KR20110003802A - 탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 밴드갭(band-gap)이 다른 두 개의 광흡수층을 갖는 탠덤형(tandem) 박막 태양전지에 관한 것으로서, 투명기판;상기 투명기판상에 형성되는 투명전극;상기 투명전극상에 형성되는 적어도 하나 이상의 제1광흡수층;상기 제1광흡수층상에 형성되는 적어도 하나 이상의 제2광흡수층;상기 제2광흡수층상에 형성되는 후면전극;을 포함하고, 상기 제1광흡수층은 텔루르화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 화합물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지로 구성된다.
텔루르화카드뮴, 실리콘, 미세결정 실리콘, 탠덤형 태양전지, PN접합, p-i-n구조

Description

탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법 {Tandem structure solar cell and Manufacturing method thereof}
본 발명은 밴드 갭(band gap)차이를 가지는 두 개의 광흡수층으로 인하여 광범위한 파장영역의 빛을 흡수하여 광전변환효율을 높이는 탠덤형 박막태양전지에 관한 것이다.
최근 들어 세계적인 고유가 행진과 화석연료 고갈에 대응하기 위하여 대체에너지원 발굴에 대한 필요성이 높아지고 있다. 아울러 지구 온난화를 방지하기 위한 기후 조약 발효에 이어 우리나라도 2013년부터 포스트 교토의정서 국제협약에 기준한 대기오염 해소 및 이산화탄소 가스 감축 등을 위한 정부차원의 대응방안 마련이 요구되고 있다.
태양광은 지구상에서 가장 풍부하고 공해가 전혀 발생하지 않는 청정한 에너지원으로서 지구상에 공급되는 총 태양광에너지는 초당 약 12만 테라와트(120×1015 W)에 달한다. 이는 지구상의 인류가 사용하는 총 에너지의 10,000배에 해당되는 분량이며, 이 태양광에너지를 활용하는 기술을 개발하는 것은 국가의 당면한 에너지 및 환경문제를 해결하는 유력한 방안이 될 것이다.
태양전지는 크게 재료에 따라 실리콘 태양전지와 화합물반도체 태양전지 등으로 나뉜다. 또 기판을 실리콘 웨이퍼로 사용하느냐 유리등 다른 기판을 쓰느냐에 따라 벌크형과 박막형으로 나뉜다.
박막 실리콘 태양전지 기술의 경우 아직까지 성능의 재현성 문제 및 벌크형 실리콘 태양전지에 비해 낮은 효율 등의 문제를 가지고 있지만, 모듈제작에 사용되는 재료의 비용이 낮기 때문에 제작 단가를 크게 낮출 수 있고, 대면적화가 용이하고 기판의 소재에 따라 플렉시블한 태양전지를 생산할 수 있기 때문에, 최근 태양전지 시장에서 주목받는 기술이다.
그러나, 이러한 박막형 태양전지는 효율이 낮은 단점이 있어 상용화 및 시장 점유율을 높이는데 한계가 있다.
본 발명은 탠덤(tandem)형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로서, 종래기술과는 달리 광범위한 파장영역의 빛을 흡수하여 태양전지의 광전변화효율을 높이고자 하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 태양전지의 각 증착단계를 분리하여 제조하는 것이 아닌 단일공정에 의한 태양전지 제조방법을 제공함으로써 공정비용을 절감하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 투명기판;상기 투명기판상에 형성되는 투명전극;상기 투명전극상에 형성되는 적어도 하나 이상의 제1광흡수층;상기 제1광흡수층상에 형성되는 적어도 하나 이상의 제2광흡수층;상기 제2광흡수층상에 형성되는 후면전극; 을 포함하고, 상기 제1광흡수층은 텔루르화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 화합물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지로 구성된다.
본 발명은 투명 기판상에 형성되는 적어도 하나 이상의 제1광흡수층 및 적어도 하나 이상의 제2광흡수층을 포함하는데, 상기 제1광흡수층은 텔루르화카드 뮴(CdTe)으로 이루어진 화합물 반도체층을 포함하고, 상기 제2광흡수층은 실리콘 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 투명기판은 빛이 잘 통과할 수 있도록 유리(glass)나 투명한 플라스틱 재질이 이용될 수 있다. 유리기판으로 값싼 소다회 유리(sodalime glass)를 사용할 수 있고, 그 결과 제조비용을 줄일 수 도 있다.
본 발명에서 상기 제1광흡수층은 텔루르화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 화합물 반도체층을 포함한다.
