KR101519094B1 - 화합물 박막 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화합물 박막 태양전지용 후면 기판 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지를 개시한다. 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지용 후면 기판은, 화합물 박막 태양전지의 후면 기판에 있어서, 상기 후면 기판은, 상면에 표면 처리에 의한 표면 개질층이 형성되고, 상기 표면 개질층의 두께가 20Å ~ 100Å의 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 화합물 박막 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화합물 박막 태양전지에 적용되는 후면 기판의 표면 처리를 통해 후면 전극과의 밀착력이 향상된 화합물 박막 태양전지용 후면 기판 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목되고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 발전과, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(Photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, '태양전지'라 한다)를 일컫는다.
이러한 태양전지는 원료 물질에 따라 크게 다결정(poly crystal) 및 단결정(single crystal) 실리콘 태양전지 또는 비정질 실리콘 태양전지와 같은 실리콘계 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 분류된다.
이 중 화합물 반도체 태양전지의 하나로서 CIGS계 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 등의 원소로 이루어지는 광흡수 계수가 높은 광흡수층을 유리(glass) 등의 기판상에 증착하여 전기에너지를 생산하게 되는 태양전지로서, 두께가 얇은 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하며, 또한 전기, 광학적 안정성이 우수하여 매우 이상적인 광흡수층을 형성할 수 있어 저가, 고효율의 태양전지 재료로 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 박막형 태양전지의 후면 전극층에는 높은 융점과 낮은 오옴접촉(ohmic contact) 및 셀레늄(Se) 분위기에서의 고온에 대한 안정성이 우수한 몰리브덴(Mo)이 주로 사용되고 있다.
그런데, 몰리브덴으로 이루어진 후면 전극층과 기판은 상호간에 열팽창계수가 다르기 때문에 격자 부정합(mismatch)이 발생하게 된다. 이는 후면 전극층과 기판의 접촉 계면에서의 결합력 감소로 이어지고, 결국에는 후면 전극층이 기판의 표면에서 벗겨지는(peeling) 현상이 발생하여 이들이 박리될 수 있으며, 이로 인해 효율 및 안정성이 저하될 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 화합물 박막 태양전지에 적용되는 후면 기판의 표면 처리를 통한 표면 개질층의 두께를 제어함으로써, 기판과 후면 전극의 밀착력을 향상시킬 수 있는 화합물 박막 태양전지용 후면 기판 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 후면 기판, 후면 전극, 광흡수층이 순차적으로 적층되어 형성되는 화합물 박막 태양전지에 있어서, 상기 후면 기판은 상면에 표면 처리에 의한 표면 개질층이 형성되고, 상기 표면 개질층의 두께가 20Å ~ 100Å의 범위로 형성되어 450℃의 온도 조건에서 1시간 동안 열처리 후의 상기 후면 기판과 상기 후면 전극간의 박리 강도가 110N/m ~ 220N/m 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 후면 기판은 폴리이미드(polyimid) 재질로 이루어진다.
바람직하게, 상기 후면 기판에 대한 표면 처리는 플라즈마 처리, 코로나 처리 또는 습식법을 이용하여 표면 처리된다.
바람직하게, 상기 후면 기판의 표면 개질층은 친수성 관능기가 도입되어 형성된다.
바람직하게, 상기 후면 기판의 표면 개질층의 두께는 질산은 염색법에 의해 측정된다.
바람직하게, 상기 후면 기판의 표면 개질층에 후면 전극이 형성된다.
바람직하게, 상기 후면 전극은 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 형성된다.
바람직하게, 상기 후면 전극은 Mo, Ni, Co, Au, Pt, Pd, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W 중 선택된 하나의 금속 또는 둘 이상의 합금이다.
상기 광 흡수층상에는 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극이 순차적으로 더 적층 형성되고, 본 발명의 화합물 박막 태양전지는 Si계, CI(G)S계, CI(G)SS계, CdTe계 또는 GaAs계 중 선택된 어느 하나의 화합물 박막 태양전지일 수 있다.
본 발명에 따르면, 화합물 박막 태양전지에 적용되는 후면 기판의 표면 처리를 통한 표면 개질층의 두께를 제어함으로써, 셀레늄(Se) 분위기에서의 고온 처리와 같은 후공정에서 발생될 수 있는 박리 현상을 억제할 수 있게 되어 화합물 박막 태양전지의 효율 및 안정성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 후술되는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 화합물 박막 태양전지용 후면 기판의 구성을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 화합물 박막 태양전지용 후면 기판의 구성을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 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 일 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 1을 참조하면, 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지는 후면 기판(100), 후면 전극(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 윈도우층(500) 및 전면 전극(600)이 순차적으로 적층되어 형성된다.
