KR20150055168A - 실리콘 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지는 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 배치된 하부 광 흡수층, 상기 하부 광 흡수층 상에 배치된 상부 광 흡수층; 및 상기 하부 광 흡수층과 상기 상부 광 흡수층 사이에 제공된 중간 반사층을 포함하되, 상기 중간 반사층은 구리 산화물을 포함한다.
Description
본 발명은 실리콘 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중간 반사층을 포함하는 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
실리콘 박막 기반의 태양전지는 실리콘 소재의 풍부성과 기판 소재의 다양성 및 열적 안정성의 장점을 가지고 있다. 더불어, 외부 환경에 구애 받지 않고 실외 및 실내에서도 발전이 가능하다. 그러나 실리콘 박막 기반의 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지에 비해 광변환 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 에너지 밴드갭이 서로 다른 복수 개의 광 흡수층들(예를 들어, 비정질 실리콘-미세결정 실리콘 또는 비정질 실리콘-비정질 실리콘 게르마늄)을 직렬로 적층한 실리콘 태양전지를 제작하였다. 상기 실리콘 태양전지는 광 흡수층들과 상기 광 흡수층들 사이에 중간 반사층이 제공된다. 상기 중간 반사층은 상부 광 흡수층에 효과적으로 빛을 반사시키는 역할을 수행하고, 하부 광 흡수층에 효과적으로 빛을 투과시키는 역할을 수행하여 실리콘 태양전지의 효율을 향상시키는 기능을 갖는다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고효율의 실리콘 태양전지를 제공하는데 있다.
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 실시예에 따른 실리콘 태양전지는 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 배치된 하부 광 흡수층, 상기 하부 광 흡수층 상에 배치된 상부 광 흡수층; 및 상기 하부 광 흡수층과 상기 상부 광 흡수층 사이에 제공된 중간 반사층을 포함하되, 상기 중간 반사층은 구리 산화물을 포함한다.
상기 구리 산화물은 CuO, Cu2O, 또는 CuOx를 포함하되, 상기 화학식에서 x는 0.1 이상 2 이하의 실수일 수 있다.
상기 중간 반사층은 상기 하부 광 흡수층 상에 차례로 적층된 제 1 중간 반사층 및 제 2 중간 반사층을 포함하되, 상기 제 2 중간 반사층은 구리 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제 1 중간 반사층은 실리콘(Si), 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 탄화물(SiCx), 실리콘 질화물(SiNx), 산화아연(ZnO), ITO(Indium Tin Oxide), ZnO:Ga, ZnO:Ga, ZnO:Al, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag)을 포함할 수 있다.
상기 중간 반사층은 1Å 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 중간 반사층은 단파장의 광을 반사시켜 상기 상부 광 흡수층에서 투과된 상기 단파장의 광을 상기 상부 광 흡수층으로 재흡수시키며, 장파장의 광을 선택적으로 투과하여 상기 하부 광 흡수층에 상기 장파장의 광을 제공할 수 있다.
상기 중간 반사층은 복수의 산화 구리막들을 포함할 수 있다.
상기 산화 구리막들은 서로 다른 산소의 조성을 가질 수 있다.
상기 산화 구리막들은 상기 하부 광 흡수층과 접하는 하부 산화 구리막, 상기 상부 광 흡수층과 접하는 상부 산화 구리막 및 상기 하부 산화 구리막과 상기 상부 산화 구리막 사이에 중간 산화 구리막들을 포함하되, 상기 산소의 조성은 상기 상부 산화 구리막에서 상기 하부 산화 구리막으로 갈수록 점진적으로 높아질 수 있다.
상기 산화 구리막들은 상기 하부 광 흡수층과 접하는 하부 산화 구리막, 상기 상부 광 흡수층과 접하는 상부 산화 구리막 및 상기 하부 산화 구리막과 상기 상부 산화 구리막 사이에 중간 산화 구리막들을 포함하되, 상기 산소의 조성은 상기 상부 산화 구리막에서 상기 하부 산화 구리막으로 갈수록 점진적으로 낮아질 수 있다.
