KR920009897B1 - 비정질 실리콘 태양전지 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

비정질 실리콘 태양전지
제1도는 본 발명의 비정질 실리콘 태양전지의 개략 단면도,
제2도는 종래 비정질 실리콘 태양전지의 단면도,
제3도는 본 발명에 따른 비정질 실리콘 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램,
제4도는 ITO전극과 P층, ITO전극과 N+접합시의 그 계면부근의 에너지 밴드 다이어그램,
제5도는 바이어스가 인가되지 않았을 경우, 본 발명에 따른 N+층과 P층의 계면부근의 에너지 밴드 다이어그램,
제6도는 바이어스가 인가되었을 경우, 본 발명에 따른 N+층과 P층의 계면부근의 에너지 밴드 다이어그램이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 글래스기관 2 : ITO 투명전극
3 : n+형 비정질 실리콘층 4 : P형 비정질 실리콘층
5 : i형 비정질 실리콘층 6 : n형 비정질 실리콘층
7 : 금속전극
본 발명은 비정질 실리콘 태양전지에 관한 것으로, 특히 ITO 투명전극과 P형 비정질 실리콘층 사이에 n+형 비정질 실리콘층을 형성시킨 비정질 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로, 비정질 실리콘 태양전지는 제2도에 도시된 바와 같이 글래스기판(21), ITO 투명전극(22), P형 비정질 실리콘층(23), i형 비정질 실리콘층(24), n형 비정질 실리콘층(25) 및 금속전극(26)을 순차적으로 적층한 구조로 되어 있는 바, 상기 비정질 실리콘층에서, i형 비정질 실리콘층(24)과 n형 비정질 실리콘층(25)은 각각 SiH4(모노실란) + H2가스와 SiH4+PH3(포스핀) 가스를 글로우 방전 분해시키는 방법으로 형성하였다. 이러한 비정질 실리콘 태양전지를 실제전지등의 에너지원으로 활용하기 위해서는 보다 높은 개방전압 또는 출력전압이 요구되는데, 상기한 p-i-n 구조의 비정질 실리콘 태양전지에서는 개방전압은 단위셀(Cell)에서 약 0.6V 정도로서, 단결정 태양전지에 비해 광전 변환 효율이 작다는 문제점이 제기되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, ITO 투명전극과 P형 비정질 실리콘층의 Ohmic 특성을 향상시키고, 그 계면특성을 개선하여 i형 비정질 실리콘층에서 발생되는 캐리어(Carrier)들이 효과적으로 취출될 수 있도록 함으로써 에너지 변환효율이 높은 비정질 실리콘 태양전지를 제공하고자 하는데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 비정질 실리콘 태양전지는, 글래스기판 위에 ITO 투명전극과 p-i-n형 비정질 실리콘층 및 금속전극이 순차적으로 적층된 비정질 실리콘 태양전지에 있어서, ITO 투명전극과 P형 실리콘층 사이에 SiH4+PH3의 혼합가스를 이용하여 캐리어의 이동을 돕는 n+형 비정질 실리콘층을 형성시킨 것을 특징으로 한다.
첨부된 도면에 의하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
즉, 본 발명은 제1도에 도시된 바와 같이 글래스기판(1) 위에 형성된 ITO 투명전극(2)상에 PH3/SiH4=0.02의 도핑(doping)농도를 갖는, 두께 150∼200Å의 n+형 비정질 실리콘층(3)을 형성한다. 그런다음, 상기 n+형 비정질 실리콘층(3)상에 B2H6/SiH4=0.01의 도핑농도를 갖는, 두께 100∼200Å의 P형 비정질 실리콘층(4)을 형성하고, 그 위에 SiH4/H2=0.2의 도핑농도를 갖고, 두께가 4000-5000Å인 i형 비정질 실리콘층(5)을 형성한 다음, PH3/SiH4=0.01의 도핑농도를 갖고, 두께가 500∼700Å인 n형 비정질 실리콘층(6)을 형성하고, 그 위에 금속전극(7)을 형성한다. 상기한 비정질 실리콘층의 제작시 i형 및 n형 비정질 실리콘층(5)의 기판온도를 250℃로 고정시키나, P형 비정질 실리콘층(4) 형성시에는 입사광의 투과효율을 증진시키기 위하여 220℃로 한다.
한편, n+형 비정질 실리콘층(3) 형성시 두께가 50Å 미만일 경우 막형성 제어가 어렵고, 두께가 300Å 이상일 경우 막두께가 시리즈 저항으로 작용함으로써 광흡수에 의한 에너지 손실이 발생하여 출력특성 저하가 나타나기 때문에 n+형 비정질 실리콘층(3)의 두께는 150-200Å 범위로 하는 것이 좋다. 이러한 본발명의 작용에 대해 설명한다.
제3도는 본발명에 따른 비정질 실리콘 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다. 제3도에서 광입상에 의한 I층에서의 전자, 정공이 각각 확산에 의하여 ITO(2), Al금속전극(7)측으로 이동하여 광기전력을 발생하게 된다. 일반적 PIN구조의 태양전지에서의 낮은 개방전압 및 변환효율의 향상을 위하여 ITO/P 계면에 N+층(N층에 비해 2배의 도우핑 밀도(doping density)를 가짐)(3)을 삽입형성시킨다.
다음에 N+층(3)의 저항성접촉(Ohmic Contact)에 대해 작용 설명한다. 제4도의 제4a도에는 종래 ITO전극(22)과 P층(24)만의 접합시 그 계면(27) 부근에서의 에너지 밴드 다이어그램이 도시되어 있으며, 제4b도에는 본발명에 따른 비정질 실리콘 태양전지의 ITO전극(2)과 N+층(3)의 접합시 그 계면(11) 부근에서의 에너지 밴드 다이어그램이 도시되어 있다.
종래의 PIN구조에 의한 태양전지는 제2도 및 제4a도에 도시된 바와같이 ITO전극(22)과 P형 비정질 실리콘(24)의 계면(27)에서 정류성접촉이 형성된다. 이러한 경우 높은 전위장벽(Potential Barrier)의 발생으로 인하여 캐리어(CARRIER, 전자, 정공)의 이동이 어렵고 결국 개방전압(Voc) 및 효율이 낮은 단점이 있다. 이 점을 개선하기 위하여 본발명에서는 도우핑 밀도가 높은 N+층(3)을 사용하였으며, 제4b도에 도시된 바와같은 전위장벽이 낮은 저항성 접촉을 얻을 수 있다.
즉, 접촉영역에서 전압전류특성이 직선적이며 고유접촉저항이 낮은(n+층(3)의 도우핑밀도에 의해) 저항성 접촉을 형성하게 되므로, 제3도의 I층(5)에서 발생한 캐리어의 이동이 ITO/N+계면(11)에 있어 용이하게 되어 개방전압(Voc)이 0.7∼0.8[V]가 되어 효율도 1%가량 향상되게 된다.
다음에 본발명의 개방전압 및 효율향상의 또다른 요인에 대해 설명한다.
전술한 접촉에 의한 특성향상외에 N+층(3)을 통한 터널효과에 의한 전기전도로 인하여 초기 개방전압의 향상을 얻을 수 있다.
제5도와 제6도는 바이어스가 인가되지 않았을 경우와 바이어스가 인가되었을 경우 각각에 대한 N+/P층의 에너지 밴드 다이어그램으로서, 제5도에서와 같이 바이어스(BIAS)가 공급되지 않았을 경우에는 N+층(3)과 P층(4)의 계면(10)을 통한 캐리어의 이동이 없으나, 제6도에서와 같이 초기 바이어스가 N+층(3)에 의하여 좁아진 N+, P층(3,4)의 계면(10)을 통하여 N+층의 전도대에 있는 전자가 P층(4)의 가전자대의 정공(+)으로 터널(Tunnel)효과에 의하여 이동함으로써 터널전류(It)가 발생하게 된다. 바이어스가 더 커지면(전위차가 커지면) 터널효과에 의한 캐리어의 이동은 감소하고 확산(Drift)에 의한 전자, 정공의 이동으로 전기전도가 발생하게 됨으로써 확산전류(If)가 흐르게 된다.
따라서, 본발명에 따른 비정질 실리콘 태양전지에 의하면, ITO 투명전극과 P형 비정질 실리콘층 사이에 n+형 비정질 실리콘층이 형성되기 때문에, 저항성 접촉효과 및 터널효과로 인하여, 종래의 비정질 실리콘 태양전지에 비해 개방전압이 0.1∼0.3V 정도 높아지며, 또한 단락 전류밀도 역시 2∼3μA/cm2정도 높아지는등 특성을 향상시킬 수 있다는 매우 뛰어난 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 글래스기판 위에 ITO 투명전극, p-i-n형 비정질 실리콘층 및 금속전극이 순차적으로 적층된 비정질 실리콘 태양전지에 있어서, ITO 투명전극(2)과 P형 비정질 실리콘층(4) 사이에 SiH4+PH3의 혼합가스를 이용하여 캐리어의 이동을 돕는 n+형 비정질 실리콘층(3)을 형성한 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 태양전지 .
  2. 제1항에 있어서, n+형 비정질 실리콘층(3)의 두께는 150∼200Å이며, n+형 비정질 실리콘층의 형성에 사용되는 혼합가스의 도핑농도는 PH3/SiH4=0.02인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 태양전지.
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