KR101123821B1 - 태양전지의 표면처리방법 및 그에 따라 제조된 태양전지 - Google Patents
태양전지의 표면처리방법 및 그에 따라 제조된 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 태양전지의 표면을 처리하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 태양전지의 표면처리 방법은, 미세 렌즈층을 몰딩하기 위한 미세한 곡면이 형성된 형틀을 제작하는 단계; 상기 형틀에 미세 렌즈층의 소재인 고분자 수지를 도포하는 단계; 상기 고분자 수지가 코팅된 형틀을 표면층에 올려놓고 상기 고분자 수지를 경화 및 접착하여 미세 렌즈층을 형성하는 단계; 및 상기 형틀을 미세 렌즈층에서 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 표면층은 유리기판, 실리콘태양전지 표면 및 태양전지모듈의 외면 중에서 선택된 하나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고분자 몰딩을 이용하여 마이크로미터 크기의 렌즈가 형성된 미세 렌즈층을 표면에 형성함으로써 반사율을 감소시켜 빛의 흡수율을 증가시킴으로써 태양전지의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다. 특히 본 발명의 표면처리방법에 따른 미세 렌즈층은 그 형성방법이 간단할 뿐만 아니라 어떠한 면에도 쉽게 형성할 수 있는 효과가 있다.
태양전지, 태양전지모듈, 표면처리, 텍스처링, 반사방지막
Description
본 발명은 태양전지의 표면을 처리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 반사율을 낮춰 태양광이용 효율을 높일 수 있는 태양전지의 표면처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 광학적 손실을 저감시키기 위해 주로 텍스처링(texturing) 방법을 이용하여 표면을 처리한다. 태양전지의 텍스처링 공정은 기판 표면에 요철구조를 형성하여 표면 반사율을 낮추는 공정으로 크게 화학적 식각(chemical etching) 방법, 플라즈마 식각(plasma etching) 방법, 미케니컬 스크라이빙(mechanical scribing) 방법 및 사진인쇄법(photolithography) 등의 방법이 사용되고 있다.
기판의 결정성이 일정한 단결정 실리콘인 경우, 염기성 용액을 이용하여 화학적 식각 방법 중 하나인 선택적 식각(이방성 식각)을 통해 비교적 쉽게 텍스처링을 할 수 있다. 반면에 다결정 실리콘 기판은 결정의 방향이 그레인(grain)마다 다르기 때문에 염기성 용액을 이용한 이방성 식각이 불가능하다. 따라서 다결정 실리콘 기판의 경우, 등방성 식각으로 텍스처링을 해야 한다. 이러한 등방성 식각으로는 화학적 식각 방법 중 하나인 산성 용액을 이용한 식각 방법과 메카니컬 텍스처링 방법 등이 있다. 그리고 박막 태양전지는 주로 투명 전도막의 표면에서 텍스처링 공정이 이루어지며, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용한 직접 증착법과 스퍼터링(sputtering) 후 화학적 식각을 하는 방법이 알려져 있다.
상기 방법들 중 화학적 식각법은 크게 이방성 식각(anisotropic etching) 방법과 등방성 식각(isotropic etching) 방법으로 나눠진다. 이방성 식각 방법의 일예로는 미국 특허 제5,804,090호에 하이드라진 하이드레이트(hydrazine hydrate)와 금속 하이드록사이드 수용액을 사용하는 방법이 기술되어 있고, 등방성 식각 방법의 일예로는 미국 특허 제5,949,123호에 불소 이온(fluorine ion)을 포함하는 산성용액을 이용하여 다결정 실리콘을 식각하는 방법이 기술되어 있다. 이와 같은 화학적 식각법은 짧은 시간에 비교적 저렴한 가격으로 다량의 웨이퍼를 텍스처링 할 수 있다는 장점은 있으나 요철 형성용 식각 공정과 평탄화를 위한 식각 공정이 별도로 진행되어야 하며, 먼저 형성된 요철 또는 평탄화면을 보호하기 위해 SiNx로 증착하는 공정을 거쳐야 하는 등 텍스처링 공정을 지나치게 복잡하게 하여 태양전지의 제조 시간을 늘리고 생산성을 저하시키는 문제점이 있으며, 실제 반사율 또한 뛰어나지 못하다. 미케니컬 스크라이빙 방법은 웨이퍼 표면에 홈(groove)을 형성한 후, 화학적인 식각 방법을 이용하여 텍스처링하는 방법으로, 그 일예가 미국 특 허 제5,704,992호에 기술되어 있다. 상기 미케니컬 스크라이빙 방법은 작업 시간이 오래 걸리기 때문에 상업적인 생산이 어렵고 박막 태양전지에 적용하기 힘들다. 그 밖에 플라즈마 식각 및 사진인쇄법등은 제조 단가가 높은 공정이기 때문에 다결정 및 박막 태양 전지를 제작을 함에 있어서 상업적인 적용이 힘들다.
