KR20110038391A - Method for fabricating chalcogenide solar cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a chalcogenide solar cell is provided to improve photoelectric conversion efficiency by including hydrated sodium thin film. CONSTITUTION: A depositing solution including sodium compounds and solvent is prepared. A p type electrode and an opposite electrode are immersed in the depositing solution. A sodium hydrate thin film is formed on the upper side of the p type electrode by applying an electric field between the p type electrode and the opposite electrode. A chalcogenide solar cell is formed on the upper side of the sodium hydrate of the p type electrode. An N side electrode is formed on the upper side of the chalcogenide solar cell.

Description

칼코지나이드계 태양전지의 제조방법{Method for fabricating chalcogenide solar cell}Method for manufacturing chalcogenide-based solar cell {Method for fabricating chalcogenide solar cell}

본 명세서에 개시된 기술은 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나트륨 수화물 박막을 구비하여 향상된 광전변환효율을 갖는 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 태양전지에 관한 것이다.The technology disclosed herein relates to a method for manufacturing a chalcogenide-based solar cell and a solar cell manufactured by the present invention, and more particularly, to manufacturing a chalcogenide-based solar cell having an improved photoelectric conversion efficiency by including a sodium hydrate thin film. It relates to a method and a solar cell produced thereby.

석유자원 고갈의 위기감, 교토 의정서의 기후변화 협약 발효, 신흥 BRICs 개도국들의 경제성장에 따른 폭발적인 에너지 수요 등 기존 에너지와 차원이 다른 청정 무제한의 에너지가 요구되고 있으며, 국가적인 차원에서 신재생에너지 기술개발이 진행되고 있다. 신재생 에너지 중에서 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이며, 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 전원공급용으로 광범위하게 활용되고 있다. 태양전지가 처음 만들어진 초기에는 주로 우주용으로 사용되었으나, 1970년대 2차례의 석유파동을 겪으면서 지상용 전원으로 활용하기 위한 가능성에 주목을 받게 되었고, 활발한 연구개발에 의해 1980년대부터 제한적으로 지상발전용으로 사용이 시작되었 다. 최근에는 항공, 기상, 통신 분야에 까지 사용되고 있으며, 태양광자동차, 태양광 에어콘 등도 주목받고 있다.There is a need for clean and unlimited energy that is different from the existing energy, such as a sense of crisis of exhaustion of oil resources, the entry into force of the Kyoto Protocol's climate change agreement, and the explosive demand for energy due to the economic growth of emerging BRICs. This is going on. Among the renewable energy, solar cells (Solar Cells or Photovoltaic Cells) are the core elements of photovoltaic power generation that converts sunlight directly into electricity, and are widely used for power supply from space to home. In the early days when solar cells were first made, they were mainly used for space use, but after two oil surges in the 1970s, they were attracting attention for their potential as ground power sources. It has been started for use. Recently, it has been used in aviation, meteorology, and communication fields, and solar vehicles and solar air conditioners are also attracting attention.

이러한 태양전지는 주로 실리콘이나 화합물 반도체를 이용하고 있으나, 이들은 반도체 소자 제작공정으로 제조되기 때문에 제조단가가 높으며, 또한 태양전지의 주된 부분을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 실리콘 원자재의 수급에 어려움을 겪고 있다. 이러한 상황에서 최근 실리콘 소재를 전혀 사용하지 않는 CIGS, CdTe와 같은 칼코지나이드(chalcogenide)계 태양전지가 현재 많은 주목을 받고 있다. 칼코지나이드는 칼코젠(chalcogen) 원소인 S, Se, Te를 포함하는 화합물을 의미하며, 태양전지 분야에 많이 응용되는 칼코지나이드 화합물은 IB-IIIA-VIA족 원소로 구성되어 있으며, CuInS2(CIS), CuGaS2(CGS), CuInSe2(CISe), CuGaSe2(CGSe), CuAlSe2(CASe), CuInTe2(CITe), CuGaTe2(CGTe), Cu(In, Ga)S2(CIGS), Cu(In, Ga)Se2(CIGSe), Cu2ZnSnS4(CZTS) 등을 예로 들 수 있다. 이러한 칼코지나이드계 화합물 혹은 박막은 밴드갭 에너지가 1 내지 2 eV로서 반도체 중에서 가장 우수한 광흡수계수(1 x 105 cm-1)를 가질 뿐만 아니라 전기광학적으로도 매우 안정하여 태양전지의 광흡수층으로 매우 이상적인 소재이다. 태양전지 산업에 이용되는 또 다른 칼코지나이드 화합물로는 IIB-VIA족 원소로 구성되어 있는 CdS가 대표적이며, PN 접합이 이루어지는 계면에 위치하는 버퍼소재로서 적합하다. 대표적인 칼코지나이드계 태양전지는 CIGSe를 광흡수층으로 사용하고 있으며, CdS를 버퍼층으로 이용한다. 박막형성 방법으로는 여러 가지 물리 화학적인 제조방법이 이용되고 있다.Such solar cells mainly use silicon or compound semiconductors, but because they are manufactured in the semiconductor device manufacturing process, the manufacturing cost is high, and silicon solar cells, which occupy the main part of the solar cells, have difficulty in supplying silicon raw materials. . Under these circumstances, chalcogenide-based solar cells such as CIGS and CdTe, which do not use any silicon materials, have recently attracted much attention. Chalcogenide refers to a compound containing S, Se, Te, which is a chalcogen element, and the chalcogenide compound, which is widely applied in the field of solar cells, is composed of IB-IIIA-VIA group elements, CuInS 2 (CIS), CuGaS 2 (CGS), CuInSe 2 (CISe), CuGaSe 2 (CGSe), CuAlSe 2 (CASe), CuInTe 2 (CITe), CuGaTe 2 (CGTe), Cu (In, Ga) S 2 (CIGS ), Cu (In, Ga) Se 2 (CIGSe), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), and the like. The chalcogenide-based compound or thin film has a band gap energy of 1 to 2 eV, which has the best light absorption coefficient (1 x 10 5 cm -1 ) among semiconductors and is very optically stable, so that the light absorption layer of the solar cell It is a very ideal material. Another chalcogenide compound used in the solar cell industry is CdS, which is composed of IIB-VIA group elements, and is suitable as a buffer material located at an interface where a PN junction is formed. Representative chalcogenide solar cells use CIGSe as a light absorption layer and CdS as a buffer layer. Various physicochemical manufacturing methods are used as the thin film formation method.

