KR101190197B1 - 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판을 통해 빛이 입사되어 광기전력을 발생하는 태양전지에 있어서, 상기 기판의 적어도 한 면에 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖으며, 그 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지는 형태의 무반사 나노구조가 집적됨으로써, 제조 공정이 간단하며, 공기와 반도체 물질간의 굴절률차로 인해 발생하는 빛의 반사량을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 태양전지 분야에 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법{SOLAR CELLS USING SUBSTRATE INTEGRATED WITH ANTIREFLECTION NANO STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판을 통해 빛이 입사되도록 구성된 태양전지의 기판에 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 무반사 나노구조를 형성함으로써, 공기와 기판간의 굴절률차로 인해 발생하는 빛의 반사량을 최소화할 수 있도록 한 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 친환경적이고 에너지원인 태양 에너지가 무한할 뿐만 아니라 수명이 길다는 장점이 있다.
이러한 태양전지는 원료 물질에 따라 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분되며, 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다.
일반적인 실리콘 태양전지는 p형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판과 n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층을 포함하고, 기판과 에미터층의 계면에는 다이오드와 유사하게 p-n 접합이 형성되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 태양전지에 태양 광이 입사되면, 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 n형 또는 p형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체에서 전자와 정공이 발생한다. 예를 들어, n형 실리콘 반도체로 이루어진 n형 반도체 에미터층에서는 전자가 다수 캐리어(carrier)로 발생되고, p형 실리콘 반도체로 이루어진 p형 반도체 기판에서는 정공이 다수 캐리어로 발생된다. 광기전력 효과에 의해 발생된 전자와 정공은 각각 n형 반도체 에미터층과 p형 반도체 기판쪽으로 끌어 당겨져, 전면 전극과 후면 전극으로 이동하여 이들 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
이러한 실리콘 태양전지와 달리, 적층형 태양전지는 광전 변환 효율을 높이기 위한 것으로, 서로 다른 광학 밴드갭(optical band gap)을 갖도록 반도체 구조를 형성한다. 즉, 태양광이 먼저 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭이 높은 반도체 물질(예를 들어, 비정질 실리콘)을 이용하여 형성된 반도체 구조인 제1 반도체 셀을 형성하여 주로 단파장을 빛을 흡수하고, 나중에 흡수되는 쪽에는 광학 밴드갭이 낮은 반도체 물질(예를 들어, 미세결정 실리콘)을 이용하여 형성된 반도체 구조인 제2 반도체 셀을 형성하여 주로 장파장 빛을 흡수하도록 한다.
또한, 적층형 태양전지는 두 반도체 구조의 두께 차이로 발생하는 전류량 차이로 인한 전류 정합(current matching) 문제와 광 열화 현상으로 인한 태양전지의 안정화 효율 등을 고려하여 두 반도체 구조 사이에 중간 반사층을 더 구비한다. 이로 인해, 제1 반도체 셀의 진성 반도체층의 두께를 얇게 하여 광 열화 현상을 감소시키면서 중간 반사층에 의해 재입사된 빛에 의해 발생하는 전류량을 증가시켜 전류 정합 문제를 해소함으로써, 태양 전지의 동작 효율을 높이고 있다.
한편, 상기와 같이 구성된 적층형 태양전지는 기판을 통해 빛이 입사되는 상판(superstrate)형 구조에서, 굴절률이 다른 두 매질간의 빛의 반사량을 줄이는 것은 해결해야할 매우 중요한 문제이다.
도 1은 빛이 매질에 수직 입사하는 경우 빛의 반사와 투과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 빛의 반사는 프레넬 방정식(Fresnel Equation)에 의해 결정되어지는데, 빛이 매질에 수직으로 입사한다고 가정할 경우, 그 반사량(R)은 하기의 수학식 1로 표현되어 진다.
Figure 112010079312669-pat00001
여기서, n1 및 n2는 매질의 굴절률을 의미한다. 태양전지의 기판에 적용된 반도체 물질(예컨대, 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 등)의 굴절률(n2)은 약 3～4 정도이고, 공기(air)의 굴절률(n1)은 1이기 때문에, 공기로부터 태양전지로 빛이 입사될 경우 약 30％ 이상의 빛이 반사되게 된다.
이러한 빛의 반사는 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이 되며 이를 최소화할수록 높은 효율을 얻을 수 있게 된다. 빛의 반사를 줄이기 위해 일반적으로 사용되는 방법은 무반사 코팅(Antireflection Coating)으로서, 반도체 상부에 유전체나 고분자물질 등 반도체 보다 굴절률이 적은 물질을 증착함으로써 반사를 줄이는 방식이다.
이러한 무반사 코팅은 굴절률 및 광학적 두께(Optical Thickness)를 적당히 조절함으로써 특정 파장대에서 최소의 반사특성을 낼 수 있는 장점이 있으나, 다양한 반도체 물질과 맞는 적당한 물질을 찾기 어렵고, 전기 및 열적 특성을 고려하기 어려우며, 넓은 스펙트럼에서 반사를 줄이기 어렵고, 빛의 입사각에 따른 반사율을 차이가 매우 큰 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기판을 통해 빛이 입사되도록 구성된 태양전지의 기판에 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 무반사 나노구조를 형성함으로써, 공기와 기판간의 굴절률차로 인해 발생하는 빛의 반사량을 최소화할 수 있도록 한 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 기판을 통해 빛이 입사되도록 구성된 태양전지에 있어서, 상기 기판의 적어도 한 면에 일정 주기 또는 평균거리를 갖으며, 그 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지는 형태의 무반사 나노구조가 집적되는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지를 제공하는 것이다. '일정주기'는 규칙적인 주기형태를 갖는 구조를 의미하고,'평균거리'는 불규칙 적인 주기를 갖는 형태인 경우 평균적인 주기를 의미한다. 예를 들어, '평균거리'는 30nm 내지 50nm의 주기로 불규칙적인 주기를 가지고 분포되는 경우 평균적인 주기가 40nm 이라 한다면 40nm가 평균거리가 된다.
