다. 또한, 공통 전극(12)은 기판(11) 상에 예컨대, Mo 증착을 통해 형성될 수 있다. 그리고 광 흡수층(13)은 공통 전극(12) 상에 스퍼터, MBE, 이베퍼레이션(Evaporation) 법으로 CIGS(copper indium gallium selenide) 화합물 증착을 통해 형성될 수 있고, 버퍼층(14)은 광 흡수층(13) 상에 CBD나 ALD 법으로 예컨대, CdS나 ZnS 증착을 통해 형성될 수 있다. 또한, 보호층(15)은 버퍼층(14) 상에 i-ZnO 또는 GZO(Ga-doped ZnO) 증착을 통해 형성될 수 있다. 그리고 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막은 보호층(15) 상에 형성되어 광전지(10)의 투명 전극(100)으로 작용하게 된다.
이러한 산화아연계 투명 도전막에는 도펀트가 도핑되어 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 광전지용 산화아연계 투명 전도막은 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)이 도핑되어 형성된다.(GAZO) 이때, 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)은 산화아연(ZnO)에 각각, 0.4~0.5㏖% 및 1.5~1.7㏖%로 도핑되어 있다. 이와 같이, 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)이 동시에 도핑되면, 우수한 투과율은 물론, 높은 전하농도로 인해 우수한 전기적 특성을 나타내게 된다.
도 2는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)이 동시에 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막의 전기전도도 및 투과율 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, AZO는 산화아연(ZnO)에 알루미늄(A)이 2.1㏖% 도핑되어 있는 도전막이고, GZO는 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)이 2.5㏖% 도핑되어 있는 도전막이며, GAZO는 본 발명의 실시 예에 따른 광전지용 산화아연계 투명 도전막으로, GAZO 1은 갈륨(Ga)이 0.2㏖%, 알루미늄(Al)이 1.7㏖%, GAZO 2는 갈륨(Ga)이 0.4㏖%, 알루미늄(Al)이 1.7㏖%, GAZO 3는 갈륨(Ga)이 0.6㏖%, 알루미늄(Al)이 1.7㏖%로 동시에 도핑되어 있는 도전막이다. 도 2에서 보는 바와 같이, AZO 대비 갈륨(Ga)이 첨가되면서 전기 전도도와 투과율이 상승하다가 갈륨(Ga) 함량이 0.4㏖%를 넘어 0.6㏖%가 되면, 전기 전도도는 계속 상승하나 투과율이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, AZO대비 GAZO의 투과율이 800㎚ 이상의 장파장 영역에서도 낮아지지 않고 동등 수준 이상을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 하기의 표 1을 통해서 이러한 현상들의 해석이 가능한데, 갈륨(Ga)이 증가하면서 AZO 대비 전하농도가 상승하는 것을 확인할 수 있고, 이동도(mobility) 또한 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 전하농도와 이동도의 향상을 통해 AZO와 동등 수준의 도핑량에서 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막인 GAZO는 우수한 전기 전도도와 높은 투과율을 유지할 수 있는 것이다. 하지만, 도 2에 나타낸 바와 같이, 갈륨(Ga)의 함량이 0.6㏖% 이상이 되면, 전하농도의 상승에 의한 투과율 감소 효과가 커지므로, 산화아연(ZnO)에 도핑되는 갈륨(Ga)의 도핑량은 0.4~0.5㏖%로 제어되는 것이 바람직하다.
ρ
(10-4Ω㎝)		 μ
(㎠/Vs)		 n
(1020㎝-3)
GAZO(Ga: 0.2㏖%) 6.9 46 2.1
GAZO(Ga: 0.4㏖%) 4.6 36 3.9
GAZO(Ga: 0.6㏖%) 3.6 22 5.2
AZO 23 12 2.5
이와 같이, 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)이 소정의 몰비, 즉, 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)이 산화아연(ZnO)에 각각, 0.4~0.5㏖% 및 1.5~1.7㏖%로 도핑되어 있는 산화아연계 투명 도전막이 우수한 투과율과 높은 전하농도를 가짐에 따라, 이를 투명 전극(100)으로 구비하는 광전지(10)는 우수한 셀 성능을 갖게 된다.
하기의 표 2는 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막(GAZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지의 전기적 특성을 나타낸 것이고, 표 3은 비교 예로, 알루미늄(Al)만이 도핑된 산화아연계 투명 도전막(AZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지의 전기적 특성을 나타낸 것이다. 이때, 표 2 및 표 3은 각 샘플을 3회 측정하여 측정값의 신뢰성을 테스트하였다.
