KR101264367B1 - 투명 전도성 반사방지막을 갖는 광전 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 광전 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 에미터층과, 상기 에미터층 상에 형성되며 투명 전도성 산화물로 이루어진 반사방지막, 및 상기 반사방지막 상에 형성되며 금속으로 이루어진 전면 전극을 포함하고, 상기 전면 전극은 상기 반사방지막을 파고들어 부분적으로 삽입된다.

Description

투명 전도성 반사방지막을 갖는 광전 소자{PHOTOELECTRIC ELEMENT HAVING TRANSPARAENT CONDUCTIVE ANTIREFLECTION FILM}
본 발명은 광전 소자에 관한 것으로서 보다 상세하게는 투명 전도성 반사방지막을 갖는 광전 소자에 관한 것이다.
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양 전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경 친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 증가하고 있다.
특히 고유가와 화석연료 부존의 제한성은 재생에너지에 대한 이용을 증대시킬 것으로 보이며, 이중에 이동이 간편하고 휴대할 수 있는 태양 전지의 의존성은 더욱 커질 것으로 예측된다.
태양전지의 구조 및 원리에 대해서 간단히 설명하면, 태양전지는 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 구조의 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole)과 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공(+)은 P형 반도체쪽으로 이동하고 상기 전자(-)는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생하게 됨으로써 전력을 생산할 수 있게 되는 원리이다.
이와 같은 태양전지는 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있다. 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체를 형성하여 태양전지를 제조한 것이다.
기판형 태양전지는 박막형 태양전지에 비하여 효율이 다소 우수하기는 하지만, 공정상 두께를 최소화하는데 한계가 있고 고가의 반도체 기판을 이용하기 때문에 제조비용이 상승되는 단점이 있다. 박막형 태양전지는 기판형 태양전지에 비하여 효율이 다소 떨어지기는 하지만, 얇은 두께로 제조가 가능하고 저가의 재료를 이용할 수 있어 제조비용이 감소되는 장점이 있어 대량생산에 적합하다.
기판형 태양전지에 있어서 에미터층을 얇게 형성하면, 저항이 증가는 문제가 있으며, 에미터층을 두껍게 형성하면 불순물에 의하여 광여기 전자의 재결합이 증가하여 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 효율성이 향상된 광전 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 광전 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 에미터층과, 상기 에미터층 상에 형성되며 투명 전도성 산화물로 이루어진 반사방지막과, 상기 반사방지막 상에 형성되며 금속으로 이루어진 전면 전극을 포함하고, 상기 전면 전극은 상기 반사방지막을 파고들어 부분적으로 삽입된다.
상기 반사방지막은 상기 전면 전극의 하단을 부분적으로 감싸도록 형성될 수 있으며, 상기 에미터층의 두께는 438nm 내지 776nm으로 이루어질 수 있다.
상기 반사방지막은 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), MgO, Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRuO3 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru2O7, Sr4Ru3O10로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 전면 전극은 상기 반사 방지막을 매개로 상기 에미터층과 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 반사 방지막과 상기 에미터층 사이에는 부도체로 이루어진 패시베이션층이 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층은 1nm 내지 50nm의 두께를 갖도록 이루어질 수 있으며, 상기 반사 방지막과 상기 에미터층 사이에는 투명전도성 산화물로 이루어진 패시베이션층이 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층은 상기 반사방지막보다 더 큰 광투과성을 갖도록 이루어질 수 있으며, 상기 반사방지막은 상기 패시베이션층보다 더 큰 전기 전도성을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 광전 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 에미터층과, 상기 에미터층 상에 형성되며 투명 전도성 산화물로 이루어진 반사방지막, 및 상기 반사방지막 상에 형성되며 투명 전도성 산화물로 이루어진 제1 전면 전극을 포함한다.
상기 제1 전면 전극 상에는 상기 제1 전면 전극 보다 더 작은 폭을 갖고 금속으로 이루어진 제2 전면 전극이 형성될 수 있으며, 상기 제2 전면 전극은 상기 제1 전면 전극을 파고들어 부분적으로 삽입될 수 있다.
