KR20120062130A - 박막 태양 전지 - Google Patents
박막 태양 전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20120062130A KR20120062130A KR1020100123244A KR20100123244A KR20120062130A KR 20120062130 A KR20120062130 A KR 20120062130A KR 1020100123244 A KR1020100123244 A KR 1020100123244A KR 20100123244 A KR20100123244 A KR 20100123244A KR 20120062130 A KR20120062130 A KR 20120062130A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- region
- grade
- type semiconductor
- grade region
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 178
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 73
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 73
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 16
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 158
- 239000000463 material Substances 0.000 description 16
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 3
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001636 atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005430 electron energy loss spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 241000252073 Anguilliformes Species 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000012811 non-conductive material Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/075—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PIN type, e.g. amorphous silicon PIN solar cells
- H01L31/076—Multiple junction or tandem solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
- H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
- H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
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, p형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층을 포함하는 광전 변환부;를 포함하며, 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 p형 반도체층과 접하고 p형 반도체층으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 감소하는 제 1 그레이드 영역, n형 반도체층과 접하고 n형 반도체층으로 인접할수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 증가하는 제 2 그레이드 영역, 및 제 1 그레이드 영역과 제 2 그레이드 영역 사이에 위치하며, 에너지 밴드갭이 오차 범위 내에서 균일하게 유지되는 균일영역을 포함하고, 균일 영역의 두께는 제 1 그레이드 영역의 두께보다 더 두껍다.
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, p형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층을 포함하는 광전 변환부;를 포함하며, 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 p형 반도체층과 접하고 p형 반도체층으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 감소하는 제 1 그레이드 영역, n형 반도체층과 접하고 n형 반도체층으로 인접할수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 증가하는 제 2 그레이드 영역, 및 제 1 그레이드 영역과 제 2 그레이드 영역 사이에 위치하며, 에너지 밴드갭이 오차 범위 내에서 균일하게 유지되는 균일영역을 포함하고, 균일 영역의 두께는 제 1 그레이드 영역의 두께보다 더 두껍다.
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; 및 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되며, p형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층을 포함하는 광전 변환부;를 포함하며, 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 p형 반도체층과 접하고 p형 반도체층으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 감소하는 제 1 그레이드 영역, n형 반도체층과 접하고 n형 반도체층으로 인접할수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 증가하는 제 2 그레이드 영역, 및 제 1 그레이드 영역과 제 2 그레이드 영역 사이에 위치하며, 에너지 밴드갭이 오차 범위 내에서 균일하게 유지되는 균일영역을 포함하고, 균일 영역의 두께는 제 1 그레이드 영역의 두께보다 더 두껍다.
여기서, 제 1 그레이드 영역은 p형 반도체층으로부터 멀어질수록 게르마늄(Ge)의 농도가 점진적으로 증가하고, 제 2 그레이드 영역은 n형 반도체층으로 인접할수록 게르마늄(Ge)의 농도가 점진적으로 감소하고, 균일 영역은 게르마늄(Ge)의 농도가 오차 범위 내에서 균일하게 유지될 수 있다.
여기서, 제 1 그레이드 영역은 제 2 그레이드 영역보다 기판에 더 인접하여 위치할 수 있다.
또한, 제 1 그레이드 영역의 게르마늄(Ge)의 농도는 1wt% 이상 20wt% 이하의 범위에서 점진적으로 증가할 수 있다.
또한, 제 2 그레이드 영역의 게르마늄(Ge)의 농도는 1wt% 이상 20wt% 이하의 범위에서 점진적으로 감소할 수 있다.
또한, 균일 영역의 게르마늄(Ge) 농도는 5wt% 이상 20wt% 이하의 범위일 수 있다.
또한, 균일 영역의 오차 범위는 15% 이하일 수 있다.
또한, 균일 영역의 두께는 10nm 이상 500nm 이하일 수 있다.
또한, 제 1 그레이드 영역의 두께는 1nm 이상 50nm 이하일 수 있다.
또한, 제 2 그레이드 영역의 두께는 5nm 이상 300nm 이하일 수 있다.
또한, 제 2 그레이드 영역에서 에너지 밴드갭의 증가 기울기가 비선형적으로 증가하되, 증가 기울기가 점진적으로 완만해질 수 있다.
또한, 제 2 그레이드 영역의 두께는 균일 영역의 두께보다 더 두꺼울 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 박막 태양 전지는 광전 변환부의 진성 반도체층이 U타입의 에너지 밴드갭 형태를 지니고, 균일 영역의 두께가 제 1 그레이드 영역의 두께보다 더 두껍게 형성되도록 함으로써 박막 태양 전지의 광전 변환 효율을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에서 설명한 진성 반도체층의 제 1 그레이드 영역, 제 2 그레이드 영역 및 균일 영역의 에너지 밴드갭의 일례를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 4에 도시된 진성 반도체층의 각 영역에 대한 에너지 밴드갭을 구현하기 위한 진성 반도체층 내의 게르마늄(Ge) 함유량을 도시한 것이다.
