KR101083402B1 - 박막형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 p형 반도체층에 밴드갭이 큰 물질을 사용하여 태양전지의 효율을 향상시킨 박막형 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 의한 박막형 태양전지는, i형 반도체층; 상기 i형 반도체층의 일면에 접하는 n형 반도체층; 및 상기 i형 반도체층의 타면에 접하는 p형의 비정질 SiOx 박막으로 이루어진 p형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 밴드갭이 큰 물질을 태양광이 입사하는 p형 반도체층에 적용함으로써 박막형 태양전지의 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.
본 발명에 의한 박막형 태양전지는, i형 반도체층; 상기 i형 반도체층의 일면에 접하는 n형 반도체층; 및 상기 i형 반도체층의 타면에 접하는 p형의 비정질 SiOx 박막으로 이루어진 p형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 밴드갭이 큰 물질을 태양광이 입사하는 p형 반도체층에 적용함으로써 박막형 태양전지의 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 박막형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 p형 반도체층에 밴드갭이 큰 물질을 사용하여 태양전지의 효율을 향상시킨 박막형 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 p-n접합으로 구성된 다이오드를 사용하며, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다. 특히, 광흡수층으로 실리콘을 사용하는 태양전지는 결정질 기판형 태양전지와, 비정질의 박막형 태양전지로 구분된다. 결정질 기판형 태양전지의 경우 고가의 실리콘 웨이퍼를 사용하여 생산 원가가 높다는 문제가 있어, 건물의 외장재나 모바일 기기 등에 적용할 수 있는 박막형 태양전지에 대한 연구가 활발하다.
비정질의 박막형 태양전지는 통상 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H, 이하 ‘비정질 실리콘’이라 함)박막을 사용한다. 수소화된 비정질 실리콘박막은 물질 자체의 특성으로 인해 캐리어의 확산거리가 결정계 실리콘 기판보다 매우 작기 때문에, p형 비정질 실리콘과 n형 비정질 실리콘 사이에 불순물이 첨가되지 않은 i형(intrinsic) 비정질 실리콘층을 삽입한 p-i-n 접합구조를 주로 사용한다. p-i-n 접합구조에서 태양광은 p형 비정질 실리콘층을 통해 광흡수층(i형 비정질 실리콘층)으로 입사된다. 이때, 광흡수층은 높은 도핑 농도를 갖는 p형 비정질 실리콘층과 n형 비정질 실리콘층에 의하여 공핍되기 때문에 공핍층이라고도 한다. 비정질 박막 태양전지의 광전류는 대부분 광흡수층의 공핍에서 발생된 유동전류에 기인한다.
p-i-n 접합을 갖는 박막형 태양전지는 증착순서에 따라서 pin 상판형과 nip 하판형으로 구분된다. 도 7은 pin 상판형 구조를 갖는 박막형 태양전지를 나타내는 도면이고, 도 8은 nip 하판형 구조를 갖는 박막형 태양전지를 나타내는 도면이다.
pin 상판형은 투명한 기판(100) 위에 TCO층(101), p형 실리콘층(102), i형 실리콘층(103), n형 실리콘층(104) 및 금속전극층(105)이 순차적으로 증착된 구조이며, 태양광이 투명한 기판(100)으로부터 입사된다. nip 하판형은 금속 기판(200) 위에 n형 실리콘층(201), i형 실리콘층(202), p형 실리콘층(203) 및 TCO층(204)이 순차적으로 증착된 구조이며, 태양광이 TCO층(204)으로부터 입사된다.
박막형 태양전지의 어떠한 구조에서도 p-층은 태양광이 입사하는 창물질(window material)이므로, 전기 전도도가 크고 빛 흡수가 적어야 한다. 창물질로 밴드갭이 큰 물질을 사용하면 짧은 파장의 입사광이 직접 i-층에 입사하므로 단락전류(short-circuit current)와 곡선인자(fill factor)를 증가시킬 수 있고, 최종적으로 박막형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있으므로 이에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다.
본 발명은 전술한 바와 같이 태양전지의 효율이 향상된 박막형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 박막형 태양전지는, i형 반도체층; 상기 i형 반도체층의 일면에 접하는 n형 반도체층; 및 상기 i형 반도체층의 타면에 접하는 p형의 비정질 SiOx 박막으로 이루어진 p형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, i형 반도체층은 비정질 실리콘박막, 미세결정질 실리콘박막 및 나노결정질 실리콘박막 중에서 선택된 하나로 이루어진다.
