KR101252815B1 - 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법 - Google Patents

태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법은 AB12O19인 호스트에 Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+, Pr3+, Mn2+ 또는 Eu3+ 중 적어도 하나를 도핑하여 산화물 형광체 조성물을 제조하는 산화물 형광체 제조단계; 상부전극과 하부전극이 형성된 p형 웨이퍼를 준비하는 준비단계;
상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 상기 산화물 형광체 조성물을 도포하는 도포단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 산화물 형광체 제조단계에서, 상기 A는 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 또는 라듐(Ra) 중 어느 하나이고, 상기 B는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In), 티타늄(Ti) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 박막형 태양전지나 실리콘 태양전지의 전면전극 또는 패키징 유리의 후면에 새로운 물질로 구성된 하향변환 형광체를 도포함으로써, 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 빛을 광변환시킬 수 없었던 종래의 태양전지에 비해 광효율을 현저히 향상시킬 수 있으며, AB12O19 구조의 특정화합물을 호스트로 사용함으로써, 종래의 형광체에 비해 격자열손실을 현저히 줄일 수 있어, 고효율 태양전지를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 형광체입자의 사이즈 또한 작아, 박막형 태양전지를 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법 {DOWN CONVERSION OXIDE FLUORESCENT COMPOSITION FOR SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATION OF HIGH EFFICIENCY SOLAR CELL USING THEREOF}
본 발명은 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 박막형 태양전지나 실리콘 태양전지의 전면전극 또는 패키징 유리의 후면에 새로운 물질로 구성된 하향변환 형광체를 도포함으로써, 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 빛을 광변환시킬 수 없었던 종래의 태양전지에 비해 광효율을 현저히 향상시킨 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
현재 태양전지는 태양에서 오는 무한한 에너지원인 태양광을 이용한 차세대 친환경 발전설비로써 실리콘 태양전지는 흡수계수가 낮은 실리콘(Si)을 이용하여 벌크(bulk) 형태로 만들어 빛의 흡수율을 높혀 N-P형 다이오드 접합을 통해서 태양전지 셀을 형성하며, 박막형 태양전지는 흡수계수가 높은 CIGS나 CdTe 혹은 a-Si 같은 물질을 흡수층으로 하는 얇은 반도체 접합을 통하여 태양전지 셀을 구성하게 된다. 이러한 태양전지의 에너지원이 되는 빛은 도 1a 및 도 1b와 같은 스펙트럼 분포를 가지며, 태양으로부터 지구에 도달하는 빛은 흑체복사(5000K)의 스펙트럼과 유사한 분포를 가진다. 각각의 다른 파장은 Ephot = hc/λ에 따른 에너지 분포를 가지게 된다.
이때 태양전지의 셀 효율(광전변환 효율)을 향상시키기 위해서는 셀에 입사되는 태양광을 최대한 이용하는 것이 중요하다. 기존의 태양전지는 근본적으로 도 2와 같이 효율을 저해하는 요소들을 내재하고 있으며, 구체적인 효율저해 요인을 살펴보면 다음과 같다.
① 투명 손실(Transmission or sub-bandgap loss): 에너지가 밴드갭 보다 작은 빛이 흡수층에 흡수되지 못하고 셀을 투과해 버리는 손실
② 격자 열손실(Thermalization loss): 흡수층에 흡수된 빛 중에 밴드갭 보다 에너지가 큰 빛은 전자-홀 쌍(Electron-hole pair)을 만들고 남은 에너지가 격자를 진동시켜 열적인 에너지로 전환되는 손실
③ 재결합 손실(Recombination loss): 전자-홀 쌍을 만들었으나, 흡수층 내에서 혹은 다른 층에서 재결합이 됨으로 인해 전력생산에 기여하지 못하는 손실
④ 전도대(Conduction band) 혹은 가전도대(Valence band)에서 전자나 홀이 결합(Junction)되어 이동하지 못하고 차단(Blocking) 됨으로 인해 생기는 손실
⑤ 전극 쪽으로 이동하는 전자가 오믹접합(Ohmic contact)으로 인해 발생되는 저항에 의한 손실
상기에서 설명한 태양전지의 손실을 수치로 나타내고자 태양전지의 이상적인 최대효율을 이론적으로 정리한 Shockley-Queisser limit에 따르면 다음의 <표 1>과 같이 요약할 수 있다.
