KR20130088499A - 박막형 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 박막형 태양전지는 투명전극; 상기 투명전극의 후면에 위치하며, 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시키는 광흡수층; 상기 광흡수층의 후면에 위치하는 배면전극; 및 상기 배면전극의 후면에 위치하는 기판을 포함하며, 상기 배면전극과 기판 사이에 위치하며, 실리콘산화물 및 나트륨을 포함하는 확산장벽층을 포함한다.
상기 박막형 태양전지는 기판과 배면전극 사이에 실리콘 산화물 및 나트륨을 포함하는 확산장벽층을 포함함으로써 기판으로부터 광흡수층으로의 불순물 확산이 억제되고, 별도의 Na 확산층 형성 없이도 Na이 광흡수층으로 용이하게 확산됨으로써 광흡수층의 결정성을 향상시키며, 그 결과로 개선된 전지 효율을 나타낼 수 있다.

Description

박막형 태양전지 및 이의 제조방법{THIN FILM TYPE SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 기판으로부터 광흡수층으로의 불순물 확산이 방지되어 개선된 전지 효율을 나타낼 수 있는 박막형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 태양전지는 지구 환경문제를 해경하는 수단의 하나로서 주목받고 있다. 이중에서도 비정질 실리콘이나 구리·인듐·셀레늄(CIS)계 또는 구리·인듐·갈륨·셀레늄(CIGS)계 등의 반도체 화합물, 또는 유기계 재료를 광흡수층으로 사용하는 박막형 태양전지는, 그 광흡수층을 수백 나노미터 내지 수 마이크로미터 수준의 얇은 막으로 형성할 수 있어, 종래 태양전지와 비교하여 재료 사용량을 대폭적으로 감소시킬 수 있기 때문에 태양전지의 저비용화의 관점에서 특히 주목 받고 있다.
그러나, 박막형 태양전지에 있어서, 광흡수층으로서 CIS계 또는 CIGS계 박막의 성장시, 기판으로부터 Fe, Al 또는 Cr과 같은 불순물이 광흡수층으로 확산되기 쉽고 그 결과로 태양전지의 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해 광흡수층에 대한 확산방지층(diffusion barrier)으로서 ZnO, A1203, 또는 Si02 등의 화합물을 기판 위에 스퍼터링(sputtering)법 또는 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)법을 이용하여 증착하는 방법이 제안되었다.
하지만 스퍼터링법을 사용하여 광흡수층을 형성시, 기판인 스테인레스 스틸에 대한 전해연마가 필수로 요구되고, 고진공 분위기 하에서의 증착으로 인하여 태양전지의 제조비용이 상승하게 된다. 또한 스퍼터링법의 경우 느린 성막 속도로 인하여 생산 시간이 증가되고, 고에너지 증착으로 인한 박막의 불균일함 및 손상의 문제가 있었다.
이에 따라 새로운 방식으로 확산장벽층을 형성하는 방법의 개발이 요구되고 있다.
한국특허공개 제2011-0006011호 (2011.07.28 공개)
Diffusion barriers for CIGS solar cells on metallic substrates, Thin Solid Films, 431-432, (2003), 392-397 Cu(In,Ga)Se2 solar cells on stainless-steel substrates covered with ZnO diffusion barriers, Solar Energy Materials & Solar Cells 93 (2009) 654-656
본 발명의 목적은 기판으로부터 광흡수층으로의 불순물 확산이 방지되고, 별도 나트륨 확산층 형성없이도 나트륨이 광흡수층으로 용이하게 확산됨으로써 광흡수층의 결정성이 향상되며, 그 결과로 개선된 전지 효율을 나타낼 수 있는 박막형 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 박막형 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 투명전극; 상기 투명전극의 후면에 형성되며, 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시키는 광흡수층; 상기 광흡수층의 후면에 형성되는 배면전극; 및 상기 배면전극의 후면에 형성되는 기판을 포함하며, 상기 배면전극과 기판 사이에 위치하며, 실리콘 산화물 및 나트륨(Na)을 포함하는 확산장벽층을 더 포함하는 박막형 태양전지를 제공한다.
상기 실리콘 산화물은 비정질 SiO2일 수 있다.
상기 실리콘 산화물은 Si-O-Si 스트레칭(stretching)에 대한 피크 영역이 1040 내지 1140cm-l에 위치하고, Si-O 결합(bending)에 대한 피크 영역이 770 내지 820cm- l 에 위치한 것일 수 있다.
