KR20120018604A - 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
태양 전지를 제공한다. 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 상기 기판 위에 위치하는 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 위치하는 광흡수층, 상기 광흡수층 위에 위치하는 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 상기 버퍼층은 하기 화학식 (1) 및 하기 화학식 (2) 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 형성된다.
(In1 - xGax)2O3 화학식 (1)
(In1 - xAlx)2O3 화학식 (2)
여기서, 상기 x는 0<x<1이다.
(In1 - xGax)2O3 화학식 (1)
(In1 - xAlx)2O3 화학식 (2)
여기서, 상기 x는 0<x<1이다.
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 광전 효과를 이용하여 태양 광 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치이다. CO2 배출에 따른 온실 효과를 일으키는 화석 에너지와 방사성 폐기물에 의한 대기 오염 등의 지구 환경을 오염시키는 원자력 에너지 등을 대체할 수 있는 청정 에너지 또는 차세대 에너지로 중요하다.
태양 전지는 기본적으로 P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용하여 전기를 일으키며, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다.
일반적인 태양 전지의 구조는 기판 위에 전면 투명 전도막, PN막, 후면 반사 전극막 순으로 증착된다. 이러한 구조의 태양 전지에 태양광이 입사되면 전자는 N층, 정공은 P층으로 수집되어 전류를 발생하게 된다.
화합물 태양 전지(예 : CIGS 화합물 태양 전지)는 유리 기판은 물론 스테인리스, 알루미늄 등 유연한 기판 위에 형성된 전극 위에 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se) 화합물을 증착하는 방식으로 기존 실리콘 계열 태양 전지와 달리 실리콘을 사용하지 않으면서도 태양광을 전기로 변환해 주고, 효율이 높은 것이 특징이다.
CIGS 화합물 태양 전지에서 p형 반도체로 사용되는 CIGS층과 n형 반도체로 사용되는 ZnO:Al 층이 p-n 접합을 형성할 수 있고, p형 반도체와 n형 반도체 사이에 양호한 접합을 형성하기 위해 밴드갭이 상기 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층으로 황화 카드뮴(CdS) 등이 사용되었다. 하지만, 황화 카드뮴 등은 단파장 영역에서 광흡수 손실이 일어나고, 그에 따라 광효율이 저하될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광투과율을 높여 효율을 개선할 수 있는 태양 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 상기 기판 위에 위치하는 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 위치하는 광흡수층, 상기 광흡수층 위에 위치하는 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 상기 버퍼층은 하기 화학식 (1) 및 하기 화학식 (2) 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 형성된다.
(In1 - xGax)2O3 화학식 (1)
(In1 - xAlx)2O3 화학식 (2)
여기서, 상기 x는 0<x<1이다.
상기 광흡수층은 CdTe, CuInSe2, Cu(In, Ga)Se2, Cu(In, Ga)(Se,S)2, Ag(InGa)Se2, Cu(In, Al)Se2, 및 CuGaSe2 중에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극은 반사 전도성 금속으로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극은 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극은 투명한 전도성 산화물로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극은 ITO, IZO, ZnO, GAZO, ZnMgO 및 SnO2 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극 위에 위치하는 반사 방지막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 상기 기판 위에 위치하는 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 위치하는 광흡수층, 상기 광흡수층 위에 위치하는 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 상기 버퍼층은 산화 인듐(In2O3)에 실리콘(Si) 및 주석(Sn) 중 하나를 도핑하여 형성될 수 있다.
