KR101033028B1 - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 태양 전지는 i) 기판, ii) 기판 위에 위치하고, 상호 이격되어 배열된 복수의 제1 나노 구조체들, 및 iii) 기판 위에 위치하고, 복수의 제1 나노 구조체들과 이격되어 배열된 복수의 제2 나노 구조체들을 포함한다. 복수의 제1 나노 구조체들 중 하나의 제1 나노 구조체를 기판의 판면에 평행한 방향으로 자른 단면의 평균 직경은 복수의 제2 나노 구조체들 중 하나의 제2 나노 구조체를 기판의 판면에 평행한 방향으로 자른 단면의 평균 직경보다 크다.
태양 전지, 나노 구조체, 에칭, 도핑

Description

태양 전지 및 그 제조 방법 {SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본발명은 상이한 구조를 가진 나노 구조체들을 함께 형성하여 광전변환효율 및 광흡수효율을 모두 향상시킨 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 자원 고갈 및 자원 가격 상승으로 인해 청정 에너지의 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 청정 에너지로는 태양 에너지, 풍력 에너지, 조력 에너지 등을 그 예로 들 수 있다. 특히, 태양 에너지를 효율적으로 이용하기 위해 태양 전지의 연구 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
태양 전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 태양 전지에 태양광을 비추면 태양 전지의 내부에서 전자 및 정공이 발생한다. 발생된 전자 및 정공은 태양 전지에 포함된 P극 및 N극으로 이동하고, P극 및 N극 사이에 전위치가 발생하여 전류가 흐른다.
상이한 구조를 가진 나노 구조체들을 함께 형성하여 광전변환효율 및 광흡수효율을 모두 향상시킬 수 있는 태양 전지를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 태양 전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는, i) 기판, ii) 기판 위에 위치하고, 상호 이격되어 배열된 복수의 제1 나노 구조체들, 및 iii) 기판 위에 위치하고, 복수의 제1 나노 구조체들과 이격되어 배열된 복수의 제2 나노 구조체들을 포함한다. 복수의 제1 나노 구조체들 중 하나의 제1 나노 구조체를 기판의 판면에 평행한 방향으로 자른 단면의 평균 직경은 복수의 제2 나노 구조체들 중 하나의 제2 나노 구조체를 기판의 판면에 평행한 방향으로 자른 단면의 평균 직경보다 크다.
제1 나노 구조체는, i) 제1 도핑 영역 및 ii) 기판의 판면 방향으로 제1 도핑 영역을 둘러싸는 제2 도핑 영역을 포함할 수 있다. 제2 나노 구조체를 기판의 판면 방향으로 자른 단면의 직경은 단면이 기판의 판면에 가까워질수록 커질 수 있다. 제2 도핑 영역은 순응적(conformal)으로 형성될 수 있다.
복수의 제1 나노 구조체들은 규칙적으로 배열될 수 있다. 복수의 제1 나노 구조체들의 이격 거리는 6㎛ 내지 8㎛일 수 있다. 복수의 제1 나노 구조체들 중 하나의 제1 나노 구조체의 높이는 8㎛ 내지 12㎛일 수 있다. 복수의 제2 나노 구조체들의 수는 복수의 제1 나노 구조체들의 수보다 많을 수 있다. 제1 나노 구조 체의 직경은 1000nm 내지 2000nm일 수 있다. 제2 나노 구조체의 직경은 10nm 내지 100nm일 수 있다.
복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들은 실리콘을 포함할 수 있다. 복수의 제2 나노 구조체들의 표면적의 합은 복수의 제1 나노 구조체들의 표면적의 합보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, i) 모재를 제공하는 단계, ii) 모재 위에 복수의 개구부들이 형성된 마스크층을 형성하는 단계, iii) 개구부를 통하여 노출된 모재 위에 나노금속입자를 제공하는 단계, iv) 모재를 에칭하여 복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계, 및 v) 복수의 제1 나노 구조체들에 도핑 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계에서, 제2 나노 구조체를 기판의 판면 방향으로 자른 단면의 직경은 단면이 기판의 판면에 가까워질수록 커진다.
