KR20210040677A - 반투명 박막 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 따르면, 투명기판 상에 p형 반도체층, i형 광전변환층, n형 반도체층이 차례대로 구비된 반투명 박막 태양전지를 제공한다.
상기 반투명 박막 태양전지는, 상기 p형 반도체층 상에 형성된 제 1 버퍼층;을 포함하고, 상기 제 1 버퍼층은 수소화된 비정질 실리콘 산화물(p-a-SiOx:H)을 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지는, 상기 p형 반도체층 상에 형성된 제 1 버퍼층;을 포함하고, 상기 제 1 버퍼층은 수소화된 비정질 실리콘 산화물(p-a-SiOx:H)을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반투명 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소화된 비정질 실리콘 반투명 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 대한 것이다.
건물의 에너지 소비 및 온실가스 배출이 급격히 증가함에 따라, 태양전지는 환경친화적인 전력소스로 널리 연구되어지고 있다. 태양전지는 BIPV(Building-integrated photovoltaic) 시스템에 적용되며, 이때 태양전지의 투광성이 매우 중요하다. 최근 투광성에 따른 손실을 줄이기 위해, 알루미늄(Al) 및 은(Ag)과 같은 불투명한 금속 대신 금속 메쉬(metal mesh) 및 투명전도성산화물(Transparent conductive oxides, TCOs)을 전극으로 사용한 반투명 박막 태양전지(Semitransparent Solar Cells, STSCs)가 연구되고 있다.
반투명 박막 태양전지의 변환효율 및 투명도는 서로 트레이드 오프(trade-off) 관계이므로 두 가지를 동시에 개선하는 것은 매우 어렵다. 그러나, 반투명 박막 태양전지는 무기 실리콘(Si)계 재료를 사용하기 때문에 우수한 안정성을 보인다. 또, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)를 사용하는 반투명 박막 태양전지는 하기와 같은 장점이 우수하므로 BIPV 시스템에 사용하기에 적합하다.
첫째, PE-CVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 대 면적의 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 층을 쉽게 생산할 수 있다. 둘째, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 층은 흡수계수가 크기 때문에 100㎚ 내지 250㎚의 두께범위로 얇게 제어할 수 있다. 셋째, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 층의 두께를 변경함으로써 투명성을 제어할 수 있다. 마지막으로 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 층을 구비한 태양전지는 저온 계수를 갖기 때문에, 고온에서 내성이 있다.
한편, 반투명 박막 태양전지에서는 광전변환효율(PCE)과 투과율을 모두 고려해야한다. 이러한 요소들을 평가하기 위해서 평균 광 투과율과 광전변환효율을 곱한 성능지수(Figure of merit, FOM)를 도입했다. 상기 성능지수는 구조적, 전기적 그리고 광학적 최적 조건의 특성을 얻기 위해서 높은 값을 가질수록 좋다. 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 층을 구비한 p-i-n형 태양전지의 경우, p형 윈도우 층은 장치의 광전자 특성에 크게 영향을 미친다. 현재까지 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 층이 널리 사용되고 있으며, 최근에는 164.7의 높은 성능지수를 달성했다.
최근 태양전지 보고서에서 500㎚ 내지 800㎚ 파장 대역의 조사에서 최적화 된 광전변환효율과 평균 투과율은 각각 5.38%와 30.7%였다. 이들이 p형 윈도우 층을 사용했기 때문에, p형 윈도우 층에서 기생전압의 흡수를 감소시킴으로써 추가적인 투과율 향상이 잠재적으로 실현될 수 있다. 투명성 손실을 감소시키기 위해, p형 나노 결정질 실리콘(nc-SiC:H) 층이 보고되고 있으며, 이 경우 광전변환효율이 4.27%이고 평균 투과율이 17.3%임을 보여 주었으나, 상기 태양전지의 성능지수는 73.8로 적당했다.
도 1의 (c)를 참조하면, 종래 기술로 구현된 반투명 박막 태양전지(120)의 구조를 도시하고 있다. 반투명 박막 태양전지(120)는 p형 반도체층(40)으로서, 상술한 p형 나노 결정질 실리콘(nc-SiC:H) 층을 이용한다. 이 경우, p형 반도체층(40) 및 i형 광전변환층(60)의 계면에서, 에너지 밴드 대역의 불일치로 인해서 캐리어 제결합 문제가 발생된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 에너지 대역 불일치를 완화시킴으로써, 광투과성 및 광전변환효율이 개선된 반투명 박막 태양전지 및 이의 제조방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 반투명 박막 태양전지를 제공한다.
