KR20120055133A - 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; 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부; 및 광전 변환부 및 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 반사하는 도전성의 후면 반사층;을 포함하며, 후면 반사층은 금속성의 나노 입자를 포함한다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판에 배치되는 전면 전극; 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극; 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부; 및 광전 변환부 및 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 반사하는 도전성의 후면 반사층;을 포함하며, 후면 반사층은 금속성의 나노 입자를 포함한다.
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 주목 받고 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; 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부; 및 광전 변환부 및 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 반사하는 도전성의 후면 반사층;을 포함하며, 후면 반사층은 금속성의 나노 입자를 포함한다.
여기서, 후면 반사층의 나노 입자는 타원 형상을 지닐 수 있다.
또한, 나노 입자의 장축 방향은 기판의 입사면과 나란하게 배열될 수 있다.
또한, 나노 입자 장축의 길이는 20nm 이상 200nm 이하일 수 있다.
또한, 나노 입자 단축의 길이는 5nm 이상 30nm 이하일 수 있다.
또한, 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 후면 반사층은 도전성의 투명 산화물을 포함할 수 있다. 일례로, 후면 반사층은 아연산화물(ZnOx), 주석산화물(SnOx), 인듐산화물(InOx), 또는 실리콘산화물(SiOx) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 후면 반사층의 두께는 80nm 이상 120nm 이하일 수 있다.
또한, 후면 반사층에서 광전 변환부와 접하는 면은 텍스쳐링(Texturing) 되어 있을 수 있다.
또한, 광전 변환부는 P형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층을 포함하는 p-i-n 구조가 적어도 하나 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 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.
또한, 후면 전극은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
또한, 후면 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지는 후면 반사층에 금속성의 나노 입자를 포함시킴으로써 광전 변환부의 광전 변환 효율을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 후면 반사층 및 후면 반사층의 금속성 나노 입자에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 금속성의 나노 입자가 포함된 후면 반사층이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속성의 나노 입자를 포함한 후면 반사층이 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조에서 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 후면 반사층 및 후면 반사층의 금속성 나노 입자에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 금속성의 나노 입자가 포함된 후면 반사층이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속성의 나노 입자를 포함한 후면 반사층이 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 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판(100), 전면 전극(110), 광전변환부(PV), 후면 전극(140), 후면 반사층(130)을 포함하고, 후면 반사층(130)은 금속성의 나노 입자(np)를 포함한다.
이와 같은, 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.
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)의 상부에 배치되고, 입사되는 광의 투과율을 높이기 위해 실질적으로 광투과성의 전도성 물질을 함유한다. 아울러, 전면 전극(110)의 비저항 범위는 약 10-2Ωㆍ㎝ 내지 10-11Ωㆍ㎝일 수 있다. 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 전면 전극(110)의 상부에 이격되어 광전 변환부(PV) 상부에 배치되며, 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.
이와 같은 후면 전극(140)은 전기 전도성이 양호한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있으며, 단층 또는 다층으로 형성될 수도 있다.
여기서, 광전변환부(PV)는 전면 전극(110)과 후면 전극(140)의 사이에 배치되어 외부로부터 기판(100)의 입사면을 통하여 입사되는 광을 전기로 변환하는 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 도 1에서 비정질 실리콘(Amorphous Silicon) 재질(i-a-si), 예컨대 수소화된 비정질 실리콘(Hydrogenated Amorphous Silicon, a-Si:H)을 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 이와 다르게 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질, 예컨대 수소화된 미세 결정 실리콘(mc-Si:H)을 포함할 수도 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.
다음, 후면 반사층(130)은 광전 변환부(PV) 및 후면 전극(140) 사이에 배치되며, 광전 변환부(PV)에서 흡수되지 않은 광을 다시 광전 변환부(PV)로 반사하는 기능을 한다. 이와 같은 후면 반사층(130)은 금속성의 나노 입자(np)를 포함한다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 후면 반사층 및 후면 반사층의 금속성 나노 입자에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 후면 반사층(130)은 금속성의 나노 입자(np)를 포함한다.
이와 같은 금속성의 나노 입자(np)를 후면 반사층(130) 내부에 형성하는 방법은 다음과 같다.
