KR20110044442A - Thin film solar cell transparent electrode and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 태양전지용 투명전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성된 탄소나노튜브(CNT: carbon nanotube) 막; 및 상기 탄소나노튜브 막 위에 형성된 투명 전도성막을 포함하는 태양전지용 투명 전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 박막 태양전지용 투명 전극에 있어서 투명 기판과 투명 전도성막 사이에 탄소나노튜브(CNT) 막을 중간층으로 넣어줌으로써, 투명 기판과 투명 전도성막 사이에 오믹 컨택(Ohmic contact)을 가능하게 하여 두 층간의 접착성을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a transparent electrode for a thin film solar cell and a method of manufacturing the same, a transparent substrate; A carbon nanotube (CNT) film formed on the transparent substrate; And it relates to a transparent electrode for a solar cell comprising a transparent conductive film formed on the carbon nanotube film and a manufacturing method thereof. According to the present invention, by inserting a carbon nanotube (CNT) film as an intermediate layer between the transparent substrate and the transparent conductive film in the thin film solar cell transparent electrode, it is possible to enable ohmic contact between the transparent substrate and the transparent conductive film The adhesion between the two layers can be improved.
Description
본 발명은 태양전지용 투명전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 박막 태양전지용 투명전극에 있어 전극 물질과 유리 기판의 접착성이 향상된 태양전지용 투명전극 및 그의 제조방법에 관계한다.The present invention relates to a transparent electrode for a solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly to a transparent electrode for a solar cell and improved manufacturing method of the adhesion between the electrode material and the glass substrate in the conventional transparent electrode for thin film solar cells.
최근 고유가 및 환경 문제의 영향으로 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다. Recently, interest in renewable energy is increasing due to high oil prices and environmental problems. Unlike other energy sources, solar cells, which are photovoltaic devices that convert sunlight into electrical energy, are endless and environmentally friendly, and their importance is increasing over time.
태양전지는 반도체에 사용되는 웨이퍼를 이용하는 결정질 실리콘 태양전지와 글라스와 같은 기판에 증착기술을 이용한 박막 태양전지로 나눌 수 있다. 현재는 결정질 실리콘 태양전지가 높은 시장점유율을 가지고 있지만 기술의 안정성, 높은 변환효율에도 불구하고 경제성 확보가 어려워 향후 고효율화 및 저가격으로 박막 태양전지의 시장점유율이 높아질 것으로 예상되고 있다. Solar cells can be classified into crystalline silicon solar cells using wafers used in semiconductors and thin film solar cells using deposition techniques on substrates such as glass. Currently, crystalline silicon solar cells have a high market share, but despite the stability of technology and high conversion efficiency, it is difficult to secure economic feasibility. Therefore, the market share of thin film solar cells is expected to increase with high efficiency and low price.
박막 태양전지는 결정질 실리콘 전체를 태양광 흡수 기판으로 쓰는 기존 형태와 달리 유리 등 저가의 기판을 활용하고 저가 기판 위에 실리콘 등의 광 흡수층 재료를 이용하여 박막 형태로 태양전지를 제조한 대표적 차세대 전지이다.The thin film solar cell is a representative next-generation cell that uses a low-cost substrate such as glass and manufactures a thin-film solar cell using a light absorption layer material such as silicon on a low-cost substrate, unlike a conventional form using the entire crystalline silicon as a solar absorption substrate. .
이러한 박막 태양전지는 광흡수층의 재료에 따라 크게 비정질 실리콘 박막 태양전지(a-Si 태양전지), CdTe 나 CIS를 이용하는 화합물 박막 태양전지, 염료감응 박막 태양전지, 유기물 박막 태양전지로 나눌 수 있다. 또한, 최근에는 비정질 실리콘 박막 태양전지의 효율을 개선하기 위한 적층형 박막 태양전지도 사용되고 있다. 적층형 박막 태양전지는 비정질 실리콘과 미세결정(micro) 실리콘을 다층으로 적층하여 광 흡수층으로 사용하는 것으로 탠덤(Tandem)형과 트리플(Triple)형으로 나눌 수 있으며, 탠덤형 박막 태양전지는 비정질 실리콘 위에 미세결정 실리콘 막을 적층한 구조이며, 트리플형 박막 태양전지는 비정질 실리콘 위에 두 층의 미세결정 실리콘 막을 적층 한 것으로, 비정질 실리콘에 의한 초기 열화 현상을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.Such thin film solar cells can be roughly divided into amorphous silicon thin film solar cells (a-Si solar cells), compound thin film solar cells using CdTe or CIS, dye-sensitized thin film solar cells, and organic thin film solar cells according to the material of the light absorption layer. In recent years, multilayer thin film solar cells have also been used to improve the efficiency of amorphous silicon thin film solar cells. Multilayer thin film solar cell is a multilayer of amorphous silicon and microcrystalline silicon and used as light absorbing layer. It can be divided into tandem type and triple type, and tandem thin film solar cell is formed on amorphous silicon. It is a structure in which a microcrystalline silicon film is stacked, and a triple type thin film solar cell is a laminate of two layers of microcrystalline silicon films on amorphous silicon, and has an advantage of reducing initial degradation due to amorphous silicon.
