KR20100034817A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조방법이 개시되어 있다. 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 및 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며, 광 흡수층을 형성하는 단계는 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하기 위한 나노입자 및 첨가제를 포함하는 조성물층을 형성하는 단계; 및 조성물층을 열처리하는 단계를 포함한다.
나트륨, 셀레나이트, 페이스트, 소성
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지의 광 흡수층은 향상된 특성을 가지기 위해서, 나트륨을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 태양전지 및 태양전지의 제조방법은 광 흡수층의 막 밀도를 증가시키고, 광 흡수 효율을 향상시키는 태양전지를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 및 상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계는 상기 후면전극 상에 상기 광 흡수층을 형성하기 위한 나노입자 및 첨가제를 포함하는 조성물층을 형성하는 단계; 및 상기 조성물층을 열처리하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면전극; 및 상기 후면전극 상에 배치되며, 나트륨을 포함하는 광 흡수층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 나트륨 화합물 또는 칼코겐 원소 화합물을 포함하는 첨가제를 조성물에 첨가하여, 광 흡수층을 형성한다.
특히, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계의 나노입자를 소성시키는 과정에서, 외부로 유출되는 셀레늄을 첨가제의 셀레늄이 보충할 수 있다.
또한, 소성과정에서, 첨가제에 포함된 나트륨이 광 흡수층의 막 밀도를 증가시키고, 광-전 변환효율을 향상시킨다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 광 흡수층의 결정성 및 그레 인 크기가 향상되고, 향상된 성능을 가지는 태양전지를 제공한다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 또는 전극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 후면전극(200)이 형성된다. 상기 기판(100)으로 사용되는 물질의 예로서는 유리, 금속 또는 폴리머 등을 들 수 있다. 또한, 상기 기판(100)은 유리기판, 스테인레스 스틸 기판 또는 티타늄 기판 일 수 있다.
상기 기판(100)은 리지드하거나 플렉서블하다.
상기 후면전극(200)은 상기 기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 증착된다. 이때, 상기 후면전극(200)은 두 개의 층으로 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 후면전극(200)은 상대적으로 전도도가 낮고, 상기 기판(100)에 대한 결합력이 높은 층과 상대적으로 전도도가 높은 층으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극(200)은 도전체이며, 상기 후면전극(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등을 들 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 후면전극(200) 상에 광 흡수층(300)을 형성하기 위한 조성물층(300a)이 형성된다.
상기 조성물층(300a)을 형성하기 위해서, 나노입자들 및 첨가제를 포함하는 조성물이 형성된다. 상기 조성물은 페이스트 또는 잉크 상태로 형성된다.
상기 조성물이 페이스트 상태로 형성되는 경우를 살펴보면, 약 7 내지 10wt%의 분산제, 약 40 내지 60wt%의 나노입자들, 약 2 내지 10wt%의 첨가제, 약 10 내지 20%의 바인더 및 약 10 내지 30%의 용매가 혼합되어, 상기 페이스트 상태의 조성물이 형성된다.
또한, 상기 나노입자 및 상기 첨가제의 비율은 약 10:0.5 내지 10:2일 수 있다.
상기 분산제로 사용되는 물질의 예로서는 등을 들 수 있다.
상기 나노입자로 사용되는 물질의 예로서는 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2,CIGS계) 화합물, 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CGS계) 화합물 등을 들 수 있다.
상기 나노입자는 유기 용매열 반응법 또는 콜로이달 합성법에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 구리 파우더, 인듐 파우더, 갈륨 파우더 및 셀레늄 파우더를 아 민계열의 유기 용매에 혼합하고, 열을 가하여, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계 화합물을 포함하는 나노입자들이 형성될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 파우더, 인듐 파우더 및 셀레늄 파우더 만이 사용되거나, 구리 파우더, 갈륨 파우더 및 셀레늄 파우더 만이 사용될 수 있다.
또한, 상기 셀레늄 대신에 황이 사용되어, 상기 나노입자가 형성될 수 있다.
