KR20110092706A - 실리콘 박막 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지는 태양광이 입사하는 기판; 상기 태양광이 입사하는 면의 반대쪽으로 상기 기판 위에 위치하는 제1 전극; 상기 태양광이 입사하는 면의 반대쪽으로 상기 제1 전극 위에 위치하는 제2 전극; 상기 제1 전극 및 제2 전극의 사이에 위치하는 적어도 하나의 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부와 제2 전극 사이에 위치하는 후면 반사층을 포함하며, 상기 후면 반사층은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이하의 광 흡수계수를 갖는 물질로 이루어진 제1 반사막을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 반사막은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(hydrogenated micro-crystalline silicon oxide, μc-SiOx:H)로 이루어질 수 있다.

Description

실리콘 박막 태양전지{SILICON THIN FILM SOLAR CELL}
본 발명은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 후면 반사층을 갖는 실리콘 박막 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 거의 무한한 에너지원인 태양을 에너지원으로 하고, 발전 과정에서 공해 물질을 거의 생성하지 않으며, 수명이 20년 이상으로 매우 길다는 장점과 더불어, 관련 산업분야로의 파급 효과가 크다는 장점으로 인해 매우 주목받고 있으며, 그로 인해 많은 국가에서 태양전지를 차세대 주요산업으로 육성하고 있다.
현재 태양전지의 90% 이상은 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 기반으로 하여 제작 판매되고 있으며, 이외에 박막형 실리콘 기반의 태양전지가 소규모로 제작 판매되고 있다.
태양전지의 가장 큰 문제점은 발전 단가가 타 에너지원에 비해 매우 높다는 것이다. 따라서 차후 청정에너지의 수요를 충족시키기 위해서는 발전단가를 큰 폭으로 낮춰야 한다.
하지만, 현재 단결정 혹은 다결정 실리콘 웨이퍼를 기반으로 한 이른바 벌크(bulk)형 실리콘 태양전지는 필요한 원재료 양이 최소 150㎛ 두께 이상이므로, 원가의 많은 부분을 재료비, 즉 실리콘 원재료가 차지하고 있는데, 원재료의 공급이 급격히 늘어나는 수요를 따라가지 못해 원가를 낮출 수 있는 가능성이 용이하지 않은 실정이다.
이에 비해, 박막형 태양전지는 그 두께가 2㎛ 이내이므로 벌크형 태양전지에 비해 원재료의 사용량이 매우 적어 재료비를 비약적으로 낮출 수 있다. 따라서 발전 단가 면에서 벌크형 태양전지에 비해 큰 장점을 가지고 있다. 하지만 박막형 태양전지는 벌크형 태양전지에 비해 같은 면적 대비 발전 성능이 절반 정도로 매우 낮다.
일반적으로 태양전지의 효율을 표현할 때는 100㎽/㎠의 광량에서 얻을 수 있는 전력의 크기를 %로 나타내는데, 벌크형 태양전지의 효율은 12% 내지 20%이지만, 박막형 태양전지의 효율은 8% 내지 9% 정도이다. 따라서 박막형 태양 전지의 효율은 벌크형 태양전지에 비해 낮은 편이다.
이에 따라, 박막형 태양전지의 효율을 높이기 위해 많은 노력을 기울이고 있는데, 이러한 노력의 결과로 개발된 것이 이중 접합형 또는 삼중 접합형 박막 태양전지이다.
박막형 태양전지의 가장 기본적인 모델은 단일 접합(single junction)형의 구조를 갖는다. 여기에서 단일 접합형 박막 태양전지는 광 흡수용 진성 반도체층(intrinsic layer)과, 광 생성된 전하 분리를 위한 내부 전계를 형성하기 위해 진성 반도체층의 상부 및 하부에 각각 배치되는 p형 도핑층 및 n형 도핑층을 포함하는 광전 변환부가 기판 위에 형성된 태양전지를 말한다.
그런데 상기 단일 접합형 박막 태양전지는 효율이 낮은 편이다. 따라서 효율을 높이기 위해 상기 광전 변환부를 2개 적층한 이중 접합(tandem 또는 double junction)형 및 상기 광전 변환부를 3개 적층한 삼중 접합(triple junction)형 박막 태양전지가 개발되고 있다.
