KR101336061B1 - 수평 배열된 광기전 셀들을 갖는 태양 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

수평 배열된 광기전 셀들을 갖는 태양 전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양 전지에 관한 것이다. 본 발명의 태양 전지는 기판과 기판의 표면에 수평의 교대적 배열을 갖는 p층과 n층 그리고 그 사이에 위치한 광흡수층을 포함하는 복수개의 광기전 셀을 포함한다. 광흡수층은 수평으로 배열된 p층과 n층 사이에 동일하게 수평적으로 위치함으로서 광흡수율을 높일 수 있어서 태양 전지의 효율을 향상 시킬 수 있다.
태양 전지, 광흡수층, 광기전

Description

수평 배열된 광기전 셀들을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법{SOLAR CELLS HAVING HORIZONTAL ARRAYED PHOTOVOLTAIC CELLS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 광기전 셀들을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 광흡수층을 보다 직접적으로 태양광에 노출되도록 하여 광효율을 향상 시키는 수평 배열된 복수개의 광기전 셀을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양광 발전의 핵심 소자이다. 태양광 발전은 차세대 에너지원으로 활용 가치가 매우 높은 에너지원이며 환경오염이 거의 없는 청정 에너지원으로 환경오염과 에너지 자원의 고갈이 심각한 상황에서 매우 적절한 대체 에너지원으로 그 중요성이 높아가고 있다. 그러나 태양광 발전에 있어서 문제가 되는 것으로 가장 큰 부분의 하나는 발전 전력량에 비하여 설비 투자비가 너무 과도하게 발생된다는 점이다. 태양광 발전을 위한 설비 투자에 있어서 많은 부분이 태양 전지에 할당된다. 그럼으로 가급적 저비용으로 고효율의 태양 전지를 제조할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
태양 전지의 가장 중요한 부분은 광전 변환 효율이다. 그럼으로 광전 변환 효율이 높은 태양 전지를 개발 및 상용화하기 위한 노력들이 지속적으로 시도되고 있으며 그에 따라 다양한 재료와 다양한 구조의 태양 전지들이 개발되고 있다. 태양 전지의 기본적인 동작 원리는 반도체 pn 접합으로 구성된 태양전지에 반도체 에너지 밴드갭보다 큰 에너지의 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되어 광기전력을 발생하게 되는 것이다.
비정질 실리콘(a-Si)계의 태양 전지의 기본 구조는 그 지지 기판의 종류에 다라 크게 두 종류로 구분될 수 있다. 유리등의 투과성 기판을 광입사측 지지기판으로 사용한 경우와 금속이나 플라스틱과 같은 불투과성 지지기판을 태양전지의 이면측에 사용한 경우이다. 또는 태양광이 입사되는 방향에 따라 구분되기도 한다. 기판으로부터 태양광이 입사되는 p-i-n형의 광기전 셀을 갖는 태양 전지와 기판과는 반대편으로부터 태양광이 입사되는 n-i-p형의 광기전 셀을 갖는 태양 전지로 구분될 수 있다. 두 구조의 태양 전지 모두 기판, 투명전극, p층, 광흡수층(i층), n층, 후면 반사기, 금속전극 등으로 구성된다. 단일 접합 구조의 태양 전지 뿐만 아니라 광학적 밴드갭이 서로 다른 광흡수층을 갖는 단위 셀들을 순차적으로 적층함으로써 광범위한 파장대의 빛을 흡수하여 효율을 높이일 수 있는 다중 접합 구조의 태양 전지도 있다.
그런데, 이러한 종래의 적층형 구조의 태양 전지는 p층과 n층 사이에 광흡수층이 위치하는 적층 구조를 갖고 있어서 광흡수층까지 광이 도달하는 과정에서 발생될 수 있는 손실분을 어쩔 수 없이 감수해야 한다.
