KR20110127518A - 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

태양전지는 기판, 제1 도전형 반도체층, 진성 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 기판에는 복수의 나노 구조물이 형성되고, 나노 구조물들을 커버하도록 제1 도전형 반도체층이 형성되고, 제1 도전형 반도체층 상에 진성 반도체층이 형성되며, 진성 반도체층 상에 제2 도전형 반도체층이 형성된다. 제1 전극은 제2 도전형 반도체층 상에 형성된다.

Description

태양전지 및 이의 제조 방법 {SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 생산 효율을 향상시킨 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양광 발전은 태양광으로부터 전기를 생산하는 무한하고 깨끗한 발전기술로서, 태양광을 받아 전기를 발생하는 태양전지와 발생된 직류 전기를 교류로 변화시키는 전력조절 장치 및 주간에 생성된 전기를 저장하는 축전지 등의 주변장치로 구성된다.
태양전지는 기본적으로 pn접합으로 구성된 다이오드로서, 광 흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다. 즉, 광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 태양전지는 크게 결정질(다결정) 기판형 태양전지와 박막형(결정질, 비정질) 태양전지로 구분되었다.
그런데 최근에 개발된 저차원 나노소재는 박막형 소재보다 결정학적으로 기판의 영향이 없는 단결정 형태로 합성이 되어 나노소재의 내부에 결함이 매우 적은 구조를 보이고 있어, 광학적, 전기적으로 우수한 특성이 보고되고 있다. 특히 간단한 공정과 기존의 박막 성장 장비를 활용하여 저렴한 원료를 가지고 대면적으로 제작이 가능하다는 공정상의 장점을 가지고 있다.
나노입자, 나노선, 나노막대, 나노벨트 등의 다양한 모양을 가진 나노소재들이 제안되었고, 이에 대한 합성 개발 연구가 진행중에 있는데, 1차원 구조를 가진 나노선 및 나노막대가 차세대 광전소자용 나노구조로 전극형성의 공정상 장점으로 가장 주목을 받고 있는 나노구조이다. 그러나 기존의 실리콘(Si) 나노선 태양전지는 금(Au)과 같은 촉매를 이용하여 VLS(Vapor Liquid Solid) 방법으로 직접 성장하거나 형성된 PIN 적층을 에칭해야 하므로 직접 성장시 또는 에칭시 발생할 수 있는 결함에 의한 소수 반송자 수명 시간이 문제된다.
따라서, 본 발명의 목적은 에너지 생산 효율을 향상시킨 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 기판, 제1 도전형 반도체층, 진성 반도체층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함한다.
상기 기판에는 복수의 나노 구조물이 형성된다. 상기 제1 도전형 반도체 층은 상기 나노 구조물들을 커버하고, 상기 진성 반도체층은 상기 제1 도전형 반도체층 상에 구비되며, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 진성 반도체층 상에 구비된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 복수의 나노 구조물이 형성된 기판을 제공하고, 상기 나노 구조물들을 커버하도록 제1 도전형 반도체층을 형성한다. 이후, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 진성 반도체층을 형성하고, 상기 진성 반도체층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성한다.
이와 같은 태양전지에 따르면, 상기 도전층이 형성된 상기 기판 상에 상기 시드들을 배치하고 상기 시드들 상에 각각 상기 나노 구조물들을 성장시켜 3차원인 "빛함정(light trapping)" 구조를 형성하고, 이 구조 상에 PIN 반도체층을 형성함으로써, 기존의 박막형 태양전지에 비하여 동일한 면적에서 수광면적을 넓혀 면적대비 성능을 향상시켰다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1의 태양전지를 제조하는 방법을 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지(1)의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 상기 태양전지(1)는 기판(10), 도전층(20), 시드(seed, 30), 나노 구조물(40), 제1 도전형 반도체층(50), 진성 반도체층(60), 제2 도전형 반도체층(70), 제1 전극(80) 및 제2 전극(90)을 포함한다.
