KR20100006226A - 박막 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 산란 효율을 향상시킬 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지는 제 1 기판과; 상기 제 1 기판 상에 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 제 1 높이로 이루어진 제 1 요철과, 상기 제 1 요철의 상부로 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 상기 제 1 높이 보다 낮은 제 2 높이를 가지는 제 2 요철을 포함하는 투명 도전막과; 상기 투명 도전막 상에 차례로 적층 구성된 제 1 및 제 2 광흡수층과; 상기 제 1 및 제 2 광흡수층 상의 반사 전극과; 상기 반사 전극 상의 폴리머 물질층과; 상기 폴리머 물질층 상의 제 2 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1 요철의 제 1 높이는 0.5 ~ 1μm로, 상기 제 2 요철의 제 2 높이는 0.01 ~ 0.2μm로 구성되는 바, 제 1 요철에 비해 대략 100배 정도 작은 크기로 제작된 제 2 요철에 의해 멀티접합 구조에서 장파장대의 빛을 효과적으로 흡수하는 것이 가능한 장점으로 광전환 효율을 극대화할 수 있다.
Description
본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 산란 효율을 향상시킬 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 박막 태양전지는 p-n접합으로 이루어진 다이오드로, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다. 이러한 광흡수층으로 실리콘을 사용하는 태양전지는 결정질 기판형의 태양전지와, 비정질의 박막 태양전지로 구분된다. 그 밖에, 화합물 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기 박막 태양전지 등이 있다.
특히, 상기 결정질 기판형의 태양전지에 비해 비정질의 박막 태양전지는 광전환 효율이 떨어진다는 단점이 있으나, 비정질의 박막 태양전지는 유리나 플라스틱 기판을 이용할 수 있다는 측면에서 생산 단가를 대폭 줄일 수 있는 장점으로, 최근에는 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 상황이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 종래에 따른 박막 태양전지에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 종래에 따른 단일접합 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도로, 보다 상세하게는 비정질 실리콘을 광흡수층으로 이용하는 비정질 실리콘 박막 태양전지에 관한 것이다.
도시한 바와 같이, 종래에 따른 단일접합 구조의 박막 태양전지(5)는 서로 대향 합착되며, 투명한 유리나 플렉시블한 서스(stainless: SUS) 재질로 이루어진 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)과, 상기 제 1 기판(10)의 상부 면에 구성된 투명 도전막(30)과, 상기 투명 도전막(30)의 상부 면에 구성된 p형 비정질 실리콘층(40a), i형 비정질 실리콘층(40b) 및 n형 비정질 실리콘층(40c)을 포함하는 p-i-n 구조의 광흡수층(40)과, 상기 광흡수층(40) 상의 반사 전극(50)과, 상기 하부 기판(20)의 하부 면에 구성되고 반사 전극(50)과 맞닿는 고분자 물질층(60)을 포함한다.
이때, 상기 반사 전극(50)과 광흡수층(40), 보다 구체적으로는 반사 전극(50)과 n형 비정질 실리콘층(40c)의 사이 공간으로 투명 도전막(미도시)이 더욱 구성될 수도 있다. 이러한 반사 전극(50)은 반사율이 우수한 알루미늄(Al)과 은(Ag)을 포함하는 도전성 물질 그룹 중 선택된 하나로 구성된다.
전술한 박막 태양전지(5)는 제 1 기판(10)을 통과한 빛이 p형 비정질 실리콘층(40a)을 투과하여 i형 비정질 실리콘층(40b)에 흡수되고, i형 비정질 실리콘층(40b) 내에서 비정질 실리콘(a-Si)의 광학적 밴드갭(band gap) 보다 큰 에너지를 가지는 빛에 의해 전자와 전공을 생성하게 된다. 이러한 i형 비정질 실리콘층(40b)에서 발생된 전자와 전공은 내부 전계에 의해 p형 비정질 실리콘층(40b)과 n형 비정질 실리콘층(40c)으로 수집되고, 외부 전극인 투명 도전막(30)과 반사 전극(50)을 통해 외부회로로 공급된다. 이를 통해, 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있게 된다.
