KR20190108469A - 복합 재료, 화학적 용액 성장법 및 cigs 태양광 모듈의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학적 용액 성장법을 제공하며, 상기 방법은, 기판의 일측면에 제 1 기능층을 형성하고, 상기 기판의 다른 반대 일측면에 복합 재료층을 형성하며, 상기 복합 재료층은 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함하는 단계; 상기 제 1 기능층 및 상기 복합 재료층이 형성된 상기 기판을 증착 용액 중에 넣고, 상기 제 1 기능층 상에 제 2 기능층을 증착 형성하는 단계; 상기 복합 재료층과 상기 기판을 분리하는 단계를 포함한다.

Description

복합 재료, 화학적 용액 성장법 및 CIGS 태양광 모듈의 제조 방법{COMPOSITE MATERIAL, CHEMICAL BATH DEPOSITION METHOD AND METHOD FOR MANUFACTURING CIGS PHOTOVOLTAIC MODULE}
본 발명은 박막 발전 기술 분야와 관련되며, 특히 화학적 용액 성장법 및 CIGS 태양광 모듈의 제조 방법과, 상기 2개 방법에 사용되는 복합 재료와 관련된다.
본 출원은 2018년 3월 14일에 중국 국가지식재산권국에 제출되고, 출원번호가 201810209148.4이며, 발명의 명칭이 "화학적 용액 성장법 및 CIGS 태양광 모듈의 제조 방법"인 중국 특허출원의 우선권 및 권익을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용은 인용을 통해 본 출원에 결합된다.
화학적 용액 성장법(Chemical Bath Deposition, CBD)은, 성막 온도가 낮고, 대면적 박막의 제조에 적합하고, 연속 생산의 실현이 용이하고, 오염이 없고, 재료의 소비가 적은 등의 장점 때문에, 큰 주목을 받고 있다. 예를 들면, 고변환 효율을 갖는 CIGS(Cu, In, Ga, Se, 구리 인듐 갈륨 셀레늄) 박막 태양 전지의 제조에서, 일반적으로 화학적 용액 성장법을 사용하여 황화 카드뮴(CdS) 반도체 박막 버퍼층을 제조한다.
하나의 양태로서, 본 발명은 화학적 용액 성장법을 제공하며, 상기 방법은, 기판의 일측면에 제 1 기능층을 형성하고, 상기 기판의 다른 반대 일측면에 복합 재료층을 형성하며, 상기 복합 재료층은 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함하는 단계; 상기 제 1 기능층 및 상기 복합 재료층이 형성된 상기 기판을 증착 용액 중에 넣고, 상기 제 1 기능층 상에 제 2 기능층을 증착 형성하는 단계; 상기 복합 재료층과 상기 기판을 분리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 제 1 기능층은 p-접합 재료층을 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 제 1 기능층은 발광층을 더 포함하며, 상기 P-접합 재료층과 상기 발광층은 이격되게 설치되어 서로 절연된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 제 2 기능층은 n-접합 재료층을 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 복합 재료층 중의 상기 고분자 히드로겔의 질량 백분율은 80% ~ 95%이고, 상기 자성 나노 입자의 질량 백분율은 5% ~ 20%이다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 고분자 히드로겔은 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제, 폴리 비닐 알콜, 폴리 아크릴 아미드 및 실리콘계 히드로겔로부터 선택된 적어도 하나이다.
본 발명의 일부 실시예에서, 자성 나노 입자는 Fe3O4로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 제 2 기능층의 증착 과정에서 교류 자기장을 이용하여 상기 기판에 대해 유도 가열을 진행한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 교류 자기장의 주파수는450kHz ~ 550kHz이다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 복합 재료층과 상기 기판을 분리할 때, 용매를 사용하여 상기 복합 재료층을 용해한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 용매는 디메틸 술폭 시드 용매 및 디메틸 포름 아미드 용매 중 적어도 하나가 선택된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 복합 재료층은 스크린 인쇄 방식을 사용하여 상기 기판의 다른 반대 일측면 상에 형성된다.
다른 하나의 양태로서, 본 발명의 일부 실시예는 또한 CIGS 태양광 모듈의 제조 방법을 제공하며, 상기 제조 방법은, 기판의 일측면에 CIGS층을 형성하고, 상기 기판의 다른 반대 일측면에 복합 재료층을 형성하며, 상기 복합 재료층은 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함하는 단계; 상기 CIGS층 및 상기 복합 재료층이 형성된 상기 기판을 증착 용액 중에 넣고, 상기 CIGS층 상에 CdS층을 증착 형성하는 단계; 상기 복합 재료층과 상기 기판을 분리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 복합 제료층에서 상기 고분자 히드로겔의 질량 백분율은 80% ~ 95%이고, 상기 자성 나노 입자의 질량 백분율은 5% ~ 20%이다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 CdS층의 증착 과정에 교류 자기장을 이용하여 상기 기판에 대해 유도 가열을 진행한다.
또 다른 하나의 양태로서, 본 발명의 일부 실시예는 복합 재료를 제공하며, 상기 복합 재료는 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 고분자 히드로겔의 질량 백분율은 80% ~ 95%이고, 상기 자성 나노 입자의 질량 백분율은 5% ~ 20%이다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 고분자 히드로겔은 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제, 폴리 비닐 알콜, 폴리 아크릴 아미드 및 실리콘계 히드로겔로부터 선택된 적어도 하나이다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 자성 나노 입자는 Fe3O4로 이루어진 군으로부터 선택된다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 화학적 용액 성장법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 CIGS 태양광 모듈의 제조 방법의 공정 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 CIGS 태양광 모듈의 제조 방법의 다른 공정 개략도이다.
