KR20170126352A - 반투명 cigs 태양전지 및 이의 제조방법 및 이를 구비하는 건물일체형 태양광 발전 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반투명 특성을 가지면서도 효율이 우수한 CIGS 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 기술을 제공하며, 본 발명의 일실시예에 따른 반투명 CIGS 태양전지는 투명전도성 기판, 투명전도성 기판 상에 형성되고 밴드갭이 광흡수층 보다 높은 AgGaS2 중간층, 중간층 상에 400nm 이하의 두께로 형성되고 밴드갭이 1.5 eV 이상인 CIGS계 광흡수층을 포함하며, 광흡수층 상에 순차적으로 버퍼층, 투명전도층, 전면전극이 적층된 구조를 갖으며, 후면전극으로 투명 반도체 산화물을 사용하고 밴드갭이 1.5 eV 이상으로 높은 CIGS 광흡수층을 사용함에 따라 가시광선 영역의 일부 광을 투과시켜 반투명 특성을 가지면서도 투명전도성 기판과 광흡수층의 사이에 밴드갭이 큰 중간층을 포함함에 따라 태양전지의 투명성과 효율을 동시에 향상시키는 효과를 갖는다.

Description

반투명 CIGS 태양전지 및 이의 제조방법 및 이를 구비하는 건물일체형 태양광 발전 모듈{Semi-transparent CIGS solar cells and method of manufacture the same and BIPV module comprising the same}
본 발명은 반투명 CIGS 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명전도성 물질이 코팅된 기판을 후면전극으로 사용하고 CIGS계 광흡수층의 밴드갭(1.5eV 이상) 및 두께(400nm 이하)를 조절하여 가시광선 영역에서의 투과도가 20% 이상이면서도 후면전극과 광흡수층의 사이에 광흡수층 보다 밴드갭이 큰 중간층을 개재하여 효율이 우수한 반투명 CIGS 태양전지 및 이의 제조방법 및 이를 구비하는 건물일체형 태양광 발전(BIPV) 모듈에 관한 기술을 제공한다.
태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 친환경적인 미래 에너지원으로 크게 주목받고 있다. 태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 전기를 생산하는데, 구체적으로 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN 접합 구조를 하고 있으며, 이러한 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN 접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공은 P형 반도체 쪽으로 이동하고 상기 전자는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생된다.
일반적으로 태양전지는 실리콘 태양전지와 박막 태양전지로 구분할 수 있는데, 실리콘 태양전지는 실리콘과 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 CIGS계 화합물을 박막의 형태로 형성하여 제조한 것이다. 실리콘 기판 태양전지의 경우 높은 광전변환 효율을 나타내나 제조단가를 절감하기 곤란한 문제점이 있었으며, 이에 실리콘 기판 태양전지 대비 1/100 수준의 얇은 두께로 제조되어 단가가 훨씬 저렴한 박막 태양전지의 효율을 향상시키고자 하는 연구가 끊임없이 진행되어 왔다.
한편, 태양전지의 다양한 응용분야 중 태양전지를 건축용 외장재나 창호 등에 적용하는 건물일체형 태양광 발전(Building Integrated Photovoltaic, BIPV) 모듈에 대한 관심이 고조되고 있으며, 이를 구현하기 위해서는 태양전지의 저비용화 및 고효율 특성뿐만 아니라 높은 광투과성이 필수적으로 요구된다.
그러나 가장 일반적인 CIGS 박막 태양전지는 소다석회 유리(soda-lime glass, SLG)에 후면전극으로서 몰리브덴을 코팅하고, CIGS 화합물 반도체를 포함하는 광흡수층을 형성한 뒤, CdS를 포함하는 버퍼층, Al:ZnO를 포함하는 투명전도층 및 전면전극을 순차적으로 형성하여 제조되는데, 이는 불투명한 몰리브덴 전극을 후면전극으로 사용함에 따라 몰리브덴의 뒷면으로부터 입사되는 광의 투과를 차단하기 때문에 일부 태양광이 태양전지에 투과되지 않기 때문에 창호용 등 양면 투과성이 요구되는 분야에 적용하기 곤란하였다.
