KR102024229B1 - 투명 후면전극을 가지는 캘코지나이드계 박막태양전지 - Google Patents

투명 후면전극을 가지는 캘코지나이드계 박막태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명 후면전극을 가지는 캘코지나이드계 박막태양전지에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막태양전지는 투명 기판, S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층 및 투명 기판과 광활성층 사이에 형성되고, 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함하는 후면전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

투명 후면전극을 가지는 캘코지나이드계 박막태양전지 {Chalcogenide thin film solar cell having a transparent back electrode}
본 발명은 CIGS로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체를 광활성층으로 사용하는 박막태양전지(thin film solar cells)에 관한 것으로, 상세하게는 투명 도전성 산화물 박막을 하부전극으로 사용하는 박막태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 광흡수층으로 어떠한 물질을 사용하는가에 따라 다양하게 분류된다. 광흡수층으로 주로 실리콘을 사용하는 태양전지가 주를 이루고 있으나, 최근 효율이 높은 캘코지나이드(chalcogenide)계열의 물질을 광흡수층으로 사용하는 캘코지나이드계 태양전지의 연구가 각광을 받고 있다.
Cu(In1-x, Gax)(Se,S)2 (CIGS)로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체의 박막태양전지는 높은 광흡수율과 우수한 반도체 특성으로 인해 높은 광전변환 효율의 달성이 가능해서(CIGS 광전변환효율 22.6% 달성-독일 ZSW) 차세대 저가 고효율 태양전지로 기대되고 있다. CIGS 박막은 단단한 유리기판뿐만 아니라 금속기판 또는 폴리머기판 위에서도 성장 가능하여, 플렉서블 태양전지로 개발 할 수 있다. 그 외 CIGS 박막태양전지는 Ga/(In+Ga) 비 또는 Se/(Se+S) 비의 변화를 통해 밴드갭을 자유롭게 변화시킬 수 있어서, 태양광 또는 외부광원의 광 스펙트럼에 대응한 광흡수층 소재 설계에 유리하다. 특히, Se계 태양전지는 In/(In+Ga) 비에 따라 밴드갭을 1.0에서 1.7eV까지 바꿀 수 있다. CIGS 박막태양전지는 현재는 1.1-1.2 eV 밴드갭 대역에서 가장 높은 광전변환효율 성능을 보이지만, 이론적으로 가장 높은 광전변환효율이 가능한 1.4-1.5 eV 밴드갭에 해당하는 조성에서 더 높은 성능 구현이 가능할 뿐만 아니라, 두 개의 접합을 가지는(two-junction) 탠덤태양전지의 상부셀에 적합한 1.7 eV 밴드갭 소재를 활용한 탠덤태양전지 활용도 가능하다.
통상적으로 Cu(In1-x, Gax)(Se,S)2 (CIGS)로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체를 광활성층으로 사용하는 박막태양전지의 제조 방법은 크게 두 가지로 나뉜다.
하나는 전극층 위에 구성 금속 원소인 Cu, In, 및 Ga을 금속 상태로 먼저 증착한 후, 셀레늄이나 황을 함유한 가스 분위기에서 열처리하여 원하는 조성의 S, Se계 캘코지나이드 화합물을 만드는 것이다. 때에 따라서는 Cu, In, 및 Ga을 순수한 금속상태로 증착하기 보다는 일부 원소가 셀레나이드나 황화물인 형태로 증착하기도 하며, 그 후에 셀레늄이나 황을 함유한 가스 분위기에서 열처리하여 만들기도 한다. 열처리 전에 금속층이나 일부가 셀레나이드나 황화물인 형태로 준비하는 방법으로는 증발법을 사용할 수도 있고 스퍼터링 방법을 사용할 수도 있다. 이와 같이 첫 번째 방식은 먼저 구성 금속 원소로 이루어진 금속층이나 일부가 셀레나이드나 황화물인 층을 먼저 형성하고 그 후에 열처리를 하므로 이러한 제조 방법은 통상 이단계공정(two-step process)로 명명되고 있다.
두 번째 방법은 증발(evaporation)법을 사용하는 것으로서 셀레늄(Se)을 증발시키면서 금속 성분인 Cu, In, 및 Ga을 증발시켜 원하는 조성의 셀레나이드 화합물을 제조하는 것이다. 물론 목적에 따라 금속 성분을 증발하는 순서나 양 등을 다양하게 변화시키는 것이 가능하다.
