KR20110107760A - 박막 광기전 전지 - Google Patents

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KR20110107760A
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개로 카나리안
니콜라 퍼글리아노
찰스 알. 스즈만다
이재형
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롬 앤드 하스 일렉트로닉 머트어리얼즈, 엘.엘.씨.
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Abstract

기판; 기판 위에 제공되는 후면 전극; 후면 전극 위에 제공되는 p-타입 반도체 흡수재층; p-타입 반도체 흡수재층 위에 제공되는 n-타입 반도체층; n-타입 반도체층 위에 제공되는 유전체 유기 물질층; 유전체 유기 물질층 위에 제공되는 투명한 도전막; 및 임의로, 투명한 도전막 위에 제공되는 반사방지층을 포함하는, 박막 광기전 전지가 제공된다. 박막 광기전 전지의 제조 방법이 또한 제공된다.

Description

박막 광기전 전지 {Thin film photovoltaic cell}
본 발명은 박막 광기전 전지 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 박막 광기전 전지 스택 (thin film photovoltaic cell stack) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 몇 년 사이, 박막 광기전 전지에 대한 관심이 높아졌다. 이런 관심의 증가는 실험실 규모로 제작된 전지의 변환율을 개선할 수 있으며, 더 오래되고 더 비싼 결정 및 다결정 실리콘 기술과 비교하여 제조 단가가 현저하게 절감될 수 있도록 할 수 있다. 용어 "박막"은 이런 타입의 태양 전지를 상대적으로 두꺼운 실리콘 웨이퍼를 사용하는, 더욱 통상적인 실리콘 기본 전지와 구분하기 위하여 사용된다. 단결정 실리콘 전지가 20%가 넘는 변환율 기록을 아직도 보유하고 있는 반면, 박막 전지는 이 수준에 가까운 성능을 발휘하도록 생산되었다. 따라서, 박막 전지의 성능은 이들의 상업적 용도를 제한하는 주요 현안이 더 이상 아니다. 박막 광기전 전지의 대규모 상업화에 있어서 남아 있는 중대한 장애물은 단가이다. 경제적인 박막 광기전 전지 흡수재 소재에 대한 1차적인 후보 물질은 다결정 화합물 반도체 소재 (즉, CdTe 및 Cu(In,Ga)(S,Se)2)이다.
통상의 CdTe 및 Cu(In,Ga)(S,Se)2 기재 박막 광기전 전지는 스택 다층 구조 (stacked multilayer structure)를 갖는다. 그러한 박막 광기전 전지는 몰리브덴 후면 전극이 형성되어 있는 기판 (예, 유리)을 갖는다. CdTe 및 Cu(In,Ga)(S,Se)2의 p-타입 반도체 흡수재층은 몰리브덴 후면 전극 위에 형성된다. n-타입 반도체 완충재층 (예, CdS)은 상기 p-타입 반도체 흡수재층 위에 형성된다. 제2의 n-타입 반도체 (예, 무도핑 (undoped) ZnO)가 상기 완충재층 상에 형성되고 전면 전극 (즉, 투명 전도층 (예, ZnO:Al 또는 In2O3:Sn))이 제2의 n-타입 반도체 위에 형성된다.
CdTe 및 Cu(In,Ga)(S,Se)2 흡수재층을 포함하는 통상의 박막 광기전 전지는 전형적으로 유리, 금속 또는 중합체 기판으로 시작하여 생산된다. 기판 위에 몰리브덴을 침착시켜 기저 전도층을 형성시킨다. 흡수재층은 몰리브덴 위에 스퍼터링시킨 다음 셀렌화 공정으로 침착시킨다. 다음 단계는 화학욕 또는 스퍼터링 침착 공정에 의해 CdS 완충재층을 침착시켜 흡수재층과 완충재층 사이에 pn 접합부를 형성시킨다. 이어서, 진성 ZnO 층을 CdS 완충재층 상에 스퍼터 침착시킨다. 최종 단계로, Al 도핑된 ZnO 층을 상기 진성 ZnO 층 위에 침착시킨다. Al 도핑된 ZnO 층은 광학적으로 투명한 도전층을 형성한다. 이어서, Al 도핑된 ZnO 층의 상부에서 전극을 증발시켜 전기 접점을 형성시킬 수 있다. 태양광이 전지 위를 비출 때, 기저 및 상부 전극 사이에 전압이 발달하게 되어, 전지로부터 전력을 뽑아낼 수 있도록 한다.
