KR20120043315A - 화합물 반도체 광 흡수층을 구비한 태양전지 - Google Patents
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Abstract
기판상에 배면전극이 형성되고, 상기 배면전극 상의 제 1 광 흡수층과 상기 제 1 광 흡수층과는 다른 밴드갭 에너지를 가지는 제 2 광 흡수층이 교호적으로 적층되어 구성된 광 흡수층이 형성되며, 상기 광 흡수층 상의 투명전극을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것이다. 더 상세하게는, 화합물 반도체 광 흡수층을 구비하는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지(solar cell)는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기에너지로 변화시키는 장치로서, 그 구성물질에 따라서 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다. 반도체들의 pn접합으로 구성되는 태양전지의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되어, pn접합부에서 전기장을 형성하게 되고, p형 및 n 형 반도체 각각의 pn접합부에 대향하는 면에 각각 전자 및 정공이 형성되어 기전력을 발생시킨다. 이러한 원리를 가지는 태양전지에서는 입사되는 태양 광을 전기에너지로 변화시키는 변환효율(efficiency)을 높이는 것이 중요하다. 변환효율을 높이기 위해서, 광 흡수계수(absorption coefficient)가 높은 물질을 태양전지에 포함시켜, 변환효율을 높이는 기술이 개발되어 왔다. 최근 높은 광 흡수계수(absorption coefficient)를 가지는 물질인 화합물 반도체를 사용하여, 태양전지의 변환효율을 높이는 연구가 진행되고 있으며, 대표적으로, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체인 구리(Cu),인듐(In),갈륨(Ga),셀레늄(Se) 화합물(CIGS: Copper Indium Gallium Selenide)을 사용하여 태양전지를 제조하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지의 특성을 도시한 그래프이다.
도 2a 및 도 2b는 종래기술에 따른 CIGS 화합물 반도체 제조시 시간에 따라서 공급되는 각각의 원소의 양을 도시한 그래프와 제조된 화합물 반도체 박막의 깊이에 따른 갈륨(Ga)원소의 함유량과 광 흡수층의 밴드갭 에너지를 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 2b를 참조하여 종래기술에 따른 CIGS 화합물 반도체를 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 종래기술의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체에서 특정원소의 뭉침 현상을 보여주는 발광특성 그래프이다. 상기 화합물 반도체는 갈륨(Ga) 인듐(In) 대비 30 at% 들어있는 CIGS를 사용한다. 도 1의 세로축은 상기 CIGS에 입사되는 광의 파장에 따른 CIGS의 발광세기(photoluminescence intensity)를 나타낸다. 상기 광의 파장은 에너지와 파장관계에 따라서 에너지로 변환되어 도 1 그래프의 가로축에 도시되었다. 이론적으로, 상기 갈륨이 인듐대비 30 at% 들어있는 CIGS의 밴드갭 에너지는 1.23eV 이다. 그러나 상기 CIGS의 발광특성을 그래프에서 보면, 상기 그래프에서는 CIS의 밴드갭 에너지값, 0.94eV(A)과 갈륨 뭉침 현상에 의한 CIGS의 밴드갭 에너지값, 1.002eV(B)이 동시에 나타나는 것을 볼 수 있다. 이것으로 CIGS에서 첨가된 갈륨(Ga)이 인듐(In)의 자리에 치환되지 못하고, 서로 뭉쳐서 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 갈륨의 뭉침 현상은 CIGS의 변환효율을 감소시키는 요인이 된다.
도 2a를 참조하면, 종래기술에 따른 CIGS 화합물 반도체 제조에 있어서 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)의 시간에 따른 공급량을 나타낸다. 때로는 구리(Cu)와 인듐(In)/갈륨(Ga)을 공급하는 구간이 다를 수도 있지만 각 원료마다 공급되는 구간에서는 공급량을 조절하지 않고 일정하게 유지시켜 준다.
