WO2012086885A1 - 투명 전극을 갖는 태양 전지 - Google Patents

투명 전극을 갖는 태양 전지 Download PDF

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WO2012086885A1
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transparent conductive
electrode
solar cell
semiconductor layer
metal
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김준동
이학주
우창수
송창규
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한국기계연구원
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell, and more particularly to a solar cell having a transparent electrode.
  • solar cells which are photoelectric conversion elements that convert sunlight into electrical energy, are infinite and environmentally friendly, and thus their importance is increasing over time.
  • the solar cell has a PN junction structure in which a P (positive) type semiconductor and an N (negative) type semiconductor are bonded to each other. Holes and electrons are generated in the semiconductor by the energy of solar light, and the holes (+) are moved toward the P-type semiconductor by the electric field generated at the PN junction. ) Moves toward the N-type semiconductor to generate electric potential, thereby generating electric power.
  • Such solar cells may be classified into wafer-type solar cells and thin-film solar cells.
  • Wafer type solar electron is a solar cell manufactured using a semiconductor material such as silicon itself as a wafer
  • a thin film type solar cell is a solar cell manufactured by forming a semiconductor in the form of a thin film on a substrate such as glass.
  • Wafer type solar cells have better efficiency than thin film type solar cells, but have a limitation in minimizing the thickness of the process.
  • the front electrode of the wafer-type solar cell is made of a metal such as Ag. Since it does not enter, a problem occurs that the efficiency is lowered. In addition, in the case of the partially formed Ag electrode, the contact resistance is large because the electrode cannot be contacted with the wafer.
  • the present invention provides a solar cell having a transparent front electrode.
  • a solar cell including a front electrode including a ⁇ junction semiconductor layer having a ⁇ type semiconductor layer and a ⁇ type semiconductor layer, and a transparent conductive film bonded to a first surface of the ⁇ junction semiconductor layer, and And a back electrode bonded to a second surface facing in a direction opposite to the first surface of the ⁇ junction semiconductor layer.
  • the transparent conductive film is a transparent conductive oxide (TCO) indium—tin-oxide ( ⁇ ), A doped zinc oxide (AZO), Zn-doped indium oxide (IZO), MgO, Nb: SrTi03, Ga-doped ZnO (GZO), Nb-doped Ti02, (La0.5Sr0.5) CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO), F-doped tin oxide, Sr3Ru207, and Sr4Ru3 are 0 It may be made of any one material selected from the group consisting of or a combination thereof.
  • the transparent conductive film may include a carbon-based nanomaterial having conductivity, and the transparent conductive film may include metal silicide or metal germanide formed of a structure in which a semiconductor material is bonded to a metal nanowire. can do.
  • the transparent conductive film may include a transparent conductive oxide (TCO) and a conductive nanomaterial, and the conductive nanomaterial may include any one or more materials of carbon-based nanomaterials, metal silicides, and metal germanides. Is made of AZO and the composition ratio of A1 contained in AZO may be 4.65wt% to 6.34wt ⁇ 3 ⁇ 4.
  • the front electrode may include a plurality of transparent conductive film layers, and the front electrode may include a first transparent conductive film layer made of a transparent conductive oxide and a second transparent conductive film layer made of a carbon-based nanomaterial.
  • the front electrode may include a first transparent conductive film layer and a third transparent conductive film layer made of a transparent conductive oxide, and the third transparent conductive film layer may be made of metal silicide or metal germanide. have.
  • the solar cell may further include a metal electrode formed between the transparent conductive film layer.
  • the front electrode may further include a metal electrode formed on the front electrode, and the front electrode may further include a metal electrode disposed between the front electrodes and spaced apart from each other.
  • the display device may further include a top electrode formed of a metal electrode formed between the front electrode and a transparent conductive film formed on the metal electrode.
  • the back electrode may be made of a transparent conductive film, and may further include a metal electrode formed on the back electrode.
  • the back electrode may further include a metal electrode spaced apart and formed between the back electrode.
  • a top electrode may be further formed of a metal electrode spaced apart from the rear electrode and a transparent conductive film formed on the metal electrode, and the front electrode may be annealed while attached to the PN junction semiconductor layer.
  • the electrode since an electrode made of a transparent conductive film is formed, the electrode does not interfere with the incidence of light, thereby improving efficiency.
  • the contact area between the electrode and the wafer is large, so that the contact resistance between the electrode and the wafer is reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a solar cell according to a first embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view showing a solar cell according to a second embodiment of the present invention.
  • 3 is a current voltage diagram showing dark current characteristics of the solar cell having only the solar cell and the metal electrode according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a photograph showing a solar cell according to an example of the second embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a photograph showing a solar cell according to another example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a current voltage diagram showing bright current characteristics of a solar cell having only the same metal electrode as the solar cell shown in FIG. 4A and the solar cell shown in FIG. 4A.
  • FIG. 6 is a current voltage diagram of a solar cell having only the same metal electrode as the solar cell shown in FIG. 4B and the solar cell shown in FIG. 4B.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a solar cell according to a third embodiment of the present invention.
  • 8 is a sectional view showing a solar cell according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 9 is a sectional view showing a solar cell according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 10 is a cross-sectional view illustrating a solar cell according to a sixth embodiment of the present invention.
  • 11 is a cross-sectional view showing a solar cell according to a seventh embodiment of the present invention.
  • 12 is a sectional view showing a solar cell according to an eighth embodiment of the present invention.
  • 13 is a sectional view showing a solar cell according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14A is a TEM photograph showing a silicon layer and a ZnO film formed on a silicon wafer
  • FIG. 14B is a photograph showing oxygen dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in FIG. 14A
  • FIG. 14C is zinc in FIG. 14A.
  • the component is a photograph showing EDXCEnergy dispersive X-ray spectroscopy
  • FIG. 14D is a photograph showing an aluminum component as EDX (Energy dispersive X-ray spectroscopy) in FIG. 14A.
  • 14E is a TEM photograph showing that a silicon layer and an AZO film are formed on a silicon wafer
  • FIG. 14F shows oxygen components in FIG. 14E.
  • EDXXEnergy dispersive X-ray spectroscopy (Photo) is a photograph
  • Figure 14g is a zinc component in Figure 14E EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy (dispersive X-ray spectroscopy) is a photograph
  • Figure 14h is a photograph showing the aluminum component in EDX (Energy dispersive X-ray spectroscopy) in Figure 14e.
  • 15 is a graph showing the light transmittance of AZ0 film according to the A1 content.
  • 16 is a graph showing the number of carriers and the resistance of the AZO film according to the A1 content.
  • FIG. 17A is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) profile showing the crystal structure of an AZO film according to the A1 content
  • FIG. 17B is a graph showing a narrow scan X-ray diffraction profile.
  • XRD X-ray diffraction
  • FIG. 18A is a TEM photograph showing a cross section of pure ZnO, and FIG. 18B is a pure water
  • FIG. 18C is a high resolution TEM photograph of pure ZnO.
  • FIG. 18D is a TEM photograph showing a cross section of an AZO film having an A1 content of 5.22 wt%
  • FIG. 18E is a photograph of a selected region area diffraction pattern of an AZ0 film having an A1 content of 5.22%
  • FIG. 18F is High resolution TEM photograph of an A1 content of 5.22 wt 3 ⁇ 4 AZO film.
  • FIG. 18G is a TEM photograph showing a cross section of an A1 content of 6.89 wt9 ⁇ 1 AZO film. (selected-area electron diffraction) is a pattern picture
  • Figure 18i is a high-resolution TEM picture of the AZO film having an A1 content of 6.89wt%.
  • 19A shows an AZO deposited at room temperature and annealing after deposition at room temperature
  • FIG. 19A is a graph showing light transmittance of AZO
  • FIG. 19B is a graph showing resistance of AZ0 deposited at room temperature and AZO after annealing at room temperature.
  • PN junction The structure refers to a structure in which a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are bonded to each other, and is defined as a PN junction having a broad meaning including a PIN junction between an P-type semiconductor and an N-type semiconductor.
  • a solar cell according to the present embodiment includes a PN junction semiconductor layer 10 having a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12, and a PN junction semiconductor layer 10.
  • the front electrode 23 bonded to the first surface and the back electrode 21 bonded to the second surface facing in the direction opposite to the first surface of the PN junction semiconductor layer 10 are provided.
  • the P-type semiconductor layer 13 is in the form of a wafer, and the N-type semiconductor layer is formed by sputtering on the P-type semiconductor layer.
  • the P-type semiconductor layer 13 is in the form of a wafer, and the N-type semiconductor layer 12 is formed by sputtering on a P-type semiconductor charge.
  • the present invention is not limited thereto, and the N-type semiconductor layer 12 may be formed by a diffusion method, an ion implantation method, a chemical vapor deposition method, or the like.
  • the N-type semiconductor layer 12 is formed of a wafer and the P-type semiconductor layer 13 is formed by diffusion, ion implantation, chemical vapor deposition, sputtering, or the like. It may be. .
  • the PN semiconductor bonding layer 10 may be made of a crystalline wafer, and the crystalline wafer may be made of silicon or the like.
  • the back electrode 21 is formed on the rear surface of the PN junction semiconductor layer 13, and the back electrode 21 may be made of aluminum, which is a conductive metal. Since the front electrode 23 is made of a transparent conductive film, the front electrode 23 may be in film contact with the PN junction semiconductor layer 13 made of the front electrode 23 and the semiconductor wafer.
  • the transparent conductive film may consist of a transparent conductive oxide (TCO), the transparent conductive oxide being indium tin-oxide (ITO), A1-doped zinc oxide (AZO), Zn-doped indium oxide (IZO), MgO , Nb: SrTi03, Ga-doped ZnO (GZO), Nb-doped Ti02, (La0.5Sr0.5) CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO), F-doped Tin oxide, Sr 3 Ru 207 and Sr 4 Ru 3 O 10.
  • the transparent conductive film may be made of a conductive nano material, the conductive nano material includes a carbon-based nano material, a metal silicide (silicide) and a metal germanide (germanide).
  • the carbon-based nanomaterial may be made of carbon nanotubes, carbon nanowires, graphite, or the like.
  • Metal silicide or metal germanide is composed of a semiconductor material bonded to a metal nanowire.
