KR20190084454A - 플렉시블 박막태양전지용 스테인레스 박판의 절연막 형성방법 및 그에 따라 제조된 태양전지 - Google Patents

플렉시블 박막태양전지용 스테인레스 박판의 절연막 형성방법 및 그에 따라 제조된 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 스테인레스 스틸(ST) 기판을 준비하는 단계; 상기 ST 기판의 표면에 나트륨 성분을 포함하는 용액을 공급하는 단계; 상기 용액을 건조시키는 단계; 및 상기 ST 기판을 열처리하여 상기 ST 기판의 표면에 열산화막을 형성하는 단계를 포함하는 절연막 형성방법 및 이를 이용한 태양전지를 제공한다.

Description

플렉시블 박막태양전지용 스테인레스 박판의 절연막 형성방법 및 그에 따라 제조된 태양전지{Method for Forming Insulating Layer on Stainless Steel Sheet for Flexible Solar Cell and Solar Cell Manufactured Using same}
본 발명의 실시예는 플렉시블 박막태양전지용 스테인레스 박판의 절연막 형성방법 및 그에 따라 제조된 태양전지에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시 예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
플렉시블 박막태양전지의 제조를 위해 사용되는 플렉시블 기판 소재로는 폴리이미드 (PI: Polyimide) 혹은 스테인레스 스틸 박판 (ST)이 대표적이다. 박막태양전지 기술 중 가장 효율이 높은 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)를 비롯하여 범용 원소로 이뤄진 Cu2ZnSnSe2 (CZTS) 등의 광흡수층이 플렉시블 기판에 제조될 경우, 550℃ 이상의 온도에서 기판의 물성이 바뀌지 않아야 한다. 이러한 높은 내열성 요구조건은 PI로는 만족시키기 어렵기 때문에, 고온공정이 필요한 플렉시블 박막태양전지에서는 금속 박판 특히, ST가 사용될 수 있다.
ST 기판소재는 주요 원소로 Fe를 함유하고 있는데, 고온에서 CIGS 혹은 CZTS 광흡수층이 형성될 때, Fe가 기판으로부터 광흡수층 내부로 확산될 수 있다. Fe 불순물은 단락전류, Fill factor, 개방전압을 모두 감소시키는 심각한 불순물로 알려져 있으며, 따라서 고온에서 Fe의 확산이 방지될 수 있는 확산방지막이 필수적이다.
플렉시블 박막태양전지가 ST와 같은 전도성 기판에 제조되는 경우, 태양전지와 기판이 통전되는 문제가 있다. 이는 사용상의 안전 문제뿐만 아니라, 모듈 구성을 어렵게 하므로, 전도성 기판 소재와 태양전지는 절연될 필요가 있다. ST의 절연막으로는 SiO2, Al2O3 등의 물질이 잘 알려져 있으며 이러한 물질을 약 1~3㎛ 두께로 성막시켜 100V 이상의 항복전압이 얻어지고 있다. 하지만, 이러한 방법에서는 절연막 성장을 위한 진공증착장비가 별도로 요구되며, 특히 플렉시블 기판에 증착하는 것이 요구되므로 롤투롤(Roll-to-roll) 증착장비의 구비가 필요하다는 단점이 있다.
본 발명의 실시예는, 플렉시블 박막태양전지용 스테인레스 박판의 절연막 형성방법 및 그에 따라 제조된 태양전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 스테인레스 스틸(ST) 기판을 준비하는 단계; 상기 ST 기판의 표면에 나트륨 성분을 포함하는 용액을 공급하는 단계; 상기 용액을 건조시키는 단계; 및 상기 ST 기판을 열처리하여 상기 ST 기판의 표면에 열산화막을 형성하는 단계를 포함하는 절연막 형성방법을 제공한다.
상기 용액은, 10 wt%의 NaCl을 포함하는 수용액을 사용할 수 있다.
상기 열산화막을 형성하는 단계에서는, 공기 분위기 하에서 700 내지 750℃에서 2 내지 4시간 정도 상기 ST 기판을 가열한다.
또한, 상기 용액을 공급하는 단계 이전에, 상기 ST 기판을 가열하는 단계를 더 포함한다.