바람직하게는, 일정 주기 또는 평균거리는 태양전지의 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖도록 하고, 더욱 바람직하게는, 상기 일정주기 또는 평균거리는 (광파장)/(입사광 매질의 굴절률) 보다 작은 주기를 갖는다.
여기서 '광파장'이라 함은 태양전지가 주로 기능하는 파장 영역을 의미하는 것으로, 태양전지의 경우는 가시 광선인 300 내지 700nm의 파장을 주 파장 영역으로 가지므로 '광파장 이하의 주기'는 300nm 이하로 이해될 수 있다.
여기서, 상기 무반사 나노구조는 상기 기판의 양면에 주기적 또는 비주기적으로 배열되며, 그 끝이 뾰족한 쐐기형 또는 파라볼라(Parabola) 형태로 형성됨이 바람직하다.
본 발명의 제2 측면은, 기판을 통해 빛이 입사되도록 구성된 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 기판은, 상기 기판의 적어도 한 면에 금속박막을 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및 상기 기판 자체의 적어도 한 면에 일정 주기 또는 평균거리를 갖으며 그 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지는 형태의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하여 제작되는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 측면은, 기판을 통해 빛이 입사되도록 구성된 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 기판은, 상기 기판의 적어도 한 면에 버퍼층 및 금속박막을 순차적으로 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 상기 버퍼층이 나노구조 버퍼층으로 되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 전면 식각을 수행하는 단계; 및 상기 기판 자체의 적어도 한 면에 일정 주기 또는 평균거리를 갖으며, 그 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지는 형태의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 버퍼층을 마스크로 하여 상기 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하여 제작되는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제4 측면은, 기판을 통해 빛이 입사되도록 구성된 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 기판은, 상기 기판의 적어도 한 면에 투명전극, 버퍼층 및 금속박막을 순차적으로 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 상기 투명전극의 상면에 상기 버퍼층이 나노구조 버퍼층으로 되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 전면 식각을 수행하는 단계; 및 상기 투명전극이 나노구조 투명전극으로 되도록 함과 아울러 상기 기판 자체의 적어도 한 면에 일정 주기 또는 평균거리를 갖으며 그 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지는 형태의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 버퍼층을 마스크로 하여 전면 식각을 수행하는 단계를 포함하여 제작되는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
바람직하게, 상기 나노구조 투명전극끼리 전기적으로 연결되도록 상기 글래스 기판의 전면에 투명전극을 재증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 버퍼층은 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx)로 이루어짐이 바람직하다.
바람직하게, 상기 금속박막은 은(Ag), 금(Au) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 증착되거나, 상기 기판과의 표면 장력을 고려하여 상기 열처리후 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 금속을 선택하여 증착할 수 있다.
바람직하게, 상기 금속박막은 5nm～100nm 정도의 두께를 갖도록 증착되거나, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 두께를 선택하여 증착할 수 있다.
바람직하게, 상기 열처리는 200도～900도 범위에서 시행되거나, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 온도를 선택하여 열처리할 수 있다.
바람직하게, 상기 무반사 나노구조는 플라즈마 건식 식각법을 이용하여 형성할 수 있다.
바람직하게, 상기 건식 식각 시 가스량, 압력, 구동 전압 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하여 무반사 나노구조의 높이 및 경사도를 조절함으로써 원하는 종횡비(aspect ratio)를 얻도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 따르면, 기판을 통해 빛이 입사되도록 구성된 태양전지의 기판에 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 무반사 나노구조를 형성함으로써, 제조 공정이 간단하며, 공기와 기판간의 굴절률차로 인해 발생하는 빛의 반사량을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 저비용으로 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사 격자구조의 제작이 가능하며, 기판을 태양전지에 적용 시 효율을 극대화할 수 이점이 있다.
도 1은 빛이 매질에 수직 입사하는 경우 빛의 반사와 투과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제1 실시예에 적용된 기판의 무반사 나노구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 높이에 따른 굴절률의 변화를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 적용된 기판 상에 투명 전극을 증착한 후 촬영한 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지와 종래 기술에 따른 태양전지에 대해 파장의 변화에 따른 반사율을 비교하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 실시예들에 적용된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 제1 예의 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 적용된 기판의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 적용된 기판과 종래 기술 기판의 파장에 따른 투과율의 변화를 비교하기 위해 그래프로 나타낸 도면이다.
도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 실시예들에 적용된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 제2 예의 단면도들이다.
도 13a 내지 도 13f는 본 발명의 실시예들에 적용된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 제3 예의 단면도들이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제1 실시예에 적용된 기판의 무반사 나노구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 높이에 따른 굴절률의 변화를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지는 예컨대, 투명 기판을 사용한 도전성 투명 전극층(TCO)/PIN/전극 구조의 슈퍼스트레이트(Superstrate)형 실리콘 태양전지로서 투명 기판을 통해 태양광이 입사되는 구조이다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지는, 크게 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100), 도전성 투명 전극층(Transparent Conductive Oxide, TCO)(200), p-i-n형 비정질 실리콘층(amorphous silicon layer)(300) 및 후면 반사층(Back Reflector)(400) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 기판(100)은 예컨대, 투명한 유리(Glass) 기판이나 투명한 폴리머 기판 등으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 투명한 재질을 가진 기판이면 어느 것이든 이용 가능한 것으로 할 수 있다.
