KR20100070732A - Solar cell - Google Patents

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KR20100070732A
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문진수
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남정규
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Abstract

PURPOSE: A solar cell is provided to improve the efficiency of the solar cell by expediting the generation of electrons and holes through a surface plasmon layer. CONSTITUTION: A surface plasmon layer(15) is formed on one side of a first light absorbent layer(10). Fine metal particles or a metal thin film forms the surface plasmon layer. The surface plasmon layer is composed of at least one material from a group including silver, gold, aluminum, chromium and titanium. The first light absorbent layer is composed of at least one material from a group including silicon-based, compound semiconductor-based and organic-based material. A transparent electrode(18) is formed on the other side of the surface plasmon layer.

Description

태양 전지{Solar cell}Solar cell {Solar cell}

본 발명의 실시예는 표면 플라즈몬층을 구비한 태양 전지에 관한 것이다.Embodiments of the invention relate to solar cells having a surface plasmon layer.

미래 대체 에너지로 태양 전지가 각광 받고 있다. 태양 전지는 광전효과를 이용하여 태양 광 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다. 태양전지는 실리콘 반도체를 재료로 사용하는 것과 화합물 반도체를 재료로 하는 것으로 분류되며, 실리콘 반도체를 사용한 태양전지는 결정계와 비정질계로 분류된다. 태양전지에 빛이 입사되면 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 전하들이 PN 접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면 전자는 N형 반도체에, 정공은 P형 반도체로 이동하여 전위차가 발생된다. 이때 P형 반도체와 N형 반도체 사이에 부하를 연결하면 부하에 전류가 흐르게 된다.Solar cells are in the limelight as future alternative energy. Solar cells are devices that convert solar energy into electrical energy using the photoelectric effect. Solar cells are classified into using silicon semiconductors as materials and compound semiconductors as materials. Solar cells using silicon semiconductors are classified into crystalline and amorphous systems. When light is incident on the solar cell, electrons and holes are generated inside the semiconductor. When the generated charges enter the electric field generated by the PN junction, electrons move to the N-type semiconductor and holes move to the P-type semiconductor to generate a potential difference. At this time, if a load is connected between the P-type semiconductor and the N-type semiconductor, current flows in the load.

본 발명의 일실시예에 따르면 표면 플라즈몬층을 구비한 태양 전지를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, a solar cell having a surface plasmon layer is provided.

본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지는, Solar cell according to an embodiment of the present invention,

제1 광 흡수층;A first light absorbing layer;

상기 제1 광 흡수층의 적어도 일면에 구비된 표면 플라즈몬층;을 포함한다.And a surface plasmon layer provided on at least one surface of the first light absorbing layer.

상기 표면 플라즈몬층은 금속의 미세 입자나 박막으로 형성될 수 있다.The surface plasmon layer may be formed of fine particles or a thin film of metal.

상기 표면 플라즈몬층은 Au, Ag, Al, Cr, 및 Ti로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. The surface plasmon layer may be made of at least one material selected from Au, Ag, Al, Cr, and Ti.

상기 제1 광 흡수층은 실리콘계, 화합물 반도체계, 및 유기물계 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. The first light absorbing layer may be made of any one of silicon, compound semiconductor, and organic materials.

상기 제1 광 흡수층은 CIGS, CIS, CGS, a-Si:H(i), CdTe, 및 Si 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. The first light absorbing layer may be formed of any one of CIGS, CIS, CGS, a-Si: H (i), CdTe, and Si.

상기 표면 플라즈몬층의 다른 면에 제2 광 흡수층이 더 구비될 수 있다.A second light absorbing layer may be further provided on the other surface of the surface plasmon layer.

상기 표면 플라즈몬층의 다른 면에 투명 전극, CdS 층, ZnS 층 중 어느 하나가 구비될 수 있다.The other surface of the surface plasmon layer may be provided with any one of a transparent electrode, a CdS layer, ZnS layer.