보통 Cu(In1-x, Gax)(Se,S)2 (CIGS)로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체의 박막태양전지에서는 기판과 광활성층 사이에 배치되는 후면전극으로 몰리브데늄(Mo) 금속을 증착한 전극층이 가장 널리 사용되며, 대부분의 고효율의 태양전지가 Mo 전극을 적용하여 구현된 것으로 보고되고 있다. 그러나 탠덤 적용이라던가 혹은 투광형 태양전지를 구현하기 위한 목적으로는 불투명한 금속전극이 아니라 투명 도전성 산화물 소재와 같은 투명전극층을 사용하여 태양전지를 구성할 수도 있다.
CIGS로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드계 박막을 광활성층으로 사용하는 박막태양전지에 있어서, 후면전극으로서 금속 Mo 전극이 아닌 투명 도전성 산화물 소재를 사용할 경우, 투명 도전성 산화물 층과 광활성층 사이에 캐리어의 이동을 방해하는 Ga의 산화물층이 형성되어 소자의 성능을 저하시키거나 혹은 후면전극으로 적용된 투명 도전성 산화물 소재 자체가 변화되어 후면전극으로서의 기능을 할 수 없게 됨으로써 소자의 성능을 저하시키게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 투명 도전성 산화물을 포함하는 투명 후면전극을 사용하는 S, Se계 캘코지나이드계 박막태양전지에 있어서, 투명전극으로서 화학적으로 안정한 투명 도전성 산화물 소재를 적용한 박막태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 투명한 후면전극으로 화학적으로 보다 안정한 투명 도전성 산화물 박막 소재를 광활성층 직하에 위치시킴으로써 캐리어의 이동을 방해하는 Ga의 산화물층이 형성되는 것을 억제하는 박막태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 후면전극으로 적용된 투명 도전성 산화물 소재 자체가 변화되어 후면전극으로서의 기능을 할 수 없게 되는 것을 방지하는 박막태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 투명 기판; S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층; 및 투명 기판과 광활성층 사이에 형성되고, 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함하는, 박막태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광활성층은 후면전극의 바로 위에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후면전극은, 상부에 배치되고 타이타늄(Ti)을 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층; 및 하부에 배치되고 적어도 타이타늄(Ti)을 포함하지 않는 제2 투명 도전성 산화물층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 투명 도전성 산화물층은 In계, Sn계 또는 Zn계 산화물로 구성되는 투명 도전성 산화물 층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후면전극은 Nb, Ta 또는 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속 불순물이 도핑된 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후면전극에서 산소를 제외한 타이타늄(Ti)과 금속 불순물 성분 중, 타이타늄(Ti)의 양이 원자분율로 85% 이상 100% 미만일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물의 비저항은 10Ωcm 보다 낮을(0초과) 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 도전성 산화물 박막 층의 두께는 1nm 이상 1000nm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광활성층은 Cu(In1-xGax)(Se,S)(0<x<1)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물은 광활성층 및 후면전극 사이에 Ga 산화물 층이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 투명 도전성 산화물층은 제2 투명 도전성 산화물층에 보호층으로 작용하여, 광활성층과 제1 투명 도전성 산화물층 사이에 Ga 산화물 층이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 후면전극이 제1 투명 도전성 산화물층 및 제2 투명 도전성 산화물층으로 구성되는 경우가, 후면전극이 제2 투명 도전성 산화물층으로만 구성되는 경우보다, 상대적으로 투명 기판을 통과하여 광활성층으로 흡수되는 빛의 양이 증가할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 도전성 산화물을 포함하는 투명 후면전극을 사용하는 S, Se계 캘코지나이드계 박막태양전지에 있어서, 투명전극으로서 화학적으로 안정한 투명 도전성 산화물 소재를 적용할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명한 후면전극으로 화학적으로 보다 안정한 투명 도전성 산화물 박막 소재를 광활성층 직하에 위치시킴으로써 캐리어의 이동을 방해하는 Ga의 산화물층이 형성되는 것을 억제하는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후면전극으로 적용된 투명 도전성 산화물 소재 자체가 변화되어 후면전극으로서의 기능을 할 수 없게 되는 것을 방지하는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른, ITO 박막을 550℃, 황화가스 분위기 하에서 1시간 동안 열처리한 전후의 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른, Mo 후면전극 박막을 550℃, 황화가스 분위기 하에서 1시간 동안 열처리한 전후의 XRD 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른, 광활성층을 Mo 후면전극과 ITO 후면전극 위에 합성하여 제작된 태양전지의 J-V 특성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른, ITO 박막과 CIGS 광활성층 사이의 계면 구조 및 Ga 조성을 보이는 STEM(Scanning Transmission Electron Microscope) HAADF(High Angle Annular Dark Field) 이미지를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, 투명한 기판 위에 후면전극을 배치시킨 모식도를 나타낸다.
