KR100886383B1 - 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

적층구조를 갖는 결정질 태양전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

광 흡수 효율을 높일 수 있고, 반도체의 열화를 방지할 수 있는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 및 그 제조 방법에 관하여 개시한다.
본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지는 결정질의 태양전지층들 사이에, 비전도성 물질로 형성된 비전도성 격자 완충층을 구비하되, 상기 비전도성 격자 완충층은, 터널링 효과(Tunnelling Effect)에 의해 상기 태양전지층들을 전기적으로 연결하는 것으로 이루어진다. 또한 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법은 결정질의 제1태양전지층을 형성하는 단계, 상기 제1태양전지층 상에 비전도성 물질로 비전도성 격자 완충층을 형성하는 단계 및 상기 비전도성 격자 완충층 상에 결정질의 제2태양전지층을 형성하는 단계를 구비하여 이루어진다.
태양전지, 격자 완충층, 터널링, 적층

Description

적층구조를 갖는 결정질 태양전지 및 그 제조 방법{Crystalline solar cell having stacking structure and method of the crystalline solar cell}
도 1은 종래의 적층구조를 갖는 태양전지를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 태양전지의 에너지 밴드를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지의 일실시예를 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 태양전지의 에너지 밴드를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법의 일실시예를 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
310a : 제1태양전지층 310b : 제2태양전지층
320 : 비전도성 격자 완충층 301 : 광의 진행 방향
401 : 전자-정공 재결합 A : 제1태양전지층의 밴드 갭
B : 제2태양전지층의 밴드 갭 e : 전자
h : 정공 S510 : 제1태양전지층 형성 단계
S520 : 비전도성 격자 완충층 형성 단계
S530 : 제2태양전지층 형성 단계
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광 흡수 효율이 높은 적층구조를 갖는 결정질 태양전지에 관한 것이다.
적층구조를 갖는 태양전지는 입사광의 모든 파장대에 대하여 광흡수가 가능하여 광 흡수 효율이 높은 것으로 일반적으로 알려져 있다. 이를 위해, 적층구조를 갖는 태양전지는 일반적으로, 밴드 갭(band gap)이 큰 태양전지층이 광이 입사하는 전면에 배치되고, 밴드 갭이 작은 태양전지층이 광이 입사하는 후면에 배치되는 구조를 갖는다.
도 1은 종래의 적층구조를 갖는 태양전지를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 종래의 적층구조를 갖는 태양전지(100)는 광이 입사하는 방향(101)의 전면에 밴드 갭(A)이 큰 제1태양전지층(110a)이 배치되고, 광이 입사하는 방향(101)의 후면에 밴드 갭(B)이 작은 제2태양전지층(110b)이 배치된다. 밴드 갭이 서로 다른 태양전지층들(110a,110b)을 전기적으로 연결하기 위하여 일반적으로 투명하며 전도성을 갖는 TCO층(Transparent Conductive Oxide, 120)이 태양전지층들(110a,110b) 사이에 배치된다.
태양전지(100)로 입사된 광은 1차적으로 제1태양전지층(110a)에서 흡수되고, 제1태양전지층(110a)에서 흡수되지 못하고 통과하는 광은 밴드 갭(B)이 작은 제2태양전지층(110b)에 의하여 흡수된다.
도 2는 도 1에 도시된 태양전지(100)의 에너지 밴드의 일예를 도시한 것이다.
광의 입사에 의하여 제1태양전지층(110a) 및 제2태양전지층(110b)에서 각각 발생한 전자(e)와 정공(h)은 포텐셜(potential)에 의하여 분리되며, TCO층(120)에서 제1태양전지층(110a) 및 제2태양전지층(110b)에서 발생한 전자(e)와 정공(h)의 재결합(201)이 발생하게 된다. 또한 양단으로 분리된 전자(e)와 정공(h)에 의하여 양단에는 유사 페르미 준위(Quasi Fermi level)가 다르게 되어 전압이 발생한다.