본 발명의 일실시예에 따르면, 결정질 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양 전지, 박막 태양 전지 등에 표면 플라즈몬층을 구비하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a surface plasmon layer may be provided in a crystalline silicon solar cell, an amorphous silicon solar cell, a thin film solar cell, or the like to increase the efficiency of the solar cell.

본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. With reference to the accompanying drawings, a solar cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 도 1을 참조하면, 광 흡수층(10)과, 상기 광 흡수층(10)의 적어도 하나의 면에 구비된 표면 플라즈몬층(15)을 포함한다. 상기 광 흡수층(10)은 실리콘계, 화합물반도체계, 및 유기물계 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 태양 전지는 광흡수층을 구성하는 물질에 따라 실리콘, 화합물반도체와 같은 무기물소재로 이루어진 무기물 태양전지와, 염료 감응형 태양전지, 유기폴리머 태양전지와 같이 유기물을 포함하는 유기물 태양전지로 나눌 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 이러한 무기물 태양 전지와 유기물 태양 전지에 모두 적용 가능하다. Referring to FIG. 1, a solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes a light absorbing layer 10 and a surface plasmon layer 15 provided on at least one surface of the light absorbing layer 10. The light absorbing layer 10 may be formed of any one of silicon, compound semiconductor, and organic material. Solar cells may be classified into inorganic solar cells made of inorganic materials such as silicon and compound semiconductors, and organic solar cells including organic materials, such as dye-sensitized solar cells and organic polymer solar cells, depending on the material constituting the light absorption layer. The solar cell according to the embodiment of the present invention is applicable to both the inorganic solar cell and the organic solar cell.

상기 표면 플라즈몬층(15)의 다른 면에는 투명 전극(18)이 구비될 수 있다. 상기 투명 전극(18)을 통해 상기 광 흡수층(10)에 빛이 입사되어 전자가 여기되면 전자와 정공이 생성되고, 이 전자들이 상기 투명 전극(18)으로 이동되고, 정공은 광 흡수층(10)으로 이동되어 전류가 흐르게 된다. The other surface of the surface plasmon layer 15 may be provided with a transparent electrode 18. When light is incident on the light absorbing layer 10 through the transparent electrode 18 and electrons are excited, electrons and holes are generated, and the electrons are moved to the transparent electrode 18, and the holes are light absorbing layer 10. It moves to and current flows.

상기 표면 플라즈몬층(15)은 금속의 미세 입자나 박막으로 형성될 수 있다. 미세입자의 경우 예를 들어 직경 1㎛ 이하의 크기를 가지며, 박막의 경우 100nm 이하의 두께를 가지도록 표면 플라즈몬층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 표면 플라즈몬층은 Au, Ag, Al, Cr, 및 Ti로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 하지만, 표면 플라즈몬층의 재질은 여기에 한정되는 것은 아니다. 플라즈몬은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자로서, 플라즈몬이 금속 표면에 국부적으로 존재하는 것을 표면 플라즈몬이라고 한다. 상기 표면 플라즈몬층(15)에 빛이 입사되면, 표면 플라즈몬이 빛을 흡수하여 여기되고, 이에 따라 표면 플라즈몬층에 국부적으로 전계가 생성된다. 표면 플라즈몬층에서 생성된 전계는 광흡수층에서 전자와 정공이 생성되는 것을 촉진하여 더욱 많은 전류를 발생시킨다. The surface plasmon layer 15 may be formed of fine particles or a thin film of metal. For example, the fine particles may have a diameter of 1 μm or less, and in the case of a thin film, the surface plasmon layer may be formed to have a thickness of 100 nm or less. For example, the surface plasmon layer may be made of at least one material selected from Au, Ag, Al, Cr, and Ti. However, the material of the surface plasmon layer is not limited thereto. Plasmons are analogous particles in which free electrons in a metal vibrate collectively, and the presence of plasmons locally on the metal surface is called surface plasmon. When light is incident on the surface plasmon layer 15, the surface plasmon absorbs light and is excited, thereby generating an electric field locally in the surface plasmon layer. The electric field generated in the surface plasmon layer promotes the generation of electrons and holes in the light absorption layer to generate more current.