상기 나트륨은 확산장벽층 내에 균일하게 분산되어 포함될 수 있다.
상기 나트륨은 확산장벽층 총 중량에 대하여 3 내지 7중량%로 포함될 수 있다.
상기 확산장벽층은 100nm 내지 3㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 박막형 태양전지는 상기 투명전극과 광흡수층 사이에 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 폴리실라잔 및 나트륨 원료물질을 포함하는 확산장벽층 형성용 조성물을 제조하는 단계; 상기 확산장벽층 형성용 조성물을 이용하여 기판 위에 확산장벽층을 형성하는 단계; 상기 확산장벽층 위에 배면전극을 형성하는 단계; 상기 배면전극 위에 광흡수층을 형성하는 단계; 그리고 상기 광흡수층 위에 투명전극을 형성하는 단계를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 폴리실라잔은 중량평균 분자량이 45 내지 60g/mol이고, 밀도는 1.3 내지 2.0g/cm3 일 수 있다.
상기 나트륨 원료물질은 NaCl, NaCO3, NaBH4, C4H4Na2O4 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 나트륨 원료물질은 확산장벽층 형성용 조성물 총 중량에 대하여 3 내지 7중량%로 포함될 수 있다.
상기 확산장벽층 형성용 조성물은 산화제를 더 포함할 수 있다.
상기 산화제는 과산화수소(H2O2), 브롬산나트륨(NaBrO3), 과망간산칼륨(KMnO4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 확산장벽층 형성 단계는 스핀코팅법, 딥코팅법, 및 스핀코팅법으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 방법에 의해 실시될 수 있다.
상기 확산장벽층 형성 단계는 상온 내지 400℃의 온도에서 실시될 수 있다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
상기 박막형 태양전지는 기판과 배면전극 사이에 실리콘 산화물 및 나트륨을 포함하는 확산장벽층을 포함함으로써 기판으로부터 광흡수층으로의 불순물 확산이 억제되고, 또한 상기 확산장벽층은 Na를 포함하여 별도의 Na 확산층 형성 없이도 Na를 광흡수층으로 용이하게 확산시켜 광흡수층의 결정성을 향상시킬 수 있으며, 그 결과로 개선된 전지 효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 박막형 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 구조도다.
도 2는 실시예에서 제조된 박막형 태양전지의 확산장벽층을 고분해능 전자현미경(field emission scanning electronic microscope, FE-SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 3은 실시예에서 제조된 박막형 태양전지의 확산장벽층을 푸리에 변환 적외분광법(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR)으로 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예에서 제조된 박막형 태양전지에서의 배면전극층을 에너지 분산형 X선 분석장치(Energy Dispersive X-ray Fluorescence, EDX)를 이용하여 원소 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예에서 제조된 박막형 태양전지에서의 배면전극층을 EDX를 이용하여 원소 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 박막형 태양전지는 투명전극; 상기 투명전극의 후면에 위치하며, 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시키는 광흡수층; 상기 광흡수층의 후면에 위치하는 배면전극; 및 상기 배면전극의 후면에 위치하는 기판을 포함하며, 상기 배면전극과 기판 사이에 위치하며, 실리콘 산화물 및 나트륨을 포함하는 확산장벽층을 더 포함한다.
도 1은 상기 박막형 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다. 상기 도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일 례일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 상기 박막형 태양전지(100)는 투명전극(10), 상기 투명전극의 후면에 위치하는 광흡수층(20), 상기 광흡수층의 후면에 위치하는 배면전극(30), 상기 배면전극의 후면에 위치하는 확산장벽층(40), 및 상기 확산장벽층 후면에 위치하는 기판(50)을 포함한다.
상기 투명전극(10)은 태양광이 입사되어 투과되는 전극이다.
상기 투명전극(10)으로는 광투과도의 저하를 방지하고 비저항이 낮으며 표면거칠기가 양호한 물질이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide, IZO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물(tin oxide, TO), 안티몬 틴 산화물(antimony tin oxide, ATO), 아연 산화물(zinc oxide), 알루미늄 도핑된 아연 산화물(Al-doped zinc oxide), CdO, CdSnO4 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 투명 전도성 금속 산화물이 사용될 수 있으며, 상기 투명전극은 상기 전도성 금속 산화물의 단일막 또는 다층막으로 이루어질 수도 있다.
