KR101549393B1 - 다중 접합 ｃｉｇｓ 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 접합 ＣＩＧＳ 태양 전지에 관한 것으로서, 결정질 실리콘 기판에 의하여 pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 실리콘 접합층과, 상기 실리콘 접합층의 하면에 위치하는 게르마늄 버퍼층과, 상기 게르마늄 버퍼층의 하면에 pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 게르마늄 접합층 및 상기 실리콘 접합층의 상면에 pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 CIGS층을 포함하는 다중 접합 CIGS 태양 전지를 개시한다.
Description
본 발명은 다중 접합 CIGS 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지(Solar Cell)는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 태양 전지는 시계나 계산기 등 휴대용 전자기기의 전원으로부터 넓은 개활지에 설치된 산업용 발전 설비까지 폭넓게 이용된다. 또한, 최근 친환경 대체 에너지의 필요성이 증가함에 따라 태양 전지에 대한 관심이 더욱 고조되고 있다.
상기 태양 전지는 기판형 태양 전지와 박막형 태양 전지로 구분할 수 있다. 상기 기판형 태양 전지는 실리콘과 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용하여 태양 전지를 제조한 것이고, 박막형 태양 전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체층을 형성하여 태양 전지를 제조한 것이다. 상기 박막형 태양 전지는 Si계 박막형 태양 전지와 화합물 박막형 태양 전지로 나눌 수 있고, 그 중 화합물 박막형 태양 전지는 Ⅱ-Ⅵ형, CIGS형, CdTe형 등으로 분류할 수 있다.
상기 CIGS형 태양 전지는 기판 상에 후면 전극, 광흡수층, 버퍼층 및 전면 전극이 차례로 형성된 구조를 가지며, 광흡수층의 재료로서 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se)의 화합물을 이용한 것이다. 상기 CIGS형 태양 전지는 흡수하는 파장 범위가 한정되어 있어 효율을 높이는데 한계가 있다.
본 발명은 태양광의 보다 넓은 파장 범위의 광을 흡수하여 광 변환 효율을 증가시킬 수 있는 다중 접합 CIGS 태양 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다중 접합 CIGS 태양 전지는 결정질 실리콘 기판에 의하여 pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 실리콘 접합층과, 상기 실리콘 접합층의 하면에 위치하는 게르마늄 버퍼층과, 상기 게르마늄 버퍼층의 하면에 pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 게르마늄 접합층 및 상기 실리콘 접합층의 상면에 pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 CIGS층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 게르마늄 버퍼층은 SiGe층으로 형성되며, pn 접합 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 게르마늄 버퍼층은 10 ∼ 100nm의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 CIGS층은 상기 실리콘 접합층의 상면에 형성되는 아연 버퍼층 및 상기 아연 버퍼층의 상면에 형성되는 CIGS층을 포함하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 CIGS 접합층은 상기 실리콘 접합층보다 밴드 갭이 크도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 아연 버퍼층은 n형 물질인 ZnOS 또는 ZnS로 형성될 수 있다. 