상기와 같이, 기존 텍스처링 공정은 태양전지 종류 및 재료에 따라 공정 방법을 변경해야 하는 문제점이 있으며, 대부분의 텍스처링 방법이 태양전지 제조 공정을 복잡하게 하여 생산성을 저하시키거나 높은 공정 단가를 요구하기 때문에 상업적인 적용이 매우 힘든 실정이다. 따라서 태양전지의 간단한 방법으로 어떠한 면에도 적용할 수 있는 새로운 태양전지 표면처리방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 간단한 공정을 통해 어느 표면에나 형성할 수 있는 표면처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 태양전지의 표면처리 방법은, 미세 렌즈층을 몰딩하기 위한 미세한 곡면이 형성된 형틀을 제작하는 단계; 상기 형틀에 미세 렌즈층의 소재인 고분자 수지를 도포하는 단계; 상기 고분자 수지가 코팅된 형틀을 표면층에 올려놓고 상기 고분자 수지를 경화 및 접착하여 미세 렌즈층을 형성하는 단계; 및 상기 형틀을 미세 렌즈층에서 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 표면층은 유리기판, 실리콘태양전지 표면 및 태양전지모듈의 외면 중에서 선택된 하나일 수 있다.
그리고 형틀을 제작하는 단계는,기판 위에 구형의 이차원 결정층을 코팅하는 단계; 상기 이차원 결정층의 윗면과 옆면에 상기 형틀의 소재인 탄성중합체 수지를 도포하고 경화시키는 단계; 및 상기 경화된 탄성중합체 수지를 분리하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 좋다. 이때, 구형의 이차원 결정층을 코팅하는 단계의 앞에, 상기 기판을 산처리 한 뒤에 산소플라즈마 처리를 통해 상기 기판의 표면을 친수성으로 전환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 구형의 이차원 결정층에 사용되는 재료가 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이트 및 실리카를 포함하는 구형 입자를 갖는 물질들 중에서 선택된 하나 인 것이 좋으며, 탄성중합체 수지는 폴리디메틸실록세인, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 좋다.
한편 상기 미세 렌즈층을 형성하는 단계에서 상기 고분자 수지를 경화시키는 방법은 열경화방법 또는 자외선경화방법 중에 하나일 수 있다.
열경화방법으로 경화시키는 상기 고분자 수지는 폴리디메틸실록세인, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 좋다.
자외선경화방법으로 경화시키는 상기 고분자 수지는 올리고머와 모노머 및 광개시제로 이루어지고 상기 광개시제가 100nm 이상에서 400nm 이하 범위의 빛을 흡수하는 자외선경화성 수지로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 좋으며, 상기 올리고머가 에폭시계 수지, 폴리에스테르계 수지, 우레탄계 수지 및 아크릴레이트를 포함하는 군에서 선택된 하나인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 의한 태양전지는 고분자 몰딩 방법을 이용하여 표면에 마이크로미터 단위의 렌즈가 형성된 미세 렌즈층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 의한 태양전지모듈은 고분자 몰딩 방법을 이용하여 표면에 마이크로미터 단위의 렌즈가 형성된 미세 렌즈층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고분자 몰딩을 이용하여 마이크로미터 크기의 렌즈가 형성된 미세 렌즈층을 표면에 형성함으로써 반사율을 감소시켜 빛의 흡수율을 증가시킴으로써 태양전지의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명의 표면처리방법에 따른 미세 렌즈층은 3차원 구조를 가지고 있기 때문에 태양광의 입사각이 수직이 아닐 때도 태양광의 흡수량이 증가되는 효과가 있다.
특히 본 발명의 표면처리방법에 따른 미세 렌즈층은 그 형성방법이 간단할 뿐만 아니라 어떠한 면에도 쉽게 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 표면처리방법에 따른 미세 렌즈층은 이중반사방지막으로도 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명을 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 태양전지의 표면처리 방법은 크게 형틀을 제작하는 단계와 미세 렌즈층을 몰딩하는 단계를 포함하여 이루어진다.
형틀을 제작하는 단계는 미세 렌즈층을 몰딩하기 위한 형틀을 제작하는 단계이다. 이 단계에서 제작하는 형틀에는 미세 렌즈를 형성하는 마이크로미터 단위의 구면이 음각으로 형성된다.
