KR20200074509A - 무기 박막 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무기 박막 태양전지에 관한 것으로 본 발명의 실시 예를 따르는 무기 박막 태양전지는, 기판; 상기 기판상에 배치된 후면전극; 상기 후면전극 상의 적어도 일부에 접하는 패턴을 갖도록 배치된 그래핀 산화물층; 상기 그래핀 산화물 층상에 배치된 광활성층; 및 상기 광활성 상에 배치된 상부전극;을 포함한다.
Description
본 발명은 무기 박막 태양전지에 관한 것이다.
최근 환경 보호에 대한 관심이 증가하면서, 환경에 무해한 대체에너지 개발에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 수력 발전, 풍력 발전에 대한 연구와 함께 태양으로부터 제공되는 빛을 이용한 태양에너지의 연구개발이 이루어지고 있다.
최근, 화석연료의 고갈과 지구 온난화, 원자력 에너지의 안전 우려 등으로 인해 대체 에너지의 개발이 시급해짐에 따라 지속 가능한 대체 에너지의 개발이 시급하다. 그 중 무한한 태양광으로부터 에너지를 얻을 수 있는 태양전지는 상대적으로 지역편중이 덜하고, 친환경적이기 때문에 연구가 활발히 진행 중이다.
일반적으로 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다. 태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 흡수하는 두 개 이상의 반도체물질 층으로 구성된다. 태양전지는 빛을 조사하면 광자가 흡수되어 전자와 정공이 생성되고 두 개의 다른 물질의 접합부에서 전위차가 발생함으로써 전류가 흐르게 된다.
무기 반도체 태양 전지에 대한 최대 효율의 Shockley 및 Quiesser 열역학 한계는 31%이다. 태양 전지는 상용화를 위해 효율을 더욱 높일 필요가 있다. 태양전지에 빛이 입사된 후 후면전극에서 상당한 양이 반사하게 되고, 이 반사되는 빛은 입사하는 빛과 만나 간섭을 일으키게 된다.
도 1은 종래 태양전지에서 광활성층과 후면전극 사이에서 발생하는 간섭 현상을 보여주는 모식도이다. 도 1을 참조하면, 빛은 태양전지로 입사된 후 후면전극에서 상당한 양이 반사하게 되고, 이 반사되는 빛은 입사하는 빛과 만나 간섭을 일으키게 된다. 따라서, 입사된 빛은 모두 광활성층에 흡수되는 것이 아니라 간섭이 발생하는 만큼 광활성층에 흡수되지 못하고, 이러한 빛의 손실은 태양전지의 변환효율을 저하시키는 원인이 될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 빛의 간섭에 의한 광전하 생성의 손실을 방지할 수 있는 새로운 구조의 무기 박막 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예를 따르는 무기 박막 태양전지는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 후면전극; 상기 후면전극 상의 적어도 일부에 접하고, 패턴을 형성하는 그래핀 산화물층; 상기 그래핀 산화물층에 배치된 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 배치된 상부전극;을 포함한다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층의 두께는, 50nm 내지 80nm 일 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층은 필름 형상으로 형성되고, 필름 내부에 후면 전극에서 상부 전극 방향으로 인입되는 관통부, 또는 상부 전극에서 후면 전극 방향으로 인입되는 복수개의 관통부를 포함하는 것이 가능하다. 본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 광활성층은 상기 관통부를 통하여 상기 후면전극과 접촉할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 관통부의 단면의 직선 길이는 0.7μm 내지 3μm 일 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 복수개의 관통부 사이의 이격 거리는 4μm 이상일 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층은 상기 후면 전극상에 일정 간격으로 이격된 아일랜드 형상의 이격된 복수의 그래핀 산화물을 포함하여 형성되는 것이 가능하다. 