KR20130039896A - 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 상부에 위치하는 제 1 전극; 제 1 전극의 상부에 위치하는 제 2 전극; 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 광전 변환부;를 포함하고, 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 적어도 하나는 탄소(C) 물질로 이루어지는 탄소 전극층을 포함한다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판의 상부에 위치하는 제 1 전극; 제 1 전극의 상부에 위치하는 제 2 전극; 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 광전 변환부;를 포함하고, 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 적어도 하나는 탄소(C) 물질로 이루어지는 탄소 전극층을 포함한다.
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 상부에 위치하는 제 1 전극; 제 1 전극의 상부에 위치하는 제 2 전극; 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 광전 변환부;를 포함하고, 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 적어도 하나는 탄소(C) 물질로 이루어지는 탄소 전극층을 포함한다.
여기서, 탄소 전극층은 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 포함할 수 있다.
또한, 기판에서 제 1 전극과 접하는 면은 복수 개의 요철을 포함할 수 있다.
또한, 제 1 전극은 탄소 전극층을 포함하고, 탄소 전극층은 기판에 형성된 복수 개의 요철 형상에 대응하여 복수 개의 요철 형상을 가질 수 있다.
또한, 제 1 전극에 포함되는 탄소 전극층의 두께는 기판에 형성된 요철의 최대 돌출 높이보다 작을 수 있다.
또한, 제 1 전극에 포함되는 탄소 전극층의 두께는 기판에 형성된 요철의 최대 돌출 높이의 1%이하일 수 있다.
여기서, 탄소 전극층은 라미네이팅 방법 또는 화학적 증기 증착(CVD) 방법 중 어느 하나에 의해 요철면이 형성된 기판 상부에 형성될 수 있다.
또한, 기판에 형성된 복수 개의 요철 형상에서 돌출 끝단 사이의 간격은 10㎛ 이하이며, 기판에 형성된 복수 개의 요철 형상에서 돌출 높이는 3㎛ 이하일 수 있다.
또한, 제 1 전극에 포함되는 탄소 전극층의 두께는 20nm 이하일 수 있다.
또한, 제 1 전극은 알루미늄산화아연(ZnO:Al) 물질을 함유 또는 붕소산화아연(ZnO:B) 물질을 함유하는 금속 전극층을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 제 1 전극은 기판과 접하는 제 1 전극층과 광전 변환부와 접하는 제 2 전극층을 포함하고, 제 1 전극층은 탄소 전극층을 포함하고, 제 2 전극층은 금속 전극층을 포함할 수 있다.
또한, 제 1 전극은 기판과 접하는 제 1 전극층과 광전 변환부와 접하는 제 2 전극층을 포함하고, 제 1 전극층은 금속 전극층을 포함하고, 제 2 전극층은 탄소 전극층을 포함할 수 있다.
또한, 제 1 전극은 기판과 접하는 제 1 전극층, 광전 변환부와 접하는 제 2 전극층 및 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 위치하는 제 3 전극층을 포함하고, 제 1 전극층과 제 2 전극층은 금속 전극층을 포함하고, 제 3 전극층은 탄소 전극층을 포함할 수 있다.
또한, 광전 변환부는 적어도 하나의 p-i-n층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지는 제 1 전극에 탄소 전극층을 포함시킴으로써 박막 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 기판의 표면에 형성된 요철을 설명하기 위한 도이다.
도 3은 도 2에 도시된 기판의 요철면 위에 형성되는 제 1 전극에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제 1 전극이 두 개의 층으로 형성된 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 1에 도시된 제 1 전극이 3개의 층으로 형성된 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 6은 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조로 형성된 태양 전지에 도 1 내지 도 5에서 설명한 탄소 전극층이 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 7은 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조로 형성된 태양 전지에 도 1 내지 도 5에서 설명한 탄소 전극층이 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 기판의 표면에 형성된 요철을 설명하기 위한 도이다.
도 3은 도 2에 도시된 기판의 요철면 위에 형성되는 제 1 전극에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제 1 전극이 두 개의 층으로 형성된 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 1에 도시된 제 1 전극이 3개의 층으로 형성된 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 6은 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조로 형성된 태양 전지에 도 1 내지 도 5에서 설명한 탄소 전극층이 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 7은 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조로 형성된 태양 전지에 도 1 내지 도 5에서 설명한 탄소 전극층이 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), 제 1 전극(110), 광전변환부(PV), 후면 반사층(130) 및 제 2 전극(140)을 구비한다.
이와 같은, 도 1에서는 광전변환부(PV)의 구조가 기판(100) 쪽으로부터 p-i-n 구조로 되는 것을 일례로 설명하고 있으나, 광전변환부(PV)의 구조가 기판(100) 쪽으로부터 n-i-p 구조로 되는 것도 가능하다. 그러나, 이하에서는 설명의 편의상 광전 변환부(PV)의 구조가 기판(100) 쪽으로부터 p-i-n 구조로 되는 것을 일례로 설명한다.
또한, 도 1에서는 박막 태양 전지가 후면 반사층(130)을 구비하는 것으로 도시되어 있으나, 이와 같은 후면 반사층(130)이 생략되는 것도 가능하다. 그러나 이하에서는 설명의 편의상 후면 반사층(130)이 구비되는 것을 일례로 설명한다.
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.
