KR20080005779A - 광전 변환 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광전 변환 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, pn 접합을 통해 광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 소자를 제조하는 방법으로서, (a) 임프린팅 공정을 이용하여 기판에 텍스처 구조를 형성하는 단계; (b) 상기 텍스처 구조가 형성된 기판 상에 p형 반도체에 해당하는 광흡수층을 박막 구조로 형성하는 단계; 및 (c) 상기 광흡수체 상에 n형 반도체에 해당하는 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따르면 임프린팅 방식을 통해 텍스처 구조를 형성하기 때문에 박막으로 이루어진 광흡수층에 텍스처 구조를 효과적으로 형성할 수 있는 장점이 있다.
태양 전지, 광흡수층, 임프린팅, 스탬프, 텍스처
Description
도 1은 본 발명에 따른 광전 변환 소자의 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 광전 변환 소자 제조 과정의 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 기판 형성 공정을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 배면 전극의 증착 공정을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 광흡수층 형성 공정을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 윈도우층 형성 공정을 도시한 도면.
본 발명은 광전 변환 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 텍스처 구조가 효과적으로 형성된 광전 변환 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
광전 변환 소자는 광을 전기 신호로 변환 출력하는 소자로서 현재 광전 변환 소자는 다양한 분야에서 적용되고 있으며, 특히 태양광을 전기 신호로 변환하는 태 양 전지가 광전 변환 소자로서 이용되고 있는 실정이다.
태양 전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 반도체의 pn 접합으로 구성된 다이오드로서, 태양광을 반도체의 밴드갭 에너지(Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 갖는 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍을 생성한다.
이들 전자-정공 쌍 중 전자는 n형 반도체층으로, 정공은 p형 반도체층으로 모이게 되며 이에 따라 pn 접합 사이에 기전력(광기전력, Photovoltaic)이 발생하여 양단 전극에 연결된 부하에 전류가 흐르게 된다.
이와 같은 태양 전지는 광흡수층을 이용하여 광전 변환을 수행하는데, 일반적으로 집광 효율을 높이기 위해 광흡수층에 텍스처 구조를 형성한다.
텍스처 구조는 광흡수층에 요철 패턴을 형성하는 것으로서, 종래기술에 따르면, 포지티브형 또는 네가티브형 감광성 수지를 사용하여, 원하는 패턴으로 노광한 후에 현상하여 요철 패턴을 형성한다. 또는 수지층상에 소정의 패턴으로 마스크를 형성하고, 이 마스크를 개재하여 수지층을 에칭함으로써 요철 패턴을 형성한다.
광흡수층이 단결정 또는 다결정 실리콘으로 이루어진 경우에는 상기한 방법으로 텍스처 구조를 형성할 수 있다.
그러나 광흡수층이 실리콘에서 카파인듐이셀레나이드(CulnSe2) 또는 카드뮴텔러라이드(CdTe)과 같이 화합물반도체로 대체될 것이 요구되는 실정에서 화합물반도체의 박막 구조 때문에 상기와 같은 방법으로는 텍스처 형성이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 박막 구조의 광흡수층에 텍스처 구조를 효과적으로 형성할 수 있는 방법 및 이를 통해 제조된 광전 변환 소자를 제안하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, pn 접합을 통해 광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 소자를 제조하는 방법으로서, (a) 임프린팅 공정을 이용하여 기판에 텍스처 구조를 형성하는 단계; (b) 상기 텍스처 구조가 형성된 기판 상에 p형 반도체에 해당하는 광흡수층을 박막 구조로 형성하는 단계; 및 (c) 상기 광흡수체 상에 n형 반도체에 해당하는 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는 소정의 텍스처 패턴을 갖는 스탬프를 상기 기판에 