KR101614913B1 - 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 물질로 형성된 상부 전지; 상부 전지와 전기적으로 분리되어 별도의 기전력을 발생시키고, 상기 상부 전지의 반도체 물질과 다른 반도체 물질로 형성된 하부 전지; 및 상기 상부 전지와 상기 하부 전지 사이에 형성되고 상기 상부 전지에 입사되는 빛을 흡수없이 또는 흡수를 최소화하여 투과시키는 투명층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다. 따라서 본 발명은 전기적으로 분리된 태양전지를 통해 독립된 전압을 필요에 따라 추출하여 사용할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 복수의 전지로 구성된 태양전지에 관한 것으로, 상세하게는, 전기적으로 분리되어 별도의 독립적인 전압을 발생시키는 태양전지에 관한 것이다.
전 세계적으로 저탄소 녹색에너지 개발이 이슈화 되면서, 태양전지 등 다양한 녹색에너지원의 효율 향상 연구 및 자동차 및 건물 등의 적용연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히, 태양전지는 현재 가장 활발히 연구 및 개발이 진행되고 있는 그린에너지 소자이다. 현재 전세계 태양광 연구는 태양광 효율을 극대화하기 위하여, 여러 개의 p-n 접합을 형성시켜서 소위 다중 접합 태양전지(Multi-junction solar cell)를 만드는 방향으로 진행되고 있다.
하지만 다중 접합 태양전지는 각각의 태양흡수막이 고비용의 에피택시(Epitaxy) 공정으로 성장되기 때문에 가격 대비 효율이 낮다. 도 1을 참조하면, 기존의 다중 접합 태양전지(100)는 현재 널리 사용되는 GaInP/GaAs/Ge 구조를 가진다. 제3전지(113)인 Ge는 Si 대비 고가의 물질이지만 태양광 수집 효율이 떨어지고 상부의 GaAs 및 GaInP의 에피택시 성장을 위해 사용된다. 다중 접합 태양전지(100)는 기판위에 GaAs 및 GaInP를 각각 에피택시 공정으로 성장을 시키므로 각 층의 성장 및 P-N 접합/터널 접합을 형성하기 위한 다수의 에피택시 공정에 기인한 고비용을 야기한다. 다수 접합을 포함하는 태양전지의 공정 효율을 높이기 위하여, 대한민국 공개특허 KR 2008-0079058는 복수의 태양전지층을 독립적으로 제작하여 이를 연결하는 별도의 공정을 제시한다.
그러나, 대한민국 공개특허는 여전히 다중 접합에 따른 수회의 공정을 수행해야 하며, 태양전지를 이루는 물질들의 격자(Lattice) 상수가 다른 경우를 염두하진 않는다. 도 2를 참조하면, Ge의 격자 상수는 GaAs와 비슷하여, GaAs가 태양전의 반도체 물질로 사용될 경우 GaAs와 인접한 층은 Ge가 되어야만 한다. 따라서 종래 기술은 격자 상수가 비슷한 물질을 에피택시(Epitaxy) 공정으로 성장시키기 때문에, 반도체 물질 선택에 대한 한계를 가지고 있다. 특히, Ge는 다수의 에피택시(Epitaxy) 공정을 포함해야 해서 공정을 복잡하게 함과 동시에 상대적으로 효율이 낮다는 단점을 가지고 있음에도, 가장 많이 쓰이는 GaAs와 GaInP의 격자 상수와 비슷하다는 이유로 흔하게 사용되고 있다.
또한, 종래의 태양전지는 각각의 반도체 층의 밴드갭에 해당하는 빛의 에너지를 흡수하여 전기로 변환시켜서 상기 반도체 층을 직렬로 연결하여 기전력을 발생시키는 구조를 가졌기 때문에, 각각의 반도체층을 전기적으로 잘 연결시켜야 하는 구조(터널 접합) 및 상기 구조에 상응하는 고비용 에피택시(Epitaxy) 공정을 거쳐야 하는 문제점을 가지고 있었다.
