KR20100024318A - 태양전지 - Google Patents
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Abstract
태양전지가 제공된다. 태양전지는 실리콘 또는 글래스 기판, 및 상기 기판 상의 알루미늄 질화막으로 이루어진 반사방지막을 포함한다.
반사방지막, 알루미늄 질화막
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반사방지막을 가지는 태양전지에 관한 것이다.
현재 에너지원으로 사용되고 있는 대부분의 화석원료는 심각한 환경오염을 유발하고 있다. 이러한 추세에 따라 태양 에너지에 대한 관심이 증대되고 있다. 태양전지(solar cells)는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로서, 무한한 에너지원인 태양을 이용하는 무공해 장치이다. 상기 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 빛에너지를 효과적으로 수집해야 한다. 하지만, 태양전지가 빛에너지를 수집하는 과정에서 입사된 빛의 반사가 표면에서 일어난다. 즉, 태양전지의 주재료인 실리콘 표면에서 빛의 반사에 의한 손실로 단파장 영역에서 약 54%, 장파장 영역에서 약 34%의 반사 손실이 일어날 수 있다.
빛의 반사를 감소시키는 방법으로, 표면 텍스쳐링(texturing) 방법과 반사 방지막의 형성방법을 들 수 있다. 태양전지의 반사방지막은 태양전지의 표면과 반응하지 말아야하며 전지 표면을 보호할 수 있어야 한다. 또한, 장기간 안정성이 유지되어야 하고, 전지표면과 접착성이 우수하여야 하며 수분과 온도에 대해서 안정 성이 있어야 한다. 기존의 반사방지막으로 사용되는 재료로는 SiO, SiO2, Si3N4, TiO2, MgF2, SnO2 등이 있다.
가장 널리 사용되는 반사방지막으로는 Si3N4를 들 수 있다. 그러나, Si3N4의 형성은 비교적 낮은 굴절율과 800℃ 이상의 온도에서 제조되며 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)와 같은 고가의 진공장비가 필요하다는 단점이 있다.
또한, ZnS/MgF2 구조의 이중 반사방지막의 경우는 넓은 영역의 파장에서 낮은 반사율을 얻을 수 있으나 ZnS/MgF2구조는 패시베이션 효과가 없기 때문에 고효율 태양전지의 경우 패시베이션층을 추가로 형성해야 하는 단점이 있다. 이러한 제조 공정의 추가는 수율 저하와 생산 단가의 증가를 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 효율이 향상된 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 태양전지는 실리콘 또는 글래스 기판, 및 상기 기판 상의 알루미늄 질화막으로 이루어진 반사방지막을 포함한다.
상기 태양전지는 상기 기판과 상기 반사방지막 사이에 개재된 투명 전도막을 더 포함할 수 있다.
상기 투명 전도막은 알루미늄 아연 산화막, 갈륨 아연 산화막, 붕소 아연 산화막, 인듐 아연 산화막 또는 인듐 주석 산화막 중 어느 하나일 수 있다.
상기 태양전지는 실리콘 또는 글래스 기판, 및 상기 기판 상의 알루미늄 산화질화막으로 이루어진 반사방지막을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스퍼터링 방법을 이용하여 태양전지 반사방지막으로서 기능하는 알루미늄 질화막을 제조한다. 알루미늄 질화막은 높은 광투과성, 낮은 반사율, 고온안정성, 높은 굴절율을 가진다. 또한, 반사방지막의 제조방법이 저온 공정이며 낮은 단가 등의 장점으로 실용화가 가능할 것이다. 특히, 저온 공정은 플렉시블 태양전지에서 더욱 중요할 것이다. 한편, 반사방지막이 알루미늄 산화질화막인 경우, 산소의 함량에 따라 굴절률의 조절이 가능하다. 그리고, 투명전도막을 이용하여 더 낮은 반사도를 가지는 태양전지를 제조할 수 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 각각의 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 글래스 또는 실리콘 기판(10)이 준비된다. 상기 실리콘 기판(10)은 단결정 실리콘 기판 또는 다결정 실리콘 기판일 수 있다. 상기 기판(10) 상에 알루미늄 질화막(AlN)으로 이루어진 반사방지막(anti-reflection coating,30)이 배치된다. 기판에서 생성된 전하를 수집하는 전극 등 다른 구성요소들은 설명의 편의상 생략하기로 한다.