압착하는 단계를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 스탬프는 니켈 또는 폴리머 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 스탬프의 텍스처 패턴은 SAM 코팅, C4F8 코팅 또는 실리콘과 SAM 혼합물 코팅 중 적어도 하나를 이용하여 이형 처리되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법은 상기 (b) 단계에 선행하여 상기 기판 상에 배면전극 을 증착하는 단계; 및 상기 (c) 단계에 선행하여 상기 광흡수층 상에 버퍼층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다
본 발명의 다른 측면에 따르면, pn 접합을 통해 광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 소자에 있어서, 임프린팅 공정을 통해 텍스처 구조가 형성된 기판; p형 반도체에 해당하며, 상기 텍스처 구조에 상응하여 박막을 형성하는 광흡수층; 및 n형 반도체에 해당하며, 상기 광흡수층 상에 형성되는 윈도우층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자가 제공된다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서, 본 발명에 따른 광전 변환 소자 및 이의 제조 방법에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 pn 접합으로 이루어진 광전 변환 소자에서 p형 반도체에 해당하는 광흡수층에 텍스처 구조를 형성하는 방법에 관한 것이다. 하기에서는 광전 변환 소자 중 태양 전지를 중심으로 설명할 것이나 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 텍스처 구조의 광흡수층을 이용하는 모든 광전 변환 소자가 본 발명의 범주에 포함될 수 있다는 점을 당업자는 이해하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광전 변환 소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광전 변환 소자는 기판(100), 배면 전극(102), 광흡수층(104), 버퍼층(106), 윈도우층(108), 반사 방지막(110) 및 그리드(112)를 포함할 수 있다.
기판(100)은 폭, 깊이와 적절한 너비 및 두께를 갖는 판형으로 형성되어 태양 전지의 절연성을 보장한다.
일반적으로 태양 전지의 기판(100)은 유리가 될 수 있으나, 그밖에 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인리스, Cu tape와 같은 금속 기판 및 폴리머(고분자) 기판 등도 사용될 수 있다.
배면 전극(102)은 광기전력 발생시 정공이 흐르는 전극으로서, 몰리브덴(이하 'Mo'라 함)이 광범위하게 사용된다. Mo이 주로 사용되는 이유는 높은 전기전도도를 가지며, 광흡수층 형성 조건 하에서 고온 안정성을 갖기 때문이다.
광흡수층(104)은 p형 반도체에 해당하는 것으로서, 태양광이 입사되는 경우에 정공의 이동 경로가 된다.
본 발명에 따르면, 광흡수층(104)은 박막(thin film)으로 이루어지며, CulnSe2 또는 CdTe 계의 화합물 반도체로 구성될 수 있다.
그러나 본 발명에 따른 광흡수층(104)은 상기한 화합물 외에 I-III-VI2 족 황동광(Chalcopyrite)계의 화합물 반도체를 포함할 수 있으며, 인듐(In)을 갈륨(Ga)으로, 셀레늄(Se)을 황(S)으로 치환한 오원화합물 반도체를 포함할 수도 있다.
본 발명과 같이, 광흡수층을 박막으로 구성하는 경우, 기존 실리콘에 비해 원재료비를 절감할 수 있어 공정 자체를 간단히 할 수 있다.
그러나 박막 두께의 치수가 작아 광흡수층에 텍스처 구조를 형성하는데 어려운 점이 있을 수 있는데, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 기판(100) 자체에 스탬프(stamp)를 이용한 임프린팅 방식으로 텍스처를 형성하고, 그 위에 광흡수층(104)을 형성한다.
본 발명에 의하면, 임프린팅 방식으로 기판(100) 자체에 텍스처를 우선 형성하기 때문에 얇을 두께의 광흡수층(104)에 종래의 화학적인 방법으로 텍스처를 형성할 필요가 없다.
전술한 바와 같이, 태양 전지는 p형 반도체인 광흡수층(104)과 n형 반도체인 윈도우층(108)이 pn 접합을 형성하는데, 두 층은 격자 상수와 에너지밴드갭 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해 버퍼층(106)이 게재된다.
버퍼층(106)은 황화카드뮴(CdS)이 사용될 수 있다.
