KR20120070312A - 박막 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지는 기판; 기판 위에 위치하며, 광 흡수용 제1 진성층을 포함하는 제1 광전 변환부; 및 제1 광전 변환부를 투과한 빛을 상기 제1 광전 변환부로 반사하는 후면 반사층을 포함하며, 후면 반사층은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 제1 후면 반사막을 구비하고, 제1 후면 반사막은 제1 광전 변환부의 제1 진성층과 직접 접촉한다.

Description

박막 태양전지{THIN FILM SOLAR CELL}
본 발명은 후면 반사층이 인접 도핑층의 역할을 겸하는 박막 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 거의 무한한 에너지원인 태양을 에너지원으로 하고, 발전 과정에서 공해 물질을 거의 생성하지 않으며, 수명이 20년 이상으로 매우 길다는 장점과 더불어, 관련 산업분야로의 파급 효과가 크다는 장점으로 인해 매우 주목받고 있으며, 그로 인해 많은 국가에서 태양전지를 차세대 주요산업으로 육성하고 있다.
현재 태양전지의 90% 이상은 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 기반으로 하여 제작 판매되고 있으며, 이외에 박막형 실리콘 기반의 태양전지가 소규모로 제작 판매되고 있다.
태양전지의 가장 큰 문제점은 발전 단가가 타 에너지원에 비해 매우 높다는 것이다. 따라서 차후 청정에너지의 수요를 충족시키기 위해서는 발전단가를 큰 폭으로 낮춰야 한다.
하지만, 현재 단결정 혹은 다결정 실리콘 웨이퍼를 기반으로 한 이른바 벌크(bulk)형 실리콘 태양전지는 필요한 원재료 양이 최소 150㎛ 두께 이상이므로, 원가의 많은 부분을 재료비, 즉 실리콘 원재료가 차지하고 있는데, 원재료의 공급이 급격히 늘어나는 수요를 따라가지 못해 원가를 낮출 수 있는 가능성이 용이하지 않은 실정이다.
이에 비해, 박막형 태양전지는 그 두께가 2㎛ 이내이므로 벌크형 태양전지에 비해 원재료의 사용량이 매우 적어 재료비를 비약적으로 낮출 수 있다. 따라서 발전 단가 면에서 벌크형 태양전지에 비해 큰 장점을 가지고 있다. 하지만 박막형 태양전지는 벌크형 태양전지에 비해 같은 면적 대비 발전 성능이 절반 정도로 매우 낮다.
일반적으로 태양전지의 효율을 표현할 때는 100㎽/㎠의 광량에서 얻을 수 있는 전력의 크기를 %로 나타내는데, 벌크형 태양전지의 효율은 12% 내지 20%이지만, 박막형 태양전지의 효율은 8% 내지 9% 정도이다. 따라서 박막형 태양 전지의 효율은 벌크형 태양전지에 비해 낮은 편이다.
박막 태양전지의 가장 기본적인 모델은 단일 접합(single junction)형의 구조를 갖는다. 여기에서 단일 접합형 박막 태양전지는 광 흡수용 진성층(intrinsic layer)과, 광 생성된 전하 분리를 위한 내부 전계를 형성하기 위해 진성층의 상부 및 하부에 각각 배치되는 p형 도핑층 및 n형 도핑층을 포함하는 광전 변환부를 기판 위에 형성한 태양전지를 말한다.
그런데 상기 단일 접합형 박막 태양전지는 효율이 낮은 편이다. 따라서 효율을 높이기 위해 상기 광전 변환부를 2개 적층한 이중 접합(tandem 또는 double junction)형 및 상기 광전 변환부를 3개 적층한 삼중 접합(triple junction)형 박막 태양전지가 개발되고 있다.
