説明

太陽電池

【課題】光透過率を高めて效率を改善することができる太陽電池を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態による太陽電池は、基板、基板の上に位置する第1電極、第1電極の上に位置する光吸収層、光吸収層の上に位置するバッファ層、及びバッファ層の上に位置する第2電極を含み、バッファ層は下記化学式(1)及び下記化学式(2)のいずれか一つで表される化合物で形成される。
【化1】
(In1−xGa・・・(1)
【化2】
(In1−xAl・・・(2)
ここで、xは、0<x<1である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池に関する。
【背景技術】
【0002】
太陽電池は、光電效果を利用して太陽光エネルギーを電気エネルギーに変える装置である。CO排出による温室效果を起こす化石エネルギーと、放射性廃棄物による大気汚染などの地球環境を汚染させる原子力エネルギーなどを代替できる清浄エネルギーまたは次世代エネルギーとして重要である。
【0003】
太陽電池は、基本的にP型半導体とN型半導体という2種類の半導体を用いて電気を生成し、光吸収層として用いられる物質によって多様な種類に区分される。
【0004】
一般的な太陽電池の構造は、基板の上にウィンドー層(前面透明電導膜)、PN膜、後面反射電極膜の順に蒸着される。このような構造の太陽電池に太陽光が入射すると、電子はN層、正孔はP層に収集されて電流を発生するようになる。
【0005】
化合物太陽電池(例:CIGS化合物太陽電池)は、ガラス基板は勿論、ステンレス、チタンなど柔軟な基板の上に形成された電極の上に銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレニウム(Se)、及び硫黄(S)などの化合物を蒸着する方式で既存のシリコン系列の太陽電池とは異なって、シリコンを使用することなく太陽光を電気に変換し、效率が高いことが特徴である。
【0006】
CIGS化合物太陽電池でp型半導体として使用されるCIGS層と、n型半導体として使用されるZnO:Al層とがp−n接合を形成することができ、p型半導体とn型半導体との間に良好な接合を形成するために、バンドギャップが上記二つの物質の中間に位置するか、または上記二つの物質より大きいバッファ層として硫化カドミウム(CdS)などが使用された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2002−329877号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかし、硫化カドミウムなどは短波長領域で光吸収損失が生じ、そのため光效率が低下する恐れがある。
【0009】
本発明の目的は、光透過率を高めて效率を改善することができる太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の実施形態による太陽電池は、基板、前記基板の上に位置する第1電極、前記第1電極の上に位置する光吸収層、前記光吸収層の上に位置するバッファ層、及び前記バッファ層の上に位置する第2電極を含み、前記バッファ層は下記化学式(1)及び下記化学式(2)のいずれか一つで表される化合物で形成される。
【0011】
【化1】

【0012】
【化2】

ここで、前記xは、0<x<1である。
【0013】
前記光吸収層は、CdTe、CuInSe、Cu(In、Ga)Se、Cu(In、Ga)(Se、S)、Ag(InGa)Se、Cu(In、Al)Se、及びCuGaSeのうちから選択された少なくとも一つで形成することができる。
【0014】
前記第1電極は、反射伝導性金属で形成することができる。
【0015】
前記第1電極は、モリブデン(MO)、銅(Cu)、及びアルミニウムのいずれか一つで形成することができる。
【0016】
前記第2電極は、透明な伝導性酸化物で形成することができる。
【0017】
前記第2電極は、ITO、IZO、ZnO、GaZO、ZnMgO、及びSnOのいずれか一つで形成することができる。
【0018】
前記第2電極の上に位置する反射防止膜をさらに含むことができる。
【0019】
本発明の他の実施形態による太陽電池は、基板、前記基板の上に位置する第1電極、前記第1電極の上に位置する光吸収層、前記光吸収層の上に位置するバッファ層、及び前記バッファ層上に位置する第2電極を含み、前記バッファ層は、酸化インジウム(In)にシリコン(Si)及び錫(Sn)のいずれか一つをドーピングして形成することができる。
【0020】
前記光吸収層は、CdTe、CuInSe、Cu(In、Ga)Se、Cu(In、Ga)(Se、S)、Ag(InGa)Se、Cu(In、Al)Se、及びCuGaSeのうちから選択された少なくとも一つで形成することができる。
【0021】
前記第1電極は、反射伝導性金属で形成することができる。
【0022】
前記第1電極は、モリブデン(MO)、銅(Cu)、及びアルミニウムのいずれか一つで形成することができる。
【0023】
前記第2電極は、透明な伝導性酸化物で形成することができる。
【0024】
前記第2電極は、ITO、IZO、ZnO、GaZO、ZnMgO、及びSnOのいずれか一つで形成することができる。
【0025】
前記第2電極の上に位置する反射防止膜をさらに含むことができる。
【0026】
本発明の他の実施形態による太陽電池は、P型半導体層とN型半導体層との間に形成されたバッファ層を含み、前記バッファ層は下記化学式(1)及び下記化学式(2)のうちのいずれか一つで表される化合物で形成される。
【0027】
【化3】

