KR20130040358A - 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브층을 포함하는 태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 태양전지는 기판, 제 1 전극, CIGS 광흡수층, 및 제 2 전극을 포함할 수 있다. 또한 진성층과 버퍼층이 CIGS 광흡수층과 제 2 전극 사이에 더 포함될 수 있다. 이때 상기 제 1 및 2 전극을 극성의 제어가 가능한 탄소나노튜브층으로 구성하여 저비용, 고효율의 플렉시블 태양전지를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지에 대한 발명으로 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 이용한 전극을 가지는 CIGS 태양전지에 관한 것이다.
최근 에너지 문제와 지구 온난화 문제로 신재생 에너지에 대한 관심이 높다. 특히 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지는, 다른 에너지원과는 달리 고갈의 염려가 없고 환경친화적이므로, 날로 그 중요성이 더해가고 있다.
태양전지는 반도체에 사용되는 웨이퍼를 이용한 결정질 실리콘 태양전지와 유리와 같은 기판에 증착기술을 이용한 박막 태양전지로 나눌 수 있다. 박막 태양전지는 결정질 실리콘 전체를 태양광 흡수 기판으로 쓰는 기존 형태와 달리, 유리 등 저가의 기판을 활용한다.
이러한 박막 태양전지는 광흡수층의 재료에 따라 크게 비정질 실리콘(a-Si) 박막 태양전지, CdTe 또는 CIGS를 이용하는 화합물 박막 태양전지, 염료감응 박막 태양전지, 유기물 박막 태양전지등을 포함한다. 또한, 최근에는 비정질 실리콘 박막 태양전지의 효율을 개선하기 위해서 탠덤구조 태양전지도 사용된다.
박막 태양전지의 구조에 있어서, 하부전극은 금속전극이고 상부전극은 투명전극이다. 일반적으로, 투명전극으로 산화인듐주석(Indium Tin Oxide: ITO)이 사용된다. 이는 ITO가 유리기판 위에 박막을 형성하기가 쉽고, 광투과 특성과 전기 전도성이 우수하기 때문이다. ITO 전극의 제조를 위하여 진공증착 장비가 사용되고, 그 중에서도 특성이 우수한 스퍼터링 장비가 많이 사용된다. 스퍼터링에 의해 투명전극을 제조하는 경우, 처리 온도가 섭씨 200도 이상, 때로는 섭씨 400도 이상의 고온이 된다. 따라서 플렉서블 디스플레이의 제조에 스퍼터링을 적용하기 어렵다. 더욱이 ITO 전극은 유연성이 낮기 때문에, 플렉서블 디스플레이에 사용될 경우 표면저항이 증가하고 내구성이 떨어진다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 높은 전기 전도성을 가지는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube: CNT)를 투명전극으로 사용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 탄소나노튜브는 여러 가지 우수한 물리적, 화학적 특성이 있고, p형과 n형으로 극성의 선택이 가능하기 때문에, 태양전지에 다양하게 응용될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 태양전지의 상부전극과 하부전극을 모두 탄소나노튜브로 제조하여, 광투과도와 전기전도도가 우수한 플렉서블 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 탄소나노튜브 전극들의 극성을 제어하여 계면결함이 적은 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 기판 상의 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상의 광흡수층, 상기 광흡수층 상의 제 2 전극을 포함하되, 상기 제 1 전극은 p형 탄소나노튜브이고, 제 2 전극은 n형 탄소나노튜브이다.
상기 제 1 전극은 단일벽 탄소나노튜브이거나, 할로겐 원소가 부착된 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 할로겐 원소는 브롬 또는 요오드일 수 있다.
상기 제 2 전극은 산소 또는 알칼리 금속이 부착된 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 알칼리 금속은 칼륨, 나트륨, 및 세슘 중 하나일 수 있다.
상기 광흡수층과 상기 제 2 전극 사이에, 버퍼층과 상기 버퍼층 상의 진성층을 더 포함할 수 있다.
상기 광흡수층은 CuInSe, CuInSe2, CuInGaSe, CuInGaSe2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 캘코파이라이트(chalcopyrite)계 화합물 반도체를 포함할 수 있다.
상기 진성층은 ZnO일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지는 기판상의 제 2 전극, 상기 제 2 전극 상의 광흡수층, 상기 광흡수층 상의 제 1 전극을 포함하되, 상기 제 1 전극은 p형 탄소나노튜브이고, 상기 제 2 전극은 n형 탄소나노튜브이다.
