KR101906712B1 - 광흡수층 조성물, 이를 포함하는 투명태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
광흡수층 조성물, 이를 포함하는 투명태양전지 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 광흡수층 조성물, 이를 포함하는 투명태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이고, 본 발명의 실시예를 따르는 하기 [화학식 1]로 표시되는 투명태양전지 광흡수층 조성물을 제공하며, 상기 화학식 1에서, A는 Bi(비스무스), Cu(구리), Ag(은), Zn(아연) 및 Sn(주석) 중 적어도 하나를 포함하고, 0≤m≤ 0.5, 0<x≤ 2, 0<n≤ 0.75, 0<z≤ 1 및 0<y≤ 3이다.
<화학식 1>
(AmSb1-m)x(On(SzSe1-z)1-n)y
<화학식 1>
(AmSb1-m)x(On(SzSe1-z)1-n)y
Description
본 발명은 광흡수층 조성물, 이를 포함하는 투명태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양광은 지구상에서 가장 풍부하고 고갈의 염려가 없는 지구상에 있는 거의 모든 에너지의 원천이다. 태양으로부터 지표면에 공급되는 에너지는 청명한 날 1 제곱미터당 1000 W의 전력이 지구상에 도달하고 있으며, 총량은 현재 인류가 사용하는 에너지 총량인 12 테라와트(TW)의 약 10000 배에 해당하는 약 12만 TW이다. 이와 같이 태양광 에너지는 재생에너지 중에서도 가장 풍부한 자원으로서 미래에 지배적으로 사용될 수 있는 에너지원이 될 수 있다. 따라서, 21세기에 접어들면서 재생에너지에 대한 요구가 급증하면서 태양전지에 관심이 집중되었다.
태양전지는 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 것으로, 현재 기술의 고효율 태양전지는 제조 단가가 높아 경제성이 떨어지므로, 인공위성 등 주로 특수한 목적에 일부 이용되고, 대부분은 여러 에너지원 중 효율과 제조단가를 같이 평가하여 경제성이 있는 것이 실제로 이용되게 된다. 이에, 화석연료의 사용이 필요 없고, 특별한 유지관리 없이 전기를 생산할 수 있는 미래의 핵심적 대체 에너지원인 태양에너지를 이용한 기술은 대중적으로 사용하기 위해 고 효율화와 저가화의 방향으로 기술발전이 이루어져 왔다.
태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘 화합물 반도체, 박막태양전지와 같은 무기소재로 이루어진 무기태양전지와 유기물질을 포함하는 유기태양전지로 나눌 수 있고, 유기태양전지에는 염료감응형 태양전지와 유기분자접합형 태양전지가 포함된다.
상기 중 화합물 반도체 태양 전지는, 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광흡수층에 화합물 반도체를 사용하는데, 특히 GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs 등의 Ⅲ -Ⅴ 족 화합물 반도체, CdS, CdTe, ZnS 등의 Ⅱ -Ⅵ 족 화합물 반도체, CuInSe2로 대표되는 Ⅰ -Ⅲ -Ⅵ 족 화합물 반도체 등을 사용할 수 있다.
태양 전지의 광흡수층은, 장기적인 전기, 광학적 안정성이 우수하고, 광전 변환 효율이 높으며, 조성의 변화나 도핑에 의해 밴드갭 에너지나 도전형을 조절하기가 용이할 것 등이 요구된다. 또한, 실용화를 위해서는 제조 비용이나 수율 등의 요건도 만족해야 한다. 그러나, 종래의 여러 화합물 반도체들은 이러한 요건들을 모두 함께 만족시키지는 못하고 있다.
CIS 박막 또는 CIGS 박막은 Ⅰ -Ⅲ -Ⅵ 화합물 반도체 중의 하나이며, 실험실적으로 만든 박막 태양전지 중에서 가장 높은 변환효율(20.3%)을 기록하고 있다. 특히 10마이크론 이하의 두께로 제작할 수 있고, 장시간 사용 시에도 안정적인 특성이 있어, 실리콘을 대체해 나아가고 있다.
