KR20120009838A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 특징은 태양전지의 제 1 전극을 FTO로 이루어지는 제 1 TCO층과 ZnO로 이루어지는 제 2 TCO층의 이중층으로 형성하는 것이다.
이를 통해, 태양전지 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시켜, 광 포획 능력을 향상시킴으로써, 태양전지의 효율을 향상시키게 된다.
또한, 다양한 파장대(장파장, 단파장)의 광이 태양전지 내부로 입사되도록 할 수 있으므로, 보다 넓은 영역에서 태양광을 회절시킬 수 있어 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있으며, 뾰족한 산 모양의 제 1 TCO층 상부에 나노사이즈의 제 2 TCO층을 더욱 형성함으로써, 제 1 전극 상부에 형성되는 반도체층의 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, ZNO로 이루어지는 제 2 TCO층에 의해 플라즈마에 의해 제 1 전극이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 특징은 태양전지의 제 1 전극을 FTO로 이루어지는 제 1 TCO층과 ZnO로 이루어지는 제 2 TCO층의 이중층으로 형성하는 것이다.
이를 통해, 태양전지 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시켜, 광 포획 능력을 향상시킴으로써, 태양전지의 효율을 향상시키게 된다.
또한, 다양한 파장대(장파장, 단파장)의 광이 태양전지 내부로 입사되도록 할 수 있으므로, 보다 넓은 영역에서 태양광을 회절시킬 수 있어 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있으며, 뾰족한 산 모양의 제 1 TCO층 상부에 나노사이즈의 제 2 TCO층을 더욱 형성함으로써, 제 1 전극 상부에 형성되는 반도체층의 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, ZNO로 이루어지는 제 2 TCO층에 의해 플라즈마에 의해 제 1 전극이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높이지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열전지와 반도체의 성질을 이용하여 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양 광 전지로 나눌 수 있다.
그 중에서도 광을 흡수하여 생성된 p형 반도체의 전자와 n형 반도체의 정공이 전기에너지로 변환하는 태양 광 전지(이하, 태양전지라 함.)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도이며, 도 2는 태양전지의 투명전극의 표면을 확대 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 태양전지(10)는 서로 마주하는 전극(11, 13) 사이에 p형 반도체층(15)과 n형 반도체층(17)으로 구성된 p-n 접합 반도체층의 구조로서 이루어지고 있다.
이러한 태양전지(10)의 전극(11, 13)에 발광부로서 전구를 연결하고 태양전지(10)를 태양광 등의 광원에 노출하면, n형 반도체층(17)과 p형 반도체층(15)을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생한다.
이와 같이, 광기전력 효과에 의해 발생된 기전력으로 태양전지(10)에 전기적으로 접속된 전구가 점등될 수 있다.
한편, 이러한 태양전지(10)는 외부의 광원으로부터 보다 효율적으로 광을 p-n 접합 반도체층(15, 17) 내부로 받아들이도록 하기 위해, 광원을 향하는 방향에 위치하는 전극(11)을 요철형상의 투명한 재질로 이루어진다.
여기서, 투명전극(11)은 주로 불소(F)가 도핑된 SnO2(이하, FTO라 함)를 이용하여 형성하는데, 이러한 FTO 투명전극(11)의 요철형상은 대기압 화학기상증착법(Atmospheric chemical vapor deposition : CVD)을 통해서 형성할 수 있는데, 대기압 화학기상증착법을 통해서 형성하는 FTO 투명전극(11)의 요철형상은 도 2에 도시한 바와 같이 매우 날카로운 뾰족한 산 모양으로 형성된다.
이러한 FTO 투명전극(11)의 요철형상은 그 형태 및 크기를 제어하기 매우 어려운 실정으로, 광경로 증가에 한계를 나타내며, 이렇게 FTO 투명전극(11)이 날카로운 뾰족한 산 모양으로 형성될 경우, FTO 투명전극(11) 상에 p-n 접합 반도체층을 형성하는 과정에서, p-n 접합 반도체층의 크랙(creak) 등을 발생시키게 되는 문제점이 있다.