이에, 본 발명은 태양전지를 이루는 반도체 물질을 선택함에 있어서 격자 상수에 제한을 받지 않고, 단일 전압이 아닌 독립적인 복수의 전압을 발생시킬 수 있는 태양전지를 제안한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 격자 상수 및 밴드갭 에너지가 다른 물질이 사용되는 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 별도의 독립적인 기전력을 제공하는 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시의 일 측면에서, 본 발명은 반도체 물질로 형성된 상부 전지; 상부 전지와 전기적으로 분리되어 별도의 기전력을 발생시키고, 상기 상부 전지의 반도체 물질과 다른 반도체 물질로 형성된 하부 전지; 및 상기 상부 전지와 상기 하부 전지 사이에 형성되고 상기 상부 전지에 입사되는 빛을 흡수없이 또는 흡수를 최소화하여 투과시키는 투명층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 하부 전지의 반도체 물질은 상기 상부 전지의 반도체 물질의 격자 상수와 다른 격자 상수를 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 하부 전지의 반도체 물질은 상기 상부 전지의 반도체 물질의 밴드갭 에너지보다 작은 밴드갭 에너지를 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 하부 전지의 반도체 물질은 밴드갭 에너지가 1eV 내지 1.1eV인 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 하부 전지의 반도체 물질은 Si, GaSb 및 InGaAs 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 상부 전지의 반도체 물질은 밴드갭 에너지가 상이한 복수의 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 상부 전지 또는 상기 하부 전지의 반도체 물질은 다중 접합을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 상부 전지의 반도체 물질은 GaInP 및 GaAs 계열의 화합물인 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 상부 전지는 기판, 상기 기판 일면에 형성되는 제2전지층 및 상기 제2전지층에 형성되어 상기 제2전지층의 반도체 물질과 상이한 반도체 물질로 구성된 제1전지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1전지층은 상기 제2전지층의 반도체 물질보다 더 큰 밴드갭 에너지를 가지는 반도체 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1전지층과 제2전지층 중 적어도 어느 하나는 전자정공 트랩 방지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1전지층에 형성되고 저항 접합을 이루는 컨택층; 상기 컨택층상에 형성된 제1금속층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1금속층상에 형성된 반사 방지막을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제2금속층은 상기 제1금속층에 입사된 빛의 반사를 최소화하는 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 하부 전지는 기전력을 발생시키는 제3전지층 및 상기 제3전지층 일면에 형성된 제3금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제3금속층은 상부 전지에서 입사된 빛의 반사를 최소화하는 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 투명층은 투명성 및 절연성을 갖는 소재인 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 투명층은 PMMA 또는 PDMS로 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 PMMA 투명층은 클로로포름(CHCl3)에 대하여 PMMA를 1.5wt.% 또는 3wt.%의 무게비로 녹여 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 하부 전지와 전기적으로 분리되어 별도의 기전력을 발생시키는 제4전지층; 및 상기 하부 전지와 제4전지층 사이에 형성된 투명층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
본 발명은 전기적으로 분리된 태양전지를 통해 독립된 전압을 필요에 따라 추출하여 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 격자 상수에 구애받지 않고 다양한 반도체 물질을 사용하여 태양전지 제조의 선택성을 확대하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 태양전지의 특정 전지층을 분리하여 반도체 물질 접합시 소요되는 공정의 복잡성을 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 다중 접합 태양전지의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 태양전지 반도체 물질들의 격자 상수와 밴드갭을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 태양전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 구조의 상세도를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 구조 중 상부전지의 상세도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 제조 공정도를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 트랩 방지층의 매커니즘을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 두께에 따른 반사 방지막의 반사율을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 투명층 재질에 따른 투명층의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 2는 태양전지 반도체 물질들의 격자 상수와 밴드갭을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 태양전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 구조의 상세도를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 구조 중 상부전지의 상세도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 제조 공정도를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 트랩 방지층의 매커니즘을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 두께에 따른 반사 방지막의 반사율을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 투명층 재질에 따른 투명층의 투과율을 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 태양전지의 구조를 나타내는 도면이다. 도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 2개의 병렬 독립 전압을 생성하는 태양전지(300)를 도시하고, 도 3b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 3개의 병렬 독립 전압을 생성하는 태양전지(300)를 도시한다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 태양전지(300)는 상부 전지(310), 하부 전지(320), 투명층(330) 및 단자(340)를 포함한다.
상부 전지(310)는 반도체 물질로 형성되되, 하부 전지(320)의 반도체 물질과 다른 반도체 물질로 형성되고, 하부 전지(320)와 전기적으로 분리되어 별도의 상부 전압(350)을 발생시킨다. 상부 전지(310)의 반도체 물질은 GaInP 및 GaAs 계열의 화합물 중 적어도 어느 하나가 될 수 있다.