본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층에 포함되는 아일랜드 형상으로 이격된 그래핀 산화물 사이의 그래핀 산화물이 형성되지 않은 영역을 통하여 상기 후면전극과 접촉할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 아일랜드 형상의 그래핀 산화물 사이의 이격 거리는 0.7μm 내지 3μm 일 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 아일랜드 형상의 그래핀 산화물은 단면의 길이가 4μm 이상일 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물 상에 배치된 광활성층은, P형 반도체층(Positive-type semiconductor) 및 상기 P형 반도체층상에 배치된 N형 반도체층(Negative-type semiconductor)을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지는, 상기 광활성층과 상기 상부전극의 사이에 투명전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한,
기판 상에 후면전극을 배치하는 단계;
상기 후면전극의 적어도 일부에 접하는 패턴을 갖도록 그래핀 산화물층을 배치하는 단계;
상기 그래핀 산화물층 상에 광활성층을 배치하는 단계; 및
상기 광활성층 상에 상부전극을 배치하는 단계;를 포함하는 무기 박막 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예를 따르는 무기 박막 태양전지의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예를 따르는 무기 박막 태양전지는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 후면전극; 상기 후면전극 상의 적어도 일부에 접하는 패턴을 갖도록 형성되는 그래핀 산화물층; 상기 그래핀 산화물층 상에 배치된 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 배치된 상부전극;을 포함한다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양전지에 있어서 상기 기판은 태양빛이 입사되는 부분으로 태양전지를 지지하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 의한 무기 박막 태양전지에 있어서 상기 기판은 유리, 금속, 플라스틱 등의 재료로 제조되는 것이 가능하다. 상기 기판은 산화물 단결정, 세라믹, 또는 유리 등 광 투과성이 우수한 투명한 재질의 기판일 수 있다. 상기 기판은 Al2O3, MgO, SiO2, 또는 석영(Quartz)을 포함할 수 있다. 상기 기판은 태양전지의 내부 단락을 방지할 수 있는 절연성 재질을 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에서는 상기 기판상에 배치된 후면전극은 입사된 빛을 반사시킴으로써, 상기 반사된 빛을 광활성층으로 재입사시키는 역할을 할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 후면전극은 전도성을 가지는 물질이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 후면전극은 금속전극일 수 있고, Mo, Pt, Pd, Ag, Au, Ni, Ti, Cr, Al 및 Cu 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 후면전극을 상기 기판에 적층하는 방법은 열증착법, 진공증착법일 수 있다.
상기 열 증발 증착법은 진공상태에서 높은 열을 금속원에 가해 기화한 다음 상대적으로 낮은 온도의 기판에 박막을 형성하는 것으로 고체가 승화된 다음 기판에서 고화되는 것일 수 있다. 상기 스퍼터링 증착법은 스퍼터링 원리를 이용하여 진공상태에서 이온화된 입자를 금속원에 충돌시켜 튀어나온 원자를 기판에 증착하는 방법이다. 상기 스퍼터링은 이온화된 원자가 가속화되어 물질에 충돌할 때 물질 표면의 결합에너지보다 충돌에너지가 더 클 경우 표면으로부터 원자가 튀어나오는 현상일 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층은 상기 후면전극과 광활성층 사이에 배치될 수 있다. 본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층은 광활성층에서 입사되는 빛과 후면전극으로부터 반사되는 빛 사이의 간섭으로 인한 광자의 손실을 막을 수 있다. 본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층은 광활성층에 생성될 수 있는 이차층(secondary phases)의 형성을 억제함으로써, 무기 박막 태양전지의 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그래핀은 매우 얇고 매우 투명하며, 전도성은 구리보다 매우 높고, 인장 강도가 강철보다 훨씬 더 강하며, 공기에 의해 부식되지 않고 화학적으로 안정한 물질이다. 그래핀은 좋은 전도체임에도, 태양 전지 내부에서 발생된 전하를 수집하는 능력은 떨어진다. 