상기 기판(10)은 입사된 태양광을 투과시키기 위해 태양광의 투과율이 높은 투명한 재질로 형성된다. 구체적으로, 상기 기판(10)은 이에 한정되지 않으나, 표면이 비정질인 기판, 예를 들어 유기 기판 또는 ITO(Indium Tin Oxide)가 코팅된 기판, 실리콘 산화막이 코팅된 기판, 또는 고분자 기판일 수 있다.
상기 기판(10)의 태양광이 입사되는 면에는 입사되는 태양광의 반사 손실을 최소화하도록 반사 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 반사 방지막은 MgF2를 포함할 수 있다.
상기 도전층(20)은 투명한 전도성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 투명 전도성 산화물(TCO: Transparent Conductive Oxide)을 포함한다. 상기 투명 전도성 산화물은 입사면으로 입사된 태양광을 산란시키기 위해 거친 표면을 갖도록 형성될 수 있다. 이를 위해, 상기 투명 전도성 산화물을 텍스쳐링(texturing)할 수 있고, 상기 텍스쳐링 방법으로는 CVD(Chemical Vapor Deposition)를 이용한 직접 증착법, 스퍼터링 후 화학적 에칭법 등이 있다.
구체적으로 상기 투명 전도성 산화물은 인듐 틴 옥사이드(ITO: Indium Tin Oxide), 산화아연(ZnO), 산화규소(SiO2), 플루오르로 도핑된 이산화주석(SnO2:F) 또는 알루미늄으로 도핑된 산화아연(ZnO:Al) 등을 포함할 수 있다.
상기 도전층(20)은 RF 스퍼터링(RF sputtering) 방법을 이용하여 산화아연을 타겟으로 증착하는 방법, 아연 금속을 이용한 리액티브 스퍼터링(reactive sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 이때 상기 스퍼터링법은 높은 운동에너지를 갖는 입자 즉, 전압차에 의해 가속화된 이온을 타겟(target)에 충돌시켜 상기 타겟으로부터 증착할 물질을 스퍼터하고, 스퍼터된 물질을 기판 상에 증착하는 방법을 말한다.
상기 시드(30)는 상기 도전층(20) 상에 섬 모양으로 형성된다. 상기 시드(30)는 산화아연계 금속산화물일 수 있고, 이에 더하여 금속산화물에 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In), 인(P) 또는 마그네슘(Mg)의 금속 불순물을 첨가할 수 있다. 상기 시드(30)는 스퍼터링(sputtering)법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 시드(30)를 산화아연으로 형성하는 경우, 상기 시드(30)를 형성하기 위한 타겟은 아연 산화물일 수 있다.
상기 나노 구조물(40)은 촉매를 사용한 VLS(Vapor Liquid Solid)법, 촉매를 사용하지 않는 VS법, PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)법, 펄스 레이저 증착법(PLD: Pulsed Laser Deposition), 또는 MOVPE(MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy)법 등을 이용하여 상기 시드(30) 상에 형성된다.
상기 나노 구조물(40)은 나노 막대, 나노 와이어 등의 형태일 수 있다. 상기 나노 구조물(40)은 산화아연계 금속 산화물일 수 있다. 또한 상기 나노 구조물(40)은 금속 불순물을 첨가하여 형성될 수 있고, 상기 금속 불순물은 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In), 인(P) 또는 마그네슘(Mg)일 수 있다. 상기 금속 불순물은 증착 물질의 변형량을 증가시켜 상기 나노 구조물(40)이 막대 또는 와이어 형태로 성장할 수 있도록 한다.
상기 나노 구조물(40)은 입사된 태양광의 반사를 방지하는 반사 방지 기능과 함께, 입사된 태양광을 축적하는 "빛함정" 기능도 갖는다.
상기 나노 구조물(40)의 형성 후 플라즈마 처리를 함으로써, 상기 도전층(20) 및 상기 나노 구조물(40)의 전기적 및 광학적 특성을 향상시켜 상기 태양전지(1)의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 도 1에는 하나의 시드(30)에 네 개의 나노 구조물(40)(이 중 두 개는 단면상에 도시되지 않음)이 성장되는 것으로 도시하였으나, 하나의 시드에 성장되는 나노 구조물의 수는 실시형태에 따라 변경될 수 있다.
