KR20110077393A - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공정을 단순화함과 아울러 광효율을 증가시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 태양 전지는 기판 상에 복수 개의 마이크로 렌즈 형태로 형성된 유기막과; 상기 유기막 상에 상기 유기막을 따라 형성되며 나노 와이어로 이루어진 제1 전극과; 상기 제1 전극 상에 형성된 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성된 제2 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.
나노 와이어, 임프린트용 몰드
Description
본 발명은 공정을 단순화함과 아울러 광효율을 증가시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 차세대 청정 에너지원으로서 지난 수십 년간 많은 연구가 되어 왔다. 현재 상용화된 단결정 벌크 실리콘을 이용한 태양 전지는 높은 제조 단가 및 설치 비용으로 인하여 적극적인 활용이 이루어지지 못하는 상황이다. 이러한 비용 문제를 해결하기 위하여 박막형 태양전지에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 비정질 실리콘을 이용한 박막형 태양전지는 대면적 태양전지 모듈을 저가로 제작할 수 있는 기술로서 많은 관심을 끌고 있다.
종래 박막형 태양 전지는 태양 전지 내부로 입사되는 빛의 경로를 증가시켜 광효율을 증가시키기 위해 기판 상에 형성되는 전극의 표면을 요철형태로 형성한다.
그러나, 종래 전극의 표면을 요철 형태로 형성하기 위해서는 기판에 도전박막을 증착한 후 산(Acid)용액인 식각액을 이용한 습식식각 공정을 이용한다. 습식 식각 공정은 산용액인 식각액을 이용함으로써 다수번의 세정 공정이 필요하므로 공정이 복잡하고 비용이 상승하는 문제점이 있다. 또한, 습식 식각 공정을 이용하여 전극이 표면을 요철 형태로 형성하는 경우, 전극 손상을 최소화하기 위해서 요철의 형상 및 크기는 매우 제한적이기 때문에 광효율 증가에 한계가 있다.
또한, 종래 태양 전지의 제1 전극은 스퍼터링 방법을 통해 기판 상에 투명 도전막이 증착됨으로써 형성된다. 그러나, 스퍼터링 방법을 통해 형성된 제1 전극은 스트레스에 취약해 휘어지면 손상되므로 플렉서블(Flexible) 태양 전지에 적합하지 않다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 공정을 단순화함과 아울러 광효율을 증가시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양 전지는 기판 상에 복수 개의 마이크로 렌즈 형태로 형성된 유기막과; 상기 유기막 상에 상기 유기막을 따라 형성되며 나노 와이어로 이루어진 제1 전극과; 상기 제1 전극 상에 형성된 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성된 제2 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 렌즈는 상기 제1 전극을 향하도록 돌출된 다수개의 볼록 렌즈 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 나노 와이어는 은(Ag) 나노 와이어로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 렌즈 각각의 직경은 3~5㎛이며, 상기 마이크로 렌즈 간의 피치는 1~3㎛이며, 상기 나노 와이어의 크기는 수nm~수십nm인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법은 기판 상에 다수의 마이크로 렌즈 형태로 이루어진 유기막을 형성하는 단계와; 상기 유기막 상에 나노 와이어로 이루어진 제1 전극을 형성하는 단계와; 상기 제1 전극 상에 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유기막을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 액상 수지를 도포하는 단계와; 상기 액상 수지를 상기 마이크로 렌즈와 대응하는 영역에 오목 렌즈 형태의 홈을 가지는 임프린트용 몰드로 가압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법은 임프린트 공정을 통해 다수개의 마이크로 렌즈 형태를 가지는 유기막이 형성되고, 그 유기막을 따라 제1 전극의 표면이 다수개의 마이크로 렌즈 형태로 형성됨에 따라서 태양 전지 내부로 들어온 광의 경로를 증가시키므로 광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법은 제1 전극을 종래 스트레스에 약한 투명 도전막 대신에 스트레스에 강한 나노 와이어로 형성되므로 플렉서블 태양 전지에 적합하며, 나노 와이어에 의해 본 발명의 태양 전지의 광경로가 더 증가되므로 광경로 향상에 의한 효율이 상승된다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법은 마 이크로 렌즈 형태의 유기막을 임프린트 공정을 통해형성함으로써 산을 이용한 식각공정이 불필요하므로 공정을 단순화함과 아울러 비용을 절감할 수 있다.
이하, 첨부된 도면 및 실시 예를 통해 본 발명의 실시 예를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 전지를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 태양 전지(120)는 기판(101) 상에 순차적으로 형성되는 유기막(102)과, 제1 전극(104), 반도체층(106), 반사방지막(108) 및 제2 전극(110)을 구비한다.
유기막(102)은 기판(101) 상에 다수개의 마이크로 렌즈(122)를 가지도록 형성된다. 여기서, 마이크로 렌즈(122)는 제1 전극(104)을 향하도록 돌출된 다수개의 볼록 렌즈 형태로 형성된다. 이러한 마이크로 렌즈(122) 각각의 직경은 3~5㎛이며, 마이크로 렌즈(122) 간의 피치는 1~3㎛이다.
이러한 유기막(102)은 마이크로 렌즈(122)를 통해 입사되는 태양광의 경로를 증가시킨다. 즉, 기판(101)을 통해 유기막(102)에 입사된 광은 도 2a에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(122)의 곡률에 따라서 1차적으로 광경로가 증가된다.
제1 전극(104)은 유기막(102) 상에 유기막(102)을 따라 표면이 다수개의 마이크로 렌즈 형태로 형성됨으로써 태양 전지(120)의 표면적이 평면일 때보다 넓어져 광효율을 증가시킬 수 있어 더 많은 전력을 생성할 수 있다. 이 제1 전극(104)은 입사되는 태양광을 투과할 수 있는 나노 와이어(114)로 이루어진다. 이러한 제1 전극(104)의 나노 와이어(114)는 도 2b에 도시된 바와 같이 유기막(102)에 의해 광경로가 증가되지 못한 빛을 산란시켜 2차적으로 광경로를 증가시킨다.
제1 전극(104)의 나노 와이어(114)는 예를 들어, 은(Ag) 나노 와이어로 형성된다. 이러한 나노 와이어(114)는 도 3에 도시된 바와 같이 기다란 막대 모양으로 형성되어 서로 엉켜있는 구조로, 나노 와이어들(114) 사이로 태양광이 투과된다. 또한, 나노 와이어(114)의 크기는 수nm~수십 nm로 나노 사이즈이기 때문에 대부분의 태양광을 투과시킬 수 있다.
반도체층(106)은 외부로부터 입사되는 빛과 상호작용에 의해 전자와 정공이 발생되고, 그 전자는 n형 실리콘층으로, 정공은 p형 실리콘층으로 각각 확산하게 된다. 이때, n형 실리콘층와 p형 실리콘층을 결선하게 되면 전자 및 정공의 이동에 의해 전력이 생성되게 된다.
반사 방지막(108)은 반도체층(106) 상에 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위해 형성된다. 이러한 반사 방지막(108)은 유기막(106)의 마이크로 렌즈 형태를 따라 표면이 마이크로 렌즈 형태로 형성된 반도체층(106)의 표면을 평탄화시킨다.
제2 전극(110)은 반사방지막(108) 상에 알루미늄 또는 은과 같은 도전성 금속으로 이루어진다.
이와 같이, 본 발명에 따른 태양 전지는 다수개의 마이크로 렌즈 형태의 유기막(102)을 따라 제1 전극(104)의 표면이 다수개의 마이크로 렌즈 형태로 형성됨에 따라서 태양 전지(120) 내부로 들어온 광의 경로가 1차로 증가되고, 제1 전극(104)이 나노 와이어(114)를 포함하므로 광 경로가 2차로 증가되므로 광효율을 향상시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1에 도시된 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a에 도시된 바와 같이 기판(101) 상에 스핀 코팅 등의 방법으로 액상 수지(116)가 도포된다. 이 액상 수지(116) 상부에 임프린트(imprint)용 몰드(112)가 정렬된다. 임프린트용 몰드(112)는 돌출부(112a)와 홈(112b)을 가진다. 여기서, 홈(112b)은 추후에 형성될 유기막의 각 마이크로 렌즈(122)와 반대 형태의 오목 렌즈 형태으로 형성된다.
이러한 임프린트용 몰드(112)는 액상 수지(116)을 가압함과 동시에 액상 수지(116)은 자외선 등과 같은 광 또는 열에 의해 경화된다. 그러면, 액상 수지(116)가 임프린트용 몰드(112)의 홈(112b) 내로 이동한다. 이에 따라, 도 4b에 도시된 바와 같이 임프린트용 몰드(112)의 홈(112b)과 반전 전사된 형태의 다수개의 마이크로 렌즈(122)를 가지는 유기막(102)이 형성된다. 이와 같이, 유기막(102)이 형성된 기판(101)은 임프린트용 몰드(112)로부터 분리된다.
유기막(102)이 형성된 기판(101) 상에 도 4c에 도시된 바와 같이 제1 전극(104)이 형성된다. 즉, 제1 전극(104)은 나노 와이어(114)가 스핀 코팅 방식 또는 슬릿 코팅 방식을 통해 유기막이 형성된 기판(101) 상에 전면 도포됨으로써 형성된다. 이 경우, 스퍼터링 방식으로 형성되는 종래 제1 전극은 진공 상태에서 공정이 이루어지는 반면에 스핀 또는 슬릿 방식으로 형성되는 본 발명의 제1 전극(104)은 대기압(non-vacuum) 상태에서 공정이 이루어지므로 비용을 절감할 수 있 고 공정을 단순화할 수 있다. 또한, 스핀 또는 슬릿 방식으로 형성되는 본 발명의 제1 전극(104)은 스퍼터링 방식으로 형성되는 종래 제1 전극에 비해 탄성을 가지고 있으므로 플렉서블 태양 전지에 적용할 수 있다.
제1 전극(104)이 형성된 후, 제1 전극(104) 상에 도 4d에 도시된 바와 같이 반도체층(106)이 형성된다. 반도체층(106)은 P형 실리콘층 및 N형 실리콘층이 순차적으로 적층된 pn접합층으로서 CVD, PECVD 증착 공정을 통해 형성된다. 여기서, P형 실리콘층은 붕소(boron) 등의 제3족 원소인 p형 불순물이 도핑된 층이며, N형 실리콘층은 인(P:Phosphorous), 질소(N:Nitrogen) 등과 같이 n형의 불순물이 도핑(doping)된 층이다.
이러한 반도체층(106)이 형성된 후 반도체층(106) 상에 반사 방지막(108)이 형성된다. 반사 방지막(108)으로는 SiNx등으로 형성된다.
그런 다음, 반사 방지막(108) 상에 제2 전극(110)이 형성된다. 제2 전극(110)으로는 제1 전극(104)과 동일하게 투명 도전막 또는 알루미늄(Al) 또는 은(Ag) 등과 같은 불투명 재질로 형성된다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 나타내는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b 각각은 도 1에 도시된 유기막과 제1 도전막을 통해 광효율 증가를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 도 1에 도시된 나노 와이어를 상세히 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1에 도시된 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
102 : 유기막 104,110 : 전극
106 : 반도체층 108 : 반사방지막
114 : 나노 와이어
Claims (9)
- 기판 상에 복수 개의 마이크로 렌즈 형태로 형성된 유기막과;상기 유기막 상에 상기 유기막을 따라 형성되며 나노 와이어로 이루어진 제1 전극과;상기 제1 전극 상에 형성된 반도체층과;상기 반도체층 상에 형성된 제2 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는 상기 제1 전극을 향하도록 돌출된 다수개의 볼록 렌즈 형태인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 나노 와이어는 은(Ag) 나노 와이어로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈 각각의 직경은 3~5㎛이며, 상기 마이크로 렌즈 간의 피치는 1~3㎛이며, 상기 나노 와이어의 크기는 수nm~수십nm인 것을 특징으로 하는 태 양 전지.
- 기판 상에 다수의 마이크로 렌즈 형태로 이루어진 유기막을 형성하는 단계와;상기 유기막 상에 나노 와이어로 이루어진 제1 전극을 형성하는 단계와;상기 제1 전극 상에 반도체층을 형성하는 단계와;상기 반도체층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는 제1 전극을 향하도록 돌출된 다수개의 볼록 렌즈 형태인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 유기막을 형성하는 단계는상기 기판 상에 액상 수지를 도포하는 단계와;상기 액상 수지를 상기 마이크로 렌즈와 대응하는 영역에 오목 렌즈 형태의 홈을 가지는 임프린트용 몰드로 가압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 나노 와이어는 은(Ag) 나노 와이어로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 반구형 마이크로 렌즈 각각의 직경은 3~5㎛이며, 상기 마이크로 렌즈 간의 피치는 1~3㎛이며, 상기 나노 와이어의 크기는 수nm~수십nm인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200056902A (ko) * | 2018-11-15 | 2020-05-25 | 금오공과대학교 산학협력단 | 양면에 일체화된 요철구조를 갖는 금속 나노와이어 함침형 투명전극 및 이의 제조방법 |
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2009
- 2009-12-30 KR KR1020090133955A patent/KR20110077393A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200056902A (ko) * | 2018-11-15 | 2020-05-25 | 금오공과대학교 산학협력단 | 양면에 일체화된 요철구조를 갖는 금속 나노와이어 함침형 투명전극 및 이의 제조방법 |
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