특히, CIS 박막은 직접 천이형 반도체로서 박막화가 가능하고 밴드갭이 1.04 eV로 비교적 광변환에 적합하며, 광흡수 계수가 알려진 태양전지 재료 중 큰 값을 나타내는 재료이다. CIGS 박막은 CIS 박막의 낮은 개방전압을 개선하기 위하여 In의 일부를 Ga으로 대체하거나 S을 Se로 대체하여 개발된 재료이다.
CIGS계 태양전지는 수 마이크론 두께의 박막으로 태양전지를 만드는데, 그 제조방법으로는 크게 진공에서의 증착을 이용하는 방법과, 비진공에서 전구체 물질을 도포한 후에 이를 열처리하는 방법이 있다. 그 중, 진공 증착에 의한 방법은 고효율의 흡수층을 제조할 수 있는 장점이 있는 반면에, 대면적의 흡수층 제조 시에 균일성이 떨어지고 고가의 장비를 이용하여야 하며 사용되는 재료의 20～ 50%의 손실로 인하여 제조단가가 높다는 단점이 있다. 반면에, 전구체 물질을 도포한 후 고온 열처리하는 방법은 공정 단가를 낮출 수 있으며 대면적을 균일하게 제조할 수 있으나, 흡수층 효율이 비교적 낮은 문제점이 있다.
비진공에서 전구체 물질을 도포하여 형성된 CIGS 박막은 기공이 많고 치밀화되지 못한 특성을 나타내기 때문에 셀렌화 열처리를 수행한다. 또한, CIGS 박막은 녹는점이 1000℃ 이상으로 매우 높기 때문에, 수십 나노 사이즈의 CIGS 화합물 나노입자라 하더라도 후열처리에 의해 입자 성장 및 치밀화가 용이하지 않은 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 밴드갭 제어가 용이하고, 높은 흡광계수와 투과도를 동시에 갖는 광흡수체 금속 화합물 박막, 이를 포함하는 투명태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 실시예를 따르는
하기 화학식 1로 표시되는 광흡수층 조성물을 제공한다.
<화학식1>
(AmSb1-m)x(On(SzSe1-z)1-n)y
상기 화학식 1에서,
A는 Bi(비스무스), Cu(구리), Ag(은), Zn(아연) 및 Sn(주석)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나이고,
0≤m≤ 0.5, 0≤x≤ 2, 0≤n≤ 0.75, 0≤z≤ 1 및 0≤y≤ 3이다.
또한, 본 발명의 실시예를 따르는
제1전극;
상기 제1전극 상부에 형성되는 전자전달층;
상기 전자전달층 상부에 형성되는 광흡수층;
상기 광흡수층 상부에 형성되는 정공전달층; 및
상기 정공전달층 상부에 형성되는 제2전극;을 포함하고,
상기 광흡수층은 상기에 의한 광흡수층 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명태양전지를 제공한다.
나아가, 본 발명의 실시예를 따르는
제1전극 상부에 전자전달층을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 전자전달층 상에 광흡수층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 광흡수층 상에 정공전달층을 형성하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 형성된 정공전달층 상에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 4);를 포함하고,
상기 광흡수층은 제 1항에 의한 광흡수층 조성물로 제조되는 것을 특징으로 하는 투명태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예를 따르는 광흡수층 조성물, 이를 포함하는 투명태양전지 및 이의 제조방법에 의하면 넓은 밴드갭, 높은 흡광도 및 높은 투과도를 갖는 무기소재 박막 광흡수층을 형성할 수 있고, 투명태양전지의 밴드갭 및 광전변환 특성 최적화가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지의 적층을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예를 따르는 광흡수층 조성물은,
하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
<화학식1>
(AmSb1-m)x(On(SzSe1-z)1-n)y
상기 화학식 1에서,
A는 Bi(비스무스), Cu(구리), Ag(은), Zn(아연) 및 Sn(주석) 중 적어도 하나를 포함하고,
0≤m≤0.5, 0≤x≤ 2, 0≤n≤ 0.75, 0≤z≤ 1 및 0≤y≤ 3이다.
본 발명의 실시예를 따르는 광흡수층 조성물은 저비용 범용 금속원소를 포함함으로써, 광흡수층의 밴드갭 및 관전변환 특성을 최적화 하는 것이 가능하고 이를 통해 광흡수층을 고효율화할 수 있다.