일반적으로 CIGSe 박막 태양전지 제작에 있어 소다석회 유리가 사용된다. 그 이유는 CIGSe의 열팽창 계수와 소다석회 유리의 선형 열팽창 계수가 같아 열팽창 계수 차이로 인한 박막 박리현상을 방지할 수 있기 때문이다. 그리고 소다석회유리에 함유된 나트륨(Na) 성분은 CIGSe 박막으로 확산되어 막질을 향상시키는 중요한 역할을 담당한다. Na가 CIGSe계 흡수층에 미치는 영향은 다음과 같다. 입경이 증가됨에 따라 (1 1 2)배향의 촉진, 광흡수층의 정공 농도 증가, 대면적 기판상에서의 균일화 향상, 고효율을 얻을 수 있는 Cu/(In+Ga) 비의 영역이 증가한다. 그래서 최근 Na 성분 첨가 방법 및 균일 제어를 위한 시도가 계속되고 있으며 NaF, Na2Se, Na2S와 같은 물질을 진공 증착법을 통하여 첨가하는 방법이 주로 사용된다.Generally, soda-lime glass is used to manufacture CIGSe thin film solar cells. The reason is that the thin film peeling phenomenon due to the difference in thermal expansion coefficient can be prevented because the thermal expansion coefficient of CIGSe and the linear thermal expansion coefficient of soda lime glass are the same. And sodium (Na) component contained in soda lime glass plays an important role to improve the film quality by diffusing into the CIGSe thin film. The effect of Na on the CIGSe-based absorption layer is as follows. As the particle diameter increases, the area of the Cu / (In + Ga) ratio which increases the (1 1 2) orientation, increases the hole concentration of the light absorption layer, improves uniformity on the large area substrate, and obtains high efficiency. Thus, attempts for the addition of Na components and uniform control have continued in recent years, and methods of adding materials such as NaF, Na 2 Se, and Na 2 S through vacuum deposition are mainly used.

만약 스테인레스 스틸과 같은 유연한 메탈호일이 기판으로 사용할 경우는 기판 자체에 Na을 함유하지 않고 있다. 이와 같이 Na를 함유하지 않은 기판 재료를 사용할 경우에는 얼마간의 Na 화합물을 인위적으로 첨가시키는 것이 필수적이다. 또한 소다석회 유리의 경우도 Na의 함량이 부족하거나 부위별로 일정치 않은 문제가 있기 때문에 추가적인 Na의 도입공정을 포함하기도 한다.If a flexible metal foil such as stainless steel is used as the substrate, the substrate itself does not contain Na. When using a substrate material containing no Na in this manner, it is essential to artificially add some Na compounds. In addition, in the case of soda-lime glass also contains an additional Na introduction process because there is a problem of insufficient Na content or inconsistency for each part.

종래 CIGSe계 박막 태양전지 제조 공정에 있어, Na 성분의 첨가 방법은 진공 공정을 이용하여 NaF, Na2Se, Na2S, Na2O2와 같은 Na 화합물 성분을 도핑하는 방법과 CIGSe 박막 형성 후 이들 물질을 첨가하는 방법이 있으나 이러한 방법들은 Na성분의 조성 제어가 어렵고 진공 및 고온 조건이라는 단점이 있으므로 Na 첨가에 대한 진보된 개선 방안이 요구된다.In the conventional CIGSe-based thin film solar cell manufacturing process, the addition method of Na component is a method of doping the Na compound components such as NaF, Na 2 Se, Na 2 S, Na 2 O 2 using a vacuum process and after forming the CIGSe thin film There are methods for adding these materials, but these methods are difficult to control the composition of the Na component, and there are disadvantages of vacuum and high temperature conditions, and thus, an advanced improvement method for Na addition is required.

일 실시예에 따르면, 나트륨 화합물과 용매를 포함하는 전착액을 준비하는 단계, 상기 전착액에 P측 전극과 상대전극을 침지시키는 단계, 상기 P측 전극과 상기 상대전극 사이에 전계를 인가하여 상기 P측 전극 상부에 나트륨 수화물 박막을 형성시키는 단계, 상기 P측 전극에 형성된 상기 나트륨 수화물 박막 상부에 칼코지나이드계 태양전지셀을 형성시키는 단계, 및 상기 칼코지나이드계 태양전지셀 상부에 N측 전극을 형성시키는 단계를 포함하는 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법이 제공된다.According to one embodiment, preparing an electrodeposition liquid containing a sodium compound and a solvent, immersing the P-side electrode and the counter electrode in the electrodeposition liquid, by applying an electric field between the P-side electrode and the counter electrode Forming a sodium hydrate thin film on the P-side electrode, forming a chalcogenide-based solar cell on the sodium hydrate thin film formed on the P-side electrode, and an N side on the chalcogenide-based solar cell Provided is a method for manufacturing a chalcogenide-based solar cell comprising forming an electrode.