  • the metal nanowires may be made of Ag, Au, Ni, Co, Al, Ti, Pt, and the like, and the metal silicide may be made of Ni silicide, Co silicide, Ti silicide, and the like. germanide, Ti germanide and the like.
  • the transparent conductive film may be made of a material containing both a transparent conductive oxide and a conductive nanomaterial.
  • the front electrode 23 may be made of AZO.
  • AZO may be formed by a co-sputtering method in which A1 and ZnO are supplied together.
  • a power supply device 24 for power storage is connected to the front electrode 23 and the back electrode 21. .
  • the front electrode 23 is made of a transparent conductive film on the PN junction semiconductor layer 10 of the wafer structure as in this embodiment, the front electrode 23 and the PN junction Since the contact area between the semiconductor layers 10 is enlarged, not only the contact resistance is reduced but also the front electrode 23 does not interfere with the incidence of light, thereby improving the efficiency of the solar cell.
  • a solar cell having a wafer-structured PN junction semiconductor layer 10 has been difficult to form a transparent electrode by deposition or the like, but an opaque metal electrode has been used, but the opaque metal electrode obstructs light incident. And the contact resistance with the wafer was a big problem.
  • forming an electrode made of a transparent conductive film as in the present embodiment may not only improve light efficiency but also reduce contact resistance.
  • the solar cell according to the present embodiment includes a PN junction semiconductor layer 10 having a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12, and a PN junction semiconductor layer 10.
  • a front electrode 26 bonded to the first surface, a metal electrode 25 formed between the front electrode 26, and a second surface facing in a direction opposite to the first surface of the PN junction semiconductor layer 10; It has a back electrode 21.
  • the PN junction semiconductor layer 10 has a wafer shape and includes a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12. Since the PN junction semiconductor layer 10 is made of crystalline silicon, the PN junction semiconductor layer 10 may be obtained by doping an N-type material into crystalline silicon having P-type properties. In addition, the wafer may be made of GaAs in addition to silicon. However, the present invention is not limited thereto, and the N-type semiconductor layer 12 may be formed by a diffusion method, an ion implantation method, a chemical vapor deposition method, or the like.
  • the back electrode 21 is made of metal such as Al, Ag, and the front electrode 26 is made of a transparent conductive film. Meanwhile, the metal electrode 25 may be made of Ag, Pt, or the like.
  • the front electrodes 26 are spaced apart from each other, and the metal electrodes 25 are arranged between the front electrodes 26.
  • an upper electrode 28 is formed on the metal electrode 25, and the upper electrode 28 has the same transparent conductivity as the front electrode 26. Made of film.
  • the front electrode 26 is formed on the PN junction semiconductor layer 10 on which the metal electrode 25 is formed by sputtering, the front electrode 26 is formed between the metal electrodes 25 and the metal electrode 25 The upper electrode 28 is formed thereon.
  • 3 is a current voltage diagram showing dark current characteristics of the solar cell having only the solar cell and the metal electrode according to the second embodiment of the present invention.
  • the metal electrode is made of Ag
  • the front electrode is made of an AZO transparent conductive film.
  • the resistance is significantly lower than in the case where only the metal electrode is formed.
  • the resistance was 49.6 Kohm.
  • the resistance was significantly reduced to 2.24 Kohm.
  • the rectification characteristic was 59.9 when only the metal electrode was formed, but the rectification characteristic was remarkably improved to 87.7 in the solar cell according to the second embodiment using the AZO surface bonding.
  • FIG. 4A is a photograph showing a solar cell according to an example of the second embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a photograph showing a solar cell according to another example of the second embodiment of the present invention. .
  • the solar cell shown in FIG. 4A has narrower spacing metal electrodes than FIG. 4B.
  • FIG. 5 is a current voltage diagram comparing bright current characteristics of a solar cell having only a metal electrode and a solar cell in which a transparent conductive film is deposited on the metal electrode as shown in FIG. 4A.
  • the solar cell in which the AZO front electrode and the metal electrode are formed together has a significantly higher current voltage characteristic than the solar cell having only the metal electrode.
  • Table 1 compares the characteristics of the solar cells shown in FIG. 5. As shown in Table 1, the efficiency was 1.79% when only the metal electrode was formed, but the efficiency was more than doubled to 4.09% for the solar cell according to the second embodiment using the AZO surface bonding. Further, when only the metal electrode is formed also on the current density, the yieoteuna 11.83mA / cm 2, in the case of a solar cell according to the second embodiment using the AZO surface bonded to the Efficiency 28.36mA / cm 2 was more than doubled.
  • FIG. 6 is a current voltage diagram comparing bright current characteristics of a solar cell having only a metal electrode and a solar cell having a transparent conductive film deposited on the metal electrode as shown in FIG. 4A.
  • the structure in which the AZO front electrode and the metal electrode are formed together has a significantly higher current voltage characteristic than the structure in which only the metal electrode is formed.
  • Table 1 is a table comparing the characteristics of the solar cells shown in FIG. As shown in Table 1, when only the metal electrode was formed, the efficiency was 0.76%. In the case of the solar cell according to the second embodiment using the AZO surface bonding, the efficiency was increased by five times or more to 5.62%. In addition, the current density was 5.15 mA / cm 2 when only the metal electrode was formed, but the efficiency of the solar cell according to the second embodiment using the AZO surface junction increased 38.28 mA / cm 2 to 7 times or more.
  • the structure of FIG. 4B having a wide interval between the metal electrodes has better current voltage characteristics than the structure of FIG. 4A. This is because, in the case of the structure of FIG. This is because the efficiency is lowered.
  • the front electrode since the front electrode is formed, the resistance does not increase even if the distance between the metal electrodes is wide, and the photoexcitation electrons can be efficiently transferred. Accordingly, the formation of the metal electrodes can be minimized to significantly improve the efficiency.
  • a solar cell according to the present embodiment includes a PN junction semiconductor layer 10 having a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12, and a PN junction semiconductor layer 10.
  • a front electrode 26 bonded to the first surface, a metal electrode 25 formed between the front electrode 26, and a second surface facing in a direction opposite to the first surface of the PN junction semiconductor layer 10; It has a back electrode 21. .
  • the N-type semiconductor layer 12 is in the form of a wafer, and the P-type semiconductor layer 13 is formed by sputtering on the N-type semiconductor layer 12.
  • the present invention is not limited thereto, and the P-type semiconductor layer 13 may be formed by a diffusion method, an ion implantation method, a chemical vapor deposition method, or the like.
  • the P-type semiconductor layer 13 is formed of this wafer, and the N-type semiconductor layer 12 is formed by diffusion, ion implantation, chemical vapor deposition, sputtering, or the like. May be
  • the back electrode 21 is made of metal such as Al, Ag, and the front electrode 26 is made of a transparent conductive film. Meanwhile, the metal electrode 25 may be made of Ag, Pt, or the like.
  • the front electrodes 26 are spaced apart from each other, and the metal electrodes 25 are disposed between the front electrodes 26. Accordingly, the PN junction semiconductor layer 10 is in contact with the front electrode 26 or the metal electrode 25.
  • the metal electrode according to this embodiment Contact resistance is further reduced because it is in direct contact with the PN junction semiconductor layer.
  • the metal electrode 25 has a disadvantage of blocking light transmission, the metal electrode 25 is made of a material having a smaller resistance than the front electrode 26 made of a transparent conductive film, so that the metal electrode 25 is directly connected to the PN junction semiconductor layer 10. In case of contact, the resistance can be further reduced.
  • the power supply device 24 for power storage is connected to the metal electrode 25 and the back electrode 21.
  • the solar cell according to the present embodiment includes a PN junction semiconductor layer 10 having a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12, and a PN junction semiconductor layer 10. Bonded to the front electrode 23 bonded to the first surface, the metal electrode 25 formed on the front electrode 23, and the second surface facing in the opposite direction to the first surface of the PN junction semiconductor layer 10. It has a back electrode 21.
  • the P-type semiconductor layer 13 is in the form of a wafer, and the N-type semiconductor layer 12 is formed by sputtering on the P-type semiconductor layer.
  • the present invention is not limited thereto, and the N-type semiconductor layer 12 may be formed by a diffusion method, an ion implantation method, a chemical vapor deposition method, or the like.
  • the N-type semiconductor layer 12 is made of a wafer
  • the P-type semiconductor layer 13 is formed by diffusion, ion implantation, chemical vapor deposition, sputtering, or the like. It may be.
  • the back electrode 21 and the front electrode 23 are made of a transparent conductive film, and the transparent conductive film may be made of a transparent conductive oxide (TCO) or a conductive nanomaterial.
  • TCO transparent conductive oxide
  • Transparent conductive oxides include indium-tin-oxide ( ⁇ ), A1-doped zinc oxide (AZO), Zn-doped indium oxide (IZO), MgO, Nb: SrTi03, Ga-doped ZnO (GZO), Nb- Doped Ti02, (La0.5Sr0.5) CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO), F-doped tin oxide, Sr3Ru207, and Sr4Ru3O10 Or the like.
  • Conductive nanomaterials include carbon-based nanomaterials, metal silicides, and metal germanides.
  • the transparent conductive film may be made of a material including both a transparent conductive oxide and a conductive nanomaterial.
  • the power supply device 24 for power storage is connected to the metal electrode 25 and the back electrode 21.
  • the metal electrodes 25 are arranged on the front electrode 23 in a plurality of lines spaced apart.
  • the metal electrodes 25 are arranged in a mesh form and may be made of Ag, Pt, or the like.
  • the contact area between the front electrode 23 and the PN junction semiconductor layer 10 is enlarged, thereby reducing the contact resistance.
  • the solar cell according to the present embodiment includes a PN junction semiconductor layer 10 having a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12, and a PN junction semiconductor layer 10.
  • the front electrode 30 bonded to the first surface and the back electrode 21 bonded to the second surface facing in the direction opposite to the first surface of the PN junction semiconductor layer 10 are included.
  • the PN junction semiconductor layer 10 has a wafer shape and includes a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12. Since the PN junction semiconductor layer 10 is made of crystalline silicon, the PN junction semiconductor layer 10 may be obtained by doping an N-type material into crystalline silicon having a P-type property. In addition, the wafer may be made of GaAs in addition to silicon. However, the present invention is not limited thereto, and the N-type semiconductor layer 12 may be formed by a diffusion method, an ion implantation method, a chemical vapor deposition method, or the like.
