KR101172188B1 - 알칼리 안티몬 화합물로 이루어진 ｐｎ 접합소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 태양광소자 - Google Patents

알칼리 안티몬 화합물로 이루어진 ｐｎ 접합소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 태양광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알칼리 안티몬 화합물로 이루어진 pn 접합소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 태양광소자를 개시한다. 본 발명에 따르면, pn 접합층을 포함하는 태양광 소자에 있어서, 상기 pn 접합층은 알칼리 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 광흡수층을 알칼리 안티몬 화합물로 구성함으로써 저가이면서 변환효율이 높은 태양광 소자를 제공할 수 있다.

Description

알칼리 안티몬 화합물로 이루어진 ｐｎ 접합소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 태양광소자{PN JUNCTION ELEMENT COMPRISING ALKALI-Sb COMPOUNDS, METHOD OF THE SAME AND SOLAR CELL USING THE SAME}
본 발명은 알칼리 안티몬 화합물로 이루어진 pn 접합소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 태양광소자에 관한 것으로서, 빛 에너지를 전기로 변환하는 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근래에 화석연료의 고갈과 함께 친환경 에너지에 대한 관심이 높아지면서 태양광을 전기로 전환하는 태양광소자에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
태양광소자는 광흡수층을 포함하는데, 이러한 광흡수층의 소재에 따라 단결정, 다결정 및 비결정의 실리콘 태양광소자와 화합물 반도체 태양광소자 및 고분자나 연료 감응 태양광소자와 같은 유기물 태양광소자로 구분된다.
이중 실리콘 및 화합물 반도체 태양광소자는 정공(hole)을 반송자로 하는 p형 층(p type layer, p형 반도체)과 전자를 반송자로 하는 n형 층(n type layer, n형 반도체)이 접합된 pn 접합층을 포함한다.
p형 층과 n형 층의 접합면에는 내부 전계가 생기고 그 내부 전계층에는 반송자가 존재하지 않는 공핍층이 존재하며, 공핍층은 빛이 입사되는 경우 반송자를 일정한 방향으로 흐르게 하는 기전력을 발생시키는 공간이다.
종래에는 기존에 개발된 공정으로 쉽게 pn 접합층 형성이 가능한 실리콘이 주로 이용되었으나, 높은 순도의 실리콘을 제조하기 위해서는 많은 에너지와 시간을 필요로 하기 때문에 단가가 상승하고 또한 낮은 광흡수율로 인해 두꺼운 기판을 이용해야 하는 문제점이 있다. 그 대안으로 비정질 실리콘이 이용되기도 하나, 비정질 실리콘은 많은 결정결함으로 인해 많은 반송자 손실을 발생시키는 문제점이 있다.
실리콘 반도체의 문제를 해결하기 위해, CdTe 또는 CIGS와 같은 화합물 반도체를 이용하는 태양광소자에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 상기한 화합물 반도체에 있어 CdTe는 독성이 있는 물질 사용에 대한 안정성 검증이 이루어지지 않았으며, CIGS의 경우에는 조합하는 물질의 수가 많기 때문에 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 공정이 단순해지며 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 알칼리 안티몬 화합물로 이루어진 pn 접합소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 태양광소자를 제안하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, pn 접합층을 포함하는 태양광 소자에 있어서, 상기 pn 접합층은 알칼리 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 소자가 제공된다.
상기 알칼리 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및 세슘 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 pn 접합층의 n형 층 및 p형 층은 상기 알칼리 금속의 종류 및 상기 알칼리 금속과 상기 안티몬의 결합 비율에 따라 결정될 수 있다.
상기 pn 접합층의 n형 층은 Li3Sb, Na3Sb, K3Sb, RbxSby(x:y≠3:1), CsxSby(x:y≠3:1) 중 적어도 하나인 것이 바람직하다.
상기 pn 접합층의 p형 층은 Rb3Sb, Cs3Sb, (NaK)3Sb, [Rb](NaK)3Sb 및 [Cs](NaK)3Sb 중 적어도 하나인 것이 바람직하다.
상기 n형 층 및 상기 p형 층 각각의 도핑농도는 상기 알칼리 금속과 상기 안티몬의 결합 비율에 따라 결정될 수 있다.
상기 n형 층의 도핑 농도는 적어도 1018/cm3 이상인 것이 바람직하다.
