KR20100104103A - 태양전지의 반사방지막 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지의 반사방지막 형성 방법에 관하여 개시한다.
본 발명에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법은 (a)태양전지의 수광부 표면에 절연체 조성물을 도포하는 단계; (b)모스아이 패턴(Moth-eye pattern)에 대응하는 반대패턴이 형성된 템플릿으로 상기 절연체 조성물을 압착한 상태에서 상기 절연체 조성물을 경화시켜, 상기 태양전지의 수광부 표면에 모스아이 패턴을 형성하는 단계; (c)상기 템플릿을 분리하는 단계; 및 (d)상기 태양전지의 수광부 표면에 형성된 모스아이 패턴을 어닐링(annealing)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법은 간단한 나노 임프린트 리소그래피 방법으로 태양전지의 표면에 모스아이 구조를 갖는 반사방지막을 형성할 수 있으며, 본 발명에 의해 제조된 반사방지막은 모스아이 패턴을 통하여 태양전지 표면에서의 빛의 반사를 감소시켜 광투과 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 태양전지의 광투과 효율을 높이기 위한 반사방지막(Anti Reflection Coating) 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 임프린트 리소그래피(nano imprint lithography) 기술을 이용하여 태양전지의 표면에 수백 나노 사이즈의 모스아이 패턴(moth-eye pattern)을 갖는 반사방지막을 형성함으로써, 태양전지 표면 등에서의 반사를 최소한으로 줄일 수 있는 태양전지의 반사방지막 형성 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 화석 에너지 자원의 고갈이 예측되고, 환경에 대한 관심이 높아지면서 이들을 대체할 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 무한하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다.
태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시 키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있다. 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지를 의미하며, 본 발명 역시 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)에 관한 것이다.
태양전지의 효율 상승을 위하여, 최근에는 p-n접합에 의한 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 최적화하여 효율 상승을 위한 다양한 방법이 개발되고 있다. 전자-홀 생성을 위한 p-n 접합 구조의 최적화 방법, 생성된 전자의 누설을 방지하기 위한 표면 패시베이션 방법, 전자수집효율 상승을 위한 전극형성방법의 최적화 방법, 전면 반사방지막 형성 방법 등 태양전지 효율 상승을 위하여 다각도의 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 태양전지에서 광 포획량을 증가시키기 위하여 태양전지 표면에 반사방지막을 형성한다. 반사방지막을 형성하는 방법으로는, 화학기상증착(CVD) 방법을 이용하여 태양전지의 수광부 상에 질화실리콘(SiNx)을 증착하고, 플라즈마를 사용한 건식 식각법이나 습식 식각법으로 질화실리콘(SiNx)을 패터닝하여 반사방지막을 형성하는 방법을 대표적인 예로 들 수 있다. 건식 식각법과 습식 식각법 중에서, 태양전지의 낮은 제조 단가를 위해 주로 습식 식각법이 이용되고 있다.
상기의 반사방지막 형성 방법들로 형성된 반사방지막은 패턴 폭이 상대적으로 넓어 600nm 파장의 영역에서만 투과율 상승을 나타내고 그 외의 파장대 영역은 변화가 없거나 오히려 더 낮은 투과율을 나타내는 문제점이 있다.
또한, 상기 CVD 방법에 의한 질화실리콘(SiNx) 증착은 인체에 유해한 화학물질을 사용하고, 시설비 및 유지비용이 높고 상대적으로 넓은 공간을 차지하는 단점 이 있다. 특히, 유해 화학물질의 사용은 청정에너지 개발을 위한 태양전지 개발 목표에 모순되며, 높은 공정비용은 낮은 생산원가를 지향하는 태양전지 생산 목표에 있어 가장 큰 문제점 중의 하나이다.
