KR101089645B1 - 공동 공진 구조를 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 태양 전지는 입사되는 광입자들 중에서 캐리어 생성 층에서 흡수되지 않고 통과한 광입자들을 캐리어 생성 층으로 다시 반사하는 공동 공진 구조를 포함한다. 그러므로 본 발명에 따른 태양 전지는 입사되는 광입자들에 의하여 일차적으로 전력을 생산하고 공동 공진 구조에 의하여 반사된 광입자들에 기초하여 이차적으로 전력을 생산함으로써 높은 전력 생산 효율을 구현할 수 있다.
태양 전지(solar cell), 공동 공진(cavity resonance), 광입자, 전력
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입사되는 광입자들에 기초하여 전력을 생산할 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지라 함은 태양 빛에 의한 광입자들을 전기로 전환시키는 광기전 반도체 디바이스로 이론적으로는 무한대의 재생 가능한 에너지를 생산할 수 있는 디바이스이다. 태양 전지에 관한 관심은 1970년대 오일 쇼크 이후에 꾸준히 증가하여 최근 그에 관한 기술이 급속도로 발전하여 실용화 단계에 이르렀으며, 태양 전지는 미래 화석 에너지를 대체할 가장 중요한 기술로 인식되고 있다.
태양 전지에 관한 실용화 과정에 있어서 문제되는 점은 광기전 반도체 재료의 고유한 에너지 변환 효율성이 낮기 때문에 경제적 실효성이 낮다는 점이다. 이에, 최근 태양 전지 제조 회사들은 태양 전지의 에너지 변환 효율성을 증가시키기 위하여 많은 연구를 하고 있다.
전형적인 태양 전지는 N형 반도체 층, P형 반도체 층, 상부 전극 및 하부 전극을 포함한다. N형 반도체 층과 P형 반도체 층 사이의 PN 접합부에서는 입사되는 광입자들에 기초하여 캐리어들(즉, 전자들 및 정공들)을 생성하며, 상부 전극 및 하부 전극은 상기 PN 접합부에서 생성되는 전자들 및 정공들을 수집한다. 여기서, 태양 전지의 성능을 좌우하는 중요한 요소는 상기 PN 접합부에서 광입자들을 흡수하여 캐리어들을 생성하는 능력이다.
도 1은 종래의 태양 전지(1)의 구조를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 태양 전지(1)는 하부 전극(14), BSF 층(back surface field layer, 16), P형 반도체 층(18), N형 반도체 층(20), 반사 방지막(22), 및 상부 전극(24)을 포함한다.
상기 P형 반도체 층(18)과 N형 반도체 층(20)의 PN 접합부에서는 입사되는 광전자들에 기초하여 전자들 및 정공들을 생성하고 하부 전극(14) 및 상부 전극(24)는 PN 접합부에서 생성된 전자들 또는 정공들을 수집한다. 반사 방지막(anti-reflection layer, 22)은 태양 전지 표면에서 광입자들이 전반사되는 것을 방지하여 광입자의 흡수율을 증가시킨다. BSF 층(16)은 P형 반도체 층(18)과 하부 전극 사이에서 후면 전계 효과를 일으킨다.
종래의 태양 전지(1)는 표면을 통과하여 태양 전지(1) 내부로 들어오게 된 광입자들 중에서 PN 접합부에서 흡수되지 못한 광전자들은 하부 전극(14)을 통하여 태양 전지 밖으로 나가버리는 경우가 많아 태양 전지(1)의 에너지 변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 태양 전지 내부로 입사된 광입자들 중에서 캐리어 생성 층에 흡수되어 캐리어들을 생성하지 못하고 태양 전지 밖으로 투과되는 광입자들을 캐리어 생성 층에서 재흡수할 수 있도록 함으로써 태양 전지의 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 태양 전지는 캐리어 생성 층, 상부 전극 및 하부 전극, 및 공동 공진 구조를 가질 수 있다. 상기 캐리어 생성 층은 입사되는 광입자들에 기초하여 전자들 및 정공들을 생성할 수 있다. 상기 상부 전극 및 하부 전극은 상기 캐리어 생성 층에서 발생하는 전자들 및 정공들을 수집하여 외부 회로로 전달할 수 있다. 상기 공동 공진 구조는 상기 입사되는 광입자들 중에서 캐리어 생성 층에서 흡수되지 않고 통과한 광입자들을 상기 캐리어 생성 층으로 반사할 수 있다.
