KR20120010919A - 박막 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 박막 태양전지는 셀의 입사면에 나노 크기의 금속입자를 배열하여 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 셀 내부로 흡수하거나 흡수된 태양광을 셀 내부에 가두어 둠으로써 광효율을 극대화하기 위한 것으로, 기판 위에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층 위에 차례대로 형성되며, 각각 비정질 실리콘층, 비정질 실리콘 게르마늄층 및 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 1 셀, 제 2 셀 및 제 3 셀; 및 상기 제 3 셀 위에 형성된 후면 반사층과 전극층을 포함하며, 상기 기판과 투명전극층 사이, 상기 제 1 셀과 제 2 셀 사이, 상기 제 2 셀과 제 3 셀 사이 중 적어도 하나의 사이에는 나노 크기의 금속입자가 배열되어 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 셀 내부로 흡수하는 것을 특징으로 한다.

Description

박막 태양전지{THIN FILM SOLAR CELL}
본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 크기를 갖는 금속입자를 활용하여 광효율을 극대화하도록 한 박막 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지(solar cell)는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 소자로서, p형 반도체와 n형 반도체의 접합(junction) 형태를 가지며 기본 구조는 다이오드(diode)와 동일하다.
이러한 태양전지의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
대부분 태양전지는 대면적의 pn 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 광전 에너지 변환(photovoltaic energy conversion)을 위해 태양전지가 기본적으로 갖춰야하는 조건은 p형 반도체 영역은 작은 전자밀도(electron density)와 큰 정공밀도(hole density)를 가지고 n형 반도체 영역은 큰 전자밀도와 작은 정공밀도를 가짐으로써, 반도체 구조 내에서 전자들이 비대칭적으로 존재해야 한다는 것이다. 따라서, 열적 평행 상태에서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배에 의한 확산으로 전하(charge)의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다. 이와 같은 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드 갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우에 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excitation)된다. 이때, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되며, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 과잉(excess) 캐리어라고 하며 상기 과잉 캐리어는 전도대 또는 가전자대 내에서 농도 차이에 의해 확산하게 된다. 이때, p형 반도체에서 여기된 전자들과 n형 반도체에서 만들어진 정공은 각각 소수 캐리어(minority carrier)라고 칭하며, 기존 접합 전의 p형 반도체 또는 n형 반도체 내의 캐리어(즉, p형 반도체의 정공 및 n형 반도체의 전자)는 소수 캐리어와 구분하여 다수 캐리어(majority carrier)라고 칭한다.
상기 다수 캐리어들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p형 반도체의 소수 캐리어인 전자는 n형 반도체 쪽으로 n형 반도체의 소수 캐리어인 정공은 p형 반도체 쪽으로 각각 이동할 수 있다. 상기 소수 캐리어의 확산에 의해 pn 접합 다이오드 내부에 전위 차(potential drop)가 생기게 되며, 상기 pn 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 태양전지로서 작용하게 된다.
상기와 같은 태양전지는 이에 사용되는 재료에 따라 크게 실리콘 계, 화합물 계, 유기물 계로 분류될 수 있다.
그리고, 실리콘 계 태양전지는 반도체의 상(phase)에 따라 세부적으로 단결정(single crystalline) 실리콘, 다결정(polycrystalline) 실리콘, 비정질(amorphous) 실리콘 태양전지로 분류된다.
또한, 태양전지는 반도체층의 두께에 따라 벌크(bulk)형 태양전지와 박막 태양전지로 분류되는데, 박막 태양전지는 반도체층의 두께가 수㎛ 내지 수십㎛ 이하의 태양전지이다.
이하, 도면을 참조하여 일반적인 박막 태양전지에 대해서 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도로써, 비정질 실리콘 박막 태양전지를 예를 들어 나타내고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 박막 태양전지는 기판(10), 상기 기판(10) 위에 형성된 투명전극층(11), 상기 투명전극층(11) 위에 형성되고 비정질 실리콘으로 이루어진 반도체층(12, 13, 14) 및 상기 반도체층(12, 13, 14) 위에 형성된 후면 반사(back reflector)층(15)과 전극층(16)으로 구성된다.
상기 투명전극층(11)은 외부로부터 기판(10)을 통해 입사된 태양광의 투과를 위하여 투명한 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO)을 재료로 하여 형성된다.
상기 반도체층(12, 13, 14)은 상기 투명전극층(11) 위에 형성된 p+형 실리콘층(12)과 상기 p+형 실리콘층(12) 위에 형성된 진성(intrinsic) 실리콘층(13) 및 상기 진성 실리콘층(13) 위에 형성된 n+형 실리콘층(14)을 포함한 pin구조를 가진다.
이와 같이 상기 진성 실리콘층(13)을 구성하는 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막은 물질 자체의 특성으로 인해 캐리어의 확산거리가 결정질 실리콘에 비해 매우 낮아 일반적으로 비정질 실리콘 박막 태양전지는 p+형 실리콘층(12)과 n+형 실리콘층(14) 사이에 불순물이 첨가되지 않은(intrinsic) 비정질 실리콘층(13)을 삽입하여 pin 구조를 갖는다.
이때, 상기 pin 구조에서는 태양광은 p+형 실리콘층(12)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘층(13)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘층(13)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 p+형 실리콘층(12)과 n+형 실리콘층(14)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 따라서 입사광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의해 이동(drift)하게 된다.
그런데, 일반적인 비정질 실리콘 박막 태양전지는 태양광에서 받은 에너지가 전류로 생성되지 못하고 손실되는 다양한 원인이 존재하여 광효율이 낮은 문제점이 있다.
