KR20100097549A - 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 기판의 상부에 산화아연 시드층(ZnO seed layer)을 형성하고, 산화아연 시드층을 열처리 하고, 열처리된 산화아연 시드층을 수용액에 넣어 복수의 산화아연 나노와이어(ZnO nanowire)를 성장시키고, 산화아연 나노와이어를 포함하여 산화아연 시드층 위에 박막 실리콘을 형성하고, 산화아연 시드층 및 박막 실리콘 위에 전극을 형성하는 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 수용액 상태에서 성장시킨 산화아연 나노와이어를 투명전극으로 활용하여 단위면적당 셀의 유효면적을 크게 할 수 있고, 입사된 태양광을 보다 효율적으로 산란시킬 수 있어 태양전지의 효율을 개선할 수 있다.
산화아연 시드층, 산화아연 나노와이어, 박막 실리콘, 태양전지
Description
본 발명은 박막 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지의 단위면적당 셀의 유효면적을 크게 하고, 입사된 태양광을 보다 효율적으로 산란시킬 수 있는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 태양광의 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다.
광흡수층으로 실리콘을 사용하는 태양전지는 실리콘의 상(phase)에 따라 단결정(single crystalline) 실리콘, 다결정(polycrystalline) 실리콘, 비정질(amorphous) 실리콘 태양전지로 분류된다. 이외에도 CdTe나 CIS(CuInSe2)의 화합물 박막 태양전지, 연료감응 태양전지, 유기 태양전지 등이 있다.
일반적인 태양전지는 투명전극으로 산화아연(ZnO) 박막을 사용하는데, 산화아연 박막은 스퍼터링(Sputtering), 상압 화학기상증착법(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 저압 화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 유기금속 화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)을 이용하여 기판에 증착된다. 이때, 텍스처링과 전기전도도 개선을 위해 고온에서 증착하는 것이 일반적이다.
따라서 기판이 대면적화 됨에 따라 기판이 휘는 문제가 발생할 수 있고, 다결정 산화아연이 기판에 증착되므로 박막 실리콘과의 접합 시, 옴 접합(Ohmic contact)이 어려운 단점이 있다. 이로 인해 태양전지의 효율이 감소될 수 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기판이 대면적화 되어도 기판이 휘어지는 현상을 방지할 수 있는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법을 제조하는데 그 목적이 있다.
또한, 박막 실리콘이 투명전극 위에 형성될 때, 옴 접합이 가능하여 태양전지의 효율이 향상되는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 산화아연 나노와이어를 이용한 태양전지의 제조방법은 기판의 상부에 산화아연 시드층(ZnO seed layer)을 형성하는 시드층 형성 단계와, 상기 산화아연 시드층을 열처리 하는 열처리 단계와, 상기 열처리된 시드층을 수용액에 넣어 복수의 산화아연 나노와이어(ZnO nanowire)를 성장시키는 나노와이어 성장 단계와, 상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 박막 실리콘을 형성하는 박막 실리콘 형성 단계와, 상기 산화아연 시드층 및 박막 실리콘 위에 전극을 형성하는 전극 형성 단계를 포함하여 구성된다.
상기 박막 실리콘 형성 단계는 상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 N-I-P형 순으로 박막 실리콘을 형성하거나, P-I-N형 순으로 박막 실리콘을 형성할 수 있다.
상기 열처리 단계는 상기 산화아연 시드층을 100 내지 400℃의 온도로 열처리할 수 있다.
상기 나노와이어 성장 단계는 증류수에 몰농도가 같은 질산 아연 수화물(zinc nitrate hydrate)과 헥사메틸렌테트라민(HMT; hexamethylenetetramine)을 혼합하는 수용액 내에서 산화아연 나노와이어를 성장시킬 수 있다.
상기 수용액은 온도를 90℃로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 산화아연 나노와이어를 이용한 태양전지는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 산화아연 시드층과, 상기 산화아연 시드층 위에 성장되는 산화아연 나노와이어와, 상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 형성되는 박막 실리콘과, 상기 산화아연 시드층 및 박막 실리콘 위에 형성되는 전극을 포함하여 구성된다.
상기 전극은 알루미늄일 수 있다.
