KR100581840B1 - 광감응형 및 ｐ-ｎ접합 복합구조를 갖는 태양전지 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 광감응형 및 Ｐ-Ｎ접합 복합구조를 갖는 태양전지는, 다결정 혹은 비정질 실리콘 태양전지 중의 어느 하나와 광감응형 태양전지가 접합된 복합구조를 갖는 것으로서, 복합 태양전지 구조체의 최하부층에 마련되는 n-형 실리콘 기판; n-형 실리콘 기판 위에 도핑 형성되는 p-형 실리콘층; p-형 실리콘층 위에 형성되며, 그 표면에는 상대전극이 형성되어 있는 하부 투명전극층; 복합 태양전지 구조체의 최상부에 위치되며, 투광성 및 도전성이 양호한 상부 투명전극층; 상부 투명전극층의 하면부에 형성되며, 광감응형 태양전지에서 광을 흡수하여 발전하는 n-형 반도체층; 및 n-형 반도체층이 형성되어 있는 상부 투명전극층과 그 표면에 상대전극이 형성되어 있는 하부 투명전극층 사이에 충전되는 산화환원용 전해질을 포함하여 구성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 다결정 혹은 비정질 실리콘의 p-n 접합구조의 실리콘 태양전지와 광감응형 태양전지의 복합구조로 되어 있어, 1차적으로 광감응형 태양전지에 의해 400nm 이하의 단파장의 빛을 흡수하여 발전하고, 2차적으로 400nm를 초과하는 파장의 빛을 실리콘 태양전지가 흡수하여 발전함으로써 태양전지의 전체효율을 증대시킬 수 있다.

Description

광감응형 및 Ｐ-Ｎ접합 복합구조를 갖는 태양전지 및 그 제조방법{Light sensitized and P-N junction complexed solar cell and manufacturing method thereof}

도 1은 본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 구조를 보여주는 도면.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 제조공정을 순차적으로 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101...n-형 실리콘 기판 102...p-형 실리콘층

103...하부 투명전극 104...상대전극

105...상부 투명전극 106...n-형 반도체층

107...전해질

본 발명은 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 단결정 실리콘 태양전지에 비하여 상대적으로 가격이 저렴한 다결정 또는 비정질 실리콘 전지와, 실리콘 태양전지에서 이용효율이 낮은 단파장광을 이용하여 발전하는 기존의 실리콘계 태양전지의 1/5 가격인 광감응형 전지를 복합화하여 효율이 높고, 셀 단가가 낮아 경제성이 있는 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

태양전지는 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 것으로, 현재까지 개발된 태양전지는 소형의 장비나 특정한 지역 및 장비를 위한 독립전원으로 극히 제한적으로 사용되며 고가이다. 즉, 현재 기술의 고효율 태양전지는 제조 단가가 높아 경제성이 떨어지므로, 인공위성 등 주로 특수한 목적에 일부 이용되고, 대부분의 경우는 여러 에너지원 중 효율과 제조단가를 같이 평가하여 경제성이 있는 것이 실제로 이용되게 된다. 이에, 화석연료의 사용이 필요없고, 특별한 유지관리 없이 전기를 생산할 수 있는 미래의 핵심적 대체에너지원인 태양에너지를 이용한 기술은 대중적으로 사용하기 위해 고효율화와 저가화의 방향으로 기술발전이 이루어져 왔다.

지금까지는 여러 가지 조건이 고려되어, 태양광 에너지 자체 밀도가 낮고, 단위 발전 용량당 셀의 단가가 높음에도 불구하고, 실리콘계 태양전지가 상업화한 태양전지의 대부분을 차지하고 있고, 또한 단결정 실리콘을 이용할 수밖에 없다. 따라서, 실질적인 태양전지의 대량 상용화를 위해서는 기존의 태양전지의 가격을 크게 낮추어야 한다.

