KR20110068508A - Solar cells having structure with transparent conduction oxide layer/metal thin film and methods of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 투명 도전 산화물층/금속 박막 구조를 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 광 흡수 효율을 높일 수 있는 투명 도전 산화물층/금속 박막 구조를 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell having a transparent conductive oxide layer / metal thin film structure and a method of manufacturing the same, and more particularly to a solar cell having a transparent conductive oxide layer / metal thin film structure capable of increasing light absorption efficiency and a method of manufacturing the same. It is about.
19세기에 석탄을 에너지로 사용한 산업혁명이 일어나게 되었고, 그 뒤 석유가 발굴되어, 이들을 이용한 에너지의 사용량이 급격히 늘어나게 되었다. 최근까지 인류의 중요한 에너지 자원은 이러한 화석 연료에 의한 에너지로 대체되었다. 하지만, 이러한 화석 연료는 지구 상에서 매장 지역, 즉 자원의 편중이 심하여, 가격과 공급 면에서 항상 불안정한 요소를 지니고 있다. 최근의 무분별한 사용으로 인한 화석 연료의 고갈은 한국 등과 같은 비생산국에 석유 파동이라는 극심한 문제를 야기하고 있다. 또한, 인류적으로는 대기 오염과 지구 평균기온 상승 등과 관련한 지구 생명체들을 위협하는 심각한 환경 문제를 야기하고 있다.In the 19th century, the industrial revolution of coal was used, and then oil was discovered, and the use of energy was rapidly increased. Until recently, mankind's important energy resources were replaced by energy from fossil fuels. However, these fossil fuels are heavily reliant on reserves, or resources, on Earth, and are always unstable in terms of price and supply. The depletion of fossil fuels due to the recent indiscriminate use has caused severe problems such as oil surges in non-producing countries such as Korea. In addition, humanity is causing serious environmental problems that threaten global life related to air pollution and rising global average temperatures.
이에 따라, 화석 연료의 의존도를 줄여나갈 뿐만 아니라, 고갈의 염려가 없 는 새로운 대체 에너지원을 찾는 청정 에너지 개발의 노력이 화두가 되어 활발한 연구가 진행되고 있다. 이러한 대체 에너지원의 유력한 대안 중의 하나인 태양광을 이용한 발전이 주목을 받고 있다.As a result, efforts are being made to reduce the dependence on fossil fuels and to develop clean energy sources to find new alternative energy sources that are not depleted. One of the viable alternatives to these alternative energy sources is solar power generation.
태양광 발전은 무한한 태양광으로부터 전기를 생산하는 청정 기술로서, 태양 전지(solar cell 또는 photovoltaic cell) 또는 태양 전지 모듈(module)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자이다.Photovoltaic power generation is a clean technology that produces electricity from infinite solar light. Solar cells (solar cells or photovoltaic cells) or solar modules are the key elements of photovoltaic power generation that convert sunlight directly into electricity.
반도체의 pn 접합으로 만든 태양 전지에 반도체의 밴드갭 에너지(Eg, bandgap energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성된다. 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라, pn 접합부 사이에 기전력(광기전력 : photovoltage)이 발생하게 된다. 이때, 태양 전지 양단의 전극들에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다. 이것이 태양 전지의 동작원리이다.Electron-hole pairs are generated when solar light having energy greater than the bandgap energy (Eg) is incident on a solar cell made of a semiconductor pn junction. As these electron-holes collect electrons in n layers and holes collect in p layers by the electric field formed at the pn junction, electromotive force (photovoltage) is generated between the pn junctions. At this time, when a load is connected to the electrodes of both ends of the solar cell, a current flows. This is the operating principle of the solar cell.