상기 열산화막을 형성하는 단계 이후에, 광흡수층을 형성하는 단계를 더 포함하되 상기 열산화막으로부터 나트륨 이온이 상기 광흡수층에 확산되도록 상기 광흡수층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 광흡수층의 형성 과정에서 상기 열산화막에 포함된 나트륨 성분이 이동되어 상기 광흡수층의 면 방향의 위치에 따라 균일한 농도분포를 갖는 나트륨 성분이 포함된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기의 절연막 형성방법을 사용하여 방법으로 제조된 태양전지를 제공한다.
본 발명은, ST 기판 소재의 열산화에 의한 절연막 생성이 가능하므로 별도의 증착장비가 필요하지 않게 되는 효과가 있다.
또한, ST 기판 소재를 NaCl로 전처리한 후에 열산화되도록 함으로서 열산화 온도를 낮추어 ST 기판의 손상을 방지하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 높은 항복전압을 갖는 열산화막이 생성되는 효과가 있다.
또한, 본 실시예에 따른 열산화막 형성 후에 광흡수층이 형성되는 경우에는, 광흡수층이 포함하는 나트륨 성분의 양과 그 균일도가 매우 효과적으로 제어될 수 있고, 따라서 확산층의 깊이에 따라 부분적으로 과도하거나 너무 적은 양의 나트륨성분 확산의 우려 없이 원하는 만큼 확산층 전체적으로 충분히 나트륨 성분 공급이 가능하므로, 결과적으로 효율이 극대화된 태양전지 제조가 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열산화막 형성방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 열산화 온도에 따른 ST 기판 표면의 형상을 나타낸 도면이다.
도 4는 CZTS/Mo/기판 구조로 제조된 광흡수층 박막에 대하여 이차이온질량분석기(SIMS; Secondary Ion Mass Spectroscopy)를 이용하여 깊이방향 조성프로파일이 측정된 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에서의 방법에 따라 ST 기판에 NaCl 표면처리한 후 생성된 열산화막의 표면사진과, ST 기판 표면에 대한 NaCl 처리 없이 생성된 종래의 ST 기판 열산화막의 표면 사진을 비교한 도면이다.
도 6은 ST 기판이 NaCl 표면처리가 되었는지 여부에 따른 라만 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 7은 ST 기판이 염수(염화나트륨 수용액) 전처리 되지 않은 경우의 열산화막 절연 항복전압 측정결과와, ST 기판이 염수 전처리 된 경우의 열산화막 절연 항복전압 측정결과를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양전지는 기판(10), 열산화막(15), 배면전극(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40), 전면전극(50), 반사방지막(60) 및 보조전극(70)을 포함한다. 실시예에 따라서는 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 더 포함하여 태양전지가 구현될 수도 있다.
기판(10)은 스테인리스 스틸(ST) 박판 등 금속성 기판이 사용될 수 있다.
열산화막(15)은 ST 기판(10) 상에 형성된다. 여기서, 열산화막은 절연막의 일종으로서, 본 실시예의 설명에서 열산화막이라는 용어를 절연막이라는 용어와 혼용하여 사용될 수 있으나, 이는 모두 같은 의미로 사용된 것임을 유의한다.
도 2는 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열산화막 형성방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열산화막 형성방법을 설명한다.
먼저, 나트륨 성분을 포함하는 용액이 제조되고 이 용액이 스프레이 건에 주입되는 단계(S10)를 거친다.
본 실시예에서, 나트륨 성분을 포함하는 용액으로는 염화나트륨 수용액이 이용될 수 있으나, 염화나트륨 수용액 이외에도 황화나트륨 수용액, 불화나트륨 수용액, 셀렌화나트륨 수용액 등과 같이 물이나 알코올에 용해되어 나트륨 성분을 포함하는 용액이라면 어떤 것이든 이용될 수 있다.
염화나트륨 수용액은 10 wt%의 NaCl 및 탈이온수(Deionized water) 수용액으로 제조될 수 있다.
염화나트륨 수용액이 준비되면, 가열된 핫플레이트에 ST 기판(10)이 거치되도록 한다(S20). 이때, 가열온도는 대략 150℃ 이상이 적당하나, 물을 신속하게 증발시킬 수 있는 온도 범위 내에서는 150℃ 이외의 온도로도 변동 가능하다.
