KR20100034101A - 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 폴리머, 글라스(glass), 플라스틱 등의 투명한 모재에 전도성 파우더, 도펀트(dopant) Ⅲ족 파우더, 패시베이션/반사방지성 파우더 각각 1종을 혼합하여 증착하는 단계; 그 상부에 p형 실리콘 파우더를 증착하는 단계; 그 상부에 전도성 파우더, 도펀트(dopant) V족 파우더, 패시베이션/반사방지성 파우더 각각 1종을 혼합하여 증착하는 단계; 의 차례로 구성된 투명 박막 태양전지 구조체 및 그 제조방법과 이에 더하여 태양전지 중간층에 태양전지 변환효율을 증가시킬 수 있는 태양전지 구조체 및 그 제조방법을 제공한다.
태양전지, 혼합 파우더, 박막, 실리콘, 투명, 고효율
Description
본 발명은 투명 실리콘 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 1) 기존에는 결정질 실리콘 태양전지를 박형으로 제작하지 못하였다는 점, 2) 기존 비정질 실리콘 박막 태양전지는 변환효율이 낮았다는 점, 3) 기존 실리콘 태양전지는 그 제조공정이 복잡하고, 제작비용이 고가이며, 대면적 태양전지 생산이 어려웠다는 점 등의 문제점을 개선하여, 태양전지 제조공정을 단순화, 신속화 하고, 셀(cell)의 대면적화, 투명 박막 태양전지 등을 실현할 수 있는 기술에 관한 것이다.
광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 태양전지는 결정질(단결정, 다결정) 기판(wafer)형 태양전지, 박막형(결정질, 비정질) 태양전지 및 다중접합 태양전지로 구분된다. 실리콘 태양전지의 개선 방향은 기존 실리콘 웨이퍼 두께 200μm 미만으로의 박형으로 제작하는 것과 비정질 실리콘 태양전지처럼 박막으로 제작하는 것, 동시에 이종접합(hetero-junction) 및 다중접합(multi-junction)으로 변환효율을 높이고, 가격을 낮추는데 주안점을 두고 있다.
종래의 실리콘 태양전지의 제조방법은 다음과 같다.
1. 결정질(단결정, 다결정) 실리콘 태양전지
결정질 실리콘 태양전지는 현재 태양전지의 90%를 점유하며, 이중 54%가 다결정 실리콘 태양전지이고 36%가 단결정 실리콘 태양전지이다. 단결정과 다결정의 가장 다른 점은 웨이퍼 제조공정이다. 단결정은 Czochralski법에 의해 주괴(ingot)를 끌어올려 만들고, 다결정은 주로 주조법을 사용하여 용융된 실리콘을 도가니에 넣고 서서히 냉각시켜 고형화한다. 다결정 주조법의 장점은 각형의 웨이퍼가 얻어져서 낭비는 없지만, 단결정에 비해 변환 효율이 낮은 단점이 있다. 그러나 장치의 가동률과 생산비용 측면에서 다결정이 주를 이룬다. 주괴는 10~15cm 4각 블록으로 분할, 와이어톱 등으로 약 200μm의 두께로 슬라이스(slice)한다. 이때 약 200μm가 슬라이스시 손실된다. 가격절감 대책으로 웨이퍼의 박형화가 있다. 현재 우주용으로 약 70μm 두께의 결정질 실리콘 태양전지가 개발되었고, 실험실에서는 37μm의 기판을 사용하여 20.2%의 변환효율을 달성했다. 그러나 현재는 슬라이스 후 연마가공을 하므로 사용원료는 줄지 않는다.
실리콘 원료 사용량 감소 방법 중에 슬라이스가 아닌 방법으로서 리본법(ribbon-growth method)이 있다. 용융 실리콘으로부터 300μm 정도의 얇은 판을 고형화하면서 끌어올리는 이 방법은 절단손실이 없어 원료이용 효율은 현재의 2배이고 두께도 100μm 정도까지 가능하다. 끌어올리는 속도의 편차로 평판을 얻기가 어렵고 변환 효율이 약간 떨어지는 문제점이 있다.
효율향상은 언제나 원가 절감의 가장 효과적인 수단이다. 이론적으로 단결정 실리콘의 최고효율은 29% 정도로 알려져 있고, 실험실에서는 이미 24.7%가 달성되었다.
