KR20120072715A - 박막 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20120072715A
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Abstract

본 발명은 박막 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판의 상부에 배치되는 전면 전극; 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극; 및 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부;를 포함하며, 전면 전극에서 광전 변환부와 접하는 면은 곡면을 포함하는 요철 형상을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 제조 방법의 일례는 기판의 상부에 전면 전극을 형성하는 단계; 전면 전극의 상부면에 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부를 형성하는 단계; 및 광전 변환부의 상부에 후면 전극을 형성하는 단계;를 포함하며, 전면 전극을 형성하는 단계는 먼저 전면 전극의 상부면에 곡면이 없는 요철 형상을 형성한 이후, 전면 전극을 건식 식각(etching)하여 요철 형상이 곡면을 갖도록 한다.

Description

박막 태양 전지 및 그 제조 방법{THIN FILM SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 박막 태양 전지 및 그 제조 방법에 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 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판의 상부에 배치되는 전면 전극; 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극; 및 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부;를 포함하며, 전면 전극에서 광전 변환부와 접하는 면은 곡면을 포함하는 요철 형상을 포함한다.
여기서, 전면 전극에서 요철 형상의 곡면은 요철 형상의 골짜기 부분에 형성될 수 있다.
또한, 전면 전극에서 요철 형상의 곡면은 요철 형상의 봉우리 부분에 형성될 수 있다.
또한, 전면 전극은 ZnO 물질을 포함할 수 있다.
또한, 전면 전극에서 곡면을 포함하는 요철 형상의 경사면과 기판의 상부면과 사이의 각은 40˚이하일 수 있다.
또한, 전면 전극의 요철면에서 곡면의 직경은 50nm 이상 1.2㎛ 이하일 수 있다.
또한, 광전 변환부는 P형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층의 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, 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 제조 방법의 일례는 기판의 상부에 전면 전극을 형성하는 단계; 전면 전극의 상부면에 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부를 형성하는 단계; 및 광전 변환부의 상부에 후면 전극을 형성하는 단계;를 포함하며, 전면 전극을 형성하는 단계는 먼저 전면 전극의 상부면에 곡면이 없는 요철 형상을 형성한 이후, 전면 전극을 건식 식각(etching)하여 요철 형상이 곡면을 갖도록 한다.
여기서, 전면 전극의 요철 형상은 전면 전극을 스퍼터(suppter) 또는 저압 화학 기상 증착(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition;LPCVD) 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 전면 전극의 요철 형상이 곡면을 갖도록 하는 건식 에칭 공정은 식각 가스로 CF4, CH4, CHF3 또는 Cl2 중 적어도 하나의 가스를 이용할 수 있다.
또한, 전면 전극의 요철 형상이 곡면을 갖도록 하는 건식 식각 공정은 플라즈마 생성 가스로 Ar 가스를 이용할 수 있다.
또한, 건식 식각 공정에서 사용되는 식각 가스와 플라즈마 생성 가스를 포함한 전체 가스 중에서 플라즈마 생성 가스의 비율은 전체 가스의 35% 이상일 수 있다.
또한, 광전 변환부를 형성하는 단계는 플라즈마 화학 증착 기상(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition;PECVD) 방법을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지는 전면 전극의 요철 형상이 곡면을 갖도록 하여 광전 변환부의 크랙을 방지하고, 본 발명에 따른 박막 태양 전지는 전면 전극의 요철 형상에 곡면을 형성하는 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 전면 전극을 보다 상세하게 설명하기 위한 도이다.
도 3a 및 도 3b는 전면 전극의 요철 형상이 곡면을 포함하는 경우의 효과를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전면 전극이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전면 전극이 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조에서 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대해 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(130)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. 이와 같은 전면 전극(110)은 대부분의 빛이 통과하며 전기가 통할 수 있도록 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도를 구비하기 위해 ITO, SnO2, ZnO, TiO2 또는 FTO 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 본 발명에서는 이러한 물질 중에서 전면 전극(110) 상부에 광전 변환부를 형성하더라도 영향을 가장 적게 받아 효율이 가장 좋은 ZnO가 전면 전극(110)에 포함된 것을 일례로 설명한다. 이는 전면 전극(110) 상부에 광전 변환부를 형성할 때에 광전변환부(PV)는 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)에 의해 형성될 수 있는데, ZnO 물질의 상부에 이와 같은 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)으로 광전 변환부를 형성하더라도 ZnO 물질의 특성이 악화되거나 효율이 저하되지 않기 때문이다.
이러한 전면 전극(110)은 광전변환부(PV)와 접하여 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 요철 형상이 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.
본 발명은 전면 전극(110)에서 광전 변환부와 접하는 면이 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철 형상이 곡면(R)을 포함한다.