복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계에서, 마스크층의 하부에 복수의 제1 나노 구조체들이 형성될 수 있다. 복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계에서, 나노금속입자의 하부에 복수의 제2 나노 구조체들이 형성될 수 있다.
나노금속입자를 제공하는 단계에서 나노금속입자는 은을 포함할 수 있다. 복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계에서, 모재를 수산화칼륨으로 에칭할 수 있다. 복수의 제1 나노 구조체들에 도핑 영역을 형성하는 단계는, i) 복수의 제1 나노 구조체들을 스핀 온 도핑(spin on doping, SOD)하는 단계, 및 ii) 스핀 온 도핑된 복수의 제1 나노 구조체들을 플라스마 이온 도핑(plasma ion doping, PID)하는 단계를 포함할 수 있다. 복수의 제1 나노 구조체들은 n형으로 도핑될 수 있다.
모재를 제공하는 단계에서, 모재는 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 모재의 배면 위에 후면 전계층을 제공하는 단계를 더 포함하고, 후면 전계층을 제공하는 단계는 복수의 제1 나노 구조체들에 도핑 영역을 형성하는 단계와 동시에 이루어질 수 있다.
상이한 구조를 가진 나노 구조체들을 함께 형성하여 태양 전지의 광전변환효율 및 광흡수효율을 모두 향상시킬 수 있다. 또한, 에너지 효율이 우수한 태양 전지를 간단하게 제조할 수 있다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위 해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용 어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
사시도와 단면도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 예를 들면, 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거칠거나 거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다. 또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.
명세서에 기재된 "나노"라는 용어는 나노 스케일을 의미하며, 마이크로 단위를 포함할 수도 있다. 또한, 명세서에 기재된 "나노 구조체"라는 용어는 나노 막대, 나노 튜브, 나노벽 및 나노 와이어 등 모든 구조를 포함한 나노 스케일의 객체를 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지(100)의 개략적인 사시도이다. 도 1의 확대원에는 태양 전지(100)에 포함된 제1 나노 구조체(20)를 y축 방향을 따라 자른 단면 구조를 나타낸다. 도 1의 태양 전지(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 태양 전지(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 태양 전지(100)는 기판(10), 제1 나노 구조체들(20) 및 제2 나노 구조체들(30)을 포함한다. 이외에, 태양 전지(100)는 기타 필요한 소자들을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 태양 전지(100)는 기판(10)의 하부에 형성된 후면 전계층(back surface field, BSF)(98) 및 전극(99)을 더 포함한다. 후면 전계층(98)은 고농도로 p형 도핑되므로, 정공의 이송 효율을 높여서 태양 전지(100)의 광전 변환 효율을 증대시킨다.
한편, 도 1에는 편의상 도시하지 않았지만, 제1 나노 구조체들(20) 및 제2 나노 구조체들(30) 사이의 공간은 유전체 및 투명 도전체(transparent conductive oxide, TCO)로 충전할 수 있다. 투명 도전체는 유전체 위에 위치하여 전극(미도시)과 연결될 수 있다. 투명 도전체를 통하여 태양광이 태양 전지(100)의 내부에 입사될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 태양 전지(100)는 서로 상이한 구조의 제1 나노 구조체들(20) 및 제2 나노 구조체들(30)을 함께 포함하므로, 제1 나노 구조체들(20) 및 제2 나노 구조체들(30)이 가지는 이점을 복합적으로 구비할 수 있다. 즉, 제1 나노 구조체들(20)을 이용하여 태양 전지(100)의 광전변환효율을 높이면서 제2 나노 구조체들(30)을 이용하여 태양 전지(100)의 광흡수율을 향상시킬 수 있다. 따라서 실리콘 등 저가 소재로 된 기판(10)을 태양 전지(100)에 사용할 수 있다.
