KR20120096340A - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관련된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 위에 형성되는 투명 전극층; 상기 투명 전극층 위에 형성되며, 제1 진성 반도체층을 포함하는 제1 광전변환층; 상기 제1 광전변환층 위에 형성되며, 제2 진성 반도체층을 포함하는 제2 광전변환층; 상기 제2 광전변환층 상에 형성된 제3 광전변환층; 상기 제1 광전변환층과 상기 제2 광전변환층의 사이 또는 제2 광전변환층과 상기 제3 광전변환층 사이 중 하나 이상의 위치에 형성되고, 산소 함유량이 60atomic% 이상 80atomic% 이하인 미세결정질 실리콘 옥사이드(microcrystalline silicon oxide (mc-SiO:H))로 형성되는 중간 반사층; 상기 제3 광전변환층 상에 형성된 후면 반사층; 및 상기 후면 반사층 상에 형성된 후면 전극을 포함한다. 태양전지가 본 발명의 실시예와 같은 구조를 가지는 경우, 제2 광전변환층의 두께를 줄일 수 있으며, 열화 현상 역시 줄일 수 있다.

Description

태양전지 및 그 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관련된 것으로서, 보다 상세하게는 중간 반사층을 가지는 적층형 태양전지 및 그 제조방법과 관련된다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 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(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양 전지(tandem solar cell)로 구분되며, 실리콘 태양 전지가 주류를 이루고 있다.
일반적인 실리콘 태양 전지는 p형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판과 n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층을 포함하고, 기판과 에미터층의 계면에는 다이오드와 유사하게 p-n 접합이 형성되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 태양 전지에 태양 광이 입사되면, 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 n형 또는 p형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체에서 전자와 정공이 발생한다. 예를 들어, n형 실리콘 반도체로 이루어진n형 반도체 에미터층에서는 전자가 다수 캐리어(carrier)로 발생되고, p형 실리콘 반도체로 이루어진 p형 반도체 기판에서는 정공이 다수 캐리어로 발생된다. 광기전력 효과에 의해 발생된 전자와 정공은 각각 n형 반도체 에미터층과 p형 반도체 기판쪽으로 끌어 당겨져, 전면 전극과 후면 전극으로 이동하여 이들 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
이러한 실리콘 태양 전지와 달리, 적층형 태양 전지는 광전 변환 효율을 높이기 위한 것으로, 서로 다른 광학적 밴드갭(optical band gap)을 갖도록 반도체 구조를 형성한다. 즉, 태양광이 먼저 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭이 높은 반도체 물질(예를 들어, 비정질 실리콘)을 이용하여 형성된 반도체 구조인 제1 광전변환층을 형성하여 주로 단파장을 빛을 흡수하고, 나중에 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭이 낮은 반도체 물질(예를 들어, 미세결정실리콘)을 이용하여 형성된 반도체 구조인 제2 광전변환층을 형성하여 주로 장파장 빛을 흡수하도록 한다.
또한, 적층형 태양 전지는 두 반도체 구조의 두께 차이로 발생하는 전류량 차이로 인한 전류 정합(currentmatching) 문제와 광 열화 현상으로 인한 태양 전지의 안정화 효율 등을 고려하여 두 반도체 구조 사이에 중간 반사층을 더 구비한다. 이로 인해, 제1 광전변환층의 진성 반도체층의 두께를 얇게 하여 광 열화 현상을 감소시키면서 중간 반사층에 의해 재입사된 빛에 의해 발생하는 전류량을 증가시켜 전류 정합 문제를 해소함으로써, 태양 전지의 동작 효율을 높이고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양 전지의 효율을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 태양 전지의 구조를 간소화하여 태양 전지의 제조 비용과 제조 시간을 줄이는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 기판; 상기 기판 위에 형성되는 투명 전극층; 상기 투명 전극층 위에 형성되는 제1 광전변환층; 상기 제1 광전변환층 위에 형성되며, 축소된 두께의 제2 진성 반도체층을 포함하는 제2 광전변환층; 상기 제2 광전변환층 상에 형성되며 저굴절률을 가지는 중간 반사층; 상기 중간 반사층 상에 형성된 제3 광전변환층; 상기 제3 광전변환층 상에 형성된 후면 반사층; 및 상기 후면 반사층 상에 형성된 후면 전극을 포함하는 태양전지가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 기판 상에 투명 전극층을 형성하는 단계; 상기 투명 전극층 위에 제1 광전변환층을 형성하는 단계; 상기 제1 광전변환층 위에 축소된 두께의 제2 진성 반도체층을 포함하는 제2 광전변환층을 형성하는 단계; 상기 제2 광전변환층 상에 저굴절률을 가지는 중간 반사층을 형성하는 단계; 상기 중간 반사층 상에 제3 광전변환층을 형성하는 단계; 상기 제3 광전변환층 상에 후면 반사층을 형성하는 단계; 및 상기 후면 반사층 상에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 중간 반사층으로 인해 제1 광전변환층과 제2 광전변환층 을 통과한 태양광이 다시 제2 광전변환층으로 반사되어 재흡수되므로, 제2 광전변환층의 두께를 최소화할 수 있으며, 이로 인해 열화를 줄이고 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다
도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 사용되는 중간 반사층의 형성 물질의 도핑 농도에 따른 산소와 실리콘 원자비를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 적용되는 중간 반사층의 두께에 따른 변환 효율을 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 적용되는 중간 반사층의 굴절률과 암전도도, 그리고 변환 효율간의 관계를 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.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 단면도를 나타낸다.