상기 투명전극(10)은 지지체로서 투명기판(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 투명기판은 광흡수층과 접하는 투명전극 면의 반대측에 형성된다. 상기 투명기판으로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 갖는 물질이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(poly ethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(poly carbonate, PC), 폴리프로필렌(poly propylene, PP), 폴리이미드(poly imide, PI), 트리아세틸 셀룰로오스(tri acetyl cellulose, TAC), 또는 이들의 공중합체 등의 플라스틱; 또는 유리 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 투명기판은 티타늄(Ti), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 물질로 도핑될 수 있다.
상기 투명전극(10)과 광흡수층(20) 사이에는 버퍼층(미도시)이 위치할 수도 있다.
상기 버퍼층은 광흡수층(20)과 투명전극(10) 사이의 일함수 차이와 격자상수 차이를 완화하여 정공 및 전자의 이동을 원활히 하는 역할을 한다.
상기 버퍼층으로는 n 타입 반도체가 사용될 수 있으며, 구체적으로는 CdS, ZnS, ZnSe, In2O3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물이 사용될 수 있다.
상기 광흡수층(20)은 투명전극(10) 또는 버퍼층의 후면에 위치하여, 투명전극(10)을 투과한 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하고, 전자와 전공을 각각 다른 전극으로 전달하여 전류를 발생시키는 역할을 한다.
상기 광흡수층(20)으로는 IB족(11족)원소-IIIA족(13족)원소-VIA족(16족)원소의 화합물 반도체, IIB족(12족)원소-VIA족(16족)원소의 화합물 반도체 및 IIB족(12족)원소-VA족(15족)원소의 화합물 반도체로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 반도체가 포함될 수 있다.
상기 IB족 원소는 구리(Cu)일 수 있고, 상기 IIB족 원소는 카드뮴(Cd)일 수 있으며, 상기 IIIA족 원소는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)일 수 있고, 상기 VIA족 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)일 수 있으며, 상기 VA족 원소는 인(P)일 수 있다.
구체적으로, 상기 광흡수층(20)으로는 CuInS2, CuInSe2, CuIn(Se1 -xSx)2(0<x<1), Cu(In1 - yGay)S2(0<y<1), Cu(In1 - yGay)Se2(0<y<1), Cu(In1 - yGay)S2(Se1-xSx)2(0<x<1, 0<y<1), CuGaS2, CuGaSe2, CuGa(Se1 - xSx)2(0<x<1), CdTe, 및 Zn3P2로 이루어진 군에서 선택되는 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 CuInSe2, Cu(In1 -yGay)Se2(0<y<1), CuGaSe2, 및 Cu(In1 - yGay)Se2(0<y<1)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 사용될 수 있다. 또한 상기 광흡수층(20)은 상기 반도체 화합물의 단일막 또는 다층막으로 이루어질 수도 있다.
상기 광흡수층(20)은 0.1 내지 900㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가질 경우 광흡수층(20)에서의 광손실을 최소화하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
상기 배면전극(30)으로는 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 또는 구리(Cu) 등이 사용될 수 있으며, 이중에서도 높은 전기전도도를 가지며, 광흡수층(20)과의 오믹 접촉(ohmic contact) 및 Se 분위기하에서의 우수한 고온 안정성을 갖는 몰리브덴이 바람직하다.
상기 확산장벽층(40)은 배면전극(30)과 기판(50) 사이에 위치하여, 광흡수층(20) 형성시 기판(50)으로부터 Al, Fe, Cr 또는 Zn 등과 같은 불순물이 광흡수층(20)으로 확산되어 태양전지의 효율을 저하시키는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 확산장벽층(40)은 실리콘 산화물(SiO2) 및 나트륨 원자를 포함한다.
상기 실리콘 산화물은 확산장벽층 형성용 조성물에 포함된 폴리실라잔을 산화제 처리 또는 열처리함으로써 유도되는 것으로, 비정질 상으로 존재한다.
이와 같이 실리콘 산화물이 비정질상으로 존재함으로써 보다 우수한 확산장벽 효과를 나타낸다.
또한, 상기 실리콘 산화물은 Si-O-Si 스트레칭(stretching)에 대한 피크 영역이 1040 내지 1140cm-l에 위치하고, Si-O 결합(bending)에 대한 피크 영역이 770 내지 820cm- l에 위치한다.
