KR20140091629A - 박막 태양전지 - Google Patents

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이성은
이휘재
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 박막 태양전지는, 기판; 기판 위에 위치하며, 기판에 입사된 광을 출사하는 광 출사면이 복수의 미세 요철을 구비한 텍스처링 표면으로 형성되는 광 투과 전극; 광 투과 전극의 텍스처링 표면 위에 위치하는 제1 전도성 고분자층; 제1 전도성 고분자층 위에 위치하는 광전 변환부; 및 광전 변환부 위에 위치하며, 광전 변환부를 투과한 빛을 광전 변환부로 반사하는 반사 전극을 포함한다.

Description

박막 태양전지{THIN FILM SOLAR CELL}
본 발명은 박막 태양전지에 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 태양전지가 주목 받고 있다.
일반적인 태양전지는 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 태양전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 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 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 박막 태양전지는, 기판; 기판 위에 위치하며, 기판에 입사된 광을 출사하는 광 출사면이 복수의 미세 요철을 구비한 텍스처링 표면으로 형성되는 광 투과 전극; 광 투과 전극의 텍스처링 표면 위에 위치하는 제1 전도성 고분자층; 제1 전도성 고분자층 위에 위치하는 광전 변환부; 및 광전 변환부 위에 위치하며, 광전 변환부를 투과한 빛을 광전 변환부로 반사하는 반사 전극을 포함한다.
제1 전도성 고분자층은 상기 텍스처링 표면 위에 위치하는 복수의 제1 전도성 입자를 포함하며, 제1 전도성 고분자층은 미세 요철의 피크(peak) 부분 및 밸리(valley) 부분 중 적어도 한 부분에 위치한다.
제1 전도성 입자는 폴리(설퍼니트릴)(poly(sulfurnitrile)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(페닐렌 설파이드)(poly(phenylene sulfide)), 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-pheenylenevinylene)으로 형성될 수 있다.
제1 전도성 입자의 굴절률은 광 투과 전극의 굴절률과 다르게 형성될 수 있다. 일례로, 제1 전도성 입자의 굴절률은 광 투과 전극의 굴절률보다 클 수 있다.
광전 변환부는 p-i-n 반도체층을 포함하는 적어도 하나의 광전 변환층을 포함하며, 상기 p형 반도체층은 상기 텍스처링 표면 및 상기 제1 전도성 입자들과 동시에 접촉한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 박막 태양전지는 n형 반도체층과 반사 전극 사이에 위치하는 제2 전도성 고분자층을 더 포함할 수 있다.
반사 전극은 n형 반도체층과 접촉하는 후면 반사층 및 후면 반사층 위에 위치하는 후면 전극층을 포함할 수 있으며, 제2 전도성 고분자층은 n형 반도체층과 후면 반사층 사이에 위치할 수 있다.
제2 전도성 고분자층은 복수의 제2 전도성 입자를 포함하며, 제2 전도성 입자는 폴리(설퍼니트릴)(poly(sulfurnitrile)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(페닐렌 설파이드)(poly(phenylene sulfide)), 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-pheenylenevinylene)으로 형성될 수 있다.
그리고 제2 전도성 입자의 굴절률은 제1 전도성 입자의 굴절률과 동일하게 형성될 수 있다.
통상의 박막 태양전지에 있어서 광 투과 전극의 광 출사면을 텍스처링 표면으로 형성하기 위해 산(acid) 식각액 등을 사용하는 데, 이 경우 텍스처링 표면에 형성된 미세 요철의 형상 및 크기를 균일하게 형성하는 것이 불가능하고, 미세 요철의 형상 및 크기가 매우 제한적으로 형성되므로 태양광의 광 경로를 증가시키는 데 한계가 있다.
또한, 텍스처링 표면 위에 광전 변환부를 형성할 때 크랙(crack) 및 필링(peeling) 현상이 발생하는 문제점이 있다.
하지만, 본원 발명의 박막 태양전지는 텍스처링 표면 위에 전도성 고분자층이 형성되어 있으므로, 광전 변환부의 크랙 및 필링 현상이 억제되며, 광 경로가 증가되어 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
도 2는 전도성 고분자층의 두께 변화에 따른 투과율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
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 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 박막 태양전지에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도로서, 이중 접합형 광전 변환부를 갖는 박막 태양전지의 단면도이다.
박막 태양전지는 기판(100) 위에 순차적으로 적층되는 제1 전극(110), 광전 변환부(PV) 및 제2 전극(120)을 포함한다.
