KR20140091632A - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되며, 비정질 매트릭스 및 상기 비정질 매트릭스에 석출된 미세 결정 반도체를 포함하는 반사 방지막; 상기 반사 방지막 상에 형성되는 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부 상에 형성되는 제2 전극을 포함한다.
Description
본 발명은 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 박막을 적층하여 형성되는 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
다양한 태양 전지 중 박막을 적층하여 형성되는 박막형 태양 전지는 반도체 소모량을 크게 줄일 수 있어 원가가 저렴하다는 장점이 있다 그러나 효율이 낮아 사용화를 위해서는 태양 전지의 효율을 최대화할 수 있도록 설계되는 것이 요구된다.
본 발명은 광 손실을 최소화하여 효율을 향상할 수 있는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되며, 비정질 매트릭스 및 상기 비정질 매트릭스에 석출된 미세 결정 반도체를 포함하는 반사 방지막; 상기 반사 방지막 상에 형성되는 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부 상에 형성되는 제2 전극을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 반사 방지막; 상기 반사 방지막 상에 형성되는 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 태양 전지를 제조하는 태양 전지의 제조 방법으로서, 상기 반사 방지막은 비정질 매트릭스에 미세 결정 반도체가 석출된 형태를 가진다.
본 실시예에 따른 태양 전지 및 이의 제조 방법에서는, 반사 방지막을 구비하여 반사에 의한 광 손실을 최소화하면서도 전기적 특성은 우수하게 유지할 수 있다. 또한, 반사 방지막을 광전 변환부와 동일한 장비 내에서 연속적으로 형성하여 제조 공정을 단순화하고 제조 원가를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 부분 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 잘라본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 5은 본 발명의 변형예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 6은 실험예 1 내지 6, 그리고 비교예 1 및 2에 따라 제조된 반사 방지막에 대한 650nm 파장에서의 굴절률을 도시한 그래프이다.
도 7은 실험예 4에 따른 태양 전지의 단면의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다.
도 8은 실험예 4, 실험예 7, 실험예 8 및 비교예 2에 따른 태양 전지의 반사도를 측정하여 그 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 잘라본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 5은 본 발명의 변형예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 6은 실험예 1 내지 6, 그리고 비교예 1 및 2에 따라 제조된 반사 방지막에 대한 650nm 파장에서의 굴절률을 도시한 그래프이다.
도 7은 실험예 4에 따른 태양 전지의 단면의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다.
도 8은 실험예 4, 실험예 7, 실험예 8 및 비교예 2에 따른 태양 전지의 반사도를 측정하여 그 결과를 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 부분 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 잘라본 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(100)는, 제1 기판(이하 "전면 기판")(10)와, 전면 기판(10)의 위(좀더 상세하게는, 도면에서 전면 기판(10)의 하부면 위)에 형성되는 제1 전극(20), 반사 방지막(70), 광전 변환부(30) 및 제2 전극(40)을 포함한다. 제2 전극(40) 위에 밀봉재(50) 및 제2 기판(이하 "후면 기판")(60)가 더 형성될 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
전면 기판(10)는 광 투과성을 가지며 전면 기판(10)에 형성되는 광전 변환부(20)를 지지할 수 있는 물질로 구성되는 투명 기판을 포함할 수 있다. 일례로, 투명 기판은 유리, 고분자 등의 재질로 구성될 수 있다.
전면 기판(10) 위에는 제1 전극(20)이 형성되고, 제1 전극(20)은 제1 분리부(22)에 의하여 단위 셀(30a, 30b, 30c)에 대응하도록 복수 개로 분리된다.
제1 전극(20)은 전면 기판(10)와 광전 변환부(30) 사이에서 광전 변환부(30)의 일면에 위치하여 광전 변환부(30)에 의하여 생성된 전하가 흐르게 된다. 도면에서는 제1 전극(20)이 전면 기판(10) 및 반사 방지막(70)에 접촉하여 형성되는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 제1 전극(20)과 전면 기판(10)의 사이 및/또는 제1 전극(20)과 반사 방지막(70) 사이에 적어도 하나의 다른 층이 위치할 수도 있다.
제1 분리부(22)는 복수의 제1 전극(20) 사이에서 전면 기판(10)를 노출한다. 제1 분리부(22)는, 일례로, 길게 이어지는 라인 형상을 가질 수 있고, 이에 따라 복수 개의 제1 분리부(22)가 스트라이프 형상을 가질 수 있다. 이는 레이저 등을 이용하여 제1 분리부(22)를 형성할 때 레이저의 이동 방향을 바꾸는 경우 시간이 많이 소요된다는 점을 고려한 것이다. 즉, 본 실시예에서는 제1 분리부(22)가 라인 형상을 가져서 제1 분리부(22)을 형성하는 공정에서 공정 시간을 줄일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 제1 분리부(22)가 제1 전극(20)을 여러 가지 형상으로 구획할 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
본 실시예에서 제1 전극(20)은 광 투과성을 가지면서 전기 전도성을 가지는 투명 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 제1 전극(20)은 아연 산화물(ZnO), 인듐-틴 산화물(indium tin oxide, ITO), 주석 산화물(SnO2)로 이루어지거나, 또는 금속 산화물과 이에 첨가되는 하나 이상의 불순물(일례로, 보론(B), 플루오르(F), 알루미늄(Al) 등)을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 전극(20)이 투명 전도성 물질을 가지는 다양한 물질로 이루어질 수 있다.
