KR101640815B1 - Thin film solar cell and method for fabricaitng the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 박막 태양전지는 투명기판상에 형성된 p형 전면전극; 상기 전면전극 상에 형성 되고, p형 반도체층, i 진성반도체층, n형 반도체층으로 구성된 반도체층; 상기 반도체층 상에 형성된 후면반사층; 및 상기 후면반사층 상에 형성된 후면전극;을 포함하여 구성되며, 본 발명에 따른 박막 태양전지 제조방법은, 투명기판상에 p형 전면전극을 형성하는 단계; 상기 전면전극 상에 p형 반도체층, i 진성반도체층, n형 반도체층으로 구성된 반도체층을 형성하는 단계; 상기 반도체층 상에 후면반사층을 형성하는 단계; 및 상기 후면반사층 상에 후면전극을 형성하는 단계;를 포함하여 구성된다.The present invention relates to a thin film solar cell and a method of manufacturing the same, wherein the thin film solar cell according to the present invention comprises: a p-type front electrode formed on a transparent substrate; A semiconductor layer formed on the front electrode and composed of a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer; A rear reflective layer formed on the semiconductor layer; And a rear electrode formed on the rear reflective layer. The method of fabricating a thin film solar cell according to the present invention includes the steps of: forming a p-type front electrode on a transparent substrate; Forming a semiconductor layer composed of a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer on the front electrode; Forming a rear reflective layer on the semiconductor layer; And forming a rear electrode on the rear reflective layer.
전면전극, 반도체층, 후면반사층, 쇼트키장벽, 후면전극 A front electrode, a semiconductor layer, a rear reflective layer, a Schottky barrier,
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 n 형 투명전극층과 p형 실리콘층이 접합하는 부분에서 형성되는 쇼트키 장벽(shottkey barrier)에 의한 효율 저하를 방지할 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a thin film solar cell capable of preventing a reduction in efficiency due to a shottkey barrier formed at a junction between an n-type transparent electrode layer and a p- And a manufacturing method thereof.
일반적으로, 태양전지는 태양광을 직접 전기로 변화시키는 태양광 발전의 핵심 소자로 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 그 응용 범위가 매우 넓다.In general, solar cells are a core element of solar power generation that converts sunlight directly into electricity, and its application range from space to home is very wide.
이러한 태양전지는 기본적으로 pn 접합으로 구성된 다이오드로서 그 동작원리를 설명하면 다음과 같다. This solar cell is basically a diode composed of a pn junction and its operation principle will be described as follows.
태양전지의 pn 접합에 반도체의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 이들 전자-전공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동함에 따라 pn간에 광기전력이 발생하게 되는데, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.When sunlight having an energy larger than the energy bandgap of the semiconductor is incident on the pn junction of the solar cell, an electron-hole pair is generated. The electric field formed in the pn junction of the electrons- , The photovoltaic power is generated between the pn. At this time, when both ends of the solar cell are connected to each other, a current flows to generate power.
태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양하게 구분되는데, 광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 실리콘계 태양전지가 대표적이다.Solar cells are variously classified according to materials used as a light absorbing layer, and silicon type solar cells using silicon as a light absorbing layer are typical.
실리콘계 태양전지는 기판형[단결정(single crystal), 다결정(poly crystal)] 태양전지와, 박막형[비정질(amorphous), 다결정(poly crystal)] 태양전지로 구분된다.The silicon-based solar cell is classified into a substrate-type (single crystal, poly crystal) solar cell and a thin film (amorphous, poly crystal) solar cell.
이외에도 태양전지의 종류에는 CdTe나 CIS(CuInSe2)의 화합물 박막 태양 전지, Ⅲ-Ⅴ족 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 태양전지 등을 들 수 있다.Other types of solar cells include compound thin film solar cells of CdTe, CIS (CuInSe 2 ), III-V solar cells, dye-sensitized solar cells, and organic solar cells.
