KR101786092B1 - 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 태양전지는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제1 투명 전극층과, 상기 제1 투명 전극층 상에 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 형성된 제2 투명 전극층과, 상기 기판의 일측에 형성된 광 경로 변환층을 포함하고, 상기 광 경로 변환층은 나노 입자를 포함하며, 기판과 제1 투명 전극층 사이 또는 기판의 내측에 형성될 수 있다.
상기와 같은 발명은 기판의 일측에 광 경로 변환층을 형성함으로써, 광 흡수층을 통과하는 장파장의 태양광을 광 흡수층으로 반사시켜 광 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

태양전지 및 그의 제조방법{SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 하며, 이러한 태양전지는 최근 에너지의 수요가 증가함에 따라 상업적으로 널리 이용되고 있다.
태양전지는 이면 전극층, 광 흡수층, 투명 전극층이 투명한 유리 기판 상에 적층되어 형성되며, 이면 전극층과 투명 전극층을 전기적으로 연결함으로써 태양전지가 완성된다.
이면 전극층으로는 고가의 몰리브덴(Mo)을 사용하기 때문에 태양전지의 제조비용이 증가하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 최근에는 이면 전극층으로 고가의 몰리브덴 대신 저가의 투명전도막(TCO)을 사용한다.
하지만, 이면 전극층으로 TCO를 사용할 경우, 광 흡수층에 흡수되지 못한 장파장의 태양광이 투명한 재질인 TCO를 통과하게 되어 태양전지의 광 효율이 떨어지는 문제점이 발생된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 광 흡수층을 투과한 광이 태양전지 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 태양전지는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제1 투명 전극층과, 상기 제1 투명 전극층 상에 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 형성된 제2 투명 전극층과, 상기 기판의 일측에 형성된 광 경로 변환층을 포함하고, 상기 광 경로 변환층은 나노 입자를 포함하며, 기판과 제1 투명 전극층 사이 또는 기판의 내측에 형성될 수 있다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 태양전지 제조방법은 제1 기판을 마련하는 단계와, 제1 기판 상에 광 경로 변환층을 형성하는 단계와, 상기 광 경로 변환층 상에 제1 투명 전극층을 형성하는 단계와, 상기 제1 투명 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계와, 상기 광 흡수층 상에 제2 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 기판의 일측에 광 경로 변환층을 형성함으로써, 광 흡수층을 통과하는 장파장의 태양광을 광 흡수층으로 반사시켜 광 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 광 경로 변환층을 형성함으로써, 전극층으로 고가의 몰리브덴 대신 저가의 물질을 사용하여 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 동작을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 변형 예를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 변형 예를 나타낸 단면도.
도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 동작을 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 형성된 제1 투명 전극층(200)과, 상기 제1 투명 전극층(200) 상에 형성된 광 흡수층(300)과, 상기 광 흡수층(300) 상에 형성된 제1 버퍼층(400) 및 제2 버퍼층(500)과, 상기 광 흡수층(500) 상에 형성된 제2 투명 전극층(600)과, 상기 기판(100)의 일측에 형성된 광 경로 변환층(700)을 포함한다.
기판(100)은 플레이트 형상으로 형성되며, 투명한 유리 재질로 형성될 수 있다.
기판(100)은 리지드(Rigid)하거나 플렉서블(Flexible)할 수 있으며, 유리 기판 이외에 플라스틱 또는 금속 재질의 기판이 사용될 수 있다. 또한, 기판(100)으로 나트륨 성분이 포함된 소다 라임 글래스(Soda Lime Glass) 기판이 사용될 수 있다.
기판(100)의 일측 예컨대, 기판의 상부에는 본 발명에 따른 광 경로 변환층(700)이 형성될 수 있다.
광 경로 변환층(700)은 광 흡수층을 투과한 장파장의 태양광을 광 흡수층(300)으로 반사시켜 태양전지의 광 효율을 향상시키는 역할을 한다. 광 경로 변환층(700)에 대해서는 이후 자세히 설명하기로 한다.
광 경로 변환층(700) 상에는 제1 투명 전극층(200)이 형성될 수 있다.