이와 같은 요철 형상이 곡면(R)을 포함할 경우, 전면 전극(110)의 상부에 p-i-n 구조의 광전 변환부를 증착하더라도 광전 변환부 내부에 결함을 야기시키는 미세 크랙(crack)이 발생하지 않아 광전 변환부의 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 이와 같이 요철 형상의 구조가 곡면(R)을 포함하는 예와 그 효과에 대해서는 도 2a 내지 도 3b에서 보다 구체적으로 설명한다.
다음, 후면 전극(130)은 광전변환부(PV)가 발생시킨 전력의 회수 효율을 높이기 위해 전기 전도성이 우수한 금속 재질을 포함할 수 있다. 아울러, 후면 전극(130)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(130)의 사이에서 전면 전극(110)과 후면 전극(130) 각각에 접촉하여 형성되며, 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(i형) 반도체층(120i)은 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 수 있고, 또는 비정질 실리콘(Amorphous Silicon) 재질, 예컨대 수소화된 비정질 실리콘(Hydrogenated Amorphous Silicon, a-Si:H)을 포함할 수도 있으며, 또는 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질이나 비정질 실리콘(Amorphous Silicon) 재질에 게르마늄(Ge)이 더 포함될 수도 있다. 이와 같이 게르마늄이 포함되는 경우 본 발명은 진성 반도체층(120i)의 밴드갭을 충분히 낮출수 있고, 이에 따라 진성 반도체층(120i)이 장파장 대역 광을 보다 효과적으로 흡수하도록 할 수 있어 광전 변환 효율이 향상될 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)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(130)쪽으로 이동할 수 있다. 이러한 방식으로 전력이 생산될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 전면 전극을 보다 상세하게 설명하기 위한 도이다. 도 3a 및 도 3b는 전면 전극의 요철 형상이 곡면을 포함하는 경우의 효과를 설명하기 위한 도이다.
본 발명에 따른 전면 전극(110)은 광전 변환부와 접하는 면에서 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철 형상이 곡면(R)을 포함하도록 형성되되, 도 2a에 도시된 바와 같이, 요철 형상의 골짜기 부분이 곡면(R)을 가지도록 하거나 도 2b에 도시된 바와 같이, 요철 형상의 골짜기 부분뿐만 아니라 요철 형상의 봉우리 부분도 곡면(R)을 가지도록 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 본 발명은 전면 전극(110)의 상부면에 접하여 광전 변환부가 형성될 때에 발생할 수 있는 미세 크랙(crack)을 방지할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3a와 같이, 전술한 미세 크랙(C)은 곡면(R)을 포함하지 않는 요철 형상의 전면 전극(110) 상부면에 광전 변환부의 p형 반도체층(120p) 및 진성 반도체층(120i)를 형성하는 과정에서 발생할 수 있다. 도 3a에서는 미세 크랙(C)이 p형 반도체층(120p) 및 진성 반도체층(120i)에 형성된 것만 일례로 설명하고 있지만, 이와 같은 미세 크랙(C)은 심할 경우, n형 반도체층(120n)까지도 형성될 수 있다.
이와 같은 광전 변환부의 p형 반도체층(120p) 및 진성 반도체층(120i)에 미세 크랙(C)이 발생하는 이유는 전면 전극(110)의 요철면의 경사각(θ2)이 크기 때문이다.
즉, 전면 전극(110) 요철면의 경사각(θ2)이 클 경우, 전면 전극(110)의 요철면 상부에 광전 변환부의 p형 반도체층(120p)을 고열을 수반하는 PECVD 방법을 이용하여 증착할 때에 도 3a에 도시된 바와 같이, 요철 형상의 골짜기 부분에서부터 미세 크랙(C)이 발생하게 되는데, 이는 전면 전극(110) 요철면의 경사각(θ2)이 클수록 요철 형상의 골짜기 부분은 증착할 수 있는 공간이 협소하고 골짜기의 양쪽에 위치하는 요철 형상의 봉우리 때문에 증착되어야할 Si 입자의 움직임을 방해하는 그림자 효과(shadowing effect)가 커져 요철 형상의 골짜기 부분에서 증착이 원할하게 이루어지지 않기 때문이다.
또한, 증착이 원할하게 이루어지기 위해서는 시드(seed)가 충분히 형성되어야하는데, 경사각(θ2)이 큰 요철 형상의 골짜기 부분에서는 상대적으로 시드(seed) 형성 속도가 요철 형상의 봉우리나 경사면 부분보다 느리게 형성되기 때문이다.
이와 같은 미세 크랙(C)은 광전 변환부의 결함(defect)으로 작용하여 태양 전지의 단락 전류(Jsc) 및 개방 전압(Voc)를 저하시켜 필펙터(F.F)를 저하시키는 원인이 되어, 결국 태양 전지의 광전 변환 효율을 저하시키는 요인이 된다.
그러나, 도 3b에 도시된 바와 같이 본 발명과 같이, 요철 형상이 곡면(R)을 포함하는 경우 요철면의 경사각(θ1)이 상대적으로 더 완만해져 요철 형상의 골짜기부분에서도 증착될 수 있는 공간이 충분히 확보되어 seed 형성이 충분히 이루어질 뿐만 아니라 전술한 그림자 효과도 최소화할 수 있어 미세 크랙(C)의 발생을 방지할 수 있는 것이다.
또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 곡면(R)을 갖는 상기 요철 형상의 경사면과 상기 기판(100)의 상부면과 사이의 경사각(θ1)은 40˚이하에서 형성될 수 있다.
이와 같이 함으로써, 요철 형상의 경사각(θ1)의 기울기를 40˚이하로 작게하여 전술한 미세 크랙(C)의 발생을 방지하는 한편, 외부로부터 입사된 빛이 요철 형상의 경사면에 의해 적절하게 산란될 수 있는 효과가 있다.
또한, 요철 형상에서 곡면(R)의 직경은 도 2b에 도시된 바와 같이 R1, R2, R3로 다양하게 형성될 수 있는데, 이와 같은 곡면(R)의 직경은 최소 50nm 이상 최대 1.2㎛ 이하의 범위에서 형성될 수 있다.
여기서, 곡면(R)의 직경이 최소 50nm 이상이 되도록 하는 것은 곡면(R)의 직경이 최소 50nm 이상이 되도록 하여 요철 형상의 경사각이 커지는 것을 방지하여 요철 형상의 골짜기에서부터 미세 크랙(C)이 발생할 가능성을 사전에 차단하기 위함이다. 또한, 곡면(R)의 직경이 최대 1.2㎛ 이하가 되도록 하는 것은 요철 형상의 경사각이 과도하게 감소하여 외부로부터 입사된 빛이 요철 형상의 경사면에 의해 다시 외부방향으로 반사되는 것을 최소화하기 위함이다.
또한, 이와 같은 전면 전극(110)은 저압 화학 기상 증착법(Low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)을 이용하여 형성되거나 스퍼터링법(sputtering)를 이용하여 형성될 수 있다.
한편, 이와 같은 도 1 내지 도 3b에서는, 박막 태양 전지(10)가 단층 p-i-n 구조로 형성된 경우만을 일례로 설명하였으나, 전면 전극(110)의 요철 형상이 곡면(R)을 포함하는 것은 템덤 구조, 예를 들면, 이중 접합이나 삼중 접합의 구조에서도 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 전면 전극이 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 있다.
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.
이와 같은 이중 접합 태양 전지에서도 전면 전극(110)이 곡면(C)을 갖는 요철 형상을 포함하도록 할 수 있다. 여기서 요철 형상의 곡면은 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 도 5는 본 발명에 따른 전면 전극이 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 수도 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 곡면(C)을 갖는 요철 형상을 포함하도록 할 수 있으며, 요철 형상의 곡면(C)은 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 동일하게 형성될 수 있다.
지금까지는 본 발명에 따른 전면 전극이 곡면(C)을 갖는 요철 형상의 구조에 대해서 설명하였으나, 이하에서는 본 발명에 따라 전면 전극의 요철 형상이 곡면을 갖도록 하는 박막 태양 전지의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도이다.
먼저, 도 6a와 같이 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법은 전면 전극(110)의 상부면에 곡면이 없는 요철 형상을 형성한다.
보다 구체적으로 설명하면, 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 전면 전극(110)을 형성한 이후, 습식 에칭 방법을 이용하거나 저압 화학 기상 증착법(LPCVD)을 이용하여 도 6a와 같이 전면 전극(110)의 상부면에 곡면이 없는 요철 형상을 형성할 수 있다.
이후, 도 6b와 같이 전면 전극(110)을 건식 식각(etching)하여 상기 요철 형상이 도 6c와 같이 곡면을 갖도록 한다.
도 6b와 같은 건식 에칭 공정은 도 6a와 같은 전면 전극(110)에 요철 형상이 형성된 기판(100)을 반응기 내에 위치시킨 후 식각 가스와 플라즈마 생성 가스를 주입하여 반응기 내에서 형성되는 플라즈마를 이용하여 건식 식각이 수행될 수 있다.
여기서, 건식 식각을 수행하는 반응기의 압력은 1m Torr 내지 1 Torr의 사이 값이 될 수 있으며, 플라즈마의 생성 방법은 유도 결합 방식 또는 용량성 결합 방식이나 두 가지 방식을 혼합한 방법이 이용될 수도 있다.
만약 혼합 방식을 이용할 경우 ICP(Inductively Coupled Plasma) 소스의 주파수는 1MHz ~ 20MHz사이의 범위로 인가하고, 10MHz ~ 20MHz의 주파수를 가지는 RF 파워를 1W ~500W로 인가하여 플라즈마를 형성할 수 있다.
여기서, 반응기 내부로 주입되는 식각 가스는 CF4, CH4, CHF3 또는 Cl2 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있으며, 플라즈마 생성 가스로는 Ar이 이용될 수 있다. 이외에, 반응기 내부로 수소(H)가스가 추가로 주입될 수도 있다. 이와 같은 수소 가스가 주입될 경우 전면 전극(110)은 수소를 함유하여 전하(예를 들면 정공)가 이동 중에 재결합되어 소멸되는 것을 방시하는 페시베이션(passivation) 기능을 수행할 수 있다.
이와 같은 상기 건식 식각 공정에서 사용되는 상기 식각 가스와 상기 플라즈마 생성 가스를 포함한 전체 가스 중에서 상기 플라즈마 생성 가스의 비율은 상기 전체 가스의 35% 이상이 되도록 할 수 있다. 이는, 플라즈마 생성 가스의 비율이 35% 이하가 될 경우 플라즈마의 생성이 불안정해져 건식 신각이 원하는 수준만큼 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
또한, 이와 같은 건식 식각 공정의 시간은 대략 10분 내외로 공정 시간이 짧은 장점이 있다.
이와 같은 플라즈마 건식 식각 공정을 이용하면, 도 6c에 도시된 바와 같이,전면 전극(110)의 요철 형상이 곡면을 가지도록 할 수 있으며, 건식 식각 공정의 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
이와 같이, 전면 전극(110)의 요철 형상이 도 6c와 같이 곡면을 가지도록 형성한 이후, 도 6d와 같이 전면 전극(110)의 상부에 P형 반도체층(120p), 진성(i) 반도체층(120i), 및 n형 반도체층(120n)을 차례로 플라즈마 화학 증착 기상(PECVD) 방법을 이용하여 차례로 적층시켜 광전 변환부(PV)를 형성한다.
이후, 광전 변환부(PV)의 상부에 도 6e에 도시된 바와 같이, 후면 전극(130)을 형성하여 박막 태양 전지를 제조할 수 있는 것이다.
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)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 배치되는 전면 전극;
    상기 전면 전극 상부에 배치되는 후면 전극; 및
    상기 전면 전극과 상기 후면 전극 사이에 배치되며, 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부;를 포함하며,
    상기 전면 전극에서 상기 광전 변환부와 접하는 면은 곡면을 포함하는 요철 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전극에서 상기 요철 형상의 곡면은 상기 요철 형상의 골짜기 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전면 전극에서 상기 요철 형상의 곡면은 상기 요철 형상의 봉우리 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전극은 ZnO 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전극에서 상기 곡면을 포함하는 요철 형상의 경사면과 상기 기판의 상부면과 사이의 각은 40˚이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전극의 요철면에서 상기 곡면의 직경은 50nm 이상 1.2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환부는 P형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층의 p-i-n 구조가 적어도 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 게르마늄(Ge)을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  9. 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.
  10. 기판의 상부에 전면 전극을 형성하는 단계;
    상기 전면 전극의 상부면에 광을 입사받아 전기로 변환하는 광전 변환부를 형성하는 단계; 및
    상기 광전 변환부의 상부에 후면 전극을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 전면 전극을 형성하는 단계는 먼저 전면 전극의 상부면에 곡면이 없는 요철 형상을 형성한 이후, 상기 전면 전극을 건식 식각(etching)하여 상기 요철 형상이 곡면을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제 11 항에 있어서,
    상기 전면 전극의 요철 형상은 상기 전면 전극을 스퍼터링(sputtering)방법 또는 저압 화학 기상 증착(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition;LPCVD) 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전면 전극의 요철 형상이 곡면을 갖도록 하는 건식 에칭 공정은 식각 가스로 CF4, CH4, CHF3 또는 Cl2 중 적어도 하나의 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전면 전극의 요철 형상이 곡면을 갖도록 하는 건식 식각 공정은 플라즈마 생성 가스로 아르곤(Ar) 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 건식 식각 공정에서 사용되는 상기 식각 가스와 상기 플라즈마 생성 가스를 포함한 전체 가스 중에서 상기 플라즈마 생성 가스의 비율은 상기 전체 가스의 35% 이상인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 광전 변환부를 형성하는 단계는 플라즈마 화학 증착 기상(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition;PECVD) 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지의 제조 방법.
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