WO2013125831A1 - 다중 밴드갭 적층형 태양전지 및 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법 - Google Patents

다중 밴드갭 적층형 태양전지 및 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법 Download PDF

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Abstract

다중 밴드갭 적층형 태양전지가 개시되며, 상기 다중 밴드갭 적층형 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 적층되는 하부 전극 전도체; 상기 하부 전극 전도체 상에 적층되는 불순물이 첨가된 p형 나노 결정질 실리콘층; 상기 불순물이 첨가된 p형 나노 결정질 실리콘층 상에 적층되는 진성 반도체층; 상기 진성 반도체층 상에 적층되는 불순물이 첨가된 n형 나노 결정질 실리콘층; 및 상기 불순물이 첨가된 n형 나노 결정질 실리콘층 상에 적층되는 반사 방지막을 포함하되, 상기 진성 반도체층은 증착 높이에 따른 결정구조 변화로 인해 광학 밴드갭이 변한다.

Description

다중 밴드갭 적층형 태양전지 및 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법
본 발명은 다중 밴드갭 적층형 태양전지 및 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법에 관한 것이다.
유한한 에너지 자원의 고갈로 인해 무한한 에너지 자원인 태양빛을 이용해 전기를 생산하는 태양전지에 대한 관심이 증가하였고, 이에 따라 태양전지의 개발이 지속적으로 진행되고 있다.
태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘, 화합물반도체와 같은 무기소재로 이루어진 무기물 태양전지와 유기물질을 포함하고 있는 유기물 태양전지로 나눌 수 있다. 유기물 태양전지는 무기물 태양전지에 비해 높은 경제성을 가지나 상대적으로 낮은 에너지 변환 효율의 문제가 있었다. 따라서, 유기물 태양전지 보다 무기물 태양전지가 많이 사용되고 있는 실정이고, 이에 따라 무기물 태양전지에 대한 연구가 집중적으로 진행되고 있다.
보다 구체적으로, 무기물 태양전지는 기판의 종류에 따라 벌크(bulk)형과 박막형으로 나눌 수 있다. 벌크형 실리콘 태양전지는 다시 실리콘 결정의 종류에 따라 단결정과 다결정으로 나눌 수 있다. 단결정 실리콘 태양전지는 결정의 방향이 같고 전자의 이동에 걸림돌이 없기 때문에 유전효율이 좋고 흐린 날에도 비교적 효율적으로 발전할 수 있다는 장점이 있다. 반면, 다결정 실리콘 태양전지는 추가 정제과정이 필요 없고, 웨이퍼 사용량도 단결정 타입보다 적기 때문에 가격이 저렴한 장점이 있다.
이러한 단결정 실리콘과 다결정 실리콘의 장점을 활용하기 위해 수열법(hydro thermal), 회전인상법(czochralski), 및 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 등에 대한 연구가 진행되어 왔다. 이러한 방식은 구성 분자들을 순서대로 배열되도록 제어하여 결정질 실리콘을 형성할 수 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2010-010519호(발명의 명칭: 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법)는 도 1 에 도시된 것과 같은 중성입자빔 장치 및 화학기상증착법을 이용하여 박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 대해 개시하고 있다. 도 1 은 종래의 중성입자빔 장치를 설명하기 위한 도면이다.
