KR101658534B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지는 기판상에 형성된 투명도전층; 상기 투명도전층 상에 형성되고, 다수 개의 나노막대로 구성된 광전변환층패턴; 상기 광전변환층패턴의 다수 개의 나노막대 상부에 형성된 배면반사층패 턴; 상기 광전환변환층패턴 및 투명도전층 상에 형성된 절연막패턴; 및 상기 절연막패턴을 포함한 배면반사층패턴 상에 형성된 배면전극 층;을 포함한다.
투명도전층, 광전변환층, 배면반사층, 배면전극, 나노막대
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고효율, 저비용 및 대면적화가 가능한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 태양광을 직접 전기로 변화시키는 태양광 발전의 핵심 소자로 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 그 응용 범위가 매우 넓다.
이러한 태양전지는 기본적으로 pn 접합으로 구성된 다이오드로서 그 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
태양전지의 pn 접합에 반도체의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 이들 전자-전공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동함에 따라 pn간에 광기전력이 발생하게 되는데, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.
태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양하게 구분되는데, 광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 실리콘계 태양전지가 대표적이다.
실리콘계 태양전지는 기판형[단결정(single crystal), 다결정(poly crystal)] 태양전지와, 박막형[비정질(amorphous), 다결정(poly crystal)] 태양전지로 구분된다.
이외에도 태양전지의 종류에는 CdTe나 CIS(CuInSe2)의 화합물 박막 태양 전지, Ⅲ-Ⅴ족 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 태양전지 등을 들 수 있다.
단결정 실리콘 기판형 태양전지는 다른 종류의 태양전지에 비해서 변환 효율이 월등히 높다는 장점이 있긴 하지만 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용함에 따라 제조단가가 높다는 치명적인 단점이 있다.
다결정 실리콘 기판형 태양전지 역시 단결정 실리콘 기판형 태양전지보다는 제조 단가가 저렴할 수 있지만, 벌크 상태의 원재료로부터 태양전지를 만드는 점은 단결정 실리콘 기판형 태양전지와 다를 바 없기 때문에, 원재료비가 비싸고 공정 자체가 복잡하여 제조단가 절감에 한계가 있을 수 밖에 없다.
이와 같은 기판형 태양전지의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 유리와 같은 기판위에 광흡수층인 실리콘을 박막 형태로 증착하여 사용함으로써 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 박막형 실리콘 태양전지가 주목을 받고 있다.
박막형 실리콘 태양전지는 기판형 실리콘 태양전지의 두께보다 매우 작은 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다.
박막형 실리콘 태양전지 중 가장 처음 개발되고 현재 주택용 등에 보급되기 시작한 것이 비정질 실리콘 박막형 태양전지이다. 비정질 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘을 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)법에 의해 형성할 수 있어 서 대량 생산에 적합하고 제조 단가가 저렴한 대신에 비정질 실리콘 내에 다량으로 존재하는 실리콘 원자의 댕글링 본드(dnagling bond) 때문에 변환효율이 기판형 실리콘 태양전지에 비해 너무 낮다는 문제점이 있다.
또한, 상기 비정질 실리콘 태양전지는 수명이 비교적 짧고 사용함에 있어 효율이 감소하는 열화 현상이 나타나는 문제점이 있다.
이러한 비정질 실리콘 태양전지의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것이 광학적 밴드갭이 서로 다른 복수 개의 셀을 2단 내지 3단 적층시킨 다중 구조, 이른바 텐덤(Tandem) 구조의 태양전지이다. 텐덤 구조의 실리콘 태양전지는 폭 넓은 광 스펙트럼 영역을 분할하여 수광함으로써 광전 변환 효율이 향상되고 광 열화 현상에 기인한 광전 변환 특성의 저하를 어느 정도 방지할 수 있다.
이러한 특성을 갖는 2단 내지 3단 적층시킨 템덤 구조의 박막 태양전지 제작시에 하부층으로 들어 가는 투명전도막의 재료는 산화아연(ZnO) 계열, 산화주석 (SnO2) 계열의 재료를 n 형으로 만들 수 있는 물질을 도핑하여 전기전도도를 최대한 높이면서, 빛이 흡수층으로 최대한 입사될 수 있도록 투과도가 높은 물질을 이용하는 기술이 제안되었다.
