KR101694485B1 - 태양 전지의 제조 방법 및 이에 의한 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 제조 비용을 줄일 수 있는 마이크로 와이어 구조의 태양 전지의 제조 방법 및 이에 의한 태양 전지가 개시된다.
일 예로, 미세 와이어 구조를 갖는 태양 전지를 제조하는 방법에 있어서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상부에 비드를 형성하는 단계; 상기 비드를 직경을 감소시키는 단계; 상기 비드를 마스크로 식각을 수행하여 미세 와이어를 형성하는 단계; 및 상기 미세 와이어에 불순물을 도핑하여 에미터층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법이 개시된다.
일 예로, 미세 와이어 구조를 갖는 태양 전지를 제조하는 방법에 있어서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상부에 비드를 형성하는 단계; 상기 비드를 직경을 감소시키는 단계; 상기 비드를 마스크로 식각을 수행하여 미세 와이어를 형성하는 단계; 및 상기 미세 와이어에 불순물을 도핑하여 에미터층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 제조 비용을 줄일 수 있는 마이크로 와이어 구조의 태양 전지의 제조 방법 및 이에 의한 태양 전지에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양 전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양 전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 흡수된 광자에 의해 생성된 전자와 정공을 이용함으로써 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지에 대한연구가 활발히 행해지고 있다.
이러한 태양광 전지(이하에서는 "태양전지"로 약칭함)의 대표적인 예인 실리콘 태양전지는, 일반적으로 실리콘 기재의 전면에 n-형 반도체 층과 후면에 p-형 반도체 층을 각각 형성하여 제조된다. 전면의 n-형 반도체 층은 에미터(emitter)로 작용한다. 이러한 태양 전지는 효율이 증요하기 때문에, 효율을 높이기 위한 여러 방안들이 강구되고 있다.
그리고 그 일환으로, 최근 들어 마이크로 와이어 구조 태양 전지가 개발되었다. 마이크로 와이어 구조의 태양 전지는 기판에 PN 접합이 형성되어, 태양광의 조사 방향과 소수 캐리어의 확산 방향이 수직하게 구성된다. 따라서, 비교적 짧은 거리로도 태양 전지가 구동 가능하기 때문에, 기존의 태양 전지에 대비하여 저가의 실리콘 기판을 사용하면서도 고효율을 달성할 수 있는 장점이 있다.
[선행문헌번호]
선행문헌1 : 등록특허공보 제10-1090399호(2011.12.06.)
선행문헌2 : 공개특허공보 제10-2009-0069932호(2009.07.01.)
선행문헌3 : 일본 공표특허공보 특표2014-506222호(2014.03.13.)
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선행문헌1 : 등록특허공보 제10-1090399호(2011.12.06.)
선행문헌2 : 공개특허공보 제10-2009-0069932호(2009.07.01.)
선행문헌3 : 일본 공표특허공보 특표2014-506222호(2014.03.13.)
본 발명은 제조 비용을 줄일 수 있는 마이크로 와이어 구조의 태양 전지의 제조 방법 및 이에 의한 태양 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법은 미세 와이어 구조를 갖는 태양 전지를 제조하는 방법에 있어서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상부에 비드를 형성하는 단계; 상기 비드를 직경을 감소시키는 단계; 상기 비드를 마스크로 식각을 수행하여 미세 와이어를 형성하는 단계; 및 상기 미세 와이어에 불순물을 도핑하여 에미터층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 비드의 직경은 2[um] 이상일 수 있다.
그리고 상기 비드에 대해 산소 플라즈마 처리를 통해 상기 비드의 직경을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 비드의 직경은 1[um]를 초과하는 정도까지 감소될 수 있다.
또한, 상기 비드는 폴리머 재질을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 비드는 폴리스티렌을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 식각은 건식 식각을 통해 이루어질 수 있다.
또한, 상기 미세 와이어는 1[um] 보다 큰 직경을 가질 수 있다.