따라서, 도 1에 도시된 것과 같은 적층구조를 갖는 태양전지(100)는 하나의 태양전지층만으로 구성된 태양전지에 비하여, 넓은 영역에서 광의 흡수가 일어나므로 광 흡수 효율이 높은 장점이 있다.
도 1에 도시된 것과 같은 적층구조를 갖는 태양전지를 제조하기 위해서는 밴드 갭과 격자 상수(Lattice Parameter)가 다른 태양전지층들의 적층이 필요하다.
그러나, 태양전지층의 적층을 위하여 격자 상수가 차이가 나는 물질들을 결정성장하는 경우, 태양전지층들의 계면에서는 각각의 태양전지층을 구성하는 두 물질의 격자상수 차에 의한 격자 결함(Lattice Defect)이 발생하며, 발생된 격자 결함은 전자-정공의 재결합 센터(Recombination Center)로 작용하여 재결합율을 높임으로써 발전 효율의 감소를 가져올 수 있다. 따라서, 효율이 높은 태양전지를 구성하기 위해서는 격자상수가 다른 태양전지층들 사이에서 발생하는 격자 결함을 제거해주는 격자 완충층이 필요하다.
이를 위하여 종래에 사용되는 격자 완충층의 형성 방법은, 예를 들면, 밴드 갭(A)이 대략 1.1eV인 실리콘(Si)으로 형성된 태양전지층과 밴드 갭(B)이 대략 0.7eV인 게르마늄(Ge)으로 형성된 태양전지층으로 이루어진 적층구조를 갖는 태양전지를 구성하는 경우, Si/Ge 사이에 격자상수가 게르마늄(Ge)의 성분에 따라 변하는 Si1-xGex층(여기서, x는 0<x<1)을 형성하는 방법이 있다. 즉, Si/Ge층 사이에 격자 완충층의 역할을 하는 Si1-xGex층의 게르마늄(Ge)의 비율인 x의 값을 0 ~ 1까지 변화시킴으로써 격자를 조절하는 방법이다. 그러나, 종래의 이러한 방법은 공정이 복잡하며 격자의 스트레인(Strain)을 제거하지 못하는 단점이 있다.
이에 대한 대안으로 도 1에 도시한 바와 같이, 비정질의 반도체를 이용한 태양전지층들(110a,110b)을 적층하되, 중간의 격자 완충층으로 TCO층(120)을 사용하는 방법이 있다.
그러나, TCO층(120)은 산화물과 도핑된 불순물로 이루어지므로, 적층구조를 갖는 결정질 태양전지에서 TCO층(120)을 사용하는 경우, 고온이 필요한 결정성장 과정에서 도핑된 불순물이 결정질의 태양전지층을 오염시키게 된다(예 ZnO:Al). 따라서, 결정질 태양전지에서는 일반적으로 사용할 수 없는 단점이 있다. 따라서 TCO층(120)을 사용하는 방법은 비정질 태양전지에서는 유용하지만, 결정질 태양전지에서는 적용하기 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 하나의 기술적 과제는 밴드 갭과 격자상수가 다른 태양전지층들의 계면에서 발생하는 격자 결함을 제거하며, 태양전지층들을 전기적으로 연결할 수 있는 비전도성 격자 완충층을 구비하여 광 흡수 효율을 높일 수 있는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 하나의 기술적 과제는 비전도성 격자 완충층의 형성을 통하여 광 흡수 효율을 높이고 반도체 열화를 방지하고, 비전도성 격자 완충층을 시드층(Seed Layer)으로 이용하여 비전도성 격자 완충층 상부의 태양전지층을 결정 성장시킬 수 있으며, 태양전지층의 결정 성장 시 고온에 의한 불순물의 태양전지층으로의 유입을 막아서 태양전지층의 열화를 방지할 수 있는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 하나의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지는 결정질의 태양전지층들 사이에, 비전도성 물질로 형성된 비전도성 격자 완충층을 구비하되, 상기 비전도성 격자 완충층은, 터널링 효과(Tunnelling Effect)에 의해 상기 태양전지층들을 전기적으로 연결하는 것으로 이루어진다.