특히, 기판(100)의 적어도 한 면(바람직하게는, 상/하 양면)에는 광파장 이하의 주기(또는 주기적 구조) 또는 평균거리(또는 비주기적 구조)를 가지며, 그 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지는 형태의 무반사 나노구조(110)가 형성되어 있다.
이때, 무반사 나노구조(110)는 기판(100)의 양면에 주기적 또는 비주기적으로 배열됨이 바람직하며, 그 끝이 뾰족한 쐐기형 또는 파라볼라(Parabola) 형태 등으로 형성됨이 바람직하다.
즉, 이러한 무반사 나노구조(110)는 광파장 이하의 주기(또는 주기적 구조) 또는 평균거리(또는 비주기적 구조)를 가지며, 그 끝단으로 갈수록 기울어진 형태로 이루어진다.
예를 들어, 광소자인 태양전지에서 입사광의 파장이 약 300nm인 경우 약 300nm 이하의 주기 또는 평균거리를 가져야 한다. 그러나, 통상 태양전지에서의 입사광이 단일파장의 빛이 아니므로, 빛의 스펙트럼에서 최단파장보다 작은 주기를 가져야 광파장 이하 즉, 서브파장(Subwavelength)의 구조라 할 수 있다. 예컨대, 태양광의 경우 약 300nm 내지 3000nm의 빛이 입사되므로 약 300nm 이하의 주기를 가져야 한다.
보다 바람직하게는, (파장)/(입사매질의 굴절률) 보다 작은 주기를 갖는 것이 좋다. 태양광의 경우 공기(굴절률=1)로부터 광소자인 태양전지로 빛이 들어오기 때문에 약 300nm 이하의 주기를 갖는 것이 좋다.
한편, 무반사 나노구조(110)의 높이는 높을수록 유효굴절률이 보다 서서히 변하기 때문에 좋다. 그러나, 공정상의 복잡성을 고려하여 적당한 높이를 결정해야 하며, 통상 약 100nm 내지 500nm 정도의 범위로 함이 바람직하다.
또한, 무반사 나노구조(110)의 형태는 도 3a에 도시된 바와 같이, 구조의 끝부분으로 갈수록 기울어진 형태가 되어야 하며, 예컨대, 원뿔, 원뿔대, 삼각뿔, 사각뿔 등 다각뿔 형태 또는 다각뿔대의 형태 등으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 구조의 끝으로 갈수록 완만해지는 형태, 또는 급격하게 변하는 형태 등이 포함될 수도 있다. 바람직하게는, 유효굴절률이 선형적으로 변하도록 파라볼라(Parabola) 형태를 갖는 것이 좋다.
또한, 무반사 나노구조(110)의 채움비(인접한 구조간의 거리와 밀접한 연관이 있음)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 유효굴절률이 보다 점진적으로 변하도록 유도하기 위해 최대한 큰 것이 좋다. 채움비가 매우 낮은 경우(약 20％ 미만)에는 유효굴절률의 변화가 매우 적으므로 무반사 효과를 얻기 어렵다.
즉, 무반사 나노구조(110)는 주기는 작을수록, 높이는 높을수록, 형태는 파라볼라형, 채움비는 큰 것이 좋다. 그러나, 공정복잡성, 매질의 굴절률, 입사 또는 출력광의 파장 등을 고려하여 얼마든지 조절 가능하다.
또한, 무반사 나노구조(110)에서 비주기적 구조라 함은, 도 3c에 도시된 바와 같이, 각 구조의 높이 및 인접한 구조사이의 거리가 일정하지 않은 구조를 의미한다. 이러한 비주기적인 구조의 경우에도, 인접한 돌기 사이의 평균거리를 주기로 간주할 수 있다.
즉, 비주기적 구조의 인접한 돌기 사이 평균거리가 약 300nm 인 경우, 약 300nm의 주기를 갖는 주기적 구조와 광학적 특성이 거의 유사하다. 바람직하게는, 평균거리에 대한 표준편차가 평균거리의 절반의 크기를 넘지 않도록 한다. 예를 들어, 약 300nm의 평균거리에 대해서 약 150nm의 표준오차를 넘지 않아야 한다. 한편, 인접한 돌기 사이의 평균거리는 SEM 이미지의 영상처리방식을 이용하여 구할 수 있다.
그리고, 도전성 투명 전극층(200)은 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100)의 전체 면에 형성되어 있으며, p-i-n형 비정질 실리콘층(300)과 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 도전성 투명 전극층(200)은 빛에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예를 들어 정공을 수집하여 출력한다. 본 발명의 제1 실시예에서, 도전성 투명 전극층(200)은 또한 반사 방지막의 기능도 수행할 수 있다.
한편, 도전성 투명 전극층(200)은 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100)상에 도포한 후 열처리 및 평탄화 공정 등을 수행하거나, 예컨대, 스퍼터링 공정 등을 이용한 증착법 또는 도금법 등의 공정을 통해 형성됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 평탄화 공정을 수행하지 않고 그 상면에 무반사 나노구조(110)와 동일한 구조를 갖도록 형성할 수도 있다. 이와 같이, 도전성 투명 전극층(200)의 표면에도 무반사 나노구조(110)와 동일한 구조를 형성함에 따라 도전성 투명 전극층(200)의 빛 반사도를 감소시키고, 무반사 나노구조(110)에서 복수 번의 입사와 반사 동작이 행해져 태양전지 내부에 빛이 갇히게 되어 빛의 흡수율이 증가되므로, 태양전지의 효율이 향상된다.
