KR101509765B1 - 태양전지 - Google Patents
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Abstract
태양전지가 개시되어 있다. 태양전지는 제 1 도전형의 제 1 투명 도전층; 제 1 투명 도전층에 대향하여 배치되는 제 2 도전형의 제 2 투명 도전층; 및 제 1 투명 도전층 및 제 2 투명 도전층 사이에 배치되는 광-전 변환층을 포함한다. 제 1 투명 도전층 및 제 2 투명 도전층이 서로 다른 도전형의 특성을 가진다. 이에 따라서, 전자 및 정공의 재결합을 방지하고, 광-전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
p, type, TCO, 투명, 도전, 산화물층
Description
실시예는 태양전지에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다. 이러한 태양전지들 중 실리콘 웨이퍼를 이용한 태양전지가 상업적으로 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지들의 효율을 높이기 위해서, 각각의 층들의 전기적인 특성을 향상시키기 위한 연구들이 진행되고 있다.
실시예는 전자 및 정공의 재결합을 감소시키며, 전류 손실을 최소화하고, 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지를 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 제 1 도전형의 제 1 투명 도전층; 상기 제 1 투명 도전층에 대향하여 배치되는 제 2 도전형의 제 2 투명 도전층; 및 상기 제 1 투명 도전층 및 상기 제 2 투명 도전층 사이에 배치되는 광-전 변환층을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 제 1 도전형의 제 1 투명 도전층; 상기 제 1 투명 도전층 상에 배치되는 제 1 도전형의 제 1 실리콘층; 상기 제 1 실리콘층 상에 배치되는 제 2 도전형의 제 2 실리콘층; 및 상기 제 2 실리콘층 상에 배치되는 제 2 도전형의 제 2 투명 도전층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 제 1 도전형의 제 1 투명 도전층 및 제 2 도전형의 제 2 투명 도전층이 광-전 변환층을 사이에 두고 서로 마주본다.
이에 따라서, 상기 제 1 투명 도전층 및 상기 제 2 투명 도전층은 각각 전자 및 정공의 수송을 촉진하고, 전자 및 정공의 재결합을 방지한다.
특히, 제 1 도전형의 제 1 투명 도전층은 제 1 도전형의 제 1 실리콘층에 인접하고, 제 2 도전형의 제 2 투명 도전층은 제 2 도전형의 제 2 실리콘층에 인접한다.
이에 따라서, 광-전 변환층의 제 1 실리콘층 및 제 2 실리콘층에서 발생한 전자 및 정공은 각각 제 1 투명 도전층 및 제 2 투명 도전층에 의해서 효율적으로 수송된다.
예를 들어, p형 실리콘층에 인접하는 p형 TCO층은 p형 실리콘층으로부터 용이하게 정공을 전달받고, n형 실리콘층에 인접하는 n형 TCO층은 n형 실리콘층으로부터 용이하게 전자를 전달받는다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 광-전 변환 효율을 가진다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막 또는 층 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 실리콘 박막형 태양전지는 기판(10), p형 투명 도전 산화물층(transparent conductive oxide layer;TCO layer)(110), 광-전 변환층(120), n형 TCO층(130) 및 후면전극(140)을 포함한다.
상기 기판(10)은 투명하며, 절연체이다. 상기 기판(10)은 플레이트 형상을 가진다. 상기 기판(10)은 유리기판 또는 플라스틱기판이다.
상기 p형 TCO층(110)은 상기 기판(10) 상에 형성된다. 상기 p형 TCO층(110)은 투명하며, 도전층이다. 상기 p형 TCO층(110)은 정공을 용이하게 수송한다. 상기 p형 TCO층(110)으로 사용되는 물질은 금속 산화물이다. 상기 p형 TCO층(110)으로 사용되는 물질은 아래와 같은 화학식1으로 표현될 수 있다.
화학식1
AXBYOZ
여기서, A는 구리(Cu) 또는 은(Ag)이며, B는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 망간(Mn), 이트륨(Y), 란타넘(La), 철(Fe), 크롬(Cr), 주석(Sn), 스칸듐(Sc), 네오디뮴(Nd) 및 비스무트(Bi)로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, O는 산소이고, X는 1 내지 5이고, Y는 1 내지 5이고, Z는 1 내지 5이다.