상기한 이중 접합형 및 삼중 접합형은, 태양광이 먼저 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭(Eg: band gap)이 높은 반도체 물질(예를 들어, 비정질 실리콘)로 제1 광전 변환부를 형성하여 주로 단파장의 태양광을 흡수하고, 나중에 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭이 낮은 반도체 물질(예를 들어, 미세결정 실리콘)로 제2 광전 변환부를 형성하여 주로 장파장의 태양광을 흡수하도록 구성한 것으로, 단일 접합형의 박막 태양전지에 비해 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기한 실리콘 박막 태양전지의 효율을 개선하기 위해서는 태양전지에 흐르는 전류밀도를 증가시키는 것이 요구된다. 따라서 실리콘 박막 태양전지에서는 진성 반도체층을 투과한 태양광을 상기 진성 반도체층으로 반사하여 반사된 태양광이 진성 반도체층에서 흡수되도록 함으로써 진성 반도체층의 광 흡수율을 높이기 위한 후면 반사층을 구비하여 전류밀도를 증가시키고 있다.
그런데, 종래에는 후면 반사층으로 도핑된 산화아연(ZnO) 막을 사용하고 있는 바, 상기 산화아연 막은 빛의 흡수 및 전류 손실이 크게 발생하여 박막 태양전지의 효율 향상이 제한적으로 이루어지는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 후면 반사층을 갖는 실리콘 박막 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지는 태양광이 입사하는 기판; 상기 태양광이 입사하는 면의 반대쪽으로 상기 기판 위에 위치하는 제1 전극; 상기 태양광이 입사하는 면의 반대쪽으로 상기 제1 전극 위에 위치하는 제2 전극; 상기 제1 전극 및 제2 전극의 사이에 위치하는 적어도 하나의 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부와 제2 전극 사이에 위치하는 후면 반사층을 포함하며, 상기 후면 반사층은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이하의 광 흡수계수를 갖는 물질로 이루어진 제1 반사막을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 반사막은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(hydrogenated micro-crystalline silicon oxide, μc-SiOx:H)로 이루어질 수 있다.
상기 광전 변환부는 단일 접합형, 이중 접합형 또는 삼중 접합형 중 하나일 수 있다.
단일 접합형의 경우, 광전 변환부의 진성 반도체층은 비정질 실리콘 또는 미세 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
이중 접합형의 경우, 제1 전극 위에 위치하는 제1 광전 변환부의 진성 반도체층은 비정질 실리콘으로 형성되고, 제1 광전 변환부 위에 위치하는 제2 광전 변환부의 진성 반도체층은 미세 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
삼중 접합형의 경우, 제1 전극 위에 위치하는 제1 광전 변환부 및 제1 광전 변환부 위에 위치하는 제2 광전 변환부의 진성 반도체층들은 비정질 실리콘으로 형성되고, 제2 광전 변환부 위에 위치하는 제3 광전 변환부의 진성 반도체층은 미세 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
광전 변환부가 이중 접합형 또는 삼중 접합형 중 하나인 경우, 광전 변환부 사이에는 적어도 하나의 중간 반사층이 위치할 수 있으며, 중간 반사층은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx:H) 또는 도핑된 산화아연으로 이루어질 수 있다.
후면 반사층은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이상의 광 흡수계수를 갖는 물질로 이루어진 제2 반사막을 더 포함할 수 있다. 제2 반사막은 제1 반사막에 비해 전기 전도도가 높은 물질, 예컨대 도핑된 산화아연(ZnO:Al)으로 이루어질 수 있으며, 제2 반사막은 태양광이 제1 반사막에 먼저 입사하도록 상기 제1 반사막 위에 위치한다.
후면 반사층이 제1 및 제2 반사막으로 이루어지는 이중 접합형 또는 삼중 접합형 실리콘 박막 태양전지의 경우에도 광전 변환부 사이에 중간 반사층이 더욱 형성될 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 후면 반사층의 제1 반사막이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어지므로, 하부 셀(제2 광전 변환부 또는 제3 광전 변환부)에 도달한 장파장의 태양광 성분을 효과적으로 반사시켜 하부 셀의 전류를 증가시킬 수 있다.