본 발명의 목적은 나노 임프린트 리소그래피 방법(nano imprint lithography)을 이용하여 태양전지의 수광부 표면에 모스아이 패턴(moth-eye pattern)을 갖는 반사방지막을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법을 통하여 형성된 방사방지막을 포함하여, 모스아이 패턴에 의해 표면에서 반사를 줄이고, 광투과율을 높일 수 있는 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지의 반사방지막 g형성 방법은 (a)태양전지의 수광부 표면에 절연체 조성물을 도포하는 단계; (b)모스아이 패턴(Moth-eye pattern)에 대응하는 반대패턴이 형성된 템플릿으로 상기 절연체 조성물을 압착한 상태에서 상기 절연체 조성물을 경화시켜, 상기 태양전지의 수광부 표면에 모스아이 패턴을 형성하는 단계; (c)상기 템플릿을 분리하는 단계; 및 (d)상기 태양전지의 수광부 표면에 형성된 모스아이 패턴을 어닐링(annealing)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법은 간단한 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 태양전지 표면에 모스아이 패턴을 갖는 반사방지막을 형성할 수 있으며, 본 발명에 의해 제조된 반사방지막은 모스아이 패턴에 의해 태양전지 표면에서의 빛의 반사를 감소시키고, 광투과 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 종래 실리콘 기반의 식각 기술로 형성된 반사방지막은 600nm 파장 근처에서만 광투과 효율이 높았으나, 본 발명에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법은 나노급의 모스아이 패턴을 형성하게 됨으로써 보다 넓은 파장대에서 투과율 상승 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 고분자 템플릿을 이용한 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용할 수 있으므로, 평면 형태의 태양전지 표면 뿐만 아니라 역 피라미드 구조 등의 3차원 구조의 태양전지 표면 상에서도 적용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 기존의 고비용 공정과는 달리, 매우 저렴하고 간단한 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용함으로써, 태양전지의 제조단가를 낮출 수 있으며, 친환경적인 공정을 통하여 태양전지 사용의 목적에 부합하는 장점이 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
모스아이(Moth-eye) 효과는 1967년 C. G. Bernhard에 의해 처음 소개되었으며, 나방의 눈 등에 나타나는 저반사 효과를 일컫는다. 나방의 눈 표면은 수백 나노급의 미세 원뿔형 돌기로 덮여 있다. 이러한 구조는 점진적인 굴절률 변화를 야기하여, 반사의 기본 조건인 매질 굴절률의 급격한 변화를 방지함으로써 반사를 방지하게 된다. 이와 같은 모스아이 효과는, 오늘날 태양전지의 반사방지막 등에 널리 응용되고 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 도 1의 각 단계를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에 도시된 각 단계를 설명함에 있어 도 2를 참조하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법은 절연체 조성물 도포 단계(S110), 모스아이 패턴 형성 단계(S120), 템플릿 분리 단계(S130) 및 어닐링 단계(S140)를 포함하여 이루어진다.
절연체 조성물 도포 단계(S110)에서는 태양전지의 수광부(210) 표면에 반사방지막 형성용 절연체 조성물(220)을 도포한다.
실리콘 기반의 태양전지 등에서 질화실리콘(SiNx)이 반사방지막의 재질로 널리 이용된다. 따라서, 반사방지막 형성용 절연체 조성물(220)은 상기 질화실리콘(SiNx)을 포함하는 조성물이 될 수 있다. 물론, 반사방지막 형성용 절연체 조성물(220)은 태양전지의 수광부(210)의 재질이나 굴절률에 따라 TiO2 나 다른 물질을 포함하는 조성물이 될 수 있다.
질화실리콘(SiNx)이 반사방지막의 재질로 이용할 경우, 본 발명에 따른 절연체 조성물(220)은 질화실리콘을 포함하는 조성물, 예를 들면 질화실리콘 나노입자가 용제에 분산된 조성물(SiNx nano particle solution)이나 질화실리콘을 포함하는 졸(sol) 상태의 조성물(SiNx-sol solution) 등이 될 수 있다.
나노 임프린트 리소그래피 공정을 위해서는 절연체 조성물이 일정 수준 이상의 유동성을 가져야 한다. 따라서, 상기 절연체 조성물(220)은 0.3~100cps의 점도를 갖는 것이 바람직하다. 점도가 0.3cps 미만일 경우, 반사방지막으로 이용될 절연체의 함량비가 너무 낮은 문제점이 있고, 점도가 100cps를 초과하면 유동성이 떨어져 나노 임프린트 리소그래피 공정이 잘 이루어지지 않는 문제점이 있다.
