KR101662885B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지의 구조와 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양전지의 일 양태는, 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 형성되는 태양전지에 있어서, 상기 전극과 광흡수층 사이에 내장전계를 형성하는 전기분극물질을 포함하는 전기분극층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 및 그 제조방법 {SOLAR CELLS AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CIGS, 염료감응형과 같은 박막 태양전지는 물론 결정질 실리콘 태양전지에 자발분극 및/또는 잔류분극 특성을 가져 내장전계를 형성하는 전기분극물질층을 광흡수층에 인접하게 배치함으로써 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킨 태양전지의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
박막 태양전지 기술은 현재 가장 큰 시장점유율을 보이고 있는 결정질 Si 태양전지와 비교되는 차세대 태양전지 기술로서, 박막 태양전지는 결정질 Si 태양전지보다 효율은 높으면서, 저가로 제조할 수 있는 태양전지이다.
박막 태양전지는 다양한 종류가 개발되고 있는데, 그 대표적인 예로 CIGS(Cu(In, Ga)Se2) 태양전지를 들 수 있다.
CIGS 태양전지란, 일반적인 유리를 기판으로 기판-배면 전극-광흡수층-버퍼층-전면 투명전극 등으로 이루어진 전지로서, 그 중 태양광을 흡수하는 광흡수층이 CIGS 또는 CIS(CuIn(S,Se)2)로 이루어진 전지를 의미한다. 상기 CIGS 또는 CIS 중, CIGS가 더 널리 사용되므로, 이하에서는 CIGS 태양전지에 대하여 설명하기로 한다.
CIGS는 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 황동광(chalcopyrite)계 화합물 반도체로서 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 약 1×105cm-1로 반도체 중에서 가장 높은 편에 속하여, 두께 1㎛ 내지 2㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능한 물질이다.
CIGS 태양전지는 실외에서도 전기광학적으로 장기 안정성이 매우 우수하고, 복사선에 대한 저항력이 뛰어나므로 우주선용 태양전지에도 적합한 태양전지이다.
이러한 CIGS 태양전지는 일반적으로는 유리를 기판으로 사용하나, 유리 기판 이외에도 고분자(예: 폴리이미드) 또는 금속박막(예: 스테인리스강, Ti) 기판 위에 증착하여 플렉시블 태양전지 형태로 제조할 수도 있으며, 특히, 최근 박막 태양전지 중 가장 높은 19.5%의 에너지 변환 효율이 구현됨에 따라 실리콘 결정질 태양전지를 대체할 수 있는 저가형 고효율 박막형 태양전지로써 상업화 가능성이 아주 높은 태양전지로 알려져 있다.
CIGS는 양이온인 Cu, In, Ga과 음이온인 Se를 각각 다른 금속이온이나 음이온으로 대체하여 사용할 수 있으며, 이를 통칭하여 CIGS계 화합물 반도체로 표현할 수 있다. 대표적인 화합물은 Cu(In,Ga)Se2 이며, 이러한 CIGS계 화합물 반도체는 구성하고 있는 양이온(예: Cu, Ag, In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 등) 및 음이온(예: Se, S)의 종류와 조성을 변화시키면 결정격자 상수뿐만 아니라 에너지 밴드갭의 조절이 가능한 물질이다.
그러므로 CIGS 물질을 포함하여 유사한 화합물 반도체 물질로 이루어지는 광흡수층을 사용할 수도 있다. 상기 광흡수층은 M1, M2, X(여기에서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 또는 이들의 조합이고, X는 Se, S 또는 이들의 조합임)및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 최근에는 저가형 화합물 반도체 물질로서 Cu2ZnSnS4(CZTS)나 Cu2SnxGeyS3(CTGS) 등의 물질을 사용하기도 한다(여기서 x, y는 임의의 양의 소수).
한편, 종래의 박막 태양전지에 있어서도 압전소자(piezoelectric device)와의 융합을 통하여 효율을 더욱 증가시키기 위한 기술이 개발되고 있다.
예를 들어, Wang 등에 의한 하기 특허문헌 1에는 하이브리드 태양광 발전기(hybrid solar nanogenerator)에 있어서, 염료태양전지(dye-sensitized solar cell)의 전극에 직렬 또는 병렬로 ZnO 나노선(nanowire)을 이용한 압전 나노발전소자(piezoelectric nanogenerator)를 설치하여 기계적 진동에 의해 생성된 전하를 수집하여 광전류와 함께 발전량에 기여하도록 함으로써 효율을 개선하도록 하는 방법이 제시되어 있다. 그런데, 하기 특허문헌 1에 개시된 기술은 기계적 진동을 발생시키기 위한 에너지와 장치가 부수적으로 필요하므로 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 하기 특허문헌 2에는, 전기장 향상 효과에 의하여 개선된 광전환 효율을 나타낼 수 있는 태양전지 기술이 개시되어 있는데, 이 기술은 박막 태양전지의 전극에 전계 방출 효과를 갖는 나노막대, 나노선 또는 나노튜브 등의 형태를 갖는 나노구조물을 포함하는 전계방출층을 설치하여 빛에 의하여 광활성층으로부터 발생된 전자와 정공을 각 전극으로 효과적으로 전달시킴으로써 태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위한 것이나, 실제 다양한 박막 태양전지에 적용한 결과, 효율 개선 효과는 미미한 반면, 나노구조물의 제작에 소요되는 공정비용이 증가하여, 특허문헌 1에 개시된 기술과 마찬가지로 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
1. 미국 등록 특허공보 US7,705,523 (2010년4월27일) 2. 대한민국 공개 특허공보 제2011-0087226호 (2011년08월02일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존의 박막 태양전지나 통상적인 태양전지의 광전 변환 효율을 더욱 개선할 수 있는 새로운 태양전지의 구조와 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 특히 하이브리드 압전발전형 태양전지나 전계방출층 전극을 이용한 태양전지와는 다르게 추가적인 공정 비용이 없거나 적으면서도 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 경제적인 태양전지의 구조와 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 자발분극(spontaneous polarization) 또는 잔류분극(remanent polarization) 특성을 갖는 전기분극(electrical polarization) 물질을, 광흡수층에 인접하여 배치함으로써, 내장전계(built-in electric field)를 형성하여 광흡수에 의해 p-n접합 반도체 내에서 생성된 전자와 정공의 재결합(recombination)을 감소시키는 동시에 전극에의 수집(collection) 효율을 개선하여 효율을 증대시킬 수 있는 태양전지의 구조와 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1측면은, 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 형성되는 태양전지에 있어서, 상기 전극과 광흡수층 사이에 내장전계를 형성하는 전기분극물질을 포함하는 전기분극층이 형성되어 있는 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2측면은, 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 형성되고 상기 광흡수층의 일면에 버퍼층이 형성되는 화합물 반도체 태양전지에 있어서, 상기 버퍼층이 내장전계를 형성하는 전기분극물질을 포함하는 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3측면은, 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 형성되는 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층이 내장전계를 형성하는 전기분극물질을 포함하는 태양전지를 제공하는 것이다.
