KR101100110B1 - 기판 또는 플렉서블 기판을 포함하는 광기전력 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 광기전력 장치는 기판 상에 순차적으로 위치하는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하고, n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1 전극으로부터 순차적으로 적층된 제1 광전변환부, 상기 제1 광전변환부와 상기 제2 전극 사이에 위치하고, n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1 광전변환부로부터 순차적으로 적층된 제2 광전변환부 및 상기 제2 전극 내부에 위치하는 투광성 파티클을 포함한다.

Description

기판 또는 플렉서블 기판을 포함하는 광기전력 장치 및 그 제조 방법{PHOTOVOLTAIC DEVICE INCLUDING A SUBSTRATE OR A FLEXIBLE SUBSTRATE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 실시예는 기판 또는 플렉서블 기판을 포함하는 광기전력 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양광 에너지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다.
태양광 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜주는 장치가 광기전력 장치, 즉 태양전지이다. 광기전력 장치는 주로 반도체 접합의 광기전력 현상을 이용한다. 즉, p형과 n형 불순물로 각각 도핑된 반도체 pin 접합에 빛이 입사되어 흡수되면 빛의 에너지가 반도체 내부에서 전자와 홀을 발생시키고 내부 전계에 의해 이들이 분리됨으로써 pin 접합 양단에 광기전력이 발생된다. 이 때 접합 양단에 전극을 형성하고 도선을 연결하면 전극 및 도선을 통하여 외부로 전류가 흐르게 된다.
석유와 같은 기존의 에너지원을 태양광 에너지원으로 대체해 가기 위해서는 광기전력 장치가 높은 광전변환효율을 제공해야 한다.
본 발명은 n-i-p 타입 광기전력 장치의 효율을 증가시키기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 광기전력 장치는 기판 상에 순차적으로 위치하는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하고, n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1 전극으로부터 순차적으로 적층된 제1 광전변환부, 상기 제1 광전변환부와 상기 제2 전극 사이에 위치하고, n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1 광전변환부로부터 순차적으로 적층된 제2 광전변환부 및 상기 제2 전극 내부에 위치하는 투광성 파티클을 포함한다.
본 발명의 광기전력 장치는 기판 상에 순차적으로 위치하는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제1 광전변환부, 상기 제1 광전변환부와 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제2 광전변환부 및 상기 제2 전극 내부에 위치하는 투광성 파티클을 포함하며, 상기 제1 광전변환부와 상기 제2 광전변환부는 상기 제2 전극 측에서 입사되는 빛에 의해 광전변환을 수행한다.
상기 투광성 파티클의 크기는 50 nm 이상 800 nm 이하일 수 있다.
상기 제1 광전변환부의 진성 반도체층의 광학적 밴드갭은 상기 제2 광전변환부의 진성 반도체층의 광학적 밴드갭보다 작을 수 있다.
상기 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
상기 투광성 파티클은 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 광기전력 장치의 제조 방법은 제1 전극, n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1 전극으로부터 순차적으로 적층된 제1 광전변환부 및 n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1 광전변환부로부터 순차적으로 적층된 제2 광전변환부가 순차적으로 형성된 기판을 준비하는 단계 및 투광성 파티클을 둘러싸는 제2 전극을 상기 제2 광전변환부 상에 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제2 전극을 형성하는 단계는 상기 제2 전극의 일부를 상기 제2 광전변환부 상에 형성하는 단계, 상기 제2 전극의 일부 상에 투광성 파티클을 배치시키는 단계 및 상기 투광성 파티클을 덮도록 상기 제2 전극의 나머지를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 투광성 파티클이 배치되는 단계는 상기 투광성 파티클은 휘발성 용액에 섞여 상기 제2 전극의 일부 상에 도포되는 단계와 열을 가하여 상기 휘발성 용액을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 투광성 파티클의 크기는 50 nm 이상 800 nm 이하일 수 있다.
상기 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
상기 휘발성 용액은 25 도 이상 180 이하의 온도에서 제거될 수 있다.
상기 휘발성 용액은 스프레이 법이나 잉크젯 프린팅 법에 의하여 도포될 수 있다.
