KR102363401B1 - 태양전지 및 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1면 및 상기 제1면의 반대측의 제2면을 포함하는 결정질 실리콘 기판; 상기 제1면 상에 위치하고, 상기 결정질 실리콘 기판과 P-N 접합을 이루는 제1층; 상기 제1층 상에 위치하는 제1 광학 필름; 상기 제2면 상에 위치하는 제2층; 및 상기 제2층 상에 위치하는 제2 광학 필름을 포함하는, 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
태양전지 및 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 반도체 소자를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 차세대 에너지 전환소자로서 각광받고 있다.
현재 상용화에 성공한 태양전지는 결정질 실리콘 기판을 사용하며, 특히, 높은 효율을 얻기 위하여 150 ㎛ 이상의 두께를 갖는 결정질 실리콘 기판이 사용된다. 결정질 실리콘계 태양전지는 결정질 실리콘 기판의 강직성으로 인해 평면에만 적용이 가능하고, 곡면에 적용이 어려운 한계점을 가지고 있다.
최근에는, 곡면에 적용 가능한 유연 태양전지에 관한 연구가 이루어지고 있으나, 여전히 상용화 수준의 효율에는 미치지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 유연하고도 고효율을 갖는 태양전지에 관한 요구가 존재한다.
일 측면에 따라 유연하고도 고효율을 갖는 태양전지를 제공하는 것이다.
일 측면에 따라, 제1면 및 상기 제1면의 반대측의 제2면을 포함하는 결정질 실리콘 기판; 상기 제1면 상에 위치하고, 상기 결정질 실리콘 기판과 P-N 접합을 이루는 제1층; 상기 제1층 상에 위치하는 제1 광학 필름; 상기 제2면 상에 위치하는 제2층; 및 상기 제2층 상에 위치하는 제2 광학 필름; 을 포함하는 태양전지가 개시된다.
다른 측면에 따라, 결정질 실리콘 기판의 제1면과 상기 제1면의 반대측의 제2면에 각각 제1층과 제2층을 제공하는 단계; 및 상기 제1층 및 제2층 상에 각각 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 제공하는 단계; 상기 제1층은 상기 결정질 실리콘 기판과 P-N 접합을 형성하는, 태양전지의 제조방법이 제공된다.
일 측면에 따라 제공된 태양전지는 결정질 실리콘 기판의 두께 감소에 따라 유연성을 갖고, 태양전지 양면에 구비된 광학 필름에 의하여 결정질 실리콘 기판의 두께 감소에 따라 감소된 광흡수율의 손실분을 보상함으로써, 유연성을 보유하면서, 이와 동시에 고효율을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 결정질 실리콘 기판의 두께에 따른 굴곡 반경을 보여주는 그래프이다.
도 6은 결정질 실리콘 기판의 두께에 따른 광흡수율을 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제작된 태양전지에 대한 광흡수율 평가 그래프이다.
도 8은 실시예 1, 비교예 3, 비교예 4, 및 참고예 1에서 제작된 태양전지에 대한 마이크로그리드 간격에 따른 광 투과율 및 면저항 평가 그래프이다.
도 9는 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제작된 태양전지에 대한 전류밀도 평가 그래프이다.
도 10은 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제작된 태양전지에 대한 EQE 평가 그래프이다.
도 11은 실시예 1에서 제작된 태양전지에 대한 내구성 시험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 2에서 제작된 태양전지에 대한 입사광 각도에 따른 전류밀도 변화율을 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필름의 제조방법을 개략적으로 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 결정질 실리콘 기판의 두께에 따른 굴곡 반경을 보여주는 그래프이다.
도 6은 결정질 실리콘 기판의 두께에 따른 광흡수율을 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제작된 태양전지에 대한 광흡수율 평가 그래프이다.
도 8은 실시예 1, 비교예 3, 비교예 4, 및 참고예 1에서 제작된 태양전지에 대한 마이크로그리드 간격에 따른 광 투과율 및 면저항 평가 그래프이다.
도 9는 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제작된 태양전지에 대한 전류밀도 평가 그래프이다.
도 10은 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제작된 태양전지에 대한 EQE 평가 그래프이다.
