KR20120096177A - 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 반사층의 두께는 200nm 이상 800nm 이하이고, 후면 반사층의 굴절률은 1.8 이상 2.0 이하이며, 후면 반사층은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al), 붕소 아연 산화물(ZnOx:B), 및 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H) 중 적어도 하나의 물질을 포함한다.

Description

박막 태양 전지{THIN FLIM SOLAR CELL}
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, 입사된 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 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 반사층의 두께는 200nm 이상 800nm 이하이고, 후면 반사층의 굴절률은 1.8 이상 2.0 이하이며, 후면 반사층은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al), 붕소 아연 산화물(ZnOx:B), 및 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H) 중 적어도 하나의 물질을 포함한다.
여기서, 후면 반사층이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 물질을 포함하는 경우, 후면 반사층의 저항은 15×10-3Ω㎝ 이상 70Ω㎝ 이하일 수 있다.
또한, 후면 반사층에서 광전 변환부와 접하는 면은 텍스쳐링(Texturing) 될 수 있다.
또한, 광전 변환부는 P형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층을 포함하는 p-i-n 구조가 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 박막 태양 전지는 후면 반사층을 최적의 두께로 한정하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 후면 반사층의 두께에 따른 박막 태양 전지의 광전 변환 효율을 설명하기 위한 도이다.
도 3은 도 1에 도시된 후면 반사층의 두께에 대한 후면 반사층의 반사율의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 박막 태양 전지에서 후면 반사층의 굴절률과 광전 변환 효율의 관계를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 후면 반사층이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우, 굴절률과 저항의 관계를 설명하기 위한 도이다.
도 6은 도 1 내지 도 5에서 설명한 후면 반사층이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 7는 도 1 내지 도 5에서 설명한 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 면에 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)의 두께(TBR)는 200nm 이상 800nm 이하이다.
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 도시된 바와 같이 입사면으로부터 순서대로 p형 반도체층(120p), 진성(i형) 반도체층(120i), n형 반도체층(120n)을 포함할 수 있다. 그러나 도 1에 도시된 바와 다르게 입사면으로부터 순서대로 n형 반도체층, 진성(i형) 반도체층, p형 반도체층으로 배열될 수도 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(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)의 두께(TBR)는 200nm 이상 800nm 이하에서 결정된다. 이와 같이 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 200nm 이상 800nm 이하가 되도록 두껍께 하는 것은 후면 전극(140)까지 도달할 수 있는 빛의 양을 줄임으로써 후면 전극(140)의 계면에서 빛이 흡수되는 것을 줄이고, 후면 반사층(130)의 반사율을 향상시켜 광전 변환부(PV) 내에 보다 많은 양의 빛을 트랩핑(trapping)하기 위함이다. 이와 같은 후면 반사층(130)의 두께(TBR)에 대한 보다 상세한 설명은 도 2 및 도 3에서 설명한다.
이와 같은 후면 반사층(130)은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al), 붕소 아연 산화물(ZnOx:B), 및 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H) 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
여기서, 후면 반사층(130)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 또는 붕소 아연 산화물(ZnOx:B)을 포함하는 경우 후면 반사층(130)은 스퍼터링(sputtering)법에 의해 형성될 수 있으며, 후면 반사층(130)이 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H)을 포함하는 경우, 후면 반사층(130)은 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)에 의해 형성될 수 있다.
여기서, 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H)이 후면 반사층(130)에 포함되는 경우, 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H)은 광전 변환부(PV)의 n형 반도체층(120n)에 포함되는 5가 원소의 불순물과 동일한 불순물이 도핑될 수 있다.
이와 같이, 불순물이 도핑된 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H)이 후면 반사층(130)에 포함되는 경우, 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H)의 불순물 도핑 농도는 광전 변환부(PV)의 n형 반도체층(120n)에 도핑되는 불순물의 도핑농도보다 더 높을 수 있다.