이와 같이 본 발명의 실시예에서는 상기 광 흡수층(10)에서 빛을 흡수하여 전류가 발생됨과 아울러 상기 표면 플라즈몬층(15)에서도 빛을 흡수하여 전계를 발생시킴으로써 광흡수층에서의 전류 발생을 더욱 강화시킨다.As described above, in the embodiment of the present invention, the light absorbing layer 10 absorbs light to generate a current, and the surface plasmon layer 15 absorbs light to generate an electric field, thereby further strengthening the current generation in the light absorbing layer. .

도 2에 도시된 태양 전지는 제1전극(20), p형 광 흡수층(22), 표면 플라즈몬층(23), n형 버퍼층(25) 및 제2전극(27)을 포함한다. 상기 p형 광 흡수층(22)은 CIGS(Copper Indium Gallium Selenide), CIS(Copper Indium Selenide), 및 CGS(Copper Gallium Selenide), 및 Si 중 1종 이상의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, CIGS 광 흡수층은 유리기판, 스테인레스, 알루미늄 등과 같은 기판에 CIGS를 증착하는 방식으로 제작될 수 있으며, 실리콘을 사용하지 않으면서도 태양광을 전기로 변환해주는 효율이 높다. 상기 제1전극(20)은 예를 들어 몰리브덴(Mo)으로 형성되고, 제2전극(27)은 ZnO를 이용하여 투명전극으로 형성될 수 있다. 상기 n형 버퍼층(25)은 CdS, ZnS 등을 사용하여 형성할 수 있다. The solar cell shown in FIG. 2 includes a first electrode 20, a p-type light absorbing layer 22, a surface plasmon layer 23, an n-type buffer layer 25, and a second electrode 27. The p-type light absorbing layer 22 may be formed of at least one material of copper indium gallium selenide (CIGS), copper indium selenide (CIS), copper gallium selenide (CGS), and Si. For example, the CIGS light absorbing layer can be fabricated by depositing CIGS on a substrate such as a glass substrate, stainless steel, aluminum, etc., and has a high efficiency of converting sunlight into electricity without using silicon. For example, the first electrode 20 may be formed of molybdenum (Mo), and the second electrode 27 may be formed of a transparent electrode using ZnO. The n-type buffer layer 25 may be formed using CdS, ZnS, or the like.

빛이 상기 광 흡수층(22)에 입사되면 전자와 정공이 생성되고, 전자는 n형 버퍼층(25)으로 이동하며, 정공은 p형 광 흡수층(22)으로 이동하여 전류가 발생된다. 한편, 상기 표면 플라즈몬층(23)에 빛이 입사되면 표면 플라즈몬에서 국부적으로 전계가 형성되어 광흡수층에서 추가적인 전자, 정공의 생성을 일으키고, 전자는 n형 버퍼층(25)으로 이동하고, 정공은 p형 광 흡수층(22)으로 이동한다. 일반적으로 광 변환 효율을 높이는 한 방법으로 광 흡수층의 두께를 늘리는 방법을 사용하는데, 표면 플라즈몬층을 이용하면 전류의 양을 늘릴 수 있으므로 광흡수층의 두께를 줄이더라도 고효율의 태양 전지를 제작할 수 있다.When light enters the light absorbing layer 22, electrons and holes are generated, electrons move to the n-type buffer layer 25, and holes move to the p-type light absorbing layer 22 to generate current. On the other hand, when light is incident on the surface plasmon layer 23, a local electric field is formed at the surface plasmon to generate additional electrons and holes in the light absorption layer, and the electrons move to the n-type buffer layer 25, and the holes are p It moves to the fluorescent absorption layer 22. In general, as a method of increasing light conversion efficiency, a method of increasing the thickness of the light absorbing layer is used. Since the surface plasmon layer can increase the amount of current, a high efficiency solar cell can be manufactured even if the thickness of the light absorbing layer is reduced.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 것으로 비정질 실리콘(a-Si) 박막 태양 전지의 예이다. 도 3에 도시된 태양 전지는 제1전극(30), a-Si:H(n)층(32), 제1 a-Si:H(i)층(33), 표면 플라즈몬층(35), 제2 a-Si:H(i)층(36), 제2전극(38)을 포함한다. 여기서는 a-Si:H(i)층이 광흡수층으로 작용하며, 표면 플라즈몬층(35)이 제1 a-Si:H(i)층(33)과 제2 a-Si:H(i)층(36) 사이에 배치된 예를 도시한 것이다. 표면 플라즈몬층(35)은 광흡수층의 일면에 구비되거나 또는 광흡수층 사이에 구비될 수 있다. 3 illustrates a solar cell according to another embodiment of the present invention, which is an example of an amorphous silicon (a-Si) thin film solar cell. The solar cell shown in FIG. 3 includes a first electrode 30, an a-Si: H (n) layer 32, a first a-Si: H (i) layer 33, a surface plasmon layer 35, A second a-Si: H (i) layer 36 and a second electrode 38 are included. Here, the a-Si: H (i) layer serves as the light absorption layer, and the surface plasmon layer 35 is the first a-Si: H (i) layer 33 and the second a-Si: H (i) layer. The example arrange | positioned between 36 is shown. The surface plasmon layer 35 may be provided on one surface of the light absorption layer or between the light absorption layers.

