KR101584072B1 - 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지의 광흡수층을 제조하기 위한 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CI(G)S계 박막형성시 CI(G)S계와 몰리브덴(Mo)층 사이에 탄소층이 생성되게 하여 기판으로부터 올라오는 여러 이온들의 확산을 방지하는 확산방지막의 역할을 하는 CI(G)S계 박막을 형성하는 방법과 이를 적용한 태양전지에 관한 것이다.

Description

확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법 {Non-vacuum Process Method of Thin film using Carbon Layer as Diffusion Barier Film}
본 발명은 태양전지의 광흡수층을 제조하기 위한 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CI(G)S계 박막형성시 CI(G)S와 몰리브덴(Mo)층 사이에 탄소층이 생성되게 하여 기판으로부터 올라오는 여러 이온들의 확산을 방지하는 확산방지막의 역할을 하는 CI(G)S계 박막을 형성하는 방법과 이를 적용한 태양전지에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며, 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양광발전(PV, Photovoltaic)은 무한정, 무공해의 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 발전방식으로 태양전지(모듈), 피시에스(PCS), 축전장치 등의 요소로 구성된다. 가장 일반적인 실리콘 태양전지의 기본 구조 및 발전원리를 태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시키고 (p-n 접합) 양단에 금속전극을 코팅하여 제작한다. 태양 빛이 입사되면 반도체 내부에서 흡수되면 전자와 정공이 발생하여 p-n 접합부 전기장에 끌려 전자는 n측으로 정공은 p측으로 새로운 흐름이 생기면 접합부 양단의 전위차가 작아진다. 즉 반도체가 태양 빛을 흡수하면 전기가 발생하는 원리인 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용한 것으로 반도체 접합부에 태양 빛이 입사되면 접합부에서 전자가 발생하여 외부회로에 전류가 흐르게 된다.
태양광 시스템은 빛을 받아서 전기로 전환시켜 주는 부분(모듈)과 생산된 전기를 수요에 맞도록 교류로 변환시키고 계통에 연결시켜 주는 부분(PCS)으로 구성된다. 태양광발전 시스템의 구성 요소 기기 중 핵심부품은 태양전지이다. 태양전지는 기본적으로 반도체 소자 기술로서 태양 빛을 전기에너지로 변환하는 기능을 수행하는데, 이는 전기를 빛으로 변환시키는 레이저나 발광다이오드(Light Emitting Diode) 등 정보 표시 소자와 작동 방향이 반대일 뿐 기본 구조나 재료특성이 동일하다.
태양전지의 최소단위를 셀이라고 하며 보통 셀 1개로부터 나오는 전압이 약 0.5V로 매우 작으므로 다수의 태양전지를 직병렬로 연결하여 사용범위에 따라 실용적인 범위의 전압과 출력을 얻을 수 있도록 1매로 패키징하여 제작된 발전장치를 태양전지 모듈(PV Module)이라고 한다. 태양전지 모듈은 외부 환경으로부터 태양전지를 보호하기 위해서 유리, 완충재 및 표면제 등을 사용하여 패널 형태로 제작하며 내구성 및 내후성을 가진 출력을 인출하기 위한 외부단자를 포함한다. 복수 개의 태양전지 모듈에 태양 빛이 많이 입사할 수 있도록 경사각, 방위각 등의 설치조건을 고려, 가대 및 지지대를 이용하여 전기적인 직병렬로 연결하여 사용범위에 맞게 구성한 발전장치를 태양전지 어레이(PV Array)라고 한다.
태양광발전용 PCS(Power Conditioning System)는 태양전지 어레이에서 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환하기 위한 인버터 장치를 말한다. 피시에스(PCS)는 태양전지 어레이에서 발전한 직류전원을 상용계통과 같은 전압과 주파수의 교류전력으로 변환하는 장치가 인버터이기 때문에 피시에스(PCS)를 인버터라고도 한다. 피시에스(PCS)는 인버터, 전력제어장치 및 보호 장치로 구성되어 있다. 태양전지 본체를 제외한 주변장치 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 요소이다.