상기 투광성 파티클은 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명은 투광성 파티클이 내부에 위치하는 제2 전극을 포함함으로써 n-i-p 타입 광기전력 장치의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 제조 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 반사 방지 작용을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치를 나타낸다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 제조 방법을 나타낸다. 도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 롤투롤 (roll to roll) 제조 시스템, 스텝핑 롤 (stepping roll) 제조 시스템 및 인라인 (in-line) 제조 시스템을 통하여 생산되는 광기전력 장치를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 제1 전극(110), 제1 광전변환부(120) 및 제2 광전변환부(130)가 순차적으로 형성된 기판(100)이 준비된다. 이 때 제1 광전변환부(120) 및 제2 광전변환부(130)는 순차적으로 적층된 n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층을 포함한다. n 타입 반도체층은 수소 및 실란 가스와 더불어 5족 원소를 포함하는 불순물 가스를 이용하여 형성된다. 진성 반도체층은 불순물 가스 없이 수소 및 실란 가스를 이용하여 형성된다. p 타입 반도체층은 수소 및 실란 가스와 더불어 3족 원소를 포함하는 불순물 가스를 이용하여 형성된다.
이와 같은 기판(100)이 준비되면 제2 광전변환부(130) 상에 투광성 파티클(150)을 둘러싸는 제2 전극(140)이 형성된다. 제2 전극(140)의 형성을 위하여 제2 전극(140)의 일부가 제2 광전변환부(130) 상에 형성된다. 이어서 투광성 파티클(150)이 제2 전극(140)의 일부 상에 배치된다. 이후 투광성 파티클(150)을 덮도록 제2 전극(140)의 나머지가 형성된다.
이와 같은 제2 전극(140)의 형성을 위하여 제1 전극(110), 제1 광전변환부(120) 및 제2 광전변환부(130)가 순차적으로 형성된 기판(100)이 공정챔버(CH1) 내부로 이동한다. 공정챔버(CH1)는 제2 전극(140)의 일부를 형성하기 위한 것이다. 공정챔버(CH1) 내부에서 제2 전극(140)의 일부가 스퍼터링 (sputtering)이나 MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)로 제2 광전변환부(130) 상에 형성된다. 이 때 제2 전극(140)은 빛의 투과가 가능한 투명 전도성 산화물 (TCO : Transparent Conductive Oxide)로 이루어질 수 있다.
제2 전극(140)의 일부가 형성된 기판(100)은 공정챔버(CH2)로 이동한다. 투광성 파티클(150)이 섞인 휘발성 용액이 공정챔버(CH2) 내부에서 제2 전극(140) 상에 도포된다. 휘발성 용액의 도포는 스프레이(spray) 법이나 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 법에 의하여 이루어질 수 있다. 스프레이 법이나 잉크젯 프린팅 법은 투광성 파티클(150)이 섞인 휘발성 용액을 균일하게 도포할 수 있다.
휘발성 용액은 열이 가해짐으로써 제거된다. 이 때 가열은 공정챔버(CH2)에서 이루어질 수도 있고 별도의 공정 챔버에서 이루어질 수도 있다. 열이 가해짐에 따라 휘발성 용액은 제거되고 투광성 파티클(150)이 제2 전극(140)의 일부 상에 남게 된다. 휘발성 용액은 25 도 이상 180 이하의 온도에서 제거될 수 있다. 25 도 미만의 온도에서는 휘발성 용액의 제거가 원활하게 이루어지지 않고, 180 도 초과의 온도에서는 제1 광전변환부(120) 및 제2 광전변환부(130)로부터 수소가 빠져나와 광기전력 장치의 효율이 나빠질 수 있다.
이후 기판(100)은 공정챔버(CH3) 내부로 이동하며, 투광성 파티클(150)을 덮도록 제2 전극(140)의 나머지가 공정챔버(CH3)의 내부에서 형성된다.
도면에는 도시되지 않았으나 제2 전극(140)이 형성된 후 광기전력 장치를 외부 환경으로부터 장시간 보호하기 위하여 투광성 봉지재(transparent encapsulant)가 제2 전극(140) 상에 라미네이션될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치는 n-i-p 타입 광기전력 장치이다. n-i-p 타입 광기전력 장치는 기판(100) 상에 n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 순차적으로 적층된다. 이에 따라 외부에서 입사되는 빛은 제1 전극(110)에 비하여 제2 전극(140)에 먼저 입사된다. 또한 빛은 제1 광전변환부(120)에 비하여 제2 광전변환부(130)에 먼저 도달하므로 제1 광전변환부(120)의 진성 반도체층의 광학적 밴드갭은 제2 광전변환부(130)의 진성 반도체층의 광학적 밴드갭보다 작을 수 있다.
n-i-p 타입 광기전력 장치의 경우, 빛이 제2 전극(140)을 통하여 입사되므로 제2 광전변환부(120)와 제2 전극(140) 사이의 계면에 요철이 있을 경우 빛의 산란에 의하여 광전변환효율의 증가할 수 있다. 하지만 n-i-p 타입 광기전력 장치의 경우 제2 광전변환부(120)와 제2 전극(140) 사이의 계면에 빛을 충분히 산란시킬 수 있을 정도의 요철을 형성하기 어렵다.
