KR20190049273A - Solar Cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 캐리어 수집 특성을 높여서 효율을 높일 수 있는 태양 전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지 셀이 주목 받고 있다.In recent years, as energy resources such as petroleum and coal are expected to be depleted, interest in alternative energy to replace them has increased, and solar cell cells that produce electric energy from solar energy are attracting attention.
일반적인 태양 전지 셀은 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)의 반도체로 각각 이루어지는 기판(substrate) 및 에미터부(emitter layer)를 구비한다. 이때, 에미터부는 기판의 수광면 쪽에 위치하며, 기판과 에미터부의 계면에는 p-n 접합이 형성된다.A typical solar cell has a substrate and an emitter layer, each of which is made of a semiconductor of a different conductive type, such as p-type and n-type. At this time, the emitter portion is located on the light receiving surface side of the substrate, and a p-n junction is formed at the interface between the substrate and the emitter portion.
에미터부 위에는 상기 에미터부와 전기적으로 연결되는 제1 전극이 위치하고, 수광면의 반대쪽으로 기판에는 상기 기판과 전기적으로 연결되는 제2 전극이 위치한다.A first electrode electrically connected to the emitter portion is disposed on the emitter portion, and a second electrode electrically connected to the substrate is disposed on the substrate opposite to the light receiving surface.
이러한 태양 전지 셀에 빛이 입사되면 반도체 내부의 전자가 광전 효과(photoelectric effect)에 의해 자유전자(free electron)(이하, '전자'라 함)가 되고, 전자와 정공은 p-n 접합의 원리에 따라 n형 반도체와 p형 반도체 쪽으로, 예를 들어 에미터부와 기판 쪽으로 각각 이동한다. 그리고 이동한 전자와 정공은 기판 및 에미터부에 전기적으로 연결된 각각의 전극에 의해 수집된다.When light is incident on such a solar cell, electrons in the semiconductor become free electrons (hereinafter referred to as 'electrons') due to the photoelectric effect, and electrons and holes become electrons and holes in accordance with the principle of pn junction and moves toward the n-type semiconductor and the p-type semiconductor, for example, toward the emitter portion and the substrate, respectively. And the transferred electrons and holes are collected by the respective electrodes electrically connected to the substrate and the emitter portion.
본 발명은 캐리어 수집 특성을 높여서 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공한다.The present invention provides a solar cell capable of enhancing efficiency by increasing carrier collection characteristics.
본 발명에 따른 태양 전지는 기판; 상기 기판의 상면에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층의 상면에 형성된 에미터층; 상기 에미터층의 상면에 형성된 적어도 하나의 전극층; 및 상기 에미터층의 상면의 영역 중, 상기 전극층이 형성되지 않은 영역에 대응하여 형성된 전면 전계층을 포함할 수 있다.A solar cell according to the present invention includes a substrate; A light absorbing layer formed on an upper surface of the substrate; An emitter layer formed on the upper surface of the light absorbing layer; At least one electrode layer formed on the upper surface of the emitter layer; And a front entire layer formed on the upper surface of the emitter layer in correspondence with an area where the electrode layer is not formed.
여기서, 상기 전면 전계층은 전이금속 산화물을 포함하여 구성될 수 있다.Here, the front surface layer may include a transition metal oxide.
그리고 상기 전면 전계층은 니켈 옥사이드(NiO)를 포함하여 구성될 수 있다.The front surface layer may include nickel oxide (NiO).
또한, 상기 전면 전계층은 상기 에미터층의 영역 중에서, 상기 전극층이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역을 전체적으로 커버할 수 있다.In addition, the front surface layer may cover the entire region of the emitter layer except the region where the electrode layer is formed.
또한, 상기 전면 전계층은 상기 증착을 통해 형성될 수 있다.In addition, the front surface layer may be formed through the deposition.
또한, 상기 전면 전계층은 상기 광흡수층에서 생성된 캐리어의 표면 재결합을 방지할 수 있다.In addition, the front surface layer can prevent surface recombination of carriers generated in the light absorption layer.
또한, 상기 전면 전계층은 표면에 도달하는 캐리어를 상기 전극층으로 유도할 수 있다.In addition, the front surface layer can guide a carrier reaching the surface to the electrode layer.
또한, 상기 전면 전계층과 에미터층의 사이에는 버퍼층이 더 형성될 수 있다.A buffer layer may be further formed between the front surface layer and the emitter layer.