도 6은 본발명의 일 실시예에 따른, 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막의 비저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 비교예 및 제1 실시예에 따른, (a)불순물이 도핑된 TiO2 박막 및 (b) F가 도핑된 SnO2 박막을 550℃, 황화가스 분위기 하에서 1시간 동안 열처리한 전후의 XRD 결과를 비교한 것이다.
도 8은 본 발명의 비교예 및 제1 실시예에 따른, 기존의 ITO 박막과 Nb 불순물이 도핑된 TiO2(TNO) 박막을 이용하여 이단계 공정 방식으로 제작된 태양전지의 J-V 특성을 비교한 것이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 투명 후면전극으로 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 ITO 위에 10nm 두께로 적층하고, 증발법으로 CGS 박막을 형성시킨 후 광활성층 사이의 계면 구조 및 Ga 조성을 보이는 STEM(Scanning Transmission Electron Microscope) HAADF(High Angle Annular Dark Field) 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른, 투명 후면전극으로 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 ITO 위에 10nm 두께로 적층하고, 증발법으로 CGS 박막을 형성시킨 후 HAADF(High Angle Annular Dark Field)의 조성 라인 프로파일을 나타낸 것이다.도 11는 본 발명의 제2 실시예에 따른, ITO 박막 위에 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 보호층으로 적용하여 태양전지를 제조하고 a) ITO박막의 두께가 200nm일 때 보호층의 두께에 따른 후면에서의 반사 스펙트럼, (b) ITO박막의 두께가 500nm일 때 보호층의 두께에 따른 후면에서의 반사 스펙트럼 및 (c)반사 스펙트럼으로부터 얻어지는 색좌표를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a) 반사 스펙트럼 변화에 따른 반사 광전류의 변화, (b) 광활성층으로 흡수되는 빛에 의한 광전류의 변화를 나타낸 것이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
투명전극으로 가장 널리 사용되는 소재는 금속 산화물이다. 대표적인 투명 도전성 산화물(TCO, transparent conducting oxide) 소재로는 이원계(binary) 산화물로서 불순물이 도핑 된 인듐 산화물 (In2O3), 주석 산화물(SnO2) 그리고 아연산화물(ZnO), 카드뮴 산화물(CdO), 티타늄 산화물 등이 있으며, 이외에도 다양한 산화물의 조합을 이용한 아연산화물과 주석산화물의 혼합물(ZnO-SnO2), 인듐 산화물과 아연 산화물의 혼합물(In2O3-ZnO) 등 다양한 종류가 있다. 이들 중, 낮은 비저항과 우수한 광 투과성으로 인하여 가정 널리 사용되어 왔던 산화물은 Sn이 도핑된 In2O3 (ITO: Indium tin oxide)이며, 이 외에도 SnO2에 F(FTO)이나 Sb(ATO) 등의 불순물을 도핑한 산화 주석계 소재와, 그리고 최근에는 ZnO에 Al(AZO), Ga(GZO), B(BZO) 등의 불순물을 도핑한 산화아연계 소재도 널리 사용되고 있다.
이들 투명 도전성 산화물들은 상온에서는 비교적 안정한 것으로 알려져 있다. 그러나 고온으로 가열되면 산화물의 종류와 분위기 그리고 온도에 따라 차이는 있지만, 화학적으로 불안정해지는 것으로 잘 알려져 있다. 앞에서 보인 바와 같이 증발법에서 ITO 투명 도전성 산화물 층과 광활성층 사이에 캐리어의 이동을 방해하는 Ga의 산화물층이 형성되는 것은 광활성층의 구성 원소인 Ga의 산화원인 산소를 ITO가 제공한다는 것을 의미한다. 즉 ITO를 구성하던 산소의 일부가 ITO로부터 빠져 나와 광활성층의 구성원소인 Ga과 결합하게 되는 것이다. 또한 황화가스 분위기에서 이단계공정 방식으로 광활성층을 제작할 때, ITO 박막의 산소가 화학적으로 포텐셜이 높은 황과 결합하여 황화물의 형태로 변화되는 것이다.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른, ITO 박막을 550℃, 황화가스 분위기 하에서 1시간 동안 열처리한 전후의 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른, Mo 후면전극 박막을 550℃, 황화가스 분위기 하에서 1시간 동안 열처리한 전후의 XRD 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른, 광활성층을 Mo 후면전극과 ITO 후면전극 위에 합성하여 제작된 태양전지의 J-V 특성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른, ITO 박막과 CIGS 광활성층 사이의 계면 구조 및 Ga 조성을 보이는 STEM(Scanning Transmission Electron Microscope) HAADF(High Angle Annular Dark Field) 이미지를 나타낸다.
