KR20120044779A - 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents

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전훈하
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 광흡수층의 제1 면에 제1 반도체층을 형성하는 단계, 광흡수층의 제2 면에 제2 반도체층을 형성하는 단계, 제1 반도체층의 제1 방향으로 위에 1개의 X선 회절 피크를 갖는 제1 투명 도전층을 형성하는 단계, 제2 반도체층의 제1 방향에 대해 반대 방향인 제2 방향으로 위에 1개의 X선 회절 피크를 갖는 제2 투명 도전층을 형성하는 단계, 제1 투명 도전층의 제1 방향으로 위에 제1 전극을 형성하는 단계, 그리고 제2 투명 도전층의 제2 방향으로 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 180 내지 220 도에서 형성하고, 제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 산화 텅스텐을 포함하고, X선 회절 피크는 2θ 가 30.2 ±±.1 도 이다.

Description

태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법{SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것이다. 태양 전지는 기본적으로 PN접합으로 구성된 다이오드로서, 광 흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다.
광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 태양 전지는 결정질 기판(Wafer)형 태양 전지와 박막형(결정질, 비정질) 태양 전지로 구분된다.
결정질 기판형 태양 전지의 경우, P층과 N층의 접합 특성이 뛰어나, 출력 전류 및 필팩터(Fill Factor)는 향상된다.
박막형 태양 전지의 경우, 유리 기판을 소재로 활용하고 있어 제조 비용이 상대적으로 저렴하다.
또한, 이종 접합(Hetero-junction) 태양 전지가 개발되고 있다. 이종 접합 태양 전지는 결정질 기판의 양면에 박막의 비정질 실리콘이 위치되어 있는 구조로서, 비정질의 실리콘 위에 반사 방지막을 투명 도전층을 사용하는 방식이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 입사되는 빛의 흡수율을 감소시킬 수 있는 투명 도전층을 형성하여 태양 전지의 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 광흡수층의 제1 면에 제1 반도체층을 형성하는 단계, 광흡수층의 제2 면에 제2 반도체층을 형성하는 단계, 제1 반도체층의 제1 방향으로 위에 1개의 X선 회절 피크를 갖는 제1 투명 도전층을 형성하는 단계, 제2 반도체층의 제1 방향에 대해 반대 방향인 제2 방향으로 위에 1개의 X선 회절 피크를 갖는 제2 투명 도전층을 형성하는 단계, 제1 투명 도전층의 제1 방향으로 위에 제1 전극을 형성하는 단계, 그리고 제2 투명 도전층의 제2 방향으로 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 180 내지 220 도에서 형성하고, 제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 산화 텅스텐을 포함하고, X선 회절 피크는 2θ 가 30.2 ± 0.1 도 이다.
제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층을 형성하는 단계 중 적어도 하나는 아르곤 가스와 산소 가스를 주입하는 단계를 더 포함하고, 아르곤 가스와 산소 가스의 압력 비는 8:1 내지 11:1 일 수 있다.
제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 산화 인듐을 더 포함할 수 있다.
제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나에서의 산화 인듐과 산화 텅스텐의 중량 비는 실질적으로 99:1 일 수 있다.
제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 Sn, Mo, Ti, Zr, Zn, Gd, Nb, Nd 및 Ta 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층을 동시에 형성할 수 있다.
제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나의 면 저항은 26.1 내지 26.4 Ω일 수 있다.
광흡수층은 결정질 실리콘으로 형성할 수 있다.
제1 반도체층은 비정질 실리콘에 P타입의 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
제2 반도체층은 비정질 실리콘에 N타입의 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 광흡수층의 제1 면에 위치하는 제1 반도체층, 광흡수층의 제2 면에 위치하는 제2 반도체층, 제1 반도체층의 제1 방향으로 위에 위치하는 제1 투명 도전층, 제2 반도체층의 제1 방향에 대해 반대 방향인 제2 방향으로 위에 위치하는 제2 투명 도전층, 제1 투명 도전층의 제1 방향으로 위에 위치하는 제1 전극, 그리고 제2 투명 도전층의 제2 방향으로 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 산화 텅스텐을 포함하고, 제1 투명 도전층 및 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 1개의 X선 회절 피크를 가지며, X선 회절 피크는 2θ 가 30.2 ± 0.1 도 이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 투명 도전층을 180 내지 220℃ 에서 형성하여 투명 도전층이 θ가 30.2 ± 0.1 도인 1 개의 X선 회절 피크를 가지도록 하여, 투명 도전층의 빛의 흡수율을 감소시켜, 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2 내지 5는 본 발명의 실시예에 다른 태양 전지의 제조 방법을 순서대로 도시한 도면이다.