또한, FTO 투명전극(11)의 경우, FTO 투명전극(11) 상에 p-n 접합 반도체층을 형성하는 과정에서 발생하는 플라즈마에 취약한 특성을 가져, 손상이 발생할 수 있다. 이를 통해 태양전지(10)의 효율이 낮아지고, 불량을 유발할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, p-n 접합 반도체층의 크랙이 발생하는 것을 방지하고자 하는 것을 제 1 목적으로 하며, 투명전극의 손상이 발생하는 것을 방지하고자 하는 것을 제 2 목적으로 한다.
이를 통해, 태양전지의 효율을 향상시키고자 하는 것을 제 3 목적으로 한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 절연기판과; 상기 절연기판의 광이 입사되는 일면에 형성되며 산과 골이 반복되는 산 모양의 제 1 TCO층과, 상기 제 1 TCO층의 산 모양의 표면을 따라 나노사이즈의 산과 골이 반복되는 산 모양의 제 2 TCO층으로 이루어지는 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상에 형성되는 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성되는 제 2 전극을 포함하며, 상기 제 2 TCO층은 ZnO로 이루어지는 태양전지를 제공한다.
이때, 상기 제 1 TCO층은 불소(F)가 도핑된 SnO2(=FTO)이며, 상기 제 2 TCO층은 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 붕소(B) 중 선택된 하나가 도핑된다.
그리고, 상기 제 1 TCO층을 통해 650 ~ 1100nm의 장파장의 광을 회절시키며, 상기 제 2 TCO층을 통해 350 ~ 650nm의 단파장의 광을 회절시키며, 상기 반도체층은 n형 반도체층과 p형 반도체층 그리고 순수 비정질 실리콘층으로 이루어진다.
여기서, 상기 제 2 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어진다.
또한, 본 발명은 절연기판의 일측면에 불소(F)가 도핑된 SnO2(=FTO)를 대기압 화학기상증착법을 통해 증착하여, 제 1 TCO층을 형성하는 단계와; 상기 제 1 TCO층 상부에 ZnO를 스퍼터링 방법을 통해 증착하여, 제 2 TCO층을 형성하는 단계와; 상기 제 2 TCO층 상에 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층 상에 금속물질을 증착하고 패터닝하여 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 제 1 TCO층은 그 표면이 산과 골이 반복되는 산 모양으로 형성되며, 상기 제 2 TCO층은 상기 제 1 TCO층의 산 모양의 표면을 따라 나노사이즈의 산과 골이 반복되는 산 모양으로 형성되며, 상기 p-n 접합 반도체층을 형성하는 단계는, 상기 제 2 TCO 층 상부로 n형 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 n형 반도체층 상부로 p형 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 p형 반도체층과 상기 n형 반도체층 사이에 순수 비정질 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어진다.
위에 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 태양전지의 제 1 전극을 FTO로 이루어지는 제 1 TCO층과 ZnO로 이루어지는 제 2 TCO층의 이중층으로 형성함으로써, 이를 통해, 태양전지 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시켜, 광 포획 능력을 향상시킴으로써, 태양전지의 효율을 향상시키게 되는 효과가 있다.
또한, 다양한 파장대(장파장, 단파장)의 광이 태양전지 내부로 입사되도록 할 수 있으므로, 보다 넓은 영역에서 태양광을 회절시킬 수 있어 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 뾰족한 산 모양의 제 1 TCO층 상부에 나노사이즈의 제 2 TCO층을 더욱 형성함으로써, 제 1 전극 상부에 형성되는 반도체층의 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, ZnO로 이루어지는 제 2 TCO층에 의해 플라즈마에 의해 제 1 전극이 손상되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도.
도 2는 태양전지의 투명전극의 표면을 확대 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 제 1 전극을 확대 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광효율이 향상되는 원리를 개략적으로 도시한 개략도.
