KR20090010500A - 칼코게나이드계 화합물 박막을 구비한 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수 개의 광전변환층을 포함하는 태양전지에 있어서, 광전변환층이 칼코게나이드계 화합물을 포함하거나 칼코게나이드계 화합물로 구성된 박막을 적어도 하나 이상 포함하는 태양전지에 관한 것으로서, 특히 칼코게나이드 화합물을 구성하는 원소가 속하는 주기율표 상의 족에서 1 또는 2 주기 하위의 원소를 포함하는 화합물을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 칼코게나이드계 화합물을 포함하는 광전변환층을 형성하여 광흡수도를 높임과 동시에 원래의 칼코게나이드계 화합물 박막층이 가지는 밴드갭 에너지보다 높은 에너지를 형성할 수 있어 고효율의 태양전지를 제공할 수 있다.
광전변환층, 칼코게나이드, 주기율표, 족, 주기, 태양전지, 밴드갭 에너지
Description
본 발명은 칼코게나이드계 화합물 반도체 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 칼코게나이드계 화합물 박막이 적어도 하나 이상 포함되거나, 적어도 하나 이상의 광전변환층에 칼코게나이드계 화합물을 포함하는 태양전지에 있어서, 해당 칼코게나이드 물질을 구성하는 원소를 주기율표 상에서 1 또는 2 주기 하위의 동족 원소로 대체하여 밴드갭 에너지를 조절한 태양전지에 관한 것이다. 또한, 이러한 밴드갭 에너지가 증가되는 칼코게나이드 화합물 반도체의 박막 조성물에 관한 것이다.
태양전지는 차세대 청정 에너지원으로서 수십 년간 많은 연구가 진행되어 오고 있다. 지금까지 태양전지의 소재로서, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 비정질 SiC, 비정질 SiN, 비정질 SiGe, 비정질 SiSn 등의 IV 족계의 재료, 또는 갈륨비소(GaAs), 알루미늄갈륨비소(AlGaAs), 인듐인(InP) 등의 III-V 족이나 CdS, CdTe, Cu2S 등의 II-VI족의 화합물 반도체가 사용되고 있다. 또한, 태양전지의 구조로서는, 배면전계형을 포함하는 pn 구조, pin 구조, 헤테로접합구조, 쇼트키구조, 탠덤형이나 수직 접합형을 포함하는 다중접합구조 등이 채용되고 있다.
박막형 태양전지는 전기를 발생시키기 위한 활성층으로 실리콘 웨이퍼 대신에 유리 등의 투명기판 위에 박막을 증착한 것으로, 태양전지 제작에 필요한 반도체 재료의 양을 줄일 수 있어 싼 가격으로 대면적의 태양전지 모듈을 제작할 수 있어 각광받아 오고 있다.
현재 산업화를 위해 연구되고 있는 박막 태양전지 기술로는 비정질 실리콘(a-Si:H)계 태양전지와, 화합물 반도체 태양전지로서 CdTe 로 대표되는 Ⅱ-Ⅵ족 태양전지, CuInSe2로 대표되는 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 태양전지 등이 있다.
특히 일반적인 화합물 반도체 박막형 태양전지의 구조는 도 1에 개시되어 있다.
도 1을 참조하여 알 수 있듯이, 유리 등의 투명기판(100) 위에 투명전도성산화물층(TCO)(101)을 형성하고, 그 위에 광전변환층을 형성한다.
광전변환층은 빛이 입사하여 빛에너지에 의해 전자-정공쌍이 분리, 포집되어 전기에너지로 변환되는 반도체층으로서 n형 화합물 반도체층(102), p형 화합물 반도체층(103)으로 구성된다.
상기 n형 화합물 반도체층(102)은 CdS 등의 화합물로 구성될 수 있고, p형 화합물 반도체층(103)은 CdTe, Cu(In,Ga)Se2 등의 화합물로 구성될 수 있다.
또한 진성 반도체층을 중간에 포함하는 p-i-n형의 화합물 반도체층으로 구성될 수도 있다.
광전변환층 위에는 금속전극층(104)이 형성된다.
CuInSe2로 대표되는 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 태양전지는 직접 천이형 에너지 밴드 구조를 가지고 있고, 도 2의 화합물 반도체 태양전지의 광흡수계수 그래프에서 알 수 있듯이 광흡수계수가 105cm- 1으로 화합물 반도체 중에서 비교적 높아 두께 1~2㎛로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하다.
