KR20090040728A - 다공성 표면을 가지는 반도체 웨이퍼 기판을 이용한 벌크형태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공성 실리콘 기판을 이용한 벌크형 태양전지 소자와 그 제조방법에 관한 것으로서, 벌크형 태양전지는 실리콘 웨이퍼 기판을 포함하되 웨이퍼 기판의 표면이 다양한 형상을 가진 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 가진다.
본 발명에 따르면 다공성 구조를 포함하는 웨이퍼 기판의 제작을 통해 모든 태양광의 파장 영역에서 균일하게 반사율이 낮은 벌크형 태양전지 소자를 제공할 수 있다.
태양전지, 벌크형, 다공성, 실리콘 웨이퍼, 파장, 반사율
Description
본 발명은 다공성 실리콘 기판을 이용한 벌크형 태양전지 소자 개발과 구조적, 결정학적 관점에서 태양전지 기판을 제어하는 기술에 관한 것으로서, 이러한 벌크형 태양전지는 실리콘 웨이퍼 기판의 표면에 다양한 형상을 가진 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 가지기 때문에 다양한 태양광 파장 영역에서 균일하게 낮은 반사율을 가져 소자의 품질 특성이 향상된다.
태양전지는 포토다이오드의 일종으로 태양광을 직접 전력으로 전환시키는 목적에 이용되고 있어, 대체 에너지원으로서 지상에서는 물론이고 우주개발을 위해서도 그 이용이 점차 확대되어가고 있어 전력용 전자소자로서 매우 중요하다. 그 구조도 p-n 접합형, 쇼트키 배리어형 및 이종(異種)반도체의 접합으로 이루어지는 것 등이 있으며, 소재로서는 실리콘 ·갈륨비소 등의 결정체, 기타 각종 반도체가 광 범위하게 이용되고 있다. 특히 근래에 와서는 다결정(多結晶) 실리콘이나 비정질(非晶質) 실리콘을 이용한 태양전지의 개발과 실용화가 크게 각광을 받고 있다.
그러나 높은 광전변환효율과 품질특성 때문에 단결정의 실리콘 웨이퍼를 기반으로하는 벌크형 태양전지가 상용화되고 있는 실정이다.
일반적으로 실리콘 결정계(crystalline) 태양전지는 실리콘 웨이퍼를 출발 원료로 한다. 실리콘 웨이퍼는 고순도로 정제된 실리콘을 고온으로 가열하여 결정으로 성장된 잉곳을 만들고 이를 절단 및 연마를 통해 대형의 결정판 형태의 웨이퍼 기판을 만든다. 결정은 원자가 규칙적으로 배열된 물질을 의미한다.
종래의 태양전지를 제조하기 위한 웨이퍼의 처리 방법 중 가장 중요한 처리는 기판 표면의 텍스처링(texturing), 즉 조직화이다.
텍스처링된 종래의 태양전지용 웨이퍼 기판의 표면을 확대한 단면도는 도 1a에 도시하였다. 텍스처링한 후의 표면은 피라미드 구조를 가지므로 옆면에서 관찰할 때 정삼각형의 형상을 가진다.
이러한 텍스처링된 종래 태양전지용 웨이퍼 기판을 상부에서 확대하여 관찰한 이미지는 도 1b와 같다. 도 1b를 참조하면 조직화된 웨이퍼 기판 상의 피라미드의 크기는 각기 다르고 각 피라미드의 하부면의 모양은 서로 다르지만 최상부를 하나의 정점으로 하여 정삼각뿔의 형태를 띠는 것이 동일함을 알 수 있다.
이러한 표면 조직화의 목적은 빛을 받는 태양전지의 전면부에서의 반사율을 감소시키고, 태양전지 내에서 빛의 통과 길이를 길게 함으로써 태양전지 내부로 빛이 흡수되도록 하여 발전에 기여하는 빛의 양을 증가시키는 것에 있다.
