KR20110074238A - 박막형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지는 기판상에 형성된 투명 전극층; 상기 투명 전극층 상에 형성된 p형 실리콘층; 상기 p형 실리콘층 상에 형성되고, 광학적 밴드 갭이 다른 연속적이면서 통합된 다수의 진성 반도체층 들로 구성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 n형 실리콘층; 및 상기 광흡수층 상에 형성된 배면전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
투명 전극층, 광흡수층, 태양전지, 광학적 밴드갭, 배면전극층
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막형 태양전지의 광흡수층을 구성하는 연속적인 통합 광흡수층을 적용한 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 태양 광을 직접 전기로 변화시키는 태양광 발전의 핵심 소자로 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 그 응용 범위가 매우 넓다.
이러한 태양전지는 기본적으로 pn 접합으로 구성된 다이오드로서 그 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
태양전지의 pn 접합에 반도체의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 이들 전자-전공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동함에 따라 pn간에 광기전력이 발생하게 되는데, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.
태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양하게 구분되는데, 광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 실리콘계 태양전지가 대표적이다.
실리콘계 태양전지는 기판형[단결정(single crystal), 다결정(poly crystal) 태양전지와, 박막형 비정질(amorphous), 다결정(poly crystal) 태양전지로 구분된다.
이외에도 태양전지의 종류에는 CdTe나 CIS(CuInSe2)의 화합물 박막 태양 전지, Ⅲ-Ⅴ족 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 태양전지 등을 들 수 있다.
단결정 실리콘 기판형 태양전지는 다른 종류의 태양전지에 비해서 변환 효율이 월등히 높다는 장점이 있긴 하지만 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용함에 따라 제조단가가 높다는 치명적인 단점이 있다.
다결정 실리콘 기판형 태양전지 역시 단결정 실리콘 기판형 태양전지보다는 제조 단가가 저렴할 수 있지만, 벌크 상태의 원재료로부터 태양전지를 만드는 점은 단결정 실리콘 기판형 태양전지와 다를 바 없기 때문에, 원재료비가 비싸고 공정 자체가 복잡하여 제조단가 절감에 한계가 있을 수 밖에 없다.
이와 같은 기판형 태양전지의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 유리와 같은 기판위에 광흡수층인 실리콘을 박막 형태로 증착하여 사용함으로써 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 박막형 실리콘 태양전지가 주목을 받고 있다.
박막형 실리콘 태양전지는 기판형 실리콘 태양전지의 두께보다 매우 작은 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다.
박막형 실리콘 태양전지 중 가장 처음 개발되고 현재 주택용 등에 보급되기 시작한 것이 비정질 실리콘 박막형 태양전지이다. 비정질 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘을 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)법에 의해 형성할 수 있어서 대량 생산에 적합하고 제조 단가가 저렴한 대신에 비정질 실리콘 내에 다량으로 존재하는 실리콘 원자의 댕글링 본드(dangling bond) 때문에 변환효율이 기판형 실리콘 태양전지에 비해 너무 낮다는 문제점이 있다.
이러한 관점에서, 종래기술에 따른 박막형 태양전지에 대해 도 1 및 도 2를 참조하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술에 따른 3중 접합 구조의 박막형 태양전지를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 3중 접합 구조의 박막형 태양전지의 각 층의 광학적 밴드 갭 변화를 나타낸 그래프이다.
종래기술에 따른 탬덤 구조의 박막형 태양전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상에 형성되는 투명 도전층(13)과, 상기 투명 도전층(13) 상에 형성되고 다중 접합 구조를 구성하는 제 1 반도체층(15), 제2 반도체층(17) 및 제3 반도체층 (19)과, 상기 제3 반도체층(19) 상에 형성된 배면전극층(21)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 제1, 2, 3 반도체층(15, 17, 19)은 p-i-n 구조의 비정질 실리콘층으로 구성되어, 광전 효과에 의해 발생된 전자-정공 쌍을 분리하여 이동시키게 된다.
