KR20180097222A - 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광전변환 효율을 제고할 수 있도록 된 태양전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양전지는 제1 도전형의 제1 반도체층과, 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형의 제2 반도체층을 구비하는 PN 접합구조와, 상기 PN 접합 구조의 하부에 형성되는 하부 전극, 상기 PN 접합 구조의 상부에 형성되는 상부 전극, 상기 상부 전극과 상기 PN 접합구조의 상측에 형성됨과 더불어 투명한 재질의 강유전 물질로 구성되는 강유전체층 및, 상기 강유전체층의 상부에 형성되는 전면 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 광전변환 효율을 제고할 수 있도록 된 태양전지에 관한 것이다.
최근에 이르러 청정에너지를 사용하여 환경 보전과 경제발전을 동시에 이루는 이른 바 녹색성장이 주요한 국가적 의제로서 부각되면서 태양전지의 유용성에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 태양전지는 태양으로부터의 광 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 소자를 총칭한다. 태양전지는 그 구조에 따라 염료감응형 태양전지와 실리콘 태양전지로 크게 구분되고, 또한 실리콘 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지(Crystalline silicon cell)와, 비정질 실리콘 태양전지(Amorphous silicon cell)로 구분된다. 비정질 실리콘 태양전지에는 CuLnSe2 태양전지, GaAs 태양전지, CdTe 태양전지 등이 포함된다.
일반적으로 실리콘 태양전지는 PN 접합구조를 갖는다. 외부로부터 광이 태양전지에 조사되면 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍이 형성되고, PN 접합에서 발생된 전기장에 의해 전자는 N형, 정공은 P형 반도체층으로 이동함으로써 전력을 생산하게 된다. 현재 태양전지의 광전변환 효율은 대략 20% 정도의 수준으로서, 태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
태양전지의 효율을 높이기 위한 하나의 시도로서 강유전 물질을 이용하는 방안이 제안된 바 있다. 이는 태양전지에 강유전체층을 형성하고, 강유전체층의 분극전계를 이용하여 태양전지의 공핍층의 넓이를 확장함으로써 PN 접합면에서의 전자와 정공의 재결합율을 낮추고, 이를 통해 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키도록 한 것이다. 이에 대해서는 대한민국 특허등록 제10-0786855호(명칭: 강유전체를 이용한 태양전지), 특허등록 제10-1159277호(명칭: 강유전체를 이용한 태양전지의 제조방법), 특허등록 제10-1418687호(명칭; 태양전지) 등에 개시되어 있다.
그러나 강유전 물질을 이용하는 종래의 태양전지는 우선 태양전지의 구조가 복잡함과 더불어 그 제조 공정이 복잡해지게 된다. 또한 태양전지의 상부에 강유전체층을 형성하는 경우에는 강유전체층에 의해 태양전지로 입사되는 태양광이 차단되어 태양전지에 대한 입사광량이 저감되는 문제가 있게 된다. 또한 태양전지의 광전변환에 의해 생성되는 전자 및 정공의 흐름과 전기장에 의해 강유전체층의 분극 특성이 열화됨으로써 태양전지의 광전변환 효율을 제고하는데 불충분하다는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 태양전지의 광전변환 효율을 효과적으로 제고할 수 있도록 된 태양전지를 제공함에 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 태양전지는 제1 도전형의 제1 반도체층과, 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형의 제2 반도체층을 구비하는 PN 접합구조와, 상기 PN 접합 구조의 하부에 형성되는 하부 전극, 상기 PN 접합 구조의 상부에 형성되는 상부 전극, 상기 상부 전극의 상측에 형성되는 강유전체층 및, 상기 강유전체층의 상부에 형성되는 전면 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 관점에 따른 태양전지는 제1 도전형의 제1 반도체층과, 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형의 제2 반도체층을 구비하는 PN 접합구조와, 상기 PN 접합 구조의 하부에 형성되는 하부 전극, 상기 PN 접합 구조의 상부에 형성되는 상부 전극, 상기 상부 전극과 상기 PN 접합구조의 상측에 형성됨과 더불어 투명한 재질의 강유전 물질로 구성되는 강유전체층 및, 상기 강유전체층의 상부에 형성되는 전면 