KR20110068161A - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 태양전지는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위한 표면처리가 이루어진 기판과, 기판의 상부에 형성된 n-접합층과, n-접합층의 상부에 형성되고 금속입자를 포함하여 이루어진 플라즈몬 층과, 플라즈몬 층의 상부에 형성되어 태양광선의 반사를 막는 반사 방지막을 포함하며, 플라즈몬 층에 의해 입사되는 태양광선을 진동시킴으로서 효과적으로 태양광선을 산란시킬 수 있으며, 산란되는 태양광선이 공진에 의해 증폭되어 산란 효과를 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 태양광선의 산란 효과가 증가됨에 따라 태양전지 내부에 더 많은 빛을 가두는 효과가 있으며, 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
태양전지, 플라즈몬, 기판, 에미터, 밴드갭, 태양광선, 발전, 전기
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판의 표면에 플라즈몬 층을 형성한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자이다.
이러한 태양전지는 전지물질의 밴드갭 에너지에 해당하는 태양광선이 전지 내부에 입사하여 전하를 분리시키고, 분리된 전하를 수집하는 형태로 동작한다.
태양전지는 보다 많은 전력을 생산하기 위해서는 입사광선이 반사되지 않고 전지 내부로 입사하여 전하 분리에 기여해야 하며, 생성된 전하가 전극 쪽으로 잘 수집되어야 한다.
종래의 태양전지는 단일 p-n접합의 결정질로 이루어지고 있으며, 이러한 태양전지는 전력생산 효율을 향상시키는데 제한이 있으며, 반사율을 줄이고 빛의 흡수를 향상시켜 전력생산 효율을 높이기 위한 방안이 지속적으로 연구, 개발되고 있 다.
본 발명은, p-n 접합 형성 후에 표면 플라즈몬 층을 형성하여 입사광선의 반사 방지를 막고, 전하 수집 효율을 증대시켜 전력생산효율이 증가되도록 한 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 태양전지는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위한 표면처리가 이루어진 기판과, 기판의 상부에 형성된 n-접합층과, n-접합층의 상부에 형성되고 금속입자를 포함하여 이루어진 플라즈몬 층과, 플라즈몬 층의 상부에 형성되어 태양광선의 반사를 막는 반사 방지막을 포함한다.
표면처리는 기판의 표면에 표면 구조화층을 형성하는 텍스처 처리를 포함할 수 있다.
플라즈몬 층의 금속입자는 n-접합층의 표면 전체에 분포될 수 있다.
플라즈몬 층은 직경의 크기가 1 내지 30nm의 광터널링 영역의 금속입자를 포함할 수 있다.
플라즈몬 층은 직경의 크기가 30 내지 100nm의 광 회절 영역의 금속입자를 포함할 수 있다.
플라즈몬 층의 금속입자는 다수의 홀이 형성된 메쉬형태를 포함할 수 있다.
플라즈몬 층은 금속입자를 30nm 이하의 두께로 도포한 메쉬 형태의 금속입자층을 포함할 수 있다.
금속입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 태양전지 제조방법은 기판을 마련하는 단계와, 기판 표면으로 입사하는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위해 기판의 표면을 표면처리하는 단계와,
표면처리가 이루어진 기판에 n-접합층을 형성하는 단계와, PSG(Phosphorus Silicate Glass)를 제거하는 단계와, n-접합층의 상부에 금속입자를 포함하여 이루어진 플라즈몬 층을 형성하는 단계와, 반사 방지막을 형성하는 단계를 포함한다.
기판의 표면을 표면처리하는 단계는 기판의 표면에 표면 구조화층이 형성되도록 텍스처 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
플라즈몬 층을 형성하는 단계는 금속입자를 균일하게 분포시켜 금속입자층을 형성할 수 있다.
플라즈몬 층을 형성하는 단계는 직경의 크기가 1 내지 30 nm 인 금속입자를 균일한 분포로 뿌려 형성할 수 있다.
플라즈몬 층을 형성하는 단계는 다수의 홀이 형성된 메쉬 형태의 금속입자층을 형성할 수 있다.
플라즈몬 층을 형성하는 단계는 금속입자를 30nm 이하의 두께로 도포하여 메 쉬 형태의 금속입자층을 형성할 수 있다.
금속입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
플라즈몬 층을 형성하는 금속 입자 주입은 주사형 스퍼터 건 방식을 적용한 주입법을 적용하며, 주입한 단위 면적당의 입자 밀도는 1013 내지 1017개의 원자일 수 있다.
따라서, 플라즈몬 층에 의해 입사되는 태양광선을 진동시킴으로서 효과적으로 태양광선을 산란시킬 수 있으며, 산란되는 태양광선이 공진에 의해 증폭되어 산란 효과를 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 태양광선의 산란 효과가 증가됨에 따라 태양전지 내부에 더 많은 빛을 가두는 효과가 있으며, 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
플라즈몬 층에 의해 입사광선이 반사되는 것을 방지 또는 억제할 수 있고, 빛의 흡수를 향상시킬 수 있다.
또한, 플라즈몬 층이 전극역할을 하게 되어 전하 수집 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 플라즈몬 층에 사용되는 금속을 다양한 크기 또는 재료의 입자로 사용 할 경우, 효과가 낮은 색상 계열에서의 태양광선 포집력을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
본 실시예에 따른 태양전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 형태로 제조된 기판(10)을 포함하며, 이 기판(10)의 표면은 태양광선의 반사율을 최소화하기 위해 표면 구조화층(texturing layer)(12)이 형성된다.
이러한 기판은 p형 결정으로 이루어져 있으며, 그 상부에 인(P : phosphorus)이 확산되어 이루어진 n-접합층(14)이 형성된다.
또한, p-n 접합이 이루어진 표면에는 플라즈몬 층(16)이 형성된다.
본 실시예에서 플라즈몬 층(16)은 은(Ag) 입자를 나노입자 크기로 뿌려 형성될 수 있다. 여기서, 플라즈몬 층(16)은 은 입자에 의해 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 금, 구리, 니켈, 크롬, 철 텅스텐, 몰리브덴, 아연 등 다양한 금속 또는 이들 금속의 혼합물에 의해 형성될 수 있다.
이러한 플라즈몬 층(16)은 태양광선의 입사시 작은 전자기 간섭현상을 일으킨다. 그리고, 이 간섭현상에 의해 태양광선이 금속에 도달할 때 금속 표면에 파동이 형성되며, 이런 전자기파에 의해 들어오는 태양광선이 입자를 진동시킴으로써 효과적으로 빛을 산란시킬 수 있다.
이때, 입사되는 태양광선이 특정한 공명색상을 가지고 있을 경우, 산란되는 태양광선이 서로 간섭되며 중첩 현상이 발생하여 산란효과가 더욱 크게 일어날 수 있다.
또한, 플라즈몬 층(16)의 상부에는 태양광선의 반사를 막기 위한 반사 방지막(18)이 형성된다.
이러한 기판(10)의 양측에는 전기적인 연결을 끊기 위한 홈(19)이 형성되고, 그 하부 및 상부에 외부와 접속되기 위한 전극(20 , 22)이 각각 형성된다.
도 2의 (a)와 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 플라즈몬 층(16)을 도시한 도면이다.
플라즈몬 층(16)은 도 2의 (a)와 같이 균일한 분포로 뿌려지는 나노 입자 상태의 금속입자(16a)들로 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 금속입자(16a)들은 직경의 크기가 약 1 내지 30 nm의 광터널 링 영역인 금속입자로 이루어질 수 있다.
또한, 본 실시예에서 금속입자(16a)들은 직경의 크기가 30 내지 100nm의 광 회절 영역의 금속입자로 이루어지는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 플라즈몬 층(16)을 형성하기 위한 스퍼터링 장치를 간략하게 도시한 평면도인 도 3을 참고하면, 스퍼터링 장치는 금속입자를 뿌려주기 위한 스퍼터 건(30)과, 태양전지 기판(10) 또는 스퍼터 건(30)을 이동시키기 위한 (도시되지 않은) 이동모듈을 포함한다.
이 스퍼터 건(30)은 기판의 표면에 일정한 량으로 금속입자를 뿌려준다. 이때 기판에 뿌려지는 금속입자의 량은 스퍼터 건(30)의 형태, 스퍼터 건(30)의 이송속도, 스퍼터 건(30)과 기판(10)과의 거리, 스퍼터 건(30)에 인가되는 전력, 공정가스의 압력 등에 따라 달라질 수 있다.
본 실시예에서 플라즈몬 층을 형성하는 금속입자는 주사형 스퍼터링 공정을 적용할 경우 단위 면적에 1013 내지 1017개의 원자 정도의 크기로 기판(10)에 주입될 수 있다.
다시 도 2의 (b)를 참고하면, 플라즈몬 층(16)은 다수의 홀(16c)이 형성된 메쉬 형태의 금속입자층(16b)으로 형성되는 것도 가능하다.
본 실시예에서, 금속입자층(16b)은 입사 광선의 터널링이 일어날 수 있는 30nm 이내의 두께로 형성될 수 있다.
이와 같이, 기판(10)에 금속입자가 뿌려져 플라즈몬 층(16)이 형성되면, 그 상부에 태양광선의 반사를 방지하기 위한 반사 방지막(ARC : Anti-Reflection Coating)(18)이 형성된다.
또한, 기판(10)의 양측은 레이저에 의해 홈(19)이 가공되어지며, 이에 따라 n-접합층(16)의 양측은 전기적으로 끊어져 있다.
또한, 기판(10)의 하부와 상부에는 각각 전극(20, 22)이 설치되며, 이 전극(20, 22)을 통해 외부와 전기적으로 접속될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 적용한 공정도이다.
본 실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 실리콘을 포함하는 웨이퍼 기판(10)을 마련한다.(S11 참조)
그리고, 웨이퍼 기판(10)으로 입사하는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위해 기판(10)의 표면을 표면처리한다.
이를 위해 먼저 웨이퍼 기판(10)의 표면을 손상제거 처리하며, 이러한 손상제거 처리로는 SDR(Saw Damage Removal)가 대표적이다.
손상제거 처리는 웨이퍼 기판(10)의 절단과정 등에서 발생된 미세균열과 같은 표면 손상과, 웨이퍼 기판(10)의 표면에 묻은 이물질 등을 제거하는 공정이다.
다음으로 웨이퍼 기판(10)을 텍스처 처리공정을 거치도록 하여 웨이퍼 기판(10)에 표면 구조화층(12)을 형성한다.
표면 구조화층(12)은 표면 반사 손실을 줄이고 빛을 가두어 광 흡수율을 높 이기 위한 것으로서, 기판(10)의 표면에 피라미드 또는 역피라미드 구조형상을 만들거나, 다공성 또는 요철을 두어 입사한 빛이 반사되어 손실이 되지 않도록 하는 구조를 형성하는 것이다.(S12 참조)
그리고, 텍스처 처리공정이 완료되면 표면 구조화층에 인을 확산시켜 n-접합층을 형성한다.
n-접합층(16)은 화학기상증착장치(CVD)를 적용하여 PH3가 첨가된 SiH4를 사용하여 n형 Si층을 형성한다.(S13 참조)
이와 같이 확산 공정이 적용된 기판(10)에 대해서는 별도의 PSG(Phosphorus Silicate Glass) 제거 공정이 진행된다.
PSG는 n-접합층(16)의 확산 공정에서 POCl3과 산소가 반응하여 인을 포함한 산화물로서, 실리콘 내부에 존재하는 불순물을 석출하여 포함하고 있으므로 n-접합층(16) 형성이 완료된 후 제거되어야 한다.(S14 참조)
그리고, PSG 제거가 완료되면, n-접합층(16)의 상부에 플라즈몬 층(16)을 형성한다.
이를 위해 기판(10) 또는 스퍼터 건(30)을 일정한 속도로 이동시키며, 스퍼터 건(30)에 의해 금속입자를 나노입자 크기로 기판에 뿌려 플라즈몬 층(16)을 형성한다.
이때, 플라즈몬 층(16)을 형성하기 위해 주입되는 금속 입자는 단위 면적당 입자 밀도가 1013 내지 1017개의 원자일 수 있다.(S15 참조)
기판(10)에 플라즈몬 층(16)이 형성되면, 그 표면에 반사 방지막(ARC : anti-reflection coating)(18)을 형성하며, 이에 따라 태양광선의 반사를 방지할 수 있다.
반사 방지막(18)은 실리콘 질화물(SiNx)을 PECVD 장비나 스퍼터 장비를 이용하여 증착시켜 형성할 수 있다.(S16 참조)
다음으로 기판(10)은 모든 표면이 n층으로 연결되어 있으므로 양측을 분리하여 전기적으로 단선되도록 한다.
그리고, 기판(10)의 후면 및 전면에 전극을 형성하여, 외부와 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.(S17 참조)
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면도.
도 2의 (a)와 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 플라즈몬 층을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 플라즈몬 층을 형성하기 위한 스퍼터링 장치를 간략하게 도시한 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 적용한 공정도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 12 : 표면 구조화층
14 : n-접합층 16 : 플라즈몬 층
16a : 금속입자 18 : 반사 방지막
19 : 홈 20, 22 : 전극
30 : 스퍼터 건
Claims (16)
- 태양광선의 반사율을 최소화하기 위한 표면처리가 이루어진 기판과,상기 기판의 상부에 형성된 n-접합층과,상기 n-접합층의 상부에 형성되고 금속입자를 포함하여 이루어진 플라즈몬 층과,상기 플라즈몬 층의 상부에 형성되어 태양광선의 반사를 막는 반사 방지막을 포함하는 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 표면처리는 상기 기판의 표면에 표면 구조화층을 형성하는 텍스처 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 플라즈몬 층의 금속입자는 상기 n-접합층의 표면 전체에 분포된 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 청구항 3에 있어서,상기 플라즈몬 층은 직경의 크기가 1 내지 30nm의 광터널링 영역의 금속입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 청구항 3에 있어서,상기 플라즈몬 층은 직경의 크기가 30 내지 100nm의 광 회절 영역의 금속입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 플라즈몬 층의 금속입자는 다수의 홀이 형성된 메쉬형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 청구항 6에 있어서,상기 플라즈몬 층은 금속입자를 30nm 이하의 두께로 도포한 메쉬 형태의 금속입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,상기 금속입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 기판을 마련하는 단계와,기판 표면으로 입사하는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위해 기판의 표면을 표면처리하는 단계와,표면처리된 처리된 기판에 n-접합층을 형성하는 단계와,PSG(Phosphorus Silicate Glass)를 제거하는 단계와,상기 n-접합층의 상부에 금속입자를 포함하여 이루어진 플라즈몬 층을 형성하는 단계와,반사 방지막을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 기판의 표면을 표면처리하는 단계는 기판의 표면에 표면 구조화층이 형성되도록 텍스처 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 청구항 8에 있어서,상기 플라즈몬 층을 형성하는 단계는 금속입자를 분포시켜 금속입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 청구항 11에 있어서,상기 플라즈몬 층을 형성하는 단계는 직경의 크기가 1 내지 30 nm 인 금속입자를 균일한 분포로 뿌려 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 플라즈몬 층을 형성하는 단계는 다수의 홀이 형성된 메쉬 형태의 금속입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 청구항 13에 있어서,상기 플라즈몬 층을 형성하는 단계는 금속입자를 30nm 이하의 두께로 도포하여 메쉬 형태의 금속층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,상기 금속입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 청구항 11 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,상기 플라즈몬 층을 형성하는 금속 입자 주입은 주사형 스퍼터 건 방식을 적용한 주입법을 적용하며, 주입한 단위 면적당의 입자 밀도는 1013 내지 1017개의 원자인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
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