이러한 관점에서, 종래기술에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법에 대해 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술에 따른 박막 태양전지 구조의 개략적으로 나타낸 단면도이다.
종래기술에 따른 박막 태양전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(11)상에 형성된 투명 도전층(13)과; 상기 투명 도전층(13)상에 형성되고 p-i-n 구조의 비정질 실리콘층으로 구성된 반도체층(15)과; 배면반사층(17) 및 배면금속층(19)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 투명 도전층(13)은 산화 아연(ZnO)의 재질로 구성되어 있으며, 상기 반도체층(15)은 p형 비정질실리콘층(15p), 진성 비정질실리콘층(15i) 및 n형 불순물 비정질실리콘층(15n)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 배면반사층(17)은 상기 투명도전층(13) 재질과 동일한 물질로 구성되어 있으며, 상기 배면금속층(19)은 Ag 와 같은 금속물질로 구성된다.
이러한 구성으로 이루어진 종래기술에 따른 태양전지 제조방법에 대해 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 기판(11) 상에 산화아연(ZnO)을 스퍼터링방법으로 증착하여 투명 도전층(13)을 형성한다.
그 다음, 상기 투명도전층(13) 상에 화학기상증착법을 이용하여 3층의 비정질 실리콘층으로 구성된 반도체층(15)을 형성한다. 이때, 상기 반도체층(15)은 p형으로 도핑된 p형 비정질 실리콘층(15p)과, 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층 (15i) 및, n형 불순물이 도핑된 n형 비정질 실리콘층(15n)으로 구성된다.
이어서, 상기 반도체층(15) 상에 상기 투명도전층(13)의 물질과 동일한 물질, 예를 들어 산화아연(ZnO)을 스퍼터링방법으로 증착하여 배면반사층(17)을 형성한다.
그 다음, 상기 배면반사층(19) 상에 Ag 와 같은 금속물질을 스퍼터링방법으로 증착하여 금속전극층(19)을 형성함으로써 박막 태양전지 제조를 완료한다.
이상에서와 같이, 비정질실리콘을 활성층으로 한 종래기술에 따른 박막형 태양전지는 양산성이 높다는 장점에도 불구하고, 현재 상업용으로 사용되는 비정질 실리콘 박막형 태양전지의 광변환효율은 약 9% 이하로, 낮은 단점이 있다.
이에, 본 발명은 상기 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 광전변환 효율이 높고, 공정시간이 짧으며, 양산 가능성이 높은 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지는 기판상에 형성된 투명도전층; 상기 투명도전층 상에 형성되고, 다수 개의 나노막대로 구성된 광전변환층패턴; 상기 광전변환층패턴의 다수 개의 나노막대 상부에 형성된 배면반사층패 턴; 상기 광전변환층패턴 및 투명도전층 상에 형성된 절연막패턴; 및 상기 절연막패턴을 포함한 배면반사층패턴 상에 형성된 배면전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지 제조방법은, 기판상에 투명도전층을 형성하는 단계; 상기 투명도전층 상에 p+형 비정질 실리콘층, 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층 및, n+형 비정질 실리콘층으로 구성된 광전변환층을 형성하는 단계; 상기 광전변환층 상에 배면반사층을 형성하는 단계; 상기 배면반사층을 선택적으로 패터닝하여 배면반사층패턴을 형성하는 단계; 상기 배면반사층패턴을 차단막으로 하여 상기 광전변환층의 n+형 비정질 실리콘층, 진성 (intrinsic)의 비정질 실리콘층 및 p+형 비정질 실리콘층을 선택적으로 패터닝하여 다수 개의 나노막대로 구성된 광전변환층패턴을 형성하는 단계; 상기 광전변환층패 턴 상에 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 절연막을 포함한 배면반사층패턴 상에 배면전극층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 단일 접합 (n+/i/p+) 구조로 구성된 실리콘 나노 막대 구조체를 반도체층으로 적용함으로써 높은 광전 변환효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 액정표시장치 및 박막 태양광 전지 제조공정을 그대로 이용가능하며, 탑-다운(top-down) 방식으로 실리콘(Si) 나노 막대를 제조 및 배열함으로써 대면적에 따른 제약이 매우 적으므로 양산 가능성이 매우 높다.