도 6은 실시예와 비교예의 투명 도전층의 X선 회절 피크를 비교한 그래프이다.
도 7은 실시예와 비교예의 투명 도전층의 면 저항을 비교한 표이다.
도 8은 실시예와 비교예의 투명 도전층의 빛의 투과율을 비교한 그래프이다.
도 9는 실시예와 비교예의 투명 도전층의 빛의 흡수율을 비교한 그래프이다.
도 10은 실시예와 비교예에 따른 태양 전지의 특성을 비교한 그래프이다.
그러면 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 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 광흡수층(100), 광흡수층(100)의 제1 면에 순차적으로 위치하는 제1 버퍼층(110), 제1 반도체층(130), 제1 투명 도전층(150) 및 제1 전극(170)과 광흡수층(100)의 제2 면에 순차적으로 위치하는 제2 버퍼층(120), 제2 반도체층(140), 제2 투명 도전층(160) 및 제2 전극(180)을 포함한다.
광흡수층(100)에는 결정질 실리콘 기판이 사용되며, 실제로 빛을 흡수하는 N형 반도체 역할을 한다.
제1 반도체층(130)은 비정질 실리콘에 붕소(B), 알루미늄(Al) 등과 같은 P 타입의 불순물이 도핑되어 이루어져 있다.
광흡수층(100)과 제1 반도체층(130)의 PN 접합에 의해 흡수된 태양광이 전류를 발생하게 된다.
제1 버퍼층(110)은 광흡수층(100)과 제1 반도체층(130) 사이에 위치하고, 비정질 실리콘으로 이루어져 있다. 광흡수층(100)과 제1 반도체층(130)의 접합 시 결점이 발생하는데, 제1 버퍼층(110)은 이러한 결점의 발생을 방지하는 역할을 한다.
제2 반도체층(140)은 비정질 실리콘에 인(P)과 같은 N 타입의 불순물이 도핑되어 이루어져 있다. 제2 반도체층(140)은 전자의 재결합을 방지하는 역할을 한다.
제2 버퍼층(120)은 광흡수층(100)과 제2 반도체층(140) 사이에 위치하고, 비정질 실리콘으로 이루어져 있다. 광흡수층(100)과 제2 반도체층(140)의 접합 시 결점이 발생하는데, 제2 버퍼층(120)은 이러한 결점의 발생을 방지하는 역할을 한다.
제1 투명 도전층(150)의 표면에서 빛이 입사된다. 제1 투명 도전층(150)은 산화 인듐(In2O3)와 산화 텅스텐(WO3)로 이루어져 있고, 산화 인듐과 산화 텅스텐의 중량 비는 실질적으로 99:1 이다. 제1 투명 도전층(150)은 1 개의 X선 회절 피크를 가지고, X선 회절 피크는 2θ가 30.2 ± 0.1 도이다. 이러한 제1 투명 도전층(150)은 입사된 빛의 흡수율을 낮출 수 있다.
또한, 제1 투명 도전층(150)은 입사된 빛이 반사되는 것을 방지하는 반사 방지막의 역할을 하고, 제1 반도체층(130)으로부터 제1 전극(170)까지의 전류 이동을 원할하게 하는 역할을 한다.
제2 투명 도전층(160)은 산화 인듐(In2O3)와 산화 텅스텐(WO3)로 이루어져 있고, 산화 인듐과 산화 텅스텐의 중량 비는 실질적으로 99:1 이다. 제2 투명 도전층(160)은 1 개의 X선 회절 피크를 가지고, X선 회절 피크는 2θ가 30.2 ± 0.1 도이다.
제2 투명 도전층(160)은 전자의 재결합을 방지하는 역할을 하고, 제2 반도체층(140)으로부터 제2 전극(180)까지의 전류 이동을 원할하게 하는 역할을 한다.
제1 전극(170) 및 제2 전극(180)은 은(Ag)과 같은 저저항 금속으로 만들어질 수 있고, 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계됨으로써 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면 저항을 줄일 수 있다.
이와 같이, 빛이 입사되는 쪽의 제1 투명 도전층(150)이 산화 인듐(In2O3)와 산화 텅스텐(WO3)을 포함하고, 2θ가 30.2 ± 0.1 도인 1 개의 X선 회절 피크를 가짐으로써, 입사된 빛의 흡수율을 감소시켜, 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대해, 도 2 내지 도 5, 그리고 도 1을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2 내지 5는 본 발명의 실시예에 다른 태양 전지의 제조 방법을 순서대로 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 광흡수층(100)의 제1 면 및 제2 면에 각각 제1 버퍼층(110) 및 제2 버퍼층(120)을 형성한다. 광흡수층(100)은 결정질 실리콘 기판을 사용하고, 제1 버퍼층(110) 및 제2 버퍼층(120)은 비정질 실리콘으로 이루어져 있다.