도 2는 일반적인 박막 태양전지에 있어서, 태양광의 에너지가 손실되는 원인을 구분하여 나타내는 예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, ①은 태양광이 셀 외부로 빠져나가는 경우를 나타내며, ②와 같이 밴드 갭(Eg)보다 매우 큰 에너지로 전이될 경우 밴드 갭을 초과하는 에너지는 반도체 격자를 진동시키는 열(포논 발생)로 손실된다.
또한, ③ 및 ④와 같이 접합(junction), 전극-접촉에 의해 전압이 손실되며, ⑤와 같이 전자와 정공이 재결합하게 되면 태양광에 의해서 생성된 전류가 손실된다.
현재 상업용 박막 태양전지의 효율은 재료, 소자 구조에 따라 5% ~ 11% 수준이며 결정형 실리콘 태양전지와 가격측면에서 경쟁하고 있지만 앞으로 시장점유율이 증가될 것으로 예측된다.
이때, 단일층으로 이루어진 태양전지의 단점은 주어진 반도체 물질의 밴드 갭(Eg)보다 매우 큰 태양광 에너지(E)가 공급되면 그 에너지 차이(E-Eg)만큼 전력으로 변환되지 못하고, 열이나 다른 형태의 에너지로 소모되는 것이다. 예를 들어, 단결정 실리콘(Eg = 1.17eV)의 경우 이론적인 최고 효율은 33%이하일 것으로 예측되나 실제 셀 효율은 25% 수준이다. 그러나, 위쪽에서 아래쪽 방향으로 갈수록 밴드 갭이 감소되도록(예: Eg1 > Eg2 > Eg3) 셀을 적층(tandem) 한다면 위쪽 셀부터 짧은 파장의 빛을 흡수하도록 함으로써 각 셀에 대해서 밴드 갭을 초과하는 에너지 공급을 최소화하여 전체 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
도 3은 일반적인 적층 셀 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 적층 셀 구조의 박막 태양전지는 투명한 기판(10) 위에 태양광이 입사되는 방향으로부터 차례대로 투명전극층(11), 제 1 셀(I), 제 2 셀(II), 제 3 셀(III), 후면 반사층(15) 및 전극층(16)이 형성되어 3층으로 셀이 적층된 구조를 갖는다.
이때, 상기 제 1 셀(I)은 상대적으로 가장 큰 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되며, 투명전극층(11) 위에 차례대로 제 1 p+형 실리콘층(12a), 비정질 실리콘층(13a), 제 1 n+형 실리콘층(14a)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 2 셀(II)은 상대적으로 중간 크기의 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘 게르마늄(a-SiGe:H)층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 1 셀(I) 위에 차례대로 제 2 p+형 실리콘층(12b), 비정질 실리콘 게르마늄층(13b), 제 2 n+형 실리콘층(14b)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 3 셀(III)은 상대적으로 가장 작은 크기의 밴드 갭을 가진 마이크로 결정질 실리콘(μc-Si:H)층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 2 셀(II) 위에 차례대로 제 3 p+형 실리콘층(12c), 마이크로 결정질 실리콘층(13c), 제 3 n+형 실리콘층(14c)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
이때, 상기 적층의 pin 구조에서는 단파장의 태양광은 제 1 p+형 실리콘층(12a)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘층(13a)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘층(13a)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 1 p+형 실리콘층(12a)과 제 1 n+형 실리콘층(14a)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 따라서 입사광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
또한, 상기 비정질 실리콘층(13a)에 흡수되지 않고 투과한 중간 파장의 태양광은 제 2 p+형 실리콘층(12b)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘 게르마늄층(13b)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(13b)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 2 p+형 실리콘층(12b)과 제 2 n+형 실리콘층(14b)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
상기 비정질 실리콘층(13a)과 비정질 실리콘 게르마늄층(13b)에 흡수되지 않고 투과한 장파장의 태양광은 제 3 p+형 실리콘층(12c)을 통해 광흡수층인 마이크로 결정질 실리콘층(13c)으로 입사되는데, 상기 마이크로 결정질 실리콘층(13c)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 3 p+형 실리콘층(12c)과 제 3 n+형 실리콘층(14c)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
여기서, 상기 적층 셀 구조의 박막 태양전지는 광흡수층으로 서로 다른 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘층, 비정질 실리콘 게르마늄층 및 마이크로 결정질 실리콘층을 이용함으로써 태양광의 단파장과 장파장에 대한 효율적인 활용이 가능하게 되어 태양전지의 광효율을 증가시킬 수 있게 된다. 다만, 상기의 구조에서도 태양광의 많은 부분(특히, 1100nm를 중심으로 한 장파장 대역)은 여전히 흡수되지 않는데, 이를 도면을 통해 추가적으로 설명한다.
도 4는 태양광 스펙트럼 및 상기 도 3에 도시된 적층 셀 구조의 박막 태양전지에 의해 흡수되는 광 에너지 밴드를 비교하여 나타내는 그래프이다.
이때, 상기 도 4는 AM1.5 조건의 태양광 스펙트럼을 나타내는데, 지구의 표면에서 받는 태양광 영향을 AM(Air Mass)으로 정의할 수 있다. 수학적으로 태양과 지구의 천정(zenith)사이의 각의 시컨트(secant)와 관계되어 있으며, AM이 0이면(AM0) 지구 대기 밖의 태양광 스펙트럼을 나타낸다. AM1은 각도가 0°일 때, AM2는 각도가 60°일 때이며, 일반적으로 AM1.5(48°)를 평균 태양광 스펙트럼 발광(irradiance)으로 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 적층 셀 구조의 박막 태양전지에서도 일부의 태양광이 흡수되지 않고 있으며, 특히 장파장 대역에서 입사되는 태양광의 상당한 부분이 흡수되지 않는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 2㎛ 수준의 두께를 갖는 결정질 실리콘 박막에 입사되는 태양광의 많은 부분(1100nm를 중심으로 한 장파장 대역)은 여전히 흡수되지 않는 것을 알 수 있다.