먼저, 도 1(c)는 육안으로 보이는 글라스 기판의 사진으로 열처리 전에는 투명하지만 열처리 후 투명하지 않은 노란색을 띄는 외관으로 변화되었음을 확인할 수 있다.
도 1(a)는 열처리 전후의 XRD 측정 결과로 열처리 후 시편에서 관찰되는 회절 피크들은 열처리 전 ITO 박막에서 관찰되는 ITO 박막 특유의 결정 피크와는 확연히 다른 것을 알 수 있으며, 이 회절 피크들은 In의 황화물의 결정으로 판명되었다. 또한 열처리 전 ITO 박막의 면저항은 6 Ω/sq. 이었으나, 열처리 후 ITO 박막의 면저항은 5x105 Ω/sq. 으로 약 55,000배 이상 증가하여 더 이상 전극의 역할을 할 수 없다는 것을 확인하였다.
도 1(b)는 SEM 이미지로 열처리 전 평활한 ITO 박막형태이나, 열처리 후 표면이 거친 구조로 변화되었음 확인 할 수 있다. 또한, ITO 박막과 CIGS 계면 사이에 수 nm 정도의 Ga 농도가 높은 영역이 존재하는데, 이것은 Ga의 산화물로서 높은 저항을 가져 캐리어 이동을 방해하는 요인이 된다.
아래 표 1에는 글라스 기판 위에 후면전극으로 Mo와 투명 도전성 산화물의 대표적인 소재인 Sn이 도핑된 In2O3 (ITO: Indium tin oxide) 박막을 사용하고 그 위에 이 단계 공정 방식을 사용하여 광활성층으로 Cu, In, Ga을 증착한 뒤 황화수소(H2S) 가스 분위기에서 열처리하여 제작한 박막태양전지의 효율을 비교하여 나타내었다.
Back electrode Efficiency(%) Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF(%)
Mo 5.2 0.663 14.1 56.0
ITO 0.5 0.524 3.3 28.9
표에서 보이듯이 Mo 후면전극 층 위에서는 어느 정도의 효율을 가지는 태양전지를 확보할 수 있는 반면에 ITO 박막을 후면전극으로 사용한 경우에는 유의미한 효율을 확보할 수 없었다. 이 비교에서 두 시편이 Mo와 ITO의 다른 후면 전극을 가지는 것을 제외하고는 광활성층, 상부 버퍼층과 상부 투명전극층이 모두 동일한 공정으로 두 시편이 동일한 batch에서 이루어졌으므로, 태양전지의 성능 차이는 후면전극 소재의 차이라는 것을 알 수 있다.
또한, Mo 박막은 ITO와는 달리 고온의 황화가스 분위기에서의 열처리 하에서도 안정함을 보인다. 이 결과로부터 이단계공정 방식을 사용하여 황화 가스나 또는 황 분위기에서 열처리하는 방식으로 CIGS 광활성층을 합성하고자 할 때, ITO로 대표되는 투명 도전성 산화물 박막은 문제가 있음을 알 수 있다.
통상적으로 사용되는 후면전극인 Mo 층 위에 증발법을 사용하여 CIGS 증착을 하면 문제가 없으나, 투명산화물 후면전극을 사용하면 문제가 발생한다. 도 3에서 보인 바와 같이 ITO 박막 위에 광활성층인 CIGS 박막이 형성된 경우에는 캐리어 이동을 방해하는 강력한 역다이오드가 후면전극 표면에 형성되는데, 이러한 역다이오드의 원인은 ITO와 CIGS 계면에 생성되는 갈륨(Ga)의 산화물 때문인 것으로 알려져 있다.
이상의 결과에서 관찰되었듯이, Mo와 같은 금속 후면전극이 아니라 투명한 후면전극을 확보하기 위하여 통상의 투명 도전성 산화물 박막을 후면전극으로 사용하고 그 위에 이단계공정방식 이나 증발법을 사용하여 CIGS로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드계 광활성층을 형성시키고자 할 때 문제가 발생할 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상기의 고찰을 바탕으로 하여 안출된 것으로서, CIGS로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드계 광활성층을 합성하는 공정에서 안정한 투명 도전성 산화물을 적용하여 캐리어의 이동을 방해하는 Ga의 산화물층이 형성되는 것을 억제하거나, 후면전극으로 적용된 투명 도전성 산화물 소재 자체가 변화되어 후면전극으로서의 기능을 할 수 없게 되는 것을 방지하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 기판(10), S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층(30), 및 투명 기판(10)과 광활성층(30) 사이에 형성되고, 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함하는 후면전극(20)을 포함하는 박막태양전지에 대하여 제공한다.