종래 기술에 의하면, 경면 연마처리(Polishing)된 웨이퍼 표면은 입사되는 태양 빛의 30% 내지 50% 정도를 반사시키고, 표면을 피라미드 형태로 조직화(texturing)시키면 입사되는 태양광의 10% 내지 20% 정도를 반사하게 되어 반사율이 현저하게 줄어든다.
조직화시킨 표면에 반사방지막(anti-reflection, AR)을 증착시키면 반사율을 약 5% 내지 10%까지 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
그러나, 상기 반사율은 태양광의 주요 흡수 파장대역인 500nm 내지 1000nm 에서관찰된 평균값으로서, 태양광 파장범위의 낮은 파장영역인 300nm 내지 400nm에서는 비교적 높은 반사도를 가지며, 반사방지막의 증착 이후라야만 비로소 상대적으로 더 낮은 반사도를 갖는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 모든 태양광의 파장영역에서 균일하게 반사율이 낮은 기판 표면의 새로운 처리방법의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은 실리콘 웨이퍼 기판을 이용한 벌크형 태양전지에 관한 상기 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 실리콘 웨이퍼 기판의 표면을 텍스처링 하는 대신 다양한 형태의 홀을 구비한 다공성 구조로 형성하여 표면 텍스처링된 실리콘 웨이퍼 기판을 이용한 태양전지보다 다양한 태양광의 파장영역에서 전반적으로 낮은 반사율을 가지는 고효율의 벌크형 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 초기 실리콘 웨이퍼 기판의 가공 처리시 텍스처링 과정이나 반사방지막을 형성하는 단계를 생략하면서도 고른 태양광 파장대에서 낮은 반사율을 가지는 고품질특성의 태양전지를 간편하게 제조할 수 있어 제조비용을 절감하고 경제적으로 경쟁력 확보가 가능한 태양전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 벌크형 태양전지는 실리콘 웨이퍼 기판을 포함하는 것으로서, 그 웨이퍼 기판의 표면이 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조인 것을 특징으로 한다.
상기의 다공성 구조는 경면처리된 웨이퍼 기판 뿐만 아니라 종래에 사용되었던 텍스처링 기법을 실시한 이후의 웨이퍼 기판에도 적용할 수 있다. 텍스처링 기 법을 실시한 이후의 단면도나 상면도의 확대된 그림은 도 1a 와 도 1b에 도시하였는데, 이들 피라미드 구조의 표면에 홀을 구성하여 다공성 구조를 적용할 수도 있다.
본 발명에서 상기 웨이퍼 기판의 표면에 구성된 복수 개의 홀의 형상은 서로 상이할 수 있다.
본 발명에서 상기 홀의 단면형상은 특별한 형태로 제한되지 않으며, 바람직하게는 U자형, V자형, 다각형 중 어느 하나 이상의 형태일 수 있다. 이때 상기 홀의 단면 형상은 U자형, V자형, 다각형 중 어느 하나 이상의 형태라 하더라도 이들과 반드시 일치되는 정확한 형태만을 의미하는 것은 아니다. 홀의 단면 형태는 상기 형태뿐만 아니라 이들 형태와 유사한 형태를 모두 포함하는 것이면 족할 것이다.
본 발명에서 상기 홀의 기저점을 포함하는 면과 측면이 이루는 각도는 0°초과, 135°미만인 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 홀의 깊이는 실리콘 웨이퍼 기판의 표면의 소정의 깊이를 차지하는 것이면 족하고 특별히 제한되지 않지만 바람직하게는 10nm 내지 10㎛ 일 수 있다.
또한, 상기 홀의 너비 역시 특별히 제한되지 않지만 바람직하게는 10nm 내지 10㎛ 일 수 있다.
웨이퍼 기판의 표면의 다공성 구조를 이루는 상기 홀의 모양, 너비, 깊이 등의 특성은 각각의 홀이 동일하거나 상이할 수 있다. 다공성 구조의 홀 상호간은 바 로 인접하여 형성될 수도 있지만 특별한 간격을 두고 형성될 수 있다. 홀 상호간의 간격은 제한되지 않으며 수 나노미터 단위 내지 또는 수백 마이크로미터 단위일 수 있다.
