KR20120091672A - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관련된다. 본 발명의 실시예에 따르면 기판 상에 알루미늄이 도핑된 아연산화물층을 증착하는 단계, 질소가스를 유입시킨 상태에서 상기 아연산화물층을 열처리하여 투명 전극을 형성하는 단계, 상기 투명 전극 위에 광전 변환층을 형성하는 단계 및 상기 광전 변환층 위에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법이 제공된다. 전기적 특성과 광학적 특성이 향상된 투명 전극을 구비한 태양전지를 제조할 수 있으며, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관련된 것으로서, 보다 상세하게는 전기적 특성이 향상된 투명 전극을 가지는 태양전지 및 그 제조방법과 관련된다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 [0002] 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 친환경적이고 에너지원인 태양 에너지가 무한할 뿐만 아니라 수명이 길다는 장점이 있다.
태양전지는 원료 물질에 따라 크게 실리콘 태양 전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양 전지(compoundsemiconductor solar cell) 및 적층형 태양 전지(tandem solar cell)로 구분될 수 있다.
적층형 태양 전지는 서로 다른 광학적 밴드갭(optical band gap)을 갖도록 반도체 층들이 적층된 구조의 광전 변환층을 가진다. 즉, 태양광이 먼저 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭이 높은 반도체 물질(예를 들어, 비정질 실리콘)을 이용하여 형성된 층에서는 단파장을 빛을 주로 흡수하고, 나중에 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭이 낮은 반도체 물질(예를 들어, 미세결정실리콘)을 이용하여 형성된 층에서는 주로 장파장 빛을 흡수하도록 한다.
이러한 광전 변환층의 앞단에는 빛을 투과시킴과 동시에 전면 전극의 역할을 하는 투명 전극층이 형성되어 있는데, 적층형 태양전지에서 높은 변환 효율을 달성하기 위해서는 투명 전극의 광학적 특성으로서의 높은 광 투과도와 전기적 특성으로서의 낮은 면저항이 모두 만족될 것이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 투명 전극의 전기적 성질과 광 투과도를 향상시킴과 동시에 장파장 대역의 헤이즈를 증가시켜 태양 전지의 효율을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 기판; 상기 기판 위에 형성되어 있는 투명 전극; 상기 투명 전극 위에 형성되어 있는 광전 변환층 및 상기 광전 변환층 위에 형성되어 있는 후면 전극을 포함하고, 상기 투명 전극은 알루미늄이 도핑된 아연산화물로서, 상기 기판 상에 증착된 후 질소가스가 유입된 상태에서 섭씨 400도 이상의 온도로 열처리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 기판 상에 알루미늄이 도핑된 아연산화물층을 증착하는 단계; 질소가스를 유입시킨 상태에서 상기 아연산화물층을 열처리하여 투명 전극을 형성하는 단계; 상기 투명 전극 위에 광전 변환층을 형성하는 단계 및 상기 광전 변환층 위에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법이 제공된다.
본 발명의 특징에 따르면, 태양전지에 사용되는 투명 전극의 면 저항을 낮추어 전기적 특성을 향상시키는 것과 동시에 광 투과도도 높임으로써 고효율 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광학적 특성 중 투명 전극의 광 투과도 변화를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 전기적 특성 변화를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광학적 특성 중 투명 전극의 헤이즈율의 변화를 나타낸 그래프.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광학적 특성 중 투명 전극의 광 투과도 변화를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 전기적 특성 변화를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광학적 특성 중 투명 전극의 헤이즈율의 변화를 나타낸 그래프.
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. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 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 형성되어있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예인 태양 전지에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 부분 단면도이다.
도 1을 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 적층형 태양 전지로서, 특히 기판(110)을 통해 빛이 입사되는 상판(superstrate)형 구조이다.
