KR101541108B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
태양전지 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101541108B1 KR101541108B1 KR1020140041802A KR20140041802A KR101541108B1 KR 101541108 B1 KR101541108 B1 KR 101541108B1 KR 1020140041802 A KR1020140041802 A KR 1020140041802A KR 20140041802 A KR20140041802 A KR 20140041802A KR 101541108 B1 KR101541108 B1 KR 101541108B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- layer
- light
- electrode layer
- buffer layer
- forming
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 46
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 23
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 16
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 claims description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 141
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 10
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 10
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000010408 film Substances 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 7
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 6
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 6
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N cadmium oxide Inorganic materials [Cd]=O CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Cd+2] CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 4
- SKRWFPLZQAAQSU-UHFFFAOYSA-N stibanylidynetin;hydrate Chemical compound O.[Sn].[Sb] SKRWFPLZQAAQSU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N zinc indium(3+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[Zn++].[In+3] YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920012266 Poly(ether sulfone) PES Polymers 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- NPNMHHNXCILFEF-UHFFFAOYSA-N [F].[Sn]=O Chemical compound [F].[Sn]=O NPNMHHNXCILFEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- BEQNOZDXPONEMR-UHFFFAOYSA-N cadmium;oxotin Chemical compound [Cd].[Sn]=O BEQNOZDXPONEMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000001548 drop coating Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 238000001127 nanoimprint lithography Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 238000000054 nanosphere lithography Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
본 발명의 태양전지에 따르면, 업컨버전 입자를 포함하는 광변환층과 다수의 돌기 형태의 미세패턴을 갖는 후면전극층을 구비함으로써 입사된 태양광 중에서 흡수되지 못한 장파장의 빛을 흡수가 가능한 단파장의 빛으로 변환할 수 있고, 광변환층의 전면과 후면에 버퍼층 및 절연막층을 더 포함하여 광변환층의 발광 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 이러한 구조의 태양전지는 광 손실이 낮아 우수한 광전변환효율을 나타낸다.
Description
본 발명은 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 업컨버전 나노입자를 포함하는 광변환층과 미세패턴을 포함하는 후면전극층을 구비하여 광손실을 줄임으로써 우수한 광전환효율을 갖는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 지구환경문제와 기존 에너지 자원의 고갈 문제 그리고 원자력 발전의 폐기물 처리 및 안전성 문제로 인하여 신재생 에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 및 자원이 풍부한 태양광발전에 대한 연구 개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.
태양전지(solar cell)는 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지 내부에서 전자와 정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자와 정공은 임의의 방향으로 확산하다가 태양전지 내부에 형성된 내부전계에 의해 전자와 정공으로 분리되고, 각각의 전극으로 이동 및 수집되어 전력을 생산하게 된다.
이러한 태양전지의 효율을 높이기 위한 다양한 연구개발이 진행되고 있으며, 현재까지 보고된 바에 의하면, 실리콘 옥사이드를 함유하는 돌기들이 형성된 기판과 돌기들을 덮는 후면전극층을 포함하는 태양전지에 관한 기술이 공지되어 있고(특허 문헌 1), 후면전극층으로 입사된 빛의 파장을 변화시키는 파장변환부를 포함하는 태양전지에 관한 기술이 공지되어 있으나(특허 문헌 2), 이를 이용한 후면전극층은 발광 세기가 상당히 낮기 때문에 실용화하는데 문제가 있다.
이에 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 금속 나노패턴을 통하여 업컨버전 입자의 발광세기를 증가 시킨 기술이 공지되어 있으나(비특허 문헌 1), 발광 세기가 최대 310 배 증가된 정도에 불과하므로 실용화하는데 여전히 문제가 있다.
