KR102677927B1 - 양면 수광형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양면 수광형 태양전지에 관한 것으로서, 굴절률이 서로 상이한 제 1 박막 및 제 2 박막이 교호적으로 반복 적층된 구조를 가지며, 투명기판 상에 형성된 제 1 투명전극층; 상기 제 1 투명전극층 상에 형성된 광산란층; 상기 광산란층 상에 형성된 광전변환층; 및 상기 광전변환층 상에 형성된 OMO 구조를 갖는 제 2 투명전극층;을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 양면 수광형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 색 조절이 가능한 양면 수광형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업혁명 이후 화석연료의 연소가 증가하면서 온실가스의 가장 큰 구성요소인 이산화탄소의 배출량이 기하급수적으로 증가했다. 그 결과 지구 온난화가 가속화되고 기후 위기가 인류에게 심각한 위협이 되었다. 온실가스의 30% 이상이 도시의 건물에서 발생한다는 점을 감안할 때 기후 변화를 제한하기 위한 지속 가능한 접근 방식으로 탄소 제로 건물을 건설하는 등 도시 지역의 에너지 수요를 최소화하는 것이 중요하다. 건물일체형 태양광발전(BIPV)은 태양으로부터 전기를 생산하고 주거 지역에 직접 전기를 공급할 수 있다. 따라서 BIPV 시스템은 폭넓은 관심을 받았고 그 어플리케이션이 광범위하게 평가 및 적용되고 있다.
건물일체형 태양광발전(BIPV)으로 사용할 수 있게 되면, 현대 건축물의 대부분의 외벽을 구성하는 창호에서 전기를 얻을 수 있다. BIPV용 창은 투명 태양 전지(TSC)를 사용하여 높은 전력 변환 효율(PCE)과 적절한 투과율을 특징으로 할 수 있다. 대표적으로 사용되는 투명 태양전지는 염료감응형 및 유기태양전지를 사용하고 있으나, PV 소자의 TSC 후보로서 신뢰성과 열적 안정성은 아직 충분히 검증되지 않았다. 대안으로 수소화된 비정질실리콘(a-Si:H) 박막 태양전지는 현장에서 상용 제품에 필요한 장기적인 신뢰성은 물론, Si의 무독성, 대규모, 합리적인 제조 비용, a-Si:H 흡수층을 통한 우수한 투명도 및 가시성도 인정받고 있다. a-Si:H 기반 불투명 태양전지에서 안정화된 광전변환효율(PCE)이 높게 보고되고 있다. 단일 접합 구조의 경우 10.2%, 탠덤 구조의 경우 12.69%, 삼중 접합 구조의 경우 14.0% 를 기록하고 있다.
건물은 주거용으로만 사용되는 것이 아니므로 BIPV 창호는 건축 외장재로서, 미적 가치를 지녀야 한다. 따라서 BIPV 창호의 발전효율 못지않게 다양한 색상과 형태의 창호를 사용하는 것이 중요하다. a-Si:H 태양 전지는 유연하고 가벼운 기판에 제작할 수 있어 건물의 다양한 표면에서 구부러지고 접을 수 있는 제품을 제조할 수 있다. 하지만, 다양한 색상의 구현이 어려우며, 특히, 파란색을 표현하는 데 어려움이 있다.