상기한 이중 접합형 및 삼중 접합형은, 태양광이 먼저 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭(Eg: bandgap)이 높은 반도체 물질(예를 들어, 비정질 실리콘)로 제1 광전 변환부를 형성하여 주로 단파장의 태양광을 흡수하고, 나중에 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭이 낮은 반도체 물질(예를 들어, 미세결정 실리콘)로 제2 광전 변환부를 형성하여 주로 장파장의 태양광을 흡수하도록 구성한 것으로, 단일 접합형의 박막 태양전지에 비해 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기한 박막 태양전지의 효율을 개선하기 위해서는 태양전지에 흐르는 전류밀도를 증가시키는 것이 요구된다. 따라서 박막 태양전지에서는 진성층을 투과한 태양광을 상기 진성층으로 반사하여 반사된 태양광이 진성층에서 흡수되도록 함으로써 진성층의 광 흡수율을 높이기 위한 후면 반사층을 구비하여 전류밀도를 증가시키고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 후면 반사층이 인접 도핑층의 역할을 겸하도록 하여 도핑층에 의한 전류 손실 감소를 억제하고 제조 공정이 감소된 박막 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지는 기판; 기판 위에 위치하며, 광 흡수용 제1 진성층을 포함하는 제1 광전 변환부; 및 제1 광전 변환부를 투과한 빛을 상기 제1 광전 변환부로 반사하는 후면 반사층을 포함하며, 후면 반사층은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 제1 후면 반사막을 구비하고, 제1 후면 반사막은 제1 광전 변환부의 제1 진성층과 직접 접촉한다.
제1 후면 반사막은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이하의 광 흡수계수를 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
제1 후면 반사막은 800㎚의 파장에서 1.5 내지 2.5의 굴절률을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 제1 진성층은 800㎚의 파장에서 3 내지 5의 굴절률을 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
제1 진성층은 수소화된 비정질 실리콘(a-Si: H) 또는 수소화된 미세 결정 실리콘(μc-Si: H)을 포함한다.
제1 후면 반사막은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된, 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어질 수 있다.
후면 반사층은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이상의 광 흡수계수를 갖는 물질로 이루어진 제2 후면 반사막을 더 포함할 수 있다.
제2 후면 반사막은 제1 후면 반사막에 비해 전기 전도도가 높은 물질, 예를 들어 AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 이루어질 수 있으며, 제1 후면 반사막의 후면에 위치하여 제2 전극과 직접 접촉한다.
광전 변환부는 제1 광전 변환부와 기판 사이에 위치하는 제2 광전 변환부를 더 포함할 수 있으며, 제2 광전 변환부는 제2 진성층을 포함한다.
이때, 제1 광전 변환부와 제2 광전 변환부 사이에 중간 반사층이 위치할 수 있으며, 중간 반사층은 제1 진성층과 직접 접촉하는 제1 중간 반사막을 포함할 수 있다.
이때, 제1 중간 반사막은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어질 수 있다.
이 경우, 중간 반사층은 제1 중간 반사막 및 제2 진성층과 각각 접촉하는 제2 중간 반사막을 더 포함할 수 있으며, 이때, 제2 중간 반사막은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어질 수 있다.
다른 예로, 제1 중간 반사막은 제1 광전 변환부의 p형 도핑층과 직접 접촉하는 AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 이루어질 수 있다.
이때, 중간 반사층은 제1 중간 반사막 및 제2 진성층과 각각 접촉하는 제2 중간 반사막을 더 포함할 수 있으며, 이때, 제2 중간 반사막은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어질 수 있다.
광전 변환부는 제2 광전 변환부와 기판 사이에 위치하는 제3 광전 변환부를 더 포함할 수 있다. 이때, 제1 광전 변환부 내지 제3 광전 변환부의 사이에는 적어도 하나의 중간 반사층이 위치할 수 있다.
적어도 하나의 중간 반사층은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어지거나, AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 이루어진 제1 중간 반사막을 포함한다.
적어도 하나의 중간 반사층은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H), 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어지는 제2 중간 반사막을 더 포함할 수 있다.
제1 진성층을 투과한 후 후면 반사층에서 반사되는 빛은 후면 반사층과 접해 있는 도핑층, 예를 들어 기판을 통해 빛이 입사되는 상판형 구조에서의 n형 도핑층을 2번 통과하게 되며, 이때 빛의 일부는 n형 도핑층에서 흡수되어 빛 손실이 발생된다.
그런데 후면 반사층의 제1 반사막이 인접 도핑층의 역할을 겸하는 본원 발명의 경우에는 제1 반사막이 제1 진성층과 직접 접촉하므로, 전술한 빛 손실이 억제된다. 따라서, 태양전지의 전류 감소를 억제할 수 있다.