CdTe 및 Cu(In,Ga)(S,Se)2 기재 박막 광기전 전지의 예 및 제조 방법이 미국 특허 제2009/0223556호 (Niesen et al.)에 개시되어 있다. 니센 등은 a) 제1 도핑 타입의 칼코피라이드 (chalkopyrite) 반도체 제1층을 제공하는 단계; b) a) 단계 후, 화학증착법으로 진성 산화아연의 제2층을 침착시키는 단계; 및 c) b) 단계 후, 화학증착법 이외의 방법으로 제1 도핑 타입과 반대인 제2 도핑 타입의 산화아연 반도체의 제3층을 침착시키는 단계를 포함하는, 박막 광기전 소자의 제조 방법을 기술하고 있다.
그럼에도 불구하고, 통상의 박막 광기전 소자 중 일부 또는 모든 층을 용액 침착성 소재로 대체하여, 박막 광기전 전지를 연속적인 롤 투 롤 제작 기술로 경제적으로 제조할 수 있도록 할 필요성이 남아 있다.
본 발명은 기판; 기판 위에 제공되는 후면 전극; 후면 전극 위에 제공되는 p-타입 반도체 흡수재층; p-타입 반도체 흡수재층 위에 제공되는 n-타입 반도체층; n-타입 반도체층 위에 제공되는 유전체 유기 물질층; 유전체 유기 물질층 위에 제공되는 투명 도전층; 및 임의로, 투명 도전층 위에 제공되는 반사방지층을 포함하는 박막 광기전 전지를 제공한다.
본 발명은 기판을 제공하고; 후면 전극을 제공하며; 후면 전극이 p-타입 반도체 흡수재 층과 전기적으로 소통되도록, p-타입 반도체 흡수재 층을 제공하고; p-타입 반도체 흡수재 층 위에 n-타입 반도체 층을 제공하며; 유전체 유기 물질 층 전구체를 제공하고; 유전체 유기 물질 층 전구체를 n-타입 반도체 층의 표면에 도포하여 n-타입 반도체 층의 표면 위에 유전체 유기 물질 층을 형성시키고; 유전체 유기 물질 층 위에 투명한 도전막을 형성시키며; 임의로, 투명한 도전막과 전기적으로 접촉하고 있는 전면 전극을 제공함을 특징으로 하는, 박막 광기전 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 박막 광기전 스택은 투명한 도전막 (즉, 투명한 전면 전극)과 n-타입 반도체 층 (즉, 완충재 층) 사이에 삽입되어 있는 통상의 반도체 진성 산화아연 층을 유전체 층으로 대체한다. 본 발명의 박막 광기전 스택은 통상적으로 화학 증착된 진성 산화아연 층을 용액 침착성 물질로 대체시킨다.
본 명세서 및 첨부되는 특허 청구의 범위에서 사용되는 바와 같은 용어 "위 (over)" 및 "상 (on)"은 둘 다 "직접적으로 위" (즉, 사이에 삽입된 중간 소재, 구성분 또는 공간 없이) 및 "간접적으로 위" (즉, 사이에 삽입된 중간 소재, 구성분 또는 공간)를 포괄한다. 예를 들어, 기판 "상"에 층을 제공하는 것은 층과 기판 사이에 중간 물질 없이 기판 위에 직접 층을 형성시키는 것을 포함할 수 있을 뿐만 아니라; 층과 기판 사이에 삽입된 중간 소재 하나 이상과 함께 기판 위에 간접적으로 층을 제공하는 것을 포함한다.
본 발명의 박막 광기전 전지에 사용되는 물질은 광기전 전지에서 통상적으로 사용되는 기판 소재를 포함한다. 적합한 기판 소재의 예를 들면, 유리, 금속 및 중합체 소재가 있다. 유리 기판의 경우, 유리 기판 위에 산화주석 (SnO2)와 같은, 투명한 도전성 코팅을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 대규모 제조의 경우 (예를 들면, 롤-투-롤 기술을 사용), 플렉시블 (flexible) 기판이 바람직하다. 적합한 플렉시블 기판의 예를 들면, 얇은 금속 호일 (예, 알루미늄, 나오븀, 티탄, 크롬, 철, 비스무트, 안티몬 및 스틸로 제조된 호일); 및 중합성 소재 (예, 폴리에테르 에테르 케톤; 폴리이미드 및 폴리에스테르로 제조된 필름)이 있다.