도 6은 진성 반도체층(i)의 각 영역에 함유된 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)의 함유량을 분석한 일례이다.
도 7은 제 2 그레이드 영역에서 에너지 밴드갭의 증가 기울기가 점진적으로 완만해지는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에서 설명한 진성 반도체층의 제 1 그레이드 영역, 제 2 그레이드 영역 및 균일 영역의 에너지 밴드갭의 일례를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 4에 도시된 진성 반도체층의 각 영역에 대한 에너지 밴드갭을 구현하기 위한 진성 반도체층 내의 게르마늄(Ge) 함유량을 도시한 것이다.
도 6은 진성 반도체층(i)의 각 영역에 함유된 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)의 함유량을 분석한 일례이다.
도 7은 제 2 그레이드 영역에서 에너지 밴드갭의 증가 기울기가 점진적으로 완만해지는 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)을 포함한다.
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(120) 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.
도 1에서는 광전변환부(PV)가 하나의 p-i-n 구조로 이루어진 것을 도시하고 있으나, 이와 같은 광전변환부(PV)는 두 개의 p-i-n 구조로 이루어질 수도 있으며, 3개의 p-i-n 구조로 이루어질 수도 있다. 도 1에서는 광전변환부(PV)가 하나의 p-i-n 구조로 이루어진 것을 일례로 설명하고, 광전변환부(PV)가 전술한 바와 같이 복수 개의 p-i-n 구조로 이루어진 예에 대해서는 도 2 및 도 3에서 구체적으로 설명한다.
이와 같은 광전변환부(PV)에서 p형 반도체층(120p)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 이용하여 형성할 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.
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.
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, 이와 같은 광전 변환부(PV)의 진성(i) 반도체층은 제 1 그레이드 영역, 제 2 그레이드 영역 및 균일 영역을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 그레이드 영역은 p형 반도체층과 접하고 p형 반도체층으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 감소하고, 제 2 그레이드 영역은 n형 반도체층과 접하고 n형 반도체층으로 인접할수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 증가하고, 균일 영역은 제 1 그레이드 영역과 제 2 그레이드 영역 사이에 위치하며, 에너지 밴드갭이 오차 범위 내에서 균일하게 유지된다. 여기서, 균일 영역의 두께는 제 1 그레이드 영역의 두께보다 더 두껍게 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 출력 전류(Jsc) 및 필 팩터(FF)를 향상시켜 태양 전지의 광전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 도 4 이하에서 설명한다.
또한, 이와 같은 진성 반도체층(120i)에는 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑될 수 있다. 게르마늄(Ge) 재질은 진성 반도체층(120i)의 에너지 밴드갭을 낮출 수 있고, 이에 따라 진성 반도체층(120i)의 장파장 대역 광의 흡수율이 향상됨으로써 태양전지의 효율이 향상될 수 있다. 또한, 아울러 이와 같이 진성 반도체층(120i)에 함유되는 게르마늄(Ge)의 농도를 조절하여 전술한 제 1 그레이드 영역, 제 2 그레이드 영역 및 균일 영역을 형성할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 도 5 이하에서 설명한다.
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)에 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, 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 2는 본 발명에 따른 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조의 일례를 설명하기 위한 도이다.
이하에서는 이상에서 상세히 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다
도 2에 도시된 바와 같이, 박막 태양전지는 제 1 광전변환부(321) 및 제 2 광전변환부(323)를 포함할 수 있다.
도 2와 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 2에 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 2와 같은 이중접합 구조를 갖는 태양전지에서 제 2 i형 반도체층(323i)은 도 1에서 전술한 바와 같이, 제 1 그레이드 영역, 제 2 그레이드 영역 및 균일 영역을 포함한다. 여기서, 균일 영역의 두께는 제 1 그레이드 영역의 두께보다 더 두껍게 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 출력 전류(Jsc) 및 필 펙터(Fill Factor, F.F)를 향상시켜 태양 전지의 광전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 도 4 이하에서 설명한다.
그리고, 이와 같이 제 1 그레이드 영역, 제 2 그레이드 영역 및 균일 영역의 에너지 밴드갭은 게르마늄(Ge)의 농도를 조절하여 형성할 수 있다. 이와 같은 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. 여기서, 제 1 그레이드 영역, 제 2 그레이드 영역 및 균일 영역에서 게르마늄(Ge)의 농도에 대한 보다 구체적인 설명은 도 5에서 설명한다.
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.