본 발명에서, 상기 다공성 구조의 웨이퍼 기판의 표면의 기공도(porosity)는 10% 내지 70% 일 수 있다.
본 발명에서 상기 실리콘 웨이퍼 기판은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 구성될 수 있는데, 특히 단결정 실리콘 웨이퍼 기판의 표면을 다공성 구조로 형성한 경우 상기 다공성 구조의 웨이퍼 기판의 표면은 X선 회절법(XRD)을 이용한 결정 분석시 (220),(311),(320),(331),(400),(411),(422),(511),(531),(533) 중 어느 하나 이상의 결정면을 포함할 수 있다.
일반적으로 단결정 실리콘 웨이퍼의 경우 X선 회절법(XRD)을 이용하여 결정면을 분석하면 통상 (100), (111), (400)의 결정면을 가지는데, 본 발명의 다공성 단결정 실리콘 웨이퍼의 기판 표면은 이들 결정면을 포함하여 상기의 다양한 결정면을 가지는 특징이 있다.
본 발명에서 상기 벌크형 태양전지는 p-n 접합형, 쇼트키 배리어형 및 이종(異種)반도체의 접합형 중 어느 하나일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 벌크형 태양전지는, 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 이미 실리콘 웨이퍼 기판을 텍스처링 기법으로 조직화한 기판의 표면에 적용할 수도 있다.
본 발명의 벌크형 태양전지는 실리콘 웨이퍼 기판의 표면에 다공성 구조의 홀을 형성한 후 그 위에 반사방지막을 더 구비할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 벌크형 태양전지의 제조방법은, 실리콘 웨이퍼 기판의 표면을 복수 개의 홀로 이루어진 다공성 구조로 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 복수 개의 홀의 형상은 다양한 형태를 가지며 서로 상이할 수 있다.
본 발명에서 상기 다공성 구조의 형성은, 습식화학에칭법, 건식화학에칭법, 전기화학에칭법, 기계적에칭법 중 어느 하나의 방법으로 웨이퍼 기판을 에칭하여 수행할 수 있다.
상기 습식화학에칭법 및 전기화학에칭법에서, 웨이퍼 기판과의 반응물질은 불산(HF), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH)으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 산을 이용할 수 있다.
상기 습식화학에칭법 및 전기화학에칭법에서, 웨이퍼 기판과의 반응물질은 불산(HF), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH)으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 산과, 아세토니트릴(Acetonitrile), 디메틸 포름아마이드(Dimethyl formamide), 포름아마이드(Formamide), 디에틸 설폭사이드(Diethyl sulfoxide), 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드(Hexamethyl phosphoric triamide), 디메틸 아세타마이드(Dimethyl acetamide), 물(water), 메틸알콜(Methyl alcohol), 에틸알콜(Ethyl alcohol), 이소프로필 알콜(Isopropyl alcohol)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 물질과의 혼합액을 사용할 수 있다.
본 발명에서 입사 태양광의 표면 반사율을 더욱 효과적으로 낮추기 위하여 본 발명의 다공성 구조를 가진 웨이퍼 기판의 표면에 추가로 반사방지막을 더 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 결정학적 또는 구조적 관점에서 다양한 형태의 홀을 실리콘 웨이퍼 기판 상에 구비하는 다공성 구조의 벌크형 태양전지를 제공하므로 종래 태양전지의 제조공정에서 웨이퍼를 텍스처링하거나 반사방지막을 더 적용하는 단계를 생략할 수 있어 공정상 간편하고 경제적인 효과가 있다.
또한 웨이퍼 기판의 표면에 다공성 구조를 형성함으로써 여러 공정을 거치지 않고서도 태양광의 광대역 파장에서 균일하게 반사율을 낮추는 효과를 얻을 수 있다.
