KR102241098B1 - 수소화된 p-i-n층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 투명기판, 광전변환층, 상기 투명기판과 광전변환층 사이에 형성되는 제1투명전극층 및 상기 광전변환층 상부에 형성되는 제2투명전극층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지 및 이의 제조방법이 제공된다.

Description

수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지 및 이의 제조방법 {Semi-transparent amorphous silicon thin film solar cell comprising hydrogenated P-I-N layer and manufacturing method of the same}
본 발명은 수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 BIPV(building-integrated photovoltaic) 시스템에 적용 가능한 수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
BIPV(Building-Integrated Photovoltaic) 시스템은 주거 건물에 전력을 공급하며 환경 보호를 촉진하고 화석 연료 에너지 사용을 줄이는 데 가장 유망한 건물 관련 기술 중 하나이다. 특히, 최근 건물의 주요 외관 구성 요소를 형성하기 때문에 BIPV 창의 광학적 및 열적 특성을 향상시키는 데 관심을 기울이고 있다. BIPV 창으로 사용하기 위한 대표적인 투명한 태양전지 모듈은 염료감응형 태양전지, 유기 태양전지 등이 있다. 그러나 이들 태양전지는 장기간 작동시 열악한 신뢰성과 관련된 문제를 극복해야 하는 문제점이 있다.
반투명의 태양전지는 주로 건물의 창이나 지붕의 소재로 사용되며, 미관과 에너지의 획득을 동시에 만족할 수 있는 시스템의 핵심 소재로 많은 개발과 적용이 이루어지고 있다. 즉, 외부의 빛을 일정부분 투과하여 외부의 상황을 건물의 내부에서 확인할 수 있고(See-through), 투과되지 않은 빛의 일정부분은 태양 발전에 이용하는 것이다.
반투명 태양 전지의 성능을 향상시키기 위해서는 투명성이 높고 전도성이 우수한 전극이 필요하다. 가장 일반적으로 투명한 전도성 전극으로 사용되는 투명한 전도성 산화물(TCOs)은 전도도를 향상시키기 위해 어닐링(annealing) 공정을 거쳐 약 300℃ 이상의 온도에서 스퍼터링 방법을 사용하여 제조된다.
그러나, 비정질 실리콘 태양전지 모듈의 경우, 하부 실리콘을 열화시키고, 실리콘과 전면 접촉부 사이의 계면에서 바람직하지 않은 균열을 유도할 수 있다.
최근, 탄소나노튜브, 그래핀 및 은(Ag) 나노와이어 등과 같은 새로운 전극 물질에 대한 개발이 진행중이다. 탄소 기반의 전극은 일반적으로 면저항(Rsq)이 다른 투명 전도성 전극보다 몇 배나 높으며, 은 나노와이어는 높은 투과율과 낮은 면저항을 갖지만, 은 재료 자체의 부식 문제로 인해 장기간 안정된 전기 전도성을 갖지 못한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 투명기판 상에 제1 투명전극층을 형성하는 단계, 상기 제 1 투명전극층 상에 수소화된 PIN-광전변환층을 형성하는 단계 및 상기 수소화된 PIN-광전변환층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하며 상기 수소화된 PIN-광전변환층은 수소화된 P형 비정질 실리콘(p-a-SiOx:H)층, 수소화된 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층 및 수소화된 N형 미세결정 실리콘(n-μc-SiOx:H)층을 포함하고, 상기 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층의 산소의 함량을 조절하는 단계를 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소화된 PIN-광전변환층을 형성하는 단계는 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 PH3, B2H6 도핑가스 및 H2, CO2, SiH4를 포함하는 전구체 가스를 혼합하여 증착하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층의 산소의 함량을 조절하는 단계는 상기 제 1 투명전극층이 형성된 상기 투명기판을 챔버 내에 장입하고, 상기 챔버 내에 공급하는 SiH4 : CO2의 유량비를 1:0.1 내지 1:0.3로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1투명전극층을 형성하는 단계 이후에 상기 제1투명전극층의 표면을 텍스처링(texturing)하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1투명전극층의 표면을 텍스처링하는 단계 이후에 산화층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 투명기판 상에 형성된 제1 투명전극층, 상기 제 1 투명전극층 상에 형성된 수소화된 PIN-광전변환층 및 상기 수소화된 PIN-광전변환층 상에 형성된 제 2 투명전극층을 포함하고, 상기 수소화된 PIN-광전변환층은 1Х1020/cm3 이상 3x1020/cm3이하의 산소를 함유하는 I 형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소화된 PIN-광전변환층은
수소화된 P형 비정질 실리콘(p-a-SiOx:H)층, 수소화된 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층 및 수소화된 N형 미세결정 실리콘(n-μc-SiOx:H)층을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지의 구조의 모식도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 실리콘 박막 태양전지의 FT-IR 측정 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 HSM 분율 및 밴드갭 에너지의 측정 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 I-a-SiOx:H 필름의 산소의 함량을 측정한 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 J-V 곡선을 측정한 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 어두운 조건에서의 박막태양전지의 특성을 확인한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예의 파장에 따른 외부양자효율(External quantum efficiency, EQE)를 측정한 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실험예의 파장에 따른 투과도를 측정한 결과를 나타낸다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예들은 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지의 구조의 모식도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지(100)는 투명기판(10), 광전변환층(30), 상기 투명기판(10)과 광전변환층(30) 사이에 형성되는 제1투명전극층(20) 및 상기 광전변환층(30) 상부에 형성되는 제2투명전극층(40)을 포함할 수 있다.
광전 변환층(30)은 P형 반도체층(31), I형 반도체층(32) 및 N형 반도체층(33)을 포함할 수 있다. 상세하게는 수소화된 P형 비정질 실리콘(p-a-SiOx:H)층, 수소화된 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층 및 수소화된 N형 미세결정 실리콘(n-μc-SiOx:H)을 포함할 수 있다.
예컨대, 수소화된 비정질 실리콘은 P형 또는 N형의 도전형 제어가 가능하다. 그러므로 상기 수소화된 비정질 실리콘을 P형과 N형으로 제조하여 PN 접합 구조를 형성할 수 있다. 그러나, 비정질 반도체이기 때문에 캐리어 이동도가 작고, 재결합 수명이 짧기 때문에 소수 캐리어의 확산 길이는 약 0.1㎛ 내지 1㎛이고, 확산만을 이용하는 PN 접합 구조에서는 충분한 광시전력효과를 기대할 수 없다.
따라서, PN 접합 구조 사이에 약 0.5㎛ 두께의 I형 반도체층을 개재하여 PIN 접합 구조로 형성한다. 상기 I형 반도체층은 고저항을 가지며, I형 반도체층에 가해지는 내부전계에 의해 빛에 따라 생성된 전자와 정공을 빠르게 각각 P형 반도체층과 N형 반도체층으로 유입시킨다.
또한, 수소화된 비정질 실리콘에서는 원자배열의 장거리 질서가 없으므로 광학천이시 파수보존이 필요 없다. 그러므로 간접천이형에서 파수보존을 위해서 포논의 도움이 필요한 결정질 실리콘 대비, 흡수단의 고에너지축에서 큰 흡수계수를 가지므로 약 0.5㎛의 두께 정도로 얇은 광전변환층(30)을 형성할 수 있다.
제1투명전극층(20)은 투명기판(10)과 광전변환층(30)사이에 형성 될 수 있다. 여기서, 투명기판(10)은 투명한 재질이면 어떤 것을 사용해도 무방하며, 예를 들어, 유리(glass) 또는 폴리머(polymer) 재질을 사용할 수 있다.
제1투명전극층(20)은 투명 전도성 산화물로, 예를들어, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Flourine doped Tin Oxide)등을 포함할 수 있다.
제1투명전극층(20)과 광전변환층(30) 사이에 제1산화물층(21)이 형성될 수 있다. 제1산화물층(21)은 예를 들어, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO)를 포함할 수 있다.
제2투명전극층(40)은 광전변환층(30)의 상부에 형성될 수 있다. 제2투명전극층(40)은 산화물-금속-산화물(Oxide-Metal-Oxide, 이하 OMO) 적층구조를 가지며, 제2산화물층(41), 금속층(42) 및 제3산화물층(43)이 순서대로 적층된 형태일 수 있다. 투명한 전도성 산화물층 사이에 높은 전도성을 가진 금속 박막을 가진 다층 전극을 삽입한 OMO 구조는 저온 공정을 이용하여 제작할 수 있다.
제2산화물층(41) 및 제3산화물층(43)은 예를 들어, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO)을 포함할 수 있다. 제1산화물층(21), 제2산화물층(41) 및 제3산화물층(43)은 같은 재료를 사용하나, 경우에 따라서 제1산화물층(21), 제2산화물층(41) 및 제3산화물층(43)의 재료가 상이할 수 있다.
또한, 금속층(42)은 예를 들어, 금속 중에서 가장 작은 저항성을 갖는 은(Ag)을 사용하되, 순수한 은(Ag)이 아닌 소정량의 산소가 도핑된 은(Ag)을 포함할 수 있다. 이를 AgOx로 표현할 수 있으며, 상기 AgOx에서 x는 임의의 실수로서, 산소의 함유량에 따라 달라진다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지(100)의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 수소화된 P-I-N층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지(100)의 제조방법은 투명기판(10)상에 제1투명전극층(20)을 형성하는 단계, 제1투명전극층(20)상에 광전변환층(30)을 형성하는 단계 및 상기 광전변환층(30) 상에 제2투명전극층(40)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
투명기판(10)상에 제1투명전극층(20)을 형성하는 방법은 본 발명이 목적으로 하는 하는 물성값을 갖는 막을 형성할 수 있는 방법이면 되며, 구체적으로 스퍼터링 방식, 전자빔 방식, 이온 플레이팅 방식, 스크린 인쇄 방식 또는 화학적 기상 증착(CVD) 방식, 스프레이 열분해 방식(SPD), 피로졸법 등과 같은 증착 방식 중 어느 하나를 사용하여 제1투명전극층(20)을 형성할 수 있다. 상기 증착 방식들은 기공지된 기술들로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제1투명전극층(20)을 형성한 이후에, 제1투명전극층(20)의 표면의 적어도 일부를 텍스처링(texturing)할 수 있다. 상기 텍스처링은 결정질 실리콘 태양전지에서 사용되는 방식을 이용할 수 있으며, 상기 텍스처링 구조에 따라 빛의 반사율 및 굴절율을 제어함으로써 보다 높은 광전변환효율을 만족할 수 있다.
텍스처링 이후에 제1투명전극층(20)상에 제1산화물층(21)을 형성한다. 예를들어, 제1산화물층(21)은 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO)를 포함할 수 있다.
이후 제1산화물층(21)상에 광전변환층(30)을 형성한다. 예를 들어, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 수소화된 P형 비정질 실리콘(p-a-SiOx:H)층(31), 수소화된 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층(32) 및 수소화된 N형 미세결정 실리콘(n-μc-SiOx:H)층(33)을 형성할 수 있다.
상기 수소화된 P형 비정질 실리콘(p-a-SiOx:H)층(31), 수소화된 N형 미세결정 실리콘(n-μc-SiOx:H)층(33) 및 수소화된 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층(32)을 형성하기 위하여 PH3, B2H6 도핑가스 및 H2, CO2, SiH4를 포함하는 전구체 가스를 혼합하여 증착할 수 있다.
이때, 수소화된 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층(32)을 형성하는 단계에서 산소의 양을 조절하기 위하여 SiH4 및 CO2의 유량을 조절 할 수 있다. 상세하게는 SiH4 : CO2의 유량비는 1:0 내지 1:0.3 일 수 있다.
이와 같이 수소화된 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층의 산소의 양을 조절함으로써, 본 발명의 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지(100)의 투과도를 조절할 수 있으며, 투과도를 조절함으로써 태양전지의 효율을 개선 시킬 수 있다.
광전변환층(31)을 형성한 이후 제 2 투명전극층(40)을 광전변환층(30) 상에 형성할 수 있다. 구체적으로, 제 2 투명전극층(40)은 예를 들어, 스퍼터링 방식을 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 타겟을 이용하여 광전변환층(30) 상에 제2산화물층(41)을 형성하는 단계, 은(Ag) 타겟을 이용하여 제2산화물층(41)상에 금속층(42)을 형성하는 단계 및 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 타겟을 이용하여 금속층(42)상에 제3산화물층(43)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 제2산화물층(41)은 제2 AZO박막층으로 이해될 수 있고, 금속층(42)은 은(Ag) 및 산화은(AgOx) 박막층(42)으로 이해될 수 있으며, 제3산화물층(43) 제 3 AZO 박막층(43)으로 이해될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
실험예 1.