상기 다른 하나의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법은 결정질의 제1태양전지층을 형성하는 단계, 상기 제1태양전지층 상에 비전도성 물질로 비전도성 격자 완충층을 형성하는 단계 및 상기 비전도성 격자 완충층 상에 결정질의 제2태양전지층을 형성하는 단계를 구비하여 이루어진다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지의 일실시예를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 적층구조를 갖는 결정질 태양전지(300)는 제1태양전지층(310a), 제2태양전지층(310b) 및 비전도성 격자 완충층(320)을 구비하여 이루어진다.
제1태양전지층(310a)은 광의 입사 방향(301) 전면에 결정질로 형성되고, 제2태양전지층(310b)은 광의 입사 방향(301) 후면에 결정질로 형성된다. 비전도성 격자 완충층(320)은 비전도성 물질로 제1태양전지층(310a)과 제2태양전지층(310b) 사이에 형성된다.
상기 제1태양전지층(310a)은 광이 입사될 때 우선적으로 광을 흡수하게 되므로, 상대적으로 큰 밴드 갭(A)의 넓은 에너지 밴드를 가지고, 제2태양전지층(310b)은 제1태양전지층(310a)을 통과한 광을 흡수하므로, 제1태양전지층(310a)보다 상대적으로 작은 밴드 갭(B)의 좁은 에너지 밴드를 가지는 것이 바람직하다.
일예로, 제1태양전지층(310a)은 밴드 갭(A)이 대략 1.1eV인 실리콘(Si)으로 형성될 수 있으며, 제2태양전지층(310b)은 밴드 갭(B)이 대략 0.7eV ~1.1eV인 실리콘-게르마늄(SiGe)으로 형성될 수 있다. 제2태양전지층(310b)은 게르마늄(Ge)이 많이 함유되어 있으면 밴드 갭이 작아지고, 게르마늄(Ge)이 적게 함유되어 있으면 밴드 갭이 커진다. 게르마늄(Ge)의 함유량은 공정 목적에 따라 달라진다.
비전도성 격자 완충층(320)은 제1태양전지층(310a)과 제2태양전지층(310b)을 전기적으로 연결하는데, 비전도성 격자 완충층(320)이 대략 1nm ~ 20nm 정도의 충분히 얇은 두께라면, 터널링 효과(Tunnelling Effect)에 의해 제1태양전지층(310a) 및 제2태양전지층(310b)을 전기적으로 연결할 수 있다.
비전도성 물질로 형성되는 비전도성 격자 완충층(320)은 산화막이나 질화막이 될 수 있는데, 산화막은 Y2O3, Al2O3, TiO, SrTiO, ZrSiO4, Ta2O3, BaTiO3, ZrO2 및 HfO2 등이나 SiO2를 대표적인 예로 들 수 있고, 질화막은 SiN, GaN, TiN, AlN 등을 사용할 수 있다. 또한, 비전도성 격자 완충층(320)은 결정질의 구조를 가질 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 태양전지(300)의 에너지 밴드를 도시한 것으로서, 제1태양전지층(310a)으로 실리콘층을 사용하고, 제2태양전지층(310b)으로 실리콘-게르마늄층(SiGe)을 사용하며, 비전도성 격자 완충층(320)으로 SiN을 사용한 경우의 에너지 밴드를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 일예로, 제1태양전지층(310a)에서 발생한 전자-정공쌍은 포텐셜(potential)에 의하여 분리되며 전자(e)는 비전도성 격자 완충층(320) 쪽으로, 정공(h)은 제1태양전지층(310a)의 표면 쪽으로 이동한다. 또한 제2태양전지층(310b)에서 발생한 전자-정공 쌍 중 정공(h)은 비전도성 격자 완충층(320) 쪽으로, 전자는 제2태양전지층(310b)의 표면 쪽으로 이동하게 된다. 비전도성 격자 완충층(320)이 약 1nm ~ 20nm 정도인 경우, 태양전지층들(310a,310b)에서 발생한 전자(e)와 정공(h) 중 비전도성 격자 완충층(320) 쪽으로 이동한 전자(e) 및 정공(h)은 비전도성 격자 완충층(320)을 사이로 터널링 효과(Tunneling Effect)에 의하여 재결합(401)된다. 따라서 현상적으로 전술한 종래의 TCO층(도 1의 120)을 사용한 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법의 일실시예를 도시한 것이다.