이러한 도전성 투명 전극층(200)은 대부분의 빛이 통과하며 전기가 잘 흐를 수 있도록 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도가 요구된다. 이러한 도전성 투명 전극층(200)은 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO), 주석계 산화물(SnO2 등), AgO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 플루오린 틴 옥사이드(Fluorine Tin Oxide, FTO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것으로 형성될 수 있다. 도전성 투명 전극층(200)의 비저항 범위는 약 10-2Ω-㎝ 내지 10-11Ω-㎝일 수 있다.
그리고, p-i-n형 비정질 실리콘층(300)은 도전성 투명 전극층(200) 상에 p형 비정질 실리콘층, i형 비정질 실리콘층 및 n형 비정질 실리콘층이 순차적으로 적층되어 있으며, 약 1.7eV의 광학 밴드갭을 갖고 근자외선, 보라, 파랑 등과 같은 단파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
이러한 p-i-n형 비정질 실리콘층(300)의 p형 비정질 실리콘층은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 p형 비정질 실리콘층은 실리콘 카바이드(SiC)나 a-Si:H로 형성될 수 있다.
p-i-n형 비정질 실리콘층(300)의 i형 비정질 실리콘층은 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것이다. 이로 인해, i형 비정질 실리콘층은 인가되는 단파장 대역의 빛을 주로 흡수하여, 전자와 정공과 같은 캐리어가 이곳에서 주로 생성한다. 이러한 i형 비정질 실리콘층은 a-Si:H로 형성될 수 있고, 약 200nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다.
p-i-n형 비정질 실리콘층(300)의 n형 비정질 실리콘층은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
이러한 p-i-n형 비정질 실리콘층(300)은 예컨대, 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)과 같은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD))에 의해 형성될 수 있다.
또한, p-i-n형 비정질 실리콘층(300)의 p형 비정질 실리콘층 및 n형 비정질 실리콘층과 같은 도핑층은 i형 비정질 실리콘층을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인한 광기전력 효과(photovoltatic effect)의하여 광 흡수층인 i형 비정질 실리콘층에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 p형 비정질 실리콘층을 통해 도전성 투명 전극층(200)쪽으로 이동하고, 전자는 n형 비정질 실리콘층을 통해 후면 전극(미도시)쪽으로 이동한다.
그리고, 후면 반사층(400)은 p-i-n형 비정질 실리콘층(300)을 통과한 빛을 다시 p-i-n형 비정질 실리콘층(300)쪽으로 반사시켜, p-i-n형 비정질 실리콘층(300)의 동작 효율을 향상시키는 것이다. 이러한 후면 반사층(400)은 예컨대, ZnO와 같은 투명한 도전성 물질로 형성됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 은(Ag) 혹은 알루미늄(Al) 등의 물질을 사용하여 형성할 수도 있다.
한편, 도면에 도시되진 않았지만, 후면 반사층(400) 전체 면 위에 후면 전극이 형성되어 있으며, 전기적으로 p-i-n형 비정질 실리콘층(300)의 n형 비정질 실리콘층과 연결됨이 바람직하다. 이러한 후면 전극은 p-n 접합을 통해 생성된 캐리어 중 전자를 수집하여 출력한다. 상기 후면 전극은 전도성 금속 물질로 이루어져 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지는 도 4에 도시된 바와 같이, 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100)을 이용할 경우, 이 기판(100)에 의해 유효굴절률이 점진적으로 변하기 때문에 빛의 반사를 효과적으로 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 적용된 기판 상에 투명 전극을 증착한 후 촬영한 SEM 이미지를 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지와 종래 기술에 따른 태양전지에 대해 파장의 변화에 따른 반사율을 비교하기 위한 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100) 상에 예컨대, 이-빔(e-beam) 증착기를 이용하여 ITO를 사용한 도전성 투명 전극층(200), a-Si을 사용한 p-i-n형 비정질 실리콘층(300), 은(Ag)을 사용한 후면 반사층(400)을 순차적으로 적층한 후 반사율을 측정하였다.
이때, 도전성 투명 전극층(200)의 두께는 약 300nm 정도이고, p-i-n형 비정질 실리콘층(300)의 두께는 약 500nm 정도이며, 후면 반사층(400)의 두께는 약 30nm 정도이다. 상기와 같이 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100)을 사용한 본 발명의 경우 가시(visible) 대역에서 반사율이 급격히 감소함을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지를 설명하기 위한 단면도로서, 슈퍼스트레이트(Superstrate)형으로 이루어지며 적층 구조(tandem)를 갖는 적층형 태양전지를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지는, 크게 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100), 도전성 투명 전극층(Transparent Conductive Oxide, TCO)(200), 제1 및 제2 반도체 셀(300a 및 300b) 및 후면 반사층(Back Reflector)(400) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100), 도전성 투명 전극층(200) 및 후면 반사층(400)은 전술한 제1 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제1 반도체 셀(300a)은 p-i-n형 비정질 실리콘(amorphous silicon) 셀로서, 약 1.7eV의 광학 밴드갭을 갖고 근자외선, 보라, 파랑 등과 같은 단파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
이러한 제1 반도체 셀(300a)은 도전성 투명 전극층(200) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전성 타입의 반도체층인 예컨대, p형인 제1 p형 반도체층, 제1 진성 반도체층, 그리고 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 반도체층인 예컨대, n형인 제1 n형 반도체층을 구비한다.
상기 제1 p형 반도체층은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 분순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에서 제1 p형 반도체층은 예컨대, 실리콘 카바이드(SiC)나 a-Si:H로 형성될 수 있다.
