KR20140135296A - 화합물 박막 태양전지용 후면 전극 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화합물 박막 태양전지용 후면 전극 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지를 개시한다. 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지용 후면 전극은, 화합물 박막 태양전지의 후면 전극에 있어서, 상기 후면 전극은, 기판상에 적층 형성되며, 결정 입자(grain)의 직경이 10㎚ ~ 50㎚의 범위를 가진 금속 화합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 화합물 박막 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화합물 박막 태양전지에 적용되는 후면 전극을 개선하여 내굴곡성을 향상시켜 내구성이 향상된 화합물 박막 태양전지용 후면 전극 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목되고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 발전과, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(Photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, '태양전지'라 한다)를 일컫는다.
이러한 태양전지는 원료 물질에 따라 크게 다결정(poly crystal) 및 단결정(single crystal) 실리콘 태양전지 또는 비정질 실리콘 태양전지와 같은 실리콘계 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 분류된다.
이 중 화합물 반도체 태양전지의 하나로서 CIGS계 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 등의 원소로 이루어지는 광흡수 계수가 높은 광흡수층을 유리(glass) 등의 기판상에 증착하여 전기에너지를 생산하게 되는 태양전지로서, 두께가 얇은 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하며, 또한 전기, 광학적 안정성이 우수하여 매우 이상적인 광흡수층을 형성할 수 있어 저가, 고효율의 태양전지 재료로 많은 연구가 이루어지고 있다.
한편, 최근에는 화합물 반도체 태양전지를 얇은 박막 형태로 제조할 수 있게 됨으로써, 유연성을 갖는 고분자 폴리머(polymer) 소재의 기판을 이용하여 플랙시블한 박막형 태양전지에 대한 연구가 증가하고 있다.
이러한 플랙시블 특성을 가진 태양전지의 경우, 반복적인 구부림이 유발되는 사용 환경에 놓이기 때문에 플랙시블 기판상에 적층된 금속층이 굴곡되었을 때 크랙의 발생이나 박리와 같은 불량이 발생될 수 있기 때문에 높은 내굴곡성이 요구되고 있다. 이에 따라, 본 발명이 속한 기술분야에서는 내굴곡성이 우수하면서도 광 변환 효율이 향상된 화합물 박막 태양전지의 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 화합물 박막 태양전지에 적용되는 후면 전극을 개선하여 내굴곡성을 향상시켜 태양전지의 내구성과 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 화합물 박막 태양전지용 후면 전극 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지용 후면 전극은, 화합물 박막 태양전지의 후면 전극에 있어서, 상기 후면 전극은, 기판상에 적층 형성되며, 결정 입자(grain)의 직경이 10㎚ ~ 50㎚의 범위를 가진 금속 화합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 후면 전극은 두께가 200㎚ ~ 1000㎚이다.
바람직하게, 상기 후면 전극은 평균 조도(Rz)가 5㎚ ~ 15㎚이다.
바람직하게, 상기 후면 전극은 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 형성된다.
바람직하게, 상기 후면 전극은 Mo, Ni, Co, Au, Pt, Pd, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W 중 선택된 하나의 금속 또는 둘 이상의 합금이다.
상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지용 후면 전극을 포함하는 화합물 박막 태양전지에 의해 달성될 수 있다. 이 경우, 상기 후면 전극 상에 적층 형성된 광 흡수층, 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극을 더 포함하는 Si계, CI(G)S계, CI(G)SS계, CdTe계 또는 GaAs계 중 선택된 어느 하나의 화합물 박막 태양전지일 수 있다.
본 발명에 따르면, 화합물 박막 태양전지의 후면 전극을 개선함으로써, 내굴곡성이 향상된 화합물 박막 태양전지를 제공할 수 있다. 이러한 화합물 박막 태양전지는 내굴곡성을 향상시킬 수 있음으로 화합물 박막 태양전지의 내구성이 우수하고 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 후술되는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 화합물 박막 태양전지용 후면 전극의 구성을 도시한 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 화합물 박막 태양전지용 후면 전극의 구성을 도시한 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 화합물 박막 태양전지용 후면 전극의 구성을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지는 기판(100), 후면 전극(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 윈도우층(500) 및 전면 전극(600)이 순차적으로 적층되어 형성된다.