그러나, 이러한 박막 태양전지는 아직까지 기존의 결정질 실리콘 태양전지 보다 변환효율이 낮아 적은 면적으로 높은 효율을 달성하기 위해 다방면의 연구가 지속되고 있으며, 보다 안정된 구조를 가지는 박막 태양전지에 대한 개발이 요구되고 있다.However, these thin film solar cells are still lower in conversion efficiency than conventional crystalline silicon solar cells, and various studies have been continued to achieve high efficiency with a small area, and development of thin film solar cells having a more stable structure is required. It is becoming.
본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 투명 기판과 투명 전도성막의 접착성이 향상되어 안정된 구조를 가지는 태양전지용 투명 전극을 제공하는 것이다.One problem to be solved by the present invention is to provide a transparent electrode for a solar cell having a stable structure by improving the adhesion between the transparent substrate and the transparent conductive film.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 태양전지용 투명 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the transparent electrode for solar cells.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 태양전지용 투명 전극을 포함하는 박막 태양전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a thin film solar cell comprising the transparent electrode for the solar cell.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성된 탄소나노튜브(CNT: carbon nanotube) 막; 및 상기 탄소나노튜브 전도성막 위에 형성된 투명 전도성막을 포함하는 태양전지용 투명 전극에 관한 것이다.One aspect of the present invention for achieving the above object is a transparent substrate; A carbon nanotube (CNT) film formed on the transparent substrate; And it relates to a transparent electrode for a solar cell comprising a transparent conductive film formed on the carbon nanotube conductive film.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 투명 기판을 준비하는 단계; 상기 투명 기판 상부에 탄소나노튜브막을 형성하는 단계; 및 상기 탄소나노튜브 막 상부에 투명 전도성막을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지용 투명 전극의 제조방법에 관한 것이다. Another aspect of the present invention for achieving the above object is to prepare a transparent substrate; Forming a carbon nanotube film on the transparent substrate; And it relates to a method for manufacturing a transparent electrode for a solar cell comprising the step of forming a transparent conductive film on the carbon nanotube film.
상기 방법은 투명 기판을 세정하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 투명 기판을 세정하는 단계는 증류수(DI water), 이소프로필알콜(IPA), 또는 강염기 용 액을 사용하여 각 단계당 최소 10분 이상 실시하는 것이 좋다. 상기 탄소나노튜브 막은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition), 열화학기상증착법(TCVD: Thermal chemical vapor deposition), 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상 증착법 (MPECVD: Microwave plasma enhanced chemical vapor deposition) 등에 의해 형성될 수 있다. The method may further comprise the step of cleaning the transparent substrate, wherein the step of cleaning the transparent substrate is at least 10 minutes for each step using distilled water (DI water), isopropyl alcohol (IPA), or a strong base solution. It is good to perform more than this. The carbon nanotube film may be formed by chemical vapor deposition (TEM), thermal chemical vapor deposition (TCVD), microwave plasma enhanced chemical vapor deposition (MPECVD), or the like.
상기 탄소나노튜브 막의 형성단계는 i) 상기 기판 상부에 금속 촉매를 증착하는 단계; ii) 상기 기판 상부에 증착된 금속 촉매를 식각하여 나노 크기의 금속 촉매 입자를 형성하는 단계; iii) 상기 기판을 공기가 제거된 챔버에 넣고 가열하는 단계; 및 iv) 상기 챔버에 반응기체를 공급하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함한다.The forming of the carbon nanotube film may include: i) depositing a metal catalyst on the substrate; ii) etching the metal catalyst deposited on the substrate to form nano-sized metal catalyst particles; iii) placing the substrate in a deaired chamber and heating it; And iv) growing a carbon nanotube by supplying a reactant to the chamber.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 구현예들에 의한 태양전지용 투명 전극, 광흡수층 및 대향전극을 포함하는 박막 태양전지에 관한 것이다.Another aspect of the present invention for achieving the above object relates to a thin film solar cell comprising a transparent electrode, a light absorption layer and a counter electrode for a solar cell according to embodiments of the present invention.