비정질 SiOx 박막의 Si:O의 비율은 x<0.2 인 것이 좋으며, 비정질 SiOx 박막에 B가 도핑될 수 있다.
또한 SiOx 박막의 두께는 10~15nm 범위이고, i형 반도체층의 두께는 300~400nm 범위이며, n형 반도체층의 두께는 20~25nm인 것이 바람직하다.
p형의 비정질 SiOx 박막은 광학적 밴드갭이 크고 전도도가 수소화된 비정질 실리콘박막에 비하여 높다. 따라서 흡수하는 빛의 파장영역이 감소한다. 그 결과 i형 반도체층에서 흡수할 수 있는 빛의 파장영역이 증가한다. i형 반도체층의 흡수영역이 증가함에 따라서 단락전류와 곡선인자가 향상되고, 최종적으로 태양전지의 효율이 향상된다.
그리고 본 발명에 의한 박막형 태양전지의 제조방법은 p형 반도체층과 i형 반도체층 및 n형 반도체층을 순차적으로 형성하거나, n형 반도체층과 i형 반도체층 및 p형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 p형 반도체층이 비정질의 수소화된 SiOx 박막인 것을 특징으로 한다.
p형 반도체층을 형성하는 방법은 PECVD 공정으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때 실리콘 소스물질은 SiH4 또는 Si2H6이고, 반응가스는 N2O 또는 CO2이며, 불순물을 도핑하기 위해 사용하는 가스가 B2H6인 것이 좋다.
본 발명에 따르면, 밴드갭이 큰 물질을 태양광이 입사하는 p형 반도체층에 적용함으로써 박막형 태양전지의 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막형 태양전지 제조과정을 나타낸 공정단면도이다.
도 7은 pin 상판형 구조를 갖는 박막형 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 8은 nip 하판형 구조를 갖는 박막형 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에서 p형 반도체층의 증착과정시, N2O의 사용유량에 따른 p형 반도체층의 광학적 밴드갭, 전도도 및 활성화 에너지를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에서 p형 반도체층의 증착과정시, N2O의 사용유량에 따른 p형 반도체층의 적외선 분광 스펙트럼(FT-IR)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1에서 p형 반도체층의 증착과정시, B2H6의 사용유량에 따른 p형 반도체층의 광학적 밴드갭, 전도도 및 활성화 에너지를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 본 발명의 박막형 태양전지에 대해 셀 파라미터를 축출하고 단락전류, 개방전압, 충진률, 효율을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 pin 상판형 구조를 갖는 박막형 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 8은 nip 하판형 구조를 갖는 박막형 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에서 p형 반도체층의 증착과정시, N2O의 사용유량에 따른 p형 반도체층의 광학적 밴드갭, 전도도 및 활성화 에너지를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에서 p형 반도체층의 증착과정시, N2O의 사용유량에 따른 p형 반도체층의 적외선 분광 스펙트럼(FT-IR)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1에서 p형 반도체층의 증착과정시, B2H6의 사용유량에 따른 p형 반도체층의 광학적 밴드갭, 전도도 및 활성화 에너지를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 본 발명의 박막형 태양전지에 대해 셀 파라미터를 축출하고 단락전류, 개방전압, 충진률, 효율을 측정하여 나타낸 그래프이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막형 태양전지 제조과정을 나타낸 공정단면도이다. 본 실시예는 nip 상판형 구조의 박막형 태양전지에 관한 것이다.
도 1은 투명한 유리기판 위에 전면반사 방지층을 형성하는 제1단계를 나타내는 도면이다.
nip 상판형 구조의 박막형 태양전지는 기판을 통해서 태양광이 입사되는 구조이므로, 기판은 투명한 유리기판(10)을 이용한다. 투명한 유리기판(10)의 표면을 세척한 뒤에 전면반사 방지층(20)을 증착한다.
전면반사 방지층(20)은 태양광이 입사하는 전면의 반사를 방지하기 위한 것으로 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO:Al 또는 SnO2:F 등의 TCO(Transparent Conductive Oxide) 재질을 사용한다. 전면반사 방지층(20)의 증착 두께는 700~760nm이며, 최적의 두께는 760nm이다.
