KR101718630B1 - 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법 - Google Patents
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Abstract
광전변환효율이 우수한 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법이 제공된다. 본 발명에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법은 실리콘 기판상에 마이크로 피라미드 구조체를 형성하는 마이크로 피라미드 형성단계, 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 금속나노입자를 부착시키는 금속나노입자 부착단계, 금속나노입자가 부착된 위치에 나노구조를 형성하는 나노구조 형성단계 및 나노구조를 평탄화시키는 나노구조 평탄화단계를 포함한다.
Description
본 발명은 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광전변환효율이 우수한 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라서 다양한 종류로 구분되며, 현재 가장 많이 사용되는 것은 실리콘을 이용한 실리콘 태양전지이다. 최근 실리콘 태양전지의 효율을 높이기 위해 실리콘 웨이퍼 표면을 조직화 (texturing)하여 빛의 흡수를 극대화시키는 방법이 사용되고 있다. 이러한 웨이퍼 표면조직화 방법으로는 플라즈마 식각을 이용한 방법, 기계적으로 홈(grooving)을 내는 방법, 포토리소그래피를 이용한 방법, 및 화학적 식각 방법 등이 이용되고 있다.
플라즈마를 이용하여 표면조직화할 경우 포토레지스트를 도포하여 패턴을 형성한 후 플라즈마를 이용하여 식각한 후 마스크 층을 제거하는 방법이 수행되는데, 이러한 방법은 작업시간이 오래 걸리며 고가의 진공 장비가 필요하기 때문에 상업적 이용가능성이 적다.
또한, 기계적 스크라이빙(scribing) 방법은 웨이퍼 표면에 홈(groove)을 형성하여 화학적인 식각을 이용하여 표면조직화하는 방법으로 이러한 방법은 작업시간이 오래 걸리기 때문에 상업적인 생산이 어렵고 박막에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
포토리소그래피를 이용한 방법의 경우, 산화막이 있는 웨이퍼에 포토레지스트를 도표하여 패턴을 형성하고 이를 이방성/등방성 식각 방법을 통해 표면 조직화하는 방법으로 가격이 비싼 공정이기 때문에 다결정 태양전지 제작에 상업적으로 적용하기 힘들다.
그리고, 화학적인 식각 방법 중 이방성 식각 방법은 용액 내 프로텍터(protector)를 형성하여 이방성 식각한 후 프로텍터와 식각 용액을 제거하는 방법으로, 짧은 공정 시간에 저렴한 가격으로 다양한 웨이퍼를 표면조직화할 수 있는 방법으로 가장 많이 사용되고 있으나, 용액이 많이 접촉되는 표면조직화 상부의 경우 하부보다 많은 식각이 진행되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 광전변환효율이 우수한 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법은, 실리콘 기판상에 마이크로 피라미드 구조체를 형성하는 마이크로 피라미드 형성단계; 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 금속나노입자를 부착시키는 금속나노입자 부착단계; 금속나노입자가 부착된 위치에 나노구조를 형성하는 나노구조 형성단계; 및 나노구조를 평탄화시키는 나노구조 평탄화단계;를 포함한다.
마이크로 피라미드 형성단계는 실리콘 기판 상에 염기성 용액을 이용한 식각공정을 적용하여 수행되고, 염기성 용액을 이용한 식각공정은, 실리콘 기판 상에 KOH 및 NaOH 중 적어도 하나의 염기성 용액 및 이소프로필 알코올을 1.5:2의 체적 비율로 혼합한 혼합용액을 적용하여 수행될 수 있다.
금속나노입자 부착단계는 마이크로 피라미드 구조체 상에 금속나노입자를 응집시키는 응집방법 또는 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 증착시키는 증착방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 수행될 수 있다.
금속나노입자는 은나노입자이고 금속나노입자 부착단계는 질산은 용액을 이용하여 수행될 수 있다.
금속나노입자는 은나노입자이고 금속나노입자 부착단계는 전자빔 증착장치를 이용하여 마이크로 피라미드 구조체 표면에 은나노입자를 증착하여 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시에에 따르면, 금속나노입자 부착단계 후, 부착된 금속나노입자를 진공 열처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
나노구조 형성단계는 금속나노입자 부착단계 후에, 산성용액을 적용하여 금속나노입자를 촉매로 하여 금속나노입자의 부착위치에서 하측 방향으로 나노구조가 형성되는 것일 수 있다.