제1 나노 구조체(20)를 기판(10)의 판면(101)에 평행한 방향, 즉 xy 평면 방향으로 자른 단면의 평균 직경은 제2 나노 구조체(30)를 xy 평면 방향으로 자른 단 면의 평균 직경보다 크다. 즉, 제1 나노 구조체(20)는 제2 나노 구조체(30)보다 크다. 따라서 상이한 구조의 제1 나노 구조체들(20) 및 제2 나노 구조체들(30)을 이용하여 우수한 효율을 가지면서 저가인 태양 전지(100)를 제조할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제1 나노 구조체들(20)은 기판(10) 위에 위치한다. 제1 나노 구조체들(20)은 상호 이격되어 배열된다. 제2 나노 구조체들(30)은 제1 나노 구조체들(20)과 이격되어 기판(10) 위에 위치한다. 제1 나노 구조체들(20)은 기판(10) 위에 규칙적으로 배열될 수 있다. 따라서 제1 나노 구조체들(20)은 태양 전지(100)를 지지하여 태양 전지(100)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
제1 나노 구조체들(20)의 이격 거리(d)는 6㎛ 내지 8㎛일 수 있다. 제1 나노 구조체들(20)의 이격 거리(d)가 너무 작은 경우, 제2 나노 구조체들(30)을 형성하기 위한 공간이 부족하다. 또한, 제1 나노 구조체들(20)의 이격 거리(d)가 너무 큰 경우, 태양 전지(100)의 내구성이 저하된다.
제1 나노 구조체(20)의 높이(h)는 8㎛ 내지 12㎛일 수 있다. 제1 나노 구조체(20)의 높이가 너무 작으면, 태양 전지(100)의 광흡수율이 저하된다. 또한, 제1 나노 구조체(20)의 높이가 너무 높으면, 태양 전지(100)의 내구성이 저하된다.
제1 나노 구조체(20)의 직경은 1000nm 내지 2000nm일 수 있다. 제1 나노 구조체(20)의 직경이 너무 작은 경우, pn 접합이 효율적으로 이루어지지 않는다. 또한, 제2 나노 구조체(20)의 직경이 너무 큰 경우, 태양 전지(100)의 집적도를 향상시킬 수 없다. 전술한 바와 같이, 제1 나노 구조체(20)가 적절한 크기를 가지므 로, 태양 전지(100)의 내구성을 향상시키고, 우수한 광전변환효율을 구현할 수 있다.
한편, 제2 나노 구조체(30)의 직경은 10nm 내지 100nm일 수 있다. 제2 나노 구조체(30)의 직경이 너무 작은 경우, 기판(10) 위에서 지지되기 어렵다. 또한, 제2 나노 구조체(30)의 직경이 너무 큰 경우, 전체적인 제2 나노 구조체들(30)의 표면적이 감소하여 광흡수율이 저하된다. 또한, 제2 나노 구조체들(30)의 표면적의 합은 제1 나노 구조체들(20)의 표면적의 합보다 크므로, 제2 나노 구조체들(30)은 제1 나노 구조체들(20)에 비해 많은 태양광을 흡수한다. 특히, 제2 나노 구조체들(30)의 수는 제1 나노 구조체들(20)의 수보다 크므로, 제2 나노 구조체들(30)을 이용하여 태양광의 흡수율을 높일 수 있다.
제2 나노 구조체(30)를 기판(10)의 판면(101)에 나란한 방향, 즉 xy 평면을 따라 자른 단면의 직경(D)은 그 단면이 기판(10)의 판면(101)에 가까울수록 커진다. 예를 들면, 제2 나노 구조체(30)는 원뿔 형상으로 형성된다.
