KR20160130196A - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 금속-분극형 반도체-금속(Metal- Polarized Semiconductor-Metal) 구조를 갖는 전기분극형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기분극형 태양전지는 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층을 포함하고, 상기 전극 중에서 하나 이상은 투명한 전도성 물질을 포함하며, 상기 광흡수층은 구리 산화물을 포함하고 바람직하게는 실리콘 또는 티타늄과의 복합 산화물로 이루어져 전기분극 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 및 그 제조방법 {SOLAR CELLS AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층을 포함하고, 상기 광흡수층은 전기분극물질을 포함하여 이루어지는 전기분극형 태양전지로서 광전 변환 효율을 향상시킨 태양전지의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

실리콘 태양전지는 현재 가장 큰 시장점유율을 보이고 있는 단결정 및 다결정을 포함하는 결정질 태양전지 기술로서, 고효율과 저가로 제조할 수 있는 기술 개발이 이루어지고 있다

지난 20년 동안 가장 전세계에서 효율이 우수한 실리콘 태양전지는 호주의 뉴사우스웨일즈대학(University of New South Wales)에서 개발한 PERL(Passivated Emitter Rear Locally Diffused) 구조를 이용하는 것으로 효율이 25%이었으나, 2014년 4월 IEEE Photovoltaic Specialists Conference에서 파나소닉(Panasonic)사는 새로운 구조를 채택하여 25.6%의 효율을 실현하였다. 이 태양전지는 유입되는 태양광의 일부를 막는 전단 접합부(Front Contact)를 변경하여, 양극 접합부 및 음극 접합부 모두 후면에 위치한다. 그밖에, 결정 실리콘 웨이퍼에 고품질의 비정질 실리콘막을 형성하여 웨이퍼 표면에의 손상을 억제함으로써 전, 후면에서 캐리어의 재결합 발생을 최소화하여 25%의 효율 벽을 넘는 25.6%의 효율을 달성하였다.

그러나, 상기한 효율 기록 갱신과 관련한 모든 설계는 고품질 실리콘 결정을 사용해야 한다는 단점을 갖고 있으며, 지상용 단일 접합 태양전지의 이론 효율인 약 30%에 미치지 못하는 있는 상황이다.

한편, 박막 태양전지 기술은 현재 가장 큰 시장점유율을 보이고 있는 결정질 Si 태양전지와 비교되는 차세대 태양전지 기술로서, 박막 태양전지는 결정질 Si 태양전지보다 효율을 높일 수 있으면서도 저가로 제조할 수 있어 주목받고 있는 태양전지이며, 대표적으로 CIGS(Cu(In, Ga)Se₂) 태양전지가 있다.

이러한 박막 태양전지의 경우, 효율을 보다 향상시키기 위하여, 압전소자(piezoelectric device)와 같은 타소자와의 융합을 통한 방법이 제안되고 있다.

예를 들어, Wang 등에 의한 특허문헌 1에는 하이브리드 태양광 발전기(hybrid solar nanogenerator)에 있어서, 염료태양전지(dye-sensitized solar cell)의 전극에 직렬 또는 병렬로 ZnO 나노선(nanowire)을 이용한 압전 나노발전소자(piezoelectric nanogenerator)를 설치하여 기계적 진동에 의해 생성된 전하를 수집하여 광전류와 함께 발전량에 기여하도록 함으로써 효율을 개선하도록 하는 방법이 제시되어 있다. 그런데, 하기 특허문헌 1에 개시된 기술은 기계적 진동을 발생시키기 위한 에너지와 장치가 부수적으로 필요하므로 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 전기장 향상 효과에 의하여 개선된 광전환 효율을 나타낼 수 있는 태양전지 기술이 개시되어 있는데, 이 기술은 박막 태양전지의 전극에 전계 방출 효과를 갖는 나노막대, 나노선 또는 나노튜브 등의 형태를 갖는 나노구조물을 포함하는 전계방출층을 설치하여 빛에 의하여 광활성층으로부터 발생된 전자와 정공을 각 전극으로 효과적으로 전달시킴으로써 태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위한 것이나, 실제 다양한 박막 태양전지에 적용한 결과, 효율 개선 효과는 미미한 반면, 나노구조물의 제작에 소요되는 공정비용이 증가하여, 특허문헌 1에 개시된 기술과 마찬가지로 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.

