KR100861548B1 - 박막형 태양전지와 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 광기전력 변환 영역을 가지는 태양전지 셀에 적용되어 넓은 범위의 태양광 파장을 흡수할 수 있고 그로 인해 광전 변환 효율을 극대화시킨 태양전지에 관한 것이다.

구체적으로 본 발명은 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에, 상기 p형 반도체층의 입자상에 대한 상기 n형 반도체층의 입자상의 경사기능을 갖는 i형 반도체층을 포함하는 박막형 태양전지에 관한 것으로서 보다 단순한 공정으로 높은 광전 변환 효율을 가지는 효과를 얻을 수 있다.

박막형 태양전지, 광기전력, 태양광, p형 반도체층, n형 반도체층, i형 반도체층, 경사기능

Description

박막형 태양전지와 그의 제조방법{Thin-Film Solar Cell And Fabrication Method Thereof}

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 단일접합 박막형 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2는 종래 기술의 일 실시예에 따른 단일접합 박막형 태양전지의 파장에 따른 흡수정도를 나타낸 그래프이다.

도 3은 종래 기술의 일 실시예에 따른 이중접합 박막형 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 4a 및 도 4b는 종래 기술의 일 실시예에 따른 이중접합 박막형 태양전지의 파장에 따른 흡수정도를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 구조 중 반도체층만을 확대한 단면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 i형 반도체층의 결정화도를 나타낸 확대도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 결정화도 및 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 파장에 따른 흡수정 도를 나타낸 그래프이다.

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}

100,300 : 기판 101,301 : 투명전도성산화물층

102,3021,3022,502 : p형 반도체층 103,3031,3032,503 : i형 반도체층

104,3041,3042,504 : n형 반도체층 105,305 : 금속전극층

본 발명은 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에, 상기 p형 반도체층의 입자상에 대한 상기 n형 반도체층의 입자상의 경사기능을 갖는 i형 반도체층을 포함하는 박막형 태양전지에 관한 것이다.

차세대 에너지원으로서 연구 개발되고 있는 태양전지는 특히 비정질 실리콘을 중심으로 한 소재를 판형 유리나 금속에 다층으로 증착한 박막형 태양전지 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있다.

비정질 실리콘 태양전지는 광전변환효율이 결정형 실리콘 태양전지에 비해 비교적 낮은 단점이 있으나 증착되는 소재와 다층셀 구조의 관점에서 광전변환효율을 향상시킬 수 있으며 대면적 태양전지 모듈을 저가의 제조비용으로 생산할 수 있 고 에너지 회수 년수가 짧은 기술이어서 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 증착 장비의 대형화 자동화로 생산속도를 높이면 대면적의 기판형 태양전지의 제조원가를 더욱 절감할 수 있으므로 이에 대한 연구노력이 진행되고 있다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 적층구조에 대한 일 단면도이다. 도 1에서는 일반적으로 단일접합셀(Single junction cell)로 불리는 종래 기술의 박막형 실리콘계 태양전지의 적층구조가 개략적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 유리기판(100) 위에 코팅된 투명전도산화물층(Transparent Conductive Oxide, TCO)(101)을 표면 처리하여 요철을 만들고 그 위에 실리콘계 물질의 반도체층을 순차로 적층한 것이다.

적층된 반도체층은 p형 반도체층(102), i형 반도체층(103) 및 n형 반도체층(104)으로 구성되었는데, 이들 p-i-n형의 반도체층을 하나의 접합(Junction)으로 구분한 것으로서, 접합이 한 개만 증착되어 단일접합셀로 불린다.

경우에 따라 p형 반도체층과 i형 반도체층 사이에 버퍼층이라고 불리는 중간층을 형성하기도 한다.

상기 반도체층 위에는 다시 투명전도산화물층(101)과 금속전극층(105)이 각각 증착된다.

도 2는 상기한 도 1의 단일접합 박막형 태양전지의 태양광 흡수 정도를 태양광의 파장에 대해 도시한 그래프이다. 상기 단일접합 박막형 태양전지의 i층 반도체층(103)은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 이루어져 있고 밴드갭(Band Gap)에 너지를 1.7eV 정도 갖는 것으로 알려져 있는데, 도 2를 참조하면 수소화 비정질 실리콘으로 이루어진 단일접합 박막형 태양전지는 400 내지 500nm의 태양광 파장을 제일 잘 흡수하고 700nm 이상의 태양광 파장을 흡수하지 못하는 것을 알 수 있다.