상기 광흡수층은 CdTe, CuInSe2, Cu(In,Ga)Se2, Cu(In,Ga)(Se,S)2, Ag(InGa)Se2, Cu(In,Al)Se2, 및 CuGaSe2 중에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극은 반사 전도성 금속으로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극은 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극은 투명한 전도성 산화물로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극은 ITO, IZO, ZnO, GAZO, ZnMgO 및 SnO2 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극 위에 위치하는 반사 방지막을 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 새로운 조성을 갖는 버퍼층을 적용하여 단파장 영역에서 광손실을 줄임으로써 광효율을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는 황화 카드뮴(CdS)으로 형성된 버퍼층의 두께를 변화시킬 때, 파장에 따른 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4는 버퍼층의 재료를 변화시킬 때, 파장에 따른 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층에서 갈륨의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층에서 알루미늄의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층에서 실리콘(Si)의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층에서 주석(Sn)의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 2는 황화 카드뮴(CdS)으로 형성된 버퍼층의 두께를 변화시킬 때, 파장에 따른 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4는 버퍼층의 재료를 변화시킬 때, 파장에 따른 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층에서 갈륨의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층에서 알루미늄의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층에서 실리콘(Si)의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층에서 주석(Sn)의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 기판(100), 기판(100) 위에 위치하는 제1 전극(110), 제1 전극(110) 위에 위치하는 광흡수층(120), 광흡수층(120) 위에 위치하는 버퍼층(130), 버퍼층(130) 위에 위치하는 제2 전극(140), 제2 전극(140) 위에 위치하는 반사 방지막(150) 및 그리드 전극(160)을 포함한다.
다른 실시예로, 반사 방지막(150)은 기판(100)과 제1 전극(110) 사이에 위치할 수 있다.
제1 전극(110)은 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 반사 전도성 금속으로 형성할 수 있다.
광흡수층(120)은 화합물 반도체로 형성할 수 있고, CdTe, CuInSe2, Cu(In, Ga)Se2, Cu(In, Ga)(Se,S)2, Ag(InGa)Se2, Cu(In, Al)Se2, CuGaSe2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
버퍼층(130)은 pn 접합 사이에 형성되어 p형 반도체와 n형 반도체와의 격자 상수 및 에너지 밴드갭의 차이를 완화시키는 역할을 한다. 따라서, 버퍼층(130)으로 사용되는 물질의 에너지 밴드값은 N형 반도체와 P형 반도체의 에너지 밴드갭의 중간 정도의 값을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 버퍼층(130)은 하기 화학식 (1) 및 하기 화학식 (2) 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 형성될 수 있다.
(In1 - xGax)2O3 화학식 (1)
(In1 - xAlx)2O3 화학식 (2)
상기 x는 0<x<1이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층(130)은 산화 인듐(In2O3)에 실리콘(Si) 및 주석(Sn) 중 하나를 도핑하여 형성할 수 있다. 버퍼층(130)에 실리콘(Si) 및 주석(Sn) 중 하나를 도핑하여 저항률 또는 캐리어의 밀도를 조절할 수 있다.
버퍼층(130)은 스핀 코팅(Spin-coating) 방법, 디핑(Dipping) 방법, 화학적 용액 성장법(Chemical bath deposition; CBD) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
제2 전극(140)은 투명 전도성 산화물로 형성할 수 있다. 제2 전극(140)은 ITO, IZO, ZnO, GAZO, ZnMgO 또는 SnO2 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
제1 전극(110) 또는 제2 전극(140)을 통해 광흡수층(120)에 빛이 입사되면 전자와 정공이 생성되고, 전자들이 제1 전극(110)으로 이동되고, 정공은 제2 전극(140)으로 이동되어 전류가 흐르게 된다. 또는, 광흡수층의 종류에 따라 전자들이 제2 전극(140)으로 이동되고, 정공이 제1 전극(110)으로 이동되어 전류가 흐르게 되는 것도 가능하다. 광흡수층(120)의 광 흡수율이 높을수록 태양 전지의 광 효율이 높아질 수 있다.
반사 방지막(150)은 플루오르화 마그네슘(MgF2)로 형성할 수 있고, 그리드 전극(160)은 알루미늄(Al) 또는 니켈 알루미늄 합금 등을 이용하여 형성할 수 있다.
도 2는 황화 카드뮴(CdS)으로 형성된 버퍼층의 두께를 변화시킬 때, 파장에 따른 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참고하면, 종래 황화 카드뮴(CdS)으로 버퍼층을 형성한 경우에 500nm 이하의 단파장에서 그 두께가 증가할수록 투과율이 떨어진다. 따라서, 500nm 이하의 단파장에서 광손실이 발생할 수 있다.
