KR20120055132A - 박막 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 태양 전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판에 배치되는 전면 전극, 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극, 및 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부를 포함하며, 전면 전극은 광투과성의 전도성 물질을 함유하는 제 1 전면 전극막과 제 2 전면 전극막을 포함하고, 제 1 전면 전극막은 기판 상부에 접촉하여 형성되되, 제 1 전면 전극막의 일부에는 기판의 일부가 노출되는 다공성의 핀홀(Pin hole)이 형성되고, 제 2 전면 전극막은 제 1 전면 전극막 상부에 접촉하여 제 1 전면 전극막에 형성된 핀홀을 덮도록 형성된다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판에 배치되는 전면 전극, 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극, 및 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부를 포함하며, 전면 전극은 광투과성의 전도성 물질을 함유하는 제 1 전면 전극막과 제 2 전면 전극막을 포함하고, 제 1 전면 전극막은 기판 상부에 접촉하여 형성되되, 제 1 전면 전극막의 일부에는 기판의 일부가 노출되는 다공성의 핀홀(Pin hole)이 형성되고, 제 2 전면 전극막은 제 1 전면 전극막 상부에 접촉하여 제 1 전면 전극막에 형성된 핀홀을 덮도록 형성된다.
Description
본 발명은 박막 태양 전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)에 의해 p-n 접합을 형성하는 반도체부, 그리고 서로 다른 도전성 타입의 반도체부에 각각 연결된 전극을 구비한다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되어, 전자는 n형의 반도체부 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 p형의 반도체부와 n형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명은 효율이 향상된 박막 태양 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판에 배치되는 전면 전극, 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극, 및 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부를 포함하며, 전면 전극은 광투과성의 전도성 물질을 함유하는 제 1 전면 전극막과 제 2 전면 전극막을 포함하고, 제 1 전면 전극막은 기판 상부에 접촉하여 형성되되, 제 1 전면 전극막의 일부에는 기판의 일부가 노출되는 다공성의 핀홀(Pin hole)이 형성되고, 제 2 전면 전극막은 제 1 전면 전극막 상부에 접촉하여 제 1 전면 전극막에 형성된 핀홀을 덮도록 형성된다.
여기서, 제 2 전면 전극막은 금속성 물질에 아연산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2), 또는 티타늄산화물(TiO2) 중 적어도 하나의 물질이 결합된 물질을 함유할 수 있다.
또한, 제 1 전면 전극막은 알루미늄산화아연(ZnO:Al) 물질을 함유하고, 제 2 전면 전극막은 붕소산화아연(ZnO:B) 물질을 함유할 수 있다.
또한, 제 2 전면 전극막의 평균 두께는 제 1 전면 전극막의 평균 두께보다 작을 수 있다.
여기서, 제 2 전면 전극막의 평균 두께는 50nm 이상 500nm 이하일 수 있다.
여기서, 제 2 전면 전극막의 두께는 오차 범위 내에서 균일할 수 있다.
또한, 제 1 전면 전극막의 평균 두께는 300nm 이상 900nm 이하일 수 있다.
또한, 제 1 전면 전극막 및 제 2 전면 전극막의 표면은 텍스쳐링되어 있으며, 제 2 전면 전극막의 텍스쳐링 표면의 경사각은 제 1 전면 전극막의 테스쳐링 표면의 경사각보다 작을 수 있다.
또한, 광전 변환부는 P형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층인 p-i-n 구조가 적어도 하나 이상으로 형성될 수 있다.
여기서, 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 게르마늄(Ge)을 포함할 수 있다.
