KR101939482B1 - 실리콘 태양전지, 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 나노구조체(nanostructure)를 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면을 제2 도전형의 도펀트(dopant)로 도핑(doping)하여, 상기 실리콘 기판 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계, 상기 나노구조체 상에 금속 산화물막을 형성하는 단계, 상기 금속 산화물막 상에 금속 나노입자를 증착하는 단계, 및 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.

Description

실리콘 태양전지, 및 그 제조 방법{Silicon solar cell, and method for manufacturing same}
본 발명은 실리콘 태양전지, 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 실리콘 기판의 상부면에는 반사방지막을 형성하고, 상기 실리콘 기판의 하부면에는 나노구조체, 및 금속 나노입자가 증착된 금속 산화물막을 형성하여 양자 효율이 향상된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
태양전지는 태양광의 포톤(photon)을 전기로 변환시키는 PN 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 태양전지는 PN 접합이 구성되는 반도체 웨이퍼 또는 기판 상·하면에 각각 전면 전극과 후면 전극이 형성되어 있다. 태양전지는 반도체 웨이퍼에 입사되는 태양광에 의해 PN 접합의 광전 효과가 유도되고, 이로부터 발생된 전자들이 전극을 통해 외부로 흐르는 전류를 제공한다.
최근에는 태양전지의 에너지 변환 효율을 증가시키기 위해, 태양전지의 면적을 점차 증가시키고 있으나, 이는 태양전지의 접촉저항을 높여 태양전지의 효율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 패널 면적의 증가에도 불구하고 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 국제 특허 공개 공보 WO14014294A1 (출원인: SK INNOVATION CO. LTD., 출원번호 WO2013KR006452)에는, 평판 형태로 형성되는 기판, 상기 기판 상에 서로 이격되어 정렬 배치되는 복수 개의 서브 모듈로서, 기판 및 상기 기판 상에 형성된 다수의 태양전지 셀을 포함하는 복수 개의 서브 모듈, 상기 서브 모듈들 사이 또는 외곽 부분에 접촉 배치되는 도전부, 상기 서브 모듈들 상면에 배치되는 덮개판을 포함하는 태양 전지 모듈을 제공함으로써, 소면적의 서브 모듈들을 배열 구성하여, 대면적의 박막형 태양전지 패널을 제작하여, 상기 박막의 균일성이 저하되는 것을 방지함으로써, 대면적의 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키는 방법이 개시되어 있다.
최근 태양전지의 패널의 면적을 증가시키지 않고, 태양전지의 구조, 또는 전극의 조성물 등의 변화를 통해, 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
국제 특허 공개 공보 WO14014294A1
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 비표면적이 증가된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 광 흡수율이 증가된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 양자 효율이 향상된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 비용이 감소된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 광전 변환 효율이 향상된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 실리콘 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제 2면에 나노구조체(nanostructure)를 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면을 제2 도전형의 도펀트(dopant)로 도핑(doping)하여, 상기 실리콘 기판 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계, 상기 나노구조체 상에 금속 산화물막을 형성하는 단계, 상기 금속 산화물막 상에 금속 나노입자를 증착하는 단계, 및 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 기판의 두께는, 25μm 미만인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막은, 티타늄 산화물막인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 티타늄 산화물막의 두께는, 5nm 미만인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반사방지막을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 제1 반사막을 형성하는 단계, 및 상기 제1 반사막 상에 제2 반사막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제1 반사막의 두께가 상기 제2 반사막의 두께보다 얇고, 상기 제1 반사막의 굴절률이 상기 제1 반사막의 굴절률보다 높은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 상기 금속 산화물막 상에 상기 금속 나노입자를 증착한 후, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 금속 산화물막 상에 제2 전극을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 상기 제1 전극을 형성하기 전, 상기 제1 면 상에 투명금속산화물막을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 실리콘 태양전지를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지는, 평평한 상부면 및 상기 상부면에 대향하고 나노구조체가 형성된 하부면을 갖고, 제1 도전형의 제1 반도체층 및 제2 도전형의 제2 반도체층을 포함하되, 상기 제1 반도체층은 상기 나노구조체가 형성된 상기 하부면을 포함하고, 상기 제2 반도체층은 평평한 상기 상부면을 포함하는 실리콘 기판, 상기 상부면 상의 반사 방지막, 및 상기 나노구조체 상의 금속 나노입자가 증착된 금속 산화물막을 포함하되, 상기 반사 방지막은 제1 반사막 및 제2 반사막이 순차적으로 적층된 구조인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 기판의 두께는, 25μm 미만인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지는, 상기 금속 산화물막 상에 투명금속산화물막을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반사방지막은, 상기 실리콘 기판의 상기 상부면에 도달되는 광의 반사도를 낮추는 것을 포함하고, 상기 제1 반사막의 두께가 상기 제1 반사막의 두께보다 얇고, 상기 제1 반사막의 굴절률이 상기 제2 반사막의 굴절률보다 높은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막은, 티타늄 산화물막인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 티타늄 산화물막의 두께는, 5nm 미만인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지는, 상기 실리콘 기판으로 조사되는 광에 의해, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 및 제2 반도체층에 의해 형성된 P-N 접합 구조에서 캐리어가 생성되고, 상기 금속 산화물막은 상기 캐리어의 재결합을 방지하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 나노구조체를 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면을 제2 도전형의 도펀트로 도핑하여, 상기 실리콘 기판 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계, 상기 나노구조체 상에 금속 산화물막을 형성하는 단계, 상기 금속 산화물막 상에 금속 나노입자를 증착하는 단계, 및 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 통해, 우수한 광 흡수율 및 광전변환효율을 갖는 실리콘 태양전지가 제공될 수 있다.
먼저, 상기 실리콘 기판의 두께는 25μm 미만으로, 제작 비용이 대폭 감소된 상기 실리콘 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상의　제1 반사막 및 제2 반사막이 순차적으로 적층된 구조인 상기 반사방지막에 의해, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 빛 반사도가 감소되어 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면으로 입사되는 빛의 양이 증가될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 형성된 상기 나노구조체, 및 상기 나노구조체 상에 형성된 상기 금속 나노입자가 증착된 상기 금속 산화물막으로 인해, 상기 제2 면을 투과하지 않고, 상기 실리콘 기판 내로 재입사되는 빛의 양을 극대화시킬 수 있다. 이에 따라, 광흡수율의 향상된 상기 실리콘 태양전지가 제공될 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물막 상에 형성된　투명금속산화물막은，가시광 영역 및 극적외선 영역의 빛 에너지를 잘 흡수하지 않으므로, 상기 가시광 영역에서의 양자 효율이 향상된 상기 실리콘 태양전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 상기 실리콘 기판 내 상기 P-N 접합 구조 형성을 위한 상기 도핑 공정을 수행하기 전, 상기 나노구조체 형성을 위한 상기 식각 공정을 수행하는 경우, 상기 실리콘 기판의 식각 레벨의 조절이 용이하여, 식각 조건의 설정이 용이한 장점이 있다. 이에 따라, 상기 나노구조체의 길이가 용이하게 조절되어, 상기 실리콘 태양전지의 광전 변환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다．
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다．
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막 형성 시 에너지 밴드를 설명하기 위한 다이어그램(diagram)이다．
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 반사방지막의 굴절률(RI) 계산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 (a) 및 (b)는　본　발명의　실시　예에　따른　나노구조체가　형성된　실리콘　기판의　표면　이미지를　설명하기　위한　광학　이미지들이다．
도 9의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 반사방지막이 형성된 실리콘 기판의 제1 면 및 나노구조체가 형성된 실리콘 기판의 제2 면의 SEM 이미지들이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 두께에 따른 실리콘 태양전지의 광 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 20μm 두께의 실리콘 기판을 포함하는 실리콘 태양전지의 광 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 파장에 따른 광전 변환 효율을 설명하기 위한 모식도이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 다른 실리콘 태양전지의 외부　양자　효율（ＥＱＥ）을 나타내는 그래프이다.
