KR20160085121A - 태양 전지 - Google Patents

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KR20160085121A
KR20160085121A KR1020150002111A KR20150002111A KR20160085121A KR 20160085121 A KR20160085121 A KR 20160085121A KR 1020150002111 A KR1020150002111 A KR 1020150002111A KR 20150002111 A KR20150002111 A KR 20150002111A KR 20160085121 A KR20160085121 A KR 20160085121A
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conductive oxide
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KR1020150002111A
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이홍철
이승윤
이성은
허윤호
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 태양 전지에 관한 것이다.
본 발명의 일례에 따른 태양 전지는 제1 도전성 타입의 불순물을 함유하는 반도체 기판; 반도체 기판의 전면에 위치하고, 유전체 재질을 포함하는 제1 터널층; 제1 터널층의 전면에 위치하고, 금속 산화물을 포함하는 제1 버퍼층; 반도체 기판의 후면에 위치하고, 유전체 재질을 포함하는 제2 터널층; 제2 터널층의 후면에 위치하고, 금속 산화물을 포함하는 제2 버퍼층; 제1 버퍼층에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및 제2 버퍼층에 전기적으로 연결되는 제2 전극;을 포함하고, 제1 버퍼층의 일함수는 반도체 기판의 전자 친화도 보다 크고, 제2 버퍼층의 일함수는 반도체 기판의 전자 친화도 보다 작다.

Description

태양 전지{SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 전지로서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)의 반도체로 이루어진 기판(substrate) 및 에미터부(emitter layer), 그리고 기판과 에미터부에 각각 연결된 전극을 구비한다. 이때, 기판과 에미터부의 계면에는 p-n 접합이 형성되어 있다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공쌍은 전자와 정공으로 각각 분리되어 전자와 정공은 n형의 반도체와 p형 반도체쪽으로, 예를 들어 에미터부와 기판쪽으로 이동하고, 기판과 에미터부와 전기적으로 연결된 전극에 의해 수집되며, 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명은 태양 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일례에 따른 태양 전지는 제1 도전성 타입의 불순물을 함유하는 반도체 기판; 반도체 기판의 전면에 위치하고, 유전체 재질을 포함하는 제1 터널층; 제1 터널층의 전면에 위치하고, 금속 산화물을 포함하는 제1 버퍼층; 반도체 기판의 후면에 위치하고, 유전체 재질을 포함하는 제2 터널층; 제2 터널층의 후면에 위치하고, 금속 산화물을 포함하는 제2 버퍼층; 제1 버퍼층에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및 제2 버퍼층에 전기적으로 연결되는 제2 전극;을 포함하고, 제1 버퍼층의 일함수는 반도체 기판의 전자 친화도 보다 크고, 제2 버퍼층의 일함수는 반도체 기판의 전자 친화도 보다 작다.
여기서, 제1 버퍼층과 제1 전극 사이에는 제1 투명 도전성 산화막;을 더 포함하고, 제1 버퍼층의 일함수는 제1 투명 도전성 산화막의 일함수보다 클 수 있다.
일례로, 제1 버퍼층의 일함수는 4.5eV ~ 7eV 사이일 수 있다.
아울러, 제2 버퍼층과 제2 전극 사이에는 제2 투명 도전성 산화막;을 더 포함하고, 제2 버퍼층의 일함수는 제2 투명 도전성 산화막의 일함수보다 작을 수 있다.
일례로, 제2 버퍼층의 일함수는 3eV ~ 4eV 사이일 수 있다.
또한, 제1 버퍼층의 두께는 제1 터널층의 두께보다 크고, 제1 투명 도전성 산화막의 두께보다 작을 수 있다.
일례로, 제1 터널층의 두께는 0.5nm ~ 2.5nm 사이이고, 제1 투명 도전성 산화막의 두께는 50nm ~ 100nm 사이인 경우, 제1 버퍼층의 두께는 5nm ~ 20nm 사이로 형성될 수 있다.
이와 같은 제1 버퍼층은 몰리브데넘 산화물(MoOx), 니켈 산화물(NiOx), 텅스텐산화물(WOx), 바나듐 산화물(VOx), 망간이 함유된 아연 산화물(ZnO:Mg) 또는 질소가 함유된 아연 산화물(ZnO:N) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 제2 버퍼층의 두께는 제2 터널층의 두께보다 크고, 제2 투명 도전성 산화막의 두께보다 작을 수 있고, 제2 투명 도전성 산화막의 두께는 제1 투명 도전성 산화막의 두께보다 두꺼울 수 있다.
이때, 제2 투명 도전성 산화막에서 제2 버퍼층과 접하는 전면은 평평하고, 제2 전극과 접하는 후면은 복수의 요철을 구비할 수 있다.