또한, 상기 전기분극물질은 자발 분극 특성을 가질 수 있다.
또한, 상기 전기분극물질은 잔류 분극 특성을 가질 수 있다.
또한, 상기 전기분극물질은 강유전체 또는 이를 포함하는 복합물질일 수 있다.
또한, 상기 전기분극물질은 반강유전체 또는 이를 포함하는 복합물질일 수 있다.
또한, 상기 전기분극물질은 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 두 전극에 인접하여 2 이상의 전기분극층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 전기분극물질은 터널링 유전체 또는 커패시터의 특성을 가질 수 있다.
또한, 상기 전기분극물질은 2.54eV 이하의 밴드갭 에너지를 갖는 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기분극층의 두께는 10nm ~ 100nm일 수 있다.
또한, 상기 광흡수층은 M1, M2, X(여기에서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 또는 이들의 조합, X는 Se, S 또는 이들의 조합임)및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 강유전체는 BaTiO3(BTO), PbZrTiO3(PZT), SrTiO3, CaTiO3, CuTiO3, KTaO3, KNbO3, NaNbO3, LiNbO3, ZrHfO2, BiFeO3 및 토르말린 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반강유전체는 ZrPbO, NHHPO, (NH)HIO, Cu(HCOO) 및 4HO 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질은 CCTO(CaCu3Ti4O12)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광흡수층은 p형 반도체, n형 반도체, i형(진성) 반도체 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제4측면은, 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 형성되는 태양전지의 제조방법으로, 상기 전극과 광흡수층의 사이 또는 상기 광흡수층에 내장전계를 형성하는 전기분극물질로 이루어진 전기분극층을 형성하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전기분극층의 양단에 전기장을 인가하여 내장전계를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 내장전계를 증가시키기 위한 전기장은 태양전지의 역방향 파괴전압 이내에서 인가할 수 있다.
또한, 상기 전기분극층을 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 원자층 증착(ALD) 또는 습식 코팅 방법에 의해 형성할 수 있다.
또한, 상기 전기분극층을 원자층 증착으로 형성할 경우, Ca 화합물 전구물질과 Cu 화합물 전구물질 중 어느 일방 또는 양방과, Ti 화합물 전구물질을 상기 광흡수층에 흡착시키는 단계와, 상기 전구물질의 흡착층을 산화반응에 의하여 산화물로 형성하는 단계를 포함하는 과정을 통해 형성할 수 있다.
또한, 상기 Ca 화합물 전구물질은, Ca(Thd)2(Tetraen) 및 Ca3(thd)6 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 Cu 화합물 전구물질은, Cu(hfac)(tmvs)[=C10H13CuF6O2Si], Cu(hfac)2 [=Cu(CF3COCHCOCF3)2], (hfac)Cu(DMB)[=Cu(CF3COCHCOCF3)[CH2CHC(CH3)3]], Cu(ethylketoiminate)2[=Cu[(CH3COCHCN(CH2CH3)CH3)]2] 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 Ti 화합물 전구물질은, Ti(O-iPr)2(DPM)2[=Ti(C3H7O)2(C11H19O2)2], TiO(thd)2[=TiO(C11H20O2)2] 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 전기분극층은, 상기 광흡수층의 일면에 금속산화물층을 형성하는 단계와, 상기 광흡수층과 금속산화물층 사이에 화학반응을 시키는 단계를 포함하는 공정을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속산화물층은, 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD) 또는 원자층 증착(ALD)에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속산화물층은, Ti를 함유하는 전구물질을 사용하여 원자층 증착에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 Ti를 함유하는 전구물질은, 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄, 테트라키스(디에틸아미도 티타늄, 테트라키스(에틸메틸아미도) 티타늄, 테트라이소프로폭사이드 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 상기 습식코팅방법은, 화학적 용액 성장, 스핀 코팅, 닥터 블레이드 코팅, 드롭 캐스팅, 스크린 프린팅 및 잉크젯 프린팅 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 습식코팅방법은, 금속산화물이 용해된 용액을 준비하는 단계와, 상기 용액을 코팅하는 단계와, 열처리를 하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속산화물은 Ti를 포함하는 화합물일 수 있다.
또한, 상기 금속산화물은 Ti와 Cu를 포함하는 화합물일 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 태양전지의 광흡수층에 인접하여 자발분극 또는 잔류분극에 의해 내장전계를 형성한 전기분극층이 배치되어 있기 때문에, 상기 내장전계를 통해 광흡수에 의해 p-n접합 반도체 내에서 생성된 전자와 정공의 재결합을 감소시키는 동시에 전극에의 수집 효율을 개선하여 광전 변환 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양태에 따른 CIGS 박막 태양전지의 경우, 종래의 버퍼층을 대체하여 전기분극층을 형성할 경우, 추가적인 공정비용을 최소화하면서도 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 CIGS 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따른 태양전지의 경우, 광흡수가 가능하면서도 전기분극특성을 구현할 수 있는 물질을 포함시켜 광흡수층을 만들 경우, 추가적인 공정비용을 최소화하면서도 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지는 박막 태양전지는 물론 기존의 결정질 실리콘 태양전지에도 적용될 수 있다.
도 1은 전극과 광흡수층 사이에 내장전계를 발생하는 전기분극층이 배치된 태양전지에서 광전류가 증대되는 효과를 설명하는 도면이다.
도 2는 광흡수층이 다층으로 이루어져 있을 때, 상기 다층의 광흡수층 사이에 배치된 내장전계를 발생하는 전기분극층이 배치된 태양전지에서 광전류가 증대되는 효과를 설명하는 도면이다.
