KR20130027716A - 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; 기판의 후면에 배치되는 전면 전극; 전면 전극의 후면에 배치되는 후면 전극; 및 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되는 광전 변환부;를 포함하고, 전면 전극 및 후면 전극 중 적어도 하나는 광 투과성 막을 포함하고, 광 투과성 막에 있어서 광전 변환부와 접하는 계면에서의 굴절률은 광전 변환부와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률보다 작다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판의 후면에 배치되는 전면 전극; 전면 전극의 후면에 배치되는 후면 전극; 및 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되는 광전 변환부;를 포함하고, 전면 전극 및 후면 전극 중 적어도 하나는 광 투과성 막을 포함하고, 광 투과성 막에 있어서 광전 변환부와 접하는 계면에서의 굴절률은 광전 변환부와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률보다 작다.
Description
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; 기판의 후면에 배치되는 전면 전극; 전면 전극의 후면에 배치되는 후면 전극; 및 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치되는 광전 변환부;를 포함하고, 전면 전극 및 후면 전극 중 적어도 하나는 광 투과성 막을 포함하고, 광 투과성 막에 있어서 광전 변환부와 접하는 계면에서의 굴절률은 광전 변환부와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률보다 작다.
여기서, 전면 전극은 광 투과성 막으로 형성되고, 후면 전극은 광 투과성 막으로 형성된 후면 반사층 및 후면 반사층과 접촉하는 금속층을 포함하며, 후면 반사층은 금속층과 광전 변환부 사이에 위치할 수 있다.
또한, 전면 전극 또는 후면 반사층 중 적어도 하나는 광전 변환부와 접하는 계면에서의 굴절률이 광전 변환부의 굴절률보다 작게 형성될 수 있다.
또한, 전면 전극 또는 후면 반사층 중 적어도 하나는 광전 변환부와 접하지 않는 반대 계면에서의 전기 전도도가 광전 변환부와 접하는 계면에서의 전기 전도도보다 높게 형성될 수 있다.
또한, 전면 전극은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하고, 광전 변환부와 접하는 제 1 계면에서의 전면 전극의 산소 함유량은 기판과 접하는 제 2 계면에서의 전면 전극의 산소 함유량보다 많을 수 있다.
또한, 제 1 계면에서의 전면 전극의 굴절률은 제 2 계면에서의 전면 전극의 굴절률보다 작을 수 있다.
또한, 제 2 계면에서의 전면 전극의 전기 전도도는 제 1 계면에서의 전면 전극의 전기 전도도보다 높을 수 있다.
또한, 제 1 계면에서 제 2 계면으로 갈수록 산소 함유량은 점진적으로 증가할 수 있다.
또한, 제 1 계면에서의 산소 함유량과 제 2 계면에서의 산소 함유량의 차이는 2 at% 이상 6 at% 이하일 수 있다.
또한, 전면 전극은 제 1 계면을 포함하는 제 1 전면 전극층과 제 2 계면을 포함하는 제 2 전면 전극층을 포함하고, 제 1 전면 전극층의 산소 함유량은 제 2 전면 전극층의 산소 함유량보다 많을 수 있다.
또한, 제 2 전면 전극층의 산소 함유량은 일정하고, 제 1 전면 전극층의 산소 함유량은 제 2 전면 전극층과 접한 계면에서 제 1 계면으로 진행할수록 점진적으로 증가할 수 있다.
또한, 제 1 전면 전극층과 제 2 전면 전극층이 접한 계면에서의 제 1 전면 전극층과 제 2 전면 전극층의 산소 함유량은 동일할 수 있다.
또한, 제 1 전면 전극층의 두께는 제 2 전면 전극층의 두께보다 얇을 수 있다.
또한, 광전 변환부와 접하는 제 3 계면에서의 후면 반사층의 굴절률은 후면 전극과 접하는 제 4 계면에서의 후면 반사층의 굴절률보다 낮을 수 있다.
또한, 후면 반사층은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하고, 제 3 계면에서의 후면 반사층의 산소 함유량은 제 4 계면에서의 후면 반사층의 산소 함류량보다 많을 수 있다.
또한, 후면 반사층은 제 3 계면을 포함하는 제 1 후면 반사층과 제 4 계면을 포함하는 제 2 후면 반사층을 포함하고, 제 1 후면 반사층의 산소 함유량은 제 2 후면 반사층의 산소 함유량보다 많을 수 있다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지는 전면 전극 및 후면 전극 중 적어도 하나의 광 투과성 막에 있어서 광전 변환부와 접하는 계면에서의 굴절률이 광전 변환부와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률보다 작게 하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 본 발명과 다른 태양 전지의 광 흡수율을 비교 설명하기 위한 도이다.
도 3은 도 1에서 설명한 전면 전극의 산소 함유량 변화에 따른 굴절률 및 전기 전도도에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전면 전극의 산소 함유량 분포의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 1에 도시된 태양 전지에서 파장에 따른 전면 전극의 광 흡수율을 설명하기 위한 도이다.
도 6는 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 다른 일례이다.
도 7은 도 1 내지 도 6에서 설명한 전면 전극 및 후면 반사층이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 8는 도 1 내지 도 6에서 설명한 전면 전극 및 후면 반사층이 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조에서 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 본 발명과 다른 태양 전지의 광 흡수율을 비교 설명하기 위한 도이다.
