KR20150093465A - 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
한 실시예에 따른 태양 전지는, 제1 광전층, 상기 제1 광전층과 다른 에너지 띠 간격(bandgap)을 가지는 제2 광전층, 그리고 상기 제1 광전층과 상기 제2 광전층 사이에 끼어 있는 층간 절연층을 포함하며, 상기 층간 절연층의 두께는 600 nm 이하로서 상기 층간 절연층의 두께에 의존한다.
Description
태양 전지에 관한 것이다.
인류가 사용하는 주요 에너지원으로는 현재 석탄 및 석유와 같은 화석 연료이다. 그러나 화석 연료가 점점 고갈되어 가고 있을 뿐 아니라 지구 온난화나 환경 오염과 같은 문제가 야기되고 있다. 화석 연료를 대체하기 위한 대체 에너지원으로서 태양광, 조력, 풍력, 지열 등을 이용하여 환경 오염 없이 에너지를 생산하는 방법이 제안되었다.
이들 중에서 태양광을 전기로 변환하는 기술이 가장 앞서고 있다. 태양광을 전기로 효율적으로 변환하기 위해 다양한 소재 및 소자가 개발되고 있으며, 최근에 제안된 다층 p-n 접합 구조와 III-V족 소재를 바탕으로 한 기술은 광변환 효율을 더욱 높여 주고 있다.
하지만 이러한 종래 기술들은 다양한 파장을 가지는 태양광의 특정 파장만을 사용하거나, 다층 구조를 사용하여 여러 파장을 흡수하더라도 생성되는 전류를 효율적으로 사용하지 못하는 등 발전 효율이 높지 않다.
태양광의 여러 파장을 사용하면서 발전 효율이 높은 태양 전지를 제공하는 것이다.
한 실시예에 다른 태양 전지는, 제1 광전층, 상기 제1 광전층과 다른 에너지 띠 간격(bandgap)을 가지는 제2 광전층, 그리고 상기 제1 광전층과 상기 제2 광전층 사이에 끼어 있는 층간 절연층을 포함하며, 상기 층간 절연층의 두께는 600 nm 이하로서 상기 층간 절연층의 굴절률에 의존한다.
상기 층간 절연층의 굴절률은 1 내지 1.7이고, 두께는 200 nm 이하일 수 있다.
상기 층간 절연층의 굴절률이 1.7 내지 2.3이고 두께가 약 400 nm 이하일 수 있다.
상기 층간 절연층의 굴절률이 2.3 이상이고 두께가 약 600 nm 이하일 수 있다.
상기 층간 절연층은, 제1 절연막, 그리고 상기 제1 절연막보다 굴절률이 크고 두께가 두꺼운 제2 절연막을 포함할 수 있다.
상기 제1 광전층은 규소를 포함하고, 상기 층간 절연층은, 상기 제1 광전층과 접하는 산화규소막, 그리고 상기 산화규소막과 접하는 질화규소막을 포함할 수 있다.
상기 산화규소막의 두께는 200 nm 이하이고, 상기 질화규소막의 두께는 400 nm 이하일 수 있다.
상기 제1 광전층은 불순물을 포함하며, 상기 제1 광전층 내의 불순물은 상기 층간 절연층으로부터 300 nm 이내의 거리에 위치할 수 있다.
상기 제1 광전층의 적어도 한 표면에는 요철이 형성될 수 있다.
한 실시예에 따른 태양 전지는, 규소를 포함하는 제1 광전층, 상기 제1 광전층과 다른 에너지 띠 간격(bandgap)을 가지는 제2 광전층, 그리고 상기 제1 광전층과 상기 제2 광전층 사이에 끼어 있는 층간 절연층을 포함하며, 상기 층간 절연층은, 상기 제1 광전층과 접하고 산화규소를 포함하는 제1 절연막, 그리고 상기 제1 절연막과 접하고 질화규소를 포함하는 제2 절연막을 포함한다.
상기 제2 절연막의 굴절률이 상기 제1 절연막보다 크고, 상기 제2 절연막이 상기 제1 절연막보다 두꺼울 수 있다.
상기 제1 절연막의 두께는 200 nm 이하이고, 상기 제2 절연막의 두께는 400 nm 이하일 수 있다.
상기 제1 광전층은 불순물을 포함하며, 상기 제1 광전층 내의 불순물은 상기 층간 절연층으로부터 300nm 이내의 거리에 위치할 수 있다.
상기 제1 광전층의 적어도 한 표면에는 요철이 형성될 수 있다.
이와 같이 실시예에 따른 태양 전지는 층간 절연막을 적절한 두께와 굴절률로 형성함으로써 발전 효율을 높일 수 있다.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 입사광의 입사각에 따른 층간 절연층의 투과율을 입사광 파장의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 9는 광전층의 표면에 요철을 형성한 경우에 여러 가지 재료와 두께의 층간 절연층에 대하여 입사광의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 실험예에 따른 태양 전지의 상부 광전층 내 전하 이송자의 유효 수명과 개방 전압(open-circuit voltage)(Voc)을 상부 광전층 내의 이온 주입 농도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5 내지 도 8은 입사광의 입사각에 따른 층간 절연층의 투과율을 입사광 파장의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 9는 광전층의 표면에 요철을 형성한 경우에 여러 가지 재료와 두께의 층간 절연층에 대하여 입사광의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 실험예에 따른 태양 전지의 상부 광전층 내 전하 이송자의 유효 수명과 개방 전압(open-circuit voltage)(Voc)을 상부 광전층 내의 이온 주입 농도에 따라 나타낸 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계 없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1을 참고하여 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 한 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
본 실시예에 따른 태양 전지(100)는 차례로 적층되어 있는 두 개의 단위 셀, 예를 들면 하부 셀(110) 및 상부 셀(120)을 포함하며, 하부 셀(110)과 상부 셀(120) 사이에 끼어 있는 층간 절연층(130)을 더 포함한다. 하부 셀(110)과 상부 셀(120)은 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하여 전기를 생성할 수 있다.
각각의 단위 셀(110, 120)은 광전층(115, 125)과 이에 연결되어 있는 한 쌍의 단자(112, 114, 122, 124)를 포함한다. 즉, 하부 셀(110)은 하부 광전층(115)과 그 아랫면에 위치하는 한 쌍의 하부 단자(112, 114)를 포함하며, 상부 셀(120)은 상부 광전층(125)과 그 윗면에 위치하는 한 쌍의 상부 단자(122, 124)를 포함한다.
하부 및 상부 광전층(115, 125)은 빛을 받으면 전기를 생성할 수 있는 광전 물질로 만들어지는데, 태양광은 태양 전지(100)의 하부 또는 상부에서 입사될 수 있다. 하부 광전층(115)을 이루는 물질과 상부 광전층(125)을 이루는 물질은 서로 다른 에너지 띠 간격(bandgap)을 가질 수 있다. 예를 들면 상부 광전층(125)의 띠 간격이 하부 광전층(115)의 띠 간격보다 클 수 있으며, 하부 광전층(115)과 상부 광전층(125)의 띠 간격 차이는 0.3 내지 0.8 eV 정도일 수 있다. 두 광전층(115, 125)의 띠 간격 차이가 0.3 eV보다 작거나 0.8 eV보다 클 경우 이용할 수 있는 빛의 파장 범위가 줄어들어 발전 효율이 떨어질 수 있다. 하부 광전층(115)의 띠 간격은 약 0.5 내지 1.5 eV일 수 있고, 상부 광전층(125)의 띠 간격은 약 1.1 내지 2.3 eV일 수 있다.
광전층(115, 125)에 사용될 수 있는 광전 물질의 예로는 규소(Si), 게르마늄(Ge), CIGS(Cu-In-Ga-Se), CdTe, GaAs 등 각종 반도체와 폴리머 등을 들 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 다결정이나 단결정 같은 결정질 규소는 약 1.1 내지 1.2 eV의 띠 간격을 가질 수 있으며, 비정질 규소의 경우 이보다 높은 1.6 내지 1.7 eV 정도의 띠 간격을 가질 수 있다. 게르마늄의 경우 약 0.6 내지 0.7 eV의 띠 간격을 가질 수 있으며, CdTe 및 GaAs는 약 1.4 내지 1.5 eV의 띠 간격을 가질 수 있다. CIGS의 경우 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 함유비에 따라 약 1.1 내지 1.7 eV의 띠 간격을 가질 수 있는데, 갈륨을 거의 포함하지 않고 인듐을 주로 포함하는 경우, 즉 Cu-In-Se이 주성분인 경우(앞으로 CIS라 함)에는 띠 간격이 약 1.1 eV이고, 반대로 인듐을 거의 포함하지 않고 갈륨을 주로 포함하는 경우, 즉 Cu-Ga-Se이 주성분인 경우(앞으로 CGS라 함)에는 띠 간격이 약 1.7 eV일 수 있다. 폴리머의 경우에는 띠 간격이 1.7 eV 이상인 것으로 알려져 있다.
앞에 나열한 물질들은 띠 간격의 크기에 따라 크게 세 집단으로 나눌 수 있는데, 첫 번째 집단은 띠 간격이 약 1.1 내지 1.2 eV인 결정질 규소 및 CIS(Cu-In-Se) 등이고, 두 번째 집단은 띠 간격이 약 1.4 이상인 비정질 규소, CGS, CdTe, GaAs, 폴리머 등이며, 그리고 마지막 집단은 띠 간격이 약 0.7 eV 이하인 Ge 등이다.
이중에서 두 번째 집단은 주로 상부 광전층(125)의 재료로서 사용될 수 있고, 마지막 집단은 주로 하부 광전층(115)의 재료로서 사용될 수 있으며, 첫 번째 집단은 경우에 따라 하부 광전층(115)의 재료로 사용되거나 상부 광전층(125)의 재료로 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 띠 간격의 상대적인 크기에 따라 하부 광전층(115)과 상부 광전층(125)의 어느 한 쪽에 사용될 수 있다.
예를 들면, 첫 번째 집단에 속하는 결정질 규소 및 CIS 등을 상부 광전층(125)에 사용하는 경우에는, 하부 광전층(115)에 마지막 집단에 속하는 게르마늄 등을 사용할 수 있다. 이와 반대로 첫 번째 집단에 속하는 결정질 규소 및 CIS 등을 하부 광전층(115)에 사용하는 경우에는, 상부 광전층(125)에 두 번째 집단에 속하는 비정질 규소, CdTe, GaAs, 폴리머 등을 사용할 수 있다. 이 경우에는 두 번째 집단에서 띠 간격이 비교적 낮은 CdTe, GaAs보다 띠 간격이 1.6 내지 1.7 정도인 비정질 규소나 CGS를 사용하는 것이 효율이 높을 수 있다.
하부 및 상부 광전층(115, 125)은 기판 또는 박막의 형태로 만들어질 수 있다. 후자의 경우에는 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 같은 화학적 적층법 또는 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리적 적층 방법을 사용할 수 있다.
상부 광전층(125)은 불순물, 예를 들면 인(P)을 포함할 수 있는데, 불순물은 층간 절연층(130)으로부터 약 300 nm 이내에 위치할 수 있다.
상부 광전층(125) 및/또는 하부 광전층(115)의 표면에는 요철이 형성될 수 있다.
층간 절연층(130)은 하부 셀(110)과 상부 셀(120)을 전기적으로 분리할 수 있으며, 하부 광전층(115) 및/또는 상부 광전층(125)과 접할 수 있다. 층간 절연층(130)은 단일막이거나 이중막 이상일 수 있으며, 층간 절연층(130)의 두께는 굴절률에 따라 달라질 수 있다.
먼저, 층간 절연층(130)이 단일막인 경우에 대하여 설명한다. 층간 절연층(130)의 굴절률이 약 1 내지 약 1.7이면 두께가 약 200 nm 이하일 수 있다. 굴절률이 약 1 내지 약 1.7인 절연 물질의 예로는 SiO2, MgF2 등을 들 수 있다. 층간 절연층(130)의 굴절률이 약 1.7 내지 약 2.3이면 두께가 약 400 nm 이하일 수 있다. 굴절률이 약 1.7 내지 약 2.3인 절연 물질의 예로는 SiNx, AlN, Al2O3 , SiON 등을 들 수 있다. 층간 절연층(130)의 굴절률이 약 2.3 이상이면 두께가 약 600 nm 이하일 수 있다. 굴절률이 약 2.3 이상인 절연 물질의 예로는 ZnS 등을 들 수 있다.
층간 절연층(130)이 이중막 이상인 경우에는 층간 절연층(130)의 전체 두께가 약 600 nm 이하일 수 있다. 층간 절연층(130)을 이루는 각 막의 두께는 앞서 설명한 단일막의 경우와 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 막의 굴절률이 약 1 내지 1.7이면 막의 두께가 약 200 nm 이하이고, 막의 굴절률이 약 1.7 내지 약 2.3이면 막의 두께가 약 400 nm 이하이며, 막의 굴절률이 약 2.3 이상이면 막의 두께가 약 600 nm 이하일 수 있다.
층간 절연층(130)이 이중막 이상인 경우에는 특성이 서로 다른 막을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상부 광전층(125)과 접하는 막은 상부 광전층(125)에 대한 보호(passivation) 특성이 우수한 물질을 사용하고, 또다른 막은 상부 광전층(125)과 하부 광전층(115)에 대한 전기적 절연 특성이 우수한 물질을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상부 광전층(125)이 규소(Si)를 포함하고 하부 광전층(115)이 게르마늄(Ge)을 포함하는 경우, 층간 절연층(130)의 상부막은 규소에 대한 보호 특성이 좋은 SiO2를 사용하고, 하부막은 핀홀(pinhole) 방지 특성과 전기적 절연 특성이 뛰어난 SiNx를 사용할 수 있다. 그런데 SiO2는 굴절률이 상대적으로 낮고 SiNx는 굴절률이 상대적으로 높으므로, SiO2막은 얇고 SiNx막은 두껍게 형성할 수 있다.
단자(112, 114, 122, 124)는 구리나 은 같은 저항이 낮은 금속 등으로 만들어질 수 있다. 각각의 광전층(115, 125)에 흐르는 전류는 해당하는 단자(112, 114, 122, 124)를 통하여 외부로 흐를 수 있다. 즉, 하부 광전층(115)의 전류는 하부 단자(112, 114)를 통하여 외부로 흐르고, 상부 광전층(125)의 전류는 상부 단자(122, 124)를 통하여 외부로 흐를 수 있다. 그러나 하부 광전층(115)과 상부 광전층(125)은 전기적으로 절연되어 있으므로, 하부 단자(112, 114)를 통하여 흐르는 전류는 상부 광전층(125)으로 들어갈 수 없고 상부 단자(122, 124)를 통하여 흐르는 전류는 하부 광전층(115)으로 들어갈 수 없다.
단자(112, 114, 122, 124)의 위치는 도 1에 도시되어 있는 예에 한정되지 않으며 다양한 위치에 있을 수 있다. 예를 들어 하부 단자(112, 114) 중 적어도 하나가 해당하는 광전층(115, 125)의 윗면에 형성될 수 있으며 이 경우 하부 셀(110)의 윗면을 노출하기 위한 공간을 마련할 수 있다.
이와 같이 상부 광전층(125)을 에너지 띠 간격이 상대적으로 높은 물질로 형성하고, 하부 광전층(115)을 띠 간격이 낮은 물질로 형성하면, 태양광 중에서 파장이 상대적으로 짧은 빛은 상부 광전층(125)에서 흡수되어 크기가 큰 전류를 생성하고, 파장이 상대적으로 긴 빛은 하부 광전층(115)에서 흡수되어 크기가 작은 전류를 생성한다.
본 실시예에 따른 태양 전지에서는 앞서 설명한 바와 같이 층간 절연층(130)의 굴절률과 두께를 적절하게 선택함으로써 상부 셀(120) 또는 하부 셀(110)을 통과한 빛에 대한 층간 절연층(130)의 투과율을 높일 수 있으며, 이에 따라 태양 전지의 발전 효율이 높아질 수 있다.
그러면 도 2를 참고하여 다른 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
본 실시예에 따른 태양 전지(200)는 도 1에 도시한 태양 전지(100)와 마찬가지로 차례로 적층되어 있는 하부 셀(210), 층간 절연층(250) 및 상부 셀(290)을 포함한다. 하부 셀(210)과 상부 셀(290)은 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하여 전기를 생성할 수 있다.
상부 셀(290)은 상부 광전층(260), 반사 방지층(270) 및 한 쌍의 상부 단자(282, 284)를 포함할 수 있다.
상부 광전층(260)은 결정질 반도체, 예를 들면 규소를 포함할 수 있으나, 상부 광전층(260)의 재료는 이에 한정되지 않는다.
상부 광전층(260)은 윗면에 접하고 있고 서로 떨어져 있으며 서로 다른 도전형의 불순물을 포함하는 한 쌍의 불순물 영역(262, 264)을 포함한다. 예를 들어 하나의 불순물 영역(262)이 P형 불순물을 포함하고 다른 불순물 영역(264)은 N형 불순물을 포함할 수 있다. 이와 반대로, 하나의 불순물 영역(262)은 N형 불순물을 포함하고, 다른 불순물 영역(264)은 P형 불순물을 포함할 수도 있다.
불순물 영역(262, 264)을 제외한 상부 광전층(260)의 나머지 영역도 P형 또는 N형 불순물을 포함할 수 있는데, 불순물 영역(262, 264)의 불순물 농도에 비하여 매우 낮은 농도의 불순물을 포함할 수 있다.
두 개의 불순물 영역(262, 264) 중 하나의 불순물 영역(264)은 다른 불순물 영역(262)보다 넓은 면적을 차지할 수 있다. 작은 불순물 영역(262)이 포함하는 불순물의 도전형은 상부 광전층(260)의 나머지 영역이 포함하는 불순물의 도전형과 동일할 수 있다.
예를 들어 상부 광전층(260)의 나머지 영역이 N형 불순물을 포함하는 경우, 작은 불순물 영역(262)이 N형 불순물을 포함하고 큰 불순물 영역(264)은 P형 불순물을 포함 할 수 있다. 이와는 달리 상부 광전층(260)의 나머지 영역이 P형 불순물을 포함하는 경우에는, 작은 불순물 영역(262)은 P형 불순물을 포함하고 큰 불순물 영역(264)은 N형 불순물을 포함 할 수 있다.
불순물 영역(262, 264)은 상부 광전층(260)의 일부에 불순물을 주입함으로써 형성될 수 있다.
반사 방지층(270)은 상부 광전층(260)의 윗면 위에 위치하여 입사광의 반사를 방지하거나 줄여준다. 반사 방지층(270)은 불순물 영역(262, 264)을 드러내는 한 쌍의 접촉 구멍을 가진다.
상부 광전층(260) 윗면 및 반사 방지층(270)에는 요철이 형성될 수 있다. 요철은 비스듬히 입사하는 빛의 전반사를 줄이고, 경사진 반사 방지층(270)에서 굴절된 빛은 상부 광전층(260) 내에서 비스듬하게 진행하기 때문에 광경로의 길이를 증가시켜 상부 광전층(260)에서 흡수되는 빛의 양을 늘려줄 수 있다. 상부 광전층(260) 윗면의 요철에 따라 그 아래에 위치한 불순물 영역(264)도 요철의 형태를 가질 수 있다.
한 쌍의 상부 단자(282, 284)는 반사 방지층(270) 위에 위치하며, 반사 방지층(270)의 접촉 구멍을 통하여 불순물 영역(262, 264)과 접촉한다.
하부 셀(210)은 하부 광전층(220), 보호층(230) 및 한 쌍의 하부 단자(242, 244)를 포함할 수 있다.
하부 광전층(220)은 상부 광전층(260)과 서로 다른 다른 띠 간격을 가질 수 있으며, 결정질 반도체, 예를 들면 게르마늄을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
하부 광전층(220)은 아랫면에 접하고 있고 서로 떨어져 있으며 서로 다른 도전형의 불순물을 포함하는 한 쌍의 불순물 영역(222, 224)을 포함한다. 예를 들어 하나의 불순물 영역(222)이 P형 불순물을 포함하고 다른 불순물 영역(224)은 N형 불순물을 포함할 수 있다. 이와 반대로, 하나의 불순물 영역(222)은 N형 불순물을 포함하고, 다른 불순물 영역(224)은 P형 불순물을 포함할 수도 있다.
불순물 영역(222, 224)을 제외한 하부 광전층(220)의 나머지 영역도 P형 또는 N형 불순물을 포함할 수 있는데, 불순물 영역(222, 224)의 불순물 농도에 비하여 매우 낮은 농도의 불순물을 포함할 수 있다.
두 개의 불순물 영역(222, 224) 중 하나의 불순물 영역(222)은 다른 불순물 영역(224)보다 넓은 면적을 차지할 수 있다. 작은 불순물 영역(224)이 포함하는 불순물의 도전형은 하부 광전층(220)의 나머지 영역이 포함하는 불순물의 도전형과 동일할 수 있다.
예를 들어 하부 광전층(220)의 나머지 영역이 P형 불순물을 포함하는 경우, 작은 불순물 영역(224)는 P형 불순물을 포함하고 큰 불순물 영역(222)은 N형 불순물을 포함 할 수 있다. 이와는 달리 하부 광전층(220)의 나머지 영역이 N형 불순물을 포함하는 경우에는, 작은 불순물 영역(224)는 N형 불순물을 포함하고 큰 불순물 영역(222)은 P형 불순물을 포함 할 수 있다.
불순물 영역(222, 224)은 하부 광전층(220)의 일부에 불순물을 주입함으로써 형성될 수 있다.
보호층(230)은 하부 광전층(220)의 아래에 위치하여 하부 광전층(220)을 보호한다. 보호층(230)은 불순물 영역(222, 224)을 드러내는 한 쌍의 접촉 구멍을 가진다.
한 쌍의 하부 단자(242, 244)는 보호층(230) 아래에 위치하며, 보호층(230)의 접촉 구멍을 통하여 불순물 영역(222, 224)과 접촉한다.
층간 절연층(250)은 하부 셀(210)과 상부 셀(290)을 전기적으로 분리할 수 있으며, 하부 광전층(220) 및 상부 광전층(260)과 접할 수 있다. 층간 절연층(250)은 하부 절연막(252) 및 상부 절연막(254)을 포함한다. 하부 절연막(252)은 예를 들면 규소가 풍부한(Si-rich) 질화규소를 포함할 수 있으며, 상부 절연막(254)은 예를 들면 산화규소를 포함할 수 있다.
도 3을 참고하여 다른 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
본 실시예에 따른 태양 전지(300)는 도 1 및 도 2에 도시한 태양 전지(100, 200)와 마찬가지로 차례로 적층되어 있는 하부 셀(310), 층간 절연층(350) 및 상부 셀(390)을 포함한다. 하부 셀(310)과 상부 셀(390)은 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하여 전기를 생성할 수 있다.
상부 셀(390)은 상부 광전층(360), 반사 방지층(370) 및 한 쌍의 상부 단자(382, 384)를 포함할 수 있으며, 도 2에 도시한 태양 전지(200)의 상부 셀(290)과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상부 광전층(360)은 윗면에 접하고 있고 서로 떨어져 있으며 서로 다른 도전형의 불순물을 포함하는 한 쌍의 불순물 영역(362, 364)을 포함할 수 있다.
하부 셀(310)은 하부 광전층(320) 및 한 쌍의 하부 단자(342, 344)를 포함할 수 있다.
하부 광전층(320)은 상부막(322), 중간막(324) 및 하부막(326)을 포함한다.
중간막(324)은 빛을 흡수하여 전류를 생성할 수 있으며, 상부 광전층(360)과 서로 다른 다른 띠 간격을 가질 수 있다. 중간막(324)은 진성(intrinsic) 반도체, 예를 들면 게르마늄을 포함할 수 있다.
상부막(322)은 중간막(324)의 위에 위치하며 층간 절연층(350)과 접할 수 있다. 상부막(322)은 중간막(324)에 비하여 일함수가 큰 물질을 포함할 수 있는데, 이와 같이 하면 중간막(324)에서 생성된 정공이 상부막(322)으로 용이하게 이동할 수 있다. 상부막(322) 재료의 예로는 P형의 결정질 게르마늄, P형의 수소화 비정질 게르마늄(a-Ge:H), P형의 수소화 비정질 규소-게르마늄(a-SiGe:H), MoO3, WO3 등을 들 수 있다.
하부막(326)은 중간막(324)의 아래에 위치한다. 하부막(326)은 중간막(324)에 비하여 일함수가 작은 물질을 포함할 수 있는데, 이와 같이 하면 중간막(324)에서 생성된 전자가 하부막(326)으로 용이하게 이동할 수 있다. 하부막(326) 재료의 예로는, N형의 결정질 게르마늄, N형의 수소화 비정질 게르마늄(a-Ge:H), N형의 수소화 비정질 규소-게르마늄(a-SiGe:H), CdS, ZnO:Al, ITO(indium tin oxide), SnO2, SnO2:F 등을 들 수 있다.
중간막(324)과 하부막(326)은 상부막(322)보다 크기가 작아서 상부막(322)의 아랫면 일부가 노출되어 있으며, 상부막(322)의 노출된 부분 아랫면에 하부 단자(342)가 접촉하고 있다. 하부막(326)의 아랫면에는 또다른 하부 단자(344)가 접촉하고 있다.
층간 절연층(350)은 하부 셀(310)과 상부 셀(390)을 전기적으로 분리할 수 있으며, 상부 광전층(360) 및 하부 광전층(320)의 상부막(322)과 접할 수 있다. 층간 절연층(350)은 하부 절연막(352) 및 상부 절연막(354)을 포함한다. 하부 절연막(352)은 예를 들면 질화규소를 포함할 수 있으며, 상부 절연막(354)은 예를 들면 산화규소를 포함할 수 있다.
본 실시예의 태양 전지(300)는 전체적으로 요철이 형성되어, 상부 광전층(360) 윗면과 반사 방지층(370)뿐 아니라 상부 광전층(360) 아랫면, 층간 절연층(350) 및 하부 셀(310)에도 요철이 형성될 수 있다.
도 4를 참고하여 다른 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
본 실시예에 따른 태양 전지(400)는 도 1 내지 도 3에 도시한 태양 전지(100, 200, 300)와 마찬가지로 차례로 적층되어 있는 하부 셀(410), 층간 절연층(450) 및 상부 셀(490)을 포함한다. 하부 셀(410)과 상부 셀(490)은 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하여 전기를 생성할 수 있다.
상부 셀(490)은 상부 광전층(460), 반사 방지층(470) 및 한 쌍의 상부 단자(482, 484)를 포함할 수 있으며, 도 2 및 도 3에 도시한 태양 전지(200, 300)의 상부 셀(290, 390)과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 예를 들면 상부 광전층(460)은 서로 다른 도전형의 불순물을 포함하는 한 쌍의 불순물 영역(462, 464)을 포함할 수 있다.
하부 셀(410)은 하부 광전층(420) 및 한 쌍의 하부 단자(442, 444)를 포함할 수 있다.
하부 광전층(420)은 투명 도전막(428), 상부막(422), 중간막(424) 및 하부막(426)을 포함한다.
상부막(422), 중간막(424) 및 하부막(426)은 도 3에 도시한 태양 전지(300)의 상부막(322), 중간막(324) 및 하부막(326)과 실질적으로 동일한 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 중간막(424)은 상부 광전층(460)과 서로 다른 띠 간격을 가지며, 진성 반도체를 포함할 수 있다. 상부막(422)은 중간막(424)에 비하여 일함수가 큰 물질을 포함할 수 있고, 하부막(426)은 중간막(424)에 비하여 일함수가 작은 물질을 포함할 수 있다.
투명 도전막(428)은 TCO(transparent conducting oxide), 예를 들면 ZnO:Al, ITO, SnO2, SnO2:F 등을 포함할 수 있다.
상부막(422), 중간막(424) 및 하부막(426)은 투명 도전막(428)보다 크기가 작아서 투명 도전막(428)이 아래쪽으로 노출되어 있으며, 투명 도전막(428)의 노출된 부분 아랫면에 하부 단자(442)가 접촉하고 있다. 하부막(426)의 아랫면에는 또다른 하부 단자(444)가 접촉하고 있다.
층간 절연층(450)은 하부 셀(410)과 상부 셀(490)을 전기적으로 분리할 수 있으며, 상부 광전층(460) 및 하부 광전층(420)의 투명 도전막(428)과 접할 수 있다. 층간 절연층(450)은 하부 절연막(452) 및 상부 절연막(454)을 포함한다. 하부 절연막(452)은 예를 들면 질화규소를 포함할 수 있으며, 상부 절연막(454)은 예를 들면 산화규소를 포함할 수 있다.
본 실시예의 태양 전지(400) 또한 전체적으로 요철이 형성될 수 있다.
그러면 도 5 내지 도 9를 참고하여 모의실험예에 따른 층간 절연층의 특성에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5 내지 도 8은 입사광의 입사각에 따른 층간 절연층의 투과율을 입사광 파장의 함수로 나타낸 그래프이다.
모의실험예에 사용된 태양 전지는 Ge를 포함하는 하부 광전층, 층간 절연층, Si를 포함하는 상부 광전층이 아래에서부터 차례로 적층된 구조를 가지며, 층간 절연층은 단일막을 적용하였다.
도 5는 층간 절연층으로 약 50 nm의 SiNx 단일막을 적용한 것이고, 도 6은 층간 절연층으로 약 100 nm의 SiNx 단일막을 적용한 것이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 층간 절연층의 두께가 두꺼워질수록 투과율이 감소하는 것을 볼 수 있으며, 특히 입사각이 클수록 두께의 영향이 커짐을 알 수 있다.
도 7은 층간 절연층으로 약 50 nm의 SiNx 단일막을 적용한 것이고, 도 8은 층간 절연층으로 약 50 nm의 SiO2 단일막을 적용한 것이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 굴절률이 작은 SiO2 층간 절연층의 경우가 굴절률이 큰 SiN 층간 절연층보다 투과율이 작은 것을 볼 수 있다.
도 9는 광전층의 표면에 요철을 형성한 경우에 여러 가지 재료와 두께의 층간 절연층에 대하여 입사광의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다. 모의실험예에 사용된 태양 전지는 전지는 Ge를 포함하는 하부 광전층, 층간 절연층, Si를 포함하는 상부 광전층이 아래에서부터 차례로 적층된 구조를 가지며, 입사광의 입사각은 약 41.4도로 하였다.
층간 절연층은, 모의실험예 1의 경우 약 50 nm 두께의 SiNx 단일막, 모의실험예 2의 경우 약 100 nm 두께의 SiNx 단일막, 모의실험예 3의 경우 약 50 nm 두께의 SiO2 단일막, 모의실험예 4의 경우 약 100 nm 두께의 SiO2 단일막, 모의실험예 5의 경우 약 11.5 nm 두께의 SiO2 상부막과 약 50 nm 두께의 SiNx 하부막을 포함하는 이중막을 적용하였다.
도 9를 참고하면, SiO2 단일막(모의실험예 3, 4)의 경우에는 약 50 nm보다 두꺼우면 투과율이 나빠지지만, SiO2 + SiNx 이중막(모의실험예 5)의 경우에는 약 100 nm 두께의 SiNx 단일막(모의실험예 2)보다 투과율이 높음을 알 수 있다.
도 10을 참고하여 실험예에 따른 태양 전지의 특성에 대하여 상세하게 설명한다.
도 10은 실험예에 따른 태양 전지의 상부 광전층 내 전하 이송자의 유효 수명과 개방 전압(open-circuit voltage)(Voc)을 상부 광전층 내의 이온 주입 농도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 10에서 위쪽에 위치한 4개의 곡선은 전하 이송자의 수명을 나타내는 곡선이고, 아래쪽에 위치한 4개의 곡선은 개방 전압을 나타내는 곡선이다.
실험예에 사용된 태양 전지는 Ge를 포함하는 하부 광전층, 층간 절연층, Si를 포함하는 상부 광전층이 아래에서부터 차례로 적층된 구조를 가진다. 상부 광전층에는 N형 불순물인 인이 도핑되어 있고, 농도는 6×1015/cm3 이다. 이온 주입법을 이용하여 상부 광전층 내에 추가로 인을 주입하였으며, 인의 주입 위치는 층간 절연층으로부터 약 300 nm 떨어진 지점이다.
층간 절연층은, 실험예 1, 실험예 2, 실험예 3의 경우 열산화 SiO2 + SiNx 이중막을 적용하였고, 실험예 4의 경우에는 열산화 SiO2 + PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) SiO2 이중막을 적용하였다. 실험예 1의 SiNx 막의 굴절률은 약 2.0이고 두께는 약 110 nm이고, 실험예 2의 SiNx 막의 굴절률은 약 2.0이고 두께는 약 140 nm이며, 실험예 3의 SiNx 막의 굴절률은 약 2.1이고 두께는 약 130 nm였다. 실험예 4의 PECVD SiO2막의 두께는 약 220 nm였다.