도 3은 내장전계를 발생하는 전기분극층을 형성할 수 있는 물질을 포함한 광흡수층이 형성된 태양전지에서 광전류가 증대되는 효과를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기분극 물질로서 압전소자(PZT)와 같은 강유전체를 적용한 경우에 있어서 격자구조와 히스테리시스 곡선을 나타낸 도면이다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 전기분극 물질로 사용한 CaTiO3와 CuTiO3의 페로브스카이트 격자구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 구현예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기분극층 형성에 있어서, SIMS(2차 이온 질량분석법) 측정 결과로서 두께에 대한 조성의 변화를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예들에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 첨부된 도면에서 막(층) 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장된 것이다.
본 발명에서는 추가적인 비용 소요를 최소화하면서도 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 방법에 대해 연구한 결과, 태양전지의 광흡수층과 전극 사이에 내장전계가 형성된 전기분극물질층을 삽입할 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 내장전계가 광 여기(photoexcitation)에 의하여 반도체 내에서 생성된 전하 캐리어(charge carrier)인 전자와 정공 각각에 대하여 순방향(전자에 대해서 전자가 수집되는 음극방향)으로 전기장을 인가하는 효과를 나타내어, 전자와 정공 사이의 상호 재결합을 감소시키는 동시에 전극에의 수집 효율을 개선할 수 있음을 밝혀내어 본 발명에 이르게 되었다(도 1에서 IEP는 전기분극층이 있을 때의 전류, IPH는 전기분극층이 없을 때의 전류임).
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 광흡수층이 다층 구조로 이루어진 경우, 전기분극물질층도 각층 사이에 배치될 경우, 전자와 정공 사이의 상호 재결합을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다(도 2에서 IEP는 전기분극층이 있을 때의 전류, IPH는 전기분극층이 없을 때의 전류임).
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 광흡수층을 광흡수가 가능하면서도 전기분극을 구현할 수 있는 물질로 형성할 경우, 별도의 추가 층을 형성하지 않고도 전자와 정공 사이의 상호 재결합을 감소시킬 수 있다.
도 4는 전기분극 물질의 하나의 예인 PZT(PbZrTiO3)와 같은 강유전체의 격자구조와 전기 히스테리시스 곡선을 나타낸 것이다. 도 4에 나타난 바와 같이, PZT의 경우 자발분극 특성이 있으며 외부 전기장에 의하여 좌측 도면의 중심에 있는 금속 원자(Ti 또는 Zr)가 위쪽 또는 아래쪽으로 변위될 경우 외부 전기장이 제거된 후에도 잔류분극이 발생하므로 내장전계를 형성할 수 있다.
도 5a와 도 5b는 전기분극 물질의 다른 예로 페로브스카이트 격자구조를 갖는 CaTiO3와 CuTiO3의 격자구조를 나타낸 것이며, 이들 물질은 모두 자발분극과 잔류분극의 특성을 나타내고, 본 발명에 따른 태양전지는 이와 같은 물질을 전극층과 광흡수층의 사이에 배치하는 것을 특징으로 한다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
*도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 박막 태양전지(100)는 기판(110), 하부전극(120), 광흡수층(130), 전기분극층(140), 상부전극(150)을 포함하여 구성된다.
이중 상기 기판(110)으로는 소다-라임 유리(soda-lime glass, SLG)를 포함하는 유리 기판, 세라믹 기판, 스테인리스강 기판을 포함하는 금속 기판, 폴리머 기판 등 당해 분야에 사용되는 것은 어떠한 것도 사용될 수 있다.
상기 하부전극(120)과 상부전극(150)은, 각각 광전효과로 생성된 전자와 정공을 받아들이며 외부로 전달시키기 위한 전극이며, 특히 상기 상부전극(150)은 도전성이 있는 투명한 물질로 형성된 투명전극으로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 투명전극으로는 예를 들어, ITO, FTO, ZnO, ATO, PTO, AZO, IZO 와 같은 투명 전도성 산화물이나 칼코지나이드와 같은 물질이 사용될 수 있으며, 본 발명의 하부전극(120)과 상부전극(150)의 특성을 구현할 수 있는 것이라면 그 물질에 제한이 없다.
상기 광흡수층(130)은 하나 이상의 n-형 반도체층과 하나 이상이 p-형 반도체층이 적층 형성되는 것으로, 상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 사이에는 추가로 광흡수층을 구비할 수도 있다. 상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층은 무기물, 유기물, 유기금속화합물, 유무기 복합체 또는 이들의 조합을 포함하는 화합물 반도체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전기분극층(140)은 자발분극 및/또는 잔류분극 현상에 의하여 내장전계를 형성하여 광 여기(photo excitation)에 의하여 상기 광흡수층(130)의 반도체 내에서 생성된 전하 캐리어인 전자와 정공 각각에 대하여 순방향으로 전기장을 인가하여 전자와 정공 사이의 상호 재결합을 감소시키기 위한 층으로, 자발분극 및/또는 잔류분극 현상을 통해 내장전계를 형성할 수 있는 전기분극물질이라면 어느 것이나 제한 없이 사용될 수 있다. 전기분극물질로는 강유전체 또는 이들의 복합물질이나, 반강유전체 또는 이들의 복합물질, 또는 페로브스카이트 결정구조를 갖는 물질 등이 있다.
상기 전기분극층(140)은 자발분극 특성 외에 외부의 전압원을 이용하여 전기분극층 양단에 순방향의 전기장을 인가할 경우 잔류분극을 증가시켜서 광 여기에 의해 생성된 전하 캐리어에 대한 순방향 전기장을 증가시킬 수 있다.
상기 강유전체로는, BaTiO3(BTO), PbZrTiO3(PZT), SrTiO3, CaTiO3, CuTiO3, KTaO3, KNbO3, NaNbO3, LiNbO3, ZrHfO2, BiFeO3 및 토르말린 등이 있고, 상기 반강유전체로는 ZrPbO, NHHPO, (NH)HIO, Cu(HCOO) 및 4HO 등이 있으나, 반드시 이들에 제한되는 것은 아니다. 또한, 강유전체나 반강유전체는 아니라도 CCTO(CaCu3Ti4O12)와 같이 잔류분극 특성을 나타내는 물질도 사용할 수 있다.
