KR101354928B1 - 고굴절율의 반사 방지막을 갖는 박막형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 표면에 형성되는 반사 방지막이 높은 굴절율을 나타내고 광흡수층의 황변 현상을 방지하도록 하여, 광 변환 효율을 향상시킬 수 있는 박막형 화합물 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 반도체 화합물의 광변환층을 갖는 박막형 태양전지에 있어서, 상기 광변환층의 일 면에 형성되며, Mg, Zn 및 F를 포함하는 혼합물로 구성되는 반사 방지막;을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 반사 방지막은 Zn 및 Mg-F 는 2 : 8 내지 7 : 3 의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 박막형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지의 표면에 형성되는 반사 방지막이 높은 굴절율을 나타내고 광흡수층의 황변 현상을 방지하도록 하여, 광 변환 효율을 향상시킬 수 있는 박막형 화합물 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자로서, 반도체의 p-n 접합으로 만든 태양전지에 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되어 이들의 기전력을 이용하여 전류가 흐르게 되는 것을 이용한 전기소자이다.
이러한 태양전지는 단결정 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 및 박막형 태양전지로 분류될 수 있다. 최근에는 기판의 두께를 혁신적으로 줄이는 기술 또는 유리와 같이 값싼 기판 위에 박막 형태의 화합물을 증착시키는 기술을 이용한 박막형 태양전지가 주목을 받고 있다. 박막형 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지에 비해 변환 효율은 낮으나 저가화할 수 있는 가능성을 보이고 있다. 이러한 박막형 태양전지에는 GaAs, InP, CdTe, CuInSe2, Cu(InGa)Se2 또는 Cu2ZnSnS4 등의 화합물이 주로 사용된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 박막형 화합물 태양전지를 개략적으로 나타낸 종단면도이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 박막형 화합물 태양전지(10)는 기판(11) 상에 배면 전극(12), 제1광흡수층(13), 채널층(14), 제2광흡수층(15) 및 반사 방지막(16)이 순차적으로 형성된다. 또한, 제2광흡수층(15)의 일 측에는 전면 그리드 전극(17)이 형성된다. 여기서, 반사 방지막(16)은 태양광의 반사를 방지하여 반사 손실을 줄이기 위한 기능을 수행하는 것으로, 도시된 바와 같이 제2광흡수층(15) 상에서 ZnS 막(16a)과 MgF2 막(16b)의 이중막 구조를 이룬다. 이러한 이중 막 구조는 서로 다른 굴절율을 가지는 ZnS 막(16a)과 MgF2 막(16b)을 중첩 형성함으로써, 전체적인 광 투과도를 향상시키켜 우수한 광 변환 효율을 나타내는 효과가 있다.
그러나, 종래의 기술에서는 태양전지(10)의 반사 방지막(16)으로 ZnS 막이 사용됨으로 인하여, 장시간 사용에 따른 황변 현상을 초래하여 광 변환 효율을 저하시키는 문제점이 있다. 즉, 집광형 화합물 태양전지에서는 소자의 발열에 의하여 ZnS 막과 MgF2 막이 열적 영향을 받게 되고, 이때, ZnS 막에서 황(S) 성분이 이탈되어 태양전지의 황변 현상을 초래하는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 반사 방지막을 구성하는 화합물의 성분을 변화시켜, 높은 굴절율과 광 투과도를 가지면서 발열에 의한 황변 현상을 방지하여 광 변환 효율을 향상시킬 수 있는 박막형 화합물 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 화합물의 광변환층을 갖는 박막형 태양전지에 있어서, 상기 광변환층의 일 면에 형성되며, Mg, Zn 및 F를 포함하는 혼합물로 구성되는 반사 방지막;을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 반사 방지막은 Zn 및 Mg-F 의 비율이 2 : 8 내지 7 : 3 의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 반도체 화합물의 광변환층을 갖는 박막형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 