KR102118903B1 - 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 복수의 홀이 형성된 그라파이트 기판을 준비하는 단계와, 상기 그라파이트 기판 상에 제1 도전성 타입의 그래핀층을 형성하는 단계와, 상기 그래핀층 상에 제2 도전성 타입의 불순물을 포함하는 실리콘층을 형성하고, 상기 실리콘층을 결정화시켜 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 반도체층의 전면에 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 패시베이션층 상에 반사 방지막을 형성하는 단계와, 상기 반사 방지막 상에 제1 전극을 형성하는 단계와, 상기 그라파이트 기판 하부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 보다 자세하게는 그라파이트 기판과 그래핀을 이용한 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 태양 전지는 P-N 접합면을 갖는다. 상기 P-N 접합면에 빛이 조사되면 전자와 정공이 발생하며, 전자와 정공은 P 영역과 N 영역으로 이동하게 된다. 이때, P 영역과 N 영역 사이에 전위차(기전력)가 발생하고, 태양 전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
실리콘 태양 전지는 사용 재료의 종류에 따라서 결정계, 비정질계, 화합물계 등으로 분류되며, 결정계 실리콘 태양 전지는 단결정형 및 다결정형으로 분류된다. 단결정 실리콘 태양 전지는 기판의 품질이 좋기 때문에 고효율화가 용이하지만 기판의 제조 비용이 큰 단점이 있다. 이에 반하여 다결정 실리콘 태양 전지는 단결정 실리콘 태양 전지에 비해 상대적으로 기판의 품질이 좋지 않기 때문에 고효율화가 어려운 단점이 있다.
최근에 들어, 플랙서블(flexible)한 특성을 가지는 태양 전지가 요구되고 있으나, 종래 기술의 태양 전지는 실리콘 기판을 이용하여 제조됨으로 플랙서블 한 특성을 가질 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 발전 효율이 증가되는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은 플랙서블(flexible)한 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 복수의 홀이 형성된 그라파이트 기판을 준비하는 단계와, 상기 그라파이트 기판 상에 제1 도전성 타입의 그래핀층을 형성하는 단계와, 상기 그래핀층 상에 제2 도전성 타입의 불순물을 포함하는 실리콘층을 형성하고, 상기 실리콘층을 결정화시켜 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 반도체층의 전면에 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 패시베이션층 상에 반사 방지막을 형성하는 단계와, 상기 반사 방지막 상에 제1 전극을 형성하는 단계와, 상기 그라파이트 기판 하부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 상기 그래핀층을 형성하는 단계에서, 상기 그라파이트 기판 상에 그래핀 페이스트를 1~100nm의 두께로 도포한 후, 소성시키는 공정을 반복적으로 수행하여 복수의 층으로 구성된 상기 그래핀층을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 상기 제1 도전성 타입은 N형 도전성 타입이며, 상기 그래핀층은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 중 적어도 하나의 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 상기 반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 제2 도전성 타입은 P형 도전성 타입이며, 상기 반도체층은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나의 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 상기 반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 반도체층에 습식 에칭을 수행하여, 상기 반도체층에 텍스쳐링 구조 또는 요철 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 상기 패시베이션층을 형성하는 단계에서, 상기 반도체층의 전면에 산화 알루미늄(Al2O3)을 5~50nm의 두께로 증착시켜 상기 패시베이션층을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 상기 패시베이션층을 형성하는 단계에서, 상기 반도체층의 전면에 비정질 실리콘을 1~10nm의 두께로 증착시켜 상기 패시베이션층을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 제1 전극을 형성하는 단계에서, 투명한 전도성 물질로 상기 제1 전극을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법은, 제2 전극을 형성하는 단계에서, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 중 하나의 물질 또는 적어도 2개의 물질의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 도전성 물질로 상기 제2 전극을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지는, 복수의 홀이 형성된 그라파이트 기판과, 상기 그라파이트 기판 상에 배치된 제1 도전성 타입의 그래핀층과, 상기 그래핀층 상에 배치된 제2 도전성 타입의 반도체층과, 상기 반도체층 상에 배치된 패시베이션층과, 상기 패시베이션층 상에 배치된 반사 방지막과, 상기 반사 