KR101072526B1

KR101072526B1 - 미세 입자가 형성된 태양전지

Info

Publication number: KR101072526B1
Application number: KR1020090113032A
Authority: KR
Inventors: 성인모; 이유진; 이시우; 김동제
Original assignee: 주식회사 티지솔라
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2011-10-11
Also published as: KR20110056631A

Abstract

미세 입자가 형성된 태양전지가 개시된다. 본 발명에 따른 미세 입자가 형성된 태양전지는 기판(100) 상에 형성되는 다수개의 미세 입자(10); 미세 입자(10)의 단차를 따라 기판(100) 상에 형성되는 하부전극(200); 하부전극(200) 상에 형성되는 광전소자(300); 및 광전소자(300) 상에 형성되는 상부전극(400)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

미세 입자, 잉크 프린팅, 반사 방지층, 태양전지

Description

미세 입자가 형성된 태양전지{SOLAR CELL INCLUDING MICRO PARTICLE}

본 발명은 미세 입자가 형성된 태양전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기판 상(또는 반사 방지층)에 다수개의 미세 입자를 형성하여 광 수집 효율을 향상시킬 수 있고, 복잡한 텍스쳐링 공정 없이도 상부에 형성되는 다른 박막(예를 들면, 하부전극, 광전소자, 상부전극)에 요철 구조를 형성시킬 수 있는 태양전지에 관한 것이다.

빛(태양광)을 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자인 태양전지는 그 응용 범위가 매우 넓다. 하지만, 태양전지의 광전 변환 효율이 우수한 경우에도 20% 내외에 그치며, 그 외 대부분의 빛은 그대로 투과되거나 반사되어 소실된다. 따라서, 많은 양의 전력을 생산하기 위해서는 대면적의 태양전지가 필요하나, 이는 태양전지의 설치 장소 등에 제한을 가져오고 비용의 상승도 초래하는 문제점이 있다. 결국, 광전 변환 효율을 향상시키는 것이 태양전지 분야의 핵심 과제이다.

최근에는 이러한 문제점을 해결하고자, 기판 상에 요철 구조가 형성된 태양전지와 반사 방지층을 더 구비하는 태양전지 등이 개발되어 왔다. 그러나, 기판 상에 요철 구조를 형태하기 위해서는 샌드 블래스팅, 세정, 식각, 열처리 등의 복 잡한 텍스쳐링(texturing) 공정을 수행하여 기판의 표면에 요철 구조(거칠기)를 형성하여야 하는 문제점이 있다. 특히, 이러한 샌드 블래스팅 공정에서는 식각 입자를 분사하여 형성하기 때문에 정밀한 제어가 어려워서 최적의 요철 구조를 형성하는데 한계를 가진다. 더욱이, 불량하게 형성된 요철 구조는 상부에 형성되는 다른 구성요소들(예를 들면, 하부전극, 광전소자, 상부전극 등)의 형성에도 영향을 미치는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 태양전지의 광전 변환 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 태양전지의 제반 특성 및 품질 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용하는 종래의 텍스쳐링 공정을 대체할 수 있는 보다 진보된 기술 개발이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복잡한 텍스쳐링 공정 없이도 요철 구조를 형성할 수 있는 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 요철 구조를 정밀하게 제어할 수 있는 태양전지를 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 기판 상에 형성되는 다수개의 미세 입자; 상기 미세 입자의 단차를 따라 상기 기판 상에 형성되는 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되는 광전소자; 및 상기 광전소자 상에 형성되는 상부전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 의해 달성된다.

이때, 상기 미세 입자는 광경화성 수지, 금속 분말 또는 이들의 혼합일 수 있다.

상기 광경화성 수지는 폴리 카보네이트(Poly Carbonate) 또는 폴리 메틸 메타크릴레이드(Poly Methyl Methacrylate) 일 수 있다.

상기 금속 분말은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 일 수 있다.

상기 미세 입자는 잉크젯 인쇄 방식일 수 있다.