제1 투명 전극층(200)은 투명 전도막(TCO, Transparent conductive oxide)인 인듐 틴 옥사이드(ITO), 징크 옥사이드(ZnO), 틴 옥사이드(SnO2)가 사용될 수 있다.
제1 투명 전극층(200)은 동종 또는 이종 금속을 이용하여 두 개 이상의 층을 이루도록 형성될 수도 있다.
제1 투명 전극층(200) 상에는 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물을 포함하며, 예컨대 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
광 흡수층(300) 상에는 제1 버퍼층(400)이 형성될 수 있다.
제1 버퍼층(400)은 광 흡수층(300) 상에 직접 접촉되어 형성되며, 광 흡수층(300)과 이후 설명될 투명 전극층(600)의 에너지 갭 차이를 완화시키는 역할을 한다.
제1 버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, 제1 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 제1 투명 전극층(200)과 제2 투명 전극층(600)의 중간 정도의 크기를 가질 수 있다.
제1 버퍼층(400)의 상부에는 제2 버퍼층(500)이 형성될 수 있다.
제2 버퍼층(500)은 고저항 버퍼층으로서 광 투과율과 전기 전도성이 높은 산화아연(ZnO)으로 형성될 수 있다.
이러한 제2 버퍼층(500)은 제2 투명 전극층(600) 과의 절연 및 충격 데미지(Damege)를 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 제1 버퍼층(400) 및 제2 버퍼층(500)을 광 흡수층(300)과 제2 투명 전극층(600) 사이에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 제1 투명 전극층(200)과 광 흡수층(300) 사이에 형성될 수도 있다.
제2 버퍼층(500) 상에는 제2 투명 전극층(600)이 형성될 수 있다.
제2 투명 전극층(600)은 투명한 형태의 도전성 재질로 형성되며, 알루미늄이 도핑된 산화 아연(AZO; ZnO:Al)이 사용될 수 있다.
제2 투명 전극층(600)으로서 AZO 이외에도 광 투과율과 전기 전도성이 높은 물질인 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화인듐주석(ITO) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 광 경로 변환층(700)은 기판(100) 상에 형성될 수 있으며, 광 경로 변환층(700)은 나노 입자층일 수 있다.
나노 입자층(700)은 나노입자(720)와 나노입자(720)를 포함하는 매트릭스(740)로 구성될 수 있다.
나노입자(720)는 기판(100) 상에 직접 증착 형성될 수 있다. 이러한 나노입자(720)로는 금, 은, 구리, 알루미늄, 백금 또는 Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅴ 족 화합물을 포함할 수 있다.
나노입자(720)의 두께는 10nm 내지 100nm 이하로 형성될 수 있으며, 단면이 사각 형상으로 형성될 수 있다.
나노입자(720)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 디스크 형상, 구 형상, 막대 형상 또는 다면체 형상을 포함할 수 있다.
매트릭스(740)는 나노입자(720)들을 덮도록 형성될 수 있다.
매트릭스(740)로는 절연체 일 수 있다.
예컨대, 실리콘계 수지 등과 같은 폴리머, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 징크 옥사이드 또는 알루미늄 옥사이드 등과 같은 무기 물질이 사용될 수 있다.
매트릭스(740)가 무기물질로 형성될 경우, 높은 내열성을 가질 수 있다. 이에 매트릭스가 무기물질을 포함하는 경우 이후의 공정은 고온에서 진행될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 태양광이 제2 투명 전극층(600)에 입사되면, 입사된 광은 제2 버퍼층(500), 제1 버퍼층(400)을 거쳐 광 흡수층(300)에 흡수될 수 있다.
하지만, 일부 장파장의 태양광은 광 흡수층(300)을 통과하게 되고, 광 흡수층을 통과한 장파장의 태양광은 나노 입자층(700) 예컨대, 나노입자(720)에 의해 반사될 수 있다.
나노 입자층(700)에 의해 반사된 태양광은 제1 투명 전극층(200)을 거쳐 광 흡수층(300)으로 재흡수될 수 있다.