전술한 단일접합 구조의 박막 태양전지(5)는 200 ~ 800nm대의 단파장 영역의 빛만을 흡수할 수 있다는 제약이 있어 광전환 효율을 높이는 데 한계가 있다.
따라서, 최근에는 단일접합 구조의 단점을 개선하기 위해 800nm 이상의 장파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있는 멀티접합 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 멀티접합 구조는 탠덤(tandem) 구조와 트리플(triple) 구조로 세분화되는 바, 이에 대해서는 이하 첨부한 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 2a는 종래에 따른 탠덤 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2b는 종래에 따른 트리플 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도로, 도 1과의 동일한 명칭에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하고 중복 설명은 생략하도록 한다.
우선, 도 2a에 도시한 바와 같이, 종래에 따른 탠덤 구조의 박막 태양전지(5)는 서로 대향 합착되며, 투명한 유리나 플렉시블한 서스(stainless: SUS) 재질로 이루어진 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)과, 상기 제 1 기판(10)의 상부 면에 구성된 투명 도전막(30)과, 상기 투명 도전막(30) 상의 제 1 광흡수층(41)과, 상기 제 1 광흡수층(41) 상의 제 2 광흡수층(42)과, 상기 제 2 광흡수층(42) 상의 반사 전극(50)과, 상기 하부 기판(20)의 하부 면에 구성되고 반사 전극(50)과 맞닿는 고분자 물질층(60)을 포함한다.
이때, 상기 제 1 광흡수층(41)은 비정질 실리콘으로 이루어진 p-i-n 구조로 구성되고, 상기 제 2 광흡수층(42)은 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge)과 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si)으로 이루어진 p-i-n 구조 중 선택된 어느 하나로 구성된다.
또한, 도 2b에 도시한 바와 같이, 종래에 따른 트리플 구조의 박막 태양전지(5)는 투명 도전막(30)과 반사 전극(50)의 사이 공간에 제 1, 제 2, 제 3 광흡수층(43, 44, 45)이 차례로 적층 구성된다.
상기 트리플 구조는 제 1 광흡수층(43)은 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어진 p-i-n 구조가, 제 2 광흡수층(44)은 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge)으로 이루어진 p-i-n 구조가, 제 3 광흡수층(45)은 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si)으로 이루어진 p-i-n 구조가 차례로 적층 구성되거나, 또는 제 1 광흡수층(43)은 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어진 p-i-n 구조가, 제 2 광흡수층(44)은 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si)으로 이루어진 p-i-n 구조가, 제 3 광흡수층(45)은 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge)으로 이루어진 p-i-n 구조가 차례로 적층 구성될 수 있으며, 이들의 위치를 달리하여 다양하게 적용하는 것이 가능하다.
이때, 도 2a와 도 2b에 도시한 탠덤 구조와 트리플 구조는 제 1 광흡수층(41, 43)에서는 200nm ~ 800nm대의 단파장 영역의 빛을 흡수하고, 제 2 광흡수층(42) 또는 제 2, 제 3 광흡수층(44, 45)에서는 800nm이상의 장파장 영역의 빛을 흡수할 수 있도록 구성하는 것을 통해 박막 태양전지(5)의 광 효율을 개선하고자 하는 연구가 진행 중에 있다.
도 3은 종래에 따른 탠덤 구조의 박막 태양전지의 광 경로를 나타낸 도면으로, 보다 상세하게는 제 1 기판, 투명 도전막과 제 1 및 제 2 광흡수층을 나타낸 것이다.
도시한 바와 같이, 제 1 기판(10)의 상부 면에는 다수의 요부(30a)와 철부(30b)를 가지며, 철부(30b)의 높이(h)가 균일한 요철 형태의 투명 도전막(30)이 구성된다. 상기 투명 도전막(30) 상에는 비정질 실리콘으로 이루어진 제 1 광흡수층(40)과, 상기 제 1 광흡수층(40) 상에 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge)과 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si) 중 선택된 어느 하나로 형성된 제 2 광흡수층(41)이 구성된다.
