KR101530486B1 - 다면체 돌출부 또는 다면체 오목부를 구비하는 반사방지 구조체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 태양전지 - Google Patents
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Abstract
다면체 돌출부 또는 다면체 오목부를 구비하는 반사방지 구조체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 태양전지를 제공한다. 태양전지는 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층을 구비한다. 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사방지 구조체가 배치된다. 상기 반사방지 구조체는 다면체 돌출부 또는 다면체 오목부를 구비한다. 상기 다면체 돌출부는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들을 갖는다. 상기 다면체 오목부는 상부 폭에 비해 하부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들이 노출된다. 이러한 태양전지는 입사광의 난반사가 일어나 광의 흡수율이 크게 향상됨과 더불어, 광의 입사각에 상관없이 실질적으로 일정한 광흡수율을 유지할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 광 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 소자를 말한다. 이러한 태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위해서는 광흡수율을 증가시킬 필요가 있다.
태양전지의 광흡수율을 향상시키기 위해 실리콘의 표면을 표면 처리할 수 있다. 그러나, 이러한 표면 처리는 전자와 정공의 표면 재결합(surface recombination)을 유발할 수 있어, 생성된 전류를 손실시키는 단점이 있는 것으로 알려져 있다.
이와 더불어서, 태양전지는 태양광의 입사각도가 큰 정오 시간대에 광흡수율이 큰 반면, 이 시간 대 이전 또는 이후의 시간대에서는 만족할 만한 광흡수율을 나타내지 못하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 표면을 직접처리하지 않으면서도 태양광의 입사각에 관계없이 양호한 광흡수율을 나타낼 수 있는 태양전지 그리고 이에 사용되는 반사방지 구조체를 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 태양전지의 일 실시예를 제공한다. 태양전지는 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층을 구비한다. 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사방지 구조체가 배치된다. 상기 반사방지 구조체는 다면체 돌출부를 구비하고, 상기 다면체 돌출부는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들을 갖는다. 상기 다면체 돌출부의 다각면들이 상기 반사방지 구조체의 하부면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 상기 다면체 돌출부는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 있다. 상기 다면체 돌출부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 중 적어도 어느 하나가 마이크로 사이즈를 가질 수 있고, 나아가 상기 다면체 돌출부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 태양전지의 다른 실시예를 제공한다. 태양전지는 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층을 구비한다. 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사방지 구조체가 배치된다. 상기 반사방지 구조체는 다면체 오목부를 구비하고, 상기 다면체 오목부는 상부 폭에 비해 하부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들이 노출된다. 상기 다면체 오목부의 각 다각면이 상기 반사방지 구조체의 하부면과 이루는 각은 하부로 갈수록 줄어들 수 있다. 상기 다면체 오목부는 그의 최하부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 있다. 상기 다면체 오목부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 중 적어도 어느 하나가 마이크로 사이즈를 가질 수 있고, 나아가 상기 다면체 돌출부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 가질 수 있다.
상기 태양전지들에 있어서, 상기 반사방지 구조체는 폴리머 반사방지 구조체 또는 글라스 반사방지 구조체일 수 있다. 상기 폴리머 반사방지 구조체는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있고, 상기 글라스 반사방지 구조체는 봉규산 글라스(borosilicate glass), 소다라임 글라스(soda-lime glass), 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass), 또는 SOG(Spin On Glass)일 수 있다. 상기 반사방지 구조체는 봉지층(encapsulation layer)일 수 있다. 또한, 상기 반사방지 구조체는 상기 제2 반도체층의 굴절율과 공기의 굴절율 사이의 굴절율을 가질 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층은 실리콘 반도체층들, 게르마늄 반도체층들, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층들, 또는 유기반도체층들일 수 있다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들은 비정질 반도체층들 또는 다결정 반도체층들일 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층 하부에 반사막이 배치될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 반사방지 구조체 사이에 반사방지막이 배치될 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 반사방지 구조체제조방법의 일 실시예를 제공한다. 먼저, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들을 갖는 다수 개의 다면체 돌출부들을 구비하는 몰드를 제공한다. 상기 몰드 상에 상기 다면체 돌출부들을 덮는 구조체 재료층을 형성한다. 상기 구조체 재료층을 상기 몰드로부터 분리하여 상기 다면체 돌출부들에 대응하는 다면체 오목부들을 구비하는 쉘 구조체를 얻는다.
상기 구조체 재료층은 폴리머층 또는 글라스층일 수 있다. 상기 폴리머층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)층, PMMA(Polymethyl Methacrylate)층, 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)층일 수 있다. 상기 글라스층은 봉규산 글라스(borosilicate glass)층, 소다라임 글라스(soda-lime glass)층, 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass)층, 또는 SOG(Spin On Glass)층일 수 있다.
상기 구조체 재료층은 제1 구조체 재료이고, 상기 쉘 구조체 상에 상기 다면체 오목부들을 채우는 제2 구조체 재료층을 형성할 수 있다. 이 후, 상기 제2 구조체 재료층을 상기 쉘 구조체로부터 분리하여 상기 다면체 오목부들에 대응하는 다면체 돌출부들을 구비하는 콘 구조체를 얻을 수 있다.
상기 제1 구조체 재료층은 폴리머층 또는 세라믹층이고,상기 제2 구조체 재료층은 폴리머층일 수 있다. 이와는 달리, 상기 제1 구조체 재료층은 글라스층 또는 세라믹층이고, 상기 제2 구조체 재료층은 글라스층일 수 있다.
상기 몰드는, 결정성 기판을 제공하고, 상기 결정성 기판을 식각하여 필라를 형성한 후, 상기 필라 상에 반도체층을 에피택셜하게 성장시켜 상기 다면체 돌출부를 형성하여, 제공할 수 있다. 상기 반도체층을 에피택셜하게 성장시키기 전에, 상기 필라를 수소 어닐링할 수 있다. 상기 필라를 식각하는 것은 이방성 식각법을 사용하여 수행할 수 있다. 상기 필라를 식각하는 것은 상기 이방성 식각법을 수행한 후 등방성 식각법을 수행하는 것일 수 있다.
상기 반도체층은 실리콘층일 수 있다. 상기 기판은 실리콘 단결정 기판일 수 있다. 상기 기판은 <100> 방향, <110> 방향, 또는 <111> 방향으로 성장된 기판일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 반사방지 구조체 제조방법의 다른 실시예를 제공한다. 먼저, 상부 폭에 비해 하부 폭이 좁고 측면 내에 다수개의 다각면들이 노출된 다수 개의 다면체 오목부들을 구비하는 몰드를 제공한다. 상기 몰드 상에 상기 다면체 오목부들을 덮는 구조체 재료층을 형성한다. 상기 구조체 재료층을 상기 몰드로부터 분리하여 상기 다면체 오목부들에 대응하는 다면체 돌출부들을 구비하는 콘 구조체를 얻는다.
상기 구조체 재료층은 폴리머층 또는 글라스층일 수 있다. 상기 몰드는 세라믹 몰드일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 반사방지 구조체의 일 실시예를 제공한다. 상기 반사방지 구조체는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들을 갖는 다면체 돌출부를 구비한다. 상기 다면체 돌출부는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 있다. 상기 다면체 돌출부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 반사방지 구조체의 다른 실시예를 제공한다. 상기 반사방지 구조체는 상부 폭에 비해 하부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들이 노출된 다면체 오목부를 구비한다. 상기 다면체 오목부는 그의 최하부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 있다. 상기 다면체 오목부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 가질 수 있다.
상기 반사방지 구조체들은 폴리머 또는 글라스인 반사방지 구조체일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 측면에 다수 개의 다각면들을 갖는 다면체 오목부 또는 다면체 볼록부를 구비하는 반사방지 구조체를 반도체층 상에 배치함으로써, 입사광의 난반사가 일어나 광의 흡수율을 크게 향상시킬 수 있다. 이와 더불어, 다면체 오목부와 다면체 볼록부는 하부폭과 상부폭이 서로 달라 광의 입사각에 상관없이 실질적으로 일정한 광흡수율을 유지할 수 있다.
도 1a, 도 2a, 및 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드를 제조하는 방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 1b, 도 2b, 및 도 3b는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a의 절단선들 I-I′를 따라 취해진 단면도들이다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예들에 따른 다면체 돌출부를 구비하는 몰드를 나타낸 개략도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사방지 쉘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사방지 콘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사방지 쉘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사방지 콘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 11는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 13a는 다면체 돌출부를 갖는 몰드 제조예 1에 따른 제조방법 진행 중 얻은 사진들을이다.
도 13b는 다면체 돌출부를 갖는 몰드 제조예 1에 따른 다면체 돌출부를 촬영한 SEM 사진들(a, c)과 TEM 사진이다.
도 14a, 도 14b, 및 도 14c는 각각 제조예들 1 내지 3에 따른 다면체 돌출부를 촬영한 SEM 사진들이다.
도 15는 제조예들 4 및 5에 따른 폴리머 구조체 제조방법 진행 중 얻은 SEM 사진들이다.