이처럼 태양전지의 제조공정을 단순화, 간소화하면서도 전반적인 태양광 파장 영역에서 균일하고 고르게 반사율이 낮은 고품질의 태양전지를 제조할 수 있어 급속한 태양전지 시장의 확장에 따른 제조비용 절감이라는 경쟁력 확보가 가능하게 되었다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태들을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판은 종래의 태양 전지 기판용 웨이퍼에 적용되는 피라미드 형태의 텍스처링 또는 조직화(texturing)된 표면(도 1a 와 도 1b)과 달리 표면이 다공성 형태로 처리된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판의 표면 단면을 전자현미경으로 관찰한 단면도로서, 도 2를 참조하면, 도 1a 와 도 1b에 개시된 종래의 텍스처링된 태양전지 기판과 달리 웨이퍼의 표면의 소정의 깊이까지 복수 개의 홀로 구성된 다공성 조직을 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 웨이퍼 기판의 표면으로부터 일정 두께까지 형성되는 다공성 구조의 상기 두께는 특별히 제한되지 않지만, 상기 다공성 구조는 웨이퍼 기판의 전체 두께의 0.5%부터 50%에 이르는 범위로 형성할 수 있다.
도 2를 참조하여 알 수 있듯이, 다공성 구조를 이루는 홀들의 단면 형상은 각각 다를 수 있고, 이중 또는 삼중 이상의 홀이 겹쳐진 형태를 가질 수 있으며, 내부 홀의 면이 매끄럽거나 또는 거칠 수 있는 다양한 형태를 이룬다.
상기 실시예에서 웨이퍼 표면의 다공성 구조를 이루는 층의 기공도(porosity)는 10% 내지 70% 정도일 수 있다. 도 2에 나타난 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 구조의 태양전지 웨이퍼 기판의 기공도는 50%이다.
상기 기공도는 경면처리한 태양전지용 반도체 웨이퍼 기판의 중량(A)을 측정한 후, 이에 본 발명의 다공성 구조를 가지도록 홀을 형성하는 과정을 거친 웨이퍼 기판의 중량(B)을 측정하고, 상기 최초 웨이퍼 기판의 중량(A)에 대한 다공성 구조로 인해 감소된 중량(A-B)의 비를 백분율로 나타낸 것이다.
상기 기공도 등과 같은 물리량은 기존의 피라미드 형태의 조직화(texturing)를 적용한 태양전지 기판에서는 구할 수 없는 값이다.
텍스처링된 기판은 도 1a 및 도 1b를 통해 알 수 있듯이, 표면부가 피라미드 형태의 단면으로 깎여나간 것이고 그러한 피라미드 각각의 면은 매끈한 면으로서 어떠한 홀 또는 기공이 존재하는 형태가 아니기 때문이다.
따라서 종래 기술의 텍스처링 기법은 웨이퍼 기판의 유효면적을 늘려 태양광의 집광효율을 높게 유도하는 측면이 있는데 반해, 본 발명의 다공성 구조는 수많은 다수의 홀이 기판 표면에 존재하여 기판의 유효면적을 보다 월등하게 증가시킴은 물론 입사광을 2회 이상 내부 반사되는 경로로 유도함으로써 빛이 외부로 빠져나가지 않고 보다 효율적으로 사용할 수 있게 하는 원리이다. 이러한 원리는 이하에서 다시 구체적으로 언급하기로 한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판의 표면을 상부에서 전자현미경으로 관찰한 평면도이다.
이들 도면을 참조하여 알 수 있듯이, 기판 표면의 다공성 구조의 평면 형상은 다양하게 형성될 수 있고 특별한 형태로 제한되지 않는다. 다만 그 형태에 따라 크게 다각형, 원형, 부정형으로 분리할 수 있다.
도 3a는 내각에 직각을 가진 다각형으로서 사각형을 포함한 형태이다.
도 3b는 원형 및 이와 유사한 형태이다.
도 3c는 사각형과 원형의 중간의 모양으로서 내각이 직각이 아닌 다각형의 형태이다.