다음은 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 복합 재료 및 황화 카드뮴 박막의 화학적 용액 성장법에 대해 진일보하게 설명한다.
황화 카드뮴(CdS) 반도체 박막을 제조하는 화학적 용액 성장법(CBD, Chemical Bath Deposition)은 주로 교반식 CBD 공정 및 침지식 CBD 공정을 포함한다. 그 중 교반식 CBD 공정의 코팅 균일성은 침지식 CBD 공정의 코팅 균일성보다 상당히 높으며, 이는 주로 교반식 CBD 공정이 구비하는 높은 온도 균일성에 기인한다. 교반식 CBD 공정에서 CdS가 증착될 때, 유리 기판이 먼저 가열되고, 화학 반응액은 상온 상태에서 반응 챔버에 첨가된다. 따라서, 교반식의 CBD 공정에서는, CdS가 먼저 유리 기판의 표면에 증착되기 때문에, 화학 반응액중에 형성되는 랜덤 CdS 입자의 농도가 크게 감소된다.
그러나, 침지식 CBD 공정에서는, 화학 반응액의 사전 혼합액(사전 혼합액에 티오우레아가 포함되지 않음)이 먼저 반응 온도로 가열된 다음, 티오우레아가 첨가되며, 사전 혼합액과 티오우레아가 균일하게 교반된 후, 차가운 유리 기판이 반응 챔버로 들어가, CdS 증착이 시작된다. 따라서, 침지식 CBD 공정의 주요 문제점은, 유리 기판이 들어가기 전에, 화학 반응액에서 CdS 입자의 형성이 시작되고 또한 화학 반응액 중에 부유되어, 코팅 공정에 부정적인 영향을 미친다는 점이다. 사전에 가열되지 않은 유리 기판은 화학 반응액에 의해 서서히 가열되어 CdS의 증착 속도가 초기에 느리기 때문에, 화학 반응액의 이용율이 낮아진다. 또한, 침지식 CBD 공정에서, 유리 기판의 전면과 후면이 CdS에 의해 증착되며, 마지막에는 전면의 CdS 막층만이 모듈의 유효한 막층이 되고, 후면의 CdS 막층은 어쩔 수 없이 세정을 해야 하지만, 후면 세정 장치의 설계에 많은 기술적 난관이 존재하여, 침지식 CBD 공정의 산업화에 병목이 되고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예는 화학적 용액 성장법을 제공하며, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a 단계: 기판의 일측면에 제 1 기능층을 형성하고, 상기 기판의 다른 반대 일측면에 복합 재료층을 형성하며, 상기 복합 재료층은 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함한다.
b 단계: 상기 제 1 기능층 및 상기 복합 재료층이 형성된 상기 기판을 증착 용액 중에 넣고, 상기 제 1 기능층 상에 제 2 기능층을 증착 형성한다.
c 단계: 상기 복합 재료층과 상기 기판을 분리한다.
상기 화학적 용액 성장법은 상기 복합 재료층을 응용하여 상기 기판의 다른 반대 일측면 상에 보호층을 형성하여, 상기 복합 재료층이 구비된 상기 기판의 다른 반대 일측면이 상기 증착 용액과 접촉되지 않도록 하며, 동시에, 상기 증착 용액에서 상기 복합 재료층 중의 고분자 히드로겔의 팽윤을 이용하여, 상기 기판의 다른 반대 일측면 위치에서의 상기 증착 용액의 순환 속도를 감소시켜, 상기 복합 재료층에서 상기 제 2 기능층의 무효한 증착을 방지한다(상기 증착 용액은 상기 복합 재료층 상에 증착될 필요가 없기 때문에, 설사 증착이 될지라도, 후속 공정을 통해 제거해야 함). 따라서, 상기 증착 용액의 이용율이 향상될 뿐만 아니라, 반응용의 재료가 절약되고, 비용이 절감되며; 또한 상기 복합 재료층의 제거가 용이하게 되고, 세정의 곤란성이 감소된다. 상기 a 단계에서, 상기 기판의 재료는 한정되지 않는다는 것을 유의해야 한다. 예를 들면, 유리 기판일 수 있으며, 금속 기판일 수도 있다.
일부 실시예에서, 상기 a 단계에서 형성된 제 1 기능층은 p-접합 재료층을 포함한다. 상기 p-접합 재료층은 태양광 모듈의 광 흡수층이고, 상기 p-접합 재료층은 CIGS층(구리 인듐 갈륨 셀레늄 층), 단결정 실리콘층, 다결정 실리콘층, 비소화 갈륨층, 및 유기 염료층 중의 어느 하나 이상을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 제 1 기능층은 발광층을 더 포함하며, 상기 P-접합 재료층과 상기 발광층은 이격되게 설치되어 서로 절연된다. 상기 발광층은 OLED(Organic Light-Emitting Diode, 유기 발광 다이오드) 의 기능층이고, 상기 발광층은 유기 발광 반도체 재료층을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 a 단계에서, 상기 기판 상에 P-접합 재료층과 발광층이 모두 형성되는 경우, 먼저 제 1 마스크를 사용하여, 상기 기판 상 상기 제 1 마스크에 의해 마스킹되지 않은 영역 위치에 P-접합 재료층을 형성한 다음, 제 2 마스크를 사용하여 이미 형성된 P-접합 재료층을 마스킹하고, 또한 상기 기판 상 상기 제 2 마스크에 의해 마스킹되지 않은 영역에 발광층을 형성한다. 형성된 P-접합 재료층과 발광층은 상호 이격되어 서로 절연된다. 상기 P 접합 재료층과 상기 발광층은 상호 이격되게 배열될 수 있으며, 인접한 영역에 배치될 수도 있다. 상기 기판 상에 P-접합 재료층과 발광층이 모두 구비되는 경우, 상기 기판은 양방향으로 사용될 수 있다. 낮 동안, 상기 기판은 상기 P-접합 재료층을 사용하여 태양광을 흡수하여 발전을 진행하고, 또한 전기 에너지를 저장할 수 있으며; 야간에, 상기 기판은 저장된 전기 에너지를 사용하여 상기 발광층을 발광 시켜, 건물 커튼 월을 장식 및 단장할 수 있다.