도 3은 도 1에서 설명한 전면 전극의 산소 함유량 변화에 따른 굴절률 및 전기 전도도에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전면 전극의 산소 함유량 분포의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 1에 도시된 태양 전지에서 파장에 따른 전면 전극의 광 흡수율을 설명하기 위한 도이다.
도 6는 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 다른 일례이다.
도 7은 도 1 내지 도 6에서 설명한 전면 전극 및 후면 반사층이 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조에서도 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 8는 도 1 내지 도 6에서 설명한 전면 전극 및 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), 및 후면 반사층(130)과 금속층(140)을 포함하는 후면 전극(130, 140)을 구비한다.
이와 같은, 도 1에서는 광전변환부(PV)의 구조가 기판 쪽으로부터 p-i-n 구조로 되는 것을 일례로 설명하고 있으나, 광전변환부(PV)의 구조가 기판 쪽으로부터 n-i-p 구조로 되는 것도 가능하다. 그러나, 이하에서는 설명의 편의상 광전변환부(PV)의 구조가 기판 쪽으로부터 p-i-n 구조로 되는 것을 일례로 설명한다.
여기서, 기판(100)은 공정 과정 중에 다른 기능성층들이 배치되도록 지지하는 기본 베이스층으로서 기능한다. 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. 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 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, 광전 변환부에서의 광의 흡수율을 높일 수 있어서 태양전지의 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 즉, 전면 전극(110)에 형성된 텍스처링 표면은 빛의 경로 ①과 같이 입사된 빛이 보다 효율적으로 분산될 수 있도록 하여 입사된 빛의 경로를 증가시켜 광전 변환부(PV)에서 보다 효율적으로 빛이 흡수하도록 도와준다.
아울러, 도 1에서와 같이 전면 전극(110)의 상부 표면뿐만 아니라 광전변환부(PV)에 요철을 형성하여 외부로부터 입사된 빛의 반사율을 최소가 되도록 하고, 흡수율을 극대화 할 수 있다.
또한, 이와 같은 전면 전극(110)에서 광전 변환부(PV)와 접하는 제 1 계면(110F1)에서의 굴절률이 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 제 2 계면(110F2)에서의 굴절률보다 작을 수 있고, 제 1 계면(110F1)에서의 굴절률은 제 1 계면(110F1)과 접한 광전 변환부(PV)의 굴절률보다 작을 수 있다. 이와 같이 함으로써, 광 트랩핑시 전면 전극(110)에서 흡수되는 장파장 빛의 양을 최소화할 수 있어 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
이와 같은 전면 전극(110)은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 또는 붕소 아연 산화물(ZnOx:B) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 전면 전극(110)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우, 전면 전극(110)에서의 굴절률은 공정 중에 전면 전극(110)에 주입되는 산소 함유량으로 조절이 가능하다. 예를 들어 전면 전극(110)에 함유되는 산소 함유량이 클수록 굴절률은 감소하고, 작을수록 굴절률은 증가하게 된다.
따라서, 전면 전극(110)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우, 전면 전극(110)에서 광전 변환부(PV)와 접하는 제 1 계면(110F1)에서의 산소 함유량(K1)은 전면 전극(110)에서 기판(100)과 접하는 제 2 계면(110F2)에서의 산소 함유량(K2)보다 많게 할 수 있다.
이와 같이, 전면 전극(110)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하고, 전면 전극(110)에서 광전 변환부(PV)와 접하는 제 1 계면(110F1)에서의 산소 함유량(K1)이 전면 전극(110)에서 기판(100)과 접하는 제 2 계면(110F2)에서의 산소 함유량(K2)보다 많게 하는 경우, 제 1 계면(110F1)에서의 굴절률은 제 2 계면(110F2)에서의 굴절률보다 작게 되고, 제 2 계면(110F2)에서의 전기 전도도는 제 1 계면(110F1)에서의 전기 전도도보다 높게 된다. 이와 같은 산소 함유량과 굴절률 및 전기 전도도의 관계에 대해서는 도 3에서 보다 상세하게 설명한다.
만약, 전면 전극(110)이 붕소 아연 산화물(ZnOx:B)를 포함하는 경우에는 전술한 바와 다르게 전면 전극(110)의 굴절률 및 전기 전도도가 조절될 수 있다.
또한, 이와 같은 전면 전극(110)은 하나의 층으로도 형성이 가능하나, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 계면(110F1)을 포함하는 제 1 전면 전극층(110a)과 제 2 계면(110F2)을 포함하는 제 2 전면 전극층(110b)을 포함할 수도 있다.
이와 같은 경우, 제 1 전면 전극층(110a)의 산소 함유량은 제 2 전면 전극층(110b)의 산소 함유량보다 많을 수 있다. 이에 대해서는 도 4에서 보다 구체적으로 설명한다.
또한, 본 발명에 따른 전면 전극(110)의 두께(T110)는 500nm ~ 1500nm 사이로 형성될 수 있으며, 이와 같은 범위 내에서 제 1 전면 전극층(110a)의 두께(T110a)는 제 2 전면 전극층(110b)의 두께(T110b)보다 얇을 수 있다.