예를 들어, ZnO가 제2 전극(140)으로 사용될 경우 제2 광전변환부(130) 상에서 ZnO가 성장하면서 요철이 형성되므로 ZnO의 요철은 제2 광전변환부(130)와 ZnO의 계면이 아닌 계면의 맞은 편에 위치한 ZnO 표면에 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 경우 투광성 파티클(150)이 빛의 반사를 방지할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 투광성 파티클(150)에 의하여 제2 전극(140)의 표면에 요철이 발생한다. 이 때 제2 전극(140)이 굴절률(n=a)은 대기의 굴절률(n=1)보다 크다. 본 발명의 실시예에서 제2 전극(140)이 투광성 도전 산화물로 이루어진 경우 제2 전극(140)이 굴절률(n=a)은 약 1.5이다.
연장선 A에서는 대기만이 존재하므로 연장선 A에서의 굴절률은 1이다. 연장선 B와 연장선 C에서는 대기와 함께 제2 전극(140)이 존재한다.
f1은 대기가 차지하는 체적분율 그리고 f2는 제2 전극(140)이 차지하는 체적분율을 나타낸다. 그리고 f1과 f2의 합은 1이다.
연장선 B에서는 대기가 차지하는 체적분율(f1)이 제2 전극(140)이 차지하는 체적분율(f2)보다 크다. 또한 연장선 C에서는 제2 전극(140)이 차지하는 체적분율(f2)이 증가하고 대기가 차지하는 체적분율(f1)은 감소한다. 따라서 빛이 연장선 B에서 연장선 C로 입사할 때 굴절률이 점진적으로 커진다.
마지막으로 연장선 D에서는 제2 전극(140)만이 존재하므로 연장선 D에서의 굴절률은 대기의 굴절률보다 큰 제2 전극(140)의 굴절률이다.
따라서 빛이 대기로부터 제2 전극(140)으로 입사할 때 굴절률은 점차적으로 커지므로 빛이 제2 전극(140)의 표면에서 반사되는 것이 방지된다. 또한 빛이 제2 전극(140)으로 입사될 때 투광성 파티클(150)에 의하여 형성된 요철에 의하여 굴절률이 불연속적으로 변하는 것이 아니라 점진적으로 변하므로 빛의 반사량이 더욱 줄어든다.
본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 경우 투광성 파티클(150)이 빛을 산란시킨다. 투광성 파티클(150)이 제2 전극(140)의 내부에 위치하여 제2 광전변환부(120)와 제2 전극(140) 사이의 계면에 가까우므로 산란된 빛은 제2 광전변환부(130)에 도달하기 쉽다.
또한 투광성 파티클(150)은 크기에 따라 특정 파장의 빛을 산란시킬 수 있다. 예를 들어, 투광성 파티클(150)의 투광성 파티클의 크기는 50 nm 이상 800 nm 이하인 경우 가시광 및 적외선 영역의 빛의 산란을 강화시킬 수 있다. 뿐만 아니라 투광성 파티클(150)에 의하여 제2 전극(140)의 표면에 요철이 생성될 수 있으므로 입사되는 빛을 산란시킬 수 있다.
투광성 파티클(150)은 TiO2, ZnO, SnO2, InO2, Al2O3와 같은 금속 산화물로 이루어질 수도 있고, SiO2와 같은 절연 산물물로 이루어질 수도 있다. 투광성 파티클(150)이 제2 전극(140) 내부에 위치하므로 금속산화물로 이루어진 투광성 파티클(150)은 제2 전극(140)의 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 기판(100)은 금속 포일(foil)이나 폴리머 기판과 같은 플렉서블 기판 (flexible substrate)일 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 롤투롤 방식의 제조 장치나 스텝핑 롤 방식의 제조 장치의 경우 롤에 감긴 저가의 플렉서블 기판이 풀리면서 공정챔버(CH1, CH2, CH3) 내부로 이동하므로 생산성이 증가할 수 있다.
