KR100850000B1 - 태양전지 흡수층의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1B-3A-Se 화합물로 이루어진 태양전지 흡수층의 제조방법에 있어서, 금속 셀레나이드 나노 입자를 전구체 물질로 사용하여 기재 상에 도포한 후 열처리하여 제조함으로써, 종래 산화물 형태의 금속을 전구체 물질로 사용한 경우와 비교하여, 1B-3A-Se 화합물의 결정 크기를 증가시킬 수 있어 궁극적으로 태양전지의 효율이 증대되며, 수소 환원 공정 및 셀레나이드화 공정을 생략할 수 있는 등 공정이 간단한 태양전지 흡수층의 제조방법을 제공한다.
Description
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 태양전지 흡수층을 적용한 태양전지의 단면 모식도이다;
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예 1에 제조된 CuInSe2 화합물 결정체의 전자현미경(SEM) 사진들이다;
도 3은 본 발명의 실시예 1에 제조된 CuInSe2 화합물에 대한 XRD(X-ray Diffraction) 그래프이다;
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예 2에 제조된 CuInSe2 화합물 결정체의 전자현미경(SEM) 사진들이다;
도 5는 본 발명의 실시예 2에 제조된 CuInSe2 화합물에 대한 XRD 그래프이다;
도 6a 및 6b는 본 발명의 실시예 3에 제조된 CuInSe2 화합물 결정체의 전자현미경(SEM) 사진들이다;
도 7은 본 발명의 실시예 3에 제조된 CuInSe2 화합물에 대한 XRD 그래프이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
11: 기판(substrate)
12: 도전층(conductive layer)
13: 흡수층(absorption layer)
14: 버퍼층(buffer layer)
15: 투명창층(transparent window layer)
16: 핑거패턴(finger patterns)
본 발명은 태양전지 흡수층의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 1B-3A-Se 화합물로 이루어진 태양전지 흡수층의 제조방법에 있어서, 금속 셀레나이드 나노 입자를 전구체 물질로 사용하여 기재 상에 도포한 후 급속 열처리하여 제조함으로써, 종래 산화물 형태의 금속을 전구체 물질로 사용한 경우와 비교하여, 1B-3A-Se 화합물의 결정 크기를 증가시킬 수 있어서 궁극적으로 태양전지의 효율이 증대되며, 수소 환원 공정 및 셀레나이드화 공정을 생략할 수 있는 등 공정이 더욱 간단한 태양전지 흡수층의 제조방법에 관한 것이다.
Cu(In,Ga)Se2(CIGS계 흡수층) 등의 물질을 흡수층으로 사용하는 태양 전지의 흡수층을 제조하는 방법은 크게 진공에서의 증착을 이용하는 방법과, 비진공에서 전구체 물질을 도포한 후에 이를 고온 열처리하는 방법이 있다. 이 중, 진공 증착에 의한 방법은 고효율의 흡수층을 제조할 수 있는 장점이 있는 반면에, 대면적의 흡수층 제조시에 균일성이 떨어지고 고가의 장비를 사용하여야 하는 단점이 있다. 한편, 전구체 물질 도포 후 고온 열처리 하는 방법은 대면적을 균일하게 제조할 수 있으나, 흡수층의 효율이 낮은 단점이 있다.