상기 제1 전면 전극은 상기 제2 전면 전극의 하단을 부분적으로 감싸도록 이루어질 수 있으며, 상기 에미터층의 두께는 438nm 내지 776nm으로 이루어질 수 있다.
상기 패시베이션층은 상기 반사방지막보다 더 큰 광투과성을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 반사방지막은 상기 패시베이션층보다 더 큰 전기 전도성을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면 투명 전도성 반사방지막을 구비하여 전기 저항이 낮으면서도 효율이 우수한 광전 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 2a는 ITO가 코팅된 반도체 기판의 투과율을 나타낸 그래프이고, 도 2b는 반도체 기판의 반사율과 ITO가 코팅된 반도체 기판의 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 반도체 기판의 깊이에 따른 불순물의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 실리콘 기판 상에 ITO 필름이 형성된 것을 나타낸 TEM 사진이고, 도 4b는 실리콘 기판과 ITO 필름에 대한 에너지 분산형 X선 분광기(EDS)의 사진이며, 도 4c는 실리콘 기판과 ITO 필름에 대한 XRD사진이며, 도 4d는 실리콘 기판과 ITO 필름에 대한 푸리에 회절 변환(FFT)을 나타낸 사진이고, 도 4e는 반사방지막에 전면 전극이 삽입된 상태를 나타낸 사진다.
도 5a는 에미터층의 두께에 따른 내부양자효율을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 에미터층의 두께에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 SiNx로 이루어진 반사방지막이 형성된 얇은 도핑 에미터층을 갖는 반도체 기판 상에 은(Ag)으로 이루어진 전면 전극이 형성된 것을 나타낸 사진이고, 도 6b는 ITO로 이루어진 반사방지막이 형성된 얇은 도핑 에미터층을 갖는 기판 상에 은(Ag)으로 이루어진 전면 전극이 형성된 것을 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
또한 본 발명에 있어서 "~상에"라 함은 대상부재의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력방향을 기준으로 상부에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 본 기재에 있어서 "PN 접합"이라 함은 P형 반도체와 N형 반도체가 접합된 구조를 의미하는 것으로 P형 반도체와 N형 반도체 사이에 I형 반도체가 개재된 PIN접합을 포함하는 넓은 의미의 PN 접합으로 정의한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 광전 소자(101)는 반도체 기판(21)과 반도체 기판(21) 상에 형성된 에미터층(23)과 에미터층(23) 상에 형성된 반사방지막(13)과 반사방지막(13)에 부분적으로 삽입 설치된 전면 전극(31)을 포함한다.
반도체 기판(21)의 배면에는 오믹 접합으로 결합된 배면 전극(12)이 형성된다. 배면 전극(12)은 반도체 기판(21)의 배면에 전체적으로 형성되며, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다.
반도체 기판(21)은 결정질 실리콘 웨이퍼 형태로 이루어지며, P형의 성질을 갖는 결정질 실리콘에 N형 물질을 도핑하여 에미터층(23)을 얻을 수 있다. 또한, 웨이퍼는 실리콘 이외에 GaAs로 이루어질 수 있다.
이처럼 P형 반도체 기판(21)에 N형 성질을 갖는 에미터층(23)이 형성되면, 반도체 기판(21)과 에미터층(23)의 계면에는 P-N접합(junction)이 형성되며, P-N접합에 광이 조사되면 광전효과에 의해 광기전력이 발생할 수 있다. 반도체 기판(21)과 에미터층(23)이 결합되어 PN접합 반도체층(20)을 이룬다.
한편, 반사방지막(13)은 반도체 기판(21)의 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시키는 바, 태양광의 반사율이 감소되면 P-N 접합까지 도달되는 빛의 량이 증대되어 광전 소자(101)의 단락전류(Isc)가 증가한다.
반사방지막(13)은 공기의 굴절율보다 크고, 에미터층(23)의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는다. 반사방지막(13)은 에미터층(23)과 접하도록 배치되며, 투명 전도성 산화물로 이루어진다. 반사방지막(13)은 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), MgO, Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRuO3 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru2O7 및 Sr4Ru3O10로 이루어질 수 있다. 반사방지막(13)은 증착 등의 방법으로 형성될 수 있다.