이때, 상기 아연 버퍼층은 30 ∼ 100nm의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 CIGS층은 밴드 갭이 1.6eV이상인 CuGaSe2 또는 2.5eV이상인 CuGaS2의 조성으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다중 접합 CIGS 태양 전지는 상기 게르마늄 접합층의 하면에 형성되는 후면 전극층 및 상기 CIGS 접합층의 상면에 순차로 형성되는 전면 전극층 및 전극 그리드를 더 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다중 접합 CIGS 태양 전지에 따르면, 서로 다른 파장의 광을 흡수하는 다중 접합에 의하여 태양광의 보다 넓은 파장 범위의 광을 흡수하여 광 변환 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다중 접합 CIGS 태양 전지에 따르면, 실리콘 접합층과 게르마늄 접합층 사이에 게르마늄 버퍼층을 구비하여 실리콘과 게르마늄의 격자 미스매치에 의하여 발생될 수 있는 스트레스와 이에 따른 결함의 발생을 감소시키며, 에피 성장에 의하여 pn 접합 구조로 형성되어 게르마늄 접합층과 실리콘 접합층 사이에서 tunnel junction 역할을 하도록 하여 광 변환에 의하여 생성되는 전하의 전달 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 접합 CIGS 태양 전지의 수직 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다중 접합 CIGS 태양 전지에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 접합 CIGS 태양 전지의 수직 단면도이다. 이하의 설명에서 각 층의 상면과 하면은 도 1을 기준으로 각 층에서 상부에 위치하는 면과 하부에 위치하는 면을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 접합 CIGS 태양 전지는, 도 1을 참조하면, 실리콘 접합층(10)과 게르마늄 버퍼층(20)과 게르마늄 접합층(30)과 CIGS 접합층(40)과 후면 전극층(50)과 전면 전극층(60) 및 전극 그리드(70)을 포함하여 형성된다. 상기 다중 접합 CIGS 태양전지는 실리콘 접합층(10)과 게르마늄 접합층(30) 및 CIGS 접합층(40)을 구비하여 입사되는 태양광의 보다 넓은 파장 범위의 광을 흡수하여 광 변환 효율을 증가시킨다. 즉, 상기 다중 접합 CIGS 태양전지는 실리콘 접합층(10)은 1,100nm이하 파장 범위의 광을 주로 흡수하며, 게르마늄 접합층(30)은 1,650nm이하의 파장 범위의 광을 주로 흡수하며, CIGS 접합층(40)은 500 ~ 700nm의 파장 범위의 광을 주로 흡수하여 광 변환 효율을 증가시킨다.
상기 실리콘 접합층(10)은 결정질 실리콘 기판에 의하여 pn 접합 구조를 갖도록 형성된다. 상기 실리콘 접합층(10)은 30 ∼ 200㎛의 두께로 형성된다. 상기 실리콘 접합층(10)은 1.1eV의 밴드 갭을 가지도록 형성될 수 있다. 상기 실리콘 접합층(10)은 일반적인 태양 전지에 형성되는 실리콘 접합층과 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다. 상기 실리콘 접합층(10)은 태양광에서 500 ~ 1100nm 파장 범위의 광을 주로 흡수하여 전기 에너지로 변환시킨다.
상기 게르마늄(Ge) 버퍼층(20)은 SiGe층으로 형성되며, 에피 성장에 의하여 pn 접합 구조를 갖도록 형성된다. 상기 게르마늄 버퍼층(20)은 0.8 ~ 1.1eV의 밴드 갭을 가지도록 형성될 수 있다. 상기 게르마늄 버퍼층(20)은 Si: Ge의 성분비가 0.6 : 0.4 ~ 0.8 : 0.2가 되도록 형성된다. 상기 게르마늄 버퍼층(20)은 실리콘 접합층(10)의 하면에 형성된다. 즉, 상기 게르마늄 버퍼층(20)은 게르마늄 접합층(30)과 실리콘 접합층(10) 사이에 위치한다.
상기 게르마늄 버퍼층(20)은 게르마늄 접합층(30)의 에피 성장 과정에서 실리콘과 게르마늄의 격자 미스매치(mismatch)에 의하여 발생될 수 있는 스트레스(stress)와 이에 따른 결함의 발생을 감소시킨다. 또한, 상기 게르마늄 버퍼층(20)은 에피 성장에 의하여 pn 접합 구조를 가지게 되어 게르마늄 접합층(30)과 실리콘 접합층(10) 사이에서 tunnel junction 역할을 한다.
상기 게르마늄 버퍼층(20)은 10 ∼ 100nm의 두께로 형성된다. 상기 게르마늄 버퍼층(20)의 두께가 너무 얇으면 스트레스와 결함 발생 방지 작용이 충분하지 않을 수 있다. 또한, 상기 게르마늄 버퍼층(20)의 두께가 너무 두꺼우면 광 변환 과정에서 생성된 전하가 아래로 전달되는 효율이 저하되어 tunnel junction 역할을 하지 못하게 된다.