또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 가지고 있어 태양전지의 광흡수층으로 이상적이므로, 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광 발전의 경제성을 향상시킬 수 있는 저가,고효율의 태양전지의 재료로 부각되고 있는 실정이다.
최근 들어 CuInSe2(CIS)계 태양전지는 밴드갭 에너지가 1.04 eV로 낮은 문제점을 보완하기 위해 In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S로 치환하여 밴드갭 에너지를 증가시키는 연구가 진행되어 왔다.
따라서, CIS 태양전지에서 In의 일부를 Ga으로 치환시킨 Cu(In,Ga)Se2 의 밴드갭 에너지는 1.4 eV로 증가되었으며, In을 완전히 Ga으로 치환시킨 CuGaSe2 의 밴드갭 에너지는 1.6 eV이고, Se를 S로 치환한 CuGaS2 의 밴드갭 에너지는 2.5 eV로 현저하게 증가되었다.
그러나, 고광전변환효율을 가지면서도 저렴한 제조단가와 짧은 에너지 회수 년수 등 일반적으로 태양전지에 요구되는 특성을 갖춘 고품질의 태양전지를 얻기 위하여 현재의 CIS 태양전지나 이의 특성을 개선한 오원계 화합물의 CIGS 태양전지보다 광전변환효율이 높은 새로운 소재에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 목적은 태양전지에서 일반적으로 요구되는 고효율의 광전변환성, 안정성, 신뢰성을 개선하기 위하여 화합물 반도체 태양전지에 있어서 새로운 소재의 박막 조성물을 제공하고, 이를 이용하여 품질이 우수하고 제조방법에 있어서 경제성이 있는 새로운 태양전지를 제공하는 데 있다.
또한, 화합물 반도체 태양전지에 있어서, 광흡수도가 높은 신소재의 화합물을 포함하거나 그러한 신소재로 구성된 박막층을 광전변환층으로 구성하는 태양전지를 제공하되 태양전지의 고효율성을 개선하기 위하여 밴드갭 에너지를 높이기 위한 기술을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 태양전지는 칼코게나이드계 화합물을 포함하는 광전변환층을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
종래 공지된 화합물 반도체 태양전지에 있어서, 광전변환층인 화합물 반도체층에 칼코게나이드계 화합물이 일부 포함될 수도 있으며, 광전변환층 자체를 칼코게나이드계 화합물 박막으로 구성할 수도 있다.
상기 광전변환층은 p-n 반도체층 또는 p-i-n 반도체층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 칼코게나이드계 화합물은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 칼코게나이드 화합 물, 게르마늄(Ge)-안티몬(Sb)-텔레륨(Te) 칼코게나이드계 화합물, 비소(As)-안티몬(Sb)-텔레륨(Te) 칼코게나이드계 화합물, 및 주석(Sn)-비스무트(Bi)-텔레륨(Te) 칼코게나이드계 화합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 칼코게나이드계 화합물이 상기의 물질로 구성될 경우, 해당 구성원소들은 그 구성원소가 속해 있는 주기율표 상의 동족 원소 중 자신의 주기보다 1 또는 2 주기 이하의 주기에 해당되는 해당원소로 일부 또는 전부 대체되어 구성될 수 있다.
즉, 상기 칼코게나이드계 화합물이 게르마늄(Ge)-안티몬(Sb)-텔레륨(Te) 칼코게나이드계 화합물로 구성될 경우, 게르마늄(Ge)은 주기율표상의 14족 원소에서 자신의 주기보다 1 또는 2주기 낮은 동족의 원소인 규소(Si)나 탄소(C)로 일부 대체될 수 있으며, 혹은 전부 대체될 수도 있다.
마찬가지로, 안티몬(Sb)의 경우 15족 원소의 물질인데 15족 원소 중에서 자신의 주기보다 1 또는 2주기 이상 낮은 비소(As), 인(P), 질소(N)의 원소로 일부 또는 전부 대체될 수 있다.
텔레륨(Te)의 경우 16족 원소의 물질인데 16족 원소 중에서 자신의 주기보다 1 또는 2주기 낮은 셀레늄(Se), 황(S)의 원소로 일부 또는 전부 대체될 수 있다.
상술한 바와 같이 칼코게나이드계 화합물로 구성된 화합물 반도체층의 태양전지에서 구성 원소를 동족의 원소 중 1 주기 또는 2 주기 이상의 낮은 원소의 물질로 대체할 경우 칼코게나이드계 화합물의 광흡수력을 유지하면서 동시에 밴드갭 에너지를 증가시킬 수 있어 고효율의 태양전지를 기대할 수 있다.
본 발명에서의 상기 칼코게나이드계 화합물은 (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yAsy)b(Te1 - zSez)c, (Ge1-xSix)a(Sb1-yPy)b(Te1-zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yAsy)b(Te1 - zSz)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yPy)b(Te1 - zSz)c 로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나의 물질일 수 있다. 상기 식에서 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b≤ 10, 1 ≤ c ≤ 10 이고, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 일 수 있다.
또한, 본 발명에서 광전변환층에 포함되는 칼코게나이드계 화합물은 S, Se, Te, As, Sb, Ge, Sn, Ga, In 및 Ag으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 화합물일 수 있다.
본 발명에서 상기 칼코게나이드계 화합물은 Ge-Sb-Te-N, As-Sb-Te-N, As-Ge-Sb-Te-N, Sn-Sb-Te-N, In-Sn-Sb-Te-N, Ag-In-Sb-Te-N, 15족 원소-Sb-Te-N, 16족 원소-Sb-Te-N, 15족 원소-Sb-Se-N, 16족 원소-Sb-Se-N 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yAsy)b(Te1 - zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yPy)b(Te1 - zSez)c, (Ge1-xSix)a(Sb1-yAsy)b(Te1-zSz)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yPy)b(Te1 - zSz)c 로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나의 칼코게나이드계 화합물로 이루어진 칼코게나이드 화합물 박막 조성물을 제공할 수 있으며, 이때 상기 식에서 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b≤ 10, 1 ≤ c ≤ 10 이고, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 임을 특징으로 한 다.
상기 게르마늄(Ge)-안티몬(Sb)-텔레륨(Te) 칼코게나이드계 화합물 또는 각 원소를 대체하는 하위 주기의 동족원소로 구성된 칼코게나이드 화합물의 각 원소들 간의 조성비는 2:2:5 또는 1:2:4인 것이 바람직하다. 상술한 식에서 볼 때 a : b : c 의 조성비가 2:2:5 또는 1:2:4인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 중 일부를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
하기의 설명은 예시에 불과하며 본 발명은 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
본 명세서에서 설명한 각 구성요소는 이와 실질적으로 동일한 다양한 구성으로 대체할 수 있다.
또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 태양전지는 일반적인 화합물 반도체 박막형 태양전지의 구조에 따 른다. 도 3에서 본 발명의 태양전지의 구조로 개시된 바와 같이, 유리 등의 투명기판(200) 위에 투명전도성산화물층(TCO)(201)이 적층되고, 그 위에 순차로 광전변환층이 형성될 수 있다.
광전변환층은 칼코게나이드계 화합물을 포함하거나 칼코게나이드계 화합물 박막 자체로 구성될 수 있으며 반도체 영역에 해당하는 도우너 또는 억셉터 불순물의 도핑에 의해 p-n 구조 또는 p-i-n 구조로 적층될 수 있다.
도 3을 참조하면, 투명전도성산화물층(201) 위에 p형 또는 n형의 광전변환층(202)과 상기 광전변환층과 다른 영역의 반도체층인 광전변환층(203)이 순차로 적층됨을 알 수 있다.
상기 광전변환층은 p-n 구조가 하나의 광전 모듈로서 적어도 하나 이상의 광전모듈로 적층되는 구조를 가질 수 있다.
상기 광전변환층의 사이 또는 투명전도성산화물층과 광전변환층 사이에는 오믹접촉을 용이하게 하기 위하여 버퍼층 또는 중간층을 추가로 더 형성할 수 있다.
버퍼층 또는 중간층을 이루는 물질은 당해 발명의 당업자라면 알 수 있는 공지의 물질이면 충분할 것이다.
본 발명에서 광전변환층에 칼코게나이드계 화합물이 포함되거나 적어도 하나 이상의 칼코게나이드계 화합물 박막층이 포함될 수 있는데, 바람직하게는 게르마늄(Ge)-안티몬(Sb)-텔레륨(Te) 칼코게나이드계 화합물(GST)로 구성될 수 있다.