비특허 문헌 1. Adv. Mater, Vol. 24, OP236-OP241 (2012)
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 업컨버전 입자를 포함하는 광변환층과 미세패턴을 포함하는 후면전극층을 구비함으로써, 광흡수층에서 흡수하지 못하는 장파장의 빛을 단파장의 빛으로 변환하므로 광 손실을 저해하고, 광전환효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 전면전극층; 상기 전면전극층 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 업컨버전 입자를 포함하는 광변환층; 상기 광변환층 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성된 후면전극층; 및 상기 후면전극층 후면에 형성된 다수의 돌기 형태의 미세패턴;을 포함하는 태양전지를 제공한다.
상기 광흡수층과 광변환층 사이에 절연막층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 버퍼층과 절연막층은 SiOx, SiNx, SiOxNy 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.
상기 절연막층의 두께는 1 내지 100 nm인 것을 특징으로 한다.
상기 버퍼층의 두께는 30 내지 1000 nm인 것을 특징으로 한다.
상기 광변환층은 Er3 +이 도핑된 NaYF3 나노입자, Yb3 +, Ho3 +이 도핑된 Y2BaZnO5 나노입자 및 Ln3 +이 도핑된 LiYF3 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 특징으로 한다.
상기 미세패턴을 형성하는 돌기들은 구형, 반구형, 다각기둥형 및 다각뿔형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 후면전극층은 Ag, Au, Pt, Ti, Ga, In, Cr, Ni, W, Cu, Co, Mn, Fe, Mo, Ta 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 태양전지를 제조하기 위한 제조방법으로서, Ⅰ) 기판 상에 전면전극층을 형성하는 단계, Ⅱ) 상기 전면전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계, Ⅲ) 광흡수층 상에 업컨버전 나노입자를 스핀코팅하여 광변환층을 형성하는 단계, Ⅳ) 광변환층 상에 버퍼층을 적층하는 단계 및 Ⅴ) 버퍼층 상에 다수의 돌기 형태의 미세패턴을 갖는 후면전극층을 형성하는 단계,를 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 Ⅱ) 단계와 Ⅲ) 단계 사이에 Ⅱ-ⅰ) 상기 광흡수층 상에 절연막층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 Ⅴ) 버퍼층 상에 다수의 돌기 형태의 미세패턴을 갖는 후면전극층을 형성하는 단계는 Ⅴ-ⅰ) 상기 버퍼층 상에 나노구형 입자를 압착하여 예비 미세패턴을 형성하는 단계, Ⅴ-ⅱ) 상기 나노구형 입자를 포함하는 예비 미세패턴 상에 버퍼층을 증착하는 단계, Ⅴ-ⅲ) 상기 예비 미세패턴으로부터 상기 나노구형 입자를 분리하여 미세패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 나노구형 입자는 구형의 고분자 또는 세라믹 입자인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 태양전지에 따르면, 업컨버전 입자를 포함하는 광변환층과 다수의 돌기 형태의 미세패턴을 갖는 후면전극층을 구비함으로써 입사된 태양광 중에서 흡수되지 못한 장파장의 빛을 흡수가 가능한 단파장의 빛으로 변환할 수 있고, 광변환층의 전면과 후면에 버퍼층 및 절연막층을 더 포함함으로써 광변환층의 발광 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 이러한 구조의 태양전지는 광 손실이 낮아 우수한 광전변환효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따른 태양전지 내부에 구비되는 구조체의 광발광 스펙트럼(photoluminescence, PL)이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따른 태양전지 내부에 구비되는 구조체의 광발광 스펙트럼(photoluminescence, PL)이다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따른 태양전지 내부에 구비되는 구조체의 광발광 스펙트럼(photoluminescence, PL)이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따른 태양전지 내부에 구비되는 구조체의 광발광 스펙트럼(photoluminescence, PL)이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지 및 이의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 태양전지는 기판(110), 상기 기판(110) 상에 형성된 전면전극층(120), 상기 전면전극층(120) 상에 형성된 광흡수층(130), 상기 광흡수층(130) 상에 형성된, 업컨버전 입자를 포함하는 광변환층(150), 상기 광변환층(150) 상에 형성된 버퍼층(160), 상기 버퍼층(160) 상에 형성된 후면전극층(180) 및 상기 후면전극층(180) 후면에 형성된 다수의 돌기 형태의 미세패턴(170)을 포함한다. 이러한 태양전지의 구조는 도 1 및 도 2에 나타내었다.