도시되지 않았지만, 상기 나노 구조물(40)을 따라 버퍼층을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층으로는 ZnS, CdS, ZnSe, InS, InOOH 및 ZnOOH 중 어느 하나일 수 있고, CBD(Chemical Bath Deposition)법 또는 RF 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(50)은 상기 도전층(20) 및 상기 나노 구조물(40)을 커버하도록 구비된다. 상기 제1 도전형 반도체층(50)은 P형 반도체층이고, 구체적으로 비결정질 실리콘에 붕소(B) 또는 비소(As)를 도핑하여 정공(hole)의 개수가 증가하도록 형성될 수 있다. 도 1에서 상기 제1 도전형 반도체층(50)은 상기 나노 구조물(40)의 외형을 따라 실질적으로 동일한 두께의 막 형태로 형성되었으나, 실시형태에 따라 상기 제1 도전형 반도체층(50)은 상기 나노 구조물(40) 사이의 공간을 메우는 모양으로 형성될 수 있다.
이때, 가능한 태양광 에너지의 손실 없이 상기 진성 반도체층(60)에서 광전효과를 일으킬 수 있도록 상기 제1 도전형 반도체층(50)의 밴드갭 에너지는 상기 진성 반도체층(60)의 밴드갭 에너지보다 큰 것이 바람직하다. 상기 제1 도전형 반도체층(50)의 밴드갭 에너지가 상기 진성 반도체층(60)의 밴드갭 에너지보다 크도록 하기 위하여 상기 제1 도전형 반도체층(50)에는 수소화물(hydride), 탄소(C) 등이 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(50)은 P형인 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)이다.
도시되지 않았지만, 상기 제1 도전형 반도체층(50) 상에는 계면 특성을 향상시키기 위해 버퍼층을 삽입할 수 있다.
상기 진성 반도체층(60)은 상기 제1 도전형 반도체층(50) 상에 구비되는데, 상기 제1 도전형 반도체층(50)의 단차가 상기 진성 반도체층(60)의 상면에 나타내지 않도록 상부가 평탄하게 형성될 수 있다. 상기 진성 반도체층(60)은 전자와 정공의 개수가 거의 비슷한 상태의 실리콘으로 형성되는데, 예를 들어 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)이다.
상기 진성 반도체층(60)은 태양광을 받으면, 상기 진성 반도체층(60)을 구성하는 실리콘 원자가 광 에너지를 흡수한다. 상기 실리콘 원자가 광 에너지를 흡수하면, 상기 실리콘 원자의 최외곽 전자는 여기되어 자유전자가 된다.
상기 제2 도전형 반도체층(70)은 상기 진성 반도체층(60) 상에 구비된다. 상기 제2 도전형 반도체층(70)은 N형 반도체층이고, 구체적으로 비정질 실리콘에 인(P)을 도핑하여 전자(electron)의 개수가 증가하도록 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 제2 도전형 반도체층(70)은 N형인 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)이다.
상기 반도체층들(50, 60, 70)은 SiH4와 H2 가스를 이용한 PECVD법을 사용하여 형성할 수 있고, 물질의 특성을 향상시키고 안정성을 높이기 위해 photo-CVD, 열선 CVD 등 다양한 증착 방법이 사용될 수 있다.
상기 반도체층들(50, 60, 70)에 비정질 실리콘을 사용할 경우, 비정질 실리콘 자체의 특성으로 인해 캐리어의 확산 거리(diffusion length)가 결정질 실리콘에 비해 매우 낮다. 따라서 도 1에 도시된 바와 같이, 불순물이 첨가되지 않은 진성 반도체층을 광 흡수층으로 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(50, 70) 사이에 삽입하였다. 이 경우, 상기 진성 반도체층(60)은 상부와 하부에 위치하고 높은 도핑 농도를 갖는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(50, 70)에 의해 공핍(depletion)이 되며, 내부에 전기장이 발생된다. 따라서 상기 진성 반도체층(60)에서 태양광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산(diffusion)이 아닌 상기 내부 전기장에 의해 드리프트(drift)하여 전류를 발생한다.
이상에서, 태양전지의 기본 구조로 P-I-N 구조에 대해 설명하였지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 N-I-P 구조, 즉 상기 도전층(20) 상에 상기 제2 도전형 반도체층(70)이 형성된 후 상기 진성 반도체층(60) 및 상기 제1 도전형 반도체층(50)이 형성되는 구조로 형성될 수 있다. 다만, N-I-P 구조의 경우 태양광이 P쪽에서 입사되는 점을 감안할 때, 도 1과 달리 태양광은 상기 기판(10)의 반대쪽에서 입사되므로 이 경우 상기 기판(10)은 반드시 유리와 같은 투명한 재질로 할 필요가 없으며, 실리콘이나 금속 재질 등과 같이 반투명 또는 불투명 기판도 사용가능하다.
상기 제1 전극(80)은 상기 제2 도전형 반도체층(70) 상에 구비된다. 상기 제1 전극(80)은 전극으로 사용되는 어떤 금속일 수 있으나, 예를 들어, 상기 기판(10)에서 입사되어 상기 반도체층들을 투과한 광을 상기 기판(10) 측으로 되반사하기 위해 광 반사율이 높은 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 제1 전극(80)은 Ag, Al, ZnO/Ag, 또는 ZnO/Al 등을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극(90)은 평면상에서 상기 제1 전극(80)과 이격되어 상기 도전층(20) 상에 구비된다. 상기 제2 전극(90)은 상기 제1 전극(80)과 반대극으로 기능한다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1의 태양전지(1)를 제조하는 방법을 도시한 사시도이다.
도 2a를 참고하면, 먼저 투명한 상기 기판(10) 상에 투명한 전도성 물질을 포함하는 상기 도전층(20)을 형성한다. 상기 설명된 바와 같이, 상기 도전층(20)은 RF 스퍼터링법을 이용하여 산화아연을 타겟으로 증착하는 방법, 아연 금속을 이용한 리액티브 스퍼터링법 또는 MOCVD법 등을 이용하여 형성될 수 있다. 이후, 상기 도전층(20) 상에 섬 모양으로 상기 시드(30)를 형성한다.
도 2b를 참고하면, 상기 시드(30)를 형성한 후, 상기 시드(30) 상에 상기 나노 구조물(40)을 성장시킨다. 상기한 바와 같이, 상기 나노 구조물(40)은 촉매를 사용한 VLS법, 촉매를 사용하지 않는 VS법, PECVD법, 펄스 레이저 증착법, 또는 MOVPE법 등을 이용하여 형성될 수 있다.
다음, 도 2c를 참고하면, 상기 도전층(20) 및 상기 나노 구조물(40)을 커버하도록 상기 제1 도전형 반도체층(50)이 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 단면상으로 볼 때 상기 제1 도전형 반도체층(50)은 상기 나노 구조물(40)의 외형을 따라 실질적으로 동일한 두께의 막 형태로 형성되었으나, 상기 제1 도전형 반도체층(50)이 형성되는 모양은 실시형태에 따라 다를 수 있다.
도 2d를 참고하면, 상기 제1 도전형 반도체층(50) 상에는 상기 진성 반도체층(60)을 형성하고, 상기 진성 반도체층(60) 상에는 상기 제2 도전형 반도체층(70)을 형성한다. 도면을 간단히 하여 발명의 이해를 돕기 위해, 상기 제1 도전형 반도체층(50) 내부에 포함된 상기 시드(30) 및 상기 나노 구조물(40)는 도 2d에 도시되지 않았다.