그리고 후면 반사층을 제1 반사막(도핑된 미세 결정 실리콘 산화물) 및 제2 반사막(도핑된 산화아연)의 이중 층으로 구성하는 경우에는 후면 반사층이 제1 반사막으로만 이루어지는 경우에 비해 제1 반사막의 두께를 감소시킬 수 있으므로, 제1 반사막의 증착에 필요한 공정 시간을 단축할 수 있고, 공정에 필요한 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한 중간 반사층 및 후면 반사층이 모두 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어지는 경우에는 각 반사층의 두께를 최적화 하여 각 광전 변환부에 흐르는 전류의 균형을 맞춤으로써 고효율 태양전지를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지의 개략도로서, 단일 접합형 실리콘 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 2는 제1 반사막의 물질에 따른 광 흡수계수를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 변형 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지의 개략도로서, 이중 접합형 실리콘 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 5는 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 제1 반사막을 갖는 이중 접합형 실리콘 박막 태양전지의 광 특성 및 효율 데이터를 나타내는 표이다.
도 6은 도 4의 변형 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지의 개략도로서, 삼중 접합형 실리콘 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 변형실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지의 개략도로서, 단일 접합형 태양전지의 부분 단면도이다.
도 1을 참고로 하면, 본 실시예에 따른 단일 접합형 실리콘 박막 태양전지는 기판(110)을 통해 빛이 입사되는 상판(superstrate)형 구조를 갖는다.
좀 더 자세히 설명하면, 단일 접합형 실리콘 박막 태양전지는 유리 또는 투명 플라스틱 등으로 이루어진 기판(110), 기판(110) 위에 위치하는 도전성 투명 전극(transparent conductive oxide, TCO)(120), 투명 전극(120) 위에 위치하는 제1 광전 변환부(130), 제1 광전 변환부(130) 위에 위치하는 후면 반사층(160), 그리고 후면 반사층(160) 위에 위치하는 후면 전극(170)을 구비한다. 이때, 투명 전극(120)은 제1 전극이고, 후면 전극(170)은 제2 전극이다.
도전성 투명 전극(120)은 기판(110)의 전체 면에 형성되어 있으며, 제1 광전 변환부(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 따라서 도전성 투명 전극(120)은 빛에 의해 생성된 캐리어(carrier) 중 하나, 예를 들어 정공을 수집하여 출력한다. 도전성 투명 전극(120)은 또한 반사 방지막의 기능도 수행할 수 있다.
도전성 투명 전극(120)의 상부 표면은 랜덤(random)한 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철(도시하지 않음)을 구비한 텍스처링 표면(texturing surface)으로 형성된다. 이와 같이, 도전성 투명 전극(120)의 표면을 텍스처링 표면으로 형성하면, 도전성 투명 전극의 빛 반사도가 감소되어 빛의 흡수율이 증가되므로, 태양 전지의 효율이 향상된다. 이때 형성되는 요철의 높이는 약 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
도전성 투명 전극(120)은 대부분의 빛이 통과하며 전기가 잘 흐를 수 있도록 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도가 요구된다. 이러한 도전성 투명 전극(120)은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 주석계 산화물(SnO2 등), AgO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것으로 형성될 수 있다. 도전성 투명 전극(120)의 비저항 범위는 약 10-2Ω-㎝ 내지 10-11Ω-㎝일 수 있다.
제1 광전 변환부(130)는 도핑된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon: a-Si:H)으로 이루어질 수 있으며, 약 1.7eV의 광학 밴드갭을 갖고, 근자외선, 보라, 파랑 등과 같은 단파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
이러한 제1 광전 변환부(130)는 도전성 투명 전극(120) 위에 순차적으로 적층된 제1 도전성 타입의 반도체층인 제1 p형 도핑층(131), 제1 진성 반도체층(132), 그리고 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 반도체층인 제1 n형 도핑층(133)을 포함한다.
제1 p형 도핑층(131)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서 제1 p형 도핑층(131)은 a-Si:H 또는 다른 물질로 형성될 수 있다.