또한, 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 비정질 실리콘(a-si) 또는 미세 결정 실리콘(mc-si) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지는 제 2 전면 전극막이 제 1 전면 전극막 상부에 접촉하여 제 1 전면 전극막에 형성된 핀홀을 덮도록 형성되어 태양 전지의 광전 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 제 1 전면 전극막의 일부에 다공성 핀홀이 형성된 일례를 도시한 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제 1 전면 전극막과 제 2 전면 전극막을 보다 상세하게 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제 2 전면 전극막이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제 2 전면 전극막이 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조에서 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 제 1 전면 전극막의 일부에 다공성 핀홀이 형성된 일례를 도시한 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제 1 전면 전극막과 제 2 전면 전극막을 보다 상세하게 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제 2 전면 전극막이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제 2 전면 전극막이 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조에서 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
아래에서는 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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 “전체적”으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 1에서는 광전변환부(PV)의 구조가 입사면으로부터 p-i-n 구조로 되는 것을 일례로 설명하고 있으나, 광전변환부(PV)의 구조가 입사면으로부터 n-i-p 구조로 되는 것도 가능하다. 그러나, 이하에서는 설명의 편의상 광전변환부(PV)의 구조가 입사면으로부터 p-i-n 구조로 되는 것을 일례로 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판(100), 전면 전극(110), 광전변환부(PV) 및 후면 전극(140)을 포함한다. 여기서, 전면 전극(110)은 광투과성 전도성 물질을 함유하는 제 1 전면 전극막(110a)과 제 2 전면 전극막(110b)을 포함한다.
여기서, 전면 전극(110)은 기판(100)의 상부에 배치되며, 후면 전극(140)은 전면 전극(110)의 상부에 배치되며, 광전변환부(PV)는 전면 전극(110)과 후면 전극(140) 사이에 배치되어 기판(100)의 입사면으로 입사되는 광을 전기로 변환하는 기능을 한다.
여기서, 기판(100)은 다른 기능성층들이 배치될 수 있는 공간을 마련할 수 있다. 아울러, 기판(100)은 입사되는 광(Light)이 광전변환부(PV)에 보다 효과적으로 도달하도록 하기 위해 실질적으로 투명한 비전도성 재질, 예컨대 유리 또는 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.
전면 전극(110)은 기판(100)에 배치되고, 입사되는 광의 투과율을 높이기 위해 실질적으로 광투과성의 전도성 물질을 함유하는 제 1 전면 전극막(110a)과 제 2 전면 전극막(110b)을 포함한다. 아울러, 전면 전극(110)의 비저항 범위는 약 10-2Ωㆍ㎝ 내지 10-11Ωㆍ㎝일 수 있다. 여기서, 제 1 전면 전극막(110a)과 제 2 전면 전극막(110b)에 대한 상세한 설명은 전면 전극(110), 후면 전극(140) 및 광전변환부(PV)에 대한 기본적인 설명을 한 이후 후술한다.
이러한 전면 전극(110)은 광전변환부(PV)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 전면 전극(110)은 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 정공을 수집하여 출력할 수 있다.
아울러, 전면 전극(110)의 상부 표면에는 랜덤(random)한 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철이 형성될 수 있다. 즉, 전면 전극(110)은 텍스처링 표면(texturing surface)을 구비하고 있다. 이와 같이, 전면 전극(110)의 표면을 텍스처링하게 되면, 입사되는 광의 반사를 저감시키고, 광의 흡수율을 높일 수 있어서 태양전지의 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 한편, 도 1에서는 전면 전극(110)에만 요철을 형성한 경우만을 도시하고 있지만, 광전변환부(PV)에도 요철을 형성하는 것이 가능하다.
다음, 후면 전극(140)은 광전변환부(PV)가 발생시킨 전력의 회수 효율을 높이기 위해 전기 전도성이 우수한 금속 재질을 포함할 수 있다. 아울러, 후면 전극(140)은 광전변환부(PV)와 전기적으로 연결되어 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 전자를 수집하여 출력할 수 있다.
여기서, 광전변환부(PV)는 전면 전극(110)과 후면 전극(140)의 사이에 배치되어 외부로부터 입사되는 광으로 전력을 생산하는 기능을 한다.
이와 같은 광전변환부(PV)는 기판(100)의 입사면으로부터 p-i-n 구조, 즉 p형 반도체층(120p), 진성(i형) 반도체층(120i), n형 반도체층(120n)을 포함할 수 있다.
여기서, p형 반도체층(120p)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 이용하여 형성할 수 있다.
진성(i) 반도체층은 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수할 수 있다. 이러한 진성 반도체층(120i)은 입사되는 광을 흡수하여, 전자와 정공과 같은 캐리어를 생성할 수 있다.
이러한 진성 반도체층(120i)은 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질, 예컨대 수소화된 미세 결정 실리콘(mc-Si:H)을 포함할 수도 있고, 또는 비정질 실리콘(Amorphous Silicon) 재질, 예컨대 수소화된 비정질 실리콘(Hydrogenated Amorphous Silicon, a-Si:H)을 포함할 수 있다.
n형 반도체층(120n)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함한 가스를 이용하여 형성할 수 있다.