상기 나트륨(Na)은 확산장벽층 형성용 조성물에 포함된 NaCl, NaCO3, NaBH4, 또는 C4H4Na2O4와 같은 나트륨 함유 화합물로부터 유래된 것으로, 광흡수층(20)의 제조시 광흡수층(20)으로 확산하여 CIGS 등과 같은 광흡수층 형성용 화합물 반도체의 결정성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 나트륨은 최종 제조되는 확산장벽층 내 균일하게 분산되어 있다.
그러나, 확산장벽층내 Na의 함량이 지나치게 많으면, 구체적으로 확산장벽층 총 중량에 대해 7중량%를 초과하는 경우 박막성장시 Na이 과다 확산될 우려가 있고, 지나치게 적으면, 구체적으로 확산장벽층 총 중량에 대해 3중량% 미만인 경우 배면전극층내 Mo 등의 결정립을 통한 Na 확산이 이루어지지 않을 우려가 있다. 따라서 상기 Na는 확산장벽층 총 중량에 대하여 3 내지 7중량%로 포함되는 것이 Na이 결정립계(grain boundary) 내에 전도도가 높은 결정상(phase)을 형성하고 결정립계 주변과 벌크 그레인(bulk grain) 주변에 캐리어 공핍(carrier depletion)을 감소시켜 CIGS 흡수층의 전기저항의 감소로 효율 향상 효과를 얻을 수 있어 바람직하다.
상기와 같은 구성을 갖는 확산장벽층(40)은 그 두께가 지나치게 두꺼우면, 구체적으로 3㎛를 초과하는 경우 기판 및 배면전극과의 접착이 불량하여 바람직하지 않고, 그 두께가 지나치게 얇으면, 구체적으로 100nm 미만이면 불순물 확산 방지 효과를 충분히 얻기 어렵다. 따라서, 상기 확산장벽층(40)은 100nm 내지 3㎛의 두께를 갖는 것이 불순물 확산 방지와 기판과 배면전극와의 접착성 향상시키는 효과를 얻을 수 있어 바람직하다.
상기 기판(50)은 소다회 유리 등의 유리; 세라믹, 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 구리(Cu) 등의 금속; 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 트리아세틸 셀룰로오스(TAC), 또는 이들의 공중합체 등의 폴리머 재질로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기와 같은 구조를 갖는 박막형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상세하게는 상기 박막형 태양전지의 제조방법은, 폴리실라잔 및 나트륨 원료물질을 포함하는 확산장벽층 형성용 조성물을 제조하는 단계(단계 1); 상기 확산장벽층 형성용 조성물을 이용하여 기판 위에 확산장벽층을 형성하는 단계(단계 2); 상기 확산장벽층 위에 배면전극을 형성하는 단계(단계 3); 상기 배면전극 위에 광흡수층을 형성하는 단계(단계 4); 그리고 상기 광흡수층 위에 투명전극을 형성하는 단계(단계 5)를 포함한다.
이하 각 단계별로 살펴보면, 단계 1은 폴리실라잔을 포함하는 확산장벽층 형성용 조성물을 제조하는 단계이다.
상기 확산장벽층 형성용 조성물은 폴리실라잔 및 나트륨 원료물질을 용매 중에 용해시켜 제조될 수 있다.
상기 폴리실라잔은 규소, 질소 및 탄소부분을 포함하는 중합체로, Si-N 결합의 직쇄형 단위 또는 Si-N 결합의 환형단위를 포함하거나, 또는 상기 두 단위를 함께 단위를 포함하며, 선택적으로 Si-H 및 N-H의 결합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 결합을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리실라잔은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 반복단위를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 식에서, R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소원자, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 1 내지 10의 알케닐기, 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 플루오로알킬기, 알킬실릴기, 알킬아미노기 및 알콕시기로 이루어진 군에서 선택되며, n은 정수이다.
