KR20130112148A - 박막 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 태양 전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판의 상부에 배치되는 제1 전극; 제1 전극 상부에 배치되는 제2 전극; 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 광전 변환부를 포함하고, 광전 변환부는 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층을 각각 포함하는 복수의 광전 변환층을 포함하고, 복수의 광전 변환층 중에서 제1 전극과 접하는 광전 변환층을 제외한 나머지 광전 변환층 중에서 적어도 하나의 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함한다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판의 상부에 배치되는 제1 전극; 제1 전극 상부에 배치되는 제2 전극; 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 광전 변환부를 포함하고, 광전 변환부는 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층을 각각 포함하는 복수의 광전 변환층을 포함하고, 복수의 광전 변환층 중에서 제1 전극과 접하는 광전 변환층을 제외한 나머지 광전 변환층 중에서 적어도 하나의 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함한다.
Description
본 발명은 박막 태양 전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)에 의해 p-n 접합을 형성하는 반도체부, 그리고 서로 다른 도전성 타입의 반도체부에 각각 연결된 전극을 구비한다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되어, 전자는 n형의 반도체부 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 p형의 반도체부와 n형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명은 제조 비용을 절감하고, 효율이 향상된 박막 태양 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판; 기판의 상부에 배치되는 제1 전극; 제1 전극 상부에 배치되는 제2 전극; 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 광전 변환부를 포함하고, 광전 변환부는 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층을 각각 포함하는 복수의 광전 변환층을 포함하고, 복수의 광전 변환층 중에서 제1 전극과 접하는 광전 변환층을 제외한 나머지 광전 변환층 중에서 적어도 하나의 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함한다.
여기서, 광전 변환부는 제1 전극과 접하는 제1 광전 변환층과 제1 광전 변환층 위에 배치되는 제2 광전 변환층을 포함하고, 제2 광전 변환층의 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함할 수 있다.
여기서, 제2 광전 변환층의 p형 반도체층에서 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이로 함유하고, 제2 광전 변환층의 p형 반도체층에서 미세 결정 실리콘(mc-Si) 물질은 산소를 1at% 이하로 함유하거나 함유하지 않을 수 있다.
또한, 제2 광전 변환층의 p형 반도체층은 제1 광전 변환층의 n형 반도체층에 직접 접촉할 수 있으며, 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 두께는 제1 광전 변환층에 포함되는 n형 반도체층의 두께보다 두꺼울 수 있다.
구체적으로, 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 두께는 50nm ~ 100nm 사이일 수 있다.
또한, 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 결정화도는 5% ~ 25% 사이에서 결정될 수 있다.
또한, 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 밴드갭은 1.8 ~ 2.1 사이일 수 있으며, 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 굴절률은 1.8 ~ 2.6 사이일 수 있다.
또한, 제2 광전 변환층의 p형 반도체층은 제1 광전 변환층에 인접하는 제1 층과 제2 광전 변환층의 i형 반도체층에 인접하는 제2 층을 포함하고, 제1 층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘(a-Si)을 함께 포함하고, 제2 층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함할 수 있다.
또한, 제1 층은 산소를 2at% 이하로 함유하거나 함유하지 않고, 제2 층은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이로 함유할 수 있으며, 제1 층의 두께는 제2 층의 두께보다 작을 수 있다. 구체적으로, 제1 층의 두께는 5nm 이하일 수 있다.
또한, 제1 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층 각각은 비정질 실리콘(a-Si)을 포함하고, 제2 광전 변환층에 포함되는 i형 반도체층 및 n형 반도체층 각각은 미세 결정 실리콘(mc-Si)을 포함할 수 있다.
또한, 광전 변환부는 제1 전극과 접하는 제1 광전 변환층, 제1 광전 변환층 위에 배치되는 제2 광전 변환층 및 제2 광전 변환층 위에 배치되는 제3 광전 변환층을 포함하고, 제2 광전 변환층 및 제3 광전 변환층 중 적어도 하나에 포함되는 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함할 수 있다.
여기서, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 p형 반도체층에서 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이로 함유하고, 미세 결정 실리콘(mc-Si) 물질은 산소를 1at% 이하로 함유하거나 함유하지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 박막 태양 전지는 제1 전극과 접하는 광전 변환층을 제외한 나머지 광전 변환층 중에서 적어도 하나의 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하도록 하여, 제조 비용을 절감하고, 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 제2 p형 반도체층(PV2-p) 부분을 TEM 분석 장치로 촬영한 이미지 사진이다.
도 3은 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내에서의 산소 농도의 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 4는 밴드갭과 전기 전도도의 관계를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 굴절률과 전기 전도도의 관계를 설명하기 위한 도이다.
도 6는 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내에서의 산소 농도의 다른 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 7 및 도 8은 제2 광전 변환츠에 포함되는 p형 반도체층의 고 전도도를 확보하기 위한 예들을 설명하기 위한 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조를 포함하는 경우의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 10은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 포함하는 p형 반도체층의 두께에 따른 태양 전지의 효율을 일례로 도시한 도이다.
도 2는 제2 p형 반도체층(PV2-p) 부분을 TEM 분석 장치로 촬영한 이미지 사진이다.
도 3은 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내에서의 산소 농도의 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 4는 밴드갭과 전기 전도도의 관계를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 굴절률과 전기 전도도의 관계를 설명하기 위한 도이다.