전술한 형상의 제2 나노 구조체(30)는 경사형 굴절률(graded refractive index) 및 멀티 밴드갭(multi bandgap)을 함께 가지므로, 광흡수율이 우수하다. 좀더 구체적으로, 제2 나노 구조체(30)는 경사형 굴절률을 가지므로, 레일리 산란(Rayleigh scattering)을 감소시켜서 태양광 반사율을 극소화시킬 수 있다. 또한, 제2 나노 구조체(30)는 그 형상으로 인해 외재 크기 효과(extrinsic size effect)를 가지므로, 밴드갭 모듈레이션 효과(bandgap modulation effect)에 의해 NIR(near infra-red, 근적외선) 영역 이상에서 우수한 광흡수율을 가진다. 제2 나 노 구조체(30)의 밴드갭은 0.6eV 내지 1.1eV이다.
도 1의 확대원에 도시한 바와 같이, 제1 나노 구조체(20)는 제1 도핑 영역(201) 및 제2 도핑 영역(203)을 포함한다. 제2 도핑 영역(203)은 기판(10)의 판면(101)에 나란한 방향, 즉 xy 평면 방향으로 제1 도핑 영역(201)을 둘러싼다. 여기서, 제2 도핑 영역(203)은 n형으로 형성하고, 제1 도핑 영역(201)은 p형으로 형성할 수 있다. 따라서 입사된 태양광에 의해 제1 도핑 영역(201)에 전자가 결합되고, 제2 도핑 영역(203)에 정공이 결합되어 기전력이 발생한다.
여기서, 제2 도핑 영역(203)은 순응적(conformal)으로 형성할 수 있다. 즉, 제2 도핑 영역(203)은 n형 도핑 농도 구배를 가지도록 형성된다. 따라서 제1 나노 구조체(20)의 제1 도핑 영역(201) 및 제2 도핑 영역(203)의 pn 접합에 의한 광전 변환 효율을 크게 증가시킬 수 있다. 특히, 제1 나노 구조체(20)는 비교적 크므로, 효율적인 pn 접합이 이루어져서 태양 전지(100)의 광전변환효율을 더욱 크게 높일 수 있다.
도 2는 도 1의 태양 전지(100)의 제조 공정의 순서도를 개략적으로 나타내고, 도 3 내지 도 10은 도 2의 태양 전지(100)의 제조 공정의 각 단계들을 개략적으로 나타낸 도면들이다. 이하에서는 도 2와 함께 도 3 내지 도 10을 참조하여 태양 전지(100)의 제조 공정을 순서대로 설명한다.
먼저, 도 2의 단계(S10)에서는 모재(12)(도 3에 도시)를 제공한다. 모재(12)는 p형 실리콘일 수 있고, p형 실리콘은 (001)의 결정 방향을 가질 수 있다. 따라서 비교적 저가의 소재로 된 모재(12)를 사용하여 태양 전지의 제조 비용을 절 감할 수 있다.
다음으로, 도 2의 단계(S20)에서는 모재(12) 위에 개구부들(401)을 가지는 마스크층(40)(도 4에 도시)을 형성한다. 포토리지스트층을 모재(12) 위에 형성한 후, 이를 일정한 패턴으로 노광 및 에칭하여 마스크층(40)에 개구부들(401)을 형성한다.
도 2의 단계(S30)에서는 개구부(401)를 통하여 노출된 모재(12) 위에 나노금속입자(50)를 제공한다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 예를 들면, 은 등의 나노금속입자(50)를 모재(12) 위에 증착시킬 수 있다. 즉, 챔버(미도시)내에 모재(12)를 넣은 후, 물리적인 방법으로 모재(12) 위에 은으로 된 나노금속입자(50)를 증착시킬 수 있다. 또한 AgNO3 + HF 용액에 모재(12)를 담지하여 무전해 증착법으로도 은을 증착시킬 수 있다.