이때, 상기 제 1 기판(10) 상의 투명 도전막(30)은 외부 전극의 역할 뿐만 아니라, 그 표면 상에 구성된 요철을 이용하여 광 산란 및 광 전달 거리를 확장시켜 태양광 에니지의 변환 효율을 향상시키는 역할을 하고 있다.
이러한 투명 도전막(30)은 인듐-틴-옥사이드(ITO), 산화주석(SnO:F, SnO:B) 및 산화아연(ZnO:Al)을 포함하는 투명한 도전성 산화물질 그룹 중 선택된 하나를 스퍼터링 방식을 이용하여 제작하고 있다.
이러한 투명 도전막(30)은 산이나 염기성 용액을 이용한 화학적 에칭, 즉 습식식각 방식으로 형성하고 있다. 특히, 도 1의 단일접합 구조에서는 200 ~ 800nm 영역의 파장만을 투과시킬 수 있는 1μm 이상의 요철만을 형성하더라도 제 1 기 판(10)의 하부 면으로부터 입사되는 빛을 광흡수층(40)으로 투과시키는 데 큰 지장이 없었다.
그러나, 전술한 도 2a 및 도 2b의 탠덤 구조나 트리플 구조를 포함하는 멀티접합 구조에서는, 200 ~ 800nm 대의 단파장 영역은 제 1 광흡수층(41, 43)을 이용하여 광을 흡수하고 800nm 이상의 장파장 영역에서는 제 2 광흡수층(42) 또는 제 2, 제 3 광흡수층(44, 45)을 이용하여 빛을 흡수하는 방식을 채택하여 광전환 효율을 증가시키려는 노력이 진행 중에 있으나, 실제적으로 빛이 투과되는 투명 도전막(30)의 표면에 요철을 형성하는 과정은 제 1 광흡수층(41, 43)을 투과하는 광 투과도에 중점을 두고 설계되고 있는 상황이다.
즉, 종래의 박막 태양전지(5)에서는 투명 도전막(30)의 표면으로 1μm 이상의 요철만을 형성하고 있는 데, 이러한 투명 도전막(30)은 단파장 영역의 빛은 제 1 광흡수층(41, 43)으로 투과시킬 수 있으나, 장파장 영역의 빛은 제 2 광흡수층(42) 또는 제 2, 제 3 광흡수층(44, 45)으로 투과시키지 못하는 한계로 멀티접합 구조에서의 광전환 효율을 향상시키는 데 어려움이 따르고 있는 상황이다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 탠덤 구조와 트리플 구조를 포함하는 멀티접합 구조 박막 태양전지에서 투명 도전막의 광 산란 특성을 개선하여 광전환 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지는 제 1 기판과; 상기 제 1 기판 상에 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 제 1 높이로 이루어진 제 1 요철과, 상기 제 1 요철의 상부로 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 상기 제 1 높이 보다 낮은 제 2 높이를 가지는 제 2 요철을 포함하는 투명 도전막과; 상기 투명 도전막 상에 차례로 적층 구성된 제 1 및 제 2 광흡수층과; 상기 제 1 및 제 2 광흡수층 상의 반사 전극과; 상기 반사 전극 상의 폴리머 물질층과; 상기 폴리머 물질층 상의 제 2 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제 1 요철의 제 1 높이는 0.5 ~ 1μm로 구성되고, 상기 제 2 요철의 제 2 높이는 0.01 ~ 0.2μm로 구성된다. 상기 제 1 광흡수층은 비정질 실리콘으로, 상기 제 2 광흡수층은 비정질 실리콘-게르마늄과 마이크로 크리스탈 실리콘 중 선택된 어느 하나로 구성된다.
