KR20110023007A - 박막 태양 전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

제1 전극; Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제1 광흡수층, Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제2 광흡수층, Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제3 광흡수층을 포함하는 광흡수층; 및 제2 전극을 포함하는 박막 태양 전지를 제공한다. 상기 제1 광흡수층의 밴드갭은 상기 제2 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층의 밴드갭은 상기 제3 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층은 제3 광흡수층으로 가까워질수록 밴드갭이 커지는 경사 밴드갭(graded banded gap)을 가진다.
태양 전지, 광흡수 전구체층, 광흡수층, 화합물 반도체, 밴드갭

Description

박막 태양 전지 및 이의 제조방법{THIN FILM SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
박막 태양 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것이다. 태양 전지는 기본적으로 PN 접합으로 구성된 다이오드로서, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다.
태양전지는 광흡수층으로 실리콘을 이용하는 실리콘 태양 전지, 광흡수층으로 CIGS(CuInGaSe2), CIS(CuInSe2) 또는 CGS(CuGaSe2)를 이용하는 화합물 박막 태양 전지, Ⅲ-Ⅴ족 태양 전지, 염료감응 태양 전지, 유기 태양 전지 등으로 구분할 수 있다.
현재 이들 태양 전지의 효율 및 생산성을 개선하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
고효율의 박막 태양 전지를 제공한다.
효율성, 안전성 및 생산성이 우수한 박막 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 전극; Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제1 광흡수층, Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제2 광흡수층, Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제3 광흡수층을 포함하는 광흡수층; 및 제2 전극을 포함하는 박막 태양 전지를 제공한다. 상기 제1 광흡수층의 밴드갭은 상기 제2 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층의 밴드갭은 상기 제3 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층은 제3 광흡수층으로 가까워질수록 밴드갭이 커지는 경사 밴드갭(graded banded gap)을 가진다.
상기 제1 광흡수층의 밴드갭, 상기 제2 광흡수층의 밴드갭 및 상기 제3 광흡수층의 밴드갭은 각각 1 eV 내지 3 eV일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, I족 원소, Ⅲ족 원소, Ⅵ족 원소 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것의 나노 입자 또는 이들의 조합을 포함하는 입자층을 형성하는 단계; 상기 입자층을 복수개 적층하여 광흡수 전구체층을 형성하는 단계; 및 상기 광흡수 전구체층을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계를 포함하는 박막 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
상기 광흡수 전구체층을 형성하는 단계는 상기 각각의 입자층을 구성하는 원소, 합금 또는 이들의 조합이 서로 상이한 밴드갭을 가지고, 입자층의 적층 순서에 따라 밴드갭이 커지는 경사를 가지도록 적층할 수 있다.
상기 형성된 광흡수층은 I족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제1 광흡수층; I족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제2 광흡수층; 및 Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제3 광흡수층을 포함할 수 있다. 상기 제1 광흡수층의 밴드갭은 상기 제2 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층의 밴드갭은 상기 제3 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층은 제3 광흡수층으로 가까워질수록 밴드갭이 커지는 경사 밴드갭(graded banded gap)을 가질 수 있다.
상기 나노 입자의 평균 입자 직경은 각각 2 nm 내지 500 nm일 수 있다.
상기 입자층의 두께는 각각 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛ 일 수 있다.
상기 열처리는 200℃ 내지 700℃의 온도에서 수행할 수 있다.
상기 제1 광흡수층은 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 상기 제2 광흡수층은 0.3 ㎛ 내지 2 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 상기 제3 광흡수층은 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 제1 광흡수층, 상기 제2 광흡수층 및 상기 제3 광흡수층을 포함하는 광흡수층은 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 Ⅰ족 원소는 구리(Cu)일 수 있고, 상기 Ⅲ족 원소는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)일 수 있고, 상기 Ⅵ족 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)일 수 있다.