상기와 같은 광 경로 변환층(700)은 광 흡수층을 투과한 광을 광 흡수층(300)으로 재반사시킴으로써, 광 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 태양전지에 광 경로 변환층(700)이 구비되면 전극층으로 고가의 몰리브덴 대신 저가의 투명 재질의 투명전도막을 사용할 수 있어, 원가 절감을 이룰 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 광 경로 변환층(700)을 기판(100) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 다음과 같이 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광 경로 변환층(700)인 나노 입자층은 기판(100)의 내측에 형성될 수 있다.
이를 위해 기판(100)은 제1 기판(120)과 제2 기판(140)을 포함하여 구성될 수 있다.
나노 입자층(700)은 제1 기판(120)에 형성될 수 있으며, 나노 입자층(700)이 형성된 제1 기판(120) 상에 제2 기판(140)을 접착시킴으로써 나노 입자층(700)을 기판(100)의 내측에 배치시킬 수 있다.
상기에서는 광 경로 변환층으로서 나노 입자층을 형성하였지만, 이에 한정되지 않고 다음과 같이 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지를 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 형성된 양자점 층(800)과, 상기 양자점 층(800) 상에 순차적으로 형성된 제1 투명 전극층(200), 광 흡수층(300), 제1 버퍼층(400), 제2 버퍼층(500), 제2 투명 전극층(600)을 포함할 수 있다.
여기서, 양자점 층(800)을 제외한 구성은 제1 실시예에 따른 태양전지의 구성과 동일하므로 생략한다.
양자점 층(800)은 다수의 양자점(820)들과, 상기 양자점(820)들을 포함하는 분산액(840)으로 형성될 수 있다.
양자점(820)은 황화 아연(ZnS) 또는 황하 카드뮴 입자(CdS)일 수 있으며, 1nm 내지 10nm의 크기로 형성될 수 있다.
분산액(840)은 양자점(320)들이 서로 엉켜 붙지 않도록 하며, 분산제와 용매를 결합하여 형성할 수 있다.
분산제로는 카르복실산계 분산제, 카르복실에스테르계 분산제, 올레인산계 분산제, 스테아르산계 분산제, 팔미트산계 분산제 및 핵실 포스포닉산계 분산제가 사용될 수 있다.
용매로는 에탄올, 벤진 및 아세톤 등의 유기 용매가 사용될 수 있다.
양자점 층(800)은 도 5에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 내측에 형성될 수 있다.
이를 위해 기판(100)은 제1 기판(120) 및 제2 기판(140)을 포함할 수 있으며, 제1 기판(120) 상에 양자점 층(800)을 형성한 후, 제2 기판(140)을 제1 기판(120)과 접합시킬 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 살펴본다. 도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기판(100)이 마련되면 기판(100) 상에 광 경로 변환층(700)을 형성하는 단계를 수행한다.
광 경로 변환층(700)으로는 나노 입자층(700)이 형성될 수 있다.
나노 입자층(700)은 먼저, 기판(100) 상에 금, 은, 구리, 알루미늄, 또는 백금 등의 나노입자(720)를 일정 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 나노입자(720)는 100nm 이하 예컨대, 10nm 내지 50nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기와 같이, 나노입자(720)가 증착되면 나노입자(720)를 열처리하고, 이로부터 일정 형상의 나노입자(720)들이 형성될 수 있다.
나노입자(720)의 두께 및 직경은 열처리 공정 조건 등에 의해 용이하게 조절될 수 있다.
상기와 같이, 나노입자(720)가 형성되면, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 징크 옥사이드 또는 알루미늄 옥사이드 등과 같은 무기물질인 매트릭스(740)가 증착되어 나노 입자층(700)을 형성할 수 있다.
이와 다르게, 광 경로 변환층으로 양자점 층이 형성될 경우, 먼저, 황화 아연 또는 황화 카드뮴 입자를 폭발법에 의해 양자점을 형성한다.
이어서, 양자점을 분산액에 혼합하여 양자점들은 분산액 내에 균일하게 형성될 수 있다.
상기와 같이 형성된 양자점층은 스프레이법 또는 스핀 코팅에 의해 기판 상에 형성될 수 있다.
상기에서는 광 경로 변환층이 기판의 상부에 형성되었지만, 기판의 내측에 형성될 수 있다.