제1 진성 반도체층(132)은 캐리어의 재결합률을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것으로, 전자와 정공과 같은 캐리어가 이곳에서 주로 생성된다. 이러한 제1 진성 반도체층(132)은 a-Si:H로 형성될 수 있고, 약 200nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 제1 진성 반도체층(132)은 미세 결정 실리콘(μc-Si) 또는 수소화된 미세 결정 실리콘(μc-Si:H)으로 이루어질 수도 있다.
제1 n형 도핑층(133)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
이러한 제1 광전 변환부(130)는 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD))에 의해 형성될 수 있다.
제1 광전 변환부(130)의 제1 p형 도핑층(131) 및 제1 n형 도핑층(133)과 같은 도핑층은 제1 진성 반도체층(132)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인한 광기전력 효과(photovoltatic effect)에 의하여 제1 진성 반도체층(132)에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 제1 p형 도핑층(131)을 통해 도전성 투명 전극(120)쪽으로 이동하고, 전자는 제1 n형 도핑층(133)을 통해 후면 전극(170)쪽으로 이동한다.
후면 반사층(back reflector, 160)은 제1 광전 변환부(130)를 통과한 빛을 제1 광전 변환부(130)쪽으로 반사시켜, 제1 광전 변환부(130)의 동작 효율을 향상시키는 것으로, 본 실시예에서는 제1 반사막(161)을 포함한다.
종래에는 상기 후면 반사층으로 도핑된 산화아연(ZnO:Al)을 사용하였다. 그러나, 상기 도핑된 산화아연은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 광 흡수계수가 높다.
그런데 후면 반사층(160)까지 도달하는 태양광의 성분은 대부분 700㎚ 이상의 파장을 갖는 장파장의 성분이다. 따라서, 후면 반사층(160)까지 도달한 대부분의 장파장 빛은 후면 반사층(160)에 의해 흡수되어 빛의 손실이 커지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본원 발명의 실시예는 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이하의 광 흡수계수를 갖는 물질, 예를 들면 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(hydrogenated micro-crystalline silicon oxide, μc-SiOx:H)로 제1 반사막(161)을 형성한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물은 도핑된 산화아연에 비해 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 흡수계수가 매우 낮다. 따라서, 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 제1 반사막(161)을 포함하는 후면 반사층(160)은 후면 반사층(160)까지 도달한 대부분의 장파장 빛을 흡수하지 않고 투과 혹은 반사시키므로, 빛의 손실을 최소화할 수 있다.
도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 제1 반사막(161)은 도핑된 산화아연으로 이루어진 후면 반사층에 비해 전도도가 낮다. 하지만, 제1 반사막(161)을 형성할 때 산소 투입량을 조절하여 제1 반사막(161)이 적절한 전도도를 갖도록 형성하면 전도도가 저하됨으로 인한 문제점을 억제할 수 있다. 이때, 제1 반사막(161)의 두께는 수십㎚ 내지 수㎛의 범위 내에서 적절하게 형성할 수 있다.
후면 전극(170)은 후면 반사층(160)의 전체 면 위에 위치하며, 전기적으로 제1 광전 변환부(130)의 제1 n형 도핑층(133)과 연결되어 있다. 이러한 후면 전극(170)은 p-n 접합을 통해 생성된 캐리어 중 전자를 수집하여 출력한다.
한편, 빛의 흡수율을 증가시키기 위해, 제1 광전 변환부(130)를 구성하는 제1 p형 도핑층(131), 제1 진성 반도체층(132), 제1 n형 도핑층(133) 및 후면 반사층(160)도 텍스처링 표면을 갖도록 형성할 수 있다.
이하, 도 3을 참조로 하여 도 1의 변형 실시예를 설명한다. 전술한 도 1의 실시예에서, 제1 반사막(161) 만으로 후면 반사층(160)을 구성하는 경우에는 도핑된 산화아연으로 후면 반사층을 구성하는 경우에 비해 후면 반사층(160)의 증착에 필요한 공정 시간이 증가하며, 공정에 필요한 비용이 증가할 수 있다.