상기 a 단계에서, 상기 복합 재료층은 스크린 인쇄 방식을 사용하여 상기 기판의 다른 반대 일측면 상에 형성된다. 상기 복합 재료층은 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함하며, 2개 재료의 특성을 구비하므로, 유도 가열을 할 수 있을 뿐만아니라, 성막성 및 팽창 특성을 구비할 수도 있다. 그 중, 캐리어인 고분자 히드로겔은 스크린 인쇄를 진행할 수 있다. 스크린 인쇄 방식을 통해 고분자 히드로겔 및 자성 나노 입자가 포함된 복합 재료를 상기 기판의 다른 반대 일측면 상에 코팅하여, 상기 복합 재료층의 균일성을 보장한다.
상기 a 단계에서 상기 복합 재료층 중의 상기 고분자 히드로겔의 질량 백분율은 80% ~95%이고, 상기 자성 나노 입자의 질량 백분율은 5% ~ 20%이다. 상기 고분자 히드로겔은 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제, 폴리 비닐 알콜, 폴리 아크릴 아미드 및 실리콘계 히드로겔로부터 된 적어도 하나이다. 자성 나노 입자는 Fe3O4로 이루어진 군으로부터 선택된다. 상이한 고분자 히드로겔 재료를 사용하여, 복합 재료층의 강도 및 팽윤 등의 특성을 조정할 수 있으며, 이는 본 출원에서 한정되지 않는다. 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제는 양호한 코팅성을 구비하고, 합성 방법이 단순하고, 비용이 저렴하며, 동시에 수 팽윤성이 우수하고, 팽윤율을 조절할 수 있으므로, 일부 실시예에서, 상기 고분자 히드로겔은 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제이다.
일부 실시예에서, 상기 b단계 중의 상기 제 2 기능층은 n-접합 재료층을 포함한다. n-접합 재료층은 태양광 모듈의 버퍼층으로, 상기 p-접합 재료층과 매칭되어 pn 접합을 형성하며, 태양광이 상기 pn 접합 상에 조사되는 경우, pn 접합 장벽 영역의 전자와 정공이 각각 서로 반대되는 방향으로 운동하여 장벽 영역으로부터 멀어지게 된다. 그 결과 p-영역의 전위는 상승하고, n-영역의 전위는 낮아져서, pn 접합과 연결된 외부 회로에 전압 및 전류를 발생시켜, 광 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. n-접합 재료층은 일반적으로 CdS층이고, 상기 제 2 기능층은 제 1 기능층과 매칭되게 사용될 수 있는 기능층이다.
상기 b단계에서, 상기 제 2 기능층의 증착 과정에서 교류 자기장을 이용하여 상기 기판에 대해 유도 가열을 진행하며, 상기 교류 자기장의 주파수는450kHz ~ 550kHz이고, 상기 가열 온도는 증착된 상기 제 2 기능층에 따라 결정된다. 예를 들면, 증착된 제 2 기능층이 황화 카드뮴(CdS)층인 경우, 상기 가열 온도는 60℃ ~ 70℃이고; 증착된 제 2 기능층이 황화 아연(ZnS)층인 경우, 상기 가열 온도는 75°C ~ 80°이다. 교류 자기장을 통해 상기 기판에 유도 가열을 진행하여, 상기 기판이 먼저 가열되게 하고, 이어서, 상기 증착 용액은 상기 기판의 온도에 의해 가열되게 된다. 따라서, 상기 기판의 온도가 상기 증착 용액의 온도보다 높아, 증착이 상기 기판 상에서 더욱 용이하게 발생하는 것을 보장할 수 있기 때문에, 상기 증착 용액의 온도가 상기 기판의 온도보다 높아 상기 증착 용액 중에 부유 입자 생성되는 것을 방지할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 교류 자기장은 교류 전류에 의해 발생되고, 상기 교류 자기장은 상기 복합 재료층의 유도 가열 기능과 매칭되고, 상기 복합 재료층의 유도 가열 기능은 자기 나노 입자의 함량과 관련이 있다. 자성 나노 입자의 함량이 높을수록 상기 복합 재료층의 유도 가열 기능이 우수하므로, 자성 나노 입자 및 고분자 히드로겔의 질량 백분율을 조정하여 상기 복합 재료층의 유도 가열 기능을 달성할 수 있다.
