KR101282291B1 - 산화아연 요철구조의 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법 - Google Patents

산화아연 요철구조의 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 습식식각의 방법으로 산화아연 박막에 나노단위의 요철구조를 형성하는 방법에 관한 것으로, 기판을 준비하는 단계; 나노미터 범위의 높이와 폭을 가지는 나노구조를 형성하는 단계; 상기 나노구조가 형성된 기판 위에 산화아연 박막을 형성하는 단계; 및 상기 산화아연 박막을 습식식각하는 단계를 포함하여 구성되고, 상기 습식식각하는 단계에서 상기 나노구조의 위에 위치하여 물리적 치밀성이 상대적으로 낮은 산화아연이 우선적으로 식각되어, 상기 나노구조의 주변으로 식각에 의한 요철구조가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 요철구조의 위에 균일하게 박막을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 요철구조의 사이에 전해질이나 유기물이 균일하게 침투할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 요철구조의 종횡비를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 요철구조가 전체적으로 연결되어 있기 때문에, 과도한 종횡비의 차이에 의해서 저항이 증가하는 문제가 발생하지 않는다.

Description

산화아연 요철구조의 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법{METHOD FOR FORMING ZnO CONCAVO-CONVEX STRUCTURE AND SOLAR CELL USING THE SAME}
본 발명은 산화아연 요철구조를 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 습식식각의 방법으로 산화아연 박막에 나노단위의 요철구조를 형성하는 방법과 이를 이용하여 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
산화아연(ZnO)은 육방정계 구조를 가지는 부르자이트(wurzite) 결정구조의 물질로서 상온에서 3.32eV의 넓은 밴드갭을 가지는 직접천이형 반도체 물질이며, 도핑 물질에 따라서 반도체, 압전기, 강유전체, 강자성체, 도전체 및 가시광선 등에 대한 투명체 등의 특징을 갖도록 구현될 수 있다.
또한, 산화아연 박막은 다양한 종류의 기판 위에 성장시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 산화아연 박막에 실리콘 등의 반도체막, 백금과 같은 금속막, ITO 등의 투과성 전도막을 부착함으로써 다양한 소자를 만들 수도 있다.
전자소자로서 사용되는 산화아연은 박막 형태로 사용되는 것이 일반적이었으나, 최근에는 나노구조를 가진 나노 막대 및 나노 와이어의 사용이 증가하고 있다. 산화아연은 극성 반도체 구조로서, (0002)면에 대하여 아연이나 산소 중에 하나의 물질로 표면이 끝나기 때문에 표면의 응력 에너지가 각 (0002)면마다 다르며, 이러한 결정학적 특성에 의하여 c축의 성장률이 다른 축에 비해 크기 때문에, 이를 이용하여 나노 막대 또는 나노 와이어 형태의 나노 구조체를 성장시킬 수 있다.
이러한 산화아연 나노 구조체를 태양전지에 적용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 산화아연 나노 구조체를 이용하면 태양전지 셀의 표면적을 크게 늘릴 수 있으며, 광흡수를 통하여 생성된 전자 및 정공의 이동거리를 줄이고 재결합을 방지하여 효율을 높일 수 있기 때문이다.
태양전지에 적용되는 산화아연 나노 구조체를 제조하는 대표적인 방법은, 먼저 기판 위에 Au 또는 Au-Zn 합금의 나노 도트(dot)를 산화아연 나노와이어의 시드로 형성하고, 그 위에 VLS(vapor-liquid-solid) 성장법 또는 VS(vapor-solid) 성장법을 적용하여 산화아연을 성장시키는 것이다.
이러한 종래의 나노 구조체 형성방법은 나노 구조체의 굵기를 조절할 수 없고, 시드층 형성과정에서 고가의 Au를 사용하는 문제가 있다.
산화아연 나노와이어는 종횡비가 크기 때문에 산화아연 나노와이어의 표면에 균일하게 박막을 증착하기 어려우며, 강도가 약하여 태양전지와 같은 소자로 제조하기 힘들다.