이 경우, 본 실시예에서와 같이 후면 반사층(160)을 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 제1 반사막(161) 및 도핑된 산화아연으로 이루어진 제2 반사막(162)으로 구성하면, 제1 반사막(161)을 전술한 도 1의 반사막(161)에 비해 얇은 두께로 형성하는 것이 가능하므로, 공정 시간 및 비용이 증가하는 것을 최소화할 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명한다. 이하의 실시예를 설명함에 있어서, 전술한 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지의 개략도로서, 이중 접합형 실리콘 박막 태양전지의 부분 단면도를 도시한 것이다.
본 실시예의 실리콘 박막 태양전지는 제1 광전 변환부(130)와 후면 반사층(160) 사이에 위치하는 제2 광전 변환부(140)를 더 포함한다.
제2 광전 변환부(140)는 도핑된 미세 결정 실리콘을 이용한 미세 결정 실리콘 셀로서, 약 1.1eV의 광학 밴드갭을 갖고 적색에서 근적외선까지의 장파장 대역의 빛을 주로 흡수한다. 제2 광전 변환부(140)는 도핑된 미세 결정 실리콘 이외의 다른 물질로도 형성할 수 있다.
제2 광전 변환부(140)는 제1 광전 변환부(130)와 유사하게 제1 광전 변환부(130)의 제1 n형 도핑층(133) 위에 순차적으로 형성된 제2 p형 도핑층(141), 제2 진성 반도체층(142), 그리고 제2 n형 도핑층(143)을 포함하며, 이들 층(141 내지 143)은 제1 광전 변환부(130)와 동일하게 PECVD와 같은 CVD로 형성될 수 있다.
제2 p형 도핑층(141)은 제1 p형 도핑층(131)과 유사하게 실리콘을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성된다.
제2 진성 반도체층(142)는 제1 진성 반도체층(132)과 유사하게 캐리어의 재결합률을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것이다. 이로 인해, 제2 진성 반도체층(142)은 인가되는 장파장 대역의 빛을 주로 흡수하여 전자와 전공을 이곳에서 주로 생성한다. 본 실시예에서, 제2 진성 반도체층(142)은 도핑된 미세 결정 실리콘(μc- Si:H)으로 형성되며, 약 1500㎚ 내지 2000㎚의 두께를 가질 수 있다. 그리고 제2 진성 반도체층(142)의 두께는 장파장 성분의 태양광을 충분히 흡수하기 위해 제1 진성 반도체층(132)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
제2 n형 도핑층(143)는 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
제1 광전 변환부(130)와 유사하게, 제2 광전 변환부(140)의 제2 p형 및 n형 도핑층(141, 143)은 제2 진성 반도체층(142)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인하여 생성된 정공은 제2 p형 도핑층(141)을 통해 도전성 투명 전극(120)쪽으로 이동하여 수집되고, 생성된 전자는 제2 n형 도핑층(143)을 통해 후면 전극(170)쪽으로 이동하여 수집된다.
도 5는 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 제1 반사막을 갖는 이중 접합형 실리콘 박막 태양전지의 광 특성 및 효율 데이터를 나타내는 표이다.
도 5를 참조하면, 도핑된 산화아연으로 이루어진 후면 반사층이 적용된 실리콘 박막 태양전지는 제2 광전 변환부(도핑된 미세 결정 실리콘)에 구비된 제2 진성 반도체층의 전류(QEJsc(Bot))가 제1 광전 변환부(도핑된 비정질 실리콘)에 구비된 제1 진성 반도체층의 전류(QEJsc(Top))보다 낮은 상태이다.
그러나 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 제1 반사막(161)이 적용된 경우에는 제1 진성 반도체층(132)의 전류(QEJsc(Top))와 충전 팩터(FF)가 도핑된 산화아연과 동일하지만, 제2 진성 반도체층(142)의 전류(QEJsc(Bot)), 전체 전류(QEJsc(Tot)), 개방전압(Voc(V)) 및 단락 전류밀도(Jsc(mA/㎠)가 증가하여 효율(Eff)이 증가한 것을 알 수 있다.
이하, 도 6을 참조로 하여 도 4의 변형 실시예를 설명한다. 본 실시예는 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140) 사이에 중간 반사층(180)이 위치하는 것을 제외하면 전술한 도 4의 실시예와 동일한 구성을 갖는다.
중간 반사층(180)은 단파장의 태양광 성분을 제1 광전 변환부(130)를 향해 반사하는 한편, 장파장의 태양광 성분은 제2 광전 변환부(140)쪽으로 투과한다.