도 6는 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내에서의 산소 농도의 다른 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 7 및 도 8은 제2 광전 변환츠에 포함되는 p형 반도체층의 고 전도도를 확보하기 위한 예들을 설명하기 위한 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조를 포함하는 경우의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 10은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 포함하는 p형 반도체층의 두께에 따른 태양 전지의 효율을 일례로 도시한 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 “전체적”으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양 전지의 일례는 기판(100), 제1 전극(110), 광전변환부(PV), 후면 반사층(130) 및 제2 전극(140)을 포함한다. 여기서, 후면 반사층(130)은 생략되는 것도 가능하다.
여기서, 기판(100)은 위에 다른 기능성층들이 배치될 수 있다. 아울러, 기판(100)은 입사되는 광(Light)이 광전변환부(PV)에 보다 효과적으로 도달하도록 하기 위해 실질적으로 투명한 비전도성 재질, 예컨대 유리 또는 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.
제1 전극(110)은 기판(100)의 하부에 배치되고, 입사되는 광의 투과율을 높이기 위해 실질적으로 광투과성의 전도성 물질, 예를 들면, TCO(transparent conductive oxide)를 함유한다. 아울러, 제1 전극(110)의 비저항 범위는 약 10-2Ωㆍ㎝ 내지 10-11Ωㆍ㎝일 수 있다. 이러한 제1 전극(110)은 광전변환부(PV)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(110)은 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 정공을 수집하여 출력할 수 있다.
아울러, 제1 전극(110)의 하부 표면에는 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철이 형성될 수 있다. 즉, 제1 전극(110)은 텍스처링 표면(texturing surface)을 구비하고 있다. 이와 같이, 제1 전극(110)의 표면을 텍스처링하게 되면, 입사되는 광의 반사를 저감시키고, 광의 흡수율을 높일 수 있어서 태양전지의 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
제2 전극(140)은 제1 전극(110)의 하부에 이격되어 광전 변환부(PV) 하부에 배치되며, 광전변환부(PV)가 발생시킨 전력의 회수 효율을 높이기 위해 전기 전도성이 우수한 금속 재질을 포함할 수 있다. 아울러, 제2 전극(140)은 광전변환부(PV)와 전기적으로 연결되며, 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 전자를 수집하여 출력할 수 있다.
이와 같은 제2 전극(140)은 전기 전도성이 양호한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있으며, 단층 또는 다층으로 형성될 수도 있다.
이상에서는 빛이 기판(100) 쪽으로부터 입사되는 구조에 대해 설명하였지만, 빛은 기판(100)의 반대쪽, 즉 제2 전극(140) 쪽으로부터 입사될 수 있으며, 이 경우에는 제2 전극(140)이 광 투과성의 전도성 물질로 형성되고, 제1 전극(110)이 금속 재질로 형성된다.
후면 반사층(130)은, 제1 광전 변환층(PV1) 및 제2 광전 변환층(PV2)에 흡수되지 않은 빛을 다시 반사하여 제1 광전 변환층(PV1) 및 제2 광전 변환층(PV2)의 광흡수율을 극대화시키는 기능을 한다.
광전변환부(PV)는 제1 전극(110)과 제2 전극(140)의 사이에 배치되며, 외부로부터 기판(100)의 입사면을 통하여 입사되는 광을 전기로 변환하는 기능을 한다.
이와 같은 광전 변환부(PV)는 제1 전극(110) 위에 배치되는 제1 광전 변환층(PV1)과 제1 광전 변환층(PV1) 위에 배치되는 제2 광전 변환층(PV2)을 포함한다.
여기서, 제1 광전 변환층(PV1)과 제2 광전 변환층(PV2) 각각은 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p), i형 반도체층(PV1-i, PV2-i) 및 n형 반도체층(PV1-n, PV2-n)을 포함한다.
또한, 도 1에서는 각 광전변환층(PV1, PV2)의 구조가 입사면으로부터 p-i-n 구조로 되는 것을 일례로 설명하고 있으나, 각 광전변환층(PV1, PV2)의 구조가 입사면으로부터 n-i-p 구조로 되는 것도 가능하다. 그러나, 이하에서는 설명의 편의상 각 광전변환층(PV1, PV2)의 구조가 입사면으로부터 p-i-n 구조로 되는 것을 일례로 설명한다.
이와 같은 각 광전변환층(PV1, PV2)에서 각 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 제1 타입의 불순물, 예를 들면 붕소(B, Boron), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 이용하여 형성할 수 있다. 본 발명에서는 이와 같은 3가 원소 중 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p)에 도핑되었을 때에, 결함(defect)이 가장 적은 붕소가 사용된 것을 일례로 설명한다.
각 n형 반도체층(PV1-n, PV2-n)은 실리콘을 포함한 원료 가스에 제1 타입과 반대인 제2 타입의 불순물, 예를 들면, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함한 가스를 이용하여 형성할 수 있다.
각 i형 반도체층(PV1-i, PV2-i)은 각 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p)과 각 n형 반도체층(PV1-n, PV2-n) 사이에 배치되며, 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수할 수 있다. 이러한 각 i형 반도체층(PV1-i, PV2-i)은 입사되는 광을 흡수하여, 전자와 정공과 같은 캐리어를 생성할 수 있다.
이러한 각 i형 반도체층(PV1-i, PV2-i)은 비정질 실리콘, 결정질 실리콘 또는 미세 결정 실리콘(mc-Si)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 1에 도시된 이중 접합 태양 전지의 광전 변환부에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 이중 접합 태양전지의 광전 변환부는 광입사면으로부터 제1 p형 반도체층(PV1-p), 제1 i형 반도체층(PV1-i), 제1 n형 반도체층(PV1-n), 제2 p형 반도체층(PV2-p), 제2 i형 반도체층(PV2-i) 및 제2 n형 반도체층(PV2-n)이 차례로 적층될 수 있다.