그러나 본 발명의 다공성 구조를 가지는 웨이퍼 표면에 형성되는 홀의 형상은 반드시 도 3에서 제시되는 형태로 한정하기 어렵고 특정의 모양으로 정의하기 어려우므로 정확한 형태의 상기 도형들 뿐만 아니라 이와 유사한 형태는 모두 홀의 형상에 포함된다고 보아야 할 것이다.
도 3a 내지 도 3c에 개시된 홀의 크기는 대각 또는 지름의 크기가 한정되지는 않지만 10nm 내지 10mm 정도의 범위 내에서 형성될 수 있다.
이들 홀의 크기는 웨이퍼 기판에 홀을 형성하기 위한 습식화학반응, 건식화학반응, 전기화학적 반응, 기계적 가공 방법 등의 공정변수의 제어를 통해 얻을 수 있다. 상기 공정변수는 각종 반응의 온도, 가스 분위기의 종류, 가스의 압력, 가스량, 반응물질, 반응시간 등의 변수가 해당된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 구조의 웨이퍼 기판에 존재하는 다양한 홀의 형상을 구조적인 관점에서 좀더 구체적으로 설명한다면 도 4에 제시된 바와 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판의 다공성 구조를 이루는 홀의 단면형상의 일례이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 태양전지의 단면형상은 홀의 하부가 웨이퍼와 만나는 지점의 각도, 즉 홀의 가장 아래쪽의 기저점이 이루는 면과 홀의 측면이 이루는 각도가 0°초과, 135°미만으로 다양함을 알 수 있다.
(a)형태의 홀의 경우 그 각도는 80°~ 90°이며 전체적으로 홀의 입구와 내 부의 크기가 균일하게 형성되는 다각기둥 또는 원기둥의 형태이다.
(b)형태의 홀의 경우 그 각도는 60°미만이며 홀의 입구 방향으로 올라갈수록 급속히 각도가 증가하여 80°내지 90°를 형성하는 이른바 연필심 형태이다.
(c)형태의 홀의 경우 그 각도는 60°이하이며 홀의 입구 방향으로 올라갈수록 점차 각도가 증가하여 80°내지 90°를 형성하는 이른바 시험관 형태이다.
(d)형태의 홀의 경우 그 각도는 80°내지 90°이며 홀의 입구 방향으로 올라갈수록 점차 각도가 감소하여 홀의 입구 크기가 증가하는 이른바 물컵 형태이다.
(e)형태의 홀의 경우 그 각도는 90°내지 135°이며 홀의 입구 방향으로 올라갈수록 점차 각도가 증가하여 홀의 입구 크기가 감소하는 이른바 물병 형태이다.
(f)형태의 홀의 경우 그 각도는 60°미만이며 홀의 중간부에서 입구에 이르는 일정 부분에서 급격히 각도가 90°초과 135°미만으로 증가하는 이른바 다이아몬드 형태이다.
홀의 너비는 상기 일례로 제시한 형태들의 홀에 있어서 가장 큰 너비로 측정될 수 있으며, 이는 상기 홀의 크기와 같은 개념이 될 수 있다. 따라서, 10nm 내지 10mm일 수 있다. 홀의 깊이는 제한되지 않지만 10nm 내지 10mm일 수 있으며 단층의 홀 뿐만 아니라 이중 또는 삼중 이상의 층의 홀로 구성될 수도 있다.
웨이퍼 기판의 표면에 다공성 구조를 이루는 홀들의 형상은 상기 형태들 또는 부정형의 형태들의 집합일 수 있으며 또는 규칙적으로 하나의 형태들만의 홀들로 구성될 수도 있다.
홀의 내벽 또는 외벽의 모양은 홀의 크기 및 이웃하는 홀 사이의 간격에 의 존하며 이는 공정변수의 제어를 통해 얻을 수 있다.