여기서, 기판(110)은 광을 투과할 수 있는 투명한 재질이면 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드 또는 폴리에테르술폰(PES)일 수 있다.
전면전극층(120)은 상기 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 상기 전면전극층(120)은 광을 투과할 수 있는 도전성 재질이면 이에 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 불소 주석 산화물(fluorine tin oxide, FTO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물(tin oxide, TO), 안티몬 아연 산화물(antimony tin oxide, ATO), 아연 산화물(zinc oxide), 알루미늄 도핑된 아연 산화물(Al-doped ZnO), 카드뮴 산화물(CdO), 카드뮴 주석 산화물(CdSnO4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 것일 수 있다.
광흡수층(130)은 상기 전면전극층(120) 상에 배치될 수 있다. 광흡수층(130)은 비정질 실리콘 계열, 화합물 계열, 유기물 계열 및 염료 감응형 태양전지와 같은 박막형 태양광 모듈을 형성할 수 있는 광전변환 물질을 포함할 수 있다. 화합물 계열로는 CIGS(CuInGaSe2), CdTe, CIS(CuInSe2), CZTS(Cu2ZnSnS4) 등이 사용될 수 있다. 또한, 광흡수층(130)은 단일 층 또는 복수개의 층으로 이루어질 수 있다. 상기 광흡수층(130)은 적층된 두 개의 층을 포함하거나 세 개의 층을 포함할 수 있다. 상기 적층된 각각의 층은 광전변환을 수행하는 기본 단위 층을 의미한다.
광변환층(150)은 상기 광흡수층(130) 상에 배치될 수 있다. 광변환층(150)은 장파장의 빛을 단파장으로 변환시킬 수 있는 업컨버전 나노입자이면 이에 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 Er3+이 도핑된 NaYF3 나노입자, Yb3+, Ho3+이 도핑된 Y2BaZnO5 나노입자, 및 Ln3+이 도핑된 LiYF3 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 사용할 수 있다. 광변환층(150)은 태양전지에 입사되는 장파장(800 내지 2000 nm)의 빛을 흡수하여 단파장(400 내지 800 nm)의 빛으로 변환하여 태양전지의 광전환효율을 향상시키는 역할을 한다.
이때, 상기 광흡수층(130)과 상기 광변환층(150) 사이에 절연막층(140)을 더 포함할 수 있다. 절연막층(140)은 SiOx, SiNx, SiOxNy 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있다. 또한, 절연막층(140)은 단일 층 또는 복수개의 층으로 이루어질 수 있다.
절연막층(140)은 1 내지 100 nm의 두께로 형성될 수 있다.
버퍼층(160)은 상기 광변환층(150) 상에 배치될 수 있다. 버퍼층(160)은 SiOx, SiNx, SiOxNy 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 SiNx일 수 있다. 또한, 버퍼층(160)은 단일 층 또는 복수개의 층으로 이루어질 수 있다.
상기 버퍼층(160)은 30 내지 1000 nm의 두께로 형성될 수 있는데, 버퍼층(160)의 두께가 30 nm 미만일 경우 발광세기가 충분히 나타나지 않으며 버퍼층(160)의 두께가 1000 nm를 초과할 경우 태양전지의 전체 두께가 증가되어 생산성 증가효과를 충분히 얻을 수 없다는 문제가 발생할 수 있다.
