KR101672304B1 - 투명도가 제어된 화합물 반도체 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화합물 반도체 태양전지에 관한 것으로, 상세하게 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지는 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 위치하며 열린 공극을 갖는 전도성 네트워크; 상기 전도성 네트워크와 대응되는 형상을 가지고, 전도성 네트워크와 접하여 위치하는, 화합물 반도체인 광흡수체 네트워크;를 포함하며, 상기 전도성 네트워크는 서로 대응되는 형상을 갖는 상부 네트워크와 하부 네트워크가 적층된 적층형 네트워크이고, 상기 상부 네트워크는 상기 광흡수체 네트워크와 접하며, 상기 광흡수체 네트워크의 화합물 반도체와 오믹 접합을 하는 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물이고, 상기 하부 네트워크는 상기 상부 네트워크의 전기전도도보다 상대적으로 큰 전기전도도를 갖는 제2금속인 특징이 있다.

Description

투명도가 제어된 화합물 반도체 태양전지{Compound Semiconductor Solar Cell having Controlled Transparency}
본 발명은 투명도가 제어된 화합물 반도체 태양전지에 관한 것으로, 상세하게, 설계된 투명도를 가지며 낮은 내부 저항을 갖는 화합물 반도체 기반 태양전지에 관한 것이다.
최근 환경문제와 천연자원의 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 환경오염에 대한 문제가 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양전지는 구성성분에 따라 실리콘 반도체 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 적층형 태양전지 등으로 분류되며, CIGS로 대표되는 화합물 반도체 기반 태양전지는 실리콘 반도체 태양전지에 버금가는 효율을 가질 뿐만 아니라, 전기 광학적으로 극히 안정하여, 실리콘 반도체 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있다.
그러나, 일반적인 CIGS 박막 태양전지의 경우, Mo와 같은 후면 전극과 광을 흡수하는 광흡수층 박막에 의해 광의 투과가 차단되어 불투명한 특성을 나타내며, 이에, 건물 창문, 자동차 유리등 투명성이 요구되는 산업분야에 응용이 제한되는 한계가 있다. 그러나, 대한민국 등록특허 제1382486호과 같이, 종래 주된 연구 방향은 태양전지의 효율을 향상하는 것에 주된 초점이 맞추어진 상태이므로, 채광성이 확보되면서도, 우수한 효율을 가지며, 장기간동안 안정적으로 동작할 수 있는 반투명한 박막 태양전지의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허 제 1382486호
본 발명은 투명도가 조절되는 화합물 반도체 기반 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이며, 상세하게, 건물 창문, 자동차 유리등 투광성이 요구되는 응용분야에 활용 가능한 투명도를 가지면서도, 우수한 유연성을 가지며, 전지 효율이 향상된 화합물 반도체 기반 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지는 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 위치하며 열린 공극을 갖는 전도성 네트워크; 상기 전도성 네트워크와 대응되는 형상을 가지고, 전도성 네트워크와 접하여 위치하는, 화합물 반도체인 광흡수체 네트워크;를 포함하며, 상기 전도성 네트워크는 서로 대응되는 형상을 갖는 상부 네트워크와 하부 네트워크가 적층된 적층형 네트워크이고, 상기 상부 네트워크는 상기 광흡수체 네트워크와 접하며, 상기 광흡수체 네트워크의 화합물 반도체와 오믹 접합을 하는 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물이고, 상기 하부 네트워크는 상기 상부 네트워크의 전기전도도보다 상대적으로 큰 전기전도도를 갖는 제2금속인 특징이 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 전도성 네트워크는 다공 망 구조, 콤브(comb) 구조 또는 상호 맞물린(interdigitated) 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 하부 네트워크는 제2금속의 와이어, 로드 및 플레이트(plate)에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 구조체가 불규칙적으로 얽힌 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 하부 네트워크는 네트워크를 이루는 구조체간의 결착에 의해 일체화된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 하부 네트워크는 열 또는 광에 의해 구조체간 서로 접촉하는 접촉 영역이 용융 결착한 것일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 하부 네트워크는 압착에 의해 상기 투명 기판의 표면과 평행한 표면 영역이 형성되도록 물리적으로 변형된 제2금속의 와이어를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 제2금속은 은, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 철 및 이들의 합금에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에 있어, 전도성 네트워크는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
(관계식 1)
0.1≤ Snw1/Ssub ≤0.95
관계식 1에서, Ssub는 상기 전도성 네트워크가 위치하는 투명 기판 일 표면의 표면적이며, 상기 Snw1은 상기 전도성 네트워크에 의해 덮이는 투명 기판의 표면적이다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 화합물 반도체는 구리 및 12족 내지 14족에서 하나 이상 선택되는 원소의 칼코젠 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 광흡수체 네트워크는 전기도금법 또는 인쇄법에 의해 상기 전도성 네트워크의 형상과 대응되는 형상으로 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 화합물 반도체 태양전지는 상기 흡수체 네트워크 상부에 위치하는, 버퍼층 및 투명전극층에서 하나 이상 선택되는 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 투명 기판은 플렉시블 기판일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 광흡수체 네트워크에는, 화합물 반도체가 미 형성된 미형성 영역이 존재하며, 상기 미형성 영역은 상기 전도성 네트워크가 위치하는 투명 기판의 표면과 평행한 가상의 면인 제1면을 기준으로, 제1면 내(in-plane)에서 서로 직교하는 두 축을 x축과 y축이라 할 때, x축과 y축 중 적어도 한 축과 평행하여 광흡수체 네트워크를 가로지르도록 이격 배열되는 다수개의 라인 형상일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 미형성 영역에 상응하는 상기 전도성 네트워크의 상부에는, 절연성 폴리머가 위치할 수 있다.
본 발명은 상술한 화합물 반도체 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈을 포함한다.
본 발명은 상술한 화합물 반도체 태양전지에 의해 전력이 공급되는 장치를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지는 전극 및 광흡수체가 형성된 흡광 영역과, 전극 및 광흡수체가 미형성된 투광 영역이 균일하게 공존함으로써, 전지의 투명성을 확보할 수 있으며, 흡광 영역 대비 투광 영역의 비를 조절함으로써, 설계된 투명도를 가질 수 있다. 이러한 조절된 투명도에 의해, 조사되는 광이 태양전지를 투과할 수 있어 건물 창문, 자동차 유리등, 투광성이 요구되는 응용분야에 적용 가능한 장점이 있다. 또한, 전도성 네트워크가 광흡수체와 오믹 컨택을 하는 상부 네트워크와 우수한 전기전도도를 담보하는 하부 네트워크가 적층된 적층형 네트워크임에 따라, 상부 네트워크에 의해 양질의 화합물 반도체로부터 생성된 광전류를 효과적으로 모을 수 있으며, 하부 네트워크에 의해, 상부 네트워크에 모인 광전류를 안정적이며 손실 없이 전지 외부로 이송시킬 수 있다. 이에 따라, 균일한 투명성을 확보할 수 있으면서도, 낮은 전지 내부 저항에 의해 향상된 효율을 가질 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지는 유연성 투명 기판과 함께, 광흡수체 네트워크에 화합물 반도체가 미 형성된 미형성 영역이 존재함에 따라, 고도의 휘어짐에도 안정적인 구동이 가능하고, 반복적인 물리적 변형에도 전지의 수명이 장기간 유지되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에서, 전도성 네트워크의 일 예를 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에서, 전도성 네트워크의 다른 일 예를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에서, 전도성 네트워크의 또 다른 일 예를 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에서, 하부 네트워크(도 4(a)) 및 전도성 네트워크(도 4(b))의 또 다른 일 예를 도시한 도면이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에서, 하부 네트워크의 단면을 도시한 다른 일 예이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 단면을 도시한 일 단면도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 단면을 도시한 다른 일 단면도이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 단면을 도시한 또 다른 일 단면도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 화합물 반도체 태양전지를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명을 상술함에 있어, 네트워크는 열린 기공을 갖는 다공성 구조이되, 구조내의 임의의 일 점에서 다른 임의의 일 점까지 연속적으로 연결된 구조를 의미할 수 있다. 광전류 흐름 측면에서, 네트워크는 열린 기공을 갖는 다공성 구조이되, 구조내의 임의의 일 점에서 다른 임의의 일 점으로 전류이동경로가 형성된 구조를 의미할 수 있다. 물질 측면에서, 일 물질의 네트워크는 일 물질이 연속체(continuum)를 이루되, 열린 기공에 의해 다공 구조를 갖는 구조를 의미할 수 있다. 이때, 화합물 반도체 태양전지의 각 구성요소가 적층되는 방향을 두께 방향으로 하여, 열린 기공은 두께 방향으로 열린 기공을 의미할 수 있으며, 구체적으로 두께 방향으로의 관통형 기공을 의미할 수 있다. 두께 방향으로의 관통형 기공을 갖는 다공성 구조 측면에서, 네트워크는 전지의 두께 방향으로의 관통형 기공을 갖는 2차원적 네트워크를 의미할 수 있다. 이때, 후술하는 바와 같이, 전도성 네트워크 중 하부 네트워크가 구조체들의 분산 및 상호 접촉에 의해 이루어지는 경우와 같이, 2차원적 네트워크는 거시적으로, 규칙적 또는 불규칙적 형상이나 분포를 갖는 관통형 기공들이 존재하는 막 내지 후막의 의미 뿐만 아니라, 연속적인 전도성 경로를 제공할 수 있는 불규칙적인 다공 구조로도 해석될 수 있다.
