KR101739198B1 - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 나노 표면 구조를 이용하여 도금 전극의 부착력을 향상시킨 결정질 실리콘 태양 전지 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 도금 전극이 형성되는 부분에 나노 구조를 갖는 실리콘 표면을 형성시켜 부착력을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 도금 전극이 형성되는 부분에 나노 구조를 갖는 실리콘 표면을 형성시켜 부착력을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 나노 표면 구조를 이용하여 도금 전극의 부착력을 향상시킨 결정질 실리콘 태양 전지 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다. 태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 광전자(photon)를 전기에너지로 변환시키는 태양광전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하. '태양전지')라 한다.
이러한 태양 전지는 결정질 실리콘 태양전지 및 화합물반도체 태양전지로 분류된다. 태양전지 시장의 94% 이상을 차지하는 결정질 실리콘 태양전지는 단결정 실리콘 태양전지(c-Si), 다결정 실리콘 태양전지(a-Si) 및 다결정 박막 태양 전지로 구성되고, 비결정질(Amorphous) 박막 태양 전지로 구성된다.
박막 태양전지(Thin film solar cell)는 얇은 플라스틱이나 유리 기판에 막을 입히는 방식으로 제조하는 태양 전지로써, CdS(cadmium sulfide, 황화카드뮴) 태양전지, CdTe(cadmium telluride, 텔루륨화 카드뮴) 태양전지, CIGS(Copper Indium Gallium Selenide) 태양전지(Cu,In,Ga,Se의 4가지 원소로 구성된 박막 태양전지), 염료 감응형 태양 전지(DSC: dye sensitized solar cell)로 분류된다.
이러한 태양 전지에서 도금 전극을 형성시키면 부착력이 낮아 모듈화되었을 때 써멀 사이클(thermal cycle) 평가에서 페일(fail)의 원인이 되고 있다.
부연하면, 표면 요철이 적게 생기게 되어 부착력이 낮다. 이를 보여주는 도면이 도 1 및 도 2이다. 도 1에서 좌측 도면들은 표면 요철을 확대한 것이다. 또한, 도 2에서 우측 도면들은 표면 요철을 확대한 것이다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 태양 전지의 도금 전극 형성시 부착력을 향상시킬 수 있는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 모듈화 되었을때 써멀 사이클 평가에서 페일의 원인을 제거할 수 있도록 나노구조를 갖는 실리콘 표면을 형성시키는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 태양 전지의 도금 전극 형성시 부착력을 향상시킬 수 있는 태양 전지를 제공한다.
상기 태양 전지는,
실리콘 기판;
상기 실리콘 기판의 표면상에 형성되는 이미터층;
상기 이미터층의 표면상에 증착되며, 개방 영역을 갖는 다수의 개방부가 형성되는 전면 패시베이션층; 및
상기 다수의 개방부 및 상기 전면 패시베이션층에 형성되고, 내측에 미리 설정되는 패턴으로 다수의 호모 폴리머 기둥이 형성되는 블록 코폴리머층을 에칭함으로써 상기 다수의 호모 폴리머 기둥 중 상기 다수의 개방부에 있는 호모 폴리머 기둥들을 통해 상기 실리콘 기판이 에칭됨에 따라 상기 실리콘 기판의 상단면에 하방향으로 도금에 의해 메워지면서 기둥으로 성장하는 상기 실리콘과의 부착력을 위한 오목한 홈들을 갖는 나노 구조가 형성되며 상기 나노 구조가 형성된후 상기 나노 구조의 상단측에는 모듈화를 위한 전극에 부착되는 도금층이 형성되는 전면 전극판;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 나노 구조는 상기 블록 코폴리머층에 형성된 상기 다수의 호모 폴리머 기둥을 에칭함에 따라 상기 다수의 호모 폴리머 기둥의 끝단에 있는 상기 실리콘의 해당 표면이 에칭되어 형성되며, 상기 다수의 호모 폴리머 기둥은 둥근 막대형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 개방부는 레이저에 의해 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전면 패시베이션층은 SiNx인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 나노 구조는 상기 SiNx를 에칭하지 않고 Si를 에칭하는 에칭 용액을 이용하여 상기 SiNx가 개방되는 상기 개방부만을 에칭하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 