이를 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는, 유리나 투명 플라스틱 등으로 이루어진 기판(110), 기판(110) 위에 형성된 도전성 투명 전극(transparent conductive oxide, TCO)(120), 투명 전극(120) 위에 형성된 광전 변환층(130), 광전 변환층(130) 위에 형성된 후면 반사층(140), 후면 반사층(140) 위에 형성된 후면 전극(150)을 포함한다. 이때, 투명 전극(120)은 전면 전극층으로서 제1 전극이라고 하고, 후면 전극(170)은 제2 전극이라 할 수 있다.
도전성 투명 전극(120)은 기판(110)의 전체 면에 형성되어 있으면, 제1 반도체 셀(130)과 전기적으로 연결되어 있다. 따라서 도전성 투명 전극(120)은 빛에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예를 들어 정공을 수집하여 출력한다. 본 실시예에서, 도전성 투명 전극(120)은 또한 반사 방지막의 기능도 수행한다.
이러한 투명 전극(120)은 입사된 대부분의 빛이 통과하고 전기가 잘 흐를 수 있도록 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도를 가질 것이 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. 도전성 투명 전극(120)의 비저항 범위는 약 10-2Ω-㎝ 내지 10-11Ω-㎝일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 전극의 재질로는 알루미늄이 도핑된 산화아연물(이하, AZO)이 사용될 수 있다. AZO는 스퍼터링 방식에 의해 기판 상에 증착됨으로써 산화아연층을 형성할 수 있다. 그리고 증착된 산화아연층의 표면에는 요철이 형성된다. 산화아연층의 표면 요철 형성을 위해 염산을 이용한 식각 방법이 사용될 수 있다.
그 결과, 도전성 투명 전극(120)의 상부 표면은 랜덤(random)한 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철(121)을 구비한 텍스처링 표면(texturing surface)을 구비할 수 있다. 이와 같이, 도전성 투명 전극(120)의 표면을 텍스처링함에 따라 도전성 투명 전극의 빛 반사도를 감소시키고, 피라미드 구조에서 복수 번의 입사와 반사 동작이 행해져 태양 전지 내부에 빛이 갇히게 되어 빛의 흡수율이 증가되므로, 태양 전지의 효율이 향상된다. 이때 형성되는 요철(121)의 높이는 약 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
요철이 형성된 후, 산화아연층은 질소 가스가 유입된 환경, 즉 질소분위기에서 소정의 온도에서 열처리될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 섭씨 400도 이상의 온도로 산화아연층을 열처리함으로써 투명 전극(120)을 형성할 수 있다.
질소 분위기에서 열처리 시, 투명 전극(120)의 전기적 특성인 면 저항은 점차 낮아지게 된다. 높은 온도에서 열처리가 이루어질수록 면 저항은 감소되는데 섭씨 400도까지는 열처리 시 면저항이 열처리 온도에 따라 선형적으로 낮아지고, 그 이상에서는 포화 (saturation) 상태에 이르러 더 이상의 면 저항의 급격한 감소는 이루어지지 않는다.
또한 광 투과도 측면에서도, 열처리가 이루어지지 않은 경우에 비하여 광 투과도는 향상되는 양상을 보인다. 그리고 질소 분위기에서의 열처리가 이루어지면, 투명 전극(120)을 형성하는 입자들의 크기가 증가하여, 태양광을 산란(scattering)시키는 효과가 증가한다. 특히 장파장 영역대에서의 산란도의 증가는 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 산란도의 증가와 함께 헤이즈율의 증가 역시 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 질소 분위기에서 열처리된 투명 전극(120)이 형성되는 경우, 투명 전극(120)의 헤이즈율이 증가한다. 태양광을 수광한 후 광전 변환층(130)의 앞단에서 광을 흡수 및 투과시키는 투명 전극(120)의 광의 산란과 광 포획은 태양전지 효율을 좌우하게 된다. 특히 헤이즈의 증가는 광 산란도를 증가시키게 되는데, 400도 이상, 또는 450도 이상의 온도에서 열처리된 투명 전극(120)이 형성됨에 따라, 투명 전극의 헤이즈는 열처리 전에 비하여 증가하게 된다. 투명 전극(120)의 열처리에 따른 전기적 특성과 광학적 특성의 향상은 이후 도 8 내지 도 11에 도시된 그래프들을 참조하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
광전 변환층(130)은 단일접합, 이중접합 또는 삼중접합의 구조를 가질 수 있다. 그리고 광전 변환층(130)의 반도체층은 p-i-n형의 반도체층이 차례로 증착된 구조일 수 있다. 이중접합의 경우 광전 변환층(130)은 제1 광전 변환층, 제2 광전 변환층을 포함하는 구조일 수 있으며, 마찬가지로 삼중접합의 경우 광전 변환층은 제1 광전 변환층, 제2 광전 변환층, 제3 광전 변환층을 포함하는 구조일 수 있다.