한편, 최근에는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조(이하, DBR)를 사용한 색상 제어 방식이 많은 산업분야에서 널리 사용되고 있다. DBR은 DBR을 구성하는 층들의 두께나 굴절률을 조절하여 넓은 범위에 걸쳐 다양한 색상을 연출할 수 있는 방법이다. 그러나, 기존의 DBR 구성은 굴절률의 차이가 큰 산화물 박막을 이용하기 때문에 반사율 측면에서 손실을 가져올 수 있다. 즉, 투명 태양전지에서 반사율 손실에 따른 광전변환효율의 손실이 커져, 높은 심미적 효과를 갖는 태양전지를 구현하기 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 반사율 손실이 적어 광전변환효율을 종전과 유사한 수준으로 유지하면서 다양한 색상을 구현할 수 있는 양면 수광형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 양면 수광형 태양전지는, 굴절률이 서로 상이한 제 1 박막 및 제 2 박막이 교호적으로 반복 적층된 구조를 가지며, 투명기판 상에 형성된 제 1 투명전극층; 상기 제 1 투명전극층 상에 형성된 광산란층; 상기 광산란층 상에 형성된 광전변환층; 및 상기 광전변환층 상에 형성된 OMO 구조를 갖는 제 2 투명전극층;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막의 굴절률 차이는 0 초과 내지 0.2 미만일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막의 굴절률 차이는 0.1 내지 0.2 미만일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 박막은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 2 박막은 AZO(Al doped ZnO)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 투명전극층은 상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막이 4번 내지 6번 교호적으로 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 광산란층은 AZO(Al doped ZnO)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 광산란층의 두께는 상기 제 2 박막의 두께보다 상대적으로 더 두꺼울 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 광전변환층은 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층이 차례대로 적층될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 광전변환층은 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 OMO 구조는 제 1 산화물 박막, 산화은 박막 및 제 2 산화물 박막이 순차적으로 적층된 구조를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 양면 수광형 태양전지의 제조방법은 투명기판 상에 굴절률이 서로 상이한 제 1 박막 및 제 2 박막이 교호적으로 반복 적층된 구조를 갖는 제 1 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 제 1 투명전극층 상에 광산란층을 형성하는 단계; 상기 광산란층 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층 상에 OMO 구조를 갖는 제 2 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 투명전극층을 형성하는 단계는, 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여, 굴절률 차이가 0 초과 내지 0.2 미만인 상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막을 교호적으로 반복 적층시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 투명전극층을 형성하는 단계는, 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여, 굴절률 차이가 0.1 내지 0.2 미만인 상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막을 교호적으로 반복 적층시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 박막은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 2 박막은 AZO(Al doped ZnO)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막을 4번 내지 6번 교호적으로 반복 적층시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 광산란층을 형성하는 단계는, 상기 제 1 투명전극층의 최하층에 형성되는 제 2 박막의 두께보다 최상층에 형성되는 제 2 박막의 두께를 상대적으로 더 두껍게 증착함으로써, 상기 광산란층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 광산란층을 형성하는 단계는, 상기 최상층에 형성되는 제 2 박막의 표면 중 적어도 어느 일부에 습식식각을 이용하여 텍스처링(texturing) 시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 광전변환층을 형성하는 단계는, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계는, 상기 광전변환층 상에 제 1 산화물 박막, 은(Ag) 혹은 산화은(AgOx) 박막 및 제 2 산화물 박막을 순차적으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 여러 실시예들에 따르면, 다양한 색상을 표현하면서도 광전변환효율이 우수한 양면 수광형 태양전지를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 AZO 박막의 산소 분압에 따른 비저항, 투과도 및 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 ITO 박막의 산소 분압에 따른 비저항, 투과도 및 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 AZO 박막 및 ITO 박막의 파장대별 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2 내지 실험예 5에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수에 따른 파장대별 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예 2 내지 실험예 5에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수에 따른 양면 수광형 태양전지의 파장대별 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험예 2 내지 실험예 5에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수에 따른 양면 수광형 태양전지의 J-V 곡선을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수를 조절하여 구현된 색상별 양면 수광형 태양전지의 J-V 곡선을 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 AZO 박막의 산소 분압에 따른 비저항, 투과도 및 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 ITO 박막의 산소 분압에 따른 비저항, 투과도 및 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 AZO 박막 및 ITO 박막의 파장대별 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2 내지 실험예 5에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수에 따른 파장대별 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예 2 내지 실험예 5에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수에 따른 양면 수광형 태양전지의 파장대별 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험예 2 내지 실험예 5에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수에 따른 양면 수광형 태양전지의 J-V 곡선을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수를 조절하여 구현된 색상별 양면 수광형 태양전지의 J-V 곡선을 측정한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
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 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
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 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
본 명세서에서 '투명'하다는 의미는, 광을 100% 전부 흡수하거나 반사하는 경우를 제외하고, 광이 전부 통과되는 경우는 물론이거니와 광의 적어도 일부가 통과되는 반투명한 경우도 포함하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 양면 수광형 태양전지(100)는 투명기판(50) 상에 제 1 투명전극층(10), 광산란층(20), 광전변환층(30) 및 제 2 투명전극층(40)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 여기서, 제 1 투명전극층(10)은 굴절률이 서로 상이한 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)이 교호적으로 반복 적층된 구조를 가질 수 있다. 또, 제 2 투명전극층(40)은 OMO 구조를 가질 수 있다.
