KR20110087378A - Silicon thin film solar cells using periodic or random metal nanoparticle layer and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 불규칙적인 또는 규칙적인 배열의 금속 나노 입자 층을 이용한 실리콘 박막 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 유리 기판과 투명 전도체 층 사이의 비결정질 실리콘 태양 전지 층 또는 미결정질 태양 전지 층과 후면 반사 및 전극 층 사이에 불규칙적인 또는 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층을 형성하여 표면 텍스쳐링(texturing) 효과와 국부 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)에 의해 광 흡수 효율을 향상시키는 실리콘 박막 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to silicon thin film solar cells using irregular or regular arrays of metal nanoparticle layers and methods for their fabrication, in particular amorphous silicon solar cell layers or microcrystalline solar cell layers and rear surfaces between glass substrates and transparent conductor layers. Silicon thin films that form irregular or regular arrays of metal nanoparticles between reflective and electrode layers to improve light absorption efficiency by surface texturing effects and localized surface plasmon resonance (LSPR) A solar cell and a method of manufacturing the same.
일반적으로 태양 전지의 기본 구조는 반도체의 pn접합으로 반도체의 에너지 밴드갭(band-gap)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 상기 전자-정공이 pn접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 광기전력이 발생하게 되는데 이때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생성한다.In general, the basic structure of a solar cell is a pn junction of a semiconductor, when solar light having energy greater than the energy band-gap of the semiconductor is incident, an electron-hole pair is generated, and the electron-hole is formed in an electric field formed in the pn junction. As the electrons are gathered into the n-layer and the holes are gathered into the p-layer, photovoltaic power is generated between pn. At this time, when a load is connected to the electrodes at both ends, current flows to generate power.
현재 태양 전지 모듈 시장의 대부분을 차지하고 있는 단결정 또는 다결정 벌크 실리콘을 이용한 태양 전지는 원재료비가 비싸고, 공정 자체가 복잡하여 가격의 절감 측면에서 한계가 있을 수 밖에 없다. Solar cells using monocrystalline or polycrystalline bulk silicon, which currently occupy most of the solar cell module market, are expensive in terms of raw materials, and the process itself is complicated.
이러한 문제점을 해결하기 위해 유리와 같은 값싼 기판 위에 박막 형태의 태양 전지를 증착시키는 박막 태양 전지 기술이 주목 받고 있다. 박막 태양 전지는 크게 실리콘 박막 태양 전지와 화합물 박막 태양 잔지가 있다. 실리콘 박막 태양 전지는 TFT-LCD 생산 기술을 기반으로 하고 있고, 가장 일반적인 재료이면서 인체 유해성이 없는 실리콘을 기반으로 하기 때문에 차세대 태양 전지로 각광을 받고 있다. In order to solve this problem, a thin film solar cell technology that deposits a thin film solar cell on an inexpensive substrate such as glass has attracted attention. Thin film solar cells are largely divided into silicon thin film solar cells and compound thin film solar balance. Silicon thin film solar cells are based on TFT-LCD production technology and are attracting attention as next generation solar cells because they are based on silicon which is the most common material and has no human hazard.
종래 기술에 의한 실리콘 박막 태양 전지는 도 1과 도 2에 도시된 것과 같다.The silicon thin film solar cell according to the prior art is as shown in FIGS. 1 and 2.
도 1은 단일 접합 구조로 비결정질 혹은 미결정질 실리콘 중 하나의 박막을 광 흡수층으로 하는 박막형 태양 전지이다. 1 is a thin film solar cell having a single junction structure in which a thin film of amorphous or microcrystalline silicon is a light absorbing layer.
도 1을 참조하면, 단일 접합 구조는 가장 단순한 구조이면서도 제조원가가 매우 싸다는 장점이 있으나 광전 변환 효율이 6~7%대로 그리 높지 않다. Referring to FIG. 1, the single junction structure has the advantage of being the simplest structure and the very low manufacturing cost, but the photoelectric conversion efficiency is not so high as 6-7%.
도 2는 이중 접합 구조로 비결정질 실리콘 박막과 미결정질 실리콘 박막의 두 개 광흡수층을 갖는다. 2 is a double junction structure having two light absorption layers, an amorphous silicon thin film and a microcrystalline silicon thin film.
도 2를 참조하면, 이중 정합 구조는 9~11%대의 광전 변환 효율을 보여준다. 향후 실리콘 박막 태양 전지의 시장 점유율이 높아지기 위해서는 12%대 이상의 높은 광전 변환 효율이 요구되어진다.Referring to FIG. 2, the double matched structure shows photoelectric conversion efficiency in the range of 9-11%. In order to increase the market share of silicon thin film solar cells in the future, high photoelectric conversion efficiency of more than 12% is required.