이와 같이, 제 1 전면 전극층(110a)과 제 2 전면 전극층(110b)을 포함하는 전면 전극(110)은 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로 다음의 두 가지의 방법으로 형성될 수 있다.
첫 번째로, 기판(100)의 일면 표면에 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 공정을 이용하여 제 2 전면 전극층(110b)을 형성한 다음 습식 에칭(wet etching) 공정을 수행하여 제 2 전면 전극층(110b)의 표면에 요철을 형성시킨다.
이후, 챔버 내로 산소(O2)가스의 주입량을 점진적으로 증가시키면서 제 2 전면 전극층(110b)상부에 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 공정을 수행하여 제 1 전면 전극층(110a)을 형성시킬 수 있다. 이와 같은 경우, 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 공정 중에 산소(O2) 가스의 원자가 제 1 전면 전극층(110a)의 막내로 침투하면서 제 1 전면 전극층(110a)의 굴절률은 낮아지고, 저항은 높아지게 된다. 따라서, 제 1 전면 전극층(110a)의 제 1 계면(110F1)에서의 굴절률은 제 2 전면 전극층(110b)의 제 2 계면(110F2)에서의 굴절률보다 낮아지게 되고, 제 2 계면(110F2)에서의 전기 전도도는 제 1 계면(110F1)에서의 전기 전도도보다 낮아지게 된다.
그리고, 이와 같은 경우 제 1 전면 전극층(110a) 및 제 2 전면 전극층(110b)의 표면은 도 1에 도시된 바와 같이, 모두 요철이 형성된다.
두 번째로, 기판(100)의 일면 표면에 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 공정을 이용하여 제 2 전면 전극층(110b)을 형성한 다음 산소(O2)가스를 주입량을 점진적으로 증가시키면서 제 2 전면 전극층(110b)상부에 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 공정을 수행하여 제 1 전면 전극층(110a)을 형성시킨다. 이후, 습식 에칭(wet etching) 공정을 수행하여 제 1 전면 전극층(110a)의 표면에 요철을 형성시킬 수 있다.
이와 같은 경우, 도 1에 도시된 바와 다르게, 제 2 전면 전극층(110b)의 표면, 즉 제1 전면 전극층(110a)과 접하는 계면에는 요철이 형성되지 않고, 제 1 전면 전극층(110a)의 표면에만 요철이 형성될 수 있다.
다음, 후면 전극(130, 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(130, 140)은 광전변환부(PV)와 전기적으로 연결되어 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 전자를 수집하여 출력할 수 있다. 이와 같은 후면 전극(130, 140)은 전면 전극과 동일한 물질로 형성되는 후면 반사층(130)과, 전기 전도성이 양호한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 금속층(140)으로 형성될 수도 있다. 하지만, 후면 전극은 금속층(140)만으로 형성될 수도 있다.
여기서, 광전변환부(PV)는 전면 전극(110)과 후면 반사층(130)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 기판 쪽으로부터 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 비정질 실리콘(Amorphous Silicon) 재질(a-si), 또는 수소화된 비정질 실리콘(Hydrogenated Amorphous Silicon, a-Si:H)을 포함하거나, 이와 다르게 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질, 예컨대 수소화된 미세 결정 실리콘(mc-Si:H)을 포함할 수도 있다.
여기서, 비정질 실리콘(Amorphous Silicon) 재질(a-si)은 단파장 빛을 흡수하는데 유리하고, 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질은 장파장 빛을 흡수하는데 유리하다.
따라서, 광전 변환부(PV)가 복수 개인 경우, 비정질 실리콘(Amorphous Silicon) 재질(a-si)은 기판의 입사면과 가까운 광전 변환부(PV)에 이용될 수 있으며, 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질은 기판의 입사면과 상대적으로 먼 광전 변환부(PV)에 이용될 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.
이와 같은 광전 변환부(PV)에서 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)과 접하는 광전 변환부(PV)의 굴절률은 전술한 바와 같이, 광전 변환부(PV)와 접하는 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)의 계면(110F1, 130F3)에서의 굴절률보다 작을 수 있다.
이와 같이 함으로써, 빛이 전면 전극(110)과 후면 반사층(130) 사이에서 반사될 때, 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)에서 흡수되는 빛의 양을 최소화할 수 있다.
다음, 후면 반사층(130)은 광전 변환부(PV) 및 금속층(140) 사이에 배치되며, 광전 변환부(PV)에서 흡수되지 않은 광을 다시 광전 변환부(PV)로 반사하는 기능을 한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 광전 변환부(PV)에서 흡수되지 않은 빛을 ②와 같이 후면 반사층(130)의 전면에서 광전 변환부(PV) 방향으로 반사시켜 광전 변환부(PV)의 광 흡수율을 증가시키는 기능을 한다.
하지만, 광전 변환부(PV)에서 흡수되지 않은 빛 중에서 일부는 후면 반사층(130)을 투과한 후, 후면 반사층(130)과 금속층(140)의 계면에서 반사될 수도 있다.
이와 같은 후면 반사층(130)에서 광전 변환부(PV)와 접하는 제 3 계면(130F3)에서의 굴절률은 후면 반사층(130)에서 후면 전극(140)과 접하는 제 4 계면(130F4)에서의 굴절률보다 낮을 수 있다.