도 16a, 도 16b, 도 16c, 및 도 16d는 실리콘 기판, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체를 적용한 경우, 및 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 17a, 도 17b, 도 17c, 및 도 17d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 마이크로 PMMA 콘 구조체, 나노 PMMA 쉘 구조체, 및 나노 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 18a, 도 18b, 도 18c, 및 도 18d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 마이크로 PMMA 콘 구조체, 마이크로 PMMA 월 구조체, 마이크로 PMMA 뾰족 콘 구조체, 및 마이크로 PMMA 파라볼릭 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 19a, 도 19b, 도 19c, 및 도 19d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 나노 PMMA 쉘 구조체, 나노 PMMA 콘 구조체, 나노 PMMA 월 구조체, 나노 PMMA 뾰족 콘 구조체, 및 나노 PMMA 파라볼릭 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 20a, 도 20b, 도 20c, 및 도 20d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에마이크로 PMMA 콘 구조체, 및 마이크로 EVA 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 21a는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 및 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우 실리콘 기판의 두께에 따른 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서의 전체 광흡수율을 나타낸 그래프이고, 도 21b는 실리콘 기판 자체에 대하여, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체와 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우의 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서의 전체 광흡수율의 향상정도를 실리콘 기판의 두께에 따라 나타낸 그래프이다.
도 22는 500㎚의 Ag층을 적용한 실리콘 기판, 이의 상부에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 및 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우, 500㎚의 파장에서 태양광의 입사각에 따른 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 1b, 도 2b, 및 도 3b는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a의 절단선들 I-I′를 따라 취해진 단면도들이다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예들에 따른 다면체 돌출부를 구비하는 몰드를 나타낸 개략도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사방지 쉘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사방지 콘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사방지 쉘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사방지 콘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 11는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 13a는 다면체 돌출부를 갖는 몰드 제조예 1에 따른 제조방법 진행 중 얻은 사진들을이다.
도 13b는 다면체 돌출부를 갖는 몰드 제조예 1에 따른 다면체 돌출부를 촬영한 SEM 사진들(a, c)과 TEM 사진이다.
도 14a, 도 14b, 및 도 14c는 각각 제조예들 1 내지 3에 따른 다면체 돌출부를 촬영한 SEM 사진들이다.
도 15는 제조예들 4 및 5에 따른 폴리머 구조체 제조방법 진행 중 얻은 SEM 사진들이다.
도 16a, 도 16b, 도 16c, 및 도 16d는 실리콘 기판, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체를 적용한 경우, 및 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 17a, 도 17b, 도 17c, 및 도 17d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 마이크로 PMMA 콘 구조체, 나노 PMMA 쉘 구조체, 및 나노 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 18a, 도 18b, 도 18c, 및 도 18d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 마이크로 PMMA 콘 구조체, 마이크로 PMMA 월 구조체, 마이크로 PMMA 뾰족 콘 구조체, 및 마이크로 PMMA 파라볼릭 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 19a, 도 19b, 도 19c, 및 도 19d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 나노 PMMA 쉘 구조체, 나노 PMMA 콘 구조체, 나노 PMMA 월 구조체, 나노 PMMA 뾰족 콘 구조체, 및 나노 PMMA 파라볼릭 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 20a, 도 20b, 도 20c, 및 도 20d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에마이크로 PMMA 콘 구조체, 및 마이크로 EVA 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 21a는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 및 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우 실리콘 기판의 두께에 따른 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서의 전체 광흡수율을 나타낸 그래프이고, 도 21b는 실리콘 기판 자체에 대하여, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체와 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우의 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서의 전체 광흡수율의 향상정도를 실리콘 기판의 두께에 따라 나타낸 그래프이다.
도 22는 500㎚의 Ag층을 적용한 실리콘 기판, 이의 상부에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 및 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우, 500㎚의 파장에서 태양광의 입사각에 따른 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
도 1a, 도 2a, 및 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드를 제조하는 방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다. 도 1b, 도 2b, 및 도 3b는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a의 절단선들 I-I′를 따라 취해진 단면도들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 기판(S)을 제공할 수 있다. 상기 기판(S)은 결정성 기판, 구체적으로 단결정 기판, 나아가 단결정 반도체 기판일 수 있다. 일 예로서, 기판(S)은 실리콘 단결정 기판일 수 있다.
상기 기판(S)을 식각하여 규칙적으로 배열된 다수 개의 필라들(10)을 형성할 수 있다. 상기 기판(S)을 식각하는 것은 포토리소그라피법 및 건식식각법을 사용할 수 있다. 상기 건식식각법은 이방성 식각이 가능한 반응성 이온 식각법(RIE: Reactive Ion Etching)일 수 있다. 상기 필라들(10)은 가로방향의 폭에 비해 세로방향의 높이가 높은 즉, 종횡비(aspect ratio)가 1을 초과할 수 있다. 일 예로서, 상기 필라(10)의 종횡비는 1 내지 30일 수 있다.
이 후, 상기 필라들(10)이 형성된 기판을 추가적으로 등방성 건식식각할 수 있다. 이 경우, 상기 필라들(10)의 직경은 감소될 수 있고, 측면은 약간의 경사면을 가질 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 필라들(10)을 수소 어닐링할 수 있다. 이 때, 수소 어닐링은 수소 분위기에서의 열 어닐링(thermal annealing)을 의미할 수 있다. 상기 수소 어닐링은 약 10 내지 약 100 Torr의 압력, 약 800 내지 약 1200℃의 온도에서 약 1 내지 30분간 진행될 수 있다. 더 구체적으로는 상기 수소 어닐링은 약 20 내지 60 Torr의 압력, 약 1000 내지 1100℃의 온도에서 약 1 내지 10분간 진행될 수 있다.
이러한 수소 어닐링은 상기 필라들(10)의 모서리들을 식각하여 상기 필라들(10)이 둥근 모서리(10T)를 갖도록 할 수 있다. 그러나, 이 수소 어닐링 공정은 필수적으로 진행되어야 하는 공정은 아니며, 만약 필라들(10)이 충분히 좁은 상부면을 갖도록 얇게 형성된다면 이 수소 어닐링 공정은 생략될 수도 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 필라들(10)을 구비하는 기판 상에 반도체층을 에피택셜하게 성장시켜, 결정성 다면체들 즉, 다면체 돌출부들(15)을 형성할 수 있다. 상기 다면체 돌출부들(15)은 다수 개의 다각면들 구체적으로, 서로 다른 결정성 면들(crystal facets)로 둘러싸인 구조체로서, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 다면체 돌출부들(15)의 각 면이 기판면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 각 다면체 돌출부(15)는 기판면에서 상기 다면체 돌출부(15)의 최상부에 이르는 경로 상에 기판면과 이루는 각이 약 30도 내지 85도인 적어도 두 개의 면들을 구비할 수 있다. 이러한 다면체 돌출부들(15)는 에피택시 과정에서 결정면에 따른 성장속도가 다르기 때문에 형성될 수 있다.
상기 반도체층은 상기 필라들(10)과 동일한 물질 또는 서로 다른 물질일 수 있다. 다시 말해서, 상기 필라들(10) 상에 상기 반도체층이 호모에피택셜하게 성장될 수도 있고, 상기 필라들(10) 상에 상기 반도체층이 헤테로에피택셜하게 성장될 수도 있다. 구체적으로, 상기 반도체층과 상기 필라들(10)은 모두 실리콘일 수 있다. 이와는 달리, 상기 반도체층은 GaN, 또는 AlN일 수 있고, 원소 IV족 반도체들 및 그들의 합금들로 이루어지는 반도체 재료, 및 화합물 반도체 중 하나일 수 있고 상기 필라들(10)은 실리콘일 수 있다.
반도체층을 에피택셜하게 성장시켜, 다면체 돌출부(15)를 형성하는 것은, 구체적으로는 금속 유기 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 등을 포함한 다양한 증착 또는 성장 방법을 이용하여 수행될 수 있다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예들에 따른 다면체 돌출부를 구비하는 몰드를 나타낸 개략도들이다.
도 4a를 참조하면, 다면체 돌출부(15)를 구비하는 몰드가 도시된다. 상기 다면체 돌출부(15)는 <100> 방향으로 성장된 실리콘 기판(S)에 대해 도 1a, 도 2a, 및 도 3a를 참조하여 설명한 방법을 실시하여 얻을 수 있다.
상기 다면체 돌출부(15)는 다수 개의 다각면들 구체적으로, 서로 다른 결정성 면들(crystal facets)로 둘러싸인 구조체로서, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 나아가, 하부에서 상부로 갈수록 점차로 폭이 좁아지는 콘 형태를 가질 수 있다. 다시 말해서, 상기 다면체 돌출부(15)의 각 면(facet)이 기판면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 결정성 다면체(15)는 하부에서 상부방향으로 제1 면(F3), 제2 면(F2), 및 제3 면(F1)을 구비할 수 있고, 상기 각 면이 기판의 하부면과 이루는 각은 제1 면(F3)에서 제2 면(F2), 그리고 제2 면(F2)에서 제3 면(F1)으로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 제3 면(F1)은 {111}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 55도일 수 있다. 또한, 상기 다면체 돌출부(15)는 최상부에 결정면들 구체적으로, 네 개의 제3 면들(F1)이 만나 이루어지는 뾰족한 꼭지점(T)을 구비할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 도 4a에 도시된 것과는 다른 형태를 갖는 다면체 돌출부(15)를 구비하는 몰드가 도시된다. 상기 다면체 돌출부(15)는 <110> 방향으로 성장된 실리콘 기판(S)에 대해 도 1a, 도 2a, 및 도 3a를 참조하여 설명한 방법을 실시하여 얻을 수 있다.