도 2의 단계(S40)에서는 모재(12)를 에칭한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 모재(12)는 나노금속입자(50)(도 5에 도시)의 유도에 따라 무전해 에칭된다. 모재(12)를 HF + H2O2 용액에 담지하여 에칭시킬 수 있다. 이 경우, 나노금속입자(50)에 의해 그 하부의 모재(12)가 에칭되면서 일정한 형상을 나타낸다. 여기서, 잔존하는 나노금속입자(50)는 모재(12)를 질산에 담지하여 제거할 수 있다. 그 결과, 도 6에 도시한 바와 같이, 기판(10) 및 제1 나노 구조체들(20)을 형성할 수 있다. 제1 나노 구조체들(20)은 마스크층(40)의 하부에 형성된다.
여기서, 모재(12)를 다시 수산화칼륨 용액으로 에칭하는 경우, 도 7에 도시 한 바와 같이, 원뿔 형상의 제2 나노 구조체들(30)이 형성되고, 마스크층(40)(도 6에 도시)은 제거된다. 모재(12)는 수산화칼륨 용액에 의해 에칭되면서 반데르발스힘에 의해 응집된 제2 나노 구조체들(30)이 쉽게 상호 이격되고, 제2 나노 구조체들(30)의 상단은 뾰족하게 변형된다. 그 결과, 도 7에 도시한 제1 나노 구조체들(20) 및 제2 나노 구조체들(30)을 제공할 수 있다. 여기서, 제2 나노 구조체들(30)은 나노금속입자(50)(도 5에 도시)의 하부 위치에 형성된다.
다음으로, 도 3의 단계(S50)에서는 제1 나노 구조체(20)에 도핑 영역을 형성한다. 즉, 도 8에 도시한 바와 같이, 스핀 온 도핑(spin on doping, SOD)에 의해 소스 기판(90)에 부착된 타겟 소스(92)를 이용하여 제1 나노 구조체(20)에 인을 주입시킬 수 있다. 열처리에 의해 제1 나노 구조체(20)에 인이 확산되면서 제1 나노 구조체(20)의 외부에 n형의 제2 도핑 영역(203)을 형성한다. 제1 도핑 영역(201)은 p형이므로, 제1 도핑 영역(201) 및 제2 도핑 영역(203)간에는 pn 접합이 이루어진다. 한편, 제2 나노 구조체(30)도 도핑되지만 그 직경이 작으므로, 제2 나노 구조체(30) 전체는 n형으로 형성되고, 제2 나노 구조체(30)와 기판(10)의 사이에 pn 접합이 형성된다.
한편, 도 8에 도시한 바와 같이, 더미 기판(94) 위에 배치된 또다른 타켓 소스(96)를 기판(10)의 배면에 위치시킬 수 있다. 이 경우, 제1 나노 구조체(20)를 도핑하는 동시에 스핀 온 도핑 방법에 의해 기판(10)의 배면 위에 후면 전계층(98)(도 9에 도시)을 제공할 수 있다. 후면 전계층(98)은 고농도의 p형 도핑 영역, 즉 +p형으로 도핑된다. 따라서, 열처리 공정을 한번만 사용하여 제1 나노 구 조체(20)를 도핑하면서 후면 전계층(98)을 형성할 수 있으므로, 공정 비용을 절감할 수 있다.
한편, 도 9에 도시한 바와 같이, 스핀 온 도핑된 제1 나노 구조체(20)는 다시 플라스마 이온 도핑에 의해 +n 형으로 형성할 수 있다. 따라서 제2 도핑 영역(203)을 얇고 순응적(conformal)으로 형성할 수 있다. 즉, 제2 도핑 영역(203)은 n형 도핑 농도 구배를 가지도록 형성된다.