상기 박막 실리콘은 상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 N-I-P형 순으로 형성되거나, P-I-N형 순으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수용액 내에서 성장시킨 산화아연 나노와이어를 투명전극으로 사용하여 별도의 텍스처링 또는 요철을 형성하는 공정을 필요로 하지 않고, 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 산화아연 시드층의 열처리 온도 및 수용액의 온도를 조절하여 나노와 이어의 고종횡비를 크게 성장시키고, 수직으로 성장시키기 때문에 단위면적당 셀의 유효면적을 크게 할 수 있고, 입사된 태양광을 보다 효율적으로 산란시킬 수 있다
또한, 투명전극의 텍스처링 및 전기전도도 개선을 위해 고온에서 투명전극을 증착하는 공정을 필요로 하지 않으므로 기판이 대면적화 되어도 기판이 휘는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 투명전극이 나노와이어의 형태를 가지므로 나노와이어의 상부에 증착되는 박막 실리콘과의 접합 시, 옴 접합(Ohmic contact)이 가능하므로 태양전지의 효율이 증가될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 가급적 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
한편, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 첨부 도면을 통틀어 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여한다.
본 발명의 일실시예에 의한 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지는 도 1을 참조하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 의한 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지(100)는 기판(11), 산화아연 시드층(ZnO seedlayer, 13), 복수의 산화아연 나노와이어(ZnO nanowire, 15), 다층의 박막 실리콘(17, 19, 21) 및 전극(23)을 포함하여 구성된다.
기판(11)은 박막 실리콘 태양전지(100)에 빛이 입사되는 부분으로, 박막 실리콘 태양전지(100) 내에서의 내부 단락을 방지할 수 있도록 투명절연성 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 기판(11)의 소재로 소다석회 유리, 일반 유리 또는 강화 유리 중에 하나를 사용할 수 있고, 폴리머 재질의 폴리머 기판을 사용할 수도 있다. 이외에도, 기판(11)으로는 실리콘 기판 또는 사파이어 기판 등이 사용될 수 있으며, 기판(11)으로 사용할 수 있는 재질은 이에 한정되지 않는다.
산화아연 시드층(13)은 기판(11) 위에 형성되는 산화아연 박막층이며, 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착될 수 있다. 산화아연 시드층(13)은 산화아연 나노와이어(15)의 두께 및 수직 성장을 제어하기 위해 100 내지 400℃로 열처리 될 수 있다.
복수의 산화아연 나노와이어(15)는 산화아연 시드층(13) 위에 형성되고, 태양전지(100)의 투명 전극 역할을 하는 것으로, 증류수에 몰농도가 같은 질산 아연 수화물(zinc nitrate hydrate)과 헥사메틸렌테트라민(HMT; hexamethylenetetramine)을 혼합한 수용액(29) 내에서 성장된다. 산화아연 나노와이어(15)는 고종횡비가 크기 때문에 빛이 입사되는 표면적을 최대화시키는 텍스처 링 또는 요철 기능을 한다. 산화아연 나노와이어(15)를 성장시키는 방법에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명할 것이다.
다층의 박막 실리콘(17, 19, 21)은 산화아연 나노와이어(15)를 포함하여 산화아연 시드층(13) 위에 형성되며, 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)에 의해 증착될 수 있다.
이때, 다층의 박막 실리콘(17, 19, 21)은 빛이 입사되는 기판(11) 및 산화아연 시드층(13)에 접한 쪽에 N형 비정질 실리콘(17)이 형성되고, 그 위에 I형 비정질 실리콘(19)이 형성되고, 그 위에 P형 비정질 실리콘(21)이 형성되어, N-I-P형 구조로 증착될 수 있다. 산화아연 시드층(13)이 N형이므로 N-I-P형 구조로 박막 실리콘이 형성되면 전자기장의 크기가 더 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지(100)는 N-I-P형 구조로 박막 실리콘이 형성된 예를 설명하였으나, 박막 실리콘의 형성 순서는 이에 한정되지 않고 P-I-N형 순으로 형성될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지(100)에서는 기판(11)을 통해 입사된 빛이 I형 비정질 실리콘(19)의 광흡수층에서 전자-정공 쌍을 발생시켜 태양광에 의해 전위차가 형성된다.