블록 코폴리머층은 상기 전면 전극판의 상단면에 형성되는 나노틀 층을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 나노틀 층의 재질은 PS(Polystyrene)-r-PMMA(Polymethyl methacrylic)이고, 상기 블록 코폴리머층의 재질은 PS-b-PMMA이고, 상기 호모 폴리머 기둥의 재질은 PMMA인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판은 결정질 실리콘 기판인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 호모 폴리머 기둥의 지름은 호모 폴리머의 비율에 따라 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판의 후면상에 후면 전극이 형성되며, 상기 후면 전극은 스크린프린팅 기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 에칭 용액은 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 준비된 실리콘 기판의 표면상에 이미터층을 형성하는 단계; (b) 상기 이미터층의 표면상에 개방 영역을 갖는 다수의 개방부가 형성되는 전면 패시베이션층을 증착하는 단계; (c) 상기 다수의 개방부 및 상기 전면 패시베이션층에 블록 코폴리머층을 형성하는 단계; (d) 내측에 미리 설정되는 패턴으로 다수의 호모 폴리머 기둥이 형성되는 상기 블록 코폴리머층을 에칭함으로써 상기 다수의 호모 폴리머 기둥 중 상기 다수의 개방부에 있는 호모 폴리머 기둥들을 통해 상기 실리콘 기판이 에칭됨에 따라 상기 실리콘 기판의 상단면에 하방향으로 도금에 의해 메워지면서 기둥으로 성장하는 상기 실리콘과의 부착력을 위한 오목한 홈들을 갖는 나노구조를 상기 다수의 개방부에 형성하는 단계; 및 (e) 상기 나노 구조가 형성된후 상기 나노 구조의 상단측에 모듈화를 위한 전극에 부착되는 도금층이 형성되는 전면 전극판을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법을 제공할 수 있다.
이때, 상기 (d) 단계는, (d-1) 상기 블록 코폴리머층에 형성되는 호모 폴리머 기둥을 UV 에칭하는 단계; 및 (d-2)상기 에칭에 따라 상기 다수의 호모 폴리머 기둥의 끝단에 있는 상기 실리콘의 해당 표면이 에칭되어 상기 나노 구조를 상기 다수의 개방부에 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 다수의 호모 폴리머 기둥은 둥근 막대형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 실리콘 기판의 후면상에 후면 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 도금 전극이 형성되는 부분에 나노 구조를 갖는 실리콘 표면을 형성시켜 부착력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 부착력이 향상됨에 따라 모듈화되었을 때 써멀 사이클 평가에서 페일(fail)의 원인을 제거할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1 및 도 2는 일반적인 태양 전지 표면의 표면을 보여주는 도면이다.
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지에서 도금 전극을 형성하는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 도금 과정을 더 상세하게 보여주는 공정도이다.
도 4a는 도 3b에 도시된 블록 코폴리머층 형성 단계(S381)로서 블록 코폴리머층(430)이 형성되는 것을 보여주는 개념도이다.
도 4b는 도 3b에 도시된 에칭 단계(S382)로서 블록 코폴리머층(430)에 에칭이 수행된 후 상태를 보여주는 개념도이다.
도 4c는 도 3b에 도시된 나노 구조 형성 단계(S383)로서 실리콘 기판상에 나노 구조(460)가 형성된 상태를 보여주는 개념도이다.
도 5는 도 4a에 따른 전체 구조의 개념도이다.
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지에서 도금 전극을 형성하는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 도금 과정을 더 상세하게 보여주는 공정도이다.
도 4a는 도 3b에 도시된 블록 코폴리머층 형성 단계(S381)로서 블록 코폴리머층(430)이 형성되는 것을 보여주는 개념도이다.
도 4b는 도 3b에 도시된 에칭 단계(S382)로서 블록 코폴리머층(430)에 에칭이 수행된 후 상태를 보여주는 개념도이다.
도 4c는 도 3b에 도시된 나노 구조 형성 단계(S383)로서 실리콘 기판상에 나노 구조(460)가 형성된 상태를 보여주는 개념도이다.