본 발명의 목적은 광흡수층의 광흡수율을 높일 수 있도록 수평으로 배열된 p층, 광흡수층, n층을 포함한 복수개의 광기전 셀을 갖는 태양 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 수평 배열된 복수개의 광기전 셀의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 태양 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 특징에 따른 태양 전지는: 기판; 및 기판의 표면에 수평으로 교대적으로 배열된 p층과 n층 그리고 그 사이에 위치한 광흡수층(i층)을 포함하는 복수개의 광기전 셀을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 광기전 셀에 포함된 광흡수층들은 서로 동일한 광학적 밴드갭을 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 광기전 셀에 포함된 광흡수층들은 서로 다른 광학적 밴드갭을 갖는 두 개 이상의 그룹들을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 기판은 태양광에 대한 투과성 기판 또는 불투과성 기판 중 어느 하나이다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 광기전 셀은 p층 상부에 위치하는 제1 전극과 n층 상부에 위치하는 제2 전극을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 광기전 셀은 p층과 기판의 표면 사이에 위치하는 제1 전극과 n층과 기판의 표면 사이에 위치하는 제2 전극을 포함한다.
본 발명의 다른 일면은 태양 전지에 관한 것이다. 본 발명의 다른 특징에 따른 태양 전지는: 기판; 기판의 제1 표면에 수평으로 교대적으로 배열된 p층과 n층 그리고 그 사이에 위치한 광흡수층(i층)을 포함하는 복수개의 제1 광기전 셀; 및 기판의 제2 표면에 수평으로 교대적으로 배열된 p층과 n층 그리고 그 사이에 위치한 광흡수층(i층)을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 광기전 셀들에 포함된 광흡수층들은 서로 동일한 광학적 밴드갭을 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 광기전 셀들에 포함된 광흡수층들은 서로 다른 광학적 밴드갭을 갖는 두 개 이상의 그룹들을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 기판은 태양광에 대한 투과성 기판 또는 불투과성 기판 중 어느 하나이다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 광기전 셀은 p층 상부에 위치하는 제1 전극과 n층 상부에 위치하는 제2 전극을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 광기전 셀은 p층과 기판의 표면 사이에 위치하는 제1 전극과 n층과 기판의 표면 사이에 위치하는 제2 전극을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면은 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 또 다른 특징에 따른 태양 전지의 제조 방법은: 기판을 제공하는 단계; 및 기판의 표면에 수평으로 교대적으로 배열된 p층과 n층 그리고 그 사이에 위치하는 광흡 수층을 포함하는 복수개의 광기전 셀을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 광기전 셀에 포함된 광흡수층들을 서로 동일한 광학적 밴드갭을 갖도록 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 광기전 셀에 포함된 광흡수층들은 서로 다른 광학적 밴드갭을 갖는 두 개 이상의 그룹들을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, p층 상부에 위치하는 제1 전극과 n층 상부에 위치하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, p층과 기판의 표면 사이에 위치하는 제1 전극과 n층과 기판의 표면 사이에 위치하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 광기전 셀을 형성하는 단계는 수평결정화 방식, 저압화학기상증착 방식, 플라즈마 화학기상증착 방식 중 선택된 하나 이상의 방식으로 형성한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광기전 셀을 형성하는 단계는 와이어 마스크를 이용한다.
본 발명의 수평 배열된 광기전 셀들을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법에 의하면, 광흡수층을 수평으로 배열된 p층과 n층 사이에 동일하게 수평적으로 위치시킴으로서 광흡수율을 높일 수 있어서 태양 전지의 효율을 향상 시킬 수 있다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면 을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다. 도 1을 참조하여, 태양 전지(10)는 기판(10)과 기판(10)의 표면에 수평의 교대적 배열을 갖는 p층(13)과 n층(15) 그리고 그 사이에 위치한 광흡수층(i층)(14)을 포함하는 복수개의 광기전 셀(12)을 포함한다. 광흡수층(14)은 수평으로 배열된 p층(13)과 n층(15) 사이에 동일하게 수평적으로 위치함으로서 광흡수율을 높일 수 있어서 태양 전지(10)의 효율을 향상 시킬 수 있다.