한편, 무기물 태양전지는 결정질 실리콘을 단일 흡수층으로 사용하면, 에너지 변환 효율을 향상시키는 데에 제한이 있다. 따라서, 효율을 높이기 위해 에너지 밴드갭(band gab)이 다른 두 층 이상의 반도체층을 적층하여 효율을 높이는 시도가 꾸준히 진행되고 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2010-0011128호(발명의 명칭: 태양 전지 및 이의 제조방법)는 진성 반도체층에 비정질 실리콘층, 미세결정질 실리콘층, 수소화된 비정질 실리콘층, 비정질 실리콘게르마늄층, 프로터결정 실리콘층, 비정질 실리콘바이드층 중 적어도 2개 이상의 층들로 형성되는 태양전지를 개시하고 있다. 하지만, 층간의 접합면에서의 불연속적인 배열로 인해 전하 이동의 손실이 발생하고, 층간의 워크펑션(work function)의 차이로 인해 효율을 높이기 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 중성입자빔 장치의 에너지 조절을 용이하게 할 수 있는 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명은 또한, 본 발명은 증착 높이에 따른 결정구조의 변화를 기초로 조절된 광학 밴드갭을 가지고, 에너지 변환 효율이 종래 태양전지에 비하여 매우 높은 다중 밴드갭 적층형 태양전지를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1측면에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지는, 기판, 상기 기판상에 적층되는 하부 전극 전도체, 상기 하부 전극 전도체 상에 적층되는 불순물이 첨가된 p형 나노 결정질 실리콘층, 상기 불순물이 첨가된 p형 나노 결정질 실리콘층 상에 적층되는 진성 반도체층, 상기 진성 반도체층 상에 적층되는 불순물이 첨가된 n형 나노 결정질 실리콘층, 및 상기 불순물이 첨가된 n형 나노 결정질 실리콘층 상에 적층되는 반사 방지막을 포함하되, 상기 진성 반도체층은 증착 높이에 따른 결정구조 변화로 인해 광학 밴드갭이 상이해지는 나노 결정질 실리콘층이다.
또한 본원의 제 2측면에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법은, (a) 기판 상에 하부 전극 전도체를 형성하는 단계, (b) 상기 하부 전극 전도체 상에 p형 나노 결정질 실리콘층을 형성하는 단계, (c) 상기 p형 나노 결정질 실리콘층 상에 중성입자빔 조사를 통해 나노 결정질 실리콘층을 포함하는 진성 반도체층을 형성하는 단계, (d) 상기 진성 반도체층 상에 n형 나노 결정질 실리콘층을 형성하는 단계, 및 (e) 상기 n형 나노 결정질 실리콘층 상에 반사 방지막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 (c) 단계는 증착 높이에 따라 중성입자빔의 생성을 위해 공급하는 에너지를 조절하여 상기 나노 결정질 실리콘층의 광학 밴드갭을 조절한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 다중 밴드갭 적층형 태양전지는 증착 높이에 따라 결정구조 및 광학 밴드갭이 상이한 진성 반도체층을 포함함으로써, 태양전지의 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법은 중성입자빔 조사(照射, irradiation) 를 통해 동일 장비에서 동일한 나노 구조로 p형 나노 결정질 실리콘층, 진성 반도체층, 및 n형 나노 결정질 실리콘층을 형성함으로써, 층간의 접합 부분에서 전하 손실을 최소화 시킬 수 있다.
또한, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법은 나노 결정질 구조의 진성 반도체층을 형성함으로써, 시간에 따른 열화 현상을 감소시킬 수 있다.
도 1 은 종래의 중성입자빔 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지를 형성하기 위한 중성입자빔 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 는 중성입자빔 장치를 사용하여 실리콘의 결정구조를 변화시킨 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 은 중성입자빔 장치를 사용하여 형성된 나노 결정질 실리콘층을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 결정질 실리콘층의 인가 전압에 따른 광학 밴드갭 변화를 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)는 기판(10)을 포함한다. 예시적으로, 기판(10)은 유리(glass) 또는 폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)는 기판(10) 상에 적층되는 하부 전극 전도체(20)를 포함한다.
또한, 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)는 하부 전극 전도체(20) 상에 적층되는 불순물이 첨가된 p형 나노 결정질 실리콘층(30)을 포함한다. P형 나노 결정질 실리콘층(30)은 0.5nm~1000μm의 두께일 수 있다.