반면에, 그래핀 산화물은 탄소 격자 내로 산소가 들어가 있는 형태의 물질이다. 이는 전도성을 저하 시키지만, 그래핀 보다 투명도가 높고, 그래핀 보다 전하를 수집하는 능력이 우수하다. 본 발명에 의한 무기 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층은 입사된 빛의 90% 이상을 투과시키는 투과도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 무기 박막 태양전지의 상기 그래핀 산화물층은 상기 그래핀 산화물층의 상부에 위치하는 상기 광활성층이, 상기 그래핀 산화물층의 하부에 위치하는 상기 후면전극과 접촉될 수 있도록 형성됨으로써 하여, 전하의 유동을 원활하게 할 수 있고, 결과적으로 상기 무기 박막 태양전지의 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 무기 박막 태양전지의 상기 그래핀 산화물층의 두께는, 50nm 내지 80nm 일 수 있다. 상기 그래핀 산화물층은 절연체이기 때문에, 두께가 80nm를 초과하는 경우에는, 전하의 이동을 방해하여 전기적 특성이 저하될 수 있다. 상기 그래핀 산화물층의 두께가 50nm 미만인 경우에는, 상기 빛의 간섭효과를 방지하는 효과가 떨어져 상기 무기 박막 태양전지의 변환 효율이 낮아질 수 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지의 상기 그래핀 산화물층은 상기 후면 전극상에 일정 간격으로 일정 패턴으로 이격된 아일랜드 형상의 그래핀 산화물층을 포함하여 형성되는 것이 가능하다. 본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층에 포함되는 아일랜드 형상으로 이격된 그래핀 산화물 사이의 그래핀 산화물이 형성되는 않는 영역을 통하여 상기 후면전극과 접촉할 수 있다. 상기 그래핀 산화물이 이격된 영역을 통하여, 상기 광활성층과 후면 전극 간의 국부적인 접촉이 될 수 있도록 하여, 전하의 유동을 원활하게 할 수 있고, 무기 박막 태양전지의 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층에 전체적으로 패턴을 형성하면서 아일랜드 형상으로 포함되는 그래핀 산화물 자체의 형상은 원형, 삼각형, 사각형 등 일 수 있다. 상기 아일랜드 그래핀 산화물의 모양은, 상기 광활성층과 상기 후면전극이 상호간에 접촉할 수 있는 부분을 제공할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 의한 무기 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층에 전체적으로 패턴을 형성하면서 아일랜드 타입으로 배열되는 그래핀 산화물은 직선 길이가 4μm 이상일 수 있고, 바람직하게는 5μm 이상 일 수 있다. 상기 아일랜드 타입으로 배열되는 그래핀 산화물의 직선 길이는, 상기 그래핀 산화물 내부에서 가장 긴 길이를 의미할 수 있다. 상기 아일랜드 타입으로 배열되는 그래핀 산화물의 직선길이가 4μm 미만인 경우에는, 상기 광활성층으로 입사되는 빛과 상기 후면전극에서 반사되는 빛의 간섭효과를 방지하는 효과가 떨어져 상기 무기박막 태양전지의 변환 효율이 낮아질 수 있다. 상기 아일랜드 타입으로 배열되는 그래핀 산화물의 직선길이가 5μm 이상인 경우에는, 상기 광활성층으로 입사되는 빛과 상기 후면전극에서 반사되는 빛의 간섭효과를 방지하는 효과가 우수하고, 상기 무기박막 태양전지의 변환 효율이 높아질 수 있다. 상기 아일랜드 타입으로 배열되는 그래핀 산화물 사이의 이격거리가 0.7μm 내지 3μm 일 수 있고, 바람직하게는 1μm 내지 1.5μm 일 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 아일랜드 타입으로 배열되는 그래핀 산화물 사이의 이격거리는 아일랜드 타입으로 배열된 하나의 그래핀 산화물에서, 인접한 그래핀 산화물까지의 거리일 수 있다. 상기 아일랜드 타입으로 배열되는 그래핀 산화물 사이의 이격거리가 0.7μm 미만인 경우에는 상기 후면전극과 상기 광활성층간의 전하의 이동이 비 용이하여 상기 무기박막 태양전지의 변환 효율이 낮아질 수 있다. 상기 그래핀 산화물 사이의 이격거리가 3μm 초과인 경우에는 상기 광활성층으로 입사되는 빛과 상기 후면전극에서 반사되는 빛의 간섭효과를 방지하는 효과가 떨어져 상기 무기박막 태양전지의 변환 효율이 낮아질 수 있다. 상기 아일랜드 타입으로 배열된 그래핀 산화물 사이의 이격거리가 1μm 내지 1.5μm 인 경우, 상기 빛의 간섭효과를 방지하는 효과가 우수하고, 동시에 상기 후면전극과 상기 광활성층간의 전하의 이동이 용이하여 무기박막 태양전지의 변환 효율이 우수할 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지의 상기 그래핀 산화물층은 필름 타입으로 형성되고, 필름 내부에 후면 전극에서 상부 전극 방향으로 인입되는 관통부, 또는 상부 전극에서 후면 전극 방향으로 인입되는 복수개의 관통부를 포함하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예를 따르는 무기 박막 태양전지의 상기 광활성층은 상기 그래핀 산화물층에 포함되는 관통부을 통하여 상기 후면전극과 접촉할 수 있다. 