상기 기판과 상기 미세 입자 사이에 반사 방지층이 더 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 기판(또는 반사 방지층) 상에 다수개의 미세 입자를 형성하여 별도의 텍스쳐링 공정 없이도 요철 구조의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 미세 입자의 단차를 따라 형성되는 다른 구성요소들(예를 들면, 하부전극, 광전 소자 등)에도 동일한 거칠기의 요철 구조를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 미세 입자의 크기와 배열을 정밀하게 제어할 수 있어 우수한 광전 변환 효율을 얻을 수 있다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장 되어 표현될 수도 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

미세 입자가 형성된 태양전지

이하의 상세한 설명에는 편의를 위해 기판(100)의 단위셀 영역(태양전지 중 광전 변환이 일어나는 영역)을 중심으로 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자가 형성된 태양전지의 제조 공정을 나타내는 도면이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 기판(100)을 준비할 수 있다. 기판(100)의 재질은 투명한 유리 기판을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 태양전지가 빛을 수광하는 방향에 따라 유리, 플라스틱과 같은 투명 재질 또는 실리콘, 금속[예를 들면, SUS(Stainless Steel)]과 같은 불투명 재질을 모두 사용할 수 있다.

이어서, 기판(100)의 상에는 다수개의 미세 입자(10)를 형성할 수 있다. 미세 입자(10)는 일례로, 폴리 카보네이트(Poly Carbonate: PC) 또는 폴리 메틸 메타크릴레이드(Poly Methyl Methacrylate: PMMA)와 같이 투명한 광경화성 수지 또는 은(Ag), 알루미늄(Al)과 같은 금속 분말일 수 있으나, 광경화성 수지와 금속 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.

보다 상세하게 설명하면, 기판(10) 상에 잉크젯 인쇄(inkjet printing) 방식으로 광경화성 수지를 분사하여 투명한 미세 입자(10)를 형성할 수 있다. 또한, 잉크젯 인쇄(inkjet printing) 방식으로 은(Ag), 알루미늄(Al)과 같은 금속 분말을 분사하여 불투명한 미세 입자(10)를 형성하거나, 은(Ag), 알루미늄(Al)과 같은 금속 분말을 포함하는 광경화성 수지를 분사하여 불투명한 미세 입자(10)를 형성할 수도 있다. 이때, 분사되는 속도, 농도, 거리 등을 조건을 조절하여 미세 입자(10)의 크기 및/또는 간격을 제어할 수 있는데, 이러한 잉크젯 방식의 인쇄 방법은 공지의 기술이므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이어서, 기판(100) 상에 형성된 미세 입자(10)가 광경화성 수지로 이루어지거나 광경화성 수지를 포함하는 경우, 이를 경화시키는 공정을 수행할 수 있다. 즉, 잉크젯 인쇄 공정에서 기판(100) 상에 배열된 미세 입자(10)는 소정의 점도를 가지고 있기 때문에, 최종적으로는 미세 입자(10)를 경화시키는 과정이 필요하다. 일례로, 자외선(ultraviolet rays)을 이용하여 미세 입자(10)를 경화시킬 수 있는데, 자외선 경화 방식에 의하여 광경화성 수지를 경화시키는 방법은 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이 형성된 미세 입자(10)는 상세하게 도시되지는 않았지만 소정 간격을 가지며, 행과 열 방향의 매트릭스(matrix) 구조로 배열할 수 있다. 이러한 미세 입자(10)는 별도의 텍스쳐링 공정 없이도 이후 공정에 의해 형성되는 구성요소들(예를 들면, 하부전극, 광전 소자 상부전극 등)에 요철 구조를 형성시키는 기능을 할 수 있다. 특히, 투명한 미세 입자(10)일 경우에는 기판(100)을 통해 입사되는 광의 반사 손실을 감소시켜 광 수집 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 불투명한 미세 입자(10)일 경우에는 상부에서 입사되는 광을 광전소자(300) 방향으로 반 사시켜 외부로 손실되는 광을 감소시킴으로써 광 수집 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 도시되지는 않았지만, 본 발명에 의한 미세 입자(10)를 형성하기에 앞서, 기판(100)의 상부 표면에는 광이 반사되어 광학적으로 손실되는 현상을 방지하지 위한 일반적인 텍스쳐링(texturing) 공정을 더 수행할 수도 있다.

다음으로, 도 2를 참조하면, 미세 입자(10)를 구비하는 기판(100) 상에 전도성 재질의 하부전극(200)을 형성할 수 있다. 하부전극(200)의 소재는 빛을 수광하는 방향에 따라 투명 또는 불투명한 전도성 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 접촉 저항이 낮으면서 투명한 성질을 갖는 투명 전극인 TCO(Transparent Conductive Oxide)을 사용할 수 있는데, 일례로 AZO(ZnO:Al), ITO(Indium-Tin-Oxide), GZO(ZnO:Ga), BZO(ZnO:B) 및 SnO₂(SnO₂:F) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 접촉 저항이 낮으면서 고온 공정을 진행하더라도 전기적 특성이 저하되지 않는 불투명한 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 몰리텅스텐(MoW) 중 어느 하나이거나 이들의 합금을 포함할 수 있다.