다른 실시예에 따르면, 상기 제조방법에 의해 제조된 칼코지나이드계 태양전지가 제공된다.According to another embodiment, a chalcogenide-based solar cell manufactured by the manufacturing method is provided.

이하, 본 명세서에 개시된 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 요부(subject matter)의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고 및 도면에 기재되는 구성요소들은 다양하게 다른 구성으로 배열되고, 치환되고, 결합되고, 도안될 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 예상되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments disclosed herein will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The illustrative embodiments described above in the detailed description, drawings, and claims are not meant to be limiting, other embodiments may be utilized, and other changes may be made without departing from the spirit or scope of the subject matter disclosed herein. It is also possible. The components of the present disclosure, that is, those described generally herein and described in the figures, may be arranged, substituted, combined, and designed in a variety of different configurations, all of which are expressly contemplated, and It will be readily understood that they form part of the disclosure.

일 구성요소 또는 일 층이 다른 구성요소 또는 다른 층 "의 위에" 또는 "에 상부에"라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소 또는 상기 일 층이 상기 다른 구성요소 또는 다른 층의 바로 위에 형성되는 경우는 물론, 이들 사이에 하나 이상의 구성요소 또는 층이 개재되는 경우도 포함할 수 있다.When one component or one layer is referred to as "on top of" or "on" another component or another layer, when the one component or one layer is formed directly on top of the other component or another layer Of course, it may also include the case where one or more components or layers are interposed therebetween.

본 개시에서는 상기와 같은 종래 선원기술 등의 문제점을 해결하기 위하여 칼코지나이드계 태양전지 제조시 칼코지나이드계 화합물 박막의 막질 향상에 중요한 역할을 담당하는 Na 성분을 도입하는 방법을 제공한다.The present disclosure provides a method for introducing a Na component that plays an important role in improving the film quality of the chalcogenide-based compound thin film in the manufacture of chalcogenide-based solar cells in order to solve the problems of the conventional source technology as described above.

일 실시예에 따르면, 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법은 다음과 같은 순서로 진행될 수 있다.According to one embodiment, the method for manufacturing a chalcogenide-based solar cell may be performed in the following order.

a) 나트륨 화합물과 용매를 포함하는 전착액을 준비한다. 다음 상기 전착액에 P측 전극과 상대전극을 침지시킨다. b) 상기 P측 전극과 상기 상대전극 사이에 전계를 인가하여 상기 P측 전극 상부에 나트륨 수화물 박막을 형성시킨다. c) 상기 P측 전극에 형성된 상기 나트륨 수화물 박막 상부에 칼코지나이드계 태양전지셀을 형성시킨다. d) 상기 칼코지나이드계 태양전지셀 상부에 N측 전극을 형성시킴으로써 칼코지나이드계 태양전지가 제조될 수 있다.a) Prepare an electrodeposition liquid containing a sodium compound and a solvent. Next, the P-side electrode and the counter electrode are immersed in the electrodeposition liquid. b) an electric field is applied between the P-side electrode and the counter electrode to form a sodium hydrate thin film on the P-side electrode. c) forming a chalcogenide-based solar cell on the sodium hydrate thin film formed on the P-side electrode. d) A chalcogenide-based solar cell may be manufactured by forming an N-side electrode on the chalcogenide-based solar cell.

보다 상세하게는 다음과 같은 방식으로 칼코지나이드계 태양전지가 제조될 수 있다.More specifically, chalcogenide-based solar cells may be manufactured in the following manner.

<기판/금속전극><Substrate / Metal Electrode>

기판으로는 소다석회 실리카 유리 또는 비정질의 유리, 금속호일, 금속 테이프, 폴리 이미드와 같은 유연성 있는 플라스틱 등이 사용될 수 있다. 기판은 사용 직전에 세정공정을 거칠 수 있으며, 예를 들어, 아세톤, 알콜, 물 혹은 이들의 혼합 용액에 담근 후 초음파 세정을 실시할 수 있다.As the substrate, soda lime silica glass or amorphous glass, metal foil, metal tape, flexible plastic such as polyimide, or the like can be used. The substrate may be subjected to a cleaning process immediately before use, for example, soaked in acetone, alcohol, water or a mixed solution thereof and then subjected to ultrasonic cleaning.

상기 기판 위에 금속전극이 형성됨으로써 태양전지의 P측 전극이 제조될 수 있다. 상기 금속전극의 소재로서, 전기전도성을 갖는 소재이면 모두 가능하지만, 높은 전기전도도와 칼코지나이드계 화합물과의 오믹 접합이 가능하고, 고온에서의 안정성이 우수한 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 금(Au), 니켈(Ni) 등이 양호하다. 상기 금속전극의 두께는 약 0.1~5 μm 정도이면 적합하다. 상기 금속전극은 DC 스퍼터링방식, 열증착 또는 이와 달리 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착(ALD), 전기도금 등에 의해 형성될 수 있다. The P-side electrode of the solar cell may be manufactured by forming a metal electrode on the substrate. As the material of the metal electrode, any material having electrical conductivity can be used, but high electrical conductivity and ohmic bonding between the chalcogenide-based compound are possible, and tungsten (W), copper (Cu), Molybdenum (Mo), gold (Au), nickel (Ni) and the like are preferable. The thickness of the metal electrode is preferably about 0.1 to 5 μm. The metal electrode may be formed by DC sputtering, thermal evaporation or otherwise by chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), electroplating, or the like.