이어서, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 버퍼층(110)의 제1 방향으로 위에 제1 반도체층(130)을 형성하고, 제2 버퍼층(120)의 제1 방향에 대해 반대 방향인 제2 방향으로 위에 제2 반도체층(140)을 형성한다.
제1 반도체층(130)은 비정질 실리콘에 붕소(B), 알루미늄(Al) 등과 같은 P 타입의 불순물을 도핑하여 형성하고, 제2 반도체층(140)은 비정질 실리콘에 인(P)과 같은 N 타입의 불순물이 도핑하여 형성한다.
이어서, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 공정 챔버(200) 내에서 제1 반도체층(130) 위에 제1 투명 도전층(150)을 형성한 후, 뒤집어서 제2 반도체층(140) 위에 제2 투명 도전층(160)을 형성한다. 또한, 제1 투명 도전층(150) 및 제2 투명 도전층(160)을 동시에 형성할 수 있다.
제1 투명 도전층(150) 및 제2 투명 도전층(160)은 산화 인듐 및 산화 텅스텐으로 이루어져 있고, 산화 인듐과 산화 텅스텐의 중량 비는 실질적으로 99:1 인 것이 바람직하다.
제1 투명 도전층(150) 및 제2 투명 도전층(160)은 이온 플레이팅(ion plating) 방법으로 형성하는데, 광흡수층(100)의 온도를 180 내지 200 ℃ 에서 증착한다. 이 때, 공정 챔버(200) 내에 0.226 내지 0.256 Pa 압력의 아르곤(Ar) 가스와 0.02 내지 0.03 Pa 압력의 산소(O2) 가스를 주입하여 방전한다. 즉, 공정 챔버(200) 내에서 아르곤 가스와 산소 가스의 압력 비는 8:1 내지 11:1 이다.
또한, 제1 투명 도전층(150) 및 제2 투명 도전층(160)은 스퍼터링(sputtering), 증착, 분무 열분해(spray pyrolysis), 펄스 레이저 박리(pulsed laser ablation) 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
이러한 방법으로 형성된, 제1 투명 도전층(150) 및 제2 투명 도전층(160)은 1 개의 X선 회절 피크를 가지고, X선 회절 피크는 2θ 가 30.2 ± 0.1 도 이다.
이어서, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 투명 도전층(150)의 제1 방향으로 위에 제1 전극(170)을 형성하고, 제2 투명 도전층(160)의 제2 방향으로 위에 제2 전극(180)을 형성한다. 제1 전극(170) 및 제2 전극(180)은 은(Ag)과 같은 저저항 금속으로 만들어질 수 있고, 그리드 패턴으로 설계됨으로써 빛 흡수 손실 및 면 저항을 줄일 수 있다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 여러 가지 특성을 다른 비교예와 대비한 것을 도 6 내지 도 10을 참고하여 상세하게 설명한다.
비교예는 상온에서 투명 도전층을 증착한 태양 전지이고, 실시예는 본 발명의 실시예로서, 200℃ 에서 투명 도전층을 증착한 태양 전지이다.
도 6은 실시예와 비교예의 투명 도전층의 X선 회절 피크를 비교한 그래프이다.
비교예에 따른 태양 전지의 투명 도전층은 X선 회절 피크가 1 개이고, X선 회절 피크는 2θ 가 30.5 ± 0.1 도로 나타났다.
실시예에 따른 태양 전지의 투명 도전층은 X선 회절 피크가 1 개이고, X선 회절 피크는 2θ 가 30.2 ± 0.1 도로 나타났다.
실시예와 비교예를 비교했을 때, 투명 도전층의 증착 온도에 따라 투명 도전층의 X선 회절 피크가 다르게 나타남을 알 수 있다.
도 7은 실시예와 비교예의 투명 도전층의 면 저항을 비교한 표이다.
비교예의 경우, 면 저항의 평균 값이 33.4Ω 으로 나타났고, 실시예의 경우, 면 저항의 평균 값이 26.3Ω 으로 나타났다.
즉, 실시예가 비교예에 비해 면 저항이 6.9Ω 감소함을 알 수 있다.
도 8은 실시예와 비교예의 투명 도전층의 빛의 투과율을 비교한 그래프이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 거의 전 파장에 걸쳐 실시예가 비교예에 비해 빛의 투과율이 상승함을 알 수 있다.
도 9는 실시예와 비교예의 투명 도전층의 빛의 흡수율을 비교한 그래프이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 거의 전 파장에 걸쳐 실시예가 비교예에 비해 빛의 흡수율이 감소함을 알 수 있다.