도 1 내지 도 2에서 알 수 있듯이 광범위의 태양광 파장을 흡수하지 못하는 태양전지의 구조적 문제를 개선하기 위하여 박막형 다중(multi)접합 태양전지가 제시되고 있다.

도 3은 일반적으로 탠덤셀(Tandem cell)로 불리는 박막형 실리콘계 태양전지 중에서 이중접합셀(Double junction cell) 태양전지의 적층구조를 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 유리기판(300) 위에 코팅된 투명전도산화물층(301)을 표면처리하여 요철을 만들고 그 위에 실리콘계 물질로 이루어진 반도체층을 이중으로 적층한 것이다. 즉, 도 3의 태양전지는 이중접합의 반도체층이 적층된 것으로서, p-i-n형 반도체층을 하나의 단일접합셀로 했을 때 두 개의 단일접합셀이 이중접합된 것이다.

제 1 태양전지셀로서 p형 반도체층(3021), i형 반도체층(3031), n형 반도체층(3041) 위에 제 2 태양전지셀로서 p형 반도체층(3022), i형 반도체층(3032), n형 반도체층(3042)이 구성되어 이중접합셀로 불린다.

경우에 따라 p형 반도체층과 i형 반도체층 사이에 buffer라고 불리는 중간층을 형성하기도 하며, 두 개의 태양전지셀 사이에 intermediate layer라고 불리는 중간층을 형성하기도 한다.

상부의 태양전지셀 위에는 다시 투명전도산화물층(301)과 금속전극층(305)이 각각 증착된다.

이러한 동일한 증착 원리로 세 개의 태양전지셀, 즉 세 개의 접합으로 구성된 삼중접합셀(Triple junction cell) 이상의 탠덤형 구조를 갖는 태양전지의 제작도 가능하다.

도 4는 상기한 대표적 다중접합 박막 태양전지인 이중접합셀의 태양광 흡수 정도를 태양광의 파장에 대해 도시한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 광흡수에 의한 광전류의 생성이 일어나는 이중접합 박막형 태양전지의 i형 반도체층을 중심으로 태양광의 파장에 따른 흡수정도를 알 수 있다.

제 1 태양전지셀의 i형 반도체층인 i₁-layer는 단일 접합의 경우와 같이 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로서 구성되면 밴드갭 에너지를 1.7eV 정도를 갖는 것으로 알려져 있으며, 제 2 태양전지셀의 i형 반도체층인 i₂-layer는 수소화 미세결정질(혹은 결정질) 실리콘(mc-Si:H)으로서 구성되면 밴드갭 에너지를 1.1eV 정도를 갖는 것으로 알려져 있다.

도 4a를 참조하면, 제 1 태양전지셀은 400 내지 500nm 정도의 파장의 태양광을 가장 잘 흡수하며, 700nm 이상의 태양광 파장은 잘 흡수하지 못하는 반면, 제 2 태양전지셀은 600 내지 700nm 정도의 파장의 태양광을 가장 잘 흡수하는 것을 알 수 있다.

따라서, 도 4b에서 알 수 있듯이 이중접합 구조의 박막형 태양전지는 서로 다른 최적 태양광 파장 흡수대를 가지는 태양전지셀을 포함하기 때문에 두 개의 최적 파장 흡수대의 합으로 산출된 넓은 범위의 태양광 파장을 흡수하여 효율 향상에 도움을 준다. 도 4b에서의 이중접합 박막형 태양전지는 400 내지 700nm 의 넓은 파장영역에서 우수한 태양광 흡수율을 가질 뿐만 아니라 700nm 이상의 파장영역의 태양광을 흡수할 수 있음을 알 수 있다.