본 발명을 상술함에 있어, 일 구성 요소와 대응되는 형상을 갖는 다른 일 구성요소의 의미는, 다른 일 구성요소가 일 구성 요소의 형상과 동일 내지 유사한 형상을 갖는 것을 의미할 수 있다. 유사한 형상은 제조방법적인 한계와 특성에 의해 가질 수 있는 것으로, 유사한 형상은 다른 일 구성요소를 일 구성요소와 동일한 형상을 갖도록 제조하되, 의도적인 형상 변형이 이루어지지 않음을 의미할 수 있다. 이때, 두 구성요소가 대응되는 형상을 갖는다는 의미는 일 구성요소가 다른 일 구성요소와 동일 내지 유사한 형상을 갖되, 그 크기가 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
일 구성 요소와 대응되는 형상을 가지며, 일 구성요소와 접하는 다른 일 구성요소의 의미는, 일 구성요소와 대응되는 형상을 가지며, 일 구성요소 최상부 표면에 접하여 적층된 의미일 수 있다. 또한, 일 구성요소와 대응되는 형상을 가지며, 일 구성요소의 표면(surface)을 덮으며 적층된 의미일 수 있다. 즉, 일 구성요소가 다른 일 구성요소에 의해 덮이는 경우를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지는 투명 기판; 투명 기판 상에 위치하며 열린 공극을 갖는 전도성 네트워크; 전도성 네트워크와 대응되는 형상을 가지고, 전도성 네트워크와 접하여 위치하는, 화합물 반도체인 광흡수체 네트워크;를 포함하며, 전도성 네트워크는 서로 대응되는 형상을 갖는 상부 네트워크와 하부 네트워크가 적층된 적층형 네트워크이고, 상부 네트워크는 광흡수체 네트워크와 접하며, 광흡수체 네트워크의 화합물 반도체와 오믹 접합을 하는 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물이고, 하부 네트워크는 상기 상부 네트워크의 전기전도도보다 상대적으로 큰 전기전도도를 갖는 제2금속인인 특징이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지는 투명 기판을 덮는 막 형상이 아닌, 열린 공극에 의해 투명 기판의 표면이 노출되는 다공 구조의 전도성 네트워크 및 전도성 네트워크의 형상과 대응되는 형상을 가지며, 전도성 네트워크와 접하여 전도성 네트워크 상에 위치하는 광흡수체 네트워크에 의해, 향상된 투명도를 가질 수 있으며, 제어된 투명도를 가질 수 있다.
상세하게, 열린 다공 구조를 갖는 전도성 네트워크 및 전도성 네트워크와 대응되는 구조로 열린 다공 구조를 갖는 광흡수체 네트워크로 후면 전극과 광흡수층을 구현함으로써, 채광이 담보되는 창호용으로 사용 가능한 투명성을 가질 수 있다. 나아가, 전도성 네트워트의 공극율을 제어하는 극히 용이하고 간단한 방법에 의해, 태양전지의 투명도(광투과율)가 제어될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 태양전지는 투명 기판상 광전류를 모아 흐르게 하는 전극(전도성 네트워크)과 광을 흡수하여 광전자 및 광정공을 생성하는 광흡수체(광흡수체 네트워크)가 형성된 영역인 흡광 영역과, 이러한 전극 및 광흡수체가 미형성된 영역인 투광 영역이 균일하게 공존함으로써, 전지의 투명성을 확보할 수 있으며, 흡광 영역 대비 투광 영역의 비를 조절함으로써, 설계된 투명도를 가질 수 있다. 이때,
대면적의 태양전지에서도 균일한 투명도를 갖기 위해서는, 동일한 흡광영역과 투광영역의 면적 비 기준, 전도성 네트워크에 의해 규정되는 흡광 영역과 전도성 네트워크가 형성되지 않은 영역인 투광 영역이 가능한 균일하게 공존하는 것이 좋다.
이를 위해서는 흡광 영역의 미세화가 요구되는데, 이러한 경우 광전류를 모아 흐르게 하는 전극의 전기전도도가 나빠져, 전지의 내부 저항이 상승할 위험이 있다.
균일한 투명성을 확보하면서도, 전지의 내부 저항 증가를 방지하기 위해, 흡광 영역을 규정하는 전도성 네트워크는 광흡수체 네트워크의 화합물 반도체와 오믹 접합을 하는 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크인 상부 네트워크 및 상부 네트워크와 대응되는 형상을 가지며 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 전기전도도보다 상대적으로 큰 전기전도도를 갖는 제2금속의 네트워크인 하부 네트워크가 적층된 적층형 네트워크를 포함할 수 있다.
즉, 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크인 상부 네트워크는 광흡수체 네트워크의 화합물 반도체와 오믹 접합을 형성하는 역할을 하며, 나아가, 화합물 반도체와 격자 불일치(lattice mismatch)를 방지하여 보다 양질의 화합물 반도체가 형성될 수 이종 기재의 역할을 동시에 수행할 수 있다. 제2금속의 네트워크인 하부 네트워크는 상부 네트워크 기준 투명 기판 측(즉, 상부 네트워크의 하부측)으로, 상부 네트워크와 접하여 위치하여, 수평 방향으로의 안정적인 전류 이동 경로를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 전도성 네트워크가 상부 네트워크 및 하부 네트워크가 적층된 적층형 네트워크를 포함함으로써, 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크에 의해 양질의 화합물 반도체로부터 생성된 광전류를 효과적으로 모을 수 있으며, 제2금속의 네트워크에 의해, 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크에 모인 광전류를 안정적이며 손실없이 전지 외부로 이송시키는 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라, 균일한 투명성을 확보할 수 있으면서도, 통상의 화합물 반도체 태양전지에서 후면 전극에 상응하는 전도성 네트워크의 면저항 증가를 방지할 수 있어, 태양전지가 설계된 투명성을 가지면서도 감소된 전지 내부 저항에 의해 향상된 효율을 가질 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에서, 전도성 네트워크(200)의 일 예를 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 3에 도시한 일 예와 같이, 전도성 네트워크(200)는 다공 망 구조(도 1), 콤브(comb) 구조(도 2) 또는 상호 맞물린(interdigitated) 구조(도 3)를 가질 수 있으며, 이에 따라 상부 네트워크 및/또는 하부 네트워크는 다공 망 구조, 콤브(comb) 구조 또는 상호 맞물린(interdigitated) 구조를 가질 수 있다.