도 3 및 도 4는 버퍼층의 재료를 변화시킬 때, 파장에 따른 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참고하면, 버퍼층의 물질로 황화 카드뮴(CdS), 산화 인듐(In2O3), InGaO 및 InAlO를 사용하였다. 특히, InGaO는 (In1 - xGax)2O3에서 x가 0.1인 경우이고, InAlO는 (In1 -xAlx)2O3에 x가 0.34인 경우를 측정하였다. 이 때, 500nm 이하의 단파장 영역에서의 투과율이 기존의 황화 카드뮴(CdS)을 사용한 경우보다 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층으로 산화 인듐(In2O3)에 갈륨 또는 알루미늄을 혼합한 경우에 더 좋음을 확인할 수 있다.
도 4를 참고하면, 버퍼층의 물질로 황화 카드뮴(CdS), 실리콘(Si)이 도핑된 산화 인듐(InO : Si) 및 주석(Sn)이 도핑된 산화 인듐(InO : Sn)을 사용하였다. 특히, 실리콘(Si)이 도핑된 산화 인듐(InO : Si)은 In2O3에 Si를 0.14at%를 첨가하였고, 주석(Sn)이 도핑된 산화 인듐(InO : Sn)은 In2O3에 Sn을 0.15at%를 첨가한 경우를 측정하였다. 이 때, 500nm 이하의 단파장 영역에서의 투과율이 기존의 황화 카드뮴(CdS)을 사용한 경우보다 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층으로 실리콘(Si)이 도핑된 산화 인듐(InO : Si) 또는 주석(Sn)이 도핑된 산화 인듐(InO : Sn)을 사용한 경우에 더 좋음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층에서 갈륨의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 화학식 (In1 - xGax)2O3에서 x가 0, 0.10, 0.28, 0.79인 경우에 분광광도계(UV/Vis Spectrometer)로 측정한 결과를 광에너지에 따른 (αhν)2 의 값으로 나타냈다.
밴드갭(Band gap)은 다음과 같은 식으로 알 수 있다.
αhν = A(hν-Eg)n
여기서 A는 상수이고, α는 광학적 흡수 계수, hν는 광에너지(photon energy), n은 에너지 천이(shift)에 따른 값이다. 직접 천이 반도체의 경우 n=1/2로 알려져 있다.
밴드갭은 그래프의 선형 영역이 가로축의 광에너지와 만나는 곳의 값이다.
도 5를 참고하면, x가 0일 때 3.65eV, x가 0.1일 때 3.85eV, x가 0.28일 때 3.9eV, x가 0.79일 때 4.3Ev 정도의 밴드갭을 나타낸다. 즉, 산화 인듐에 합금으로 첨가된 갈륨(Ga)의 양이 증가함에 따라 밴드갭 값이 커진다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층에서 알루미늄의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 화학식 (In1 - xAlx)2O3에서 x가 0, 0.15, 0.28, 0.34인 경우에 분광 광도계(UV/Vis Spectrometer)로 측정한 결과를 광에너지에 따른 (αhν)2 의 값으로 나타냈다.