본 발명의 실시예를 따르는 무기 박막 태양전지의 광활성층은 상기 복수개 관통부의 배열 형상, 관통부의 내부 형상 등을 변화시키면서 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지의 상기 그래핀 산화물층으로 인입되어 형성되는 관통부의 모양은 원형, 삼각형, 사각형 등 일 수 있으며, 상기 그래핀 산화물층에 형성되고 상기 광활성층과 상기 후면전극이 상호 접촉할 수 있는 부분을 제공할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층에 포함되는 복수의 관통부 사이의 거리는 4μm 이상일 수 있고, 바람직하게는 5μm 이상일 수 있다. 본 발명에 의한 무기 태양 전지에 있어서, 상기 복수의 관통부 사이의 이격거리는 하나의 관통부에서, 인접한 다른 관통부까지의 거리일 수 있다. 본 발명에 의한 무기 태양 전지에 있어서, 상기 관통부 사이의 이격거리가 4μm 미만인 경우에는 상기 광활성층으로 입사되는 빛과 상기 후면전극에서 반사되는 빛의 간섭을 방지하는 효과가 떨어져 상기 무기 박막 태양전지의 변환 효율이 낮아질 수 있다. 본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 복수의 관통부의 이격거리가 5μm 이상인 경우에는 상기 광활성층으로 입사되는 빛과 상기 후면전극에서 반사되는 빛의 간섭을 방지하는 효과가 우수하고, 상기 무기 박막 태양전지의 변환 효율이 높아질 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층을 관통하는 관통부의 길이는 0.7μm 내지 3μm 일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 2μm 일 수 있다. 상기 그래핀 산화물층을 관통하는 관통부의 길이는, 상기 관통부 내부에서 가장 긴 길이를 의미할 수 있다. 상기 관통부의 길이가 0.7μm 미만인 경우에는, 상기 후면전극과 상기 광활성층간의 전하의 이동이 비용이하여 상기 무기 박막 태양전지의 변환 효율이 낮아질 수 있다. 상기 관통부의 길이가 3μm 를 초과하는 경우에는, 상기 광활성층으로 입사되는 빛과 상기 후면전극에서 반사되는 빛의 간섭을 방지하는 효과가 떨어져 상기 무기 박막 태양전지의 변환 효율이 낮아질 수 있다. 상기 관통부의 길이가 1 내지 2μm 인 경우 빛의 간섭 효과를 방지하는 효과가 우수하고, 동시에 상기 후면전극과 상기 광활성층간의 전하의 이동이 용이하여 무기 박막 태양전지의 변환 효율이 우수할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물은 산화 흑연 분산액을 제조한 후, 상기 산화 흑연 분산액에 와류를 발생시켜 상기 산화 흑연을 박리함으로써 제조될 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층은 포토리소그래피(Photolithography) 공정 또는 스핀 코팅법을 이용하여 후면전극 상의 적어도 일부에 접하는 패턴으로 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 포토리소그래피(Photolithography) 공정은 상기 기판상에 배치된 상기 후면전극을 회전시키면서 포토레지스트(Positive resist) 액체를 떨어뜨려 포토레지스트(Positive resist)를 도포하는 단계; 상기 포토레지스트(Positive resist)에 남아 있는 용매 성분을 오븐을 이용하여 제거하는 Soft bake 단계; 목적하는 패턴을 가진 마스크를 상기 포토레지스트(Positive resist) 상에 배치하는 단계; 상기 마스크상의 패턴을 상기 포토레지스트(Positive resist) 상에 현상되도록 상기 마스크상에 빛을 조사하는 노광 단계; 상기 포토레지스트(Positive resist)의 광활성 화합물이 균일하게 확산되도록 포토레지스트(Positive resist)를 가열 및 건조하는 POST-Exposure-Bake 단계; 상기 노광 단계에서 빛을 받은 부분인 포토레지스트(Positive resist)를 제거하기 위해서 세척용액으로 세척하는 세척 단계; 를 포함할 수 있다. 