상기 첨가제는 나트륨 화합물 및/또는 칼코겐 원소 화합물을 포함한다. 상기 첨가제로 사용되는 물질의 예로서는 소듐 셀레나이트 또는 소듐 셀레네이트 등을 들 수 있다.
상기 바인더로 사용되는 물질의 예로서는 니트로 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스 또는 아크릴계 수지 등을 들 수 있다.
상기 용매는 상기 기판(100)과의 향상된 접착성을 가지며, 용이하게 증발된다. 상기 용매로 사용되는 물질의 예로서는 에탄올 또는 메탄올 등의 알콜 등을 들 수 있다.
상기 페이스트 상태의 조성물을 상기 후면전극(200) 상에 프린팅되어, 상기 조성물층(300a)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 조성물은 잉크 상태로 상기 후면전극(200) 상에 배치될 수 있다.
상기 조성물이 잉크 상태로 형성되는 경우를 살펴보면, 약 5 내지 10wt%의 분산제, 약 45 내지 60wt%의 나노입자들, 약 5 내지 10wt%의 첨가제 및 약 30 내지 35%의 용매가 혼합되어, 상기 잉크 상태의 조성물이 형성된다.
상기 잉크 상태의 조성물은 상기 후면전극(200) 상에 닥터 블레이드법 또는 스프레이 코팅법에 의해서 코팅되고, 상기 조성물층(300a)이 형성된다.
도 3을 참조하면, 상기 조성물층(300a)은 예열되고, 소성되고, 상기 후면전극(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 예열 공정은 약 200 내지 400℃의 온도에서, 약 10 내지 60분 동안 진행된다. 이때, 상기 조성물층(300a)에 포함된 용매 및 바인더 등의 유기물질은 제거된다. 또한, 상기 조성물층(300a)에 질소 또는 아르곤 기체를 흘려주어, 부산물의 형성이 방지된다.
이후, 상기 예열된 조성물층(300a)은 약 450 내지 600℃의 온도에서, 소성되고, 상기 후면전극(200) 상에 상기 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 CIGS계 결정상을 가지며, CIGS계 결정에 나트륨이 확산된다.
도 4를 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴(CdS)이 적층되어, 버퍼층(400)이 형성되고, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드(ZnO)가 적층되어, 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
이후, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드가 적층되어, 투명전극층(600)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 p형 층이며, 상기 버퍼층(400)은 n형 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)은 pn접합을 형성한다.
상기 소성 공정에서, 상기 나노입자들에 포함된 셀레늄이 외부로 유출될 수 있다. 이때, 상기 첨가제에 포함된 셀레늄이 상기 광 흡수층(300)에 보충되고, 상기 광 흡수층(300)의 결정성을 향상시킨다.
즉, 상기 소성 공정은 셀레늄 또는 독성을 가지는 셀레늄 하이드라이드(H2Se) 분위기에서 진행되지 않아도, 상기 광 흡수층(300)은 향상된 CIGS계 결정을 가진다.
따라서, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법은 용이하게 제조되며, 향상된 결정구조를 가지는 CIGS계 태양전지를 제공한다.
또한, 상기 첨가제에 포함된 나트륨은 상기 광 흡수층(300)에 확산되고, 상기 광 흡수층(300)의 막 밀도, 그레인의 크기, 결정성 및 광-전 변환효율을 향상시킨다.
또한, 상기 첨가제의 양이 조절되어, 상기 조성물이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 광 흡수층(300)에 포함되는 나트륨의 양이 용이하게 조절될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법은 향상된 성능을 가지는 CIGS계 태양전지를 제공한다.
또한, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법은 나트륨이 포함된 기판(100)을 사용하지 않아도, 상기 광 흡수층(300)에 나트륨을 공급할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지는 다양한 소재의 기판(100)을 사용할 수 있고, 플렉서블한 CIGS계 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 나트륨이 상기 광 흡수층(300)에 직접 첨가되고, 첨가된 나트륨의 일부가 상기 후면전극(200) 및 상기 기판(100)으로 확산될 수 있다.