1980년대 이후, 태양 전지 제조에 가장 먼저 사용된 반도체 재료가 단결정 실리콘(single crystal silicon)이다. 현재 태양 전지 시장, 특히 대규모 발전 시스템 분야에서 가장 널리 이용되고 있다. 이는 단결정 실리콘으로 만든 태양 전지의 효율이 다른 재료로 만든 태양 전지에 비해 변환 효율이 높기 때문이다. 발전단가를 더욱 낮추기 위하여 낮은 질의 실리콘을 이용하는 방법, 대량 생산 및 제조 공정 개선에 의한 방법 등이 시도 또는 연구되고 있다. 다결정(polycrystal) 실리콘 태양 전지는 원재료로 낮은 질의 실리콘 웨이퍼(wafer)를 사용하기 때문에, 변환 효율은 단결정 실리콘에 비해 낮지만 반면에, 가격은 싸다. 그리고 이용 분야도 주택용 시스템 등이 주된 대상이다.Since the 1980s, the first semiconductor material used in solar cell manufacturing is single crystal silicon. It is currently the most widely used in the solar cell market, especially in large power generation systems. This is because the efficiency of solar cells made of monocrystalline silicon is higher than that of other cells. In order to further lower the cost of power generation, a method using low quality silicon, a method by mass production and manufacturing process improvement, etc. have been tried or studied. Since polycrystal silicon solar cells use low quality silicon wafers as raw materials, the conversion efficiency is lower than that of single crystal silicon, while the price is low. In addition, the use field is mainly targeted for residential systems.
단결정 및 다결정 실리콘은 벌크(bulk) 상태의 원재료로부터 태양 전지를 만들기 때문에, 원재료비가 비싸고, 공정 자체가 복잡하여 가격의 절감 측면에서 한계가 있을 수밖에 없다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 기판의 두께를 혁신적으로 줄이는 기술, 또는 유리와 같이 값싼 기판 위에 박막 형태로 태양 전지를 증착시키는 기술이 주목을 받고 있다. 기존의 박막 제조 공정을 이용할 경우, 더욱 값싼 방법으로 태양 전지의 대량 생산이 가능하기 때문이다.Since monocrystalline and polycrystalline silicon make solar cells from bulk raw materials, the raw material cost is high and the process itself is complicated, so there is a limit in terms of cost reduction. In order to solve such a problem, a technique of innovatively reducing the thickness of a substrate or a technique of depositing a solar cell in the form of a thin film on an inexpensive substrate such as glass has attracted attention. If the existing thin film manufacturing process is used, it is possible to mass-produce solar cells in a cheaper way.
박막 태양 전지 중 가장 처음으로 개발된 것이 비정질(amorphous) 실리콘으로 기존 결정질(crystalline) 실리콘 태양 전지의 약 1/100에 해당하는 두께만으로도 태양 전지의 제조가 가능하다. 하지만, 결정질 실리콘 태양 전지에 비해 효율이 낮고, 특히, 초기 빛에 노출될 경우, 변환 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 대규모 발전용으로는 사용되지 못하고, 시계, 라디오, 완구 등 소규모 가전 제품의 전원용으로 주로 사용되고 있었다. 그런데 최근 변환 효율의 향상과 함께 초기 열화 현상을 최소화할 수 있는 다중 접합 구조의 비정질 실리콘 태양 전지의 개발과 함께 일부 전력용으로 이용이 되기 시작하였다.The first of the thin-film solar cells was amorphous silicon, which can be manufactured with a thickness of about 1/100 the thickness of a conventional crystalline silicon solar cell. However, the efficiency is lower than that of crystalline silicon solar cells, and particularly, when exposed to initial light, the conversion efficiency is sharply lowered. Therefore, it was not used for large-scale power generation, and was mainly used for power supply of small household appliances such as watches, radios, toys, and the like. Recently, with the improvement of the conversion efficiency and the development of the amorphous silicon solar cell of the multi-junction structure that can minimize the initial deterioration phenomenon, it has been used for some power.
뒤이어 출현한 박막 태양 전지가 CdTe계 또는 CuInSe2계 등의 화합물 반도체를 소재로 한 것이다. 비정질 실리콘에 비해 변환 효율이 높고, 또한 초기 열화 현상이 없는 등 비교적 안정성이 높은 태양 전지로 현재 CdTe계 화합물 반도체 태양 전지가 대규모 전력용으로 사용되기 위한 실증 시험 중에 있다.Subsequently, the thin film solar cell which appeared later is based on compound semiconductors, such as CdTe type | system | group or CuInSe 2 type | system | group. Compared to amorphous silicon, the conversion efficiency is high and there is no initial deterioration phenomenon. The solar cell is relatively stable, and CdTe-based compound semiconductor solar cells are currently being tested for large-scale power use.
