KR20150057808A - 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있는 복수의 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있으며 상기 기판을 노출하는 투과홈 및 이웃하는 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층, 광활성층 위에 각각 형성되어 있으며 상기 관통홈을 통해서 상기 이웃하는 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극을 포함하고, 투과홈과 상기 관통홈은 상기 광활성층을 사이에 두고 나란하게 형성되어 있다.

Description

태양 전지{SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 특히 CIGS계 반도체를 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광 활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
광 활성층으로 I-III-VI족 원소를 포함하는 화합물 반도체를 사용할 수 있다. 화합물 반도체는 광 흡수계수가 높고 전기 광학적 안정성이 높아 고효율의 태양 전지를 구현할 수 있다.
그러나 I-III-VI족 원소를 포함하는 화합물 반도체를 사용하는 태양전지를 형성할 경우 비정질 태양 전지와 달리 전극으로 불투명 물질의 금속을 주로 사용하므로, 비정질 태양 전지와 동일하게 분리선을 형성하여 개구부로 사용하는 것이 불가능하다.
따라서 I-III-VI족 원소를 포함하는 화합물 반도체를 포함하는 태양전지는 전극을 불투명 물질과 투명한 도전 물질의 이중층으로 형성한 후 개구부를 형성하기 위한 추가 공정을 필요로 하였다.
이때, 투명한 도전 물질은 주로 ITO, IZO 등을 사용할 수 있는데 이러한 물질로 박막을 형성하기 위해서는 고가의 진공 설비가 추가되어야 하고, 투명한 도전 물질이 기판의 나트륨 확산을 방해하는 장벽층으로 작용하여 태양 전지의 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 불투명 금속을 포함하면서도 효율이 향상된 CIGS계 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있는 복수의 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있으며 상기 기판을 노출하는 투과홈 및 이웃하는 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층, 광활성층 위에 각각 형성되어 있으며 상기 관통홈을 통해서 상기 이웃하는 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극을 포함하고, 투과홈과 상기 관통홈은 상기 광활성층을 사이에 두고 나란하게 형성되어 있다.
상기 제1 전극은 불투명 금속으로 이루어질 수 있고, 불투명 금속은 몰리브덴일 수 있다.
상기 투과홈의 폭은 150㎛이상이고, 관통홈의 폭은 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
상기 제2 전극은 투명한 도전 물질로 이루어질 수 있고, 투명한 도전 물질은 IZO, ITO 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광활성층은 CIGS계 물질로 이루어질 수 있다.
상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 다른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있는 복수의 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있으며 상기 기판을 노출하는 투과홈과 상기 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층, 광활성층 위에 형성되어 있으며 상기 제1 전극을 노출하는 제1 분리홈을 가지는 제1 전극을 포함하고, 투과홈과 상기 관통홈은 상기 광활성층을 사이에 두고 나란하게 형성되어 있다.
상기 제1 전극은 상기 광활성층을 노출하는 제2 분리홈을 더 포함하고, 투과홈은 상기 제1 분리홈과 상기 제2 분리홈 사이에 위치할 수 있다.
상기 투과홈을 채우며 상기 제2 전극과 동일한 물질로 이루어지는 연결부를 더 포함할 수 있다.
상기 투과홈, 관통홈, 제1 분리홈 및 제2 분리홈은 선형으로 나란하게 형성되어 있을 수 있다.
상기 투과홈의 폭은 150㎛이상이고, 관통홈, 제1 분리홈 및 제2 분리홈의 폭은 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
상기 제1 전극은 불투명 금속으로 이루어지고, 제2 전극은 투명한 도전 물질로 이루어질 수 있다.
상기 불투명 금속은 몰리브덴이고, 투명한 도전 물질은 IZO, ITO 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광활성층은 CIGS계 물질로 이루어질 수 있다.
상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서와 같이 태양 전지를 형성하면 불투명 금속을 사용하더라도 투명한 도전 물질을 추가로 형성하지 않으면서도 태양 전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV선을 따라 잘라 도시한 단면도이다
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서는 도면을 참조하여 태양 전지에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 II-II선을 잘라 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지는 기판(100) 위에 형성되어 있는 복수의 태양전지 셀(C1, C2 내지 Cn)을 포함한다.
각 셀은 제1 전극(120), 제1 전극(120) 위에 형성되어 있는 광활성층(140), 광활성층(140) 위에 형성되어 있는 버퍼층(150), 버퍼층(150) 위에 형성되어 있는 제2 전극(160)을 포함하고, 이웃하는 셀은 전기적으로 연결되어 있다.
도 2를 참조하여 도 1의 태양 전지의 층간 구성에 대해서 좀 더 구체적으로 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 기판(100) 위에는 복수의 제1 전극(120)이 형성되어 있다. 제1 전극(120)은 일정한 간극(P1)을 두고 분리되어 있다. 이때, 간극(P1)은 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
기판(100)은 절연성을 가지며 투명한 물질로, 예를 들어 소다 라임 유리(soda-lime glass)로 이루어질 수 있다.
제1 전극(120)은 내열 특성 및 광활성층(140)을 이루는 물질과의 우수한 전기 접촉 특성, 우수한 전기 전도도 및 기판(100)과의 계면 접합성이 우수한 금속으로, 예를 들어 몰리브덴(Mo) 일 수 있다.
제1 전극(120) 위에는 광활성층(140) 및 버퍼층(150)이 형성되어 있다. 광활성층(140)은 이웃하는 제1 전극(120) 사이의 간극(P1)을 채우도록 형성되어 있다.
광활성층(140)은 P 타입의 CIS계 반도체로서 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ계 반도체 화합물로서 Cu(In1 -x,Gax)(Se1 -x,Sx)일 수 있으며, 0≤x≤1의 조성을 가지는 화합물 반도체일 수 있다. 광 활성층(140)은 화합물 반도체의 조성이 실질적으로 균일한 단일 상(single phase)일 수 있다. 예를 들어 CuInSe2, CuInS2, Cu(In,Ga)Se2, (Ag,Cu)(In,Ga)Se2, (Ag,Cu)(In,Ga)(Se,S)2, Cu(In,Ga)(Se,S)2, Cu(In,Ga)S2 일 수 있다. 그리고 광활성층(140)은 기판(100)으로부터 확산된 나트륨(Na)을 포함할 수 있다.
버퍼층(150)은 광활성층(140)과 제2 전극(160) 사이의 에너지 갭 차이를 완화시켜 준다. 버퍼층(150)은 광투과율이 높은 n 타입의 반도체 물질로, 예를 들어 CdS, ZnS, InS로 형성될 수 있다.
버퍼층(150) 및 광활성층(140)은 기판을 노출하는 투과홈(T)과 제1 전극(120)을 노출하는 관통홈(P2)을 포함한다. 이때, 관통홈(P2)은 이웃하는 태양전지 셀의 제1 전극(120)을 노출한다. 관통홈(P2)과 투과홈(T)은 선형으로 나란하게 형성된다. 이때, 투과홈(T)의 폭(D3)은 150㎛이상이고, 관통홈(P2)의 폭(D2)은 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 그리고 관통홈(P2)과 투과홈(T) 사이의 간격(L)은 100㎛ 내지 300㎛일 수 있다.
버퍼층(150) 위에는 제2 전극(160)이 형성되어 있다.
제2 전극(160)은 광투과율이 높고 전기 전도성이 우수한 물질로, 예를 들어 ITO, IZO, ZnO로 단층 또는 복수층으로 형성될 수 있으며 광투과율이 약 80%이상일 수 있다. 이때, ZnO층은 알루미늄(Al) 또는 붕소(B) 등이 도핑되어 낮은 저항값을 가질 수 있다.
제2 전극(160)을 복수층으로 형성할 때는 ZnO 층 위에 전기 광학적 특성이 뛰어난 ITO 층이 적층되거나, 도핑되지 않은 i형 ZnO층 위에 낮은 저항을 가진 n형의 ZnO층이 적층되어 형성될 수 있다.
제2 전극(160)은 n형 반도체로서 p형 반도체인 광활성층(140)과 pn접합을 형성한다.
제2 전극(160)은 제1 전극(120)을 노출하는 분리홈(P3)을 포함한다. 이때, 분리홈(P3)은 이웃하는 태양 전지 셀의 제1 전극(120)을 노출하고, 분리홈(P3)의 폭(D4)은 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
도 2에서는 투과홈(T)과 분리홈(P3) 사이에 관통홈(P2)을 배치하였으나, 관통홈(P2)과 분리홈(P3) 사이에 투과홈(T)을 배치할 수 있다.
본 발명에서와 같이 투과홈(T)을 형성하면 투과홈(T)을 통해서 광이 광활성층으로 전달되도록 함으로써, 기판의 나트륨이 확산량에 영향을 주는 투명한 도전 물질로 형성하지 않으면서도 광활성층에 전달되는 광량을 증가시켜 태양 전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 평면도이고, 도 4는 도 3의 IV-IV선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
대부분의 층간 구성은 도 2와 동일하므로 다른 부분에 대해서만 구체적으로 설명한다.
도 3 및 도 4의 태양 전지는 기판(100) 위에 형성되어 있는 셀(C1, C2 내지 Cn)을 포함한다.
각 셀은 제1 전극(120), 제1 전극(120) 위에 형성되어 있는 광활성층(140), 광활성층(140) 위에 형성되어 있는 버퍼층(150), 버퍼층(150) 위에 형성되어 있는 제2 전극(160)을 포함하고, 이웃하는 셀은 전기적으로 연결되어 있다.
각 셀의 제1 전극(120)은 일전한 간극(P1)으로 분리되어 있으며, 제1 전극(120)을 노출하는 관통홈(P2)과 기판(100)을 노출하는 투과홈(T)을 포함한다.
도 3 및 도 4의 태양 전지는 제1 분리홈(P31)과 제2 분리홈(P32)을 포함한다.
제1 분리홈(P31)은 제2 전극(160), 버퍼층(150) 및 광활성층(140)을 통해서 제1 전극(120)을 노출하고, 제2 분리홈(P32)은 제2 전극(160)을 통해서 버퍼층(150)을 노출한다. 제1 분리홈(P31)과 제2 분리홈(P32)의 폭(D5, D6)은 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
그리고 투과홈(T)에는 연결부(80)가 더 형성되어 있다. 연결부(80)는 투과홈(T2)을 채우고, 제1 분리홈(P31)과 투과부 사이, 제2 분리홈(P32)과 투과홈(T2) 사이의 광활성층 및 버퍼층과 중첩하도록 형성되어 있다. 연결부(80)는 제2 전극(160)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4에서와 같이 제1 분리홈(P31)과 제2 분리홈(P32) 사이에 투과홈(T)이 위치할 경우, 투과홈(T)을 중심으로 양쪽에 위치하는 태양 전지 셀이 전기적으로 분리될 수 있다. 따라서 연결부(80)를 형성하여 이웃하는 두 셀을 전기적으로 연결한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 기판 120: 제1 전극
140: 광 활성층 150: 버퍼층
160: 제2 전극

Claims (19)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있는 복수의 제1 전극,
    상기 제1 전극 위에 형성되어 있으며 상기 기판을 노출하는 투과홈 및 이웃하는 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층,
    상기 광활성층 위에 각각 형성되어 있으며 상기 관통홈을 통해서 상기 이웃하는 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 투과홈과 상기 관통홈은 상기 광활성층을 사이에 두고 나란하게 형성되어 있는 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 전극은 불투명 금속으로 이루어지는 태양 전지.
  3. 제2항에서,
    상기 불투명 금속은 몰리브덴인 태양 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 투과홈의 폭은 150㎛이상인 태양 전지.
  5. 제4항에서,
    상기 관통홈의 폭은 20㎛ 내지 100㎛인 태양 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 전극은 투명한 도전 물질로 이루어지는 태양 전지.
  7. 제6항에서,
    상기 투명한 도전 물질은 IZO, ITO 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 광활성층은 CIGS계 물질로 이루어지는 태양 전지.
  9. 제8항에서,
    상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함하는 태양 전지.
  10. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있는 복수의 제1 전극,
    상기 제1 전극 위에 형성되어 있으며 상기 기판을 노출하는 투과홈과 상기 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층,
    상기 광활성층 위에 형성되어 있으며 상기 제1 전극을 노출하는 제1 분리홈을 가지는 제1 전극
    을 포함하고,
    상기 투과홈과 상기 관통홈은 상기 광활성층을 사이에 두고 나란하게 형성되어 있는 태양 전지.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 전극은 상기 광활성층을 노출하는 제2 분리홈
    을 더 포함하고,
    상기 투과홈은 상기 제1 분리홈과 상기 제2 분리홈 사이에 위치하는 태양 전지.
  12. 제11항에서,
    상기 투과홈을 채우며 상기 제2 전극과 동일한 물질로 이루어지는 연결부를 더 포함하는 태양 전지.
  13. 제11항에서,
    상기 투과홈, 관통홈, 제1 분리홈 및 제2 분리홈은 선형으로 나란하게 형성되어 있는 태양 전지.
  14. 제13항에서,
    상기 투과홈의 폭은 150㎛이상인 태양 전지.
  15. 제14항에서,
    상기 관통홈, 제1 분리홈 및 제2 분리홈의 폭은 20㎛ 내지 100㎛인 태양 전지.
  16. 제10항에서,
    상기 제1 전극은 불투명 금속으로 이루어지고,
    상기 제2 전극은 투명한 도전 물질로 이루어지는 태양 전지.
  17. 제16항에서,
    상기 불투명 금속은 몰리브덴으로 이루어지고,
    상기 투명한 도전 물질은 IZO, ITO 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지.
  18. 제10항에서,
    상기 광활성층은 CIGS계 물질로 이루어지는 태양 전지.
  19. 제10항에서,
    상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함하는 태양 전지.
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