본 발명의 구현예들에 의하면, 박막 태양전지용 투명 전극에 있어서 투명 기판과 투명 전도성막 사이에 탄소나노튜브(CNT) 막을 중간층으로 넣어줌으로써, 투명 기판과 투명 전도성막 사이에 오믹 컨택(Ohmic contact)을 가능하게 하여 두 층 간의 접착성을 향상시킬 수 있으며, 투명 전도성막이 후 공정인 텍스처링 등에 의해 손상을 입게 되더라도 CNT 막이 투명 전극으로서의 역할을 대신할 수 있어 보다 안정된 구조의 투명 전극을 제공할 수 있다.According to the embodiments of the present invention, an ohmic contact between the transparent substrate and the transparent conductive layer by inserting a carbon nanotube (CNT) film as an intermediate layer between the transparent substrate and the transparent conductive layer in the transparent electrode for a thin film solar cell. It is possible to improve the adhesion between the two layers, and even if the transparent conductive film is damaged by the post-processing texturing, etc. CNT film can take the role of a transparent electrode can provide a transparent electrode of a more stable structure. .
이하, 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail with respect to the present invention.
본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 첨부되는 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 개략적인 것으로 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었고, 도면에 표시된 두께, 크기, 비율 등에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 아니한다.In order to more clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the accompanying drawings are outlined for clarity of understanding of the present invention and are enlarged in order to clearly express various layers and regions in the drawings. However, the scope of the present invention is not limited by the thickness, size, ratio, etc. shown in the drawings.
본 명세서에서 태양전지용 투명 전극이라 함은 기본적으로 투명 기판과 투명 전도성막을 포함하는 것을 의미한다.In the present specification, the transparent electrode for a solar cell basically means including a transparent substrate and a transparent conductive film.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 투명 전극의 단면개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일구현예에 따른 하나의 양상은 투명 기판(100); 상기 투명 기판(100) 상에 형성된 탄소나노튜브(CNT: carbon nanotube) 막(110); 및 상기 탄소나노튜브 막(110) 위에 형성된 투명 전도성막(120)을 포함하는 태양전지용 투명 전극(10)에 관계한다. 1 is a schematic cross-sectional view of a transparent electrode according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 1, one aspect according to an embodiment of the present invention is a
종래 일반적인 박막 태양전지용 투명 전극은 기판 상부에 직접적으로 투명 전도성막이 형성되나, 본 발명자는 이러한 경우 투명 전도성막과 기판 간의 접착성에 문제가 발생할 가능성이 있음을 알게 되었으며, 이를 해결하기 위해 투명 기판과 투명 전도성막 사이에 오믹 컨택(Ohmic contact)을 가능하게 하여 두 층간의 접 착성을 향상시키기 위해 탄소나노튜브(Carbon nanotube, 이하 CNT 라 함) 막을 중간층(inter-layer)으로 삽입하였다.In the conventional transparent electrode for a thin film solar cell, a transparent conductive film is directly formed on a substrate, but the present inventors have found that a problem may occur in the adhesion between the transparent conductive film and the substrate. In order to enable ohmic contact between the conductive layers and to improve adhesion between the two layers, a carbon nanotube (CNT) film was inserted into the inter-layer.
