KR101464088B1 - 태양전지의 전극 구조 및 그 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광전변환소자층의 수광면에 옴 전극층, 씨드 메탈층 및 도금층을 순차적으로 적층하는 방식으로 수행되는 태양전지 전극 형성 방법에 있어서, 상기 광전변환소자층의 상면에 복수의 마스킹 볼을 밀집상태로 배열시키는 단계; 옴 전극층 및 씨드메탈층을 증착시키는 단계; 도금층을 형성하는 단계; 및 상기 마스킹 볼을 제거시키는 단계를 포함하는 태양전지 전극 형성 방법과, 이러한 방법에 의해 형성되는 전극의 종단면 형상이 상부로 테이퍼진 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 구조에 대해 개시한다. 이러한 태양전지 전극 형성 방법은 반복적인 포토리소그래피, 식각 및 증착 공정을 생략함으로써 공정시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 상기 전극 구조는 전극의 상방향에 입사하는 태양광을 광전소자층으로 유도함으로써 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지의 전극 구조 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 증착으로 형성된 금속 씨드층 상에 도금 전극층이 형성되는 태양전지 전극 구조 및 그 형성방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 전기로 변환시키는 광전 변환 소자로서 그 응용 범위가 매우 넓다. 이러한 태양전지는 광전 변환 효율이 우수한 경우에도 20% 내외로 상대적으로 낮으며 입사된 태양광은 그대로 투과도거나 반사되어 소실되는 한계가 있어 광전 변환 효율을 향상시키는 것이 중요하다.
집광형 태양전지는 일반 태양전지와 달리 전류 수집량이 많기 때문에, 전극의 두께를 5 ~ 7 ㎛ 정도로 하여 상대적으로 두껍게 형성하여야 한다. 따라서, 일반적인 증착 또는 스퍼터링에 의해 형성되는 전극 두께로는 한계가 있어 도금(plating) 공정을 수반하게 된다.
종래 도금 공정을 수반하는 전극 구조의 형성은, 태양광이 입사하는 광전변환소자층의 상면에 옴 전극층, 씨드메탈층 및 도금층을 순차적으로 적층하는 방식으로 수행된다. 이 경우, 각각의 층은 포토리소그래피 공정, 증착 공정, 식각 및 lift-off 공정을 반복적으로 수행함으로써 형성되는 것이 일반적이다.
이러한 공정은 시간과 비용이 많이 들어 비효율적이며, 평면 형상의 전극의 상면으로 입사된 태양광은 대부분 반사되어서 광전효율에 영향을 미치는 개구율 측면에서도 바람직하지 않다.
한편, 광전 변환 효율은 태양광 조사에 의해 발생한 전하량이 전극을 통해 이동되는 과정에서 받는 저항이나 전극 단락에 따른 소실량에 의해서도 영향을 받는데, 일본 공개특허 특개평5-243594호에는 이러한 영향을 최소화할 수 있는 벌집 모양의 전극 구조에 대해 개시하고 있다.
본 발명의 목적은, 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있는 태양전지의 전극 구조 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 광전변환 효율이 개선될 수 있는 태양전지의 전극 구조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 아래와 같다.
(1) 광전변환소자층의 수광면에 옴 전극층, 씨드 메탈층 및 도금층을 순차적으로 적층하는 방식으로 수행되는 태양전지 전극 형성 방법에 있어서, 상기 광전변환소자층의 상면에 복수의 마스킹 볼을 밀집상태로 배열시키는 단계; 옴 전극층 및 씨드메탈층을 증착시키는 단계; 도금층을 형성하는 단계; 및 상기 마스킹 볼을 제거시키는 단계를 포함하는 태양전지 전극 형성 방법.
(2) 상기 마스킹 볼의 배열시키는 단계는 마스킹 볼의 간격을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 태양전지 전극 형성 방법.
(3) 상기 마스킹 볼의 간격 조절은 RIE(reactive ion etching)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 따른 태양전지 전극 형성 방법.
(4) 상기 RIE(reactive ion etching)의 수행 시간을 조절하여 전극의 폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)에 따른 태양전지 전극 형성 방법.
(5) 상기 마스킹 볼은 금속 또는 폴리머인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 태양전지 전극 형성 방법.
