KR20220049631A - 양면 투광형 박막 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명기판; 상기 투명기판 상에 위치하는 제 1 투명전극; 상기 제 1 투명전극 상에 위치하는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 위치하는 제 2 투명전극; 및 상기 투명기판의 하부 또는 제 2 투명전극의 상부에 위치하는 광 산란층; 을 포함하고, 상기 광 산란층은 표면 거칠기 특성을 가지는 고분자로 구성되는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 양면 투광형 박막 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명기판의 하부 또는 제 2 투명전극의 상부에 위치하는 표면 거칠기 특성을 가지는 고분자를 포함하는 광 산란층을 포함하여, 광 흡수 특성 및 성능이 향상된 양면 투광형 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명이 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
상기 태양전지는 P-N 접합으로 구성된 반도체 소자이며 광전효과를 이용해 전기를 발생시킨다. 구체적으로, 상기 태양전지를 구성하는 반도체의 밴드갭보다 큰 에너지의 빛이 입사되면 반도체 내부에 전자-정공 쌍이 형성되고 이때 생성된 전자-정공 쌍이 P-N 접합부에 형성된 전기장에 의해 서로 반대 방향으로 이동하면서 외부에 연결된 도선에 전류가 흐르게 된다.
상기 태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 물질에 따라서 다양한 종류로 구분되며, 현재 가장 많이 사용되는 것은 실리콘을 이용한 실리콘 태양전지이다. 그러나 최근 실리콘의 공급부족으로 가격이 급등하면서 박막형 태양전지에 대한 관심이 증가하고 있고, 상기 박막형 태양전지는 얇은 두께로 제작되므로 재료의 소모량이 적고, 무게가 가벼워 활용범위가 넓다.
한편, 투광형 태양전지는 입사되는 빛의 일부를 흡수하여 전력을 생산하고 가시광선의 일부는 투과하는 특성을 이용하여, 건물의 옥상이나 외벽뿐만 아니라 건물의 창호, 유리온실 등까지 확대된 활용이 가능하며 BIPV기술과 접목했을 때, 외관을 미려하게 하는 심미적 측면에서의 장점을 가지고 있다. 그러나 상기 투광형 태양전지는 일반적인 태양전지와 비교했을 때 광 흡수 특성 및 에너지 변환 효율이 저해되는 단점으로 아직까지 널리 보급되지는 못하고 있다.
종래 박막 태양전지는 일반적으로 광 흡수 특성 및 에너지 변환 효율을 위하여, Mo, Ti, Cu, Ni 등의 금속으로 구성되는 후면 전극 및 약 1 μm 이상의 두께를 갖는 광 흡수층을 포함하여 구성된다. 그러나, 상기 종래 박막 태양전지는 가시광 투광성을 확보할 수 없어 투광형 태양전지로의 사용이 어려운 단점이 있다.
따라서, 가시광 투광성이 확보되어 투광형 태양전지로 이용이 가능하되, 광 흡수 특성 및 에너지 변환 효율이 저해 되지 않는 새로운 구조의 투광형 박막 태양전지의 도입이 필요한 실정이다.
상기의 기술적 문제점을 개선하기 위하여, 본 발명의 일 기술적 과제는 표면 거칠기 특성을 가지는 고분자로 구성되는 광 산란층을 포함하는 양면 투광형 박막 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
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 일 양태는 투명기판; 상기 투명기판 상에 위치하는 제 1 투명전극; 상기 제 1 투명전극 상에 위치하는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 위치하는 제 2 투명전극; 및 상기 투명기판의 하부 또는 제 2 투명전극의 상부에 위치하는 광 산란층; 을 포함하고, 상기 광 산란층은 고분자를 포함하여 구성되고, 거친 표면구조를 가지는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자는 PDMS일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 투명기판은 유리, 투명 플라스틱 및 이들의 혼합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 투명전극은 In2O3:Sn(ITO), In2O3:Zn(IZO), InO:H(IOH), SnO2:F(FTO), ZnO:Al(AZO), ZnO:Ga(GZO), ZnO:B(BZO), oxide/metal/oxide(OMO) 및 oxide/nanowire 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층은 CIGS 박막으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층의 두께는 500 nm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층과 상기 제 2 투명전극 사이에, 상기 광 흡수층 상에 위치하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 버퍼층은 CdS, ZnS, ZnSe, ZnO, ZnMgO, ZnInSex(단, x는 상수), InSex(단, x는 상수), In2S3 및 In(OH)3 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 양면 투광형 박막 태양전지는 380 nm 내지 780 nm의 가시광 파장영역에서 5 % 내지 25 %의 투과율을 가질 수 있다.
