KR20110020618A - 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법은, 기판 위에 상이한 감도 파장 대역을 갖는 태양전지층이 적층된 적층형 태양전의 제조방법에 있어서, n-i-p구조 또는 p-i-n구조의 박막 실리콘태양전지층을 형성하는 단계; 상기 박막 실리콘태양전지 위에 유기 태양전지층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 박막 실리콘태양전지를 형성하는 단계에서, p형 층을 형성하는 방법이 N₂O를 주입하여 p형의 비정질 수소화 SiO_x박막을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, N₂O가스를 사용하여 증착한 비정질 SiOx막을 포함하는 실리콘 태양전지를 유기 태양전지의 앞에 위치시킴으로써, 유기 태양전지에 비하여 단파장영역의 빛을 이용하는 무기 태양전지층을 추가하여 태양전지의 변환효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

태양전지, 적층형, 탠덤형, 폴리머 태양전지, 유무기 복합 태양전지

Description

유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A ORGANIC-INORGANIC HYBRID TANDEM SOLAR CELL}

본 발명은 적층형 태양전지의 제조방법에 관한 것이며, 더욱 자세하게는 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 태양전지는 p-n접합으로 구성된 다이오드를 사용하며, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다. 특히, 광흡수층으로 실리콘을 사용하는 태양전지는 결정질 기판형 태양전지와, 비정질의 박막형 태양전지로 구분된다. 결정질 기판형 태양전지의 경우 고가의 실리콘 웨이퍼를 사용하여 생산 원가가 높다는 문제가 있어, 건물의 외장재나 모바일 기기 등에 적용할 수 있는 박막형 태양전지에 대한 연구가 활발하다.

적층형 태양전지(tandem solar cell)는 태양전지의 광전변환효율을 높이기 위하여 제안된 것으로서, 서로 다른 광학적 밴드갭을 갖는 물질을 2층 이상 적층함으로써 넓은 파장범위를 갖는 태양광을 효과적으로 이용하려는 것이다. 적층형 태양전지는 태양광이 먼저 흡수되는 상부에 높은 밴드갭을 갖는 물질로 만들어진 태양전지층을 형성하고, 그 하부에 상대적으로 낮은 밴드갭을 갖는 물질로 만들어진 태양전지층을 순차적으로 위치시킨다.

한편, 폴리머 태양전지는 공액고분자를 이용해서 태양광 발전을 하는 태양전지를 말한다. 공액고분자는 도핑을 통해서 전도성이 크게 증가하는 특성이 있어 플라스틱 도체로 응용하기 위한 연구가 활발하였으며, 전기를 가해주었을 때 빛을 내는 고분자 발광소자로 많은 연구가 진행되었다. 이 고분자 발광소자 연구에 사용되던 고분자 물질인 PPV(poly-p-phenylenevinylene)을 이용하여 공액고분자를 이용한 태양전지를 최초로 시도하였다. p형층으로 사용되는 공액 고분자는 흡광계수가 높아서 i형층이 필수적이지 않으며, 100nm 정도의 얇은 박막으로도 태양광을 충분히 흡수할 수 있다. 폴리머 태양전지는 얇은 소자로 제작이 가능하고 재질이 고분자이기 때문에, 적층형 태양전지에 적합한 특성을 가지고 있으며, 굽힘성과 가공성이 좋아서 다양한 분야에 응용할 수 있는 장점이 있다.

그러나 단파장영역의 태양광을 흡수하는 폴리머 태양전지가 개발되지 못하여 적층형 태양전지의 효율이 만족할 만한 수준에 이르지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 유기 태양전지와 무기 태양전지를 복합한 적층형 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이 목적이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법은, 기판 위에 상이한 감도 파장 대역을 갖는 태양전지층이 적층된 적층형 태양전의 제조방법에 있어서, n-i-p구조 또는 p-i-n구조의 박막 실리콘태양전지층을 형성하는 단계; 상기 박막 실리콘태양전지 위에 유기 태양전지층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 박막 실리콘태양전지를 형성하는 단계에서, p형 층을 형성하는 방법이 N₂O를 주입하여 p형의 비정질 수소화 SiO_x박막을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

비정질 수소화 SiO_x박막을 형성과정에서 CO₂가스를 사용하면, CO₂가스에 포함된 탄소로 인하여 박막 내에 유기물이 생성될 수 있으며, 이러한 박막 내부의 유기물은 박막 결함의 원인이 된다. N₂O가스를 사용하면, 박막내부의 유기물에 의한 결함이 발생하는 문제가 없어 고품질의 비정질 수소화 SiO_x박막을 형성할 수 있다.