도 11은 실시예 1에서 제작된 태양전지에 대한 내구성 시험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 2에서 제작된 태양전지에 대한 입사광 각도에 따른 전류밀도 변화율을 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필름의 제조방법을 개략적으로 나타내는 개략도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 각 도면에서, 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
각 구성요소의 설명에 있어서, 상(on)에 또는 하(under)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(on)과 하(under)는 직접 또는 다른 구성요소를 개재하여 형성되는 것을 모두 포함하며, 상(on) 및 하(under)에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지(1)는 제1면(11) 및 상기 제1면(11)의 반대측의 제2면(12)을 포함하는 결정질 실리콘 기판(10); 상기 제1면(11) 상에 위치하고, 상기 결정질 실리콘 기판(10)과 P-N 접합을 형성하는 제1층(13); 상기 제1층(13) 상에 위치하는 제1 광학 필름(15); 상기 제2면(12) 상에 위치하는 제2층(14); 및 상기 제2층(14) 상에 위치하는 제2 광학 필름(16);을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 포함함으로써, 태양전지(1)의 광 흡수율은 향상된다. 예를 들어, 적외선 광 예를 들어 800 nm 이상의 파장 대역을 갖는 광의 흡수율을 향상시킨다.
일 구현예에 있어서, 상기 결정질 실리콘 기판은 다결정, 단결정, 또는 다결정과 단결정이 혼재된 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 결정질 실리콘 기판은 단결정 실리콘 기판일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 결정질 실리콘 기판은 굴곡 반경(bending radius)이 20 mm 이하가 되도록 하는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 결정질 실리콘 기판의 두께는 150 ㎛ 미만의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 결정질 실리콘 기판의 두께는 140 ㎛ 이하, 130 ㎛ 이하, 120 ㎛ 이하, 110 ㎛ 이하, 100 ㎛ 이하, 90 ㎛ 이하, 80 ㎛ 이하, 70 ㎛ 이하, 60 ㎛ 이하, 50 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
결정질 실리콘 기판의 두께가 감소할수록 굴곡 반경은 점차 작아진다. 예를 들어, 도 5를 참고하면, 결정질 실리콘 기판의 두께가 80 ㎛인 경우 굴곡 반경은 약 15 mm이고, 두께가 70 ㎛인 경우 굴곡 반경은 약 12 mm이고, 두께가 60 ㎛인 경우 굴곡 반경은 약 11 mm이고, 두께가 50 ㎛인 경우 굴곡 반경은 약 9 mm인 것을 알 수 있다.
결정질 실리콘 기판의 두께를 조절하는 것에 의하여, 결정질 실리콘계 태양전지에 유연성을 부여할 수 있다.
한편, 결정질 실리콘 기판의 두께의 감소는 광 흡수율의 감소를 가져온다. 도 6을 참고하면, 결정질 실리콘 기판은 표면 반사에 의하여 광손실이 발생되고, 결정질 실리콘 기판의 두께가 250 um으로부터 30 um으로 감소함에 따가 자외선 및 가시광 영역의 광 흡수율은 변화하지 않는 반면에, 850 nm 이상의 파장 대역을 갖는 광(즉, 적외선 광)의 흡수율이 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 결정질 실리콘 기판의 표면 반사에 따른 광손실을 보상하고, 두께 감소에 따른 적외선 광 흡수율의 감소에 따른 광손실의 보상이 필요한 실정이다.
결정질 실리콘 기판의 표면 반사에 따른 광손실을 보상하기 위하여, 결정질 실리콘 표면의 거칠기를 증가시키는 방법이 활용되고 있다. 예를 들어, 결정질 실리콘 표면을 부분적으로 식각하여 피라미드형 구조체를 형성함으로써, 입사광의 반사가 억제되고 광흡수가 증가한다. 하지만, 표면에 피라미드형 구조체를 갖는 결정질 실리콘 기판을 구부리는 경우, 피라미드형 구조체 사이의 홈에 외력이 집중되어 기판의 균열이 발생되는 문제점이 존재한다. 따라서, 표면에 피라미드형 구조체를 갖는 결정질 실리콘 기판의 두께를 감소시키는 방식으로 유연성을 확보하는 것은 해결되기 어려운 과제였다.
한편, 본 발명의 발명자는 결정질 실리콘 기판의 표면을 식각함 없이 두께를 조절하여 유연성을 확보하고, 표면 반사를 억제하고 광흡수율을 향상시킬 수 있는 광학 필름을 결정질 실리콘 기판 상에 배치함으로써, 유연하고 고효율을 갖는 태양전지를 완성했다.
