KR100855682B1 - 태양전지의 실리콘 표면 텍스쳐링 방법 - Google Patents
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Abstract
실리콘 태양전지의 광 포획량을 증가시키기 위한 실리콘 표면 텍스쳐링 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 실리콘 표면 텍스쳐링 방법은 템플릿 방식 또는 나노스피어 리소그래피 방식을 적용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 방법은 다결정 실리콘 태양전지의 제조 과정 중에도 적용 가능하며, 실리콘 표면에서의 전반사를 줄여 태양전지의 발열문제를 해결하고 광포획량을 증가시켜 태양전지의 효율 증가를 기대할 수 있다.
태양전지, 실리콘, 텍스쳐링, 나노스피어 리소그래피
Description
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 실리콘 표면 텍스쳐링 방법을 나타내는 도면.
도 2a 내지 도 2d는 템플릿 제조 방법을 나타내는 도면.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 실리콘 표면 텍스쳐링 방법을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 31: 실리콘 기판
27: 템플릿
32, 33: 나노스피어
34: 금속층
12, 35, 36: 식각 패턴(텍스쳐링 패턴)
본 발명은 태양전지의 실리콘 표면 텍스쳐링 방법에 관한 것으로, 보다 상세 하게는 다결정 실리콘 태양전지에도 적용가능하며 태양전지의 광 포획량을 증가시킬 수 있는 실리콘 표면 텍스쳐링 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양의 광 에너지를 반도체의 성질을 이용하여 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치로서 반도체 물질로 실리콘을 사용하는 실리콘계 태양전지가 대표적이다.
실리콘계 태양 전지는 실리콘의 상(phase)에 따라 크게 단결정 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지로 분류할 수 있다. 단결정 실리콘 태양전지와 다결정 실리콘 태양전지는 묶어서 결정질 실리콘 태양전지라고도 한다.
일반적인 실리콘계 태양전지의 작동 원리는 다음과 같다. 먼저, 태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만드는데, p형 반도체와 n형 반도체가 접한 부분에 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생하게 된다. 이때, 태양전지를 구성하는 실리콘의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛만이 전자와 정공을 발생시킬 수 있다. 빛 에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부 전계에 의하여 각각 n형 반도체 측과 p형 반도체 측으로 이동하여 양쪽의 전극 부분에 모아진다. 이러한 두 개의 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부의 부하나 시스템에서 전력원으로 이용할 수 있게 된다.
그러나, 상술한 바와 같은 태양전지는 동작 중에 캐리어의 재결합에 의한 손실, 캐리어를 수집하는 전극 부분에서의 저항에 따른 손실, 태양전지 표면에서 발생하는 광학적 손실 등에 의하여 그 특성이 저하되는 것으로 알려져 있다. 그 중 에서도 특히 태양전지 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실이 가장 큰 비중을 차지하고 있다.
이러한 태양전지의 광학적 손실을 저감시키기 위하여 주로 텍스쳐링(texturing) 방법이 사용된다. 텍스쳐링이란 태양 전지에서 사용되는 실리콘 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 실리콘 기판 표면에 요철 형상의 패턴을 형성하는 것을 말한다. 텍스쳐링으로 실리콘 표면이 거칠어지면 한번 반사된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시킴으로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
태양전지의 실리콘 기판의 텍스쳐링 방법으로 다양한 시도가 있어 왔다.
대한민국공개특허 제2006-0115296호에는 습식 식각에 의해 단결정 실리콘 기판에 역 피라미드 모양의 패턴을 형성하여 태양전지의 특성을 향상시키는 텍스쳐링 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 단결정 실리콘 기판에서만 적용될 수 있는 기술로서, 현재 실리콘 태양전지의 양산화를 위해 주목받고 있는 제조 단가가 저렴한 다결정 실리콘 태양전지에는 원천적으로 적용할 수 없다는 치명적인 단점을 가지고 있다.