손실의 종류 손실의 기여도
투명 손실 (E < Eg) 18.5%
격자 열손실 (E > Eg) 47%
재결합 손실 1.5%
블로킹 손실 0.5%
오믹 손실 0.5%
상기 분석에 의하면, 불행히도 태양전지의 단일 셀로의 최대 효율은 이론적으로 33%를 넘어서지 못하며, 현재 생산되고 있는 단일 셀의 최고 효율도 20% 이하인 것이 현실이다. 이러한 태양광 손실(Loss)를 줄이고 초고효율의 태양전지를 만들기 위해서는 반드시 이러한 손실을 획기적으로 줄일 수 있는 개발 접근법이 선행되어야 한다.
특히, 광변환 효율 손실 중에서 투명 손실은 반도체 태양전지의 경우 어쩔 수 없이 가지는 손실로써 이러한 손실을 극복하기 위하여 모듈 생산업체에서는 탠덤형(Tandem type) 제품을 개발함으로써 고효율의 태양전지를 생산하고 있으며, 상기 <표 1>에서 보는 것과 같이, 현재 사용되고 있는 태양광 모듈의 많은 손실이 투명 손실로 기인함을 알 수 있다.
도 3에는 밴드갭(Bandgap)이 2.23eV인 태양전지의 경우 격자 열 손실에 해당하는 설명이 나타나 있다. 즉, 2.23eV 보다 큰 태양광은 흡수층에 흡수되어 2.23eV만큼의 에너지만 전자전공쌍을 만들고 나머지 에너지는 격자의 열로 전환되어 태양전지 효율의 손실이 발생한다.
이러한 격자열손실의 문제점을 개선하기 위해 설계된 것이 탠덤형 태양전지이며, 기본원리는 다음과 같다.
탠덤형 태양전지는 여러 밴드갭을 가진 흡수층을 적층형태로 쌓아 올림으로 인하여 격자열손실을 최소화하고자 한다. 그러나 도 4에 나타난 바와 같이, 그 구조가 단일 흡수층을 가진 셀에 비하여 복잡하고, 공정상에 이슈 발생의 여지가 많아서 기술개발에 있어 많은 어려움이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 박막형 태양전지나 실리콘 태양전지의 전면전극 또는 패키징 유리의 후면에 새로운 물질로 구성된 하향변환 형광체를 도포함으로써, 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 빛을 광변환시킬 수 없었던 종래의 태양전지에 비해 광효율을 현저히 향상시킨 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
즉, 하향변환 형광체층을 전면전극에 도포하거나 패키징 유리 후면에 형성함으로써, 흡수층의 밴드갭보다 큰 영역의 빛을 두 개의 광자로 나누어 흡수층에 도달시킴에 따라, 격자열손실을 획기적으로 줄일 수 있는 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, AB12O19 구조의 특정화합물을 호스트로 사용함으로써, 종래의 형광체에 비해 격자열손실을 현저히 줄일 수 있어, 고효율 태양전지를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 형광체입자의 사이즈 또한 작아, 박막형 태양전지를 구현하는 데 적합한 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 사이즈가 작고 간단한 공정으로 제조할 수 있는 형광체를 사용함에 따라, 종래의 탠덤형 구조를 획기적으로 간소화시키면서도 광효율을 높일 수 있으며, 제조공정이 간단하여 생산비용이 현저히 절감되는 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에 의한 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물은, Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+, Pr3+, Mn2+ 또는 Eu3+ 중 적어도 하나 및 AB12O19를 포함하여 이루어지며, 상기 A는 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), Ba(바륨) 또는 라듐(Ra) 중 어느 하나이고, 상기 B는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 티타늄(Ti) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 입자의 평균 입경은 0.01㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하며, 상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물에 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리카보네이트, 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법은, AB12O19인 호스트에 Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+, Pr3+, Mn2+ 또는 Eu3+ 중 적어도 하나를 도핑하여 산화물 형광체 조성물을 제조하는 산화물 형광체 제조단계; 상부전극과 하부전극이 형성된 p형 웨이퍼를 준비하는 준비단계; 상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 상기 산화물 형광체 조성물을 도포하는 도포단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 산화물 형광체 제조단계에서, 상기 A는 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), Ba(바륨) 또는 라듐(Ra) 중 어느 하나이고, 상기 B는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 티타늄(Ti) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 산화물 형광체 제조단계에서, 상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물에 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리카보네이트, 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 준비단계는, p형 웨이퍼의 상부표면을 식각하여 표면적을 넓히는 식각단계; 상기 p형 웨이퍼에 인(phosphorus)을 도핑하여 P-N 접합을 형성시키는 P-N 접합 형성단계; 상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 