상기 제1 진성 반도체층은 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것이다. 이로 인해, 상기 제1 진성 반도체층은 인가되는 단파장 대역의 빛을 주로 흡수하여, 전자와 정공과 같은 캐리어가 이곳에서 주로 생성한다. 이러한 상기 제1 진성 반도체층은 예컨대, a-Si:H로 형성될 수 있고, 약 200nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다.
그리고, 상기 제1 n형 반도체층은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬([0048] Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에서, 상기 제1 n형 반도체층은 수소화된 미세 결정 실리콘 산화물(μc-SiOx:H), 수소화된 미세 결정 실리콘 질화물(μc-SiNx:H) 및 수소화된 미세 결정 실리콘 산화 질화물(μc-SiOxNy:H)(여기서, 0<x<1, 0<y<1) 중 하나로 형성된다.
이러한 제1 반도체 셀(300a)은 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)과 같은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD))에 의해 형성될 수 있다.
제1 반도체 셀(300a)의 제1 p형 및 n형 반도체층과 같은 도핑층은 제1 진성 반도체층을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인한 광기전력 효과(photovoltatic effect)의하여 광 흡수층인 제1 진성 반도체층에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 제1 p형 반도체층을 통해 도전성 투명 전극층(200)쪽으로 이동하고, 전자는 제1 n형 반도체층을 통해 후면 전극(미도시)쪽으로 이동한다.
한편, 제2 반도체 셀(300b)은 p-i-n형 미세결정 실리콘(micro-crystalline silicon) 셀로서, 약 1.1eV의 광학 밴드갭을 갖고 적색에서 근적외선까지의 장파장 대역의 빛을 주로 흡수한다.
이러한 제2 반도체 셀(300b)은 제1 반도체 셀(300a)과 유사하게 제1 n형 반도체층 상에 순차적으로 형성된 제2 p형 반도체층, 제2 진성 반도체층, 그리고 제2 n형 반도체층을 구비하며, 이들 층들은 제1 반도체 셀(300a)과 동일하게 PECVD와 같은 CVD로 형성될 수 있다.
상기 제2 p형 반도체층은 상기 제1 p형 반도체층과 유사하게 실리콘을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 분순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성된다.
상기 제2 진성 반도체층은 상기 제1 진성 반도체층과 유사하게 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것이다. 이로 인해, 상기 제2 진성 반도체층은 인가되는 장파장 대역의 빛을 주로 흡수하여 전자와 전공을 이곳에서 주로 생성한다.
상기 제2 n형 반도체층은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
전술한 제1 반도체 셀(300a)과 유사하게, 제2 반도체 셀(300b)의 제2 p형 및 n형 반도체층의 도핑층은 제2 진성 반도체층을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인하여 생성된 정공은 제2 p형 반도체층을 통해 도전성 투명 전극층(200)쪽으로 이동하여 수집되고, 생성된 전자는 제2 n형 반도체층을 통해 후면 전극(미도시)쪽으로 이동하여 수집된다.
본 발명의 제2 실시예에서, 제1 반도체 셀(300a)의 제1 n형 반도체층과 제2 반도체 셀(300b)의 제2 p형 반도체층의 적어도 하나의 굴절율은 제1 반도체 셀(300a)의 제1 진성 반도체층보다 작다. 예를 들어, 제1 반도체 셀(300a)의 제1 n형 반도체층과 제2 반도체 셀(300b)의 제2 p형 반도체층의 굴절율은 약 2 내지 2.5이고, 제1 반도체 셀(300a)의 제1 진성 반도체층의 굴절율은 약 4일 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지를 설명하기 위한 단면도로서, 슈퍼스트레이트(Superstrate)형으로 이루어지며 화합물 반도체 태양전지를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지는, 크게 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100), 도전성 투명 전극층(Transparent Conductive Oxide, TCO)(200), 버퍼층(310), 광흡수층(320) 및 후면 반사층(Back Reflector)(400) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100), 도전성 투명 전극층(200) 및 후면 반사층(400)은 전술한 제1 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
버퍼층(310)은 플라즈마 표면처리가 수행된 도전성 투명 전극층(200) 상에 형성되는 것으로, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지는 후술할 광흡수층(320)으로 p형 반도체인 Cu(In,Ga)Se2 박막과 n형 반도체인 도전성 투명 전극층(200)으로 사용되는 ZnO(또는 AZO, BZO 등) 박막으로 이루어진 도전성 투명 전극층(TCO)(200)이 pn 접합을 형성함에 의해, 두 물질간의 격자상수와 에너지밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층(3100)이 필요한 것이다.
이러한 버퍼층(310)으로는 예컨대, ZnS, CdS, ZnSe, InS, InOOH 및 ZnOOH 중의 어느 하나를 사용함이 바람직하며, 버퍼층(310)은 예컨대, CBD(Chemical Bath Deposition)법 또는 RF 스파터링법에 의해 형성된다.
그리고, 광흡수층(320)은 예컨대, CIS(CuInSe2), CIGS(Cu(InxGa1-x)Se2) 또는 CdTe 등을 사용함이 바람직하다. 상기 삼원화합물인 CuInSe2는 에너지밴드갭이 1.04eV로 단락전류는 높으나, 개방전압이 낮아 높은 효율을 얻을 수 없는 단점이 있어, 현재 개방전압을 높이기 위해 CuInSe2의 In의 일부를 Ga 원소로 대치하거나 Se를 S로 대치하는 방법을 사용하고 있다.