이중접합 구조의 태양전지에서, 제1 광전 변환층의 물질로는 a-Si:H과 함께 a-SiC:H 등이 사용 가능하며, 제2 광전 변환층의 물질로는 nc-Si:H, nc-SiGe:H 등이 사용될 수 있다.
또한 삼중접합 구조에서 제1 광전 변환층의 물질로는 a-Si:H과 함께 a-SiC:H 등이 사용 가능하며, 중간전지(middle cell)인 제2 광전 변환층의 물질로는 a-SiGe:H, nc-Si:H 등이, 그리고 하부전지(bottom cell)인 제3 광전 변환층의 물질로는 nc-Si:H, nc-SiGe:H 등이 사용될 수 있다.
제1 광전 변환층, 제2 광전 변환층 및 제3 광전 변환층은 각각 p형 반도체층, 진성(intrinsic) 반도체층 및 n형 반도체층이 결합된 p-i-n 접합을 가질 수 있다. 즉 p형, n형으로 도핑된 반도체층 사이에 진성(intrinsic) 반도체층이 삽입되어 있는 구조일 수 있다. p형 및 n형 반도체층과 같은 도핑층은 진성 반도체층을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인한 광기전력 효과(photovoltatic effect)의하여 광 흡수층인 진성 반도체층에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 p형 반도체층을 통해 도전성 투명 전극(120) 쪽으로 이동하고, 전자는 n형 반도체층을 통해 후면 전극(150)쪽으로 이동한다.
p형 반도체층은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 분순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서 p형 반도체층은 실리콘 카바이드(SiC)나 a-Si:H 등으로 형성될 수 있다.
진성 반도체층은 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것이다. 이로 인해, 진성 반도체층은 인가되는 단파장 대역의 빛을 주로 흡수하여, 전자와 정공과 같은 캐리어가 이곳에서 주로 생성한다. 이러한 진성 반도체층은 a-Si:H로 형성될 수 있고, 약 200nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다.
n형 반도체층은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
제1 광전 변환층은 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD))에 의해 형성될 수 있다. 이 때, 제1 광전 변환층은 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon: a-Si:H)을 이용하는 비정질실리콘 셀로서, 약 1.7eV의 광학 밴드갭을 갖고 근자외선, 보라, 파랑 등과 같은 단파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
제2 광전 변환층은 제1 반도체 셀(130)에 사용된 a-Si에 비하여 광학적 밴드갭이 1.4eV 정도로 더 작은 a-SiGe가 사용되며, 중간 파장의 녹색 계열의 광을 흡수한다.
제3 광전 변환층은 수소화된 미세결정 실리콘(hydrogenated micro-crystalline silicon, μc- Si:H)을 이용한 미세 결정 실리콘 셀로서, 약 1.1eV의 광학 밴드갭을 갖고 적색에서 근적외선까지의 장파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
후면 반사층(back reflector, 140)은 광전 변환층(130)을 통과한 빛을 광전 변환층(130)쪽으로 반사시켜, 광전 변환층(130)의 동작 효율을 향상시킨다. 이러한 후면 반사층(140)은 ZnO, SnO, 미세결정질 실리콘 박막과 같은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
후면 전극(150)은 후면 반사층(140) 전체 면 위에 형성되어 있으며, 광전 변환층(130)과 전기적으로 연결되어 있다. 이러한 후면 전극(150)은 p-n 접합을 통해 생성된 캐리어 중 전자를 수집하여 출력한다. 후면 전극(150)은 전도성 금속 물질로 이루어져 있다.