관련하여 대한민국 등록특허 제10-1071698호(염료감응태양전지 및 이를 이용한 건물일체형 태양광 발전시스템, 이하 종래기술 1이라고 한다.)는 반도체전극과 상대전극이 대향하도록 반도체전극 기판과 상대전극 기판이 결합되고, 반도체 전극과 상대전극 사이의 공간에 전해질이 충진 되어있으며, 반도체전극 기판은 복수 개로 분리되어 상대전극 기판에 결합된 염료감응태양전지 및 이를 이용하여 건물일체형 태양광 발전시스템에 관한 기술을 개시한 바 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1541357호(저가 용액공정 기반의 창호용 박막 태양전지 및 이의 제조방법, 이하 종래기술 2라고 한다.)는 투명전도성 기판, 광흡수층, 버퍼층, 윈도우층, 전극을 포함하는 태양전지에 있어서, 광흡수층은 용액공정법에 의해 1000nm 이하의 두께로 형성되며 1.5eV 이상의 밴드갭을 가지며, 가시광선 영역(600-750nm)에서 투과도가 10 내지 20%인 창호용 박막 태양전지에 관한 기술을 개시한 바 있다.
KR 10-1071698 KR 10-1541357
종래기술 1과 같은 염료감응형 태양전지는 광 투과성이 우수하고, 다양한 염료를 사용하여 색상의 도입이 가능할 수 있다는 점에 있어서 창호용 BIPV로서 가장 적합한 태양전지로 알려져 있으나, 이는 태양전지의 상업화에 필수적인 요소인 안정성 문제를 극복하지 못하고 있으며, 액체 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지의 경우 전해질의 누수 및 휘발에 따른 유해성 및 효율저하의 문제점이 있었다.
또한, 종래기술 2는 창호용 CIGS 태양전지를 구현하기 위하여, 밴드갭이 1.5eV 이상인 CIGS계 광흡수층을 포함하여 태양전지의 투과도를 향상시키는 기술에 관하여 개시하고 있으나, 광흡수층의 두께가 얇을 경우(400nm 이하)에는 광전변환 효율이 1%대로 다소 열악하며, 광흡수층의 두께가 800 내지 1200nm일 경우에는 효율은 향상되나 두께가 두꺼워 투과도가 20% 이하로 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 두께 400nm 이하의 광흡수층을 가지고, 후면전극으로서 투명전도성 기판을 사용하여 400 내지 800nm 영역에서 투과도가 20% 이상이면서도 효율이 우수한 반투명 CIGS 태양전지에 관한 기술을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 상기와 같은 특성을 가지는 CIGS 태양전지에 관한 기술을 제공함으로써 건물일체형 태양광 모듈의 효율 향상 및 상용화에 기여하는 것을 또 다른 일목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 투명전도성 기판, 투명전도성 기판 위에 형성되고, 광흡수층 보다 큰 값의 밴드갭을 가지는 중간층, 중간층 위에 형성되는 밴드갭 1.5 eV 이상의 CIGS계 광흡수층, 광흡수층 위에 형성되 버퍼층, 버퍼층 위에 형성된 투명전도층, 투명전도층 위에 형성되는 전면전극을 포함하는 반투명 CIGS 태양전지에 관한 기술을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 중간층은 AgGaS2 및 CuGaS2로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 중간층은 Ag 또는 Cu중에서 선택된 1종과 Ga를 포함하는 박막층을 형성한 뒤, 이를 황화 처리하여 형성된 것임을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 광흡수층의 두께는 400nm 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 반투명 CIGS 태양전지는 400 내지 800nm에서 평균 광 투과도가 20% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 투명전도성 기판은 ITO, FTO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al, Ga-ZnO), IGZO(In, Ga-ZnO), AZTO(Al, Zn-SnO)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 투명 전도성 물질이 일면에 코팅된 유리일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 반투명 CIGS 태양전지를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 반투명 CIGS 태양전지는 투명전도성 기판을 준비하는 제1단계, 투명전도성 기판 위에 두께 40 내지 100nm의 중간층을 형성하는 제2단계, 중간층 위에 밴드갭이 1.5eV 이상이고 두께가 400nm 이하인 CIGS계 광흡수층을 형성하는 제3단계, 광흡수층 위에 버퍼층을 형성하는 제4단계, 버퍼층 위에 투명전도층을 형성하는 제5단계, 투명전도층 위에 전면전극을 형성하는 제6단계를 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제2단계의 중간층은 열증발법, 진공증발법, 스퍼터링법, 전기증착법, 나노입자증착법 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 Ag 또는 Cu중에서 선택된 1종과 Ga를 포함하는 박막층을 형성하는 단계 및 박막층을 황화수소를 포함하는 기체분위기 하에서 열처리하는 방법 또는 진공증발법으로 황화 처리하는 단계를 포함하여 형성되는 것 일수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제1단계에서 투명전도성 기판은, ITO, FTO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al, Ga-ZnO), IGZO(In, Ga-ZnO), AZTO(Al, Zn-SnO)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 투명 전도성 물질이 일면에 코팅된 유리일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제3단계에서 광흡수층은 CIGS 화합물 내의 Ga/(In+Ga) 원소 비율을 조절하여 1.5eV 이상의 값을 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 밴드갭이 1.6eV 이상인 중간층을 포함하는 반투명 CIGS 태양전지를 구비하는 건물일체형 태양광 발전(BIPV) 모듈에 관한 기술을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 후면전극으로 투명전도성 물질이 코팅된 유리 기판을 사용하여 양면 투과가 가능하고, 이에 따라 건물일체형 태양광 발전 모듈로 응용이 가능할 수 있다는 제1효과, 본 발명의 태양전지는 밴드갭이 1.5eV 이상이면서 두께가 400nm이하로 얇은 CIGS계 광흡수층을 포함함에 따라 20% 이상의 높은 투과도를 갖는다는 제2효과, 후면전극과 광흡수층의 사이에 밴드갭이 1.6eV이상으로 광흡수층 대비 높은 중간층을 포함하여 태양전지의 광전변환 효율 및 투과도를 동시에 향상시킬 수 있다는 제3효과를 갖는다.
본 발명은 가시광선 영역에서 CIGS 태양전지의 투과도를 향상시키기 위해 밴드갭이 1.5eV(일반적인 CIGS 광흡수층의 밴드갭은 1.2eV 정도) 이상이고 두께가 400nm이하인 광흡수층을 포함하는데, 일반적으로 밴드갭이 증가하면 태양전지의 효율특성은 저하되나 본 발명은 후면전극(투명전도성 기판)과 광흡수층의 사이에 밴드갭이 큰 중간층을 추가하여 투과도와 효율을 동시에 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 반투명 CIGS 태양전지의 단면도이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 반투명 CIGS 태양전지의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 중간층을 포함하는 태양전지의 이해를 돕기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 반투명 CIGS 태양전지의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 및 비교예의 성능 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 및 비교예의 광 투과도 분석 그래프 및 투명성을 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지(O45)의 전압-전류 곡선을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면 및 실험예를 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 반투명 CIGS 태양전지에 있어서, 일면에 투명전도성 물질이 코팅된 투명전도성 기판(100), 투명전도성 기판 위에 형성되고 광흡수층 보다 큰 값의 밴드갭을 가지는 중간층(200), 중간층 위에 형성된 CIGS계 광흡수층(300), 광흡수층 위에 형성된 버퍼층(400), 버퍼층 위에 형성된 투명전도층(500), 투명전도층 위에 형성되는 전면전극(600)을 포함하며, 몰리브덴 대신 후면전극으로서 투명전도성 기판을 사용함에 따라 종래 CIGS 태양전지 대비 투과도가 향상된 반투명 CIGS 태양전지에 관한 기술을 제공한다. 이하, 각 구성요소 별로 상술하는 방식으로 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 투명전도성 기판(100)은 ITO, FTO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al, Ga-ZnO), IGZO(In, Ga-ZnO), AZTO(Al, Zn-SnO)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 투명 전도성 물질(120)이 일면에 코팅된 유리(110)를 사용할 수 있다. 보다 바람직하게 투명전도성 기판(100)은 안정성 및 전기전도성이 우수한 ITO(120)가 코팅된 소다석회 유리(110)일 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아님을 명시하며, 유리 기판의 일면에 코팅되는 투명 전도성 물질 또한 전술한 반도체 산화물에 한정되지 않음을 명시한다.
본 발명의 광흡수층(300)은 CIGS계 화합물을 포함하며, 구체적으로는 밴드갭이 1.5eV 이상이고, 두께 400nm 이하의 CIGS계 박막일 수 있다. 전술한 바와 같이 본 발명의 목적은 반투명 특성을 가지는 CIGS 태양전지를 구현하는 것이며, 이를 가능하게 하기 위하여 광흡수층에 형성되는 CIGS계 박막이 가시광성 영역의 광을 일부 투과시킬 수 있도록 상기와 같은 밴드갭(1.5eV 이상) 및 두께(400nm 이하)를 제안한다.
본 발명에서 광흡수층은 CIGS계 화합물(3원계 화합물 반도체인 CIS계 화합물도 포함하는 것으로 한다.)이 적용되며 이는 IB-IIIA-VIA족 원소를 기본으로 할 수 있다. 구체적으로는 Cu-In-Ga-Se 등의 4원계 화합물 반도체, Cu-In-Ga-Se-(S, Se), Cu-In-Al-Ga-(S,Se), Cu-In-Al-Ga-Se-S 등의 5 내지 6원계 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 그러나 CIGS계 화합물이 상기에 나열된 화합물 반도체로 제한되는 것은 아니며, 가시광선 영역의 광을 일부 투과시킬 수 있도록 밴드갭이 1.5eV 이상으로 높으면서도 광기전력이 우수한 CIGS계 화합물 반도체이면 상기에서 나열된 화합물이 아니어도 가능할 수 있음을 명시한다. 또한, 본 발명에서 CIGS계 화합물은 3원계 화합물을 포함하는 것으로 하며, 일례로 CuInSe2는 밴드갭이 1.04eV로 본 발명에서 제안하는 밴드갭에 비해 낮으나 In의 일부를 Ga로 대체할수록 밴드갭이 증가하며, In을 Ga로 완전히 대치하면 약 1.6eV의 밴드갭을 가질 수 있으며, 이를 광흡수층으로 적용할 수도 있다.
본 발명에서 광흡수층에 적용되는 CIGS계 화합물의 밴드갭은 화합물 내의 Ga/(In+Ga) 원소 비율을 조절하여 1.5eV 이상의 값을 가질 수 있다. CIGS계 화합물 박막의 두께가 동일한 경우, 화합물 내 Ga의 비율이 증가할수록 CIGS계 화합물 반도체의 밴드갭은 증가한다. 일례로 광흡수층은 광기전력이 우수한 Cu-In-Ga-Se 화합물 반도체 일 수 있으며, Cu-In-Ga-Se 화합물의 Ga/(In+Ga) 원소 비율이 0.76 이상일 때, Cu-In-Ga-Se 화합물 반도체의 밴드갭은 1.5eV 이상의 값을 가질 수 있다. 이와 같이 CIGS 화합물 내 Ga의 비율이 증가하여 밴드갭이 1.5eV 이상의 값을 가지면 가시광선 영역의 광 투과도 및 투명도가 증가할 수 있으나, 태양전지에서의 광흡수율이 저하되어 태양전지의 효율이 감소하게 된다.
또한, 가장 널리 사용되고 있는 투명전도성 기판인 ITO 기판에 CIGS계 화합물 광흡수층을 성장시키는 경우, 몰리브덴 전극 상에 CIGS계 화합물 박막을 형성하는 것과 대비하였을 때 CIGS 화합물의 결정립 크기가 더 작고 기공이 많아져 전류밀도(Jsc)가 저하되는 것으로 알려져 있다. 또한, 전자와 정공의 재결합에 의한 개방전압(Voc)이 감소하는 문제점, Ga2O3와 같은 불필요한 산화물이 형성되는 문제점 등이 발생한다고 보고된 바 있으며, 이는 태양전지의 효율을 저하시키는 요인이 된다.
이에 본 발명은 투명전도성 기판(100)과 CIGS계 광흡수층(300)의 사이에 상기 광흡수층(300) 보다 높은 밴드갭을 가지는 중간층(200)을 개재하는 구성을 제안한다. 이와 같이 높은 밴드갭으르 가지는 중간층을 투명전도성 기판과 광흡수층의 사이에 개재함에 따라 태양전지의 개방전압이 향상될 수 있으며, ITO와 같은 투명전도성 기판 상에 CIGS계 화합물 박막을 직접 형성하는 경우의 문제점을 해소하여 태양전지의 투과성 및 효율을 동시에 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명에서 중간층(200)은 광흡수층 대비 높은 밴드갭(1.6eV 이상)을 가지며 태양전지의 광학적 특성 및 효율의 동시 향상에 기여할 수 있는 AgGaS2, CuGaS2 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 AgGaS2 중간층은 Ag 및 Ga를 포함하는 박막층을 형성한 뒤 이 박막층을 황화 처리하여 형성될 수 있으며, CuGaS2를 중간층으로 하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있음은 자명하다.
본 발명에서 버퍼층(400)은 p형 반도체인 CIGS계 화합물과 n형 반도체 물질로 형성되는 투명전도층(500) 사이에 밴드갭 차이를 감소시켜 p-n 접합을 용이하게 할 수 있도록 밴드갭이 두 층(광흡수층과 투명전도층)의 중간에 위치하는 물질을 사용할 수 있다. 공지된 CIGS 태양전지의 버퍼층을 사용할 수 있으며, 구체적로는 CdS, CdZnS, ZnS, ZnOS, Zn(OH, S), ZnS(O, OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se, OH), ZnSnO, ZnO, InSe, InOH, In(OH, S), In(OOH, S), In(S, O) 등의 물질을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
본 발명의 투명전도층(500)은 n형 반도체로서 CIGS계 광흡수층(300)과 pn접합을 형성하고, 태양전지로 입사되는 광을 투과시킬 수 있도록 투명하면서도 전도성이 높은 n형 반도체 물질을 사용할 수 있다. 일례로 ITO, ZnO, AZO 등의 투명전도성 물질을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않음을 명시한다.
본 발명의 전면전극(600)은 도면에 도시된 바와 같이 그리드(grid) 형태의 전극을 사용할 수 있으며, 이는 태양광의 투과를 저해하지 않고 투명전도층을 투과하여 광흡수층에 흡수될 수 있도록 하기 위함이며 전면전극의 형태가 그리드 형태로 제한되는 것은 아니다. 전면전극은 태양전지 표면에서 전류를 수집할 수 있도록 Al이나 Ni/Al 등의 금속 소재가 가능할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
또한, 투명전도층(500) 상에 형성된 전면전극(600)의 사이에 광흡수량을 향상시킬 수 있는 반사방지막을 선택적으로 더 포함하는 것도 가능할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖춘 본 발명의 반투명 CIGS 태양전지는 400 내지 800nm의 파장에서 평균 광 투과도가 20% 이상일 수 있으며, 이에 관하여는 후술하는 실험예에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명의 반투명 CIGS 태양전지는 종래 후면전극으로 사용하던 몰리브덴 전극이 코팅된 기판을 투명전도성 기판으로 대체하면서 광이 전면과 후면에서 모두 입사될 수 있으며, 양면 태양광 발전이 가능하다는 이점이 있다. 아울러 본 발명에 따른 반투명 CIGS 태양전지는 BIPV 모듈로서 응용이 가능할 수 있으며, 특히 창호용 BIPV로 적용할 시에는 태양광뿐만 아니라 실내 조명으로부터 발생되는 광도 활용할 수 있다.
나아가 본 발명은 반투명 CIGS 태양전지의 제조방법을 제공하며, 이하에서는 도 4를 참조하여 반투명 CIGS 태양전지의 제조방법을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 반투명 CIGS 태양전지는 투명전도성 기판을 준비하는 제1단계(s100), 투명전도성 기판 위에 두께 40 내지 100nm의 중간층을 형성하는 제2단계(s200), 중간층 위에 밴드갭이 1.5eV 이상이고 두께 400nm 이하인 CIGS계 광흡수층을 형성하는 제3단계(s300), 광흡수층 위에 버퍼층을 형성하는 제4단계(s400), 버퍼층 위에 투명전도층을 형성하는 제5단계(s500), 투명전도층 위에 전면전극을 형성하는 제6단계(s600)를 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 제2단계에서 중간층은 i) 열증발법, 진공증발법, 스퍼터링법, 전기증착법, 나노입자증착법 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 투명전도성 기판 위에 Ag 및 Ga를 포함하는 박막층을 형성하는 단계(s210) 및 ii) 상기 박막층을 황화수소를 포함하는 기체분위기하에서 열처리하는 방법 또는 진공증발법으로 황화 처리하여 AgGaS2 박막을 형성하는 단계(s220)를 포함하여 형성될 수 있으며, 동일한 방법을 적용하여 CuGaS2 박막을 형성할 수 있음은 자명하다.
언급하지 않은 제조단계는 당업에서 공지된 기술을 적용하여 반투명 CIGS 태양전지의 각 층을 형성할 수 있음을 명시한다.
이하 본 발명의 실시예 및 실험예를 기재한다.
[ 실시예 1-3]
CIGS계 광흡수층의 선정
도 4는 광흡수층의 밴드갭에 따른 태양전지의 투명도를 보여주는 사진이다. 이를 참조하면, 광흡수층의 밴드갭이 1.15eV일 경우에는 투과도가 떨어져 다소 불투명한 특성을 나타내나, 밴드갭이 1.5eV 이상일 경우에는 태양전지 하단으로부터 입사되는 빛이 잘 투과되는 것을 볼 수 있다.
광흡수층의 밴드갭은 화합물 반도체의 원소 비율에 따라 달라지는데, 일례로 밴드갭이 1.04eV인 Cu-In-Se화합물 반도체에 Ga를 첨가할수록 밴드갭이 증가하여 In이 Ga로 완전히 대치되는 경우 1.67eV의 밴드갭을 갖는다. 그러나 Cu-Ga-Se 화합물 반도체의 경우, 광전변환 특성이 다소 떨어지며 이에 본 발명의 실시예에서는 반도체 특성이 우수한 In과 태양전지의 투명성을 향상시킬 수 있는 Ga를 모두 포함하는 Cu-In-Ga-Se 4원계 화합물을 광흡수층으로 사용하였다. 이때, Cu-In-Ga-Se 화합물 내 Ga/(In+Ga) 원소 비율을 0.76으로 조절하여 광흡수층의 밴드갭을 1.5eV로 조절하였다.
반투명 CIGS 태양전지의 제조
기판은 소다회 유리(SLG) 기판을 사용하며 후면전극은 ITO를 사용하였다. 스퍼터링 증착법을 통해 소다회 유리 기판의 일면에 ITO를 200nm의 두께로 형성하였다.
ITO 유리 기판 온도 400℃에서 Ag와 Ga의 동시 열증발법에 의해 AgGa 박막층을 형성하였다. 다음으로, 황화수소 기체분위기를 유지하며 400℃에서 5분) 동안 급속 열처리하여 AgGaS2 중간층(밴드갭 약 2.68eV)을 45nm의 두께로 형성하였다.
중간층 위에 Cu, In, Ga, Se를 동시증발법으로 630℃의 온도에서 60분간 증착시켜 CIGS 광흡수층을 380nm 두께로 형성하였다.
다음으로, 광흡수층이 형성된 기판을 티오우레아, 황화카드뮴 및 암모니아를 포함하는 혼합용액에서 15분 동안 침지시키는 CBD(chemical bath deposition) 방법으로 광흡수층 상에 황화카드뮴(CdS) 버퍼층을 60nm 이하의 두께로 형성하였다.
투명전도층으로 Al-dopped ZnO를 사용하며, 스퍼터링 증착법을 통해 버퍼층 상에 Al: ZnO를 350nm 이하의 두께로 형성한 뒤, 전자빔 증착에 의해 0.1㎛ 이하의 두께를 가지는 알루미늄 그리드 전극을 형성함으로써 태양전지(SLG/ITO/AgGaS2/CIGS/CdS/Al:ZnO/Al)의 제조를 완료하였다.
상기와 동일한 조건 및 방법으로 중간층이 각각 90nm, 135nm인 태양전지 또한 제조하였다.
[ 비교예 ]
중간층을 포함하지 않는 태양전지(SLG/ITO/CIGS/CdS/Al:ZnO/Al)를 전술한 실시예와 동일한 조건 및 방법으로 태양전지를 제조하였다.
태양전지의 성능 분석
중간층의 두께를 각각 45nm(O45), 90nm(O90), 135nm(O135)로 달리하여 제조된 태양전지와 중간층을 포함하지 않는 태양전지(Ref)의 성능분석을 실시하였으며, 이의 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 중간층을 포함하는 경우 비교예 대비 개방전압(Voc), 단락전류밀도(Jsc), 충진율(FF) 및 변환효율이 모두 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 태양전지의 개방전압은 중간층의 두께에는 따라서는 큰 차이를 보이지 않으나, 단락전류밀도는 중간층의 두께가 두꺼울수록 증가하는 경향을 보였다.
태양전지의 광 투과도 분석
제조된 태양전지의 광 투과도를 UV-Vis 분광광도계를 이용하여 측정하였으며, 도 6의 (a)에 투과도 그래프를 도시하였다. 또한, 도 6의 (b)는 태양전지의 투명성을 보여주는 사진이다.
먼저, 도 6의 (a)를 참조하면 두께 45nm의 중간층을 갖는 태양전지가 가시광선 영역에서의 광 투과도가 가장 높은 것을 확인할 수 있으며, 이와 같은 특성은 도 6의 (b)에 나타낸 사진과도 일치한다.
상기 실험결과를 종합하였을 때, 중간층의 두께가 40nm 이하일 경우에는 목적하는 투과도를 구현하기에 곤란할 수 있으며, 중간층의 두께가 100nm를 초과하는 경우에는 태양전지의 투과도는 향상되나 광전변환 효율이 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명은 CIGS 태양전지의 광 투과도와 광전변환 효율을 동시에 확보할 수 있도록 중간층의 두께를 40 내지 100nm로 제안한다. 또한, 태양전지의 광 투과도와 광전변환 효율이 동시에 높은 값을 가지는 AGS 중간층의 두께는 45nm이며, 광 투과도 25.50%, 광전변환 효율 5.94%인 것으로 확인되었다. (보다 구체적인 특성은 도 7에 도시한 태양전지의 성능 측정 결과 및 전압-전류 곡선을 참조한다.)
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 투명전도성 기판
110: 유리
120: 투명전도성 물질(후면전극)
200: 중간층
300: 광흡수층
400: 버퍼층
500: 투명전도층
600: 전면전극

Claims (11)

  1. 투명전도성 기판;
    상기 투명전도성 기판 위에 형성되는 중간층;
    상기 중간층 위에 형성되고, 밴드갭이 1.5 eV 이상인 CIGS계 광흡수층;
    상기 광흡수층 위에 형성되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 위에 형성되는 투명전도층;
    상기 투명전도층 위에 형성되는 전면전극; 을 포함하고,
    상기 중간층은 상기 광흡수층 보다 큰 값의 밴드갭을 가지는 것을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층은 AgGaS2 및 CuGaS2로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층은 Ag 및 Ga를 포함하는 박막층을 형성한 뒤, 상기 박막층을 황화 처리하여 형성된 것임을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광흡수층의 두께는 400nm 이하인 것을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반투명 CIGS 태양전지는 400 내지 800nm에서 평균 광 투과도가 20% 이상인 것을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명전도성 기판은 ITO, FTO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al, Ga-ZnO), IGZO(In, Ga-ZnO), AZTO(Al, Zn-SnO)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 투명 전도성 물질이 일면에 코팅된 유리인 것을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지.
  7. 청구항 1 에 따른 반투명 CIGS 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
    투명전도성 기판을 준비하는 제1단계;
    상기 투명전도성 기판 위에 두께 40 내지 100nm의 중간층을 형성하는 제2단계;
    상기 중간층 위에 밴드갭이 1.5 eV 이상이고 두께 400nm 이하인 CIGS계 광흡수층을 형성하는 제3단계;
    상기 광흡수층 위에 버퍼층을 형성하는 제4단계;
    상기 버퍼층 위에 투명전도층을 형성하는 제5단계;
    상기 투명전도층 위에 전면전극을 형성하는 제6단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2단계에서 중간층은,
    i) 열증발법, 진공증발법, 스퍼터링법, 전기증착법, 나노입자증착법 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 투명전도성 기판 위에 Ag 또는 Cu 중에서 선택된 1종과 Ga를 포함하는 박막층을 형성하는 단계;
    ii) 상기 박막층을 황화수소를 포함하는 기체분위기 하에서 열처리하는 방법 또는 진공증발법으로 황화 처리하는 단계;
    를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지의 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1단계에서 투명전도성 기판은, ITO, FTO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al, Ga-ZnO), IGZO(In, Ga-ZnO), AZTO(Al, Zn-SnO)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 투명 전도성 물질이 일면에 코팅된 유리인 것을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지의 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제3단계에서 광흡수층은, CIGS 화합물 내의 Ga/(In+Ga) 원소 비율을 조절하여 1.5 eV 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 반투명 CIGS 태양전지의 제조방법.
  11. 청구항 1에 따른 반투명 CIGS 태양전지를 구비하는 건물일체형 태양광 발전(BIPV) 모듈.
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