그리고, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은상기 광전변환층패턴이 나노 막대 형태로 이루어져 있어, 표면적이 넓기 때문에 광전변환 효율이 증가하며, 다수 개의 나노막대들 사이에 흡수되지 못한 입사광은 연속적으로 인접 나노 막대에 입사됨으로써 광전 변환 효율이 증가한다.
더우기, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 나노 막대를 광전 변환층으로 적용함으로써 채면적, 광경로 확대, 양자사이즈효과(quantum size effect)를 통한 기존의 박막 태양광전지에 비해 높은 광전변환 효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 단일 접합 구조만으로도 높은 광전변환 효율을 달성할 수 있기 때문에, 기존 박막형 태양전지에 비해 공정시간이 짧고, 저비용 및 고효율이 가능하다.
이하. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 구조에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.
본 발명에 따른 태양전지는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판 (101)상에 형성되고 표면에 뾰족한 형태의 다수의 요철이 형성된 투명도전층(103)과; 상기 투명도전층(103) 상에 형성되고, 단일 접합 구조로 이루어진 다수 개의 반도체 나노 막대로 구성된 광전변환층패턴(110a)과; 상기 광전변환층패턴(110) 상부에 형성된 배면반사층패턴(113a); 상기 광전변환층패턴(110a)을 포함한 투명도전층(103) 상에 형성된 절연막패턴(117a); 및 상기 절연막패턴(117a)을 포함한 배면반사층패턴 (113a) 상부에 형성된 배면전극층(119)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 기판(101)은 플라스틱, 실리콘과 글래스(glass)중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명도전층(103)은 투명 전도성 산화막(Transparent Conducting Oxide; TCO)로 형성해야 하는데, 산화아연(ZnO) 계열 또는 산화주석(SnO) 계열의 재질로 구성된다. 이때, 상기 산화아연(ZnO) 계열로는 ZnO:Ga, ZnO:In, ZnO:Sn, ZnO:B, ZnO:F 등이 있으며, 산화주석(SnO) 계열로는, SnO,:F, SnO:In 등이 있다. 즉, ITO (Indium Tin Oxide) 또는 금속 등의 불순물이 도핑된 ZnO 또는 기타 투명 도전물질을 포함한다.
그리고, 상기 투명도전층(103)을 구성하는 재질로는 Sn 이외에 B, Ta, Nb, F, In 등이 도펀트로 사용되며, 상기 제2 투명 도전층(105)을 구성하는 재질로는 Zn이외에 Al, Ga, B, F 등이 도펀트로 사용된다.
또한, 상기 다수 개의 반도체 나노막대로 구성된 광전변환층패턴(110a)은, p+형 비정질 실리콘층패턴(105a)과, 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층패턴(107a) 및, n+형 비정질 실리콘층패턴(109a)으로 구성된다.
또한, 상기 다수 개의 반도체 나노막대로 구성된 광전변환층패턴(110a)은, p+형 비정질 실리콘층패턴(105a)과, 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층패턴(107a) 및, n+형 비정질 실리콘층패턴(109a)으로 구성된다.
이때, 상기 광전변환층패턴(110a)의 나노 막대의 길이가 길어질수록 광흡수율이 증가하기 때문에, 상기 광전변환층패턴(110a)을 구성하는 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층패턴(107a) 두께는 두꺼울수록 적합하다.
태양전지에서 태양광은 p+형 비정질실리콘층패턴(105a)을 통하여 i형 비정질실리콘층패턴(107a)에 입사되도록 하는 것이 태양전지의 효율 측면에세 바람직 하다. 이는 태양광에 의해 생성된 전자와 정공의 표동 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것으로서, 정공의 표동 이동도가 전자에 비해 낮기 때문에 태양광에 의한 캐리어의 수집 효율을 극대화하기 위해서는 대부분의 캐리어들이 p형 실리콘층 /i형 실리콘층 계면에서 생성하도록 하여 정공의 이동 거리를 최소화하여야 하기 때문이다.