이때, 유기 태양전지층은 폴리머 태양전지로 이루어질 수 있다.

그리고 p형의 비정질 수소화 SiO_x박막을 형성하는 방법이 PECVD방법이고, PECVD방법에서 사용하는 실리콘 소스물질이 SiH₄ 또는 Si₂H₆이며, 불순물을 도핑하기 위하여 사용하는 가스가 B₂H₆인 것이 좋다.

또한 p형의 비정질 수소화 SiO_x박막의 두께는 10~15nm인 것이 좋다.

본 발명에 따르면, N₂O가스를 사용하여 증착한 비정질 SiO_x막을 포함하는 실리콘 태양전지를 유기 태양전지의 앞에 위치시킴으로써, 유기 태양전지에 비하여 단파장영역의 빛을 이용하는 무기 태양전지층을 추가하여 태양전지의 변환효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 N₂O가스를 사용함으로써, 유기질로 인한 결함의 염려 없이 고품질의 비정질 SiO_x막을 형성할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유무기 복합 적층형 태양전지 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.

먼저 도 1 내지 도 5는 비정질 실리콘 태양전지를 형성하는 과정을 나타낸다.

도 1은 기판 위에 상부투명전극층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

기판(100)은 태양광이 입사하는 부분이므로 투명한 유리기판을 이용한다. 투명한 유리기판의 표면을 세척한 뒤에 상부투명전극층(210)을 증착한다.

상부투명전극층(210)은 기판(100)으로 입사하는 태양광이 입사면에서 반사되는 것을 방지하기 위한 것으로 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO:Al 또는 SnO₂:F 등의 TCO(Transparent Conductive Oxide)재질을 사용한다. 상부투명전극층(210)의 증착 두께는 700~760nm이며, 최적의 두께는 760nm이다.

도 2는 상부투명전극층의 위에 p형 반도체층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

p형 반도체층(220)은 전계(electric field)형성을 위한 층이다. 본 실시예에서는 종래에 일반적으로 사용되는 p형의 수소화된 비정질 실리콘(p-type a-Si:H) 박막을 대신하여, N₂O를 주입하여 형성한 비정질의 수소화 SiO_x(p-type a-SiO_x:B)막을 사용한다. 수소화된 비정질 SiO_x는 실리콘원소와 산소원소가 비정질상태로 섞여있는 상태이며, p형의 특성을 갖도록 B가 억셉터로 도핑된다. p형의 수소화된 비정질 SiO_x는 광학적 밴드갭과 전도도가 수소화된 비정질 실리콘박막에 비하여 높으므로, p형 반도체층(220)이 낮은 파장영역의 태양광을 흡수한다. 따라서 이 후에 적층된 태양전지들에서 흡수할 수 있는 태양광파장의 범위가 증가하여, 적층형 태양전지의 변환효율이 향상된다. p형의 수소화된 비정질 SiO_x의 Si와 O의 비율은 x<0.2의 범위이다.

본 실시예에서 p형 반도체층(220)은 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)공정을 이용하여 증착하며, 이때 실리콘 소스로는 SiH₄ 또는 Si₂H₆ 가스를 사용하고 반응가스로는 유기물로 인한 결함의 문제가 없는 N₂O를 사용한다. 그리고 p형 불순물을 도핑하기 위해 B₂H₆가스를 사용한다. p형 반도체층(220)의 증착두께는 10~15nm이며, ASA 시뮬레이션을 통해서 수소화된 비정질 실리콘 산화막의 두께가 얇을수록 태양전지의 효율이 높아지는 것을 확인할 수 있으나 두께의 재현성이 떨어지는 문제가 있으므로 15nm가 최적의 두께이다.

도 3은 p형 반도체층의 위에 i형 반도체층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

i형 반도체층(230)은 광흡수층이며, i형의 수소화된 비정질 실리콘(i-type a-Si:H)박막을 증착한다. 최근에는 성능의 향상을 위하여 비정질 실리콘이 아닌 미세결정질 실리콘, 예를 들면 마이크로 결정질 실리콘(μc-Si:H) 또는 나노 결정질 실리콘(nc-Si:H)박막을 사용하기도 한다. i형 반도체층(230)은 PECVD공정을 통하여 300~400nm의 두께로 증착하며, ASA 시뮬레이션을 통해 확인된 최적의 두께는 400nm이다.