아울러, 이와 같은 기판(100)은 제 1 전극(110)과 접하는 면에 복수 개의 요철을 구비할 수 있다. 이와 같이 기판(100)에서 제 1 전극(110)과 접하는 면에 요철이 형성되면, 기판(100)을 통해 입사되는 광이 제 1 전극(110)과 접하는 면에서 반사되는 것을 최소화할 수 있어 제 1 전극(110)을 통해 광전 변환부로 입사되는 빛의 양을 극대화할 수 있다. 이와 같은 요철에 대해서는 도 2에서 구체적으로 설명한다.
제 1 전극(110)은 기판(100)의 상부에 접하여 배치되고, 입사되는 광의 투과율을 높이기 위해 실질적으로 광투과성의 전도성 물질을 함유한다. 이러한 제 1 전극(110)은 광전변환부(PV)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 제 1 전극(110)은 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 정공을 수집하여 출력할 수 있다.
아울러, 제 1 전극(110)의 상부 표면에는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100)에 형성된 복수 개의 요철 형상에 대응하여 복수 개의 요철이 형성될 수 있다. 즉, 제 1 전극(110)은 텍스처링 표면(texturing surface)을 구비하되, 제 1 전극(110)의 두께(T110)가 기판(100)에 형성된 복수 개의 요철 크기보다 작아, 기판(100)에 형성된 요철의 돌출부가 형성된 부분에서 제 1 전극(110)은 돌출되고, 기판(100)에 형성된 요철의 함몰부가 형성된 부분에서 제 1 전극(110)은 함몰될 수 있다. 이에 따라 제 1 전극(110)은 기판(100)과 접한 면과 광전 변환부와 접하는 면 모두에 요철이 형성될 수 있다. 이에 대해서는 도 3에서 구체적으로 설명한다.
이와 같이, 제 1 전극(110)의 표면에 복수의 요철이 형성되면, 입사되는 광의 반사를 저감시키고, 광전 변환부에서의 광의 흡수율을 높일 수 있어서 태양전지의 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 즉, 제 1 전극(110)에 형성된 요철 표면은 입사된 빛이 보다 효율적으로 분산될 수 있도록 하여 입사된 빛의 경로를 증가시켜 광전 변환부(PV)에서 보다 효율적으로 빛이 흡수하도록 도와준다.
이와 같은 제 1 전극(110)은 탄소(C) 물질로 이루어지는 탄소 전극층을 포함한다.
여기서, 탄소 전극층은 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 포함할 수 있다. 여기서, 그라핀층은 하나의 탄소 원자층으로 이루어지는 판상 구조의 물질로, 매우 작은 두께에도 불구하고 전기 전도도가 매우 뛰어난 특성이 있다. 예를 들어 하나의 그라핀층의 전기 전도도는 구리와 비교하여 대략 100배 이상의 전기 전도도를 갖는다.
또한, 이와 같이 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 포함하는 탄소 전극층은 강도가 매우 뛰어나며, 광투과율도 양호한 특성이 있다.
이와 같은 제 1 전극(110)은 전술한 바와 같이, 탄소 전극층으로만 형성되는 것도 가능하나, 탄소 전극층 이외에 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al), 붕소 아연 산화물(ZnOx:B), 또는 니켈 또는 구리등과 같은 전이 금속 등의 금속 물질 중에서 적어도 어느 하나의 금속 전극층과 함께 복수의 층으로 형성되는 것도 가능하다. 이에 대해서는 도 4 및 도 5에서 보다 구체적으로 설명한다.
다음, 제 2 전극(140)은 제 1 전극(110)의 상부에 이격되어 광전 변환부(PV) 상부에 배치되며, 광전변환부(PV)가 발생시킨 전력의 회수 효율을 높이기 위해 전기 전도성이 우수한 재질을 포함할 수 있다.
아울러, 이와 같은 제 2 전극(140)도 제 1 전극(110)과 마찬가지로, 탄소(C) 물질로 이루어지는 탄소 전극층을 포함할 수 있으며, 이와 같은 탄소 전극층은 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 포함할 수 있다.
또한, 이와 같은 제 2 전극(140)도 탄소 전극층 이외에 전기 전도성이 양호한 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈 또는 구리등과 같은 전이 금속 등의 금속 물질 중에서 적어도 어느 하나의 금속 전극층과 함께 형성될 수 있다.
이와 같은, 제 2 전극(140)은 광전변환부(PV)와 전기적으로 연결되어 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 전자를 수집하여 출력할 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. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 광전 변환부(PV)에서 흡수되지 않은 빛을 후면 반사층(130)의 전면에서 광전 변환부(PV) 방향으로 반사시켜 광전 변환부(PV)의 광 흡수율을 증가시키는 기능을 한다.
이와 같은 방법으로 광전 변환부(PV)의 광 흡수율이 증가될 수 있고, 이에 따라 태양 전지의 광전 변환 효율은 더욱 향상될 수 있다.
이와 같은 후면 반사층(130)은 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al), 붕소 아연 산화물(ZnOx:B) 또는 실리콘 산화물(SiOx) 중의 금속 물질 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다.
다음, 광전변환부(PV)는 제 1 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(100) 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 기판(100)의 입사면과 가까운 광전 변환부(PV)에 이용될 수 있으며, 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질은 기판(100)의 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.
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.
이상의 도 1에서는 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(140) 모두 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 포함하는 탄소 전극층을 포함하는 것을 일례로 설명하였으나, 이와 다르게 탄소 전극층은 제 1 전극(110)에만 형성되거나 제 2 전극(140)에만 형성되는 것도 가능하다.
특히, 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 포함하는 탄소 전극층이 제 1 전극(110)에 포함되는 경우, 전술한 바와 같이, 매우 얇은 두께에도 그라핀의 뛰어난 전기 전도성과 강도 및 광투과성으로 인하여 제 1 전극(110)의 두께(T110)를 더욱 얇게 할 수 있다.