또한, 각 나노와이어는 두께가 얇아서 저항이 크기 때문에 태양전지에서 생성된 정공 및 전자의 원활한 이동이 어려우며, 나노와이어를 형성하기 위해서는 도핑물질이 한정적이고 함량의 미세조정이 어려워서 도핑을 통해서 전기전도도를 향상시지 못하고 있다.
나아가 산화아연 나노와이어의 성장방향을 조절할 수 없기 때문에, 나노와이어가 균일하게 수직 성장하지 않은 경우에 태양전지와 같은 소자로 제조하기 어렵다. 특히 염료감응 태양전지나 유기 태양전지는 전해질 또는 유기물질이 산화아연 나노와이어의 사이에 침투하여야 하지만, 나노와이어가 균일하게 수직 성장하지 않은 경우에 전해질이나 유기물질이 나노와이어 사이에 균일하게 침투하지 못하는 문제가 발생한다.
산화아연의 나노 와이어 구조를 박막 실리콘 태양전지에 적용한 기술로 대한민국 등록특허 10-1040956호가 있다. 이 특허는 Au와 같은 고가의 시드를 사용하지 않고 질산 아연수화물(zinc nitrate hydrate)과 헥사메틸렌테트라민(HMT; hexamethylenetetramine)을 혼합한 수용액에서 성장시킨 산화아연 나노 와이어의 위에 박막 실리콘 태양전지를 제조하는 방법에 대한 것이다.
이러한 종래 기술은 고가의 시드를 사용하지 않는 점에서는 개선되었지만, 종횡비에 의한 침투성과 저항의 문제는 해결하지 못하였다.
대한민국 등록특허 10-1040956
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 습식식각의 방법으로 산화아연에 나노미터 단위의 요철구조를 형성하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 산화아연 박막에 요철구조를 형성하는 방법은, 기판을 준비하는 단계; 나노미터 범위의 높이와 폭을 가지는 나노구조를 형성하는 단계; 상기 나노구조가 형성된 기판 위에 산화아연 박막을 형성하는 단계; 및 상기 산화아연 박막을 습식식각하는 단계를 포함하여 구성되고, 상기 습식식각하는 단계에서 상기 나노구조의 위에 위치하여 물리적 치밀성이 상대적으로 낮은 산화아연이 우선적으로 식각되어, 상기 나노구조의 주변으로 식각에 의한 요철구조가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발명자들은 산화아연 박막을 습식식각하면 구조적으로 약한 부분이 우선적으로 식각되는 특성을 이용하여 산화아연 요철구조를 제조하는 방법을 연구한 결과, 산화아연 박막을 형성하기 전에 기판 위에 다른 물질로 나노미터 범위의 나노구조를 형성하여 산화아연 박막 중에서 물리적으로 치밀도가 떨어지는 부분을 의도적으로 형성한 뒤에 습식식각을 수행하는 방법을 발명하였다.
나노구조의 크기 및 간격과 산화아연 박막의 두께를 조절하여 산화아연 요철구조의 크기를 조절할 수 있으며, 나노미터 단위의 산화아연 요철구조를 형성할 수 있다.
이때 나노구조를 형성하는 단계는 포토리소그래피에 의한 패터닝이나 물리적 기상증착법 또는 화학적 기상증착법에 의한 증착에 의하여 수행될 수 있다. 포토리소그래피는 다양한 모양과 크기를 가지는 나노구조를 형성할 수 있으며, 물리적 기상증착법과 화학적 기상증착법은 단시간에 나노구조를 형성할 수 있다.
그리고 산화아연 박막을 형성하는 단계는 물리적 기상증착법 또는 화학적 기상증착법으로 수행될 수 있다. 산화아연 박막을 형성하는 방법은 특별하게 제한되지 않는다.
한편, 산화아연 박막을 습식식각하는 단계 이후에, 산화아연 박막이 식각되어 외부로 노출된 나노구조를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 나노구조를 형성하는 단계에 앞서서, 기판에 전도층을 형성하거나 접착층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 전도층은 전극의 용도로 적용할 수 있으며, 접착층은 나노구조 및 산화아연 박막과 기판 사이의 접착력을 보완한다.
