KR101653184B1 - 태양전지 광흡수층 제조방법 및 이에 따라 제조되는 태양전지 광흡수층 - Google Patents
태양전지 광흡수층 제조방법 및 이에 따라 제조되는 태양전지 광흡수층 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101653184B1 KR101653184B1 KR1020140154358A KR20140154358A KR101653184B1 KR 101653184 B1 KR101653184 B1 KR 101653184B1 KR 1020140154358 A KR1020140154358 A KR 1020140154358A KR 20140154358 A KR20140154358 A KR 20140154358A KR 101653184 B1 KR101653184 B1 KR 101653184B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- solar cell
- absorbing layer
- precursor
- light absorbing
- layer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 71
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 18
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 23
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 6
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 6
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N thiourea Chemical compound NC(N)=S UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 2-METHOXYETHANOL Chemical compound COCCO XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Natural products NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- YUKQRDCYNOVPGJ-UHFFFAOYSA-N thioacetamide Chemical compound CC(N)=S YUKQRDCYNOVPGJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DLFVBJFMPXGRIB-UHFFFAOYSA-N thioacetamide Natural products CC(N)=O DLFVBJFMPXGRIB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims 1
- 239000011669 selenium Substances 0.000 abstract description 11
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 abstract description 10
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- GVFOJDIFWSDNOY-UHFFFAOYSA-N antimony tin Chemical compound [Sn].[Sb] GVFOJDIFWSDNOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 15
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 13
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 7
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000224 chemical solution deposition Methods 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 125000000609 carbazolyl group Chemical class C1(=CC=CC=2C3=CC=CC=C3NC12)* 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 125000005678 ethenylene group Chemical group [H]C([*:1])=C([H])[*:2] 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000013086 organic photovoltaic Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- IYKVLICPFCEZOF-UHFFFAOYSA-N selenourea Chemical compound NC(N)=[Se] IYKVLICPFCEZOF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- RISUTSCZAANJJQ-UHFFFAOYSA-N sulfinylurea Chemical compound NC(=O)N=S=O RISUTSCZAANJJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003577 thiophenes Chemical class 0.000 description 1
- AFNRRBXCCXDRPS-UHFFFAOYSA-N tin(ii) sulfide Chemical compound [Sn]=S AFNRRBXCCXDRPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ODHXBMXNKOYIBV-UHFFFAOYSA-N triphenylamine Chemical class C1=CC=CC=C1N(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1 ODHXBMXNKOYIBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 태양전지 광흡수층 제조방법 및 이에 따라 제조되는 태양전지 광흡수층에 관한 것으로, 상세하게는 안티모니, 주석, 황 및 셀레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전구체 용액을 기판에 스핀코팅하여 코팅막을 제조하되, 안티모니 및 주석 대 황 및 셀레늄 전구체의 몰비는 1:1 내지 1:6인 것을 특징으로 하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 코팅막을 열처리하는 단계(단계 2);를 포함하는 태양전지 광흡수층 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양전지 광흡수층의 제조방법에 따르면, 종래의 용액 성장법(CBD)을 사용하는 경우 장시간 저온반응을 한 것과 달리, 스핀 코팅으로 제조하기 때문에 공정시간이 짧고 대면적 코팅이 가능하다. 나아가, 특정 함량의 전구체 용액을 사용함으로써 우수한 모폴로지를 갖는 광흡수층을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 광흡수층의 제조방법에 따르면, 종래의 용액 성장법(CBD)을 사용하는 경우 장시간 저온반응을 한 것과 달리, 스핀 코팅으로 제조하기 때문에 공정시간이 짧고 대면적 코팅이 가능하다. 나아가, 특정 함량의 전구체 용액을 사용함으로써 우수한 모폴로지를 갖는 광흡수층을 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 광흡수층 제조방법 및 이에 따라 제조되는 태양전지 광흡수층에 관한 것으로, 상세하게는 안티모니, 주석, 황 및 셀레늄을 특정 비율로 한 전구체 용액을 스핀코팅한 후, 열처리하여 태양전지 광흡수층을 제조하는 방법에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
태양 전지는, 주로 실리콘의 단일 원소를 이용하는 실리콘 태양 전지와, 화합물 반도체를 이용하는 화합물 반도체 태양 전지, 그리고 서로 다른 밴드갭 에너지(bandgap energy)를 갖는 태양 전지를 2 이상 적층한 적층형(tandem) 태양 전지로 대별된다.