도 5는 도 4a에 따른 전체 구조의 개념도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것 뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
우선 본 발명의 일실시예를 설명하기에 앞서 태양 전지에 대한 이해를 위해 일반적인 원리 및 구조를 기술하면 다음과 같다.
태양전지는 평판형 태양전지 모듈(flatform solar cell module) 및 집광형 태양전지 모듈(concentrated solar cell module)로 구성된다.
집광형 태양전지 모듈은 프랜넬 렌즈(Fresnel lens)를 사용하여 태양광선을 집광시킨 후에, 태양전지에 집광된 빛이 조사되면 전력을 발생한다. 태양전지는 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기능을 가진 최소 단위의 태양전지 셀을 10~15cm 각 판상의 실리콘에 pn접합을 형성한 반도체의 일종이다. 1 개의 실리콘 태양전지의 경우, 100cm2면적 기준으로 입사된 태양광을 전력으로 변환하면 약 0.5V, 3A 전력을 생성한다. 결정질 실리콘 태양전지 모듈(PV module)은 30-36개에 태양전지 어레이를 직렬로 연결한다.
태양전지 셀은 그대로는 발생전압이 약 0.5V로 적기 때문에 수십 개의 태양전지 셀을 일정한 틀에 고정하여 직렬로 접속하여 태양전지 모듈로 사용하여 소정의 전압 출력을 얻게 된다. 태양전지(Solar Cell)는 온도 변화나 일사 강도의 변화에 따라 출력 전압, 출력 전류의 변화에 대하여 항상 태양전지로의 출력을 제공한다.
태양전지 모듈(Solar Cell module)의 광전 변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 12~15%, 다결정 실리콘 태양전지의 경우 10~14%, 화합물반도체 태양전지(CdS, CdTe, CIGS 등)에서는 6~9% 정도가 된다.
태양광 에너지의 광전 변환효율(η:Total Area Conversion Efficiency, The efficiency of operation of a solar cell)은 단위면적당 내리쬐는 태양광 에너지가 얼마만큼 전기 에너지로 변환되는지에 대한 효율을 나타내며, 전형적으로 10~40% 범위의 값을 지닌다. 효율을 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
여기서, Pmax: 최대출력(W), At: 모듈 전면적(m2), G: 방사속도(W/m2)를 나타낸다.
지표에 내리쬐는 태양광의 power density는 100mW/cm2(1kW/m2), 즉 1m2 당 1kW에 해당하는 에너지를 가지고 있다.
1m2 당 1kW의 태양광이 약 1시간 내리쬐면, 약 1kwh(1kwh860Kcal/1cal=4.19J) 전력이 생성될 수 있으나, 이는 예시를 위한 것으로 이들 숫자에 한정되는 것은 아니다.
태양전지의 I-V 출력특성은 최대출력동작전류(Ipm) 및 최대출력동작전압(Vpm)에 의해 형성된 최적동작점에서 동작되도록 태양광 스펙트럼이나 태양전지의 분광감도 특성에 의해 좌우되기 때문에 태양전지의 기본적인 성능을 표시하는 경우, 기준 상태(온도 25℃, 입사광의 분광분포 AM 1.5, 태양광의 방사조도 1kW/m2)에서의 값을 표준으로 하고 있다.
AM은 Air Mass의 약자로써 태양직사광이 지표에 입사하기까지의 통과하는 대기의 양을 표시하며, 바로 위 태양 90°에서의 일사를 AM=1로 하여 그 배율로 표시된 파라미터이다. AM 1.5는 광(光)의 통과 거리가 1.5배로 되고 태양고도 42°에 해당된다. Air Mass 값이 크게 되면 아침 해, 석양의 해처럼 짧은 파장의 대기에 흡수되어 적외선이 많게 되고, Air Mass 값이 적게 되면 자외선(청광)이 강하게 된다. 태양광은 자외선, 가시광선, 적외선이 있으며, 파장도 0.2~2.4㎛ 범위로 넓게 분포한다.