가열된 핫플레이트에 ST 기판(10)이 거치된 후에, ST 기판(10) 표면에 염화나트륨 수용액이 공급되도록 한다(S30).
가열된 플레이트에 미리 ST 기판(10)을 올려놓는 후에 ST 기판(10) 표면에 염화나트륨 수용액이 공급되도록 하는 방법 이외에도, 나트륨 수용액을 ST 기판(10) 표면에 뿌린 후에 ST 기판(10)을 플레이트에 올려놓고 가열하여 건조시키는 방법도 가능하지만, 나트륨 수용액을 ST 기판(10) 표면에 뿌린 후에 상태에서 ST 기판(10)을 가열하게 되면 ST 기판(10) 표면에서 나트륨 수용액 방울이 뭉치기 때문에 건조 후 불균일한 NaCl 분포를 가지게 된다. 따라서, 가열된 ST 기판(10)에 나트륨 수용액을 뿌리는 방법을 사용하게 되면, 분무된 수용액 입자가 ST 기판(10) 표면에 닿는 즉시 건조되므로 수용액 액체방울이 뭉치는 현상을 방지할 수 있다.
S30 단계에서, ST 기판(10)로부터 직상부 방향으로 약 40cm 정도 떨어진 위치에서 ST 기판(10)을 향하여 염화나트륨 수용액이 담긴 스프레이 건이 분사되도록 한다. 이때, 사용되는 스프레이 건은 시중에서 구할 수 있는 소형 제품도 무방하나, 더 바람직하게는 초음파 분무된 염화나트륨 증기를 사용한다. 또한, 스프레이 건의 거리는 샘플의 크기에 따라 적절히 조절하여 ST 기판(10)의 면방향으로 균일한 도포가 이뤄질 수 있도록 한다.
분사된 염화나트륨 수용액은 가열된 ST 기판(10)의 표면에서 흡착 즉시 건조되어 NaCl 입자만 남기는 단계(S40)를 거친다. 과도하게 많은 수용액 분무량 혹은 느린 건조속도 등은 ST 기판(10) 표면에서 수용액의 응집을 일으켜 불균일한 NaCl 도포가 유발될 수 있으므로, 적절한 수용액 분무량 및 건조속도가 필요하다.
수용액의 분무는 약 10~40초 연속적으로 이루어진다. 하지만, 이러한 분무 시간은 절대적인 값은 아니며, 건조속도 및 분무량 등 다른 조건에 종속되므로 열산화막의 성능에 따라 조절될 수 있다.
S40 단계가 완료되면, 미세한 NaCl 입자가 ST 기판(10)의 표면에 도포되므로 육안 혹은 광학 현미경으로는 확인되기 어렵다.
S40 단계 이후에는, 미세한 NaCl 입자가 도포된 ST 기판(10)은 공기 분위기를 가진 전기로에 장입되도록 한 후, 예컨대, 약 750℃에서 2시간 유지한다(S50).
도 3은 열산화 온도에 따른 ST 기판 표면의 형상을 나타낸 도면이다.
설정된 온도에서 설정된 시간 동안 공기 중에서 열산화시킨 경우, 도 3의 사진에는 잘 나타나지 않으나, 광택이 있는 붉은색 계열의 박막이 형성된다.
도 3에 나타낸 바와 같이 750℃에서 6시간 산화시킨 경우(MF09), 약 3㎛ 두께의 박막(열산화막)이 형성된다. 더 높은 온도에서 처리한 ST 기판(MF13)은 이보다 두꺼운 박막이 형성된 것으로 예측할 수 있다. 다만, 800℃ 이상에서 열산화 처리된 ST 기판(MF11)은 그 일부가 변형될 수 있으며, 850℃에서 열산화 처리한 ST 기판(MF12)에는 심각한 변형이 발생할 수 있다. 이와 같이, ST 기판의 열산화 온도는 780℃ 이하로 설정되는 것이 바람직하다.
참고로, 도 3에서 MF19-1로 명명된 샘플의 경우, 150℃로 설정된 핫플레이트 위에가 ST 기판(10)이 가열된 상태에서, 10wt% NaCl 수용액을 10회 정도 스프레이 분사시킨 후 실시간으로 건조시킨 것이다. 이 과정에서 NaCl 분말이 ST 기판(10) 표면에 골고루 분포된다. 750℃에서 6시간의 열산화 후 짙은 회색의 열산화막이 형성되며, NaCl 처리되지 않은 MF09와는 그 색상에서도 뚜렷한 차이를 보인다.