주기율표상의 II족 원소와 VI족 원소로 구성되는 II-VI족 화합물 반도체는 모두 직접 천이형 에너지대 구조를 가지고 있으며, 흡수단 이하의 파장영역에서 광흡수 계수가 매우 크다. 태양전지의 구성 요소로서 캐리어를 발생시키기 위해서 광을 충분히 흡수하는 흡수층이 필요한데, II-VI족 화합물 반도체를 광흡수층 재료로 사용하면 반도체의 두께가 작아져 재료비가 절감되고, 과잉 소수 캐리어(Exess minority carrier)의 확산길이도 짧아지게 되고, 따라서 반도체의 품질에 대한 요구가 완화되어 제조가 쉬워지는 이점이 있다.
변환효율이 높은 태양전지를 제작하기 위해서는 태양광 스펙트럼과의 정합관계에서 광흡수층 재료의 에너지 밴드갭은 1.4eV전후가 적당하며, 전자의 확산길이가 정공의 확산길이에 비해 길기 때문에 p형 반도체가 유리하다. 에너지 밴드갭이 1.4eV에 가까운 물질로는 CdTe와 CdSe가 있지만, p,n 양측의 전도를 나타내는 것은 CdTe 뿐이므로, II-VI족 화합물 반도체 중 광흡수층 재료로는 CdTe가 가장 적합하다.
CdTe는 에너지 밴드 갭이 1.45eV로서 태양광 에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 최적 이론 값에 해당하는 금지대폭을 가지고 있으며, 밴드갭 이상의 파장영역에서의 광흡수계수가 10⁴cm¹이상으로 매우 크기 때문에 1㎛ 정도의 두께로도 90%의 태양광을 흡수할 수 있어 박막 형태의 태양전지 제작이 가능하다.
CdTe는 타화합물을 이용한 박막형 태양전지보다 우수한 광전변환효율을 지니고 있으나, 도 1에서 보는 것과 같이 단파장 영역에서의 태양광의 흡수는 우수하나 800nm이상의 장파장영역에서는 광흡수가 거의 되지 않아 효율 향상에 한계가 있다. 즉,CdTe는 밴드갭이 약 1.45eV이고, 미세결정질 실리콘(Si)박막의 밴드갭은 약 1.1eV이기 때문에 미세결정질 실리콘 박막에 비해 단파장 영역의 빛을 흡수하기 쉽다.
따라서, 본발명은 광전변환효율을 높이기위해 CdTe를 포함하는 제1광흡수층과 미세결정질 실리콘을 포함하는 제2광흡수층으로 구성된다.
본 발명에서 상기 제1광흡수층은 황화카드뮴(CdS)층 및 텔루르화카드뮴(CdTe)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지를 포함한다.
상기 황화카드뮴(CdS)층은 n형 반도체 불순물로 도핑될 수 있고, 상기 텔루르화카드뮴(CdTe)층은 p형 반도체 불순물로 도핑될 수 있다. 즉, PN접합 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
태양전지의 PN 접합에 반도체의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 이들 전자-정공이 PN 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로 정공은 p층으로 이동함에 따라 PN층간에 광기전력이 발생하게 되는데, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.
CdS는 2.4 eV의 에너지 밴드 갭을 가지고 있기 때문에 가시광 영역의 빛은 CdS를 통과하여 CdTe에 의해 흡수되며, 전하를 생성하게 된다. CdTe에 비해 CdS의 도핑 농도가 매우 높고 두께 또한 얇다면, 공핍층은 거의 CdTe영역에 형성되게 된다. 빛에 의해 생성된 전하는 공핍층에 형성된 전기장에 의해 움직이게 되는데, 전자는 CdS쪽으로, 정공은 CdTe쪽으로 움직이고, 이로 인해 에너지 준위의 차가 발생하는데, 이 에너지 준위차이가 광기전력에 해당한다. CdS는 In, Al, B등과 같은 물질에 의해 쉽게 n형으로 도핑될 수 있다.
본 발명에서 상기 제2광흡수층은 상기 제1광흡수층보다 상대적으로 장파장의 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지를 포함한다.
본 발명에서 제 2광흡수층은 상기 제 1광흡수층보다 에너지 밴드갭이 작은 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지를 포함한다.
본 발명에서 상기 제 2광흡수층은 박막 실리콘인 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지를 포함한다.
본 발명에서 상기 제 2광흡수층은 미세결정질 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막태양전지를 포함한다.