상기 전기분극층(140)의 두께는 10nm ~ 100nm 범위로 형성하는 것이 바람직한데, 이는 10nm 미만일 경우 전기분극층에 의한 전계 효과가 감소하고 100nm를 초과할 경우에는 전계 효과는 증가하지만 전자나 정공이 전극까지 이동하는 거리가 증가하므로 직렬저항이 증가하기 때문이다.
도 7은 본 발명의 다른 구현예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 구현예에 따른 박막 태양전지(200)는 기판(210), 하부전극(220), 전기분극물질을 포함하는 광흡수층(230) 및, 상부전극(250)을 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명의 다른 구현예의 경우, 상기 일 구현예의 전기분극층(140)과 광흡수층(130)이 하나의 층으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구조의 박막 태양전지는 제조 공정을 보다 간소화할 수 있게 한다.
전기분극층을 광흡수층으로도 활용하고자 할 경우, 상기 광흡수층은 p형 반도체, n형 반도체, i형(진성) 반도체 중의 한가지 물질이거나, 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
예를 들어, TiO2의 밴드갭 에너지(bandgap energy)는 3.0~3.2eV 정도로 자외선 흡수 및 광 여기가 가능하고, 불순물 원소를 첨가함에 따라 밴드갭 에너지가 1.25eV까지 감소하게 되므로 가시광 흡수도 가능하게 된다.
특히, 전기분극 특성이 있는 Cu 또는 Ca와 Ti를 포함하는 산화물의 경우, 밴드갭 에너지가 CuTiO3:0.53eV, CaCu3Ti4O12:0.57eV, Ca2Cu2Ti4O12:1.22 eV, Ca3CuTi4O12:2.30eV, CaTiO3:2.20~2.54eV 로 알려져 있으므로 Cu와 Ti를 포함하는 산화물은 그 조성에 따라 가시광 및 적외선 흡수도 가능하게 된다.
이에 따라, 전기분극 물질층 자체가 광흡수층의 역할도 할 수 있게 되므로 광흡수층과 전기분극 물질층을 통합하여 사용할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
*도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 박막 태양전지(300)는 기판(310), 하부전극(320), 광흡수층(330), 전기분극층(340), 버퍼층(360), 윈도우층(370), 상부전극(350)을 포함하여 구성된다.
상기 버퍼층(360)은 종래의 CIGS 박막 태양전지와 마찬가지로 CdS 박막을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 윈도우층(370)은 밴드갭이 충분히 커서 흡수층에 도달되는 가시광의 광량을 증가시키는 동시에 전자가 전극에 수집될 수 있도록 저항을 낮추는 역할을 하는 것으로, 비제한적인 예로서 ZnO나 도핑된 ZnO 등이 사용될 수 있다.
한편, 도 8에는 전기분극층(340) 상에 버퍼층(360)을 형성하였으나, 전기분극층(340)으로 인해 버퍼층(360)을 적용하지 않는 것이 경제적이므로, 버퍼층(360)을 전기분극층(340)으로 대체하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은, 일반적인 박막 태양전지의 제조방법에 추가로 전기분극층을 형성하는데 특징이 있다.
상기 전기분극층을 형성하는 방법으로는 통상적인 스퍼터링법, 증발법과 같은 물리기상증착(PVD: physical vapor deposition)법 또는 화학기상증착(CVD: chemical vapor deposision)법, 그리고 원자층 증착(ALD: atomic layer deposition)법 등이 이용될 수 있다.
이중 스퍼터링법을 사용할 경우, 진공 챔버 안에 형성하고자 하는 전기분극 재료의 타겟(target)을 설치하고 진공상태에서 Ar 등의 불활성 가스를 주입하며 플라즈마를 발생시켜서 Ar 이온이 타겟에 충돌하여 방출되는 전기분극 물질이 광흡수층 상에 박막으로 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 증발법을 사용할 경우, 진공 챔버의 증발원 홀더에 전기분극 재료의 분말을 장입하고 저항 가열에 의하여 해당 물질의 원자를 증발시킴으로써 광흡수층 상에 전기분극층이 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 화학기상증착(CVD)법을 사용할 경우, 전구체로 금속을 포함하는 유기금속 착화합물 가스를 사용하며, 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스와 같은 불활성 가스를 전달 가스로 사용하여, 공지의 화학기상증착 조건을 통해, 전기분극 재료의 박막 즉, 전기분극층이 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 원자층 증착(ALD)법을 사용할 경우, 전기분극 재료의 원료 전구체를 유입하여 흡착시키는 단계, 퍼지 가스를 이용하여 부산물을 탈착시키고 잔류 가스를 제거하는 단계, 반응 가스를 공급하여 흡착된 물질과 반응시키는 단계, 퍼지 가스를 이용하여 부산물을 탈착시키고 잔류 가스를 제거하는 단계를 포함하는 사이클을 반복하여 원하는 두께로 전기분극층을 형성할 수 있다.
이와 같이 형성된 전기분극 물질의 내장전계는, 강유전체나 반강유전체의 잔류분극 특성을 이용하여 전기분극층의 양단에 소정의 전기장을 인가하여 잔류분극을 증대시키게 되면 태양전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
[실시예 1]
본 발명의 실시예 1에서는 CIGS 박막 태양전지를 다음과 같은 과정을 통해 제조하였다.
먼저, SLG 유리 기판상에, 스퍼터링 방법을 사용하여 Mo 층을 약 1㎛ 두께로 증착하여 하부전극을 형성하였다. 이어서 CIGS 박막을 약 2㎛ 두께로 증착하여 광흡수층을 형성하였다.
CIGS 광흡수층을 형성하는 방법으로는 Cu, In, Ga, Se 등의 원소를 개별적으로 고진공 분위기에서 동시에 증발시키고, 기판을 500~600℃ 범위에서 가열하여 증착하는 동시증발법과 Cu, Ga, In 등의 원소를 포함하는 전구체 또는 Cu, Ga, In 및 Se를 포함하는 전구체를 이용하여 박막을 형성한 다음 H2Se 기체 혹은 Se 증기 분위기에서 셀렌화를 진행하는 2단계 방법 등이 있다.
또한, 전구체 박막을 형성하는 방법으로는 동시증발법과 스퍼터링 증착 등의 진공 방식이 가장 널리 사용되고 있지만, 공정 비용을 낮추기 위하여 전기도금, 잉크프린팅, 스프레이 열분해법 등과 같은 비진공 방식도 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예 1에서는 동시증발법을 적용하여 기판온도 550℃에서 30~60분 동안 증착하여 CIGS 광흡수층을 형성하였다.