상부 전지(310)의 반도체 물질은 하부 전지(320)의 반도체 물질의 밴드갭 에너지와 다른 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 태양전지(300)는 상부 전지(310)로부터 빛을 입사받고, 상부 전지(310)를 투과한 빛은 투명층(330)을 거쳐서 하부 전지(320)까지 입사한다. 상기 입사된 빛은 태양전지(300)의 반도체 물질에 의하여 상기 반도체 물질의 밴드갭 에너지에 상응하는 파장대에 따라서 흡수된다. 도 1과 같이, 입사된 빛은 GaInP, GaAs 및 Si를 거치면서, 1.8eV, 1.4eV 및 1.1eV 대역의 파장을 중심으로 차례대로 흡수된다. 따라서, 한 번 흡수된 파장의 빛은 더 이상 에너지를 가지고 있지 않으므로, 상부 전지(310) 및 하부 전지(320)가 기전력을 발생시키려면 각 반도체 물질 층은 상부에서 하부까지 다른 밴드갭 에너지를 가지는 것이 타당하다.
상부 전지(310)의 반도체 물질은 하부 전지(320)의 반도체 물질의 격자 상수와 다른 격자 상수를 가질 수 있다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 에피택시(Epitaxy) 공정으로 제조되는 태양전지는 접합된 층의 반도체 물질의 격자 상수는 동일하거나 비슷하여야 한다. 그러나, 본 발명의 태양전지(300)는 투명층(330)을 이용하여 반도체 물질 층을 전기적으로 분리될 수 있기 때문에, 태양전지(300)는 서로 다른 격자 상수를 가지는 반도체 물질이라 하더라도 추출하고자 하는 기전력에 상응하는 밴드갭 에너지를 가진 반도체 물질을 사용할 수 있다. 도 2를 참고하면, 서로 접합된 GaInP와 GaAs의 격자 상수 5.6으로 유사하나, 투명층(330)으로 이격된 GaAs와 Si는 격자상수가 각각 5.4와 5.6으로 상이하다. 따라서, GaInP와 GaAs로 구성된 태양전지(300)는 접합층인 투명층(330)을 이용하여, 0,7eV의 밴드갭 에너지를 가지는 Ge 대신 1eV 내지 1.1eV 밴드갭 에너지를 가지는 Si를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 전지(310)는 접합층을 이루는 복수의 전지층으로 구성되어 하나의 기전력을 발생시키지만, 상부 전지(310) 내부적으로 투명층(330)을 포함하여 다수의 기전력을 발생시키는 구조로 형성될 수 있다.
상부 전지(310)는 단수 또는 복수의 반도체 물질 층으로 형성될 수 있고, 상부 전지(310)의 단수 또는 복수의 반도체 물질 층은 단일 혹은 다중 전지층을 형성할 수 있다. 본 도면에서, 상부 전지(310)는 제1전지층(311) 및 제2전지층(312)으로 구성된다.
전지층은 하나의 기전력(전압)을 발생시킬 수 있는 단위 전지이다. 상기 전지층은 도핑 농도의 차이는 있으나, 동일한 반도체 물질 층으로 이루어진다. 가령, 도 3에서, GaInP 반도체 물질 층은 1.8eV의 기전력을 발생시키는 (단위)전지가 되고, GaAs 반도체 물질 층은 1.4eV의 기전력을 발생시키는 (단위)전지가 되며, Si 반도체 물질 층은 1.1eV의 기전력을 발생시키는 (단위)전지가 된다.
제1전지층(311) 및 제2전지층(312)은 서로 다른 밴드갭 에너지를 가지고, 유사한 격자 상수를 가진다. 상기 언급한 바와 같이, 흡수되는 파장대의 빛이 반도체 물질의 밴드갭 에너지에 따라서 다르므로, 제1전지층(311)과 제2전지층(312)의 밴드갭 에너지는 서로 달라야 한다. 또한, 접합을 이루는 인접 전지층의 격자 상수는 공정특성상 유사한 것이 타당하다.
하부 전지(320)는 반도체 물질로 형성되되, 상부 전지(310)의 반도체 물질과 다른 반도체 물질로 형성되고, 상부 전지(310)와 전기적으로 분리되어 별도의 하부 전압(360)을 발생시킨다. 하부 전지(320)의 반도체 물질은 Si, GaSb 및 InGaAs 중 적어도 어느 하나가 될 수 있다.
하부 전지(320)의 반도체 물질은 상부 전지(310)의 반도체 물질의 밴드갭 에너지와 다른 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 입사된 빛은 상부 전지(310)에서 일부 흡수된 후, 투명층(330)을 거쳐서 하부 전지(320)까지 입사한다. 상기 입사된 빛은 태양전지(300)의 반도체 물질에 의하여 상기 반도체 물질의 밴드갭 에너지에 상응하는 파장대에 따라서 흡수된다. 따라서, 한 번 흡수된 파장의 빛은 더 이상 에너지를 가지고 있지 않으므로, 하부 전지(320)가 기전력을 발생시키려면, 각 반도체 물질 층은 상부에서 하부까지 다른 밴드갭 에너지를 가지는 것이 타당하다.