본 발명의 일 양태는 투명기판을 준비하는 단계; 투명기판 상에 제 1 투명전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 투명전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제 2 투명전극을 형성하는 단계; 및 상기 투명기판의 하부 또는 제 2 투명전극의 상부에 광 산란층을 형성하는 단계; 를 포함하고, 상기 광 산란층을 형성하는 단계에서 형성되는 광 산란층은 고분자를 포함하여 구성되고, 거친 표면구조를 가지는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 산란층을 형성하는 단계에서, 상기 고분자는 PDMS일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 투명기판을 준비하는 단계에서, 상기 투명기판은 유리, 투명 플라스틱 및 이들의 혼합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 투명전극을 형성하는 단계에서, 상기 투명전극은 In2O3:Sn(ITO), In2O3:Zn(IZO), InO:H(IOH), SnO2:F(FTO), ZnO:Al(AZO), ZnO:Ga(GZO), ZnO:B(BZO), oxide/metal/oxide(OMO) 및 oxide/nanowire 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서, 형성되는 광 흡수층은 CIGS 박막으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서, 형성되는 광 흡수층의 두께는 500 nm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계와 제 2 투명전극을 형성하는 단계 사이에, 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 버퍼층은 CdS, ZnS, ZnSe, ZnO, ZnMgO, ZnInSex(단, x는 상수), InSex(단, x는 상수), In2S3 및 In(OH)3 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지는 두께 500 nm이하의 광 흡수층과 양면의 투명전극을 포함함으로써, 전면 및 후면의 양면에서 가시광 투광성을 확보할 수 있고, 광 흡수 특성이 향상될 수 있다. 또한, PDMS(polydimethylsiloxane)로 구성되고, 거친 표면 구조를 포함하는 광 산란층을 포함함으로써, 상술한 광 흡수 특성을 통한 에너지 전환 효율을 증대할 수 있다.
나아가, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지는 우수한 가시광 투광성 및 에너지 전환 효율을 확보하여, 건물의 창호(window), 파사드(Facade), 채광창(skylight) 등과, 도로 방음벽, 정류장/벤치 햇빛 가림막 등의 다양한 태양광 응용분야에 적용될 수 있다.
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 일 실시예의 양면 투광형 박막 태양전지의 모식도이다.
도 2는 종래 박막 태양전지(1a)의 모식도와 광 투과 실험 사진(a) 및 일부 구성을 포함하는 양면 투광형 박막 태양전지(1)의 모식도와 광 투과 실험 사진(b)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 거친 표면구조를 가지는 PDMS의 표면형상(a), 헤이즈 및 투과도 실험 사진(b) 및 광학특성 그래프(c)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 양면 투광형 박막 태양전지의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 양면 투광형 태양전지의 제조방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 FTO 투명전극의 표면 및 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 광학적 특성 그래프(c)이고, 도 7은 상기 FTO 투명전극에 CIGS 광 흡수층을 증착시킨 후의 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 FTO 투명전극 태양전지의 AFM 이미지(c)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 ITO 투명전극의 표면 및 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 광학적 특성 그래프(c)이고, 도 9는 상기 ITO 투명전극에 CIGS 광 흡수층을 증착시킨 후의 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 ITO 투명전극 태양전지의 AFM 이미지(c)이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지의 I-V 곡선(a)과 EQE 및 Absorbance 곡선(b)이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 FTO 투명전극 태양전지의 I-V 곡선(a) 및 EQE와 Absorbance 곡선(b), ITO 투명전극 태양전지의 I-V 곡선(c) 및 EQE와 Absorbance 곡선(d)이고, 도 12는 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지의 가시광 파장영역에서의 투과율 그래프이다.
도 2는 종래 박막 태양전지(1a)의 모식도와 광 투과 실험 사진(a) 및 일부 구성을 포함하는 양면 투광형 박막 태양전지(1)의 모식도와 광 투과 실험 사진(b)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 거친 표면구조를 가지는 PDMS의 표면형상(a), 헤이즈 및 투과도 실험 사진(b) 및 광학특성 그래프(c)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 양면 투광형 박막 태양전지의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 양면 투광형 태양전지의 제조방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 FTO 투명전극의 표면 및 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 광학적 특성 그래프(c)이고, 도 7은 상기 FTO 투명전극에 CIGS 광 흡수층을 증착시킨 후의 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 FTO 투명전극 태양전지의 AFM 이미지(c)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 ITO 투명전극의 표면 및 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 광학적 특성 그래프(c)이고, 도 9는 상기 ITO 투명전극에 CIGS 광 흡수층을 증착시킨 후의 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 ITO 투명전극 태양전지의 AFM 이미지(c)이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지의 I-V 곡선(a)과 EQE 및 Absorbance 곡선(b)이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 FTO 투명전극 태양전지의 I-V 곡선(a) 및 EQE와 Absorbance 곡선(b), ITO 투명전극 태양전지의 I-V 곡선(c) 및 EQE와 Absorbance 곡선(d)이고, 도 12는 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지의 가시광 파장영역에서의 투과율 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 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 발명의 일 양태는 양면 투광형 박막 태양전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 투명기판(100); 상기 투명기판(100) 상에 위치하는 제 1 투명전극(200); 상기 제 1 투명전극(200) 상에 위치하는 광 흡수층(300); 상기 광 흡수층(300) 상에 위치하는 제 2 투명전극(500); 및 상기 투명기판(100)의 하부 또는 제 2 투명전극(500)의 상부에 위치하는 광 산란층(600);을 포함한다.
먼저, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 투명기판(100)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 투명기판(100)은 상기 양면 투광형 박막 태양전지(1)의 하부에서 입사되는 입사광을 투과할 수 있는 소재, 예를 들면, 유리, 투명 플라스틱 및 이들의 혼합물 중 어느 하나 이상, 예를 들면, 유리를 포함하여 구성될 수 있다.
다만, 상기 투명기판(100)은 본 발명의 기술분야에서 태양전지의 기판으로 이용될 수 있고, 광을 투과할 수 있는 소재로 구성되었다면, 이를 제한하지 않고 적절히 선택될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 상기 투명기판(100)의 상부에 위치하는 제 1 투명전극(200); 및 상기 제 1 투명전극(200)의 상부에 위치하는 광 흡수층(300)을 포함한다.