상세하게, 도 1에 도시된 바와 같이, 전도성 네트워크(200)는 투명 기판(100)의 상부에 위치할 수 있다. 전도성 네트워크(200)는 다공 망(mesh) 구조를 가질 수 있으며, 망의 눈(201)이 상술한 투광 영역에 해당하며, 망을 이루는 전도성 라인들(202)이 상술한 흡광 영역에 해당할 수 있다. 도 1(b)는 도 1(a)에 도시된 전도성 네트워크(200)의 A-A 단면선에 따른 단면도를 도시한 도면으로, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 전도성 네트워크(200)는 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물 대비 높은 전기전도도를 갖는 제2금속의 네트워크인 하부 네트워크(220)와 하부 네트워크(220) 상부에 접하여 적층된, 구체적으로는 하부 네트워크(220)를 덮는 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크인 상부 네트워크(210)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 다공 망 구조의 일 예에서, 비록 망의 눈이 정사각형인 일 예를 도시하였으나, 다공 망 구조의 전도성 네트워크에서, 망의 눈은 삼각, 사각, 오각, 육각 또는 팔각을 포함하는 다각형상이거나, 타원 또는 원의 형상일 수 있다. 이때, 균일한 전기적 특성을 위해서는 망을 이루는 전도성 라인들의 폭이 일정한 것이 바람직함에 따라, 일정한 폭을 갖는 전도성 라인들로 망의 구현이 가능한 다각형상인 것이 보다 유리하다.
도 2는 콤브 구조의 전도성 네트워크(200)를 도시한 일 예이다. 도 2에 도시한 일 예와 같이, 전도성 네트워크는 다공성 망(mesh)가 아닌, 서로 이격 배열된 복수의 제1전도성 라인(203)과 복수의 제1전도성 라인(203)을 가로질러 연결하는 제2전도성 라인(204)을 포함할 수 있다.
이때, 도 2(a)에 도시한 일 예와 같이, 복수의 제1전도성 라인(203)은 서로 평행하게 이격 배열될 수 있으며, 제2전도성 라인(204)이 제1전도성 라인(203)의 중심을 가로질러, 서로 평행하게 이격 배열된 복수의 제1전도성 라인(203)을 전기적으로 연결할 수 있다.
이와 달리, 복수의 제1전도성 라인이 서로 평행하게 이격 배열되되, 제2전도성 라인이 제1전도성 라인의 일 단을 가로지르며, 복수의 제1전도성 라인을 전기적으로 연결하는 구조일 수 있다.
또한, 서로 평행하기 이격 배열된 복수개의 제1전도성 라인 및 복수개의 제1전도성 라인을 가로질러 연결하는 제2전도성 라인으로 이루어진 구조를 일 단위체로 하여, 둘 이상의 단위체(A, B)가 이격 배열된 구조를 가질 수 있다.
도 3의 일 예는, 상호 맞물린(interdigitated)를 갖는 전도성 네트워크(200)를 도시한 일 예로, 이격 배열된 복수개의 제1전도성 라인 및 복수개의 제1전도성 라인을 가로질러 연결하는 제2전도성 라인으로 이루어진 구조를 일 단위체로 하여, 일 단위체(A)의 제1전도성 라인(203) 사이에, 다른 일 단위체(B)의 제1전도성 라인(203)이 위치하여 일 단위체의 제1전도성 라인(203)과 다른 일 단위체(B)의 제1전도성 라인(203)간 상호 맞물린 구조를 가질 수 있다.
또한, 도 2 내지 도 3에서, 비록 도시하지 않았으나, 도 2 내지 도 3의 콤브 구조나 상호 맞물린 구조의 전도성 네트워크(200) 또한, 그 단면이 도 1(b)와 유사하게, 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물 대비 높은 전기전도도를 갖는 하부 네트워크(220)와 하부 네트워크(220) 상에 접하여 적층된, 구체적으로는 하부 네트워크(220)를 덮는 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크인 상부 네트워크(210)를 포함함은 물론이다.
도 1 내지 도 3을 기반으로 상술한 전도성 네트워크(200)에서, 전도성 라인(202~204)의 폭은 안정적으로 화합물 반도체가 형성되고, 하부 네트워크에 의해 안정적인 전류 이동 경로(낮은 면저항)가 형성될 수 있으며, 광투과율을 저해하지 않는 정도면 무방하다. 구체적인 일 예로, 전도성 네트워크(200)에서, 전도성 라인(202~204)의 폭은 0.1 μm 내지 1000μm 일 수 있으며, 좋게는 0.3 내지 100 μm 일 수 있고, 보다 좋게는 0.5μm 내지 50μm 일 수 있다. 또한, 도 1과 같이, 전도성 네트워크(200)가 다공성 망의 형상인 경우, 망의 눈은 후술하는 관계식 1을 만족하는 범주의 크기를 가지면 무방한데, 보다 균일한 투명성을 확보하면서도 투광 영역으로 투과하는 광의 난반사가 방지될 수 있도록, 망의 눈(단일한 눈)은 직경(망의 눈의 면적을 동일 면적의 원으로 환산한 직경)이 0.1μm 내지 1000μm, 좋게는 0.5μm 내지 50μm일 수 있다.
도 1 내지 도 3의 전도성 네트워크(200)는 규칙적이거나 설계된 형상을 갖는 전도성 네트워크의 일 예이나, 전도성 네트워크(200)가 불규칙한 임의의 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
상세하게, 전도성 네트워크는 와이어, 로드 및 플레이트에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 구조체가 불규칙적으로 얽힌 구조를 가질 수 있다. 상부 네트워크가 하부 네트워크와 대응되는 형상을 가지며, 상부 네트워크가 하부 네트워크 상에 접하여 적층된 구조를 가짐에 따라, 전도성 네트워크의 형상 및 구조는 하부 네트워크의 형상 및 구조와 유사 내지 동일하다. 즉, 하부 네트워크는 와이어, 로드 및 플레이트에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 구조체가 불규칙적으로 얽힌 구조를 가질 수 있다.
상세하게, 하부 네트워크는 투명 기판 상 제2금속의 와이어, 제2금속의 로드, 및 제2금속의 플레이트에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 제2금속의 구조체가 불규칙하게 분산 분포하며, 제2금속의 구조체간 접촉에 의해 연속적인 전류이동 경로가 형성된 불규칙적인 구조를 가질 수 있다.
하부 네트워크는, 그 상부에 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크(상부 네트워크)가 적층되며, 다시, 상부 네트워크의 상부에 광흡수체 네트워크가 적층되는 기반(base)이다. 이에 따라, 하부 네트워크를 이루는 와이어, 로드 및 플레이트에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 구조체가 나노 구조체인 경우 오히려 전도도의 감소가 야기될 수 있을 뿐만 아니라, 태양전지에 로딩되는 화합물 반도체의 양이 감소되거나 화합물 반도체가 불안정하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 하부 네트워크를 이루는 제2금속의 구조체는 나노 구조체가 아닌, 마이크로 구조체인 것이 보다 좋다. 이때, 마이크로 구조체는, 구조체가 와이어인 경우, 와이어의 직경이 수백 나노미터 이상, 실질적으로 0.5μm 내지 5mm인 것을 의미하며, 구조체가 로드인 경우 그 폭이 수백 나노미터 이상, 실질적으로 0.5μm 내지 5mm인 것을 의미하며, 구조체가 플레이트인 경우, 그 직경이 수백 나노미터 이상, 실질적으로 0.5μm 내지 5mm인 것을 의미할 수 있다.