제1 전극(20)은, 제1 기판(10) 위에 스퍼터링법, 화학 기상 증착법, 졸-겔 용액을 분사하는 스프레이법 등에 의하여 투명 전도성 물질로 이루어진 층을 형성한 후에, 레이저 등을 이용하여 제1 분리부(22)를 형성하는 것에 의하여 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다양한 방법으로 제1 분리부(22)에 의하여 구획된 복수의 제1 전극(20)을 형성할 수 있음은 물론이다.
제1 기판(10) 및 제1 전극(20) 위에 반사 방지막(70)이 형성된다. 좀더 상세하게는, 반사 방지막(70)은, 제1 전극(20) 위에 형성되며, 제1 분리부(22)이 형성된 부분에서는 제1 분리부(22)를 채우면서 제1 기판(10) 위에 위치하게 된다. 그리고 반사 방지막(70)의 위에 광전 변환부(30)가 위치하게 된다. 이하에서는 광전 변환부(30)를 먼저 설명한 후에 반사 방지막(70)을 좀더 상세하게 설명한다.
반사 방지막(70) 위에 광전 변환부(30)가 위치한다. 반사 방지막(70) 및 광전 변환부(30)에는, 이웃한 단위 셀(30a, 30b, 30c)의 전극을 연결하도록 개구된 제2 분리부(32)가 형성된다.
도면에서는 반사 방지막(70)이 전면 기판(10), 제1 전극(20) 및 광전 변환부(30)에 접촉하여 형성되는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 반사 방지막(70)과 전면 기판(10) 및 제1 전극(20)의 사이 및/또는 반사 방지막(70)과 광전 변환부(30)의 사이에 적어도 하나의 다른 층이 위치할 수도 있다.
제2 분리부(32)는, 제1 분리부(22)와는 다른 위치에서 단위 셀(30a, 30b, 30c) 중 하나의 단위 셀의 제1 전극(20)과 이에 인접한 단위 셀의 제2 전극(40)이 겹쳐지는 부분에서 형성된다. 제2 분리부(32)는 제1 전극(20)을 노출하도록 형성되고, 제2 전극(40)을 형성할 때 제2 전극(40)이 제2 분리부(32)에 채워지도록 하여 이웃한 단위 셀(30a, 30b, 30c)의 제1 전극(20)과 제2 전극(40)이 전기적으로 연결되도록 한다.
제2 분리부(32)는, 일례로, 길게 이어지는 라인 형상을 가질 수 있고, 이에 따라 복수 개의 제2 분리부(32)가 스트라이프 형상을 가질 수 있다. 이는 레이저 등을 이용하여 제2 분리부(22)를 형성할 때 레이저의 이동 방향을 바꾸는 경우 시간이 많이 소요된다는 점을 고려한 것이다. 즉, 본 실시예에서는 제2 분리부(32)가 라인 형상을 가져서 제2 분리부(32)을 형성하는 공정에서 공정 시간을 줄일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 제2 분리부(32)가 제1 전극(20)과 제2 전극(40)을 연결할 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
광전 변환부(30)는, 도 2의 확대원에 도시한 바와 같이, 제1 도전형을 가지는 제1 도전형 반도체층(302), 제1 도전형 반도체층(302) 상에 형성되는 진성 반도체층(304), 그리고 진성 반도체층(304) 상에 형성되며 제2 도전형을 가지는 제2 도전형 반도체층(306)을 포함할 수 있다. 제1 도전형은 n형 또는 p형일 수 있으며, 제2 도전형은 제1 도전형과 반대되는 도전형으로 p형 또는 n형일 수 있다. 이에 의하여 광전 변환부(30)를 구성하는 광전 변환층이 pin 접합 구조를 가지게 된다. 본 실시예에서는 pin 접합 구조를 가지는 광전 변환부(30)가 하나 구비된 것을 예시로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 pin 접합 구조를 가지는 광전 변환부(30)가 복수 개로 구비되어 서로 적층되는 것도 가능하다. 이러한 예는 도 4 및 도 5를 참조하여 추후에 설명한다.
본 실시예에서 반사 방지막(70)은, 비정질 매트릭스(710)와, 비정질 매트릭스(710)에 석출된 미세 결정 반도체(720)를 포함할 수 있다. 그리고 반사 방지막(70)은 제1 도전형 불순물을 포함하여 광전 변환부(30)의 제1 도전형 반도체층(302)과 동일한 도전형을 가질 수 있다.
이때, 비정질 매트릭스(710)는 비정질 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 이와 같이 비정질 매트릭스(710)가 실리콘 기반의 물질로 형성되어 광전 변환부(30)와 유사한 특성을 가져 우수한 접합 특성을 가지도록 하면서, 굴절률을 낮출 수 있는 산소를 포함하여 반사 방지 기능을 수행할 수 있다. 미세 결정 반도체(720)는 터널링(tunneling) 현상에 의하여 전하가 잘 흐르게 하여 전기적 특성을 향상하면서 일정한 굴절률을 구현하기 위한 것이다. 이러한 미세 결정 반도체(720)는, 일례로 미세 결정 실리콘일 수 있다.
본 실시예에서 반사 방지막(70)은 제1 전극(20)의 굴절률과 광전 변환부(30)의 굴절률 사이의 굴절률을 가질 수 있다. 일례로, 투명 전도성 물질을 포함하는 제1 전극(20)의 굴절률이 대략 2.0이고, 비정질 실리콘을 포함하는 광전 변환부(30)의 굴절률이 대략 3.8이므로, 반사 방지막(70)은 2.1 내지 3.4(좀더 상세하게는 2.5 내지 3.0, 일례로, 2.7 내지 2.9)의 굴절률을 가질 수 있다. 그러면, 제1 전극(20)과 광전 변환부(30)의 굴절률 차이에 의한 반사를 최소화할 수 있다. 이에 따라 제1 전극(20)과 광전 변환부(30)의 굴절률 차이에 의한 반사에 의한 대략 7% 비율의 광의 손실을 방지하여 태양 전지(100)의 효율을 향상할 수 있다.
상술한 굴절률을 가지지 위한 반사 방지막(70)에서 산소의 원자비(at%)는 2 내지 12(일례로, 2 내지 6)일 수 있다. 이러한 산소의 원자비는 반사 방지막(70)을 형성할 때 공급하는 산소를 포함하는 가스의 부피비를 조절하는 것에 의하여 제어될 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 반사 방지막(70)은 포함되는 산소의 원자비를 한정하여 반사 방지막(70)이 원하는 굴절률을 가질 수 있도록 한다. 이에 의하여 반사에 의한 광 손실을 쉽게 제어할 수 있다.
그리고 반사 방지막(70)의 두께는 20nm 내지 40nm일 수 있다. 반사 방지막(70)의 두께가 40nm를 초과하면 재료 비용, 제조 공정의 시간 등이 증가될 수 있다. 또한, 반사 방지막(70)의 두께가 20nm 내지 40 nm일 때 태양 전지(100)에 사용되는 광의 반사를 최소화할 수 있다.
또한, 반사 방지막(70)은 제1 전극(20)과 광전 변환부(30) 사이에 위치하므로 전하의 흐름을 방해하지 않도록 일정 수준 이상의 전기 전도도를 가져야 한다. 일례로, 반사 방지막(70)의 전기 전도도는 1.0 X 10-8 S/cm 이상의 값을 가질 수 있다. 이러한 반사 방지막(70)의 전기 전도도는 반사 방지막(70)에 포함된 미세 결정 반도체(720)의 부피 분율에 의하여 제어될 수 있다.
일례로, 반사 방지막(70)에서 미세 결정 반도체(720)의 부피 분율이 10% 내지 30% 일 수 있다. 미세 결정 반도체(720)의 부피 분율이 10% 미만이면 전기적 특성을 향상하는 효과가 크지 않을 수 있다. 미세 결정 반도체(720)의 부피 분율이 30%를 초과하면, 제조에 어려움이 있을 수 있다. 또한, 미세 결정 반도체(720)의 부피 분율이 10% 내지 30%일 때 반사 방지 기능을 구현할 수 있는 적절한 굴절률을 가질 수 있다.
상기 미세 결정 반도체(720)의 크기가 10~40nm일 수 있다. 미세 결정 반도체(720)의 크기가 10nm 작으면 전기 전도도가 낮아질 수 있다. 그리고 미세 결정 반도체(720)의 크기가 10nm 작거나 40nm 크면 원하는 굴절률을 얻기 어려울 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 반사 방지막(70)의 두께, 미세 결정 반도체(720)의 물질, 반도체 매트릭스(710)의 물질 등에 따라 미세 결정 반도체(720)의 크기가 달라질 수 있다.
종래에는 원하는 굴절률을 가지는 반사 방지막을 형성하기 위하여 스퍼터링에 의하여 티타늄 산화물(TiO2)을 증착하는 기술이 제안되었다. 그런데, 스퍼터링 장비는 고가이므로(대략, 스퍼터링 장비 한 대당 50억원 이상) 제조 원가를 상승시키는 요인이 되므로 실제 생산 시에는 크게 적용되기 어려운 상태이다. 또한, 티타늄 산화물을 포함하는 반사 방지막은 광전 변환부(30)에 제2 분리부(32)를 형성할 때 함께 제거되지 않는다. 이는 서로 구성 물질이 다르기 때문이다. 그러면, 제1 전극(20)과 제2 전극(40)이 티타늄 산화물을 포함하는 반사 방지막을 사이에 두고 연결되므로, 티타늄 산화물의 낮은 전기 전도도에 의하여 직렬 저항이 크게 증가할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 티타늄 산화물을 포함하는 반사 방지막 위에 아연 산화물(ZnO) 등의 보호층을 추가로 증착하는 방법 등이 시도되고 있으나, 이 경우에는 원가는 더 상승시킬 수 있으며 전기 전도도도 크게 우수하지 않을 수 있다. 이에 따라 티타늄 산화물을 포함하는 반사 방지막은 실제 모듈 양산 시에는 적용되지 못하는 실정이다.
이에 반해 본 실시예에서는 실리콘을 기반으로 하는 비정질 매트릭스(710)에 높은 전기 전도도를 가지는 미세 결정 반도체(720)를 석출하여 반사 방지막(70)을 형성한다. 이에 의하여 원하는 굴절률을 가지도록 하면서도 미세 결정 반도체(720)에 의하여 높은 전기 전도도를 가질 수 있다. 또한, 반사 방지막(70)과 광전 변환부(30)가 동일한 구성 물질을 포함하므로, 광전 변환부(30)에 제2 분리부(32)를 형성할 때 반사 방지막(70)에도 제2 분리부(32)가 형성될 수 있다. 그러면, 제1 전극(20)과 제2 전극(40)이 서로 접촉하여 형성되어 전기적 특성을 저하하지 않으면서 제1 전극(20) 및 제2 전극(40)이 위치할 수 있다. 실시예에 따라 반사 방지막(70)이 제1 전극(20)과 제2 전극(40) 사이에 위치하는 것도 가능한데, 이 경우에도 반사 방지막(70)이 우수한 전기 전도도를 가지므로 전기적 특성이 저하되지 않는다.
이와 같이 본 실시예에서는 반사 방지막(70)에 의하여 반사를 방지하면서도 태양 전지(100)의 전기적 특성을 우수하게 유지할 수 있다.
본 실시예에서 반사 방지막(70) 및 광전 변환층(30)은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다. 일례로, 반사 방지막(70) 및 광전 변환층(30)은 화학 기상 증착법(CVD)에 의하여 형성될 수 있다. 이때, 반사 방지막(70)은 광전 변환층(30)을 형성하는 장비 내에서 공정 조건(일례로, 전력, 증착 압력, 원료 가스의 혼합 비율)을 최적화하는 것에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 반사 방지막(70) 및 광전 변환층(30)은 공정 조건을 다르게 하는 것에 의하여 동일 장비 내에서 연속적으로 형성될 수 있다. 이에 따라 반사 방지막(70)을 형성하기 위한 별도의 장비 등이 필요하지 않으므로 제조 공정을 단순화하고 비용을 절감할 수 있다.
화학 기상 증착법에서 반사 방지막(70)를 형성하기 위한 공정 조건을 좀더 상세하게 설명한다. 챔버 내를 진공 상태로 유지하면서 실리콘을 포함하는 가스, 산소를 포함하는 가스, 수소 가스를 유입하면서 전극에 전압을 인가하여 비정질 실리콘 산화물로 구성되는 비정질 매트릭스(710)에 실리콘으로 구성되는 미세 결정질 반도체(720)가 석출되도록 할 수 있다. 이때, 반사 방지막(70)이 원하는 도전형을 가질 수 있도록 챔버 내로 제1 도전형 불순물을 포함하는 가스(일례로, PH3, B2H6) 등이 같이 유입될 수 있다.
일례로, 실란을 포함하는 가스로는 실란 가스(SiH4)를 사용할 수 있고, 산소를 포함하는 가스로는 이산화탄소 가스(CO2)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 실리콘 및 산소를 각기 제공하기 위한 다른 가스를 제공할 수도 있다. 일례로, 산소를 제공하기 위한 다른 가스로는 산소 가스(O2), 산화 질소 가스(N2O), 일산화탄소 가스(CO) 등을 사용할 수 있다. 수소 가스는 막 내에서 댕글링 본드(dangling bond) 등과 같은 결함을 줄이는 역할을 함과 동시에 미세 결정질 반도체(720)를 형성할 수 있도록 한다. 좀더 상세하게는, 수소 가스의 양이 많아질 수록 미세 결정질 반도체(720)의 생성을 촉진할 수 있다.