본 발명에 의한 태양 전지는 에미터층의 상면에 전이금속 산화물로 구성된 전면 전계층을 구비함으로써, 캐리의 표면 재결합을 방지하고 제 2 전극을 통해 수집을 유도하여, 기존의 구조에 비해 효율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.The solar cell according to the present invention has a front surface layer composed of a transition metal oxide on the upper surface of the emitter layer, thereby preventing surface recombination of carriers and inducing collection through the second electrode, thereby improving efficiency .
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에서 캐리어가 전극으로만 수집되는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에 적용되는 니켈 옥사이드의 광 투과도를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 투과도를 비교예와 비교 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 양자 효율을 비교예와 비교 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 개방 전압 및 충진률을 비교예와 비교 도시한 그래프이다.1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining an operation in which a carrier is collected only as an electrode in a solar cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing light transmittance of nickel oxide applied to a solar cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a comparison of a transmittance of a nickel oxide deposited solar cell with a comparative example according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a comparison of a quantum efficiency of a nickel oxide deposited solar cell with a comparative example according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a comparison between a comparative example and an open-circuit voltage and a fill factor of a solar cell on which nickel oxide is deposited according to an embodiment of the present invention.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에서 캐리어가 전극으로만 수집되는 동작을 설명하기 위한 도면이다.1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention. 2 is a view for explaining an operation in which a carrier is collected only as an electrode in a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)는 기판(11), 상기 기판(11)의 상부에 형성된 제 1 전극(12), 상기 제 1 전극(12)의 상부에 형성된 광흡수층(13), 상기 광흡수층(13)의 상부에 형성된 버퍼층(14), 상기 버퍼층(14)의 상부에 형성된 에미터층(15), 상기 에미터층(15)의 상부에 형성된 제 2 전극(16), 상기 제 2 전극(16)의 사이에 형성된 전면 전계층(17)을 포함할 수 있다.1 and 2, a
상기 기판(11)은 전체 태양 전지(10)의 구조 중 하부를 형성할 수 있다. 상기 기판(11)은 글라스, 스테인리스 스틸(SUS), 폴리이미드(PI)와 같은 다양한 재질로 구성될 수 있다. 다만, 상기 기판(11)의 재질로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.The
상기 제 1 전극(12)은 상기 기판(11)의 상면에 결합될 수 있다. 상기 제 1 전극(12)은 몰리브덴(Mo) 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 또는 금(Au)으로 형성될 수 있다. 제 1 전극(12)은 이러한 금속에 유기물, 용매 및 유리프릿 등을 혼합하여 페이스트로 만들고 이를 인쇄하고 소성하는 방식으로 형성되거나, 또는 시드(seed)층을 이용한 도금공정으로 형성될 수도 있다.The
상기 광흡수층(13)은 CIGS층을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 CIGS층의 조성은 Cu(In1-XGax)Se2를 예시할 수 있다. x는 In과 Ga의 조성비를 나타내는 것으로 0<x<1이다. CIGS층상에는, 버퍼층으로서의 CdS(황화 카드뮴)층, ZnS(아연 황화물)층, ZnO(산화 아연)층, Zn(OH)2(수산화 아연)층 또는 이들의 혼정층을 포함할 수 있다. 다만, 이러한 광흡수층(13)의 재질로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.The
상기 버퍼층(14)은 상기 광흡수층(13)의 상부에 형성된다. 상기 버퍼층(14)은 상기 버퍼층으로는 가장 많이 사용되는 물질은 CdS이며, 통상적으로 CdS 박막은 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 형성될 수 있다. 그 외에도 상기 버퍼층(14)은 InxSey를 사용할 수도 있으며, 다만 상기 버퍼층(14)의 재질로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.The
상기 에미터층(15)은 ZnO, ITO 또는 Al을 도프한 ZnO(AZO) 등의 투명 도전막(15)으로 구성될 수 있다. 상기 에미터층(15)은 통상적으로 TCO(transparent conductive oxide)으로 알려져 있다. 이러한 에미터층(15)은 상기 버퍼층(14)의 표면 전체에 대해 형성될 수 있다. The
상기 제 2 전극(16)은 상기 에미터층(15)의 상부에 일정한 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 제 2 전극(16)은 통상적인 핑거와 버스바의 형태로 구성될 수 있으나, 이로써 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.The