또한, 상기 광흡수층 조성물을 포함하는 박막을 형성하거나, 열처리하는 과정에서 황, 셀렌 및 산소의 함량 조절을 통하여 밴드갭의 제어가 가능할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지는,
제1전극;
상기 제1전극 상부에 형성되는 전자전달층;
상기 전자전달층 상부에 형성되는 광흡수층;
상기 광흡수층 상부에 형성되는 정공전달층; 및
상기 정공전달층 상부에 형성되는 제2전극;을 포함하고,
상기 광흡수층은 앞서 설명한 광흡수층 조성물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지(100)의 구성을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지(100)의 적층을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지(100)는 기판(101) 및 상기 기판 상에 형성된 제1전극(102); 상기 제1전극 상부에 형성되는 전자전달층(103); 상기 전자전달층 상부에 형성되는 광흡수층(104); 상기 광흡수층 상부에 형성되는 정공전달층(105); 및 상기 정공전달층 상부에 형성되는 제2전극(106);을 포함하고, 상기 광흡수층은 앞서 설명한 광흡수층 조성물을 포함한다.
본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지는 상기 제1전극 또는 제2전극 상에 배치된 기판을 더 포함하고, 상기 기판은 유리, 금속박막 및 고분자 기판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종일 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
상기 기판(101)은 광투과성의 무기물 기판 또는 유기물 기판이거나, 이들이 동종 또는 이종으로 2 이상 적층된 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(101)은 유리, 석영, 알루미나(Al2O3), 및 실리콘카바이드(SiC) 등에서 선택된 무기물 기판, 또는 PC(polycarbonate), PMMA(polymethylmethacrylate), PET(polyethylene terephthalate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PAR(polyarylate) 등에서 선택된 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 기판은 10 nm 이하의 표면 거칠기(roughness) 값을 가질 수 있다.
기판의 표면거칠기는 후속으로 적층되는 제1전극, 전자전달층, 광흡수층, 정공전달층 및 제2전극의 표면형상과 필름균일도에 영향을 미치게 된다. 따라서, 두께가 얇은 박막 화합물 반도체의 경우에 이로 인해 표면이 거친 기판의 경우 후속으로 적층되는 박막의 균일도 및 박막의 질에 영향을 미칠 수 있고, 궁극적으로 태양전지소자의 광전변환성능에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지의 기판의 표면 거칠기는 10 nm 이하의 값을 가지는 것이 바람직하다.
상기 광흡수층은 30 내지 500 nm 두께일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지에 있어서, 광원의 투과도를 확보하기 위해서 광흡수층(104)을 포함한 태양전지의 두께가 얇고, 투과도를 갖는 물질을 사용할 수 있다. 투명태양전지를 제조하기 위해서는 투과도 확보를 위해 두께는 500nm를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 반대로 두께가 30nm미만이라면, 투과도는 확보가 되지만 광흡수층의 두께가 지나치게 얇아지게 되어 광원의 조사에 의한 정공-전자의 생성이 충분하지 못하게 되고, 이는 낮은 광전변환효율이 결과로 이어질 수 있다.
상기 전자전달층은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 아연옥시설파이드(Zinc oxysulfide, Zn(O,S)) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
상기 정공전달층이 요오드화구리(CuI), 산화구리(I)(Cu2O), 산화구리(II)(CuO), 티오시안구리(CuSCN), 산화니켈(NiO) 및 산화주석(SnO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
정공전달층은 티오펜계, 파라페닐렌비닐렌계, 카바졸계 및 트리페닐아민계 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
상기 전자전달층 및 정공전달층은 5 내지 50 nm 두께일 수 있다.
전자전달층(103)은 광흡수층(105)에서 발생한 광전자를 전극으로 효율적으로 이동시키면서, 광전자의 재결합을 최대한 억제하는 역할을 한고, 정공전달층은 광흡수층에서 생성된 정공을 제2전극으로 이동시키면서 정공이 소멸되는 것을 방지하는 기능을 한다. 전자전달층 및 정공전달층의 두께가 5 nm 미만이면, 상기의 역할을 충분히 수행하지 못하여, 광전 성능이 저하되는 단점이 있을 수 있다. 전자전달층 및 정공전달층의 두께가 50 nm를 초과한다면, 본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지의 투과도가 저하되는 단점이 있을 수 있다.