도 4(a)는 제2금속의 구조체가 와이어인 경우를 도시한 예로, 제2금속의 와이어(206)가 불규칙적으로 서로 접촉하여 형성되는 하부 네트워크(220)를 도시한 일 예이며, 도 4(b)는 하부 네트워크 상부에 하부 네트워크와 접하여 적층된 상부 네트워크를 포함하는 전도성 네트워크(200)를 도시한 일 예이다.
물리적, 전기적 안정성을 향상시키기 위해, 하부 네트워크가 제2금속의 구조체들로 이루어지는 경우, 제2금속의 구조체들이 서로 불규칙적으로 얽혀(접촉을 포함함) 형성된 구조는, 구조체간의 결착에 의해 일체화된 것일 수 있다. 알려진 바와 같이, 구조체는 열 또는 펄스형 백색광을 포함하는 광 에너지의 인가에 의해, 에구조체간 서로 접촉하는 접촉 영역이 용융되며 결착(융착)하여 일체화될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에 있어, 구조체의 네트워크는 물리적 힘, 열 또는 광에 의해 구조체간 결착하여 일체화된 것일 수 있으며, 서로 접촉하는 접촉 영역이 용융 결착한 것일 수 있다.
구조체의 네트워크 형성시, 안정적인 전도성 경로를 갖는 네트워크 형성에 요구되는 구조체의 양을 최소화(투명도의 향상)시키기 위해서는, 종횡비가 큰 와이어가 유리하다. 이러한 측면에서, 구조체의 네트워크는 서로 불규칙적으로 얽힌(접촉하는) 와이어를 기본으로 하되, 구조체간의 접촉 점을 향상시키기 위해, 로드 및/또는 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 구조체의 네트워크가 와이어를 기반으로 이루어지는 것이 바람직하나, 와이어를 기반한 구조체의 네트워크 단면을 도시한 도 5(a)에 도시한 일 예와 같이, 구조체가 와이어 형상인 경우, 와이어(206) 단면이 구형임에 따라 곡률진 표면을 제공하게 된다. 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물이 하부 네트워크와 유사 내지 동일한 형태로, 하부 네트워크를 덮도록 형성된다 하더라도, 이러한 곡률진 표면에 의해, 광흡수체 네트워크 형성시 결정의 미세화나 내부 결함과 같은 악영향을 미칠 수 있다.
이에 따라, 도 5(b)에 도시한 일 예와 같이, 네트워크를 이루는 구조체(206')는 압착에 의해 투명 기판(100)의 표면과 평행한 평면 영역(F)이 형성되도록 물리적으로 변형된 것일 수 있다. 즉, 구조체의 네트워크는 물리적 변형에 의해 투명 기판의 표면과 평행한 평면형 표면을 갖는 구조체들의 네트워크일 수 있다. 이때, 압착은 네트워크 형성 전의 구조체 자체에 이루어질 수 있으며, 이와 독립적으로, 구조체에 의한 네트워크가 형성된 후 이루어질 수 있다. 이때, 물리적 압착에 의해 구조체들이 물리적으로 변형됨과 동시에 서로 결착하여 일체의 네트워크를 이룰 수 있다. 구조체의 물리적 변형은 와이어 형상을 기준, 변형된 와이어의 단면 상 투명 기판의 표면과 평행한 방향의 직경을 투명 기판의 표면과 수직인 방향의 직경(D1)으로 나눈 비인 변형량이 2 내지 50이 되도록 변형될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 기반으로 상술한 바와 같이, 전도성 네트워크는 광흡수체 네트워크의 화합물 반도체와 오믹 접합을 하는 상부 네트워크 및 상부 네트워크와 대응되는 형상을 가지며 상부 네트워크의 전기전도도보다 상대적으로 큰 전기전도도를 갖는 하부 네트워크가 적층된 적층형 네트워크를 포함한다. 이때, 상부 네트워크와 하부 네트워크의 두께는, 서로 독립적으로, 50 nm 내지 5000 nm, 좋게는 100 nm 내지 2000 nm, 보다 좋게는 500 nm 내지 1000 nm일 수 있으나, 본 발명이 상부 네트워크와 하부 네트워크의 두께에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
상부 네트워크를 이루는 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물(칼코젠화합물)은 광흡수체인 화합물 반도체와 오믹 접합을 하는 물질이면 무방하며, 통상의 칼코젠 화합물 반도체 기반 태양전지에서, 후면 전극으로 사용하는 물질일 수 있다. 구체적인 일 예로, 제1금속은 몰리브덴(Mo) 또는 도핑 원소로 도핑된 몰리브덴 등일 수 있으며, 도핑원소는 나트륨(Na), 칼륨(K), 은(Ag), 안티모니(Sb), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 등에서 하나 이상 선택되는 원소일 수 있다. 제1금속 칼코젠화물은 상기 제1금속이 칼코젠화한 화합물이며, 일 예로 상기 제1금속이 몰리브덴일 경우, 셀렌화 몰리브덴 (MoSe2), 황화 몰리브덴(MoS2) 또는 이들의 고용체 (MoSe2-xSx, 0≤x≤2인 실수)일 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물은 광흡수체인 화합물 반도체, 구체적으로는, 구리 및 12족 내지 14족에서 하나 이상 선택되는 원소의 칼코젠 화합물과 오믹 접합을 하는 전극 물질로 사용되는 어떠한 물질이어도 무방하다.
상부 네트워크 대비, 상대적으로 큰 전기전도도를 갖는 제2금속은 상부 네트워크를 이루는 물질의 상온(25℃) 전기전도도를 기준으로, 1.5 내지 100배의 전기전도도를 갖는 금속일 수 있으며, 좋게는 2.5 내지 100배의 전기전도도를 갖는 금속일 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 제2금속은 은, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 철 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있다.
상술한 전도성 네트워크 상부에, 전도성 네트워크와 대응되는 형상을 가지며, 전도성 네트워크의 상부 네트워크와 접하도록, 광흡수체 네트워크가 형성됨에 따라, 본 발명에 따른 태양전지는 단지 전도성 네트워크에 의해 가려지는 투명 기판의 면적을 조절하는 극히 간단한 방법에 의해, 설계된(조절된) 투명도를 가질 수 있다.
구체적으로, 화합물 반도체 태양전지의 투명도를 직접적으로 결정하는 전도성 네트워크는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
(관계식 1)
0.1≤ Snw1/Ssub ≤0.95
관계식 1에서, Ssub는 전도성 네트워크가 위치하는 투명 기판 일 표면의 표면적이며, Snw1은 상기 전도성 네트워크에 의해 덮이는 투명 기판의 표면적이다.