더불어, 상기 제조 방법 중 어느 하나를 통해 태양 전지가 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 태양 전지의 제조 방법은 기존의 포토 리소그래피 공정을 사용하는 대신 폴리머 비드를 마스크로 사용하여 건식 식각을 통해 마이크로 와이어 구조를 형성함으로써, 제조 비용을 줄이고 적절한 크기의 패턴 크기를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 구조를 도시한 평면도이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 구조를 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(100)는 미세 와이어 구조의 원통형 p-n 접합 구조를 갖는다. 따라서, 전하 캐리어(즉, 전자 및 정공) 수집이 반지름 방향으로 일어난다. 즉, p-n 접합은, 미세 와이어(120)와 상기 미세 와이어(120)를 둘러싸는 에미터층(130) 사이에 형성된다. 그리고 상기 나노 와이어의 반경은 소수 캐리어(이 경우에는 정공)의 확산 길이에 대응된다. 이에 따라, 정공이 p-n 접합에 의해 전류가 생성된다. 이러한 마이크로 와이어(120)의 반지름 방향을 통해 개선된 캐리어 수집은, 태양전지 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 미세 와이어(120)와 에미터층(130) 사이의 p-n 접합에서 방사 정션(radial junction)을 형성하기 위해서는 상기 미세 와이어(120)의 직경은 1[um]를 초과, 즉 마이크로 와이어의 구조를 갖는 것이 바람직하다. 상기 미세 와이어(120)의 직경이 1[um]를 초과하는 경우, 상기 에미터층(130)과의 사이에서 p-n 접합의 단면적을 증가시켜서 전류 효율을 높일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(100)는 이러한 미세 와이어(120)의 직경을 1[um]를 초과하도록 형성되면서 그 제조 비용을 줄일 수 있으며, 세부적인 제조 방법은 후술하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하도록 한다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 기판(110) 상에 비드(10)를 단일층(monolayer)으로 형성한다. 여기서, 상기 비드(10)는 약 2[um]의 크기를 갖는 구 형상으로 이루어지며, 대류 정렬(Convection Assembly) 방식을 이용하여 단일층을 형성하면서 구성된다. 여기서, 상기 대류 정렬 방식을 상세히 설명하면, 먼저 상기 비드(10)를 콜로이드 용액으로 구비하고, 이를 국부적으로 가열하면 콜로이드 용액의 증발이 선단에 집중되면서 용액 내부에서 선단으로 유입되는 유동이 발생하게 된다. 이것은 표면 장력의 차이에 의해 액체-기체의 계면에서 발생되는 마란고니 효과(marangoni effect)에 의한 것이다. 즉, 국부적으로 가열된 용액의 선단에서는 표면 장력이 떨어지게 되며, 이렇게 표면 장력이 떨어진 용액의 선단에서 이보다 높은 표면 장력을 갖는 후방의 저온 영역으로 마란고니 유동이 발생하게 된다. 이러한 유동을 통해 복층의 마이크로 입자들은 후방으로 이동되기 때문에, 상기 기판(110) 상에는 상기 비드(10)의 단일층이 형성될 수 있다. 상기 비드(10)는 후술할 바와 같이 산소 플라즈마 처리를 직경이 작아진 이후, 상기 기판(110)에 대한 식각에서 마스크의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 비드(10)의 재질은 폴리머를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 비드(10)의 재질은 폴리스티렌(Polystyrene)을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 폴리스티렌은 이후 건식 식각을 통해 상기 미세 와이어 구조를 형성할 때, 식각에 대한 적절한 식각률을 갖기 때문에, 마스크로 사용되기에 적합하다.
도 3을 참조하면, 상기 비드(10)를 산소 플라즈마(O2 Plasma) 처리를 통해 직경을 줄인다. 상기 비드(10)의 직경은 상기 산소 플라즈마 처리의 경과 시간에 따라 결정된다. 그리고 이에 따라 상기 비드(10)는 이후 상기 건식 식각을 통해 상기 미세 와이어를 형성함에 있어서, 적절한 직경의 마스크가 될 수 있다. 또한, 상기 비드(10)의 직경은 1[um]를 초과하도록 설정되어, 상술한 것처럼, 상기 미세 와이어(120)의 직경이 1[um]를 초과하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 비드(10)의 직경이 감소함에 따라, 상기 비드(10)는 상호간에 이격될 수 있으며, 이에 따라 상기 미세 와이어를 위한 적절한 패턴이 형성된다.