박막 태양전지는 기판 위에 박막을 형성하여 제조되는데, 상기 박막 태양전지는 기본적으로 광을 흡수하여 전자 및 정공을 발생시키는 광흡수 물질로 이루어지는 박막과 그 상하부의 박막에서 생산된 전자 및 정공을 전달하는 전극으로 이루어진다. 상부 전극은 빛을 통과하여 광흡수층으로 전달하여야 하므로 일반적으로 투명 전도성 산화막(TCO-Transparent Conductive Oxide)을 포함한다. 광흡수층의 주된 재료에 따라 비정질 실리콘 박막 태양전지(a-Si 태양전지), CdTe 나 CIS를 이용하는 화합물 박막 태양전지, 염료감응 박막 태양전지, 유기물 박막 태양전지로 나눌 수 있으며, 본 발명의 구현예들에 의한 태양전지용 투명 전극은 상기 여러 박막 태양전지에 모두 사용가능하며, 이외에도 차세대 태양전지로서 탠덤형 박막 태양전지 또는 트리플형 박막 태양전지 등의 적층형 태양전지에도 사용가능하다.A thin film solar cell is manufactured by forming a thin film on a substrate. The thin film solar cell basically transmits electrons and holes produced from a thin film made of a light absorbing material that absorbs light to generate electrons and holes, and thin films of upper and lower portions thereof. It consists of electrodes. The upper electrode generally includes a transparent conductive oxide film (TCO-Transparent Conductive Oxide) because it must pass through the light to the light absorbing layer. According to the main material of the light absorption layer, it can be divided into amorphous silicon thin film solar cell (a-Si solar cell), compound thin film solar cell using CdTe or CIS, dye-sensitized thin film solar cell, organic thin film solar cell, and embodiments of the present invention. The transparent electrode for solar cells can be used for all of the above-mentioned thin film solar cells, and besides, it can be used for stacked solar cells such as tandem thin film solar cells or triple thin film solar cells as next generation solar cells.
본 발명의 구현예들에 의한 태양전지용 투명 전극에 사용가능 한 투명 기판으로는 유리 기판, 고분자 필름 기판이 있으나, 이에 제한되지 아니하며, 보다 바람직하게는 아무것도 코팅되지 아니한 유리 기판인 것이 좋다. 고분자 필름 기판을 적용할 경우, 고온의 화학기상증착법으로 산화아연막을 성막하기 어려우므로 유리기판이 보다 바람직하다. example Transparent substrates that can be used for the transparent electrode for solar cells according to embodiments of the present invention include, but are not limited to, a glass substrate and a polymer film substrate, and more preferably nothing is coated glass substrate. When a polymer film substrate is applied, a glass substrate is more preferable because it is difficult to form a zinc oxide film by a high temperature chemical vapor deposition method.
본 발명의 구현예들에 의한 태양전지용 투명 전극에 사용가능한 상기 투명 전도성막은 산화아연(ZnO), 산화인듐(ITO: Indiun tin oxide), 산화주석(SnO2:F : Fluorinated doped tin oxide), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, ZnO-Ga, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 또는 SnO2-Sb2O3 등으로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 가장 바람직하게는 산화 아연인 것이 좋다. 이는 ITO 막의 경우 주재료인 인듐이 고가인데다 전기적 특성과 표면성질이 우수하지 못한 경우가 있으며, 주석산화물 층의 경우, 수소 플라즈마(Hydrogen plasma) 처리 시, 막이 손상을 입을 수도 있기 때문이다.example The transparent conductive film usable for the transparent electrode for a solar cell according to the embodiments of the present invention may be zinc oxide (ZnO), indium oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 : F: fluorinated doped tin oxide), or fluorine doping. Tin oxide (FTO), ZnO: B, ZnO: Al, SnO 2 , ZnO-Ga, ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , or SnO 2 -Sb 2 O 3 , but It is not necessarily limited thereto, and most preferably zinc oxide. This is because the indium, which is a main material for ITO membranes, is expensive and the electrical properties and surface properties are not excellent, and in the case of tin oxide layer, the membrane may be damaged during the hydrogen plasma treatment.
본 발명의 구현예들에 의한 태양전지용 투명 전극은 투명 기판과 투명 전도성막 사이에 CNT 막을 중간층으로 포함함으로써 산화아연 막과 같은 투명 전도성막의 결정성장을 용이하게 하는 바, 두 층간의 오믹 컨택이 가능하게 하여 전도도를 증가시키고, 두 층간의 접착성을 향상시킬 수 있다. 이러한 CNT 막의 두께는 5 내지 200nm 인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10 내지 100nm 인 것이 좋다. 상기 범위를 벗어날 경우, 막 내부의 저항이 증가하여 전도도가 감소하는 문제가 발생할 수도 있다. The transparent electrode for a solar cell according to the embodiments of the present invention includes a CNT film as an intermediate layer between the transparent substrate and the transparent conductive film to facilitate crystal growth of a transparent conductive film such as a zinc oxide film. It is possible to increase the conductivity and improve the adhesion between the two layers. The thickness of the CNT film is preferably 5 to 200 nm, more preferably 10 to 100 nm. If it is out of the above range, there may be a problem that the conductivity inside the film is increased to decrease the conductivity.
