KR101369729B1 - 도핑-프리 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상하부 전극과 광흡수층 사이에 도핑(doping) 공정 없이도 전기장 (electric field)을 가해줄 수 있는 중간층(interfacial layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 도핑공정이 없으므로 유독한 도핑가스를 사용하지 않아도 될 뿐만 아니라, 정공(hole)을 수송하는 역할을 하면서 광투과도가 높은 금속산화물을 빛이 입사되는 윈도우층(window layer)으로 사용함으로써 광흡수층에 도달하는 빛의 손실을 최소화시켜, 광전류밀도가 향상된 고효율 태양전지를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상하부 전극과 광흡수층 사이에 도핑(doping) 공정 없이도 전기장 (electric field)을 가해줄 수 있는 중간층(interfacial layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 태양전지의 종류는 소재의 형태에 따라 기판형과 박막(thin film)형으로 나뉜다. 기판형 실리콘 태양전지는 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다시 단결정(single-crystalline) 실리콘 태양전지와 다결정(poly-crystalline) 실리콘 태양전지로 구분된다. 박막형 실리콘 태양전지도 역시 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si:H) 태양전지와 미세결정 실리콘(micro-crystalline silicon, μc-Si:H) 태양전지로 구분된다. 결정질 실리콘 기판을 얻기 위해서는 실리콘 웨이퍼를 사용하므로 생산 원가가 높고 공정상 복잡한 단계를 거쳐야 하므로 생산성이 떨어진다. 반면 비정질 실리콘 태양전지는 재료 원가가 저렴하고 연속 대량생산 공정에 적합하므로 실제 상업화를 위한 충분한 잠재성을 가지고 있으며, 이 때문에 많은 기업과 연구소 및 대학에서 연구가 활발히 진행되고 있다.
비정질 실리콘 태양전지의 가장 기본적인 구조는 도핑이 되지 않은 무첨가(intrinsic, i형) 비정질 실리콘 광흡수층을 p형 비정질 실리콘과 n형 비정질 실리콘층 사이에 삽입한 p-i-n 구조로 구성된다. 빛을 전기에너지로 변환하는 과정에 기여할 수 있는 (photovoltaic performance를 낼 수 있는) 광활성 층은 도핑되지 않은 intrinsic (i)층이며, i층 상하부에 각각 n형, p형 도핑된 비정질 실리콘 중간층이 존재하여 광흡수층에서 생성된 전하들이 전기장에 의해 전극방향으로 수집될 수 있도록 하는 역할을 한다. 비정질 실리콘의 경우 캐리어의 확산거리(diffusion length)가 결정질 실리콘 기판에 비해 매우 낮아 도핑된 p형, n형 중간층이 없으면 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍(electron-hole pairs)의 수집 효율이 매우 낮다. 따라서 일반적으로 비정질 실리콘 태양전지 제조에 있어서 도핑된 p형, n형 비정질 실리콘층 중간층을 삽입하는 것이 반드시 요구된다.
4족 원소인 실리콘에 도핑을 하기 위해서는 p형의 경우 B, Al, Ga 등의 3족 원소를, n형의 경우, N, P, As 등의 5족 원소를 불순물로서 넣어주어야 하는데, 일반적으로 널리 사용되는 도핑가스인 B2H6와 PH3는 매우 독성이 강하여, 사용에 있어서 세심한 주의가 요구된다. 게다가 빛이 입사되는 면에 위치하는 p형 비정질 실리콘 층에 의해 흡수된 빛은 광전류 생성에 기여하지 못하고, i층에 도달하는 빛의 세기를 감소시킨다. 따라서 p형 비정질 실리콘 층을 최대한 얇게 형성시키는 것이 광전류 생성에 유리하나, 균일한 p층을 형성시키기 위해서는 일정량의 빛의 손실을 감수할 수밖에 없다.