롤투롤 방식의 제조 장치의 경우 롤(미도시)이 지속적으로 회전하는 동안 롤에 감겨진 기판(100)이 공정 챔버들 내부를 지나게 된다. 스텝핑 롤 방식의 제조 장치의 경우, 롤의 회전과 정지가 반복적으로 이루어진다. 이 때 롤이 회전하는 동안 각 공정 챔버의 게이트(미도시)나 상판이 열려 기판(100)이 움직이고 롤이 정지하는 동안 게이트나 상판이 닫혀 각 공정 챔버에서 해당 층들이 형성된다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 인라인 방식의 제조 장치인 경우, 플렉서블 기판이 아닌 유리와 같은 기판(100)이 이송수단(미도시)에 의하여 공정 챔버들로 이송된다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치는 기판(100), 제1 전극(110), 제2 전극(140), 제1 광전변환부(120), 제2 광전변환부(130), 및 투광성 파티클(150)을 포함한다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(140)은 기판(100) 상에 순차적으로 위치한다. 본 발명의 실시예에서 기판(100)은 플렉서블 기판일 수 있다.
제1 광전변환부(120)는 제1 전극(110) 및 제2 전극(140) 사이에 위치하고, 순차적으로 적층된 n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층을 포함한다. 즉, 제1 광전변환부(120)는 n-i-p 타입의 광전변환부이다.
제2 광전변환부(130)는 제1 광전변환부(120)와 제2 전극(140) 사이에 위치하고, 제1 광전변환부(120)와 마찬가지로 순차적으로 적층된 n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층을 포함한다.
투광성 파티클(150)은 제2 전극(140) 내부에 위치한다. 이와 같은 투광성 파티클(150)은 제1 전극(110)에 비하여 제2 전극(140)으로 먼저 입사된 빛을 산란시킨다.
투광성 파티클(150)의 크기, 역할 및 재질에 대해서는 앞서 설명되었으므로 그 상세한 설명은 생략된다.
제2 전극(140) 상에는 광기전력 장치를 보호하기 위한 투광성 봉지재(transparent encapsulant)가 라미네이션 공법에 의하여 형성될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 기판100 110 : 제1 전극
120 : 제1 광전변환부 130 : 제2 광전변환부
140 : 제2 전극 150 : 투광성 파티클
CH1, CH2, CH3 : 공정챔버

Claims (14)

  1. 기판 상에 순차적으로 위치하는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하고, n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1 전극으로부터 순차적으로 적층된 제1 광전변환부;
    상기 제1 광전변환부와 상기 제2 전극 사이에 위치하고, n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1 광전변환부로부터 순차적으로 적층된 제2 광전변환부; 및
    상기 제2 전극 내부에 위치하는 투광성 파티클
    을 포함하는 광기전력 장치.
  2. 기판 상에 순차적으로 위치하는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제1 광전변환부;
    상기 제1 광전변환부와 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제2 광전변환부; 및
    상기 제2 전극 내부에 위치하는 투광성 파티클을 포함하며,
    상기 제1 광전변환부와 상기 제2 광전변환부는 상기 제2 전극 측에서 입사되는 빛에 의해 광전변환을 수행하는,
    광기전력 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투광성 파티클의 크기는 50 nm 이상 800 nm 이하인 것을 특징인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  4. 제1항 또는 제2항 에 있어서,
    상기 제1 광전변환부의 진성 반도체층의 광학적 밴드갭은 상기 제2 광전변환부의 진성 반도체층의 광학적 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  5. 제1항 또는 제2항 에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투광성 파티클은 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  7. 제1 전극, n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1 전극으로부터 순차적으로 적층된 제1 광전변환부 및 n 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 p 타입 반도체층이 상기 제1광전변환부로부터 순차적으로 적층된 제2 광전변환부가 순차적으로 형성된 기판을 준비하는 단계; 및
    투광성 파티클을 둘러싸는 제2 전극을 상기 제2 광전변환부 상에 형성하는 단계를 포함하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 전극을 형성하는 단계는
    상기 제2 전극의 일부를 상기 제2 광전변환부 상에 형성하는 단계,
    상기 제2 전극의 일부 상에 투광성 파티클을 배치시키는 단계 및 상기 투광성 파티클을 덮도록 상기 제2 전극의 나머지를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 투광성 파티클이 배치되는 단계는
    상기 투광성 파티클은 휘발성 용액에 섞여 상기 제2 전극의 일부 상에 도포되는 단계와 열을 가하여 상기 휘발성 용액을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 투광성 파티클의 크기는 50 nm 이상 800 nm 이하인 것을 특징인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 휘발성 용액은 25 도 이상 180 이하의 온도에서 제거되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 휘발성 용액은 스프레이 법이나 잉크젯 프린팅 법에 의하여 도포되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 투광성 파티클은 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
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