일 구현예에 있어서, 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름은 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름은 서로 독립적으로 폴리디메틸실록산(PDMS),폴리에틸렌테레프탈레이트(PET),에틸렌바이닐아세테이트(EVA), 폴리이미드(PI), 광경화 폴리머 (UV Curing Epoxy), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름은 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름은 굴절률이 3 미만일 수 있다. 이에 의하여, 광학 필름과 결정질 실리콘 기판 사이에서의 전반사를 억제하여 광흡수율을 향상시킬 수 있다. 즉, 보고된 결정질 실리콘 기판의 굴절률은 3.7이고, 기판 상에 위치하는 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름의 굴절률이 3 미만이면, 외부(공기의 굴절률=1)로부터 광이 입사될 때 제1 광학 필름 또는 제2 광학 필름을 거쳐 결정질 실리콘 기판에 광흡수를 증가시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 도 2 및 3을 참고하면, 상기 제1 광학 필름(25, 35)은 표면에 다각형의 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다각형의 구조체는 원통형, 피라미드형, 역피라미드형, 사각기둥형 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 도 2 및 3을 참고하면, 상기 제2 광학 필름(26, 36)은 표면에 다각형의 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다각형의 구조체는 원통형, 피라미드형, 사각기둥형 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 다각형의 구조체를 표면에 포함한 제1 광학 필름 및 상기 제2 광학 필름은 결정질 실리콘 기판에 입사하는 입사광의 반사율을 감소시킴으로써, 태양전지의 광전변환효율을 향상시킨다.
일 구현예에 있어서, 도 3을 참고하면, 제2 광학 필름(36)은 상기 제2 광학 필름 상에 광반사층(37)을 포함할 수 있다. 광반사층은 입사광이 외부로 방출되는 경로에 위치하여 입사광이 태양전지 내로 재입사하도록 반사시킨다. 따라서, 광반사층은 광을 반사시킬 수 있는 재료라면 특별히 한정되지 않고 사용될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 광반사층(37)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광반사층은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 광반사층(37)의 두께는 재료에 따라 광투과를 막는 범위의 두께로 구성될 수 있다. 예를 들어, 광반사층은 은을 포함할 수 있고, 그 두께는 1 nm 내지 1 mm, 1 nm 내지 500 ㎛, 1 nm 내지 250 ㎛, 1 nm 내지 100 ㎛, 1 nm 내지 50 ㎛, 1 nm 내지 1 ㎛, 1 nm 내지 500 nm, 1 nm 내지 450 nm, 1 nm 내지 400nm, 1 nm 내지 350 nm, 1 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 1 ㎛, 30 nm 내지 500 nm, 50 nm 내지 300 nm 일 수 있다. 광반사층의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우에, 결정질 실리콘 기판의 광 흡수율이 향상된다.
일 구현예에 있어서, 상기 결정질 실리콘 기판은 제1 도전형을 가지고, 상기 제1층은 제2 도전형과 반대인 제2 도전형을 가지는 불순물이 도핑된 에미터층이고, 상기 제2층은 상기 제1 도전형을 가지는 불순물이 도핑된 후면전계층(BSF)일 수 있다. 후면전계층인 제2층은 캐리어가 결정질 실리콘 기판의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 의해 태양전지의 개방전압(Voc)이 상승하여 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형이 N형인 경우, 제2 도전형은 P형일 수 있으며, 제1 도전형이 P형인 경우, 제2 도전형은 N형일 수 있다. 결정질 실리콘 기판과 제1층이 서로 반대의 도전형을 가짐에 따라, 계면에서 P-N 접합이 형성되고, P-N 접항에 광이 조사되면 광전효과에 의해 광기전력이 발생할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 제1층 및 제2층 중 어느 하나는 전자 수송 물질을 포함하는 전자 수송층이고, 상기 제1층 및 제2층 중 다른 하나는 정공 수송 물질을 포함하는 정공 수송층일 수 있다.
예를 들어, 상기 전자 수송층은 N형 불순물이 도핑된 호스트 재료, 전자 수송 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 정공 수송층은 P형 불순물이 도핑된 호스트 재료, 정공 수송 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 N형 또는 P형 불순물이 도핑될 수 있는 호스트 재료는, 예를 들어 비정질 실리콘(a-Si), 결정질 실리콘(c-Si), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 전자 수송 재료는 낮은 일함수를 갖는 전이금속 산화물 또는 알칼리 금속 화합물, 예를 들어, TiO2, 탄탈럼 산화물(TaOx), 아연 산화물(ZnO), 리튬 불화물(LiF), 세슘 불화물(CsF), 세슘 산화물(Cs2O), 칼슘/알루미늄 합금(Ca/Al) 등을 포함할 수 있다.