상기 세척하는 단계 이후, 스핀 코팅법을 이용하여 그래핀 산화물 박막을 증착할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물을 증착한 후, 포토레지스트(Positive resist) Remover를 이용하여 남아있는 포토레지스트(Positive resist)를 제거할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층 상에 배치된 광활성층은 빛을 흡수하여 전기로 변환시키는 역할을 할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지에 있어서, 상기 그래핀 산화물층 상에 배치된 광활성층은, P형 반도체층(Positive-type semiconductor) 및 상기 P형 반도체층상에 배치된 N형 반도체층(Negative-type semiconductor)을 포함할 수 있다. 상기 무기 박막 태양전지에 빛을 비추면, 상기 태양전지 내부로 빛이 흡수되는 광흡수가 일어나고, 상기 태양전지 내부에서 전자와 양공이 발생할 수 있다. 상기 발생된 전자는 N형 반도체로, 상기 양공은 P형 반도체로 이동할 수 있고, 이 작용에 의해서 P극과 N극에는 전위차가 발생하고 이때 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐를 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지는, 상기 P형 반도체층(Positive-type semiconductor)은 Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4, Cu2ZnSn(S,Se)4, Cu2SnS3, Cu2SnSe3, Cu2Sn(S, Se)3, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, Cu(In, Ga)S2, Cu(In, Ga)Se2, Si, GaAs, InP, CdTe 및 PbSe 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지는, 상기 P형 반도체층상에 배치된 N형 반도체층(Negative-type semiconductor)을 포함할 수 있다.
상기 N형 반도체 층은 CdS, ZnS, Zn(O, S), SnO2, In2S3 및 In2O3 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 무기 박막 태양전지는 광활성층 상에 배치된 상부전극을 포함할 수 있다. 상기 상부전극은 Mo, Pt, Ni, Au, Ag 및 Al 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 상부전극은 상기 무기 박막 태양전지 내부에서 형성된 전기를 외부로 끌어내기 위한 것일 수 있다. 상기 상부전극은 열 증발 증착법, 스퍼터링 증착법 등을 통해 상기 광활성층 상에 배치될 수 있다.
상기 열 증발 증착법은 진공상태에서 높은 열을 금속원에 가해 기화한 다음 상대적으로 낮은 온도의 광활성층에 박막을 형성하는 것으로 고체가 승화된 다음 광활성층에서 고화되는 것일 수 있다.
상기 스퍼터링 증착법은 스퍼터링 원리를 이용하여 진공상태에서 이온화 된 입자를 금속원에 충돌시켜 튀어나온 원자를 광활성층에 증착하는 방법이다.
상기 스퍼터링 원리란, 이온화된 원자가 가속화되어 물질에 충돌할 때 물질 표면의 결합에너지보다 충돌에너지가 더 클 경우 표면으로부터 원자가 튀어나오는 현상일 수 있다.
본 발명에 의한 무기 박막 태양 전지는, 상기 광활성층 및 상기 상부전극의 사이에 배치된 투명전극을 더 포함할 수 있다. 상기 투명전극은 스퍼터링 증착법을 이용하여, 상기 N형 화합물 박막 반도체 층상에 배치될 수 있다.
상기 투명전극은 전도성과 광투과도가 높고, 낮은 비저항을 가질 수 있다.
상기 투명전극은 ZnO, Al-ZnO, GaZnO, MgZnO, InSnO 중 어느 하나를 포함하는 박막일 수 있다. 투명 전극은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide, ATO), 산화아연(zinc oxide), 산화주석, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 금속 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 무기 박막 태양전지의 제조방법은, 기판상에 후면전극을 배치하는 단계; 상기 후면전극 상의 적어도 일부에 접하는 패턴을 갖도록 배치된 그래핀 산화물층을 배치하는 단계; 상기 그래핀 산화물층 상에 광활성층을 배치하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 상부전극을 배치하는 단계;를 포함한다.
상기 기판상에 후면전극을 배치하는 단계는 열 증착법, 진공증착법을 사용할 수 있다. 상기 후면전극은 태양전지 표면의 전극을 후면에 위치시킨 구조이기 때문에 기본적으로 광흡수가 증가해 전류밀도가 일반 태양전지에 비해 매우 크다. 상기 기판상에 배치된 후면전극은 입사된 빛을 반사시킴으로써, 상기 반사된 빛을 광활성층으로 재입사시키는 역할을 할 수 있다.