이때, 화학 기상 증착 시 사용되는 전력은 대략 0.1 내지 0.3 W/cm2일 수 있다. 전력이 0.3 W/cm2을 초과하면 생성된 반사 방지막(70)의 결함이 많아질 수 있고, 전력이 0.1W/cm2 미만이면 미세 결정질 반도체(720)가 충분하게 형성되지 않을 수 있다. 그러나 본 발명이 이러한 수치에 한정되는 것은 아니다. 그리고 증착 압력은 1~10 torr일 수 있다. 그러나 이는 일례로 제시한 것에 불과할 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서는 수소 가스의 부피비를 종래보다 크게 하여 미세 결정질 반도체(720)가 충분하게 석출될 수 있도록 한다. 일례로, 실란 가스에 대한 수소 가스의 부피비(H2/SiH4)이 50~300일 수 있다. 상기 부피비(H2/SiH4)가 300을 초과할 경우에는 증착 속도가 낮아질 수 있고, 상기 부피비(H2/SiH4)가 50 미만일 경우에는 미세 결정질 반도체(720)가 충분하게 만들어지지 않을 수 있다. 증착 속도를 증가시키면서도 미세 결정질 반도체(720)를 충분히 형성하기 위하여 상기 부피비(H2/SiH4)가 100 내지 200일 수 있다. 그러나 본 발명이 이러한 수치에 한정되는 것은 아니다.
그리고 실란 가스에 대한 이산화탄소 가스의 부피비(CO2/SiH4)이 0.2 내지 1.0 (좀더 구체적으로는 0.4 내지 0.9)일 수 있다. 상기 부피비(CO2/SiH4)이 0.2 미만이면 굴절률이 너무 커질 수 있다. 상기 부피비(CO2/SiH4)이 1.0를 초과하면 굴절률이 작아질 수 있으며 미세 결정질 반도체(720)가 충분하게 만들어지지 않을 수 있다. 그러나 본 발명이 이러한 수치에 한정되는 것은 아니다.
그리고 실란 가스에 대한 제1 도전형 불순물을 포함하는 가스(일례로, 본 실시예에서는 p형 도전형을 위하여 B2H6을 사용함)의 부피비(B2H6/SiH4)가 0.1 내지 1일 수 있다. 상기 부피비(B2H6/SiH4)가 0.1 미만이면 도핑이 되지 않을 수 있고, 상기 부피비(B2H6/SiH4)가 1 미만이면 미세 결정질 반도체(720)가 형성되지 않을 수 있다.
그러나 상술한 수치 범위 들은 일 예로서 제시된 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 원료 가스의 종류, 공급되는 전력 등이 달라지거나, 생성된 반사 방지막(70)에서 요구되는 굴절률, 성분 등의 차이가 발생하면, 이에 따라 상술한 수치 범위들은 다양하게 변경될 수 있다.
광전 변환부(30)는 산소를 포함하는 가스를 사용하지 않고, 실리콘을 포함하는 가스 및 수소 가스만을 이용한 화학 기상 증착법에 의하여 형성될 수 있다. 광전 변환부(30)의 제조를 위한 공정 조건 등은 알려진 다양한 공정 조건을 사용할 수 있다.
반사 방지막(70) 및 광전 변환층(20)에 형성되는 제2 분리부(32)는 레이저 스크라이빙 등에 의하여 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다양한 방법으로 제2 분리부(32)에 의하여 구획된 복수의 광전 변환부(30)을 형성할 수 있음은 물론이다. 그리고 반사 방지막(70) 및 광전 변환부(30)에는 제3 분리부(42)가 형성되는데, 제3 분리부(42)는 제2 전극(40)을 형성한 다음 반사 방지막(70), 광전 변환부(30) 및 제2 전극(40)의 일부를 제거하여 형성되는 것이다. 따라서, 제3 분리부(42)에 대해서는 제2 전극(40)를 설명한 다음 좀더 상세하게 설명한다.
제1 전극(20) 및 광전 변환부(30) 위에 제2 전극(40)이 위치한다. 구체적으로 제2 전극(40)은 제1 전극(20) 및 광전 변환부(30) 위에서 제2 분리부(32)를 채우면서 제3 분리부(42)에 의하여 단위 셀(30a, 30b, 30c)에 대응하여 복수 개로 분리된다.
제2 전극(40)은 광전 변환부(30)와 밀봉재(50)(또는 후면 기판(60))의 사이에서 광전 변환부(30)의 타면에 위치하여 광전 변환부(30)에 의하여 생성된 전하가 흐르게 된다. 도면에서는 제2 전극(40)이 광전 변환부(30) 및 밀봉재(50)에 접촉하여 형성되는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 광전 변환부(30)와 제2 전극(40)의 사이 및/또는 제2 전극(40)과 밀봉재(50)의 사이에 적어도 하나의 다른 층이 위치할 수도 있다. 일례로, 광전 변환부(30)와 제2 전극(40) 사이에는 접합 특성을 향상하기 위한 투명 전극층(도시하지 않음) 등이 더 형성될 수 있다.
제3 분리부(42)는 복수의 제2 전극(40) 사이에서 제1 전극(20)을 노출하도록 형성된다. 즉, 제3 분리부(42)는 광전 변환부(30) 및 제2 전극(40)을 관통하여 형성되며 이들을 단위셀(30a, 30b, 30c)에 대응하도록 분리하는 역할을 한다. 제3 분리부(42)는, 일례로, 길게 이어지는 라인 형상을 가질 수 있고, 이에 따라 복수 개의 제3 분리부(42)가 스트라이프 형상을 가질 수 있다. 이는 레이저 등을 이용하여 제3 분리부(42)를 형성할 때 레이저의 이동 방향을 바꾸는 경우 시간이 많이 소요된다는 점을 고려한 것이다. 즉, 본 실시예에서는 제3 분리부(42)가 라인 형상을 가져서 제3 분리부(42)을 형성하는 공정에서 공정 시간을 줄일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 제3 분리부(42)가 제2 전극(40)을 여러 가지 형상으로 구획할 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
제2 전극(40)은 제1 전극(20)보다 광 투과도가 낮고 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 그리고 제2 전극(40)은 반사 특성이 제1 전극(20)보다 우수할 수 있다. 그러면, 전면 기판(10)를 통과하여 입사한 광을 반사시켜 재사용할 수 있다.
이러한 특성을 만족할 수 있도록 제2 전극(40)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 제2 전극(40)은 은, 알루미늄, 금, 니켈, 크롬, 티타늄, 팔라듐, 또는 이들의 합금을 포함하는 단일 또는 복수의 층을 포함할 수 있다.
이와 같이 제2 전극(40)은 금속 전극 등으로 이루어져 광 투과 특성이 낮은 편이므로 제2 전극(40)이 형성된 부분으로는 광이 투과하기 어려우며 제2 전극(40)이 형성되지 않은 부분(즉, 제3 분리부(42)가 형성된 부분)으로 광이 투과된다. 즉, 제3 분리부(42)가 실질적으로 광 투과 부분(34)을 구성하게 된다.
제2 전극(40)은, 스퍼터링법, 스크린 인쇄법, 잉크젯법, 디스펜싱법, 도금법 등의 다양한 방법에 의하여 금속 물질로 이루어진 층을 형성한 후에, 레이저 등을 이용하여 제3 분리부(42)를 형성하는 것에 의하여 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다양한 방법으로 제3 분리부(42)에 의하여 구획된 복수의 제2 전극(40)을 형성할 수 있음은 물론이다.
이와 같은 구조에 의하여 복수의 단위 셀(30a, 30b, 30c)이 서로 직렬로 연결된다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 단위 셀(30a, 30b, 30c)이 병렬, 직병렬 등 다양한 방식으로 연결될 수 있다.
그리고 제1 전극(20), 광전 변환부(30) 및 제2 전극(40)의 위에는 밀봉을 위한 밀봉재(50)와, 후면 기판(60)가 더 위치할 수 있다. 밀봉재(50)는 라미네이션에 의해 접착되어, 태양 전지(100)에 악영향을 미칠 수 있는 수분이나 산소를 차단하며, 태양 전지(100)의 각 요소들이 화학적으로 결합할 수 있도록 한다.
이러한 밀봉재(50)로는 에틸렌초산비닐 공중합체 수지(EVA), 폴리비닐부티랄(PVB), 규소 수지, 에스테르계 수지, 올레핀계 수지 등이 사용될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 밀봉재(50)는 그 외 다양한 물질을 이용하여 라미네이션 이외의 다른 방법에 의하여 형성될 수 있다.
후면 기판(60)는 광전 변환부(30)를 지지하고 외부 충격으로부터 보호하는 역할을 하는 것이다. 후면 기판(60)는 기판, 필름, 시트 등의 형태를 가질 수 있으며, 유리, 고분자 등의 재질로 구성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 후면 기판(60)를 별도로 구비하지 않는 것도 가능하다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 반사 방지막(70)을 구비하여 반사에 의한 광 손실을 최소화하면서도 전기적 특성은 우수하게 유지할 수 있다. 또한, 반사 방지막(70)을 광전 변환부(30)와 동일한 장비 내에서 연속적으로 형성하여 제조 공정을 단순화하고 제조 원가를 절감할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예들에 따른 태양 전지를 좀더 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에서는 제1 전극(20), 반사 방지막(70), 광전 변환부(30) 등의 표면에 텍스쳐링에 의한 요철을 형성한다. 텍스쳐링에 의해 제1 전극(20), 반사 방지막(70)의 광전 변환부(30) 등의 표면에 요철이 형성되어 표면 거칠기가 증가되면, 입사되는 광의 반사율을 더욱 저감할 수 있다. 따라서 광전 변환부(30)까지 도달하는 광량을 증가시킬 수 있어, 광 손실을 최소화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이고, 도 5은 본 발명의 변형예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 4 및 도 5을 참조하면, 본 실시예에서는 광전 변환부(30)가 복수 개로 구비된다. 일례로, 도면에서는 pin 접합 구조의 제1 내지 제3 광전 변환부(310, 320, 330)가 3개 적층된 것을 예시하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 내지 제3 광전 변환부(310, 320, 330)의 사이에는 중간층(312, 322)이 위치하여 제1 내지 제3 광전 변환부(310, 320, 330)의 접촉 특성을 향상할 수 있다. 이러한 중간층(312, 322)은 투명 전도성 물질 등을 포함할 수 있다.
이때, 도 4에 도시한 바와 같이, 제2 분리부(32)가 제1 내지 제3 광전 변환부(310, 320, 330)에 각기 형성된 복수의 제2 분리부(32a, 32b, 32c)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 광전 변환부(310)에 형성된 제2 분리부(32a)에는 제2 광전 변환부(320)가 채워지게 되고, 제1 및 제2 광전 변환부(310, 320)에 형성된 제2 분리부(32b)에는 제3 광전 변환부(330)가 채워지게 되며, 제1 내지 제3 광전 변환부(310, 320, 330)에 형성된 제3 분리부(32c)에는 제2 전극(40)이 채워지게 된다. 서로 이격된 제1 내지 제3 분리부(32a, 32b, 32c)에 의하여 중간층(312, 322)에 의하여 불필요한 쇼트 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또는, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제3 광전 변환부(310, 320, 330)를 관통하는 제2 분리부(32)를 하나로만 구성할 수도 있다.
이와 같이 복수의 광전 변환부(310, 320, 330)를 구비하게 되면 밴드 갭을 서로 다르게 하여 서로 다른 파장의 광을 흡수하여 광전 변환이 일어나도록 한다. 그러면, 광의 대부분의 파장을 사용할 수 있어 광 손실을 최대화하여 태양 전지의 효율을 극대화할 수 있다.
이하, 본 발명의 실험예를 참조하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 아래의 실험예는 본 발명의 예시를 위하여 제시한 것에 불과할 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예
1
투명 기판으로 이루어진 전면 기판 위에 제1 전극, 반사 방지막, 광전 변환부 및 제2 전극을 차례로 형성하고, 이 위에 밀봉재 및 후면 기판부를 위치시켜 태양 전지를 제조하였다.
이때, 반사 방지막은 실란 가스, 이산화탄소, 제1 도전형 불순물을 포함하는 가스(B2H6)를 이용하는 화학 기상 증착법에 의하여 형성되며, 사용되는 전력은 0.1W/cm2이고, 실란 가스에 대한 수소 가스의 부피비(H2/SiH4)가 100이고, 실란 가스에 대한 이산화탄소 가스의 부피비(CO2/SiH4)가 0.2이고, 실란 가스에 대한 제1 도전형 불순물을 포함하는 가스의 부피비(B2H6/SiH4)가 0.2이었다. 이때, 제조된 반사 방지막의 두께가 35nm였다.
실험예
2
반사 방지막을 형성할 때 실란 가스에 대한 이산화탄소 가스의 부피비(CO2/SiH4)가 0.3이었다는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실험예
3
반사 방지막을 형성할 때 실란 가스에 대한 이산화탄소 가스의 부피비(CO2/SiH4)가 0.4이었다는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실험예
4
반사 방지막을 형성할 때 실란 가스에 대한 이산화탄소 가스의 부피비(CO2/SiH4)가 0.5이었다는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실험예
5
반사 방지막을 형성할 때 실란 가스에 대한 이산화탄소 가스의 부피비(CO2/SiH4)가 0.8이었다는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실험예
6
반사 방지막을 형성할 때 실란 가스에 대한 이산화탄소 가스의 부피비(CO2/SiH4)가 1.0이었다는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실험예
7
반사 방지막의 두께가 30nm였다는 점을 제외하고는 실험예 4와 동일한 방법에 의하여 태양 전지를 제조하였다.
실험예
8
반사 방지막의 두께가 25nm였다는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법에 의하여 태양 전지를 제조하였다.
비교예
1
반사 방지막을 형성할 때 실란 가스에 대한 이산화탄소 가스의 부피비(CO2/SiH4)이 1.2이었다는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
비교예
2
이산화탄소 가스를 공급하지 않고 반사 방지막을 형성하지 않았다는 점(즉, 부피비(CO2/SiH4)가 0)이었다는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실험예 1 내지 6, 그리고 비교예 1 및 2에 따라 제조된 반사 방지막에 대한 650nm 파장에서의 굴절률을 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 실란 가스에 대한 이산화탄소 가스의 부피비(CO2/SiH4)가 0.2 내지 1.0인 실험예 1 및 6에서는 굴절률이 대략 2.4 내지 3.4의 값을 가져 제1 전극과 광전 변환부 사이에 위치하게 적합한 굴절률을 가지는 반사 방지막이 형성되었음을 알 수 있다. 반면, 부피비(CO2/SiH4)가 1.2인 비교예 1에서는 굴절률이 2.0 수준으로 낮아져 제1 전극과 유사한 수준을 가지므로 반사 방지에 적합하지 않는 굴절률을 가지는 반사 방지막이 제조되었음을 알 수 있다. 그리고 부피비(CO2/SiH4)가 0인 비교예 2에서는 굴절률이 3.6을 초과하여 반사 방지에 적합하지 않은 굴절률을 가지는 반사 방지막이 제조되었음을 알 수 있다.