하부 전지(320)의 반도체 물질은 상부 전지(310)의 반도체 물질의 격자 상수와 다른 격자 상수를 가질 수 있다.
하부 전지(320)는 단수 또는 복수의 반도체 물질 층으로 형성될 수 있고, 하부 전지(320)의 단수 또는 복수의 반도체 물질 층은 단일 혹은 다중 전지층을 형성할 수 있다. 본 도면에서, 하부 전지(320)는 제3전지층(313)으로 구성된다.
제3전지층(313)과 제1전지층(311) 및 제2전지층(312)은 서로 다른 밴드갭 에너지를 가진다. 상기 언급한 바와 같이, 흡수되는 파장대의 빛이 반도체 물질의 밴드갭 에너지에 따라서 다르므로, 제3전지층(313)과 제1전지층(311) 및 제2전지층(312)의 밴드갭 에너지는 서로 달라야 한다. 하부 전지(320)이 제3전지층(313)외에 다른 전지층을 포함하는 경우에도 각 전지층의 밴드갭 에너지는 서로 다른 것이 바람직하다. 제3전지층(313)의 격자 상수는 제1전지층(311) 및 제2전지층(312)의 격자 상수와 유사하지 않아도 무방하다. 그러나, 하부 전지(320)가 제3전지층(313)외에 다른 전지층을 포함한 경우, 제3전지층(313)과 인접한 전지층은 투명층(330)이 없는 한 유사한 격자 상수를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명은 별도의 독립된 전원인 상부 전압(350) 및 하부 전압(360)을 야기한다. 상부 전압(350)은 상부 전지(310)에 의해 야기된 기전력이고, 하부 전압(360)은 하부 전지(320)에 의해 야기된 기전력이다. 상부 전압(350) 및 하부 전압(360)은 별도로 추출되어 사용될 수 있다. 가령, 도 3에서, 기전력은 상부 전압(350) 또는 하부 전압(360)에 의해 야기 되므로, 각각 3.2eV 또는 1.1eV의 2개의 전지가 있는 것과 동일하다.
단자(340)는 전지층상에 형성되어 전지로부터 전압을 추출하는 전극으로, 상부 전지(310) 및 하부 전지(320)의 상부 또는 하부에 금속(metal)층으로 형성될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 태양전지(300)는 상부 전지(310), 제1하부 전지(321), 제2하부 전지(322), 투명층(330) 및 단자(340)를 포함한다.
도 3b의 태양전지(300)는 도 3a와 다르게, 하부 전지(320)가 2단으로 구성되어 있다. 하부 전지(320)는 투명층(330)을 경계로 제1하부 전지(321)와 제2하부 전지(322) 2개의 전지로 분리될 수 있고, 각 하부 전지들은 별도의 독립된 전압인 제1하부 전압(361)과 제2하부 전압(362)을 생성한다.
제2하부 전지(322)는 반도체 물질로 된 제4전지층(314)을 포함하고, 제4전지층(314)의 반도체 물질은 제1 내지 제3전지층의 반도체 물질과 서로 다르되, 밴드갭 에너지를 가질 수 있으며, 바람직하게는, 상층에 형성된 반도체 물질의 밴드갭 에너지보다는 작은 밴드갭 에너지를 가지는 반도체 물질인 것이 바람직하다. 투명층(330)이 각 전지 사이를 경계짓기 때문에, 제4전지층(314)의 반도체 물질은 상층의 반도체 물질의 격자 상수와 무관하게 선택될 수 있다.
태양전지(300)는 도 3a 및 도 3b의 구조에 한정되지 아니하고, 투명층(330)을 경계로 하여 전지층이 포함된 하부 전지를 필요에 따라 늘려갈 수 있으며, 병렬 독립 전압을 자유롭게 생성시킨다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 구조의 상세도를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 태양전지(300)를 이루는 반도체 물질 층에 대한 상세도가 도시되어 있다.
상부 전지(310)는 제1전지층(311), 제2전지층(312), 기판(410), 컨택층(420), 금속층(431, 432) 및 반사 방지막(440)을 포함한다.