이와 같은 광전변환부(PV)는 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 형성될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 광전변환부(PV)의 p형 반도체층(120p) 및 n형 반도체층(120n)과 같은 도핑층은 진성 반도체층(120i)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성할 수 있다.
이러한 구조에서, p형 반도체층(120p) 쪽으로 광이 입사되면 진성 반도체층(120i)의 내부에서는 상대적으로 높은 도핑 농도를 갖는 p형 반도체층(120p)과 n형 반도체층(120n)에 의해 공핍(depletion)이 형성되고, 이에 따라 전기장이 형성될 수 있다. 이러한 광기전력 효과(photovoltatic effect)의하여 광 흡수층인 진성 반도체층(120i)에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 p형 반도체층(120p)을 통해 전면전극(110)쪽으로 이동하고, 전자는 n형 반도체층(120n)을 통해 후면전극(140)쪽으로 이동할 수 있다. 이러한 방식으로 전력이 생산될 수 있다.
한편, 본 발명의 전면 전극(110)에 포함되는 제 1 전면 전극막(110a)은 기판(100) 상부에 접촉하여 형성되되, 제 1 전면 전극막(110a)의 일부에는 도 2의 (a) 및 (b)와 같이 기판(100)의 일부가 노출되는 다공성의 핀홀(Pin hole, PH)이 형성되고, 제 2 전면 전극막(110b)은 제 1 전면 전극막(110a) 상부에 접촉하여 제 1 전면 전극막(110a)을 덮도록 형성되어 제 1 전면 전극막(110a)에 형성된 다공성의 핀홀(PH)을 덮도록 형성된다. 이와 같이 제 1 전면 전극막(110a)과 제 2 전면 전극막(110b)은 기판(100)의 상부에 접촉하여 기판(100)으로부터 순차적으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 전면 전극(110)을 이중막으로 형성하는 것은 박막 태양 전지의 광전 효율을 향상시키기 위함이다.
여기서, 제 1 전면 전극막(110a)에 형성되는 다공성의 핀홀(PH)의 형상이 도 2에서는 원형인 것만을 일례로 도시하고 있으나, 이와 다르게 다공성의 핀홀(PH)의 형상은 타원형, 격자형이 될 수도 있으며, 여러 가지 형태의 다각형 형상을 가질 수도 있다. 결국, 다공성의 핀홀(PH)의 형상은 제 1 전면 전극막(110a)이 형성된 기판(100)에서 기판(100)의 일부가 노출되는 구조이면 어떠한 형태를 가져도 무방하다.
또한, 도 2의 (b)에서는 다공성 핀홀(PH)의 내부에는 제 1 전면 전극막(110a)의 잔여 입자가 포함되지 않는 것으로 도시하였으나, 이와 다르게 다공성 핀홀(PH)의 내부에는 제 1 전면 전극막(110a)의 잔여 입자가 파티클(Particle) 형태로 포함될 수도 있다.
여기서, 제 1 전면 전극막(110a)의 다공성의 핀홀(PH)은 광전변환부(PV) 내에서 입사광의 트랩핑(Traping)을 향상시키기 위하여 제 1 전면 전극막(110a)의 표면을 에칭(Etching)하여 텍스처링 표면(Textured surface)을 형성하는 과정에서 형성된다.
여기서, 만약 제 1 전면 전극막(110a) 상부에 바로 실리콘 물질을 함유하는 광전변환부(PV)가 형성될 경우, 제 1 전면 전극막(110a)의 다공성의 핀홀(PH)은 광전변환부(PV)의 기능을 약화시키는 결함(Defect)으로 작용할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명과 다르게 제 2 전면 전극막(110b)이 제 1 전면 전극막(110a)의 상부에 형성되지 않고 제 1 전면 전극막(110a) 상부에 바로 광전변환부(PV)가 형성되는 경우, 제 1 전면 전극막(110a) 중 핀홀(PH)이 형성된 부분에서 광전변환부(PV)는 바로 기판(100)과 접하게 된다. 이와 같은 경우, 기판(100)과 접하는 광전변환부(PV)의 부분에서는 결합이 불안정해져 되어 결함(Defect)으로 작용하게 될 뿐만 아니라 기판(100)과 접하는 광전변환부(PV)에 균열이 발생할 수 있어, 전체적으로 태양 전지의 광전 효율을 저하시키는 원인이 된다.