그리고, 제1 반사막이 미세 결정 실리콘 산화물, 미세 결정 실리콘 질화물 및 미세 결정 실리콘 산화질화물 중 하나로 이루어지므로, 하부 셀(제2 광전 변환부 또는 제3 광전 변환부)에 도달한 장파장의 태양광 성분을 효과적으로 반사시켜 하부 셀의 전류를 증가시킬 수 있다.
그리고 후면 반사층을 제1 반사막(도핑된 미세 결정 실리콘 산화물) 및 제2 반사막(도핑된 산화아연)의 이중 층으로 구성하는 경우에는 후면 반사층이 제1 반사막으로만 이루어지는 경우에 비해 제1 반사막의 두께를 감소시킬 수 있으므로, 제1 반사막의 증착에 필요한 공정 시간을 단축할 수 있고, 공정에 필요한 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한 중간 반사층 및 후면 반사층의 두께를 최적화 하여 각 광전 변환부에 흐르는 전류의 균형을 맞춤으로써 고효율 태양전지를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 태양전지의 개략도로서, 단일 접합형 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 2는 제1 반사막의 물질에 따른 광 흡수계수를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 실시예에 따른 박막 태양전지와 종래의 박막 태양전지의 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 3의 그래프를 수치로 나타내는 표이다.
도 5는 도 1의 변형 실시예에 따른 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 태양전지의 개략도로서, 이중 접합형 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 7은 도 6의 변형 실시예에 따른 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 8은 도 6의 다른 변형 실시예에 따른 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막 태양전지의 개략도로서, 삼중 접합형 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
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 다양한 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 부여하였다.
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.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 태양전지의 개략도로서, 단일 접합형 태양전지의 부분 단면도이다.
도 1을 참고로 하면, 본 실시예에 따른 단일 접합형 박막 태양전지는 기판(110)을 통해 빛이 입사되는 상판(superstrate)형 구조를 갖는다. 하지만 본 발명은 하판형 구조에도 적용이 가능하다.
상판형 구조의 단일 접합형 박막 태양전지는 유리 또는 투명 플라스틱 등으로 이루어진 기판(110), 기판(110) 위에 위치하는 도전성 투명 전극(transparent conductive oxide, TCO)(120), 투명 전극(120) 위에 위치하는 제1 광전 변환부(130), 제1 광전 변환부(130) 위에 위치하는 후면 반사층(160), 그리고 후면 반사층(160) 위에 위치하는 후면 전극(170)을 구비한다. 이때, 투명 전극(120)은 제1 전극이고, 후면 전극(170)은 제2 전극이다.
투명 전극(120)은 기판(110)의 전체 면에 형성되어 있으며, 제1 광전 변환부(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 따라서 투명 전극(120)은 빛에 의해 생성된 캐리어(carrier) 중 하나, 예를 들어 정공을 수집하여 출력한다. 투명 전극(120)은 반사 방지막의 기능도 수행할 수 있다.
투명 전극(120)의 상부 표면은 랜덤(random)한 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철(도시하지 않음)을 구비한 텍스처링 표면(texturing surface)으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 투명 전극(120)의 표면을 텍스처링 표면으로 형성하면, 투명 전극의 빛 반사도가 감소되어 빛의 흡수율이 증가되므로, 태양 전지의 효율이 향상된다. 이때 형성되는 요철의 높이는 약 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
투명 전극(120)은 대부분의 빛이 통과하며 전기가 잘 흐를 수 있도록 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도가 요구된다. 이러한 투명 전극(120)은 인듐 틴 옥사이드(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. 투명 전극(120)의 비저항 범위는 약 10-2Ω㎝ 내지 10-11Ω㎝일 수 있다.
제1 광전 변환부(130)는 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si: H), 미세 결정 실리콘(micro-crystalline silicon, μc- Si) 또는 수소화된 미세 결정 실리콘(hydrogenated micro-crystalline silicon, μc- Si: H)으로 이루어질 수 있다.
이러한 제1 광전 변환부(130)는 투명 전극(120) 위에 순차적으로 적층된 제1 도전성 타입의 반도체층인 제1 p형 도핑층(131) 및 제1 진성층(132)을 포함한다.