상기 제1 전극(102) 및 제 2 전극(106)은 상기 기판(101)을 통과한 빛이 광활성층에 도달하도록 광투과성 물질일 수 있으며, 광활성층에서 생성된 전자를 받아 외부 회로로 전달하는 음극의 역할을 수행할 수 있다. 상기 제1 전극(102)은 ITO(Indium Tin Oxide)막, FTO(Fluorinated Tin Oxide)막, IZO(Indium Zinc Oxide)막, AZO(Al-doped Zinc Oxide)막, ZnO(Zinc Oxide)막 또는 IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)막과 같은 광투과성 막일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다
나아가, 본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지의 제조방법은
제1전극 상부에 전자전달층을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 전자전달층 상에 광흡수층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 광흡수층 상에 정공전달층을 형성하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 형성된 정공전달층 상에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 4);를 포함하고,
상기 광흡수층은 앞서 설명한 광흡수층 조성물로 제조되는 것을 특징으로 하는 투명태양전지의 제조방법을 제공한다.
태양전지에서 전자전달층, 광흡수층 및 정공전달층의 박막으로 사용되는 금속 산화물의 경우 주로 졸-겔(sol-gel)법에 의해 제조되는데, 이 경우 결정성이 있는 금속 산화물을 형성하기 위하여 후속 열처리가 필요하나, 졸-겔 공정의 특성상 결함이 적은 고품위 박막을 형성하는 것은 실질적으로 불가능하다. 전자전달층, 광흡수층 및 정공전달층 박막 내의 결함은 전하-정공의 이동을 저해하고 전하들의 재결합을 촉진하는 역할을 하기 때문에 고품위 박막의 형성은 광전변환효율 향상을 위한 필수적이다. 또 다른 방법으로는 금속 산화물 나노 입자의 분산 용액을 스핀 코팅, 닥터 블레이드 코팅 또는 스프레이 코팅하여 전자수송층을 제조하는 것인데, 이 역시 나노 입자의 계면에서 발생하는 결함을 제거하는 것이 어렵다. 따라서, 본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지의 전자전달층, 광흡수층 및 정공전달층의 형성은 치밀한 화합물 박막을 얻을 수 있는 원자층증착법으로 실시할 수 있다.
상기 단계 2에 의해 형성된 광흡수층은 100 내지 550℃의 온도에서 열처리되는 것일 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
상기 열처리에 의해 원자층증착법에 의해 형성된 광흡수층 박막의 치밀도 및 결정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이때, 상기 열처리의 온도가 100℃ 미만이라면 상기 광흡수층이 충분한 치밀도 및 결정성을 갖지 못하는 단점이 있고, 만약 상기 열처리의 온도가 550℃를 초과한다면, 본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지의 기판으로 사용될 수 있는 투명 고분자 기판이 분해가 될 수 있는 문제점이 있을 수 있다.
상기 열처리는 황(S), 셀레늄(Se), 황화셀레늄(SeS2) 및 황화수소(H2S) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지의 광흡수층은 원자층증착법에 의해 수행되어 형성되고, 이때 안티몬, 산소, 황 및 셀렌을 포함하는 원소 및 화합물이 전구체로 사용되어 광흡수층 박막을 형성하게 된다. 원자층증착법에 의해 형성된 광흡수층은 종래의 전구체 용액을 기반으로 형성되는 광흡수층 박막에 비교하여 치밀도 및 결정성이 높은 박막을 얻을 수 있지만, 추가적으로 치밀도 및 결정성을 향상시키기 위해 황(S), 셀레늄(Se), 황화셀레늄(SeS2) 및 황화수소(H2S)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 분위기에서 열처리가 수행될 수 있다.
상기 전자전달층 및 정공전달층은 350℃ 이하의 온도에서 열처리가 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
본 발명의 실시예를 따르는 투명태양전지의 전자전달층 및 정공전달층은 원자층증착법에 의해 수행되어 형성되고, 종래의 전자전달층 및 정공전달층을 구성하는 물질을 포함하는 전구체를 포함하는 용액기반 공정에 비교하여 박막의 치밀도가 높은 것이 장점이지만, 박막 형성 후 열처리를 수행하여 박막의 치밀도 및 결정성을 높일 수 있다.