도 2는 종래 박막 태양전지(1a)의 모식도와 광 투과 실험 사진(a) 및 일부 구성을 포함하는 양면 투광형 박막 태양전지(1)의 모식도와 광 투과 실험 사진(b)이다.
도 2의 a)를 참조하면, 종래 박막 태양전지(1a)는 기판(10); 상기 기판(10)상에 위치하는 후면 전극(20); 상기 후면 전극(20) 상에 위치하는 광 흡수층(30); 상기 광 흡수층(30) 상에 위치하는 버퍼층(40); 및 상기 버퍼층(40) 상에 위치하는 전면 전극(50)을 포함한다.
구체적인 실시예에서, 상기 도 2의 a)의 종래 박막 태양전지(1a)에서, 상기 기판(10), 광 흡수층(30), 버퍼층(40) 및 전면 전극(50)은 각각 도 2의 b)의 양면 투광형 박막 태양전지(1)의 투명기판(100), 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 제 2 투명전극(500)과 동일한 소재로 구성될 수 있고, 상기 후면 전극(20) 및 광 흡수층(30)의 두께만 상기 양면 투광형 박막 태양전지(1)의 제 1 투명전극(200) 및 광 흡수층(300)의 두께와 상이 할 수 있다.
일반적으로, 상기 종래 박막 태양전지(1a)는 광 흡수층(30)의 광 흡수율을 높이기 위하여, Mo, Ti, Cu, Ni 등의 금속으로 구성되는 후면 전극(20) 및 약 1 μm 이상의 두께를 갖는 광 흡수층(30)을 포함하여 구성된다. 도 2의 a)를 참조하면, 상기 종래 박막 태양전지(1a)의 광 흡수층(30)이 약 2 μm의 두께를 가지는 경우, 광을 투과하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 즉, 태양전지의 가시광 투광성을 확보하기 위하여, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 상기 종래 박막 태양전지(1a)의 후면 전극(20) 대신 제 1 투명전극(200)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 투명전극(200)은 평탄한 표면 특성을 가지는 소재를 포함하여 구성될 수 있고, 광이 투과할 수 있으며, 전도성을 가지는 소재, 예를 들면, In2O3:Sn(ITO), In2O3:Zn(IZO), InO:H(IOH), SnO2:F(FTO), ZnO:Al(AZO), ZnO:Ga(GZO), ZnO:B(BZO), oxide/metal/oxide(OMO) 및 oxide/nanowire 중 어느 하나 이상, 예를 들면, ITO 또는 FTO, 구체적으로 평탄한 표면 구조를 가지는 ITO를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 투명전극(200)이 평탄한 표면 구조를 가지는 소재로 구성되는 경우, 적층되어 형성되는 태양전지 내부 박막에서 발생할 수 있는 내부 결함을 최소화할 수 있고, 구체적으로, 상기 평탄한 표면 구조를 가지는 소재로 구성되는 제 1 투명전극(200)을 포함하는 양면 투광형 태양전지(1)는 높은 개방전압 및 충진율을 가지게 될 수 있다. 이에 대한 설명은 후술하는 구체적인 실시예에서 상세히 하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층(300)은 Si 결정계 및 박막계를 포함하는 실리콘계 박막, Cu, In, Se 등을 원료로 하는 CIGS 박막, Cd, Te을 원료로 하는 CdTe 박막 및 III족 및 V족 원소로 된 화합물을 다 접합하여 구성되는 집광계를 포함하는 화합물계 및 염료감응, 페로브스카이트 또는 유기반도체를 이용하는 유무기 박막 중 1종 이상, 예를 들면, CIGS 박막을 포함 하여 구성될 수 있다.
상기 CIGS 박막은 Si에 비해 10배 이상 큰 광 흡수계수를 가지며 비교적 저온(350∼550℃)에서 막을 형성할 수 있고, 105cm-1 이상의 높은 광 흡수계수로 인해 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 우수한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층(300)은 CIGS 박막으로 구성될 수 있고, 상기 CIGS 박막은 예를 들면, 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 사원 화합물을 포함할 수 있고, 이때, 상기 사원 화합물은 하기의 식 1의 조성비를 만족할 수 있다:
[식 1]
0.5 ≤ Cu/(In+Ga) ≤ 0.95; 및
0 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 1
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층(300)은 단일단계 동시진공증발 공정을 이용하여 형성된 것일 수 있고, 상기 단일단계 동시진공증발 공정이란, 종래 개시된 CIGS 박막 형성 공정인 3단계 동시진공증발 공정과 대구를 이루는 것으로, 증발되는 금속 소스 및 온도 조건을 변화시켜 진행하는 상기 3단계 동시진공증발 공정과 비교하여, 동일한 온도의 조건에서, 증발되는 금속 소스를 한꺼번에 증발시켜 증착시키는 공정을 의미한다.
상기 단일단계 동시진공증발 공정의 구체적인 실시예는 하기의 양태에서 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층(300)의 두께는 500 nm 이하, 예를 들면, 100 nm 내지 500 nm, 예를 들면, 300 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, CIGS 박막으로 구성되는 상기 광 흡수층(300)이 약 500 nm 이하의 두께를 가지는 경우, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 약 25 % 이하의 가시광 투광성을 확보 할 수 있다.