전극(23)은 산화아연 시드층(13)과 P형의 비정질 실리콘(21)에 형성되는 것으로, 전위차에 의한 전류를 흐르게 한다. 전극(23)은 알루미늄을 증착하여 형성하는 것이 바람직하나, 전극(23)의 소재는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일실시예에 의한 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양 전지의 제조방법은 도 1 내지 도 9를 참조하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3 내지 도 9는 도 2의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들로서, 도 3은 기판에 산화아연 시드층이 증착된 모습을 보여주는 도면이고, 도 4는 산화아연 시드층을 수용액에 담근 모습을 보여주는 도면이고, 도 5는 산화아연 시드층에 산화아연 나노와이어가 성장된 모습을 보여주는 도면이고, 도 6 내지 도 8은 도 5의 단계에 의해 형성된 산화아연 나노와이어를 전자현미경으로 측정한 사진이고, 도 9는 산화아연 나노와이어를 포함하여 산화아연 시드층 위에 박막 실리콘이 형성된 모습을 보여주는 도면이다.
S21과정에서 기판(11) 위에 스퍼터링 방법으로 산화아연 시드층(13)을 증착한다. S23과정에서 산화아연 시드층(13)을 열처리한다. 이때, 열처리 온도는 100 내지 400℃인 것이 바람직하다. S25과정에서 수용액(29)에 산화아연 시드층(13)이 증착된 기판(11)을 넣고 복수의 산화아연 나노와이어(15)를 성장시킨다. 산화아연 나노와이어(15)는 일반적인 태양전지의 투명전극의 기능을 하는 것으로, 고종횡비가 크고 수직으로 성장시킴으로써 단위면적당 셀의 유효면적을 크게 할 수 있고, 입사된 태양광을 보다 효율적으로 산란시킬 수 있어 태양전지(100)의 효율을 개선할 수 있다.
수용액(29)은 증류수에 몰농도가 같은 질산 아연 수화물(zinc nitrate hydrate)과 헥사메틸렌테트라민(HMT; hexamethylenetetramine)을 혼합한 수용 액(29)으로, 산화아연 시드층(13)을 수용액(29)이 담긴 용기(25)에 거꾸로 넣어 산화아연 나노와이어(15)가 아래 방향으로 성장된다. 이때, 도시되지는 않았으나 산화아연 시드층(13)은 별도의 고정부재에 의해 용기(25)의 바닥면에서 2mm 정도 떨어져 있는 것이 바람직하다.
이때, 수용액(29)의 온도가 너무 낮으면 산화아연 나노와이어(15)가 잘 성장되지 않고, 온도가 너무 높으면 산화아연 나노와이어(15)의 두께가 일정하지 않게 성장되므로 히터(27)를 사용하여 수용액(29)의 온도를 90℃로 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 너무 오랜 시간 동안 산화아연 시드층(13)을 수용액(29) 속에 담가두면 수용액(29)이 증발되어 산화아연 나노와이어(15)가 더 이상 성장하지 않으므로 산화아연 시드층(13)을 수용액(29)에 담가두는 시간을 조절해주어야 한다. 예컨대, 산화아연 나노와이어(15)를 500nm의 길이로 성장시키기 위해서는 약 1시간 동안 수용액(29) 속에 담가두는 것이 바람직하다.
한편, S23과정에서 산화아연 시드층(13)을 열처리하는 온도에 따라 산화아연 나노와이어(15)의 두께, 길이 및 밀도가 달라진다. 열처리 온도가 높으면 산화아연 나노와이어(15)의 두께가 얇고 밀도가 밀하게 성장하는 반면, 열처리 온도가 낮으면 산화아연 나노와이어(15)의 두께가 두껍고 밀도가 소하게 성장된다. 구체적으로, 도 6의 (a) 및 (b)는 산화아연 시드층(13)을 100℃에서 열처리 한 것으로, 두 개의 산화아연 나노와이어(15)의 길이를 측정한 값이 각각 1.08㎛, 1.06㎛이고, 산화아연 나노와이어(15)가 두껍고, 밀도가 소하게 성장된 것을 나타낸다. 또한, 도 7의 (a) 및 (b)는 산화아연 시드층(13)을 200℃에서 열처리한 후, 산화아연 나노와 이어(15)를 성장시킨 것으로, 두 개의 산화아연 나노와이어(15)의 길이는 각각 1.28㎛, 1.30㎛로 100℃에서 열처리 한 경우보다 더 길어졌으며, 두께는 더 얇고 밀도는 더 밀해진 것을나타낸다. 또한, 도 8의 (a) 및 (b)는 산화아연 시드층(13)을 300℃에서 열처리한 후, 산화아연 나노와이어(15)를 성장시킨 것으로, 두 개의 산화아연 나노와이어(15)의 길이는 각각 1.99㎛, 1.85㎛로 가장 길고, 두께는 더 얇아지고 밀도는 더 밀해진 것을 나타낸다.
S27과정에서 산화아연 나노와이어(15)를 포함하여 산화아연 시드층(13) 위에 박막 실리콘(17, 19, 21)을 증착한다. 이때, 박막 실리콘(17, 19, 21)은 산화아연 나노와이어(15)부터 순차적으로 N-I-P형 구조 또는 P-I-N형 구조로 형성될 수 있다. 이때, 박막 실리콘(17, 19, 21)을 다결정 산화아연 박막이 아닌 산화아연 나노와이어(15) 위에 성장시키므로 Ohm 접합(Ohmic contact)이 가능하여 태양전지의 효율이 높일 수 있다.
S29과정에서 전극(23)을 산화아연 시드층(13)과 N형 또는 P형의 비정질 실리콘에 형성하면 도 1에 도시된 바와 같은 산화아연 나노와이어(15)를 이용한 박막 실리콘 태양전지(100)가 제조된다.
지금까지 실시예를 통하여 본 발명에 따른 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법에 대하여 설명하였다. 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니 다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식의 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3 내지 도 9는 도 2의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들로서,
도 3은 기판에 산화아연 시드층이 증착된 모습을 보여주는 도면이고,
도 4는 산화아연 시드층을 수용액에 담근 모습을 보여주는 도면이고,
도 5는 산화아연 시드층에 산화아연 나노와이어가 성장된 모습을 보여주는 도면이고,
도 6 내지 도 8은 도 5의 단계에 의해 형성된 산화아연 나노와이어를 전자현미경으로 측정한 사진이고,
도 9는 산화아연 나노와이어를 포함하여 산화아연 시드층 위에 박막 실리콘이 형성된 모습을 보여주는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 태양전지 11 : 기판
13 : 산화아연 시드층 15 : 산화아연 나노와이어
17, 19, 21 : 박막 실리콘 23 : 전극
25 : 용기 27 : 히터
29 : 수용액
Claims (10)
- 기판의 상부에 산화아연 시드층(ZnO seed layer)을 형성하는 시드층 형성 단계와;상기 산화아연 시드층을 열처리 하는 열처리 단계와;상기 열처리된 시드층을 수용액에 넣어 복수의 산화아연 나노와이어(ZnO nanowire)를 성장시키는 나노와이어 성장 단계와;상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 다층의 박막 실리콘을 형성하는 박막 실리콘 형성 단계와;상기 산화아연 시드층 및 박막 실리콘 위에 전극을 형성하는 전극 형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 박막 실리콘 형성 단계는,상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 N-I-P형 순으로 박막 실리콘을 형성하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 박막 실리콘 형성 단계는,상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 P-I-N형 순으로 박막 실리콘을 형성하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 제조방법.
- 제1항 내지 제3항 중에 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리 단계는,상기 산화아연 시드층을 100 내지 400℃의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 나노와이어 성장 단계는,증류수에 몰농도가 같은 질산 아연 수화물(zinc nitrate hydrate)과 헥사메틸렌테트라민(HMT; hexamethylenetetramine)을 혼합하는 수용액 내에서 산화아연 나노와이어를 성장시키는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 나노와이어 성장 단계는,상기 수용액의 온도를 90℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 제조방법.
- 기판과;상기 기판 위에 형성되는 산화아연 시드층과;상기 산화아연 시드층 위에 성장되는 복수의 산화아연 나노와이어와;상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 형성되는 다층의 박막 실리콘과;상기 산화아연 시드층 및 박막 실리콘 위에 형성되는 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지.
- 제7항에 있어서, 상기 전극은,알루미늄인 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지.
- 제8항에 있어서, 상기 박막 실리콘은,상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 N-I-P형 순으로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지.
- 제8항에 있어서, 상기 박막 실리콘은,상기 산화아연 나노와이어를 포함하여 상기 산화아연 시드층 위에 P-I-N형 순으로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지.
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