먼저, 본 발명에 사용되는 투명기판(50)은 예를 들어, 유리(glass)와 같이 투명한 재질이면 모두 가능하며, 유연한 투명 폴리머(polymer) 재질도 사용 가능하다. 여기서, 투명기판(50)은 빛이 투과하며 태양전지의 광전변환효율에 영향을 미치지 않는 재질이면 모두 사용 가능하다.
제 1 투명전극층(10)은 굴절률이 서로 상이한 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)이 교호적으로 반복 적층된 구조를 가질 수 있다. 이때, 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)의 굴절률 차이는 0 초과 내지 0.2 미만일 수 있다. 만약, 상기 굴절률 차이가 0일 경우에는 박막을 교호적으로 반복 적층된 구조의 효과를 얻을 수 없으며, 반면, 0.2 이상일 경우에는 굴절률에 따른 투과도 및 반사도에 영향을 주게 되어 색지수와 효율을 곱한 값이 저하된다.
예를 들어, 이론적으로 상기 굴절률 차이가 0에 가깝게 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)을 교대로 적층하는 것이 색지수와 효율을 곱한 값을 높게 제어할 수 있다. 하지만, 실제 박막 증착 과정을 고려하면 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)의 굴절률 차이를 0.1 미만으로 제어하면서 각 박막(12, 14)을 증착하는 것이 용이하지 않으므로, 바람직하게는 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)의 굴절률 차이는 0.05 내지 0.2 미만일 수 있다. 더 바람직하게는 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)의 굴절률 차이는 0.1 내지 0.2 미만일 수 있다.
한편, 제 1 박막(12)은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있고, 제 2 박막(14)은 AZO(Al doped ZnO)를 포함할 수 있다. 제 1 박막(12)과 제 2 박막(14)의 굴절률 차이는 상기 박막들을 증착할 때, 산소분압을 조절하여 동일한 두께를 갖더라도 다른 굴절률을 갖는 박막을 제조할 수 있다. 또, 제 1 박막(12)과 제 2 박막(14)의 두께를 서로 다르게 형성하여 다른 파장대역의 빛만을 투과하거나 반사시켜 색을 제어할 수 있다.
일 예로서, ITO 박막의 두께를 50 내지 60nm의 두께로 증착하고, AZO 박막을 55 내지 65nm의 두께로 증착할 경우, 480nm 파장대역의에서의 파란색 계열을 구현할 수 있다.
다른 예로서, ITO 박막의 두께를 60 내지 65nm의 두께로 증착하고, AZO 박막을 65 내지 70nm의 두께로 증착할 경우, 540nm 파장대역의에서의 녹색 계열을 구현할 수 있다.
또 다른 예로서, ITO 박막의 두께를 75 내지 80nm의 두께로 증착하고, AZO 박막을 80 내지 90nm의 두께로 증착할 경우, 645nm 파장대역의에서의 붉은색 계열을 구현할 수 있다.
제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)은 투명전극으로서, 각 박막의 굴절률 차이가 0.1 내지 0.2 초과일 경우 사용이 가능하며, 양면 수광형 태양전지(100)에서 전극층의 기능을 수행할 수 있을 정도의 전기전도성을 갖는 박막이면 모두 사용이 가능하다.
제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)을 하나의 단위 구조체로 하며, 상기 단위 구조체를 복수의 층으로 형성하여 색상을 제어할 수 있다. 여기서, 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)의 두께 제어에 따라, 구현되는 색상의 종류가 다양하게 형성될 수 있다. 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)의 두께는 예를 들어, 각각 100nm 이하의 두께로 제어될 수 있다.
