KR20210099964A - 양면 수광형 태양전지의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 따르면, 양면 수광형 태양전지의 제조방법이 제공된다. 상기 양면 수광형 태양전지의 제조방법은 제 1 투명전극층 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계는, 상기 광전변환층 상에 제 1 AZO 박막, 4㎚ 내지 8㎚의 퍼콜레이션 두께(percolation thickness)를 구비하는 산화은(AgOx) 박막 및 제 2 AZO 박막을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하며, 상기 산화은(AgOx) 박막은 스퍼터링 방식을 이용하여, 챔버 내에 불활성가스 및 산소가스를 함유하는 공정가스를 공급하고, 은(Ag) 타겟에 고전압을 인가함으로써 상기 제 1 AZO 박막 상에 증착하여 형성된 것을 포함한다.
Description
본 발명은 양면 수광형 태양전지의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 BIPV(building-integrated photovoltaic) 시스템에 적용 가능하도록 산화은 투명 전극을 사용하여 개선된 투과성을 갖는 양면 수광형 태양전지의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지에 관한 것이다.
BIPV(Building-Integrated Photovoltaic) 시스템은 주거 건물에 전력을 공급하며 환경 보호를 촉진하고 화석 연료 에너지 사용을 줄이는 데 가장 유망한 건물 관련 기술 중 하나이다. 특히, 최근 건물의 주요 외관 구성 요소를 형성하기 때문에 BIPV 창의 광학적 및 열적 특성을 향상시키는 데 관심을 기울이고 있다. BIPV 창으로 사용하기 위한 대표적인 투명한 태양전지 모듈은 염료감응형 태양전지, 유기 태양전지 등이 있다. 그러나 이들 태양전지는 장기간 작동시 열악한 신뢰성과 관련된 문제를 극복해야하는 문제점이 있다.
또한, 반투명 태양 전지의 성능을 향상시키기 위해서는 투명성이 높고 전도성이 우수한 전극이 필요하다. 가장 일반적으로 투명한 전도성 전극으로 사용되는 투명한 전도성 산화물(TCOs)은 전도도를 향상시키기 위해 어닐링(annealing) 공정을 거쳐 약 300℃ 이상의 온도에서 스퍼터링 방법을 사용하여 제조된다. 그러나, 비정질 실리콘 태양전지 모듈의 경우, 하부 실리콘을 열화시키고, 실리콘과 전면 접촉부 사이의 계면에서 바람직하지 않은 균열을 유도할 수 있다.
최근, 탄소나노튜브, 그래핀 및 은(Ag) 나노와이어 등과 같은 새로운 전극 물질에 대한 개발이 진행중이다. 탄소 기반의 전극은 일반적으로 면저항(Rsq)이 다른 투명 전도성 전극보다 몇 배나 높으며, 은 나노와이어는 높은 투과율과 낮은 면저항을 갖지만, 은 재료 자체의 부식 문제로 인해 장기간 안정된 전기 전도성을 갖지 못한다.
한편, OMO 구조를 이용하여 투명전극층을 제조하는 기술도 개발되고 있다. 여기서, 산화물 박막층 사이에 개재된 메탈 재료로서, 은(Ag)을 기반으로 하는 OMO 구조를 개발하고 있으나, OMO 구조에서의 두꺼운 은(Ag) 박막은 가시광선 및 근적외선 파장 대역에서의 반사율 증가로 인해, OMO 구조 전체의 투과율을 저하시킨다. 또, 아일랜드(island) 모양으로 거친 표면을 형성하는 얇은 은(Ag) 박막을 구현하더라도 OMO 구조 전체의 투과율과 전기전도도를 저하시킨다.