그리고 실험예 4에 따른 태양 전지의 단면의 투과 전자 현미경(TEM) 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7을 참조하면, 실리콘을 포함하는 미세 결정 반도체 및 비정질 실리콘 산화물을 포함하는 비정질 매트릭스로 구성된 반사 방지막이 형성되었음을 알 수 있다.
또한, 실험예 4, 실험예 7, 실험예 8 및 비교예 2에 따른 태양 전지의 반사도를 측정하여 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8을 참조하면, 미세 결정질 실리콘이 석출된 반사 방지막이 형성된 실험예 4, 7 및 8의 태양 전지의 반사도가 비교예 2의 태양 전지의 반사도보다 낮음을 알 수 있다. 이에 의하여 본 발명에 따르면 태양 전지에 입사하는 광의 반사를 줄여 효율을 향상할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 태양 전지
10: 전면 기판
20: 제1 전극
30: 광전 변환층
40: 제2 전극
50: 밀봉재
60: 후면 기판
70: 반사 방지막
10: 전면 기판
20: 제1 전극
30: 광전 변환층
40: 제2 전극
50: 밀봉재
60: 후면 기판
70: 반사 방지막
Claims (20)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되며, 비정질 매트릭스 및 상기 비정질 매트릭스에 석출된 미세 결정 반도체를 포함하는 반사 방지막;
상기 반사 방지막 상에 형성되는 광전 변환부; 및
상기 광전 변환부 상에 형성되는 제2 전극
을 포함하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 비정질 매트릭스가 비정질 실리콘 산화물을 포함하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 반사 방지막에서 상기 미세 결정 반도체의 부피 분율이 10% 내지 30%인 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 반사 방지막의 굴절률이 2.1 내지 3.4인 태양 전지. - 제4항에 있어서,
상기 반사 방지막의 굴절률이 2.5 내지 3.0인 태양 전지. - 제2항에 있어서,
상기 반사 방지막에서 산소의 원자비가 2% 내지 12%인 태양 전지. - 제6항에 있어서,
상기 반사 방지막에서 산소의 원자비가 2% 내지 6%인 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 미세 결정 반도체가 미세 결정 실리콘을 포함하는 태양 전지. - 제8항에 있어서,
상기 미세 결정 반도체의 크기가 10~40nm인 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 반사 방지막의 두께가 20~40nm인 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 제1 분리부에 의하여 복수 개로 분리되고,
상기 반사 방지막 및 상기 광전 변환부는 상기 제1 분리부와 어긋나는 위치에 형성되는 제2 분리부에 의하여 복수 개로 분리되고,
상기 제2 전극은 상기 제2 분리부를 채우면서 상기 광전 변환부 위에 형성되는 태양 전지. - 제11항에 있어서,
상기 제2 전극이 상기 제1 전극에 접촉하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 광전 변환부는, 상기 반사 방지막 위에 차례로 형성되는 제1 도전형 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 반사 방지막이 상기 제1 도전형 반도체층과 동일한 도전형을 가지는 태양 전지. - 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 반사 방지막; 상기 반사 방지막 상에 형성되는 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 태양 전지를 제조하는 태양 전지의 제조 방법에 있어서,
상기 반사 방지막은 비정질 매트릭스에 미세 결정 반도체가 석출된 형태를 가지는 태양 전지의 제조 방법. - 제14항에 있어서,
상기 반사 방지막은, 수소 가스, 실리콘을 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스를 이용한 화학 기상 증착법에 의하여 형성되는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 실리콘을 포함하는 가스는 실란 가스를 포함하고,
상기 산소를 포함하는 가스는 이산화탄소 가스를 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 실란 가스에 대한 상기 수소 가스의 부피비가 50~300인 태양 전지의 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 실란 가스에 대한 상기 이산화탄소 가스의 부피비가 0.2 내지 1.0인 태양 전지의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 반사 방지막 및 상기 광전 변환층은 동일한 장비 내에서 연속적으로 형성되는 태양 전지의 제조 방법. - 제19항에 있어서,
상기 반사 방지막은, 수소 가스, 실리콘을 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스를 이용한 화학 기상 증착법에 의하여 형성되고,
상기 광전 변환층은, 수소 가스 및 실리콘을 포함하는 가스를 이용한 화학 기상 증착법에 의하여 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
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| KR1020130003410A KR20140091632A (ko) | 2013-01-11 | 2013-01-11 | 태양 전지 및 이의 제조 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104993001A (zh) * | 2015-06-29 | 2015-10-21 | 浙江正泰太阳能科技有限公司 | 选择性滤光膜、制备方法以及太阳能电池组件 |
-
2013
- 2013-01-11 KR KR1020130003410A patent/KR20140091632A/ko not_active Application Discontinuation
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