도 5는 본 발명의 비교예[도 5(a)] 및 여러 실시예[도 5(b), (c)]에 따른, 투명한 기판 위에 후면전극을 배치시킨 모식도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 박막태양전지는 투명 기판(10), 후면전극(20), 광활성층(30)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 투명한 재질로서, 글래스 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 글래스 이외에도 플라스틱, 폴리머와 같은 광투과율이 높은 재질의 기판을 사용할 수 있다.
후면전극(20)은 투명 도전성 산화물을 포함하며 투명 기판(10) 상에 형성될 수 있다.
먼저, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 바교예에 따른 박막태양전지(1')는 투명 기판(10') 위에 기존의 In계 산화물, Sn계 산화물 또는 Zn계 산화물로 구성된 투명 도전성 산화물층(20')이 형성되어 있다.
다음으로, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 박막태양전지(1)는 타이타늄(Ti)을 주성분으로 하는 산화물인 투명 도전성 산화물층(21)을 포함하는 후면전극(20)을 사용하는 것을 특징으로 한다. 즉, 도 5(b)는 기존의 In계 산화물, Sn계 산화물 또는 Zn계 산화물로 구성된 투명 도전성 산화물층(20')을 포함하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 후면전극(20)은 Nb, Ta 또는 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속 불순물이 도핑 된 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물일 수 있다. 이때, 후면전극(20)에서 산소를 제외한 타이타늄(Ti)과 금속 불순물 성분 중, 타이타늄(Ti)의 양이 원자분율로 85% 이상 100% 미만일 수 있다.
다음으로, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 박막태양전지(2)는 타이타늄(Ti)을 주성분으로 하는 산화물인 투명 도전성 산화물층(21)을 기존의 In계 산화물, Sn계 산화물 또는 Zn계 산화물로 구성된 투명 도전성 산화물층(22) 위에 형성한 후면전극(20)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
다시 말해, 후면전극(20)은, 상부에 배치되고 타이타늄(Ti)을 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층(21) 및 하부에 배치되고 적어도 타이타늄(Ti)을 포함하지 않는 제2 투명 도전성 산화물층(22)을 포함할 수 있다. 제2 투명 도전성 산화물층(22)은 In계, Sn계 또는 Zn계 산화물로 구성되는 투명 도전성 산화물층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 타이타늄(Ti)을 주성분으로 하는 산화물인 투명 도전성 산화물층(21)은 보호층으로 사용될 수 있다. 도 5(c)의 기존 투명 도전성 산화물층(22)은 반드시 투명 도전성 산화물일 필요는 없다. 즉 통상적으로 연구되거나 개발되는 금속나노와이어, 카본나노튜브 또는 그래핀 등이 분산되거나 혼합된 투명도전성 전극일 수도 있으며, 산화물/금속/산화물 등으로 다층 형태로 구성된 투명도전성 전극일 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물층(21)의 비저항은 10 Ωcm 보다 낮을(0초과) 수 있다.
도 6은 본발명의 일 실시예에 따른, 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막의 비저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면 스퍼터 가스 중의 산소의 양에 따라 비저항이 변화하는 것을 보이며, 산소의 농도가 0.2% 이하에서는 비저항 값이 투명 전극으로서의 역할을 어느 정도 할 수 있을 것으로 생각되는 10 Ωcm 보다 낮은 비저항이 확보되는 것을 알 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 타이타늄(Ti)를 포함하는 투명 도전성 산화물층(21)의 두께는 1nm 이상 1000nm 이하일 수 있다.
광활성층(30)은 후면전극(20) 상에 형성될 수 있다. 광활성층(30)은 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체를 사용할 수 있다. 이를테면, 광활성층(30)은 CIGS로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체를 사용할 수 있고, 광활성층(30)은 Cu(In1-x, Gax)(Se,S)2(O<x<1)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광활성층(30)은 후면전극(20)의 바로 위에 형성될 수 있다. 그리하여 후면전극(20)이 광활성층 직하에 위치함으로써 캐리어의 이동을 방해하는 Ga의 산화물층이 형성되는 것을 억제할 수 있다.
광활성층(30) 상에는 버퍼층(미도시), 상부전극(미도시) 등이 더 형성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예.
실시예 1.