본 실시예와 같이 반사방지막(13)이 투명 전도성 산화물로 이루어지면 전면 전극(31)과 에미터층(23) 사이의 저항이 감소한다.
전면 전극(31)은 복수 개의 띠를 구비하여 그물 형태로 배치되며 알루미늄(Al), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 전면 전극(31)은 반사방지막(13)을 파고들어 반사방지막(13)에 부분적으로 삽입된다. 이 때, 전면 전극(31)의 하단은 반사방지막(13)에 의하여 감싸져, 전면 전극(31)은 반사방지막(13)을 통해서 에미터층(23)과 전기적으로 연결된다.
반사방지막(13)이 절연성을 갖는 Oxide, SiOx, SiNx 등을 포함하는 물질로 이루어지면 전면 전극과 PN접합 반도체층 사이의 저항이 증가하는 문제가 있다. 그러나 본 실시예와 같이 반사방지막(13)이 투명 전도성 산화물로 이루어지고 전면 전극(31)이 반사방지막(13)에 삽입되면 저항이 증가하지 않으면서 반사방지효과를 얻을 수 있다.
도 2a는 ITO가 코팅된 반도체 기판의 투과율을 나타낸 그래프이고, 도 2b는 반도체 기판의 반사율과 ITO가 코팅된 반도체 기판의 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 2a에 도시된 바와 같이 400nm~1100nm의 파장대에서 ITO로 이루어진 반사방지막(13)이 형성된 반도체 기판(21)의 투과율은 평균 79.15%인 것을 알 수 있다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 400nm~1100nm의 파장대에서 반도체 기판(21)의 반사율은 13.28%로 높은 것을 알 수 있다. 이는 실리콘의 굴절율이 4.1이고 공기의 굴절율이 1.0으로 실리콘과 공기의 굴절 차이가 크기 때문이다.
그러나 ITO로 이루어진 반사방지막(13)이 코팅된 반도체 기판(21)의 반사율은 3.71%로 낮은 것을 알 수 있다. 이는 1.9의 굴절율을 갖는 ITO가 실리콘 기판과 공기 사이에 배치되어 반사를 감소시켰기 때문이다.
에미터층(23)이 얇게 도핑되면 저항이 증가하는 문제가 있으며, 에미터층(23)이 두껍게 도핑되면 깊이 침투한 에미터 불순물에 의하여 광여기 전자의 재결합이 증가하는 문제가 있다.
불순물층 제1도핑공정 제2 도핑공정
얇은 도핑 810 oC/20 min -
중간 도핑 810 oC/20 min 860oC/3min
두꺼운 도핑 810 oC/20 min 860oC/5min
표 1에 나타난 바와 같이 2차 도핑 시간의 조절을 통해서 불순물층의 깊이를 조절할 수 있다.
도 3은 반도체 기판의 깊이에 따른 불순물의 농도를 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도핑 공정의 조절에 따라 불순물 농도가 깊이 방향으로 달라지는 것을 알 수 있다.
에미터층(23)이 얇게 도핑되면 면저항이 120Ω/□ 이상으로 증가하며, 깊이에 따른 농도도 감소하는 것을 알 수 있다. 반도체 기판(21)의 P형 불순물 도핑 농도가 1016/cm3일 경우, 적정한 에미터 불순물의 농도는 1017/cm3인 바, 면저항이 85Ω/□으로 두껍게 도핑된 에미터층의 경우, 776nm까지 1017/cm3농도를 나타냈으며, 면저항이 98Ω/□으로 중간 두께로 도핑된 에미터층의 경우, 694nm까지 1017/cm3농도를 나타냈다. 또한, 면저항이 125Ω/□으로 얇게 도핑된 에미터층의 경우, 438nm까지 1017/cm3농도를 나타냈다.
이에 따라 두꺼운 도핑 에미터층의 두께는 776nm가 되고, 중간 도핑 에미터층의 두께는 694nm가 되며 얇은 도핑 에미터층의 두께는 438nm가 된다.