한편, 단결정과 다결정 형태의 웨이퍼를 사용하는 결정질 실리콘 태양전지는 높은 변환효율과 실리콘이 가지는 비유독성, 자원의 풍부함 등으로 인해 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있으나, 태양전지 제조가격의 50% 이상을 차지하고 있는 실리콘 기판으로 인한 높은 제조 단가와 대면적화가 불가능하다는 단점이 있다. 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지의 경우 현재 사용되는 실리콘 기판의 두께는 250~350μm이다. 이 중 입사광을 받아 전류를 생성하는데 필요한 실리콘의 두께는 50μm이면 충분한 것으로 보고되고 있으나, 여러 가지 공정상의 문제로 인해 두께를 최소화 하는데 어려움이 따른다. 따라서 가격 상승의 주된 요인인 실리콘 기판을 사용하는 대신 태양전지에 필요한 물질을 저가의 기판위에 박막 형태로 증착하여 제조할 경우 태양전지 및 시스템 가격을 획기적으로 줄일 수 있다.
2. 다결정 실리콘 박막 태양전지
박막 태양전지의 경우 고가의 실리콘 기판 대신 유리나 금속판과 같은 저가의 기판을 사용할 수 있고, 두께를 수 마이크로 미터 내외의 박막 증착을 통해 실 리콘 소모량을 최소화하여 태양전지를 저가로 제조 할 수 있다. 또한 대면적의 모듈을 인라인(in-line) 공정을 이용하여 제조함으로써 생산성 향상 및 제조단가의 저가화가 가능한 장점이 있는 반면, 아직까지 성능의 재현성 문제 및 벌크형 실리콘 태양전지에 비해 낮은 효율 등의 문제를 가지고 있다.
3. 비정질 실리콘 박막 태양전지
비정질(amorphous) 실리콘(a-Si:H) 박막 태양전지는 물질 자체의 특성으로 인해 캐리어의 확산거리(diffusion length)가 단결정 또는 다결정 실리콘 기판에 비해 매우 낮아 np구조로 제조될 경우 빛에 의해 생성된 전자~정공 쌍(electron-hole)의 수집효율이 매우 낮다. 따라서, 불순물이 첨가되지 않은 무첨가 비정질 실리콘 박막 태양전지의 광흡수층을 높은 도우핑 농도를 갖는 p형과 n형, 그리고 중간에 삽입한 i형 구조로 제조된다. 비정질 실리콘 이종접합(hetero-junction)은 저가격으로 대면적 태양전지를 제작하는데 적합한 기술이지만 효율이 결정질 실리콘에 비해 떨어지고, 수명이 짧으며, 시간 경과에 따라 효율이 감소하는 열화현상이 나타나는 단점이 있다.
4. 실리콘 다중접합 태양전지
광학적 밴드 갭이 다른 얇은 전지를 2~3개를 이용하는 다중접합 전지(stack cell)을 제작함으로써 빛에 대한 안정성을 개선시킬 수 있는 장점이 있고, PECVD 법으로 제작된 비정질 실리콘/비정질 실리콘(a-Si/a-Si) 구조의 탠덤(tendem)형 태 양전지와 비정질 실리콘/다결정(또는 미세결정질 실리콘) 실리콘(a-Si/μc-Si) 다중접합 구조의 태양전지가 개발되어 있다.
상기 전술한 바와 같이 결정질 실리콘 태양전지에서는 원료사용량 축소를 위해 웨이퍼의 박형화가 필수적이고, 비정질 실리콘과 미결정 실리콘을 사용하는 박막 실리콘 태양전지에서는 실리콘 원료를 적게 소비, 원료공급 문제는 해소되지만 결정질 실리콘 태양전지에 비해 효율이 낮은 문제가 있다. 또한 효율을 향상시키기 위해서 광학적 밴드갭이 다른 얇은 전지를 이종 또는 다중 접합하는 방법이 사용되어 효율은 향상되나 복잡한 제조공정과 제조단가가 상승하는 단점이 있다.