도 2 내지 도 7을 참고로 하여, 이러한 구조를 갖는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
먼저, 도 2에 도시한 것처럼, 유리나 플라스틱과 같은 투명한 재료로 이루어진 기판(110)이 마련되면, 도 3과 같이 기판(110) 위에 도전성 투명 전극(120)을 형성한다. 도전성 투명 전극(20)은 도전성 투명 전극 형성용 페이스트를 기판(110) 상에 도포한 후 열처리하여 형성하거나 스퍼터링 공정 등을 이용한 증착법 또는 도금법 등의 공정을 통해 형성될 수 있다. 도전성 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.
본 발명의 실시예에서는 앞서 설명한 바와 같이, 투명 전극(120)의 소재로 알루미늄이 도핑된 산화 아연(AZO)이 사용될 수 있다.
다음, 도 4에 도시한 것처럼, 도전성 투명 전극(120)의 표면을 텍스처링하여 도전성 투명 전극(120)에 복수의 요철(121)을 형성한다.
텍스처링은 예를 들어 약 0.5% 내외의 염화 수소(HCl)와 같은 식각 용액에 약 15초간 표면 식각 용액이 담긴 욕조(bath)에 일정 시간 동안 반도체 기판(100)을 담가 놓음으로써 이루어질 수 있고, 식각 용액과 접촉한 도전성 투명 전극(120)의 표면의 일부 또는 전부가 식각되어 랜덤한 피라미드 구조 등을 갖는 요철(121)이 형성된다.
이때, 요철(121)은 투명 전극(120)의 결정 방향에 따른 식각 속도의 차이에 의해 생성된다. 형성되는 요철(121)의 높이, 즉 각 피라미드 구조의 높이는 식각 용액의 농도, 식각 시간 등에 따라 가변되며, 약 1㎛ 내지10㎛일 수 있다.
다음, 도 5에 도시한 것처럼, PECVD와 같은 CVD를 이용하여 광전 변환층(130)을 형성한다. 이때, 실리콘(Si)을 포함하는 원료 가스에 불순물의 종류를 변경하여 p형 반도체층(미도시), 진성 반도체층(미도시) 및 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이때, 사용되는 원료 가스는 SiH4, Si2H6, Si3H8 등의 가스를 사용할 수 있고, 이런 원료 가스를 분해하기 위한 플라즈마 형성을 위한 가스로는 H2, He 등을 사용할 수 있다. 또한, p형 불순물을 위한 가스로는 붕소(B)와 같은 3가 원소를 포함하는 가스(B2H6)를 혼합하며, n형 불순물을 위한 가스로는 인(P)과 같은5가 원소를 포함하는 가스(PH3)를 혼합한다.
또한 광전 변환층(130)은 앞서 설명한 바와 같이 이중접합 또는 삼중접합의 구조를 가질 수 있어서 제1 광전 변환층, 제2 광전 변환층 및/또는 제3 광전 변환층을 포함할 수 있다. 그리고 제1 광전 변환층, 제2 광전 변환층 및/또는 제3 광전 변환층은 각각 p형 반도체층, 진성 반도체층, n형 반도체층을 포함할 수 있다.
다음, 도 6에 도시한 것처럼, 광전 변환층(130) 위에 후면 반사층(140)을 형성한다. 후면 반사층(140)은 ZnO, SnO, 미세결정질 실리콘 박막 등과 같은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
후면 반사층(140) 위에 후면 전극(150)을 형성함으로써 도 7에 도시된 바와 같이 태양 전지를 완성한다. 후면 전극은 도전성 금속 물질로 이루어지며, 그 형성 방법에 따라 다양한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 스크린 인쇄법으로 후면 전극(50)을 제조할 경우, 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, 잉크젯이나 디스펜싱법(dispensing)으로 제조할 경우 니켈(Ni), 은(Ag) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
또한 도금법으로 후면 전극(160)을 형성할 때 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, 증착법으로 후면 전극(50)을 형성할 때에는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 티타늄(Ti), 납(Pd), 크롬(Cr), 텅스턴(W) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 또한 스크린 인쇄법으로 후면 전극(50)을 형성할 경우, 은(Ag)과 도전성 고분자의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서는 투명한 기판(110) 위에 두 개의 반도체 셀이 순차적으로 형성된 상판형 구조를 기초로 하여 설명하였지만, 본 발명의 실시예는 금속의 기판 위에 제1 반도체 셀과 제2 반도체 셀이 형성되어 있고, 금속 기판의 반대 방향으로 빛이 입사되는 하판(substrate) 구조에도 물론 적용된다. 또한, 본 발명의 실시예는 세 개 이상의 반도체 셀을 구비하는 태양 전지에도 적용 가능하다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광학적 특성 중 투명 전극의 광 투과도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 스퍼터를 이용하여 AZO를 증착한 후, 염산을 이용하여 표면 요철을 만든 후, 질소 분위기에서 온도별로 열처리 후의 면 저항 변화를 나타낸 그림이다. 도 9는 광 투과도의 범위를 축소하여 열처리 온도별 광투과도 양상을 보다 확대하여 나타낸 그래프이다. 도 8과 도 9에 도시된 그래프는 스퍼터를 이용하여 알루미늄 도핑된 산화아연층(AZO)을 증착한 후, 염산을 이용하여 표면 요철을 만들고, 그 후 질소 분위기에서 온도별로 1시간 열처리 후의 투과도를 나타낸다. 섭씨 200도, 300도, 400도, 450도에서 각각 열처리한 결과를 그래프로 도시하였다.
특히 질소분위기 하에서 섭씨 400도로 열처리 시, 500nm 이하의 파장대 영역과, 800nm 이상의 파장대 영역에서 광 투과도가 열처리하지 않은 경우에 비하여 높아진 것을 볼 수 있다. 섭씨 450도로 열처리한 경우에도 광 투과도가 높아지는 파장대역은 유사하나, 광 투과도의 증가폭이 커진다.
또한 광 파장대역의 구간에 따라 광 투과도의 증가율이 일정하지는 않으나, 도 8과 도 9를 참조하면 전반적으로 질소 분위기에서의 열처리를 거침에 따라 투명 전극(120)의 광 투과도는 증가하는 것을 볼 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 전기적 특성 변화를 나타낸 그래프이다. 도 10의 그래프는 온도별 열처리 결과에 따른 면저항 변화를 나타낸다.
질소 분위기에서의 열처리에 따라, 면저항은 감소하는 추세를 보인다. 특히 질소 분위기에서 섭씨 200도로 1시간 열처리 한 경우 면저항 감소율은 0, 동일한 조건에서 섭씨 300도로 1시간 열처리한 경우 면저항 감소율은 -10% 이하이며, 섭씨 400도에서 1시간 열처리 시 면저항 감소율은 -20% 이상이 된다. 이후 열처리 온도를 더 높여도 면저항의 감소폭은 늘어나지 않는다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광학적 특성 중 투명 전극의 헤이즈율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 알루미늄 도핑된 산화아연층이 스퍼터로 증착된 후 질소 분위기에서 450도로 1시간 열처리 전/후의 XRD(X-Ray Diffraction) 상의 (002) 피크(peak)의 FWHM 값과 이를 연산을 이용하여 표면 요철을 만든 후의 850 nm 에서의 장파장 Haze 값을 나타낸 그림이다. FWHM 값은 왼편의 y축에, 헤이즈율 변화는 오른편 y축에 표시되며, 도 11의 그래프에 따르면 열처리에 따라 FWHM 값은 감소하고, 헤이즈율은 증가하는 것으로 나타나 있다.
FWHM(full width at half maximum, 반치폭)은 계의 주파수 응답을 나타내는 스펙트럼 선의 폭이나 펄스폭을 첨두값의 1/2위치에서 값으로 나타낸 것이다. 열처리 후에 FWHM 값이 작아지는 것으로 보아서, 산화아연층의 입자(grain) 크기가 질소 분위기의 열처리 후 증가하고, 이로 인해서 염산으로 표면 요철을 주기 위해 에칭을 한 후에, haze가 증가 하는 것을 알 수가 있다. 장파장 영역대에서 헤이즈(haze)의 증가는 바로 장파장 영역대 태양광의 산란(scattering) 효과를 극대화시키므로 고효율의 태양전지 제작에 중요한 요소가 된다.
본 발명에서는 질소분위기의 열처리를 이용하여, 전기적 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 단파장 및 장파장의 투과도를 향상과 질소 분위기의 열처리로 인한 입자 크기 증가에 따라 에칭 후 투명 전극(120)의 헤이즈를 증가시키는 효과를 얻을 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.
110 : 기판
120 : 투명 전극
130 : 광전 변환층
140 : 후면 반사층
150 : 후면 전극
120 : 투명 전극
130 : 광전 변환층
140 : 후면 반사층
150 : 후면 전극
Claims (15)
- 기판;
상기 기판 위에 형성되어 있는 투명 전극;
상기 투명 전극 위에 형성되어 있는 광전 변환층; 및
상기 광전 변환층 위에 형성되어 있는 후면 전극을 포함하고,
상기 투명 전극은 알루미늄이 도핑된 아연산화물로서, 상기 기판 상에 증착된 후 질소가스가 유입된 상태에서 섭씨 400도 이상의 온도로 열처리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 광전 변환층과 상기 후면 전극 사이에,
상기 광전 변환층을 통과한 태양광을 상기 광전 변환층으로 재반사시키는 후면 반사층을 더 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 투명 전극은, 500nm 이하의 파장을 가지는 단파장 대역의 광과 800nm 이상의 장파장 대역의 광에 대하여 열처리하기 전에 비하여 증가된 광 투과도를 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 투명 전극은, 열처리하기 전에 비하여 15% 이상 감소된 면저항을 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 투명 전극은 섭씨 450도 이상의 온도로 열처리되며, 열처리하기 전에 비하여 증가된 헤이즈율을 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 투명 전극은 상기 광전 변환층이 증착되는 면에 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제6항에 있어서,
상기 투명 전극의 요철은 염산 식각액으로 인해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 기판 상에 알루미늄이 도핑된 아연산화물층을 증착하는 단계;
질소가스를 유입시킨 상태에서 상기 아연산화물층을 열처리하여 투명 전극을 형성하는 단계;
상기 투명 전극 위에 광전 변환층을 형성하는 단계; 및
상기 광전 변환층 위에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 투명 전극을 형성하는 단계는
상기 아연산화물층을 섭씨 400도 이상의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 투명 전극은, 500nm 이하의 파장을 가지는 단파장 대역의 광과 800nm 이상의 장파장 대역의 광에 대하여 열처리하기 전에 비하여 증가된 광 투과도를 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 투명 전극은, 열처리하기 전에 비하여 15% 이상 감소된 면저항을 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 투명 전극은 섭씨 450도 이상의 온도로 열처리되며, 열처리하기 전에 비하여 증가된 헤이즈율을 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제8항에 있어서,
상기 후면 전극을 형성하기 전에,
상기 광전 변환층 상에 후면 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 후면 전극은 상기 후면 반사층 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 광전 변환층을 형성하기 전에,
상기 투명 전극의 일면에 요철을 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 광전 변환층은 상기 투명 전극의 요철이 형성된 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 투명 전극의 요철은 상기 아연산화물층을 염산 식각액을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL NUMBER: 2016101006965; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20161209 Effective date: 20180723 |