따라서, 다결정 실리콘 태양전지에 적용하기 위하여, 결정 방향이 일정하지 않는 다결정 실리콘의 텍스쳐링이 가능한 레이저 식각법이나 플라즈마 식각법이 주목을 받고 있다. 그러나, 레이저 식각법은 고가의 투자 비용 및 처리양의 한계로 인하여 양산화에 어려움이 있다.
대한민국공개특허 제2005-0005160호에는 플라즈마 식각에 의해 단결정 및 다 결정 실리콘 기판에 저반사 표면 구조물을 형성하여, 즉 실리콘 기판을 텍스쳐링 하여 태양전지의 특성을 향상시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 기본적으로 텍스쳐링 패턴의 깊이 및 기울기 등을 조절하기가 어렵고 조절할 수 있는 범위도 한정되어 있어서 최적의 실리콘 텍스쳐링을 기대하기가 어렵다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 단결정 실리콘 및 다결정 실리콘 태양전지에 모두 적용할 수 있는 실리콘 표면 텍스쳐링 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 실리콘 태양전지의 광 포확량을 증가시키기 위한 최적의 실리콘 표면 텍스쳐링을 얻을 수 있는 실리콘 표면 텍스쳐링 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 공정 과정이 간단하고 공정 단가가 저렴하여 태양전지의 양산화에 적용 가능한 실리콘 표면 텍스쳐링 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양전지의 실리콘을 텍스쳐링 하는 방법은 템플릿을 제작하는 단계; 상기 템플릿을 마스크로 하여 상기 실리콘을 식각하는 단계; 및 상기 템플릿을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 실리콘은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 탬플릿은 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
상기 템플릿을 제작하는 단계는 복수개의 볼록부가 형성된 몰드를 준비하는 단계; 상기 몰드 상에 템플릿 멜트를 퇴적하여 경화시키는 단계; 상기 몰드를 제거하여 상기 복수개의 볼록부에 대응하는 복수개의 홀이 형성된 템플릿을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 템플릿을 제작하는 단계는 상기 템플릿 상에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 크롬, 철과 같은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물과 같은 금속 화합물을 포함할 수 있다.
상기 실리콘을 식각하는 방법은 반응성 이온 식각법을 포함할 수 있다.
그리고, 상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양전지의 실리콘을 텍스쳐링 하는 방법은 실리콘 상에 나노스피어(nano sphere)를 배치하는 제1 단계; 상기 나노스피어를 식각하는 제2 단계; 상기 나노스피어를 증착 마스크로 하여 상기 실리콘 상에 금속층을 형성하는 제3 단계; 상기 나노스피어를 제거하는 제4 단계; 및 상기 금속층을 식각 마스크로 하여 상기 실리콘을 식각하는 제5 단계를 포함한다.
상기 제1 단계에서 상기 나노스피어가 분산된 용액을 스핀 코팅하여 상기 나노스피어를 상기 실리콘 상에 배치할 수 있다.
상기 제2 단계에서 상기 나노스피어를 식각하는 방법은 O2 또는 CF4 가스를 이용하는 반응성 이온 식각법을 포함할 수 있다.
상기 제2 단계에서 상기 나노스피어의 직경은 200 내지 400nm로 조절될 수 있다.
상기 제3 단계에서 상기 금속층은 Cr을 포함할 수 있다.
상기 제4 단계에서 상기 나노스피어를 제거하는 방법은 화학 식각법을 포함할 수 있다.
상기 제5 단계에서 상기 실리콘을 식각하는 방법은 플루오린 계열의 가스를 이용하는 반응성 이온 식각법을 포함할 수 있다.
상기 제5 단계에서 상기 플루오린 계열의 가스에 식각 마스크의 역할을 하는 상기 금속층을 식각할 수 있는 가스를 첨가하여 상기 실리콘을 식각할 수 있다.