도 10은 실시예와 비교예에 따른 태양 전지의 특성을 비교한 그래프이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 실시예의 출력 전류(Jsc1)가 비교예의 출력 전류(Jsc2)에 비해 향상됨을 알 수 있다. 이는 실시예의 투명 도전층이 비교예의 투명 도전층에 비해 빛의 흡수율이 감소하고, 빛의 투과율이 증가한 결과이다.
또한, 실시예의 필팩터(Fill Factor)가 비교예의 필팩터보다 향상됨을 알 수 있다. 필팩터는 전압-전류밀도 곡선의 면적에 대응하는 값으로, 필팩터가 클수록 태양 전지의 효율이 높다. 실시예의 필팩터의 향상은 실시예의 투명 도전층의 면 저항이 감소된 결과이다.
일반적으로 태양 전지의 효율은 출력 전류, 필팩터, 전압에 비례하는데, 실시예와 비교예를 비교하였을 때, 실시예가 비교예에 비해 효율이 향상됨을 알 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: 광흡수층 130: 제1 반도체층
140: 제2 반도체층 150: 제1 투명 도전층
160: 제2 투명 도전층

Claims (18)

  1. 광흡수층의 제1 면에 제1 반도체층을 형성하는 단계,
    상기 광흡수층의 제2 면에 제2 반도체층을 형성하는 단계,
    상기 제1 반도체층의 제1 방향으로 위에 1개의 X선 회절 피크를 갖는 제1 투명 도전층을 형성하는 단계,
    상기 제2 반도체층의 상기 제1 방향에 대해 반대 방향인 제2 방향으로 위에 1개의 X선 회절 피크를 갖는 제2 투명 도전층을 형성하는 단계,
    상기 제1 투명 도전층의 상기 제1 방향으로 위에 제1 전극을 형성하는 단계, 그리고
    상기 제2 투명 도전층의 상기 제2 방향으로 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 180 내지 220 도에서 형성하고,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 산화 텅스텐을 포함하고,
    상기 X선 회절 피크는 2θ 가 30.2 ± 0.1 도 인 태양 전지의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 투명 도전층 또는 상기 제2 투명 도전층을 형성하는 단계는 아르곤 가스와 산소 가스를 주입하는 단계를 더 포함하고,
    상기 아르곤 가스와 상기 산소 가스의 압력 비는 8:1 내지 11:1 인 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 산화 인듐을 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나에서의 산화 인듐과 산화 텅스텐의 중량 비는 실질적으로 99:1 인 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제3항에서,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 Sn, Mo, Ti, Zr, Zn, Gd, Nb, Nd 및 Ta 중 적어도 하나를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층을 동시에 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나의 면 저항은 26.1 내지 26.4 Ω 인 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 광흡수층은 결정질 실리콘으로 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 제1 반도체층은 비정질 실리콘에 P타입의 불순물을 도핑하여 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제1항에서,
    상기 제2 반도체층은 비정질 실리콘에 N타입의 불순물을 도핑하여 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  11. 광흡수층의 제1 면에 위치하는 제1 반도체층,
    상기 광흡수층의 제2 면에 위치하는 제2 반도체층,
    상기 제1 반도체층의 제1 방향으로 위에 위치하는 제1 투명 도전층,
    상기 제2 반도체층의 상기 제1 방향에 대해 반대 방향인 제2 방향으로 위에 위치하는 제2 투명 도전층,
    상기 제1 투명 도전층의 상기 제1 방향으로 위에 위치하는 제1 전극, 그리고
    상기 제2 투명 도전층의 상기 제2 방향으로 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 산화 텅스텐을 포함하고,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 1개의 X선 회절 피크를 가지며, 상기 X선 회절 피크는 2θ 가 30.2 ± 0.1 도 인 태양 전지.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 산화 인듐을 더 포함하는 태양 전지.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나에서의 산화 인듐과 산화 텅스텐의 중량 비는 실질적으로 99:1 인 태양 전지.
  14. 제12항에서,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나는 Sn, Mo, Ti, Zr, Zn, Gd, Nb, Nd 및 Ta 중 적어도 하나를 더 포함하는 태양 전지.
  15. 제11항에서,
    상기 제1 투명 도전층 및 상기 제2 투명 도전층 중 적어도 하나의 면 저항은 26.1 내지 26.4 Ω 인 태양 전지.
  16. 제11항에서,
    상기 광흡수층은 결정질 실리콘으로 이루어진 태양 전지.
  17. 제11항에서,
    상기 제1 반도체층은 비정질 실리콘에 P타입의 불순물을 도핑된 태양 전지.
  18. 제11항에서,
    상기 제2 반도체층은 비정질 실리콘에 N타입의 불순물을 도핑된 태양 전지.
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