한편, 상당한 두께를 갖는 광 흡수 재료는 캐리어(전자 또는 홀)들의 확산(diffusion) 길이보다 크기 때문에 캐리어들이 전극 쪽으로 이동하여 수집되기 이전에, 전자-홀간의 재결합 과정에 의하여 캐리어들이 소실되는 문제가 생긴다. 고효율의 박막 태양전지를 만들려면 캐리어들이 쉽게 수집되도록 하기 위해 광 흡수층의 두께를 캐리어의 확산 길이보다 수 배정도 작게 설계해야 한다. 결국 박막 태양전지에서 박막을 충분히 얇게 하면서 동시에 셀 내부의 광 흡수율을 증가시켜야 하는 요구가 발생된다.
따라서, 광 흡수율을 증가시키기 위해 박막 태양전지의 본질적인 박막 구조에 크게 영향을 끼치지 않으면서도 빛이 셀 내부에 속박되도록 만드는 나노 크기 영역의 두께를 갖는 구조를 구비할 필요가 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 나노 크기의 금속입자에 의한 적층 셀 구조를 활용하여 광효율을 극대화 한 박막 태양전지를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 박막 태양전지는 기판 위에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층 위에 차례대로 형성되며, 각각 비정질 실리콘층, 비정질 실리콘 게르마늄층 및 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 1 셀, 제 2 셀 및 제 3 셀; 및 상기 제 3 셀 위에 형성된 후면 반사층과 전극층을 포함하며, 상기 기판과 투명전극층 사이, 상기 제 1 셀과 제 2 셀 사이, 상기 제 2 셀과 제 3 셀 사이 중 적어도 하나의 사이에는 나노 크기의 금속입자가 배열되어 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 셀 내부로 흡수하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판과 투명전극층 사이, 상기 제 1 셀과 제 2 셀 사이 및 상기 제 2 셀과 제 3 셀 사이에 각각 제 1 크기를 갖는 제 1 금속입자, 제 2 크기를 갖는 제 2 금속입자 및 제 3 크기를 갖는 제 3 금속입자가 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 셀과 후면 반사층 사이에 배열되는 제 4 크기를 갖는 제 4 금속입자를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
단파장의 태양광은 상기 제 1 금속입자를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 1 셀로 입사되는 것을 특징으로 한다.
중간 파장의 태양광은 상기 제 2 금속입자를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 2 셀로 입사되는 것을 특징으로 한다.
장파장의 태양광은 상기 제 3 금속입자를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 3 셀로 입사되는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 크기가 수십에서 수백 나노미터를 가지며, 그 두께는 수십에서 수천 나노미터를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 규칙적으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 크기 및 소정의 주기성을 갖는 배열에 의해서 태양광 스펙트럼 밴드를 선택적으로 강하게 산란시키는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 전자빔 리소그래피, 이온빔 밀링, 나노구 리소그래피, 나노 임프린팅, 블록 공중합체에 의한 상 분리법, 포토리소그래피 및 레이저 간섭 리소그래피 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
동종 또는 이종으로 이루어진 상기 금속입자를 상하방향으로 적층시킬 경우, 태양광이 입사되는 쪽에서 바라볼 때, 위에서 아래방향으로 갈수록 상기 금속입자의 크기를 증가하도록 배치시키는 것을 특징으로 한다.
소정의 배열 규칙성을 갖는 상기 금속입자를 상하방향으로 적층시킬 경우, 태양광이 입사되는 쪽에서 바라볼 때, 위에서 아래방향으로 갈수록 상기 금속입자의 배열 주기가 증가하도록 배치시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 박막 태양전지는 기판 위에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층 위에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 위에 형성된 후면 반사층과 전극층; 및 상기 기판과 투명전극층 사이에 배열된 나노 크기의 금속입자를 포함하며, 상기 나노 크기의 금속입자는 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 상기 반도체층 내부로 흡수하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양전지는 나노 크기의 금속입자를 포함하는 적층 셀 구조의 박막 태양전지를 형성함으로써 태양광의 흡수 에너지 밴드 조절이 용이한 이점이 있다. 이와 같이 상기 금속입자의 크기 또는 모양, 주기적인 배열 등에 의해 원하는 에너지 밴드 조절이 용이하기 때문에 상기 나노 크기의 금속입자를 이용한 적층 셀 구조의 박막 태양전지의 광효율을 극대화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 박막 태양전지는 나노 크기의 금속입자 자체가 표면 거칠기 특성을 제공하기 때문에 추가적인 텍스터링(texturing)공정 없이도 광효율을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 일반적인 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 2는 일반적인 박막 태양전지에 있어서, 태양광의 에너지가 손실되는 원인을 구분하여 나타내는 예시도.
도 3은 일반적인 적층 셀 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 4는 태양광 스펙트럼 및 상기 도 3에 도시된 적층 셀 구조의 박막 태양전지에 의해 흡수되는 광 에너지 밴드를 비교하여 나타내는 그래프.
도 5는 나노 크기의 금속입자에 의한 태양광의 선택적 산란 및 빛의 구속 현상을 개념적으로 나타내는 단면도.
도 6a는 일반적인 박막 태양전지에 있어, 셀 내부에서의 광 흡수 프로파일(profile)을 보여주기 위한 사시도.
도 6b는 상기 도 6a에 도시된 일반적인 박막 태양전지의 단위 부피당 광 흡수도(optical absorption)를 보여주는 광 흡수 프로파일.
도 7a는 본 발명에 따른 박막 태양전지에 있어, 셀 내부에서의 광 흡수 프로파일을 보여주기 위한 사시도.