첫 번째로, 먼저 후면 반사층(130)의 일부를 형성한 다음, 증착(evaporation) 방법을 이용하여 금속성의 나노 입자(np)를 후면 반사층(130)의 일부면에 얇게 증착하고 열처리를 수행한 후, 다시 후면 반사층(130)의 나머지 일부를 형성함으로써, 금속성의 나노 입자(np)를 후면 반사층(130)의 내부에 형성할 수 있다.
두 번째 방법으로는, 첫 번째 방법과 마찬가지로, 먼저 후면 반사층(130)의 일부를 형성한 다음, 금속성의 나노 입자(np)를 용매에 분사시켜 후면 반사층(130)의 일부면에 코팅하여 배열시키고 용매를 건조시킨 후, 다시 후면 반사층(130)의 나머지 일부를 형성함으로써, 금속성의 나노 입자(np)를 후면 반사층(130)의 내부에 형성할 수 있다.
이와 같은, 금속성의 나노 입자(np)는 후면 반사층(130)으로 입사되는 광에 대해 표면 플라즈몬(Surface plasmon)이라는 현상을 발생시켜 후면 반사층(130)의 광 반사율을 극대화시켜 광전 변환부(PV)의 광전 변환 효율을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
여기서, 표면 플라즈몬(Surface plasmon)이라 함은 후면 반사층(130)으로 입사되는 광에 의해 금속성 나노 입자(np) 내의 자유 전자들이 여기(excited)되어 분극 현상을 일으키며 진동하게 되는 현상을 의미하며, 이와 같은 표면 플라즈몬 현상이 금속성의 나노 입자(np) 표면에서 발생하게 되면, 나노 입자(np) 표면으로 입사되는 빛은 반사 및 산란 작용을 일으키며, 또한, 광전 변환부(PV)와 같은 유전율이 큰 반도체 물질이 근처에 있으면 이와 같은 나노 입자(np) 표면의 반사 산란 작용은 주로 광전 변환부(PV)를 향하여 일어나 광전 변환부(PV)에서 빛 가둠현상(Light trapping)이 발생하게 되어 광전 변환부(PV)의 광전 효율을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
또한, 후면 반사층(130)은 금속성의 나노 입자(np) 이외에 도전성의 투명 산화물을 포함할 수 있다. 일례로 후면 반사층(130)은 투명하면서도 전도성이 있는 물질인 아연산화물(ZnOx), 주석산화물(SnOx), 인듐산화물(InOx), 또는 실리콘산화물(SiOx) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 후면 반사층(130)에 금속성의 나노 입자(np)가 포함되는 경우, 금속성의 나노 입자(np)에 의해 빛의 반사 및 산란을 증가시킴에 따라, 후면 반사층(130)은 후면 반사층(130) 내부 및 후면 반사층(130)과 후면 전극(140)의 계면에서 광이 흡수되어 광 손실이 발생할 수 있는데, 이를 억제하기 위해 후면 반사층(130)의 전기 전도도는 태양 전지의 필펙터(Fill Factor)를 저하시키지 않을 정도의 범위로 유지되도록 할 수 있고, 후면 반사층(130)과 후면 전극(140) 계면 부분에서 후면 반사층(130)의 유전율이 상대적으로 낮도록 할 수 있다.
여기서, 후면 반사층(130)에서 광전 변환부(PV)와 접하는 면은 텍스쳐링(Texturing)될 수 있다. 이와 같이 되도록 함으로써, 후면 반사층(130)의 광 산란 효과를 더욱 증가시킬 수 있다.
이와 같은 후면 반사층(130)의 두께(TBR)는 80nm 이상 120nm 이하일 수 있다.
여기서, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)를 80nm 이상이 되도록 하는 것은 후면 반사층(130)의 일면이 텍스쳐링되는 것을 고려하여 충분한 두께를 유지하기 위함이고, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)를 120nm 이하가 되도록 하는 것은 후면 전극(140)에 비하여 상대적으로 전기 전도성이 낮은 후면 반사층(130)의 두께가 과도하게 두꺼워져 전류의 흐름이 저하되는 것을 방지하기 위함이다.
이와 같은 후면 반사층(130)에서 금속성 나노 입자(np)는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 타원 형상을 지니도록 할 수 있다. 즉 나노 입자(np)의 장축 방향은 기판(100)의 입사면과 나란하게 배열되도록 하면서 금속성 나노 입자(np)의 장축의 길이(p1)가 단축의 길이(p2)보다 길게 할 수 있다.