상기 정공 수송 재료는 높은 일함수를 갖는 전이금속 산화물, 예를 들어, 몰리브데늄 산화물 (MoOx), 바나듐 산화물 (V2Ox), 텅스텐 산화물 (WOx), 니켈 산화물 (NiOx), 폴리머, 예를 들어 PEDOT:PSS 등을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 결정질 실리콘 반도체 기판은 N-타입 반도체 기판이고, 상기 제1층은 상기 정공 수송층이고, 상기 제2층은 전자 수송층일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 도 4를 참고하면, 태양전지는 제1층 상에 위치하는 제1 반사방지막(46)을 포함할 수 있다. 또한, 태양전지(4)는 제1반사방지막(46) 하부에 표면 안정화층 (47)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 반사방지막(46)은 제1 층(43) 즉, 에미터층의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화하고 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킬 수 있다. 에미터층에 존재하는 결함이 부동화되면, 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 태양전지(4)의 개방전압(Voc)이 증가한다. 또한, 태양광의 반사율이 감소되면 P-N 접합까지 도달되는 광량이 증대되어 태양전지(4)의 단락전류(Isc)가 증가한다. 따라서, 태양전지(4)의 광전변환효율이 향상될 수 있다.
상기 제1 반사방지막(46)은 예를 들면, 실리콘 질화막(SiNx), 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 산화 질화막(Silicon oxynitride), MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다.
보호막(47)은 결정질 실리콘 기판(40)의 수광면에 형성되어, 태양광 입사에 의해 생성된 광 전하의 재결합을 방지하고, 상기 제1 반사방지막(46)이 직접 결정질 실리콘 기판(40) 상에 형성됨에 따른 격자 부정합에 의한 결함(Defect)을 감소시킬 수 있다. 이러한 보호막(47)은 a-Si, a-SiOx 또는 a-SiC를 포함하여 형성될 수 있다. 특히, a-SiOx와 a-SiC는 1.8eV 이상의 밴드갭 에너지를 가지므로, 광의 흡수 계수가 작은바, 결정질 실리콘 기판(40)으로 입사하는 광량이 감소하는 것을 방지할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 보호막(47)은 Al2O3 등의 무기막으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 반사방지막(46) 상에 제1 광학 필름(45)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 광학 필름에 관한 내용은 전술한 바를 참고한다.
상기 기판(40)에서 제1층(43)의 반대측 상에 제2층(44)이 배치되고, 상기 제2층(44) 상에 제2 반사방지막(46')이 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2 반사방지막(46') 상에 광반사층(48)이 표면에 제공된 제2 광학 필름(45')이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 제1 반사방지막, 제2 반사방지막, 제2층, 광반사층 및 제2 광학 필름에 관한 내용은 본원에 기재된 반사방지막, 제2층, 광반사층 및 광학 필름에 관한 내용을 참고한다.
일 구현예에 있어서, 상기 태양전지는 상기 제1층 상에 위치하고, 상기 제1층과 접속된 제1도전층(49)을 포함하고, 상기 제2층 상에 위치하고, 상기 제2층과 접속된 제2도전층(49')을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전층은 제1 전극부를 포함하고, 상기 제2 도전층은 제2 전극부를 포함한다.
예를 들어, 상기 제1 도전층 및 제2 도전층은 서로 독립적으로 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 제1 도전층 및 상기 제2 도전층은 가시광을 통과시키는 투광성 도전층일 수 있다. 이에 의하여, 투명 태양전지의 제작이 용이하다.
일 구현예에 있어서, 상기 제1 도전층 및 제2 도전층은 마이크로그리드 패턴을 갖는다. 마이크로그리드 패턴에서 인접한 그리드의 간격은 200 ㎛ 이상, 예를 들어, 300 ㎛ 이상, 또는 400 ㎛ 이상일 수 있다.
도 8은 마이크로그리드 간격에 따른 투과도 및 면저항을 나타낸다.
마이크로그리드 패턴의 간격에 따른 투과도 및 면저항을 측정하기 위하여, 유리에 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여 50, 100, 200, 400 ㎛ 간격을 갖도록 마이크로 그리드 패터닝(마이크로그리드의 폭은 2 ㎛)을 하고, 패터닝된 유리에 Al을 200 nm로 증착하고 분리하여(lift off) 마이크로그리드가 형성된 유리를 제작하였다. 이후에, 서로 다른 마이크로그리드 간격을 갖는 유리의 투과도를 UV-Vis-NIR을 사용하여 측정하고, 4 포인트 프로브(4-point probe)를 사용하여 면저항을 측정하였다.