그러나, 종래의 다중접합(Tandem) 태양전지 기술은 그 광효율의 향상에도 불구하고 단일접합(single junction) 태양전지에 비해 공정횟수의 증가 및 공정소요 시간의 증가로 산업에 응용하여 제품을 생산하기에는 어려움이 많은 실정이다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 박막형 태양전지의 광전효율의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서 넓은 범위의 태양광 파장을 흡수할 수 있고 그로 인해 광전 변환 효율을 극대화시킨 태양전지를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 보다 단순한 공정을 사용하여 높은 광전 변환 효율을 가지는 태양전지를 제공할 수 있는 태양전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 박막형 태양전지는 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에, 상기 p형 반도체층의 입자상에 대한 상기 n형 반도체층의 입자상의 경사기능(functional gradient)을 갖는 i형 반도체층을 포함한다.

p형 반도체층과 n형 반도체층은 불순물 반도체층이며 i형 반도체층은 진성 반도체층이다.

경사기능(functional gradient)란 층상 구조에 있어서 재료의 성질을 이용하여 최대의 에너지 효율을 얻을 수 있도록 구성물질의 조성비나 상태의 정도를 선형적으로 점차 증가하거나 감소하게 하는 규칙적이고 점진적인 변화를 의미하는 것으로 정의할 수 있다.

따라서 본 발명에서 i형 반도체층은 내부적으로 점차 점진적이고 규칙적인 입자 상태의 변화인 경사기능을 가지게 된다.

즉, i형 반도체층은, p형 반도체층과 인접한 i형 반도체층의 경계면은 p형 반도체층의 입자상과 동일한 상태로 형성하고 점차 그 경계면으로부터 멀어져 n형 반도체층과의 접촉되는 경계면으로 갈수록 p형 반도체층의 입자상의 비율이 점진적으로 감소하고 대신 n형 반도체층의 입자상의 비율이 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 p형 반도체층의 입자상은 비정질이고, 상기 n형 반도체층의 입자상은 결정질일 수 있으므로 상기 i형 반도체층의 경사기능은 결정화도가 0 부터 0.7 내지 1까지 순차로 증가될 수 있다.

상기 결정화도란, 결정성 고분자 고체 전체에 대한 결정 부분의 무게분율로서, 반도체층을 구성하는 물질의 입자상에 따라 결정부분이 달라지기 때문에 결정화도가 달라진다. 상기 결정화도 0인 경우는 반도체층의 입자상이 비정질인 경우를 말하고 점차 결정이 증가될수록 결정화도가 증가되며 결정화도가 1인 경우는 입자상이 결정질로만 형성된 경우에 해당될 것이다.

본 발명에서 상기 결정질은 미세결정, 다결정, 나노결정 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명에서 상기 p형 반도체층과 i형 반도체층 사이에는 버퍼층을 더 포함하는 것이 가능하다.

본 발명에서 상기 태양전지의 i형 반도체층은 입자상의 경사기능에 따라 밴드갭 에너지가 선형적으로 증가할 수도 있고 감소할 수도 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 박막형 태양전지의 제조방법은 p-i-n형 반도체층이 적어도 하나 이상 포함된 박막형 태양전지의 순차적인 적층의 제조방법에 있어서, 서로 다른 입자상을 가지는 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에, 상기 p형 반도체층의 입자상에 대한 상기 n형 반도체층의 입자상의 경사기능을 갖는 i형 반도체층을 형성하는 것을 포함한다.

본 발명에서 상기 p형 반도체층의 입자상은 비정질이고, 상기 n형 반도체층의 입자상은 미세결정, 다결정, 나노결정 중 어느 하나 결정질일 수 있으므로 p형 반도체층과 경계면을 이루는 i형 반도체층 부분의 결정화도에 비하여 n형 반도체층과 경계면을 이루는 i형 반도체층 부분의 결정화도가 점차 높게 증가될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 구조 중 반도체층만을 확대한 단면도이다.

본 발명은 p-i-n형 반도체층을 하나의 단일접합 태양전지셀로 상정할 때 적어도 하나 이상의 태양전지셀을 포함하는 태양전지에 적용이 가능하다.

도 5는 이들 태양전지셀의 반도체층의 적층구조를 나타낸 것이다.