즉, 투명 기판에서, 전도성 네트워크가 위치하는 일 표면의 표면적을 기준으로, 해당 일 표면의 10% 내지 95%에 해당하는 표면적이 전도성 네트워크에 의해 덮일 수 있다. 전도성 네트워크에 의해 덮이는 면적비(coverage)인 Snw1/Ssub가 0.95를 초과하는 경우, 실질적으로 광의 투과가 거의 발생하지 않을 위험이 있으며, Snw1/Ssub가 0.1 미만인 경우, 전지에 로딩되는 광흡수체의 양이 과도하게 줄어들어, 전지효율이 감소할 수 있다. 광흡수체 로딩량의 감소에 의한 전지 효율 저하를 방지하며, 창호에 적용 가능한 광투과율을 가질 수 있도록, 커버리지(Snw1/Ssub)가 0.25(약 75 % 투과) 내지 0.9(약 10 %투과)인 것이 좋고, 0.5(약 50 % 투과) 내지 0.8(약 20 % 투과)인 것이 보다 좋다. 이때, 광투과율은 가시광 영역의 투과율을 의미할 수 있으며, 가시광 영역의 파장은 400 nm 내지 700 nm 일 수 있다. 또한, 광투과율은 광투과도ㅧ 100으로 계산하여 백분율(%)로 표시될 수 있으며, 광투과도는 입사광 세기(I0)에 대한 투과광 세기(I)의 비(I/I0)를 의미할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, 전도성 네트워크가 위치하는 영역인 흡광 영역과 전도성 네트워크가 존재하지 않는 영역인 투광 영역이 균일하게 분산 공존하여, 균일한 광투과율을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 상부 네트워크와 하부 네트워크를 통해 전극이 네트워크화 되어도 저항 증가가 방지되어 향상된 전지 효율을 가질 수 있다. 또한, 단지 전도성 네트워크에 의해 투명 기판이 덮이는 면적비(coverage)를 조절하는 것으로, 설계된 투과율을 가질 수 있는 장점이 있다. 이러한 투과율의 설계 및 조절은, 태양전지의 용도에 따라, 해당 용도에 적절한 투과율을 갖도록 조절 가능함을 의미하며, 이는 태양전지의 각종 산업에의 직접적 활용 가능성을 매우 크게 넓인 것이라 할 수 있다. 나아가, 네트워크화된 전극과 네트워크화된 광흡수층에 의해 종래 막들이 적층된 구조의 태양전지 대비 향상된 유연성을 가질 수 있다.
광흡수체 네트워크를 이루는 화합물 반도체는 구리 및 12족 내지 14족에서 하나 이상 선택되는 원소의 칼코젠 화합물을 포함하는 반도체 화합물을 의미할 수 있다. 구체적으로, 화합물 반도체는 구리-인듐-갈륨-칼코젠 화합물 또는 구리-아연-주석-칼코젠 화합물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 화합물 반도체는 CIGS(Cu-In-Ga-Se 또는 Cu-In-Ga-S), CIGSS(Cu-In-Ga-Se-S), CZTS(Cu-Zn-Sn-Se 또는 Cu-Zn-Sn-S) 또는 CZTSS(Cu-Zn-Sn-Se-S)일 수 있다. 보다 더 구체적으로, 화합물 반도체는 CuInxGa1-xSe2(0≤x≤1인 실수), CuInxGa1-xS2(0≤x≤1인 실수), CuInxGa1-x(SeyS1-y)2(0≤x≤1인 실수, 0≤y≤1인 실수), Cu2ZnxSn1-xSe4(0≤x≤1인 실수), Cu2ZnxSn1-xS4(0≤x≤1인 실수) 또는 Cu2ZnxSn1-x(SeyS1-y)4(0≤x≤1인 실수, 0≤y≤1인 실수)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 광흡수체 네트워크는 전도성 네트워크와 대응되는 형상을 가지며, 전도성 네트워크의 상부 네트워크와 접하며, 상부 네트워크 상에 위치할 수 있다. 후술하는 제조방법에서 제시하는 바와 같이, 다양한 방법으로, 전도성 네트워크 상에 전도성 네트워크와 대응되는 형상을 갖도록 광흡수체 네트워크를 형성할 수 있으나, 간단하고 저비용 공정이며, 나아가 도 5와 같은 불규칙한 형상을 갖는 경우에도 쉽고 용이하게 광흡수체 네트워크가 형성될 수 있도록, 광흡수체 네트워크는 전기도금법 또는 인쇄법에 의해 전도성 네트워크의 형상과 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 전기도금법 또는 인쇄법에 대한 상세한 설명은 후술하는 제조방법의 내용을 참고할 수 있으나, 본 발명이 광흡수체 네트워크의 구체적 제조방법에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에 있어, 투명 기판(100) 상 전도성 네트워크(200) 및 광흡수체 네트워크(300)가 형성된 구조의 단면을 도시한 일 단면도이다.
도 6에 도시한 일 예와 같이, 광흡수체 네트워크(300)는 전도성 네트워크(200)의 상부 네트워크(210) 상, 상부 네트워크(210)와 접하여 위치할 수 있다. 이때, 도 6에서는 광흡수체 네트워크(300)에 의해, 전도성 네트워크(200)의 표면이 모두 덮이는 구조, 즉, 전도성 네트워크(200)의 상부 표면 및 측면이 모두 광흡수체 네트워크(300)에 덮이는 구조를 도시하였으나, 광흡수체 네트워크(300)가 전도성 네트워크(200)의 측면을 모두 덮지 않고 전도성 네트워크(200)의 상부 표면 에 적층된 구조를 가질 수 있음은 물론이다.
광흡수체 네트워크(300)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 광흡수체의 로딩량을 향상시키면서도 과도한 단차에 의해 발생할 수 있는 공정상의 불리함과 투과하는 광의 난반사를 방지하는 측면에서 300 nm 내지 3,000 nm, 좋게는 500 nm 내지 2500 nm, 보다 좋게는 1000 nm 내지 2000 nm일 수 있다. 이때, 광흡수체 네트워크(300)가 전도성 네트워크(200)와 대응되는 형상을 가짐에 따라, 전도성 네트워크(200)에서, 전도성 라인(202~204)의 폭이 0.1 μm 내지 1000μm인 경우, 광흡수체네트워크를 이루는 광흡수체 라인의 폭 또한 이와 동일 내지 유사하게 0.1 μm 내지 1000μm 수 있음은 물론이다 .
본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지는 광흡수체 네트워크 상부에 위치하는, 버퍼층 및 투명전극층에서 하나 이상 선택되는 층을 더 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 단면을 도시한 일 단면도로, 도 7에 도시된 일 예는 버퍼층 및 투명전극층을 더 구비한 태양전지의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7에 도시한 일 예와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 투명 기판(100), 투명 기판 상에 위치하는 전도성 네트워크(200), 전도성 네트워크(200)와 대응되는 형상을 가지며 전도성 네트워크(200)에 적층되는 광흡수체 네트워크(300)를 포함할 수 있으며, 나아가, 광흡수체 네트워크(300) 상부에 위치하여 투명 기판(100) 상 전도성 네트워크(200)가 형성되지 않은 투광 영역과 광흡수체 네트워크(300)가 형성된 흡광 영역을 모두 덮는 막(치밀막) 형상인 버퍼층(400) 및 상기 버퍼층 상부에 위치하는 투명 전극층(500)을 포함할 수 있다.
투명 기판(100)은 광의 투과를 저해하지 않으며, 지지체의 역할을 수행할 수 있는 기판이면 무방하다. 투명 기판(100)은 리지드 기판 또는 플렉시블 기판을 포함할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, 전극 및 광흡수체가 모두 다공성의 네트워크 구조를 가짐에 따라, 물리적 유연성이 향상되어 플렉시블 특성을 가질 수 있다. 이에 따라, 투명 기판(100)은 소다라임 유리를 포함 하는 유리 기판, 알루미나와 같은 세라믹 기판의 리지드 기판 뿐만 아니라, 폴리이미드와 같은 플렉시블한 고분자 기판 또한 사용 가능하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 플렉시블한 고분자 기판과 전극 및 광흡수체의 다공성 네트워크 구조에 의해 플렉시블한 특성을 가질 수 있다.