상기 b단계의 상기 제 2 기능층의 증착 과정에서, 회로 배치의 편의를 위해, 상기 기판을 상기 증착 용액이 담긴 용기 또는 반응 탱크의 측벽과 평행하게 배치하여, 교류 자기장의 자력선이 상기 기판과 실질적으로 수직되게 함으로써(예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 파선으로 도시된 교류 자기장(5)의 자력선은 기판(1)과 실질적으로 수직임), 교류 자기장의 유도 가열 효과를 향상시킨다. 전자기 유도 가열의 원리는 자기장 유도 가열을 이용하는 것이다. 예를 들면 고속으로 변하는 고주파 고압 전류가 코일을 통과하여 고속으로 변하는 교류 자기장을 생성한다. 교류 자기장 내의 자력선이 자성 금속 재료를 통과할 때, 자성 금속 재료 몸체에 수많은 작은 와전류가 발생하여, 자성 금속 재료 자체가 고속으로 발열한다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예에서, 교류 자기장(5)은 상기 복합 재료층 내의 자성 나노 입자가 신속하게 가열되게 한다.
일부 실시예에서, 상기 c단계에서 상기 복합 재료층과 상기 기판을 분리할 때, 용매를 사용하여 상기 복합 재료층을 용해한다. 상기 용매는 디메틸 술폭 시드(Dimethyl sulfoxide, DMSO) 용매 및 N-디메틸 포름 아미드(N-Dimethylformamide, DMF) 용매 중 적어도 하나를 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다. DMSO 용매와 DMF 용매는 모두 고분자 히드로겔을 용해시킬 수 있으며, 상기 복합 재료층을 상기 기판에서 분리하는 경우, 상기 복합 재료층을 상기 용매중에 침지시켜 용해를 진행하면 된다. 상기 용매가 상기 복합 재료층 중의 고분자 히드로겔을 용해시킨 후에, 상기 복합 재료층 내의 자성 나노 입자도 이어서 용매 내로 유입되어, 상기 복합 재료층과 상기 기판이 효과적으로 분리된다. 이와 같이 상기 기판 상의 상기 복합 재료층을 제거하는 습식 공정은, 기술적인 비용이 저렴할 뿐만 아니라, 기판에 손상을 주지 않으면서, 동시에, 자성 나노 입자의 회수 및 및 재사용을 용이하게 한다.
상기 화학적 용액 성장법은 다음과 같은 장점을 구비한다:
첫째, 상기 기판의 다른 반대 일측면 상에 상기 복합 재료층을 보호층으로 형성하여, 상기 기판의 다른 반대 일측면이 상기 증착 용액과 접촉되지 않게 함으로써, 상기 기판의 다른 반대 일측면 상에 상기 제2 기능층의 무효한 증착을 방지한다.
둘째, 상기 복합 재료층 중의 자기 나노 입자의 비접촉식 유도 가열은 상기 기판의 가열의 균일성을 보장할 뿐만 아니라, 또한 상기 기판의 온도가 상기 증착 용액의 온도보다 높은 것을 보장하여, 상기 제 2 기능층의 증착이 더욱 용이하게 발생되게 하고, 상기 제 1 기능층 상에서 상기 제 2 기능층의 증착 속도를 증가시킨다.
셋째, 상기 복합 재료층 중의 고분자 히드로겔은 자성 나노 입자의 효과적인 운반체로서, 자성 나노 입자의 균일한 분포를 보장할 뿐만 아니라, 또한 자성 나노 입자가 복합 재료에서 유실되지 않도록 보장한다.
넷째, 고분자 히드로겔은 상기 증착 용액 중에서 증착 용액 분자에 의해 침지되어 팽윤되므로, 그 후, 상기 고분자 히드로겔이 증착 용액 분자를 흡수하는 속도가 떨어지게 되어, 상기 기판의 다른 반대 일측면 위치의 상기 증착 용액의 순환 속도가 떨어져, 상기 복합 재료층 상에 상기 제 2 기능층의 무효한 증착을 방지하여, 상기 복합 재료층의 제거를 용이하게 한다.
다섯째, 상기 복합 재료층 중의 복합 재료의 합성 공정은 성숙되어 있고, 대량 생산이 가능하고, 비용이 저렴하며, 침지된 자성 나노 입자는 재사용할 수 있다.
여섯째, 상기 기판으로부터 상기 복합 재료층을 분리하는 기술은 비용이 저렴할 뿐만 아니라, 상기 기판을 손상시키지도 않는다.
일곱째, 자성 나노 입자는 회수되어 재사용될 수 있다.
따라서, 상기 화학적 용액 성장법은 침지식 CBD 공정을 효과적으로 개선하고, 침지식 CBD 공정에서의 기판 가열의 균일성 문제를 해결하여, 침지식 CBD 공정의 성막 효율 및 성막 균일성을 향상시킬 수 있다. 동시에, 제 2 기능층의 증착 과정이 기판의 제 1 기능층 면으로부터 시작하므로, 증착 용액 내의 급격하게 생성된 부유 입자를 감소시키는 것을 보장할 수 있다. 또한, 기판 상에 제 2 기능층의 무효한 증착을 방지하여, 무효하게 증착된 제2 기능층에 대한 후속의 화학 세정 과정을 제거할 수도 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예는 CIGS 태양광 모듈을 제조하는 방법을 더 제공하며, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
S1 단계: 기판(1)의 일측면에 CIGS층(2) (또는 도 3에 도시된 바와 같이 CIGS층(2) 및 발광층(3)을 형성)을 형성하고, 기판(1)의 다른 반대 일측면에 복합 재료층(3)을 형성하며, 복합 재료층(3)은 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함한다.
S2 단계: CIGS층(2) 및 복합 재료층(3)이 형성된 기판(1)을 증착 용액 중에 넣고, CIGS층(2) 상에 CdS층(4)을 증착 형성한다.