제1 p형 도핑층(131)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
본 실시예에서 제1 p형 도핑층(131)은 800㎚의 파장에서 3 내지 5 정도의 굴절률을 갖는 물질, 예를 들어 수소화된 비정질 실리콘, 미세 결정 실리콘 또는 수소화된 미세 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
제1 p형 도핑층(131)의 밴드갭 조절을 위해, 막 내에는 탄소(C) 또는 산소(O)등의 원소가 수% 내지 수십% 첨가될 수 있다.
제1 진성층(132)은 캐리어의 재결합률을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것으로, 전자와 정공과 같은 캐리어가 이곳에서 주로 생성된다. 이러한 제1 진성층(132)은 800㎚의 파장에서 3 내지 5 정도의 굴절률을 갖는 물질, 예를 들어 수소화된 비정질 실리콘, 미세 결정 실리콘 또는 수소화된 미세 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
제1 진성층(132)의 밴드갭 조절을 위해, 막 내에는 탄소(C), 산소(O) 또는 게르마늄(Ge)등의 원소가 수% 내지 수십% 첨가될 수 있다.
제1 진성층(132)과 직접 접촉하는 후면 반사층(back reflector, 160)은 제1 진성층(132)를 통과한 빛을 제1 진성층(132)쪽으로 반사시켜, 제1 광전 변환부(130)의 동작 효율을 향상시키는 것으로, 본 실시예에서는 제1 후면 반사막(161)을 포함한다.
종래에는 상기 후면 반사층으로 도핑된 산화아연, 예컨대 AZO(ZnO:Al) 또는 BZO(ZnO:B)를 사용하였다. 그러나, 상기 도핑된 산화아연은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 광 흡수계수가 높다. 보다 구체적으로, 도핑된 산화아연은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이상의 광 흡수계수를 갖는다.
따라서, 후면 반사층까지 도달한 대부분의 장파장 빛은 후면 반사층에 의해 흡수되어 빛의 손실이 커지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본원 발명의 실시예는 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이하의 광 흡수계수를 가지며, 800㎚의 파장에서 1.5 내지 2.5의 굴절률을 갖는 물질로 제1 후면 반사막(161)을 형성한다.
광 흡수계수 및 굴절률에 대한 상기 조건을 만족하는 물질로는 미세 결정 실리콘 산화물(hydrogenated micro-crystalline silicon oxide, μc-SiOx: H), 수소화된 미세 결정 실리콘 질화물(hydrogenated μc-SiNx: H) 및 수소화된 미세 결정 실리콘 산화 질화물(hydrogenated μc-SiOxNy: H)을 예로 들 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 수소화된 미세 결정 실리콘 산화물은 도핑된 산화아연에 비해 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 흡수계수가 매우 낮다. 따라서, 수소화된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 제1 후면 반사막(161)을 포함하는 후면 반사층(160)은 후면 반사층(160)까지 도달한 대부분의 장파장 빛을 흡수하지 않고 투과 혹은 반사시키므로, 빛의 손실을 최소화할 수 있다.
수소화된 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 제1 후면 반사막(161)은 도핑된 산화아연으로 이루어진 후면 반사층에 비해 전도도가 낮다. 하지만, 제1 후면 반사막(161)을 형성할 때 산소 투입량을 조절하여 제1 후면 반사막(161)이 적절한 전도도를 갖도록 형성하면 전도도가 저하됨으로 인한 문제점을 억제할 수 있다.
이때, 제1 후면 반사막(161)의 두께는 수십㎚ 내지 수㎛의 범위 내에서 적절하게 형성할 수 있다.
도 2에서는 수소화된 미세 결정 실리콘 산화물을 예로 들어 설명하였지만, 제1 후면 반사막(161)은 수소화된 미세 결정 실리콘 질화물 또는 수소화된 미세 결정 실리콘 산화질화물로 이루어질 수도 있다.
한편, 본 발명에서, 제1 후면 반사막(161)은 제1 광전 변환부(130)의 n형 도핑층 역할을 같이 수행한다.
이를 위해, 제1 후면 반사막(161)은 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
제1 광전 변환부(130)와 제1 후면 반사막(161)은 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD))에 의해 형성될 수 있다.