본 발명의 목적은 도핑(doping) 처리를 하지 않고서도, 적합한 일함수(work function)를 갖는 중간층을 사용하여, 광흡수층인 i형 비정질 실리콘층에 전기장(electric field)을 가해줌으로써 우수한 광전변환 효율을 얻을 수 있는 비정질 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 p형 비정질 실리콘층 대신 금속산화물 등의 정공(hole) 수송층을 이용하여 광흡수층인 i형 비정질 실리콘 태양전지에 도달하는 빛의 양을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 전도성 기판 위에 형성된 비도핑 정공수집층; b) 상기 정공수집층 위에 형성된 비정질 실리콘 광활성층; c) 상기 실리콘 광활성층 상에 형성된 비도핑 전자수집층; 및 d) 상기 전자수집층 위에 형성된 금속 전극을 포함하는 도핑-프리(doping-free) 비정질 실리콘 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 a) 비도핑 정공수집층은 Li, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Lu, La, Sm, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, 및 F 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들 금속의 산화물 또는 이들의 합금 또는 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함할 수 있다. 이 중에서 MoO3 또는 Au을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 b) 비정질 실리콘 광활성층의 물질은 Si과 H로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질 또는 산화물 또는 이들의 복합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 c) 비도핑 전자수집층은 Li, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Lu, La, Sm, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, 및 F 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들 금속의 산화물, 합금 또는 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함할 수 있다. 이 중에서 Ca 또는 Al을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 정공 수집층 또는 전자 수집층의 물질은 공액 고분자(conjugated polymer)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 공액 고분자는 폴리(피롤)류 (poly(pyrrole)s, PPY), 폴리카르바졸류 (polycarbazoles), 폴리인돌류 (polyindoles), 폴리아제핀류 (polyazepines), 폴리아닐린류 (polyanilines, PANI), 폴리(아세틸렌)류 (poly(acetylene)s, PAC), 폴리 (p-페닐렌 비닐렌)류 (poly(p-phenylene vinylenes, PPV), 폴리(티오펜)류 (poly(thiophene)s, PT), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)류 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)s, PEDOT) 및 폴리(p-페닐렌 설파이드)류 (poly(p-phenylene sulfide)s, PPS)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 고분자 또는 이들 고분자의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 (a) 전도성 기판 위에 도핑 없이 정공 수집층 (hole extraction layer, HXL)을 형성하는 단계; (b) 상기 정공 수집층 위에 i형 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; (c) 상기 i형 비정질 실리콘층 위에 도핑 없이 전자 수집층 (electon extraction layer, EXL)을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 전자 수집층 위에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 도핑-프리 비정질 실리콘 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 정공수집층 또는 전자수집층은 스퍼터링 방식으로 증착될 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 태양전지는 도핑공정이 없으므로 유독한 도핑가스를 사용하지 않아도 될 뿐만 아니라, 정공(hole)을 수송하는 역할을 하면서 광투과도가 높은 금속산화물을 빛이 입사되는 윈도우층(window layer)으로 사용함으로써 광흡수층에 도달하는 빛의 손실을 최소화시켜, 광전류밀도가 향상된 고효율 태양전지를 제조할 수 있다.
도 1은 종래 태양전지(a)와 본 발명에 따른 도핑-프리 태양전지(b)의 구조를 보여주는 모식도이다.
도 2는 종래 태양전지(a)와 본 발명에 따른 도핑-프리 태양전지(b)의 에너지 준위 그래프이다.
도 3은 여러 가지 종류의 HXL (a) 및 EXL (b)를 갖는 태양전지의 광전변환특성 그래프이다.
도 4는 여러 가지 종류의 HXL (a)과 EXL (b)를 갖는 태양전지의 광전류 분석 결과이다.
도 5는 중간층의 일함수 차이에 따른 Voc 측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 향상된 EQE(external quantum efficiency)를 갖는 도핑-프리 태양전지의 광전변환특성 그래프이다.
도 2는 종래 태양전지(a)와 본 발명에 따른 도핑-프리 태양전지(b)의 에너지 준위 그래프이다.
도 3은 여러 가지 종류의 HXL (a) 및 EXL (b)를 갖는 태양전지의 광전변환특성 그래프이다.
도 4는 여러 가지 종류의 HXL (a)과 EXL (b)를 갖는 태양전지의 광전류 분석 결과이다.
도 5는 중간층의 일함수 차이에 따른 Voc 측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 향상된 EQE(external quantum efficiency)를 갖는 도핑-프리 태양전지의 광전변환특성 그래프이다.