또한, 도 3은 본 발명에 따른 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조의 일례를 설명하기 위한 도이다. 이하에서는 이상에서 상세히 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 3에 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 3에서는 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. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 진성 반도체층(423i)뿐만 아니라 제 3 진성 반도체층(425i)도 함께 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑될 수 있으나, 이와 다르게 제 2 진성 반도체층(423i)에만 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑될 수도 있다. 또한, 도 3과 같은 경우, 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 2 진성 반도체층(423i)에만 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑되도록 하여 제 2 진성 반도체층(423i)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. 이는 제 3 진성 반도체층(425i)에서 장파장 대역의 광흡수율을 더욱 향상시키기 위함이다.
이와 같이 도 3과 같은 삼중접합 태양전지의 경우에는 보다 넓은 대역의 광을 흡수할 수 있기 때문에 전력 생산 효율이 높을 수 있다.
이와 같은 삼중 접합 태양 전지에서도 제 2 진성 반도체층(423i) 또는 제 3 진성 반도체층(425i) 중 적어도 하나는 도 1 및 도 2에서 전술한 바와 같이, 제 1 그레이드 영역, 제 2 그레이드 영역 및 균일 영역을 포함한다. 여기서, 균일 영역의 두께는 제 1 그레이드 영역의 두께보다 더 두껍게 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 출력 전류(Jsc) 및 필 팩터(FF)를 향상시켜 태양 전지의 광전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 도 4 이하에서 설명한다.
도 4는 도 1 내지 도 3에서 설명한 진성 반도체층의 제 1 그레이드 영역, 제 2 그레이드 영역 및 균일 영역의 에너지 밴드갭의 일례를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 도 1 내지 도 3에서 설명한 진성 반도체층(i)(예를 들면, 도 1의 진성 반도체층(120i), 도 2의 제 2 i형 반도체층(323i) 및 도 3의 제 2 진성 반도체층(423i))은 제 1 그레이드 영역(GL1), 제 2 그레이드 영역(GL2), 및 균일 영역(IL)을 포함한다.
여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1)은 p형 반도체층(예를 들면, 도 1의 p형 반도체층(120p), 도 2의 제 2 p형 반도체층(323p), 도 3의 제 2 p형 반도체층(423p))과 접하고 p형 반도체층으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 감소하고, 제 2 그레이드 영역(GL2)은 n형 반도체층(예를 들면, 도 1의 n형 반도체층(120n), 도 2의 제 2 n형 반도체층(323n), 도 3의 제 2 n형 반도체층(423n))과 접하고 n형 반도체층으로 인접할수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 증가하고, 균일 영역(IL)은 제 1 그레이드 영역(GL1)과 제 2 그레이드 영역(GL2) 사이에 위치하며, 에너지 밴드갭이 오차 범위 내에서 균일하게 유지된다. 즉, 균일 영역(IL)의 에너지 밴드갭은 제 1 그레이드 영역(GL1) 및 제 2 그레이드 영역(GL2)보다 낮은 범위에서 균일하게 유지된다. 여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1)은 제 2 그레이드 영역(GL2)보다 기판(100)에 더 인접하여 위치할 수 있다.
여기서, p형 반도체층과 접하는 제 1 그레이드 영역(GL1)의 에너지 밴드갭이 p형 반도체층으로부터 멀어질수록 점진적으로 감소되도록 형성하고, n형 반도체층과 접하는 제 2 그레이드 영역(GL2)의 에너지 밴드갭이 n형 반도체층으로 인접할수록 점진적으로 증가되도록 형성하는 것은 p형 반도체층과 n형 반도체층에서 에너지 밴드갭을 낮추기 위해서는 특정 불순물, 예를 들면 게르먀늄과 같은 분순물을 도핑하여 형성하여야 하는데, 이와 같은 불순물은 도핑 농도가 높아질수록 에너지 밴드갭을 낮출수 있으나, p형 반도체층과 n형 반도체층의 인접 영역에서 도핑 농도가 높은 경우 영역에서 광에 의해 생성된 전자와 정공이 p형 반도체층과 n형 반도체층의 인접 영역에서 다시 재결합하여 태양 전지의 효율을 저하시키는 결함(defect)으로 작용할 수 있다.
그러나, 본 발명과 같이, p형 반도체층과 n형 반도체층의 인접 영역인 제 1 그레이드 영역(GL1)과 제 2 그레이드 영역(GL2)에서 에너지 밴드갭이 점진적으로 p형 반도체층 또는 n형 반도체층에 인접할수록 증가하도록 함으로써 전술한 바와 같은 결함을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적 일례로 이와 같은 U자 형태의 에너지 밴드갭은 아래 표 1에서 비교한 바와 같이, U자 형태의 에너지 밴드갭을 적용하지 않은 종래와 비교하여 출력 전류(Jsc)가 1 mA/㎠ 증가하고 및 필 팩터(FF)가 0.02% 향상되는 효과가 있다.
| 종래 | 본 발명 | |
| 광전 변환 효율(Eff)[%] | 8.80 | 9.61 |
| 출력 전류(Jsc)[mA/㎠] | 17.20 | 18.20 |
| 출력 전압(Voc)[V] | 0.80 | 0.80 |
| 필 팩터(F.F)[%] | 0.64 | 0.66 |
따라서, 이와 같이 출력 전류(Jsc) 및 필 팩터(FF)가 향상됨에 따라 광전 변환 효율(Eff)이 8.80%에서 9.61%로 0.81% 증가됨을 알 수 있다.