형틀은 미세 렌즈층을 몰딩하기 위해서 제어가 용이해야하고 몰딩시에 균일한 압력을 인가할 수 있어야 하므로 탄성중합체를 이용하는 것이 좋다. 그리고 형틀은 내부에 도포된 고분자 수지를 자외선을 이용하여 경화작업을 할 수 있도록 투과율이 높아야하므로 고분자 물질이 바람직하다. 이러한 특성을 갖는 탄성중합체 재료로는 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리디메틸실 록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 및 폴리에스테르(polyester; PES)가 있으며, 형틀의 재료는 상기 탄성중합체 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
탄성중합체를 이용하여 몰딩용 형틀을 제작하는 방법으로는 확산 노광방식(diffuser lithography), 감광막의 열적 리플로우를 이용하는 방식(photoresist thermal reflow), 젤 방식(gel trapping technique) 및 복제 주물법(replica molding method)이 대표적이다.
도 1 내지 도 3은 복제 주물법에 의해 형틀을 제작하는 과정을 나타내는 모식도이다. 복제 주물법에 의한 형틀의 제작과정은 기판의 표면을 처리하는 단계, 기판에 구형의 이차원 결정층을 코팅하는 단계, 탄성중합체 수지를 도포하고 경화시키는 단계 및 탄성중합체 수지를 분리하는 단계를 포함하여 구성된다.
기판의 표면을 처리하는 단계는 이차원 결정층이 기판에 잘 코팅되도록 기판을 산처리한 뒤에, 산소플라즈마를 이용하여 표면을 친수성으로 전환시키는 단계이다. 기판으로는 유리기판, 강화유리기판 또는 실리콘기판 등을 사용할 수 있다.
도 1은 기판에 구형의 이차원 결정층을 코팅한 모습을 나타낸다. 기판에 구형의 이차원 결정층을 코팅하는 단계는 도 1에 나타낸 것과 같이, 기판(110)의 표면에 구형의 이차원 결정층(120)을 코팅하는 단계이다. 구형의 입자를 갖는 고분자가 분산된 수용액을 이용하여 기판(110)의 표면에 스핀코팅이나 담금코팅법을 통해 구형의 이차원 결정층(120)을 형성한다. 구형의 입자를 갖는 고분자 재료로는 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리메틸메타아크릴 및 실리카 등이 있다.
도 2는 구형의 이차원 결정층의 위에 탄성중합체 수지를 도포한 모습을 나타낸다. 탄성중합체 수지를 도포하는 단계는 기판(110)위에 코팅된 구형의 이차원 결정층(120)의 주변에 형틀의 소재가 되는 탄성중합체 수지(130)를 도포하고 경화시키는 단계이다. 형틀의 소재가 되는 탄성중합체 수지(130)의 재료로는 앞에 기재한 것과 같이 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리디메틸실록세인, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스테르를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 이러한 탄성중합체 수지(130)는 열경화성 재료이므로 열을 가하여 경화시킬 수 있다.
도 3은 탄성중합체 수지를 경화하여 제작한 형틀을 나타낸다. 탄성중합체 수지를 분리하는 단계는 경화된 탄성중합체 수지를 기판(110) 및 구형의 이차원 결정층(120)과 분리하여 형틀(100)을 완료하는 단계이다. 형틀(100)에는 구형의 이차원 결정층(120)이 분리된 자리에 마이크로미터 단위의 구면이 음각으로 형성된다.
다음으로 미세 렌즈층을 몰딩하는 단계는 앞선 단계에서 제작된 형틀을 이용하여 태양전지의 표면에 미세 렌즈층을 형성하는 단계이다. 도 4 내지 도 7은 태양전지의 표면에 미세 렌즈층을 형성하는 과정을 나타내는 모식도이다. 미세 렌즈층을 몰딩하는 단계는 고분자 수지를 도포하는 단계, 미세 렌즈층을 형성하는 단계 및 형틀을 미세 렌즈층에서 분리시키는 단계를 포함하여 구성된다.
도 4는 형틀에 고분자 수지를 도포한 모습을 나타낸다. 고분자 수지를 도포 하는 단계는 마이크로미터 단위의 구면이 음각으로 형성된 형틀(100)에 미세 렌즈층의 소재인 고분자 수지(210)를 도포하는 단계이다. 고분자 수지를 도포하는 방법은 종래에 사용되는 모든 방법을 사용할 수 있으며, 특히 마이크로미터 단위로 형성된 구면 모두에 고분자 수지가 도포될 수 있도록 스프레이법, 스크린 프린팅법, 잉크젯 프린팅법, 닥터블레이드법 및 스핀 캐스팅법 등을 사용할 수 있다.