1. 미국 등록 특허공보 US7,705,523 (2010년4월27일) 2. 대한민국 공개 특허공보 제2011-0087226호 (2011년08월02일)

본 발명의 목적은 자발분극(spontaneous polarization)과 잔류분극(remanent polarization) 특성을 갖는 전기분극(electrical polarization) 물질을 광흡수층으로 이용하여 전도체-분극형 반도체-전도체(Conductor-Polarized Smiconductor-Conductor) 구조를 형성함으로써 내장전계(built-in electric field)를 형성하여 광흡수에 의해 반도체 내에서 생성된 전자와 정공의 재결합(recombination)을 감소시키는 동시에 전극에의 수집(collection) 효율을 개선하여 효율을 증대시킬 수 있는 태양전지의 구조와 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1측면은, 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층이 배치되며, 상기 광흡수층은 전기분극물질을 포함하는 전기분극형 태양전지를 제공하는 것이다.

상기 태양전지에 있어서, 상기 두 전극 중 적어도 일방은 태양광이 투과되는 물질로 이루어진다.

상기 태양전지에 있어서, 상기 전기분극물질이 I-IV-VI족 또는 II-IV-VI족 화합물을 포함하여 이루어질 수 있으며, 바람직하게 Cu, Si 또는 Ti 함유 산화물을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게 Cu_xSi_yO_z, Cu_xTi_yO_z(x, y, z는 임의의 양수) 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층을 구성하는 물질은 0.5 ~ 1.5eV 범위의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.

상기 태양전지에 있어서, 상기 전기분극물질은 비정질, 다결정 또는 단결정 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2측면은, 기판 위에 전도성 물질로 하부 전극을 형성하는 단계, 하부 전극 상에 전기분극특성을 갖는 물질로 광흡수층을 형성하는 단계, 및 상기 광흡수층 상에 투명한 전도성 물질로 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분극형 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광흡수층은, 진공증착법과 전기도금법, 잉크 프린팅법 또는 스프레이 열분해법으로 형성될 수 있다.

상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광흡수층의 형성 후, 외부에서 전압을 인가하여 상기 전기분극특성을 갖는 물질에 잔류분극이 형성되도록 할 수 있다.

상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광흡수층을 형성하는 과정에 상기 전기분극특성을 갖는 물질에 잔류분극이 형성되도록 할 수 있다.

상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광흡수층은 반응성 이온 스퍼터링 방법으로 형성되고, 상기 광흡수층을 형성할 때, 0V ~ -5V의 범위로 전압을 인가하여, 광흡수층의 형성과 동시에 잔류분극이 형성되도록 할 수 있다.

상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 반응성 이온 스퍼터링은, 전기분극물질의 성분을 갖는 타겟(target)을 설치하고 진공상태에서 불활성 가스와 반응성 기체를 주입하는 단계와, 플라즈마를 발생하여 Ar 이온이 타겟에 충돌하여 방출되는 전기분극물질이 산소 플라즈마와 반응하여 산화물이 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 태양전지는 자발분극과 잔류분극 특성을 갖는 전기분극물질을 광흡수층으로 설치함으로써 내장전계를 형성하여 광흡수에 의해 반도체 내에서 생성된 전자와 정공의 재결합을 감소시키는 동시에 전극에의 수집효율을 개선하여 효율을 증대시키는 동시에 기존의 재결합 방지층을 대체하여 공정을 단순화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 의하면, 반응성 이온 스퍼터링 또는 전자빔 증발법과 같은 진공 증착 방법이나 전기도금, 잉크 프린팅, 스프레이 열분해법 등과 같은 비진공법을 적용하여 전기분극물질을 형성하는 것을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 의하면, 전기분극물질을 형성하면서 동시에 바이어스 전압을 인가하여 형성된 전기분극층 내에 잔류분극이 형성되도록 함으로써, 전기분극 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있으므로, 태양전지의 효율을 보다 장시간 유지할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명에 따른 전기분극물질을 포함하는 전도체-분극형 반도체-전도체 태양전지의 구조와 광전류가 개선되는 개념을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 광흡수층이 전기분극물질로 이루어진 전도체-분극형 반도체-전도체 태양전지의 단면구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광흡수층이 전기분극물질로 이루어진 전도체-분극형 반도체-전도체 태양전지의 제조과정을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기분극물질을 포함하는 전도체-분극형 반도체-전도체 태양전지의 구조와 광전류가 개선되는 개념을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 광흡수층이 전기분극물질로 이루어진 전도체-분극형 반도체-전도체 태양전지의 단면구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