또한, 상기 제1 반도체층(15)은 보론(Boron)이 도핑된 p형 실리콘층(15p)과, 진성(intrinsic)의 실리콘층(15i) 및, n형인 인(phosphorus)이 도핑된 n형 실리콘 층 (15n)으로 구성된다. 이때, 상기 그리고, 상기 제2 반도체층(17)은 보론(Boron)이 도핑된 p형 실리콘층(17p)과, 진성(intrinsic)의 실리콘층(17i) 및, n형인 인(phosphorus)이 도핑된 n형 실리콘층(17n)으로 구성된다. 더욱이, 상기 제 3 반도체층(19)은 보론(Boron)이 도핑된 p형 실리콘층(19p)과, 진성(intrinsic)의 실리콘층(19i) 및, n형인 인(phosphorus)이 도핑된 n형 실리콘층(19n)으로 구성된다.
여기서, 상기 진성(intrinsic)의 실리콘층(15i)은 제1 광흡수층으로 사용되고, 상기 진성(intrinsic)의 실리콘층(17i)은 제2 광흡수층으로 사용되며, 상기 진성(intrinsic)의 실리콘층(19i)은 제3 광흡수층으로 사용된다.
즉, 상기 최상층 셀의 제1 광흡수층으로는 일반적으로 a-Si(high bandgap material)로서, 단파장 영역의 태양광을 흡수하며, 최하층 셀의 제3 광흡수층은 μc-Si이나 a-Si:Ge (low bangap material)로써 최상층 셀에서 투과한 장파장 영역의 광을 흡수하게 하여 태양전지의 광변환 효율을 상승하게 된다.
또한, 상기 최상층 셀과 최하층 셀 사이에 부가적으로 투명전극(TCO; Transparent Conductive Oxide)와 같은 층간막(interlayer)을 삽입하여, 최상층 셀과 최하층 셀간의 원활한 접합이 이루어지게 한다.
더 나아가 3중 접합(triple junction) 태양전지의 경우에도 탠덤 구조에 추가적인 저 밴드갭 광흡수층을 포함하는 pin 구조를 하부에 접합시킴으로써 더 높은 광전 효율(optical electrical conversion efficiency) 향상이 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3 중 접합 구조의 경우에, 최상층 셀의 제1 광흡수층(15i)은 a-Si이 사용되며, 중간층 셀의 제2 광흡수층(17i)은 밴드갭이 1.1∼ 1.7eV 정도의 μc-Si이나 a-Si:Ge (low bangap material)이 사용되고, 최하층 셀의 제3 광흡수층(19i)은 밴드갭이 1.1∼1.7eV 정도의 μc-Si이나 a-Si:Ge (low bangap material) 등이 사용된다.
위에 같이, 기존 실리콘 박막의 박막 태양전지에 적용되고 있는 다중 접합 구조에서의 광흡수층들의 경우, 그 적용 반도체 물질의 화학적 조성비나 결정분율들이 정해진 형태로 되어 있어, 최종 정해진 광학적 밴드갭(optical bandgap)에 따라 그 소속 셀내에서 불연속/독립적으로 구성되어 있다.
그러나, 상기 종래기술에 따른 실리콘 박막 태양전지 및 제조방법에 의하면 다음과 같은 문제점이 있다
종래기술에 따른 실리콘 박막 태양전지 및 제조방법은, 다중 접합 실리콘박막 태양전지의 경우 단일 접합 실리콘 박막태양전지에 비하여 효율은 높지만, 그에 반하여 복잡한 적층 구조가 필요하게 된다.
또한, 종래기술에 따른 실리콘 박막 태양전지 및 제조방법은, 3 중 접합 구조의 경우 구성 단위막이 최상층 셀, 중간층 셀 및 최하층 셀을 합하여 적어도 9층 이상의 적층 구조가 필요하게 된다.
그리고, 종래기술에 따른 실리콘 박막 태양전지 및 제조방법은, 다중 접합 구조의 실리콘 태양전지를 형성할 경우 적층 구조가 복잡해짐은 물론, 전체 셀 두께가 매우 두꺼워진다.
더욱이, 종래기술에 따른 실리콘 박막 태양전지 및 제조방법은, 실제 다중 접합 구조의 실리콘 태양전지를 생산라인에서 제조할 경우, 복잡한 구조와 두께로 인하여 생산성이 크게 낮아지고, 더불어 생산 수율이 매우 낮아지게 된다.
또한, 종래기술에 따른 실리콘 박막 태양전지 및 제조방법은, 다중 접합 실리콘 태양전지 제조를 위한 제조장비를 고려할 경우, 필요한 장비 대수의 증대로 초기 투자비가 높게 설정되게 된다.