이 중에서도 화합물 반도체 태양 전지는, 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광흡수층에 화합물 반도체를 사용하는 데, GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs 등의 III-V족 화합물 반도체, CdS, CdTe, ZnS 등의 II-VI족 화합물 반도체, CuInSe2로 대표되는 I-III-VI족 화합물 반도체 등을 사용한다.
태양 전지의 광흡수층은, 장기적인 전기·광학적 안정성이 우수하고, 광전 변환 효율이 높으며, 조성의 변화나 도핑에 의해 밴드갭 에너지나 도전형을 조절하기가 용이할 것 등이 요구된다. 또한, 실용화를 위해서는 제조 비용이나 수율 등의 요건도 만족해야 한다. 전술한 각종의 화합물 반도체는 이러한 요건들을 모두 함께 만족시키지는 못하며, 각각의 장단점에 따라, 용도에 따라 적절히 이용되고 있는 실정이다.
한편, 태양전지의 광흡수층의 제조에 관한 종래 기술로서, 대한민국 등록특허 제10-1168227호에서는 나노구조 무기－유기 이종 접합 태양전지의 제조방법에서는, a) 제1전극 상부로 금속산화물 입자를 함유하는 슬러리를 도포하고 열처리하여 다공성 전자 전달층(electron transporting layer)을 형성하는 단계; b) 기공에 의한 표면을 포함한 상기 다공성 전자전달층의 표면에 무기 반도체를 형성하는 단계;
c) 상기 무기 반도체가 형성된 다공성 전자 전달층에 하기 화학식 1인 유기 광전 물질(organic photovoltaic material)을 함유하는 용액을 함침하여 다공성 전자 전달층의 기공을 채우고 다공성 전자 전달층의 일 면을 덮는 정공 전달층(hole transporting layer)을 형성하는 단계; 및 e) 상기 정공 전달층 상부로 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법을 개시하고 있고, b) 단계는 화학적 용액성장법(CBD; chemical bath deposition method); 및 연속적인 화학적 반응법(SILAR;Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction method);에서 하나 이상 선택된 방법으로 수행될 수 있다고 개시하고 있다.
그러나, 상기 선행문헌과 같이 용액 성장법으로 광흡수층을 형성하는 경우에는 장시간 저온반응을 해야하므로, 공정이 복잡하고 대면적 코팅도 어려운 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 단순한 공정으로 대면적의 광흡수층을 형성할 수 있는 방법을 연구하던 중, 안티모니, 주석, 황 및 셀레늄을 특정 비율로 한 전구체 용액을 스핀코팅한 후, 열처리하여 광흡수층을 제조하면 우수한 모폴로지를 나타내는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은,
스핀코팅을 이용하면서도 형성되는 광흡수층의 모폴로지를 제어할 수 있는
태양전지 광흡수층 제조방법을 제공하는 데 있다.
태양전지 광흡수층 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은,
모폴로지가 우수한
태양전지 광흡수층을 제공하는 데 있다.
태양전지 광흡수층을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은,
태양전지 특성이 우수한
태양전지를 제공하는 데 있다.
태양전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
안티모니, 주석, 황 및 셀레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전구체 용액을 기판에 스핀코팅하여 코팅막을 제조하되, 안티모니 및 주석 대 황 및 셀레늄 전구체의 몰비는 1:1 내지 1:6인 것을 특징으로 하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 코팅막을 열처리하는 단계(단계 2);를 포함하는 태양전지 광흡수층 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
상기 제조방법에 따라 제조된 태양전지 광흡수층을 제공한다.