종래의 BIPV 시스템에 적용되는 태양전지 모듈은 장기간 작동시 열악한 신뢰성과 관련된 문제를 극복해야 하며, 투명성이 높고 전도성이 우수한 새로운 형태의 전극의 개발이 필요한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 산화은 투명 전극을 사용하여 개선된 투과성을 갖는 양면 수광형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 양면 수광형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 양면 수광형 태양전지의 제조방법은 제 1 투명전극층 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계는, 상기 광전변환층 상에 제 1 AZO 박막, 4㎚ 내지 8㎚의 퍼콜레이션 두께(percolation thickness)를 구비하는 산화은(AgOx) 박막 및 제 2 AZO 박막을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하며, 상기 산화은(AgOx) 박막은 스퍼터링 방식을 이용하여, 챔버 내에 불활성가스 및 산소가스를 함유하는 공정가스를 공급하고, 은(Ag) 타겟에 고전압을 인가함으로써 상기 제 1 AZO 박막 상에 증착하여 형성될 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광전변환층을 형성하는 단계는, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광전변환층을 형성하는 단계는, P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 N형 반도체층은 상기 제 1 AZO 박막의 하부면과 접촉할 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 투명전극층의 표면은 텍스처링(texturing)된 것일 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 공정가스 내 상기 산소가스의 분압은 5% 내지 20%일 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따르면, 상술한 제조방법 중 어느 하나를 이용하여 구현된 양면 수광형 태양전지를 제공한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 비독성이며, 대면적으로 제조가 가능하고, 장시간 가동시에도 신뢰성이 우수하고, 투과도 및 전기전도성이 우수한 산화은 투명 전극을 사용하여 개선된 투과성을 갖는 양면 수광형 태양전지의 제조방법을 제공할 수 있으며, 상기 제조방법에 의해 구현된 양면 수광형 태양전지를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 OMO 구조의 전극 샘플들의 표면 모폴로지(surface morphology)를 AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 OMO 구조의 전극 샘플들의 금속층 두께에 따른 전기적 특성을 분석한 결과이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예에 따른 OMO 구조의 전극 샘플들의 금속층 두께에 따른 광학적 특성을 분석한 결과이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 샘플들의 금속층 두께에 따른 태양전지의 특성을 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 샘플들의 금속층 두께에 따른 평균 투과도 및 성능지수(FOM)를 정리한 결과이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 OMO 구조의 전극 샘플들의 표면 모폴로지(surface morphology)를 AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 OMO 구조의 전극 샘플들의 금속층 두께에 따른 전기적 특성을 분석한 결과이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예에 따른 OMO 구조의 전극 샘플들의 금속층 두께에 따른 광학적 특성을 분석한 결과이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 샘플들의 금속층 두께에 따른 태양전지의 특성을 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 샘플들의 금속층 두께에 따른 평균 투과도 및 성능지수(FOM)를 정리한 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 양면 수광형 태양전지(100)는 제 1 투명전극층(10), 광전변환층(20) 및 제 2 투명전극층(30)이 순차적으로 적층된 구조를 포함한다. 여기서, 광전변환층(20)은 예를 들어, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층을 포함할 수 있다. 상기 수소화된 비정질 실리콘은 비독성 물질로서, 대면적으로 제조가 가능하고, 신뢰성이 우수한 이점이 있다.
광전변환층(20)은 예를 들어, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층을 제 1 투명전극층(10) 상에 형성할 수 있다. 여기서, 광전변환층(20)은 제 1 투명전극층(10)의 표면 구조에 의해 같은 형태의 박막층으로 형성될 수 있다.
광전변환층(20)은 P형 반도체층(22), I형 반도체층(24) 및 N형 반도체층(26)을 포함한다. 예컨대, 수소화된 비정질 실리콘은 P형 또는 N형의 도전형 제어가 가능하다. 그러므로 상기 수소화된 비정질 실리콘을 P형과 N형으로 제조하여 PN 접합 구조를 형성할 수 있다. 그러나, 비정질 반도체이기 때문에 캐리어 이동도가 작고, 재결합 수명이 짧기 때문에 소수 캐리어의 확산 길이는 약 0.1㎛ 내지 1㎛이고, 확산만을 이용하는 PN 접합 구조에서는 충분한 광시전력효과를 기대할 수 없다.
따라서, PN 접합 구조 사이에 약 0.5㎛ 두께의 I형 반도체층(24)을 개재하여 PIN 접합 구조로 형성한다. I형 반도체층(24)은 고저항을 가지며, I형 반도체층(24)에 가해지는 내부전계에 의해 빛에 따라 생성된 전자와 정공을 빠르게 각각 P형 반도체층(22)과 N형 반도체층(26)으로 유입시킨다.
또한, 수소화된 비정질 실리콘에서는 원자배열의 장거리 질서가 없으므로 광학천이시 파수보존이 필요 없다. 그러므로 간접천이형에서 파수보존을 위해서 포논의 도움이 필요한 결정질 실리콘 대비, 흡수단의 고에너지축에서 큰 흡수계수를 가지므로 약 0.5㎛의 두께정도로 얇은 광전변환층(20)을 형성할 수 있다.
P형 반도체층(22)의 하부면은 제 1 투명전극층(10)의 상면과 접하고, N형 반도체층(26)의 상부면은 제 2 투명전극층(30)의 하면과 접한다. 여기서, P형 반도체층(22) 및 N형 반도체층(26)과 접촉하는 투명전극층의 종류는 제조과정에 따라 서로 달라질 수도 있다.
제 1 투명전극층(10)은 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Flourine doped Tin Oxide) 등과 같은 투명한 전도성 산화물을 사용할 수 있다. 제 1 투명전극층(10)으로서 상기 투명한 전도성 산화물을 사용하되, 제 1 투명전극층(10)이 구조적으로 단단한 재료일 경우, 즉, BIPV용으로서, 외부의 충격 등에 강한 재질일 경우, 제 1 투명전극층(10) 자체를 전극과 기판용도로 사용할 수 있다.
제 1 투명전극층(10)의 상부 표면의 적어도 일부는 텍스처링(texturing) 된 것을 사용할 수 있다. 상기 텍스처링은 결정질 실리콘 태양전지에서 사용되는 방식을 이용할 수 있으며, 상기 텍스처링 구조에 따라 빛의 반사율 및 굴절율을 제어함으로써 보다 높은 광전변환효율을 만족할 수 있다.