p층(13), 광흡수층(i층)(12) 및, n층(14)은 기판(10)의 표면에 대하여 평면적으로 볼 때 직선형 구조를 갖지만 다른 변형된 구조를 갖도록 변형 실시할 수도 있다. 예를 들어, 원형이나 사각형 또는 다각형 등과 같은 서로 다른 직경을 갖는 동심원 구조를 갖도록 할 수 있다. 또는 스파이럴 구조나 지그재그 구조와 같이 다양한 형태의 변형이 가능하다.
p층(13) 상부에는 제1 전극(16)이 구성되며, n층(15) 상부에는 제2 전극(17) 이 구성된다. 제1 및 제2 전극(16, 17)은 알루미늄, 티타늄, 팔라듐, 니켈, 구리, 은과 같은 도전성 금속이나 투명 전극으로 구성될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, 태양 전지(10)는 태양광의 입사측으로 보호막을 형성하는 것이 바람직하다. 보호막은 그 두께를 적절히 하여서 입사된 광의 반사를 억제하는 반사 방지막으로 기능하도록 하는 것이 바람직하다.
광흡수층(14)은 여러 종류의 재료를 사용할 수 있으며 예들 들어, 마이크로 결정 실리콘계, 비정질 실리콘계, 다결정 실리콘계 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 수평 배열된 복수개의 광흡수층(14)들은 모두 동일한 광학적 밴드갭을 갖도록 하거나 서로 다른 광학적 밴드갭을 갖는 두 개 이상의 그룹으로 구성할 수 있다.
기판(11)은 유리등의 투과성 기판 또는 금속이나 플라스틱과 같은 불투과성 기판을 사용할 수 있다. 도 1에 도시된 태양 전지(10)의 경우 투과성 기판이나 불투과성 기판을 모두 사용이 가능하다. 그러나 도 4에서 설명될 제2 실시예의 태양 전지(10a)의 경우에는 기판(11)을 태양광 입사측 지지 기판으로 사용하기 때문에 투과성 기판을 사용한다.
제1 실시예의 태양 전지(10)를 제조 방법은 크게 기판(10)을 제공하는 단계와 기판(10)의 표면에 수평으로 교대적으로 배열된 p층(13)과 n층(15) 그리고 그 사이에 위치하는 광흡수층(14)을 포함하는 복수개의 광기전 셀(12)을 형성하는 단계를 포함한다. 광기전셀(12)을 형성하는 단계에서는 복수개의 광기전 셀(12)에 포함된 광흡수층(14)들을 서로 동일한 광학적 밴드갭을 갖도록 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또는 상기 복수개의 광기전 셀(12)에 포함된 광흡수층(14)들은 서 로 다른 광학적 밴드갭을 갖는 두 개 이상의 그룹들로 나누어 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 복수개의 광기전 셀(12)을 형성한 후에는 p층(13) 상부에 위치하는 제1 전극(16)과 n층(15) 상부에 위치하는 제2 전극(17)을 형성한다. 그리고 태양광의 입사측으로 보호막을 형성한다.
도 2a 및 도 2b는 와이어 마스크를 이용하여 광기전 셀을 형성하는 단계의 일부를 예시하는 도면이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 복수개의 광기전 셀(12)을 형성하는 단계는 예를 들어, 수평결정화 방식, 저압화학기상증착 방식, 플라즈마 화학기상증착 방식 중 선택된 하나 이상의 방식으로 형성될 수 있다. 그리고 복수개의 광기전 셀(12)을 형성하는 단계에서는 적절한 사이즈로 개구된 영역(21)을 갖는 와이어 마스크(20)를 사용할 수도 있다. 와이어 마스크(20)는 각 공정에 따라 수평 방향으로 이동하면서 해당되는 p층(13), n층(15), 광흡수층(14)을 형성할 수 있다. 와이어 마스크(20)는 형성하려는 층에 적합한 사이즈로 개구된 개구 영역(21)을 갖는 하나 이상의 와이어 마스크의 사용이 가능하다.