이와 같이, 금속성 나노 입자(np)가 타원 형상을 지니도록 하면서, 나노 입자(np)의 장축 방향이 기판(100)의 입사면 또는 후면 반사층(130)의 길이 방향과 나란하게 배열되도록 함으로써, 금속성 나노 입자(np)에 광이 입사될 때 표면 플라즈몬 현상을 일으키도록 할 수 있으며, 광의 반사 및 산란이 광전 변환부(PV) 방향으로 일어나도록 하여 광전 변환부(PV)의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 나노 입자(np) 장축의 길이(p1)는 20nm 이상 200nm 이하의 범위에서 결정될 수 있다. 여기서, 나노 입자(np) 장축의 길이(p1)가 20nm 이상이 되도록 하는 것은 나노 입자(np)가 최소한의 광반사 효과를 지니도록 하기 위함이고, 나노 입자(np) 장축의 길이(p1)가 200nm 이하가 되도록 하는 것은 나노 입자(np)가 최소한의 광산란 효과를 지니도록 하기 위함이다. 즉, 나노 입자(np) 장축의 길이(p1)가 20nm 이하가 되는 경우 나노 입자(np)에 의한 광반사 효과가 원하는 만큼 이루어지기 어렵고, 광 산란 효과만 너무 과해질 수 있기 때문이고, 나노 입자(np) 장축의 길이(p1)가 200nm 이상이 되는 경우 원하는 만큼의 광 산란 효과를 달성하기 어렵고 광 반사 효과만 너무 과해질 수 있기 때문이다.
따라서, 나노 입자(np) 장축의 길이(p1)가 20nm 이상 200nm 이하가 되도록 함으로써, 적절한 비율의 광 반사 및 광 산란 효과를 가지도록 할 수 있다.
또한, 아울러, 나노 입자(np) 단축의 길이(p2)는 5nm 이상 30nm 이하의 범위에서 결정될 수 있다. 이는 나노 입자(np)로 입사되는 광의 파장을 고려한 것이다.
즉, 금속성의 나노 입자(np)로 입사되는 빛의 파장은 이미 광전 변환부(PV)를 통하여 입사되는 빛으로, 광전 변환부(PV)에서 단파장의 빛은 이미 흡수된 상태이고, 나노 입자(np)로 입사되는 빛의 파장은 주로 장파장의 빛이 된다.
이를 고려하여, 나노 입자(np) 단축의 길이(p2)를 5nm 이상 30nm 이하가 되도록 함으로써, 원하는 파장 영역의 빛, 즉 보다 많은 양이 입사되는 장파장 영역의 빛을 보다 더 효과적으로 반사할 수 있는 효과가 있다.
이와 같은 금속성 나노 입자(np)는 표면 플라즈몬 현상이 용이하게 발생할 수 있는 금속성 물질로 이루어질 수 있으며, 일례로 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 이와 같은 금속성 나노 입자(np)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 동일한 크기로 하나의 층이 후면 반사층(130)의 길이 방향과 나란하게 일렬로 배열될 수 있으나, 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 금속성 나노 입자(np)가 후면 반사층(130)의 길이 방향과 나란하게 일렬로 배열되되, 복수 개의 층이 서로 교차하도록 배열될 수도 있다.
이와 같이 복수 개의 층이 서로 교차하도록 배열되는 경우, 금속성 나노 입자(np) 사이의 이격된 공간으로 투과되는 빛의 양을 최소화하고, 거의 대부분의 빛이 금속성 나노 입자(np)에 의해 반사 및 산란되도록 할 수 있어 광전 변환부(PV)의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 2c와 같이, 금속성 나노 입자(np)는 복수 개의 층이 서로 교차하도록 배열되되, 각 층의 금속성 나노 입자(np)의 크기가 서로 다를 수 있다. 즉, 크기가 작은 제 1 금속성 나노 입자(np1)와 크기가 큰 제 2 금속성 나노 입자(np2)가 서로 교차하여 배열되도록 할 수도 있으며, 이와 다르게 랜덤하게 배열되도록 할 수도 있는 것이다.
