KR100986021B1 - 박막형 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 상에 전면전극, 비정질 반도체층 및 후면전극이 형성되어 이루어진 박막형 태양전지에 있어서, 기판 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성한 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 박막형 태양전지는 기판 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성함으로써, 기판을 통해 입사하는 태양광의 투과율과 헤이즈 특성을 증진시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 기판 상에 전면전극, 비정질 반도체층 및 후면전극이 형성되어 이루어진 박막형 태양전지에 있어서, 기판 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성한 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양이 방출하는 빛 에너지를 반도체 특성을 이용하여 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 태양전지는 기본적으로 P(positive)형 반도체와 N (negative)형 반도체를 접합시킨 PN 접합 구조를 하고 있으며, 이러한 구조의 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때 PN 접합에서 발생한 전기장에 의해서 정공(+)는 P형 반도체쪽으로 이동하고 전자(-)는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생하게 되므로 전력을 생산할 수 있게 된다.
태양전지는 크게 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있다.
상기 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용하여 제조한 것으로, 박막형 태양전지에 비하여 효율이 다소 우수하기는 하지만, 고 가의 반도체 기판을 이용하기 때문에 제조비용이 상승되는 단점이 있고 공정상 두께를 최소화하는데 한계가 있다.
상기 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체를 형성하여 제조한 것으로, 기판형 태양전지에 비하여 효율이 다소 떨어지기는 하지만, 얇은 두께로 제조가 가능하고 저가의 재료를 이용할 수 있어 제조비용이 감소되는 장점이 있으므로 대량생산에 적합하다.
일반적으로 비정질 실리콘을 이용한 종래의 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 전면전극을 형성하고, 상기 전면전극 위에 비정질 반도체층을 형성하며, 상기 비정질 반도체층 위에 후면전극을 형성하여 제조된다. 종래의 박막형 태양전지의 개략적인 단면도는 도 1에 나타내었으며, 도 1을 참조하여 종래의 박막형 태양전지에 대해 설명한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 종래의 박막형 태양전지는 기판(10), 상기 기판 (10) 상에 형성된 전면전극(20), 상기 전면전극(20) 상에 형성된 비정질 반도체층 (30), 상기 비정질 반도체층(30) 상에 형성된 후면전극(50)을 포함하여 이루어진다.
상기 전면전극(20)은 태양전지의 (+)전극을 구성하는 것으로서, 상기 전면전극(20)은 태양광이 입사되는 면에 형성되기 때문에 투명한 도전물질로 이루어진다.
상기 반도체층(30)은 비정질 실리콘과 같은 반도체 물질을 이용하여 형성하는데, 구체적으로는 P형 반도체층, I(intrinsic)형 반도체층 및 N형 반도체층으로 이루어진 소위 PIN 구조로 형성된다.
상기 후면전극(50)은 태양전지의 (-)전극을 구성하는 것으로서, 상기 후면전극(50)은 Al과 같은 도전금속으로 이루어진다.
종래의 박막형 태양전지에서 기판(10)으로는 평평한 유리가 일반적으로 사용되고 있다. 그러나, 유리 기판(10)의 경우 태양광이 유리 기판(10)으로 입사할 때의 방향성과, 태양광이 유리 기판(10)을 경유하여 전면전극(20)으로 진입할 때의 방향성 사이에 차이가 크지 않다. 즉, 태양광이 유리 기판(10)을 경유하면서 그 방향성의 변화가 크지 않기 때문에 결국 태양광의 포집능력에 한계가 있어 태양광의 투과율 증진을 기대할 수 없게 된다.
따라서, 태양광의 포집능력과 투과율을 증진시킬 수 있는 박막형 태양전지의 개발에 대한 필요성이 요구되고 있다.