전기분극 특성을 나타내는 대표적인 재료인 강유전체는 ABO₃ 구조 또는 페로브스카이트(perpvskite) 격자구조로 되어 있는데, 이 격자의 중앙에 위치한 원자 B가 인가전압의 극성에 따라 상하로 움직이면서 분극 현상을 나타낸다. 이 원자의 위치에 따라 전압에 따른 전기분극의 크기가 다르게 나타난다. 즉, 격자에 위쪽으로부터 양의 전압(전기장)이 인가되면 중앙에 위치한 원자 B는 아래로 이동하며, 인가 전압의 증가에 따라 이동 거리도 길어지나, 전압이 차단되면 안정된 에너지 위치로 고정된다. 이때, 일정 크기의 분극이 존재하는데, 이를 잔류분극이라고 하며, 외부의 전기장이 없는 상태에서 스스로 분극을 가지는 것을 자발분극이라고 한다.

이러한 잔류분극과 자발분극의 특성을 갖는 전기분극물질을 일정한 두께 이하로 전극에 인접하여 설치하면 전기분극형 태양전지를 형성할 수 있다. 즉, 전기분극물질은 분극에 의하여 내장전계를 형성함으로써 광흡수에 의해 반도체 내에서 생성된 전하 캐리어(전자와 정공)의 재결합을 감소시킬 수 있다.

또한, 전하 캐리어의 농도가 증가하거나 외부에서 전기장을 역방향(음극에 음의 전압, 양극에는 양의 전압)으로 증가시키면, 이에 대응하여 전기분극물질 내에서는 역방향으로 분극이 발생하므로 캐리어가 각각의 극성에 따라 같은 극성을 가진 전극 방향으로 내부 전기장에 의하여 수집될 수 있으므로 수집 효율이 개선되므로 광전류를 증대시킬 수 있다.

즉, 일반적으로 전기분극물질로 사용되는 강유전체 물질의 박막에 있어서는 박막을 이루는 단위 입자들의 분극 방향(polarization orientation) 분포에 따라 분극의 크기가 변동되므로 전기분극의 분포를 전류 방향에 대하여 정방향이 되도록 외부에서 전기장을 인가하면 분극 방향이 전류 방향에 대해 정방향으로 균일하게 배열되므로 분극의 크기를 증가시킬 수 있으며, 상기 광흡수층을 구성하는 전기분극물질의 두께는 100nm~2㎛의 범위로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 전기분극물질의 두께가 100nm 미만일 경우 광흡수량이 부족하게 되고, 2㎛를 초과할 경우 전기장의 크기가 감속하게 되기 때문이다.

태양전지가 동작 중일 때는 순방향 전압이 인가되는 효과를 가지므로 이러한 경우에 전기분극층의 전기분극 크기와 방향이 변동하게 되어 전기분극이 태양전지의 동작 이전보다 감소하는 경향이 있으므로, 태양전지에 형성된 전기분극층의 효과를 일정 수준으로 유지하기 위해서는 전기분극층의 전기분극을 확대함으로써 동작시의 동작 전압(operating voltage) 범위에 있어서 전기분극 감소율을 최소화할 수 있다.

한편, 상기 전기분극물질은 광흡수층으로 적용하기 위해서 에너지 밴드갭이 0.5~1.5eV 범위의 복합 산화물이 바람직하다. 예를 들어, CuO, Cu₂O, CuTiO₃, CuSiO₃와 같은 산화물은 상기한 밴드갭 에너지를 가질 수 있으므로, 이러한 산화물이 광흡수층 재료로 사용될 수 있으며, Cu_xSi_yO_z, Cu_xTi_yO_z (x, y, z는 임의의 양수)가 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 전기분극층을 형성하는 방법으로는 결정질 박막의 형성이 용이한, 반응성 이온 스퍼터링법, 전자빔 증발법과 같은 물리기상증착(PVD: physical vapor deposition)법을 이용하는 것이 바람직하다.

반응성 이온 스퍼터링법의 경우, 진공 챔버 안에 형성하고자 하는 전기분극물질의 성분을 갖는 타겟(target)을 설치하고 진공상태에서 Ar과 같은 불활성 가스와 O₂와 같은 반응성 기체를 주입하여 플라즈마를 발생시켜서 Ar 이온이 타겟에 충돌하여 방출되는 전기분극물질이 산소 플라즈마와 반응하여 산화물이 형성되면서 기판 위에 결정성 박막으로 형성되도록 할 수 있다.