안티반사코팅을 증착하는 코팅단계;상기 p형 웨이퍼의 상부 표면에 금속재질의 전극을 형성하는 상부전극형성단계; 상기 p형 웨이퍼의 하부 표면에 금속재질의 전극을 형성하는 하부전극형성단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화물 형광체 제조단계에서, 상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 입자의 평균 입경은 0.01㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하며, 상기 코팅단계는, 상기 식각된 p형 웨이퍼의 상부표면에 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride)를 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방식으로 증착함으로써 안티반사코팅을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
상기 상부전극형성단계 및 상기 하부전극형성단계에 있어서, 상기 금속은 알루미늄(Al), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 상부전극형성단계 및 상기 하부전극형성단계는, 스크린프린팅 방식을 통해 전극을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도포단계에 의해 형성된 산화물 형광체층의 두께는 1㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 하며, 상기 도포단계에서, 상기 산화물 형광체 조성물은 스크린프린팅 방식으로 도포되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도포단계는, 상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 상기 산화물 형광체 조성물을 도포 후, 100℃ 내지 300℃의 온도하에서 1시간 내지 4시간동안 경화시키는 경화단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 박막형 태양전지나 실리콘 태양전지의 전면전극 또는 패키징 유리의 후면에 새로운 물질로 구성된 하향변환 형광체를 도포함으로써, 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 빛을 광변환시킬 수 없었던 종래의 태양전지에 비해 광효율을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
즉, 하향변환 형광체층을 전면전극에 도포하거나 패키징 유리 후면에 형성함으로써, 흡수층의 밴드갭보다 큰 영역의 빛을 두 개의 광자로 나누어 흡수층에 도달시킴에 따라, 격자열손실을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, AB12O19 구조의 특정화합물을 호스트로 사용함으로써, 종래의 형광체에 비해 격자열손실을 현저히 줄일 수 있어, 고효율 태양전지를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 형광체입자의 사이즈 또한 작아, 박막형 태양전지를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 사이즈가 작고 간단한 공정으로 제조할 수 있는 형광체를 사용함에 따라, 종래의 탠덤형 구조를 획기적으로 간소화시키면서도 광효율을 높일 수 있으며, 제조공정이 간단하여 생산비용이 현저히 절감되는 장점이 있다.
도 1a는 광파장에 따른 스펙트럼의 분포를 나타내는 그래프
도 1b는 태양광 air mass 1.5의 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프
도 2는 종래 태양전지의 광변환 효율 감소요인을 모사한 모사도
도 3은 종래 태양전지의 손실 메카니즘(밴드갭:2.23eV)을 모사한 모사도
도 4는 종래 탠덤형 태양전지의 원리 및 구조를 나타낸 모사도
도 5는 기능별로 형광체를 모사한 모사도
도 6은 본 발명의 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도
도 7은 본 발명의 태양전지에서 형광체를 제외한 경우의 구조와 그에 따른 광변환 메카니즘을 모사한 모사도
도 8은 본 발명의 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법에 따라 제조된 태양전지의 구조와 광변환 메카니즘을 모사한 모사도
도 9는 본 발명의 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법에 따라 제조된 태양전지의 구조를 간단히 나타낸 단면도
이하, 본 발명에 의한 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법에 대하여 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
먼저, 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물은 Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+, Pr3+, Mn2+ 또는 Eu3+ 중 적어도 하나 및 AB12O19를 포함하여 이루어지며, 상기 A는 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), Ba(바륨) 또는 라듐(Ra) 중 어느 하나이고, 상기 B는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 티타늄(Ti) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 O는 산소원자를 의미한다.
또한, 상기 AB12O19는 호스트로서 사용되며, 수차례의 실험결과 개발한 것으로, 이러한 물질을 호스트로 사용하는 경우에 하향변환 효율이 높으면서도 크기가 작아 박막형 태양전지를 제조하는데 적합한 형광체입자를 얻을 수 있음을 알았다.
상기 AB12O19를 호스트로 하여, Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+, Pr3+, Mn2+ 또는 Eu3+ 중 적어도 하나를 도핑하면, 하향변환(Down Conversion)이 가능한 형광체입자가 형성된다.