도 7b는 상기 도 7a에 도시된 본 발명에 따른 박막 태양전지의 단위 부피당 광 흡수도를 보여주는 광 흡수 프로파일.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 10은 상기 도 9에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지에 있어, 나노 크기의 금속입자의 주기적인 배열을 보여주는 평면도.
도 11은 나노 크기의 금속입자의 모양과 크기에 따른 공명 파장의 관계를 보여주는 그래프.
도 12는 나노 크기의 금속입자의 모양에 따른 공명 위치를 보여주는 그래프.
도 13은 나노 크기의 금속입자의 열처리에 따른 형태 변화 및 공명 위치의 이동을 보여주는 그래프.
도 14는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 15는 상기 도 14에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지에 있어, 나노 크기의 금속입자의 주기적인 배열을 보여주는 평면도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 박막 태양전지의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
나노 크기의 입자에 대한 광학 특성은 최근 십여 년간 매우 큰 연구의 대상이 되어왔으며, 표면 플라즈몬 공명의 응용은 집적 광학과 바이오센서 분야에 큰 관심이 되고 있다. 표면 플라즈몬은 금속입자 속에서 자유전자들의 집단적 들뜸 현상으로 빛을 강하게 산란시키는 역할을 한다.
표면 플라즈몬 유도용 재료들 가운데 강한 산란율과 저비용으로 인해 광파장 이하 크기의 은, 알루미늄, 구리 등과 같은 금속입자를 선택하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에서와 같이 실리콘층의 상부에 놓인 나노 크기의 금속입자는 셀 내부 방향으로 표면 산란율을 증가시키는 역할을 한다.
도 5는 나노 크기의 금속입자에 의한 태양광의 선택적 산란 및 빛의 구속 현상을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 실리콘층(113)의 상부에 놓인 나노 크기의 금속입자(120)는 기판(110)을 통해 입사된 광이 셀 내부에 더욱 오랜 시간 동안 머물도록 하거나, 또는 후면 반사층(115)과의 전반사 효과에 의해 셀 내부에서 속박이 잘 되도록 유도한다. 결국 실리콘층(113) 상부에 나노 크기의 금속입자(120)의 삽입은 태양전지 내부로 유효광의 흡수량을 증가시키는 역할을 한다.
도 6a는 일반적인 박막 태양전지에 있어, 셀 내부에서의 광 흡수 프로파일(profile)을 보여주기 위한 사시도이며, 도 6b는 상기 도 6a에 도시된 일반적인 박막 태양전지의 단위 부피당 광 흡수도(optical absorption)를 보여주는 광 흡수 프로파일이다.
이때, FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 이용하여 표면 플라즈몬 공명에 의한 광 흡수 증가를 조사하였는데, 입사광의 파장 λ=600nm에서 단위 부피당 광 흡수도를 FDTD 방법에 의해 계산한 결과를 보여주고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, p+형 실리콘층(12)과 n+형 실리콘층(14) 사이에 불순물이 첨가되지 않은 비정질 실리콘층(13)을 삽입하여 pin 구조를 갖는 일반적인 박막 태양전지는 p+형 실리콘층(12) 표면으로부터 n+형 실리콘층(14) 하부의 후면 반사층(115)으로 갈수록 광 흡수도가 감소하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 상기 일반적인 박막 태양전지는 x축 방향으로는 균일한 광 흡수도를 가지며, -z축 방향으로는 광 흡수도가 감소하는 것을 알 수 있다.
도 7a는 본 발명에 따른 박막 태양전지에 있어, 셀 내부에서의 광 흡수 프로파일을 보여주기 위한 사시도이며, 도 7b는 상기 도 7a에 도시된 본 발명에 따른 박막 태양전지의 단위 부피당 광 흡수도를 보여주는 광 흡수 프로파일이다.
전술한 바와 같이, FDTD 방법을 이용하여 표면 플라즈몬 공명에 의한 광 흡수 증가를 조사하였는데, 입사광의 파장 λ=600nm에서 단위 부피당 광 흡수도를 FDTD 방법에 의해 계산한 결과를 보여주고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, p+형 실리콘층(112)과 n+형 실리콘층(114) 사이에 불순물이 첨가되지 않은 비정질 실리콘층(113)을 삽입하여 pin 구조를 갖는 본 발명에 따른 박막 태양전지는 상기 p+형 실리콘층(112) 상부에 예를 들어, 나노 크기의 은 입자(120)가 놓여져 있으며, 상기 나노 크기의 은 입자(120)에서 발생된 표면 플라즈몬 공명에 의해 빛의 진행 방향으로의 산란(forward scattering)이 강하게 증가함으로써 실리콘층(112, 113, 114)에서 광 흡수가 증가함을 분명히 보여주고 있다.
여기서, 계산을 위해 사용된 나노 크기의 은 입자의 직경(Diameter; D)과 입자간의 간격(Period; P)은 각각 D=200nm와 P=600nm이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지는 기판(110), 상기 기판(110) 위에 형성된 투명전극층(111), 상기 투명전극층(111) 위에 형성되고 비정질 실리콘으로 이루어진 반도체층(112, 113, 114) 및 상기 반도체층(112, 113, 114) 위에 형성된 후면 반사층(115)과 전극층(116)으로 구성된다.
상기 투명전극층(111)은 외부로부터 기판(110)을 통해 입사된 태양광의 투과를 위하여 투명한 전도성 산화물을 재료로 하여 형성된다.
상기 반도체층(112, 113, 114)은 상기 투명전극층(111) 위에 형성된 p+형 실리콘층(112)과 상기 p+형 실리콘층(112) 위에 형성된 진성 실리콘층(113) 및 상기 진성 실리콘층(113) 위에 형성된 n+형 실리콘층(114)을 포함한 pin구조를 가진다.