도 2b를 참조하면, 종래기술에 의해 제조된 CIGS 화합물 반도체 박막의 깊이에 따른 갈륨의 함유량과 밴드갭 에너지를 보여준다. 시간에 따른 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄의 공급량이 각기 일정함에도 불구하고, 박막의 깊이에 따른 갈륨의 함유량은 일정하지 않다. 이렇게 불균일한 분포가 발생하는 이유는 태양전지를 제작하기 위해 사용되는 CIGS 박막을 제조하기 위해 500 내지 600도 사이의 높은 공정온도에서 갈륨(Ga) 원료를 계속 주입해 주기 때문에 갈륨(Ga)원자들이 박막 내에서 쉽게 이동(migration) 할 수 있게 된다. 이렇게 이동된 갈륨(Ga)원자들은 서로 잘 뭉치는 경향이 있다.
따라서, 도 1 내지 도 2b에서 나타나는 것과 같이 CIGS 화합물 반도체 제조 공정에서, 전구체로 사용되는 물질들이 결합하여 상기 CIGS 화합물 반도체를 형성할 때, 특정원소가 뭉쳐서 반도체 격자에 정상적으로 치환되지 못하는 현상이 나타난다. 이러한 현상에 의해, 상기 CIGS 화합물 반도체의 밴드갭 에너지가 이론값보다 감소하고, 뭉쳐진 원소들이 태양전지의 분로(shunt)를 제공하기 때문에 변환효율을 감소시킨다. 따라서 상기 CIGS 화합물 반도체의 변환효율을 높이기 위해서 상기 화합물 반도체의 구성물질 중 하나를 조절하여, 상기 CIGS 화합물 반도체의 밴드갭 에너지가 증가하도록 최적화할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 갈륨(Ga) 뭉침현상을 제거하여 CIGS 화합물 반도체 태양전지의 효율을 개선 시키기에 적합한 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예는 CIGS 화합물 반도체 태양전지에 관한 것이다. 상기 CIGS 화합물 반도체 태양전지는 기판상에 배면전극과 투명전극이 제공되고, 상기 배면전극과 투명전극 사이에 구비된 광 흡수층을 포함한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 광 흡수층은 제 1 광 흡수층과 제 1 광 흡수층과 다른 밴드갭 에너지를 가지는 제 2 광 흡수층으로 구성되되, 상기 제 1 광 흡수층과 상기 제 2 광 흡수층이 교호적으로 적층되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 CIGS 화합물 반도체 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 상기 CIGS 화합물 반도체 태양전지 제조방법은 기판상에 배면전극이 형성되고, 상기 배면 전극상에 광 흡수층이 형성된다. 상기 광 흡수층 상에 버퍼층이 형성되고, 상기 버퍼층 상에 투명전극이 형성되되, 상기 투명전극 상에 반사 방지막과 그리드 전극이 형성되는 것을 포함한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 광 흡수층은 제 1 광 흡수층과 제 1 광 흡수층과 다른 밴드갭 에너지를 가지는 상기 제 2 광 흡수층으로 형성하되, 상기 제 1 광 흡수층과 상기 제 2 광 흡수층이 교호적으로 적층되도록 형성하는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 광 흡수층은 제 1 및 제 2 광 흡수층을 구성하는 원소 중 하나의 원소의 공급량을 조절하여 형성할 수 있다. 상기 조절되는 원소는 갈륨(Ga)일 수 있다. 상기 갈륨(Ga)은 일정한 시간에 따른 공급량을 조절할 수도 있다. 예를 들면, 상기 갈륨(Ga)의 공급량은 상기 제 2 광 흡수층이 1 ~ 20 Å/s 증착률로 형성되도록 조절할 수 있다. 또한 상기 일정한 시간을 조절할 수 있다. 예를 들면, 1 초 내지 10분으로 상기 일정시간을 조절할 수 있다. 상기 갈륨(Ga)의 공급하는 횟수를 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 갈륨(Ga)의 공급량을 일정하게 하고, 공급횟수를 2회 내지 20회 변화할 수 있다. 상기 갈륨(Ga)량의 조절에 따라서, 상기 제 2 광 흡수층은 상기 제 1 광 흡수층보다 더 큰 밴드갭 에너지를 가지도록 형성할 수 있다.