단결정 실리콘 기판형 태양전지는 다른 종류의 태양전지에 비해서 변환 효율이 월등히 높다는 장점이 있긴 하지만 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용함에 따라 제조단가가 높다는 치명적인 단점이 있다. Monocrystalline silicon substrate type solar cells have the advantage of higher conversion efficiency than other types of solar cells, but they have a disadvantage of high manufacturing cost due to the use of single crystal silicon wafers.
다결정 실리콘 기판형 태양전지 역시 단결정 실리콘 기판형 태양전지보다는 제조 단가가 저렴할 수 있지만, 벌크 상태의 원재료로부터 태양전지를 만드는 점은 단결정 실리콘 기판형 태양전지와 다를 바 없기 때문에, 원재료비가 비싸고 공정 자체가 복잡하여 제조단가 절감에 한계가 있을 수 밖에 없다.Polycrystalline silicon substrate type solar cells can also be less expensive than monocrystalline silicon substrate type solar cells. However, since the point of making solar cells from bulk raw materials is not different from monocrystalline silicon substrate type solar cells, the raw material cost is high and the process itself There is a limit to the reduction of manufacturing cost due to the complexity.
이와 같은 기판형 태양전지의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 유리와 같은 기판위에 광흡수층인 실리콘을 박막 형태로 증착하여 사용함으로써 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 박막형 실리콘 태양전지가 주목을 받고 있다.As a method for solving the problems of such a substrate type solar cell, a thin film type silicon solar cell which is capable of significantly lowering a manufacturing cost by using a thin film of silicon as a light absorbing layer on a substrate such as glass is attracting attention.
박막형 실리콘 태양전지는 기판형 실리콘 태양전지의 두께보다 매우 작은 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다.Thin-film silicon solar cells can be manufactured with a thickness much smaller than the thickness of a substrate-type silicon solar cell.
박막형 실리콘 태양전지 중 가장 처음 개발되고 현재 주택용 등에 보급되기 시작한 것이 비정질 실리콘 박막형 태양전지이다. 비정질 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘을 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)법에 의해 형성할 수 있어서 대량 생산에 적합하고 제조 단가가 저렴한 대신에 비정질 실리콘 내에 다량으로 존재하는 실리콘 원자의 댕글링 본드(dangling bond) 때문에 변환효율이 기판형 실리콘 태양전지에 비해 너무 낮다는 문제점이 있다.Amorphous silicon thin film type solar cell was developed for the first time among thin film type silicon solar cells and started to be widely used in residential area. Amorphous silicon solar cells can be formed by chemical vapor deposition (CVD), which is suitable for mass production and low cost. However, instead of dangling bond ), There is a problem that the conversion efficiency is too low as compared with the substrate type silicon solar cell.
또한, 상기 비정질 실리콘 태양전지는 수명이 비교적 짧고 사용함에 있어 효율이 감소하는 열화 현상이 나타나는 문제점이 있다.In addition, the amorphous silicon solar cell has a problem that the lifetime is comparatively short and deterioration phenomenon in which efficiency is reduced when used.
이러한 비정질 실리콘 태양전지의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것이 광학적 밴드갭이 서로 다른 복수 개의 셀을 2단 내지 3단 적층시킨 다중 구조, 이른바 텐덤(Tandem) 구조의 태양전지이다. 텐덤 구조의 실리콘 태양전지는 폭 넓은 광 스펙트럼 영역을 분할하여 수광 함으로써 광전 변환 효율이 향상되고 광 열화 현상에 기인한 광전 변환 특성의 저하를 어느 정도 방지할 수 있다.In order to solve the problems of such an amorphous silicon solar cell, it is a solar cell having a so-called tandem structure in which a plurality of cells having different optical band gaps are stacked in two or three stages. The silicon solar cell having a tandem structure can improve the photoelectric conversion efficiency by receiving a wide optical spectrum region by dividing it, and it is possible to prevent the deterioration of the photoelectric conversion characteristic due to the photo deterioration phenomenon to some extent.