상기 25 % 이하의 가시광 투광성을 가지는 투광형 박막 태양전지는 건물의 창호, Facade, 채광창, 햇빛 가림막 등의 다양한 태양광 응용분야에 적용되어 시각적 편안함을 제공할 수 있다.
도 2의 b)를 참조하면, 상술한 소재를 포함하는 제 1 투명전극(200) 및 300 nm두께의 광 흡수층(300)을 포함하는 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 광 투과성이 확보되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 양면 투과형 태양전지(1)는 광 흡수층(300)과 상기 제 2 투명전극(500) 사이에, 상기 광 흡수층(300) 상에 위치하는 버퍼층(400)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 양면 투광형 박막 태양전지(1)에 있어, 광 흡수층(300) 및 제 2 투명전극(500)사이의 격자상수 및 에너지 밴드갭의 차이가 클 수 있고, 이 경우, 전기적 접합이 어려울 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 및 제 2 투명전극(500)사이의 밴드갭을 가질 수 있고, 상기 광 흡수층(300) 및 제 2 투명전극 (500)을 전기적으로 양호하게 접합 할 수 있도록 도울 수 있고, 상기 광 흡수층(300)을 보호하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 버퍼층(400)은 CdS, ZnS, ZnSe, ZnO, ZnMgO, ZnInSex(단, x는 상수), InSex(단, x는 상수), In2S3 및 In(OH)3 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 상기 광 흡수층(300) 또는 상기 버퍼층(400) 상에 위치하는 제 2 투명전극(500)을 포함한다.
상기 제 2 투명전극(500)은 광이 투과할 수 있으며, 전도성을 가지는 소재, 예를 들면, In2O3:Sn(ITO), In2O3:Zn(IZO), InO:H(IOH), SnO2:F(FTO), ZnO:Al(AZO), ZnO:Ga(GZO), ZnO:B(BZO), oxide/metal/oxide(OMO) 및 oxide/nanowire 중 어느 하나 이상, 예를 들면, ITO 또는 FTO를 포함하여 구성될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 상기 투명기판(100)의 하부 또는 제 2 투명전극(500)의 상부에 위치하는 광 산란층(600)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 산란층(600)은 고분자를 포함하여 구성되고, 거친 표면구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 산란층(600)은 100 nm 내지 5,000 nm의 표면 거칠기(Surface Roughness)를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자는 PDMS(polydimethylsiloxane)일 수 있고, 예를 들면, 상기 광 산란층(600)은 박막 형태의 거친 표면구조를 가지는 PDMS를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 거친 표면구조를 가지는 PDMS는 투명한 특성을 가지는 고분자로, 태양전지에 많이 사용되는 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판을 마스터로 이용하여 쉽게 수득할 수 있다.
구체적으로, 표면 텍스처링 된 결정질 실리콘 기판으로 형성된 마스터의 표면에 상기 PDMS를 도포하여 경화시킨 후, 떼어내는 경우, 상기 마스터의 표면형상을 그대로 전사시켜, 거친 표면구조를 가지는 PDMS를 수득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 PDMS의 표면구조의 형상은 마스터의 표면형상에 따라 다양하게 변화시킬 수 있으며, 주기성(periodic) 패턴이나 불규칙한(random textured)패턴이 사용될 수 있다.
도 3은 거친 표면구조를 가지는 PDMS의 표면 형상(a), 헤이즈 및 투과도 실험 사진(b) 및 광학특성 그래프(c)이다.
도 3의 a)를 참조하면, 본 발명의 광 산란층(600)에 포함되는 PDMS는 거친 표면구조를 가지며, 도 3의 b)를 참조하면, 하부 마크와 상기 PDMS의 거리를 띄우는 경우 공기층이 존재하여 헤이즈 특성이 나타나며, 상기 하부 마크와 상기 PDMS를 밀착시키는 경우, 공기층이 없어 투과도 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 3의 c)를 참조하면, 상기 PDMS의 높은 광 산란 특성으로 인해 350 nm 내지 1,100 nm의 넓은 파장영역에서 높은 헤이즈 및 낮은 반사도 특성을 가지고 동시에 80 % 이상의 투과도를 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 상기 거친 표면구조를 가지는 광 산란층(600)을 포함하여, 상술한 500 nm 이하의 두께를 가지는 광 흡수층(300)의 광 흡수율 특성을 향상 시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 광 산란층(600)이 상기 투명기판(100)의 하부 및 제 2 투명전극(500)의 상부에 위치하는 양면 투광형 박막 태양전지(1)의 모식도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 상부 및 하부를 통하여 광이 조사될 수 있고, 상부를 통하여 입사되는 전면 입사광은 상기 제 2 투명전극(500)의 상부에 위치하는 광 산란층(600)에 의하여 산란될 수 있고, 상기 하부를 통하여 입사되는 후면 입사광은 상기 투명기판(100)의 하부에 위치하는 광 산란층(600)에 의하여 산란될 수 있다.
