KR20100130008A - 태양 전지 구조체 - Google Patents
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Abstract
태양 전지에 대해 개시된다. 개시된 태양 전지 구조체는 PIN 구조의 양측에 투명 전도성 물질을 포함하여 태양 전지 구조체 내에서 발생하는 전자 또는 정공의 이동 효율을 향상시켜, 효율이 높은 태양 전지 구조체를 제공할 수 있다.
Description
본 발명의 실시예는 태양 전지 구조체에 관한 것이다.
태양 전지는 반도체 특성을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 현재 태양 전지는 Si, CIGS, CdTe 등 다양한 물질을 이용하여 제조되고 있다.
일반적인 태양 전지의 구조는 P형 반도체 및 N형 반도체가 결합된 PN 접합 구조를 지닌다. 태양 전지에 광이 입자되면, 정공(hole) 및 전자(electron)이 발생하게 된다. 발생된 정공은 P형 반도체 방향으로 이동하고, 전자는 N형 반도체 방향으로 이동하여 전위차가 발생하여 전력을 생산 할 수 있게 된다. 태양 전지의 효율을 향상시키기 위해서는 내부 전위를 극대화시키거나, 태양 광의 흡수 변환량을 높여야 한다. 그러나, 이는 태양 전지 재료적인 한계가 있어, 각각의 물질에 따른 최고 효율은 이미 알려진 상태이다. 따라서, 태양 전지의 효율을 물질적으로 향상시키는데는 어느 정도 한계가 있다.
현재 개발되고 있는 태양 전지는 기판형 태양 전지와 박막형 태양 전지로 구분될 수 있다. 기판형 태양 전지는 실리콘과 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이 용하여 태양 전지를 제조한 것이며, 박막형 태양 전기는 기판 상에 반도체층을 박막 형태로 형성하여 제조한 것으로, 박막 구조로 제조가 가능하여 대량 생산이 가능하다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 태양 전지 구조체의 P형 반도체층 및 N형 반도체층의 각각의 일면에 투명 전도체 물질을 형성함으로써, 태양 전지 구조체 내부에서 발생된 정공 또는 전자의 이동 효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 구조체를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에서는, 태양 전지 구조체에 있어서,
N형 반도체층, I형 반도체층 및 P형 반도체층을 포함하며, 상기 N형 반도체층 및 상기 P형 반도체층과 각각 접촉하여 형성된 투명 전도성 물질을 포함하는 태양 전지 구조체를 제공한다.
상기 투명 전도성 물질은 금속과 산소, N, S, Se 또는 Te 중 적어도 어느 하나의 물질이 결합된 것일 수 있다.
상기 투명 전도성 물질은 ITO(indium, tin, oxide), ZnO 또는 SnO2를 포함하는 물질일 수 있다.
상기 N형 반도체층, I형 반도체층 또는 P형 반도체층은 Si, CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물) 또는 CdTe 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 제 1투명 전도층;
상기 제 1투명 전도층 상에 형성된 N형 반도체층;
상기 N형 반도체층 상에 형성된 I형 반도체층;
상기 I형 반도체층 상에 형성된 P형 반도체층; 및
상기 P형 반도체층 상에 형성된 제 2투명 전도층;을 포함하는 태양 전지 구조체를 제공한다.
상기 제 2투명 전도층은 상기 제 1투명 전도층보다 산화량이 높은 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 PIN 다이오드 구조의 태양 전지의 P형 반도체층 및 N형 반도체층의 각각의 일면에 투명 전도성 물질을 형성함으로써 전자 및 정공의 이동성을 향상시킴으로써, 효율을 높인 새로운 구조의 태양 전지를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 의한 태양 전지 구조체에 대해 상세히 설명하고자 한다. 참고로, 도면에 도시된 각각 층 또는 영역들의 두께 및 폭은 설명을 위하여 과장되게 도시한 것임을 명심하여야 한다.