마지막으로, 도 3의 단계(S60)에서는 후면 전계층(98)의 하부에 전극(99)을 형성한다. 즉, 도 10에 도시한 바와 같이, 알루미늄 박판 등을 이용하여 전극(99)을 후면 전계층(98)의 하부에 형성할 수 있다. 예를 들면, 은 페이스트 및 갈륨인듐(GaIn) 공융 혼합물을 사용하여 알루미늄 박판을 후면 전계층(98)에 부착할 수 있다. 전면 전계층 또한 Ag 페이스트 및 갈륨인듐(GaIn) 공융 혼합물을 사용할 수 있으며, Ti/Pd/Ag로 차례로 증착된 금속 전극을 사용할 수도 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 본발명의 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
전술한 태양 전지의 제조 방법과 동일한 실험 방법을 사용하여 태양 전지를 제조하였다. 모재를 에칭 및 도핑하여 제1 나노 구조체들 및 제2 나노 구조체들을 제조하였다. 마스크층이 형성된 모재 위에 0.01M의 AgNO3 및 4.6M의 HF 혼합액을 사용하여 은나노입자를 증착시켰다. 또한, 4.6M의 HF 및 0.44M의 H2O2 혼합액을 사용하여 0.5㎛/min의 속도로 모재를 에칭시켰다. 그리고 수산화칼륨(KOH)으로 모재를 120초동안 에칭하여 제2 나노 구조체들을 제조하였다. 제1 나노 구조체들은 인(P)으로 스핀 온 도핑한 다음 플라스마 이온 도핑하였다. 플라스마 이온 도핑은 1kV의 직류 펄스 전압 및 1kHz의 RF 파워 조건하에 30ccm의 PH3 도펀트를 사용하여 60초 동안 실시하였다. 플라스마 이온 도핑된 제1 나노 구조체는 900℃에서 30초 동안 열처리하였다.
비교예 1
실험예 1과의 비교를 위하여 (001)의 결정 방향을 가지는 실리콘으로 된 기판을 준비하였다.
비교예 2
실험예 1과의 비교를 위하여 제1 나노 구조체들만으로 이루어진 태양 전지를 준비하였다. 즉, 은나노입자를 사용하지 않고, 4.6M의 HF 및 0.44M의 H2O2 혼합액을 사용하여 0.5㎛/min의 속도로 실리콘으로 된 모재를 에칭시켜서 기판 위에 제1 나노 구조체들만 형성하였다. 다음으로, 제1 나노 구조체들에 인을 주입하여 도핑시켰다.
비교예 3
실험예 1과의 비교를 위하여 제2 나노 구조체들만으로 이루어진 태양 전지를 준비하였다. 즉, 마스크층을 사용하지 않고 실리콘으로 된 모재 위에 0.01M의 AgNO3 및 4.6M의 HF 혼합액을 사용하여 은나노입자를 증착시켰다. 또한, 4.6M의 HF 및 0.44M의 H2O2 혼합액을 사용하여 0.5㎛/min의 속도로 모재를 에칭시켰다. 그리고 수산화칼륨(KOH)으로 모재를 120초동안 에칭하여 제2 나노 구조체들만 제조하였다. 다음으로, 제2 나노 구조체들에 인을 주입하여 도핑시켰다.
비교예 4
실험예 1과의 비교를 위하여 플라스마 이온 도핑을 제외하고는 실험예 1과 동일한 실험 방법을 사용하여 태양 전지를 제조하였다. 비교예 4에 따라 제조한 태양 전지는 플라스마 이온 도핑하지 않았다.
조직 사진 관찰 실험
도 11은 전술한 실험예 1에 따라 제조한 태양 전지의 주사전자현미경 사진이다. 도 11의 좌상단에는 태양 전지의 주사전자현미경 사진을 10배 확대하여 나타낸다.
도 11에 도시한 바와 같이, 태양 전지에 제1 나노 구조체들 및 제2 나노 구조체들이 함께 형성되었다. 제1 나노 구조체들의 크기는 다소 크고, 규칙적으로 배열되었다. 그리고 제1 나노 구조체들의 주위에 제1 나노 구조체들보다 작은 제2 나노 구조체들이 형성되었다.