상기 제 1 전극은 단일벽 탄소나노튜브이거나, 할로겐 원소가 부착된 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 제 2 전극은 산소 또는 알칼리 금속이 부착된 탄소나노튜브일 수 있다.
본 발명은 금속이나 산화막 전극 대신 탄소나노튜브를 태양전지의 전극으로 사용한다. 탄소나노튜브는 전기전도성과 광투과성이 우수하기 때문에 태양전지의 효율을 높일 수 있고, 경량화시킬 수 있다. 또한, 탄소나노튜브는 유연하기 때문에 유연한 박막 태양전지에 응용될 수 있다. 고온에서 안정하기 때문에 넓은 밴드갭을 가지는 태양전지에 응용될 수 있고, 탠덤 구조 태양전지에 응용될 수 있다. 탄소나노튜브는 n형과 p형으로 극성의 제어가 가능하다. 따라서 계면특성을 향상시켜 태양전지의 효율을 극대화할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 태양전지의 전극을 진공 상태의 제조공정 대신에 비진공 상태에서 제조할 수 있다. 태양전지의 형성을 위한 공정시간이 단축되고, 생산단가를 낮출 수 있다.
도 1은 일반적인 CIGS 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기서 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 각각의 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 일반적인 CIGS 태양전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(100)상에 금속전극(200), CIGS 광흡수층(300), 버퍼층(400), 진성층(500), 및 투명전극(600)이 차례로 배치된다.
상기 금속전극(200)은 높은 전기 전도도, 다른 층과의 오믹 접합(ohmic contact)특성, 및 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 고온 안정성을 가지는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 금속전극(200)은 몰리브덴(Mo)일 수 있다. 몰리브덴을 진공상태에서 직류 스퍼터링 방식(DC sputtering)으로 상기 기판(100) 상에 증착된다.
상기 투명전극(600)은 광투과율이 높고, 전기전도성이 양호한 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 투명전극(600)은 아연 산화막(ZnO)일 수 있다. 상기 아연 산화막(ZnO)은 약 3.2eV의 밴드 갭을 가지며, 약 80% 이상의 높은 광투과율을 가질 수 있다. 상기 아연 산화막(ZnO)에 알루미늄 또는 붕소 등이 도핑되면 낮은 저항값을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 투명전극(600)은 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide)박막을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지는 서브스트레이트(substrate)형 적층구조를 가진다. 기판(100)상에 제 1 전극(210), CIGS 광흡수층(300), 버퍼층(400), 진성층(500), 및 제 2 전극(610)이 차례로 배치된다. 제 2 전극(610)상에 외부 연결을 위한 금속 전극 패드가 배치된다.
상기 기판(100)은 투명기판일 수 있다. 상기 기판(100)은 석영 및 유리와 같은 투명 무기 기판일 수 있다. 소다회(sodalime)유리가 사용되는 경우에는, 소다회 유리의 나트륨이 태양전지의 제조 중에 상기 CIGS 광흡수층(300)으로 확산될 수 있다. 나트륨의 확산에 의해, 상기 CIGS 광흡수층(300)의 전하 농도가 증가될 수 있다. 따라서 태양전지의 광전 변환 효율이 증가될 수 있다. 상기 기판(100)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephalate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN: polyethylene naphthalate), 폴리스티렌, 폴리프로필렌 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리이써이미드(polyetherimide), 아크릴 수지, 올레핀 말레이미드 공중합체, 노르보넨계 수지 등의 투명 플라스틱 기판일 수 있다. 플렉서블 기판을 이용할 경우, 유연성 있는 태양전지를 제조할 수 있다.
상기 제 1 전극(210)은 p형 탄소나노튜브층이고, 상기 제 2 전극은(610)은 n형 탄소나노튜브층일 수 있다. 탄소나노튜브층은 아크 방전 기법으로 제작한 탄소나노튜브를 물과 분산제를 혼합한 용액에 고르게 섞은 후, 상기 기판(100) 위에 분사하고 건조시켜 제조할 수 있다. 탄소나노튜브를 제조하는 방법은 상기 아크 방전 기법 이외에 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 열 화학기상증착법, 기상합성법, 전기분해법, 및 Flame 합성법 등이 있다. 탄소나노튜브 투명전극의 전기전도성을 향상시키기 위하여, 전도성을 가지는 분산제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 4-페닐비닐렌 등을 사용할 수 있다.