S3 단계: 복합 재료층(3)과 기판(1)을 분리한다.
S1 단계에서, 상기 기판(1)의 재료는 한정되지 않고, 일반적으로 사용되는 태양광 모듈의 기판은 모두 가능하며, 예를 들면, 기판(1)은 유리 기판이다. 또한 특정 작업 조건에 따라 다른 통상적인 태양광 모듈의 기판이 사용될 수 있다.
S3 단계에서, 상기 증착 과정에 교류 자기장을 이용하여 상기 기판(1)에 대해 유도 가열을 진행하며, 상기 유도 가열의 온도는 60℃ ~ 70℃이다. 상기 증착 용액은 황산 카드뮴, 암모니아수, 순수의 사전 혼합 용액 및 티오우레아 용액을 포함한다. 먼저 상기 기판을 사전 혼합 용액 중에 넣고, 사전 혼합 용액 중의 암모니아수를 이용하여 기판에 대해 표면 처리를 진행하고, 기판을 유도 가열을 통해 사전 설정 온도로 가열한 후, 티오우레아 용액을 첨가하고, 반응을 시작하고, CdS를 증착하기 시작한다.
상기 CIGS 태양광 모듈의 제조 방법은 상기 화학적 용액 성장법을 적용하며, 제조 과정에서, 복합 재료층을 기판 일측면의 보호층으로 사용하여, 기판의 그쪽 면이 증착 용액과 접촉하지 않도록 하고 또한 기판을 균일하게 가열하여, CdS층의 증착이 CIGS층 상에서 진행되도록 하여, CdS층의 무효한 증착을 방지하고, 후속의 화학 세정의 문제를 제거한다.
위에서 제조 획득된 CIGS 태양광 모듈은 적층되게 설치된 기판, CIGS층 및 CdS층을 포함하고, CdS층은 CIGS층의 표면을 균일하고 완전하게 덮어서 긴밀한 p-n 접합 계면을 형성함으로써, 여기자 분리 효율을 보장하고 (여기자는 전자가 원자 핵으로부터 완전히 떨어지지 않고 형성된 전자-정공의 쌍이다. 전자-정공의 쌍에서 전자와 정공의 사이는 쿨롱 작용을 통해 공간적으로 결합된다. 여기자가 분리되어 자유 전자와 정공을 형성하게 되면, 분리된 전자와 정공은 모두 전류의 캐리어이고, 모두 캐리어로 지칭될 수 있다. 여기자 분리 효율이 높을수록, 광전 변환 효율이 높아진다), 광전 변환율을 보장한다. CIGS 태양광 모듈은 광 흡수 능력이 강하고, 발전 안정성이 좋고, 전환 효율이 높고, 낮 동안 발전 시간이 길고, 발전량이 높고, 생산 원가가 낮고, 그리고 에너지 회수 주기가 짧은 등의 장점을 구비한다. 그것은 태양광 발전소뿐만 아니라, 건물 일체형 태양광 발전 시스템(즉 BIPV, Building Integrated Photovoltaic) 또는 태양광 지붕 발전(태양광 부착 건물(건물과 일체형으로 형성되지 않은 건물), 즉 BAPV, Building Attached Photovoltaic) 등의 분야에 적용될 수 있다. 또한 유연성 CIGS 태양광 모듈은 발전 용지, 발전 백팩 등과 같은 휴대용 발전 제품에도 사용될 수 있다. 디음은, 일부 예시를 통해 CIGS 태양광 모듈의 제조 방법에 대해 진일보된 설명을 진행한다.
예시 1:
도 1 및 도 2를 참조하면, 유리 기판이 기판(1)으로 선택되고, 또한 기판(1)의 일측면 상에 CIGS층(2)이 코팅된다.
그 후, 기판(1)의 다른 일측면에 스크린 인쇄 방식을 사용하여 복합 재료층(3)을 코팅하며, 복합 재료층(3)은 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제 및 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제에 혼합된 Fe3O4 입자를 포함하며, 양자의 질량 백분율은 각각 90 % 및 10 %이다.
이어서, CIGS층(2) 및 복합 재료층(3)이 형성된 기판(1)을 수직으로 배치하고, 황산 카드뮴, 암모니아수 및 순수의 사전 혼합 용액이 담긴 반응 탱크 중에 침지시킨다. 그 후, 교류 전류 회로와 연결되어, 상기 반응 탱크는 상기 교류 전류에 의해 생성된 500kHz의 주파수를 갖는 교류 자기장(5) 중에 있게 되고, 상기 교류 자기장(5)은 Fe3O4 자성 입자가 함유된 복합 재료층(3) 중에 다량의 와전류를 발생시켜, 와전류가 상기 복합 재료층(3)을 빠르게 가열하게 하며, 나아가 기판(1)이 65℃로 균일되게 가열되게 한다. 이 때, 티오우레아 용액을 첨가하여, CIGS층(2)의 표면에 CdS 증착을 시작한다.
증착 완료 후, 기판(1)을 수평으로 뒤집어, 표면에 복합 재료층(3)이 함유된 기판측 면이 DMSO 용액(6)에 침지되도록 하여, 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제 재료가 용해되게 하고, 동시에Fe3O4 입자도 이어서 DMSO(6) 용액으로 유입되게 하여, 전체 복합 재료층(3)과 기판(1)을 분리하어, 기판(1), CIGS층(2) 및 CdS층(4)이 적층되게 설치된 CIGS 태양광 모듈을 획득하며, CIGS 태양광 모듈 중 CdS층(4)이 CIGS층(2)의 표면 상에 균일하게 완전하게 코팅된다.
검사 결과, CdS층(4)의 광 투과율이 증가하고, 밴드 갭(Band gap, 억제된 전자 및 정공이 자유 전자 또는 정공이 되려면, 가전자대로부터 전도대로 점프하기에 충분한 에너지를 얻어야 필요가 있음. 이 에너지 최소값이 밴드 갭임)은 약 2.4eV로, CIGS 박막 태양 전지의 버퍼층에 매우 적합하였다.
예 2:
도 1 및 도 2를 참조하면, 유리 기판이 기판(1)으로 선택되고, 기판(1)의 일측면에 CIGS층(2)이 코팅된다.
그 후, 기판(1)의 다른 일측면은 스크린 인쇄 방식을 통해 복합 재료층(3)을 코팅하며, 복합 재료층(3)은 폴리 비닐 알코올 및 폴리 비닐 알코올 중에 혼합된 Fe3O4 입자를 포함하며, 양자의 질량 백분율은 각각 80% 및 20% 이다.
이어서, CIGS층(2) 및 복합 재료층(3)이 형성된 기판(1)을 수직으로 배치하고, 황산 카드뮴, 암모니아수 및 순수의 사전 혼합 용액이 담긴 반응 탱크 중에 침지시킨다. 그 후, 교류 전류 회로와 연결되어, 상기 반응 탱크는 상기 교류 전류에 의해 생성된 500kHz의 주파수를 갖는 교류 자기장(5) 중에 있게 되고, 상기 교류 자기장(5)은 Fe3O4 자성 입자가 함유된 복합 재료층(3) 중에 다량의 와전류를 발생시켜, 와전류가 상기 복합 재료층(3)을 빠르게 가열하게 하며, 나아가 기판(1)이 60℃로 균일되게 가열되게 한다. 이 때, 티오우레아 용액을 첨가하여, CIGS층(2)의 표면에 CdS 증착을 시작한다.
증착 완료 후, 기판(1)을 수평으로 뒤집어, 표면에 복합 재료층(3)이 함유된 기판측 면이 DMSO 용액(6)에 침지되도록 하여, 폴리 비닐 알코올 재료가 용해되게 하고, 동시에Fe3O4 입자도 이어서 DMSO(6) 용액으로 유입되게 하여, 전체 복합 재료층(3)과 기판(1)을 분리하여, 기판(1), CIGS층(2) 및 CdS층(4)이 적층되게 설치된 CIGS 태양광 모듈을 획득하며, CIGS 태양광 모듈 중 CdS층(4)이 CIGS층(2)의 표면 상에 균일하게 완전하게 코팅된다.
검사 결과, CdS층(4)의 광 투과율이 증가하고, 밴드 갭은 약 2.4eV로, CIGS 박막 태양 전지의 버퍼층에 매우 적합하였다.
예시 3:
도 1 및 도 2를 참조하면, 유리 기판이 기판(1)으로 선택되고, 기판(1)의 일측면에 CIGS층(2)이 코팅된다.
그 후, 기판(1)의 다른 일측면은 스크린 인쇄 방식을 통해 복합 재료층(3)을 코팅하며, 복합 재료층(3)은 폴리 아크릴 아미드 및 폴리 아크릴 아미드 중에 혼합된 Fe3O4 입자를 포함하며, 양자의 질량 백분율은 각각 85% 및 15% 이다.
이어서, CIGS층(2) 및 복합 재료층(3)이 형성된 기판(1)을 수직으로 배치하고, 황산 카드뮴, 암모니아수 및 순수의 사전 혼합 용액이 담긴 반응 탱크 중에 침지시킨다. 그 후, 교류 전류 회로와 연결되어, 상기 반응 탱크는 상기 교류 전류에 의해 생성된 500kHz의 주파수를 갖는 교류 자기장(5) 중에 있게 되고, 상기 교류 자기장(5)은 Fe3O4 자성 입자가 함유된 복합 재료층(3) 중에 다량의 와전류를 발생시켜, 와전류가 상기 복합 재료층(3)을 빠르게 가열하게 하며, 나아가 기판(1)이 68 ℃로 균일되게 가열되게 한다. 이 때, 티오우레아 용액을 첨가하여, CIGS층(2)의 표면에 CdS 증착을 시작한다.
증착 완료 후, 기판(1)을 수평으로 뒤집어, 표면에 복합 재료층(3)이 함유된 기판측 면이 DMSO 용액(6)에 침지되도록 하여, 폴리 아크릴 아미드 재료가 용해되게 하고, 동시에Fe3O4 입자도 이어서 DMSO(6) 용액으로 유입되게 하여, 전체 복합 재료층(3)과 기판(1)을 분리하여, 기판(1), CIGS층(2) 및 CdS층(4)이 적층되게 설치된 CIGS 태양광 모듈을 획득하며, CIGS 태양광 모듈 중 CdS층(4)이 CIGS층(2)의 표면 상에 균일하게 완전하게 코팅된다.
검사 결과, CdS층(4)의 광 투과율이 증가하고, 밴드 갭은 약 2.4eV로, CIGS 박막 태양 전지의 버퍼층에 매우 적합하였다.
예시 4:
도 1 및 도 2를 참조하면, 유리 기판이 기판(1)으로 선택되고, 기판(1)의 일측면에 CIGS층(2)이 코팅된다.