상기 다면체 돌출부(15)는 다수 개의 다각면들 구체적으로, 서로 다른 결정성 면들(crystal facets)로 둘러싸인 구조체로서, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 나아가, 하부에서 상부로 갈수록 점차로 폭이 좁아지는 콘 형태를 가질 수 있다. 다시 말해서, 상기 다면체 돌출부(15)의 각 결정면(crystal facet)이 기판의 하부면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 다면체 돌출부(15)는 하부에서 상부방향으로 제1 면(F6), 제2 면(F5), 및 제3 면(F4)을 구비할 수 있고, 상기 각 면이 기판면과 이루는 각은 제1 면(F6)에서 제2 면(F5), 그리고 제2 면(F5)에서 제3 면(F4)으로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 제3 면(F4)은 {111}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 약 35도일 수 있다. 또한 제2 면(F5)은 {113}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 약 65도일 수 있다. 또한, 상기 다면체 돌출부(15)는 최상부에 결정면들, 구체적으로 두 개의 제3 면들(F4)이 만나 이루어지는 뾰족한 모서리(T)을 구비할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 또 다른 형태를 갖는 다면체 돌출부(15)를 구비하는 몰드가 도시된다. 상기 다면체 돌출부(15)는 <111> 방향으로 성장된 실리콘 기판(S)에 대해 도 1a, 도 2a, 및 도 3a를 참조하여 설명한 방법을 실시하여 얻을 수 있다.
상기 다면체 돌출부(15)는 다수 개의 다각면들 구체적으로, 서로 다른 결정성 면들(crystal facets)로 둘러싸인 구조체로서, 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 나아가, 하부에서 상부로 갈수록 점차로 폭이 좁아지는 콘 형태를 가질 수 있다. 다시 말해서, 상기 다면체 돌출부(15)의 각 면(facet)이 기판면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 다면체 돌출부(15)는 하부에서 상부방향으로 제1 면(F8)과 제2 면(F7)을 구비할 수 있고, 상기 각 면이 기판면과 이루는 각은 제1 면(F8)에서 제2 면(F7)으로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 제2 면(F7)은 {111}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 약 71도이며, 제1 면(F8)은 {311}면일 수 있고 기판면과 이루는 각은 약 80도일 수 있다. 또한, 상기 다면체 돌출부(15)는 최상부에 결정면들, 구체적으로 세 개의 제2 면들(F7)이 만나 이루어지는 매우 좁은 면적의 평면(T)을 구비할 수 있다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c에 도시된 다면체 돌출부들의 형태가 다른 것은 도 1a, 도 2a, 및 도 3a를 참조하여 설명한 바와 같이, 식각 및 수소 어닐링된 필라의 표면 상에 드러난 결정면들이 서로 다르고, 또한 에피택시 과정 중에 결정면들의 성장속도가 서로 다름에 기인할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사방지 쉘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 5a를 참조하면, 기판(S) 상에 형성된 다면체 돌출부(15)를 구비하는 몰드(M1)가 제공된다. 상기 다면체 돌출부(15)는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a를 참조하여 설명한 방법을 사용하여 형성할 수 있으며, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c를 참조하여 설명한 다면체 돌출부(15) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 다면체 돌출부(15)는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 다면체 돌출부(15)는 다수 개의 서로 다른 결정면들(crystal facets), 구체적으로 다각형의 결정면들로 둘러싸인 구조체일 수 있다. 나아가, 상기 다면체 돌출부(15)의 각 면이 상기 기판의 하부면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 다면체 돌출부(15)는 기판면에서 상기 다면체 돌출부(15)의 최상부에 이르는 경로 상에 기판면과 이루는 각이 약 30도 내지 85도인 적어도 두 개의 면들을 구비할 수 있다. 또한, 상기 다면체 돌출부(15)는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점(도 4a의 T) 또는 뾰족한 모서리(도 4b의 T)를 가질 수 있다. 또한, 상기 다면체 돌출부(15)는 결정성을 갖는 실리콘 다면체일 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 몰드(M1) 상에 상기 다면체 돌출부(15)를 충분히 덮는 구조체 재료층인 폴리머층(22)을 형성할 수 있다. 폴리머층(22)은 굴절률이 1.4 내지 1.5 내의 광투과성 또는 투명 폴리머층일 수 있고, 구체적으로 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리머층(22)을 형성하는 것은, 폴리머를 함유하는 폴리머층 형성용 조성물을 상기 다면체 돌출부(15) 상에 도포한 후, 이에 열 또는 자외선을 가해 상기 폴리머를 경화함으로써 형성할 수 있다. 상기 폴리머층 형성용 조성물은 경화제를 더 포함할 수 있다. 상기 폴리머층 형성용 조성물을 상기 다면체 돌출부(15) 상에 도포하기 전에, 상기 다면체 돌출부(15) 상에 왁스 이형층(미도시)을 추가적으로 도포할 수도 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 폴리머층(22)을 상기 몰드(M1)으로부터 분리해내어 폴리머 쉘 구조체(M2)를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 왁스 이형층은 상기 몰드(M1)로부터 상기 폴리머층(22) 즉, 폴리머 쉘 구조체(M2)을 손상없이 분리하는데 도움을 줄 수 있다.
상기 폴리머 쉘 구조체(M2)는 다수개의 매트릭스 형태로 배열된 다면체 오목부(25)를 구비할 수 있다. 상기 다면체 오목부(25)는 상기 다면체 돌출부(15)로 인해 몰딩되어 형성되므로 상기 다면체 돌출부(15)에 대응하여 이와 실질적으로 동일한 모양을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 다면체 오목부(25)는 상부 폭에 비해 하부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 다면체 오목부(25)의 측면 내에 다수 개의 다각면들이 노출될 수 있고, 상기 다면체 오목부(25)의 각 면이 상기 폴리머 쉘 구조체(M2)의 하부면과 이루는 각은 하부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 각 다면체 오목부(25)는 그의 측면 내에 상기 다면체 오목부(25)의 최하부에 이르는 경로 상에 상기 폴리머 쉘 구조체(M2)의 하부면과 이루는 각이 약 30도 내지 85도인 적어도 두 개의 면들을 구비할 수 있다. 또한, 상기 다면체 오목부(25)는 그의 최하부에 뾰족한 꼭지점(도 4a의 T에 대응) 또는 뾰족한 모서리(도 4b의 T에 대응)를 가질 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사방지 콘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다.
도 6a를 참조하면, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명한 방법과 유사한 방법으로 쉘 구조체(M2)를 형성할 수 있다. 상기 쉘 구조체(M2)는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명한 바와 같이, 폴리머 쉘 구조체일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 세라믹 재료를 사용하여 형성한 쉘 구조체일 수 있다. 상기 세라믹 재료를 사용하여 쉘 구조체를 형성하는 경우, 다면체 돌출부를 구비하는 몰드(도 5a의 M1) 상에 세라믹 분말이 용제 내에 분산된 세라믹 분말 분산액을 코팅한 후 이를 열처리하여 소결시키고 몰드(M1)로부터 분리하여 세라믹 쉘 구조체(M2)를 얻을 수 있다.
상기 쉘 구조체(M2) 상에 상기 다면체 오목부(도 5c의 25)을 충분히 덮는 구조체 재료층인 폴리머층(32)을 형성할 수 있다. 상기 폴리머층(32) 또한 굴절률이 1.4 내지 1.5 내의 광투과성 또는 투명 폴리머층일 수 있고, 구체적으로 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 쉘 구조체(M2)가 폴리머 쉘 구조체인 경우, 상기 폴리머층(32)는 상기 폴리머 쉘 구조체를 형성하는 폴리머와 같은 폴리머 또는 서로 다른 종류의 폴리머일 수 있다.
상기 폴리머층(32)을 형성하는 것은, 폴리머를 함유하는 폴리머층 형성용 조성물을 상기 다면체 오목부(도 5c의 25) 상에 도포한 후, 이에 열 또는 자외선을 가해 상기 폴리머를 경화함으로써 형성할 수 있다. 상기 폴리머층 형성용 조성물은 경화제를 더 포함할 수 있다. 상기 폴리머층 형성용 조성물을 상기 다면체 오목부(도 5c의 25) 상에 도포하기 전에, 상기 다면체 오목부(도 5c의 25) 상에 왁스 이형층(미도시)을 추가적으로 도포할 수도 있다.
도 6b 및 도 6c를 참조하면, 상기 폴리머층(32)을 상기 쉘 구조체(M2)로부터 분리해내어 폴리머 콘 구조체(M3)를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 왁스 이형층은 상기 쉘 구조체(M2)로부터 상기 폴리머층(32) 즉, 폴리머 콘 구조체(M3)를 손상없이 분리하는데 도움을 줄 수 있다.