(6) 제1항에 있어서, 상기 도금층의 형성은, 상기 마스킹 볼의 수직방향 중심 위치까지 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성 방법.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 방법으로 형성되며, 광전변환 소자층의 수광면에 형성되는 전극의 종단면 형상이 상부로 테어퍼진 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 구조.
(8) 상기 전극의 평면 형상은 벌집 구조인 것을 특징으로 하는 상기 (7)에 따른 태양전지 전극 구조.
본 발명에 따른 태양전지 종래 전극 형성 방법은 반복적인 포토리소그래피, 식각 및 증착 공정을 생략함으로써 공정시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 전극 구조는 전극의 상방향에 입사하는 태양광을 광전소자층으로 유도함으로써 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지 전극 형성 방법에 관한 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 마스킹 볼의 배열상태에 대한 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 전극 구조의 종단면도.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지 전극 구조의 평면도.
도 2는 본 발명에 따른 마스킹 볼의 배열상태에 대한 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 전극 구조의 종단면도.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지 전극 구조의 평면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지 전극 형성 방법에 관한 모식도를, 도 2는 본 발명에 따른 마스킹 볼의 배열상태에 대한 평면도를, 도 3은 본 발명에 따른 태양전지 전극 구조의 종단면도를, 도 4는 본 발명에 따른 태양전지 전극 구조의 평면도를 각각 나타낸다.
태양전지를 구성하는 주요 구성은, 도 3를 참조할 때, 기판(10), 광전변환 소자층(20)을 포함하며, 광전변환 소자층(20)의 수광면 측으로는 전면전극(30)이 형성되고 그 반대면에는 배면전극(40)이 형성되어 상기 광전변환 소자층(20)과 전기적으로 접속된다. 수광면측에서 광전변환 소자층(20)의 상면에는 반사방지막(도면미도시)이 형성될 수 있다.
상기 광전변환 소자층(20)은 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서, 예컨대 실리콘, III-V화합물 또는 염료감응형 태양전지 등으로 형성될 수 있으며, 에너지 흡수에 따라 생성된 소수 캐리어인 정공 및 전자가 전극으로 이동함으로써 기전력을 얻게 된다.
본 발명은 상기한 태양전지의 주요 구성 중 특히 전면전극(30)에 관계하고, 이하에서 도 1 및 도 2를 참조하여 그 형성 방법에 대해 설명한다.
먼저, 배면전극(40)과 광전변환 소자층(20)이 형성된 기판(10)에 구형의 마스킹 볼(50)을 밀집상태로 배열시킨다(S10).
이 경우, 밀집상태란 이웃하는 마스킹 볼이 상호간에 점 접촉을 하는 경우를 의미하며, 마스킹 볼(50)의 배열 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 유기용매에 마스킹 볼(50)를 분산된 분산용액을 기판(10)에 코팅한 후, 유기용매를 건조시킴으로써 마스킹 볼을 기판(10)상에 정렬시킬 수 있다.
상기 마스킹 볼(50)은 후술하는 증착 및 도금 공정을 통한 전면전극(30)의 형성과정에서 광전변환 소자층(30)을 차폐하는 역할을 하며, 마스킹 볼(50) 사이로 노출된 공간을 통해 전면전극(30)을 형성하게 된다. 밀집 배열된 상태의 마스킹 볼(50)은 도 2에 도시된 바와 같이 벌집 구조를 형성하고 이에 따라 형성된 전면전극(30)의 평면 형상도 도 4와 같이 벌집 구조를 갖는다.
마스킹 볼(50)의 재질은 특별히 제한되지 않으며, 후술하는 전극두께 및 폭 조절을 위한 RIE공정을 통해 식각 가능하고, 도금 공정에서 손상되지 않는 금속 또는 폴리스티렌과 같은 폴리머 모두 가능하다. 후술하는 증착공정과 관련하여서는 마스킹 볼(50)에 대해 특별한 소재특성이 요구되지 않는다.
마스킹 볼(50)의 구경은 대략적으로 수 나노미터 수백 마이크로미터 사이즈에서 요구되는 전극의 두께 및 폭 사이즈에 맞게 적절히 선택될 수 있다. 또한, 마스킹 볼(50)의 형성되는 전극의 균일성 측면에서 동일사이즈에서 선택되는 것이 바람직하나 사이즈가 서로 달라도 문제되지 않는다.