그 후, 기판(1)의 다른 일측면은 스크린 인쇄 방식을 통해 복합 재료층(3)을 코팅하며, 복합 재료층(3)은 실리콘계 히드로겔 및 실리콘계 히드로겔 중에 혼합된 Fe3O4 입자를 포함하며, 양자의 질량 백분율은 각각 95% 및 5% 이다.
이어서, CIGS층(2) 및 복합 재료층(3)이 형성된 기판(1)을 수직으로 배치하고, 황산 카드뮴, 암모니아수 및 순수의 사전 혼합 용액이 담긴 반응 탱크 중에 침지시킨다. 그 후, 교류 전류 회로와 연결되어, 상기 반응 탱크는 상기 교류 전류에 의해 생성된 500kHz의 주파수를 갖는 교류 자기장(5) 중에 있게 되고, 상기 교류 자기장(5)은 Fe3O4 자성 입자가 함유된 복합 재료층(3) 중에 다량의 와전류를 발생시켜, 와전류가 상기 복합 재료층(3)을 빠르게 가열하게 하며, 나아가 기판(1)이 70℃로 균일되게 가열되게 한다. 이 때, 티오우레아 용액을 첨가하여, CIGS층(2)의 표면에 CdS 증착을 시작한다.
증착 완료 후, 기판(1)을 수평으로 뒤집어, 표면에 복합 재료층(3)이 함유된 기판측 면이 DMSO 용액(6)에 침지되도록 하여, 실리콘계 히드로겔 재료가 용해되게 하고, 동시에Fe3O4 입자도 이어서 DMSO(6) 용액으로 유입되게 하여, 전체 복합 재료층(3)과 기판(1)을 분리하여, 기판(1), CIGS층(2) 및 CdS층(4)이 적층되게 설치된 CIGS 태양광 모듈을 획득하며, CIGS 태양광 모듈 중 CdS층(4)이 CIGS층(2)의 표면 상에 균일하게 완전하게 코팅된다.
검사 결과, CdS층(4)의 광 투과율이 증가하고, 밴드 갭은 약 2.4eV로, CIGS 박막 태양 전지의 버퍼층에 매우 적합하였다.
예시 5:
도 1 및 도 3을 참조하면, 유리 기판이 기판(1)으로 선택되고, 기판(1)의 일측면에 CIGS층(2) 및 발광층(2')이 코팅된다.
그 후, 기판(1)의 다른 일측면에 스크린 인쇄 방식을 사용하여 복합 재료층(3)을 코팅하며, 복합 재료층(3)은 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제 및 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제에 혼합된 Fe3O4 입자를 포함하며, 양자의 질량 백분율은 각각 90 %및 10 %이다.
이어서, CIGS층(2), 발광층(2') 및 복합 재료층(3)이 형성된 기판(1)을 수직으로 배치하고, 황산 카드뮴, 암모니아수 및 순수의 사전 혼합 용액이 담긴 반응 탱크 중에 침지시킨다. 그 후, 교류 전류 회로와 연결되어, 상기 반응 탱크는 상기 교류 전류에 의해 생성된 500kHz의 주파수를 갖는 교류 자기장(5) 중에 있게 되고, 상기 교류 자기장(5)은 Fe3O4 자성 입자가 함유된 복합 재료층(3) 중에 다량의 와전류를 발생시켜, 와전류가 상기 복합 재료층(3)을 빠르게 가열하게 하며, 나아가 기판(1)이 65 ℃로 균일되게 가열되게 한다. 이 때, 티오우레아 용액을 첨가하여, CIGS층(2)의 표면에 CdS 증착을 시작한다.
증착 완료 후, 기판(1)을 수평으로 뒤집어, 표면에 복합 재료층(3)이 함유된 기판측 면이 DMSO 용액(6)에 침지되도록 하여, 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제 재료가 용해되게 하고, 동시에Fe3O4 입자도 이어서 DMSO(6) 용액으로 유입되게 하여, 전체 복합 재료층(3)과 기판(1)을 분리하여, 기판(1), CIGS층(2), 발광층(2’) 및 CdS층(4)이 적층되게 설치된 CIGS 태양광 모듈을 획득하며, CIGS 태양광 모듈 중 CdS층(4)이 CIGS층(2) 및 발광층(2’)의 표면 상에 균일하게 완전하게 코팅된다.
검사 결과, CdS층(4)의 광 투과율이 증가하고, 밴드 갭(Band gap, 억제된 전자 및 정공이 자유 전자 또는 정공이 되려면, 가전자대로부터 전도대로 점프하기에 충분한 에너지를 얻어야 필요가 있음. 이 에너지 최소값이 밴드 갭임)은 약 2.4eV로, CIGS 박막 태양 전지의 버퍼층에 매우 적합하였다.
본 발명의 일부 실시예는 또한 복합 재료를 제공한다. 상기 복합 재료는 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 고분자 히드로겔의 질량 백분율은 80%~95%이고, 상기 자성 나노 입자의 질량 백분율은 5%~20%이다. 상기 고분자 히드로겔은 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제, 폴리 비닐 알콜, 폴리 아크릴 아미드 및 실리콘계 히드로겔로부터 선택된 적어도 하나이다. 상기 자성 나노 입자는 Fe3O4로 이루어진 군으로부터 선택된다. 본 분야의 기술자는, 특정 작업 조건에 따라, 상이한 고분자 히드로겔 재료 및 자성 나노 입자를 사용하여, 복합 재료의 강도 및 팽윤 등의 특성을 조절할 수 있다. 본 발명은 이에 대해 한정하지 않는다.