따라서, 상기 기판(100)으로 나트륨이 포함되지 않은 재료가 사용될 때, 상기 광 흡수층(300)의 나트륨의 양은 상기 후면전극(200) 및 상기 기판(100)의 나트륨의 양보다 더 많다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실험예
유리 기판 상에 스퍼터링 공정에 의해서, 약 1㎛의 두께의 몰리브덴 전극층을 형성하였다. 이후, 약 60wt%의 Cu(In,Ga)Se2 나노 입자, 약 35wt%의 에탄올, 분산제로서 약 5wt%의 아민계 및 첨가제로서, 약 2.5wt%의 NaSeO3 입자를 혼합하여, 조성물 페이스트#1를 형성하였다. 이후, 상기 몰리브덴 전극층 상에 상기 조성물 페이스트#1를 약 5㎛의 두께로 프린팅하여 조성물층#1을 형성하였다. 이후, 약 60분 동안 약 400℃의 온도에서 상기 조성물층#1은 건조되었다.
이후, 상기 건조된 조성물층#1은 약 400℃의 온도에서, 약 60분 동안 소성되어, 상기 몰리브덴 전극층상에 광 흡수층#1이 형성되었다.
이후, 스퍼터링 공정에 의해서, 약 50㎚의 두께의 CdS층, 약 50㎚의 두께의 ZnO층 및 약 500㎚의 두께의 알루미늄 도핑된 ZnO층이 상기 광 흡수층#1 상에 차례로 적층되어 형성되었다.
대조군
실험예와 동일한 조건으로 유리기판 상에 몰리브덴층이 형성된다. 이후, 약 60 wt%의 Cu(In,Ga)Se2 나노 입자, 약 35 wt%의 에탄올 및 분산제로서 약 5wt%의 아민계 분산제를 혼합하여, 조성물 페이스트#2를 형성하였다.
이후, 상기 몰리브덴 전극층 상에 상기 조성물 페이스트 #2는 약 5㎛의 두께로 프린팅되어, 조성물층#2가 형성되었다.
이후, 상기 조성물층#2는 조성물층#1과 동일한 조건으로 건조되고, 소결되어 상기 몰리브덴 전극층상에 광 흡수층#2가 형성되었다.
이후, 실험예와 동일한 조건으로 상기 광 흡수층#2 상에 Cds층, ZnO층 및 알루미늄 도핑된 ZnO층이 상기 광 흡수층#2 상에 차례로 적층되어 형성되었다.
이후, 상기 실험예 및 대조군에 약 25℃, AM1.5g 스펙트럼(1000 W/㎡)의 조건에서, 광-전 변환효율을 측정하였고, 광 흡수층#1, #2의 나트륨의 농도를 측정하였다.
첨가제를 추가하여 형성된 광 흡수층#1의 나트륨의 농도가 광 흡수층#2 대비 약 2.5% 더 높은 것을 알 수가 있고, 이로 인해 광 흡수층#1의 광-전 변환 효율이 광 흡수층#2 대비 약 3% 더 향상됨을 알 수 있다.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
Claims (8)
- 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 및상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 광 흡수층을 형성하는 단계는상기 후면전극 상에 상기 광 흡수층을 형성하기 위한 나노입자 및 첨가제를 포함하는 조성물층을 형성하는 단계; 및상기 조성물층을 열처리하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물층을 형성하는 단계에서,상기 나노입자는 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 화합물인 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물층을 형성하는 단계에서,상기 첨가제는 나트륨 화합물 또는 칼코겐 원소 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 첨가제는 소듐 셀레나이트 또는 소듐 셀레네이트를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 조성물층을 형성하는 단계에서,상기 조성물은 페이스트 또는 잉크 형태를 가지는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물층을 열처리하는 단계는상기 조성물을 제 1 온도에서 건조시키는 단계; 및상기 건조된 조성물을 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 소성시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물층을 배치하는 단계에서,상기 나노입자 및 상기 첨가제의 비율은 10:0.5 내지 10:2인 태양전지의 제조방법.
- 기판;상기 기판 상에 배치되는 후면전극; 및상기 후면전극 상에 배치되며, 나트륨을 포함하는 광 흡수층을 포함하는 태양전지.
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