태양전지에서 태양광은 p+형 비정질실리콘층패턴(105a)을 통하여 i형 비정질실리콘층패턴(107a)에 입사되도록 하는 것이 태양전지의 효율 측면에세 바람직 하다. 이는 태양광에 의해 생성된 전자와 정공의 표동 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것으로서, 정공의 표동 이동도가 전자에 비해 낮기 때문에 태양광에 의한 캐리어의 수집 효율을 극대화하기 위해서는 대부분의 캐리어들이 p형 실리콘층 /i형 실리콘층 계면에서 생성하도록 하여 정공의 이동 거리를 최소화하여야 하기 때문이다.
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한편, 본 발명에서 태양전지를 구성하는 기본 구조로 p-i-n 구조에 대해 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 n-i-p 구조, 즉 n형 실리콘층/i형 실리콘층/p형 실리콘층을 적층한 구조도 가능하다.
다만, n-i-p 구조의 경우 태양광이 p쪽에서 입사되는 점을 감안할 때 태양광은 기판의 반대쪽에서 입사되므로 이 경우 기판은 반드시 유리와 같은 투명한 재질로 사용할 필요가 없으며 예를 들어 실리콘이나 금속 재질의 기판 사용도 가능하다.
또한, 본 발명에서 p+형 비정질실리콘층패턴(105a)과 n+형 실리콘층패턴 (109a) 사이에 도핑이 전혀 되지 않은 i형 비정질실리콘층패턴(107a)이 배치되는 것으로 되어 있지만 반드시 이에 한정할 필요는 없으며, p+형 비정질실리콘층패턴 (105a)과 n+형 비정질실리콘층패턴(109a)에 비하여 상대적으로 절연성인 (즉, 전기전도도가 낮은) 비정질 실리콘층이 배치되는 것도 무방하다. 예를 들어, p+형 비정질실리콘층과 n+형 비정질실리콘층을 하이(high) 도핑시키고 그 사이에 n형 또는 p형 불순물이 로우(low) 도핑된 비정질실리콘층을 배치하는 것도 가능하다.
또한, 상기 배면반사층패턴(113a)은 상기 투명도전층(103)을 이루는 투명 전도성 산화막(Transparent Conducting Oxide; TCO)으로 형성하는데, 산화아연(ZnO) 계열 또는 산화주석(SnO) 계열의 재질로 구성된다. 이때, 상기 산화아연(ZnO) 계열로는 ZnO:Ga, ZnO:In, ZnO:Sn, ZnO:B, ZnO:F 등이 있으며, 산화주석(SnO) 계열로는, SnO,:F, SnO:In 등이 있다. 즉, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 금속 등의 불순물이 도핑된 ZnO 또는 기타 투명 도전물질을 포함한다.
그리고, 상기 배면전극층(119)의 재질로는 반사도 및 전도도가 높은 알루미늄(Al), 은(Ag) 등과 같은 전도성 물질이면 가능하다. 또한, 상기 배면전극층(119) 형성방법으로는 열 증착법 또는 스퍼터링법 등과 같은 물리기상 증착법 등이 사용된다.
상기 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 대해 도 3a 내지 도 3g를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 공정단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 먼저 기판(101)상에 산화아연(ZnO) 계열의 재질을 이용하여 다수의 뾰족한 형태의 요철을 가진 투명도전층(103)을 형성한다. 이때, 상기 기판(101)은 태양 광의 흡수를 위하여 투명 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어 유리 또는 플라스틱이 사용된다. 또한, 기판(101) 표면은 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 텍스처링(texturing) 처리한다. 여기서, 상기 텍스처링 이란 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실에 의해 그 특성이 저하되는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 태양전지에서 사용되는 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 기판 표면에 요철(미도시) 형상의 패턴을 형성하는 것을 말한다. 즉, 텍스처링으로 기판 표면이 거칠어지면 한번 반사된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시키므로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상기 기판(101) 상에 투명도전층(103)을 형성하기 전에 반사방지층(미도시)을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 반사방지층은 기판을 통하여 입사된 태양광이 비정질실리콘층에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써 태양전지의 효율 을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 하며, 예를 들어 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)을 포함할 수 있다. 이 반사 방지층의 형성방법으로는 저압화학 기상 증착법(low pressure chemical deposition; LPCVD) 및 PECVD 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 투명도전층(103)은 투명 전도성 산화막(Transparent Conducting Oxide; TCO)으로 형성하는데, 이 투명 전도성 산화막은 산화아연(ZnO) 계열 또는 산화주석(SnO) 계열의 재질로 구성된다. 이때, 상기 산화아연(ZnO) 계열로는 ZnO:Ga, ZnO:In, ZnO:Sn, ZnO:B, ZnO:F 등이 있으며, 산화주석(SnO) 계열로는, SnO,:F, SnO:In 등이 있다. 즉, ITO (Indium Tin Oxide) 또는 금속 등의 불순물이 도핑된 ZnO 또는 기타 투명 도전물질을 포함한다.