후면전극층(180)은 버퍼층(160) 상에 배치될 수 있다. 여기서, 미세패턴(170)은 후면전극층(180)의 후면에 배치될 수 있다. 미세패턴(170)은 표면 플라즈몬 공명 효과를 유도하여 광 산란을 확대하므로 광 트랩(light trapping) 효과를 증대시킬 수 있기 때문에, 이를 포함하는 태양전지의 광전환효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 미세패턴(170)은 다수의 돌기(171) 형태일 수 있다. 여기서 돌기(171)는 구형, 반구형 다각기둥 및 다각뿔 형태로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 형태를 가지거나, 그리드 패턴으로 형성될 수 있다. 이때, 미세패턴은 종래와 같은 전극층에 텍스쳐링 공정을 통해 다수의 요철을 형성하는 경우보다 전극층의 손상을 줄일 수 있어, 종래보다 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 미세패턴(170)은 후면전극층(180)과 동일한 재질로 형성될 수 있다. 즉, Ag, Au, Pt, Ti, Ga, In, Cr, Ni, W, Cu, Co, Mn, Fe, Mo, Ta 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 Ag일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정도로, 이를 참고로 하여, 이러한 구조를 갖는 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 대하여 설명한다.
먼저, 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드 또는 폴리에테르술폰(PES)와 같은 투명한 재질로 이루어진 기판(110)을 준비하기 위해, 사용 직전에 세정공정을 거치며, 아세톤, 알코올, 및 이들의 혼합 용액에 담근 후 초음파 세정을 실시할 수 있다.
상기 기판(110) 상에 전면전극층(120)을 형성한다. 전면전극층(120)은 전면전극 형성용 페이스트를 기판(110) 상에 도포한 후 열처리하여 형성하거나 스퍼터링 공정 등을 이용한 증착법 또는 도금법 등의 공정을 통해 형성될 수 있다. 이때, 전면전극층(120)은 광을 투과할 수 있는 도전성 재질이면 이에 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 불소 주석 산화물(fluorine tin oxide, FTO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물(tin oxide, TO), 안티몬 아연 산화물(antimony tin oxide, ATO), 아연 산화물(zinc oxide), 알루미늄 도핑된 아연 산화물(Al-doped ZnO), 카드뮴 산화물(CdO), 카드뮴 주석 산화물(CdSnO4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 것일 수 있다.
다음, 광흡수층(130)은 플라즈마화학기상증착법(PECVD)과 같은 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 전면전극층(120) 상에 형성될 수 있다. 광흡수층(130)은 비정질 실리콘 계열, 화합물 계열, 유기물 계열 및 염료 감응형 태양전지와 같은 박막형 태양광 모듈을 형성할 수 있는 광전변환 물질을 포함할 수 있다. 화합물 계열로는 CIGS(CuInGaSe2), CdTe, CIS(CuInSe2), CZTS(Cu2ZnSnS4) 등이 사용될 수 있다. 또한, 광흡수층(120)은 앞서 설명한 바와 같이 단일층 또는 복수개의 층을 가질 수 있다.
이어서, 광흡수층(130) 상에 광변환층(150)을 형성한다. 광변환층(150)은 장파장(800 내지 2000 nm)의 빛을 흡수하여 단파장(400 내지 800 nm)의 빛으로 변환할 수 있는 나노입자를 광흡수층(130) 상에 스핀코팅하여 형성될 수 있다. 광변환층(150)은 Er3 +이 도핑된 NaYF3 나노구조체, Yb3 +, Ho3 +이 도핑된 Y2BaZnO5, 및 Ln3 +이 도핑된 LiYF3 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 것일 수 있다.
이때, 광흡수층(130) 상에 광변환층(150)을 형성하기 전에 절연막층(140)을 더 형성하여 전기적 단락을 방지할 수 있다. 상기 절연막층(140)은 플라즈마화학기상증착법(PECVD)와 같은 화학기상증착법(CVD)를 이용하여 광흡수층(120) 상에 형성될 수 있다. 상기 절연막층(140)은 SiOx, SiNx, SiOxNy 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있으며, 절연막층(140)의 두께는 1 내지 100 nm일 수 있다.