상기 게르마늄 접합층(30)은 게르마늄 버퍼층(20)의 하면에 에피 성장에 의하여 pn 접합 구조를 가지도록 형성된다. 상기 게르마늄 접합층(30)은 0.67eV의 밴드 갭을 가지도록 형성될 수 있다. 상기 게르마늄 접합층(30)은 에피 성장 과정에서 도핑 가스를 조절하여 pn 접합 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 게르마늄 접합층(30)은 장파장 범위의 광을 흡수하는 작용을 한다. 상기 게르마늄 접합층(30)은 10 ∼ 30㎛의 두께로 형성된다. 상기 게르마늄 접합층(30)은 그 두께가 너무 얇으면 장파장 범위의 광을 흡수하는 효율이 저하된다. 또한, 상기 게르마늄 접합층(30)은 그 두께가 너무 두꺼우면 응력이 축적되어 태양전지에 결합을 유발할 수 있다.
상기 CIGS 접합층(40)은 아연(Zn) 버퍼층(42)과, 아연 버퍼층(42)의 상면에 형성되는 CIGS층(44)이 pn 접합 구조를 가지도록 형성된다. 상기 CIGS 접합층(40)은 실리콘 접합층(10)의 상면에 형성된다. 상기 CIGS 접합층(40)은 태양 전지에서 가장 상부에 위치하는 상부 단위 셀을 이루며, 단파장의 광을 흡수하여 전기 에너지로 변환시킨다. 보다 구체적으로는 상기 CIGS층(44)은 p형 반도체층의 역할을 하고, 아연 버퍼층(42)은 n형 반도체층의 역할을 한다. 따라서, 상기 CIGS층(44)과 아연 버퍼층(42)은 광이 전자와 정공의 캐리어로 변환되도록 하며, 광전 효과에 의해 광 기전력을 생성하는 역할을 한다.
또한, 상기 CIGS 접합층(40)은 실리콘(Si)의 밴드 갭(band gap)인 1.1 eV보다 큰 1.4eV 이상의 밴드 갭을 가지도록 형성된다. 따라서, 상기 CIGS 접합층(40)은 상부 단위 셀로서 단파장의 광을 흡수하도록 형성된다.
상기 아연 버퍼층(42)은 n형 물질인 ZnOS 또는 ZnS로 형성될 수 있다. 상기 아연 버퍼층(42)은 1.6 ~ 1.7eV의 밴드 갭을 가지도록 형성될 수 있다. 상기 아연 버퍼층(42)은 30 ∼ 100nm의 두께로 형성된다. 상기 아연 버퍼층(42)은 너무 얇으면 태양전지의 n형층으로서 충분히 작용하지 못한다. 또한, 상기 아연 버퍼층(42)은 두께가 너무 두꺼우면 태양 전지의 두께가 불필요하게 두꺼워질 수 있다. 상기 아연 버퍼층(42)은 원자층 증착 공정에 의하여 형성될 수 있다.
상기 CIGS층(44)은 CuGaSe2 또는 CuGaS2의 조성으로 형성된다. 이때, 상기 CIGS층(44)은 갈륨(gallium, Ga)의 함량을 조절하여 밴드 갭을 조정할 수 있다. 예를 들면, 상기 CIGS층(44)은 바람직하게는 CuGaSe2로 형성되는 경우에 1.6eV의 밴드 갭을 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 CIGS층(44)은 CuGaS2로 형성되는 경우에 2.5 eV의 밴드 갭을 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 CIGS층(44)은 조성비에 따라 밴드 갭이 0.1 ~ 0.3eV정도 조정될 수 있다. 이를 위하여, 상기 CuGaSe2는 조성비가 Cu1 + xGa1 - xSe2 또는 Cu1 - xGa1 + xSe2(x= 0.10 ~ 0.20)의 범위로 조정될 수 있다. 상기 CIGS층(44)은 조성비가 조정됨에 따라 적층되는 층과의 격자 상수의 차이, 광학적 특성 조절에 따라 Cu-rich 또는 Ga-rich층으로 조절될 수 있다. 상기 CIGS층(44)은 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여 아연 버퍼층(42)의 상면에 금속 프리커막을 형성하고, 셀레니제이션 공정에 의해 금속 프리커막에 셀레늄을 반응시켜 형성된다.