구체적으로 상기 폴리실라잔으로는 상기 화학식 1에서 R1, R2 및 R3가 모두 수소원자인 퍼하이드로폴리실라잔; R1 및 R2가 수소원자이고, R3이 상기 화학식 1에서 정의된 작용기중 어느 하나의 유기 기인 폴리오가노(하이드로)실라잔; 반복 단위가 [(SiH2)l(NHm)] 및 [(SiH2)nO](여기서, l, m 및 n은 각각 1 내지 3의 정수이다)인 폴리실록사잔, 퍼하이드로폴리실라잔에 메탄올과 같은 알코올 또는 헥사메틸디실라잔을 말단 N 원자에 부가하여 수득한 변성 폴리실라잔 등이 사용될 수 있다.
상기 폴리실라잔은 중량평균 분자량이 45 내지 60g/mol이고, 밀도는 1.3 내지 2.0g/cm3 일 수 있다. 상기와 같은 범위의 중량평균 분자량 및 밀도 범위를 충족할 때 기판으로부터의 불순물 확산 방지 효과와 함께, 배면전극에 대한 우수한 접착성을 나타낸다.
상기 나트륨 원료 물질로는 NaCl, NaCO3, NaBH4, C4H4Na2O4 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 사용될 수 있으며, 상기 나트륨 원료물질은 확산장벽층 형성용 조성물 총 중량에 대하여 3 내지 7중량%로 포함될 수 있다.
상기 용매로는 에탄올 등의 알코올, 물(H2O) 등을 사용할 수 있으며, 이후 확산장벽층 형성 공정에 적절한 점도를 갖도록 확산장벽층 형성용 조성물내 포함되는 상기 용매의 함량을 적절히 하는 것이 바람직하다.
상기 확산장벽층 형성용 조성물은 산화제를 더 포함할 수 있다.
상기 산화제는 폴리실라잔의 실리콘 산화물로의 전환을 촉진시키는 역할을 하는 물질로, 과산화수소(H2O2), 브롬산나트륨(NaBrO3), 과망간산칼륨(KMnO4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 산화제는 폴리실라잔 100중량부에 대하여 1 내지 40중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 산화제의 함량이 1중량부 미만이면 산화제 첨가에 따른 효과가 미미하고, 산화제 함량이 40중량부를 초과하는 경우 최종 형성되는 확산장벽층에 산화제가 잔류하거나 또는 코팅시 막 형성 전에 경화될 우려가 있어 바람직하지 않다.
다음으로, 단계 2는 상기 확산장벽층 형성용 조성물을 이용하여 기판 위에 확산장벽층을 형성하는 단계이다.
상기 기판으로는 상기에서 설명한 바와 같이, 소다회 유리 등의 유리; 세라믹, 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 구리 등의 금속; 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 트리아세틸 셀룰로오스(TAC), 또는 이들의 공중합체 등의 폴리머 가 사용될 수 있다.
상기 확산장벽층 형성 공정은 스프레이법, 딥 코팅법, 스핀 코팅법 또는 이둘 중 둘 이상의 방법을 함께 이용하여 실시될 수 있다. 일례로 스핀 코팅법에 의해 확산장벽층을 형성하는 경우, 기판을 일정한 속도로 회전시키면서 상기 기판에 대해 확산장벽층 형성용 조성물을 분사하여 기판 위에 증착시킬 수 있으며, 이때 기판의 회전속도가 100 내지 10,000rpm인 것이 균일한 두께의 확산장벽층를 형성할 수 있어 바람직하다.
또한, 상기 확산장벽층 형성 조성물은 최종 제조되는 확산장벽층이 100nm 내지 3㎛의 두께를 갖도록 하는 양으로 로딩되는 것이 바람직하다.
상기 확산장벽층 형성 공정 수행시 온도가 지나치게 낮으면, 구체적으로 상온 미만이면 SiO2가 형성되지 않을 우려가 있어 바람직하지 않고, 온도가 지나치게 높으면, 구체적으로 400℃를 초과하면 기판이 손상될 우려가 있어 바람직하지 않다. 이에 따라 상기 확산장벽층 형성 공정은 상온 내지 400℃의 온도에서 실시되는 것이 기판의 손상 위험을 줄이고 적절한 SiO2 형성 효과를 얻을 수 있어 바람직하다.
상기 확산장벽층 형성용 조성물의 증착 후 형성용 조성물내 포함된 용매 제거를 위한 건조 공정이 더 실시될 수도 있다.
상기 건조 공정은 통상의 건조 방법으로 실시될 수 있으며, 25 내지 80℃에서 5 내지 20분간 실시되는 것이 바람직하다.