광전변환효율을 높이기 위하여 요철부분으로 반도체층을 증착할 수 있는데, 도 5를 참조하면 일반적인 태양전지의 구조와 마찬가지로 본 발명의 일 실시예의 태양전지 역시 p형 반도체층(502), i형 반도체층(503) 및 n형 반도체층(504)로 적층됨을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 i형 반도체층은 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 위치하여 p형 반도체층과의 경계면에서 상기 p형 반도체층의 입자상과 동일한 입자상으로 출발하였다가 점차 n형 반도체층의 경계면으로 갈수록 입자상이 상기 n형 반도체층의 입자상과 동일하게 점진적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.

따라서, p형 반도체층의 입자상이 비정질이고 n형 반도체층의 입자상이 결정질인 경우에는 그 사이의 i형 반도체층은 p형 반도체층과의 접촉면의 입자상은 비정질이고 점차 결정질 입자가 증가되어 n형 반도체층과의 접촉면의 입자상은 결정질로 변화한다. 결정질은 결정입자의 크기에 따라서 다결정(polycrystalline), 미 세결정질(microcrystalline), 나노결정질(nanocrystalline)의 세부적인 결정질상으로 나뉠 수 있는데, i형 반도체층이 접촉되는 p형 반도체층 또는 n형 반도체층의 입자상과 동일한 입자상을 따를 때 결정질은 상기의 구체적인 세부적 결정질상에 따를 수 있다.

이러한 입자상의 경사 기능을 가지는 i형 반도체층은 태양전지에서 적어도 하나 이상 포함될 수 있다.

경사 기능을 가지는 i형 반도체층은 진성층으로서 태양광을 흡수하여 발생되는 광전류를 생성하는 장소로서 하나의 반도체층 내에 입자상이 변화되므로 그에 따라 다양한 밴드갭 에너지를 가지고 광파장대역의 태양광을 흡수할 수 있게 된다.

도 6에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지는 p형 반도체층은 비정질 실리콘으로 구성되고, n형 반도체층은 결정질 실리콘으로 구성되는 경우에 그 사이의 i형 반도체층의 입자상이 변화하는 것을 확대도로서 나타낸 것이다.

도 6을 참조하면 p형 반도체층과의 경계면은 비정질 실리콘으로 구성되었다가 점차 n형 반도체층의 경계면으로 갈수록 입자의 결정화도가 증가하여 n형 반도체층의 입자상인 결정질상으로 변화됨을 알 수 있다.

즉, 상기 도 6의 i형 반도체층의 경우 재료적으로는 p층과 접속하는 부분은 비정질상에 대한 결정질상의 비가 0인 비정질 실리콘이며, 두께가 증가함에 따라 비정질상에 대한 결정질상의 비가 점차적으로 증가하여, n층과 접속하는 부분에서는 0.7 내지 1.0인 결정질 중심의 미세구조가 된다.

i층과 접속하는 반도체층이 결정질인 경우에는 반드시 완전하게 동일한 결정 질상인 것이 바람직하지만 주로 결정질 중심의 미세구조여도 본 발명에서 기대하는 광파장대역의 태양광 흡수가 가능한 i형 반도체층을 제공할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 결정화도 및 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프이다.

도 7은 도 5의 박막형 태양전지의 일 실시예에 따른 구조를 가지는 i형 반도체층의 두께(d)에 따라 변화되는 결정화도와 밴드갭 에너지를 도시한 것이다.

i형 반도체층에서 p형 반도체층과 접속되는 부분은 p형 반도체층의 입자상에 따라 비정질 실리콘으로 이루어지기 때문에 결정화도는 0 에서 출발한다.

i형 반도체층에서 n형 반도체층과 접속되는 부분인 오른쪽으로 갈수록 n형 반도체층의 입자상과 동일 또는 거의 유사한 형태로 변경되기 때문에 결정화도가 증가한다. n형 반도체층과의 경계면의 i형 반도체층의 입자상은 결정질 실리콘으로 구성되고 이의 결정화도는 0.7 내지 1.0에 이른다. 상기 결정화도는 비정질상에 대한 결정질상의 비율로 표시됨은 상술한 바와 같다.

i형 반도체층의 입자상의 변화에 따라 밴드갭 에너지 역시 변화하는데, 태양광 흡수와 직접 관련이 있는 물리적 특성인 밴드갭 에너지는 비정질 수소화 실리콘(a-Si:H)의 경우 1.7eV 정도이며, 수소화 결정질 실리콘의 비가 점차로 증가함에 따라 감소하는 경사를 가지게 된다.