도 4a는 실리콘 기판 상에 ITO 필름이 형성된 것을 나타낸 TEM 사진이고, 도 4b는 실리콘 기판과 ITO 필름에 대한 에너지 분산형 X선 분광기(EDS)의 사진이며, 도 4c는 실리콘 기판과 ITO 필름에 대한 XRD사진이며, 도 4d는 실리콘 기판과 ITO 필름에 대한 푸리에 회절 변환(FFT)을 나타낸 사진이고, 도 4e는 반사방지막에 전면 전극이 삽입된 상태를 나타낸 사진다.
도 4e에 도시된 바와 같이 전면 전극(31)을 이루는 Ag 입자가 반사방지막(13)을 이루는 ITO 층에 부분적으로 침투하여 삽입 되었음을 알 수 있다.
도 5a는 에미터층의 두께에 따른 내부양자효율을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 에미터층의 두께에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명하면 에미터층(23)의 두께가 얇은 경우, 낮은 파장에서 내부양자효율(IQE)이 높은 것을 알 수 있으며, 에미터층(23)의 두께가 두꺼운 경우에는 내부양자효율이 낮을 것을 알 수 있다. 내부양자효율이 높아지면 광여기 전자 및 전공이 많이 생성되어 광전 효율이 향상된다. 이는 도핑의 농도가 높아서 에미터층(23)의 두께가 증가하면 생성된 캐리어들의 재결합률이 높아져서, 내부양자효율이 낮아지며, 이는 광전효율의 감소를 유발하기 때문이다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 투명 전도성 산화물(TCO)로 이루어진 반사방지막(13)이 형성된 경우 일반적인 SiNx로 이루어진 반사방지막에 비하여 전류 밀도가 현저히 높아진 것을 알 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 반사방지막(13)이 형성된 경우, 에미터가 얇게 도핑된 기판의 전류 밀도가 가장 높게 나타났다.
에미터 Jsc [mA/cm2] Voc [mV] Efficiency [%] FF [%] Rs [Ω]
TCO+두꺼운 도핑 에미터 30.18 577 13.2 75.8 0.181
TCO+중간 도핑 에미터 31.74 585 13.9 74.6 0.177
TCO+얇은 도핑 에미터 32.71 583 14.1 74.0 0.172
SiNx+얇은 도핑 에미터 34.25 609 7.0 33.5 1.013
표 2에 도시된 바와 같이 100mW/cm2의 빛이 조사될 때, 투명 전도성 산화물로 이루어진 반사방지막(13)을 갖는 얇은 도핑 에미터 기판에서 개방회로전압(Voc)이 583mV, 단락전류는 32.71 mA/cm2, 필팩터(fill factor)는 74%인 것으로 나타났다. 또한 광전 효율은 14.1%로 가장 높게 나타났다.
이에 비하여 SiNx로 이루어진 반사방지막을 갖는 얇은 도핑 에미터 기판의 경우, 저항이 1.013Ω으로 매우 높게 나타났으며, 광전 효율은 7.0%로 매우 낮게 나타났다.
도 6a는 SiNx로 이루어진 반사방지막이 형성된 얇은 도핑 에미터층을 갖는 반도체 기판 상에 은(Ag)으로 이루어진 전면 전극이 형성된 것을 나타낸 사진이고, 도 6b는 ITO로 이루어진 반사방지막이 형성된 얇은 도핑 에미터층을 갖는 기판 상에 은(Ag)으로 이루어진 전면 전극이 형성된 것을 나타낸 사진이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, SiNx로 이루어진 반사방지막의 경우, 전면 전극이 에미터층까지 파고들어서 불균일한 전류 흐름을 유발하는 것을 알 수 있다. P형 반도체기판 층까지 파고든 전면 전극은 접촉저항을 증가시켜서 광전 효율을 저하시킨다.
이에 반하여 도 6b에 도시된 바와 같이, ITO로 이루어진 반사방지막의 경우, 전면 전극인 Ag의 하단이 ITO에 삽입되더라도 전면 전극의 바닥이 ITO에 의하여 감싸져 에미터층까지 삽입되지 못한 것을 알 수 있다.
이에 따라 전면 전극은 투명 전도성 산화물을 통해서 에미터층과 전기적으로 연결되므로 전류의 경로가 균일하여 접촉저항이 감소된다. 반사방지막이 전도성 물질로 이루어지므로 접촉저항의 증가없이 에미터층과 전면 전극이 안정적으로 연결된다.