탄소나노튜브는 금속성(metallic property), 부분금속성(semi-metallic property), 반도체성(semiconducting property)의 3 종류가 있다. 키랄성(chirality)이 없는 암체어(amchair)의 탄소나노튜브는 밴드갭(band gap)이 영(zero)인 금속성의 탄소나노튜브이다. 키랄성의 세기정도에 따라 밴드갭을 갖는 부분금속성과 반도체성으로 나뉘게 된다. 반도체성을 띠는 탄소나노튜브 중 단일벽(single wall) 탄소나노튜브는 주로 p형 반도체이고, 이중벽(double wall) 탄소나노튜브는 p형 및 n형 성질을 띠는 이극성(ambipolar)반도체이다. 또한 탄소나노튜브는 외벽에 부착되는 물질에 따라서 p형과 n형으로 극성이 변화할 수 있다.
p형의 탄소나노튜브는 p형인 단일벽(single wall) 탄소나노튜브일 수 있다. 또는 p형 탄소나노튜브는 할로겐 원소를 탄소나노튜브에 부착시켜 형성될 수 있다. 할로겐 원소로는 브롬(Br), 요오드(I) 등이 있다. n형의 탄소나노튜브는 알칼리 원소를 탄소나노튜브에 부착시켜 형성될 수 있다. 알칼리 금속으로는 칼륨(k), 나트륨(Na), 세슘(Cs)등이 있다. 도핑방법으로 가스 주입 방식을 사용할 수 있다.
도 1의 일반적인 태양전지와 비교하면, p형 탄소나노튜브층인 상기 제 1 전극(210)이 도 1의 금속전극(200)을 대신한다. n형 탄소나노튜브층인 상기 제 2 전극(610)이 도 1의 투명전극(600)을 대신한다. 상기 제 1 전극(210)과 상기 CIGS 광흡수층(300)의 극성이 동일하고, 상기 제 2 전극(610)과 진성층(500)의 극성이 동일하기 때문에 계면결함을 줄일 수 있다. 계면결함이 있는 경우에는 캐리어가 소멸되기 때문에, 광흡수율이 떨어진다.
상기 CIGS 광흡수층(300)은 외부로부터 유입된 태양광을 흡수하는 역할을 하며, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2족 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 CIGS 광흡수층은(300)은 CuInSe2, Cu(In,Ga)Se2, Cu(Al,In)Se2, Cu(Al,Ga)Se2, Cu(In,Ga)(S,Se)2, (Au,Ag,Cu)(In,Ga,Al)(S,Se)2 등의 캘코파이라이트(chalcopyrite)계 화합물 반도체일 수 있다. 이러한 화합물 반도체는 CIGS 박막으로 통칭될 수 있다. 바람직하게, 상기 CIGS 광흡수층(300)은 약 1.2eV의 에너지 밴드갭을 가지는 CuInGaSe2일 수 있다.
상기 CIGS 광흡수층(300)은 4개의 금속원소들(Cu, In, Ga, Se)를 출발원소로 사용하는 동시증발법을 사용하여 증착될 수 있다. 또는 상기 CIGS 광흡수층(300)은 상기 4개의 금속원소들 혹은 그들의 화합물을 스퍼터링 및 셀렌화(Selenization)시켜 형성될 수 있다. 또는 상기 CIGS 광흡수층(300)은 진공장비를 사용하지 않고, 칼코지나이드 화합물이나 전구체 나노입자를 제조한 후, 인쇄공정과 같은 습식방식으로 형성이 될 수 있다. CIGS 박막의 두께는 0.5~ 10μm 정도일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 일반적으로 CIGS 광흡수층은 p형의 극성을 가진다. ZnS(미도시) 상에 CIGS 광흡수층(300)를 증착한 후 열처리를 하면, 아연(Zn)이 확산하여 ZnS에 가까운 CIGS 영역은 Zn의 도핑에 의해 n형이 될 수 있다. 이 경우, CIGS가 p-n homojunction을 이루어 그 효율이 향상된다.
상기 CIGS 광흡수층(300)과 상기 진성층(500)은 격자상수 및 에너지 밴드갭의 차이가 크다. 일반적으로 CIGS 광흡수층은 p형 반도체이고, 진성층(500)과 n형 탄소나노튜브인 제 2 전극(610)은 n형 반도체이기 때문이다. 따라서 이를 완화시키기 위하여 이들 사이에 상기 버퍼층(400)이 배치된다. 상기 버퍼층(400)이 상기 CIGS 광흡수층(300)과 상기 진성층(500) 사이의 부착력을 증가시켜, 벗겨짐(peeling)을 방지한다. 즉, 태양전지의 안정성이 향상될 수 있다. 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 상기 CIGS 광흡수층(300)과 상기 진성층(500)의 중간에 위치할 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 화학적증착법(Chemical Bath Deposition, CBD)을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 황화카드뮴(CdS)일 수 있다.