상기 제1 광흡수층/상기 제2 광흡수층/상기 제3 광흡수층의 조성은 CuInSe2/CuIn(Se1-xSx)2/CuInS2(0<x<1), CuInS2/Cu(In1 - yGay)S2/CuGaS2(0<y<1), CuGaSe2/CuGa(Se1-xSx)2/CuGaS2(0<x<1), CuInSe2/Cu(In1 - yGay)Se2/CuGaSe2(0<y<1) 또는 CuInSe2/Cu(In1-yGay)(Se1-xSx)2/CuGaS2(0<x<1, 0<y<1)일 수 있다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
상기 박막 태양 전지는 광전 변환 효율이 우수하며, 상기 박막 태양 전지의 제조방법은 양산성 및 안전성이 우수하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현 예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 기판 등의 부분이 다른 구성요소 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.
도 1은 박막 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면 박막 태양 전지(100)는 기판(12), 후면 전극(14), 광흡수층(16), 버퍼층(18) 및 전면 전극(20)을 포함한다. 이는 "substrate" 타입의 박막 태양 전지이다. 상기 도 1에서 광흡수층(16) 및 전면 전극(20)사이에 버퍼층(18)을 도시하였지만, 박막 태양 전지는 상기 버퍼층(18)을 포함하지 않을 수도 있다.
상기 기판(12)은 단단한(hard) 재질의 기판 또는 유연성(flexible) 재질의 기판을 사용한다. 예를 들어, 기판(12)으로 단단한 재질의 기판을 사용하는 경우, 유리 플레이트, 석영 플레이트, 실리콘 플레이트, 합성수지 플레이트, 금속 플레이트 등을 포함할 수 있다. 상기 합성수지로는 폴리에틸렌타프탈레이트(polyethylenenaphtnalate, PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate; PET), 폴리카보네이트, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리노르보넨(polynorbornene), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES) 등이 있다. 상기 금속 플레이트로는 스테인리스 호일, 알루미늄 호일 등이 사용될 수 있다.
상기 후면 전극(14)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등을 포함할 수 있다. 이들 후면 전극(406)은 스퍼터링, 진공증착법 등으로 형성될 수 있다.
상기 전면 전극(20)은 입사하는 태양광을 투과시키고 전도성을 갖는 투명 도전 물질을 포함한다. 일반적으로 광투과도 저하를 방지하고 비저항이 낮으며 표면 거칠기가 양호한 ZnO:Al, ZnO:B, SnO2, SnO2:F 또는 ITO(indium tin oxide)의 물질과 같은 투명 도전 산화물(transparent conductive oxide : TCO)이 이용된다.
상기 광흡수층(16)과 전면 전극(20) 사이에 버퍼층(18)이 위치할 수 있다. 상기 버퍼층(18)은 광흡수층(16)과 전면 전극(20) 사이에 일함수 차이와 격자상수 차이를 완화하는 역할을 하며 n 타입 반도체를 포함할 수 있다. 상기 n 타입 반도체로는 CdS, ZnS, In2O3 등의 화합물이 있다. 상기 버퍼층(18)은 스퍼터링, 졸-겔(sol-gel)법, 열분해법(pyrolysis), 스프레이 열분해법(spray pyrolysis) 등의 방법으로 형성될 수 있다.
또한 광흡수층이 후면 전극 위에 위치하고 상기 광흡수층 위에 전면 전극과 기판이 위치하는 "superstrate" 타입의 박막 태양 전지가 제공될 수도 있다.
광흡수층(16)은 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하고, 전자와 정공을 각각 다른 전극으로 전달하여 전류를 흐르게 하는 역할을 수행한다.
상기 광흡수층(16)은 Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제1 광흡수층; Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제2 광흡수층; Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제3 광흡수층을 포함한다. 상기 제1 광흡수층의 밴드갭은 상기 제2 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층의 밴드갭은 상기 제3 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층은 제3 광흡수층으로 가까워질수록 밴드갭이 커지는 경사 밴드갭(graded banded gap)을 가진다. 상기 광흡수층은 세분화된 밴드갭을 가지며, 이에 의해 광전류량을 증가시키고 광 전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 광흡수층, 제2 광흡수층 및 제3 광흡수층은 Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 화합물 반도체일 수 있다.