절연체 조성물(220)에서 절연체의 농도는 0.1~10M 정도가 될 수 있으며, 이 경우 절연체 조성물은 0.3~100cps의 점도를 가져, 나노 임프린트 리소그래피 공정에 적당한 점도를 갖게 된다.
절연체 조성물(200)에서 용제(solvent)는 에탄올, DMF(Dimethylforamide) , 톨루엔 등과 같은 유기 용매나 물이 될 수 있다. 이러한 용제는 절연체의 표면처리 등에 따라 다르게 사용할 수 있다. 다만, 너무 쉽게 증발할 경우 절연체 조성물의 도포나 나노 임프린트 리소그래피 공정 등의 어려움이 있으므로, 끓는점이 적어도 60℃ 이상인 용제를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 절연체 나노입자를 분산시킨 조성물의 경우 특별한 안정제를 요하지 않으나, 알콕사이드 계열의 졸 솔루션(sol solution)의 경우 DEA(diethanolamine) 같은 안정제를 첨가하는 것이 바람직하다. 반사방지막으로 TiO2를 이용할 경우, 절연체 조성물은 일 예로, 에탄올 33.64ml에 알콕사이드 계열의 TiO2 전구체로 테트라올소티나네이트(tetraorthotitanate) 8.56ml 및 안정제로서 DEA(diethanolamine) 4.8ml를 첨가하고, 2시간 정도 교반 후, 여기에 물 0.45ml와 에탄올 5ml가 혼합된 혼합용액을 한 방울씩 드롭(drop)하는 방법이나 기타 다른 방법으로 매우 천천히 혼합한 후, 수시간 교반하여 TiO2 졸 솔루션(sol solution)이 제조될 수 있다.
모스아이 패턴 형성 단계(S120)에서는 나노 임프린트 리소그래피(nano-imprint lithography) 공정을 이용한다. 구체적으로는 모스아이 패턴(Moth-eye pattern)에 대응하는 반대패턴이 형성된 템플릿(230)으로 절연체 조성물(220)을 압착(press)하여 템플릿(230)의 패턴에 절연체 조성물(220)이 충진되도록 한다. 이후, 템플릿으로 절연체 조성물을 압착한 상태에서 절연체 조성물(220)을 경화시킨 다.
이를 통해, 절연체 조성물(220)에 포함된 용제가 제거되어 태양전지의 수광부(210) 상에는 절연체 막(222)이 남게 되고, 절연체 막(222) 표면에는 대략 100~500nm 정도의 패턴 폭을 갖는 모스아이 패턴이 형성되게 된다.
모스아이 패턴의 형성은 상기의 템플릿(230)에 의한 압착과 절연체 조성물(220)의 경화를 고려하여, 1~10atm 정도의 압력 및 50~200℃ 정도의 온도에서 대략 10~60분 동안 이루어질 수 있다. 이러한 공정 분위기 변수는 절연체 조성물(220)에 포함된 용제(solvent)의 종류에 따라서 조절할 수 있다.
모스아이 패턴에 대응하는 반대패턴이 형성된 템플릿(230)은 금속 재질이나 고분자 재질로 이루어질 수 있다. 이때, 나노 임프린트 리소그래피 공정의 특성상 템플릿에 물리적 힘이 가해지게 되고, 템플릿을 여러번 계속 이용하게 되면 템플릿 표면의 마모가 발생하여, 템플릿을 교체하여 주어야 한다. 따라서, 저비용으로 간단하게 제작할 수 있는 템플릿을 이용하는 것이 바람직하며, 금속 재질의 템플릿보다 고분자 재질의 템플릿이 패턴 형성 등의 제작이 용이하고, 패턴 형성 등의 제작에 필요한 비용도 상대적으로 적게 소요되므로, 고분자 재질의 템플릿을 이용하는 것이 더 바람직하다.
본 발명에서, 템플릿(230)에 이용될 수 있는 고분자로는 폴리카보네이트(PC), 폴리디메틸아크릴레이트(PUA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 폴리염화비닐(PVC), 폴리 메틸 메타크릴레이트, 폴리 메틸 아크릴레이트, 폴리스티렌, 니트로셀룰로오스, 아세틸셀룰로오스, 폴레에틸렌 테레프탈레이트, ABS 수지, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리 에테르 술폰, 폴리비닐 아세탈, 폴리 에테르 케톤, 폴리우레탄 등의 핫 엠보싱에 의해 쉽게 패턴 형성이 가능한 열가소성 고분자나 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 h-PDMS 등의 실록산계 고분자 등을 예시할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
템플릿(230)의 제조 방법은 도 3 및 도 4에서 후술하기로 한다.
템플릿 분리 단계(S130)에서는 템플릿(230)을 모스아이 패턴이 형성된 절연체 막(222)으로부터 분리한다.
절연체 막(22)로부터 템플릿(230)의 분리를 원활하게 하기 위하여, 모스아이 패턴 형성 단계(S120)에서 절연체 조성물(220)과 접촉하는 템플릿의 표면에는 이형층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
템플릿이 금속 재질인 경우, 이형층은 그라파이트(Graphite) 재질로 이루어질 수 있다.
반면, 템플릿이 고분자 재질인 경우, 이형층은 단분자의 크기가 수 nm 정도인 실란 계열의 자기조립단분자막(Self Assembled Monolayer, SAM)으로 이루어질 수 있다. 이 경우 이형층은 템플릿 표면에 스퍼터링 방식 등으로 5~20nm의 두께로 형성되는 실리콘 옥사이드 계열 물질층 및 상기 실리콘 옥사이드 계열 물질층 상에 액상 또는 기상의 SAM(Self Assembled Monolayer) 코팅으로 형성되는 이형물질층으로 이루어질 수 있다.
상기 실리콘 옥사이드 계열 물질층은 대표적으로 SiO2를 들 수 있으며, 실란 계열의 이형물질층의 결합을 용이하게 하기 위하여 형성된다.
이형물질층은 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetra-hydrodecyl)trichlorosilane, Cl3Si(C2H4)C8F17 와 같은 실란 계열 물질이 될 수 있다. 실란 계열의 물질 간에는 반데르발스 힘과 정전기력(electrostatic force)만이 작용하여, 상기의 실란 계열의 물질을 실리콘 옥사이드 계열 물질 위에 SAM 코팅하면, 코팅으로 인한 표면 에너지 변화가 크고, 다양한 기능성을 가질 수 있어서 원활한 이형이 가능하게 된다.
어닐링 단계(S140)에서는 태양전지의 수광부(210) 상에 형성된 모스아이 패턴, 구체적으로는 절연체 막(222)을 어닐링(annealing)한다.
어닐링을 하는 목적은 반사방지막을 형성하는 물질들의 결합 강화 등을 들 수 있는데, 예를 들어 절연체 조성물로 SiNx nano particle solution을 이용한 경우, 어닐링을 통하여 나노입자들 사이에 넥킹(necking)을 형성하여, 나노입자들이 서로 유기적으로 연결될 수 있다. 다른 예로 절연체 조성물로 SiNx-sol solution을 이용한 경우, 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통하여 질화실리콘은 겔 상태(SiNx-gel)가 되고, 어닐링을 통하여 완전한 고체 상태의 질화실리콘(SiNx)을 이루게 된다.
어닐링은 100~1000℃ 정도의 온도에서 이루어질 수 있다. 어닐링 온도는 절연체를 이루는 입자들의 사이즈, 산소, 질소, 진공 등의 조건에 따라서 달라질 수 있다. 예로, 절연체를 이루는 입자들의 사이즈가 작을수록 어닐링 온도를 낮게 할 수 있다. 이러한 점이나 산소, 질소, 진공 등의 어닐링 조건 등을 고려하여 어닐링 온도를 결정할 수 있다. 전술한 TiO2 졸 솔루션을 이용한 경우, 400~600℃에서 어닐링이 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명에 이용되는 템플릿을 제조하는 방법의 일 예를 개략적으로 도시한 것으로, 도 3을 참조하면, 템플릿(230)은 다음과 같이 핫 엠보싱(hot embossing) 공정을 이용하여 간단하게 제조될 수 있다.