상기 실리콘의 식각 패턴은 테이퍼형일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 실리콘 표면 텍스쳐링 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명의 제1 실시예는 템플릿(template)과 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE) 공정을 이용하여 실리콘 기판을 텍스쳐링 하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 태양전지의 실리콘 기판(11) 상에 템플릿(27)을 정렬시킨 후 실리콘 기판(11)과 템플릿(27)을 서로 밀착시킨다(도 1a). 여기서, 실리콘 기판(11)은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘을 모두 포함한다. 또한, 템플릿(27)은 본 실시예에서 식각 마스크의 역할을 하는 구성요소로서, 도 1의 과정과는 별도의 독립적인 제조 과정을 거쳐 미리 준비한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 실시예에서 사용되는 템플릿(27)을 제조하는 방법을 나타내는 도면이다.
우선, 직육면체 형상의 복수개의 볼록부(22)가 형성된 실리콘 마스터 몰드(21)를 준비하여 표면 처리한다(도 2a). 이때, 볼록부(22)의 형상은 직육면체 형상으로 한정되지 않는다.
이후, 실리콘 마스터 몰드(21) 상에 PDMS(polydimethylsiloxane; 23) 멜트를 퇴적하여 경화시킨다(도 2b). 본 발명에서 템플릿의 재료로 사용되는 PDMS는 상대적으로 넓은 영역과 평탄하지 않은 영역에 대해서도 안정적으로 점착 가능할 뿐만 아니라 다른 폴리머를 몰딩할 때에도 접착이 잘 일어나지 않기 때문에 성형 가공성이 좋다는 장점이 있다.
이후, 실리콘 마스터 몰드(21)를 제거하면 직사각형 형상의 복수개의 홀(24)이 형성된 PDMS(23)만이 남는다(도 2c).
끝으로, PDMS(23) 표면에 금속 재질(예를 들어, Cr)의 보호층(25)를 코팅하면 최종적인 템플릿(27)이 완성된다(도 2d). 보호층(25)은 템플릿(27)의 손상을 방지하고 식각 마스크로서의 수명을 연장시키는 역할을 한다.
도 2의 과정을 거쳐 제조되는 템플릿의 치수는 원하는 텍스쳐링 패턴의 사양에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 템플릿의 두께는 약 10um(도 2c의 a), 템플릿의 홀의 길이는 약 5um(도 2c의 b), 홀 간격은 약 3um(도 2c의 c)의 치수로 템플릿을 제조할 수 있다.
다시 도 1로 돌아와서, 템플릿(27)을 식각 마스크로 하여 실리콘 기판(11)을 식각한다(도 1b). 이때, 템플릿(27)의 복수개의 홀(24)에 의해 실리콘 기판(11)이 노출되는 영역에 대하여 식각이 진행된다. 실리콘 기판(11)의 식각 방법으로는 반응성 이온 식각법을 이용하는 것이 바람직하다.
끝으로, 템플릿(27)을 제거하면 텍스쳐링 패턴(12)이 형성된 실리콘 기판(11)을 얻을 수 있다. 이로써 템플릿 및 반응성 이온 공정을 이용하여 실리콘 태양전지의 실리콘 기판 표면에 원하는 크기와 형상의 이차원 텍스쳐링 패턴을 형성할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 실리콘 표면 텍스쳐링 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명의 제2 실시예는 나노스피어 리소그래피(nanosphere lithography) 공정을 이용하여 실리콘 기판을 텍스쳐링 하는 것을 특징으로 한다.
나노스피어 리소그래피는 원하는 입자 배열이나 층 구조를 제조하는 방법 중 하나로, 자연적으로 생성되는 2차원 박막을 이용하여 마이크로 미터 이하 크기의 구형 입자들의 연속된 배열을 형성한 후, 이 입자들을 마스크로 사용하는 방법을 말한다. 즉, 나노스피어 리소그래피 방식으로 형성된 입자들로 구성된 단층 결정체를 증착 마스크 또는 식각 마스크로 사용하여 나노 스케일을 갖는 금속, 산화물 또는 유기 화합물 패턴을 제조할 수 있다.
이러한 나노스피어 리소그래피는 다른 리소그래피에 비하여 기판 상에 나노 스케일의 패턴을 매우 간단하게 저비용으로 규칙적이고 조밀하게 형성할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 패턴을 형성하고자 하는 물질에 거의 제약이 없다는 이점도 있다.