도 2는 전면반사 방지층의 위에 p형 반도체층을 형성하는 제2단계를 나타내는 도면이다.
p형 반도체층(30)은 전계(electric field) 형성을 위한 층이며, 본 실시예에서는 종래에 일반적으로 사용되는 p형의 수소화된 비정질 실리콘(p-type a-Si:H) 박막을 대신하여 p형의 수소화된 비정질 SiOx(p-type a-SiOx:B)막을 사용한다. 수소화된 비정질 SiOx는 실리콘원소와 산소원소가 비정질상태로 섞여있는 상태이며, p형의 특성을 갖도록 B가 억셉터로 도핑된다. p형의 수소화된 비정질 SiOx는 광학적 밴드갭과 전도도가 수소화된 비정질 실리콘박막에 비하여 높다. 따라서 p형의 수소화된 비정질 SiOx로 구성되는 p형 반도체층(30)은 흡수하는 빛의 파장영역이 감소하며, 그 결과 i형 반도체층에서 흡수할 수 있는 빛의 파장영역이 증가한다. i형 반도체층의 흡수영역이 증가함에 따라서 단락전류와 곡선인자가 향상되고, 최종적으로 태양전지의 효율이 향상된다. p형의 수소화된 비정질 SiOx의 Si와 O의 비율은 x<0.2의 범위이다.
본 실시예에서 p형 반도체층(30)은 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition) 공정을 이용하여 증착하며, 이때 실리콘 소스로는 SiH4 또는 Si2H6 가스를 사용하고 반응가스로는 N2O 또는 CO2를 사용한다. 그리고 p형 불순물을 도핑하기 위해 B2H6 가스를 사용한다. p형 반도체층(30)의 증착두께는 10~15nm이며, ASA 시뮬레이션을 통해서 수소화된 비정질 실리콘 산화막의 두께가 얇을수록 태양전지의 효율이 높아지는 것을 확인할 수 있으나 두께의 재현성이 떨어지는 문제가 있으므로 15nm가 최적의 두께이다.
상기 p형 반도체층(30)을 증착하기 위한 PECVD 공정에서, 반응가스로 사용되는 N2O 또는 CO2를 높은 유량으로 제공하여 p형 반도체층(30)을 증착하는 경우, 증착된 p형 반도체층(30)의 광학적 밴드갭은 증가하나 전도도가 감소하는 경향을 나타낸다(도 9 참조).
또한, 상기 p형 반도체층(30)을 증착하기 위한 PECVD 공정에서 p형 불순물을 도핑하기 위해 B2H6 가스를 높은 유량으로 제공하여 p형 반도체층(30)을 증착하는 경우, 증착된 p형 반도체층(30)의 전도도가 증가하나 광학적 밴드갭이 감소하는 경향을 나타낸다(도 10 참조).
이러한 점을 감안하여 높은 광학적 밴드갭 및 전도도를 갖는 p형 반도체층(30)을 증착할 수 있는 최적의 PECVD 공정은 아래와 같다.
본 발명에서 p형 반도체층(30)을 PECVD 공정을 이용하여 증착하는 경우, 전극거리 40∼60 mm, 공정압력 0.5∼1 torr, 플라즈마 파워 30∼50 W 및 증착온도 175∼200℃의 조건 하에서 수행되는 것이 p형 반도체층(30)의 높은 광학적 밴드갭 및 전도도에 있어서 바람직하며, 전극거리 60 mm, 공정압력 0.7 torr, 플라즈마 파워 30 W 및 증착온도 175℃의 조건 하에서 수행되는 것이 가장 바람직하다.
상술한 최적의 PECVD 공정 조건 하에서 반응가스인 N2O는 실리콘 소스 물질인 SiH4 또는 Si2H6 가스 대비 50∼70 부피%로 사용되는 것이 바람직하며, 반응가스인 CO2는 실리콘 소스 물질인 SiH4 또는 Si2H6 가스 대비 25∼35 부피%로 사용되는 것이 바람직하다.
또, p형 불순물을 도핑하기 위해 B2H6 가스는 상기 실리콘 소스 물질 대비 0.9∼1.1 부피%로 사용되는 것이 바람직하다.
상술한 조건에 따라 박막형 실리콘 태양전지의 p층 반도체층을 형성하는 경우 p층 반도체층의 광학적 밴드갭 및 전도도는 향상되고, 활성화 에너지는 낮추어 고효율의 태양전지를 제공할 수 있다.
도 3은 p형 반도체층의 위에 i형 반도체층을 형성하는 제3단계를 나타내는 도면이다.
i형 반도체층(40)은 광흡수층이며, i형의 수소화된 비정질 실리콘(i-type a-Si:H) 박막을 증착한다. 최근에는 성능의 향상을 위하여 비정질 실리콘이 아닌 미세결정질 실리콘, 예를 들면 마이크로 결정질 실리콘(μc-Si:H) 또는 나노 결정질 실리콘(μc-Si:H) 박막을 사용하기도 한다. i형 반도체층(40)은 PECVD 공정을 통하여 300~400nm의 두께로 증착하며, ASA 시뮬레이션을 통해 확인된 최적의 두께는 400nm이다.
도 4는 i형 반도체층의 위에 n형 반도체층을 형성하는 제4단계를 나타내는 도면이다.
n형 반도체층(50)은 전계(electric field)형성을 위한 층이며, n형의 수소화된 비정질 실리콘(n-type a-Si:H) 박막을 증착한다. n형 반도체층(50)은 PECVD 공정을 통하여 20~25nm의 두께로 증착하며, ASA 시뮬레이션 통해 확인된 최적의 두께는 25nm이다.
도 5는 n형 반도체층의 위에 후면 반사층을 형성하는 제5단계를 나타내는 도면이다.
후면 반사층(60)은 후면 반사전극(back reflector)을 형성하여 광포획량을 향상시키기 위하여 형성되며, ITO 또는 ZnO:Al 박막을 증착한다. 후면 반사층(60)은 80~100nm의 두께로 증착하며, 최적의 두께는 80nm이다.
도 6은 후면 반사층의 위에 전극을 형성하는 제6단계를 나타내는 도면이며, 전극(70)의 재질은 알루미늄을 사용한다.
증착온도 175 ℃, 전극거리 60mm, 공정압력 0.7 Torr, 플라즈마 파워 30W의 조건 하에서 PECVD를 이용하여 TCO가 증착된 유리 기판에 SiH4, H2, N2O, B2H6를 가스 주입하여 p-타입 a-SiOx 층을 15 nm 두께로 증착하였다. 이후 상기 p-타입 a-SiOx 층 상부에 SiH4, H2를 주입하여 광흡수층을 350 nm 두께로 증착한 다음, SiH4, H2, PH3를 주입하여 n-타입 층을 25 nm 두께로 증착한 후 PECVD에서 시편을 꺼내었다. 이후 n-타입 층의 상부에 Ag/Al을 스퍼터링 방식으로 후면 전극을 30nm/200nm 두께로 증착하고 건식식각한 후 Al을 스퍼터링 방식으로 전면 전극을 200 nm 두께로 증착하여 본 발명의 박막형 태양전지를 제조하였다.
이때 p형 반도체층의 증착과정에서 반응가스로서 사용되는 N2O의 유량을 달리하면서 그 경우 N2O의 사용유량에 따른 p형 반도체층의 광학적 밴드갭, 전도도, 활성화 에너지를 측정하여 그 결과를 도 9의 (a)와 (b)에 나타내었고, p형 반도체층에 대해 FT-IR을 측정하여 도 10에 나타내었다.
도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명에서는 N2O 유량이 증가할수록 p형 반도체층의 광학적 밴드갭이 증가하는 반면에 전도도는 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 도 10을 참조하면 Si-O-Si 본드가 N2O 유량이 증가함에 따라서 증가함을 알 수 있고 이로부터 p형 반도체층의 광학적 밴드갭이 증가함을 알 수 있다.
또 p형 반도체층의 증착과정에서 보론을 도핑하기 위한 B2H6 가스의 사용유량을 달리할 경우, B2H6 가스의 사용유량에 따른 p형 반도체층의 광학적 밴드갭, 전도도 및 활성화 에너지를 측정하여 그 결과를 도 11의 (a) 및 (b)에 나타내었다.