방지막의 상부에 배치된 제1 전극과, 상기 그라파이트 기판의 하부에 배치된 제2 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지에서, 상기 그래핀층은 1~100nm의 두께가지는 복수의 서브 그래핀층이 적층되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지에서, 상기 제1 도전성 타입은 N형 도전성 타입이며, 상기 그래핀층은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 중 적어도 하나의 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지에서, 상기 제2 도전성 타입은 P형 도전성 타입이며, 상기 반도체층은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나의 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지에서, 상기 패시베이션층은 상기 반도체층의 전면에 산화 알루미늄(Al2O3)이 5~50nm의 두께로 증착되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지에서, 상기 패시베이션층은 상기 반도체층의 전면에 비정질 실리콘을 1~10nm의 두께로 증착되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지는 그라파이트 기판을 적용하여 플랙서블 한 특성을 가지도록 할 수 있다. 또한, 그라파이트 기판 상에 그래핀층을 배치함으로써 높은 전하 이동도 및 높은 전류밀도 특성을 가질 수 있다. 또한, 그래핀층이 가지는 유연성과 신축성을 통해 태양 전지의 플랙서블 한 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 그라파이트 기판을 적용하여 플랙서블 한 특성을 가지는 태양 전지를 제조할 수 있다. 또한, 그라파이트 기판 상에 그래핀층을 배치함으로써 높은 전하 이동도 및 높은 전류밀도 특성을 가지는 태양 전지를 제조 할 수 있다. 또한, 그래핀층이 가지는 유연성과 신축성을 통해 태양 전지의 플랙서블 한 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 그라파이트 기판에 그래핀층을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 패시베이션층 및 투명전극층을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 그라파이트 기판에 그래핀층을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 패시베이션층 및 투명전극층을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예들에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지 및 이의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지(100)는 그라파이트 기판(110), 그래핀층(120), 반도체층(130), 패시베이션층(140), 반사 방지막(150, ARC: anti-reflection coating), 제1 전극(160, 전면 전극) 및 제2 전극(170, 배면 전극)을 포함할 수 있다.
그라파이트 기판(110)에는 복수의 홀이 형성될 수 있으며, 복수의 홀은 그라파이트 기판(110)의 전면에 고르게 분포할 수 있다. 레이저 드릴링 방식으로 그라파이트 기판(110)을 관통하는 복수의 홀을 형성할 수 있다. 그라파이트 기판(110)에 복수의 홀이 형성되어 있어 태양 전지(100)의 플렉서블 한 특성이 향상될 수 있다.
그래핀 페이스트를 이용하여 복수의층으로 구성된 그래핀층(120)을 형성할 수 있다. 1~100nmm의 두께를 가지는 복수의 서브 그래핀층이 적층되어 그래핀층(120)을 형성할 수 있다. 이러한, 그래핀층(120)은 그라파이트 기판(110) 상에 배치될 수 있으며, 그라파이트 기판(110)에 형성된 홀 내에도 그래핀층(120)이 배치될 수 있다. 그라파이트 기판(110)의 상부뿐만 아니라 홀 내에도 그래핀층(120)이 배치되어 있어 그라파이트 기판(110)과 그래핀층(120)의 접촉면적이 증가하고, 본딩 특성이 향상될 수 있다. 그래핀층(120)은 제 1 도전성 타입, 예를 들어 N형 도전성 타입의 기판 또는 시트(sheet)일 수 있다. 그래핀층(120)이 N형의 도전성 타입을 가질 경우, 그래핀층(120)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
이러한, 그래핀층(120)은 탄소원자의 강한 공유결합으로 형성된 단원자층으로 이루어진 이차원 평면구조를 갖는 탄소소재로서, 단결정 실리콘보다 높은 전하 이동도 및 구리보다 높은 전류밀도 특성을 가지는 장점이 있다. 또한, 그래핀층(120)은 열전도도 및 내화학성이 뛰어나고 다양한 화학적 기능화가 가능하며 뛰어난 유연성과 신축성을 소유하고 있어 태양 전지의 발전 효율 및 플렉서블 특성을 향상시킬 수 있다.
반도체층(130)은 그래핀층(120)의 도전성 타입과 반대인 제 2 도전성 타입의 불순물, 예를 들어, P형의 도전성 타입의 불순물을 포함할 수 있다. 플라즈마 화학증착(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor De position) 방식으로 그래핀층(120) 상에 P형 도정성의 불순물을 포함하는 실리콘을 증착한 후, 열처리 또는 레이저를 이용하여 실리콘층을 결정화시켜 반도체층(130)을 형성할 수 있다. 이러한, 반도체층(130)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 실리콘층에 도핑하여 형성할 수 있다. 이러한, 반도체층(130)의 전면은 반사율을 감소시키기 위하여 산성 에칭과 같은 습식 에칭을 통하여 미세한 텍스쳐링 구조 또는 요철 구조(미도시)가 형성될 수 있다.