일부 실시예에서, 상기 복합 재료는 막층 재료로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 복합 재료는 보호막으로서 기판의 표면을 코팅하기 위해 사용되어, 관련 기판의 표면이 외부 화학 반응 등의 영향을 받지 않도록 보호한다. 다른 예로, 상기 복합 재료는 전자기 유도 조건을 포함하는 반응 중에 사용되며, 전류가 공급된 후, Fe3O4 자성 입자와 같은 상기 복합 재료 내부의 전도성 물질은 전자기 유도 작용의 하에 열을 발생시켜, 상기 복합 재료의 온도를 올릴 수 있다. 또한, 상기 복합 재료는 디메틸 술폭 시드(DMSO) 용매 또는 디메틸 포름 아미드(DMF) 용매, 또는 다른 유사한 용매 중에 용해될 수 있다.
전술한 실시예의 기술적 특징은 임의의 조합을 진행할 수 있다. 설명의 간략화를 위해, 상기 실시예에서 기술적인 특징의 모든 가능한 조합은 기술되지 않았지만, 이들 기술 특징의 조합 사이에 모순이 존재하지 않는 한, 모두 본 명세서의 기재 범위로 간주되어야 한다.
전술한 실시예는 본 발명의 일부 실시예만을 설명하였으며, 그 설명이 구체적이고 상세하지만, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석해서는 안 된다. 본 발명의 기술자는, 본 발명의 사상을 범위를 벗어나지 않고, 다양한 변형 및 수정을 할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 보호 범위에 속함을 유의해야 한다. 그러므로, 본 발명의 범위는 청구 범위를 기준으로 해야 한다.

Claims (19)

  1. 기판의 일측면에 제 1 기능층을 형성하고, 상기 기판의 다른 반대 일측면에 복합 재료층을 형성하며, 상기 복합 재료층은 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함하는 단계;
    상기 제 1 기능층 및 상기 복합 재료층이 형성된 상기 기판을 증착 용액 중에 넣고, 상기 제 1 기능층 상에 제 2 기능층을 증착 형성하는 단계:
    상기 복합 재료층과 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는, 화학적 용액 성장법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 기능층은 p-접합 재료층을 포함하는, 화학적 용액 성장법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 기능층은 발광층을 더 포함하며, 상기 P-접합 재료층과 상기 발광층은 이격되게 설치되어 서로 절연되는, 화학적 용액 성장법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 기능층은 n-접합 재료층을 포함하는, 화학적 용액 성장법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합 재료층 중의 상기 고분자 히드로겔의 질량 백분율은 80% ~ 95%이고, 상기 자성 나노 입자의 질량 백분율은 5% ~ 20%인, 화학적 용액 성장법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 히드로겔은 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제, 폴리 비닐 알콜, 폴리 아크릴 아미드 및 실리콘계 히드로겔로부터 선택된 적어도 하나인, 화학적 용액 성장법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    자성 나노 입자는 Fe3O4로 이루어진 군으로부터 선택되는, 화학적 용액 성장법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 기능층의 증착 과정에서 교류 자기장을 이용하여 상기 기판에 대해 유도 가열을 진행하는, 화학적 용액 성장법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 교류 자기장의 주파수는450kHz ~ 550kHz인, 화학적 용액 성장법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합 재료층과 상기 기판을 분리하는 단계는: 용매를 사용하여 상기 복합 재료층을 용해하는 것을 포함하는, 화학적 용액 성장법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 용매는 디메틸 술폭 시드 용매 및 디메틸 포름 아미드 용매 중 적어도 하나가 선택되는, 화학적 용액 성장법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판의 다른 반대 일측면에 복합 재료층을 형성하는 단계는: 상기 복합 재료층은 스크린 인쇄 방식을 사용하여 상기 기판의 다른 반대 일측면 상에 형성되는 것을 포함하는, 화학적 용액 성장법.
  13. 기판의 일측면에 CIGS층을 형성하고, 상기 기판의 다른 반대 일측면에 복합 재료층을 형성하며, 상기 복합 재료층은 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함하는 단계;
    상기 CIGS층 및 상기 복합 재료층이 형성된 상기 기판을 증착 용액 중에 넣고, 상기 CIGS층 상에 CdS층을 증착 형성하는 단계;
    상기 복합 재료층과 상기 기판을 분리하는 단계를 포함하는, CIGS 태양광 모듈의 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 복합 제료층에서 상기 고분자 히드로겔의 질량 백분율은 80% ~ 95%이고, 상기 자성 나노 입자의 질량 백분율은 5% ~ 20%인, CIGS 태양광 모듈의 제조 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 CIGS층 상에 CdS층을 증착되게 형성하는 단계는: 상기 CdS층의 증착 과정에 교류 자기장을 이용하여 상기 기판에 대해 유도 가열을 진행하는 것을 포함하는, CIGS 태양광 모듈의 제조 방법.
  16. 고분자 히드로겔 및 상기 고분자 히드로겔 중에 혼합된 자성 나노 입자를 포함하는, 복합 재료.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 고분자 히드로겔의 질량 백분율은 80% ~ 95%이고, 상기 자성 나노 입자의 질량 백분율은 5% ~ 20%인, 복합재료.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 고분자 히드로겔은 폴리 아크릴산 수지의 코폴리머 가교제, 폴리 비닐 알콜, 폴리 아크릴 아미드 및 실리콘계 히드로겔로부터 선택된 적어도 하나인, 복합재료.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 자성 나노 입자는 Fe3O4로 이루어진 군으로부터 선택되는, 복합재료.
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