이와 같은 경우, 본 발명과 같이, 제 1 전극(110)의 표면은 제 1 전극(110)의 얇은 두께로 인하여 기판(100)의 요철 형상을 그대로 따라서 제 1 전극(110)에 기판(100)에 형성된 요철 형상에 대응하여 복수 개의 요철을 형성시킨다.
이와 같이 형성되는 제 1 전극(110)의 요철 형상은 거칠기(roughness) 정도가 매우 뛰어나, 광 산란 효과를 더욱 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 광전 변환부의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있어, 단락 전류를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
이하의 도 2에서는 전술한 바와 같이, 광 산란 효과에 중요한 역할을 하는 기판(100)의 요철에 대해 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 기판의 표면에 형성된 요철을 설명하기 위한 도이다.
본 발명에 따른 기판(100)에서 제 1 전극(110)과 접하는 면은 도 2에 도시된 바와 같이 복수 개의 요철을 포함할 수 있다.
이와 같이, 기판(100)에 형성된 복수 개의 요철의 크기는 박막 태양 전지에서 주로 사용되는 광 파장의 크기를 고려하여 형성된다.
구체적으로, 박막 태양 전지에서 주로 사용되는 광 파장 대역은 대략 350nm ~ 1100nm의 파장을 주로 사용하고, 광전 변환 효율이 상대적으로 큰 광 파장 대역은 대략 450nm ~ 700nm 사이이다. 이와 같은 광 파장 대역을 고려하여, 기판(100)에 형성되는 요철의 크기가 결정된다.
이와 같은 점을 고려하면, 기판(100)에 형성된 복수 개의 요철 형상에서 돌출 끝단 사이의 간격 (PP1)은 10㎛ 이하일 수 있으며, 기판(100)에 형성된 복수 개의 요철 형상에서 돌출 높이(H1)는 3㎛ 이하일 수 있다.
이에 따라, 기판(100)에 형성될 복수 개의 요철은 돌출 끝단 사이의 간격(PP1)이 0㎛보다 큰 10㎛ 이하의 범위 내에서 다양한 간격으로 형성될 수 있으며, 돌출 높이(H1)도 0㎛보다 큰 3㎛ 이하의 범위 내에서 다양한 높이로 형성될 수 있다.
이에 따라, 대략 350nm ~ 1100nm의 파장 대역의 빛이 기판(100)의 제 1 전극(110)과 접하는 면에서 반사되지 않고 산란되어 광전 변환부 내에서 광경로를 더욱 증가시켜 박막 태양 전지의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
특히, 돌출 끝단 사이의 간격(PP1)을 10㎛ 이하, 돌출 높이(H1)를 3㎛ 이하의 범위 내에서 요철의 크기를 다양하게 형성시킨 경우 대략 450nm ~ 700nm 사이의 파장 대역에서의 광전 변환 효율이 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 700nm ~ 1100nm의 파장 대역의 빛에 대해서도 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 복수 개의 요철이 기판(100)에 형성되는 경우, 기판(100)의 상부에 형성되는 제 1 전극(110)의 두께(T110)를 더욱 얇게 형성할 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 복수 개의 요철을 기판(100)에 형성하지 않은 경우, 전술한 바와 같은 광 산란 효과를 얻기 위해서는 제 1 전극(110)에서 광전 변환부와 접하는 면에 별도의 텍스쳐링 공정을 수행하여 요철을 형성하여야 한다. 이와 같은 경우, 제 1 전극(110)의 두께는 요철을 형성하기 위해 충분히 두꺼워져야 한다.
이와 같이 기판(100)에 복수 개의 요철을 기판(100)에 형성하지 않은 경우, 본 발명의 기판(100)에 형성된 요철의 돌출 높이(H1)와 동일한 거칠기(roughness)를 형성하기 위해서는 제 1 전극(110)의 두께는 최소한 3㎛이상의 두께를 가져야한다.
그러나, 이와 같은 경우 제 1 전극(110)의 두께가 과도하게 두꺼워져 제 1 전극(110)에 의해 입사되는 빛의 손실이 과도하게 커지게 된다. 이에 따라 박막 태양 전지의 광전 변환 효율이 감소되는 문제점이 있다.
또한, 제 1 전극(110)에 의한 빛의 손실을 최소화하기 위해 제 1 전극(110)의 두께를 상대적으로 얇게 한 경우에는 제 1 전극(110)에서 광전 변환부와 접하는 면에 요철의 돌출 높이(H1)를 줄여야한다.
이와 같은 경우에는 요철에 의한 거칠기(roughness)가 상대적으로 감소하여 제 1 전극(110)으로 입사된 빛이 반사되는 빛의 양이 상대적으로 커지고, 제 1 전극(110)의 요철에 의한 빛의 산란 효과가 감소하게 된다.
따라서 제 1 전극(110)에 의한 빛의 손실을 최소화하기 위해 제 1 전극(110)의 두께(T110)를 상대적으로 얇게 한 경우에도 박막 태양 전지의 광전 변환 효율이 감소되는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명과 같이 박막 태양 전지에서 사용되는 파장 대역의 빛을 고려하여 기판(100)에서 제 1 전극(110)과 접하는 면에 적절한 크기의 요철을 형성시킨 경우, 제 1 전극(110)에 별도의 텍스쳐링 공정을 하지 않아도 되므로 제 1 전극(110)의 두께(T110)를 최소화할 수 있다.