이와 같이 상기 진성 실리콘층(113)을 구성하는 비정질 실리콘 박막은 물질 자체의 특성으로 인해 캐리어의 확산거리가 결정질 실리콘에 비해 매우 낮아 일반적으로 비정질 실리콘 박막 태양전지는 p+형 실리콘층(112)과 n+형 실리콘층(114) 사이에 불순물이 첨가되지 않은 비정질 실리콘층(113)을 삽입하여 pin 구조를 갖는다.
이때, 상기 pin 구조에서는 태양광은 p+형 실리콘층(112)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘층(113)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘층(113)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 p+형 실리콘층(112)과 n+형 실리콘층(114)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 따라서 입사광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
여기서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지는 상기 투명전극층(111) 상부, 즉 상기 기판(110)과 투명전극층(111) 사이에 나노 크기의 금속입자(120)가 다수개 배열되어 있는 것을 특징으로 하는데, 상기 나노 크기의 금속입자(120)는 상기 후면 반사층(115)과 전극층(116) 사이에도 배열될 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 나노 크기의 금속입자(120) 배열은 입사광을 산란시켜서 박막 태양전지 내부에서 반도체층(112, 113, 114)에 빛이 구속되는 현상을 강화시켜준다.
이때, 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지는 단층 셀 구조의 박막 태양전지를 예를 들어 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 에너지밴드 갭이 다른 반도체층이 동일한 기판에 적층되어 복수개의 액티브 영역(active region)을 갖는 다층(tandem) 셀 구조의 박막 태양전지에도 적용될 수 있다.
상기 박막 태양전지는 광학적으로 투명한 전도층인 투명전극층(111)과 광학적 반사용 전도층인 후면 반사층(115)을 각각 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전도층(111, 115)들은 각각 접촉 전극으로 사용하거나, 각 상기 전도층(111, 115)에 인접한 위치에 별도의 전극용 금속층을 둘 수도 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브(CNT), 폴러린, 그래핀(graphen), 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어질 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 크기가 수십에서 수백 나노미터를 가질 수 있으며, 그 두께는 수십에서 수천 나노미터를 가질 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 규칙적으로 배열될 수 있으며, 규칙적으로 배열된 나노 격자를 포함할 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 태양전지 내부로 흡수하거나, 반도체층(112, 113, 114) 영역으로 구속시키는 역할을 한다. 즉, 상기 나노 크기의 금속입자(120)는 크기 또는 형태 및 소정의 규칙성을 갖는 배열에 의해서 소정의 태양광 스펙트럼 밴드를 선택적으로 강하게 산란시키는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가질 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)의 나노 패터닝 방법은 전자빔 리소그래피(e-beam lithography), 이온빔 밀링(ion beam milling), 나노구(nanosphere) 리소그래피, 나노 임프린팅(nano imprinting), 블록 공중합체(block copolymers)에 의한 상(phase) 분리법, 포토리소그래피(photolithography) 및 레이저 간섭 리소그래피(laser interference lithography) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
한편, 박막 태양전지의 효율을 높이기 위해 태양광 흡수를 향상시키고 반사를 최소화하는 것이 중요하다. 반사율을 줄이는 대표적인 방법으로 표면적을 높이기 위한 표면 텍스터링(texturing)과 반사율 억제를 위한 반사방지(anti-reflection) 코팅 방법이 있다. 텍스터링 기술로는 10%이내로 반사율을 줄일 수 있으며, 반사방지 코팅 방법으로는 3%이내로 반사를 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다. 이때, 상기와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지는 나노 크기의 금속입자(120) 자체가 표면 거칠기 특성을 제공하기 때문에 추가적인 텍스터링공정 없이도 광효율을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도로써, 에너지밴드 갭이 다른 반도체층이 동일한 기판에 적층되어 복수개의 액티브 영역을 갖는 다층 셀 구조의 박막 태양전지를 나타내고 있다.
또한, 도 10은 상기 도 9에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지에 있어, 나노 크기의 금속입자의 주기적인 배열을 보여주는 평면도이다.
이때, 상기 도 9 및 도 10은 기판과 투명전극층 사이, 제 1 셀과 제 2 셀 사이, 제 2 셀과 제 3 셀 사이 및 제 3 셀과 후면 반사층 사이에 각각 다른 크기의 금속입자를 배열한 경우를 예를 들어 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 상기 기판과 투명전극층 사이, 제 1 셀과 제 2 셀 사이, 제 2 셀과 제 3 셀 사이 및 제 3 셀과 후면 반사층 사이 중 적어도 하나의 사이에 금속입자를 배열하는 경우에 적용 가능하다.
또한, 상기 도 9 및 도 10은 단면이 원형을 갖는 나노 크기의 금속입자로 구성된 박막 태양전지의 구조를 예를 들어 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 나노 크기의 금속입자는 단면이 사각형을 갖는 격자 형태를 가질 수도 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 적층 셀 구조의 박막 태양전지는 투명한 기판(210) 위에 태양광이 입사되는 방향으로부터 차례대로 투명전극층(211), 제 1 셀(I), 제 2 셀(II), 제 3 셀(III), 후면 반사층(215) 및 전극층(216)이 형성되어 3층으로 셀이 적층된 구조를 갖는다.