본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지는 Si계, CI(G)S계, CdTe계 또는 GaAs계의 화합물로 이루어진 실리콘계열 태양전지, CIGS계 태양전지, 염료 감응형 태양전지 또는 유기 태양전지일 수 있으며, 두께가 얇은 박막의 태양전지이면서 플랙시블한 특성을 갖는 태양전지이다.
상기 기판(100)은 플랙시블한 특성을 갖도록 폴리이미드(polyimide)를 이용한 폴리머 기판이 이용될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 폴리머 기판 이외에도 태양전지의 적층 구조의 기초가 될 수 있는 유리 또는 금속 기판이 사용될 수 있음은 자명하다. 예컨대, 절연성을 갖는 유리 기판으로 소다라임(sodalime) 유리를 이용한 기판이 사용되거나, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸(STS), 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 후면 전극(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(100)상에 적층 형성된다.
본 발명에서, 상기 후면 전극(200)은 결정 입자(grain)의 직경이 10㎚ ~ 50㎚의 범위를 가진 금속 화합물로 이루어진다. 이와 함께, 후면 전극(200)은 두께가 200㎚ ~ 1000㎚이고, 표면의 평균 조도(Rz)가 5㎚ ~ 15㎚인 것이 바람직하다. 이는 후면 전극(200)을 이루는 금속 화합물의 결정 입자가 10㎚ 미만일 경우 태양전지의 굴곡시 후면 전극(200)과 기판(100) 간의 접합부에 크랙이 발생될 수 있기 때문에 바람직하지 못하며, 금속 화합물의 결정 입자가 50㎚를 초과하게 될 경우 태양전지의 유연성이 저하되며 제품의 단가 상승 및 생산성이 악화될 뿐만 아니라 표면의 평균조도(Rz)가 커져 후면 전극(200) 상에 적층되는 광 흡수층(300)의 균일한 성막이 어려워짐에 따라 태양전지의 효율이 악화되기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 후면 전극(200)의 두께가 200㎚ 미만일 경우 후면 전극(200)의 면저항이 증가되기 때문에 바람직하지 못하고, 또한, 후면 전극(200)의 두께가 증가할 경우 면저항이 낮아질 수는 있으나, 1000㎚를 초과하게 될 경우 태양전지의 유연성이 저하되며 열팽창 계수 차이에 의해 후면 전극(200)과 광 흡수층(300)의 계면 사이의 분리 현상과 접촉저항의 증가로 인해 태양전지 효율이 악화되기 때문에 바람직하지 못하다.
이와 같이, 후면 전극(200)을 결정 입자(grain)의 직경이 10㎚ ~ 50㎚의 범위를 가진 금속 화합물로 형성하고, 그 두께를 200㎚ ~ 1000㎚의 범위로, 표면의 평균 조도(Rz)를 5㎚ ~ 15㎚의 범위를 가질 수 있도록 형성함에 따라 박막 태양전지의 내굴곡성 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 후면 전극(200)의 산소 투과율을 0.1㏄/㎡.day ~ 0.2㏄/㎡.day의 범위로, 두께를 200㎚ ~ 1000㎚의 범위로, 면저항을 0.2Ω／sq ~ 1.0Ω／sq의 범위로 가질 수 있도록 형성함에 따라 박막 태양전지의 내굴곡성 및 내구성을 유지하면서 내부에서 발생되는 전류의 흐름을 원활히 하여 박막 태양전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이러한 후면 전극(200)은 Mo, Ni, Co, Au, Pt, Pd, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W 중 선택된 하나의 금속 또는 둘 이상의 합금을 소스 물질로 한 스퍼터링(sputtering)법에 의해 상기 기판(100)상에 증착됨으로써 형성될 수 있다. 이 중, Mo(몰리브덴)은 도전성을 갖는 금속층으로서 높은 전기전도성과 광 흡수층(300)과의 오믹 접촉(ohmic contact) 및 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 고온 안정성을 가지기 때문에 후면 전극(200)으로 주로 사용될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시키기 위한 것으로서, Si계, CI(G)S계, CI(G)SS계, CdTe계 또는 GaAs계의 재질을 스퍼터링법, 도금법, 증발법(evaporation) 또는 프린팅(printing)법을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 광 흡수층(300)의 형성 재질에 따라 태양전지의 종류가 실리콘계열 태양전지, CIGS계 태양전지, 염료 감응형 태양전지 또는 유기 태양전지 중 하나로 결정되게 된다.