또한, 상기 제 1 광흡수층은 비정질 실리콘으로, 상기 제 2 광흡수층은 비정질 실리콘-게르마늄으로, 상기 제 2 광흡수층의 상부로, 마이크로 크리스탈 실리콘으로 이루어진 제 3 광흡수층이 차례로 적층되거나, 또는 상기 제 1 광흡수층은 비정질 실리콘으로, 상기 제 2 광흡수층은 마이크로 크리스탈 실리콘으로, 상기 제 2 광흡수층의 상부로 비정질 실리콘-게르마늄으로 이루어진 제 3 광흡수층이 차례로 적층 구성될 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지는제 1 기판 상 에 투명 도전막을 형성하는 단계와; 상기 투명 도전막이 형성된 기판을 제 1 식각액을 이용한 제 1 습식식각을 진행하여, 상기 투명 도전막의 노출된 표면으로 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 제 1 높이로 이루어진 제 1 요철을 형성하는 단계와; 상기 제 1 요철을 포함하는 투명 도전막이 형성된 기판을 제 2 식각액을 이용한 제 2 습식식각을 진행하여 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 상기 제 1 요철의 제 1 높이 보다 낮은 제 2 높이를 가지는 제 2 요철을 형성하는 단계와; 상기 제 1 및 제 2 요철을 포함하는 투명 도전막이 형성된 기판 상에 제 1 광흡수층과 제 2 광흡수층을 차례로 적층 형성하는 단계와; 상기 제 1 및 제 2 광흡수층 상에 반사 전극을 형성하는 단계와; 제 2 기판에 폴리머 물질층을 형성하는 단계와; 상기 제 1 및 제 2 기판을 대향 합착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제 1 식각액은 pH 2 ~ 5의 HCl 용액, 또는 H2O와 NH4F + HF 용액을 200:1 ~ 800:1로 혼합한 용액 중 어느 하나를 이용한다. 상기 제 1 습식식각은 5 ~ 30초로 침지 및 세척하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 식각액은 pH 6 ~ 6.8의 구연산 용액, NH4Cl 용액 또는 구연산 용액과 NH4Cl 용액의 혼합액 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 상기 제 2 습식식각은 구연산 용액을 이용할 경우에는 5 ~ 60초로, NH4Cl 용액을 이용할 경우에는 40초 ~ 수분 동안 침지 및 세척한다.
상기 제 1 요철의 제 1 높이는 0.5 ~ 1μm로 형성되고, 상기 제 2 요철의 제 2 높이는 0.01 ~ 0.2μm로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 첫째, pH 농도가 다른 용액으로 서로 다른 크기를 가지는 이중층의 요철을 가지는 투명 도전막을 형성하는 것을 통해 멀티접합 구조의 박막 태양전지에서 광 산란 효율을 극대화할 수 있다.
둘째, 이중층의 요철을 가지는 투명 도전막 중, 그 크기가 작은 요철 상부로 광흡수층이 형성되는 바, 투명 도전막과 광흡수층 간의 계면 특성을 향상시킬 수 있다.
--- 실시예 ---
본 발명은 pH 농도가 다른 용액으로 서로 다른 크기를 가지는 이중층의 요철을 가지는 투명 도전막을 형성하는 것을 통해 멀티접합 구조의 박막 태양전지에서 광 산란 효율을 극대화할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 박막 태양전지에 대해 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도로, 탠덤 구조를 일 예로 설명하도록 한다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 탠덤 구조의 박막 태양전지(105)는 서로 대향 합착되며, 투명한 유리나 플렉시블한 서스(stainless: SUS) 재질로 이루어진 제 1 기판(110) 및 제 2 기판(120)과, 상기 제 1 기판(110)의 상부 면에 위치하고, 상기 제 1 기판(110) 상에 다수의 요부와 철부를 가지며, 그 철부가 제 1 높이(h1)로 이루어진 제 1 요철(130a)과, 상기 제 1 요철(130a)의 상부로 다수의 요부와 철부를 가지며, 그 철부가 상기 제 1 높이(h1) 보다 낮은 제 2 높이(h2)를 가지는 제 2 요철(130b)을 포함하는 투명 도전막(130)과, 상기 투명 도전막(130)의 상부 면에 차례로 구성된 제 1 광흡수층(141) 및 제 2 광흡수층(142)과, 상기 제 1 및 제 2 광흡수층(141, 142) 상의 반사 전극(150)과, 상기 하부 기판(120)의 하부 면에 구성되고 반사 전극(150)과 맞닿는 고분자 물질층(160)을 포함한다.
