KR20140047751A - 박막 실리콘 태양전지 - Google Patents

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KR20140047751A
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light absorbing
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light
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임정욱
윤선진
이성현
이다정
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지는 제 1 광 흡수층, 상기 제 1 광 흡수층의 일면에 배치된 제 1 투명전극, 상기 제 1 투명전극을 덮는 제 1 투명기판, 상기 제 1 광 흡수층의 타면에 배치된 제 2 투명전극, 및 상기 제 2 투명전극을 덮는 제 2 투명기판을 포함하되, 상기 제 1 광 흡수층은 500Å 내지 2000Å두께를 갖는다.

Description

박막 실리콘 태양전지{A thin film silicon solar cell}
본 발명은 박막 실리콘 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양면에서 빛의 입사가 가능한 박막 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 광전 에너지 변환 시스템(photovoltaic energy conversion system)이다. 결정질 실리콘 태양전지는 태양전지 시장의 대부분을 점유하고 있다. 결정질 실리콘 태양전지는 다양한 형상과 재질로 태양전지 구현이 힘들다. 하지만, 박막 실리콘 태양전지는 다양한 형상과 재질로의 구현이 가능하다. 또한 박막 실리콘 태양전지의 실리콘 소재가 무독성이고 소재가 풍부하며 안정적인 장점이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 양면에서 빛의 입사가 가능한 박막 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지는 제 1 광 흡수층, 상기 제 1 광 흡수층의 일면에 배치된 제 1 투명전극, 상기 제 1 투명전극을 덮는 제 1 투명기판, 상기 제 1 광 흡수층의 타면에 배치된 제 2 투명전극, 및 상기 제 2 투명전극을 덮는 제 2 투명기판을 포함하되, 상기 제 1 광 흡수층은 500Å 내지 2000Å두께를 갖는다.
상기 제 1 광 흡수층은 비정질 실리콘층 또는 미세결정 실리콘층일 수 있다.
상기 제 1 광 흡수층은 실리콘-게르마늄, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 탄화물을 포함할 수 있다.
상기 제 1 투명 전극 및 상기 제 2 투명 전극은 ITO, ZnO:Al, ZnO:Ga, 및 SnO2:F, 및 ZnO:B 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 광 흡수층은 차례로 적층된 P층, I층, 및 N층을 포함할 수 있다.
상기 I층은 상기 N층 및 상기 P층보다 두께가 두꺼울 수 있다.
상기 제 1 광 흡수층과 상기 제 2 투명전극 사이에 제 2 광 흡수층을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 광 흡수층은 미세결정 실리콘 또는 미세결정 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다.
상기 제 2 광 흡수층은 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다.
상기 제 1 광 흡수층과 상기 제 2 광 흡수층은 서로 다른 에너지 갭을 가질 수 있다
상기 제 1 광 흡수층의 에너지 갭은 1.1 eV 내지 1.7 eV 일 수 있다.
상기 제 2 광 흡수층의 에어지 갭은 1.5 eV 내지 1.9 eV일 수 있다.
상기 제 2 광 흡수층은 차례로 적층된 P층, I층, 및 N층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지는 상기 박막 실리콘 태양전지의 양면을 투명하게 하여, 양면에 광이 입사되도록 할 수 있다. 양면에서 광이 입사되면, 일면에서 광이 입사되는 것보다 광 입사량이 많아져 상기 박막 실리콘 태양전지의 광효율이 향상될 수 있다. 또한, 광 흡수층의 두께를 얇게 형성하여, 광효율이 높은 투명 박막 실리콘 태양전지를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지에서 일면 또는 양면에서 광이 입사될 때의 전류-전압의 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 박막 실리콘 태양전지(100)는 광 흡수층(120)을 포함한다. 상기 광 흡수층(120)의 일면에 제 1 투명전극(112)과 제 1 기판(110)이 차례로 배치될 수 있다. 상기 광 흡수층(120)의 타면에 제 2 투명전극(132)과 제 2 기판(130)이 차례로 배치될 수 있다.
상기 제 1 기판(110) 및 상기 제 2 기판(130)은 투명한 유리기판일 수 있다. 상기 제 1 기판(110)에 제 1 광(140)이 입사될 수 있고, 상기 제 2 기판(130)에 제 2 광(150)이 입사될 수 있다. 상기 제 1 광(140)은 태양광일 수 있다. 상기 제 2 광(150)은 상기 태양광이 아닌 다른 광 또는 반사된 태양광일 수 있다.