본 발명에서 제공하는 타이타늄(Ti)을 주성분으로 하는 산화물인 투명 도전성 산화물, 구체적으로는 Nb이 도핑된 TiO2 (TNO) 박막을 제조 하였다. 그 후 제조 된 Nb가 도핑된 TiO2 (TNO) 박막위에 이단계공정 방식으로 형성된 Cu-In-Ga-S 박막을 광활성층으로 하는 태양전지 셀을 제조하였다.
실시예 2.
기존의 ITO 박막위에 10 nm의 두께로 Nb가 도핑된 TiO2(TNO) 박막을 형성한 후 증발법을 이용하여 CIGS 광활성층 박막을 형성하였다.
비교예 1.
기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막 위에 증발법을 CIGS 광활성층 박막을 형성 하였다. 그 후 이단계공정 방식으로 형성된 Cu-In-Ga-S 박막을 광활성층으로 하는 태양전지 셀을 제조하였다.
비교예 2 .
기존의 투명 도전성 산화물 중 하나인 F가 도핑된 SnO2 (FTO) 박막을 제조하였다.
도 7은 본 발명의 비교예 및 제1 실시예에 따른, (a)불순물이 도핑 된 TiO2 박막 및 (b) F가 도핑된 SnO2 박막을 550℃, 황화가스 분위기 하에서 1시간 동안 열처리한 전후의 XRD 결과를 비교한 것이다.
가장 널리 사용되는 투명 도전성 산화물인 ITO 박막의 불안정성은 이미 도 1에서 보인 바와 같다. SnO2 계열의 투명 도전성 산화물 박막은 In2O3 계열의 박막에 비하여 안정성이 있는 것으로 알려져 있으나, 도 7(b)에서 확인할 수 있듯이 고온에서 황화수소 분위기에서 열처리를 하면, 황의 영향으로 황화물의 결정성을 보이는 결정 피크가 나타남을 알 수 있다.
그러나 도 7(a)를 통해 알 수 있듯이, Nb가 도핑된 TiO2 (TNO) 박막은 황화수소 분위기에서 열처리를 한 후에도 XRD 피크 결과가 열처리 전과 같이 TiO2로 동일하게 존재함을 알 수 있다.
또한 SnO2 박막의 경우, 열처리 전의 저항이 7.1 Ω/sq. 이었으나 열처리 후에는 1x105 Ω/sq. 으로 약 14,000배 이상 증가되었지만, TNO 박막은 75 Ω/sq. 에서 106 Ω/sq. 으로 증가하여 단지 1.4배 정도의 변화만을 보여 구조적 안정성과 아울러 전기적 물성의 안정성을 보였다.
이들 결과로부터 본 발명에서 제공하는 불순물이 도핑된 TiO2계 투명 도전성 산화물은 이단계공정 방식을 사용하여 S, Se계 캘코지나이드계 광활성층을 합성하는 공정에서 사용되는 황화처리를 위한 열처리 조건을 견딜 수 있는 내구성을 제공할 수 있음을 확인하였다. 또한 고온에서 황은 셀렌(Se)에 비하여 반응성이 더 크므로, 불순물이 도핑된 TiO2계 투명 도전성 산화물이 황화 처리 조건을 견딜 수 있으면, 반응성이 황보다 작은 셀렌화를 위한 처리 조건은 더욱 쉽게 견딜 수 있음은 분명하다.
도 8은 본 발명의 비교예 및 제1 실시예에 따른, 기존의 ITO 박막과 Nb 불순물이 도핑된 TiO2(TNO) 박막을 이용하여 이단계공정 방식으로 제작된 태양전지의 J-V 특성을 비교한 것이다.
기존의 ITO 박막 위에 만들어진 태양전지 셀은 효율이 나오지 않았으나, Nb 불순물이 도핑된 TiO2(TNO) 박막을 이용하여 구성된 태양전지 셀은 약 4%의 효율을 나타내었다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 투명 후면전극으로 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 ITO 위에 10nm 두께로 적층하고, 증발법으로 CGS 박막을 형성시킨 후 광활성층 사이의 계면 구조 및 Ga 조성을 보이는 STEM(Scanning Transmission Electron Microscope) HAADF(High Angle Annular Dark Field) 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른, 투명 후면전극으로 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 ITO 위에 10nm 두께로 적층하고, 증발법으로 CGS 박막을 형성시킨 후 HAADF(High Angle Annular Dark Field)의 조성 라인 프로파일을 나타낸 것이다.도 9 및 도 10에서 확인할 수 있듯이 ITO 박막 위에 CIGS 층이 증발법으로 형성되면 계면에 수 nm 두께의 Ga이 농축된 층이 존재하는 것을 볼 수 있으나, TNO 박막을 ITO 박막 위에 덮은 시편에서는 Ga이 농축된 층이 전혀 존재하지 않음을 볼 수 있다. 이 결과에서 보듯이, 불순물이 도핑된 TiO2 박막을 전체 투명도전성 후면전극으로 대체하지 않고 기존 투명 도전성 산화물 층 위에 단순히 얇은 박막의 형태로 덮어 주기만 하여도(즉, 보호층으로 적용하여도) 계면에 캐리어 이동을 방해하는 Ga의 산화물 층이 형성되는 것을 효과적으로 억제할 수 있음을 보여준다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른, ITO 박막 위에 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 보호층으로 적용하여 태양전지를 제조하고 (a) ITO박막의 두께가 200nm일 때 보호층의 두께에 따른 후면에서의 반사 스펙트럼, (b) ITO박막의 두께가 500nm일 때 보호층의 두께에 따른 후면에서의 반사 스펙트럼 및 (c) 반사 스펙트럼으로부터 얻어지는 색좌표를 나타낸 것이다.
도 11의 (a) 및 (b)를 통하여 보호층의 두께에 따라 전혀 다른 반사 스펙트럼이 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 ITO와 보호층의 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막의 굴절계수가 달라, 두께의 조합에 의하여 다양한 스펙트럼을 보이는 것으로 나타났다.
도 11의 (c)는 스펙트럼으로부터 얻어진 색좌표를 나타낸 것으로 색좌표계는 인간의 반대색론에 바탕을 두고 정의된 CIE L*a*b* 좌표계를 사용하여 나타낸 것이다. L*값은 밝기를 나타내는 것으로 휘도로서 0이면 검정을 100이면 흰색을 나타낸다. 또한, a* 값은 빨강과 초록의 치우침 정도를 나타내는데, 음수이면 초록색 방향으로, 양수이면 빨강 내지 보라색 방향으로 치우친 색을 나타낸다. b* 값은 노랑과 파랑의 치우침 정도를 나타내는데, 음수이면 파란색 방향으로, 양수이면 노란색 방향으로 치우친 색이다.
기존 투명 도전성 산화물 소재를 그대로 사용하면서 불순물이 도핑된 투명 도전성 산화물 보호층의 두께를 달리하면 다양한 색상의 후면 반사색을 얻을 수 있다는 것을 보여주는 결과이며, S, Se계 캘코지나이드계 광활성층을 가지는 박막태양전지가 건축용 BIPV 창호용으로 적용될 시 내부에서 바라보는 색상의 심미감을 조절할 수 있는 장점을 제공한다는 것을 보여준다. 또한 L*값은 모든 박막에서 43이하의 값을 나타내었는데, 이는 반사 스펙트럼을 통해서 확인 할 수 있듯이 반사도가 낮은 관계로 색상의 톤은 변화하지만 전체적으로 어두운 톤의 색상을 나타내는 것을 확인 할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a) 반사 스펙트럼 변화에 따른 반사 광전류의 변화, (b) 광활성층으로 흡수되는 빛에 의한 광전류의 변화를 나타낸 것이다.
도 12(a)로부터 단순히 기존 투명도전상산화물인 ITO 박막만을 사용한 경우(0 nm)에 비하여 일정 두께의 TNO 보호층을 같이 사용하면 반사되어 손실로 가는 전류의 양은 줄어든다는 것을 확인 할 수 있는데, 이는 후면에서의 반사를 줄여 관찰자의 눈부심을 방지하는 효과도 있음을 알 수 있다. 또한 도 12(b)에 보인 바와 같이 반사도가 줄어듦에 따라 광활성층으로 빛이 흡수되어 발생하는 전류의 양은 상대적으로 늘어나는 것을 알 수 있다. 이 결과는 후면에 투명전극을 사용하며 S, Se계 캘코지나이드계 광활성층을 가지는 박막태양전지에 있어서 후면에서 광활성층으로 들어가는 빛의 양을 늘리는 효과를 제공하여 후면 발전량을 향상시킨다는 장점이 있음을 알 수 있다.
위와 같이, 본 발명은, 투명한 후면전극으로서 화학적으로 안정한 투명 도전성 산화물 소재를 적용할 수 있고, 투명한 후면전극으로 화학적으로 보다 안정한 투명 도전성 산화물 박막 소재를 광활성층 직하에 위치시킴으로써 캐리어의 이동을 방해하는 Ga의 산화물층이 형성되는 것을 억제하는 효과가 있다. 그리고, 박막태양전지의 제조 중에 후면전극으로 적용된 투명 도전성 산화물 소재 자체가 변화되어 후면전극으로서의 기능을 할 수 없게 되는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
10, 10': 투명 기판
20, 20': 후면전극
21: 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물소재로 구성된 박막 층
22: 타이타늄(Ti)을 포함하지 않는 투명 도전성 산화물 소재로 구성된 박막 층
30, 30': 광활성층

Claims (12)

  1. 투명 기판;
    S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층; 및
    투명 기판과 광활성층 사이에 형성되고, 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함하는 후면전극
    을 포함하고,
    후면전극은,
    상부에 배치되고 타이타늄(Ti)을 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층; 및
    하부에 배치되고 적어도 타이타늄(Ti)을 포함하지 않는 제2 투명 도전성 산화물층
    을 포함하는, 박막태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    광활성층은 후면전극의 바로 위에 형성되는, 박막태양전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    제2 투명 도전성 산화물층은 In계, Sn계 또는 Zn계 산화물로 구성되는 투명 도전성 산화물 층 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 박막태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    후면전극은 Nb, Ta 또는 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속 불순물이 도핑된 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물인, 박막태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    후면전극에서 산소를 제외한 타이타늄(Ti)과 금속 불순물 성분 중, 타이타늄(Ti)의 양이 원자분율로 85% 이상 100% 미만인, 박막태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물의 비저항은 10Ωcm 보다 낮은(0초과), 박막태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    투명 도전성 산화물 박막 층의 두께는 1nm 이상 1000nm 이하인,
    박막태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    광활성층은 Cu(In1-xGax)(Se,S) (0<x<1)인, 박막태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물은 광활성층 및 후면전극 사이에 Ga 산화물 층이 형성되는 것을 방지하는, 박막태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    제1 투명 도전성 산화물층은 제2 투명 도전성 산화물층에 보호층으로 작용하여, 광활성층과 제1 투명 도전성 산화물층 사이에 Ga 산화물 층이 형성되는 것을 방지하는, 박막태양전지.
  12. 제1항에 있어서,
    후면전극이 제1 투명 도전성 산화물층 및 제2 투명 도전성 산화물층으로 구성되는 경우가, 후면전극이 제2 투명 도전성 산화물층으로만 구성되는 경우보다, 상대적으로 투명 기판을 통과하여 광활성층으로 흡수되는 빛의 양이 증가하는, 박막태양전지.
KR1020180051808A 2018-05-04 2018-05-04 투명 후면전극을 가지는 캘코지나이드계 박막태양전지 KR102024229B1 (ko)

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WO2021172665A1 (ko) * 2020-02-28 2021-09-02 한양대학교 산학협력단 텔루륨 산화물 및 이를 채널층으로 구비하는 박막트랜지스터

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102359102B1 (ko) * 2019-11-29 2022-02-04 성균관대학교산학협력단 이종접합 구조의 태양전지 및 이의 제조 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010034232A (ja) * 2008-07-28 2010-02-12 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池用表面電極
JP5741627B2 (ja) * 2013-04-25 2015-07-01 株式会社豊田中央研究所 光電素子
KR20150093187A (ko) * 2012-12-04 2015-08-17 스미토모 긴조쿠 고잔 가부시키가이샤 표면 전극을 구비한 투명 도전 유리 기판 및 그 제조 방법, 그리고 박막 태양 전지 및 그 제조 방법
KR101778723B1 (ko) * 2016-11-17 2017-09-25 한국에너지기술연구원 Ｃｉｇｓ계 태양전지 셀의 제조방법 및 cigs계 태양전지 셀

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010034232A (ja) * 2008-07-28 2010-02-12 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池用表面電極
KR20150093187A (ko) * 2012-12-04 2015-08-17 스미토모 긴조쿠 고잔 가부시키가이샤 표면 전극을 구비한 투명 도전 유리 기판 및 그 제조 방법, 그리고 박막 태양 전지 및 그 제조 방법
JP5741627B2 (ja) * 2013-04-25 2015-07-01 株式会社豊田中央研究所 光電素子
KR101778723B1 (ko) * 2016-11-17 2017-09-25 한국에너지기술연구원 Ｃｉｇｓ계 태양전지 셀의 제조방법 및 cigs계 태양전지 셀

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021172665A1 (ko) * 2020-02-28 2021-09-02 한양대학교 산학협력단 텔루륨 산화물 및 이를 채널층으로 구비하는 박막트랜지스터

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