단위 구조체는 매우 얇은 두께의 박막을 여러 번 교차 증착할 경우 단위 구조체의 적층수에 따라 색상을 제어하기가 용이한데, 적층수가 증가할 경우, 빛의 투과에 영향을 미치게 되어 광전변환효율이 낮아지게 되는 문제점이 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명에서 양면 수광형 태양전지(100)의 제 1 투명전극층(10)을 구성하는 상기 단위 구조체는 4번 내지 6번 교호적으로 반복 적층된 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 유리기판(50) 상에 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)이 각각 7층 내지 9층 교대로 증착될 수 있다. 상기 적층수에 대해서는 실험예를 통해서 구체적으로 후술한다.
광산란층(20)은 제 1 투명전극층(10) 상에 형성된다. 광산란층(20)은 제 1 투명전극층(10)을 통해 입사된 빛이 반사되어 태양전지의 외부로 나가는 것을 방지하고, 광전변환층(30)으로 광을 분산시켜 광전변환효율을 증가시키는 기능을 수행한다. 광산란층(20)은 예를 들어, AZO(Al doped ZnO)를 포함할 수 있다. 광산란층(20)의 두께는 제 2 박막(14)의 두께보다 상대적으로 더 두껍게 형성가능 하다. 또 광산란층(20)은 내부로 입사된 광을 분산하는 효과도 있지만, 태양전지의 밴드갭을 완만하게 조절함으로써, 광전변환층(30)에서 발생한 전자의 재결합을 가능한 억제할 수 있는 버퍼층으로서의 기능도 수행할 수 있다.
예컨대, 제 1 투명전극층(10)에서 제 2 박막(14)으로 AZO를 사용할 경우, 제 1 투명전극층(10) 형성시 제 1 박막(12)과 제 2 박막(14)을 서로 교호적으로 반복 적층하되, 마지막에 증착되는 제 2 박막(14)의 두께를 제 1 투명전극층(10)을 형성할 때보다 상대적으로 더 두껍게 증착하여 광산란층(20)으로 사용할 수 있다. 이 경우, 제 1 투명전극층(10)과 광산란층(20)이 한번에 형성 가능하기 때문에 공정시간 및 비용을 절감할 수 있다.
다른 예로서, 광산란층(20)은 제 1 투명전극층(10)을 형성한 이후에 별도의 공정을 이용하여 제 1 투명전극층(10) 상에 형성 가능하다. 이때, 제 1 투명전극층(10)의 최상층은 제 1 박막(12)일 수 있다. 즉, 광산란층(20)은 제 1 박막(12) 상에 증착될 수 있다.
광전변환층(30)은 p형 반도체층(미도시), i형 반도체층(미도시) 및 n형 반도체층(미도시)이 차례대로 적층된 구조일 수 있다. 여기서, 상기 p형 반도체층, i형 광전변환층 및 n형 반도체층은 각각 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 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.
제 2 투명전극층(40)은 광전변환층(30) 상에 형성되며, 산화물-금속-산화물 형태의 OMO(oxide-metal-oxide) 구조를 가지며, 상기 OMO 구조는 제 1 산화물 박막(42), 산화은 박막(44) 및 제 2 산화물 박막(46)이 순차적으로 적층된 구조를 포함한다. 제 1 산화물 박막(42) 및 제 2 산화물 박막(46)은 예를 들어, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO)을 포함할 수 있다.
또한, 산화은 박막(44)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 양면 수광형 태양전지(100)의 제조방법에 대하여 설명한다.
투명기판(50) 상에 굴절률이 서로 상이한 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)이 교호적으로 반복 적층된 구조를 갖는 제 1 투명전극층(10)을 형성할 수 있다. 제 1 투명전극층(10)은 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여, 굴절률 차이가 0.2 이상인 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)을 교호적으로 반복 적층시켜 형성할 수 있다.
제 1 박막(12)은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하고, 제 2 박막(14)은 AZO(Al doped ZnO)를 포함할 수 있다. 제 1 박막(12) 및 제 2 박막(14)을 4번 내지 6번 교호적으로 반복 적층시킬 수 있다.
제 1 투명전극층(10)을 형성한 이후에, 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여 제 1 투명전극층(10) 상에 광산란층(20)을 형성한다. 광산란층(20)은 제 1 투명전극층(10)의 최하층에 형성되는 제 2 박막(14)의 두께보다 최상층에 형성되는 제 2 박막(14)의 두께를 상대적으로 더 두껍게 증착하여 형성할 수 있다. 이후에 습식식각을 이용하여 제 1 투명전극층(10)의 최상층에 형성되는 제 2 박막(14)의 표면 중 적어도 어느 일부에 텍스처링(texturing) 시키는 단계를 포함할 수 있다.
또는, 제 1 박막(12)이 최상부에 형성된 제 1 투명전극층(1) 상에 광산란층(20)을 별도로 증착할 수 있다. 이때, 광산란층(20)의 두께는 제 1 투명전극층(1)의 제 2 박막(14)의 두께보다 상대적으로 더 두껍게 형성할 수 있다. 이 경우, 광산란층(20)의 표면의 적어도 일부를 텍스처링(texturing)할 수 있다. 여기서, 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 공정 이후에 광산란층(20) 상에 광전변환층(30)을 형성한다. 광전변환층(30)은 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막을 형성할 수 있다. 상기 수소화된 비정질 실리콘 박막을 형성하기 위해서, PH3, B2H6 도핑가스 및 H2, CO2, SiH4를 포함하는 전구체 가스를 혼합하여 증착할 수 있다. 여기서, 각 박막층에서 산소의 양을 조절하기 위하여, SiH4 및 CO2의 유량을 조절하며, SiH4 : CO2의 유량비는 1:0 내지 1:0.3 일 수 있다. 이와 같이 산소의 양을 조절함에 따라, 비정질 실리콘 박막 태양전지의 투과도를 조절할 수 있으며, 투과도에 따라 태양전지의 광전변환효율을 개선시킬 수 있다.
광전변환층(30) 형성 이후에 광전변환층(30) 상에 OMO 구조를 갖는 제 2 투명전극층(40)을 형성한다. 제 2 투명전극층(40)은 예를 들어, 스퍼터링 방식을 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 타겟을 이용하여 광전변환층(30) 상에 제 1 산화물 박막(42)을 형성한다. 은(Ag) 타겟을 이용하여 제 1 산화물 박막(42)상에 산화은 박막(44)을 형성한다. 마지막으로, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 타겟을 이용하여 산화은 박막(44)상에 제 2 산화물 박막(46)을 형성한다.
여기서, 제 1 산화물 박막(42)은 AZO 박막으로 이해될 수 있고, 산화은 박막(44)은 은(Ag) 및 산화은(AgOx) 박막(44)으로 이해될 수 있으며, 제 2 산화물 박막(46)은 제 1 산화물 박막(42)과 동일한 재료로서, AZO 박막으로 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>
본 발명의 제 1 투명전극층의 구조에 따른 비저항, 투과도 및 굴절율의 최적범위를 찾기 위해서, AZO 박막 및 ITO 박막 형성시 산소 분압(partial pressure O2) 조절에 따라 각 박막의 비저항, 투과도 및 굴절율이 어떻게 변화되는지 확인하였다. 여기서, AZO 박막의 두께는 60nm로 제어하였으며, ITO 박막의 두께는 51nm(본 발명의 비교예) 및 57nm(본 발명의 실시예)로 각각 제어하였다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 AZO 박막의 산소 분압에 따른 비저항, 투과도 및 굴절율을 측정한 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실험예에 따른 ITO 박막의 산소 분압에 따른 비저항, 투과도 및 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 2를 참조하면, AZO 박막 제조시 산소 분압이 증가함에 따라 AZO 박막의 비저항이 작아지는 경향을 보였으며, 투과도는 90% 수준을 유지하였다. 이때, 굴절율은 증가하는 경향을 보여주고 있어, 이에 따른 요소들을 종합하면, AZO 박막 제조시 산소 분압은 0.0075로 제어하는 것이 가장 좋은 것으로 나타났다.