위에서 나타낸 바와 같이, 전기로에서 열처리하는 온도는 대략 700~750℃가 바람직하며 열처리 시간은 2~6시간이 적절하다. 하지만, 원하는 열산화막 성능에 따라 위의 온도 및 시간 범위를 벗어날 수도 있으나, 800℃ 이상의 열처리 온도에서는 ST 기판(10)에 변형이 올 우려가 있으므로 열처리 온도는 780℃ 이하가 바람직하다.
상기의 S50 단계에서는, ST 기판(10) 위에 약 3㎛ 두께의 열산화막(15)이 형성된다.
참고로, 형성되는 열산화막(15)의 두께는 염화나트륨 수용액의 농도 또는 스프레이 건으로 수용액을 분무하는 횟수에 따라 달라질 수 있으므로, 수용액의 농도 및/또는 분무횟수를 조절함으로써 형성되는 열산화막(15)의 두께가 제어될 수 있다.
열산화막(15)이 형성된 후에는 열산화막(15) 표면에 배면전극(20)이 형성된다(S60).
배면전극(20)은 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 등으로 형성될 수 있다.
배면전극(20)이 형성될 시, 몰리브덴, 니켈 또는 구리 등의 재료를 이용하여 스퍼터링 등의 방법을 통해 대략 1㎛ 두께로 단일층/복합층의 배면전극(20)이 형성될 수 있다.
또한, 배면전극(20)의 상측에는 전면전극(50)이 형성될 수 있으며, 전면전극(50)은 광투과율이 높은 물질로 형성될 수 있다.
배면전극(20) 형성 단계가 완료되면 광흡수층(30)이 형성된다(S70).
배면전극(20)과 전면전극(50) 사이에 개재되는 광흡수층(30)은 광을 흡수하여 광전효과를 통해 전기를 생성한다. 이러한 광흡수층(30)에는 구리, 인듐 및 셀레늄이 포함될 수 있다(CuInSe2).
광흡수층(30)이 형성되는 경우 CuInSe2의 인듐의 일부가 갈륨으로 치환되어, 광흡수층(30)이 갈륨을 더 포함할 수도 있다(Cu(InxGa1-x)Se2). 더 나아가 필요에 따라서는 Cu(InxGa1-x)Se2의 셀레늄의 일부가 황으로 치환되어, 광흡수층(30)이 황을 더 포함할 수도 있다(Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2).
또한, 인듐의 일부가 갈륨으로 치환되지 않은 상태에서 셀레늄의 일부가 황으로 치환될 수도 있다. 이와 같이 광흡수층(30)이 구리, 인듐 및 셀레늄을 포함하거나, 그 외에 갈륨을 더 포함하거나(Cu(InxGa1-x)Se2), 더 나아가 황을 더 포함하거나(Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2), 구리, 인듐, 셀레늄 및 황을 포함하는 경우, 이러한 광흡수층(30)을 통칭하여 CIGS라고 할 수 있다.
또한, 광흡수층(30) 물질로는 CIGS에 한정되지 않고 Cu2ZnSnSe2(CZTS) 등 다양한 물질이 사용될 수 있다.
예컨대, 광흡수층(30)이 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 포함하도록 형성되는 것에 대해 설명하면 다음과 같다. 먼저, 셀레늄 분위기 하에서 인듐과 갈륨만을 증발공급함으로써 대략 350℃로 가열된 기판에 (In,Ga)2Se3 박막을 형성하는 1단계와, 기판 온도를 대략 550℃로 높인 상태에서 구리를 공급함으로써 Cu(In,Ga)Se2 화합물박막 형성반응이 일어나도록 하는 2단계와, 기판온도를 유지한 상태에서 인듐과 갈륨만을 증발공급하여 전체적인 박막의 조성에 있어서 Cu/(In+Ga)이 0.85 내지 0.95가 되도록 하는 3단계를 거치는, 동시증발법(co-evaporation) 3 스테이지 프로세스(3 stage process)를 거쳐 광흡수층(30)이 형성될 수 있다.
이와 같이 광흡수층(30)을 형성하는 과정에서, 열산화막(15)에 포함된 Na이 광흡수층(30)으로 확산될 수 있다.