CuInSe2계 화합물 반도체 태양 전지는 실험실적으로 만든 박막 태양 전지 중에서 가장 높은 변환 효율을 기록하고 있지만, 아직까지 파일럿(pilot) 생산 단계로 대량 생산 단계까지는 이르지 못하고 있다.CuInSe 2 compound semiconductor solar cell has the highest conversion efficiency among laboratory-made thin film solar cells, but it has not yet reached the pilot production stage to mass production stage.
하지만, 박막 태양 전지 역시 자체의 문제점들을 가지고 있다. 그 중 하나가 얇은 두께에서 오는 태양광의 투과에 의한 손실이다. 광 흡수층의 두께가 수 마이크론 이하로 형성될 경우, 입사된 광을 모두 사용하지 못하고 많은 양의 광이 투과됨으로써, 에너지 변환 효율을 높이기가 어려워진다. 이를 해결하기 위한 후면 반사 전극을 이용한 광 획득 기술이 태양 전지의 효율을 높이고 결정하는 중요한 요인으로 작용하였고, 이에 대한 다양한 연구와 개발의 필요성이 대두되고 있다.However, thin film solar cells also have their own problems. One of them is the loss due to the transmission of sunlight coming from a thin thickness. When the thickness of the light absorbing layer is formed to be several microns or less, it is difficult to increase energy conversion efficiency because a large amount of light is transmitted without using all of the incident light. In order to solve this problem, a light acquisition technology using a back reflection electrode serves as an important factor for increasing and determining the efficiency of a solar cell, and various researches and developments about this are emerging.
현재에는 알루미늄(Al)이나 은(Ag)으로 후면 반사 전극이 사용되고 있지만, 어느 특정 파장 영역에서는 이러한 후면 반사 전극이 자신의 역할을 다하지 못하고 광의 흡수를 일으켜 다시 광 손실을 초래하는 문제점이 발견되었다. 이에 따라, 이러한 광의 흡수에 대한 원리에 대한 연구와 투과율을 향상시켜 태양 전지의 효율을 높이는 방안에 대한 연구가 필요한 시점이다.Currently, a back reflecting electrode is used as aluminum (Al) or silver (Ag). However, in a specific wavelength region, a problem is found in which the back reflecting electrode does not play its role and causes light absorption to cause light loss again. Accordingly, it is time to study the principle of the absorption of light and the method of improving the efficiency of solar cells by improving the transmittance.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광 흡수 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하는 데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a solar cell that can increase the light absorption efficiency.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 높은 광 흡수 효율을 갖는 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a solar cell having a high light absorption efficiency.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 태양 전지를 제공한다. 이 태양 전지는 기판, 기판 상에 제공되되, 일정한 주기적 요철 패턴을 갖는 금속층, 및 금속층 상에 제공된 투명 도전 산화물층을 포함할 수 있다. 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 특정 파장 영역의 광이 흡수되는 것을 억제하도록 요철 패턴의 모양이 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a solar cell. The solar cell may comprise a substrate, a metal layer provided on the substrate, the metal layer having a constant periodic uneven pattern, and a transparent conductive oxide layer provided on the metal layer. The shape of the concave-convex pattern may be adjusted to suppress the absorption of light in a specific wavelength region due to surface plasmon resonance at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer.
요철 패턴의 모양이 조절되는 것은 요철 패턴의 피치 또는 높이가 조절되는 것일 수 있다.The shape of the uneven pattern may be adjusted by adjusting the pitch or height of the uneven pattern.
표면 플라스몬 공명에 의한 광의 흡수는 금속층과 투명 도전 산화물층 각각의 유전 상수에 의해 결정되는 특정 파장 영역의 광의 흡수일 수 있다.The absorption of light by surface plasmon resonance may be the absorption of light in a particular wavelength region determined by the dielectric constant of each of the metal layer and the transparent conductive oxide layer.
투명 도전 산화물층 상에 제공된 광 흡수층 및 광 흡수층 상에 제공된 버퍼 층을 더 포함할 수 있다. 버퍼층은 투명 도전 산화물을 포함할 수 있다.The light absorbing layer provided on the transparent conductive oxide layer and the buffer layer provided on the light absorbing layer may be further included. The buffer layer may include a transparent conductive oxide.