버퍼층(400)은 화합물 반도체(광흡수체)와 투명전극층(500) 간의 밴드 갭차이를 줄이고, 광흡수체와 투명전극층 계면 사이에서 발생할 수 있는 전자와 정공의 재결합에 의한 소멸을 방지하기 위한 역할을 수행할 수 있다. 버퍼층(400)은 통상의 화합물 반도체 기반 태양전지, 구체적으로는 구리 및 12족 내지 14족에서 하나 이상 선택되는 원소의 칼코젠 화합물 기반 태양전지에서 상술한 역할을 수행하기 위해 광흡수층과 투명전극층 사이에 위치하는 물질이면 무방하다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 버퍼층(400)은 CdS, Zn(O,S), ZnSe, In2S3, ZnInxSey (0≤x≤1, 0≤y≤1, x 및 y는 실수) 및 Zn1-xMgxO (0≤x≤1, x는 실수)에서 하나 이상 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 버퍼층(400)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 10 nm 내지 1000 nm, 구체적으로, 30 nm내지 800 nm 일 수 있다.
투명전극층(500)은 입사광을 통과시키는 투명창으로서 뿐만 아니라 입사광에 의해 생성된 전자를 모으는 전극 역할을 수행할 수 있다. 투명전극층(500)은 통상의 화합물 반도체 기반 태양전지, 구체적으로는 구리 및 12족 내지 14족에서 하나 이상 선택되는 원소의 칼코젠 화합물 기반 태양전지에서 투명한 전면 전극으로 사용되는 물질이면 무방하다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 투명전극층(500)은 ZnO, AZO(aluminuim-doped zinc oxide), GZO(Ga-doped zinc oxide), BZO(boron-doped zinc oxide), ITO(indium tin oxide), FTO(fluorinedoped tin oxide), 그래핀, 금속 나노선, 금속 메쉬 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 투명전극층(500)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 50 nm 내지 2000 nm 일 수 있으며, 구체적으로는 50 nm 내지 800 nm 일 수 있고, 보다 구체적으로는 100 nm 내지 600 nm 일 수 있다.
또한, 도면에 도시하지 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, 투명전극층(500) 상부에, 투명전극층(500)에 모인 광전류를 효과적으로 이송시키기 위한 금속 그리드 전극이 더 구비될 수 있음은 물론이다. 금속 그리드 전극이 더 구비되는 경우, 광이 입사되는 방향으로 투사(projection) 이미지 상, 금속 그리드 전극이 전도성 네트워크 내부에 위치하도록 형성되는 것이 좋다. 즉, 금속 그리드 전극은 투광 영역 상에는 형성되지 않고, 흡광 영역 상에 형성되는 것이 좋다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에 있어, 전도성 네트워크(200) 및 광흡수체 네트워크의 미형성 영역(301)을 도시한 일 예이다. 이때, 미형성 영역(301)을 제외한 전도성 네트워크(200)의 표면 상부에는 광흡수체가 형성되어 광흡수체 네트워크를 이루나, 명료한 이해를 위해 광흡수체 네트워크는 미도시하였다. 도 8에 도시한 일 예와 같이, 광흡수체 네트워크에는, 화합물 반도체(광흡수체)가 미 형성된 미형성 영역(301)이 존재할 수 있다. 미형성 영역(301)은 투명 기판(100)의 표면과 평행한 가상의 면인 제1면을 기준으로, 제1면 내(in-plane)에서 서로 직교하는 두 축을 x축과 y축이라 할 때, x축과 y축 중 적어도 한 축과 평행하여 광흡수체 네트워크를 가로지르도록 이격 배열되는 다수개의 라인 형상을 가질 수 있다. x축 및/또는 y축과 평행하도록 서로 이격 배열된 다수개의 라인 형상의 미형성 영역(301)에 의해 태양전지의 유연성이 현저하게 향상될 수 있으며, 반복적인 물리적 변형에도 안정적으로 구동될 수 있고, 태양전지의 굽힘 특성이 현저하게 개선될 수 있다. 즉, 상술한 미형성 영역(301)에 의해, 태양전지의 물리적 특성이 브리틀(brittle)한 화합물 반도체의 특성으로부터 자유로워지며 덕타일(ductile)한 전도성 네트워크(200)의 특성을 가질 수 있다. 서로 독립적인 두 방향으로 우수한 굽힘 특성을 가지며 고도한 물리적 변형이 가능하도록 미형성 영역(301)은 x축에 평행하여 광흡수체 네트워크를 가로지르도록 이격 배열되는 다수개의 라인과 y축에 평행하여 광흡수체 네트워크를 가로지르도록 이격 배열되는 다수개의 라인을 모두 포함하는 것이 좋다. 미형성 영역(301)을 이루는 라인의 폭이나 라인의 수는 태양전지의 용도를 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 10cmx10cm 크기의 태양전지를 기준으로, 1 내지 20개의 라인(x축과 평행한 라인 및 y축과 평행한 라인의 합)이 구비될 수 있으며, 라인의 폭은 10nm 내지 100μm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에 있어, 광흡수체 네트워크에 미형성 영역이 존재하는 경우, 상기 미형성 영역에 상응하는 전도성 네트워크의 상부에는, 절연성 폴리머를 포함하는 절연체가 위치할 수 있다. 즉, 미형성 영역은 절연체로 채워질 수 있는데, 유연성 측면에서 절연성 폴리머로 채워지는 것이 좋다. 절연체는 버퍼층이나 윈도우층과 전도성 네트워크가 직접적으로 맞닿는 것을 방지함과 동시에, 미형성 영역과 인접하는 화합물 반도체(광흡수체)를 전도성 네트워크에 결착시키는 역할 또한 수행할 수 있다. 절연성 폴리머인 절연체는 또한, 태양전지의 유연성을 훼손하지 않으면서도 물리적 안정성을 향상시킬 수 있다. 이때, 절연성 폴리머 또한 유연성을 갖는 유연성 폴리머인 것이 좋다. 절연성을 갖는 유연성 폴리머로 실리콘계 폴리머, 올레핀계 탄성 폴리머 또는 폴리우레탄계 화합물을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상술한 화합물 반도체 태양전지를 단위 셀로, 둘 이상의 셀이 배열되고 서로 전기적으로 연결된, 태양전지 모듈을 포함한다. 태양전지 모듈은 태양전지 분야에서 통상적으로 사용하는 셀의 배열 및 구조를 가질 수 있으며, 셀들을 전기적으로 연결하는 연결부재, 태양광을 집광하는 통상의 집광수단, 태양광의 경로를 가이드 하는 통상의 광블록을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 화합물 반도체 태양전지가 구비된 창호를 포함한다.
본 발명은 상술한 화합물 반도체 태양전지가 구비된 건축 자재를 포함한다.
본 발명은 상술한 화합물 반도체 태양전지에 의해 전력이 공급되는 장치를 포함한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 제공한다. 제공되는 제조방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조에 있어, 보다 바람직한 방법을 제공하기 위함이며, 후술하는 방법 이외의 태양전지 또는 반도체 제조 공정에서 통상적으로 알려진 방법을 이용하여 본 발명의 태양전지가 구현될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은, 투명 기판 상 서로 대응되는 형상을 갖는 하부 네트워크와 상부 네트워크가 적층된 전도성 네트워크를 형성하는 단계; 및 전도성 네트워크 상, 전도성 네트워크와 대응되는 형상으로 광흡수체 네트워크를 형성하는 단계;를 포함하며, 선택적으로, 표면으로 노출된 투명 기판과 광흡수체 네트워크를 모두 덮도록 버퍼층을 형성하는 단계; 및/또는 표면으로 노출된 투명 기판과 광흡수체 네트워크를 모두 덮거나, 버퍼층을 덮도록 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
전도성 네트워크 형성 단계는, 투명 기판 상 제2금속막과 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물막을 순차적으로 증착하여 적층막을 형성한 후, 설계된 형상을 갖는 에칭 마스크를 이용하여, 적층막을 부분적으로 식각하여 제조하는 방법, 투명 기판 상 설계된 형상을 갖는 섀도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 제2금속을 증착한 후, 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물을 증착하고 섀도우 마스크를 제거하는 선택적 증착법등을 이용하여 수행될 수 있다. 이때, 증착은 스퍼터링(Sputtering), 진공증착(Evaporation), 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapour Deposition), 스핀 코팅(spin coating), 또는 스프레이 코팅(spray coating)을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그러나, 이와 독립적으로, 하부 네트워크가 형성된 후, 하부 네트워크 상 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크인 상부 네트워크가 형성될 수 있다.