제1 광전 변환부(130)의 제1 p형 도핑층(131)과 후면 반사층(160)의 제1 후면 반사막(161)은 제1 진성층(132)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하므로, 제1 진성층(132)에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 제1 p형 도핑층(131)을 통해 투명 전극(120)쪽으로 이동하고, 전자는 제1 후면 반사막(161)을 통해 후면 전극(170)쪽으로 이동한다.
후면 전극(170)은 후면 반사층(160)의 전체 면 위에 위치하며, 전기적으로 후면 반사층(160)과 연결되어 있다. 이러한 후면 전극(170)은 p-n 접합을 통해 생성된 캐리어 중 전자를 수집하여 출력한다.
도 3 및 도 4는 본 실시예의 박막 태양전지와 종래의 박막 태양전지의 효율을 비교한 것으로, 도 3 및 도 4의 실험에 사용된 본 실시예의 박막 태양전지는 수소화된 미세 결정 실리콘으로 형성된 제1 p형 도핑층(131)과 제1 진성층(132), 그리고 n-도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(n-μc-SiOx: H)로 형성된 제1 후면 반사막(161)을 포함한다.
도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, 본 실시예의 박막 태양전지(B)는 종래의 박막 태양전지(A)에 비해 700㎚ 이상의 적외선 대역에서 효율(EQE)이 다소 증가(특히 파장이 증가할수록 최대 20%까지)함을 알 수 있다. 또한, 태양전지의 전류밀도(Jsc) 역시 본 실시예의 박막 태양전지(B)가 종래의 박막 태양전지(A)에 비해 2% 정도 증가함을 알 수 있다.
이하, 도 5를 참조로 하여 도 1의 변형 실시예를 설명한다. 전술한 도 1의 실시예에서, 제1 후면 반사막(161) 만으로 후면 반사층(160)을 구성하는 경우에는 도핑된 산화아연으로 후면 반사층을 구성하는 경우에 비해 후면 반사층(160)의 증착에 필요한 공정 시간이 증가하며, 공정에 필요한 비용이 증가할 수 있다.
이 경우, 본 실시예에서와 같이 후면 반사층(160)을 미세 결정 실리콘 산화물로 이루어진 제1 후면 반사막(161)의 후면에 제2 후면 반사막(162)을 더 형성할 수 있다.
이때, 제2 후면 반사막(162)은 제1 후면 반사막(161)에 비해 전기 전도도가 높으며 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이상의 광 흡수계수를 갖는 물질, 예를 들어 AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 제1 후면 반사막(161)의 후면에 제2 후면 반사막(162)을 형성하면, 제1 후면 반사막(161)을 전술한 도 1의 후면 반사막(161)에 비해 얇은 두께로 형성하는 것이 가능하므로, 공정 시간 및 비용이 증가하는 것을 최소화할 수 있다.
이하에서는 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다. 이하의 실시예를 설명함에 있어서, 전술한 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 태양전지의 개략도로서, 이중 접합형 박막 태양전지의 부분 단면도를 도시한 것이다.
본 실시예의 박막 태양전지는 제1 광전 변환부(130)와 투명 전극(120) 사이에 위치하는 제2 광전 변환부(140)를 더 포함한다.
이중 접합형 박막 태양전지의 경우, 제2 광전 변환부(140)는 수소화된 비정질 실리콘으로 형성될 수 있고, 제1 광전 변환부(130)는 수소화된 미세 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
수소화된 비정질 실리콘으로 형성된 제1 광전 변환부(140)는 약 1.7eV의 광학 밴드갭을 갖고, 근자외선, 보라, 파랑 등과 같은 단파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
그리고 수소화된 미세 결정 실리콘으로 형성된 제1 광전 변환부(130)는 약 1.1eV의 광학 밴드갭을 갖고, 적색에서 근적외선까지의 장파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
따라서, 이중 접합형 박막 태양전지는 제1 실시예의 단일 접합형 박막 태양전지에 비해 효율이 향상된다.
제2 광전 변환부(140)는 투명 전극(120) 위에 순차적으로 적층된 제2 p형 도핑층(141), 제2 진성층(142) 및 제2 n형 도핑층(143)을 포함한다.