최종적으로 n형 반도체층과 접속되는 i형 반도체층의 경계면은 수소화 결정질 실리콘으로 이루어져 있어 결정질의 밴드갭 에너지인 1.1eV를 갖게 된다.

본 발명의 특징은 i형 반도체층이 입자상에 대한 경사기능을 가지고 점진적 으로 입자상이 변화되어 그에 따른 밴드갭 에너지가 경사를 가지며 변화하는 것에 그 특징이 있다고 할 수 있다. 따라서, 밴드갭 에너지가 경사를 갖는(Functional Gradient Band Gap Structure) 태양전지를 제공할 수 있어 비록 하나의 p-i-n층 태양전지셀로 구성된 단일접합 구조(single junction structure)임에도 불구하고, 태양광 에너지의 장파장 영역의 스펙트럼을 흡수하여 효율 향상이 가능하게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 파장에 따른 흡수정도를 나타낸 그래프인데, 이를 참조하여 보더라도 단일의 입자상을 가져 밴드갭 에너지가 일정하고 폭이 좁은 파장영역의 빛을 주로 흡수하게 되는 종래의 태양전지에 비하여 본 발명의 태양전지는 400 내지 700nm 영역의 태양광 뿐만 아니라 700nm 이상의 영역의 태양광까지 흡수할 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 광흡수율이 더 높아지고 광전변환효율이 증가되어 우수한 신뢰성을 가지는 태양전지 소자로 활용될 수 있다.

본 발명의 특징을 가지는 i형 반도체층이 포함된 반도체층이 적층되는 태양전지의 기판은 유리, 금속, 금속 호일 및 투광성 폴리머 등의 재료가 사용될 수 있다.

또한 p형 반도체층과 i형 반도체층의 사이에 버퍼층을 추가로 더 첨가할 수도 있다.

본 발명은 반드시 단일접합셀에 한정되지 아니하고 이중접합셀 또는 삼중접합셀 등 다중접합셀에 적어도 하나 이상의 본 발명에 의한 i형 반도체층을 포함할 수 있도록 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 단일 접합 구조의 간단한 태양전지 공정을 유지하면서, 결정화도의 경사에 기인한 밴드갭 에너지의 경사구조로 넓은 파장영역대의 태양광 에너지를 흡수하는 것이 가능한 태양전지를 단순한 공정으로 제조할 수 있다.

그리고, 결정화도의 경사기능에 의한 고효율의 박막형 태양전지를 개발하여 저원가비용으로서도 효율이 높고 소자의 신뢰성이 우수한 태양전지를 보급할 수 있는 경제적인 가치 창출의 효과가 있다.

Claims (8)

1. 입자상이 비정질인 p형 반도체층과 입자상이 결정질인 n형 반도체층 사이에, 상기 p형 반도체층의 입자상에 대한 상기 n형 반도체층의 입자상의 경사기능을 갖는 i형 반도체층을 포함하는 박막형 태양전지
2. 제 1항에 있어서, 상기 경사기능은 비정질상에 대한 결정질상의 비로 표시할 때 최하 0 부터 0.7 내지 1의 범위 내에서 선택된 어느 하나의 최상의 비까지 순차로 증가되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 결정질은 미세결정, 다결정, 나노결정 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지
5. 제 1항에 있어서, 상기 p형 반도체층과 i형 반도체층 사이에는 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지
6. 제 1항에 있어서, 상기 i형 반도체층은 상기 경사기능에 따라 밴드갭 에너지가 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지
7. p-i-n형 반도체층이 적어도 하나 이상 포함된 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서,

   입자상이 비정질인 p형 반도체층과 입자상이 결정질인 n형 반도체층 사이에, 상기 p형 반도체층의 입자상에 대한 상기 n형 반도체층의 입자상의 경사기능이 비정질상에 대한 결정질상의 비로 표시할 때 최하 0 부터 0.7 내지 1의 범위 내에서 선택된 어느 하나의 최상의 비까지 순차로 증가하는 i형 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법
8. 제 7항에 있어서, 상기 n형 반도체층의 결정질은 미세결정, 다결정, 나노결정 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법

Images