상기 제 2 전극(16)으로 사용될 수 있는 금속으로는 전기전도성이 높은 금속이 바람직하기 때문에, 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 또는 금(Au)이 사용될 수 있다.As the metal that can be used as the
상기 전면 전계층(Front Surface Field, FSF, 17)은 상기 제 2 전극(16)의 사이를 채우면서 형성될 수 있다. 상기 전면 전계층(17)은 산화물, 그 중에서 전이금속 산화물(Transition Metal Oxide, TMO)를 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 산기 전면 전계층(17)은 니켈 옥사이드(NiO)로서 구성될 수 있다. The front surface field (FSF) 17 may be formed while filling the gap between the
상기 전면 전계층(17)은 상기 광흡수층(13)에서 생성된 캐리어가 태양 전지(10)의 표면에서 재겹합되지 않도록 하며, 이에 따라 캐리어가 상기 제 2 전극(16)에서만 수집되도록 할 수 있다.The
보다, 구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 광흡수층(13)에서 생성된 캐리어(예를 들어, 전자)는 상기 태양 전지(10)의 표면으로 이동하나, 표면에서 상기 전면 전계층(17)에 의해 다시 표면 내측으로 이동하게 된다. 또한, 상기 캐리어들은 상기 제 2 전극(16)으로 이동이 가능하기 때문에, 결과적으로 캐리어의 수집 효율을 높일 수 있게 된다.2, a carrier (for example, electrons) generated in the
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 효과를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the effect of the solar cell according to the embodiment of the present invention will be described in more detail.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에 적용되는 니켈 옥사이드의 광 투과도를 도시한 그래프이다.3 is a graph showing light transmittance of nickel oxide applied to a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에서 상술한 전면 전계층(17)의 예시로서, 40nm 두께의 니켈 옥사이드(NiO)를 사용했을 경우, 광투과도 및 광학적 밴드갭이 도시되어 있다.Referring to FIG. 3, when a 40 nm thick nickel oxide (NiO) is used as an example of the
그래프에서 보듯이, 니켈 옥사이드의 경우, 태양전지에서 주로 사용되는 가시광선 영역(380nm 내지 800nm)에서 광 투과도가 약 90%에 해당됨을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 니켈 옥사이드를 전면 전계층(17)으로서 증착한 경우, 태양 전지의 액티브 영역에서의 손실은 적음을 알 수 있다.As shown in the graph, in the case of nickel oxide, the light transmittance is about 90% in the visible light region (380 nm to 800 nm) mainly used in the solar cell. Therefore, it can be seen that the loss in the active region of the solar cell is small when the nickel oxide is deposited as the front
또한, 그래프에서 보듯이 광학 밴드갭(optical band gap)은 3.67[eV]로 측정되었으며, 이러한 광 투과도 및 광학 밴드갭은 에미터층(15)에 대한 코팅층으로서 적절한 수준으로 확인된다.In addition, as shown in the graph, the optical band gap was measured to be 3.67 [eV], and this optical transmittance and optical band gap were found to be appropriate levels as a coating layer for the
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 투과도를 비교예와 비교 도시한 그래프이다.4 is a graph showing a comparison of a transmittance of a nickel oxide deposited solar cell with a comparative example according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 전면 전계층(17)로서 니켈 옥사이드가 증착된 에미터(AZO)를 갖는 실시예와 전면 전계층이 증착되지 않은 에미터(AZO)를 갖는 비교예의 투과도가 비교된다.Referring to FIG. 4, the transmittance of an embodiment having an emitter (AZO) in which nickel oxide is deposited as the
그래프에서 보듯이, 본 발명의 실시예와 비교예에서, 파장대별로 광 투과도의 차이가 존재하나, 전반적인 파장 대역에서의 투과율을 약 90% 수준으로 니켈 옥사이드를 증착하였음에서 광 손실이 거의 발생되지 않음을 확인할 수 있다.As shown in the graphs, although there is a difference in light transmittance according to the wavelength ranges in the examples and the comparative examples of the present invention, since the transmittance in the overall wavelength band is about 90%, nickel oxide is deposited, can confirm.
특히, 도 4의 결과는 전면 전계층(17)의 경우 에미터(15)의 상면에 증착되어 태양 전지(10)의 구성을 이루기 때문에, 에미터를 포함한 전체 구조로서의 광 투과도가 실제 광 손실과 관련된다는 점에서 의미가 있다. 본 출원의 발명자는 니켈 옥사이드를 증착함에도 기존 에미터만 존재하는 구조에 비해 광 손실의 차이가 없음을 확인하였다.4 is deposited on the upper surface of the
또한, 실시예와 비교예의 저항, 캐리어 밀도, 홀 이동도를 비교하면 다음과 같다.The resistances, carrier densities, and hole mobility of Examples and Comparative Examples are compared as follows.
