KR20140120414A - 황동광계 광흡수층의 형성방법 - Google Patents
황동광계 광흡수층의 형성방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 황동광계 화합물의 전구체를 포함하는 박막을 형성하는 단계; 및 상기 박막에 빛을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 황동광계 화합물 전구체가 빛 에너지를 흡수하여 결정화가 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 황동광계 광흡수층을 형성하는 과정에서 열을 가하지 않고 빛을 이용함으로써, 열에 의해서 기판이 손상되는 문제없이 황동광계 광흡수층을 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 황동광계 광흡수층을 형성하는 과정에서 열을 가하지 않고 빛을 이용함으로써, 몰리브덴 후면전극이 가열되어 MoSe2가 형성되는 문제가 없다.
나아가, 박막에 깊이 침투하는 장파장 범위의 빛을 먼저 조사하고 얕게 침투하는 단파장 범위의 빛을 나중에 조사함으로써, 아래쪽에서부터 순차적으로 황동광계 광흡수층을 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은, 황동광계 광흡수층을 형성하는 과정에서 열을 가하지 않고 빛을 이용함으로써, 열에 의해서 기판이 손상되는 문제없이 황동광계 광흡수층을 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 황동광계 광흡수층을 형성하는 과정에서 열을 가하지 않고 빛을 이용함으로써, 몰리브덴 후면전극이 가열되어 MoSe2가 형성되는 문제가 없다.
나아가, 박막에 깊이 침투하는 장파장 범위의 빛을 먼저 조사하고 얕게 침투하는 단파장 범위의 빛을 나중에 조사함으로써, 아래쪽에서부터 순차적으로 황동광계 광흡수층을 형성할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라서 다양한 종류로 구분되며, 현재 가장 많이 사용되는 것은 실리콘을 이용한 실리콘 태양전지이다. 그러나 최근 실리콘의 공급부족으로 가격이 급등하면서 화합물 반도체를 이용한 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 화합물 반도체는 두께가 얇은 박막형 태양전지로 제조할 수 있어서, 재료의 소모량이 적고 무게가 가볍기 때문에 활용범위가 넓다.
일반적으로 CuInSe2로 대표되는 I-III-VI2족 황동광(Chalcopyrite)계 화합물반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1×105㎝-1로서 반도체 중에서 가장 높아 두께 1 ~ 2 ㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 장기적으로 전기 광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다.
이러한 특성을 인하여, 황동광계 화합물 반도체는 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광 발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.
한편, CuInSe2는 밴드갭이 1.04 eV을 나타내기 때문에, 이상적인 밴드갭 범위인 1.2~1.4 eV를 맞추기 위해 인듐(In)의 일부를 갈륨(Ga)으로, 셀레늄(Se)의 일부를 황(S)으로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6 eV 이고 CuGaS2 는 2.5 eV이다.
In의 일부를 Ga으로 치환하고, Se의 일부를 S로 치환한 오원계 화합물은 CIGSS [Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2]로 표기되는데, 대표적으로 이들을 CIS계 또는 CIGS계로 표기하기도 한다
CIGS계 광흡수층을 형성하는 방법으로 동시증발법이 있다. 동시증발법은 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 열 증발원을 이용해 동시에 증발시켜 고온의 기판에 CIGS계 박막을 직접 형성하는 방법이다. 각 증발원을 독립적으로 사용하기 때문에 원소의 조성 제어가 용이하기 때문에 뛰어난 성능의 CIGS계 광흡수층을 제조할 수 있는 특징이 있으며, 지금까지 최고의 효율을 나타내는 CIGS 태양전지는 이 방법을 통해 만들어지고 있다.
이와는 달리, CIGS계 박막을 구성하는 전구체물질로 구성된 박막을 스퍼터링 또는 다른 증착 방법으로 형성하고 Se 또는 H2Se 가스 분위기에서 열처리 또는 셀렌화 열처리하는 방법도 개발되고 있다.
최근에는 상기한 방법들이 고가의 진공 공정을 필요로 하는 단점을 극복하기 위하여, CIGS 전구체물질 또는 CIGS계 화합물 나노입자를 포함하는 슬러리 또는 잉크를 제조하여 기판에 도포하고 열처리하는 비진공 방식에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.
한편, 최근에는 CIGS계 광흡수층에서 In과 Ga를 Zn과 Sn으로 치환하여 원료비나 환경문제 측면에서 유리한 1-2-4-6족 원소로 구성된 CZTS계(Cu2ZnSn(Se1-xSx)4) 태양전지에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있으며, CZTS계 태양전지의 광흡수층을 제조하는 방법도 CIGS계 광흡수층을 제조하는 방법과 거의 동일하다. 이하에서는 CIS계 화합물과 CIGS계 화합물 및 CZTS계 화합물을 통칭하여 황동광계 화합물로 정의한다.
