KR20110036220A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

태양전지 및 태양전지의 제조방법이 개시된다. 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 양자점을 포함하는 윈도우층를 포함한다.
양자점, quantum, dot, ZnS

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지를 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 양자점을 포함하는 윈도우층를 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 이면전극층을 형성하는 단계; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 양자점을 포함하는 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 양자점을 포함하는 윈도우층을 포함하기 때문에, 광-전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
양자점에 의해서, 윈도우층에 입사되는 자외선은 가시광선으로 변환될 수 있다. 특히, 자외선은 광 흡수층까지 도달하기가 용이하지 않는데, 가시광선은 자외선보다 더 용이하게, 광 흡수층까지 도달한다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 양자점에 의해서, 광 흡수층에는 보다 많은 양의 광을 도달시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 광-전 변환 효율을 가지고, 향상된 성능을 가질 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극, 홈 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막, 홈 또는 층 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 1은 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 이면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 상기 윈도우층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 이면전극 층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 직접 형성된다. 즉, 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)에 직접 접촉한다. 상기 버퍼층(400)으로 사용되는 물질의 예로서는 황화 카드뮴 등을 들 수 있다.
상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.0eV 내지 약 2.5eV일 수 있다. 상기 버퍼층(400)의 두께는 약 50㎚ 내지 약 150㎚일 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV일 수 있다.
상기 윈도우층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 윈도우 층(600)은 투명하며, 도전층이다.
상기 윈도우층(600)은 다수 개의 양자점(quantum dot)들(610)을 포함한다. 상기 양자점들(610)은 약 1㎚ 내지 약 10㎚의 직경을 가지는 입자들이다. 상기 양자점들(610)은 상기 윈도우층(600)에 약 0.1 wt% 내지 약 10wt%의 비율로 포함될 수 있다.
상기 양자점들(610)은 무색일 수 있다. 이와는 다르게, 상기 양자점들(610)은 옅은 황색일 수 있다.
상기 양자점(610)은 특정 파장의 광을 입사받아, 다른 파장의 광으로 변환하여 출사할 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(610)은 자외선을 입사받아, 가시광선으로 변환하여 출사할 수 있다. 더 자세하게, 상기 양자점(610)은 약 50㎚ 내지 약 320㎚의 파장을 가지는 광을 입사받아, 약 350㎚ 내지 약 750㎚의 파장을 가지는 광으로 변환하여 출사할 수 있다. 더 자세하게, 상기 양자점(610)은 약 50㎚ 내지 약 320㎚의 파장을 가지는 광을 입사받아, 약 500㎚ 내지 약 550㎚의 파장을 가지는 광으로 변환하여 출사할 수 있다.
상기 양자점(610)은 황화 아연(ZnS) 입자일 수 있다. 이때, ZnS는 무색을 가지며, 320㎚이하의 파장을 가지는 자외선을 입사받아, 약 500㎚ 내지 약 550㎚의 파장을 가지는 녹색광을 출사한다.
상기 황화 아연 양자점의 직경은 약 2㎚일 수 있고, 이와는 다르게, 약 6㎚일 수 있고, 이와는 다르게, 약 10㎚일 수 있다.
상기 양자점(610)은 황화 카드뮴 입자(CdS)일 수 있다. 즉, 상기 양자 점(610)은 CdS로 이루어질 수 있다.
상기 윈도우층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO) 또는 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 등을 들 수 있다.
즉, 상기 윈도우층(600)은 AZO 또는 ITO의 호스트 물질에 상기 양자점들(610)이 도핑된 구조를 가질 수 있다.
실시예에 따른 태양전지는 상기 양자점들(610)을 포함하는 상기 윈도우층(600)을 포함하기 때문에, 광-전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 양자점들(610)에 의해서, 상기 윈도우층(600)에 입사되는 자외선은 가시광선으로 변환될 수 있다. 특히, 자외선은 상기 광 흡수층까지 도달하기가 용이하지 않는데, 가시광선은 자외선보다 더 용이하게, 상기 광 흡수층까지 도달한다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 상기 양자점들(610)에 의해서, 상기 광 흡수층에는 보다 많은 양의 광을 도달시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 광-전 변환 효율을 가지고, 향상된 성능을 가질 수 있다.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 도면들이다. 본 제조방법에서는 앞서 설명한 태양전지를 참고하여 설명한다. 본 제조방법에 대한 설명에, 앞선 태양전지에 관한 설명은 본질적으로 결합될 수 있다.