도 3에 예시된 태양 전지에서는 제1 및 제2 a-Si:H(i)층(33)(36) 뿐만 아니라 a-Si:H(p)층(37)도 광 흡수층으로 작용하여 빛을 받으면 a-Si:H(p)층(37)에서 전자와 정공이 생성될 수 있다. 도 3에서는 표면 플라즈몬층(35)을 제1 a-Si:H(i)층(33)과 제2 a-Si:H(i)층(36) 사이에 배치된 예를 도시하였지만, 제2 a-Si:H(i)층(36)과 a-Si:H(p)층(37) 사이에 하나 더 구비하는 것도 가능하다. 또는 표면 플 라즈몬층(35)을 제1 a-Si:H(i)층(33)과 제2 a-Si:H(i)층(36) 사이 대신에 제2 a-Si:H(i)층(36)과 a-Si:H(p)층(37) 사이에 배치하는 것도 가능하다. 즉, p-n 접합에 의해 전자와 정공이 생성되는 곳에 표면 플라즈몬층을 구비할 수 있다. In the solar cell illustrated in FIG. 3, not only the first and second a-Si: H (i) layers 33 and 36, but also the a-Si: H (p) layer 37 act as a light absorbing layer to emit light. Upon receipt, electrons and holes may be generated in the a-Si: H (p) layer 37. In FIG. 3, an example in which the surface plasmon layer 35 is disposed between the first a-Si: H (i) layer 33 and the second a-Si: H (i) layer 36 is illustrated. It is also possible to provide one between the a-Si: H (i) layer 36 and the a-Si: H (p) layer 37. Or instead of the surface plasmon layer 35 between the first a-Si: H (i) layer 33 and the second a-Si: H (i) layer 36, the second a-Si: H (i It is also possible to arrange between the layer 36 and the a-Si: H (p) layer 37. That is, the surface plasmon layer may be provided where electrons and holes are generated by the p-n junction.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로, 도 4에 도시된 태양 전지는 제1전극(40), p형 CdTe층(42), 표면 플라즈몬층(45), n형 CdS층(47), 및 제2전극(48)을 포함한다. 여기서, 상기 p형 CdTe층(42)이 광 흡수층으로 작용하여 빛을 흡수하면 p형 CdTe층(42)에서 전자와 정공이 생성되고, 전자가 n형 CdS층(47)으로 이동하고, 정공이 p형 CdTe층(42)으로 이동하여 전류가 흐른다. 또한, 상기 표면 플라즈몬층(42)에 빛이 입사되면, 앞서 설명한 바와 같이 전자와 정공의 생성이 촉진되어 전류 발생에 기여하게 되므로 광전류의 양이 증가된다. 4 illustrates another embodiment of the present invention. The solar cell illustrated in FIG. 4 includes a first electrode 40, a p-type CdTe layer 42, a surface plasmon layer 45, and an n-type CdS layer 47. ), And a second electrode 48. Here, when the p-type CdTe layer 42 acts as a light absorbing layer and absorbs light, electrons and holes are generated in the p-type CdTe layer 42, and the electrons move to the n-type CdS layer 47, and the holes The current flows to the p-type CdTe layer 42. In addition, when light is incident on the surface plasmon layer 42, as described above, the generation of electrons and holes is promoted to contribute to the generation of current, thereby increasing the amount of photocurrent.