도 4에서 제시된 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 표면의 다공성 구조를 이루는 홀들의 단면형상을 실제로 관찰한 전자현미경 사진은 도 5a 및 도 5b에 개시하였다.
도 5a는 상술한 도 4의 (c)의 경우에 해당하는 시험관 형태의 홀이다.
도 5b는 상술한 도 4의 (b)의 경우에 해당하는 연필심 형태 또는 (f)에 해당하는 다이아몬드 형태의 홀임을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 따르면 시험관 또는 연필심 형태의 홀들로만 일정하게 형성된 경우이지만 반드시 이런 형태에 한정하지 않고 다양한 단면 형상을 가지는 홀들의 집합으로 다공성 구조를 이룰 수 있다.
상술한 바와 같은 형태의 홀을 포함하는 실리콘 웨이퍼 기판의 표면 구조물에서 특히 기저점을 포함하는 면과 홀의 측면이 이루는 각도가 45°이면 모든 입사광이 2회 반사되는 경로를 가지며, 60°이면 모든 입사광이 3회 반사되는 경로를 가진다.
따라서 이러한 홀들로 구성되는 다공성 구조에서는 적어도 2회 이상 입사광이 내부적으로 반사되고 진행되는 경로를 가지므로 한번 입사한 빛이 외부로 빠져나가기 어려운 구조가 된다. 본 발명의 기술 사상은 웨이퍼 표면에 빛의 통과 길이를 길게하고 이로 인해 실리콘의 구조물에 전달되는 빛의 양을 많게 하는 형태의 홀들로 구비된 다공성 구조를 갖게 하여 태양전지의 광효율을 높이는 원리이다.
본 발명의 기술적 특징은 벌크형 태양전지에서 실리콘 웨이퍼 기판으로서 단결정 실리콘 웨이퍼 기판이나 혹은 다결정 실리콘 웨이퍼 기판에 적용될 수 있는데, 특히 단결정 실리콘 웨이퍼 기판에 홀들을 구비하여 다공성 구조를 가질 경우 이들 태양전지는 X선 회절(X-ray diffraction (XRD)) 패턴을 이용한 결정분석 결과로서, 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용한 태양전지임에도 불구하고 (100), (400) 및 (111)의 결정면 정보 이외의 결정면을 가진 것을 특징으로 한다.
즉, 종래의 단결정 실리콘 웨이퍼의 경우 통상 (100) 및 (111) 결정면을 갖는 웨이퍼를 피라미드형 텍스처링의 원료 기판으로 사용한다. (100) 결정면은 해석에 따라 (400) 결정면으로도 해석할 수 있어 같은 구조의 결정면 정보로 인식하는 것이 일반적이다. 종래의 (100) 결정면을 갖는 실리콘 웨이퍼를 이용한 태양전지에서 피라미드형 조직화(texturing)의 결과로 표면에 드러나는 면은 (111)면이며, X-ray diffraction (XRD) 패턴을 이용한 결정분석 결과는 전체의 부피를 차지하는 원료 웨이퍼의 결정학적 정보인 (100) 내지 (400)면의 해석 결과를 얻는다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 표면을 가지는 반도체 웨이퍼 기판을 이용한 벌크형 태양전지는 다공성 구조에 기인한 매우 높은 각도를 갖는 부분의 영향으로 통상의 단결정 웨이퍼 기판을 사용한 태양전지에서 볼 수 없는 (220), (311), (400), (331), (422), (511), (531), (320), (533) 결정면의 정보를 갖는다.
본 발명의 다공성 구조를 가지는 태양전지의 결정학적 관점에서의 특징은 상기 일반적인 종래의 단결정 실리콘 웨이퍼 기판에서는 볼 수 없는 (220), (311), (400), (331), (422), (511), (531), (320), (533) 결정면의 정보를 가지는 것이라 할 수 있다.
하나의 태양전지에서 홀의 형상은 각기 달리할 수 있기 때문에 상기에 기술한 다수 개의 결정면 정보가 포함되어 존재할 수 있다.