상기 버퍼층(400)은 p형 반도체층인 상기 광 흡수층(300)과 pn접합되는 n형의 반도체 층으로서, ZnS 또는 CdS을 CBD(chemical bath deposition)이나 CSD(chemical surface deposition)법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 윈도우층(500)은 투명한 전극층으로서, ZnO, AZO, SnO2, ITO 중 어느 하나를 스퍼터링법을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 윈도우층(500)의 상면에는 전하를 효과적으로 포집하기 위해서 알루미늄이나 니켈과 같은 금속 재질로 이루어진 금속층인 전면 전극(600)이 형성된다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
및
비교예
아래의 표 1에는 본 발명에 따른 화합물 박막 태양전지용 후면 전극을 이루는 금속 화합물의 결정 입자의 직경과, 성막 두께 및 표면의 평균 조도의 바람직한 실시예(1 ~ 5)와 이에 대비되는 비교예(1 ~ 4)에 대해 MIT 내절성 시험과 에너지 변환 효율을 측정하였고, 그 결과를 나타내었다.
| 기판 | 후면 전극 | 시험 평가 | ||||||
| 종류 | 두께 (㎛) |
금속 | 두께 (㎚) |
결정입자 (㎚) |
표면조도 (㎚) |
MIT 내절성 (횟수) |
발전효율 (%) |
|
| 실시예1 | PI | 50 | Mo | 200 | 14.9 | 5.1 | 283 | 13.1 |
| 실시예2 | PI | 50 | Mo | 400 | 23.3 | 8.7 | 332 | 14.3 |
| 실시예3 | PI | 50 | Mo | 600 | 31.3 | 10.7 | 659 | 14.0 |
| 실시예4 | PI | 50 | Mo | 800 | 40.7 | 11.9 | 976 | 13.6 |
| 실시예5 | PI | 50 | Mo | 1000 | 48.1 | 14.2 | 1348 | 13.3 |
| 비교예1 | PI | 50 | Mo | 1200 | 55.5 | 16.4 | 1542 | 12.1 |
| 비교예2 | PI | 50 | Mo | 1400 | 64.6 | 18.5 | 1677 | 11.8 |
| 비교예3 | PI | 50 | Mo | 100 | 9.35 | 4.8 | 154 | 10.4 |
| 비교예4 | PI | 50 | Mo | 50 | 8.25 | 4.3 | 73 | 8.2 |
본 발명의 실시예(1 ~ 5)과 비교예(1 ~ 4)에서는 50㎛ 두께의 폴리이미드 기판을 준비하였다. 이어서, 준비된 폴리이미드 기판을 스퍼터링 챔버에 위치시키고, 타겟 물질로 몰리브덴(Mo)으로 하여 상기 표 1의 두께, 결정입자, 표면조도를 가진 후면 전극을 형성시켰다. 여기서, 후면 전극의 두께 측정은 KLA Tencor사의 Alpha-step IQ를 이용하여 측정하였고, 결정입자의 직경 측정은 Philips사의 X'pert Pro MPD XRD를 이용하여 측정하였고, 표면의 평균조도(Rz)는 Park Systems사의 XE-100 AFM을 이용하여 측정하였다.
실시예와
비교예의
MIT
내절성
시험 및 에너지 변환 효율 시험
상기 실시예(1 ~ 5)과 비교예(1 ~ 4)에 따른 후면 전극을 갖는 폴리이미드 기판 시료들에 대하여, JIS C 5016 기준에 의하여 MIT 내절성 시험기(Sangyo사의 Model BE-202)를 이용하여 폴리이미드 기판 시료가 파단할 때까지의 횟수를 측정하였다. 그 결과는 상기 표 1에 나타내었다.