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전면 전극이 투명한 도전성 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전면 전극이 접지 전극인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 강유전체층은 전면 전극을 접지 전극으로 해서 상부 전극에 고전압을 인가하여 분극화 되는 것을 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 제3 관점에 따른 태양전지는 상부 전극과 하부 전극을 구비하고, 태양광을 광전변환하는 태양전지에 있어서, 상기 상부 전극의 상측에 형성되는 강유전체층과, 상기 강유전체층의 상부에 형성되는 전면 전극을 포함하여 구성되고, 상기 강유전체층은 전면 전극을 접지 전극으로 해서 상부 전극에 고전압을 인가하여 분극화 되는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성으로 된 본 발명에 의하면, 강유전체층이 분극화 되어 강유전 캐패시터로부터 분극 전계가 발생되게 되면, 이 분극 전계는 제1 및 제2 반도체층으로 구성되는 PN 접합구조에 영향을 미치게 되고, 이에 따라 PN 접합구조의 공핍층의 크기가 넓어지게 된다. 그리고 이러한 공핍층의 확장은 PN 접합 경계면에서의 전자와 정공의 재결합을 방지함으로써 태양전지의 광전변환 효율을 증가시키게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 설명한다. 또한 이하에서 설명하는 실시 예는 본 발명의 하나의 바람직한 구현 예를 예시적으로 나타낸 것으로서, 이러한 실시 예의 예시는 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
또한 이하에서는 설명을 간단히 하기 위해 본 발명을 PN 접합구조를 갖는 실리콘 태양전지에 적용한 경우를 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명은 결정질 실리콘 태양전지와 비정질 실리콘 태양전지를 포함하는 실리콘 태양전지는 물론이고 염료감응형 태양전지를 포함하는 다른 어떠한 구조의 태양전지에도 동일한 방식으로 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다. 도면에서 태양전지는 제1 도전형의 반도체 기판 또는 반도체층(10)과, 이 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형의 반도체층 또는 에미터층(20)을 구비한다. 이들은 태양전지의 PN 접합구조를 구성하는 것이다. 제2 반도체층(20)은 제1 반도체층(10)에 제1 반도체층(10)과 다른 타입의 불순물을 도핑하는 방법을 통해 형성된다. 또한 이때 바람직하게는 PN 접합구조의 경계면에 외부로부터 입사되는 광의 반사율을 낮추기 위한 택스쳐링(Texturing) 구조가 형성된다.
상기 PN 접합구조의 하부면과 상부면에는 각각 하부 전극(30)과 상부 전극(40)이 형성된다. 여기서 '상부 전극'과 '하부 전극'이라는 용어는 PN 접합구조를 기준으로 하는 상대적인 위치에 근거한 것이다. 상부 전극(40)은 PN 접합구조로 입사되는 광량이 제한받지 않도록 바람직하게 최소 면적으로 제한된다. 상부 전극(40)은 제2 반도체층(20)의 상부면에 종방향 또는 횡방향으로 연장되면서 설치된다. 상부 전극(40)은 태양전지의 핑거(Finger) 또는 버스 바(Bus bar)에 상응할 수 있다. 상부 전극(40)은 예컨대 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등의 도전성 물질로 형성된다. 또한 상부 전극(40)으로서는 PN 접합구조로 입사되는 광량을 제한하지 않도록 예컨대 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명전극으로 구성될 수 있다. 하부 전극(30)은 예컨대 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등의 도전성 물질로 구성된다. 하부 전극(30)은 PN 접합구조의 하부면에 전체적으로 도포되거나 상부 전극(40)에 대응하여 형성될 수 있다. 또한 하부 전극(40)은 일정한 배선 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 상부 전극(40)의 상측에 강유전체층(50)이 형성된다. 강유전체층(50)은 상부 전극(40)의 상측에만 제한적으로 형성될 수 있고, 바람직하게 PN 접합구조의 상부면에 전체적으로 형성될 수 있다. PN 접합구조의 상부면에 전체적으로 강유전체층을 형성하는 경우에는 PN 접합구조로 입사되는 광량을 고려하여 강유전체층(50)은 투명한 재질의 강유전 물질로 구성된다. 투명한 강유전 물질로서는 예컨대 β상 PVDF가 바람직하게 채용된다. β상 PVDF층은 우선 PN 접합구조와 상부 전극(40)의 상측에 전체적으로 PVDF층을 형성하고 이를 적절하게 열처리하는 방법을 통해 형성된다.