나아가, 본 발명은,
제1전극 상에 형성된 전자전달체층;
상기 전자전달체층 상에 형성된 상기 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 정공전도체층; 및
상기 정공전도체층 상에 형성된 제2전극;을 포함하는 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 태양전지 광흡수층의 제조방법에 따르면, 종래의 용액 성장법(CBD)을 사용하는 경우 장시간 저온반응을 한 것과 달리, 스핀 코팅으로 제조하기 때문에 공정시간이 짧고 대면적 코팅이 가능하다. 나아가, 특정 함량의 전구체 용액을 사용함으로써 우수한 모폴로지를 갖는 광흡수층을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 태양전지 광흡수층 제조방법의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 실시예 1 내지 4에서 제조된 태양전지 광흡수층의 표면 및 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 3은 실시예 2 내지 4에서 제조된 태양전지 광흡수층을 X-선 회절 분석기로 관찰한 그래프이고;
도 4는 실시예 5에서 제조된 태양전지의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 5는 실시예 5 및 비교예 2에서 제조된 태양전지의 효율을 나타낸 그래프 및 표이다.
도 2는 실시예 1 내지 4에서 제조된 태양전지 광흡수층의 표면 및 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 3은 실시예 2 내지 4에서 제조된 태양전지 광흡수층을 X-선 회절 분석기로 관찰한 그래프이고;
도 4는 실시예 5에서 제조된 태양전지의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 5는 실시예 5 및 비교예 2에서 제조된 태양전지의 효율을 나타낸 그래프 및 표이다.
본 발명은,
안티모니, 주석, 황 및 셀레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전구체 용액을 기판에 스핀코팅하여 코팅막을 제조하되, 안티모니 및 주석 대 황 및 셀레늄 전구체의 몰비는 1:1 내지 1:6인 것을 특징으로 하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 코팅막을 열처리하는 단계(단계 2);를 포함하는 태양전지 광흡수층 제조방법을 제공한다.
이때, 도 1에 본 발명에 따른 태양전지 광흡수층 제조방법에 대한 모식도를 나타내었고, 이하, 본 발명에 따른 태양전지 광흡수층 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 태양전지 광흡수층 제조방법에 있어서 단계 1은 안티모니, 주석, 황 및 셀레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전구체 용액을 기판에 스핀코팅하여 코팅막을 제조하되, 안티모니 및 주석 대 황 및 셀레늄 전구체의 몰비는 1:1 내지 1:6인 것을 특징으로 하는 단계이다.
단계 1은, 특정 비율의 전구체와 용매를 혼합하여 전구체 용액을 제조한 후, 이를 기판상에 스핀코팅 방법으로 코팅하여 코팅막을 제조하는 단계이다.
종래에 Sb2S3, Sb2Se3, SnS와 같은 광흡수층을 제조하는 경우, 용액성장법(Chemical bath deposition)을 사용하였다. 그러나, 용액 성장법은 저온에서 장시간 반응을 수행해야 하며, 대면적의 코팅이 어려운 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명에서는 스핀코팅의 방법을 사용하여 공정이 단순하고, 대면적으로 코팅이 가능할 뿐만 아니라, 특정 조성의 전구체를 사용함으로써 우수한 모폴로지를 갖는 광흡수층을 제공할 수 있다.
한편, 안티모니 및 주석 대 황 및 셀레늄 전구체의 몰비는 1:1 내지 1:6이다. 만약, 안티모니 및 주석 대 황 및 셀레늄 전구체의 몰비가 1:1 미만인 경우에는 적절한 화합물 반도체 물성이 나타나지 않아 태양전지 특성이 나타나지 않는 문제점이 발생할 수 있고, 1:6을 초과하는 경우에는 저조한 모폴로지를 나타내어 태양 전지의 특성이 저하하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 단계 1의 스핀코팅 수행 전, 기판을 70 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 3 내지 10분간 전열처리하는 단계를 더 수행할 수 있다. 이와 같은 전열처리 공정을 하지 않는 경우 스핀 코팅 시 균일한 광흡수층 전구체 박막이 형성되지 않는 문제점이 있다.
상기 단계 1의 안티모니 전구체는 SbCl2, SbCl3 및 Sb(II) 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 주석 전구체는 SnCl2이고, 황 전구체는 티오우레아, 티오아세트아마이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이며, 셀레늄 전구체는 셀레노우레아일 수 있으나, 상기 전구체들이 이에 제한되는 것은 아니며, 스핀코팅하여 광흡수층으로 제조될 수 있는 전구체를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 단계 1의 전구체 용액의 용매는 2-메톡시에탄올, 아세톤, DMF, 2-프로판올, 에탄올 및 아크릴로니트릴로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 상기 용매가 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상기 단계 1의 전구체 용액은 0.1 내지 1 몰 농도를 가질 수 있다.