상기 제1 광흡수층은 약 1 eV 내지 약 3 eV의 밴드갭을 가질 수 있고, 구체적으로는 약 1 eV 내지 약 1.7 eV의 밴드갭을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 1 eV 내지 약 1.4 eV의 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 제2 광흡수층은 약 1 eV 내지 약 3 eV의 밴드갭을 가질 수 있고, 구체적으로는 약 1 eV 내지 약 2 eV의 밴드갭을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 1 eV 내지 약 1.5 eV의 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 제3 광흡수층은 약 1 eV 내지 약 3 eV의 밴드갭을 가질 수 있고, 구체적으로는 약 1.2 eV 내지 약 2.5 eV의 밴드갭을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 1.4 eV 내지 약 2 eV의 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 제1 광흡수층은 약 0.1 ㎛ 내지 약 0.8 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 0.2 ㎛ 내지 약 0.7 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 0.3 ㎛ 내지 약 0.6 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 제2 광흡수층은 약 0.3 ㎛ 내지 약 2 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 0.5 ㎛ 내지 약 1.8 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 0.8 ㎛ 내지 약 1.5 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 제3 광흡수층은 약 0.1 ㎛ 내지 약 0.8 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 0.2 ㎛ 내지 약 0.7 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 0.3 ㎛ 내지 약 0.6 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 광흡수층, 제2 광흡수층 및 제3 광흡수층이 상기 범위의 두께를 가질 경우, 광흡수층에서 광손실 을 최소화하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 광흡수층, 상기 제2 광흡수층 및 상기 제3 광흡수층을 포함하는 광흡수층은 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 0.3 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 광흡수층이 상기 범위의 두께를 가질 경우, 광흡수층에서 광손실을 최소화하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 Ⅰ족 원소는 구리(Cu)일 수 있고, 상기 Ⅲ족 원소는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)일 수 있고, 상기 Ⅵ족 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)일 수 있다.
상기 제1 광흡수층/상기 제2 광흡수층/상기 제3 광흡수층의 조성은 CuInSe2/CuIn(Se1-xSx)2/CuInS2(0<x<1), CuInS2/Cu(In1 - yGay)S2/CuGaS2(0<y<1), CuGaSe2/CuGa(Se1-xSx)2/CuGaS2(0<x<1), CuInSe2/Cu(In1 - yGay)Se2/CuGaSe2(0<y<1) 또는 CuInSe2/Cu(In1-yGay)(Se1-xSx)2/CuGaS2(0<x<1, 0<y<1)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 광흡수층/제2 광흡수층/제3 광흡수층의 조성이 상기와 같을 때, 이를 포함하는 광흡수층은 세분화된 밴드갭을 가질 수 있고, 이로 인해 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 광흡수층이 세분화된 밴드갭을 가지므로, 본 발명의 일 구현예에 따른 박막 태양 전지는 우수한 광전류량 및 광전 변환 효율을 가질 수 있다.
이하 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 박막 태양 전지의 제조방법을 설명한다.
도 2, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 구현예에 따른 광흡수층의 제조공정도이다.
우선 기판(12) 위에 전극(14)을 형성하고 상기 전극(14) 위에 광흡수 전구체층(16')을 형성한다(S1).
도 3a를 참조하면 광흡수 전구체층(16')은 I족 원소, Ⅲ족 원소, Ⅵ족 원소 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것의 나노 입자 또는 이들의 조합을 포함하는 입자층을 n개 적층하여 형성할 수 있다. 여기서 n은 2이상의 정수이고, 입자층의 두께 및 형성하고자 하는 광활성층의 두께에 따라 적절히 조절할 수 있는 정수이다. 적층되는 각각의 입자층(1, 1' 등)의 조성은 서로 상이하다.
상기와 같이 입자층의 형성에 나노 입자를 이용하므로, 재료의 이용률을 높일 수 있고, 나노 입자를 조합해서 사용하는 경우 상이한 종류의 나노 입자들의 혼합 비율의 용이하게 조절할 수 있고, 이로써 원하는 조성의 입자층을 효율적으로 형성할 수 있다.