상기 p형 층의 두께는 적어도 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기 pn 접합층은 상기 안티몬 박막에 상기 알칼리 금속을 열 증착시켜 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 소자는 빛의 입사면 측에 배치되는 광투과층; 상기 pn 접합층의 n형 층에 인접 배치되는 전면 전극; 및 상기 pn 접합층의 p형 층에 인접 배치되는 후면 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 전면 전극은 ITO 전극이며, 상기 ITO 전극과 상기 n형 층 사이에 투명 전도막 추가로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 소자는 상기 p형 층과 상기 후면 전극 사이에 배치되는 후면 전계층을 더 포함하되, 상기 후면 전계층은 상기 p형 층의 도핑 농도보다 더 높은 농도를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 태양광 소자의 광흡수층에 사용되는 pn 접합소자로서, 제1 알칼리 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 n형 층; 및 제2 알칼리 금속과 상기 안티몬의 화합물로 이루어지는 p형 층을 포함하는 pn 접합소자가 제공된다.
상기 제1 알칼리 금속과 상기 제2 알칼리 금속은 루비듐 및 세슘 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 제2 알칼리 금속은 둘 이상의 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 태양광 소자의 광흡수층에 사용되는 pn 접합소자를 제조하는 방법으로서, 스퍼터링을 통해 진공 챔버 내의 기판에 안티몬 박막을 코팅하는 단계; 제1 알칼리 금속을 상기 안티몬 박막에 증착시켜 p형 층을 제조하는 단계; 및 상기 p형 층에 제2 알칼리 금속을 증착시켜 n형 층을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 n형 층 및 p형 층은 상기 알칼리 금속의 종류 및 상기 알칼리 금속과 상기 안티몬의 결합 비율에 따라 결정되는 pn 접합소자 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, pn 접합층을 포함하는 태양광 소자에 있어서, 상기 pn 접합층을 구성하는 n형 층 및 p형 층 중 적어도 하나가 알칼리 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 소자가 제공된다.
본 발명에 따르면, 알칼리 안티몬 화합물을 이용하여 태양광소자의 광흡수층을 생성하기 때문에 저렴하면서 고효율의 태양광소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 소자의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 pn 접합소자 생성을 위한 열증착 공정 챔버 내부를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 태양광 소자의 구성을 도시한 도면.
도 4는 태양광소자의 효율 계산에 이용되는 태양광 pn 접합소자의 단면을 도시한 도면.
도 5는 기준 태양광의 분광산란분포의 그래프.
도 6은 Cs3Sb의 흡수 계수(absorption coefficient)의 그래프.
도 7은 p 도핑농도에 따른 Cs3Sb 의 I-V 곡선을 도시한 도면.
도 8은 Cs3Sb의 n형 층의 두께와 도핑농도가 일정할 때 p형 층의 도핑농도에 따른 FF(Fill Factor)의 변화를 도시한 도면.
도 9는 Cs3Sb의 n형 층의 두께와 도핑농도가 일정할 때 p형 층의 도핑농도에 따른 효율 변화(Na/cm3)를 도시한 도면.
도 10은 K3Sb의 흡수 계수(absorption coefficient)의 그래프.
도 11은 p 도핑 농도에 따른 K3Sb 의 I-V 곡선을 도시한 도면.
도 12는 K3Sb 의 n형 층의 두께와 도핑농도가 일정할 때 p형 층의 도핑농도에 따른 FF(Fill Factor)의 변화를 도시한 도면.
도 13은 K3Sb의 n형 층의 두께와 도핑농도가 일정할 때 p형 층의 도핑농도에 따른 효율 변화(Na/cm3)를 도시한 도면.
도 14는 Cs3Sb 와 K3Sb 로 이루어진 pn 접합구조를 도시한 도면.
도 15는 Cs3Sb(n), K3Sb(p)로 이루어진 hetero-junction에서의 p 도핑농도에 따른 효율 변화를 도시한 도면.
도 16은 일정한 두께를 가지는 Cs3Sb, K3Sb, hetero-junction 소자들의 p 도핑농도에 따른 효율을 도시한 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양광 소자는 광투과층(100), 전면 전극(102), n형 층(104), p형 층(106), 후면 전극(108), 보호층(110) 및 리본(112)을 포함할 수 있다.
광투과층(100)을 통해 빛이 흡수되면 광자(photon)가 지닌 에너지에 의해 전자(electron)와 정공(hall)의 쌍이 생성되며, 전자-정공 쌍은 pn 접합층에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 층(104)으로 이동하고, 정공은 p형 층(106)으로 이동하여 각 표면에 있는 전극(102,108)에 수집되고, 각각의 전극(102,108)에서 수집된 전하는 외부 회로에 부하가 연결되는 경우 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키게 된다.
n형 층(104)과 p형 층(106)을 포함하는 pn 접합층(광흡수층)에 대해 상세하게 설명하면, n형 층(104)과 p형 층(106)의 접합면에는 내부 전계가 생기고 반송자가 존재하지 않는 공핍층(depletion layer)이 형성된다.
이때, 공핍층은 n형 층(104)에서는 얇고 p형 층(106)에서는 깊게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 반도체는 전자가 위치할 없는 에너지대인 밴드겝(bandgap)을 가지며, 밴드겝의 아래쪽을 가전자대(valence band) 위쪽을 전도대(conduction band)라 한다.
가전자대의 전자는 물리적으로 자유롭지 못한 전자이며, 가전자대에 위치한 전자들이 열 또는 빛과 같은 에너지를 흡수하게 되면 전도대로 이동하게 된다.
빛은 양자적 특성에 의해 파장에 따른 에너지를 갖게 되는데, 상기와 같이, 광투과층(100)을 통해 흡수된 빛 에너지의 크기가 반도체의 밴드겝보다 크면 가전자대의 전자가 전도대로 이동하여 반도체의 공핍층에 전자-정공 쌍이 생성되며, 전면 전극(102) 및 후면 전극(108)을 통해 반송자를 일정한 방향으로 흐르게 하면 기전력이 발생된다.
상기한 바와 같이, 기전력을 발생시키는 곳은 공핍층의 내부 전계이며, 따라서 공핍층이 넓을수록 흡수하는 광량도 많아져 높은 효율을 얻을 수 있다. 이때 발생하는 전류를 광전류라 한다.
태양광 소자에 있어서, 내부 전위를 크게, 그리고 흡수하는 빛의 파장대가 넓은 것이 바람직하다. 이는 내부 전위가 커야 출력 전압이 크며, 흡수하는 빛의 파장대가 넓어야 광흡수량이 많아 생성되는 전류가 많아지기 때문이다. 그러나, 내부 전위차를 크게 하기 위해서는 밴드겝이 커야 하는데, 밴드겝이 큰 경우 파장이 짧은 빛 에너지가 주로 흡수되어 광흡수량이 떨어지게 된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 알칼리 안티몬 화합물로 이루어지는 pn 접합층을 제공하여 내부 전위를 크면서도 광흡수량이 높아지는 태양광 소자를 제공한다.
알칼리 금속은 수소를 제외한 주기율표의 1족 원소를 의미하며, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 등을 포함한다.
알칼리 금속은 리튬에서 세슘으로 갈수록 반응성이 커지며, 화학적으로 녹는점과 끓는점이 다른 금속에 비해 낮으며, 밀도가 매우 작다.
한편, 안티몬(Sb, antimony)은 주기율표 15족에 속하는 금속원소로서, 동소체가 다수 존재하며, 단단하고 부서지기 쉬우며 결정구조를 갖는 금속이다.
본 실시예에 따르면, 상기한 알칼리 금속의 종류 및 알칼리 금속과 안티몬의 비율 조절을 통해 n형 층(104) 및 p형 층(106)을 포함하는 pn 접합소자를 생성한다.
하기의 표 1은 알칼리 금속의 종류 및 알칼리 금속과 안티몬의 비율에 따른 성질을 나타낸 것이다.
알칼리 금속 종류 및 비율에 따른 성질 및 밴드겝
Material Type
Li3Sb n
Na3Sb n
K3Sb n
Rb3Sb p
RbxSby(x:y≠3:1) n
Cs3Sb p
CsxSby(x:y≠3:1) n
(NaK)3Sb p
[Rb](NaK) 3Sb p
[Cs](NaK) 3Sb p

표 1에 나타난 바와 같이, 리튬, 나트륨 또는 칼륨과 안티몬을 결합하여 결정 성장시키는 경우에는 n형 반도체의 성질을 가지게 된다.
한편, 루비듐 또는 세슘과 안티몬을 3:1로 결합시키는 경우에는 p형 반도체의 성질을 가지게 되나, 루비듐 또는 세슘과 안티몬이 3:1이 아닌 다른 비율로 결합되는 경우에는 n형 반도체의 성질을 가지게 된다.
또한, 적어도 둘 이상의 알칼리 금속과 안티몬을 결합시키는 경우에는 p형 반도체의 성질을 가지게 된다.
루비듐 및 세슘은 안티몬과의 결합 비율에 따라 n형 및 p형의 성질을 모두 가질 수 있다.
pn 접합층에 있어서, n형 층의 도핑농도 및 p형 층의 도핑농도를 조절하는 것이 필요한데, 이는 알칼리 금속과 안티몬의 비율 조절만으로 가능하다.
예를 들어, 세슘과 안티몬을 3:1 이상으로 결합시키는 경우, 즉, 4:1, 5:1 또는 6:1로 결합시키는 경우, 세슘의 비율을 높아짐에 따라 n형 층의 도핑농도가 커지게 된다.
n형 층 도핑농도는 1018/cm3 이상이 되는 것이 바람직하며, n형 층 도핑농도가 1018/cm3이상이 되어야 n형 층(104)에서는 얇고 p형 층(106)에서는 깊이 들어가는 공핍층을 형성할 수 있다.