제1 i형 반도체층(PV1-i)은 단파장 대역의 광을 주로 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다.
아울러, 제2 i형 반도체층(PV2-i)은 장파장 대역의 광을 주로 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다.
이처럼, 이중접합 구조의 태양전지는 단파장 대역 및 장파장 대역의 광을 흡수하여 캐리어를 생성하기 때문에 높은 효율을 갖는 것이 가능하다.
또한, 제1 광전변환층(PV1)의 제1 p형 반도체층(PV1-p), 제1 i형 반도체층(PV1-i) 및 제1 n형 반도체층(PV1-n)은 비정실 실리콘 재질(a-Si)을 포함하고, 제2 광전변환층(PV2)의 제2 i형 반도체층(PV2-i) 및 제2 n형 반도체층(PV2-n)은 미세 결정 실리콘 재질(mc-Si)을 포함할 수도 있다.
이와 같은 광전변환부(PV)는 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 형성될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 광전변환층(PV1, PV2)의 각 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p) 및 각 n형 반도체층(PV1-n, PV2-n)과 같은 도핑층은 i형 반도체층(PV1-i, PV2-i)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성할 수 있다.
이러한 구조에서, 각 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p) 쪽으로 광이 입사되면 i형 반도체층(PV1-i, PV2-i)의 내부에서는 상대적으로 높은 도핑 농도를 갖는 각 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p)과 n형 반도체층(PV1-n, PV2-n)에 의해 공핍(depletion)이 형성되고, 이에 따라 전기장이 형성될 수 있다. 이러한 광기전력 효과(photovoltatic effect)에 의하여 광 흡수층인 i형 반도체층(PV1-i, PV2-i)에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 각 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p)을 통해 전면전극(110)쪽으로 이동하고, 전자는 n형 반도체층(PV1-n, PV2-n)을 통해 후면전극(140)쪽으로 이동할 수 있다. 이러한 방식으로 전력이 생산될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제2 광전 변환층(PV2)의 p형 반도체층, 즉 제2 p형 반도체층(PV2-p)은 도 2에 도시된 바와 같이, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함한다.
도 2는 제2 p형 반도체층(PV2-p) 부분을 TEM 분석 장치로 촬영한 이미지 사진이다.
여기서, 색깔이 상대적으로 어둡게 표시된 부분은 미세 결정 실리콘(mc-Si)이 석출된 부분이고, 색깔이 상대적으로 밟게 표시된 부분은 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)이 형성된 부분이다.
여기서, 미세 결정 실리콘(mc-Si)이 석출된 부분은 결정화가 이루어진 부분으로, 전기 전도도가 상대적으로 크고, 굴절률 변화가 어렵다.
그러나, 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)은 비정질 실리콘(a-Si)에 산소가 도핑된 부분으로, 산소 농도에 따라 굴절률 및 전기 전도도를 변화시키는 것이 상대적으로 용이하다.
따라서, 본 발명은 제2 p형 반도체층(PV2-p)에서 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)의 산소 농도를 조절하여 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 전기적 특성 및 광학적 특정을 조절할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
이와 같이, 제2 p형 반도체층(PV2-p)이 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함되도록 함으로써, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 밴드갭을 보다 향상시키면서, 굴절률을 더욱 낮출수 있다.
이에 따라, 제2 p형 반도체층(PV2-p)이 p형 반도체층으로서의 역할을 하면서, 아울러, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 반사율을 높여, 중간 반사층으로서의 역할을 하도록 할 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 밴드갭이 향상되면, 제2 광전 변환층(PV2)의 개방 전압(Voc)을 높일 수 있고, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 밴드갭 상승으로 인하여 제2 광전 변환층(PV2)에 포함되는 제2 i형 반도체층(PV2-i)에 보다 많은 양의 빛이 흡수되도록 할 수 있다.
또한, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 굴절률이 보다 낮아지면, 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 제2 p형 반도체층(PV2-p) 사이의 굴절률 차이가 보다 커지게 되어 제1 n형 반도체층(PV1-n)의 반사율을 보다 높일 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 박막 태양 전지는 개방 전압(Voc)을 보다 높여 태양 전지의 효율을 보다 높일 수 있고, 아울러 제2 p형 반도체층(PV2-p)과 제1 n형 반도체층(PV1-n) 사이에 입사되는 빛을 반사하기 위한 별도의 중간 반사층을 형성할 필요가 없어, 제조 비용을 절감할 수 있다.
이와 같이, 아울러, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 제2 p형 반도체층(PV2-p)에 포함되도록 하는 것은 앞서 언급한 바와 같이, 별도의 중간 반사층을 형성할 필요가 없고, 개방 전압(Voc)를 높일 있기 때문이다.
따라서, 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p)은 제1 광전 변환층(PV1)의 제1 n형 반도체층(PV1-n)에 직접 접촉하도록 형성할 수 있고, 이에 따라, 별도의 중간 반사층을 형성할 필요가 없어 제조 비용을 절감할 수 있다.
그러나, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 제1 n형 반도체층(PV1-n)에 포함되도록 하는 경우, 본 발명과 같은 개방 전압(Voc) 향상을 기대할 수 없다.
이는, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 제1 n형 반도체층(PV1-n)에 포함되도록 하는 경우, 제1 n형 반도체층(PV1-n)의 밴드갭은 높일 수 있으나, 제1 n형 반도체층(PV1-n)의 밴드갭 향상이 제1 광전 변환층(PV1)의 개방 전압(Voc)에 미치는 영향이 없기 때문이다.