나노구조 평탄화단계는 실리콘 기판에 염기성 용액을 적용시켜 수행되는 것인 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 표면에 나노구조가 형성된 마이크로 피라미드 구조체를 포함하는 2차 이상 표면처리된 태양전지용 실리콘 기판으로서, 나노구조는 마이크로 피라미드 구조체의 하측방향으로 형성된 것인 태양전지용 실리콘 기판이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 태양전지용 실리콘 기판에 마이크로 형태의 표면조직화를 형성하고 조직화된 표면에 이중으로 나노 구조를 형성함으로써, 실리콘 밴드갭 이하의 반사도를 감소시키며 이로 인하여 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기판 전체에 균일한 분포를 갖는 나노 금속입자를 증착한 후에 나노구조 식각용 산성용액의 비율을 조절하여 식각시 표면조직화 상부에서 과도한 식각이 진행되는 문제를 피하여 전체 표면에 고른 식각이 이루어지는 균일한 나노구조가 형성되어 광반사도를 감소시켜 광전변환 효율의 향상되는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법 중 마이크로 피라미드 형성단계를 수행한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 1b는 도 1a의 확대도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법 중 마이크로 피라미드 형성단계를 수행한 후 산성용액으로 표면처리된 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 2b는 도 2a의 확대도이며, 도 2c는 도 2a의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 금속나노입자 응집부착단계를 수행한 후, 산성용액을 이용한 나노구조 형성단계를 수행한 후의 금속나노입자를 제거하지 않은 상태의 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 3b와 3c는 도 3a의 확대도이고, 도 3d는 도 3a에서 금속나노입자를 제거한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지이며, 도 3e는 도 3d의 확대도이고, 3f는 도 3d의 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 금속나노입자의 응집부착단계 수행 후 나노구조 형성단계 및 나노구조 평탄화단계를 수행한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 4b 및 도 4c는 각각 도 4a의 확대도이고, 도 4d는 도 4a의 실시예에 따른 실리콘 기판의 단면이미지이고, 도 4e 및 도 4f는 각각 도 4d의 확대도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 금속나노입자의 증착부착단계를 수행한 후 추가적으로 열처리단계가 더 수행된 실리콘 기판의 표면이미지이고, 도 5b 및 도 5c는 각각 5a의 확대도이고, 도 5d는 응집부착단계를 수행한 후 나노구조 형성단계를 수행한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지로, 도 5e 및 도 5f는 각각 도 5d의 확대도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법 중 마이크로 피라미드 형성단계를 수행한 후 산성용액으로 표면처리된 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 2b는 도 2a의 확대도이며, 도 2c는 도 2a의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 금속나노입자 응집부착단계를 수행한 후, 산성용액을 이용한 나노구조 형성단계를 수행한 후의 금속나노입자를 제거하지 않은 상태의 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 3b와 3c는 도 3a의 확대도이고, 도 3d는 도 3a에서 금속나노입자를 제거한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지이며, 도 3e는 도 3d의 확대도이고, 3f는 도 3d의 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 금속나노입자의 응집부착단계 수행 후 나노구조 형성단계 및 나노구조 평탄화단계를 수행한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 4b 및 도 4c는 각각 도 4a의 확대도이고, 도 4d는 도 4a의 실시예에 따른 실리콘 기판의 단면이미지이고, 도 4e 및 도 4f는 각각 도 4d의 확대도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 금속나노입자의 증착부착단계를 수행한 후 추가적으로 열처리단계가 더 수행된 실리콘 기판의 표면이미지이고, 도 5b 및 도 5c는 각각 5a의 확대도이고, 도 5d는 응집부착단계를 수행한 후 나노구조 형성단계를 수행한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지로, 도 5e 및 도 5f는 각각 도 5d의 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법은, 실리콘 기판상에 마이크로 피라미드 구조체를 형성하는 마이크로 피라미드 형성단계; 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 금속나노입자를 부착시키는 금속나노입자 부착단계; 금속나노입자가 부착된 위치에 나노구조를 형성하는 나노구조 형성단계; 및 나노구조를 평탄화시키는 나노구조 평탄화단계;를 포함한다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자를 이용한 차세대 전지로서 각광받고 있다. 태양전지는 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분된다.