본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지는 Si계, CI(G)S계, CdTe계 또는 GaAs계의 화합물로 이루어진 실리콘계열 태양전지, CIGS계 태양전지, 염료 감응형 태양전지 또는 유기 태양전지일 수 있으며, 두께가 얇은 박막의 태양전지이면서 플랙시블한 특성을 갖는 태양전지이다.
본 발명에 따른 후면 기판(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상면에 표면 처리에 의한 표면 개질층(110)이 형성된다.
상기 후면 기판(100)은 플랙시블한 특성을 갖도록 폴리이미드(polyimide)를 이용한 폴리머 기판인 것이 바람직하다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 폴리머 기판 이외에도 태양전지의 적층 구조의 기초가 될 수 있는 유리 또는 금속 기판이 사용될 수 있음은 자명하다. 예컨대, 절연성을 갖는 유리 기판으로 소다라임(sodalime) 유리를 이용한 기판이 사용되거나, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸(STS), 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 후면 기판(100)은 표면 처리에 의해 상면에 형성된 표면 개질층(110)의 두께(T)가 20Å ~ 100Å의 범위를 가지도록 형성된다. 또한, 상기 후면 기판(100)의 표면 개질층(110)은 친수성 관능기가 도입되어 형성된 것으로, 그 두께(T)의 측정에 있어서 질산은 염색법에 의해 측정될 수 있다. 이러한 후면 기판(100)의 표면 개질층(110)의 두께 한정에 있어서, 상기 표면 개질층(110)의 두께(T)가 20Å 미만일 경우 박리 강도의 확보가 어렵기 때문에 바람직하지 못하고, 상기 표면 개질층(110)의 두께(T)가 100Å을 초과하게 될 경우 후면 기판(100)의 과도한 손상으로 박리 강도가 낮아질 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 이와 같이, 후면 기판(100)의 표면 처리를 통해 친수성 관능기가 도입된 표면 개질층(110)을 형성하고, 그 두께를 20Å ~ 100Å의 범위를 가지도록 형성함에 따라 후면 전극(200)과의 초기 밀착력과 고온 처리 이후의 내열 밀착력을 동시에 확보할 수 있게 되어 박막 태양전지의 박리 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
이러한 후면 기판(100)에 대한 표면 처리는 플라즈마 처리, 코로나 처리 또는 습식법을 이용하여 표면 처리될 수 있다.
상기 후면 전극(200)은 Mo, Ni, Co, Au, Pt, Pd, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W 중 선택된 하나의 금속 또는 둘 이상의 합금을 소스 물질로 한 스퍼터링(sputtering)법에 의해 상기 기판(100)상에 증착됨으로써 형성될 수 있다. 이 중, Mo(몰리브덴)은 도전성을 갖는 금속층으로서 높은 전기전도성과 광 흡수층(300)과의 오믹 접촉(ohmic contact) 및 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 고온 안정성을 가지기 때문에 후면 전극(200)으로 주로 사용될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시키기 위한 것으로서, Si계, CI(G)S계, CI(G)SS계, CdTe계 또는 GaAs계의 재질을 스퍼터링법, 도금법, 증발법(evaporation) 또는 프린팅(printing)법을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 광 흡수층(300)의 형성 재질에 따라 태양전지의 종류가 실리콘계열 태양전지, CIGS계 태양전지, 염료 감응형 태양전지 또는 유기 태양전지 중 하나로 결정되게 된다.
상기 버퍼층(400)은 p형 반도체층인 상기 광 흡수층(300)과 pn접합되는 n형의 반도체 층으로서, ZnS 또는 CdS을 CBD(chemical bath deposition)이나 CSD(chemical surface deposition)법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 윈도우층(500)은 투명한 전극층으로서, ZnO, AZO, SnO2, ITO 중 어느 하나를 스퍼터링법을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 윈도우층(500)의 상면에는 전하를 효과적으로 포집하기 위해서 알루미늄이나 니켈과 같은 금속 재질로 이루어진 금속층인 전면 전극(600)이 형성된다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
및
비교예
아래의 표 1에는 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지용 후면 기판에 대한 표면 처리에 의한 표면 개질층 두께의 바람직한 실시예(1 ~ 4)와 이에 대비되는 비교예(1 ~ 5)에 대해 열처리 후의 박리 강도 측정과 태양전지 제작 완료 후 박리 여부를 시험하였고, 그 결과를 나타내었다.