그러나, 도 3에 도시된 본 발명과 같이, 제 2 전면 전극막(110b)이 제 1 전면 전극막(110a) 상부에 접촉하여 제 1 전면 전극막(110a)을 덮도록 형성되는 경우, 제 1 전면 전극막(110a) 중 핀홀(PH)이 형성된 부분에서도 광전변환부(PV)가 기판(100)과 바로 접하는 것을 방지하여, 불안정한 결합을 최소화함과 아울러 광전변환부(PV)에 발생할 수 있는 균열을 방지할 수 있어 전체적으로 태양 전지의 광전 효율을 향상시키는 효과가 있다.
여기서, 제 1 전면 전극막(110a)은 대부분의 빛이 통과하며 전기가 통할 수 있도록 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도를 구비하기 위해 인듐주석산화물(indium tin oxide: ITO), 주석계 산화물(SnO2 등), AgO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것으로 형성될 수 있다. 일례로, 제 1 전면 전극막(110a)은 알루미늄산화아연(ZnO:Al, AZO) 물질로 이루어질 수 있다.
여기서, 알루미늄산화아연(ZnO:Al) 물질로 제 1 전면 전극막(110a)을 형성하는 경우, 불소산화주석(SnO2:F)에 비하여 제 1 전면 전극막(110a)의 표면 텍스처링을 위한 화학적 에칭을 할 때, 테스처링 표면의 형상 제어가 상대적으로 용이하며, 광 투과도와 전기 전도도가 높은 장점이 있다. 또한, 광 산란을 증가시켜 광 특성 개선의 중요한 변수인 헤이즈(Haze)를 제어하는데 용이하다. 이와 같이 광 산란이 증가되면 광 경로가 증가되어 광전 효율이 증가될 수 있다.
또한, 제 2 전면 전극막(110b)은 제 2 전면 전극막(110b)은 금속성 물질에 아연산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2), 또는 티타늄산화물(TiO2) 중 적어도 하나의 물질이 결합된 물질을 함유할 수 있다. 일례로 제 2 전면 전극막(110b)은 붕소산화아연(ZnO:B, BZO) 물질을 함유할 수 있다.
이와 같은 제 2 전면 전극막(110b)은 저압화학기상증착(Low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)을 이용하여 형성될 수 있다.
보다 구체적으로 일례로, 붕소산화아연(ZnO:B) 물질을 함유하는 제 2 전면 전극막(110b)은 저압화학기상증착(LPCVD) 방법으로 100℃ ~ 250℃의 온도에서 디에틸아연(diethyl zinc, DEZ), 디보레인(diborane, B2H6)과 물에 의한 기상 가스(Vapor gas) 혼합물이 증착됨으로써 형성될 수 있다.
이와 같이 제 2 전면 전극막(110b)을 형성하기 위하여 저압화학기상증착(LPCVD) 방법을 이용하면, 스퍼터(Suppter)를 이용한 증착과 비교하여 상대적으로 스텝 커버리지(Step coverage)가 우수하기 때문에 텍스처링되어 있는 제 1 전면 전극막(110a)의 불균일한 표면을 증착할 때에 상대적으로 더 균일한 두께로 증착할 수 있는 효과가 있다.
여기서, 제 2 전면 전극막(110b)의 평균 두께(TE2)는 제 1 전면 전극막(110a)의 평균 두께(TE1)보다 작을 수 있다. 이는 제 1 전면 전극막(110a)에는 전술한 바와 같이 광 산란 증가를 위하여 표면을 텍스처링 처리를 하게 되는데, 이와 같은 텍스처링 처리를 위하여 충분한 두께를 확보하기 위하여 제 1 전면 전극막(110a)의 평균 두께(TE1)를 더 두껍게 하는 것이다.
따라서, 도 3과 같이, 제 2 전면 전극막(110b)의 평균 두께(TE2)가 제 1 전면 전극막(110a)의 평균 두께(TE1)보다 더 작기 때문에 제 1 전면 전극막(110a)의 텍스처링 표면 형상은 제 2 전면 전극막(110b)을 형성하더라도 제 2 전면 전극막(110b)의 표면에 상당수 유사하게 유지된다. 이를 위하여, 제 2 전면 전극막(110b)의 두께는 오차 범위 내에서 균일하게 형성될 수 있다.