상기 전구체 물질을 이용한 흡수층 제조방법 중 양산 공정에 실용화되기 가장 적합한 것으로 보이는 방법으로는, 금속 산화물 혼합물의 페이스트를 기재 상에 코팅한 후에 이를 열처리하여 흡수층을 제조하는 방법을 들 수 있다. 이러한 방법은 균일한 흡수층을 저비용으로 제조할 수 있는 장점은 있지만, 전구체로 사용하는 금속 산화물이 화학적 및 열적으로 매우 안정한 물질이므로, 최종 흡수층에서 큰 결정을 얻기 어렵고, 그 결과 효율이 낮아지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 구리 셀레나이드, 인듐 셀레나이드, 갈륨 셀레나이드 등과 같은 금속 셀레나이드의 혼합물을 기재 위에 코팅한 후에 급속 고온 열처 리(rapid thermal processing)함으로써, 최종 흡수층의 결정 크기를 크게 만들어 결과적으로 효율이 높고 제조공정을 크게 줄일 수 있는 태양전지 흡수층의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법에 사용되는 신규한 금속 셀레나이드 혼합물 페이스트를 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 목적은 상기와 같은 방법으로 제조됨으로써 효율이 높은 태양전지를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법은,
(a) 반응물질로서 1B족 금속의 셀레나이드 입자와 3A족 금속의 셀레나이드 입자의 혼합물 페이스트를 준비하는 단계;
(b) 상기 페이스트를 기재 상에 도포하는 단계; 및
(c) 상기 도포층을 급속 열처리하는 단계;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
이러한 본 발명의 제조방법은 종래 전구체 원료로 사용되는 금속 산화물 대신 금속 셀레나이드의 미세 입자들을 사용함으로써, 개선된 효율을 나타내는 태양전지 흡수층을 얻을 수 있다.
도 1에는 여러 층으로 이루어진 태양전지의 구성을 모식적으로 보여주는 단 면도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 태양전지(10)는 유리기판(11), 도전층(12), p-type 흡수층(13), n-type 버퍼층(14) 및 n-type 투명창층(15)이 순서대로 배치되어 구성된다. 또한, 핑거 패턴(finger patterns: 16)을 도면에 나타낸 바와 같이 도포할 수 있으나, 반드시 필요한 것은 아니며, 이러한 핑거 패턴(15)은 투명창층(14)에 의해 유도되는 저항을 감소시키기 위하여 필요에 따라 적용함으로써, 태양전지의 효율을 높인다.
본 발명은 상기 구성 중 흡수층(13)을 제조하는 방법에 그 특징이 있는 것으로서, 본 발명에 따른 제조방법을 각 단계별로 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 단계(a)에서는 반응물질로서 1B족 금속의 셀레나이드 입자와 3A족 금속의 셀레나이드 입자의 혼합물 페이스트를 준비한다.
상기 1B족 금속 셀레나이드의 대표적인 예로는 Cu-Se, Ag-Se, Au-Se 등을 들 수 있으며, 그 중 Cu-Se가 특히 바람직하다.
상기 3A족 금속 셀레나이드의 대표적인 예로는 In-Se, Ga-Se, Al-Se, Ti-Se 등을 들 수 있으며, 그 중 In-Se와 Ga-Se가 특히 바람직하다. 상기 In-Se는 예를 들어 InSe 또는 In2Se3의 형태일 수 있으며, 상기 Ga-Se는 예를 들어 GaSe 또는 Ga2Se3의 형태일 수 있다.
상기 금속 셀레나이드 입자들은 5 nm ~ 10 ㎛의 입경을 가지며, 바람직하게는 50 nm ~ 5 ㎛의 입경을 가진다. 상기 입자들은 매우 작은 크기를 가지고 있기 때문에, 나노 입자들 내부의 각 원자들이 반응하기 위해 확산 이동해야 하는 거리를 크게 줄일 수 있으므로, 큰 결정 크기를 얻을 수 있어 흡수층의 효율을 높일 수 있다. 따라서, 상기 범위 내에서 입경이 작은 것이 바람직하지만, 너무 작은 입자는 제조가 용이하지 않으므로 바람직하지 않다.
상기 혼합물 페이스트에서 금속 셀레나이드 입자들의 혼합비는 사용되는 원소의 종류, 흡수층에서의 소망하는 성분비 등 다양한 요소들에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 1B족 금속 셀레나이드로서 Cu-Se를 사용하고 3A족 금속 셀레나이드로서 In-Se 및/또는 Ga-Se를 사용하는 경우, 각 금속의 몰비는 Cu/(In+Ga)가 0.6 ~ 1.5이고 Ga/(Ga+In)가 0 ~ 0.5인 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 금속 셀레나이드 입자들은 본 발명의 방법에 적용하기에 적합한 것이라면, 공지된 방법이나 새로이 개발되는 방법들에 의해 제조되는 것들이 모두 사용될 수 있다.
