KR100957679B1 - 박막형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 게르마늄 버퍼층을 포함하는 박막형 태양전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 박막형 태양전지는 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 게르마늄 버퍼층을 포함함으로써, 산소가 투명전극으로부터 p형 비정질 반도체층으로 이동하는 것을 차단하여 실리콘 옥사이드의 형성을 방지하고, 이에 따라 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이의 계면저항을 감소시키고 곡선인자를 향상시키며, 이로 인해 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 게르마늄 버퍼층을 포함하는 박막형 태양전지에 관한 것이다.
최근 고유가 및 환경 문제로 인하여 신재생에너지 부분이 많은 주목을 받고 있으며, 그 중 태양전지에 대한 연구 및 양산화가 가장 활발히 진행되고 있다. 이는 태양전지가 다른 신재생에너지원에 비해 그 에너지원을 장소에 구애받지 않고 어디에서든지 사용할 수 있는 잇점이 있기 때문이다.
태양전지는 태양이 방출하는 빛 에너지를 반도체 특성을 이용하여 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 종류에 따라 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있다.
상기 기판형 태양전지는 실리콘 웨이퍼(wafer)와 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용하여 제조한 것으로, 박막형 태양전지에 비하여 효율이 다소 우수하기는 하지만, 고가의 반도체 기판을 이용하기 때문에 제조비용이 상승되는 단점이 있고 공정상 두께를 최소화하는데 한계가 있다.
상기 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체를 형성하여 제조한 것으로, 기판형 태양전지에 비하여 효율이 다소 떨어지기는 하지만, 얇은 두께로 제조가 가능하고 저가의 재료를 이용할 수 있어 제조비용이 감소되는 장점이 있으므로 대량생산에 적합하다.
일반적으로 비정질 실리콘을 이용한 종래의 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판(100) 상에 투명전극(101), p-i-n형 비정질 반도체층(102), 투명전도층 (103) 및 금속전극(104)을 형성하여 이루어진다. 종래의 박막형 태양전지의 개략적인 단면도는 도 1에 나타내었다.
상기 투명전극(101)은 주로 SnO2와 같은 투명한 도전물질을 이용하여 형성하는데, SnO2의 경우 수소에 많이 취약한 특징을 보인다. 이로 인해 전도막의 표면에서 산소의 환원작용이 발생하여 전위를 포함하는 다량의 결함들이 생기게 되고 결과적으로 투명 전극과 p형 비정질 반도체층 사이의 계면에 많은 결함들이 존재하여 캐리어의 재결합을 일으키며 결국 광전 변환 효율을 감소시키게 된다.
이러한 결함을 극복하기 위하여, 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 수소화된 실리콘이나 실리콘의 탄화물, 산화물, 질화물, 불화물 등으로 이루어진 버퍼층을 매우 얇게 포함시켜 태양전지를 제조하였다.
또한, SnO2 보다 수소 플라즈마에 강한 ZnO를 이용하여 투명전극을 형성하는 방법에 대한 연구도 진행되어 왔다. 그러나, ZnO를 이용하여 투명전극을 형성할 경우, 투명 전극과 p형 비정질 반도체층 사이의 계면에 결함을 줄여 캐리어의 재결합을 감소시킬 수는 있으나 곡선인자(fill factor)가 낮아지는 경향이 있다. 이는 ZnO를 이용하여 투명전극을 형성하였을 때, p형 비정질 반도체층에서 실리콘 대비 실리콘 옥사이드의 비율이 높은 것이 그 원인이라고 생각된다. 즉, 실리콘은 산소와 매우 잘 결합하여 실리콘 옥사이드를 형성함으로써 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 경향이 있다. 따라서, 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 산소를 차단해야 한다.
따라서, 산소를 차단할 수 있는 버퍼층을 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 포함시킨 박막형 태양전지에 대한 개발의 필요성이 요구되고 있다.