제1전지층(311) 및 제2전지층(312)은 밴드갭 에너지가 제3전지층(313)보다 높고, 제1전지층(311)의 밴드갭 에너지는 제2전지층(312)의 그것보다 높다. 본 도면에서, 제1전지층(311)은 GaInP, 제2전지층(312)은 GaAs, 제3전지층(313)은 Si를 사용하였으나, 본 발명의 태양전지(300)는 격자 상수 고려없이 밴드갭 에너지 차이만 일치한다면 다양한 반도체 물질들을 사용할 수 있다. 제1전지층(311), 제2전지층(312) 및 제3전지층 (313)은 도핑 물질과 농도에 따라 n형과 p형으로 접합된 반도체 물질을 포함한다. 바람직하게, 제1전지층(311) 및 제2전지층(312)은 p-n 접합 또는 n-p 접합으로 형성되되, n-p 접합 또는 p-n 접합으로만 형성된다. 가령, 제1전지층(311)이 n-GaInP와 p-GaInP 라면, 제2전지층(312)은 n-GaAs와 p-GaAs가 되고 p-GaAs와 n-GaAs의 형태로 형성될 수 없다. 제1전지층(311)이 p-GaInP와 n-GaInP 라면, 제2전지층(312)은 p-GaAs와 n-GaAs가 되고 n-GaAs와 p-GaAs의 형태로 형성될 수 없다. 본 도면에서는, n-p 접합으로 형성된 제1전지층(311) 및 제2전지층(312)이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다.
투명층(330)은 상부 전지(310)와 하부 전지(320)사이에 위치하여 양자를 접착시킨다. 투명층(330)은 상부 전지(310)로부터 입사된 빛을 하부 전지(320)로 통과시킨다.
금속층(431 내지 434)은 전압 단자를 구성한다. 금속층(431 내지 434)은 제1금속층(431), 제2금속층(432), 제3금속층(433) 및 제4금속층(434)을 포함한다. 제1금속층(431)은 제1전지층(311)에 형성된 컨택층(420)상에, 제2금속층(432)은 기판(410) 하부에, 제3금속층(433)은 제3전지층(313) 상부에, 제4금속층(434)은 제3전지층(313) 하부에 형성된다. 제1금속층(431) 및 제2금속층(432)은 상부 전지(310)의 단자를 형성하고, 제3금속층(433) 및 제4금속층(434)은 하부 전지(320)의 단자를 형성한다.
금속층(431 내지 434)은 일정한 패턴을 가질 수 있다. 상기 패턴은 상부 전지(310)로 입사되는 빛이 반사를 최소가 되도록 하는 패턴을 가질 수 있다. 이러한 패턴은 입사되는 빛이 하부 전지(320)에 도달하는 광자를 증가시켜 에너지 효율을 높이고 전압을 안정하게 공급하도록 한다. 바람직하게, 금속층(431 내지 434)의 패턴은 서로 정렬(alignment)되어 동일한 간격을 가질 수 있다. 즉, 제1금속층(431)의 패턴 간격(L1)과 제2금속층(432)의 패턴 간격(L2)은 서로 동일하고, 제2금속층(432)의 패턴 간격(L2) 및 제3금속층(433)의 패턴 간격(L3)은 서로 동일한 것이 바람직하다. 또한, 제1금속층(431)의 패턴, 제2금속층(432)의 패턴 및 제3금속층(433)의 패턴은 모두 동일한 위치에 정렬되는 것이 바람직하다. 각 금속층의 패턴 간격(L1,L2,L3)이 모두 동일하고 동일한 위치에 정렬된다면, 입사된 빛은 빛의 반사없이 하부 전지(320)까지 도달할 수 있다.
반사 방지막(440)은 태양전지(300)에 입사되는 빛의 반사를 방지한다. 빛이 상부 전지(310)를 통해 입사될 때, 반사 방지막(440)을 거쳐서 입사되게 된다. 반사 방지막(440)는 입사 직전에 태양전지(300) 밖에서 반사되거나 내부에서 반사되어 외부로 반사되어 나가는 빛의 양을 감소시킨다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 구조 중 상부전지(310)의 상세도를 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 트랩 방지층의 매커니즘을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 전지층은 트랩 방지층(510) 및 터널 접합층(TJ, Tunnel junction)을 포함한다. 본 도면은 최적의 조건을 반영한 트랩 방지층(510)과 터널 접합층을 도시한다.
터널 접합층은 제1전지층(311) 및 제2전지층(312) 사이에 최대한 많은 전자 및 정공이 이동할 수 있게 한다. 터널 접합층은 가능한 많은 전자정공이 이동해야 하므로, 고농도 도핑을 하여 터널링 거리(Tunneling distance)를 최소화하는 것이 바람직하다.