이때, 상기 반사 전극(150)과 제 2 광흡수층(142)의 사이 공간으로 투명 도전막(미도시)을 더욱 구성할 수도 있다. 이러한 반사 전극(150)은 반사율이 우수한 알루미늄(Al)과 은(Ag)을 포함하는 도전성 물질 그룹 중 선택된 하나로 구성된다.
상기 제 1 광흡수층(141)은 비정질 실리콘으로 이루어진 p-i-n 구조로 구성되고, 상기 제 2 광흡수층(142)은 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge)과 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si)으로 이루어진 p-i-n 구조 중 선택된 어느 하나로 구성된다.
상기 투명 도전막(130)은 인듐-틴-옥사이드(ITO), 산화주석(SnO:F, SnO:B), 산화아연(ZnO:Al)을 포함하는 투명한 도전성 산화물질 그룹 중 선택된 하나로 구성된다.
이때, 상기 박막 태양전지(105)에 있어서, 제 1 기판(110)을 통과하는 빛 중 200 ~ 800nm 대의 파장은 제 1 광흡수층(141)이 선택적으로 흡수하고, 상기 800 ~ 1200nm 대의 파장은 제 2 광흡수층(142)이 선택적으로 흡수하는 것을 통해 광 산란 효율을 극대화할 수 있게 된다.
전술한 구성은 제 1 기판(110) 상에 제 1 높이(h1)를 가지는 제 1 요철(130a)과 상기 제 1 높이(h1) 보다 낮은 제 2 높이(h2)를 가지는 제 2 요철(130b)을 포함하는 투명 도전막(130)을 형성하는 것을 통해 멀티접합 구조의 박막 태양전지(105)에서 광 산란 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 제 1 높이(h1) 보다 낮은 제 2 높이(h2)를 가지는 제 2 요철(130b) 상부로 제 1 광흡수층(141)이 적층 구성되는 바, 상기 투명 도전막(130)과 제 1 광흡수층(141) 간의 계면 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정 순서에 따라 순차적으로 나타낸 공정 단면도로, 탠덤 구조를 일 예로 설명하도록 한다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 투명한 유리나 플렉시블한 서스(stainless: SUS) 재질로 이루어진 제 1 기판(110) 상에 인듐-틴-옥사이드(ITO), 산화주석(SnO:F, SnO:B), 산화아연(ZnO:Al)을 포함하는 투명한 도전성 산화물질 그룹 중 선택된 하나를 스퍼터링법이나 화학기상증착법 중 선택된 하나로 투명 도전성 산화층(미도시)을 형성하고 이를 패턴하여 투명 도전막(130)을 형성한다. 이때, 상기 투명 도전막(130)은 5000Å 이상의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
도면으로 상세히 제시하지는 않았지만, 상기 스퍼터링법 이외에 스프레이법 을 이용할 수 있는 바, 상기 스프레이법은 투명한 도전성 산화물질을 포함하는 졸-겔 용액을 스프레이 방식으로 분사하여 기판 상에 직접 도포 또는 프린팅하는 방식을 말한다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 투명 도전막(130)이 형성된 제 1 기판(110)을 제 1 식각액을 이용한 제 1 습식식각하는 단계를 진행한다.
이때, 상기 제 1 습식식각은 1.2×10-5 ~ 1.2×10-4 몰로 이루어진 pH 2 ~ 5의 HCl 용액, 또는 H2O와 NH4F + HF 용액을 200:1 ~ 800:1로 혼합한 제 1 식각액 중 선택된 어느 하나가 이용된다.