상기 단계의 결과로, 확산장벽층내 포함된 폴리실라잔은 하기 반응식 1에서와 같은 반응을 통해 실리콘 산화물로 전환되게 된다. 하기 반응식 1은 본 발명에 대한 일례일뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[반응식 1]
Figure pat00002
상기 반응식 1에 나타난 바와 같이, 폴리실라잔의 Si과 결합된 N이 대기중의 수분과 반응하거나, 또는 수증기가 포함된 임의의 환경 내에서 수분과 반응하여 NH3가 된 후 대기 중으로 확산되고, 남은 OH기는 상온, 또는 고온에서 증발하여 최종적으로 SiO2 결합만이 존재하게 된다.
최종 제조된 확산장벽층에 대한 FT-IR 관찰 결과, Si-O-Si 스트레칭(stretching)에 대한 피크 영역이 1040 내지 1140cm-l에서 관찰되었으며, Si-O 결합(bending)에 대한 피크 영역이 770 내지 820cm- l 에서 관찰되었다.
다음으로 단계 3은 상기 확산장벽층 위에 배면전극을 형성하는 단계이다.
상기 배면전극 형성 단계는 스퍼터링법, 진공증착법 등 통상의 배면전극 형성 방법에 따라 실시할 수 있다. 일례로 스퍼터링법에 의해 배면전극을 형성하는 경우, 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등의 배면전극 형성용 재질을, 스퍼터링 시스템을 이용하여 아르곤(Ar), 네온(Ne), 제논(Xe) 등의 플라즈마 가스 중에서 증착시킨다. 이때 스퍼터링 시스템내 온도 및 압력은 25 내지 120℃ 그리고 3 내지 10mtorr로 유지하는 것이 바람직하고, 50 내지 120℃ 그리고 3 내지 9mtorr로 유지하는 것이 보다 바람직하다. 또한 직류 전원(DC power)은 150 내지 200W인 것이 바람직하다. 상기 스퍼터링 공정은 형성되는 배면전극층이 400nm 내지 1㎛의 두께를 갖도록 실시되는 것이 바람직하며, 구체적으로는 5 내지 20분동안 실시할 수 있다.
또한 형성되는 배면전극층의 균일성을 향상시키기 위해 확산장벽층이 형성된 기판을 5 내지 20rpm으로 회전시키는 것이 바람직하다.
다음으로 단계 4는 상기 배면전극 위에 광흡수층을 형성하는 단계이다.
상기 광흡수층 형성 물질로는 상기에서 설명한 바와 같은 물질을 사용할 수 있다.
상기 광흡수층 형성 공정은 스퍼터링, 진공증착 등의 물리기상증착법; 금속유기물 화학기상증착과 같은 화학기상증착법; 또는 상기한 화합물 반도체의 입자를 포함하는 조성물의 분사, 인쇄, 또는 전착(elextrodeposition) 등의 비진공 코팅법 등의 통상의 방법으로 실시될 수 있다. 일례로 스퍼터링 법을 이용하여 CIG계 광흡수층을 형성하는 경우, 타켓으로서 CuIn 또는 CuGa과 같은 합금 또는 Cu, In, Ga 등의 금속 단체를 사용하여 상온에서 성장 시킨다. 이때 성장 압력 및 온도를 적절히 변화시킴으로써 광흡수층을 형성할 CIG 조성을 변화시킬 수 있는데, 바람직하게는 성장 압력은 3 내지 10mtorr인 것이 바람직하며, 성장 온도는 25 내지 200℃인 것이 바람직하다. 또한 직류 전원(DC power)은 120 내지 200W, 바람직하게는 170 내지 200W인 것이 바람직하다. 또한 균일한 증착을 위해 광흡수층이 형성될 기판을 15 내지 30rpm으로 회전시키면서 실시하는 것이 바람직하다.
광흡수층 형성 단계 후, 아르곤, 질소, 산소 또는 CF4를 이용하여 이온빔 처리 또는 플라즈마 처리함으로써 광흡수층 표면에 나노패턴을 형성하는, 광흡수층 표면 개질 공정이 더 실시될 수도 있다. 상기 광흡수층 표면 개질 공정은 통상의 방법에 따라 실시될 수 있다.
다음으로, 단계 5는 상기 광흡수층 위에 투명전극을 형성하여 박막형 태양전지를 제조하는 단계이다.