도 4는 CZTS/Mo/기판 구조로 제조된 광흡수층 박막에 대하여 이차이온질량분석기(SIMS; Secondary Ion Mass Spectroscopy)를 이용하여 깊이방향 조성프로파일이 측정된 결과를 도시한 도면이다.
도 4의 (a)는 ST 기판(10)에 염화나트륨 수용액을 이용하여 Fe2O3 열산화막(15)이 형성된 경우를 나타낸 도면이고, 도 4의 (b)는 유리기판에 의해 확산층에 Na 성분이 확산된 경우를 나타낸 도면이다.
도 4의 (a) 및 (b)에서, 깊이(Depth)가 0인 곳은 광흡수층(30)에서 전면전극(50) 방향의 표면을 의미하고, 도 4에서 깊이가 2,000nm를 넘는 부분이 광흡수층(30)에서 배면전극(20) 방향의 표면을 의미한다.
도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, Na의 분포는 광흡수층(30)의 배면전극(20) 방향 표면으로부터 광흡수층(30)의 중앙부에 이르는 위치까지는 그 농도가 완만하게 점점 상승하고, 광흡수층(30)의 중앙부 근처로부터 광흡수층(30)의 전면전극(50) 방향 표면에 이르는 위치까지는 그 농도가 완만하게 점점 감소함을 알 수 있다.
특히, 광흡수층(30) 내에서 배면전극(20) 방향의 방향 표면의 나트륨 성분의 농도 대비 광흡수층(30)의 깊이 방향의 중앙부에 이르는 위치의 나트륨 성분의 농도가 대략 5배 이내 정도로서 비교적 완만하게 상승하는 것을 알 수 있다. 다만, 이는 하나의 예시일 뿐 광흡수층 제조공정에 따라 광흡수층(30)의 깊이 방향의 농도 변화는 달라질 수 있다.
또한, 광흡수층(30)의 깊이 방향의 중앙부로부터 전면전극(50) 방향으로도 비교적 완만하게 나트륨 성분의 농도가 감소하는 것을 알 수가 있다.
하지만, 도 4의 (b)의 경우에는, Na의 분량이 도 4의 (a)보다 적을 뿐만 아니라, 광흡수층(30)의 깊이에 따른 Na 성분의 농도 변화도 상대적으로 매우 큼을 알 수 있다.
또한, ST 기판(10)이 아닌 종래의 유리기판을 사용하는 경우, 유리기판 내에 Na이 많이 포함되어 있지만, 유리 제조공법상 Na의 분포는 유리기판 상의 표면 위치에 따라 매우 불균일하다. 하지만 본 실시예에서는 나트륨 수용액을 ST 기판(10)의 표면에 분무함으로써 Na을 기판 표면에 골고루 분포시키는 방식이므로, ST 기판(10)의 표면에 균일한 두께의 Na 성분이 형성되고, ST 기판(10)의 표면을 따라 균일한 Na 공급이 가능하다는 장점을 갖는다. 즉, 열산화막(15)에 포함된 나트륨 성분이 광흡수층(30)의 형성 과정에서 광흡수층(30)으로 이동되어 광흡수층(30)의 면 방향의 위치에 따라 균일한 농도분포를 갖는 나트륨 성분이 포함되도록 광흡수층(30)이 형성된다.
또한, 광흡수층(30)에 필요한 적정량의 Na을 광흡수층 제조공정과 무관하게 광흡수층(30) 내로 확산시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
이러한 본 실시예에 따른 태양전지의 경우, 광흡수층(30)에 포함된 나트륨 성분이 종래에 비해 농도가 커지므로 그 효율이 종래의 태양전지의 효율보다 획기적으로 높아지게 된다. 또한, 그 제조공정이 매우 용이해져, 효율이 높으면서도 제조비용이 저렴한 태양전지가 구현될 수 있다.
광흡수층(30) 형성이 완료된 후에는, 필요에 따라 다양한 단계로서, 버퍼층(40), 전면전극(50), 반사방지막(60) 및 보조전극(70) 형성이 진행될 수 있다(S80).