이와 같이 후면 반사층(130)의 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H)의 불순물 도핑 농도를 광전 변환부(PV)의 n형 반도체층(120n)에 도핑되는 불순물의 도핑농도보다 더 높게 하는 것은 상대적으로 후면 반사층(130)의 저항을 낮추어 광전 변환부(PV)로부터 생성되는 전류가 후면 전극(140)으로 보다 잘 흐르도록 하기 위함이다.
도 2는 도 1에 도시된 후면 반사층의 두께에 따른 박막 태양 전지의 광전 변환 효율을 설명하기 위한 도이고, 도 3은 도 1에 도시된 후면 반사층의 두께에 대한 후면 반사층의 반사율의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2에서 X축은 후면 반사층(130)의 두께(TBR)에 대한 것이고, Y축은 후면 반사층(130)의 두께(TBR)에 따른 박막 태양 전지의 광전 변환 효율에 대한 것이다.
도 2를 살펴보면, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 100nm인 경우 광전 변환 효율은 9.02%로 낮다가 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 200nm까지 상승하면 광전 변환 효율은 9.4%까지 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 200nm에서 500nm까지 증가하는 경우 광전 변환 효율은 9.4%에서 9.64%까지 완만하게 상승하여 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 500nm인 지점에서 광전 변환 효율이 9.64%로 최고값을 가지게 된다.
이후, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 500nm에서 800nm까지 증가하는 경우 광전 변환 효율은 9.64%에서부터 9.42%까지 완만하게 하강하고, 이후, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 800nm에서 1000nm까지 증가하는 경우, 광전 변환 효율은 9.42%에서 8.98%까지 급격하게 하강하는 것 알 수 있다.
이와 같이, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)에 따라 광전 변환 효율이 증가하는 것은 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 커질수록 후면 반사층(130)의 반사율이 증가하여 광전 변환부(PV) 내에 트랩핑(trapping)되는 빛의 양이 증가하기 때문이다.
또한, 아울러, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)에 따라 광전 변환 효율이 증가하는 것은 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 증가할수록 후면 반사층(130)과 후면 전극(140) 사이의 계면에서 발생하는 플라즈모닉(plasmonic) 효과에 의한 광손실이 줄어들기 때문이다 .
여기서, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)와 반사율과의 관계에 대한 일례에 대해 도 3을 통하여 살펴보면 다음과 같다.
도 3에서 X축은 입사되는 빛의 파장이고, Y축은 후면 반사층(130)의 반사율을 나타내며, A는 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함한 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 500nm인 경우를 도시한 것이고, B는 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함한 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 100nm인 경우를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 500nm인 A의 경우와 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 100nm인 B의 경우를 비교하면, 400nm부터 1000nm까지의 주요 광 파장 대역에서 A의 반사율 대비 B의 반사율의 차이(ΔR)가 평균적으로 대략 2.5%정도로, A의 경우가 더 높은 반사율을 보이는 것을 알 수 있다.
이와 같은 두께에 따른 반사율의 차이로 인하여 광전 변환부(PV) 내에 트랩핑(trapping)되는 빛의 양이 증가하고, 이로 인하여 광전 변환 효율이 증가될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)에 따라 광전 변환 효율이 감소하는 것은 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 과도하게 커지는 경우, 후면 반사층(130)의 반사율 증가 비율은 상대적으로 작은 반면, 광전 변환부(PV)에서 생성된 전류가 후면 반사층(130)을 경유하여 후면 전극(140)으로 원할하게 흐르지 않기 때문이다. 이는 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 과도하게 커질 경우 후면 반사층(130)의 저항이 증가하여 광전 변환부(PV)에서 생성된 전류가 후면 반사층(130)에서 소모되기 때문이다.
따라서, 본 발명은 후면 반사층(130)의 두께(TBR)에 따른 광전 변환 효율의 증가 및 감소 기울기가 급격하여 광전 변환 효율이 불안정한 구간을 제외하고, 상대적으로 후면 반사층(130)의 두께(TBR)에 따른 광전 변환 효율의 증가 및 감소 기울기가 완만하여 두께에 따른 광전 변환 효율이 안정된 구간을 선택하여, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)를 200nm 이상 800nm 이하가 되도록 하는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 후면 반사층(130)의 두께(TBR)는 후면 반사층(130) 내의 전류의 흐름과 후면 반사층(130)의 반사율 및 플라즈모닉(plasmonic) 효과를 고려하여 최적의 값으로 선택되었다.
도 4는 본 발명에 따른 박막 태양 전지에서 후면 반사층의 굴절률과 광전 변환 효율의 관계를 설명하기 위한 도이다.
도 4에서 X축은 후면 반사층(130)의 굴절률에 대한 것이고, Y축은 굴절률에 따른 효율에 대한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 후면 반사층(130)의 굴절률이 1.6에서 1.8로 증가할 때 광전 변환 효율은 급격한 기울기로 증가하나, 후면 반사층(130)의 굴절률이 1.8에서 1.9로 증가할 때 광전 변환 효율은 완만한 기울기로 증가하여, 후면 반사층(130)의 굴절률이 1.9일 때 최고값을 가지는 것을 알 수 있다.
또한, 후면 반사층(130)의 굴절률이 1.9에서 2.0로 증가할 때 광전 변환 효율은 오히려 완만한 기울기로 감소하고, 후면 반사층(130)의 굴절률이 2.0에서 2.1로 증가할 때 광전 변환 효율은 상대적으로 급격한 기울기로 감소하는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 후면 반사층의 굴절률은 최적의 광전 변환 효율을 고려하여 굴절률에 따른 효율 변화가 상대적으로 안정된 1.8 이상 2.0 이하가 되도록 할 수 있다.
이와 같은 후면 반사층의 굴절률은 후면 반사층에 함유되는 산소(O)의 농도에 따라 조절될 수 있다.
보다 구체적으로, 후면 반사층(130)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 또는 붕소 아연 산화물(ZnOx:B)인 경우, 전술한 바와 같이 후면 반사층(130)은 스퍼터링(sputtering)법에 의해 형성될 수 있는데, 이와 같이 후면 반사층(130)을 형성하기 위하여 스퍼터링(sputtering)법을 수행할 때, 공정 가스로 주입되는 산소(O)의 농도를 높게 하여 후면 반사층(130)의 굴절률을 낮출 수 있으며, 반대로 산소(O)의 농도를 낮게 하여 후면 반사층(130)의 굴절률을 높일 수 있다.
또한, 후면 반사층(130)이 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H)을 포함하는 경우, 후면 반사층(130)은 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)에 의해 형성될 수 있는데, 이와 같은 경우 공정 가스로 주입되는 이산화탄소(CO2)의 농도를 조절하여 후면 반사층(130)의 굴절률을 조절할 수 있다.
즉, 공정가스로 주입된 이산화탄소(CO2)는 탄소(C) 이온과 산소(O) 이온으로 해리(dissociation)된다. 여기서 산소(O) 이온이 후면 반사층(130)을 산화시키면서 후면 반사층(130)의 굴절률이 조절된다. 이때 산소(O) 이온의 농도를 높게 하여 후면 반사층(130)의 굴절률을 낮출 수 있으며, 반대로 산소(O) 이온의 농도를 낮게 하여 후면 반사층(130)의 굴절률을 높일 수 있다.
또한, 후면 반사층(130)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우, 후면 반사층(130)의 굴절률은 후면 반사층(130)의 저항값에 의해 조절될 수도 있다. 이에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 다음의 도 5와 같다.
도 5는 후면 반사층이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우, 굴절률과 수평 저항의 관계를 설명하기 위한 도이다.
도 5에서, X축은 후면 반사층(130)의 굴절률에 대한 값이며, Y축은 후면 반사층(130)의 수평 저항에 대한 값이다. 이와 같은 도 5는 굴절률과 저항의 관계를 설명하기 위하여 후면 반사층(130)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)로 이루어지고, 후면 반사층(130)의 두께(TBR)가 800nm인 경우을 일례로 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 저항과 굴절률은 서로 반비례하는 관계에 있다. 보다 구체적으로 굴절률이 1.6일 때 수평 저항값이 1000[Ω×㎝]이었으나, 굴절률이 1.8로 증가되면서 수평 저항값이 급격하게 감소하여 70[Ω×㎝]가 되고, 굴절률이 1.8에서 2.0으로 증가되면서 수평 저항값은 더욱 감소하여 15×10-3[Ω×㎝]이 되는 것을 알 수 있다.
따라서, 후면 반사층(130)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 물질을 포함하는 경우, 후면 반사층(130)의 수평 저항을 15×10-3Ω㎝ 이상 70Ω㎝ 이하가 되도록 하여 도 4에서 설명한 바와 같이 후면 반사층(130)의 굴절률을 1.8 이상 2.0 이하가 되도록 할 수 있다.
도 5에서는 후면 반사층이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우, 굴절률과 저항의 관계를 일례로 설명하였지만, 후면 반사층이 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H)을 포함하는 경우, 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H)의 수평 저항을 103Ω㎝ 내지 107Ω㎝ 사이가 되도록 하여, 후면 반사층(130)의 굴절률을 1.8 이상 2.0 이하가 되도록 할 수도 있다.지금까지는 도 1에 도시된 바와 같이 광전변환부(PV)가 하나의 p-i-n 구조로 이루어진 박막 태양 전지에서 후면 반사층(130)의 두께(TBR), 굴절률, 및 저항에 대해서만 설명하였으나, 전술한 후면 반사층(130)의 두께(TBR), 굴절률, 및 저항은 광전변환부(PV)가 복수 개의 p-i-n 구조로 이루어진 박막 태양 전지에서도 적용이 가능하다.
도 6은 도 1 내지 도 5에서 설명한 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 6에 도시된 바와 같이, 박막 태양전지는 제 1 광전변환부(321) 및 제 2 광전변환부(323)를 포함할 수 있다.
도 6와 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 6에 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 6와 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 1 내지 도 5에서 설명한 두께, 굴절률 및 저항을 갖도록 할 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)이 높은 반사율로 다시 반사하여 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 6에 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 6에서는 이와 같은 중간층(310)이 포함되는 것을 일례로 설명하고 있으나, 이와 다르게 중간층(310)은 생략될 수도 있다.
또한, 도 7는 도 1 내지 도 5에서 설명한 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 7에 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 7에서는 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 2 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 2 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 7과 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 1 내지 도 5에서 설명한 두께, 굴절률 및 저항을 갖도록 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 제 3 i형 반도체층(425i)에서 흡수되지 못한 장파장 대역의 빛을 후면 반사층(130)이 높은 반사율로 다시 반사하여 제 3 i형 반도체층(425i)에서 다시 한번 흡수되도록 할 수 있다. 이와 같이 함으로써 박막 태양 전지의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 7에 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 7에서는 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 (8)

  1. 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 반사층의 두께는 200nm 이상 800nm 이하이고, 상기 후면 반사층의 굴절률은 1.8 이상 2.0 이하이며, 상기 후면 반사층은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al), 붕소 아연 산화물(ZnOx:B), 및 미세 결정 실리콘 산화물(mc-SiOx:H) 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 후면 반사층이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 물질을 포함하는 경우, 상기 후면 반사층의 수평 저항은 15×10-3Ω㎝ 이상 70Ω㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 후면 반사층에서 상기 광전 변환부와 접하는 면은 텍스쳐링(Texturing) 되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환부는 P형 반도체층, 진성(i) 반도체층, 및 n형 반도체층을 포함하는 p-i-n 구조가 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광전 변환부의 진성(i) 반도체층은 게르마늄(Ge)을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  6. 제 4 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.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 후면 전극은 적어도 하나 이상의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 후면 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
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