상기한 모든 황동광계 광흡수층의 제조과정에서 가열 또는 열처리가 필요하지만, 이러한 열에 의해서 기판 특히 최근 관심이 높은 유연 기판에 데미지가 발생하여 문제가 되고 있다.
또한, 최근에는 후면전극으로서 몰리브덴을 사용한 황동광계 태양전지가 많으며, 기판 위에 형성된 몰리브덴 후면전극 위에 황동광계 광흡수층을 형성하는 경우에 과도한 열처리로 인하여, 몰리브덴 후면전극과 광흡수층 사이의 계면에 MoSe2가 과도하게 생성되어 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 경우가 많이 발생하고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 과정에서 열이 아닌 빛을 이용하여 열에 의한 문제가 없이 황동광계 광흡수층을 형성하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 황동광계 광흡수층의 형성방법은, 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법으로서, 황동광계 화합물의 전구체를 포함하는 박막을 형성하는 단계; 및 상기 박막에 빛을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 황동광계 전구체가 빛 에너지를 흡수하여 결정화가 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에서 빛은 적외선과 가시광선 및 자외선의 파장영역에 해당하는 전자기파를 의미한다.
본 발명은, 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법으로서, 황동광계 화합물을 구성하는 원소들을 동시에 증발시켜서 황동광계 전구체 박막을 형성하는 단계; 및 상기 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 황동광계 전구체 박막이 빛 에너지를 흡수하여 결정화가 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 황동광계 화합물을 구성하는 원소들을 증발시켜 증착하는 과정에서 기판에 열을 가하지 않음으로써 황동광계 전구체 박막을 먼저 형성하고, 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사하여 황동광계 광흡수층을 형성함으로써 기판에 열충격이 가해지는 문제를 해결할 수 있다.
본 발명은, 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법으로서, 스퍼터링에 의해서 황동광계 화합물의 전구체를 포함하는 황동광계 전구체 박막을 형성하는 단계; 및 상기 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 황동광계 화합물의 전구체가 빛 에너지를 흡수하여 결정화가 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법으로서, 비진공 상태에서 황동광계 화합물의 전구체를 포함하는 용액 또는 슬러리를 도포하는 단계; 및 상기 도포된 용액 또는 슬러리에 빛을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 전구체가 빛 에너지를 흡수하여 결정화가 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발명자는 황동광계 광흡수층을 제조한 과정에서 가하지는 열에 의해서 기판에 손상이 발생하고, 몰리브덴 후면전극과의 계면에 MoSe2가 형성되는 문제를 해소하기 위하여, 열을 대신하여 빛을 가하는 방법을 발명하였다.
본 발명에 의하면 종래의 열처리 과정에서와 같이 장비 내부 전체가 가열되는 것이 아니고, 황동광계 화합물 전구체 또는 황동광계 전구체 박막만이 빛 에너지를 흡수하여 황동광계 화합물을 형성한다.
이를 위하여, 본 발명에서 빛을 조사하는 단계는 파장 범위가 다른 2이상의 빛을 동시에 조사하거나 혹은 파장 범위가 다른 빛을 순차적으로 조사할 수 있으며, 다른 파장의 빛을 순차적으로 조사하는 경우에는 상대적으로 파장이 긴 빛부터 순차적으로 조사하는 것이 바람직하다.
전구체 박막 등이 빛 에너지를 흡수하기 쉽도록 다양한 파장의 빛을 동시 또는 순차적으로 조사할 수 있으며, 순차적으로 조사하는 경우에는 침투력이 높은 장파장을 먼저 조사하고 침투력이 약한 단파장을 나중에 조사하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 빛을 조사하는 단계는 Se 또는 H2Se 가스 분위기에서 수행될 수 있으며, 이 경우에는 빛을 조사하는 단계가 셀렌화 열처리 공정을 대신하게 된다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 황동광계 광흡수층을 형성하는 과정에서 황동광계 화합물 전구체 또는 전구체 박막에만 빛을 조사함으로써, 열에 의해서 기판이 손상되는 문제없이 황동광계 광흡수층을 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 황동광계 광흡수층을 형성하는 과정에서 황동광계 화합물 전구체 또는 전구체 박막에만 빛을 조사함으로써, 몰리브덴 후면전극이 가열되어 MoSe2가 형성되는 문제가 없다.
나아가, 박막에 깊이 침투하는 장파장 범위의 빛을 먼저 조사하고 얕게 침투하는 단파장 범위의 빛을 나중에 조사함으로써, 아래쪽에서부터 순차적으로 치밀하게 황동광계 광흡수층을 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 과정에서 열처리 또는 셀렌화 열처리를 수행하는 경우에 전체적인 열을 가하는 것을 대신하여 황동광계 화합물 전구체 및 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사하는 것을 특징으로 한다. 이하에서, 황동광계는 CIS계 화합물과 CIGS계 화합물 및 CZTS계 화합물 등 태양전지의 광흡수층으로 사용되는 황동광계 화합물을 통칭하는 것이며, 황동광계 전구체 박막은 황동광계 화합물을 형성하지 않은 상태의 박막을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 빛은 적외선과 가시광선 및 자외선의 파장영역에 해당하는 전자기파를 의미한다.
본 발명에 따르면, 황동광계 화합물 전구체와 황동광계 전구체 박막만이 빛 에너지를 흡수하여, 황동광계 화합물 광흡수층을 형성하고 기판과 후면 전극 등의 다른 부분은 가열되지 않는다.
따라서 본 발명은, 아래에 설명하는 1회의 열처리 또는 셀렌화 열처리 공정을 수반하는 일반적인 황동광계 광흡수층 형성방법에서 열처리 또는 셀렌화 열처리 공정을 대신하여 빛을 조사하는 방식으로 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 여러 단계의 열처리 또는 셀렌화 열처리 공정을 수반하는 황동광계 광흡수층 형성방법에서 모든 열처리 또는 셀렌화 열처리 공정을 대신하거나 일부의 열처리 또는 셀렌화 열처리 공정을 대신하여 빛을 조사하는 방식으로 적용할 수 있다.
본 발명은 황동광계 화합물을 구성하는 원소를 동시에 증발시켜 형성된 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사하여 광흡수층을 형성할 수 있다.
일반적으로, 동시증발법이라고 표현되는 방법은, 황동광계 광흡수층을 구성하는 원소들을 열 증발원을 이용하여 개별적으로 증발시켜 기판 또는 기판 위에 형성된 몰리브덴 후면전극에 증착시키는 과정에서, 기판에 고온을 인가함으로써 증착과 동시에 황동광계 화합물 박막을 형성하는 방법이다. 반면에, 본 발명에서는 황동광계 광흡수층을 구성하는 원소들을 화학양론적 비율에 맞추어 증발시켜서 증착하는 과정에서 기판에 열을 가하지 않음으로써, 황동광계 전구체 박막을 형성한 이후에 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사하여 황동광계 전구체 박막으로부터 황동광계 광흡수층을 형성한다.
본 발명에서 황동광계 화합물을 구성하는 원소를 동시에 증발시켜 증착하는 과정은, 기판에 고온을 인가하는 것을 제외하고는 특별히 제한되지 않고, 가능한 모든 방법을 적용할 수 있다.
특히, 원하는 황동광계 화합물 조성에 해당하는 황동광계 전구체 박막을 바로 형성한 뒤에 빛을 조사하여 결정화만을 수행할 수도 있고, 추가적인 셀렌화 또는 황화 공정이 필요한 조성으로 황동광계 전구체 박막을 형성하고 셀렌화 또는 황화 공정에서 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사할 수도 있다.
셀렌화 또는 황화 공정은 셀렌을 포함하는 가스 또는 황을 포함하는 가스 분위기에서 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사함으로써, 셀렌원소 또는 황원소를 광흡수층에 침투시켜 황동광계 화합물을 형성하는 과정이다. 본 발명의 일부를 구성하는 셀렌화 또는 황화공정은 황동광계 전구체 박막에만 빛을 조사하는 것을 제외하고는 일반적인 셀렌화 또는 황화 공정의 내용을 적용할 수 있다.
다른 형태로서, 본 발명의 황동광계 광흡수층 형성방법은 스퍼터링에 의해서 황동광계 전구체 박막을 형성하고, 열처리 또는 셀렌화 열처리를 대신하여 빛을 조사함으로써 황동광계 광흡수층을 형성한다.
스퍼터링에 의해서 황동광계 전구체 박막을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 가능한 모든 방법을 적용할 수 있다.
셀렌화 열처리는 셀렌을 포함하는 가스 분위기에서 열을 가하여, 셀렌원소를 광흡수층에 침투시켜 황동광계 화합물을 형성하는 과정이다. 본 발명에서는 열을 가하는 대신에 빛을 조사하는 것을 제외하고는 일반적인 셀렌화 열처리 공정을 적용할 수 있다.
여기서는 일반적으로 많이 사용되는 스퍼터링에 이해서 전구체 박막을 형성하는 경우를 기재하였지만, 다른 종류의 물리기상증착법(PVD)이나 화학기상증착법(CVD)과 같이 스퍼터링을 대신할 수 있는 모든 방법을 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 황동광계 화합물을 구성하는 전구체가 포함된 잉크를 도포한 뒤에 빛을 조사하여 광흡수층을 형성한다.
특히, 원하는 조성의 황동광계 전구체를 포함하는 잉크를 도포한 뒤에 빛을 조사하여 결정화를 촉진할 수도 있고, 추가적인 셀렌화 또는 황화 공정에서 빛을 조사할 수도 있다.
셀렌화 또는 황화 공정은 셀렌을 포함하는 가스 또는 황을 포함하는 가스 분위기에서 빛을 조사함으로써, 셀렌원소 또는 황원소를 광흡수층에 침투시켜 황동광계 화합물을 형성하는 과정이다. 본 발명의 일부를 구성하는 셀렌화 또는 황화공정은 도포된 잉크에만 빛을 조사하는 것을 제외하고는 일반적인 셀렌화 또는 황화 공정의 내용을 적용할 수 있다.
여기서는 일반적으로 많이 사용되는 황동광계 화합물의 전구체가 포함된 잉크를 도포하는 경우를 기재하였지만, 이를 대신할 수 있는 모든 비진공적인 전구체 박막의 형성 방법을 적용할 수 있다.
이상과 같이, 종래에 황동광계 광흡수층을 형성하는 과정에서 기판 또는 장비 내부 전체에 열을 가하던 공정을 대신하여 황동광 전구체 박막 또는 도포된 잉크에만 빛을 조사하면, 박막 또는 잉크가 빛 에너지를 흡수하여 열처리와 같은 효과를 나타내면서도 기판이나 몰리브덴 후면전극에는 영향을 미치지 않는다.
본 발명에서 조사하는 빛은 넓은 파장 범위를 갖는 하나의 광원에서 발생되는 빛일 수도 있지만, 파장 범위가 다른 2이상의 광원에서 발생되는 빛을 함께 조사할 수도 있다.
본 발명의 다른 방법으로는, 파장 범위가 다른 2 이상의 빛을 순차적으로 조사할 수도 있으며, 이 경우에 침투력이 높은 장파장 범위의 빛을 먼저 조사하고 침투력이 약한 단파장 범위의 빛을 나중에 조사하는 것이 바람직하다.
특히, 비진공법으로 전구체 물질이 포함된 잉크를 도포하고 빛을 조사하는 경우에 있어서, 장파장의 빛을 먼저 조사하면 도포된 잉크의 하부에서부터 순차적으로 황동광계 화합물 박막이 형성되기 때문에, 잔류 카본을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (9)
- 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법으로서,
황동광계 화합물의 전구체를 포함하는 박막을 형성하는 단계; 및
상기 박막에 빛을 조사하는 단계를 포함하며,
상기 황동광계 화합물의 전구체가 빛 에너지를 흡수하여 결정화가 진행되는 것을 특징으로 하는 황동광계 광흡수층의 형성방법.
- 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법으로서,
황동광계 화합물을 구성하는 원소들을 동시에 증발시켜서 황동광계 전구체 박막을 형성하는 단계; 및
상기 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사하는 단계를 포함하며,
상기 황동광계 전구체 박막이 빛 에너지를 흡수하여 결정화가 진행되는 것을 특징으로 하는 황동광계 광흡수층의 형성방법.
- 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법으로서,
스퍼터링에 의해서 황동광계 전구체 박막을 형성하는 단계; 및
상기 황동광계 전구체 박막에 빛을 조사하는 단계를 포함하며,
상기 황동광계 전구체 박막이 빛 에너지를 흡수하여 결정화가 진행되는 것을 특징으로 하는 황동광계 광흡수층의 형성방법.
- 황동광계 태양전지의 광흡수층을 형성하는 방법으로서,
비진공 상태에서 황동광계 화합물의 전구체를 포함하는 용액 또는 슬러리를 도포하는 단계; 및
상기 도포된 용액 또는 슬러리에 빛을 조사하는 단계를 포함하며,
상기 황동광계 화합물의 전구체가 빛 에너지를 흡수하여 결정화가 진행되는 것을 특징으로 하는 황동광계 광흡수층의 형성방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중에 어느 한 항에 있어서,
상기 빛을 조사하는 단계에서 파장 범위가 다른 2이상 빛을 동시에 조사하는 것을 특징으로 하는 황동광계 광흡수층의 형성방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중에 어느 한 항에 있어서,
상기 빛을 조사하는 단계가 파장 범위가 다른 2이상 빛을 순차적으로 조사하는 것을 특징으로 하는 황동광계 광흡수층의 형성방법.
- 청구항 6에 있어서,
상대적으로 파장이 긴 빛부터 순차적으로 조사하는 것을 특징으로 하는 황동광계 광흡수층의 형성방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중에 어느 한 항에 있어서,
상기 빛을 조사하는 단계에서 적외선에서 자외선에 이르는 파장범위을 갖는 하나의 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 황동광계 광흡수층의 형성방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중에 어느 한 항에 있어서,
상기 빛을 조사하는 단계가 Se 또는 H2Se 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 황동광계 광흡수층의 형성방법.
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