  • the back electrode 21 is made of metal such as Al, Ag, and the front electrode 30 is made of a plurality of transparent conductive film layers 31, 32, 33.
  • the front electrode 30 is composed of three transparent conductive film layers.
  • the front electrode 30 is not limited thereto and may be formed of two or more transparent conductive film layers.
  • the front electrode 30 includes a first transparent conductive film layer 31 made of a transparent conductive oxide, a second transparent conductive film layer 32 made of a carbon-based nanomaterial, and a metal silicide or metal germ. And a third transparent conductive film layer 33 made of manide.
  • the transparent conductive oxide here is indium-tin-oxide ( ⁇ ), A1-doped zinc oxide (AZO), Zn-doped indium oxide (IZO), MgO, Nb: SrTi03, Ga-doped ZnO (GZO), Nb Doped Ti02 ⁇ (La0.5Sr0.5) CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO) ⁇ F-doped tin oxide, Sr3Ru207 and Sr4Ru3 can be composed of
  • Carbon-based nanomaterials may be made of carbon nanotubes, carbon nanowires, graphite, and the like, and metal silicide or metal germanide is made of a structure in which semiconductor materials are bonded to metal nanowires.
  • the metal nanowires may be made of Ag, Au, Ni, Co, Al, Ti, Pt, etc.
  • the metal silicide may be made of Ag silicide, Au silicide, Ni silicide, Co silicide, Ti silicide
  • Metal germanide may be made of Ni germanide, Co germanide, Ti germanide, and the like.
  • the front electrode is made of a plurality of transparent conductive film layers 31, 32, 33 having light transmittance as in the present embodiment, light may be transmitted while resistance may be reduced.
  • the solar cell according to the present embodiment includes a PN junction semiconductor layer 10 having a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12, and a PN junction semiconductor layer 10.
  • a first transparent conductive film layer 23 bonded to the first surface of the substrate, and a back electrode 21 bonded to the second surface facing away from the first surface of the PN junction semiconductor layer 10.
  • the PN junction semiconductor pack 10 has a wafer shape and includes a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12. Since the PN junction semiconductor layer 10 is made of crystalline silicon, the PN junction semiconductor layer 10 can be obtained by doping an N-type material into crystalline silicon having P-type properties.
  • the wafer may be made of GaAs in addition to silicon.
  • the present invention is not limited thereto, and the N-type semiconductor layer 12 may be formed by a diffusion method, an ion implantation method, a chemical vapor deposition method, or the like.
  • the first transparent conductive film layer 23 is made of a transparent conductive oxide.
  • the transparent conductive oxides here are indium tin-oxide (ITO), A doped zinc oxide (AZO), Zn-doped indium oxide (IZO), MgO, Nb: SrTi03, Ga-doped ZnO (GZO), Nb -Doped Ti02, (La0.5Sr0.5) CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO), F-doped tin oxide, Sr3Ru207 and Sr4Ru3O10 and the like.
  • a second transparent conductive film layer 34 made of metal silicide or metal germanide is formed on the low U transparent conductive film layer 23 .
  • the first transparent conductive film layer 23 and the second transparent conductive film layer 34 become front electrodes.
  • Metal silicide or metal germanide is composed of a semiconductor material bonded to a metal nanowire.
  • the metal nanowires may be made of Ag, Au, Ni, Co, Al, Ti, Pt, etc.
  • the metal silicide may be made of Ag silicide, Au silicide, Ni silicide, Co silicide, Ti silicide, etc.
  • Metal germanide may be made of Ni germanide, Co germanide, Ti germanide, and the like.
  • the second transparent conductive film layer 34 is spaced apart from each other, and the metal electrode 25 is disposed between the 12 transparent conductive film layers 34.
  • an upper electrode 36 is formed on the metal electrode 25, and the upper electrode 36 is formed of metal silicide or metal germanide in the same manner as the second transparent conductive film layer 34.
  • the second transparent conductive film layer 34 is formed on the first transparent conductive film layer 23
  • the metal electrode 25 is formed on the second transparent conductive film layer 34, and the metal electrode is formed. 25, the phase ⁇ it is possible to further reduce the resistance when the upper electrode 36 is formed.
  • the solar cell according to the present embodiment includes a PN junction semiconductor layer 10 having a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12, and a PN junction semiconductor layer 10.
  • a front electrode 23 bonded to one surface, a back electrode 41 bonded to a second surface facing in a direction opposite to the first surface of the PN junction semiconductor layer 10, and a rear electrode 41 disposed on the back electrode 41; It has a metal electrode 42.
  • the N-type semiconductor layer 12 is formed in a wafer form, and the p-type semiconductor layer 13 is formed by sputtering on the N-type semiconductor layer 12.
  • the present invention is not limited to the semiconductor layer (13) P-type may be formed by such as diffusion (Diffusion), the ion implantation '(Ion implantation), CVD (Chemical Vapor Deposition).
  • the front electrode 23 and the back electrode 41 are made of a transparent conductive film.
  • the metal electrode 42 may be made of Ag, Pt, or the like.
  • the power supply device 24 for power storage is connected to the metal electrode 45 and the front electrode 23.
  • the solar cell according to the present embodiment includes a PN junction semiconductor layer 10 having a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12, and a PN junction semiconductor layer 10.
  • the N-type semiconductor layer 12 is in the form of a wafer, and the p-type semiconductor layer 13 is formed by sputtering on the N-type semiconductor layer 12.
  • the present invention is not limited thereto, and the P-type semiconductor layer 13 may be formed by a diffusion method, an ion implantation method, a chemical vapor deposition method, or the like.
  • the front electrode 23 and the back electrode 46 are made of a transparent conductive film. Meanwhile, the metal electrode 45 may be made of Ag, Pt, or the like.
  • the back electrodes 46 are spaced apart from each other, and the metal electrodes 45 are disposed between the back electrodes 46. As a result, the PN junction semiconductor layer 10 comes into contact with the back electrode 46 and the metal electrode 45.
  • the power supply device 24 for power storage is connected to the metal electrode 45 and the front electrode 23.
  • a solar cell according to the present embodiment includes a PN junction semiconductor layer 10 having a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12, and a PN junction semiconductor layer 10.
  • a front electrode 23 bonded to the first surface, a back electrode 46 bonded to the second surface facing away from the first surface of the PN junction semiconductor layer 10, and a back electrode 46 formed between It has a metal electrode 45.
  • the PN junction semiconductor layer 10 is in the form of a wafer and includes both a P-type semiconductor layer 13 and an N-type semiconductor layer 12. Since the PN junction semiconductor layer 10 is made of crystalline silicon, the PN junction semiconductor layer 10 may be obtained by doping an N-type material into crystalline silicon having a P-type property. In addition, the wafer may be made of GaAs in addition to silicon. However, the present invention is not limited thereto, and the N-type semiconductor layer 12 may be formed by a diffusion method, an ion implantation method, a chemical vapor deposition method, or the like.
  • the back electrode 46 and the front electrode 23 are made of a transparent conductive film. Meanwhile, the metal electrode 45 may be made of Ag, Pt, or the like.
  • FIG. 14A is a ⁇ photograph showing that a silicon layer and a ⁇ film are formed on a silicon wafer
  • FIG. 14B is a photograph showing oxygen dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in FIG. 14A
  • FIG. 14B is a photograph showing oxygen dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in FIG. 14A
  • FIG. 14B is a photograph showing oxygen dispersive X-ray spectroscopy
  • FIG. 14C is shown in FIG. 14A.
  • the zinc component is a photograph showing EDX (Energy dispersive X-ray spectroscopy)
  • FIG. 14D is a photograph showing the aluminum component as EDX (Energy dispersive X-ray spectroscopy) in FIG. 14A.
  • FIG. 14E is a TEM photograph showing that a silicon layer and an AZO film are formed on a silicon wafer.
  • FIG. 14F is a photograph showing oxygen dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in FIG. 14E.
  • 14g is a photograph showing a zinc component as an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in FIG. 14E
  • FIG. 14H is a photograph showing an aluminium ion component as an EDX (Energy dispersive X-ray spectroscopy) in FIG. 14E.
  • FIGS. 14A to 14H are exemplary data illustrating a case in which the front electrode is made of A 'doped zinc oxide (AZO) transparent conductive film in the solar cell according to the first embodiment.
  • AZO 'doped zinc oxide
  • AZO deposition acts as a buffer layer for the silicon layer to diffuse under the silicon wafer below, preventing Zn atoms from diffusing into the silicon wafer.
  • AZO layer is formed by co-sputtering method, ZnO and A argon Supplied simultaneously in the environment. At this time, the substrate is heated to 5 (xrc. As described above, when the AZO layer having a thickness of 240 nm is formed by the couttering method, it can be seen from the photograph that A1 and ZnO are uniformly distributed.
  • FIG. 15 is a graph showing the light transmittance of the AZO film according to the A1 content.
  • most of the AZO films showed a light transmittance of 90% or more at 40 nm, but the transmittance was significantly lowered when the A1 content was greater than 6.89 wt%. This indicates that as the A1 content increases, the absorption peak in the short wavelength region shifts to increase the carrier density.
  • 16 is a graph showing the number of carriers and the resistance of the AZO film according to the A1 content.
  • Table 3 is the data of the graph shown in FIG. Referring to Figure 16 and Table 3, when the content of A1 is 4.65wt% to 6 ⁇ 34wt%, the resistance is significantly lowered, the number of carriers is also significantly increased. When the A1 content was less than 4.65 wt% or greater than 6.34 wt ⁇ , the resistance increased more than 100 times and the number of carriers decreased more than 100 times.
  • the content of A1 included in the AZO is 4.65 wt% to 6.34 ⁇ %.
  • A1 atoms contribute to inducing impurity concentration in the AZO film, but excessive A1 content reduces the number of carriers by separating the grain boundaries and forming aggregations within the grains.
  • the resistance was 2.46 x 10 "3 ⁇ / cm when the A1 content was 6.34wt9 ⁇ , and the A1 content increased more than the critical point of 6.34 ⁇ % and rapidly increased by 500 times to 1.12Qcm when it reached 6.89 ⁇ %. It was.
  • 17a is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) profile showing the crystal structure of an AZO film according to the A1 content.