상기 각각의 입자층(1, 1' 등)은 I족 원소, Ⅲ족 원소, Ⅵ족 원소 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것의 나노 입자 또는 이들의 조합을 유기용매에 분산시켜 잉크(ink) 형태로 제조한 다음, 상기 전극(12)의 표면에 스핀코팅(spin coating), 슬릿 코팅(slit coating), 프린팅(printing), 드롭 캐스팅법(drop casting) 또는 딥 코팅법(dip coating)을 통해 도포하고 건조하여 형성할 수 있다.
상기 각각의 입자층을 형성하는 나노 입자는 구체적으로는 Cu 입자, Al 입 자, Ga 입자, In 입자, S 입자, Se 입자, Te 입자, Cu-S 합금 입자, Cu-Se 합금 입자, Cu-Te 합금 입자, Al-S 합금 입자, Al-Se 합금 입자, Al-Te 합금 입자, Ga-S 합금 입자, Ga-Se 합금 입자, Ga-Te 합금 입자, In-S 합금 입자, In-Se 합금 입자, In-Te 합금 입자, Cu-Al-S 합금 입자, Cu-Al-Se 합금 입자, Cu-Al-Te 합금 입자, Cu-Ga-S 합금 입자, Cu-Ga-Se 합금 입자, Cu-Ga-Te 합금 입자, Cu-In-S 합금 입자, Cu-In-Se 합금 입자, Cu-In-Te 합금 입자, Cu-Al-Ga-S 합금 입자, Cu-Al-Ga-Se 합금 입자, Cu-Al-Ga-Te 합금 입자, Cu-Al-In-S 합금 입자, Cu-Al-In-Se 합금 입자, Cu-Al-In-Te 합금 입자, Cu-Ga-In-S 합금 입자, Cu-Ga-In-Se 합금 입자, Cu-Ga-In-Te 합금 입자, Cu-Al-S-Se 합금 입자, Cu-Al-Se-Te 합금 입자, Cu-Al-S-Te 합금 입자, Cu-Ga-S-Se 합금 입자, Cu-Ga-Se-Te 합금 입자, Cu-Ga-S-Te 합금 입자, Cu-In-S-Se 합금 입자, Cu-In-Se-Te 합금 입자, Cu-In-S-Te 합금 입자, Cu-Al-Ga-S-Se 합금 입자, Cu-Al-Ga-Se-Te 합금 입자, Cu-Al-Ga-S-Te 합금 입자, Cu-Al-In-S-Se 합금 입자, Cu-Al-In-Se-Te 합금 입자, Cu-Al-In-S-Te 합금 입자, Cu-Ga-In-S-Se 합금 입자, Cu-Ga-In-Se-Te 합금 입자, Cu-Ga-In-S-Te 합금 입자 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면 Cu-In-Se 합금 나노 입자를 이용하여 제1 입자층을 형성하고, 상기 제1 입자층 위에 Cu-In-S 합금 나노 입자를 이용하여 제2 입자층을 형성함으로써 광흡수 전구체층을 형성할 수 있다. Cu-Se 합금 나노 입자 및 In-Se 합금 나노 입자의 혼합물을 이용하여 제1 입자층을 형성하고, 상기 제1 입자층 위에 Cu-Se 합금 나노 입자 및 In-S 합금 나노 입자의 혼합물을 이용하여 제2 입자층을 형성하 고, 상기 제2 입자층 위에 Cu 나노 입자 및 In-S 합금 나노 입자의 혼합물을 이용하여 제3 입자층을 형성함으로써 광흡수 전구체층을 형성할 수도 있다. 또한 Cu-In-Se 합금 나노 입자를 이용하여 제1 입자층을 형성하고, 상기 제1 입자층 위에 Cu-In-Se-S 합금 나노 입자를 이용하여 제2 입자층을 형성하고, 상기 제2 입자층 위에 Cu-In-S 합금 나노 입자를 이용하여 제3 입자층을 형성함으로써 광흡수 전구체층을 형성할 수도 있다.