태양광발전 시스템 태양에너지로부터 전기에너지로 변환하는 발전시스템으로 일사강도, 온도 등의 설치조건에 따른 환경변화, 구성 요소 기기 및 태양광발전 시스템의 설계시공에 따라서 발전성능이 결정된다. 태양광발전 시스템은 설치장소, 방식, 정격, 구성 등이 같다고 하더라도 설치장소의 환경변화에 따라서 성능특성은 변화된다. 친환경에너지원인 태양광발전 시스템의 이용보급이 확대됨에 따라 광범위하고 다양화되는 사용자 요구에 만족할 수 있는 고품질, 신뢰성과 안정성을 가진 시스템들이 기술개발이 점점 중요하게 된다. 태양광발전 시스템이 수명을 다할 때까지 최대성능을 달성하기 위해서는 고성능화와 설치조건 및 설계시공에 따른 성능추정, 발생손실 등의 종합적인 성능특성을 정량화가 필요하다. 성능평가 및 진단은 태양전지 모듈, 피시에스(PCS), 가대 및 지지대, 커넥터 등의 구성요소 기기의 저가화, 성능향상, 수명예측, 맞춤형 설계시공 및 유지점검 기술개발에 중요하다. 또한 대규모 시스템의 적용을 위한 연계제어기술, 전력품질 및 공급안정화와 전력저장기술에 대해서도 검토되어야 한다.
태양광 시장은 대체에너지 개발 및 온실가스 저감을 위한 청정에너지 개발, 그리고 지속가능한 미래 에너지원 확보를 위한 각국 정부의 신재생 에너지 보급 정책에 따라 급속히 성장하고 있음에도 불구하고, 태양광발전의 높은 시스템 가격으로 인하여 발전단가는 화석연료를 이용한 타 발전방식에 비하여 여전히 높은 수준이며, 태양광발전 시스템 가격의 50-60%를 차지하는 태양전지(모듈)의 저가화가 반드시 요구된다. 결정질 실리콘 태양전지(모듈)은 전 세계적인 생산라인 증설에 따라 결정질 실리콘 태양전지 가격은 급속히 하락하고 있으나 아직까지 높은 원소재 가격, 웨이퍼 제조시 절단 손실(kerf loss) 발생 및 단속적인 공급에 따른 공정 문제 등으로 추가적인 가격경쟁력 확보에는 한계가 따를 것으로 예측됨에 따라, 결정질 실리콘 태양전지보다 값싸고 높은 효율을 나타낼 수 있는 박막 태양전지를 비롯한 차세대 태양전지 기술개발이 활발히 이루어지고 있으며 시장점유율도 점차로 확대될 것으로 예측된다.
박막 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지에 비하여 원료사용량이 매우 적고 대면적화 및 대량생산이 가능하여 태양전지 제조단가를 낮출 수 있으며, 광흡수층 소재의 두께가 수 ㎛로 원소재 소비가 매우 적으며 5세대급의 대면적 모듈 제조가 가능하고 태양전지 및 모듈제조가 함께 이루어져 벨류 체인(Value chain)이 단순하다. 또한, 실리콘 박막과 CI(G)S 및 CdTe 등의 화합물 박막을 이용한 박막 태양전지(모듈)이 상용화되고 있다. 현재 생산되고 있는 대부분의 박막 태양전지는 유리기판 위에 제조되고 있으며 5세대급 모듈제조시 무게는 약 20 Kg이상이 되고 있다.
플렉서블(flexible) 박막 태양전지는 기존의 결정질 실리콘 태양전지나 유리기판을 사용하는 박막 태양전지에 비하여 저가, 경량소재 사용 및 우수한 생산성을 바탕으로 태양전지의 제조비용을 획기적으로 저감할 수 있는 기술로, 현재 개발이 가장 활발히 진행되고 있는 플렉서블 박막 태양전지용 광흡수층으로는 실리콘 박막 및 CI(G)S 화합물 박막이다. 후면전극층으로는 일반적으로 반사율과 전기전도성이 우수한 금속박막(M, Ag, Al 등)을 사용하고, 투명전도층은 윈도우(Window)층으로 투과율이 우수한 동시에 전기전도성이 우수한 ZnO, ITO 등의 투명전도막을 사용한다.