전기분극층을 형성하는 방법으로는, 광흡수층의 일면에 금속산화물층을 형성한 후, 상기 광흡수층과 금속산화물층 사이에 화학반응이 일어나도록 하여, 전기분극을 형성하는 물질층을 만드는 방법을 사용할 수 있다.
이때, 금속산화물층은 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD) 또는 원자층증착(ALD) 등의 진공증착 방법을 통해 형성될 수 있다.
일례로, 원자층증착법을 이용하여, Ti 화합물이 혼합된 전구체를 광흡수층에 흡착시키는 단계와, 상기 Ti 화합물이 혼합된 전구체의 흡착층을 산화시켜 산화물로 형성하는 단계를 통해 전기분극층을 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, CIGS 층 상에 TiO2 층을 형성하거나 형성한 후의 열처리를 통해 CIGS 층을 구성하는 Cu, Ga, In 원자와 TiO2 층이 화학반응을 일으키도록 하는 방법을 통해, (Cu,Ga,In)TixOy (x, y는 임의의 양수) 복합 화합물층을 형성할 수 있는데, 이 복합 화합물은 전기분극층으로 기능할 수 있다.
또한, 원자층증착법을 통해 전기분극층을 형성할 경우, 예를 들어, Ca 화합물 및/또는 Cu 화합물과 Ti 화합물이 혼합된 전구체를 사용하여 형성할 수도 있다.
Ca 화합물과 Ti 화합물이 혼합된 전구체를 사용하여 원자층 증착법을 이용하여 전기분극층을 형성할 경우, Ca 및 Ti 화합물 전구물질을 상기 광흡수층에 흡착시키는 단계와, 상기 전구물질의 흡착층을 산화반응에 의하여 산화물로 형성하는 단계를 포함하여 형성할 수 있다.
이때 Ca 화합물 전구체로는 Ca(Thd)2(Tetraen) [=C30H61CaN5O4], Ca3(thd)6 [= Ca3(C11H20O2)6] 등에서 한가지 이상의 물질을 적용할 수 있으며, Ti 화합물 전구체로서는 Ti(O-iPr)2(DPM)2[=Ti(C3H7O)2(C11H19O2)2] TiO(thd)2 [= TiO(C11H20O2)2] 등에서 한가지 이상의 물질을 적용할 수도 있다.
또한, Cu 화합물과 Ti 화합물이 혼합된 전구체를 사용하여 원자층 증착법을 이용하여 전기분극층을 형성할 경우, Cu 및 Ti 화합물 전구물질을 상기 광흡수층에 흡착시키는 단계와, 상기 전구물질의 흡착층을 산화반응에 의하여 산화물로 형성하는 단계를 포함하여 형성할 수 있다.
이때 Cu 화합물 전구체로는 Cu(hfac)(tmvs)[=C10H13CuF6O2Si], Cu(hfac)2 [=Cu(CF3COCHCOCF3)2], (hfac)Cu(DMB) [=Cu(CF3COCHCOCF3)[CH2CHC(CH3)3]], Cu(ethylketoiminate)2 [=Cu[(CH3COCHCN(CH2CH3)CH3)]2] 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 적용할 수 있고, Ti 화합물 전구체로서는 Ti(O-iPr)2(DPM)2 [=Ti(C3H7O)2(C11H19O2)2]와 TiO(thd)2 [=TiO(C11H20O2)2] 중에서 하나 이상의 물질을 적용할 수도 있다.
본 발명의 실시예 1에서는 CIGS 층 위에 원자층증착법을 사용하여 TiO2 박막을 200℃ 이상의 온도에서 증착하거나, 200℃ 이하의 온도에서 TiO2 박막을 증착한 후에 200℃ 이상의 온도로 열처리하는 과정을 통하여, CIGS 층을 구성하는 Cu, Ga 및/또는 In 원자와의 상호 확산 및 화학반응에 의하여 CuTiO3 및 GaTiO3를 포함하는 금속산화물로 이루어진 전기분극층이 형성되도록 하였다.
보다 구체적으로, TiO2 박막을 형성할 경우, Ti 화합물 전구체로는, tetrakis(dimethylamino)titanium(TDMAT:Ti[N(CH3)2]4), tetrakis(diethylamido) titanium(TDEAT:Ti[N(C2H5)2]4), tetrakis(ethylmethylamido)titanium(TEMAT:Ti [N(C2H5)(CH3)]4), tetraisopropoxide(TTIP: Ti[OCH(CH3)2]4) 등이 사용될 수 있다.
그리고 원자층 증착 단계는 시간대별로 4개 구간으로 구분한 공정이 반복하여 진행된다.
먼저, Ar을 희석가스로 하여 Ti 화합물 전구체를 이용하여 전구물질을 흡착시켜서 전구물질(Ti 화합물)의 흡착층을 형성하는 단계(제1단계)와, Ar가스로 부산물과 잔류가스를 제거하는 단계(제2단계)와, 산소를 주입하면서 플라즈마를 발생시켜서 흡착층과의 산화반응을 일으키는 단계(제3단계)와, Ar 가스로 부산물과 잔류가스를 제거하는 단계(제4단계)를 포함하여 TiO2 박막 또는 Ti 화합물의 산화막을 형성한다.
예를 들어, 상기 제1단계는 0.3~5초, 제2단계는 10~20초, 제3단계는 3~5초, 제4단계는 10~20초 동안 진행하며, 반응온도는 100~300℃에서 상기 4개의 단계를 1개의 사이클로 하여 성막 두께와 성막 속도(약 0.1nm/sec)에 따라 100~500 사이클을 반복하면 50nm의 두께까지 전기분극물질을 형성할 수 있다.