상기 공동 공진 구조는 상기 하부 전극의 하부에 형성되며, 상기 입사되는 광입자들 중에서 상기 캐리어 생성 층에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들에 대한 공동 공진을 일으키고 공동 공진된 광입자들을 상기 캐리어 생성 층으로 반사할 수 있다. 상기 공동 공진 구조는 공동 및 반사막을 포함할 수 있다. 상기 공동은 상기 하부 전극으로부터 상기 입사되는 광입자들 중에서 상기 캐리어 생성 층에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들 사분의 일의 깊이를 가질 수 있다. 상기 반사막은 상기 입사되는 광입자들 중에서 상기 캐리어 생성 층에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들이 공동 공진을 일으키도록 반사할 수 있다. 상기 반사막은 금속 반사막일 수 있 다.
상기 캐리어 생성 층은 제1 도전형의 반도체 층 및 제2 도전형의 반도체 층을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 도전형의 반도체 층 및 제2 도전형의 반도체 층 사이의 PN 접합부에서는 입사되는 광입자들에 응답하여 전자들 및 정공들을 생성할 수 있다. 상기 공동은 기판에 대한 식각 공정에 의하여 형성될 수 있으며, 상기 금속 반사막은 증착 공정에 의하여 상기 기판의 식각된 면에 형성될 수 있다.
상기 태양 전지는 상기 태양 전지의 최상부에 형성되며, 상기 입사되는 광입자가 상기 태양 전지의 표면에서 전반사되는 것을 방지하기 위한 반사 방지막(anti-reflection layer)을 더 포함할 수 있다. 상기 반사 방지막의 유전율은 상기 제1 도전형의 반도체 층 또는 상기 제2 도전형의 반도체 층 중에서 상부의 반도체 층의 굴절율과 공기의 굴절률의 중간 값일 수 있다.
상기 태양 전지는 상기 제1 도전형의 반도체 층 또는 상기 제2 도전형의 반도체 층 중에서 하부의 반도체 층과 상기 하부 전극 사이에 형성되며, 상기 하부의 반도체 층의 캐리어 밀도보다 더 높은 캐리어 밀도를 갖는 반도체 층을 더 포함할 수 있다.
상기 캐리어 생성 층은 칼코제나이드(chalcogenide) 계열의 화합물 층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 캐리어 생성 층은 카드뮴 텔룰라이드(CdTe) 층을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 태양 전지 제조 방법은 기판을 식각하여 공동 공진을 위한 공동을 형성하는 단계; 상기 기판의 식각면에 입사되는 광입자들 중에서 상기 태양 전지를 통과한 광입자들이 공동 공진을 일으키도록 반사하는 반사막을 형성하는 단계; 상기 반사막이 증착된 공동에 특정 물질을 채워 넣는 단계; 및 상기 특정 물질이 채워진 상기 공동 위에 상기 입사되는 광입자들에 기초하여 전자들 및 정공들을 생성하는 캐리어 생성 층과 상기 캐리어 생성 층에서 생성된 전자들 및 정공들을 수집하기 위한 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 공동은 상기 태양 전지를 통과한 광입자들이 갖는 파장의 사분의 일의 깊이를 가질 수 있다. 상기 태양 전지 제조 방법은 상기 공동에 채워진 상기 특정 물질을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 캐리어 생성 층 및 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극을 형성하는 단계는 상기 공동 위에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 위에 상기 캐리어 생성 층을 형성하는 단계; 및 상기 캐리어 생성 층 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 캐리어 생성 층을 형성하는 단계는 상기 하부 전극 위에 제1 도전형의 반도체 층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 도전형의 반도체 층 위에 제2 도전형의 반도체 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 태양 전지 제조 방법은 상기 태양 전지의 최상부에 상기 입사되는 광입자가 상기 태양 전지의 표면에서 전반사되는 것을 방지하기 위한 반사 방지막(anti-reflection layer)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 반사 방지막의 유전율은 상기 제1 도전형의 반도체 층 또는 상기 제2 도전형의 반도체 층 중에서 상부의 반도체 층의 굴절율과 공기의 굴절률의 중간 값일 수 있다.