이하 나노스피어 리소그래피 공정을 이용한 태양전지의 실리콘 표면 텍스쳐링 방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 실리콘 기판(31) 상에 나노스피어(32)를 배치한다(도 3a). 나노스피어의 배치 방법으로는 나노스피어가 균일하게 분산되어 있는 솔루션을 스핀 코팅하는 방법이 사용된다. 나노스피어로는 예를 들어, 직경이 대략 500nm인 폴리스틸렌 나노비드(polystyrene nanobead), 실리카 볼(silica ball), 글라스 볼(glass ball) 등이 사용될 수 있다.
이후, 나노스피어(32)의 직경을 줄이기 위하여 나노스피어(32)를 식각한다(도 3b). 나노스피어의 크기를 줄이는 이유는 사용 목적에 따라 최적의 실리콘 텍스쳐링 패턴을 얻기 위함이다. 광 포획량을 증가시켜 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 나노스피어의 직경이 200 내지 400nm의 크기가 되도록 식각하는 것이 바람직하다.
나노스피어(250)의 식각 방법으로는 플라즈마를 이용하는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE) 방법이 사용된다. 식각 가스로는 나노스피어의 재질에 따라 최적의 식각 가스를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 나노스피어의 재질이 폴리머 계열인 경우에는 O2 가스를, 산화물 계열인 경우는 CF4 가스를 사용한다.
이후, 식각된 나노스피어(33)를 증착 마스크로 사용하여 실리콘 기판(31) 상에 금속층(34)을 형성한다(도 3c). 금속층(34)은 향후 실리콘 기판(11)에 텍스쳐 링 패턴을 형성할 때 식각 마스크로 사용된다. 따라서, 금속층(34)의 두께는 식각 마스크로서의 역할을 고려하여 결정하는 것이 바람직한데, 10 내지 20nm의 두께를 가지는 것이 좋다.
금속층(34)은 전자빔 증착법, 스퍼터링법 등을 이용하여 형성된다. 또한, 금속층(260)으로는 크롬을 사용하는 것이 바람직하다.
이후, 나노스피어(33)를 제거시키면 실리콘 기판(11) 상에는 금속층(34)만 소정의 패턴을 이루면서 남게 된다(도 3d). 나노스피어(33)는 화학적 식각을 통한 리프트 오프(lift off) 방법으로 제거된다. 식각 용액으로는 아세톤 등을 사용할 수 있다.
이후, 금속층(34)을 식각 마스크로 하여 실리콘 기판(31)을 식각하고 금속층(34)을 제거하면 텍스쳐링 패턴(35)이 형성된 실리콘 기판(31)을 얻을 수 있다(도 3e). 이때, 실리콘 기판(31)의 식각 방법으로는 반응성 이온 식각법을 사용하는 것이 바람직하다. 식각 가스로는 금속층(34), 예를 들어 크롬은 식각하지 않고 실리콘만 식각할 수 있는 CF4, CHF3 등의 플루오린(fluorine) 계열의 가스를 사용한다. 플루오린 계열의 가스를 이용하여 실리콘 기판을 반응성 이온 식각하면 식각 특성상 수직 형상의 텍스쳐링 패턴(35)이 형성된다. 이로써 나노스피어 리소그래피를 이용하여 실리콘 태양전지의 실리콘 기판 표면에 원하는 크기와 형상의 이차원 텍스쳐링 패턴을 형성할 수 있다.
한편, 실리콘 기판(31) 식각시 식각 가스를 조절함으로써 텍스쳐링 패턴의 형상을 조절할 수 있다. 다시 말하여, 도 3e에서는 크롬은 식각되지 않고 실리콘만 식각되는 플루오린 계열의 가스를 사용하였지만, 플루오린 계열의 가스에 크롬을 식각할 수 있는 Cl2와 같은 클로린(chlorine) 계열의 가스를 첨가한 후에 실리콘 기판을 식각하면 테이퍼 형상의 텍스쳐링 패턴(36)을 갖는 실리콘 기판(31)을 얻을 수 있다(도 3f).