이와 같이, 다양한 크기의 금속성 나노 입자(np)가 혼합하여 배열되도록 함으로써, 금속성 나노 입자(np)가 반사 및 산란할 수 있는 빛의 파장 영역을 더욱 확장시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 도 2c와 같은 배열은 반사 및 산란 할 수 있는 장파장 영역을 더욱 확장시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 도 2d와 같이, 크기가 작은 제 1 나노 입자(np1)가 광전 변환부(PV)와 인접하여 나란하게 배열되도록 하고, 크기가 작은 제 2 나노 입자(np2)는 후면 전극(140)과 인접하여 나란하게 배열되도록 할 수 있다.
이와 같은 경우, 제 1 나노 입자(np1)는 상대적으로 단파장 영역의 광을 반사 및 산란시키고, 제 1 나노 입자(np2)를 투과한 상대적으로 장파장 영역의 광은 제 2 나노 입자(np2)에 의해 반사 및 산란을 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 지금까지의 도 2a 내지 도 2d에서 설명한 바와 다르게, 다양한 크기의 나노 입자(np)가 후면 반사층(130) 내에서 특정한 형태로 배열되는 것이 아니라 랜덤한 형태로 배열될 수도 있다.
지금까지는 후면 반사층(130) 및 후면 반사층(130) 내의 금속성 나노 입자(np)가 도 1과 같이 하나의 p-i-n 구조로 이루어진 광전 변환부(PV)에 적용된 일례를 설명하였으나, 이와 다르게 광전 변환부(PV)가 복수 개의 p-i-n 구조로 이루어진 경우에도 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 금속성의 나노 입자가 포함된 후면 반사층이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
이하에서는 이상에서 상세히 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다
도 3에 도시된 바와 같이, 박막 태양전지는 제 1 광전변환부(321) 및 제 2 광전변환부(323)를 포함할 수 있다.
도 3와 같이, 박막 태양전지는 광입사면으로부터 제 1 p형 반도체층(321p), 제 1 i형 반도체층(321i), 제 1 n형 반도체층(321n), 제 2 p형 반도체층(323p), 제 2 i형 반도체층(323i) 및 제 2 n형 반도체층(323n)이 차례로 적층될 수 있다.
제 1 i형 반도체층(321i)은 단파장 대역의 광을 주로 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다.
아울러, 제 2 i형 반도체층(323i)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(323i)의 두께(t2)는 장파장 대역의 광을 충분히 흡수하기 위해 제 1 i형 반도체층(321i)의 두께(t1)보다 두꺼울 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같은 박막 태양전지는 제 1 광전변환부(321)의 제 1 i형 반도체층(321i)은 비정실 실리콘 재질을 포함하고, 제 2 광전변환부(323)의 제 2 i형 반도체층(323i)은 미세 결정질(microcrystal) 실리콘 재질을 포함할 수도 있다. 그러나, 이와 다르게, 제 1 광전변환부(321)의 제 1 i형 반도체층(321i) 및 제 2 광전변환부(323)의 제 2 i형 반도체층(323i)이 모두 비정질 실리콘 재질을 포함하는 것도 가능하다.
또한, 도 3와 같은 이중접합 구조를 갖는 태양전지에서 제 2 i형 반도체층(323i)에는 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑될 수 있다. 게르마늄(Ge) 재질은 제 2 i형 반도체층(323i)의 밴드갭을 낮출 수 있고, 이에 따라 제 2 i형 반도체층(323i)의 장파장 대역 광의 흡수율이 향상됨으로써 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
즉, 이중접합 구조를 갖는 태양전지는 제 1 i형 반도체층(321i)에서 단파장 대역의 광을 흡수하여 광전 효과를 발휘하고, 제 2 i형 반도체층(323i)에서 장파장 대역의 광을 흡수하여 광전 효과를 발휘하게 되는데, 제 2 i형 반도체층(323i)에 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑된 태양전지는 제 2 i형 반도체층(323i)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(323i)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(323i)에 포함되는 게르마늄의 함량을 일례로 3~20atom%일 수 있다. 이와 같이 게르마늄의 함량이 적절하게 포함되는 경우 제 2 i형 반도체층(323i)의 밴드갭이 충분히 낮아질 수 있고, 이에 따라 제 2 i형 반도체층(323i)의 장파장 대역 광의 흡수율이 향상시킬 수 있다.