| 개질층 두께(Å) | 내열 박리 강도(N/m) | Cell 제작후 박리 여부 | |
| 실시예1 | 20 | 110 | None |
| 실시예2 | 50 | 220 | None |
| 실시예3 | 80 | 180 | None |
| 실시예4 | 100 | 120 | None |
| 비교예1 | 10 | 85 | peel off |
| 비교예2 | 15 | 90 | peel off |
| 비교예3 | 105 | 95 | peel off |
| 비교예4 | 110 | 80 | peel off |
| 비교예5 | 120 | 70 | peel off |
본 발명의 실시예(1 ~ 4)와 비교예(1 ~ 5)에서는 50㎛ 두께의 폴리이미드 기판을 준비하였다. 이어서, 준비된 폴리이미드 기판을 진공 챔버 내에 위치시켜 플라즈마 표면 처리를 시행하여 상기 표 1의 개질층 두께를 가진 폴리이미드 기판 시료를 제작하였다. 여기서, 표면 개질층의 두께 측정은 질산은 염색법을 통해 표면 개질층을 처리한 후 투과전자현미경(TEM; transmission electron microscope)을 이용하여 측정하였다.
실시예와
비교예의
박리 강도 측정과
Cell
제작 후 박리 여부 확인
상기 실시예(1 ~ 4)와 비교예(1 ~ 5)에 따른 폴리이미드 기판상에 8㎛ 두께의 구리층을 형성하여 박리 강도 측정을 위한 시료를 제작하였다. 이렇게 제작된 시료들에 대하여, 진공 오븐을 이용하여 450℃에서 1시간 동안 방치 후, UTM(INSTRON사의 Model 3342 Universal Testing Machine)과 T-형 박리강도 측정치구인 INSTRON사의 Miniature 90 Degree Peel Fixture를 이용하여 박리 강도를 측정하였다. 그 결과는 상기 표 1에 나타내었다.
또한, 상기 실시예(1 ~ 4)와 비교예(1 ~ 5)에 따른 폴리이미드 기판 시료들에 CIGS계의 재질의 광 흡수층과, 버퍼층, 윈도우층을 순차적으로 적층시켜 박막 태양전지의 제작을 완료하였다. 이렇게 제작된 박막 태양전지 시료들에 대하여 박리 여부를 확인하였다. 그 결과는 상기 표 1에 나타내었다.
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예1 ~ 4에서는 열처리 후 박리 강도가 110N/m 이상으로 양호한 박리 강도 특성을 보이고 있으며, 태양전지 셀의 제작이 완료된 상태에서 모두 박리 현상이 발생되지 않은 것을 알 수 있다.
반면, 비교예1 ~ 5에서는 열처리 후 박리 강도가 95N/m 이하로 본 발명의 실시예보다 떨어진다는 것을 알 수 있고, 태양전지 셀의 제작이 완료된 상태에서 모두 박리 현상이 발생된 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 화합물 박막 태양전지용 후면 기판의 표면 처리를 통해 표면 개질층의 두께를 최적함으로써 후면 전극(200)과의 초기 밀착력과 고온 처리 이후의 내열 밀착력을 동시에 확보할 수 있음으로 화합물 박막 태양전지의 효율 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 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.
100 : 기판 110 : 표면 개질층
200 : 후면 전극 300 : 광 흡수층
400 : 버퍼층 500 : 윈도우층
600 : 전면 전극
200 : 후면 전극 300 : 광 흡수층
400 : 버퍼층 500 : 윈도우층
600 : 전면 전극
Claims (11)
- 후면 기판, 후면 전극, 광흡수층이 순차적으로 적층되어 형성되는 화합물 박막 태양전지에 있어서,
상기 후면 기판은 상면에 표면 처리에 의한 표면 개질층이 형성되고,
상기 표면 개질층의 두께가 20Å ~ 100Å의 범위로 형성되어 450℃의 온도 조건에서 1시간 동안 열처리 후의 상기 후면 기판과 상기 후면 전극간의 박리 강도가 110N/m ~ 220N/m 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 후면 기판은 폴리이미드(polyimid) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 후면 기판에 대한 표면 처리는 플라즈마 처리, 코로나 처리 또는 습식법을 이용하여 표면 처리되는 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 후면 기판의 표면 개질층은 친수성 관능기가 도입되어 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 후면 기판의 표면 개질층의 두께는 질산은 염색법에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 후면 전극은 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 후면 전극은 Mo, Ni, Co, Au, Pt, Pd, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W 중 선택된 하나의 금속 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 광 흡수층상에 적층 형성된 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 화합물 박막 태양전지는 Si계, CI(G)S계, CI(G)SS계, CdTe계 또는 GaAs계 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지.
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