이와 같이, N형 도전성 타입의 그래핀층(120)과 P형 도전성 타입의 반도체층(130)이 P-N 접합을 이룰 수 있다. P-N 접합에 따른 내부 전위차(built-in potential difference)로 인해 반도체층(130)에 입사된 빛에 의해서 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 N형 쪽으로 이동하고, 정공은 P형 쪽으로 이동할 수 있다. 따라서, 분리된 전자는 N형 도전성 타입의 그래핀층(120)으로 이동하고, 분리된 정공은 P형 도전상 타입의 반도체층(130)으로 이동할 수 있다.
반도체층(130)의 보호를 위한 패시베이션층(140)이 반도체층(130) 상에 배치될 수 있다. 패시베이션층(140)은 반도체층(130)의 전면에 산화 알루미늄(Al2O3)을 증착한 후, 경화시켜 형성할 수 있다.
패시베이션층(140) 상에 반사 방지막(150, ARC: anti-reflection coating)이 배치될 수 있다. 반사 방지막(150)은 반도체층(130)에 입사되는 빛이 굴절률이 다른 두 매체 사이의 계면에서 반사되지 않고 투과 또는 흡수되도록 하는 막으로써, 반도체층(130)에 입사된 빛이 외부로 반사되는 것을 방지할 수 있다. 이러한, 반사 방지막(150)이 단층 또는 복층으로 형성될 수 있으며, 반사 방지막(150)에 의해서 태양 전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
반사 방지막(150)은 SiNx:H막, SiON막과 같은 절연막으로 형성될 수 있다. 또한, 반사 방지막(150)은 SiNx막과 SiON막이 적층되어 형성될 수 있다. 상기 SiNx:H 반사 방지막은 SiNx막 형성을 위한 소스 가스를 공급하면서 플라즈마 강화 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 SiON 반사 방지막은 SiNx막 형성을 위한 소스 가스와 N2O가스를 함께 공급하면서 ICP 방식의 PECVD법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 SiNx막은 100 ∼ 180nm로 형성될 수 있으며, SiON막은 80 ∼ 130nm로 형성될 수 있다. 한편, 반사 방지막(150)은 패시베이션층(140)이 형성되기 전에 반도체층(130)의 전면에 형성될 수도 있다.
반사 방지막(150) 상부에 제1 전극(160, 전면 전극)이 배치될 수 있다. 도면에 도시하지 않았지만 제1 전극(160, 전면 전극)은 일측에서 반도체층(130)과 접속되도록 형성될 수 있다. 제1 전극(160, 전면 전극)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 전도성 물질 또는 금속 물질로 형성될 수 있다.
그라파이트 기판(110)의 하부에 제2 전극(170, 배면 전극)이 배치될 수 있다. 제2 전극(170, 배면 전극)은 그라파이트 기판(110) 및 그래핀층(120)과 접속되도록 형성될 수 있다. 제2 전극(170, 배면 전극)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 전도성 물질 또는 금속 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지(100)는 그라파이트 기판(110)을 적용하여 플랙서블 한 특성을 가지도록 할 수 있다. 또한, 그라파이트 기판(110) 상에 그래핀층(120)을 배치함으로써 높은 전하 이동도 및 높은 전류밀도 특성을 가질 수 있다. 또한, 그래핀층(120)이 가지는 유연성과 신축성을 통해 태양 전지(100)의 플랙서블 한 특성을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지 제조 방법은 그라파이트 기판(110)을 제공하는 단계(S110), 그래핀층(120)을 형성하는 단계(S120), 실리콘층을 형성하는 단계(S130), 실리콘층을 결정화시켜 반도체층(130)을 형성하는 단계(S140), 패시베이션층(140)을 형성하는 단계(S150), 반사 방지막(150)을 형성하는 단계(S160), 제1 전극(160) 및 제2 전극(170)을 형성하는 단계(S170)를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 그라파이트 기판에 그래핀층을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3a를 참조하면, 태양 전지의 형성을 위해서 복수의 홀(115)이 형성된 그라파이트 기판(110)이 제공될 수 있다(S110). 여기서, 레이저 드릴링 방식으로 그라파이트 기판(110)을 관통하는 복수의 홀(115)을 형성할 수 있다. 복수의 홀(115)은 그라파이트 기판(110)의 전면에 고르게 분포할 수 있다.