본 발명의 박막 광기전 전지에 사용되는 후면 전극은 전기 회로에서 박막 광기전 전지의 전기적 연결을 용이하게 한다. 후면 전극은 임의로 기판 표면 전체를 덮는다. 달리, 후면 전극은 임의로 기판 표면의 일정 부분을 덮는다. 임의로, 후면 전극이 기판과 접촉하지 않고, 후면 전극이 임의로 p-타입 반도체 흡수재 층의 측면에 연결된다. 후면 전극은 몰리브덴, 알루미늄, 은, 산화아연 또는 산화주석 (SnO2)으로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 후면 전극이 몰리브덴, 은 및 알루미늄 중 1종 이상으로 제조된다. 임의로, 후면 전극이 몰리브덴으로 제조된다. 임의로, 후면 전극이 알루미늄으로 제조된다. 임의로, 후면 전극이 은으로 제조된다.
본 발명의 박막 광기전 전지에 사용되는 p-타입 반도체 흡수재 물질은 때로 "흡수재 층 물질"로 당해 분야에서 불린다. p-타입 반도체 흡수재 층은 박막 광기전 전지에 통상적으로 사용되는 p-타입 반도체 흡수재 물질을 포함할 수 있다. p-타입 반도체 흡수재 물질은 흡수 계수가 높은 다이렉트 밴드 갭 (direct band gap) 물질로부터 선택되는 것이 바람직하다. 바람직한 p-타입 반도체 흡수재 물질의 예를 들면, 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 케스테라이트--Cu2(Zn,Fe)Sn(S,Se)4--및 구리 칼코피라이드 (chalcopyrite)가 있다. 본 발명의 박막 광기전력 전기에서 p-타입 반도체 흡수재 물질로 사용하기에 적합한 구리 칼코피라이드는 1a-1b-3a-6a 족 혼합된-금속 칼코제나이드 물질, 예를 들면, 구리-인듐-디셀레나이드 (CuInSe2), 구리-갈륨-디셀레나이드 (CuGaSe2) 및 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드 (CuIn1 - xGaxSe2)를 포함한다. 박막 광기전 전지에서 흡수재 물질로 사용되는 구리 칼코피라이트는 통상적으로 당해 분야의 숙련가에게는 CIGS 물질로 불린다. 바람직한 p-타입 반도체 흡수재 소재는 다음 식에 따른다:
NaLCumIn(1-d)GadS(2+e)(1-f)Se(2+e)f
상기 식에서
0 ≤ L ≤ 0.75, 0.25 ≤ m ≤ 1.5, 0 ≤ d ≤ 1, -0.2 ≤ e ≤ 0.5, 0 ＜ f ≤ 1;
0.5 ≤ (L+m) ≤ 1.5, 및 1.8 ≤ {(2+e)f+(2+e)(1-f)} ≤ 2.5.
p-타입 반도체 흡수재층은 임의로 후면 전극의 표면 (또는 후면 전극이 p-타입 반도체 흡수재 층의 측면과 전기적으로 접하는 소자용 기판의 표면)을 완전히 덮는다. 달리, p-타입 반도체 흡수재 물질은 임의로 후면 전극 표면 (또는 기판) 중 일정 부분을 덮는다.
본 발명의 박막 광기전 전지에 사용되는 n-타입 반도체 물질은 당해 분야에서 때때로 "완충재 층 물질"로 불린다. n-타입 반도체 층은 박막 광기전 전지에 통상적으로 사용되는 n-타입 반도체 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 사용되는 n-타입 반도체 물질이 황화카드뮴 (CdS); 황화아연 (ZnS); 황화인듐 (In2S3); 셀렌화아연 (ZnSe), 셀렌화인듐 (InSe), 셀렌화아연인듐 ((Zn,In)Se); 산화아연, 황화아연, 산화황화아연 (Zn(O,S)); 및 마그네슘 아연 (MgZn)으로부터 선택된다. 더욱 바람직하게는, 사용되는 n-타입 반도체 물질이 황화카드뮴 (CdS) 및 황화아연 (ZnS)으로부터 선택된다. 가장 바람직하게는, 사용되는 n-타입 반도체 물질이 CdS이다. n-타입 반도체 층은 임의로 p-타입 반도체 흡수재 층의 표면을 완전히 덮는다. 달리, n-타입 반도체 층은 임의로 p-타입 반도체 흡수재 층의 표면 중 일정 부분을 덮는다.
n-타입 반도체 층은 평균 두께가 바람직하게는 10 내지 150 nm; 더욱 바람직하게는 10 내지 100 nm; 더더욱 바람직하게는 40 내지 100 nm; 가장 바람직하게는 40 내지 60 nm인 층으로 p-타입 반도체 흡수재 층 위에 침착된다.