예를 들어, 구리 셀레나이드 나노 입자는, 트리-n-옥틸포스핀(TOP)에 용해된 CuCl2 용액을 100℃로 가열하고 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(TOPO, tri-n-octylphosphine oxide)를 주입한 후, 250℃의 온도에서 트리-n-옥틸포스핀 셀레나이드(TOPSe)를 반응 혼합물에 첨가 혼합하여 반응시킨 뒤, 반응물을 메탄올에 침전시켜 분리함으로써 제조할 수 있다 (참조: H. Winkler, A. Birkner, V. Hagen, I. Wolf, R. Schmchel, H.V. Seggern, and R.A. Fischer, Advanced materials, 11 (17) 1444, 1999). 또는, 구리 염화물과 아셀렌산을 소정의 용매에 부가한 후, 상 기 용액에 초음파(ultrasonic vibration)를 인가하여 화학반응을 유도함으로써 제조할 수 있다. 그 밖에, 구리염과 아셀렌산(H2SeO3)을 소정의 용매에 첨가한 후 가열하여 제조할 수도 있으며, 이러한 제조방법은, 용매로서 에틸렌 글리콜이나 부탄디올과 같은 저렴한 유기 용매가 사용되므로 매우 경제적이다.
갈륨 셀레나이드 나노 입자는, TOP가 용해된 TOPO 용액에 TOPSe 용액을 혼합하고, 트리메틸갈륨을 혼합하여 반응시킨 뒤, 반응물을 메탄올에 의해 추출하여 분리함으로써 제조할 수 있다 (참조: V. Chikan, D.F. Kelly, Nano Letters, 141, 2, 2002).
인듐 셀레나이드 나노 입자는, TOP에 셀레늄과 TOPO을 주입하여 만든 용액을 150℃에서 혼합하고, 250℃로 가열한 다음, 트리메틸인듐이 용해된 TOP 용액을 상기 반응 혼합물에 주입하여 반응시킴으로써 제조할 수 있다 (참조: S. Yang and D.F. Kelley, J. Phys. Chem. B, 109, 12701, 2005). 또는, 인듐염과 아셀렌산(H2SeO3)을 소정의 용매에 첨가한 후 가열하여 제조할 수도 있다.
상기 단계(b)에서는 제조된 페이스트를 도 1에서의 기재(11, 12) 상에 도포한다. 여기서 기재는 기판(11)과 도전층(12)으로 구분될 수 있는데, 도전층(12)은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 금(Au) 등 통상적인 금속을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴을 사용한다. 기판(11)은 유리, 알루미나, 폴리이미드, 또는 도전성 재질인 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 흑연 등을 사용할 수 있다. 기판(11)으로서 도전성 재질을 사용할 경우에는 도전층(12)을 생략하여 하나의 층으로 기재를 구성할 수 있다.
도포층은 단층 또는 다층으로 구성할 수 있으며, 전체 두께는 대략 3 ~ 5 ㎛인 것이 바람직하다. 다층 구조(2층 또는 3층 구조)의 도포층을 형성하는 경우의 구체적인 예로서, 3층 구조의 도포층의 경우에, 최하단의 제 1 층은 Cu/(In+Ga) = 0 ~ 0.9의 몰비를 가지는 층으로서 0.1 ~ 1.0 ㎛의 두께로 도포되고, 중간층인 제 2 층은 Cu/(In+Ga) = 0.8 ~ 3.0의 몰비로서 0.5 ~ 3.0 ㎛의 두께로 도포되며, 최상단의 제 3 층은 Cu/(In+Ga) = 0 ~ 0.9의 몰비로서 0.1 ~ 1.0 ㎛의 두께로 도포될 수 있다. 이렇게 도포층을 다층 구조로 구성하면 도포층을 급속 열처리 하는 과정에서, 도포층의 두께 방향으로 Cu/(In+Ga) 및 Ga/(Ga+In)의 비가 변함으로써 최종 흡수층이 고 효율의 태양 전지에 적합한 전기적 성질을 가지게 만들 수 있다는 잇점이 있다.
도포 방법은 공지의 방법에 따라 수행될 수 있으며, 예를 들어, 닥터 블레이드 코팅법, 스프레이 프린팅, 그라비아 프린팅, 잉크 프린팅 등이 있다.
이러한 도포층은 대략 50 ~ 150℃ 정도의 낮은 온도에서 건조하는 과정을 추가로 거칠 수 있다. 상기 다층 구조의 도포층은 이러한 도포 과정을 순차적으로 반복함으로써 구성할 수 있다.
상기 단계(c)에서는 형성된 도포층을 급속 열처리한다.
종래에는 금속 산화물 입자들의 혼합물 페이스트로 도포층을 형성하므로, 열처리 단계에서 산화물 입자들을 환원시키기 위하여 수소와 같은 환원제를 사용하여야만 하였다. 즉, 열처리 과정과 함께 또는 그 전단계에서 수소 환원공정이 요구 되었다. 또한, 최초 반응물질에 셀레늄(Se)이 포함되어 있지 않으므로 열처리 후 셀레나이드화 공정을 거쳐야만 하였다. 이러한 셀레나이드화 공정은 가열상태에서 H2Se, (CH3)2Se, (C2H5)2Se 등을 제공하여 이루어졌다. 반면에, 본 발명에서는 이러한 수소 환원 공정 및 셀레나이드화 공정이 요구되지 않는다.
더욱이, 상기한 바와 같은 종래의 방법에서는 열처리 후 도포층에 각 금속이 Cu-In 합금, Cu-Ga 합금 및 Cu-In-Ga 합금의 형태로 주로 존재하게 되고 이것을 셀레늄화 시킴으로써 큰 결정 크기 및 고 효율 태양 전지에 적합한 Cu(In,Ga)Se2 흡수층을 얻는 것이 쉽지 않았다. 반면에, 본 발명에서는 열처리 과정에서 Cu-Se, In-Se, Ga-Se 등의 입자들을 반응시킴으로써, 상대적으로 낮은 온도에서 액상으로 존재 가능한 CuSe의 성질을 이용할 수 있고, 그 결과 큰 결정 크기를 가지는 흡수층을 만들 수 있다.
본 발명에서의 상기 급속 열처리(rapid thermal processing)는 400 ~ 600℃ 의 온도에서 1 ~ 30 분 동안 수행할 수 있다. 다양한 가열 방식들 중 급속 열처리를 행하는 이유는 기판에 가해지는 열적 부담(thermal load)을 최소화 하면서 도포층의 반응 및 결정 성장에 충분한 온도를 얻는데 급속 열처리가 가장 적합한 공정이기 때문이다. 따라서, 열처리 온도가 너무 낮거나 처리 시간이 짧으면 도포층의 미 반응 또는 결정 크기가 작아지는 문제점이 있으며, 반대로 열처리 온도가 너무 높거나 처리 시간이 길면 기판의 변형이 일어나는 문제점이 있으므로 바람직하지 않다. 상기 열처리는 더욱 바람직하게는 400 ~ 500℃의 범위에서 수행할 수 있다.
본 발명의 상기 제조방법에는 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위 내에서 기타의 과정이 추가될 수도 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 또한 상기 제조방법에 사용될 수 있는 신규한 금속 셀레나이드 혼합물 페이스트로서, 구체적으로, 1B족 금속의 셀레나이드 입자와 3A족 금속의 셀레나이드 입자를 포함하는 것으로 구성된 혼합물 페이스트를 제공한다.
본 발명에 따른 금속 셀레나이드 혼합물 페이스트는 태양전지의 흡수층 제조를 위한 반응물로서의 용도 뿐만 아니라 기타 용도로서도 이제껏 알려져 있지 않다.
앞서의 설명과 같이, 본 발명의 금속 셀레나이드 혼합물 페이스트는 1B족 금속과 3A족 금속의 종류에 따라 다양한 조성들이 가능할 수 있으며, 바람직하게는 In-Se 입자와 Cu-Se 입자를 포함하는 조성일 수 있다.
본 발명의 페이스트에서 고형분의 함량은 페이스트가 사용되는 용도에 따라 달라질 수 있으므로 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 페이스트를 구성하는 용매로는 물, 알코올류 화합물, 글리콜류 화합물, 카보네이트계 화합물 등이 사용될 수 있으며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로도 사용 가능하다.
상기 페이스트에는 Na, K, Ni, P, As, Sb, Bi 등의 도펀트(dopant)를 단독 또는 둘 이상의 조합으로 첨가할 수 있으며, 이러한 도펀트를 함유하는 페이스트를 사용하여 태양전지 흡수층을 제조하는 경우, 상기 도펀트에 의해 흡수층의 전기적 성질 개선 및 흡수층의 결정 크기의 증가와 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 페이스트에는 기재에 대해 안정적인 도포층을 형성하기 위하여 소정의 바인더를 더 포함할 수도 있으며, 이러한 바인더의 바람직한 예로는 에틸 셀룰로오스, 폴리 프로필렌 글리콜, 폴리 프로필렌 카보네이트 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로도 사용 가능하다.
상기 페이스트는 볼 밀링(ball milling) 방법 등 공지의 방법에 의해 제조할 수 있으며, 상기 볼 밀링 방법에 의할 경우에 용매로서 물 또는 에틸렌 글리콜 모노페닐 에테르 등을 사용할 수 있다.본 발명은 또한 상기 방법으로 제조된 흡수층을 포함하고 있는 태양전지에 관한 것이다.
상기 방법으로 제조된 흡수층에 생성된 화합물은 1B-3A-Se으로 표시될 수 있으며, 이를 대표하는 화합물로서 Cu(In,Ga)Se2를 예로 들 수 있다. 상기 흡수층에서 1B-3A-Se 화합물의 결정 크기는 0.5 ~ 1.5 ㎛ 이상으로서, 이는 종래 기술에 비하여 크게 단순화된 공정으로 제조되었음에도 불구하고, 종래의 기술에 비해 상당히 증가된 수준의 결정 크기를 얻을 수 있음을 보여 준다.
이와 같이 큰 결정 크기의 흡수층을 포함하는 태양전지는 우수한 효율을 나타낸다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명의 내용을 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] CuSe-InSe에 의한 CIS의 제조
구리 질산염 0.03M과 아셀렌산 0.02M을 에틸렌 글리콜 용매 250 ml 에 혼합하였다. 상기 반응용액을 170℃로 가열하고, 약 3 시간 동안 반응 시켜 CuSe 나노 입자를 제조하였다. 상기 용매는 폴리에틸렌 글리콜 또는 부탄디올 등으로 대체할 수도 있다.
또한, 인듐 질산염 0.02M과 아셀렌산 0.02M을 디에틸렌 글리콜 또는 부탄디올 용매 250 ml에 혼합하였다. 상기 반응용액을 170℃로 가열하고 약 3 시간 동안 반응시켜 InSe 나노 입자를 제조하였다.
그런 다음, α-테르피네올(Terpineol)과 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate; PC)를 용매로 하고, 폴리프로필렌 카보네이트(polypropylene carbonate)를 바인더로 사용하여, 상기 제조된 CuSe 및 InSe 나노 입자 파우더를 분산하여 페이스트를 제조하였다. 여기서, 각각의 중량비는 테르피네올 : PC : 폴리프로필렌 카보네이트 : 파우더 = 43.34 : 26.65 : 5.01 : 25 이었다. 상기에서 제조된 페이스트를 유리 기판 위에 닥터 블레이드를 사용하여 코팅한 후에, N2 분위기에서 430℃로 2 분 동안 급속열처리(rapid thermal annealing; RTA)를 실시하여 CuInSe2(이하, 'CIS'로 약칭함)를 제조하였다.