<나트륨 수화물 코팅>Sodium Hydrate Coating

먼저, 나트륨 화합물을 용매 혹은 분산매질에 용해하여 전착액을 제조한다. 상기 전착액의 안정성을 향상시키기 위해서 추가적으로 물(H2O), 버퍼용액, 글리세린과 같은 첨가제가 포함될 수 있다. 상기 금속전극이 형성된 기판, 즉 P측 전극을 작업전극(working electrode)으로 하여 상대전극(counter electrode)과 함께 상기 전착액에 침지시킨다음 전착에 의한 나트륨 수화물 코팅을 실시한다.First, a sodium compound is dissolved in a solvent or a dispersion medium to prepare an electrodeposition liquid. In order to improve the stability of the electrodeposition solution may additionally include additives such as water (H 2 O), buffer solution, glycerin. The substrate on which the metal electrode is formed, that is, the P-side electrode is a working electrode, is immersed in the electrodeposition liquid together with a counter electrode, and then coated with sodium hydrate by electrodeposition.

도 1은 전착법에 의해 P측 전극 표면에 나트륨 수화물을 코팅하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 금속전극이 형성된 기판, 즉 작업전극(P측 전극)을 음극(-)에 연결시키고 상대전극을 양극(+)에 연결시킨 다음 0.1 V ~ 200 V 범위 로 직류전계를 인가함에 의해 P측 전극 표면에 나트륨 수화물을 코팅할 수 있다. 상기 상대전극은 전도성을 나타내는 물질이면 무엇이든지 가능하며, 스테인레스스틸, 구리판, 백금 등을 사용할 수 있다.1 is a view illustrating a process of coating sodium hydrate on the P-side electrode surface by electrodeposition. Referring to FIG. 1, a substrate on which a metal electrode is formed, that is, a working electrode (P-side electrode) is connected to a negative electrode (−), a counter electrode is connected to a positive electrode (+), and a DC electric field is applied in a range of 0.1 V to 200 V. Sodium hydrate can be coated on the P-side electrode surface. The counter electrode may be any material that exhibits conductivity, and stainless steel, copper plate, platinum, or the like may be used.

상기 전착액 제조를 위한 나트륨 화합물로는 나트륨을 포함하고 있으면, 특별히 제한되지 않으며, NaF, Na2Se, Na2S, Na(CH3COO), Na2CO3, NaOH, NaCl, NaNO3 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 상기 나트륨 화합물을 용해시키는 용매로는 물, 알콜류, 유기용매 등이 사용할 수 있지만, 이들의 혼합액을 이용하여도 상관없다. 특히 용매가 물인 경우에는 전착된 나트륨 수화물이 다시 물에 재용해 될 도 있으므로 제2의 용매와 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 전착액의 농도는 0.1mM ~ 3 M인 것이 바람직하다. 상기 농도에서 나트륨 수화물이 균일하게 코팅될 수 있다. 나트륨 화합물로서 소디움 아세테이트(sodium acetate)를 이용할 경우의 음극과 양극에서 일어나는 전기화학 반응은 아래와 같다. The sodium compound for preparing the electrodeposition liquid is not particularly limited as long as it contains sodium, and NaF, Na 2 Se, Na 2 S, Na (CH 3 COO), Na 2 CO 3 , NaOH, NaCl, NaNO 3, and the like. May be used alone or in combination. As a solvent for dissolving the sodium compound, water, alcohols, organic solvents, and the like can be used, but these mixed liquids may be used. In particular, when the solvent is water, the electrodeposited sodium hydrate may be redissolved again in water, so it is preferable to use the mixture with a second solvent. The concentration of the electrodeposition liquid is preferably 0.1mM ~ 3M. At this concentration sodium hydrate may be uniformly coated. When sodium acetate is used as the sodium compound, the electrochemical reactions occurring at the cathode and anode are as follows.

양극에서의 반응: 2H2O → 4H+ + O2(g) + 4e- The reaction at the anode: 2H 2 O → 4H + + O 2 (g) + 4e -

CH3COO- + H+ CH3COOH CH 3 COO - + H + CH 3 COOH

음극에서의 반응: 2H2O + 2e- → 2OH- + H2(g)The reaction at the cathode: 2H 2 O + 2e - → 2OH - + H 2 (g)

Na+ + OH- → NaOHNa + + OH - → NaOH

이상과 같이 음극인 금속전극 표면에 나트륨 수화물(NaOH)이 형성하게 되어, 칼코지나이드계 광흡수층에 대한 Na 공급원으로서의 역할을 하게 된다.As described above, sodium hydrate (NaOH) is formed on the surface of the metal electrode, which is the cathode, and serves as a Na source for the chalcogenide-based light absorbing layer.

<칼코지나이드계 태양전지셀><Calcozinide Solar Cell>

상기 나트륨 수화물 박막이 형성된 금속전극 상부에는 칼코지나이드계 태양전지셀이 형성되어 상기 나트륨 수화물 박막과 접하게 된다. 상기 칼코지나이드계 태양전지셀은 P형 반도체층인 칼코지나이드계 화합물 박막과 N형 반도체층인 ZnO 박막이 접합된 구조를 취할 수 있다. 또한 P형 반도체층과 N형 반도체층 사이에는 CdS와 같은 버퍼층이 개재될 수도 있지만 반드시 필요한 것은 아니다.A chalcogenide-based solar cell is formed on the metal electrode on which the sodium hydrate thin film is formed to be in contact with the sodium hydrate thin film. The chalcogenide-based solar cell may have a structure in which a chalcogenide-based compound thin film that is a P-type semiconductor layer and a ZnO thin film that is an N-type semiconductor layer are bonded to each other. In addition, although a buffer layer such as CdS may be interposed between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer, it is not necessary.