상기 폴리머 콘 구조체(M3)는 다면체 돌출부(35)를 구비할 수 있다. 상기 다면체 돌출부(35)는, 몰드(도 5a의 M1)의 다면체 돌출부(도 5a의 15)로 인해 몰딩되어 형성된 다면체 오목부(도 5c의 25)에 의해 몰딩되어 형성므로, 상기 몰드(도 5a의 M1)의 다면체 돌출부(도 5a의 15)와 실질적으로 동일한 모양을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 다면체 돌출부(35)는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁은 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 다면체 돌출부(35)는 다수 개의 다각형의 면들로 둘러싸인 구조체일 수 있다. 나아가, 상기 다면체 돌출부(35)의 각 면이 상기 폴리머 콘 구조체(M3)의 하부면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들 수 있다. 일 예로서, 상기 다면체 돌출부(35)는 상기 다면체 돌출부(35)의 바닥면에서 상기 다면체 돌출부(35)의 최상부에 이르는 직선 경로 상에 상기 바닥면과 이루는 각이 약 30도 내지 85도인 적어도 두 개의 면들을 구비할 수 있다. 또한, 상기 다면체 돌출부(35)는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점(도 4a의 T에 대응함) 또는 뾰족한 모서리(도 4b의 T에 대응함)를 가질 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사방지 쉘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다. 본 실시예에 따른 반사방지 쉘 구조체는 후술하는 것을 제외하고는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명한 반사방지 쉘 구조체의 제조방법과 유사할 수 있다.
도 7a를 참조하면, 기판(S) 상에 형성된 다면체 돌출부(15)를 구비하는 몰드(M1)가 제공된다. 상기 다면체 돌출부(15)는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a를 참조하여 설명한 방법을 사용하여 형성할 수 있으며, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c를 참조하여 설명한 다면체 돌출부(15) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 몰드(M1) 상에 상기 다면체 돌출부(15)를 충분히 덮는 구조체 재료층인 글라스층(42)을 형성할 수 있다. 상기 글라스층(42)은 실리카(SiO2)층 또는 실리케이트(silicate)층으로, 약 1.4 내지 약 1.6의 굴절률을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 글라스층(42)은 약 1.52의 굴절율을 갖는 봉규산 글라스(borosilicate glass, 연화점 약 820℃), 약 1.52의 굴절율을 갖는 소다라임 글라스(soda-lime glass, 연화점 약 546℃), 약 1.54의 굴절율을 갖는 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass, 연화점 약 950℃), 또는 약 1.43의 굴절율을 갖는 SOG(Spin On Glass)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 글라스층(42)이 SOG막인 경우에는, 상기 글라스층(42)은 유기용제에 녹인 글라스를 상기 몰드(M1) 상에 스핀코팅한 후, 열처리하여 형성할 수 있다. 상기 글라스층(42)이 SOG막 외의 글라스인 경우에는, 상기 글라스층(42)은 연화점 이상으로 가열하여 용융된 글라스를 상기 몰드(M1) 상에 도포한 후, 냉각시켜 형성할 수 있다. 상기 글라스층(42)을 상기 다면체 돌출부(15) 상에 도포하기 전에, 상기 다면체 돌출부(15) 상에 왁스 이형층(미도시)을 추가적으로 도포할 수도 있다.
도 7b 및 도 7c를 참조하면, 상기 글라스층(42)을 상기 몰드(M1)으로부터 분리해내어 글라스 쉘 구조체(M4)를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 왁스 이형층은 상기 몰드(M1)로부터 상기 글라스 쉘 구조체(M4)을 손상없이 분리하는데 도움을 줄 수 있다.
상기 글라스 쉘 구조체(M4)는 다수개의 매트릭스 형태로 배열된 다면체 오목부(45)를 구비할 수 있다. 상기 다면체 오목부(45)의 형상은 도 5c를 참조하여 설명한 다면체 오목부(25)의 형상과 실질적으로 유사할 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사방지 콘 구조체 제조방법을 공정단계별로 나타낸 사시도들이다. 본 실시예에 따른 반사방지 콘 구조체는 후술하는 것을 제외하고는 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 설명한 반사방지 콘 구조체의 제조방법과 유사할 수 있다.
도 8a를 참조하면, 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명한 방법과 유사한 방법으로 다면체 오목부(도 7c의 45)를 갖는 쉘 구조체(M4)를 형성할 수 있다. 상기 쉘 구조체(M4)는 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명한 바와 같이, 글라스 쉘 구조체일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 세라믹 재료를 사용하여 형성한 쉘 구조체일 수 있다. 상기 세라믹 재료를 사용하여 쉘 구조체를 형성하는 경우, 다면체 돌출부를 구비하는 몰드(도 7a의 M1) 상에 세라믹 분말이 용제 내에 분산된 세라믹 분말 분산액을 코팅한 후 이를 열처리하여 소결시키고 몰드(M1)로부터 분리하여 세라믹 쉘 구조체(M4)를 얻을 수 있다.
상기 쉘 구조체(M4) 상에 상기 다면체 오목부(도 7c의 45)을 충분히 덮는 구조체 재료층인 글라스층(52)을 형성할 수 있다. 상기 글라스층(52)은 실리카(SiO2)층 또는 실리케이트(silicate)층으로, 약 1.4 내지 약 1.6의 굴절률을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 글라스층(52)은 약 1.52의 굴절율을 갖는 봉규산 글라스(borosilicate glass, 연화점 약 820℃), 약 1.52의 굴절율을 갖는 소다라임 글라스(soda-lime glass, 연화점 약 546℃), 약 1.54의 굴절율을 갖는 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass, 연화점 약 950℃), 또는 약 1.43의 굴절율을 갖는 SOG(Spin On Glass)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 쉘 구조체(M4)가 글라스 쉘 구조체인 경우, 상기 글라스층(52)는 상기 글라스 쉘 구조체를 형성하는 글라스와 같은 글라스 또는 서로 다른 종류의 글라스일 수 있다.
상기 글라스층(52)이 SOG막인 경우에는, 상기 글라스층(52)은 유기용제에 녹인 글라스를 상기 몰드(M4) 상에 스핀코팅한 후, 열처리하여 형성할 수 있다. 상기 글라스층(52)이 SOG막 외의 글라스인 경우에는, 상기 글라스층(52)은 연화점 이상으로 가열하여 용융된 글라스를 상기 몰드(M4) 상에 도포한 후, 냉각하여 형성할 수 있다. 상기 글라스층(52)을 상기 몰드(M4) 상에 도포하기 전에, 상기 다면체 오목부(도 7c의 45) 상에 왁스 이형층(미도시)을 추가적으로 도포할 수도 있다.
도 8b 및 도 8c를 참조하면, 상기 글라스층(52)을 상기 쉘 구조체(M4)로부터 분리해내어 글라스 콘 구조체(M5)를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 왁스 이형층은 상기 쉘 구조체(M4)로부터 상기 글라스 콘 구조체(M5)를 손상없이 분리하는데 도움을 줄 수 있다.
상기 글라스 콘 구조체(M5)는 다수개의 매트릭스 형태로 배열된 다면체 돌출부(55)를 구비할 수 있다. 상기 다면체 돌출부(55)의 형상은 도 6c를 참조하여 설명한 다면체 돌출부(35)의 형상과 실질적으로 유사할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 9를 참조하면, 제1 도전형 반도체층(41) 상에 제2 도전형 반도체층(43)이 배치된다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43)은 실리콘 반도체층들, 게르마늄 반도체층들, 또는 화합물 반도체층들인 무기반도체층들 일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43) 사이에 광흡수에 의해 여기자가 생성되는 PN 접합부가 형성될 수 있다. 상기 화합물 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체층으로서, GaAs계, AlAs계, GaP계, 또는 InP계층, 구체적으로 AlXGa1-XAs(0≤X≤1), GaXIn1-XP(0≤X≤1)일 수 있다. 이들 반도체층들(41, 43)은 결정질 반도체층들, 다결정질 반도체층들 또는 비정질 반도체층들일 수 있다. 나아가, 이들 반도체층들(41, 43)은 박막의 태양전지를 구현가능하게 하는 다결정질 반도체층들 또는 비정질 반도체층들일 수 있다.
이와는 달리, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43)은 유기 반도체층들일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43) 사이에 광조사에 의해 여기자가 생성되는 광활성층(미도시)을 추가로 형성할 수 있다. 상기 광활성층은 전자 도너 물질과 전자 억셉터 물질이 서로 섞여 있는 벌크-헤테로정션(bulk heterojunction; BHJ)층일 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(41)의 하부에 반사막을 형성할 수 있다. 상기 반사막은 제1 전극(51)의 역할을 수행할 수도 있다. 상기 제2형 반도체층(43) 상에 제2 전극(53)을 형성할 수 있다. 상기 제2 전극(53)은 광투과성 전극일 수 있으며. 상기 광투과성 전극은 탄소나노튜브층, 그래핀층, 투명전도성산화물층 또는 금속층일 수 있고, 코팅, 열증착, 전자빔 증착, 또는 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 제2 전극(53) 상에 반사방지막(60)이 추가적으로 배치될 수 있다. 반사방지막(60)은 실리콘 나이트라이드막(SiNx layer)일 수 있다.
상기 제2 전극(53) 또는, 상기 반사방지막(60)이 형성된 경우에는 상기 반사방지막(60) 상에 다면체 오목부(25)을 구비하는 반사방지 쉘 구조체(M2)를 배치시킨다. 상기 반사방지 쉘 구조체(M2)는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명된 폴리머 쉘 구조체일 수 있다.