이러한 하부전극(200)의 형성 방법으로는 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(E-beam Evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD) 및 저압 화학기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD), 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition: PECVD), 금속유기 화학기상 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 포함할 수 있다.

이어서, 하부전극(200) 상에는 p 형과 n 형 또는 p 형, i 형, n 형의 반도체층을 적층하여 형성할 수 있는데, 본 발명에서는 일례로 p 형, i 형, n 형의 실리콘층(300)을 순서대로 형성한 경우를 설명한다. 이러한, 실리콘층(300)은 PECVD 또는 LPCVD와 같은 CVD 방법으로 형성할 수 있는데, 실리콘층(300)은 이후 공정에 의해 광을 수광하여 전력을 생산할 수 있는 기능을 수행할 수 있어, 기능적인 측면에서는 광전 소자(300)를 의미한다. 이에 관하여는 도 4 및 도 5를 참조한 이하의 상세한 설명을 통해 자세히 알아보기로 한다.

이어서, 실리콘층(300) 상에는 전도성 재질의 상부전극(500)을 형성할 수 있다. 상부전극(500)의 소재는 빛을 수광하는 방향에 따라 투명 또는 불투명한 전도성 재질을 제한 없이 사용할 수 있다.

예를 들면, 투명 전극인 TCO(Transparent Conductive Oxide) 또는 통상적인 전도성 소재인 구리, 알루미늄, 티타늄 등 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 이러한 상부전극(500)의 형성 방법으로는 상술한 바 있는 하부전극(200)의 형성 방법과 동일하여 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD) 및 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 포함할 수 있다.

이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 하부전극(200), 실리콘층(300) 및 상부전극(500)을 기판(100) 상에 순차적으로 형성하되, 미세 입자(10)의 단차에 따라 형성되기 때문에 소정의 거칠기가 형성된 요철 구조(도면에서 굴곡으로 형성된 영역)를 형성하게 된다. 따라서, 각 층마다 형성된 요철 구조는 반사 광에 의한 손실을 감소시킬 수 있어 광전 소자(300)에서 보다 우수한 광전 변환 효율을 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 미세 입자가 형성된 태양전지를 나타내는 도면이다.

이하의 상세한 설명에서는 설명의 중복을 피하기 위해 본 발명의 일 실시예에서 설명된 동일한 구성의 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 기판(100) 상에는 반사 방지층(110)을 더 형성할 수 있다. 반사 방지층(110)은 기판(100)을 통하여 입사된 광이 실리콘층(300)에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써, 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 기능을 할 수 있다. 반사 방지층(110)의 소재는 투명 절연층인 실리콘 산화물(SiO_x), 실리콘 질화물(SiN_x)일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다.

이러한 반사 반지층(110)의 형성 방법으로는 저압 화학기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD) 및 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 등과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 포함할 수 있다.

이어서, 반사 방지층(110) 상에는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수개의 미세 입자(10)를 형성할 수 있다. 따라서, 투명한 미세 입자(10)일 경우 반사 방지층(110)을 통해 입사되는 광의 반사 손실을 1차적으로 감소시킨 후 미세 입자(10)를 통해 2차적으로 반사 손실을 더 감소시킬 수 있게 된다.

미세 입자가 형성된 다결정 실리콘 태양전지

이하의 상세한 설명에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 광전 소자(300, 400)를 설명하지만, 이러한 기술적 구성은 본 발명의 다른 일 실시예에도 동일하게 적용될 수 있는 것은 자명할 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 광전 소자(300)는 일례로 3층의 비정질 실리콘층(미도시함)이 형성될 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 하부전극(200) 상에는 제1 비정질 실리콘층을 형성하고, 이어서 제1 비정질 실리콘층 상에는 제2 비정질 실리콘층을 형성하고, 이어서 하부 제2 비정질 실리콘층 상에는 제3 비정질 실리콘층을 형성하여 비정질 광전 소자(300)를 구성할 수 있다. 이때, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층의 형성 방법으로는 PECVD 또는 LPCVD와 같은 CVD 방법을 이용하여 형성할 수 있다.