다음, 버퍼층(160)은 광변환층(150) 상에 플라즈마화학기상증착법(PECVD)과 같은 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 형성될 수 있으며, 이때, SiOx, SiNx, SiOxNy 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 SiNx일 수 있다.
다음 단계는 버퍼층(160) 상에 다수의 돌기 형태의 미세패턴(170)을 갖는 후면전극(180)층을 형성하는 단계로, 도 3a 내지 3e를 참조하면, 나노 임프린트 리소그래피(nano-imprint lithography) 또는 나노 입자 리소그래피(nano sphere lithography) 공정을 이용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 버퍼층(160) 상에 나노구형 입자(172)를 도포한다(도 3b 참조). 상기 나노구형 입자(172)는 입자 직경의 크기가 100 내지 500 nm인 구형의 고분자(폴리스티렌) 또는 세라믹(실리카) 입자인 것이 바람직하며, 이를 용액화하여 기판 상에 스핀 코팅 또는 드롭 코팅등과 같은 방법으로 도포하여 잘 정렬된 나노구형 입자를 단층으로 형성할 수 있다.
다음, 반응성 이온 에칭(RIE : reactive ion ehcning)을 통해 상기 나노구형 입자(172)의 크기를 감소시킨 후, 버퍼층(160)을 플라즈마화학기상증착법(PECVD)과 같은 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 추가 적층하여 예비 미세패턴을 형성한다(도 3c 참조). 이때, 형성된 버퍼층의 전체 두께는 30 내지 1000 nm일 수 있다.
상기 예비 미세패턴으로부터 나노구형 입자(172)를 제거하여 미세패턴(170)을 형성한다(도 3d 참조). 형성된 미세패턴(170)에 도전성이 좋은 금속 물질을 열 증착(thermal evaporation)하여 미세패턴(170)을 포함하는 후면전극층(180)을 형성할 수 있다(도 3e 참조).
상기 후면전극층(180)과 미세패턴(170)을 형성하는 도전성이 좋은 금속 물질은 Ag, Au, Pt, Ti, Ga, In, Cr, Ni, W, Cu, Co, Mn, Fe, Mo, Ta 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
실시예
1.
1 cm × 1 cm 유리기판을 준비하고, 세정 공정을 거친 후, 광변환층을 형성하기 위하여 우선, β-NYGF:Yb,Er/β-NaGdF4 코어/쉘 구조를 갖는 나노입자를 스핀 코팅하여 균일한 단일층을 형성하였다.
다음으로 광변환층 상에 버퍼층 형성하기 위하여, 100 ℃ 조건 하에서 SiNx을 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통해 상기 광변환층 상에 적층하였다.
다음으로 다수의 돌기 형태의 미세패턴을 갖는 후면전극층을 형성하기 위하여, 500 nm 폴리스티렌 나노구형 입자를 버퍼층 상에 균일한 단층으로 형성하고, 반응성 이온 에칭(RIE : reactive ion etching)을 통해 나노구형 입자의 크기를 감소시켰다. 이후 상온 하에서 SiNx을 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통해 상기 나노구형 입자 상에 적층한 후, 폴리스티렌 나노구형 입자를 제거하였다. 이때, 적층된 버퍼층의 전체 두께는 30 nm이다.
상기 나노구형 입자가 제거된 버퍼층 상에 Ag를 열 증착(Thermal Evaporation) 방법으로 증착하여 300 nm의 두께를 갖는 후면전극층을 형성하였다.
실시예
2.
버퍼층의 전체 두께가 40 nm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하였다.
비교예
1.
버퍼층의 전체 두께가 10 nm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하였다.
비교예
2.
버퍼층의 두께가 20 nm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하였다.