도 5에 도시된 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법(500)은 제1태양전지층 형성 단계(S510), 비전도성 격자 완충층 형성 단계(S520) 및 제2태양전지층 형성 단계(S530)를 구비하여 이루어진다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 도 3에 기재된 도면 부호를 그대로 이용하기로 한다.
제1태양전지층 형성 단계(S510)에서는 결정질의 제1태양전지층(310a)을 형성한다.
비전도성 격자 완충층 형성 단계(S520)에서는 제1태양전지층(310a) 상에 Y2O3, Al2O3, TiO, SrTiO, ZrSiO4, Ta2O3, BaTiO3, ZrO2, HfO2, SiO2 등의 산화막이나 SiN, GaN, TiN, AlN 등의 질화막을 형성하는 것과 같이 비전도성 물질로 비전도성 격자 완충층(320)을 형성한다. 이때, 비전도성 격자 완충층 형성 단계(S520)에서 형성되는 비전도성 격자 완충층(320)은 터널링 효과(Tunnelling Effect)에 의해 상기 제1태양전지층(310a) 및 상기 제2태양전지층(310b)이 전기적으로 연결되도록, 제1태양전지층(310a) 및 제2태양전지층(310b)보다 얇게, 대략 1nm ~ 20nm 의 두께로 형성한다.
제2태양전지층 형성 단계(S530)에서는 비전도성 격자 완충층(320) 상에 결정질의 제2태양전지층(310b)을 형성한다.
제1태양전지층 형성 단계(S510)에서 형성되는 제1태양전지층(310a) 및 제2태양전지층 형성 단계(S530)에서 형성되는 제2태양전지층(310b)은 광의 입사 방향(301)의 전면에 위치하는 제1태양전지층(310a)이 광의 입사 방향(301)의 후면에 위치하는 제2태양전지층(310b)보다 넓은 에너지 밴드를 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
제1태양전지층(310a)과 제2태양전지층(310b)은 결정질 구조를 가지고, 이들 태양전지층(310a,310b) 사이에 형성되는 비전도성 격자 완충층(320)은 제1태양전지층(310a)과 제2태양전지층(310b)의 격자 차이를 완충할 수 있어야 한다. 따라서, 비전도성 격자 완충층 형성 단계(S520)에서 비전도성 격자 완충층(320)을 형성할 물질의 원자간 거리가 제1태양전지층(310a)과 제2태양전지층(310b)의 원자간 거리의 중간 크기를 가진 것이 바람직하다. 또한, 비전도성 격자 완충층 형성 단계(S520)에서는 비전도성 물질을 결정 성장하여 비전도성 격자 완충층(320)을 형성할 수 있다.
일예로, 제1태양전지층(310a)으로 Si을 사용하고 제2 태양전지층(310b)으로 Ge을 사용하는 경우, 비전도성 격자 완충층 형성 단계(S520)에서 SrTiO를 비전도성 격자 완충층(320)으로 사용할 수 있다. SrTiO는 원자간 거리가 Si과 Ge의 중간 정도의 크기를 가지므로 제1태양전지층(310a)으로 사용된 결정성장된 Si 상에 SrTiO를 에피텍셜(Epitaxial) 성장 할 수 있으며, 상기의 비전도성 격자 완충층(320) 위에 제2태양전지층(310b)으로 사용되는 Ge층을 결정 성장시킬 수 있다. 이 과정에서 비전도성 격자 완충층(320)으로 사용되는 SrTiO층은 Ge의 결정화 과정에서 Ge의 결정 성장을 유도하는 시드층(Seed Layer)역할을 한다. 또한 이들 산화막은 고온에서 열적으로 안정되므로, 고온에서 실리콘(Si)의 결정 성장 시에도 광 흡수층이나 기타의 불순물들의 확산(diffusion)을 막아서 반도체의 열화를 방지할 수 있다.