도 4를 참조하면, 상기 비드(10)를 마스크로 이용하여, 상기 기판(110) 내에 미세 와이어(120)를 형성한다. 상기 형성 방법은 건식 식각이 사용될 수 있으며, 상기 기판(110) 내에 일정 깊이로 형성될 수 있다. 또한, 상기 비드(10)의 배열에 따라 패턴된 미세 와이어(120)가 구비된다.
도 5를 참조하면, 상기 비드(10)가 상기 미세 와이어(120)의 상부로부터 제거된다. 상기 제거의 방법은 물리적 또는 화학적 방법을 통해 모두 가능하다. 또한, 이와 같이 형성된 미세 와이어(120)의 구조는 이후 별도의 반사 방지층 코팅(anti-reflection layer coating)이 필요 없을 정도로 높은 태양광 흡수를 가능하도록 하며, p-n 접합이 형성되는 면적은 상기 미세 와이어(120)의 밀도와 종횡비(aspect ratio)의 향상을 통해 극대화될 수 있다. 또한, 이와 같이 상기 미세 와이어(120)를 형성하는 경우, 통상적인 포토 리소그래피 공정을 사용할 필요가 없기 때문에, 특히 포토 리소그래피 공정에서 사용되기 위한 마스크를 별도로 제작할 필요가 없어서 제조 비용을 현저하게 줄일 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 상기 기판(110)의 상부에 상기 미세 와이어(120)의 외주연을 따라 에미터층(130)이 형성된다. 상기 에미터층(130)은 n형 또는 p형 불순물 중 어느 하나를 도핑함으로써, 상기 기판(110) 및 미세 와이어(120)와 반대의 극성을 갖도록 형성된다.
또한, 도 7을 참조하면, 상기 기판(110)의 상부에 상부 전극(140)을 형성한다. 상기 상부 전극(140)은 인듐 주석 산화물(ITO) 및/또는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 및 금(Au) 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 통해 형성될 수 있다. 다만, 상기 재질로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
또한, 도 8을 참조하면, 상기 기판(110)의 하부에 하부 전극(150)을 형성한다. 상기 하부 전극(150)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 및 금(Au) 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 통해 형성될 수 있다. 다만, 역시 상기 재질로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 태양 전지 110; 기판
120; 미세 와이어 130; 에미터층
140; 상부 전극 150; 하부 전극
10; 비드
120; 미세 와이어 130; 에미터층
140; 상부 전극 150; 하부 전극
10; 비드
Claims (9)
- 미세 와이어 구조를 갖는 태양 전지를 제조하는 방법에 있어서,
기판을 준비하는 단계;
상기 기판의 상부에 비드를 형성하는 단계;
상기 비드에 대해 산소 플라즈마 처리를 통해 상기 비드의 직경을 감소시키되, 감소된 상기 비드의 직경은 1[um]를 초과하는 단계;
상기 비드를 마스크로 식각을 수행하여 미세 와이어를 형성하되, 상기 미세 와이어는 1[um] 보다 큰 직경을 갖는 마이크로 와이어의 구조를 갖는 단계; 및
상기 미세 와이어에 불순물을 도핑하여 에미터층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 비드는 폴리머 재질을 통해 형성되는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 비드는 폴리스티렌을 통해 형성되는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각은 건식 식각을 통해 이루어지는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제 1 항 및 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 제조 방법을 통해 제조된 태양 전지.
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| KR101027493B1 (ko) * | 2009-12-28 | 2011-04-06 | 재단법인대구경북과학기술원 | 와이어 어레이를 이용한 태양광 전지 및 그 제조 방법 |
| KR101090399B1 (ko) * | 2010-12-03 | 2011-12-06 | 한국기계연구원 | 나노구조 텍스처링을 이용한 태양전지 제조방법 |
| JP2014506222A (ja) * | 2010-12-13 | 2014-03-13 | ノルウェージャン ユニバーシティ オブ サイエンス アンド テクノロジー（エヌティーエヌユー） | グラファイト基板上のナノワイヤエピタキシー |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100930177B1 (ko) * | 2007-12-26 | 2009-12-07 | 삼성전기주식회사 | 나노 임프린트용 스탬프 제조 방법 |
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2014
- 2014-12-16 KR KR1020140181442A patent/KR101694485B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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