도 6a ~ 6b는 일반적인 투명전극과 본 발명의 제 1 전극이 형성된 모습을 비교하여 나타낸 사진.
도 7a ~ 7e 및 도 8a ~ 8e는 플라즈마 처리에 따른 일반적인 투명전극과 본 발명의 제 1 전극의 투과율을 비교하여 나타낸 사진.
도 9a ~ 9d는 본 발명에 따른 태양전지의 제조 단계별 공정단면도.
도 2는 태양전지의 투명전극의 표면을 확대 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 제 1 전극을 확대 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광효율이 향상되는 원리를 개략적으로 도시한 개략도.
도 6a ~ 6b는 일반적인 투명전극과 본 발명의 제 1 전극이 형성된 모습을 비교하여 나타낸 사진.
도 7a ~ 7e 및 도 8a ~ 8e는 플라즈마 처리에 따른 일반적인 투명전극과 본 발명의 제 1 전극의 투과율을 비교하여 나타낸 사진.
도 9a ~ 9d는 본 발명에 따른 태양전지의 제조 단계별 공정단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 4는 도 3의 제 1 전극을 확대 도시한 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(100)는 크게 절연기판(101), 반도체층(140) 그리고 제 1 및 제 2 전극(120, 130)으로 이루어진다.
이에 대해 자세히 살펴보면, 태양전지(100)는 투명한 절연기판(101)과, 태양광 등의 광이 입사되는 일면을 절연기판(101)의 하부면이라 정의하면, 절연기판(101)의 하부면에 제 1 전극(120)을 포함한다.
여기서, 제 1 전극(120)은 절연기판(101)의 하부면으로부터 입사되는 태양광 등의 광의 투과를 위해 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide : TCO)로 형성된다.
이때, 도 4를 참조하면 본 발명의 제 1 전극(120)은 FTO로 이루어지는 제 1 TCO층(120a)과 ZnO로 이루어지는 제 2 TCO층(120b)의 이중층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, ZnO에는 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 붕소(B) 중 선택된 하나가 도핑되어, GZO, AZO, BZO를 이룰 수 있다.
제 1 TCO층(120a)과 제 2 TCO층(120b)으로 이루어지는 제 1 전극(120)은 표면이 올록볼록한 요철형상으로 형성되는데, 제 1 TCO층(120a)이 산과 골이 반복되는 뾰족한 산 모양으로 형성되며, 제 2 TCO층(120b)은 제 1 TCO층(120a)의 뾰족한 산 모양의 표면을 따라 제 1 TCO층(120a)의 산 모양에 비해 그 크기가 작은 형태 즉, 나노사이즈의 산과 골이 반복되는 뾰족한 산 모양으로 형성된다.
따라서, 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시키게 된다. 이를 통해, 태양전지(100) 내부로 집광되어 입사되는 광이 태양전지(100) 내부에서 긴 시간 머무르게 한다.
이는, 태양전지(100)의 광 포획 능력을 향상시키는 것으로써, 이렇게 태양전지(100)로 입사되는 광량을 증가시키고, 광 포획 능력을 향상시킴으로써, 태양전지(100)의 효율이 향상된다.