우선, 표면에 모스아이 패턴이 형성된 마스터 템플릿(310)을 고분자 시트(320) 상에 위치시킨다.
마스터 템플릿(310)은 고온과 고압에서도 충분히 견딜 수 있는 재질로 된 것으로, 고분자보다 녹는점이 훨씬 높은 SiC, SiO2, Si3N4, Al2O3, MgO, Si, Ni 등의 물질로 된 것을 이용할 수 있다.
마스터 템플릿에 형성되는 모스아이 패턴은 여러 가지 방법으로 제조할 수 있다. 일례로, MgO 파우더, Al2O3 파우더 및 직경이 200nm ~ 300nm 정도의 SiO2 나노 파우더(Nano Powder)가 혼합된 분말체를 가압한 후, HF와 같이 SiO2만을 등방성 에칭(Isotropic Etching)할 수 있는 식각제로 SiO2만을 선택적으로 에칭한 후, 소결 공정을 거치면 모스아이 패턴이 형성된 템플릿이 제조될 수 있다. 다른 예로, 알루 미늄 양극산화(Anodized Aluminium Oxide) 방법을 이용하여, 모스아이 패턴이 형성된 알루미늄 산화물 표면을 얻을 수도 있다.
본 발명에서 모스아이 패턴을 갖는 반사방지막은 마스터 템플릿에 형성된 모스아이 패턴으로부터 얻어진다. 따라서, 본 발명에 따른 방법으로 형성된 모스아이 패턴을 갖는 반사방지막의 광투과율은 마스터 템플릿(310)에 형성된 모스아이 패턴의 크기 및 모양에 의해 결정된다.
핫 엠보싱 공정에 적용될 수 있는 고분자 시트의 재질로는 폴리카보네이트(PC), 폴리디메틸아크릴레이트(PUA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 폴리염화비닐(PVC), 폴리 메틸 메타크릴레이트, 폴리 메틸 아크릴레이트, 폴리스티렌, 니트로셀룰로오스, 아세틸셀룰로오스, 폴레에틸렌 테레프탈레이트, ABS 수지, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리 에테르 술폰, 폴리비닐 아세탈, 폴리 에테르 케톤, 폴리우레탄 등의 열에 강한 열가소성 고분자가 될 수 있다.
마스터 템플릿 준비 후, 마스터 템플릿(310)으로 고분자 시트(320)를 핫 엠보싱(hot embossing)하여, 마스터 템플릿(310)에 형성된 패턴을 고분자 시트(320) 표면에 전사한다.
핫 엠보싱은 고분자 시트의 유리전이온도(Tg)보다 높은 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 일반적으로 열가소성 고분자는 유리전이온도 이상의 온도에서 유연해지기 때문에, 고분자 시트(320)의 유리전이온도 이상에서는 핫 엠보싱이 쉽게 이루어질 수 있다.
패턴 전사 후, 마스터 템플릿(310)을 분리하면 모스아이 패턴에 대응하는 반대패턴이 형성된 고분자 템플릿(322)이 제조된다.
실리콘카바이드(SiC) 등의 물질로 이루어진 마스터 템플릿은 고분자 시트와 열팽창률이 다르기 때문에, 핫 엠보싱 공정 후의 냉각시 고분자 시트로부터 쉽게 분리할 수 있다. 다만, 유리전이온도(Tg) 이상에서 고분자 시트가 마스터 템플릿에 들러붙어 버릴 수도 있으므로, 미리 마스터 템플릿에 표면을 그라파이트(Graphite) 등과 같은 이형물질로 코팅하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 이용되는 템플릿을 제조하는 방법의 다른 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 템플릿(230)은 다음과 같은 순서로 제조될 수 있다.
우선, 모스아이 패턴이 형성된 마스터 템플릿(410) 상에 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 h-PDMS와 같은 실록산(Siloxane) 계열 물질이 포함된 조성물(420)을 도포한다. 이때, 용제(solvent)는 에탄올, DMF(Dimethylforamide) , 톨루엔 등과 같은 유기 용매나 물이 될 수 있으며, 실록산 계열 물질은 0.1~10M의 농도로 포함되어 있을 수 있다.