이와 같은 후면 반사층(130)은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 또는 붕소 아연 산화물(ZnOx:B) 또는 실리콘 산화물(SiOx) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
만약, 후면 반사층(130)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우, 후면 반사층(130)의 굴절률은 전면 전극(110)과 동일하게 공정 중에 후면 반사층(130) 으로 침투되는 산소 함유량을 조절하여 조절될 수 있다.전술한 바와 같이, 후면 반사층(130)에서 반사된 빛은 광전 변환부(PV)에서 흡수되며, 일부 빛은 광전 변환부(PV)를 투과한 후 다시 전면 전극(110)의 후면에서 빛의 경로 ③과 같이 광전 변환부(PV) 방향으로 다시 반사된다. 이와 같은 전면 전극(110)과 후면 반사층(130)사이에서의 반사는 10 ~ 15회 정도로 여러 번 발생하게 되면서 빛이 트랩핑(trapping)된다.
이와 같은 방법으로 광전 변환부(PV)의 광 흡수율이 증가될 수 있고, 이에 따라 태양 전지의 광전 변환 효율은 더욱 향상될 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.
이와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양 전지 구조에서, 박막 태양 전지는 전술한 바와 같이, 전면 전극(110) 또는 후면 반사층(130) 중 적어도 하나는 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률이 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 계면에서의 굴절률보다 낮게 형성된다.
여기의 도 1에서는 전면 전극(110) 및 후면 반사층(130) 모두에서 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률이 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 계면에서의 굴절률보다 낮은 것을 일례로 설명하였지만, 이와 다르게, 전면 전극(110)에서만 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률이 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 계면에서의 굴절률보다 낮은 것도 가능하고, 후면 반사층(130)에서만 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률이 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 계면에서의 굴절률보다 낮은 것도 가능하다.
이와 같이 전면 전극(110) 또는 후면 반사층(130) 중 적어도 하나는 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률을 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 계면에서의 굴절률보다 상대적으로 낮춤으로써, 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 계면에서 전면 전극(110)의 전기 전도도나 후면 전극(140)과 접하는 계면에서 후면 반사층(130)의 전기 전도도를 양호하게 유지하면서, 전술한 빛의 경로 ②나 ③과 같이 빛을 반사할 때, 전면 전극(110) 또는 후면 반사층(130) 자체가 흡수하는 광량을 최소화하여 광전 변환부(PV)가 흡수하는 광량을 극대화할 수 있다.
이에 대해 보다 구체적으로 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명과 다른 구조, 예를 들면 통상의 박막 태양 전지에서의 광흡수율을 비교 설명하기 위한 도이다.
도 2에서 X축은 빛의 파장이고, Y축은 빛의 흡수율을 나타낸다. 여기서, Si 영역은 진성(i형) 반도체층(120i)에서 흡수되는 파장에 따른 빛의 양, Sp+n 영역은 p형 반도체층(120p)과 n형 반도체층(120n)에서 흡수되는 파장에 따른 빛의 양, S110 영역은 전면 전극(110)에서 흡수되는 파장에 따른 빛의 양, S130 영역은 후면 반사층(130)에서 흡수되는 파장에 따른 빛의 양, SR 영역은 태양 전지 내로 흡수되지 못하고 반사되는 빛의 양을 의미한다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같은 각 층에서의 광 흡수율은 본 발명과 다르게, 전면 전극(110)나 후면 반사층(130)이 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률이 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 계면에서의 굴절률과 동일한 경우이다.
이와 같은 경우, 전면 전극(110)과 후면 반사층(130) 사이에서 다반사가 일어나는 경우, 단파장 영역에서는 광전 변환부(PV)에서 흡수되는 빛의 양이 매우 월등하다. 그러나 장파장으로 진행될수록 광전 변환부(PV)에서 흡수되는 빛의 양은 상대적으로 급감하고, 전면 전극(110)과 후면 반사층(130) 자체가 흡수하는 빛의 양은 상대적으로 급증하는 것을 알 수 있다.
이는 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)도 장파장 빛을 흡수하는 특성을 가지고 있기 때문이다. 따라서, 장파장 빛의 경우 전면 전극(110)과 후면 반사층(130) 사이에서 반사가 반복될수록 광전 변환부(PV)에서 잘 흡수되지 못하고, 전면 전극(110)과 후면 반사층(130) 자체가 빛을 흡수하게 된다.
그러나, 본 발명은 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)에서 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률을 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 계면에서의 굴절률보다 작게 함으로써, 도 1에 도시된 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130) 자체가 흡수하는 빛의 양을 최소화 할 수 있고, 이에 따라 광전 변환부(PV)에서 흡수되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 도 1에서 광전 변환부(PV)에서 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130) 방향으로 빛이 진행할 때, 높은 반사율 특성을 얻기 위해서는 광전 변환부(PV)의 굴절률과 광전 변환부(PV)와 접하는 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)의 굴절률 차이가 커질수록 유리해진다. 즉, 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 빛이 이동할 때 굴절률의 차이가 클수록 반사가 보다 잘 이루어지고, 전반사도 잘 발생하게 된다.
예를 들어, 광전 변환부(PV)가 장파장 빛을 보다 잘 흡수하는 미세 결정질 실리콘(mc-Si)을 포함하고 미세 결정질 실리콘(mc-Si)의 굴절률이 3.8인 경우, 미세 결정질 실리콘(mc-Si)과 접하는 계면에서의 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)의 굴절률은 미세 결정질 실리콘(mc-Si)과의 굴절률과 차이를 보다 크게 하기 위해 2.0이하로 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130) 자체가 흡수하는 빛의 양을 최소화할 수 있다.
그러나, 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130) 자체가 흡수하는 빛의 양을 최소화하기 위해 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130) 전체의 굴절률을 낮추는 경우, 전면 전극(110)의 전기 전도도가 너무 낮아질 수 있고, 후면 전극(140)과 접하는 후면 반사층(130)의 전기 전도도가 너무 낮아져 오히려 광전 변환 효율에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 이와 같은 점을 고려하여, 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)에서 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률이 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률보다 높은 것이 바람직하다.
결국 이에 따라, 다반사에 의해 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130) 자체가 흡수하는 빛의 양과 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)의 전기 전도도를 모두 고려하면, 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)에서 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률이 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률보다 작도록 하는 것이 태양 전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있으며, 전면 전극(110)이나 후면 반사층(130)에서 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률이 광전 변환부(PV)의 굴절률보다 작은 것이 태양 전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
다음, 도 3은 도 1에서 설명한 전면 전극(110)의 산소 함유량 변화에 따른 굴절률 및 전기 전도도에 설명하기 위한 도이다.
도 3에서, X 축은 전면 전극(110) 내에 추가로 증가되는 산소 함유량을 나타내고, 왼쪽 Y축은 전면 전극(110) 내에 추가로 증가되는 산소 함유량에 따른 굴절률을 나타내고, 오른쪽 Y축은 전면 전극(110) 내에 추가로 증가되는 산소 함유량에 따른 전면 전극(110)의 저항을 나타낸다.
도 3을 설명하기에 앞서, 도 3은 전면 전극(110)이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우를 일례로 도시한 그래프로, 전면 전극(110)은 기본적인 산소를 함유하고 있다. 따라서, X 축은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 자체에 의한 산소 함유량을 제외한 상태에서, 전면 전극(110) 내에 추가로 증가된 산소 함유량을 의미한다.
따라서, X축에서 0at%(원자량%)는 전면 전극(110)에 추가로 증가된 산소 함유량이 0at%인 것을 의미하고, 따라서, 일례로 도 3에서 전면 전극(110)에 증가된 산소 함유량이 0at%이라도, 전면 전극(110)의 산소 함유량은 대략 45at%를 가질 수 있다.
이와 같은 도 3에서, 전면 전극(110)에 산소 함류량의 증가가 없을 때의 굴절률 및 저항, 즉 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 자체의 굴절률은 대략 2.2에 가깝고, 저항은 1*10-3으로 전기 전도도는 매우 높은 상태임을 알 수 있다.
그러나, 전면 전극(110)에 산소 함유량을 6at%로 증가시킴에 따라 굴절률은 대략 1.8에 근접하게 낮아지고, 저항은 1*10-2에 근접하도록 상승하여 전기 전도도가 매우 낮은 상태로 변화하는 것을 알 수 있다.
따라서, 이와 같은 점을 이용하여, 일례로 전면 전극(110)의 제 1 계면(110F1)에서는 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 자체에 의한 산소 함유량 대비 6at%의 산소 함유량이 증가 되도록 할 수 있고, 전면 전극(110)의 제 2 계면(110F2)에서는 산소 함유량 증가가 없도록 하여 증가된 산소 함유량이 0at%가 되도록 할 수 있다.
이에 따라, 전면 전극(110)에서 광전 변환부(PV)와 접하는 제 1 계면(110F1)에서의 굴절률은 광전 변환부와 접하지 않는 반대 계면인 제 2 계면(110F2)에서의 굴절률보다 작게 할 수 있다.
따라서, 도 1에서 설명한 바와 같이, 제 1 계면(110F1)에서는 굴절률을 낮추어 전면 전극(110)의 반사율을 높이는 동시에 흡수율을 낮출수 있고, 제 2 계면(110F2)에서는 산소 함유량을 상대적으로 줄여 전면 전극(110)의 전기 전도도를 양호한 수준으로 유지시킬 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 전면 전극의 산소 함유량 분포의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전면 전극(110)의 제 2 계면(110F2)에서 제 1 계면(110F1)으로 진행할수록 산소 함유량은 점진적으로 증가하도록 할 수 있다.
따라서, 도 1에서 전술한 바와 같이 전면 전극(110)이 제 1 전면 전극층(110a)과 제 2 전면 전극층(110b)을 포함하는 경우, 제 1 전면 전극층(110a)의 산소 함유량은 제 2 전면 전극층(110b)의 산소 함유량보다 많을 수 있다.