그리고, 이러한 제 1 전극(120)은 제 1 TCO층(120a)과 제 2 TCO층(120b)을 통해 다양한 파장대(장파장, 단파장)의 광이 태양전지(100) 내부로 회절되도록 할 수 있으므로, 보다 넓은 영역에서 태양광을 회절 할 수 있어 태양전지(100)의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 전극(120)은 뾰족한 산 모양의 제 1 TCO층(120a) 상부에 나노사이즈의 제 2 TCO층(120b)을 더욱 형성함으로써, 제 1 전극(120)의 요철형상은 기존의 FTO 투명전극(도 2의 11)에 비해 날카로운 형상이 완화되어, 제 1 전극(120) 상부에 형성되는 반도체층(140)의 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 반도체층(140)과 접촉하게 되는 제 2 TCO층(120b)은 플라즈마에 대한 특성이 우수한 ZnO로 형성함에 따라, 제 1 전극(120) 상에 반도체층(140)을 형성하는 과정에서 발생하는 플라즈마에 의해 제 1 전극(120)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 제 1 전극(120)의 상부에는 앞서 전술한 바와 같이 반도체층(140)이 위치하는데, 반도체층(140)은 n+형 불순물을 포함하는 n형 반도체층(140a)과 p+형 불순물을 포함하는 p형 반도체층(140b)로, n형 반도체층(140a)과 p형 반도체층(140b) 사이에는 순수 비정질 실리콘층(140c)이 형성된다.
이때, 반도체층(140) 내의 전자들이 비대칭적으로 존재해야 한다. 즉, 반도체층(140)에서 n형 반도체층(140a)은 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지고, p형 반도체층(140b)은 작은 전자밀도와 큰 정공밀도를 갖는다.
그리고, 반도체층(140)은 요철형상으로 형성되는 제 1 전극(120) 상에 순차적으로 증착되어 형성됨에 따라, 제 1 전극(120)과 동일하게 요철형상으로 형성된다.
이때, 반도체층(140)은 제 2 TCO층(120b)에 의해 제 1 전극(120)의 뾰족한 산 모양이 완화되어 구성됨에 따라, 반도체층(140)의 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 이러한 반도체층(140)의 상부에는 반사특성이 우수한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 일명 배면전극이라 하는 제 2 전극(130)이 형성된다.
이러한 태양전지(100)가 태양광 등의 광에 노출되면, n형 반도체층(140a)과 p형 반도체층(140b)을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생한다.
이렇게 발생된 기전력에 의해 제 1 전극(120)과 제 2 전극(130) 사이에 전위차를 발생시키게 되어, 태양전지(100)를 충전시키게 된다.
이때, 태양전지(100)로 입사되어 반도체층(140)을 통과한 광은 제 2 전극(130)에 의해 반사되어 반도체층(140)으로 재입사됨에 따라, 기전력이 더욱 커지게 된다.
여기서, 태양전지(100)의 동작원리에 대해 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다.
앞서 전술한 바와 같이, 반도체층(140) 내의 전자들이 비대칭적으로 존재하는데, 열적 평형상태에서 n형 반도체층(140a)과 p형 반도체층(140b)의 접합으로 이루어진 반도체층(140) 내에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배(句配)에 의한 확산으로 전하의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성된다.
이에, 반도체층(140) 내부로, 반도체층(140)을 이루는 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드 갭 에너지(band gap energy) 보다 큰 에너지를 갖는 광이 조사되었을 경우, 광 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite) 되며, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 된다.
또한, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다.
이렇게 생성된 자유전자와 정공을 과잉(excess) 캐리어라고 하며, 과잉 캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이에 의해서 확산하게 된다.
이때, 과잉 캐리어 즉, p형 반도체층(140b)에서 여기된 전자들과 n형 반도체층(140a)에서 만들어진 정공을 각각의 소수 캐리어(minority carrier)라 정의되며, 기존 접합 전의 n형 또는 p형 반도체층(140a, 140b)내의 캐리어(즉, p형의 정공 및 n형의 전자)는 이와 구분해 다수 캐리어(majority carrier)라 정의된다.
이때, 다수 캐리어들은 전기장으로 인한 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만, p형 반도체층(140b)의 소수캐리어인 전자는 n형 반도체층(140a)으로 이동할 수 있게 된다.
따라서, 소수캐리어의 확산에 의해 반도체층(140) 내부에 전압차(potential difference)가 생기게 되며, 반도체층(140) 양측에 위치하는 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(130)을 외부회로에 연결하여 기전력을 활용함으로써, 이들 반도체층(140)을 전지로서 사용하게 되는 것이다.