실시예
1 - 황화안티몬(
Sb
2
S
3
) 박막 태양전지의 제조
단계 1 -
전자전달층의
형성
불소 함유 산화주석(제1 전극)이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO2, 8 ohms/sq, Pilkington, 이하 FTO 기판)을 준비하였고, 상기 제1전극 상부에 전자 산화아연(ZnO) 박막을 원자층 증착법으로 전자전달층을 형성하였다. 원자층 증착의 공정 사이클을 조절하여 30nm 두께의 나노 박막을 형성하였다. 아연(Zn)의 전구체 물질로 다이에틸징크(diethyl zinc)를 사용하였고, 수증기(H2O)를 산화제(oxidant)로, 질소(N2)를 캐리어 가스로 사용하였다.
단계 2 -
광흡수층의
형성
황화안티몬(Sb2S3) 박막을 광흡수층으로 형성하기 위해 Sb(NMe2)3 및 H2S를 전구체 물질로 하여 120℃에서 상기 전구체를 연속적인 펄스로하여 800 싸이클 반복하여 약 40 nm의 황화안티몬(Sb2S3) 광흡수층 박막을 형성하였다.
상기 박막을 형성한 후 황(S) 분위기 하에서, 약 330℃의 온도에서 약 30분 열처리를 수행하여, 치밀한 황화안티몬(Sb2S3) 박막을 형성하였다.
단계 3 -
정공수송층의
형성
P3HT가 용해된 1,2-다이크롤로벤젠(1,2-dichlorobenzene) 용액을 3000 rpm에서 30초간 스핀코팅하여 약 20 nm 두께의 P3HT 박막을 증착하여 정공수송층을 형성하였다.
단계 4 - 제2전극
의
형성
정공전달층 상부에 열 진공 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 금(gold) 전극을 100 nm의 두께로 증착하여 황화안티몬(Sb2S3) 투명태양전지를 제조하였다.
실시예
2 내지
실시예
7
원자층 증착 공정에 의해 형성되는 황화안티몬(Sb2S3) 광흡수층을 각각 56 nm(1000 싸이클), 65 nm(1200 싸이클), 76 nm(1400 싸이클), 88 nm(1600 싸이클), 100 nm(1800 싸이클), 및 113 nm(2000 싸이클)의 두께로 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 투명태양전지를 제조하였다.
실시예
8 -
Sb
2
(O
n
(S
z
Se
1-z
)
1-n
)
y
박막 태양전지의 제조
황이 일부 산소로 대체된 광흡수층 박막을 형성하기 위해 Sb(NMe2)3 (트리스아미안티몬, trisamidoantimony), 황화수소(H2S) 및 오존(O3)를 전구체 물질로 하여 120℃에서, 상기 Sb(NMe2)3 전구체 및 황화수소(H2S) 3회 펄스에 오존(O3)1회 펄스를 1싸이클로 하여 약 1600싸이클을 실시하여 두께 90nm의 Sb2(O0.25S0.75)3 광흡수층 박막을 형성하였다.
상기 광흡수층을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 Sb2(O0.25S0.75)3 투명태양전지를 제조하였다.
실시예
9 -
Sb
2
(O
n
S
z
)
3
박막 태양전지의 제조
황이 일부 산소로 대체된 광흡수층 박막을 형성하기 위해 Sb(NMe2)3 (트리스아미안티몬, trisamidoantimony), 황화수소(H2S) 및 오존(O3)를 전구체 물질로 하여 120℃에서, 상기 Sb(NMe2)3 전구체 및 황화수소(H2S) 1회 펄스에 오존(O3)3회 펄스를 1싸이클로 하여 약 1600싸이클을 실시하여 두께 90nm의 Sb2(O0.75S0.25)3 광흡수층 박막을 형성하였다.
상기 광흡수층을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 Sb2(O0.75S0.25)3 투명태양전지를 제조하였다.