제2 p형 도핑층(141)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있고, 제2 n형 도핑층(143)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
그리고 제1 광전 변환부(140)는 제2 광전 변환부(140)의 제2 n형 도핑층(143) 위에 순차적으로 형성된 제1 p형 도핑층(131) 및 제1 진성층(132)을 포함한다.
그리고 제1 진성층(132) 위에는 전술한 제1 실시예에서 설명한 구조의 후면 반사층(160)이 위치하며, 후면 반사층(160)은 제1 진성층(142)과 직접 접촉한다.
도 7은 도 6의 변형 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에 있어서, 제2 광전 변환부(140)는 제2 p형 도핑층(141)과 제2 진성층(142)으로 이루어지며, 제1 광전 변환부(130)는 제1 진성층(132)으로 이루어진다.
그리고 제1 진성층(132)과 제2 진성층(142) 사이에는 중간 반사층(180)이 위치한다.
중간 반사층(180)은 단파장의 태양광 성분을 제2 광전 변환부(140)를 향해 반사하는 한편, 장파장의 태양광 성분은 제1 광전 변환부(130)쪽으로 투과한다.
이러한 작용을 하는 중간 반사층(180)은 수소화된 비정질 실리콘, 미세 결정 실리콘 또는 수소화된 미세 결정 실리콘 중 하나의 물질로 형성된 제1 중간 반사막(181), 및 제1 중간 반사막(181)과 동일한 물질, 또는 상기 물질 중에서 선택된 제1 중간 반사막(181)과는 다른 물질로 형성된 제2 중간 반사막(182)으로 형성된다.
이때, 제2 진성층(132) 및 제1 중간 반사막(181)과 각각 접촉하는 제2 중간 반사막(182)은 제1 광전 변환부(130)의 n형 도핑층 역할을 수행하도록 n형 불순물로 도핑되며, 제2 중간 반사막(182) 및 제1 진성층(132)과 각각 접촉하는 제1 중간 반사막(181)은 제1 광전 변환부(130)의 p형 도핑층 역할을 수행하도록 p형 불순물로 도핑된다.
도 7에서는 중간 반사층(180)이 제1 중간 반사막(181) 및 제2 중간 반사막(182)의 이중막으로 구성된 것을 설명하였지만, 중간 반사층(180)은 단일막으로 이루어질 수도 있다.
즉, 중간 반사층(180)은 제1 중간 반사막(181) 또는 제2 중간 반사막(180) 중 하나의 막으로만 이루어질 수도 있다. 하지만, 이 경우에는 중간 반사층(180)에 도핑된 불순물의 도전성 타입에 따라 제1 광전 변환부(130) 또는 제2 광전 변환부(140)의 구조가 달라질 수 있다.
즉, 중간 반사층(180)이 n형 불순물이 도핑된 제2 중간 반사막(182)으로만 이루어지는 경우에는 제1 중간 반사막(181) 위치에 제1 광전 변환부(130)의 제1 p형 도핑층이 위치하게 된다.
이와 마찬가지로, 중간 반사층(180)이 p형 불순물이 도핑된 제1 중간 반사막(181)만으로 이루어지는 경우에는 제2 중간 반사막(182) 위치에 제2 광전 변환부(140)의 제2 n형 도핑층이 위치하게 된다.
그리고 제1 광전 변환부(130)의 제1 진성층(132) 위에는 전술한 제1 실시예에서 설명한 후면 전극층(160)이 위치한다.
도 8은 도 6의 다른 변형 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에서, 제1 광전 변환부(130)는 제1 p형 도핑층(131) 및 제1 진성층(132)으로 이루어지고, 제2 광전 변환부(140)는 제2 p형 도핑층(141) 및 제2 진성층(142)으로 이루어진다.
그리고 중간 반사층(180)은 제1 광전 변환부(130)의 제1 p형 도핑층(131)과 직접 접촉하는 제1 중간 반사막(183)과, 제2 진성층(142) 및 제1 중간 반사막(183)과 각각 접촉하는 제2 중간 반사막(182)을 포함한다.
이때, 제1 중간 반사막(183)은 AZO 또는 BZO로 이루어지며, 제2 중간 반사막(182)은 n형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어진다.