상기 투명 전도성막의 두께는 200 내지 2000nm 인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 300 내지 1500nm 인 것이 좋다. 상기 범위를 벗어날 경우, 투과도가 감소하여 단락전류가 감소하는 문제가 발생할 수도 있다. It is preferable that the thickness of the said transparent conductive film is 200-2000 nm, More preferably, it is 300-1500 nm. If it is out of the above range, there may be a problem that the transmittance is reduced to reduce the short-circuit current.
상기 투명 전도성막은 전도도의 향상을 위해 도펀트를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 도펀트는 갈륨(Ga), 산화 알루미늄(Al2O3), 보론(B), 불소(F), 또는 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아 니다. The transparent conductive layer may further include a dopant to improve conductivity, and the dopant may be gallium (Ga), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), boron (B), fluorine (F), or indium (In). It may be one or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 투명 기판을 준비하는 단계; 상기 투명 기판 상부에 탄소나노튜브막을 형성하는 단계; 및 상기 탄소나노튜브 막 상부에 투명 전도성막을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지용 투명 전극의 제조방법에 관계한다. Another aspect of the present invention for achieving the above object is to prepare a transparent substrate; Forming a carbon nanotube film on the transparent substrate; And it relates to a method for manufacturing a transparent electrode for a solar cell comprising the step of forming a transparent conductive film on the carbon nanotube film.
상기 방법은 전처리로서 다른 층과의 접착력을 증대시키기 위해 기판의 표면에 잔존하는 불순물들을 제거하는 세정하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 투명기판을 세정하는 단계는 증류수(DI water), 이소프로필알콜(IPA), 또는 강염기 용액을 사용하여 각 단계당 최소 10분 이상 실시하는 것이 좋다. 상기 탄소나노튜브 막은 화학기상증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition), 열화학기상증착법(TCVD: Thermal chemical vapor deposition), 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상 증착법 (MPECVD: Microwave plasma enhanced chemical vapor deposition) 등에 의해 형성될 수 있다. The method may further comprise a step of cleaning to remove impurities remaining on the surface of the substrate to increase adhesion to other layers as a pretreatment, wherein the step of cleaning the transparent substrate is distilled water (DI water), isopropyl It is recommended to perform at least 10 minutes for each step using alcohol (IPA) or strong base solution. The carbon nanotube film may be formed by Chemical Vapor Deposition (CVD), Thermal Chemical Vapor Deposition (TCVD), Microwave Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (MPECVD), or the like. .
구체적으로 상기 탄소나노튜브 막의 형성단계는 i) 상기 기판 상부에 금속 촉매를 증착하는 단계; ii) 상기 기판 상부에 증착된 금속 촉매를 식각하여 나노 크기의 금속 촉매 입자를 형성하는 단계; iii) 상기 기판을 공기가 제거된 챔버에 넣고 가열하는 단계; 및 iv) 상기 챔버에 반응기체를 공급하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함한다. 이는 탄소나노튜브가 나노 크기의 금속 촉매 입자 위에서 성장되는 것을 이용하는 것으로, 이러한 화학기상증착법에 의한 CNT 막 형성 방법은 대면적에 유리하며, 연속공정에 유리하다.Specifically, the forming of the carbon nanotube film may include: i) depositing a metal catalyst on the substrate; ii) etching the metal catalyst deposited on the substrate to form nano-sized metal catalyst particles; iii) placing the substrate in a deaired chamber and heating it; And iv) growing a carbon nanotube by supplying a reactant to the chamber. This is to use the carbon nanotubes are grown on the nano-sized metal catalyst particles, the CNT film formation method by the chemical vapor deposition method is advantageous for large area, it is advantageous for the continuous process.