상기 투명전극의 형성 공정은 통상의 방법에 따라 실시할 수 있으므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 제조방법은 확산장벽층 형성시 폴리실라잔을 사용함으로써 기판으로서 스테인레스 스틸을 사용하는 경우, 기판 표면 조도형성을 위한 전해연마 공정의 실시가 불필요하고, 또한 비진공 코팅법을 이용함으로써 공정 비용 및 공정 시간을 감소시킬 수 있다. 또한, Na의 첨가가 용이하기 때문에 종래 박막형 태양전지에서 광흡수층에서의 결정성 향상을 위해 별도로 포함되던 Na 확산층을 대체할 수 있다.
또한 종래 원자층 증착법(Atomic layer Deposition, ADL)이나 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용한 실리콘 산화물의 장벽확산층 제조방법의 경우 낮은 증착 속도로 인하여 단가 상승과 생산성 저하의 문제가 있으나, 본 발명에 따른 제조방법은 폴리실라잔을 이용한 스핀 코팅, 딥 코팅 또는 스프레이법 등의 슬러리 코팅법을 이용함으로써 제조공정이 간단하고 용이하여 단가 상승 및 생산성 저하의 우려를 해소하였을 뿐만 아니라 확산장벽층이 형성되는 기판의 경사각이나 모양에 무관하게 확산장벽층을 형성할 수 있다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 박막형 태양전지는 기판과 배면전극 사이에 폴리실라잔으로부터 유도된 실리콘산화물과 함께 나트륨을 포함하는 확산장벽층을 포함함으로써 기판으로부터 광흡수층으로의 불순물 확산이 억제되며, 별도의 Na 확산층의 형성없이도 Na의 광흡수층으로의 확산이 용이하여 광흡수층의 결정성을 향상시킬 수 있으며, 그 결과로 개선된 전지 효율을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예
폴리실라잔 용액(Spinfil™ 200, AZ Electronic Meterials사제(분자량 45 g/mol, 밀도 1.3g/cm3)) 10ml에 Na 원료 물질로서 C4H4Na2O4·6H2O를 0.5g 용해시켜 확산장벽층 형성용 조성물을 제조하였다. 진공증착 시스템내 온도를 25℃로 유지하면서, 두께 0.01mm의 스테인레스 스틸 재질의 기판을 1000rpm의 속도로 회전시키면서 상기에서 제조된 확산장벽층 형성용 조성물을 분사하여 기판 위에 증착시켰다. 형성된 확산 장벽층의 두께는 1.5㎛이었다.
이어 15rpm으로 회전하는 확산장벽층이 형성된 기판에 대해 몰리브덴(Mo) 타켓(크기: 2inch, 두께 0.25mm, 순도 99.99%)을 5분간 스퍼터링하여 두께 1㎛의 Mo 배면전극층을 형성하였다. 상기 스퍼터링 공정시 플라즈마 가스로는 순도 99.999%의 Ar을 사용하였으며, 회전 펌프(rotary pump)와 터보 분자 펌프(turbo molecular pump, TMP)로 반응기 내부의 압력을 10-6torr로 유지하였다. 또한 성장온도 및 성장압력을 각각 25℃ 및 10mtorr로 하였으며, DC 전원은 165W로 하였다.
이어서 Mo 배면전극을 15rpm으로 회전하면서 상온에서 CuIn 및 CuGa 타켓을 스퍼터링하여 두께 400nm의 광흡수층을 형성하였다. 이때 성장압력 및 DC전원은 각각 5mtorr 및 120W로 하였다.
가로 2.5cm×세로 2.5cm 크기의 소다외 유리 기판에 산화주석으로 이루어진 투명전극을 형성한 후 상기 광흡수층이 형성된 기판에 투명전극이 광흡수층과 접하도록 적층하여 박막형 태양전지를 제조하였다.
비교예
기판에 대한 확산장벽층 형성 공정을 실시하지 않고, 기판 위에 바로 몰리브텐 증착을 실시하여 배면전극층을 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예에서와 동일한 방법으로 실시하여 박막형 태양전지를 제조하였다.
시험예
상기 실시예에서 제조된 박막형 태양전지의 확산장벽층을 고분해능 전자현미경(field emission scanning electronic microscope, FE-SEM)을 이용하여 틸트(tilt)에서 관찰하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 1.5㎛의 확산장벽층이 형성됨을 알수 있다.