실리콘(Si)의 결정면 정보는 JCPDS card에서 제공하는 데이터를 기초로 할 수 있다.
본 발명의 다공성 표면을 가지는 실리콘 웨이퍼 기판을 이용한 태양전지의 일 실시예는 종래의 태양전지에서 사용되는 반사방지막(AR, anti-reflection)층이 없이도 반사방지 효과가 탁월한 것을 특징으로 하지만, 다공성 구조를 기판 표면에 형성한 후 추가적으로 반사방지막을 그 위에 형성할 수도 있다. 그럴 경우 입사된 태양광의 반사율이 더 낮아질 것으로 기대된다.
경면처리된 웨이퍼 표면은 태양빛(파장 300~1100nm범위)의 평균 30~50% 정도를 반사하고, 종래의 태양전지에 적용된 피라미드 조직화(texturing)의 경우 평균 10~20% 정도를 반사한다. 따라서, 반사방지막을 적용하여 반사율을 더욱 낮추려고 노력하고 있는데, 본 발명은 이러한 피라미드 텍스처링 공정이나 반사방지막 증착 공정을 사용하지 않고서도 기판 표면의 반사율을 현저하게 낮출 수 있는 장점이 있다.
도 6은 다양한 방식으로 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판의 표면처리한 태양전지의 실제 반사도를 측정한 결과 그래프이다.
도 6을 참조하면 태양광 파장 300nm 내지 1100nm 의 범위에서 초기 경면 처리된 웨이퍼(a)는 30% 내지 70%의 범위에 이르는 매우 높은 반사도를 가지고 있으나, 종래 태양전지용 처리 방식인 텍스처링(b)한 후에는 반사율이 10% 내지 30% 정도로 급감한 것을 알 수 있다.
또한, 종래 태양전지에서 사용되는 반사방지막을 적용한 태양전지(c)는 10% 이하의 수준으로 반사량이 더욱 감소한 것을 알 수 있다. 그러나, (c)의 경우에도 태양광 파장범위의 낮은 파장영역, 즉 300nm 내지 400nm에서는 15% 이상의 비교적 높은 반사율를 가져 모든 태양광의 파장영역에서 균일하게 반사율이 낮아지는 것은 아님을 알 수 있다.
그러나 본 발명의 다공성 구조를 가지는 웨이퍼 기판을 이용한 태양전지(d)는 반사방지막을 적용하지 않은 상태에서도 태양광 파장범위의 전 영역에서 균일하게 1% 내지 5% 사이의 낮은 반사율을 가지는 것을 알 수 있다.
본 발명은 별도의 공정이 필요한 반사방지막을 적용하지 않는 태양전지에 한정되지 않으며, 다공성 구조로 반사율을 줄인 구조에 반사방지막까지 적용하여 반사량을 극소화 시킨 태양전지를 포함할 수 있다.
본 발명의 효과로 진공증착 장비를 사용하는 반사방지막의 적용단계가 종래 태양전지 제조공정에서 제거되거나 축소될 수 있으므로 공정상 경제적 잇점이 있고 이를 통해 태양전지의 제조단가를 낮춰 생산면에서 경쟁력을 갖출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에서 다공성 형태의 표면은 습식화학반응 내지 건식화학반응 내지 습식 전기화학적 반응 내지 기계적 가공 방법으로 얻는 것을 특징으로 한다.
습식화학반응과 습식 전기화학 반응의 경우 불산(HF), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH)과 같은 산을 실리콘 웨이퍼와의 주요 반응 물질로 사용한다. 반응 물질은 상기 산의 혼합을 사용할 수도 있다.
특히 최종 화학반응을 위한 습식 용액은 상기의 산 및 혼합산을 Acetonitrile, Dimethyl formamide, Formamide, Diethyl sulfoxide, Hexamethyl phosphoric triamide, Dimethyl acetamide, water, Methyl alcohol, Ethyl alcohol, Isopropyl alcohol의 용액 중 1개 내지 4개로 구성된 용액에 희석하여 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 태양전지는 종래의 결정질 실리콘 태양전지로 알려져 있는 확산에 의한 에미터 형성으로 p-n junction이 구성되는 태양전지에 적용되는 특징으로 한다.