그 다음, 상기 투명도전층(103) 상부에 흡수층으로 사용하기 위해 단일 접합(single junction) 구조의 비정질 실리콘층, 즉 p+형 비정질 실리콘층(105), 진성(i형) 비정질실리콘층(107), n+형 비정질 실리콘층(109)을 차례로 형성하여 태양전지의 광전변환층(110)을 형성한다. 이때, 상기 광전변환층(110)은 비정질 실리콘 상태로 형성되며, 그 형성방법으로는 LPCVD법, PECVD법, 열선 화학 기상 증착 (hot chemical vapor deposition)법 등과 같은 화학기상 증착법 (chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광전변환층(110)의 비정질실리콘층에 대한 n+형 또는 p+형 도핑은 비정질 실리콘층 형성시에 인시츄(in situ) 도핑하는 것이 바람직하다. 이때, p형 도핑시의 불순물로는 보론(B)을, n형 도핑시의 불순물로는 인(P) 또는 비소(As)를 사용한다. 또한, 상기 단일 접합 구조의 제1 실리콘층(107)의 두께와 도핑 농도는 태양전지에서 통상적으로 채택하고 있는 두께 정도 및 도핑 농도를 적용한다.
이때, 상기 광전변환층(110)을 구성하는 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층 (107a) 두께는 두꺼울수록 적합하다. 즉, 상기 진성 비정질실리콘층(107)의 두께는 0.3 ∼ 수십 μm 정도가 된다.
또한, 상기 광전변환층(110)은 단일 접합 구조로 이루어져 있지만, 필요에 따라 템덤 구조 또는 3층 구조 이상의 다층 구조를 갖는 태양전지의 반도체층으로도 형성할 수도 있다.
이어서, 상기 단일 접합 구조로 구성된 광전변환층(110) 상에 상기 투명도전층(103)의 재질과 동일하거나 유사한 재질을 스퍼터링 방법에 의해 증착하여 배면반사층(113)을 형성한다. 이때, 상기 배면반사층(113)은 투명 전도성 산화막 (Transparent Conducting Oxide; TCO)으로 형성하는데, 이 투명 전도성 산화막은 산화아연(ZnO) 계열 또는 산화주석(SnO) 계열의 재질로 구성된다. 이때, 상기 산화아연(ZnO) 계열로는 ZnO:Ga, ZnO:In, ZnO:Sn, ZnO:B, ZnO:F 등이 있으며, 산화주석 (SnO) 계열로는, SnO,:F, SnO:In 등이 있다. 즉, ITO (Indium Tin Oxide) 또는 금속 등의 불순물이 도핑된 ZnO 또는 기타 투명 도전물질을 포함한다.
그 다음, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 배면반사층(113) 상에 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트막(115)을 형성한 후, 노광마스크(미도시)를 이용한 포토리소그라피 공정 및 현상공정을 통해 상기 포토레지스트막(115)을 선택적으로 제거하여 포토레지스트막패턴(미도시)을 형성한다.
이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트막패턴(미도시)을 차단막으로, 상기 배면반사층(113)을 습식 식각하여 배면반사층패턴(113a)을 형성한 후 포토레지스트막패턴(미도시)을 제거한다. 이때, 상기 배면반사층(113)은 투명 전도성 산화막 (Transparent Conducting Oxide; TCO) 물질이기 때문에, 산(acid) 계열의 에천트(etchant)로 식각이 가능하다. 또한, 상기 에천트로는 구연산(citric acid) 및 옥살산(oxalic acid) 등이 포함된 용액이 적용 가능하다.