태양전지의 반사방지막은 박막의 두께와 굴절률이 반사도에 가장 큰 영향을 미칠 수 있다. 실리콘 기판에 성장시킨 반사방지막은 이론상 굴절률이 1.9인 경우 최저의 반사도를 가질 수 있다. 또한, 반사방지막의 결정성이 좋을수록 높은 굴절률을 가질 수 있다. 비정질은 1.8~1.9의 굴절률을, 다결정 박막은 1.9~2.1의 굴절 율을, 에피택셜(epitaxial) 박막은 2.1~2.2의 굴절률을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라 상기 반사방지막(30)으로서 기능하는 알루미늄 질화막의 굴절률은 약 2.1일 수 있다. 따라서, 상기 반사방지막(30)을 가지는 태양전지의 효율은 향상될 수 있다.
태양광의 상대적 강도는 계절, 날씨, 시간과 장소 등의 환경에 따라 차이가 있으나 200~800㎚의 파장 범위에서 태양광의 강도가 가장 크다. 본 발명의 실시예에 따른 반사방지막(30)의 경우 200~800㎚의 파장 범위에서 UV-visible spectrometer로 측정한 결과, 10% 미만의 낮은 반사도를 가질 수 있다.
상기 반사방지막(30)은 알루미늄 산화질화막으로 이루어질 수 있다. 알루미늄 산화질화막의 경우, 산소의 양에 따라 굴절율을 조절할 수 있는 장점이 있다.
도 2를 참조하면, 횡축은 포논 에너지(phonon energy)을 나타내며, 종축은 굴절률을 나타낸다. ellipsometer를 이용하여 알루미늄 질화막의 굴절률을 측정한 것이다. 글래스 기판(glass) 위에 알루미늄 질화막(AlN)을 증착한 경우, 굴절률은 2.02임을 알 수 있다. 태양광이 200~800㎚인 경우 포논 에너지는 2.1 정도이므로 그래프에서 굴절률을 알 수 있는 것이다.
도 3 및 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 글래스 또는 실리콘 기판(10) 상에 투명 전도막(20)이 배치된다. 상기 투명 전도막(20)은 알루미늄 아연 산화막(Aluminium Zinc Oxide), 갈륨 아연 산화막(Gallium Zinc Oxide), 붕소 아연 산화막(Boron Zinc Oxide), 인듐 아연 산화막(Indium Zinc Oxide), 인듐 주석 산화막(Indium Tin Oxide) 중 어느 하 나일 수 있다. 상기 투명 전도막(20) 상에 알루미늄 질화막으로 이루어진 반사방지막(30)이 배치된다.
도 4를 참조하면, 횡축은 파장(wavelength)를 나타내며, 종축은 반사율(reflectance)을 나타낸다. 글래스 기판(glass) 상에 알루미늄 질화막(AlN)을 증착한 경우는 실선으로 표시하였고, 글래스 기판(glass) 상에 투명 전도막인 알루미늄 아연 산화막(AZO로 표시)을 형성하고, 알루미늄 아연 산화막(AZO) 상에 알루미늄 질화막(AlN)을 형성한 경우는 점선으로 표시하였다. UV-VIS-NIR spectrophotometer를 사용하여 반사도를 측정한 것이다. 투명 전도막인 알루미늄 아연 산화막이 배치된 경우 반사도가 약 10% 정도 더 낮은 것을 알 수 있다.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5를 참조하면, 글래스 또는 실리콘 기판(10)이 준비된다. 상기 기판(10) 상에 알루미늄 질화막(AlN)으로 이루어진 반사방지막(30)이 형성된다. 반사방지막(30)으로서 기능하는 알루미늄 질화막은 RF 마그네트로 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다. 구체적으로, Al 또는 AlN 등을 타겟으로 하여 RF 스퍼터를 사용하여 아르곤과 질소에 비율을 1:1로 하고 파워는 300W 이하, 온도는 0~500℃ 이하로 증착할 수 있다. 바람직하게는 공정온도는 300℃ 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 질화막은 높은 결정성을 나타내며, 약 2.1의 굴절률과 약 85% 이상의 투과도, 10% 이하의 반사도, 3×107 정도의 낮은 비저항값을 가질 수 있다. 또한, 알루미늄 질화막의 두께는 100㎚ 이하일 수 있다.