바람직하게는 200℃에서 제1단계는 1초, 제2단계는 10초, 제3단계는 3초, 제4단계는 5초로 구성된 원자층 증착 사이클을 500회 적용하여 형성되는 TiO2와 CIGS층이 화학적으로 반응하도록 하여, 약 50nm의 Ti 화합물의 산화물질로 이루어진 전기분극층이 형성되도록 한다. 이때 각각의 단계에서 기체의 주입속도는 50sccm을 적용할 수 있으며, 제1단계에서는 Ti 화합물 전구체와 함께 수소(H2) 기체를 동시에 적용할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따라 제작한 CIGS 박막 및 전기분극층에 대하여 SIMS를 이용하여 두께에 따른 조성의 변화를 측정한 결과로서, TiO2 박막을 200℃에서 증착하는 동안에 TiO2 층이 CIGS 박막 중의 Cu, Ga 및 In 원자와의 상호 확산과 화학반응에 의하여 계면에서 혼합 산화물[(Cu,Ga,In)TixOy]로 이루어진 전기분극층이 폭넓게 형성됨을 보여준다.
한편 본 발명의 실시예 1에서는 전기분극층을 광흡수층과 전극 사이에 하나의 층만 배치하였으나, 양쪽의 전극에 인접하여 전자의 수집방향과 정공의 수집방향 각각에 대하여 도입함으로써 내장전계를 양쪽에 형성하는 등 하나의 태양전지 내에 2개 이상의 전기분극층을 적용할 수 있다.
한편, 상기 전기분극층 상에 종래의 CIGS 태양전지와 마찬가지로 약 50nm두께의 CdS 층으로 이루어진 버퍼층을 형성할 수도 있으나, 본 발명의 실시예 1에 따른 전기분극층은 버퍼층의 역할도 수행할 수 있어 CdS 층을 형성하지 않는 것이 제조비용의 측면에서 바람직하므로, CdS층을 형성하지 않았다.
마지막으로 상기 전기분극층 상에 약 0.5㎛ 두께로 ITO층을 증착하여 윈도우층을 형성하고, 상기 윈도우층 상에 Al 그리드층을 형성하여 상부전극을 형성함으로써, CIGS 박막 태양전지를 완성하였다.
이와 같이 제조된 CIGS 박막 태양전지의 전기분극층은 자발분극을 통해 내부 전계를 형성한다.
하기 표 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 CIGS 박막 태양전지의 특성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
항목 (단위) 측정치
Voc (V) 1.05
Isc (mA) 659.3
Jsc (mA/㎠) 105.5
fill factor (%) 38.3
효율 (%) 42.4
상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 CIGS 박막 태양전지는 42% 이상의 높은 광전 변환 효율을 나타내었다.
또한, 본 발명의 실시예 1에 따른 태양전지의 경우, 외부에서 순방향 또는 역방향에 관계없이 전기장을 인가하면 전류가 발생하였으므로, 상기 전기분극층은 내장전계를 제공하는 동시에 전하 캐리어에 대하여 터널링 유전체(또는 커패시터)의 역할을 하는 것으로 나타났다.
특히, 전기분극층은 자발분극 특성 외에 외부의 전압원을 이용하여 전기분극층 양단에 순방향의 전기장을 인가할 경우 잔류분극을 증가시켜서 광 여기에 의해 전하 캐리어에 대한 순방향 전기장을 증가시킬 수 있다.
[비교예]
본 발명의 비교예에서는 실시예 1과 동일한 구조를 갖는 CIGS 박막 태양전지를 형성하였는데, 전기분극층을 제외한 나머지는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
여기서는 전기분극층을 형성함에 있어서, 전기분극 효과를 확인하기 위하여 절연 박막층을 전기분극층을 형성하기 이전에 개재시킴으로써 전기분극 효과가 감소되는지에 대한 여부를 확인하였다. 절연 박막층으로는 절연 물질인 Al2O3 박막을 Al 화합물 전구체를 이용하여 원자층 증착법으로 약 10nm의 두께로 형성하였다.
이때 ALD 공정을 적용함에 있어서, Al 화합물 전구체로서는 알루미늄 하이드라이드(aluminum hydride: AlH3), 트리메틸 알루미늄(trimethylaluminum: (CH3)3Al), 디메틸 알루미늄 하이드라이드(dimethyl aluminum hydride: (CH3)2AlH), 디메틸에틸아민 알란(dimethylethylamine alane: [(CH3)2C2H5N]AlH3) 중에서 선택된 1 종 이상을 이용하였다.
원자층 증착 단계는 실시예 1과 유사하게 시간대별로 4개 구간으로 구분하여 진행하였으며, 구체적으로 Ar을 희석가스로 하여 Al-전구체를 흡착시키는 제1단계, Ar 가스로 부산물과잔류가스를 제거하는 제2단계, 산소 플라즈마를 발생시켜서 산화반응을 일으키는 제3단계, Ar 가스로 부산물과 잔류가스를 제거하는 제4단계를 거쳐서 Al2O3 박막을 형성하였다. 한편, 제1단계에서는 Al 화합물 전구체와 함께 수소(H2) 기체를 동시에 적용할 수도 있다.
이때, 상기 제1단계는 0.3~5초, 제2단계는 10~20초, 제3단계는 3~5초, 제4단계는 10~20초 동안 진행하며, 반응온도는 100~300℃에서 상기 4개의 단계를 1개의 사이클로 하여 성막 두께와 성막 속도(약 0.2nm/sec)에 따라 50회~100회 사이클을 반복하여 10~20nm의 두께로 절연 박막층을 형성할 수 있으며, 본 비교예에서는, 100℃에서, 제1단계는 0.1초, 제2단계는 10초, 제3단계는 3초, 제4단계는 5초로 구성된 원자층 증착 사이클을 50회 적용하여 약 10nm의 Al2O3 물질로 된 박막층을 형성할 수 있었다.
이후 Al2O3 절연 박막층 위에 실시예 1과 동일하게 Ti 화합물 전구체를 이용하여 원자층 증착법으로 전기분극층을 형성하였으며, 그 결과 약 10nm의 Al2O3 절연 박막층과 혼합 산화물[(Cu,Ga,In)TixOy]의 전기분극층이 형성된 태양전지를 제작하였다.
이렇게 제작한 태양전지는 효율(%)이 3.3%로 실시예 1에 비해 효율이 상당히 낮은 값을 나타내었다. 이것은 절연 박막층이 개재됨에 따라 전기분극층의 형성이 감소되어 나타난 결과인 것으로 유추할 수 있다.