고분자 수지(210)는 미세 렌즈층의 재료로서 사용되기 때문에 투과도가 높고 제어가 용이하며 높은 굴절률을 갖는 것이 좋으며, 경화된 뒤에 고온에서 안정하여야 한다. 고분자 수지(210)는 자외선을 조사하거나 열전사를 통하여 쉽게 경화되는 것이 좋으며, 본 발명에서 사용되는 고분자 수지는 경화방법에 따라서 열전사방법으로 경화되는 고분자 수지와 자외선조사방법으로 경화되는 고분자 수지의 두 가지로 나눌 수 있다.
열전사방법으로 경화되는 고분자 수지는 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리디메틸실록세인, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스테르를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
자외선조사방법으로 경화되는 고분자 수지는 올리고머(olygomer)와 모노머(monomer) 및 광개시제(photoinitiator)를 포함하여 구성되는 자외선경화 수지이다. 올리고머는 프리폴리머(prepolymer)로서 미세 렌즈층의 주재료가 되며 주로 에폭시(epoxy)계, 폴리에스테르(polyester)계, 우레탄(urethane)계, 및 아크릴레이트(acrylate)가 사용된다. 모노머는 올리고머를 용해하며 부족한 특성을 부여해 주기 위해 필요한 단량체로 다기능(multi-functional) 아크릴레이트와 단기 능(mono-functional) 아크릴레이트가 있다. 광개시제는 올리고머와 모노머가 화학결합을 하여 원하는 수지가 되도록 도와주는 물질이다. 본 발명에서 사용되는 고분자 수지는 100nm 이상의 장파장 영역 내지 400nm 이하 영역의 빛을 흡수하는 광개시제를 포함하는 자외선경화 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 고분자 수지를 사용하는 것이 좋다.
도 5는 고분자 수지가 도포된 형틀을 뒤집어 태양전지 표면층에 올리는 모습을 나타내고, 도 6은 태양전지 표면층에 접촉된 고분자 수지를 경화시켜 미세 렌즈층을 형성하는 모습을 나타낸다. 미세 렌즈층을 형성하는 단계는 고분자 수지(210)가 도포된 형틀(100)을 태양전지의 표면층(300)에 올리고, 고분자 수지(210)를 경화시켜서 미세 렌즈층(200)을 형성하는 단계이다.
태양전지의 표면층(300)은 반사율을 감소시켜 태양전지의 효율을 높이기 위하여 표면처리되는 면으로 태양광이 입사되는 면이다. 종래의 표면처리 방법들은 특정의 면에 대하여만 한정적으로 사용될 수 있었으나, 본 발명의 미세 렌즈층은 비정질의 박막태양전지의 표면과 결정질 태양전지의 표면에 모두 사용할 수 있고, 특히 다결정질 태양전지의 표면과 단결정질 태양전지의 표면에 모두 사용할 수 있으며, 태양전지의 표면에 텍스처링 처리가 되어 있는 경우 및 반사방지막이 형성되어 있는 경우에도 본 발명의 미세 렌즈층을 형성할 수 있다. 또한 본 발명의 미세 렌즈층은 유리 기판위에도 형성이 가능하며, 나아가 태양전지모듈의 외면이 되는 강화유리 위에 형성할 수도 있다.
고분자 수지(210)를 경화시키는 방법은 앞에서 살펴본 것과 같이 열전사방법 과 자외선조사방법이 있으며, 고분자 수지(210)의 종류에 따라서 결정된다.
도 7은 태양전지의 표면층위에 미세 렌즈층이 형성된 모습을 나타낸다. 형틀을 미세 렌즈층에서 분리시키는 단계는 고분자 수지(210)를 태양전지의 표면층(300) 위에 경화 및 접착시킨 미세 렌즈층(200)에서 형틀을 분리하는 단계이다. 형틀(100)이 분리된 미세 렌즈층(200)의 표면에는 마이크로미터 단위의 지름을 갖는 반구형의 미세 렌즈가 전면에 걸쳐서 위치함으로써, 태양전지 또는 태양전지모듈에 입사되는 태양광의 표면 반사율을 줄이며, 결과적으로 태양전지 또는 태양전지모듈의 효율을 크게 향상시킨다.
본 발명을 구체적인 실시예를 통해 자세히 설명하면 다음과 같다.
<실시예 1>
형틀제작
먼저 입자의 크기가 454nm인 폴리스티렌을 이용하여 구형의 이차원 결정층을 형성한다. 유리기판 위에 10wt% 폴리스티렌 분산수용액(Microparticles GmbH Co.제품)을 스핀코팅법으로 코팅시켜 구형의 이차원 결정층을 형성한다.