상술된 본 발명의 실시예들에 따르면, 배면전극과 투명전극 사이에 광 흡수층이 제공되고, 상기 광 흡수층은 밴드갭 에너지가 서로 다른 광 흡수물질 층들이 교호적으로 적층되어, CIGS 화합물 반도체 태양전지에 있어서 태양 광을 전기에너지로 변화시키는 변환효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지의 특성을 도시한 그래프이다
도 2a는 종래기술에 따른 CIGS 화합물 반도체 제조시 시간에 따라서 공급되는 각각의 원소의 양을 도시한 그래프이다.
도 2b는 종래기술에 따라 제조된 CIGS 화합물 반도체 박막의 깊이에 따른 갈륨원소의 함유량을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지의 일 부분을 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.
도 2a는 종래기술에 따른 CIGS 화합물 반도체 제조시 시간에 따라서 공급되는 각각의 원소의 양을 도시한 그래프이다.
도 2b는 종래기술에 따라 제조된 CIGS 화합물 반도체 박막의 깊이에 따른 갈륨원소의 함유량을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지의 일 부분을 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어있는 실시예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지의 일 부분을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지를 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 기판(10)이 제공된다. 상기 기판(10)은 유리, 세라믹, 스테인레스 스틸(stainless steal) ,소다석회유리(soda lime glass) 또는 폴리머(polymer)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 기판(10)상에 배면전극(30)이 제공될 수 있다. 상기 배면전극(30)은 전기전도도가 높고, 열팽창계수가 낮은 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 배면전극(30)은 몰리브덴(Mo)일 수 있다. 상기 배면전극(30) 상에 광 흡수층(52) 제공될 수 있다. 상기 광 흡수층(52)은 제 1 광 흡수층(50a)과 상기 제 1 광 흡수층(50a)과는 다른 밴드갭 에너지을 가지는 제 2 광 흡수층(50b)이 교호적으로 적층되어 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 광 흡수층(50a)은 구리(Cu), 인듐(In), 셀레늄(Se) 화합물일 수 있다. 상기 제 1 광 흡수층(50a)의 조성은 CuInSe2일 수 있다. 상기 제 2 광 흡수층(50b)은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 화합물일 수 있다. 상기 제 2 광흡수층(50b)의 조성은 CuInxGax -1Se2(여기서,0<x<1)일 수 있다. 상기 광 흡수층(52)은 p형 불순물들로 도핑된 반도체, 즉 p형 반도체일 수 있다. 상기 광 흡수층(52) 상에 투명전극(90)이 제공된다. 상기 투명전극(90)은 투명하고, 전기전도도가 높은 물질일 수 있다. 상기 투명전극(90)은 n형 불순물들로 도핑된 반도체, 즉 n형 반도체일 수 있다. 예를 들면, 상기 투명전극(90)은 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화인듐주석(ITO: Indume Tin Oxide) 또는 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO: Aluminum Zinc Oxide)일 수 있다. 상기 광 흡수층(52)과 상기 투명전극(90) 사이에 버퍼층(70)이 제공될 수 있다. 상기 버퍼층(70)은 상기 광 흡수층(52)과 상기 투명전극(90)의 에너지밴드갭의 차이를 줄여줄 수 있다. 예를 들면, 상기 버퍼층(70)은 황화카드뮴(CdS), 텔루륨화카드뮴(CdTe), 황화아연(ZnS), 산화아연(ZnO), 셀레늄화아연(ZnSe) 또는 인듐-셀레늄 화합물(In-Se)일 수 있다. 상기 투명전극(90) 상에 그리드 전극(130)이 제공될 수 있다. 상기 그리드 전극(130)은 상기 투명전극(90)과 연결되어, 발전된 전기를 외부로 전달할 수 있다. 상기 그리드 전극(130)은 전기전도도가 높은 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 그리드 전극(130)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au)일 수 있다. 상기 투명전극(90) 상에 그리드 전극(130)과 같은 레벨으로 반사 방지막(110)이 제공될 수 있다. 상기 반사 방지막(110)은 플루오르화 마그네슘(MgF2)일 수 있다. 상기 반사 방지막(110)은 상기 광 흡수층(52)으로 입사되는 태양광의 손실을 줄일 수 있다. 상기 반사 방지막(110)은 상기 광 흡수층(52)이 흡수하는 태양광의 파장범위에 의해서 그 두께가 결정될 수 있다.