이때, 상기 제 1 습식식각은 투명 도전막(130)이 형성된 제 1 기판(110)을 제 1 식각액이 채워진 식각조(미도시)에 담그는 방식이나 제 1 식각액이 채워진 분사기를 이용하여 제 1 기판(110)에 뿌려주는 스프레이 방식 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
특히, 상기 제 1 습식식각은 5 ~ 30초로 침지 및 세척하는 것을 공정을 진행한다. 이때, 상기 투명 도전막(130)은 투명한 도전성 산화물질로 이루어지는 바, 이러한 투명한 도전성 산화물은 결정립과 결정립 간의 경계면으로 제 1 식각액의 침투가 활발히 일어나게 되고, 결국에는 그 경계면이 요부로 이루어지는 요철 형태로 식각이 진행된다.
따라서, 전술한 제 1 습식식각을 완료하게 되면, 투명 도전막(130)의 노출된 상부 면으로 제 1 높이(h1)를 가지는 제 1 요철(130a)이 형성된다. 이때, 상기 제 1 높이(h1)는 투명 도전막(130)의 매끄러운 표면으로부터 철부의 뾰족한 끝단까지의 길이를 말하는 바, 이러한 제 1 높이(h1)는 0.5 ~ 1μm로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 요철(130a)을 포함하는 투명 도전막(130)을 제 2 식각액을 이용한 제 2 습식식각을 진행한다. 이때, 상기 제 2 습식식각은 1.5×10-4 ~ 4.9×10-4 몰로 이루어진 pH 6 ~ 6.8의 구연산 용액, 또는 NH4Cl 용액으로 이루어진 제 2 식각액 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다. 또한, 상기 구연산 용액과 NH4Cl 용액의 혼합액을 사용할 수도 있다.
이때, 상기 제 2 습식식각은 구연산 용액을 이용할 경우에는 5 ~ 60초로, NH4Cl 용액을 이용할 경우에는 40초 ~ 수분 동안 침지 및 세척하는 공정을 진행하게 되면, 제 1 습식식각과 동일한 원리에 의해 제 1 요철(130a)의 노출된 표면으로 제 2 높이(h2)를 가지는 제 2 요철(130b)이 형성된다.
상기 제 2 높이(h2)는 제 1 요철(130a)의 노출된 표면으로부터 제 2 요철(130b)의 철부의 뾰족한 끝단까지의 길이를 말하는 바, 이러한 제 2 높이(h2)는 제 1 높이(h1)에 비해 대략 100배 정도 작은 0.01 ~ 0.02μm로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 및 제 2 요철(130a, 130b)을 포함하는 투명 도전막(130) 상에 비정질 실리콘(a-si)으로 이루어진 제 1 광흡수층(141)과, 상기 제 1 광흡수층(141) 상에 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge)과 마이크로 크리 스탈 실리콘(μc-Si) 중 선택된 어느 하나로 형성된 제 2 광흡수층(142)을 차례로 적층 형성한다.
전술한 구성은 제 1 기판(110)의 하부 면으로부터 입사되는 빛이 제 1 높이(h1)를 가지는 제 1 요철(130a)과 제 2 높이(h2)를 가지는 제 2 요철(130b)을 포함하는 투명 도전막(130)에 의해 광 경로가 넓어지므로 광 산란 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.
다시 말해, 본 발명에서와 같이 투명 도전막(130)을 제 1 및 제 2 습식식각을 이용하여 제 1 요철(130a)과 제 2 요철(130b)을 형성해주므로써, 200 ~ 800nm의 단파장은 제 1 요철(130a)을 통해 제 1 광흡수층(141)에, 800nm ~ 1200nm의 장파장은 제 2 요철(130b)을 통해 제 2 광흡수층(142)에 선택적으로 흡수될 수 있는 바, 멀티접합 구조에서 광 산란 효율을 극대화할 수 있는 장점으로 광전환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이때, 상기 탠덤 구조 이외에도 트리플 구조를 적용할 수도 있는 바, 도 6은 본 발명에 따른 트리플 구조 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도로 이를 참조하여 설명하면, 트리플 구조에서는 제 1 광흡수층(143)은 비정질 실리콘(a-Si)으로 형성하고, 제 2 광흡수층(144)은 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge)으로 형성하며, 제 3 광흡수층(145)은 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si)을 차례로 적층 형성하거나, 또는 제 1 광흡수층(143)은 비정질 실리콘(a-Si)으로 형성하고, 제 2 광흡수층(144)은 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si)으로 형성하며, 제 3 광흡수층(145)은 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge)을 차례로 적층 형성할 수 있으며, 이들의 위 치 및 물질을 달리하여 다양하게 적용할 수도 있다.