이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트막패턴(미도시)을 차단막으로, 상기 배면반사층(113)을 습식 식각하여 배면반사층패턴(113a)을 형성한 후 포토레지스트막패턴(미도시)을 제거한다. 이때, 상기 배면반사층(113)은 투명 전도성 산화막 (Transparent Conducting Oxide; TCO) 물질이기 때문에, 산(acid) 계열의 에천트(etchant)로 식각이 가능하다. 또한, 상기 에천트로는 구연산(citric acid) 및 옥살산(oxalic acid) 등이 포함된 용액이 적용 가능하다.
그 다음, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 배면반사층패턴(113a)을 차단막으로 하여, 상기 단일 접합 구조의 광전변환층(110), 예를 들어 즉 n+형 비정질 실리콘층(109), 진성(i형) 비정질실리콘층(107), 및 p+형 비정질 실리콘층(105)을 건식 식각 또는 습식식각공정을 통해 n+형 비정질 실리콘층패턴(109a), 진성(i형) 비정질실리콘층패턴(107a), 및 p+형 비정질 실리콘층패턴(105a)으로 구성된 반도체 나노막대로 구성된 광전변환층패턴(110a)을 형성한다. 이때, 상기 광전변환층패턴 (110a)의 나노막대의 직경은 0.001 ∼ 1.1 μm에서 제어되며, 길이는 0.3 ∼ 수십 μm 내에서 제어된다. 또한, 상기 광전변환층패턴(110a)이 나노 막대 형태로 이루어져 있어, 표면적이 넓기 때문에 광전변환 효율이 증가한다. 그리고, 다수 개의 나노막대들 사이에 흡수되지 못한 입사광은 연속적으로 인접 나노 막대에 입사됨으로써 광전 변환 효율이 증가한다. 더우기, 상기 나노 막대의 직경이 0.007 μm 이하로 내려 가면, 양자 사이즈 효과(quantum size effect)로 인해 밴드 갭이 직경 감소에 따라 급격히 커져서 광 흡수율이 증가한다.
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상기 건식 식각 공정시에 SF6+Cl2+H2로 이루어진 혼합 가스가 적합하며, 식각속도(etch rate)는 약 0.2 μm/분 정도가 되기 때문에 약 5분 이내에 건식 식각공정이 가능하다. 특히, 경우에 따라서는 가스 조합비를 조절하여 식각 속도를 빠르게 할 수도 있다.
이때, 상기 건식 식각공정은 상기 p+형 비정질실리콘층(105) 내에서 멈추거나 그 하부의 투명도전층(103) 표면에서 정지하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 p+형 비정질실리콘층(105) 은 일부 두께만큼만 식각되거나, 전체 두께만큼 식각되어져 그 하부의 투명도전층(103) 표면이 노출될 때까지 식각된다. 이때, 상기 p+형 비정질실리콘층(105)이 전체 두께만큼 식각되어져 그 하부의 투명도전층(103) 표면이 노출될 때까지 식각되는 경우에, 상기 투명도전층(103)은 식각 정지막(etch stopper) 역할을 담당한다. 또한, 상기 습식 식각공정을 진행하는 경우에는, HF + H2O2 로 이루어진 혼산 및 KOH 가 사용가능하다. 여기서는, 상기 p+형 비정질실리콘층(105) 일부 두께만큼만 식각된 경우를 중심으로 설명하도록 한다.
이어서, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 일부 두께만큼만 식각된 p+형 비정질실리콘층패턴(105a)을 포함한 반도체 나노막대로 구성된 광전변환층패턴(110a) 상부에 PECVD (plasma enhanced chemical vopr deposition) 방법을 통해 절연물질을 증착하여 절연막(117)을 형성한다. 이때, 상기 절연물질로는, 실리콘질화막 (SiNx:H), 또는 실리콘산화막(SiO2)을 포함하는 무기절연물질을 사용한다. 이때, 상기 절연물질은, PECVD방법이외에, 진공 증착, 액상증착, 또는 열산화법 등을 통해 증착될 수 있다. 여기서, 진공 증착은 상기 PECVD방법 및 스퍼터링방법이 바람직하며, 액상 증착은 스핀코팅(spin-coating) 및 슬릿코팅(slit-coating)이 바람직 하다. 또한, 상기 열산화 공정을 적용하면, 비정질실리콘을 산화막(SiO2)으로 패시베이션(passivation)이 가능하다.