태양광은 파장(wavelength)에 따라 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환효율이 태양전지의 종류에 따라 각각 다르게 나타나며, 실시예로 결정계 단결정 실리콘 태양전지의 경우 파장은 약 0.7㎛ 이상의 적외선에도 감도를 가지며, 역으로 비결정계 아몰퍼스 실리콘(a-Si) 태양전지의 경우 가시광선 파장대역에서 감도를 가지고 있다.
태양전지의 구조는 단결정 실리콘 태양전지의 경우 실리콘에 5가원소 인, 비소, 안티몬 등을 첨가시킨N형 반도체와 3가 원소, 붕소, 칼륨 등을 침투시켜 만든 P형 반도체로 이루어진 PN접합구조를 가지고 있다. 태양전지의 기본구조는 다이오드와 동일하다.외부에서 빛이 태양전지에 입사되었을 때 P형 반도체의 전자(electron)는 전도대로 여기되며 한 쌍의 전자(electron)와 정공(hole)이 생성되며 P형반도체의 과잉 전자(electron)는 PN 접합부 사이에 존재하는 전기장에 의해 확산되어 N형 반도체로 이동하게 되며 각각의 전자(electron), 정공(hole)의 빈자리는 양이온 음이온을 띄게 하여 전압차가 발생된다.
이러한 태양전지는 광전 변환효율을 높이기 위해 태양전지의 전극부분을 Molding 고정 방법으로 전극 폭 두께 및 형상에 따른 Shading Loss를 줄이고, 전극부분에 도달하는 빛을 재반사시켜 태양전지의 광전 변환효율을 극대화하고 Loss를 최소화하는 것이 중요하다.
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지에서 도금 전극을 형성하는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 3a를 참조하면, 먼저 태양전지를 만들기 위해 실리콘 기판(미도시)을 준비하고, 상기 실리콘 기판의 표면에 존재하는 결함을 제거(SDR, saw damage removal)하는 공정을 수행한다(단계 S310). 여기서, 실리콘 기판은 결정질 실리콘 기판이 될 수 있다. 또한, 실리콘 기판으로 p형 및 n형 타입 모두를 사용할 수 있다.
상기 실리콘 기판의 표면손상제거(SDR, saw damage removal)를 위해 습식 및 건식방법을 모두 사용할 수 있지만, 제조 원가와 생산성을 고려하여 NaOH, KOH 등의 용액으로 습식방법을 사용할 수 있다.
이후, 상기 실리콘 기판을 텍스쳐링(texturing)하는 공정을 수행한다(단계 S320). 즉, 이러한 텍스쳐링 공정은 실리콘 기판의 표면에 불규칙한 요철 구조를 만드는 공정이다. 상기와 같은 텍스쳐링 공정을 수행함으로써 태양전지에 입사되는 빛이 외부로 반사되어 태양전지의 효율이 저하되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
텍스쳐링 공정의 경우, 알칼리성이나 산성을 띄는 용액을 이용하는 습식방법이나 플라스마를 이용하는 건식방법 모두 사용할 수 있지만, 제조 원가와 생산성을 고려하여 NaOH, KOH, IPA, HNO3, HF 등의 용액을 이용하는 습식방법을 사용하는 것이 유리하다.
이후, 상기 실리콘 기판의 전면 또는 전후면에 SiO2 막을 성장하는 공정을 수행한다. 상기 SiO2 막을 성장하는 공정은 전통적인 열로(thermal furnace)나 RTP(rapid thermal process) 등의 장비를 사용할 수 있으며, CVD(chemical vapor deposition) 등을 사용할 수도 있다.
상기 열로(thermal furnace)나 RTP(rapid thermal process)를 사용할 경우, SiO2 막의 성장은 습식 및/또는 건식방법 모두 가능하며, 이때 H2O, O2 등의 소스를 이용한다. 상기 SiO2 막은 차후 이미터 층 형성시 장벽층(barrier layer) 역할을 수행하므로, 상기 SiO2 막을 이용하여 이미터 층의 인(P) 불순물 도핑 농도(concentration) 및 접합 깊이(junction depth)를 조절할 수 있다.