한편, 많은 연구가 진행되어 실용화 단계에 근접한 염료 감응형 태양전지의 경우 광역의 밴드 갭(band gap)을 가진 반도체에 의해 400nm 이하의 빛을 이용하여 발전하고, 염료의 사용에 따라 800nm의 빛까지 흡수하여 발전한다. 실리콘계 전지의 경우는 400nm 이상의 빛에서 적외선 영역의 아주 약한 빛까지 흡수하여 발전한다. 이에 두 가지 전지의 특성을 살려 장파장과 단파장의 태양광을 효율적으로 활용하기 위해 탠덤(tandem) 구조를 이용하였는데, 밴드 갭이 작은 물질인 GaAs, CdSe, InP 등의 물질을 박막으로 형성하여 실리콘 전지의 뒷면에 위치하게 하거나, 실리콘 전지가 활용하지 못하는 단파장을 최대한 활용하고자 하는 노력을 하였다. 그러나, 이러한 형태의 탠덤 구조는 재료들의 가격과 박막형성 공정 비용이 비싸 경제성을 갖지 못하고 있다. 더군다나 박막공정 자체가 재현성이 떨어져 품질과 성능이 균질한 셀을 대량으로 생산하는데 적합하지 못하다.

현재의 염료감응형 태양전지는 단파장 특성은 좋고 가격은 저렴하지만, 장파장에서는 전하의 생성이 수집되는 접합부(junction)에서 멀리 떨어져 있어서 수집 효율이 좋지 않은 것이 단점으로 지적되고 있다. 또한, 실리콘(Si) 단결정 태양전지의 경우 에너지 변환효율은 높지만 제조 단가가 매우 고가여서 특수 용도로 제한되어 사용되며, 기존 저가격 양산용 실리콘 태양전지는 표면의 도핑 농도가 높아서 단파장에서의 양자효율이 작다는 단점이 있다. 이에 장파장과 단파장을 모두 효율적으로 이용하기 위해서는 탠덤 구조를 이용하여 밴드 갭이 작은 물질을 뒤쪽에 접합하여 사용하게 된다. 그러나, 이러한 구조에 이용되는 물질들(GaAs, InP, AlGaAs 등)은 재료 가격이나 제조공정이 비싸기 때문에 소면적이나 특수용도로 제한되어 사용되고 있는 실정이다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 단결정 실리콘 태양전지에 비하여 상대적으로 가격이 저렴한 다결정 또는 비정질 실리콘 태양전지와, 실리콘 태양전지에서 이용효율이 낮은 단파장광을 이용하여 발전하는 기존의 실리콘계 태양전지의 1/5 가격인 광감응형 전지를 복합화하여 효율이 높고, 셀 단가가 낮아 경제성이 있는 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지는,

다결정 혹은 비정질 실리콘 태양전지 중의 어느 하나와 광감응형 태양전지가 접합된 복합구조를 갖는 것으로서,

복합 태양전지 구조체의 최하부층에 마련되는 n-형 실리콘 기판;

상기 n-형 실리콘 기판 위에 도핑 형성되는 p-형 실리콘층;

상기 p-형 실리콘층 위에 형성되며, 그 표면에는 상대전극이 형성되어 있는 하부 투명전극층;

상기 복합 태양전지 구조체의 최상부에 위치되며, 투광성 및 도전성이 양호한 상부 투명전극층;

상기 상부 투명전극층의 하면부에 형성되며, 광감응형 태양전지에서 광을 흡수하여 발전하는 n-형 반도체층; 및

상기 n-형 반도체층이 형성되어 있는 상부 투명전극층과 그 표면에 상대전극이 형성되어 있는 하부 투명전극층 사이에 충전되는 산화환원용 전해질을 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 제조방법은,