만약, 상기 전구체 용액의 몰 농도가 0.1 미만인 경우에는 충분한 박막의 두께 확보가 어려운 문제점이 있고, 몰 농도가 1 초과인 경우에는 균일한 스핀코팅이 어려운 문제점이 있다.
상기 단계 1의 스핀코팅은 2000 rpm 내지 3000 rpm의 회전수로 30 초 내지 60 초 동안 수행하는 것일 수 있다.
만약, 상기 단계 1의 스핀코팅이 2000 rpm 미만의 회전수로 30 초 미만의 시간 동안 수행되는 경우에는 전구체 용액이 기판 상에 균일하게 코팅되지 않는 문제점이 발생할 수 있고, 3000 rpm 초과의 회전수로 60초 초과의 시간 동안 수행되는 경우에는 박막이 너무 얇아져 두께 확보가 어려운 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 광흡수층 제조방법에 있어서 단계 2는 상기 단계 1의 코팅막을 열처리하는 단계이다.
단계 2에서는 스핀 코팅 후의 비정질이었던 Sb2S3 코팅막을 결정화하여 화합물 반도체 제조가 가능하다.
상기 단계 2의 수행 전, 상기 단계 1에서 제조된 코팅막을 100 ℃ 내지 250 ℃의 온도로 3 분 내지 10 분간 가열할 수 있다. 상기 가열을 통하여 스핀코팅 후 남아있는 용매를 충분히 제거할 수 있고, 이로써 전구체 박막의 품질이 개선될 수 있다.
상기 단계 2의 열처리는 황 또는 셀레늄 분위기에서 270 ℃ 내지 350 ℃의 온도로 수행되는 것일 수 있다.
만약 상기 열처리가 270 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 충분한 결정화 반응 유도가 어려워 결정 형성이 제대로 되지 않는 문제점이 발생할 수 있고, 350 ℃ 초과의 온도에서 수행하는 경우에는 열분해 반응이 일어나게 되어 제대로 된 광흡수층 형성이 불가능한 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은,
상기 제조방법에 따라 제조된 태양전지 광흡수층을 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 태양전지 광흡수층은, 특정 비율의 전구체를 사용하고, 스핀코팅 후 열처리함으로써 모폴로지 특성이 우수한 광흡수층을 제조할 수 있다.
본 발명은,
제1전극 상에 형성된 전자전달체층;
상기 전자전달체층 상에 형성된 상기 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 정공전도체층; 및
상기 정공전도체층 상에 형성된 제2전극;을 포함하는 태양전지를 제공한다.
상기 광흡수층은 모폴로지 특성이 우수하므로 이를 태양전지에 응용하였을 경우 우수한 충진율 및 광전변환 효율을 나타내는 태양전지를 제공할 수 있다.
이때, 상기 전자전달체층은 TiO2, ZnO, SnO 및 ITO로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속산화물을 사용하여 제조된 것일 수 있고 전자전달체층은 다공성 박막일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 정공전달체층은 티오펜계, 파라페닐렌비닐렌계, 카바졸계 및 트리페닐아민계로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용하여 제조된 것일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> Sb:S 전구체 혼합 몰비 1:1
단계 1: 안티모니 전구체로 SbCl2 0.1M, 황 전구체로 싸이오유레아 0.1M을 용매 2-메톡시에탄올에 혼합하여 전구체 용액을 제조하였다. FTO 유리기판을 100 ℃의 온도에서 10 분간 전열처리한 후, 기판 상에 제조된 전구체 용액을 2500 rpm에서 30 초 동안 스핀코팅하여 코팅막을 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 코팅막을 150 ℃에서 3분간 가열한 후, H2S 분위기, 330 ℃에서 15 분간 열처리하여 태양전지 광흡수층을 제조하였다.