한편, 마스킹 볼(50)이 서로 밀집 배열된 상태에서도 점 접촉 지점 아래로는 소정의 공간이 형성되기 때문에 증착 및 도금공정을 통해 전면전극(30)을 형성하는 소재들의 침투는 가능하지만, 이 경우 전면전극(30)의 선폭은 극히 미세하게 되어 극단적으로는 단락될 위험성이 있다.
이러한 위험성을 감안하여, 전면전극(30)의 선폭을 소정 범위 내에서 제어하기 위해서는, 선택적으로, 상기 마스킹 볼(50)의 배열과정에는 마스킹 볼(50)의 간격을 조절하는 단계(S20)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
마스킹 볼(50)의 간격 조절은, 구체적으로 RIE(reactive ion etching) 공정을 통해 수행될 수 있다. RIE 공정은 드라이 에칭의 일종으로서 플라즈마상태에서 반응가스를 활성화시켜 상기 마스킹 볼(50)을 화학반응을 통해 식각시키게 된다. 이에 따라 상기 마스킹 볼(50)의 구경 사이즈가 작아짐으로써 이웃하는 마스킹 볼(50) 상호간에는 점 접촉이 해제되어 소정의 간극이 형성된다.
이 경우, 마스킹 볼(50) 상호 간의 간격은 RIE 공정 수행시간을 통해 제어될 수 있다. 예컨대, 마스킹 볼(50)의 재질을 폴리스티렌으로 하여, 산소 200sccm, 테트라플루오르메탄(TETRAFLUOROMETHANE, CF4) 8.4sccm, pressure of 200 mTorr, RF(radio frequency) power 100W의 RIE 공정조건으로 식각을 수행할 때, 초당 1nm 식각률을 나타낸다.
다음으로, 상기 광전변환 소자층(20)의 수광면측 노출면에 옴 전극층(31)과 씨드메탈층(32)을 순차적으로 증착한다(S30). 옴 전극층(31)은 전류를 전달하는 역할을 하며 재질은 Au가 사용될 수 있고, 두께는 5um정도로 형성한다. 씨드메탈층(32)은 도금전극형성의 씨드층 역할을 하며 재질은 Au가 사용될 수 있고, 두께는 80nm로 형성된다. 이러한 옴 전극층(31)과 씨드메탈층(32)은 통상의 증착방식으로 형성될 수 있으며, 예컨대 Sputtering, Evaporation 방식으로 수행될 수 있다. 이 경우 외부에 노출된 마스킹 볼(50)의 표면에도 상기 옴전극층(31) 및 씨드메탈층(32)이 형성된다.
계속하여, 상기 씨드메탈층(32)의 상면에 도금층(33)을 형성한다(S40). 이러한 도금층(33)은 상기 옴 전극층(31) 및 씨드메탈층(32)과 함께 전면전극(30)을 구성하며, 재질은 재질은 Au가 사용될 수 있고, 두께는 5um로 형성한다. 도금층(33)의 형성은 통상의 방식으로 수행될 수 있으며, 예컨대 전기도금 방식으로 수행될 수 있다.
상기 도금층(33)은 씨드메탈층(32)의 상면으로부터 수직방향으로 마스킹 볼(50)의 대략 중심위치까지 형성된다. 이러한 마스킹 볼(50)의 수직방향 중심 위치는 이웃하는 마스킹 볼(50) 사이에서 수평방향으로의 표면 간격이 최소가 되는 지점이기 때문에, 형성된 전면전극(30)은 광전변환 소자층(20)의 수광면으로터 상방으로 단면적이 점진적으로 좁아지는 형태의 테이퍼진 종단면 구조를 갖는다.
마지막으로, 상기 마스킹 볼(50) 및 그 상면에 형성된 옴 전극층(31), 씨드메탈층(32) 및 도금층(33)을 일체로 제거함으로써 전면전극(30) 형성을 완료한다(S50). 마스킹 볼(50)의 제거 과정은 구체적으로 톨루엔을 이용하여 수행될 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 전극 형성 방법은, 전면전극(30)을 구성하는 옴 전극층(31), 씨드메탈층(32) 및 도금층(33) 각각의 형성을 위해 종래 PR도포, 노광/현상 및 식각의 반복적인 패턴 형성과정을 마스킹 볼을 이용하여 일원화 함으로써 공정시간 및 비용을 효과적으로 절감하게 된다.