광변환층의 일 면에 Zn 및 Mg-F 화합물을 2 : 8 내지 7 : 3 의 중량비를 갖도록 반사 방지막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 반사 방지막의 형성은 스퍼터링 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 박막형 태양전지 제조방법은 상기 반사 방지막 형성 후, 80 내지 120˚의 온도 조건에서 20 내지 40 분 동안 어닐링 과정을 더 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 광 반사 손실을 방지하기 위한 반사 방지막이 Mg-Zn-F 화합물로 구성되어, 높은 굴절율과 광 투과도를 나타내면서도 황변 현상을 방지함으로써, 광 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 박막형 화합물 태양전지의 구조를 나타낸 종단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막형 화합물 태양전지의 구조를 나타낸 종단면도,
도 3은 도 2의 주요부인 반사 방지막의 구성 성분에 따른 굴절율을 나타낸 그래프,
도 4는 도 2의 주요부인 반사 방지막의 구성 성분에 따른 광 투과도를 나타낸 그래프, 및
도 5는 도 2의 태양전지를 제조하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막형 화합물 태양전지의 구조를 나타낸 종단면도,
도 3은 도 2의 주요부인 반사 방지막의 구성 성분에 따른 굴절율을 나타낸 그래프,
도 4는 도 2의 주요부인 반사 방지막의 구성 성분에 따른 광 투과도를 나타낸 그래프, 및
도 5는 도 2의 태양전지를 제조하는 과정을 나타낸 순서도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막형 화합물 태양전지의 구조를 나타낸 종단면도이고, 도 3은 도 2의 주요부인 반사 방지막의 구성 성분에 따른 굴절율을 나타낸 그래프이며, 도 4는 도 2의 주요부인 반사 방지막의 구성 성분에 따른 광 투과도를 나타낸 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 박막형 화합물 태양전지(100)는, 기판(110) 상에 배면 전극(120), 제1광흡수층(131), 채널층(132)과 제2광흡수층(133)으로 구성되는 광변환층(130)이 형성되고, 광변환층(130) 상에는 그리드 전극(140)과 반사 방지막(150)이 형성된다.
구체적으로 살펴보면, 기판(110)은 글라스, 알루미나와 같은 세라믹, 스테인리스 스틸, 구리 테이프와 같은 금속 재료 또는 폴리머 등 다양한 재질로 구성될 수 있다. 최근에는 소다회 유리(sodalime glass)나 Ge, GaAs와 같은 반도체 화합물이 기판으로 이용되고 있다. 또한, 기판(110)은 글라스와 같은 경성을 갖거나 고분자 혹은 박판 금속과 같은 유연성을 갖도록 구성될 수도 있다.
배면 전극(120)은 그리드 전극(140)과 함께 광변환층(130)에서 생성되는 전류를 수집하는 기능을 한다. 이러한 배면 전극(120)은 높은 전기 전도도를 갖고, 기판에 대한 점착성이 우수한 재질이 사용되며, 일 예로 몰리브덴(Mo) 박막이 주로 사용된다.
광변환층(130)은 p-n 접합의 반도체층으로서, 태양광을 흡수하여 전자 및 정공 쌍을 생성하여 전기적 에너지로 변환시키는 기능을 한다. 이러한 광변환층(130)은 제1광흡수층(131), 채널층(132) 및 제2광흡수층(133)으로 구성되며, 제1광흡수층(131)은 p형 반도체층으로 구성되며, 일 예로 GaAs 셀로 구성될 수 있다. 제2광흡수층(133)은 n형 반도체층으로 구성되며, 일 예로 AlGaAs 셀로 구성될 수 있다. 또한, 제1광흡수층(131)과 제2광흡수층(133) 사이에는 일정량 이상의 태양광이 흡수되는 경우 전류가 흐를 수 있도록 금지대 폭(Energy Band-gap)으로서의 채널층(132)이 개입된다.
그리드 전극(140)은 태양전지(100)의 전면 전극으로서, 배면 전극(120)과 함께 광변환층(130)에서 생성되는 전류를 수집하는 기능을 한다. 이러한 그리드 전극(140)은 높은 전기 전도도를 갖는 물질이 이용되며, 일 예로 알루미늄(Al) 또는 니켈/알루미늄(Ni/Al) 박막으로 형성된다. 또한, 그리드 전극(140)은 도시된 바와 같이, GaAs 층(140a)을 매개로 제2광흡수층(133) 상에 형성될 수 있다. 여기서 제2광흡수층(133) 상에 형성되는 GaAs 층(140a)은 p+ 로 도핑되어 광변환층(130)에서 형성된 전자를 GaAs 층(140a)으로 집중시켜 전극(140)을 통하여 이동할 수 있도록 한다.