이와 같은 이중 접합 태양 전지에서도 후면 반사층(130)이 도 2a 내지 2d와 같이 금속성의 나노 입자(np)를 포함할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 제 1 i형 반도체층(321i) 및 제 2 i형 반도체층(323i)에서 흡수되지 못한 장파장 대역의 빛을 후면 반사층(130)의 금속성 나노 입자(np)에서 반사와 산란을 통하여 제 1 i형 반도체층(321i) 및 제 2 i형 반도체층(323i)에서 다시 한번 흡수되도록 할 수 있다. 이와 같이 함으로써 제 1 i형 반도체층(321i) 및 제 2 i형 반도체층(323i)의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 이중 접합 구조의 태양 전지에서 제 1 n형 반도체층(321n) 및 제 2 p형 반도체층(323p) 사이에 중간층(310)이 더 포함될 수 있다.
이와 같은 중간층(310)은 제 1 i형 반도체층(321i)에서 흡수되지 못한 단파장 영역의 빛을 반사하여 제 1 i형 반도체층(321i)에서 다시 한번 단파장 영역의 빛이 흡수되도록 함으로써 제 1 i형 반도체층(321i)의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이와 같은 중간층(310)의 재질은 전도성의 투명 산화물질로 이루어질 수 있다.
도 3에서는 이와 같은 중간층(310)이 포함되는 것을 일례로 설명하고 있으나, 이와 다르게 중간층(310)은 생략될 수도 있다.
또한, 도 4는 본 발명에 따른 금속성의 나노 입자를 포함한 후면 반사층이 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조에서 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다. 이하에서는 이상에서 상세히 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 박막 태양전지는 기판(100)의 입사면으로부터 제 1 광전변환부(421), 제 2 광전변환부(423) 및 제 3 광전변환부(425)가 차례대로 배치될 수 있다.
여기서, 제 1 광전변환부(421), 제 2 광전변환부(423) 및 제 3 광전변환부(425)는 각각 p-i-n 구조로 형성될 수 있어, 기판(100)으로부터 제 1 p형 반도체층(421p), 제 1 진성 반도체층(421i), 제 1 n형 반도체층(421n), 제 2 p형 반도체층(423p), 제 2 진성 반도체층(423i), 제 2 n형 반도체층(423n), 제 3 p형 반도체층(425p), 제 3 진성 반도체층(425i) 및 제 3 n형 반도체층(425p)이 차례로 배치될 수 있다.
여기서, 제 1 진성 반도체층(421i), 제 2 진성 반도체층(423i) 및 제 3 진성 반도체층(425i)을 다양하게 구현될 수 있다.
도 4에서는 제 1 예로, 제 1 진성 반도체층(421i) 및 제 2 진성 반도체층(423i)은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함하고, 제 3 진성 반도체층(425i)은 미세 결정(microcrystal) 실리콘(mc-Si) 재질을 포함하는 것을 도시하였다. 여기서, 제 2 진성 반도체층(423i)뿐만 아니라 제 3 진성 반도체층(425i)도 함께 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑될 수 있다. 여기서, 제 3 진성 반도체층(425i)에 포함된 게르마늄(Ge)의 함량비는 제 1 진성 반도체층(423i)에 포함된 게르마늄(Ge)의 함량비보다 더 클 수 있다. 이는 게르마늄(Ge)의 함량비가 커질수록 밴드갭이 작아지기 때문이다. 이와 같이 밴드갭이 작아지면 장파장의 빛을 흡수하는데 유리하기 때문이다. 따라서 제 3 진성 반도체층(425i)에 포함된 게르마늄(Ge)의 함량비를 제 1 진성 반도체층(423i)에 포함된 게르마늄(Ge)의 함량비보다 더 크게 되도록 함으로써 제 3 진성 반도체층(425i)에서 장파장의 빛을 더 효율적으로 흡수할 수 있다.
또한, 이와 다르게, 제 2 예로 제 1 진성 반도체층(421i)은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함할 수 있으며, 제 2 진성 반도체층(423i) 및 제 3 진성 반도체층(425i)은 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질을 포함할 수 있다. 여기서, 제 3 진성 반도체층(425i)에는 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑되도록 하여 제 3 진성 반도체층(425i)의 밴드갭을 낮출 수도 있다.