이에, 본 발명은 상기 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 다중 접합 구조를 대체하기 위해 연속적으로 통합된 광흡수층을 적용한 실리콘 박막 태양전지를 구현함으로써 저비용 및 고생산성을 실현할 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 태양전지는 기판상에 형성된 투명 전극층; 상기 투명 전극층 상에 형성된 p형 실리콘층; 상기 p형 실리콘층 상에 형성되고, 광학적 밴드 갭이 다른 연속적이면서 통합된 다수의 진성 반도체층 들로 구성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 n형 실리콘층; 및 상기 광흡수층 상에 형성된 배면전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 태양전지 제조방법은, 기판상에 투명 전극층을 형성하는 단계; 상기 투명 전극층 상에 p형 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 p형 실리콘층 상에 광학적 밴드 갭이 다른 연속적이면서 통합된 다수의 진성 반도체층 들로 구성된 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 상에 n형 실리콘층을 형성하는 단계; 및 상기 광흡수층 상에 배면전극층을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과 가 있다.
본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 다중 접합 구조의 실리콘 박막 태양전지의 가장 큰 문제점인 다수의 박막 적층 수와 두꺼운 박막 두께의 문제점을 해결하기 위해, 태양전지 내의 광흡수층들을 일괄적으로 형성시키는 연속적이면선 통합된 광흡수층을 적용한 단순 구조(Quasi-Single Junction Structure)의 실리콘 박막 태양전지를 형성시킴으로써, 그 양단에 형성된 p형, n형 단일층과 함께 매우 단순한 구조의 실리콘 박막 태양전지 구현이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 연속적이면서 통합된 광흡수층의 경우에 그 형성 방향을 따라 광학적 밴드갭(Optical Band-gap) 특성이 연속적으로 변화되도록 하고, 연속적이면서 통합된 광흡수층 내의 화학적 원소들의 조성 비율과 결정성 비율을 연속적으로 변화되도록 하는 제조방법을 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 다중 접합 구조를 대체할 수 있는 연속적으로 통합된 광흡수층을 구비한 단순 구조의 실리콘박막 태양전지를 구현함으로써, 저비용 및 고생산성 박막형 실리콘 태양전지 제조가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 다중 접합 구조를 유사 단일 접합 구조의 태양전지로 실현시킴에 따라 높은 생산성과 획기적인 재료비 저감이 기대된다.
그리고, 본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 다중 접 합 구조 적용시에 요구되었던 다수의 적층막 제조공정을 생략할 수 있고, 그로 인해 증착장비가 불필요하게 됨으로써 초기 투자비의 대폭 저감이 기대된다.
이하. 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 박막형 태양전지 구조에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 연속적으로 통합된 광흡수층을 구비한 박막형 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연속적으로 통합된 광흡수층을 구비한 박막형 태양전지의 각 층의 광학적 밴드 갭 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 박막형 실리콘 태양전지는, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판 (101) 상에 형성되는 투명 도전층(103)과, 상기 투명 도전층(103) 상에 형성되고 p 실리콘층(105p)과, 다수의 진성 실리콘층(105i-1, 105i-2,---, 105i-k)들로 구성된 광흡수층(105i)과, 상기 광흡수층(105i) 상에 형성된 n 실리콘층(105n) 및, 상기 n 실리콘층(105n) 상에 형성된 배면전극층(107)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 p형 실리콘층(105p)은 보론(Boron)이 도핑된 p형 실리콘층으로 이루어져 있으며, n형 실리콘층(105n)은 인(phosphorus)이 도핑된 n형 실리콘층으로 이루어져 있다.
또한, 상기 다수의 진성 실리콘층(105i-1, 105i-2,---, 105i-k)들로 구성된광흡수층(105i)은 기존의 다중 접합 태양전지에서의 p-i-n 구조의 반도체층을 다중 접합 구조에서의 불연속 독립층으로 구성되었던 광흡수층을 단일 층으로 구성하되, 연속적으로 통합하여 구성하고, 연속적으로 통합된 광흡수층(105i) 내에서의 광학적 밴드갭(Optical Bandgap)이 연속적으로 변화되도록 구성한다.