이어서, 도 2 및 도 3b를 참조하면, 그래핀 페이스트를 이용하여 복수의층으로 구성된 그래핀층(120)을 형성할 수 있다(S120). 이때, 그라파이트 기판(110) 상에 그래핀 페이스트를 1~100nmm의 두께로 도포한 후, 소성시키는 공정을 반복적으로 수행하여 복수의 층으로 구성된 그래핀층(120)을 형성할 수 있다(S120). 그래핀층(120)은 그라파이트 기판(110) 상에 배치될 수 있으며, 그라파이트 기판(110)에 형성된 홀 내에도 그래핀층(120)이 배치될 수 있다. 이러한, 그래핀층(120)은 제 1 도전성 타입, 예를 들어 N형 도전성 타입의 기판 또는 시트(sheet)일 수 있다. 그래핀층(120)이 N형의 도전성 타입을 가질 경우, 그래핀층(120)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 플라즈마 화학증착(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor De position) 방식으로 그래핀층(120) 상에 P형 도정성의 불순물을 포함하는 실리콘층을 형성할 수 있다(S130). 이때, 실리콘층은 그래핀층(120)의 도전성 타입과 반대인 제 2 도전성 타입의 불순물, 예를 들어, P형의 도전성 타입의 불순물을 포함할 수 있다. 실리콘층은 100nm ~ 100㎛의 두께로 형성될 수 있다. 실리콘층의 두께가 너무 얇아 전극 역할을 충분히 수행하지 못할 수 있다. 또한, 실리콘층이 너무 두꺼우면 공정 시간이 많이 소모될 수 있다.
이어서, 실리콘층을 형성한 이후, 열처리 또는 레이저를 이용하여 실리콘층을 결정화시켜 반도체층(130)을 형성할 수 있다(S140). 이러한, 반도체층(130)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물이 실리콘층에 도핑되어 형성될 수 있다. 이러한, 반도체층(130)의 전면은 반사율을 감소시키기 위하여 산성 에칭과 같은 습식 에칭을 통하여 미세한 텍스쳐링 구조 또는 요철 구조(미도시)가 형성될 수 있다.
S120~S140에 의해서, N형 도전성 타입의 그래핀층(120)과 P형 도전성 타입의 반도체층(130)이 P-N 접합을 이룰 수 있다. P-N 접합에 따른 내부 전위차(built-in potential difference)로 인해 반도체층(130)에 입사된 빛에 의해서 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 N형 쪽으로 이동하고, 정공은 P형 쪽으로 이동할 수 있다. 따라서, 분리된 전자는 N형 도전성 타입의 그래핀층(120)으로 이동하고, 분리된 정공은 P형 도전상 타입의 반도체층(130)으로 이동할 수 있다.
이어서, 반도체층(130)의 보호를 위한 패시베이션층(140)을 반도체층(130) 상에 형성할 수 있다(S150). 이때, 패시베이션층(140)은 반도체층(130)의 전면에 산화알루미늄(Al2O3)을 5~50nm의 두께로 증착한 후, 경화시켜 형성할 수 있다. 이러한, 패시베이션층(140)은 두께가 5~50nm 되도록 형성될 수 있다. 패시베이션층(140)은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 또는 플라즈마 강화 화학기상증착(Plasma Enhanced CVD)법에 의하여 증착되어 형성될 수 있다. 패시베이션층(140)의 소스로 Al(OC2H5)3 (Tri Methyl Aluminum; TMA)가 사용될 수 있으며, 산소 공급원으로 수증기(H2O) 또는 오존(O3)를 사용할 수 있으며, 공정 온도 100℃∼450℃에서 공정이 진행될 수 있다.
이어서, 패시베이션층(140) 상에 반사 방지막(150, ARC: anti-reflection coating)을 형성할 수 있다(S160). 이때, 반사 방지막(150)은 반도체층(130)에 입사되는 빛이 굴절률이 다른 두 매체 사이의 계면에서 반사되지 않고 투과 또는 흡수되도록 하는 막으로써, 반도체층(130)에 입사된 빛이 외부로 반사되는 것을 방지할 수 있다.
반사 방지막(150)은 SiNx:H막, SiON막과 같은 절연막으로 형성될 수 있다. 또한, 반사 방지막(150)은 SiNx막과 SiON막이 적층되어 형성될 수 있다. 상기 SiNx:H 반사 방지막은 SiNx막 형성을 위한 소스 가스를 공급하면서 플라즈마 강화 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 SiON 반사 방지막은 SiNx막 형성을 위한 소스 가스와 N2O가스를 함께 공급하면서 ICP 방식의 PECVD법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 SiNx막은 100 ∼ 180nm로 형성될 수 있으며, SiON막은 80 ∼ 130nm로 형성될 수 있다. 한편, 반사 방지막(150)은 패시베이션층(140)이 형성되기 전에 반도체층(130)의 전면에 형성될 수도 있다. 이러한, 반사 방지막(150)이 단층 또는 복층으로 형성될 수 있으며, 반사 방지막(150)에 의해서 태양 전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이어서, 반사 방지막(150) 상부에 제1 전극(160, 전면 전극)을 형성하고, 그라파이트 기판(110)의 하부에 제2 전극(170, 배면 전극)을 형성할 수 있다(S170). 제1 전극(160, 전면 전극)은 일측에서 반도체층(130)과 접속되도록 형성될 수 있다. 제1 전극(160, 전면 전극)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 전도성 물질 또는 금속 물질로 형성될 수 있다. 제2 전극(170, 배면 전극)은 그라파이트 기판(110) 및 그래핀층(120)과 접속되도록 형성될 수 있다. 제2 전극(170, 배면 전극)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 전도성 물질 또는 금속 물질로 형성될 수 있다.