박막 태양전지를 제조하기 위하여, 소다라임유리 기판상에 FTO(fluorine-doped tin oxide) 박막을 형성하고, FTO 박막의 표면을 텍스처링 하였다. 이후 표면이 텍스처링 된 FTO박막위로 200℃에서 직류(DC) 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 AZO층을 형성하였다. AZO층 위로 PECVD 방식을 이용하여 수소화된 P-I-N 반도체층을 형성하였다. 수소화된 비정질 실리콘 박막을 형성하기 위하여 다중 챔버 클러스터 시스템에서 수행되었다.
먼저 P형 및 I형의 수소화된 비정질 실리콘 박막층을 형성하기 위하여 PH3, B2H6 도핑가스 및 H2, CO2, SiH4를 포함하는 전구체 가스를 혼합 주입 하였다. 이때, P형층을 형성하기 위하여 13.56㎒ 주파수 조건에서 증착하였으며, I형 비정질 실리콘층을 형성하기 위하여 40.68㎒ 높은 주파수 조건에서 SiH4 : CO2의 유량비를 1:0 으로 조절하여 주입하여 증착하였다.
이후에 N형의 수소화된 미세결정 실리콘 박막층을 형성하기 위하여 H2, CO2, SiH4를 포함하는 전구체 가스 및 PH3, B2H6 도핑가스를 수소의 1%로 혼합 주입하고 13.56㎒ 주파수 조건에서 증착하였다.
마지막으로 수소화된 P-I-N 반도체층을 형성한 후 그 위로 AZO와 Ag를 타겟으로 스퍼터 시스템을 이용하여 산화물/금속/산화물(OMO)를 갖는 전극을 형성하여 박막 태양전지를 제조하였다.
상기의 방법으로 제조된 박막태양전지는 투명기판/ FTO(600nm)/ AZO(30 nm)/ P-a-SiOx:H(15nm)/ I-a-SiOx:H(200nm)/ N-μc-SiOx:H(30nm)/ AZO(50nm)/ Ag (10nm)/ AZO(50nm)층으로 구성되어 있다.
실험예 2
수소화된 I형 비정질 실리콘층을 증착할 때 SiH4 : CO2의 유량비를 1:0.2로 주입하는 것을 제외하고 동일하게 반투명 박막 태양전지를 제조하였다.
실험예 3
수소화된 I형 비정질 실리콘층을 증착할 때 SiH4 : CO2의 유량비를 1:0.4로 주입하는 것을 제외하고 동일하게 반투명 박막 태양전지를 제조하였다.
실험예 4
수소화된 I형 비정질 실리콘층을 증착할 때 SiH4 : CO2의 유량비를 1:0.6으로 주입하는 것을 제외하고 동일하게 반투명 박막 태양전지를 제조하였다.
하기의 [표 1]은 본 발명의 실험예들을 정리한 표이다.
SiH4 : CO2의 유량비
실험예 1 1:0
실험예 2 1:0.2
실험예 3 1:0.4
실험예 4 1:0.6
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 실리콘 박막 태양전지의 FT-IR 측정 결과를 나타낸다.
도 2를 참고하면, SiH4 : CO2의 유량비율이 변화하여도 Si-H결합 및 Si-H2 결합의 피크가 2000cm-1 및 2100cm-1에서 측정 된 것을 확인 할 수 있다. CO2의 가스 흐름의 양이 증가함에 따라 2100cm-1에서 Si-H2 결합인 가우시안 피크의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
Si 네트워크의 공극을 분석하기 위하여 2000cm-1을 저연신모드(LSM) 2100cm-1을 고연신모드(HSM)로 정의하고, HSM 분율(I2100/(I2000+I2100))을 계산하여 Si 네트워크 품질을 확인하였다. 이에 대한 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 HSM 분율 및 밴드갭 에너지의 측정 결과를 나타낸다.