여기서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 연속적으로 통합된 광흡수층(105i)의 광학적 밴드 갭은 상기 p형 실리콘층(105p) 보다는 작고, 상기 n형 실리콘층 (105n) 보다는 크게 형성한다. 이때, 상기 다수의 진성 실리콘층(105i-1, 105i-2, ---, 105i-k)들로 구성된 광흡수층(105i)의 광학적 밴드갭 분포는 상기 p형 실리콘층(105p) 쪽으로 갈수록 크고, 상기 n형 실리콘층 (105n) 쪽으로 갈수록 작게 형성하는 것이 바람직하다.
상기 연속적으로 통합된 광흡수층(105i)의 광학적 밴드갭 변화를 형성하기 위해, 막 내의 구성 요소의 화학조성비율을 변화시키는 제1 구성과, 결정 비율을 변화시키는 제2 구성 및, 이들 막내의 구성요소의 화학조성비율과 결정비율을 동시에 변화시키는 제 3 구성 중에서 어느 하나를 선택하여 적용한다.
여기서, 막 내의 구성 요소의 화학조성비율을 변화시키는 제1 구성의 경우, 주 원소로 Si과 Ge 을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Si1-xGex로 설정하고, x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 한다. 이때, x는 a-SiGe 내 Ge 조성비율을 나타낸다.
또한, 막 내의 구성 요소의 결정비율을 변화시키는 제2 구성의 경우, 주 원소로 Si을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Si1-x/c-Six로 설정하고, Si 결정성 x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 한다. 이때, x는 Si의 결정 비율을 나타낸다.
그리고, 주 원소로 Ge을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Ge1-x/c-Gex로 설정하 고, Ge 결정성 x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 한다. 이때, x는 Ge의 결정 비율을 나타낸다.
한편, 막 내의 구성 요소의 화학조성비율과 결정성을 통합하여 변화시키는 제3 구성의 경우, 광흡수층(105i)을 상기 제1 구성 및 제2 구성을 통합하여 (a-Si1-xGex)1-z(c-Si1-yGey)z로 설정하고, x는 0∼1 범위로 하고, y는 0∼1 범위로 하며, z는 0∼1 범위로 한다. 이때, 상기 x는 a-SiGe 내의 Ge 조성비율이며, y는 c-SiGe 내의 Ge 조성비율이며, z는 결정비율을 나타낸다.
상기 본 발명의 구조에서, 화학 조성비율 변화는 위에 제시된 제1, 3 구성 중에서 어느 하나를 적용하며, 상기 광흡수층(105i) 내의 주된 원소로서, 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge)을 예로 들었지만, 이외에도 수소(H), 탄소(C) 등을 포함하여 그 각각의 조성비가 0∼1 범위에서 변화되도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 구조에서 결정비율 변화는 위에 제시된 제2, 3 구성 중에서 어느 하나를 적용하며, 상기 광흡수층(105i) 내의 결정비율은 주로 막 내 결정질과 비정질의 체적 분율로 상대하여 비교되며, 결정질의 경우 다결정 (poly- crystallne), 미세결정(micro-crystalline), 나노결정(nano-crystalline) 물질 모두를 포함하며, 그 결정비율은 0∼1 범위 내에서 변화되게 한다.
도 6은 연속적이면서 통합된 광흡수층을 적용한 본 발명에 따른 박막형 태양전지에 있어서, 광흡수층의 중앙부쪽의 광학적 밴드갭이 다른 쪽의 광학적 밴드갭보다 큰 경우를 나타낸 그래프이다.
도 7은 연속적이면서 통합된 광흡수층을 적용한 본 발명에 따른 박막형 태양전지에 있어서, 광흡수층의 중앙부쪽의 광학적 밴드갭이 다른 쪽의 광학적 밴드갭보다 작은 경우를 나타낸 그래프이다.
한편, 본 발명의 구조에서, 광학적 밴드갭의 변화 형태는 도 4, 6 및 7에 도시된 바와 같이, 3 가지 형태를 포함하며, 상기 광흡수층(105i) 내의 광학적 밴드갭의 크기는 0.6 eV ∼ 2.0 eV 까지를 포함한다.
여기서, 도 4에 도시된 바와 같이, 연속적이면서 통합된 다수의 진성 실리콘층(105i-1, 105i-2, ---, 105i-k)으로 구성된 광흡수층(105i)의 광학적 밴드 갭의 형태는 n형 실리콘층(105n) 쪽으로 갈수록 작은 밴드 갭을 갖도록 구성할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 연속적이면서 통합된 다수의 진성 실리콘층 (105i-1, 105i-2, ---, 105i-k)으로 구성된 광흡수층(105i)의 광학적 밴드 갭의 형태는 중앙 쪽이 가장 큰 광학적 밴드갭을 갖도록 구성할 수 있다.