이어서, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층을 고온 열처리하여 결정화하는 과정을 수행할 수 있다. 즉, 제1 비정질 실리콘층은 제1 다결정 실리콘층(310)으로, 제2 비정질 실리콘층은 제2 다결정 실리콘층(320)으로, 제3 비정질 실리콘층은 제3 다결정 실리콘층(330)으로 각각 결정화할 수 있다. 결국, 제1, 제2, 제3 다결정 실리콘층(310, 320, 330)으로 구성되는 다결정 광전 소자(300)가 형성된다.

이러한 광전 소자(300)는 다결정 실리콘층이 적층된 구조로 광이 수광되어 발생되는 광기전력으로 전력을 생산할 수 있는 p 형, i 형, n 형의 다결정 실리콘 층이 순서대로 적층된 p-i-n 다이오드의 구조일 수 있다. 여기서 i 형은 불순물이 도핑되지 않은 진성(intrinsic)을 의미한다. 또한, n 형 또는 p 형 도핑은 비정질 실리콘층 형성시에 불순물을 인시츄(in situ) 방식으로 도핑하는 것이 바람직하다. P 형 도핑시 불순물로서는 보론(B)을 n 형 도핑시 불순물로서는 인(P) 또는 비소(As)를 사용하는 것이 일반적이나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 기술을 제한 없이 사용할 수 있다.

이때, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층의 결정화 방법은 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다. 상기의 비정질 실리콘의 결정화 방법은 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.

한편, 상기에서는 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층을 모두 형성한 후에 이들 층을 동시에 결정화시키는 것으로 설명하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 비정질 실리콘층 마다 결정화 공정을 별도로 진행할 수 있으며, 또한 두 개의 비정질 실리콘층은 동시에 결정화 공정을 진행하고 나머지 하나의 비정질 실리콘층은 별도로 결정화 공정을 진행할 수도 있다.

또한, 도시되지는 않았지만 다결정 실리콘층의 성질을 보다 향상시키기 위하여 결함 제거 공정을 추가로 진행할 수 있다. 본 발명에서는 다결정 실리콘층을 고온 열처리하거나 수소 플라즈마 처리하여 다결정 실리콘층 내에 존재하는 결함 (예를 들어, 불순물 및 댕글링 본드 등)을 제거할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 형태의 광전 소자의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 이상에서 설명된 다결정 광전 소자(300) 상에 다른 광전 소자가 더 형성될 수 있는데, 이러한 다른 광전 소자는 비정질 실리콘층인 상부 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(410, 420, 430)이 적층된 비정질 광전 소자(400)일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에서는 광전 소자(300, 400)가 탠덤 구조로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 탠덤 구조는 광전 소자가 삼중 이상으로 적층된 구조를 포괄적으로 의미할 수 있다.

이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자(300, 400)도 미세 입자(10)의 단차에 따라 형성되기 때문에 소정의 거칠기가 형성된 요철 구조(도면에서 굴곡으로 형성된 영역)를 형성하게 된다. 따라서, 각 층마다 형성된 요철 구조는 반사광의 손실을 감소시킬 수 있어 광전 소자(300, 400)에서 보다 우수한 광전 변환 효율을 얻을 수 있다.

이상의 상세한 설명에서 본 발명은 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 미세 입자

100: 기판

110: 반사 방지층

200: 하부전극

300, 400: 실리콘층(광전 소자)

500: 상부전극

Claims

기판 상에 형성되는 반사 방지층;

상기 반사 방지층 상에 형성되는 다수개의 미세 입자;

상기 미세 입자의 단차를 따라 상기 반사 방지층 및 상기 미세 입자 상에 형성되는 하부전극;

상기 하부전극 상에 형성되는 광전소자; 및

상기 광전소자 상에 형성되는 상부전극

을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 미세 입자는 광경화성 수지, 금속 분말 또는 이들의 혼합인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제2항에 있어서,

상기 광경화성 수지는 폴리 카보네이트(Poly Carbonate) 또는 폴리 메틸 메타크릴레이드(Poly Methyl Methacrylate)인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제2항에 있어서,

상기 금속 분말은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 미세 입자는 잉크젯 인쇄 방식으로 형성되는 특징으로 하는 태양전지.
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