현재 양산되고 있는 대부분의 태양전지인 실리콘계 태양전지는 반도체기판으로서 실리콘 기판을 사용하는데, 실리콘은 간접 밴드간 천이반도체(indirect interband transition semiconductor)로서, 실리콘의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛만이 전자-정공쌍을 발생시킬 수 있어서, 광의 흡수율이 낮은 편이다. 따라서 실리콘계 태양전지는 태양전지 내부로 입사되는 빛 중 30% 이상을 기판인 실리콘 웨이퍼 표면에서 반사되므로 태양전지의 효율이 저하된다.
이러한 광학적 손실을 저감화하기 위하여 실리콘 태양전지에서 표면조직화(texturing) 방법을 사용한다. 표면처리방법은 최대한 많은 양의 빛 에너지를 웨이퍼 기판 내부로 흡수시키기 위하여 실리콘 태양전지의 실리콘기판 표면에 요철을 형성시킴으로써 표면 조도를 높이는 것이다.
표면 조직화된 실리콘 기판의 표면에는 피라미드 형태의 구조체가 형성될 수 있는데, 처음 태양전지에 광이 도달하여 경사진 피라미드 벽에 부딪히면 일부는 흡수되고 일부는 반사되어 되돌아가게 되고, 이 때 되돌아가는 빛을 주변에 있는 다른 피라미드 벽에 계속해서 부딪히게 함으로써 광 흡수량이 증가되도록 하는 것이 표면조직화 방법이다. 이렇게 해서 피라미드 구조로 인해 광 흡수량이 증가되고 그 결과 광전변환효율 향상 효과를 얻는다.
본 발명에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법은 이러한 표면 조직화 방법을 이용한 광전변환효율을 극대화하기 위한 방법이다. 먼저, 본 실시예에 따른 표면처리방법에서는 태양전지용 실리콘 기판상에 마이크로 피라미드 구조체를 형성하는 마이크로 피라미드 형성단계가 수행된다.
실리콘 기판상에 마이크로 피라미드를 형성하는 단계는 습식식각방법으로 수행될 수 있다. 습식식각은 비등방성 식각이 가능한 염기성 용액으로 수행되거나, 등방성 식각이 가능한 산성용액 중 필요에 따라 선택하여 수행될 수 있다. 실리콘 기판 중 결정성에 따라 전체적으로 일관된 하나의 결정 방위를 갖는 단일 결정의 기판인 단결정 기판의 경우 비등방성 식각이 효과적이므로 NaOH 또는 KOH와 같은 염기성 용액으로 식각이 수행될 수 있다. 이와 달리 다수의 무작위로 배향되는 결정을 갖는 다결정 기판의 경우에는 결정 방향이 일정하지 않기 때문에 염기성 용액보다는 산성용액을 이용한 등방성 식각이 효과적이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법 중 마이크로 피라미드 형성단계를 수행한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 1b는 도 1a의 확대도이다.
본 실시예에서 마이크로 피라미드 형성단계는 실리콘 기판 상에 염기성 용액을 이용한 식각공정을 적용하여 수행되었다. 사용될 수 있는 염기성 용액으로는 KOH 또는 NaOH를 예로 들 수 있다. 상세하게, 본 실시예에서는 p형 실리콘 기판을 KOH 및 NaOH 중 적어도 하나의 염기성 용액 및 이소프로필 알코올(Isopropyl Alcohol, IPA)을 1.5:2의 체적 비율로 혼합한 혼합용액을 25분간 적용하여 80 내지 88℃에서 식각하여 실리콘 기판 상에 마이크로 피라미드 구조체를 형성하였다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법 중 마이크로 피라미드 형성단계를 수행한 후 산성용액으로 표면처리된 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 2b는 도 2a의 확대도이며, 도 2c는 도 2a의 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 실리콘 기판에 마이크로 피라미드 형성단계를 수행한 후 산성용액으로 표면처리하여 실리콘 기판의 표면에 나노 다공성 표면이 형성되어 있음을 알 수 있다. 상세하게, 본 실시예에서는 마이크로 피라미드 구조체 형성 이후, 산성용액인 HF와 H2O2를 이용하여 HF, H2O2 및 H2O를 1:5:10 체적비율로 혼합한 혼합용액을 30초 내지 4분을 적용하여 식각하여 실리콘 기판 상의 마이크로 피라미드 구조체 표면에 나노구조를 형성하였다.