본 발명자들은 태양광의 포집능력과 투과율을 증진시킬 수 있는 박막형 태양전지에 대해 연구하던 중, 기판 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성한 후 패턴되지 않은 표면에 전면전극, 비정질 반도체층, 투명도전층 및 후면전극을 형성하여 박막형 태양전지를 제조하였으며, 상기 제조된 박막형 태양전지의 경우 기판을 통해 입사하는 태양광의 투과율과 헤이즈 특성이 증진되어 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 기판 상에 전면전극, 비정질 반도체층 및 후면전극이 형성되어 이루어진 박막형 태양전지에 있어서, 기판 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성한 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 기판 상에 전면전극, 비정질 반도체층 및 후면전극이 형성되어 이루어진 박막형 태양전지에 있어서, 기판 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성한 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은
1) 기판(100)의 한쪽 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성하는 단계,
2) 기판(100)의 패턴화되지 않은 다른쪽 표면에 전면전극(200)을 형성하는 단계,
3) 상기 전면전극(200) 상에 비정질 반도체층(300)을 형성하는 단계,
4) 상기 비정질 반도체층(300) 상에 투명도전층(400)을 형성하는 단계, 및
5) 상기 투명도전층(400) 상에 후면전극(500)을 형성하는 단계를 포함하는, 박막형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지는 표면에 오목한 모양의 패턴을 갖는 기판(100), 전면전극(200), 비정질 반도체층(300), 투명도전층(400) 및 후면전극(500)을 포함하여 이루어지며, 이의 개략적인 단면도는 도 2에 나타내었다.
상기 기판(100)은 유리 또는 플라스틱인 것이 바람직하다. 상기 기판(100)은 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성함으로써, 입사하는 태양광의 투과율과 헤이즈 특성을 증진시킬 수 있다. 이는 태양광의 경로가 다양하게 변경되고 태양광이 받는 면적을 넓힘으로써 태양전지의 내부로 전달되는 광량이 증가되고 수직입사광의 반사율을 최소화할 수 있기 때문이다. 즉, 입사되는 태양광의 투과율을 최대화하기 위해서는 태양광의 경로를 다양하게 변경함과 더불어 입사되는 태양광이 반사되어 손실되는 것을 방지하는 것이 중요한데, 상기 오목한 모양의 패턴 형상 내에서는 태양광의 반사율이 최소화 된다. 상기 오목한 모양의 패턴 높이는 4~15㎛가 바람직하며, 만약 패턴 높이가 4㎛ 이하이면 헤이즈 특성이 낮아지고, 15㎛ 이상이면 헤이즈 특성에는 큰 변화가 없으나 투과율이 감소하는 경향이 있다.
상기 전면전극(200)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, SnO2, SnO2:F 또는 ITO (Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전물질을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 전면전극(200)은 텍스처(texturing) 가공공정을 통해 그 표면을 요철구조로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 텍스처 가공공정이란 물질 표면을 울퉁불퉁한 요철구조로 형성하여 마치 직물의 표면과 같은 형상으로 가공하는 공정으로서, 1) 포토리소그라피법(photolithography)을 이용한 식각공정, 2) 화학용액을 이용한 이방성 식각공정(anisotropic etching), 또는 3) 기계적 스크라이빙(mechanical scribing)을 이용한 홈 형성 공정 등을 통해 수행할 수 있다. 이와 같은 텍스처 가공공정을 상기 전면전극(200)에 수행할 경우 입사되는 태양광이 태양전지 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되며, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지 내부로 태양광이 흡수되는 비율은 증가하게 되어, 태양전지의 효율이 증진되는 효과가 있다.
상기 반도체층(300)은 실리콘계 반도체 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 반도체층(300)은 P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층이 순서대로 적층된 PIN 구조로 형성되는데, 이와 같이 상기 반도체층(300)을 PIN 구조로 형성하게 되면, I형 반도체층이 P형 반도체층과 N형 반도체층에 의해 공핍(depletion)되어 내부에 전기장이 발생하게 되고, 태양광에 의해 생성되는 정공 및 전자가 상기 전기장에 의해 드리프트(drift)되어 각각 P형 반도체층 및 N형 반도체층에서 수집되게 된다. 상기 반도체층(300)을 PIN 구조로 형성할 경우에는 상기 전면전극(200) 상부에 P형 반도체층을 형성하고 이어서 I형 반도체층 및 N형 반도체층을 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 일반적으로 정공의 드리프트 이동도(drift mobility) 가 전자의 드리프트 이동도에 의해 낮기 때문에 입사광에 의한 수집효율을 극대화하기 위해서 P형 반도체층을 수광면에 가깝게 형성하기 위함이다.
상기 투명도전층(400)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, Ag와 같은 투명한 도전물질을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 투명도전층(400)은 생략하는 것도 가능하지만, 태양전지의 효율증진을 위해서는 투명도전층(400)을 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 투명도전층(400)을 형성하게 되면 상기 반도체층(300)을 투과한 태양광이 투명도전층(400)을 통과하면서 산란을 통해 다양한 각으로 진행하게 되어 후면전극(500)에서 반사되어 반도체층(400)으로 재입사되는 광의 비율이 증가될 수 있기 때문이다.
상기 후면전극(500)은 Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg, Ag+Mo, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Ni, Ag+Cu 등과 같은 금속을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 제조방법에 대한 개략적인 공정 단면도는 도 3에 나타내었으며, 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 제조방법에서 1)단계는 기판(100)의 한쪽 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성하는 단계로, 기계적(mechanical) 공법인 샌드블러스팅(sand blasting) 공법, 습식 식각법(wet etching) 또는 건식 식각법(dry etching) 등을 이용하여 패턴의 폭과 높이를 조절하여 패턴을 형성할 수 있다.
상기 2)단계는 기판(100)의 패턴화되지 않은 다른쪽 표면에 전면전극(200)을 형성하는 단계로, ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, SnO2, SnO2:F 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링법(sputtering) 또는 유기금속화학증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 3)단계는 전면전극(200) 상에 비정질 반도체층(30)을 형성하는 단계로, 실리콘계 반도체 물질을 플라즈마화학기상증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD)을 이용하여 P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층이 순서대로 적층된 PIN 구조로 형성될 수 있다.
상기 4)단계는 비정질 반도체층(300) 상에 투명도전층(400)을 형성하는 단계로, ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, Ag와 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링법 또는 유기금속화학증착법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 5)단계는 투명도전층(400) 상에 후면전극(500)을 형성하는 단계로, Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg, Ag+Mo, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Ni, Ag+Cu 등과 같은 금속을 스퍼터링법, 스크린 인쇄법(screen printing), 잉크젯 인쇄법(inkjet printing), 그라비아 인쇄법(gravure printing) 등을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 스크린 인쇄법은 스크린과 스퀴즈(squeeze)를 이용하여 대상물질을 작업물에 전이시켜 소정의 패턴을 형성하는 방법이고, 상기 잉크젯 인쇄법은 잉크젯을 이용하여 대상물질을 작업물에 분사하여 소정의 패턴을 형성하는 방법이며, 상기 그라비아 인쇄법은 오목판의 홈에 대상물질을 도포하고 그 대상물질을 다시 작업물에 전이시켜 소정의 패턴을 형성하는 방법이다.
상기 방법으로 제조된 박막형 태양전지의 경우, 표면에 오목한 모양의 패턴 이 형성된 기판(100)을 통해 입사한 태양광의 투과율과 헤이즈 특성이 각각 약 84~95%와 약 30~75%로 패턴화되지 않은 기판을 통해 입사한 태양광보다 우수하게 나타난다. 또한, 패턴의 높이를 4~15㎛로 조절하여 패턴화한 기판의 경우 이 범위를 벗어나서 패턴화한 기판보다 태양광의 투과율과 헤이즈 특성이 우수하게 나타난다.
따라서, 본 발명에 따른 박막형 태양전지는 기판 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성함으로써, 기판을 통해 입사하는 태양광의 투과율과 헤이즈 특성을 증진시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있고, 태양광 입사시 평평한 기판에 비해 입사면적을 넓힐 수 있어 태양광의 포집능력을 향상시킬 수 있으며, 평평한 기판에는 태양광이 수직입사하지만 표면에 오목한 모양의 패턴이 형성된 기판에는 수직입사광이 적기 때문에 태양광의 반사를 최소화시켜 태양광의 투과율을 극대화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~6 및 비교예 1~3
: 태양전지의 제조
태양전지에 사용되는 평평한 소다석회 유리 기판(100)의 한쪽 표면을 고압의 공기로 규사 성분의 모래를 분사하여 유리 표면을 변형시키는 샌드블러스트 방법을 이용하여 패턴의 폭과 높이를 조절하여 표면에 오목한 모양의 패턴이 형성된 유리 기판을 제조하였다. 그 다음 유리 기판의 패턴화되지 않은 다른쪽 표면에 전면전극 (200)인 SnO2:F 층을 스퍼터링법을 이용하여 형성하였다. 상기 전면전극(200) 상에 CCP(capacitively coupled plasma) 전극 형태를 갖는 플라즈마화학기상증착법을 이용하여 비정질 반도체층(300)인 P-I-N 층을 증착하였다. 상기 비정질 반도체층 (300) 위에 AZO(Al-doped ZnO) 타겟을 스퍼터링법으로 증착하여 투명도전층(400)을 형성하였다. 상기 투명도전층(400) 위에 Al 타겟을 스퍼터링법으로 증착하여 후면전극(500)을 형성하였다.
상기 표면에 오목한 모양의 패턴이 형성된 유리 기판(100)을 통해 입사한 태양광의 투과율과 헤이즈 특성은 UV 분광광도계 V-600를 이용하여 ASTM D1003 표준 시험 방법에 따라 측정하였다.
상기 표면에 오목한 모양의 패턴이 형성된 유리 기판(100)의 패턴의 폭과 높이, 및 패턴화된 유리 기판(100)을 통해 입사한 태양광의 투과율과 헤이즈 특성의 측정 결과는 표 1에 나타내었다.
| 패턴 폭 (㎛) |
패턴 높이 (㎛) |
투과율 (T, %) |
헤이즈 특성 (%) |
||
| 비교예 1 | 패턴화하지 않은 유리 기판 + SnO2:F | 0 | 0 | 80.9 | 3.1 |
| 비교예 2 | 패턴화된 유리 기판 1 + SnO2:F | 200 | 3 | 81.3 | 5.1 |
| 실시예 1 | 패턴화된 유리 기판 2 + SnO2:F | 200 | 4 | 84.3 | 32.1 |
| 실시예 2 | 패턴화된 유리 기판 3 + SnO2:F | 200 | 6 | 88.9 | 47.8 |
| 실시예 3 | 패턴화된 유리 기판 4 + SnO2:F | 200 | 8 | 89.2 | 52.6 |
| 실시예 4 | 패턴화된 유리 기판 5 + SnO2:F | 200 | 10 | 90.3 | 72.7 |
| 실시예 5 | 패턴화된 유리 기판 6 + SnO2:F | 200 | 12 | 90.1 | 74.2 |
| 실시예 6 | 패턴화된 유리 기판 7 + SnO2:F | 200 | 15 | 87.3 | 74.4 |
| 비교예 3 | 패턴화된 유리 기판 8 + SnO2:F | 200 | 50 | 74.1 | 72.0 |
표 1에 나타난 바와 같이, 기판 표면에 오목한 모양의 패턴이 형성된 유리 기판(100)을 통해 입사한 태양광의 투과율과 헤이즈 특성은 각각 약 84~95%와 약 30~75%로 패턴화되지 않은 유리 기판을 통해 입사한 태양광보다 우수함을 확인하였다. 또한, 패턴의 높이를 4~15㎛로 조절하여 패턴화한 유리 기판의 경우 이 범위를 벗어나서 패턴화한 유리 기판보다 태양광의 투과율과 헤이즈 특성이 우수하게 나타남을 확인하였다.
본 발명에 따른 박막형 태양전지는 기판 표면에 오목한 모양의 패턴을 형성함으로써, 기판을 통해 입사하는 태양광의 투과율과 헤이즈 특성을 증진시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있고, 태양광 입사시 평평한 기판에 비해 입사면적을 넓힐 수 있어 태양광의 포집능력을 향상시킬 수 있으며, 평평한 기판에는 태양광이 수직입사하지만 표면에 오목한 모양의 패턴이 형성된 기판에는 수직입사광이 적기 때문에 태양광의 반사를 최소화시켜 태양광의 투과율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 종래의 박막형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 개략적인 공정 단면도이다.
<도면의 주요부의 부호에 대한 설명>
10, 100 : 기판, 20, 200 : 전면전극,
30, 300 : 비정질 반도체층, 400 : 투명도전층,
50, 500 : 후면전극.
Claims (3)
- 기판 상에 전면전극, 비정질 반도체층 및 후면전극이 형성되어 이루어진 박막형 태양전지에 있어서, 기판 표면에 200㎛의 폭과 4~15㎛의 높이를 갖는 오목한 모양의 패턴을 형성하며, 입사한 태양광의 투과율이 84~95%이고, 헤이즈율이 30~75%인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 삭제
- 1) 기판(100)의 한쪽 표면에 200㎛의 폭과 4~15㎛의 높이를 갖는 오목한 모양의 패턴을 형성하는 단계,2) 기판(100)의 패턴화되지 않은 다른쪽 표면에 전면전극(200)을 형성하는 단계,3) 상기 전면전극(200) 상에 비정질 반도체층(300)을 형성하는 단계,4) 상기 비정질 반도체층(300) 상에 투명도전층(400)을 형성하는 단계, 및5) 상기 투명도전층(400) 상에 후면전극(500)을 형성하는 단계를 포함하는, 제 1항의 박막형 태양전지의 제조방법.
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