본 발명에 의한 박막 태양전지의 제조방법은, 앞에 기재한 방법으로 기판 위에 산화아연 요철구조를 형성하는 단계; 상기 산화아연 요철구조 위에 다층의 박막반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 다층의 박막반도체층 위에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 염료감응 태양전지의 제조방법은, 앞에 기재한 방법으로 기판 위에 산화아연 요철구조를 형성하는 단계; 상기 산화아연 요철구조에 흡착되고 태양광을 조사받아 여기된 전자를 반도체 전극에 전달하는 염료층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 전극에 대향하는 대향전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 유기 태양전지의 제조방법은, 앞에 기재한 방법으로 기판 위에 산화아연 요철구조를 형성하는 단계; 상기 산화아연 요철구조의 위에 유기 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 유기 광활성층의 위에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 습식식각 방법으로 산화아연 박막에 요철구조를 형성함으로써 요철구조의 간격을 조절할 수 있기 때문에, 요철구조의 위에 균일하게 박막을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 요철구조의 사이에 전해질이나 유기물이 균일하게 침투할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 습식식각 방법으로 산화아연 박막에 요철구조를 형성함으로써 요철구조의 종횡비를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 요철구조가 전체적으로 연결되어 있기 때문에, 과도한 종횡비의 차이에 의해서 저항이 증가하는 문제가 발생하지 않는다.
본 발명의 제조방법에 의하여 박막태양전지를 제조하면, 광흡수 면적을 크게 증가시킬 뿐만 아니라 생성된 전자와 정공의 이동거리를 줄이고 재결합을 방지함으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 제조방법에 의하여 염료감응 태양전지와 유기 태양전지를 제조하면, 염료층과 유기층의 면적이 증가하여 태양전지의 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 요철구조의 형성방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 시편의 표면을 촬영한 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화아연 요철구조의 형성방법을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화아연 요철구조의 형성방법을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 박막형 태양전지 제조방법에 의해 제조된 박막형 태양전지의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 염료감응 태양전지 또는 유기 태양전지 제조방법에 의해 제조된 염료감응 태양전지 또는 유기 태양전지의 구조를 나타내는 모식도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 요철구조의 형성방법을 나타내는 모식도이다.
본 실시예의 산화아연 요철구조 제조방법은 크게 기판의 표면에 나노미터 단위의 높이와 폭을 가지는 나노구조를 형성하는 단계(도 1 (b)), 나노구조가 형성된 기판에 산화아연 박막을 형성하는 단계(도 1 (c)) 및 산화아연 박막을 습식식각하여 요철구조를 형성하는 단계(도 1(d))로 구성된다.
먼저, 기판(10)을 준비하고, 그 표면에 나노구조를 형성하기 위하여 표면을 세척한다.
기판의 종류는 특별히 제한되지 않고 유리, 금속, 플라스틱 및 세라믹 등의 다양한 재질이 사용될 수 있으며, 투명하거나 불투명한 기판 및 딱딱한 경성의 기판이나 플렉시블(flexible)한 기판이 모두 적용될 수 있다.
특히, 광투과성이 뛰어난 유리 재질의 기판(10)을 사용할 수 있으며, 그 표면을 아세톤과 이소프로필알코올 및 증류수 등으로 세척한다.
기판(10)의 표면에 나노구조(20)를 형성하는 방법은 기판 표면에 나노미터 단위의 구조를 증착하는 방법이면 특별히 한정되지 않고 적용할 수 있다. 구체적으로는 포토리소그래피법을 통한 패턴 형성 또는 물리적 기상증착법 (physical vapor deposition)이나 화학적 기상증착법 (chemical vapor deposition)에 의한 입자 증착을 이용할 수 있다.
포토리소그래피법은 빛에 의하여 성질이 변하는 물질인 포토레지스트를 빛에 노광시켜 기판의 표면에 원하는 모양으로 포토레지스트 물질을 잔류 시키는 방법으로서, 다양한 모양과 크기로 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다. 노광과정에서 사용되는 마스크는 밀착형, 근접형 및 투사형 방식 중에 선택될 수 있으며, 마스크에 형성된 패턴에 의하여 나노구조의 크기와 간격이 결정된다. 따라서 전체적으로 균일한 패턴의 나노구조 또는 부분적으로 균일한 패턴의 나노구조를 선택적으로 형성할 수 있으며, 나노구조의 모양도 다양하게 구성할 수 있다.