유리기판 위에 형성된 폴리스티렌 재질의 구형의 이차원 결정층에 실리콘 탄성중합체와 경화제를 섞어서 만든 PDMS(폴리디메틸실록세인)용액을 붓고 오븐에서 70℃로 1시간동안 PDMS를 경화시킨 뒤에 자연 냉각한다.
경화된 PDMS 탄성중합체를 폴리스티렌 결정으로부터 분리하면 구형의 주기적인 음각 패턴을 갖는 PDMS 탄성중합체 형틀이 완성된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 형틀의 크기와 모양을 나타내는 사진이다. 왼쪽의 주사현미경사진에 나타난 것과 같이 형틀에 형성된 가로 486nm와 세로 410nm의 육각형태의 패턴의 크기를 확인 할 수 있다. 그리고 오른쪽의 AFM이미지에서는 폴리스티렌 결정의 구형상이 형틀에 전사된 것을 확인 할 수 있으며, 반구형의 면이 갖는 깊이는 103nm인 것을 확인할 수 있다.
미세 렌즈층의 형성
본 실시예 1에서는 유리기판 위에 미세 렌즈층을 형성하였다.
먼저 앞서 제작한 형틀에 자외선 경화성 고분자 수지를 스핀코팅법으로 도포하고, 유리기판 위에 얹은 뒤에 압력을 가하여 고분자 수지가 유리기판과 잘 접촉하도록 한다.
유리기판과 접촉된 고분자 수지에 600W/cm2 수은램프로부터 발생하는 자외선을 5분간 조사하여 고분자 수지를 경화시킨 뒤에, 형틀을 제거하여 미세 렌즈층을 형성한다.
도 9 본 발명의 실시예에 따라 형성된 미세 렌즈층의 표면을 나타낸 사진이다. 도 9에 따르면, 미세 렌즈층의 표면에는 가로 426nm와 세로 389nm의 크기를 갖는 육각형 형태의 렌즈 패턴들이 95 nm의 두께로 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는 형틀의 주기적인 패턴의 크기가 성공적으로 전사된 것으로 판단할 수 있다.
<비교예 1>
실시예 1에서 형성된 미세 렌즈층의 투과도를 상기한 형틀을 제작하는 데 사용하였던 구형의 폴리스티렌 결정층의 투과도와 비교하였다.
도 10 본 발명의 실시예 1에 따른 미세 렌즈층과 비교예 1와의 투과도를 비교한 그래프이다. 도 10에 나타난 바와 같이 비교예 1은 약 92%의 투과도를 보인 반면에 실시예 1은 약 99%의 투과도를 보임으로써, 본 발명의 실시예에 따른 미세 렌지층은 표면에서의 반사 없이 거의 모든 빛을 흡수함을 확인할 수 있다.
<비교예 2>
본 발명에 따른 미세렌즈층 형성의 효과를 확인하기 위해 표면에 텍스처링 처리를 실시한 결정질 태양전지를 준비하였다.
도 11은 비교예 2의 표면을 나타내는 현미경사진이다. 도 11에 나타난 것과 같이 비교예 2의 표면에는 NaOH를 사용하여 형성된 약 10㎛ 크기의 피라미드 구조물이 텍스처링 처리를 통해 형성되어있으나, 반사방지막은 형성되어 있지 않다.
<실시예 2>
형틀제작
본 실시예 2에서 형틀을 제작하는 과정은 실시예 1과 동일하다.
미세 렌즈층의 형성
본 실시예 2에서 미세 렌즈층을 형성하는 과정은 실시예 1과 거의 동일하다. 다만 미세 렌즈층이 형성되는 표면층이 비교예 2의 텍스처링 처리된 결정질 태양전 지의 표면이다.
도 12는 실시예 2에 의해서 형성된 미세 렌즈층의 표면과 단면을 나타내는 사진이다. 사진에 나타난 것과 같이 미세 렌즈층 중에서 렌즈가 형성된 밑부분이 약 50㎛의 두께를 갖도록 한다.
도 13은 본 발명의 실시예 2와 비교예 2의 반사도를 나타낸 그래프이다. 도면에 따르면, 비교예 2의 반사도는 약 22.49%인 반면에, 실시예 2의 반사도는 약 9.67%인 것을 확인 할 수 있다. 미세 렌즈층이 태양전지의 표면에 입사되는 태양광의 반사율을 낮추고 흡수율을 높이는 역할을 하는 것을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예 2와 비교예 2의 효율을 나타낸 그래프이다. 도면에 따르면, 비교예 2의 태양전지 효율은 약 10.9%인 반면에, 실시예 2의 태양전지 효율은 약 13.9%로 나타났으며, 약 3%의 큰 효율증가를 보였다.