상기의 다공성 표면을 가진 태양전지는 종래의 이종접합 (hetero junction) 태양전지로 알려져 있는 박막증착법에 의한 웨이퍼와 반대 극성의 수소화 비정질 실리콘계 물질을 증착하여 p-n junction이 구성되는 태양전지에 적용되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 다공성 공정은 종래의 이종접합 태양전지의 제조 공정 중 어느 단계에서 적용 할 수 있음으로, 다공성 구조를 형성하는 공정 단계는 한정되지 않는다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판을 텍스처링 한 후 전자현미경으로 관찰한 단면도 및 평면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판의 표면 단면을 전자현미경으로 관찰한 단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판의 표면을 상부에서 전자현미경으로 관찰한 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판의 다공성 구조를 이루는 홀의 단면형상.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판의 표면 단면을 전자현미경으로 관찰한 단면도.
도 6은 다양한 방식으로 태양전지용 실리콘 웨이퍼 기판의 표면처리한 태양전지의 반사도를 나타낸 그래프.
Claims (15)
- 실리콘 웨이퍼 기판을 포함하는 벌크형 태양전지에 있어서,상기 기판의 표면이 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 기판의 표면에 구성된 복수 개의 홀의 형상은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 홀의 단면은 U자형, V자형, 다각형 중 어느 하나 이상의 형태인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 홀의 기저점을 포함하는 면과 측면이 이루는 각도는 0°초과, 135°미만인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 홀의 깊이는 10nm 내지 10㎛ 인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 홀의 너비는 10nm 내지 10㎛ 인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 다공성 구조의 웨이퍼 기판의 표면의 기공도(porosity)는 10% 내지 70%인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 기판은 단결정 실리콘 웨이퍼 기판 또는 다결정 실리콘 웨이퍼 기판인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 제 8항에 있어서,상기 단결정 실리콘 웨이퍼 기판의 표면은 X선 회절법(XRD)을 이용한 결정 분석시 (220),(311),(320),(331),(400),(411),(422),(511),(531),(533) 중 어느 하나 이상의 결정면을 포함하는 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 벌크형 태양전지는 p-n 접합형, 쇼트키 배리어형 및 이종(異種)반도체의 접합형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지.
- 실리콘 웨이퍼 기판을 사용한 벌크형 태양전지의 제조방법에 있어서,상기 기판의 표면을 복수 개의 홀로 이루어진 다공성 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지의 제조방법.
- 제 11항에 있어서,상기 복수 개의 홀의 형상은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지의 제조방법.
- 제 11항에 있어서,상기 다공성 구조의 형성방법은,습식화학에칭법, 건식화학에칭법, 전기화학에칭법, 기계적에칭법 중 어느 하나의 방법으로 웨이퍼 기판을 에칭하는 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지의 제조방법.
- 제 13항에 있어서,상기 습식화학에칭법 및 전기화학에칭법에서, 웨이퍼 기판과의 반응물질은 불산(HF), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH)으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 산인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지의 제조방법.
- 제 13항에 있어서,상기 습식화학에칭법 및 전기화학에칭법에서, 웨이퍼 기판과의 반응물질은불산(HF), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH)으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 산과,아세토니트릴(Acetonitrile), 디메틸 포름아마이드(Dimethyl formamide), 포름아마이드(Formamide), 디에틸 설폭사이드(Diethyl sulfoxide), 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드(Hexamethyl phosphoric triamide), 디메틸 아세타마이드(Dimethyl acetamide), 물(water), 메틸알콜(Methyl alcohol), 에틸알콜(Ethyl alcohol), 이소프로필 알콜(Isopropyl alcohol)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 물질과의 혼합액인 것을 특징으로 하는 벌크형 태양전지의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |