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KR20190049273A - 태양 전지 - Google Patents

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KR20190049273A
KR20190049273A KR1020170144926A KR20170144926A KR20190049273A KR 20190049273 A KR20190049273 A KR 20190049273A KR 1020170144926 A KR1020170144926 A KR 1020170144926A KR 20170144926 A KR20170144926 A KR 20170144926A KR 20190049273 A KR20190049273 A KR 20190049273A
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Abstract

본 발명에서는 캐리어 수집 특성을 높여서 효율을 높일 수 있는 태양 전지가 개시된다.
일 예로, 기판; 상기 기판의 상면에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층의 상면에 형성된 에미터층; 상기 에미터층의 상면에 형성된 적어도 하나의 전극층; 및 상기 에미터층의 상면의 영역 중, 상기 전극층이 형성되지 않은 영역에 대응하여 형성된 전면 전계층을 포함하는 태양 전지가 개시된다.

Description

태양 전지{Solar Cell}
본 발명은 캐리어 수집 특성을 높여서 효율을 높일 수 있는 태양 전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지 셀이 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지 셀은 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)의 반도체로 각각 이루어지는 기판(substrate) 및 에미터부(emitter layer)를 구비한다. 이때, 에미터부는 기판의 수광면 쪽에 위치하며, 기판과 에미터부의 계면에는 p-n 접합이 형성된다.
에미터부 위에는 상기 에미터부와 전기적으로 연결되는 제1 전극이 위치하고, 수광면의 반대쪽으로 기판에는 상기 기판과 전기적으로 연결되는 제2 전극이 위치한다.
이러한 태양 전지 셀에 빛이 입사되면 반도체 내부의 전자가 광전 효과(photoelectric effect)에 의해 자유전자(free electron)(이하, '전자'라 함)가 되고, 전자와 정공은 p-n 접합의 원리에 따라 n형 반도체와 p형 반도체 쪽으로, 예를 들어 에미터부와 기판 쪽으로 각각 이동한다. 그리고 이동한 전자와 정공은 기판 및 에미터부에 전기적으로 연결된 각각의 전극에 의해 수집된다.
본 발명은 캐리어 수집 특성을 높여서 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 태양 전지는 기판; 상기 기판의 상면에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층의 상면에 형성된 에미터층; 상기 에미터층의 상면에 형성된 적어도 하나의 전극층; 및 상기 에미터층의 상면의 영역 중, 상기 전극층이 형성되지 않은 영역에 대응하여 형성된 전면 전계층을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전면 전계층은 전이금속 산화물을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 상기 전면 전계층은 니켈 옥사이드(NiO)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 전면 전계층은 상기 에미터층의 영역 중에서, 상기 전극층이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역을 전체적으로 커버할 수 있다.
또한, 상기 전면 전계층은 상기 증착을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 전면 전계층은 상기 광흡수층에서 생성된 캐리어의 표면 재결합을 방지할 수 있다.
또한, 상기 전면 전계층은 표면에 도달하는 캐리어를 상기 전극층으로 유도할 수 있다.
또한, 상기 전면 전계층과 에미터층의 사이에는 버퍼층이 더 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 태양 전지는 에미터층의 상면에 전이금속 산화물로 구성된 전면 전계층을 구비함으로써, 캐리의 표면 재결합을 방지하고 제 2 전극을 통해 수집을 유도하여, 기존의 구조에 비해 효율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에서 캐리어가 전극으로만 수집되는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에 적용되는 니켈 옥사이드의 광 투과도를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 투과도를 비교예와 비교 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 양자 효율을 비교예와 비교 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 개방 전압 및 충진률을 비교예와 비교 도시한 그래프이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에서 캐리어가 전극으로만 수집되는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)는 기판(11), 상기 기판(11)의 상부에 형성된 제 1 전극(12), 상기 제 1 전극(12)의 상부에 형성된 광흡수층(13), 상기 광흡수층(13)의 상부에 형성된 버퍼층(14), 상기 버퍼층(14)의 상부에 형성된 에미터층(15), 상기 에미터층(15)의 상부에 형성된 제 2 전극(16), 상기 제 2 전극(16)의 사이에 형성된 전면 전계층(17)을 포함할 수 있다.