본 발명자들은 산소를 차단할 수 있는 버퍼층을 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 포함시킨 박막형 태양전지에 대해 연구하던 중, 게르마늄 버퍼층을 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 포함시킨 박막형 태양전지를 제조하였으며, 상기 제조된 박막형 태양전지의 접촉저항이 감소되고 곡선인자가 향상되며 이로 인해 태양전지의 효율이 향상됨을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 게르마늄 버퍼층을 포함하는 박막형 태양전지를 제공하고자 한다.
본 발명은 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 게르마늄 버퍼층을 포함하는 박막형 태양전지를 제공한다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 박막형 태양전지는 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 게르마늄 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 게르마늄 버퍼층은 게르마늄 가스를 수소로 약 20~30배 정도 희석시킨 후 약 5초 동안 플라즈마화학기상증착법으로 투명전극 위에 아주 얇게 증착시켜 형성되며, 산소를 차단하는 역할을 한다. 즉, 게르마늄 버퍼층은 산소가 투명전극으로부터 p형 비정질 반도체층으로 이동하는 것을 차단하여 실리콘 옥사이드의 형성 을 방지함으로써, 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이의 계면저항을 감소시키고 곡선인자를 향상시키며, 이로 인해 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 박막형 태양전지는 기판(200) 상에 투명전극(201), 게르마늄 버퍼층(202), p-i-n형 비정질 반도체층(203), 투명전도층(204) 및 금속전극(205)이 순차적으로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하며, 이의 개략적인 단면도는 도 2에 나타내었다.
상기 기판(200)은 소다석회 유리 또는 저철분 유리 등을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 투명전극(201)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, SnO2, SnO2:F 또는 ITO (Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전물질을 이용하여 형성할 수 있다. 또한 투명전극(201)은 박막 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시키기 위하여 텍스처 (texturing) 가공공정을 통해 그 표면에 요철구조를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 텍스처 가공공정이란 물질 표면을 울퉁불퉁한 요철구조로 형성하여 마치 직물의 표면과 같은 형상으로 가공하는 공정으로서, 1) 포토리소그라피법 (photolithography)을 이용한 식각공정, 2) 화학용액을 이용한 이방성 식각공정 (anisotropic etching), 또는 3) 기계적 스크라이빙(mechanical scribing)을 이용한 홈 형성 공정 등을 통해 수행할 수 있다. 이와 같은 텍스처 가공공정을 상기 투명전극(201)에 수행할 경우 입사되는 태양광이 태양전지 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되며, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지 내부로 태양 광이 흡수되는 비율은 증가하게 되어, 태양전지의 효율이 증진되는 효과가 있다.
상기 p-i-n형 비정질 반도체층(203)은 비정질 실리콘계 반도체 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 투명전도층(204)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, Ag와 같은 투명한 도전물질을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 투명전도층(204)은 생략하는 것도 가능하지만, 태양전지의 효율증진을 위해서는 투명전도층(204)을 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 투명전도층(204)을 형성하게 되면 상기 p-i-n형 비정질 반도체층 (203)을 투과한 태양광이 투명전도층(204)을 통과하면서 산란을 통해 다양한 각으로 진행하게 되어 금속전극(205)에서 다시 반사되어 투명전도층(204)으로 재입사되는 광의 비율을 증가시킬 수 있기 때문이다.
상기 금속전극(205)은 Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg, Ag+Mo, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Ni, Ag+Cu 등과 같은 금속을 이용하여 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
: 게르마늄 버퍼층을 삽입한 태양전지의 제조
SnO2가 증착된 (~800㎚) 유리 기판(200) 위에, 수소로 약 30배 정도 희석시킨 게르마늄 가스를 약 5초 동안 플라즈마화학기상증착법으로 증착시켜 게르마늄 버퍼층(202)을 형성하였다(~10㎚). 이때 플라즈마 방전(plasma discharge)은 약 60mW/㎠의 조건으로 하였다. 상기 버퍼층(202) 위에 CCP(capacitively coupled plasma) 전극 형태를 갖는 플라즈마화학기상증착법을 이용하여 p(10㎚)-i(250㎚)-n (30㎚)형 비정질 반도체층(203)을 형성하였다. 상기 p-i-n형 비정질 반도체층(203) 위에 ZnO를 스퍼터링법으로 증착하여 투명전도층(204)을 형성하였다(100㎚). 상기 투명전도층(204) 위에 Al을 스퍼터링법으로 증착하여 금속전극(205)을 형성하였다 (200㎚).