전술한 바와 같이 태양전지들은 빛을 흡수하지 못하는 파장 영역이 있어서 전반적으로 효율이 낮아질 수 있는데 이러한 비흡수 파장영역에 해당하는 빛까지도 흡수할 수 있다면 동일한 빛의 조사 시간과 태양전지의 면적이더라도 태양전지의 광전변환효율을 개선할 수 있다.
CdTe는 밴드갭이 약 1.45eV이고 미세 결정질 실리콘(Si)박막은 약 1.1eV이기 때문에 상대적으로 단파장 구역의 광 흡수는 CdTe를 포함하는 제1광흡수층에서 하고, 제1광흡수층에서 흡수 되지 못하는 장파장 구역의 빛은 실리콘 반도체층을 포함하는 제2광흡수층에서 흡수하여 효율을 향상 시킬 수 있다. 이처럼 서로 다른 흡수 대역을 갖는 광흡수층이 적층되어 있기 때문에 개방전압을 향상시켜서, 단일한 태양전지층으로 이루어진 박막형 태양전지에 비하여 높은 광전변환효율을 갖게 된다.
본 발명에서 상기 제 2광흡수층은 n형 박막 실리콘층, i형 미세결정질 실리콘층 및 p형 박막 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지를 포함한다.
결정질 실리콘 태양전지에서는 전하의 확산거리가 매우 길어 벌크 영역에서 생성된 전하들이 공핍영역으로 확산되어 수집되지만, 박막형 실리콘에서는 재결합(recombination)이나 포획(trapping)으로 인한 짧은 전하 캐리어의 확산거리 때문에, 광흡수 목적용 진성반도체층(intrinc layer)과 광 생성된 전하 분리를 위한 내부전계 형성 목적용 층을 구분하여 태양전지를 제조한다. 여기서 진성반도체층은 박막 태양전지의 효율을 높이는 광흡수층의 역할을 하며, 활성층으로 불리기도 한다.
p-i-n 구조란 p형으로 도핑된 실리콘층과 n형으로 도핑된 실리콘층 사이에 p형 실리콘층과 n형 실리콘층과 비교할 때 상대적으로 절연성인 i형(intrinsic; 진 성) 실리콘층을 형성하는 구조를 말한다.
상기 p-i-n 구조를 가지는 본 발명에서는, 투명기판 측에서 태양광이 조사되면, 빛이 제1광흡수층을 지나는데 이때, 단파장영역의 빛이 흡수되고, 장파장영역의 빛은 제1광흡수층 하부에 형성된 제2광흡수층의 p-i-n 접합면을 가로질러 확산되는 소수 캐리어가 전압차를 일으켜 기전력을 발생시킬 수 있다.
상기 미세결정질 실리콘(c-Si:H)은 단결정과 다결정실리콘의 경계물질로서 수 십nm에서 수 백nm의 결정 크기를 가지며 결정사이의 결정경계(Grain boundary)에는 흔히 비정질 상이 존재하여 높은 결함 밀도로 인하여 대부분의 캐리어재결합(Recombination)이 결정경계에서 발생한다. 미세결정질 실리콘(c-Si:H)박막의 에너지밴드 갭은 약1.1eV로 단결정실리콘과 거의동일한 값을 나타내며 비정질실리콘박막 태양전지에서 나타나는 열화현상이 없는 장점을 갖고 있다.
미세결정질 실리콘은 대략 350nm 내지 1200nm 파장영역의 입사광을 주로 흡수한다. 즉, 태양광이 입사하는 투명기판 측에서부터 상대적으로 단파장 영역을 주로 흡수하는 CdTe로 이루어진 화합물반도체층을 포함하는 제1광흡수층을 먼저 형성하고, 그 하부에 상대적으로 장파장 영역을 주로 흡수하는 실리콘 p-i-n층을 형성하면 전체적인 광흡수율이 높아지기 때문에 에너지 변환효율을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명은 투명기판과 제1흡수층 사이에 형성되는 투명전극을 포함한다.
상기 투명전극은 투명기판쪽에서 입사되는 태양광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(Transparent conductive oxide: TCO) 박막으로 형성된 것을 포함한다. 또한 필요에 따라, ITO(indium tin oxide) 또는 TO(tin oxide)가 투명전극으로 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 제2광흡수층 하부에 형성되는 후면전극을 포함한다.
상기 후면전극은 Ag, Al, ZnO/Ag, ZnO/Al 등으로 형성될 수 있다. 후면 반사전극으로 ZnO/Ag를 사용할 경우 Ag에 비해 장파장영역에서 높은 양자효율을 얻을 수 있는데, 이는 ZnO/Ag 이중반사전극의 높은 내부반사율로 광흡수층을 투과한 장파장 영역의 빛의 내부반사율 증가에 의한 것이다.