상기 후면 전극 상의 적어도 일부에 접하는 패턴을 갖도록 배치된 그래핀 산화물층을 배치하는 단계는, 그래핀 산화물 용액으로 포토리소그래피(Photolithography)공정을 이용할 수 있다.
상기 포토리소그래피(Photolithography) 공정은 상기 기판상에 배치된 상기 후면전극을 회전시키면서 포토레지스트(Positive resist) 액체를 떨어뜨려 포토레지스트(Positive resist)를 도포하는 단계; 상기 포토레지스트(Positive resist)에 남아 있는 용매 성분을 오븐을 이용하여 제거하는 Soft bake 단계; 목적하는 패턴을 가진 마스크를 상기 포토레지스트(Positive resist) 상에 배치하는 단계; 상기 마스크상의 패턴을 상기 포토레지스트(Positive resist) 상에 현상 되도록 상기 마스크상에 빛을 조사하는 노광 단계; 상기 포토레지스트(Positive resist)의 광활성 화합물이 균일하게 확산되도록 포토레지스트(Positive resist)를 가열 및 건조하는 단계; 상기 노광 단계에서 빛을 받은 부분인 포토레지스트(Positive resist)를 제거하기 위해서 세척용액으로 세척하는 세척 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 세척하는 단계 이후, 스핀 코팅법을 이용하여 그래핀 산화물 박막을 증착 할 수 있다. 상기 그래핀 산화물 증착한 후, 포토레지스트(Positive resist) Remover를 이용하여 남아있는 포토레지스트(Positive resist)를 제거할 수 있다.
상기 그래핀 산화물층 상에 광활성층을 배치하는 단계에서 상기 광활성층은 P형 반도체층(Positive-type semiconductor) 및 상기 P형 반도체층상에 배치된 N형 반도체층(Negative-type semiconductor)을 포함할 수 있다.
상기 광활성층 상에 상부전극을 배치하는 단계는 열 증발 증착법 또는 스퍼터링 증착법이 사용될 수 있다.
본 발명의 무기 박막 태양 전지는, 일정한 패턴으로 형성되는 그래핀 산화물층을 포함하여 입사되는 빛과 반사되는 빛의 간섭으로 인한 광자의 손실을 막을 수 있고, 이에 따라 입사되는 빛에 의해 생성되는 전하의 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 무기 박막 태양 전지는, 태양전지 내에서 전하의 유동을 원활하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 무기 박막 태양 전지는, 무기 박막 태양전지의 변환효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 무기 박막 태양전지에서 광활성층과 후면전극 사이에서 발생하는 간섭 현상을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 무기 박막 태양전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 무기 박막 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 그래핀 산화물층 두께에 따라, P형 반도체층이 전기장을 흡수하는 영역을 산출한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의하여 그래핀 산화물층의 두께가 각각 40nm, 50nm, 60nm, 70nm, 80nm, 90nm, 100nm, 110nm 일 때, P형 반도체층이 전기장을 흡수하는 영역을 산출한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의하여 그래핀 산화물층의 적용 여부에 따른 CZTSSe 박막 태양전지 소자 내부에서 발생하는 전기장의 세기 분포를 산출한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의하여 그래핀 산화물층의 적용 여부에 따른 무기 박막 태양전지의 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의하여 유리 기판 위에 배치된 그래핀 산화물층의 라만(Raman)분석법의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 무기 박막 태양전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 무기 박막 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 그래핀 산화물층 두께에 따라, P형 반도체층이 전기장을 흡수하는 영역을 산출한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의하여 그래핀 산화물층의 두께가 각각 40nm, 50nm, 60nm, 70nm, 80nm, 90nm, 100nm, 110nm 일 때, P형 반도체층이 전기장을 흡수하는 영역을 산출한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의하여 그래핀 산화물층의 적용 여부에 따른 CZTSSe 박막 태양전지 소자 내부에서 발생하는 전기장의 세기 분포를 산출한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의하여 그래핀 산화물층의 적용 여부에 따른 무기 박막 태양전지의 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의하여 유리 기판 위에 배치된 그래핀 산화물층의 라만(Raman)분석법의 결과를 보여주는 그래프이다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
1 단계
: 패턴을 갖는
그래핀
산화물(
Graphene
oxide) 박막 제조
그래핀 산화물 용액을 Hummer’s method 방법을 이용하여 합성하였다. 상온에서 그래핀 산화물 용액을 이용하여 포토리소그래피(Photolithography) 및 스핀 코팅법을 통해 그래핀 산화물층을 형성하였다.
PR 도포, Soft Bake, 노광(Exposure), Post Exposure Bake 및 현상(Development) 순서로 진행하여 패턴을 형성하였으며 이후 그래핀 산화물 박막을 스핀 코팅법을 이용하여 증착하였다.
상기 그래핀 산화물 박막은 1μm의 Mo가 증착된 소다라임 유리 기판에 형성하였고, 스핀 코팅 시 RPM은 2000, 증착 시간은 20초, 증착 횟수는 3번이었다. 매 증착 시 전열기를 이용하여 150℃의 온도에서 건조하였다. 이후 PR Remover를 이용하여 남아있는 PR 층을 제거하였다.
2 단계
: P형
CZTSSe
박막 제조
상기 1 단계의 과정을 통해 제조한 그래핀 산화물 박막 상에 상온에서 스퍼터링법을 이용하여 전구체 박막을 증착하고, 상기 전구체 박막을 황화 및 셀렌화 열처리하였다.
상기 전구체 박막은 Zn, Sn, Cu 타겟을 이용하여 유리/Mo/Zn/Sn/Cu의 적층형 구조를 형성하였다. 이때, Zn, Sn 및 Cu 타겟의 RF 파워는 30W로 고정하였으며, 작동 압력은 5m Torr였다. 이후, 580℃에서 2시간 동안 그라파이트 박스에 0.1g의 황 분말과 1.9g의 셀레늄 분말을 전구체 박막과 같이 넣어 열처리하였다.
3 단계
: N형
CdS
버퍼층
, i-
ZnO
/
AZO
투명전극 및 Al 상부전극 제조
상기 2의 과정을 통해 제조한 CZTSSe 박막 상에 CBD(Chemical Bath Deposition)법을 이용하여 CdS(Cadmium Sulfide) 박막을 합성하였다. 이후 RF 스퍼터를 이용하여 i-ZnO 와 Al이 도핑된 ZnO 박막을 차례로 증착하였고, DC 스퍼터와 패턴이 형성된 mask를 이용하여 Al 상부전극 패턴을 투명전극 박막 위에 형성하였다.
도 4는 CZTSSe 박막 태양전지 내부의 그래핀 산화물층 두께에 따라, P형 반도체층에서 나타나는 광학적 전기장의 세기 분포를 산출한 그래프이다.
도 5는 그래핀 산화물층의 두께가 각각 40nm, 50nm, 60nm, 70nm, 80nm, 90nm, 100nm, 110nm 일때, P형 반도체층이 전기장을 흡수하는 영역을 산출한 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예를 따르는 무기 박막 태양전지의 상기 그래핀 산화물층의 두께는, 50nm 내지 80nm 일 수 있다.
도 5를 참조하면, P형 반도체층에서 나타나는 광학적 전기장의 총량은 그래핀 산화물층의 두께가 80nm 일 때, 가장 우수함을 알 수 있다. P형 반도체층에서 형성되는 전기장은 광생성으로 인한 캐리어의 생성에 기여하기 때문에 강한 전기장을 형성할수록 태양전지의 효율 향상에 기여하게 된다.
상기 그래핀 산화물층은 절연체이기 때문에, 그래핀 산화물층의 두께가 80nm를 초과하는 경우에는, 전하의 이동을 방해하여 전기적 특성이 저하될 수 있다. 상기 그래핀 산화물층의 두께가 50nm 미만인 경우에는, 상기 빛의 간섭효과를 방지하는 효과가 떨어져 상기 무기 박막 태양전지의 변환 효율이 낮아질 수 있다.
도 6은 그래핀 산화물층의 적용 여부에 따른 CZTSSe 박막 태양전지 소자내부에서 발생하는 전기장의 세기 분포를 산출한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예를 따르는 그래핀 산화물층이 적용된 CZTSSe 박막 태양전지는, 파장의 크기 관계없이 그래핀 산화물층이 적용되지 않은 비교예의 CZTSSe 박막 태양전지보다 더 높은 세기의 전기장이 형성된 것을 확인할 수 있다.
전기장의 세기는 빛에 의해서 생성된 전하의 양에 따라 증가하는 것이므로, 본 발명의 실시예를 따르는 그래핀 산화물층이 적용된 CZTSSe 박막 태양전지에서, 그래핀 산화물층이 적용되지 않은 CZTSSe 박막 태양전지보다, 더 많은 전하가 빛에 의하여 생성되는 것을 알 수 있다.
도 7은 그래핀 산화물층의 적용 여부에 따른 무기 박막 태양전지의 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예를 따르는 그래핀 산화물층이 적용된 CZTSSe 박막 태양전지는 그래핀 산화물층이 적용되지 않은 CZTSSe 박막 태양전지보다, 더 높은 전류밀도(Current density)를 가질 수 있다.
도 8은 유리 기판 위에 배치된 그래핀 산화물층의 라만(Raman)분석법의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면 라만(Raman) 분석 결과 나타난 피크들을 통해 그래핀 산화물층이 후면전극 상에 배치 되었음을 확인할 수 있다.
10 : 기판
20 : 하부전극
30 : 그래핀 산화물층을 관통하는 복수의 관통부
40 : 그래핀 산화물층
50 : 광활성층
60 : 투명전극층
70 : 상부전극
20 : 하부전극
30 : 그래핀 산화물층을 관통하는 복수의 관통부
40 : 그래핀 산화물층
50 : 광활성층
60 : 투명전극층
70 : 상부전극
Claims (11)
- 기판;
상기 기판 상에 배치된 후면전극;
상기 후면전극의 적어도 일부에 접하는 그래핀 산화물층;
상기 그래핀 산화물층 상에 배치된 광활성층; 및
상기 광활성층 상에 배치된 상부전극;을 포함하는,
무기 박막 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 산화물층의 두께가 50nm 내지 80nm 인 것을 포함하는,
무기 박막 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 산화물층은, 필름 형상으로 형성되고, 내부를 관통하는 복수의 관통부을 포함하고,
상기 광활성층은 상기 그래핀 산화물층을 관통하는 관통부을 통하여 상기 후면전극과 접촉하는,
무기 박막 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 산화물층은, 아일랜드 형상으로 배치되는 복수의 그래핀 산화물을 포함하고,
상기 광활성층은 상기 아일랜드 형상의 그래핀 산화물이 이격된 영역을 통하여 상기 후면전극과 접촉하는,
무기 박막 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 관통부의 단면의 길이가 0.7μm 내지 3μm 인 것을 포함하는,
무기 박막 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 관통부간 이격거리가 4μm 이상인 것을 포함하는,
무기 박막 태양전지.
- 제 4 항에 있어서,
상기 아일랜드 타입으로 배치되는 개별 그래핀 산화물 사이의 이격거리가 0.7μm 내지 3μm 인 것을 포함하는,
무기 박막 태양전지.
- 제 4 항에 있어서,
상기 아일랜드 타입으로 배치되는 개별 그래핀 산화물의 길이가 4μm 이상인 것을 포함하는,
무기 박막 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 산화물층 상에 배치된 광활성층은,
P형 반도체층(Positive-type semiconductor) 및 상기 P형 반도체층상에 배치된 N형 반도체층(Negative-type semiconductor)을 포함하는,
무기 박막 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
투명 전극층을 더 포함하고,
상기 투명 전극층은 상기 광활성층 및 상기 상부전극의 사이에 배치된
무기 박막 태양전지.
- 기판상에 후면전극을 배치하는 단계;
상기 후면전극 상의 적어도 일부에 접하는 패턴을 갖도록 배치된 그래핀 산화물층을 배치하는 단계;
상기 그래핀 산화물층 상에 광활성층을 배치하는 단계; 및
상기 광활성층 상에 상부전극을 배치하는 단계;를 포함하는
무기 박막 태양전지의 제조방법.
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| KR102224576B1 KR102224576B1 (ko) | 2021-03-08 |
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2018
- 2018-12-17 KR KR1020180162972A patent/KR102224576B1/ko active IP Right Grant
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