CuGaSe2는 밴드갭이 액 1.5eV로 Ga이 첨가된 Cu(InxGa1-x)Se2 화합물 반도체의 밴드갭은 Ga 첨가량에 따라 조절이 가능하다. 하지만 광흡수층(320)의 에너지밴드갭이 클 경우 개방전압을 증가하지만, 오히려 단락전류가 감소하므로 Ga의 적정한 함량조절이 필요하다.
이하에는 본 발명의 실시예들에 적용된 무반사 나노구조가 집적된 기판의 제조방법에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 실시예들에 적용된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 제1 예의 단면도들이다.
도 9a를 참조하면, 미리 준비한 기판(100)의 상면에 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(thermal evaporator) 등을 이용하여 금속박막(101)을 증착한다.
여기서, 기판(100)은 예컨대, 투명한 유리(Glass) 기판이나 투명한 폴리머 기판 등으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 투명한 재질을 가지고 기판(100)의 상면에 금속박막(101)을 증착할 수 있다면 어느 것이든 이용 가능한 것으로 한다.
그리고, 금속박막(101)은 예컨대, 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni) 등 다양한 금속이 증착될 수 있으며, 기판(100)과의 표면 장력을 고려하여 이후 열처리 과정을 거친 후 광파장 이하(Subwavelength)의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자(Metal Particle)(또는 금속 알갱이)(102, 도 9b 참조)로 변형될 수 있는 금속을 선택하여 증착할 수 있다.
또한, 금속박막(101)은 약 5nm～100nm 정도(바람직하게는, 약 10nm 정도)의 두께를 갖도록 증착될 수 있으며, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자(102)로 변형될 수 있는 두께를 선택하여 증착할 수 있으며, 증착 속도는 약 0.5 nm/s 정도로 수행함이 바람직하다.
한편, 금속박막(101)의 증착은 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(Thermal evaporator)에 국한하지 않으며, 예컨대, 스퍼터링 머신(Sputtering Machine) 등에 의해 금속을 약 5nm～100nm 정도(바람직하게는, 약 10nm 정도)의 두께로 증착할 수 있는 어떤 것이든 이용될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 금속박막(101)을 예컨대, 금속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 방법 등을 이용하여 열처리함으로서 금속입자(102)로 변형시킨다.
이때, 상기 열처리는 약 200도～900도(바람직하게는, 약 500도 정도) 범위에서 약 1분 동안 시행될 수 있으며, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자(102)로 변형될 수 있는 온도를 선택하여 열처리할 수 있다.
도 9c를 참조하면, 금속입자(102)를 마스크로 하여 기판(100)의 전면에 예컨대, 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 식각 장치를 이용하여 건식 식각(Dry Etching) 공정을 수행함으로써, 기판(100) 자체의 상면에 일정한 주기(Period)(바람직하게, 약 100nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(Depth)(바람직하게, 약 50nm 내지 600nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기 또는 평균거리를 갖는 무반사 나노구조(110)를 형성할 수 있다. 마지막으로, 기판(100)을 질산용액 등에 약 5분간 넣어서 잔여 금속입자(102)를 완전히 제거할 수 있다.
이때, 기판(100)의 식각 조건으로, 가스는 SF6/O2(40 sccm/10 sccm), 압력은 약 15mTorr 정도, RF 파워는 약 100W 정도, ICP 파워는 약 200W 정도로 수행함이 바람직하다.
이러한 무반사 나노구조(110)는 기판(100)의 표면에 주기적 또는 비주기적으로 일정하게 배열되어 있으며, 기판(100)의 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지도록 끝이 뾰족한 쐐기형 예컨대, 원뿔(Cone) 형태로 형성됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 삼각뿔, 사각뿔 또는 다각뿔 형태 등으로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 건식 식각법은 예컨대, 플라즈마 건식 식각법(Plasma Dry Etching)을 이용함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 반응성 기체와 플라즈마를 동시에 이용하여 이방성식각 특성 및 식각 속도를 향상시킨 건식식각 방법 예컨대, RF 전력(Power)에 의해 플라즈마가 생성되는 RIE(Reactive Ion Etching) 식각법 또는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 식각법 등을 이용할 수도 있다.
한편, 상기 건식 식각 시 예컨대, 가스량, 압력, 구동 전압 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하여 무반사 나노구조(110)의 높이 및 경사도를 조절함으로써, 원하는 종횡비(aspect ratio)를 용이하게 얻을 수 있다.
도 9d를 참조하면, 기판(100)의 하면에도 도 9a 내지 도 9c와 동일한 방법으로 무반사 나노구조(110)를 형성함으로써, 기판(100)의 양면에 무반사 나노구조(110)가 집적될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 적용된 기판의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 기판에 집적된 무반사 나노구조의 SEM 사진을 보면, 높이는 약 150nm 내지 300nm 이며, 끝부분이 뾰족한 형태임을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 적용된 기판과 종래 기술 기판의 파장에 따른 투과율의 변화를 비교하기 위해 그래프로 나타낸 도면으로서, 종래 기술에 적용된 기판의 투과율이 약 92％ 내지 93％인데 반해 본 발명의 실시예들에 적용된 무반사 나노구조(110)가 집적된 기판(100)의 경우 약 300nm 내지 1800nm 대역에서 약 96％ 이상의 높은 반사율을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 실시예들에 적용된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 제2 예의 단면도들이다.
도 12a를 참조하면, 미리 준비한 기판(100)의 상면에 예컨대, 플라스마 화학기상 증착(PECVD), 열 화학기상 증착(Thermal-CVD), 스퍼터(sputter) 등을 이용하여 예컨대, 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx) 등으로 이루어진 버퍼층(103)을 증착하고, 순차적으로 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(thermal evaporator) 등을 이용하여 금속박막(101)을 증착한다.