예컨대, 광흡수층(30)을 사이에 두고 배면전극(20)에 대향하는 전면전극(50)이 형성되는 단계가 수행될 수 있다. 전면전극(50)은 ZnO, ITO, IZO, 또는 In2O3 등과 같은 광투과율이 높은 물질로 형성될 수 있는데, 단층은 물론 다층구조로 형성될 수 있다. 필요에 따라서는 알루미늄이나 보론 등으로 도핑되어 그 저항이 낮추어지기도 한다. 이러한 전면전극은 스퍼터링 등의 방법으로 형성될 수 있다.
광투과율이 높은 전면전극(50)을 형성하기 위해 ZnO, ITO(Indium-Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), 또는 In2O3 등이 이용될 수 있는데, 단층은 물론 다층구조를 가질 수도 있다. 이러한 전면전극(50) 상에는 전류를 수집하기 위한 보조전극(70)이 형성될 수 있는데, 이러한 보조전극(70)은 예컨대 그리드와 같은 형상일 수 있다. 도 1에서는 이와 같은 그리드 형상의 보조전극(70) 중 일부만 도시된 것이다. 이러한 보조전극(70)은 알루미늄 및/또는 니켈 등으로 형성될 수 있는데, 보조전극(70)이 그리드 형상으로 전면전극(50) 상에 배치되기 때문에, 전면전극(50)을 통해 광이 광흡수층(30)에 도달할 수 있게 된다.
광흡수층(30)과 전면전극(50) 사이의 격자상수와 에너지밴드갭의 차이가 크기 때문에, 광흡수층(30)과 전면전극(50) 사이의 양호한 전기적 접합을 위해 밴드갭이 광흡수층(30)과 전면전극(50)의 중간에 위치하는 버퍼층(40)을 형성하는 단계를 전면전극(50) 형성단계 이전에 수행될 수도 있다. 이러한 경우 버퍼층(40)으로 황화카드뮴층이 이용될 수 있는데, 화학적 용액 성장법(CBD; Chemical Bath Deposition)을 통해 대략 50㎛ 두께로 형성될 수 있다. 물론 이 외에도 버퍼층(40)으로 InxSey 등이 이용될 수도 있다.
전면전극(50)에 입사하는 광 중 일부는 전면전극(50)의 표면에서 반사될 수도 있으며 이에 따라 태양전지의 효율이 저하될 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 전면전극(50)의 적어도 일부를 덮는 반사방지막(60)이 배치될 수도 있다. 이러한 반사방지막(60)은 마그네슘플루오라이드 등으로 형성될 수 있다.
전면전극(50)이 형성된 후에도 필요에 따라 전류를 수집하기 위한 보조전극(70)이 전면전극(50) 상에 형성되는 단계를 수행할 수도 있다. 이러한 보조전극(70)은 예컨대 그리드와 같은 형상일 수 있다. 이러한 보조전극(70)은 알루미늄 및/또는 니켈 등으로 형성될 수 있는데, 보조전극(70)이 그리드 형상으로 전면전극(50) 상에 배치되기 때문에, 전면전극(50)을 통해 광이 광흡수층(30)에 도달할 수 있게 된다.
참고로, 본 실시예에서 생성된 열산화막(15)은 Fe2O3이며, 열산화막(15)이 Fe2O3인지 여부는 라만(Raman) 스펙트럼을 이용하여 확인될 수 있다.
ST 기판을 사용하는 경우, 그 절연막으로서 SiO2, Al2O3 등이 알려져 있으며 1~3㎛ 두께로 이 절연막을 생성하면 100V 이상의 항복 전압을 얻는다. 하지만, 이 경우 절연막 성장을 위한 진공증착장비가 별도로 요구되며, 특히 플렉시블 기판에 증착해야 하므로 롤투롤(roll-to-roll) 증착장비의 구비가 필요하다는 단점이 있다.
간단한 열처리 공정으로 ST 기판에 절연막이 형성되는 경우 ST 기판에는 Fe3O4의 열산화막이 형성된다.
도 5는 본 실시예에서의 방법에 따라 ST 기판에 NaCl 표면처리한 후 생성된 열산화막의 표면사진과, ST 기판 표면에 대한 NaCl 처리 없이 생성된 종래의 ST 기판 열산화막의 표면 사진을 비교한 도면이며, 도 6은 ST 기판이 NaCl 표면처리가 되었는지 여부에 따른 라만 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, NaCl 처리되지 않은 ST 기판과 NaCl 처리된 ST 기판 등 두가지 기판의 열산화막에 대한 라만 스펙트럼을 참조하면, NaCl 처리되지 않은 ST 기판의 열산화막은 Fe3O4로 구성되며 NaCl 처리된 ST 기판의 열산화막은 Fe2O3로 구성됨이 확인된다.