도시된 바와 같이, 상기 진성 반도체층(60)은 상기 제1 도전형 반도체층(50)의 단차가 상기 진성 반도체층(60)의 상면에 나타내지 않도록 상부가 평탄하게 형성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 상기 반도체층들(50, 60, 70)은 SiH4와 H2 가스를 이용한 PECVD법을 사용하여 형성할 수 있고, 물질의 특성을 향상시키고 안정성을 높이기 위해 photo-CVD, 열선 CVD 등 다양한 증착 방법이 사용될 수 있다.
마지막으로, 도 2e를 참고하면, 상기 제1 전극(80)을 상기 제2 도전형 반도체층(70) 상에 형성하고, 상기 제2 전극(90)을 상기 제1 전극(80)과 이격되게 상기 도전층(20) 상에 형성한다.
도시되지 않았지만, 태양전지 제조 공정의 최종 단계에서 상기 기판(10)은 상기 도전층(20)으로부터 제거될 수 있다. 이 경우, 상기 기판(10)으로 인해 차광되는 광, 예를 들어 자외선을 상기 도전층(20)이 직접 흡수할 수 있으므로, 태양광의 흡수율을 높일 수 있고, 플렉서블한 태양전지를 제조하는데 유용할 수 있다.
또한, 이러한 방법은 실리콘을 나노선으로 성장시키면서 PIN 다이오드를 제작하여 태양전지를 제조하는 방법 또는 PIN 구조의 다이오드를 제작한 후 에칭을 통하여 태양전지를 제조하는 방법에 비하여, 투명한 전도성을 가지는 산화물계 나노선을 이용하여 반사방지막 나노구조를 제작하고 이를 템플레이트로 이용하여 실리콘 나노선 PIN 다이오드를 제작하는데 특징이 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니고, 하기의 특허 청구의 범위 및 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 태양전지 10: 기판
20: 도전층 30: 시드
40: 나노 구조물 50: 제1 도전형 반도체층
60: 진성 반도체층 70: 제2 도전형 반도체층
80: 제1 전극 90: 제2 전극

Claims (20)

  1. 복수의 나노 구조물이 형성된 기판;
    상기 나노 구조물들을 커버하는 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 구비된 진성 반도체층; 및
    상기 진성 반도체층 상에 구비된 제2 도전형 반도체층을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 상기 나노 구조물들의 외형을 따라 막 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 진성 반도체층은 상면에 상기 제1 도전형 반도체층의 단차가 나타나지 않도록 평탄하게 구비되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 나노 구조물들 사이에 구비된 도전층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도전층은 투명 전도성 산화물인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 도전층 상에 구비되어 상기 나노 구조물들을 성장시키는 복수의 시드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나노 구조물들은 상기 시드들 중 하나의 시드에 네 개의 나노 구조물이 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 투명한 재질의 유리 또는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조물들은 나노 막대 또는 나노 와이어 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 P형인 수소화된 비정질 실리콘층이고, 상기 진성 반도체층은 수소화된 비정질 실리콘 층이며, 상기 제2 도전형 반도체 층은 N형인 수소화된 비정질 실리콘층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. 복수의 나노 구조물이 형성된 기판을 제공하는 단계;
    상기 나노 구조물들을 커버하도록 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 진성 반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 진성 반도체층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계을 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 상기 나노 구조물들의 외형을 따라 막 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 진성 반도체층은 상면에 상기 제1 도전형 반도체층의 단차가 나타나지 않도록 평탄하게 구비되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 기판과 상기 나노 구조물들 사이에 도전층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 도전층은 투명 전도성 산화물인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 도전층 상에 상기 나노 구조물들을 성장시키는 복수의 시드를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 나노 구조물들은 상기 시드들 중 하나의 시드에 네 개의 나노 구조물이 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 투명한 재질의 유리 또는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 나노 구조물들은 나노 막대 또는 나노 와이어 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 P형인 수소화된 비정질 실리콘층이고, 상기 진성 반도체층은 수소화된 비정질 실리콘 층이며, 상기 제2 도전형 반도체 층은 N형인 수소화된 비정질 실리콘층인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
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