일례로, 도 4와 같이, 제 2 전면 전극층(110b)의 산소 함유량은 K2로 일정하고, 제 1 전면 전극층(110a)의 산소 함유량은 제 2 전면 전극층(110b)과 접한 계면에서 제 1 계면(110F1)으로 진행할수록 점진적으로 K2에서 K1으로 증가하도록 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 제 1 전면 전극층(110a)으로는 광전 변환부(PV) 내에서 다반사될 때, 빛의 전반사를 유도하여 전면 전극(110)에 흡수되는 빛의 양을 최소화하고, 제 2 전면 전극층(110b)으로는 전면 전극(110)의 저항을 최적으로 유지되도록 함으로써, 전면 전극(110)의 전기 전도도가 양호하게 유지되도록 하기 위함이다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 전면 전극층(110a)과 제 2 전면 전극층(110b)이 접한 계면에서의 제 1 전면 전극층(110a)과 제 2 전면 전극층(110b)의 산소 함유량은 K2로 동일하게 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 제 1 전면 전극층(110a)과 제 2 전면 전극층(110b)이 접한 계면에서 굴절률의 차이가 없도록 함으로써 외부로부터 입사된 빛이 제 1 전면 전극층(110a)과 제 2 전면 전극층(110b) 사이에서 다시 외부로 반사되는 것을 방지할 수 있다.
도 4에서는 제 2 전면 전극층(110b)에서 산소 함유량이 K2로 일정하고, 제 1 전면 전극층(110a)에서 산소 함유량이 K2에서 K1으로 선형적으로 변화하는 것을 일례로 설명하고 있지만, 이와 다르게 제 1 계면(110F1)에서의 산소 함유량(K1)이 제 2 계면(110F2)에서의 산소 함유량(K2)보다 큰 범위에서 다양하게 변경이 가능하다.
예를 들면, 도 4와 다르게, 제 2 전면 전극층(110b)의 제 2 계면(110F2)에서 제 1 전면 전극층(110a)의 제 1 계면(110F1)으로 진행됨에 따라 산소 함유량이 선형 또는 비선형적으로 계속적으로 증가되도록 하는 것도 가능하며, 제 2 전면 전극층(110b)의 산소 함유량은 K2로 일정하고, 제 1 전면 전극층(110a)의 산소 함유량은 K1으로 일정하게 형성하는 것도 가능하다.
여기서, 제 1 전면 전극층(110a)의 두께(T110a)는 도 1에서 전술한 바와 같이, 제 2 전면 전극층(110b)의 두께(T110b)보다 얇을 수 있다. 이는 제 1 전면 전극층(110a)과 제 2 전면 전극층(110b)이 모두 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우, 산소 함유량에 따라 굴절률과 전기 전도도가 조절되는데, 상대적으로 굴절률이 낮고 저항이 높은 제 1 전면 전극층(110a)의 두께(T110a)가 제 1 전면 전극층(110a)보다 두꺼운 경우, 굴절률이 상대적으로 낮아 반사는 잘 이루어지는 반면 전면 전극(110) 전체의 전기적 저항이 오히려 증가하여 오히려 광전 변환 효율을 저하시킬 수도 있는데, 이를 방지하기 위함이다. 따라서, 일례로 제 1 전면 전극층(110a)의 두께(T110a)는 50nm ~ 300nm 사이이고, 제 2 전면 전극층(110b)의 두께(T110b)는 450nm ~ 1200nm 사이일 수 있다.
여기서, 제 1 계면(110F1)에서의 산소 함유량(K1)과 제 2 계면(110F2)에서의 산소 함유량(K2)의 차이(△K)는 2 at% 이상 6 at% 이하가 되도록 할 수 있다.
여기서, 제 1 계면(110F1)에서의 산소 함유량(K1)과 제 2 계면(110F2)에서의 산소 함류량(K2)의 차이(△K)를 2 at% 이상으로 하는 것은 최소한의 산소 함유량의 차이를 유지함으로써 전면 전극(110)의 반사율을 충분히 향상시키면서 흡수율이 적정 수준 이하로 감소되도록 하기 위함이고, 제 1 계면(110F1)에서의 산소 함유량(K1)과 제 2 계면(110F2)에서의 산소 함류량의 차이를 6 at% 이하로 하는 것은 전면 전극(110)의 직렬 저항이 과도하게 증가되어 필 팩터(F.F; Fill Factor) 특성이 감소하는 것을 방지하기 위함이다.
일례로, 제 1 계면(110F1)에서의 산소 함유량(K1)과 제 2 계면(110F2)에서의 산소 함유량(K2)의 차이는 전술한 반사율 및 흡수율, 그리고 전면 전극(110)의 전기 전도도를 고려하여 대략 3 at%가 되도록 할 수 있다.
다음, 도 5는 도 1에 도시된 태양 전지에서 파장에 따른 전면 전극(110)의 흡수율을 설명하기 위한 도이다.
도 5에서 X축은 도 1에서 빛의 경로 ③과 같이 빛이 전면 전극(110)의 후면 방향으로 입사되는 빛의 파장을 나타내며, 도 5에서 Y축은 빛이 전면 전극(110)의 후면 방향으로 입사될 때에 전면 전극(110)이 흡수하는 흡수율을 나타낸다.
또한, case 1은 전면 전극(110)의 제 1 계면(110F1)에서의 굴절률과 제 2 계면(110F2)에서의 굴절률이 동일한 경우의 비교예이고, case 2는 전면 전극(110)의 제 1 계면(110F1)에서의 굴절률이 제 2 계면(110F2)에서의 굴절률보다 작은 경우로 본 발명의 실시예이다.
도 5에 도시된 바와 같이, case 2는 case 1과 비교하여 대략 450nm보다 큰 대부분의 파장 대역에서 전면 전극(110)에 대한 빛의 흡수율이 적게는 대략 0.5%에서 많게는 1%이상 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 태양 전지는 전면 전극(110)에서 흡수되지 않는 빛을 광전 변환부(PV)에서 흡수되도록 유도할 수 있어 태양 전지의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1 및 2에서 전술한 바와 같이, 빛이 트랩핑되도록 반사를 일으키는 기능은 전면 전극(110)과 후면 반사층(130)이다. 따라서, 지금까지는 주로 전면 전극(110)에 대해 설명하면서, 전면 전극(110)이 제 1 전면 전극층(110a)과 제 2 전면 전극층(110b)을 포함하는 경우를 일례로 설명하였지만, 후면 반사층(130)도 전면 전극(110)과 유사하게 제 1 후면 반사층과 제 2 후면 반사층을 포함할 수 있다.
이러한 구조의 박막 태양 전지에 대해 도 6을 참조로 설명한다. 도 6는 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 다른 일례이다.
도 6에서, 도 1과 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하며, 도 1과 비교하여 다른 부분에 대해서만 설명한다.
앞서 도 1에서 전술한 바와 같이, 후면 반사층(130)은 광전 변환부(PV)와 접하는 제 3 계면(130F3)에서의 굴절률이 후면 반사층(130)에서 광전 변환부(PV)와 접하지 않고 후면 전극(140)과 접하는 제 4 계면(130F4)에서의 굴절률보다 낮추어, 후면 반사층(130)에서 빛의 반사율을 최대로 끌어 올리며, 후면 반사층(130)의 흡수율이 최소가 되도록 할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이와 같은 후면 반사층(130)은 제 1 후면 반사층(130a)과 제 2 후면 반사층(130b)을 포함하도록 할 수 있으며, 제 1 후면 반사층(130a)은 제 3 계면(130F3)을 포함하고, 제 2 후면 반사층(130b)은 제 4 계면(130F4)을 포함한다.
또한, 후면 반사층(130)은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하는 경우, 후면 반사층(130)의 굴절률은 전면 전극(110)과 동일하게 공정 중에 후면 반사층(130)으로 침투되는 산소의 함유량을 조절하여 조절될 수 있다.
일례로, 도 4에서 설명한 바와 동일한 원리로, 제 2 후면 반사층(130b)의 제 4 계면(130F4)에서 제 1 후면 반사층(130a)의 제 3 계면(130F3)으로 진행할수록 후면 반사층(130) 내에서의 산소 함유량은 증가될 수 있다.
일례로, 산소 함유량의 증가 형태는 도 4에서 설명한 바와 동일하게, 제 2 후면 반사층(130b)의 산소 함유량은 증가되지 않다가, 제 1 후면 반사층(130a)의 산소 함유량이 선형 또는 비선형적으로 증가될 수 있다.
즉, 산소 함유량의 증가 형태는 제 2 후면 반사층(130b)의 제 4 계면(130F4)에서 제 1 후면 반사층(130a)의 제 3 계면(130F3)으로 진행함에 따라 어떠한 형태로든 산소 함유량이 증가되는 형태라면 무방하다.
이와 같이, 후면 반사층(130)도 전면 전극(110)과 마찬가지로 제 2 후면 반사층(130b)의 제 4 계면(130F4)에서 제 1 후면 반사층(130a)의 제 3 계면(130F3)으로 진행할수록 후면 반사층(130) 내에서의 산소 함유량이 증가하도록 함으로써, 후면 반사층(130)의 굴절률을 제어할 수 있고, 후면 반사층(130)의 흡수율이 최소화도록 할 수 있다.
이에 따라 태양 전지의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
지금까지는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 광전변환부(PV)가 하나의 p-i-n 구조로 이루어진 경우에 대해서만 설명하였으나, 전면 전극(110) 또는 후면 반사층(130) 중 적어도 하나에서 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률은 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률보다 작도록 하는 것은 광전 변환부(PV)가 복수 개의 p-i-n 구조로 이루어진 박막 태양 전지에서도 적용이 가능하다.
도 7은 도 1 내지 도 6에서 설명한 전면 전극 및 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 7에 도시된 바와 같이, 박막 태양전지는 제 1 광전변환부(321) 및 제 2 광전변환부(323)를 포함할 수 있다.
도 7와 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 두께는 장파장 대역의 광을 충분히 흡수하기 위해 제 1 i형 반도체층(321i)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
또한, 도 7에 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 7와 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 함량은 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 향상될 수 있다.
이와 같은 이중 접합 태양 전지에서도 전면 전극(110) 또는 후면 반사층(130) 중 적어도 하나에서 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률은 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률보다 작도록 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 제 1 i형 반도체층(321i) 및 제 2 i형 반도체층(323i)에서 흡수되지 못한 장파장 대역의 빛을 전면 전극(110)과 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 7에 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 7에서는 이와 같은 중간층(310)이 포함되는 것을 일례로 설명하고 있으나, 이와 다르게 중간층(310)은 생략될 수도 있다.