이에, 태양전지(100) 내부로 많은 광이 입사되고, 입사된 광의 경로를 향상시키게 되면, 태양전지(100)의 광 흡수율을 높이게 됨으로써 에너지 변환효율이 향상되고, 이를 통해 반도체층(140) 내부의 전압차(potential difference)가 더욱 커지게 됨으로써, 태양전지(100)의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(100)는 요철형상으로 형성되는 제 1 전극(120)을 통해, 태양전지(100)의 효율이 향상된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광효율이 향상되는 원리를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(100)는 요철형상으로 형성되는 제 1 전극(120)을 통해, 집광에 의해 태양전지(100) 내부로 광이 흡수되는 비율이 증가된다.
특히, 제 1 전극(120)이 제 1 TCO층(120a)과 제 2 TCO층(120b)의 이중층 구조로 형성됨에 따라, 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시키게 됨으로써, 태양전지(100)의 광 포획 능력을 향상시키게 된다.
따라서, 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다.
또한, 본 발명의 제 1 전극(120)은 뾰족한 산 모양의 제 1 TCO층(120a)의 표면에 제 1 TCO층(120a)의 산 모양에 비해 작은 형태인 나노사이즈의 산 모양으로 제 2 TCO층(120b)을 형성함으로써, 다양한 파장의 광을 태양전지(100) 내부로 회절되도록 할 수 있다.
즉, 제 1 TCO층(120a)의 뾰족한 산 모양의 요철형태를 통해 장파장의 광을 태양전지(100) 내부로 회절시키게 되고, 나노사이즈의 산 모양으로 구성되는 제 2 TCO층(120b)을 통해서는 단파장의 광을 태양전지(100) 내부로 회절시키게 된다.
여기서, 제 1 TCO층(120a)은 대략 650 ~ 1100nm의 장파장 영역의 광을 회절시키고, 제 2 TCO층(120b)은 대략 350 ~ 650nm의 단파장 영역의 광을 회절시킨다.
따라서, 본 발명의 태양전지(100)는 보다 넓은 영역의 태양광이 내부로 입사되도록 할 수 있어, 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시키게 됨으로써, 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다.
도 6a ~ 6b는 일반적인 투명전극과 본 발명의 제 1 전극이 형성된 모습을 비교하여 나타낸 사진이며, 도 7a ~ 7e 및 도 8a ~ 8e는 플라즈마 처리에 따른 일반적인 투명전극과 본 발명의 제 1 전극의 투과율을 비교하여 나타낸 사진이다.
여기서, 도 6a는 FTO로 이루어지는 일반적인 투명전극(도 2의 11)의 모습이며, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 제 1 전극(=투명전극 : 도 5의 120)의 모습이다.
도 6a를 보면, 투명전극(도 2의 11)은 대기압 화학기상증착법을 통해 증착하는 과정에서, 뾰족한 산 모양의 요철형상을 이루게 된다.
이때, 일반적인 투명전극(도 2의 11)의 요철형상은 매우 날카롭게 형성되는 것을 알 수 있다.
이렇게, 투명전극(도 2의 11)의 요철형상이 날카롭게 형성될 경우, 투명전극(도 2의 11) 상에 반도체층(도 1의 15, 17)을 형성하는 과정에서, 반도체층(도 1의 15, 17)의 크랙(creak) 등을 발생시키게 된다.
따라서, 태양전지(도 1의 10)의 불량을 야기하게 된다.
이에 반해, 도 6b를 보면 본 발명의 제 1 전극(도 5의 120)은 요철형상이 도 6a의 일반적인 투명전극(도 2의 11)에 비해 완화된 모습을 볼 수 있는데, 이는 날카로운 뾰족한 산 모양으로 형성되는 제 1 TCO층(도 5의 120a) 상부에 나노사이즈의 요철형상으로 형성되는 제 2 TCO층(도 5의 120b)이 더욱 형성됨으로써, 제 2 TCO층(도 5의 120b)을 통해 제 1 TCO층(도 5의 120a)의 날카로움을 완화시키기 때문이다.