도 7은 ST 기판이 염수(염화나트륨 수용액) 전처리 되지 않은 경우의 열산화막 절연 항복전압 측정결과와, ST 기판이 염수 전처리 된 경우의 열산화막 절연 항복전압 측정결과를 도시한 도면이다.
도 7에서, 열산화막 위에 지름 3 mm의 Ag 컨택 전극을 형성시켜 Ag/열산화막/ST의 캐패시터 구조로 제조하고, Ag와 ST 전극에 전압을 인가하여 급격한 전류사태가 일어나는 지점을 절연항복전압으로 정의하였다.
도 7에 도시한 바와 같이, NaCl 처리되지 않은 ST 기판(도 3의 MF09)의 Fe3O4 열산화막은 1.9 MV/m의 낮은 항복전압을 가지는 반면, 염수에 의해 NaCl 처리된 ST 기판(도 3의 MF19-1)의 Fe2O3 열산화막은 이보다 약 30배 이상 높은 54.3 MV/m의 항복전압을 나타낸다. 열산화막의 두께가 3㎛ 정도임을 고려하면, NaCl 처리된 Fe2O3 열산화막은 163V 정도의 높은 절연전압을 가짐을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 방법으로 형성된 Fe2O3 열산화막의 경우에는 제조 공정이 간단하면서도 매우 높은 항복 전압을 얻는 효과가 있다.
또한, 열산화막은 ST 기판(10)에 함유된 Fe가 광흡수층(30) 형성과정에서 광흡수층(30) 내부로 확산되는 것을 방지하는 역할도 한다.
이와 같이 태양전지를 제조하게 되면 광흡수층(30)이 나트륨 성분을 포함하게 되어, 이에 따라 태양전지의 효율이 획기적으로 향상될 수 있다. 구체적으로 설명하면, 광흡수층(30)이 나트륨 성분을 포함하게 되면 태양전지의 효율이 향상된다는 것은 알려져 있으나, 광흡수층(30)이 포함하는 나트륨 성분의 양과 그 균일도에 따라 태양전지의 효율이 급격하게 변한다는 문제점이 있다.
도 4를 참조하면서 이에 대해서 다시 설명하면, 종래의 방법은 나트륨 함량이 광흡수층(30)의 깊이에 따라 상대적으로 균일하지 않으므로, 전체적으로 일정량의 나트륨 성분을 광흡수층(30)에 확산시킨다고 하더라도 그 깊이에 따라 부분적으로는 과도한 나트륨 함량을 가지게 되고 또 어떤 깊이에서는 너무 적은 나트륨 성분을 가지게 됨으로써, 균일성이 매우 낮은 나트륨 성분 확산 정도로 인해 태양전지의 효율을 떨어뜨리게 된다.
따라서, 나트륨 성분의 깊이에 따른 확산 균일도는 매우 중요하며, 본 실시예에 따르면 나트륨 성분의 깊이에 따른 확산이 상대적으로 균일하므로 원하는 양의 나트륨을 확산시키기에 매우 용이하게 되는 효과가 있다.
본 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 따르면 광흡수층(30)이 포함하는 나트륨 성분의 양과 그 균일도가 매우 효과적으로 제어될 수 있고, 따라서 확산층의 깊이에 따라 부분적으로 과도하거나 너무 적은 양의 나트륨성분 확산의 우려 없이 원하는 만큼 확산층 전체적으로 충분히 나트륨 성분 공급이 가능하므로, 결과적으로 효율이 극대화된 태양전지 제조가 가능하게 되는 효과가 있다.
그리고, 본 실시예에서는, Na이 함유되지 않은 기판인 ST 기판(10)을 사용하므로, 단순한 방법으로 광흡수층(30)에 Na을 공급할 수 있게 된다.