또한, 본 발명은 다른 태양 전지를 제공한다. 이 태양 전지는 일정한 주기적 요철 패턴을 갖는 기판, 기판 상에 요철 패턴을 따라 제공된 금속 박막 및 금속 박막 상에 제공된 투명 도전 산화물층을 포함할 수 있다. 금속 박막과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 광의 흡수를 억제하도록 요철 패턴의 모양이 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.The present invention also provides another solar cell. The solar cell may include a substrate having a constant periodic uneven pattern, a metal thin film provided along the uneven pattern on the substrate, and a transparent conductive oxide layer provided on the metal thin film. The shape of the concave-convex pattern may be controlled to suppress absorption of light due to surface plasmon resonance at the interface between the metal thin film and the transparent conductive oxide layer.
요철 패턴의 모양이 조절되는 것은 요철 패턴의 피치 또는 높이가 조절되는 것일 수 있다.The shape of the uneven pattern may be adjusted by adjusting the pitch or height of the uneven pattern.
표면 플라스몬 공명에 의한 광의 흡수는 금속 박막과 투명 도전 산화물층 각각의 유전 상수에 의해 결정되는 특정 파장 영역의 광의 흡수일 수 있다.The absorption of light by surface plasmon resonance may be the absorption of light in a particular wavelength region determined by the dielectric constant of each of the metal thin film and the transparent conductive oxide layer.
투명 도전 산화물층 상에 제공된 광 흡수층 및 광 흡수층 상에 제공된 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 버퍼층은 투명 도전 산화물을 포함할 수 있다.The light absorbing layer provided on the transparent conductive oxide layer and the buffer layer provided on the light absorbing layer may be further included. The buffer layer may include a transparent conductive oxide.
상기한 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 태양 전지의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 일정한 주기적 요철 패턴을 갖는 금속층을 형성하는 것 및 금속층 상에 투명 도전 산화물층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 광의 흡수를 억제하도록 요철 패턴의 모양을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.In order to achieve the above another object, the present invention provides a method for producing a solar cell. The method may include forming a metal layer having a regular periodic uneven pattern on the substrate and forming a transparent conductive oxide layer on the metal layer. The shape of the uneven pattern may be adjusted to suppress the absorption of light due to surface plasmon resonance at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer.
요철 패턴의 모양을 조절하는 것은 요철 패턴의 피치 또는 높이의 조절일 수 있다.Adjusting the shape of the uneven pattern may be adjusting the pitch or height of the uneven pattern.
표면 플라스몬 공명에 의한 광의 흡수는 금속층과 투명 도전 산화물층 각각 의 유전 상수에 의해 결정되는 특정 파장 영역의 광의 흡수일 수 있다.The absorption of light by surface plasmon resonance may be the absorption of light in a particular wavelength region determined by the dielectric constant of each of the metal layer and the transparent conductive oxide layer.
투명 도전 산화물층 상에 광 흡수층을 형성하는 것 및 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a light absorbing layer on the transparent conductive oxide layer and forming a buffer layer on the light absorbing layer.
버퍼층은 투명 도전 산화물로 형성될 수 있다.The buffer layer may be formed of a transparent conductive oxide.
또한, 본 발명은 태양 전지의 다른 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 일정한 주기적 요철 패턴을 갖는 기판을 준비하는 것, 기판 상에 요철 패턴을 따라 금속 박막을 형성하는 것 및 금속 박막 상에 투명 도전 산화물층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 금속 박막과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 광의 흡수를 억제하도록 요철 패턴의 모양을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.The present invention also provides another method of manufacturing a solar cell. The method may include preparing a substrate having a constant periodic uneven pattern, forming a metal thin film along the uneven pattern on the substrate, and forming a transparent conductive oxide layer on the metal thin film. The shape of the uneven pattern may be adjusted to suppress the absorption of light by surface plasmon resonance at the interface between the metal thin film and the transparent conductive oxide layer.
요철 패턴의 모양을 조절하는 것은 요철 패턴의 피치 또는 높이의 조절일 수 있다.Adjusting the shape of the uneven pattern may be adjusting the pitch or height of the uneven pattern.
표면 플라스몬 공명에 의한 광의 흡수는 금속 박막과 투명 도전 산화물층 각각의 유전 상수에 의해 결정되는 특정 파장 영역의 광의 흡수일 수 있다.The absorption of light by surface plasmon resonance may be the absorption of light in a particular wavelength region determined by the dielectric constant of each of the metal thin film and the transparent conductive oxide layer.