따라서, 본 발명의 태양전지(도 5의 100)는 요철형상으로 형성되는 제 1 전극(도 5의 120)의 상부에 반도체층(도 5의 140a)을 형성하는 과정에, 반도체층(도 5의 140a)이 제 1 전극(도 5의 120)의 요철형상에 의해 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 TCO층(도 5의 120b)을 플라즈마에 대한 특성이 우수한 ZnO로 형성함으로써, 플라즈마에 의해 제 1 전극(120)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 기존의 투명전극(도 2의 11)은 FTO로 이루어지는데, FTO는 플라즈마에 취약한 특성을 갖는다. 따라서, 투명전극(도 2의 11) 상에 반도체층(도 2의 15, 17)을 형성하는 과정에서 발생하는 플라즈마에 의해 FTO로 이루어지는 투명전극(도 2의 11)이 손상되는 문제점이 발생된다.
여기서, 도 7a ~ 7e의 일반적인 FTO로 이루어지는 투명전극(도 2의 11)과 도 8a ~ 8e의 본 발명의 실시예에 따른 제 1 전극(120)의 사진을 각각 비교하면, 도 7a ~ 7e의 일반적인 FTO로 이루어지는 투명전극(도 2의 11)은 도 8a ~ 8e의 본 발명의 실시예에 따른 제 1 전극(120)에 비해 투과율이 저하되는 모습을 확인할 수 있다.
이는, FTO로 이루어지는 투명전극(도 2의 11)이 플라즈마에 의해 손상되었음을 알 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 제 1 전극(120)은 FTO로 이루어지는 제 1 TCO층(120a) 상부에 ZnO로 이루어지는 제 2 TCO층(120b)을 더욱 형성함으로써, 플라즈마에 의해 손상이 발생하지 않음을 알 수 있다.
또한, FTO로 이루어지는 투명전극(도 2의 11)은 반도체층(도 2의 15, 17)과의 접촉 특성 또한 좋지 않은 단점을 갖는다.
즉, FTO로 이루어지는 투명전극(도 2의 11)의 경우 수소와 산소에 많이 취약한 특징을 갖는다. 이로 인해 투명전극(도 2의 11)의 표면에서 산소의 환원작용이 발생하여 전위를 포함하는 다량의 결함들이 생기게 된다.
이에, 투명전극(도 2의 11)과 반도체층(도 2의 15, 17)의 접촉저항을 증가시키게 된다.
결과적으로 투명전극(도 2의 11)과 반도체층(도 2의 15, 17) 사이의 접촉저항 증가에 의해 전자가 반도체층(도 2의 15, 17)을 통해 상대전극으로 이동하지 못하고 정공들과 재결합을 일으키며 결국 태양전지(도 1의 10)의 광기전력 효과를 감소시키게 된다.
이에 반해, 본 발명의 태양전지(도 5의 100)는 FTO로 이루어지는 제 1 TCO층(도 5의 120a) 상부에 플라즈마에 대한 특성이 우수한 ZnO로 이루어지는 제 2 TCO층(도 5의 120b)을 형성함으로써, 제 1 전극(도 5의 120) 상에 반도체층(도 5의 140a)을 형성하는 과정에서 제 1 전극(도 5의 120)이 플라즈마에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, ZnO로 이루어지는 제 2 TCO층(도 5의 120b)은 반도체층(도 5의 140a)과의 접촉 특성이 FTO로 이루어지는 제 1 TCO층(도 5의 120a)에 비해 우수하므로, 제 1 전극(도 5의 120)과 반도체층(도 5의 140a)의 접촉 특성을 향상시키게 된다.