일반적으로 CIGS계 박막 태양전지는 기판/후면전극/광흡수층/버퍼층/전면전극/그리드전극의 구조를 가지고 있다. 태양전지의 구성 중에서, 버퍼층은 전면전극층과 광흡수층의 밴드갭 에너지와 격자상수의 차이를 완화하는 기능을 수행한다. 특히 광흡수층으로 사용되는 CIGS 박막과 전면전극으로 사용되는 ZnO 사이의 밴드갭 차이와 격자 상수차이가 크므로 종래기술은 황화카드뮴(CdS)을 약 50 nm정도로 형성하여 버퍼층으로 사용하고 있다.
또한, 플렉서블 박막 태양전지는 저가화 특성과 더불어 경량이며 잘 깨지지 않고, 심미성과 적용성이 우수하여 대용량 발전의 기존 시장 대체뿐만 아니라 BAPV(Building Applied PV) 및 휴대용, 군사용 전원을 포함하는 신규 거대시장 창출이 가능한 미래산업 분야이다.
태양전지 분야의 기술상의 문제점과 향후 개선 방안은 소면적 태양전지의 효율이 다결정 실리콘 태양전지의 최고 효율에 근접할 정도로 높은데 반해, 대면적 모듈의 효율이 이유는 공정이 복잡하고 엄밀한 제어를 필요로 하기 때문에 장치의 대형화가 어렵기 때문이다. 따라서, 저가, 고효율화, 대면적화를 통한 상업화 기술의 확보를 위해, 단위 박막의 성능 및 구조 개선을 통한 실험실 제조 태양전지의 효율 향상, 대면적 모듈의 제조, CdS 대체 공정 개발 등의 문제를 해결해야 할 것이다. 또한, 현재의 저가 고효율화를 위한 기술개발 노력과 함께 나노기술 및 다층구조 기술의 접목이 장기적인 차원에서 추진되어야 할 것이다.
태양전지는 흡수된 광자에 의해 생성된 전자와 정공을 이용함으로써 광 에너지를 전기에너지로 변환하는 방식을 이러한 박막 태양전지 중 CI(G)S 계 및 CZTS계 화합물 반도체 태양전지는 기타 다른 태양전지 (실리콘 태양 전지, 염료감응태양전지, 고분자 태양전지)에 비하여 가장 우수한 광 전류 변환 효율을 보이며, 광조사 등에 의한 열화가 없어 가장 유망한 태양전지로 인정받고 있으며, CI(G)S 계 및 CZTS 계 화합물 반도체 태양전지의 흡수층을 제조하는 방법은 크게 진공형성을 이용하는 방법과, 비진공에서 물질을 도포한 후에 이를 고온 열처리하는 방법이 있다. 진공형성을 이용하는 방법은 고효율의 흡수층을 제조할 수 있는 장점이 있는 반면에, 대면적의 흡수층 제조시에 균일성이 떨어지고 고가의 장비를 사용하여야 하는 문제점을 나타낸다. 반면, 비진공에서 물질을 도포한 후에 이를 고온 열처리하는 방법은 열처리 공정 후에 발생된 공극과 잔여 유기물로 인하여 흡수층의 효율이 낮다는 단점을 갖고 있다.
대한민국 등록특허 공보 제 1228772호
종래의 플렉서블한 스테인리스스틸 기판 위에 CI(G)S계 박막을 비진공 공정으로 제조하는 과정에서 스테인리스스틸 기판에서 확산되는 이온의 침투를 방지하기 위해 확산방지막을 별도로 형성해야하는 번거로움과 비용 및 공정상의 어려움이 있었다.