여기서, 제 1 전면 전극막(110a)의 평균 두께(TE1)는 300nm 이상 900nm 이하가 되도록 할 수 있다. 제 1 전면 전극막(110a)의 평균 두께(TE1)를 300nm 이상이 되도록 하는 것은 제 1 전면 전극막(110a)의 표면에 에칭에 의하여 텍스처링 형상이 형성되더라도 발생할 수 있는 다공성 핀홀(PH)의 개수를 최소화하기 위함이다. 또한, 제 1 전면 전극막(110a)의 평균 두께(TE1)를 900nm 이하가 되도록 하는 것은 최소한의 광투과율을 유지하기 위함이다. 즉, 제 1 전면 전극막(110a)의 평균 두께(TE1)가 과도하게 두꺼워지면 광전변환부(PV)가 흡수하는 광량이 감소할 수 있는데, 최소한의 광투과율을 유지함으로써 광전변환부(PV)의 광 흡수량 감소를 방지하기 위함이다.
또한, 제 2 전면 전극막(110b)의 평균 두께(TE2)는 50nm 이상 500nm 이하가 되도록 할 수 있다. 제 2 전면 전극막(110b)의 평균 두께(TE2)를 50nm 이상이 되도록 하는 것은 제 2 전면 전극막(110b)의 두께(TE2)가 과도하게 얇은 경우 제 1 전면 전극막(110a)에 형성된 핀홀(PH)을 채우기에 부족할 수 있기 때문이다. 그리고, 제 2 전면 전극막(110b)의 평균 두께(TE2)를 500nm 이하가 되도록 하는 것은 최소한의 광투과율을 유지하여 광 투과도의 저하를 방지하기 위함이다.
또한, 제 2 전면 전극막(110b)의 텍스쳐링 표면의 경사각(θ2)은 제 1 전면 전극막(110a)의 테스쳐링 표면의 경사각(θ1)보다 작게 형성할 수 있다. 이는 제 1 전면 전극막(110a)에 알루미늄산화아연(AZO) 사용되고 제 2 전면 전극막(110b)에 붕소산화아연(BZO)가 사용될 경우, 물질 고유의 특성에 의해 나타날 수 있는 특징이다.
이와 같이, 제 1 전면 전극막(110a)의 텍스쳐링 표면 경사각(θ1)보다 제 2 전면 전극막(110b)의 텍스처링 표면 경사각(θ2)이 작게 되면, 제 1 전면 전극막(110a)과 제 2 전면 전극막(110b)을 투과하는 광의 산란 특성을 더욱 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 이와 같은 도 1 내지 도 3에서는, 박막 태양 전지(10)가 단층 p-i-n 구조로 형성된 경우만을 일례로 설명하였으나, 전면 전극(110)이 제 1 전면 전극막(110a)과 제 2 전면 전극막(110b)을 포함하는 것은 템덤 구조, 예를 들면, 이중 접합이나 삼중 접합의 구조에서도 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 제 2 전면 전극막이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
이하에서는 이상에서 상세히 설명한 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다
도 4에 도시된 바와 같이, 박막 태양전지는 제 1 광전변환부(421) 및 제 2 광전변환부(423)를 포함할 수 있다.
도 4와 같이, 박막 태양전지는 광입사면으로부터 제 1 p형 반도체층(421p), 제 1 i형 반도체층(421i), 제 1 n형 반도체층(421n), 제 2 p형 반도체층(423p), 제 2 i형 반도체층(423i) 및 제 2 n형 반도체층(423n)이 차례로 적층될 수 있다.
제 1 i형 반도체층(421i)은 단파장 대역의 광을 주로 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다.
아울러, 제 2 i형 반도체층(423i)은 장파장 대역의 광을 주로 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다.
이처럼, 이중접합 구조의 태양전지는 단파장 대역 및 장파장 대역의 광을 흡수하여 캐리어를 생성하기 때문에 높은 효율을 갖는 것이 가능하다.