본 발명의 실시예에서는 PIN 다이오드 구조에 투명 전도성 물질(transparent conductive material)을 포함한 구조를 지닌 것으로, N형 반도체층과 I형 반도체층과 P형 반도체층을 포함하는 PIN 다이오드 구조의 N형 반도체층 및 P형 반도체층과 각각 접촉하여 형성된 투명 전도성 물질을 포함하는 태양 전지 구조체를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 태양 전지 구조체를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 글래스, 반도체 물질 등으로 형성된 하부 구조체(미도시) 상에 제 1투명 전도층(11), N형 반도체층(12), I(intrinsic)형 반도체층(13), P형 반도체층(14) 및 제 2투명 전도층(15)이 순차적으로 형성된 구조를 지니고 있다.
제 1투명 전도층(11) 및 제 2투명 전도층(15)은 투명 전도성 물질로 형성된 것으로, 금속(metal)과 산소(oxyzen)가 결합한 금속 산화물로 형성된 것일 수 있으며, 산소 외에 N, S, Se, Te가 금속과 결합한 물질로 형성된 것으로, 금속과 산소, N, S, Se 또는 Te 중 적어도 어느 하나의 물질이 결합된 물질일 수 있다. 구체적으로 제 1투명 전도층(11) 및 제 2투명 전도층(15)은 ITO(indium, tin, oxide), ZnO, SnO2와 같은 전도성 금속 산화물로 형성된 것일 수 있다.
그리고, P형 반도체층(14)과 접촉하는 제 2투명 전도층(15)은 N형 반도체층(12)과 접촉하는 제 1투명 전도층(11) 보다 산화량이 높은 물질로 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 제 1투명 전도층(11)은 ZnO로 형성될 수 있으며, 제 2투명 전도층(15)은 Zn2O3로 형성된 것일 수 있다. 이와 같이, 제 1투명 전도층(11)보다 제 2투명 전도층(15)의 산화량이 높은 물질로 다른 투명 전도성 물질로 형성하는 이유는 캐리어(carrier)인 정공(hole) 및 전자(electron)의 이동 효율을 향상시키기 위해서이다.
N형 반도체층(12) 또는 P형 반도체층(14)은 Si, CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물) 또는 CdTe와 같은 반도체 물질에 N형 또는 P형 도펀트를 도핑한 것일 수 있다. 그리고, I형 반도체층(13)은 반도체 물질로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 태양 전지 구조체는 스퍼터링(sputtering), 플라즈마 CVD(plasma chemical vapor deposition) 또는 MOCVD(metal organicchemical vapor deposition) 공정 등으로 형성될 수 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 태양 전지 구조체의 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 제 1투명 전도층(11), N형 반도체층(12), I(intrinsic)형 반도체층(13), P형 반도체층(14) 및 제 2투명 전도층(15)의 에너지 밴드가 나타나 있다. N형 반도체층(12), I형 반도체층(13) 및 P형 반도체층(14)의 PIN 구조의 태양 전지는 다이오드 구조에서 발생되는 내부 전위(built-in potential)와 태양광, 즉 포톤(photon)에 의해 캐리어인 정공과 전자가 발생된다.
I형 반도체층(13)이 P형 반도체층(14)과 N형 반도체층(12)에 의해 공핍(depletion)이 되어 내부에 전기장이 발생하게 되고, 정공 및 전자가 전기장에 의해 드리프트(drift)되어 각각 P형 반도체층(14) 및 N형 반도체층(12)에서 수집된다.
이 때, N형 반도체층(12)에 접촉하는 제 1투명 전도층(11) 및 P형 반도체층(14)에 접촉하는 제 2투명 전도층(15)에서 다이폴(dipole) 형성에 의한 정전지적 힘이 발생하여 정공 및 전자의 이동이 가속화된다.
도 2의 N형 반도체층(12)과 인접하는 제 1투명 전도층(11) 영역은 + 로 배향되어 있으며, P형 반도체층(13)과 인접하는 제 2투명 전도층(14) 영역에는 - 로 배향될 수 있음을 나타내었다. 따라서, 제 1투명 전도층(11) 및 제 2투명 전도층(15) 을 포함함으로써 보다 효율이 높은 태양 전지를 제공할 수 있다.
도 3은 투명 전도층 형성에 따른 태양 전지 구조체의 I-V 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3에서는 제 1투명 전도층을 ITO로 형성하고, N형 반도체층, I형 반도체층 및 P형 반도체층을 실리콘으로 형성하고, 제 2투명 전도층을 ITO로 형성한 태양 전지 시편과 제 1 및 제 2투명 전도층을 포함하지 않고 PIN 구조로 형성한 태양 전지 시편에 대한 I-V를 측정한 결과를 나타내었다. 여기서, 실선은 제 1 및 제 2투명 전도층을 포함하지 않은 태양 전지 시편의 측정 결과를 나타낸 그래프이며, 점선은 제 1 및 제 2투명 전도층을 포함한 태양 전지 시편의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, N형 반도층 표면 및 P형 반도체층 표면에 각각 투명 전도층을 형성한 태양 전지 시편의 경우 전류 값의 증가가 명확히 관찰됨을 알 수 있다. 결과적으로 본 발명의 실시예에 의한 태양 전지 구조체의 경우, PIN 구조의 태양 전지 구조체에 제 1투명 전도층 및 제 2투명 전도층을 포함함으로써, 태양 광에 의해 발생되는 정공 및 전자의 이동을 가속화함으로써 태양 전지의 효율을 극대화 할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 구체적으로, 투명 전도성 물질층은 실리콘 이외의 다양한 반도체 물질을 이용하는 박막형 태양 전지 구조체에 응용될 수 있으며, 금속 산화물, 금속 질화물에 제한되지 않으며, 각 층의 두께는 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 태양 전지 구조체를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 태양 전지 구조체의 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 나타낸 도면이다.
도 3은 투명 전도층 형성에 따른 태양 전지 구조체의 I-V 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11... 제 1투명 전도층 12... N형 반도체층
13... I(intrinsic)형 반도체층 14... P형 반도체층
15... 제 2투명 전도층
Claims (9)
- 태양 전지 구조체에 있어서,N형 반도체층, I형 반도체층 및 P형 반도체층을 포함하며, 상기 N형 반도체층 및 상기 P형 반도체층과 각각 접촉하여 형성된 투명 전도성 물질을 포함하는 태양 전지 구조체.
- 제 1항에 있어서,상기 투명 전도성 물질은 금속과 산소, N, S, Se 또는 Te 중 적어도 어느 하나의 물질이 결합된 것인 태양 전지 구조체.
- 제 1항에 있어서,상기 투명 전도성 물질은 ITO(indium, tin, oxide), ZnO 또는 SnO2를 포함하는 물질인 태양 전지 구조체.
- 제 1항에 있어서,상기 N형 반도체층, I형 반도체층 또는 P형 반도체층은 Si, CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물) 또는 CdTe 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 태양 전지 구조체.
- 제 1투명 전도층;상기 제 1투명 전도층 상에 형성된 N형 반도체층;상기 N형 반도체층 상에 형성된 I형 반도체층;상기 I형 반도체층 상에 형성된 P형 반도체층; 및상기 P형 반도체층 상에 형성된 제 2투명 전도층;을 포함하는 태양 전지 구조체.
- 제 5항에 있어서,상기 제 2투명 전도층은 상기 제 1투명 전도층보다 산화량이 높은 태양 전지 구조체.
- 제 5항에 있어서,상기 투명 전도성 물질은 금속과 산소, N, S, Se 또는 Te 중 적어도 어느 하나의 물질이 결합된 것인 태양 전지 구조체.
- 제 5항에 있어서,상기 투명 전도성 물질은 ITO(indium, tin, oxide), ZnO 또는 SnO2를 포함하는 물질인 태양 전지 구조체.
- 제 5항에 있어서,상기 N형 반도체층, I형 반도체층 또는 P형 반도체층은 Si, CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물) 또는 CdTe 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 태양 전지 구조체.
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| US20100307588A1 (en) | 2010-12-09 |
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