본 발명은 상기의 과제를 달성하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 실시예는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법에 있어서, ⅰ) 스테인리스스틸 기판을 준비하는 단계; ⅱ) 상기 스테인리스스틸 기판의 상면에 몰리브덴(Mo)층을 형성하는 단계; ⅲ) 상기 몰리브덴(Mo)층의 상면에 CI(G)S계 박막을 형성하는 단계; ⅳ) 상기 CI(G)S계 박막 형성시 상기 몰리브덴(Mo)층과 상기 CI(G)S계 박막 사이에 탄소층이 생성되는 단계; ⅴ) 상기 형성된 CI(G)S계 박막을 셀레늄(Se) 분위기에서 열처리하는 셀렌화(Sele nization) 단계;를 포함하되, 상기 ⅰ)단계 내지 ⅲ)단계는 비진공 공정이며, 상기 v)단계에서, 상기 셀렌화(Selenization) 공정은 셀레늄(Se) 기체 분위기에서 상기 박막이 코팅된 기판을 480~550℃로 승온하여 30~120분간 유지하는 것이며, 상기 i)단계에서, 상기 스테인리스스틸 기판은 플렉서블 기판으로 마련되고, 상기 몰리브덴(Mo)층과 상기 CI(G)S계 박막 사이에 생성된 상기 탄소층은, 상기 v)단계의 상기 셀린화 공정시 고온으로 승온되어 유지되는 기판으로 인해 상기 스테인리스스틸 기판으로부터 상기 CI(G)S계 박막으로 확산되는 이온의 침투를 방지하기 위한 확산방지막으로 마련되는 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법을 제공한다.
이때 몰리브덴(Mo)층 상면에 CI(G)S계 박막을 비진공 공정으로 형성하는 방법으로서, CI(G)S계 나노입자, 상기 CI(G)S계 원소를 포함하는 용액 전구체, 확산제 및 바인더를 혼합하여 하이브리드 슬러리를 제조한 후, 슬러리 성분의 혼합 및 분산을 위해 초음파 처리한 뒤, 상기 하이브리드 슬러리를 상기 스테인리스스틸 기판 위에 비진공 코팅하여 건조하여 CI(G)S계 박막을 형성하는 것이 가능하다. 이때 코팅과 건조 공정을 수회 반복, 더욱 바람직하게는 2~5회 반복하여 소정의 두께로 제조할 수 있다.
본 발명의 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법을 적용하면,
첫 번째로 플렉서블 기판으로 스테인리스스틸 기판을 적용하여 태양전지를 제조할 경우 셀렌화(Selenization) 공정시 고온으로 승온되어 유지되는 기판으로 인해 CI(G)S 광흡수층으로 확산되는 이온의 침투를 방지하기 위해 확산방지막을 추가적으로 형성하는 것이 불필요하며, 이러한 확산방지막의 기능을 공정단계 중 몰리브덴(Mo)층과 상기 CI(G)S계 박막 사이에 형성된 탄소층이 대신하게 되어, 공정의 단순화 및 비용절감의 효과가 있다.
두 번째로 몰리브덴(Mo)층과 상기 CI(G)S계 박막 사이에 형성된 탄소층에도 Cu, In, Se의 원소들이 존재하여 태양전지에서 후면전극으로 사용되는 몰리브덴(Mo)층으로 전류가 이동하는 것을 도와주어 CI(G)S 태양전지의 효율을 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법에 관한 순서도이다.
도 2a는 본 발명의 스테인리스스틸 기판 위에 형성된 CI(G)S계 박막의 형상을 나타내는 SEM(주사전자현미경) 이미지이다.
도 2b는 본 발명의 스테인리스스틸 기판 위에 몰리브덴(Mo)층과 CI(G)S계 박막 사이에 형성된 탄소층 단면의 형상을 나타내는 SEM(주사전자현미경) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 스테인리스스틸 기판 위에 몰리브덴(Mo)층과 CI(G)S계 박막 사이에 형성된 탄소층 단면의 원소를 분석한 데이터이다.
도 4는 본 발명의 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막을 광흡수층으로 적용한 태양전지의 효율을 나타내는 데이터이다.
도 5는 본 발명의 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막을 광흡수층으로서 적용 가능한 태양전지의 단면도이다.
본 발명은 태양전지의 광흡수층을 제조하기 위한 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CI(G)S계 박막형성시 CI(G)S계와 몰리브덴(Mo)층 사이에 탄소층이 생성되게 하여 기판으로부터 올라오는 여러 이온들의 확산을 방지하는 확산방지막의 역할을 하는 CI(G)S계계 박막을 형성하는 방법과 이를 적용한 태양전지에 관한 것이다. 본 명세서에서 CI(G)S계 박막이란, CIS계 또는 CIGS계 박막을 의미하는 것으로 정의한다. 또한, CI(G)S계 원소란, Cu, In, Ga, S, Se 등의 원소 중 하나 또는 이의 조합을 의미한다. 이하 첨부되는 도면과 함께 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법에 관한 순서도이다. 먼저 스테인리스스틸 기판을 준비한 후, 기판 상면에 몰리브덴(Mo)층을 비진공 공정으로 형성하고, 몰리브덴(Mo)층 상면에 CI(G)S계 박막을 비진공 공정으로 형성하면, 상기 몰리브덴(Mo)층과 상기 CI(G)S계 박막 사이에 탄소층이 형성되게 된다. 이렇게 형성된 CI(G)S계 박막을 셀레늄(Se) 분위기에서 열처리하는 셀렌화(Selenization) 공정을 거쳐 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 박막 형성하게 되는 것이다. 이때 탄소층은 스테인리스스틸 기판의 이온 확산을 방지하기 위한 확산방지막으로서 역할을 하게 된다.
몰리브덴(Mo)층 상면에 CI(G)S계 박막을 비진공 공정으로 형성하는 방법으로서, CI(G)S계 나노입자, 상기 CI(G)S계 원소를 포함하는 용액 전구체, 확산제 및 바인더를 혼합하여 하이브리드 슬러리를 제조한 후 초음파 처리한다. 이러한 초음파 처리를 통해 슬러리 성분의 균일한 혼합 및 분산시켜, 보다 균일한 박막을 제조할 수 있다. 상기 하이브리드 슬러리를 상기 스테인리스스틸 기판 위에 비진공 코팅하여 건조하여 CI(G)S계 박막을 형성하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 건조는 핫플레이트 상에서 3 단계에 걸친 건조를 수행하는 데, 1 단계 건조는 80~100℃에서, 2 단계는 110~150℃에서, 3 단계는 200~280℃에서 건조하여 용매를 효과적으로 제거할 수 있다. 이때 코팅과 건조 공정을 수회 반복, 더욱 바람직하게는 2~5회 반복하여 목적하는 소정의 두께로 제조할 수 있다.
상기 CI(G)S계 나노입자는 Cu-Se, In-Se, Ga-Se, Cu-S, In-S 및 Ga-S 입자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 2원계 나노입자이거나, Cu-In-Se, Cu-In-S, Cu-Ga-S 및 Cu-Ga-Se 입자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 3원계 나노입자, 또는 다성분계 나노입자로서, Cu-In-Ga-Se의 4원계 혼합물 나노입자, Cu-In-Ga-Se-(S,Se) 및 Cu-In-Al-Ga-(S,Se)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 5원계 혼합물 나노입자, Cu-In-Al-Ga-Se-S인 6원계 나노입자일 수 있다. 또한, Cu-Zn-Sn-(Se,S) 및 Cu-In-Ga-Zn-Sn-(Se,S) 입자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 CZTS계 나노입자 및 Cu, In, Ga, Al, Zn, Sn, S 및 Se 원소분말로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 나노입자일 수 있으며, 상기의 CI(G)S계 나노입자는 저온 콜로이달(coloidal) 방법, 용매열(solvethermal) 합성법, 마이크로웨이브법 및 초음파 합성법 중 적어도 어느 하나에 의해 제조되는 것이 가능하다.