물리적 기상증착법과 화학적 기상증착법은 원료물질을 기체 상태로 기판의 표면까지 이동시켜 증착하는 방법이며, 물리적 기상증착법은 증착 단계에서 기체가 고체로 변하는 물리적 상변태만이 발생하는 반면에 화학적 기상증착법은 증착 단계에서 원료물질들 사이에 화학반응이 발생하는 점에서 차이가 있다. 물리적 기상증착법에는 스퍼터링 (Sputtering), 전자빔증착법 (E-beam evaporation), 열증착법 (Thermal evaporation), 레이저분자빔증착법 (L-MBE, Laser Molecular Beam Epitaxy), 펄스레이저증착법 (PLD, Pulsed Laser Deposition) 등이 있고, 화학적 기상증착법에는 MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등이 있다.
이러한 기상증착법은 원료물질을 진공상태에서 가열하여 증발시킨 뒤에 기판의 표면에서 응축시켜 증착을 진행하며, 증착 초기에 기판의 표면에 형성되는 클러스터(cluster)를 나노구조로 이용할 수 있다. 구체적으로 Ag를 1nm/sec의 증착 속도로 증착하면서 증착 시간을 조절하면, 수 nm~수 ㎛의 높이와 폭을 갖는 Ag 클러스터를 형성할 수 있다. 이때, 패터닝된 마스크를 사용하여 전체적 또는 부분적으로 정렬된 Ag 클러스터를 형성할 수 있으며, 이를 통하여 나노구조의 크기와 간격을 조절할 수 있다. 반면에 마스크를 사용하지 않는 경우에도 무작위적인 위치에 Ag 클러스터를 형성할 수 있으며, 이 경우 나노구조의 위치를 정렬하지는 못하지만 나노구조를 형성하는 속도가 빠르기 때문에 산화아연 요철구조의 적용 목적에 따라서 선택적으로 적용할 수 있을 것이다.
다음으로, 나노구조(20)가 형성된 유리 기판(10) 위에 산화아연 박막(30)을 증착한다.
산화아연 박막(30)을 증착하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. RF 마그네트론 스퍼터링, DC 마그네트론 스퍼터링, 열증발법, 전자빔 증발법 등의 물리적 증착법과 LPCVD, 분무열분해(spray pyrolysis) 등의 화학적 증착법을 모두 적용할 수 있다.
그리고 산화아연 박막(30)에는 물리적 특성을 향상시키기 위하여 다양한 불순물이 첨가될 수 있다. 이때 가능한 불순물로는 Al, Ga, B, Mn, Co, Fe 등이 대표적으로 알려져 있다.
이때, 산화아연 박막(30)의 치밀도는 아래쪽에 부분적으로 형성된 나노구조(10)에 의하여 부분적인 차이가 발생하며, 나노구조(10)의 위에 위치하는 산화아연 박막(30)의 물리적 치밀도가 상대적으로 낮다.
마지막으로 산화아연 박막을 습식식각하여 산화아연 요철구조(35)를 형성한다. 본 실시예에 따라서 습식식각을 실시하면, 나노구조(20)의 위쪽에 형성되어 치밀도가 떨어지는 산화아연 박막 부분이 우선적으로 식각되며, 이러한 비등방적 에칭에 의하여 최종적으로 요철구조(35)가 형성된다.
습식식각에 사용되는 식각용액은 0.1~10%의 HCl 이나 H2C2O4와 같은 산성용액이 가능하며, 식각 시간은 농도에 따라서 가변적으로 조절하여야 하지만 공정의 특성상 시간이 짧다.
그리고 습식식각으로 형성된 산화아연 요철구조(35)에 의해 외부로 노출된 나노구조(20)를 제거하는 단계(도 1(e))를 추가할 수 있다.
나노구조(20)의 재질에 따라서 산화아연 요철구조(35)에 영향이 적은 방법을 선택하여야 하며, 플라즈마를 이용하여 제거할 수 있다. 포토리소그래피에 의하여 나노구조를 형성한 경우에는 포토레지스트 제거제를 이용하여 제거할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 시편의 표면을 촬영한 현미경 사진이다. 도 2 (a)는 도 1 (c)에 해당하는 산화아연 박막(30)의 표면을 촬영한 것이고, 도 2 (b)는 같은 위치에 대하여, 도 1 (d)에 해당하는 습식식각을 거친 뒤에 형성된 산화아연 요철구조(35)를 촬영한 것이다.