강유전체층(50)의 상측에는 전면 전극(60)이 형성된다. 이 전면 전극(60)은 상기 상부 전극(40) 및 강유전체층(50)과 함께 강유전 캐패시터를 구성한다. 이때 전면 전극(60)은 바람직하게 강유전 캐패시터의 접지 전극으로서 기능한다. 이 경우 전면 전극(60)은 접지 전극으로서도 지칭될 것이다. 전면 전극(60)은 예컨대 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등의 비투과성 도전성 물질로 구성된다. 전면 전극(60)은 PN 접합구조에 대한 광량을 고려하여 상부 전극(40)과 대응하는 위치에 설치된다. 또한 전면 전극(60)은 바람직하게 예컨대 ITO 등의 투명전극으로 구성될 수 있다. 이 경우에는 전면 전극(60)의 설치 위치는 특정한 위치에 한정되지 않는다. 전면 전극(60)의 상부 전극(40)의 사이 공간에 대응하는 위치나 상부 전극(40)과 직교하는 방향으로 연장되면서 설치될 수 있다. 또한 상부 전극(40)은 바람직하게 강유전체층(50)의 상면에 전체적으로 설치될 수 있다.
이어, 상기한 구성으로 된 태양전지의 동작을 설명한다.
도 1에서 제1 및 제2 도전형의 반도체층(10, 20)으로 구성되는 PN 접합구조와, 이 PN 접합구조의 하부 및 상부에 형성되는 하부 전극(30)과 상부 전극(40)으로 구성되는 태양전지는 통상의 것과 실질적으로 동일하다. 이 태양전지는 통상의 것과 마찬가지로 외부로부터 광이 태양전지에 조사되면 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍이 형성되고, PN 접합에서 발생된 전기장에 의해 전자는 N형, 정공은 P형 반도체층으로 이동함으로써 전력을 생산하게 된다. 도 1에서 제1 도전형 반도체층(10)이 P형 반도체층이고, 제2 도전형 반도체층(20)이 N형 반도체층이라 할 때 하부 전극(30)은 정공이 배출되는 정(+) 전극, 상부 전극(40)은 전자가 배출되는 부(-) 전극 또는 시스템 접지로서 기능하게 된다.
한편, 도 1에서 상부 전극(40)과 강유전체층(50) 및 전면 전극(60)은 강유전 캐패시터를 구성한다. 이 강유전 캐패시터는 상부 전극(40)과 전면 전극(60)에 일정 전압을 인가하는 방법을 통해 분극화 된다. 예를 들어 강유전 캐패시터는 전면 전극(60)을 접지전극으로 하면서 상부 전극(40)에 고전압을 인가하는 방법을 통해 강유전체층(50)이 분극화 된다. 강유전체층(50)은 분극화 되면 일정 방향으로 분극 전계를 방출하게 되고, 이러한 분극 전계는 강유전체층(50)에 다시 일정 이상의 전압을 인가하기 전에는 지속적으로 유지된다. 한편 강유전 캐패시터는 분극 전압과 역방향의 전압이 인가되면 분극 특성이 열화됨으로써 분극 전계가 점진적으로 약화되어 소거되는 문제가 발생한다. 예를 들어 도 1에서 전면 전극(60)을 접지 전극으로 하고 상부 전극(40)에 고전압을 인가하여 강유전체층(50)을 분극화 한 경우에 만일 전면 전극(60) 보다 낮은 전압이 상부 전극(40)에 인가되는 경우 강유전체층(50)의 분극 특성의 열화가 발생된다.
도 1에서 강유전 캐패시터를 분극화 하는 바람직한 방법으로서 전면 전극(60)을 접지 전극으로 하면서 상부 전극(40)에 고전압을 인가하게 된다. 그리고 이후 태양전지가 정상적으로 동작하는 경우 상부 전극(40)은 태양전지의 정(+) 전극이나 부(-) 전극으로서 기능하게 된다. 상부 전극(40)이 태양전지의 정(+) 전극으로서 기능하는 경우, 상부 전극(40)은 접지 전극(60)에 대해 항상 고전위를 유지하게 되므로 강유전체층(50)의 분극 열화가 발생되는 것이 방지된다. 또한 상부 전극(40)이 태양전지의 부(-) 전극으로서 기능하는 경우, 이때 상부 전극(40)은 하부 전극(30)에 대해 접지, 즉 시스템 접지로서 기능하기는 하지만, 이 경우에도 태양전지의 부(-) 전극, 즉 상부 전극(40)은 접지 전극(60)에 비해 수 mV의 고전위를 갖게 된다. 따라서 이 경우에도 강유전체층(50)의 분극 열화는 발생되지 않게 된다. 다시 말하면 상부 전극(40)과 강유전체층(50) 및 접지 전극(60)으로 구성되는 강유전 캐패시터는 상부 전극(40)이 접지 전극(60)에 대해 항상 고전위를 유지하게 되므로 강유전체층(50)의 분극 열화는 발생되지 않게 된다.