상기 칼코지나이드계 화합물로는 CuInS2(CIS), CuGaS2(CGS), CuInSe2(CISe), CuGaSe2(CGSe), CuAlSe2(CASe), CuInTe2(CITe), CuGaTe2(CGTe), Cu(In, Ga)S2(CIGS), Cu(In, Ga)Se2(CIGSe), Cu2ZnSnS4(CZTS) 등을 예로 들 수 있으며, 이를 단독으로 또는 이들을 복수로 조합하여 사용할 수 있다. 이 중에서 가장 대표적인 CIGSe 박막의 경우 4개의 금속원소(Cu, In, Ga, Se)를 출발원소로 사용하는 동시증발법을 사용하여 증착될 수도 있고, 이들 금속원소 혹은 화합물을 스퍼터링 및 셀렌화(selenization) 시켜 박막을 형성할 수도 있다. 또한 상기와 같이 진공장비를 사용하지 않고 칼코지나이드 화합물이나 전구체 나노입자를 제조한 후 이를 이용하여 인쇄공정과 같은 습식방식으로도 박막의 형성이 가능하다. 이러한 P형 반도체층의 두께는 1~3 μm 정도로 형성시키면 양호하다. 이상과 같은 방법으로 칼코지나이드계 화합물을 형성시키며, 이 과정에서 상기 전착법에 의해 금속전극 표면에 형성된 나트륨이 칼코지나이드계 화합물 층으로 이동함으로써 최종 흡수층의 성능을 향상시키게 된다.As the chalcogenide-based compound, CuInS 2 (CIS), CuGaS 2 (CGS), CuInSe 2 (CISe), CuGaSe 2 (CGSe), CuAlSe 2 (CASe), CuInTe 2 (CITe), CuGaTe 2 (CGTe), Cu (In, Ga) S 2 (CIGS), Cu (In, Ga) Se 2 (CIGSe), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), and the like, and the like, and examples thereof may be used alone or in combination of a plurality thereof. . The most representative CIGSe thin film may be deposited using a co-evaporation method using four metal elements (Cu, In, Ga, Se) as starting elements, and sputtering and selenization of these metal elements or compounds. The thin film may be formed. In addition, a thin film may be formed by using a wet method such as a printing process after preparing chalcogenide compounds or precursor nanoparticles without using a vacuum device as described above. It is good to form the thickness of such a P-type semiconductor layer about 1-3 micrometers. The chalcogenide-based compound is formed by the above method, and in this process, sodium formed on the surface of the metal electrode by the electrodeposition method is transferred to the chalcogenide-based compound layer, thereby improving the performance of the final absorbing layer.

상기 N형 반도체층으로는 주로 i-ZnO(intrinsic ZnO)가 사용될 수 있으며, 스퍼터링 방식으로 박막을 형성시키거나, ZnO 나노입자를 이용하여 인쇄공정과 같은 습식방식으로 박막을 형성할 수 있으며, 5~500 nm의 두께면 적합하다. I-ZnO (intrinsic ZnO) may be mainly used as the N-type semiconductor layer, and a thin film may be formed by a sputtering method, or a thin film may be formed by a wet method such as a printing process using ZnO nanoparticles. A thickness of ˜500 nm is suitable.

P형 반도체층인 CIGSe 박막과 N형 반도체층인 ZnO 박막사이의 에너지 갭이 크고 격자상수 차이가 크므로 그 사이에 버퍼층을 형성하기도 하며, 상기 에너지갭과 격자상수 차이를 완화시켜 보다 양호한 PN접합이 이루어져 효율향상에 도움을 줄 수 있다. 이러한 버퍼층용 재료로는 황화카드뮴(CdS)이 이용될 수 있으나 중금속인 Cd을 사용하지 않는 ZnS, Zn(O,S), ZnSe, (Zn,In)Se, In(OH,S), In2S2 등이 이용될 수 있다. 버퍼층을 형성하기 위한 방법으로는 화학욕증착(chemical bath deposition) 방식이나 ILGAR(ion layer gas reaction) 방식 혹은 진공하에서 증착시키는 방법이 이용될 수 있으며, 10~500 nm 두께면 적합하다. 이러한 버퍼층은 효율향상 측면에서 도움을 주지만 태양전지가 작동하는데 있어서 반드시 필요한 것은 아니다. Since the energy gap between the CIGSe thin film, which is a P-type semiconductor layer, and the ZnO thin film, which is an N-type semiconductor layer is large, and a lattice constant difference is large, a buffer layer may be formed therebetween. This can help improve efficiency. Cadmium sulfide (CdS) may be used as the buffer layer material, but ZnS, Zn (O, S), ZnSe, (Zn, In) Se, In (OH, S), In 2 that do not use heavy metal Cd S 2 and the like can be used. As a method for forming the buffer layer, a chemical bath deposition method, an ion layer gas reaction method, or a vacuum deposition method may be used, and a thickness of 10 to 500 nm may be appropriate. This buffer layer helps in efficiency but is not necessary for the operation of the solar cell.