<실시예 2> Sb:S 전구체 혼합 몰비 1:2
상기 실시예 1의 단계 1에서 안티모니 전구체로 SbCl2 0.1M, 황 전구체로 싸이오유레아 0.2M을 사용하여 전구체 용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지 광흡수층을 제조하였다.
<실시예 3> Sb:S 전구체 혼합 몰비 1:3
상기 실시예 1의 단계 1에서 안티모니 전구체로 SbCl2 0.1M, 황 전구체로 싸이오유레아 0.3M을 사용하여 전구체 용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지 광흡수층을 제조하였다.
<실시예 4> Sb:S 전구체 혼합 몰비 1:4
상기 실시예 1의 단계 1에서 안티모니 전구체로 SbCl2 0.1M, 황 전구체로 싸이오유레아 0.4M을 사용하여 전구체 용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지 광흡수층을 제조하였다.
<실시예 5> 태양전지의 제조
FTO 유리 기판 상에 TiO2 층을 스핀코팅 방법으로 생성하고, 그 위에 상기 실시예 1에서와 같이 Sb2S3 광흡수층을 형성한 후, 그 위에 PH3T와 Au를 스핀 코팅 방법으로 생성하여 태양전지를 제조하였다.
<비교예 1> 용액성장법을 이용한 광흡수층 제조
단계 1: 안티모니 전구체로 SbCl3 , 황 전구체로 Na2S2O3, 용매로 H2O를 사용하여 전구체 용액을 제조하였다. 상기 전구체 용액을 용액 성장법을 이용하여 0 ℃의 온도에서 2시간 동안 유지하여 막을 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 막을 H2S 분위기에서 330 ℃, 15분 동안 열처리하여 태양전지 광흡수층을 제조하였다.
<비교예 2> 태양전지의 제조
상기 실시예 5에서 광흡수층을 비교예 1과 같이 생성한 것을 제외하고는 실시예 5와 같이 수행하여 태양전지를 제조하였다.
<비교예 3> Sb:S 전구체 혼합 몰비 1:0.5
상기 실시예 1의 단계 1에서 안티모니 전구체로 SbCl2 0.1M, 황 전구체로 싸이오유레아 0.05 M을 사용하여 전구체 용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지 광흡수층을 제조하였다.
<비교예 4> Sb:S 전구체 혼합 몰비 1:7
상기 실시예 1의 단계 1에서 안티모니 전구체로 SbCl2 0.1M, 황 전구체로 싸이오유레아 0.7 M을 사용하여 전구체 용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지 광흡수층을 제조하였다.
<비교예 5>
상기 실시예 1의 단계 2에서 250 ℃의 온도에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지 광흡수층을 제조하였다.
<비교예 6>
상기 실시예 1의 단계 2에서 370 ℃의 온도에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지 광흡수층을 제조하였다.
<실험예 1> 태양전지 광흡수층의 조성 관찰
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 태양전지 광흡수층의 조성을 관찰하기 위해 X-선 회절 분석기 및 에너지 분산 분석기로 관찰한 후 그 결과를 도 3 및 표 1에 도시하였다.
| 혼합비 | Sb | S | Sn | O | C |
| 실시예1 | 7.68 | 10.98 | 34.18 | 37.61 | 8.62 |
| 실시예2 | 19.76 | 18.62 | 33.88 | 20.77 | 6.96 |
| 실시예3 | 19.63 | 15.70 | 34.70 | 21.99 | 7.98 |
| 실시예4 | 29.06 | 28.88 | 19.96 | 7.90 | 14.21 |
또한, 도 3을 살펴보면, 황 전구체의 몰비가 증가할수록 피크의 크기가 증가하는 것을 알 수 있고, 표 1을 살펴보면, 실시예 1의 경우, Sb:S가 0.41:0.59, 실시예 2는 0.51:0.49, 실시예 3은 0.56:0.44, 실시예 4는 0.50:0.50으로 나타남을 알 수 있다.
이를 통해, 실시예 1에서 Sb2S3 광흡수층이 생성되었음을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 태양전지 광흡수층의 모폴로지 관찰
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 태양전지 광흡수층의 모폴로지를 관찰하기 위해, 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 후 그 결과를 도 2에 도시하였다.