그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 연속적이면서 통합된 다수의 진성 실리콘층 (105i-1, 105i-2, ---, 105i-k)으로 구성된 광흡수층(105i)의 광학적 밴드 갭의 형태는 중앙 쪽이 가장 작은 광학적 밴드갭을 갖도록 구성할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 단순 접합 구조를 최소한 한 개 단위의 단위 셀로 포함하는 다중 접합 구조의 실리콘 박막 태양전지의 경우에도 적용가능하다.
여기서, 상기 기판(101)은 플라스틱, 실리콘과 글래스(glass) 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명 전극층(103)은 ITO (Indium Tin Oxide) 또는 금속 등의 불 순물이 도핑된 ZnO 또는 기타 투명 도전물질을 포함한다.
그리고, 박막형 태양전지에서 태양 광은 p형 실리콘층(105p)을 통해 광흡수층(105i)에 입사되도록 하는 것이 태양전지의 효율 측면에서 바람직하다. 이는 태양 광에 의해 생성된 전자와 정공의 표동 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것으로서, 정공의 표동 이동도가 전자에 비해 낮기 때문에 태양 광에 의한 캐리어의 수집 효율을 극대화하기 위해서는 대부분의 캐리어들이 p형 실리콘층/i형 실리콘층 계면에서 생성하도록 하여 정공의 이동 거리를 최소화하여야 하기 때문이다.
또한, 상기 n형 실리콘층(105n)에는 n형 불순물인 인(phosphorus)이 도핑되어 있다.
그리고, 상기 n형 실리콘층(105n) 상에 형성되는 배면전극층(107) 재질로는 알루미늄 등과 같은 전도성 물질이면 바람직하다.
상기 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 박막형 태양전지 제조방법에 대해 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 박막형 태양전지 제조 공정단면도이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 기판(101)상에 ITO (Indium Tin Oxide) 또는 금속 등의 불순물이 도핑된 ZnO, 기타 투명 도전물질을 이용하여 투명 도전층(103)을 형성한다. 이때, 상기 기판(101)은 태양 광의 흡수를 위하여 투명 재질로 이루어지는 것이 바람직하며 예를 들어, 유리 및 플라스틱을 포함할 수 있다. 또한, 상기 기판(101) 표면은 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 텍스처링 (texturing) 처리할 수도 있다. 여기서, 텍스처링이란 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛의 반사 에 의한 광학적 손실에 의해 그 특성이 저하되는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 태양전지에서 사용되는 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 기판 표면에 요철 형상의 패턴을 형성하는 것을 말한다. 텍스처링으로 기판 표면이 거칠어지면 한번 반사된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시키므로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상기 기판(101) 상에 투명 도전층(103)을 형성하기 전에 반사방지층(미도시)을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 반사방지층은 기판을 통하여 입사된 태양 광이 실리콘층에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 하며, 예를 들어 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)을 포함할 수 있다. 이 반사 방지층의 형성방법으로는 저압화학 기상 증착법(low pressure chemical deposition; LPCVD) 및 PECVD 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 투명 도전층(103)의 형성방법으로는 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리 증기 증착법(physical vapor deposition; PVD)을 포함할 수 있다.
이어서, 도 5b를 참조하면, 투명 도전층(103) 상에 p형 실리콘층(105p)을 증착한다. 이때, 상기 p형 실리콘층(105p)에는 p형인 보론(Boron) 또는 카본 (carbon)이 도핑되어 있다. 여기서, 상기 카본(carbon)은 p형 실리콘층(105p)의 광학적 에너지 밴드 갭을 증가시키는 역할을 한다. 이때, 상기 p형 실리콘층(105p)은, 진공챔버(미도시) 내로 SiH4 가스와 보론 또는 CH4 가스를 적절한 유량으로 조 절하여 주입하여 증착한다. 이때, 상기 p형 실리콘층(105p) 증착방법으로는, LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다.
그 다음, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 p형 실리콘층(105p) 상에 연속적이면서 통합된 다수의 진성(i형) 실리콘층(105i-1, 105i-2, ---, 105i-k)을 연속해서 증착하여 광흡수층(105i)을 형성한다. 이때, 상기 연속적이면서 통합된 다수의 진성(i형) 실리콘층(105i-1, 105i-2, ---, 105i-k) 증착방법으로는, LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다.
