KR20080091329A - 태양광 발전 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 한 쌍의 반도체 영역 사이에 적어도 제 1 접합부를 포함하는 태양광 발전 전지와 관련있는 것이다. 한 쌍의 반도체 영역 중 적어도 하나는 제 2 물질의 구성물이 산재된 제 1 물질을 포함하는 초격자 부분을 포함한다. 구성물은 충분하게 작은 크기여서 초격자의 유효 에너지 밴드 사이의 유효 밴드갭은 상기 크기에 의해 적어도 부분적으로 결정된다. 반도체 영역 사이에 흡수 레이어(24-26)가 제공되고, 상기 흡수 레이어는 복사 에너지를 흡수하여 전하 캐리어를 여기시키는 물질을 포함하고, 여기 레벨이 상기 물질 자체에 의해 결정되도록 하는 두께를 가진다. 초격자의 유효 에너지 밴드 중 하나 이상과 흡수 레이어의 물질의 여기 레벨 중 하나 이상은 각각 흡수 레이어의 물질의 여기 레벨과 초격자의 유효 에너지 밴드 중 하나 이상과 매칭하도록 선택된다.
Description
본 발명은 한 쌍의 반도체 영역 사이에 적어도 제 1 접합부를 포함하는 태양광 발전 전지와 관련있는 것으로, 한 쌍의 반도체 영역 중 적어도 하나가 제 2 물질의 구성물이 산재된 제 1 물질을 포함하는 초격자의 적어도 일부를 포함하고, 상기 구성물은 충분하게 작은 크기여서 상기 초격자의 유효 밴드갭이 적어도 상기 크기에 의해 부분적으로 결정되고, 흡수 레이어가 상기 반도체 영역 사이에 제공되고 상기 흡수 레이어는 복사 에너지를 흡수하여 전하 캐리어를 여기시키는 물질을 포함하고 여기 레벨이 상기 물질 자체에 의해 결정되도록 하는 두께를 가진다.
본 발명은 또한 태양광 발전 전지의 배열체를 제조하는 방법과 관련있다.
또한 본 발명은 복수의 태양광 발전 전지를 포함하는 태양광 발전 장치와 관련있다.
이러한 태양광 발전 전지, 발전 방법 및 태양광 발전 장치의 예는 알려져 있다. 미국 특허 번호 4,718,947는 유리 또는 플라스틱으로 만들어지고 투명 전도성 산화막의 레이어로 코팅된 투명 기판을 포함한 p-i-n 태양광 발전 전지를 기술한다. p-레이어는 전도성 산화막 레이어 위에 형성되고, 진성 레이어(i-레이어)는 p-레이어 위에 형성된다. n-레이어는 i-레이어 위에 형성되고 금속 후면 접촉 레 이어는 n-레이어 위에 형성된다. 그 전도성을 감소시키지 않고 도핑된 레이어에서의 흡수를 떨어뜨리기 위해 p-레이어 및/또는 n-레이어를 형성하는 데 초격자가 사용된다.
미국 특허 번호 4,598,164는 밴드갭이 제 1의 미리 결정된 값을 갖는 초격자 물질을 포함한 제 1 활성 영역, 밴드갭이 제 2의 미리 결정된 값을 갖는 제 2 초격자 물질을 포함한 제 2 활성 영역, 및 제 1 과 제 2 활성 영역 사이에서 전류가 흐를 수 있도록 제 1 및 제 2 활성 영역을 전기적으로 상호 연결하는 수단을 포함하는 텐덤(tandem) 태양 전지를 기술한다. 비결정질 초격자는 다중 레이어 물질이며, 레이어는 4면 접합 비결정질 물질의 반도체 또는 절연체 박막이고, 상기 물질은 4면 접합 원소로부터 또는 상기 4면 접합 원소를 포함한 합금으로 형성된다. 각각의 레이어는 두께가 1500Å 보다 얇다.
텐덤 태양 전지의 문제점은 그것을 충분히 효율적이게 하기 위해서는 활성 영역을 형성하는 서로 다른 반도체 물질의 레이어의 매우 많은 조합을 포함해야한다는 것이다. 그렇지 않으면, 입사광의 일부분만이 초격자에 의해 형성된 활성 영역에서 흡수될 것이다. 그러나, 초격자에 추가 레이어를 추가하는 것은 기존 장치의 제조 비용을 높일 것이다.