도 2a를 참조하면, 실리콘 기판 상에 마이크로 피라미드가 형성된 것을 확인할 수 있었고, 이를 확대한 도 2b에서는 마이크로 피라미드의 표면에 산성용액의 적용으로 인한 나노 다공성 요철 구조가 형성되었음을 알 수 있다. 즉, 도 2c를 참조하면, 마이크로 피라미드 구조체 형성 후에, 산성용액을 적용시켜 추가적으로 나노단위의 요철구조를 더 형성할 수 있다. 산성용액으로 나노 다공성구조를 형성하는 경우 기판 표면 전체에서 매우 균일한 형태의 나노구조가 형성된다. 이에 따라 마이크로 피라미드 구조체만 형성된 경우보다는 광반사율이 낮아져 광전변환효율이 추가적으로 높아질 수 있다. 이러한 산성용액을 이용한 추가적인 나노 다공성 요철구조 형성단계는 이하, 금속나노입자를 이용한 나노구조 형성단계를 수행하는 경우에도 표면식각 방식으로 적용될 수 있다.
마이크로 피라미드 구조체를 형성한 후, 본 실시예에 다른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서는 상기 실시예의 산성용액 표면처리 전에 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 금속나노입자를 부착시키는 금속나노입자 부착단계가 수행된다. 마이크로 피라미드 구조체 표면에 금속나노입자를 부착시키는 이유는 마이크로 피라미드 구조체 표면에 광반사율을 낮출 수 있는 추가적인 나노구조를 더 형성하기 위한 것이다.
본 실시예에서, 마이크로 피라미드 구조체 표면에 추가적인 나노구조를 더 형성하기 위한 방법으로, 마이크로 피라미드 구조체 표면에 금속나노입자를 부착시키고, 금속나노입자를 촉매로 하여 금속나노입자 위치에 나노구조를 형성할 수 있다.
금속나노입자를 마이크로 피라미드 구조체 표면에 부착시키는 금속나노입자 부착단계는 금속나노입자를 마이크로 피라미드 구조체 상에 응집시키는 응집부착방법 또는 금속입자를 증착시키는 증착부착방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 수행될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 금속나노입자 응집부착단계를 수행한 후, 산성용액을 이용한 나노구조 형성단계를 수행한 후의 금속나노입자를 제거하지 않은 상태의 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 3b와 3c는 도 3a의 확대도이고, 도 3d는 도 3a에서 금속나노입자를 제거한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지이며, 도 3e는 도 3d의 확대도이고, 3f는 도 3d의 단면도이다.
본 실시예에서는 마이크로 피라미드 구조체가 형성된 p형 실리콘 기판에 HF와 AgNO3를 0.14:0.005의 몰(M)의 비율로 혼합하여 적용시켜 은나노입자가 마이크로 피라미드 구조체 상에 형성시킨다. 은나노입자는 마이크로 피라미드 구조체 표면에서 용해도가 낮아 은나노입자형태로 뭉치게 되어 도 3c에서와 같이 표면에 부착된다.
은나노입자 부착단계 후에, HF, H2O2 및 H2O를 1:5:10로 혼합한 산성용액을 30초 내지 4분을 적용하면, 은나노입자를 촉매로 하여 은나노입자가 위치한 영역에 식각되어 나노구조가 형성되게 된다. 도 3c의 표면이미지에서는 은나노입자가 마이크로 피라미드의 첨점부위에 많이 부착되어 피라미드를 불균일하게 식각하는 현상이 나타난다. 잔여 은나노입자는 질산용액을 이용하여 제거될 수 있다. 도 3d은 은나노입자를 제거한 후 실리콘 기판 표면의 이미지이며, 피라미드 첨점부위가 상대적으로 식각율이 크게 작용됨을 보이며, 도 3e와 3f는 도3d의 확대도와 단면도이다.
이렇게 은나노입자를 응집부착하고 산성용액으로 마이크로 피라미드 구조체의 표면으로부터 깊은 나노구조를 형성한 후, 본 발명의 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서는 나노구조, 특히 나노구조의 입구를 평탄화시키는 나노구조 평탄화단계가 더 수행된다. 나노구조 평탄화단계는 실리콘 기판에 염기성 용액을 적용시켜 수행될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 금속나노입자의 응집부착단계 수행 후 나노구조 형성단계 및 나노구조 평탄화단계를 수행한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지이고, 도 4b 및 도 4c는 각각 도 4a의 확대도이고, 도 4d는 도 4a의 실시예에 따른 실리콘 기판의 단면이미지이고, 도 4e 및 도 4f는 각각 도 4d의 확대도이다. 본 실시예에서는 나노구조가 형성된 실리콘 기판에 1%의 NaOH가 적용되었다.