본 발명의 박막 광기전 전지에 사용되는 유전체 유기 물질은 축전지 유전체로 사용하기에 적합한 중합체 물질일 수 있으며, 이 물질은 또한 400 nm 내지 1200 nm의 전자기 스펙트럼에 걸쳐 ≥80% 의 투명도를 나타낸다. 바람직하게는, 사용되는 유전체 유기 물질의 비저항이 ≥104 Ω·㎝; 더욱 바람직하게는 ≥105 Ω·㎝; 더더욱 바람직하게는 ≥107 Ω·㎝; 가장 바람직하게는 ≥1010 Ω·㎝ 이다. 바람직하게는, 사용되는 유전체 유기 물질의 유전상수가 ≥4; 더욱 바람직하게는 ≥5; 가장 바람직하게는 ≥7 이다. 바람직하게는, 사용되는 유전체 유기 물질이 실세스퀴옥산, 예를 들어, 알킬 실세스퀴옥산, 아릴 실세스퀴옥산, 하이드리도 실세스퀴옥산 및 이들의 혼합물이다. 더욱 바람직하게는, 사용되는 유전체 유기 물질이 C1 -10 알킬 실세스퀴옥산이다. 가장 바람직하게는, 사용되는 유전체 유기 물질이 메틸 실세스퀴옥산, 에틸 실세스퀴옥산, 프로필 실세스퀴옥산 및 부틸 실세스퀴옥산으로부터 선택된다. 유전체 유기 물질은 임의로 n-타입 반도체 층의 표면을 완전히 덮는다. 달리, 유전체 유기 물질은 임의로 n-타입 반도체 층의 표면의 일정 부분을 덮는다.
본 발명의 박막 광기전 전지는 n-타입 반도체 층의 표면과 투명한 도전막 사이에 삽입된, 바람직하게는 평균 두께가 10 내지 150 nm; 더욱 바람직하게는 10 내지 100 nm; 더더욱 바람직하게는 40 내지 100 nm; 가장 바람직하게는 40 내지 90 nm인 유전체 유기 물질 층을 포함한다.
본 발명의 박막 광기전 전지에 사용되는 투명한 도전막 물질은 통상의 투명한 도전성 물질일 수 있다. 사용되는 투명한 도전막 물질은 투명한 도전성 산화물 (예, 인듐 도핑된 산화주석, 불소 도핑된 산화주석, 도핑된 산화아연--예를 들어, 알루미늄 도핑된 산화아연--, 인듐 도핑된 산화카드뮴); 탄소 나노튜브 네트워크; 그래핀 (graphene); 투명한 도전성 중합체 (예, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜); 폴리(스티렌 술포네이트 도핑된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜); 폴리(4,4-디옥틸사이클로펜타디티오펜); 요오드 도핑된 폴리(4,4-디옥틸사이클로펜타디티오펜); 및 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논 도핑된 폴리(4,4-디옥틸사이클로펜타디티오펜); 나노 네트워크 (예, 은 나노와이어 네트워크, 은 나노플레이크 네트워크, 은 나노큐브 네트워크, 은 나노입자 네트워크)로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 사용되는 투명한 도전막 물질이 알루미늄 도핑된 산화주석이다. 투명한 도전막은 임의로 유전체 유기 물질 층 표면을 완전히 덮을 수 있거나 유전체 유기 물질 층 표면의 일정 부분을 선택적으로 덮을 수 있다.
본 발명의 박막 광기전 전지는 바람직하게는 평균 두께가 10 내지 150 nm; 더욱 바람직하게는 50 내지 125 nm; 더더욱 바람직하게는 75 내지 125 nm; 가장 바람직하게는 100 내지 125 nm인 투명한 도전막을 포함한다.
본 발명의 박막 광기전 전지에 사용되는 임의의 반사방지 물질은 광기전 전지에 사용하기에 적합한 반사방지 물질로부터 선택될 수 있다. 반사방지 층은 임의로 투명한 도전막 표면을 완전히 덮을 수 있거나 투명한 도전막 표면의 일정 부분을 임의로 선택적으로 덮을 수 있다.
본 발명의 박막 광기전 전지는 임의로 투명한 도전막과 전기적으로 통하는 전극 및 후면 전극과 전기적으로 통하는 전극을 포함하여 박막 광기전 전지가 전기적 네트워크로의 연결이 용이하도록 한다.