도 3은 제1 실시예의 변형예에 따른 태양 전지의 단면도이다. 도 3을 참조하여, 제1 실시예의 변형예에 따른 태양 전지(10')는 구성은 기본적으로 상술한 제1 실시예와 동일하다. 다만, p층(13)과 n층(15)이 구조에 있어서 광흡수층(14)의 표면 높이보다 높게 위치하며, 양측으로 연장된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다. 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지(10a)의 구성은 기본적으로 상술한 제1 실시예와 동일하다. 그러나 제2 실시예의 태양 전지(10a)는 기판(11)을 태양 광의 입사측 지지 기판으로 구성하기 때문에 유리등과 같은 투과성 기판으로 사용한다. 그리고 제1 전극(16)은 p층(13)과 기판(11) 사이에 구성되고 제2 전극(17)은 n층(15)과 기판(11) 사이에 구성된다. 제1 및 제2 전극(16)은 투명 전극으로 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다. 도 5를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 태양 전지(10b)는 기판(11)의 양면으로 각기 복수의 광기전 셀(12)이 구성된다. 광기전 셀(12)의 구성은 상술한 제1 실시예와 동일함으로 반복된 설명은 생략한다. 여기서 기판(11)은 유리등의 투과성 기판이나 금속이나 플라스틱과 같은 불투과성 기판을 사용할 수 있다. 그러나 투과성 기판을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 6은 제3 실시예의 변형예에 따른 태양 전지의 단면도이다. 도 6을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예의 변형예에 따른 태양 전지(10b')는 기본적으로 제3 실시예와 동일하게 기판(11)의 양면으로 각기 복수의 광기전 셀(12)이 구성된다. 그러나 광기전 셀(12)의 구체적인 구조는 도 3에 도시된 바와 같은 상술한 제1 실시예의 변형예의 구조를 갖는다.
이상에서 설명된 본 발명의 수평 배열된 광기전 셀들을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 태양 전지에 완충층을 부가할 수 있을 것이다. 또한, 태양 전지의 보다 효율을 향상시키기 위한 효과적인 구성 들을 다양하게 부가하거나 적합하게 변형하여 부가할 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 태양 전지는 광흡수층을 수평으로 배열된 p층과 n층 사이에 동일하게 수평적으로 위치시킴으로서 광흡수율을 높일 수 있어서 태양 전지의 효율을 향상 시킬 수 있다. 본 발명의 태양 전지는 태양광 발전 효율을 높이는데 매우 효과적으로 사용될 수 있다. 이러한 특징을 갖는 본 발명의 태양 전지는 태양광 발전소를 비롯하여 태양 전지를 응용한 다양한 여러 재품에 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 와이어 마스크를 이용하여 광기전 셀을 형성하는 단계의 일부를 예시하는 도면이다.
도 3은 제1 실시예의 변형예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 6은 제3 실시예의 변형예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10, 10a, 10b, 10c, 10d: 태양 전지
11: 기판
12: i층
13: p층
14: n층
15: 제1 전극
16: 제2 전극
20: 와이어 마스크

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  7. 기판;
    기판의 제1 표면에 수평으로 교대적으로 배열된 p층과 n층 그리고 그 사이에 위치한 광흡수층(i층)을 포함하는 복수개의 제1 광기전 셀; 및
    상기 기판의 제1 표면의 이면인 기판의 제2 표면에 수평으로 교대적으로 배열된 p층과 n층 그리고 그 사이에 위치한 광흡수층(i층)을 포함하는 복수개의 제2 광기전 셀을 포함하고,
    상기 복수개의 제1 및 제2 광기전 셀은 p층 상부 또는 p층과 기판의 표면 사이에 위치하는 제1 전극과 n층 상부에 또는 n층과 기판의 표면 사이에 위치하는 제2 전극을 포함하는 태양 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광기전 셀들에 포함된 광흡수층들은 서로 동일한 광학적 밴드갭을 갖는 태양 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광기전 셀들에 포함된 광흡수층들은 서로 다른 광학적 밴드갭을 갖는 두 개 이상의 그룹들을 포함하는 태양 전지.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 기판은 태양광에 대한 투과성 기판 또는 불투과성 기판 중 어느 하나인 태양 전지.
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