【0028】
【化4】

ここで、前記xは、0<x<1である。
【発明の効果】
【0029】
本発明の実施形態によれば、新しい組成を有するバッファ層を適用して短波長領域で光損失を減らすことによって、光效率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】本発明の実施形態に係る太陽電池を示す概略的な断面図である。
【図2】硫化カドミウム(CdS)で形成されたバッファ層の厚さを変化させる時、波長による外部量子效率(ExternAl Quantum Efficiency;EQE)を示すグラフである。
【図3】バッファ層の材料を変化させる時、波長による光透過率を示すグラフである。
【図4】バッファ層の材料を変化させる時、波長による光透過率を示すグラフである。
【図5】本発明の実施形態によるバッファ層でガリウムの含量によるバンドギャップを示すグラフである。
【図6】本発明の実施形態によるバッファ層でアルミニウムの含量によるバンドギャップを示すグラフである。
【図7】本発明の他の実施形態によるバッファ層でシリコン(Si)の含量によるバンドギャップを示すグラフである。
【図8】本発明の他の実施形態によるバッファ層で錫(Sn)の含量によるバンドギャップを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0031】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0032】
添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明はここで説明する実施形態に限定されず、他の形態に具体化することも可能である。むしろ、ここで紹介する実施形態は、開示された内容を徹底でかつ完全なものとなるようにし、また当業者に本発明の思想を充分に伝達するために提供されるものである。
【0033】
図面において、層及び領域の厚さは明確性を期するために誇張して示した。また、層が他の層または基板の「上」にあるという場合に、それは他の層または基板の上に直接形成できるか、またはそれらの間に第3の層が介在されることもできる。明細書の全体にわたって、同一の参照番号に表示された部分は同一の構成要素を意味する。
【0034】
図1は、本発明の実施形態による太陽電池を示す概略的な断面図である。
【0035】
図1を参照すると、本発明の実施形態による太陽電池は、基板100、基板100の上に位置する第1電極110、第1電極110の上に位置する光吸収層120、光吸収層120の上に位置するバッファ層130、バッファ層130の上に位置する第2電極140、第2電極140の上に位置する反射防止膜150、及びグリッド電極160を含む。反射防止膜150は省略可能である。
【0036】
他の実施形態において、反射防止膜150は、基板100と第1電極110との間に位置することができる。
【0037】
第1電極110は、モリブデン(MO)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)のような反射伝導性金属で形成することができる。
【0038】
光吸収層120は、1族元素、3族元素、及び6族元素のうちから選択された少なくとも一つの元素を含むことができる。
【0039】
光吸収層120は、化合物半導体で形成することができ、CdTe、CuInSe、Cu(In、Ga)Se、Cu(In、Ga)(Se、S)、Ag(InGa)Se、Cu(In、Al)Se、及びCuGaSe
からなる群より選択された少なくとも一つの物質で形成することができる。
【0040】
バッファ層130はpn接合をなすP型半導体層とN型半導体層との間に形成されて、p型半導体とn型半導体との格子定数及びエネルギーバンドギャップの差を緩和させる役割をする。したがって、バッファ層130として用いられる物質のエネルギーバンド値は、N型半導体とP型半導体のエネルギーバンドギャップの中間くらいの値を有するか、またはN型半導体とP型半導体のバンドギャップより大きい値を有することができる。
【0041】
本発明の実施形態によるバッファ層130は、下記化学式(1)及び下記化学式(2)のいずれか一つで表される化合物で形成することができる。
【0042】
【化5】