<비교예 3>
본 발명에 따른 미세렌즈층 형성의 효과를 확인하기 위해 표면에 텍스처링 처리를 실시하고 다공성 실리콘층과 반사방지막을 형성한 결정질 태양전지를 준비하였다. 다공성 실리콘층은 질산과 불산을 이용한 식각을 통하여 형성하였으며, 반사방지막으로 실리콘질화막을 형성하였다.
도 15는 비교예 3의 표면에 형성된 반사방지막을 나타내는 현미경사진이다.
<실시예 3>
형틀제작
본 실시예 3에서 형틀을 제작하는 과정은 실시예 1과 동일하다.
미세 렌즈층의 형성
본 실시예 3에서 미세 렌즈층을 형성하는 과정은 실시예 1과 거의 동일하다. 다만 미세 렌즈층이 형성되는 표면층이 비교예 3의 다공성 실리콘층과 실리콘질화막이 형성된 결정질 태양전지의 표면이다.
도 16은 실시예 3에 의해서 형성된 미세 렌즈층의 표면과 단면을 나타내는 사진이다. 사진에 나타난 것과 같이 미세 렌즈층 중에서 렌즈가 형성된 밑부분이 약 50㎛의 두께를 갖도록 한다.
도 17은 본 발명의 실시예 3과 비교예 3의 반사도를 나타낸 그래프이다. 도면에 따르면, 비교예 3의 반사도는 약 4.95%인 반면에, 실시예 3의 반사도는 약 4.78%인 것을 확인 할 수 있다. 큰 차이는 아니지만 반사방지막이 형성된 경우보다도 미세 렌즈층이 형성된 경우에 반사도가 낮은 것을 알 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예 3과 비교예 3의 효율을 나타낸 그래프이다. 도면에 따르면, 비교예 3의 태양전지 효율은 약 15.8%인 반면에, 실시예 3의 태양전지 효율은 약 16.8%로 나타났다. 앞서 살펴본 반사도의 차이가 적음에 비하여 1%라는 큰 효율증가를 보이는 것을 알 수 있다. 이로써 본 발명의 미세 렌즈층이 이중반사방지막의 역할도 할 수 있음을 알 수 있다.
<비교예 4>
본 발명에 따른 미세 렌즈층의 미세렌즈가 갖는 효과를 확인하기 위해 표면에 텍스처링 처리를 실시하고 다공성 실리콘층과 반사방지막을 형성한 결정질 태양전지를 준비하였다.(비교예 4a)
그리고 실리콘 기판을 사용하여 미세렌즈 패턴이 없는 형틀을 제작한 뒤에, 이를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 미세렌즈가 형성되지 않은 자외선 경화성 고분자 수지를 약 50㎛의 두께로 비교예 4a의 표면에 형성하였다.(비교예 4b)
미세렌즈 패턴이 없는 자외선 경화성 고분자 수지층을 형성한 뒤에 특성을 측정하였다.
비교예 4a의 반사도는 6.86%인 반면에 비교예 4b의 반사도는 3.69%로 크게 감소하여, 표면에 미세렌즈 패턴이 형성되지 않은 고분자 수지층을 형성하는 것만으로도 반사도가 크게 감소하였다.
그러나 태양전지 효율에 있어서는 비교예 4a와 비교예 4b 모두가 10.6%로 동일하게 측정되어, 미세패턴이 형성되어 있지 않은 경우에는 태양전지 효율이 전혀 증가하지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 미세렌즈 패턴이 태양전지 효율의 증가에 중요한 역할을 함을 확인할 수 있다.
비교예 2 내지 비교예 4와 실시예 2 내지 실시예 3에 따른 태양전지의 특성을 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 반사율 (%) |
면적 (㎠) |
개방전압 VOC(V) |
단락전류 ISC(A) |
곡선인자 FF |
태양전지 효율 (%) |
| 비교예 2 | 22.49 | 148.58 | 0.593 | 4.01 | 68 | 10.9 |
| 실시예 2 | 9.67 | 148.58 | 0.602 | 4.94 | 70 | 13.9 |
| 비교예 3 | 4.95 | 148.58 | 0.615 | 5.11 | 75 | 15.8 |
| 실시예 3 | 4.78 | 148.58 | 0.618 | 5.36 | 75 | 16.8 |
| 비교예 4a | 6.86 | 148.58 | 0.605 | 4.52 | 57 | 10.6 |
| 비교예 4b | 3.69 | 148.58 | 0.604 | 4.47 | 58 | 10.6 |
<비교예 5>
표면에 텍스처링을 실시한 결정질 태양전지 셀을 이용하여 태양전지모듈을 제작하되, 태양전지모듈에 일반적으로 사용되는 밀봉재인 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)를 대신하여 투과도가 높고, 플라스틱과 기판 등에 우수한 접착력을 보이는 자외선경화성 고분자 수지를 밀봉재로 사용하여 결정질 태양전지와 모듈용 강화유리 사이를 밀봉한 태양전지모듈을 제작하였다.