도 1은 이중접합 태양전지의 부분 단면도를, 도 2는 삼중접합 태양전지의 부분 단면도를 나타낸다.
도 1 및 2를 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 적층형 태양 전지(tandem solar cell)로서, 특히 기판(110)을 통해 빛이 입사되는 상판(superstrate)형 구조이다. 본 명세서에서는 상판형 구조의 태양전지를 예로 들어 설명하나,
이를 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같이, 유리나 투명 플라스틱 등으로 이루어진 기판(110), 기판(110) 위에 형성된 도전성 투명 전극층(transparent conductive oxide, TCO)(120), 투명 전극층(120) 위에 2 이상의 반도체 셀들이 적층된다.
도 1과 같은 이중접합 구조에서는 제1 광전변환층(130)과 제3 광전변환층(150)이 투명 전극층(120) 상에 차례로 적층되며, 도 3에 도시된 바와 같은 삼중접합 구조에서는 제1 광전변환층(130)과 제2 광전변환층(140) 그리고 제3 광전변환층(150)이 차례로 적층된다. 태양광이 입사되는 방향을 기준으로 제3 광전변환층(150)의 앞에는 중간 반사층(200)이 형성되며, 제3 광전변환층(150)의 후면으로는 후면 반사층(160)과 후면 전극(170)이 형성된다. 이때 투명 전극층(120)은 전면전극층으로서 제1 전극이라고 하며, 후면 전극(170)은 제2 전극이라 할 수 있다.
도전성 투명 전극층(120)은 기판(110)의 전체 면에 형성되어 있으면, 제1 광전변환층(130)과 전기적으로 연결되어 있다. 따라서 도전성 투명 전극층(120)은 빛에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예를 들어 정공을 수집하여 출력한다. 본 실시예에서, 도전성 투명 전극층(120)은 또한 반사 방지막의 기능도 수행할 수 있다.
도전성 투명 전극층(120)을 비롯한 각각의 반도체층들과 전극층들은 모두 표면이 텍스처링처리될 수 있는데 상부 표면은 랜덤(random)한 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철(121)을 구비한 텍스처링 표면(texturing surface)을 구비할 수 있다. 이와 같이, 표면을 텍스처링함에 따라 빛 반사도를 감소시키고, 피라미드 구조에서 복수 회에 걸친 빛의 입사와 반사 동작이 행해짐에 따라 태양 전지 내부에 빛이 갇히게 되어 빛의 흡수율이 증가되므로, 태양 전지의 효율이 향상될 수 있다. 이때 형성되는 요철(121)의 높이는 약 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
이러한 도전성 투명 전극층(120)은 입사된 대부분의 빛이 통과하고 전기가 잘 흐를 수 있도록 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도가 요구된다. 이러한 도전성 투명 전극층(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 전극층(120)의 비저항 범위는 약 10-2Ω-㎝ 내지 10-11Ω-㎝일 수 있다.
단일접합 a-Si:H 태양전지의 열화를 최소화하고 효율을 높이기 위해 이중접합(tandem) 구조의 태양전지가 사용될 수 있다. 이중접합 태양전지는 상부전지(top cell)로 광학적 밴드겝이 큰 a-Si:H (1.7 ~ 1.8eV)을 사용하고 하부전지(bottom cell)로 밴드겝이 작은 a-SiGe:H (~ 1.4eV) 또는 나노결정 실리콘 (nc-Si:H)이 사용되며, 두 층이 전기, 광학적으로 직렬 연결됨으로써 입사광을 효율적으로 이용하고 개방전압(open circuit voltage: Voc)을 높이고자 한다.
a-Si:H/nc-Si:H의 적층형 태양전지는 이상적인 밴드구조와 nc-Si:H 안정성등의 장점으로 인해 잠재력이 매우 높은 구조로 각광받고 있으나, a-Si:H 박막에 비해 상대적으로 10배 이상의 두께를 갖는 nc-Si:H 박막의 고속증착이 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 삼중접합(triple) 구조에서, 상부전지(top sell)인 제1 광전변환층(130)의 물질로는 a-Si:H과 함께 a-SiC:H 등이, 중간전지 (middle cell)인 제2 광전변환층(140)의 물질로는 a-SiGe:H, nc-Si:H 등, 하부전지(bottom cell)인 제3 광전변환층(150)의 물질로는 nc-Si:H, nc-SiGe:H 등 등이 사용될 수 있다.
제1 광전변환층(130)은 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon: a-Si:H)을 이용하는 비정질 실리콘 셀로서, 약 1.7eV의 광학 밴드갭을 갖고 근자외선, 보라, 파랑 등과 같은 단파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
이러한 제1 광전변환층(130)은 도전성 투명 전극층(120) 위에 순차적으로 형성된 상부 도전성 타입의 반도체층인, 예를 들어 p형인 제1 p형 반도체층(131), 제1 진성 반도체층(132), 그리고 상부 도전성 타입과 반대인 중간 도전성 타입의 반도체층인, 예를 들어 n형인 제1 n형 반도체층(133)을 구비한다.
제1 p형 반도체층(131)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 분순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서 제1 p형 반도체층(11)은 실리콘 카바이드(SiC)나 a-Si:H로 형성될 수 있다.
제1 진성 반도체층(132)은 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것이다. 이로 인해, 제1 진성 반도체층(132)은 인가되는 단파장 대역의 빛을 주로 흡수하여, 전자와 정공과 같은 캐리어가 이곳에서 주로 생성한다. 이러한 제1 진성 반도체층(132)은 a-Si:H로 형성될 수 있고, 약 200nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다.
제1 n형 반도체층(133)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
이러한 제1 광전변환층(130)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 광전변환층(130)의 상부 p형 및 n형 반도체층(131, 132)과 같은 도핑층은 제1 진성 반도체층(132)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인한 광기전력 효과(photovoltatic effect)의하여 광 흡수층인 제1 진성 반도체층(132)에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 제1 p형 반도체층(131)을 통해 도전성 투명 전극층(120)쪽으로 이동하고, 전자는 제1 n형 반도체층(133)을 통해 후면 전극(170)의 방향으로 이동한다.
도 3에 도시된 삼중접합 태양전지에는 이중접합 태양전지에 비하여 제2 광전변환층(140)가 더 포함된다. 제2 광전변환층(140)에는 제1 광전변환층(130)에 사용된 a-Si에 비하여 광학적 밴드갭이 1.4eV 정도로 더 작은 a-SiGe가 사용되며, 중간 파장의 녹색 계열의 광을 흡수한다. 제2 광전변환층(140) 역시 제1 n형 반도체층(133) 위에 순차적으로 형성된 제2 p형 반도체층(141), 제2 진성 반도체층(142), 그리고 제2 n형 반도체층(143)을 포함한다.
제2 p형 반도체층(141)은 제1 p형 반도체층(131)과 유사하게 실리콘을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
제2 진성 반도체층(142)는 제1 진성 반도체층(132) 과 마찬가지로, 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것이다. 이로 인해, 제2 진성 반도체층(142)은 인가되는 중간 파장 대역의 빛을 주로 흡수하여 전자와 전공을 이곳에서 주로 생성한다.
제2 n형 반도체층(143)은 n형 물질로 도핑된 제1 n형 반도체층(133)과 마찬가지로, 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성된다.
본 실시예에 따른 적층형 태양 전지는 제1 광전변환층(130)의 제1 n형 반도체층(133)과 제2 광전변환층(140)의 제2 p형 반도체층(141) 사이 또는 제2 광전변환층(140)의 제2 n형 반도체층(143)과 제3 광전변환층(150)의 제3 p형 반도체층(151) 사이에 저굴절률의 중간 반사층(200)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지에서 중간 반사층은, 특히 삼중접합 구조에서 태양광이 입사되는 방향으로 중간 반사층(200)의 앞단에 위치하는 제2 진성 반도체층(142)이 태양광을 흡수율을 높이는 역할을 한다. 그런데 본 발명의 실시예에서 광 변환층으로 사용되는 반도체 셀 중, 비정질(amorphous) 실리콘층은 광 조사에 따른 열화(light induced degradation) 현상을 겪게 되는 문제가 있다. 특히 제2 진성 반도체층(142)에 사용되는 비정질 실리콘 게르마늄(a-SiGe)은 두께가 증가할수록 결함(defect) 증가에 따른 효율 감소가 크게 일어난다. 따라서 동일한 광 흡수율을 낼 수 있다면 제2 진성 반도체층(142)의 두께는 가능한 한 줄이는 것이 충분한 빛 흡수를 위해 유리하다.