그 다음, 도 3f에 도시된 바와 같이, 건식 식각공정을 통해 상기 절연막 (117)을 선택적으로 식각하여, 상기 배면반사층패턴(113a)이 노출되도록 한다. 이때, 상기 건식 식각공정 가스로는 SF6+O2+He 과 같은 혼합가스가 적용될 수 있으며, 식각속도는 약 0.6μm/분 정도로 빠르다. 또한, 상기 식각속도는 가스 조합 비율을 조절하여 제어할 수 있다.
이어서, 도 3g에 도시된 바와 같이, 상기 절연막(117a)을 포함한 노출된 배면반사층패턴(113a) 상에 금속물질을 증착하여 배면전극층(119)을 형성함으로써 본 발명에 따른 태양전지 제조공정을 완료한다. 이때, 상기 금속물질로는 반사도 및 전도도가 높은 금속, 예를 들어 Ag, Al 등이 포함된다. 또한, 상기 금속 물질 증착은 진공 증착 및 액상 증착이 가능하다. 이때, 상기 진공증착으로는 스퍼터링방법이 바람직하며, 액상증착으로는 스핀코팅방법, 또는 슬릿 코팅방법이 바람직하다.
한편, 배면전극층(119)을 증착하기 전에, 투명도전층을 추가로 증착하고 연속 공정으로 배면전극층을 증착할 수도 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 단일 접합 (n+/i/p+) 구조로 구성된 실리콘 나노 막대 구조체를 반도체층으로 적용함으로써 높은 광전 변환효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 기존의 액정표시장치 및 박막 태양광 전지 제조공정을 그대로 이용가능하며, 탑-다운(top-down) 방식으로 실리콘(Si) 나노 막대를 제조 및 배열함으로써 대면적에 따른 제약이 매우 적으므로 양산 가능성이 매우 높다.
그리고, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은상기 광전변환층패턴이 나노 막대 형태로 이루어져 있어, 표면적이 넓기 때문에 광전변환 효율이 증가하며, 다수 개의 나노막대들 사이에 흡수되지 못한 입사광은 연속적으로 인접 나노 막대에 입사됨으로써 광전 변환 효율이 증가한다.
더우기, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 나노 막대를 광전 변환층으로 적용함으로써 채면적, 광경로 확대, 양자사이즈효과(quantum size effect)를 통한 기존의 박막 태양광전지에 비해 높은 광전변환 효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 단일 접합 구조만으로도 높은 광전변환 효율을 달성할 수 있기 때문에, 기존 박막형 태양전지에 비해 공정시간이 짧고, 저비용 및 고효율이 가능하다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였 으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형 예 및 변경 예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위 의 범위내에 속하는 것으로 보아야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 박막 태양전지 구조의 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 공정단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
101 : 기판 103 : 투명도전층
105 : p+형 비정질실리콘층 107 : 진성 비정질실리콘층
109 : n+형 비정질실리콘층 110 : 광전변환층
113 : 배면반사층 115 : 포토레지스트막
117: 절연막 119 : 배면전극층
Claims (21)
- 기판상에 형성된 투명도전층;상기 투명도전층 상에 형성되고, 다수 개의 단일 접합(n+/i/p+) 구조의 나노 막대로 구성된 광전변환층패턴;상기 광전변환층패턴의 다수 개의 단일 접합(n+/i/p+) 구조의 나노 막대 상부에 형성된 배면반사층패턴;상기 광전변환층패턴 및 투명도전층 상에 형성된 절연막패턴; 및상기 절연막패턴을 포함한 배면반사층패턴 상에 형성된 배면전극층;을 포함하여 구성되며,상기 광전변환층패턴의 다수 개의 단일 접합(n+/i/p+) 구조의 나노 막대 각각은 상기 투명도전층 상에 형성된 p+형 비정질 실리콘층패턴과, 상기 p+형 비정질 실리콘층패턴 상에 형성된 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층패턴 및, 상기 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층패턴 상에 형성된 n+형 비정질 실리콘층패턴으로 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 진성(intrinsic)의 비정질실리콘층패턴의 두께는 0.3 ∼ 수십 μm 인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광전변환층패턴의 나노 막대의 직경은 0.001 ∼ 1.1 