도 8을 참조하면, 그리드의 간격이 200 ㎛ 이상인 경우 광 투과율이 95%를 초과하고, 400 ㎛인 경우에는 약 98%의 광 투과율을 보임을 알 수 있다. 그리드의 간격이 넓어지는 경우 면저항은 선형적으로 증가하는 경향을 보인다. 한편, 면저항이 증가하면 빛에 의해 생성된 캐리어(예를 들어, 전자 또는 정공)가 그리드에 수집될 시에 저항에 의해 손실이 발생될 수 있으므로, 그리드의 간격과 면저항 값을 최적화하는 것이 필요하다. 실험 결과, 그리드 간격이 400㎛인 경우 광 투과도가 약 98%에 달하면서도, 저항에 의한 캐리어 손실을 최소화할 수 있는 단위면적당 25Ω의 면저항을 가짐을 알 수 있다.
이하에서는, 일 측면에 따른 태양전지의 제조방법을 구체적으로 설명하며, 동일한 구성에 관한 설명은 앞서 기술한 내용을 인용한다.
일 측면에 따른 태양전지의 제조방법은 결정질 실리콘 기판의 제1면과 상기 제1면의 반대측의 제2면에 각각 제1층과 제2층을 제공하는 단계; 및 상기 제1층 및 제2층 상에 각각 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 제공하는 단계;를 포함하고, 상기 제1층은 상기 결정질 실리콘 기판과 P-N 접합을 형성한다.
일 구현예에 있어서, 상기 제1층은 결정질 실리콘 기판의 도전형과 반대의 도전형을 가지는 불순물 또는 재료를 도핑 또는 증착하여 형성할 수 있고, 제2층은 결정질 실리콘 기판과 동일한 도전형을 가지는 불순물 또는 재료를 도핑 또는 증착하여 형성할 수 있다.
예를 들어, 결정질 실리콘 기판이 N형인 경우, 제1층은 P형의 불순물을 결정질 실리콘 기판에 도핑하여 형성할 수 있으며, 제2층은 N형의 불순물을 결정질 실리콘 기판에 도핑하여 형성할 수 있다. 제1층 및 제2층을 형성하기 위한 불순물의 도핑은 확산법, 스핀 코팅법, 스프레이법, 또는 프린팅 공정법 등의 방법에 의해 수행될 수 있다.
예를 들어, 결정질 실리콘 기판이 N형인 경우, 제1층은 N형 불순물이 도핑된 호스트 재료, 전자 수송 재료, 또는 이들의 조합을 증착하여 형성되며, 제2층은 P형 불순물이 도핑된 호스트 재료, 정공 수송 재료, 또는 이들의 조합을 증착하여 형성될 수 있다. 상기 증착은 스퍼터링, 전자빔 증착법, 화학적 기상 증착법, 물리적 기상 증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법, 금속 유기 화학적 기상 증착법, 분자빔 에피택시, 및 원자층 증착법 등의 방법으로 형성할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 제1층 및 제2층을 제공하는 단계 이후에, 상기 제1층 상에 무기 금속 산화물을 포함하는 보호막을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 보호막을 형성하는 단계 이후에, 보호막 및 제2층 상에 반사방지막을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 보호막과 반사방지막은 순차적으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 보호막 및 반사방지막은 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 화학적 기상 증착법(CVD; chemical vapor deposition), 물리적 기상 증착법(PVD; physical vapor deposition), 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD; plasma-enhanced chemical vapor deposition), 금속 유기 화학적 기상 증착법(MOCVD; metal-organic chemical vapor deposition), 분자빔 에피택시(MBE; molecular beam epitaxy), 및 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 등의 방법으로 형성할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 반사방지막을 제공하는 단계 이후에, 상기 반사방지막 상에 제1 도전층 및 제2 도전층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 도전층은 결정질 실리콘 기판의 수광면 상에 위치하는 제1 전극부를 포함할 수 있다. 상기 제2 도전층은 실리콘 기판의 수광면의 반대측 상에 위치하는 제2 전극부를 포함할 수 있다. 상기 제1 도전층 및 제2 도전층은 수㎛ 내지 수십㎛의 폭을 가지는 마이크로그리드 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 마이크로그리드 패턴을 갖는 제1 도전층 및 제2 도전층은 광 투과율이 우수하여, 태양전지에 투광성을 부여한다.