광반사율 측정 실험
전술한 실험예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3에 따라 제조한 태양 전지의 광반사율을 측정하였다. 즉, 광의 파장 증가에 따른 태양 전지의 광반사율을 측정하 였다.
도 12는 실험예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3에 따라 제조한 태양 전지의 반사율 측정 그래프이다. 도 12에서 각각 청색은 실험예 1, 흑색선은 비교예 1, 녹색은 비교예 2, 그리고 적색은 비교예 3을 나타낸다.
도 12에서 태양 전지의 소재인 실리콘의 광의 파장은 1100nm 정도이므로, 광의 파장이 약 1100nm를 넘으면 모든 태양 전지의 광반사율이 거의 동일해진다. 따라서 광의 파장이 1100nm 이하인 영역에서만 도 12의 광반사율이 중요하다.
도 12에 도시한 바와 같이, 광의 파장이 약 1100nm 이하인 영역에서 실험예 1 및 비교예 3의 태양 전지의 광반사율이 가장 낮았다. 비교예 1 및 비교예 2의 태양전지의 광반사율은 실험예 1 및 비교예 3의 태양전지의 광반사율보다 높았다. 따라서 실험예 1 및 비교예 3의 태양 전지의 광흡수율이 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 제1 나노 구조체들 및 제2 나노 구조체들을 혼합한 실험예 1의 태양 전지의 광반사율과 제2 나노 구조체들만 존재하는 비교예 3의 태양 전지의 광반사율은 큰 차이를 나타내지 않았다.
광전변환실험
전술한 실험예 1, 비교예 2 및 비교예 3의 태양 전지로부터 생성되는 전류량, 전압량, FF(fill factor, 전압량과 전류량과의 곱) 및 광전변환효율을 측정하였다. 1000W/m2의 전계를 이용한 측정 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.
Figure 112009038571715-pat00001
표 1에 기재한 바와 같이, 광전변환효율에 있어서 실험예 1의 태양 전지는 비교예 2 및 비교예 3의 태양 전지보다 우수하였다. 따라서 제1 나노 구조체들 및 제2 나노 구조체들만 각각 별개로 사용한 비교예 2 및 비교예 3의 태양전지보다는 제1 나노 구조체들 및 제2 나노 구조체들을 혼합하여 사용한 실험예 1의 태양전지가 광전변환효율면에 있어서 더욱 우수하다는 것을 확인하였다.
플라스마 이온 도핑 실험
실험예 1 및 비교예 4의 태양전지의 광전변환효율을 측정하였다. 그 결과를 하기의 표 2에 나타낸다.
Figure 112009038571715-pat00002
표 2에 기재한 바와 같이, 광전변환효율에 있어서 실험예 1의 태양 전지는 비교예 4의 태양 전지보다 우수하였다. 따라서 태양 전지에 플라스마 이온 도핑을 실시하는 경우, 태양 전지의 광전변환효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 즉, 플라스마 이온 도핑시 제1 나노 구조체의 도핑 영역이 순응적으로 형성되어 그 밴드갭을 낮추므로, 광전변환효율을 증가시킬 수 있었다.
도 13은 실험예 1 및 비교예 4에 따라 제조한 태양 전지의 전압량 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다. 도 13에서 적색선은 실험예 1를 나타내고, 흑색선은 비교예 4를 나타낸다.
도 13에 도시한 바와 같이, 실험예 1의 태양 전지의 전류량이 비교예 4의 태양 전지의 전류량보다 큰 것을 알 수 있었다. 따라서 실험예 1의 태양 전지가 비교예 4의 태양 전지에 비해 좀더 많은 양의 케리어들을 모아서 광전변환효율을 증가시킬 수 있었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 태양 전지의 제조 공정의 개략적인 순서도이다.
도 3 내지 도 10은 도 2의 각 단계들에 대응하는 태양 전지의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 11은 본 발명의 실험예 1에 따라 제조한 태양 전지의 주사전자현미경 사진이다.