상기 반사방지 쉘 구조체(M2)를 배치시키기 전에, 상기 제2 전극(53) 또는 상기 반사방지막(60)이 형성된 경우에는 상기 반사방지막(60) 상에, 폴리머층(70)과 글라스층(80) 중 어느 하나 또는 둘 모두의 층을 형성할 수 있다. 상기 폴리머층(70)은 약 1.4 내지 약 1.5의 굴절율을 갖는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다. 또한, 상기 글라스층(80)은 약 1.4 내지 약 1.6의 굴절률을 갖는 실리카(SiO2)층 또는 실리케이트(silicate)층으로, 일 예로서, 봉규산 글라스(borosilicate glass), 소다라임 글라스(soda-lime glass), 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass), 또는 SOG(Spin On Glass)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 태양전지에 광 예를 들어, 태양광이 조사되면 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43) 사이의 PN 접합부 또는 광활성층는 광자(photon)을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 상기 전자-정공 쌍은 분리되어 전자는 제2 전극(53)으로 정공은 제1 전극(51)으로 전달되어 전기를 생산하게 된다. 이 때, 상기 반사방지 쉘 구조체(M2)의 다면체 오목부(25)로 인해 입사광의 난반사가 일어나 광의 흡수율을 크게 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 다면체 오목부(25)의 측면 내에 노출된 서로 다른 형태의 다각면들은 광을 난반사시키는 역할을 수행할 수 있다. 이와 더불어, 다면체 오목부(25)는 각 다각면이 반사방지 쉘 구조체(M2)의 하부면과 이루는 각이 하부로 갈수록 줄어들 수 있고, 나아가 그의 최하부에 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 있는데, 이로 인해 광의 입사각에 상관없이 실질적으로 일정한 광흡수율을 유지할 수 있다. 또한, 다면체 오목부(25)는 가로폭, 세로폭, 및 높이 중 어느 하나가 마이크로 사이즈를 가질 수 있는데, 이 경우 광흡수율이 더욱 향상될 수 있으며, 또한 이러한 다면체 오목부(25)를 갖는 반사방지 쉘 구조체(M2)는 재현성이 양호하게 생산될 수 있다. 나아가, 상기 다면체 오목부(25)는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 가질 수 있다.
상기 반사방지 쉘 구조체(M2)는 광투과성 또는 투명 폴리머층인 폴리머 쉘 구조체일 수 있고, 상기 제2 도전형 반도체층(53)의 굴절율, 나아가, 상기 반사방지막(60)의 굴절율과 공기의 굴절율 사이의 굴절율을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 반사방지 쉘 구조체(M2)는 약 1.4 내지 약 1.5의 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 상기 폴리머인 반사방지 쉘 구조체(M2)는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 반사방지 쉘 구조체(M2)는 봉지층으로서의 역할을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 폴리머인 반사방지 쉘 구조체(M2)는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다.
상기 반사방지 쉘 구조체(M2)가 배치된 경우, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43)은 다결정질 또는 비정질 반도체층들일 수 있다. 이러한 다결정질 또는 비정질 반도체층들은 박막 태양전지를 구현할 수 있는 반면, 광흡수율이 낮은 것으로 알려져 있으나, 상기 반사방지 쉘 구조체(M2)의 배치를 통해 광흡수율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다. 본 실시예에 따른 태양전지는 후술하는 것을 제외하고는 도 9를 참조하여 설명한 태양전지와 유사할 수 있다.
도 10을 참조하면, 제2 전극(53) 또는, 반사방지막(60)이 형성된 경우에는 상기 반사방지막(60) 상에 다면체 돌출부(35)을 구비하는 반사방지 콘 구조체(M3)를 배치시킨다. 상기 반사방지 콘 구조체(M3)는 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 설명된 폴리머 콘 구조체 일 수 있다.
상기 반사방지 콘 구조체(M3)를 배치시키기 전에, 상기 제2 전극(53) 또는 상기 반사방지막(60)이 형성된 경우에는 상기 반사방지막(60) 상에, 폴리머층(70)과 글라스층(80) 중 어느 하나 또는 둘 모두의 층을 형성할 수 있다. 상기 폴리머층(70)은 약 1.4 내지 약 1.5의 굴절율을 갖는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다. 또한, 상기 글라스층(80)은 약 1.4 내지 약 1.6의 굴절률을 갖는 실리카(SiO2)층 또는 실리케이트(silicate)층일 수 있고, 일 예로서, 봉규산 글라스(borosilicate glass), 소다라임 글라스(soda-lime glass), 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass), 또는 SOG(Spin On Glass)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 태양전지에 광 예를 들어, 태양광이 조사되면 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43) 사이의 PN 접합부는 광자(photon)을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 상기 전자-정공 쌍은 분리되어 전자는 제2 전극(53)으로 정공은 제1 전극(51)으로 전달되어 전기를 생산하게 된다. 이 때, 상기 반사방지 콘 구조체(M3)의 다면체 볼록부(35)로 인해 입사광의 난반사가 일어나 광의 흡수율을 크게 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 다면체 볼록부(35)의 측면의 서로 다른 형태의 다각면들은 광을 난반사시키는 역할을 수행할 수 있다. 이와 더불어, 다면체 볼록부(35)는 각 다각면이 반사방지 콘 구조체(M3)의 하부면과 이루는 각이 상부로 갈수록 줄어들 수 있고, 나아가 그의 최상부에 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 있는데, 이로 인해 광의 입사각에 상관없이 실질적으로 일정한 광흡수율을 유지할 수 있다. 또한, 다면체 볼록부(35)는 가로폭, 세로폭, 및 높이 중 어느 하나가 마이크로 사이즈를 가질 수 있는데, 이 경우 광흡수율이 더욱 향상될 수 있으며, 또한 이러한 다면체 볼록부(35)를 갖는 반사방지 콘 구조체(M3)는 재현성이 양호하게 생산될 수 있다. 나아가, 상기 다면체 볼록부(35)는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 가질 수 있다.
상기 반사방지 콘 구조체(M3)는 광투과성 또는 투명 폴리머층인 폴리머 콘 구조체일 수 있고, 제2 도전형 반도체층(53)의 굴절율, 나아가, 반사방지막(60)의 굴절율과 공기의 굴절율 사이의 굴절율을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 반사방지 콘 구조체(M3)는 약 1.4 내지 약 1.5의 굴절률을 가질 수 있다. 상기 폴리머인 반사방지 콘 구조체(M3)는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 반사방지 콘 구조체(M3)는 봉지층으로서의 역할을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 폴리머인 반사방지 콘 구조체(M3)는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다.
상기 반사방지 콘 구조체(M3)가 배치된 경우, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43)은 다결정질 또는 비정질 반도체층들일 수 있다. 이러한 다결정질 또는 비정질 반도체층들은 박막 태양전지를 구현할 수 있는 반면, 광흡수율이 낮은 것으로 알려져 있으나, 상기 반사방지 콘 구조체(M3)의 배치를 통해 광흡수율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
도 11는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다. 본 실시예에 따른 태양전지는 후술하는 것을 제외하고는 도 9를 참조하여 설명한 태양전지와 유사할 수 있다.
도 11을 참조하면, 제2 전극(53) 또는, 반사방지막(60)이 형성된 경우에는 상기 반사방지막(60) 상에 다면체 오목부(45)을 구비하는 반사방지 쉘 구조체(M4)를 배치시킨다. 상기 반사방지 쉘 구조체(M4)는 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명된 글라스 쉘 구조체일 수 있다.
상기 반사방지 쉘 구조체(M4)를 배치시키기 전에, 상기 제2 전극(53) 또는 상기 반사방지막(60)이 형성된 경우에는 상기 반사방지막(60) 상에, 폴리머층(70)을 형성할 수 있다. 상기 폴리머층(70)은 약 1.4 내지 약 1.5의 굴절율을 갖는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 태양전지에 광 예를 들어, 태양광이 조사되면 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43) 사이의 PN 접합부 또는 광활성층는 광자(photon)을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 상기 전자-정공 쌍은 분리되어 전자는 제2 전극(53)으로 정공은 제1 전극(51)으로 전달되어 전기를 생산하게 된다. 이 때, 상기 반사방지 쉘 구조체(M4)의 다면체 오목부(45)로 인해 입사광의 난반사가 일어나 광의 흡수율을 크게 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 다면체 오목부(45)의 측면 내에 노출된 서로 다른 형태의 다각면들은 광을 난반사시키는 역할을 수행할 수 있다. 이와 더불어, 다면체 오목부(45)는 각 다각면이 반사방지 쉘 구조체(M4)의 하부면과 이루는 각이 하부로 갈수록 줄어들 수 있고, 나아가 그의 최하부에 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 있는데, 이로 인해 광의 입사각에 상관없이 실질적으로 일정한 광흡수율을 유지할 수 있다. 또한, 다면체 오목부(45)는 가로폭, 세로폭, 및 높이 중 어느 하나가 마이크로 사이즈를 가질 수 있는데, 이 경우 광흡수율이 더욱 향상될 수 있으며, 또한 이러한 다면체 오목부(45)를 갖는 반사방지 쉘 구조체(M4)는 재현성이 양호하게 생산될 수 있다. 나아가, 상기 다면체 오목부(45)는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 가질 수 있다.