μm이며, 그 길이는 0.3 ∼ 수십 μm인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제4항에 있어서, 상기 투명 도전층 표면에 다수의 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 투명도전층과 배면반사층패턴은 ZnO:Ga, ZnO:In, ZnO:Sn, ZnO:B, ZnO:F 의 산화아연(ZnO) 계열 또는 SnO,:F, SnO:In 의 산화주석 (SnO) 계열의 투명 전도성 산화막(Transparent Conducting Oxide; TCO) 또는 ITO(Indium Tin Oxide), 금속 불순물이 도핑된 ZnO 또는 다른 투명 도전물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 배면전극층은 알루미늄(Al), 은(Ag)을 포함하는 도전물질 중에서 선택하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 기판상에 투명도전층을 형성하는 단계;상기 투명도전층 상에 p+형 비정질 실리콘층, 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층 및, n+형 비정질 실리콘층으로 구성된 광전변환층을 형성하는 단계;상기 광전변환층 상에 배면반사층을 형성하는 단계;상기 배면반사층을 선택적으로 패터닝하여 배면반사층패턴을 형성하는 단계;상기 배면반사층패턴을 차단막으로 하여 상기 광전변환층의 n+형 비정질 실리콘층, 진성(intrinsic)의 비정질 실리콘층 및 p+형 비정질 실리콘층을 선택적으로 패터닝하여 다수 개의 나노막대로 구성된 광전변환층패턴을 형성하는 단계;상기 광전변환층패턴 상에 절연막을 형성하는 단계; 및상기 절연막을 포함한 배면반사층패턴 상에 배면전극층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 투명도전층과 배면반사층은 ZnO:Ga, ZnO:In, ZnO:Sn, ZnO:B, ZnO:F 의 산화아연(ZnO) 계열 또는 SnO,:F, SnO:In 의 산화주석 (SnO) 계열의 투명 전도성 산화막(Transparent Conducting Oxide; TCO) 또는 ITO(Indium Tin Oxide), 금속 불순물이 도핑된 ZnO 또는 다른 투명 도전물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 광전변환층은 LPCVD법, PECVD법, 열선 화학 기상 증착 (hot chemical vapor deposition)법과 같은 화학기상 증착법 (chemical vapor deposition; CVD)으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 진성(intrinsic)의 비정질실리콘층의 두께는 0.3 ∼ 수십 μm 인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 광전변환층패턴의 나노 막대의 직경은 0.001 ∼ 1.1 μm이며, 그 길이는 0.3 ∼ 수십 μm인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 배면반사층은 구연산 또는 옥살산이 포함한 식각용액을 이용한 습식 식각공정에 의해 패터닝되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 배면전극층은 알루미늄(Al), 은(Ag)을 포함하는 도전물질 중에서 선택하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 광전변환층은 SF6+Cl2+H2로 이루어진 혼합 가스를 이용한 건식 식각공정을 통해 식각되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 광전변환층 패터닝시에 상기 투명도전층은 식각 정지막으로 사용되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 광전변환층 패터닝시에 상기 p+형 비정질실리콘층은 일부 두께 또는 전체 두께가 식각되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 절연막은 PECVD, 진공증착, 스핀코팅 및 슬릿코팅을 포함하는 액상증착, 또는 열산화법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 삭제
- 제8항에 있어서, 상기 절연막은 광전변환층패턴과 배면반사층 상부에 형성한 다음 건식식각공정을 통해 선택적으로 식각하여, 상기 배면반사층을 노출시키는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제20항에 있어서, 상기 절연막의 식각시에 SF6+O2+He 과 같은 혼합가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
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