실시예
10 - (
A
m
Sb
1
-m
)
2
S
3
박막 태양전지의 제조
주석이 혼합된 광흡수층 박막을 형성하기 위해 Sn(MeC(NiPr)2)2( 비스 (N, N'- 디이소프로필아세트아미드) 주석 (II)) Sb(NMe2)3 및 H2S를 전구체 물질로 하여, 약 120℃에서 Sb(NMe2)3, H2S의 연속적인 펄스 90회 실시 후에 Sn(MeC(NiPr)2)2 펄스 1회를 실시하는 것을 1 싸이클로 하여 약 1600싸이클을 실시하여 두께 약 90nm의 (Sn0 . 05Sb0 . 95)2S3광흡수층 박막을 형성하였다.
상기 광흡수층을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법을 수행하여 투명태양전지를 제조하였다.
실시예
11 - 기판의
표면거칠기가
제어된 박막 태양전지의 제조
표면 거칠기가 수 nm로 제어된 ITO 기판을 사용하고 상기 제1전극 상부에 이산화티타늄(TiO2) 박막을 원자층 증착법으로 전자전달층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 투명태양전지를 제조하였다. 원자층 증착의 공정 사이클을 조절하여 10nm 두께의 나노 박막을 형성하였다. 티타늄(Ti)의 전구체 물질로 테트라키스 디메틸아미도 티타늄을 사용하였고, 수증기(H2O)를 산화제(oxidant)로, 질소(N2)를 캐리어 가스로 사용하였다.
실시예 11은 실시예 1 내지 실시예 10과 달리 상기한 원자층 증착법으로 제조된 10 nm 두께의 이산화티타늄 박막을 사용하여, 기판의 표면거칠기의 표면거칠기 변화가 소자에 미치는 영향이 커지게 된다.
상기의 ITO 기판은 특별한 처리를 하지 않은, 구입된 상태의 기판으로써 수 nm의 표면 거칠기를 갖는 기판을 구매하여 사용하였다.
실시예
12 - 기판의
표면거칠기가
제어된 박막 태양전지의 제조
표면 거칠기가 수십 nm로 제어된 FTO 기판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 11과 동일한 조건으로 투명태양전지를 제조하였다.
상기의 FTO 기판은 특별한 처리를 하지 않은, 구입된 상태의 기판으로써 수십 nm의 표면 거칠기를 갖는 기판을 구매하여 사용하였다.
실시예
13 및
실시예
14 - 황화안티몬(
Sb
2
S
3
) 박막 태양전지의 제조
실시예 1 내지 실시예 12에 의해 제조된 투명태양전지를 참조하여, 실시예 8에 의한 ITO 기판을 준비하고, 기판 상에 두께 30nm의 TiO2 전자전달층을 ALD 공정을 통해 형성한 후, 88nm의 두께를 갖는 황화안티몬(Sb2S3) 광흡수층 박막을 포함하는 투명태양전지를 제조하였다. 반투명 태양전지 소자특성 평가를 위하여 제2전극으로 진공 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 금(gold) 전극을 100nm(실시예 13) 및 10nm(실시예 14)의 두께로 증착하여 광투과도를 확보하고자 하였다.
<실험 예 1 - 황화안티몬(
Sb
2
S
3
) 박막 태양전지 특성 비교>
본 발명의 실시예를 따르는 황화안티몬(Sb2S3) 광활성층 박막의 두께에 따른 투명태양전지의 광전 성능 및 투과도를 확인하기 위해, 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 태양전지소자의 광전변환효율과 투과도를 측정하였고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
태양전지소자의 광전 성능 측정을 위해 전압-전류밀도 곡선은 J-V 커브는 0.096 cm2 면적을 갖는 금속 마스크에 소스 미터 장치와 솔라 시뮬레이터를 이용하여 1.5 G 태양 조사(100 mW·cm- 2)조건 하에서 수행하였고, 상기 실험을 통해 광전변환효율을 측정하였고, 자외선-가시광선 분광 장치를 이용하여 400 내지 800 nm 파장에서의 평균 투과도를 측정하였다.
| 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 | 실시예5 | 실시예6 | 실시예7 | |
| 싸이클 | 800 | 1000 | 1200 | 1400 | 1600 | 1800 | 2000 |
| 두께(nm) | 40 | 56 | 65 | 76 | 88 | 100 | 113 |
| 투과도(%) | 26.11 | 21.55 | 18.76 | 14.90 | 12.66 | 11.65 | 10.97 |
| 효율(%) | 0.97 | 1.17 | 1.23 | 3.58 | 4.52 | 3.15 | 0.53 |
표 1에서 나타난 바와 같이, 상기 실험을 통해 원자층 증착의 싸이클 횟수가 증가함에 따라, 광흡수층의 두께가 증가하여 실시예5에 의한 태양전지까지는 광전변환효율이 상승하지만, 투과도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 실시예6 및 실시예 7에 의한 태양전지는 실시예5에 비교하여 광흡수층의 두께가 증가하여 투과도가 감소하는 동시에, 광전변환효율도 감소하였다.