다결정 혹은 비정질 실리콘 태양전지 중의 어느 하나와 광감응형 태양전지가 접합된 복합구조를 갖는 태양전지를 제조하기 위한 방법으로서,

a) 상기 복합구조 태양전지 구조체에서의 실리콘 태양전지측의 형성을 위해 n-형 실리콘 기판을 마련하는 단계;

b) 상기 n-형 실리콘 기판에 도핑하여 p-형 실리콘층을 형성하는 단계;

c) 상기 복합구조 태양전지 구조체에서의 광감응형 태양전지측의 형성을 위해 일측 도전성 투명전극을 마련하고, 그 위에 상대전극을 형성하는 단계;

d) 상기 일측 도전성 투명전극에 대응되는 전극으로서 타측 도전성 투명전극을 마련하고, 그 투명전극의 일측면에 광감응형 태양전지의 광투과도를 높이기 위한 n-형 반도체층을 형성하는 단계;

e) 상기 상대전극이 형성되어 있는 일측 투명전극과 n-형 반도체층이 형성되 어 있는 타측 투명전극을 소정 간격 이격하여 봉합하고, 두 전극 사이의 공간에 산화환원용 전해질을 충전하는 단계; 및

f) 상기 실리콘 태양전지측 위에 광감응형 태양전지측을 직렬로 접합하여 실리콘 태양전지와 광감응형 태양전지의 복합구조를 갖는 태양전지의 제조를 완료하는 단계를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 구조를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지는, 다결정 혹은 비정질 실리콘 태양전지 중의 어느 하나와 광감응형 태양전지가 접합된 복합구조를 갖는 것으로서, n-형 실리콘 기판(101), p-형 실리콘층 (102), 하부 투명전극층(103), 상대전극(104), 상부 투명전극층(105), n-형 반도체층(106), 전해질(107)을 포함하여 구성된다.

상기 n-형 실리콘 기판(101)은 복합 태양전지 구조체의 최하부층에 마련된다.

상기 p-형 실리콘층(102)은 상기 n-형 실리콘 기판(101) 위에 도핑하여 형성된다.

여기서, 이상과 같은 상기 n-형 실리콘 기판(101) 및 p-형 실리콘층(102)은 다결정 혹은 비정질 실리콘으로 구성된다.

상기 하부 투명전극층(103)은 p-형 실리콘층(102) 위에 형성되며, 그 표면에 는 촉매제 역할을 수행하기 위한 상대전극(104)이 형성된다. 여기서, 이 하부 투명전극층(103)의 재질로는 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine Tin Oxide)가 사용될 수 있다. 또한, 상기 상대전극(104)의 재질로는 백금(Pt)이 사용될 수 있다.

상기 상부 투명전극층(105)은 상기 복합 태양전지 구조체의 최상부에 위치되며, 투광성 및 도전성이 양호한 재질로 구성된다. 여기서, 이 상부 투명전극층 (105)의 재질로는 ITO 또는 FTO가 사용될 수 있다. 특히, 이 상부 투명전극층 (105)의 하면부는 후술되는 n-형 반도체층(106)의 표면에서의 광반사를 최소화하고, 반도체와 전해질과의 접촉면적을 크게 하기 위해 바람직하게는 에칭 등에 의해 그 표면이 다공질로 표면처리된다.

상기 n-형 반도체층(106)은 상기 상부 투명전극층(105)의 하면부에 형성되며, 광감응형 태양전지에서 광을 흡수하여 발전하는 부분이다. 여기서, 이 n-형 반도체층(106)으로는 TiO₂ 또는 ZnO가 사용될 수 있으며, 실리콘 전지에 도달하는 광량을 최대화하기 위해 증착법 또는 스퍼터링 방법으로 상부 투명전극층(105)에 형성된다.

상기 전해질(107)은 상기 n-형 반도체층(106)이 형성되어 있는 상부 투명전극층(105)과 그 표면에 상대전극(104)이 형성되어 있는 하부 투명전극층(103) 사이에 충전된다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복 합구조를 갖는 태양전지의 제조방법에 대하여 설명해 보기로 한다.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 제조공정을 순차적으로 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 제조방법은 다결정 혹은 비정질 실리콘 태양전지 중의 어느 하나와 광감응형 태양전지가 접합된 복합구조를 갖는 태양전지를 제조하기 위한 방법으로서, 먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 복합구조 태양전지 구조체에서의 실리콘 태양전지측의 형성을 위해 n-형 실리콘 기판(101)을 마련한다. 그런 후, 도 2b에서와 같이, 그 n-형 실리콘 기판(101)에 도핑하여 p-형 실리콘층(102)을 형성한다. 여기서, 이와 같은 n-형 실리콘 기판(101) 및 p-형 실리콘층(102)은 다결정 혹은 비정질 실리콘으로 구성된다. 또한, 이때 실리콘층(102) 표면에서의 실리콘 결정의 재결합을 감소시키기 위하여 바람직하게는 표면을 실리콘 산화물로 보호막을 입히거나 TiO₂를 코팅하여 열처리함으로써 표면에 약 20Å 두께의 산화막을 형성한다.