【0043】
【化6】

上記xは、0<x<1である。
【0044】
本発明の他の実施形態によるバッファ層130は、酸化インジウム(In)にシリコン(Si)、錫(Sn)、及び窒素(N)のいずれか一つをドーピングして形成することができる。バッファ層130にシリコン(Si)、錫(Sn)、及び窒素(N)のいずれか一つをドーピングすることによって、抵抗率またはキャリアの密度を調節することができる。
【0045】
本実施形態によるバッファ層130は、下記化学式(3)乃至下記化学式(5)のいずれか一つで表される化合物で形成することができる。
【0046】
【化7】

【0047】
【化8】

【0048】
【化9】

上記xは、0<x<1である。
【0049】
バッファ層130は、スピンコーティング(Spin−coating)方法、ディッピング(Dipping)方法、化学的溶液成長法(Chemical bath deposition;CBD)、原子蒸着法(Atomic Layer Deposition;ALD)などを利用して形成することができる。
【0050】
第2電極140は透明伝導性酸化物で形成することができる。第2電極140は、ITO、IZO、ZnO、GaZO、ZnMgO、またはSnOのいずれか一つの物質で形成することができる。
【0051】
第1電極110または第2電極140を通じて光吸収層120に光が入射すると、電子と正孔が生成され、電子が第1電極110に移動され、正孔は第2電極140に移動されて、電流が流れるようになる。または、光吸収層の種類によって電子が第2電極140に移動され、正孔が第1電極110に移動されて、電流が流れることも可能である。光吸収層120の光吸収率が高いほど、太陽電池の光效率が高くなることができる。
【0052】
反射防止膜150はフッ化マグネシウム(MgF)で形成でき、グリッド電極160は銀(Ag)、銀ペースト(Silver paste)、アルミニウム(Al)またはニッケルアルミニウム合金などを利用して形成することができる。
【0053】
図2は、硫化カドミウム(CdS)で形成されたバッファ層の厚さを変化させる時、波長による外部量子效率( ExternAl Quantum Efficiency;EQE)を示すグラフである。
【0054】
図2を参照すると、従来の硫化カドミウム(CdS)でバッファ層を形成した場合に、500nm以下の短波長で、その厚さが増加するほど透過率が落ちる。そのため、500nm以下の短波長で光損失が発生し得る。
【0055】
図3及び図4は、バッファ層の材料を変化させる時、波長による光透過率を示すグラフである。
【0056】
図3を参照すると、バッファ層の物質として、硫化カドミウム(CdS)、酸化インジウム(In)、InGaO、及びInAlOを使用した。特に、InGaOは(In1−xGaでxが0.1である場合であり、InAlOは(In1−xAlでxが0.34である場合を測定した。この時、500nm以下の短波長領域での透過率が、既存の硫化カドミウム(CdS)を使用した場合よりも、本発明の実施形態によるバッファ層として酸化インジウム(In)にガリウムまたはアルミニウムを混合した場合にさらに良いことが確認できる。
【0057】
図4を参照すると、バッファ層の物質として、硫化カドミウム(CdS)、シリコン(Si)がドーピングされた酸化インジウム(InO:Si)、及び錫(Sn)がドーピングされた酸化インジウム(InO:Sn)を使用した。特に、シリコン(Si)がドーピングされた酸化インジウム(InO:Si)は、InにSiを0.14at%(atomic%)を添加し、錫(Sn)がドーピングされた酸化インジウム(InO:Sn)は、InにSnを0.15at%を添加した場合を測定した。この時、500nm以下の短波長領域での透過率が、既存の硫化カドミウム(CdS)を使用した場合よりも、本発明の他の実施形態によるバッファ層としてシリコン(Si)がドーピングされた酸化インジウム(InO:Si)または錫(Sn)がドーピングされた酸化インジウム(InO:Sn)を使用した場合にさらに良いことが確認できる。
【0058】
図5は、本発明の実施形態によるバッファ層でガリウムの含量によるバンドギャップを示すグラフである。
【0059】
具体的に、化学式(In1−xGaで、xが0、0.10、0.28、0.79である場合に、分光光度計(UV/Vis Spectrometer)で測定した結果を光エネルギーによる(αhν)の値に表した。
【0060】
バンドギャップ(Eg)は、次の式(1)によって分かる。
【数1】