도 6을 참고하면, x가 0일 때 3.65eV, x가 0.15일 때 3.85eV, x가 0.28일 때 3.9eV, x가 0.34일 때 4.3eV 정도의 밴드갭을 나타낸다. 즉, 산화 인듐에 합금으로 첨가된 알루미늄(Al)의 양이 증가함에 따라 밴드갭 값이 커진다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층에서 실리콘(Si)의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 산화 인듐(In2O3)에 실리콘(Si)을 0.15at% 불순물로 첨가한 경우에 분광 광도계(UV/Vis Spectrometer)로 측정한 결과를 광에너지에 따른 (αhν)2 의 값으로 나타냈다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층으로 실리콘(Si)이불순물로 첨가된 산화 인듐(InO : Si)의 밴드갭은 3.67eV 정도로써, 산화 인듐(In2O3)보다 밴드갭이 커진다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층에서 주석(Sn)의 함량에 따른 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 산화 인듐(In2O3)에 주석(Sn)을 0.14at% 불순물로 첨가한 경우에 분광 광도계(UV/Vis Spectrometer)로 측정한 결과를 광에너지에 따른 (αhν)2 의 값으로 나타냈다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층으로 주석(Sn)이 불순물로 첨가된 산화 인듐(InO : Sn)의 밴드갭은 3.70eV 정도로써, 산화 인듐(In2O3)보다 밴드갭이 커진다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 버퍼층으로 산화 인듐(In2O3)에 인듐(In)과 동일한 3족 원소인 갈륨(Ga) 또는 알루미늄(Al)을 합금하여 원하는 밴드갭으로 조절할 수 있고, 산화 인듐(In2O3)에 실리콘(Si) 또는 주석(Sn)을 도핑함으로써 저항률, 캐리어 밀도를 조절할 수 있다. 따라서, 단파장 영역에서 광흡수 손실을 최소화하여 광효율을 높일 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 기판 110 제1 전극
120 광흡수층 130 버퍼층
140 제2 전극 150 반사 방지막
160 그리드 전극
120 광흡수층 130 버퍼층
140 제2 전극 150 반사 방지막
160 그리드 전극
Claims (14)
- 기판,
상기 기판 위에 위치하는 제1 전극,
상기 제1 전극 위에 위치하는 광흡수층,
상기 광흡수층 위에 위치하는 버퍼층,
상기 버퍼층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고,
상기 버퍼층은 하기 화학식 (1) 및 하기 화학식 (2) 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 형성된 태양 전지:
(In1 - xGax)2O3 화학식 (1)
(In1 - xAlx)2O3 화학식 (2)
(상기 x는 0<x<1이다).
- 제1항에서,
상기 광흡수층은 CdTe, CuInSe2, Cu(In, Ga)Se2, Cu(In, Ga)(Se,S)2, Ag(InGa)Se2, Cu(In, Al)Se2, 및 CuGaSe2 중에서 선택된 적어도 하나로 형성된 태양 전지.
- 제2항에서,
상기 제1 전극은 반사 전도성 금속으로 형성된 태양 전지.
- 제3항에서,
상기 제1 전극은 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 하나로 형성된 태양 전지.
- 제4항에서,
상기 제2 전극은 투명한 전도성 산화물로 형성된 태양 전지.
- 제5항에서,
상기 제2 전극은 ITO, IZO, ZnO, GAZO, ZnMgO 및 SnO2 중 하나로 형성된 태양 전지.
- 제1항에서,
상기 제2 전극 위에 위치하는 반사 방지막을 더 포함하는 태양 전지.
- 기판,
상기 기판 위에 위치하는 제1 전극,
상기 제1 전극 위에 위치하는 광흡수층,
상기 광흡수층 위에 위치하는 버퍼층,
상기 버퍼층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고,
상기 버퍼층은 산화 인듐(In2O3)에 실리콘(Si) 및 주석(Sn) 중 하나를 도핑하여 형성되는 태양 전지.
- 제8항에서,
상기 광흡수층은 CdTe, CuInSe2, Cu(In,Ga)Se2, Cu(In,Ga)(Se,S)2, Ag(InGa)Se2, Cu(In,Al)Se2, 및 CuGaSe2 중에서 선택된 적어도 하나로 형성된 태양 전지.
- 제9항에서,
상기 제1 전극은 반사 전도성 금속으로 형성된 태양 전지.
- 제10항에서,
상기 제1 전극은 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 하나로 형성된 태양 전지.
- 제11항에서,
상기 제2 전극은 투명한 전도성 산화물로 형성된 태양 전지.
- 제12항에서,
상기 제2 전극은 ITO, IZO, ZnO, GAZO, ZnMgO 및 SnO2 중 하나로 형성된 태양 전지.
- 제8항에서,
상기 제2 전극 위에 위치하는 반사 방지막을 더 포함하는 태양 전지.
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