여기서, 상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물 입자의 평균 입경은 0.01㎛ 내지 10㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.1㎛ 내지 1㎛, 가장 바람직하게는 0.5㎛인 것이 효과적이다. 입자의 크기가 0.01㎛미만인 경우에는 형광체로서의 기능, 즉, 하향변환효율이 저하되는 문제가 있으며, 10㎛를 초과하는 경우에는 태양전지 전면전극에 도포되는 본 발명의 형광체 특성을 고려할 때, 박막형 태양전지를 제조하기 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물에 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리카보네이트, 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이는 형광체층과 p형 웨이퍼 및 상부전극과의 접착력을 강화시켜, 태양전지의 내구성을 향상시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 의한 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법에 대해 도 6을 참조하여 살펴보도록 한다.
태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법은, 산화물형광체 제조단계(S10), 준비단계(S20) 및 도포단계(S30)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 산화물형광체 제조단계(S10)는 AB12O19인 호스트에 Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+, Pr3+, Mn2+ 또는 Eu3+ 중 적어도 하나를 도핑하여 산화물 형광체 조성물을 제조하는 단계이다.
상기 산화물 형광체 제조단계(S10)에서, 상기 A는 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), Ba(바륨) 또는 라듐(Ra) 중 어느 하나이고, 상기 B는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 티타늄(Ti) 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 산화물형광체 제조단계(S10)에서의 산화물형광체 조성물 성분 및 그 제조방법은 상기 본 발명의 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물에 대한 설명에 나타난 바와 같다.
다음으로, 준비단계(S20)는 상부전극과 하부전극이 형성된 p형 웨이퍼를 준비하는 단계이다. 이는 본 발명의 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 상부전극에 도포하여 형광체층을 형성시키고, p형 웨이퍼를 가공하고, P-N접합 및 전극을 형성시키며, 안타반사코팅을 증착시킴으로써, 효율을 최대한 끌어올린 태양전지를 제조하는 과정이다.
여기서 p형 웨이퍼는 p형 반도체 기능을 하는 어떠한 웨이퍼도 무방하나, 본 발명에서 최적의 효과를 나타내기 위해서는 CIGS, CdTe, a-Si 또는 실리콘(Si) 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 실리콘(Si)을 사용하는 것이 효과적이다.
상기 준비단계(S20)는 식각단계(S21), P-N 접합 형성단계(S22), 코팅단계(S23), 상부전극형성단계(S24) 및 하부전극형성단계(S25)를 포함하여 이루어진다. 이들 단계는 상부전극형성단계(S24) 및 하부전극형성단계(S25)를 제외하고는 순서대로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 식각단계(S21)는 p형 웨이퍼의 상부표면을 식각하여 표면적을 넓히는 단계이다. 이는 웨이퍼의 표면적을 현저히 넓힘으로써, 태양광의 흡수를 늘리고 반사도를 줄여 태양전지의 광효율을 향상시키기 위한 과정이다.
여기서, 식각방법은 어떠한 방식을 사용해도 무방하나, 상기 p형 웨이퍼의 상부표면의 일부가 식각되도록 식각용액을 고르게 도포함으로써, 식각하는 것이 바람직하다.
이러한 식각단계(S21)로 인해, 약 35%인 태양전지의 반사도를 10%까지 줄이는 효과가 있다.
다음으로, P-N 접합 형성단계(S22)는 상기 p형 웨이퍼에 인(phosphorus)을 도핑하여 P-N 접합을 형성시키는 단계이다. 이는 P-N 접합을 형성시켜 전지로써의 기능을 부여하는 과정이다.
여기서, 인(phosphorus)을 도핑하는 방법은 어느 것을 사용하여도 무방하나, 본 발명에서 최적화된 임플란트(Implant) 공정을 이용하여 도핑하는 것이 가장 바람직하다.
코팅단계(S23)는 상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 안티반사코팅을 증착하는 단계이다. 이는 태양전지의 반사도를 낮춰 효율을 증가시키기 위한 과정이다.
상기 코팅단계(S23)는, 상기 식각된 p형 웨이퍼의 상부표면에 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride)를 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방식으로 증착함으로써 안티반사코팅을 형성시키는 것이 바람직하다. 실리콘 나이트라이드를 p형 웨이터 상부표면에 PECVD 방식으로 증착함으로써, 얇은 안티반사막이 형성되어, 이를 통해 반사도를 현저히 낮출 수 있다.
다음으로, 상부전극형성단계(S24)는 상기 p형 웨이퍼의 상부 표면에 금속재질의 전극을 형성하는 단계이며, 하부전극형성단계(S25)는 상기 p형 웨이퍼의 하부 표면에 금속재질의 전극을 형성하는 단계이다. 이는 상부전극 및 하부전극을 형성하기 위한 과정이다.
상기 상부전극형성단계(S24) 및 하부전극형성단계(S25)에서, 상기 금속은 알루미늄(Al), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알루미늄(Al)을 사용하는 것이 효과적이다. 이는 본 발명의 전극에 가장 적합하여, 최적의 성능을 발휘하는 것으로 수차례의 실험결과 입증된 물질을 사용한 것이다.
상기 금속을 사용하는 경우에 전극은 낮은 시리즈 저항(Series resistance)과 낮은 커버리지 에어리어(Coverage Area)로 인해, 태양전지의 효율을 향상시키는 장점이 있다.
또한, 상기 상부전극형성단계(S24) 및 하부전극형성단계(S25)는 스크린프린팅 방식(Screen Printing)을 통해 전극을 형성시키는 것이 바람직하다. 이는 본 발명에서, 전극과 형광체층의 접착력을 높여 내구성 향상에 적합할 뿐만 아니라, 특정 사이즈로 태양전지의 원하는 부분에 전극을 형성시키기에 효과적이다.
다음으로, 도포단계(S30)는 상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 상기 산화물 형광체 조성물을 도포하는 단계이다. 이는 본 발명에 의해 제조된 산화물 형광체를 전극 상부에 도포하여 형광체층을 형성하는 과정이다.
상기 도포단계(S30)에서, 산화물 형광체 제조단계(S10)에 의해 제조된 산화물 형광체 조성물은 스크린프린팅 방식으로 도포되는 것이 바람직하다. 상부전극 및 p형 웨이퍼와의 접착력을 향상시켜 내구성을 높이고, 고르게 도포시킴으로써, 형광체층의 하향변환효율을 극대화시키기 위해, 타 방식보다 스크린프린트 방식이 적합하다.
즉, 상부전극 및 p형 웨이퍼의 상부표면을 덮는 형광체층이 형성되는 것이다.
이렇게 형성된 산화물 형광체층의 두께는 1㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20㎛ 내지 60㎛, 가장 바람직하게는 40㎛인 것이 효과적이다. 산화물 형광체층의 두께가 1㎛ 미만인 경우에는 형광체로서의 하향변환 기능을 수행하기 어려운 문제가 있으며, 100㎛를 초과하는 경우에는 전극이 과도하게 두꺼워져 박막형 태양전지를 제조하기 어려울 뿐만 아니라, 수율 및 경제성 또한 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 도포단계(S30)는, 상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 상기 산화물 형광체 조성물을 도포 후, 100℃ 내지 300℃의 온도하에서 1시간 내지 4시간동안 경화시키는 경화단계를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 형광체층을 고르고 강하게 형성시키고, p형웨이퍼 및 상부전극과의 접착력을 강화시키는 과정이다.
상기 경화온도는 100℃ 내지 300℃인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 150℃ 내지 250℃, 가장 바람직하게는 200℃인 것이 효과적이다. 100℃미만인 경우에는 경화시간이 현저히 증가하여 경제성이 낮을 뿐만 아니라, 충분히 경화되지 못 해 내구성이 저하되는 문제가 있으며, 300℃를 초과하는 경우에는 오히려 형광체입자가 손상될 수 있으며, 형광체층이 고르게 형성되지 못 하는 문제가 있다.
또한, 경화시간은 1시간 내지 4시간인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2시간 내지 3시간, 가장 바람직하게는 2.5시간인 것이 효과적이다. 1시간미만인 경우에는 충분히 경화되지 못 하는 문제가 있으며, 4시간을 초과하는 경우에는 경제성이 저하될 뿐만 아니라, 오히려 형광체층이 고르게 형성되지 못 하는 문제가 있다.
이하에서는 본 발명의 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용하여 제조된 고효율 태양전지와 종래 태양전지를 비교하며, 이들의 구현원리 및 본 발명의 우수성에 대해 살펴보기로 한다.
먼저, 도 5는 기능별로 형광체를 모사한 모사도로써, 본 발명은 하향변환(Down-conversion) 기능을 수행하는 형광체 및 이를 이용하여 효율을 향상시킨 태양전지에 관한 것이다.
또한, 도 7은 본 발명의 태양전지에서 형광체를 제외한 경우의 구조와 그에 따른 광변환 메카니즘을 모사한 모사도이고, 도 8은 본 발명에 의해 제조된 태양전지의 구조와 그에 따른 광변환 메카니즘을 모사한 모사도이다.
도 7 및 도 8을 살펴보면, 본 발명의 하향변환 형광체의 역할과 그로 인해 효율을 향상시키는 메카니즘을 명확히 확인할 수 있다.
마지막으로, 도 9는 본 발명에 의해 제조된 태양전지의 구조를 간단하게 나타낸 단면도로써, 하부전극(10), P형 반도체(20), N형 반도체(30), 상부전극(40), 하향변환 형광체층(50) 및 패키징 유리층(60)이 차례로 적층되어 있다.
여기서, 패키징 유리층(60)은 필수적인 구성은 아니며, 하향변환 형광체층(50)은 상부전극(40) 및 N형 반도체(30)를 덮는 형식으로 형성되는 것이 바람직하나, 패키징 유리층(60)의 하부표면에 본 발명의 형광체 조성물을 도포함으로써, 하향변환 형광체층(50)을 형성한 후에, 상부전극(40) 및 N형 반도체(30)와 결합하는 방식 또한 가능하다.
다만, 여기서, P형 반도체(20)와 N형 반도체(30)의 배치는 상기 도 8에 나타난 바와 같이, 구성됨이 더 바람직하다. p형 웨이퍼에 인을 도핑하였는 바, n형 반도체층이 p형 반도체층을 감싸도록 형성되는 것이 보다 적합하다.
이상, 본 발명의 구성을 중심으로 실험예를 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위는 상기 실험예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실험예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 할 수 있는 변형 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10: 하부전극
20: P형 반도체
30: N형 반도체
40: 상부전극
50: 하향변환 형광체층
60: 패키징 유리층

Claims (13)

  1. Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+, Pr3+, Mn2+ 또는 Eu3+ 중 적어도 하나 및 AB12O19를 포함하여 이루어지며, 상기 A는 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 또는 라듐(Ra) 중 어느 하나이고, 상기 B는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 또는 티타늄(Ti) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물의 평균 입경은 0.01㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물에 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리카보네이트, 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물
  4. AB12O19인 호스트에 Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+, Pr3+, Mn2+ 또는 Eu3+ 중 적어도 하나를 도핑하여 산화물 형광체 조성물을 제조하는 산화물 형광체 제조단계;
    상부전극과 하부전극이 형성된 p형 웨이퍼를 준비하는 준비단계;
    상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 상기 산화물 형광체 조성물을 도포하는 도포단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 산화물 형광체 제조단계에서, 상기 A는 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 또는 라듐(Ra) 중 어느 하나이고, 상기 B는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 또는 티타늄(Ti) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 준비단계는,
    p형 웨이퍼의 상부표면을 식각하여 표면적을 넓히는 식각단계;
    상기 p형 웨이퍼에 인(phosphorus)을 도핑하여 P-N 접합을 형성시키는 P-N 접합 형성단계;
    상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 안티반사코팅을 증착하는 코팅단계;
    상기 p형 웨이퍼의 상부 표면에 금속재질의 전극을 형성하는 상부전극형성단계;
    상기 p형 웨이퍼의 하부 표면에 금속재질의 전극을 형성하는 하부전극형성단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 산화물 형광체 제조단계에서, 상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물의 평균 입경은 0.01㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
  7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 산화물 형광체 제조단계에서, 상기 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물에 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리카보네이트, 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 코팅단계는, 상기 식각된 p형 웨이퍼의 상부표면에 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride)를 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방식으로 증착함으로써 안티반사코팅을 형성시키는 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 상부전극형성단계 및 상기 하부전극형성단계에 있어서, 상기 금속재질은 알루미늄(Al), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 상부전극형성단계 및 상기 하부전극형성단계는, 스크린프린팅 방식을 통해 전극을 형성시키는 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
  11. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 도포단계에 의해 형성된 산화물 형광체층의 두께는 1㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
  12. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 도포단계에서, 상기 산화물 형광체 조성물은 스크린프린팅 방식으로 도포되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
  13. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 도포단계는, 상기 p형 웨이퍼의 상부표면에 상기 산화물 형광체 조성물을 도포 후, 100℃ 내지 300℃의 온도하에서 1시간 내지 4시간동안 경화시키는 경화단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 하향변환 산화물 형광체 조성물을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
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