상기 중간 반사층은 2.0 내지 3.0의 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지는 다른 파장대의 광이 하부 광 흡수층 및 상부 광 흡수층에 효과적으로 흡수되기 위해, 상기 하부 광 흡수층과 상기 상부 광 흡수층 사이에 산화 구리 화합물로 이루어진 상기 중간 반사층을 배치할 수 있다. 따라서, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 구리 산화물을 포함하는 중간 반사층을 사용한 실리콘 태양전지의 단락전류-개방전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 구리 산화물을 포함하는 중간 반사층을 사용한 실리콘 태양전지의 단락전류-개방전압 특성을 나타낸 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 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실리콘 태양전지는 제 1 전극(101), 하부 광 흡수층(103), 중간 반사층(105), 상부 광 흡수층(107), 및 제 2 전극(108)을 포함한다.
상기 제 1 전극(101) 상에 상기 하부 광 흡수층(103)이 배치된다. 상기 제 1 전극(101)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 1 전극(101)은 상기 하부 광 흡수층(103)에 흡수된 광이 외부로 빠져나가지 못하도록 반사하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 하부 광 흡수층(103)은 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 상기 하부 광 흡수층(103)은 예를 들어, 비정질 실리콘, 미세결정 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄, 또는 미세결정 실리콘 게르마늄을 포함할 수 있다. 상기 하부 광 흡수층(103)은 상기 상부 광 흡수층(107)보다 에너지 밴드갭이 작을 수 있으며, 장파장의 광을 흡수할 수 있다.
상기 하부 광 흡수층(103) 상에 상부 광 흡수층(107)이 배치된다. 상기 상부 광 흡수층(107)은 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 상기 상부 광 흡수층(107)은 예를 들어, 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄, 비정질 실리콘 옥사이드(SiOx)를 포함할 수 있다. 상기 상부 광 흡수층(107)은 상기 하부 광 흡수층(103)보다 에너지 밴드갭이 클 수 있으며, 단파장의 광을 흡수할 수 있다.
상기 하부 광 흡수층(103)과 상기 상부 광 흡수층(107) 사이에 중간 반사층(105)이 제공된다. 상기 중간 반사층(105)은 단파장의 광은 반사시키고 장파장의 광은 투과시키는 기능을 가질 수 있다. 상기 중간 반사층(105)은 산화 구리 화합물(예를 들어, CuO, Cu2O, CuOx(x는 0.1부터 2까지의 실수))을 포함할 수 있다.
상기 산화 구리 화합물은 산소의 조성을 조절하여 상기 산화 구리 화합물의 굴절률, 전기 전도도, 및 전기 전도성의 형태를 변화시킬 수 있다. 통상적으로, 상기 산소의 조성이 높을수록 상기 산화 구리 화합물의 저항 및 투과도가 커지고, 상기 산소의 조성이 낮을수록 상기 산화 구리 화합물의 저항 및 투과도가 낮아진다.
한편, 상기 중간 반사층(105)의 두께를 얇게 형성하면, 상기 중간 반사층(105)의 기능을 상실하지 않는 범위 내에서 상기 산화 구리 화합물의 투과도 및 전기 전도도를 조절할 수 있다. 상기 중간 반사층(105)은 약 1Å 내지 약 100nm 두께를 가질 수 있다. 상기 중간 반사층(105)은 약 2.0 내지 약 3.0의 굴절률을 가질 수 있다.
상기 산화 구리 화합물의 산소의 조성은 증착 방법 또는 공정 조건에 따라 조절할 수 있다. 상기 중간 반사층(105)은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition; PVD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 스퍼터링 증착법(Sputtering Deposition), 원자 층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD), 졸-젤법(Sol-Gel), 산화공정 또는 펄스 레이저 증착법(Pulse-Laser Deposition; PLD)으로 형성될 수 있다.
상기 상부 광 흡수층(107) 상에 상기 제 2 전극(108)이 배치된다. 상기 제 2 전극(108)은 상기 태양전지의 윈도우(window) 기능을 하기 위하여 광 투과율이 높고 전기 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 상기 제 2 전극(108)은 예를 들어, 투명 전도성 산화물(예를 들어, 주석계 산화물, 인듐계 산화물, 아연계 산화물)을 포함할 수 있다.
상기 제 2 전극(108) 상에 투명 기판(109)이 배치된다. 상기 투명 기판(109)은 소다라임 유리 또는 코닝 유리를 포함할 수 있다.
광은 상기 투명 기판(109)을 통해 투과되고, 상기 상부 광 흡수층(107) 및 상기 하부 광 흡수층(103)에 흡수되어 전기로 변환된다. 이때, 상기 상부 광 흡수층(107)과 상기 하부 광 흡수층(103)은 서로 다른 에너지 밴드갭을 가져, 상기 상부 광 흡수층(107)과 상기 하부 광 흡수층(103) 각각에 서로 다른 파장대의 광을 흡수하게 된다.
다른 파장대의 광들을 상기 하부 및 상부 광 흡수층들(103, 107)에 효과적으로 흡수시키기 위해, 산화 구리 화합물로 이루어진 상기 중간 반사층(105)을 사용할 수 있다. 상기 중간 반사층(105)은 단파장의 광을 반사시켜 상기 상부 광 흡수층(107)을 투과한 단파장의 광을 상기 상부 광 흡수층(107)으로 재흡수 시키며, 상기 장파장의 광을 투과시켜 상기 하부 광 흡수층(103)에 장파장의 광을 전달할 수 있다. 따라서, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 2에 다른 실시예에서, 일 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 중간 반사층(205)은 상기 하부 광 흡수층(103)과 상기 상부 광 흡수층(107) 사이에 제공되고, 상기 하부 광 흡수층(103) 상에 차례로 적층된 제 1 중간 반사층(205a) 및 제 2 중간 반사층(205b)을 포함한다.
상기 제 1 중간 반사층(205a)은 실리콘(Si), 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 탄화물(SiCx), 실리콘 질화물(SiNx), 산화아연(ZnO), ITO(Indium Tin Oxide), ZnO:Ga, ZnO:Ga, ZnO:Al, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag)을 포함할 수 있다.
상기 제 2 중간 반사층(205b)은 산화 구리 화합물(예를 들어, CuO, Cu2O, CuOx(x는 0.1부터 2까지의 실수))을 포함할 수 있다. 상기 제 2 중간 반사층(205b)은 약 1Å 내지 약 100nm 두께를 가질 수 있다. 상기 제 2 중간 반사층(205b)은 약 2.0 내지 약 3.0의 굴절률을 가질 수 있다.
상기 제 1 중간 반사층(205a)의 굴절률은 상기 제 2 중간 반사층(205b)의 굴절률보다 크거나 또는 작을 수 있다. 굴절률이 다른 이중의 층들로 구성된 상기 중간 반사층(205)은 단일층을 구성된 중간 반사층보다 효과적으로 원하는 파장대의 광을 상기 하부 광 흡수층(103)에 투과 또는 상기 상부 광 흡수층(107)에 반사시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3에 또 다른 실시예에서, 일 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 중간 반사층(305)은 복수의 산화 구리막들(305a 305b, 305c)을 포함할 수 있다. 하부 산화 구리막(305a)은 상기 하부 광 흡수층(103)과 직접적으로 접하고, 상부 산화 구리막(103c)은 상기 상부 광 흡수층(107)과 직접적으로 접하고, 상기 하부 산화 구리막(305a)과 상기 상부 산화 구리막(305c) 사이에 중간 산화 구리막들(305b)이 배치될 수 있다. 각각의 상기 하부, 중간, 및 상부 산화 구리막들(305a, 305b, 305c)에 포함된 산소의 조성은 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 중간 반사층(305)은 상기 상부 산화 구리막(305c)에서 상기 하부 산화 구리막(305a)으로 점진적으로 산소의 조성이 높을 수 있다. (x1<x2<xn) 이와 달리, 상기 중간 반사층(305)은 상기 상부 산화 구리막(305c)에서 상기 하부 산화 구리막(305a)으로 점진적으로 산소의 조성이 낮을 수 있다. (x1>x2>xn) 상기 복수의 산화 구리막들(305a, 305b, 305c) 각각에 산소의 조성을 조절하여 원하는 파장대의 광을 상기 하부 광 흡수층(103)에 투과 또는 상기 상부 광 흡수층(107)에 반사시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 구리 산화물을 포함하는 중간 반사층을 사용한 실리콘 태양전지의 단락전류-개방전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, (A)는 구리 산화물로 이루어진 중간 반사층이 포함되지 않은 실리콘 태양전지의 단락전류-개방전압 특성이고, (B)는 구리 산화물로 이루어진 중간 반사층을 포함하는 실리콘 태양전지의 단락전류-개방전압 특성이다.