도 4는 i형 반도체층의 위에 n형 반도체층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

n형 반도체층(240)은 전계(electric field)형성을 위한 층이며, n형의 수소 화된 비정질 실리콘(n-type a-Si:H)박막을 증착한다. n형 반도체층(240)은 PECVD공정을 통하여 20~25nm의 두께로 증착하며, ASA 시뮬레이션 통해 확인된 최적의 두께는 25nm이다.

도 5는 n형 반도체층의 위에 중간전극층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

중간전극층(250)은 적층형 태양전지의 태양전지 사이를 구분하는 것이며, PEDOT:PSS 박막을 스핀코팅하여 증착한다. 중간전극층(250)은 80~100nm의 두께로 증착하며, 최적의 두께는 80nm이다.

이상의 과정을 거쳐, 기판(100) 위에 비정질 실리콘 태양전지층(200)을 형성한다. 기판(100)을 통하여 입사한 태양광은 먼저 비정질 실리콘 태양전지층(200)에 흡수되면서 전기로 변환된다.

도 6은 비정질 실리콘 태양전지층의 위에 폴리머 태양전지층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

폴리머 태양전지층(300)에 사용되는 폴리머 태양전지는 그 종류가 특별히 제한되지 않고 모든 폴리머 태양전지를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 1.4eV의 밴드갭을 갖는 PCPDTBT:PCBM 폴리머 태양전지를 사용한다. 폴리머 태양전지층(300)은 도너를 제공하는 PCPDTBT와 억셉터를 제공하는 PCBM을 합성한 뒤에 스핀코팅의 방법으로 증착하여 형성한다.

본 실시예에서는 단일의 폴리머 태양전지층(300)을 형성하는 모습을 예시하였으나, 흡수하는 파장영역이 다른 폴리머 태양전지층을 여러 개 적층하여 사용하 할 수 있으며, 이때 상대적으로 흡수하는 파장영역이 짧은 폴리머 태양전지층을 먼저 형성한다.

도 7은 폴리머 태양전지층의 위에 후면전극을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

적층된 태양전지층들에서 발생된 전기를 외부로 보내기 위하여 후면전극(400)을 형성한다. 후면전극(400)의 재질로는 알루미늄 또는 은을 사용한다. 알루미늄과 은은 적층된 태양전지층들에서 흡수되지 않은 태양광을 반사하여 다시 적층된 태양전지층들을 지나가게 함으로써, 태양광의 이용효율을 높인다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 기판 위에 상부투명전극층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

도 2는 상부투명전극층의 위에 p형 반도체층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

도 3은 p형 반도체층의 위에 i형 반도체층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

도 4는 i형 반도체층의 위에 n형 반도체층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

도 5는 n형 반도체층의 위에 중간전극층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

도 6은 비정질 실리콘 태양전지층의 위에 폴리머 태양전지층을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

도 7은 폴리머 태양전지층의 위에 후면전극을 형성한 모습을 나타내는 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100: 기판 200: 비정질 실리콘 태양전지층

210: 상부투명전극층 220: p형 반도체층

230: i형 반도체층 240: n형 반도체층

250: 중간전극층 300: 폴리머 태양전지층

400: 후면전극

Claims (6)

1. 기판 위에 상이한 감도 파장 대역을 갖는 태양전지층이 적층된 적층형 태양전의 제조방법에 있어서,

   n-i-p구조 또는 p-i-n구조의 박막 실리콘태양전지층을 형성하는 단계;

   상기 박막 실리콘태양전지 위에 유기 태양전지층을 형성하는 단계를 포함하며,

   상기 박막 실리콘태양전지를 형성하는 단계에서, p형 층을 형성하는 방법이 N₂O를 주입하여 p형의 비정질 수소화 SiO_x박막을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 유기 태양전지층이 폴리머 태양전지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 p형의 비정질 수소화 SiO_x박막을 형성하는 방법이 PECVD방법인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 PECVD방법으로 상기 p형의 비정질 수소화 SiO_x박막을 형성하는 과정에서 사용하는 실리콘 소스물질이 SiH₄ 또는 Si₂H₆인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 PECVD방법으로 상기 p형의 비정질 수소화 SiO_x박막을 형성하는 과정에서 불순물을 도핑하기 위하여 사용하는 가스가 B₂H₆인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 p형의 비정질 수소화 SiOx박막의 두께가 10~15nm인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 적층형 태양전지의 제조방법.

Images