이후, 상기 실리콘 기판과 반대되는 타입의 도전형을 갖는 이미터 층을 형성하는 공정을 수행한다. 이 공정에서는 이미터 층을 형성하기 위해 상기 실리콘 기판에 인(P)을 열확산(thermal diffusion) 도핑(doping)한다(단계 S330). 상기 열확산 도핑 시 POCl3, H3PO4 등의 인(P)이 함유되거나 BF3, B2H6 등의 붕소(B)가 함유된 소스를 이용할 수 있다.
이후, 습식 에칭을 이용한 아이솔레이션 공정이 수행된다(단계 S340). 부연하면, 이미터층이 형성된 기판을 식각액에 담궈 기판 하부의 일부 두께를 제거하는 방식으로 진행된다. 즉, 실리콘 기판에 성장된 SiO2 막 및/또는 이미터 층형성 공정에서 형성된 부산물인 PSG(Phosphosilicate glass)나 BSG( borosilicate glass)를 동시에 제거한다. 식각액은 HF, DHF(DiHydrofolic Acid), BOE(Buffered Oxide Etch) 등의 용액이 될 수 있다.
이후, 전면 패시베이션 증착 공정이 수행된다(단계 S350). 부연하면, 이미터 층에 전면 반사 방지막인 패시베이션층을 증착한다. 패시베이션층의 증착은 저압 화학기상 증착법(LPCVD, low pressure chemical vapor deposition), 플라스마 화학기상 증착법(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) 등을 실시하여 형성될 수 있다.
증착된 패시베이션층은 반사 방지막(ARC, anti-reflection coating)의 역할 및/또는 표면 패시베이션(passivation)의 역할, 그리고 수분, 먼지 등의 외부환경으로부터 소자를 보호하는 역할을 한다. 따라서, 패시베이션층은 실리콘 기판을 통하여 입사된 빛이 이미터 층에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사되어 태양전지의 광전 변환 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다.
또한, 패시베이션층의 물질은 태양전지의 표면에서 전지 표면과 반응하지 말아야 하고, 재질로써 전지 표면을 보호할 수 있는 SiO2 등의 실리콘 산화물(SiOx), Si3N4 등의 실리콘 질화물(SiNx) 또는 TiO2 등의 물질을 사용할 수 있다.
이후, 실리콘 기판의 후면에 후면 전극을 형성하는 공정을 수행한다(단계 S360). 부연하면, 스크린 프린팅 기법을 등을 사용하여 후면 전극을 형성한다. 상기 스크린 프린팅 기법은 패턴이 설계된 메쉬(mesh) 위에 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 페이스트(paste) 소스를 놓고 실리콘 기판에 인쇄한 후 페이스트를 건조시키는 기법이다. 상기 후면전극의 재질로써 주로 알루미늄(Al) 페이스트(paste)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이후, 상기 후면전극을 고온에서 소결(firing)하여 이미터 층과 실리콘 기판을 옴 접촉(ohmic contact)한다. 이러한 소결 방법으로는 열로(thermal furnace)나 RTP(rapid thermal process), 벨트형 인라인(belt type in-line) 등의 다양한 방법을 사용할 수 있다. 이때 상기 소성 공정은 실리콘질화(SiNx) 막의 특성과 전극 물질의 특성을 고려하여 시간, 온도 등을 조절하여 수행한다.
이후, 앞선 공정에서 형성된 전면 패시베이션층을 레이저로 개구(opening)하여 개구부를 형성한다(단계 S370).
이후, 전면 전극층을 형성하여 도금을 실행하는 공정이 수행된다(단계 S380). 이에 대하여는 도 3b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 도금 과정을 더 상세하게 보여주는 공정도이다.
전면 패시베이션층(410)위에 블록 코폴리머층을 형성한다(단계 S381). 이를 보여주는 도면이 도 4a이다. 즉, 도 4a는 도 3b에 도시된 블록 코폴리머층 형성 단계(S381)로서 블록 코폴리머층(430)이 형성되는 것을 보여주는 개념도이다.