트랩 방지층(510)은 각 전지층에 존재하는 p-n접합 사이 계면에 전자정공이 트랩되는 것을 막는다. 트랩 방지층(510)은 BSF(Back-Surface-Field)나 Window층(layer)이 될 수 있다. p-n접합의 양 끝단은 이종의 물질이 접합되어 결함농도가 높아서, 계면에 전자정공이 트랩될 가능성이 높다. 도 7을 참고하면, p-n접합의 양 끝단에 형성된 트랩 방지층(510)은 전자정공이 계면까지 가지 않고 반사되어 나오도록 한다. 트랩 방지층(510)은 도핑 농도 변화를 통한 밴드갭 조절로 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 제조 공정도를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 태양전지(300)의 제조 공정이 도시된다. 제조 공정은 상부 전지(310)형성, 하부 전지(320) 형성 및 상부 전지(310)와 하부 전지(320)의 정렬 및 결합으로 구성된다. 본 도면에서는, 설명의 용이성을 위하여, 트랩 방지층(510) 및 터널 접합층(TJ)의 도시는 생략된다.
상부 전지(310)의 기판(410), 제2전지층(312), 제1전지층(311) 및 컨택층(420)이 차례로 형성된다. 상세하게는, P-GaAs기판(410)이 준비되고, 기판(410)위에 초고진공 에피택시(Epitaxy) 공정장비를 통해, p-GaAs, n-GaAs, p-GaInP 및 n-GaInP가 단결정으로 성장된다. 컨택층(420)은 제1금속층(431)과 저항성 접촉(Ohmic contact)을 이룬다. n-GaAs인 컨택층(420)은 선택적 에칭(Etching)에 의해서 제거된다((a)단계). 포토리지스트(PR, photoresist)가 도포되고((b)단계), 노광 및 인화(Develop) 공정이 수행되면, 패턴이 형성된다((c)단계). 그 후, 진공 증착 공정을 통하여 제1금속층(431)이 증착된다((d)단계).
제1금속층(431)은 리프트 오프(Lift-off) 공정을 통해 포토리지스트가 제거되면, 패터닝된다((e)단계). n-GaAs의 컨택층(420)은 저항 접촉을 형성하기 때문에, 제1금속층(431)과 접촉하지 않는 부분은 제거되는 것이 에너지 효율면에서 유리하다. 컨택층(420)은 선택적 에칭 용액을 이용하여 부분 제거된다((f)단계). 상부 전지(310) 상부인 컨택층(420) 및 제1금속층(431) 상부에 반사 방지막(440)이 증착되어 입사광의 반사를 최소화 시킨다. 상부 전지(310) 상부의 제1금속층(431)과 동일한 패턴의 제2금속층(432)이 상부 전지(310) 하부에도 형성된다. 이 때, 상부 전지(310) 하부 패턴 제2금속층(432)은 상부 패턴과 동일한 위치에 증착되어, 상부 전지(310)를 통과한 빛이 하부 패턴에 반사되지 않게 된다((g)단계). 완성된 상부 전지(310)는 투명층(330)을 사이에 두고 Si로 이뤄진 하부 전지(320)와 부착 결합되되, 제1금속층(431), 제2금속층(432) 및 제3금속층(433)의 위치 및 간격이 동일하도록 정렬되도록 부착된다. 이 때 하부 전지(320)의 제3금속층(433)은 리프트 오프(Lift-off)나 에칭 등의 공정에 의해서 미리 형성되어야 한다((h)단계).
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 두께에 따른 반사 방지막의 반사율을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 입사광의 반사 방지막(440)에 대한 반사율을 나타낸 그래프가 도시된다.
입사광은 반사가 최소화되어야 한다. 바람직하게, 상기 입사광은 상부 전지(310) 표면에서 반사없이 투과되는 것이 요구된다. 따라서, 상부 전지(310) 표면에 위치한 반사 방지막(440)이 입사받은 빛을 얼마나 반사하지 않고 그대로 투과시키는지가 태양전지(300) 효율을 높이는데 중요한 요소이다. 반사되는 빛은 태양전지(300)의 전자정공을 형성하는데 기여하지 못하므로, 이 반사되는 빛의 양은 최소화되어야 한다.
빛이 수직으로 입사하고 반사 방지막(440)이 단일층인 경우, 반사 방지막(440)의 두께는 입사광의 1/4파장일 때, 빛의 반사율은 최소가 된다. 반사 방지막(440)의 상부면과 하부면에서 반사되는 빛이 소멸간섭하게 되기 때문이다. 반사율이 0이 되는 반사 방지막(440)의 굴절율은 다음 (1)식에서 구할 수 있다.