아울러, 기판(100)에 형성된 요철 형상에 대응하여 제 1 전극(110)이 요철 형상을 가지므로 제 1 전극(110)에 형성된 요철의 돌출 높이(H1)도 충분히 크게할 수 있어 빛의 산란 효과를 극대화할 수 있다. 이에 대해서는 도 3에서 보다 자세하게 설명한다.
한편 전술한 바와 같이, 기판(100)에서 제 1 전극(110)과 접하는 면에 적절한 크기의 요철을 형성시키는 방법으로는 습식 에칭, 건식 에칭 및 샌드블라스팅 방법 등이 이용될 수 있다.
일례로, 습식 에칭의 경우, 에칭액으로 HF+HNO3 또는 HF+H2O 등이 이용될 수 있으며, 건식 에칭의 경우, 에칭 가스로 CF4, SF6 등이 이용될 수 있다.
여기서, 기판(100)에 형성되는 요철의 크기는 에칭 시간 및 에칭액이나 에칭 가스의 농도를 조절하여 조절이 가능하다.
도 3은 도 2에 도시된 기판의 요철면 위에 형성되는 제 1 전극에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상부에 위치하는 제 1 전극(110)은 기판(100)에 형성된 복수 개의 요철 형상에 대응하여 복수 개의 요철 형상을 가질 수 있다.
또한, 도 3에서 제 1 전극(110)은 앞서 설명한 바와 같이, 적어도 하나의 그라핀층을 구비하는 탄소 전극층을 포함할 수 있으며, 제 1 전극(110)은 탄소 전극층으로만 이루어지는 것도 가능하고, 도 1에서 설명한 바와 같이, 제 1 전극(110)이 탄소 전극층과 함께 금속 전극층을 포함하는 것도 가능하다. 이하의 도 3에서는 제 1 전극(110)이 탄소 전극층으로만 이루어지는 경우를 일례로 설명한다.
도 3과 같이 제 1 전극(110)이 탄소 전극층만 포함하는 경우, 본 발명에 따른 제 1 전극(110)의 두께(T110)는 기판(100)에 형성되는 요철의 최대 돌출 높이(H1)보다 작을 수 있다. 일례로, 앞서 설명한 바와 같이 기판(100)에 형성된 요철의 최대 돌출 높이(H1)가 3㎛인 경우, 제 1 전극(110)에 포함되는 탄소 전극층의 두께는 0nm보다 크고 20nm이하일 수 있다.
즉, 제 1 전극(110)에 포함되는 탄소 전극층의 두께(T110)는 기판(100)에 형성된 요철의 최대 돌출 높이(H1)의 1%이하일 수 있다. 이에 따라, 기판(100)에 형성되는 요철의 크기에 비하여 제 1 전극(110)의 두께(T110)가 무시될 정도로 작기 때문에, 제 1 전극(110)에 형성되는 요철의 크기는 기판(100)에 형성되는 요철의 크기와 거의 비슷하게 유지할 수 있다.
따라서, 제 1 전극(110)에 형성되는 요철의 돌출 높이(H2)는 기판(100)에 형성되는 요철의 돌출 높이(H1)와 비교하여 1%의 오차 범위 이내에서 동일하게 되며, 제 1 전극(110)에 형성되는 요철의 돌출 끝단 사이의 간격(PP2)은 기판(100)에 형성되는 요철의 돌출 끝단 사이의 간격(PP1)과 비교하여 1%의 오차 범위 이내에서 동일하게 될 수 있다.
따라서, 제 1 전극(110)에 형성되는 요철의 돌출 최대 높이(H2)는 대략 3㎛이하일 수 있으며, 제 1 전극(110)에 형성되는 요철의 돌출 끝단 사이의 최대 간격(PP2)은 대략 10㎛이하일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양 전지는 기판(100)에 요철을 형성하고, 제 1 전극(110)이 적어도 하나의 그라핀층을 구비하는 탄소 전극층을 포함하도록 함으로써, 앞선 도 2에서 언급한 빛의 산란 효과를 극대화할 수 있으며, 제 1 전극(110)의 두께(T110)를 극소화함으로써 제 1 전극(110)의 전기 전도성을 충분히 확보하면서, 제 1 전극(110)에 의한 빛의 손실을 극소화할 수 있다.
통상적으로, 그라핀층을 구비하는 탄소 전극층 없이 제 1 전극(110)의 두께(T110)를 얇게 하는 경우 제 1 전극(110)의 전기 전도성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
보다 구체적으로, 제 1 전극(110)이 적어도 하나의 그라핀층을 구비하는 탄소 전극층 없이, 알루미늄산화아연(ZnO:Al) 물질을 함유 또는 붕소산화아연(ZnO:B) 물질만 포함하는 경우, 제 1 전극(110)이 적절한 전기 전도성을 갖기 위해서는 제 1 전극(110)의 면저항이 대략 10Ω/㎠정도 이하가 되어야 하는데, 이와 같은 경우 제 1 전극(110)의 두께(T110)는 적어도 500nm ~ 1.5㎛ 정도는 되어야 한다. 그러나, 이와 같은 경우 제 1 전극(110)의 두께(T110)가 과도하게 두꺼워져 광투과율이 저하되는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명과 같이, 제 1 전극(110)이 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 구비하는 탄소 전극층을 포함하는 경우, 앞에서 언급한 바와 같이 그라핀의 전기 전도성에 대한 특성 때문에 제 1 전극(110)의 전기 전도성에 대한 문제를 해결할 수 있다.