본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 표면 플라즈몬층을 통해 태양 전지의 효율을 높일 수 있으며, 광 흡수층의 적어도 일면에 간단하게 표면 플라즈몬층을 적층하는 것이 가능하다. 한편, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 단일 셀 구조뿐만 아니라 다종 접합 구조로 형성되는 것도 가능하다. The solar cell according to the embodiment of the present invention can increase the efficiency of the solar cell through the surface plasmon layer, it is possible to simply stack the surface plasmon layer on at least one surface of the light absorbing layer. On the other hand, the solar cell according to an embodiment of the present invention can be formed not only a single cell structure but also a multi-junction structure.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다. The above embodiments are merely exemplary, and various modifications and equivalent other embodiments are possible to those skilled in the art. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined by the technical idea of the invention described in the following claims.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지를 도시한 것이다.1 illustrates a solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 것이다. 2 illustrates a solar cell according to another embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 것이다. 3 illustrates a solar cell according to another embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 것이다. 4 illustrates a solar cell according to another embodiment of the present invention.

<도면 중 주요 부분에 대한 설명><Description of main part of drawing>

10...광 흡수층, 15,45,23,35...표면 플라즈몬층10 ... light absorbing layer, 15,45,23,35 ... surface plasmon layer

25...n형 버퍼층, 32...a-Si:H(n)층25 ... n type buffer layer, 32 ... a-Si: H (n) layer

33,36...a-Si:H(i)층, 37...a-Si:H(p)층33,36 ... a-Si: H (i) layer, 37 ... a-Si: H (p) layer

42...p형 CdTe층, 47...n형 CdS층42 ... p type CdTe layer, 47 ... n type CdS layer

Claims (8)

제1 광 흡수층;A first light absorbing layer; 상기 제1 광 흡수층의 적어도 일면에 구비된 표면 플라즈몬층;을 포함하는 태양 전지.And a surface plasmon layer provided on at least one surface of the first light absorbing layer. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 표면 플라즈몬층은 금속의 미세 입자나 박막으로 형성된 태양 전지.The surface plasmon layer is a solar cell formed of fine particles or thin films of metal. 제 2항에 있어서, 3. The method of claim 2, 상기 표면 플라즈몬층은 Au, Ag, Al, Cr, 및 Ti로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 태양 전지.The surface plasmon layer is a solar cell made of at least one material selected from Au, Ag, Al, Cr, and Ti. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 제1 광 흡수층은 실리콘계, 화합물반도체계, 및 유기물계로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 태양 전지.The first light absorbing layer is a solar cell made of at least one material selected from silicon, compound semiconductor, and organic material. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 제1 광 흡수층은 CIGS, CIS, CGS, a-Si:H(i), CdTe 및 Si 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 태양 전지. The first light absorbing layer is a solar cell made of at least one material of CIGS, CIS, CGS, a-Si: H (i), CdTe and Si. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 표면 플라즈몬층의 다른 면에 제2 광 흡수층이 더 구비되는 태양 전지.The solar cell further comprises a second light absorbing layer on the other side of the surface plasmon layer. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 표면 플라즈몬층의 다른 면에 투명 전극, CdS 층, ZnS 층 중 어느 하나가 구비되는 태양 전지. The solar cell of any one of the transparent electrode, the CdS layer, ZnS layer is provided on the other side of the surface plasmon layer. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 태양 전지가 다종 접합 구조를 가지는 태양 전지.The solar cell has a multi-junction structure.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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