<N측 전극><N side electrode>

N형 반도체층인 i-ZnO 박막 상부에는 N측 전극이 형성된다. 이러한 N측 전극용 소재로는 Zn계 산화물, Sn계 산화물, In계 산화물, Ti계 산화물, 금속나노입자 등이 적용될 수 있고, 전극 두께는 5~400 nm 정도로 형성하면 적합하다. 보다 구체적으로 살펴보면 도핑된 ZnO(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga, ZnO:N 등)계 소재, SnO2 소재, ITO 소재, TiO2 소재, TiOx(1<x<2) 소재를 이용하여 진공증착(스퍼터링, 열증착, CVD 등)방식으로 칼코지나이드계 태양전지셀 상부에 박막을 형성시킬 수 있으며, ZnO계 나노입자, 도핑된 ZnO계 나노입자, SnO2 나노입자, ITO 나노입자, TiO2 나노입자, TiOx(1<x<2) 나노입자, 졸, 금속 나노입자 등을 이용하여 인쇄공정과 같은 습식방식으로도 형성이 가능하다. 또한, 상기 N측 전극은 도핑된 ZnO, SnO2, ITO, TiO2, TiOx(1<x<2), 금속나노입자 등과 같은 물질이 단독 혹은 복수로 선택될 수 있고, 그 구조가 단층구조일 수도 있으며, 2층구조 및 3층구조 등과 같이 적층구조일 수도 있다. An N-side electrode is formed on the i-ZnO thin film, which is an N-type semiconductor layer. Zn-based oxides, Sn-based oxides, In-based oxides, Ti-based oxides, metal nanoparticles, and the like may be used as the material for the N-side electrode, and an electrode thickness of about 5 to 400 nm is suitable. In more detail, doped ZnO (ZnO: Al, ZnO: B, ZnO: Ga, ZnO: N, etc.) based materials, SnO 2 material, ITO material, TiO 2 material, TiOx (1 <x <2) material using Thin film can be formed on top of chalcogenide-based solar cells by vacuum deposition (sputtering, thermal deposition, CVD, etc.), ZnO-based nanoparticles, doped ZnO-based nanoparticles, SnO 2 nanoparticles, ITO nanoparticles. , TiO 2 nanoparticles, TiOx (1 <x <2) nanoparticles, sol, metal nanoparticles and the like can also be formed by a wet method such as the printing process. In addition, the N-side electrode may be selected alone or a plurality of materials, such as doped ZnO, SnO 2 , ITO, TiO 2 , TiOx (1 <x <2), metal nanoparticles, etc., the structure is a single layer structure It may also be a laminated structure, such as two-layer structure and three-layer structure.

상기와 같은 제조공정으로 구현된 칼코지나이드계 태양전지는 추가적으로 N측 전극 상부에 그리드전극과 반사방지층 등이 형성될 수도 있다. 상기 그리드전극은 주로 금속 접촉층으로 이루어지고 전자빔 시스템 또는 다른 방법을 통하여 형성시킬 수 있으며, 주로 Ni, Al, Ag 등이 이용될 수 있다. 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄여 효율을 더욱 더 증가시키는 기능을 하는 반사방지층은 일반 적으로 MgF2 등이 사용되는데 전자빔 증발법에 의하여 두께가 600~1000 Å 정도로 형성하여 사용될 수 있다.In the chalcogenide-based solar cell implemented by the manufacturing process as described above, a grid electrode and an antireflection layer may be further formed on the N-side electrode. The grid electrode is mainly composed of a metal contact layer and can be formed through an electron beam system or another method, and mainly Ni, Al, Ag, or the like can be used. MgF 2 is generally used as the anti-reflection layer that reduces the reflection loss of sunlight incident to the solar cell and further increases the efficiency. The anti-reflection layer may be formed to have a thickness of 600 to 1000 Å by the electron beam evaporation method.

칼코지나이드계 태양전지의 제조에 있어, 흡수층에 Na 성분을 첨가하기 위한 방법으로서 채택된 전착법은 다양한 공정조건 하에 수행될 수 있다. 예를 들어, 전착용 Na 화합물의 선정, 전착 시간, 전압 조절, 전해액의 Na 농도 변화, 버퍼용액의 선정 등을 통하여 기판에 부착되는 Na의 부착량 조절이 가능하다. 또한 이온화된 Na 성분을 전기화학적 방법을 사용하여 기판 표면에 첨가함으로서 균일 조성의 Na 첨가가 가능하다. 특히 금속판 및 고분자 형태의 유연기판이 적용된 CIGS계 태양전지 제조에 있어 흡수층 막질 향상을 위한 Na 첨가 공정을 효과적으로 수행할 수 있다. 또한 상온 상압 조건에서 공정이 가능할 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 공정비용으로도 대면적 기판 적용이 가능하여 Na 첨가용 상업화 공정으로 매우 바람직하다.In the preparation of chalcogenide-based solar cells, the electrodeposition method adopted as a method for adding Na component to the absorber layer can be carried out under various process conditions. For example, it is possible to control the adhesion amount of Na adhered to the substrate by selecting the Na compound for electrodeposition, electrodeposition time, voltage control, change in Na concentration of the electrolyte solution, selection of the buffer solution, and the like. It is also possible to add Na with a uniform composition by adding the ionized Na component to the substrate surface using an electrochemical method. In particular, in the manufacturing of a CIGS-based solar cell to which a metal plate and a polymer-type flexible substrate are applied, the Na addition process for improving the absorption layer film quality can be effectively performed. In addition, the process can be carried out at room temperature and atmospheric pressure conditions, it is possible to apply a large area substrate at a relatively low process cost is very desirable as a commercial process for Na addition.

이하 본 개시된 기술을 실시예를 통하여 더욱 구체화 하지만, 이는 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 개시된 기술의 사상이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the disclosed technology will be further embodied by examples, but the present invention is only presented for better understanding and the spirit of the disclosed technology is not limited to the following examples.