구체적인 일 예로, 투명 기판 상, 제2금속의 구조체가 분산된 분산액을 도포 및 건조하여 하부 네트워크를 형성한 후, 하부 네트워크 상에 화학적 환원법 또는 전기도금법을 이용하여 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크를 형성할 수 있다. 상세하게, 제1금속의 전구체 또는 제1금속 칼코젠화물의 전구체와 환원제를 함유하는 용액에 하부 네트워크가 형성된 투명 기판을 장입하여, 제2금속 상 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물을 이종 핵생성(heterogeneous nucleation) 및 성장(growth)시켜 상부 네트워크를 제조할 수 있다. 이와 독립적으로, 제1금속 이온 또는 제1금속 칼코젠화물 이온을 함유하는 도금액에 하부 네트워크가 형성된 투명 기판 및 상대전극을 장입하고, 제2금속의 네트워크와 상대전극에 전압을 인가하여, 제2금속의 네트워크 상 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 네트워크를 형성할 수 있다.
이때, 제2금속의 구조체가 분산된 분산액을 투명 기판 상 도포 및 건조 한 후, 구조체들이 서로 접하는 부분이 용융 결착되어 일체화될 수 있도록, 열 또는 광을 조사하는 단계가 더 수행될 수 있다. 열처리 온도나 광의 조사 조건등은 제2금속의 물질에 따라 적절히 조절될 수 있음은 물론이다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 제2금속이 은인 경우, 열처리 온도는 150 내지 250℃일 수 있으며, 광의 조사는, 제논 램프를 포함하는 백색 광원을 5 내지 50 J/㎠의 강도로 단펄스 또는 다펄스 조사하는 것일 수 있다.
또한, 제2금속의 구조체가 와이어인 경우, 분산 도포되기 전, 또는 제2금속의 구조체가 도포된 후, 제2금속의 구조체를 압착하여 변형시키는 단계가 더 수행될 수 있다. 이때, 압착에 의해 제2금속의 구조체들이 서로 결착하여 일체를 이룰 수 있다. 또한, 변형 정도 및 제2금속의 종류에 따라, 변형을 위한 압축력이 적절히 조절될 수 있음은 물론이다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 제2금속이 은인 경우, 0.2 내지 10MPa의 압력으로 압착될 수 있다.
광흡수체 네트워크는 증착법, 광흡수체(화합물 반도체) 입자를 함유하는 잉크를 이용한 인쇄법 또는 전기도금법에 의해 형성될 수 있다.
증착에 의해 광흡수체 네트워크를 형성하는 경우, 앞서 상술한 전도성 네트워크의 제조 단계와 동시에 광흡수체 네트워크 또한 제조될 수 있다.
상세하게, 투명 기판 상 제2금속막, 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 막 및 화합물 반도체층을 순차적으로 증착하여 복합적층막을 형성한 후, 설계된 형상을 갖는 에칭 마스크를 이용하여, 복합적층막을 부분적으로 식각하여 제조하는 방법을 이용하여, 전도성 네트워크와 광흡수체 네트워크가 동시에 제조될 수 있다. 이때, 식각은 해당 물질을 녹여내어 제거하는 식각액을 이용한 습식 식각 또는 플라즈마 에칭과 같은 건식 식각 방법이 사용될 수 있음은 물론이다.
또한, 투명 기판 상 설계된 형상을 갖는 섀도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 제2금속을 증착한 후, 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물을 증착하고, 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물의 증착 후 화합물 반도체를 증착한 후, 섀도우 마스크를 제거하는 선택적 증착법을 이용하여, 전도성 네트워크와 광흡수체 네트워크가 동시에 제조될 수 있다. 이때, 증착은 스퍼터링(Sputtering), 진공증착(Evaporation), 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapour Deposition), 스핀 코팅(spin coating), 또는 스프레이 코팅(spray coating)을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광흡수체(화합물 반도체)를 함유하는 잉크를 이용한 인쇄법의 경우, 제조된 전도성 네트워크 상, 전도성 네트워크와 대응되는 형상을 갖도록 인쇄함으로써, 광흡수체 네트워크를 형성할 수 있다. 인쇄법은 스크린 인쇄법, 롤대롤(roll-to-roll) 인쇄법 및 잉크젯 인쇄법등 기 설정된 영역에 선택적으로 인쇄 가능한 알려진 어떠한 방법을 사용하여 수행되어도 무방하다. 광흡수체를 함유하는 잉크는 구리 및 12족 내지 14족에서 하나 이상 선택되는 원소의 칼코젠 화합물을 포함하는 반도체 화합물을 형성하기 위해, 통상적으로 사용되는 잉크이면 족하다.
전기도금법에 의한 광흡수체 네트워크의 형성은 고순도의 광흡수층을 높은 선택성으로 전도성 네트워크 상에 균일하게 형성할 수 있으며, 나노 구조체의 네트워크에 기반한 불규칙적인 구조의 네트워크에도 우수한 선택성으로 전도성 네트워크 상에만 화합물 반도체를 형성할 수 있어 바람직하다. 또한, 전도성 네트워크와 광흡수체 네트워크간의 결합력이 우수하며, 나아가, 전기도금법의 장치 또는 기기는 저가로 구성될 수 있으며 대량 생산에 용이한 공정이므로 더욱 바람직하다.
전기도금을 이용하는 경우, 전기도금 - 칼코젠화법 (Electrodeposition - Chalcogenization)을 이용하여 광흡수체 네트워크를 제조할 수 있다. 상세하게, 전기도금에 의해 칼코젠 원소 이외의 화합물 반도체를 이루는 원소들을 도금한 후, 도금 생성물을 칼코젠화하여 광흡수체 네트워크를 제조할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 도금욕은, 화합물 반도체를 이루는 원소의 전구체, 산 및 바인더를 함유할 수 있다. 구체적인 일 예로, 전구체는 Cu 전구체, In 전구체 및 Ga 전구체에서 하나 이상 선택될 수 있으며, 염화물, 황화물, 질화물, 수산화물, 아세트산염, 과염소산화물 또는 이들의 수화물등 통상의 도금에 사용되는 전구체 물질일 수 있다. 도금욕의 전구체는 용매 100 중량부 대비 20 내지 50 중량부일 수 있으며, 30 내지 40 중량부인 것이 좋다. 구체적이며 비한정적인 일 예로, Cu 전구체 : (In 전구체 + Ga 전구체)의 몰비는 1 : 0.8 ~ 1.4일 수 있으며, 1 : 1 ~ 1.2인 것이 보다 좋다. 구체적이고 비한정적인 일 예로, 바인더는 에틸 셀룰로스(Ethyl cellulose), 폴리비닐아세테이트(Poly(vinyl acetate), PVA), 팔미트산(Palmitic acid), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 폴리프로필렌글리콜(Polypropyleneglycol, PPG) 및 폴리프로필렌카보네이트(Polypropylene carbonate, PPC)등을 들 수 있으며, 좋게는 폴리비닐아세테이트 단독 또는 폴리비닐아세테이트 100 중량부 기준으로 에틸 셀룰로스, 팔미트산, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 및 폴리프로필렌카보네이트에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 혼합물을 0.1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다. 용매는 물, 에탄올, 메탄올, 알코올, 아세톤, 톨루엔, 벤젠, 헥산 및 테트라클로로에틸렌(Tetrachloroethylene)등을 들 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 산은 황산, 질산, 염산 및 염소산에서 하나 이상 선택될 수 있으며, 도금욕의 pH가 1 내지 4, 좋게는 1.5 내지 3가 되도록 첨가될 수 있다.