도 4a에서와 같이 은나노입자가 위치한 영역이 식각되어 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 더욱 넓혀진 홀(hole)이 형성된 것과 같은 형태의 나노구조가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 도 4c를 참조하면, 마이크로 피라미드 구조체의 표면 전체가 나노 침상구조로 덮여 있는 것을 알 수 있다.
도 4d는 도 4a의 단면도인데, 이를 확대하면, 도 4f와 같이 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 바늘 형상의 침상 나노구조가 형성된 것을 알 수 있다. 이러한 나노구조는 도 2c의 마이크로 피라미드 구조체 표면의 다공성 나노구조와 상이한 구조인데, 도 2c의 나노구조가 형태나 길이가 무작위하고, 매우 불규칙적으로 형성되어지는데 반해, 금속나노입자를 이용한 나노구조는 형태가 일정하고 마이크로 피라미드 구조체의 표면에서 매우 깊게 형성되어 있다. 또한 구멍확대를 통한 구조변환으로 침상의 나노구조로 형성되어 있어, 광의 침투가 용이하여 광반사율을 효과적으로 줄일 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 금속나노입자의 증착부착단계를 수행한 후 추가적으로 열처리단계가 더 수행된 실리콘 기판의 표면이미지이고, 도 5b 및 도 5c는 각각 5a의 확대도이고, 도 5d는 응집부착단계를 수행한 후 나노구조 형성단계를 수행한 후의 실리콘 기판의 표면 이미지로, 도 5e 및 도 5f는 각각 도 5d의 확대도이다.
질산은 용액을 이용하여 은나노입자의 응집부착방법으로 마이크로 피라미드 구조체 표면에 은나노입자 부착을 수행하는 경우, 마이크로 피라미드 구조체의 고도에 따라 표면전하분포가 높아지고, 은이온이 표면에 부착되는 용해도가 증가한다. 따라서 마이크로 피라미드 구조체의 첨점에서 나노입자 밀도가 증가되고 식각율이 커져서 첨점에서의 식각율이 커지는 것을 조절할 필요가 있다. 이를 개선하기 위하여 금속나노입자를 진공 증착하면 마이크로 피라미드 구조체의 표면위치에 관계없는 균일한 입자분포가 이루어지며, 이를 질산은 용액에 담그면 균일하게 분포된 금속나노입자를 기준으로 응집이 일어나 균일한 나노구조 형성이 가능해진다.
금속나노입자를 진공 증착하기 위해 전자빔 증착장비를 활용하여 3.6×10-7torr의 고진공하에서 은 나노박막을 10 내지 30nm 두께로 증착할 수 있다. 이 때, 질산은 용액에서 은나노입자를 응집 부착하는 공정을 수행한 후, 부착된 은나노입자에 고온열처리 공정을 수행함으로써 나노입자의 크기를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 은나노박막이 증착된 실리콘 기판을 다시 열처리 진공용기의 온도 500℃에서 열처리 수행하면 도 5a와 같은 200 내지 500 nm 크기를 갖는 은나노입자가 형성될 수 있다.
또한 질산은 용액에서 은나노입자를 응집 부착하는 공정을 수행한 후, 부착된 은나노입자에 고온열처리 공정을 수행함으로써 나노입자의 크기를 증가시킬 수 있으며, 산성용액에서 나노구조 표면을 형성할 수 있다.
또한, 열처리공정으로 확대된 은나노입자가 부착된 표면에 다시 질산은 용액에서 나노입자 부착공정을 추가적으로 수행할 수 있다.
이러한 2차 표면부착 공정을 수행한 후 산성용액에서 나노구조 형성 공정을 수행한 후 나노구조를 평탄화시키는 나노구조 평탄화단계가 수행되어 최종적으로 표면에 평탄화된 나노구조가 형성된 마이크로 피라미드 구조체를 포함하는 태양전지용 실리콘 기판이 획득된다.