상기 반사방지 쉘 구조체(M4)는 글라스 쉘 구조체일 수 있고, 상기 제2 도전형 반도체층(53)의 굴절율, 나아가, 상기 반사방지막(60)의 굴절율과 공기의 굴절율 사이의 굴절율을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 반사방지 쉘 구조체(M4)는 약 1.4 내지 약 1.6의 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 상기 글라스인 반사방지 쉘 구조체(M4)는 실리카(SiO2)층 또는 실리케이트(silicate)층일 수 있고 구체적으로, 봉규산 글라스(borosilicate glass), 소다라임 글라스(soda-lime glass), 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass), 또는 SOG(Spin On Glass)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 반사방지 쉘 구조체(M4)는 봉지층으로서의 역할을 수행할 수 있다.
상기 반사방지 쉘 구조체(M4)가 배치된 경우, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43)은 다결정질 또는 비정질 반도체층들일 수 있다. 이러한 다결정질 또는 비정질 반도체층들은 박막 태양전지를 구현할 수 있는 반면, 광흡수율이 낮은 것으로 알려져 있으나, 상기 반사방지 쉘 구조체(M4)의 배치를 통해 광흡수율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다. 본 실시예에 따른 태양전지는 후술하는 것을 제외하고는 도 10을 참조하여 설명한 태양전지와 유사할 수 있다.
도 12를 참조하면, 제2 전극(53) 또는, 반사방지막(60)이 형성된 경우에는 상기 반사방지막(60) 상에 다면체 돌출부(55)을 구비하는 반사방지 콘 구조체(M5)를 배치시킨다. 상기 반사방지 콘 구조체(M5)는 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 설명된 글라스 콘 구조체 일 수 있다.
상기 반사방지 콘 구조체(M5)를 배치시키기 전에, 상기 제2 전극(53) 또는 상기 반사방지막(60)이 형성된 경우에는 상기 반사방지막(60) 상에, 폴리머층(70)을 형성할 수 있다. 상기 폴리머층(70)은 약 1.4 내지 약 1.5의 굴절율을 갖는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 태양전지에 광 예를 들어, 태양광이 조사되면 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43) 사이의 PN 접합부는 광자(photon)을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 상기 전자-정공 쌍은 분리되어 전자는 제2 전극(53)으로 정공은 제1 전극(51)으로 전달되어 전기를 생산하게 된다. 이 때, 상기 반사방지 콘 구조체(M5)의 다면체 볼록부(55)로 인해 입사광의 난반사가 일어나 광의 흡수율을 크게 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 다면체 볼록부(55)의 측면의 서로 다른 형태의 다각면들은 광을 난반사시키는 역할을 수행할 수 있다. 이와 더불어, 다면체 볼록부(55)는 각 다각면이 반사방지 콘 구조체(M5)의 하부면과 이루는 각이 상부로 갈수록 줄어들 수 있고, 나아가 그의 최상부에 꼭지점 또는 모서리를 가질 수 있는데, 이로 인해 광의 입사각에 상관없이 실질적으로 일정한 광흡수율을 유지할 수 있다. 또한, 다면체 볼록부(55)는 가로폭, 세로폭, 및 높이 중 어느 하나가 마이크로 사이즈를 가질 수 있는데, 이 경우 광흡수율이 더욱 향상될 수 있으며, 또한 이러한 다면체 볼록부(55)를 갖는 반사방지 콘 구조체(M5)는 재현성이 양호하게 생산될 수 있다. 나아가, 상기 다면체 볼록부(55)는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 가질 수 있다.
상기 반사방지 콘 구조체(M5)는 글라스 콘 구조체일 수 있고, 제2 도전형 반도체층(53)의 굴절율, 나아가, 반사방지막(60)의 굴절율과 공기의 굴절율 사이의 굴절율을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 반사방지 콘 구조체(M5)는 약 1.4 내지 약 1.6의 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 상기 글라스인 반사방지 콘 구조체(M5)는 실리카(SiO2)층 또는 실리케이트(silicate)층일 수 있고 구체적으로, 봉규산 글라스(borosilicate glass), 소다라임 글라스(soda-lime glass), 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass), 또는 SOG(Spin On Glass)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 반사방지 콘 구조체(M5)는 봉지층으로서의 역할을 수행할 수 있다.
상기 반사방지 콘 구조체(M5)가 배치된 경우, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(41, 43)은 다결정질 또는 비정질 반도체층들일 수 있다. 이러한 다결정질 또는 비정질 반도체층들은 박막 태양전지를 구현할 수 있는 반면, 광흡수율이 낮은 것으로 알려져 있으나, 상기 반사방지 콘 구조체(M5)의 배치를 통해 광흡수율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1: 다면체 돌출부를 갖는 몰드 제조>
<100> 방향으로 성장된 실리콘 기판을 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE)을 사용하여 식각하여 실리콘 필라들을 형성하였다. 그런 다음, 실리콘 필라들을 다시 등방성 건식식각하여 실리콘 필라들의 측면에 경사면을 만든 후, 실리콘 필라들이 형성된 기판을 1050℃의 온도 및 40Torr의 압력 조건에서 약 10분간 수소 어닐링하여, 실리콘 필라들의 모서리를 둥글게 변화시켰다. 이 후, 모서리가 둥근 실리콘 필라들이 형성된 기판을 에피리액터(Epi-Reactor)내에 로딩하고 챔버 내에 SiH2Cl2(dichlorosilane; DCS) 370sccm, HCl 110sccm, B2H6(diborane, 1% balanced in H2) 110sccm, H2 20slm을 흘리면서 1050℃의 온도 및 60Torr의 압력 조건에서 약 5분간 증착을 진행하여, 상기 실리콘 필라들 상에 반도체층을 에피성장시켰다.
도 13a는 다면체 돌출부를 갖는 몰드 제조예 1에 따른 제조방법 진행 중 얻은 사진들이다.
도 13a를 참조하면, 등방성 건식식각이 완료된 후에는 평균 약 1㎛의 폭과 약 15㎛의 높이를 갖는 실리콘 필라들(a)이 형성된 것을 확인할 수 있고, 수소 어닐링 후에 실리콘 필라들의 모서리가 둥글게 변한 것(b)을 확인할 수 있으며, 또한, 상기 실리콘 필라들 상에 반도체층을 에피성장시킨 후에는 결정성 다면체 돌출부(c)가 형성됨을 알 수 있다. 상기 다면체 돌출부(c)의 최하부 폭은 평균 7㎛이고, 높이는 평균 11㎛이었다.
도 13b는 다면체 돌출부를 갖는 몰드 제조예 1에 따른 다면체 돌출부를 촬영한 SEM 사진들(a, c)과 TEM 사진이다.
도 13b를 참조하면, (a)의 적색 테두리를 따라 다면체 돌출부를 절단하여 TEM 분석을 실시한 결과(b), 꼭지점은 <100> 방향을 갖고 꼭지점을 형성하는 네 개의 결정면들은 모두 {111}면들인 것이 확인되었다.
<제조예 2: 다면체 돌출부를 갖는 몰드 제조>
<110> 방향으로 성장된 실리콘 기판을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 다면체 돌출부를 갖는 몰드를 제조하였다.
<제조예 3: 결정성 다면체 제조>
<111> 방향으로 성장된 실리콘 기판을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 다면체 돌출부를 갖는 몰드를 제조하였다.
도 14a, 도 14b, 및 도 14c는 각각 제조예들 1 내지 3에 따른 다면체 돌출부를 를 촬영한 SEM 사진들이다.
도 14a, 도 14b, 및 도 14c를 참조하면, 실리콘 기판의 결정성장 방향이 다를 경우 서로 다른 형태를 갖는 다면체 돌출부들이 제조됨을 알 수 있다.
<제조예 4: 폴리머 쉘 구조체 제조>
제조예 1에 따라 형성된 다면체 돌출부를 갖는 실리콘 몰드 상에 PDMS(Dow Corning's Sylgard 184 Elastomer Kit)를 도포하여 약 5mm의 높이를 갖는 PDMS(Polydimethylsiloxane)층을 형성였다. 이 후, 진공 데시케이터(desiccator)를 사용하여 60분간 PDMS와 실리콘 몰드 사이의 에어갭을 제거하였다. 결과물을 핫 플레이트 위에서 150℃로 20분간 큐어링한 후, 경화된 PDMS 쉘 구조체와 실리콘 몰드를 분리하였다.
<제조예 5: 폴리머 콘 구조체 제조>
PMMA와 아세톤을 약 1:2의 질량비로 혼합한 후, 이를 제조예 4에 따라 형성된 PDMS 쉘 구조체 상에 도포하여 약 5mm의 높이를 갖는 PMMA층을 형성였다. 이 후, 진공 데시케이터를 사용하여 60분간 PMMA층과 PDMS 쉘 구조체 사이의 에어갭을 제거하였다. 결과물을 핫 플레이트 위에서 80℃로 프리베이크 한 후, 180℃에서 30분간 큐어링하고, 경화된 PMMA 콘 구조체와 PDMS 쉘 구조체를 분리하였다.