상기 캐리어 생성 층을 형성하는 단계는 상기 하부 전극 위에 칼코제나이 드(chalcogenide) 계열의 화합물 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 캐리어 생성 층을 형성하는 단계는 상기 하부 전극 위에 카드뮴 텔룰라이드(CdTe) 층을 형성하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 태양 전지 제조 방법은 상기 제1 도전형의 반도체 층 또는 상기 제2 도전형의 반도체 층 중에서 하부의 반도체 층과 상기 하부 전극 사이에 형성되며, 상기 하부의 반도체 층의 캐리어 밀도보다 더 높은 캐리어 밀도를 갖는 반도체 층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법은 입사되는 광입자들이 캐리어 생성 층에 흡수되어 일차적으로 전자들 및 정공들을 생성하고 캐리어 생성 층에 흡수되지 못한 광입자들이 공동 공진 구조에 의하여 반사되어 캐이어 생성 층에 재흡수되어 태양 전지의 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바림직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소로 직접 상기 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 상기 데이터 또는 신호를 상기 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)의 구조를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 태양 전지(10)는 기판(100), 반사막(102), 공동(100c), 하부 전극(104), BSF 층(Back Surface Field layer, 이하 'BSF 층'이라 함, 106), P형 반도체 층(108), N형 반도체 층(200), 반사 방지막(anti-reflection layer, 202), 및 상부 전극(204)을 포함한다.
P형 반도체 층(108) 및 N형 반도체 층(200)은 입사되는 광입자들에 기초하여 전자들 및 정공들을 생성하는 캐리어 생성 층이다. 좀더 상세히 말하면 P형 반도체 층(108)와 N형 반도체 층(200)의 접합 영역인 PN 접합부에서 입사되는 광입자들에서 전자들 및 정공들이 형성된다. 본 명세서에서 제1 도전형의 반도체 층이라 함은 P형 반도체 층(108)일 수 있고, 제2 도전형의 반도체 층이라 함은 N형 반도체 층(200)일 수 있다. 캐리어 생성 층(108 및 200)은 도 2에 도시된 바와 달리, 칼코제나이드(chalcogenide) 계열의 화합물 층 또는 카드뮴 텔룰라이드(CdTe) 층으로 구현될 수 있다. 그러나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
상부 전극(204) 및 하부 전극(104)은 캐리어 생성 층(108 및 200)에서 발생하는 전자들 및 정공들을 수집하여 외부 회로(미도시)로 전달한다. 예컨대, 도 2에 도시된 바에 따르면, 상부 전극(204)은 N형 반도체 층(200)에서 생성되는 캐리어인 전자들을 수집하여 외부 회로로 전달할 수 있으며 하부 전극(104)은 P형 반도체 층(108)에서 생성되는 정공들을 수집하여 외부 회로로 전달할 수 있다. 상부 전극(204) 및 하부 전극(104)은 광입자들의 투과율을 높이기 위하여 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극으로 구현됨이 바람직하다.
기판(100) 및 공동(100c)은 입사되는 광입자들 중에서 캐리어 생성 층에서 흡수되지 않고 통과한 광입자들을 캐리어 생성 층으로 반사하는 공동 공진 구조를 형성한다. 공동 공진(cavity resonance)이라 함은 소정의 파장을 갖는 입자가 어떠한 매질에 반사되어 나오는 경우 입자가 반사되어 나오는 거리가 상기 소정의 파장의 사분의 일때 상기 입자에 대하여 공진이 발생하는 것을 의미한다. 기판(100)은 실리콘 웨이퍼, 유리 기판, 플라스틱 기판일 수 있다. 그러나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
공동 공진 구조(100 및 102)는 하부 전극(104)의 하부에 형성되며, 입사되는 광입자들 중에서 캐리어 생성 층(108 및 200)에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들에 대한 공동 공진을 일으키고 공동 공진된 광입자들을 캐리어 생성 층(108 및 200)으로 반사할 수 있다. 그러면 캐리어 생성 층(108 및 200)은 반사된 광입자들에 기초하여 전자들 및 정공들을 생성할 수 있다.
즉, 태양 전지(10)는 입사되는 광입자들에 기초하여 일차적으로 캐리어 생성 층(108 및 200)에 흡수되어 전자들 및 정공들을 생성하고, 캐리어 생성 층에 흡수되지 하고 공동 공진 구조(100 및 102)에 의하여 반사되는 광입자들에 기초하여 이차적으로 전자들 및 정공들을 생성함으로써 종래의 태양 전지에 비하여 높은 에너 지 변환 효율을 실현할 수 있는 것이다.
공동 공진 구조(100 및 102)는 공동(100c) 및 반사막(102)을 포함한다. 공동(100c)은 하부 전극(104)으로부터 소정의 깊이를 가지도록 형성된다. 공동(100c)의 깊이는 입사되는 광입자들 중에서 캐리어 생성 층(108 및 200)에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들 사분의 일의 깊이를 가질 수 있다. 즉, 입사되는 광입자들 중에서 캐리어 생성 층(108 및 200)에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들의 파장을 λ라 하면 공동(100c)의 깊이는 λ/4일 수 있다.
반사막(102)은 입사되는 광입자들 중에서 캐리어 생성 층(108 및 200)에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들이 공동 공진을 일으키도록 반사한다. 반사막(102)은 반사율이 높은 알루미늄 막등과 같은 금속 반사막일 수 있다. 이는 입사되는 광입자들에 대한 반사율을 높임으로써 캐리어 생성 층(108 및 200)으로 반사되는 광입자들의 양을 증가시키기 위함이다. 공동(100c)은 반도체 기판(100)에 대한 식각 공정에 의하여 형성될 수 있으며, 반사막(102)은 증착 공정에 의하여 반도체 기판(100)의 식각된 면에 형성될 수 있다.
반사 방지막(202)은 태양 전지(10)의 최상부에 형성되며, 입사되는 광입자가 태양 전지(10)의 표면에서 전반사되는 것을 방지하며, 상부 전극(204)과 P형 반도체 층(108) 층 또는 N형 반도체 층(200) 중에서 상부의 반도체 층 사이의 저항성 접촉을 좋게 할 수 있다. 반사 방지막(202)의 유전율은 P형 반도체 층(108) 층 또는 N형 반도체 층(200) 중에서 상부의 반도체 층의 굴절율과 공기의 굴절률의 중간 값일 수 있다. 도 2를 참조하면, 반사막(102)은 상부 전극(204)과 N형 반도체 층(200) 사이에 형성되며 N형 반도체 층(200)의 굴절율과 공기의 굴절률의 중값 값에 상응하는 굴절률을 가질 수 있다.
BSF 층(106)은 제1 도전형의 반도체 층 또는 상기 제2 도전형의 반도체 층 중에서 하부의 반도체 층과 하부 전극(104) 사이에 형성되며, 상기 하부의 반도체 층의 캐리어 밀도보다 더 높은 캐리어 밀도를 가질 수 있다. BSF 층(106)과 하부 전극(104) 사이의 후면 전계 효과에 의하여 하부 전극(104)과 상기 하부의 반도체 층 사이의 접촉 저항이 감소될 수 있다. 도 2를 참조하면, BSF 층(106)은 P형 반도체 층(108)의 정공 밀도보다 높은 정공 밀도를 갖는 P+ 반도체 층으로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)의 제조 방법의 순서도이며, 도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10) 제조 방법의 수행 단계에 따른 태양 전지의 구조를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10) 제조 방법은 기판(100)을 식각하여 공동 공진을 위한 공동(100c)을 형성하는 단계(S30), 기판(100)의 식각면에 입사되는 광입자들 중에서 태양 전지(10)를 통과한 광입자들이 공동 공진을 일으키도록 반사하는 반사막(102)을 형성하는 단계(S31), 반사막(102)이 증착된 공동에 특정 물질을 채워 넣는 단계(S32), 및 특정 물질이 채워진 공동(100a) 위에 입사되는 광입자들에 기초하여 전자들 및 정공들을 생성하는 캐리어 생성 층(108 및 200)과 캐리어 생성 층(108 및 200)에서 생성된 전자들 및 정공들을 수집하기 위한 상부 전극(204) 및 하부 전극(104)을 생성하는 단계(S33 내지 S35)를 포함할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 4i를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)의 제조 방법을 좀 더 구체적으로 살펴본다.
도 4a는 공동(100c)을 형성하기 전의 반도체 기판(100)을 나타낸다. 먼저, 기판(100)에 대한 식각 공정에 의하여 공동 공진을 위한 공동(100a)이 형성된다(S30, 도 4b 참조) 공동(100a) 형성하기 위한 식각 공적은 원하는 부분(100a) 만을 선택적으로 식각하기 위한 건식 식각 공정일 수 있다.
공동(100a)이 형성되면 기판(100)의 식각면에 입사되는 광입자들 중에서 상기 태양 전지(10)를 통과한 광입자들이 공동 공진을 일으키도록 반사하는 반사막(102)이 형성된다(S31, 도 4c 참조). 반사막(102)은 반사율이 높은 금속 반사막일 수 있으며, 마스크 패터닝(mask patterming) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 반사막(102)이 형성될 면 이외에 형성된 금속막(102a)는 제거되어야 한다. 도 4d는 반사막(102) 형성 단계까지 수행된 태양 전지의 사시도이다.
금속 반사막(102)이 형성되면, 공동(100a)에는 특정 물질로 채워진다(S32, 도 4e 참조). 도 3을 참조하면, 특정 물질이라 함은 다음 공정의 진행을 위하여 일시적으로 공동(100a)에 채워지는 유기물질일 수 있으며, 유기 물질은 패터닝 공정에 의하여 공동(100a)에 채워질 수 있다. 이때, 공동(100a) 이외에 형성되는 유기물질은 제거되어야 한다. 공동(100a)에 채워진 유기 물질도 차후 별도의 단계(S35)를 거쳐서 제거되어야 한다. 만약, 공동(100a)에 채워지는 특정 물질이 광입자들이 통과할 수 있는 물질이라면 특정 물질은 제거되지 않을 수도 있다.
캐리어 생성 층(108 및 200) 및 상부 전극(204) 및 하부 전극(104)을 형성하 는 단계는 유기 물질이 채워진 공동(100b) 위에 하부 전극을 형성하는 단계(S33), 하부 전극(104) 위에 캐리어 생성 층(108 및 200)을 형성하는 단계(S34), 및 캐리어 생성 층(108 및 200) 위에 상부 전극(204)을 형성하는 단계(S35)를 포함할 수 있다.
공동(100a)에 특정 물질이 채워진 뒤에는 증착 공정에 의하여 하부 전극(104)을 형성하는 단계(S33)에는 하부 전극(104) 위에는 증착 공적에 의하여 BSF 층(106)이 형성되는 단계가 더 포함될 수도 있다(도 4e 참조). 도 4e에 도시된 바와 같이, 공동(100a)의 깊이는 공동 공진을 고려하여 입사되는 광입자들 중에서 캐리어 생성 층(108 및 200)에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들의 파장의 사분의 일임이 바람직하다.
캐리어 생성 층(108 및 200)을 형성하는 단계(S34)는 하부 전극(104) 위에 P형 반도체 층(108)을 형성하는 단계 및 P형 반도체 층(108) 위에 N형 반도체 층(200)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다(도 4f 참조). 캐리어 생성 층을 형성 하는 단계는 스퍼터링(sputtering) 공정에 의하여 하부 전극(104) 위에 칼코제나이드(chalcogenide) 계열의 화합물 또는 카드뮴 텔룰라이드(CdTe) 층을 형성하는 단계일 수도 있다.
캐리어 생성 층(108 및 200)이 형성되면 캐리어 생성 층(108 및 200) 위에 상부에 반사 방지막(202)이 형성되며(도 4g 참조), N형 반도체 층(200)에서 생성된 전자들을 수집하기 위한 상부 전극(204)이 형성된다(도 4h 참조).
상부 전극(204)이 형성되면 유기 물질이 채워진 공동(100b)에서 유기 물질을 건식 식각 공정에 의하여 제거된다(S36, 도 4i 참조).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(100)에서 전력을 생산하는 매커니즘을 나타낸다. 태양광에 기초하여 태양 전지(10)로 광전자들이 입사되면 일차적으로 P형 반도체 층(108)과 N형 반도체 층(200)의 PN 접합부에서 전자 및 전공 쌍들(300)이 형성된다. PN 접합부에서 생성된 전자들 및 정공들은 상부 전극(204) 및 하부 전극(104)에 의하여 수집되어 외부 회로로 전달된다.
PN 접합부에 흡수되지 않고 통과된 광입자들은 공동 공진 구조(100 및 102)에 의하여 공동 공진되어 반사되어 PN 접합부에 재흡수될 수 있다. 즉, 공동 공진 구조(100 및 102)에 의하여 반사된 광입자들에 의하여 PN 접합부에서는 이차적으로 전자 및 전공 쌍들(302)이 형성될 수 있다. 이때, PN 접합부에서 생성된 전자들 및 정공들 역시 상부 전극(204) 및 하부 전극(104)에 의하여 수집되어 외부 회로로 전달된다.
이상에서는 P형 반도체 층(108)과 N형 반도체 층(200)으로 구성된 캐리어 생성 층을 포함하는 태양 전지(10)에서 공동 공진 구조를 이용하여 태양 전지(10)의 에너지 변환 효율을 증가시키는 기술을 중점적으로 살펴보았다. 그러나 공동 공진 구조를 이용하여 광입자의 재흡수율을 증가시킬 수 있는 기술이 무기물을 이용한 태양 전지 및 유기물을 이용한 태양 전지 등 다양한 형태의 태양 전지에도 적용될 수 있음은 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이라 할 것이다.
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 태양 전지의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 순서도이다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법의 수행 단계에 따른 태양 전지의 구조를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에서 전력을 생산하는 매커니즘을 나타낸다.
Claims (18)
- 입사되는 광입자들에 기초하여 전자들 및 정공들을 생성하는 캐리어 생성 층;상기 캐리어 생성 층에서 발생하는 전자들 및 정공들을 수집하기 위한 상부 전극 및 하부 전극; 및상기 하부 전극으로부터 소정 깊이를 가지고 상기 하부 전극의 하부에 형성되는 공동(Cavity)과, 상기 광입자들을 상기 캐리어 생성 층으로 반사하는 반사막을 포함하는 공동 공진 구조를 포함하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 공동은, 상기 입사되는 광입자들 중에서 상기 캐리어 생성 층에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들에 대한 공동 공진을 일으키고,상기 반사막은, 상기 공동 공진된 광입자들을 상기 캐리어 생성 층으로 반사하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 공동은,상기 입사되는 광입자들 중에서 상기 캐리어 생성 층에서 흡수되지 않고 통과된 광입자들이 갖는 파장의 사분의 일의 깊이를 갖는 태양 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 반사막은금속 반사막인 태양 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 캐리어 생성 층은제1 도전형의 반도체 층; 및제2 도전형의 반도체 층을 포함하는 태양 전지.
- 제5항에 있어서, 상기 태양 전지는,상기 제1 도전형의 반도체 층 또는 상기 제2 도전형의 반도체 층 중에서 하부의 반도체 층과 상기 하부 전극 사이에 형성되며, 상기 하부의 반도체 층의 캐리어 밀도보다 더 높은 캐리어 밀도를 갖는 반도체 층을 더 포함하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 공동은,기판에 대한 식각 공정에 의하여 형성되며,상기 반사막은,증착 공정에 의하여 상기 기판의 식각된 면에 형성되는 태양 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 태양 전지는,상기 태양 전지의 최상부에 형성되며, 상기 입사되는 광입자가 상기 태양 전지의 표면에서 전반사되는 것을 방지하기 위한 반사 방지막(anti-reflection layer)을 더 포함하는 태양 전지.
- 제8항에 있어서, 상기 캐리어 생성 층은제1 도전형의 반도체 층; 및제2 도전형의 반도체 층을 포함하며,상기 반사 방지막의 유전율은,상기 제1 도전형의 반도체 층 또는 상기 제2 도전형의 반도체 층 중에서 상부의 반도체 층의 굴절율과 공기의 굴절률의 중간 값인 유전성 박막인 태양 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 캐리어 생성 층은칼코제나이드(chalcogenide) 계열의 화합물 층 또는 카드뮴 텔룰라이드(CdTe) 층을 포함하는 태양 전지.
- 태양 전지 제조 방법에 있어서,기판을 식각하여 공동 공진을 위한 공동을 형성하는 단계;상기 기판의 식각면에 입사되는 광입자들 중에서 상기 태양 전지를 통과한 광입자들이 공동 공진을 일으키도록 반사하는 반사막을 형성하는 단계;상기 반사막이 증착된 공동에 특정 물질을 채워 넣는 단계; 및상기 특정 물질이 채워진 상기 공동 위에 상기 입사되는 광입자들에 기초하 여 전자들 및 정공들을 생성하는 캐리어 생성 층과 상기 캐리어 생성 층에서 생성된 전자들 및 정공들을 수집하기 위한 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계를 포함하며,상기 공동은 상기 태양 전지를 통과한 광입자들이 갖는 파장의 사분의 일의 깊이를 갖는 태양 전지 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 태양 전지 제조 방법은상기 공동에 채워진 상기 특정 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 캐리어 생성 층 및 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극을 형성하는 단계는상기 공동 위에 하부 전극을 형성하는 단계;상기 하부 전극 위에 상기 캐리어 생성 층을 형성하는 단계; 및상기 캐리어 생성 층 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 캐리어 생성 층을 형성하는 단계는상기 하부 전극 위에 제1 도전형의 반도체 층을 형성하는 단계; 및상기 제1 도전형의 반도체 층 위에 제2 도전형의 반도체 층을 형성하는 단계 를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 태양 전지 제조 방법은상기 태양 전지의 최상부에 상기 입사되는 광입자가 상기 태양 전지의 표면에서 전반사되는 것을 방지하기 위한 반사 방지막(anti-reflection layer)을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 캐리어 생성 층을 형성하는 단계는상기 하부 전극 위에 제1 도전형의 반도체 층을 형성하는 단계; 및상기 제1 도전형의 반도체 층 위에 제2 도전형의 반도체 층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 반사 방지막의 유전율은상기 제1 도전형의 반도체 층 또는 상기 제2 도전형의 반도체 층 중에서 상부의 반도체 층의 굴절율과 공기의 굴절률의 중간 값을 갖는 유전성 박막인 태양 전지 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 캐리어 생성 층을 형성하는 단계는상기 하부 전극 위에 칼코제나이드(chalcogenide) 계열의 화합물 층을 형성하는 단계 또는 상기 하부 전극 위에 카드뮴 텔룰라이드(CdTe) 층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 태양 전지 제조 방법은상기 제1 도전형의 반도체 층 또는 상기 제2 도전형의 반도체 층 중에서 하부의 반도체 층과 상기 하부 전극 사이에 형성되며, 상기 하부의 반도체 층의 캐리어 밀도보다 더 높은 캐리어 밀도를 갖는 반도체 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법.
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