[ohm cm][ohm cm]
[1/cm[1 / cm
-3-3
]]
[[
cmcm
22
/V-sec]/ V-sec]
즉, 표 1에서 보듯이, 전체적인 전기적 특성 역시 니켈 옥사이드를 증착하였음에도 유사한 수치를 보여주며, 따라서 태양 전지의 구조에 본 발명의 실시예에 따른 전면 전계층(17)을 적용할 수 있음을 알 수 있다.That is, as shown in Table 1, it can be seen that the overall electrical characteristics also show similar values even though nickel oxide is deposited, and thus the
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 양자 효율을 비교예와 비교 도시한 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing a comparison of a quantum efficiency of a nickel oxide deposited solar cell with a comparative example according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 역시 니켈 옥사이드를 전면 전계층(17)으로 증착한 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)와 이를 포함하지 않는 비교예의 태양 전지는 모든 파장 대에서 양자효율에서 유사한 양상을 보여주고 있다. 따라서, 전면 전계층(17)을 통해서도 양자 효율에서의 손실이 없음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, the
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 개방 전압 및 충진률을 비교예와 비교 도시한 그래프이다.6 is a graph showing a comparison between a comparative example and an open-circuit voltage and a fill factor of a solar cell on which nickel oxide is deposited according to an embodiment of the present invention.
도 6의 그래프를 참조하면, 개방전압(Voc)의 경우, 니켈 옥사이드를 증착한 실시예의 경우 640.25[mV]로서, 증착되지 않은 비교에에서의 621.22[mV]에 비해 증가하였음을 알 수 있고, 충진률 역시 14.73%로서 비교예의 14.12%에 비해 증가하였음을 확인할 수 있다. 따라서, 태양 전지의 효율이 증가하였음을 확인할 수 있다.Referring to the graph of FIG. 6, it can be seen that, in the case of the open-circuit voltage (Voc), it is 640.25 [mV] in the case of depositing nickel oxide, compared with 621.22 [mV] The filling rate was also 14.73%, which is higher than that of the comparative example of 14.12%. Therefore, it can be confirmed that the efficiency of the solar cell is increased.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)는 에미터층(15)의 상면에 전이금속 산화물로 구성된 전면 전계층(17)을 구비함으로써, 캐리의 표면 재결합을 방지하고 제 2 전극(16)을 통해 수집을 유도하여, 기존의 구조에 비해 효율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.Therefore, the
앞서 설명한 것은 본 발명에 의한 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and variations of the present invention can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.
10; 태양전지
11; 기판
12; 제 1 전극
13; 광흡수층
14; 버퍼층
15; 에미터층
16; 제 2 전극
17; 전면 전계층10;
12; A
14; A
16; A
Claims (8)
상기 기판의 상면에 형성된 광흡수층;
상기 광흡수층의 상면에 형성된 에미터층;
상기 에미터층의 상면에 형성된 적어도 하나의 전극층; 및
상기 에미터층의 상면의 영역 중, 상기 전극층이 형성되지 않은 영역에 대응하여 형성된 전면 전계층을 포함하는 태양 전지.Board;
A light absorbing layer formed on an upper surface of the substrate;
An emitter layer formed on the upper surface of the light absorbing layer;
At least one electrode layer formed on the upper surface of the emitter layer; And
And a front whole layer formed in correspondence with an area of the upper surface of the emitter layer where the electrode layer is not formed.
상기 전면 전계층은 전이금속 산화물을 포함하여 구성되는 태양 전지.The method according to claim 1,
Wherein the front whole layer comprises a transition metal oxide.
상기 전면 전계층은 니켈 옥사이드(NiO)를 포함하여 구성되는 태양 전지.The method according to claim 1,
Wherein the front whole layer comprises nickel oxide (NiO).
상기 전면 전계층은 상기 에미터층의 영역 중에서, 상기 전극층이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역을 전체적으로 커버하는 태양 전지.The method according to claim 1,
Wherein the front whole layer covers the entire region except the region where the electrode layer is formed among the regions of the emitter layer.
상기 전면 전계층은 상기 증착을 통해 형성되는 태양 전지.The method according to claim 1,
Wherein the front surface layer is formed through the deposition.
상기 전면 전계층은 상기 광흡수층에서 생성된 캐리어의 표면 재결합을 방지하는 태양 전지.The method according to claim 1,
Wherein the front whole layer prevents surface recombination of carriers generated in the light absorbing layer.
상기 전면 전계층은 표면에 도달하는 캐리어를 상기 전극층으로 유도하는 태양 전지.The method according to claim 1,
Wherein the front whole layer leads a carrier reaching the surface to the electrode layer.
상기 전면 전계층과 에미터층의 사이에는 버퍼층이 더 형성되는 태양 전지.The method according to claim 1,
And a buffer layer is further formed between the front surface layer and the emitter layer.
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