제2 진성 반도체층(142)의 두께가 얇아지더라도 광 흡수율을 유지하거나 또는 더 높이기 위해 중간 반사층(200)이 적용된다. 중간 반사층(200)이 높은 반사율로 제2 광전변환층(140)을 통과한 태양광을 제2 광전변환층(140)로 재반사시키게 되면, 제2 광전변환층(140), 특히 제2 진성 반도체층(142)의 두께를 줄이고도 태양전지의 전체 효율은 기존과 같거나 더 높아질 수 있다. 종래 태양전지에 필요한 제2 진성 반도체층(142)의 두께가 220nm 내지 300nm였다면, 중간 반사층(200) 적용 시 제2 진성 반도체층(142)의 두께는 170 nm 내지 250 nm의 범위로 줄어들 수 있다.
중간 반사층(200)은 높은 반사율을 획득하기 위하여, 저굴절률의 물질로 형성될 수 있다. 이를 위해 중간 반사층(200)은 결정질과 비정질을 모두 포함하는 미세결정질 실리콘 옥사이드(microcrystalline silicon oxide (mc-SiO:H)) 물질로 형성될 수 있다.
본 명세서에서는 중간 반사층(200)이 제2 광전변환층(140)과 제3 광전변환층(150)의 사이에 형성된 실시예를 설명하였으나, 중간 반사층(200)은 제1 광전변환층(130)과 제2 광전변환층(140) 사이, 또는 제2 광전변환층(140)과 제3 광전변환층(150)의 사이 중 하나 이상의 위치에 형성될 수 있다.
또한 중간 반사층(200)의 두께는 50 ~ 100nm, 수평방향 전도도는 비저항 범위 1E10 내지 1E4, 또는 수평방향 전기 전도도(conductivity) 1E-10 내지 1E-4로 제작될 수 있다. 또한 중간 반사층(200)은 가스 비율 PH3/SiH4 = 5% 내지 10%의 농도로 도핑된다.
또한 중간 반사층(200)은 단일층(Single layer) 뿐만이 아니라, 다층(multi layer)의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 중간 반사층(200)은 2 이상의 서브레이어로 이루어질 수 있는데, 각각의 서브레이어들은 서로 다른 굴절률을 가짐으로써 높은 반사 특성을 획득할 수 있다. 예컨대 중간 반사층(200)이 3개의 서브레이어로 구성되는 경우, 제1 서브레이어와 제3 서브레이어는 2 이상의 저굴절률을 가지고, 제1 서브레이어와 제3 서브레이어 사이의 제2 서브레이어는 3.5~4 이상의 굴절률을 가질 수 있다.
일 예로, 제1 서브레이어의 굴절률(refractive index, n)은 1.7, 제2 서브레이어의 굴절률은 4.0, 제3 서브레이어의 굴절률은 1.7일 수있다. 또한 이 경우 제1 서브레이어는 mc-SiO, 제2 서브레이어는 a-Si, 제3 서브레이어는 mc-SiO일 수 있다. 제1 서브레이어와 제2 서브레이어, 그리고 제2 서브레이어와 제3 서브레이어의 굴절률 차이를 크게 함으로써 중간 반사층(200)의 반사 특성을 최대화할 수 있다. 여기서 서브레이어들은 모두 n형 물질로 도핑(doping) 된 층들일 수 있다. 또한 두께 조합은 mc-SiO 물질의 제1 및 제3 서브레이어가 20 ~ 80nm, a-Si 물질의 제2 서브레이어가 10~50 nm일 수 있다. 이와 같이 서로 다른 특성을 가지는 레이어들이 증착된 형태의 다층 구조의 중간 반사층(200)이 제2 광전변환층(140) 상에 형성될 수 있다.
제3 광전변환층(150)은 수소화된 미세결정 실리콘(hydrogenated micro-crystalline silicon, mc-Si:H) 또는 수소화된 나노결정 실리콘(nc-Si:H)을 이용한 실리콘 셀로서, 약 1.1eV의 광학 밴드갭을 갖고 적색에서 근적외선까지의 장파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
이러한 제3 광전변환층(150)은 제1 광전변환층(130) 및 제2 광전변환층(140)과 유사하게, 제2 n형 반도체층(133) 위에 순차적으로 형성된 제3 p형 반도체층(151), 제3 진성 반도체층(152), 그리고 제3 n형 반도체층(153)을 구비하며, 이들 층(151-153)은 제1 광전변환층(130)과 동일하게 PECVD와 같은 CVD로 형성될 수 있다.
제3 p형 반도체층(151)은 제1 p형 반도체층(131)과 유사하게 실리콘을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성된다.
제3 진성 반도체층(152)은 제1 진성 반도체층(132) 또는 제2 진성 반도체층(142)과 마찬가지로, 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것이다. 이로 인해, 제3 진성 반도체층(152)은 인가되는 장파장 대역의 빛을 주로 흡수하여 전자와 전공을 이곳에서 주로 생성한다. 본 실시예에서, 제3 진성 반도체층(152)은 μc- Si:H로 형성되며, 약 1500nm 내지 2000nm의 두께를 가질 수 있다.
제3 n형 반도체층(153)는 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다. 본 실시에에서, 제3 n형 반도체층(153)은 mc-Si:H 로 형성될 수 있다.
제1 광전변환층(130)과 유사하게, 제2 광전변환층(150)의 하부 p형 및 n형 반도체층(151, 152)의 도핑층은 제3 진성 반도체층(152)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인하여 생성된 정공은 제2 p형 반도체층(141)을 통해 도전성 투명 전극층(120)쪽으로 이동하여 수집되고, 생성된 전자는 제2 n형 반도체층(143)을 통해 후면 전극(170)쪽으로 이동하여 수집된다.
후면 반사층(back reflector, 160)은 제3 광전변환층(150)을 통과한 빛을 제3 광전변환층(150)쪽으로 반사시켜, 제3 광전변환층(150)의 동작 효율을 향상시킨다. 이러한 후면 반사층(160)은 ZnO, SnO, 미세결정질 실리콘 박막과 같은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
후면 전극(170)은 후면 반사층(160) 전체 면 위에 형성되어 있으며, 제3 광전변환층(150)의 제3 n형 반도체층(153)과 전기적으로 연결되어 있다. 이러한 후면 전극(170)은 p-n 접합을 통해 생성된 캐리어 중 전자를 수집하여 출력한다. 후면 전극(170)은 전도성 금속 물질로 이루어져 있다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 나타낸 공정도이다.
도 3 내지 도 10을 참조하여서는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 중, 삼중접합 태양전지를 예로 들어 그 제조방법을 설명하도록 한다.
먼저, 도 3 및 도 4에 도시한 것처럼, 유리나 플라스틱과 같은 투명한 재료로 이루어진 기판(110) 위에 도전성 투명 전극층(120)을 형성한다. 투명 전극층(120)이 형성될 기판(100)의 표면은 텍스처링 처리될 수 있다.
도전성 투명 전극층(120)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 전극층(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 전극층(120)의 표면을 텍스처링하여 표면에 복수의 요철을 형성할 수 있다.
텍스처링은 예를 들어 약 0.5%의 염화 수소(HCl)와 같은 식각 용액에 약 15초간 표면 식각 용액이 담긴 욕조(bath)에 일정 시간 동안 반도체 기판(100)을 담가 놓은 것으로 이루어질 수 있고, 식각 용액과 접촉한 도전성 투명 전극층(120)의 표면이 식각되어 랜덤한 피라미드 구조 등을 갖는 요철(121)이 형성된다.
이때, 요철(121)은 투명 전극층(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㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 이후 적층되는 제1 광전변환층(130), 제2 광전변환층(140) 및 제3 광전변환층(150) 모두 태양광의 반사율 저하와 광 포획량 증가를 위헤 표면이 텍스처링 처리될 수 있다.
다음, 도 5에 도시한 것처럼, PECVD와 같은 CVD를 이용하여 제1 p형 반도체층(131), 제1 진성 반도체층(132) 및 제1 n형 반도체층(133)을 차례로 형성하여 제1 광전변환층(130)을 형성한다. 이때, 실리콘(Si)을 포함하는 원료 가스에 불순물의 종류를 변경하여 제1 p형 반도체층(131), 제1 진성 반도체층(132) 및 제2 n형 반도체층(133)을 형성한다. 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.
다음, 도 6에 도시한 것처럼, 제1 광전변환층(130) 위에 제2 p형 반도체층(141), 제2 진성 반도체층(142) 및 제2 n형 반도체층(143)을 차례로 형성하여, 제2 광전변환층(140)을 완성한다. 제1 광전변환층(130)과 동일하게, 실리콘(Si)을 포함하는 원료 가스에 불순물의 종류를 변경하여 제2 p형 반도체층(141), 제2 진성 반도체층(142) 및 제2 n형 반도체층(143)을 형성할 수 있다.
제1 광전변환층(130) 및 제2 광전변환층(140) 모두 텍스처링 처리된 표면을 가질 수 있다.
여기서 제2 광전변환층(140)의 제2 진성 반도체층(142)는 a-SiGe 물질로 형성될 수 있다. a-SiGe 물질은 광 조사에 따른 열화(light induced degradation, LID) 현상이 나타나 태양전지의 효율 저하를 초래한다. 특히 a-SiGe 물질로 이루어진 제2 진성 반도체층(142)의 두께가 두꺼워질수록 상술한 열화 현상은 더 심화된다. 그러나 광 흡수층으로서의 기능을 충분히 수행하기 위해서는 제2 진성 반도체층(142)의 두께를 너무 얇기도 어렵다.
따라서 광 흡수율을 저하시키지 않는 범위 내에서, 열화 방지를 위해 제2 진성 반도체층(142)의 두께를 최소화하기 위해 본 발명의 실시예에서는 중간 반사층(200)을 삽입하도록 한다.
그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 광전변환층(140)의 제2 n형 반도체층 상에, 중간 반사층(200)이 형성될 수 있다.
중간 반사층(200)은 제2 광전변환층(140)을 통과하여 중간 반사층(200)에 도달한 태양광을 제2 광전변환층(140) 쪽으로 재반사시켜 제2 광전변환층(140)의 광 흡수율 및 광 포획도를 높인다. 따라서 중간 반사층(200)은 반사율이 높은 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
중간 반사층(200)의 굴절률이 낮을수록 제2 광전변환층(140)과의 굴절률 차이가 커질 수 있으며, 중간 반사층(200)의 반사율이 커지는 효과가 발생된다. 중간 반사층(200)을 이루는 물질의 굴절률을 저하시키기 위해 산소 함유율을 높일 수 있다. 중간 반사층(200)의 산소 원자 함유 비율은 60~80 atomic %일 수 있다.
또한 중간 반사층(200)은 결정립과 비정질의 두 phase를 가지는 실리콘 옥사이드 물질로서, 즉 미세결정질 실리콘 옥사이드(microcrystalline silicon oxide (mc-SiO:H)) 물질로 형성될 수 있다.
종래 기술에서 a-SiGe으로 형성된 제2 진성 반도체층(142)의 두께는 220 nm ~ 300 nm 정도였다. 이에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 중간 반사층(200)이 적용되는 경우 제2 진성 반도체층(142)의 두께는 170 ~ 250 nm로 축소된다.
또한 중간 반사층(200)은 단일층(Single layer) 뿐만이 아니라, 다층(multi layer)의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 굴절률(refractive index, n) 1.7의 mc-SiO로 이루어진 제1 서브레이어, 굴절률 4.0의 a-Si로 이루어진 제2 서브레이어, 굴절률 1.7의 mc-SiO로 이루어진 제3 서브레이어가 증착된 형태의 다층 구조의 중간 반사층(200)이 제2 광전변환층(140) 상에 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 서브레이어와 제2 서브레이어, 그리고 제2 서브레이어와 제3 서브레이어의 굴절률 차이를 크게 함으로써 중간 반사층(200)의 반사 특성을 최대화할 수 있다. 여기서 서브레이어들은 모두 n형 물질로 도핑(doping) 된 층들일 수 있다. 또한 두께 조합은 mc-SiO 물질의 제1 및 제3 서브레이어가 20 ~ 80nm, a-Si 물질의 제2 서브레이어가 10~50 nm일 수 있다.
그리고 도 9에 도시한 것처럼, 중간 반사층(200) 위에 제3 p형 반도체층(151), 제3 진성 반도체층(152) 및 제3 n형 반도체층(153)을 차례로 증착할 수 있다.
다음, 도 10에 도시한 것처럼, 제2 광전변환층(140) 위에 후면 반사층(160)을 형성한다. 후면 반사층(160)은 ZnO, SnO, 미세결정질 실리콘 박막 등과 같은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
후면 반사층(160) 위에 후면 전극(170)을 형성하여 태양 전지를 완성한다(도 1). 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 실시예에서, 제1 진성 반도체층(132)과 제2 진성 반도체층(142) 및 제3 진성 반도체층(152)은 각각 a-Si:H와 a-SiGe:H 및 mc-Si:H로 서로 다른 물질로 형성되어 있지만, 이와는 달리 동일한 물질로 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 사용되는 중간 반사층의 형성 물질의 도핑 농도에 따른 산소와 실리콘 원자비를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따르면 중간 반사층(200)은 1.7 내지 1.9 정도의 저굴절률을 가진다. 도 11에 도시된 그래프를 참조하면, 중간 반사층이 이러한 굴절률을 가지기 위해서 산소:실리콘의 비율은 2.3:1 내지 2.6:1 정도로 나타난다. 따라서 중간 반사층(200)에서 산소가 차지하는 비율은 0.69 내지 0.72 정도로 산출된다. 즉, 범위를 다소 확대하면, 중간 반사층(200)에서 산소의 원자비가 60% 내지 80% 정도일 때, 중간 반사층(200)이 1.7 내지 1.9 정도의 낮은 굴절률을 가질 수 있게 된다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 적용되는 중간 반사층의 두께에 따른 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 중간 반사층(200)으로 mc-SiO 층이 적용된 삼중접합(Triple junction) 구조의 태양전지에서 중간 반사층(200)의 두께에 따른 효율 변화를 도시힌다. 여기서 중간 반사층(200)으로 사용된 mc-SiO층은 단일층(single layer) 구조로서, 굴절률 1.75, 수평 방향 전기전도도는 10-6 ohm-1cm- 1 이다.
두께 변화에 따른 효율 추이를 살펴보면, 중간 반사층(200)의 두께가 25nm 에서 50nm 로 증가하면서 태양전지의 효율은 크게 상승한다. 그리고 두께가 100nm를 초과하면 다시 효율은 낮아짐을 볼 수 있다. 중간 반사층(200)이 적정치 이상의 두께를 가져야 특유의 반사 특성에 따라 태양전지의 효율 향상에 기여할 수 있으나, 그 두께가 너무 두꺼울 경우 오히려 광의 투과를 방해하고, 중간 반사층(200) 자체의 광 흡수율이 높아져 효율 향상을 오히려 방해할 수 있다. 따라서 도 12에 예시된 그래프에 따르면, 중간 반사층(200)의 두께 범위가 40nm 내지 125nm 또는 50nm 내지 100nm 정도인 것으로 파악되며, 이 경우 태양전지의 효율은 13% 이상이 될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 적용되는 중간 반사층의 굴절률과 암전도도, 그리고 변환 효율간의 관계를 나타낸 그래프이다.
암전도도는 암전기전도도라고 하며 열적인 원인이나 절연성 저하 등의 영향으로 인해, 광이 조사되지 않는 환경에서 전류가 흐르는 특성을 의미한다.
도 13에 도시된 그래프에 따르면, 굴절률이 증가할수록 암전도도는 높아지는 경향이 있다. 반면 굴절률의 증가에 따라 태양전지의 효율은 일정 지점에서 급격히 향상되었다가 다시 떨어지는 형태를 보인다. 중간 반사층(200)의 굴절률이 1.7을 초과하면서 암전도도와 변환 효율의 상승폭이 커진다. 암전도도는 굴절률이 더 증가함에 따라 계속 증가한다. 그러나 변환 효율은 굴절률이 1.6에서 1.7 이상이 되면서 가장 급격하게 증가했다가, 1.8 내지 1.9 정도에서 다소 감소하며, 1.9를 초과하는 굴절률을 가지는 경우 그 효율은 감소하는 것을 볼 수 있다.
굴절률이 1.7 미만인 경우 반사 특성이 지나치게 커져서 중간 반사층(200)을 통과하여야 하는 태양광까지 모두 반사시킴으로 인해 효율이 높아지지 못하게 된다. 그리고 굴절률이 1.9 이상이 되면 중간 반사층(200)의 반사 특성이 좋지 못하게 되어, 재반사에 의한 태양광의 재흡수율이 떨어지게 되고, 이로 인해 변환 효율의 향상이 저해됨을 알 수 있다. 따라서 도 13의 그래프에 따르면, 중간 반사층(200)의 바람직한 굴절률 범위는 1.65 내지 1.95, 보다 바람직하게는 1.7 내지 1.9 정도인 것으로 파악될 수 있다. 중간 반사층(200)의 굴절률이 1.7 내지 1.9 범위에 있는 경우, 도 13의 그래프에 따르면 태양전지의 효율은 13% 이상으로 나타났다.
본 발명의 실시예에서는 투명한 기판(110) 위에 두 개의 반도체 셀이 순차적으로 형성된 상판형 구조를 기초로 하여 설명하였지만, 본 발명의 실시예는 금속의 기판 위에 제1 광전변환층과 제2 광전변환층이 형성되어 있고, 금속 기판의 반대 방향으로 빛이 입사되는 하판(substrate) 구조에도 물론 적용 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예는 삼중 또는 그 이상의 반도체 셀을 구비하는 태양 전지에도 적용 가능하다.