도 5d에서의 금속나노입자을 증착하여 형성한 나노구조의 형상은 나노금속입자의 자리부위가 식각되면서 상대적으로 크기가 크게 되고, 응집된 은나노입자의 패턴으로 식각된 비교적 작은 나노구멍의 다공성 구조가 전체 마이크로 피라미드 표면에 대해 복합적으로 혼재된 이미지를 갖는다. 증착된 큰 은나노입자가 위치한 오목한 자리에서도 같은 크기의 작은 나노 다공성 구멍이 형성됨을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따라 실리콘 기판을 표면처리하는 경우, 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 균일하고, 넓은 표면적의 나노구조가 형성되어 광전변환효율이 극대화된 태양전지용 실리콘 기판을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 표면에 나노구조가 형성된 마이크로 피라미드 구조체를 포함하는 2차 이상 표면처리된 태양전지로서, 나노구조는 마이크로 피라미드 구조체의 하측방향으로 형성된 것인 태양전지용 실리콘 기판이 제공된다. 본 태양전지용 실리콘 기판은 전술한 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법에서 설명한 것과 동일하므로 그 설명은 생략하기로 한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
Claims (9)
- 실리콘 기판상에 마이크로 피라미드 구조체를 형성하는 마이크로 피라미드 형성단계;
상기 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 금속나노입자를 부착시키는 금속나노입자 부착단계;
상기 금속나노입자가 부착된 위치에 나노다공성 요철구조로서 나노침상구조를 형성하는 나노구조 형성단계; 및
상기 나노구조를 평탄화시켜 상기 나노침상구조의 입구를 확대시키는 나노구조 평탄화단계;를 포함하는 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 마이크로 피라미드 형성단계는,
상기 실리콘 기판 상에 염기성 용액을 이용한 식각공정을 적용하여 수행되고,
상기 염기성 용액을 이용한 식각공정은,
상기 실리콘 기판 상에 KOH 및 NaOH 중 적어도 하나의 염기성 용액 및 이소프로필 알코올을 1.5:2의 체적 비율로 혼합한 혼합용액을 적용하여 수행되는 것인 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속나노입자 부착단계는,
상기 마이크로 피라미드 구조체 상에 금속나노입자를 응집시키는 응집방법 또는 상기 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 증착시키는 증착방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 수행되는 것인 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 금속나노입자는 은나노입자이고,
상기 금속나노입자 부착단계는,
질산은 용액을 이용하여 수행되는 것인 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 금속나노입자는 은나노입자이고,
상기 금속나노입자 부착단계는,
전자빔 증착장치를 이용하여 상기 마이크로 피라미드 구조체 표면에 상기 은나노입자를 증착하여 수행되는 것인 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속나노입자 부착단계 후,
상기 부착된 금속나노입자를 진공 열처리하는 단계;를 더 포함하는 것인 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 나노구조 형성단계는,
상기 금속나노입자 부착단계 후에, 산성용액을 적용하여 상기 금속나노입자를 촉매로 하여 상기 금속나노입자의 부착위치에서 하측 방향으로 나노구조가 형성되는 것인 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 나노구조 평탄화단계는,
상기 실리콘 기판에 염기성 용액을 적용시켜 수행되는 것인 태양전지용 실리콘 기판의 표면처리방법. - 표면에 나노구조가 형성된 마이크로 피라미드 구조체를 포함하는 2차 이상 표면처리된 태양전지용 실리콘 기판으로서, 상기 나노구조는 실리콘 기판상에 마이크로 피라미드 구조체를 형성하는 마이크로 피라미드 형성단계; 상기 마이크로 피라미드 구조체의 표면에 금속나노입자를 부착시키는 금속나노입자 부착단계; 상기 금속나노입자가 부착된 위치에 나노다공성 요철구조로서 나노침상구조를 형성하는 나노구조 형성단계; 및 상기 나노구조를 평탄화시켜 상기 나노침상구조의 입구를 확대시키는 나노구조 평탄화단계;가 수행되어 형성되어, 상기 나노구조는 상기 나노구조 평탄화단계에서 입구가 평탄화되고, 상기 마이크로 피라미드 구조체의 하측방향으로 형성된 것인 태양전지용 실리콘 기판.
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| KR20210067386A (ko) * | 2019-11-29 | 2021-06-08 | 한국과학기술연구원 | 준 육각 나노 피라미드 구조로 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼 구조체와, 이를 제조하기 위한 방법, 및 이러한 실리콘 웨이퍼를 포함하는 태양전지 |
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