특히, 블록 코폴리머층(430)의 내부에는 다수의 호모 폴리머 기둥(440)이 형성된다. 여기서, 블록 코폴리머층(430)에는 PMMA(Polymethyl methacrylate), PVP(Polyvinylpyrrolidone), PS(Polystyrene), PI(Polyimide) 등이 사용될 수 있다.
특히, 본 발명의 일실시예에서는 블록 코폴리머층(430)으로서 PS-b-PMMAX가 사용될 수 있으며, 호모 폴리머 기둥(440)으로서 PMMA가 사용될 수 있다. 호모 폴리머 기둥(440)의 지름은 호모 폴리머의 비율에 따라 조절될 수 있다. 블록 코폴리머층은 블록 코폴리머 용액을 스핀코팅하여 필름을 형성한 후, 일정 온도 이상에서 어닐링(열처리)를 하여 형성된다. 블록 코폴리머층(430)은 나노구조를 형성하기 위한 나노틀 층이 된다.
특히, 레이저로 형성되는 개구부(401)에도 블록 코폴리머층(430)이 형성된다. 도면에서는 이해의 편의를 위해 다른 색으로 표시하였으나 블록 코폴리머층(430)과 동일하다.
도 3b를 계속 참조하면, 블록 코폴리머층 형성이후, 에칭을 수행하여 기공을 형성한다(단계 S382). 이를 보여주는 도면이 도 4b에 도시된다. 즉, 도 4b는 도 3b에 도시된 에칭 단계(S382)로서 블록 코폴리머층(430)에 에칭이 수행된 후 상태를 보여주는 개념도이다. 도 4b를 참조하면, 블록 코폴리머층(430)에 형성되는 호모 폴리머 기둥(440)을 UV(Utra Violet)를 이용하여 에칭하면 기공(450)이 형성된다. 이후, 형성된 나노 구조를 반응성 이온 에칭을 이용하여 전면 패시베이션층(410)에 전사한다.
도 4c는 도 3b에 도시된 나노 구조 형성 단계(S383)로서 실리콘 기판상에 나노 구조(460)가 형성된 상태를 보여주는 개념도이다.
이후, 이러한 나노구조(461)에 도금 장치(미도시)를 이용하여 상단측에 도금층을 형성한다(단계 S384). 도금층은 일반적으로 Ni, Cu 순으로 이루어지며 Ni 도금 용액으로는 염화니켈(NiCl2), 치아인산나트륨(NaH2PO2), 수산화암모늄(NH4OH)을 사용한다. Cu의 도금 용액으로는 황산구리(CuSO4), 황산(H2SO4)을 사용한다. 도금방법으로는 무전해도금과 전해도금, 광유도 도금 모두 사용할 수 있다.
이후, 도금층이 형성되는 나노 구조(460)에 태양전지의 모듈화를 위한 상부 전극(미도시)을 부착한다. 상부 전극은 전도성의 금속 재질로 구성된다.
도 5는 도 4b에 따른 전체 구조의 개념도이다. 도 5를 참조하면, 도 3a에 의해 형성된 실리콘 기판(400)(특히, 이미터층)의 상단면에 전면 패시베이션층(410)이 형성되고, 이 전면 패시베이션층(410)을 레이저로 에칭하여 개구부(401)를 형성하고, 이 개구부(401)에 블록 코폴리머층(430)이 형성된다. 전면 패시베이션층(410)이 SiNx층으로 이루어질 경우, Si를 에칭하는 용액을 사용하여 SiNx층을 에칭하지 않으면서 개구부(401)만을 에칭하여 나노 구조를 형성한다. 에칭용액으로는 실리콘을 에칭하면서 블록 코폴리머층을 에칭하지 않는 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등을 사용할 수 있다.