실시예 1Example 1

전착액을 제조하기 위하여 유리 비이커에 이소프로필알콜 200 g을 가한 후 소디움 아세테이트 50 mg을 용해시켰다. 이 용액에 추가적으로 버퍼용액과 응집방 지제인 글리세린 0.5 g을 가한 후 30분간 교반하여 전착액을 제조하였다. 음극으로서 몰리브덴이 코팅된 스테인레스스틸(이하 Mo 전극이라 칭함)과 양극(상대전극)인 구리판을 3 cm 간격을 두고 마주보도록 배치시켰다. 직류전계 10 V에서 10초간 전착시켜 Mo 전극 상부에 나트륨 수화물 박막을 형성시켰다. Mo 전극의 나트륨 수화물 상부에 CIGSe를 동시증발법으로 형성(2 μm)시키고, 버퍼층인 CdS 박막을 CBD(chemical bath deposition)법을 이용하여 50 nm의 두께로 형성시켰으며, 그 상부에 N형 반도체층인 i-ZnO 막을 형성하였다. N형반도체 상부에 ZnO:Al을 N측 전극으로 형성시켰다. N형 반도체인 순수 ZnO의 경우 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 증착하였고 n타입의 ZnO(ZnO:Al)의 경우 Al이 2.5 wt% 첨가된 타겟을 사용하였다. 그리고 전자빔을 이용하여 Al 그리드전극을 형성하여 태양전지 소자를 완성하였다. 태양전지 변환특성은 AM 1.5, 100 ㎽/㎠조건에서 기준 전지로 보정한 후 측정하였다. 도 2는 전착법으로 형성시킨 나트륨 수화물 박막을 구비한 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, V OC 는 0.79 V, J SC 는 26.34 mA/cm2 및 필 팩터(Fill Factor)는 0.72를 나타내었으며, 15.51 %의 광전변환효율을 나타내었다.To prepare the electrodeposition solution, 200 g of isopropyl alcohol was added to a glass beaker, followed by dissolving 50 mg of sodium acetate. To this solution, 0.5 g of a buffer solution and glycerin as a flocculation agent were added, followed by stirring for 30 minutes to prepare an electrodeposition solution. Molybdenum-coated stainless steel (hereinafter referred to as Mo electrode) and a cathode (relative electrode) copper plate were disposed to face each other at 3 cm intervals as a cathode. Electrodeposited at 10 V DC for 10 seconds to form a sodium hydrate thin film on the Mo electrode. CIGSe was formed on the sodium hydrate on the Mo electrode by co-evaporation (2 μm), and the CdS thin film, which is a buffer layer, was formed to a thickness of 50 nm using CBD (chemical bath deposition). An i-ZnO film was formed. ZnO: Al was formed on the N-type semiconductor as the N-side electrode. Pure ZnO, an N-type semiconductor, was deposited by RF magnetron sputtering. In the case of n-type ZnO (ZnO: Al), a target containing 2.5 wt% of Al was used. The Al grid electrode was formed using the electron beam to complete the solar cell device. The solar cell conversion characteristics were measured after calibration with a reference cell under AM 1.5, 100 100 / ㎠ conditions. 2 is a graph showing current-voltage characteristics of a solar cell having a sodium hydrate thin film formed by electrodeposition. Referring to FIG. 2, V OC was 0.79 V, J SC was 26.34 mA / cm 2, and Fill Factor was 0.72, and the photoelectric conversion efficiency was 15.51%.

비교예Comparative example

나트륨 수화물 박막의 형성공정을 생략한 점을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다. 광전변환효율 측정결과 10.23%를 나타내었다.A solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the forming process of the sodium hydrate thin film was omitted. The photoelectric conversion efficiency measurement result was 10.23%.

실시예 2 Example 2

부틸알콜 150 g과 증류수 1 g을 가한 후 NaNO3 100 mg을 첨가하여 전착액을 제조하였다. 상기 전착액을 이용하고, 기타 공정은 실시예 1과 동일하게 하여 태양전지를 제조하였다. 광전변환효율 측정결과 14.76%를 나타내었다.After 150 g of butyl alcohol and 1 g of distilled water were added, 100 mg of NaNO 3 was added to prepare an electrodeposition liquid. The electrodeposition liquid was used, and the other process was carried out similarly to Example 1, and manufactured the solar cell. The photoelectric conversion efficiency measured was 14.76%.

실시예Example 3 3

에틸알콜 200 g과 증류수 2 g을 가한 후 소디움 나이트레이트 50 mg을 첨가하여 전착액을 제조하였다. 상기 전착액을 이용하고, 기타 공정은 실시예 1과 동일하게 하여 태양전지를 제조하였다. 광전변환효율 측정결과 13.89%를 나타내었다.After 200 g of ethyl alcohol and 2 g of distilled water were added, 50 mg of sodium nitrate was added to prepare an electrodeposition liquid. The electrodeposition liquid was used, and the other process was carried out similarly to Example 1, and manufactured the solar cell. The photoelectric conversion efficiency measurement result was 13.89%.

실시예 4 Example 4

실시예 1에서 제시한 태양전지 제조과정 중에서 흡수층을 CIGSe 대신에 CIGS로 사용하고, 버퍼층을 CdS 대신에 ZnS를 사용하였으며, ZnO:Al 대신에 ITO를 사용 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 태양전지를 제조하였다. 광전변환효율 측정결과 13.39%를 나타내었다. In the solar cell manufacturing process shown in Example 1, the absorption layer was used as CIGS instead of CIGSe, the buffer layer was used as ZnS instead of CdS, and the same as in Example 1 except that ITO was used instead of ZnO: Al. To prepare a solar cell. The photoelectric conversion efficiency measurement result was 13.39%.