하기 표 2는 비교예에 따라 제작한 태양전지에 역방향 전압을 인가하여 잔류분극을 형성한 후에 광전류를 측정한 결과를 나타낸 것인데, 하기 표 2에 나타난 바와 같이, -5V의 역방향 전압을 인가하여 하면 태양전지의 광전류가 급격히 증가하는 현상을 보여주며, 이러한 현상은 태양전지 내부에 형성된 전기분극층의 잔류분극이 증가하는 것에 기인한 결과로 유추된다.
이상에서 알 수 있는 바와 같이, 전기분극층을 갖는 태양전지에 있어서 잔류분극을 증가시킬 수 있는 범위에서 역방향 전압을 인가하면 태양전지의 효율을 개선할 수 있다.
인가전압(V) -0.2 -2 -5
광전류(mA) 52.5 38.7 554.6
한편, 태양광 조사가 없는 암(dark) 상태에서 태양전지 셀에 역방향 바이어스를 증가시키면 누설전류(leakage current)가 급격히 증가하면서 셀이 파괴되는 파괴전압(breakdown voltage)이 존재하는데, 실험에 의하면 셀에 따라 -3 ~ -5V 사이의 값을 나타낸다. 그러므로 전기분극을 증가시키기 위한 역방향 전압은 무한정 높은 값을 가할 수는 없으며, 태양전지 셀의 파괴전압 이내에서 인가되어야 한다.
[실시예 2]
본 발명의 실시예 1에 있어서는 진공증착 방법을 적용하여 태양전지를 제조하였으나, 비진공 증착방법인, 화학적 용액 성장(chemical bath deposition; CBD), 스핀 코팅(spin coating), 닥터 블레이드 코팅(doctor-blade coating), 드롭 캐스팅(drop-casting), 스크린 프린팅(screen printing) 및 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 등의 습식 코팅 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예 2에 따른 태양전지는 습식 코팅 방법을 적용하여 전기분극층을 형성한 것을 포함한다.
먼저, SLG 유리 기판 상에, 스핀 코팅 방법을 사용하여 Ag 또는 Cu 층을 약 1㎛ 두께로 코팅하여 하부전극을 형성한다. 이어서 p-n 접합(junction) 구조의 반도체로 이루어진 CIGS를 제작하기 위하여 Cu, In, Ga, Se, S 등의 구성원소를 포함하는 전구체 용액을 제조하고 스핀 코팅 및 닥터블레이드 코팅 등으로 기판 위에 형성하고 이를 열처리함으로써 약 3㎛ 두께로 증착하여 광흡수층을 형성한다.
상기 전구체 물질은 화합물 원료로서 CuAc2 H2O, InAc3, GaCl3 등을 에탄올(ethanol)과 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)에 용해시킨 용액을 사용하거나, CuCl2 2H2O, InCl3, GaCl3와 Se 원료를 디에틸라민(diethylamine)에 용해시킨 용액, CuI 또는 [Cu(CH3CN)4](BF4)2와 InI3, GaI3이 용해된 피리딘(pyridine) 용액과 Na2Se이 용해된 메탄올(methanol)용액을 혼합한 용액, 또는 Cu2S, In2Se3, Ga, S, Se 등의 원료를 용해시킨 히드라진(hydrazine) 용액 등을 사용하는 것을 포함한다.
전기분극층은, 예를 들어, Cu, Ti, O 등의 구성원소를 포함하는 전구체 용액을 제조하고 습식 코팅으로 기판 위에 박막층을 형성하고 이를 열처리함으로써 형성된다. 이러한 경우 다음과 같은 단계를 거쳐서 전기분극물질을 갖는 CIGS 박막 태양전지를 제작할 수 있다.
구체적으로, 광흡수층 표면에 스핀 코팅 방법을 이용하여 CuTiO3 박막을 약 10~100nm의 두께로 형성하여 전기분극층을 형성한다. 이때, Cu 전구체로서는 CuAc2 H2O, CuCl2 2H2O, CuI, [Cu(CH3CN)4](BF4)2 중에서 하나 이상의 물질을 이용하고, Ti 전구체로서 염화타이타늄(TiCl4), 타이타늄 이소프록사이드[Ti(OCH(CH3)2)4]나 타이타늄 부톡사이드[Ti(O(CH2)3CH3)4] 중에서 하나 이상의 물질을 이용한다. 이들의 전구체를 에탄올(ethanol)이나 이소프로판올(iso-propanol)에 1M 농도로 희석하고, pH 1.5 이상의 희석 질산 용액, IPA 등을 혼합하여 용액을 형성하고 산화/환원 반응을 통하여 CuTiO3를 포함하여 (Cu,Ti)xOy 박막을 형성할 수 있다.
마지막으로 상기 전기분극층 상에 약 1㎛ 두께로 Ag 층을 스크린 프린팅 방법으로 형성하여 상부전극을 형성함으로써, CIGS 박막 태양전지를 완성한다.
[실시예 3]
본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 있어서는 태양전지 내에 전기분극층을 형성하는 경우의 예를 기술하였으나, 태양전지 외부에 전기분극층을 직렬로 연결하여 적용할 수도 있다. 즉, 기판-하부전극-광흡수층(또는 p-n 접합 반도체층)-상부전극으로 이루어진 일반적인 태양전지 구조에 있어서, 기판과 하부전극 사이 또는 상부전극 위쪽, 또는 이들을 포함하여 양쪽에 전기분극층이 전극에 직렬로 연결되도록 형성하면 전기분극층의 자발분극을 이용하거나 전기분극층에 전기장을 인가하여 형성되는 잔류분극을 이용하여 태양전지에서 수집되는 전자와 정공에 대하여 순방향의 전계를 인가하는 효과를 얻을 수 있게 된다.
이러한 경우에도 상기 기술한 전기분극층의 형성방법을 동일하게 적용할 수 있으며, 다만, 전기분극층에 전기장을 인가하기 위하여 전기분극층의 상부 및 하부 양면에 전극이 연결될 수 있도록 전극을 추가로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.한편, 이때는 전기분극층의 두께나 터널링 특성에 관하여 특별한 제한을 두지 않는다.
또한, 상기 전기분극 물질은 광흡수층이 p형 반도체, n형 반도체, i형(진성) 반도체 중의 한가지 물질이거나, 이들의 조합으로 구성되는 태양전지 구조에 모두적용할 수 있다.
