KR20150047661A - 양극산화 템플릿을 이용한 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
양극산화 플레이트를 이용하여 제조되는 3차원 구조의 광흡수층을 포함하는 태양전지 제조방법이 개시된다. 하부구조의 후면전극층 상에 알루미늄을 적층한 후 양극산화를 통해 다수개의 나노홀 또는 다수개의 나노기둥을 가지는 템플릿을 형성한다. 템플릿의 다수개의 나노홀 또는 다수개의 나노기둥에 CZTS 전구체물질을 충전시킨 후 템플릿을 제거하여 전구체박막을 형성한다. 전구체박막을 황화 또는 셀렌화 분위기에서 열처리하여 3차원 구조의 광흡수층을 형성한다. 나아가, 열처리를 수행하기 전에 양극산화 중에 후면전극층 상에 형성된 산화물을 제거한 후 상술한 열처리를 수행할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극산화된 템플릿을 이용하여 형성되는 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
최근 실리콘 기반 태양전지를 대체할 차세대 Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 물질 기반 태양전지 소자가 높은 효율과 열적 안성정을 기반으로 양산화 단계에 접어들었다. 이러한 Cu(In,Ga)Se2(CIGS)를 적용한 태양전지는 높은 광흡수계수, 직접천이형 밴드갭에너지, 그리고 화학적, 열적 안정성 뿐만 아니라 20%가 넘는 높은 광전 변환효율을 가지는 장점이 있다.
그러나 CIGS를 기반으로 하는 태양전지는 In과 Ga의 높은 가격과 Se의 독성으로 인하여 대량생산은 쉽지 않을 것으로 예상된다.
최근 이를 대체하기 위하여 In과 Ga을 Zn과 Sn으로 대체할 Cu2ZnSnS4(CZTS)를 기반으로 하는 태양전지가 많이 연구되고 있다. CZTS는 CIGS와 비슷한 결정구조와 광학적 특성을 가지고 있기 때문에 광전 변환효율이 그와 유사하다면 Si 기반의 태양전지에 대하여 가격 경쟁력을 가질 수 있을 것이다.
그러한 맥락에서, 새로운 원소 도핑, 광흡수층에 대한 결함 분석, 새로운 버퍼, TCO 물질 개발 등과 같이 새로운 연구와 시도가 있었다.
그러나 CZTS 기반 태양전지의 변환 효율을 더 높여야 할 필요가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 발명은 나노기둥 형태를 포함하는 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법을 제공하며, 이 방법은: (a) 하부구조 상에 Al층 또는 Al을 포함하는 금속층을 형성하는 단계; (b) 상기 Al층 또는 Al을 포함하는 금속층을 양극산화하여 다수개의 홀 또는 다수개의 기둥을 가지는 템플릿을 형성하는 단계; (c) 광흡수층을 위한 전구체물질을 상기 템플릿에 충진하여 상기 다수개의 홀 내부에 충진되거나 상기 다수개의 기둥을 둘러싸는 광흡수층을 위한 전구체막을 형성하는 단계; (d) 상기 템플릿을 제거하는 단계; 및 (e) 상기 광흡수층을 위한 전구체막을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 광흡수층은 CZTS(Cu, Zn, Sn, 및 S 또는 Se) 기반 물질을 포함한다.
상기 하부구조는 투명 기판과 상기 투명 기판 상에 형성된 후면전극층을 포함하고, 상기 후면전극층은 Mo를 포함하는 금속으로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 단계 (d)와 (e) 사이에 상기 후면전극층의 표면의 산화물을 제거하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면 양극산화 플레이트 방식의 템플릿을 이용하여 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지를 용이하게 제조할 수 있다. 이러한 3차원 구조의 광흡수층은 p-n정션이 확대되어 많은 전하 전송자가 생성될 수 있고, 그에 따라 변환효율이 증대된다. 또한 본 발명에서는 나노 홀 또는 나노기둥 형태와 같이 다양한 구조의 템플릿과 그를 통해 제조되는 3차원 구조의 광흡수층을 제공한다. 나아가 템플릿 제조를 위한 산화과정에서 생성되는 후면전극층 상의 산화물을 제거하기 때문에, 변환효율이 높은 고품질의 태양전지의 제조가 가능하다.
도 1a 내지 1h는 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2a 및 2d는 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2a 및 2d는 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1a 내지 1h는 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도면을 참조하여, 본 발명의 제1실시예는 CZTS 나노기둥 형태를 제조하여 3차원 구조를 구현한다.
먼저 하부구조를 준비한다. 하부구조(10)는 예를 들어 기판(11)과 기판(11) 상에 형성된 후면전극층(12)을 포함할 수 있다. 이는 예를 들어 SLG(soda line glass)로된 기판(11) 상에 후면전극층(12)으로서 1,000nm의 Mo 박막을, 예를 들어 DC 스퍼터링으로 형성하는 것으로 구현될 수 있다.
이어, 도 1a에 도시한 바와 같이, 하부구조(10) 상에 다수개의 나노사이즈의 홀(이하, '나노홀'이라고도 칭함)을 가지는 템플릿(310)을 형성한다. 이를 위해, 하부구조(10) 상에 소정두께로 Al박막을 형성한 후 산소 분위기에서 산화시킴으로써 다수개의 나노홀(311)을 가지는 템플릿(310)을 제작할 수 있다. Al박막의 증착은 다양한 방식이 적용될 수 있는데, 예를 들어 증착(evaporation)를 이용할 수 있다.
이러한 템플릿(310)은 AAO(anodizing aluminum oxide) 플레이트이며, 2개의 금속층으로 적층된 박막을 산소분위기에서 산화시키면 Al의 특정 결정 방향에 따라 에칭이 이루어져서 도 1a에 도시된 바와 같이 다수개의 나노홀(311)이 형성된다. 이러한 다수개의 나노홀(311) 각각은 바닥면에 하부구조(10)의 상부인 후면전극층(12)의 상면을 노출하도록 형성된다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 템플릿(310)에 광흡수층을 위한 전구체물질을 충전하여 광흡수층을 위한 전구체박막(200)을 형성한다. 본 발명에 채용되는 이러한 전구체박막은 CZTS(Cu, Zn, Sn, 및 S 또는 Se)을 포함하는 전구체 용액을 제조하여 스핀 코팅이나 전착법(electrodeposition)을 이용하여 템플릿(310)의 나노홀(311)에 충진되도록 한다.
이후, 도 1c에 도시한 바와 같이, 템플릿(310)을 제거한다. 본 실시예에서 템플릿(310)은 Al2O3로서 산을 이용하여 제거할 수 있다.
도 1d에 도시한 바와 같이, 황화 또는 셀렌화 분위기에 나노기둥 형태의 전구체박막(200)을 열처리하여 광흡수층(20)으로 형성한다. 이러한 나노기둥 형태의 CZTS 광흡수층(20)은 3차원 구조를 가지기 때문에, 평면적인 구조에 비해 p-n 정션 영역을 대폭적으로 증가된다. 그에 따라 더 많은 전하전송자를 생성하게 되어 태양전지의 변환효율을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, CZTS 전구체박막(200)을 황화 또는 셀렌화 분위기에서 열처리하여 광흡수층(20)로 합성하기 전에 후면전극층(12)인 Mo의 표면에 형성된 MoO와 같은 산화물(121)을 제거하는 단계를 먼저 실시할 수 있다. 이러한 MoO층은, 도 1e에 도시한 바와 같이, 주로 Al박막을 산화시켜서 템플릿(310)을 제조할 때에 생성되는 부도체층으로서 향후 CZTS 나노 구조물이 되었을 때 p-n 정션에 의해서 만들어진 전자와 정공이 양쪽 전극으로 끌려가는 것을 방해하여 태양전지의 변환 효율을 감소시킬 수 있다.
따라서, 바람직하게는 상술한 도 1d의 열처리 전에 산화물(121)인 MoO층을 제거한다(도 1f). MoO층의 제거는 예를 들어 일정 농도의 암모니아 용액을 이용하여 에칭함으로써 제거할 수 있다.
이와 같이 산화물(121)을 제거한 후에, 도 1g와 같이 나노기둥 형태의 CZTS 전구체박막(200)을 황화 또는 셀렌화 분위기에서 열처리하여 광흡수층(20)로 합성한다.
이후, 광흡수층(20)과 후면전극층(12)을 포함하는 전면에 버퍼층, 윈도우층, 및 전극을 형성할 수 있다. 이를테면, 화학 수조 증착법을 이용하여 약 50nm의 CdS층을 형성한 다음에, 스퍼터링으로 약 70nm의 i-ZnO, 그리고 Al doped ZnO와 상부 전극인 Al를 증착한다.
이상과 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 제조 방법은 3차원 구조의 광흡수층을 형성함으로써 3차원 구조의 모든 영역에서 p-n 정션이 형성되어 평면형의 기존 p-n 정션 보다 더 많은 전하 전송자가 생성될 수 있다.
이하에서는 제2실시예에 따른 본 발명의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법에 대해 설명한다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
제2실시예에서 채용되는 템플릿(320)은 다수개의 나노기둥을 포함한다. 이러한 나노기둥 형태는 제1실시예와 마찬가지로 Mo로 형성된 후면전극층(12) 상에 Al박막을 적층한 후 양극산화를 통해 다수개의 나노기둥 구조를 남기고 나머지를 제거하는 방식으로 형성할 수 있다(도 2a).
이어, 도 2b와 같이, 템플릿(320)에 광흡수층을 위한 전구체물질을 충진시켜서 CZTS 전구체박막(400)을 형성한다. 이때, 전구체박막(400)은 템플릿(320)의 다수개의 나노기둥이 노출되는 높이까지 형성하도록 한다.
도 2c와 같이, 템플릿(320)을 제거한다. 제1실시예에서 템플릿(320)의 제거는 다수개의 나노기둥(321)을 제거함으로써 구현될 수 있다. 상술한 바와 같이 다수개의 나노기둥(321)의 상부가 전구체박막(400)의 상면으로 노출되어 있으며, Al2O3인 나노기둥을 산을 이용하여 선택적으로 제거할 수 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 나노기둥(321)이 제거된 부위에는 구멍(41)이 생성되고, 그에 따라 전구체박막(400)이 3차원 구조를 갖게 된다.
도 2d와 같이, CZTS 전구체박막(400)을 황화 또는 셀렌화 분위기에서 열처리하여 광흡수층(40)을 형성한다.
또한 제2실시예에서도 도 2d의 열처리 단계 이전에 후면전극층(12)에 형성된 산화물(121)인 MoO층을 제거하는 단계를 더 진행할 수 있다. 그 후에 전구체박막(400)을 열처리하여 광흡수층(40)으로 형성한 후, 제1실시예에서 설명한 바와 같은 태양전지를 위한 제1실시예에서 설명한 바와 같은 상부구조를 형성하면 된다.
지금까지 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
10: 하부구조
11: 기판
12: 후면전극층 20, 40: 광흡수층
121: 산화물 200, 400: 전구체박막
310, 320: 템플릿 311: 나노홀
321: 나노기둥
12: 후면전극층 20, 40: 광흡수층
121: 산화물 200, 400: 전구체박막
310, 320: 템플릿 311: 나노홀
321: 나노기둥
Claims (4)
- (a) 하부구조 상에 Al층 또는 Al을 포함하는 금속층을 형성하는 단계;
(b) 상기 Al층 또는 Al을 포함하는 금속층을 양극산화하여 다수개의 홀 또는 다수개의 기둥을 가지는 템플릿을 형성하는 단계;
(c) 광흡수층을 위한 전구체물질을 상기 템플릿에 충진하여 상기 다수개의 홀 내부에 충진되거나 상기 다수개의 기둥을 둘러싸는 광흡수층을 위한 전구체막을 형성하는 단계;
(d) 상기 템플릿을 제거하는 단계; 및
(e) 상기 광흡수층을 위한 전구체막을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계;를 포함하는,
3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 광흡수층은 CZTS(Cu, Zn, Sn, 및 S 또는 Se) 기반 물질을 포함하는 것인,
3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 하부구조는 투명 기판과 상기 투명 기판 상에 형성된 후면전극층을 포함하고,
상기 후면전극층은 Mo를 포함하는 금속으로 형성된 것인,
3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 단계 (d)와 (e) 사이에 상기 후면전극층의 표면의 산화물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것인,
3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020130126536A KR101562435B1 (ko) | 2013-10-23 | 2013-10-23 | 양극산화 템플릿을 이용한 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130126536A KR101562435B1 (ko) | 2013-10-23 | 2013-10-23 | 양극산화 템플릿을 이용한 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조 방법 |
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| KR101562435B1 KR101562435B1 (ko) | 2015-10-22 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101686342B1 (ko) * | 2015-09-01 | 2016-12-14 | 연세대학교 산학협력단 | 반투명 페로브스카이트 태양전지 및 제조 방법 |
| CN111099553A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-05-05 | 湘潭大学 | 一种钛酸铋钠纳米管阵列及其制备方法和应用 |
| US11081762B2 (en) | 2017-06-27 | 2021-08-03 | Lg Chem, Ltd. | Electrode assembly and lithium secondary battery including the same |
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2013
- 2013-10-23 KR KR1020130126536A patent/KR101562435B1/ko active IP Right Grant
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