산소원자의 강한 전기음성도 때문에 Si-Si, Si-H 결합보다 Si-O 결합에너지가 더 높다고 알려져 있다. 이에 도 3을 참고하면, SiH4 : CO2의 유량비가 증가할수록 필름에 산소가 더 많이 결합되어 HSM 분율이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 유량비가 증가할수록 Si-O 결합이 증가하였으며, 밴드갭 에너지(Eg)가 최소 1.78eV에서 1.86eV로 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 I-a-SiOx:H 필름의 산소의 함량을 측정한 결과를 나타낸다.
도 4를 참고하면, 앞서 살펴본 바와 같이 유량비에 따라 산소의 함량이 0.2일 때 산소 함유량은 1Х1020/cm3 이고, 0.4일때는 3Х1020/cm3의 산소가 함유되어 있는 것을 확인할 수 있다. 산소의 비율이 증가하게 되면 도 3에서 확인한 바와 같이 2100cm-1에서 피크가 증가하게 되는데, 이는 보이드가 Si-H결합을 하게 되어 전자정공이 재결합이 되어 효율이 감소하게 된다.
따라서, 수소화된 PIN-광전변환층은 1Х1020/cm3 이상 3x1020/cm3이하의 산소를 함유하는 I 형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층을 포함하는 것이 바람직 하다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 J-V 곡선을 측정한 결과를 나타낸다.
도 5를 참고하면, 표 2를 통하여 확인한 결과와 마찬가지로 SiH4 : CO2의 유량비가 1: 0.2 일때 가장 좋은 값을 나타내는 것을 확인 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 어두운 조건에서의 박막태양전지의 특성을 확인한 결과이다.
표 2는 조명 및 어두운 상태에서 유량비에 따라 측정한 결과를 표로 나타낸 것이다.
실험예1 실험예2 실험예3 실험예4
SiH4 : CO2의 유량비 1:0 1:0.2 1:0.4 1:0.6
개방회로전압(Voc, V) 0.838 0.852 0.844 0.830
단락전류(Jsc, mA/cm2) 9.95 10.40 9.86 9.69
충전율(FF, %) 66.1 64.4 63.4 61.0
전력변환효율(η,%) 5.52 5.71 5.27 4.91
저항(Rs, Ω·cm2) 8.71 9.32 9.64 14.15
병렬저항(Rsh, kΩ·cm2) 6474 7079 4029 1636
역전 포화 전류
(Jo, A/cm2)		 1.91x10-8 1.44x10-9 1.82x10-8 5.02x10-7
도 6 및 표 2를 참고하면, 실험예 2 인 SiH4 : CO2의 유량비가 1: 0.2 일 때 즉 실험예2의 경우 FF값이 감소함에도 불구하고 Jsc 및 Voc값이 증가하여 전력변환효율이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 하지만 SiH4 : CO2의 유량비가 1: 0.4 초과하여 증가한 실험예 4의 경우, 즉 산소의 함량이 어느 수준이상 증가하면 FF, Jsc 및 Voc 값이 감소하면서 전력변환효율(η)이 감소하는 것을 확인 할 수 있다.
도 6(b)는 0.7-0.9V 범위에서 플롯 된 반-로그 플롯을 사용하는 직선이 J0에 해당하는 V=0에서 전류 밀도 축과 교차하는 것을 확인 할 수 있다. 또한, SiH4 : CO2의 유량비가 0.2일때, a-SiOx:H 태양 전지의 Voc는 a-Si:H 태양 전지에 비해 약 15mV 증가한 것을 확인 할 수 있다. 이는 도 3을 통하여 확인한 바와 같이 산소를 적게 첨가하였을 때 (즉 실험예2인 SiH4 : CO2의 유량비가 1: 0.2일 때) 에너지 갭 값이 급격히 증가하였기 때문이라고 판단 된다.
결과적으로 실험예2인 SiH4 : CO2의 유량비가 1: 0.2일 때 가장 낮은 Jo값을 가지면 모든 실험예 중 가장 높은 Voc값이 852mV값을 갖는 것을 확인하였다.
도 7은 본 발명의 실험예의 파장에 따른 외부양자효율(External quantum efficiency, EQE)를 측정한 결과를 나타낸다.