제1 전극(160, 전면 전극) 및 제2 전극(170, 배면 전극)이 금속 물질로 형성되는 경우, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 물질로 형성될 수 있다. CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 PECVD(Plasma Enhanced CVD)와 같은 화학 기상 증착 공정, 스퍼터링 공정, 도금, 스크린 프린팅과 같은 페이스트 도포 공정에 의하여 제1 전극(160, 전면 전극) 및 제2 전극(170, 배면 전극)을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 그라파이트 기판(110)을 적용하여 플랙서블 한 특성을 가지는 태양 전지를 제조할 수 있다. 또한, 그라파이트 기판(110) 상에 그래핀층(120)을 배치함으로써 높은 전하 이동도 및 높은 전류밀도 특성을 가지는 태양 전지를 제조 할 수 있다. 또한, 그래핀층(120)이 가지는 유연성과 신축성을 통해 태양 전지(100)의 플랙서블 한 특성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지를 나타내는 도면이다. 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지(200)를 설명함에 있어서 도 1에 도시된 태양 전지(100)와 동일한 구성의 설명은 생략될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지(200)는 그라파이트 기판(210), 그래핀층(220), 반도체층(230), 패시베이션층(240), 반사 방지막(250, ARC: anti-reflection coating), 제1 전극(260, 전면 전극) 및 제2 전극(270, 배면 전극)을 포함할 수 있다.
그라파이트 기판(210)에는 복수의 홀이 형성될 수 있으며, 복수의 홀은 그라파이트 기판(210)의 전면에 고르게 분포할 수 있다. 레이저 드릴링 방식으로 그라파이트 기판(210)을 관통하는 복수의 홀을 형성할 수 있다. 그라파이트 기판(210)에 복수의 홀이 형성되어 있어 태양 전지(200)의 플렉서블 한 특성이 향상될 수 있다.
그래핀 페이스트를 이용하여 복수의층으로 구성된 그래핀층(220)을 형성할 수 있다. 그래핀층(220)은 그라파이트 기판(210) 상에 배치될 수 있으며, 그라파이트 기판(210)에 형성된 홀 내에도 그래핀층(220)이 배치될 수 있다. 그래핀층(220)은 제 1 도전성 타입, 예를 들어 N형 도전성 타입의 기판 또는 시트(sheet)일 수 있다. 그래핀층(220)이 N형의 도전성 타입을 가질 경우, 그래핀층(220)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
반도체층(230)은 그래핀층(220)의 도전성 타입과 반대인 제 2 도전성 타입의 불순물, 예를 들어, P형의 도전성 타입의 불순물을 포함할 수 있다. 플라즈마 화학증착(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor De position) 방식으로 그래핀층(220) 상에 P형 도정성의 불순물을 포함하는 실리콘을 증착한 후, 열처리 또는 레이저를 이용하여 실리콘층을 결정화시켜 반도체층(230)을 형성할 수 있다. 이러한, 반도체층(230)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 실리콘층에 도핑하여 형성할 수 있다.
이와 같이, N형 도전성 타입의 그래핀층(220)과 P형 도전성 타입의 반도체층(230)이 P-N 접합을 이룰 수 있다. P-N 접합에 따른 내부 전위차(built-in potential difference)로 인해 반도체층(130)에 입사된 빛에 의해서 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 N형 쪽으로 이동하고, 정공은 P형 쪽으로 이동할 수 있다. 따라서, 분리된 전자는 N형 도전성 타입의 그래핀층(220)으로 이동하고, 분리된 정공은 P형 도전상 타입의 반도체층(230)으로 이동할 수 있다.
반도체층(230)의 보호를 위한 패시베이션층(240)이 반도체층(230) 상에 배치될 수 있다. 패시베이션층(240)은 반도체층(130) 전면에 비정질 실리콘(a-Si)을 1~10nm의 두께로 증착시켜 형성할 수 있다.