상기 기판(11)은 전체 태양 전지(10)의 구조 중 하부를 형성할 수 있다. 상기 기판(11)은 글라스, 스테인리스 스틸(SUS), 폴리이미드(PI)와 같은 다양한 재질로 구성될 수 있다. 다만, 상기 기판(11)의 재질로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
상기 제 1 전극(12)은 상기 기판(11)의 상면에 결합될 수 있다. 상기 제 1 전극(12)은 몰리브덴(Mo) 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 또는 금(Au)으로 형성될 수 있다. 제 1 전극(12)은 이러한 금속에 유기물, 용매 및 유리프릿 등을 혼합하여 페이스트로 만들고 이를 인쇄하고 소성하는 방식으로 형성되거나, 또는 시드(seed)층을 이용한 도금공정으로 형성될 수도 있다.
상기 광흡수층(13)은 CIGS층을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 CIGS층의 조성은 Cu(In1-XGax)Se2를 예시할 수 있다. x는 In과 Ga의 조성비를 나타내는 것으로 0<x<1이다. CIGS층상에는, 버퍼층으로서의 CdS(황화 카드뮴)층, ZnS(아연 황화물)층, ZnO(산화 아연)층, Zn(OH)2(수산화 아연)층 또는 이들의 혼정층을 포함할 수 있다. 다만, 이러한 광흡수층(13)의 재질로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
상기 버퍼층(14)은 상기 광흡수층(13)의 상부에 형성된다. 상기 버퍼층(14)은 상기 버퍼층으로는 가장 많이 사용되는 물질은 CdS이며, 통상적으로 CdS 박막은 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 형성될 수 있다. 그 외에도 상기 버퍼층(14)은 InxSey를 사용할 수도 있으며, 다만 상기 버퍼층(14)의 재질로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
상기 에미터층(15)은 ZnO, ITO 또는 Al을 도프한 ZnO(AZO) 등의 투명 도전막(15)으로 구성될 수 있다. 상기 에미터층(15)은 통상적으로 TCO(transparent conductive oxide)으로 알려져 있다. 이러한 에미터층(15)은 상기 버퍼층(14)의 표면 전체에 대해 형성될 수 있다.
상기 제 2 전극(16)은 상기 에미터층(15)의 상부에 일정한 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 제 2 전극(16)은 통상적인 핑거와 버스바의 형태로 구성될 수 있으나, 이로써 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
상기 제 2 전극(16)으로 사용될 수 있는 금속으로는 전기전도성이 높은 금속이 바람직하기 때문에, 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 또는 금(Au)이 사용될 수 있다.
상기 전면 전계층(Front Surface Field, FSF, 17)은 상기 제 2 전극(16)의 사이를 채우면서 형성될 수 있다. 상기 전면 전계층(17)은 산화물, 그 중에서 전이금속 산화물(Transition Metal Oxide, TMO)를 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 산기 전면 전계층(17)은 니켈 옥사이드(NiO)로서 구성될 수 있다.
상기 전면 전계층(17)은 상기 광흡수층(13)에서 생성된 캐리어가 태양 전지(10)의 표면에서 재겹합되지 않도록 하며, 이에 따라 캐리어가 상기 제 2 전극(16)에서만 수집되도록 할 수 있다.
보다, 구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 광흡수층(13)에서 생성된 캐리어(예를 들어, 전자)는 상기 태양 전지(10)의 표면으로 이동하나, 표면에서 상기 전면 전계층(17)에 의해 다시 표면 내측으로 이동하게 된다. 또한, 상기 캐리어들은 상기 제 2 전극(16)으로 이동이 가능하기 때문에, 결과적으로 캐리어의 수집 효율을 높일 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 효과를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에 적용되는 니켈 옥사이드의 광 투과도를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에서 상술한 전면 전계층(17)의 예시로서, 40nm 두께의 니켈 옥사이드(NiO)를 사용했을 경우, 광투과도 및 광학적 밴드갭이 도시되어 있다.
그래프에서 보듯이, 니켈 옥사이드의 경우, 태양전지에서 주로 사용되는 가시광선 영역(380nm 내지 800nm)에서 광 투과도가 약 90%에 해당됨을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 니켈 옥사이드를 전면 전계층(17)으로서 증착한 경우, 태양 전지의 액티브 영역에서의 손실은 적음을 알 수 있다.
또한, 그래프에서 보듯이 광학 밴드갭(optical band gap)은 3.67[eV]로 측정되었으며, 이러한 광 투과도 및 광학 밴드갭은 에미터층(15)에 대한 코팅층으로서 적절한 수준으로 확인된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 투과도를 비교예와 비교 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 전면 전계층(17)로서 니켈 옥사이드가 증착된 에미터(AZO)를 갖는 실시예와 전면 전계층이 증착되지 않은 에미터(AZO)를 갖는 비교예의 투과도가 비교된다.
그래프에서 보듯이, 본 발명의 실시예와 비교예에서, 파장대별로 광 투과도의 차이가 존재하나, 전반적인 파장 대역에서의 투과율을 약 90% 수준으로 니켈 옥사이드를 증착하였음에서 광 손실이 거의 발생되지 않음을 확인할 수 있다.
특히, 도 4의 결과는 전면 전계층(17)의 경우 에미터(15)의 상면에 증착되어 태양 전지(10)의 구성을 이루기 때문에, 에미터를 포함한 전체 구조로서의 광 투과도가 실제 광 손실과 관련된다는 점에서 의미가 있다. 본 출원의 발명자는 니켈 옥사이드를 증착함에도 기존 에미터만 존재하는 구조에 비해 광 손실의 차이가 없음을 확인하였다.
또한, 실시예와 비교예의 저항, 캐리어 밀도, 홀 이동도를 비교하면 다음과 같다.
Resistivity
[ohm cm] 		Carrier density
[1/cm -3 ] 		Hall mobility
[ cm 2 /V-sec]
비교예 ( AZO ) 3.79E -04 6.23E +20 2.64E +01
실시예 ( NiO / AZO ) 3.92E -04 5.82E +20 2.74E +01
즉, 표 1에서 보듯이, 전체적인 전기적 특성 역시 니켈 옥사이드를 증착하였음에도 유사한 수치를 보여주며, 따라서 태양 전지의 구조에 본 발명의 실시예에 따른 전면 전계층(17)을 적용할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 양자 효율을 비교예와 비교 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 역시 니켈 옥사이드를 전면 전계층(17)으로 증착한 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)와 이를 포함하지 않는 비교예의 태양 전지는 모든 파장 대에서 양자효율에서 유사한 양상을 보여주고 있다. 따라서, 전면 전계층(17)을 통해서도 양자 효율에서의 손실이 없음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 니켈 옥사이드가 증착된 태양 전지의 개방 전압 및 충진률을 비교예와 비교 도시한 그래프이다.
도 6의 그래프를 참조하면, 개방전압(Voc)의 경우, 니켈 옥사이드를 증착한 실시예의 경우 640.25[mV]로서, 증착되지 않은 비교에에서의 621.22[mV]에 비해 증가하였음을 알 수 있고, 충진률 역시 14.73%로서 비교예의 14.12%에 비해 증가하였음을 확인할 수 있다. 따라서, 태양 전지의 효율이 증가하였음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)는 에미터층(15)의 상면에 전이금속 산화물로 구성된 전면 전계층(17)을 구비함으로써, 캐리의 표면 재결합을 방지하고 제 2 전극(16)을 통해 수집을 유도하여, 기존의 구조에 비해 효율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
앞서 설명한 것은 본 발명에 의한 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10; 태양전지 11; 기판
12; 제 1 전극 13; 광흡수층
14; 버퍼층 15; 에미터층
16; 제 2 전극 17; 전면 전계층

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판의 상면에 형성된 광흡수층;
    상기 광흡수층의 상면에 형성된 에미터층;
    상기 에미터층의 상면에 형성된 적어도 하나의 전극층; 및
    상기 에미터층의 상면의 영역 중, 상기 전극층이 형성되지 않은 영역에 대응하여 형성된 전면 전계층을 포함하는 태양 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전계층은 전이금속 산화물을 포함하여 구성되는 태양 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전계층은 니켈 옥사이드(NiO)를 포함하여 구성되는 태양 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전계층은 상기 에미터층의 영역 중에서, 상기 전극층이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역을 전체적으로 커버하는 태양 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전계층은 상기 증착을 통해 형성되는 태양 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전계층은 상기 광흡수층에서 생성된 캐리어의 표면 재결합을 방지하는 태양 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전계층은 표면에 도달하는 캐리어를 상기 전극층으로 유도하는 태양 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전계층과 에미터층의 사이에는 버퍼층이 더 형성되는 태양 전지.
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