상기 제 1 투명전극(112) 및 상기 제 2 투명전극(132)은 투명한 전도성 물질일 수 있다. 상기 제 1 투명전극(112) 및 상기 제 2 투명전극(132)은 예를 들어, ITO, ZnO:Al, ZnO:Ga, SnO2:F, 및 ZnO:B 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 광 흡수층(120)은 단일층 및/또는 다층일 수 있다. 상기 광 흡수층(120)은 실리콘층일 수 있다. 상세하게, 상기 광 흡수층(120)은 비정질 실리콘층(a-Si:H) 또는 미세결정 실리콘층(μc-Si:H)일 수 있다. 상기 광 흡수층(120)은 실리콘-게르마늄, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 탄화물을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층(120)은 상기 제 1 투명전극(112)과 상기 제 2 투명전극(132) 사이에 배치되어 차례로 적층된 P층(120a), I층(120b), 및 N층(120c) 구조를 포함할 수 있다. 상기 광 흡수층(120)에 포함되어 있는 상기 P층(120a)은 상기 제 1 기판(110)에 근접하게 배치될 수 있다. 이와 다르게, 상기 광 흡수층(120)에 포함되어 상기 N층(120c)은 상기 제 1 기판(110)에 근접하게 배치될 수 있다. 상기 P층(120a)은 p형 불순물을 갖는 실리콘층, 상기 I층(120b)은 불순물이 도핑되지 않은 진성 반도체층, 및 상기 N층(120c)은 n형 불순물을 갖는 실리콘층일 수 있다. 상기 P층(120a)은 예를 들어, 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In)등의 3족 원소에 의해 도핑된 층일 수 있다. 상기 N층(120c)은 예를 들어, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)등의 5족 원소에 의해 도핑된 층일 수 있다. 상기 광 흡수층(120)의 두께는 약 500Å 내지 2000Å일 수 있다. 상기 광 흡수층(120)의 두께가 2000Å 이상일 경우, 태양전지에서의 광의 투과가 어렵기 때문에 투명 태양전지의 구현이 어렵다. 또한, 상기 광 흡수층(120)이 약 500Å 미만일 경우, 상기 광 흡수층(120)의 기능을 구현하기 어렵다. 상기 N층(120c)은 상기 P층(120a)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있고, 상기 I층(120b)은 상기 P층(120a) 및 상기 N층(120c)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 상기 상세하게, 상기 광 흡수층(120)이 약 2000Å의 두께를 가질 경우, 상기 P층(120a)은 약 100 내지 약 180Å, 상기 I층(120b)은 약 1500Å, 및 상기 N층(120c)은 약 250 내지 약 350Å의 두께를 가질 수 있다.
상기 제 1 기판(110)으로 입사한 상기 제 1 광(140)은 상기 제 1 투명전극(112)을 투과하여 상기 광 흡수층(120)에 흡수하게 된다. 상기 제 2 기판(130)으로 입사한 상기 제 2 광(150)은 상기 제 2 투명전극(132)을 투과하여 상기 광 흡수층(120)에 흡수하게 된다. 상기 광 흡수층(120)에 포함되어 있는 상기 I층(120b)에서 상기 N층(120a) 및 상기 P층(120c)에 의해 공핍(depletion)되어 내부에 전기장이 발생되고, 상기 제 1 및 제 2 광(140, 150)에 의하여 상기 I층(120b)에 전자-정공 쌍이 형성된다. 상기 전기장에 의하여 상기 전자는 상기 N층(120a)에 수집되고, 상기 정공은 상기 P층(120c)에 수집되어 전류가 흐르게 된다.
정공은 전자보다 이동도(mobility)가 낮아 P층에서 수집되는 정공의 속도와 N층에서 수집되는 전자의 속도가 다르다. 즉, 광이 조사되는 방향에 따라 태양전지의 광효율이 다르게 된다. 양면에서 광을 입사하기 되면 효과적으로 전자 및 전공의 수집이 가능하여 균일한 광효율을 가질 수 있고, 양면에서 광을 흡수하기 때문에 광효율을 향상시킬 수 있다.