아울러, 제 2 i형 반도체층(423i)의 두께(TP2)는 장파장 대역의 광을 충분히 흡수하기 위해 제 1 i형 반도체층(421i)의 두께(TP1)보다 두꺼울 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같은 박막 태양전지는 제 1 광전변환부(421)의 제 1 i형 반도체층(421i) 및 제 2 광전변환부(423)의 제 2 i형 반도체층(423i)이 모두 비정질 실리콘 재질을 포함할 수도 있고, 또는 제 1 광전변환부(421)의 제 1 i형 반도체층(421i)은 비정실 실리콘 재질을 포함하고, 제 2 광전변환부(423)의 제 2 i형 반도체층(423i)은 미세 결정질 실리콘 재질을 포함할 수도 있다.
또한, 도 4와 같은 이중접합 구조를 갖는 태양전지에서 제 2 i형 반도체층(423i)에는 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로서 도핑될 수 있다. 게르마늄(Ge) 재질은 제 2 i형 반도체층(423i)의 밴드갭을 낮출 수 있고, 이에 따라 제 2 i형 반도체층(423i)의 장파장 대역 광의 흡수율이 향상됨으로써 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
즉, 이중접합 구조를 갖는 태양전지는 제 1 i형 반도체층(421i)에서 단파장 대역의 광을 흡수하여 광전 효과를 발휘하고, 제 2 i형 반도체층(423i)에서 장파장 대역의 광을 흡수하여 광전 효과를 발휘하게 되는데, 제 2 i형 반도체층(423i)에 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑된 태양전지는 제 2 i형 반도체층(423i)의 밴드갭을 더욱 낮춤으로써 보다 많은 양의 장파장 대역 광을 흡수할 수 있어 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 제 2 i형 반도체층(423i)에 게르마늄(Ge)을 도핑하는 방법으로는 게르마늄(Ge) 가스가 채워진 챔버 내에서 VHF, HF 또는 RF를 이용한 PECVD공법을 일례로 들 수 있다.
이와 같은 제 2 i형 반도체층(423i)에 포함되는 게르마늄의 함량을 일례로 3~20atom%일 수 있다. 이와 같이 게르마늄의 함량이 적절하게 포함되는 경우 제 2 i형 반도체층(423i)의 밴드갭이 충분히 낮아질 수 있고, 이에 따라 제 2 i형 반도체층(423i)의 장파장 대역 광의 흡수율이 향상시킬 수 있다.
이러한 경우에도 제 1 i형 반도체층(421i)은 단파장 대역의 광을 주로 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있고, 제 2 i형 반도체층(423i)은 장파장 대역의 광을 주로 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 아울러, 제 2 i형 반도체층(423i)의 두께(TP1)는 장파장 대역의 광을 충분히 흡수하기 위해 제 1 i형 반도체층(421i)의 두께(TP2)보다 두꺼울 수 있다.
이와 같은 이중 접합 태양 전지에서도 전면 전극(110)이 제 1 전면 전극막(110a)과 제 2 전면 전극막(110b)을 포함하고, 제 1 전면 전극막(110a)은 기판 상부에 접촉하여 형성되되, 제 1 전면 전극막(110a)의 일부에는 기판의 일부가 노출되는 다공성의 핀홀(PH)(Pin hole)이 형성되고, 제 2 전면 전극막(110b)은 제 1 전면 전극막(110a) 상부에 접촉하여 제 1 전면 전극막(110a)을 덮도록 형성될 수 있다.
또한, 도 5는 본 발명에 따른 제 2 전면 전극막이 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조에서 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다. 이하에서는 이상에서 상세히 설명한 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 5을 살펴보면, 박막 태양전지는 기판(100)의 입사면으로부터 제 1 광전변환부(521), 제 2 광전변환부(523) 및 제 3 광전변환부(525)가 차례대로 배치될 수 있다.
여기서, 제 1 광전변환부(521), 제 2 광전변환부(523) 및 제 3 광전변환부(525)는 각각 p-i-n 구조로 형성될 수 있어, 기판(100)으로부터 제 1 p형 반도체층(521p), 제 1 진성 반도체층(521i), 제 1 n형 반도체층(521n), 제 2 p형 반도체층(523p), 제 2 진성 반도체층(523i), 제 2 n형 반도체층(523n), 제 3 p형 반도체층(525p), 제 3 진성 반도체층(525i) 및 제 3 n형 반도체층(525p)이 차례로 배치될 수 있다.