한편, 제 1 투명전극층(10)의 재질이 외부 충격에 약한 재질일 경우, 유리(glass), 폴리머(polymer) 등 투명한 재질의 기판(미도시)을 적용할 수 있다. 이 경우, 상기 기판 상에 스퍼터링 방식, 전자빔 방식, 이온 플레이팅 방식, 스크린 인쇄 방식 또는 화학적 기상 증착(CVD) 방식, 스프레이 열분해 방식(SPD), 피로졸법 등과 같은 증착 방식 중 어느 하나를 사용하여 제 1 투명전극층(10)을 형성할 수 있다. 이후에, 제 1 투명전극층(10)의 상부 표면의 적어도 일부는 텍스처링(texturing) 할 수 있다. 상기 증착 방식들은 기공지된 기술들로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제 2 투명전극층(30)은 산화물-금속-산화물(Oxide-Metal-Oxide, 이하 OMO 구조) 적층구조를 가지며, 제 1 AZO 박막(32), 산화은(AgOx) 박막(34) 및 제 2 AZO 박막(36)이 순서대로 적층된 형태일 수 있다. 투명한 전도성 산화물층 사이에 높은 전도성을 가진 금속 박막을 가진 다층 전극을 삽입한 OMO 구조는 기존 전극의 형성 대비 상대적으로 저온 공정을 이용하여 제작할 수 있다.
제 2 투명전극층(30)은 예를 들어, 스퍼터링 방식을 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 타겟을 이용하여 광전변환층(20) 상에 제 1 AZO 박막(32)을 형성하는 단계, 은(Ag) 타겟을 이용하여 제 1 AZO 박막(32) 상에 산화은(AgOx) 박막(34)을 형성하는 단계 및 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 타겟을 이용하여 산화은(AgOx) 박막(34) 상에 제 2 AZO 박막(36)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스퍼터링 방식은, 챔버 내에 공정가스를 공급하고, 은(Ag) 타겟에 고전압을 인가함으로써 광전변환층(20) 상에 산화은(AgOx) 박막(34)을 증착하는 단계를 포함하되, 상기 공정가스로 불활성가스 및 산소가스를 혼합한 혼합가스를 사용하되, 상기 공정가스 내 상기 산소가스의 분압은 5% 내지 20%일 수 있다. 여기서, 상기 불활성가스는 아르곤, 질소 또는 이들의 혼합가스를 포함한다.
한편, 상기 공정가스 내 산소가스의 분압은 5% 내지 20%의 범위에서 제어되어 산화은 박막(34)을 형성할 수 있으나, 제 1 AZO 박막(32), 제 2 AZO 박막(36)의 두께에 따라서 산화은 박막(34)의 두께가 제어될 수 있고, 산소가스의 분압에 의해 전도도 및 투과도가 각각 변화하게 된다. 따라서, 공정가스 내 산소가스의 분압은 제 2 투명전극층(30)을 구성하는 다층 박막들의 두께에 따라 조절되며, 바람직하게는 10% 내지 15%일 수 있으며, 더 바람직하게는 11% 내지 14%의 범위일 수 있다.
제 1 AZO 박막(32) 및 제 2 AZO 박막(36)은 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(Zinc Oxide) 박막(AZO)으로서, 경우에 따라 전면전극층으로 사용된 제 1 투명전극층(10)과 동일한 재료를 사용할 수도 있다.
산화은 박막(34)은 예를 들어, 금속 중에서 가장 작은 저항성을 갖는 은(Ag)을 사용하되, 순수한 은(Ag)이 아닌 소정 량의 산소가 도핑된 은(Ag)을 포함한다. 이를 AgOx로 표현할 수 있으며, 상기 AgOx에서 x는 임의의 실수로서, 산소의 함유량에 따라 달라진다.
한편, OMO 구조를 갖는 제 2 투명전극층(30)의 전도도와 투과율은 제 1 AZO 박막(32), 산화은 박막(34) 및 제 2 AZO 박막(36)의 두께로 결정된다. 여기서, 산화은 박막(34)은 가장 중요한 요소로서, 종래에 사용되던 은(Ag) 박막 대비 높은 광 투과도와 우수한 전기적 특성을 갖는다.
은(Ag)은 입자 성장 초기에 은 금속 원자가 별개의 섬으로 형성된다. 그러나 특정 임계 두께에서, 전기 저항 및 광흡수는 은(Ag) 박막의 두께 감소와 함께 급격하게 증가한다. 예를 들면, 이 임계 두께보다 크면 은(Ag) 박막의 두께에 따라 전기 저항이 감소하는 반면, 가시광 및 근적외선 영역에서 은(Ag) 박막의 강한 반사 때문에 투과율이 급격히 떨어진다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 은(Ag) 박막 내에 산소(Oxygen) 성분을 도핑함으로써, 전기적 특성의 큰 손실이 없이 가시광 파장 대역에서의 투과율을 향상시켰다.
산화은 박막(34) 내에 도핑된 산소의 함량에 따라 은(Ag)와 함께 은(Ag)의 산화물, 예컨대, Ag2O 이나 AgO가 함께 공존할 수 있다. 본 발명의 발명자는 전기전도도 및 광투과도를 최적화하기 위해서는 산화은 박막(34)의 최적 두께가 있음을 발견하였으며, 이에 대한 상세한 설명은 실험예를 통해서 보다 구체적으로 후술한다.
산화은 박막(34)은 4㎚ 내지 8㎚의 퍼콜레이션 두께(percolation thickness)를 가질 수 있다. 바람직하게는 5㎚ 내지 7㎚의 퍼콜레이션 두께를 가질 수 있으며, 더 바람직하게는 5.5㎚ 내지 6.5㎚의 퍼콜레이션 두께를 가질 수 있다. 여기서, 퍼콜레이션은 박막 성장시 아일랜드형(island type) 성장이 진행되다가 컨포멀(conformal)한 형태의 박막이 될 때의 임계두께를 의미한다. 상기 퍼콜레이션 두께의 최적 범위를 선정한 이유에 대해서는 이하 실험예들을 통해 후술한다.
은(Ag)의 경우, 표면에너지가 큰 금속으로서, 박막 성장시 표면에너지를 최소화하기 위해서 안정된 상태의 구형의 아일랜드 형태를 이루게 된다. 이 경우, 박막 두께를 줄이는데 한계점으로 작용함과 동시에 박막의 표면거칠기를 증가시킨다. 본 발명에서는 이와 같은 아일랜드 성장을 억제하기 위해서 은(Ag) 박막을 증착할 때, 반응성 가스로 산소가스를 공급함으로써 퍼콜레이션 두께 및 연속박막의 한계 두께를 낮출 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
먼저, 상용화된 표면이 텍스처링 된 FTO(fluorine-doped tin oxide) 박막 상에 PECVD 방식을 이용하여 약 250℃의 온도에서 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막을 PIN 접합 구조로 합성하였다. 수소화된 비정질 실리콘 박막은 다중 챔버 클러스터 시스템에서 수행되었으며, P형의 수소화된 비정질 실리콘 박막층은 B2H6, PH3 및 CO2의 도판트 가스의 혼합물로 증착되었다. I형의 수소화된 비정질 실리콘 박막층은 40.68㎒ 및 30W의 매우 높은 주파수 조건에서 H2로 희석된 SiH4 소스가스를 사용하여 증착되었다. 이후에 N형의 SiOx 박막층은 P형의 수소화된 비정질 실리콘 박막층을 형성하는 것과 동일한 가스의 혼합물로 증착되었다.
상기 수소화된 비정질 실리콘 박막을 형성한 이후에 연속적으로 수소화된 비정질 실리콘 박막 상에 OMO 구조를 갖는 전극을 형성하였다. OMO구조를 갖는 전극은 스퍼터링 공정을 통해 분리된 챔버에서 각각 증착시켰다. 먼저, 제 1 AZO 박막은 실온에서 1.25W/㎠의 DC 전력에서 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 수행하였다. 증착 챔버는 스퍼터링 전, 1.2 × 10-6Torr로 배기시키고, 스퍼터링은 10.2sccm의 유량으로 아르곤(Ar) 가스로 2 mTorr에서 수행하였다. 여기서, 약 50㎚ 두께의 제 1 AZO 박막은 1wt%의 알루미늄이 도핑된 산화아연 타겟을 이용하여 증착하였다.
또한, 은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막은 4mTorr의 공정 압력하에서, 0.125W/㎠의 DC 전력에서 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 실온에서 각각 형성하였다. 여기서, 산화은(AgOx) 박막은 20sccm의 Ar 가스 유량의 조건하에서 3sccm로 O2 가스의 유량을 제어하면서 증착하였다.
이후에 제 2 AZO 박막은 실온에서 500W의 DC 전력에서 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 수행하였으며, 제 1 AZO 박막과 동일한 공정조건으로 동일한 두께로 증착하였다.
이하에서, 은(Ag) 박막은 비교예 샘플로 이해될 수 있으며, 산화은(AgOx) 박막은 실험예 샘플로 이해될 수 있다. 각 샘플별로 2㎚, 4㎚, 6㎚, 8㎚ 및 10㎚의 두께로 금속 박막을 적용한 OMO 구조의 전극을 각각 형성한 후 광학적 특성을 분석하였으며, 이를 토대로 박막 태양전지를 제조한 후 태양전지의 성능을 테스트 하였다. 또, 상기 샘플들의 굴절율(refractive indices) 및 흡광계수(extinction coefficients)를 비교하기 위하여, 50㎚ 두께의 AZO 박막을 다른 비교예로 추가하였다.
각 실험예 샘플들은, 엘립소미터를 사용하여 각 박막의 굴절률 및 흡광계수를 측정하였으며, 각 박막의 두께별 상관관계를 파악하기 위해서, 각 박막의 두께별 OMO 구조의 전극의 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다.
산화은(AgOx) 박막 샘플의 산소 함량은 X선 광전자 분광법(XPS)을 이용하여 측정하였다. 이때, 예기치 못한 산소 검출을 배제하기 위해서, 실리콘(Si) 기판 상에 은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막 샘플(8㎚의 두께)을 각각 준비하고, 깊이 프로파일링을 위해 이온 빔을 사용하여 40초의 에칭주기 내에서 XPS 측정을 수행하였다.
투과율(T) 및 반사율(R) 값은 자외선-가시광선 분광광도계(Cary 5000, Varian)를 사용하여 측정되었으며, 4-프로브시스템(MCP-T600, 미츠비시 케미칼 컴퍼니)을 사용하여 면저항을 측정하였다.
은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막의 표면 모폴로지는 표면적이 1㎛ × 1㎛로 제작된 OMO 구조의 전극 샘플을 제작하여 원자력현미경(AFM, NX10, Park System)으로 분석하였으며, 3D 표면 이미지 및 RMS(root-mean-square)를 측정하였다. 또, 각도측정기(SDLAB-200TEZ, Femtofab)를 사용하여 5μL의 액적을 갖는 은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막 상의 접촉각을 측정하였다.
또한, 양자 효율 측정 시스템(IQE-200, Newport Co.)을 사용하여 태양전지의 외부 양자 효율을 측정하였으며, 태양 광 시뮬레이터(Oriel 300, Newport Co.)와 소스 미터(Keithley 2400)를 사용하여 효율(h), 개방 회로 전압 (VOC), 단락 전류 밀도 (JSC)를 분석하였으며, 표준 권장 AM1.5G 방사 조도(front incident) 및 발광 다이오드(light-emitting diode, LED) 조명하에서 측정하였다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 OMO 구조의 전극 샘플들의 표면 모폴로지(surface morphology)를 AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 측정한 결과이다.
먼저, 도 2의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 4㎚ 두께의 은(Ag) 박막의 표면이 매우 거칠며, 아일랜드 형태가 관찰되었으며, 박막의 평균 RMS는 2㎚ 이하로 나타났다. 은(Ag) 박막 또는 산화은(AgOx) 박막의 거칠기는 두께가 증가함에 따라 감소하나, 산화은(AgOx) 박막의 거칠기는 은(Ag) 박막의 거칠기보다 상대적으로 더 매끄러운 표면을 갖는 것으로 나타났다.
도 2의 (e)를 참조하면, 모든 산화은(AgOx) 박막은 초기 성장 단계에서, 은(Ag) 박막보다 낮은 RMS 거칠기 값을 갖는다. 금속의 침투 두께는 표면에너지에 의해서 제한될 수 있다. 따라서, 표면에너지의 변화를 통해서 퍼콜레이션 두께를 제어할 수 있다. 본 발명자는 산화은(AgOx) 박막의 성장이 산화은(AgOx) 박막의 표면에너지와 관련이 있는 것을 예측했으며, 그 결과를 살펴보기 위하여, 각 박막 샘플의 접촉각을 측정했다.
도 2의 (f)를 참조하면, 10㎚ 두께의 은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막의 접촉각은 각각 70.7° 및 47.5°이다. 이들 결과는 소량의 산소 도핑만을 사용함으로써 은(Ag)의 금속 결합 및 표면에너지가 효과적으로 감소되는 것으로 판단된다.
도 2의 (g) 및 (h)를 참조하면, Ag 3d 5/2 및 Ag 3d 3/2의 피크는 각각 368.7 및 374.7 eV에 있다. 두 결합 에너지 피크는 소량의 산소의 첨가에 의해, 산화은(AgOx) 박막 샘플에서 은(Ag) 박막 샘플 대비 0.1 eV 이하의 크기만큼 증가했다.
두 박막 샘플에서 관찰된 531.9 eV의 표면 산화물 결합 피크는 대기에서 자연적으로 형성된 산소에 기인하지만 530.0 eV에서의 Ag-O 결합은 산화은(AgOx) 박막 샘플에서만 나타난다. Ag2O에서 Ag-O의 결합 에너지는 529.2 eV이므로, 높은 결합 에너지(530.0 eV)는 Ag2O 보다 AgOx의 Ag 함량이 높기 때문인 것으로 여겨진다. 따라서, AgOx의 산소 함량은 Ag-O 결합을 기준으로 12.7at% 인 것으로 계산된다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 OMO 구조의 전극 샘플들의 금속층 두께에 따른 전기적 특성을 분석한 결과이다. 여기서, 도 3의 (a)는 박막 샘플의 면저항을 측정한 것이고, 도 3의 (b)는 하기 수학식 1을 참조하여 계산된 저항률을 정리한 결과이다.
수학식 1에 따라 측정 된 OMO 구조를 갖는 전극의 저항(ROMO)을 사용하여 중간에 개재된 금속 박막의 저항률(ρmetal)을 계산하였다.
수학식 1 : 
(여기서, dmetal 및 dAZO는 각각 금속 박막 및 AZO 박막의 두께 값이고, ρAZO는 AZO의 저항률임.)
도 3의 (a)를 참조하면, OMO 구조의 전극 샘플들의 면저항(Rsh)은 금속층인 은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막의 두께가 증가함에 따라 감소한다. 6㎚ 미만의 금속 박막에 대하여, 산화은(AgOx) 박막을 포함하는 전극에서의 면저항 값은 은(Ag) 박막을 포함하는 전극에서의 면저항 값보다 낮다. 반면, 6㎚를 초과하면, 산화은(AgOx) 박막을 포함하는 전극에서의 면저항 값은 은(Ag) 박막을 포함하는 전극에서의 면저항 값보다 약간 더 높다.
도 3의 (b)를 참조하면, 은(Ag) 박막의 포화 저항은 산화은(AgOx) 박막보다 낮았으나, 임계 두께는 산화은(AgOx) 박막이 은(Ag) 박막보다 더 낮았다. 이는 소량의 산소가 첨가됨으로써, 금속 박막의 침투 두께를 감소시킬 수 있는 것을 의미한다.
또한, 산소의 첨가는 순수한 은(Ag) 박막보다 낮은 값으로 산화은(AgOx) 박막의 포화 전도도를 감소시킬 수는 없으나, 산화은(AgOx) 박막의 전도도는 여전히 매우 낮다. 따라서, 산화은(AgOx) 박막을 포함하는 전극은 두께가 매우 낮은 영역에서 은(Ag) 박막을 포함하는 전극보다 우수한 성능을 발휘한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예에 따른 OMO 구조의 전극 샘플들의 금속층 두께에 따른 광학적 특성을 분석한 결과이다.
먼저, 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 가시광선 파장 대역에서의 산화은(AgOx) 박막의 높은 흡광계수는 금속과 유사한 거동을 보여준다. 산화은(AgOx) 박막의 스펙트럼은 은(Ag) 박막의 스펙트럼과 AZO 박막의 스펙트럼이 중간값 부근에 위치하므로, 은(Ag) 박막 및 AZO 박막의 광학적 적용성은 산화은(AgOx) 박막과 조합하여 사용될 때, 개선될 것으로 예상된다. 즉, 연속적인 박막의 임계 두께는 얇은 퍼콜레이션 금속 박막이 OMO 구조를 갖는 전극의 광 투과성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 산소의 함량 및 박막 증착시 공정 조건의 변화에 따라 산화은(AgOx) 박막의 굴절률 및 흡광계수가 변할 수 있다.
도 4의 (c) 및 (d)를 참조하면, 산화은(AgOx) 박막을 포함하는 OMO 전극은 은(Ag) 박막을 포함하는 OMO 전극 대비, 가시광선 파장 대역에서 표면이 더 매끄러우며, 투과율이 현저하게 개선되었다. 게다가, 금속 박막의 두께가 퍼콜레이션 두께 미만인 경우, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막을 포함하는 OMO 전극 모두에 대해서, 장파장 대역에서 투과율 감소가 관찰될 수 있다.
이것은 (OL = 100%-(T + R))로 계산된 광학손실(이하, OL) 때문인 것으로 판단된다. OL은 흡광계수(도 4의 (b))와 흡수층의 두께의 곱에 지수적으로 비례한다. 도 4의 (b)의 흡광계수와 OMO 전극에서 AZO 박막의 총 두께(100㎚ 이하, 산화은(AgOx) 박막 두께의 거의 10배)를 고려할 때, OL은 주로 AZO 박막(350㎚ 미만)과 산화은(AgOx) 박막(350㎚ 내지 400㎚)의 흡광도에 기인 한 것으로 추론 할 수 있다.
400㎚ 이상에서, OL은 은(Ag) 박막 또는 산화은(AgOx) 박막의 높은 흡광계수 및 OMO 구조를 갖는 전극에서 관찰될 수 있는 이들 금속 박막의 아일랜드 형상으로 인한 흡광도 향상에 기인할 수 있다.
도 4의 (e) 및 (f)를 참조하면, OL은 2 내지 6㎚ 범위의 두께의 은(Ag) 박막을 포함하는 OMO 전극의 경우, 장파장대역(> 450㎚)에서 증가한다. 2㎚ 두께의 산화은(AgOx) 박막을 포함하는 OMO 전극의 경우, 퍼콜레이션 임계 두께에서, 도 2의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 거친 아일랜드 형태를 보여준다.
또한, 4㎚ 두께의 산화은(AgOx) 박막이 퍼콜레이션 임계 두께보다 낮더라도, 4㎚ 두께를 갖는 산화은(AgOx) 박막의 RMS 거칠기는 6㎚의 은(Ag) 박막의 RMS 거칠기보다 낮다. 이는 도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 거친 표면이 OL의 주요 원인으로서 결정립계 산란과 플라즈몬 효과를 향상 시킨다고 판단한다.
또한, 은(Ag) 박막 또는 산화은(AgOx) 박막의 두께가 각각 퍼콜레이션 임계 두께에 근접할 경우, OMO 전극의 반사가 감소한다. 이는 금속 박막의 표면에서의 산란 혹은 반사도가 감소했기 때문인 것으로 판단된다. OMO의 금속 박막의 두께가 퍼콜레이션 임계 두께보다 큰 경우, 금속 박막의 표면에서의 반사도가 증가하여 장파장(> 650㎚)에서의 투과율이 더 감소한다.
도 5를 참조하면, 금속 박막의 두께에 따라 퍼콜레이션 임계 두께에서 최적의 광학적 특성이 얻어질 수 있는 것을 보여준다. 산화은(AgOx) 박막을 포함하는 OMO 구조 전극의 두께가 6㎚일 경우, 평균 투과도(이하, Tavg) 최대값은 93.5%이고, 평균 광학 손실(이하, OLavg) 최소값은 1.01%이다. 반면, 은(Ag) 박막을 포함하는 OMO 전극 구조의 경우, Tavg 최대값은 87.2%이고, OLavg 최소값은 6.02%이다.
만약, 금속 박막의 퍼콜레이션 임계 두께보다 두껍거나 혹은 얇을 경우, OL 또는 반사율이 증가하고, 투과도는 감소하게 된다. 즉, 금속 박막의 두께에 따라 광학적 거동이 제어되어 전기전도성이 개선될 수 있으므로, 금속 박막의 두께는 매우 중요한 요소이다.
도 3 내지 도 5에 의하면, 면저항과 OLavg에 대한 최적의 두께가 OMO 구조 전극의 측정된 투과도 값들이 약간 차이가 있으나, OMO 구조 전극의 퍼콜레이션 임계 두께 측면에서 성능 매개 변수는 매우 가깝다. 즉, 금속 박막의 퍼콜레이션 임계 두께 값이 이들 OMO 구조 전극의 범용을 위한 경험적 규칙으로서 최적화된 두께 값으로서 사용될 수 있음을 보여준다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 샘플들의 금속층 두께에 따른 태양전지의 특성을 분석한 결과로서, 도 6의 (a)는 전류전압 곡선을 측정한 결과이고, 도 6의 (b)는 태양전지의 효율, 단락전류 등을 포함하여 OMO 구조 전극의 금속 박막의 두께별 셀 성능 파라미터를 보여준다.
도 6을 참조하면, 은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막의 두께가 증가함에 따라, 개방전압(Voc)을 제외하고, 효율(η), 단락전류(Jsc), 필팩터(FF)는 모두 증가하였으며, 금속 박막의 두께가 퍼콜레이션 임계 두께보다 두꺼운 경우, 포화상태에 다다른 것을 확인할 수 있었다. 개방전압의 경우, 필팩터(FF)에 대한 직렬저항(Rs)의 영향이 더 두드러지지만, 직렬저항은 OMO 구조를 갖는 전극의 병렬저항(Rsh)에 의해 결정된다.
최고 효율 값을 갖는 10㎚ 두께의 은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막을 적용한 OMO 구조 전극의 태양전지 샘플은 모두 0.83V의 동일한 개방전압을 생성하였다. 동일한 두께에서, 은(Ag) 박막을 적용한 경우, 상대적으로 높은 직렬저항(Rs) 및 낮은 병렬저항(Rsh) 값으로 인해, 산화은(AgOx) 박막을 적용한 태양전지 샘플의 단락전류와 필팩터 값 보다 약간 더 높다.
특히, 퍼콜레이션 임계 두께보다 얇은 범위에서는 산화은(AgOx) 박막을 적용한 태양전지 샘플이 은(Ag) 박막을 적용한 태양전지 샘플보다 효율이 더 높았으며, 광 투과도 및 흡광계수를 고려할 경우, 산화은(AgOx) 박막을 적용한 경우, 가시광선 파장 대역에서의 효율이 더 우수한 것을 확인할 수 있었다.
한편, 퍼콜레이션 임계 두께에서, 태양전지 성능 파라미터는 최대값보다 낮은 값을 갖지만, 그 차이는 실제로 미미하며, 도 5의 (b) 및 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 퍼콜레이션 임계 두께보다 낮은 값을 갖는 경우, OL 및 병렬저항(Rsh) 값의 증가로 인해 OMO 구조 전극을 적용한 태양전지의 단락전류(Jsc) 및 필팩터(FF)가 상당히 감소한다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 샘플들의 금속층 두께에 따른 평균 투과도 및 성능지수(FOM)를 정리한 결과이다. 하기 표 1은 도 7에 도시된 결과를 정리한 것이다.
| 금속 박막 | 두께(㎚) | 효율(%) | 평균 투과율(%) | 성능지수(%) |
| Ag | 4 | 3.25 | 17.1 | 57.24 |
| 6 | 4.27 | 17.53 | 74.85 | |
| 8 | 5.54 | 18.89 | 104.63 | |
| 10 | 5.66 | 17.63 | 99.79 | |
| AgOx | 4 | 4.44 | 27.00 | 119.88 |
| 6 | 5.07 | 27.78 | 140.83 | |
| 8 | 5.47 | 21.63 | 118.32 | |
| 10 | 5.51 | 20.37 | 112.24 |
도 7 및 표 1을 참조하면, 도 4의 (c) 및 (d)에 도시된 결과와 유사하게, 은(Ag) 박막 및 산화은(AgOx) 박막을 적용한 모든 샘플 중, 퍼콜레이션 임계 두께에서 투과율이 가장 높다. 투과율과 광전변환효율은 BIPV에 적용되는 창에서 가장 중요한 요소로서, 가시광선 파장 대역에서, 태양전지의 광전변환효율(η)과 평균 투과율(Tavg)의 곱으로 표현되는 성능지수(FOM)에 의해 태양전지의 투명성을 판별할 수 있다.
은(Ag) 박막을 적용한 태양전지 샘플의 평균 투과율의 최대값은 은(Ag) 박막의 두께가 8㎚일 경우, 18.9%이었다. 또, 산화은(AgOx) 박막을 적용한 태양전지 샘플의 평균 투과율의 최대값은 산화은(AgOx) 박막의 두께가 6㎚일 경우, 27.8%이었다. 산화은(AgOx) 박막을 적용한 경우, 은(Ag) 박막을 적용한 샘플 대비 약 1.5배 이상으로서, 성능지수(FOM)에서도 비슷한 결과를 볼 수 있다. 이는 산화은(AgOx) 박막이 적용된 OMO 구조 전극이 은(Ag) 박막이 적용된 OMO 구조 전극보다 우수한 성능을 달성할 수 있음을 의미한다. 즉, 향상된 양면 수광형 태양전지의 성능을 달성하기 위해서, 성능지수(FOM) 평가를 기반으로 더 나은 OMO 구조 전극을 개발할 수 있다.
정리하면, 본 발명자는 OMO 구조의 전극에서 금속 박막으로 은(Ag)에 소량의 산소를 첨가하면 금속 박막 표면의 거칠기와 금속 층의 침투 두께를 줄일 수 있음을 확인하였다. 저항 측정 결과를 토대로, 산화은(AgOx) 박막의 퍼콜레이션 임계 두께 근처에서 광학적 특성이 우수한 것을 확인하였고, 이를 토대로 최적의 퍼콜레이션 두께 범위를 설정할 수 있었다.
특히, 4㎚ 내지 8㎚의 퍼콜레이션 임계 두께를 산화은(AgOx) 박막을 적용함으로써, 산화은(AgOx) 박막의 양면에 형성된 AZO 박막 사이의 굴절률 차이를 감소시켜 투명전극층의 반사율을 감소시키고, 투과율을 증가시킬 수 있었다. 이는 더 작은 두께의 OMO 구조 전극을 구현할 수 있어, 가볍고 유연한 BIPV용 박막 태양전지에 매우 유리하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 제 1 투명전극층
20 : 광전변환층
22 : P형 반도체층
24 : I형 반도체층
26 : N형 반도체층
30 : 제 2 투명전극층
32 : 제 1 산화물층
34 : 금속층
36 : 제 2 산화물층
100 : 양면 수광형 태양전지
20 : 광전변환층
22 : P형 반도체층
24 : I형 반도체층
26 : N형 반도체층
30 : 제 2 투명전극층
32 : 제 1 산화물층
34 : 금속층
36 : 제 2 산화물층
100 : 양면 수광형 태양전지
Claims (7)
- 제 1 투명전극층 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 및
상기 광전변환층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계는,
상기 광전변환층 상에 제 1 AZO 박막, 4㎚ 내지 8㎚의 퍼콜레이션 두께(percolation thickness)를 구비하는 산화은(AgOx) 박막 및 제 2 AZO 박막을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하며,
상기 산화은(AgOx) 박막은 스퍼터링 방식을 이용하여, 챔버 내에 불활성가스 및 산소가스를 함유하는 공정가스를 공급하고, 은(Ag) 타겟에 고전압을 인가함으로써 상기 제 1 AZO 박막 상에 증착하여 형성된,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전변환층을 형성하는 단계는,
PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층을 형성하는 단계를 포함하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전변환층을 형성하는 단계는,
P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 N형 반도체층은 상기 제 1 AZO 박막의 하부면과 접촉하는,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 투명전극층의 표면은 텍스처링(texturing)된,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 공정가스 내 상기 산소가스의 분압은 5% 내지 20%인,
양면 수광형 태양전지의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 의한 양면 수광형 태양전지의 제조방법으로 구현된,
양면 수광형 태양전지.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020200013953A KR20210099964A (ko) | 2020-02-05 | 2020-02-05 | 양면 수광형 태양전지의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지 |
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| KR1020200013953A Ceased KR20210099964A (ko) | 2020-02-05 | 2020-02-05 | 양면 수광형 태양전지의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR20210099964A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023075051A1 (ko) * | 2021-10-27 | 2023-05-04 | 인천대학교 산학협력단 | 양면수광형 투명태양전지 및 그 제조방법 |
| KR20240009050A (ko) * | 2022-07-13 | 2024-01-22 | 한국재료연구원 | 양면 수광형 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR102808565B1 (ko) * | 2024-01-19 | 2025-05-16 | 한국재료연구원 | 양면 수광형 태양전지 및 이의 제조방법 |
-
2020
- 2020-02-05 KR KR1020200013953A patent/KR20210099964A/ko not_active Ceased
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| WO2023075051A1 (ko) * | 2021-10-27 | 2023-05-04 | 인천대학교 산학협력단 | 양면수광형 투명태양전지 및 그 제조방법 |
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| KR102808565B1 (ko) * | 2024-01-19 | 2025-05-16 | 한국재료연구원 | 양면 수광형 태양전지 및 이의 제조방법 |
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Patent event date: 20201228 Comment text: Notification of Change of Applicant Patent event code: PN23011R01D |
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20220509 Patent event code: PE09021S01D |
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