CdS은 밴드갭 에너지가 2.46eV이며, 접합성능이 우수하고, 얇아질수록 밴드갭 에너지가 증가한다.
그밖에 인듐셀레나이드 화합물(InxSey)이 사용될 수도 있을 것이다.
InxSeY은 CdS보다 효율을 낮지만 광특성이 양호하고, 광흡수층과의 접합 특성을 개선하는 장점이 있다.
윈도우층(108)은 n형 반도체로서 광흡수층(104)과 pn 접합을 형성한다.
윈도우층(108)은 태양 전지 전면의 투명 전극으로서 기능하기 때문에 광투과율이 높아야 하는 바 산화아연(ZnO)가 주로 사용된다.
ZnO는 에너지밴드갭이 3.3Ev이고 약 80%이상의 높은 광 투과도를 갖는다.
한편, 태양 전지에 있어서 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄이면 약 1% 정도의 태양 전지 효율이 향상되기 때문에 본 발명에 따른 태양 전지는 윈도우층(108) 위에 플로우르화마그네슘(MgF2)로 이루어진 반사방지막을 형성한다.
도 2는 본 발명에 따른 광전 변환 소자 제조 과정의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명은 임프린팅 공정을 이용하여 기판(100)을 형성한다(단계 200).
본 발명에 따르면, 기판 형성 시 텍스처 패턴이 형성된 스탬프를 이용하여 도 3에 도시된 바와 같이, 기판 상에 텍스처 구조를 형성하게 된다.
여기서 나노 사이즈의 텍스처를 요구하는 경우, 스탬프는 나노 스탬프일 수 있다.
본 발명에 따른 스탬프는 도 3에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(300)과 텍스처 패턴(302)을 포함할 수 있다.
베이스 기판(300)은 니켈(Ni) 또는 폴리머(polymer)로 이루어질 수 있으며, 그밖에 가공이 용이한 실리콘 기판(silicon substrate)이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정됨이 없이 투명한 스탬프 제작을 위해 유리기판이 대신 사용되기도 한다.
베이스 기판(30) 상에 형성된 텍스처 패턴(302)은 실리콘 산화물(SiOX)로 이 루어진다. 베이스 기판(300)에 실리콘 산화물을 적층하고 전자빔 리소그라피 공정과 식각 공정을 진행하여 텍스처 패턴(302)을 형성한다.
한편, 본 발명에 따르면, 기판(100)에 텍스처 패턴 구조(302)를 임프린팅하기 위해 스탬프의 표면에 접합 및 이형을 위한 과정이 수행된다.
접합 처리는 에폭시 수지와 같이 점착성을 갖는 수지를 텍스처 패턴(302)에 코팅하는 것이며, 이형 처리는 스탬프가 기판(100)에 텍스처 구조를 형성한 후에 분리될 때 기판(100)과 스탬프가 서로 붙지 않도록 한다.
이형 처리는 단분자 자기조립막(Self-Assembly Monolayers, 이하 'SAM'이라 함) 코팅, C4F8 코팅 또는 실리콘과 SAM 혼합물을 코팅하는 과정 중 하나일 수 있다.
상기한 바와 같이, 임프린팅 공정을 통해 기판(100)에 텍스처 구조를 형성한 후에 배면 전극(102) 증착이 이루어진다(단계 202, 도 4참조).
배면 전극의 증착은 아르곤(Ar)과 산소 조건 하에서 수행되는데, 아르곤과 산소 분압을 조절하여 배면 전극이 낮은 비저항을 갖도록 하며, 열팽창 계수로 인한 박리 현상이 일어나지 않도록 한다.
배면 전극 증착 후 광흡수층이 형성된다(단계 204, 도 5참조).
광흡수층 박막의 물리적인 형성 방법으로는 증착(evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 셀렌화(selenization) 공정이 있으며, 전착(electro-deposition) 등이 있다.
광흡수층(102)에는 집광 효율을 높이기 위해 텍스처 구조가 형성되어야 하는데, 본 발명에 따르면, 기판(100)에 임프린팅 공정을 통해 형성한 텍스처 구조를 따라 광흡수층(102)이 형성되도록 한다.