예를 들어, 상기 도전층은 도전층 형성용 페이스트를 인쇄한 후, 열 처리 공정을 통해 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 구현예에 있어서, 상기 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 제공하는 단계는, 상기 상기 제1 광학 필름을 제1층 상에 부착하고, 상기 제2 광학 필름을 제2층 상에 부착하는 것을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름의 표면은 그 자체로 접착성을 갖는다.
다른 구현예에 있어서, 상기 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름은 서로 독립적으로 표면에 접착제를 통해 부착될 수 있다. 상기 접착제는 특별히 한정되는 것은 아니며, 태양전지의 광효율 및 구동전압에 부정적인 영향을 미치지 않는 것이면 모두 사용 가능하다.
일 구현예에 있어서, 상기 제2 광학 필름 상에 광반사층을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광반사층은 스퍼터링, 전자빔 증착법, 화학적 기상 증착법, 물리적 기상 증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법, 금속 유기 화학적 기상 증착법, 분자빔 에피택시, 및 원자층 증착법 등의 방법으로 형성할 수 있다.
도 13을 참고하여 상기 제1 및 제2 광학필름 제조방법의 일 예가 설명된다.
일 실시예에 따른 광학 필름은 실리콘 기판을 준비하는 단계; 실리콘 기판에 식각액을 처리하여 식각하는 단계; 실리콘 기판 상에 열경화성 수지를 제공하는 단계; 상기 열경화성 수지를 경화 및 분리하는 것에 의하여 제조될 수 있다.
이러한 방법에 의해 제조된 광학 필름은 실리콘 기판의 표면 형상의 역 구조를 갖는 표면을 갖는다. 다시 말하면, 상기 광학 필름은 표면에 구조체를 갖는다. 따라서, 상기 광학 필름 표면의 구조체는 광의 반사율을 낮추는 것에 의하여, 광효율을 향상시킬 수 있다.
상기 식각액은 알칼리 용액을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 식각액은 KOH 수용액을 포함할 수 있다. 상기 식각하는 단계는 약 70℃ 내지 약 80℃의 온도에서 30분 내지 50분 동안 진행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 실리콘 기판 상에 원하는 표면 구조에 따라 적절히 조절될 수 있다.
상기 열경화성 수지를 제공하는 단계 이전에, 실리콘 기판 상에 자가 조립 단층(SAM)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 기판 상에 트리클로로-(1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸)실란을 증착하는 것에 의하여 자가 조립 단층이 형성된다. 상기 자가 조립 단층에 의하여 최종 경화된 광학 필름의 분리가 더욱 용이해질 수 있다.
실시예
제조예 1 (PDMS 광학 필름의 제조)
2x2 cm2 평판 실리콘 기판을 아세톤, 메탄올, 탈이온수(DI)로 세척한 후, 실리콘 기판 표면에 HF/NH4F=7:1로 혼합한 용액을 처리하여 표면에 잔류 실리콘 산화물을 제거하였다. KOH:이소프로필알코올:탈이온수=1:0.5:8.5 부피%로 혼합한 알칼리 용액에 실리콘 기판을 75℃에서 40 분 동안 침지하여 실리콘 기판 표면에 무작위-크기(random-size) 피라미드 구조체를 형성하였다. 표면에 잔류한 알칼리 용액을 제거한 후, 기판 상에 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸) 실란을 처리하여 자가 조립 단층을 형성하였다. PDMS계 수지 및 경화제를 포함하는 혼합 용액을 실리콘 기판 상에 붓고, 100℃에서 10분간 경화한 후, 경화된 PDMS 광학 필름을 실리콘 기판으로부터 분리하여, PDMS 광학 필름을 얻었다.
참고예 1 (결정질 실리콘 태양전지의 제작)
n-형 실리콘 기판(두께: 20 ㎛)의 후면에 인 도펀트 소스를 O2 및 N2의 혼합 분위기 하에 900℃ 열처리하여 후면전계층을 형성하였다. 이후에, 붕소 도펀트 소스를 사용하여, N2 분위기에서 880℃에서, 실리콘 기판 상면에 열처리하여 에미터층을 형성하였다. 이후에, 에미터층 상에 산화알루미늄(Al2O3)를 원자층 증착하여 10 nm 두께의 보호층을 형성하였다. 이후에, 상기 보호층 및 후면전계층 상에 플라즈마 화학 기상 증착을 이용하여 60nm의 SiNx 층을 형성하였다. 이후에, 450℃에서 어닐링 공정을 수행하였다. 포토리소그래피 공정을 통해 마이크로 그리드 형성을 위한 패턴을 제작 후 열증착 방법으로 Al 500 nm를 증착하여 마이크로그리드 패턴을 갖는 전면 및 후면 전극을 형성하여, 참고예 태양전지를 제작하였다.
