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KR101035389B1 - 벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101035389B1
KR101035389B1 KR1020080029664A KR20080029664A KR101035389B1 KR 101035389 B1 KR101035389 B1 KR 101035389B1 KR 1020080029664 A KR1020080029664 A KR 1020080029664A KR 20080029664 A KR20080029664 A KR 20080029664A KR 101035389 B1 KR101035389 B1 KR 101035389B1
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전찬욱
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Abstract

본 발명에 따르면, 상면에 배면전극이 코팅된 기판; 배면전극의 상면에 CIGS 분말이 다공질로 형성되는 CIGS층과, 상기 CIGS 분말에 코팅되어 형성된 n형 버퍼층 및 상기 n형 버퍼층 위에 다시 코팅되어 형성된 n형 ZnO층을 구비하는 코어층; 및 상기 코어층의 상면의 일측에 형성된 그리드 전극을 포함하는 벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법이 제공된다.
개시된 벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법에 의하면, CIGS 분말을 소결시켜 다공질의 p형 반도체 층을 형성시킨 후, 습식법에 의해 n형 반도체를 CIGS 분말의 표면에 코팅함으로써 태양전지가 가진 물리적인 크기보다 훨씬 큰 접합면적을 구현함으로써, 태양전지의 전력생산량을 크게 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
기판, CIGS, n형 버퍼층, 태양전지

Description

벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법 {Bulk heterojunction solar cell and Method of manufacturing the same}
본 발명은 벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배면전극이 코팅된 기판에 형성된 다공성 CIGS 화합물 분말에 n형 버퍼층이 코팅되고, 그 n형 버퍼층 위에 n형 ZnO 투명전극이 코팅된 구조를 갖는 벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 CuInSe2로 대표되는 I-Ⅲ-Ⅵ2족 황동석(Chalcopyrite)계 화합물반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1×105 ㎝- 1 로서 반도체 중에서 가장 높아 두께 1~2 ㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다.
그 때문에, 황동석계 화합물 반도체는 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.
또한, CuInSe2는 밴드갭이 1.04 eV로서 이상적인 밴드갭 1.4 eV를 맞추기 위 해 In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6 eV, CuGaS2 는 2.5 eV이다.
In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S으로 대체한 한 오원화합물은 CIGSS [Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2]로 표기되는데, 대표적으로 이들을 CIS, CIGS로 표기하기도 하고, 이하에서는 이러한 화합물을 CIGS로 정의한다.
CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지의 장점 중의 하나인 장기적 신뢰성은 1988년 11월에 시작한 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 장기 옥외 시험결과 10년 이후에도 효율의 변화가 없는 것으로 입증된 바 있다.
도 1은 CIGS를 광흡수층으로 하는 종래의 태양전지를 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시된 것처럼, CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지의 구조는 일반적으로 유리를 기판(10)으로 하여, 배면전극(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40), 투명전극(50), 반사방지막(60)의 5개의 단위 박막을 순차적으로 형성시키고, 그 위에 그리드 전극(70)을 형성시켜 제조된다.
단위박막 별로 다양한 종류의 재료와 조성, 또한 제조방법에서는 다양한 물리적, 화학적 박막 제조방법이 사용될 수 있다. 태양전지의 면적이 커지면 면저항의 증가로 인하여 효율이 감소하게 되므로, 대면적 모듈의 경우는 일정한 간격으로 직렬 연결이 되도록 패터닝(Patterning)한다.
기판(10)의 재질로는 일반적으로 유리가 사용되고 있다. 그 밖에 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 구리 테이프(Cu tape)와 같은 금속 기판, 폴 리머 등도 사용이 가능하다. 유리기판으로는 일반적으로 값싼 소다회 유리(Sodalime glass)를 사용한다. 앞선 미국 NREL이 기록한 19.2%의 변환효율도 소다회 유리를 기판으로 사용한 것이다. 그 밖에 Polyimide와 같은 유연성 있는 고분자 재질이나 스테인레스 박판 등도 기판으로 사용될 수 있다.
배면전극(Back contact; 20)으로는 Ni, Cu 등이 그 재료로 시도된 바가 있으나 Mo이 가장 광범위하게 사용된다. 이는 Mo이 가진 높은 전기전도도, CIGS에의 오믹 접합(Ohmic contact), Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다. Mo 박막의 제조는 DC 스퍼터링(sputtering)이 가장 널리 이용되고 있다. Mo 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고 또한 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 유리기판에의 점착성이 뛰어나야 한다.
일반적으로 CIGS 태양전지는 p형 반도체인 CuInGaSe2 박막과 n형 반도체이면서 윈도우(window) 층으로 사용되는 ZnO 박막이 pn 접합을 형성한다. 즉, CuInGaSe2 박막은 광흡수층(30)으로, ZnO 박막은 투명전극(50)으로 사용된다. 하지만, 두 물질은 격자상수와 에너지밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층(40)이 필요하다.
현재 버퍼층(40)으로서 가장 높은 효율의 태양전지에 사용되고 있는 것은 CdS(황화카드뮴)이다. CdS 박막은 CBD(Chemical bath deposition) 방법을 사용하여 두께 약 500 Å정도의 박막으로 형성한다. CdS 박막은 2.46 eV의 에너지 밴드갭을 가지며, 이는 약 550nm의 파장에 해당한다.
앞서 설명한 것처럼 CdS 박막은 n형 반도체이며, In, Ga, Al 등을 도핑(doping)함으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다. CdS의 단점은 우선 Cd 물질 자체가 독성인 점과 또한 여타 단위 박막과는 달리 습식 화학공정을 이용하는 점이다. 습식 화학공정의 대안으로 물리적 박막공정으로도 제조 가능한 InxSey 을 사용하기도 한다.
개발초기에 광흡수층(30)으로 사용된 삼원화합물인 CuInSe2는 에너지 밴드갭이 1.04 eV로 단락전류는 높으나, 개방전압이 낮아 높은 효율을 얻을 수 없었다. 때문에 현재에는 개방전압을 높이기 위해 CuInSe2의 In의 일부를 Ga원소로 대치하거나 Se를 S로 대치하는 방법을 사용하고 있다. CuGaSe2는 밴드갭이 약 1.5eV로 Ga이 첨가된 Cu(InxGa1-x)Se2 화합물 반도체의 밴드갭은 Ga 첨가량에 따라 조절이 가능하다.
하지만, 광흡수층(30)의 에너지 밴드갭이 클 경우 개방전압은 증가하지만, 오히려 단락전류가 감소하므로 Ga의 적정한 함량조절이 필요하다. 이와 같이 CIGS 박막은 다원화합물이기 때문에 제조공정이 매우 까다롭다.
물리적으로 광흡수층(30)인 CIGS 박막제조방법으로는 증발법, 스퍼터링 + 셀렌화, 화학적인 방법으로는 전기도금 등이 있고, 각 방법에 있어서도 출발물질(금속, 2원 화합물 등)의 종류에 따라 다양한 제조방법이 동원될 수 있다.
현재까지 가장 좋은 효율을 얻을 수 있었던 것은 동시증발법으로서 출발물질 로 4개의 금속원소(Cu, In, Ga 및 Se)를 사용한 것이다. 기존의 물리적 및 화학적 박막 제조법과는 달리 Mo 기판 위에 나노크기의 입자(분말, 콜로이드 등)를 합성하고 이를 용매와 혼합하여 스크린프린팅, 반응소결시켜 광흡수층을 제조하는 공정도 가능하다.
n형 반도체로서 CIGS와 pn접합을 형성하는 윈도우(window) 층은 태양전지의 앞면에 형성되어 투명전극(50)으로서의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높아야 하고 전기전도성이 좋아야 한다. 현재 사용되고 있는 ZnO는 에너지밴드갭이 약 3.3 eV이고, 약 80% 이상의 높은 광투과도를 가진다. 또한 Al이나 B 등으로 도핑하여 10-4 Ω㎝ 이하의 낮은 저항값을 얻을 수 있다. B을 도핑하기도 하는데, 근적외선 영역의 광투과도가 증가하여 단락전류를 증가시키는 효과가 있다.
ZnO박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등이 현재 사용되고 있다. 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO 박막을 ZnO 박막 위에 증착한 2중구조를 채택하기도 한다. 최근에는 CdS 박막 위에 우선 도핑하지 않은 i형의 ZnO박막을 증착한 다음, 그 위에 낮은 저항을 가진 n형의 ZnO 박막을 증착하여 태양전지의 효율을 개선하는 방법이 널리 이용되고 있다.
한편, 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄이면 약 1% 정도의 태양전지의 효율 향상이 가능하기 때문에 반사방지막(60)이 사용된다. 반사방지막(60)의 재질로는 보통 MgF2 가 사용되는데, 물리적인 박막 제조법으로서 전자빔증발법이 가장 대표적이다.
또한, 그리드 전극(70)은 태양전지 표면에서의 전류를 수집하기 위한 것으로 Al, 또는 Ni/Al 재질이 일반적으로 사용된다. 그리드 전극(70)의 면적만큼은 태양광이 흡수되지 않기 때문에 효율의 손실요인이 되므로 정밀한 설계가 요망된다.
더욱이, 제한된 면적을 가진 박막태양전지는 광전변환효율이 제한될 수 밖에 없다. 따라서, 동일한 면적을 가진 태양전지에서 광전변환효율을 극대화하기 위해서는 pn 접합면의 면적을 증가시켜야만 한다.
하지만, 종래 기술에 따를 경우 박막공정의 특성상 pn 접합면은 기판의 평면과 항상 평행하게 형성되며, 따라서 접합면의 면적은 기판의 면적보다 커질 수 없어 접합면 이상의 광전변환효율을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로,
p형 반도체 층인 CIGS층의 내부까지 n형 반도체인 전도성 ZnO 막이 형성됨으로써 접합면적 이상의 광전변환효율을 얻을 수 있는 벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 벌크 이종접합형 태양전지는 상면에 배면전극이 코팅된 기판; 상기 배면전극의 상면에 CIGS 분말이 다공질로 형성되는 CIGS층과, 상기 CIGS 분말에 코팅되어 형성된 n형 버퍼층 및 상기 n형 버퍼층 위에 다시 코팅되어 형성된 n형 ZnO층을 구비하는 코어층; 및 상기 코어층의 상면의 일측에 형성된 그리드 전극을 포함한다.
여기서, 상기 코어층은, 상면에 Al:ZnO 나노분말층을 더 구비할 수 있다.
게다가, 상기 n형 버퍼층은, CdS로 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 코어층은 하면에 CIGS 나노분말층을 더 구비할 수 있다.
더욱이, 상기 CIGS층의 두께는 3 내지 10㎛, 상기 n형 버퍼층의 두께는 50㎚, 상기 n형 ZnO층의 두께는 200 내지 300㎚, 상기 CIGS 나노분말층의 두께는 0.2 내지 0.3㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법은 기판의 상면에 배면전극을 코팅하는 배면전극코팅단계; 상기 배면 전극의 상면에 CIGS 분말을 소결시켜 다공질로 형성시키는 CIGS층형성단계; 상기 CIGS 분말에 n형 버퍼층을 화학적 용액성장법(CBD; Chemical Bath Deposition)을 통해 코팅하여 형성시키는 n형버퍼층코팅단계; 상기 n형 버퍼층 위에 n형 ZnO층을 화학적 용액성장법(CBD; Chemical Bath Deposition)을 통해 다시 코팅하여 코어층을 완성시키는 코어층완성단계; 및 상기 코어층의 상면의 일측에 그리드 전극을 형성시키는 그리드전극형성단계를 포함한다.
여기서, 상기 코어층완성단계 이후에 상기 코어층의 상면에 Al:ZnO 나노분말층을 형성시키는 나노분말층형성단계를 더 포함할 수도 있다.
아울러, 상기 배면전극코팅단계 이후에 상기 코어층의 하면에 CIGS 나노분말층을 형성시키는 CIGS나노분말층형성단계를 더 포함할 수도 있다.
게다가, 상기 CIGS층형성단계는, Se 분위기를 가진 350 내지 450℃ 노 내에서 30분간의 열처리에 의한 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 n형 버퍼층은 CdS로 이루어지고, 상기 n형버퍼층코팅단계는 CdCl2 와 티오요소(thiourea; CH4N2S)를 pH=10, 75℃의 조건에서 20분간 반응시켜 n형 버퍼층을 코팅하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 n형 ZnO층은 Al:ZnO이고, 상기 코어층완성단계는 Al2(SO4)3, ZnSO4, 에틸렌 디아민(enthylene diamine)을 pH=11, 60℃의 조건에서 15분간 반응시켜 n형 버퍼층 위에 n형 ZnO층을 코팅하여 코어층을 완성시키는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 그리드전극형성단계는, 쉐도우마스크와 증발법을 이용하여 Al/Ni 이중층을 300/50 nm 두께로 증착함으로서 상기 코어층의 상면의 일측에 그리드 전극을 형성시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법에 의하면,
첫째, p형 반도체와 n형 반도체를 박막층으로 형성시키는 대신, CIGS 분말을 소결시켜 다공질의 p형 반도체 층을 형성시킨 후, 습식법에 의해 n형 반도체를 CIGS 분말의 표면에 코팅함으로써 태양전지가 가진 물리적인 크기보다 훨씬 큰 접합면적을 구현함으로써, 태양전지의 전력생산량을 크게 증가시킬 수 있다.
둘째, 전도성 투명전극인 Al:ZnO는 종래의 스퍼터링에 의해 형성시킬 경우 p형 반도체 내부까지 막을 균일하게 도포할 수 없었지만, 본 발명에서는 CBD법으로 성장시킴으로써 CIGS분말 표면에 ZnO/CdS가 습식법에 의해 전면적에 걸쳐 고르게 코팅될 수 있다.
셋째, 상압에서 태양전지를 제조할 수 있기 때문에 제조비용을 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되 어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지를 나타낸 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 코어층 분말의 부분확대단면도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지(100)는 크게 기판(110), 배면전극(120), 코어층(130) 및 그리드 전극(140)을 포함한다.
기판(110)은 그 상면에 배면전극(120)이 코팅되고, 코어층(130)은 배면전극(120)의 상면에 CIGS 분말(131)이 다공질로 형성되는 CIGS층과, 상기 CIGS 분말(131)에 코팅되어 형성된 n형 버퍼층(132) 및 상기 n형 버퍼층(132) 위에 다시 코팅되어 형성된 n형 ZnO층(133)을 구비한다. 또한, 그리드 전극(140)은 코어층(130)의 상면의 일측에 형성된다.
여기서, 상기 n형 버퍼층(132)은, CdS (황화카드뮴)으로 이루어질 수 있다.
또한, 배면전극(120)과 후술할 n형 반도체층이 직접접촉을 하게 되면 단락 (Short circuit) 혹은 분로(Shunt)가 형성될 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 상기 코어층(130)은 하면에 10~50㎚ 지름을 가진 CIS 혹은 CIGS 나노분말층(미도 시)을 더 구비할 수 있다.
이때, CIGS층의 두께는 3 내지 10㎛, n형 버퍼층(132)의 두께는 50㎚, n형 ZnO층(133)의 두께는 200 내지 300㎚, CIGS 나노분말층(미도시)의 두께는 0.2 내지 0.3㎛인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 도 5를 참조하여 아래에서는 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법을 자세히 기술한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법은 배면전극코팅단계(S1), CIGS층형성단계(S2); n형버퍼층코팅단계(S3); 코어층완성단계(S4); 및 그리드전극형성단계(S6)를 포함한다.
배면전극코팅단계(S1)는 기판(110)의 상면에 배면전극(120)을 코팅하는 단계로서, 바람직하게는 소다석회유리 재질의 기판(110)에 Mo를 배면전극(120)으로 코팅하여 형성된다.
다음으로, CIGS층형성단계(S2)는 배면전극(120)의 상면에 CIGS 분말(131)을 소결시켜 다공질로 형성시키는 단계이다.
먼저, CIGS 분말(131)을 메탄올 혹은 셀룰로우스에 섞어 스크린프린팅 기법을 이용하여 소다석회유리 기판 위에 코팅된 Mo 위에 코팅한 후 120℃의 핫플레이트 혹은 오븐에서 10분 동안 건조시키는 것이 바람직하다. 여기서, 코팅의 두께는 스크린프린팅과 건조과정을 반복함으로써 조절가능하다.
아울러, 상기 배면전극코팅단계(S1)와 CIGS층형성단계(S2) 사이에는 코어 층(130)의 하면에 CIGS 나노분말층을 형성시키는 CIGS나노분말층형성단계(S12)를 더 포함할 수도 있다.
즉, 앞서 설명한 것처럼 배면전극(120)과 후술할 n형 반도체층이 직접접촉을 하게 되면 단락 (Short circuit) 혹은 분로(Shunt)가 형성될 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 10~50㎚ 지름을 가진 CIS 혹은 CIGS 나노분말층을 0.2~0.3㎛ 정도의 두께로 형성시킬 수도 있다. 이경우, CIS 혹은 CIGS 나노분말은 상용화된 제품을 사용해도 무방하다.
다음으로, 분말형태의 CIGS를 제조하는 공정을 설명한다.
CIGS 화합물을 제조하기 위해서는 유도용해법을 적용하는 것이 바람직하다. 녹는점과 증기압이 상이한 네 가지 금속원소인 Cu, In, Ga, Se를 용해함에 있어서 녹는점이 높은 금속인 Cu를 먼저 용해시킨 후 In과 Ga을 첨가하여 용해를 지속한다. Se은 특히 증기압이 크기 때문에 마지막에 첨가해야 하며, 증발손실량을 실험적으로 확인하여 과량을 첨가한다.
Se첨가 후 1분 정도의 추가시간 동안 유도용해를 지속하여 균일한 조성을 가진 화합물 용탕을 제조한다. 유도용해를 멈출 경우, 급속한 냉각이 이루어지기 때문에 제조된 화합물 잉곳(Ingot)은 반지름 방향으로 비교적 균일한 조성비를 갖도록 할 수 있다. 잉곳은 적당한 크기로 파쇄한 후 볼밀(Ball mill)과 같은 분말제조장비를 이용하여 0.1~3㎛ 범위 직경을 가진 미세분말로 제조하고 체(Sieve)를 사용하여 크기별로 분류한다.
이러한 CIGS층형성단계(S2)는 건조가 완료된 시편은 Se 분위기를 가진 약 450℃ 노 내에서 30분간 열처리를 행해주면 분말들이 결합된 다공성 CIGS 막이 두께 약 3~10㎛ 정도 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 도 2에는 CIGS 분말(131)들이 서로 연결되어 있는 것이 잘 표현되어 있다.
다음으로, n형버퍼층코팅단계(S3)는 CIGS 분말(131)에 n형 버퍼층(132)을 화학적 용액성장법(CBD; Chemical Bath Deposition)을 통해 코팅하여 형성시키는 단계이다.
앞서 설명한 것처럼, 다공성 CIGS 층은 본 발명에서 p형 반도체이며, pn접합을 형성시키기 위해 n형 반도체인 n형 버퍼층(132)을 CBD(chemical bath deposition)법으로 약 50nm 정도의 두께로 코팅한다.
여기서, 상기 n형 버퍼층(132)은 CdS이고, 상기 n형버퍼층코팅단계는 CdCl2 약 2.4mM과 티오요소(thiourea; CH4N2S) 약 2.4mM를 pH=10, 75℃의 조건에서 20분간 반응시켜 n형 버퍼층(132)을 코팅하는 것이 균일한 박막을 얻기 위해 바람직하다.
참고로, 다공성 CIGS 층은 용액 중에 녹아 있는 반응 성분의 침투를 허용하므로 기판 근처에 존재하는 분말까지도 도 2에 도시된 것처럼 동일한 CdS 박막을 갖게 된다. CdS 박막 형성이 완료된 시편은 증류수를 이용한 초음파 세척을 통해 불순물 입자를 제거한다. 최종적으로 얻어진 CdS 층은 두께가 40㎚ 정도로서 CIGS 다공층의 공간은 여전히 유지된다.
다음으로, 코어층완성단계(S4)는 n형 버퍼층(132) 위에 n형 ZnO층(133)을 화학적 용액성장법(CBD; Chemical Bath Deposition)을 통해 다시 코팅하여 코어층을 완성시키는 단계이다.
CIGS 층으로 흡수된 태양광은 CIGS 층 내에 다수의 전자-정공 쌍(electron hole pair, EHP)을 생성시키게 되는데, 이들 중 접합면 부근에 존재하는 전자는 n형 버퍼층(132)인 CdS 층으로 흘러 이동한다. 이동된 전자는 n형 전극인 그리드 전극(140)으로 이동되어 포집되는데, 이 때 면 방향의 전류(lateral spreading)를 높이기 위해 n형 ZnO층(133)인 투명전도막을 형성시켜야 한다. 본 발명에서 제시하는 pn접합은 기존의 태양전지와 달리 도 2에 도시된 것처럼 구형 혹은 최소한 3차원의 형상을 하고 있기 때문에 3차원의 투명전도막을 형성시키는 방법의 제시가 필요하였다.
그를 위해, n형 ZnO층(133)은 Al:ZnO를 사용하고, 코어층완성단계(S4)에서는 Al2(SO4)3, ZnSO4, 반응 상대 물질로서의 리간드인 에틸렌 디아민(enthylene diamine)을 각각 약 1 mM, 20 mM, 45 mM를 공급하고, pH=11, 60℃의 조건에서 약 15분간 반응시켜 n형 버퍼층(132) 위에 두께 약 200~300㎚의 n형 ZnO층(133)을 코팅하여 코어층을 완성시키는 것이 바람직하다. 도 3에는 CIGS 분말(131) 표면에 CdS/ZnO가 습식법에 의해 전면적에 걸쳐 고르게 코팅된 형상이 잘 도시되어 있다.
다음으로, 그리드전극형성단계(S6)는 코어층(130)의 상면의 일측에 그리드 전극(140)을 형성시키는 단계이다. 그리드전극형성단계(S6)는, 쉐도우마스크와 증발법을 이용하여 Al/Ni 이중층을 300/50㎚ 두께로 증착함으로써 코어층의 상면의 일측에 그리드 전극을 형성시키는 것이 바람직하고, 핑거패턴을 2㎜ 간격으로 배치시킨 일반적인 그리드전극 패턴을 적용하는 것이 바람직하다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지 및 그 제조방법을 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지를 나타낸 단면도, 도 5는 본 발명에 따른 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지(100)는 크게 기판(110), 배면전극(120), 코어층(130), 나노분말층(150) 및 그리드 전극(140)을 포함한다.
여기서, 본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지는 기판(110), 배면전극(120), 코어층(130) 및 그리드 전극(140)은 제1실시예와 동일한 것이므로 설명을 생략한다.
다만, 도 4에 도시된 바와 같이 Al:ZnO 나노분말층(150)이 코어층(130)의 상면에 형성된 것으로, 지름 약 50~100㎚ 크기이며, Al:ZnO 나노분말층(150)을 1㎛ 두께로 추가 형성시킴으로써 n형 ZnO층(133)인 투명전극층의 전기전도도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법은 배면전극코팅단계(S1), CIGS층형성단계(S2); n형버퍼층코팅단계(S3); 코어층완성단계(S4); 나노분말층형성단계(S5); 및 그리드전극형성단계(S6)를 포함한다.
여기서, 본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법 중 배면전극코팅단계(S1), CIGS층형성단계(S2); n형버퍼층코팅단계(S3); 코어층완성단계(S4); 나노분말층형성단계(S5); 및 그리드전극형성단계(S6)은 제1실시예와 동일한 것이므로 설명을 생략한다.
나노분말층형성단계(S5)는 코어층완성단계(S4) 이후에 코어층(130)의 상면에 Al:ZnO 나노분말층을 형성시키는 단계이다.
이러한 1㎛ 두께의 나노분말층(150)은 일반적인 방법, 즉 닥터블레이딩(Doctor blading) 혹은 스크린프린팅(Screen printing) 방법을 적용하여 형성시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 CIGS를 광흡수층으로 하는 종래의 태양전지를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 코어층 분말의 부분확대단면도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 이종접합형 태양전지를 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...태양전지 110...기판
120...배면전극 130...코어층
140...그리드 전극 150...Al:ZnO 나노분말층

Claims (12)

  1. 상면에 배면전극이 코팅된 기판;
    상기 배면전극의 상면에 CIGS 분말이 다공질로 형성되는 CIGS층과, 상기 CIGS 분말에 코팅되어 형성된 n형 버퍼층 및 상기 n형 버퍼층 위에 다시 코팅되어 형성된 n형 ZnO층을 구비하는 코어층; 및
    상기 코어층의 상면의 일측에 형성된 그리드 전극을 포함하고,
    상기 코어층은,
    하면에 CIGS 나노분말층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 벌크 이종접합형 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 코어층은,
    상기 코어층과 상기 그리드 전극 사이에 Al:ZnO 나노분말층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 벌크 이종접합형 태양전지.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 n형 버퍼층은,
    CdS로 이루어진 것을 특징으로 하는 벌크 이종접합형 태양전지.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 CIGS층의 두께는 3 내지 10㎛, 상기 n형 버퍼층의 두께는 50㎚, 상기 n형 ZnO층의 두께는 200 내지 300㎚, 상기 CIGS 나노분말층의 두께는 0.2 내지 0.3㎛인 것을 특징으로 하는 벌크 이종접합형 태양전지.
  6. 기판의 상면에 배면전극을 코팅하는 배면전극코팅단계;
    코어층의 하면에 CIGS 나노분말층을 형성시키는 CIGS나노분말층형성단계;
    상기 배면전극의 상면에 CIGS 분말을 소결시켜 다공질로 형성시키는 CIGS층형성단계;
    상기 CIGS 분말에 n형 버퍼층을 화학적 용액성장법(CBD; Chemical Bath Deposition)을 통해 코팅하여 형성시키는 n형버퍼층코팅단계;
    상기 n형 버퍼층 위에 n형 ZnO층을 화학적 용액성장법(CBD; Chemical Bath Deposition)을 통해 다시 코팅하여 상기 코어층을 완성시키는 코어층완성단계; 및
    상기 코어층의 상면의 일측에 그리드 전극을 형성시키는 그리드전극형성단계를 포함하는 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 코어층완성단계 이후에
    상기 코어층과 상기 그리드 전극 사이에 Al:ZnO 나노분말층을 형성시키는 나노분말층형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 6항에 있어서, 상기 CIGS층형성단계는,
    Se 분위기를 가진 350 내지 450℃ 노 내에서 30분간의 열처리에 의한 것을 특징으로 하는 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 n형 버퍼층은 CdS로 이루어지고,
    상기 n형버퍼층코팅단계는 CdCl2 와 티오요소(thiourea; CH4N2S)를 pH=10, 75℃의 조건에서 20분간 반응시켜 n형 버퍼층을 코팅하는 것을 특징으로 하는 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 n형 ZnO층은 Al:ZnO이고,
    상기 코어층완성단계는 Al2(SO4)3, ZnSO4, 에틸렌 디아민(enthylene diamine)을 pH=11, 60℃의 조건에서 15분간 반응시켜 n형 버퍼층 위에 n형 ZnO층을 코팅하여 코어층을 완성시키는 것을 특징으로 하는 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법.
  12. 제 6항에 있어서, 상기 그리드전극형성단계는,
    쉐도우마스크와 증발법을 이용하여 Al/Ni 이중층을 300/50 nm 두께로 증착함으로서 상기 코어층의 상면의 일측에 그리드 전극을 형성시키는 것을 특징으로 하는 벌크 이종접합형 태양전지의 제조방법.
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