투명 도전 산화물층 상에 광 흡수층을 형성하는 것 및 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a light absorbing layer on the transparent conductive oxide layer and forming a buffer layer on the light absorbing layer.
버퍼층은 투명 도전 산화물로 형성될 수 있다.The buffer layer may be formed of a transparent conductive oxide.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면이 일정한 주기적 요철 패턴의 구조를 가짐으로써, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 광의 흡수가 억제될 수 있다. 이에 따라, 향상된 광 흡수 효율을 갖는 태양 전지가 제공될 수 있다.As described above, according to the problem solving means of the present invention by having a structure of a periodic irregular pattern of the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer, absorption of light by surface plasmon resonance at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer Can be suppressed. Accordingly, a solar cell with improved light absorption efficiency can be provided.
또한, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면이 일정한 주기적 요철 패턴의 구조를 가지고, 그리고 요철 패턴의 모양이 조절됨으로써, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 특정 파장 영역의 광이 흡수되는 것이 방지할 수 있다. 이에 따라, 향상된 광 흡수 효율을 갖는 태양 전지가 제공될 수 있다.In addition, since the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer has a constant periodic concave-convex pattern structure, and the shape of the concave-convex pattern is controlled, light in a specific wavelength region by surface plasmon resonance at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer is controlled. This absorption can be prevented. Accordingly, a solar cell with improved light absorption efficiency can be provided.
이에 더하여, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면이 일정한 주기적 요철 패턴의 구조를 가지고, 그리고 요철 패턴의 모양이 조절됨으로써, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 특정 파장 영역의 광이 흡수되는 것이 방지할 수 있다. 이에 따라, 다양한 파장 영역들에 대해 향상된 광 흡수 효율을 갖는 태양 전지가 제공될 수 있다.In addition, the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer has a constant periodic concave-convex pattern structure, and the shape of the concave-convex pattern is controlled, thereby controlling the specific wavelength region by the surface plasmon resonance at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer. Absorption of light can be prevented. Accordingly, solar cells having improved light absorption efficiency for various wavelength regions can be provided.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세 서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving the same will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in different forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art, and the invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions. In addition, since they are in accordance with the preferred embodiment, the reference numerals presented in the order of description are not necessarily limited to the order. In addition, in the present specification, when it is mentioned that a film is on another film or substrate, it means that it may be formed directly on the other film or substrate or a third film may be interposed therebetween.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.In addition, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and / or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, shapes of the exemplary views may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include variations in forms generated by the manufacturing process. For example, the etched regions shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shape of the regions illustrated in the figures is intended to illustrate a particular form of region of the device and not to limit the scope of the invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 설명하기 위한 입체도이고, 그리고 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도이다.1 is a three-dimensional view illustrating a solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면, 태양 전지는 기판(110), 금속층(metal layer, 120), 투명 도전 산화물(Transparent Conduction Oxide : TCO)층(130), 광 흡수층(140) 및 버퍼층(buffer layer, 150)을 포함한다.1 and 2, a solar cell includes a