도 14의 (a), (b), 및 (c)는 증착 조건별 나노구조체 상에 형성된 금속 나노입자의 SEM 이미지들이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 SEM 이미지이다．
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제1 면 부분의 SEM 이미지이다．
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제2 면 부분의 SEM 이미지이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 접압에　따른　전류밀도를 나타내는 그래프이다.
도 19의 (a), (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 효율을 설명하기 위한 모식도들이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 효율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 나노입자가 증착된 실리콘 태양전지를 포함한 실리콘 태양전지의 광전변환효율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 반사방지막의 SEM 이미지이다.
도 23의 (a), (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 파장별 반사율을 설명하기 위한 도면들이다.
도 24의 (a), (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 단면, 상부면, 및 하부면의 SEM 이미지들이다.
도 25는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막의 두께별 전압에 따른 전류값을 나타내는 그래프이다.
도 26의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막(3.2nm)의 TEM 이미지 및 EDX 결과 그래프이다.
도 27의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막(7.6nm)의 TEM 이미지 및 EDX 결과 그래프이다.
도 28은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막의 두께에 따른 파장별 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 29는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막의 두께에 따른 photon energy별 흡광도(α) 값을 나타내는 그래프이다.
도 30의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 나노구조체 및 금속 산화물막의 TEM　이미지들이다.
도 31은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물 증착 유무에 따른 실리콘 태양전지의 전압별 전류밀도를 나타내는 그래프이다.
도 32는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물 증착 유무에 따른 실리콘 태양전지의 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 충진율(FF), 직렬저항(Rs), 병렬저항(Rsh), 및 효율(CE)을 나타내는 그래프이다.
도 33의 (a) (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 나노입자 증착 특성(전류 세기)을 나타내는 TEM 이미지들이다.
도 34의 (a) (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 나노입자 증착 특성(증착 시간)을 나타내는 TEM 이미지들이다.
도 35의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 투명금속산화물막의 특성을 나타내는 TEM 이미지들이다.
도 36의 (a), (b), (c), 및 (d)는 본 발명의 실시 예에 따른 나노구조체, 금속 나노입자, 및 투명금속 산화물층의 특성을 설명하기 위한 모식도들이다.
도 37은 본 발명의 실시 예에 따른 나노구조체, 금속 나노입자, 및 투명금속 산화물막의 특성을 나타내는 파장별 외부양자효율(EQE) 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 출원 명세서에서 비정질화 정도는, 규칙적인 격자상 내 원자 배열이 흐트러지는 정도의 의미로 해석된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막 형성 시 에너지 밴드를 설명하기 위한 다이어그램(diagram)이고, 도 6의 (a), (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 반사방지막의 굴절률(RI) 계산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 제1 면(100a) 및 상기 제1 면(100a)에 대향하는 제2 면(100b)을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판(100)이 준비될 수 있다(S100). 상기 제1 도전형은 P형 일 수 있다. 상기 실리콘 기판(100)은, 습식 식각(wet etching) 공정에 의해 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 수산화칼륨(KOH)을 이용한 상기 습식 식각 공정에 의해 박형의 상기 실리콘 기판(100)이 준비될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 기판(100)의 두께는, 25μm 미만일 수 있다. 일반적으로, 실리콘 태양전지 제작 비용의 대부분은, 실리콘 기판의 비용이 차지할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 25㎛ 미만의 두께를 갖는 상기 실리콘 기판(100)을 사용하는 경우, 상기 실리콘 태양전지(1000)의 제작 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 나노구조체(nanostructure, 105)가 형성될 수 있다(S200). 상기 나노구조체(105)는, 상기 실리콘 기판(100)이 준비되는 공정과 마찬가지로, 상기 습식 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 금속 촉매를 이용한 상기 습식 식각 공정에 의해 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 상기 나노구조체(105)가 형성될 수 있다.
상기 나노구조체(105)에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)을 통해 입사하여 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 입사된 빛이, 상기 실리콘 내부(100)로 용이하게 재입사될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지(1000)의 광전자 손실율이 감소되고, visible region에서의 양자 효율이 현저하게 증가될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바과 같이, 상기 나노구조체(105)가 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 형성되고, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)은 평편한 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에서 발생하는 홀-전자의 표면 재결합율이 최소화될 수 있다. 따라서, 광전변환효율이 향상된 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지(1000)가 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 형성되는 상기 나노구조체(105)의 길이에 따라서, 후술되는 상기 실리콘 기판(100)의 P-N 접합구조에서 생성되는 캐리어(carrier)의 수명이 조절될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 나노구조체(105)의 길이가 300~800nm인 범위 내에서, 상기 나노구조체(105)의 길이가 감소할수록, 상기 캐리어의 수명은 증가될 수 있다. 이 경우, 상기 나노구조체(105)의 길이 방향은, 상기 실리콘 기판(100)의 수직방향일 수 있다.
상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)이 제2 도전형의 도펀트(dopant)로 도핑(doping)되어, 상기 실리콘 기판(100) 내에 상기 P-N 접합 구조가 형성될 수 있다(S300). 상기 제2 도전형의 도펀트는 N형 도펀트일 수 있다. 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 인접한 일부분이 제2 도전형의 상기 도펀트로 카운터 도핑(counter-doping)되어, 제2 도전형의 제2 반도체 층이 생성될 수 있다.
또한, 상기 제2 반도체층이 형성된 일부분을 제외한 상기 실리콘 기판(100)의 나머지 부분은 제1 도전형의 제1 반도체 층으로 정의될 수 있다. 상기 나노구조체(105)가 형성된 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)은 제1 도전형의 도펀트로 도핑될 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 반도체층은 상기 제2 면(100b)에 인접한 제1 도전형의 고농도 제1 반도체층 및 상기 고농도 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층 사이에 배치된 제1 도전형의 저농도 제1 반도체층을 포함할 수 있다.
이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 인접한 일부분은 N 채널(n+-emitter)이 형성되고, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 인접한 일부분은 P 채널(p+-BSF(Back Surface Field))이 형성되어, 상기 실리콘 기판(100) 내에 상기 P-N 접합 구조가 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 스핀온도핑(spin-on-doping) 공정에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)이 상기 제2 도전형의 도펀트로 도핑될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(100)으로 조사되는 광에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 및 제2 반도체층에 의해 형성된 상기 P-N 접합 구조에서 캐리어가 생성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 P-N 접합 구조에서 생성된 캐리어의 수명은, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 형성된 상기 나노구조체(105)의 길이에 따라 조절될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 나노구조체(105) 상에 금속 산화물막(130)이 형성될 수 있다(S400). 상기 나노구조체(105) 상에 상기 금속 산화물막은, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 공정에 의해 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 산화물막(130)은 상기 나노구조체(105)의 형상을 따라, 상기 나노구조체(105)가 형성된 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)을 콘포말하게(conformally) 덮을 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막(130)은, 티타늄 산화물(TiO2)막일 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 나노구조체(105) 상에 상기 금속 산화물막(130)이 형성되는 경우, 실리콘 밴드갭(Eg~1.1 eV) 내 존재하는 에너지 준위(Ess)가 감소될 수 있다. 상기 실리콘 기판(100), 및 상기 실리콘 기판(100) 상에 형성되는 전극(Ag)이 직접적으로 접촉하는 경우, Ess가 쉽게 발생될 수 있다. 빛 에너지에 의해, 상기 실리콘 기판(100) 내부에서 발생한 정공(+)이 상기 전극(Ag)으로 수집되는 것이 방해되어, 실리콘 태양전지 내 광전변환효율이 감소될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 고 유전체(high-k) 물질인 티타늄 산화물(TiO2)을 포함하는 상기 금속 산화물막(130)을 상기 실리콘 기판(100)과 상기 전극(Ag) 사이에 삽입할 경우, 상기 실리콘 기판(100) 표면의 정공 농도가 증가되어, 상기 실리콘 기판(100) 표면의 정공이 상기 전극(Ag)으로 수집되는 특성이 향상될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막(130)의 두께에 따라, 상기 금속 산화물막(130)의 접촉저항(contact resistance) 값이 조절될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막(130)이 상기 티타늄 산화물막인 경우, 상기 티타늄 산화물막의 두께는, 5nm 미만일 수 있다.
또한, 상기 나노구조체(105) 상에 형성된 상기 금속 산화물막(130)은 패시베이션(passivation)막 역할을 하여, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 P-N 접합 구조에서 생성된 캐리어가 재결합되는 것을 방지할 수 있다.
상기 금속 산화물막(130) 상에 금속 나노입자(140)가 증착될 수 있다(S500). 예를 들어, 상기 금속 나노입자(140)는, 백금(Pt) 나노입자일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 스퍼터링(sputtering) 공정을 통해, 상기 금속 산화물막(130) 상에 상기 금속 나노입자(140)가 증착될 수 있다. 이때, 상기 스퍼터링 공정의 시간을 제어함으로써, 상기 금속 산화물막(130) 상에 입자(particle) 형태의 상기 금속 나노입자(140)를 효율적으로 증착시킬 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)을 통해 입사하여 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 입사된 빛이, 상기 금속 나노입자(140)에 의해 상기 실리콘 내부(100)로 용이하게 재입사될 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 내부(100)로의 광 흡수율이 극대화된 상기 실리콘 태양전지(1000)가 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막(130) 상에 상기 금속 나노입자(140)를 증착한 후, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 제1 전극(160a)이 형성되고, 상기 금속 산화물막(130) 상에 제2 전극(160b)이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(160a), 및 상기 제2 전극(160b)은 증발(evaporation) 증착법에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 및 상기 금속 산화물막(130) 상에 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, E-beam evaporator에 의해, 상기 제1 면(100a) 상에 상기 제1 전극(160a)인 Ag 전극이 형성되고, 상기 금속 산화물막(130) 상에 상기 제2 전극(160b)인 Al 전극일 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b) 상에 상기 제2 전극(160b)이 형성되기 전, 상기 금속 산화물막(130) 상에 투명금속산화물막(150)이 형성될 수 있다. 상기 투명금속산화물막(150)은, 상기 금속 산화물막(130) 상에 증착된 상기 금속 나노입자(140)와 마찬가지로, 상기 실리콘 내부(100)로의 광 흡수율을 극대화시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 투명금속산화물막(150)은, ITO(Indium-Tin Oxide) 전극일 수 있다.
ITO 물질의 밴드갭(band gap) 에너지는 ~4eV로, 가시광 영역(700 내지 800nm) 및 극적외선 영역(800 내지 1100nm)의 빛 에너지가 흡수되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 산화물막(130) 상에 상기 투명금속산화물막(150)인 상기 ITO 전극이 형성되는 경우, 상기 가시광 영역에서의 양자 효율이 향상된 상기 실리콘 태양전지(1000)가 제조될 수 있다.
상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 반사방지막(170)이 형성될 수 있다(S600). 상기 반사방지막(170)은, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 도달되는 빛의 반사도를 낮출 수 있다. 구체적으로, 상기 반사방지막(170)을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 제1 반사막(171)을 형성하는 단계, 및 상기 제1 반사막(171) 상에 제2 반사막(172)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 반사방지막(170)은, 상기 제1 반사막(171) 및 상기 제2 반사막(172)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 반사방지막(170)은, E-beam evaporator에 의해 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 반사막(171)의 굴절률은 상기 제2 반사막(172)의 굴절률보다 높을 수 있다. 아래 [식 1]을 참조하면, 상기 실리콘 기판(100) 및 공기(air) 사이의 상기 반사방지막(170)의 이상적인 굴절률(RI)이 도출될 수 있다. 상기 반사방지막(170)의 상기 제1 반사막(171)의 굴절률(n1)은, ~2.5이고, 상기 제2 반사막(172)의 굴절률(n2)는, ~1.3일 수 있다(도 6의 (a) 참조). 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 반사막(171)은 ZnS(2.3)을 포함하고, 상기 제2 반사막(172)은 MgF2(1.4)를 포함할 수 있다.
[식 1]
Figure 112017072857821-pat00001
,
Figure 112017072857821-pat00002
n0: refractive index of silicon substrate
n1: refractive index of air
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 반사막(171)의 두께는 상기 제2 반사막(172)의 두께보다 얇을 수 있다. 파장별 반사도(R)에 대한 전산모사 값(simulation)과 유사한 값을 갖기 위해, 상기 제2 반사막(172)의 두께는 상기 제1 반사막(171)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 상기 반사도(R)에 따른 상기 제1 반사막(171) 및 상기 제2 반사막(172)의 두께 산출은, 도 6의 (b) 및 (c)와 아래 [식 2] 및 [식 3]을 참고하기로 한다.
　 simulation estimation
wafer thickness
(μm)		 180 20
MgF2/ZnS
(nm)		 110/80 115/85
[식 2]
Figure 112017072857821-pat00003
The surrounding region (공기) has a refractive index (굴절율) of n0,
The next layer has a refractive index of n1 and a thickness of t1,
The layer immediately above the silicon has a refractive index of n2 and a thickness of t2 and, the silicon has a refractive index of n3
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지가 설명된다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지를 설명함에 있어서, 앞서 도 1 내지 도 6에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법에 대한 설명에 중복되는 부분에 대해서는 도 1 내지 도 6을 참조하기로 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지(1000)는, 실리콘 기판(100), 반사방지막(170), 금속 산화물막(130), 제1 전극(160a), 및 제2 전극(160b)을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 기판(100)은, 평평한 상부면(100a) 및 상기 상부면(100a)에 대향하고 나노구조체(105)가 형성된 하부면(100b)을 갖고, 제1 도전형의 제1 반도체층 및 제2 도전형의 제2 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 제1 반도체층은 상기 나노구조체가 형성된 상기 하부면(100b)을 포함하고, 상기 제2 반도체층은 평평한 상기 상부면(100a)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 기판(100)의 두께는, 25μm 미만일 수 있다. 상술된 바와 같이, 실리콘 태양전지 제작 비용의 대부분은, 실리콘 기판의 비용이 차지할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 25㎛ 미만의 두께를 갖는 상기 실리콘 기판(100)을 사용하는 경우, 제작 비용이 대폭 감소된 상기 실리콘 태양전지(1000)가 제공될 수 있다.
또한, 상기 나노구조체(105)에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 상부면(100a)을 통해 입사하여 상기 실리콘 기판(100)의 상기 하부면(100b)에 입사된 빛이, 상기 실리콘 내부(100)로 용이하게 재입사될 수 있다. 이에 따라, 광전자 손실율이 감소되고, visible region에서의 양자 효율이 현저하게 증가되 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지(1000)가 제공될 수 있다.
상기 반사방지막(170)은, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 상부면(100a) 상에 위치할 수 있다. 상기 반사 방지막(170)은, 제1 반사막(171) 및 제2 반사막(172)이 순차적으로 적층된 구조로, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 상부면에 도달되는 광의 반사도를 낮출 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 제1 반사막(171)의 두께가 상기 제1 반사막(171)의 두께보다 얇고, 상기 제1 반사막(171)의 굴절률이 상기 제2 반사막(172)의 굴절률보다 높을 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 반사막(171)은 ZnS(2.3)을 포함하고, 상기 제2 반사막(172)은 MgF2(1.4)를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물막(130)은, 상기 나노구조체(105) 상에 위치하고, 상기 금속 산화물막(130) 상에 금속 나노입자(140)가 증착될 수 있다. 상기 금속 나노입자(140)는, 백금(Pt) 나노입자일 수 있다.　
일　실시　예에　따르면，스퍼터링　공정의　전류세기　및／또는　시간에　따라，상기　금속　산화물막（１３０）　상에　입자　형태의　상기　금속　나노입자（１４０）가　형성되거나，　필름　형태의　상기　금속　나노입자（１４０）를　포함하는　광　흡수층이　형성될　수　있다．
상기 실리콘 기판(100)의 상기 상부면（１００ａ）을 통해 입사하여 상기 실리콘 기판(100)의 상기 하부면（１００ｂ）에 입사된 빛이, 상기 금속 나노입자(140)에 의해 상기 실리콘 내부(100)로 용이하게 재입사될 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 내부(100)로의 광 흡수율이 극대화된 상기 실리콘 태양전지(1000)가 제공될 수 있다.
상기 제1 전극(160a)은, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 상부면(100ａ) 상에 위치할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(160a)은, Ag 전극일 수 있다.
상기 제2 전극(160b)은, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 하부면(100ｂ) 상의 상기 금속 산화물막(130) 상에 위치할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극(160b)은 Al 전극일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지(1000)는, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b) 상에 상기 금속 산화물막(130) 및 상기 제2 전극(160b) 사이에 투명금속산화물막(150)을 더 포함할 수 있다. 상기 투명금속산화물막(150)은, 상기 금속 산화물막(130) 상에 증착된 상기 금속 나노입자(140)와 마찬가지로, 상기 실리콘 내부(100)로의 광 흡수율을 극대화시키는 역할을 할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 투명금속산화물막(150)은, ITO 전극일 수 있다. 상술된 바와 같이, ITO 물질의 밴드갭(band gap) 에너지는 ~4eV로, 가시광 영역(700 내지 800nm) 및 극적외선 영역(800 내지 1100nm)의 빛 에너지가 흡수되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 산화물막(130) 상에 상기 투명금속산화물막(150)이 위치하는 경우, 상기 가시광 영역에서의 양자 효율이 향상된 상기 실리콘 태양전지(1000)가 제공될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 실리콘 태양전지의 광흡수율을 높이기 위해, 실리콘 기판의 전면(본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제1 면 또는 상부면)에 다양한 형태의 나노구조체를 형성하는 경우, 플라즈마 데미지(plasma damage) 또는 비정질 실리콘 형성과 같은 표면 결함이 발생하여 상기 실리콘 기판의 상기 전면의 비표면적이 증가한다. 이에 따라, 상기 실리콘 기판의 상기 전면에 형성된 상기 나노구조체의 표면에서 전자와 홀이 재결합(Auger 재결합)될 확률이 증가하고, 상기 실리콘 기판 내 고도핑된 P-N 접합 부분이 넓어져 상기 실리콘 태양전지의 광전변환효율이 감소될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판 내에 도핑된 상기 도펀트의 양에 따라 상기 실리콘 기판의 식각 레벨이 조절되므로, 상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 상기 실리콘 기판 내 상기 P-N 접합 구조 형성을 위한 상기 도핑 공정을 진행한 후, 상기 나노구조체 형성을 위한 상기 식각 공정을 수행하는 경우, 상기 실리콘 기판 내에 도핑된 상기 도펀트에 의해, 상기 실리콘 기판에 대한 상기 식각 조건을 설정하기 어려운 단점이 있다. 이에 따라, 상기 나노구조체의 길이를 조절하는 것이 용이하지 않다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 면(100a) 및 상기 제1 면(100a)에 대향하는 제2 면(100b)을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판(100)을 준비하는 단계, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 나노구조체(105)를 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)을 제2 도전형의 도펀트로 도핑하여, 상기 실리콘 기판(100) 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계, 상기 나노구조체(105) 상에 금속 산화물막(130)을 형성하는 단계, 상기 금속 산화물막(130) 상에 금속 나노입자(140)를 증착하는 단계, 및 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 반사방지막(170)을 형성하는 단계를 통해, 우수한 광 흡수율 및 광전변환효율을 갖는 실리콘 태양전지(1000)가 제공될 수 있다.
먼저, 상기 실리콘 기판(100)의 두께는 25μm 미만으로, 제작 비용이 대폭 감소된 상기 실리콘 태양전지(1000)의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상의　제1 반사막(171) 및 제2 반사막(172)이 순차적으로 적층된 구조인 상기 반사방지막(140)에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)의 빛 반사도가 감소되어 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)으로 입사되는 빛의 양이 증가될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 형성된 상기 나노구조체(105), 및 상기 나노구조체(105) 상에 형성된 상기 금속 나노입자(140)가 증착된 상기 금속 산화물막(120)으로 인해, 상기 제2 면(100b)을 투과하지 않고, 상기 실리콘 기판(100) 내로 재입사되는 빛의 양을 극대화시킬 수 있다. 이에 따라, 광흡수율의 향상된 상기 실리콘 태양전지(100)가 제공될 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물막(130) 상에 형성된　투명금속산화물막(150)은，　가시광 영역 및 극적외선 영역의 빛 에너지를 잘 흡수하지 않으므로, 상기 가시광 영역에서의 양자 효율이 향상된 상기 실리콘 태양전지(1000)가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 상기 실리콘 기판(100) 내 상기 P-N 접합 구조 형성을 위한 상기 도핑 공정을 수행하기 전, 상기 나노구조체(105) 형성을 위한 상기 식각 공정을 수행하는 경우, 상기 실리콘 기판(100)의 식각 레벨의 조절이 용이하여, 식각 조건의 설정이 용이한 장점이 있다. 이에 따라, 상기 나노구조체(105)의 길이가 용이하게 조절되어, 상기 실리콘 태양전지(1000)의 광전 변환 효율이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 특성 평가가 설명된다.
도 8의 (a) 및 (b)는　본　발명의　실시　예에　따른　나노구조체가　형성된　실리콘　기판의　표면　이미지를　설명하기　위한　광학　이미지들이다． 구체적으로, 도 8의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른　나노구조체가　형성되지　않은　실리콘 기판의 제2 면의 광학 이미지이고, 도 8의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른　나노구조체가　형성된 실리콘 기판의 제2 면의 광학 이미지이다.
본 발명의 실시 예에 따라 나노구조체가 형성된 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면, 및 상기 나노구조체가 형성되지 않은(planar) 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면의 표면 이미지를 측정하였다.
도 8의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실리콘 기판은 플렉시블(flexible)하고, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 나노구조체가 형성된 상기 제2 면의 밝기가 상기 나노구조체가 형성되지 않은 상기 제2 면의 밝기보다 밝은 것을 확인하였다. 이는, 상기 나노구조체에 의해 상기 실리콘 내부로 빛이 재입사되어 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면이 어둡게 나타나는 것으로　판단된다．
도 9의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 반사방지막이 형성된 실리콘 기판의 제1 면 및 나노구조체가 형성된 실리콘 기판의 제2 면의 SEM 이미지들이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 두께에 따른 실리콘 태양전지의 광 흡수도를 나타내는 그래프이다.
상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 광 반사도를 제로로 가정하고, 400nm 내지 1100nm 파장 영역에 대하여 상기 실리콘 기판의 두께별（１μｍ，５μｍ， １０μｍ， ２５μｍ， ４０μｍ，및　５０μｍ） 광 흡수도（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）를 측정하였다.
도 10을 참조하면, 25μm 두께의 상기 실리콘 기판을 포함하는 상기 실리콘 태양전지의 광 흡수도는 700nm 이상 파장 영역에서 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따라 25μm 미만의 두께를 갖는 상기 실리콘 기판을 이용하여 상기 실리콘 태양전지를 제조하는 경우, 가시광 영역(700nm 내지 800nm)에서 90% 이상의 광 흡수도가 확보가능한 것을 확인하였다. 또한, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면 상에 상기 나노구조체를 형성함으로써, 상기 근적외성 영역(800nm 내지 1100nm)의 광 흡수도가 개선될 것으로 판단된다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 20μm 두께의 실리콘 기판을 포함하는 실리콘 태양전지의 광 흡수도를 나타내는 그래프이다.
상기　실리콘　기판（Ｒｅｆｅｒ），　상기　제１　면　상에　상기　반사방지막（ＤＡＲＣ）이　형성되고，　상기　제２　면에　상기　나노구조체가　형성되지　않은　상기　실리콘　기판（ＤＡＲＣ＋Ｂ－Ｐｌａｎａｒ），　및　상기　제１　면　상에　상기　반사방지막（ＤＡＲＣ）이　형성되고，　상기　제２　면에　상기　나노구조체가　형성된　상기　실리콘　기판（ ＤＡＲＣ＋Ｂ－ＮＳ）을　제조한　후，　파장별　광　흡수도를　측정하였다．
도 11을 참조하면, 상기　제１　면　상에　상기　반사방지막（ＤＡＲＣ）이　형성되고，　상기　제２　면에　상기　나노구조체가　형성된　상기　실리콘　기판（ ＤＡＲＣ＋Ｂ－ＮＳ）의 경우, 상기 가시광 영역(700nm 내지 800nm)에서의 광 흡수도 감소가 나타나지 않는 것을 확인하였다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 파장에 따른 광전 변환 효율을 설명하기 위한 모식도이다. 구체적으로, 도 12의 (a)는 실리콘 기판의 제2 면 상에 ITO 전극이 형성된 실리콘 태양전지(Ｂ－Ｐｌａｎａｒ+ITO)의 모식도이고, 도 12의 (b)는 실리콘 기판의 제2 면 상에 나노구조체 및 ITO 전극이 형성된 실리콘 태양전지(Ｂ－ＮＳ+ITO)의 모식도이고, 도 12의 (c)는 실리콘 기판의 제2 면 상에 나노구조체, ITO 전극, 및 금속 나노입자가 형성된 실리콘 태양전지(Ｂ－ＮＳ+Pt NPs+ITO)의 모식도이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 다른 실리콘 태양전지의 외부　양자　효율（ＥＱＥ）을 나타내는 그래프이다.
도 12의 (a), (b), 및 (c)에 도시된 실리콘 태양전지의 파장별 외부　양자　효율을 측정하였다. 도 12의 (a), (b), 및 (c)에 도시된 실리콘 태양전지의 전류밀도는 아래 [표 2]에 나타내었다.
Back-side Jsc(based)
Structures EQE, %
(750 nm< λ < 1100 nm)
B-Planar 6.61 mA/cm2
B-NS 7.07 mA/cm2
B-NS + Pt NPs 7.71 mA/cm2
도 13　및　［표　２］를 참조하면, ITO 물질은 밴드갭 에너지가 ~4eV 근처로 가시광 및 근적외선 영역의 빛 에너지를 흡수하지 않는 것을 확인하였다. 또한, Ｂ－Ｐｌａｎａｒ+ITO인 실리콘 태양전지와 비교해 Ｂ－ＮＳ+ITO인 실리콘 태양전지가 750 내지1100 nm 파장영역에서 상대적으로 높은 양자효율을 나타내는 것을 확인하였다(후면 나노구조체의 light-trapping 효과).
또한, 본 발명의 실시 예에 따라, 초박형 실리콘에서 빛 흡수를 증가시키기 위해 후면 나노구조체 위 sputtered Pt nanoparticles (NPs)을 1mA/10s 조건에서 증착시킨 Ｂ－ＮＳ+Pt NPs+ITO인 실리콘 태양전지가 가장 높은 양자효율 값을 나타내는 것을 확인하였다(후면 나노구조체와 Pt NPs 사이 plasmonics 효과).
도 14의 (a), (b), 및 (c)는 증착 조건별 나노구조체 상에 형성된 금속 나노입자의 SEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 14의 (a)는 금속 나노입자가 증착되지 않은 나노구조체의 SEM 이미지이고, 도 14의 (b)는 증착 조건이 1mA/10s인 경우, 금속 나노입자가 증착된 나노구조체의 SEM 이미지이고, 도 14의 (c)는 증착 조건이 20mA/60s인 경우, 금속 나노입자가 증착된 나노구조체의 SEM 이미지이다.
도 14의 (a), (b), 및 (c)를 참조하면, 상기 금속 나노입자의 증착 시, 전류 세기 및 증착 시간이 증가함에 따라, 상기 금속 산화물막 상에 상기 금속 나노입자가 layer 형태로 증착되는 것을 확인하였다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 SEM 이미지이다．
도　１5를　참조하면，　본　발명의　실시　예에　따른　실리콘　기판의　두께는　약　２０μｍ인　것은　확인하였다．
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제1 면 부분의 SEM 이미지이다．
도　１6을　참조하면,　상기　실리콘　기판의　상기　제１　면　상에　ＺｎＳ를　포함하는　상기　제１　반사막，　및　ＭｇＦ２를　포함하는　상기　제２　반사막을　포함하는　상기　반사방지막이　형성된　것을　확인하였다．
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제2 면 부분의 SEM 이미지이다.
도　１7을　참조하면，　상기　실리콘　기판의　상기　제２　면　상의　상기　나노구조체　상에　상기　금속　나노입자인　상기　백금　나노입자가　증착된　상기　금속　산화물막，　및　상기　투명금속산화물막인　상기　ＩＴＯ　전극이　형성된　것을　확인하였다．
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 전압에　따른　전류밀도를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시 예에 따른 20μm 두께의 상기 실리콘 기판을 포함하는 상기 실리콘 태양전지의 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 충진율(FF), 및 효율(η) 값을 측정하였다.
도 18을 참조하면, 상기 실리콘 태양전지의 개방전압은 540mA, 단락전류는 29.23mA/cm2, 충진율은 76.10%, 효율은 11.68%인 것을 확인하였다.
도 15 내지 도 18을 참조하면, 일반적인 결정질 실리콘 태양전지의 경우, 200㎛급 두께에서 평균 17 내지 8% 광전 변환효율을 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 이에 비해, 본 발명의 실시 예에 따른 20㎛급 초박형 실리콘 태양전지는 실리콘 태양전지 제작비용의 약 40%를 차지하는 결정질 실리콘 소모량을 90%(실리콘 두께감소: 200 내지 20㎛)까지 낮추는 동시에 필연적으로 발생하는 실리콘의 부족한 광흡수 문제를 해결하여 효율 저감(태양전지 효율감소: 18 내지 12 %)을 30 %로 최소화시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.
도 19의 (a), (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 효율을 설명하기 위한 모식도들이다. 구체적으로, 도 19의 (a)는 상부면에 나노구조체(F-NS)가 형성된 실리콘 기판을 나타내는 모식도이고, 도 19의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 하부면에 나노구조체(B-NS)가 형성되고, 상부면에 반사방지막이 형성된 실리콘 기판을 나타내는 모식도이고, 도 19의 (c)는 상부면 및 하부면에 나노구조체(F/B-NS)가 형성된 실리콘 기판을 나타내는 모식도이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 효율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 19의 (a), (b), 및 (c)에 도시된 실리콘 기판을 포함한 실리콘 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 측정하였다. 상기 실리콘 태양전지들의 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 충진율(FF), 직렬저항(Rs), 병렬저항(Rsh), 및 효율(efficiency) 값은 아래 [표 3]에 나타내었다.
　 F-NS B-NS F/B-NS
개방전압, Voc
(mV)		 530 551 531
단략전류, Jsc
(mA/cm2)		 21.6 28.2 26.8
충진율, FF
(%)		 64 68 50
태양전지 직렬저항, Rs
(Ω·cm2)		 120.7 7.47 333.3
태양전지 병렬저항, Rsh
(Ω·cm2)		 882 2296 215
Efficiency
(%)		 7.5 10.6 7.2
도 20 및 [표 3]을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 B-NS가 형성된 상기 실리콘 기판을 포함하는 상기 실리콘 태양전지의 효율이, F-NS 또는 F/B-NS가 형성된 상기 실리콘 기판을 포함하는 상기 실리콘 태양전지의 효율보다 약 3% 높은 것을 확인하였다. 다시 말해서, 본 발명의 실시 예에 따라 상부면에 반사방지막이 형성되고, 하부면에 나노구조체가 형성된 실리콘 기판을 포함한 실리콘 태양전지의 전류밀도 및 전지효율 값이 가장 큰 것을 확인하였다. 이는, 상기 실리콘 기판의 상기 상부면에 형성된 상기 반사방지막에 의해, 상기 상부면에 입사되는 빛의 반사도가 감소되고, 상기 하부면에 형성된 상기 나노구조체에 의해 상기 하부면에 입사된 빛의 상기 실리콘 기판 내부로의 재입사율이 향상되어 나타난 결과로 판단된다.