이후, 열을 가하여 실록산 계열 물질을 포함하는 조성물(420)을 경화시키면, 조성물에 포함된 용제는 제거되어 실록산 계열의 시트(422)의 형태가 되고, 실록산 계열의 시트(422)의 표면에는 마스터 템플릿(410)의 패턴에 반대되는 형태로 패턴이 형성되게 된다. 이후, 마스터 템플릿(410)을 분리하면 모스아이 패턴에 대응하 는 반대패턴이 형성된 실록산 계열의 고분자 템플릿(422)이 완성된다.
도 5는 평면 형태의 수광부 상에 태양전지의 반사방지막이 형성된 예를 개략적으로 도시한 것이고, 도 6은 역 피라미드 형태의 수광부 상에 태양전지의 반사방지막이 형성된 예를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법은 도 5에 도시된 예와 같이 일반적인 평면 형태의 수광부 상에 반사방지막(510)을 형성하는데 적용될 수 있으며, 또한 고분자 템플릿과 같은 유연한 재질의 템플릿을 이용하므로 도 6에 도시된 예와 같은 역 피라미드 형태의 수광부 상에 반사방지막(610)을 형성하는 경우에도 적용될 수 있다.
특히, 도 6에 도시된 예의 경우, 수광부가 역 피라미드 구조를 가짐에 따라 도 5에 도시된 평탄한 구조를 갖는 수광부에 비하여 표면적을 확대할 수 있으며, 여기에 본 발명에 따른 모스아이 패턴이 형성된 반사방지막(610)이 형성되는 경우, 광 투과 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 반사방지막 형성방법은 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하므로, 수광부의 형태나 재질, 결정구조 등에 영향을 거의 받지 않는다. 따라서, 상기와 같이, 평탄한 형태의 수광부(도 5) 뿐만 아니라 역 피라미드 구조의 수광부(도 6) 상에 적용될 수 있고, 단결정 실리콘을 비롯한 다결정 실리콘, 박막형 실리콘 및 비정질 실리콘 태양전지에 이르기까지 다양하게 적용될 수 있다.
도 7은 모스아이 패턴을 형성하였을 때와 그렇지 않을 때의 광투과율 비교를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면 PVC(Polyvinyl chloride) 필름에 모스아이 패턴을 형성하였을 경우, 그렇지 않은 경우보다 넓은 파장대에서 광투과율(transmittance)이 훨씬 더 높음을 알 수 있다. 또한, PVC 필름의 한 면에 모스아이 패턴을 형성한 경우보다 PVC 필름의 양 면에 모스아이 패턴을 형성한 경우에 광 투과율이 더 높음을 알 수 있다.
이는 본 발명에 따른 방법으로 형성된 태양전지 반사방지막에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 즉, 태양전지의 표면에 모스아이 패턴을 갖는 반사방지막을 형성하였을 때가 그렇지 않을 때보다 광투과 효율이 높고, 그 결과 태양전지의 광 특성 또한 향상되게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법은 간단한 나노 임프린트 리소그래피 방법을 이용하여 태양전지 표면에 모스아이 패턴을 갖는 반사방지막을 형성할 수 있다. 따라서, 형성된 반사방지막은 모스아이 패턴을 통해 태양전지 표면에서의 빛의 반사를 감소시켜, 태양전지 표면에서의 광투과 효율을 높일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 반사방지막 형성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1의 각 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 이용되는 템플릿을 제조하는 방법의 일 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 이용되는 템플릿을 제조하는 방법의 다른 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 평면 형태의 수광부 상에 태양전지의 반사방지막이 형성된 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 역 피라미드 형태의 수광부 상에 태양전지의 반사방지막이 형성된 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 모스아이 패턴을 형성하였을 때와 그렇지 않을 때의 광투과율 비교를 나타내는 그래프이다.
Claims (25)
- (a)태양전지의 수광부 표면에 절연체 조성물을 도포하는 단계;(b)모스아이 패턴(Moth-eye pattern)에 대응하는 반대패턴이 형성된 템플릿으로 상기 절연체 조성물을 압착한 상태에서 상기 절연체 조성물을 경화시켜, 상기 태양전지의 수광부 표면에 모스아이 패턴을 형성하는 단계;(c)상기 템플릿을 분리하는 단계; 및(d)상기 태양전지의 수광부 표면에 형성된 모스아이 패턴을 어닐링(annealing)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 절연체 조성물은 절연체가 0.1~10M의 농도로 용제에 포함된 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제2항에 있어서,상기 용제는 에탄올, DMF(Dimethylforamide), 톨루엔 및 물 중에서 어느 하나 또는 이들이 혼합된 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제2항에 있어서,상기 절연체는 질화실리콘(SiNx) 또는 TiO2인 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 절연체 조성물은 0.3~100cps의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (b)단계는 1~10atm 및 50~200℃의 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (d)단계는 100~1000℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 템플릿은 고분자(Polymer) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제8항에 있어서,상기 템플릿은 폴리카보네이트(PC), 폴리디메틸아크릴레이트(PUA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 폴리염화비닐(PVC), 폴리 메틸 메타크릴레이트, 폴리 메틸 아크릴레이트, 폴리스티렌, 니트로셀룰로오스, 아세틸셀룰로오스, 폴레에틸렌 테레프탈레이트, ABS 수지, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리 에테르 술폰, 폴리비닐 아세탈, 폴리 에테르 케톤, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 h-PDMS 중에서 적어도 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 모스아이(Moth-eye) 패턴은 100~500nm의 패턴 폭으로 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 템플릿의 표면에는 이형층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제11항에 있어서,상기 이형층은 상기 템플릿 표면에 5~20nm의 두께로 형성되는 실리콘 옥사이드 계열 물질층; 및상기 실리콘 옥사이드 계열 물질층 상에 액상 또는 기상의 SAM(Self Assembled Monolayer) 코팅으로 형성되는 이형물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제12항에 있어서,상기 이형물질층은(heptadecafluoro-1,1,2,2-tetra-hydrodecyl)trichlorosilane 또는Cl3Si(C2H4)C8F17 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 태양전지의 수광부는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 또는 비정질 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제14항에 있어서,상기 태양전지의 수광부 표면은 평탄하게 형성되어 있거나 또는 역 피라미드 패턴으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 템플릿은 모스아이 패턴이 형성된 마스터 템플릿으로 고분자 시트를 핫 엠보싱(hot embossing)하여 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제16항에 있어서,상기 핫 엠보싱은 상기 고분자 시트의 유리전이온도(Tg)보다 높은 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제16항에 있어서,상기 고분자 시트는 폴리카보네이트(PC), 폴리디메틸아크릴레이트(PUA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 폴리염화비닐(PVC), 폴리 메틸 메타크릴레이트, 폴리 메틸 아크릴레이트, 폴리스티렌, 니트로셀룰로오스, 아세틸셀룰로오스, 폴레에틸렌 테레프탈레이트, ABS 수지, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리 에테르 술폰, 폴리비닐 아세탈, 폴리 에테르 케톤 및 폴리우레탄 중에서 적어도 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 템플릿은 모스아이 패턴이 형성된 마스터 템플릿 상에 실록산 계열 물질이 포함된 조성물을 도포하고, 열을 가하여 상기 실록산 계열 물질을 포함하는 조성물을 경화시켜 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제19항에 있어서,상기 실록산 계열 물질이 포함된 조성물은 실록산 계열 물질이 0.1~10M의 농도로 용제에 포함된 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제20항에 있어서,상기 용제는 에탄올, DMF(Dimethylforamide), 톨루엔 및 물 중에서 어느 하나 또는 이들이 혼합된 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제20항에 있어서,상기 실록산 계열 물질은 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 h-PDMS인 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제16항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 마스터 템플릿은 SiC, SiO2, Si3N4, Al2O3, MgO, Si 및 Ni 중에서 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제16항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 마스터 템플릿의 표면에는 이형물질로서 그라파이트(Graphite)가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지의 반사방지막 형성 방법.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 기재된 방법으로 형성된 반사방지막을 포함하는 태양전지.
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