본 발명의 박막 광기전 전지는 ASTM E927-05에 따라 태양광을 시뮬레이션한 AM 1.5G 광원을 사용하여 측정한 바, 소자 효율이 바람직하게는 ≥9%; 더욱 바람직하게는 9 내지 18%이다.
본 발명의 박막 광기전 전지의 제조 방법은 기판을 제공하고; 후면 전극을 제공하며; 후면 전극이 p-타입 반도체 흡수재 층과 전기적으로 소통되도록, p-타입 반도체 흡수재 층을 제공하고; p-타입 반도체 흡수재 층 위에 n-타입 반도체 층을 제공하며; 유전체 유기 물질 층 전구체를 제공하고; 유전체 유기 물질 층 전구체를 n-타입 반도체 층의 표면에 도포하여 n-타입 반도체 층의 표면 위에 유전체 유기 물질 층을 형성시키고; 유전체 유기 물질 층 위에 투명한 도전막을 형성시키며; 임의로, 투명한 도전막과 전기적으로 접촉하고 있는 전면 전극을 제공함을 특징으로 한다.
본 발명의 박막 광기전 전지의 제조 방법에서, 후면 전극은 통상의 가공 방법에 의해 p-타입 반도체 흡수재 층과 전기적으로 소통하도록 제공된다. 예를 들어, 후면 전극을 스퍼터링, 적층법, 인쇄, 졸겔, 화학욕 침착법, 전기 침착법, 화학 증착법, 물리 증착법, 원자층 침착법, 도전성 씨드 층 침착법, 전기도금, 스프레잉 및 열분해에 의해 기판의 표면 (또는 p-타입 반도체 흡수재 층의 측면)에 도포될 수 있다. 임의로, 후면 전극은 기판의 표면 (또는 p-타입 반도체 흡수재 층의 측면) 위에 균일한 층으로 침착된다. 임의로, 후면 전극은 기판 표면의 일정 부분 또는 부분들 위에 도포된다.
본 발명의 박막 광기전 전지의 제조 방법에서, p-타입 반도체 흡수재 층이 후면 전극 표면 위에 (또는 후면 전극이 p-타입 반도체 흡수재 층의 측면과 연합되어 있는 어플리케이션에서의 기판 표면 위에) 통상의 가공 방법에 의해 제공된다. 예를 들면, 증발, 용액 성장, 스퍼터링, 화학 증착 및 액체 침착법 (예, 습식 코팅, 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 닥터 블레이드 코팅)을 사용하여 p-타입 반도체 흡수재 층을 형성시킬 수 있다. 임의로, p-타입 반도체 흡수재 층을 후면 전극 (또는 기판) 표면 전체에 균일한 층으로 도포한다. 임의로, p-타입 반도체 흡수재 층을 후면 전극 (또는 기판)의 표면 중 일정 부분 또는 부분들에 도포한다.
임의로, p-타입 반도체 흡수재 층은 1a-1b-3a-6a 족 물질을 포함한다. p-타입 반도체 흡수재 층이 1a-1b-3a-6a 족 물질을 포함하는 경우, 본 발명의 방법은 임의로, 나트륨을 포함하는 1a 족 공급원을 제공하고; 1b 족 공급원을 제공하며; 3a 족 공급원을 제공하고; 임의로, 6a 족 황 공급원을 제공하며; 6a 족 셀레늄 공급원을 제공하며; 임의로 나트륨을 침착시키기 위하여 1a족 공급원을 사용하고, 1b 족 물질을 침착시키기 위하여 1b 족 공급원을 사용하며, 3a 족 물질을 침착시키기 위하여 3a족 공급원을 사용하고, 임의로 황 물질을 침착시키기 위하여 6a 족 황 공급원을 사용하며 셀레늄 물질을 침착시키기 위하여 6a 족 셀레늄 공급원을 사용하여 기판 위에 1a-1b-3a-6a 족 전구체 물질을 형성시키고; 상기 전구체 물질을 처리하여 화학식 NaLXmYnSpSeq (여기서 X는 구리 및 은으로부터 선택되는 1b 족 물질 중 1종 이상, 바람직하게는 구리이고; Y는 알루미늄, 갈륨 및 인듐, 바람직하게는 인듐 및 갈륨으로부터 선택되는 3a 족 물질 중 1종 이상이며; 0 ≤L≤0.75; 0.25≤m≤1.5; n은 1이고; 0 ≤p＜ 2.5; 0 ＜q≤2.5)의 1a-1b-3a-6a 물질을 형성시키는 단계를 추가로 포함한다. 바람직하게는, 0.5≤(L+m)≤1.5 이고 1.8≤(p+q)≤2.5 이다. 바람직하게는, Y가 (In1 - bGab)이고, 여기서 0 ≤b≤1 이다. 더욱 바람직하게는, 1a-1b-3a-6a 족 물질이 하기식에 따르는 것이다:
NaLCumIn(1-d)GadS(2+e)(1-f)Se(2+e)f
상기 식에서
0 ≤ L ≤ 0.75, 0.25 ≤ m ≤ 1.5, 0 ≤ d ≤ 1, -0.2 ≤ e ≤ 0.5, 0 ＜ f ≤ 1;
0.5 ≤ (L+m) ≤ 1.5, 및 1.8 ≤ {(2+e)f+(2+e)(1-f)} ≤ 2.5.