상기 황화카드뮴(CdS)은 2.46 eV의 에너지 밴드갭을 가지며, 이는 약 550 nm의 파장에 해당한다. 상기 황화카드뮴(CdS)은 낮은 저항값을 얻기 위하여 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al) 등이 도핑(doping)될 수 있다. 또는 중금속인 Cd를 사용하지 않는 ZnS, MnS,Zn(O,S), ZnSe, (Zn, In)Se, In(OH,S)등이 사용될 수 있다.
상기 진성층(500)은 캐리어의 재결합율을 줄이고 정공(hole)의 이동통로가 될 수 있다. 진성층은 산화아연(ZnO)일 수 있다. 진성 산화아연은 n, p형 불순물이 들어가지 않은 산화아연이지만, 일반적으로 산소의 양이 충분하지 못하여 산소 공공이 많이 존재하고, 산소 공공은 n형 특성을 나타낸다. 따라서 제 1 실시예의 태양전지는 전체적으로 p-n 접합을 이룰 수 있다.
도 3는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 3을 참고하면, 기판(100)상에 n형 탄소나노튜브인 제 2 전극(610), 진성층(500), 버퍼층(400), CIGS 광흡수층(300), 및 p형 카본나노튜브인 제 1 전극(210)을 차례로 배치한다. 상부 투명전극으로 작용하는 제 1 전극(210)상에 외부와의 연결을 위한 금속 전극 패드를 배치한다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 4의 태양전지는 기판(100) 상에 제 1 전극(210), CIGS 광흡수층(300), 제 2 전극(610)이 차례로 배치된다. 도 2의 태양전지와는 달리 버퍼층과 진성층이 없는 구조이다. 탄소나노튜브는 도핑을 통해서 극성의 부여가 가능하기 때문에, n형의 탄소나노튜브층이 버퍼층의 역할을 할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 실시예에 국한되는 것이 아니다.
100: 기판
200: 금속전극
210: 제 1 전극
300: CIGS 광흡수층
400: 버퍼층
500: 진성층
600: 투명전극
610: 제 2 전극
200: 금속전극
210: 제 1 전극
300: CIGS 광흡수층
400: 버퍼층
500: 진성층
600: 투명전극
610: 제 2 전극
Claims (11)
- 기판;
상기 기판 상의 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상의 광흡수층;
상기 광흡수층 상의 제 2 전극을 포함하되,
상기 제 1 전극은 p형 탄소나노튜브이고, 상기 제 2 전극은 n형 탄소나노튜브인 태양전지. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 전극은 단일벽 탄소나노튜브이거나, 할로겐 원소가 부착된 탄소나노튜브인 태양전지. - 제 2항에 있어서,
상기 할로겐 원소는 브롬 또는 요오드인 태양전지. - 제 3항에 있어서,
상기 제 2 전극은 산소 또는 알칼리 금속이 부착된 탄소나노튜브인 태양전지. - 제 4항에 있어서,
상기 알칼리 금속은 칼륨, 나트륨, 및 세슘 중 하나인 태양전지. - 제 5항에 있어서,
상기 광흡수층과 상기 제 2 전극 사이에,
버퍼층과, 상기 버퍼층 상의 진성층을 더 포함하는 태양전지. - 제 6항에 있어서,
상기 광흡수층은 CuInSe, CuInSe2, CuInGaSe, CuInGaSe2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 캘코파이라이트(chalcopyrite)계 화합물 반도체를 포함하는 태양전지. - 제 7항에 있어서,
상기 진성층은 ZnO인 태양전지. - 기판;
상기 기판 상의 제 2 전극;
상기 제 2 전극 상의 광흡수층;
상기 광흡수층 상의 제 1 전극을 포함하되,
상기 제 1 전극은 p형 탄소나노튜브이고, 상기 제 2 전극은 n형 탄소나노튜브인 태양전지. - 제 9항에 있어서,
상기 제 1 전극은 단일벽 탄소나노튜브이거나, 할로겐 원소가 부착된 탄소나노튜브인 태양전지. - 제 10항에 있어서,
상기 제 2 전극은 산소 또는 알칼리 금속이 부착된 탄소나노튜브인 태양전지.
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