여기에서, 제1 전극(110)은 기판(100)을 통해 입사된 광이 광전 변환부(PV)에 입사되도록 광을 투과시키는 광 투과 전극이며, 제2 전극(120)은 광전 변환부(PV)를 투과한 광을 광전 변환부(PV)로 반사시키는 반사 전극이다.
광 투과 전극(110) 위에 위치하는 광전 변환부(PV)는 기판(100)의 광 입사면으로 입사되는 광을 전기로 변환하는 기능을 하는 것으로, 단일 접합형, 이중 접합형 또는 삼중 접합형 구조 중 하나일 수 있다.
본 실시예에서는 이중 접합형 광전 변환부에 대해 설명하지만, 본 발명의 박막 태양전지는 단일 접합형 구조의 광전 변환부 및 삼중 접합형 구조의 광전 변환부를 구비할 수도 있다.
광전 변환부(PV)는 광 투과 전극(110) 위에 위치하는 제1 광전 변환부(PV1)와, 제1 광전 변환부(PV1)와 반사 전극(120) 사이에 위치하는 제2 광전 변환부(PV2)를 포함한다.
제1 광전 변환부(PV1)는 비정질 실리콘(amorphous silicon: a-Si)을 포함하며, 단파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
이러한 제1 광전 변환부(PV1)는 광 투과 전극(120) 위에 순차적으로 적층된 제1 p형 반도체층(PV1-1), 제1 진성 반도체층(PV1-2), 그리고 제1 n형 반도체층(PV1-3)을 포함한다.
제1 p형 반도체층(PV1-1)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서 제1 p형 반도체층(PV1-1)은 a-Si 또는 a-Si: H로 형성될 수 있다.
제1 진성 반도체층(PV1-2)은 캐리어의 재결합률을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것으로, 전자와 정공과 같은 캐리어가 이곳에서 주로 생성된다. 이러한 제1 진성 반도체층(PV1-2)은 a-Si 또는 a-Si: H로 형성될 수 있고, 약 200nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다.
제1 n형 반도체층(PV1-3)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
이러한 제1 광전 변환부(PV1)는 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 형성될 수 있다.
제1 광전 변환부(PV1)의 제1 p형 반도체층(PV1-1) 및 제1 n형 반도체층(PV1-3)과 같은 반도체층은 제1 진성 반도체층(PV1-2)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인한 광기전력 효과(photovoltatic effect)에 의하여 제1 진성 반도체층(PV1-2)에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다.
예를 들어, 정공은 제1 p형 반도체층(PV1-1)을 통해 광 투과 전극(110) 쪽으로 이동하고, 전자는 제1 n형 반도체층(PV1-3)을 통해 반사 전극(120)쪽으로 이동한다.
제2 광전 변환부(PV2)는 미세 결정 실리콘(μc-Si)을 포함하며, 장파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
제2 광전 변환부(PV2)는 제1 광전 변환부(PV1)의 제1 n형 반도체층(PV1-3) 위에 순차적으로 형성된 제2 p형 반도체층(PV2-1), 제2 진성 반도체층(PV2-2), 그리고 제2 n형 반도체층(PV2-3)을 포함하며, 이 반도체층들은 제1 광전 변환부(PV1)와 동일하게 PECVD와 같은 CVD로 형성될 수 있다.
제2 p형 반도체층(PV2-1)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성된다.
제2 진성 반도체층(PV2-2)은 캐리어의 재결합률을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것이다. 이로 인해, 제2 진성 반도체층(PV2-2)은 인가되는 장파장 대역의 빛을 주로 흡수하여 전자와 전공을 이곳에서 주로 생성한다.
본 실시예에서, 제2 진성 반도체층(PV2-2)은 미세 결정 실리콘(μc- Si) 또는 도핑된 미세 결정 실리콘(μc- Si: H)으로 형성되며, 제2 진성 반도체층(PV2-2)의 두께는 장파장 성분의 태양광을 충분히 흡수하기 위해 제1 진성 반도체층(PV1-2)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
제2 n형 반도체층(PV2-3)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
제2 광전 변환부(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-1) 및 제2 n형 반도체층(PV2-3)은 제2 진성 반도체층(PV2-2)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인하여 생성된 정공은 제2 p형 반도체층(PV2-1)을 통해 광 투과 전극(110) 쪽으로 이동하여 수집되고, 생성된 전자는 제2 n형 반도체층(PV2-3)을 통해 반사 전극(120) 쪽으로 이동하여 수집된다.
광전 변환부(PV) 위에 위치하는 반사 전극(120)은 광전 변환부(PV)에서 흡수되지 못한 빛을 광전 변환부(PV) 쪽으로 반사하는 후면 반사층(120a)과, 금(Au), 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중에서 선택되는 하나의 금속으로 이루어진 후면 전극(120b)으로 형성될 수 있다.
이러한 구조의 박막 태양전지에 있어서, 광 투과 전극(110)의 광 출사면은 텍스처링 표면(110a)으로 형성된다.
텍스처링 표면(110a)은 복수의 미세 요철을 갖는 표면으로서, 광 투과 전극 형성용 물질, 예를 들면 투명 도전성 산화막(TCO, Transparent Conductive Oxide)을 기판(100)의 표면에 증착한 후, 산(acid) 식각액을 이용하여 투명 도전성 산화막을 식각하는 것에 따라 형성된다.
그런데, 상기 미세 요철을 갖는 텍스처링 표면(110a)에 광전 변환부를 증착하면, 미세 요철의 형상으로 인해 광전 변환부에 크랙이 발생하거나 필링 현상이 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 박막 태양전지는 광 투과 전극(110)의 텍스처링 표면 위에 제1 전도성 고분자층(130)을 형성한다.
제1 전도성 고분자층(130)은 미세 요철의 피크(peak) 부분에 위치하는 복수의 제1 전도성 입자(130a)를 포함한다. 따라서, 제1 광전 변환층(PV1)의 제1 p형 반도체층(PV1-1)은 텍스처링 표면(110a) 및 제1 전도성 입자(130a)들과 동시에 접촉한다
제1 전도성 입자(130a)는 전기적, 광학적 특성이 우수한 전도성 고분자, 예컨대 폴리(설퍼니트릴)(poly(sulfurnitrile)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(페닐렌 설파이드)(poly(phenylene sulfide)), 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-pheenylenevinylene)을 스핀 코터(spin coater), 슬릿 코터(slit coater) 등의 코팅 장비를 이용하여 텍스처링 표면 위에 일정한 두께, 예를 들어 100㎚ 내지 450㎚의 두께로 코팅한 후, 사진 공정(photolithography)을 이용하여 형성할 수 있다.
도 2는 전도성 고분자층의 두께 변화에 따른 투과율 특성을 나타내는 그래프를 도시한 것으로, 도 2에 도시한 바에 따르면 전도성 고분자층(130)의 두께가 100㎚ 내지 450㎚일 경우 대략 95% 이상의 광 투과율을 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서, 전도성 고분자층(130)의 제1 전도성 입자(130a)는 대략 100㎚ 내지 450㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기한 전도성 고분자는 사슬모양 결합 구조, 다리걸침 결합 구조 또는 그물모양 결합 구조를 가지며, 분자량이 큰 화합물이므로, 광 투과 전극(110)을 형성하는 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ZnO보다 큰 격자상수(lattice constant)를 갖는다.
제1 전도성 입자(130a)의 굴절률은 광 투과 전극(110)의 굴절률과 다르게 형성될 수 있다. 일례로, 제1 전도성 입자(130a)의 굴절률은 광 투과 전극(110)의 굴절률보다 클 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 박막 태양전지는 광 투과 전극(110)의 텍스처링 표면(110a)에 구비된 미세 요철의 피크 부분에 제1 전도성 입자(130a)가 위치하므로, 텍스처링 표면(110a)에 증착된 광전 변환부(PV)에서 크랙 및 필링 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제1 전도성 입자(130a)가 광 투과 전극(110)과는 다른 굴절률을 가지므로, 입사광의 굴절 또는 난반사 효과가 증가되어 광전 변환부(PV)에 입사되는 빛의 양이 증가한다.
한편, 후면 반사층(120a)에 입사된 빛의 반사율을 개선하기 위해, 본 실시예의 박막 태양전지는 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 n형 반도체층(PV2-3)과 후면 반사층(120a) 사이에 형성된 제2 전도성 고분자층(140)을 더 포함할 수 있다.
하지만, 본 발명의 박막 태양전지는 제2 전도성 고분자층(140)을 포함하지 않을 수도 있다.
제2 전도성 고분자층(140)은 제2 전도성 입자(140a)는 제2 광전 변 환층(PV2)의 제2 n형 반도체층(PV2-3)에 형성된 요철 표면의 피크 부분에 형성된다.
제2 전도성 입자(140a)는 제1 전도성 입자(130a)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 제2 전도성 입자(140a)의 굴절률은 제1 전도성 입자(130a)의 굴절률과 동일하게 형성될 수 있다.
제1 전도성 고분자층(130)에 더하여 제2 전도성 고분자층(140)을 갖는 박막 태양전지는 제2 n형 반도체층(PV2-3)을 투과한 빛의 굴절 및 난반사 효과가 개선되므로, 광전 변환부(PV)에 재입사되는 빛의 양이 증가한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다. 본 실시예에 있어서, 제1 전도성 입자(130a)가 텍스처링 표면(110a)에 구비된 미세 요철의 피크 부분과 밸리 부분에 각각 형성되는 것과, 제2 전도성 입자(140a)가 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 n형 반도체층(PV2-3)에 형성된 요철 표면의 피크 부분과 밸리 부분에 각각 형성되는 것을 제외하면, 나머지 구성은 전술한 도 1의 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 도시하지는 않았지만, 제1 전도성 입자(130a)는 텍스처링 표면(110a)에 구비된 미세 요철의 밸리 부분에만 형성될 수도 있고, 이와 마찬가지로 제2 전도성 입자(140a)는 제2 n형 반도체층(PV2-3)에 형성된 요철 표면의 밸리 부분에만 형성될 수도 있다.
이와는 달리, 제1 전도성 입자(130a)는 텍스처링 표면(110a)에 구비된 미세 요철의 피크 부분과 밸리 부분에 각각 형성되는 반면에, 제2 전도성 입자(140a)는 제2 n형 반도체층(PV2-3)에 형성된 요철 표면의 피크 부분에만 형성되는 것도 가능하다.
이와 같이, 제1 전도성 입자(130a)와 제2 전도성 입자(140a)의 형성 위치는 다양한 형태로 변경될 수 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 (13)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 위치하며, 상기 기판에 입사된 광을 출사하는 광 출사면이 복수의 미세 요철을 구비한 텍스처링 표면으로 형성되는 광 투과 전극;
    상기 광 투과 전극의 상기 텍스처링 표면 위에 위치하는 제1 전도성 고분자층;
    상기 제1 전도성 고분자층 위에 위치하는 광전 변환부; 및
    상기 광전 변환부 위에 위치하며, 상기 광전 변환부를 투과한 빛을 상기 광전 변환부로 반사하는 반사 전극
    을 포함하는 박막 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 전도성 고분자층은 상기 텍스처링 표면 위에 위치하는 복수의 제1 전도성 입자를 포함하는 박막 태양전지.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 전도성 입자는 상기 미세 요철의 피크(peak) 부분에 위치하는 박막 태양전지.
  4. 제2항에서,
    상기 제1 전도성 입자는 상기 미세 요철의 밸리(valley) 부분에 위치하는 박막 태양전지.
  5. 제2항에서,
    상기 제1 전도성 입자는 상기 미세 요철의 피크 부분 및 밸리 부분에 각각 위치하는 박막 태양전지.
  6. 제2항에서,
    상기 복수의 제1 전도성 입자는 폴리(설퍼니트릴)(poly(sulfurnitrile)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(페닐렌 설파이드)(poly(phenylene sulfide)), 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-pheenylenevinylene)으로 형성되는 박막 태양전지.
  7. 제2항에서,
    상기 복수의 제1 전도성 입자의 굴절률은 상기 광 투과 전극의 굴절률과 다르게 형성되는 박막 태양전지.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 광전 변환부는 p-i-n 반도체층을 포함하는 적어도 하나의 광전 변환층을 포함하며, 상기 p형 반도체층은 상기 텍스처링 표면 및 상기 제1 전도성 입자들과 동시에 접촉하는 박막 태양전지.
  9. 제8항에서,
    상기 n형 반도체층과 상기 반사 전극 사이에 제2 전도성 고분자층이 위치하는 박막 태양전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반사 전극은 상기 n형 반도체층과 접촉하는 후면 반사층 및 상기 후면 반사층 위에 위치하는 후면 전극층을 포함하며, 상기 제2 전도성 고분자층은 상기 n형 반도체층과 상기 후면 반사층 사이에 위치하는 박막 태양전지.
  11. 제10항에서,
    상기 제2 전도성 고분자층은 복수의 제2 전도성 입자를 포함하는 박막 태양전지.
  12. 제11항에서,
    상기 복수의 제2 전도성 입자는 폴리(설퍼니트릴)(poly(sulfurnitrile)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(페닐렌 설파이드)(poly(phenylene sulfide)), 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-pheenylenevinylene)으로 형성되는 박막 태양전지.
  13. 제11항에서,
    상기 복수의 제2 전도성 입자의 굴절률은 상기 복수의 제1 전도성 입자의 굴절률과 동일하게 형성되는 박막 태양전지.
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