RTA 전후의 상기 CIS 결정에 대한 전자현미경(SEM) 사진이 도 2a 및 2b에 각각 개시되어 있다. 도 2a 및 2b의 사진은 각각 JEOL사의 JSM-6340F 전자 현미경을 이용하여 15 keV의 가속 전압에서 얻어졌으며, 이들 사진에서 보는 바와 같이, 급속 열처리 전에 존재하던 InSe 미세한 입자가 사라지고, 최종적으로 다소 불규칙한 형태의 입자인 CIS 결정이 얻어졌음을 알 수 있다.
또한, 합성된 물질의 상을 확인하기 위하여 Bruker사의 D4 endeavor diffractometer를 사용하여 XRD(X-ray Diffraction) 분석을 행하였으며, 그 결과가 도 3에 개시되어 있다. 도 3에서 보는 바와 같이, 2θ = 26.7°와 44.2° 부근에서 각각 CIS에 해당하는 (112) 피크와 (220)/(204) 피크가 확인됨으로써, CIS가 합성되었음을 알 수 있다.
[실시예 2] CuSe2-InSe에 의한 CIS의 제조
구리 질산염 0.03M과 아셀렌산 0.03M을 1,4 부탄디올 용매 250 ml에 혼합하였다. 상기 반응용액을 150℃로 가열하고, 약 3 시간 동안 반응시켜 CuSe2 나노 입자를 제조하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 반복하였다.
RTA 전후의 CIS 결정에 대한 전자현미경 사진이 도 4a 및 4b에 각각 개시되어 있다. 이들 사진에서 보는 것처럼, 최종적으로 얻어진 결정은 다소 불규칙한 형태의 입자들로 이루어져 있음을 알 수 있다. 또한, 그 XRD 분석 결과가 도 5에 개시되어 있다. 도 5에서 보는 바와 같이, 2θ = 26.7°, 44.2° 및 52.4° 부근에 서 각각 CIS에 해당하는 (112), (220)/(204), 및 (312) 피크가 확인됨으로써, CIS가 합성되었음을 알 수 있다.
[실시예 3] CuSe2-InSe에 의한 CIS의 제조
구리 질산염 0.03M과 아셀렌산 0.06M을 250 ml의 1,4 부탄디올에 혼합하였다. 상기 반응용액을 150℃로 가열하고, 약 3 시간 동안 반응시켜 CuSe2 나노 입자를 제조하였다. 상기 용매는 폴리에틸렌 글리콜 또는 디에틸렌 글리콜 등으로 대체할 수도 있다.
또한, 인듐 질산염 0.02M과 아셀렌산 0.02M을 디에틸렌 글리콜 또는 부탄디올 용매 250 ml에 혼합하였다. 상기 반응용액을 170℃로 가열하고 약 3 시간 동안 반응시켜 InSe 나노 입자를 제조하였다.
그런 다음, α-테르피네올과 프로필렌 카보네이트(PC)를 용매로 하고, 폴리프로필렌 카보네이트를 바인더로 사용하여, 상기 제조된 CuSe2 및 InSe 나노 입자 파우더를 분산하여 페이스트를 제조하였다. 여기서, 각각의 중량(%) 비는 테르피네올 : PC : 폴리프로필렌 카보네이트 : 파우더 = 35 : 35 : 5.0 : 25이었다. 상기에서 제조된 페이스트를 닥터 블레이드를 사용하여 유리 기판 위에 코팅한 후에 430℃에서 2 분 동안 N2 분위기에서 급속열처리를 실시하여 CIS를 제조하였다.
RTA 전후의 상기 CIS 결정에 대한 전자현미경 사진이 도 6a 및 6b에 각각 개시되어 있다. 이들 사진에서 보는 것처럼, 급속 열처리 전의 구형의 규칙적인 결 정 형태로부터 다소 불규칙한 형태의 입자들로 이루어진 결정이 얻어졌음을 알 수 있다.
또한, XRD 분석 결과가 도 7에 개시되어 있다. 도 7에서 보는 바와 같이, 2θ = 26.7°, 44.2° 및 52.4° 부근에서 각각 CIS에 해당하는 (112), (220)/(204), 및 (312) 피크가 확인됨으로써, CIS가 합성되었음을 알 수 있다.
상기에서 본 발명을 구체적인 예들을 중심으로 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 흡수층의 제조방법은 종래의 방법과 비교하여 제조공정을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 큰 결정 크기를 가지는 흡수층의 제조를 가능하게 함으로써, 고효율의 흡수층 제조 및 이로 인한 최종 태양전지 제품의 효율 증대, 나아가서는 제품 경쟁력 강화를 기대할 수 있고, 태양전지 및 그 밖의 전자장치에 널리 효과적으로 적용될 수 있다.
Claims (18)
- (a) 반응물질로서 1B족 금속의 셀레나이드 입자와 3A족 금속의 셀레나이드 입자의 혼합물 페이스트를 준비하는 단계;(b) 상기 페이스트를 기재 상에 도포하는 단계; 및(c) 상기 도포층을 급속 열처리하는 단계;를 포함하는 것으로 구성된 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 1B족 금속 셀레나이드는 Cu-Se인 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 Cu-Se는 구리염과 아셀렌산(H2SeO3)을 소정의 용매에 첨가한 후 가열하여 제조하는 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 3A족 금속 셀레나이드는 In-Se 또는 Ga-Se인 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 In-Se는 인듐염과 아셀렌산(H2SeO3)을 소정의 용매에 첨가한 후 가열하여 제조하는 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 셀레나이드 입자들은 5 nm ~ 10 ㎛의 입경을 가지는 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 금속 셀레나이드 입자들은 50 nm ~ 5 ㎛의 입경을 가지는 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 1B족 금속 셀레나이드로서 Cu-Se를 사용하고 3A족 금속 셀레나이드로서 In-Se 및/또는 Ga-Se를 사용하는 경우, 각 금속의 몰비는 Cu/(In+Ga)가 0.6 ~ 1.5이고 Ga/(Ga+In)가 0 ~ 0.5인 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도포층은 단층 또는 다층의 구조로서 전체 두께가 3 ~ 5 ㎛인 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 도포층은 3층 구조로 이루어져 있고, 최하단의 제 1 층은 Cu/(In+Ga) = 0 ~ 0.9의 몰비를 가지는 층으로서 0.1 ~ 1.0 ㎛의 두께를 가지며, 중간층인 제 2 층은 Cu/(In+Ga) = 0.8 ~ 3.0의 몰비로서 0.5 ~ 3.0 ㎛의 두께를 가지며, 최상단의 제 3 층은 Cu/(In+Ga) = 0 ~ 0.9의 몰비로서 0.1 ~ 1.0 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 급속 열처리는 400 ~ 600℃의 온도에서 1 ~ 30 분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는, 1B-3A-Se 화합물의 태양전지 흡수층을 제조하는 방법.
- 1B족 금속의 셀레나이드 입자와 3A족 금속의 셀레나이드 입자를 포함하는 것으로 구성된 금속 셀레나이드 혼합물 페이스트.
- 제 12 항에 있어서, 상기 페이스트는 In-Se 입자와 Cu-Se 입자를 포함하는 조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 셀레나이드 혼합물 페이스트.
- 제 12 항에 있어서, 상기 페이스트의 용매로는 물, 알코올류 화합물, 카보네이트계 화합물 및 글리콜류 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 화합물이 사용되는 것을 특징으로 하는 금속 셀레나이드 혼합물 페이스트.
- 제 12 항에 있어서, 상기 페이스트에는 Na, K, Ni, P, As, Sb 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 도펀트(dopant)가 추가로 첨가되는 것을 특징으로 하는 금속 셀레나이드 혼합물 페이스트.
- 제 12 항에 있어서, 상기 페이스트에는 도포층의 형성을 돕는 바인더가 추가로 첨가되는 것을 특징으로 하는 금속 셀레나이드 혼합물 페이스트.
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