상기 반투명 박막 태양전지는 투명기판 상에 p형 반도체층, i형 광전변환층, n형 반도체층을 차례대로 구비하며, 상기 p형 반도체층 상에 형성된 제 1 버퍼층;을 포함하되, 상기 제 1 버퍼층은 수소화된 비정질 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지에 있어서, 상기 제 1 버퍼층 상에 형성된 제 2 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지에 있어서, 상기 제 2 버퍼층은 i형 반도체 소재를 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지에 있어서, 상기 p형 반도체층은, 상기 투명기판 상에 구비된 투명전극층 상에 형성될 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지에 있어서, 상기 투명전극층은 제 1 투명전극층 및 제 2 투명전극층이 순차적으로 적층될 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지에 있어서, 상기 i형 광전변환층은 수소화된 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지에 있어서, 상기 n형 반도체층은 수소화된 미세결정질 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지에 있어서, 상기 n형 반도체층 상에 형성된 제 3 투명전극층을 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따르면, 반투명 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 반투명 박막 태양전지의 제조방법은 투명기판 상에 p형 반도체층, i형 광전변환층, n형 반도체층이 차례대로 구비하며, 상기 투명기판 상에 상기 p형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 p형 반도체층 상에 제 1 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제 1 버퍼층 상에 i형 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 i형 광전변환층 상에 n형 반도체층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 버퍼층을 형성하는 단계 이후에, 상기 제 1 버퍼층 상에 제 2 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 i형 광전변환층은 상기 제 2 버퍼층 상에 형성될 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 p형 반도체층을 형성하는 단계는, PE-CVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 상기 제 2 버퍼층 상에 상기 p형 반도체층을 형성하되, 상기 PE-CVD 공정을 수행하는 챔버 내부에 공급되는 가스를 제어함으로써, 상기 p형 반도체층의 결정성을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 p형 반도체층의 결정성을 제어하는 단계는, SiH4(silane) 가스 및 CO2(carbondioxide) 가스를 상기 챔버 내부에 공급하며, 상기 SiH4 가스에 대한 상기 CO2 가스의 유량비(R)를 0.4 내지 0.8로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 버퍼층을 형성하는 단계는, SiH4(silane) 가스 및 CO2(carbondioxide) 가스를 챔버 내부에 공급하며, 상기 SiH4 가스에 대한 상기 CO2 가스의 유량비를 0.8 내지 1.0으로 제어함으로써 상기 제 1 버퍼층을 상기 p형 반도체층 상에 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제 2 버퍼층을 형성하는 단계는, SiH4(silane) 가스 및 H2 가스를 챔버 내부에 공급하며, 상기 SiH4 가스에 대한 상기 H2 가스의 유량비를 10.0 내지 20.0으로 제어함으로써 상기 제 2 버퍼층을 상기 제 1 버퍼층 상에 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 p형 반도체층을 형성하는 단계 이전에, 상기 투명기판 상에 제 1 투명전극층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 투명전극층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 반투명 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 n형 반도체층을 형성하는 단계 이후에, 상기 n형 반도체층 상에 제 3 투명전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 반투명 박막 태양전지의 제조방법을 이용하여 광투과성 및 광전변환효율이 우수한 반투명 박막 태양전지를 제조할 수 있다. 상기 반투명 박막 태양전지는 와이드 밴드갭을 갖는 버퍼층을 적용함으로써 전자-홀 재결합을 적절하게 제어하여 안정적인 광전발전을 수행할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반투명 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 라만분광법 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 다크(dark) 전도도, 광학 밴드갭, 투과도 및 반사율과 같은 광학적 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 단락전류, 개방전압, 필팩터, 시리즈 저항 및 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 양자효율 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 투과도 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 전류전압 곡선 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 투과도 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 라만분광법 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 다크(dark) 전도도, 광학 밴드갭, 투과도 및 반사율과 같은 광학적 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 단락전류, 개방전압, 필팩터, 시리즈 저항 및 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 양자효율 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 투과도 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 전류전압 곡선 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 투과도 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
종래에는 p형 반도체층 및 i형 광전변환층의 계면에서, 에너지 밴드 대역의 불일치로 인해서 캐리어 제결합 문제가 발생된다. 이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 에너지 밴드 대역의 불일치를 완화시켜 전자-정공의 재결합을 억제하고자 p형 반도체층 및 i형 광전변환층 사이에 버퍼층을 단층 혹은 이중층으로 형성한다.