(B)가 (A)보다 단락전류 및 개방전압이 크며, 이에 따라 단락전류의 값과 개방전압의 값의 곱을 나타내는 태양전지의 효율은 구리 산화물의 중간 반사층을 포함하는 실리콘 태양전지가 중간 반사층을 포함하지 않는 실리콘 태양전지보다 더 큰 것을 확인할 수 있다.
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.
101: 제 1 전극
103: 하부 광 흡수층
105, 205, 305: 중간 반사층
107: 상부 광 흡수층
108: 제 2 전극
109: 투명 기판
103: 하부 광 흡수층
105, 205, 305: 중간 반사층
107: 상부 광 흡수층
108: 제 2 전극
109: 투명 기판
Claims (11)
- 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 배치된 하부 광 흡수층;
상기 하부 광 흡수층 상에 배치된 상부 광 흡수층; 및
상기 하부 광 흡수층과 상기 상부 광 흡수층 사이에 제공된 중간 반사층을 포함하되,
상기 중간 반사층은 구리 산화물을 포함하는 실리콘 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 구리 산화물은 CuO, Cu2O, 또는 CuOx를 포함하되,
상기 화학식에서 x는 0.1 이상 2 이하의 실수인 실리콘 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간 반사층은 상기 하부 광 흡수층 상에 차례로 적층된 제 1 중간 반사층 및 제 2 중간 반사층을 포함하되,
상기 제 2 중간 반사층은 구리 산화물을 포함하는 실리콘 태양전지. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 중간 반사층은 실리콘(Si), 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 탄화물(SiCx), 실리콘 질화물(SiNx), 산화아연(ZnO), ITO(Indium Tin Oxide), ZnO:Ga, ZnO:Ga, ZnO:Al, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag)을 포함하는 실리콘 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간 반사층은 1Å 내지 100nm의 두께를 갖는 실리콘 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간 반사층은 단파장의 광을 반사시켜 상기 상부 광 흡수층에서 투과된 상기 단파장의 광을 상기 상부 광 흡수층으로 재흡수시키며, 장파장의 광을 선택적으로 투과하여 상기 하부 광 흡수층에 상기 장파장의 광을 제공하는 실리콘 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간 반사층은 복수의 산화 구리막들을 포함하는 실리콘 태양전지. - 제 7 항에 있어서,
상기 산화 구리막들은 서로 다른 산소의 조성을 갖는 실리콘 태양전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 산화 구리막들은 상기 하부 광 흡수층과 접하는 하부 산화 구리막, 상기 상부 광 흡수층과 접하는 상부 산화 구리막 및 상기 최하부 산화 구리막과 상기 최상부 산화 구리막 사이에 중간 산화 구리막들을 포함하되,
상기 산소의 조성은 상기 상부 산화 구리막에서 상기 하부 산화 구리막으로 갈수록 점진적으로 높아지는 실리콘 태양전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 산화 구리막들은 상기 하부 광 흡수층과 접하는 하부 산화 구리막, 상기 상부 광 흡수층과 접하는 상부 산화 구리막 및 상기 하부 산화 구리막과 상기 상부 산화 구리막 사이에 중간 산화 구리막들을 포함하되,
상기 산소의 조성은 상기 상부 산화 구리막에서 상기 하부 산화 구리막으로 갈수록 점진적으로 낮아지는 실리콘 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간 반사층은 2.0 내지 3.0의 굴절률을 갖는 실리콘 태양전지.
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