(n1은 반사 방지막의 굴절율, n0는 공기의 굴절율, ns는 태양전지 반도체 물질의 굴절율)
상기 식(1)에서 구한 두께와 굴절률을 가진 반사 방지막(440)의 특정파장에서의 반사도는 0이지만, 입사하는 빛의 파장은 다양하기 때문에, 특정파장 이외의 파장의 빛의 반사도는 증가한다. 넓은 파장대에서 반사도를 0으로 줄이기 위해서, 단일층(Single layer)이 아닌 다중층 반사 방지막(440)의 형성이 필요하다. 다중층, 특히, 이중층(Double layer)이 사용되기 위하여, 각 두 층의 두께는 각각 목적하는 파장의 1/4로 하고, 각 층의 굴절률은 다음 식(2)와 같이 구하여진다.
(n1 , n2은 반사 방지막의 굴절율, n0는 공기의 굴절율, ns는 태양전지 반도체 물질의 굴절율)
따라서, 이중막의 반사 방지막(440)은 단일막의 반사 방지막(440)에 비하여 넓은 파장대에 대해서 반사도를 현저히 줄일 수 있다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 투명층 재질에 따른 투명층의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 투명층(330) 재질 중 PMMA(poly methyl methacrylate)의 흡광도가 도시된다.
투명층(330)은 GaAs층과 Si층을 부착시킴과 동시에, GaAs층에서 흡수되지 못한 장파장 영역의 광자를 Si표면에 도달시키기 위해서는 투명성을 가진 버퍼층이 필요하다. 또한, 투명층(330)은 상부 전지(310)와 하부 전지(320)간의 전기적 흐름을 단절시키는 절연성을 가져야하며, 상부 전지(310)와 하부 전지(320)간을 접착시켜야 하기 때문에, 높은 접착성도 가져야 한다. 투명층(330)은 투명성 및 절연성을 가지는 소재로 구성되는 것이 바람직하다.
투명층(330)의 투명성, 절연성 및 접착성의 조건이 만족되기 위한 재료로서, PMMA(poly methyl methacrylate) 또는 PDMS(poly di methyl siloxane)가 사용된다. PMMA은 300900 영역에서 낮은 흡광도를 보여준다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, PMMA 투명층(330)은 350/mole의 분자량의 PMMA를 클로로포름(CHCl3)에 1.5wt.%와 3wt.%의 무게비로 녹인 뒤, 교반기에 의하여 실온에서 4시간 동안 섞이어 제조된다. 상부 전지(310)가 PMMA 용액이 고르게 도포된 하부 전지(320)의 상부에 올려지고 실온에서 건조되면, PMMA 투명층(330)이 형성된다. PMMA 투명층(330)은 상부 전지(310)와 하부 전지(320)를 접착시킨다.
PMMA 투명층(330)의 투과율은 다음 표1과 같다. 투과율은 무게비가 각각 1.5wt.%와 3wt.%인 PMMA 박막이 입혀진 PMMA/GaAs층으로 나뉘어 측정되었다. 1.5wt.% PMMA/GaAs는 55.5%T의 투과율을 보이고, 3wt.% PMMA/GaAs은 40.1%T의 투과율을 보인다. GaAs/PMMA층 순서로 빛의 입사방향을 반대로 한 경우, 1.5wt.%와 3wt.%의 무게비인 층의 투과율은 54.5%T, 41.6%T로 PMMA/GaAs과 비슷한 양상을 보여준다.