또한, 도 8는 도 1 내지 도 6에서 설명한 전면 전극(110) 및 후면 반사층(130)이 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 8에 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 8에서는 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 1 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 1 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 두께는 제 2 진성 반도체층(423i)의 두께보다 두껍고, 제 2 진성 반도체층(423i)의 두께는 제 1 진성 반도체층(421i)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
일례로, 제 1 진성 반도체층(421i)은 100 ~ 150nm의 두께로 형성될 수 있으며, 제 2 진성 반도체층(423i)은 150 ~ 300nm의 두께로 형성될 수 있으며, 제 3 진성 반도체층(425i)은 1.5㎛ ~ 4㎛의 두께로 형성될 수 있다.
이는 제 3 진성 반도체층(425i)에서 장파장 대역의 광 흡수율을 더욱 향상시키기 위함이다.
이와 같이 도 8과 같은 삼중접합 태양전지의 경우에는 보다 넓은 대역의 광을 흡수할 수 있기 때문에 전력 생산 효율이 높을 수 있다.
이와 같은 삼중 접합 태양 전지에서도 전면 전극(110) 또는 후면 반사층(130) 중 적어도 하나에서 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절률은 광전 변환부(PV)와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률보다 작도록 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 8에 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 8에서는 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 (16)
- 기판;
상기 기판의 후면에 배치되는 전면 전극;
상기 전면 전극의 후면에 배치되는 후면 전극; 및
상기 전면 전극과 상기 후면 전극 사이에 배치되는 광전 변환부;
를 포함하고, 상기 전면 전극 및 상기 후면 전극 중 적어도 하나는 광 투과성 막을 포함하고, 상기 광 투과성 막에 있어서 상기 광전 변환부와 접하는 계면에서의 굴절률은 상기 광전 변환부와 접하지 않는 반대 계면에서의 굴절률보다 작은 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 전면 전극은 상기 광 투과성 막으로 형성되고, 상기 후면 전극은 상기 광 투과성 막으로 형성된 후면 반사층 및 상기 후면 반사층과 접촉하는 금속층을 포함하며, 상기 후면 반사층은 상기 금속층과 상기 광전 변환부 사이에 위치하는 박막 태양전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 전면 전극 또는 상기 후면 반사층 중 적어도 하나는 상기 광전 변환부와 접하는 계면에서의 굴절률이 상기 광전 변환부의 굴절률보다 작게 형성되는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 전면 전극 또는 상기 후면 반사층 중 적어도 하나는 상기 광전 변환부와 접하지 않는 반대 계면에서의 전기 전도도가 상기 광전 변환부와 접하는 계면에서의 전기 전도도보다 높게 형성되는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 전면 전극은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하고, 상기 광전 변환부와 접하는 제 1 계면에서의 상기 전면 전극의 산소 함유량은 상기 기판과 접하는 제 2 계면에서의 상기 전면 전극의 산소 함유량보다 많은 박막 태양 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 계면에서의 상기 전면 전극의 굴절률은 상기 제 2 계면에서의 상기 전면 전극의 굴절률보다 작은 박막 태양 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 계면에서의 상기 전면 전극의 전기 전도도는 상기 제 1 계면에서의 상기 전면 전극의 전기 전도도보다 높은 박막 태양 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 계면에서 상기 제 2 계면으로 갈수록 상기 산소 함유량은 점진적으로 증가하는 박막 태양 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 계면에서의 산소 함유량과 상기 제 2 계면에서의 산소 함유량의 차이는 2 at% 이상 6 at% 이하인 박막 태양 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 전면 전극은 상기 제 1 계면을 포함하는 제 1 전면 전극층과 상기 제 2 계면을 포함하는 제 2 전면 전극층을 포함하고,
상기 제 1 전면 전극층의 산소 함유량은 상기 제 2 전면 전극층의 산소 함유량보다 많은 박막 태양 전지. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 전면 전극층의 산소 함유량은 일정하고,
상기 제 1 전면 전극층의 산소 함유량은 상기 제 2 전면 전극층과 접한 계면에서 상기 제 1 계면으로 진행할수록 점진적으로 증가하는 박막 태양 전지. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 전면 전극층과 상기 제 2 전면 전극층이 접한 계면에서의 상기 제 1 전면 전극층과 상기 제 2 전면 전극층의 산소 함유량은 동일한 박막 태양 전지. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 전면 전극층의 두께는 제 2 전면 전극층의 두께보다 얇은 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 광전 변환부와 접하는 제 3 계면에서의 상기 후면 반사층의 굴절률은 상기 후면 전극과 접하는 제 4 계면에서의 상기 후면 반사층의 굴절률보다 낮은 박막 태양 전지. - 제 14 항에 있어서,
상기 후면 반사층은 상기 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al)을 포함하고, 상기 제 3 계면에서의 상기 후면 반사층의 산소 함유량은 상기 제 4 계면에서의 상기 후면 반사층의 산소 함류량보다 많은 박막 태양 전지. - 제 14 항에 있어서,
상기 후면 반사층은 상기 제 3 계면을 포함하는 제 1 후면 반사층과 상기 제 4 계면을 포함하는 제 2 후면 반사층을 포함하고,
상기 제 1 후면 반사층의 산소 함유량은 상기 제 2 후면 반사층의 산소 함유량보다 많은 박막 태양 전지.
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| KR1020110091101A KR20130027716A (ko) | 2011-09-08 | 2011-09-08 | 박막 태양 전지 |
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2011
- 2011-09-08 KR KR1020110091101A patent/KR20130027716A/ko not_active Application Discontinuation
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