도 3을 참조하면, ITO 박막 제조시 산소 분압이 증가함에 따라 ITO 박막의 비저항이 커지하다가 임계점을 지나면서 다시 작아지는 경향을 보였으며, 투과도는 점점 증가하다가 임계점을 넘어서면서부터 80% 수준을 유지하였다. 이때, 굴절율도 비저항 변화와 유사하게 특정 임계점을 기준으로 증가하는 경향을 보여주고 있어, 이에 따른 요소들을 종합하면, ITO 박막 제조시 산소 분압은 0.015로 제어하는 것이 가장 좋은 것으로 나타났다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 AZO 박막 및 ITO 박막의 파장대별 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 도 2 및 도 3에 도시된 그래프에 도시된 결과를 토대로 AZO 박막 증착시 산소분압은 0으로 제어하고, ITO 박막 증착시 산소분압은 0.01로 제어하면서 각 박막을 증착한 결과, 각각 증착된 AZO 박막과 ITO 박막의 반사율이 각각 2.0과 2.1을 만족하는 것을 확인할 수 있었다. 이하에서, 이러한 AZO 박막 및 ITO 박막의 특성을 활용하여 DBR 구조를 갖는 박막 태양전지 샘플을 제조하였다.
<실험예 2>
도 2 내지 도 4를 참조하여 도출한 AZO 박막 및 ITO 박막의 굴절률에 따른 각 박막의 두께를 일정하게 제어하고, AZO 박막과 ITO 박막을 하나의 단위막으로 반복 적층함으로써, 적층수에 따른 굴절률을 각각 측정하였다. 이때, AZO 박막의 굴절률은 2.0이 되도록 제조하였고, ITO 박막의 굴절률은 2.1 및 2.2가 되도록 제조하였다.
먼저, AZO 박막과 ITO 박막을 각각 2회, 4회, 6회, 8회 교호적으로 반복 증착한 샘플을 제조한 후 이에 따른 굴절률을 측정하였다, 또, 상기 샘플을 전극으로 사용하고, 상기 전극 상에 상기 전극의 비저항에 따라 AZO 광산란층의 두께를 280nm 및 400nm로 각각 증착한 후 표면의 일부를 습식에칭하여 텍스처링(texturing) 하였다. 이때, AZO 광산란층의 두께는 제 1 투명전극층을 형성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 두께에 따라 적절하게 제어하였다. 이후에 PECVD를 이용하여 AZO 광산란층 상에 PIN 구조의 수소화된 비정질 실리콘층을 형성하였다. 여기서, p형 반도체층은 15nm의 두께를 갖도록 증착했으며, i형 반도체층은 200nm의 두께를 갖도록 증착했고, n형 반도체층은 35nm의 두께를 갖도록 증착하였다.
마지막으로, 스퍼터링 방식을 이용하여 수소화된 비정질 실리콘층 상에 두께 50nm의 AZO 박막, 두께 8nm의 Ag 박막, 두께 50nm의 AZO 박막을 각각 증착하여 양면 수광형 태양전지 샘플을 제조하였다. 이렇게 형성된 각 실험예 샘플들의 조건은 하기 표 1에 정리하였다. 또, 각 실험예 샘플별 태양전지 특성은 표 2에 정리하였다.