여기서, 제 1 진성 반도체층(521i), 제 2 진성 반도체층(523i) 및 제 3 진성 반도체층(525i)을 다양하게 구현될 수 있다.
제 1 예로, 제 1 진성 반도체층(521i) 및 제 2 진성 반도체층(523i)은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함할 수 있으며, 제 3 진성 반도체층(525i)은 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질을 포함할 수 있다. 여기서, 제 2 진성 반도체층(523i)에만 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑되도록 하여 제 2 진성 반도체층(523i)의 밴드갭을 낮출 수도 있고, 제 2 진성 반도체층(523i)뿐만 아니라 제 3 진성 반도체층(525i)도 함께 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑되도록 할 수도 있다.
또한, 이와 다르게, 제 2 예로 제 1 진성 반도체층(521i)은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함할 수 있으며, 제 2 진성 반도체층(523i) 및 제 3 진성 반도체층(525i)은 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질을 포함할 수 있다. 여기서, 제 3 진성 반도체층(525i)에는 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑되도록 하여 제 3 진성 반도체층(525i)의 밴드갭을 낮출 수도 있다.
여기서, 제 1 광전변환부(521)는 단파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있으며, 제 2 광전변환부(523)는 단파장 대역과 장파장 대역의 중간 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있고, 제 3 광전변환부(525)는 장파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있다.
여기서, 제 3 진성 반도체층(525i)의 두께(TP30)는 제 2 진성 반도체층(523i)의 두께(TP20)보다 두껍고, 제 2 진성 반도체층(523i)의 두께(TP20)는 제 1 진성 반도체층(521i)의 두께(TP10)보다 두꺼울 수 있다.
이는 제 3 진성 반도체층(525i)에서 장파장 대역의 광흡수율을 더욱 향상시키기 위함이다.
이와 같이 도 5과 같은 삼중접합 태양전지의 경우에는 보다 넓은 대역의 광을 흡수할 수 있기 때문에 전력 생산 효율이 높을 수 있다.
이와 같이 도 5와 같은 삼중접합 태양 전지에서도 전면 전극(110)이 제 1 전면 전극막(110a)과 제 2 전면 전극막(110b)을 포함하고, 제 1 전면 전극막(110a)은 기판 상부에 접촉하여 형성되되, 제 1 전면 전극막(110a)의 일부에는 기판의 일부가 노출되는 다공성의 핀홀(PH)이 형성되고, 제 2 전면 전극막(110b)은 제 1 전면 전극막(110a) 상부에 접촉하여 제 1 전면 전극막(110a)을 덮도록 형성될 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.
Claims (11)
- 기판;
상기 기판에 배치되는 전면 전극, 상기 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극, 및 상기 전면 전극과 상기 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부를 포함하며,
상기 전면 전극은 광투과성의 전도성 물질을 함유하는 제 1 전면 전극막과 제 2 전면 전극막을 포함하고,
상기 제 1 전면 전극막은 상기 기판 상부에 접촉하여 형성되되, 상기 제 1 전면 전극막의 일부에는 상기 기판의 일부가 노출되는 다공성의 핀홀(Pin hole)이 형성되고,
상기 제 2 전면 전극막은 상기 제 1 전면 전극막 상부에 접촉하여 상기 제 1 전면 전극막에 형성된 상기 핀홀을 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전면 전극막은 금속성 물질에 아연산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2), 또는 티타늄산화물(TiO2) 중 적어도 하나의 물질이 결합된 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전면 전극막은 알루미늄산화아연(ZnO:Al) 물질을 함유하고,
상기 제 2 전면 전극막은 붕소산화아연(ZnO:B) 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전면 전극막의 평균 두께는 상기 제 1 전면 전극막의 평균 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 전면 전극막의 평균 두께는 50nm 이상 500nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 전면 전극막의 두께는 오차 범위 내에서 균일한 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전면 전극막의 평균 두께는 300nm 이상 900nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전면 전극막 및 상기 제 2 전면 전극막의 표면은 텍스쳐링되어 있으며,
상기 제 2 전면 전극막의 텍스쳐링 표면의 경사각은 상기 제 1 전면 전극막의 테스쳐링 표면의 경사각보다 작은 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환부는 P형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층인 p-i-n 구조가 적어도 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 게르마늄(Ge)을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 비정질 실리콘(a-si) 또는 미세 결정 실리콘(mc-si) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
Priority Applications (4)
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