도 3을 참조할 때, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 종단면 구조는, 상술한 바와 같이 마스킹 볼(50)의 표면 형상에 의존하여 결정되며, 마스킹 볼(50)의 수직방향 중심 위치까지 전면전극(30)을 형성함으로써 전면전극(30)은 상방향으로 테이퍼진 구조를 갖는다. 이에 따라 전극(30)의 상면은 뾰족한 형상을 갖게 되고, 양 측면은 아래에 위치하는 광전변환 소자층(20)으로 소정의 경사를 갖는 사면으로 형성된다.
이러한 전극 구조에서는 광전변환 소자층(20) 면에 대해 대략 수직방향에서 입사하는 태양광을 직접적으로 반사하는 평면 형상의 전극 영역을 최소화함으로써, 사각 기둥의 종단면 형상을 갖는 종래 전극 구조에서 문제가 되었던 반사로 인한 전극손실을 최소화하게 된다. 또한, 상기 사면 형상의 전극의 측면부는 입사하는 태양광을 소정의 각도로 반사시켜 광전변환 소자층(20)으로 유도하여 입사 광량을 증가시키게 된다. 결과적으로, 전극(30) 하단부의 선폭을 종래와 동일하게 유지하여 형식적인 개구율이 동일한 경우라도, 본 발명에 따른 전극 구조에서는 실질적인 개구율 증가 효과를 가져올 수 있어 유리하다.
도 4를 참조할 때, 본 발명에 따른 태양전지 전극의 평면 형상은, 마스킹 볼의 평면 배열 모습에 따라 저항이나 전극 단락에 따른 소실량을 최소화할 수 있는 벌집 구조로 형성된다. 이 경우, 전극의 선폭은 상술한 바와 같이 전극 형성 과정에서 마스킹 볼의 간격을 조절함으로써 제어될 수 있는 데, 도 4에 도시된 바와 같이 간격 조절을 위한 RIE 공정 시간이 짧으면 마스킹 볼의 구경 사이즈 감소율이 작고 간격도 좁게 유지됨으로써 형성된 전극의 선폭도 작아지게 되고, 반대로, 공정 ㅣ간이 길면 마스킹 볼(50)의 구경 사이즈 감소율이 커지고 가격은 넓게 유지됨으로써 전극의 선폭도 커지게 된다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이나 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
10: 기판 20: 광전변환 소자층
30: 전면전극 31: 옴 전극층
32: 씨드메탈층 33: 도금층
40: 배면전극층 50: 마스킹 볼
30: 전면전극 31: 옴 전극층
32: 씨드메탈층 33: 도금층
40: 배면전극층 50: 마스킹 볼
Claims (8)
- 광전변환소자층의 수광면에 옴 전극층, 씨드 메탈층 및 도금층을 순차적으로 적층하는 방식으로 수행되는 태양전지 전극 형성 방법에 있어서,
상기 광전변환소자층의 상면에 복수의 마스킹 볼을 밀집상태로 배열시키는 단계; 옴 전극층 및 씨드메탈층을 증착시키는 단계; 도금층을 형성하는 단계; 및 상기 마스킹 볼을 제거시키는 단계를 포함하는 태양전지 전극 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 마스킹 볼의 배열시키는 단계는 마스킹 볼의 간격을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 마스킹 볼의 간격 조절은 RIE(reactive ion etching)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 RIE(reactive ion etching)의 수행 시간을 조절하여 전극의 폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 마스킹 볼은 금속 또는 폴리머인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 도금층의 형성은, 상기 마스킹 볼의 수직방향 중심 위치까지 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 방법으로 형성되며, 광전변환 소자층의 수광면에 형성되는 전극의 종단면 형상이 상부로 테어퍼진 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 구조.
- 제7항에서, 상기 전극의 평면 형상은 벌집 구조인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 구조.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105390554A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-03-09 | 常州天合光能有限公司 | 太阳电池电极的制备方法 |
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2013
- 2013-11-26 KR KR20130144897A patent/KR101464088B1/ko active
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