도 12는 실험예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3에 따라 제조한 태양 전지의 반사율 측정 그래프이다.
도 13은 실험예 1 및 비교예 4에 따라 제조한 태양 전지의 전압량 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.

Claims (21)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 위치하고, 상호 이격되어 배열된 복수의 제1 나노 구조체들, 및
    상기 기판 위에 위치하고, 상기 복수의 제1 나노 구조체들과 이격되어 배열된 복수의 제2 나노 구조체들
    을 포함하고,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들 중 하나의 제1 나노 구조체를 상기 기판의 판면에 평행한 방향으로 자른 단면의 평균 직경은 상기 복수의 제2 나노 구조체들 중 하나의 제2 나노 구조체를 상기 기판의 판면에 평행한 방향으로 자른 단면의 평균 직경보다 큰 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노 구조체는,
    제1 도핑 영역 및
    상기 제1 도핑 영역을 둘러싸는 제2 도핑 영역
    을 포함하는 태양 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 나노 구조체를 상기 기판의 판면 방향으로 자른 단면의 직경은 상기 단면이 상기 기판의 판면에 가까워질수록 커지는 태양 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 도핑 영역은 순응적(conformal)으로 형성되는 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들은 규칙적으로 배열된 태양 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들의 이격 거리는 6㎛ 내지 8㎛인 태양 전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들 중 하나의 제1 나노 구조체의 높이는 8㎛ 내지 12㎛인 태양 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 나노 구조체들의 수는 상기 복수의 제1 나노 구조체들의 수보다 많은 태양 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노 구조체의 직경은 1000nm 내지 2000nm인 태양 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 나노 구조체의 직경은 10nm 내지 100nm인 태양 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들 및 상기 복수의 제2 나노 구조체들은 실리콘을 포함하는 태양 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 나노 구조체들의 표면적의 합은 상기 복수의 제1 나노 구조체들의 표면적의 합보다 큰 태양 전지.
  13. 모재를 제공하는 단계,
    상기 모재 위에 복수의 개구부들이 형성된 마스크층을 형성하는 단계,
    상기 개구부를 통하여 노출된 모재 위에 나노금속입자를 제공하는 단계,
    상기 모재를 에칭하여 복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계, 및
    상기 복수의 제1 나노 구조체들에 도핑 영역을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계에서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들 중 하나의 제1 나노 구조체를 상기 모재의 판면에 평행한 방향으로 자른 단면의 평균 직경은 상기 복수의 제2 나노 구조체들 중 하나의 제2 나노 구조체를 상기 모재의 판면에 평행한 방향으로 자른 단면의 평균 직경보다 크고,
    상기 제2 나노 구조체를 상기 모재의 판면에 평행한 방향으로 자른 단면의 직경은 상기 단면이 상기 모재의 판면에 가까워질수록 커지는 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계에서, 상기 마스크층의 하부에 상기 복수의 제1 나노 구조체들이 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계에서, 상기 나노금속입자의 하부에 상기 복수의 제2 나노 구조체들이 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 나노금속입자를 제공하는 단계에서 상기 나노금속입자는 은을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들 및 복수의 제2 나노 구조체들을 제공하는 단계에서, 상기 모재를 수산화칼륨으로 에칭하는 태양 전지의 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들에 도핑 영역을 형성하는 단계는,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들을 스핀 온 도핑(spin on doping, SOD)하는 단계, 및
    상기 스핀 온 도핑된 복수의 제1 나노 구조체들을 플라스마 이온 도핑(plasma ion doping, PID)하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 구조체들은 n형으로 도핑되는 태양 전지의 제조 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 모재를 제공하는 단계에서, 상기 모재는 p형 실리콘을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 모재의 배면 위에 후면 전계층을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 후면 전계층을 제공하는 단계는 상기 복수의 제1 나노 구조체들에 도핑 영역을 형성하는 단계와 동시에 이루어지는 태양 전지의 제조 방법.
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