따라서, 본 발명과 같이, 기판(100)에서 제 1 전극(110)과 접하는 면에 요철이 형성되고, 제 1 전극(110)이 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 구비하는 탄소 전극층을 포함하는 경우, 박막 태양 전지의 광전 변환 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1 전극(110)이 탄소 전극층만 포함하는 경우를 일례로 설명하였지만, 이와 같은 빛의 산란 효과 및 제 1 전극(110)의 전기 전도성에 대한 효과는 제 1 전극(110)이 탄소 전극층 뿐만 아니라 앞서 도 1에서 언급한 금속 전극층을 함께 포함하는 경우에도 적용될 수 있다. 이는 탄소 전극층의 뛰어난 전기 전도성으로 인하여 금속 전극층의 두께를 현저하게 작게 할 수 있기 때문이다.
이와 같이, 요철이 형성된 기판(100)의 상부에 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 구비하는 탄소 전극층을 형성시키는 방법은 여러 가지 방법이 이용될 수 있다.
일례로, 요철면이 형성된 기판(100)의 상부에 적어도 하나의 그라핀층을 포함하는 탄소 전극층을 형성하는 방법은 라미네이팅 방법 또는 화학적 증기 증착(CVD) 방법 등 중에서 어느 하나가 이용될 수 있다.
여기서, 라미네이팅 방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 열 방출 테이프와 폴리머(polymer)를 이용하여 제작된 폴리머 필름 위에 박막 형태의 그라핀층을 제작한다. 이렇게 형성된 필름 위의 그라핀을 라미네이터(laminator) 장비를 이용하여 요철이 형성된 기판(100) 위에 전사시킴으로써, 요철이 형성된 기판(100) 위에 그라핀층을 형성시킬 수 있다.
이와 같이 라이메이터 장비를 이용하여 요철이 형성된 기판(100) 위에 그라핀층을 전사시킬 때, 압력을 가하게 될 경우 요철이 형성된 기판(100) 위에도 그라핀층이 충분한 접착력을 가지고 형성될 수 있다.
이와 같이 요철이 형성된 기판(100) 위에 그라핀층을 형성시킨 후, 열을 가하여 폴리머 필름의 접착력을 감소시켜 그라핀층으로부터 폴리머 필름을 제거할 수 있다.
또한, 화학적 증기 증착(CVD) 방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다. CVD 방법은 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 촉매층으로 이용하여 그라핀층을 합성하는 방법이다.
이를 위하여, 촉매층으로 활용할 니켈이나 구리 등을 요철이 형성된 기판(100) 위에 증착하고, 대략 1000℃의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매층에 녹아 들어가거나 흡착되도록 한다.
이후, 냉각을 통하여 촉매 층에 포함되어 있던 탄소 원자들을 표면에서 결정화시킴으로써 그래핀층을 요철이 형성된 기판(100) 위에 형성시킬 수 있다.
여기서, 촉매의 종류와 두께, 반응 시간, 냉각 속도, 반응 가스의 농도 등을 조절하여 그라핀층의 개수를 조절할 수 있다. 아울러, 앞에서 언급한 CVD 방법에서는 촉매층으로 니켈이나 구리를 이용하는 것을 일례로 설명하고 있으나, 촉매층이 생략되는 것도 가능하다.
지금까지는 제 1 전극(110)이 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 구비하는 탄소 전극층만을 포함하는 경우를 일례로 설명하였으나, 제 1 전극(110)은 복수의 층으로 형성될 수도 있으며, 이와 같은 경우 제 1 전극(110)에는 탄소 전극층과 아울러 금속 전극층이 함께 함께 사용될 수도 있다.
도 4는 도 1에 도시된 제 1 전극이 두 개의 층으로 형성된 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4에서 기판(100), 광전 변환부, 후면 반사층(130), 및 제 2 전극(140)은 앞선 도 1에서 설명한 바와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하고 제 1 전극(110)에 대해서만 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(110)은 기판(100)과 접하는 제 1 전극(110)층과 광전 변환부와 접하는 제 2 전극(140)층을 포함할 수 있다.
이와 같은 경우, 제 1 전극(110)층은 금속 전극층으로 형성될 수 있으며, 제 2 전극(140)층은 탄소 전극층으로 형성될 수 있다.
여기서, 금속 전극층은 도 1에서 전술한 바와 같이, 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al), 붕소 아연 산화물(ZnOx:B), 또는 니켈 또는 구리등과 같은 전이 금속 등의 금속 물질 중에서 적어도 어느 하나 일 수 있다.
여기서, 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 및 붕소 아연 산화물(ZnOx:B)은 기판(100)에 CVD 방법 등으로 형성이 용이하며 이를 형성하기 위한 공정이 비교적 간단한 장점이 있다.
또한, 니켈 또는 구리 등과 같은 전이 금속은 전술한 바와 같이 그라핀층을 형성하기 위한 촉매층으로 활용될 수도 있으나, 전기 전도성이 있으므로, 후에 이를 제거하지 않는 경우 제 1 전극(110)에 그대로 남아 있을 수 있다.
이하에서는 설명의 편의상 금속 전극층이 전술한 바와 같은 금속 물질 중에서 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 또는 붕소 아연 산화물(ZnOx:B)을 포함하는 경우를 일례로 설명한다. 그러나, 금속 전극층이 전이 금속을 포함하는 경우를 배제한 것으로 한정하는 것은 아니다.
이와 같이, 기판(100)과 접하는 제 1 전극(110)층이 알루미늄 아연 산화물(ZnOx:Al) 또는 붕소 아연 산화물(ZnOx:B)과 같은 금속 전극층으로 형성될 경우, 이와 같은 금속 전극층은 기판(100) 위에 형성되기 쉽고, 기판(100)과의 계면 특성이 매우 뛰어나, 기판(100)으로 입사된 빛이 금속 전극층과 기판(100) 사이의 계면에서 반사되거나 손실되는 빛의 양을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제 1 전극(110)층은 금속 전극층, 제 2 전극(140)층은 탄소 전극층으로 형성될 경우, 제 1 전극(110)의 전기 전도성은 제 2 전극(140)층에 형성되는 탄소 전극층에 의해 충분히 확보가 가능하므로 제 1 전극(110)층에 형성되는 금속 전극층의 두께를 현저하게 얇게 할 수 있다.
따라서, 제 1 전극(110)층에 형성된 금속 전극층의 두께는 500nm ~ 1.5㎛의 두께를 가져야했던 종래의 두께보다 훨씬 작게 형성될 수 있다. 일례로 제 1 전극(110)층에 형성되는 금속 전극층의 두께는 0nm 보다 크고 50nm 이하일 수 있다.
아울러, 탄소 전극층의 두께는 앞서 설명한 바와 같이 0nm 보다 크고 20nm일 수 있다. 따라서, 금속 전극층 및 탄소 전극층을 포함하는 제 1 전극(110)의 총 두께는 최대 70nm이하일 수 있다.
이와 같이, 제 1 전극(110)이 금속 전극층 및 탄소 전극층을 포함하는 경우, 탄소 전극층의 우수한 전기 전도성 특성으로 인하여 제 1 전극(110)이 탄소 전극층을 포함하지 않고 금속 전극층만 포함하는 경우와 비교하여 제 1 전극(110)의 두께(T110)를 현저하게 줄일 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 제 1 전극(110)은 금속 전극층 및 탄소 전극층을 포함함으로써, 제 1 전극(110)의 두께(T110)를 크게 줄일 수 있고, 이에 따라 제 1 전극(110)에서 흡수되는 빛의 양을 더욱 줄일 수 있다. 따라서, 제 1 전극(110)에 의한 빛의 손실을 최소화할 수 있어 박막 태양 전지의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 앞에서는 기판(100)과 접하는 제 1 전극(110)층이 금속 전극층, 광전 변환부와 접하는 제 2 전극(140)층이 탄소 전극층으로 형성된 경우를 일례로 설명하였으나, 이와 다르게 기판(100)과 접하는 제 1 전극(110)층이 탄소 전극층으로 형성되고, 광전 변환부와 접하는 제 2 전극(140)층이 금속 전극층으로 형성되는 것도 가능하다.
이와 같은 경우에도 탄소 전극층과 금속 전극층의 두께를 합한 제 1 전극(110)의 두께(T110)는 앞에서 설명한 바와 유사하여, 제 1 전극(110)의 총 두께는 최대 70nm이하일 수 있다.
그러나, 이와 같은 경우, 광전 변환부와 탄소 전극층 사이에 금속 전극층이 위치하게 된다. 따라서, 금속 전극층은 탄소 전극층에 포함되는 그라핀에 의한 광전 변환부의 오염을 방지할 수 있다.
아울러, 금속 전극층과 광전 변환부의 계면 특성은 탄소 전극층과 광전 변환부의 계면 특성보다 더 뛰어나 광전 변환부로부터 생성된 케리어가 탄소 전극층으로 이동될 때, 광전 변환부와의 계면에서 케리어가 소실되는 양을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
지금까지의 도 4에서는 제 1 전극(110)이 전술한 바와 같이 두 개의 층으로 형성된 일례를 설명하였으나, 이는 제 2 전극(140)에도 그대로 적용될 수 있다.
이외에 본 발명에 따른 제 1 전극(110)은 앞선 두 가지 경우의 효과를 고려하여 3개의 층으로 형성되는 것도 가능하다.
도 5는 도 1에 도시된 제 1 전극이 3개의 층으로 형성된 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5에서 기판(100), 광전 변환부, 후면 반사층(130), 및 제 2 전극(140)은 앞선 도 1에서 설명한 바와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하고 제 1 전극(110)에 대해서만 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제 1 전극(110)은 기판(100)과 접하는 제 1 전극(110)층, 상기 광전 변환부와 접하는 제 2 전극(140)층 및 상기 제 1 전극(110)층과 상기 제 2 전극(140)층 사이에 위치하는 제 3 전극층을 포함할 수 있다.
이와 같은 경우, 제 1 전극(110)층과 상기 제 2 전극(140)층은 상기 금속 전극층을 포함하고, 상기 제 3 전극층은 상기 탄소 전극층을 포함할 수 있다.
이와 같은 경우, 도 4에서 전술한 바와 같이, 제 1 전극(110)층에 형성된 금속 전극층은 기판(100)으로 입사된 빛이 금속 전극층과 기판(100) 사이의 계면에서 반사되거나 손실되는 빛의 양을 최소화할 수 있으며, 제 2 전극(140)층에 형성된 금속 전극층은 광전 변환부와의 계면에서 케리어가 소실되는 양을 최소화할 수 있다.
아울러, 금속 전극층을 포함하는 제 1 전극(110)층과 상기 제 2 전극(140)층의 사이인 제 3 전극층에 탄소 전극층을 포함시킴으로써 제 1 전극(110)의 전기 전도성을 양호하게 유지할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
지금까지는 광전 변환부의 층이 하나의 p-i-n 층으로 형성된 경우에, 제 1 전극(110)이 적어도 하나의 그라핀층으로 이루어지는 탄소 전극층을 포함하는 경우에 대해서만 설명하였으나, 광전 변환부의 층이 2개 또는 3개의 p-i-n층으로 형성되는 경우에도 제 1 전극(110)은 적어도 하나의 그라핀층으로 이루어지는 탄소 전극층을 포함할 수 있다.
이와 같이 지금까지 설명한 제 1 전극(110)에 대한 특징은 이중 접합 태양 전지 혹은 삼중 접합 태양 전지에도 동일하게 적용될 수 있다. 이하에서는 이에 대해 설명한다.
도 6은 이중접합(Double Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n 구조로 형성된 태양 전지에 도 1 내지 도 5에서 설명한 탄소 전극층이 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
이하에서는 이상에서 상세히 설명한 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다
도 6를 살펴보면, 박막 태양 전지의 광전 변환부(PV)는 제 1 광전변환부(PV1) 및 제 2 광전변환부(PV2)를 포함할 수 있다.
도 6와 같이, 박막 태양 전지는 광입사면으로부터 제 1 p형 반도체층(PV1-p), 제 1 i형 반도체층(PV1-i), 제 1 n형 반도체층(PV1-n), 제 2 p형 반도체층(PV2-p), 제 2 i형 반도체층(PV2-i) 및 제 2 n형 반도체층(PV2-n)이 차례로 적층될 수 있다.
제 1 i형 반도체층(PV1-i)은 단파장 대역의 광을 주로 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 아울러, 제 2 i형 반도체층(PV2-i)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(PV2-i)의 두께는 장파장 대역의 광을 충분히 흡수하기 위해 제 1 i형 반도체층(PV1-i)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같은 박막 태양 전지는 제 1 광전변환부(PV1)의 제 1 i형 반도체층(PV1-i) 및 제 2 광전변환부(PV2)의 제 2 i형 반도체층(PV2-i)이 모두 비정질 실리콘 재질을 포함할 수도 있고, 또는 제 1 광전변환부(PV1)의 제 1 i형 반도체층(PV1-i)은 비정실 실리콘 재질을 포함하나, 제 2 광전변환부(PV2)의 제 2 i형 반도체층(PV2-i)은 미세 결정질 실리콘 재질을 포함할 수도 있다.
또한, 도 6와 같은 이중접합 구조를 갖는 태양전지에서 제 2 i형 반도체층(PV2-i)에는 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로서 도핑될 수 있다. 게르마늄(Ge) 재질은 제 2 i형 반도체층(PV2-i)의 밴드갭을 낮출 수 있고, 이에 따라 제 2 i형 반도체층(PV2-i)의 장파장 대역 광의 흡수율이 향상됨으로써 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
즉, 이중접합 구조를 갖는 태양전지는 제 1 i형 반도체층(PV1-i)에서 단파장 대역의 광을 흡수하여 광전 효과를 발휘하고, 제 2 i형 반도체층(PV2-i)에서 장파장 대역의 광을 흡수하여 광전 효과를 발휘하게 되는데, 제 2 i형 반도체층(PV2-i)에 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑된 태양전지는 제 2 i형 반도체층(PV2-i)의 밴드갭을 더욱 낮춤으로써 보다 많은 양의 장파장 대역 광을 흡수할 수 있어 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
이와 같은 이중 접합 구조를 갖는 태양 전지에서도 앞선 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 같이, 기판(100)은 제 1 전극(110)이 위치하는 면에 복수 개의 요철이 형성될 수 있으며, 제 1 전극(110) 또는 제 2 전극(140) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 그라핀층을 포함하는 탄소 전극층을 포함할 수 있다.
또한, 제 1 전극(110) 또는 제 2 전극(140) 중 적어도 하나는 앞선 도 4 내지 도 5에서 설명한 바와 같이, 탄소 전극층과 금속 전극층을 함께 포함하여 형성될 수 있다.
도 7은 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조로 형성된 태양 전지에 도 1 내지 도 5에서 설명한 탄소 전극층이 적용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
이하에서는 이상에서 상세히 설명한 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 7을 살펴보면, 박막 태양 전지의 광전변환부(PV)는 기판(100)의 입사면으로부터 제 1 광전변환부(PV1), 제 2 광전변환부(PV2) 및 제 3 광전변환부(PV3)가 차례대로 배치될 수 있다.
여기서, 제 1 광전변환부(PV1), 제 2 광전변환부(PV2) 및 제 3 광전변환부(PV3)는 각각 p-i-n 구조로 형성될 수 있어, 기판(100)으로부터 제 1 p형 반도체층(PV1-p), 제 1 진성 반도체층(PV1-i), 제 1 n형 반도체층(PV1-n), 제 2 p형 반도체층(PV2-p), 제 2 진성 반도체층(PV2-i), 제 2 n형 반도체층(PV2-n), 제 3 p형 반도체층(PV3-p), 제 3 진성 반도체층(PV3-i) 및 제 3 n형 반도체층(PV3-n)이 차례로 배치될 수 있는 것이다.
여기서, 제 1 진성 반도체층(PV1-i), 제 2 진성 반도체층(PV2-i) 및 제 3 진성 반도체층(PV3-i)을 다양하게 구현될 수 있다.
제 1 예로, 제 1 진성 반도체층(PV1-i) 및 제 2 진성 반도체층(PV2-i)은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함할 수 있으며, 제 3 진성 반도체층(PV3-i)은 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질을 포함할 수 있다. 여기서, 제 2 진성 반도체층(PV2-i)에는 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑되도록 하여 제 2 i형 반도체층(PV2-i)의 밴드갭을 낮출 수도 있다.