상기 반사방지막(30)은 알루미늄 산화질화막으로 이루어질 수 있다. 알루미늄 산화질화막은 Al 또는 AlN 등을 타겟으로 반응성 가스로서 질소 이외에 추가적으로 산소를 공급하여 형성될 수 있다. 이 경우 굴절율은 1.9~2.2까지 조절이 가능하다. 하지만, 10% 이상의 산소가 유입될 경우 AlON이 형성되면서 비정질화가 유도되어 귤절율이 1.73이하로 낮아질 수 있다.
상기 반사방지막(30)을 형성하기 전에, 투명전도막(20)을 형성할 수 있다. 상기 투명전도막(20) 알루미늄 아연 산화막(Aluminium Zinc Oxide), 갈륨 아연 산화막(Gallium Zinc Oxide), 붕소 아연 산화막(Boron Zinc Oxide), 인듐 아연 산화막(Indium Zinc Oxide), 인듐 주석 산화막(Indium Tin Oxide) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 투명전도막(20)은 DC 또는 RF 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다. 스퍼터링 방법에서 파워는 150W 이하이고, 기판 온도는 0~300℃일 수 있다. 상기 투명전도막(20)의 두께는 10~200㎚일 수 있고, 비저항은 10-2~10-4Ω㎝이고, 광투과율은 80% 이상의 특성을 가질 수 있다. 도 6은 알루미늄 질화막으로 이루어진 반사방지막(30)의 표면을 보여주는 사진이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스퍼터링 방법을 이용하여 태양전지 반사방지막으로서 기능하는 알루미늄 질화막을 제조한다. 알루미늄 질화막은 높은 광투과성, 낮은 반사율, 고온안정성, 높은 굴절율을 가진다. 또한, 반사방지막의 제조방법이 저온 공정이며 낮은 단가 등의 장점으로 실용화가 가능할 것이다. 특히, 저온 공정은 플렉시블 태양전지에서 더욱 중요할 것이다. 한편, 반사방지막이 알루미늄 산화질화막인 경우, 산소의 함량에 따라 굴절률의 조절이 가능하다. 그리고, 투명전도막을 이용하여 더 낮은 반사도를 가지는 태양전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 ellipsometer를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 반사방지막의 굴절률을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반사도의 차이를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 반사방지막의 표면을 보여주는 SEM 사진이다.
*도면의 주요부분에 대한 설명*
10: 기판 20: 투명전도막 30: 반사방지막
Claims (4)
- 실리콘 또는 글래스 기판; 및상기 기판 상의, 알루미늄 질화막으로 이루어진 반사방지막을 포함하는 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 기판과 상기 반사방지막 사이에 개재된 투명 전도막을 더 포함하는 태양전지.
- 청구항 2에 있어서,상기 투명 전도막은 알루미늄 아연 산화막, 갈륨 아연 산화막, 붕소 아연 산화막, 인듐 아연 산화막 또는 인듐 주석 산화막 중 어느 하나인 태양전지.
- 실리콘 또는 글래스 기판;상기 기판 상의, 알루미늄 산화질화막으로 이루어진 반사방지막을 포함하는 태양전지.
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