상기 금속 촉매로는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), Ni-MgO 또는 Fe-Mo-MgO을 상기 기판 위에 열증착법이나 스퍼터링법으로 증착하여 사용할 수 있으며, 기판에 증착된 금속 촉매는 암모니아와 수소 가스 등을 이용하여 식각시킴으로써 나노크기의 미세한 금속 촉매 입자를 형성한 후, 그러한 기판을 공기가 제거된 챔버에 넣고 600℃ 내지 800℃로 가열한 뒤, 탄소를 포함하는 반응기체를 챔버 내에 흘려줌으로써 상기 나노크기의 금속 촉매 입자 위에서 탄소나노튜브가 성장하게 된다. 반응온도는 금속 촉매의 녹는점 보다 높아야 하며, 반응온도가 촉매 온도보다 높지 않으면 금속촉매의 에너지 상태(Energy state)가 Ea(activation energy)보다 낮은 경우에는 촉매가 활성화되지 않아, 반응의 수율을 감소시키거나 반응이 거의 일어나지 않기 때문이다. As the metal catalyst, iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), Ni-MgO, or Fe-Mo-MgO may be deposited on the substrate by thermal deposition or sputtering, and the metal deposited on the substrate. The catalyst is etched using ammonia, hydrogen gas and the like to form nano-sized fine metal catalyst particles, and then the substrate is placed in an air-free chamber and heated to 600 ° C. to 800 ° C., followed by carbon-containing reactor. The carbon nanotubes are grown on the nanosized metal catalyst particles by flowing into the chamber. The reaction temperature must be higher than the melting point of the metal catalyst. If the reaction temperature is not higher than the catalyst temperature, the catalyst is not activated when the energy state of the metal catalyst is lower than Ea (activation energy), thereby reducing the yield of the reaction. Or because the reaction rarely occurs.
상기 반응기체로는 C2H2, CH4, C2H4, C2H6, 또는 CO 을 사용할 수 있으며, 상기 탄소나노튜브 막의 두께는 5 내지 200nm 로 형성하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10 내지 100nm 로 형성하는 것이 좋다. C 2 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , or CO may be used as the reactor, and the carbon nanotube film may have a thickness of 5 to 200 nm, more preferably. It is preferable to form it in 10-100 nm.
상기 CNT 막 상부에 투명 전도성막을 형성하는 방법은 스퍼터링 공정 또는 진공증착법에 의해 형성될 수 있으며, 상기 투명 전도성막의 두께는 200 내지 2000nm로 형성하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 300 내지 1500nm로 형성하는 것이 좋다.The method of forming the transparent conductive film on the CNT film may be formed by a sputtering process or a vacuum deposition method, the thickness of the transparent conductive film is preferably formed to 200 to 2000nm, more preferably 300 to 1500nm Good to do.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 구현예들에 의한 태양전지용 투명 전극을 포함하는 박막 태양전지에 관한 것이다.Another aspect of the present invention for achieving the above object relates to a thin film solar cell comprising a transparent electrode for a solar cell according to embodiments of the present invention.
이하, 일례로 비정질 실리콘 박막 태양전지를 예로 들어 설명한다.Hereinafter, an amorphous silicon thin film solar cell will be described as an example.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 투명 전극을 포함하는 박막 태양전지의 단면개략도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 구현예들에 의한 박막 태양전지(20)는 태양전지용 투명 전극(10), 상기 투명 전극 상에 형성된 광흡수층(200) 및 상기 광흡수층 상에 형성된 대향전극(300)을 포함한다. 2 is a schematic cross-sectional view of a thin film solar cell including a transparent electrode according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the thin film
투명전극(10)은 외부로부터 입사되는 빛을 광흡수층(200)으로 통과시키도록 투명한 물질들로 이루어지며, 투명 기판(100), 상기 투명 기판 상부에 형성된 CNT 막(110) 및 상기 CNT 막 상부에 형성된 투명 전도성막(120)을 포함하며, CNT 막은 투과도가 평균 85% 이상으로 높은 편이므로 태양전지의 TCO 로도 사용가능하며, 본 발명의 구현예들에 따른 태양전지에서는 투명 기판과 투명 전도성막의 중간층으로서 두 층의 접착성을 향상시켜 보다 안정된 구조를 갖는 태양전지를 제공할 수 있다.The