전기도금은 정전류도금방식 또는 정전압도금방식을 사용하여, 전류나 전압이 인가될 수 있는 전도성 네트워크 상부에 선택적으로 도금될 수 있다. 작용전극(working electrode)으로 전도성 네트워크가 형성된 투명 기판을 장입할 수 있으며, 상대전극(counter electrode)은 Pt 판, 기준전극(reference electrode)으로는 Ag/AgCl 전극을 이용할 수 있다. 구체적이며 비한정적인 일 예로, 정전압도금방식에서 인가 전압(V)은 좋게는 -0.3 내지 -0.7 일 수 있으며, 보다 좋게는 -0.4 내지 -0.6 일 수 있다. 또한, 도금시 도금욕의 온도는 20 내지 70 ℃ 일 수 있다.
이후, 도금에 의해 수득된 생성물을 칼코젠화하여, 광흡수체 네트워크가 제조될 수 있는데, 칼코젠화는 칼코젠 분위기에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 칼코젠 분위기는 황(S), 셀레늄(Se) 또는 이들의 혼합 기체가 존재하는 분위기를 포함한다. 상세하게, 열처리(칼코젠화)는 칼코젠 함유 기체를 공급하거나, 칼코젠 분말을 도포막과 함께 열처리하여 칼코젠 분말을 칼코젠 기체의 소스(source)로 사용할 수 있다. 상세하게, 칼코젠 분위기는 황(S), 셀레늄(Se) 또는 이들의 혼합 기체가 존재하는 분위기를 포함하며, 칼코젠 기체 분위기는 H2S 또는 H2Se와 같이 칼코젠 원소(S, Se)를 함유하는 기체의 공급하거나, 칼코젠 원소 (S, Se)를 휘발시킨 후 공급하거나, 또는 칼코젠 원소의 분말상인 칼코젠 분말을 도포막과 함께 열처리하여, 칼코젠 분말을 칼코젠 기체의 소스(source)로 사용하여 형성될 수 있다. 열처리는 어떠한 압력에서 수행되어도 무방하나, 비 한정적인 일 예로, 진공 내지 대기압에서 열처리가 수행될 수 있다. 열처리 온도는 300 내지 700 ℃ 일 수 있으며, 보다 구체적으로는 400 내지 600 ℃ 일 수 있다. 열처리 시간은 1 내지 300 분 일 수 있으며, 보다 구체적으로는 10 내지 100분 일 수 있다.
광흡수체가 미형성된 미형성 영역은, 전도성 네트워크 형성 후, 절연성 폴리머를 포함한 절연체를 기 설계된 미형성 영역에 선택적으로 도포하여 경화(건조를 포함함)한 후, 광흡수체를 형성하거나, 이와 달리, 전도성 네트워크 상 광흡수체 네트워크를 제조한 후, 기 설계된 미형성 영역의 광흡수체를 선택적으로 제거하고, 제거된 영역에 절연성 폴리머를 포함한 절연체를 채워 형성될 수 있다.
선택적으로, 버퍼층 및/또는 투명전극층이 형성될 수 있는데, 버퍼층 및/또는 투명전극층은 서로 독립적으로, CBD법(chemical bath deposition, 화학조증착법), 전자빔 코팅법, 스퍼터링법 및 화학증착법을 포함하는 방법을 통해 형성될 수 있으나, 화합물 반도체 기반 태양전지의 버퍼층 및 투명전극층을 형성하기위해 사용되는 알려진 어떠한 방법을 이용할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 상술함에 있어, 전기도금 - 칼코젠화법을 이용한 보다 바람직한 방법을 주로 구체적인 제조방법을 상술하였으나, 상술한 방법 이외의 태양전지 또는 반도체 제조 공정에서 통상적으로 알려진 방법을 이용하여 본 발명의 태양전지가 구현될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 화합물 반도체 태양전지를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 위치하며 열린 공극을 갖는 전도성 네트워크;
    상기 전도성 네트워크와 대응되는 형상을 가지고, 전도성 네트워크와 접하여 위치하는, 화합물 반도체인 광흡수체 네트워크;를 포함하며,
    상기 전도성 네트워크는 서로 대응되는 형상을 갖는 상부 네트워크와 하부 네트워크가 적층된 적층형 네트워크이고, 상기 상부 네트워크는 상기 광흡수체 네트워크와 접하며, 상기 광흡수체 네트워크의 화합물 반도체와 오믹 접합을 하는 제1금속 또는 제1금속 칼코젠화물이고, 상기 하부 네트워크는 상기 상부 네트워크의 전기전도도보다 상대적으로 큰 전기전도도를 갖는 제2금속인, 화합물 반도체 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 네트워크는 다공 망 구조, 콤브(comb) 구조 또는 상호 맞물린(interdigitated) 구조를 갖는 화합물 반도체 태양전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 네트워크는 제2금속의 와이어, 로드 및 플레이트(plate)에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 구조체가 불규칙적으로 얽힌 구조인 화합물 반도체 태양전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 하부 네트워크는 네트워크를 이루는 구조체간의 결착에 의해 일체화된 화합물 반도체 태양전지.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 하부 네트워크는 열 또는 광에 의해 구조체간 서로 접촉하는 접촉 영역이 용융 결착한 화합물 반도체 태양전지.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 하부 네트워크는 압착에 의해 상기 투명 기판의 표면과 평행한 표면 영역이 형성되도록 물리적으로 변형된 제2금속의 와이어를 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제2금속은 은, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 철 또는 이들의 합금에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 화합물 반도체 태양전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 네트워크는 하기 관계식 1을 만족하는 화합물 반도체 태양전지.
    (관계식 1)
    0.1≤ Snw1/Ssub ≤0.95
    (관계식 1에서, Ssub는 상기 전도성 네트워크가 위치하는 투명 기판 일 표면의 표면적이며, 상기 Snw1은 상기 전도성 네트워크에 의해 덮이는 투명 기판의 표면적이다)
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 화합물 반도체는 구리 및 12족 내지 14족에서 하나 이상 선택되는 원소의 칼코젠 화합물을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광흡수체 네트워크는 전기도금법 또는 인쇄법에 의해 상기 전도성 네트워크의 형상과 대응되는 형상으로 형성된 화합물 반도체 태양전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 화합물 반도체 태양전지는 상기 광흡수체 네트워크 상부에 위치하는, 버퍼층 및 투명전극층에서 하나 이상 선택되는 층을 더 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 투명 기판은 플렉시블 기판인 화합물 반도체 태양전지.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 광흡수체 네트워크에는, 화합물 반도체가 미 형성된 미형성 영역이 존재하며, 상기 미형성 영역은 상기 전도성 네트워크가 위치하는 투명 기판의 표면과 평행한 가상의 면인 제1면을 기준으로, 제1면 내(in-plane)에서 서로 직교하는 두 축을 x축과 y축이라 할 때, x축과 y축 중 적어도 한 축과 평행하여 광흡수체 네트워크를 가로지르도록 이격 배열되는 다수개의 라인 형상을 갖는 화합물 반도체 태양전지.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항의 화합물 반도체 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈.
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