  • XRD X-ray diffraction
  • 17B is a graph showing a narrow scan X-ray diffraction profile.
  • the (002) peak is reduced and shifted to the left, indicating that the A1 atoms are located in the gap region and thus the compressive stress Increased.
  • the width at half-maximum (FWHM) is 0.545 ° for the peak intensity in the XRD pattern, and the width at half peak for the peak intensity in the XRD pattern is 0.439 for the A1 content of 5.22wt% 3 ⁇ 4.
  • the half width of the peak having the maximum intensity in the XRD pattern is 1.034 °, which is almost double that of pure ZnO.
  • FIG. 18A is a TEM photograph showing a cross section of pure ZnO
  • FIG. 6B is a photograph of a selected region area diffraction pattern of pure ZnO
  • FIG. 6C is a high resolution TEM photograph of pure ZnO.
  • (002) is located, which is consistent with the X-ray diffraction profile.
  • 18C shows that hexagonal ZnO is grown in the [001] direction.
  • FIG. 18D is a TEM photograph showing a cross section of an AZO film having an A1 content of 5.22 ⁇ %
  • FIG. 18E is a photograph of a selected-area electron diffraction pattern of an A1 content of 5.22 wt% AZO film
  • FIG. 6F is A1 High resolution TEM photographs of AZO films with a content of 5.22%.
  • FIG. 18E shows the weak (103) peak as seen in the XRD profile
  • FIG. 17F shows the preferred growth (Q02).
  • FIG. 18g is a TEM photograph showing a cross section of an A1 content of 6.89wt9 ⁇ 1 AZO film
  • FIG. 18h is a photograph of a selected region area diffraction pattern of an AZO film having an A1 content of 6.89 ⁇ %
  • FIG. A1 is a high resolution TEM photograph of a 6.89wt AZO film.
  • FIG. 18H the dispersed ZnO pattern can be observed, and in FIG. 17I, many defects caused by excessive A1 atoms can be found.
  • 19A shows an AZO deposited at room temperature and annealing after deposition at room temperature
  • FIG. 19A is a graph showing the transmittance of AZO
  • FIG. 19B is a graph showing the resistance of AZO deposited at room temperature and AZO after annealing at room temperature
  • FIG. 19C is a graph of AZO deposited at room temperature and AZO after annealing at room temperature.
  • FIG 19A shows the light transmittance and resistance of the solar cell according to the modification of the first embodiment.
  • the solar cell according to the modification of the first embodiment is annealed with the front electrode attached to the PN junction semiconductor layer.
  • the front electrode is deposited on the PN junction semiconductor layer at room temperature and then subjected to post-heat treatment.
  • the AZO that has been annealed has a light transmittance as compared with the AZO that has not been annealed.
  • the annealed AZO was found to have a reduced resistance compared to the annealing AZO. This can be understood that when the annealing treatment as shown in FIG. 19C increased the peak and shifted to the right side, the A1 atoms substituted at the Zn site by the annealing released the residual compressive stress in the AZO film.
  • PN junction semiconductor layer 12 N-type semiconductor layer
  • metal electrode 28 upper electrode

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Abstract

본 발명은 효율성이 향상된 투명한 전면 전극을 갖는 태양 전지에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 태양 전지는 P형 반도체층과 N형 반도체층을 갖고 결정질 웨이퍼로 이루어진 PN접합 반도체층과 상기 PN접합 반도체층의 제1 면에 접합된 투명 전도성 산화물(TCO)로 이루어진 전면 전극과 상기 PN접합 반도체층의 상기 제1 면과 반대방향을 향하는 제2 면에 접합된 배면 전극을 포함한다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
투명 전극을 갖는 태양 전지
【기술분야】
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서 보다 상세하게는 투명 전극을 갖는 태양 전지에 관한 것이다.
【배경기술】
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양 전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경 친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 증가하고 있다.
특히 고유가와 화석연료 부존의 제한성은 재생에너지에 대한 이용을 증대시킬 것으로 보이며， 이중에 이동이 간편하고 휴대할 수 있는 태양 전지의 의존성은 더욱 커질 것으로 예측된다.
태양전지의 구조 및 원리에 대해서 간단히 설명하면, 태양전지는 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 구조의 태양전지에 태양광이 입사되면 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공 (hole)과 전자 (electron)가 발생하고, 이때 PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공 (+)는 P형 반도체쪽으로 이동하고 상기 전자 (-)는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생하게 됨으로써 전력을 생산할 수 있게 되는 원리이다.
이와 같은 태양전지는 웨이퍼형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있다. 웨이퍼형 태양전자는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 웨이퍼로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체를 형성하여 태양전지를 제조한 것이다. 웨이퍼형 태양전지는 박막형 태양전지에 비하여 효율이 우수한 반면ᅳ 공정상 두께를 최소화하는데 한계가 있다. 웨이퍼형 태양전지의 전면 전극은 Ag 등의 금속으로 이루어지는 데， Ag 전극이 형성된 부분으로는 빛이 입사하지 못하므로 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 부분적으로 형성된 Ag 전극의 경우， 웨이퍼와 층분히 접촉하지 못하므로 접촉저항이 큰 문제가 있다.
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】
본 발명은 효율성이 향상된 투명한 전면 .전극을 갖는 태양 전지를 제공하고자 한다.
ί기술적 해결방법】
본 발명의 일 측면에 따른 태양 전지는 Ρ형 반도체층과 Ν형 반도체층을 갖고 결정질 웨이퍼로 이루어진 ΡΝ접합 반도체충과 상기 ΡΝ접합 반도체층의 제 1 면에 접합된 투명 전도성 필름으로 이루어진 전면 전극， 및 상기 ΡΝ접합 반도체층의 상기 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극을 포함한다.
상기 투명 전도성 필름은 투명 전도성 산화물 (TCO)인 인듐—주석-산화물 (ΠΌ), A 도핑된 아연 산화물 (AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물 (IZO), MgO, Nb:SrTi03, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 Ti02, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO), F-도핑된 주석 산화물， Sr3Ru207, 및 Sr4Ru3이 0로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 투명 전도성 필름은 전도성을 갖는 탄소 계열 나노소재를 포함할 수 있으며， 상기 투명 전도성 필름은 금속 나노선에 반도체 물질이 결합된 구조로 이루어진 금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)를 포함할 수 있다.
상기 투명 전도성 필름은 투명 전도성 산화물 (TCO)과 전도성 나노소재를 포함하고， 상기 전도성 나노소재는 탄소 계열 나노소재와 금속 실리사이드， 금속 게르마나이드 중 어느 하나 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 전면 전극은 AZO로 이루어지고 AZO에 포함된 A1의 조성비는 4.65wt% 내지 6.34wt ^ ¾ 수 있다. 상기 전면 전극은 복수 개의 투명 전도성 필름층으로 이루어질 수 있으며， 상기 전면 전극은 투명 전도성 산화물로 이루어진 제 1 투명 전도성 필름층과 탄소 계열 나노소재로 이루어진 제 2 투명 전도성 필름층을 포함할 수 있다.
상기 전면 전극은 투명 전도성 산화물로 이루어진 제 1 투명 전도성 필름층과 제 3 투명 전도성 필름층을 포함하고， 상기 제 3 투명 전도성 필름층은 금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)로 이루어질 수 있다. 또한 상기 태양 전지는 투명 전도성 필름층 사이에 형성된 금속 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 전면 전극 상에 형성된 금속 전극을 더 포함할 수 있으며， 상기 전면 전극은 이격 배치되고 상기 전면 전극 사이에 형성된 금속 전극을 더 포함할 수 있다. 또한， 상기 전면 전극 사이에 형성된 금속 전극과 상기 금속 전극 상에 형성된 투명 전도성 필름으로 이루어진 상단 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 배면 전극은 투명 전도성 필름으로 이루어질 수 있으며， 상기 배면 전극 상에 형성된 금속 전극을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 배면 전극은 이격 배치되고 상기 배면 전극 사이에 형성된 금속 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 배면 전극 사이에 간격을 두고 이격 형성된 금속 전극과 상기 금속 전극 상에 형성된 투명 전도성 필름으로 이루어진 상단 전극을 더 할 수 있으며， 상기 전면 전극은 상기 PN 접합 반도체층에 부착된 상태에서 어닐링 처리될 수 있다.
[유리한 효과]
본 발명의 일 측면에 의한 태양 전지는 투명 전도성 필름으로 이루어진 전극이 형성되므로 전극이 빛의 입사를 방해하지 않아서 효율이 향상된다. 또한, 전극과 웨이퍼의 접촉 면적이 넓으므로 전극과 웨이퍼 사이의 접촉 저항이 감소된다.
【도면의 간단한 설명】 도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양 전지와 금속 전극만을 갖는 태양 전지의 암전류 특성을 나타낸 전류 전압 선도이다.
도 4a는 본 발명의 제 2 실시예의 일 예에 따른 태양 전지를 나타낸 사진이고， 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예의 다른 예에 따른 태양 전지를 나타낸 사진이다.
도 5은 도 4a에 도시된 태양 전지와 도 4a에 도시된 태양전지와 동일한 금속 전극만을 갖는 태양 전지의 명전류 특성을 나타낸 전류 전압 선도이다.
도 6은 도 4b에 도시된 태양 전지와 도 4b에 도시된 태양 전지와 동일 한 금속 전극만을 갖는 태양 전지의 전류 전압 선도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 9는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 10은 본 발명의 계 6 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 11은 본 발명의 제 7실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 12는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 13은 본 발명의 제 9 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 14a는 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘층과 ZnO 필름이 형성된 것을 나타낸 TEM 사진이고， 도 14b는 도 14a에서 산소 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이며， 도 14c는 도 14a에서 아연 성분을 EDXCEnergy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이며， 도 14d는 도 14a에서 알루미늄 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이다. 또한, 도 14e는 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘층과 AZO 필름이 형성된 것을 나타낸 TEM사진이고， 도 14f는 도 14e에서 산소 성분을 . EDXXEnergy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이며， 도 14g는 도 14e에서 아연 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이며， 도 14h는 도 14e에서 알루미늄 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이다.
도 15는 A1 함량에 따른 AZ0 필름의 투광율을 나타낸 그래프이다. 도 16은 A1 함량에 따른 AZO 필름의 캐리어 개수와 저항을 나타낸 그래프이다.