따라서, 반도체층(도 5의 140a)과 제 1 전극(도 5의 120) 사이의 접촉저항이 증가하는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 태양전지(도 5의 100)의 효율을 향상시키게 된다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지(도 5의 100)의 제조과정을 참조하여, 제 1 전극(도 5의 120)의 요철형상을 형성하는 방법에 대해 자세히 살펴보도록 하겠다.
도 9a ~ 9d는 본 발명에 따른 태양전지의 제조 단계별 공정단면도이다.
우선, 도 9a에 도시한 바와 같이, 투명한 절연기판(101) 예를 들면 유리기판 또는 플라스틱 기판 상에 투명 도전성 산화물(TCO : Transparent Conductive Oxide)의 제 1 TCO층(120a)을 형성하는데, 제 1 TCO층(120a)은 FTO를 대기압 화학기상증착법을 통해 전면 증착함으로써, 그 표면이 올록볼록한 요철형상을 이루게 된다.
이때, 제 1 TCO층(120a)의 요철형상은 뾰족한 산 모양으로 이루어 진다.
다음, 도 9b에 도시한 바와 같이, 제 1 TCO층(120a) 상부에 ZnO로 이루어지는 제 2 TCO층(120b)을 형성하여, 제 1 전극(120)을 형성한다.
이때, ZnO에는 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 붕소(B) 중 선택된 하나가 도핑될 수 있다.
제 2 TCO층(120b)은 제 1 TCO층(120a)의 뾰족한 산 모양의 표면을 따라 제 1 TCO층(120a)의 산 모양에 비해 그 크기가 작은 형태 즉, 나노사이즈의 산과 골이 반복되는 뾰족한 산 모양으로 형성된다.
이러한 제 2 TCO층(120b)은 증착(evaporation)이나 스퍼터링(sputtering)방법에 의해 형성된다.
이렇게, 제 1 전극(120)을 제 1 TCO층(120a)과 제 2 TCO층(120b)의 이중층으로 형성함으로써, 태양전지(도 5의 100) 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시키게 되며, 이를 통해, 태양전지(도 5의 100)로 입사되는 광량을 증가시키고, 광 포획 능력을 향상시킴으로써, 태양전지(도 5의 100)의 효율을 향상시키게 된다.
그리고, 제 1 TCO층(120a)과 제 2 TCO층(120b)을 통해 다양한 파장대(장파장, 단파장)의 광이 태양전지(도 5의 100) 내부로 입사되도록 할 수 있으므로, 보다 넓은 영역에서 태양광을 회절 할 수 있어 태양전지(도 5의 100)의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 전극(120)은 뾰족한 산 모양의 제 1 TCO층(120a) 상부에 나노사이즈의 제 2 TCO층(120b)을 더욱 형성함으로써, 제 1 전극(120)의 요철형상은 기존의 FTO 투명전극(도 2의 11)에 비해 날카로운 형상이 완화되어, 제 1 전극(120) 상부에 형성되는 반도체층(도 5의 140)의 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 반도체층(도 5의 140)과 접촉하게 되는 제 2 TCO층(120b)은 플라즈마에 대한 특성이 우수한 ZnO로 형성함에 따라, 제 1 전극(120) 상에 반도체층(도 5의 140)을 형성하는 과정에서 발생하는 플라즈마에 의해 제 1 전극(120)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
다음, 도 9c에 도시한 바와 같이, 제 2 TCO층(120b) 상부로 n형 불순물(140a)을 포함하는 반도체 물질을 증착하여 n형 반도체층(140a)을 기판(101)의 전면에 형성하고, 연속하여, n형 반도체층(140a) 위로 p형 불순물을 포함하는 반도체 물질을 증착하여 p형 반도체층(140b)을 기판(101) 전면에 형성한다.
이로써, 제 1 전극(120) 위로 p-n 접합 반도체층(140)을 형성하게 된다. 이때 p-n 접합 반도체층(140)은 p형 반도체층(140b)과 n형 반도체층(140a) 사이에 순수 비정질 실리콘층(140c)이 더욱 형성할 수도 있다.
이때, p-n 접합 반도체층(140)은 요철형상을 갖는 제 1 전극(120)의 단차를 따라 형성됨에 따라, p-n 접합 반도체층(140)은 제 1 전극(120)과 동일한 형태로 형성된다.
이후, 도 9d에 도시한 바와 같이, p-n 접합 반도체층(140) 상부로 금속물질 특히 반사특성이 우수한 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금(Al alloy)을 전면에 증착하고 이를 패터닝하여 제 2 전극(130)을 기판(101) 전면에 형성함으로써, 본 발명에 따른 태양전지(100)를 완성할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
100 : 태양전지, 101 : 절연기판
120 : 제 1 전극(120a : 제 1 TCO층. 120b : 제 2 TCO층)
130 : 제 2 전극
140 : 반도체층(140a : n형 반도체층, 140b : p형 반도체층, 140c : 순수 비정질 실리콘층)
120 : 제 1 전극(120a : 제 1 TCO층. 120b : 제 2 TCO층)
130 : 제 2 전극
140 : 반도체층(140a : n형 반도체층, 140b : p형 반도체층, 140c : 순수 비정질 실리콘층)
Claims (11)
- 절연기판과;
상기 절연기판의 광이 입사되는 일면에 형성되며 산과 골이 반복되는 산 모양의 제 1 TCO층과, 상기 제 1 TCO층의 산 모양의 표면을 따라 나노사이즈의 산과 골이 반복되는 산 모양의 제 2 TCO층으로 이루어지는 제 1 전극과;
상기 제 1 전극 상에 형성되는 반도체층과;
상기 반도체층 상에 형성되는 제 2 전극
을 포함하며, 상기 제 2 TCO층은 ZnO로 이루어지는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 TCO층은 불소(F)가 도핑된 SnO2(=FTO)인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 TCO층은 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 붕소(B) 중 선택된 하나가 도핑된 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 TCO층을 통해 650 ~ 1100nm의 장파장의 광을 회절시키며, 상기 제 2 TCO층을 통해 350 ~ 650nm의 단파장의 광을 회절시키는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 n형 반도체층과 p형 반도체층 그리고 순수 비정질 실리콘층으로 이루어지는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어지는 태양전지.
- 절연기판의 일측면에 불소(F)가 도핑된 SnO2(=FTO)를 대기압 화학기상증착법을 통해 증착하여, 제 1 TCO층을 형성하는 단계와;
상기 제 1 TCO층 상부에 ZnO를 스퍼터링 방법을 통해 증착하여, 제 2 TCO층을 형성하는 단계와;
상기 제 2 TCO층 상에 반도체층을 형성하는 단계와;
상기 반도체층 상에 금속물질을 증착하고 패터닝하여 제 2 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 태양전지 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 TCO층은 그 표면이 산과 골이 반복되는 산 모양으로 형성되며, 상기 제 2 TCO층은 상기 제 1 TCO층의 산 모양의 표면을 따라 나노사이즈의 산과 골이 반복되는 산 모양으로 형성되는 태양전지 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 p-n 접합 반도체층을 형성하는 단계는,
상기 제 2 TCO 층 상부로 n형 반도체층을 형성하는 단계와;
상기 n형 반도체층 상부로 p형 반도체층을 형성하는 단계
를 포함하는 태양전지 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 p형 반도체층과 상기 n형 반도체층 사이에 순수 비정질 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어지는 태양전지 제조방법.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN103606590A (zh) * | 2013-10-21 | 2014-02-26 | 溧阳市东大技术转移中心有限公司 | 一种太阳能电池的制造方法 |
-
2010
- 2010-07-21 KR KR1020100070612A patent/KR20120009838A/ko not_active Application Discontinuation
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| CN103606590A (zh) * | 2013-10-21 | 2014-02-26 | 溧阳市东大技术转移中心有限公司 | 一种太阳能电池的制造方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |