KR101020475B1 - 태양 전지 - 열전 소자 통합 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양 전지 - 열전 소자 통합 모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

태양 전지 - 열전 소자 통합 모듈 및 이의 제조방법을 제공한다. 상기 통합 모듈은 태양 전지와 그의 하부에 위치하는 제베크 소자를 포함한다. 상기 태양 전지는 기판 상에 돌출된 반도체 막대들을 구비한다. 상기 각 반도체 막대는 제1형 반도체 코어와 제2형 반도체 쉘을 구비한다. 상기 제1형 반도체 코어들에 제1 PV 전극이 전기적으로 접속한다. 상기 제2형 반도체 쉘들에 제2 PV 전극이 전기적으로 접속한다. 상기 제베크 소자는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에서 전기적으로 직렬 연결된 P형 반도체 기둥 및 N형 반도체 기둥을 구비한다.

Description

태양 전지 - 열전 소자 통합 모듈 및 이의 제조방법 {Unified module of photovoltaic cell - thermoelectric device, method for fabricating the same}
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 태양 전지 - 열전 소자 통합 모듈에 관한 것이다.
P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 구조를 갖는 태양 전지는 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 생성된 전자와 정공은 양단 전극들로 각각 이동하여 기전력을 발생시키는 장치이다.
이러한 태양 전지는 태양광의 적외선 대역보다는 가시광 또는 자외선 대역의 광을 흡수하여 전기로 변환시킨다. 따라서, 태양광의 적외선 대역은 상기 태양 전지에 흡수되지 못하고 상기 태양 전지의 온도를 상승시키는 요인으로 작용하게 된다. 태양 전지 자체의 온도가 상승하게 되면, 상기 광에 의해 생성된 전자와 정공이 양단 전극들로 각각 이동하기 전에 재결합하는 비율이 상승하게 되어 광전변환효율이 저감될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 태양 전지 자체의 온도를 상승시키지 않,또한 버려지는 태양열을 활용할 수 있는 태양 전지 - 열전 소자 통합 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 태양 전지-열전 소자 통합 모듈을 제공한다. 상기 통합 모듈은 태양 전지와 그의 하부에 위치하는 제베크 소자를 포함한다. 상기 태양 전지는 기판 상에 돌출된 반도체 막대들을 구비한다. 상기 각 반도체 막대는 제1형 반도체 코어와 제2형 반도체 쉘을 구비한다. 상기 제1형 반도체 코어들에 제1 PV 전극이 전기적으로 접속한다. 상기 제2형 반도체 쉘들에 제2 PV 전극이 전기적으로 접속한다. 상기 제베크 소자는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에서 전기적으로 직렬 연결된 P형 반도체 기둥 및 N형 반도체 기둥을 구비한다.
상기 반도체 막대들 사이에 투명도전막이 위치할 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 전극은 상기 투명도전막 상에 위치할 수 있다.
상기 태양 전지와 상기 제베크 소자 사이에 열전달층이 위치할 수 있다. 기 열전달층은 금속 질화막, 금속 탄화막, 금속 산화막 또는 수지막일 수 있다.
상기 P형 반도체 기둥과 상기 N형 반도체 기둥은 초격자 구조층, 나노 복합 체층 또는 나노결정 벌크 합금층일 수 있다.
상기 기판 및 상기 제1형 반도체 코어는 P형 반도체이고, 상기 제2형 반도체 쉘은 N형 반도체일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 태양 전지-열전 소자 통합 모듈의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 태양 전지 형성 단계와 제베크 소자 형성 단계를 포함한다. 상기 태양 전지 형성 단계는 기판 상에 돌출되고 제1형 반도체 코어들와 제2형 반도체 쉘들을 각각 구비하는 반도체 막대들을 형성하는 단계, 상기 제1형 반도체 코어들에 전기적으로 접속하는 제1 PV 전극을 형성하는 단계, 및 상기 제2형 반도체 쉘들에 전기적으로 접속하는 제2 PV 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 제베크 소자는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에서 전기적으로 직렬 연결된 P형 반도체 기둥 및 N형 반도체 기둥을 구비한다.
상기 반도체 막대들을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 돌출된 제1형 반도체 막대들을 형성하는 단계, 및 상기 제1형 반도체 막대들의 표면 내에 제2형 이온을 도핑하여 상기 제1형 반도체 코어들과 상기 제2형 반도체 쉘들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2형 이온을 도핑하는 것은 플라즈마 이온 도핑법 또는 단층 도핑법(monolayer doping; MLD)법을 사용하여 수행할 수 있다.
상기 제1형 반도체 막대들을 형성하는 일 예는 상기 기판 상에 기판산화유도 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 기판산화유도 패턴과 상기 기판을 전해질에 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1형 반도체 막대들을 형성하는 다른 예는 상기 제1형 반도체 막대들을 VLS법을 사용하여 형성하는 것일 수 있다.
상기 제2 전극을 형성하기 전에, 상기 반도체 막대들 사이에 투명도전막을 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 전극은 상기 투명도전막 상에 형성할 수 있다.
상기 태양 전지와 상기 제베크 소자 사이에 열전달층을 형성할 수 있다. 상기 열전달층은 금속 질화막, 금속 탄화막, 금속 산화막 또는 수지막일 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양 에너지의 광 에너지와 열 에너지를 모두 사용하여 전력을 발생시킴으로써, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 이와 더불어서, 태양 전지 내의 온도를 낮춤으로써 태양 전지의 광전 변환 효율 또한 향상시킬 수 있다.
제2형 반도체 쉘은 제1형 반도체 코어를 둘러싸서 형성되므로, 이들 사이에는 형성되는 PN 접합영역의 면적이 증대될 수 있다. 따라서, 광전변환영역의 증가로 인해 광전변화효율이 향상될 수 있다. 이와 더불어서, 반도체 막대들은 태양광을 산란시킬 수 있다. 따라서, 광반사방지막을 형성하지 않는 경우에도 광흡수율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한 다.
도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르 게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지-열전 소자 통합 모듈을 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 태양 전지(PV)과 제베크 소자(Seebeck device; SB)는 병렬로 연결된다. 상기 태양 전지(PV)에 태양광(SL)이 입사되면, 상기 태양 전지(PV)의 양 단에 제1 기전력(VPV)가 발생된다. 이 때, 태양열로 인해 상기 태양 전지(PV) 자체의 온도가 상승할 수 있다. 이러한 온도 상승은 태양 전지(PV)의 광전변환 효율을 감소시키는 원인이 될 수 있다.
상기 제베크 소자(SB)는 제베크 효과(Seebeck effect)에 의해 전기를 생성하는 소자로서, 그의 일면은 상기 태양 전지(PV)에 접하여 배치되며, 다른 일면은 저온의 히트 싱크에 접하여 배치된다. 상기 저온의 히트 싱크는 바다 특히, 극지방의 바다 또는 대기일 수 있다. 이러한 제베크 소자(SB)는 열원(heat source)인 태양 전지(PV)와 히트 싱크 사이에 위치하여, 양단 간의 온도차이에 의해 양단 사이에 제2 기전력(VSB)이 발생시킬 수 있다.
이러한 태양 전지-열전 소자 통합 모듈에서는 상기 제1 기전력(VPV)과 상기 제2 기전력(VSB)의 합에 해당하는 기전력을 발생시킬 수 있다. 이와 같이, 태양 에너지의 광 에너지와 열 에너지를 모두 사용하여 전력을 발생시킴으로써, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 이와 더불어서, 태양 전지(PV) 내의 온도를 낮춤으로써 태양 전지(PV)의 광전 변환 효율 또한 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지-열전 소자 통합 모듈을 나타낸 분해사시도이다. 도 3은 도 2의 절단선 I-I'를 따라 취해진 단면 중 일부를 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 태양 전지(PV) 하부에 제베크 소자(SB)가 위치한다. 상기 태양 전지(PV)는 태양 전지 기판 즉, PV 기판 (10) 상에 돌출된 반도체 막대들(13)를 구비한다. 상기 각 반도체 막대(13)는 제1형 반도체 코어(13a)와 이를 둘러싸는 제2형 반도체 쉘(13b)을 구비한다. 상기 제1형 반도체 코어(13a)는 P 형 반도체, 예를 들어 P형 결정질 실리콘일 수 있다. 상기 제2형 반도체 쉘(13b)은 N형 반도체, 예를 들어 N형 결정질 실리콘일 있다. 상기 제2형 반도체 쉘(13b)은 이온 확산 도핑법(ion diffusion doping)에 의해 형성된 두께가 매우 얇은 영역일 수 있다. 상기 제1형 반도체 코어(13a)와 상기 제2형 반도체 쉘(13b)은 PN 접합을 형성할 수 있다. 그러나, 상기 반도체 물질은 결정질 실리콘으로 한정되는 것은 아니며, 다결정질 실리콘, 비결정질 실리콘, GaAs, CdTe, CuInSe2 등의 화합물 반도체, 또는 유기 반도체일 수 있다.
상기 PV 기판(10) 또한 P형 반도체, 예를 들어 P형 결정질 실리콘일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 알루미나와 같은 세라믹 기판, SUS 또는 알루미늄 호일과 같은 금속 기판, 유리 기판, 또는 폴리머 기판일 수도 있다.
상기 제1형 반도체 코어들(13a)에 제1 태양 전지 전극 즉, 제1 PV 전극(19)이 전기적으로 접속한다. 예를 들어, 상기 PV 기판(10)과 상기 제1형 반도체 코어(13a)가 모두 P형 실리콘으로서 전기적으로 접속하는 경우에는 상기 제1 PV 전극(19)은 상기 PV 기판(10)의 하부면 상에 형성될 수 있다.
상기 제2형 반도체 쉘들(13b)에 제2 태양 전지 전극 즉, 제2 PV 전극(18)이 전기적으로 접속한다. 상기 반도체 막대들(13) 사이에 투명도전막(17)을 형성할 수 있는데, 이 경우에 상기 제2 PV 전극(18)은 상기 투명도전막(17) 상에 형성될 수 있다. 상기 투명도전막(17)은 ZnO, ITO, IO, TO, 전도성 고분자막, 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube) 함유막일 수 있다.
상기 태양 전지(PV)의 상부에는 렌즈 어레이층(미도시)이 위치할 수 있다. 상기 렌즈 어레이층은 상기 태양 전지(PV)에 광을 집중시킬 수 있다.
상기 렌즈 어레이층을 통해 집중된 광은 상기 태양 전지(PV)의 투명도전막(17)을 통과하여 반도체 막대들(13)에 조사된다. 상기 태양광은 상기 반도체 막대들(13) 내의 상기 제1형 반도체 코어(13a)와 상기 제2형 반도체 쉘(13b)사이에 형성된 PN 접합영역에 흡수되어 전자-정공 쌍(electron-hole pair)을 생성시킨다. 상기 생성된 전자와 정공은 전계에 의해 상기 전극들로 각각 이동하여 상기 태양 전지(PV)의 양단간에 제1 기전력(VPV)을 발생시킨다. 상기 제2형 반도체 쉘(13b)은 상기 제1형 반도체 코어(13a)를 둘러싸서 형성되므로, 이들 사이에는 형성되는 PN 접합영역의 면적이 증대될 수 있다. 따라서, 광전변환영역의 증가로 인해 광전변화효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 제2형 반도체 쉘(13b)의 두께가 얇은 경우에는 광이 상기 PN 접합영역에 이르기까지의 길이가 단축될 수 있고, 생성된 전자와 정공의 재결합(recombination) 확률 또한 감소될 수 있어, 광전변환효율이 향상될 수 있다.
이와 더불어서, 반도체 막대들(13)은 태양광을 산란(scattering)시킬 수 있다. 따라서, 광반사방지막을 형성하지 않는 경우에도 광흡수율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 반도체 막대들(13) 표면 가까이에 PN 접합 영역이 형성되므로, 반도체 막대들(13) 표면의 결함(defect)과 댕글링 본드들(dangling bonds)에 의해 전자와 정공의 재결합이 발생될 수 있다. 그러나, 상기 투명 도전막(17)을 형성함으로써, 전자와 정공이 재결합되기 전에 투명 도전막을 통해 전극으로 쉽게 이동할 수 있도록 함으로써 광전변환효율을 더 향상시킬 수 있다.
상기 제베크 소자(SB)는 서로 교대로 배치된 복수 개의 N형 반도체 기둥들(35a)과 복수 개의 P형 반도체 기둥들(35b)을 구비한다. 구체적으로, 열전 기판 즉, TE 기판(30) 상에 제1 열전 전극들 즉, 제1 TE 전극들(31)이 배치된다. 상기 각 제1 TE 전극(31) 상에 한 쌍의 N형 반도체 기둥(35a)과 P형 반도체 기둥(35b)이 배치된다. 상기 반도체 기둥들(35a, 35b) 상부에 복수 개의 제2 열전 전극들 즉, 제2 TE 전극들(32)이 배치된다. 상기 각 제2 TE 전극(32)은 서로 인접하는 제1 TE 전극들(31) 상에 각각 배치된 한 쌍의 N형 반도체 기둥(35a)과 P형 반도체 기둥(35b)에 전기적으로 접속한다. 상기 TE 전극들(31, 32) 중 어느 하나는 양극일 수 있고, 다른 어느 하나는 음극일 수 있다. 그 결과, N형 반도체 기둥들(35a)과 P형 반도체 기둥들(35b)은 양극(32′)과 음극(32″) 사이에서 상기 제1 TE 전극들(31)과 상기 제2 TE 전극들(32)에 의해 서로 교대로 직렬 연결될 수 있다.
상기 제베크 소자(SB)는 태양열에 의해 온도가 상승된 상기 태양 전지(PV)와 저온의 히트 싱크 사이의 온도차에 의해 제2 기전력(VSB)을 발생시킨다.
상기 태양 전지(PV)에서 상기 제1형 반도체 코어(13a)가 P형 반도체이고, 상기 제2형 반도체 쉘(13b)이 N형 반도체인 경우에, 상기 제1 PV 전극(19)은 양극이고, 상기 제2 PV 전극(18)은 음극일 수 있다. 이 경우에, 상기 태양 전지(PV)와 상기 제베크 소자(SB)를 병렬로 연결시키기 위해서는 상기 제베크 소자(SB)의 양극(32′)과 상기 태양 전지(PV)의 제1 PV 전극(19)을 전기적으로 연결하고, 상기 제베크 소자(SB)의 음극(32″)과 상기 태양 전지(PV)의 제2 PV 전극(18)을 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 제베크 소자(SB)와 상기 태양 전지(PV) 사이에 열전달층(25)이 개재될 수 있다. 상기 열전달층(25)은 금속 질화막, 금속 탄화막, 금속 산화막 또는 수지막일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 질화막은 AlN막 또는 Si3N4막일 수 있고, 상기 금속 탄화막은 SiC막일 수 있고, 상기 금속 산화막은 Al2O3막 또는 BeO막일 수 있고, 상기 수지막은 에폭시계 수지막일 수 있다.
상기 열전달층(25)을 상기 제베크 소자(SB)의 제2 TE 전극들(32) 상에 형성한 후, 상기 태양 전지(PV)의 제1 PV 전극(19)에 결합할 수 있다. 이와는 달리, 상기 열전달층(25)을 상기 태양 전지(PV)의 제1 PV 전극(19) 상에 형성한 후, 상기 제베크 소자(SB)의 제2 TE 전극들(32)에 결합할 수 있다. 이러한 결합은 절연 접착제를 사용하여 수행할 수 있다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, PV 기판(10) 상에 도트 형태의 마스크 패턴(2)을 형성할 수 있다. 상기 PV 기판(10)은 제1형 예를 들어, P형 반도체 기판일 수 있다. 상 기 마스크 패턴(2)은 포토레지스트 패턴일 수 있고, 후술하는 반도체 막대에 대응하여 형성될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 상기 마스크 패턴(2) 상에 기판산화유도층(2)을 형성한다. 상기 기판산화유도층(2)은 갈바닉 효과에 의해 상기 PV 기판(10)을 산화시킬 수 있는 물질로서, 그의 환원전위(reduction potential)가 상기 PV 기판(10)에 비해 높은 물질일 수 있다. 일 예로서, 상기 기판산화유도층(2)은 Ag, Au, Pt 등의 귀금속층일 수 있다.
도 4c를 참조하면, 상기 마스크 패턴(2)을 제거함으로써 기판산화유도 패턴(3)을 형성할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 상기 기판산화유도 패턴(3a)과 상기 PV 기판(10) 사이에 전해질을 접촉시킨다. 구체적으로, 상기 기판산화유도 패턴(3a)이 형성된 기판을 전해액 내에 침지시킬 수 있다. 이 경우에, 상기 기판산화유도 패턴(3a)과 상기 PV 기판(10) 사이의 환원전위 차에 의해 상기 PV 기판(10)이 상기 기판산화유도 패턴(3a)과 접하는 면은 산화되어 기판 산화물을 생성할 수 있다. 상기 전해액이 상기 기판 산화물을 식각하는 에천트를 더 포함하는 경우에는 상기 PV 기판(10)이 상기 기판산화유도 패턴(3a)과 접하는 면은 선택적으로 식각될 수 있다. 그 결과, 상기 PV 기판(10)의 기판산화유도 패턴(3a)과 접하지 않는 영역은 잔존하여 반도체 막대(11)를 형성한다. 상기 PV 기판(10)이 제1형 반도체 기판인 경우에, 상기 반도체 막대는 제1형 반도체 막대일 수 있다.
상기 PV 기판이 실리콘 기판인 경우에, 상기 에천트를 포함한 전해액은 HF 수용액일 수 있다.
도 4e를 참조하면, 상기 PV 기판 상에 잔존하는 기판산화유도 패턴(3a)을 제거할 수 있다.
도 4f를 참조하면, 상기 제1형 반도체 막대(11)의 표면 내에 제2형 이온들 도핑하여 제1형 반도체 코어(13a)와 이를 둘러싸는 제2형 반도체 쉘(13b)을 형성하여, 상기 제1형 반도체 코어(13a)와 상기 제2형 반도체 쉘(13b)을 구비하는 반도체 막대(13)을 형성할 수 있다. 상기 제2형 이온들 도핑하는 것은 플라즈마 이온 도핑법 또는 단층 도핑법(monolayer doping; MLD)법을 사용할 수 있다. 상기 이온 확산 도핑법은 상기 제1형 반도체 막대(11)의 표면 내에 콘포말한(conformal) 얕은 접합(shallow junction)을 형성할 수 있는 방법으로, 상기 제2 반도체 쉘(13b)의 두께를 얇게 형성할 수 있다.
도 4g를 참조하면, 상기 반도체 막대들(13) 상에 투명도전성막(17)을 형성한다. 상기 투명도전성막(17)은 상기 반도체 막대들(13) 사이의 공간을 채우고 또한, 상기 반도체 막대들(13) 상에도 형성될 수 있다. 상기 투명도전막(17)은 ZnO, ITO, TO, 또는 전도성 고분자막일 수 있다.
도 4h를 참조하면, 상기 PV 기판 하부면 상에 제1 PV 전극(19)을 형성할 수 있다. 상기 제1 PV 전극(19)은 Al막일 수 있다. 상기 투명도전막(17) 상에 제2 PV 전극(18)을 형성할 수 있다. 상기 제2 PV 전극은 상기 투명도전막(17) 상에 전극막을 형성한 후 이를 패터닝하여 형성할 수 있다. 상기 제2 PV 전극(18)은 Al막과 Ti막의 이중막인 Ti/Al막일 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, PV 기판(10) 상에 도트 형태의 홀(4a)을 구비하는 마스크 패턴층(4)을 형성한다. 상기 마스크 패턴층(4)은 포토레지스트 패턴층일 수 있다. 상기 도트 형태의 홀(4a)은 후술하는 반도체 막대에 대응하여 형성될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 홀(4a) 내에 촉매층(5)을 형성한다. 상기 촉매층(5)은 Au, Ni 또는 Al층일 수 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 촉매층(5)을 씨드로 사용하여 반도체 막대들(11)을 성장시킨다. 이 대, 반도체 막대들(11)을 성장시키는 것은 기체-액체-고체상(Vaphor-Liquid-Solid phase, VLS) 성장법을 사용하여 수행할 수 있다. 상기 반도체 막대들(11)은 제1형 반도체 막대들일 수 있다.
도 5d를 참조하면, 상기 반도체 막대들(11) 상부에 잔존하는 촉매층(5)과 상기 반도체 막대들(11) 사이의 영역 상에 잔존하는 마스크 패턴층(4)을 제거할 수 있다. 이어서, 도 4f 내지 도 4h를 참조하여 설명한 방법을 사용하여 태양전지를 제조할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시에에 따른 열전소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 6a를 참조하면, 열전 기판 즉, TE 기판(30) 상에 제1 열전 전극들 즉, 제 1 TE 전극들(31)을 형성한다.
도 6b를 참조하면, 상기 제1 TE 전극들(31) 상에 열전 반도체층을 형성한 후, 이를 패터닝하여 반도체 기둥들(35a, 35b)을 형성한다.
상기 열전 반도체층은 초격자 구조층, 나노 복합물층 또는 나노결정 벌크 합금층(Nanocrystal Bulk Alloy layer)일 수 있다. 상기 초격자 구조는 Si/SiGe, GaAs/GaP, BiTe/BiSbTe 초격자 구조일 수 있다. 상기 나노 복합물은 나노 입자가 매트릭스 내에 분산된 구조를 갖는 것으로서, Si 나노 입자가 Ge 매트릭스 내에 분산된 것일 수 있다. 상기 나노결정 벌크 합금층은 BiSbTe 나노 결정 파우더를 핫 프레싱하여 형성될 수 있다. 상기 초격자 구조층, 상기 나노 복합물층 또는 상기 나노결정 벌크 합금층 내에서는 주기적으로 교대로 배치되는 물질층들 사이의 경계면들에서 포논의 산란이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 반도체 기둥들(35a, 35b)을 통한 열전도도를 감소시키고 전기전도성은 향상시킬 수 있다. 그 결과, 열전전환효율이 향상될 수 있다.
포토레지스트 패턴(미도시)을 마스크로 하여 상기 반도체 기둥들(35a, 35b) 중 일부에 n형 도펀트를 주입하고, 나머지 일부에 p형 도펀트를 주입하여, N형 반도체 기둥들(35a)과 P형 반도체 기둥들(35b)을 형성할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 상기 반도체 기둥들(35a, 35b) 사이를 채우는 절연막(37)을 형성한 후, 상기 절연막을 에치백(etchback)하여 상기 반도체 기둥들(35a, 35b)의 표면을 노출시킬 수 있다. 상기 절연막(37)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.
도 6d를 참조하면, 상기 반도체 기둥들(35a, 35b) 상에 제2 열전 전극 즉, 제2 TE 전극들(32)을 형성한다. 상기 제2 TE 전극들(32)은 고정세마스크(fine metal mask)를 사용하여 형성하거나, 도전막을 형성한 후 이를 패터닝하여 형성할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 특정 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지-열전 소자 통합 모듈을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지-열전 소자 통합 모듈을 나타낸 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 절단선 I-I'를 따라 취해진 단면 중 일부를 나타낸 단면도이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시에에 따른 열전소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.