상기 나노 입자는 각각 약 2 nm 내지 약 500 nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있고, 구체적으로는 약 2 nm 내지 약 200 nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 2 nm 내지 약 100 nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 나노 입자의 평균 입자 직경이 상기 범위 내인 경우, 이후 열처리 공정에서 입자층 간의 계면에서 원소들 간의 치환반응이 용이하게 이루어지고 결정성이 향상되며, 이로 인해 경사 밴드갭을 가지고 광전 변환 효율이 우수한 광흡수층을 효율적으로 형성할 수 있다.
상기 입자층은 각각 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 0.3 ㎛ 내지 약 4 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 0.5 ㎛ 내지 약 3 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 입자층의 두께가 상기 범위 내인 경우, 이후 열처리 공정에서 입자층 간의 계면에서 원소들 간의 치환반응이 용이하게 이루어져 경사 밴드갭을 가지는 광흡수층을 효율적으로 형성할 수 있고, 또한 광흡수층에 보이드(void)가 형성되는 것을 방지 내지 억제할 수 있다.
이어서 상기 광흡수 전구체층을 열처리함으로써 광흡수층을 형성한다(S2, S3). 상기 광흡수 전구체층을 열처리함으로써, 각각의 입자층 간의 계면에서 원소들이 용융 및 확산되어 서로 반응, 예컨대 치환반응하고, 이로써 세분화된 경사 밴드갭을 가지는 광흡수층이 형성된다.
도 3b를 참조하면 제1 광흡수층(2), 제2 광흡수층(4), 제3 광흡수층(6)을 포함하는 광흡수층(16)을 형성할 수 있다. 상기 제1 광흡수층(2)의 밴드갭은 상기 제2 광흡수층(4)의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층(4)의 밴드갭은 상기 제3 광흡수층(6)의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층(4)은 제3 광흡수층(6)으로 가까워질수록 밴드갭이 커지는 경사 밴드갭(graded banded gap)을 가진다. 이로써 광흡수층(16)이 전체적으로 경사 밴드갭을 가져, 광전류량을 증가시키고 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 열처리는 예컨대 약 200℃ 내지 약 700℃의 온도, 구체적으로는 약 300℃ 내지 약 600℃의 온도, 더욱 구체적으로는 약 400℃ 내지 약 570℃의 온도에서, 약 5 분 내지 약 2 시간 동안, 구체적으로는 약 10 분 내지 약 1 시간 동안, 더욱 구체적으로는 약 10 분 내지 약 50 분 동안 이루어질 수 있다. 상기 조건하에서 열처리가 이루어지는 경우 각 구성 원소들이 용융이 잘 되어 서로 충분히 반응함으로써 세분화된 경사 밴드갭을 가지는 광흡수층을 효율적으로 형성할 수 있다. 또한 상기 열처리는 비활성 분위기 하에서 이루어질 수 있다. 비활성 분위기는 질소(N2) 분위기, 아르곤(Ar) 분위기를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 입자층을 복수 개 차례로 적층한 후 열처리하여 광흡수층을 제 조하는 경우, 경사 밴드갭을 가지는 광흡수층을 효율적으로 형성할 수 있고, 독성 가스, 예컨대 셀렌화 수소(hydrogen selenide, H2Se)를 사용하지 않으므로 안전하게 고효율의 박막 태양 전지를 양산할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 박막 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 광흡수층의 제조공정도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 구현예에 따른 광흡수층을 제조하는 방법을 차례로 도시한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
12: 기판 14: 후면 전극
16': 광흡수 전구체층 16: 광흡수층
18: 버퍼층 20: 전면 전극

Claims (16)

  1. 제1 전극;
    Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제1 광흡수층, Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제2 광흡수층 및 Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제3 광흡수층을 포함하는 광흡수층; 및
    제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 광흡수층의 밴드갭은 상기 제2 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층의 밴드갭은 상기 제3 광흡수층의 밴드갭보다 작으며, 상기 제2 광흡수층은 제3 광흡수층으로 가까워질수록 밴드갭이 커지는 경사 밴드갭(graded banded gap)을 가지는 것인 박막 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광흡수층, 상기 제2 광흡수층 및 상기 제3 광흡수층은 각각 1 eV 내지 3 eV의 밴드갭을 가지는 것인 박막 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광흡수층은 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 두께를 가지고,