도시된 시편은 포토리소그래피법에 의하여 나노구조를 형성하였으며, 포토리소그래피법은 다음 단계로 진행하였다.
유리 기판(10)의 표면에 음성(negative) 포토레지스트인 AZ5214를 스핀 코팅장치를 이용하여 5500rpm의 속도로 30초 동안 도포하고, 90℃의 온도로 소프트 베이킹하였다.
그리고 10W의 365nm 자외선 광원으로 마스크를 통하여 3초 동안 노광하였다. 이때 마스크는 밀착형, 근접형 및 투사형 방식 중에 선택될 수 있으며, 본 시편에서는 도트 형태의 나노구조를 형성하였다.
다음으로, 115℃에서 90초 동안 베이킹한 후에, 동일한 광원을 이용하여 6초간 전면 노광 공정을 실시하였다. 그 다음 AZ327 현상액을 이용하여 40초간 현상공정을 실시하였고, 마지막으로 120℃에서 3분간 하드 베이킹하여 유리 기판(10)에 500nm의 두께와 3μm의 폭을 갖는 나노구조(20)를 패터닝 하였다.
산화아연 박막(30)은 알루미늄이 도핑된 ZnO:Al막을 RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 통해 1㎛의 두께로 증착하였다. 타깃으로 알루미늄이 도핑된 ZnO 타깃(1.5wt% Al2O3)을 이용하였고, 1.5mTorr의 증착압력과 1.5W/cm2의 증착파워밀도로 증착하였으며, 증착시 기판의 온도는 200℃로 유지하였다.
그리고 습식식각 공정은 묽은 염산(0.5% HCl)용액으로 60초 동안 진행하였다.
먼저, 마그네트론 스퍼터링으로 산화아연 박막(30)을 형성한 경우, 도 2 (a)에 도시된 것과 같이 500nm 두께의 나노구조(20)가 하부에 위치하지만 1㎛ 두께의 산화아연 박막(30)의 표면에는 눈에 띄는 결함이 보이지는 않는다.
그러나 도 2 (b)에 도시된 것과 같이, 습식식각을 진행하는 경우에는 식각영역 Ⅰ과 식각영역 Ⅱ로 구분되는 식각 정도의 차이가 발생하였으며, 눈에 띄지 않을 정도로 미세한 치밀도의 차이에 의하여 식각 정도에 큰 차이가 생기는 것을 확인할 수 있다.
식각영역 Ⅰ로 표시된 부분은 하부에 형성된 나노 구조(20)에 의하여 산화아연 박막의 치밀도가 상대적으로 낮기 때문에 매우 빠른 습식식각이 진행되어 기판(10)의 표면과 그 가운데에 위치하는 나노구조(20)가 보일 정도로 식각이 진행되었으며, 식각영역 Ⅱ로 표시된 부분은 하부에 나노 구조가 형성되지 않은 부분으로서 미세한 치밀도의 차이에 따라서 표면 텍스처링 정도의 요철만 형성된 것을 확인할 수 있다.
특히 식각영역 Ⅰ은 도트형상의 나노구조(20)를 중심으로 원형형태의 균일한 식각영역을 나타내기 때문에 식각영역의 위치를 조절할 수 있다. 또한, 식각된 면이 경사져서 식각영역이 원뿔대 형상을 나타내기 때문에, 그 위에 균일한 박막을 증착할 수 있으며, 요철구조(35)의 사이로 전해질이나 유기물질이 용이하게 침투할 수 있다.