임의로, 1a 족 공급원, 1b 족 공급원, 3a 족 공급원, 6a 족 황 공급원 및 6a 족 셀레늄 공급원 중 1종 이상을 합한다. 전구체 물질의 성분을 공지된 방법으로 처리하여 화학식 NaLXmYnSpSeq 을 갖는 1a-1b-3a-6a 족 물질을 형성시킬 수 있다.
본 발명에 따라서 사용하기에 적합한 1a 족 공급원은 액체 침착 기술, 진공 증발 기술, 화학 증착 기술, 스퍼터링 기술 또는 기판 위에 나트륨을 침착시키기위한 통상의 공법을 사용하여 나트륨 (1a 족 물질)을 침착시키기 위한 통상의 비히클이다. 바람직하게는, 1a 족 공급원을 1b 족 공급원, 3a 족 공급원, 6a 족 황 공급원 또는 6a 족 셀레늄 공급원 중 1종 이상과 합체시킬 수 있다. 달리, 별개의 1a 족 공급원을 사용하여 나트륨을 침착시킬 수 있다.
본 발명에 따라서 사용하기에 적합한 1b족 공급원은 액체 침착 기술, 진공 증발 기술, 화학 증착 기술, 스퍼터링 기술 또는 1b 족 물질을 침착시키기위한 통상의 공법을 사용하여 1b 족 물질을 침착시키기 위한 통상의 비히클이다. 바람직하게는, 1b 족 물질이 구리 및 은 중 1종 이상; 더욱 바람직하게는 구리이다. 임의로, 1b족 공급원이 1b족 물질 외에 셀레늄을 함유한다 (예, CuhSej, AghSej).
본 발명에 따라서 사용하기에 적합한 3a 족 공급원은 액체 침착 기술, 진공 증발 기술, 화학 증착 기술, 스퍼터링 기술 또는 3a 족 물질을 침착시키기 위한 통상의 공법을 사용하여 3a 족 물질을 침착시키기 위한 통상의 비히클이다. 바람직하게는, 3a족 물질이 갈륨, 인듐 및 알루미늄 중 1종 이상; 더욱 바람직하게는 갈륨 및 인듐이다. 임의로, 3a족 공급원은 3a 족 물질 외에 셀레늄을 함유한다 (예, InSe, GaSe). 임의로, 3a족 공급원은 3a 족 물질 외에 구리 및 셀레늄을 함유한다 (예, CIGS 나노입자).
본 발명에 따라서 사용하기에 적합한 6a 족 황 공급원은 액체 침착 기술, 진공 증발 기술, 화학 증착 기술, 스퍼터링 기술 또는 황을 침착시키기 위한 통상의 공법을 사용하여 황을 침착시키기 위한 통상의 비히클이다.
본 발명에 따라서 사용하기에 적합한 6a 족 셀레늄 공급원은 액체 침착 기술, 진공 증발 기술, 화학 증착 기술, 스퍼터링 기술 또는 셀레늄을 침착시키기 위한 통상의 공법을 사용하여 셀레늄을 침착시키기 위한 통상의 비히클이다.
본 발명의 박막 광기전 전지의 제조 방법에서, n-타입 반도체 층을 통상의 가공 방법을 사용하여 p-타입 반도체 흡수재 층 위에 제공한다. 예를 들어, n-타입 반도체 층을 용액 성장 (예, 화학욕 침착법), 스퍼터링 및 증발법을 사용하여 형성시킬 수 있다. 임의로, n-타입 반도체 층을 p-타입 반도체 흡수재 층의 표면 전체에 도포한다. 임의로, n-타입 반도체 층을 p-타입 반도체 흡수재 층의 표면 중 일정 부분 또는 부분들에 도포한다.