400: 실리콘 기판
401: 개구부
410: 전면 패시베이션층
430: 블록 코폴리머층
440: 호모 폴리머 기둥
450: 기공
461: 나노 구조
401: 개구부
410: 전면 패시베이션층
430: 블록 코폴리머층
440: 호모 폴리머 기둥
450: 기공
461: 나노 구조
Claims (14)
- 태양 전극에 있어서,
실리콘 기판;
상기 실리콘 기판의 표면상에 형성되는 이미터층;
상기 이미터층의 표면상에 증착되며, 개방 영역을 갖는 다수의 개방부가 형성되는 전면 패시베이션층; 및
상기 다수의 개방부 및 상기 전면 패시베이션층에 형성되고, 내측에 미리 설정되는 패턴으로 다수의 호모 폴리머 기둥이 형성되는 블록 코폴리머층을 에칭함으로써 상기 다수의 호모 폴리머 기둥 중 상기 다수의 개방부에 있는 호모 폴리머 기둥들을 통해 상기 실리콘 기판이 에칭됨에 따라 상기 실리콘 기판의 상단면에 하방향으로 도금에 의해 메워지면서 기둥으로 성장하는 상기 실리콘과의 부착력을 위한 오목한 홈들을 갖는 나노 구조가 형성되며 상기 나노 구조가 형성된후 상기 나노 구조의 상단측에는 모듈화를 위한 전극에 부착되는 도금층이 형성되는 전면 전극판;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나노 구조는 상기 블록 코폴리머층에 형성된 상기 다수의 호모 폴리머 기둥을 에칭함에 따라 상기 다수의 호모 폴리머 기둥의 끝단에 있는 상기 실리콘의 해당 표면이 에칭되어 형성되며, 상기 다수의 호모 폴리머 기둥은 둥근 막대형상인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 개방부는 레이저에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전면 패시베이션층은 실리콘질화막인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 4 항에 있어서,
상기 나노 구조는 상기 실리콘질화막을 에칭하지 않고 상기 실리콘 기판의 실리콘(Si)을 에칭하는 에칭 용액 또는 UV(Ultra Violet) 에칭을 이용하여 상기 실리콘질화막이 개방되는 상기 개방부만을 에칭하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 블록 코폴리머층의 재질은 PS-b-PMMA이고, 상기 호모 폴리머 기둥의 재질은 PMMA인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 실리콘 기판은 결정질 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 호모 폴리머 기둥의 지름은 호모 폴리머의 비율에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 실리콘 기판의 후면상에 후면 전극이 형성되며, 상기 후면 전극은 스크린프린팅 기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 5 항에 있어서,
상기 에칭 용액은 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 태양 전극의 제조 방법에 있어서,
(a) 준비된 실리콘 기판의 표면상에 이미터층을 형성하는 단계;
(b) 상기 이미터층의 표면상에 개방 영역을 갖는 다수의 개방부가 형성되는 전면 패시베이션층을 증착하는 단계;
(c) 상기 다수의 개방부 및 상기 전면 패시베이션층에 블록 코폴리머층을 형성하는 단계;
(d) 내측에 미리 설정되는 패턴으로 다수의 호모 폴리머 기둥이 형성되는 상기 블록 코폴리머층을 에칭함으로써 상기 다수의 호모 폴리머 기둥 중 상기 다수의 개방부에 있는 호모 폴리머 기둥들을 통해 상기 실리콘 기판이 에칭됨에 따라 상기 실리콘 기판의 상단면에 하방향으로 도금에 의해 메워지면서 기둥으로 성장하는 상기 실리콘과의 부착력을 위한 오목한 홈들을 갖는 나노구조를 상기 다수의 개방부에 형성하는 단계; 및
(e) 상기 나노 구조가 형성된후 상기 나노 구조의 상단측에 모듈화를 위한 전극에 부착되는 도금층이 형성되는 전면 전극판을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
(d-1) 상기 블록 코폴리머층에 형성되는 상기 다수의 호모 폴리머 기둥을 에칭하는 단계; 및
(d-2)상기 에칭에 따라 상기 다수의 호모 폴리머 기둥의 끝단에 있는 상기 실리콘의 해당 표면이 에칭되어 상기 나노 구조를 상기 다수의 개방부에 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 다수의 호모 폴리머 기둥은 둥근 막대형상인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 블록 코폴리머층의 재질은 PS-b-PMMA이고, 상기 호모 폴리머 기둥의 재질은 PMMA인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 상기 실리콘 기판의 후면상에 후면 전극을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 후면 전극은 스크린프린팅 기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
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