또한, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 적층 셀 구조의 박막 태양전지는 상기 기판(210)과 투명전극층(211) 사이에 제 1 크기의 제 1 금속입자(220a)가 형성되고, 상기 제 1 셀(I)과 제 2 셀(II) 사이에 제 2 크기의 제 2 금속입자(220b)가 형성되며, 상기 제 2 셀(II)과 제 3 셀(III) 사이에 제 3 크기의 제 3 금속입자(220c)가 형성되고, 상기 제 3 셀(III)과 후면 반사층(215) 사이에 제 4 크기의 제 4 금속입자(220d)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1 셀(I)은 상대적으로 가장 큰 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 1 금속입자(220a)가 형성된 투명전극층(211) 위에 차례대로 제 1 p+형 실리콘층(212a), 비정질 실리콘층(213a), 제 1 n+형 실리콘층(214a)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 2 셀(II)은 상대적으로 중간 크기의 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘 게르마늄층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 1 셀(I) 위에 차례대로 제 2 p+형 실리콘층(212b), 비정질 실리콘 게르마늄층(213b), 제 2 n+형 실리콘층(214b)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 3 셀(III)은 상대적으로 가장 작은 크기의 밴드 갭을 가진 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 2 셀(II) 위에 차례대로 제 3 p+형 실리콘층(212c), 마이크로 결정질 실리콘층(213c), 제 3 n+형 실리콘층(214c)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
이때, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 적층 셀 구조의 박막 태양전지에서는 단파장의 태양광은 제 1 금속입자(220a)를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 1 셀(I)로 입사되며, 상기 제 1 셀(I)로 입사된 단파장의 태양광은 제 1 p+형 실리콘층(212a)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘층(213a)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘층(213a)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 1 p+형 실리콘층(212a)과 제 1 n+형 실리콘층(214a)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 따라서 입사광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
또한, 상기 비정질 실리콘층(213a)에 흡수되지 않고 투과한 중간 파장의 태양광은 제 2 금속입자(220b)를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 2 셀(II)로 입사되며, 상기 제 2 셀(II)로 입사된 중간 파장의 태양광은 제 2 p+형 실리콘층(212b)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘 게르마늄층(213b)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(213b)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 2 p+형 실리콘층(212b)과 제 2 n+형 실리콘층(214b)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
상기 비정질 실리콘 게르마늄층(213b)에 흡수되지 않고 투과한 장파장의 태양광은 제 3 금속입자(220c)를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 3 셀(III)로 입사되며, 상기 제 3 셀(III)로 입사된 장파장의 태양광은 제 3 p+형 실리콘층(212c)을 통해 광흡수층인 마이크로 결정질 실리콘층(213c)으로 입사되는데, 상기 마이크로 결정질 실리콘층(213c)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 3 p+형 실리콘층(212c)과 제 3 n+형 실리콘층(214c)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
전술한 바와 같이, 상기 나노 크기의 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어질 수 있다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)는 크기가 수십에서 수백 나노미터를 가질 수 있으며, 그 두께는 수십에서 수천 나노미터를 가질 수 있다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)는 규칙적으로 배열될 수 있다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)는 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 태양전지 내부로 흡수하거나 구속시키는 역할을 한다. 즉, 상기 나노 크기의 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)는 크기 또는 형태 및 소정의 주기성을 갖는 배열에 의해서 소정의 태양광 스펙트럼 밴드를 선택적으로 강하게 산란시키는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)는 도시된 구 이외에 막대, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가질 수 있다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)의 나노 패터닝 방법은 전자빔 리소그래피, 이온빔 밀링, 나노구 리소그래피, 나노 임프린팅, 블록 공중합체에 의한 상 분리법, 포토리소그래피 및 레이저 간섭 리소그래피 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 동종 또는 이종으로 이루어진 상기 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)를 상하방향으로 적층시킬 경우, 태양광이 입사되는 쪽에서 바라볼 때, 위에서 아래방향으로 갈수록 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)의 크기를 증가하도록 배치시키는 것이 바람직하나, 경우에 따라서 이 순서가 바뀌는 것도 가능하다.
소정의 배열 규칙성을 갖는 상기 나노 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)를 상하방향으로 적층시킬 경우, 태양광이 입사되는 쪽에서 바라볼 때, 위에서 아래방향으로 갈수록 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)의 배열 주기(P)가 증가하도록 배치시키는 것이 바람직하나, 경우에 따라서 이 순서가 바뀌는 것도 가능하다. 참고로, 도 10의 도면부호 D는 제 1 금속입자(220a) 내지 제 4 금속입자(220d)의 크기를 나타낸다.
이와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지는 나노 크기의 금속입자를 포함하는 적층 셀 구조의 박막 태양전지를 형성함으로써 태양광의 흡수 에너지 밴드 조절이 용이한 이점이 있다. 이때, 상기 금속입자의 크기 또는 모양, 주기적인 배열 등에 의해 원하는 에너지 밴드 조절이 용이하기 때문에 상기 나노 크기의 금속입자를 이용한 적층 셀 구조의 박막 태양전지의 광효율을 극대화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지는 나노 크기의 금속입자 자체가 표면 거칠기 특성을 제공하기 때문에 추가적인 텍스터링공정 없이도 광효율을 향상시키는 효과를 제공한다.
이하, 참고로 나노 크기의 은 입자를 예를 들어 그 크기(직경) 및 형태에 따른 국부 표면 플라즈몬 공명 영향을 도면을 참조하여 설명한다(J. Mock, shape effects in plasmon resonance of individual colloidal silver nanoparticles, JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS. 116, 15, 6755 (2002)).
도 11은 나노 크기의 금속입자의 모양과 크기에 따른 공명 파장의 관계를 보여주는 그래프로써, 나노 크기의 은 입자의 크기(40nm ~ 120nm) 또는 형태를 조절한 다음 입사광을 은 입자에 조사하여 발광되는 표면 플라즈몬 공명 파장을 확인하였다.
도 11을 참조하면, 플라즈몬 공명에 나노 크기의 금속입자의 기하학적 형태는 중요한 결정 요소이며, 동일한 형태를 가질 경우 입자의 크기가 커질수록 적색 이동(red shift)이 발생하는 것을 알 수 있다.