| 샘플 | Pair수 | ITO 두께(nm) |
AZO 두께(nm) |
ITO 굴절률 |
AZO 굴절률 |
DBR층 면저항 [Ω] |
AZO 광산란층 두께(nm) |
DBR층/AZO 면저항 [Ω] |
| 실시예1 | 2 | 57 | 60 | 2.1 | 2.0 | 50 | 280 | 18 |
| 실시예2 | 4 | 57 | 60 | 2.1 | 2.0 | 25 | 280 | 10 |
| 실시예3 | 6 | 57 | 60 | 2.1 | 2.0 | 24 | 280 | 9 |
| 실시예4 | 8 | 57 | 60 | 2.1 | 2.0 | 13 | 280 | 6 |
| 비교예1 | 2 | 51 | 60 | 2.2 | 2.0 | ∞ | 400 | 20 |
| 비교예2 | 4 | 51 | 60 | 2.2 | 2.0 | ∞ | 400 | 20 |
| 비교예3 | 6 | 51 | 60 | 2.2 | 2.0 | ∞ | 400 | 20 |
| 비교예4 | 8 | 51 | 60 | 2.2 | 2.0 | ∞ | 400 | 20 |
제조된 태양전지 샘플들은 전극층 샘플들과 동일한 방식으로 굴절률을 측정하였고, 이후에 J-V 곡선을 측정하였다.
| 샘플 | Pair 수 | 색지수 | 효율[%] | 색지수x효율x100 |
| 실시예1 | 2 | 0.374 | 5.37 | 200.84 |
| 실시예2 | 4 | 0.411 | 5.2 | 213.72 |
| 실시예3 | 6 | 0.416 | 5.0 | 208.00 |
| 실시예4 | 8 | 0.458 | 4.3 | 196.94 |
| 비교예1 | 2 | 0.365 | 5.05 | 184.33 |
| 비교예2 | 4 | 0.392 | 4.69 | 183.85 |
| 비교예3 | 6 | 0.408 | 4.47 | 182.38 |
| 비교예4 | 8 | 0.437 | 4.32 | 188.78 |
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수에 따른 파장대별 굴절율을 측정한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수에 따른 양면 수광형 태양전지의 파장대별 굴절율을 측정한 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, AZO 박막 및 ITO 박막이 특정 적층수(pair) m 값을 만족할 경우, 특정 파장대역에서 싱글 피크(single peak)를 형성하게 된다. 즉, 싱글 피크가 뜨는 영역에서의 파장대역에 맞는 색상이 발현되는 것을 의미하며, 적층수 m 값이 4회 이상에서부터 이 현상이 뚜렷하게 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 특히, 적층수가 8회로 증가함에 따라 480nm의 파장대역에서 보다 선명한 색상이 구현되는 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 제 1 투명전극층을 구성하는 AZO 박막 및 ITO 박막의 페어(pair) 수에 따른 양면 수광형 태양전지의 J-V 곡선을 측정한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 적층수 m 값이 증가함에 따라 단락전류가 감소하는 현상을 보였으나, 개방전압이 일부 높아짐에 따라 각 실시예의 광전변환효율이 비슷한 수준을 유지하는 것으로 확인되었다.
하지만, 본 발명에서 유사한 광전변환효율을 만족하더라도 다양한 색을 구현하기 위해 굴절률이 서로 다른 AZO 박막과 ITO 박막을 서로 반복 적층하였기 때문에, 태양전지의 광전변환효율과 파장대역별 구현되는 색지수의 곱을 이용하여 각 샘플들을 비교하여 표 2에 정리하였다.
표 2를 참조하면, AZO 박막과 ITO 박막의 적층수에 따라 2회일 때, 샘플의 광전변환효율이 가장 높은 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이후에 AZO 박막과 ITO 박막의 적층수가 증가할수록 광전변환효율은 감소하였으며, 이러한 현상은 비교예 샘플들에서도 유사하게 발생하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 박막 태양전지 샘플들의 광전변환효율도 중요하지만, 이와 함께, 다양한 색상을 발현시키는 것이 함께 중요한 요소이기 때문에, 단순하게 광전변환효율만으로 샘플들의 최적 조건을 나타내기 보다, 색지수 값을 이용함으로써, 광전변환효율 대비 색이 얼마나 더 선명하게 발현되는지 여부에 대해 비교 분석하였다.