본 발명의 박막 광기전 전지의 제조 방법에서, 유전체 유기 층을 액체 가공 기술을 사용하여 n-타입 반도체 층 위에 제공한다. 적합한 액체 가공 기술로는 습식 코팅, 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 닥터 블레이드 코팅, 접촉 인쇄, 상부 공급 역 인쇄 (top feed reverse printing), 기저 공급 역 인쇄 (bottom feed reverse printing), 노즐 공급 역 인쇄 (nozzle feed reverse printing), 그라비어 인쇄 (gravure printing), 미세그라비어 인쇄 (microgravure printing), 역 마이크로그라비어 인쇄, 콤마 다이렉트 인쇄 (comma direct printing), 롤러 코팅, 슬롯 다이 코팅, 마이어바 코팅 (meyerbar coating), 립 다이렉트 코팅, 듀얼 립 다이렉트 코팅, 캐필러리 코팅, 잉크-젯 인쇄, 제트 침착법, 스프레이 열분해 및 스프레이 침착법이 있다. 임의로, 유전체 유기층을 다중 별개의 층으로 도포한다. 임의로, 유전체 유기층을 n-타입 반도체 층의 표면 전체에 단독의 균일층으로 도포한다. 임의로, 유전체 유기층을 n-타입 반도체 층 표면의 특정 부분 또는 부분들에 단독층으로 도포한다.
바람직하게는, 유전체 유기 물질을 액체 용액으로부터 n-타입 반도체 물질 위에 침착시킨다. 바람직하게는, 유전체 유기 물질의 침착중에 n-타입 반도체 물질의 온도가 100 ℃ 미만이다. 바람직하게는, 유전체 유기 물질을 n-타입 반도체 물질 위에 침착시킨 다음, 이어서 200 ℃ 미만의 온도에서 경화시킨다. 바람직하게는, 유전체 유기 물질을 25 내지 150 nm; 더욱 바람직하게는 50 내지 100 nm의 필름 두께로 침착시킨다.
본 발명의 박막 광기전 전지의 제조 방법에서, 투명한 도전막을 통상의 가공 방법을 사용하여 유전체 유기층 위에 제공한다. 예를 들어, 투명한 도전막을 스핀 코팅, 스프레이 침착 (스프레이 열분해 포함), 화학 증착법, 물리 증착법 및 스퍼터링법을 사용하여 침착시킬 수 있다. 임의로, 투명한 도전막은 전도성 산화물 층 (예, 알루미늄 도핑된 산화아연층)이며, 여기서 투명한 도전막은 용액 가공된 투명한 금속 나노와이어 메쉬 물질 (즉, 스핀 코팅된, 스프레이 침착된)을 사용하여 침착시킨다. 임의로, 투명한 도전막은 투명한 전도성 산화물이며, 여기서 투명한 도전막은 화학 증착법 또는 스퍼터링 방법을 사용하여 침착시킨다. 임의로, 투명한 도전막은 은 나노로드를 포함한다.
본 발명의 박막 광기전 스택은 투명한 도전막 (즉, 투명한 전면 전극)과 n-타입 반도체 층 (즉, 완충재 층) 사이에 삽입되어 있는 통상의 반도체 진성 산화아연 층을 유전체 층으로 대체한다. 본 발명의 박막 광기전 스택은 통상적으로 화학 증착된 진성 산화아연 층을 용액 침착성 물질로 대체시킨다.
본 발명의 일부 양태가 하기 실시예에서 상세하게 기재된다.
실시예 1 내지 4: 박막 광기전 전지
시험용 박막 광기전 전지를 다음과 같이 제조한다: 몰리브덴 층을 유리 기판의 표면 위에 스퍼터 침착시켜 평균 두께가 1 ㎛인 후면 전극을 형성시킨다. 평균 두께가 2 ㎛인 CIGS 타입 흡수재 층 (즉, p-타입 반도체 흡수재 층)을 National Renewable Energy Laboratory 3 단계 공법 (예를 들면, 미국 특허 제5,441,897호 및 제5,436,204호에 기재된 바와 같은)을 사용하여 동시증착시켜 성장시킨다. 이어서, 평균 두께가 표1에 표시된 바와 같은 CdS 층 (즉, n-타입 반도체 층)을 화학욕 침착법 (CBD)에 의해 0.0015M CdSO4, 1.5M NH4OH 및 0.0075M 티오우레아 60 ℃ 용액으로부터 p-타입 반도체 흡수재 층 위에 침착시킨다. 이어서 표 1에 나타낸 스핀 속도로 실세스퀴옥산 (즉, 유전체 유기층)을 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트 (PGMEA) 중 GR 650F 메틸 실세스퀴옥산 (Technoglass, Ohio로부터 상업적으로 입수가능) 2.8% 용액으로부터 CdS 층 위에 스핀 코팅시킨 다음, 200 ℃에서 2분간 경화시킨다. 침착된 실세스퀴옥산층의 두께는 표1에 제시되어 있다. 이어서 실세스퀴옥산 층 위에 알루미늄 도핑된 산화아연 (즉, 투명한 도전막)을 Al2O3 도핑된 ZnO 타겟으로부터 120 nm의 두께로 스퍼터 침착시킨다. 이어서 쉐도우 마스크를 통하여 전자 빔 증발법을 사용하여 알루미늄 도핑된 산화아연 층 위에 니켈/알루미늄 핑거 전극을 침착시킨다. 광기전 전지의 활성 면적은 0.5 ㎠이다. 전지의 효율은 ASTM E927-05에 따라서 태양광을 시뮬레이션하는 AM 1.5G 광원을 사용하여 전류-전압 곡선으로부터 측정한다. 결과는 표 1에 제시되어 있다.