상기 후면 전극층(50)은 게르마늄 접합층(40)의 후면에 금속 전극으로 형성된다. 상기 후면 전극층(50)은 Mo 또는 그 등가물로 형성될 수 있다. 상기 후면 전극층(50)은 일반적인 태양 전지에 형성되는 후면 전극층과 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다.
상기 전면 전극층(60)은 CIGS층(44)의 전면에 투명 전도층(Transparent Conductive Oxide; TCO)으로 형성된다. 상기 전면 전극층(60)은 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, SnO2, AZO, ZnSnO 또는 그 등가물로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전면 전극층(60)은 일반적인 태양 전지에 형성되는 전면 전극층과 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다.
상기 전극 그리드(70)는 전면 전극층(60)의 전면에 Ag와 같은 전도성 금속으로 형성된다. 상기 전극 그리드(70)는 스트라이프 형상 또는 격자 형상을 이루도록 형성된다. 또한, 상기 전극 그리드(70)는 일반적인 태양 전지에 형성되는 전극 그리드와 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 다중 접합 CIGS 태양 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: 실리콘 접합층 20: 게르마늄 버퍼층
30: 게르마늄 접합층 40: CIGS 접합층
50: 후면 전극층 60: 전면 전극층
70: 전극 그리드
30: 게르마늄 접합층 40: CIGS 접합층
50: 후면 전극층 60: 전면 전극층
70: 전극 그리드
Claims (9)
- 결정질 실리콘 기판에 의하여 pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 실리콘 접합층과,
상기 실리콘 접합층의 하면에 위치하는 게르마늄 버퍼층과,
상기 게르마늄 버퍼층의 하면에 pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 게르마늄 접합층 및
상기 실리콘 접합층의 상면에 pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 CIGS층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 접합 CIGS 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 게르마늄 버퍼층은 SiGe층으로 형성되며, pn 접합 구조를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 접합 CIGS 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 게르마늄 버퍼층은 10 ∼ 100nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 접합 CIGS 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 CIGS층은
상기 실리콘 접합층의 상면에 형성되는 아연 버퍼층 및
상기 아연 버퍼층의 상면에 형성되는 CIGS층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 접합 CIGS 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 CIGS층은 상기 실리콘 접합층보다 밴드 갭이 큰 것을 특징으로 하는 다중 접합 CIGS 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 아연 버퍼층은 n형 물질인 ZnOS 또는 ZnS로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 접합 CIGS 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 아연 버퍼층은 30 ∼ 100nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 접합 CIGS 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 CIGS층은 밴드 갭이 1.6eV이상인 CuGaSe2 또는 2.5eV이상인 CuGaS2의 조성으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 접합 CIGS 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 게르마늄 접합층의 하면에 형성되는 후면 전극층 및
상기 CIGS층의 상면에 순차로 형성되는 전면 전극층 및 전극 그리드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 접합 CIGS 태양 전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140180273A KR101549393B1 (ko) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | 다중 접합 ｃｉｇｓ 태양 전지 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR101549393B1 true KR101549393B1 (ko) | 2015-09-14 |
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ID=54246980
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| KR1020140180273A KR101549393B1 (ko) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | 다중 접합 ｃｉｇｓ 태양 전지 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101549393B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110112254A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-08-09 | 深圳先进技术研究院 | 一种二端子叠层太阳能电池及其制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080217622A1 (en) | 2007-03-08 | 2008-09-11 | Amit Goyal | Novel, semiconductor-based, large-area, flexible, electronic devices |
-
2014
- 2014-12-15 KR KR1020140180273A patent/KR101549393B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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