상기 광흡수층(200)은 상기 투명전극(10) 위에 형성되고, P형, I형 및 N형 실리콘층이 접합된 PIN 접합층으로서 플라즈마 CVD 공정 또는 유도결합형 플라즈마 CVD 공정 등의 CVD 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 N형 실리콘층은 인, 질소 등과 같이 N형의 불순물이 도핑된 층이고, 상기 P형 실리콘층은 붕소 등의 제3족 원소인 P형 불순물이 도핑된 층이다. 다른 형태의 광흡수층 재료를 사용하게 되면, 예를 들어, CdTe 화합물을 사용할 경우 화합물 박막 태양전지를 제조할 수 있 다. 또한, 비정질 실리콘 박막 태양전지의 효율을 개선하기 위한 적층형 박막 태양전지에도 사용할 수 있다. 즉, 광흡수층(200)으로 비정질 실리콘과 미세결정(micro) 실리콘을 다층으로 적층하여 사용하는 탠덤(Tandem)형과 트리플(Triple)형 박막 태양전지를 형성할 수도 있다.The light absorbing layer 200 is formed on the
이러한 반도체층은 태양광에 의해 정공(hole) 및 전자(electron)를 생성하고 생성된 정공 및 전자가 각각 P층 및 N층에서 수집되는데, 이와 같은 정공 및 전자의 수집 효율을 증진시키기 위해서는 P층과 N층만으로 이루어진 PN 구조에 비하여 PIN 구조가 보다 바람직하다. PIN 구조로 형성하게 되면, I층이 P층과 N층에 의해 공핍(depletion) 되어 내부에 전기장이 발생하게 되고, 태양광에 의해 생성되는 정공 및 전자가 상기 전기장에 의해 드리프트(drift)되어 각각 P층 및 N층에서 수집된다.The semiconductor layer generates holes and electrons by sunlight and the generated holes and electrons are collected in the P layer and the N layer, respectively. In order to enhance the efficiency of collecting holes and electrons, the P layer is used. A PIN structure is more preferable than the PN structure which consists only of and N layers. When the pin structure is formed, the I layer is depleted by the P layer and the N layer to generate an electric field therein, and the holes and electrons generated by sunlight are drift by the electric field, respectively. Collected in P and N layers.
상기 광흡수층(200) 상부에는 전도성 물질의 대향전극(300)이 형성된다. 상기 투명전극(10) 및 광흡수층(200)을 통과한 태양광은 대향전극(300)에서 반사되어 상기 광흡수층(200)으로 재입사된다. 이러한 대향전극(300)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등의 금속으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The
이와 같이 구성된 박막 태양전지는 다음과 같이 동작한다. 외부에서 빛이 태양전지에 입사되면 광흡수층(200)에서 입사된 광에너지에 의해 전자와 정공이 발생되고, 상기 전자는 N형 실리콘층으로 상기 정공은 P형 실리콘층으로 각기 확산하게 된다. 하전 캐리어의 분극이 일어나면, 반도체의 양측에는 전위차가 생기며, 이때 상기 N형 실리콘층과 P형 실리콘층을 결선하게 되면 상기 전자 및 정공의 이 동에 의해 전력이 생성되게 된다.The thin film solar cell configured as described above operates as follows. When light is incident on the solar cell from the outside, electrons and holes are generated by the light energy incident from the light absorption layer 200, and the electrons are diffused into the N-type silicon layer and the holes are respectively diffused into the P-type silicon layer. When polarization of the charge carrier occurs, a potential difference occurs at both sides of the semiconductor. At this time, when the N-type silicon layer and the P-type silicon layer are connected, electric power is generated by the movement of the electrons and holes.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명에 따른 실시예들을 다양하게 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples in order to help understand the present invention, but various modifications may be made to the embodiments according to the present invention, and the scope of the present invention is limited to the following examples. It should not be interpreted.
실시예 1Example 1
두께 0.7mm의 판유리(Flat glass)를 200x200mm로 자른 후, 그러한 기판을 공기가 제거된 챔버에 넣고 알곤(Ar) 가스를 주입하며, 650℃로 가열한 뒤, 탄소를 포함하는 반응기체 아세틸렌(C2H2) 가스를 챔버 내에 흘려줌으로써 상기 나노 크기의 금속 촉매 입자 위에서 약 평균직경이 30nm정도인 탄소나노튜브를 70nm 성장시켰다. 이어서, 상기 형성된 탄소나노튜브 막 상부에 투명전극으로 알루미늄 도핑 된 산화아연(AZO: ZnO:Al)을 1㎛ 가량 증착하고 광흡수 영역인 PIN층을 화학기상증착법으로 증착하였다. After cutting 0.7mm thick flat glass to 200x200mm, the substrate was placed in an air-free chamber, infused with argon (Ar) gas, heated to 650 ° C, and reacted with acetylene containing carbon (C). 2 H 2 ) 70 nm of carbon nanotubes having an average diameter of about 30 nm were grown on the nano-sized metal catalyst particles by flowing a gas into the chamber. Subsequently, aluminum oxide-doped zinc oxide (AZO: ZnO: Al) was deposited on the formed carbon nanotube layer by about 1 μm, and a PIN layer, which is a light absorption region, was deposited by chemical vapor deposition.