도 10을 참고하면, 열산화 SiO2 + SiNx 이중막을 적용한 실험예 1, 2, 3의 경우가 열산화 SiO2 + PECVD SiO2 이중막을 적용한 실험예 4의 경우보다 전하 이송자의 수명이 길고 개방 전압이 높음을 알 수 있다. 또한 이온 주입 농도에 따라서 전하 이송자의 수명과 개방 전압이 유사한 형태로 변화하며, 이온 주입 농도가 약 6×1013 /cm2일 때 전하 이송자의 수명이 가장 길고 개방 전압이 가장 높음을 알 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리 범위에 속하는 것이다.
Claims (14)
- 제1 광전층,
상기 제1 광전층과 다른 에너지 띠 간격(bandgap)을 가지는 제2 광전층, 그리고
상기 제1 광전층과 상기 제2 광전층 사이에 끼어 있는 층간 절연층
을 포함하며,
상기 층간 절연층의 두께는 600 nm 이하로서 상기 층간 절연층의 굴절률에 의존하는
태양 전지. - 제1항에서,
상기 층간 절연층의 굴절률은 1 내지 1.7이고, 두께는 200 nm 이하인 태양 전지. - 제1항에서,
상기 층간 절연층의 굴절률이 1.7 내지 2.3이고 두께가 약 400 nm 이하인 태양 전지. - 제1항에서,
상기 층간 절연층의 굴절률이 2.3 이상이고 두께가 약 600 nm 이하인 태양 전지. - 제1항에서,
상기 층간 절연층은,
제1 절연막, 그리고
상기 제1 절연막보다 굴절률이 크고 두께가 두꺼운 제2 절연막
을 포함하는
태양 전지. - 제1항에서,
상기 제1 광전층은 규소를 포함하고,
상기 층간 절연층은,
상기 제1 광전층과 접하는 산화규소막, 그리고
상기 산화규소막과 접하는 질화규소막
을 포함하는
태양 전지. - 제6항에서,
상기 산화규소막의 두께는 200 nm 이하이고, 상기 질화규소막의 두께는 400 nm 이하인 태양 전지. - 제1항에서,
상기 제1 광전층은 불순물을 포함하며,
상기 제1 광전층 내의 불순물은 상기 층간 절연층으로부터 300 nm 이내의 거리에 위치하는
태양 전지. - 제1항에서,
상기 제1 광전층의 적어도 한 표면에는 요철이 형성되어 있는 태양 전지. - 규소를 포함하는 제1 광전층,
상기 제1 광전층과 다른 에너지 띠 간격(bandgap)을 가지는 제2 광전층, 그리고
상기 제1 광전층과 상기 제2 광전층 사이에 끼어 있는 층간 절연층
을 포함하며,
상기 층간 절연층은,
상기 제1 광전층과 접하고 산화규소를 포함하는 제1 절연막, 그리고
상기 제1 절연막과 접하고 질화규소를 포함하는 제2 절연막
을 포함하는
태양 전지. - 제10항에서,
상기 제2 절연막의 굴절률이 상기 제1 절연막보다 크고,
상기 제2 절연막이 상기 제1 절연막보다 두꺼운
태양 전지. - 제11항에서,
상기 제1 절연막의 두께는 200 nm 이하이고, 상기 제2 절연막의 두께는 400 nm 이하인 태양 전지. - 제10항에서,
상기 제1 광전층은 불순물을 포함하며,
상기 제1 광전층 내의 불순물은 상기 층간 절연층으로부터 300nm 이내의 거리에 위치하는
태양 전지. - 제10항에서,
상기 제1 광전층의 적어도 한 표면에는 요철이 형성되어 있는 태양 전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140014268A KR20150093465A (ko) | 2014-02-07 | 2014-02-07 | 태양 전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140014268A KR20150093465A (ko) | 2014-02-07 | 2014-02-07 | 태양 전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150093465A true KR20150093465A (ko) | 2015-08-18 |
Family
ID=54057358
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140014268A KR20150093465A (ko) | 2014-02-07 | 2014-02-07 | 태양 전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20150093465A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109638103A (zh) * | 2018-06-05 | 2019-04-16 | 中智(泰兴)电力科技有限公司 | 单晶硅异质结太阳电池用两面差异化绒面结构及制备方法 |
-
2014
- 2014-02-07 KR KR1020140014268A patent/KR20150093465A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109638103A (zh) * | 2018-06-05 | 2019-04-16 | 中智(泰兴)电力科技有限公司 | 单晶硅异质结太阳电池用两面差异化绒面结构及制备方法 |
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