반사 방지막(ARC : Anti-Reflective Coating, 150)은 태양전지(100)로 흡수되는 태양광의 반사를 줄여 광 흡수 효율을 향상시키는 기능을 한다. 태양광의 반사 손실을 줄이면, 약 1% 정도의 태양 전지 효율 향상이 가능하다. 본 발명에서의 반사 방지막(150)은 단일막 구조로 형성되며, 특히, Mg-Zn-F 화합물의 박막으로 형성된다. 이러한, Mg-Zn-F 화합물을 이용한 단일 박막은 높은 광 투과도를 나타냄과 동시에 고 굴절율을 가져 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 단일막 구조를 적용함으로써, 공정 수를 줄일 수 있다.
한편, 이상적인 반사 방지막은 1.3 내지 1.5 사이의 굴절율을 가져야 한다. 여기서, 굴절율은 상기 범위 내에서 높은 값을 갖는 것이 광 흡수 효율 면에서 바람직하다. 반사 방지막의 굴절율이 높을수록 태양전지에 인가된 광의 구속력이 증가되어 효율이 향상될 수 있기 때문이다. MgF2 박막은 대략 1.36 내지 1.38 정도의 굴절율을 나타내므로, MgF2 박막이 태양전지의 반사 방지막 물질로 주로 이용된다. 본 발명에서는 Zn을 혼합한 Mg-Zn-F 화합물을 이용한 단일 박막 구조의 반사 방지막(150)을 적용함으로써, MgF2 박막보다 훨씬 높은 1.442 내지 1.463의 굴절율을 나타낼 수 있다.
Mg-Zn-F 화합물은 MgF2 의 격자 구조에 Zn 원자가 삽입되는 형식의 격자 구조를 가지는데, 이러한 격자 구조의 변경으로 박막의 굴절율 변화를 가져올 수 있는 것이다. 본 발명에서의 반사 방지막(150)의 굴절율은 Zn 과 Mg-F의 혼합 비율에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 Zn 과 Mg-F이 대략 2:8 내지 7:3의 중량비로 혼합된다. 이 경우 굴절율은 도 3에 도시된 바와 같이 2:8의 중량비에서 대략 1.446 정도를 나타내고, Zn의 비율을 점차 증가시킨 6:4의 중량비에서 최고치인 1.463 정도를 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, Zn의 비율을 더 증가시키는 경우에는 오히려 굴절율이 감소함을 확인할 수 있다.
또한, 이상적인 반사 방지막은 가시광 영역에서 80% 이상의 광 투과도를 가져야 한다. MgF2 박막은 가시광 영역에서 80% 이상의 높은 광 투과도를 나타내는 특성을 가지므로, 태양전지의 반사 방지막 물질로 주로 이용된다. 그러나, 본 발명에서와 같이 Zn을 혼합한 Mg-Zn-F 화합물을 이용한 반사 방지막(150)에서도 80% 이상의 광 투과도를 나타낼 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에서의 Mg-Zn-F 화합물을 이용한 반사 방지막은 대략 400 내지 800nm 파장대의 가시광 영역에서의 광 투과도는 모두 80% 이상으로 높게 나타남을 확인할 수 있다.
살펴본 바와 같이, 본 발명의 반사 방지막(150)은 Mg-Zn-F 화합물의 박막으로 구성되어, 높은 굴절율과 광 투과도를 가지고, 특히, 황(S) 성분이 포함되지 않아 박막의 황변 현상을 초래하지 않으며, 단일 박막 구조를 이루어 제조 공정을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 나타낸 순서도이다. 본 발명의 태양전지는 기판 상에 전극, 광변환층 및 반사 방지막을 형성시키는 과정으로 이루어진다.