또한, 상기 실시예에서 제조된 박막형 태양전지의 확산장벽층을 푸리에 변환 적외분광법(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR)으로 관찰하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타난 바와 같이, Si-O-Si 스트레칭(stretching)에 대한 피크 영역이 1140 내지 1040cm-l에서 관찰되었으며, Si-O 결합(bending)에 대한 피크 영역이 770 내지 820cm- l 에서 관찰되었다. 이로부터, 확산장벽층 형성시 사용된 폴리실라잔이 SiO2로 변환되었음을 확인하였다.
또한, 기판으로부터 광흡수층으로의 불순물 확산 여부를 확인하기 위하여, 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 박막형 태양전지에서의 배면전극층 표면에 대해 FE-SEM에 부가적으로 장착되어 있는 에너지 분산형 X선 분석장치(Energy Dispersive X-ray Fluorescence, EDX)를 이용하여 원소 분석을 하였다. 그 결과를 도 4 및 5에 각각 나타내었다.
도 4 및 도 5는 각각 실시예 및 비교예에서 제조된 박막형 태양전지에서의 배면전극층을 상면도(top-view)모드에서 EDX로 원소분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5로부터, 확산장벽층을 포함하지 않는 비교예에서 관찰되었던 Al, Cr, Fe, Zn 등의 불순물이 실시예에서는 불순물이 관찰되지 않았다. 이 같은 결과로부터 확산장벽층을 포함하는 실시예에서는 불순물들의 확산이 이루어지지 않았음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 투명전극
20: 광흡수층
30: 배면전극
40: 확산장벽층
50: 기판
100: 박막형 태양전지

Claims (15)

  1. 투명전극;
    상기 투명전극의 후면에 형성되며, 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시키는 광흡수층;
    상기 광흡수층의 후면에 형성되는 배면전극; 및
    상기 배면전극의 후면에 형성되는 기판을 포함하며,
    상기 배면전극과 기판 사이에 위치하며, 실리콘 산화물 및 나트륨(Na)을 포함하는 확산장벽층을 더 포함하는 박막형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 산화물은 비정질 SiO2인 박막형 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 산화물은 Si-O-Si 스트레칭(stretching)에 대한 피크 영역이 1040 내지 1140cm-l에 위치하고, Si-O 결합(bending)에 대한 피크 영역이 770 내지 820cm- l에 위치한 것인 박막형 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나트륨은 확산장벽층 내에 균일하게 분산되어 있는 것인 박막형 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나트륨은 확산장벽층 총 중량에 대하여 3 내지 7중량%로 포함되는 것인 박막형 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 확산장벽층은 100nm 내지 3㎛의 두께를 갖는 것인 박막형 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투명전극과 광흡수층 사이에 버퍼층을 더 포함하는 박막형 태양전지.
  8. 폴리실라잔 및 나트륨 원료물질을 포함하는 확산장벽층 형성용 조성물을 제조하는 단계;
    상기 확산장벽층 형성용 조성물을 이용하여 기판 위에 확산장벽층을 형성하는 단계;
    상기 확산장벽층 위에 배면전극을 형성하는 단계;
    상기 배면전극 위에 광흡수층을 형성하는 단계; 그리고
    상기 광흡수층 위에 투명전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 폴리실라잔은 중량평균 분자량이 45 내지 60g/mol이고, 밀도가 1.3 내지 2.0g/cm3인 박막형 태양전지의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 나트륨 원료물질은 NaCl, NaCO3, NaBH4, C4H4Na2O4 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 박막형 태양전지의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 나트륨 원료물질은 확산장벽층 형성용 조성물 총 중량에 대하여 3 내지 7중량%로 포함되는 것인 박막형 태양전지의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 확산장벽층 형성용 조성물은 산화제를 더 포함하는 것인 박막형 태양전지의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 산화제는 과산화수소(H2O2), 브롬산나트륨(NaBrO3), 과망간산칼륨(KMnO4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 박막형 태양전지의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 확산장벽층 형성 단계는 스핀코팅법, 딥코팅법 및 스핀코팅법으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 방법에 의해 실시되는 것인 박막형 태양전지의 제조방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 확산장벽층 형성 단계는 상온 내지 400℃의 온도에서 실시되는 것인 박막형 태양전지의 제조방법.
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