따라서 화학적인 방법으로 광흡수층(102) 자체에 텍스처 구조를 형성하는 것보다 두께가 얇은 박막 구조에 효율적으로 텍스처 구조를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 기존 방식에 비해 텍스처 구조의 형상을 자유롭게 변경할 수 있어 집광 효율을 더욱 높일 수 있다.
광흡수층 형성 후 버퍼층(106)의 증착이 수행된다(단계 206).
전술한 바와 같이, 버퍼층(106)으로 CdS가 사용되며, CdS 박막은 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법을 통해 형성된다.
버퍼층(106)은 n형 반도체로서 In, Ga 등을 도핑함으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다.
한편, CBD 방법에 있어 CdS막의 특성을 결정하는 중요한 변수로는 증착 온도, 용액의 pH , 막의 두께 등이며, CBD 방법은 용액 내에 적정량의 Cd++와 S--이온을 만들고, 용액의 온도를 조절하여 각 이온 농도의 곱이 용액의 용해도적보다 큰 경우에 CdS의 형태로 석출되는 성질을 이용한다.
버퍼층 증착 후 윈도우층이 형성된다(단계 208, 도 6참조)
윈도우층으로는 ZnO이 사용되며, 이는 에너지 밴드갭이 3.3eV이다.
ZnO는 높은 광투과도을 가지며, 알루미늄(Al)이나 붕소(B)를 도핑하여 근적 외선 영역의 광투과도를 높일 수 있다.
ZnO 박막은 RF 스퍼터링 및 CVD(Chemical Vapor Deposition)을 통해 형성된다.
RF 스퍼터링은 ZnO 타깃을 사용하여 증착하는 방법과, Zn metal을 이용한 반응성(reactive) 스퍼터링 방법이 사용된다.
한편, 버퍼층인 CdS 박막 위에 우선 도핑되지 i형의 ZnO 박막(약 500nm 두께로)을 증착한 후 그 위에 낮은 저항을 갖는 n형의 ZnO 박막(약 50nm 두께로)을 증착하여 태양 전지의 효율을 더욱 개선할 수 있다.
이후, 반사 방지막과 그리드를 형성할 수 있으며, 여기서 반사방지막은 E-beam 증착 과정을 통해 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기판 상에 임프린팅 공정을 통해 텍스처 구조를 형성함으로써 얇은 두께의 광흡수층이 용이하게 텍스처 구조를 가질 수 있도록 하는 장점이 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
Claims (7)
- pn 접합을 통해 광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 소자를 제조하는 방법으로서,(a) 임프린팅 공정을 이용하여 기판에 텍스처 구조를 형성하는 단계;(b) 상기 텍스처 구조가 형성된 기판 상에 p형 반도체에 해당하는 광흡수층을 박막 구조로 형성하는 단계; 및(c) 상기 광흡수체 상에 n형 반도체에 해당하는 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (a) 단계는 소정의 텍스처 패턴을 갖는 스탬프를 상기 기판에 압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 스탬프는 니켈 또는 폴리머 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 스탬프의 텍스처 패턴은 SAM 코팅, C4F8 코팅 또는 실리콘과 SAM 혼합물 코팅 중 적어도 하나를 이용하여 이형 처리되는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (b) 단계에 선행하여 상기 기판 상에 배면전극을 증착하는 단계;상기 (c) 단계에 선행하여 상기 광흡수층 상에 버퍼층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 방법.
- pn 접합을 통해 광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 소자에 있어서,임프린팅 공정을 통해 텍스처 구조가 형성된 기판;p형 반도체에 해당하며, 상기 텍스처 구조에 상응하여 박막을 형성하는 광흡수층; 및n형 반도체에 해당하며, 상기 광흡수층 상에 형성되는 윈도우층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 제6항에 있어서,상기 기판의 텍스처 구조는 소정의 텍스처 패턴을 갖는 스탬프를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
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