또한, 입자가 구 형태인 경우에는 대략 400nm ~ 500nm 범위의 피크 플라즈마 공명 파장을 가지고, 입자가 5각형인 경우에는 대략 500nm ~ 570nm 범위의 피크 플라즈마 공명 파장을 가지며, 입자가 삼각형인 경우에는 대략 590nm ~ 710nm 범위의 피크 플라즈마 공명 파장을 가지는 것을 알 수 있다.
도 12는 나노 크기의 금속입자의 모양에 따른 공명 위치를 보여주는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 나노 크기의 은 입자가 삼각형인 경우에는 장파장대역(red)에서 피크 플라즈마 공명 파장을 가지며, 나노 크기의 은 입자가 원형인 경우에는 단파장 대역(blue)에서 피크 플라즈마 공명 파장을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 나노 크기의 금속입자의 열처리에 따른 형태 변화 및 공명 위치의 이동을 보여주는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 200℃ 이상에서 열처리하는 경우 입자의 가장자리의 형태(morphology)가 변화하며, 이에 따라 피크 플라즈마 공명 파장의 공명 위치가 단파장 대역으로 이동하는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이 나노 크기의 금속입자는 단면이 사각형을 갖는 격자 형태를 가질 수도 있으며, 이를 다음의 본 발명의 제 3 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 14는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도로써, 나노 크기의 금속입자의 형태를 제외하고는 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지와 실질적으로 동일한 구성으로 이루어져 있다.
도 15는 상기 도 14에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지에 있어, 나노 크기의 금속입자의 주기적인 배열을 보여주는 평면도이다.
이때, 상기 도 14 및 도 15는 기판과 투명전극층 사이, 제 1 셀과 제 2 셀 사이, 제 2 셀과 제 3 셀 사이 및 제 3 셀과 후면 반사층 사이에 각각 다른 크기의 금속입자를 배열한 경우를 예를 들어 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 상기 기판과 투명전극층 사이, 제 1 셀과 제 2 셀 사이, 제 2 셀과 제 3 셀 사이 및 제 3 셀과 후면 반사층 사이 중 적어도 하나의 사이에 금속입자를 배열하는 경우에 적용 가능하다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 적층 셀 구조의 박막 태양전지는 투명한 기판(310) 위에 태양광이 입사되는 방향으로부터 차례대로 투명전극층(311), 제 1 셀(I), 제 2 셀(II), 제 3 셀(III), 후면 반사층(315) 및 전극층(316)이 형성되어 3층으로 셀이 적층된 구조를 갖는다.
또한, 상기 본 발명의 제 3 실시예에 따른 적층 셀 구조의 박막 태양전지는 상기 기판(310)과 투명전극층(311) 사이에 제 1 크기의 제 1 금속입자(320a)가 형성되고, 상기 제 1 셀(I)과 제 2 셀(II) 사이에 제 2 크기의 제 2 금속입자(320b)가 형성되며, 상기 제 2 셀(II)과 제 3 셀(III) 사이에 제 3 크기의 제 3 금속입자(320c)가 형성되고, 상기 제 3 셀(III)과 후면 반사층(315) 사이에 제 4 크기의 제 4 금속입자(320d)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1 셀(I)은 상대적으로 가장 큰 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 1 금속입자(320a)가 형성된 투명전극층(311) 위에 차례대로 제 1 p+형 실리콘층(312a), 비정질 실리콘층(313a), 제 1 n+형 실리콘층(314a)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 2 셀(II)은 상대적으로 중간 크기의 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘 게르마늄층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 1 셀(I) 위에 차례대로 제 2 p+형 실리콘층(312b), 비정질 실리콘 게르마늄층(313b), 제 2 n+형 실리콘층(314b)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 3 셀(III)은 상대적으로 가장 작은 크기의 밴드 갭을 가진 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 2 셀(II) 위에 차례대로 제 3 p+형 실리콘층(312c), 마이크로 결정질 실리콘층(313c), 제 3 n+형 실리콘층(314c)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
이때, 상기 본 발명의 제 3 실시예에 따른 적층 셀 구조의 박막 태양전지에서는 단파장의 태양광은 제 1 금속입자(320a)를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 1 셀(I)로 입사되며, 상기 제 1 셀(I)로 입사된 단파장의 태양광은 제 1 p+형 실리콘층(312a)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘층(313a)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘층(313a)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 1 p+형 실리콘층(312a)과 제 1 n+형 실리콘층(314a)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 따라서 입사광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
또한, 상기 비정질 실리콘층(313a)에 흡수되지 않고 투과한 중간 파장의 태양광은 제 2 금속입자(320b)를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 2 셀(II)로 입사되며, 상기 제 2 셀(II)로 입사된 중간 파장의 태양광은 제 2 p+형 실리콘층(312b)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘 게르마늄층(313b)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(313b)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 2 p+형 실리콘층(312b)과 제 2 n+형 실리콘층(314b)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
상기 비정질 실리콘 게르마늄층(313b)에 흡수되지 않고 투과한 장파장의 태양광은 제 3 금속입자(320c)를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 3 셀(III)로 입사되며, 상기 제 3 셀(III)로 입사된 장파장의 태양광은 제 3 p+형 실리콘층(312c)을 통해 광흡수층인 마이크로 결정질 실리콘층(313c)으로 입사되는데, 상기 마이크로 결정질 실리콘층(313c)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 3 p+형 실리콘층(312c)과 제 3 n+형 실리콘층(314c)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
전술한 바와 같이, 상기 나노 크기의 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어질 수 있다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)는 크기가 수십에서 수백 나노미터를 가질 수 있으며, 그 두께는 수십에서 수천 나노미터를 가질 수 있다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)는 규칙적으로 배열될 수 있다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)는 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 태양전지 내부로 흡수하거나 구속시키는 역할을 한다. 즉, 상기 나노 크기의 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)는 크기 및 소정의 주기성을 갖는 배열에 의해서 소정의 태양광 스펙트럼 밴드를 선택적으로 강하게 산란시키는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)는 도시된 바와 같이 단면이 사각형을 갖는 격자 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)의 나노 패터닝 방법은 전자빔 리소그래피, 이온빔 밀링, 나노구 리소그래피, 나노 임프린팅, 블록 공중합체에 의한 상 분리법, 포토리소그래피 및 레이저 간섭 리소그래피 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 동종 또는 이종으로 이루어진 상기 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)를 상하방향으로 적층시킬 경우, 태양광이 입사되는 쪽에서 바라볼 때, 위에서 아래방향으로 갈수록 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)의 크기를 증가하도록 배치시키는 것이 바람직하나, 경우에 따라서 이 순서가 바뀌는 것도 가능하다.