본 발명은 상기 제1광흡수층과 제2광흡수층 사이에 배면전극을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지를 포함한다.
본 발명에서 상기 배면전극은 구리가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:Cu), 질소가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:N) 또는 텔루르화구리(CuxTe)중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지를 포함한다.
상기 배면전극은 제1광흡수층과 제2광흡수층 사이의 접촉저항을 줄여주는 역할을 수행할 수 있고, 본 발명의 특징상 이러한 장파장 투과율이 좋은 재료를 선택하여 증착하면 제2광흡수층에서의 광흡수도가 증가하여 광전변환효율의 향상을 극대화 할 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 CuxTe는 Cu2Te인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상기 제2광흡수층과 후면전극 사이에는 입사된 광의 손실을 방지하는 후면반사막을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지 를 포함한다.
상기 후면반사막은 ZnO 또는 ZnO:Al으로 형성된 것을 포함할 수 있는데, 흡수되지 않은 빛을 반사하여 제2광흡수층 또는 제1광흡수층의 광흡수율을 더욱 증가시켜 광전변환효율 향상에 기여할 수 있다.
본 발명은 상기 제1광흡수층과 제2광흡수층 사이에는 상기 층간 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하는 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지를 포함한다.
상기 중간층은 제1광흡수층과 제2광흡수층 사이의 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하여 태양전지의 안정성을 제공하고, 접합특성을 개선시키는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명에서 상기 중간층은 황화카드뮴(CdS), 황화아연(ZnS), 인듐산화물(In₂O₃), 산화아연(ZnO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지를 포함한다.
산화아연(ZnO)은 에너지 밴드 갭이 약 3.3eV이고 약 80%이상의 높은 광 투과도를 가진다. 또한 알루미늄(Al) 이나 붕소(B) 등으로 도핑하여 10⁴Ω·cm 이하의 낮은 저항 값을 얻을 수 있어, 제1광흡수층과 제2광흡수층사이의 접촉저항을 줄일 수 있는 효과가 발생할 수 있다. 붕소(B)를 도핑하면 근적외선 영역의 광투과도가 증가하여 단락전류가 증가되는 효과가 있다.
또한 본 발명에서 중간층은 전기적·광학적 특성이 뛰어난 ITO(indium Tin Oxide)박막을 ZnO 박막위에 증착한 2중 구조로 형성할 수도 있는데, Al 이나 B으로 도핑한 ZnO 박막보다 더욱 낮은 저항 값과 높은 광투과도를 얻을 수 있다.
상기 중간층은 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)층이 적층되고, 그 위에 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)층을 적층하여 형성할 수 있고, 또한 표면이 텍스쳐링(texturing)된 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)막으로 형성될 수도 있다.
특히 표면이 텍스쳐링(texturing)된 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al) 투명전도막을 이용할 경우 평평한 표면을 갖는 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)에 비해 전파장 영역에서 양자효율이 크케 향상됨을 알수 있는데 이는 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)의 표면 텍스쳐링에 의한 단파장에서 입사광의 반사도 감소와 입사광의 산란에 의한 광흡수층 내부에서 이동경로 증가에 의한 것이다.
상기 황화카드뮴(CdS), 황화아연(ZnS), 인듐산화물(In₂O₃) 및 산화아연(ZnO),알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)은 제2광흡수층의 실리콘박막의 증착 및 성장을 용이하게 하고, 배면전극과 제2광흡수층의 접합을 공고히 하는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명은, 투명기판 위에 투명전극을 형성하는 단계, 상기 투명전극 위에 텔루르화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 화합물 반도체층을 포함하는 적어도 하나 이상의 제1광흡수층을 형성하는 단계, 상기 제1 광흡수층 위에 적어도 하나 이상의 제2 광흡수층을 형성하는 단계 및 상기 제2 광흡수층 위에 후면전극을 형성하는 단계를 포함하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서 상기 제1광흡수층을 형성하는 단계는, 황화카드뮴(CdS)층 및 텔 루르화카드뮴(CdTe)층을 순차적으로 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서 상기 제2광흡수층을 형성하는 단계는, n형 박막 실리콘층, i형 미세결정질 실리콘층 및 p형 박막 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명은 상기 제1 흡수층을 형성하는 단계 이후에 배면전극 또는 중간층을 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명은 상기 제1 광흡수층을 형성하는 단계 이후에 배면전극과 중간층을 순차로 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서 상기 중간층은 황화카드뮴(CdS), 황화아연(ZnS), 인듐산화물(In2O3), 산화아연(ZnO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서 상기 배면전극은 구리가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:Cu), 질소가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:N) 또는 텔루르화구리(CuxTe) 중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명은 상기 후면전극을 형성하는 단계 이전에, 상기 제2광흡수층 위에 후면반사막을 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서 상기 제1 광흡수층 및 제2 광흡수층은, 스퍼터법, 증발법, 진공증착법, 셀렌화(Selenization)법, 전착(electrodeposition)법, 스크린프린팅법, 근접승화법, 유기금속화학기상증착(MOCVD), 물리기상증착(PVD)법, 플라즈마화학기상증착법(PECVD), CBD(Chemical Bath Deposition)법 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서 상기 투명기판, 배면전극의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며 당업자라면 알 수 있는 공지의 방법이면 족할 것이지만, 특히 스퍼터법, 증발법, 전자빔 증발법, 유기금속화학기상증착(MOCVD)법, 졸겔법, 열분해법, 스프레이 열분해법 등의 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하여, 제1광흡수층에서 단파장영역의 빛을 흡수하고, 제2광흡수층에서 장파장영역의 빛을 흡수하여 광전변환효율이 보다 높은 탠덤형 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 투명기판을 한 번 가열해서 온도에 따라 제조방법의 각 단계를 진행할 수 있고 제조를 마칠 수 있기 때문에, 제1광흡수층과 제2광흡수층을 독립적으로 제작하여 연결하는 등의 별도의 공정으로 인한 종래기술의 제조 공정의 복잡성을 해결하고 공정비용을 절감할 수 있어 저가로 태양전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 빛의 파장에 따른 텔루르화카드뮴(CdTe)의 광흡수율을 나타낸 예시도이다.
현재 박막 형 태양전지는 실리콘 박막이나 화합물 반도체를 이용하는 박막 재료가 사용되고 있다.
실리콘 박막을 이용하는 경우는 광전 변환 효율을 향상시키기 위해 비정질 실리콘과 미세 결정 실리콘 박막의 탠덤(tandem) 형 태양전지를 양산 개발 중에 있으며 효율 향상을 위해 삼중 접합 태양전지도 연구 중에 있다. 하지만, 광전 변환 효율을 향상 시키는데 문제가 있어 양산화에 어려움이 있다.
화합물 반도체를 이용하는 경우는 CdTe 박막과 CuInGaSe박막을 이용하여 양산 중에 있고 GaAs 태양전지도 개발 중에 있다.
본 발명에 사용되는 CdTe는 밴드 갭(band gap) 에너지가 1.45eV이며 가시광선에 대한 흡수계수가 높기 때문에 태양전지에 사용하기에 적합한 무기물질이다. CdTe는 타화합물을 이용한 박막형 태양전지보다 우수한 광전변환효율을 지니고 있으나, 도 1에서 보듯이 800nm이상의 장파장영역에서는 광흡수가 거의 되지 않아 효율 향상에 한계가 있다.
따라서, CdTe로 이루어진 화합물반도체층을 포함하는 제1광흡수층은 약 400nm - 800nm 사이의 단파장영역의 광을 흡수하게 되고, 제1광흡수층이 흡수하지 못하는 약 800nm - 1200nm 사이의 장파장영역의 광은 미세결정질 실리콘층을 포함하는 제2광흡수층에서 흡수하여 전류를 생성하게 된다.
즉, CdTe는 밴드갭이 약 1.45eV이고 미세 결정 실리콘(Si) 박막은 약 1.1eV이기 때문에 태양광의 단파장 구역의 광 흡수는 CdTe를 포함하는 제1광흡수층에서 하고, 제1광흡수층에서 흡수 되지 못하는 장파장 구역의 빛은 미세결정질 실리콘층을 포함하는 제2광흡수 층에서 흡수하여 효율을 향상 시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 텔루르화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 화합물 반도체층을 포함하는 제1광흡수층과 실리콘(Si)반도체층을 포함하는 제2광흡수층을 포함하는 탠덤형 박막 태양전지의 구성을 나타내는 구성도이다.
본 발명에서 탠덤형(tandem)형 박막 태양전지의 공정 순서는 빛의 투과율이 좋은 투명기판(201)상에 투명 전극(202)을 증착한다. 주로 유리(galss)기판상에 투 명 전도성 산화물(Transparent conductive oxide: TCO) 박막으로 형성되는 투명전극(202)을 증착하는 것이 바람직하다.투명전극은 스퍼터법으로 증착될 수 있다.
상기 투명전극(202)상에 제 2광흡수층이 포함하는 CdS 층(203)을 증착한다. CdS는 2.4 eV의 에너지 밴드 갭을 가지고 있기 때문에 가시광 영역의 빛은 CdS층(203)을 통과하여 CdTe층(204)에 의해 흡수되며, 전하를 생성하게 된다.CdS는 In, Al, B등과 같은 물질에 의해 쉽게 n형으로 도핑될 수 있으며 n형 CdS층(203)과 p형 CdTe층(204)의 PN접합을 형성할 수 있다.
이후 상기 CdS층(203)상에 CdTe층(204)을 수um정도 증착한다.
CdTe는 밴드갭이 약 1.45eV이고 미세 결정 실리콘 박막은 약 1.1eV이기 때문에 태양광의 상대적으로 단파장 구역의 광 흡수는 CdTe층(204)에서 하고, 제1광흡수층에서 흡수 되지 못하는 장파장 구역의 빛은 i형 미세결정질 실리콘층(208)에서 흡수하여 광전변환효율을 향상 시킬 수 있다.
이러한 n형 CdS층(203)과 p형 CdTe(204)층의 PN접합에 의해, 공핍층은 거의 CdTe영역에 형성되게 된다. 빛에 의해 생성된 전하는 공핍층에 형성된 전기장에 의해 움직이게 되는데, 전자는 CdS층(203)쪽으로, 정공은 CdTe층(204)쪽으로 움직이고, 에너지 준위차에 의한 광기전력이 발생하여 종국적으로 전류의 생성이 가능하게 된다.
이후 상기 CdTe층(204)상에 제1광흡수층과 제2광흡수층간 접촉 저항을 줄여주는 배면 전극(205)을 증착한다.
상기 배면전극(205)은 ZnTe:Cu, ZnTe:N 또는 CuxTe중에서 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있는데, 본 발명에서는 상기 CuxTe는 Cu2Te인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특징상 이러한 장파장 투과율이 좋은 재료를 선택하여 증착하면 제2광흡수층에서의 광흡수도가 증가하여 광전변환효율의 향상을 극대화 할 수 있다.
이후 배면전극(205)상에 중간층(206)을 증착한다. 중간층(206)은 제1광흡수층과 제2광흡수층 사이의 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하여 태양전지의 안정성을 제공하고, 접합특성을 개선시키는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 중간층(206)은 황화카드뮴(CdS), 황화아연(ZnS), 인듐산화물(In₂O₃), 산화아연(ZnO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al )중 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있는데, 제2광흡수층의 실리콘박막의 증착 및 성장을 용이하게 하고, 배면전극(205)과 제2광흡수층의 접합을 공고히 하는 역할을 수행할 수 있다.
이후 중간층(206)상에 제 2광흡수층이 증착되게 되는데, 미세 결정 실리콘 박막 태양전지는 주로 p-i-n 구조로 제조되기 때문에 제조된 중간층(206) 위에 n형 박막 실리콘층(207)을 증착하고 순차적으로 i형 미세결정 실리콘층(208), p형 박막 실리콘층(209)을 증착한다.
제2광흡수층이 p-i-n 구조를 가지는 본 발명에서는, 투명기판 측에서 태양광이 조사되면, 빛이 제1광흡수층을 지나는데 이때, 단파장영역의 빛이 흡수되고, 장파장영역의 빛은 제1광흡수층 하부에 형성된 제2광흡수층의 p-i-n 접합면을 가로질 러 확산되는 소수 캐리어가 전압차를 일으켜 기전력을 발생시킬 수 있다.
이후 p형 박막 실리콘층(209)상에 입사된 빛의 손실을 방지하고, 빛의 진행 경로 길이를 키우기 위한 후면반사막(210)이 증착되게 된다.
상기 후면반사막(210)은 ZnO 또는 ZnO:Al으로 형성된 것을 포함할 수 있는데, 흡수되지 않은 빛을 반사하여 제2광흡수층 또는 제1광흡수층의 광흡수율을 더욱 증가시켜 광전변환효율 향상에 기여할 수 있다.
이후 후면반사막(210)위에 후면전극(211)을 증착하면 본 제조공정이 완료되게 된다. 상기 후면전극(211)은 Ag, Al, ZnO/Ag, ZnO/Al 등으로 형성될 수 있고, 투명전극(202)와 후면전극(211)의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.
본 발명에서 제1광흡수층 또는 제2광흡수층은 스퍼터법, 증발법, 진공증착법, 셀렌화(Selenization)법, 전착(electrodeposition)법, 스크린프린팅법, 근접승화법, 유기금속화학기상증착(MOCVD), 물리기상증착(PVD)법, 플라즈마화학기상증착법(PECVD), CBD(Chemical Bath Deposition)법 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 형성하는 것이 가능하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탠덤형 박막 태양전지의 제조공정에 있어서, 기판의 가열온도에 따라 증착되는 물질의 종류를 나타낸 예시도이다.
투명기판(201)상에 투명전극(202)은 상온에서 증착되고, 이 단계를 거치면, 투명전극(202)상에 CdS층(203)을 증착하게 되는데, 약 100℃에서 200℃ 사이에서 증착공정이 이루어지게 된다.
투명전극(202)에 CdS층(203)이 증착된 후, 약 400℃ 이상의 고온에서 CdTe층(204)을 증착하게 되고, 그 후 약 250℃에서 300℃사이에서 배면전극(205)를 증착하는 단계를 거치고, 약 200℃에서 제2광흡수층을 구성하는 n형 박막 실리콘층(207), i형 미세결정질 실리콘층(208), p형 박막 실리콘층(209)을 순차적으로 증착하게 된다.
이러한 과정을 거쳐 상온에서 후면반사막(210)과 후면전극(211)을 증착하면 박막 태양전지 셀(cdell)의 제조공정은 마무리된다.
본 발명에서 제안된 구조의 태양전지를 제작하기 위하여 진행되는 공정은 투명기판을 한 번 가열해서 온도에 따라 제조방법의 각 단계를 진행할 수 있고 제조를 마칠수 있기 때문에, 제1광흡수층과 제2광흡수층을 독립적으로 제작하여 연결하는 등의 별도의 공정으로 인한 종래기술의 제조공정의 복잡성을 해결하고 공정비용을 절감할 수 있어 저가로 태양전지를 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탠덤형 박막 태양전지의 제조순서를 나타낸 흐름도이다.
먼저 유리기판 또는 투명한 플라스틱재질 등으로 형성될 수 있는 투명기판에 투명전극을 증착하는데(S401), 투명전극은 TCO(Transparent Conductive Oxide), ITO(Indium Tin Oxide) 또는 TO(Tin Oxide) 등으로 형성될 수 있으며, 태양광의 투과도를 높이기위해 투명접착제를 이용하여 접착시킬 수 있다.
이후 상기 투명전극에 제1광흡수층을 형성하는 단계를 밟는다.(S402) 먼저 CdS층을 증착하고, CdS층위에 CdTe층을 증착하게 되는데, 이 때, CdS는 In, Al, B 등에 의해 n형으로 도핑할 수 있고, n형 CdS층에 대응하여 p형 CdTe층을 증착할 수 있다.
이후, 제1광흡수층 위에 배면전극을 증착하는 단계를 밟게된다.(S403) 배면전극은 제1광흡수층과 제2광흡수층 사이의 접촉저항을 줄여주는 역할을 수행할 수 있으며, 본 발명에서는 ZnTe:Cu, ZnTe:N 또는 CuxTe 중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
상기의 단계를 거치면, 배면전극상에 중간층을 증착하게 된다.(S404) 이러한 중간층은 CdS, ZnS, In₂O₃, ZnO , ZnO:Al중에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있으며, 층간 밴드갭에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하는 역학을 수행할 수 있다.
이후, 중간층 위에 제2광흡수층을 형성하게 된다.(S405) 중간층 위에 n형 박막 실리콘층, i형 미세결정질 실리콘층, p형 박막 실리콘층을 순차적으로 적층하여 p-i-n구조를 형성하고 CdTe층이 흡수하는 빛의 파장에 비해 상대적으로 장파장영역의 빛을 흡수하여 전류를 생성하게 된다.
이후 상기 제2광흡수층 에 후면반사막을 증착하게 되는데,(S406) 후면반사막은 제1광흡수층 또는 제2광흡수층에서 흡수하지 못한 태양광을 반사하여 광전변환효율을 높이는 역할을 수행할 수 있다.
이후 후면반사막에 후면전극을 증착하는 단계를 밟게 되면,(S407) 박막 태양전지 셀(Cell)의 제조공정은 마무리된다.
본 발명은 슈퍼스트레이트(Superstrate)구조와 탠덤(Tandem)형의 적층공정을 통해서 제작되고, 또한 별도의 공정이 분리되어 수행되지 않고, 투명기판을 가열한 온도에 따라 각 증착단계를 밟을 수 있는 단일공정으로 제조가 마무리될 수 있는 바 공정단계의 절감 및 제작비용의 절감을 가져올 수 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
도 1은 빛의 파장에 따른 텔루르화카드뮴(CdTe)의 광흡수율을 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 텔루르화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 화합물 반도체층을 포함하는 제1광흡수층과 실리콘 반도체층을 포함하는 제2광흡수층을 포함하는 탠덤형 박막 태양전지의 구성을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탠덤형 박막 태양전지의 제조공정에 있어서, 기판의 가열온도에 따라 증착되는 물질의 종류를 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탠덤형 박막 태양전지의 제조순서를 나타낸 흐름도.
{도면의 주요부호에 대한 설명}
201: 투명 기판
202: 투명 전극
203: 황화 카드뮴(CdS)층
204: 텔루르화카드뮴(CdTe)층
205: 배면전극
206: 중간층
207: n 형 박막 실리콘층
208: i 형 미세결정 실리콘층
209: p 형 박막 실리콘층
210: 후면 반사막
211: 후면 전극

Claims (21)

  1. 투명기판;
    상기 투명기판상에 형성되는 투명전극;
    상기 투명전극상에 형성되는 적어도 하나 이상의 제 1광흡수층;
    상기 제1광흡수층상에 형성되는 적어도 하나 이상의 제 2광흡수층;
    상기 제2광흡수층상에 형성되는 후면전극;
    을 포함하고, 상기 제1광흡수층은 텔루르화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 화합물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1광흡수층과 제 2광흡수층 사이에 배면전극을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 배면전극은 구리가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:Cu), 질소가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:N) 또는 텔루르화구리(CuxTe)중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1광흡수층은 황화카드뮴(CdS)층 및 텔루르화카드뮴(CdTe)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2광흡수층은 상기 제1광흡수층보다 장파장의 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2광흡수층은 상기 제 1광흡수층보다 에너지 밴드갭이 작은 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2광흡수층은 박막 실리콘층인 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2광흡수층은 미세결정질 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막태양전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2광흡수층은 n형 박막 실리콘층, i형 미세결정질 실리콘층 및 p형 박막 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2광흡수층과 후면전극 사이에는 입사된 광의 손실을 방지하는 후면반사막을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤(Tandem)형 박막 태양전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1광흡수층과 제 2광흡수층 사이에는 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 중간층은 황화카드뮴(CdS), 황화아연(ZnS), 인듐산화물(In2O3), 산화아연(ZnO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.
  13. 투명기판 위에 투명전극을 형성하는 단계;
    상기 투명전극 위에 텔루르화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 화합물 반도체층을 포함하는 적어도 하나 이상의 제1광흡수층을 형성하는 단계;
    상기 제1 광흡수층 위에 적어도 하나 이상의 제2 광흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 광흡수층 위에 후면전극을 형성하는 단계를 포함하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제1광흡수층을 형성하는 단계는, 황화카드뮴(CdS)층 및 텔루르화카드뮴(CdTe)층을 순차적으로 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 제2광흡수층을 형성하는 단계는, n형 박막 실리콘층, i형 미세결정질 실리콘층 및 p형 박막 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 흡수층을 형성하는 단계 이후에 배면전극 또는 중간층을 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 광흡수층을 형성하는 단계 이후에 배면전극과 중간층을 순차로 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 중간층은 황화카드뮴(CdS), 황화아연(ZnS), 인듐산화물(In2O3), 산화아연(ZnO), 알루미늄이 도핑된 산화아면(ZnO:Al) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.
  19. 제 16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 배면전극은 구리가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:Cu), 질소가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:N) 또는 텔루르화구리(CuxTe)중 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 후면전극을 형성하는 단계 이전에, 상기 제2광흡수층 위에 후면반사막을 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.
  21. 제 13항에 있어서, 상기 제1 광흡수층 및 제2 광흡수층은,
    스퍼터법, 증발법, 진공증착법, 셀렌화(Selenization)법, 전착(electrodeposition)법, 스크린프린팅법, 근접승화법, 유기금속화학기상증착(MOCVD), 물리기상증착(PVD)법, 플라즈마화학기상증착법(PECVD), CBD(Chemical Bath Deposition)법 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.
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