여기서, 기판(100)은 예컨대, 투명한 유리(Glass) 기판이나 투명한 폴리머 기판 등으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 투명한 재질을 가지고 기판(100)의 상면에 버퍼층(103)을 증착할 수 있다면 어느 것이든 이용 가능한 것으로 한다.
버퍼층(103)은 예컨대, 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx)에 국한하지 않으며, 버퍼층(103)과 금속박막(101) 간의 표면 장력에 의해 열처리후 금속박막(101)이 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자(또는 금속 알갱이)(102, 도 12b 참조)로 변형될 수 있으면 어느 것이든 이용 가능한 것으로 한다.
또한, 버퍼층(103)은 약 5nm～500nm 정도의 두께를 갖도록 증착할 수 있으며, 첫째, 열처리후 금속박막(101)이 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자(102)로 변형될 수 있으며, 둘째, 금속입자(102)를 이용하여 전면 식각을 통해 버퍼층(103)이 기판(100) 상면의 일정부분이 노출되도록 나노구조 버퍼층(103', 도 12c 참조)으로 될 수 있는 두께를 만족하도록 한다.
일반적으로, 금속박막(101)을 열처리하여 금속입자(102)로 변형시킬 경우, 기판(100)과 금속박막(101) 간의 표면 장력에 의해 금속입자(102)의 주기 및 크기가 변하게 된다. 따라서, 기판(100)의 물질이 목적에 따라 바뀌게 될 경우, 그에 따라 금속의 두께 및 열처리 온도가 변경되어야 하며 이는 실제 응용에 적용하기에 어려운 점이 따른다.
한편, 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx)로 이루어진 버퍼층(103)을 이용할 경우, 기판(100)의 물질이 변경되더라도 버퍼층(103)과 금속박막(101) 간의 표면 장력에는 변화가 없으므로 금속의 두께 및 열처리 온도의 변경 없이 재현성 있게 금속입자(102)의 형성이 가능하다.
그리고, 금속박막(101)은 예컨대, 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni) 등 다양한 금속이 증착될 수 있으며, 기판(100)과의 표면 장력을 고려하여 이후 열처리 과정을 거친 후 광파장 이하(Subwavelength)의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자(102)로 변형될 수 있는 금속을 선택하여 증착할 수 있다.
또한, 금속박막(101)은 약 5nm～100nm 정도(바람직하게는, 약 10nm 정도)의 두께를 갖도록 증착될 수 있으며, 상기 열처리 후 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자(102)로 변형될 수 있는 두께를 선택하여 증착할 수 있다.
한편, 금속박막(101)의 증착은 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(Thermal evaporator)에 국한하지 않으며, 예컨대, 스퍼터링 머신(Sputtering Machine) 등에 의해 금속을 약 5nm～100nm 정도의 두께로 증착할 수 있는 어떤 것이든 이용될 수 있다.
도 12b를 참조하면, 금속박막(101)을 예컨대, 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 등을 이용하여 열처리함으로서 금속입자(102)로 변형시킨다.
이때, 상기 열처리는 약 200도～900도(바람직하게는, 약 500도 정도) 범위에서 약 1분 동안 시행될 수 있으며, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자(102)로 변형될 수 있는 온도를 선택하여 열처리할 수 있다.
도 12c를 참조하면, 버퍼층(103) 및 금속입자(102)를 포함한 기판(100)의 전면에 예컨대, 건식 식각(Dry Etching) 공정을 수행함으로써, 기판(100)의 상면에 일정한 주기(Period)(바람직하게, 약 100nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(Depth)(바람직하게, 약 50nm 내지 600nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기 또는 평균거리를 갖는 나노구조 버퍼층(103')을 형성할 수 있다.
이러한 나노구조 버퍼층(103')은 정렬되어있지는 않으나 일정 간격을 두고 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 12d를 참조하면, 나노구조 버퍼층(103')을 마스크로 이용하여 전면 식각을 통해 기판(100)의 상면에 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 무반사 나노구조(110)를 형성한다. 이후 잔여 버퍼층 및 금속입자(102)는 습식 식각을 통해 제거된다.
이러한 무반사 나노구조(110)는 기판(100)의 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지도록 끝이 뾰족한 쐐기형 예컨대, 원뿔(Cone) 형태로 형성됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 삼각뿔, 사각뿔 또는 다각뿔 형태 등으로 형성될 수도 있다. 경우에 따라 끝이 잘린 원뿔대(truncated cone)형태로 형성될 수도 있다.
도 12e를 참조하면, 기판(100)의 하면에도 도 12a 내지 도 12d와 동일한 방법으로 무반사 나노구조(110)를 형성함으로써, 기판(100)의 양면에 무반사 나노구조(110)가 집적될 수 있다.
도 13a 내지 도 13f는 본 발명의 실시예들에 적용된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 제3 예의 단면도들로서, 전술한 제2 예와 거의 유사하나 기판(100)과 버퍼층(103) 간에 투명전극(104)이 추가로 개재되어 있는 것이 특징이다.
도 13a를 참조하면, 미리 준비한 기판(100)의 상면에 투명전극(104), 버퍼층(103) 및 금속박막(101)을 순차적으로 형성한다.
여기서, 기판(402)은 예컨대, 투명한 유리(Glass) 기판이나 투명한 폴리머 기판 등으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 투명한 재질을 가지고 기판(100)의 상면에 투명전극(104)을 증착할 수 있다면 어느 것이든 이용 가능한 것으로 한다.