    상기 제2 광흡수층은 0.3 ㎛ 내지 2 ㎛의 두께를 가지고,
    상기 제3 광흡수층은 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 두께를 가지는 것인 박막 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광흡수층, 상기 제2 광흡수층 및 상기 제3 광흡수층을 포함하는 광흡수층은 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛의 두께를 가지는 것인 박막 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 Ⅰ족 원소는 구리(Cu)이고, 상기 Ⅲ족 원소는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)이고, 상기 Ⅵ족 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)인 것인 박막 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광흡수층/상기 제2 광흡수층/상기 제3 광흡수층의 조성은 CuInSe2/CuIn(Se1-xSx)2/CuInS2(0<x<1), CuInS2/Cu(In1 - yGay)S2/CuGaS2(0<y<1), CuGaSe2/CuGa(Se1-xSx)2/CuGaS2(0<x<1), CuInSe2/Cu(In1 - yGay)Se2/CuGaSe2(0<y<1) 또는 CuInSe2/Cu(In1-yGay)(Se1-xSx)2/CuGaS2(0<x<1, 0<y<1)인 것인 박막 태양 전지.
  7. I족 원소, Ⅲ족 원소, Ⅵ족 원소 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것의 나노 입자 또는 이들의 조합을 포함하는 입자층을 형성하는 단계;
    상기 입자층을 복수개 적층하여 광흡수 전구체층을 형성하는 단계; 및
    상기 광흡수 전구체층을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계를 포함하는 박막 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광흡수 전구체층을 형성하는 단계는 상기 각각의 입자층을 구성하는 원소, 합금 또는 이들의 조합이 서로 상이한 밴드갭을 가지고, 입자층의 적층 순서에 따라 밴드갭이 커지는 경사를 가지도록 적층하는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광흡수층은 I족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제1 광흡 수층; I족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제2 광흡수층; 및 Ⅰ족 원소-Ⅲ족 원소-Ⅵ족 원소 화합물을 포함하는 제3 광흡수층을 포함하고,
    상기 제1 광흡수층의 밴드갭은 상기 제2 광흡수층의 밴드갭보다 작고, 상기 제2 광흡수층의 밴드갭은 상기 제3 광흡수층의 밴드갭보다 작으며, 상기 제2 광흡수층은 제3 광흡수층으로 가까워질수록 밴드갭이 커지는 경사 밴드갭(graded banded gap)을 가지는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 광흡수층은 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 두께를 가지고,
    상기 제2 광흡수층은 0.3 ㎛ 내지 2 ㎛의 두께를 가지고,
    상기 제3 광흡수층은 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 두께를 가지는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 광흡수층/상기 제2 광흡수층/상기 제3 광흡수층의 조성은 CuInSe2/CuIn(Se1-xSx)2/CuInS2(0<x<1), CuInS2/Cu(In1-yGay)S2/CuGaS2(0<y<1), CuGaSe2/CuGa(Se1-xSx)2/CuGaS2(0<x<1), CuInSe2/Cu(In1 - yGay)Se2/CuGaSe2(0<y<1) 또는 CuInSe2/Cu(In1-yGay)(Se1-xSx)2/CuGaS2(0<x<1, 0<y<1)인 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 나노 입자는 각각 2 nm 내지 500 nm의 평균 입자 직경을 가지는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 입자층의 두께는 각각 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛인 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 열처리는 200℃ 내지 700℃의 온도에서 수행하는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 광흡수층은 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛의 두께를 가지는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 Ⅰ족 원소는 구리(Cu)이고, 상기 Ⅲ족 원소는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)이고, 상기 Ⅵ족 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)인 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
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