실시예 번호 스핀 속도 (rpm) 실세스퀴옥산 두께 (nm) CdS 두께 (nm) 효율(%)
1 1000 86 50 9.12
2 2500 51 50 10.37
3 1000 86 100 9.46
4 2500 51 100 9.6

Claims (10)

  1. 기판;
    기판 위에 제공되는 후면 전극;
    후면 전극 위에 제공되는 p-타입 반도체 흡수재층;
    p-타입 반도체 흡수재층 위에 제공되는 n-타입 반도체층;
    n-타입 반도체층 위에 제공되는 유전체 유기 물질층;
    유전체 유기 물질층 위에 제공되는 투명한 도전막; 및
    임의로, 투명한 도전막 위에 제공되는 반사방지층을 포함하는,
    박막 광기전 전지.
  2. 제1항에 있어서, 유전체 유기 물질층이 실세스퀴옥산을 포함하는 박막 광기전 전지.
  3. 제2항에 있어서, 유전체 유기물질층의 평균 두께가 10 내지 150 nm인 박막 광기전 전지.
  4. 제1항에 있어서, 기판이 얇은 금속 호일 또는 중합체 물질인 박막 광기전 전지.
  5. 제2항에 있어서, 후면 전극이 몰리브덴인 박막 광기전 전지.
  6. 제2항에 있어서, p-타입 반도체 흡수재층이 CdTe 및 하기식에 따르는 CIGS 물질로부터 선택되는 p-타입 반도체 흡수재 물질을 포함하는 박막 광기전 전지:
    NaLCumIn(1-d)GadS(2+e)(1-f)Se(2+e)f
    상기 식에서
    0 ≤ L ≤ 0.75, 0.25 ≤ m ≤ 1.5, 0 ≤ d ≤ 1, -0.2 ≤ e ≤ 0.5, 0 ＜ f ≤ 1;
    0.5 ≤ (L+m) ≤ 1.5,
    1.8 ≤ {(2+e)f+(2+e)(1-f)} ≤ 2.5.
  7. 제6항에 있어서, n-타입 반도체 층이 황화카드뮴을 포함하며 평균 두께가 10 내지 150 nm인 박막 광기전 전지.
  8. 제7항에 있어서, 투명한 도전막이 알루미늄 도핑된 산화아연을 포함하고 평균 두께가 10 내지 150 nm인 박막 광기전 전지.
  9. 제8항에 있어서, ASTM E927-05에 따라 태양광을 시뮬레이션하는 AM 1.5G 광원을 사용하여 전류-전압 곡선으로부터 측정한, 박막 태양 전지의 소자 효율이 ≥9%인 박막 광기전 전지.
  10. 기판을 제공하고;
    후면 전극을 제공하며;
    후면 전극이 p-타입 반도체 흡수재층과 전기적으로 소통하는, p-타입 반도체 흡수재층을 제공하고;
    p-타입 반도체 흡수재층 위에 n-타입 반도체층을 제공하며;
    유전체 유기 물질층 전구체를 제공하고;
    유전체 유기 물질층 전구체를 n-타입 반도체층의 표면에 도포하여 n-타입 반도체 층의 표면 위에 유전체 유기 물질층을 형성시키며;
    유전체 유기물질층 위에 투명한 도전막을 형성시키고;
    임의로, 투명한 도전막과 전기적으로 접하는 전면 전극을 제공함을 특징으로 하는, 박막 광기전 전지의 제조 방법.

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