이러한 작용을 하는 중간 반사층(180)은 제1 반사막(161)과 동일한 물질로 형성되거나, 제2 반사막(162)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 즉 중간 반사층(180)은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물 또는 도핑된 산화아연으로 형성될 수 있으며, 광전 변환부의 두께, 굴절률 등의 다른 요소(factor)들에 따라 상기 2가지 물질 중 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
중간 반사층(180)이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어지는 경우, 중간 반사층(180)은 수십㎚ 내지 200㎚의 범위에서 적절하게 설정된 두께를 가질 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지는 않았지만, 전술한 이중 접합형 실리콘 박막 태양전지도 후면 반사층(160)이 제1 반사막(161) 및 제2 반사막(162)의 이중막 구조로 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 실리콘 박막 태양전지의 개략도로서, 삼중 접합형 실리콘 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
본 실시예의 실리콘 박막 태양전지는 제2 광전 변환부(140)와 후면 반사층(160) 사이에 위치하는 제3 광전 변환부(150)를 더 포함한다.
제3 광전 변환부(150)는 도핑된 미세 결정 실리콘을 이용한 미세 결정 실리콘 셀로서, 약 1.1eV의 광학 밴드갭을 갖고 적색에서 근적외선까지의 장파장 대역의 빛을 주로 흡수한다. 제3 광전 변환부(150)는 도핑된 미세 결정 실리콘 이외의 다른 물질로도 형성할 수 있다.
제3 광전 변환부(150)는 제2 광전 변환부(140)의 제1 n형 도핑층(143) 위에 순차적으로 형성된 제3 p형 도핑층(151), 제3 진성 반도체층(152), 그리고 제3 n형 도핑층(153)을 포함하며, 이들 층(151 내지 153)은 제1 및 제2 광전 변환부(130, 140)와 동일하게 PECVD와 같은 CVD로 형성될 수 있다.
제3 p형 도핑층(151)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성되고, 제3 진성 반도체층(152)는 도핑된 미세 결정 실리콘(μc-Si:H)으로 형성되며, 제3 n형 도핑층(153)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
제3 진성 반도체층(152)이 도핑된 미세 결정 실리콘(μc-Si:H)으로 형성되는 경우, 제2 진성 반도체층(142)은 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성될 수 있다.
도 8은 도 7의 변형 실시예를 도시한 것으로, 제1 내지 제3 광전 변환부(130, 140, 150)의 사이에 한 개의 중간 반사층(180)을 형성한 것이다. 도면에는 제2 광전 변환부(140)와 제3 광전 변환부(150) 사이에 중간 반사층(180)이 형성된 것을 도시하고 있지만, 중간 반사층(180)은 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140)의 사이에 형성될 수도 있다. 이때, 중간 반사층(180)은 도 6의 실시예에서 설명한 바와 같이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물 또는 도핑된 산화아연으로 형성될 수 있으며, 광전 변환부의 두께, 굴절률 등의 다른 요소(factor)들에 따라 상기 2가지 물질 중 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
도 9는 도 7의 다른 변형 실시예를 도시한 것으로, 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140) 사이에 한 개의 중간 반사층(180)을 형성하고, 제2 광전 변환부(140)와 제3 광전 변환부(150) 사이에 또 한 개의 중간 반사층(180)을 형성한 것이다.
도 9에서는 상기 중간 반사층(180)의 도면부호를 동일하게 적용함으로써 두 개의 중간 반사층(180)이 서로 동일한 것을 예로 들었지만, 상기 두 개의 중간 반사층(180)은 서로 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 두 개의 중간 반사층(180)은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물 또는 도핑된 산화아연 중에서 선택된 어느 한 물질로 각각 이루어지거나, 상기 2가지 물질 중에서 선택된 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 제2 광전 변환부(140)와 제3 광전 변환부(150) 사이에 위치하는 중간 반사층(180)은 도핑된 산화아연으로 이루어지고, 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140) 사이에 위치하는 중간 반사층(180)은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 2개의 중간 반사층(180)을 구성하는 물질은 광전 변환부의 두께, 굴절률 등의 다른 요소(factor)들에 따라 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지는 않았지만, 전술한 삼중 접합형 실리콘 박막 태양전지도 후면 반사층(160)이 제1 반사막(161) 및 제2 반사막(162)의 이중막 구조로 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
110: 기판 120: 투명 전극
130: 제1 광전 변환부 140: 제2 광전 변환부
150: 제3 광전 변환부 160: 후면 반사층
170: 후면 전극 180: 중간 반사층

Claims (18)

  1. 태양광이 입사하는 기판;
    상기 태양광이 입사하는 면의 반대쪽으로 상기 기판 위에 위치하는 제1 전극;
    상기 태양광이 입사하는 면의 반대쪽으로 상기 제1 전극 위에 위치하는 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 제2 전극의 사이에 위치하는 적어도 하나의 광전 변환부; 및
    상기 광전 변환부와 제2 전극의 사이에 위치하는 후면 반사층
    을 포함하며,
    상기 후면 반사층은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이하의 광 흡수계수를 갖는 물질로 이루어진 제1 반사막을 포함하는 실리콘 박막 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 반사막은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx:H)로 이루어지는 실리콘 박막 태양전지.
  3. 제2항에서,
    상기 광전 변환부는 상기 제1 전극 위에 위치하는 제1 광전 변환부 및 상기 제1 광전 변환부 위에 위치하는 제2 광전 변환부를 포함하는 실리콘 박막 태양전지.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 광전 변환부와 제2 광전 변환부 사이에 중간 반사층이 위치하는 실리콘 박막 태양전지.
  5. 제4항에서,
    상기 중간 반사층은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx:H) 또는 도핑된 산화아연으로 이루어지는 실리콘 박막 태양전지.
  6. 제2항에서,
    상기 광전 변환부는 상기 제1 전극 위에 위치하는 제1 광전 변환부와, 상기 제1 광전 변환부 위에 위치하는 제2 광전 변환부 및 상기 제2 광전 변환부 위에 위치하는 제3 광전 변환부를 포함하는 실리콘 박막 태양전지.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 광전 변환부 내지 제3 광전 변환부의 사이에는 적어도 하나의 중간 반사층이 위치하는 실리콘 박막 태양전지.
  8. 제7항에서,
    상기 중간 반사층은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx:H) 또는 도핑된 산화아연으로 이루어지는 실리콘 박막 태양전지.
  9. 제2항에서,
    상기 후면 반사층은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이상의 광 흡수계수를 갖는 물질로 이루어진 제2 반사막을 더 포함하는 실리콘 박막 태양전지.
  10. 제9항에서,
    상기 제2 반사막은 상기 제1 반사막에 비해 전기 전도도가 높은 실리콘 박막 태양전지.
  11. 제9항에서,
    상기 제2 반사막은 도핑된 산화아연으로 이루어지는 실리콘 박막 태양전지.
  12. 제9항에서,
    상기 제2 반사막은 상기 제1 반사막 위에 위치하는 실리콘 박막 태양전지.
  13. 제9항에서,
    상기 광전 변환부는 상기 제1 전극 위에 위치하는 제1 광전 변환부 및 상기 제1 광전 변환부 위에 위치하는 제2 광전 변환부를 포함하는 실리콘 박막 태양전지.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 광전 변환부와 제2 광전 변환부 사이에 중간 반사층이 위치하는 실리콘 박막 태양전지.
  15. 제14항에서,
    상기 중간 반사층은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx:H) 도는 도핑된 산화아연으로 이루어지는 실리콘 박막 태양전지.
  16. 제9항에서,
    상기 광전 변환부는 상기 제1 전극 위에 위치하는 제1 광전 변환부와, 상기 제1 광전 변환부 위에 위치하는 제2 광전 변환부 및 상기 제2 광전 변환부 위에 위치하는 제3 광전 변환부를 포함하는 실리콘 박막 태양전지.
  17. 제16항에서,
    상기 제1 광전 변환부 내지 제3 광전 변환부의 사이에는 적어도 하나의 중간 반사층이 위치하는 실리콘 박막 태양전지.
  18. 제17항에서,
    상기 중간 반사층은 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx:H) 또는 도핑된 산화아연으로 이루어지는 실리콘 박막 태양전지.
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