이렇게 하여 일단 실리콘 태양전지측의 형성이 완료되면, 도 2c에 도시된 바와 같이, 복합구조 태양전지 구조체에서의 광감응형 태양전지측의 형성을 위해 일측(하부) 도전성 투명전극(103)을 마련하고, 그 위에 상대전극(104)을 형성한다. 여기서, 이 도전성 투명전극(103)으로는 ITO 혹은 FTO가 사용될 수 있다. 또한, 상기 상대전극(104)은 후술되는 전해질에서의 이온의 전달 효율을 좋게 하기 위한 촉매 역할을 하는 것으로서, Pt가 사용될 수 있다.

이상에 의해 상대전극(104)의 형성이 완료되면, 도 2d에서와 같이, 상기 일측 도전성 투명전극(103)에 대응되는 전극으로서 타측(상부) 도전성 투명전극(105)을 마련하고, 그 일측면을 후술되는 n-형 반도체층(106)의 표면에서의 광반사를 최소화하고, 반도체와 전해질과의 접촉면적을 크게 하기 위해 바람직하게는 에칭 등에 의해 다공질로 표면 처리한다.

그런 후, 도 2e에서와 같이, 그 다공질 처리된 표면에 광감응형 태양전지의 광투과도를 높이기 위한 n-형 반도체층(106)을 형성한다. 이때, 이 n-형 반도체층 (106)의 형성은 TiO₂ 또는 ZnO 나노분말을 이용하여 광감응형 태양전지의 투과율 향상을 위해 증착법 혹은 스퍼터링 방법에 의해 형성한다. 여기서, 이와 같은 TiO₂ 또는 ZnO 나노분말은 광흡수제로 작용하게 된다.

이렇게 하여 타측(상부) 도전성 투명전극(105)에의 n-형 반도체층(106)의 형성까지 완료되면, 도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 일측(하부) 투명전극(103)과 타측(상부) 투명전극(105)을 상대전극(104)과 n-형 반도체층(106)이 서로 마주보도록 한 상태에서 소정 간격(예컨대, 10㎛ 이하의 간격)으로 이격하여 봉합하고, 두 전극 사이의 공간에 산화환원용 전해질(107)을 충전한다.

그런 후, 도 2g에서와 같이, 상기 도 2b의 실리콘 태양전지측 위에 도 2f의 광감응형 태양전지측을 직렬로 접합하여 실리콘 태양전지와 광감응형 태양전지의 복합구조를 갖는 태양전지의 제조를 완료한다. 이후에는 이와 같이 하여 완성된 복합구조를 갖는 태양전지의 광감응형 태양전지와 실리콘 태양전지에 외부 전극을 각 각 연결하여 사용하면 되는 것이다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지 및 그 제조방법은 다결정 혹은 비정질 실리콘의 p-n 접합구조의 실리콘 태양전지와 광감응형 태양전지의 복합구조로 되어 있어, 1차적으로 광감응형 태양전지에 의해 400nm 이하의 단파장의 빛을 흡수하여 발전하고, 2차적으로 400nm를 초과하는 파장의 빛을 실리콘 태양전지가 흡수하여 발전함으로써 효율이 높은 태양전지를 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한, 다공질 에칭에 의해 일측(상부) 전극을 가공함으로써 증착된 반도체 표면에서의 광반사율을 줄이고, 염료를 사용하지 않음으로써 종래 염료감응형 태양전지에 비해 높은 광투과율을 기대할 수 있으며, 그 결과 태양전지의 전체 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 빛을 효율적으로 사용하여 태양전지의 온도 상승을 감소시킴으로써 광감응형 태양전지의 수명을 증대시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 다결정 혹은 비정질 실리콘 태양전지 중의 어느 하나와 광감응형 태양전지가 접합된 복합구조를 갖는 것으로서,