본 발명은 불규칙적인 또는 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층을 이용하여 실리콘 박막 태양 전지의 흡수효율을 향상시키는 방법을 제공한다.The present invention provides a method of improving the absorption efficiency of a silicon thin film solar cell by using a metal nanoparticle layer having an irregular or regular arrangement.
또한 본 발명은 유리 기판과 투명 전도체 층 사이, 비결정질 실리콘 태양 전지 층 또는 미결정질 태양 전지 층과 후면 반사 및 전극 층 사이에 불규칙적인 또는 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층을 형성하여 표면 텍스쳐링(texturing) 효과와 국부 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)에 의해 광 흡수 효율을 향상시키는 방법을 제공한다.The present invention also provides surface texturing by forming a layer of metal nanoparticles having an irregular or regular arrangement between a glass substrate and a transparent conductor layer, between an amorphous silicon solar cell layer or a microcrystalline solar cell layer and a back reflection and electrode layer. Effect and Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) provides a method for improving light absorption efficiency.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 박막 태양 전지는 유리 기판과 투명 전도체 층 사이, 비결정질 실리콘 태양 전지 층 또는 미결정질 태양 전지 층과 후면 반사 및 전극 층 사이에 불규칙적인 또는 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층이 형성된다. The silicon thin film solar cell according to the embodiment of the present invention is a metal nano having an irregular or regular arrangement between a glass substrate and a transparent conductor layer, an amorphous silicon solar cell layer or a microcrystalline solar cell layer and a back reflection and electrode layer. A particle layer is formed.
본 발명의 일측면에서 상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)이 사용될 수 있다. In one aspect of the present invention, the metal may be gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or aluminum (Al).
또한 본 발명의 일측면에서 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층은 스퍼터링 후 열처리를 통하여 형성될 수 있다. In addition, the metal nanoparticle layer having an irregular arrangement in one aspect of the present invention may be formed through heat treatment after sputtering.
또한 본 발명의 일측면에서 상기 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층은 실리카 및 폴리스티렌 구를 이용하여 제작될 수 있다. In addition, in one aspect of the present invention, the metal nanoparticle layer having the regular arrangement may be manufactured using silica and polystyrene spheres.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 박막 태양 전지의 제조 방법은 유리기판 위에 금속 나노 입자 층을 형성한 후 투명 전도체 층과 비결정질 실리콘 태양 전지 층을 차례로 적층하고, 그 위에 다시 금속 나노 입자 층을 형성한 후 후면 반사 층 및 전극을 형성한다. In addition, in the method of manufacturing a silicon thin film solar cell according to an embodiment of the present invention, after forming a metal nanoparticle layer on a glass substrate, the transparent conductor layer and the amorphous silicon solar cell layer are sequentially stacked, and the metal nanoparticle layer is again formed thereon. After forming, the back reflecting layer and the electrode are formed.
본 발명은 불규칙적인 또는 규칙적인 배열을 갖는 금속나노 입자 층을 이용하여 실리콘 박막 태양 전지를 형성하게 되면 이러한 금속 나노 입자 층이 빛을 산란시키거나 또는 국부 표면 플라즈몬 공명을 일으켜 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 광전 변환 효율을 향상시켜 실리콘 박막 태양 전지의 상용화에 기여할 수 있다. When the silicon thin film solar cell is formed using a metal nanoparticle layer having an irregular or regular array, the metal nanoparticle layer may scatter light or generate local surface plasmon resonance to improve light absorption efficiency. This may contribute to the commercialization of silicon thin film solar cells by improving the photoelectric conversion efficiency.
도 1은 종래 기술에 의한 단일 접합 실리콘 박막 태양 전지의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 의한 이중 접합 실리콘 박막 태양 전지의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 박막 태양 전지를 제작하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 유리 기판 위에 금속 나노 입자 층을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 4에서 제작된 기판 위에 투명 전도체 층과 비결정질 실리콘 태양 전지 층을 형성하는 단계를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5까지 제작된 박막 위에 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 도 5까지 제작된 박막 위에 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 도 6 또는 도 7까지 제작된 박막 위에 후면 반사 층 및 전극을 형성하는 단계를 나타낸 단면도이다. 1 is a view showing an example of a single junction silicon thin film solar cell according to the prior art.