상기 용액 전구체는 Cu, In, Ga 원소 중에서 상기 CI(G)S계 나노입자에 포함되지 않은 원소가 이온화된 것으로, CI(G)S계 원소의 아세테이트, 아세틸 아세토네이트 또는 할로겐화물이고, 바람직하게는, 인듐 아세테이트 또는 갈륨 아세틸 아세토네이트이다. 또한, 용액 전구체의 추가 사용은 CIS 또는 CIGS 박막에 필요한 추가 원소를 제공하기 위한 목적도 있지만 박막의 치밀화를 위한 목적이다.
상기 확산제는 히드라진에 비해 독성이 없고 저렴한 비용으로 용이하게 얻을 수 있는 알코올계 용매로서, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 가능하나 이에 한정되지 않고 폭넓게 사용할 수 있음은 자명할 것이다. 또한 상기 바인더는 킬레이트제(Chelating agent), 충진원소함유염 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 추가적으로 고분자 알코올을 함께 적용 가능하다. 이때 고분자 알코올은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에틸셀룰로오스 및 폴리비닐피롤리돈 중에서 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 킬레이트제는 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA), 트리에탄올아민(TEA), 에틸렌디아민, 에틸렌디아민아세트산(EDTA), 니트릴로트리아세트산(NTA), 하이드록시에틸렌디아민트리아세트산(HEDTA), 글리콜-비스(2-아미노에틸에테르)-N,N,N',N'-테트라아세트산(GEDTA), 트리에틸렌테트라아민헥사아세트산(TTHA), 하이드록시에틸이미노디아세트산(HIDA) 및 디하이드록시에틸글리신(DHEG)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있으며, 상기 슬러리 내의 비율은 상기 용액전구체의 킬레이팅이 가능한 몰비율로 첨가하도록 한다. 킬레이트제의 사용량은 용액전구체의 화학적인 결합 고려하여 용액전구체의 몰비 기준으로 결정될 수 있다. 바람직하게는, 용액전구체 : 킬레이트제의 몰 비가 1:6 ~ 1:20으로 사용할 수 있다.
또한 상기 충진원소함유염은 구리염, 인듐염, 갈륨염, 아연염 및 주석염으로 이루어진 군으로부터 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 가능하며, 상기 구리염은 CuCl, Cu-아세테이트, Cu(NO3)2 , CuI 및 CuSO4로 이루어진 군 중의 적어도 어느 하나 이상을, 상기 인듐염은 In(NO3)3, InCl3, In2(SO4)3 및 In-아세테이트로 이루어진 군 중의 적어도 어느 하나 이상을, 상기 갈륨염은 GaCl3, GaI3, Ga(NO3)3 및 Ga-아세테이트로 이루어진 군 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 가능할 것이다.
또한 상기 슬러리를 기판 위에 비진공 코팅하는 방법은 스프레이법, 초음파 스프레이법, 스핀코팅법, 딥코팅법, 닥터블레이드법, 롤코팅법, 바코팅법, 그래비에코팅법, 스크린 인쇄법, 잉크젯 프린팅법, 용액성장법 및 슬롯다이코팅법 중 어느 하나를 적용하는 것이 바람직하나, 이외의 비진공 코팅 방법 또한 적용 가능하며, 전 공정을 롤투롤(roll to roll) 공정으로 연속 진행하는 것 또한 가능하다.
상기 셀렌화(Selenization) 공정은 챔버 내부를 셀레늄(Se) 기체 분위기로 조성하여 상기 박막이 코팅된 기판을 480~550℃로 승온한 뒤 30~120분간 유지하여 반응시키는 것이 가능하다.
도 2a는 본 발명의 스테인리스스틸 기판 위에 형성된 CI(G)S계 박막의 형상을 나타내는 SEM(주사전자현미경) 이미지이고, 도 2b는 본 발명의 스테인리스스틸 기판 위에 몰리브덴(Mo)층과 CI(G)S계 박막 사이에 형성된 탄소층의 형상의 단면을 나타내는 SEM(주사전자현미경) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 스테인리스스틸 기판 위에 몰리브덴(Mo)층과 CI(G)S계 박막 사이에 형성된 탄소층 단면의 원소를 분석한 데이터로서, 박막의 표면쪽이 Cu, In, Se인 것이 확인되며, 탄소층(C)에도 Cu, In, Se의 원소들이 존재하여 전류가 몰리브덴(Mo)층 전극으로 이동하는 것을 도와준다.
도 4는 본 발명의 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막을 광흡수층으로 적용한 태양전지의 효율을 나타내는 데이터로서, 별도의 확산방지막을 형성하지 않고도 약 ~10.47%의 높은 효율을 보여주는 것으로 나타났다.
도 5는 본 발명의 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막을 광흡수층으로서 적용 가능한 태양전지의 단면도이다. 기판, 상기 기판 상에 형성되는 후면전극층, 상기 후면전극층 상에 형성되는 CI(G)S계 광흡수층, 상기 광흡수층 상에 형성되는 버퍼층 및 상기 버퍼층 상에 형성되는 투명전극층을 포함하는 태양전지에 본 발명의 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 CI(G)S계 박막을 광흡수층으로 적용하는 것이 가능하다.
상기 후면전극층은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 황동(brass) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 버퍼층은 CdS, CdZnS, ZnS, Zn(S,O), Zn(OH,S), ZnS(O,OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se,OH), ZnSnO, ZnO, InSe, InOH, In(OH,S), In(OOH,S), In(S,O) 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 구성되는 것이 가능하다. 또한 상기 투명전극층은 AZO(Al doped Zinc Oxide), BZO(B doped Zinc Oxide), GZO(Ga doped Zinc Oxide), ZnO, ITO(Indium Tin Oxide), In2O3, FTO(F doped Tin Oxide), 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화철, 이산화주석 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

Claims (19)

  1. 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법에 있어서,
    ⅰ) 스테인리스스틸 기판을 준비하는 단계;
    ⅱ) 상기 스테인리스스틸 기판의 상면에 몰리브덴(Mo)층을 형성하는 단계;
    ⅲ) 상기 몰리브덴(Mo)층의 상면에 CI(G)S계 박막을 형성하는 단계;
    ⅳ) 상기 CI(G)S계 박막 형성시 상기 몰리브덴(Mo)층과 상기 CI(G)S계 박막 사이에 탄소층이 생성되는 단계;
    ⅴ) 상기 형성된 CI(G)S계 박막을 셀레늄(Se) 분위기에서 열처리하는 셀렌화(Selenization) 단계;
    를 포함하되,
    상기 ⅰ)단계 내지 ⅲ)단계는 비진공 공정이며,
    상기 v)단계에서, 상기 셀렌화(Selenization) 공정은 셀레늄(Se) 기체 분위기에서 상기 박막이 코팅된 기판을 480~550℃로 승온하여 30~120분간 유지하는 것이며,
    상기 i)단계에서, 상기 스테인리스스틸 기판은 플렉서블 기판으로 마련되고,
    상기 몰리브덴(Mo)층과 상기 CI(G)S계 박막 사이에 생성된 상기 탄소층은, 상기 v)단계의 상기 셀린화 공정시 고온으로 승온되어 유지되는 기판으로 인해 상기 스테인리스스틸 기판으로부터 상기 CI(G)S계 박막으로 확산되는 이온의 침투를 방지하기 위한 확산방지막으로 마련되는 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    ⅲ) 상기 몰리브덴(Mo)층 상면에 CI(G)S계 박막을 형성하는 단계는,
    ⅲ-1) CI(G)S계 나노입자, 상기 CI(G)S계 원소를 포함하는 용액 전구체, 확산제 및 바인더를 혼합하여 하이브리드 슬러리를 제조하는 단계;
    ⅲ-2) 상기 제조된 하이브리드 슬러리를 초음파 처리하는 단계;
    ⅲ-3) 상기 하이브리드 슬러리를 상기 스테인리스스틸 기판 위에 비진공 코팅하여 CI(G)S계 박막을 형성하는 단계;
    ⅲ-4) 상기 제조된 CI(G)S계 박막을 건조하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 ⅲ-3) 단계의 비진공 코팅 공정과 상기 ⅲ-4) 단계의 건조 공정을 2~5회 반복하여 소정의 두께로 제조하는 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 CI(G)S계 나노입자는 Cu-Se, In-Se, Ga-Se, Cu-S, In-S 및 Ga-S 입자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 2원계 나노입자인 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 CI(G)S계 나노입자는 Cu-In-Se, Cu-In-S, Cu-Ga-S 및 Cu-Ga-Se 입자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 3원계 