이하에서, 도 1을 참조하여 상기 버퍼층을 적용한 반투명 박막 태양전지의 구조 및 반투명 박막 태양전지를 제조하는 방법에 대해 함께 후술한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반투명 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 반투명 박막 태양전지(110)로서, 도 1의 (a)를 참조하면, 투명기판(10) 상에 p형 반도체층(40), i형 광전변환층(70), n형 반도체층(80)이 차례대로 구비된 반투명 박막 태양전지(100)로서, p형 반도체층(40) 상에 형성된 제 1 버퍼층(50)을 포함한다. 제 1 버퍼층(50)은 예를 들어, 수소화된 비정질 실리콘 산화물(p-a-SiOx:H)을 포함한다.
제 1 버퍼층(50)을 형성하는 단계는, SiH4(silane) 가스 및 CO2(carbondioxide) 가스를 챔버 내부에 공급하며, 상기 SiH4 가스에 대한 상기 CO2 가스의 유량비(R)를 0.8 내지 1.0으로 제어함으로써 제 1 버퍼층(50)을 p형 반도체층(40) 상에 증착하는 단계를 포함한다.
상기 SiH4(silane) 가스 및 CO2(carbondioxide) 가스 이외에도, H2 가스를 공급하며 SiH4 가스에 대한 H2 가스의 유량비를 4.0 내지 6.0으로 제어한다. 또, B2H6 가스도 공급하며, SiH4 가스에 대한 B2H6 가스의 유량비를 0.2 내지 0.4로 제어한다.
투명기판(10)은 예를 들어, 폴리머, 유리 등을 사용할 수 있으며, 건물의 창에 적용이 가능하도록 투광성을 갖는 소재라면 어떤 것이든 가능하다.
p형 반도체층(40)은 투명기판(10) 상에 구비된 투명전극층 상에 형성된다. 투명전극층은 제 1 투명전극층(20) 및 제 2 투명전극층(30)을 포함한다. 투명기판(10) 상에 제 1 투명전극층(20)이 형성되고, 제 1 투명전극층(20) 상에 제 2 투명전극층(30)이 순차적으로 형성된다. 제 2 투명전극층(30)은 제 1 투명전극층(20)을 보호하는 기능도 수행한다.
제 1 투명전극층(20)은 예를 들어, FTO(F doped SnO2)를 사용할 수 있다. 제 1 투명전극층(20)의 적어도 어느 일부가 텍스처링 되어, 표면의 반사율을 저감시켜준다. 제 2 투명전극층(30)은 예를 들어, AZO(Al doped Zn oxide)를 사용할 수 있다. 제 2 투명전극층(30)은 제 1 투명전극층(20)의 표면 형상에 따라 증착된다.
p형 반도체층(40)은 예를 들어, 수소화된 미세결정질 실리콘 산화물(p-uc-SiOx:H)을 사용한다. 결정질 실리콘 산화물을 사용하면, 광전자 특성이 개선되며, 기생전압을 억제하여 반투명 박막 태양전지(100)의 흡수 및 투과율을 향상시킨다.
PE-CVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 제 1 버퍼층(50) 상에 p형 반도체층(40)을 형성하되, 상기 PE-CVD 공정을 수행하는 챔버 내부에 공급되는 가스를 제어함으로써, p형 반도체층(40)의 결정성을 제어할 수 있다. 여기서, 상기 챔버 내부에 공급되는 가스는, SiH4(silane) 가스 및 CO2(carbondioxide) 가스를 포함하며, 상기 SiH4 가스에 대한 상기 CO2 가스의 유량비(R)를 0.4 내지 0.8로 제어할 수 있다. 바람직하게는 상기 유량비(R)는 0.5 내지 0.7로 제어할 수 있다. 만약, 상기 유량비(R)가 0.4 미만일 경우, 개방전압 및 단락전류가 낮고, 직렬저항이 높아져 상대적으로 광전변환효율이 낮아진다. 반면, 상기 유량비(R)가 0.8을 초과할 경우, 개방전압 및 단락전류는 높으나, 직렬저항이 높고, 필팩터가 매우 낮아져 상대적으로 광전변환효율이 낮아진다.
상기 SiH4(silane) 가스 및 CO2(carbondioxide) 가스 이외에도, H2 가스를 공급하며 SiH4 가스에 대한 H2 가스의 유량비를 4.0 내지 6.0으로 제어한다. 또, B2H6 가스도 공급하며, SiH4 가스에 대한 B2H6 가스의 유량비를 0.2 내지 0.4로 제어한다.
i형 광전변환층(70)은 예를 들어, 수소화된 비정질 실리콘(i-a-Si:H)을 포함할 수 있다. i형 광전변환층(70)은 p형 반도체층(40)을 형성한 이후 PE-CVD 공정조건을 상이하게 제어함에 따라 하나의 시스템 상에서 연속적으로 형성될 수 있다. i형 광전변환층(70)은 SiH4 가스에 대한 H2 가스의 유량비를 0.9 내지 1.1로 제어할 수 있다.
n형 반도체층(80)은 예를 들어, 수소화된 미세결정질 실리콘 산화물(n-uc-SiOx:H)을 포함할 수 있다. n형 반도체층(80)도 i형 광전변환층(70)과 같은 방식으로 PE-CVD 공정조건을 상이하게 제어함에 따라 하나의 시스템 상에서 연속적으로 형성될 수 있다.
n형 반도체층(80) 상에 형성된 제 3 투명전극층(90)을 더 포함할 수 있다. 제 3 투명전극층(90)은 예를 들어, AZO(Al doped Zn oxide)를 사용할 수 있다. 제 3 투명전극층(90)은 제 1 투명전극층(20) 또는 제 2 투명전극층(30)과 같은 종류의 소재를 사용할 수 있으며, 스퍼터링 방식으로 형성할 수 있다. 여기서, 제 3 투명전극층(90)은 마스크를 이용하여 액티브 영역을 제외한 나머지 영역 부근에 형성시켜 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 반투명 박막 태양전지(110)로서, 도 1의 (b)와 같이, 제 1 버퍼층(50) 상에 형성된 제 2 버퍼층(60)을 더 포함한다. 제 2 버퍼층(60)은 예를 들면, i형 광전변환층(70)과 동일한 소재로서, i형 반도체 소재를 포함할 수 있다. 제 2 버퍼층(60)은 i형 광전변화층(70)과 동일한 소재를 사용하더라도, 챔버 내부에 공급되는 가스의 유량비를 상이하게 제어하여 결정성을 다르게 형성한다.
일 예로서, 제 2 버퍼층(60)을 형성하는 단계는, SiH4(silane) 가스 및 H2 가스를 챔버 내부에 공급하며, 상기 SiH4 가스에 대한 상기 H2 가스의 유량비를 10.0 내지 20.0으로 제어함으로써 제 2 버퍼층(60)을 제 1 버퍼층(50) 상에 증착하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 경우, 제 2 버퍼층(60)을 도입함으로써, 광전변환층과 윈도우층 계면에서의 에너지 밴드 대역을 더 완화시킨다는 점을 제외하고는 상술한 실시예와 동일하므로 더 이상의 설명을 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1(이하, (a) 샘플)>
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 유리기판 / 600㎚ 두께의 FTO / 30㎚ 두께의 AZO / 20㎚ 두께의 p-c-SiOx:H(main) / 5㎚ 두께의 p-a-SiOx:H(buffer) / 150㎚ 두께의 i-a-Si:H(main) / 30㎚ 두께의 n-c-SiOx:H / 700㎚ 두께의 AZO 를 순차적으로 증착하여 제조하였다.
<실험예 2(이하, (b) 샘플)>
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 유리기판 / 600㎚ 두께의 FTO / 30㎚ 두께의 AZO / 20㎚ 두께의 p-c-SiOx:H(main) / 5㎚ 두께의 p-a-SiOx:H(buffer) / 20㎚ 두께의 i-a-Si:H(buffer) / 150㎚ 두께의 i-a-Si:H(main) / 30㎚ 두께의 n-c-SiOx:H / 700㎚ 두께의 AZO 를 순차적으로 증착하여 제조하였다.
<비교예(이하, (c) 샘플)>
도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 유리기판 / 600㎚ 두께의 FTO / 30㎚ 두께의 AZO / 20㎚ 두께의 p-c-SiOx:H / 150㎚ 두께의 i-a-Si:H / 30㎚ 두께의 n-c-SiOx:H / 700㎚ 두께의 AZO 를 순차적으로 증착하여 제조하였다.
실험예 및 비교예에서, p형 실리콘 산화물층(p-c-SiOx:H) 및 n형 실리콘 산화물층(n-c-SiOx:H)은 p-i-n 클러스터 장비를 이용하여 각각 50W의 RF 전력하에서 증착하였다. i형 실리콘층(i-a-Si:H(main))은 상기 클러스터 장비를 이용하여 20W의 매우 높은 주파수(VHF, 40.68 MHz) 전력하에서 증착하였다.