실시예 2
: 게르마늄 버퍼층을 삽입한 태양전지의 제조
상기 실시예 1에서 SnO2가 증착된 유리 기판 대신 ZnO가 증착된 유리 기판을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
비교예 1
: 게르마늄 버퍼층이 없는 태양전지의 제조
상기 실시예 1에서 게르마늄 버퍼층을 삽입하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
비교예 2
: 게르마늄 버퍼층이 없는 태양전지의 제조
상기 실시예 1에서 SnO2가 증착된 유리 기판 대신 ZnO가 증착된 유리 기판을 사용하고 게르마늄 버퍼층을 삽입하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
실험예 1
: 태양전지의 효율 측정
본 발명에 따른 박막형 태양전지의 효율을 측정하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.
상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2에서 제조한 박막형 태양전지는 솔라시뮬레이터(야마시타엔소; YSS-50A)를 이용하여 AM(Air Mass) 1.5, 100mW/㎠의 기준으로 면저항(R sheet resistance), 접촉저항(contact resistance, Rc), 곡선인자(fill factor) 및 효율(efficiency)을 측정하였다.
결과는 표 1에 나타내었다.
| 면저항(Ω/㎝) | 접촉저항(Ω) | 곡선인자 | 효율(%) | |
| 실시예 1 | 12.5 | 1.2 | 0.739 | 7.9 |
| 실시예 2 | 10.0 | 1.8 | 0.738 | 8.4 |
| 비교예 1 | 11.3 | 1.7 | 0.734 | 7.5 |
| 비교예 2 | 9.7 | 2.1 | 0.681 | 7.3 |
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 게르마늄 버퍼층을 포함한 박막형 태양전지(실시예 1~2)는 게르마늄 버퍼층을 포함하지 않은 박막형 태양전지(비교예 1~2) 보다 접촉저항이 감소되었으며, 곡선인자도 향상되었고, 이로 인해 태양전지의 효율도 향상되었다. 또한, 태양전지 효율의 증가폭을 보면 SnO2가 증착된 유리 기판을 사용한 태양전지보다 ZnO가 증착된 유리 기판을 사용한 태양전지의 효율이 더 우수하게 나타남을 확인하였다.
본 발명에 따른 박막형 태양전지는 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 게르마늄 버퍼층을 포함함으로써, 산소가 투명전극으로부터 p형 비정질 반도체층으로 이동하는 것을 차단하여 실리콘 옥사이드의 형성을 방지하고, 이에 따라 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이의 계면저항을 감소시키고 곡선인자를 향상시키며, 이로 인해 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 비정질 실리콘을 이용한 박막형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 게르마늄 버퍼층을 포함하는 박막형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요부의 부호에 대한 설명>
100, 200 : 기판,
101, 201 : 투명전극,
202 : 게르마늄 버퍼층,
102, 203 : p-i-n형 비정질 반도체층,
103, 204 : 투명전도층,
104, 205 : 금속전극.
Claims (3)
- 투명전극과 p형 비정질 반도체층 사이에 게르마늄 버퍼층을 포함하는 박막형 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 게르마늄 버퍼층은 게르마늄 가스를 수소로 20~30배 정도 희석시킨 후 5초 동안 투명전극 위에 증착시켜 형성한 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 투명전극은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, SnO2, SnO2:F 및 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
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