본 실시예에 따른 전면 전극(31)은 반사방지막(13)에 부분적으로 삽입되며 전면 전극(31)의 하단은 반사방지막에 감싸여 있다. 또한 본 실시예에 따른 에미터층(23) 두께는 438nm 내지 776nm로 이루어진다. 에미터층(23) 두께가 776nm 보다 더 크면 재결합이 증가하여 효율이 저하되는 문제가 있으며, 에미터층(23)의 두께가 438nm 보다 더 작으면 전극과 에미터층 간의 접합 저항이 증가하여 효율이 저하되는 문제가 있다. 이러한 에미터층(23)의 면저항은 에미터층(23)의 두께에 따라 조절된다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 광전 소자(102)는 반도체 기판(21)과 반도체 기판(21) 상에 형성된 에미터층(23)과 에미터층(23) 상에 형성된 패시베이션층(passivation)(15)과 패시베이션층(15) 상에 형성된 반사방지막(13)과 반사방지막(13)에 부분적으로 삽입 설치된 전면 전극(31)을 포함한다.
반도체 기판(21)의 배면에는 오믹 접합으로 결합된 배면 전극(12)이 형성된다. 배면 전극(12)은 반도체 기판(21)의 배면에 전체적으로 형성되며, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다.
반도체 기판(21)은 결정질 실리콘 웨이퍼 형태로 이루어지며, P형의 성질을 갖는 결정질 실리콘에 N형 물질을 도핑하여 에미터층(23)을 얻을 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 에미터층(23) 두께는 438nm 내지 776nm로 이루어진다.
또한, 웨이퍼는 실리콘 이외에 GaAs로 이루어질 수 있다. 반도체 기판(21)과 에미터층(23)이 결합되어 PN접합 반도체층(20)을 이룬다. 이처럼 반도체 기판(21)과 에미터층(23)에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 기판(21)과 에미터층(23)의 계면에는 P-N접합(junction)이 형성되며, P-N접합에 광이 조사되면 광전효과에 의해 광기전력이 발생할 수 있다.
한편, 패시베이션층(15)은 부도체로 이루어지며 Oxide, SiOx, SiNx 중에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
패시베이션층(15)은 에미터층(23)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화한다. 에미터층(23)에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 광전 소자(101)의 개방전압(Voc)이 증가한다. 패시베이션층(15)의 두께는 1nm 내지 50nm의 두께를 갖는다. 패시베이션층의 두께가 50nm보다 크면 저항이 증가하는 문제가 있으며, 패시베이션층의 두께가 1nm보다 작으면 결합의 부동화가 제대로 이루어지지 못하는 문제가 있다.
반사방지막(13)은 공기의 굴절율보다 크고, 반도체 기판(21)의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는다. 반사방지막(13)은 에미터층(23)과 접하도록 배치되며, 투명 전도성 산화물로 이루어진다. 반사방지막(13)은 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), MgO, Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRuO3 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru2O7 및 Sr4Ru3O10로 이루어질 수 있다. 반사방지막(13)은 증착 등의 방법으로 형성될 수 있다.
본 실시예와 같이 반사방지막(13)이 투명 전도성 산화물로 이루어지면 전면 전극(31)과 에미터층(23) 사이의 저항이 감소한다. 반사방지막(13)은 패시베이션층(15)에 침투하여 부분적으로 삽입될 수 있다.
전면 전극(31)은 복수 개의 띠를 구비하여 그물 형태로 배치되며 알루미늄(Al), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 전면 전극(31)은 반사방지막(13)을 파고들어 반사방지막(13)에 부분적으로 삽입된다. 이 때, 전면 전극(31)의 하단은 반사방지막(13)에 의하여 감싸져, 전면 전극(31)은 반사방지막(13)을 통해서 에미터층(23)과 전기적으로 연결된다.