Voc(V) 0.595 0.595 0.585
Jsc(㎃/㎠) 33.26 32.87 31.76
FF(%) 72.62 73.15 72.35
Jo(A/㎠) 1.10E-05 1.00E-05 1.70E-05
Hole conc.(10e15/㎠) 2.451 2.243 2.138
Voc(V) 0.545 0.54 0.545
Jsc(㎃/㎠) 33.62 31.68 29.91
FF(%) 69.1 69.52 66.73
Jo(A/㎠) 2.40E-04 2.40E-04 3.20E-04
Hole conc.(10e15/㎠) 0.99 1.03 0.85
본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막(GAZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지의 전기적 특성을 나타낸 표 2와, 비교 예로, 알루미늄(Al)만이 도핑된 산화아연계 투명 도전막(AZO)을 투명전극으로 구비한 광전지의 전기적 특성을 나타낸 표 3을 비교해 보면, 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막(GAZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지의 경우, 알루미늄(Al)만이 도핑된 산화아연계 투명 도전막(AZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지보다 개방 전압(Voc)(도 4 참조), FF(fill factor), 전하 농도(Hole conc.) 값이 모두 높게 측정되었고, 단락 전류(Jsc) 값은 거의 유사하게 측정되었으며, 누설 전류(Jo) 값은 더 낮게 측정되었다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막(GAZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지는 알루미늄(Al)만이 도핑된 산화아연계 투명 도전막(AZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지보다 전기적 특성이 향상되었음을 확인할 수 있는데, 이는 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막(GAZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지의 경우, 셀 효율이 증가되었음을 의미한다. AM 1.5 광원 조건(100㎽/㎠) 하에서 셀 효율을 측정해 본 결과, 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막(GAZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지의 셀 효율은 14.24%로 측정되었고, 알루미늄(Al)만이 도핑된 산화아연계 투명 도전막(AZO)을 투명 전극으로 구비한 광전지의 셀 효율은 12.29%로 측정되었다.
도 5는 투명 도전막의 홀 전하농도에 따른 셀 효율 관계를 나타낸 그래프로, 셀 성능 향상에 대한 원인 규명을 위해 wxAMPS 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 도 2의 시뮬레이션 결과로부터 볼 수 있듯이, CIGS 광 흡수층의 홀(hole) 농도 증가에 따라 셀 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 홀 농도 증가에 따라 광 흡수층의 공간 전하 영역(space charge region)이 감소했고, 이에 따라, 개방 전압(Voc) 및 FF(fill factor)는 증가하였으며 단락 전류(Jsc)는 감소했다.
아울러, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막(GAZO)과 알루미늄(Al)만이 도핑된 산화아연계 투명 도전막(AZO)의 열화 특성을 보여준다. 보통 태양전지의 필드 내구성을 평가할 때 사용되는 조건인 습도 85%, 온도 85℃ 조건을 적용하여 1,000시간 면저항 상승 테스트를 실시하였고 이를 도 6에 도식하였다. 도 6에서 보는 것처럼 본 발명의 실시 예에 따른 산화아연계 투명 도전막(GAZO)은 알루미늄(Al)만이 도핑된 산화아연계 투명 도전막(AZO) 대비 면저항 열화 특성이 우수하여 실제 제품화되어 필드에서 사용될 때 투명 도전막 열화에 의해 광전지의 효율이 감소되는 문제점을 해결함으로써 경쟁력을 확보할 수 있다.
한편, 하기의 표 4는 갈륨(Ga)의 효과를 최대화하기 위해, i-ZnO로 이루어진 보호층(15)을 GZO로 대체한 광전지와, i-ZnO를 보호층(15)으로 사용한 광전지의 특성을 나타낸 것이다.
i-ZnO/GAZO GZO/GAZO
Voc(V) 0.595 0.645
Jsc(㎃/㎠) 32.71 33.34
FF(%) 72.83 71.53
Efficiency(%) 14.24 15.28
상기 표 4를 보면, 보호층(15)을 GZO로 형성한 경우, 보호층이 i-ZnO로 이루어진 경우보다 FF(fill factor)만 약간 감소되었을 뿐, 개방 전압(Voc) 및 단락 전류(Jsc)의 증가로 인해, 전체적인 광전지의 효율(AM 1.5 광원 조건)은 14.24%에서 15.28%로 증가되는 것으로 확인되었다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 광전지 11: 기판
12: 공통 전극 13: 광 흡수층
14: 버퍼층 15: 보호층
100: 투명 전극

Claims (6)

  1. 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)과 알루미늄(Al)이 각각, 0.4~0.5㏖% 및 1.5~1.7㏖%로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 광전지용 산화아연계 투명 도전막.
  2. 제1항에 따른 산화아연계 투명 도전막을 투명 전극으로 구비하는 것을 특징으로 하는 광전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 투명 전극 하측에 차례로 배치되어 있는 보호층, 버퍼층, 광 흡수층, 공통 전극 및 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보호층은 i-ZnO로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 보호층은 GZO(Ga-doped ZnO)로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 광 흡수층은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 셀레늄(Se)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전지.
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