여기서, 균일 영역(IL)의 두께(TIL)는 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)보다 더 두껍게 형성된다. 이와 같이 에너지 밴드갭이 낮은 균일 영역(IL)의 두께(TIL)를 상대적으로 에너지 밴드갭이 높은 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)보다 두껍게 형성함으로써 더 많은 양의 장파장 빛이 흡수되도록 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 본 발명은 박막 태양 전지의 광전 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 것이다. 그러나 만약, 여기서, 균일 영역(IL)의 두께(TIL)가 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)보다 작은 경우에는 그 만큼 균일 영역(IL)의 두께(TIL)가 감소하여 장파장 영역의 빛을 충분히 흡수하지 못하여 표 1과 같은 광전 변환 효율을 달성하기 어렵게 된다. 그러나, 본 발명은 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)보다 두껍게 균일 영역(IL)의 두께(TIL)를 최대한 확보함으로써 장파장 대역의 빛을 충분히 흡수하여 태양 전지의 광전 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1), 제 2 그레이드 영역(GL2) 및 균일 영역(IL)의 에너지 밴드갭은 1.3eV ~ 2.0eV의 범위 내에서 조절될 수 있다. 일례로, 제 1 그레이드 영역(GL1)의 에너지 밴드갭은 도시된 바와 같이, 1.87eV에서부터 1.35eV까지 점진적으로 하강할 수 있으며, 균일 영역(IL)의 에너지 밴드갭은 대략 1.35eV로 균일하게 유지될 수 있으며, 제 2 그레이드 영역(GL2)의 에너지 밴드갭은 1.35eV에서부터 1.87eV까지 점진적으로 상승할 수 있는 것이다.
또한, 균일 영역(IL)에서 에너지 밴드갭의 오차 범위는 15% 이하의 범위에서 균일하게 유지될 수 있다. 즉, 도 4에서 균일 영역(IL)의 평균 에너지 밴드갭의 1.35eV 인 경우, 균일 영역(IL)에서의 에너지 밴드갭은 1.35eV±0.2025eV의 범위 내에서 균일하게 유지될 수 있는 것이다.
또한, 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)는 1nm 이상 50nm 이하일 수 있으며, 균일 영역(IL)의 두께(TIL)는 10nm 이상 500nm 이하일 수 있다. 이와 같은 범위 내에서 균일 영역(IL)의 두께(TIL)는 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)보다 더 두껍게 형성될 수 있는 것이다.
여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)가 1nm 이상이 되도록 하는 것은 제 1 그레이드 영역(GL1) 내에서 에너지 밴드갭이 점진적으로 하강할 수 있는 최소한의 두께를 가지도록 하기 위함이고, 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)가 50nm 이하가 되도록 하는 것은 광투과성의 저하를 방지하기 위함이다. 즉, 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)가 50nm 이상인 경우, 광투과율이 과도하게 저하되어 광전 변환 효율이 오히려 저하될 수 있는데, 이를 방지하기 위함이다.
또한, 균일 영역(IL)의 두께(TIL)를 10nm 이상으로 하는 것은 에너지 밴드갭이 상대적으로 낮아 장파장 대역의 빛을 흡수할 수 있는 영역을 최소한 10nm 이상으로 확보함으로써 최소한의 광전 변환 효율을 확보하기 위함이고, 균일 영역(IL)의 두께(TIL)를 500nm 이하가 되도록 하는 것은 에너지 밴드갭을 낮추기 위해서는 후술할 게르마늄(Ge)과 같은 물질이 포함되어야 하는데, 이와 같은 물질은 진성 반도체층(i)에서 불순물로 작용하여 광에 의해 생성된 전자와 정공이 재결합하는 결함(defect)으로 작용할 수 있게 된다. 이와 같이 게르마늄(Ge)과 같은 불순물이 가장 많이 포함되어 있는 균일 영역(IL)의 두께(TIL)가 500nm 이상으로 과도하게 두꺼워지는 경우 출력 전류(Jsc)는 향상될 수 있으나, 필 팩터(F.F)가 오히려 감소되어 전체적으로 태양 전지의 광전 변환 효율을 오히려 저하시킬 수 있는데, 이를 방지하기 위함이다.