도 15는 제조예들 4 및 5에 따른 폴리머 구조체 제조방법 진행 중 얻은 SEM 사진들이다. 구체적으로, 도 15(a)는 다면체 돌출부를 갖는 실리콘 몰드의 측면을 촬영한 SEM 사진이고, 도 15(b) 및 도 15(d)는 제조예 4에 따른 PDMS 쉘 구조체의 상부면을 촬영하되 배율을 달리한 SEM 사진이고, 도 15(e)는 제조예 4에 따른 PDMS 쉘 구조체의 상부면을 30도 기울인 상태에서 촬영한 SEM 사진이고, 도 15(c)는 제조예 4에 따른 PDMS 쉘 구조체의 단면을 촬영한 SEM 사진이다. 한편, 도 15(f)는 제조예 5에 따른 PMMA 콘 구조체의 상부면을 30도 기울인 상태에서 촬영한 SEM 사진이다.
도 15를 참조하면, 폴리머 쉘 구조체의 다면체 오목부(b, c, d)는 실리콘 몰드(a)의 다면체 볼록부 형상에 대응하여 형성됨을 알 수 있다. 구체적으로, 폴리머 쉘 구조체의 다면체 오목부는 실리콘 몰드의 다면체 볼록부(a)의 꼭지점(도 4a의 T, 도 13b의 [100])과 이의 주변에 위치한 결정면들(도 4a의 F1, 도 13b의 {111})에 대응됨을 알 수 있다. 또한, 폴리머 콘 구조체의 다면체 돌출부(f)는 실리콘 몰드(a)의 다면체 볼록부 형상과 거의 동일하게 형성된 것을 알 수 있다.
이하, 실리콘 기판 상에 여러 종류의 반사방지 구조체를 배치하여 광흡수율을 시뮬레이션을 통해 얻었다. 이들 시뮬레이션들에서, 실리콘 기판의 높이는 3㎛이고; 마이크로 PMMA 쉘 구조체의 전체 높이는 14㎛이고, 마이크로 PMMA 쉘 구조체 내의 다면체 오목부의 폭과 깊이는 각각 7㎛와 11㎛이고; PMMA 콘 구조체의 전체 높이는 14㎛이고, PMMA 콘 구조체의 다면체 돌출부의 폭과 높이는 각각 7㎛와 11㎛이며; 나노 PMMA 쉘 구조체와 나노 PMMA 콘 구조체는 마이크로 PMMA 쉘 구조체와 마이크로 PMMA 콘 구조체를 1000배 축소(가로 10배, 세로 10배 및 높이 10배)한 것으로 가정된 상태에서, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 광흡수율을 계산하였다. 이 때, PMMA의 굴절율은 1.492로 가정하였고, AM1.5G의 광이 조사된 것으로 가정하였다.
도 16a, 도 16b, 도 16c, 및 도 16d는 실리콘 기판, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체를 적용한 경우, 및 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 16a는 실리콘 기판 자체(bare silicon substrate)를 사용한 경우이고, 도 16b는 실리콘 기판 하부에 500㎚의 Ag층을 적용한 경우이고, 도 16c는 실리콘 기판 상부 또는 실리콘 기판과 구조체 사이에 80㎚의 Si3N4층을 적용한 경우이고, 도 16d는 상기 Ag층과 상기 Si3N4층을 모두 적용한 경우이다.
도 16a, 도 16b, 도 16c, 및 도 16d를 참조하면, 마이크로 PMMA 쉘 구조체 또는 마이크로 PMMA 콘 구조체를 실리콘 기판 상에 배치한 경우, 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 각각 전체 광흡수율이, 이들을 적용하지 않은 경우 대비 약 1.1배(도 16c 및 도 16d) 내지 약 1.4배(도 16a 및 도 16b)로 향상됨을 확인할 수 있다.
도 17a, 도 17b, 도 17c, 및 도 17d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 마이크로 PMMA 콘 구조체, 나노 PMMA 쉘 구조체, 및 나노 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 17a는 실리콘 기판 자체를 사용한 경우이고, 도 17b는 실리콘 기판 하부에 500㎚의 Ag층을 적용한 경우이고, 도 17c는 실리콘 기판 상부 또는 실리콘 기판과 구조체 사이에 80㎚의 Si3N4층을 적용한 경우이고, 도 17d는 상기 Ag층과 상기 Si3N4층을 모두 적용한 경우이다.
도 17a, 도 17b, 도 17c, 및 도 17d를 참조하면, 마이크로 또는 나노 PMMA 쉘 구조체들, 또는 마이크로 또는 나노 PMMA 콘 구조체들을 실리콘 기판 상에 배치한 경우, 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 각각 전체 광흡수율이, 이들을 적용하지 않은 경우 대비 향상됨을 확인할 수 있다. 이에 더하여, 마이크로 PMMA 쉘 구조체 또는 마이크로 PMMA 콘 구조체를 실리콘 기판 상에 배치한 경우, 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 각각 전체 광흡수율이, 나노 PMMA 쉘 구조체 또는 나노 PMMA 콘 구조체를 실리콘 기판 상에 배치한 경우 대비 또한 향상됨을 확인할 수 있다.
도 18a, 도 18b, 도 18c, 및 도 18d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 마이크로 PMMA 콘 구조체, 마이크로 PMMA 월 구조체, 마이크로 PMMA 뾰족 콘 구조체, 및 마이크로 PMMA 파라볼릭 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 18a는 실리콘 기판 자체를 사용한 경우이고, 도 18b는 실리콘 기판 하부에 500㎚의 Ag층을 적용한 경우이고, 도 18c는 실리콘 기판 상부 또는 실리콘 기판과 구조체 사이에 80㎚의 Si3N4층을 적용한 경우이고, 도 18d는 상기 Ag층과 상기 Si3N4층을 모두 적용한 경우이다.
이 때, 마이크로 PMMA 월 구조체, 마이크로 PMMA 뾰족 콘 구조체, 및 마이크로 PMMA 파라볼릭 콘 구조체는 마이크로 PMMA 쉘 구조체 및 마이크로 PMMA 콘 구조체와 가로폭, 세로폭, 및 높이가 동일한 것으로 가정하였다.
도 18a, 도 18b, 도 18c, 및 도 18d를 참조하면, 그 형태에 관계없이 PMMA 구조체들을 실리콘 기판 상에 배치한 경우, 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 각각 전체 광흡수율이, 이들을 적용하지 않은 경우 대비 향상됨을 확인할 수 있다. 이에 더하여, 마이크로 PMMA 쉘 구조체 또는 마이크로 PMMA 콘 구조체를 실리콘 기판 상에 배치한 경우, 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 각각 전체 광흡수율이, 마이크로 PMMA 월 구조체, 마이크로 PMMA 뾰족 콘 구조체, 및 마이크로 PMMA 파라볼릭 콘 구조체를 실리콘 기판 상에 배치한 경우 대비 또한 향상됨을 확인할 수 있다.
도 19a, 도 19b, 도 19c, 및 도 19d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 나노 PMMA 쉘 구조체, 나노 PMMA 콘 구조체, 나노 PMMA 월 구조체, 나노 PMMA 뾰족 콘 구조체, 및 나노 PMMA 파라볼릭 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 19a는 실리콘 기판 자체를 사용한 경우이고, 도 19b는 실리콘 기판 하부에 500㎚의 Ag층을 적용한 경우이고, 도 19c는 실리콘 기판 상부 또는 실리콘 기판과 구조체 사이에 80㎚의 Si3N4층을 적용한 경우이고, 도 19d는 상기 Ag층과 상기 Si3N4층을 모두 적용한 경우이다.
이 때, 상기 나노 구조체들은 도 18a, 도 18b, 도 18c, 및 도 18d를 참조하여 설명한 마이크로 구조체들을 1000배 축소(가로 10배, 세로 10배 및 높이 10배)한 것으로 가정하였다.
도 19a, 도 19b, 도 19c, 및 도 19d를 참조하면, 그 형태에 관계없이 PMMA 구조체들을 실리콘 기판 상에 배치한 경우, 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 각각 전체 광흡수율이, 이들을 적용하지 않은 경우 대비 향상됨을 확인할 수 있다. 한편, 도 18a, 도 18b, 도 18c, 및 도 18d를 참조하여 설명한 경우와는 달리 나노 뾰족 콘 구조체가 다른 구조체들 대비 가장 높은 광흡수율을 나타내는 것으로 나타났다.
도 20a, 도 20b, 도 20c, 및 도 20d는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에마이크로 PMMA 콘 구조체, 및 마이크로 EVA 콘 구조체를 적용한 경우의 광흡수율을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 20a는 실리콘 기판 자체를 사용한 경우이고, 도 20b는 실리콘 기판 하부에 500㎚의 Ag층을 적용한 경우이고, 도 20c는 실리콘 기판 상부 또는 실리콘 기판과 구조체 사이에 80㎚의 Si3N4층을 적용한 경우이고, 도 20d는 상기 Ag층과 상기 Si3N4층을 모두 적용한 경우이다. EVA의 굴절율은 1.4845로 가정하였다.
도 20a, 도 20b, 도 20c, 및 도 20d를 참조하면, 마이크로 PMMA 콘 구조체와 마이크로 EVA 콘 구조체를 실리콘 기판 상에 배치한 경우, 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서 각각 전체 광흡수율이, 이들을 적용하지 않은 경우 대비 향상되었으며, 이들 둘 사이에 광흡수율이 크게 차이나지 않음을 확인할 수 있다.