PE-CVD에 사용된 가스는 SiH4, H2, CO2, H2로 희석된 1%의 PH3 및 H2로 희석된 1%의 B2H6를 사용하였다. 여기서, CO2/SiH4 가스의 유량비를 제어하여 p형 실리콘 산화물층(p-c-SiOx:H) 박막의 결정도를 제어하였다. 각 층에 대한 공정조건은 아래 표에 정리하였다.
| 박막의 종류 | 가스의 종류 | 유량비 |
| p-c-SiOx:H(main) | CO2/SiH4 | 0.6 |
| H2/SiH4 | 5.0 | |
| B2H6/SiH4 | 0.3 | |
| p-a-SiOx:H(buffuer) | CO2/SiH4 | 0.9 |
| H2/SiH4 | 5.0 | |
| B2H6/SiH4 | 0.3 | |
| i-a-Si:H(buffuer) | H2/SiH4 | 10.0 |
| i-a-Si:H(main) | H2/SiH4 | 1.0 |
AZO층은 활성 셀 영역을 정의한 섀도우 마스크를 사용하여 2×10-6Torr(~ 2.67×10-4Pa)의 고진공 및 150℃의 기판 온도에서 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 형성하였다.
이후에, 0.25㎠ 면적, 100㎽/㎠ (AM 1.5G) 조사 하에서 시뮬레이터(Oriel 300, Newport Co.)를 사용하여 태양전지 샘플들의 전류-전압 특성을 각각 측정하였다. 또, 태양전지의 외부 양자효율(EQE)은 240-W 텅스텐 할로겐 램프 및 격자 모노 크로메이터를 사용하여 양자효율을 측정하였다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 라만분광법 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, R을 0.2 내지 1.2까지 변경함에 따라, p-c-SiOx:H 박막의 결정도가 샘플별로, 결정질, 비정질 및 중간 정도의 가우시안 피크(Gaussian peaks)가 검출되었다. 이 때,
Si의 광학 피크는 각각 I520㎝-1, I480㎝-1 및 I510㎝-1이며, R 값이 0.2에서 1.2로 증가함에 따라, 결정성 및 중간 가우시안 피크의 강도가 감소하는 반면, 비정질 가우시안 피크의 강도는 점차적으로 증가한다.
여기서, 결정도의 부피분율(Xc)은 널리 알려진 관계식인, Xc=((I510 + I520) / (I480 + I510 + I520))로부터 계산되었다. R 값이 0.2에서 1.0으로 증가함에 따라 결정도의 부피분율은 50%에서 11%로 감소하였으며, 이는 혼합상에서 a-SiOx:H 매트릭스의 증가에 의해서 p-c-SiOx:H의 미세결정질 상이 악화되었음을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 다크(dark) 전도도, 광학 밴드갭, 투과도 및 반사율과 같은 광학적 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3의 (a)를 참조하면, R 값이 0.2에서 1.2로 증가함에 따라 밴드갭은 2.10eV에서 2.38eV로 증가하였다. 반면, 다크 상태에서의 전도도는 1.2×10-1에서 8.9×10-6S/㎝로 감소했다. 일반적으로, SiOx 박막의 산소 농도와 Si-O의 결합은 R 값이 증가함에 따라 증가한다. Si-O 결합은 Si-Si 및/또는 Si-H 보다 높은 에너지를 가지므로 O 원자의 전기 음성도가 더 강하기 때문에 밴드갭이 증가하고 다크 상태의 전도도가 감소한다. 증가된 전기 음성도는 옵티칼 밴드갭의 블루 시프팅이 발생한다.
도 3의 (b)를 참조하면, p-c-SiOx:H 박막의 두께 변화없이, 300㎚ 내지 800㎚ 파장 대역에서 투과율이 증가한다.
도 3 (c)를 참조하면, 4.19에서 2.97 로 반사지수의 감소를 보여주는데, 이는 전면 TCO 박막층(n @ 550 nm = 1.93)과 p-c-SiOx:H 박막 사이의 굴절률 매칭으로 인해서 AZO 박막 및 p-c-SiOx:H 박막의 계면에서 반사 손실이 감소된 것을 보여준다.
따라서, 향상된 광학 특성은 p-c-SiOx:H 박막층에서의 기생 전압의 흡수를 감소시키고, 광 흡수를 향상시킬 것으로 예상되며, 이는 광전변환층에서의 광 흡수율을 개선시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 단락전류, 개방전압, 필팩터, 시리즈 저항 및 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이고, 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 필팩터(FF) 및 직렬저항(Rs)를 포함한 태양 광 매개 변수를 아래 표 1에 정리하였다.
도 4 및 표 1을 참조하면, 반투명 박막 태양전지 샘플의 R 값이 증가함에 따라, 개방전압은 787㎷에서 823㎷로 점차적으로 증가한다. 이는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, p-c-SiOx:H 박막층의 밴드갭 증가와 관련이 있다.
| R(CO2/SiH4) | Voc(V) | Jsc(㎃/㎠) | FF(%) | η(%) | Rs(Ω·㎠) |
| 0.2 | 0.787 | 9.30 | 64.4 | 4.71 | 49.5 |
| 0.4 | 0.799 | 9.59 | 66.7 | 5.11 | 48.5 |
| 0.6 | 0.804 | 9.99 | 67.2 | 5.40 | 40.8 |
| 0.8 | 0.818 | 9.87 | 63.8 | 5.15 | 45.3 |
| 1.0 | 0.823 | 9.78 | 58.6 | 4.67 | 51.6 |
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 양자효율 측정 결과를 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 투과도 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5 및 표 2를 참조하면, R 값이 0.6이 될 때까지 단락전류가 점차 증가하며, 10.0 ㎃/㎠에 가까워진다. 양자효율 측정 결과에 의하면, R 값이 0.2에서 0.6으로 증가함에 따라, 300㎚ 내지 550㎚ 파장 대역에서 크게 증가한다는 점에서 서로 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이는, AZO 박막 및 p-c-SiOx:H 박막의 계면에서 반사도가 감소하고, p-c-SiOx:H 박막에서의 기생전압의 흡수가 감소했기 때문으로 판단된다. 그러나, p-c-SiOx:H 박막에서 기생전압의 흡수가 감소되어도, R 값이 0.8을 넘어가면 단락전류는 감소한다. 이는 p-c-SiOx:H 박막의 전도성 저하와 소자의 직렬저항의 증가와 관련이 있다.
필팩터는 단락전류와 유사한 동작을 보여준다. R 값이 0.8보다 클 경우, 필팩터는 하락된다. 이는 Si 박막에서 O 함량이 증가함에 따라 풍부한 Si-H2 결합 및 O 원자로의 역 결합으로 인해 높은 결함 밀도가 박막의 Si 네트워크에서 내부 공극의 표면이 증가한다. 그러므로, 박막의 댕글링-본드(dangling-bond) 결함이 증가하고, Si 박막 내에 O 농도가 증가함에 따라서 이동성 및 캐리어 수명 시간과 같은 광전자 특성이 감소된다.
도 6을 참조하면, R 값이 0.6 일 때, 광전변환효율이 5.40%, 개방전압이 804㎷, 단락전류는 9.99㎃/㎠ 및 필팩터는 0.672로 가장 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이는, 비교예의 비정질 실리콘 태양전지(광전변환효율이 4.62%, 개방전압이 770㎷, 단락전류는 9.01㎃/㎠ 및 필팩터는 0.666) 대비 훨씬 높은 효율을 갖는다.
p-c-SiOx:H 박막을 갖는 반투명 박막 태양전지의 평균 투과율은 28.2%이며, 이는 비교예의 p-a-Si:H 박막을 갖는 반투명 박막 태양전지를 사용하여 달성된 22.9% 투과율보다 훨씬 높다. p-c-SiOx:H 박막은 투명전극층과 광흡수층 사이의 계면 밴드갭을 최적화하여 광전변환특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 그러므로, 적절한 버퍼층을 사용하면 반투명 박막 태양전지에서의 캐리어 수집이 개선될 수 있다.
하기 표 3은 각 박막의 공정조건 및 각 박막의 다크 상태에서의 전도도, 밴드갭을 측정한 결과이고, 표 4는 각 실험예에 대한 태양전지 물성을 측정한 결과이다.
| film | H2/SiH4 | CO2/ SiH4 |
B2H6/ SiH4 |
Dark conductivity (S/㎝) |
Ea(eV) | Eg(eV) |
| p-a-SiOx:H | 5 | 0.9 | 0.3 | 8.89×10-8 | 0.54 | 2.08 |
| i-a-Si:H | 10 | - | - | 2.11×10-9 | 0.64 | 1.88 |
| sample | Voc(V) | Jsc (㎃/㎠) |
FF(%) | η(%) | Rs (Ω·㎠) |
Rsh(Ω·㎠) | Jo(A/㎠) |
| (a) | 0.873 | 10.03 | 68.5 | 6.00 | 39.7 | 6535 | 7.01×10-8 |
| (b) | 0.883 | 10.12 | 71.7 | 6.41 | 35.6 | 7125 | 1.91×10-10 |
| (c) | 0.804 | 9.99 | 67.2 | 5.40 | 40.8 | 5460 | 3.12×10-5 |
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7의 (a) 및 표 3, 표 4를 참조하면, 밴드갭과 정공 전달 장벽의 높이를 줄이기 위해서, p-c-SiOx:H 박막과 i-a-Si:H 박막 사이에 5㎚ 두께의 얇은 p-a-SiOx:H 버퍼층을 개재하였다. 여기서, (a) 샘플(도 1의 (a)에 도시된 구조)에서 전체 p형 박막층의 두께(윈도우층과 버퍼층의 두께)는 도 7의 (c)에서와 같이, 20㎚로 고정하였다. 개방전압은 804㎷에서 873㎷로 증가하고, 필팩터도 67.2%에서 68.5%로 증가하였다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, (b) 샘플의 구조(도 1의 (b) 구조)에서는 i형 광전변환층 증착 전에 20㎚ 두께의 i-a-Si:H 버퍼층을 형성함으로써, 정공 수집을 추가로 개선하고, 전자-정공 재조합을 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 전류전압 곡선 그래프이다.
도 8을 참조하면, 단일 버퍼층을 사용하는 (a) 샘플 및 듀얼 버퍼층을 사용하는 (B) 샘플의 경우, 비교예인 (c) 샘플 대비 훨씬 높은 광전변환효율을 나타낸다. 이는, p형 반도체층과 i형 광전변환층 사이의 계면에서 억제된 전자-정공 재결합 및 향상된 내부 전위에 의해서, 개방전압의 증가로 인한 광전변환효율이 향상되는 것으로 판단된다.
일반적으로, 캐리어 재결합과 관련된 다이오드 포화전류(Jo)는 쇼클리 다이오드(Shockley diode) 방정식에 따라 개방전압에 영향을 미친다. 개방전압 및 포화전류에 관한 쇼클리 다이오드 방정식은 하기 식으로 표현된다.
(여기서, Jph는 광전류, n은 다이오드 이상 계수, k는 볼츠만 상수, T는 절대 온도임)
표 4에 도시된 바와 같이, 버퍼층이 추가됨에 따라 소자의 포화전류 값이 감소함에 따라 개방전압이 증가 될 수 있다. 상기와 같은 이유로, 듀얼 버퍼층을 사용하는 (b) 샘플(도 1의 (b)에 도시된 구조)는 실험예 샘플 중에서 가장 높은 개방전압을 갖는 것으로 확인되었다.
p-c-SiOx:H 박막과 i-a-Si:H 박막 사이에 도입된 버퍼층에 의해 캐리어 재결합 속도가 감소되었다. p-c-SiOx:H 박막과 i-a-Si:H 박막 사이에서의 밴드갭 불일치는 버퍼층을 사용하여 밴드 프로파일을 단계적으로 형성함으로써 완화시켰다. 그러므로, 전자-정공 수집의 효과를 증가시킴으로써, 필팩터를 증가시키고 직렬저항이 감소하였다.
표 5는 각 샘플별 가시광 파장대역인 500㎚ 내지 800㎚에서의 평균 투과율(AT)과 성능지수(FOM)를 정리한 것이다.
| sample | η(%) | AT(%) | FOM |
| (a) | 6.00 | 29.0 | 173.6 |
| (b) | 6.41 | 29.3 | 187.7 |
| (c) | 5.40 | 28.2 | 152.3 |
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 반투명 박막 태양전지 샘플의 투과도 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9 및 표 5를 참조하면, 버퍼층을 적용함으로써 투과도뿐만 아니라 광전변환효율에서도 현저하게 개선된 것을 확인할 수 있었다. 또, 이중 버퍼층을 갖는 반투명 박막 태양 전지는 성능지수가 187.7로 나타났다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 투명기판
20 : 제 1 투명전극층
30 : 제 2 투명전극층
40 : p형 반도체층
50 : 제 1 버퍼층
60 : 제 2 버퍼층
70 : i형 광전변환층
80 : n형 반도체층
90 : 제 3 투명전극층
100, 110, 120 : 반투명 박막 태양전지
20 : 제 1 투명전극층
30 : 제 2 투명전극층
40 : p형 반도체층
50 : 제 1 버퍼층
60 : 제 2 버퍼층
70 : i형 광전변환층
80 : n형 반도체층
90 : 제 3 투명전극층
100, 110, 120 : 반투명 박막 태양전지
Claims (16)
- 투명기판 상에 p형 반도체층, i형 광전변환층, n형 반도체층이 차례대로 구비된 반투명 박막 태양전지로서,
상기 반투명 박막 태양전지는,
상기 p형 반도체층 상에 형성된 제 1 버퍼층;을 포함하고,
상기 제 1 버퍼층은 수소화된 비정질 실리콘 산화물(p-a-SiOx:H)을 포함하는,
반투명 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 버퍼층 상에 형성된 제 2 버퍼층을 더 포함하는,
반투명 박막 태양전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 버퍼층은 i형 반도체 소재를 포함하는,
반투명 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 p형 반도체층은,
상기 투명기판 상에 구비된 투명전극층 상에 형성된,
반투명 박막 태양전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 투명전극층은 제 1 투명전극층 및 제 2 투명전극층이 순차적으로 적층된,
반투명 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 i형 광전변환층은 수소화된 비정질 실리콘을 포함하는,
반투명 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 n형 반도체층은 수소화된 미세결정질 실리콘 산화물을 포함하는,
반투명 박막 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 n형 반도체층 상에 형성된 제 3 투명전극층을 더 포함하는,
반투명 박막 태양전지. - 투명기판 상에 p형 반도체층, i형 광전변환층, n형 반도체층이 차례대로 구비된 반투명 박막 태양전지의 제조방법으로서,
상기 투명기판 상에 상기 p형 반도체층을 형성하는 단계;
상기 p형 반도체층 상에 제 1 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 제 1 버퍼층 상에 i형 광전변환층을 형성하는 단계; 및
상기 i형 광전변환층 상에 n형 반도체층을 형성하는 단계;
를 포함하는,
반투명 박막 태양전지의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 버퍼층을 형성하는 단계 이후에,
상기 제 1 버퍼층 상에 제 2 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 i형 광전변환층은 상기 제 2 버퍼층 상에 형성되는,
반투명 박막 태양전지의 제조방법. - 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 p형 반도체층을 형성하는 단계는,
PE-CVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 상기 제 2 버퍼층 상에 상기 p형 반도체층을 형성하되,
상기 PE-CVD 공정을 수행하는 챔버 내부에 공급되는 가스를 제어함으로써, 상기 p형 반도체층의 결정성을 제어하는 단계를 포함하는,
반투명 박막 태양전지의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 p형 반도체층의 결정성을 제어하는 단계는,
SiH4(silane) 가스 및 CO2(carbondioxide) 가스를 상기 챔버 내부에 공급하며,
상기 SiH4 가스에 대한 상기 CO2 가스의 유량비(R)를 0.4 내지 0.8로 제어하는 단계를 포함하는,
반투명 박막 태양전지의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 버퍼층을 형성하는 단계는,
SiH4(silane) 가스 및 CO2(carbondioxide) 가스를 챔버 내부에 공급하며,
상기 SiH4 가스에 대한 상기 CO2 가스의 유량비를 0.8 내지 1.0으로 제어함으로써 상기 제 1 버퍼층을 상기 p형 반도체층 상에 증착하는 단계를 포함하는,
반투명 박막 태양전지의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 버퍼층을 형성하는 단계는,
SiH4(silane) 가스 및 H2 가스를 챔버 내부에 공급하며,
상기 SiH4 가스에 대한 상기 H2 가스의 유량비를 10.0 내지 20.0으로 제어함으로써 상기 제 2 버퍼층을 상기 제 1 버퍼층 상에 증착하는 단계를 포함하는,
반투명 박막 태양전지의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 p형 반도체층을 형성하는 단계 이전에,
상기 투명기판 상에 제 1 투명전극층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 투명전극층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함하는,
반투명 박막 태양전지의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 n형 반도체층을 형성하는 단계 이후에,
상기 n형 반도체층 상에 제 3 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하는,
반투명 박막 태양전지의 제조방법.
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| KR1020190123246A KR102297241B1 (ko) | 2019-10-04 | 2019-10-04 | 반투명 박막 태양전지 및 이의 제조방법 |
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Citations (4)
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| JPH0685291A (ja) * | 1992-08-28 | 1994-03-25 | Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd | 半導体装置およびその製造法 |
| JP3679937B2 (ja) * | 1998-11-30 | 2005-08-03 | 三菱重工業株式会社 | 非晶質シリコン太陽電池及びその製造方法 |
| KR20130006904A (ko) * | 2011-06-27 | 2013-01-18 | 엘지전자 주식회사 | 박막 태양 전지 |
| KR20130028449A (ko) * | 2011-09-09 | 2013-03-19 | 한국철강 주식회사 | 박막 태양전지 및 그 제조 방법 |
-
2019
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