또한, 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)는 불순물이 첨가된 p형 나노 결정질 실리콘층 상에 적층되는 진성 반도체층(40)을 포함한다. 진성 반도체층(40)은 증착 높이에 따른 중성입자빔의 조절을 통해 형성될 수 있다. 진성 반도체층(40)이 증착 높이에 따른 중성입자빔의 조절을 통해 형성되면, 진성 반도체층(40)의 결정구조가 변화하게 되고, 이로 인해 진성 반도체층(40)의 광학 밴드갭이 상이해질 수 있다. 또한, 진성 반도체층(40)은 0.5nm~1000μm의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 더불어, 진성 반도체층(40)은 p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 후술할 n형 나노 결정질 실리콘층(50) 사이에 형성되어 PIN 접합 구조의 반도체와 같은 효과를 가지도록 할 수 있다.
또한, 진성 반도체층(40)은 n형 나노 결정질 실리콘층(50)과 접합되는 부분보다 p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 접합되는 부분에서 작은 값의 광학 밴드갭을 가질 수 있다.
예시적으로, 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)는 후술될 반사 방지막(60)을 통해 태양광이 흡수되고 흡수된 태양광은 후술될 n형 나노 결정질 실리콘층(50)을 지나 진성 반도체층(40), p형 나노 결정질 실리콘층(30), 하부 전극 전도체(20) 순으로 이동하게 된다. 즉, n형 나노 결정질 실리콘층(50)과 접합되는 부분에서 진성 반도체층(40)의 광학 밴드갭은 가장 크고, p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 접합되는 부분에서 진성 반도체층(40)의 광학 밴드갭은 가장 작으며, n형 나노 결정질 실리콘층(50)과 접합되는 부분에서 p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 접합되는 부분으로 갈수록 진성 반도체층(40)의 광학 밴드갭이 점차적으로 감소할 수 있다.
더불어, 진성 반도체층(40)의 결정구조 크기는 p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 접합되는 부분에서 후술할 n형 나노 결정질 실리콘층(50)과 접합되는 부분으로 갈수록 점차적으로 작아질 수 있다.
구체적으로, p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 접합되는 부분은 가장 큰 크기의 결정구조들로 이루어진 층이 형성될 수 있고, n 형 나노 결정질 실리콘층(50)과 접합되는 부분은 가장 작은 크기의 결정구조들로 이루어진 층이 형성될 수 있다. 또한, p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 접합되는 부분에서 n형 나노 결정질 실리콘층(50)과 접합되는 부분으로 갈수록 점차적으로 작은 크기의 결정구조들로 이루어진 복수의 층이 진성 반도체층(40) 내에 형성될 수 있다.
전술한 것과 같이 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)에 흡수된 태양광이 이동하므로, 진성 반도체층(40)의 광학 밴드갭은 n형 나노 결정질 실리콘층(50)과 접합되는 부분에서 가장 크고, 점점 작아지면서 최종적으로 p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 접합되는 부분에서 가장 작을 수 있다. 이처럼 진성 반도체층(40)의 결정구조 크기와 광학 밴드갭은 매우 밀접한 관계를 보인다. 이러한 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)의 밴드갭 조절을 통해 흡수되는 에너지량은 늘리고, 에너지 변환 효율을 증가시켜 고효율의 태양전지를 형성할 수 있다.
다시 도 2 를 참조하면, 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)는 진성 반도체층(40) 상에 적층되는 불순물이 첨가된 n형 나노 결정질 실리콘층(50)을 포함한다. n형 나노 결정질 실리콘층(50)은 0.5nm~1000μm의 두께일 수 있다.
전술한 p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 n형 나노 결정질 실리콘층(50)은 반도체적 특성 향상을 위해 불순물을 첨가할 수 있다. 예시적으로, p형 나노 결정질 실리콘층(30), 진성 반도체층(40), 및 n형 나노 결정질 실리콘층(50)은 각 층간의 접합면에서 각 층의 결정구조 배열이 불연속적일 수 있다. 각각의 층을 같은 물질로 적층하는 경우에도, 각 층의 결정구조는 불연속적인 배열을 가질 수 있다. 이러한 p형 나노 결정질 실리콘층(30), 진성 반도체층(40), 및 n형 나노 결정질 실리콘층(50)의 층간 결정구조의 불연속적인 배열 때문에, 전하의 이동에 제약이 생길 수 있다. 따라서, p형 나노 결정질 실리콘층(30), 진성 반도체층(40), 및 n형 나노 결정질 실리콘층(50)에서 각 층간 결정구조의 불연속적인 배열을 없애기 위해, 후술될 중성입자빔 에너지를 지속적으로 조절 하면서 각 층을 증착할 수 있다.
전술한 p형 나노 결정질 실리콘층(30), 진성 반도체층(40), 및 n형 나노 결정질 실리콘층(50)을 중성입자빔 에너지를 지속적으로 조절하면서 증착하는 것은, 도 1 의 종래의 중성입자빔 장치를 개량한 장치를 이용하여 수행할 수 있다. 이에 관한 내용은 후술하도록 한다.
다시 도 2 를 참조하면, 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)는 n형 나노 결정질 실리콘층(50) 상에 적층되는 반사 방지막(60)을 포함한다. 예시적으로, 반사 방지막(60)은 태양광을 흡수하는 영역일 수 있다. 또한, 반사 방지막(60)은 흡수된 태양광이 반사 방지막(60) 하부에 위치한 구성 요소들에 의해 반사되어 나오는 태양광이 밖으로 나가지 못하도록 할 수 있다. 다시 말하자면, 반사 방지막(60)은 외부에서 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100) 내부로 태양광이 흡수되도록 할 수 있고, 내부로 흡수된 태양광이 반사 방지막(60) 하부에 위치한 구성요소에 의해 반사되어 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100) 외부로 나가는 것을 방지할 수 있다.
지금까지 전술된 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)는 도 2 에 도시된 상태에서 실제 적용될 수 있다. 즉, 기판(10)이 가장 하부에 위치하고, 하부 전극 전도체(20), p형 나노 결정질 실리콘층(30), 진성 반도체층(40) 및 n형 나노 결정질 실리콘층(50) 순으로 위치하며, 반사 방지막(60)이 가장 상부에 위치한다. 이로 인하여 태양광이 반사 방지막(60)을 통해 흡수된다.
하지만, 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)는 상하가 반대로 된 상태에서 실제 적용될 수 있다. 즉, 반사 방지막(60)이 가장 하부에 위치하고, n형 나노 결정질 실리콘층(50), 진성 반도체층(40), p형 나노 결정질 실리콘층(30) 및 하부 전극 전도체(20) 순으로 위치하며, 기판(10)이 가장 상부에 위치한다. 이로 인하여 태양광이 기판(10)을 통해 흡수된다.
이러한 경우, 진성 반도체층(40)은 n형 나노 결정질 실리콘층(50)과 접합되는 부분보다 p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 접합되는 부분에서 큰 값의 광학 밴드갭을 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 진성 반도체층(40)의 결정구조 크기는 p형 나노 결정질 실리콘층(30)과 접합되는 부분에서 n형 나노 결정질 실리콘층(50)과 접합되는 부분으로 갈수록 점차적으로 커질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법에 대해 살핀다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)를 형성하는 방법에 관한 것으로, 앞서 살핀 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)에서 설명한 구성과 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하고 이에 대한 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법에 관한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법은 기판(10) 상에 하부 전극 전도체(20)를 형성(S310)한다.
다음으로, 하부 전극 전도체(20) 상에 p형 나노 결정질 실리콘층(30)을 형성(S320)한다.
다음으로, p형 나노 결정질 실리콘층(30) 상에 중성입자빔 조사를 통해 나노 결정질 실리콘층을 포함하는 진성 반도체층(40)을 형성(S330)한다.
다음으로, 진성 반도체층(40) 상에 n형 나노 결정질 실리콘층(50)을 형성(S340)한다.
다음으로, n형 나노 결정질 실리콘층(50) 상에 반사 방지막(60)을 형성(S350)한다.
전술한 단계(S320, S330, S340)는 중성입자빔을 조사하는 공정을 통해 p형 나노 결정질 실리콘층(30), 진성 반도체층(40), 및 n형 나노 결정질 실리콘층(50)을 형성할 수 있다.
더불어, 단계(S330)에서 진성 반도체층(40)은 중성입자빔의 생성을 위한 공급 에너지를 조절하여 광학 밴드갭을 조절할 수 있다.
예시적으로, 나노 결정질 반도체층에 중성입자빔 에너지를 조사하면, 나노 결정질 반도체층에 포함된 나노 결정의 크기, 결정 용량 및 도핑 효율이 변화하여 나노 결정질 반도체층의 광학 밴드갭을 조절할 수 있다.
나노 결정질 반도체층에 포함된 나노 결정의 크기, 결정 용량 및 도핑 효율 변화에 따른 나노 결정질 반도체층의 광학 밴드갭 변화를 살펴본다. 예시적으로, 나노 결정질 반도체층에 포함된 나노 결정의 크기가 증가하면, 나노 결정질 반도체층의 광학 밴드갭이 작아질 수 있다. 또한, 나노 결정질 반도체층에 포함된 나노 결정의 결정 용량이 커질수록 나노 결정질 반도체층의 광학 밴드갭은 순수한 상태의 나노 결정의 광학 밴드갭으로 변할 수 있다. 더불어, 나노 결정질 반도체층에 포함된 나노 결정의 도핑 농도가 높아짐에 따라 광학 밴드갭은 감소될 수 있다. 전술한 세가지 이유가 복합적으로 작용하여, 중성입자빔 조사시 에너지를 조절하여 나노 결정질 반도체층의 광학 밴드갭을 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밴드갭 적층형 태양전지를 형성하기 위한 중성입자빔 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 를 참조하여 진성 반도체층(40)을 형성하는 것을 살펴본다.
도 4 의 중성입자빔 장치는 전술한 도 1 의 종래의 중성입자빔 장치에서 자석 어레이 리미터(207) 부분을 플라즈마 발생용 안테나(208)로 교체하여 기체원소의 증착율을 높이고, 보다 높은 효율로 플라즈마 라디칼을 사용할 수 있게 개량한 것이다. 또한, 중성입자빔이 기판까지 도달하는 확률을 증가시켰다. 덧붙여, 중성입자빔 장치에 의한 중성입자빔 조사는 기상화학증착 방식, 스퍼터 방식 또는 혼성 방식을 기초로 이루어질 수 있다. 이러한 중성입자빔 장치는 각 공정 단계에 따라 필요한 최적의 에너지를 갖는 중성입자빔을 조사할 수 있기 때문에, 플라즈마로 인한 하부 박막에 대한 열화 문제를 제거할 수 있고, 박막을 인큐베이션(incubation) 영역 없이 증착시킬 수 있다.
도 4의 중성입자빔 장치를 통해 나노 결정질 실리콘층인 p형 나노 결정질 실리콘층(30), 진성 반도체층(40), 및 n형 나노 결정질 실리콘층(50)을 형성하게 되는데, 동일한 장비를 통해 연속적인 공정이 가능하여 불연속적 면이 없는 나노 구조로 형성할 수 있다. 또한, p형 나노 결정질 실리콘층(30), 진성 반도체층(40), 및 n형 나노 결정질 실리콘층(50)의 접합 부분에서 층간 결정구조의 불연속적인 배열을 감소시켜 전하의 손실을 줄일 수 있고, 이에 따라 다중 밴드갭 적층형 태양전지(100)의 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 도 4의 중성입자빔 장치를 통해 진성 반도체층(40)을 형성할 수 있다. 이때, 진성 반도체층(40)의 증착 높이에 따라, 도 4의 중성입자빔 장치에서 중성입자빔의 생성을 위해 공급하는 에너지를 조절하여 진성 반도체층(40)을 증착할 수 있다. 이러한 증착 공정을 통해 진성 반도체층(40)의 광학 밴드갭이 n형 나노 결정질 실리콘층(30)과 가까워 질수록 커지거나 작아지게 형성할 수 있다.
구체적으로, 진성 반도체층(40)의 증착 높이에 따라, 중성입자빔의 생성을 위해 공급하는 에너지를 단계적으로 작아지게 공급할 수 있다. 단계적으로 작아지게 에너지를 공급하여 진성 반도체층(40)을 적층하면, p형 나노 결정질 실리콘층(30)과의 접합면 부분의 광학 밴드갭이 1.4eV로 형성할 수 있고, 진성 반도체층(40)의 적층 높이가 높아지면서 단계적으로 광학 밴드갭이 증가하도록 중성입자빔의 생성을 위해 공급하는 에너지를 조절하여 n형 나노 결정질 실리콘층(50)과의 접합면 부분의 광학 밴드갭은 2.2eV가 되도록 할 수 있다. 또한 1.4eV와 2.2eV의 광학 밴드갭 사이에 1.8eV의 광학 밴드갭을 갖는 층을 더 적층할 수도 있다.
반대로, 진성 반도체층(40)의 증착 높이에 따라, 중성입자빔의 생성을 위해 공급하는 에너지를 단계적으로 커지게 공급할 수도 있다. 단계적으로 커지게 에너지를 공급하여 진성 반도체층(40)을 적층하면, p형 나노 결정질 실리콘층(30)과의 접합면 부분의 광학 밴드갭이 2.2eV로 형성할 수 있고, 진성 반도체층(40)의 적층 높이가 높아지면서 단계적으로 광학 밴드갭이 감소하도록 중성입자빔의 생성을 위해 공급하는 에너지를 조절하여 n형 나노 결정질 실리콘층(50)과의 접합면 부분의 광학 밴드갭은 1.8eV가 되도록 할 수 있다.
도 5 는 중성입자빔 장치를 사용하여 실리콘의 결정구조를 변화시킨 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 를 참조하여 전술한 중성입자빔 장치를 사용하여 형성한 실리콘층을 살펴본다. 도 5 의 (a)는 중성입자빔 장치를 사용하여 중성입자빔을 조사하기 전의 실리콘층을 나타낸 도면이다. 도 5 의 (a)에 나타난 실리콘층을 투과전자현미경으로 살펴보면, 비정질의 결정구조를 가진 실리콘층(510)을 확인할 수 있다. 또한, 도 5 의 (a)를 통해 비정질 실리콘층의 전자 회절 패턴(520)을 확인할 수 있다. 이렇게 도 5 의 (a)에 나타난 실리콘층에 중성입자빔 장치를 사용하여 중성입자빔을 조사하면, 도 5 의 (b)에 나타난 것과 같이 나노 결정질 실리콘층(530)으로 변화시킬 수 있고, 이에 따라 변화된 나노 결정 실리콘층의 전자 회절 패턴(540)도 변화된 것을 확인할 수 있다.
도 6 은 중성입자빔 장치를 사용하여 형성된 나노 결정질 실리콘층을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 을 참조하면, 전술한 중성입자빔 장치를 사용하여 중성입자빔을 조사한 실리콘층은 실리콘 기판층(610)과 나노 결정 실리콘층(620) 사이에 경계면(630)이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이때, 중성입자빔 조사를 통해 형성된 실리콘 막은 절연막 사이에 인큐베이션 층이 없음을 확인할 수 있다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 결정질 실리콘층의 인가된 전압에 따른 광학 밴드갭 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 을 참조하여 전술한 중성입자빔 장치에서 중성입자빔의 생성을 위해 공급하는 에너지와 진성 반도체층(40)의 광학 밴드갭의 관계를 살펴본다. 도 5 를 보면, 인가 전압이 상승할수록 진성 반도체층(40)의 광학 밴드갭은 감소하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, p형 나노 결정질 실리콘층(30)과의 접합면 부분의 진성 반도체층(40)을 적층할 때에는, 100V의 높은 전압을 인가하여 광학 밴드갭을 1.4eV로 조절할 수 있다. 또한, n형 나노 결정질 실리콘층(50)과의 접합면 부분의 진성 반도체층(40)을 적층할 때에는, 0V의 전압을 인가하여 광학 밴드갭을 2.2eV로 조절할 수 있다.
전술한 바와 같이, 진성 반도체층(40)을 적층할 때, 적층 높이에 따라 공급되는 에너지를 조절하여 진성 반도체층(40)의 광학 밴드갭을 조절할 수 있고, 진성 반도체층(40)과 마찬가지로 p형 나노 결정질 실리콘층(30), n형 나노 결정질 실리콘층(50)에도 동일한 공정을 수행하여 광학 밴드갭을 조절할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 다중 밴드갭 적층형 태양전지에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 적층되는 하부 전극 전도체;
    상기 하부 전극 전도체 상에 적층되는 불순물이 첨가된 p형 나노 결정질 실리콘층;
    상기 p형 나노 결정질 실리콘층 상에 적층되는 진성 반도체층;
    상기 진성 반도체층 상에 적층되는 불순물이 첨가된 n형 나노 결정질 실리콘층; 및
    상기 n형 나노 결정질 실리콘층 상에 적층되는 반사 방지막을 포함하되,
    상기 진성 반도체층은 증착 높이에 따른 결정구조 변화로 인해 광학 밴드갭이 상이해지는 나노 결정질 실리콘층인 다중 밴드갭 적층형 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진성 반도체층은 상기 n형 나노 결정질 실리콘층과 접합되는 부분보다 상기 p형 나노 결정질 실리콘층과 접합되는 부분에서 작은 값의 광학 밴드갭을 가지는, 다중 밴드갭 적층형 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 진성 반도체층의 결정구조 크기는 상기 p형 나노 결정질 실리콘층과 접합되는 부분에서 상기 n형 나노 결정질 실리콘층과 접합되는 부분으로 갈수록 점차적으로 작아지는, 다중 밴드갭 적층형 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 진성 반도체층은 n형 나노 결정질 실리콘층과 접합되는 부분보다 상기 p형 나노 결정질 실리콘층과 접합되는 부분에서 큰 값의 광학 밴드갭을 가지는, 다중 밴드갭 적층형 태양전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 진성 반도체층의 결정구조 크기는 상기 p형 나노 결정질 실리콘층과 접합되는 부분에서 상기 n형 나노 결정질 실리콘층과 접합되는 부분으로 갈수록 점차적으로 커지는, 다중 밴드갭 적층형 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 p형 나노 결정질 실리콘층은 0.5nm~1000μm의 두께를 갖는 다중 밴드갭 적층형 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 진성 반도체층은 0.5nm~1000μm의 두께를 갖는 다중 밴드갭 적층형 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 나노 결정질 실리콘층은 0.5nm~1000μm의 두께를 갖는 다중 밴드갭 적층형 태양전지.
  9. 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법에 있어서,
    (a) 기판 상에 하부 전극 전도체를 형성하는 단계;
    (b) 상기 하부 전극 전도체 상에 p형 나노 결정질 실리콘층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 p형 나노 결정질 실리콘층 상에 중성입자빔 조사를 통해 나노 결정질 실리콘층을 포함하는 진성 반도체층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 진성 반도체층 상에 n형 나노 결정질 실리콘층을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 n형 나노 결정질 실리콘층 상에 반사 방지막을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 (c) 단계는 증착 높이에 따라 상기 중성입자빔의 생성을 위해 공급하는 에너지를 조절하여 상기 나노 결정질 실리콘층의 광학 밴드갭을 조절하는 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 (b) 단계, (c) 단계 또는 (d) 단계는 중성입자빔 조사를 통해 상기 나노 결정질 실리콘층을 형성하는 다중 밴드갭 적층형 태양전지 형성 방법.
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