   복합 태양전지 구조체의 최하부층에 마련되는 n-형 실리콘 기판;

   상기 n-형 실리콘 기판 위에 도핑 형성되는 p-형 실리콘층;

   상기 p-형 실리콘층 위에 형성되며, 그 표면에는 상대전극이 형성되어 있는 하부 투명전극층;

   상기 복합 태양전지 구조체의 최상부에 위치되며, 투광성 및 도전성이 양호한 상부 투명전극층;

   상기 상부 투명전극층의 하면부에 형성되며, 광감응형 태양전지에서 광을 흡수하여 발전하는 n-형 반도체층; 및

   상기 n-형 반도체층이 형성되어 있는 상부 투명전극층과 그 표면에 상대전극이 형성되어 있는 하부 투명전극층 사이에 충전되는 산화환원용 전해질을 포함하여

   구성된 것을 특징으로 하는 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 상부 투명전극층의 하면부는 상기 n-형 반도체층의 표면에서의 광반사 를 최소화하고, 반도체와 전해질과의 접촉면적을 크게 하기 위해 그 표면이 다공질로 표면처리되어 있는 것을 특징으로 하는 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지.
3. 다결정 혹은 비정질 실리콘 태양전지 중의 어느 하나와 광감응형 태양전지가 접합된 복합구조를 갖는 태양전지를 제조하기 위한 방법으로서,

   a) 상기 복합구조 태양전지 구조체에서의 실리콘 태양전지측의 형성을 위해 n-형 실리콘 기판을 마련하는 단계;

   b) 상기 n-형 실리콘 기판에 도핑하여 p-형 실리콘층을 형성하는 단계;

   c) 상기 복합구조 태양전지 구조체에서의 광감응형 태양전지측의 형성을 위해 일측 도전성 투명전극을 마련하고, 그 위에 상대전극을 형성하는 단계;

   d) 상기 일측 도전성 투명전극에 대응되는 전극으로서 타측 도전성 투명전극을 마련하고, 그 투명전극의 일측면에 광감응형 태양전지의 광투과도를 높이기 위한 n-형 반도체층을 형성하는 단계;

   e) 상기 상대전극이 형성되어 있는 일측 투명전극과 n-형 반도체층이 형성되어 있는 타측 투명전극을 소정 간격 이격하여 봉합하고, 두 전극 사이의 공간에 산화환원용 전해질을 충전하는 단계; 및

   f) 상기 실리콘 태양전지측 위에 광감응형 태양전지측을 직렬로 접합하여 실리콘 태양전지와 광감응형 태양전지의 복합구조를 갖는 태양전지의 제조를 완료하 는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 단계 b)의 p-형 실리콘층을 형성한 후, 실리콘층 표면에서의 실리콘 결정의 재결합을 감소시키기 위하여 표면을 실리콘 산화물로 보호막을 입히거나 TiO₂를 코팅하여 열처리함으로써 표면에 산화막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 제조방법.
5. 제3항에 있어서,

   상기 단계 d)에서의 n-형 반도체층을 형성하기 전에, n-형 반도체층의 표면에서의 광반사를 최소화하고, 반도체와 전해질과의 접촉면적을 크게 하기 위해 타측 도전성 투명전극의 일측면을 에칭에 의해 다공질로 표면 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 제조방법.
6. 제3항에 있어서,

   상기 단계 d)에서의 n-형 반도체층의 형성은 TiO₂ 또는 ZnO 나노분말을 이용하여 광감응형 태양전지의 투과율 향상을 위해 증착법 혹은 스퍼터링 방법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 제조방법.
7. 제3항에 있어서,

   상기 단계 e)에서 상기 일측 투명전극과 타측 투명전극을 상대전극과 n-형 반도체층이 서로 마주보도록 한 상태에서 10㎛ 이하의 간격으로 이격하여 봉합하는 것을 특징으로 하는 광감응형 및 P-N 접합 복합구조를 갖는 태양전지의 제조방법.

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