도 2에 도시한 바와 같이, 전체적으로 우수한 모폴로지를 나타내나, 안티모니와 황을 1:1로 혼합한 실시예 1의 경우, 막의 구조가 조밀하고 모폴로지 특성이 가장 우수함을 알 수 있다. 황의 비율이 증가할수록, 모폴로지 특성이 저하됨을 알 수 있다.
<실험예 3> 태양전지의 효율 측정
상기 실시예 5 및 비교예 2에서 제조된 태양전지의 효율을 알아보기 위해, 주사전자현미경(SEM)으로 실시예 5의 태양전지의 단면을 관찰한 뒤 그 결과를 도 4에 도시하였고, 솔라 시뮬레이터를 이용한 I-V 측정 방법으로 전지 효율을 측정한 후 그 결과를 도 5에 도시하였다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 우수한 모폴로지의 Sb2S3 광흡수층이 제조됨으로써 전체적으로 균일한 밀도의 태양전지가 제조됨을 알 수 있다.
나아가, 도 5에 나타낸 바와 같이, 실시예 5의 경우 개방전압, 충진율 및 광전변환효율이 비교예 2에 비해 14 %, 11 %, 21 % 향상되었고, 직렬저항과 병렬저항은 비교예 2에 비해 11.7 %, 13.8 % 감소되었음을 알 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따라 스핀코팅법에 의해 광흡수층을 제조하여도, 종래의 용액성장법보다 간편한 공정이면서도 우수한 태양전지효율을 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
Claims (10)
- 안티모니 및 황으로 이루어진 전구체 용액을 기판에 스핀코팅하여 코팅막을 제조하되, 안티모니 대 황 전구체의 몰비는 1:1 내지 1:2인 것을 특징으로 하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 코팅막을 열처리하는 단계(단계 2);를 포함하여, 광흡수층의 모폴로지를 향상시키는 태양전지 광흡수층 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1의 스핀코팅 수행 전, 기판을 70 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 3 내지 10분간 전열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 광흡수층 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1의 안티모니 전구체는 SbCl2, SbCl3 및 Sb(II) 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 황 전구체는 티오우레아, 티오아세트아마이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 태양전지 광흡수층 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1의 전구체 용액의 용매는 2-메톡시에탄올, 아세톤, DMF, 2-프로판올, 에탄올 및 아크릴로니트릴로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 광흡수층 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1의 전구체 용액은 0.1 내지 1 몰 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 광흡수층 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1의 스핀코팅은 2000 rpm 내지 3000 rpm의 회전수로 30 초 내지 60 초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 태양전지 광흡수층 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 2의 수행 전,
상기 단계 1에서 제조된 코팅막을 100 ℃ 내지 250 ℃의 온도로 3 분 내지 10 분간 가열하는 것을 특징으로 하는 태양전지 광흡수층 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 2의 열처리는 황 또는 H2S 분위기에서 270 ℃ 내지 350 ℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 광흡수층 제조방법.
- 제1항의 제조방법에 따라 제조된 태양전지 광흡수층.