도 21a는 실리콘 기판 자체, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 및 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우 실리콘 기판의 두께에 따른 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서의 전체 광흡수율을 나타낸 그래프이고, 도 21b는 실리콘 기판 자체에 대하여, 실리콘 기판 상에 마이크로 PMMA 쉘 구조체와 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우의 300㎚ 내지 1100㎚의 파장에서의 전체 광흡수율의 향상정도를 실리콘 기판의 두께에 따라 나타낸 그래프이다.
도 21a 및 도 21b를 참조하면, 실리콘의 두께를 500㎚에서 20㎛로 변화시킬 때, 가장 얇은 두께인 500㎚에서 광흡수율의 향상이 가장 크게 나타났다. 구체적으로, 500㎚에서 마이크로 PMMA 콘 구조체에 의한 흡수율 상승은 17.2%이고 마이크로 PMMA 쉘 구조체에 의한 흡수율 상승은 13.7%였다. 이러한 결과로부터, 마이크로 폴리머 쉘 구조체 또는 마이크로 폴리머 콘 구조체는 박막을 갖는 태양전지에 적용하는 것이 바람직할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 일반적으로 얇은 두께를 갖는 비정질 반도체 또는 다결정 반도체 태양전지에 마이크로 폴리머 쉘 구조체 또는 마이크로 폴리머 콘 구조체를 적용하는 경우 효율의 큰 향상을 이룰 수 있을 것으로 추정되었다.
도 22는 500㎚의 Ag층을 적용한 실리콘 기판, 이의 상부에 마이크로 PMMA 쉘 구조체, 및 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우, 500㎚의 파장에서 태양광의 입사각에 따른 광흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 22를 참조하면, 폴리머 구조체를 적용하지 않은 경우 광입사각이 커질수록 광흡수율은 낮아지는 것을 알 수 있다. 그러나, 마이크로 PMMA 쉘 구조체 및 마이크로 PMMA 콘 구조체를 적용한 경우, 광흡수율은 약 80% 정도로 일정한 것을 알 수 있다. 이로부터, PMMA 쉘 구조체 또는 PMMA 콘 구조체를 적용하는 경우에는 광입사각에 상관없이 즉, 낮 시간대에 태양의 위치에 상관없이 높은 흡수율을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 특정 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
Claims (43)
- 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층; 및
상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치된 반사방지 구조체를 포함하되,
상기 반사방지 구조체는 다면체 돌출부를 구비하고,
상기 다면체 돌출부는 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁고, 측면에 다수개의 다각면들을 갖고, 상기 다각면들이 상기 반사방지 구조체의 하부면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들고, 상기 다면체 돌출부는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 갖는 태양전지. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 다면체 돌출부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 중 적어도 어느 하나가 마이크로 사이즈를 갖는 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 다면체 돌출부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 갖는 태양전지. - 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층; 및
상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치된 반사방지 구조체를 포함하되,
상기 반사방지 구조체는 다면체 오목부를 구비하고,
상기 다면체 오목부는 상부 폭에 비해 하부 폭이 좁고, 상기 다면체 오목부의 측면에는 다수개의 다각면들이 노출되고, 상기 다각면들이 상기 반사방지 구조체의 하부면과 이루는 각은 하부로 갈수록 줄어들고, 상기 다면체 오목부는 그의 최하부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 갖는 태양전지. - 삭제
- 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 다면체 오목부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 중 적어도 어느 하나가 마이크로 사이즈를 갖는 태양전지. - 제6항에 있어서,
상기 다면체 오목부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 갖는 태양전지. - 제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 반사방지 구조체는 폴리머 반사방지 구조체 또는 글라스 반사방지 구조체인 태양전지. - 제11항에 있어서,
상기 폴리머 반사방지 구조체는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethyl Methacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)인 태양전지. - 제11항에 있어서,
상기 글라스 반사방지 구조체는 봉규산 글라스(borosilicate glass), 소다라임 글라스(soda-lime glass), 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass), 또는 SOG(Spin On Glass)인 태양전지. - 제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 반사방지 구조체는 봉지층(encapsulation layer)인 태양전지. - 제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 반사방지 구조체는 상기 제2 반도체층의 굴절율과 공기의 굴절율 사이의 굴절율을 갖는 태양전지. - 제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층은 실리콘 반도체층들, 게르마늄 반도체층들, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층들, 또는 유기반도체층들인 태양전지. - 제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들은 비정질 반도체층들 또는 다결정 반도체층들인 태양전지. - 제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층 하부에 반사막을 더 포함하는 태양전지. - 제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 제2 도전형 반도체층과 상기 반사방지 구조체 사이에 반사방지막을 더 포함하는 태양전지. - 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들을 갖는 다수 개의 다면체 돌출부들을 구비하는 몰드를 제공하는 단계;
상기 몰드 상에 상기 다면체 돌출부들을 덮는 구조체 재료층을 형성하는 단계; 및
상기 구조체 재료층을 상기 몰드로부터 분리하여 상기 다면체 돌출부들에 대응하는 다면체 오목부들을 구비하는 쉘 구조체를 얻는 단계를 포함하되,
상기 몰드를 제공하는 단계는,
결정성 기판을 제공하는 단계;
상기 결정성 기판을 식각하여 필라를 형성하는 단계; 및
상기 필라 상에 반도체층을 에피택셜하게 성장시켜 상기 다면체 돌출부를 형성하는 단계를 포함하는 반사방지 구조체 제조방법. - 제20항에 있어서,
상기 구조체 재료층은 폴리머층 또는 글라스층인 반사방지 구조체 제조방법. - 제21항에 있어서,
상기 폴리머층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)층, PMMA(Polymethyl Methacrylate)층, 또는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)층인 반사방지 구조체 제조방법. - 제21항에 있어서,
상기 글라스층은 봉규산 글라스(borosilicate glass)층, 소다라임 글라스(soda-lime glass)층, 규산알루미늄 글라스(aluminum silicate glass)층, 또는 SOG(Spin On Glass)층인 반사방지 구조체 제조방법. - 제20항에 있어서,
상기 구조체 재료층은 제1 구조체 재료층이고,
상기 쉘 구조체 상에 상기 다면체 오목부들을 채우는 제2 구조체 재료층을 형성하는 단계; 및
상기 제2 구조체 재료층을 상기 쉘 구조체로부터 분리하여 상기 다면체 오목부들에 대응하는 다면체 돌출부들을 구비하는 콘 구조체를 얻는 단계를 포함하는 반사방지 구조체 제조방법. - 제24항에 있어서,
상기 제1 구조체 재료층은 폴리머층 또는 세라믹층이고,
상기 제2 구조체 재료층은 폴리머층인 반사방지 구조체 제조방법. - 제24항에 있어서,
상기 제1 구조체 재료층은 글라스층 또는 세라믹층이고,
상기 제2 구조체 재료층은 글라스층인 반사방지 구조체 제조방법. - 삭제
- 제20항에 있어서,
상기 반도체층을 에피택셜하게 성장시키기 전에,
상기 필라를 수소 어닐링하는 것을 더 포함하는 반사방지 구조체 제조방법. - 제20항에 있어서,
상기 필라를 식각하는 것은 이방성 식각법을 사용하는 반사방지 구조체 제조방법. - 제29항에 있어서,
상기 필라를 식각하는 것은 상기 이방성 식각법을 수행한 후 등방성 식각법을 수행하는 반사방지 구조체 제조방법. - 제20항에 있어서,
상기 반도체층은 실리콘층인 반사방지 구조체 제조방법. - 제20항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 단결정 기판인 반사방지 구조체 제조방법. - 제32항에 있어서,
상기 기판은 <100> 방향, <110> 방향, 또는 <111> 방향으로 성장된 기판인 반사방지 구조체 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 하부 폭에 비해 상부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들을 갖는 다면체 돌출부를 구비하는 반사방지 구조체이되,
상기 다각면들이 상기 반사방지 구조체의 하부면과 이루는 각은 상부로 갈수록 줄어들고, 상기 다면체 돌출부는 그의 최상부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 갖는 반사방지 구조체. - 삭제
- 제37항에 있어서,
상기 다면체 돌출부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 갖는 반사방지 구조체. - 상부 폭에 비해 하부 폭이 좁고 측면에 다수개의 다각면들이 노출된 다면체 오목부를 구비하는 반사방지 구조체이되,
상기 다각면들이 상기 반사방지 구조체의 하부면과 이루는 각은 하부로 갈수록 줄어들고, 상기 다면체 오목부는 그의 최하부에 뾰족한 꼭지점 또는 모서리를 갖는 반사방지 구조체. - 삭제
- 제40항에 있어서,
상기 다면체 오목부는 가로폭, 세로폭, 및 높이 모두가 마이크로 사이즈를 갖는 반사방지 구조체. - 제37항 또는 제40항에 있어서,
상기 반사방지 구조체는 폴리머 또는 글라스인 반사방지 구조체인 반사방지 구조체.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140090633A KR101530486B1 (ko) | 2014-07-17 | 2014-07-17 | 다면체 돌출부 또는 다면체 오목부를 구비하는 반사방지 구조체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 태양전지 |
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2014
- 2014-07-17 KR KR1020140090633A patent/KR101530486B1/ko active IP Right Grant
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