실시예 1
참고예 1에서 제작한 태양전지의 전면, 후면 전극의 마이크로그리드 패턴의 간격을 400 ㎛으로 구성하고, 전면 및 후면 상에 제조예 1에서 얻은 PDMS 광학 필름을 부착하였다. 이후에, 후면 상에 부착된 PDMS 광학 필름 표면에 Ag 300 nm을 열 증착하여, 실시예 1의 태양전지를 제작하였다.
비교예 1
참고예 1에서 제작한 태양전지의 전면, 후면 전극의 마이크로그리드 패턴의 간격을 400 ㎛으로 구성하고, 전면에만 PDMS 광학 필름을 부착하여, 비교예 1의 태양전지를 제작하였다.
비교예 2
참고예 1에서 제작한 태양전지의 전면, 후면 전극의 마이크로그리드 패턴의 간격을 400 ㎛으로 구성한 것을 제외하고는 참고예 1과 동일하게 태양전지를 제작하였다.
평가예 1 (광흡수율 평가)
실시예 1, 및 비교예 1 및 2에서 제작한 태양전지에 대한 파장대별 광 흡수율을 측정하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7을 참고하면, 600 nm 이하의 파장을 갖는 광에 대해서는 광학 필름이 적용된 태양전지에서 더 높은 광 흡수율을 보였고, 800 nm 이상의 파장을 갖는 광에 대해서는 광학필름 미적용(비교예 2), 광학필름 한면 적용(비교예 1), 광학필름 양면 적용(실시예 1)의 경우에서 더 높은 광 흡수율을 확인할 수 있었다.
평가예 2 (전류밀도 평가)
실시예 1, 및 비교예 1 및 2에서 제작한 태양전지에 대한 전압에 따른 전류밀도를 평가하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9를 참고하면, 광학 필름 미적용(비교예 2), 광학필름 한면 적용(비교예 1), 광학필름 양면 적용(실시예 1)한 경우의 순서로 더 높은 광 흡수율에 따른 더 높은 전류밀도를 보임을 확인하였다.
평가예 3 (EQE 평가)
실시예 1, 및 비교예 1 및 2에서 제작한 태양전지에 대한 파장에 따른 광효율을 평가하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10을 참고하면, 500 nm 이하의 파장의 광의 경우 광학 필름 미적용(비교예 2)에 비해 광학필름 한면 적용(비교예 1), 광학필름 양면 적용(실시예 1)한 경우에 더 높은 EQE를 보였고, 800 nm 이상의 파장의 광의 경우 광학 필름 미적용(비교예 2)에 비해 광학필름 한면 적용(비교예 1), 광학필름 양면 적용(실시예 1)한 경우의 순서로 더 높은 EQE를 보임을 확인하였다.
평가예 4 (내구성 평가)
실시예 1에서 제작된 태양전지에 대하여, 5 mm의 굴곡반경을 갖도록 총 1000회의 벤딩을 진행하면서, 태양전지의 효율, 충진율 (fill factor), 전류밀도, 전압의 변화를 관찰하였고, 그 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11을 참고하면, 1000회의 반복적인 벤딩에도 불구하고, 태양전지의 효율, 충진율 (fill factor), 전류밀도, 전압이 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.
평가예 5 (입사광 각도에 따른 전류밀도 변화 평가)
실시예 1 및 비교예 2에서 제작된 태양전지에 대하여, 다양한 각도에서의 입사광에 대한 전류밀도의 변화율을 측정하였고, 그 결과를 도 12에 나타내었다.
도 12를 참고하면, 광학 필름을 포함하는(실시예 1) 태양전지의 경우 광학 필름에 구비된 구조체들에 의해 다양한 방향의 입사광들을 흡수할 수 있는데 반해, 광학 필름을 포함하지 않는(비교예 2) 태양전지의 경우, 표면이 평평하여, 태양전지의 수직 방향에서 수평방향으로 갈수록 광 반사비율이 높아짐으로써, 광흡수율이 낮아지고, 그 결과 전류밀도가 현저히 낮아짐을 확인하였다.