이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 비정질 실리콘 태양전지의 전하 수집층으로서 도핑처리를 하지 않은 물질을 사용할 수 있으며, 적합한 일함수를 갖는 물질을 사용하여 우수한 효율을 보이는 비정질 실리콘 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명은 적어도 3개 이상의 층이 적층되어 있는 태양전지를 제공하며, 상기 적어도 1개 이상의 층은 빛을 흡수할 수 있는 층을 포함하고, 각각의 층을 형성시키는 과정에서 도핑(doping)을 하지 않고 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다. 이때 태양전지의 구조는 투명전극을 먼저 형성시키고 그 위에 태양전지를 제조하는 superstrate형과 금속전극 위에 태양전지를 제조한 후 투명전극을 나중에 형성시키는 substrate형 태양전지가 모두 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 도핑-프리 태양전지는 도핑과정 없이 광활성층의 에너지 준위에 적합한 중간층 물질을 사용함으로써 제조 공정을 간편화할 수 있고, 빛이 입사되는 층의 광투과도를 증가시켜, 향상된 광전류밀도 (J SC, short-circuit current density)를 얻을 수 있다.
본 발명에서 언급하는 “적합한 일함수”라 함은, 정공 수집층(HXL)에 대해서는 상기 광활성 층인 a-Si:H (i)의 가전자 대 (Valence Band, VB)에 근접한 일함수를 갖는 것을 의미하여, 전자 수집층(EXL)에 대해서는 상기 광활성 층인 a-Si:H (i)의 전도 대 (Conduction Band, CB)에 근접한 일함수를 갖는 것을 의미한다. 또한, 중간층의 일함수는 태양전지의 개방전압 (Open-circuit voltage, V OC)에 직접적인 영향을 미치며, 태양전지의 개방전압은 광활성물질의 밴드갭 (Bandgap)보다 클 수 없으므로, 상기 정공 수송층이 광활성층의 가전자대 보다 큰 일함수를 갖거나 전자 수송층이 광활성층의 전도대 보다 작은 일함수를 갖는 경우에는 VOC값이 일함수에 직접 비례하기 보다는 광활성층의 전도대 또는 가전자대에 고정된다.
보다 구체적으로 본 발명에 따른 태양전지는 투명 전도성 기판 위에 차례로 적층되는, 정공 수집층, i형 비정질 실리콘층, 전자 수집층, 및 금속전극을 포함하며, 도핑 공정이 없다는 점이 특징이다. 도 1은 종래 태양전지(a)와 본 발명에 따른 도핑-프리 태양전지(b)의 구조를 보여주는 모식도이다. 도 2는 종래 태양전지(a)와 본 발명에 따른 도핑-프리 태양전지(b)의 에너지 준위 그래프이다.
예를 들어, 본 발명에 따른 태양전지는 a) 전도성 기판 위에 형성된 비도핑 정공수집층; b) 상기 정공수집층 위에 형성된 비정질 실리콘 광활성층; c) 상기 실리콘 광활성층 상에 형성된 비도핑 전자수집층 및 d) 상기 전자수집층 위에 형성된 금속 전극을 포함하는 구조로 형성될 수 있다.
본 발명에 사용되는 i형 비정질 실리콘층은 광활성층으로서 빛을 흡수하여 전자(electron)와 정공(hole)을 생성하고 이들이 전극으로 수집될 수 있도록 수송하는 핵심적인 역할을 한다. 상기 i형 비정질 실리콘 태양전지를 형성하기 위해서 본 발명에서는 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 사용하여 실란 가스(SiH4)를 글로 방전(Glow discharge)시켜서 제조하며, 필름 두께는 약 100 nm 내지 1 마이크로 미터인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 사용되는 정공수집층(hole extraction layer)은 i형 비정질 실리콘층의 가전자대 (Valence Band, VB)에 근접한 일함수(Work function)를 갖는 물질이 적합하며, 예를 들어, MoO3 또는 Au을 들 수 있다. MoO3의 두께가 너무 두꺼워지면 저항이 증가하여 효율이 낮아지므로 막 두께는 1 nm 내지 10 nm 정도가 적합하다.
또한 본 발명에 사용되는 전자수집층(electron extraction layer)은 i형 비정질 실리콘층의 전도대(Conduction Band, CB)에 근접한 일함수(Work function)를 갖는 물질이 적합하며, 예를 들어, Ca 또는 Al을 들 수 있다. Ca은 공기 중에서 산화가 매우 빠르게 진행되므로 산화에 대한 안정성이 비교적 우수한 LiF 등의 물질로 대체될 수 있다. Ca은 산화가 쉽게 일어나는 점으로 인하여 Ca위에 곧바로 진공상태에서 Al, Ag 등을 전극으로서 형성시켜 급격한 산화를 방지할 수 있으며, Ca의 두께는 1 nm 내지 100 nm 정도가 적합하다.