상기 다수의 진성 실리콘층(105i-1, 105i-2,---, 105i-k)들로 구성된 광흡수층(105i)은 기존의 다중 접합 태양전지에서의 p-i-n 구조의 반도체층을 다중 접합 구조에서의 불연속 독립층으로 구성되었던 광흡수층을 단일 층으로 구성하되, 연속적으로 통합하여 구성하고, 연속적으로 통합된 광흡수층(105i) 내에서의 광학적 밴드갭(Optical Bandgap)이 연속적으로 변화되도록 구성한다.
또한, 상기 연속적으로 통합된 광흡수층(105i)의 광학적 밴드 갭은 상기 p형 실리콘층(105p) 보다는 작고, 상기 n형 실리콘층(105n) 보다는 크게 형성한다. 이때, 상기 다수의 진성 실리콘층(105i-1, 105i-2,---, 105i-k) 들로 구성된 광흡수층(105i)의 광학적 밴드갭 분포는 상기 p형 실리콘층(105p) 쪽으로 갈수록 크고, 상기 n형 실리콘층 (105n) 쪽으로 갈수록 작게 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 연속적으로 통합된 광흡수층(105i)의 광학적 밴드 갭 변화를 형성하기 위해, 막 내의 구성 요소의 화학조성비율을 변화시키는 제1 방법과, 결정 비율을 변화시키는 제2 방법 및, 이들 막내의 구성요소의 화학조성비율과 결정비율을 동시에 변화시키는 제 3 방법 중에서 어느 하나를 선택하여 적용한다.
여기서, 막 내의 구성 요소의 화학조성비율을 변화시키는 제1 방법의 경우, 주 원소로 Si과 Ge 을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Si1-xGex로 설정하고, x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 한다. 이때, x는 a-SiGe 내 Ge 조성비율을 나타낸다.
또한, 막 내의 구성 요소의 결정비율을 변화시키는 제2 구성의 경우, 주 원소로 Si을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Si1-x/c-Six로 설정하고, Si 결정성 x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 한다. 이때, x는 Si의 결정 비율을 나타낸다.
그리고, 주 원소로 Ge을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Ge1-x/c-Gex로 설정하고, Ge 결정성 x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 한다. 이때, x는 Ge의 결정 비율을 나타낸다.
한편, 막 내의 구성 요소의 화학조성비율과 결정성을 통합하여 변화시키는 제3 방법의 경우, 광흡수층(105i)을 상기 제1 방법 및 제2 방법을 통합하여 (a-Si1-xGex)1-z(c-Si1-yGey)z로 설정하고, x는 0∼1 범위로 하고, y는 0∼1 범위로 하며, z는 0∼1 범위로 한다. 이때, 상기 x는 a-SiGe 내의 Ge 조성비율이며, y는 c-SiGe 내의 Ge 조성비율이며, z는 결정비율을 나타낸다.
상기 본 발명의 구조에서, 화학 조성비율 변화는 위에 제시된 제1, 3 방법 중에서 어느 하나를 적용하며, 상기 광흡수층(105i) 내의 주된 원소로서, 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge)을 예로 들었지만, 이외에도 수소(H), 탄소(C) 등을 포함하여 그 각각의 조성비가 0∼1 범위에서 변화되도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 구조에서 결정비율 변화는 위에 제시된 제2, 3 방법 중에서 어느 하나를 적용하며, 상기 광흡수층(105i) 내의 결정비율은 주로 막 내 결정질과 비정질의 체적 분율로 상대하여 비교되며, 결정질의 경우 다결정 (poly- crystallne), 미세결정(micro-crystalline), 나노결정(nano-crystalline) 물질 모두를 포함하며, 그 결정비율은 0∼1 범위 내에서 변화되게 한다.
그리고, 본 발명의 구조에서, 광학적 밴드갭의 변화 형태는 도 4, 6 및 7에 도시된 바와 같이, 3 가지 형태를 포함하며, 상기 광흡수층(105i) 내의 광학적 밴드갭의 크기는 0.6 eV ∼ 2.0 eV 까지를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 상기 단순 접합 구조를 최소한 한 개 단위의 단위 셀로 포함하는 다중 접합 구조의 실리콘 박막 태양전지의 경우에도 적용가능하다.