더 자세하게, 상기 X 및 Y는 1 내지 2이고, 상기 Z는 1 내지 3일 수 있다.
더 자세하게, 상기 X 및 Y는 1이고, 상기 Z는 2일 수 있다.
상기 p형 TCO층(110)으로 사용되는 금속 산화물들의 종류 및 이들의 전기적인 특성은 아래의 표1에 도시된다.
| 금속 산화물 | 비저항(mΩ/sq) | 이동도(㎠/Vs) | 홀(Hall)계수 (㎡/C) |
캐리어 농도 (/㎠) |
| CuGaO2 | 0.04475 | 5.47×10+3 | +0.0485 | +1.288×10+16 |
| CuInO2 | 0.005992 | 4.94×10+4 | +0.296 | +2.106×10+15 |
| CuTlO2 | 0.008734 | 1.13×10+3 | +0.00618 | +1.010×10+17 |
| CuMnO2 | 0.01194 | 1.72×10+2 | +0.00447 | +1.396×10+17 |
| CuYO2 | 0.0112 | 6.58×10+4 | +0.126 | +4.973×10+15 |
| CuSbO2 | 0.005532 | - | - | - |
| CuScO2 | 0.008401 | 1.93×10+5 | +0.252 | +2.473×10+15 |
| CuBiO2 | - | - | - | - |
| CuFeO2 | 1081 | 0.214 | +0.0508 | +1.229×10+16 |
| CuCrO2 | - | - | - | - |
| CuBO2 | 0.02375 | 2.78×10+3 | +0.0184 | +3.4×10+16 |
| CuAlO2 | - | - | - | - |
| CuLaO2 | - | - | - | - |
| CuNdO2 | - | - | - | - |
| AgAlO2 | 3057 | 8.38 | +4.37 | +1.427×10+14 |
상기 광-전 변환층(120)은 상기 p형 TCO층(110) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 광-전 변환층(120)은 상기 p형 TCO층(110) 및 상기 n형 TCO층(130) 사이에 개재된다. 상기 광-전 변환층(120)은 pn접합 또는 pin접합을 가진다.
상기 광-전 변환층(120)은 태양광을 입사받아, 정공 및 전자를 발생시킨다. 이때, 상기 발생된 정공은 상기 p형 TCO층(110)으로 이동하고, 상기 발생된 전자는 n형 TCO층(130)으로 이동한다.
상기 광-전 변환층(120)은 p형 실리콘층(121), i형 실리콘층(122) 및 n형 실리콘층(123)을 포함한다.
상기 p형 실리콘층(121)은 상기 p형 TCO층(110) 상에 배치된다. 즉, 상기 p형 실리콘층(121)은 상기 p형 TCO층(110)과 인접한다. 상기 p형 실리콘층(121)은 아몰퍼스 실리콘에 p형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 p형 실리콘층(121)은 실리콘 카바이드(SiC)에 p형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.
상기 p형 실리콘층(121)은 태양광을 입사받아 정공을 생성한다. 상기 p형 실리콘층(121)은 상기 생성된 정공을 상기 p형 TCO층(110)에 전달한다.
상기 i형 실리콘층(122)은 상기 p형 실리콘층(121)상에 배치된다. 상기 i형 실리콘층(122)으로 사용되는 물질은 불순물이 도핑되지 않은 아몰퍼스 실리콘이다. 상기 i형 실리콘층(122)은 상기 p형 실리콘층(121)과 상기 n형 실리콘층(123) 사이에 배치되어, 버퍼 기능을 수행한다.
상기 n형 실리콘층(123)은 상기 i형 실리콘층(122) 상에 배치된다. 상기 n형 실리콘층(123)은 상기 n형 TCO층(130)에 인접하여 배치된다. 상기 n형 실리콘층(123)은 태양광을 입사받아 전자를 생성한다. 상기 n형 실리콘층(123)은 상기 생성된 전자를 상기 n형 TCO층(130)에 전달한다.