소정의 배열 규칙성을 갖는 상기 나노 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)를 상하방향으로 적층시킬 경우, 태양광이 입사되는 쪽에서 바라볼 때, 위에서 아래방향으로 갈수록 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)의 배열 주기(P)가 증가하도록 배치시키는 것이 바람직하나, 경우에 따라서 이 순서가 바뀌는 것도 가능하다. 참고로, 도 15의 도면부호 D는 제 1 금속입자(320a) 내지 제 4 금속입자(320d)의 크기를 나타낸다.
이와 같이 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지는 전술한 본 발명이 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지와 동일하게 나노 크기의 금속입자를 포함하는 적층 셀 구조의 박막 태양전지를 형성함으로써 태양광의 흡수 에너지 밴드 조절이 용이한 이점이 있다. 이때, 상기 금속입자의 크기 또는 모양, 주기적인 배열 등에 의해 원하는 에너지 밴드 조절이 용이하기 때문에 상기 나노 크기의 금속입자를 이용한 적층 셀 구조의 박막 태양전지의 광효율을 극대화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지는 나노 크기의 금속입자 자체가 표면 거칠기 특성을 제공하기 때문에 추가적인 텍스터링공정 없이도 광효율을 향상시키는 효과를 제공한다.
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.
110~310 : 기판 111~311 : 투명전극층
113,213a~213c,313a~313c : 반도체층 115~315 : 후면 반사층
120,220a~220d,320a~320d : 금속입자

Claims (19)

  1. 기판 위에 형성된 투명전극층;
    상기 투명전극층 위에 차례대로 형성되며, 각각 비정질 실리콘층, 비정질 실리콘 게르마늄층 및 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 1 셀, 제 2 셀 및 제 3 셀; 및
    상기 제 3 셀 위에 형성된 후면 반사층과 전극층을 포함하며, 상기 기판과 투명전극층 사이, 상기 제 1 셀과 제 2 셀 사이, 상기 제 2 셀과 제 3 셀 사이 중 적어도 하나의 사이에는 나노 크기의 금속입자가 배열되어 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 셀 내부로 흡수하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판과 투명전극층 사이, 상기 제 1 셀과 제 2 셀 사이 및 상기 제 2 셀과 제 3 셀 사이에 각각 제 1 크기를 갖는 제 1 금속입자, 제 2 크기를 갖는 제 2 금속입자 및 제 3 크기를 갖는 제 3 금속입자가 배열되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 셀과 후면 반사층 사이에 배열되는 제 4 크기를 갖는 제 4 금속입자를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  4. 제 2 항에 있어서, 단파장의 태양광은 상기 제 1 금속입자를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 1 셀로 입사되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  5. 제 2 항에 있어서, 중간 파장의 태양광은 상기 제 2 금속입자를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 2 셀로 입사되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  6. 제 2 항에 있어서, 장파장의 태양광은 상기 제 3 금속입자를 거쳐 선택적으로 강하게 산란되어 제 3 셀로 입사되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 크기가 수십에서 수백 나노미터를 가지며, 그 두께는 수십에서 수천 나노미터를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 규칙적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 크기 및 소정의 주기성을 갖는 배열에 의해서 태양광 스펙트럼 밴드를 선택적으로 강하게 산란시키는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 전자빔 리소그래피, 이온빔 밀링, 나노구 리소그래피, 나노 임프린팅, 블록 공중합체에 의한 상 분리법, 포토리소그래피 및 레이저 간섭 리소그래피 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 동종 또는 이종으로 이루어진 상기 금속입자를 상하방향으로 적층시킬 경우, 태양광이 입사되는 쪽에서 바라볼 때, 위에서 아래방향으로 갈수록 상기 금속입자의 크기를 증가하도록 배치시키는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 소정의 배열 규칙성을 갖는 상기 금속입자를 상하방향으로 적층시킬 경우, 태양광이 입사되는 쪽에서 바라볼 때, 위에서 아래방향으로 갈수록 상기 금속입자의 배열 주기가 증가하도록 배치시키는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  15. 기판 위에 형성된 투명전극층;
    상기 투명전극층 위에 형성된 반도체층;
    상기 반도체층 위에 형성된 후면 반사층과 전극층; 및
    상기 기판과 투명전극층 사이에 배열된 나노 크기의 금속입자를 포함하며, 상기 나노 크기의 금속입자는 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 상기 반도체층 내부로 흡수하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 반도체층과 후면 반사층 사이에 배열되는 나노 크기의 금속입자를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 규칙적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102903790A (zh) * 2012-08-28 2013-01-30 中国科学院半导体研究所 半导体太阳电池表面的多层金属纳米颗粒结构及制备方法
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