또한, p형 층 도핑농도의 조절에 있어서, 상기한 바와 같이 세슘과 안티몬이 3:1로 결합되는 경우에 p형 성질을 가지게 되며, 이때, 세슘의 3보다 작은 값으로 안티몬과 결합시킴으로써 p형 층 도핑농도를 조절할 수 있다.
이때, 세슘의 결합비는 안티몬 대비 2.1 내지 3 미만의 범위 내에서 결정될 수 있으며, 결합 비율이 3에 가까울수록 도핑농도가 높아진다.
본 실시예에 따르면, 열증착법을 이용하여 알칼리 안티몬 화합물로 이루어진 pn 접합층을 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 pn 접합소자 생성을 위한 열증착 공정 챔버 내부를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 진공이 유지되는 챔버(200) 내의 기판(202)에 안티몬(Sb) 박막을 코팅하며, 이후, 셔터(204)를 개방하여 알칼리 금속을 증발시켜 안티몬 박막에 알칼리 금속이 증착되도록 하며, 발열반응을 통해 안티몬과 알칼리 금속을 결정 성장시켜 pn 접합층을 생성한다.
이때, 알칼리 금속의 종류 또는 비율 조절을 통해 p형 층(106)을 먼저 생성하며, 이후, 알칼리 금속의 종류를 변경 또는 비율을 조절하여 얇은 두께를 갖는 n형 층(104)을 생성하게 된다.
여기서, p형 층(106)은 5㎛ 이하의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 이는 5㎛ 이상의 두께가 되면 공정상 증착이 어렵고 기계적 강도가 약해 쉽게 박피되는 문제점이 있기 때문이다.
pn 접합층이 생성된 이후 챔버(200) 내의 알칼리 금속을 제거하기 위해 알코올과 반응시킨다.
이때, 알칼리 금속과 알코올의 반응식은 다음과 같다.
2Li (s) + 2 CH3OH(l) → 2 CH3OLi(aq) + H2 ↑
2Na(s) + 2 CH3OH(l) → 2 CH3ONa(aq) + H2 ↑
2K (s) + 2 CH3OH(l) → 2 CH3OK(aq) + H2 ↑
또한, 챔버(200) 내의 잔류 가스를 불활성인 Ar 가스를 이용하여 알코올이 있는 탱크로 밀어 내어 버블링한다.
본 실시예에 따르면, 알칼리 안티몬 화합물로 pn 접합층을 생성하여 이를 태양광 소자에 이용하며 이를 통해 저비용으로 고효율의 태양광 소자를 제공할 수 있다. 본 실시예에 따른 태양광 소자의 효율에 대해서는 하기에서 상세하게 설명한다.
다시 도 1을 참조하여 pn 접합층 외에 나머지 구성요소에 대해 상세하게 설명한다.
광투과층(100)은 투명한 재질의 소다석회 유리(Soda lime glass)로서, 소다석회 유리는 광투과율이 좋고 외부의 가스 침입이 적어 내부를 부식으로부터 방지할 수 있다. 여기서, 광투과층(100)의 투과율은 90% 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따르면, pn 접합층이 얇은 박막의 알칼리 안티몬 화합물로 이루어지므로 광투과층(100)은 기저층을 포함하여 pn 접합층의 기계적 강성이 없는 점을 보완한다.
전면 전극(102)은 빛을 투과하면서도 전도성이 우수한 재질로 이루어지며, 바람직하게, 비저항이 1ⅹ10-3Ω/cm3이하, 면저항이 103Ω/sq 이하로 전기전도성이 우수하고, 380 내지 780nm의 가시 광선 영역에서 투과율이 80% 이상인 재질이 사용된다.
전면 전극(102)으로는 ITO(Indium-Tin Oxide) 화합물이 사용될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전면 전극(102)이 ITO 전극인 경우, 투과율은 90% 이상, 0.35㎛의 두께에서도 7Ω/sq 정도의 면저항을 가질 수 있다.
후면 전극(108)은 금속 전극이며, 증착을 통해 p형 층(106)에 인접하여 형성된다.
일반적으로, 알칼리 안티몬 화합물의 전자 친화도 에너지는 1.1eV 내지 1.8eV 정도로 매우 낮으며 이러한 특징은 p형 (106)층 금속과의 저항성 접촉을 용이하게 한다. 따라서 본 실시예에 따르면, p형 층(106)에 접촉하는 후면 전극(108)은 p형 층(106)에 대해 낮은 접촉 저항을 가질 수 있다.
보호층(110)은 후면 전극(108) 상부에서 측면 측으로 연장되는 방향으로 배치된다.
보호층(110)은 태양광 소자 내부를 습기나 충격 또는 열로부터 보호하기 위해 제공된다.