이상과 같은 내장전계를 갖는 태양전지 구조는 Si 박막 태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기 태양전지 등 기판을 사용하는 다른 박막형 태양전지나 결정질 태양전지 등 통상적인 태양전지에 대해서도 동일한 효과를 위하여 적용할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300: 태양전지
110, 210, 310: 기판
120, 220, 320: 하부전극
130, 230, 330: 광흡수층
140, 240, 340: 전기분극층
150, 250, 350: 상부전극

Claims (34)

  1. 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층과,
    상기 광흡수층과 상기 전극 중 어느 하나의 사이에 내장전계를 형성하는 전기분극물질을 포함하는 전기분극층이 형성된 태양전지로서,
    상기 광흡수층은 M1, M2, X(여기에서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 또는 이들의 조합, X는 Se, S 또는 이들의 조합임)및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함하는 태양전지.
  2. 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 형성되고 상기 광흡수층의 일면에 전기분극물질을 포함하는 버퍼층이 형성되는 화합물 반도체 태양전지에 있어서,
    상기 광흡수층은 M1, M2, X(여기에서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 또는 이들의 조합, X는 Se, S 또는 이들의 조합임)및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함하는 태양전지.
  3. 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 형성되는 태양전지에 있어서,
    상기 광흡수층은 M1, M2, X(여기에서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 또는 이들의 조합, X는 Se, S 또는 이들의 조합임)및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함하고,
    상기 광흡수층이 내장전계를 형성하는 전기분극물질을 포함하는 태양전지.
  4. 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 형성되는 태양전지에 있어서,
    상기 태양전지의 하나 이상의 전극에 내장 전계를 형성하는 전기분극물질을 포함하는 전기분극층이 직렬로 연결된 것을 포함하며,
    상기 광흡수층이 M1, M2, X(여기서 M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Ge, Sn 또는 이들의 조합, X는 Se, S 또는 이들의 조합임) 및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함하는 금속산화물을 포함하는 태양전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분극물질은 자발 분극 특성을 갖는 태양전지.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분극물질은 잔류 분극 특성을 갖는 태양전지.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분극물질은 강유전체 또는 이를 포함하는 복합물질인 태양전지.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분극물질은 반강유전체 또는 이를 포함하는 복합물질인 태양전지.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분극물질은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질인 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 두 전극에 인접하여 2 이상의 전기분극층이 형성되는 태양전지.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분극물질은 터널링 유전체 또는 커패시터의 특성을 갖는 태양전지.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분극물질은 2.54eV 이하의 밴드갭 에너지를 갖는 물질을 포함하는 태양전지.
  13. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전기분극층의 두께는 10nm ~ 100nm인 태양전지.
  14. 삭제
  15. 제7항에 있어서,
    상기 강유전체는 BaTiO3(BTO), PbZrTiO3(PZT), SrTiO3, CaTiO3, CuTiO3, KTaO3, KNbO3, NaNbO3, LiNbO3, ZrHfO2, BiFeO3 및 토르말린 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 태양전지.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 반강유전체는 ZrPbO, NHHPO, (NH)HIO, Cu(HCOO) 및 4HO 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 태양전지.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질은 CCTO(CaCu3Ti4O12)를 포함하는 태양전지.
  18. 삭제
  19. 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 형성되는 태양전지의 제조방법으로,
    상기 전극과 광흡수층의 사이 또는 상기 광흡수층에 내장전계를 형성하는 전기분극물질로 이루어진 전기분극층을 형성하며,
    상기 전기분극층은, 상기 광흡수층의 일면에 금속산화물층을 형성하는 단계와, 상기 광흡수층과 금속산화물층 사이에 화학반응을 시키는 단계를 포함하는 공정을 통해 형성되는 태양전지의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전기분극층의 양단에 전기장을 인가하여 내장전계를 증가시키는 태양전지의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 내장전계를 증가시키기 위한 전기장은 태양전지의 역방향 파괴전압 이내에서 인가하는 태양전지의 제조방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 금속산화물층을 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 원자층 증착(ALD) 또는 습식 코팅 방법에 의해 형성하는 태양전지의 제조방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 금속산화물층은, Ca 화합물 전구물질과 Cu 화합물 전구물질 중 어느 일방 또는 양방과, Ti 화합물 전구물질을 상기 광흡수층에 흡착시키는 단계와, 상기 전구물질의 흡착층을 산화반응에 의하여 산화물로 형성하는 단계를 포함하는 과정을 통해 형성되는 태양전지의 제조방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 Ca 화합물 전구물질은, Ca(Thd)2(Tetraen) 및 Ca3(thd)6 중에서 선택된 하나 이상인 태양전지의 제조방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 Cu 화합물 전구물질은, Cu(hfac)(tmvs)[=C10H13CuF6O2Si], Cu(hfac)2 [=Cu(CF3COCHCOCF3)2], (hfac)Cu(DMB)[=Cu(CF3COCHCOCF3)[CH2CHC(CH3)3]], Cu(ethylketoiminate)2[=Cu[(CH3COCHCN(CH2CH3)CH3)]2] 중에서 선택된 하나 이상인 태양전지의 제조방법.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 Ti 화합물 전구물질은, Ti(O-iPr)2(DPM)2[=Ti(C3H7O)2(C11H19O2)2], TiO(thd)2[=TiO(C11H20O2)2] 중에서 선택된 하나 이상인 태양전지의 제조방법.
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 제19항에 있어서,
    상기 금속산화물층은, Ti를 함유하는 전구물질을 사용하여 원자층 증착에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 Ti를 함유하는 전구물질은, 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄, 테트라키스(디에틸아미도 티타늄, 테트라키스(에틸메틸아미도) 티타늄, 테트라이소프로폭사이드 또는 이들의 조합인 태양전지의 제조방법.
  31. 제22항에 있어서,
    상기 습식코팅방법은, 화학적 용액 성장, 스핀 코팅, 닥터 블레이드 코팅, 드롭 캐스팅, 스크린 프린팅 및 잉크젯 프린팅 중에서 선택된 하나 이상인 태양전지의 제조방법.
  32. 제22항에 있어서,
    상기 습식코팅방법은,
    금속산화물이 용해된 용액을 준비하는 단계와,
    상기 용액을 코팅하는 단계와,
    열처리를 하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 금속산화물은 Ti를 포함하는 화합물인 태양전지의 제조방법.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 금속산화물은 Ti와 Cu를 포함하는 화합물인 태양전지의 제조방법.
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