본 실시예와 같이 반사방지막(13)이 투명 전도성 산화물로 이루어지고 전면 전극(31)이 반사방지막(13)에 삽입되면 저항이 증가하지 않으면서 반사방지효과를 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 광전 소자(103)는 반도체 기판(21)과 반도체 기판(21) 상에 형성된 에미터층(23)과 에미터층(23) 상에 형성된 패시베이션층(passivation)(14)과 패시베이션층(14) 상에 형성된 반사방지막(13)과 반사방지막(13)에 부분적으로 삽입 설치된 전면 전극(31)을 포함한다.
반도체 기판(21)의 배면에는 오믹 접합으로 결합된 배면 전극(12)이 형성된다. 배면 전극(12)은 반도체 기판(21)의 배면에 전체적으로 형성되며, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다.
반도체 기판(21)은 결정질 실리콘 웨이퍼 형태로 이루어지며, P형의 성질을 갖는 결정질 실리콘에 N형 물질을 도핑하여 에미터층(23)을 얻을 수 있다. 본 실시의 예에서는 에미터층의 두께는 438nm 에서 776nm로 이루어질 수 있다.
또한, 웨이퍼는 실리콘 이외에 GaAs로 이루어질 수 있다. 반도체 기판(21)과 에미터층(23)이 결합되어 PN접합 반도체층(20)을 이룬다. 이처럼 반도체 기판(21)과 에미터층(23)에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 반도체 기판(21)과 에미터층(23)의 계면에는 P-N접합(junction)이 형성되며, P-N접합에 광이 조사되면 광전효과에 의해 광기전력이 발생할 수 있다.
패시베이션층(14)과 반사방지막(13)은 투명 전도성 산화물로 이루어진다. 패시베이션층(14)은 광투과성이 우수한 소재로 이루어지는 바, 패시베이션층(14)의 광투과성은 반사방지막(13)의 광투과성보다 더 큰 값을 갖는다. 한편, 반사방지막(13)은 전기 전도성이 우수한 소재로 이루어지는 바, 반사방지막(13)의 전기 전도성은 패시베이션층(14)의 전기 전도성보다 더 큰 값을 갖는다.
패시베이션층(14)과 반사방지막(13)은 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), MgO, Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRuO3 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru2O7 및 Sr4Ru3O10 등으로 이루어질 수 있다. 패시베이션층(14)과 반사방지막(13)은 증착 등의 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 반사방지막(13)은 패시베이션층(14)을 템플릿으로 하여 성장 형성될 수 있다.
본 실시예에서 패시베이션층(14)이 AZO로 이루어지고, 반사방지막(13)이 ITO로 이루어질 수 있다. 반사방지막(13)이 ITO로 이루어지고, 패시베이션층(14)이 AZO로 이루어지면, 전자 이동도(electron mobility)가 우수해질 뿐만 아니라 ITO 전극에 비하여 광투과율도 향상된다.
패시베이션층(14)은 에미터층(23)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화한다. 에미터층(23)에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 광전 소자(103)의 개방전압(Voc)이 증가한다.
반사방지막(13)은 공기의 굴절율보다 크고, 반도체 기판(21)의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는다.
전면 전극(31)은 복수 개의 띠를 구비하여 그물 형태로 배치되며 알루미늄(Al), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 전면 전극(31)은 반사방지막(13)을 파고들어 반사방지막(13)에 부분적으로 삽입된다. 이 때, 전면 전극(31)의 하단은 반사방지막(13)에 의하여 감싸져, 전면 전극(31)은 반사방지막(13)을 통해서 에미터층(23)과 전기적으로 연결된다.
본 실시예와 같이 반사방지막(13)이 투명 전도성 산화물로 이루어지고 전면 전극(31)이 반사방지막(13)에 삽입되면 저항이 증가하지 않으면서 반사방지효과를 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 광전 소자(104)는 반도체 기판(21)과 반도체 기판(21) 상에 형성된 에미터층(23)과 에미터층(23) 상에 형성된 반사방지막(13)과 반사방지막(13) 상에 형성된 제1 전면 전극(32) 및 제1 전면 전극(32)에 부분적으로 삽입 설치된 제2 전면 전극(35)을 포함한다.
반도체 기판(21)의 배면에는 오믹 접합으로 결합된 배면 전극(12)이 형성된다. 배면 전극(12)은 반도체 기판(21)의 배면에 전체적으로 형성되며, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다.