2 is a view showing an example of a conventional double-junction silicon thin film solar cell.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a silicon thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a metal nanoparticle layer on a glass substrate.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a transparent conductor layer and an amorphous silicon solar cell layer on the substrate fabricated in FIG. 4.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a metal nanoparticle layer having an irregular arrangement on a thin film manufactured to FIG. 5.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a metal nanoparticle layer having a regular arrangement on a thin film manufactured to FIG. 5.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a back reflection layer and an electrode on the thin film manufactured to FIGS. 6 or 7.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 실리콘 박막 태양 전지 및 그 제작 방법을 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings an embodiment of the present invention will be described in detail a silicon thin film solar cell and its manufacturing method.
도 3은 본 발명의 일시예에 따른 실리콘 박막 태양 전지를 제작하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a silicon thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 박막 태양 전지를 제작하는 방법은 편의상 단일 접합 실리콘 박막 태양 전지에 대해 나타낸 것이며, 이중 접합 실리콘 박막 태양 전지에 대해서도 동일하게 적용될 수 있음을 명시한다. The method of fabricating a silicon thin film solar cell according to an embodiment of the present invention is shown for convenience of a single junction silicon thin film solar cell, and the same applies to a double junction silicon thin film solar cell.
도 3을 참조하면, 우선 유리 기판 위에 금속 나노 입자 층을 형성한 후(310) 투명 전도체 층과 비결정질 실리콘 태양 전지 층을 차례로 적층하고(320, 330), 그 위에 다시 금속 나노 입자 층을 형성한 후(340) 후면 반사 층 및 전극을 형성한다(350). 이하 보다 구체적인 과정은 아래의 도면을 참조하여 설명하기로 한다. Referring to FIG. 3, first, a metal nanoparticle layer is formed on a glass substrate (310), and then a transparent conductor layer and an amorphous silicon solar cell layer are sequentially stacked (320, 330), and the metal nanoparticle layer is formed again thereon. A back reflective layer and an electrode are then formed (340) (350). A more detailed process will be described below with reference to the drawings below.
도 4는 유리 기판(1) 위에 금속 나노 입자 층(7)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view for explaining a step of forming the
우선 유리 기판 위에 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 금속 박막(6)을 증착한 후 온도와 시간을 변수로 열처리를 해주면 유리기판 위에 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층(7)이 형성된다. 이때 금속 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al)등이 사용될 수 있고, 크기는 100~600nm, 높이는 50~200nm 정도가 될 것이다.First, the metal thin film 6 is deposited on the glass substrate by sputtering, and then heat-treated with a variable temperature and time to form a
도 5는 도 4에서 제작된 기판 위에 투명 전도체 층(2)과 비결정질 실리콘 태양 전지 층(3)을 형성하는 단계를 나타낸 단면도이다. FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a
투명 전도체 층(Transparent Conducting Oxide, TCO)(2)은 ITO, ZnO 등이 사용될 수 있고, 스퍼터링(Sputtering) 혹은 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)법을 이용하여 증착한다. 그 위에 비결정질 실리콘 박막은 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)법을 이용하여 증착한다. The transparent conductor layer (TCO) 2 may be ITO, ZnO, or the like, and is deposited by sputtering or low pressure chemical vapor deposition (LPCVD). The amorphous silicon thin film is deposited thereon using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method.
유리 기판 위에 증착된 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층(7)으로 인해 투명 전도체 층 및 비결정질 실리콘 태양 전지 층의 표면에 불규칙적인 굴곡이 있음을 알 수 있다. It can be seen that due to the irregular arrangement of
유리 기판을 통하여 들어온 빛은 불규칙적인 표면 굴곡으로 인해 광 경로가 증가하게 되고 태양 전지 층의 광 흡수율이 증가하게 된다. Light entering through the glass substrate increases the light path due to irregular surface curvature and increases the light absorption of the solar cell layer.
또한 유리 기판 위에 형성된 금속 나노 입자는 특정한 파장에서 국부 표면 플라즈몬 공명을 일으키고 광 흡수율이 증가하게 된다. In addition, the metal nanoparticles formed on the glass substrate cause local surface plasmon resonance at a specific wavelength and increase light absorption.
도 6은 도 5까지 제작된 박막 위에 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층(9)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a step of forming the
도 4의 방법과 같이 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 금속 박막(8)을 증착한 후 온도와 시간을 변수로 열처리를 해주면 유리기판 위에 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층(9)이 형성된다. 이때 금속 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al)등이 사용될 수 있고, 크기는 100~600nm, 높이는 50~200nm 정도가 될 것이다. When the metal
도 7은 도 5까지 제작된 박막 위에 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층(11)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. FIG. 7 is a cross-sectional view for describing a step of forming the metal nanoparticle layer 11 having a regular arrangement on the thin film manufactured to FIG. 5.