또한, 제 2 그레이드 영역(GL2)의 두께(TG2)는 5nm 이상 300nm 이하일 수 있으며, 이와 같은 제 2 그레이드 영역(GL2)의 두께(TG2)는 균일 영역(IL)의 두께(TIL)보다 두껍거나 좁을 수 있다.
여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1), 제 2 그레이드 영역(GL2) 및 균일 영역(IL)의 에너지 밴드갭은 1.3eV ~ 2.0eV의 범위 내에서 조절될 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들면, 제 1 그레이드 영역(GL1)은 p형 반도체층으로부터 균일 영역(IL)으로 접근할수록 1.3eV ~ 2.0eV의 범위 내에서 에너지 밴드갭이 점진적으로 하강하고, 균일 영역(IL)은 1.3eV ~ 2.0eV의 범위 내에서 제 1 그레이드 영역(GL1) 및 제 2 그레이드 영역(GL2)의 최저 에너지 밴드갭과 동일한 값에서 균일하게 오차 범위 내에서 에너지 밴드갭이 유지되며, 제 2 그레이드 영역(GL2)은 균일 영역(IL)으로부터 n형 반도체층으로 접근할수록 1.3eV ~ 2.0eV의 범위 내에서 에너지 밴드갭이 점진적으로 증가한다.
여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1), 제 2 그레이드 영역(GL2) 및 균일 영역(IL)의 에너지 밴드갭은 여러 가지 공정 조건에 의해 조절될 수 있으나, 본 발명에서는 여러 가지 방법 중에서 진성 반도체층(i)에 함유되는 게르마늄(Ge)의 농도로 에너지 밴드갭을 조절하는 것을 일례로 설명한다. 이는 진성 반도체층(i)에 게르마늄(Ge)의 함유량이 높아질수록 진성 반도체층(i)의 에너지 밴드갭이 감소하고, 진성 반도체층(i)에 게르마늄(Ge)의 함유량이 낮아질수록 진성 반도체층(i)의 에너지 밴드갭이 증가하기 때문에 게르마늄(Ge)의 농도를 조절하여 쉽게 에너지 밴드갭을 조절할 수 있기 때문이다.
이와 같이 게르마늄(Ge)의 농도와 에너지 밴드갭은 서로 반비례하고, 게르마늄(Ge)의 함유량의 선형적 증가에 따라 에너지 밴드갭이 민감하게 선형적으로 감소하므로 박막 태양 전지의 설계시 용이하게 에너지 밴드갭을 설정할 수 있는 효과가 있기 때문이다.
도 5는 도 4에 도시된 진성 반도체층(i)의 각 영역에 대한 에너지 밴드갭을 구현하기 위한 진성 반도체층(i) 내의 게르마늄(Ge) 함유량을 도시한 것이다.
도 4에서 설명한 진성 반도체층(i)의 에너지 밴드갭을 형성하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이, 진성 반도체층(i)의 게르마늄(Ge) 함유량이 조절될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 게르마늄(Ge) 함유량을 조절하면 도 4에 도시된 바와 같은 에너지 밴드갭을 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명은 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 그레이드 영역(GL1)은 p형 반도체층(p)으로부터 멀어질수록 게르마늄(Ge)의 농도가 점진적으로 증가하고, 제 2 그레이드 영역(GL2)은 n형 반도체층(n)으로 인접할수록 게르마늄(Ge)의 농도가 점진적으로 감소하고, 균일 영역(IL)은 게르마늄(Ge)의 농도가 오차 범위 내에서 균일하게 유지되도록 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, p형 반도체층(p)으로부터 멀어질수록 제 1 그레이드 영역(GL1)의 에너지 밴드갭이 점진적으로 감소하고, n형 반도체층(n)으로 인접할수록 제 2 그레이드 영역(GL2)의 에너지 밴드갭이 점진적으로 증가하고, 균일영역의 에너지 밴드갭이 오차 범위 내에서 균일하게 유지될 수 있는 것이다. 여기서, 균일 영역(IL)의 오차 범위는 15% 이하일 수 있다. 즉, 균일 영역(IL)에 포함되는 게르마늄(Ge)의 평균 함유량의 15% 이하의 범위에서 변동될 수 있는 것이다.
이와 같이 함으로써, 진성 반도체층(i)의 에너지 밴드갭이 도 4와 같은 U자 형태가 되도록 할 수 있는 것이다.
여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1)과 제 2 그레이드 영역(GL2)의 에너지 밴드갭을 증가시키거나 감소시키는 방법은 여러 번의 스텝(Step)을 통하여 여러 층으로 형성하면서 함유되는 게르마늄(Ge)의 농도를 증가하거나 감소시킴으로써 수행될 수 있다.