나노입자인 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 CI(G)S계 나노입자는 저온 콜로이달(coloidal) 방법, 용매열(solvethermal) 합성법, 마이크로웨이브법 및 초음파 합성법 중 적어도 어느 하나에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 용액 전구체는 Cu, In, Ga 원소 중에서 상기 CI(G)S계 나노입자에 포함되지 않은 원소가 이온화된 것으로 인듐 아세테이트 또는 갈륨 아세틸 아세토네이트인 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 확산제는 알코올계 용매로서, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 바인더는 킬레이트제(Chelating agent), 충진원소함유염 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 킬레이트제는 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA), 트리에탄올아민(TEA), 에틸렌디아민, 에틸렌디아민아세트산(EDTA), 니트릴로트리아세트산(NTA), 하이드록시에틸렌디아민트리아세트산(HEDTA), 글리콜-비스(2-아미노에틸에테르)-N,N,N',N'-테트라아세트산(GEDTA), 트리에틸렌테트라아민헥사아세트산(TTHA), 하이드록시에틸이미노디아세트산(HIDA) 및 디하이드록시에틸글리신(DHEG)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 충진원소함유염은 구리염, 인듐염, 갈륨염, 아연염 및 주석염으로 이루어진 군으로부터 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    ⅲ) 상기 몰리브덴(Mo)층 상면에 CI(G)S계 박막을 형성하는 단계에서,
    적용가능한 방법은 비진공 코팅 방법으로서 스프레이법, 초음파 스프레이법, 스핀코팅법, 딥코팅법, 닥터블레이드법, 롤코팅법, 바코팅법, 그래비에코팅법, 스크린 인쇄법, 잉크젯 프린팅법, 용액성장법 및 슬롯다이코팅법 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 ⅰ) 내지 ⅴ) 단계는 롤투롤(roll to roll) 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 박막 형성방법.
  14. 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 CI(G)S계 박막에 있어서,
    태양전지의 광흡수층으로 이용되며, 제 1항 내지 제 13항 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 CI(G)S계 박막.
  15. 태양전지에 있어서,
    스테인리스스틸 기판;
    상기 스테인리스스틸 기판 상에 형성되는 후면전극층;
    상기 후면전극층 상에 형성되는 CI(G)S계 광흡수층;
    상기 광흡수층 상에 형성되는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층 상에 형성되는 투명전극층;
    을 포함하되,
    상기 광흡수층은 제 14항의 확산방지막으로서의 탄소층을 이용한 비진공 CI(G)S계 박막인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 후면전극층은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 황동(brass) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 버퍼층은 CdS, CdZnS, ZnS, Zn(S,O), Zn(OH,S), ZnS(O,OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se,OH), ZnSnO, ZnO, InSe, InOH, In(OH,S), In(OOH,S), In(S,O) 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 투명전극층은 AZO(Al doped Zinc Oxide), BZO(B doped Zinc Oxide), GZO(Ga doped Zinc Oxide), ZnO, ITO(Indium Tin Oxide), In2O3, FTO(F doped Tin Oxide), 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화철, 이산화주석 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.

  19. 삭제
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KR101388451B1 (ko) * 2012-08-10 2014-04-24 한국에너지기술연구원 탄소층이 감소한 ｃｉ(ｇ)ｓ계 박막의 제조방법, 이에 의해 제조된 박막 및 이를 포함하는 태양전지

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