상기 투명전극이 증착된 글라스 위에 실란, 메탄, 디보란, 수소 가스를 이용하여 PECVD로 P층을 7nm두께로 성막하고, I층과의 접착력 향상을 위하여 실란, 메탄, 수소 가스를 사용하여 Buffer 층을 6nm 두께로 증착하였다. I층은 실란가스를 사용하여 200~300nm두께로 증착하였다. 실란, 수소, 포스핀 가스를 사용하여 25~35nm 두께의 N형 실리콘층을 형성하였다. 사용된 PECVD장치는 멀티챔버로 구성 하여 각 층간 도핑으로 인한 오염을 방지하였다. P layer is deposited to 7 nm thickness by PECVD using silane, methane, diborane and hydrogen gas on the glass on which the transparent electrode is deposited, and a buffer layer using silane, methane and hydrogen gas to improve adhesion with I layer. Was deposited to a thickness of 6 nm. I layer was deposited to 200-300 nm thickness using silane gas. N-type silicon layers having a thickness of 25 to 35 nm were formed using silane, hydrogen, and phosphine gas. The PECVD apparatus used consists of multi-chambers to prevent contamination due to interlayer doping.
광흡수층 증착 후 스퍼터링으로 대향전극으로 산화아연(ZnO)층을 80nm 두께로 성막하고 은(Ag)층을210nm 두께로 증착하여 태양전지 셀(cell)을 제조하였다. After deposition of the light absorbing layer, a zinc oxide (ZnO) layer was formed to a thickness of 80 nm with a counter electrode by sputtering, and a silver (Ag) layer was deposited to a thickness of 210 nm to manufacture a solar cell.
비교예 1Comparative Example 1
유리기판으로 (주)아사히 유리의 vu-type 제품을 사용하고, 그 상부에 바로 ZnO 막을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 박막 태양전지를 제조하였다. 상기 아사히 유리의 vu-type 제품은 산화주석(SnO2:F)층으로 구성된 투명전도성막과 투명유리기판 사이에 SiOx층 및 TiOx층이 존재한다. A thin film solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a vu-type product of Asahi Glass Co., Ltd. was used as a glass substrate, and a ZnO film was immediately formed on the upper portion thereof. In the vu-type product of Asahi Glass, a SiO x layer and a TiO x layer exist between the transparent conductive film composed of a tin oxide (SnO 2 : F) layer and the transparent glass substrate.
실험예 1 - 접착성 측정Experimental Example 1-Adhesiveness Measurement
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 태양전지의 투명 기판과 투명 전도성막의 접착성을 효율측정 요인 중 하나인 FF(fill factor)로 판단하여 하기 표 1에 나타내었다. The adhesion between the transparent substrate and the transparent conductive film of the solar cells manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 was determined as FF (fill factor), which is one of the efficiency measurement factors, and is shown in Table 1 below.
투명 기판과 투명전도성막 사이의 접착성은 FF(fill factor)가 증가할수록 좋아진다고 판단할 수 있다. 상기 실험예의 결과를 참조하면, 기판과 투명전도성막 사이에 탄소나노튜브막을 포함하는 실시예 1의 경우, 일반적으로 상용화된 유리 기판을 사용한 경우인 비교예 1 보다 투명기판과 투명전도성막 사이의 접착성이 좋은 것을 확인할 수 있다.The adhesion between the transparent substrate and the transparent conductive film can be judged to be better as the fill factor (FF) increases. Referring to the results of the above experimental example, in the case of Example 1 including a carbon nanotube film between the substrate and the transparent conductive film, the adhesion between the transparent substrate and the transparent conductive film than Comparative Example 1 in which a commercially available glass substrate is generally used We can confirm that sex is good.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 본 발명에 대해서 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments of the present invention, these are merely exemplary, and those skilled in the art to which the present invention pertains have various modifications and equivalents therefrom. It will be appreciated that embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 투명 전극의 단면개략도이고,1 is a schematic cross-sectional view of a transparent electrode according to an embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 투명 전극을 포함하는 박막 태양전지의 단면개략도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a thin film solar cell including a transparent electrode according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10: 투명 전극 100: 기판 10: transparent electrode 100: substrate
110: 탄소나노튜브 막 120: 투명 전도성 막 110: carbon nanotube film 120: transparent conductive film
200: 광흡수층 300: 대향전극 200: light absorption layer 300: counter electrode
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