도 11의 (a) 및 (b)를 참조하면 p형 반도체층의 증착과정에서 B2H6 사용유량이 증가할수록 광학적 밴드갭이 감소하며 반면에 전도도는 증가하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 이는 B2H6가 p형 반도체층의 도핑소스이기 때문에 전도도를 증가시키나 그에 반해 광학적 밴드갭은 낮추는 경향을 나타내기 때문이다. 또한, B2H6는 실리콘 소스물질 대비 0.9∼1.1 부피% 범위에서 사용되는 경우 p형 반도체층의 광학적 밴드갭과 전도도 모두 바람직한 수치를 나타냄을 알 수 있다.
한편 실시예 1에서 제조한 본 발명의 박막형 태양전지에 대해 셀 파라미터를 축출하였고 단락전류, 개방전압, 충진률, 효율 등의 결과를 도 12에 나타내었다.
도 12를 참조하면 본 발명의 박막형 태양전지는 16.32 mA/cm2의 단락전류 및 71.95% 충전률을 나타내어 9.37%의 높은 효율을 나타내는 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따라 높은 광학적 밴드갭 및 높은 전도도 특성을 갖는 p형의 수소화된 비정질 SiOx(p-type a-SiOx:B) 박막을 사용하여 박막형 태양전지를 제조하는 경우, i형 반도체층에서 흡수할 수 있는 빛의 파장영역이 증가되어 i형 반도체층을 직접 비출 수 있는 광원이 많아지면서 단락전류(short-circuit current)와 곡선인자(fill factor)가 증가되어, 궁극적으로 박막형 태양전지의 효율이 향상됨을 확인하였다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 유리기판 20: 전면반사 방지층
30: p형의 반도체층 40: i형 반도체층
50: n형 반도체층 60: 후면 반사층
70: 전극
10: 유리기판 20: 전면반사 방지층
30: p형의 반도체층 40: i형 반도체층
50: n형 반도체층 60: 후면 반사층
70: 전극
Claims (17)
- i형 반도체층;
상기 i형 반도체층의 일면에 접하는 n형 반도체층; 및
상기 i형 반도체층의 타면에 접하는 p형의 비정질 SiOx 박막으로 이루어진 p형 반도체층을 포함하며,
상기 비정질 SiOx 박막의 Si:O의 비율이 x<0.2 인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 i형 반도체층이 비정질 실리콘박막, 미세결정질 실리콘박막 및 나노결정질 실리콘박막 중에서 선택된 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 비정질 SiOx 박막에 B가 도핑된 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 p형 반도체층의 두께가 10~15nm인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 i형 반도체층의 두께가 300~400nm인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 n형 반도체층의 두께가 20~25nm인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- p형 반도체층과 i형 반도체층 및 n형 반도체층을 순차적으로 형성하거나, n형 반도체층과 i형 반도체층 및 p형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서,
상기 p형 반도체층이 비정질의 수소화된 SiOx 박막이며,
상기 p형 반도체층을 형성하는 반응가스는 N2O이고,
상기 반응가스인 N2O는 상기 p형 반도체층을 형성하는 실리콘 소스물질 대비 50∼70 부피%로 사용되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 p형 반도체층을 형성하는 방법이 PECVD 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 p형 반도체층을 형성하는 공정에서 사용하는 실리콘 소스물질이 SiH4 또는 Si2H6인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 청구항 8에 있어서,
상기 p형 반도체층을 형성하는 공정에서 불순물을 도핑하기 위해 사용하는 가스가 B2H6인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 p형 반도체층에서 PECVD 공정은 전극거리 50∼70 mm, 공정압력 0.1∼1 torr, 플라즈마 파워 20∼40 W 및 증착온도 150∼200℃의 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 청구항 13에 있어서,
상기 p형 반도체층에서 PECVD 공정은 전극거리 60 mm, 공정압력 0.7 torr, 플라즈마 파워 30 W 및 증착온도 175℃의 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 12에 있어서,
상기 불순물을 도핑하기 위해 사용하는 가스인 B2H6는 실리콘 소스물질 대비 0.9∼1.1 부피%로 사용되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
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| KR101348836B1 (ko) * | 2012-01-31 | 2014-01-10 | 현대중공업 주식회사 | 태양전지의 ｐ형 도핑층 및 ｎ형 도핑층 동시 형성방법 |
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|---|---|---|---|---|
| KR100876613B1 (ko) | 2008-05-27 | 2008-12-31 | 한국철강 주식회사 | 탄뎀 박막 실리콘 태양전지 및 그 제조방법 |
-
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