Claims (17)

  1. 기판 상에 돌출되고 제1형 반도체 코어들와 제2형 반도체 쉘들을 각각 구비하는 반도체 막대들, 상기 제1형 반도체 코어들에 전기적으로 접속하는 제1 PV 전극, 및 상기 제2형 반도체 쉘들에 전기적으로 접속하는 제2 PV 전극을 구비하는 태양 전지; 및
    상기 태양 전지 하부에 위치하고, 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에서 전기적으로 직렬 연결된 P형 반도체 기둥 및 N형 반도체 기둥을 구비하는 제베크 소자(seebeck device)를 포함하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 막대들 사이에 위치하는 투명도전막을 더 포함하고,
    상기 제2 PV 전극은 상기 투명도전막 상에 위치하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태양 전지와 상기 제베크 소자 사이에 위치하는 열전달층을 더 포함하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열전달층은 금속 질화막, 금속 탄화막, 금속 산화막 또는 수지막인 태양 전지-열전 소자 통합 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 P형 반도체 기둥과 상기 N형 반도체 기둥은 초격자 구조층, 나노 복합체층 또는 나노결정 벌크 합금층인 태양 전지-열전 소자 통합 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 제1형 반도체 코어는 P형 반도체이고, 상기 제2형 반도체 쉘은 N형 반도체인 태양 전지-열전 소자 통합 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 태양 전지와 상기 제베크 소자는 전기적으로 병렬 연결된 태양 전지-열전 소자 통합 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1형 반도체 코어는 P형 반도체이고, 상기 제2형 반도체 쉘은 N형 반도체이고,
    상기 제베크 소자의 양극은 상기 제1 PV 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 제베크 소자의 음극은 상기 제2 PV 전극과 전기적으로 연결된 태양 전지-열전 소자 통합 모듈.
  9. 기판 상에 돌출되고 제1형 반도체 코어들와 제2형 반도체 쉘들을 각각 구비하는 반도체 막대들을 형성하는 단계, 상기 제1형 반도체 코어들에 전기적으로 접속하는 제1 PV 전극을 형성하는 단계, 및 상기 제2형 반도체 쉘들에 전기적으로 접속하는 제2 PV 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 형성 단계;
    양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에서 전기적으로 직렬 연결된 P형 반도체 기둥 및 N형 반도체 기둥을 구비하는 제베크 소자(seebeck device)을 형성하는 단계; 및
    상기 태양전지 하부에 상기 제베크 소자를 배치시키는 단계를 포함하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반도체 막대들을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 돌출된 제1형 반도체 막대들을 형성하는 단계; 및 상기 제1형 반도체 막대들의 표면 내에 제2형 이온을 도핑하여 상기 제1형 반도체 코어들과 상기 제2형 반도체 쉘들을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2형 이온을 도핑하는 것은 플라즈마 이온 도핑법 또는 단층 도핑법을 사용하여 수행하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1형 반도체 막대들을 형성하는 것은, 상기 기판 상에 기판산화유도 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 기판산화유도 패턴과 상기 기판을 전해질에 접촉시키는 단계를 포함하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1형 반도체 막대들은 VLS법을 사용하여 형성하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제2 PV 전극을 형성하기 전에, 상기 반도체 막대들 사이에 투명도전막을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 PV 전극은 상기 투명도전막 상에 형성하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 태양 전지와 상기 제베크 소자 사이에 열전달층을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지-열전 소자 통합 모듈 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열전달층은 금속 질화막, 금속 탄화막, 금속 산화막 또는 수지막인 태양 전지-열전 소자 통합 모듈 제조방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 P형 반도체 기둥과 상기 N형 반도체 기둥은 초격자 구조층, 나노 복합체층 또는 나노결정 벌크 합금층인 태양 전지-열전 소자 통합 모듈 제조방법.
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