도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 화합물 반도체 태양전지 제조방법을 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 기판(10)이 제공된다. 상기 기판(10)상에 배면전극(30)을 형성할 수 있다. 상기 배면전극(30)은 전기전도도가 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 배면전극(30)은 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수 있다. 상기 배면전극(30)은 스퍼터링(sputtering)법을 통해서 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 배면전극(30) 상에 광 흡수층(52)을 형성할 수 있다. 상기 광 흡수층(52)은 제 1 광 흡수층(50a)과 상기 제 1 광 흡수층(50a)과는 다른 밴드갭 에너지를 가지는 제 2 광 흡수층(50b)이 교호적으로 적층시키어 형성할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 광 흡수층(50a,50b)은 스퍼터링법, 동시증착법, 동시증발법, 나노입자를 이용한 스크린 인쇄(printing)법 또는 셀렌화 공정을 통해서 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 광 흡수층(50a)은 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀레늄(Se)을 동시에 스퍼터링하여 형성될 수 있다. 상기 제 1 광 흡수층(50a)의 조성은 CuInSe2(Copper Indium Selenide)으로 형성될 수 있다. 상기 제 2 광 흡수층(50b)은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 원소를 동시에 스퍼터링하여 로 형성될 수 있다. 상기 제 2 광 흡수층(50b)의 조성은 CuInxGax -1Se2(여기서, 0<x<1)(Copper Indium Galium Selenide)으로 형성될 수 있다. 상기 제 2 광 흡수층(50b)은 상기 제 1 광 흡수층(50a)의 형성과정에서 갈륨(Ga)을 더 첨가하여 이루어질 수 있다.
도 8a를 참조하면, 상기 광 흡수층(52)은 제 1 및 제 2 광 흡수층(50a,50b)을 구성하는 원소 중 하나의 원소의 공급량을 조절하여 형성할 수 있다. 상기 조절되는 원소는 갈륨(Ga)일 수 있다. 상기 갈륨(Ga)은 일정한 시간에 따른 공급량을 조절할 수도 있다. 예를 들면, 상기 갈륨(Ga)의 공급량은 상기 제 2 광 흡수층이 1 ~ 20 Å/s 증착률로 형성되도록 조절할 수 있다. 또한 상기 일정한 시간을 조절할 수 있다. 예를 들면, 1 초 내지 10분으로 상기 일정시간을 조절할 수 있다. 상기 갈륨(Ga)의 공급하는 횟수를 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 갈륨(Ga)의 공급량을 일정하게 하고, 공급횟수를 2회 내지 20회 변화할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 상기 갈륨(Ga)량의 조절에 따라서, 상기 제 2 광 흡수층(50b)은 상기 제 1 광 흡수층(50a)보다 더 큰 밴드갭 에너지를 가지도록 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 광 흡수층(52) 상에 투명전극(90)이 형성된다. 상기 투명전극(90)은 태양광을 투과하고, 전기전도도가 높은 물질로 형성할 수 있다. 상기 투명전극(90)은 전자를 가지는 n형 반도체로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 투명전극(90)은 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화인듐주석(ITO: Indume Tin Oxide) 또는 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO: Aluminum Zinc Oxide)으로 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(52)과 상기 투명전극(90) 사이에 버퍼층(70)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(70)은 상기 광 흡수층(52)과 상기 투명전극(90)의 에너지밴드갭의 차이를 줄이도록 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 버퍼층(70)은 황화카드뮴(CdS), 텔루륨화카드뮴(CdTe), 황화아연(ZnS), 산화아연(ZnO), 셀레늄화아연(ZnSe) 또는 인듐-셀레늄 화합물(In-Se)로 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 투명전극(90) 상에 그리드 전극(130)이 형성될 수 있다. 