<실험 예 2 -
(A
m
Sb
1-m
)
x
(O
n
(S
z
Se
1-z
)
1-n
)
y
박막 태양전지 특성 비교>
본 발명의 실시예를 따르는 (AmSb1-m)x(On(SzSe1-z)1-n)y 광활성층 박막의 조성에 따른 투명태양전지의 광전 성능 및 투과도를 확인하기 위해, 실시예 5 및 실시예 8 내지 실시예 10에 의해 제조된 태양전지소자의 광전변환효율과 투과도를 측정하였고 그 결과를 표 2에 나타내었다.
태양전지소자의 광전 성능 측정을 위해 전압-전류밀도 곡선은 J-V 커브는 0.096 cm2 면적을 갖는 금속 마스크에 소스 미터 장치와 솔라 시뮬레이터를 이용하여 1.5 G 태양 조사(100 mW·cm- 2)조건 하에서 수행하였고, 상기 실험을 통해 광전변환효율을 측정하였고, 자외선-가시광선 분광 장치를 이용하여 550nm 파장에서의 투과도를 측정하였다.
| 실시예5 | 실시예8 | 실시예9 | 실시예10 | |
| 광흡수층 조성 | Sb2S3 | Sb2(O0.25S0.75)3 | Sb2(O0.75S0.25)3 | (Sn0 . 05Sb0 . 95)2S3 |
| 밴드갭(eV) | 1.76 | 1.82 | 2.16 | 1.94 |
| 투과도(%) | 12.66 | 31.57 | 38.25 | 36.73 |
| 효율(%) | 4.52 | 1.66 | 0.24 | 0.00 |
표 2에서 나타난 바와 같이, 상기 실험을 통해 실시예5와 비교하여 황 원자가 산소 원자로 대체 됨에 따라, 밴드갭, 투과도는 상승하였고, 광전변환효율은 감소하는 것이 확인되었다. 표2를 참조하면, 광흡수층의 황 원자가 산소 원자로 대체되는 비율이 높아질 수록 밴드갭 및 투과도는 상승하는 경향을 보였고, 광전변환효율은 감소하는 경향을 보였다. 또한, 실시예5 및 실시예10의 측정 결과를 비교하면, 광흡수층의 안티몬(Sb)이 주석(Sn)으로 일부 대체된 실시예 10에 의한 투명태양전지는 투과도 및 밴드갭은 상승하였고, 광전변환효율은 0의 값을 나타내었다.
<실험 예 3 -기판 표면 거칠기에 따른 황화안티몬(
Sb
2
S
3
) 박막 태양전지 특성 비교>
본 발명의 실시예를 따르는 황화안티몬(Sb2S3) 광활성층 박막의 기판의 종류 및 표면 거칠기에 따른 투명태양전지의 광전 성능을 확인하기 위해, 실시예 11 내지 실시예 12에 의해 제조된 태양전지소자의 광전 성능을 측정하였고 그 결과를 표 3에 나타내었다.
태양전지소자의 광전 성능 측정을 위해 전압-전류밀도 곡선은 J-V 커브는 0.096 cm2 면적을 갖는 금속 마스크에 소스 미터 장치와 솔라 시뮬레이터를 이용하여 1.5 G 태양 조사(100 mW·cm- 2)조건 하에서 수행하였고, 상기 실험을 통해 광전변환효율을 측정하였다.
| 기판 종류 | 기판 거칠기 | 효율(%) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(%) |
| ITO (실시예11) |
수 nm | 4.889 | 0.711 | 14.65 | 46.92 |
| FTO (실시예12) |
수십 nm | 0.84 | 0.696 | 3.28 | 36.63 |
실시예 11에 의해 제조된 투명태양전지는 실시예 12에 의해 제조된 투명태양전지와 비교하여 사용된 기판의 표면 거칠기 값이 작은 표면을 갖는 ITO 기판을 사용하였다. 실시예 11에 의해 제조된 투명태양전지는 실시예 12와 비교하여, 태양전지의 효율, 개방전압, 단락전류밀도 및 채움인자 수치 모두가 향상되고 궁극적으로 태양전지소자의 광전변환효율이 큰 폭으로 차이가 있는 것을 확인하였다.
실시예 5에 의한 태양전지 특성과 비교하면, 실시예 11에 의해 제조된 투명태양전지는 비슷한 수준의 광전 효율을 갖는 것을 확인하였고, 투명태양전지의 기판의 표면거칠기를 제어함으로써, 개선된 소자의 성능을 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
<실험 예 4 - 황화안티몬(
Sb
2
S
3
) 태양전지 특성 비교 >
실시예 13 내지 실시예 14에 의해 제조된 투명태양전지의 투과도 및 광전 성능을 측정하였고 그 결과를 표 4에 나타내었다.
태양전지소자의 광전 성능 측정을 위해 전압-전류밀도 곡선은 J-V 커브는 0.096 cm2 면적을 갖는 금속 마스크에 소스 미터 장치와 솔라 시뮬레이터를 이용하여 1.5 G 태양 조사(100 mW·cm- 2)조건 하에서 수행하였고, 상기 실험을 통해 광전변환효율을 측정하였고, 자외선-가시광선 분광 장치를 이용하여 400 내지 800 nm 파장에서의 평균 투과도를 측정하였다.
| 제2전극 두께 | 투과도(%) | 효율(%) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | |
| 실시예 13 | 100nm | 0.00 | 3.75 | 0.6676 | 12.01 |
| 실시예 14 | 10nm | 13.00 | 3.44 | 0.6791 | 12.07 |
표 4에 나타난 바와 같이, 상기 실험을 통해 실시예 13에 의한 투명태양전지는 제2전극의 두께를 낮춤으로써 광투과도와 광전변환효율의 확보가 동시에 가능한 것을 확인하였다.
100: 태양전지
101: 기판
102: 제1전극
103: 전자전달층
104: 광흡수층
105: 정공전달층
106: 제2전극
101: 기판
102: 제1전극
103: 전자전달층
104: 광흡수층
105: 정공전달층
106: 제2전극
Claims (12)
- 삭제
- 10 nm 이하의 표면 거칠기(roughness) 값을 갖는 기판;
상기 기판 상에 형성되는 제1전극;
상기 제1전극 상에 형성되는 전자전달층;
상기 전자전달층 상에 형성되는 Sb2(O0.25S0.75)3 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성되는 정공전달층; 및
상기 정공전달층 상에 형성되는 제2전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 기판은 유리, 금속박막 및 고분자 기판 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명태양전지.
- 삭제
- 제 2항에 있어서,
상기 광흡수층은 30 내지 500 nm 두께인 것을 특징으로 하는 투명태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 전자전달층은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 아연옥시설파이드(Zinc oxysulfide, Zn(O,S)) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 정공전달층은 요오드화구리(CuI), 산화구리(I)(Cu2O), 산화구리(II)(CuO), 티오시안구리(CuSCN), 산화니켈(NiO) 및 산화주석(SnO2) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 전자전달층 및 정공전달층은 5 내지 50 nm 두께인 것을 특징으로 하는 투명태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 정공전달층은 티오펜계, 파라페닐렌비닐렌계, 카바졸계 및 트리페닐아민계 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명태양전지.
- 10 nm 이하의 표면 거칠기(roughness) 값을 갖는 기판을 형성하는 단계(단계 1);
상기 기판 상에 제1전극을 형성하고, 제1전극 상부에 전자전달층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 전자전달층 상에 Sb2(O0.25S0.75)3 광흡수층을 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 형성된 광흡수층 상에 정공전달층을 형성하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 형성된 정공전달층 상에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명태양전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 단계 3에 의해 형성된 광흡수층은 100 내지 550℃의 온도에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 투명태양전지 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 단계 2 및 단계 4에 의해 형성된 전자전달층 및 정공전달층은 350 ℃ 이하의 온도에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 투명태양전지 제조방법.
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