| Sample | 투과율(%T, at 1000) |
| GaAs | 50.4 |
| 1.5wt.%PMMA/GaAs | 55.5 |
| GaAs/1.5wt.%PMMA | 54.5 |
| 3.0wt.%PMMA/GaAs | 40.1 |
| GaAs/3.0wt.%PMMA | 41.6 |
[표 1]의 결과로부터, PMMA 투명 고분자 용액을 이용하여 단파장 흡광층인 GaAs와 장파장 흡광층인 Si를 접합할 수 있음이 확인된다. 또한, PMMA박막이 GaAs에서의 빛 투과율에 크게 영향을 미치지 않는 것이 확인된다. 나아가, GaAs을 통과한 빛이 Si층에 흡수될 때, PMMA 박막은 반사 방지막(440)의 역할을 하여 효율적인 빛의 흡수에 기여할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
300 : 태양전지
310 : 상부 전지
320 : 하부 전지
330 : 투명층
340 : 단자
350 : 상부 전압
360 : 하부 전압
310 : 상부 전지
320 : 하부 전지
330 : 투명층
340 : 단자
350 : 상부 전압
360 : 하부 전압
Claims (21)
- 반도체 물질로 형성된 상부 전지;
상기 상부 전지와 전기적으로 분리되어 별도의 기전력을 발생시키고, 상기 상부 전지의 반도체 물질과 다른 반도체 물질로 형성된 하부 전지; 및
상기 상부 전지와 상기 하부 전지 사이에 형성되고, 상기 상부 전지에 입사되는 빛을 흡수없이 또는 흡수를 최소화하여 투과시키는 투명층;을 포함하고,
상기 하부 전지의 반도체 물질은 상기 하부 전지가 상기 투명층을 통해 상기 상부 전지와 전기적으로 분리됨으로 인해 상기 상부 전지의 반도체 물질의 격자 상수와 다른 격자 상수를 가질 수 있고,
상기 하부 전지의 반도체 물질은 Si, GaSb 및 InGaAs 중 적어도 어느 하나이고,
상기 상부 전지의 반도체 물질은 GaInP 및 GaAs 계열의 화합물인 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 하부 전지의 반도체 물질은 상기 상부 전지의 반도체 물질의 밴드갭 에너지보다 작은 밴드갭 에너지를 가지는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제3항에 있어서,
상기 하부 전지의 반도체 물질은 밴드갭 에너지가 1eV 내지 1.1eV인 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 상부 전지의 반도체 물질은 밴드갭 에너지가 상이한 복수의 반도체 물질인 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 상부 전지 또는 상기 하부 전지의 반도체 물질은 다중 접합을 통해 형성하는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 상부 전지는 기판, 상기 기판 일면에 형성되는 제2전지층 및 상기 제2전지층에 형성되어 상기 제2전지층의 반도체 물질과 상이한 반도체 물질로 구성된 제1전지층을 포함하는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제9항에 있어서,
상기 제1전지층은 상기 제2전지층의 반도체 물질보다 더 큰 밴드갭 에너지를 가지는 반도체 물질로 형성된 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제9항에 있어서,
상기 제1전지층과 제2전지층 중 적어도 어느 하나는 전자정공 트랩 방지층을 포함하는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제9항에 있어서,
상기 제1전지층에 형성되고 저항 접합을 이루는 컨택층;
상기 컨택층상에 형성된 제1금속층;을 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제12항에 있어서,
상기 제1금속층상에 형성된 반사 방지막을 포함하는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제12항에 있어서,
상기 기판 타면에 형성된 제2금속층을 포함하는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제14항에 있어서,
상기 제1금속층은 패턴을 포함하고,
상기 제2금속층은 상기 제1금속층의 패턴과 서로 정렬되어 동일한 간격을 가지는 패턴을 포함하는 것
을 가지는 패턴 특징으로 하는 태양전지.
- 제15항에 있어서,
상기 하부 전지는 기전력을 발생시키는 제3전지층 및 상기 제3전지층 일면에 형성된 제3금속층을 포함하는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제16항에 있어서,
상기 제3금속층은 상기 제1금속층의 패턴 및 상기 제2금속층의 패턴과 서로 정렬되어 동일한 간격을 가지는 패턴을 포함하는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 투명층은 투명성 및 절연성을 갖는 소재인 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제18항에 있어서,
상기 투명층은 PMMA 또는 PDMS로 구성된 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제19항에 있어서,
상기 PMMA 투명층은 클로로포름(CHCl3)에 대하여 PMMA를 1.5wt.% 또는 3wt.%의 무게비로 녹여 제조된 것
을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 하부 전지와 전기적으로 분리되어 별도의 기전력을 발생시키는 제4전지층; 및 상기 하부 전지와 제4전지층 사이에 형성된 투명층;을 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140094781A KR101614913B1 (ko) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | 태양전지 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140094781A KR101614913B1 (ko) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | 태양전지 |
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| KR20160013425A KR20160013425A (ko) | 2016-02-04 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010016347A (ja) * | 2008-06-30 | 2010-01-21 | Samsung Mobile Display Co Ltd | 薄膜トランジスタ、その製造方法及び薄膜トランジスタを備える平板表示装置 |
-
2014
- 2014-07-25 KR KR1020140094781A patent/KR101614913B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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| JP2010016347A (ja) * | 2008-06-30 | 2010-01-21 | Samsung Mobile Display Co Ltd | 薄膜トランジスタ、その製造方法及び薄膜トランジスタを備える平板表示装置 |
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| KR20160013425A (ko) | 2016-02-04 |
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