보다 구체적 일례로 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)가 30nm인 경우, 제 1 그레이드 영역(GL1)의 매 5nm를 형성할 때마다 공정 가스인 GeH4와 SiH4의 비율을 다르게 주입하여 제 1 그레이드 영역(GL1)의 실리콘(Si)에 함유되는 게르마늄(Ge)의 농도를 점진적으로 크게 함으로써 제 1 그레이드 영역(GL1)의 게르마늄(Ge) 함유량이 점진적으로 증가되도록 형성할 수 있다. 여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1)에 포함되는 게르마늄(Ge)의 함유량은 GeH4/SiH4의 값을 크게 하여 증가시킬 수 있고, GeH4/SiH4의 값을 작게 하여 게르마늄(Ge)의 향유량을 감소시킬 수 있다. 아울러, 제 2 그레이드 영역(GL2)을 형성할 때에도 제 1 그레이드 영역(GL1)의 형성 방법과 반대로 각 층별로 게르마늄(Ge)의 농도를 감소시키면서 형성할 수 있다.
여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1)의 게르마늄(Ge)의 함유량은 1wt% 이상 20wt% 이하의 범위에서 점진적으로 증가할 수 있다. 즉, 제 1 그레이드 영역(GL1)에서 p형 반도체층(p)과 접하는 부분으로부터 균일 영역(IL)으로 접근할수록 게르마늄(Ge)의 함유량은 최저값(Ge1) 1wt% 이상에서부터 최고값(Ge2) 20wt% 이하의 범위까지 점진적으로 상승할 수 있는 것이다.
또한, 제 2 그레이드 영역(GL2)의 게르마늄(Ge)의 농도는 1wt% 이상 20wt% 이하의 범위에서 점진적으로 감소할 수 있다. 즉, 제 2 그레이드 영역(GL2)의 게르마늄(Ge)의 농도는 최고값(Ge2) 20wt% 이하에서부터 최저값(Ge1) 1wt% 이상까지 점진적으로 하강할 수 있는 것이다.
여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1)과 제 2 그레이드 영역(GL2)의 게르마늄(Ge)의 농도가 점진적으로 상승하거나 감소하도록 하는 것은 에너지 밴드갭의 불연속성을 최소화함으로써 다수 캐리어의 이동을 원할하게 하여 출력 전류를 향상시키기 위함이다.
또한, 균일 영역(IL)의 게르마늄(Ge) 함유량(Ge2)은 5wt% 이상 20wt% 이하의 범위일 수 있다. 여기서, 균일 영역(IL)의 게르마늄(Ge) 함유량(Ge2)이 5wt% 이상이 되도록 하는 것은 균일 영역(IL)의 에너지 밴드갭이 충분히 낮게 되도록 함으로써 장파장 대역의 빛을 보다 많이 흡수하여 출력 전류(Jsc)를 향상시켜 태양 전지의 광전 효율을 향상시키기 위함이고, 게르마늄(Ge)의 함유량(Ge2)이 20wt% 이하가 되도록 하는 것은 게르마늄(Ge)의 함유량(Ge2)이 20wt% 이상으로 과도하게 높은 경우 전자와 정공이 재결합는 결함(defect)이 발생할 수 있는데, 이를 최소화하기 위함이다.
또한, 전술한 도 4와 같이 제 1 그레이드 영역(GL1) 및 제 2 그레이드 영역(GL2)의 최고 에너지 밴드값을 서로 동일하게 하기 위해서 도 5와 같이, 제 1 그레이드 영역(GL1) 및 제 2 그레이드 영역(GL2)의 최저 게르마늄(Ge) 함유량을 Ge1으로 동일하게 할 수 있다. 그러나, 이와 다르게 제 2 그레이드 영역(GL2)의 최저 게르마늄(Ge) 함유량(Ge3)이 제 1 그레이드 영역(GL1)의 최저 게르마늄(Ge) 함유량(Ge1) 보다 그게 할 수도 있다. 이와 같은 경우, 제 2 그레이드 영역(GL2)의 최고 에너지 밴드갭은 제 1 그레이드 영역(GL1)의 최고 에너지 밴드값보다 낮게 된다. 이와 같은 경우, 제 1 그레이드 영역(GL1), 균일 영역(IL) 및 제 2 그레이드 영역(GL2)을 포함하는 진성 반도체층(i) 전체에서 평균 에너지 밴드값이 더 낮아져 출력 전류(Jsc)를 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
여기서, 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)는 1nm 이상 50nm 이하일 수 있고, 균일 영역(IL)의 두께(TIL)는 10nm 이상 500nm 이하일 수 있으며, 제 2 그레이드 영역(GL2)의 두께(TG2)는 5nm 이상 300nm 이하일 수 있다.
이와 같이, 진성 반도체층(i)의 제 1 그레이드 영역(GL1), 균일 영역(IL) 및 제 2 그레이드 영역(GL2)에 함유되는 게르마늄(Ge)의 농도는 SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometer), EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy), AES (Atomic Emission Spectroscopy) 등을 통해서 다양한 방법으로 확인이 가능하다.