도 4 및 도 5는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따른 태양전지 내부에 구비되는 구조체의 광발광 스펙트럼(photoluminescence, PL)으로, 상기 광발광 스펙트럼은 970 nm 근적외선을 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따른 태양전지 내부에 구비되는 구조체에 입사하였을 때 변환되어 방출되는 543 nm 파장대의 광세기를 측정한 발광 스펙트럼 측정 결과이다.
도 4 및 도 5를 참고로 하면, 실시예 1 및 2의 태양전지 내에 구비되는 구조체는 비교예 1 및 2의 태양전지 내에 구비되는 구조체에 비해 현저하게 향상된 발광 성능을 갖고 있음을 확인 할 수 있다. 따라서, 업컨버전 입자를 포함하는 광변환층과 미세패턴을 포함하는 후면전극층의 광변환효율을 증가시키기 위해서는 버퍼층의 두께가 30 nm를 초과하는 것이 가장 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1 및 2의 태양전지 내에 구비되는 구조체는 종래 업컨버전 입자를 포함하는 구조체에 비해 발광세기가 약 800 배 정도 우수함을 확인할 수 있다.
110 : 기판 120 : 전면전극층
130 : 광흡수층 140 : 절연막층
150 : 광변환층 160 : 버퍼층
170 : 미세패턴 171 : 돌기
172 : 나노구형 입자 180 : 후면전극층
130 : 광흡수층 140 : 절연막층
150 : 광변환층 160 : 버퍼층
170 : 미세패턴 171 : 돌기
172 : 나노구형 입자 180 : 후면전극층
Claims (12)
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 전면전극층;
상기 전면전극층 상에 형성된 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 광변환층;
상기 광변환층 상에 형성된 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 형성된 후면전극층; 및
상기 후면전극층의 두 면 중 기판과 가까운 면에 형성된 다수의 돌기 형태의 미세패턴;을 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 광흡수층과 광변환층 사이에 절연막층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 버퍼층과 절연막층은 SiOx, SiNx, SiOxNy 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제2항에 있어서,
상기 절연막은 1 내지 100 nm 두께를 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 버퍼층은 30 내지 1000 nm 두께를 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 광변환층은 Er3 +이 도핑된 NaYF3 나노입자, Yb3 +, Ho3 +이 도핑된 Y2BaZnO5 나노입자 및 Ln3 +이 도핑된 LiYF3 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 미세패턴을 형성하는 돌기들은 구형, 반구형, 다각기둥형 및 다각뿔형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 형태인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 후면전극층은 Ag, Au, Pt, Ti, Ga, In, Cr, Ni, W, Cu, Co, Mn, Fe, Mo, Ta 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 따른 태양전지를 제조하기 위한 제조방법으로서,
Ⅰ) 기판 상에 전면전극층을 형성하는 단계;
Ⅱ) 상기 전면전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계;
Ⅲ) 광흡수층 상에 업컨버전 나노입자를 스핀코팅하여 광변환층을 형성하는 단계;
Ⅳ) 광변환층 상에 버퍼층을 적층하는 단계; 및
Ⅴ) 버퍼층 상에 다수의 돌기 형태의 미세패턴을 갖는 후면전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 Ⅱ) 단계와 Ⅲ) 단계 사이에 Ⅱ-ⅰ) 상기 광흡수층 상에 절연막층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 Ⅴ) 다수의 돌기 형태의 미세패턴을 갖는 후면전극층을 형성하는 단계는 Ⅴ-ⅰ) 상기 버퍼층 상에 나노구형 입자를 압착 또는 증착한 후 버퍼층을 적층하여 예비 미세패턴을 형성하는 단계; Ⅴ-ⅱ) 상기 나노구형 입자를 포함하는 예비 미세패턴 상에 버퍼층을 증착하는 단계; Ⅴ-ⅲ) 상기 예비 미세패턴으로부터 상기 나노구형 입자를 분리하여 미세패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 나노구형 입자는 구형의 고분자 또는 세라믹 입자인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140041802A KR101541108B1 (ko) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140041802A KR101541108B1 (ko) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101541108B1 true KR101541108B1 (ko) | 2015-07-31 |
Family
ID=53877412
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140041802A KR101541108B1 (ko) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101541108B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102661310B1 (ko) | 2021-08-19 | 2024-04-29 | 경희대학교 산학협력단 | 준주기성 금속나노구조를 포함하는 상향변환 플라즈모닉 구조체 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120137944A (ko) * | 2011-06-13 | 2012-12-24 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