이를 위해 기판을 제1 기판과 제2 기판을 분리하여 마련한 후, 제1 기판의 상부에 광 경로 변환층을 위에서 설명한 바와 같이 형성하고, 광 경로 변환층이 형성된 제1 기판과 제2 기판을 접착시켜 형성할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 광 경로 변환층(700)이 형성되면, 광 경로 변환층(700) 상에 제1 투명 전극층(200)을 형성하는 단계를 수행한다.
제1 투명 전극층(200)은 투명 전도막(TCO)를 스퍼터링 법에 의해 증착하여 형성할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 광 경로 변환층(700) 상에 제1 투명 전극층(200)이 형성되면, 제1 투명 전극층(200) 상에 광 흡수층(300), 제1 버퍼층(400) 및 제2 버퍼층(500)을 순차적으로 형성하는 단계를 수행한다.
광 흡수층(300)은 CIGS를 동시 증착법에 의해 형성할 수 있다.
제1 버퍼층(400)은 황하 카드뮴(CdS)을 화학 용액 성장법(Chemical Bath Deposition; CBD)에 의해 형성할 수 있다.
제2 버퍼층(500)은 ZnO를 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1 투명 전극층(200) 상에 광 흡수층(300), 제1 버퍼층(400) 및 제2 버퍼층(500)이 형성되면, 제2 버퍼층(500) 상에 제2 투명 전극층(600)을 형성하는 단계를 수행한다.
투명 전극층(600)은 AZO를 스퍼터링 법으로 증착하여 형성할 수 있다. 이로 인해 고효율의 태양전지의 제조가 완료된다.
상기에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.
100: 기판 200: 제1 투명 전극층
300: 광 흡수층 400: 제1 버퍼층
500: 제2 버퍼층 600: 제2 투명 전극층
700: 나노 입자층 720: 나노입자
800: 양자점 층 820: 양자점

Claims (10)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치된 제1 투명 전극층;
    상기 제1 투명 전극층 상에 배치된 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치된 제1 버퍼층;
    상기 제1 버퍼층 상에 배치된 제2 버퍼층;
    상기 제2 버퍼층 상에 배치된 제2 투명 전극층; 및
    상기 제1 기판과 상기 제1 투명 전극층 사이에 배치되어 나노 입자와 상기 나노 입자들을 덮는 절연체인 매트릭스를 포함하는 광 경로 변환층을 포함하고,
    상기 나노 입자는 상기 제1 기판 및 상기 매트릭스와 직접 접촉하며,
    상기 매트릭스는 상기 나노 입자 및 상기 제1 투명 전극층과 직접 접촉하고,
    상기 나노입자는 상기 제1 투명 전극층과 이격되어 배치되는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 폴리머, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 징크 옥사이드 또는 알루미눔 옥사이드를 포함하는 무기물질인 태양전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 나노 입자는 금, 은, 구리, 알루미늄, 백금 또는 Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅴ 족 화합물을 포함하는 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극층은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 징크 옥사이드(ZnO), 틴 옥사이드(SnO2) 중 하나인 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 투명 전극층은 알루미늄이 도핑된 산화 아연(AZO; ZnO:Al), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화인듐주석(ITO) 중 하나인 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극층 및 상기 제2 투명 전극층은 동일한 물질을 포함하는 태양전지.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 나노 입자의 두께는 10nm 내지 100nm인 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 경로 변환층과 상기 제1 투명 전극층 사이에 제2 기판을 더 포함하는 태양전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 투명한 유리인 태양전지.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 제1 투명 전극층;
    상기 제1 투명 전극층 상에 배치된 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치된 제1 버퍼층;
    상기 제1 버퍼층 상에 배치된 제2 버퍼층;
    상기 제2 버퍼층 상에 배치된 제2 투명 전극층; 및
    상기 기판과 상기 제1 투명 전극층 사이에 배치되어 다수의 양자점들과, 상기 양자점들을 포함하는 분산액을 포함하는 양자점 층을 포함하며,
    상기 분산액은 분산제와 용매를 포함하고, 상기 분산제는 카르복실산계 분산제, 카르복실에스테르계 분산제, 올레인산계 분산제, 스테아르산계 분산제, 팔미트산계 분산제 또는 핵실 포스포닉산계 분산제를 포함하는 태양전지.
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