리본(112)은 전면 전극(102) 및 후면 전극(108)에 연결되어 태양광 소자의 모듈화를 위해 제공된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 태양광 소자는 도 2에 도시된 구성 외에 p형 반도체(106)와 후면 전극(108) 사이에 배치되는 후면 전계층(Back Surface Field, 300)과, 전면 전극(102)과 n형 층(104) 사이에 제공되는 투명 전도막(Transparent conducting oxide, TCO, 302)을 더 포함할 수 있다.
후면 전계층(300)은 p형 층(106)보다 높은 도핑농도의 p형으로 형성되며, 이는 후면 전극(108)과의 접촉 저항을 더욱 주여 반송자의 손실을 줄일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전면 전극(102)이 ITO 전극일 때, 투명 전도막(302)은 ZnO일 수 있다.
투명 전도막(302)은 n형으로 도핑된 상태로 제공되며, n형 도핑된 ZnO는 공핍층을 빛 입사면측으로 더욱 가깝게 형성되도록 한다. 이를 통해 전류량과 전압이 상승하며, 이로 인해 변환효율이 높아지게 된다.
한편, 상기에서는 pn 접합층의 n형 층(104) 및 p형 층(106) 모두 알칼리 안티몬 화합물로 이루어지는 것으로 설명하였다. 그러나 이에 한정됨이 없이 n형 층(104) 및 p형 층(106) 중 하나만을 알칼리 안티몬 화합물로 구성할 수도 있다.
예를 들어, p형 층(106)을 Rb3Sb 또는 Cs3Sb 등으로 하고, n형 층(104)은 버퍼층으로서 황화카드뮴(CdS)로 구성하는 경우에도 고효율의 태양광 소자를 제공할 수 있다.
하기에서는 본 실시예에 따른 알칼리 안티몬 화합물을 이용한 태양광 소자의 효율에 대해 상세하게 설명한다.
태양광 소자의 효율 계산
태양광 소자의 효율은 소자 전극(102,108)의 양단에 걸리는 전압과 전류의 관계로 도출할 수 있다. 태양광 소자의 전류는 입사한 태양광에 의해 발생한 광전류와 외부 전압차이에 의해 발생하는 확산전류의 차로 나타난다. 확산전류는 광전류의 흐름과 반대의 방향으로 나타난다.
일반적으로 모든 물질은 짧은 파장의 빛은 표면에서 잘 흡수되고 파장이 길수록 투과율이 좋아져 흡수층이 빛이 들어오는 표면에서 멀어진다. 그리고 흡수된 광자에 의해 발생한 전자가 전류가 되는 수집율이 공핍층에서 가장 좋고 공핍층이 아닌 영역은 공핍층에 가까운 영역일수록 그리고 소수반송자의 확산 거리가 길수록 좋다. 그래서 얇고 많은 도핑이 이루어진 얇은 n형 층(n형 반도체)을 빛이 입사되는 표면에 두고 확산거리가 큰 전자를 소수반송자로 가지고 상대적으로 적은 양의 도핑이 이루어진 p형 층(p형 반도체)을 접합시켜 넓은 공핍층을 만들어 광전자의 수집율을 높여 전류손실을 막는다. 이런 구조를 shallow junction이라 한다. 도 4는 태양광소자의 효율 계산에 이용되는 태양광 pn 접합소자의 단면이다.
도 4에서와 같이 각각 Na, Nd로 도핑된 p형 및 n형이 계단접합으로 이루어진 shallow junction 구조에서 빛이 아무런 반사나 감쇠 없이 n+형 층의 표면으로부터 입사한다고 할 때 n+표면의 x좌표를 0, n+ 영역에서 공핍층(depletion region)이 시작되는 깊이의 좌표를 xn0라 하고 p 영역에서 공핍층이 끝나는 깊이의 좌표를 xp0, 전체 두께를 t라 한다면 태양광 소자의 전류는 수학식 1과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112010055226229-pat00001
Gn과 Gp는 각 전자와 정공의 수집확률이다. αp 는 단위길이당 내부양자효율이다. P(λ)는 입사되는 광자(photon)의 수이며 AM1.5의 기준 태양광의 에너지(100mW) 스팩트럼을 파장별 에너지로 나누면 된다. 흡수된 광자는 모두 양자화 된다고 할 때, αp는 수학식 2와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112010055226229-pat00002
소자 양단의 전압변화는 공핍층의 두께에 영향을 준다. 이는 광자에 의해 생성된 반송자들이 소자 양단의 전극에 있는 저항에 의해 다 이동되지 못하고 반송자의 농도가 증가하면서 확산에 의해 공핍층이 줄어든다.표면에서 pn 접합면까지의 두께를 xnp0라 하면 공핍층은 양단의 전압 V와 수학식 3, 수학식 4와 같은 관계식이 성립한다.