이러한 특성을 갖는 2단 또는 3단 적층시킨 템덤 구조의 박막 태양전지 제작시에 하부층으로 사용되는 투명전도막의 재료로는 주로 산화아연(ZnO)에 n 형으로 만들 수 있는 물질을 도핑하여 전기전도도를 최대한 높이면서, 빛이 흡수층으로 최대한 입사될 수 있도록 투과도가 높은 물질을 이용하는 기술이 제안되었다.As a material of the transparent conductive film used as a lower layer in the fabrication of a thin film solar cell having a two or three layer stacked structure having such characteristics, it is preferable to dope a substance which can be made into n-type into zinc oxide (ZnO) A technique has been proposed which utilizes a substance having high transmittance so that light can be incident on the absorption layer as much as possible.
이러한 산화아연(ZnO)을 투명전도막으로 사용한 종래기술에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법에 대해 도 1 및 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.A conventional thin film solar cell using zinc oxide (ZnO) as a transparent conductive film and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
도 1은 종래기술에 따른 산화아연(ZnO)을 투명전도막으로 사용한 박막 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a thin film solar cell structure using zinc oxide (ZnO) according to the prior art as a transparent conductive film.
도 2는 종래기술에 따른 산화아연으로 구성된 투명도전막(TCO)과 p형 실리콘층 간 계면에서의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 그래프이다.2 is a graph schematically showing an energy band diagram at an interface between a transparent conductive film (TCO) composed of zinc oxide and a p-type silicon layer according to the prior art.
종래기술에 따른 박막 태양전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 투명기판(11)상에 형성된 전면전극(13)과, 상기 전면전극(13) 상에 형성되고 비정질 실리콘 (a-Si:H)으로 이루어지는 반도체층(15)과, 상기 반도체층(15) 상에 적층된 후면전극(19)을 포함하여 구성된다.1, a conventional thin film solar cell includes a
여기서, 상기 전면전극(13)은 투명기판(11) 쪽에서 입사되는 태양광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성된다. 이때, 상기 투명 전도성 산화물 박막용으로는 n 형 물질인 산화아연(ZnO)이 주로 사용된다.Here, the
또한, 상기 반도체층(15)은 상기 전면전극(13)에서부터 p형 반도체층(15p), 진성(intrinsic) 반도체층(15i), n형 반도체층(15n)이 순차적으로 적층되어 p-i-n 접합면을 구성한다. 여기서, 상기 진성 반도체층(15i)은 박막 태양전지의 효율을 높이는 광흡수층의 역할을 하며, 활성층으로 불리기도 한다.The
그리고, 상기 후면전극(17)은 상기 전면전극(13)과 마찬가지로 투명 전도성 산화물(TCO) 박막을 증착하여 형성한다. The
이와 같은 구조를 가지는 종래기술에 따른 박막 태양전지에서는, 전면전극인 투명 전도성 산화물 박막으로 사용하던 산화아연(ZnO)은 전도도를 높이기 위해 알루미늄(Al) 이나 게르마늄(Ga)을 도핑하여 사용하며, 전기적 물성은 n 형을 띤다. In a conventional thin film solar cell having such a structure, zinc oxide (ZnO) used as a transparent conductive oxide thin film as a front electrode is doped with aluminum (Al) or germanium (Ga) Physical properties are n-type.
따라서, 종래기술에 따른 박막 태양전지는, 도 2에서와 같이, 투명 전도성 산화물 박막으로 n형 산화아연(ZnO)을 사용함으로써 반도체층(15)의 p형 반도체층 (15p)과의 접촉면에서 높은 쇼트키 장벽(schottkey barrier)에 의해 에너지 밴드 갭의 구부러짐(bending)이 심하게 발생한다. Therefore, in the thin film solar cell according to the prior art, as shown in FIG. 2, by using n-type zinc oxide (ZnO) as the transparent conductive oxide thin film, The bending of the energy band gap is severely caused by the schottkey barrier.
이로 인해, p형 반도체층(15p)에서 투명 전도성 산화물(TCO) 박막인 전면전극(13)으로 정공(hole) 이동시에 장벽의 높이가 높아지게 됨에 따라 정공(hole)의 수집률이 낮아지는 문제점이 발생한다.This increases the height of the barrier layer when the hole is moved from the p-
따라서, 이러한 문제점으로 인해 n형 산화아연(ZnO) 물질로 구성된 전면전극과 p형 반도체층이 접촉함으로써 내부의 저항을 증가시켜 광 효율 저하의 원인이 된다.Therefore, due to such a problem, the front electrode made of the n-type zinc oxide (ZnO) material contacts with the p-type semiconductor layer, thereby increasing the internal resistance and causing a decrease in light efficiency.