구체적으로 살펴보면, 글라스, 세라믹 혹은 금속 기판(110)을 준비하고(S11), 기판(110) 상에 배면 전극(120)으로서 몰리브덴 박막을 형성한다(S12). 이때, 몰리브덴 박막은 스퍼터링(sputtering) 공정으로 형성할 수 있다. 그리고, 배면 전극(120) 상에 광변환층(130)을 형성하는데, 제1광흡수층(131), 채널층(132) 및 제2광흡수층(133) 순으로 형성한다(S13~S15). 이때, 제1광흡수층(131)은 GaAs 박막으로 형성하고, 제2광흡수층(133)은 AlGaAs 박막으로 형성한다. 또한, 광변환층(130) 상에 반사 방지막(150)을 형성한다(S16). 반사 방지막(150)은 스퍼터링 공정으로 형성하며, Mg, Zn 및 F 의 3원자를 타겟으로 하여 다운 방식의 스퍼터(Down type sputter)를 이용하여 광변환층(130) 상에 형성한다. 이때, 그리드 전극(140)을 형성하기 위한 마스크 패턴이 미리 형성되어야 한다. 반사 방지막(150) 형성 후 마스크 패턴을 제거하고, 노출된 패턴을 따라 그리드 전극(140)을 형성한다(S17). 이때, 그리드 전극(140)은 알루미늄(Al) 박막으로 형성될 수 있으며, 알루미늄 박막 형성 전에 패턴을 따라 GaAs 박막을 먼저 형성하고, 그 위에 전극을 형성할 수 있다.
반사 방지막(150) 형성 후, 박막의 안정적인 결합을 유도하고, 결정 부정합을 개선하기 위하여 어닐링(anealing) 공정이 수행된다(S18). 어닐링 공정은 저온 환경에서 이루어지며, 본 발명에서는 80 내지 120˚의 온도 조건에서 20 내지 40 분 동안 이루어진다. 어닐링 공정이 온도가 너무 낮거나 짧은 시간 동안 이루어지면, 결정 부정합의 개선이 잘 이루어지지 않을 우려가 있으며, 온도가 너무 높거나 긴 시간 동안 이루어지면 열적 영향을 받아 소자가 파괴될 우려가 있다. 이러한 어닐링 공정은 반사 방지막 형성 후 수행되거나 그리드 전극 형성 후 수행될 수도 있다.
본 발명에서는 Mg-Zn-F 화합물을 이용한 단일 박막 구조의 반사 방지막이 GaAs 및 AlGaAs 기반의 박막형 화합물 태양전지에 적용되는 구조를 예시하였으나, 본 발명의 반사 방지막은 반사 방지막이 형성되는 다양한 형태의 태양전지에도 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
110 : 기판 120 : 배면 전극
130 : 광변환층 131 : 제1광흡수층
132 : 채널층 133 : 제2광흡수층
140 : 그리드 전극 150 : 반사 방지막
130 : 광변환층 131 : 제1광흡수층
132 : 채널층 133 : 제2광흡수층
140 : 그리드 전극 150 : 반사 방지막
Claims (3)
- 반도체 화합물의 광변환층을 갖는 박막형 태양전지에 있어서,
상기 광변환층의 일 면에 Zn 및 Mg-F 화합물이 2 : 8 내지 7 : 3 의 중량비로 혼합된 혼합물로 구성되는 반사 방지막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. - 삭제
- 반도체 화합물의 광변환층을 갖는 박막형 태양전지 제조방법에 있어서,
상기 광변환층의 일 면에 Zn 및 Mg-F 화합물을 2 : 8 내지 7 : 3 의 중량비를 갖도록 반사 방지막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120055375A KR101354928B1 (ko) | 2012-05-24 | 2012-05-24 | 고굴절율의 반사 방지막을 갖는 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR20130131661A KR20130131661A (ko) | 2013-12-04 |
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ID=49980732
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| KR1020120055375A KR101354928B1 (ko) | 2012-05-24 | 2012-05-24 | 고굴절율의 반사 방지막을 갖는 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005142371A (ja) * | 2003-11-06 | 2005-06-02 | Clean Venture 21:Kk | 太陽電池用反射防止膜の形成方法 |
| JP2009530858A (ja) * | 2006-03-18 | 2009-08-27 | ソルインドラ，インコーポレーテッド | 非平面太陽電池のモノリシック集積 |
-
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- 2012-05-24 KR KR1020120055375A patent/KR101354928B1/ko not_active IP Right Cessation
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