상기 n형 실리콘층(123)으로 사용되는 물질은 n형 불순물이 도핑된 아몰퍼스 실리콘 또는 폴리 실리콘일 수 일 수 있다.
상기 n형 TCO층(130)은 상기 n형 실리콘층(123) 상에 배치된다. 상기 n형 TCO층(130)은 전자를 용이하게 수송하며, 상대적으로 높은 전자 이동도를 가진다. 상기 n형 TCO층(130)으로 사용되는 물질의 예로서는 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO), 알루미늄 도핑된 산화 아연 또는 플루오르 도핑된 산화 주석 등을 들 수 있다.
상기 n형 TCO층(130)은 투명하며, 도전층이다. 상기 n형 TCO층(130)은 상기 n형 실리콘층(123)으로부터 전달받은 전자를 상기 후면전극(140)에 전달한다.
상기 후면전극(140)은 상기 n형 TCO층(130) 상에 배치된다. 상기 후면전 극(140)은 도전체이며, 상기 후면전극(140)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 또는 은 등을 들 수 있다.
상기 후면전극(140)과 상기 n형 TCO층(130) 사이의 계면에는 반사면이 형성된다. 상기 반사면은 상기 기판(10)을 통하여 입사된 태양광을 다시 광-전 변환층(120)을 향하여 반사시킨다.
상기 광-전 변환층(120)은 상기 p형 TCO층(110) 및 상기 n형 TCO층(130) 사이에 개재된다. 또한, 상기 광-전 변환층(120)의 p층은 상기 p형 TCO층(110)에, 상기 광-전 변환층(120)의 n층은 상기 n형 TCO층(130)에 각각 인접한다. 즉, 상기 p형 실리콘층(121)은 상기 p형 TCO층(110)에, 상기 n형 실리콘층(123)은 상기 n형 TCO층(130)에 각각 인접한다.
따라서, 상기 p형 실리콘층(121)에서 발생한 정공은 상기 p형 TCO층(110)을 통해서 용이하게 전달되고, 상기 n형 실리콘층(123)에서 발생한 전자는 상기 n형 TCO층(130)을 통해서 용이하게 상기 후면전극(140)에 전달된다.
따라서, 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지는 전자 및 정공을 효율적으로 수송하고, 전자 및 정공의 재결합을 방지한다. 또한, 실시예에 따른 태양전지는 전류의 손실을 최소화한다.
따라서, 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지는 향상된 광-전 변환 효율을 가진다.
도 2a 내지 도 2c는 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지의 제조방법을 도시한 도면들이다.
도 2a를 참조하면, 투명한 기판(10) 상에 p형 TCO층(110)이 형성된다. 상기 p형 TCO층(110)은 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 스퍼터링 공정에서 사용되는 스퍼터링 타겟은 금속 산화물을 포함한다. 상기 스퍼터링 타겟으로 사용되는 물질은 아래와 같은 화학식1으로 표현될 수 있다.
화학식1
AXBYOZ
여기서, A는 구리(Cu) 또는 은(Ag)이며, B는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 망간(Mn), 이트륨(Y), 란타넘(La), 철(Fe), 크롬(Cr), 주석(Sn), 스칸듐(Sc), 네오디뮴(Nd) 및 비스무트(Bi)로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, O는 산소이고, X는 1 내지 5이고, Y는 1 내지 5이고, Z는 1 내지 5이다.
더 자세하게, 상기 X 및 Y는 1 내지 2이고, 상기 Z는 1 내지 3일 수 있다.
더 자세하게, 상기 X 및 Y는 1이고, 상기 Z는 2일 수 있다.
더 구체적으로 상기 스퍼터링 타겟으로 사용되는 물질의 예로서는 구리갈륨 옥사이드(CuGaO2), 구리인듐 옥사이드(CuInO2), 구리탈륨 옥사이드(CuTlO2), 구리망간 옥사이드(CuMnO2), 구리이트륨 옥사이드(CuYO2), 구리주석 옥사이드(CuSbO2), 구리스칸듐 옥사이드(CuScO2), 구리비스무트 옥사이드(CuBiO2), 구리철 옥사이드(CuFeO2), 구리크롬 옥사이드(CuCrO2), 구리붕소 옥사이드(CuBO2), 구리알루미늄 옥사이드(CuAlO2), 구리란타넘 옥사이드(CuLaO2), 구리네오디뮴 옥사이드(CuNdO2) 및 은알루미늄 옥사이드(AgAlO2) 등을 들 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 p형 TCO층(110) 상에 p형 실리콘층(121), i형 실리콘층(122) 및 n형 실리콘층(123)이 차례로 형성된다.
상기 p형 실리콘층(121)은 화학 기상 증착 공정(chemical vapor deposition process;CVD process) 또는 RF 스퍼터(sputter) 공정에 의해서, 상기 p형 TCO층(110) 상에 p형 불순물과 함께 실리콘이 증착되어 형성된다. 이때, 실리콘 대신에 실리콘 카바이드가 증착될 수 있다.
상기 p형 불순물의 예로서는 붕소, 갈륨 및 인듐 등의 Ⅲ족 원소를 들 수 있다. 따라서, 상기 p형 실리콘층(121)은 아몰퍼스 실리콘에 p형 불순물이 도핑된 구조를 가질 수 있다.
이후, 상기 p형 실리콘층(121) 상에 화학 기상 증착 공정 또는 스퍼터 공정에 의해서, 실리콘이 증착되어 i형 실리콘층(122)이 형성된다. 상기 i형 실리콘층(122)에는 도전형 불순물이 도핑되지 않는다.
이후, 상기 i형 실리콘층(122) 상에 n형 실리콘층(123)이 형성된다. 상기 n형 실리콘층(123)은 상기 i형 실리콘층(122) 상에 n형 불순물 및 실리콘이 증착되어 형성된다.
상기 n형 불순물의 예로서는 안티몬(Sb), 비소(As) 및 인(P) 등의 Ⅴ족 원소를 들 수 있다. 따라서, 상기 n형 실리콘층(123)은 아몰퍼스 실리콘에 상기 n형 불 순물이 도핑된 구조를 가질 수 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 n형 실리콘층(123) 상에 n형 TCO층(130)이 형성된다. 상기 n형 TCO층(130)은 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다.
이후, 상기 상기 n형 TCO층(130) 상에 후면전극(140)이 형성된다. 상기 후면전극(140)은 은 또는 알루미늄이 증착되어 형성되거나, 도전성 입자를 포함하는 전극 페이스트가 프린팅되고, 소결되어 형성될 수 있다.
상기 p형 TCO층(110)은 상기 p형 실리콘층(121)에 인접하고, 상기 n형 TCO층(130)은 상기 n형 실리콘층(123)에 인접하여 형성되므로, 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지는 향상된 광-전 변환 효율을 가진다.
도 3은 다른 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지를 도시한 도면이다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예들을 참조하고, 각층의 위치를 중점적으로 설명한다.
기판(20) 상에 n형 TCO층(210)이 배치되고, 상기 n형 TCO층(210) 상에 광-전 변환층(220)이 배치된다. 또한, 상기 광-전 변환층(220) 상에 p형 TCO층(230)이 배치되고, 상기 p형 TCO층(230) 상에 후면전극(240)이 배치된다.
또한, 상기 광-전 변환층(220)은 n형 실리콘층(221), i형 실리콘층(222) 및 p형 실리콘층(223)이 차례로 적층되어 형성된다. 상기 n형 실리콘층(221)은 상기 n형 TCO층(210)에 인접하고, 상기 p형 실리콘층(223)은 상기 p형 TCO층(230)에 인접한다.
따라서, 상기 n형 TCO층(210)은 상기 n형 실리콘층(221)으로부터 용이하게 전자를 전달받고, 상기 p형 TCO층(230)은 상기 p형 실리콘층(223)으로부터 용이하게 전자를 전달받아 상기 후면전극(240)으로 전달한다.
또한, 상기 p형 TCO층(230)은 BSF층 기능을 수행한다.
따라서, 본 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지는 향상된 광-전 변환 효율을 가진다.
도 4는 다른 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지를 도시한 도면이다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예들을 참조하고, 버퍼층에 대해서 추가적으로 설명한다.
도 4를 참조하면, 기판(30) 상에 p형 TCO층(310)이 배치되고, 상기 p형 TCO층(310) 상에 광-전 변환층(320)이 배치된다. 또한, 상기 광-전 변환층(320) 상에 n형 TCO층(330)이 배치되고, 상기 n형 TCO층(330) 상에 후면전극(340)이 배치된다.
상기 광-전 변환층(320)은 p형 실리콘층(321), i형 실리콘층(322), 버퍼층(323) 및 n형 실리콘층(324)이 차례로 적층되어 형성된다.
상기 버퍼층(323)은 상기 p형 실리콘층(321) 및 상기 n형 실리콘층(324) 사이에 개재되어, 버퍼 기능을 수행한다.
상기 버퍼층(323)으로 사용되는 물질의 예로서는 상기 n형 실리콘층(324)보다 낮은 농도의 n형 불순물이 도핑된 아몰퍼스 실리콘이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지를 도시한 도면이다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예들을 참조하고, 버퍼층에 대해서 추가적으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 기판(40) 상에 n형 TCO층(410)이 배치되고, 상기 n형 TCO층(410) 상에 광-전 변환층(420)이 배치된다. 또한, 상기 광-전 변환층(420) 상에 p형 TCO층(430)이 배치되고, 상기 p형 TCO층(430) 상에 후면전극(440)이 배치된다.
상기 광-전 변환층(420)은 n형 실리콘층(421), i형 실리콘층(422), 버퍼층(423) 및 p형 실리콘층(424)이 차례로 적층되어 형성된다.
상기 버퍼층은 상기 n형 실리콘층(421) 및 상기 p형 실리콘층(424) 사이에 개재되어, 버퍼 기능을 수행한다.
상기 버퍼층으로 사용되는 물질의 예로서는 상기 p형 실리콘층(424)보다 낮은 농도의 p형 불순물이 도핑된 아몰퍼스 실리콘이다.
도 4 및 도 5의 실시예들에 따른 실리콘 박막형 태양전지는 버퍼층(323, 423)을 포함하기 때문에, 향상된 광-전 변환 효율을 가진다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지의 제조방법을 도시한 도면들이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지를 도시한 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지를 도시한 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 실리콘 박막형 태양전지를 도시한 도면이다.
Claims (6)
- 제 1 도전형의 제 1 투명 도전층;상기 제 1 투명 도전층에 대향하여 배치되는 제 2 도전형의 제 2 투명 도전층; 및상기 제 1 투명 도전층 및 상기 제 2 투명 도전층 사이에 배치되는 광-전 변환층을 포함하고,상기 제 1 투명 도전층은 아래와 같은 화학식을 가지는 금속 산화물을 포함하는 태양전지.AXBYOZ여기서, A는 구리 또는 은이며, B는 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨, 망간, 이트륨, 란타넘, 철, 크롬, 주석, 스칸듐, 네오디뮴 및 비스무트로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, O는 산소이고, X는 1 내지 5이고, Y는 1 내지 5이고, Z는 1 내지 5이다.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, X는 1이고, Y는 1이고, Z는 2인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 투명 도전층은 인듐 틴 옥사이드, 알루미늄 도핑된 산화 아연 및 불소 도핑된 산화 주석을 포함하는 태양전지.
- 제 1 도전형의 제 1 투명 도전층;상기 제 1 투명 도전층 상에 배치되는 제 1 도전형의 제 1 실리콘층;상기 제 1 실리콘층 상에 배치되는 제 2 도전형의 제 2 실리콘층; 및상기 제 2 실리콘층 상에 배치되는 제 2 도전형의 제 2 투명 도전층을 포함하고,상기 제 1 투명 도전층 또는 상기 제 2 투명 도전층은 아래와 같은 화학식을 가지는 금속 산화물을 포함하는 태양전지.AXBYOZ여기서, A는 구리 또는 은이며, B는 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨, 망간, 이트륨, 란타넘, 철, 크롬, 주석, 스칸듐, 네오디뮴 및 비스무트로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, O는 산소이고, X는 1 내지 5이고, Y는 1 내지 5이고, Z는 1 내지 5이다.
- 삭제
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