또한, 상술한 바와 같은 플라즈마를 이용하는 건식 식각법 대신에 실리콘 기판(31)을 불산(HF)과 같은 식각 용액을 이용하는 습식 식각법으로 식각하여도 테이퍼 형상의 텍스쳐링 패턴(36)을 얻을 수 있다.
이러한 테이퍼형 텍스쳐링 패턴(36)은 수직형 텍스쳐링 패턴(35)보다 태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있다. 또한, 테이퍼형 텍스쳐링 패턴은 반사방지 필름 분야에서 주로 사용되고 있는 표면에서의 빛의 반사를 줄여 광 흡수율을 증가시킬 수 있는 모스 아이(moth eye) 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 기판 상에 최적의 크기와 형상을 갖는 고품위의 이차원 텍스쳐링 패턴을 형성할 수 있어서 태양전지의 효율을 획기적으로 높이는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 다결정 실리콘 기판 상에 최적의 크기와 형상을 갖는 고품위의 이차원 텍스쳐링 패턴을 형성할 수 있어서 태양전지의 제조 단가를 낮추는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 실리콘 기판 상에 보다 간단한 공정으로 용이하게 고품위의 이차원 텍스쳐링 패턴을 형성할 수 있어서 고효율 태양전지의 경제적인 생산이 가능한 효과가 있다.
Claims (18)
- 태양전지의 실리콘을 텍스쳐링 하는 방법에 있어서,템플릿을 제작하는 단계;상기 템플릿을 마스크로 하여 상기 실리콘을 식각하는 단계; 및상기 템플릿을 제거하는 단계를 포함하며,상기 템플릿을 제작하는 단계는,복수개의 볼록부가 형성된 몰드를 준비하는 단계;상기 몰드 상에 템플릿 멜트를 퇴적하여 경화시키는 단계;상기 몰드를 제거하여 상기 복수개의 볼록부에 대응하는 복수개의 홀이 형성된 템플릿을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 실리콘은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 탬플릿은 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 템플릿을 제작하는 단계는 상기 템플릿 상에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서,상기 보호층은 크롬, 철과 같은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물과 같은 금속 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 실리콘을 식각하는 방법은 반응성 이온 식각법을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법으로 텍스쳐링된 실리콘을 포함하는 태양전지.
- 태양전지의 실리콘 기판을 텍스쳐링 하는 방법에 있어서,실리콘 상에 나노스피어(nanosphere)를 배치하는 제1 단계;상기 나노스피어를 식각하는 제2 단계;상기 나노스피어를 증착 마스크로 하여 상기 실리콘 상에 금속층을 형성하는 제3 단계;상기 나노스피어를 제거하는 제4 단계; 및상기 금속층을 식각 마스크로 하여 상기 실리콘을 식각하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제9항에 있어서,상기 제1 단계에서 상기 나노스피어가 분산된 용액을 스핀 코팅하여 상기 나노스피어를 상기 실리콘 상에 배치하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제9항에 있어서,상기 제2 단계에서 상기 나노스피어를 식각하는 방법은 O2 또는 CF4 가스를 이용하는 반응성 이온 식각법을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제11항에 있어서,상기 제2 단계에서 상기 나노스피어의 직경은 200 내지 400nm로 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제9항에 있어서,상기 제3 단계에서 상기 금속층은 Cr을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제9항에 있어서,상기 제4 단계에서 상기 나노스피어를 제거하는 방법은 화학 식각법을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제9항에 있어서,상기 제5 단계에서 상기 실리콘을 식각하는 방법은 플루오린 계열의 가스를 이용하는 반응성 이온 식각법을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제15항에 있어서,상기 제5 단계에서 상기 플루오린 계열의 가스에 식각 마스크의 역할을 하는 상기 금속층을 식각할 수 있는 가스를 첨가하여 상기 실리콘을 식각하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제16항에 있어서,상기 실리콘의 식각 패턴은 테이퍼형인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법으로 텍스쳐링된 실리콘을 포함하는 태양전지.
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