[실시예 1]

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광흡수층이 전기분극물질로 이루어진 전도체-분극형 반도체-전도체 태양전지의 제조과정을 나타낸 도면이다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, Al 박막을 준비하여 후면 전극을 형성한다. 후면 전극 물질로는 Al 이외에도 Mo, W와 같은 물질도 가능하다. 다르게는 유리나 플라스틱 등의 절연성 기판을 이용하여 그 위에 Al, Mo, W 등의 전도성 물질을 증착하여 하부전극을 형성할 수도 있다.

이때 상기 전도성 물질은 스퍼터링 등의 진공 증착 방법 외에도, 전기도금, 잉크 프린팅, 스프레이 열분해법 등과 같은 저비용의 비진공법도 적용할 수 있다.

또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 Al 박막 상에 증착속도가 빠른 스퍼터링 방법을 적용하여, CuSiO₃를 포함하는 Cu_xSi_yO_z (여기서, x, y 및 z는 양수)박막을 약 0.5㎛의 두께로 형성하여 전기분극 특성을 갖는 광흡수층을 형성한다.

구체적으로, 스퍼터링 타겟은 Cu와 Si 및 O를 포함하는 화합물 조성을 갖는 99.99% 이상의 순도를 갖는 재료를 사용한다. 반응성 이온 스퍼터링에 의한 전기분극층의 증착 단계는 시간대별로 4개 구간으로 구분하여 진행한다. 먼저, Cu와 Si 및 O를 포함하는 물질로서 예를 들어 CuSiO₃ 등을 이용하여 스퍼터링 타겟 재료를 설치한 다음, Ar을 캐리어 기체로, O₂를 반응 기체로 하여 주입하는 단계와 플라즈마를 발생시켜서 Ar 이온을 이용하여 타겟 재료로부터 금속원자를 방출시키는 단계와 산소 이온이 방출된 금속원자와 반응하여 Cu, Si가 포함된 산화물을 형성하는 단계를 통하여 Cu_xSi_yO_z를 포함하는 복합 산화물 박막을 형성한다.

상기 스퍼터링에 있어서 공정온도는 200℃ 이하, 공정 압력은 2mTorr, Ar 유량은 20~50sccm, O₂ 유량은 10~30sccm, 직류 전력은 500~800W를 적용하여, 약 100nm~0.5㎛ 두께의 전기분극층을 형성할 수 있다. 바람직하게는 200℃에서 30분을 적용하여 약 0.5㎛의 CuSiO₃ 와 같은 Cu_xSi_yO_z 복합 산화물을 포함하는 전기분극층을 형성한다.

상기 전기분극층은 스퍼터링 등의 진공 증착 방법 외에도, 전기도금, 잉크 프린팅, 스프레이 열분해법 등과 같은 저비용의 비진공법도 적용할 수 있다.

이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 광흡수층인 상기 Cu_xSi_yO_z 박막 상에 투명한 전도성 물질을 증착하여 투명 전극(TCE: transparent conducting electrode)를 형성한다. 이때 투명 전도성 물질로서는 인듐 주석 산화물(ITO), 아연 산화물(ZnO), 알루미늄 도핑 아연 산화물(Al-doped ZnO), 불소 도핑 주석 산화물(F-doped SnO₂)와 같은 물질을 스퍼터링 방법으로 형성할 수 있다.

마지막으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, Ag를 스크린 프린팅(screen printing)법으로 인쇄하고 소성 열처리하여 상부 및 하부 전극을 형성하여 전지를 완성한다.

한편, 상기 전기분극물질을 형성하는 중이나 형성한 후에, 기판 쪽에 역방향 바이어스(bias)를 인가하여 전기분극층 내에 잔류분극을 형성하는 과정(폴링: poling)을 적용할 수 있다. 이때 역방향 바이어스 전압의 범위는 실리콘 다이오드의 역방향 파괴전합 이내의 범위로서 0 ~ -5V 이내의 음의 전압이 바람직하다.

Claims (1)

1. 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 단일의 광흡수층이 배치되며,
   상기 광흡수층은 전기분극물질을 포함하고,
   상기 광흡수층의 형성 과정 또는 형성 후에 전압을 인가하여 잔류분극이 형성된
   전기분극형 태양전지.

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