이와 같은 조성 분석 장치는 박막 태양 전지의 진성 반도체층(i) 단면을 따라 막의 위치에 따라 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)의 함유량을 분석하게 된다.
도 6은 전술한 방법에 따라 진성 반도체층(i)의 제 1 그레이드 영역(GL1), 균일 영역(IL) 및 제 2 그레이드 영역(GL2)에 함유된 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)의 함유량을 분석한 일례이다.
이와 같은 도 6에 따르면, 균일 영역(IL)의 게르마늄(Ge) 함유량이 오차 범위(Y1~Y2) 내에서 균일하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 오차 범위는 전술한 바와 같이 15% 이하일 수 있다. 즉, 균일 영역(IL)의 평균 게르마늄(Ge) 함유량이 17wt% 라고 가정하는 경우, 오차 범위는 17wt%± 2.55wt%의 범위 내에서 균일하게 유지될 수 있는 것이다. 따라서, 균일 영역(IL) 내에서 두께별 게르마늄(Ge) 함유량의 최고값 Y1은 19.55wt% 이하가 되며, 균일 영역(IL) 내에서 두께별 게르마늄(Ge) 함유량의 최저값 Y2는 14.45wt% 이상이 된다.
도 7은 제 2 그레이드 영역(GL2)에서 에너지 밴드갭의 증가 기울기가 점진적으로 완만해지는 일례를 설명하기 위한 도이다.
지금까지는 case 1과 같이 제 2 그레이드 영역(GL2)에서 에너지 밴드갭의 증가 기울기가 선형적으로 증가하는 것을 일례로 설명하였으나, 이와 다르게 도 7의 case 2 및 case 3과 같이 제 2 그레이드 영역(GL2)에서 에너지 밴드갭의 증가 기울기가 비선형적으로 증가하되, 증가 기울기가 점진적으로 완만해지도록 제 2 그레이드 영역(GL2)을 형성할 수도 있고, 제 2 그레이드 영역(GL2)의 두께(TG2)를 균일 영역(IL)의 두께(TIL)보다 더 두껍게 형성할 수도 있다. 이와 같은 경우, 표 2와 같이 태양 전지의 광전 변환 효율이 더 향상되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, case 2 및 case 3과 같은 경우 case 1과 비교하여, 제 1 그레이드 영역(GL1), 균일 영역(IL) 및 제 2 그레이드 영역(GL2)을 포함하는 진성 반도체층(i) 전체의 게르마늄(Ge) 함유량이 더 증가하여 출력 전류(Jsc)를 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 따라서, 태양 전지의 광전 변환 효율을 더 향상시킬 수 있다.
또한, case 3과 같이 제 2 그레이드 영역(GL2)의 두께(TG2’)를 균일 영역(IL)의 두께(TIL)보다 더 두껍게 형성할 수도 있다. 즉, case 3의 경우와 같이, 제 2 그레이드 영역(GL2)의 두께(TG2’)가 case 2의 제 2 그레이드 영역(GL2)의 두께(TG2)보다 △t 만큼 더 두껍게 형성하고, 제 2 그레이드 영역(GL2)에서 에너지 밴드갭의 최고값이 제 1 그레이드 영역(GL1)에서 에너지 밴드갭의 최고값보다 더 낮도록 형성되는 경우, case 2의 경우와 비교하여 출력 전류(Jsc)가 더 증가하여 태양 전지의 광전 변환 효율을 더 증가시킬 수 있다.
이와 같은 효과는 아래의 표 2에서 확인할 수 있다.
| Case 1 | Case 2 | Case 3 | |
| 광전 변환 효율(Eff)[%] | 9.61 | 9.95 | 10.11 |
| 출력 전류(Jsc)[mA/㎠] | 18.20 | 18.90 | 19.50 |
| 출력 전압(Voc)[V] | 0.80 | 0.81 | 0.81 |
| 필 팩터(F.F)[%] | 0.66 | 0.65 | 0.64 |
표 2에 도시된 바와 같이, case 2는 case 1과 비교하여, 출력 전류(Jsc)가 18.20 mA/㎠에서 18.90 mA/㎠ 으로 향상되어 광전 변환 효율이 9.61%에서 및 9.95%로 향상됨을 알 수 있다.