일반적으로 광효율이 높으면 투과도가 낮기 때문에 광효율이 높은 투명 태양전지를 구현하기 어렵다. 이를 해결하기 위하여 상기 광 흡수층(120)의 두께를 얇게 형성하여 양면에서 입사된 광이 최대한 상기 광 흡수층(120)에서 흡수된 후, 상기 광 흡수층(120)에 흡수되지 못한 상기 제 1 광(140)은 상기 제 2 기판(130)을 통해 밖으로 방출되고, 상기 제 2 광(150)은 상기 제 1 기판(110)을 통해 밖으로 방출되어 광효율과 높은 투과도를 갖는 박막 실리콘 태양전지(100)를 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 박막 실리콘 태양전지(200)는 제 1 광 흡수층(220)을 포함한다. 상기 제 1 광 흡수층(220)의 일면 상에 제 1 투명전극(212)과 제 1 기판(210)이 차례로 배치될 수 있다. 상기 제 1 광 흡수층(220)의 타면 상에 제 2 광 흡수층(250), 제 2 투명전극(232), 및 제 2 기판(230)이 차례로 배치될 수 있다.
상기 제 1 기판(210) 및 상기 제 2 기판(230)는 투명한 유리기판일 수 있다. 상기 제 1 기판(210)에 제 1 광(240)이 입사될 수 있고, 상기 제 2 기판(230)에 제 2 광(250)이 입사될 수 있다. 상기 제 1 광(240)은 태양광일 수 있다. 상기 제 2 광(250)은 상기 태양광이 아닌 다른 광일 수 있다. 상기 제 2 광(250)은 예를 들어, 형광등 또는 LED등에서 나오는 광일 수 있다.
상기 제 1 투명전극(212) 및 상기 제 2 투명전극(232)은 투명한 전도성 물질일 수 있다. 상기 제 1 투명전극(212) 및 상기 제 2 투명전극(232)은 예를 들어, ITO, ZnO:Al, ZnO:Ga, SnO2:F, 및 ZnO:B 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 광 흡수층(220)은 미세결정 실리콘층(μc-Si:H) 혹은 비정질 실리콘 일 수 있다. 상세하게, 상기 미세결정 실리콘층(μc-Si:H)은 미세결정 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 상기 제 1 광 흡수층(220)은 차례로 적층된 P층(220a), I층(220b), 및 N층(220c) 구조를 포함할 수 있다. 상기 P층(220a)은 p형 불순물을 갖는 실리콘층, 상기 I층(220b)은 불순물이 도핑되지 않은 진성 반도체층, 및 상기 N층(220c)은 n형 불순물을 갖는 실리콘층일 수 있다. 상기 P층(220a) 및 상기 N층(220c)의 위치는 달라질 수 있다. 따라서, 상기 제 1 광 흡수층(220)은 pin 구조 또는 nip 구조를 가질 수 있다. 상기 제 1 광 흡수층(220)의 두께는 약 500Å 내지 약 2000Å일 수 있다. 상기 N층(220c)은 상기 P층(220a)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있고, 상기 I층(220b)은 상기 P층(220a) 및 상기 N층(220c)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 상세하게, 상기 제 1 광 흡수층(220)이 약 2000Å의 두께를 가질 경우, 상기 P층(220a)은 150Å, 상기 I층(220b)은 1500Å, 및 상기 N층(220c)은 350Å의 두께를 가질 수 있다. 상기 미세결정 실리콘층(c-Si:H)은 약 수십 nm 내지 약 수백 nm의 결정 크기를 가지며, 상기 미세결정 실리콘층(c-Si:H)의 에너지 갭은 약 1.1eV 내지 약 1.7eV이다.
상기 제 2 광 흡수층(225)은 비정질 실리콘층(a-Si:H) 일 수 있다. 상기 제 1 광 흡수층(220)은 예를 들어, 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 상기 제 2 광 흡수층(225)은 P층(225a), I층(225b), 및 N층(225c)를 포함할 수 있다. 상기 제 2 광 흡수층(225)은 상기 제 1 광 흡수층(220)과 동일한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 광 흡수층(220)이 pin 구조를 가지면, 상기 제 2 광 흡수층(225)은 pin 구조를 가지며, 상기 제 1 광 흡수층(220)이 nip 구조를 가지면, 상기 제 2 광 흡수층(225)은 nip 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 광 흡수층(225)은 상기 제 1 광 흡수층(220)과 동일한 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 상기 비정질 실리콘층(a-Si:H)의 에너지 갭은 약 1.5eV 내지 1.9eV이다.
상기 제 1 기판(210)으로 입사한 상기 제 1 광(240)은 상기 제 1 투명전극(212)을 투과하여 상기 제 1 광 흡수층(220)에 흡수하게 된다. 상기 제 1 광(240)은 가시광선, 적외선, 및 자외선을 포함하고 있다. 상기 제 1 광 흡수층(220)은 상기 제 1 광(240)의 상기 가시광선 및 상기 적외선을 최대한으로 흡수할 수 있다.
상기 제 2 기판(230)으로 입사한 상기 제 2 광(250)은 상기 제 2 투명전극(232)을 투과하여 상기 제 2 광 흡수층(225)에 흡수하게 된다. 상기 제 2 광(250)은 형광 또는 LED광으로써 자외선을 포함하고 있다. 상기 제 2 광 흡수층(225)은 상기 제 2 광(250)의 상기 자외선을 최대한으로 흡수할 수 있다. 상기 제 1 광 흡수층(220)에서 흡수되지 않은 상기 제 1 광(240)의 상기 자외선은 상기 제 2 광 흡수층(225)에서 흡수될 수 있으며, 상기 제 2 광 흡수층(250)에서 흡수되지 않은 상기 제 2 광(250)의 일부 광은 상기 제 1 광 흡수층(220)에서 흡수될 수 있다.
태양전지의 양면에 입사되는 광의 파장 크기가 다를 경우, 에너지 갭이 서로 다른 광 흡수층들을 배치하여 광 흡수량을 최대로 할 수 있다. 또한 광 흡수층이 복수로 배치되어 있기 때문에 첫번째 광 흡수층에서 흡수되지 못한 광이 두번째 광 흡수층에서 흡수될 수 있기 때문에 박막 실리콘 태양전지(200)의 광효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지에서 일면 또는 양면에서 광이 입사될 때의 전류-전압의 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, (A)는 일면에서 광이 입사된 태양전지이며, (B)는 양면에서 광이 입사된 태양전지이다.
양면에서 광이 입사된 태양전지(B)가 일면에서 광이 입사된 태양전지(A)보다 많은 광전류를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 입사되는 광의 양의 많아질수록 태양전지 내에 형성되는 광전류의 양이 증가하게 된다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 태양전지
110: 제 1 기판
112: 제 1 투명전극
120: 광 흡수층
120a: P층
120b: I층
130c: N층
130: 제 2 기판
132: 제 2 투명전극
140: 제 1 광
150: 제 2 광

Claims (13)

  1. 제 1 광 흡수층;
    상기 제 1 광 흡수층의 일면에 배치된 제 1 투명전극;
    상기 제 1 투명전극을 덮는 제 1 투명기판;
    상기 제 1 광 흡수층의 타면에 배치된 제 2 투명전극; 및
    상기 제 2 투명전극을 덮는 제 2 투명기판을 포함하되,
    상기 제 1 광 흡수층은 500Å 내지 2000Å두께를 갖는 박막 실리콘 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광 흡수층은 비정질 실리콘층 또는 미세결정 실리콘층인 박막 실리콘 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광 흡수층은 실리콘-게르마늄, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 탄화물을 포함하는 박막 실리콘 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 투명 전극 및 상기 제 2 투명 전극은 ITO, ZnO:Al, ZnO:Ga, 및 SnO2:F, 및 ZnO:B 중 어느 하나로 이루어진 박막 실리콘 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광 흡수층은 차례로 적층된 P층, I층, 및 N층을 포함하는 박막 실리콘 태양전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 I층은 상기 N층 및 상기 P층보다 두께가 두꺼운 박막 실리콘 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광 흡수층과 상기 제 2 투명전극 사이에 제 2 광 흡수층을 더 포함하는 박막 실리콘 태양전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 광 흡수층은 미세결정 실리콘 또는 미세결정 실리콘-게르마늄을 포함하는 박막 실리콘 태양전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 광 흡수층은 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘-게르마늄을 포함하는 박막 실리콘 태양전지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 광 흡수층과 상기 제 2 광 흡수층은 서로 다른 에너지 갭을 갖는 박막 실리콘 태양전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 광 흡수층의 에너지 갭은 1.1 eV 내지 1.7 eV 인 박막 실리콘 태양전지.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 광 흡수층의 에어지 갭은 1.5 eV 내지 1.9 eV 인 박막 실리콘 태양전지.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 광 흡수층은 차례로 적층된 P층, I층, 및 N층을 포함하는 박막 실리콘 태양전지.





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