이와 같은 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p)에서 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이로 함유하고, 제2 광전 변환층(PV2)의 p형 반도체층에서 미세 결정 실리콘(mc-Si) 물질은 산소를 1at% 이하로 함유하거나 함유하지 않을 수 있다.
이에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내에서의 산소 농도의 일례에 대해 설명하기 위한 도이고, 도 4는 밴드갭과 전기 전도도의 관계를 설명하기 위한 도이고, 도 5는 굴절률과 전기 전도도의 관계를 설명하기 위한 도이고, 도 6는 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내에서의 산소 농도의 다른 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 광전 변환층(PV1)의 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 i형 반도체층(PV2-i)은 산소를 포함하지 않고, 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p)만 산소를 함유할 수 있다.
여기서, 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p)이 산소를 함유하는 농도는 2at%(atom%) ~ 10at% 사이에서 일정한 농도값(K)으로 결정될 수 있다.
여기서, 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p)이 산소를 함유하는 경우, 제2 p형 반도체층(PV2-p)에 포함된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)이 산소를 함유하는 것을 의미하고, 미세 결정 실리콘(mc-Si)은 산소를 함유하지 않거나 함유한다고 하더라도 산소를 1at% 이하로 함유하는 것을 의미한다.
여기서, 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)이 함유하는 산소의 농도(K)는 앞서 언급한 바와 같이, 2at%(atom%) ~ 10at% 사이의 값 중에서 미리 결정된 값으로 함유할 수 있다.
여기서, 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)에 함유되는 산소의 농도(K)는 제2 p형 반도체층(PV2-p)을 증착하는 공정 중에 챔버 내로 주입되는 가스의 농도비를 조절하여 결정될 수 있다.
보다 구체적인 일례로, 제2 p형 반도체층(PV2-p)을 형성할 때에, 주입되는 공정 가스로는 막을 증착하기 위한 SiH4, H2, B2H6 등의 공정 가스와 산소 농도를 조절하기 위한 CO2, O2 공정 가스 등이 공급될 수 있다.
여기서, 제2 p형 반도체층(PV2-p)을 증착할 때에, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내부에 형성되는 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)에 함유되는 산소의 농도는 SiH4 가스(a) 대비 CO2, O2 공정 가스(b)의 농도비(b/a)로 조절될 수 있다.
보다 구체적으로, (b/a)의 농도비를 높이는 경우, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내부에 형성되는 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)에 함유되는 산소의 농도(K)를 높일 수 있고, (b/a)의 농도비를 낮추는 경우, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내부에 형성되는 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)에 함유되는 산소의 농도(K)를 낮출 수 있다.
이와 같이, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내부에 형성되는 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)의 산소의 농도(K)를 조절하여 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 전기적 특성과 광학적 특성을 조절할 수 있다.
여기서, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 전기적 특성은 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 전기 전도도를 의미하고, 광학적 특성은 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 밴드갭과 굴절률을 의미한다.
여기서, 전기 전도도는 박막 태양 전지의 단락 전류(Jsc)를 결정하는 주요 변수로 작용한다. 구체적으로 전기 전도도가 일정 수준 이상으로 높은 경우 박막 태양 전지의 단락 전류가 보다 향상될 수 있으며, 전기 전도도가 일정 수준 이하로 낮은 경우 박막 태양 전지의 단락 전류가 감소할 수 있다.
그리고, 밴드갭은 박막 태양 전지의 개방 전압(Voc)를 결정하는 주요 변수로 작용함과 아울러, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 광투과율에 영향을 미친다.
예를 들어, 밴드갭이 증가하는 경우 개방 전압(Voc)이 증가하고, 밴드갭이 감소하는 경우 개방 전압(Voc)가 감소한다. 아울러, 밴드갭이 증가하는 경우 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 광투과율이 증가하여 제2 i형 반도체층(PV2-i)에 보다 많은 양의 빛이 흡수되도록 할 수 있다. 이에 따라, 박막 태양 전지의 단락 전류가 증가할 수 있다. 그러나, 이와 반대로, 밴드갭이 감소하는 경우 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 광투과율이 감소하여 제2 i형 반도체층(PV2-i)에 공급되는 빛의 양이 감소하여 박막 태양 전지의 단락 전류가 감소할 수 있다.
아울러, 굴절률은 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 반사율에 영향을 미친다. 예를 들어, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 굴절률이 높은 경우 제2 p형 반도체층(PV2-p)에서 제1 광전 변환층(PV1)으로 반사되는 빛의 양은 감소하지만, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 굴절률이 낮은 경우 제2 p형 반도체층(PV2-p)에서 제1 광전 변환층(PV1)으로 반사되는 빛의 양을 높일 수 있어, 제1 i형 반도체층(PV1-i)의 광흡수율을 보다 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 박막 태양 전지의 단락 전류를 보다 향상시킬 수 있다.
따라서, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 높은 전기적 특성 및 광학적 특성을 갖도록 하기 위해서는 일정 수준 이상의 전기 전도도를 확보하면서, 높은 밴드갭 특성을 가지고, 낮은 굴절률을 가질 것을 요구한다.
여기서, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내부에 형성되는 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)의 산소의 농도(K)를 높이는 경우, 밴드갭을 증가시킬 수 있고, 반대로 산소 농도(K)를 낮추는 경우, 밴드갭을 감소시킬 수 있다.
아울러, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 내부에 형성되는 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)의 산소의 농도(K)를 높이는 경우 굴절률을 감소시킬 수 있고, 반대로 산소 농도(K)를 낮추는 경우 굴절률을 증가시킬 수 있다.
그러나, 굴절률을 과도하게 감소하거나, 밴드갭을 과도하게 높이는 경우 전기 전도도가 저하될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 산소의 농도(K)를 높이는 경우,도 4에 도시된 바와 같이, 밴드갭이 증가하는 것을 확인할 수 있지만, 밴드갭이 높아짐에 따라 전기 전도도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
아울러, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 산소의 농도(K)를 높이는 경우,도 5에 도시된 바와 같이, 굴절률이 감소하는 것을 확인할 수 있지만, 굴절률이 낮아짐에 따라 전기 전도도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 이와 같은 밴드갭과 전기 전도도 및 굴절률과 전기 전도도와의 관계를 모두 고려하여, 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p)에서 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이로 함유하도록 할 수 있다.
즉, 제2 p형 반도체층(PV2-p)에서의 산소 농도(K)가 2at%(atom%) 이상이 되도록 하여, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 전기 전도도는 일정 수준 이상 확보하면서 굴절률을 충분히 낮출 수 있다. 이에 따라, 전기 전도도는 일정 수준 이상 확보하면서 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 반사율을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 제2 p형 반도체층(PV2-p)에서의 산소 농도(K)가 10at%(atom%) 이하가 되도록 하여, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 전기 전도도는 일정 수준 이상 확보하면서 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 밴드갭을 충분히 높일 수 있다. 이에 따라, 전기 전도도는 일정 수준 이상 확보하면서 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 투과율을 충분히 확보할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이에서 결정되도록 하여, 제2 광전 변환층(PV2)에 포함되는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 밴드갭이 1.8 ~ 2.1[eV] 사이가 되도록 하고, 굴절률이 1.8 ~ 2.6 사이가 되도록 조절할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 제2 p형 반도체층(PV2-p)은 일정 정도 이상의 전기 전도도를 확보하기 위하여, 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)보다 좋은 전기 전도도 특성을 지니는 미세 결정 실리콘(mc-Si)의 양을 조절할 수 있다.
이를 위해, 제2 광전 변환층(PV2)에 포함되는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 결정화도는 5% ~ 25% 사이에서 결정될 수 있다.
여기서, 제2 광전 변환층(PV2)에 포함되는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 결정화도는 제2 p형 반도체층(PV2-p) 전체 부피 중에서 미세 결정 실리콘(mc-Si)이 차지하는 부피비를 의미한다.
이와 같은 결정화도는 SiH4 가스(a)에 대한 H2 가스(b)의 농도비(b/a)로 조절될 수 있다.
보다 구체적으로, SiH4 가스(a)에 대한 H2 가스(b)의 농도비(b/a)를 높이는 경우 결정화도가 증가할 수 있으며, SiH4 가스(a)에 대한 H2 가스(b)의 농도비(b/a)를 줄이는 경우 결정화도가 감소할 수 있다.
그러나, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 전기 전도도를 과도하게 향상시키는 경우, 단락 전류(Jsc)는 증가할 수 있으나, 이와 같은 경우 앞서 말한 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 광학적 특성, 즉 밴드갭과 굴절률을 향상시키는데 한계가 있다.
따라서, 단락 전류(Jsc)가 감소되지 않는 범위 내에서 적절한 수준의 전기 전도도를 유지시키는 것이 중요하다.
이를 고려하여, 본 발명은 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 결정화도를 5% ~ 25% 사이에서 결정되도록 할 수 있다.
또한, 제2 광전 변환층(PV2)에 포함되는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 두께(TTp)는 제1 광전 변환층(PV1)에 포함되는 제1 n형 반도체층(PV1-n)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
이는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 두께(TTp)를 충분히 확보함으로써, 제2 p형 반도체층(PV2-p)에 의한 반사율을 충분히 확보하기 위함이다.
그러나, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 두께(TTp)가 과도하게 두꺼운 경우, 제2 p형 반도체층(PV2-p)에 의한 광반사가 과도하여, 제1 i형 반도체층(PV1-i)이 흡수하는 빛의 양은 증가하나, 제2 i형 방도체층(PV2-i)이 흡수하는 빛의 양이 과도하게 줄어들어, 전체적으로 박막 태양 전지의 단락 전류(Jsc)가 감소할 수 있으므로, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 두께(TTp)를 최적화할 필요가 있다.
이에 따라, 본 발명은 제2 광전 변환층(PV2)에 포함되는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 두께(TTp)를 50nm ~ 100nm 사이에서 결정되도록 할 수 있다.
이와 같이, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 두께(TTp)를 50nm ~ 100nm 사이에서 결정되도록 하는 것은 앞서 언급한 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 전기 전도도, 밴드갭 및 굴절률 특성을 충분히 확보하기 위함이다.
이와 같이, 최적의 두께(TTp)로 제2 p형 반도체층(PV2-p)을 형성함으로써, 전기 전도도, 밴드갭 및 굴절률 특성을 충분히 확보하여 각 광전 변환층(PV1, PV2)에서 효율이 극대화될 수 있는 최적의 단락 전류(Jsc) 조건을 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 두께(TTp)가 50nm 이하로 작은 경우, 제2 p형 반도체층(PV2-p)에서 반사되는 빛의 양은 상대적으로 작고, 반대로 제2 p형 반도체층(PV2-p)을 투과하는 빛의 양은 상대적으로 많아, 전체적으로 제2 광전 변환층(PV2)의 단락 전류(Jsc)는 늘어날 수 있으나, 오히려 제1 광전 변환층(PV1)의 단락 전류(Jsc)는 감소할 수 있다.
아울러, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 두께(TTp)가 100nm 이상으로 큰 경우, 제2 p형 반도체층(PV2-p)에서 반사되는 빛의 양은 상대적으로 많고, 반대로 제2 p형 반도체층(PV2-p)을 투과하는 빛의 양은 상대적으로 작아, 전체적으로 제1 광전 변환층(PV1)의 단락 전류(Jsc)는 늘어날 수 있으나, 오히려 제2 광전 변환층(PV2)의 단락 전류(Jsc)는 감소할 수 있다.
이에 따라, 제1 광전 변환층(PV1) 및 제2 광전 변환층(PV2)의 단락 전류(Jsc)를 모두 고려하여, 제1 광전 변환층(PV1) 및 제2 광전 변환층(PV2)의 단락 전류(Jsc) 차이가 가장 작게 형성되어, 손실되는 전류를 최소화할 수 있도록 하기 위하여 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 두께(TTp)를 50nm ~ 100nm 사이에서 결정되도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따라 형성된 제2 p형 반도체층(PV2-p)은 반사율과 투과율 및 전기 전도도를 모두 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3에서 반사율은 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서 반사되는 빛의 양이 결정되므로, 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서 중요한 요소(factor))로 작용한다.
아울러, 밴드갭과 관련된 투과율은 제2 p형 반도체층(PV2-p) 전체가 흡수하는 빛의 양에 따라 결정되므로, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 전체에 함유된 산소 농도(K)의 양에 따라 결정된다.
그리고, 전기 전도도는 제2 i형 반도체층(PV2-i)에서 빛을 흡수하여 전자와 정공이 생성되고, 생성된 정공은 제2 p형 반도체층(PV2-p) 쪽으로 이동하므로, 제2 i형 반도체층(PV2-i)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서 중요한 요소(factor)로 작용한다.
따라서, 이를 고려하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서의 산소 농도(K1)는 제2 i형 반도체층(PV2-i)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서의 산소 농도(K2)보다 크게할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서의 굴절률은 더욱 낮출 수 있어, 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서의 반사율을 더욱 향상시킬 수 있다.
아울러, 제2 i형 반도체층(PV2-i)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서의 전기 전도도는 더욱 향상시킬 수 있으며, 더불어, 제2 i형 반도체층(PV2-i) 전체에서의 산소 농도의 총 함유량은 충분히 확보할 수 있어, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 투과율 및 밴드갭을 더욱 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 박막 태양 전지의 단락 전류와 개방 전압 모두를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 7 및 도 8은 제2 광전 변환츠에 포함되는 p형 반도체층의 고 전도도를 확보하기 위한 예들을 설명하기 위한 도이다.
앞서 전술한 바와 같이, 적절한 수준의 반사율을 확보하기 위해서는 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서의 산소 농도(K)를 높일 필요가 있다.
그러나, 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서의 산소 농도(K)가 과도하게 높아 전기 전도도가 과도하게 낮아지는 경우, 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에서 제1 n형 반도체층(PV1-n)과의 터널링 접합(tunneling junction) 형성을 하기 위한 저항 성분이 증가하여 박막 태양 전지의 필 펙터(fill factor, FF) 값이 저하될 가능성이 있다.
이와 같은 필 펙터 값의 저하를 방지하기 위하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에 고 전도도 확보를 위한 층을 추가하여, 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p)이 2개의 층으로 형성되도록 할 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 p형 반도체층(PV2-p)은 제1 n형 반도체층(PV1-n)과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에 위치하는 제1 층(PV2-P1)과, 제2 i형 반도체층(PV2-i)층과 직접 접촉하는 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 계면에 위치하는 제2 층(PV2-P2)을 포함할 수 있다.
제1 광전 변환층(PV1)에 인접하는 제1 층(PV2-P1)에서는 제1 n형 반도체층(PV1-n)과의 터널링 접합(tunneling junction) 형성하여 고 전도도를 확보하기 위해, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘(a-Si)을 함께 포함하도록 할 수 있으며, 제2 i형 반도체층(PV2-i)층에 인접하는 제2 층(PV2-P2)에서는 앞에서 설명한 바와 같이, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하도록 할 수 있다.
여기서, 제1 층(PV2-P1)은 제1 n형 반도체층(PV1-n)과의 터널링 접합(tunneling junction) 형성하여 고 전도도를 확보하기 위해 산소를 2at% 이하로 함유하거나 함유하지 않도록 할 수 있으며, 제2 층(PV2-P2)은 앞의 도 3에서 설명한 바와 같이, 산소의 농도(K)를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이에서 결정된 값으로 일정하게 함유하도록 할 수 있다.
아울러, 제1 층(PV2-P1)은 제1 n형 반도체층(PV1-n)과의 터널링 접합(tunneling junction) 형성하기 위한 층이므로, 제1 층(PV2-P1)의 두께(Tp1)는 두꺼울 필요가 없다.
따라서, 제1 층(PV2-P1)의 두께(Tp1)는 제2 층(PV2-P2)의 두께(Tp2)보다 작게 형성되도록 할 수 있으며, 일례로, 제1 층(PV2-P1)의 두께(Tp1)는 5nm 이하가 되도록 할 수 있다.
아울러, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 층(PV2-P2)에서 제1 층(PV2-P1)과 접하는 계면에서의 산소 농도(K1)는 제2 i형 반도체층(PV2-i)층과 접하는 계면에서의 산소 농도(K2)보다 높게 형성되도록 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 박막 태양 전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
지금까지는 이중 접합 태양 전지에서 제1 광전 변환층(PV1)이 비정질 실리콘(a-Si)이고, 제2 i형 반도체층(PV2-i)이 미세 결정 실리콘(i-mc-Si)을 포함하는 경우, 제2 p형 반도체층(PV2-p)의 산소 농도를 조절하여 이중 접합 태양 전지의 개방 전압(Voc)와 단락 전류(Jsc)를 조절하는 것을 일례로 설명하였지만, 본 발명에 따른 제2 광전 변환층(PV2)의 제2 p형 반도체층(PV2-p)은 제1 광전 변환층(PV1)이 미세 결정 실리콘(mc-Si)을 포함하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
아울러, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 포함하는 본 발명의 p형 반도체층은 삼중 접합 태양 전지인 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
이하에서는 삼중 접합 태양 전지에 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 포함하는 p형 반도체층이 적용되는 일례에 대해 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 삼중접합(Triple Junction) 태양전지 혹은 p-i-n-p-i-n-p-i-n 구조를 포함하는 경우의 일례를 설명하기 위한 도이고, 도 10은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 포함하는 p형 반도체층의 두께에 따른 태양 전지의 효율을 일례로 도시한 도이다.
이하에서는 이상에서 상세히 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 박막 태양전지는 기판(100)의 입사면으로부터 제1 광전변환층(PV1), 제2 광전변환층(PV2) 및 제3 광전변환층(PV3)이 차례대로 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 광전 변환층(PV1)은 제1 전극(110)과 접하고, 제2 광전 변환층(PV2)은 제2 광전 변환층(PV2)에 위에 접하여 배치되고, 제3 광전 변환층(PV3)은 제2 광전 변환층(PV2) 위에 접하여 배치될 수 있다.
여기서, 제1 광전변환층(PV1), 제2 광전변환층(PV2) 및 제3 광전변환층(PV3)는 각각 p-i-n 구조로 형성될 수 있어, 기판(100)으로부터 제1 p형 반도체층(PV1-p), 제1 진성 반도체층(PV1-i), 제1 n형 반도체층(PV1-n), 제2 p형 반도체층(PV2-p), 제2 진성 반도체층(PV2-i), 제2 n형 반도체층(PV2-n), 제3 p형 반도체층(PV3-p), 제3 진성 반도체층(PV3-i) 및 제3 n형 반도체층(PV3-p)이 차례로 배치될 수 있다.
여기서, 제1 광전변환층(PV1)는 단파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있으며, 제2 광전변환층(PV2)는 단파장 대역과 장파장 대역 사이의 중간 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있고, 제3 광전변환층(PV3)는 장파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있다.
여기서, 제1 진성 반도체층(PV1-i), 제2 진성 반도체층(PV2-i) 및 제3 진성 반도체층(PV3-i)은 다양하게 구현될 수 있다.
도 9에서 제1 예로, 제1 진성 반도체층(PV1-i) 및 제2 진성 반도체층(PV2-i)은 비정질 실리콘(a-SiGe) 재질을 포함하고, 제3 진성 반도체층(PV3-i)은 미세 결정(microcrystal) 실리콘(μc-SiGe) 재질을 포함할 수 있다.
또한, 이와 다르게, 제2 예로 제1 진성 반도체층(PV1-i)은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함할 수 있으며, 제2 진성 반도체층(PV2-i) 및 제3 진성 반도체층(PV3-i)은 미세 결정 실리콘(μc-Si) 재질을 포함할 수 있다.
이와 같은 삼중 접합 태양 전지에서도 앞선 이중 접합 태양 전지에서 설명한 바와 같이, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 p형 반도체층을 구비할 수 있다.
즉, 제2 광전 변환층(PV2) 및 제3 광전 변환층(PV3) 중 적어도 하나에 포함되는 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 9의 삼중 접합 태양 전지에서, 제2 p형 반도체층(PV2-p)만 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하거나 제3 p형 반도체층(PV3-p)만 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함할 수도 있으며, 제2 p형 반도체층(PV2-p)과 제3 p형 반도체층(PV3-p) 모두가 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함할 수도 있다.
이와 같이 함으로써, 삼중 접합 태양 전지에서도 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 p형 반도체층을 구비하여 박막 태양 전지의 개방 전압(Voc)과 단락 전류(Jsc)를 보다 향상시킬 수 있다.
아울러, 제2 p형 반도체층(PV2-p)과 제3 p형 반도체층(PV3-p) 중 적어도 하나가 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 경우, 해당 p형 반도체층에서 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이로 함유하고, 미세 결정 실리콘(mc-Si) 물질은 산소를 1at% 이하로 함유하거나 함유하지 않을 수 있다.
이와 같은 제2 p형 반도체층(PV2-p)과 제3 p형 반도체층(PV3-p) 중 적어도 하나가 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 경우, 해당 p형 반도체층 내에서의 산소 농도(K)는 도 3 및 도 6에서 설명한 바와 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 이와 같은 삼중 접합 태양 전지에서도 앞선 이중 접합 태양 전지에서와 같이, 제2 광전 변환층(PV2) 및 제3 광전 변환층(PV3) 중 적어도 하나에 포함되는 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘(a-Si)을 함께 포함하는 제1 층(PV2-P1)과, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 제2 층(PV2-P2)을 포함할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 제2 광전 변환층(PV2) 및 제3 광전 변환층(PV3) 중 적어도 하나에 포함되는 p형 반도체층의 전기 전도도를 보다 향상시킬 수 있다.
이때, 제2 층(PV2-P2) 내에서의 산소 농도(K)는 앞선 도 7 및 도 8에서 설명한 바와 동일하게 적용될 수 있다.
아울러, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 p형 반도체층은 앞선 도 1 내지 도 8에서 설명한 바와 같이, p형 반도체층으로서의 기능뿐만 아니라, 중간 반사층으로서의 역할도 함께 수행하므로, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 p형 반도체층은 해당 p형 반도체층과 접하는 n형 반도체층의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
일례로, 도 9에서, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 및 제3 p형 반도체층(PV3-p)이 모두 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 경우, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 및 제3 p형 반도체층(PV3-p) 각각의 두께(TTp1, TTp2)는 제1 n형 반도체층 및 제2 n형 반도체층의 두께보다 두꺼울 수 있으며, 일례로, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 및 제3 p형 반도체층(PV3-p) 각각의 두께(TTp1, TTp2)는 50nm ~ 100nm 사이일 수 있다.
이와 같이, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 및 제3 p형 반도체층(PV3-p) 각각의 두께(TTp1, TTp2)는 50nm ~ 100nm 사이가 되도록 하는 것은 제2 p형 반도체층(PV2-p) 및 제3 p형 반도체층(PV3-p) 각각의 두께(TTp1, TTp2)에 따라 제1 i형 반도체층, 제2 i형 반도체층 및 제3 i형 반도체층 각각에서의 광흡수율이 달라지는데, 이를 고려한 것으로, 이에 따라 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 p형 반도체층(PV2-p) 및 제3 p형 반도체층(PV3-p) 각각의 두께(TTp1, TTp2)는 50nm ~ 100nm 사이일 때, 박막 태양 전지의 효율이 극대화되기 때문이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양 전지는 복수의 광전 변환층을 구비하는 박막 태양 전지에서, 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 p형 반도체층을 이용하여 중간 반사층의 기능을 함께 수행하도록 함으로써, 복수의 광전 변환층 사이에 별도의 중간 반사층을 구비할 필요가 없어, 제조 비용을 보다 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (16)
- 기판;
상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상부에 배치되는 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광전 변환부를 포함하고,
상기 광전 변환부는 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층을 각각 포함하는 복수의 광전 변환층을 포함하고,
상기 복수의 광전 변환층 중에서 상기 제1 전극과 접하는 광전 변환층을 제외한 나머지 광전 변환층 중에서 적어도 하나의 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환부는 상기 제1 전극과 접하는 제1 광전 변환층과 상기 제1 광전 변환층 위에 배치되는 제2 광전 변환층을 포함하고,
상기 제2 광전 변환층의 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 산소가 도핑된 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제2 광전 변환층의 p형 반도체층에서 상기 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이로 함유하고, 상기 제2 광전 변환층의 p형 반도체층에서 상기 미세 결정 실리콘(mc-Si) 물질은 산소를 1at% 이하로 함유하거나 함유하지 않는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제2 광전 변환층의 p형 반도체층은 상기 제1 광전 변환층의 n형 반도체층에 직접 접촉하는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 두께는 상기 제1 광전 변환층에 포함되는 n형 반도체층의 두께보다 두꺼운 박막 태양 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 두께는 50nm ~ 100nm 사이인 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 결정화도는 5% ~ 25% 사이에서 결정되는 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 밴드갭은 1.8 ~ 2.1 사이인 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제2 광전 변환층에 포함되는 p형 반도체층의 굴절률은 1.8 ~ 2.6 사이인 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제2 광전 변환층의 p형 반도체층은
상기 제1 광전 변환층에 인접하는 제1 층과 상기 제2 광전 변환층의 i형 반도체층에 인접하는 제2 층을 포함하고,
상기 제1 층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘(a-Si)을 함께 포함하고,
상기 제2 층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 박막 태양 전지. - 제 10 항에 있어서,
상기 제1 층은 산소를 2at% 이하로 함유하거나 함유하지 않고,
상기 제2 층은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이로 함유하는 박막 태양 전지. - 제 10 항에 있어서,
상기 제1 층의 두께는 상기 제2 층의 두께보다 작은 박막 태양 전지. - 제 10 항에 있어서,
상기 제1 층의 두께는 5nm 이하인 박막 태양 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 제1 광전 변환층에 포함되는 상기 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층 각각은 비정질 실리콘(a-Si)을 포함하고,
상기 제2 광전 변환층에 포함되는 상기 i형 반도체층 및 n형 반도체층 각각은 미세 결정 실리콘(mc-Si)을 포함하는 박막 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환부는
상기 제1 전극과 접하는 제1 광전 변환층, 상기 제1 광전 변환층 위에 배치되는 제2 광전 변환층 및 상기 제2 광전 변환층 위에 배치되는 제3 광전 변환층을 포함하고,
상기 제2 광전 변환층 및 상기 제3 광전 변환층 중 적어도 하나에 포함되는 p형 반도체층은 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 박막 태양 전지. - 제 15 항에 있어서,
상기 미세 결정 실리콘(mc-Si)과 상기 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)을 함께 포함하는 p형 반도체층에서 상기 비정질 실리콘 산화물(a-Si:Ox)은 산소를 2at%(atom%) ~ 10at% 사이로 함유하고, 상기 미세 결정 실리콘(mc-Si) 물질은 산소를 1at% 이하로 함유하거나 함유하지 않는 박막 태양 전지.
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