구체적으로 도시하지는 않았지만, 중간 반사층(180)은 제1 중간 반사막(183) 또는 제2 중간 반사막(182) 중 하나의 막으로만 이루어질 수도 있다.
한편, 구체적으로 설명하지는 않았지만, 전술한 이중 접합형 박막 태양전지도 후면 반사층(160)이 전술한 제1 실시예와 동일한 구조로 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막 태양전지의 개략도로서, 삼중 접합형 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
본 실시예의 박막 태양전지는 제2 광전 변환부(140)와 투명 전극(120) 사이에 위치하는 제3 광전 변환부(150)를 더 포함한다.
본 실시예에서, 제1 광전 변환부(130)는 제1 p형 도핑층(131) 및 제1 진성층(132)으로 형성되고, 제2 광전 변환부(140)는 제2 p형 도핑층(141) 및 제2 진성층(142)으로 형성되며, 제3 광전 변환부(150)는 제3 p형 도핑층(151) 및 제3 진성층(152)으로 형성된다.
그리고 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140)의 사이 및 제2 광전 변환부(140)와 제3 광전 변환부(150)의 사이에는 각각 중간 반사층(180)이 형성된다.
도 9에 도시한 것처럼, 중간 반사층(180)은 제1 p형 도핑층(131) 또는 제2 p형 도핑층(141)과 접촉하는 제1 중간 반사막(181)과, 제2 진성층(142) 또는 제3 진성층(152)과 접촉하는 제2 중간 반사막(182)을 포함할 수 있다.
이때, 제1 중간 반사막(181)은 n형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어지거나, AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 이루어지고, 제2 중간 반사막(182)은 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어질 수 있다.
도 9에서는 상기 중간 반사층(180)의 도면부호를 동일하게 적용함으로써 두 개의 중간 반사층(180)이 서로 동일한 것을 예로 들었지만, 상기 두 개의 중간 반사층(180)은 서로 다른 물질 또는 서로 다른 층 구조로 이루어질 수도 있다.
예를 들면, 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140) 사이에 위치하는 중간 반사층은 제1 중간 반사막 및 제2 중간 반사막의 이중막 구조로 이루어지는 반면에, 제2 광전 변환부(140)와 제3 광전 변환부(150) 사이에 위치하는 중간 반사층은 제1 중간 반사막 또는 제2 중간 반사막의 단일막 구조로 이루어질 수 있으며, 이의 반대 경우도 가능하다.
또한, 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140) 사이에 위치하는 중간 반사층과 제2 광전 변환부(140)와 제3 광전 변환부(150) 사이에 위치하는 중간 반사층이 각각 단일막 구조로 이루어지며, 각 층을 구성하는 물질이 서로 동일하거나, 서로 다를 수도 있다.
예를 들면, 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140) 사이에 위치하는 중간 반사층과 제2 광전 변환부(140)와 제3 광전 변환부(150) 사이에 위치하는 중간 반사층이 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중에서 선택된 어느 하나의 동일한 물질 또는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
이와 마찬가지로, 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140) 사이에 위치하는 중간 반사층과 제2 광전 변환부(140)와 제3 광전 변환부(150) 사이에 위치하는 중간 반사층이 모두 AZO 또는 BZO의 단일막 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 제1 광전 변환부(130)와 제2 광전 변환부(140) 사이에 위치하는 중간 반사층은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H)과 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중에서 선택된 어느 한 물질로 이루어지고, 제2 광전 변환부(140)와 제3 광전 변환부(150) 사이에 위치하는 중간 반사층은 AZO 또는 BZO로 이루어질 수 있으며, 이의 반대 경우도 가능하다.