도 7을 참조하면, 도 5까지 제작된 박막 위에 실리카 혹은 폴리스티렌 구(10)를 스핀코팅(spin coating)하면 규칙적인 배열을 갖는 실리카 혹은 폴리스티렌 단층(monolayer)이 형성된다. 그 위에 스퍼터링을 이용하여 금속 박막(8)을 증착한 후 실리카 혹은 폴리스티렌 구를 제거하면 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층(11)이 형성된다. 상기 실리카 혹은 폴리스티렌 구는 산란부(scatterer)의 역할을 하기 때문에 제거하지 않아도 된다. Referring to FIG. 7, when the silica or
도 6에서 형성된 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층(9) 및 도 7에서 형성된 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층(11)은 비결정질 실리콘 태양 전지 층에 흡수되지 않은 빛들을 산란시켜 광 경로를 증가시키고, 그로 인해 광 흡수율을 증가시키는 역할과 국부 표면 플라즈몬 공명현상으로 비결정질 실리콘 태양 전지의 광 흡수율을 증가시키는 역할을 동시에 수행한다. The
도 8은 도 6 또는 도 7까지 제작된 박막 위에 후면 반사 층 및 전극(4)을 형성하는 단계를 나타낸 단면도이다. FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a back reflection layer and an electrode 4 on the thin film manufactured to FIGS. 6 or 7.
따라서, 본 발명은 불규칙적인 또는 규칙적인 배열을 갖는 금속나노 입자 층을 이용하여 실리콘 박막 태양 전지를 형성하게 되면 이러한 금속 나노 입자 층이 빛을 산란시키거나 또는 국부 표면 플라즈몬 공명을 일으켜 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. Therefore, when the silicon thin film solar cell is formed using a metal nanoparticle layer having an irregular or regular arrangement, the metal nanoparticle layer scatters light or causes local surface plasmon resonance to improve light absorption efficiency. Can be improved.
또한 본 발명은 광전 변환 효율을 향상시켜 실리콘 박막 태양 전지의 상용화에 기여할 수 있는 실리콘 박막 태양 전지를 제작하는 방법을 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide a method of manufacturing a silicon thin film solar cell that can contribute to the commercialization of the silicon thin film solar cell by improving the photoelectric conversion efficiency.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.
1: 유리 기판
2: 투명 전도체 층 (Transparent Conductive Oxide, TCO)
3: 비결정질(amorphous crystalline) 실리콘 태양 전지 층
4: 후면 반사 층 및 전극
5: 미결정질(micro crystalline) 실리콘 태양 전지 층
6: 유리 기판 위에 증착된 금속 박막
7: 유리 기판 위에 형성된 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층
8: 비결정질 실리콘 또는 미결정질 실리콘 태양 전지 층 위에 증착된 금속 박막
9: 비결정질 실리콘 또는 미결정질 실리콘 태양 전지 층 위에 형성된 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층
10: 실리카 또는 폴리스티렌 구
11: 비결정질 실리콘 또는 미결정질 실리콘 태양 전지 층 위에 형성된 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층1: glass substrate
2: transparent conductive oxide (TCO)
3: amorphous crystalline silicon solar cell layer
4: rear reflective layer and electrode
5: micro crystalline silicon solar cell layer
6: metal thin film deposited on glass substrate
7: Metal nanoparticle layer with irregular arrangement formed on glass substrate
8: Metallic Thin Film Deposited on Amorphous Silicon or Microcrystalline Silicon Solar Cell Layer
9: Metal Nanoparticle Layer with Irregular Arrangement Formed on Amorphous Silicon or Microcrystalline Silicon Solar Cell Layer
10: silica or polystyrene sphere
11: Metal nanoparticle layer with regular array formed over amorphous silicon or microcrystalline silicon solar cell layer
Claims (5)
상기 금속은,
금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)이 사용되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 태양 전지.The method of claim 1,
The metal,
A silicon thin film solar cell, wherein gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or aluminum (Al) is used.
상기 불규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층은,
스퍼터링 후 열처리를 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 태양 전지. The method of claim 1,
Metal nanoparticle layer having an irregular arrangement,
Silicon thin film solar cell, characterized in that formed through heat treatment after sputtering.
상기 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노 입자 층은,
실리카 및 폴리스티렌 구를 이용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 태양 전지.The method of claim 1,
The metal nanoparticle layer having the regular arrangement,
A silicon thin film solar cell, which is produced using silica and polystyrene spheres.
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