이에, 본 발명은 상기 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 n 형 전면전극을 p형 전면전극으로 변경하여 p형 반도체층과 접합하는 부분에서 형성되는 쇼트키 장벽(shottkey barrier) 높이를 낮춰 줌으로써 쇼트키 장벽에 의한 효율 저하를 방지할 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve all the problems of the prior art described above, and it is an object of the present invention to provide a p-type semiconductor light- a thin film solar cell capable of preventing a reduction in efficiency due to a Schottky barrier by lowering the height of a shottkey barrier, and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지는 투명기판상에 형성된 p형 전면전극; 상기 전면전극 상에 형성되고, p형 반도체층, i 진성반도체층, n형 반도체층으로 구성된 반도체층; 상기 반도체층 상에 형성된 후면반사층; 및 상기 후면반사층 상에 형성된 후면전극;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a thin film solar cell comprising: a p-type front electrode formed on a transparent substrate; A semiconductor layer formed on the front electrode and composed of a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer; A rear reflective layer formed on the semiconductor layer; And a rear electrode formed on the rear reflective layer.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지 제조방법은, 투명기판상에 p형 전면전극을 형성하는 단계; 상기 전면전극 상에 p형 반도체층, i 진성반도체층, n형 반도체층으로 구성된 반도체층을 형성하는 단계; 상기 반도체층 상에 후면반사층을 형성하는 단계; 및 상기 후면반사층 상에 후면전극을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a thin film solar cell including: forming a p-type front electrode on a transparent substrate; Forming a semiconductor layer composed of a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer on the front electrode; Forming a rear reflective layer on the semiconductor layer; And forming a rear electrode on the rear reflective layer.
본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.The thin film solar cell according to the present invention and its manufacturing method have the following effects.
본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, 구리(Cu)가 도핑된 투명한 p형 산화아연(ZnO)을 전면전극으로 사용함으로써 p형 반도체층과의 쇼트키 장벽 (schottkey barrier)에 의해 에너지 밴드 갭의 구부러짐(bending)을 감소시킴으로써 정공(hole)의 수집률이 향상되어 광전 효율을 증가시킬 수 있다.A thin film solar cell and a method of manufacturing the same according to the present invention are characterized by using transparent p-type zinc oxide (ZnO) doped with copper as a front electrode, thereby forming a schottky barrier with energy By decreasing the bending of the bandgap, the collection ratio of the holes can be improved and the photoelectric efficiency can be increased.
또한, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, 구리(Cu)가 도핑된 투명한 p형 산화아연(ZnO)을 전면전극으로 사용함으로써 광전 효율이 증가되기 때문에 LED 또는 이동도 (moblity)를 높인 박막트랜지스터(TFT) 소자에도 적용이 가능하다. The thin film solar cell and the method of manufacturing the same according to the present invention can be fabricated by using a transparent p-type zinc oxide (ZnO) doped with copper as a front electrode to increase the photoelectric efficiency, The present invention is also applicable to a thin film transistor (TFT)
그리고, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은 산화아연으로 구성된 후면 반사층(back-reflector)을 n형 반도체층 상부에 증착하여 사용함으로써 배면 반사에 의해 효율 증가를 도모할 수도 있다.In addition, the thin film solar cell according to the present invention and the manufacturing method thereof can increase efficiency by back reflection by using a back-reflector composed of zinc oxide on the n-type semiconductor layer.
이하. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지 구조에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Below. The structure of a thin film solar cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 p형 산화아연(ZnO)을 투명 전도성 산화물 박막 (TCO)으로 사용한 박막 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.3 is a schematic cross-sectional view of a thin film solar cell structure using p-type zinc oxide (ZnO) according to the present invention as a transparent conductive oxide thin film (TCO).
도 4는 본 발명에 따른 p형 산화아연으로 구성된 투명 전도성 산화물 박막 (TCO)과 p형 반도체층 간 계면에서의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 그래프이다.4 is a graph schematically showing an energy band diagram at an interface between a transparent conductive oxide thin film (TCO) composed of p-type zinc oxide and a p-type semiconductor layer according to the present invention.
본 발명에 따른 박막 태양전지는, 도 3에 도시된 바와 같이, 투명기판(11) 상에 형성된 전면전극(103)과, 상기 전면전극(103) 상에 형성되고 비정질 실리콘 (a-Si:H)으로 이루어지는 반도체층(105)과, 상기 반도체층(105) 상에 적층된 후면 반사층(107)과 후면전극(109)을 포함하여 구성된다.3, the thin-film solar cell according to the present invention includes a
여기서, 상기 전면전극(103)은 투명기판(101) 쪽에서 입사되는 태양광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성된다. 이때, 상기 투명 전도성 산화물 박막용으로는 구리(Cu)가 도핑된 p 형 산화아연(ZnO)이 사용되거나, 그 이외에 구리(Cu)가 도핑된 ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성되며, 약 700 nm 내지 2000 nm 의 두께로 형성된다. 특히, 상기 투명 전도성 산화물 박막용으로는 p형 산화아연 (ZnO) 이외에 p형 특성을 가지는 투명 전도성 산화물 재질이면 어떤 재질이라도 사용이 가능하다. 이때, 상기 전면전극(103)은 1∼5% 의 구리(Cu) 도펀트를 함유한 p형 산화아연(ZnO)으로 구성된다.Here, the
한편, 상기 전면전극(103) 표면에는 다수의 뾰족한 형태의 요철(103a)이 형성된다. 이때, 상기 투명기판(101) 표면은 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 텍스처링(texturing) 처리할 수 있다. 여기서, 텍스처링이란 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실에 의해 그 특성이 저하되는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 태양전지에서 사용되는 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 투명기판(101) 표면에 요철(103a) 형상의 패턴을 형성하는 것을 말한다. 텍스처 링으로 투명기판 표면이 거칠어지면 한번 반사된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시키므로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.On the surface of the
또한, 상기 반도체층(105)은 상기 전면전극(103)에서부터 p형 반도체층 (105p), 진성(intrinsic) 반도체층(105i), n형 반도체층(105n)이 순차적으로 적층되어 p-i-n 접합면을 구성한다. 여기서, 상기 진성 반도체층(105i)은 박막 태양전지의 효율을 높이는 광흡수층의 역할을 하며, 활성층으로 불리기도 한다.The
이때, 태양전지에서 태양광은 p형 반도체층을 통하여 i형 반도체층에 입사되도록 하는 것이 태양전지의 효율 측면에세 바람직하다. 이는 태양광에 의해 생성된 전자와 정공의 표동 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것으로서, 정공의 표동 이동도가 전자에 비해 낮기 때문에 태양광에 의한 캐리어의 수집 효율을 극대화하기 위해서는 대부분의 캐리어들이 p형 반도체층/i형 반도체층 계면에서 생성하도록 하여 정공의 이동 거리를 최소화하여야 하기 때문이다.At this time, it is preferable that the solar cell is made incident on the i-type semiconductor layer through the p-type semiconductor layer in view of the efficiency of the solar cell. This is due to the difference in drift mobility between the electrons and holes generated by the sunlight. Since the hole mobility of holes is lower than that of electrons, in order to maximize the efficiency of collection of carriers by the sunlight, type semiconductor layer at the interface between the p-type semiconductor layer and the i-type semiconductor layer to minimize the movement distance of the holes.
또한, 본 발명에서 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 도핑이 전혀 되지 않은 i형 반도체층이 배치되는 것으로 되어 있지만 반드시 이에 한정할 필요는 없으며 p형 반도체층과 n형 반도체층에 비하여 상대적으로 절연성인 (즉, 전기전도도가 낮은) 비정질 실리콘층이 배치되는 것도 무방하다. 예를들어, p형 반도체층과 n형 반도체층을 하이(high) 도핑시키고 그 사이에 n형 또는 p형 불순물이 로우(low) 도핑된 반도체층을 배치하는 것도 가능하다.In the present invention, the i-type semiconductor layer is not necessarily doped between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. However, the present invention is not limited thereto, It is also possible to arrange an amorphous silicon layer which is insulative (i.e., low in electrical conductivity). For example, it is also possible to arrange a semiconductor layer in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are high-doped and an n-type or p-type impurity is doped low therebetween.
그리고, 상기 n형 후면반사층(107)은 n형 산화아연(ZnO)으로 구성되며, 배면 반사에 의해 효율 증가를 도포하는 역할을 한다. 이때, 상기 n형 후면반사층(107)은 n형 산화아연(ZnO) 이외에 ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성되며, 약 700 nm 내지 2000 nm 의 두께로 형성된다. The n-type backside
또한, 상기 후면전극(109)은 상기 전면전극(103)과 마찬가지로 투명 전도성 산화물(TCO) 박막이나 금속물질을 증착하여 형성한다. The
상기에서와 같이, n형 산화아연(ZnO)에 구리(Cu)를 도핑하여 투명한 p형 전면전극(103)으로 형성하여 줌으로써, 도 4에서와 같이, n형 전면전극(103)과 p형 반도체층(105p)의 계면에서의 쇼트키 장벽(schottkey barrier)의 높이가 감소, 즉 에너지 밴드 갭의 구부러짐(bending)이 감소하여 정공(hole)의 수집률이 향상되어 광전 효율을 증가시키게 된다.As described above, n-type zinc oxide (ZnO) is doped with copper (Cu) to form a transparent p-
또한, 구리(Cu)가 도핑된 p형 산화아연(ZnO)을 전면전극(103)으로 사용함으로써 광전 효율이 증가되기 때문에 LED 또는 이동도 (moblity)를 높인 박막트랜지스터 (TFT) 소자에도 적용이 가능하게 된다. Further, since the photoelectric efficiency is increased by using p-type zinc oxide (ZnO) doped with copper (Cu) as the
그리고, n형 산화아연으로 구성된 후면 반사층(back-reflector)(107)을 n형 반도체층(105n) 상부에 증착하여 사용함으로써 배면 반사에 의해 효율을 증가시키게 된다.In addition, a back-
한편, 상기 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 박막 태양전지 제조방법에 대해 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명하면 다음과 같다.A method of manufacturing a thin film solar cell according to the present invention having the above structure will be described with reference to FIGS. 5A to 5D.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 공정단면도이다.5A to 5D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a thin film solar cell according to the present invention.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 투명기판(101)상에 투명기판(101) 쪽에서 입사되는 태양광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 재질로 p형 전면전극(103)을 형성한다. 이때, 상기 투명 전도성 산화물 재질로는 구리(Cu)가 도핑된 p 형 산화아연(ZnO)이 사용되거나, 그 이외에 구리(Cu)가 도핑된 ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성하며, 약 700 nm 내지 2000 nm 의 두께로 형성한다. 특히, 상기 투명 전도성 산화물 재질로는 p형 산화아연 (ZnO) 이외에 p형 특성을 가지는 투명 전도성 산화물 재질이면 어떤 재질이라도 사용이 가능하다. 이때, 상기 전면전극(103)은 1∼5% 의 구리(Cu) 도펀트를 함유한 p형 산화아연(ZnO)으로 구성한다. 이때, 상기 전면전극(103)은 이때, 상기 전면전극(103)은 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링 (sputtering)과 같은 물리 증기 증착법(PVD; physical vapor disposition)으로 증착한다. 5A, a p-
그다음, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 전면전극(103) 표면에는 다수의 뾰족한 형태의 요철(103a)을 형성한다. 이때, 상기 투명기판(101) 표면은 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 텍스처링(texturing) 처리할 수 있다. 여기서, 텍스처링이란 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실에 의해 그 특성이 저하되는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 태양전지에서 사용되는 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 투명기판(101) 표면에 요철(103a) 형상의 패턴을 형 성하는 것을 말한다. 텍스처링으로 투명기판 표면이 거칠어지면 한번 반사된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시키므로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.Then, as shown in FIG. 5B, a plurality of pointed
한편, 상기 투명기판(101)상에 전면전극(103)을 형성하기 전에 반사방지층(미도시)을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 반사방지층은 기판을 통하여 입사된 태양광이 실리콘층에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 하며, 예를 들어 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)을 포함할 수 있다. 이 반사 방지층의 형성방법으로는 저압화학 기상 증착법(low pressure chemical deposition; LPCVD) 및 PECVD 등을 포함할 수 있다.An anti-reflection layer (not shown) may be formed on the
이어서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 전면전극(103) 상에 반도체층(105)을 구성하는 p형 제1 반도체층(105p), i형 진성 반도체층(105i) 및, n형 반도체층 (105n) 중에서, p형 반도체층(105p)을 먼저 형성한다. 이때, 상기 p형 반도체층 (105p)에는 p형인 보론(Boron)이 도핑되어 있다. 또한, 상기 p형 반도체층(105p)은, 진공챔버(미도시) 내로 SiH4 가스와 보론 가스를 적절한 유량으로 조절하여 주입하여 증착한다. 이때, 상기 p형 반도체층(105p) 증착방법으로는, LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다. 이때, 상기 p형 반도체층(105p)은 보론(Boron) 이온이 도핑된 p형 실리콘층으로서, 약 5 내지 20 nm 의 두께를 갖는다. 5B, a p-type
그 다음, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 p형 반도체층(105p) 상에 i형 진성 반도체층(105i) 및 n형 반도체층(105n)을 차례대로 형성한다. 이때, 상기 i형 진성 반도체층(105i) 및 n형 반도체층(105n) 증착방법으로는, 상기 p형 반도체층 (105p) 증착방법과 동일한 LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다. 또한, 상기 n형 반도체층(105n)에는 n형 불순물인 인(phosphorus)을 도핑한다.Next, as shown in Fig. 5C, an i-type intrinsic semiconductor layer 105i and an n-
이때, 상기 반도체층(105)은 상기 전면전극(103)에서부터 p형 반도체층 (105p), 진성(intrinsic) 반도체층(105i), n형 반도체층(105n)이 순차적으로 적층되어 p-i-n 접합면을 구성한다. 여기서, 상기 진성 반도체층(105i)은 박막 태양전지의 효율을 높이는 광흡수층의 역할을 하며, 활성층으로 불리기도 한다.At this time, the
이때, 태양전지에서 태양광은 p형 반도체층(105p)을 통하여 i형 반도체층(105i)에 입사되도록 하는 것이 태양전지의 효율 측면에세 바람직하다. 이는 태양광에 의해 생성된 전자와 정공의 표동 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것으로서, 정공의 표동 이동도가 전자에 비해 낮기 때문에 태양광에 의한 캐리어의 수집 효율을 극대화하기 위해서는 대부분의 캐리어들이 p형 반도체층/i형 반도체층 계면에서 생성하도록 하여 정공의 이동 거리를 최소화하여야 하기 때문이다.At this time, it is preferable that the solar light is incident on the i-type semiconductor layer 105i through the p-
또한, 본 발명에서 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 도핑이 전혀 되지 않은 i형 반도체층이 배치되는 것으로 되어 있지만 반드시 이에 한정할 필요는 없으며 p형 반도체층과 n형 반도체층에 비하여 상대적으로 절연성인 (즉, 전기전도도가 낮은) 비정질 실리콘층이 배치되는 것도 무방하다. 예를들어, p형 반도체층과 n형 반도체층을 하이(high) 도핑시키고 그 사이에 n형 또는 p형 불순물이 로우(low) 도핑된 반도체층을 배치하는 것도 가능하다.In the present invention, the i-type semiconductor layer is not necessarily doped between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. However, the present invention is not limited thereto, It is also possible to arrange an amorphous silicon layer which is insulative (i.e., low in electrical conductivity). For example, it is also possible to arrange a semiconductor layer in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are high-doped and an n-type or p-type impurity is doped low therebetween.
이어서, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 전면전극(103) 재질과 동일한 산화아연을 이용하여 n형 후면반사층(107)을 증착한다. 이때, 상기 후면반사층(107)은 배면 반사에 의해 효율 증가를 도포하는 역할을 한다. 또한, 상기 n형 후면반사층 (107)은 n형 산화아연(ZnO) 이외에 ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 재질로 형성하며, 약 700 nm 내지 2000 nm 의 두께로 형성한다. Next, as shown in FIG. 5D, the n-type rear
그다음, 상기 후면반사층(107) 상에 금속물질을 증착하여 후면전극(109)을 증착한다. 이때, 상기 후면전극(109)의 재질로는 알루미늄 등과 같은 전도성 물질이면 바람직하며, 이의 형성방법은 열 증착법 또는 스퍼터링법 등과 같은 물리 기상 증착법 등을 사용한다.Then, a metal material is deposited on the rear
상기에서와 같이, n형 산화아연(ZnO)에 구리(Cu)를 도핑하여 투명한 p형 전면전극(103)으로 형성하여 줌으로써, 도 4에서와 같이, p형 전면전극(103)과 p형 반도체층(105p) 간 계면에서의 쇼트키 장벽(schottkey barrier)의 높이가 감소, 즉 에너지 밴드 갭의 구부러짐(bending)이 감소하여 정공(hole)의 수집률이 향상되어 광전 효율을 증가시키게 된다.As described above, the n-type zinc oxide (ZnO) is doped with copper (Cu) to form a transparent p-
또한, 구리(Cu)가 도핑된 산화아연(ZnO)을 이용하여 전면전극(103)을 p형으로 형성하여 줌으로써 p형 전면전극(103)과 p형 반도체층(105p) 간 계면에서의 쇼트키 장벽(schottkey barrier)의 높이가 감소하여 광전 효율이 증가되기 때문에 LED 또는 이동도 (moblity)를 높인 박막트랜지스터 (TFT) 소자에도 적용이 가능하게 된다. Further, the
한편, 본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였 으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형 예 및 변경 예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위내에 속하는 것으로 보아야 한다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Various modifications and variations are possible. Such variations and modifications are to be considered as falling within the scope of the invention and the appended claims.
도 1은 종래기술에 따른 산화아연(ZnO)을 투명전도막으로 사용한 박막 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a thin film solar cell structure using zinc oxide (ZnO) according to the prior art as a transparent conductive film.
도 2는 종래기술에 따른 산화아연으로 구성된 투명도전막(TCO)과 p형 실리콘층 간 계면에서의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 그래프이다.2 is a graph schematically showing an energy band diagram at an interface between a transparent conductive film (TCO) composed of zinc oxide and a p-type silicon layer according to the prior art.
도 3은 본 발명에 따른 p형 산화아연(ZnO)을 투명 전도성 산화물 박막 (TCO)으로 사용한 박막 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.3 is a schematic cross-sectional view of a thin film solar cell structure using p-type zinc oxide (ZnO) according to the present invention as a transparent conductive oxide thin film (TCO).
도 4는 본 발명에 따른 p형 산화아연으로 구성된 투명 전도성 산화물 박막 (TCO)과 p형 반도체층 간 계면에서의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 그래프이다.4 is a graph schematically showing an energy band diagram at an interface between a transparent conductive oxide thin film (TCO) composed of p-type zinc oxide and a p-type semiconductor layer according to the present invention.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 공정단면도이다.5A to 5D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a thin film solar cell according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *Description of the Related Art [0002]
101 : 투명기판 103 : 전면전극101: transparent substrate 103: front electrode
103a : 요철 105 : 반도체층103a: unevenness 105: semiconductor layer
105p : p형 반도체층 105i : i형 진성반도체층105p: a p-type semiconductor layer 105i: an i-type intrinsic semiconductor layer
105n : n형 반도체층 107 : 후면반사층105n: n-type semiconductor layer 107: rear reflective layer
109 : 후면전극109: Rear electrode
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