나아가 산화아연 요철구조(35)는 기판표면까지 식각된 영역을 제외하고는 전체적으로 연결되어 있기 때문에, 단독으로 구성된 나노와이어에 비하여 저항이 높으며, 그 자체로 전극의 역할을 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화아연 요철구조의 형성방법을 나타내는 모식도이다. 본 실시예의 산화아연 나노구조물 제조방법은 크게 기판의 표면에 전도층을 형성하는 단계(도 3 (b)), 전도층의 위에 나노구조(20)를 형성하는 단계(도 3 (c)), 나노구조가 형성된 전도층에 산화아연 박막을 형성하는 단계(도 3 (d)) 및 산화아연 박막을 습식식각하여 요철구조를 형성하는 단계(도 3 (e))로 구성된다. 본 실시예는 앞선 실시예에 비하여 기판에 전도층(40)을 형성하는 단계를 더 포함한다.
전도층(40)은 전기 전도도가 우수한 Ag나 Al과 같은 금속재질 또는 ITO와 같은 투명전도막 재질로 형성할 수 있다. 이러한 전도층(30)은 습식식각 과정에서 식각되지 않고 남아서 산화아연 요철구조(35)와 전기적으로 연결됨으로써 전극으로 사용할 수 있다.
전도층(30)을 형성하는 이외의 공정은 상기한 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 산화아연 요철구조의 형성방법을 나타내는 모식도이다. 본 실시예의 산화아연 나노구조물 제조방법은 크게 기판의 표면에 접착층을 형성하는 단계(도 4 (b)), 접착층의 위에 나노구조를 형성하는 단계(도 4 (c)), 나노구조가 형성된 접착층에 산화아연 박막을 형성하는 단계(도 4 (d)) 및 산화아연 박막을 습식식각하여 요철구조를 형성하는 단계(도 4 (e))로 구성된다. 본 실시예는 앞선 실시예에 비하여 기판에 접착층(50)을 형성하는 단계를 더 포함한다.
접착층(50)은 나노구조(20)나 산화아연 박막(30)의 접착력을 확보하기 위하여 추가되며, Cr, Ni, Ni-Cr 등의 재질로 구성될 수 있다.
접착층(50)을 형성하는 이외의 공정은 상기한 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 박막형 태양전지 제조방법에 의해 제조된 박막형 태양전지의 구조를 나타내는 모식도이다.
본 실시예의 박막형 태양전지를 제조하는 과정은, 먼저 산화아연 나노구조(35)를 형성하고, 그 위에 복수의 박막실리콘층(60)을 형성한 뒤에 전극(70)을 형성한다.
산화아연 요철구조(35)는 도 1에서 설명한 기본적인 구조이다. 본 발명의 산화아연 요철구조 형성방법은 요철구조(35)의 간격을 조절할 수 있으며, 박막태양전지는 요철구조의 사이에 다층의 박막을 형성하여야 하므로 간격을 넓게 형성한다.
박막실리콘층(60)은 3개의 박막층(62, 64, 66)으로 구성되어 n-i-p형 또는 p-i-n형 박막실리콘 태양전지에 대한 것이다. 본 발명으로 형성된 산화아연 요철구조(35)는 박막 실리콘 태양전지를 포함하여 박막반도체층을 이용하는 모든 박막 태양전지에 적용할 수 있다.
도시된 것과 같이 본 발명에 의해 형성된 산화아연 요철구조(35)는 간격을 넓게 형성함으로써 3개 층(62, 64, 66)의 박막실리콘층(60)을 균일하게 형성할 수 있다.
전극(70)은 n-i-p형 또는 p-i-n형 박막실리콘층(60)에 형성되어 전위차에 의해 전기를 흐르게 한다. 본 실시예에서는 면 전체에 전극을 형성한 경우를 도시하였으나, 경우에 따라서 메쉬형의 전극을 형성할 수 있다. 또한, 전극(70)의 재질은 Ag나 Al과 같은 금속재질이나 ITO와 같은 투명전도막 재질 중에서 선택적으로 적용할 수 있다.
그리고 도 5에 도시된 박막 실리콘 태양전지는 산화아연 요철구조(35)를 전극으로 사용한 경우에 대하여 도시하였으며, 전극의 효율을 높이기 위하여 도 3에 도시된 구조의 산화아연 요철구조를 형성하여 전도층을 별도의 전극으로 적용할 수 있다.
나아가 본 실시예는 가장 단순한 구조의 박막 태양전지에 대하여 설명하였으나, 태양전지의 효율을 높이기 위한 여러 가지 기술이 추가로 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 6은 본 발명의 염료감응 태양전지 또는 유기 태양전지 제조방법에 의해 제조된 염료감응 태양전지 또는 유기 태양전지의 구조를 나타내는 모식도이다.