도 17a는 A1 함량에 따른 AZO 필름의 결정구조를 나타낸 X선 회절 (XRD: X-ray diffraction) 프로파일을 나타낸 그래프이며, 도 17b는 좁은 스캔 X선 회절 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 18a는 순수 ZnO의 단면을 나타낸 TEM 사진이며， 도 18b는 순수
ZnO의 선택영역분석 (selected— area electron diffraction) 패턴 사진이며， 도 18c는 순수 ZnO의 고해상도 TEM 사진이다. 도 18d는 A1 함량이 5·22wt%인 AZO 필름의 단면을 나타낸 TEM 사진이고, 도 18e는 A1 함량이 5.22 %인 AZ0 필름의 선택영역분석 (selected— area electron diffraction) 패턴 사진이며, 도 18f는 A1 함량이 5.22wt ¾ AZO 필름의 고해상도 TEM 사진이고， 도 18g는 A1 함량이 6.89wt9^1 AZO 필름의 단면을 나타낸 TEM 사진이며， 도 18h는 A1 함량이 6.89wt%^ AZO 필름의 선택영역분석 (selected-area electron diffraction) 패턴 사진이며， 도 18i는 A1 함량이 6.89wt%인 AZO 필름의 고해상도 TEM사진이다.
도 19a는 상온에서 증착된 AZO와 상온에서 증착 후 어닐링 처리된
AZO의 투광율을 나타낸 그래프이고， 도 19b는 상온에서 증착된 AZ0와 상온에서 증착 후 어닐링 처리된 AZO의 저항을 나타낸 그래프이며, 도 19c는 상온에서 증착된 AZO와 상온에서 증착 후 어닐링 처리된 AZO의 좁은 스캔 X선 회절 프로파일을 나타낸 그래프이다.
【발명의 실시를 위한 형태】
또한 본 발명에 있어서 "~상에"라 함은 대상부재의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이몌 반드시 중력방향을 기준으로 상부에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한， 본 기재에 있어서 'PN 접합'이라 함은 P형 반도체와 N형 반도체가 접합된 구조를 의미하는 것으로 P형 반도체와 N형 반도체 사이에 I형 반도체가 개재된 PIN접합을 포함하는 넓은 의미의 PN 접합으로 정의한다.
이하， 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며， 명세서 전'체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하여 설명하면， 본 실시예에 따른 태양 전지는 P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 갖는 PN접합 반도체층 (10)과， PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면에 접합된 전면 전극 (23)과, PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극 (21)을 갖는다.
P형 반도체층 (13)은 웨이퍼 형태로 이루어지며， N형 반도체층은 P형 반도체층 상에 스퍼터링되어 형성된다. P형 반도체층 (13)은 웨이퍼 형태로 이루어지며， N형 반도체층 (12)은 P형 반도체충상에 스퍼터링되어 형성된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 N형 반도체층 (12)은 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성될 수도 있다.
또한, N형 반도체층 (12)이 웨이퍼로 이루어지고 P형 반도체층 (13)이 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링 (Sputtering) 등으로 형성될 수도 있다. .
또한， PN 반도체 접합층 (10)은 결정질 웨이퍼로 이루어질 수 있으며， 결정질 웨이퍼는 실리콘 등으로 이루어질 수 있다.
PN접합 반도체층 (13)의 뒷면에는 배면 전극 (21)이 형성되는 바, 배면 전극 (21)은 전도성 금속인 알루미늄 등으로 이루어질 수 있다. 전면 전극 (23)은 투명 전도성 필름으로 이루어지는 바， 이에 따라 전면 전극 (23)과 반도체 웨이퍼로 이루어진 PN접합 반도체층 (13)과 필름 접촉 (film contact)을 할 수 있다. 투명 전도성 필름은 투명 전도성 산화물 (TCO)로 이루어질 수 있는 바， 투명 전도성 산화물은 인듐-주석—산화물 (ITO), A1-도핑된 아연 산화물 (AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물 (IZO), MgO, Nb:SrTi03, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 Ti02, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru207 및 Sr4Ru3O10등으로 이루어질 수 있다. 또한， 투명 전도성 필름은 전도성 나노소재로 이루어질 수 있는 바， 전도성 나노소재는 탄소 계열 나노소재와 금속 실리사이드 (silicide)와 금속 게르마나이드 (germanide)를 포함한다.
여기서 탄소 계열 나노소재는 탄소 나노 튜브， 탄소 나노 와이어, 그라파이트 등으로 이루어질 수 있다.
금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)는 금속 나노선에 반도체 물질이 결합된 구조로 이루어진다. 여기서 금속 나노선은 Ag, Au, Ni, Co, Al, Ti, Pt등으로 이루어질 수 있으며， 금속 실리사이드는 Ni silicide, Co silicide, Ti silicide 등으로 이루어질 수 있으며， 금속 게르마나이드는 Ni germanide, Co germanide, Ti germanide 등으로 이루어질 수 있다.
또한， 투명 전도성 필름은 투명 전도성 산화물과 전도성 나노소재를 모두 포함하는 물질로 이루어질 수도 있다.
특히 전면 전극 (23)은 AZO로 아루어질 수 있으며 이 경우， AZO는 A1과 ZnO가 함께 공급되는 코 스퍼터링 (co-sputtering) 방식으로 형성될 수 있다.
전면 전극 (23)과 배면 전극 (21)에는 축전을 위한 전원 장치 (24)가 연결되어 있다. .
본 실시예와 같이 웨이퍼 구조의 PN 접합 반도체층 (10) 상에 전면 전극 (23)이 투명 전도성 필름으로 이루어지면 전면 전극 (23)과 PN접합 반도체층 (10) 사이의 접촉 면적이 확대되므로 접촉 저항이 감소할 뿐만 아니라 전면 전극 (23)이 빛의 입사를 방해하지 않으므로 태양 전지의 효율이 향상된다.
웨이퍼 구조의 PN 접합 반도체층 (10)을 갖는 태양 전지는 박막형 태양 전지와 달리 증착 등의 방법으로 투명 전극의 형성이 어려워서 불투명한 금속 전극이 사용되어 왔으나， 불투명한 금속 전극은 빛의 입사를 방해하고， 웨이퍼와의 접촉 저항이 큰 문제가 있었습니다. 그러나 본 실시예와 같이 투명 전도성 필름으로 이루어진 전극을 형성하면 광효율이 향상될 뿐만 아니라 접촉 저항을 감소시킬 수 있습니다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하여 설명하면， 본 실시예에 따른 태양 전지는 P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 갖는 PN접합 반도체층 (10)과， PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면에 접합된 전면 전극 (26)과， 전면 전극 (26) 사이에 형성된 금속 전극 (25)， 및 PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극 (21)을 갖는다.
PN접합 반도체층 (10)은 웨이퍼 형태로 이루어지며， P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 포함한다. PN접합 반도체층 (10)은 결정형 실리콘으로 이루어지는 바, P형의 성질을 갖는 결정질 실리콘에 N형 물질을 도핑하여 PN접합 반도체층 (10)을 얻을 수 있다. 또한， 웨이퍼는 실리콘 이외에 GaAs로 이루어질 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 N형 반도체층 (12)은 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성될 수도 있다
배면 전극 (21)은 Al, Ag 등의 금속으로 이루어지며， 전면 전극 (26)은 투명 전도성 필름으로 이루어진다. 한편 금속 전극 (25)은 Ag, Pt 등으로 이루어질 수 있다.
전면 전극 (26)은 간격을 두고 이격 형성되며， 금속 전극 (25)은 전면 전극 (26) 사이에 배차된다. 또한， 금속 전극 (25) 상에는 상단 전극 (28)이 형성되는 바, 상단 전극 (28)은 전면 전극 (26)과 동일하게 투명 전도성 필름으로 이루어진다. 금속 전극 (25)이 형성된 PN접합 반도체층 (10) 상에 스퍼터링 방식으로 전면 전극 (26)을 형성할 때， 금속 전극 (25) 사이에는 전면 전극 (26)이 형성되고， 금속 전극 (25) 위에는 상단 전극 (28)이 형성된다. 도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양 전지와 금속 전극만을 갖는 태양 전지의 암전류 특성을 나타낸 전류 전압 선도이다.
여기서 금속 전극은 Ag로 이루어지며， 전면 전극은 AZO 투명 전도성 필름으로 이루어진다.
전면 전극 (23)과 금속 전극 (25)이 형성된 경우에는 금속 전극만 형성된 경우에 비하여 저항이 현저히 낮은 것을 알 수 있다. 금속 전극만 형성된 경우에는 저항이 49.6 Kohm 이었으나, AZO 표면접합을 이용한 본 제 2 실시예에 따른 태양 전지의 경우 2.24 Kohm 으로 저항이 현저히 감소되었다. 또한 정류 특성에 있어서도 금속 전극만 형성된 경우에는 정류특성이 59.9 이었으나, AZO 표면접합을 이용한 본 제 2 실시예에 따른 태양 전지의 경우 87.7로 정류특성이 현저히 향상되었다.
도 4a는 본 발명의 제 2 실시예의 일 예에 따른 태양 전지를 나타낸 사진이고， 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예의 다른 예에 따른 태양 전지를 나타낸 사진이다. .
도 4a와 도 4b를 참조하여 설명하면, 도 4a에 도시된 태양 전지는 도 4b에 비하여 더 좁은 간격의 금속 전극을 갖는다.
도 5는 금속 전극만을 갖는 태양 전지와 도 4a에 도시된 바와 같이 금속 전극 상에 투명 전도성 필름이 증착된 태양 전지의 명전류 특성을 비교한 전류 전압 선도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 AZO 전면 전극과 금속 전극이 함께 형성된 태양전지는 금속 전극만을 갖는 태양 전지에 비하여 전류 전압 특성이 현저히 높은 것을 알 수 있다.
[표 1]
전류밀도 (mA/cm2) 개방전압 (mV) 효율 (%) Fill Factor(%)
Ag 11.83 603 1.79 25.09 AZO+ Ag 28.36 573 4.09 25.17 표 1은 도 5에 나타난 태양 전지들의 특성을 비교한 표이다. 표 1에 개시된 바와 같이 금속 전극만 형성된 경우에는 효율이 1.79% 이었으나, AZO 표면접합을 이용한 본 제 2 실시예에 따른 태양 전지의 경우 4.09%로 효율이 2배 이상 증가되었다. 또한, 전류 밀도에 있어서도 금속 전극만 형성된 경우에는 11.83mA/cm2이었으나， AZO 표면접합을 이용한 본 제 2 실시예에 따른 태양 전지의 경우 28.36mA/cm2로 효율이 2배 이상 증가되었다.
도 6은 금속 전극만을 갖는 태양 전지와 도 4a에 도시된 바와 같이 금속 전극 상에 투명 전도성 필름이 증착된 태양 전지의 명전류 특성을 비교한 전류 전압 선도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 AZO 전면 전극과 금속 전극이 함깨 형성된 구조가 금속 전극만이 형성된 구조에 비하여 전류 전압 특성이 현저히 높은 것을 알 수 있다.
[표 2]
Figure imgf000011_0001
표 1은 도 5에 나타난 태양 전지들의 특성올 비교한 표이다. 표 1에 개시된 바와 같이 금속 전극만 형성된 경우에는 효율이 0.76% 이었으나， AZO 표면접합을 이용한 본 제 2 실시예에 따른 태양 전지의 경우 5.62%로 효율이 5배 이상 증가되었다. 또한， 전류 밀도에 있어서도 금속 전극만 형성된 경우에는 5.15mA/cm2이었으나， AZO 표면접합을 이용한 본 제 2 실시예에 따른 태양 전지의 경우 38.28mA/cm2로 효율이 7배 이상 증가되었다.
또한, 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 금속 전극의 간격이 넓은 도 4b의 구조가 도 4a의 구조에 비하여 전류 전압 특성이 더 우수한 것을 알 수 있다. 이는 도 4a의 구조의 경우， 금속 전극이 광의 입사를 방해하여 효율이 저하되기 때문이다. 그러나 전면 전극이 형성되므로 금속 전극의 간격이 넓더라도 저항은 증가하지 아니할 뿐만 아니라 광여기 전자를 효율적으로 전달 할 수 있었으며 이에 따라 금속 전극 형성을 최소화하여 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
그러나 금속 전극만 형성된 경우에는 도 4a의 구조에 비하여 도 4b의 구조의 성능이 더 낮은 것을 알 수 있다. 이는 금속 전극 사이의 간격이 넓어서 저항이 증가할 뿐만 아니라 빛의 입사로 형성된 광여기 전자를 제대로 포집하지 못하였기 때문이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 7을 참조하여 설명하면， 본 실시예에 따른 태양 전지는 P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 갖는 PN접합 반도체층 (10)과， PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면에 접합된 전면 전극 (26)과， 전면 전극 (26) 사이에 형성된 금속 전극 (25)， 및 PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극 (21)을 갖는다. .
N형 반도체층 (12)은 웨이퍼 형태로 이루어지며， P형 반도체층 (13)은 N형 반도체층 (12) 상에 스퍼터링되어 형성된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 P형 반도체층 (13)은 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성될 수도 있다.
또한， P형 반도체층 (13)은 이 웨이퍼로 이루어지고 N형 반도체층 (12)이 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링 (Sputtering) 등으로 형성될 수도 있다.
배면 전극 (21)은 Al, Ag 등의 금속으로 이루어지며, 전면 전극 (26)은 투명 전도성 필름으로 이루어진다. 한편 금속 전극 (25)은 Ag, Pt 등으로 이루어질 수 있다.
전면 전극 (26)은 간격을 두고 이격 형성되며， 금속 전극 (25)은 전면 전극 (26) 사이에 배치된다. 이에 따라 PN접합 반도체층 (10)은 전면 전극 (26) 또는 금속 전극 (25)과 접하게 된다. 본 실시예에 따른 금속 전극이 PN접합 반도체층과 직접 접하므로 접촉 저항이 더욱 감소된다. 금속 전극 (25)이 빛의 투과를 차단하는 단점은 있으나 투명 전도성 필름으로 이루어진 전면 전극 (26)보다 더 작은 저항을 갖는 물질로 이루어지므로 금속 전극 (25)이 PN접합 반도체층 (10)과 직접 접하는 경우 저항을 더욱 감소시킬 수 있다.
금속 전극 (25)과 배면 전극 (21)에는 축전을 위한 전원 장치 (24)가 연결되어 있다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 8을 참조하여 설명하면， 본 실시예에 따른 태양 전지는 P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 갖는 PN접합 반도체층 (10)과， PN접합 반도체충 (10)의 제 1 면에 접합된 전면 전극 (23)과, 전면 전극 (23) 상에 형성된 금속 전극 (25)， 및 PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극 (21)을 갖는다.
P형 반도체층 (13)은 웨이퍼 형태로 이루어지며， N형 반도체층 (12)은 P형 반도체층 상에 스퍼터링되어 형성된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 N형 반도체층 (12)은 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성될 수도 있다.
또한， N형 반도체층 (12)이 웨이퍼로 이루어지고 P형 반도체층 (13)이 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링 (Sputtering) 등으로 형성될 수도 있다.
배면 전극 (21)과 전면 전극 (23)은 투명 전도성 필름으로 이루어지는 바， 투명 전도성 필름은 투명 전도성 산화물 (TCO) 또는 전도성 나노소재로 이루어질 수 있다.
투명 전도성 산화물은 인듐-주석-산화물 (ΠΌ), A1-도핑된 아연 산화물 (AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물 (IZO), MgO, Nb:SrTi03, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 Ti02, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO), F—도핑된 주석 산화물， Sr3Ru207, 및 Sr4Ru3O10 등으로 이루어질 수 있다.
전도성 나노소재는 탄소 계열 나노소재와 금속 실리사이드 (silicide)와 금속 게르마나이드 (germanide)를 포함한다. 또한, 투명 전도성 필름은 투명 전도성 산화물과 전도성 나노소재를 모두 포함하는 물질로 이루어질 수도 있다.
금속 전극 (25)과 배면 전극 (21)에는 축전을 위한 전원 장치 (24)가 연결되어 있다.
또한， 금속 전극 (25)은 전면 전극 (23) 상에 복수 개의 라인으로 이격 배열된다. 금속 전극 (25)은 메쉬 형태로 배열되며， Ag, Pt 등으로 이루어질 수 있다.
본 실시예와 같이 투명 전도성 필름으로 이루어진 전면 전극 (23)과 금속 전극 (25)이 형성되면 전면 전극 (23)과 PN접합 반도체층 (10) 사이의 접촉 면적이 확대되므로 접촉 저항이 감소한다.
도 9는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 태양 전지는 P형 반도체층 (13)과 N형 반도체충 (12)을 갖는 PN접합 반도체충 (10)과， PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면에 접합된 전면 전극 (30), 및 PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극 (21)을 갖는다.
PN접합 반도체층 (10)은 웨이퍼 형태로 이루어지며， P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 포함한다. PN접합 반도체층 (10)은 결정형 실리콘으로 이루어지는 바， P형의 성질을 갖는 결정질 실리콘에 N형 물질을 도핑하여 PN접합 반도체층 (10)을 얻을 수 있다. 또한， 웨이퍼는 실리콘 이외에 GaAs로 이루어질 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 N형 반도체층 (12)은 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성될 수도 있다
배면 전극 (21)은 Al, Ag 등의 금속으로 이루어지며， 전면 전극 (30)은 복수개의 투명 전도성 필름층 (31， 32， 33)으로 이루어진다. 본 실시예에서는 전면 전극 (30)이 3개의 투명 전도성 필름층으로 이루어진다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 전면 전극 (30)은 2개 이상의 투명 전도성 필름층으로 이루어 질 수 있다.
전면 전극 (30)은 전면 전극은 투명 전도성 산화물로 이루어 진 제 1 투명 전도성 필름층 (31)과 탄소 계열 나노소재로 이루어진 제 2 투명 전도성 필름층 (32), 및 금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)로 이루어진 제 3 투명 전도성 필름층 (33)을 포함한다.
여기서 투명 전도성 산화물은 인듐-주석 -산화물 (ΠΌ), A1-도핑 된 아연 산화물 (AZO), Zn-도핑 된 인듐 산화물 (IZO), MgO, Nb:SrTi03, Ga-도핑 된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 Ti02ᅳ (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO)ᅳ F-도핑 된 주석 산화물， Sr3Ru207 및 Sr4Ru3이◦ 등으로 이루어 질 수 있다.
탄소 계 열 나노소재는 탄소 나노 튜브， 탄소 나노 와이어， 그라파이트 등으로 이루어 질 수 있으며， 금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)는 금속 나노선에 반도체 물질이 결합된 구조로 이루어 진다. 여 기서 금속 나노선은 Ag, Au, Ni, Co, Al, Ti, Pt 등으로 이루어 질 수 있으며， 금속 실리사이드는 Ag silicide, Au silicide, Ni silicide, Co silicide, Ti silicide 등으로 이루어 질 수 있으며， 금속 게르마나이드는 Ni germanide, Co germanide, Ti germanide 등으로 이루어 질 수 있다.
본 실시 예와 같이 전면 전극이 광 투과성을 갖는 복수개의 투명 전도성 필름층 (31， 32， 33)으로 이루어지면 빛은 투과시 키 면서도 저항은 감소시 킬 수 있다.
도 10은 본 발명 의 제 6 실시 예에 따른 태양 전지를 도시 한 단면도이 다. 도 10을 참조하여 설명하면， 본 실시 예에 따른 태양 전지는 P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 갖는 PN접합 반도체층 (10)과, PN접 합 반도체층 (10)의 제 1 면에 접합된 제 1 투명 전도성 필름층 (23)， 및 PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극 (21)을 갖는다. PN접합 반도체충 (10)은 웨 이 퍼 형 태로 이루어지며， P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 포함한다. PN접합 반도체층 (10)은 결정 형 실리콘으로 이루어지는 바， P형 의 성 질을 갖는 결정 질 실리콘에 N형 물질을 도핑 하여 PN접합 반도체층 (10)을 얻을 수 있다. 또한， 웨 이 퍼는 실리콘 이외에 GaAs로 이루어 질 수 있다. 다만 본 발명 이 이에 제한되는 것은 아니며 N형 반도체층 (12)은 확산법 (Diffusion), 이온 주입 법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성 될 수도 있다
제 1 투명 전도성 필름층 (23)은 투명 전도성 산화물로 이루어 진다. 여 기서 투명 전도성 산화물은 인듐-주석 -산화물 (ITO), A 도핑 된 아연 산화물 (AZO), Zn-도핑 된 인듐 산화물 (IZO), MgO, Nb:SrTi03, Ga-도핑 된 ZnO(GZO), Nb—도핑된 Ti02, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO), F-도핑된 주석 산화물, Sr3Ru207 및 Sr4Ru3O10 등으로 이루어 질 수 있다.
저 U 투명 전도성 필름층 (23) 상에는 금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)로 이루어 진 제 2 투명 전도성 필름층 (34)이 형성 된다. 본 실시 예에서는 제 1 투명 전도성 필름층 (23)과 제 2 투명 전도성 필름층 (34)이 전면 전극이 된다.
금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)는 금속 나노선에 반도체 물질이 결합된 구조로 이루어진다. 여기서 금속 나노선은 Ag, Au, Ni, Co, Al, Ti, Pt 등으로 이투어 질 수 있으며， 금속 실리사이드는 Ag silicide, Au silicide, Ni silicide, Co silicide, Ti silicide 등으로 이루어 질 수 있으며 , 금속 게르마나이드는 Ni germanide, Co germanide, Ti germanide 등으로 이루어 질 수 있다.
제 2 투명 전도성 필름층 (34)은 간격을 두고 이 격 형성 되며， 이 거 12 투명 전도성 필름층 (34) 사이에 금속 전극 (25)은 배치된다. 또한， 금속 전극 (25) 상에는 상단 전극 (36)이 형성되는 바， 상단 전극 (36)은 제 2 투명 전도성 필름층 (34)과 동일하게 금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)로 이루어진 투명 전도성 필름으로 이루어진다. 금속 전극 (25)이 형성된 상태에서 스퍼터링 방식으로 전면 전극 (26)을 형성할 때, 금속 전극 (25)사이에는 제 2 투명 전도성 필름층 (34)이 형성되고， 금속 전극 (25) 위에는 상단 전극 (36)이 형성된다.
본 실시예와 같이 제 1 투명 전도성 필름층 (23) 상에 제 2 투명 전도성 필름층 (34)이 형성되고， 제 2 투명 전도성 필름층 (34) 상에 금속 전극 (25)이 형성되며 금속 전극 (25) 상에■ 상단 전극 (36)이 형성되면 저항을 더욱 감소시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 11을 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 태양 전지는 P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 갖는 PN접합 반도체층 (10)과， PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면에 접합된 전면 전극 (23)과， PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극 (41), 및 배면 전극 (41) 상에 배치된 금속 전극 (42)을 갖는다.
N형 반도체층 (12)은 웨이퍼 형태로 이루어지며， p형 반도체층 (13)은 N형 반도체층 (12) 상에 스퍼터링되어 형성된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 P형 반도체층 (13)은 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 '(Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성될 수도 있다.
전면 전극 (23)과 배면 전극 (41)은 투명 전도성 필름으로 이루어진다. 한편 금속 전극 (42)은 Ag, Pt등으로 이루어질 수 있다.
금속 전극 (45)과 전면 전극 (23)에는 축전을 위한 전원 장치 (24)가 연결되어 있다.
도 12는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 12를 참조하여 설명하면， 본 실시예에 따른 태양 전지는 P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 갖는 PN접합 반도체층 (10)과， PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면에 접합된 전면 전극 (23)과, PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극 (42λ 및 배면 전극 (41)사이에 배치된 금속 전극 (45)을 갖는다. N형 반도체층 (12)은 웨이퍼 형태로 이루어지며, p형 반도체층 (13)은 N형 반도체층 (12) 상에 스퍼터링되어 형성된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 P형 반도체층 (13)은 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성될 수도 있다.
전면 전극 (23)과 배면 전극 (46)은 투명 전도성 필름으로 이루어진다. 한편 금속 전극 (45)은 Ag, Pt등으로 이루어질 수 있다.
배면 전극 (46)은 간격을 두고 이격 형성되며， 금속 전극 (45)은 배면 전극 (46) 사이에 배치된다. 이에 따라 PN접합 반도체층 (10)은 배면 전극 (46) 및 금속 전극 (45)과 접하게 된다.
금속 전극 (45)과 전면 전극 (23)에는 축전을 위한 전원 장치 (24)가 연결되어 있다.
도 13은 본 발명의 제 9 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 13을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 태양 전지는 P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)을 갖는 PN접합 반도체층 (10)과， PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면에 접합된 전면 전극 (23)과， PN접합 반도체층 (10)의 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극 (46)， 및 배면 전극 (46) 사이에 형성된 금속 전극 (45)을 갖는다.
PN접합 반도체층 (10)은 웨이퍼 형태로 이루어지며， P형 반도체층 (13)과 N형 반도체층 (12)올 포함한다. PN접합 반도체층 (10)은 결정형 실리콘으로 이루어지는 바， P형의 성질을 갖는 결정질 실리콘에 N형 물질을 도핑하여 PN접합 반도체층 (10)을 얻을 수 있다. 또한， 웨이퍼는 실리콘 이외에 GaAs로 이루어질 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 N형 반도체층 (12)은 확산법 (Diffusion), 이온 주입법 (Ion implantation), 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성될 수도 있다
배면 전극 (46)과 전면 전극 (23)은 투명 전도성 필름으로 이루어진다. 한편 금속 전극 (45)은 Ag, Pt등으로 이루어질 수 있다.
배면 전극 (46)은 간격을 두고 이격 형성되며， 금속 전극 (45)은 배면 전극 (46) 사이에 배치 된다. 또한, 금속 전극 (45) 상에는 상단 전극 (48)이 형성 되는 바， 상단 전극 (48)은 배면 전극 (46)과 동일하게 투명 전도성 필름으로 이루어 진다. 금속 전극 (45)이 형성 된 PN접합 반도체충 (10) 상에 스퍼 터 링 방식으로 배면 전극 (46)을 형성할 때， 금속 전극 (45) 사이에는 배면 전극 (46)이 형성되고， 금속 전극 (45) 위 에는 상단 전극 (48)이 형성된다. 도 14a는 실리콘 웨 이퍼 상에 실리콘층과 ΖηΟ 필름이 형성된 것을 나타낸 ΤΕΜ 사진이고， 도 14b는 도 14a에서 산소 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이며 , 도 14c는 도 14a에서 아연 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이며， 도 14d는 도 14a에서 알루미늄 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이다. 또한, 도 14e는 실리콘 웨 이퍼 상에 실리콘층과 AZO 필름이 형성 된 것을 나타낸 TEM 사진이 고, 도 14f는 도 14e에서 산소 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이 며 , 도 14g는 도 14e에서 아연 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이며， 도 14h는 도 14e에서 알루口 I늄 성분을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)로 나타낸 사진이다.
도 14a 내지 도 14h는 상기 한 게 1 실시 예에 따른 태양 전지에서 전면 전극이 AZO(A卜 doped zinc oxide) 투명 전도성 필름으로 이루어진 경우를 예시 적으로 나타낸 데이터 이다.
실리콘 웨 이 퍼 상에 형성된 AZ0 필름을 평가하기 위하여 실험 적으로 lOOnm의 Si02층이 형성 된 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. AZO 증착이 아래 실리콘 웨 이퍼 밑으로 확산되는 실리콘층에 대한 버 퍼층 역할을 하는 바， Zn 원자가 실리콘 웨 이퍼로 확산되는 것을 방지 한다.
도 14d에 나타난 바와 같이 ZnO층의 경우에는 알루미늄이 거 의 포함되 어 있지 않으며， 도 13e에 나타난 바와 같이 AZO층의 경우에는 알루미늄이 균일하게 포함된 것을 알 수 있다. AZO층은 코스퍼 터 링 (co-sputtering) 방법으로 형성 되는 바， ZnO와 A 아르곤 환경하에서 동시에 공급되며. 이때, 기판은 5(xrc로 가열된다. 이와 같이 코스퍼터링 방법으로 240nm 두께의 AZO층을 형성하면 A1과 ZnO가 균일하게 분포된 것을 사진으로 확인할 수 있다.
도 15는 A1 함량에 따른 AZO 필름의 투광율을 나타낸 그래프이다. 도 14를 참조하여 설명하면， 대부분의 AZO 필름은 40nm에서 90% 이상의 투광율을 나타내지만 A1 함량이 6.89wt%보다 더 큰 경우에는 투광율이 현저히 낮아졌다. 이것은 A1 함량이 증가함에 따라 단파장 영역의 흡수 피크가 이동하여 캐리어 밀도가 증가한 것을 나타낸다.
도 16은 A1 함량에 따른 AZO 필름의 캐리어 개수와 저항을 나타낸 그래프이다.
[표 3]
Figure imgf000020_0001
표 3은 도 16에 나타난 그래프의 데이터이다. 도 16 및 표 3을 참조하여 설명하면， A1의 함량이 4.65wt% 내지 6·34wt%일 때， 저항이 현저히 낮아지고， 캐리어의 개수도 현저히 증가하였다. A1의 함량이 4.65wt% 보다 작거나 6.34wt< 보다 더 클 때에는 저항이 100배 이상 증가하였고， 캐리어 개수에 있어서도 100배 이상 감소하였다.
본 실시예에 따른 태양 전지에 있어서 전면 전극 (23)이 AZO로 이루어질 경우， AZO에 포함된 A1의 함량은 4.65wt% 내지 6.34^%가 된다. 이 것은 전면 전극 (23)이 AZO로 이루어진 경우를 예시한 것으로서 전면 전극이 ITO, IZO, MgO, GZO 등으로 이루어진 경우에는 도핑된 물질의 범위를 상이하게 설정할 수 있다.
A1 함량이 6.34wt9^ 때， 캐리어 개수는 4.52 x 1020/cm 3까지 증가하였다. A1 함량이 더욱 증가하여 6.89wt ^ 이르렀을 때에는 캐리어 개수가 1.66 X 1018/cm3까지 감소하였으며， A1함량이 6.89wt<¾보다 더 증가하면 캐리어의 개수는 급격하게 감소하였다.
이는 A1 원자가 AZO 필름에서 불순물 집중을 유도하는데 기여하지만， 지나친 A1 함량은 입자 경계의 분리 및 결정립 내의 집합을 형성하여 캐리어 개수를 감소시키기 때문이다.
저항은 A1 함량이 6.34wt9^ 때 2.46 x 10"3 Ω/cm를 나타내었으며 , A1 함량이 임계점인 6.34\ %를 넘어서 더 증가하여 6.89\ %에 이르렀을 때에는 1.12Qcm로 500배 정도 급격하게 증가하였다.
도 17a는 A1 함량에 따른 AZO 필름의 결정구조를 나타낸 X선 회절 (XRD: X-ray diffraction) 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 17a를 참조하여 설명하면, A1 함량이 5.22wt9^ 경우， 주된 ZnO 피크인 (002)외에 두 가지 다른 ZnO 피크 (101， 103)가 관찰되었으나 A1 함량이 6.89wt /¾ 경우, 하나의 ZnO 피크 (002)만이 관찰되었다.
도 17b는 좁은 스캔 X선 회절 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 17b를 참조하여 설명하면， 피크가 관찰되었는 바, A1 함량이 5.22 %인 경우 (002) 피크는 순수한 ZnO 필름의 (002) 피크 보다 증가하여 오른쪽으로 이동하였으며 A1 함량이 6.89\ %인 경우 (002) 피크는 순수한 ZnO 필름의 (002) 피크 보다 감소하여 왼쪽으로 이동하였다. 이것은 (002) 피크가 A1 함량에 따라 조절된 것을 보여주는 것으로 대부분의 A1 원자가 Zn 부위에 치환되어 있다는 것을 나타낸다.
(002) 피크가 증가하여 오른쪽으로 이동되었다는 것은 적당한 A1의 첨가로 Zn 부위에 치환된 A1 원자들이 AZO 필름에서 잔류 압축 스트레스가 해방되었다고 해석된다.
A1 함량이 6.89\ %인 경우에서 (002) 피크가 감소하여 왼쪽으로 이동되었다는 것은 A1 원자들이 간극 영역에 위치하여 압축 스트레스가 증가하였다는 것을 나타낸다.
순수 ZnO의 경우 XRD 패턴에서 최대 강도를 갖는 피크의 반값 폭 (FWHM: width at half-maximum)이 0.545°이고， A1 함량이 5.22wt%¾ 경우 XRD 패턴에서 최대 강도를 갖는 피크의 반값 폭이 0.439°로 감소되었으며， A1 함량이 6.89wt ^ 경우 XRD 패턴에서 최대 강도를 갖는 피크의 반값 폭이 1.034°로 순수 ZnO에 비하여 거의 두배에 달했다.
도 18a는 순수 ZnO의 단면을 나타낸 TEM 사진이며, 도 6b는 순수 ZnO의 선택영역분석 (selected— area electron diffraction) 패턴 사진이며, 도 6c는 순수 ZnO의 고해상도 TEM사진이다.
도 18b에 도시된 바와 같이 단결정 Si (200)과 Si (400) 사이에 ZnO
(002)가 위치한 것을 알 수 있는 바， 이는 X선 회절 프로파일과 일치한다. 도 18c는 육각 ZnO가 [001] 방향으로 성장한 것을 나타내고 있다.
도 18d는 A1 함량이 5.22\ %인 AZO 필름의 단면을 나타낸 TEM 사진이고， 도 18e는 A1 함량이 5.22wt% AZO 필름의 선택영역분석 (selected-area electron diffraction) 패턴 사진이며， 도 6f는 A1 함량이 5.22 %인 AZO 필름의 고해상도 TEM사진이다.
도 18e는 XRD 프로파일에서 확인한 바와 같은 약한 (103) 피크를 나타내고 있으며， 도 17f는 선호적 성장 (Q02)를 나타낸다.
도 18g는 A1 함량이 6.89wt9^1 AZO 필름의 단면을 나타낸 TEM 사진이며, 도 18h는 A1 함량이 6.89\ %인 AZO 필름의 선택영역분석 (selected— area electron diffraction) 패턴 사진이며, 도 18i는 A1 함량이 6.89wt AZO 필름의 고해상도 TEM사진이다.
도 18h에서는 분산된 ZnO 패턴을 관찰할 수 있으며， 도 17i에서는 과도한 A1 원자로 인하여 발생된 많은 결함을 발견할 수 있다.
도 19a는 상온에서 증착된 AZO와 상온에서 증착 후 어닐링 처리된
AZO의 투광율을 나타낸 그래프이고， 도 19b는 상온에서 증착된 AZO와 상온에서 증착 후 어닐링 처리된 AZO의 저항을 나타낸 그래프이며， 도 19c는 상온에서 증착된 AZO와 상온에서 증착 후 어닐링 처리된 AZO의 좁은 스캔 X선 회절 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 19a는 제 1 실시예의 변형예에 따른 태양 전지의 투광율과 저항을 나타낸 것으로서 제 1 실시예의 변형예에 따른 태양 전지는 전면 전극이 PN 접합 반도체층에 부착된 상태에서 어닐링 처리된다. 전면 전극은 상온에서 PN 접합 반도체층에 증착된 후， 후열처리된다.
도 19a에 도시된 바와 같이 어닐링 처리된 AZO는 어닐링 처리되지 않은 AZO에 비하여 투광율이 형상된 것을 알 수 있다. 도 19b에 도시된 바와 같이 어닐링 처리된 AZO는 어닐링 처리되지 않은 AZO에 비하여 저항이 감소된 것을 알 수 았다. 이것은 도 19c에 도시된 바와 같이 어닐링 처리된 경우 피크가 증가하여 오른쪽으로 이동한 것으로 이해될 수 있는 데， 어닐링에 의하여 Zn 부위에 치환된 A1 원자들이 AZO 필름에서 잔류 압축 스트레스가 해방되었기 때문이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만， 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
[부호의 설명]
10： PN접합반도체층 12： N형 반도체층
13： P형 반도체층 21, 41, 46：배면전극
23, 26， 30：전면전극 24:전원장치
25， 42, 45：금속전극 28：상단전극
31：제 1전도성 투명 필름층 32：제 2전도성 투명 필름
33：제 3전도성투명 필름층

Claims

【청구의 범위】
【청구항 1】 '
P형 반도체층과 N형 반도체층을 갖고 결정질 웨이퍼로 이루어진 PN접합 반도체층;
상기 PN접합 반도체층의 제 1 면에 접합된 투명 전도성 필름으로 이루어진 전면 전극; 및
상기 PN접합 반도체층의 상기 제 1 면과 반대방향을 향하는 제 2 면에 접합된 배면 전극;
을 포함하는 태양 전지.
【청구항 2】
제 1 항에 있어서，
상기 투명 전도성 필름은 투명 전도성 산화물 (TCO)인 인듐—주석-산화물 (ITO), A1—도핑된 아연 산화물 (AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물 (IZO), MgO, Nb:SrTi03, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 Ti02, (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), SrRu03 (SRO), F-도핑된 주석 산화물， Sr3Ru207, 및 Sr4Ru3O10로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질 또는 이들의 조합으로 이루어진 태양 전지.
【청구항 3]
제 1 항에 있어서，
상기 투명 전도성 필름은 전도성을 갖는 탄소 계열 나노소재를 포함하는 태양 전지.
【청구항 4】
제 1 항에 있어서，
상기 투명 전도성 필름은 금속 나노선에 반도체 물질이 결합된 구조로 이루어진 금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)를 포함하는 태양 전지.
【청구항 5】
제 1 항에 있어서，
상기 투명 전도성 월름은 투명 전도성 산화물 (TCO)과 전도성 나노소재를 포함하고， 상기 잔도성 나노소재는 탄소 계열 나노소재와 금속 실리사이드， 금속 게르마나이드 중 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 태양 전지.
【청구항 6】
제 1 항에 있어서，
상기 전면 전극은 AZO로 이루어지고 AZO에 포함된 A1의 조성비는 4.65wt% 내지 6.34wt%¾ 태양 전지.
【청구항 7】
제 1 항에 있어서，
상기 전면 전극은 복수 개의 투명 전도성 필름층으로 이루어진 태양 전지.
【청구항 8】
제 7 항에 있어서,
상기 전면 전극은 투명 전도성 산화물로 이루어진 제 1 투명 전도성 필름층과. 탄소 계열 나노소재로 이루어진 제 2 투명 전도성 필름층을 포함하는 태양 전지.
【청구항 9】
제 7 항에 있어서'
상기 전면 전극은 투명 전도성 산화물로 이루어진 제 1 투명 전도성 필름층과 제 3 투명 전도성 필름충을 포함하고， 상기 게 3 투명 전도성 필름층은 금속 실리사이드 (silicide) 또는 금속 게르마나이드 (germanide)로 이루어진 태양 전지.
【청구항 10】
제 7 항에 있어서,
상기 투명 전도성 필름층 사이에 형성된 금속전극을 더 포함하는 태양 전지.
【청구항 11]
제 1 항에 있어서，
상기 전면 전극 상에 형성된 금속 전극을 더 포함하는 태양 전지.
【청구항 12]
제 1 항에 있어서,
상기 전면 전극은 이격 배치되고 상기 전면 전극 사이에 형성된 금속 전극을 더 포함하는 태양 전지.
【청구항 13】
제 1 항에 있어서，
상기 전면 전극 사이에 형성된 금속 전극과 상기 금속 전극 상에 형성된 투명 전도성 필름으로 이루어진 상단 전극을 더 포함하는 태양 전지.
【청구항 14】
제 1 항에 있어서，
상기 배면 전극은 투명 전도성 필름으로 이루어진 태양 전지.
【청구항 15】
제 14 항에 있어서，
상기 배면 전극 상에 형성된 금속 전극을 더 포함하는 태양 전지.
【청구항 16】
제 14 항에 있어서，
상기 배면 전극은 이격 배치되고 상기 배면 전극 사이에 형성된 금속 전극을 더 포함하는 태양 전지.
【청구항 17】 '
제 14 항에 있어서,
상기 배면 전극 사이에 간격을 두고 이격 형성된 금속 전극과 상기 금속 전극 상에 형성된 투명 전도성 필름으로 이루어진 상단 전극을 더 포함하는 태양 전지.
【청구항 18】
제 1 항에 있어서，
상기 전면 전극은 상기 PN 접합 반도체층에 부착된 상태에서 어닐링 처리된 태양 전지.
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