실시예 5Example 5

실시예 1에서 제시한 태양전지 제조과정 중에서 Mo 전극 대신에 W을 사용 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 태양전지를 제조하였다. 광전변환효율 측정결과 12.17%를을 나타내었다.A solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that W was used instead of the Mo electrode in the solar cell manufacturing process shown in Example 1. The photoelectric conversion efficiency measured was 12.17%.

상술한 바와 같이 박막 태양전지 제조에 있어 전착법을 사용함으로써, 정밀 Na 성분 제어가 가능하여 고품질의 박막 제조가 실현 가능하다. 특히 Na성분이 포함되지 않은 금속판 및 고분자 형태의 유연기판이 적용된 CIGS계 태양전지 제조에 있어 흡수층 막질 향상을 위한 Na 첨가 공정을 효과적으로 수행할 수 있다. 본 명세서에 개시된 기술은 상온 상압 조건에서 공정이 가능할 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 공정비용으로도 대면적 기판 적용이 가능하여 공정의 효율성 증진 및 태양전지 효율 증대가 기대되어 생산비용 절감 등 경제적 가치 창출 효과가 크다.As described above, by using the electrodeposition method in thin film solar cell manufacturing, precise Na component control is possible, and high quality thin film manufacturing can be realized. In particular, in the production of a CIGS-based solar cell to which a metal plate and a polymer-type flexible substrate not containing Na component are applied, an Na addition process for improving the absorption layer film quality may be effectively performed. The technology disclosed in the present specification is not only capable of processing at room temperature and atmospheric pressure conditions, but also can be applied to large-area substrates at relatively low process costs, thereby increasing economic efficiency and increasing solar cell efficiency, thereby creating economic value effects such as reducing production costs. Big.

도 1은 전착법에 의해 P측 전극 표면에 나트륨 수화물을 코팅하는 과정을 나타낸 도면이다.1 is a view illustrating a process of coating sodium hydrate on the P-side electrode surface by electrodeposition.

도 2는 전착법으로 형성시킨 나트륨 수화물 박막을 구비한 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing current-voltage characteristics of a solar cell having a sodium hydrate thin film formed by electrodeposition.

Claims (9)

나트륨 화합물과 용매를 포함하는 전착액을 준비하는 단계;Preparing an electrodeposition liquid containing a sodium compound and a solvent; 상기 전착액에 P측 전극과 상대전극을 침지시키는 단계;Dipping the P-side electrode and the counter electrode in the electrodeposition liquid; 상기 P측 전극과 상기 상대전극 사이에 전계를 인가하여 상기 P측 전극 상부에 나트륨 수화물 박막을 형성시키는 단계;Applying an electric field between the P-side electrode and the counter electrode to form a sodium hydrate thin film on the P-side electrode; 상기 P측 전극에 형성된 상기 나트륨 수화물 박막 상부에 칼코지나이드계 태양전지셀을 형성시키는 단계; 및Forming a chalcogenide-based solar cell on the sodium hydrate thin film formed on the P-side electrode; And 상기 칼코지나이드계 태양전지셀 상부에 N측 전극을 형성시키는 단계를 포함하는 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법.Method of manufacturing a chalcogenide-based solar cell comprising the step of forming an N-side electrode on the chalcogenide-based solar cell. 제1항에 있어서, 상기 나트륨 화합물은 NaF, Na2Se, Na2S, Na(CH3COO), Na2CO3, NaOH, NaCl, 및 NaNO3의 군으로부터 선택되는 1종 이상인 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법.The chalcogenide of claim 1, wherein the sodium compound is at least one selected from the group consisting of NaF, Na 2 Se, Na 2 S, Na (CH 3 COO), Na 2 CO 3 , NaOH, NaCl, and NaNO 3 . Method for producing a solar cell. 제1항에 있어서, 상기 전착액이 물(H2O), 버퍼용액 및 글리세린으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 추가적으로 포함하는 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the electrodeposition solution further comprises at least one additive selected from the group consisting of water (H 2 O), a buffer solution and glycerin. 제1항에 있어서, 상기 전착액의 농도가 0.1mM ~ 3 M인 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the concentration of the electrodeposition liquid is 0.1mM to 3M. 제1항에 있어서, 상기 P측 전극은 기판 위에 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 금(Au), 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속이 형성된 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법.According to claim 1, wherein the P-side electrode is at least one metal selected from the group consisting of tungsten (W), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au), and nickel (Ni) on a substrate Method of manufacturing a chalcogenide-based solar cell formed. 제5항에 있어서, 상기 기판은 유리, 금속호일, 금속 테이프, 또는 플라스틱인 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법.The method of claim 5, wherein the substrate is glass, metal foil, metal tape, or plastic. 제1항에 있어서, 상기 칼코지나이드계 태양전지셀은 P형반도체 층으로서 칼코지나이드계 화합물 박막과 N형반도체 층으로서 i-ZnO 박막이 접합된 구조를 포함하는 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법.The chalcogenide-based solar cell of claim 1, wherein the chalcogenide-based solar cell comprises a structure in which a chalcogenide-based compound thin film is bonded as a P-type semiconductor layer and an i-ZnO thin film is bonded as an N-type semiconductor layer. Manufacturing method. 제7항에 있어서, 상기 P형반도체 층과 상기 N형반도체 층 사이에 버퍼층이 더 개재된 칼코지나이드계 태양전지의 제조방법.The method of manufacturing a chalcogenide-based solar cell according to claim 7, wherein a buffer layer is further interposed between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 칼코지나이드계 태양전지.A chalcogenide-based solar cell manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 8.
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