도 2를 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 몰리브덴 등 과 같은 금속이 증착되고, 이면전극층(200)이 형성된다. 상기 이면전극층(200)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 이면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 상기 이면전극층(200) 상에 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물이 증착될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)층을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 층이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈 륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 층이 형성될 수 있다.
이후, 상기 광 흡수층(300)이 형성된 지지기판은 카드뮴 이온 및 황 이온이 과포화된 용액에 딥핑되고, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)은 스퍼터링 공정 또는 증발법과 같은 진공 증착 방식 또는 스프레이법 등에 의해서 형성될 수 있다.
이후, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
도 4를 참조하면, 윈도우층(600)이 형성되기 위해서, 먼저, 양자점들을 포함하는 분산액이 형성된다.
상기 분산액을 다음과 같은 방식에 의해서, 형성된다.
예를 들어, ZnS 양자점이 폭발법에 의해서, 형성될 수 있다. 예를 들어, 황 분위기에서, 아연을 폭발시켜서, ZnS 양자점이 형성된다. 아연 배선에 고압의 전류가 갑자기 인가될 때, 아연은 나노 입자로 폭발하게 된다. 이때, 아연 나노 입자는 황과 반응하여, ZnS 양자점이 형성된다.
이후, 상기 양자점들, 투명 도전입자들, 분산제 및 분산 용매가 혼합되어, 상기 양자점들을 포함하는 용액이 형성된다. 이때, 상기 양자점들은 상기 분산 용매에 균일하게 분산된다.
상기 투명 도전입자들은 ITO 또는 AZO를 포함할 수 있다.
상기 분산제는 상기 양자점들이 서로 엉겨 붙지 않도록, 상기 양자점들을 분 산시킨다. 상기 분산제로 사용되는 물질의 예로서는 카르복실산계 분산제, 카르복실에스테르계 분산제, 올레인산계 분산제, 스테아르산계 분산제, 팔미트산계 분산제 및 헥실 포스포닉산계 분산제 등을 들 수 있다.
상기 분산 용매의 예로서는 에탄올, 벤젠 및 아세톤 등의 유기 용매 등을 들 수 있으며, 상기 분산 용매로 여러 가지 물질이 혼합되어 사용될 수 있다.
이후, 상기 분산액은 상기 고저항 버퍼층 상에 스핀 코팅 또는 스프레이법에 의해서 코팅되어, 상기 양자점들(610)이 분산되어 도핑된 분산액층(600a)이 형성된다.
도 5를 참조하면, 상기 분산액층(600a)은 약 100℃ 내지 약 300℃의 온도에서 열처리되고, 상기 분산제 및 상기 유기 용매는 제거된다. 그리고, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 양자점들(610)을 포함하는 상기 윈도우층(600)을 용이하게 형성하고, 향상된 광-전 변환효율을 가지는 태양전지를 제공한다.
또한, 이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 도면들이다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 이면전극층;
    상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 배치되며, 양자점을 포함하는 윈도우층를 포함하는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양자점은 징크 설파이드를 포함하는 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양자점은 50㎚ 내지 320㎚의 파장을 가지는 광을 입사받아, 350㎚ 내지 750㎚의 파장을 가지는 광을 출사하는 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 양자점의 직경은 1㎚ 내지 10㎚인 태양전지.
  5. 기판 상에 이면전극층을 형성하는 단계;
    상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광 흡수층 상에 양자점을 포함하는 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 윈도우층을 형성하는 단계는
    투명 도전 입자 및 양자점을 포함하는 분산액을 형성하는 단계;
    상기 분산액을 사용하여, 상기 광 흡수층 상에 분산액층을 형성하는 단계; 및
    상기 분산액층을 열처리하여, 상기 광 흡수층상에 상기 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 분산액은 분산제 및 용매를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 분산제는 카르복실산계 분산제, 카르복실에스테르계 분산제, 올레인산계 분산제, 스테아르산계 분산제, 팔미트산계 분산제 또는 헥실 포스포닉산계 분산제를 포함하고, 상기 용매는 에탄올, 벤젠 또는 아세톤을 포함하는 태양전지의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8850236B2 (en) 2010-06-18 2014-09-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Power gating of cores by an SoC
KR101500669B1 (ko) * 2013-11-18 2015-03-09 한국기계연구원 양자점 태양전지의 제조방법

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