【0061】
ここで、Aは定数で、αは光学的吸収係数、hνは光エネルギー(photon energy)、nはエネルギー遷移(shift)による値である。直接遷移半導体の場合n=1/2と知られている。
【0062】
バンドギャップは、図5において、グラフの扇形領域を横軸に向けて延長する時、延長された扇形領域が横軸と会う地点での横軸の値を示す。
【0063】
図5を参照すると、xが0の時に3.65eV、xが0.1の時に3.85eV、xが0.28の時に3.9eV、xが0.79の時に4.3eV程度のバンドギャップを示す。つまり、酸化インジウムに合金として添加されたガリウム(Ga)の量が増加することによって、バンドギャップ値が大きくなる。
【0064】
図6は、本発明の実施形態によるバッファ層でアルミニウムの含量によるバンドギャップを示すグラフである。
【0065】
具体的に、化学式(In1−xAlでxが0、0.15、0.28、0.34である場合に、分光光度計(UV/Vis Spectrometer)で測定した結果を光エネルギーによる(αhν)の値に表した。
【0066】
図6を参照すると、xが0の時に3.65eV、xが0.15の時に3.85eV、xが0.28の時に3.9eV、xが0.34の時に4.3eV程度のバンドギャップを示す。つまり、酸化インジウムに合金として添加されたアルミニウム(Al)の量が増加するによって、バンドギャップ値が大きくなる。
【0067】
図7は、本発明の他の実施形態によるバッファ層でシリコン(Si)の含量によるバンドギャップを示すグラフである。
【0068】
具体的に、酸化インジウム(In)にシリコン(Si)を0.15at%不純物として添加した場合に、分光光度計(UV/Vis Spectrometer)で測定した結果を光エネルギーによる(αhν)の値に表した。
【0069】
図7を参照すると、本発明の実施形態によるバッファ層にシリコン(Si)が不純物として添加された酸化インジウム(InO:Si)のバンドギャップは3.67eV程度であって、酸化インジウム(In)よりバンドギャップが大きくなる。
【0070】
図8は、本発明の他の実施形態によるバッファ層で錫(Sn)の含量によるバンドギャップを示すグラフである。
【0071】
具体的に、酸化インジウム(In)に錫(Sn)を0.14at%不純物として添加した場合に、分光光度計(UV/Vis Spectrometer)で測定した結果を光エネルギーによる(αhν)の値に表した。
【0072】
図8を参照すると、本発明の実施形態によるバッファ層として錫(Sn)が不純物として添加された酸化インジウム(InO:Sn)のバンドギャップは3.70eV程度であって、酸化インジウム(In)よりバンドギャップが大きくなる。
【0073】
このように、本発明の実施形態によるバッファ層として、酸化インジウム(In)にインジウム(In)と同一の3族元素であるガリウム(Ga)またはアルミニウム(Al)を合金して所望のバンドギャップに調節することができ、酸化インジウム(In)にシリコン(Si)または錫(Sn)をドーピングすることによって、抵抗率、キャリア密度を調節することができる。したがって、短波長領域における光吸収損失を最小化して、光效率を高めることができる。
【0074】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【0075】
100 基板
110 第1電極
120 光吸収層
130 バッファ層
140 第2電極
150 反射防止膜
160 グリッド電極



【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板、
前記基板の上に位置する第1電極、
前記第1電極の上に位置する光吸収層、
前記光吸収層の上に位置するバッファ層、及び
前記バッファ層の上に位置する第2電極を含み、
前記バッファ層は下記化学式(1)及び下記化学式(2]のいずれか一つで表される化合物で形成される太陽電池:
【化1】

【化2】

(前記xは、0<x<1である)
【請求項2】
前記光吸収層は、CdTe、CuInSe、Cu(In、Ga)Se、Cu(In、Ga)(Se、S)、Ag(InGa)Se、Cu(In、Al)Se、及びCuGaSeのうちから選択された少なくとも一つで形成される、請求項1に記載の太陽電池。
【請求項3】
前記第1電極は反射伝導性金属で形成される、請求項1に記載の太陽電池。
【請求項4】
前記第1電極は、モリブデン(MO)、銅(Cu)、及びアルミニウムのいずれか一つで形成される、請求項3に記載の太陽電池。
【請求項5】
前記第2電極は透明な伝導性酸化物で形成される、請求項4に記載の太陽電池。
【請求項6】
前記第2電極は、ITO、IZO、ZnO、GaZO、ZnMgO、及びSnOのいずれか一つで形成される、請求項5に記載の太陽電池。
【請求項7】
前記第2電極の上に位置する反射防止膜をさらに含む、請求項1に記載の太陽電池。
【請求項8】
基板、
前記基板の上に位置する第1電極、
前記第1電極の上に位置する光吸収層、
前記光吸収層の上に位置するバッファ層、及び
前記バッファ層上に位置する第2電極を含み、
前記バッファ層は、酸化インジウム(In)にシリコン(Si)及び錫(Sn)のいずれか一つをドーピングして形成される太陽電池。
【請求項9】
前記光吸収層は、CdTe、CuInSe、Cu(In、Ga)Se、Cu(In、Ga)(Se、S)、Ag(InGa)Se、Cu(In、Al)Se、及びCuGaSeのうちから選択された少なくとも一つで形成される、請求項8に記載の太陽電池。
【請求項10】
前記第1電極は反射伝導性金属で形成される、請求項9に記載の太陽電池。
【請求項11】
前記第1電極は、モリブデン(MO)、銅(Cu)、及びアルミニウムのいずれか一つで形成される、請求項10に記載の太陽電池。
【請求項12】
前記第2電極は透明な伝導性酸化物で形成される、請求項11に記載の太陽電池。
【請求項13】
前記第2電極は、ITO、IZO、ZnO、GaZO、ZnMgO、及びSnOのいずれか一つで形成される、請求項12に記載の太陽電池。
【請求項14】
前記第2電極の上に位置する反射防止膜をさらに含む、請求項8に記載の太陽電池。
【請求項15】
P型半導体層、
N型半導体層、
前記P型半導体層と前記N型半導体層との間に形成されたバッファ層を含み、前記バッファ層は下記化学式(1)及び下記化学式(2)のうちのいずれか一つで表される化合物で形成される太陽電池。
【化3】

【化4】

(ここで、前記xは、0<x<1である)


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2012−44187(P2012−44187A)
【公開日】平成24年3月1日(2012.3.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−181390(P2011−181390)
【出願日】平成23年8月23日(2011.8.23)
【出願人】(590002817)三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】416,Maetan−dong,Yeongtong−gu,Suwon−si,Gyeonggi−do,Republic of Korea
【出願人】(000125370)学校法人東京理科大学 (27)
【Fターム(参考)】