또한, case 3은 case 2와 비교하여 출력 전류(Jsc)가 18.90 mA/㎠에서 19.50 mA/㎠ 으로 향상되어 광전 변환 효율이 9.95%에서 및 10.11%로 향상됨을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양 전지는 진성 반도체층(i)이 U자 형태의 에너지 밴드갭을 지니도록 하되, 진성 반도체층(i)의 균일 영역(IL)이 진성 반도체층(i)의 제 1 그레이드 영역(GL1)의 두께(TG1)보다 더 두껍게 함으로써, 출력 전류(Jsc)를 더 향상시켜 태양 전지의 광전 변환 효율을 더 향상시키는 효과가 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 (13)
- 기판;
상기 기판에 배치되는 전면 전극;
상기 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극; 및
상기 전면 전극과 상기 후면 전극 사이에 배치되며, p형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층을 포함하는 광전 변환부;를 포함하며,
상기 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 상기 p형 반도체층과 접하고 상기 p형 반도체층으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 감소하는 제 1 그레이드 영역, 상기 n형 반도체층과 접하고 상기 n형 반도체층으로 인접할수록 상기 에너지 밴드갭이 점진적으로 증가하는 제 2 그레이드 영역, 및 상기 제 1 그레이드 영역과 상기 제 2 그레이드 영역 사이에 위치하며, 상기 에너지 밴드갭이 오차 범위 내에서 균일하게 유지되는 균일영역을 포함하고,
상기 균일 영역의 두께는 상기 제 1 그레이드 영역의 두께보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 그레이드 영역은 상기 p형 반도체층으로부터 멀어질수록 게르마늄(Ge)의 농도가 점진적으로 증가하고,
상기 제 2 그레이드 영역은 상기 n형 반도체층으로 인접할수록 상기 게르마늄(Ge)의 농도가 점진적으로 감소하고,
상기 균일 영역은 상기 게르마늄(Ge)의 농도가 오차 범위 내에서 균일하게 유지되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 그레이드 영역은 상기 제 2 그레이드 영역보다 상기 기판에 더 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 그레이드 영역의 상기 게르마늄(Ge)의 농도는 1wt% 이상 20wt% 이하의 범위에서 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 그레이드 영역의 상기 게르마늄(Ge)의 농도는 1wt% 이상 20wt% 이하의 범위에서 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 균일 영역의 상기 게르마늄(Ge) 농도는 5wt% 이상 20wt% 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 균일 영역의 오차 범위는 15% 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 균일 영역의 두께는 10nm 이상 500nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 그레이드 영역의 두께는 1nm 이상 50nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 그레이드 영역의 두께는 5nm 이상 300nm 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 그레이드 영역에서 에너지 밴드갭의 증가 기울기가 비선형적으로 증가하되, 상기 에너지 밴드갭의 증가 기울기가 점진적으로 완만해지는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 그레이드 영역의 두께는 상기 균일 영역의 두께보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 비정질 실리콘(a-si) 및 미세 결정 실리콘(mc-si) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100123244A KR20120062130A (ko) | 2010-12-06 | 2010-12-06 | 박막 태양 전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100123244A KR20120062130A (ko) | 2010-12-06 | 2010-12-06 | 박막 태양 전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120062130A true KR20120062130A (ko) | 2012-06-14 |
Family
ID=46683157
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100123244A KR20120062130A (ko) | 2010-12-06 | 2010-12-06 | 박막 태양 전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20120062130A (ko) |
-
2010
- 2010-12-06 KR KR1020100123244A patent/KR20120062130A/ko not_active Application Discontinuation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8222517B2 (en) | Thin film solar cell | |
| EP2386124B1 (en) | Solar cell | |
| US20130240031A1 (en) | Solar cell | |
| US20110253213A1 (en) | Thin film solar cell | |
| US8981203B2 (en) | Thin film solar cell module | |
| KR101833941B1 (ko) | 박막 태양 전지 | |
| KR101632451B1 (ko) | 박막 태양 전지 | |
| US7122736B2 (en) | Method and apparatus for fabricating a thin-film solar cell utilizing a hot wire chemical vapor deposition technique | |
| US20110186122A1 (en) | Solar cell | |
| US20100212739A1 (en) | Solar cell and method of manufacturing the same | |
| KR20120055133A (ko) | 박막 태양 전지 | |
| US20110265848A1 (en) | Thin film solar cell and method of manufacturing the same | |
| KR20120062130A (ko) | 박막 태양 전지 | |
| US8709857B2 (en) | Intrinsic absorber layer for photovoltaic cells | |
| KR20120064270A (ko) | 박막 태양 전지 | |
| US20150083203A1 (en) | Thin film solar cell | |
| KR101821392B1 (ko) | 박막 태양 전지 | |
| AU2022429985A1 (en) | Solar cell and method for forming the same | |
| US8691616B2 (en) | Method for manufacturing thin film solar cell | |
| US20130056052A1 (en) | Thin film solar cell | |
| KR20150088617A (ko) | 박막 태양 전지 | |
| KR20130027716A (ko) | 박막 태양 전지 | |
| KR20100033897A (ko) | 광기전력 변환소자 및 제조방법 | |
| KR20120072715A (ko) | 박막 태양 전지 및 그 제조 방법 | |
| KR20110039166A (ko) | 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |