KR20110074252A - 박막 태양전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 규칙적인 형상의 반구형 홈이 형성된 요철층이 구비됨으로써, 내부 광반사 효율이 증가되어 광변환 효율이 개선된 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, 기판 상에 요철층 형성을 위한 베이스층을 형성하는 단계; 주상 구조(columnar structure)로 성장되는 물질을 이용하여 상기 베이스층 상에 마스크층을 형성하는 단계; 마스크층보다 베이스층에 대한 에칭 선택비가 높은 에칭 가스를 이용하여 마스크층과 베이스층을 에칭함으로써, 마스크층 중에 주상 구조의 취약한 부분이 제거되어 나노 사이즈의 홀이 형성된 후에 상기 마스크층의 홀을 통해 베이스층이 등방성(isotropic) 드라이 에칭이 되도록 하여, 반구형 홈을 다수 개 포함하는 요철층을 형성하는 단계; 상기 마스크층을 제거하는 단계; 상기 요철층 상에 금속전극을 형성하는 단계; 상기 금속전극 상에 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체층 상에 투명전극을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어진다.
박막 태양전지, 요철
Description
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 규칙적인 형상의 반구형 홈이 형성된 요철층이 구비됨으로써, 내부 광반사 효율이 증가되어 광변환 효율이 개선된 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지(solar cell)는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 소자로서, p형 반도체와 n형 반도체의 접합(junction) 형태를 가지며 기본 구조는 다이오드(diode)와 동일하다.
이러한 태양전지의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
대부분 태양전지는 대면적의 pn 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 광전 에너지 변환(photovoltatic energy conversion)을 위해 태양전지가 기본적으로 갖춰야하는 조건은 p형 반도체 영역은 작은 전자밀도(electron density)와 큰 정공밀도(hole density)를 가지고 n형 반도체 영역은 큰 전자밀도와 작은 정공밀도를 가짐으로써, 반도체 구조 내에서 전자들이 비대칭적으로 존재해야 한다는 것이다. 따라서, 열적 평행 상태에서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드 에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배에 의한 확산으로 전하(charge)의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성되어 더이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다. 이와 같은 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우에 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite)된다. 이때, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할수 있게 되며, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 과잉(excess) 캐리어라고 하며 상기 과잉 캐리어는 전도대 또는 가전자대 내에서 농도 차이에 의해 확산하게 된다. 이때, p형 반도체에서 여기된 전자들과 n형 반도체에서 만들어진 정공은 각각 소수 캐리어(minority carrier)라고 칭하며, 기존 접합 전의 p형 반도체 또는 n형 반도체 내의 캐리어(즉, p형 반도체의 정공 및 n형 반도체의 전자)는 소수 캐리어와 구분하여 다수 캐리어(majority carrier)라고 칭한다.
상기 다수 캐리어들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p형 반도체의 소수 캐리어인 전자는 n형 반도체 쪽으로 이동할 수 있다. 상기 소수 캐리어의 확산에 의해 pn 접합 다이오드 내부에 전압 차(potential drop)가 생기게 되며, 상기 pn 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 태양전지로서 작용하게 된다.
이하, 도면을 참조하여 종래의 일반적인 박막 태양전지에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이 종래의 일반적인 박막 태양전지는, 기판(1)과, 상 기 기판(1) 상에 형성된 금속전극(3)과, 상기 금속전극(3) 상에 형성된 반도체층(4)과, 상기 반도체층(4) 상에 형성된 투명전극(5)으로 구성된다.
상기 반도체층(4)은 비정질 실리콘(a-Si:H)을 재료로 하여 형성된 경우에는 금속전극(3) 상에 형성된 n형 실리콘층(4a)과, 상기 n형 실리콘층(4a) 상에 형성된 진성 실리콘층(4b)과, 상기 진성 실리콘층(4b) 상에 형성된 p형 실리콘층(4c)을 포함하여 n-i-p 구조를 가진다.
최근에는 상기와 같은 구성을 가지는 종래의 일반적인 박막 태양전지에 있어서 입사 표면에서의 반사 감소 및 금속 전극에 의한 반사 광경로 향상을 목적으로 요철 구조가 도입되었는데, 상기와 같은 요철 구조를 형성하기 위해서는 기판(1)에 다수의 요철 패턴을 형성함으로써 기판 상에 형성된 금속전극(3), 반도체층(4), 투명전극(5)도 기판(1)의 요철 패턴에 의해 요철 형상을 가지도록 하는 방법이 이용되고 있다.
상기 기판(1) 상에 요철 패턴을 형성하기 위해서는 공정 효율 및 비용 절감을 위해 주로 습식 식각 또는 건식 식각 방법이 이용되는데, 습식 식각 또는 건식 식각 방법을 이용하는 경우에는 불규칙한 형상의 요철 패턴이 형성되므로, 광산란반사 효율이 기대만큼 좋지 못한 문제점이 있어왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 규칙적인 형상의 반구형 홈이 형성된 요철층을 기판과 금속전극 사이에 형성함으로써, 내부 광반사 효율이 증가되어 광변환 효율이 개선된 박막 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지는, 기판; 상기 기판 상에 형성되어 표면에 다수의 반구형 홈이 형성된 요철층; 상기 요철층 상에 형성된 금속전극; 상기 금속전극 상에 형성된 반도체층; 및 상기 반도체층 상에 형성된 투명전극; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, 기판 상에 요철층 형성을 위한 베이스층을 형성하는 단계; 주상 구조(columnar structure)로 성장되는 물질을 이용하여 상기 베이스층 상에 마스크층을 형성하는 단계; 마스크층보다 베이스층에 대한 에칭 선택비가 높은 에칭 가스를 이용하여 마스크층과 베이스층을 에칭함으로써, 마스크층 중에 주상 구조의 취약한 부분이 제거되어 나노 사이즈의 홀이 형성된 후에 상기 마스크층의 홀을 통해 베이스층이 등방성(isotropic) 드라이 에칭이 되도록 하여, 반구형 홈을 다수 개 포함하는 요철층을 형성하는 단계; 상기 마스크층을 제거하는 단계; 상기 요철층 상에 금속전극을 형성하는 단계; 상기 금속전극 상에 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체층 상에 투명전극을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성 요소들을 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지는, 규칙적인 반구형 홈을 포함하는 요철층이 기판과 금속전극 사이에 형성됨으로써, 내부 광반사 효율이 증가되어 광변환 효율이 개선되는 효과가 있다.
상기와 같은 단계들을 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, 규칙적인 반구형 홈을 포함하는 요철층을 형성할 시에 마스크층에 나노 사이즈의 홀을 형성하고 홀을 통해 베이스층을 패터닝하기 위한 에칭을 한 번에 수행하므로, 공정이 용이한 장점이 있다.
이하, 도 2 내지 도 3e를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지 및 박막 태양전지 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지의 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지는 기판(101); 상기 기판(101) 상에 형성되어 표면에 다수의 반구형 홈(102a)이 형성된 요철층(102); 상기 요철층(102) 상에 형성된 금속전극(103); 상기 금속전극(103) 상에 형성된 반도체층(104); 및 상기 반도체층(104) 상에 형성된 투명전극(105); 을 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지의 각 구성요소에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 상기 기판(101)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질로 이루어질 수 있으며, 예로서 유리 및 금속 포일(metal foil)이 있다.
상기 기판(101) 상에는 표면에 다수의 반구형 홈(102a)이 형성된 요철층(102)이 형성되는데, 이러한 요철층(102)에 형성된 다수의 반구형 홈(102a)은 서로 동일한 크기 및 형상을 가지며, 수 내지 수십 마이크로 사이즈를 가진다.
상기 요철층(102)은 유기물질, 무기물질 또는 금속을 재료로 하여 형성되며, 비결정질 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 요철층(102)의 재료로서 일 예로 질화실리콘(SiNX)이 있다.
상기 요철층(102) 상에는 금속전극(103)이 형성되며, 상기 금속전극(103)은 상면과 배면 모두가 요철층(102)의 상면에 대응되는 형상으로 형성된다.
상기 금속전극(103) 상에는 반도체층(104)이 형성되는데, 상기 반도체층(104)은 다양한 재료가 가능하지만 일 예로서 비정질 실리콘(s-Si:H)이 있으며, 이 경우에는 금속전극(103) 상에 형성된 n형 실리콘층(104a)과, 상기 n형 실리콘층(104a) 상에 형성된 진성(intrinsic) 실리콘층(104b)과, 상기 진성 실리콘층(104b) 상에 형성된 p형 실리콘층(104c)을 포함한 n-i-p 구조를 가진다.
상기 반도체층(104)도 금속전극(103)과 마찬가지로 상면과 배면 모두가 요철층(102)의 상면에 대응되는 형상으로 형성된다.
상기 반도체층(104) 상에는 투명전극(105)이 형성되며, 상기 투명전극(105)은 전도성을 가짐과 동시에 태양광의 투과를 위하여 투명한 전도성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 형성된다.
싱기 투명전극(105)도 금속전극(103) 및 반도체층(104)과 마찬가지로 상면과 배면 모두가 요철층(102)의 상면에 대응되는 형상으로 형성된다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지는, 규칙적인 반구형 홈(102a)을 포함하는 요철층(102)이 기판(101)과 금속전극(103) 사이에 형성됨으로써 요철층(102) 상에 형성되는 금속전극(103)이 요철층(102)의 상면에 대응되는 형상으로 형성되므로, 내부 광반사 효율이 증가되어 광변환 효율이 개선되는 효과가 있다.
이하, 도 3a 내지 3e를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 유리 또는 금속 포일(metal foil)로 형성된 기판(101)을 준비한다.
다음으로, 도 3a에 도시한 바와 같이 상기 기판(101) 상에 요철층(102) 형성을 위한 베이스층(112)을 형성한다.
상기 베이스층(112)은 유기물질, 무기 물질 또는 금속을 재료로 하여 형성되며, 비결정질 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 베이스층(112)의 재료의 일 예로 질화실리콘(SiNX)이 있다.
다음으로, 도 3a에 도시한 바와 같이 주상 구조(columnar structure)로 성장되는 물질을 이용하여 상기 베이스층(112) 상에 마스크층(111)을 형성한다.
상기 마스크층(111)은 주상 구조로 성장되는 금속을 재료로 하여 형성되는 것이 바람직하며, 일 예로서 몰리브덴(Mo)이 있다.
다음으로, 마스크층(111)보다 베이스층(112)에 대한 에칭 선택비가 높은 에칭 가스를 이용하여 마스크층(111)과 베이스층(112)을 에칭함으로써, 도 2b에 도시한 바와 같이 마스크층(111) 중에 주상 구조의 취약한 부분이 제거되어 나노 사이즈(예 : 100[nm])의 홀(111a)이 형성된 후에 도 2c에 도시한 바와 같이 상기 마스크층(111)의 홀을 통해 베이스층(112)이 등방성(isotropic) 드라이 에칭이 되도록 하여, 반구형 홈(102a)을 다수 개 포함하는 요철층(102)을 형성한다.
즉, 상기 마스크층(111)보다 베이스층(112)에 대한 에칭 선택비가 높은 에칭 가스를 이용하여 마스크층(111)과 베이스층(112)에 대한 에칭을 실시하면, 먼저 도 3b에 도시한 바와 같이 마스크층(111)에 나노 사이즈의 홀(111a)이 형성되어 베이스층(112)이 노출되고 이후에 상기 홀(111a)을 통해 베이스층(112)이 등방성 드라이 에칭되어 도 3c에 도시한 바와 같은 반구형 홈(102a)을 다수 개 포함하는 요철층(102)이 형성되게 된다.
상기 에칭 가스는 베이스층(112)과 마스크층(111)에 대한 에칭 선택비가 10배 이상 차이나는 것이 바람직하다.
즉, 상기 에칭 가스는 마스크층(111)보다 베이스층(112)에 대한 에칭 선택비가 10배 이상인 것이 바람직하며, 이러한 에칭 가스의 일 예로서 SF6, He, O2가 8:3:3의 비율로 혼합된 가스가 있다.
상기 요철층(102)에 형성된 다수의 반구형 홈(102a)은 수 내지 수십 마이크로 사이즈를 가지며, 서로 동일한 크기 및 형상을 가진다.
다음으로, 도 3d에 도시한 바와 같이 상기 마스크층(111)을 제거한다.
다음으로, 도 3e에 도시한 바와 같이, 마스크층(111)이 제거된 요철층(102) 상에 금속전극(103), 반도체층(104) 및 투명전극(105)을 형성한다. 참고로, 도 3a 내지 도 3d는 설명의 편의를 위하여 요철층(102)에 형성되는 반구형 홈(102a) 하나를 기준으로 확대하여 도시하였지만, 도 3e는 요철층(102)에 형성된 다수의 반구형 홈(102a)이 나타나도록 축소하여 도시하였다.
상기 요철층(102) 상에 형성된 금속전극(103), 반도체층(104) 및 투명전극(105)은 홈(102a)이 형성된 요철층(102)의 상면에 대응되는 형상으로 형성된다.
상기 반도체층(104)은 다양한 재료가 가능하지만, 일 예로서 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 이루어진 경우에는 금속전극(103) 상에 형성된 n형 실리콘층(104a)과, 상기 n형 실리콘층(104a) 상에 형성된 진성(intrinsic) 실리콘층(104b)과, 상기 진성 실리콘층(104b) 상에 형성된 p형 실리콘층(104c)을 포함한 n-i-p 구조를 가지도록 형성된다.
상기 투명전극(105)은 전도성을 가짐과 동시에 태양광의 투과를 위하여 투명 한 전도성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 형성된다.
상술한 바와 같은 다수의 단계를 포함하여 이루어지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, 규칙적인 반구형 홈(102a)을 포함하는 요철층(102)을 형성할 시에 마스크층(111)에 나노 사이즈의 홀(111a)을 형성하고 홀(111a)을 통해 베이스층(112)을 패터닝하기 위한 에칭을 한 번에 수행할 수 있으므로, 공정이 용이한 장점이 있다.
도 1은 종래의 일반적인 박막 태양전지를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지를 도시한 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 도 2의 박막 태양전지를 제조하기 위하여 수행되는 다수의 단계를 도시한 단면도.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
101 : 기판
102 : 요철층
102a : 홈
103 : 금속전극
104 : 반도체층
105 : 투명전극
111 : 마스크층
111a : 홀
112 : 베이스층
Claims (23)
- 기판 상에 요철층 형성을 위한 베이스층을 형성하는 단계;주상 구조(columnar structure)로 성장되는 물질을 이용하여 상기 베이스층 상에 마스크층을 형성하는 단계;마스크층보다 베이스층에 대한 에칭 선택비가 높은 에칭 가스를 이용하여 마스크층과 베이스층을 에칭함으로써, 마스크층 중에 주상 구조의 취약한 부분이 제거되어 나노 사이즈의 홀이 형성된 후에 상기 마스크층의 홀을 통해 베이스층이 등방성(isotropic) 드라이 에칭이 되도록 하여, 반구형 홈을 다수 개 포함하는 요철층을 형성하는 단계;상기 마스크층을 제거하는 단계;상기 요철층 상에 금속전극을 형성하는 단계;상기 금속전극 상에 반도체층을 형성하는 단계; 및상기 반도체층 상에 투명전극을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 베이스층은 유기물질을 재료로 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 베이스층은 무기물질을 재료로 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 베이스층은 금속을 재료로 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 베이스층은 질화실리콘(SiNX)을 재료로 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 베이스층은 비결정질 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 마스크층은 주상 구조로 성장하는 금속을 재료로 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 마스크층은 몰리브덴(Mo)을 재료로 하여 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 에칭 가스는 베이스층과 마스크층에 대한 에칭 선택비가 10배 이상 차이나는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 에칭 가스는 SF6, He, O2를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 에칭 가스는 SF6, He, O2를 8:3:3의 비율로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 요철층의 홈은 수 내지 수십 마이크로 사이즈를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 요철층에 형성된 다수의 홈은 서로 동일한 크기 및 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속전극, 반도체층 및 투명전극은 홈이 형성된 요철층의 상면에 대응되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조 방법.
- 기판;상기 기판 상에 형성되어 표면에 다수의 반구형 홈이 형성된 요철층;상기 요철층 상에 형성된 금속전극;상기 금속전극 상에 형성된 반도체층; 및상기 반도체층 상에 형성된 투명전극;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 15 항에 있어서, 상기 요철층은 유기물질을 재료로 하여 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 15 항에 있어서, 상기 요철층은 무기물질을 재료로 하여 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 15 항에 있어서, 상기 요철층은 금속을 재료로 하여 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 15 항에 있어서, 상기 요철층은 질화실리콘(SiNX)을 재료로 하여 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 15 항에 있어서, 상기 요철층은 비결정질 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 15 항에 있어서, 상기 요철층의 홈은 수 내지 수십 마이크로 사이즈를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 15 항에 있어서, 상기 요철층에 형성된 다수의 홈은 서로 동일한 크기 및 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 15 항에 있어서, 상기 금속전극, 반도체층 및 투명전극은 홈이 형성된 요철층의 상면에 대응되는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN106559034A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-04-05 | 梁结平 | 一种反光带 |
| CN107393981A (zh) * | 2017-09-13 | 2017-11-24 | 李会欣 | 深置背极光伏电池组件、加工方法及光伏系统 |
-
2009
- 2009-12-24 KR KR1020090131164A patent/KR20110074252A/ko not_active Application Discontinuation
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| CN106559034A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-04-05 | 梁结平 | 一种反光带 |
| CN107393981A (zh) * | 2017-09-13 | 2017-11-24 | 李会欣 | 深置背极光伏电池组件、加工方法及光伏系统 |
| CN107393981B (zh) * | 2017-09-13 | 2023-08-15 | 李会欣 | 深置背极光伏电池组件、加工方法及光伏系统 |
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