투명전극(104)은 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(thermal evaporator), 스퍼터링 증착(Sputtering evaporator) 등을 이용하여 증착함이 바람직하다.
이러한 투명전극(104)의 재료로는 예컨대, 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO), 틴 옥사이드(Tin Oxide, TO), 인듐 틴 징크 옥사이드(Indium Tin Zinc Oxide, IZO) 및 인듐 징크 옥사이드(Indium Zinc Oxide, IZO) 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
한편, 버퍼층(103) 및 금속박막(101)은 전술한 제2 예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 전술한 제2 예를 참조하기로 한다.
도 13b를 참조하면, 금속박막(101)을 예컨대, 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 등을 이용하여 열처리함으로서 금속입자(102)로 변형시킨다.
이때, 상기 열처리는 약 200도～900도(바람직하게는, 약 500도 정도) 범위에서 약 1분 동안 시행될 수 있으며, 상기 열처리 후 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 금속입자(102)로 변형될 수 있는 온도를 선택하여 열처리할 수 있다.
도 13c를 참조하면, 버퍼층(103) 및 금속입자(102)를 포함한 기판(100)의 전면에 예컨대, 건식 식각(Dry Etching) 공정을 수행함으로써, 투명전극(104)의 상면에 일정한 주기(Period)(바람직하게, 약 100nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(Depth)(바람직하게, 약 50nm 내지 600nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기 또는 평균거리를 갖는 나노구조 버퍼층(103')을 형성할 수 있다.
이러한 나노구조 버퍼층(103')은 정렬되어있지는 않으나 일정 간격을 두고 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 13d를 참조하면, 나노구조 버퍼층(103')을 마스크로 하여 전면 식각을 통해 나노구조 투명전극(104')을 형성하고, 기판(100)의 일정부분도 광파장 이하의 주기 또는 평균거리를 갖는 무반사 나노구조(110')를 형성한다. 이후 잔여 버퍼층 및 금속입자(102)는 습식 식각을 통해 제거된다.
이러한 나노구조 투명전극(104') 및 무반사 나노구조(110')는 기판(100)의 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지도록 끝이 뾰족한 쐐기형 예컨대, 원뿔(Cone) 형태로 형성됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 삼각뿔, 사각뿔 또는 다각뿔 형태 등으로 형성될 수도 있다. 경우에 따라 끝이 잘린 원뿔대(truncated cone)형태로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 건식 식각 시 예컨대, 가스량, 압력, 구동 전압 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하여 나노구조 투명전극(104') 및 무반사 나노구조(110')의 높이 및 경사도를 조절할 수 있으며, 특히 RF 전력(Power)을 조절하여 원하는 종횡비(aspect ratio)를 용이하게 얻을 수 있다.
도 13e를 참조하면, 기판(100)의 전면에 투명전극(110")을 재증착하여, 나노구조 투명전극(104')끼리 연결될 수 있게 함으로써, 전류가 흐를 수 있도록 한다.
도 13f를 참조하면, 기판(100)의 하면에도 도 13a 내지 도 13e와 동일한 방법으로 나노구조 투명전극(104'), 무반사 나노구조(110') 및 투명전극(110")를 형성함으로써, 기판(100)의 양면에 나노구조 투명전극(104'), 무반사 나노구조(110') 및 투명전극(110")이 집적될 수 있다.
한편, 전술한 본 발명의 실시예들에 적용된 무반사 나노구조(110)는 금속 나노입자를 마스크로 하여 기판을 식각하는 방식으로 형성하였지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 전자선 리소그라피, 레이저 간섭 리소그라피(홀로그래픽 리소그라피), 나노임프린팅, 콜로이드 또는 폴리스티렌 구슬을 이용한 패턴전사방식, 랭뮤어 블로젯 방식, 금속 나노입자를 촉매재로 하여 기판을 식각하는 방식(Metal-Asisted Etching, MAE), 또는 바이오템플릿 방식 등을 이용하여 형성할 수도 있다.
다른 한편, 본 발명의 실시예들에 따른 태양전지는 슈퍼스트레이트(Superstrate)형으로 구현함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 기판을 이용하는 모든 태양전지에도 적용할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 대한 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 발명에 속한다.
100 : 기판,
110 : 무반사 나노구조,
200 : 도전성 투명 전극층,
300 : p-i-n형 비정질 실리콘층,
400 : 후면 반사층

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 기판을 통해 빛이 입사되도록 구성된 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 기판의 적어도 한 면에 금속박막을 증착하는 단계;
    상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및
    상기 기판 자체의 적어도 한 면에 일정 주기 또는 평균거리를 갖으며 그 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지는 형태의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하여 제작되는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
  6. 기판을 통해 빛이 입사되도록 구성된 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 기판의 적어도 한 면에 버퍼층 및 금속박막을 순차적으로 증착하는 단계;
    상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계;
    상기 버퍼층이 나노구조 버퍼층으로 되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 전면 식각을 수행하는 단계; 및
    상기 기판 자체의 적어도 한 면에 일정 주기 또는 평균거리를 갖으며, 그 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지는 형태의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 버퍼층을 마스크로 하여 상기 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하여 제작되는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx)로 이루어진 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
  8. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 금속박막은 은(Ag), 금(Au) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 증착되거나, 상기 기판과의 표면 장력을 고려하여 상기 열처리후 300nm 이하의 주기를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 금속을 선택하여 증착하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
  9. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 금속박막은 5nm～100nm 정도의 두께를 갖도록 증착되거나, 상기 열처리후 300nm 이하의 주기를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 두께를 선택하여 증착하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
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