GST는 일반적으로 CuInSe2로 대표되는 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 칼코게나이드 화합물 박막 보다 광흡수력이 훨씬 뛰어나다.
이는 도 4에 개시된 GST(Ge2Sb2Te5) 박막의 광흡수계수를 나타낸 그래프와 도 2의 화합물 반도체 박막 태양전지의 광흡수계수를 나타낸 그래프를 비교해 보아서도 알 수 있다.
도 2를 참조하면, 화합물 반도체 박막 태양전지의 주요 화합물 중에서도 가장 광 흡수계수가 높은 물질은 CIS 태양전지임을 알 수 있다.
CuInSe2의 광흡수계수는 약 105cm-1로서 CdTe, InP, Cu2S 등 다른 화합물 반도체에 비하여 광흡수력이 매우 우수함을 알 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, GST 박막의 광흡수계수는 비정질, 면심입방정계 또는 육방정계의 결정질 등 입자 상태에 대한 미차는 있을지언정, 전체적으로 동일 범주의 포톤 에너지 하에서 CIS 화합물 반도체보다 훨씬 큰 광흡광성을 가진다는 것을 알 수 있다.
비정질 상태의 GST 박막보다 결정질 상의 GST 박막의 광흡광계수가 동일 포톤 에너지하에서 더 큰데, 결정상의 GST 박막은 적어도 105cm- 1이상 거의 106cm-1에 육박하는 높은 광흡광도를 가진다.
따라서, 본 발명에서는 화합물 박막형 태양전지의 광전변환층 또는 광흡수층으로 광흡수도가 매우 높은 GST 칼코게나이드계 화합물을 사용하여 형성하되, 높은 광흡수도에 비하여 낮은 밴드갭 에너지를 개선하기 위하여 각 구성원소를 하나 이 상 다른 주기의 동족원소로 치환한 것이다.
즉, 게르마늄을 실리콘으로 치환하거나, 안티몬을 다른 낮은 주기의 동족원소인 비소나 인으로 치환하거나, 혹은 텔레늄을 낮은 주기의 동족원소인 셀레늄이나 황으로 일부 또는 전부 치환하면 원하는 밴드갭 에너지를 조성하여 최적의 밴드갭 에너지를 구현하면서 동시에 높은 광흡수도를 가지는 화합물 반도체 박막을 제공할 수 있다.
치환되는 원소의 조성비는 특별한 한정을 요하지 않으며, 최종적으로 얻어질 박막의 밴드갭 에너지 특성과 광흡수도에 의한 광전변환효율을 고려하여 가변적이다.
최종적으로 얻어질 본 발명에 따른 칼코게나이드계 화합물 반도체층으로 이루어진 광전변환층의 밴드갭 에너지는 적어도 1.04 eV 보다 클 것이 예상되며, 바람직하게는 1.5 eV 내지 3.0 eV 인 것을 기대할 수 있다. 따라서, 높은 밴드갭 에너지를 유지하면서 포톤 에너지의 흡수율이 높기 때문에 고효율의 태양전지를 얻을 수 있다.
상기의 GST 박막을 중심으로 원소가 치환된 칼코게나이계 화합물 반도체 박막의 두께는 수십에서 수백 나노미터 또는 수십에서 수백 마이크로미터(㎛) 단위로 두께로 적층할 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 5000 나노미터( nm )가 될 수 있고, 더욱 바람직하게는 50 내지 2000 나노미터( nm )가 적당하다.
본 발명의 칼코게나이드계 화합물 반도체 박막 제조방법으로는 화합물 반도 체 박막의 일반적인 제조방법을 사용할 수 있으며, 특별히 어느 하나의 방법에 한정되지 않고 공지의 화합물 반도체 박막의 제조방법이면 가능하다.
특히 하나의 실시예로서, 기본적 칼코게나이드계 화합물인 GST 박막을 스퍼터링 방법 등의 방법에 의해 기판 위에 형성한 후, 치환하고자 하는 각 원소의 1주기 또는 2주기 이상 낮은 주기의 동족원소를 소오스 가스로 하여 일부 치환하는 공정을 수행할 수 있다.
또 다른 실시예로서, 칼코게나이드계 화합물 중 하나인 GST 등과 같은 전구체 물질에 치환하고자 하는 각 원소의 1주기 또는 2주기 이상 낮은 주기의 동족원소를 혼합하고 치환되는 과정을 수행하여 본 발명의 칼코게나이드계 물질의 혼합물을 형성한 후, 기판 상에 광전변환층으로 형성하는 공정을 수행할 수 있다.
상기 기판 위에 칼코게나이드계 화합물 박막을 형성하는 방법은 상기 스퍼터링 방법 이외에 진공증착법, 2단계 셀렌화법, 페이스트 프린트법 등의 방법이 있다.
본 발명에서 칼코게나이드 박막이 형성되는 기판으로는 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 제한되지 않으며, 열경화 조건을 견딜 수 있는 모든 기판, 예를 들어, 유리 기판, 실리콘 웨이퍼, ITO 글라스, 수정(quartz), 실리카 도포 기판, 알
루미나 도포 기판, 플라스틱 기판 등을 용도에 따라 선택하여 사용할 수 있다.
상기 칼코게나이드계 화합물의 스퍼터링 방법은 해당 칼코게나이드 화합물의 소결물체를 타겟으로 하여 질소 등의 소오스 가스와 불활성 가스인 아르곤 가스 등 을 운송(carrier) 가스로 하는 스퍼터링 방법이 바람직하다. 스퍼터링에 의해 200℃ 이하의 온도의 기판상에 비정질의 막을 형성해, 이것을 바람직하게는 300~400℃의 온도로 가열해 결정화하는 것이다.
박막화되는 칼코게나이드계 화합물은 비정질 상에서 작은 크기의 그레인을 가지는 다결정 상태로 진행될 수 있는 온도 조건에서 스퍼터링 방법이 수행될 때, 보다 높은 광흡수율과 전도도를 가지게 된다.
도 5를 참조하면, 칼코게나이드계 화합물 박막에서 전도도가 우수해지는 온도 범위는 200K 내지 400K이고, 바람직하게는 300K 내지 380K임을 알 수 있다.
상기의 온도 범위 하에서 전도성이 우수하지만, 특히 GST 박막 중에서 입자상이 비정질(Amorphous)일 경우보다 면심입방구조(fcc)의 다결정상의 전도성이 더욱 우수하며, 이보다는 육방정계의 격자 구조를 가지는 다결정상의 박막의 전도성이 현저하게 우수함을 알 수 있다.
따라서 바람직하게는 기판 위에 적층되는 광전변환층으로서의 칼코게나이드계 화합물 박막의 입자상은 비정질 상에서 다결정상으로 변형되는 조건으로 수행되어야 한다.
상기의 칼코게나이드계 화합물 반도체의 형성 방법과 해당 박막의 다결정성의 정도를 고려하여 태양전지의 광취득효율 및 광변환효율을 조절할 수 있는 것이다.
상기 진공증착법은 S, Se, Te, As, Sb, Ge, Sn, Ga, In, Ag, Cu 등의 증발원을 각각 갖춘 진공 증착 장치를 이용해 히터로 350~400℃에 가열한 기판 위에, 다 른 증발원으로부터 동시에 증발한 S, Se, Te, As, Sb, Ge, Sn, Ga, In, Ag, Cu 등의 물질을 증착시키는 것이다.
상기 2단계 셀렌화법은 진공 용기 중에서, 유리 등의 기판 위에 Mo막을 증착시킨 후, 실온으로 S, Se, Te, As, Sb, Ge, Sn, Ga, In, Ag 등 단원소 칼코게나이드 물질막을 차례차례 증착시켜 적층체를 형성하고, 이것을 해당 가스 분위기에서 350~550℃의 온도로 열처리하는 것이다.
상기 페이스트 프린트법은 Mo막 상에 In2Se3의 분말, Se분말, CuCl2 분말 및 바인더가 되는 페이스트를 준비하고 이를 스크린을 이용해 프린팅하고 건조한 후, 진공 또는 불활성 기체 분위기에서 400~600℃로 가열하는 것이다.
한편 칼코게나이드 화합물 용액을 기판 상에 도포하는 방법으로는 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 롤코팅(roll coating), 스크린 코팅(screen coating), 분무코팅(spray coating), 스핀 캐스팅(spin casting), 흐름코팅(flow
coating), 스크린 인쇄(screen printing), 잉크젯(ink jet) 또는 드롭캐스팅(drop casting) 등의 코팅방법을 사용할 수 있다.
편의성 및 균일성의 측면에서 가장 바람직한 도포방법은 스핀 코팅이다. 스핀코팅을 행하는 경우, 스핀속도는 100 내지 10,000 rpm 내에서 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예로서 상기 기판 상에 칼코게나이드 화합물 용액을 도포 한 후, 도포한 전구체 용액을 열처리하여 칼코게나이드 박막을 수득하게 되는데, 상기 열처리 과정은 기판 위에 도포된 용액을 베이킹하는 단계 및 상기 전구체 용액을 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
베이킹(baking) 단계는 잔류용매를 증발시켜 필름을 건조하는 과정으로, 반데르발스 인력 및 쌍극자쌍극자상호작용(dipole-dipole interaction)에 의하여 칼코게나이드 분자간에 패킹(packing)이 일어나게 된다. 베이킹 단계는 단순히 주위 환경에 노출시키거나, 경화 공정의 초기 단계에서 진공을 적용하거나, 또는 50 내지 100 ℃의 온도에서 1초 내지 5 분 동안 질소분위기 하에서 가열하여 수행할 수 있다.
다음으로 경화 단계는 결합된 리간드의 열분해 및 축합반응에 의하여 육방정계(hexagonal) 구조를 형성하는 단계로서, 상기 칼코게나이드 화합물 용액을 150 내지 400 ℃의 온도에서 1 내지 60 분 동안 열경화시켜 칼코게나이드 박막을 형성시킬 수 있다.
상기 경화 단계는 결합된 리간드와 칼코게나이드 자체의 흡수 파장을 고려하여 200 내지 450 nm의 자외선을 조사하여 UV 경화시킬 수 있다.
상기 과정에 의해 칼코게나이드계 화합물 박막을 형성한 후 각 원소에서 치환하고자 하는 원소의 소오스 가스 분위기에서 칼코게나이드계 화합물 박막이 상기 치환원소화되는 과정이 수행될 수 있다.
가스 분위기의 기압은 진공일 수 있으나, 바람직하게는 대기압 이상의 고압 하에서 수행될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 칼코게나이드 화합물 박막 조성물은 (Ge1-xSix)a(Sb1-yAsy)b(Te1-zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yPy)b(Te1 - zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yAsy)b(Te1 -zSz)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yPy)b(Te1 - zSz)c 등으로 이루어질 수 있는데, 상기 식에서 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b≤ 10, 1 ≤ c ≤ 10 이고, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 인 것이 바람직하며, a : b : c = 2 : 2 : 5 또는 a : b : c = 1 : 2 : 4 인 것이 더욱 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 화합물 반도체 태양전지에 있어서 광흡수도가 높으면서도 밴드갭 에너지가 높은 새로운 소재의 박막 조성물을 제공하고, 이를 이용하여 화합물 반도체 태양전지를 제조할 수 있으므로 태양전지에서 고효율의 광전변환성, 안정성, 신뢰성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 공정과 달리하지 않으면서도 신소재의 박막을 형성하여 고효율의 태양전지를 제공할 수 있어 제조단가가 저렴한 경제적인 가치가 있다.
본 발명의 일 실시예는 다음과 같으며, 본 발명의 구현은 반드시 이하의 실시예에 의하여 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yAsy)b(Te1 - zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 -yPy)b(Te1-zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yAsy)b(Te1 - zSz)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yPy)b(Te1 - zSz)c 등(단, 상기 식에서 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b≤ 10, 1 ≤ c ≤ 10 이고, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1임)으로 조성되는 칼코게나이드 화합물 용액을 준비한다.
이 때 선택되는 칼코게나이드 화합물은 원하는 광흡수도 및 밴드갭 에너지에 따라 최적의 것으로 가변적으로 선택할 수 있으며, Ge-Si, Sb-As, Sb-P, Te-Se, Te-S 간의 배합비 또는 조성비 역시 밴드갭 에너지에 따라 조절될 수 있다.
상기 칼코게나이드계 물질의 혼합물을 유리 기판 상에 스핀속도를 100 내지 10,000 rpm 내에서 조절하면서 스핀 도핑한다.
상기 화합물 용액의 매질인 유기 용매에서 잔류된 용매를 증발시켜 필름을 건조한 후 150 내지 400 ℃의 온도에서 1 내지 60 분 동안 열경화시켜 칼코게나이드 박막을 형성한다.
상기 스핀 도핑 또는 열경화 공정은 진공 상태에서 수행할 수 있지만, 대기압(1 atm) 또는 그 이상의 고압 하에서 수행하는 것이 더 바람직할 것이다.
도 6을 참조하면 셀레늄을 함유하는 칼코게나이드 화합물 박막을 형성할 때 열처리하는 공정에서 셀레늄 분위기에서 수행하는데 이때 진공 하에서 수행될 때보다 대기압 상태에서 수행되었을 때 동일 온도 조건에서 비저항이 더 낮아 전도성이 더 우수함을 알 수 있다.
상기 경화 단계는 결합된 리간드와 칼코게나이드 자체의 흡수 파장을 고려하여 200 내지 450 nm의 자외선을 조사하여 UV 경화시킬 수 있다.
상기 형성된 박막 위에 전극층을 형성하여 칼코게나이드계 화합물을 광전변환층으로 하는 태양전지를 제조한다.
본 발명의 또다른 실시예로서 기본적 칼코게나이드계 화합물인 GST 박막을 스퍼터링 방법 등의 방법에 의해 유리 기판 위에 형성한 후, Si, As, P, Se, S 등에서 적어도 어느 하나 이상의 원소를 소오스 가스로 하여 일부 치환하는 공정을 수행할 수 있다.
도 1은 종래의 화합물 반도체 태양전지의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 종래의 CIS계 화합물 반도체 태양전지에서 구성물질에 따른 태양광 흡수계수를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코게나이드계 화합물 박막을 구비한 태양전지의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 GST 화합물 박막형 태양전지에서 입자상에 따른 태양광 흡수계수를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 GST 화합물 박막형 태양전지에서 온도에 따른 전기전도도를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼코게나이드 화합물 박막형 태양전지에서 셀레늄분위기의 압력 조건에 따른 전기전도도를 나타낸 그래프.
{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}
100,200 : 유리기판 101,201 : 투명전도성산화물층
102,202 : n형 광전변환층 103,203 : p형 광전변환층
104,204 : 금속전극층
Claims (7)
- 칼코게나이드계 화합물을 포함하는 광전변환층을 적어도 하나 이상 포함하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 광전변환층은 p-n 반도체층 또는 p-i-n 반도체층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 칼코게나이드계 화합물은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 칼코게나이드 화합물, 게르마늄(Ge)-안티몬(Sb)-텔레륨(Te) 칼코게나이드계 화합물, 비소(As)-안티몬(Sb)-텔레륨(Te) 칼코게나이드계 화합물, 및 주석(Sn)-비스무트(Bi)-텔레륨(Te) 칼코게나이드계 화합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 칼코게나이드계 화합물은 (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yAsy)b(Te1 - zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 -yPy)b(Te1-zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yAsy)b(Te1 - zSz)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yPy)b(Te1 - zSz)c 로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 태양전지.단, 상기 식에서 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b≤ 10, 1 ≤ c ≤ 10 이고,0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 임.
- 제 1항에 있어서,상기 칼코게나이드계 화합물은 S, Se, Te, As, Sb, Ge, Sn, Ga, In 및 Ag으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 칼코게나이드계 화합물은 Ge-Sb-Te-N, As-Sb-Te-N, As-Ge-Sb-Te-N, Sn-Sb-Te-N, In-Sn-Sb-Te-N, Ag-In-Sb-Te-N, 15족 원소-Sb-Te-N, 16족 원소-Sb-Te-N, 15족 원소-Sb-Se-N, 16족 원소-Sb-Se-N 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yAsy)b(Te1 - zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yPy)b(Te1 - zSez)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 -yAsy)b(Te1-zSz)c, (Ge1 - xSix)a(Sb1 - yPy)b(Te1 - zSz)c 로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나의 칼코게나이드계 화합물로 이루어진 칼코게나이드 화합물 박막 조성물.단, 상기 식에서 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b≤ 10, 1 ≤ c ≤ 10 이고,0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 임.
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| KR101283106B1 (ko) * | 2011-11-21 | 2013-07-05 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
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