상기 광 산란층(600)은 태양전지 표면에서의 및 반사를 최소화하고 광 흡수층(300) 양쪽 계면에서 광 산란을 증가시켜 광 흡수를 향상시키는 역할을 할 수 있다. 따라서, 상기 광 산란층(600)을 포함하는 양면 투광형 태양전지(1)는 광 흡수 특성을 통한 에너지 전환 효율을 증대할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 양면 투광형 태양전지(1)는 380 nm 내지 780 nm의 가시광 파장영역에서 5 % 내지 25 %, 예를 들면, 10 % 내지 25 %의 투과율을 가질 수 있고, 건물의 창호, Facade, 채광창, 햇빛 가림막 등의 다양한 태양광 응용분야에 적용되어 시각적 편안함을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 양면 투광형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
도 5는 본 발명의 양면 투광형 태양전지의 제조방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하면 본 발명의 양면 투광형 태양전지의 제조방법은 투명기판을 준비하는 단계(S100); 상기 투명기판 상에 제 1 투명전극을 형성하는 단계(S200); 상기 제 1 투명전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계(S300); 상기 광 흡수층 상에 제 2 투명전극을 형성하는 단계(S500); 및 상기 투명기판의 하부 또는 제 2 투명전극의 상부에 광 산란층을 형성하는 단계(S600);를 포함한다.
먼저, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)의 제조방법은 투명기판을 준비하는 단계(S100)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 투명기판은 광이 투과할 수 있는 소재, 예를 들면, 유리 또는 투명 플라스틱으로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법은 투명기판 상에 제 1 투명전극을 형성하는 단계(S200)를 포함한다.
상기 제 1 투명전극은 광 흡수층과 직접 접촉하게 되는 막 형태의 투명전도층으로, 상기 제 1 투명전극은 광이 투과할 수 있으며, 전도성을 가지는 소재, 예를 들면, 투명전도성 산화물, 예를 들면, In2O3:Sn(ITO), In2O3:Zn(IZO), InO:H(IOH), SnO2:F(FTO), ZnO:Al(AZO), ZnO:Ga(GZO), ZnO:B(BZO), oxide/metal/oxide(OMO) 및 oxide/nanowire 중 어느 하나 이상, 예를 들면, FTO 또는 ITO를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 투명전극을 형성하는 단계(S200)는 예를 들면, 스퍼터링법(Sputtering)법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, CBD(Chemical Bath Deposition)법, ILGAR(Ion-Layer Gas Reaction)법, ALD(Atomic Layer Deposition)법 등을 포함하는 증착법을 이용하여 수행될 수 있으나, 본 발명의 기술분야에서 자명한 방법이면, 이에 제한되지 않는다.
다음으로, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법은 제 1 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계(S300)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계(S300)에서 형성되는 광 흡수층은 Si 결정계 및 박막계를 포함하는 실리콘계 박막, Cu, In, Se 등을 원료로 하는 CIGS 박막, Cd, Te을 원료로 하는 CdTe 박막 및 III족 및 V족 원소로 된 화합물을 다 접합하여 구성되는 집광계를 포함하는 화합물계 및 염료감응, 페로브스카이트 또는 유기반도체를 이용하는 유무기 박막 중 1종 이상, 예를 들면, CIGS 박막을 포함 하여 구성될 수 있다.
상기 CIGS 박막은 Si에 비해 10배 이상 큰 광 흡수계수를 가지며 비교적 저온(350∼550℃)에서 막을 형성할 수 있고, 105cm-1 이상의 높은 광 흡수계수로 인해 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 우수한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계(S300)에서 형성되는 광 흡수층은 CIGS 박막으로 구성될 수 있고, 상기 CIGS 박막은 예를 들면, 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 사원 화합물을 포함할 수 있고, 이때, 상기 사원 화합물은 하기의 식 1의 조성비를 만족할 수 있다:
[식 1]
0.5 ≤ Cu/(In+Ga) ≤ 0.95; 및
0 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 1
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계(S300)는 본 발명 기술분야의 CIGS 광 흡수층을 형성하는 공정이라면 이를 제한하지 않고 이용하여 수행될 수 있고, 예를 들면, 단일단계 동시진공증발 공정을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 단일단계 동시진공증발 공정이란, 상술한 3단계 동시진공증발 공정과 대구를 이루는 것으로, 증발되는 금속 소스 및 온도 조건을 변화시켜 진행하는 상기 3단계 동시진공증발 공정과 비교하여, 동일한 온도의 조건에서, 증발되는 금속 소스를 한꺼번에 증발시켜 증착시키는 공정을 의미한다.
구체적인 실시예에서, 광흡수층(300)을 형성하는 단계(S300)는 먼저, 기판온도를 300 ℃ 내지 500 ℃까지 승온(heat up) 시킨 후, 구리 소스, 인듐 소스, 갈륨 소스 및 셀레늄 소스를 동시에 증발시켜 상기 제 1 투명 전극(200) 상에 CIGS 광 흡수층(300)을 형성 할 수 있다.
상기 단일단계 동시진공증발 공정은 상술한 3단계 동시진공증발 공정에 비하여 공정이 단순하고 공정시간을 크게 단축시킬 수 있다는 장점이 있고, 증발원소를 동시에 증발시킴으로써, 공정 중 박막 두께의 급속한 변화가 없으며, 증착시간에 따른 정밀한 조절이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계(S300)에서 형성되는 광 흡수층의 두께는 500 nm 이하, 예를 들면, 100 nm 내지 500 nm, 예를 들면, 300 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, CIGS 박막으로 구성되는 상기 광 흡수층(300)이 약 500 nm 이하의 두께를 가지는 경우, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지(1)는 약 25 % 이하의 가시광 투광성을 확보 할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법은 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계(S400)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 CIGS 광 흡수층 및 제 2 투명전극 사이의 격자상수 및 에너지 밴드갭의 차이가 클 수 있고, 이 경우, 전기적 접합이 어려울 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 CIGS 광 흡수층 및 제 2 투명전극 사이의 밴드갭을 가질 수 있고, 상기 CIGS 광 흡수층 및 제 2 투명전극을 전기적으로 양호하게 접합 할 수 있도록 도울 수 있다. 또한, 후술 할 제 2 투명전극을 형성하는 단계(S500)에서, 상기 CIGS 광 흡수층을 보호하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 버퍼층을 형성하는 단계(S400)에서 형성되는 버퍼층은 CdS, ZnS, ZnSe, ZnO, ZnMgO, ZnInSex(단, x는 상수), InSex(단, x는 상수), In2S3 및 In(OH)3 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있고, 상기 버퍼층을 형성하는 단계(S400)는 스퍼터링법(Sputtering)법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, CBD(Chemical Bath Deposition)법, ILGAR(Ion-Layer Gas Reaction)법, ALD(Atomic Layer Deposition)법 등을 포함하는 증착법을 이용하여 수행될 수 있으나, 본 발명의 기술분야에서 자명한 방법이면, 이에 제한되지 않는다.
다음으로, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법은 버퍼층 상에 제 2 투명전극을 형성하는 단계(S500)를 포함한다.
상기 제 2 투명전극은 광이 투과할 수 있으며, 전도성을 가지는 소재, 예를 들면, In2O3:Sn(ITO), In2O3:Zn(IZO), InO:H(IOH), SnO2:F(FTO), ZnO:Al(AZO), ZnO:Ga(GZO), ZnO:B(BZO), oxide/metal/oxide(OMO) 및 oxide/nanowire 중 어느 하나 이상, 예를 들면, ITO 또는 FTO를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 투명전극을 형성하는 단계(S500)는 예를 들면, 스퍼터링법(Sputtering)법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, CBD(Chemical Bath Deposition)법, ILGAR(Ion-Layer Gas Reaction)법, ALD(Atomic Layer Deposition)법 등을 포함하는 증착법을 이용하여 수행될 수 있으나, 본 발명의 기술분야에서 자명한 방법이면, 이에 제한되지 않는다.
다음으로, 본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법은 상기 투명기판의 하부 또는 제 2 투명전극의 상부에 광 산란층을 형성하는 단계(S600);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 광 산란층을 형성하는 단계(S600)에서 형성되는 상기 광 산란층은 고분자를 포함하여 구성되고, 거친 표면구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 산란층은 100 nm 내지 5,000 nm의 표면 거칠기(Surface Roughness)를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자는 PDMS(polydimethylsiloxane)일 수 있고, 예를 들면, 상기 광 산란층은 박막 형태의 거친 표면구조를 가지는 PDMS를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 거친 표면구조를 가지는 PDMS는 투명한 특성을 가지는 고분자로, 태양전지에 많이 사용되는 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판을 마스터로 이용하여 쉽게 수득할 수 있다.
구체적으로, 표면 텍스처링 된 결정질 실리콘 기판으로 형성된 마스터의 표면에 상기 PDMS를 도포하여 경화시킨 후, 떼어내는 경우, 상기 마스터의 표면형상을 그대로 전사시켜, 거친 표면구조를 가지는 PDMS를 수득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 PDMS의 표면구조의 형상은 마스터의 표면형상에 따라 다양하게 변화시킬 수 있으며, 주기성(periodic) 패턴이나 불규칙한(random textured)패턴이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 산란층을 형성하는 단계(S600)는 상술한 방법으로 수득한 거친 표면구조를 가지는 PDMS를 상기 투명기판의 하부, 상기 제 2 투명전극의 상부 또는 상기 투명기판의 하부 및 제 2 투명전극의 상부에 위치시키고 접합 또는 적층함으로써 수행될 수 있고, 상기 접합 또는 적층하는 공정은 본 발명의 기술분야에서 자명한 방법이면, 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
본 발명의 양면 투광형 박막 태양전지를 이용하여 제조되는 양면 투광형 박막 태양전지는 두께 500 nm이하의 광 흡수층과 양면의 투명전극을 포함함으로써, 전면 및 후면의 양면에서 가시광 투광성을 확보할 수 있고, 광 흡수 특성이 향상될 수 있다. 또한, 거친 표면구조를 가지는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 광 산란층을 포함함으로써, 상술한 광 흡수 특성을 통한 에너지 전환 효율을 증대할 수 있다. 나아가, 우수한 가시광 투광성 및 에너지 전환 효율을 확보하여, 건물의 창호(window), 파사드(Fa
ade), 채광창(skylight) 등과, 도로 방음벽, 정류장/벤치 햇빛 가림막 등의 다양한 태양광 응용분야에 적용될 수 있다.
실시예
실시예 1. FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지
투광형 박막 태양전지의 거친 표면구조로 인한 광 산란성을 확인하기 위하여, 제 1 투명전극의 소재를 자체적으로 거친 표면구조를 가지는 FTO 및 평탄한 표면구조를 가지는 ITO로 구성하여, 양면 투광형 박막 태양전지를 제조(이하, 각각 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지)하고, 특성을 관찰하였다.