그 결과, 본 발명의 실시예 샘플들은 모두 비교예 샘플들보다 색효율(색지수와 광전변환효율 값을 곱한 값)이 더 높은 것을 확인할 수 있었고, 이에 따라, AZO 박막과 ITO 박막의 굴절률이 0.1 차이나도록 제어하면서 AZO 박막과 ITO 박막의 교대 적층 횟수가 4번 내지 6번일 때, 가장 높은 색효율을 가질 수 있는 것을 확인하였다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 제 1 투명전극층
12: 제 1 박막
14: 제 2 박막
20: 광산란층
30: 광전변환층
40: 제 2 투명전극층
42: 제 1 산화물 박막
44: 산화은 박막
46: 제 2 산화물 박막
50: 투명기판
100: 양면 수광형 태양전지
12: 제 1 박막
14: 제 2 박막
20: 광산란층
30: 광전변환층
40: 제 2 투명전극층
42: 제 1 산화물 박막
44: 산화은 박막
46: 제 2 산화물 박막
50: 투명기판
100: 양면 수광형 태양전지
Claims (19)
- 굴절률이 서로 상이한 제 1 박막 및 제 2 박막이 교호적으로 반복 적층된 구조를 가지며, 투명기판 상에 형성된 제 1 투명전극층;
상기 제 1 투명전극층 상에 형성된 광산란층;
상기 광산란층 상에 형성된 광전변환층; 및
상기 광전변환층 상에 형성된 OMO 구조를 갖는 제 2 투명전극층;을 포함하고,
상기 광산란층의 두께는 상기 제 2 박막의 두께보다 상대적으로 더 두꺼운,
양면 수광형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막의 굴절률 차이는 0 초과 내지 0.2 미만인,
양면 수광형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 박막은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는,
양면 수광형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 박막은 AZO(Al doped ZnO)를 포함하는,
양면 수광형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 투명전극층은 상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막이 4번 내지 6번 교호적으로 반복 적층된 구조를 포함하는,
양면 수광형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광산란층은 AZO(Al doped ZnO)를 포함하는,
양면 수광형 태양전지. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 광전변환층은 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층이 차례대로 적층된,
양면 수광형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전변환층은 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)을 포함하는,
양면 수광형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 OMO 구조는 제 1 산화물 박막, 산화은 박막 및 제 2 산화물 박막이 순차적으로 적층된 구조를 포함하는,
양면 수광형 태양전지. - 투명기판 상에 굴절률이 서로 상이한 제 1 박막 및 제 2 박막이 교호적으로 반복 적층된 구조를 갖는 제 1 투명전극층을 형성하는 단계;
상기 제 1 투명전극층 상에 광산란층을 형성하는 단계;
상기 광산란층 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 및
상기 광전변환층 상에 OMO 구조를 갖는 제 2 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 광산란층을 형성하는 단계는,
상기 제 1 투명전극층의 최하층에 형성되는 제 2 박막의 두께보다 최상층에 형성되는 제 2 박막의 두께를 상대적으로 더 두껍게 증착함으로써, 상기 광산란층을 형성하는 단계를 포함하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 투명전극층을 형성하는 단계는,
스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여, 굴절률 차이가 0 초과 내지 0.2 미만인 상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막을 교호적으로 반복 적층시키는 단계를 포함하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 박막은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 박막은 AZO(Al doped ZnO)를 포함하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 박막 및 상기 제 2 박막을 4번 내지 6번 교호적으로 반복 적층시키는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 삭제
- 제 11 항에 있어서,
상기 광산란층을 형성하는 단계는,
상기 최상층에 형성되는 제 2 박막의 표면 중 적어도 어느 일부에 습식식각을 이용하여 텍스처링(texturing) 시키는 단계를 포함하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 광전변환층을 형성하는 단계는,
PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막을 형성하는 단계를 포함하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계는,
상기 광전변환층 상에 제 1 산화물 박막, 은(Ag) 혹은 산화은(AgOx) 박막 및 제 2 산화물 박막을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220086073A KR102677927B1 (ko) | 2022-07-13 | 2022-07-13 | 양면 수광형 태양전지 및 그 제조방법 |
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| KR102071481B1 (ko) | 2018-08-09 | 2020-01-30 | 한국기계연구원 | 산화은 투명 전극을 사용하여 개선된 투과성을 갖는 양면 수광형 태양전지 및 이의 제조방법 |
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