또한 본 발명에 따른 도핑-프리 비정질 실리콘 태양전지의 제조 방법은 (a) 투명 전도성 기판 위에 비도핑 정공 수집층을 형성하는 단계, (b) 상기 정공 수집층 위에 i형 비정질 실리콘 층을 형성하는 단계, (c) 상기 i형 비정질 실리콘 층 위에 비도핑 전자 수집층을 형성하는 단계, 및 (d) 상기 전자 수집층 위에 금속전극을 형성하는 단계를 포함한다.
이때 상기 중간층은 산소가 주입된 분위기에서 인듐(In)과 주석(Sn) 합금 타겟을 스퍼터링하거나, 비활성기체로서 아르곤(Ar)이 주입된 분위기에서 indium-tin-oxide (ITO)를 스퍼터링 함으로써 증착할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명이 이해를 돕기 위한 예시적인 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 실시예에서는 도핑 과정이 없는 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. (도 1b) 구체적으로 투명 전도성 기판 / 상기 투명 전도성 기판 위에 형성된 정공 수집층 / 상기 정공 수집층 위에 형성되어 있는 i형 비정질 실리콘 층 / 상기 i형 비정질 실리콘 층 위에 형성되어 있는 전자 수집층 / 상기 전자 수집층 위에 형성되어 있는 금속전극을 포함하도록 구성하였다.
투명 전도성 기판으로는 유리기판 위에 ITO (indium-tin-oxide) 또는 FTO (fluorinated tin oxide)가 패터닝되어 있고, 광투과도는 가시광선 영역에서 70% 이상으로서, 면저항 (sheet resistance)이 15 ohm/square 이하인 기판을 사용하였다.
본 실시예에서는 정공 수집층은 진공 하에서 MoO3 powder를 열증착 (Thermal evaporation) 방법을 이용하여, 증착속도는 0.1 nm/sec 이하, 두께는 1 nm 내지 10 nm 로 제작하였다.
또한 본 실시예에서는 i형 비정질 실리콘 층을 형성하기 위하여, 플라즈마 화학증착법 (plasma-enhanced chemical vapor deposition, VHF PE-CVD)을 이용하여, 증착속도는 0.2 nm/s으로, 두께는 300 nm로 형성하였다. 이때, RF frequency는 80 MHz, RF power density 는 40 W/cm2 로 유지되었다. 이 과정에서, SiH4, H2, Ar 가스가 소스가스 (source gases)로 사용되었고, 각각의 가스의 흐름속도 (flow rate)는 20 sccm, 60 sccm, 10 sccm으로 유지되었다. PE-CVD chamber의 압력은 0.4 Torr였으며, 기판의 온도는 섭씨 200도 내지 250도로 실시하였다.
또한, 전자 수집층은 진공하에서 Ca 조각을 열증착 (thermal evaporation) 방법으로 형성시키며, 이때 증착속도는 0.01 nm/sec 내지 0.3 nm/sec 이하, 두께는 5 nm 내지 40 nm 정도로 제작하였다.
비교예
본 발명에 따른 도핑-프리 실리콘 태양전지와의 비교를 위하여 투명 전도성 기판 / 상기 투명 전도성 기판 위에 형성된 p형 비정질 실리콘 층 / 상기 p형 비정질 실리콘 층 위에 형성되어 있는 i형 비정질 실리콘 층 / 상기 i형 비정질 실리콘 층 위에 형성되어 있는 n형 비정질 실리콘 층 / 상기 n형 비정질 실리콘 층 위에 형성되어 있는 금속전극을 포함하는 종래의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다.
투명 전도성 기판으로는 유리기판 위에 ITO 또는 FTO가 패터닝되어 있고, 광투과도는 가시광선 영역에서 70% 이상으로서, 면저항이 15 ohm/square 이하인 기판을 사용하였다.
또한, p형 비정질 실리콘 층은 고진공하에서 Ar plasma를 띠워 PECVD 방법으로 실란 가스 (silane gas)를 글로 방전시켜 증착하며, 이 과정에서 B2H6를 도핑가스로 함께 넣어줌으로써 p형 도핑하여 제조하였다. 두께는 약 5 nm로 얇게 형성하였다.
또한, i형 비정질 실리콘 층은 고진공하에서 Ar 플라즈마를 띠워 PECVD 방법으로 실란 가스 글로 방전시켜 증착하며, 도핑되지 않은 i층을 제조하였고, 두께는 약 300 nm로 형성하였다.
또한, n형 비정질 실리콘 층은 고진공하에서 Ar 플라즈마를 띠워 PECVD 방법으로 실란 가스를 글로 방전시켜 증착하며, 이 과정에서 PH3를 도핑가스로 함께 넣어줌으로써 n형 도핑하여 제조하였다. 두께는 약 10 nm 내지 25 nm 정도였다.
마지막으로, 금속 전극은 일반적으로 진공상태에서 열증착 방법으로 제조하였으며, 약 100 nm의 두께로 면저항이 10 ohm/square 이하가 되도록 하였다.
실험예
: 태양전지 성능 비교
본 실험에서는 종래 도핑된 p-i-n 구조를 갖는 실리콘 태양전지(비교예 1)와 본 발명의 실시예에 따른 도핑-프리 실리콘 태양전지의 성능을 구체적으로 테스트하였다.
먼저 p-i-n 구조를 갖는 종래 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 태양전지와 비교하여, p층과 n층을 각각 다른 HXL과 EXL물질로 대체한 경우의 광전변환 특성 (photovoltaic performance)을 알아보았다. 도 3은 여러 가지 종류의 HXL (a) 및 EXL (b)를 갖는 태양전지의 광전변환특성 그래프이다. (a)에 사용된 디바이스는 ITO / HXL / a-Si:H (i) / a-Si:H (n) / Al의 구조를 가지며, (b)에 사용된 디바이스는 ITO / a-Si:H (p) / a-Si:H (i) / EXL / Al의 구조를 갖도록 제작했다. 이 결과에 따라 태양전지의 V OC는 HXL과 EXL 물질의 특성에 따라 크게 달라짐을 확인할 수 있는데, 이는 특히 그 재료의 일함수와 밀접한 관련이 있음을 보여준다.
다음으로, 도 4는 여러 가지 종류의 HXL (a)과 EXL (b)를 갖는 태양전지의 광전류 분석 결과를 보여준다. 이 결과로부터, 광활성층에서 생성되는 광전류(J ph)를 유효전압 (V eff = V 0 - V applied)에 대하여 살펴보면, 광전변환성능면에서 효율이 낮았던 디바이스들도 거의 동등한 광전류를 생성할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 광활성층인 a-Si:H (i) 층에서 생성되는 광전류가 인접한 HXL과 EXL에 의해 가해지는 전기적 포텐셜에 크게 의존함을 보여준다. 따라서, 적합한 일함수를 갖는 물질을 HXL과 EXL로 사용함으로써 기존의 도핑 방법으로 제조되었던 p-type, n-type a-Si:H 층을 충분히 대체할 수 있을 것으로 예상된다.
도 5는 중간층(IFLs)의 일함수 차이에 따른 Voc 측정결과를 보여주는 그래프이다. 구체적으로 ITO / HXL / a-Si:H (i) / a-Si:H (n) / Al의 소자 구조에서, 광활성층의 아래위에 존재하는 중간층(interfacial layer, IFL)인 HXL과 a-Si:H (n)층의 일함수 (work function) 차이 (DWF)에 대한 V OC의 경향성을 나타내고 보여준다. 그래프의 직선으로부터, 태양전지의 V OC값이 DWF에 직접적으로 비례함을 알 수 있으며, 이는 적절한 일함수를 갖는 물질을 HXL 및 EXL로 사용함으로써 태양전지의 V OC 를 조절할 수 있고, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.
하기 표 1은 도 3에서 보여준 모든 디바이스에 해당하는 WF과 V OC 값을 나타내고 있다.
| HXL | EXL | WF of HXL (eV) | WF of EXL (eV) | D WF (eV) | V OC (V) |
| a-Si:H (p) | a-Si:H (n) | 5.6 | 4.0 | 1.6 | 870 |
| MoO3 | a-Si:H (n) | 5.2 | 4.0 | 1.2 | 622 |
| Au | a-Si:H (n) | 5.1 | 4.0 | 1.0 | 502 |
| ITO | a-Si:H (n) | 4.4 | 4.0 | 0.4 | 127 |
| a-Si:H (p) | Al | 5.6 | 4.3 | 1.3 | 433 |
| a-Si:H (p) | Ca | 5.6 | 2.9 | 2.7 | 789 |
| MoO3 | Ca | 5.2 | 2.9 | 2.3 | 624 |
도 6은 향상된 EQE (external quantum efficiency)를 갖는 도핑-프리 태양전지의 광전변환특성 그래프이다. 구체적으로 ITO / MoO3 / a-Si:H (i) / Ca / Al의 소자 구조를 사용한 도핑-프리 a-Si:H 태양전지로서, HXL과 EXL에 적절한 일함수를 갖는 물질을 사용하여, 도핑을 하지 않고도 우수한 성능을 보이는 비정질 실리콘 태양전지가 구현될 수 있음을 보여준다.
또한 하기 표 2는 ITO / MoO3 / a-Si:H (i) / Ca / Al의 소자 구조를 갖는 도핑-프리 태양전지의 특성 측정 결과를 보여준다.
| J SC /mAcm-2 |
V OC /mV |
FF /% |
η /% |
Area /cm2 |
|
| MoO3 / a-Si:H (i) / Ca (Doping-free) |
12.28 | 624.6 | 50.49 | 3.87 | 0.12 |
MoO3를 HXL로 사용할 시 나타나는 장점을 도 6의 EQE 데이터에서 확인할 수 있다. a-Si:H (p) 층은 원치 않게 많은 빛을 흡수하므로, 광활성층인 a-Si:H (i) 층에 들어가는 빛의 양을 감소시키며, 이러한 a-Si:H (p)의 낮은 광투과도 때문에, 단파장 영역에서 EQE가 감소한 것을 확인할 수 있다. 반면, MOO3는 단파장 영역을 포함한 가시광선 전체 영역에서 투명도가 매우 높아, 광활성층에 입사되는 빛의 손실을 최소화시킬 수 있으므로, EQE와 J SC관점에서는 MoO3가 a-Si:H (p) 보다 HXL 또는 윈도우층으로 더 적합하다는 것을 확인할 수 있다.
Claims (10)
- a) 전도성 기판 위에 형성된 비도핑 정공수집층;
b) 상기 정공수집층 위에 형성되며, Si과 H로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질 또는 산화물 또는 이들의 복합물을 포함하는 비정질 실리콘 광활성층;
c) 상기 실리콘 광활성층 상에 형성된 비도핑 전자수집층; 및
d) 상기 전자수집층 위에 형성된 금속 전극을 포함하는 도핑-프리(doping-free) 비정질 실리콘 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 a) 비도핑 정공수집층은 Li, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Lu, La, Sm, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, 및 F 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들 금속의 산화물 또는 이들의 합금 또는 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 도핑-프리 비정질 실리콘 태양전지. - 제2항에 있어서,
상기 a) 비도핑 정공수집층은 MoO3 또는 Au을 포함하는 것을 특징으로 하는 도핑-프리 비정질 실리콘 태양전지. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 c) 비도핑 전자수집층은 Li, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Lu, La, Sm, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, 및 F 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들 금속의 산화물, 합금 또는 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 도핑-프리 비정질 실리콘 태양전지. - 제5항에 있어서,
상기 c) 비도핑 전자수집층은 Ca 또는 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 도핑-프리 실리콘 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 정공 수집층 또는 전자 수집층의 물질은 공액 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 도핑-프리 실리콘 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 공액 고분자는 폴리(피롤)류, 폴리카르바졸류, 폴리인돌류, 폴리아제핀류, 폴리아닐린류, 폴리(아세틸렌)류, 폴리 (p-페닐렌 비닐렌)류, 폴리(티오펜)류, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)류 및 폴리(p-페닐렌 설파이드)류로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 고분자 또는 이들 고분자의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 도핑-프리 실리콘 태양전지. - (a) 전도성 기판 위에 도핑 없이 정공 수집층을 형성하는 단계;
(b) 상기 정공 수집층 위에 Si과 H로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질 또는 산화물 또는 이들의 복합물을 포함하는 i형 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
(c) 상기 i형 비정질 실리콘층 위에 도핑 없이 전자 수집층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 전자 수집층 위에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 제1항에 따른 도핑-프리 비정질 실리콘 태양전지의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 정공수집층 또는 전자수집층은 스퍼터링 방식으로 증착되는 것을 특징으로 하는 도핑-프리 비정질 실리콘 태양전지의 제조 방법.
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