이와 같이, 2개의 중간 반사층(180)을 구성하는 물질은 광전 변환부의 두께, 굴절률 등의 다른 요소(factor)들에 따라 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지는 않았지만, 전술한 삼중 접합형 박막 태양전지도 전술한 제1 실시예의 후면 반사층(160)을 구비하는 것은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
110: 기판 120: 투명 전극
130: 제1 광전 변환부 140: 제2 광전 변환부
150: 제3 광전 변환부 160: 후면 반사층
161: 제1 후면 반사막 162: 제2 후면 반사막
170: 후면 전극 180: 중간 반사층
181: 제1 중간 반사막 182: 제2 중간 반사막

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 위치하며, 광 흡수용 제1 진성층을 포함하는 제1 광전 변환부; 및
    상기 제1 광전 변환부를 투과한 빛을 상기 제1 광전 변환부로 반사하는 후면 반사층
    을 포함하며,
    상기 후면 반사층은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 제1 후면 반사막을 구비하며, 상기 제1 후면 반사막은 상기 제1 광전 변환부의 제1 진성층과 직접 접촉하는 박막 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 후면 반사막은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이하의 광 흡수계수를 갖는 물질로 이루어지는 박막 태양전지.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 후면 반사막은 800㎚의 파장에서 1.5 내지 2.5의 굴절률을 갖는 물질로 이루어지는 박막 태양전지.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 진성층은 800㎚의 파장에서 3 내지 5의 굴절률을 갖는 물질로 이루어지는 박막 태양전지.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 진성층은 수소화된 비정질 실리콘(a-Si: H) 또는 수소화된 미세 결정 실리콘(μc-Si: H)을 포함하는 박막 태양전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 후면 반사막은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H), 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어지는 박막 태양전지.
  7. 제6항에서,
    상기 후면 반사층은 700㎚ 이상의 파장을 갖는 태양광 성분에 대하여 400 cm-1 이상의 광 흡수계수를 갖는 물질로 이루어진 제2 후면 반사막을 더 포함하는 박막 태양전지.
  8. 제7항에서,
    상기 제2 후면 반사막은 상기 제1 후면 반사막에 비해 전기 전도도가 높은 박막 태양전지.
  9. 제8항에서,
    상기 제2 후면 반사막은 AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 이루어지는 박막 태양전지.
  10. 제9항에서,
    상기 제2 후면 반사막은 상기 제1 후면 반사막의 후면에 위치하는 박막 태양전지.
  11. 제6항에서,
    상기 광전 변환부는 상기 제1 광전 변환부와 상기 기판 사이에 위치하는 제2 광전 변환부를 더 포함하며, 상기 제2 광전 변환부는 제2 진성층을 포함하는 박막 태양전지.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 광전 변환부와 제2 광전 변환부 사이에 중간 반사층이 위치하는 박막 태양전지.
  13. 제12항에서,
    상기 중간 반사층은 상기 제1 진성층과 직접 접촉하는 제1 중간 반사막을 포함하며, 상기 제1 중간 반사막은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H), 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어지는 박막 태양전지.
  14. 제13항에서,
    상기 중간 반사층은 상기 제1 중간 반사막 및 상기 제2 진성층과 각각 접촉하는 제2 중간 반사막을 더 포함하며, 상기 제2 중간 반사막은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H), 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어지는 박막 태양전지.
  15. 제12항에서,
    상기 중간 반사층은 상기 제1 광전 변환부의 p형 도핑층과 직접 접촉하는 제1 중간 반사막을 포함하며, 상기 제1 중간 반사막은 AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 이루어지는 박막 태양전지.
  16. 제15항에서,
    상기 중간 반사층은 상기 제1 중간 반사막 및 상기 제2 진성층과 각각 접촉하는 제2 중간 반사막을 더 포함하며, 상기 제2 중간 반사막은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H), 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어지는 박막 태양전지.
  17. 제11항에서,
    상기 광전 변환부는 상기 제2 광전 변환부와 상기 기판 사이에 위치하는 제3 광전 변환부를 더 포함하는 박막 태양전지.
  18. 제17항에서,
    상기 제1 광전 변환부 내지 제3 광전 변환부의 사이에는 적어도 하나의 중간 반사층이 위치하는 박막 태양전지.
  19. 제18항에서,
    상기 적어도 하나의 중간 반사층은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H), 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어지거나, AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 이루어진 제1 중간 반사막을 포함하는 박막 태양전지.
  20. 제19항에서,
    상기 적어도 하나의 중간 반사층은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx: H), 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx: H) 및 미세 결정 실리콘 산화질화물(μc-SiOxNy: H) 중 하나로 이루어진 제2 중간 반사막을 더 포함하는 박막 태양전지.
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