본 발명의 목적은 주어진 제조 노력으로 태양 에너지의 상대적으로 효율적인 전환을 제공하는 태양 광 발전 전지, 발전 방법 및 태양 광 발전 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 초격자의 유효 에너지 밴드들 중 적어도 하나와 흡수 레이어의 물질의 에너지 여기 레벨들 중 적어도 하나가 흡수 레이어의 물질의 에너지 여기 레벨들 중 적어도 하나와 초격자의 유효 에너지 밴드와 실질적으로 매칭하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지의 수단에 의해 달성된다.
두 개의 반도체 영역 중 적어도 하나가 초격자의 적어도 일부를 포함하기 때문에, 태양 광 발전 전지는 상대적으로 효율적으로 만들어질 수 있다. 초격자의 유효 밴드갭은 태양 스펙트럼의 유리한 범위로 조정될 수 있다. 두 물질 모두의 구성물의 크기가 초격자의 개별 레이어의 임의의 반도체 물질과 다른 유효 밴드갭을 초격자에 제공하도록 충분히 작아야만 하는 - 그리고 충분한 복사 에너지를 흡수하는 태양 광 발전 전지를 만들기 위해 보통 많은 레이어가 피착되어야 함 - 단점이 전하 캐리어의 여기를 야기하는 복사 에너지 흡수 물질의 레이어의 존재에 의해 줄어든다. 여기된 전하 캐리어는 인접한 초격자에 전달되고, 따라서 태양 에너지의 전환 효율을 높인다.
태양 광 발전 전지에서, 복사에너지를 흡수하여 여기된 전하 캐리어를 생성하고, 반대 극성의 전하 캐리어를 분리하고(p- 및 n- 타입 도핑된 레이어의 존재 때문에 반대 전하가 형성된 전자장에서 반대 방향으로 끌림), 전하 캐리어의 전달, 그리고 분리 및 전달된 전하 캐리어를 수집하는 기능에서 차이가 생길 수 있다. 제안된 구조의 이점은 기능의 분리가 달성되고 더욱 최적화될 수 있다는 것이다. 복사 에너지의 흡수를 위한 흡수 레이어의 물질은 높은 흡수율을 갖도록 구체적으로 선택될 수 있고, 초격자를 형성하는 제 1 및 제 2 물질뿐만 아니라 두 물질의 구성물의 크기는 요구된 유효 밴드갭을 제공하도록 선택된다. 유효 밴드갭은 초격자의 물질의 구성물의 크기와 화학적 및/또는 구조적 구성 모두에 의존한다. 하나의 처리 단계에서 구성을 허용하도록 균등질인, 복사 에너지의 흡수를 위한 흡수 레이어의 여기 레벨은 레이어의 두께에 독립적이다. 상기 여기 레벨은 그것의 화학적 구성 및/또는 그것의 구성요소의 위상에만 의존한다.
복사 에너지의 흡수를 위한 흡수 레이어의 여기 레벨이 유효 전도 밴드와 실질적으로 상응할 때, 음전하 캐리어의 전달이 더욱 효율적이다. 상기 레벨이 예를 들면 유효 전도 밴드의 하위 에지의 0.2 eV이내, 더욱 바람직하게는 0.1 eV보다 적은 것에 상응할 때 전달시 더 적은 에너지가 손실된다. 복사 에너지의 흡수를 위한 흡수 레이어의 물질이 흡수 레이어에 인접한 반도체 영역의 유효 가전자대(valence band)에 실질적으로 상응하는 적어도 하나의 안정 에너지 레벨을 나타내는 경우에, 양전하 캐리어의 전달은 더욱 효율적이다. 상기 레벨이 예를 들면 유효 가전자대의 상위 에지의 0.2 eV이내, 더욱 바람직하게는 0.1 eV보다 적은 것에 상응할 때 전달시 더 적은 에너지가 손실된다. 즉, 흡수 레이어의 물질의 여기 레벨들 중 적어도 하나와 초격자의 유효 밴드 중 적어도 하나가 초격자의 유효 밴드와 흡수 레이어의 물질의 여기 레벨 중 적어도 하나와 실질적으로 각각 매칭하도록 선택하면 태양 광 발전 전지의 효율성을 증가시킨다. 초격자의 적어도 일부를 포함한 반도체 영역은 에너지-선택적 전달 레이어로서 기능하여 복사 에너지의 흡수를 위한 캐리어 생성된 흡수 레이어를 제거한다.
일 실시예는 접합부에 의해 분리되며 각각의 쌍에서 감소하는 유효 밴드갭을 가지는 일련의 반도체 영역의 쌍들을 포함하고, 여기서 반도체 영역 중 둘 이상은 초격자와 복사 에너지를 흡수하여 전하 캐리어를 여기시키는 인접한 흡수 물질 레이어를 포함하며, 여기 레벨은 상기 물질 자체에 의해 결정되는 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
따라서, 이른바 텐덤-전지 또는 다중 접합 전지가 제공된다. 이 구성의 이점은 각각의 범위에 특정적으로 적응된 다른 영역의 태양 스펙트럼의 다른 범위를 변환하는데 사용될 수 있다는 것이다. 이것은 전하 캐리어의 열중성자화(thermalization) 즉, 전하 캐리어가 광자가 흡수되는 영역의 유효 밴드갭 보다 높은 에너지를 가진 광자의 흡수에 의해 생성될 때의 열의 발생을 감소시킨다. 연속인 초격자에 바로 인접하고, 여기 레벨이 물질 자체에 의해서 결정되는 두께를 가지며, 복사 에너지를 흡수하여 전하 캐리어의 여기시키는 흡수 레이어의 존재는 상기 복사 에너지가 일련의 다음 반도체 영역에 도달하기 전에 가능한 많은 진동수 범위가 필터링되도록 보장한다.
일 실시예에서, 각각의 초격자는 서로 다른 반도체 물질의 레이어의 주기적 반복 조합을 포함하고, 상기 초격자의 개별 레이어의 임의의 반도체 물질과 다른 유효 밴드갭을 상기 초격자에 제공하도록 충분히 얇은 것을 특징으로 한다.
양자점 초격자를 포함하는 것과 같은 대안 실시예와 비교해서, 이 실시예는 산업계에서 이러한 초격자를 생산하는 명백한 루트가 존재하는 이점이 있다.
일 실시예에서, 흡수 레이어는 반도체 영역과 다른 유효 밴드갭을 가지는 반도체 영역 사이에 끼워진다.
이 실시예는 흡수층의 양면에 생성된 전하 캐리어가 태양 광 발전 전지의 효율성에 기여하도록 허용한다.
일 실시예에서, 복사 에너지의 흡수를 위한 물질은 직접 반도체, 유기 분자 물질과 나노결정을 포함한 물질 중 적어도 하나를 포함한다.
후자의 물질은 예를 들면, 물질 내에 규칙적으로 위치된 나노미터 사이즈 입자의 매트릭스로 구성된 다상(multiphase) 구조를 갖는 물질을 포함한다. 이러한 물질에서 흡수 에지(absorption edge)는 입자의 사이즈를 바꾸는 것에 의해 조정될 수 있어 인접한 초격자의 유효 밴드갭에 효과적으로 매칭될 수 있다. 이것은 태양 광 발전 전지가 상대적으로 효율적이게 하는 데 기여한다. 유기 분자 물질은 특정 초격자의 유효 전도 밴드 및/또는 가전자대에 가장 쉽게 매칭할 수 있는 것뿐만 아니라, 태양 스펙트럼의 특정 범위에서 흡수를 달성하도록 가장 쉽게 적응할 수 있다.
일 실시예에서, 초격자는 다른 비결정질 반도체 물질의 레이어의 주기적 반복 조합을 포함한다.
그 효과는 격자의 잘못된 매칭로 인한 임의의 스트레스를 실질적으로 피하는 것이다. 이러한 이유로, 비 결정질 반도체 물질의 레이어는 적층하기 가장 쉽다.
일 실시예에서, 초격자는 수소화 반도체 물질의 레이어의 주기적 반복 조합을 포함한다.
그 효과는 배위 결함을 부동태화(passivate)하는 것이다.
다른 측면에 따라서, 태양 광 발전 전지의 배열체를 제조하는 방법은 하나의 포일(foil)상에 물질의 레이어를 피착하는 단계와 본 발명에 따른 태양 광 발전 전지의 일 배열을 형성하기 위하여 레이어 중 적어도 하나를 패터닝하는 단계를 포함하고, 본 발명에 따른 전지의 배열이 형성된다.
태양 광 발전 전지의 구성 덕분에, 피착되어야 할 물질의 레이어가 더 적으며, 따라서 제조 노력이 크게 절약된다.
바람직하게는, 생산 라인의 적어도 하나의 스테이션(station)에서 레이어들이 피착되고, 일정한 길이의 포일이 준연속(quasi-continuous)적으로 각각의 스테이션을 지나 전진된다.
요구된 배열체가 포일에서 절단될 수 있기 때문에, 이것은 태양 광 발전 전지의 배열체를 제조하는 유용한 방법이다. 게다가, 시간을 소모하는 챔버(chamber) 조절을 회피할 수 있고 물질의 레이어의 피착 사이의 교환 시간이 상기 배열을 제조하기 위한 전체 시간으로부터 생략된다.
다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 태양 광 발전 장치는 본 발명에 따른 복수의 태양 광 발전 전지를 포함한다.
상기 장치는 양호한 에너지 전환 효율성을 나타낼 뿐만 아니라 상대적으로 제조하기 쉽다.
본 발명은 이제 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 태양 광 발전 전지의 구성 예를 개략적으로 도시하고,
도 2는 태양 광 발전 전지의 변형의 에너지 다이어그램을 도시하고,
도 3은 태양 광 발전 전지의 다른 변형의 에너지 다이어그램을 도시하고,
도 4는 태양 광 발전 전지의 배열체를 제조하기 위한 생산 라인을 개략적으로 도시한다.
본 발명을 설명하기 위해 필요한 태양 광 발전 전지(1)가 도 1에 도시되어 있다. 실제 태양 광 발전 장치에서, 태양 광 발전 전지(1)는 외부로부터 태양 광 발전 전지를 밀봉하기 위하여 플라스틱 포일의 하나 이상의 레이어 및/또는 유리 시트를 포함하는 추가의 레이어에 캡슐화될 것이다. 도시된 실시예에서, 태양 광 발전 전지(1)는 텐덤 전지, 즉, 컴포넌트 전지의 스택이다. 이 경우에서, 스택의 개별 전지는 전기적으로 직렬로 연결된다. 병렬 연결이 대안이지만, 훨씬 복잡하다.
도시된 태양 광 발전 전지(1)는 2 전극 장치이며, 상전극(2)과 후전극(3)을 포함한다. 상전극은 투명 전도성 물질 예를 들면, SnO2, ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, Zn2SnO4, Cd2SnO4 또는 InTiO으로 만들어진다. 후전극(3)은 적어도 부분적으로 Al 또는 Ag와 같은 금속, 금속 합금 또는 투명 전도성 물질로 만들어진다. 일 실시예에서, 후전극(3)은 금속과 투명 전도성 물질의 조합으로 만들어지고, 상전극은 태양 광 발전 전지(1)의 외부를 향해 놓여진다.
도 1의 실시예의 태양 광 발전 전지(1)는 반도체 영역(4-9)를 포함한다. 다른 실예에서, 더 적거나 더 많은 이러한 영역이 존재할 수 있다. 각 쌍의 반도체 영역의 한가지 기능은 전자(electrons)에 대해 효율적인 전달 영역으로서의 기능이고 다른 것은 홀(holes)에 대해 효율적인 전달 영역으로서의 기능이다.
도 1의 실시예에서, 각각의 반도체 영역(4-9)은 초격자를 포함한다. 초격자에 기초한 반도체는 당해 기술 분야에서 알려져 있다. 본 명세서에서, 초격자는 다음의 두 가지 변형 모두를 의미하도록 사용될 것이다: 즉, 하나는 제 2 물질의 레이어가 산재된 제 1 물질의 레이어를 포함하는 것이고 - 여기서 양 레이어는 밴드갭에 영향을 미치도록 충분히 얇음-, 다른 하나는 나노결정이 반도체 레이어로부터 형성되는 것임 - 여기서 나노결정 또는 양자점(quantum dots)의 사이즈는 초격자의 유효 밴드갭에 영향을 미침-. 후자 종류의 초격자의 예는 2004년 6월 7~11일 파리에서 개최된 19번째 유럽 태양 광 발전 태양 에너지 컨퍼런스 및 전시회에서 발표된 Green, M.A.의 "Silicon nanostructures for all-silicon tandem solar cells"에서 더욱 자세하게 설명되었다. 레이어된 종류의 초격자는 여기 더욱 상세하게 기술된 실시예에 포함된다.
레이어 초격자는 배리어(barrier)라 불리는 와이드 밴드갭 물질의 레이어와 웰(well)이라 불리는 로우 밴드갭 반도체 물질의 레이어의 주기적 반복 조합을 포함한다. 따라서, 도 1에서, 제 1 반도체 영역(4)은 제 1 배리어 레이어(10a-10c)와 제 1 웰 레이어(11a-11c)의 반복 조합을 포함한다. 제 2 반도체 영역(5)은 제 2 배리어 레이어(12a-12c)와 제 2 웰 레이어(13a-13c)의 반복 조합을 포함하고, 제 3 반도체 영역(6)은 제 3 배리어 레이어(14a-14c)와 제 3 웰 레이어(15a-15c)의 반복 조합을 포함한다. 제 4, 5, 6 반도체 영역(7-9)은 제 4, 5, 6 배리어 레이 어(16a-16c, 17a-17c, 18a-18c)와 제 4 - 6 웰 레이어(19a-19c, 20a-20c, 21a-21c)를 각각 포함한다. 레이어(10-21)의 두께는 적어도 10 nm 이하로, 1-2 nm의 범위에 있다. 각각의 반도체 영역(4-9)의 두께는 적어도 200 nm 이하로, 약 100 nm의 전체 두께를 가진다.
본 예의 레이어(10-21)는 수소화 또는 플루오르화 비결정질 반도체 물질로 만들어진다. 적절한 예는 수소화 비결정질 실리콘(a-Si:H), 수소화 비결정질 실리콘 게르마늄(a-SiGe:H), 수소화 비결정질 실리콘 탄화물(a-SiC:H), 수소화 비결정질 실리콘 질화물(a-SiN:H)과 수소화 비결정질 실리콘 산화물(a-SiO:H)를 포함한다. a-Si:H의 밴드갭은 피착 조건에 의존하여 1.6 eV로부터 1.9 eV까지 변한다. a-Si:H를 카본, 산소 또는 질소와 합금하는 것은 합금의 밴드갭을 넓히지만, 게르마늄을 병합하면 밴드갭을 좁힌다. 웰, 즉, 웰 레이어(11, 13, 15, 19, 21)를 위한 물질로서 a-Si:H와 a-SiGe:H를 사용하고, 배리어, 즉, 배리어 레이어(10, 12, 14, 16, 18)를 위한 물질로서 a-SiC:H, a-SiN:H 또는 a-SiO:H를 사용하여 적절한 실시예가 만들어질 수 있다. a-Si:H 기반 레이어의 비주기성 구조와 배위 결손을 부동태화하는 수소의 작용은 결정질 초격자에 적용하는 격자 매칭에 대한 엄격한 요구를 제거한다.
초격자를 형성하기 위해서, 하나 이상의 기술이 사용될 수 있다. 이러한 기술은 화학적 증기 증착, 반응성 (공(co)-) 스퍼터링(sputtering), 반응성 (공-) 증발 등을 포함한다. 도시된 예를 제조하기 위한 일 유용한 기술은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)이다. 이 기술은 a-Si:H의 합금이 시레 인(silane)과 같은 실리콘 운반 소스 가스에 적합한 가스를 추가함으로써 쉽게 달성될 수 있기 때문에 유용하다. 격자 정합형도 아니고 에피텍셜도 아니지만, 본질적으로 결합이 없고 원자력적으로 거의 뚜렷한 인터페이스를 포함한 초격자가 제조될 수 있다는 것이 증명되었다.
다른 쌍의 인접한 반도체 영역(4-9)은 N-타입과 P-타입 영역을 포함한 터널-재결합 접합부(22,23)에 의해 분리된다. 터널-재결합 접합부(22,23)는 내부 직렬 연결을 제공하고, 여기서 인접한 반도체 영역 쌍으로부터 도달한 반대로 충전된 캐리어의 재결합이 일어난다. 터널-재결합 접합부를 형성하는 레이어를 통한 캐리어의 터널링은 재결합을 촉진한다. 광-생성된 캐리어의 효과적인 재결합은 접합부의 중앙의 결함 상태를 통해 일어난다. 접합부의 중앙에서 광-생성된 캐리어의 재결합은 전류가 태양 전지를 계속 흐르도록 한다.
반도체 영역의 각 쌍은 홀에 대해 효율적인 전달 영역으로서 기능과 전자에 대해 효율적인 전달 영역으로서 기능을 갖는다. 도 1의 도시된 실시예에서, 초격자는 N-타입 반도체 영역과 P-타입 반도체 영역, 즉, 터널 재결합 접합부(22,23)의 부분을 형성하는 도핑된 반도체 영역에 부착된다. 도핑된 영역은 또한 초격자를 포함할 수 있다는 것을 주의해야한다.
잘 알려진 것과 같이, 도핑된 레이어로부터 다수 전하 캐리어의 과도 확산으로 인해 생성된 다르게 도핑된 반도체의 공간 전하는 내부 전자장을 증가시킨다. 이것은 여기에 의해 생성된 이동 전하 캐리어의 분리를 초래한다. 제 1 및 제 2 반도체 영역(4, 5)의 조합은 태양 스펙트럼의 제 1 영역의 태양 에너지를 전환하 고, 제 3 및 제 4 반도체 영역(6, 7)의 조합은 태양 스펙트럼의 다르지만 중첩 가능한 제 2 영역의 태양 에너지를 전환하고, 제 5 및 제 6 반도체 영역(8,9)의 조합은 태양 스펙트럼의 다른 영역을 전환한다. 터널 재결합 접합부(22,23)는 3쌍의 반도체 영역이 전기적으로 직렬로 연결되도록 보장한다.
반도체 영역(4-9)은 유효 밴드갭을 점진적으로 감소시킨다. 그리하여, 제 1 및 제 2 반도체 영역(4, 5)은 태양 스펙트럼의 더 높은 (진동수) 범위의 광자를 획득하도록 더 큰 유효 밴드갭을 갖는다. 중간 반도체 영역(6,7)은 태양 스펙트럼의 중간 범위의 유효 밴드갭을 갖는다. 하위 반도체 영역(8,9)은 태양 스펙트럼의 하위의 범위의 유효 밴드갭을 포함한다. 상위 반도체 영역(4,5)은 상전극(2)의 가장 가까이에 놓인다. 상전극(2)은 사용시에 입사 광에 노출되고, 따라서 입사광은 유효 밴드갭이 감소하는 순서로 반도체 영역(4-9)을 통해 전달한다. 이 구성은 전하 캐리어의 열중성자화의 억제 때문에 태양 에너지 전환의 향상된 효율성을 제공한다.
반도체 영역(4-9)의 상위, 중간 그리고 하위 쌍 사이에 복사 에너지의 흡수를 위한 물질의 각각의 제 1, 제 2 및 제 3 흡수 레이어(24-26)의 병합의 결과로써, 입사 복사 에너지의 흡수는 흡수 레이어에 의해 대부분 이루어진다. 결과적으로, 반도체 영역의 두께는 제조 관점에서 유리한 웰 레이어와 배리어 레이어의 수를 줄이는 것에 의해 제한될 수 있다. 복사 에너지의 흡수를 위한 물질의 흡수 레이어(24-26)는 한 쌍을 형성하는 각각의 초격자에 인접한다. 흡수레이어는 여기 레벨이 흡수레이어의 조성에 의해 결정되는 두께를 가진다. 상기 두께에 대한 적 절한 값은 약 50 nm 범위이고, 바람직하게는 약 10 nm 범위이다.
흡수 레이어(24-26)는 직접 반도체 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질은 104 ~ 106 cm-1의 상대적으로 높은 흡수율(absorption coefficient)을 가지기 때문에 흡수 레이어(24-26)는 얇게 유지될 수 있다. 예를 들면 2.45 eV의 밴드갭을 가진 CdS는 500 nm에서 105 cm-1정도의 흡수율을 가지고, 1.0 eV ~ 1.7 eV의 넓은 범위에서 변화할 수 있는 밴드갭을 가진 Cu(In,Ga)(Se,S)2는 이 에너지 범위에서 104 ~ 105 cm- 1사이의 흡수율을 갖는다. 흡수는 가전자대로부터 전도 밴드로 전자의 여기를 수반한다. 상대적으로 높은 흡수율은 또한 대안 즉, 유기 분자 물질을 특징짓는다. 이러한 물질들은 여기서 기술된 예에서 사용된다. 유기 분자 물질에서, 여기된 전하 캐리어는 보통 여기자(excitons)로 불린다. 적절한 유기 분자 물질은 포르피린(porphyrins)과 프탈로시아닌(phtalocyanines)을 포함한다. 이것은 각각 약 2.9 eV와 1.77 eV 의 광자 에너지 레벨에 대응하는 진동수 정도의 좁은 흡수 밴드를 갖는다. 특히 프탈로시아닌 분자는 화학적으로 매우 안정적이며 진공 증발에 의해 피착될 수 있다. 흡수 레이어(24-26)의 물질의 여기 레벨은 그것이 인접한 초격자의 유효 밴드와 매칭하는 것을 허용하도록 선택된다. 이것들의 밴드갭은 얇은 레이어(10-21)의 크기를 통해 조정될 수 있기 때문에, 이러한 매칭은 상대적으로 높은 정확도로 달성될 수 있다.
흡수 레이어(24-26)의 전하 캐리어는 인접한 초격자의 유효 전도 밴드의 하 위 경계 또는 그 이상의 레벨로 여기된다. 이것은 상대적으로 높은 효율로 전하 캐리어의 초격자로의 전이를 허용한다. 전하 캐리어가 전도 밴드로 전이될 때 초래되는 낮은 열중성자화 손실때문에 효율성이 높다. 매칭은 바람직하게는 1 전자 볼트의 1/10의 범위, 예를 들면, 0.1 또는 0.2 eV의 값으로 정확하다. 분자 물질에서, 전하 캐리어는 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: 최저 공궤도)로 여기되고, 따라서 인접한 초격자의 유효 전도 밴드의 하위 경계와 매칭한다. 바람직하게는 전하 캐리어가 여기되는 상태는 - 이 상태는 복사 에너지를 흡수하는 분자 물질에서 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital: 최고 점유 궤도)라고 부름 - 같은 정확도로 적어도 그것의 상위 경계인 유효 가전자대와 매칭한다.
도 2는 에너지 다이어그램에 의해 태양광 발전 전지(1)의 일반적인 개념을 도시한다. 제 1 및 제 2 흡수 레이어(27, 28)는 초격자(29-32)의 부분에 인접한다. 초격자(29-32)는 실질적으로 진성 반도체 물질의 특성을 갖는다. 이것들은 인접한 흡수 레이어(27, 28)의 안정 또는 여기 레벨에 실질적으로 매칭된 전도 또는 가전자대를 구비하는, 에너지 선택적 전달 레이어를 형성한다. 실제로, 도 2에 도시된 것과 같이, 초격자(30, 32)의 전도 밴드는 인접한 흡수 레이어(27, 28)의 여기 레벨의 약간 아래에 있고, 초격자(29, 31)의 가전자대는 인접한 흡수 레이어(27, 28)의 안정 레벨의 약간 위에 있다.
제 1 흡수 레이어(27)에 인접한 초격자(30)와 제 2 흡수 레이어(28)에 인접한 초격자(31)의 부분이 다른 유효 밴드갭을 갖는 반도체 영역을 형성한다. 초격자(29-32) 중 하나의 일부가 전자의 유효 전달수단으로 또는 홀의 유효 전달수단으 로 기능하는지는 세 개의 터널 재결합 접합부(33-35) 중 하나의 인접한 반도체 영역의 속성에 의해 결정된다. 터널 재결합 접합부(33-35) 각각은 한 쌍의 반도체 레이어를 포함하고, 이 중 하나는 P-타입 반도체 레이어가 되도록 도핑되고 나머지 하나는 N-타입 반도체 레이어가 되도록 도핑된다. 터널 재결합 접합부의 기능은 통합된 흡수 레이어(27, 28)에 의해 각각의 초격자(29-32) 사이에 직렬 연결을 제공하고, 태양 광 발전 전지(1)의 활성 영역에 내부 전자장을 형성하는 것이다.
도 3은 에너지 다이어그램에 의해 도 2의 태양광 발전 전지(1)의 일반적인 개념의 변형을 도시한다. 또, 제 1 및 제 2 흡수 레이어(27, 28)는 초격자(29-32)의 부분에 인접한다. 그러나, 단일 쌍의 초격자(29-32)는 도 3의 실시예에서는 다르다. 초격자(29-32)는 하나의 쌍에서 다른 유효 밴드갭을 가지도록 선택된다. 밴드갭은, 초격자(29)에서 여기된 음전하 캐리어가 터널 재결합 접합부(34)를 향하도록 그리고 초격자(30)에서 여기된 양전하 캐리어가 터널 재결합 접합부(33)를 향하도록, 조정된다.
도 4는 기술된 태양 전지(1)의 구성을 포함한 태양 전지의 배열체를 제조하기 위한 생산 라인(36)을 도시한다. 예시에서 생산 라인(36)은 2개의 스테이션(37-38)을 포함하며, 이것을 지나서 일정 길이의 포일이 진행되어 있다. 포일이 제 1 롤(roll)(39)로부터 제 2 롤(40)로 전달되면서 태양 전지의 배열이 포일에 형성된다. 두 개의 스테이션(37, 38)은 예시일 뿐, 그 이상이 있을 수 있다. 특히, PEVCD가 사용되는 경우에, 태양 전지는 포일 경로를 따라 위치된 하나 이상의 스테이션(37, 38)에서 레이어(10-21, 24-26)를 연속으로 형성함으로써 매우 효과적으로 생산될 수 있다. 레이저나 다른 커팅 기술을 사용하는 패터닝이 개별 전지를 형성하는데 적용된다. 제 1 및 제 2 롤(39, 40)의 사용 때문에, 롤(39, 40)의 최대 사용 가능 직경에 의해 주로 제한되는 준연속 제조가 가능하게 된다. 적합한 사이즈의 배열은 플라스틱 보호 레이어의 적용, 백킹(backing) 레이어의 제거 등과 같은 추가적 처리 과정 후에 상기 일정 길이의 포일로부터 형성될 수 있다. 상기 배열은 이후에 적절한 커넥터와 선택적인 추가 회로를 포함한 태양 광 발전 장치에 병합된다. 특히 텐덤 전지 구성에서, 여러 유닛의 스펙트럼-선택 흡수 물질을 상기 물질의 흡수 밴드와 매칭하도록 설정된 유효 밴드갭을 포함한 초격자와 함께 사용하면 태양 광 발전 장치를 효율적이고 상대적으로 복잡하지 않게 생산할 수 있다.
본 발명은 상기된 실시예로 제한되지 않으며 다음의 청구의 범위 내에서 변경될 수 있다. 예를 들면, 복사 에너지의 흡수를 위한 물질의 흡수 밴드는 부분적으로 겹칠 수 있다. 또한, 복사 에너지의 스펙트럼-선택 흡수를 위한 레이어에 인접한 각 쌍의 반도체 영역 중 하나가 초격자를 포함하는 대신에 무기의, 직접적 또는 간접적, 반도체 물질로 만들어지는 실시예가 가능하다. 또한, 다중 접합부 전지를 형성하는 반도체 영역의 쌍은 무기 반도체 물질의 레이어에 의해 분리될 수 있거나, 그러한 레이어가 전극과 초격자 사이에 제공될 수 있다.
Claims (11)
- 한 쌍의 반도체 영역(4-9) 사이에 적어도 제 1 접합부를 포함한 태양 광 발전 전지에 있어서,상기 반도체 영역의 쌍 중 적어도 하나는 제 2 물질의 구성물이 산재된 제 1 물질을 포함하는 초격자의 적어도 일부를 포함하고, 상기 구성물은 충분하게 작은 크기여서 상기 초격자의 유효 에너지 밴드 사이의 유효 밴드갭은 적어도 부분적으로 상기 크기에 의해 결정되고, 상기 반도체 영역 사이에 흡수 레이어(24-26)가 제공되고 상기 흡수 레이어는 복사 에너지를 흡수하여 전하 캐리어를 여기시키는 물질을 포함하고, 여기 레벨이 상기 물질 자체에 의해 결정되도록 하는 두께를 가지고,상기 초격자의 유효 에너지 밴드 중 하나 이상과 상기 흡수 레이어의 상기 물질의 상기 여기 레벨 중 하나 이상은 각각 상기 흡수 레이어의 상기 물질의 상기 여기 레벨 중 하나 이상과 상기 초격자의 상기 유효 에너지 밴드와 매칭하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지.
- 제 1 항에 있어서,접합부들에 의해 분리되며 각각의 쌍에서 감소하는 유효 밴드갭을 가지는 일련의 반도체 영역(4-9)의 쌍들을 포함하고,상기 반도체 영역(4-9) 중 둘 이상은 초격자와 복사 에너지를 흡수하여 전하 캐리어를 여기시키는 인접한 흡수 물질 레이어(24-26)를 포함하며, 여기 레벨이 상기 물질 자체에 의해 결정되는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,각각의 초격자는 서로 다른 반도체 물질의 레이어(10-21)의 주기적 반복 조합을 포함하고, 상기 초격자의 개별 레이어의 임의의 반도체 물질과 다른 유효 밴드갭을 상기 초격자에 제공하도록 충분히 얇은 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 초격자는 진성 반도체 물질로 이루어지고 상기 태양 광 발전 전지는 상기 태양 광 발전 전지 내의 내부 전자장을 일으키도록 배열되는 서로 다르게 도핑된 N-타입 및 P-타입 반도체 영역의 하나 이상의 쌍을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 흡수 레이어는 서로 다른 유효 밴드갭을 포함하는 상기 반도체 영역과 상기 반도체 영역 사이에 끼워져 위치되는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,복사 에너지의 흡수를 위한 상기 물질은 직접 반도체, 유기 분자 물질 및 나노결정을 포함한 물질 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 초격자는 다른 비결정질 반도체 물질의 레이어(10-21)의 주기적 반복 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 초격자는 수소화된 반도체 물질의 레이어(10-21)의 주기적 반복 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지.
- 태양 광 발전 전지의 배열체를 제조하는 방법에 있어서,하나의 포일상에 물질의 레이어(10-26)를 피착하는 단계와 태양 광 발전 전지(1)의 일 배열을 형성하기 위해 레이어의 전부 또는 일부를 패터닝하는 단계를 포함하고,이로써, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 전지의 일 배열이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지 배열체의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,생산 라인(18)의 적어도 하나의 스테이션(19, 20)에서 레이어들이 피착되고, 포일의 준연속(quasi-continuous)부분은 각각의 스테이션(19, 20)을 지나 전진되는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 전지 배열체의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 태양 광 발전 전지(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 광 발전 장치.
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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