상기 그리드 전극(130)은 상기 투명전극(90)과 접촉되어, 발전된 전기 에너지를 외부로 전달하도록 형성할 수 있다. 상기 그리드 전극(130)은 전기전도도가 높은 물질로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 그리드 전극(130)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au)으로 형성할 수 있다. 상기 투명전극(90) 상에 그리드 전극(130)의 하부면과 같은 레벨로 반사 방지막(110)을 형성할 수 있다. 상기 반사 방지막(110)은 상기 광 흡수층(52)으로 입사되는 태양광의 손실을 줄일 수 있다. 상기 반사 방지막(110)은 플루오르화 마그네슘(MgF2)일 수 있다. 상기 반사 방지막(110)의 두께는 상기 광 흡수층(52)이 흡수하는 태양광의 파장범위에 의해서 결정될 수 있다.
10: 기판 30: 배면전극
50a: 제 1 광흡수층 50b: 제 2 광흡수층
52: 광 흡수층 70: 버퍼층
90: 투명전극 110: 반사 방지막
130: 그리드 전극
A: CIS의 밴드갭 에너지값, 0.94eV
B: 갈륨(Ga) 뭉침 현상에 의한 CIGS의 밴드갭 에너지값, 1.002eV
50a: 제 1 광흡수층 50b: 제 2 광흡수층
52: 광 흡수층 70: 버퍼층
90: 투명전극 110: 반사 방지막
130: 그리드 전극
A: CIS의 밴드갭 에너지값, 0.94eV
B: 갈륨(Ga) 뭉침 현상에 의한 CIGS의 밴드갭 에너지값, 1.002eV
Claims (1)
- 기판 상의 배면전극;
상기 배면전극 상의 제 1 광 흡수층 및 상기 제 1 광 흡수층과는 다른 밴드갭 에너지를 가지는 제 2 광 흡수층이 교호적으로 적층되어 구성된 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상의 투명전극을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100104554A KR20120043315A (ko) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | 화합물 반도체 광 흡수층을 구비한 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100104554A KR20120043315A (ko) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | 화합물 반도체 광 흡수층을 구비한 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120043315A true KR20120043315A (ko) | 2012-05-04 |
Family
ID=46263524
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020100104554A KR20120043315A (ko) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | 화합물 반도체 광 흡수층을 구비한 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20120043315A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101482305B1 (ko) * | 2012-06-04 | 2015-01-15 | 주식회사 엘지화학 | 다층 필름 |
| KR20150023102A (ko) * | 2013-08-22 | 2015-03-05 | 재단법인대구경북과학기술원 | 균일한 조성의 광흡수층을 포함하는 czts 박막 태양전지 및 그의 제조방법 |
| KR20180092894A (ko) * | 2017-02-09 | 2018-08-20 | 주식회사 메카로 | 화학기상증착법을 이용한 반사방지막 제조방법 |
-
2010
- 2010-10-26 KR KR1020100104554A patent/KR20120043315A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR20150023102A (ko) * | 2013-08-22 | 2015-03-05 | 재단법인대구경북과학기술원 | 균일한 조성의 광흡수층을 포함하는 czts 박막 태양전지 및 그의 제조방법 |
| KR20180092894A (ko) * | 2017-02-09 | 2018-08-20 | 주식회사 메카로 | 화학기상증착법을 이용한 반사방지막 제조방법 |
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