또한, 이와 다르게, 제 2 예로 제 1 진성 반도체층(PV1-i)은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함할 수 있으며, 제 2 진성 반도체층(PV2-i) 및 제 3 진성 반도체층(PV3-i)은 미세 결정 실리콘(mc-Si) 재질을 포함할 수 있다. 여기서, 제 3 진성 반도체층(PV3-i)에는 게르마늄(Ge) 재질이 불순물로 도핑되도록 하여 제 3 i형 반도체층의 밴드갭을 낮출 수도 있는 것이다.
여기서, 제 1 광전변환부(PV1)는 단파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있으며, 제 2 광전변환부(PV2)는 단파장 대역과 장파장 대역의 중간 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있고, 제 3 광전변환부(PV3)는 장파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있다.
여기서, 제 3 진성 반도체층(PV3-i)의 두께는 제 2 진성 반도체층(PV2-i)의 두께보다 두껍고, 제 2 진성 반도체층(PV2-i)의 두께는 제 1 진성 반도체층(PV1-i)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
이와 같이 도 7과 같은 삼중접합 태양전지의 경우에는 보다 넓은 대역의 광을 흡수할 수 있기 때문에 전력 생산 효율이 높을 수 있는 것이다.
이와 같이 삼중 접합 구조를 갖는 태양 전지에서도 앞선 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 같이, 기판(100)은 제 1 전극(110)이 위치하는 면에 복수 개의 요철이 형성될 수 있으며, 제 1 전극(110) 또는 제 2 전극(140) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 그라핀층을 포함하는 탄소 전극층을 포함할 수 있다.
또한, 제 1 전극(110) 또는 제 2 전극(140) 중 적어도 하나는 앞선 도 4 내지 도 5에서 설명한 바와 같이, 탄소 전극층과 금속 전극층을 함께 포함하여 형성될 수 있다.
지금까지는 박막 태양 전지 모듈의 광전 변환부가 실리콘(Si) 물질을 포함하는 경우를 일례로만 설명하였으나, 이외에도 본 발명에 따른 박막 태양 전지 모듈은 광전 변환부는 CdTe(Cadmium telluride), CIGS(Copper indium gallium selenide) 또는 황화카드뮴(CdS) 등과 같은 다른 물질이 포함되는 경우에도 적용될 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 (15)
- 기판;
상기 기판의 상부에 위치하는 제 1 전극;
상기 제 1 전극의 상부에 위치하는 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 광전 변환부;를 포함하고,
상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 중 적어도 하나는 탄소(C) 물질로 이루어지는 탄소 전극층을 포함하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄소 전극층은 적어도 하나의 그라핀(Graphene)층을 포함하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판에서 상기 제 1 전극과 접하는 면은 복수 개의 요철을 포함하는 박막 태양 전지. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 상기 탄소 전극층을 포함하고, 상기 탄소 전극층은 상기 기판에 형성된 복수 개의 요철 형상에 대응하여 복수 개의 요철 형상을 갖는 박막 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전극에 포함되는 탄소 전극층의 두께는 상기 기판에 형성된 요철의 최대 돌출 높이보다 작은 박막 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전극에 포함되는 탄소 전극층의 두께는 상기 기판에 형성된 요철의 최대 돌출 높이의 1%이하인 박막 태양 전지. - 제 3 항에 있어서,
상기 탄소 전극층은 라미네이팅 방법 또는 화학적 기상 증착(CVD) 방법 중 어느 하나에 의해 상기 기판의 요철 상부에 형성되는 박막 태양 전지. - 제 3 항에 있어서,
상기 기판에 형성된 복수 개의 요철의 돌출 끝단 사이의 간격은 10㎛ 이하인 박막 태양 전지. - 제 3 항에 있어서,
상기 기판에 형성된 복수 개의 요철의 돌출 높이는 3㎛ 이하인 박막 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전극에 포함되는 탄소 전극층의 두께는 20nm 이하인 박막 태양 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 알루미늄산화아연(ZnO:Al) 물질 또는 붕소산화아연(ZnO:B) 물질을 함유하는 금속 전극층을 더 포함하는 박막 태양 전지 - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 상기 기판과 접하는 제 1 전극층과 상기 광전 변환부와 접하는 제 2 전극층을 포함하고,
상기 제 1 전극층은 상기 탄소 전극층을 포함하고, 상기 제 2 전극층은 상기 금속 전극층을 포함하는 박막 태양 전지. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 상기 기판과 접하는 제 1 전극층과 상기 광전 변환부와 접하는 제 2 전극층을 포함하고,
상기 제 1 전극층은 상기 금속 전극층을 포함하고, 상기 제 2 전극층은 상기 탄소 전극층을 포함하는 박막 태양 전지. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 상기 기판과 접하는 제 1 전극층, 상기 광전 변환부와 접하는 제 2 전극층 및 상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층 사이에 위치하는 제 3 전극층을 포함하고,
상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층은 상기 금속 전극층을 포함하고, 상기 제 3 전극층은 상기 탄소 전극층을 포함하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환부는 적어도 하나의 p-i-n층을 포함하는 박막 태양 전지.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150023103A (ko) * | 2013-08-22 | 2015-03-05 | 재단법인대구경북과학기술원 | 박막 태양전지 및 이의 제조방법 |
| WO2017158235A1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-09-21 | Aalto University Foundation | Composite film comprising an electrically conductive layer |
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2011
- 2011-10-13 KR KR1020110104551A patent/KR20130039896A/ko not_active Application Discontinuation
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