한편, 광흡수층(30)이 나트륨 성분을 포함하도록 하는 방법으로는 상술한 것과 같은 본 실시예에 따른 태양전지 제조방법 외에도, (i) 배면전극(20) 상에 NaF나 Na2Se와 같은 나트륨을 포함하는 나트륨 전구체를 증착한 후 광흡수층(30)을 형성하거나, (ii) 광흡수층(30)을 형성하는 도중 NaF나 Na2Se와 같은 나트륨을 포함하는 나트륨 전구체를 동시에 증발 공급하거나, (iii) 광흡수층(30)을 형성한 후 광흡수층(30) 상에 나트륨 전구체를 증착한 후 열처리를 통해 나트륨 성분이 광흡수층(30)으로 확산되도록 하는 것이 고려될 수도 있다.
하지만, (i)의 경우 나트륨 전구체의 두께가 얇으면 광흡수층(30) 내의 나트륨 성분의 함량이 충분하지 못하게 되는 반면 나트륨 전구체의 두께가 두꺼우면 광흡수층(30)과 배면전극(20) 사이의 밀착력이 현저히 저하될 수 있고, 나트륨 전구체 층착두께가 일정하다 하더라도 광흡수층(30) 형성시의 온도가 가변함에 따라 광흡수층(30) 내로 확산되는 나트륨의 양이 달라질 수 있으며, (ii) 의 경우 광흡수층(30) 자체를 형성하기 위한 Cu, In, Ga, Se 등의 증발장치 외에 NaF 등을 추가로 증발시키기 위한 장치가 더 필요하므로 제조장치가 복잡해지고, 특히 필요한 NaF의 양이 다른 성분의 양보다 극히 적기 때문에 NaF를 증발시키는 양을 매우 정밀하게 제어해야 하는 어려움이 있으며, (iii)의 경우 나트륨 전구체를 증발시켜 박막을 형성할 수 있는 고가의 진공장비가 별도로 필요하다는 문제점이 있다.
이와 달리 본 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 따르면, 염화나트륨 수용액을 스프레이 건으로 수용액을 공급하는 단계, 수용액 건조단계 및 열처리단계라는 매우 간단한 단계들을 거쳐 열산화막(15)을 생성하고, 광흡수층(30) 생성 과정에서 광흡수층(30) 내에 나트륨 성분이 자동적으로 흡수되도록 할 수 있다.
나아가 스프레이법의 경우 스프레이 회수 및 염화나트륨의 농도를 제어함으로써 최종적으로 광흡수층(30) 내의 나트륨 성분의 함량이 간단히 조절될 수 있다. 또한, 이러한 단계들이 수행됨에 있어서 고가의 진공장비 등이 필요하지 않으므로, 제조비용이 획기적으로 절감될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
10: ST 기판
15: 열산화막
20: 배면전극
30: 광흡수층
40: 버퍼층
50: 전면전극
60: 반사방지막
70: 보조전극

Claims (7)

  1. 스테인레스 스틸(ST) 기판을 준비하는 단계;
    상기 ST 기판의 표면에 나트륨 성분을 포함하는 용액을 공급하는 단계;
    상기 용액을 건조시키는 단계; 및
    상기 ST 기판을 열처리하여 상기 ST 기판의 표면에 열산화막을 형성하는 단계
    를 포함하는 절연막 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용액은,
    10 wt%의 NaCl을 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 절연막 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열산화막을 형성하는 단계에서는,
    공기 분위기 하에서 700 내지 750℃에서 2 내지 4시간 정도 상기 ST 기판을 가열하는 것을 특징으로 하는 절연막 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용액을 공급하는 단계 이전에, 상기 ST 기판을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연막 형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열산화막을 형성하는 단계 이후에 광흡수층을 형성하되, 상기 열산화막으로부터 나트륨 이온이 상기 광흡수층에 확산되도록 상기 광흡수층을 형성하는 단계를 더 포함하는 절연막 형성방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광흡수층의 형성 과정에서 상기 열산화막에 포함된 나트륨 성분이 이동되어 상기 광흡수층의 면 방향의 위치에 따라 균일한 농도분포를 갖는 나트륨 성분이 포함되는 절연막 형성방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 절연막 형성방법을 이용하여 제조된 태양전지.
KR1020180002235A 2018-01-08 2018-01-08 플렉시블 박막태양전지용 스테인레스 박판의 절연막 형성방법 및 그에 따라 제조된 태양전지 KR20190084454A (ko)

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