패시베이션층(240) 상에 반사 방지막(250, ARC: anti-reflection coating)이 배치될 수 있다. 반사 방지막(250)이 단층 또는 복층으로 형성될 수 있으며, 반사 방지막(250)에 의해서 태양 전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 반사 방지막(250)은 SiNx:H막, SiON막과 같은 절연막으로 형성될 수 있다. 또한, 반사 방지막(250)은 SiNx막과 SiON막이 적층되어 형성될 수 있다. 상기 SiNx:H 반사 방지막은 SiNx막 형성을 위한 소스 가스를 공급하면서 플라즈마 강화 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 SiON 반사 방지막은 SiNx막 형성을 위한 소스 가스와 N2O가스를 함께 공급하면서 ICP 방식의 PECVD법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 SiNx막은 100 ∼ 180nm로 형성될 수 있으며, SiON막은 80 ∼ 130nm로 형성될 수 있다. 한편, 반사 방지막(250)은 패시베이션층(140)이 형성되기 전에 반도체층(230)의 전면에 형성될 수도 있다.
반사 방지막(250) 상부에 제1 전극(260, 전면 전극)이 배치될 수 있다. 도면에 도시하지 않았지만 제1 전극(260, 전면 전극)은 일측에서 반도체층(230)과 접속되도록 형성될 수 있다. 제1 전극(260, 전면 전극)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 전도성 물질로 형성될 수 있다.
그라파이트 기판(210)의 하부에 제2 전극(270, 배면 전극)이 배치될 수 있다. 제2 전극(270, 배면 전극)은 그라파이트 기판(210) 및 그래핀층(220)과 접속되도록 형성될 수 있다. 제2 전극(270, 배면 전극)은 금속 물질로 형성될 수 있다. 제2 전극(170, 배면 전극)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 물질로 형성될 수 있다. CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 PECVD(Plasma Enhanced CVD)와 같은 화학 기상 증착 공정, 스퍼터링 공정, 도금, 스크린 프린팅과 같은 페이스트 도포 공정에 의하여 제2 전극(170, 배면 전극)을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지(200)는 그라파이트 기판(210)을 적용하여 플랙서블 한 특성을 가지도록 할 수 있다. 또한, 그라파이트 기판(210) 상에 그래핀층(220)을 배치함으로써 높은 전하 이동도 및 높은 전류밀도 특성을 가질 수 있다. 또한, 그래핀층(220)이 가지는 유연성과 신축성을 통해 태양 전지(200)의 플랙서블 한 특성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지 제조 방법은 그라파이트 기판(210)을 제공하는 단계(S210), 그래핀층(220)을 형성하는 단계(S220), 실리콘층을 형성하는 단계(S230), 실리콘층을 결정화시켜 반도체층(230)을 형성하는 단계(S240), 패시베이션층(240)을 형성하는 단계(S250), 반사 방지막(250)을 형성하는 단계(S260), 제1 전극(260) 및 제2 전극(270)을 형성하는 단계(S270)를 포함하여 이루어질 수 있다.
태양 전지의 형성을 위해서 복수의 홀이 형성된 그라파이트 기판(210)이 제공될 수 있다(S210). 여기서, 레이저 드릴링 방식으로 그라파이트 기판(210)을 관통하는 복수의 홀을 형성할 수 있다. 복수의 홀은 그라파이트 기판(210)의 전면에 고르게 분포할 수 있다.
이어서, 그래핀 페이스트를 이용하여 복수의층으로 구성된 그래핀층(220)을 형성할 수 있다(S220). 이때, 그라파이트 기판(210) 상에 그래핀 페이스트를 1~100nmm의 두께로 도포한 후, 소성시키는 공정을 반복적으로 수행하여 복수의 층으로 구성된 그래핀층(220)을 형성할 수 있다(S220). 그래핀층(220)은 그라파이트 기판(210) 상에 배치될 수 있으며, 그라파이트 기판(210)에 형성된 홀 내에도 그래핀층(120)이 배치될 수 있다. 이러한, 그래핀층(220)은 제 1 도전성 타입, 예를 들어 N형 도전성 타입의 기판 또는 시트(sheet)일 수 있다. 그래핀층(220)이 N형의 도전성 타입을 가질 경우, 그래핀층(220)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
이어서, 플라즈마 화학증착(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor De position) 방식으로 그래핀층(220) 상에 P형 도정성의 불순물을 포함하는 실리콘층을 형성할 수 있다(S230). 이때, 실리콘층은 그래핀층(220)의 도전성 타입과 반대인 제 2 도전성 타입의 불순물, 예를 들어, P형의 도전성 타입의 불순물을 포함할 수 있다. 실리콘층은 100nm ~ 100㎛의 두께로 형성될 수 있다.