다음으로, 상기 제 1 및 제 2 광흡수층(141, 142)이 형성된 제 1 기판(110)의 상부에는 알루미늄과 은을 포함하는 반사율이 우수한 도전성 물질 그룹 중 선택된 하나로 반사 전극(150)을 형성한다.
도 5e에 도시한 바와 같이, 블랙 레진을 포함하는 고분자 물질 그룹 중 선택된 하나를 코팅하여 형성된 고분자 물질층(160)을 포함하는 제 2 기판(120)을 준비하고, 상기 제 2 기판(120)의 고분자 물질층(160)과 제 1 기판(110)의 반사 전극(150)이 맞닿도록 대향 합착한다. 이때, 상기 고분자 물질층(160)은 수분이나 용액이 침투되는 것을 방지하는 기능을 하는 바, 특히 전술한 투명 도전막(미도시)이 개재되는 구조에서는 투명 도전막이 산화되는 것을 방지하게 된다.
다음으로, 상기 제 1 및 제 2 기판(110, 120)의 가장자리를 씰런트와 같은 씰재를 이용하여 봉함하고 자외선이나 열을 이용하여 경화시키는 것을 통해 셀 공정 단계가 완료된다.
이상으로, 본 발명에 따른 박막 태양전지를 제작할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 pH 농도가 다른 용액으로 서로 다른 크기를 가지는 이중층의 요철을 가지는 투명 도전막을 형성하는 것을 통해 멀티접합 구조의 박막 태양전지에서 광 산란 효율을 극대화할 수 있다.
도 7은 종래와 본 발명에 따른 박막 태양전지의 광 투과율을 비교한 실험 데이터이다.
도시한 바와 같이, 종래와 본 발명에 따른 박막 태양전지에서 빛의 파장대에 따른 투과율을 비교하여 나타낸 실험 데이터이다. 이때, (1)은 종래, (2)는 제 2 습식식각을 30초간, (3)은 제 1 습식식각을 10초간, (4)는 제 1 습식식각을 10초간 진행하고, 제 2 습식식각을 60초간 진행한 투명 도전막의 투과율을 각각 비교한 것이다. 즉, (1)은 종래에 따른 박막 태양전지의 투과율을, (4)는 본 발명에 따른 투과율을 나타낸 것이다.
이때, (1), (4)를 중점적으로 비교해보면, 200 ~ 800nm의 단파장 영역에서는 투과율의 변동폭이 작다가 800nm 이상의 파장대로 이동할 수록 투과율의 변동폭이 증가하는 것을 확인할 수 있다. (1)과 (4)의 변동폭은 200 ~ 800nm의 파장대에서는 5%, 800 ~ 1400nm의 파장대에서는 10% 이상의 차이를 보였다.
따라서, 본 발명에서와 같이 제 1 요철 상부 표면으로 상기 제 1 요철 보다 낮은 높이를 가지는 제 2 요철을 구성하는 것을 통해 광 산란 효율을 극대화할 수 있어 투과율을 개선할 수 있게 되고, 이를 통해 광전환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
그러나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 정신 및 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변형 및 변경할 수 있다는 것은 자명한 사실일 것이다.
도 1은 종래에 따른 단일접합 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2a는 종래에 따른 탠덤 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면 도.
도 2b는 종래에 따른 트리플 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 3은 종래에 따른 탠덤 구조의 박막 태양전지의 광 경로를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정 순서에 따라 순차적으로 나타낸 공정 단면도.
