KR20150057820A - 태양 전지 - Google Patents

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KR20150057820A KR1020130141633A KR20130141633A KR20150057820A KR 20150057820 A KR20150057820 A KR 20150057820A KR 1020130141633 A KR1020130141633 A KR 1020130141633A KR 20130141633 A KR20130141633 A KR 20130141633A KR 20150057820 A KR20150057820 A KR 20150057820A
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남정규
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있는 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있으며 나트륨과 칼륨을 포함하는 광활성층, 광활성층 위에 형성되어 있는 버퍼층, 버퍼층 위에 형성되어 있는 제2 전극을 포함하고, 광활성층은 나트륨의 함량이 칼륨의 함량보다 많은 영역을 포함한다.

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.
한편, PN 접합이 이루어지는 계면에 결함(defect)이 많을수록 재결합(recombination)이 발생하여 Voc가 감소하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 PN 접합이 이루어지는 계면에서의 재결합을 감소시켜 Voc를 증가시킬 수 있는 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있는 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있으며 나트륨과 칼륨을 포함하는 광활성층, 광활성층 위에 형성되어 있는 버퍼층, 버퍼층 위에 형성되어 있는 제2 전극을 포함하고, 광활성층은 나트륨의 함량이 칼륨의 함량보다 많은 영역을 포함한다.
상기 광활성층에 포함된 나트륨과 칼륨의 총량은 1*1019개/㎤이상일 수 있다.
상기 광활성층은 상기 제1 전극과 인접한 제1 영역과 상기 제2 전극과 인접한 제2 영역을 포함하고, 제2 영역의 상기 나트륨의 함량이 상기 칼륨의 함량보다 많고, 제1 영역의 상기 나트륨의 함량은 칼륨의 함량보다 적거나 같을 수 있다.
상기 제1 영역의 깊이는 공간전하영역의 폭 보다 클 수 있다.
상기 제1 전극은 몰리브덴으로 이루어지고, 제2 전극은 IZO, ITO, AZO로 이루어질 수 있다.
상기 광활성층은 CIGS계 물질로 이루어질 수 있고, 기판은 소다라임 유리일 수 있다.
본 발명의 실시예에서와 같이 태양 전지를 형성하면 태양 전지의 Voc를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 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 단면도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지는 기판(100), 기판(100) 위에 형성되어 있는 제1 전극(120), 제1 전극(120) 위에 형성되어 있는 광 활성층(140), 광 활성층(140) 위에 형성되어 있는 버퍼층(160), 버퍼층(160) 위에 형성되어 있는 제2 전극(180), 제2 전극(180) 위에 형성되어 있는 반사 방지막(200), 제2 전극(180)과 연결되어 있는 그리드 전극(220)을 포함한다.
기판(100)은 절연성을 가지며 투명한 물질로, 예를 들어 소다 라임 유리(soda-lime glass)로 이루어질 수 있으며 소다 라임 유리는 나트륨(Na) 및 칼륨(K)을 포함할 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(160)이 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.
광활성층(140)은 나트륨(Na) 및 칼륨(K)을 포함할 수 있으며, 나트륨의 함량이 칼륨의 함량보다 많은 영역을 포함한다. 이때, 나트륨 함량과 칼륨 함량의 합은 1*1019개/㎤이상일 수 있다.
도 1에서는 나트륨 함량이 칼륨의 함량보다 많은 영역이 광활성층 전체이나, 도 2 에서와 같이 나트륨 함량에 따라서 복수의 영역으로 나눌 수 있다.
광활성층에서 제1 전극(120)과 인접한 영역을 제1 영역(42)이라 하고, 제2 전극(180)과 인접한 영역을 제2 영역(44)이라 하면, 제2 영역(44)의 나트륨 함량이 칼륨의 함량보다 많을 수 있다. 그리고 제1 영역(42)의 나트륨 함량은 칼륨의 함량보다 적거나 같을 수 있다. 그리고 제2 영역(44)의 깊이(D)는 공간전하영역의 폭보다 크게 형성되어 있다.
나트륨을 광활성층에 포함시키기 위해서는 광활성층을 형성할 때 함께 나트륨 이온을 주입하여 형성하거나, 광활성층을 형성한 후 이온 도핑을 실시하여 광할성층에 포함되는 나트륨의 양을 조절할 수 있다.
한편, 기판이 소다 라임 유리인 경우 기판에 포함된 나트륨 및 칼륨이 광활성층에 확산될 수 있으므로 확산된 양을 고려해서 도핑하는 것이 바람직하다.
버퍼층(160)은 광활성층(140)과 제2 전극(180) 사이의 에너지 갭 차이를 완화시켜 준다. 버퍼층(160)은 광투과율이 높은 n 타입의 반도체 물질로, 예를 들어 CdS, ZnS, InS로 형성될 수 있다.
버퍼층(160) 위에는 제2 전극(180)이 형성되어 있다.
제2 전극(180)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(180)을 복수층으로 형성할 때는 ZnO 층 위에 전기 광학적 특성이 뛰어난 ITO 층이 적층되되거나, 도핑되지 않은 i형 ZnO층 위에 낮은 저항을 가진 n형의 ZnO층이 적층되어 형성될 수 있다.
제2 전극(180)은 n형 반도체로서 p형 반도체인 광활성층(140)과 pn접합을 형성한다.
반사방지막(200)은 반도체에 입사되는 태양광의 반사 손실을 감소시켜 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 필요에 따라서 생략할 수 있다. 반사 방지막은 MgF2로 이루어진다.
그리드 전극(220)은 제2 전극(180)과 접촉하여 반사 방지막(200)의 일측에 형성되며, 그리드 전극(220)은 태양 전지 표면에서의 전류를 수집한다. 그리드 전극(220)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라서 생략할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서와 같이 태양 전지를 형성하면 태양광에 의해서 생성된 전하가 그리드 전극을 통해서 수집된다.
본 발명의 실시예에서와 같이 나트륨 함량을 조절하면 태양 전지의 Voc가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
태양 전지는 PN 접합을 형성하는 계면 상태에 따라서 재결합 정도가 달라질 수 있으며, 재결합이 증가할수록 Voc는 떨어지고, 특히, 공간전하영역(space charge region) 근처의 재결합이 증가할수록 Voc는 감소할 수 있다.
그러나 본 발명에서와 같이 나트륨의 함량이 칼륨보다 많은 영역을 형성하면 나트륨이 광활성층 내의 도너(donor)로 인한 결함(defect)을 패시베이션(passivation)하여 캐리어의 재결합을 감소시킨다.
그리고 본 발명에서와 같이 나트륨의 함량이 칼륨의 함량보다 많은 영역의 깊이를 공간전하영역의 폭보다 크게 형성하면, 공간전하영역 근처의 재결합을 감소시켜 Voc가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
표1은 종래 기술에 따른 비교예1, 비교예2와 본 발명에 따른 실시예1 및 실시예2의 Voc와 EFF를 측정한 표이다.
비교예1, 비교예2, 실시예1, 실시예2의 층간 구성은 동일하나 공간전하영역 내에서의 나트륨과 칼륨의 비율이 다르다.
비교예1은 나트륨 함량< 칼륨 함량, 비교예2는 나트륨 함량=칼륨 함량, 실시예1 및 2는 나트륨 함량> 칼륨 함량의 관계를 가지고, 실시예1의 나트륨 함량> 실시예2의 나트륨 함량의 관계를 가진다.
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 비교예1 및 2의 Voc는 각각 0.5227 및 0.4934인 반면 실시예1 및 2의 Voc는 각각 0.6439 및 0.6251으로 종래보다 증가한 것을 알 수 있다.
그리고 비교예1 및 2의 EFF는 각각 10.0558 및 7.5575이나 실시예1 및 실시예2의 EFF는 16.449 및 15.4664로 종래보다 증가한 것을 알 수 있다.
또한, 실시예1 및 2의 두 기판의 나트륨 함량은 서로 다르나 나트륨 함량과 상관없이 나트륨의 함량이 칼륨의 함량보다 많아 비교예1 및 2보다 Voc 및 EFF 값이 증가한 것을 알 수 있다.
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 160: 버퍼층
180: 제2 전극 200: 반사 방지막
220: 그리드 전극

Claims (7)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있는 제1 전극,
    상기 제1 전극 위에 형성되어 있으며 나트륨과 칼륨을 포함하는 광활성층,
    상기 광활성층 위에 형성되어 있는 버퍼층,
    상기 버퍼층 위에 형성되어 있는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 광활성층은 상기 나트륨의 함량이 상기 칼륨의 함량보다 많은 영역을 포함하는 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 광활성층에 포함된 상기 나트륨과 상기 칼륨의 총량은 1*1019개/㎤이상인 태양 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 광활성층은 상기 제1 전극과 인접한 제1 영역과 상기 제2 전극과 인접한 제2 영역을 포함하고,
    상기 제2 영역의 상기 나트륨의 함량이 상기 칼륨의 함량보다 많고,
    상기 제1 영역의 상기 나트륨의 함량은 상기 칼륨의 함량보다 적거나 같은 태양 전지.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 영역의 깊이는 공간전하영역의 폭 보다 큰 태양 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 전극은 몰리브덴으로 이루어지고,
    상기 제2 전극은 IZO, ITO, AZO로 이루어지는 태양 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 광활성층은 CIGS계 물질로 이루어지는 태양 전지.
  7. 제1항에서,
    상기 기판은 소다라임 유리인 태양 전지.
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