기판(110)은 소다라임(soda-lime) 유리 또는 코닝(corning) 유리를 포함할 수 있다.The
금속층(120)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 금속층(120)은 광 흡수층(140)에 흡수된 광이 외부로 빠져나가지 못하도록 반사하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 금속층(120)은 광 흡수층(140)에 부하를 걸어주기 위한 전극일 수 있다.The
투명 도전 산화물층(130)은 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 금속 산화물을 포함할 수 있다. 금속 산화물은 아연산화물(ZnO), 갈륨산화물(Ga2O3), 알루미늄산화물(Al2O3), 인듐산화물(In2O3), 납산화물(PbO), 구리산화물(CuO), 티탄산화물(TiO2), 주석산화물(SnO2), 철산화물(FeO), 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide : ITO) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 윈도우층(130)은 금속 산화물을 포함하기 때문에, 광 흡수층(140)에 부하를 걸어주기 위한 전극으로 사용될 수 있다.The transparent
광 흡수층(140)은 단결정 실리콘(single crystal silicon), 다결 정(polycrystal) 실리콘, 비정질(amorphous) 실리콘, CdTe계 화합물, CuInSe2계 화합물 및 Cu(InGa)Se2계 화합물 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 버퍼층(buffer layer, 150)은 투명 도전 산화물을 포함할 수 있다.The light
기판(110)은 일정한 주기적 요철 패턴을 가질 수 있다. 일정한 주기적 요철 패턴은 3차원의 엠보싱(embossing) 구조 또는 회절격자(grating) 구조일 수 있다. 일정한 주기적 요철 패턴은 100nm~1μm 범위의 피치(pitch, 도 3의 D 참조) 및 10nm~1μm 범위의 높이(도 3의 a 참조)를 가질 수 있다. 기판(110)이 일정한 주기적 요철 패턴을 가질 경우, 금속층(120)은 박막(thin film) 형태일 수 있다. 이에 따라, 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면은 일정한 주기적 요철 패턴을 갖는 구조일 수 있다.The
도시된 것과 달리, 기판(110)은 평평한 표면을 갖고, 금속층(120)이 일정한 주기적 요철 패턴을 가질 수도 있다. 일정한 주기적 요철 패턴은 100nm~1μm 범위의 피치 및 10nm~1μm 범위의 높이를 가질 수 있다. 이에 따라, 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면은 일정한 주기적 요철 패턴을 갖는 구조일 수 있다.Unlike the illustrated example, the
또한, 도시된 것과 달리, 일정한 주기적 요철 패턴을 갖는 금속층(120) 상에 제공되는 투명 도전 산화물층(130), 광 흡수층(140) 및 버퍼층(150) 각각의 표면도 일정한 주기적 요철 패턴과 유사한 형태를 가질 수도 있다.In addition, unlike the illustrated embodiment, surfaces of the transparent
금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면의 일정한 주기적 요철 패턴은 100nm~1μm 범위의 피치 및 10nm~1μm 범위의 높이를 가지기 때문에, 종래의 난 반사를 이용하는 텍스쳐링(texturing) 구조와는 차이를 갖는다. 텍스쳐링 구조는 광의 파장(λ) 수준 혹은 그 이상에 해당하는 수백nm~수백μm 범위의 크기를 갖는 요철 구조를 갖기 때문에, 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면에서 발생하는 표면 플라스몬 공명(Surface Plasmon Resonance : SPR)에 의한 광의 흡수가 발생하는 것을 효율적으로 억제할 수 없다.Since the regular periodic uneven pattern of the interface between the
금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면의 일정한 주기적 요철 패턴의 모양을 조절함으로써, 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면에서 발생하는 표면 플라스몬 공명에 의한 특정 파장 영역의 광의 흡수가 억제될 수 있다. 이에 따라, 광 흡수층(140)에 의해 흡수되지 않고, 통과한 광(도 3의 얇은 실선 참조)을 광 흡수층(140)으로 다시 되돌려 보내기 위한 반사막 역할을 하는 금속층(120)의 반사율이 더 높아질 수 있다. 즉, 태양 전지의 광 흡수 효율이 향상될 수 있다.By controlling the shape of the regular periodic irregularities at the interface between the
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 투명 도전 산화물층/금속층 구조의 계면에서 발생하는 표면 플라스몬 공명을 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating surface plasmon resonance occurring at an interface of a transparent conductive oxide layer / metal layer structure of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 일정한 주기적 피치(D) 및 높이(a)를 갖는 요철 패턴인 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면이 보여진다.Referring to FIG. 3, an interface between the
수학식 1을 참조하면, 광(얇은 실선 화살표)이 일정한 주기적 피치(D)를 갖 는 요철 패턴인 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면에 θ0의 입사각으로 입사되면, 광의 파수 벡터(kx)는 수학식 1의 왼쪽 식일 수 있다. 그리고 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면에서 표면 플라스몬(ksp)이 발생하는 조건은 수학식 1의 오른쪽 식일 수 있다.Referring to Equation 1, when light (thin solid line arrow) is incident on the interface between the