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 전극층
130 : 제1 광전변환층 130 : 제1 p형 반도체층
132 : 제1 진성 반도체층 133 : 제1 n형 반도체층
140 : 제2 광전변환층 141 : 제2 p형 반도체층
142 : 제2 진성 반도체층 143 : 제2 n형 반도체층
150 : 제3 광전변환층 151 : 제3 p형 반도체층
152 : 제3 진성 반도체층 153 : 제3 n형 반도체층
160 : 후면 반사층 170 : 후면 전극

Claims (19)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성되는 투명 전극층;
    상기 투명 전극층 위에 형성되며, 제1 진성 반도체층을 포함하는 제1 광전변환층;
    상기 제1 광전변환층 위에 형성되며, 제2 진성 반도체층을 포함하는 제2 광전변환층
    상기 제2 광전변환층 상에 형성된 제3 광전변환층;
    상기 제1 광전변환층과 상기 제2 광전변환층의 사이 또는 제2 광전변환층과 상기 제3 광전변환층 사이 중 하나 이상의 위치에 형성되고, 산소 함유량이 60atomic% 이상 80atomic% 이하인 미세결정질 실리콘 옥사이드(microcrystalline silicon oxide (mc-SiO:H))로 형성되는 중간 반사층;
    상기 제3 광전변환층 상에 형성된 후면 반사층; 및
    상기 후면 반사층 상에 형성된 후면 전극;
    을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간 반사층의 굴절률은 1.7 이상 1.9 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중간 반사층의 두께는 50nm 이상 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중간 반사층의 비저항은 1E10 내지 1E4 인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중간 반사층은 가스 비율 PH3/SiH4 = 5% 내지 10%의 농도로 도핑되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중간 반사층은 2 이상의 서브레이어가 증착되어 형성되며,
    상기 중간 반사층의 상기 제1 서브레이어의 굴절률(refractive index, n)은 2 이하, 상기 제2 서브레이어의 굴절률은 3.5 이상, 상기 제3 서브레이어의 굴절률은 2 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중간 반사층은
    mc-SiO로 이루어진 제1 서브레이어, a-Si로 이루어진 제2 서브레이어, mc-SiO로 이루어진 제3 서브레이어를 포함하는 다층의 서브레이어가 증착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 서브레이어 및 상기 제3 서브레이어의 두께는 20nm 이상 80nm 이하, 상기 제2 서브레이어의 두께는 10nm 이상 50 nm 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 진성 반도체층의 두께는 170nm 이상 250 nm 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 기판 상에 투명 전극층을 형성하는 단계;
    상기 투명 전극층 위에 제1 광전변환층을 형성하는 단계;
    상기 제1 광전변환층 위에 축소된 두께의 제2 진성 반도체층을 포함하는 제2 광전변환층을 형성하는 단계;
    상기 제2 광전변환층 상에 저굴절률을 가지는 중간 반사층을 형성하는 단계;
    상기 중간 반사층 상에 제3 광전변환층을 형성하는 단계;
    상기 제3 광전변환층 상에 후면 반사층을 형성하는 단계; 및
    상기 후면 반사층 상에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 중간 반사층은 미세결정질 실리콘 옥사이드(microcrystalline silicon oxide (mc-SiO:H))로 형성되며, 상기 중간 반사층의 산소 함유량은 60atomic% 이상 80atomic% 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 광전변환층을 형성하기 전에, 상기 제1 광전변환층 상에 상기 중간 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 중간 반사층의 굴절률은 1.7 이상 1.9 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 중간 반사층은 50nm 이상 100nm 이하의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 중간 반사층의 비저항은 1E10 내지 1E4 인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 중간 반사층을 형성하는 단계에서
    상기 중간 반사층은 가스 비율 PH3/SiH4 = 5% 내지 10%의 농도로 도핑하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 중간 반사층을 형성하는 단계는 2 이상의 서브레이어를 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 중간 반사층의 상기 제1 서브레이어의 굴절률(refractive index, n)은 2 이하, 상기 제2 서브레이어의 굴절률은 3.5 이상, 상기 제3 서브레이어의 굴절률은 2 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 중간 반사층을 형성하는 단계는
    mc-SiO로 이루어진 제1 서브레이어를 증착하는 단계;
    a-Si로 이루어진 제2 서브레이어를 증착하는 단계; 및
    mc-SiO로 이루어진 제3 서브레이어 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 서브레이어 및 상기 제3 서브레이어는 20nm 이상 80nm 이하의 두께로 증착하고, 상기 제2 서브레이어는 10nm 이상 50 nm 이하의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 제2 진성 반도체층의 두께는 170nm 이상 250 nm 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.

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