- 제1전극 상에 형성된 전자전달체층;
상기 전자전달체층 상에 형성된 제9항의 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 정공전도체층; 및
상기 정공전도체층 상에 형성된 제2전극;을 포함하는 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140154358A KR101653184B1 (ko) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | 태양전지 광흡수층 제조방법 및 이에 따라 제조되는 태양전지 광흡수층 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140154358A KR101653184B1 (ko) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | 태양전지 광흡수층 제조방법 및 이에 따라 제조되는 태양전지 광흡수층 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160055315A KR20160055315A (ko) | 2016-05-18 |
| KR101653184B1 true KR101653184B1 (ko) | 2016-09-02 |
Family
ID=56113204
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140154358A KR101653184B1 (ko) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | 태양전지 광흡수층 제조방법 및 이에 따라 제조되는 태양전지 광흡수층 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101653184B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230071459A (ko) * | 2021-11-16 | 2023-05-23 | 재단법인대구경북과학기술원 | 원 스텝 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11121282B2 (en) * | 2016-12-27 | 2021-09-14 | China Triumph International Engineering Co., Ltd. | Method for producing a CdTe thin-film solar cell |
| CN112466969B (zh) * | 2020-11-27 | 2022-05-31 | 华中科技大学 | 一种具有v型能带结构的锑硫硒薄膜的制备方法及其应用 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4052150B2 (ja) * | 2003-03-05 | 2008-02-27 | 住友電気工業株式会社 | 窒化物系半導体装置の製造方法 |
| KR101235856B1 (ko) * | 2011-06-20 | 2013-02-22 | 한국과학기술연구원 | 용액공정 기반의 벌크 헤테로 접합 무기 박막 태양전지 제조 방법 |
| EP2897178A4 (en) * | 2012-09-12 | 2016-05-25 | Korea Res Inst Chem Tech | SOLAR CELL HAVING LIGHT ABSORBING STRUCTURE |
-
2014
- 2014-11-07 KR KR1020140154358A patent/KR101653184B1/ko active IP Right Grant
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230071459A (ko) * | 2021-11-16 | 2023-05-23 | 재단법인대구경북과학기술원 | 원 스텝 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지 |
| KR102613483B1 (ko) * | 2021-11-16 | 2023-12-12 | 재단법인대구경북과학기술원 | 원 스텝 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20160055315A (ko) | 2016-05-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lei et al. | Review of recent progress in antimony chalcogenide‐based solar cells: materials and devices | |
| Kondrotas et al. | Sb2S3 solar cells | |
| Wang et al. | Development of antimony sulfide–selenide Sb2 (S, Se) 3-based solar cells | |
| Parize et al. | ZnO/TiO2/Sb2S3 core–shell nanowire heterostructure for extremely thin absorber solar cells | |
| Jo et al. | 8% Efficiency Cu2ZnSn (S, Se) 4 (CZTSSe) thin film solar cells on flexible and lightweight molybdenum foil substrates | |
| KR102037130B1 (ko) | 박막 광전지 소자를 위한 무기염-나노입자 잉크 및 이에 관련된 방법 | |
| Wang et al. | Sb 2 S 3 solar cells: functional layer preparation and device performance | |
| KR101574658B1 (ko) | 페로브스카이트 기반의 3차원 태양전지 및 이의 제조 방법 | |
| JP2011146594A (ja) | 光電素子用バッファ層及びその製造方法、並びに、光電素子 | |
| Farhana et al. | Recent advances and new research trends in Sb2S3 thin film based solar cells | |
| JP2008507835A (ja) | 薄膜黄銅鉱化合物を生成するための方法 | |
| Suryawanshi et al. | Aqueous-solution-processed Cu2znsn (S, Se) 4 thin-film solar cells via an improved successive ion-layer-adsorption–reaction sequence | |
| KR101583026B1 (ko) | Ｃｚｔｓ계 태양전지용 박막의 제조방법 | |
| Tamilselvan et al. | Planar heterojunction solar cell employing a single-source precursor solution-processed Sb2S3 thin film as the light absorber | |
| KR20140104351A (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101653184B1 (ko) | 태양전지 광흡수층 제조방법 및 이에 따라 제조되는 태양전지 광흡수층 | |
| Liu et al. | A non-vacuum solution route to prepare amorphous metal oxides thin films for Cu2ZnSn (S, Se) 4 solar cells | |
| CN107134507B (zh) | 具有梯度成分太阳能电池吸收层铜铟硫硒薄膜的制备方法 | |
| JP5278778B2 (ja) | カルコゲナイト系化合物半導体及びその製造方法 | |
| KR101906712B1 (ko) | 광흡수층 조성물, 이를 포함하는 투명태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR102409983B1 (ko) | 안티몬 칼코할라이드 광활성층의 제조방법 | |
| KR101465397B1 (ko) | 태양전지 | |
| KR101541449B1 (ko) | 다공성 czts계 박막의 제조방법 | |
| Payno et al. | Impact of cation substitution in all solution-processed Cu 2 (Cd, Zn) SnS 4 superstrate solar cells | |
| KR101706175B1 (ko) | 화합물 반도체 태양전지용 광흡수층의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 화합물 반도체 태양전지용 광흡수층 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190701 Year of fee payment: 4 |