본 실시예의 염료감응 또는 유기 태양전지를 제조하는 과정은, 먼저 산화아연 나노구조(35)를 형성하고, 그 사이에 염료층 또는 유기물층(80)을 채운 뒤에 전극(70)을 형성한다.
산화아연 요철구조(35)는 도 1에서 설명한 기본적인 구조이다. 본 발명의 산화아연 요철구조 형성방법은 요철구조(35)의 간격을 조절할 수 있으며, 염료감응 또는 유기 태양전지는 요철구조의 사이에 채워진 염료층 또는 유기물층(80)과 접촉하는 면적이 넓을수록 좋기 때문에, 요철구조 사이의 간격을 좁게 형성한다.
염료층 또는 유기물층(80)은 종류에 특별히 제한되지 않고 모든 종류의 물질이 적용될 수 있다.
전극(70)은 염료층 또는 유기물층(80)에 접촉되어 전위차에 의해 전기를 흐르게 한다. 전극(70)의 재질은 Ag나 Al과 같은 금속재질이나 ITO와 같은 투명전도막 재질 중에서 선택적으로 적용할 수 있다.
그리고 도 6에 도시된 염료감응 또는 유기 태양전지는 산화아연 요철구조(35)를 전극으로 사용한 경우에 대하여 도시하였으며, 전극의 효율을 높이기 위하여 도 3에 도시된 구조의 산화아연 요철구조를 형성하여 전도층을 별도의 전극으로 적용할 수 있다.
나아가 본 실시예는 가장 단순한 구조의 염료감응 태양전지 및 유기 태양전지에 대하여 설명하였으나, 태양전지의 효율을 높이기 위한 여러 가지 기술이 추가로 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 기판 20: 나노구조
30: 산화아연 박막 35: 요철구조
40: 전도층 50: 접착층
60, 62, 64, 66: 박막실리콘층 70: 전극
80: 염료층 또는 유기층

Claims (10)

  1. 기판을 준비하는 단계;
    나노미터 범위의 높이와 폭을 가지는 나노구조를 형성하는 단계;
    상기 나노구조가 형성된 기판 위에 산화아연 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 산화아연 박막을 습식식각하는 단계를 포함하여 구성되고,
    상기 습식식각하는 단계에서 상기 나노구조의 위에 위치하여 물리적 치밀성이 상대적으로 낮은 산화아연이 우선적으로 식각되어, 상기 나노구조의 주변으로 식각에 의한 요철구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 산화아연 박막에 요철구조를 형성하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노구조를 형성하는 단계가 포토리소그래피에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 산화아연 박막에 요철구조를 형성하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노구조를 형성하는 단계가 물리적 기상증착법 또는 화학적 기상증착법에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 산화아연 박막에 요철구조를 형성하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화아연 박막을 형성하는 단계가 물리적증착법 또는 화학적증착법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 산화아연 박막에 요철구조를 형성하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 습식식각하는 단계 이후에,
    상기 산화아연 박막이 식각되어 외부로 노출된 나노구조를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 박막에 요철구조를 형성하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 나노구조를 형성하는 단계에 앞서서,
    상기 기판에 전도층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 박막에 요철구조를 형성하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 나노구조를 형성하는 단계에 앞서서,
    상기 기판에 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 박막에 요철구조를 형성하는 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중에 하나의 방법으로 기판 위에 산화아연 요철구조를 형성하는 단계;
    상기 산화아연 요철구조 위에 다층의 박막반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 다층의 박막반도체층 위에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 7 중에 하나의 방법으로 기판 위에 산화아연 요철구조를 형성하여 반도체 전극을 형성하는 단계;
    상기 산화아연 요철구조에 흡착되고 태양광을 조사받아 여기된 전자를 반도체 전극에 전달하는 염료층을 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 전극에 대향하는 대향전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 7 중에 하나의 방법으로 기판 위에 산화아연 요철구조를 형성하는 단계;
    상기 산화아연 요철구조의 위에 유기 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기 광활성층의 위에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.
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