일례로, 제2 터널층의 두께는 0.5nm ~ 2.5nm 사이이고, 제2 투명 도전성 산화막의 두께는 500nm ~ 2um 사이인 경우, 제2 버퍼층의 두께는 5nm ~ 50nm 사이로 형성될 수 있다.
또한, 제2 버퍼층은 수소를 함유할 수 있고, 이와 같은 제2 버퍼층은 수소가 함유된 인듐 산화물(In2O3:H), 수소가 함유된 아연 산화물(ZnO:H), 수소가 함유된 주석 산화물(SnO:H) 또는 수소가 함유된 티타늄 산화물(TiO2:H) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 제1, 2 투명 도전성 산화막은 주석이 함유된 인듐 산화물(In2O3:Sn), 아연이 함유된 인듐 산화물(In2O3:Zn), 알루미늄이 함유된 아연 산화물(ZnO:Al), 붕소가 함유된 아연 산화물(ZnO:B), 갈륨이 함유된 아연 산화물(ZnO:Ga) 또는 플루오린이 함유된 아연 산화물(SnO2:F) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지는 금속 산화물로 에미터부와 후면 전계부를 형성함으로써, 반도체 기판의 광흡수율을 보다 향상시켜 태양 전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 태양 전지의 일부 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 태양 전지에 의해 형성되는 에너지 밴드 다이어그램을 설명하기 위한 도이다.
도 4는 도 2에 도시된 일부분을 확대한 도시한 확대도이다.
도 5는 본 발명의 제1, 2 버퍼층(BF1, BF2)의 광흡수율을 설명하기 위한 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 “전체적”으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
또한, 전면이라 함은 직사광이 입사되는 반도체 기판의 일면일 수 있으며, 후면이라 함은 직사광이 입사되지 않거나, 직사광이 아닌 반사광이 입사될 수 있는 반도체 기판의 반대면일 수 있다.
아울러, 어떠한 두 개의 값이 동일하다는 것은 오차 범위 10% 이하에서 동일하다는 것을 의미한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일례에 따른 태양 전지를 설명하기 위한 도이다. 여기서, 도 1은 본 발명의 일례에 따른 태양 전지의 일부 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 태양 전지에 의해 형성되는 에너지 밴드 다이어그램을 설명하기 위한 도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일례에 따른 태양 전지는 반도체 기판(110), 제1 터널층(TN1), 제1 버퍼층(BF1), 제1 투명 도전성 산화막(TCO1), 제2 터널층(TN2), 제2 버퍼층(BF2), 제2 투명 도전성 산화막(TCO2), 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)을 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일례에 따른 태양 전지에서는 제1, 2 투명 도전성 산화막(TCO1, TCO2)이 모두 구비된 경우를 일례로 도시하였으나, 반드시 필요한 것은 아니고, 제1, 2 투명 도전성 산화막(TCO1, TCO2)이 생략되더라도 태양 전지는 동작이 가능하다.
다만, 제1, 2 투명 도전성 산화막(TCO1, TCO2)이 구비된 경우, 태양 전지의 효율이 더 향상될 수 있으므로, 구비된 경우를 일례로 설명한다.
반도체 기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 n형 도전성 타입의 불순물을 함유하는 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(110)일 수 있다. 이와 같은 반도체 기판(110)은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 이루어진 반도체 웨이퍼가 사용될 수 있다.
반도체 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같은 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다. 하지만, 이와는 달리, 반도체 기판(110)은 p형 도전성 타입도 가능하고, 반도체 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 반도체 기판(110)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같이 3가 원소의 불순물을 함유할 수 있다. 이하에서는 반도체 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가지는 경우를 일례로 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110)의 전면은 텍스처링(texturing)처리되어 있는 요철면인 텍스처링 표면(texturing surface)을 가질 수 있고, 후면은 평탄면을 가질 수 있다. 그러나, 이와 다르게, 반도체 기판(110)의 전후면 모두 텍스처링 표면을 가지는 것도 가능하다.
제1 터널층(TN1)은 반도체 기판(110)의 전면 위에 배치되며, 유전체 재질을 포함할 수 있다.
일례로, 제1 터널층(TN1)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110)의 전면 위에 전체적으로 형성되되, 반도체 기판(110)의 전면에 직접 접촉되어 형성될 수 있다.
이와 같은 제1 터널층(TN1)은 반도체 기판(110)에서 생성된 캐리어, 예를 들어 정공을 제1 버퍼층(BF1) 방향으로 통과시키며, 반도체 기판(110)의 전면에 대한 패시베이션 기능을 수행할 수 있다. 아울러, 이와 같은 제1 터널층(TN1)은 태양 전지의 개방 전압(Voc)를 상승시키는 역할을 할 수 있다.
이와 같은, 제1 터널층(TN1)은 일례로, SiCx 또는 SiOx로 형성되는 유전체 재질로 형성될 수 있으나, 이 외에도 silicon nitride (SiNx), hydrogenerated SiNx, aluminum oxide (AlOx), silicon oxynitride (SiON) 또는 hydrogenerated SiON로 형성되는 것도 가능하다.
또한, 제1 터널층(TN1)의 두께(TTN1)는 0.5nm ~ 2.5nm사이로 형성될 수 있다. 이와 같은 제1 터널층(TN1)은 Oxidation 공정이나 LPCVD 공정 또는 PECVD 증착 공정에 의해 형성될 수 있다.
제1 버퍼층(BF1)은 제1 터널층(TN1)의 전면에 위치하고, 금속 산화물을 포함한다. 보다 구체적으로 제1 버퍼층(BF1)은 제1 터널층(TN1)의 전면 위에 전체적으로 위치하고, 제1 터널층(TN1)과 직접 접촉하여 형성될 수 있다.
이와 같은 제1 버퍼층(BF1)은 n 형 도전성 타입을 갖는 반도체 기판(110)에서 소수 캐리어인 정공을 수집하는 에미터로서 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 제1 버퍼층(BF1)이 에미터로서 역할을 수행하도록 하기 위해, 제1 버퍼층(BF1)은 금속 산화물 중에서 전술한 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)보다 큰 일함수를 갖는 금속 산화물로 형성되거나, 이를 포함하여 형성될 수 있다.
여기서, 전자 친화도라고 함은 에너지 밴드 다이어그램의 전도대(CB)에서 진공 레벨까지의 에너지 레벨 차이일 수 있으며, 일례로, n형 도전성 타입을 갖는 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)는 4.05eV로 형성될 수 있다.
아울러, 일함수라고 함은 에너지 밴드 다이어그램의 페르미 레벨에서 진공 레벨까지의 에너지 레벨 차이일 수 있으며, 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1)는 전술한 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)인 4.05eV보다 높은 값을 가질 수 있다.
제1 버퍼층(BF1)이 전술한 일함수를 갖도록 하기 위해, 제1 버퍼층(BF1)은 몰리브데넘 산화물(MoOx), 니켈 산화물(NiOx), 텅스텐산화물(WOx), 바나듐 산화물(VOx), 망간이 함유된 아연 산화물(ZnO:Mg) 또는 질소가 함유된 아연 산화물(ZnO:N) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 산화물로 형성될 수 있다.
이와 같은 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1)에 대한 설명은 본 발명의 일례에 따른 태양 전지의 구조를 설명한 이후, 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
제1 투명 도전성 산화막(TCO1)은 제1 버퍼층(BF1)과 제1 전극(140) 사이에 위치할 수 있다. 즉, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)은 제1 버퍼층(BF1)의 전면 위에 전체적으로 위치할 수 있으며, 제1 버퍼층(BF1)과 직접 접촉하여 형성될 수 있다.
이와 같은 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 일함수는 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1)보다 작을 수 있고, 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)와 동일하거나 더 클 수 있다.
일례로, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 일함수는 대략 4.05eV 이상 4.5eV 미만으로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일례와 같이, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)이 제1 버퍼층(BF1)과 제1 전극(140) 사이에 위치하는 경우, 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1)는 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA) 및 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 일함수보다 큰 값을 가질 수 있다.
이와 같은 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)은 제1 버퍼층(BF1)의 전면 위에 전체적으로 위치하여, 전면 반사 방지막으로서 역할을 수행할 뿐만 아니라, 도전성 특징을 가지므로, 제1 버퍼층(BF1)으로 수집된 정공을 제1 전극(140)으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
이와 같은 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)은 제1 버퍼층(BF1)과 물질의 조성이 서로 다를 수 있으며, 일례로, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)은 주석이 함유된 인듐 산화물(In2O3:Sn), 아연이 함유된 인듐 산화물(In2O3:Zn), 알루미늄이 함유된 아연 산화물(ZnO:Al), 붕소가 함유된 아연 산화물(ZnO:B), 갈륨이 함유된 아연 산화물(ZnO:Ga) 또는 플루오린이 함유된 아연 산화물(SnO2:F) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
제1 전극(140)은 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 전면 위에 직접 접하여 배치되어, 제1 버퍼층(BF1)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 제1 전극(140)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 핑거 전극(141) 및 복수의 제1 버스바(143)를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 제1 버스바(143)는 생략되는 것도 가능하나, 도시된 바와 같이 구비된 경우를 일례로 설명한다.
여기서, 복수의 제1 핑거 전극(141)은 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 전면 위에 위치하여, 복수 개가 서로 이격하여 제1 방향(x)으로 뻗어있을 수 있다.
이와 같은 복수의 제1 핑거 전극(141)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110)이 n 타입인 경우, 제1 버퍼층(BF1)쪽으로 이동한 캐리어인 정공을 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)을 통하여 수집할 수 있다.
그리고, 복수의 제1 버스바(143)는 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 전면 위에 위치하되, 복수의 제1 핑거 전극(141)과 동일 층에 위치하고, 복수의 제1 핑거 전극(141)을 서로 전기적으로 연결시키며, 복수의 제1 핑거 전극(141)과 교차하는 제2 방향(y)으로 뻗어있을 수 있다.
이와 같은 복수의 제1 버스바(143)는 태양 전지를 서로 연결시키는 인터커넥터(미도시)와 연결되며, 복수의 제1 핑거 전극(141)에 의해 수집되어 이동하는 캐리어를 수집하여 외부 장치로 출력할 수 있다.
복수의 제1 핑거 전극(141)과 제1 버스바(143)는 적어도 하나의 도전성 금속 물질로 이루어져 있고, 이들 도전성 금속 물질의 예는 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있지만, 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
제2 터널층(TN2)은 반도체 기판(110)의 후면 위에 배치되며, 유전체 재질을 포함할 수 있다.
일례로, 제2 터널층(TN2)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110)의 후면 위에 전체적으로 형성되되, 반도체 기판(110)의 후면 위에 직접 접촉되어 형성될 수 있다.
이와 같은 제2 터널층(TN2)은 반도체 기판(110)에서 생성된 캐리어, 예를 들어 전자를 제2 버퍼층(BF2) 방향으로 통과시키며, 반도체 기판(110)의 후면에 대한 패시베이션 기능을 수행할 수 있다. 아울러, 이와 같은 제2 터널층(TN2)도 태양 전지의 개방 전압(Voc)를 상승시키는 역할을 할 수 있다.
이와 같은, 제2 터널층(TN2)의 재질은 앞선 제1 터널층(TN1)의 재질로 예시된 유전체 재질 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있으며, 이와 같은 예시된 재질 중에서 제1 터널층(TN1)의 재질과 동일하게 또는 다르게 형성될 수도 있다.
아울러, 제2 터널층(TN2)의 두께(TTN2)도 0.5nm ~ 2.5nm사이의 범위에서 형성될 수 있으며, 이와 같은 범위 내에서 제1 터널층(TN1)의 두께(TTN1)와 동일하게 또는 다르게 형성될 수 있다.
또한, 제2 터널층(TN2)의 형성 방법은 제1 터널층(TN1)의 형성 방법과 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
제2 버퍼층(BF2)은 제2 터널층(TN2)의 후면에 위치하고, 금속 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 버퍼층(BF2)은 제2 터널층(TN2)의 후면 위에 전체적으로 위치하고, 제2 터널층(TN2)과 직접 접촉하여 형성될 수 있다.
이와 같은 제2 버퍼층(BF2)은 n 타입의 도전성 타입을 갖는 반도체 기판(110)에서 다수 캐리어인 전자를 수집하는 후면 전계부로서 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 제2 버퍼층(BF2)에 포함되는 금속 산화물은 제1 버퍼층(BF1)에 포함되는 금속 산화물과 다른 금속 산화물이 포함될 수 있고, 제2 버퍼층(BF2)이 후면 전계부로서 역할을 수행하도록 하기 위해, 제2 버퍼층(BF2)은 금속 산화물 중에서 전술한 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)보다 작은 일함수를 갖는 금속 산화물로 형성되거나 이를 포함하여 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 버퍼층(BF2)은 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1) 및 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)보다 낮은 일함수를 갖는 금속 산화물을 포함하여 형성될 수 있다.
아울러, 제2 버퍼층(BF2)은 패시베이션 기능을 더 수행할 수 있고, 이를 위해, 제2 버퍼층(BF2)은 수소를 포함할 수 있다.
따라서, 제2 버퍼층(BF2)이 전술한 바와 같은 일함수를 갖도록 하여 후면 전계부로서의 역할을 수행하고, 패시베이션 기능을 수행하도록 하기 위하여, 제2 버퍼층(BF2)은 수소가 함유된 인듐 산화물(In2O3:H), 수소가 함유된 아연 산화물(ZnO:H), 수소가 함유된 주석 산화물(SnO:H) 또는 수소가 함유된 티타늄 산화물(TiO2:H) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
제2 버퍼층(BF2)의 일함수(WF2)에 대한 설명은 본 발명의 일례에 따른 태양 전지의 구조를 설명한 이후, 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
제2 투명 도전성 산화막(TCO2)은 제2 버퍼층(BF2)과 제2 전극(150) 사이에 위치할 수 있다. 즉, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)은 제2 버퍼층(BF2)의 후면 위에 전체적으로 위치할 수 있으며, 제2 버퍼층(BF2)과 직접 접촉하여 형성될 수 있다.
이와 같은 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 일함수는 제2 버퍼층(BF2)의 일함수(WF2)보다 클 수 있고, 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)와 동일하거나 더 클 수 있고, 일례로, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 일함수는 대략 4.05eV 이상 4.5eV 미만으로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일례와 같이, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)이 제2 버퍼층(BF2)과 제2 전극(150) 사이에 위치하는 경우, 제2 버퍼층(BF2)의 일함수(WF2)는 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA) 및 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 일함수보다 작은 값을 가질 수 있다.
이와 같은 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)은 후면 반사 방지막으로서의 역할을 수행할 뿐만 아니라, 제2 버퍼층(BF2)으로 수집된 전자를 제2 전극(150)으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
이와 같은 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)은 제2 버퍼층(BF2)과 물질의 조성이 서로 다를 수 있으며, 일례로, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)은 주석이 함유된 인듐 산화물(In2O3:Sn), 아연이 함유된 인듐 산화물(In2O3:Zn), 알루미늄이 함유된 아연 산화물(ZnO:Al), 붕소가 함유된 아연 산화물(ZnO:B), 갈륨이 함유된 아연 산화물(ZnO:Ga) 또는 플루오린이 함유된 아연 산화물(SnO2:F) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이와 같은 물질들 중에서 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)과 동일한 물질로 형성되거나 다르게 형성될 수 있다.
제2 전극(150)은 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 후면 위에 직접 접하여 배치되어, 제2 버퍼층(BF2)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 제2 전극(150)(150)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 제2 핑거 전극(151) 및 복수의 제2 버스바(153)를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 제2 버스바도 생략될 수 있고, 도시된 바와 같이 구비된 경우를 일례로 설명한다.
여기서, 복수의 제2 핑거 전극(151)은 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 후면 위에 서로 이격하여 제1 방향(x)으로 뻗어있을 수 있으며, 제2 버퍼층(BF2) 쪽으로 이동한 캐리어인 전자를 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)을 통하여 수집할 수 있다.
그리고, 복수의 제2 버스바(153)는 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 후면 위에서 복수의 제2 핑거 전극(151)과 동일 층에 위치하고, 복수의 제2 핑거 전극(151)을 서로 전기적으로 연결시키며, 복수의 제2 핑거 전극(151)과 교차하는 제2 방향(y)으로 뻗어 있을 수 있다.
이와 같은 복수의 제2 버스바(153)는 태양 전지를 서로 연결시키는 인터커넥터(미도시)와 연결되며, 제2 핑거 전극(151)에 의해 수집되어 이동하는 캐리어를 수집하여 외부 장치로 출력한다.
여기서, 제2 버스바(153)의 길이 방향은 제1 버스바(143)의 길이 방향과 동일하고, 제2 핑거 전극(151)의 길이 방향도 제1 핑거 전극(141)의 길이 방향과 동일할 수 있으며, 제2 전극(150)(150)의 재질은 제1 전극(140)의 재질과 동일할 수 있다.
전술한 바와 같이, 태양 전지의 전면으로부터 제1 투명 도전성 산화막(TCO1), 제1 버퍼층(BF1), 제1 터널층(TN1), 반도체 기판(110), 제2 터널층(TN2), 제2 버퍼층(BF2), 제2 투명 도전성 산화막(TCO2) 순으로 각 층들이 직접 접속되었을 때, 본 발명에 따른 태양 전지는 도 4에 도시된 바와 같이, 에너지 밴드 다이어그램이 형성될 수 있다.
여기서, 제1 터널층(TN1)과 제2 터널층(TN2)은 캐리어가 통과될 수 있을 정도로 매우 얇은 두께를 하고 있으므로, 실질적으로 에너지 밴드 다이어그램에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다.
그러나, 제1 버퍼층(BF1)이 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)보다 큰 일함수(WF1)를 가지고 있으므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110)에서 제1 버퍼층(BF1)쪽으로 진행할수록 전도대(CB)의 에너지 레벨과 가전자대(VB)의 에너지 레벨이 상승할 수 있다.
아울러, 제2 버퍼층(BF2)이 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)보다 작은 일함수(WF2)를 가지고 있어, 반도체 기판(110)에서 제2 버퍼층(BF2)쪽으로 진행할수록 전도대(CB)의 에너지 레벨과 가전자대(VB)의 에너지 레벨이 하강할 수 있다.
이에 따라, 빛이 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)과 제1 버퍼층(BF1)을 통해 반도체의 반도체 기판(110)으로 입사되어 반도체 기판(110)에서 전자-정공 쌍이 발생했을 때, 생성된 케리어인 전자는 에너지 밴드 다이어그램의 밴딩에 의해 제2 터널층(TN2)을 통과하여 제2 버퍼층(BF2)으로 이동하고, 케리어인 정공은 제1 터널층(TN1)을 통과하여 제1 버퍼층(BF1)으로 이동할 수 있다.
이후, 제1 버퍼층(BF1)으로 이동한 정공은 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)을 통해 제1 전극(140)으로 수집되고, 제2 버퍼층(BF2)으로 이동한 전자는 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)을 통해 제2 전극(150)으로 수집될 수 있다.
이후, 서로 인접한 태양 전지에 인터커넥터(미도시)가 연결되면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 태양 전지는 반도체 기판(110)에 실리콘 반도체로 형성되는 에미터부나 후면 전계부 대신에 금속 산화물을 포함하는 제1, 2 버퍼층(BF1, BF2)이 에미터부나 후면 전계부의 역할을 대신하게 함으로써, 실리콘 반도체로 형성되는 에미터부나 후면 전계부에서의 광흡수량을 최소화할 수 있어 태양 전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
일례로, 통상적인 태양 전지에서는 에미터부가 비정질 실리콘 또는 결정질 실리콘으로 형성될 수 있는데, 이와 같은 경우, 일례로, 빛이 에미터부를 통하여 반도체 기판(110)으로 입사될 때, 에미터부에서는 특히 단파장 대역의 빛이 상대적으로 많이 흡수될 수 있고, 이에 따라 태양 전지의 광전 변환 효율이 저하될 수 있는데, 본 발명에 따를 경우, 에미터부로서 역할을 수행하는 제1 버퍼층(BF1)이 상대적으로 낮은 광흡수율을 갖는 금속 산화물로 형성되어, 태양 전지의 광전 변환 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.
아울러, 본 발명과 같이, 태양 전지가 양면형 태양 전지 형태를 갖는 경우, 후면 전계부를 통해 반도체 기판(110)으로 빛이 입사될 수 있는데, 이와 같은 경우에도 후면 전계부로서 역할을 수행하는 제2 버퍼층(BF2)이 상대적으로 낮은 광흡수율을 갖는 금속 산화물로 형성되어, 태양 전지의 광전 변환 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.
여기서, 전술한 바와 같이, 제1, 2 투명 도전성 산화막(TCO1, TCO2)이 구비되는 경우, 제1, 2 투명 도전성 산화막(TCO1, TCO2)의 일함수는 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)인 4.05eV와 동일하거나 더 높은 대략 4.05eV 이상 4.5eV 미만으로 형성될 수 있다.
아울러, 제1 버퍼층(BF1)이 에미터부로서 역할을 수행하도록 하기 위하여, 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1)는 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA) 및 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 일함수보다 높을 수 있으며, 이와 같은 범위 내에서 일례로, 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1)는 4.5eV ~ 7eV 사이로 형성될 수 있다.
여기서, 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1)가 4.5eV 이상이 되도록 하는 것은 제1 버퍼층(BF1)이 에미터부로서 역할을 수행하되, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)보다 큰 일함수를 갖도록 하기 위함이고, 만약 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)이 구비되지 않는 경우, 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1)가 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA)인 4.05eV보다 큰 범위로 보다 확장될 수 있다.
아울러, 제1 버퍼층(BF1)의 일함수(WF1)가 7eV 이하가 되도록 하는 것은 금속 산화물의일함수가 일반적으로 7eV 이하로 형성되고, 일함수가 과도하게 크면 제1 버퍼층(BF1)의 전도성이 상대적으로 저하되기 때문이다.
또한, 제2 버퍼층(BF2)이 후면 전계부로서 역할을 수행하도록 하기 위하여, 제2 버퍼층(BF2)의 일함수(WF2)도 반도체 기판(110)의 전자 친화도(EA) 및 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 일함수보다 낮게 형성될 수 있으며, 이와 같은 범위 내에서 일례로, 제2 버퍼층(BF2)의 일함수(WF2)는 3eV ~ 4eV 사이로 형성될 수 있다.
여기서, 제2 버퍼층(BF2)의 일함수(WF2)가 4eV 이하가 되도록 하는 것은 제2 버퍼층(BF2)이 후면 전계부로서 역할을 수행하도록 하기 위함이고, 제2 버퍼층(BF2)의 일함수(WF2)가 3eV 이상이 되도록 하는 것은 일반적으로 금속 산화물의 일함수가 3eV보다 높기 때문이다.
이와 같은 본 발며에 따른 태양 전지에서 각 층의 두께는 다음과 같이 형성될 수 있다. 이에 대해, 다음의 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 도 2에 도시된 일부분을 확대한 도시한 확대도이다.
도 4에서, 제1 버퍼층(BF1)의 두께(TBF1)는 제1 터널층(TN1)의 두께(TTN1)보다 크고, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 두께(TTC1)보다 작을 수 있다.
여기서, 제1 버퍼층(BF1)의 두께(TBF1)를 제1 터널층(TN1)의 두께(TTN1)보다 크게 하는 것은 제1 버퍼층(BF1)의 두께(TBF1)를 충분히 확보하여 에미터부로서의 역할을 수행하도록 하기 위함이고, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 두께(TTC1)보다 작게 하는 것은 제1 버퍼층(BF1)이 에미터부로서의 역할을 충분히 수행할 수 있는 상태에서 제1 버퍼층(BF1)의 전도성을 충분히 확보하고, 제1 버퍼층(BF1)의 광흡수율을 최소화하기 위함이다.
즉, 일함수가 상대적으로 큰 경우, 전도성이 상대적으로 저하될 수 있는데, 두께를 상대적으로 더 작게 하면, 전도성이 충분히 확보할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 터널층(TN1)의 두께(TTN1)는 전술한 바와 같이 0.5nm ~ 2.5nm 사이, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 두께(TTC1)는 50nm ~ 100nm 사이, 제1 버퍼층(BF1)의 두께(TBF1)는 5nm ~ 20nm 사이로 형성될 수 있다.
여기서, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 두께(TTC1)가 50nm 이상이 되도록 하는 것은 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 전도성을 충분히 확보하기 위함이고, 100nm 이하가 되도록 하는 것은 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)이 전도성을 충분히 확보한 상태에서, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 광흡수율을 최소화하기 위함이다.
아울러, 제1 버퍼층(BF1)이 5nm 이상이 되도록 하는 것은 전술한 바와 같이 에미터부로서의 역할을 충분히 수행하도록 하기 위함이고, 제1 버퍼층(BF1)이 20nm 이하가 되도록 하는 것은 제1 버퍼층(BF1)의 전도성을 충분히 확보하고, 광흡수율을 보다 낮추기 위함이다.
아울러, 제2 버퍼층(BF2)의 두께(TBF2)는 제2 터널층(TN2)의 두께(TTN2)보다 크고, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 두께(TTC2)보다 작게 할 수 있다.
여기서, 제2 버퍼층(BF2)의 두께(TBF2)를 제2 터널층(TN2)보다 크게 하는 것은 제2 버퍼층(BF2)의 두께(TBF2)를 충분히 확보하여 후면 전계부로서의 역할을 수행하도록 하기 위함이고, 제2 버퍼층(BF2)의 두께(TBF2)를 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 두께(TTC2)보다 크게 하는 것은 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)보다 작게 하는 것은 제2 버퍼층(BF2)이 후면 전계부로서의 역할을 충분히 수행할 수 있는 상태에서 제2 버퍼층(BF2)의 전도성을 충분히 확보하기 위함이다.
아울러, 여기서, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 두께(TTC2)는 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 후면에 복수의 요철이 구비할 수 있는 충분한 두께를 가지도록 하기 위하여, 제1 투명 도전성 산화막(TCO1)의 두께(TTC1)보다 두꺼울 수 있다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)에서 제2 버퍼층(BF2)과 접하는 전면은 평평하고, 제2 전극(150)과 접하는 후면에는 복수의 요철이 구비될 수 있다.
이와 같이, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 후면에 복수의 요철이 구비된 경우, 외부로부터 입사되어 반도체 기판(110)을 투과한 빛은 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 후면에 구비된 복수의 요철에 의해 산란 및 반사를 일으켜, 반도체 기판(110)으로 재입사시킬 수 있고, 이에 따라, 반도체 기판(110)의 광흡수율을 보다 향상시킬 수 있다.
일례로, 제2 터널층(TN2)의 두께(TTN2)는 전술한 바와 같이, 0.5nm ~ 2.5nm 사이로 형성될 수 있고, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 두께(TTC2)는 500nm ~ 2um 사이, 제2 버퍼층(BF2)의 두께(TBF2)는 5nm ~ 50nm 사이로 형성될 수 있다.
여기서, 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)의 두께(TTC2)가 500nm ~ 2um 사이를 갖도록 하는 것은 제2 투명 도전성 산화막(TCO2)이 충분한 도전성을 유지하도록 하면서 복수의 요철이 구비되도록 하기 위함이고, 제2 버퍼층(BF2)의 두께(TBF2)를 5nm ~ 50nm 사이로 형성하는 것은 제2 버퍼층(BF2)이 후면 전계부로서의 역할을 수행하되, 제2 버퍼층(BF2)의 도전성을 충분히 확보하기 위함이다.
이하에서는 본 발명에서 에미터부나 후면 전계부로 사용되는 제1, 2 버퍼층(BF1, BF2)의 광흡수율을 에미터부나 후면 전계부로 사용되는 비정질 실리콘 및 다결정 실리콘의 광흡수율과 비교 설명한다.
도 5는 본 발명의 제1, 2 버퍼층(BF1, BF2)의 광흡수율을 설명하기 위한 도이다.
도 5에서 x축은 태양 전지로 입사되는 빛의 파장 대역을 나타내고, y축은 광흡수율을 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 태양 전지에서 에미터부나 후면 전계부로 사용되는 비정질 실리콘(a-Si) 및 다결정 실리콘(poly-Si)의 광흡수율은 600nm 이하의 파장 대역에서 파장이 짧아질수록 8*105 [/cm]이나 13*105[/cm]까지 증가하는 것을 알 수 있다.
그러나, 본 발명과 같이, 에미터부나 후면 전계부로 사용되는 금속 산화물의 제1, 2 버퍼층(BF1, BF2)은 파장 대역이 600nm 이하로 감소하더라도 광흡수율이 거의 증가하지 않고 매우 낮게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 태양 전지는 600nm 이하의 단파장 대역에서도 광흡수율이 매우 낮은 금속 산화물의 제1, 2 버퍼층(BF1, BF2)을 에미터부 및 후면 전계부로 사용함으로써, 반도체 기판(110)의 광흡수율을 보다 향상시킬 수 있고, 이로 인하여 태양 전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 도전성 타입의 불순물을 함유하는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 전면에 위치하고, 유전체 재질을 포함하는 제1 터널층;
    상기 제1 터널층의 전면에 위치하고, 금속 산화물을 포함하는 제1 버퍼층;
    상기 반도체 기판의 후면에 위치하고, 유전체 재질을 포함하는 제2 터널층;
    상기 제2 터널층의 후면에 위치하고, 금속 산화물을 포함하는 제2 버퍼층;
    상기 제1 버퍼층에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및
    상기 제2 버퍼층에 전기적으로 연결되는 제2 전극;을 포함하고,
    상기 제1 버퍼층의 일함수는 상기 반도체 기판의 전자 친화도 보다 크고,
    상기 제2 버퍼층의 일함수는 상기 반도체 기판의 전자 친화도 보다 작은 태양 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층과 상기 제1 전극 사이에는 제1 투명 도전성 산화막;을 더 포함하고,
    상기 제1 버퍼층의 일함수는 상기 제1 투명 도전성 산화막의 일함수보다 큰 태양 전지.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층의 일함수는 4.5eV ~ 7eV 사이인 태양 전지.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층과 상기 제2 전극 사이에는 제2 투명 도전성 산화막;을 더 포함하고,
    상기 제2 버퍼층의 일함수는 상기 제2 투명 도전성 산화막의 일함수보다 작은 태양 전지.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층의 일함수는 3eV ~ 4eV 사이인 태양 전지.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층의 두께는 상기 제1 터널층의 두께보다 크고, 상기 제1 투명 도전성 산화막의 두께보다 작은 태양 전지.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 터널층의 두께는 0.5nm ~ 2.5nm 사이이고,
    상기 제1 투명 도전성 산화막의 두께는 50nm ~ 100nm 사이이고,
    상기 제1 버퍼층의 두께는 5nm ~ 20nm 사이인 태양 전지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층은 몰리브데넘 산화물(MoOx), 니켈 산화물(NiOx), 텅스텐산화물(WOx), 바나듐 산화물(VOx), 망간이 함유된 아연 산화물(ZnO:Mg) 또는 질소가 함유된 아연 산화물(ZnO:N) 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층의 두께는 상기 제2 터널층의 두께보다 크고, 상기 제2 투명 도전성 산화막의 두께보다 작은 태양 전지.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 투명 도전성 산화막의 두께는 상기 제1 투명 도전성 산화막의 두께보다 두꺼운 태양 전지.
  11. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 투명 도전성 산화막에서 상기 제2 버퍼층과 접하는 전면은 평평하고, 상기 제2 전극과 접하는 후면은 복수의 요철을 구비하는 태양 전지.
  12. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 터널층의 두께는 0.5nm ~ 2.5nm 사이이고,
    상기 제2 투명 도전성 산화막의 두께는 500nm ~ 2um 사이이고,
    상기 제2 버퍼층의 두께는 5nm ~ 50nm 사이인 태양 전지.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층은 수소를 함유하는 태양 전지.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 버퍼층은 수소가 함유된 인듐 산화물(In2O3:H), 수소가 함유된 아연 산화물(ZnO:H), 수소가 함유된 주석 산화물(SnO:H) 또는 수소가 함유된 티타늄 산화물(TiO2:H) 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지.
  15. 제4 항에 있어서,
    상기 제1, 2 투명 도전성 산화막은 주석이 함유된 인듐 산화물(In2O3:Sn), 아연이 함유된 인듐 산화물(In2O3:Zn), 알루미늄이 함유된 아연 산화물(ZnO:Al), 붕소가 함유된 아연 산화물(ZnO:B), 갈륨이 함유된 아연 산화물(ZnO:Ga) 또는 플루오린이 함유된 아연 산화물(SnO2:F) 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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