또한, 상기 실시예(1 ~ 5)과 비교예(1 ~ 4)에 따른 후면 전극을 갖는 폴리이미드 기판 시료들에 CIGS계의 재질의 광 흡수층을 형성하여 에너지 변환 효율 시험을 위한 시료의 제작을 완료하였다. 이렇게 제작된 시료들에 대하여, Wacom사의 WPSS-1.5×1.2-50×4, AM1.5G Solar Simulator를 이용하여 발전 효율을 측정하였다. 그 결과는 상기 표 1에 나타내었다.
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예1 ~ 5에서는 MIT 내절성 시험의 판단 기준인 200회 이상을 모두 만족하였고, 발전 효율에 있어서도 13% 이상으로 양호한 것을 알 수 있다.
반면, 비교예1 ~ 2에서는 후면 전극의 두께가 1200㎚와 1400㎚이고, 결정입자의 직경이 55.5㎚와 64.6㎚로 MIT 내절성 시험에서 양호한 결과를 보이고 있으나, 표면의 평균조도(Rz)가 16.4㎚와 18.5㎚로 광 흡수층의 균일한 증착이 어렵게 되어 태양전지의 발전 효율이 본 발명의 실시예보다 떨어진다는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예3 ~ 4에서는 후면 전극의 두께가 100㎚와 50㎚이고, 결정입자의 직경이 9.35㎚와 8.25㎚로 MIT 내절성 시험에서 200회 이하에서 불량이 발생하였고, 태양전지의 발전 효율에 있어서도 10.4% 이하의 낮은 발전 효율을 가진다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 화합물 박막 태양전지용 후면 전극에 대한 두께, 결정입자의 직경 및 표면의 평균조도를 최적화함으로써 내굴곡성과 내구성이 유지되어 화합물 박막 태양전지의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 기판 200 : 후면 전극
300 : 광 흡수층 400 : 버퍼층
500 : 윈도우층 600 : 전면 전극
300 : 광 흡수층 400 : 버퍼층
500 : 윈도우층 600 : 전면 전극
Claims (8)
- 화합물 박막 태양전지의 후면 전극에 있어서,
상기 후면 전극은,
기판상에 적층 형성되며, 결정 입자(grain)의 직경이 10㎚ ~ 50㎚의 범위를 가진 금속 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지용 후면 전극. - 제1항에 있어서,
상기 후면 전극은 두께가 200㎚ ~ 1000㎚인 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지용 후면 전극. - 제1항에 있어서,
상기 후면 전극은 평균 조도(Rz)가 5㎚ ~ 15㎚인 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지용 후면 전극. - 제1항에 있어서,
상기 후면 전극은 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지용 후면 전극. - 제1항에 있어서,
상기 후면 전극은 Mo, Ni, Co, Au, Pt, Pd, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W 중 선택된 하나의 금속 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지용 후면 전극. - 제1항 내지 제5항 중 어느 하나에 따른 화합물 박막 태양전지용 후면 전극을 포함하는 화합물 박막 태양전지.
- 제6항에 있어서,
상기 후면 전극 상에 적층 형성된 광 흡수층, 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지. - 제6항에 있어서,
상기 화합물 박막 태양전지는 Si계, CI(G)S계, CI(G)SS계, CdTe계 또는 GaAs계 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화합물 박막 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130054858A KR20140135296A (ko) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 화합물 박막 태양전지용 후면 전극 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130054858A KR20140135296A (ko) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 화합물 박막 태양전지용 후면 전극 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140135296A true KR20140135296A (ko) | 2014-11-26 |
Family
ID=52456082
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130054858A KR20140135296A (ko) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 화합물 박막 태양전지용 후면 전극 및 이를 포함하는 화합물 박막 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20140135296A (ko) |
-
2013
- 2013-05-15 KR KR1020130054858A patent/KR20140135296A/ko not_active Application Discontinuation
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