위와 같은 적층 구조는 동일한 구조를 사용하여 다층의 구조에 적용할 수 있다. 즉, 제2태양전지층(110b) 위에 또다른 비전도성 격자 완충층을 형성하고 또다른 제3태양전지층을 형성하는 방법을 사용하여 다층의 구조물을 형성할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지는 서로 다른 에너지 밴드와 격자상수를 갖는 태양전지층 사이의 격자상수 차이에 의한 결함을 해소하기 위하여 와이드 밴드를 갖는 비전도성 격자 완충층을 사용함으로써, 광흡수 층들의 계면에서의 격자 결함을 줄이고 전자-정공의 재결합이 줄일 수 있으며, 따라서 광 흡수 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 결정질 태양전지는 불순물이 포함된 TCO층(Transparent Conductive Oxide)을 사용하지 않음으로써, 반도체 결정 성장 시의 TCO층의 불순물의 확산에 의한 반도체의 열화가 나타나지 않는 태양전지를 구성할 수 있다.

Claims (12)

  1. 결정질의 제1태양전지층과 결정질의 제2태양전지층이 적층된 구조를 갖는 결정질 태양전지에 있어서,
    상기 제1태양전지층과 제2태양전지층 사이의 격자 결함을 제거하는 비전도성 물질로 형성된 비전도성 격자 완충층을 구비하되,
    상기 비전도성 격자 완충층은 상기 제1태양전지층과 제2태양전지층을 터널링 효과(Tunneling Effect)에 의해 전기적으로 연결하도록 상기 제1태양전지층 상부에 얇게 에피텍셜 성장되고, 상기 비전도성 격자 완충층을 시드층(seed layer)으로 그 상부에 상기 제2태양전지층이 결정 성장되어 적층된 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비전도성 격자 완충층은,
    1nm ~ 20nm 의 두께로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비전도성 격자 완충층은,
    산화막 또는 질화막으로 형성된 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비전도성 격자 완충층은,
    SiO2, SiN, CeO2, Y2O3, Al2O3, TiO, SrTiO, ZrSiO4, Ta2O3, BaTiO3, ZrO2, GaN, TiN, AlN 및 HfO2 중에서 선택된 하나의 막으로 형성된 것을 특징으로 하는 적층구 조를 갖는 결정질 태양전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비전도성 격자 완충층은,
    결정질 구조인 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지.
  6. 결정질의 제1태양전지층과 결정질의 제2태양전지층을 적층하여 결정질 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 결정질의 제1태양전지층을 결정 성장시키는 단계;
    상기 제1 및 제2태양전지층의 격자 결함을 제거하며 터널링 효과(Tunneling Effect)에 의해 태양전지층 상호간을 전기적으로 연결하도록, 결정 성장된 상기 제1태양전지층의 상면에 비전도성 물질의 박막으로 이루어진 비전도성 격자 완충층을 상기 제1 및 제2태양전지층보다 얇게 에피텍셜 성장시키는 단계;
    상기 비전도성 격자 완충층에 의해 불순물의 확산(diffusion)을 방지하면서, 상기 비전도성 격자 완충층의 상면에 결정질의 제2태양전지층을 결정 성장시켜 적층 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 비전도성 격자 완충층을 형성하는 단계는,
    1nm ~ 20nm 의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 비전도성 격자 완충층을 형성하는 단계는,
    산화막 또는 질화막을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 비전도성 격자 완충층을 형성하는 단계는,
    상기 비전도성 물질을 결정성장하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 비전도성 격자 완충층을 형성하는 단계는,
    상기 제1태양전지층 상에 CeO2, Y2O3, Al2O3, TiO, SrTiO, ZrSiO4, Ta2O3, BaTiO3, ZrO2, GaN, TiN, AlN 및 HfO2 중에서 선택된 하나의 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 결정질 태양전지 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 선택된 하나의 층을 시드층(Seed Layer)으로 하여 상기 제2태양전지층을 결정 성장시키는 것을 특징으로 하는 결정질 태양전지 제조 방법.
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