| JP2013046000A (ja) * | 2011-08-26 | 2013-03-04 | Toyota Motor Corp | 量子ドット配列材料並びにこれを用いた光電変換素子及び波長変換素子 |
| JP2013521634A (ja) * | 2010-03-15 | 2013-06-10 | 海洋王照明科技股▲ふん▼有限公司 | 有機太陽電池及びその製造方法 |
| KR20130070461A (ko) * | 2011-12-19 | 2013-06-27 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
-
2014
- 2014-04-08 KR KR1020140041802A patent/KR101541108B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013521634A (ja) * | 2010-03-15 | 2013-06-10 | 海洋王照明科技股▲ふん▼有限公司 | 有機太陽電池及びその製造方法 |
| KR20120137944A (ko) * | 2011-06-13 | 2012-12-24 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
| JP2013046000A (ja) * | 2011-08-26 | 2013-03-04 | Toyota Motor Corp | 量子ドット配列材料並びにこれを用いた光電変換素子及び波長変換素子 |
| KR20130070461A (ko) * | 2011-12-19 | 2013-06-27 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102661310B1 (ko) | 2021-08-19 | 2024-04-29 | 경희대학교 산학협력단 | 준주기성 금속나노구조를 포함하는 상향변환 플라즈모닉 구조체 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101220304B1 (ko) | 태양전지용 상향변환 산화물 형광체 조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법 | |
| US9583655B2 (en) | Method of making photovoltaic device having high quantum efficiency | |
| TW201135949A (en) | Holey electrode grids for photovoltaic cells with subwavelength and superwavelength feature sizes | |
| US20130192663A1 (en) | Single and multi-junction light and carrier collection management cells | |
| WO2012055302A1 (zh) | 电极及其制造方法 | |
| Hsueh et al. | Crystalline-Si photovoltaic devices with ZnO nanowires | |
| Zhu et al. | Piezo-phototronic and pyro-phototronic effects to enhance Cu (In, Ga) Se 2 thin film solar cells | |
| Chen et al. | Three-dimensional radial junction solar cell based on ordered silicon nanowires | |
| KR20110092023A (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101206758B1 (ko) | 이종 적층형 박막 태양전지 및 그 제조방법 | |
| KR101541108B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| Barzic | Practices to enhance conversion efficiencies in solar cell | |
| KR101237369B1 (ko) | 효율 향상 구조를 갖는 태양전지 및 그 제조 방법 | |
| Patel et al. | A study of the optical properties of wide bandgap oxides for a transparent photovoltaics platform | |
| KR20120036115A (ko) | 플렉서블 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR20110036220A (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101120009B1 (ko) | 나노 돌기를 갖는 태양 전지 및 이의 제조 방법 | |
| KR102588434B1 (ko) | 창문에 적용될 수 있는 투명히터 및 이의 제조방법 | |
| KR20120028061A (ko) | 태양전지의 제조방법 | |
| KR101628957B1 (ko) | 패터닝된 그리드전극과 이를 적용한 박막 태양전지 및 이들의 제조방법 | |
| KR101856212B1 (ko) | 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 | |
| KR101203917B1 (ko) | 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법 | |
| TWI424583B (zh) | 薄膜太陽能電池的製造方法 | |
| KR101621551B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101117265B1 (ko) | 태양전지 기판 및 태양전지 기판 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180703 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190702 Year of fee payment: 5 |