6은 본 발명에 따른 트리플 구조 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 7은 종래와 본 발명에 따른 박막 태양전지의 광 투과율을 비교한 실험 데이터.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110 : 제 1 기판 120 : 제 2 기판
130a, 130b : 제 1 및 제 2 요철 130 : 투명 도전막
141, 142 : 제 1 및 제 2 광흡수층 150 : 반사 전극
160 : 고분자 물질층 h1, h2 : 제 1 및 제 2 높이
Claims (10)
- 제 1 기판과;상기 제 1 기판 상에 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 제 1 높이로 이루어진 제 1 요철과, 상기 제 1 요철의 상부로 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 상기 제 1 높이 보다 낮은 제 2 높이를 가지는 제 2 요철을 포함하는 투명 도전막과;상기 투명 도전막 상에 차례로 적층 구성된 제 1 및 제 2 광흡수층과;상기 제 1 및 제 2 광흡수층 상의 반사 전극과;상기 반사 전극 상의 폴리머 물질층과;상기 폴리머 물질층 상의 제 2 기판을 포함하는 박막 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 요철의 제 1 높이는 0.5 ~ 1μm로 구성되고, 상기 제 2 요철의 제 2 높이는 0.01 ~ 0.2μm로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 광흡수층은 비정질 실리콘으로, 상기 제 2 광흡수층은 비정질 실리콘-게르마늄과 마이크로 크리스탈 실리콘 중 선택된 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 광흡수층은 비정질 실리콘으로, 상기 제 2 광흡수층은 비정질 실리콘-게르마늄으로, 상기 제 2 광흡수층의 상부로, 마이크로 크리스탈 실리콘으로 이루어진 제 3 광흡수층이 차례로 적층되거나, 또는 상기 제 1 광흡수층은 비정질 실리콘으로, 상기 제 2 광흡수층은 마이크로 크리스탈 실리콘으로, 상기 제 2 광흡수층의 상부로 비정질 실리콘-게르마늄으로 이루어진 제 3 광흡수층이 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 1 기판 상에 투명 도전막을 형성하는 단계와;상기 투명 도전막이 형성된 기판을 제 1 식각액을 이용한 제 1 습식식각을 진행하여, 상기 투명 도전막의 노출된 표면으로 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 제 1 높이로 이루어진 제 1 요철을 형성하는 단계와;상기 제 1 요철을 포함하는 투명 도전막이 형성된 기판을 제 2 식각액을 이용한 제 2 습식식각을 진행하여 다수의 요부와 철부를 가지며, 상기 다수의 철부가 상기 제 1 요철의 제 1 높이 보다 낮은 제 2 높이를 가지는 제 2 요철을 형성하는 단계와;상기 제 1 및 제 2 요철을 포함하는 투명 도전막이 형성된 기판 상에 제 1 광흡수층과 제 2 광흡수층을 차례로 적층 형성하는 단계와;상기 제 1 및 제 2 광흡수층 상에 반사 전극을 형성하는 단계와;제 2 기판에 폴리머 물질층을 형성하는 단계와;상기 제 1 및 제 2 기판을 대향 합착하는 단계를 포함하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 식각액은 pH 2 ~ 5의 HCl 용액, 또는 H2O와 NH4F + HF 용액을 200:1 ~ 800:1로 혼합한 용액 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 습식식각은 5 ~ 30초로 침지 및 세척하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 식각액은 pH 6 ~ 6.8의 구연산 용액, NH4Cl 용액 또는 구연산 용액과 NH4Cl 용액의 혼합액 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 2 습식식각은 구연산 용액을 이용할 경우에는 5 ~ 60초로, NH4Cl 용액을 이용할 경우에는 40초 ~ 수분 동안 침지 및 세척하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 요철의 제 1 높이는 0.5 ~ 1μm로 형성되고, 상기 제 2 요철의 제 2 높이는 0.01 ~ 0.2μm로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
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