이어서, 실리콘층을 형성한 이후, 열처리 또는 레이저를 이용하여 실리콘층을 결정화시켜 반도체층(230)을 형성할 수 있다(S240). 이러한, 반도체층(230)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물이 실리콘층에 도핑되어 형성될 수 있다. 이러한, 반도체층(230)의 전면은 반사율을 감소시키기 위하여 산성 에칭과 같은 습식 에칭을 통하여 미세한 텍스쳐링 구조 또는 요철 구조(미도시)가 형성될 수 있다.
S220~S240에 의해서, N형 도전성 타입의 그래핀층(220)과 P형 도전성 타입의 반도체층(230)이 P-N 접합을 이룰 수 있다. P-N 접합에 따른 내부 전위차(built-in potential difference)로 인해 반도체층(230)에 입사된 빛에 의해서 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 N형 쪽으로 이동하고, 정공은 P형 쪽으로 이동할 수 있다. 따라서, 분리된 전자는 N형 도전성 타입의 그래핀층(220)으로 이동하고, 분리된 정공은 P형 도전상 타입의 반도체층(230)으로 이동할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 패시베이션층 및 투명전극층을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 반도체층(230)의 보호를 위한 패시베이션층(240)을 반도체층(230) 상에 형성할 수 있다(S250). 이때, 패시베이션층(240)은 반도체층(230)의 전면에 비정질 실리콘(a-Si)을 1~10nm의 두께로 증착시켜 형성할 수 있다. 패시베이션층(240)은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 또는 플라즈마 강화 화학기상증착(Plasma Enhanced CVD)법에 의하여 증착되어 형성될 수 있다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 패시베이션층(240) 상에 반사 방지막(250, ARC: anti-reflection coating)을 형성할 수 있다(S260). 이때, 반사 방지막(250)은 반도체층(230)에 입사되는 빛이 굴절률이 다른 두 매체 사이의 계면에서 반사되지 않고 투과 또는 흡수되도록 하는 막으로써, 반도체층(230)에 입사된 빛이 외부로 반사되는 것을 방지할 수 있다.
반사 방지막(250)은 SiNx:H막, SiON막과 같은 절연막으로 형성될 수 있다. 또한, 반사 방지막(250)은 SiNx막과 SiON막이 적층되어 형성될 수 있다. 상기 SiNx:H 반사 방지막은 SiNx막 형성을 위한 소스 가스를 공급하면서 플라즈마 강화 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 SiON 반사 방지막은 SiNx막 형성을 위한 소스 가스와 N2O가스를 함께 공급하면서 ICP 방식의 PECVD법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 SiNx막은 100 ∼ 180nm로 형성될 수 있으며, SiON막은 80 ∼ 130nm로 형성될 수 있다. 한편, 반사 방지막(250)은 패시베이션층(240)이 형성되기 전에 반도체층(230)의 전면에 형성될 수도 있다. 이러한, 반사 방지막(250)이 단층 또는 복층으로 형성될 수 있으며, 반사 방지막(250)에 의해서 태양 전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이어서, 반사 방지막(250) 상부에 제1 전극(260, 전면 전극)을 형성하고, 그라파이트 기판(210)의 하부에 제2 전극(270, 배면 전극)을 형성할 수 있다(S270). 제1 전극(260, 전면 전극)은 일측에서 반도체층(130)과 접속되도록 형성될 수 있다. 제1 전극(260, 전면 전극)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 전도성 물질 또는 금속 물질로 형성될 수 있다. 제2 전극(270, 배면 전극)은 그라파이트 기판(210) 및 그래핀층(220)과 접속되도록 형성될 수 있다. 제2 전극(270, 배면 전극)은 금속 물질로 형성될 수 있다.
제2 전극(270, 배면 전극)이 금속 물질로 형성되는 경우, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 물질로 형성될 수 있다. CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 PECVD(Plasma Enhanced CVD)와 같은 화학 기상 증착 공정, 스퍼터링 공정, 도금, 스크린 프린팅과 같은 페이스트 도포 공정에 의하여 제2 전극(270, 배면 전극)을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 그라파이트 기판(210)을 적용하여 플랙서블 한 특성을 가지는 태양 전지를 제조할 수 있다. 또한, 그라파이트 기판(210) 상에 그래핀층(220)을 배치함으로써 높은 전하 이동도 및 높은 전류밀도 특성을 가지는 태양 전지를 제조 할 수 있다. 또한, 그래핀층(220)이 가지는 유연성과 신축성을 통해 태양 전지(200)의 플랙서블 한 특성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 태양 전지 제조방법을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 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, 200: 태영 전지 110, 210: 그라파이트 기판
120, 220: 그래핀층 130, 230: 반도체층
140, 240: 패시베이션층 150, 250: 반사 방지막
160, 260: 제1 전극 170, 270: 제2 전극
120, 220: 그래핀층 130, 230: 반도체층
140, 240: 패시베이션층 150, 250: 반사 방지막
160, 260: 제1 전극 170, 270: 제2 전극
Claims (15)
- 복수의 홀이 형성된 그라파이트 기판을 준비하는 단계;
상기 그라파이트 기판 상에 제1 도전성 타입의 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 그래핀층 상에 제2 도전성 타입의 불순물을 포함하는 실리콘층을 형성하고, 상기 실리콘층을 결정화시켜 반도체층을 형성하는 단계;
상기 반도체층의 전면에 패시베이션층을 형성하는 단계;
상기 패시베이션층 상에 반사 방지막을 형성하는 단계;
상기 반사 방지막 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
상기 그라파이트 기판 하부에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 복수의 홀은 상기 그라파이트 기판을 관통하여 형성되며,
상기 그래핀층을 형성하는 단계에서,
상기 그라파이트 기판 상에 그래핀 페이스트를 1~100nm의 두께로 도포한 후, 소성시키는 공정을 반복적으로 수행하여 복수의 층으로 구성된 상기 그래핀층을 형성하며,
상기 그래핀층은 상기 그라파이트 기판의 상부 및 상기 복수의 홀 내에 배치되는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 그래핀층을 형성하는 단계에서,
상기 제1 도전성 타입은 N형 도전성 타입이며,
상기 그래핀층은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 중 적어도 하나의 불순물을 포함하는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 반도체층을 형성하는 단계에서,
상기 제2 도전성 타입은 P형 도전성 타입이며,
상기 반도체층은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나의 불순물을 포함하는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 반도체층을 형성하는 단계에서,
상기 반도체층에 습식 에칭을 수행하여, 상기 반도체층에 텍스쳐링 구조 또는 요철 구조를 형성하는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 패시베이션층을 형성하는 단계에서,
상기 반도체층의 전면에 산화 알루미늄(Al2O3)을 5~50nm의 두께로 증착시켜 상기 패시베이션층을 형성하는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 패시베이션층을 형성하는 단계에서,
상기 반도체층의 전면에 비정질 실리콘을 1~10nm의 두께로 증착시켜 상기 패시베이션층을 형성하는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
제1 전극을 형성하는 단계에서,
투명한 전도성 물질로 상기 제1 전극을 형성하는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
제2 전극을 형성하는 단계에서,
알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 중 하나의 물질 또는 적어도 2개의 물질의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 도전성 물질로 상기 제2 전극을 형성하는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 복수의 홀이 형성된 그라파이트 기판;
상기 그라파이트 기판 상에 배치된 제1 도전성 타입의 그래핀층;
상기 그래핀층 상에 배치된 제2 도전성 타입의 반도체층;
상기 반도체층 상에 배치된 패시베이션층;
상기 패시베이션층 상에 배치된 반사 방지막;
상기 반사 방지막의 상부에 배치된 제1 전극; 및
상기 그라파이트 기판의 하부에 배치된 제2 전극;을 포함하며,
상기 복수의 홀은 상기 그라파이트 기판을 관통하여 형성되며,
상기 그래핀층은 1~100nm의 두께를 가지는 복수의 서브 그래핀층이 적층되어 형성되며,
상기 그래핀층은 상기 그라파이트 기판의 상부 및 상기 복수의 홀 내에 배치되는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지. - 삭제
- 제10 항에 있어서,
상기 제1 도전성 타입은 N형 도전성 타입이며,
상기 그래핀층은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 중 적어도 하나의 불순물을 포함하는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지. - 제10 항에 있어서,
상기 제2 도전성 타입은 P형 도전성 타입이며,
상기 반도체층은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나의 불순물을 포함하는,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지. - 제10 항에 있어서,
상기 패시베이션층은 상기 반도체층의 전면에 산화 알루미늄(Al2O3)이 5~50nm의 두께로 증착되어 형성된,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지. - 제10 항에 있어서,
상기 패시베이션층은 상기 반도체층의 전면에 비정질 실리콘을 1~10nm의 두께로 증착되어 형성된,
그라파이트 기판 및 그래핀을 이용한 태양 전지.
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