도 1의 구성에서 강유전체층(50)이 분극화 되어 강유전 캐패시터로부터 분극 전계가 발생되게 되면, 이 분극 전계는 제1 및 제2 반도체층(10, 20)으로 구성되는 PN 접합구조에 영향을 미치게 되고, 이에 따라 PN 접합구조의 공핍층의 넓이가 증가될 수 있다. 그리고 이러한 공핍층의 증가는 PN 접합 경계면에서의 전자와 정공의 재결합을 방지함으로써 태양전지의 광전변환 효율을 증가시키는 바람직한 효과를 제공하게 된다. 따라서 상기한 구조로 된 본 발명에 의하면 태양전지의 광전변환 효율을 제고할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명에 따른 실시 예를 설명하였다. 그러나 본 발명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다. 예를 들어 상술한 실시 예에 있어서는 본 발명을 실리콘 태양전지에 적용한 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 본 발명은 염료감응형 태양전지를 포함하는 기존의 태양전지 상측에 강유전 캐패시터를 설치하고, 태양전지의 상부 전극과 강유전 캐패시터의 전면 전극을 이용하여 강유전체층을 분극화 하는 방법을 통해 기존의 일체의 태양전지에 대해 동일한 방식으로 적용할 수 있다.
10: 제1 도전형 반도체층, 20: 제2 도전형 반도체층,
30: 하부 전극, 40: 상부 전극,
50: 강유전체층, 60: 전면 전극.
30: 하부 전극, 40: 상부 전극,
50: 강유전체층, 60: 전면 전극.
Claims (8)
- 제1 도전형의 제1 반도체층과, 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형의 제2 반도체층을 구비하는 PN 접합구조와,
상기 PN 접합 구조의 하부에 형성되는 하부 전극,
상기 PN 접합 구조의 상부에 형성되는 상부 전극,
상기 상부 전극의 상측에 형성되는 강유전체층 및,
상기 강유전체층의 상부에 형성되는 전면 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 전면 전극이 접지 전극인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 강유전체층은 전면 전극을 접지 전극으로 해서 상부 전극에 고전압을 인가하여 분극화 되는 것을 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1 도전형의 제1 반도체층과, 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형의 제2 반도체층을 구비하는 PN 접합구조와,
상기 PN 접합 구조의 하부에 형성되는 하부 전극,
상기 PN 접합 구조의 상부에 형성되는 상부 전극,
상기 상부 전극과 상기 PN 접합구조의 상측에 형성됨과 더불어 투명한 재질의 강유전 물질로 구성되는 강유전체층 및,
상기 강유전체층의 상부에 형성되는 전면 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 전면 전극이 투명한 도전성 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 전면 전극이 접지 전극인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 강유전체층은 전면 전극을 접지 전극으로 해서 상부 전극에 고전압을 인가하여 분극화 되는 것을 것을 특징으로 하는 태양전지. - 상부 전극과 하부 전극을 구비하고, 태양광을 광전변환하는 태양전지에 있어서,
상기 상부 전극의 상측에 형성되는 강유전체층과,
상기 강유전체층의 상부에 형성되는 전면 전극을 포함하여 구성되고,
상기 강유전체층은 전면 전극을 접지 전극으로 해서 상부 전극에 고전압을 인가하여 분극화 되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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KR1020170023906A KR20180097222A (ko) | 2017-02-23 | 2017-02-23 | 태양전지 |
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---|---|---|---|---|
KR20200105194A (ko) * | 2019-02-28 | 2020-09-07 | 한국광기술원 | 형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
CN116435379A (zh) * | 2023-06-14 | 2023-07-14 | 深圳道童新能源有限公司 | 一种基于非pn结的器件模块及其制造方法 |
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2017
- 2017-02-23 KR KR1020170023906A patent/KR20180097222A/ko unknown
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200105194A (ko) * | 2019-02-28 | 2020-09-07 | 한국광기술원 | 형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
CN116435379A (zh) * | 2023-06-14 | 2023-07-14 | 深圳道童新能源有限公司 | 一种基于非pn结的器件模块及其制造方法 |
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