도 7을 참고하면 300nm 내지 500nm 범위의 파장에서 외부양자효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실험예의 파장에 따른 투과도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 8을 참고하면 SiH4 : CO2의 유량비가 증가하면 I층 내의 흡수의 감소로 인해 투과율 스펙트럼 곡선이 단파장쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있으며, 500nm~800nm의 가시범위에서 투과율이 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
이에 500~800nm에서의 평균 투과율(AT)을 표 3에 개시하였다. 또한, 전력변환효율과 평균 투과율(AT)의 값의 곱으로 정의되는 성능지수(FOM)값을 표 3에 개시하였다.
실험예1 실험예2 실험예3 실험예4
SiH4 : CO2의 유량비 1:0 1:0.2 1:0.4 1:0.6
전력변환효율(η,%) 5.52 5.71 5.27 4.91
평균투과율(AT) 17.49 18.94 19.45 20.99
성능지수(FOM) 96.5 108.1 102.5 103.1
표 3을 참고하면 SiH4 : CO2의 유량비가 증가할수록 평균 투과율이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 성능지수의 경우 실험예 2가 가장 놓은 것을 확인 할 수 있다. 이는 평균 투과율은 실험예 3, 실험예 4보다는 낮지만 전력변환효율이 가장 높기 때문인 것을 확인 할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
100: 비정실 실리콘 박막 태양전지
10: 투명기판
20: 제1투명전극층
30: 광전변환층
31: P형 반도체층
32: I형 반도체층
33: N형 반도체층
40: 제2투명전극층
41: 제2산화물층
42: 금속층
43: 제3산화물층

Claims (7)

  1. 투명기판 상에 제1 투명전극층을 형성하는 단계:
    상기 제 1 투명전극층 상에 수소화된 PIN-광전변환층을 형성하는 단계; 및
    상기 수소화된 PIN-광전변환층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계; 를 포함하며,
    상기 수소화된 PIN-광전변환층은 수소화된 P형 비정질 실리콘(p-a-SiOx:H)층, 수소화된 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층 및 수소화된 N형 미세결정 실리콘(n-μc-SiOx:H)층을 포함하고,
    상기 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층의 산소의 함량을 조절하는 단계;를 포함하며,
    I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층의 산소의 함량을 조절하는 단계는,
    상기 제 1 투명전극층이 형성된 상기 투명기판을 챔버 내에 장입하고, 상기 챔버 내에 공급하는 SiH4 : CO2의 유량비를 1:0.1 내지 1:0.3로 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계는,
    적어도 2 이상의 산화물층 사이에 금속층을 개재함으로써, 상기 수소화된 PIN-광전변환층 상에 산화물-금속-산화물(Oxide-Metal-Oxide) 적층구조를 갖는 상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하는,
    반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소화된 PIN-광전변환층을 형성하는 단계는,
    PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 PH3, B2H6 도핑가스 및 H2, CO2, SiH4를 포함하는 전구체 가스를 혼합하여 증착하는 것인,
    반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1투명전극층을 형성하는 단계 이후에,
    상기 제1투명전극층의 표면을 텍스처링(texturing)하는 단계를 포함하는,
    반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1투명전극층의 표면을 텍스처링하는 단계 이후에,
    산화층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지의 제조방법.
  6. 투명기판 상에 형성된 제1 투명전극층:
    상기 제 1 투명전극층 상에 형성된 수소화된 PIN-광전변환층; 및
    상기 수소화된 PIN-광전변환층 상에 형성된 제 2 투명전극층;을 포함하고
    상기 수소화된 PIN-광전변환층은 1Х1020/cm3 이상 3x1020/cm3이하의 산소를 함유하는 I 형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층을 포함하며,
    상기 제 2 투명전극층은 산화물-금속-산화물(Oxide-Metal-Oxide) 적층구조를 갖는,
    반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수소화된 PIN-광전변환층은
    수소화된 P형 비정질 실리콘(p-a-SiOx:H)층, 수소화된 I형 비정질 실리콘(i-a-SiOx:H)층 및 수소화된 N형 미세결정 실리콘(n-μc-SiOx:H)층을 포함하는,
    반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지.
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