이상에서는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
Claims (17)
- 제1면 및 상기 제1면의 반대측의 제2면을 포함하는 결정질 실리콘 기판;
상기 제1면 상에 위치하고, 상기 결정질 실리콘 기판과 P-N 접합을 이루는 제1층;
상기 제1층 상에 위치하는 제1 반사방지막;
상기 제1 반사방지막 상에 직접 접하도록 위치하는 제1 광학 필름;
상기 제2면 상에 위치하는 제2층;
상기 제2층 상에 위치하는 제2 반사방지막; 및
상기 제2 반사방지막 상에 직접 접하도록 위치하는 제2 광학 필름;
을 포함하고,
상기 결정질 실리콘 기판의 두께가 100㎛ 이하이고,
상기 제1 광학 필름 및 상기 제2 광학 필름은 서로 독립적으로 폴리디메틸실록산(PDMS), 에틸렌바이닐아세테이트(EVA), 광경화 폴리머 (UV Curing Epoxy) 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 제1광학 필름 및 상기 제2 광학 필름 각각은 다각형의 구조체를 포함하는, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 광학 필름 및 상기 제2 광학 필름은 굴절률이 3 미만인, 태양전지. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 광학 필름 상에 광반사층을 포함하는, 태양전지. - 제5항에 있어서,
상기 광반사층은 금속을 포함하는, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 결정질 실리콘 기판은 제1 도전형을 가지고,
상기 제1층은 제2 도전형과 반대인 제2 도전형을 가지는 불순물이 도핑된 에미터층이고,
상기 제2층은 상기 제1 도전형을 가지는 불순물이 도핑된 후면 전계층인, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1층 및 제2층 중 어느 하나는 전자 수송 물질을 포함하는 전자 수송층이고, 상기 제1층 및 제2층 중 다른 하나는 정공 수송 물질을 포함하는 정공 수송층인, 태양전지. - 제8항에 있어서,
상기 결정질 실리콘 반도체 기판은 N-타입 반도체 기판이고,
상기 제1층은 상기 정공 수송층이고, 상기 제2층은 전자 수송층인, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1층 상에 위치하고, 상기 제1층과 접속된 제1도전층을 포함하고,
상기 제2층 상에 위치하고, 상기 제2층과 접속된 제2도전층을 포함하는, 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 제1도전층 및 제2도전층은 투광성 도전층인, 태양전지. - 결정질 실리콘 기판의 제1면과 상기 제1면의 반대측의 제2면에 각각 제1층과 제2층을 제공하는 단계;
상기 제1층 및 제2층 상에 제1 반사방지층 및 제2 반사방지층을 각각 제공하는 단계; 및
상기 제1 반사방지층 및 상기 제2 반사방지층 상에 각각 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 제공하는 단계;를 포함하고,
상기 결정질 실리콘 기판의 두께가 100㎛ 이하이고,
상기 제1 광학 필름 및 상기 제2 광학 필름은 열경화성 수지를 포함하고,
상기 제1 광학 필름 및 상기 제2 광학 필름은 서로 독립적으로 폴리디메틸실록산(PDMS), 에틸렌바이닐아세테이트(EVA), 광경화 폴리머 (UV Curing Epoxy) 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 제1광학 필름 및 상기 제2 광학 필름 각각은 다각형의 구조체를 포함하고,
상기 제1층은 상기 결정질 실리콘 기판과 P-N 접합을 형성하는, 태양전지의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 제2 광학 필름 상에 광반사층을 제공하는 단계를 더 포함하는, 태양전지의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 결정질 실리콘 기판은 제1 도전형을 가지고,
상기 제1층은 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형을 가지는 불순물을 상기 결정질 실리콘 기판에 도핑하여 형성하고,
상기 제2층은 상기 제1 도전형을 가지는 불순물을 상기 결정질 실리콘 기판에 도핑하여 형성하는, 태양전지의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 결정질 실리콘 기판은 N-타입 반도체 기판이고,
상기 제1층은 상기 제1면 상에 정공 수송 물질을 증착하여 형성하고, 상기 제2층은 상기 제2면 상에 전자 수송 물질을 증착하여 형성하는, 태양전지의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 제공하는 단계 이전에,
상기 제1층 상에 상기 제1층과 접속하도록 제1 도전층을 제공하고, 상기 제2층 상에 상기 제2층과 접속하도록 제2 도전층을 제공하는 단계를 더 포함하는, 태양전지의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 제1 도전층 및 상기 제2 도전층은 각각 마이크로그리드 패턴을 갖도록 제1층 및 제2층에 제공되는, 태양전지의 제조방법.
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