EVA필름 대신 자외선경화성 고분자 수지를 사용하여 밀봉한 표면이 텍스처링 된 결정질태양전지를 이용한 태양전지모듈의 최종 효율은 11.45%로 나타나 EVA필름을 밀봉재로 사용했을 때와 유사한 값을 가졌다. 따라서 고온에서 처리해야 하는 EVA를 대신해서 간단한 UV조사로 유사한 효과를 내는 자외선경화 고분자 수지를 밀봉재로 사용하면 저가의 공정으로 단시간에 태양전지모듈을 제작할 수 있음을 확인할 수 있다.
<비교예 6>
본 발명에 따른 미세렌즈층 형성의 효과를 확인하기 위해 표면에 텍스처링 처리를 실시하고 다공성 실리콘층과 반사방지막을 형성한 결정질 태양전지와 강화유리판의 사이를 자외선경화성 고분자 수지로 밀봉한 태양전지모듈을 준비하였다. 비교예 6에 따른 태양전지모듈의 효율은 11.32%이다.
<실시예 4>
형틀제작
본 실시예 6에서 형틀을 제작하는 과정은 실시예 1과 동일하다.
미세 렌즈층의 형성
본 실시예 4에서 미세 렌즈층을 형성하는 과정은 실시예 1과 거의 동일하다. 다만, 미세 렌즈층이 형성되는 표면층이 비교예 6의 태양전지모듈 표면인 강화유리판이다.
11.32%의 효율을 가지는 비교예 6의 표면인 강화유리판에 미세렌즈층을 형성시킨 후 효율을 측정한 결과 11.74%로 미세렌즈층을 형성시키기 전보다 0.4%의 효율증가를 보여 미세렌즈층이 태양전지모듈의 효율증가에도 효과적임을 확인하였다.
<비교예 7>
본 발명에 따른 미세렌즈층 형성의 효과를 확인하기 위해 표면에 텍스처링 처리를 실시하고 다공성 실리콘층과 반사방지막을 형성한 결정질 태양전지와 강화유리판의 사이를 자외선경화성 고분자 수지로 밀봉한 태양전지모듈을 준비하였다.
<실시예 5>
형틀제작
본 실시예 7에서 형틀을 제작하는 과정은 실시예 1과 동일하다.
미세 렌즈층의 형성
본 실시예 5에서 미세 렌즈층을 형성하는 과정은 실시예 1과 거의 동일하다. 다만 비교예 7을 제작하면서 함께 제조한 표면에 텍스처링 처리를 실시하고 다공성 실리콘층과 반사방지막을 형성한 결정질 태양전지 셀의 표면에 미세 렌즈층을 형성하였다.
미세 렌즈층이 형성된 태양전지 셀과 강화유리를 자외선 경화수지로 밀봉하여 실시예 5를 제작하였다.
도 19는 본 발명의 실시예 5와 비교예 7의 효율을 나타낸 그래프이다. 도면에 따르면, 비교예 7에 따른 태양전지모듈의 효율은 약 11.41%인 반면에, 실시예 5에 따른 태양전지모듈의 효율은 약 12.04%로 나타났다. 이를 통하여 미세 렌즈층이 태양전지를 모듈화 하였을 때도 효율을 높이는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
실시예 4에서와 같이 모듈 외부에 미세 렌즈층을 형성시킨 경우에도 효율증가의 효과를 얻을 수 있지만, 장기간 사용 시 외부 환경에 노출되어 있어 오염의 우려가 있다. 반면에 실시예 5와 같이 모듈 내부에 미세 렌즈층을 형성시킨 경우는 현재의 태양전지에서 부각되고 있는 효율의 증가와 외부 오염으로부터의 차단이라는 두 가지 문제를 동시에 해결할 수 있는 효과가 있다.
비교예 6 내지 비교예 7과 실시예 4 내지 실시예 5에 따른 태양전지모듈의 특성을 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 면적 (㎠) |
개방전압 VOC(V) |
단락전류 ISC(A) |
곡선인자 FF |
모듈 효율 (%) |
| 비교예 5 | 156.25 | 0.600 | 4.80 | 62 | 11.45 |
| 비교예 6 | 156.25 | 0.600 | 5.00 | 59 | 11.32 |
| 실시예 4 | 156.25 | 0.617 | 5.25 | 57 | 11.74 |
| 비교예 7 | 156.25 | 0.620 | 5.18 | 56 | 11.41 |
| 실시예 5 | 156.25 | 0.623 | 4.78 | 63 | 12.04 |
태양전지와 태양전지모듈에서의 결과들을 종합하여 보면 미세 렌즈층은 모든 종류의 태양전지 및 태양전지모듈에 쉽게 형성이 가능한 뛰어난 효과가 있다.
그리고 미세 렌즈층은 빛을 모으는 역할과 반사방지막의 역할을 동시에 수항함으로써 태양전지에 큰 문제점으로 부각되고 있는 반사로 인한 빛의 손실을 줄임으로써 결과적으로 태양전지와 태양전지모듈의 효율이 증가됨을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 3은 복제 주물법에 의해 형틀을 제작하는 과정을 나타내는 모식도.
도 4 내지 도 7은 태양전지의 표면에 미세 렌즈층을 형성하는 과정을 나타내는 모식도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 형틀의 크기와 모양을 나타내는 사진.
도 9 본 발명의 실시예에 따라 형성된 미세 렌즈층의 표면을 나타낸 사진.
도 10 본 발명의 실시예 1에 따른 미세 렌즈층과 비교예 1와의 투과도를 비교한 그래프.
도 11은 비교예 2의 표면을 나타내는 현미경사진.
도 12는 실시예 2에 의해서 형성된 미세 렌즈층의 표면과 단면을 나타내는 사진.
도 13은 본 발명의 실시예 2와 비교예 2의 반사도를 나타낸 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예 2와 비교예 2의 효율을 나타낸 그래프.
도 15는 비교예 3의 표면을 나타내는 현미경사진.
도 16은 실시예 3에 의해서 형성된 미세 렌즈층의 표면과 단면을 나타내는 사진.
도 17은 본 발명의 실시예 3과 비교예 3의 반사도를 나타낸 그래프.
도 18은 본 발명의 실시예 3과 비교예 3의 효율을 나타낸 그래프.
도 19는 본 발명의 실시예 5와 비교예 7의 효율을 나타낸 그래프.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100: 형틀 110: 기판
120: 구형의 이차원 결정층 130: 탄성중합체 수지
200: 미세 렌즈층 210: 고분자 수지
300: 표면층
Claims (13)
- 기판 위에 구형의 이차원 결정층을 코팅하는 단계; 상기 이차원 결정층의 윗면과 옆면에 형틀의 소재인 탄성중합체 수지를 도포하고 경화시키는 단계; 및 상기 경화된 탄성중합체 수지를 분리하는 단계를 포함하는 미세 렌즈층을 몰딩하기 위한 미세한 곡면이 형성된 형틀을 제작하는 단계;상기 형틀에 미세 렌즈층의 소재인 고분자 수지를 도포하는 단계;상기 고분자 수지가 코팅된 형틀을 태양전지의 표면층에 올려놓고 상기 고분자 수지를 경화 및 접착하여 미세 렌즈층을 형성하는 단계; 및상기 형틀을 미세 렌즈층에서 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 구형의 이차원 결정층에 사용되는 재료가 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이트 및 실리카를 포함하는 구형 입자를 갖는 물질들 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 구형의 이차원 결정층을 코팅하는 단계의 앞에, 상기 기판을 산처리 한 뒤에 산소플라즈마 처리를 통해 상기 기판의 표면을 친수성으로 전환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 탄성중합체 수지는 폴리디메틸실록세인, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 미세 렌즈층을 형성하는 단계에서 상기 고분자 수지를 경화시키는 방법이 열경화방법 또는 자외선경화방법 중에 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
- 청구항 7에 있어서,상기 열경화방법으로 경화시키는 상기 고분자 수지가 폴리디메틸실록세인, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
- 청구항 7에 있어서,상기 자외선경화방법으로 경화시키는 상기 고분자 수지가 올리고머와 모노머 및 광개시제로 이루어지고, 상기 광개시제가 흡수하는 빛의 파장이 100nm 이상에서 400nm 이하 범위인, 자외선경화성 수지로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 올리고머가 에폭시계 수지, 폴리에스테르계 수지, 우레탄계 수지 및 아크릴레이트를 포함하는 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
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