반도체 기판(21)은 결정질 실리콘 웨이퍼 형태로 이루어지며, P형의 성질을 갖는 결정질 실리콘에 N형 물질을 도핑하여 에미터층(23)을 얻을 수 있다. 본 실시예에서 에미터층의 두께는 438nm에서 776nm로 이루어질 수 있다.
또한, 웨이퍼는 실리콘 이외에 GaAs로 이루어질 수 있다. 반도체 기판(21)과 에미터층(23)이 결합되어 PN접합 반도체층(20)을 이룬다. 이처럼 반도체 기판(21)과 에미터층(23)에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 기판(21)과 에미터층(23)의 계면에는 P-N접합(junction)이 형성되며, P-N접합에 광이 조사되면 광전효과에 의해 광기전력이 발생할 수 있다.
반사방지막(13)은 공기의 굴절율보다 크고, 반도체 기판(21)의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는다. 반사방지막(13)은 에미터층(23)과 접하도록 배치되며, 투명 전도성 산화물로 이루어진다. 반사방지막(13)은 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), MgO, Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRuO3 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru2O7 및 Sr4Ru3O10로 이루어질 수 있다. 반사방지막(13)은 증착 등의 방법으로 형성될 수 있다.
본 실시예와 같이 반사방지막(13)이 투명 전도성 산화물로 이루어지면 전면 전극(31)과 에미터층(23) 사이의 저항이 감소한다.
제1 전면 전극(32)은 투명 전도성 산화물로 이루어진다. 제1 전면 전극(32)은 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), MgO, Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRuO3 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru2O7 및 Sr4Ru3O10로 이루어질 수 있다.
제1 전면 전극(32)은 복수 개의 띠를 구비하여 그물 형태로 배치된다. 제2 전면 전극(35)은 제1 전면 전극(32) 보다 더 작은 폭을 갖도록 형성되며, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다.
제2 전면 전극(35)은 제1 전면 전극(32)을 파고들어 반사방지막(13)에 부분적으로 삽입된다. 이 때, 제2 전면 전극(35)의 하단은 제1 전면 전극(32)에 의하여 감싸진다.
반사방지막(13)은 광투과성이 우수한 소재로 이루어지는 바, 반사방지막(13)의 광투과성은 제1 전면 전극(32)의 광투과성보다 더 큰 값을 갖는다. 한편, 제1 전면 전극(32)은 전기 전도성이 우수한 소재로 이루어지는 바, 제1 전면 전극(32)의 전기 전도성은 반사방지막(13)의 전기 전도성보다 더 큰 값을 갖는다.
본 실시예와 같이 제1 전면 전극(32)과 제2 전면 전극(35)을 구비하면 불투명한 금속으로 이루어진 제2 전면 전극(35)의 면적이 종래의 7% 정도에서 크게 감소될 수 있으므로 광효율이 향상된다.
또한, 반사방지막(13)과 제1 전면 전극(32)이 투명 전도성 산화물로 이루어지면 전면 전극들(32, 35)과 에미터층(23) 사이의 저항을 감소시키면서도 안정적으로 연결할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 광전 소자(105)는 반도체 기판(21)과 반도체 기판(21) 상에 형성된 에미터층(23)과 에미터층(23) 상에 형성된 반사방지막(13)과 반사방지막(13) 상에 형성된 전면 전극(34)을 포함한다.
반도체 기판(21)의 배면에는 오믹 접합으로 결합된 배면 전극(12)이 형성된다. 배면 전극(12)은 반도체 기판(21)의 배면에 전체적으로 형성되며, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다.
반도체 기판(21)은 결정질 실리콘 웨이퍼 형태로 이루어지며, P형의 성질을 갖는 결정질 실리콘에 N형 물질을 도핑하여 에미터층(23)을 얻을 수 있다. 본 실시예에 따른 에미터층의 두께는 438nm 내지 776nm로 이루어진다.
또한, 웨이퍼는 실리콘 이외에 GaAs로 이루어질 수 있다. 반도체 기판(21)과 에미터층(23)이 결합되어 PN접합 반도체층(20)을 이룬다. 이처럼 반도체 기판(21)과 에미터층(23)에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 기판(21)과 에미터층(23)의 계면에는 P-N접합(junction)이 형성되며, P-N접합에 광이 조사되면 광전효과에 의해 광기전력이 발생할 수 있다.
반사방지막(13)은 공기의 굴절율보다 크고, 반도체 기판(21)의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는다. 반사방지막(13)은 에미터층(23)과 접하도록 배치되며, 투명 전도성 산화물로 이루어진다. 반사방지막(13)은 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), MgO, Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRuO3 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru2O7 및 Sr4Ru3O10로 이루어질 수 있다. 반사방지막(13)은 증착 등의 방법으로 형성될 수 있다.
본 실시예와 같이 반사방지막(13)이 투명 전도성 산화물로 이루어지면 전면 전극(31)과 에미터층(23) 사이의 저항이 감소한다. 전면 전극(34)은 복수 개의 띠를 구비하여 그물 형태로 배치되며 투명 전도성 산화물로 이루어진다.
반사방지막(13)은 광투과성이 우수한 소재로 이루어지는 바, 반사방지막(13)의 광투과성은 전면 전극(34)의 광투과성보다 더 큰 값을 갖는다. 한편, 전면 전극(34)은 전기 전도성이 우수한 소재로 이루어지는 바, 전면 전극(34)의 전기 전도성은 반사방지막(13)의 전기 전도성보다 더 큰 값을 갖는다.
본 실시예와 같이 전면 전극(34)과 반사방지막(13)이 투명 전도성 산화물로 이루어지면 빛의 입사 면적이 증가하여 광 효율이 향상될 뿐만 아니라 전면 전극(34)과 에미터층(23) 사이의 저항을 감소시키면서도 안정적으로 연결할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200: 태양 전지 10, 30: 반도체층
101, 102, 103, 104, 105: 광전 소자
12: 배면 전극 13: 반사방지막
14, 15: 패시베이션층 20: PN접합 반도체층
21: 반도체 기판 23: 에미터층
31, 34: 전면 전극 32: 제1 전면 전극
35: 제2 전면 전극

Claims (17)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 에미터층;
    상기 에미터층 상에 형성되며 투명 전도성 산화물로 이루어진 반사방지막;
    상기 반사방지막 상에 형성되며 금속으로 이루어진 전면 전극
    을 포함하고,
    상기 전면 전극은 상기 반사방지막을 파고들어 부분적으로 삽입되며,
    상기 전면 전극의 하단은 상기 반사방지막에 의하여 감싸져 상기 전면 전극은 상기 반사방지막을 통해서 상기 에미터층과 전기적으로 연결된 광전소자.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 에미터층의 두께는 438nm 내지 776nm로 이루어진 광전소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반사방지막은 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), MgO, Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRuO3 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru2O7, Sr4Ru3O10로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어진 광전소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전면 전극은 상기 반사 방지막을 매개로 상기 에미터층과 전기적으로 연결된 광전소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 반사 방지막과 상기 에미터층 사이에는 부도체로 이루어진 패시베이션층이 형성된 광전소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 1nm 내지 50nm의 두께를 갖는 광전소자.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 반사 방지막과 상기 에미터층 사이에는 투명전도성 산화물로 이루어진 패시베이션층이 형성된 광전소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 반사방지막보다 더 큰 광투과성을 갖는 광전소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 반사방지막은 상기 패시베이션층보다 더 큰 전기 전도성을 갖는 광전소자.
  11. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 에미터층;
    상기 에미터층 상에 형성되며 투명 전도성 산화물로 이루어진 반사방지막;
    상기 반사방지막 상에 형성되며 투명 전도성 산화물로 이루어진 제1 전면 전극; 및
    상기 제1 전면 전극 상에 형성되며 상기 제1 전면 전극 보다 더 작은 폭을 갖고 금속으로 이루어진 제2 전면 전극;
    을 포함하며,
    상기 제2 전면 전극은 상기 제1 전면 전극을 파고들어 부분적으로 삽입되고, 상기 제2 전면 전극의 하단은 상기 제1 전면 전극에 의하여 감싸진 광전소자.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 에미터층의 두께는 438nm 내지 776nm로 이루어진 광전소자.
  16. 삭제
  17. 삭제
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