본 발명은 상기 실리콘 태양전지의 박형, 변환효율, 제조방법 등의 관련 단점을 개선하여 단순 제조공정, 빠른 제조공정, 값싼 제조단가, 높은 변환효율, 대면적 투명 태양전지 제조가 가능한 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 투명 실리콘 박막 태양전지는 기존의 결정질 실리콘 태양전지에서 발현되는 높은 변환효율과 미정질 박막 실리콘 태양전지 및 다결정 박막 태양전지와 같이 수 마이크로 내지 수십마이크로 미터 두께의 박형으로 제조할 수 있 는 것을 특징으로 하고, 기존과 같은 실리콘 웨이퍼(wafer) 기판에 급속열처리하는 공정(RTP; Rapid Thermal Processing), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 다결정 실리콘 박막을 제조하기 위한 용액성장(LPE; Liquid Phase Epitaxy), Hot-Wire CVD(Chemical Vapor Deposition), Plasma CVD, 스퍼터링(sputtering) 등의 제조공정 및 고온의 열처리 공정이 필요 없는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 투명 실리콘 박막 태양전지의 광 흡수층은 p형 단결정 실리콘(single crystalline silicon; sc-Si), 다결정 실리콘(poly crystalline silicon; pc-Si), 비정질 실리콘(amorphous silicon; a-Si) 파우더 중 어느 하나를 분사 증착함으로써 결정자 사이, 입자 사이에 이상(異狀)층이 없고, 실온에서 무배향 미세결정의 치밀한 막이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투명 실리콘 박막 태양전지는 10nm이하의 결정 내에서는 격자상이 뚜렷하게 확인되고, 박막 조직은 기판 계면으로부터 박막 표면에 이르기까지 균일한 구조로 형성되며, 형성된 박막에서는 보다 미세한 미세결정 조직이 형성되는 것을 특징으로 하며, 이 미세결정질 실리콘 박막은 에너지 밴드갭(band-gap)이 단결정 실리콘과 같은 수준(1.1eV)이며, 흡수계수는 비정질 실리콘(a-Si:H) 및 단결정 실리콘에 비해 높고, 비정질 실리콘 박막 태양전지에서 나타나는 열화현상이 없는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 투명 실리콘 박막 태양전지는 1) 폴리머, 글라스(glass), 플라스틱 등의 투명한 기재에 인듐주석산화물(ITO) 또는 탄소나노튜브(CNT) 등의 전도성 파우더, 붕소(boron) 또는 알루미늄(aluminium) 도펀트(dopant) 등의 III족 파우더, Al2O3, 등의 패시베이션/반사방지성 파우더 각각 1종을 혼합 증착하여 1층을 이루는 단계; 2) 그 상부에 p형 실리콘 파우더를 증착하여 1층을 이루는 단계; 3) 그 상부에 ITO, CNT 등의 전도성 파우더, 인(phosphorous) 또는 비소(arsenic) 도펀트(dopant) 등의 V족 파우더, 질화 실리콘(SiN) 또는 MgF2 등의 패시베이션/반사방지성 파우더 각각 1종을 혼합 증착하여 1층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 혼합된 파우더로 증착된 층은 p형 실리콘층의 상부에는 n+층이, 하부에는 p+층이 생성되어 p-n 접합을 통하여 광기전력이 발생하는 것을 특징으로 한다. 즉 p형 실리콘층의 상부에 전극층, n+층, 반사방지층이 한 번의 혼합 파우더 증착으로 단일 층으로 생성되고, p형 실리콘층의 하부에는 p+층, 전극층, 반사 방지층이 한 번의 혼합 파우더 증착으로 단일 층을 생성할 수 있다.
본 발명에서는 태양전지 각 층을 생성하기 위하여 파우더를 증착시키기 때문 에 제조 공정속도가 기존 실리콘 태양전지 제조공정에 비해 월등히 빠르고, 최하부의 기재에서부터 최상부층에 이르기까지 분사 증착이라는 단일 방법으로 태양전지를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 생성된 박막 조직은 기판 계면으로부터 박막 표면에 이르기까지 균일한 구조로 형성되고, 형성된 박막에서는 보다 미세한 미세결정 조직이 형성되어 하부 기재에서부터 상부에 이르기까지 모두 투명한 태양전지를 종래의 실리콘 태양전지에서 볼 수 없었던 기술이다. 이는 건물 외벽의 유리창(BIPV; Building Integrated Photovoltaic), 자동차 지붕 및 창, 전동차 지붕 및 창 등에 직접 적용하여 태양광 발전이 가능하도록 할 수 있다.
또한 본 발명은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 태양전지 구조체 중간 부분을 패터닝 처리하여 태양전지의 효율을 증가시키는 기술과 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 간편한 고상파우더 증착공정의 반복하여 태양전지를 이루는 개별층의 두께를 정밀하게 조절할 수 있는 기술을 함께 제공한다.
위와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
1. p형 실리콘 파우더가 증착되어 고효율의 미세결정질 조직의 박막태양전지 제작이 가능하다.
2. 태양전지 각 층이 단일 고상 파우더 및 혼합 파우더 증착으로 이루어져 있어 제조공정이 단순하며, 제조공정 속도가 월등히 빠르다.
3. p형 실리콘 증착 층 상하로 각각 n+, p+층이 형성되어 p-n접합을 통한 광기전력이 발생한다.
4. 전도성 파우더의 증착 전극이 직접 p-n 접합층과 전면 접촉하여 저항손실이 감소하는 효과가 있다.
5. 태양전지 중간부에 패터닝 처리된 구조를 형성시키면 변환효율이 높아지는 효과가 있다.
6. 태양전지 하부 투명 기재로부터 증착 투명도가 높은 층으로 구성되어 투명도의 조건을 만족하여야 하는 곳에 적용할 수 있는 효과가 있다.
7. p형 실리콘층을 중심으로 상부 n+및 하부 p+의 대칭 구조로 되어있고, 상하부가 투명하여 상하부로 태양광을 흡수할 수 있어 종래의 한쪽 방향만 태양광이 조사되는 태양전지와 구별되며, 높은 효율이 필요한 곳에 적용할 수 있다.
본 발명은 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체에 대한 3가지 실시예와 그 3가지 실시예 각각의 제조방법을 제공한다. 이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명을 설명하기로 한다.
Ⅰ.
제1실시예
- 혼합파우더
증착형
본 발명은 기재(10) 위에, 전도성 파우더, Ⅲ족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더가 혼합된 혼합 p+층(18); p형 실리콘층(14); 및 전도성 파우더, V족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더가 혼합된 혼합 n+층(19); 이 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체를 제공한다.(도 1 참조)
위와 같은 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체는, 기재(10) 위에 전도성 파우더, Ⅲ족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더를 혼합 분사 증착시켜 혼합 p+층(18)을 형성하는 (a)단계; 상기 혼합 p+층(18) 위에 p형 실리콘 파우더를 분사 증착시켜 p형 실리콘층(14)을 형성하는 (b)단계; 및 상기 p형 실리콘층(14) 위에 전도성 파우더, V족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더를 혼합 분사 증착시켜 혼합 n+층(19)을 형성하는 (c)단계; 로 이루어진 일련의 과정을 통하여 제조할 수 있다.(도 2 참조)
한편, 상기 각 단계의 파우더 증착공정은 기존의 콜드스프레이법, 에어로졸 증착법 등을 적용하여 실시할 수도 있으나, 균일하고 대면적의 증착막 형성을 위해서는 본 발명의 발명자들이 개발하여 2008년 7월 24일자로 특허출원(출원번호 2008-0072119호)한 "고상파우더 연속 증착장치 및 고상파우더 연속 증착방법"을 활용하는 것이 바람직하다. 이는 후술할 제2, 제3실시예에도 해당되는 사항이다.
이하에서는 상기 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체를 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.
1. 기재
본 발명이 제공하는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체는 투명기재, 불투명기재, 반투명기재 등 기재의 종류와 상관없이 적용 가능하다. 다만, 종래에는 전체적으로 투명한 태양전지를 제작할 수 없었다는 점에서 투명기재를 적용할 때 본 발명의 특징이 더욱 부각될 수 있다. 상기 투명기재로는 폴리머, 글라스(glass), 플라스틱 등을 열거할 수 있다.
2. 혼합 p+층
혼합 p+층(18)은 전도성 파우더, 도펀트(dopant) Ⅲ족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더의 혼합파우더를 증착하여 생성된 층으로서, 상기 혼합파우더를 분사증착하여 형성시킬 수 있다.((a)단계)
상기 전도성 파우더는 인듐주석산화물(ITO), 탄소나노튜브(CNT), 산화아연(ZnO) 등을 사용할 수 있다. 상기 전도성 파우더의 전면 증착은 종래의 핑거(finger)형태의 금속전극 형태와 달리 전체면적이 유효 입사면적이 되고, 종래의 매몰형 전극(buried contact)과 같이 투명 전극이 하기 p형 실리콘층(14)과 직접적으로 전면 접촉하고 있어 저항손실을 줄일 수 있는 특징이 있다.
상기 도펀트(dopant) Ⅲ족 파우더는 붕소(B), 알루미늄(Al) 등을 사용할 수 있다. 주기율표상 3족원소인 붕소와 같은 p형 도펀트 파우더가 첨가되면 p+층을 형성하며, 이는 p+ 영역의 전자가 기재(10) 외부로 이동하여 재결합하게 되는 것을 방지하는 역할을 한다. 그 결과 누설전류를 줄이고, 좋은 저항성 접촉을 만들어 주어 태양전지의 개방전압(open-circuit)과 충실도(fill factor)를 향상시켜 종래의 후면전계(back surface field)와 같은 역할을 한다.
상기 패시베이션/반사방지 파우더는 상층에서 반사된 빛과 하층에서 반사된 빛이 서로 상쇄간섭을 일으키도록 함으로써 태양전지 표면에서의 빛 반사를 줄이고, 특정한 파장영역의 선택성을 증가시키기 위한 것으로서, Al2O3, MgF2, MgO, SiN, SiO2, TiO2, Si 등 적절한 굴절률의 것을 사용하고, 광의 파장 및 두께에 따라 최소 반사가 일어나는 굴절률에 해당되는 파우더를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 후술할 p형 실리콘층(14) 및 혼합 n+층(19)의 굴절률을 고려하여 본 혼합 p+층(18)의 반사방지성 파우더를 선택하여야 한다.
3. p형 실리콘층
p형 실리콘층(14)은 p형 실리콘 파우더 증착 층으로서, 상기 혼합 p+층(18) 위에 p형 실리콘 파우더를 분사 증착시켜 형성한다.((b)단계) 전자의 이동도가 커서 p형에서 생성된 전자가 접합까지 확산한 뒤 내부 전위차에 의해서 혼합 n+층(19)으로 이동해 가는 비율이 높기 때문에 p형 실리콘 파우더를 선택한 것이다. 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 p-n접합에 도달하면 이들은 내부 전계에 의해 접합을 가로질러 반대편으로 휩쓸려 내려간다. 전자는 상기 혼합 n+층(19)의 양이온들에 끌려서 이동하고, 이동 후에는 상기 혼합 n+층(18)의 전극에 수집되어 부하에 전류를 흐르게 한다. 반대로 정공의 경우 하기 혼합 n+층(19)의 전극으로 이동 수집된다.
이 때, 도 1에 도시한 바와 같이 상기 혼합 p+층(18)과 혼합 n+층(19)이 서로 연결되어 있는 경우 빛에 의해 생성된 캐리어 또는 광생성 전류는 외부 회로에 전력을 공급하게 된다. 빛에 의해 생성된 캐리어의 수집 그 자체만으로는 전력을 생산할 수 없고, 전력을 생산하기 위해서는 전류뿐만 아니라, 전압도 발생되어야 한다. 그런데 태양전지 내에서 광기전력 효과(photovoltaic effect)라 알려진 과정에 의해 전압이 발생된다. 여기서, 광기전력 효과란 p-n접합에 빛을 조사시킬때 전자-정공의 쌍이 생성되고 분리되면 p형 영역에는 전자가 과다하게 많고 다른 n형 영역에는 홀(hole)이 많이 모이게 됨으로써 접합 양단에 두 전극을 서로 띄어 개방(open)하면 광기전력(또는 전위차)이 발생하는 현상이다.
4. 혼합 n+층
혼합 n+층(19)은 전도성 파우더, 도펀트(dopant) V족 파우더, 패시베이션/반사방지성 파우더의 혼합파우더를 증착하여 생성된 층으로서, 상기 혼합파우더를 분사증착하여 형성시킬 수 있다.((c)단계)
상기 전도성 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더는 상기 혼합 p+층(18)과 같다. 상기 도펀트(dopant) V족 파우더는 인(P), 비소(As) 등을 사용할 수 있고, 주기율 5족인 인(P)과 같은 n형 도펀트 파우더가 첨가되면 n+층을 형성하며, p-n 접합으로 n+층으로 전자가 이동하여 전도성 파우더로 증착 형성된 전극에 수집되어 부하에 전류를 흐르게 하여, 상기 혼합 p+층(18)과 혼합 n+층(19)의 전극이 개방되어 광기전력이 발생하게 된다.
상기 전술한 혼합 p+층(18)은 전도성 파우더, 도펀트(dopant) Ⅲ족 파우더, 패시베이션/반사방지성 파우더 각각 1종을 혼합하여 증착한 것이고, 상기 p형 실리콘층(14)은 p형 실리콘 단일 파우더로 증착한 것이고, 상기 혼합 n+층(19)은 전도성 파우더, 도펀트(dopant) V족 파우더, 패시베이션/반사방지성 파우더 각각 1종을 혼합하여 증착한 것이고, 상기 혼합 p+층(18)의 혼합파우더 중 Ⅲ족 원소는 상기 p형 실리콘층(14)의 실리콘과 결합하여 p+를 형성하고, 그 이외의 전도성 물질 및 패시베이션/반사방지 물질은 안정한 상태로 존재한다. 마찬가지로 상기 혼합 n+층(19)의 혼합파우더 중 V족 원소는 상기 p형 실리콘층(14)의 실리콘과 결합하여 n+를 형성하고, 그 이외의 전도성 물질 및 패시베이션/반사방지 물질은 안정한 상태로 존재한다.
Ⅱ.
제2실시예
- 효율 상승구조 포함형
본 발명은 상기 혼합 p+층(18)과 p형 실리콘층(14) 사이에 형성된 혼합 p+ 패턴층(22); 및 상기 p형 실리콘층(14)과 혼합 n+층(19) 사이에 형성된 실리콘 패턴층; 을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체를 함께 제공한다.(도 3 참조)
상기 혼합 p+ 패턴층(22)과 혼합 n+ 패턴층(24)은 태양전지의 효율 상승구조(25)이다.
상기 혼합 p+ 패턴층(22)과 혼합 n+ 패턴층(24)은 기존의 여러 가지 패터닝 방법(잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 임프린팅, 포토리소그래피, 촉매를 이용한 CVD 방법 등)에 의해 형성시킬 수 있다. 다만, 본 발명에서는 상온과 대기압상태에서 증착물질과 기재(10)간의 직접적 결합을 하여 다양한 패턴이 형성된 박막을 손쉽게 얻을 수 있도록 하기 위해 다음과 같은 제조방법을 제공한다.
즉, 상기 혼합 p+ 패턴층(22)은 상기 (a)단계 실시 후, 부식물질(20)을 도포하여 패터닝 구조체를 형성시키는 (a-1)단계; 상기 혼합 p+층(18) 전면에 전도성 파우더, Ⅲ족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더를 혼합 분사 증착시키는 (a-2)단계; 상기 부식물질(20)을 제거하는 (a-3)단계; 및 상기 (a-3)단계의 실시로 발생한 부산물을 제거한 후 건조시키는 (a-4)단계를 포함한 공정으로 형성시킨다.
한편, 상기 n+ 패턴층은 상기 (b)단계 실시 후, 부식물질(20)을 도포하여 패터닝 구조체를 형성시키는 (b-1)단계; 상기 p형 실리콘층(14) 전면에 p형 실리콘 파우더를 분사 증착시키는 (b-2)단계; 상기 부식물질(20)을 제거하는 (b-3)단계; 및 상기 (b-3)단계의 실시로 발생한 부산물을 제거한 후 건조시키는 (b-4)단계; 를 포함한 공정으로 형성시킨다. 이러한 일련의 과정은 본 발명의 발명자들이 2008년 9월 22일자로 특허출원(출원번호 : 2008-0092824호)한 "고상파우더 증착 박막 패터닝 방법"을 활용한 것으로서, 이러한 패터닝 방법은 기존의 패터닝 방법에 비해 상대적으로 간단하고, 제조 공정 시간 또한 월등하게 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 (a-1)단계 및 (b-1)단계에서 부식물질(20)을 도포하는 공정은 기존의 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅 등의 방법으로 일정한 형태의 패턴구조체를 형성시킴으로써 수행한다. 본 발명에서는 상기 "부식물질(20)"을 "어떤 특정 물질에 화학적 에칭(식각)에 의해 제거되는 물질"로 정의하며, 이러한 부식물질(20)은 (a-3)단계 및 (b-3)단계에서 부식물질 제거용액으로 에칭함으로써 제거할 수 있다. 이러한 부식물질과 상기 부식물질 제거에 관한 사항은 산업계에서 매우 다양하게 활용되고 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 한편, 상기 (a-2)단계 및 (b-2)단계의 증착공정 역시 기존의 고상파우더 증착방법(콜드스프레이법, AD법 등)을 적용할 수 있으나 출원번호 2008-0072119호에 기재된 "고상파우더 연속 증착장치 및 고상파우더 연속 증착방법"을 활용하는 것이 바람직하다는 점은 전술한 바와 같다.
위와 같이 제작된 혼합 p+ 패턴층(22)과 혼합 n+ 패턴층(24)은 p형 실리콘층(14)의 상부 및 하부에 서로 마주하는 효율 상승구조(25)를 구성하게 된다. 상기 효율 상승구조(25)는 일정한 규칙의 요철형상으로 만들어져 상하부로 조사되는 빛의 반사율을 감소시키고, 빛의 흡수를 최대화하여 태양전지가 고효율을 달성할 수 있도록 한다. 특히 상기 p형 실리콘층(14)을 중심으로 상부 및 하부에 각각 1층의 이중 구조를 가짐으로써, 호주의 New South Wales 대학(UNSW)에서 개발한 PERL(passivated emitter, rear locally-diffused) 광흡수 역피라미드 표면구조와 벌집 모양(honey comb)의 광흡수 표면구조의 일면 광흡수 방식과 다르게 양면(상하)으로 빛의 흡수를 최대로 할 수 있는 특징을 가지게 된다. 또한, 태양전지 표면 에서 상기 혼합 p+층(18)과 혼합 n+층(19)의 패시베이션/반사방지 기능과 태양전지 내부의 p형 실리콘층(14) 상하부에서 이중 반사방지 기능을 동시에 수행하기 때문에 태양전지의 효율은 더욱더 극대화될 수 있다.
Ⅲ.
제3실시예
- 단일파우더
증착형
본 발명은 상기 혼합 p+층(18)은 패시베이션 및 반사방지층(11); 전극층(12); p+층(13); 이 분리되어 차례로 적층된 구조로 이루어지고, 상기 혼합 n+층(19)은 n+층(15); 전극층(12); 및 패시베이션 및 반사방지층(11); 이 분리되어 차례로 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체를 함께 제공한다.(도 5 참조)
위와 같은 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체는 상기 (a)단계를 패시베이션/반사방지성 파우더, 전도성 파우더 및 Ⅲ족 파우더가 개별층을 이루도록 차례로 증착시키는 공정으로 실시하고, 상기 (c)단계는 V족 파우더, 전도성 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더가 개별층을 이루도록 차례로 증착시키는 공정으로 실시함으로써 제조할 수 있다.(도 6 참조)
본 실시예의 각 구성요소 및 단계별 실시공정은 제1실시예에 대한 설명에 기재한 내용과 동일하다. 다만 상기 제1실시예는 혼합 p+층(18)과 혼합 n+층(19)이 혼합파우더로 한번에 증착되어 이루어진 것인데 반해, 본 제3실시예는 혼합 p+ 층(18)을 이루는 패시베이션/반사방지성 파우더, 전도성 파우더 및 Ⅲ족 파우더가 기재(10) 위에 차례로 증착되어 별개로 구분된 패시베이션 및 반사방지층(11); 전극층(12); p+층(13)을 이루고, 마찬가지로 혼합 n+층(19)을 이루는 V족 파우더, 전도성 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더가 p형 실리콘층(14) 위에 차례로 증착되어 별개로 구분된 n+층(15); 전극층(12); 및 패시베이션 및 반사방지층(11)을 이룬다는 점에서 차이가 있다.
이러한 제3실시예에 따르면 상기 제1실시예에 비해 상대적으로 공정이 더 많다는 단점이 있으나, 개별층의 두께를 정밀하게 제어할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 제1실시예의 모식도이다.
도 2는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 제1실시예의 제조과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 제2실시예의 모식도이다.
도 4는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 제2실시예의 제조과정을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 제3실시예의 모식도이다.
도 6은 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 제3실시예의 제조과정을 도시한 것이다.
<발명의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기재 11 : 패시베이션 및 반사방지층
12 : 전극층 13 : p+층
14 : p형 실리콘층 15 : n+층
18 : 혼합 p+층 19 : 혼합 n+층
20 : 부식물질 21 : 혼합 p+층과 동일한 성분의 증착층
22 : 혼합 p+ 패턴층 23 : p형 실리콘 파우더 증착층
24 : 혼합 n+ 패턴층 25 : 효율 상승구조
Claims (6)
- 기재(10) 위에, 전도성 파우더, Ⅲ족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더가 혼합된 혼합 p+층(18); p형 실리콘층(14); 및 전도성 파우더, V족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더가 혼합된 혼합 n+층(19); 이 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체.
- 제1항에서,상기 혼합 p+층과(18) p형 실리콘층(14) 사이에 형성된 혼합 p+ 패턴층(22); 및 상기 p형 실리콘층(14)과 혼합 n+층(19) 사이에 형성된 실리콘 패턴층(24); 을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체.
- 제1항에서,상기 혼합 p+층(18)은 패시베이션 및 반사방지층(11); 전극층(12); p+층(13); 이 분리되어 차례로 적층된 구조로 이루어지고, 상기 혼합 n+층(19)은 n+층(15); 전극층(12); 및 패시베이션 및 반사방지층(11); 이 분리되어 차례로 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체.
- (a) 기재(10) 위에 전도성 파우더, Ⅲ족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더를 혼합 분사 증착시켜 혼합 p+층(18)을 형성하는 단계;(b) 상기 혼합 p+층(18) 위에 p형 실리콘 파우더를 분사 증착시켜 p형 실리콘층(14)을 형성하는 단계; 및(c) 상기 p형 실리콘층(14) 위에 전도성 파우더, V족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더를 혼합 분사 증착시켜 혼합 n+층(19)을 형성하는 단계; 로 이루어지는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 제조방법.
- 제4항에서,상기 (a)단계 실시 후에는,(a-1) 부식물질(20)을 도포하여 패터닝 구조체를 형성시키는 단계;(a-2) 상기 혼합 p+층(18) 전면에 전도성 파우더, Ⅲ족 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더를 혼합 분사 증착시키는 단계;(a-3) 상기 부식물질(20)을 제거하는 단계; 및(a-4) 상기 (a-3)단계의 실시로 발생한 부산물을 제거한 후 건조시키는 단계; 로 이루어지는 혼합 p+ 패턴층(22) 증착 공정을 더 포함하여 실시하고,상기 (b)단계 실시 후에는,(b-1) 부식물질(20)을 도포하여 패터닝 구조체를 형성시키는 단계;(b-2) 상기 p형 실리콘층(14) 전면에 p형 실리콘 파우더를 분사 증착시키는 단계;(b-3) 상기 부식물질(20)을 제거하는 단계; 및(b-4) 상기 (b-3)단계의 실시로 발생한 부산물을 제거한 후 건조시키는 단계; 로 이루어지는 실리콘 패턴층 증착 공정을 더 포함하여 실시하는 것을 특징으로 하는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 제조방법.
- 제4항에서,상기 (a)단계는 패시베이션/반사방지성 파우더, 전도성 파우더 및 Ⅲ족 파우더가 개별층을 이루도록 차례로 증착시키는 공정으로 이루어지고,상기 (c)단계는 V족 파우더, 전도성 파우더 및 패시베이션/반사방지성 파우더가 개별층을 이루도록 차례로 증착시키는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 실리콘 박막 태양전지 구조체 제조방법.
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