수학식 1처럼 광의 파수 벡터(kx)와 표면 플라스몬(ksp)이 같을 경우, 일정한 주기적 피치(D)를 갖는 요철 패턴인 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면에서 표면 플라스몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton : SPP)과 입사광 포톤(photon)의 커플링(coupling)이 일어나게 된다. 그 결과, 수학식 1을 만족하는 특정 파장 영역의 광(굵은 실선 화살표)이 표면 플라스몬 폴라리톤을 여기하여 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면을 따라 진행하게 된다. 즉, 입사된 광(얇은 실선 화살표) 중 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면에서 반사(또는 회절)된 광은 광 흡수층(도 1의 140 참조)으로 다시 입사되고, 그리고 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)을 구성하는 물질들 각각의 유전율에 따른 특정 파장 영역의 광(굵은 실선 화살표)은 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면을 따라 진행하게 된다. 이러한 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 특정 파장 영역의 광(굵은 실선 화살표)의 흡수에 의해 반사막 역할을 하는 금속층(120)의 반사율이 떨어지는 것을 알 수 있다.When the wave number vector (k x ) and the surface plasmon (k sp ) of light are the same as in Equation 1, the surface at the interface between the
결과적으로, 금속층(120)과 투명 도전 산화물층(130)의 계면의 일정한 주기적 요철 패턴의 피치(D) 또는 높이(a)를 조절함으로써, 표면 플라스몬 공명이 억제 될 수 있습니다. 이에 따라, 반사막 역할을 하는 금속층(120)의 반사율이 더 높아짐으로써, 태양 전지의 광 흡수 효율일 향상될 수 있다.As a result, surface plasmon resonance can be suppressed by adjusting the pitch (D) or the height (a) of a constant periodic uneven pattern at the interface between the
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 투명 도전 산화물층/금속층 구조의 계면에서의 반사도를 설명하기 위한 그래프이다.4 is a graph illustrating the reflectivity at the interface of the transparent conductive oxide layer / metal layer structure of the solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 금속층(도 1의 120 참조)을 은으로, 그리고 투명 도전 산화물층(도 1의 130 참조)을 아연산화물로 형성한 태양 전지의 금속층에 의한 반사도 분포들이 보여진다.Referring to FIG. 4, reflectance distributions by the metal layer of the solar cell in which the metal layer (see 120 in FIG. 1) is formed of silver and the transparent conductive oxide layer (see 130 in FIG. 1) are formed of zinc oxide are shown.
굵은 실선은 금속층이 포함되지 않는 경우, 이점 쇄선은 금속층이 평균 48nm의 피치를 갖는 요철 패턴을 갖도록 형성된 경우, 얇은 실선은 금속층이 평균 120nm의 피치를 갖는 요철 패턴을 갖도록 형성된 경우, 그리고 점선은 금속층이 평균 235nm의 피치를 갖는 요철 패턴을 갖도록 형성된 경우 각각에 대한 금속층에서의 반사도 분포이다.The thick solid line does not include the metal layer, the advantage chain line is formed so that the metal layer has an uneven pattern having an average pitch of 48 nm, the thin solid line is formed so that the metal layer has an uneven pattern having an average pitch of 120 nm, and the dotted line is the metal layer. The reflectivity distribution in the metal layer for each when formed to have an uneven pattern having a pitch of an average of 235 nm.
그래프에서 알 수 있듯이, 요철 패턴인 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서 450nm 부근의 광이 반사막 역할을 하는 금속층에 의해 반사되지 못하는 것(평면 화살표)을 알 수 있다. 이는 금속층을 형성하는 은 및 투명 도전 산화물층을 형성하는 아연산화물 각각의 유전율에 의해 450nm 부근의 광이 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서 표면 플라스몬 공명을 일으키기 때문인다.As can be seen from the graph, it can be seen that light around 450 nm is not reflected by the metal layer serving as the reflective film at the interface between the uneven pattern metal layer and the transparent conductive oxide layer (plane arrow). This is because light around 450 nm causes surface plasmon resonance at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer by the permittivity of each of the silver forming the metal layer and the zinc oxide forming the transparent conductive oxide layer.
앞서 도 3에서 설명된 것과 같이, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면의 일정한 주기적 요철 패턴의 피치 또는 높이(도 3의 a 참조)를 조절하게 되면, 450nm 부근의 광이 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서 흡수되지 않고, 반사 될 수 있다.As described above with reference to FIG. 3, when the pitch or height (see a in FIG. 3) of a constant periodic uneven pattern at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer is adjusted, light around 450 nm may be applied to the metal layer and the transparent conductive oxide layer. It is not absorbed at the interface and can be reflected.
또한, 금속층과 투명 도전 산화물층을 구성하는 물질들이 달라지더라도, 즉, 금속층과 투명 도전 산화물층 각각의 유전율이 바뀌더라도, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면의 일정한 주기적 요철 패턴의 피치 또는 높이를 조절함으로써, 특정 파장 영역의 광이 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서 흡수되지 않고 반사될 수 있다.In addition, even if the materials constituting the metal layer and the transparent conductive oxide layer are different, that is, even if the dielectric constants of the metal layer and the transparent conductive oxide layer are changed, the pitch or height of the constant periodic irregular pattern at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer is increased. By adjusting, light in a specific wavelength region can be reflected without being absorbed at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer.
상기한 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면이 일정한 주기적 요철 패턴의 구조를 가짐으로써, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 광의 흡수가 억제될 수 있다. 이에 따라, 향상된 광 흡수 효율을 갖는 태양 전지가 제공될 수 있다.The solar cell according to the embodiments of the present invention has a structure of a periodic concavo-convex pattern having a constant interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer, thereby absorbing light by surface plasmon resonance at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer. Can be suppressed. Accordingly, a solar cell with improved light absorption efficiency can be provided.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면이 일정한 주기적 요철 패턴의 구조를 가지고, 그리고 요철 패턴의 모양이 조절됨으로써, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 특정 파장 영역의 광이 흡수되는 것이 방지할 수 있다. 이에 따라, 향상된 광 흡수 효율을 갖는 태양 전지가 제공될 수 있다.In addition, the solar cell according to the embodiments of the present invention has a structure of a periodic concave-convex pattern having a constant interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer, and the shape of the concave-convex pattern is controlled, so that the solar cell at the interface of the metal layer and the transparent conductive oxide layer Absorption of light in a specific wavelength region by surface plasmon resonance can be prevented. Accordingly, a solar cell with improved light absorption efficiency can be provided.
이에 더하여, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면이 일정한 주기적 요철 패턴의 구조를 가지고, 그리고 요철 패턴의 모양이 조절됨으로써, 금속층과 투명 도전 산화물층의 계면에서의 표면 플라스몬 공명에 의한 특정 파장 영역의 광이 흡수되는 것이 방지할 수 있다. 이에 따라, 다양한 파장 영역들에 대해 향상된 광 흡수 효율을 갖는 태양 전지가 제공될 수 있 다.In addition, the solar cell according to the embodiments of the present invention has a structure of a periodic concave-convex pattern having a constant interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer, and the shape of the concave-convex pattern is controlled, thereby, at the interface between the metal layer and the transparent conductive oxide layer. Absorption of light in a specific wavelength region due to surface plasmon resonance can be prevented. Accordingly, a solar cell with improved light absorption efficiency for various wavelength regions can be provided.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention belongs may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. You will understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 설명하기 위한 입체도;1 is a three-dimensional view for explaining a solar cell according to an embodiment of the present invention;
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도;2 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 1;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 투명 도전 산화물층/금속층 구조의 계면에서 발생하는 표면 플라스몬 공명을 설명하기 위한 개념도; 3 is a conceptual diagram illustrating surface plasmon resonance occurring at an interface of a transparent conductive oxide layer / metal layer structure of a solar cell according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 투명 도전 산화물층/금속층 구조의 계면에서의 반사도를 설명하기 위한 그래프.4 is a graph illustrating the reflectivity at the interface of the transparent conductive oxide layer / metal layer structure of the solar cell according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
110 : 투명 기판 120 : 금속 박막110: transparent substrate 120: metal thin film
130 : 투명 도전 산화물층 140 : 광 흡수층130: transparent conductive oxide layer 140: light absorbing layer
150 : 버퍼층150: buffer layer
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|---|---|---|---|
| KR1020090125496A KR20110068508A (en) | 2009-12-16 | 2009-12-16 | Solar cells having structure with transparent conduction oxide layer/metal thin film and methods of fabricating the same |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103579402A (en) * | 2012-08-07 | 2014-02-12 | 江苏武进汉能光伏有限公司 | Efficient non-microcrystallite-stacking solar cell |
| CN104733554A (en) * | 2015-04-10 | 2015-06-24 | 上海电机学院 | Silicon based thin film solar cell with bottom provided with metal nanoparticle structure |
| CN106992364A (en) * | 2017-04-30 | 2017-07-28 | 电子科技大学 | A kind of transparent electromagnetic darkroom |
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2009
- 2009-12-16 KR KR1020090125496A patent/KR20110068508A/en active Search and Examination
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