이어서, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 연속적이면서 통합된 다수의 진성 실리콘층(105i-1, 105i-2,---, 105i-k) 들로 구성된 광흡수층(105i) 상에 n형 불순물인 인(phosphorus)이 도핑된 n형 실리콘층(105n)을 형성한다. 이때, 상기 n형 실리콘층(105n) 증착방법으로는, LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다.
그 다음, 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 n형 실리콘층(105n) 상에는 배면 전극층(107)을 증착한다. 이때, 상기 배면전극층(107)의 재질로는 알루미늄 등과 같은 전도성 물질이면 바람직하며, 이의 형성방법은 열 증착법 또는 스퍼터링법 등과 같은 물리 기상 증착법 등을 포함할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 다중 접합 구조의 실리콘 박막 태양전지의 가장 큰 문제점인 다수의 박막 적층 수와 두꺼운 박막 두께의 문제점을 해결하기 위해, 태양전지 내의 광흡수층들을 일괄적으로 형성시키는 연속적이면선 통합된 광흡수층을 적용한 단순 구조 (Quasi- Single Junction Structure)의 실리콘 박막 태양전지를 형성시킴으로써, 그 양단에 형성된 p형, n형 단일층과 함께 매우 단순한 구조의 실리콘 박막 태양전지 구현이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 연속적이면서 통합된 광흡수층의 경우에 그 형성 방향을 따라 광학적 밴드갭(Optical Band-gap) 특성이 연속적으로 변화되도록 하고, 연속적이면서 통합된 광흡수층 내의 화학적 원소들의 조성 비율과 결정성 비율을 연속적으로 변화되도록 하는 제조방법을 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 다중 접합 구조를 대체할 수 있는 연속적으로 통합된 광흡수층을 구비한 단순 구조의 실리콘박막 태양전지를 구현함으로써, 저비용 및 고생산성 박막형 실리콘 태양전지 제조가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 다중 접합 구조를 유사 단일 접합 구조의 태양전지로 실현함에 따라 높은 생산성과 획기적인 재료비 저감이 기대된다.
그리고, 본 발명에 따른 박막형 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 다중 접합 구조 적용시에 요구되었던 다수의 적층막 제조공정을 생략할 수 있고, 그로 인해 증착 장비가 불필요하게 됨으로써 초기 투자비의 대폭 저감이 기대된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형 예 및 변경 예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위내에 속하는 것으로 보아야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 3중 접합 구조의 박막형 태양전지를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 3중 접합 구조의 박막형 태양전지의 각 층의 광학적 밴드 갭 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 연속적으로 통합된 광흡수층을 구비한 박막형 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연속적으로 통합된 광흡수층을 구비한 박막형 태양전지의 각 층의 광학적 밴드 갭 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 박막형 태양전지 제조 공정단면도이다.
도 6은 연속적이면서 통합된 광흡수층을 적용한 본 발명에 따른 박막형 태양전지에 있어서, 광흡수층의 중앙부쪽의 광학적 밴드갭이 다른 쪽의 광학적 밴드갭보다 큰 경우를 나타낸 그래프이다.