도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 나노입자가 증착된 실리콘 태양전지를 포함한 실리콘 태양전지의 광전변환효율을 설명하기 위한 그래프이다.
상기 하부면에 형성된 상기 나노구조체 상에 백금(Pt) 나노입자를 증착한 후, 은(Ag) 전극을 형성하여 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지(B-NS+Pt NPs+Ag)를 제작하였다. 또한, 상기 백금 나노입자를 증착하는 단계가 생략된 실리콘 태양전지(B-NS+Ag)를 제작하였다.
도 21을 참조하면, 상기 B-NS+Pt NPs+Ag 구조의 실리콘 태양전지와 상기 B-NS+Ag 구조의 실리콘 태양전지의 파장별 광전변환효율 값은 차이가 없는 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 백금 나노입자가 은 전극과 직접 접촉된 구조의 상기 B-NS+Pt NPs+Ag 구조의 실리콘 태양전지는 상기 백금 나노입자에 의한 빛 산란에 의해 전지의 광전변환효율이 향상되는 효과가 나타나지 않는 것을 확인하였다.
하지만，본 발명의 실시 예에 따라, 상기 백금 나노입자가 증착된 후, 상기 투명금속산화물막(ITO 전극)이 형성되어 상기 백금 나노입자와 상기 은 전극이 직접 접촉되지 않는 경우, 상기 백금 나노입자에 의한 빛 산란에 의해 전지의 광전변환효율이 향상되는 것을 알 수 있었다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 반사방지막의 SEM 이미지이다.
상기 실리콘 기판의 상기 상부면 상에 ZnS를 포함한 제1 반사막, 및 MgF2를 포함한 제2 반사막이 순차적으로 적층된 상기 반사방지막을 형성한 후, SEM(Scanning Electron Microscope) 기기를 이용하여, 본 발명의 실시 예에 따른 반사방지막의 형성을 확인하였다.
도 22를 참조하면, ZnS를 포함하는 상기 제1 반사막의 두께는 약 85nm 이고, MgF2를 포함하는 상기 제2 반사막의 두께는 약 115nm인 것을 확인하였다. 이와 같이, 상기 제2 반사막의 두께가 상기 제1 반사막의 두께보다 두꺼운 경우, 상기 실리콘 기판의 상기 상부면에 입사되는 빛의 반사도 감소 효과가 효율적으로 나타나는 것을 알 수 있었다.
도 23의 (a), (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 파장별 반사율을 설명하기 위한 도면들이다. 도 23의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 반사방지막이 형성된 실리콘 기판을 나타내는 모식도이고, 도 23의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 반사방지막 및 나노구조체가 형성된 실리콘 기판을 나타내는 모식도이고, 도 23의 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 파장별 반사율을 설명하기 위한 그래프이다.
상기 실리콘 기판(planar Si), 상기 상부면 상에 ZnS를 포함한 제1 반사막, 및 MgF2를 포함한 제2 반사막을 포함하는 상기 반사방지막이 형성된 상기 실리콘 기판(MgF2/ZnS+(B)planar Si), 및 상기 상부면 상에 상기 반사방지막과 상기 하부면 상에 상기 나노구조체가 형성된 상기 실리콘 기판(MgF2/ZnS+(B)NS Si)에 대하여 파장별 반사율을 측정하였다.
도 23의 (a), (b), 및 (c)를 참조하면, 가시광 영역에서의 반사율은, planar Si은 높고, MgF2/ZnS+(B)planar Si, 및 MgF2/ZnS+(B)NS Si은 낮은 것을 확인하였다. 또한, 근적외선 영역에서의 반사율은, planar Si, MgF2/ZnS+(B)planar Si, 및 MgF2/ZnS+(B)NS Si 순으로 낮은 것을 확인하였다. 이로부터, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 상부면에 상기 반사방지막이 형성되고, 상기 하부면에 상기 나노구조체가 형성되는 경우, 상기 가시광 및 근적외선 영역에서의 반사율을 감소시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.
도 24의 (a), (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 단면, 상부면, 및 하부면의 SEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 24의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 단면의 SEM 이미지이고, 도 24의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 상부면의 SEM 이미지이고, 도 24의 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 기판의 하부면의 SEM 이미지이다.
도 24의 (a)를 참조하면, 상기 실리콘 기판의 두께가 약 20μm인 것을 확인하였다. 도 24의 (b)를 참조하면, 상기 실리콘 기판의 상기 상부면 상에 ZnS를 포함한 상기 제1 반사막 및 MgF2를 포함한 상기 제2 반사막이 순차적으로 적층된 구조의 상기 반사방지막이 형성된 것을 확인하였다. 또한, 도 24의 (c)를 참조하면, 상기 실리콘 기판의 상기 하부면에 나노구조체가 형성된 것을 확인하였다.
도 25는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막의 두께별 전압에 따른 전류값을 나타내는 그래프이다.
상기 실리콘 기판의 상기 하부면 상에 형성된 상기 금속 산화물막(TiO2)의 두께를 다른(3.2nm, 5.0nm, 7.6nm) 상기 실리콘 태양전지의 전압에 따른 전류값을 측정하였다. 또한, 상기 금속 산화물막이 형성되지 않은 상기 실리콘 태양전지의 전압에 따른 전류값을 측정하였다.
도 25를 참조하면, 상기 금속 산화물막의 두께가 감소함에 따라, (+) 전압 증가에 따른 전류값이 증가하는 것을 확인하였다.
도 26의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막(3.2nm)의 TEM 이미지 및 EDX 결과 그래프이다. 구체적으로, 도 26의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막(3.2nm)의 TEM 이미지이고, 도 26의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막(3.2nm) EDX 분석 결과 그래프이다.
도 26의 (a) 및 (b)를 참조하면, A에서 B 방향으로 갈수록, 상기 금속 산화물막의 구성성분인 Ti 및 O의 atomic%가 높아지고, B에서 A 방향으로 갈수록, 상기 실리콘 기판의 구성성분인 Si의 atomic%가 높아지는 것을 확인하였다.
도 27의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막(7.6nm)의 TEM 이미지 및 EDX 결과 그래프이다. 구체적으로, 도 27의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막(7.6nm)의 TEM 이미지이고, 도 27의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막(7.6nm) EDX 분석 결과 그래프이다.
도 27의 (a) 및 (b)를 참조하면, A에서 B 방향으로 갈수록, 상기 금속 산화물막의 구성성분인 Ti 및 O의 atomic%가 높아지고, B에서 A 방향으로 갈수록, 상기 실리콘 기판의 구성성분인 Si의 atomic%가 높아지는 것을 확인하였다.
도 25 내지 도 27의 결과로부터, 상기 티타늄 산화물막의 두께가 5nm 미만인 경우, 접촉저항 특성이 개선되어 우수한 전기적 특성을 갖는 실리콘 태양전지가 제조되는 것을 알 수 있었다.
도 28은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막의 두께에 따른 파장별 투과율을 나타내는 그래프이다.
Galss 기판 상에 두께가 상이한(3.2nm, 5.0nm, 7.6nm) 상기 금속 산화물막(TiO2)을 형성한 후, 파장별(0 내지 500nm) 투과율 값을 측정하였다.
도 28을 참조하면, 상기 glass 기판 상에 형성된 상기 티타늄 산화물막의 두께가 감소할수록, 파장별 투과율 값이 증가하는 것을 확인하였다.
도 29는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물막의 두께에 따른 photon energy별 흡광도(α) 값을 나타내는 그래프이다.
Glass 기판 상에 두께가 상이한(3.2nm, 5.0nm, 7.6nm) 상기 금속 산화물막(TiO2)을 형성한 후, 상기 티타늄 산화물막의 두께에 따른 optical bandgap을 확인하였다.
도 29를 참조하면, 상기 티타늄 산화물막의 에너지 밴드갭(energy bandgap)은 3.6eV 내지 3.7eV로， 에너지 밴드갭이 1.1eV인 실리콘이 흡수하는 빛 에너지 영역에 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
도 30의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 나노구조체 및 금속 산화물막의 TEM　이미지들이다. 구체적으로, 도 30의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 나노구조체의 TEM 이미지이고, 도 30의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 금속 산화물막 및 제2 전극이 형성된 나노구조체의 TEM 이미지이다.
상기 실리콘 기판의 상기 하부면에 형성된 상기 나노구조체 상에 원자층 증착 공정을 이용하여, 상기 금속 산화물막인 상기 티타늄 산화물막을 형성한 후, E-beam evaporator를 이용하여 상기 티타늄 산화물막 상에 은(Ag) 전극을 형성하였다. TEM(transmission electron microscope) 기기를 이용하여, 상기 상기 실리콘 기판의 상기 하부면 상에 형성된 상기 나노구조체, 상기 티타늄 산화물막, 및 상기 은 전극의 3차원 이미지를 측정하였다.
도 30의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 나노구조체 상에 상기 티타늄 산화물막이 균일하게 증착된 것을 확인하였다.
도 31은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물 증착 유무에 따른 실리콘 태양전지의 전압별 전류밀도를 나타내는 그래프이다.
상기 실리콘 기판의 상기 하부면에 형성된 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막이 형성되지 않은 실리콘 태양전지（Ａｇ／Ｂ－ＮＨ）, 및 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막이 형성된 본 발명의 실시 에에 따른 실리콘 태양전지（Ａｇ／ＴｉＯ２／Ｂ－ＮＨ）의 전압에 따른 전류밀도 값을 측정하여 상기 금속 산화물막 형성 유무에 따른 상기 실리콘 태양전지의 효율 특성을 확인하였다.
도 31을 참조하면, 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막이 형성되지 않은 상기 실리콘 태양전지보다, 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막이 형성된 상기 실리콘 태양전지의 전압에 따른 전류밀도 값이 큰 것을 확인하였다. 이로부터, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막을 형성하는 경우, 상기 실리콘 태양전지의 효율 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다.
도 32는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물 증착 유무에 따른 실리콘 태양전지의 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 충진율(FF), 직렬저항(Rs), 병렬저항(Rsh), 및 효율(CE)을 나타내는 그래프이다.
도 31을 참조하여 설명된 동일한 방법으로, 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막이 형성되지 않은 실리콘 태양전지, 및 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막이 형성된 본 발명의 실시 에에 따른 실리콘 태양전지의 개방전압, 단락전류, 충진율, 직렬저항, 병렬저항, 및 효율을 측정하였다. 측정된 값은 아래 [표 4]에 나타내었다.
　 개방전압, Voc
(mV)		 단략전류, Jsc (mA/cm2) 충진율, FF
(%)		 태양전지
직렬저항,
Rs
(Ω·cm2)		 태양전지
병렬저항,
Rsh
(Ω·cm2)		 CE
(%)
NS Si/Ag 542
(551)		 27.6
(28.2)		 68.0
(68.5)		 7.48
(7.47)		 2109
(2296)		 10.2
(10.6)
NS Si/TiO2/Ag 553
(560)		 29.5
(29.8)		 76.1
(76.3)		 6.54
(6.52)		 14170
(14825)		 12.4
(12.7)
도 32 및 [표 4]를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막인 상기 티타늄 산화물막이 형성된 경우, 상기 나노구조체 및 상기 은 전극 사이의 접촉 저항이 개선되는 것을 확인하였다. 또한, 상기 하부면에 형성된 상기 나노구조체로 인해, 상기 실리콘 태양전지의 특성이 개선되는 것을 알 수 있었다(series resistance(Rs) 및 shunt resistance(Rsh)). 뿐만　아니라, 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막인 상기 티타늄 산화물막이 형성된 경우, 상기 실리콘 태양전지 내 누설전류의 원이이 되는 저항이 감소되어 fill factor(FF)가 큰 폭으로 향상되는 것을 알 수 있었다.
도 33의 (a) (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 나노입자 증착 특성(전류 세기)을 나타내는 TEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 33의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 나노입자가 증착되지 않은 나노구조체의 TEM 이미지이고, 도 33의 (b) 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따라 전류 세기가 다른 경우(1mA, 10mA), 금속 나노입자가 증착된 나노구조체의 TEM 이미지들이다.
스퍼터링 공정의 전류 세기를 달리하여(10mA/10s, 20mA/10s) 상기 금속(Pt) 나노입자를 상기 나노구조체에 증착시킨 후, TEM(transmission electron microscope) 기기를 이용하여, 상기 금속 나노입자가 증착된 상기 나노구조체의 3차원 이미지를 측정하였다. 또한, 상기 금속 나노입자가 증착되지 않은 상기 나노구조체의 3차원 이미지를 측정하였다.
도 33의 (a), (b), 및 (c)를 참조하면, 상기 금속 나노입자 증착 시, 공정 내 전류 세기가 증가함에 따라, 상기 나노구조체 상에 필름 형태의 백금을 포함하는 광 흡수층이 형성되는 것을 확인하였다. 이에 따라, 상기 공정 내 전류 조건을 조절함으로써, 상기 나노구조체 상에 입자 형태의 상기 금속 나노입자를 형성하거나, 필름 형태의 상기 광 흡수층이 형성되는 것을 알 수 있었다.
도 34의 (a) (b), 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 나노입자 증착 특성(증착 시간)을 나타내는 TEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 34의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 나노입자가 증착되지 않은 나노구조체의 TEM 이미지이고, 도 34의 (b) 및 (c)는 본 발명의 실시 예에 따라 증착 시간이 다른 경우(10s, 20s), 금속 나노입자가 증착된 나노구조체의 TEM 이미지들이다.
스퍼터링 공정의 증착 시간을 달리하여(1mA/10s, 1mA/20s) 상기 금속(Pt) 나노입자를 상기 나노구조체에 증착시킨 후, TEM(transmission electron microscope) 기기를 이용하여, 상기 금속 나노입자가 증착된 상기 나노구조체의 3차원 이미지를 측정하였다. 또한, 상기 금속 나노입자가 증착되지 않은 상기 나노구조체의 3차원 이미지를 측정하였다.
도 34의 (a), (b), 및 (c)를 참조하면, 상기 금속 나노입자 증착 시, 상기 증착 시간이 증가함에 따라, 상기 나노구조체 상에 나노 사이즈를 갖는 상기 금속 나노입자가 증착되는 것을 확인하였다.
도 33 및 도 34의 결과로부터, 상기 나노구조체 상에 상기 금속 나노입자 증착 시, 상기 스퍼터링 공정의 상기 전류 세기보다 상기 증착 시간을 제어하는 경우, 상기 나노구조체 상에 입자 형태의 상기 금속 나노입자가 효율적으로 증착되는 것을 알 수 있었다.
도 35의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 투명금속산화물막의 특성을 나타내는 TEM 이미지들이다. 도 35의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 나노구조체, 금속 나노입자가 증착된 투명금속산화물층, 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조(B-NS+Pt NPs+ITO+Ag)의 TEM 이미지이고, 도 35의 (b)는 도 33의 (a)의 이미지 내 일부를 확대한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따라, 상기 나노구조체，　상기　백금　나노입자，　상기 투명금속산화물층인 상기 ITO 전극 및 상기 제2 전극인 상기 은 전극을 순차적으로 형성(B-NS+Pt NPs+ITO+Ag)시켰다. TEM(transmission electron microscope) 기기를 이용하여, 상기 B-NS+Pt NPs+ITO+Ag 구조의 3차원 이미지를 측정하였다.
도 35의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 백금 나노입자가 증착된 상기 나노구조체 상에 150nm 두께의 상기 ITO 전극이 균일하게 형성된 것을 확인하였다. 또한, 상기 ITO 전극 상에 300nm 두께의 상기 은 전극이 형성된 것을 확인하였다.
도 36의 (a), (b), (c), 및 (d)는 본 발명의 실시 예에 따른 나노구조체, 금속 나노입자, 및 투명금속 산화물층의 특성을 설명하기 위한 모식도들이다. 구체적으로, 도 36의 (a)는 B-planar+ITO+Ag 구조를 갖는 실리콘 태양전지의 모식도이고, 도 36의 (b)는 B-NS+Ag 구조를 갖는 실리콘 태양전지의 모식도이고, 도 36의 (c)는 B-NS+ITO+Ag 구조를 갖는 실리콘 태양전지의 모식도이고, 도 36의 (d)는 B-NS+Pt NPs+ITO+Ag 구조를 가즌ㄴ 실리콘 태양전지의 모식도이다.
도 36의 (a), (b), (c), 및 (d)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 나노구조체, 금속 나노입자, 및 투명금속 산화물층이 모두 형성된 상기 실리콘 태양전지의 경우, 빛이 상기 실리콘 기판 내부로 가장 많이 재입사 되는 것을 알　수　있다．
도 37은 본 발명의 실시 예에 따른 나노구조체, 금속 나노입자, 및 투명금속 산화물막의 특성을 나타내는 파장별 외부양자효율(EQE) 그래프이다.
상기 나노구조체가 형성되지 않은 상기 실리콘 기판의 상기 하부면 상에 상기 ITO 전극 및 상기 은 전극을 형성한 경우(B-planar+ITO+Ag), 상기 나노구조체 상에 상기 은 전극을 직접 접촉하여 형성한 경우(B-NS+Ag), 상기 나노구조체 상에 상기 ITO 전극 및 상기 은 전극을 형성한 경우(B-NS+ITO+Ag), 및 상기 백금 나노입자가 증착된 상기 나노구조체 상에 상기 ITO 전극 및 상기 은 전극을 형성한 경우(B-NS+Pt NPs+ITO+Ag)에 대하여 파장별 외부양자효율(EQE) 값을 측정하였다. 또한, 도출된 상기 외부양자효율 값을 통해 상술된 상기 구조들에 대해 확인한 단락전류(Jsc) 값은 아래 [표 5]에 나타내었다.
Back-side Jsc(based)
Structures EQE, %
(750 nm< λ < 1100 nm)
B-Planar + ITO + Ag 6.61 mA/cm2
B-NS + Ag 7.07 mA/cm2
B-NS + ITO + Ag 7.50 mA/cm2
B-NS + Pt NPs + ITO + Ag 7.71 mA/cm2
도 37을 참조하면, B-planar+ITO+Ag, B-NS+Ag, B-NS+ITO+Ag, 및 B-NS+Pt NPs+ITO+Ag 순으로 파장별 외부양자효율 값이 큰 것을 확인하였다. 또한, 및 상기 [표 5]를 참조함면, B-planar+ITO+Ag, B-NS+Ag, B-NS+ITO+Ag, 및 B-NS+Pt NPs+ITO+Ag 순으로 파장에 따른 단락전류 값이 큰 것을 확인하였다.
도 37 및 [표 5]의 결과로부터, 상기 실리콘 기판의 상기 하부면에 상기 나노구조체, 상기 나노구조체 상에 증착된 상기 백금 나노입자, 및 상기 ITO 전극이 형성되는 경우, 상기 실리콘 태양전지의 외부양자효율 및 단락전류 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다.
이로부터, 상기 실리콘 기판의 상기 하부면에 상기 금속 나노입자가 증착된 상기 나노구조체, 상기 나노구조체 상에 순차적으로 적층된 상기 금속 산화물막, 및 상기 투명금속산화물막을 형성시키는 경우, 상기 실리콘 내부로 흡수되는 빛이 극대화되고, 광전변환효율이 향상된 실리콘 태양전지가 제공될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10０: 실리콘　기판
10０a: 제1 면
１００ｂ：　제２　면
１０５：　나노구조체
１３０：　금속　산화물막
１４０：　금속　나노입자
１５０：　투명금속산화물막
１６０ａ：　제１　전극
１６０ｂ：　제２　전극
１７０：　반사방지막
１７１：　제１　반사막
１７２：　제２　반사막
１０００：　실리콘　태양전지

Claims (14)

  1. 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    선택적으로 상기 실리콘 기판의 상기 제 2면에 나노구조체(nanostructure)를 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 상기 제1 면을 제2 도전형의 도펀트(dopant)로 도핑(doping)하고 상기 나노구조체가 형성된 상기 제2 면을 상기 제1 도전형의 도펀트로 도핑하여, 상기 나노구조체를 갖는 제1 도전형의 고농도 제1 반도체층, 상기 고농도 제1 반도체층보다 상기 제1 도전형의 도핑 농도가 낮은 제1 도전형의 저농도 제1 반도체층, 및 상기 제2 도전형의 제2 반도체층이 차례로 적층된 상기 실리콘 기판 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계;
    상기 나노구조체 상에 금속 산화물막을 형성하는 단계;
    상기 금속 산화물막 상에 금속 나노입자를 증착하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 금속 산화물막의 두께에 따라서, 접촉 저항이 제어되는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 두께는, 25μm 미만인 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물막은, 티타늄 산화물막인 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 티타늄 산화물막의 두께는, 5nm 미만인 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 반사방지막을 형성하는 단계는,
    상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 아연 및 황의 화합물을 포함하는 제1 반사막을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 반사막 상에 마그네슘 및 불소의 화합물을 포함하는 제2 반사막을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물막 상에 상기 금속 나노입자를 증착한 후,
    상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 금속 산화물막 상에 제2 전극을 형성하는 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 상기 제1 전극을 형성하기 전,
    상기 제1 면 상에 투명금속산화물막을 형성하는 것을 더 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  8. 평평한 상부면 및 상기 상부면에 대향하고 나노구조체가 형성된 하부면을 갖고, 제1 도전형의 제1 반도체층 및 제2 도전형의 제2 반도체층을 포함하되, 상기 제1 반도체층은 상기 나노구조체가 형성된 상기 하부면을 포함하고, 상기 제2 반도체층은 평평한 상기 상부면을 포함하는 실리콘 기판;
    상기 상부면 상의 반사 방지막; 및
    상기 나노구조체 상의 금속 나노입자가 증착된 금속 산화물막을 포함하되,
    상기 반사 방지막은 제1 반사막 및 제2 반사막이 순차적으로 적층된 구조이고,
    상기 제1 반도체층은,
    상기 나노구조체를 갖는 고농도 제1 반도체층;
    상기 고농도 제1 반도체층보다 상기 제1 도전형의 도핑 농도가 낮고, 상기 고농도 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 배치되는 저농도 제1 반도체층을 포함하고,
    상기 금속 산화물의 두께에 따라서, 접촉 저항이 제어되는 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 두께는, 25μm 미만인 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 금속 산화물막 상에 투명금속산화물막을 더 포함하는 실리콘 태양전지.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 반사막은 아연 및 황의 화합물을 포함하고,
    상기 제2 반사막은 마그네슘 및 불소의 화합물을 포함하는 실리콘 태양전지.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 금속 산화물막은, 티타늄 산화물막인 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 티타늄 산화물막의 두께는, 5nm 미만인 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판으로 조사되는 광에 의해, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 및 제2 반도체층에 의해 형성된 P-N 접합 구조에서 캐리어가 생성되고, 상기 금속 산화물막은 상기 캐리어의 재결합을 방지하는 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
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