- FTO 투명전극 태양전지
약 34.9 nm의 평균거칠기(σrms; root-mean-square roughness)를 가지고, 이로 인하여 350 nm 내지 650 nm 파장영역에서 광 산란 및 헤이즈 특성을 가지는 FTO 투명전극 위에 300 nm 두께의 CIGS 광 흡수층을 증착하여 FTO 투명전극 태양전지를 제조하였다.
도 6은 FTO 투명전극의 표면 및 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 광학적 특성 그래프(c)이고, 도 7은 상기 FTO 투명전극에 CIGS 광 흡수층을 증착시킨 후의 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 FTO 투명전극 태양전지의 AFM 이미지(c)이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 34.9 nm의 평균거칠기를 가지는 FTO 투명전극상에 CIGS 광 흡수층(300)을 증착한 후의 표면 거칠기는 36.0 nm로 증가되고 FTO 태양전지의 평균거칠기도 44.1 nm 수준인 것을 확인할 수 있었다.
- ITO 투명전극 태양전지
약 6.7 nm의 평균거칠기(σrms; root-mean-square roughness)를 가지고, 이로 인하여 350 nm 내지 650 nm 파장영역에서 광 산란 및 헤이즈 특성을 가지지 않는 ITO 투명전극 위에 300 nm 두께의 CIGS 광 흡수층을 증착하여 ITO 투명전극 태양전지를 제조하였다.
도 8은 ITO 투명전극의 표면 및 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 광학적 특성 그래프(c)이고, 도 9는 상기 ITO 투명전극에 CIGS 광 흡수층을 증착시킨 후의 단면 이미지(a), AFM 이미지(b) 및 ITO 투명전극 태양전지의 AFM 이미지(c)이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 6.7 nm의 평균거칠기를 가지는 ITO 투명전극상에 CIGS 광 흡수층(300)을 증착한 후의 표면 거칠기는 14.6 nm로 증가되고 ITO 투명전극 태양전지의 평균거칠기는 19.7 nm 수준인 것을 확인할 수 있었다.
- 태양전지의 성능 확인
상기 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지의 성능을 확인하여 그 결과를 도 10 및 하기의 표 1에 도시하였다.
구체적으로 도 10의 a)는 I-V 곡선이고, 도 10의 b)는 EQE 및 Absorbance 곡선이다.
| 제 1 투명전극 | V OC (V) | J SC (mA/cm2) | FF (%) | PCE (%) |
| FTO | 0.61 | 21.23 | 69.30 | 9.04 |
| ITO | 0.65 | 18.95 | 73.21 | 9.02 |
도 10 및 표 1을 참조하면, 표면 거칠기 특성을 갖는 FTO 투명전극 위에 제작된 FTO 투명전극 태양전지의 경우, 21.23 mA/cm2의 단락 전류밀도, 0.61 V의 개방전압 및 69.30 %의 충진율을 나타내고, 평탄한 표면 특성을 갖는 ITO 투명전극 위에 제작된 ITO 투명전극 태양전지는 18.95 mA/cm2의 단락 전류밀도, 0.65 V의 개방전압 및 충진율 73.21 %의 충진율을 나타내는 것을 알 수 있었다. 상기 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지의 효율은 약 9 % 수준으로 유사한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
한편, FTO 투명전극 태양전지는 ITO 투명전극 태양전지에 비하여 높은 단락 전류밀도 값을 갖는 반면 개방전압과 충진율을 상대적으로 낮은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 FTO 투명전극의 거친 표면구조에 의한 광 산란 특성 향상으로 내부 흡수가 증가되어 단락 전류밀도가 향상된 반면, 거친 표면 위에 증착된 광 흡수층 내부와 계면에서의 결함 증가로 인하여 개방전압과 충진율이 상대적으로 감소하기 때문이라는 것을 알 수 있었다.
실시예 2. 광 산란층을 포함하는 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지
거친 표면구조를 가지는 PDMS로 구성되는 광 산란층(이하, PDMS 광 산란층)을 상기 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지의 상부에 위치시켜 입사광의 광 산란을 유도하였다.
이때, 상기 광 산란층은 투명한 특성을 가지고 350 nm 내지 1,100 nm의 넓은 파장 영역에서 높은 헤이즈 및 낮은 반사도 특성을 가지고 동시에 80 % 이상의 투과도를 나타내는 PDMS를 이용하였다(도 3 및 상술한 PDMS 특성 참조).
- 태양전지의 성능 확인
상기 PDMS 광 산란층을 포함하는 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지의 성능을 확인하여 그 결과를 도 11, 도 12 및 하기의 표 2에 도시하였다.
구체적으로 도 11의 a) 및 b)는 FTO 투명전극 태양전지의 I-V 곡선(a) 및 EQE와 Absorbance 곡선(b)이고, c) 및 d)는 ITO 투명전극 태양전지의 I-V 곡선(c) 및 EQE와 Absorbance 곡선(d)이고, 도 12는 FTO 투명전극 태양전지 및 ITO 투명전극 태양전지의 가시광 파장영역에서의 투과율 그래프이다.