도 7은 연속적이면서 통합된 광흡수층을 적용한 본 발명에 따른 박막형 태양전지에 있어서, 광흡수층의 중앙부쪽의 광학적 밴드갭이 다른 쪽의 광학적 밴드갭보다 작은 경우를 나타낸 그래프이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ***
101 : 기판 103 : 투명전극층
105i : 광흡수층 105i-1, 105i-k : 진성 실리콘층
105n : n형 실리콘층 105p : p형 실리콘층
107 : 배면전극층
Claims (20)
- 기판상에 형성된 투명 전극층;상기 투명 전극층 상에 형성된 p형 실리콘층;상기 p형 실리콘층 상에 형성되고, 광학적 밴드 갭이 다른 연속적이면서 통합된 다수의 진성 반도체층 들로 구성된 광흡수층;상기 광흡수층 상에 형성된 n형 실리콘층; 및상기 광흡수층 상에 형성된 배면전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적이면서 통합된 다수의 진성반도체층들의 광학적 밴드 갭은 n형 실리콘층 쪽으로 갈수록 작은 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적이면서 통합된 다수의 진성반도체층들의 광학적 밴드 갭은 중앙 쪽의 진성반도체층들이 다른 쪽의 진성반도체층들보다 큰 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적이면서 통합된 다수의 진성반도체층들의 광학적 밴드 갭은 중앙 쪽의 진성반도체층들이 다른 쪽의 진성반도 체층들보다 작은 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적이면서 통합된 다수의 진성반도체층들의 광학적 밴드 갭은 0.6 eV ∼ 2.0 eV 인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광흡수층 내의 원소로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 수소(H), 탄소(C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적으로 통합된 다수의 진성 실리콘층들의 광학적 밴드갭 차이는 막 내의 구성 요소의 화학조성비율, 결정 비율 또는, 막내의 구성요소의 화학조성비율과 결정비율의 변화에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제7항에 있어서, 상기 막 내의 구성 요소의 화학조성비율을 변화시키는 구성은, 주 원소로 Si과 Ge 을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Si1-xGex로 설정하고, x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 하며, x는 a-SiGe 내 Ge 조성비율을 나타내는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제7항에 있어서, 상기 막 내의 구성 요소의 결정비율을 변화시키는 구성은, 주 원소로 Si을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Si1-x/c-Six로 설정하고, Si 결정성 x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 하며, x는 Si의 결정 비율을 나타내는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 제7항에 있어서, 상기 막 내의 구성 요소의 화학조성비율과 결정성을 통합하여 변화시키는 구성은, 광흡수층을 (a-Si1-xGex)1-z(c-Si1-yGey)z로 설정하고, x는 0∼1 범위로 하고, y는 0∼1 범위로 하며, z는 0∼1 범위로 하며, 상기 x는 a-SiGe 내의 Ge 조성비율이며, y는 c-SiGe 내의 Ge 조성비율이며, z는 결정비율을 나타내는 것을 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 기판상에 투명 전극층을 형성하는 단계;상기 투명 전극층 상에 p형 실리콘층을 형성하는 단계;상기 p형 실리콘층 상에 광학적 밴드 갭이 다른 연속적이면서 통합된 다수의 진성 반도체층 들로 구성된 광흡수층을 형성하는 단계;상기 광흡수층 상에 n형 실리콘층을 형성하는 단계; 및상기 광흡수층 상에 배면전극층을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적이면서 통합된 다수의 진성반도체층들의 광학적 밴드 갭은 n형 실리콘층 쪽으로 갈수록 작은 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적이면서 통합된 다수의 진성반도체층들의 광학적 밴드 갭은 중앙 쪽의 진성반도체층들이 다른 쪽의 진성반도체층들보다 큰 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적이면서 통합된 다수의 진성반도체층들의 광학적 밴드 갭은 중앙 쪽의 진성반도체층들이 다른 쪽의 진성반도체층들보다 작은 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적이면서 통합된 다수의 진성반도체층들의 광학적 밴드 갭은 0.6 eV ∼ 2.0 eV 인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 광흡수층 내의 원소로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 수소(H), 탄소(C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 연속적으로 통합된 다수의 진성 실리콘층들의 광학적 밴드갭 차이는 막 내의 구성 요소의 화학조성비율, 결정 비율 또는, 막내의 구성요소의 화학조성비율과 결정비율의 변화에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
- 제17항에 있어서, 상기 막 내의 구성 요소의 화학조성비율을 변화시키는 구성은, 주 원소로 Si과 Ge 을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Si1-xGex로 설정하고, x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 하며, x는 a-SiGe 내 Ge 조성비율을 나타내는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
- 제17항에 있어서, 상기 막 내의 구성 요소의 결정비율을 변화시키는 구성은, 주 원소로 Si을 설정하여 광흡수층(105i)을 a-Si1-x/c-Six로 설정하고, Si 결정성 x를 0∼1 범위에서 연속 변화되도록 하며, x는 Si의 결정 비율을 나타내는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
- 제17항에 있어서, 상기 막 내의 구성 요소의 화학조성비율과 결정성을 통합하여 변화시키는 구성은, 광흡수층을 (a-Si1-xGex)1-z(c-Si1-yGey)z로 설정하고, x는 0∼1 범위로 하고, y는 0∼1 범위로 하며, z는 0∼1 범위로 하며, 상기 x는 a-SiGe 내의 Ge 조성비율이며, y는 c-SiGe 내의 Ge 조성비율이며, z는 결정비율을 나타내는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
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