Figure 112010055226229-pat00003
Figure 112010055226229-pat00004
V0는 접촉전위차이고 Na와 Nd는 각각 n형과 p형의 도핑농도이다. V0는 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112010055226229-pat00005
여기서 ni는 진성반송자 농도이다.
p와 n영역의 반송자 수집율 Gp와 Gn은 반송자의 표면 재결합을 무시하고 확산에 의해서만 결정이 된다고 할 때 수학식 6, 7과 같이 표현된다.
Figure 112010055226229-pat00006
Figure 112010055226229-pat00007
상기한 수학식들을 이용하여 I-V 관계를 도출할 수 있으며, 이를 통해 fill factor(FF)를 추론할 수 있다.
세슘 안티몬 화합물을 이용한 태양광 소자의 효율 계산
알칼리 금속 중 세슘을 안티몬과 결합시킨 후 태양광 소자의 효율을 계산하였다.
태양광 소자의 효율을 구하기 위해서는 표준태양광을 입사시켜 전류와 전압을 추론하여 효율을 계산하는 것이 정확하다. 기준 태양광의 분광산란분포는 table화가 되어 있다. 도 5는 상기한 테이블에 나와 있는 수치를 근거로 그래프화한 것이다. 이 값들은 P(λ)로 입력이 된다. 기준 태양광의 총 방사조도는 100mW/cm2 이다.
하기의 표 2는 Cs3Sb의 주요 파라미터이며, 도 6은 Cs3Sb의 흡수 계수(absorption coefficient)를 그래프화한 것이다.
Cs3Sb의 주요 파라미터
파라미터 데이터
소수 반송자 확산거리(Ln, Lp) Ln=10-5/cm, Lp=10-8/cm
유전 상수 7.994 F/m
소수 반송자 라이프타임(lifetime) τp
Figure 112011087595673-pat00026
10-13/s, τn
Figure 112011087595673-pat00027
10-11/s
진성 반송자 농도 ni=9.3ⅹ1011/m3
고효율을 위한 shallow junction으로 n형 층의 두께와 도핑농도는 각각 98Å과 1018/cm3로 고정하고 p형 층의 구성요소에 따른 효율을 도출하였다. 수학식 1에서 얻어진 전류와 전압의 관계식으로 도 7과 같은 I-V 관계를 얻고 I, V의 곱에서 얻어진 최대전력 Pmax를 이용하여 FF 및 효율을 계산한다.
하기의 수학식 8에서 Pin은 수학식 1에서의 P(λ)에 각 파장대의 photon energy를 곱하여 적분한 값이 되고 Pout은 Pmax가 된다.
Figure 112010055226229-pat00008
수학식 3, 4, 5에 p 도핑농도인 Na를 변화 시켜 도 8에 도시하였다. FF는 수학식 9처럼 각 Pmax를 개방전압(Voc)와 단락전류(Isc)의 곱으로 나누어 구하였다.
Figure 112010055226229-pat00009
5㎛이하의 두께에서 p 도핑 농도는 낮을수록 높은 효율을 얻을 수 있다. 표 3은 계산 결과로 얻어진 각 p 도핑 농도에 따른 개방전압, 단락전류, FF, 효율을 정리한 것이다.
Cs3Sb의 p 도핑 농도에 따른 특성의 변화
log(Na) Voc Isc FF efficiency(%) V0
1.36E+01 7.14E-01 2.79E-02 8.12E-01 1.65E+01 1.02E+00
1.38E+01 7.13E-01 2.74E-02 8.07E-01 1.61E+01 1.03E+00
1.40E+01 7.13E-01 2.69E-02 8.02E-01 1.57E+01 1.04E+00
1.42E+01 7.12E-01 2.62E-02 7.96E-01 1.52E+01 1.05E+00
1.44E+01 7.11E-01 2.55E-02 7.90E-01 1.46E+01 1.06E+00
1.46E+01 7.10E-01 2.48E-02 7.85E-01 1.41E+01 1.08E+00
1.48E+01 7.09E-01 2.40E-02 7.81E-01 1.35E+01 1.09E+00
1.50E+01 7.08E-01 2.31E-02 7.77E-01 1.29E+01 1.10E+00
1.52E+01 7.07E-01 2.22E-02 7.73E-01 1.24E+01 1.11E+00
1.54E+01 7.06E-01 2.14E-02 7.69E-01 1.18E+01 1.12E+00
1.56E+01 7.04E-01 2.05E-02 7.64E-01 1.13E+01 1.13E+00
1.58E+01 7.03E-01 1.97E-02 7.58E-01 1.07E+01 1.15E+00
1.60E+01 7.02E-01 1.90E-02 7.52E-01 1.02E+01 1.16E+00
1.62E+01 7.00E-01 1.83E-02 7.44E-01 9.71E+00 1.17E+00
1.64E+01 6.99E-01 1.77E-02 7.36E-01 9.27E+00 1.18E+00
1.66E+01 6.98E-01 1.72E-02 7.26E-01 8.88E+00 1.19E+00
1.68E+01 6.97E-01 1.69E-02 7.14E-01 8.57E+00 1.21E+00
1.70E+01 6.96E-01 1.65E-02 7.10E-01 8.34E+00 1.22E+00
1.72E+01 6.96E-01 1.55E-02 7.46E-01 8.19E+00 1.23E+00
1.74E+01 6.95E-01 1.43E-02 7.63E-01 7.76E+00 1.24E+00
1.76E+01 6.93E-01 1.32E-02 7.61E-01 7.08E+00 1.25E+00
1.78E+01 6.90E-01 1.20E-02 7.59E-01 6.40E+00 1.27E+00
1.79E+01 6.89E-01 1.14E-02 7.60E-01 6.06E+00 1.27E+00

Na: p 도핑농도 (/cm3) Voc: 개방전압(V)
Isc: 단락전류(A) FF: Fill Factor
efficiency: 광변환효율(%) V0: 내부 전계
도핑 농도가 증가될 때 내부 전계(V0)는 증가하지만 개방전압은 감소하는 결과가 나왔다. 두께가 얇은 태양전지 소자에서는 긴 확산거리가 오히려 증가된 수집율의 효과보다 양단전압에 의한 전류의 증가에 더 큰 영향을 주어 전류 손실이 일어난다. 도 8에서 얻어진 FF의 변화는 고농도의 p형 층을 가지는 소자는 p형 층의 두께의 변화에 따른 FF의 변화폭이 작다. p형 층의 두께가 두꺼울수록 최대 FF는 줄어들지만 오히려 FF가 증가하는 p 도핑농도의 구간도 있다.도 8에서 FF가 1017/cm3 앞에서부터 다시 오르는 것은 얇은 n형 층이 전부다 공핍층으로 되기 때문에 일어나는 현상이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 최대효율은 19%로 나타났고 p형 층의 두께가 더 두껍고 도핑농도가 옅으면 더 높은 효율을 얻을 수 있다. 옅은 p 도핑 농도는 V0를 감소시키지만 개방전압은 감소시키지 않았으며 결과적으로 넓은 공핍층에 의해 얻어지는 전류이득이 V0의 증가에 따른 이득보다 크게 나타났다.
칼륨 안티몬 화합물을 이용한 태양광 소자의 효율 계산
K3Sb도 Cs3Sb와 같은 방법으로 계산하여 결과를 도출하였다. 표 4 는 계산에 사용된 파라미터이며, 도 10은 absorption coefficient 이다.
K3Sb의 주요 파라미터
파라미터 데이터
소수 반송자 확산거리(Ln, Lp) Ln=4.55ⅹ10-7/cm, Lp=10-8/cm
유전 상수 7.994 F/m
소수 반송자 라이프타임(lifetime) τp
Figure 112011087595673-pat00028
10-13/s, τn
Figure 112011087595673-pat00029
10-12/s
진성 반송자 농도 ni=4.22ⅹ1013/m3
계산의 결과로 도 11은 p형 층의 도핑농도에 따른 I-V 관계그래프, 도 12는 p형 층의 도핑농도에 따른 효율변화이다. 표 5는 p형 층의 도핑 농도에 따른 특성변화를 나열한 것으로 Cs3Sb의 경우와는 다르게 개방전압이 도핑 농도의 증가에 따라 계속 증가하는 것이 아니라 5.01×1015/cm3 이상의 농도에서는 다시 감소하기 시작하는 것을 볼 수 있다.
K3Sb의 p 도핑농도에 따른 특성의 변화
log(Na) Voc Isc FF efficeincy(%)
1.50E+01 6.99E-01 5.47E-02 7.12E-01 2.78E+01
1.52E+01 7.08E-01 5.35E-02 6.90E-01 2.67E+01
1.54E+01 7.13E-01 5.20E-02 6.72E-01 2.54E+01
1.55E+01 7.14E-01 5.13E-02 6.64E-01 2.48E+01
1.57E+01 7.15E-01 4.96E-02 6.49E-01 2.35E+01
1.58E+01 7.15E-01 4.87E-02 6.42E-01 2.28E+01
1.60E+01 7.14E-01 4.67E-02 6.26E-01 2.13E+01
1.61E+01 7.13E-01 4.57E-02 6.19E-01 2.06E+01
1.63E+01 7.12E-01 4.37E-02 6.03E-01 1.91E+01
1.65E+01 7.10E-01 4.16E-02 5.86E-01 1.77E+01
1.67E+01 7.09E-01 3.95E-02 5.69E-01 1.63E+01
1.68E+01 7.08E-01 3.85E-02 5.61E-01 1.56E+01
1.70E+01 7.06E-01 3.66E-02 5.44E-01 1.43E+01
1.72E+01 7.04E-01 3.44E-02 5.36E-01 1.32E+01
1.74E+01 7.02E-01 3.10E-02 5.54E-01 1.23E+01
1.76E+01 7.01E-01 2.76E-02 5.86E-01 1.16E+01
1.78E+01 7.00E-01 2.43E-02 6.25E-01 1.09E+01
1.79E+01 6.99E-01 2.28E-02 6.34E-01 1.03E+01

효율의 경우는 도 13에서와 같이, 도핑농도나 두께에 최적화 되는 부분이 있다. 도 12에서 고농도의 p 도핑에서는 Cs3Sb의 경우보다 FF는 상대적으로 작게 나타났지만 1013/cm3 이하의 저농도 p 도핑일 때는 FF가 Cs3Sb의 FF 보다 크다. Cs3Sb의 경우와 같이 p 영역이 얇아지면 최대 FF는 감소하지만 특정 p 도핑농도에서의 FF는 증가한다. 의 두 FF의 크기는 비슷하지만 태양광 스펙트럼에서 가장 많은 에너지를 가지는 파장영역에 대한 흡수율이 뛰어난 K3Sb의 광전류량이 Cs3Sb보다 크고 효율 또한 더 좋은 결과가 나왔다.
이종접합으로 이루어진 태양광 소자의 효율 계산
앞서 계산에 이용된 Cs3Sb와 K3Sb의 파라미터를 이용하여 동일한 구조의 pn 접합층을 만들었다.n형 층의 두께와 도핑 농도는 앞서의 두 계산과 일치하고 물질은 Cs3Sb를 사용했다. p형 층은 위의 계산과정과 마찬가지로 도핑농도 두께를 변형시키며 효율을 계산하였다. 도 15에 도시된 바와 같이, p형 층의 두께가 5㎛ 이면 최대효율에 수렴하고 도핑농도가 3.98×1013/cm3 일 때 최대변환효율이 40.16%로 나타난다. 도 14의 이종접합 구조는 Cs3Sb가 더 짧은 파장에서의 흡수율이 좋기 때문에 빛이 들어오는 n형 층에 좀 더 긴 파장의 빛을 잘 흡수하는 K3Sb를 그 아래에 두어 효율을 증가시켜 준다. 3가지의 pn 접합층의 경우에서 도핑농도가 1013~1014/cm3 일 때 최고 효율을 형성한다. 그리고 이종접합의 경우가 가장 높은 효율을 달성한다. 이는 서로 다른 파장영역을 흡수하는 두 물질의 합으로 전류량의 증가가 있기 때문일 것이다. 도 16에 이러한 결과가 도시되어 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (17)

  1. pn 접합층을 포함하는 태양광 소자에 있어서,
    빛의 입사면 측에 배치되는 광투과층;
    상기 pn 접합층의 n형 층에 인접 배치되는 전면 전극;
    상기 pn 접합층의 p형 층에 인접 배치되는 후면 전극;
    상기 p형 층과 상기 후면 전극 사이에 배치되는 후면 전계층;
    상기 n형 층과 상기 전면 전극 사이에 배치되는 투명 전도막을 포함하되,
    상기 pn 접합층은 알칼리 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지며,
    상기 태양광 소자가 최적 변환효율을 가질 수 있도록, 진공 조건 하에서 상기 pn 접합층의 n형 층의 도핑농도는 n형의 성질을 유지하는 범위 내에서 상기 안티몬 대비 상기 알칼리 금속의 결합 비율을 통해 조절되고,
    상기 후면 전계층은 상기 p형 층의 도핑 농도보다 더 높은 농도를 갖고,
    상기 전면 전극은 ITO 전극이고, 상기 투명 전도막은 n형으로 도핑된 ZnO이며,
    상기 n형 층의 도핑농도는 적어도 1018/cm3 이상인 태양광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및 세슘 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 태양광 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 pn 접합층의 n형 층은 Li3Sb, Na3Sb, K3Sb, RbxSby(x:y≠3:1), CsxSby(x:y≠3:1) 중 적어도 하나인 태양광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 pn 접합층의 p형 층은 Rb3Sb, Cs3Sb, (NaK)3Sb, [Rb](NaK)3Sb 및 [Cs](NaK)3Sb 중 적어도 하나인 태양광 소자.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 p형 층의 두께는 적어도 5㎛ 이하인 태양광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 pn 접합층은 상기 안티몬 박막에 상기 알칼리 금속을 열 증착시켜 생성되는 태양광 소자.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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