| 제 1 투명전극 | PDMS 적용 유무 | V OC (V) |
J SC (mA/cm2) |
FF (%) |
PCE (%) |
AVT (%) |
| FTO | 유 | 0.61 | 21.23 | 69.30 | 9.04 | 11.58 |
| 무 | 0.63 | 21.27 | 68.73 | 9.27 | 11.85 | |
| ITO | 유 | 0.65 | 18.95 | 73.21 | 9.02 | 12.65 |
| 무 | 0.67 | 20.99 | 74.68 | 10.50 | 12.29 |
(AVT: 420 nm 내지 720 nm 가시광 파장의 평균 투과율)
도 11, 도 12 및 표 2를 참조하면, FTO 투명전극 태양전지의 경우, 효율 개선이 거고, PDMS 광 산란층에 의한 광 흡수 특성이 향상되지 않고, 외부 양자효율과 광 흡수에서의 증가 수준은 거의 미비한 반면, ITO 투명전극 태양전지는 효율이 10.5 %까지 증가된 것을 확인할 수 있었고, 상기 ITO 투명전극 태양전지는 단락 전류밀도가 약 2 mA/cm2 증가되며, 개방전압과 충진율에서의 손실은 없는 것을 확인할 수 있었다.
PDMS 광 산란층 도입을 통한 420 nm 내지 720 nm 파장 영역의 평균 가시광 투과도 (Average Visible transmittance; AVT)의 변화도 거의 없는 것으로 나타나며, PDMS 광 산란층 도입에 따른 광 손실은 거의 없는 수준인 것을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 1의 태양전지 성능 확인 결과를 참조하면, 평탄한 표면구조를 가지는 ITO 투명전극은 내부 결함을 최소화하여, 높은 개방전압과 충진율을 갖는 반면, 낮은 단락전류값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 2의 태양전지 성능 확인 결과를 참조하면, 상기 평탄한 표면구조를 가지는 ITO 투명전극을 본 발명의 제 1 투명전극으로 사용하고, PDMS 광 산란층을 도입함으로써 우수한 개방전압과 충진율을 유지하면서 태양전지내의 광 흡수율을 보상할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
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.
1: 양면 투광형 태양전지
1a: 종래 박막 태양전지
10: 기판
20: 후면 전극
30: 광 흡수층
40: 버퍼층
50: 전면 전극
100: 기판
200: 제 1 전극층
300: 광 흡수층
400: 버퍼층
500: 제 2 전극층
600: 광 산란층
1a: 종래 박막 태양전지
10: 기판
20: 후면 전극
30: 광 흡수층
40: 버퍼층
50: 전면 전극
100: 기판
200: 제 1 전극층
300: 광 흡수층
400: 버퍼층
500: 제 2 전극층
600: 광 산란층
Claims (17)
- 투명기판;
상기 투명기판 상에 위치하는 제 1 투명전극;
상기 제 1 투명전극 상에 위치하는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 위치하는 제 2 투명전극; 및
상기 투명기판의 하부 또는 제 2 투명전극의 상부에 위치하는 광 산란층;
을 포함하고,
상기 광 산란층은 고분자를 포함하여 구성되고, 거친 표면구조를 가지는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 고분자는 PDMS인 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 투명기판은 유리, 투명 플라스틱 및 이들의 혼합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 투명전극은 In2O3:Sn(ITO), In2O3:Zn(IZO), InO:H(IOH), SnO2:F(FTO), ZnO:Al(AZO), ZnO:Ga(GZO), ZnO:B(BZO), oxide/metal/oxide(OMO) 및 oxide/nanowire 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수층은 CIGS 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수층의 두께는 500 nm 이하인 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 제 2 투명전극 사이에,
상기 광 흡수층 상에 위치하는 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지. - 제 7 항에 있어서,
상기 버퍼층은 CdS, ZnS, ZnSe, ZnO, ZnMgO, ZnInSex(단, x는 상수), InSex(단, x는 상수), In2S3 및 In(OH)3 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
380 nm 내지 780 nm의 가시광 파장영역에서 5 % 내지 25 %의 투과율을 가지는 양면 투광형 박막 태양전지. - 투명기판을 준비하는 단계;
상기 투명기판 상에 제 1 투명전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 투명전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
상기 광 흡수층 상에 제 2 투명전극을 형성하는 단계; 및
상기 투명기판의 하부 또는 제 2 투명전극의 상부에 광 산란층을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 광 산란층을 형성하는 단계에서 형성되는 광 산란층은 고분자를 포함하여 구성되고, 거친 표면구조를 가지는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 광 산란층을 형성하는 단계에서,
상기 고분자는 PDMS인 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 투명기판을 준비하는 단계에서,
상기 투명기판은 유리, 투명 플라스틱 및 이들의 혼합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 투명전극을 형성하는 단계에서,
상기 투명전극은 In2O3:Sn(ITO), In2O3:Zn(IZO), InO:H(IOH), SnO2:F(FTO), ZnO:Al(AZO), ZnO:Ga(GZO), ZnO:B(BZO), oxide/metal/oxide(OMO) 및 oxide/nanowire 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서,
형성되는 광 흡수층은 CIGS 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서,
형성되는 광 흡수층의 두께는 500 nm 이하인 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 광 흡수층을 형성하는 단계와 제 2 투명전극을 형성하는 단계 사이에,
상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 버퍼층은 CdS, ZnS, ZnSe, ZnO, ZnMgO, ZnInSex(단, x는 상수), InSex(단, x는 상수), In2S3 및 In(OH)3 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 투광형 박막 태양전지의 제조방법.
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| KR101405023B1 (ko) | 2008-07-04 | 2014-06-10 | 주성엔지니어링(주) | 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
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