여기서, 제 1 광전변환부(421)는 단파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있으며, 제 2 광전변환부(423)는 단파장 대역과 장파장 대역의 중간 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있고, 제 3 광전변환부(425)는 장파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있다.
여기서, 제 3 진성 반도체층(425i)의 두께(t30)는 제 2 진성 반도체층(423i)의 두께(t20)보다 두껍고, 제 2 진성 반도체층(423i)의 두께(t20)는 제 1 진성 반도체층(421i)의 두께(t10)보다 두꺼울 수 있다.
일례로, 제 1 진성 반도체층(421i)은 100 ~ 150nm의 두께(t10)로 형성될 수 있으며, 제 2 진성 반도체층(423i)은 150 ~ 300nm의 두께(t20)로 형성될 수 있으며, 제 3 진성 반도체층(425i)은 1.5㎛ ~ 4㎛의 두께(t30)로 형성될 수 있다.
이는 제 3 진성 반도체층(425i)에서 장파장 대역의 광흡수율을 더욱 향상시키기 위함이다.
이와 같이 도 4과 같은 삼중접합 태양전지의 경우에는 보다 넓은 대역의 광을 흡수할 수 있기 때문에 전력 생산 효율이 높을 수 있다.
이와 같은 삼중 접합 태양 전지에서도 후면 반사층(130)이 도 2a 내지 2d와 같이 금속성의 나노 입자(np)를 포함할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 제 3 i형 반도체층(425i)에서 흡수되지 못한 장파장 대역의 빛을 후면 반사층(130)의 금속성 나노 입자(np)에서 반사와 산란을 통하여 제 3 i형 반도체층(425i)에서 다시 한번 흡수되도록 할 수 있다. 이와 같이 함으로써 제 3 i형 반도체층(425i)의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 삼중 접합 구조의 태양 전지에서 제 2 n형 반도체층(423n) 및 제 3 p형 반도체층(425p) 사이에 중간층(410)이 더 포함될 수 있다.
도 4에서는 이와 같은 중간층(410)이 포함되는 것을 일례로 설명하고 있으나, 이와 다르게 중간층(410)은 생략될 수도 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 (15)
- 기판;
상기 기판에 배치되는 전면 전극;
상기 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극;
상기 전면 전극과 상기 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부; 및
상기 광전 변환부 및 상기 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 반사하는 도전성의 후면 반사층;을 포함하며,
상기 후면 반사층은 금속성의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 후면 반사층의 나노 입자는 타원 형상을 지닌 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
나노 입자의 장축 방향은 상기 기판의 입사면과 나란하게 배열된 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 나노 입자 장축의 길이는 20nm 이상 200nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 나노 입자 단축의 길이는 5nm 이상 30nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 후면 반사층은 도전성의 투명 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 후면 반사층은 아연산화물(ZnOx), 주석산화물(SnOx), 인듐산화물(InOx), 또는 실리콘산화물(SiOx) 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 후면 반사층의 두께는 80nm 이상 120nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 후면 반사층에서 상기 광전 변환부와 접하는 면은 텍스쳐링(Texturing) 되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환부는 P형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층을 포함하는 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. - 제 1 항에 있어서,
상기 후면 전극은 적어도 하나 이상의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 후면 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100116663A KR20120055133A (ko) | 2010-11-23 | 2010-11-23 | 박막 태양 전지 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020100116663A KR20120055133A (ko) | 2010-11-23 | 2010-11-23 | 박막 태양 전지 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120055133A true KR20120055133A (ko) | 2012-05-31 |
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ID=46270758
Family Applications (1)
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| KR1020100116663A KR20120055133A (ko) | 2010-11-23 | 2010-11-23 | 박막 태양 전지 |
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| KR (1) | KR20120055133A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105244403A (zh) * | 2015-10-16 | 2016-01-13 | 南开大学 | 非晶硅pin光电池及其制备方法 |
| KR20210053758A (ko) * | 2019-11-04 | 2021-05-12 | 한국광기술원 | 내부 반사막을 이용한 고효율 광전기화학적 수소 발생 장치 |
-
2010
- 2010-11-23 KR KR1020100116663A patent/KR20120055133A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
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