KR20120010920A - 박막 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

박막 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 박막 태양전지는 나노 크기의 패턴이나 폴리머(polymer)를 갖는 초소수성(superhydrophobic) 마이크로 구를 기판 외부 표면에 배치하여 수증기나 먼지 등을 자기세정(self cleaning)함으로써 박막 태양전지의 효율을 일정하게 유지하여 극대화하기 위한 것으로, 기판 위에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층 위에 형성되어 광흡수층으로 사용되는 적어도 하나의 셀; 상기 셀 위에 형성된 후면 반사층; 상기 투명전극층이 형성된 기판의 반대편에 형성되며, 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층; 및 상기 점착층 위에 형성되는 초소수성 마이크로 구를 포함한다.
또한, 상기 본 발명의 박막 태양전지는 셀의 입사면에 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층을 형성하여 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 셀 내부로 흡수하거나 흡수된 태양광을 셀 내부에 가두어 둠으로써 태양광의 흡수 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

Description

박막 태양전지 및 그 제조방법{THIN FILM SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 크기를 갖는 금속입자를 활용하여 태양광의 흡수 효율을 향상시키는 한편, 외부의 이물질을 자기세정하여 광효율을 일정하게 유지하여 극대화하도록 한 박막 태양전지 및 그 제조방법에 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(photovoltaic 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 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배에 의한 확산으로 전하(charge)의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다. 이와 같은 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드 갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우에 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excitation)된다. 이때, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 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 n형 반도체의 소수 캐리어인 정공은 p형 반도체 쪽으로 각각 이동할 수 있다. 상기 소수 캐리어의 확산에 의해 pn 접합 다이오드 내부에 전위 차(potential drop)가 생기게 되며, 상기 pn 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 태양전지로서 작용하게 된다.
상기와 같은 태양전지는 이에 사용되는 재료에 따라 크게 실리콘 계, 화합물 계, 유기물 계로 분류될 수 있다.
그리고, 실리콘 계 태양전지는 반도체의 상(phase)에 따라 세부적으로 단결정(single crystalline) 실리콘, 다결정(polycrystalline) 실리콘, 비정질(amorphous) 실리콘 태양전지로 분류된다.
또한, 태양전지는 반도체층의 두께에 따라 벌크(bulk)형 태양전지와 박막 태양전지로 분류되는데, 박막 태양전지는 반도체층의 두께가 수㎛ 내지 수십㎛ 이하의 태양전지이다.
이하, 도면을 참조하여 일반적인 박막 태양전지에 대해서 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도로써, 비정질 실리콘 박막 태양전지를 예를 들어 나타내고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 박막 태양전지는 기판(10), 상기 기판(10) 위에 형성된 투명전극층(11), 상기 투명전극층(11) 위에 형성되고 비정질 실리콘으로 이루어진 반도체층(12, 13, 14) 및 상기 반도체층(12, 13, 14) 위에 형성된 후면 반사(back reflector)층(15)과 전극층(16)으로 구성된다.
상기 투명전극층(11)은 외부로부터 기판(10)을 통해 입사된 태양광의 투과를 위하여 투명한 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO)을 재료로 하여 형성된다.
상기 반도체층(12, 13, 14)은 상기 투명전극층(11) 위에 형성된 p+형 실리콘층(12)과 상기 p+형 실리콘층(12) 위에 형성된 진성(intrinsic) 실리콘층(13) 및 상기 진성 실리콘층(13) 위에 형성된 n+형 실리콘층(14)을 포함한 pin구조를 가진다.
이와 같이 상기 진성 실리콘층(13)을 구성하는 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막은 물질 자체의 특성으로 인해 캐리어의 확산거리가 결정질 실리콘에 비해 매우 낮아 일반적으로 비정질 실리콘 박막 태양전지는 p+형 실리콘층(12)과 n+형 실리콘층(14) 사이에 불순물이 첨가되지 않은(intrinsic) 비정질 실리콘층(13)을 삽입하여 pin 구조를 갖는다.
이때, 상기 pin 구조에서는 태양광은 p+형 실리콘층(12)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘층(13)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘층(13)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 p+형 실리콘층(12)과 n+형 실리콘층(14)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 따라서 입사광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의해 이동(drift)하게 된다.
그런데, 일반적인 비정질 실리콘 박막 태양전지는 태양광에서 받은 에너지가 전류로 생성되지 못하고 손실되는 다양한 원인이 존재하여 광효율이 낮은 문제점이 있다.
도 2는 일반적인 박막 태양전지에 있어서, 태양광의 에너지가 손실되는 원인을 구분하여 나타내는 예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, ①은 태양광이 셀 외부로 빠져나가는 경우를 나타내며, ②와 같이 밴드 갭(Eg)보다 매우 큰 에너지로 전이될 경우 밴드 갭을 초과하는 에너지는 반도체 격자를 진동시키는 열(포논 발생)로 손실된다.
또한, ③ 및 ④와 같이 접합(junction), 전극-접촉에 의해 전압이 손실되며, ⑤와 같이 전자와 정공이 재결합하게 되면 태양광에 의해서 생성된 전류가 손실된다.
현재 상업용 박막 태양전지의 효율은 재료, 소자 구조에 따라 5% ~ 11% 수준이며 결정형 실리콘 태양전지와 가격측면에서 경쟁하고 있지만 앞으로 시장점유율이 증가될 것으로 예측된다.
이때, 단일층으로 이루어진 태양전지의 단점은 주어진 반도체 물질의 밴드 갭(Eg)보다 매우 큰 태양광 에너지(E)가 공급되면 그 에너지 차이(E-Eg)만큼 전력으로 변환되지 못하고, 열이나 다른 형태의 에너지로 소모되는 것이다. 예를 들어, 단결정 실리콘(Eg = 1.17eV)의 경우 이론적인 최고 효율은 33%이하일 것으로 예측되나 실제 셀 효율은 25% 수준이다. 그러나, 위쪽에서 아래쪽 방향으로 갈수록 밴드 갭이 감소되도록(예: Eg1 > Eg2 > Eg3) 셀을 적층(tandem) 한다면 위쪽 셀부터 짧은 파장의 빛을 흡수하도록 함으로써 각 셀에 대해서 밴드 갭을 초과하는 에너지 공급을 최소화하여 전체 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
도 3은 일반적인 적층 셀 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 적층 셀 구조의 박막 태양전지는 투명한 기판(10) 위에 태양광이 입사되는 방향으로부터 차례대로 투명전극층(11), 제 1 셀(I), 제 2 셀(II), 제 3 셀(III), 후면 반사층(15) 및 전극층(16)이 형성되어 3층으로 셀이 적층된 구조를 갖는다.
이때, 상기 제 1 셀(I)은 상대적으로 가장 큰 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되며, 투명전극층(11) 위에 차례대로 제 1 p+형 실리콘층(12a), 비정질 실리콘층(13a), 제 1 n+형 실리콘층(14a)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 2 셀(II)은 상대적으로 중간 크기의 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘 게르마늄(a-SiGe:H)층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 1 셀(I) 위에 차례대로 제 2 p+형 실리콘층(12b), 비정질 실리콘 게르마늄층(13b), 제 2 n+형 실리콘층(14b)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 3 셀(III)은 상대적으로 가장 작은 크기의 밴드 갭을 가진 마이크로 결정질 실리콘(μc-Si:H)층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 2 셀(II) 위에 차례대로 제 3 p+형 실리콘층(12c), 마이크로 결정질 실리콘층(13c), 제 3 n+형 실리콘층(14c)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
이때, 상기 적층의 pin 구조에서는 단파장의 태양광은 제 1 p+형 실리콘층(12a)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘층(13a)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘층(13a)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 1 p+형 실리콘층(12a)과 제 1 n+형 실리콘층(14a)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 따라서 입사광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
또한, 상기 비정질 실리콘층(13a)에 흡수되지 않고 투과한 중간 파장의 태양광은 제 2 p+형 실리콘층(12b)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘 게르마늄층(13b)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(13b)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 2 p+형 실리콘층(12b)과 제 2 n+형 실리콘층(14b)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
상기 비정질 실리콘층(13a)과 비정질 실리콘 게르마늄층(13b)에 흡수되지 않고 투과한 장파장의 태양광은 제 3 p+형 실리콘층(12c)을 통해 광흡수층인 마이크로 결정질 실리콘층(13c)으로 입사되는데, 상기 마이크로 결정질 실리콘층(13c)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 3 p+형 실리콘층(12c)과 제 3 n+형 실리콘층(14c)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
여기서, 상기 적층 셀 구조의 박막 태양전지는 광흡수층으로 서로 다른 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘층, 비정질 실리콘 게르마늄층 및 마이크로 결정질 실리콘층을 이용함으로써 태양광의 단파장과 장파장에 대한 효율적인 활용이 가능하게 되어 태양전지의 광효율을 증가시킬 수 있게 된다. 다만, 상기의 구조에서도 태양광의 많은 부분(특히, 1100nm를 중심으로 한 장파장 대역)은 여전히 흡수되지 않는데, 이를 도면을 통해 추가적으로 설명한다.
도 4는 태양광 스펙트럼 및 상기 도 3에 도시된 적층 셀 구조의 박막 태양전지에 의해 흡수되는 광 에너지 밴드를 비교하여 나타내는 그래프이다.
이때, 상기 도 4는 AM1.5 조건의 태양광 스펙트럼을 나타내는데, 지구의 표면에서 받는 태양광 영향을 AM(Air Mass)으로 정의할 수 있다. 수학적으로 태양과 지구의 천정(zenith)사이의 각의 시컨트(secant)와 관계되어 있으며, AM이 0이면(AM0) 지구 대기 밖의 태양광 스펙트럼을 나타낸다. AM1은 각도가 0°일 때, AM2는 각도가 60°일 때이며, 일반적으로 AM1.5(48°)를 평균 태양광 스펙트럼 발광(irradiance)으로 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 적층 셀 구조의 박막 태양전지에서도 일부의 태양광이 흡수되지 않고 있으며, 특히 장파장 대역에서 입사되는 태양광의 상당한 부분이 흡수되지 않는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 2㎛ 수준의 두께를 갖는 결정질 실리콘 박막에 입사되는 태양광의 많은 부분(1100nm를 중심으로 한 장파장 대역)은 여전히 흡수되지 않는 것을 알 수 있다.
한편, 상당한 두께를 갖는 광 흡수 재료는 캐리어(전자 또는 홀)들의 확산(diffusion) 길이보다 크기 때문에 캐리어들이 전극 쪽으로 이동하여 수집되기 이전에, 전자-홀간의 재결합 과정에 의하여 캐리어들이 소실되는 문제가 생긴다. 고효율의 박막 태양전지를 만들려면 캐리어들이 쉽게 수집되도록 하기 위해 광흡수층의 두께를 캐리어의 확산 길이보다 수 배정도 작게 설계해야 한다. 결국 박막 태양전지에서 박막을 충분히 얇게 하면서 동시에 셀 내부의 광 흡수율을 증가시켜야 하는 요구가 발생된다.
따라서, 광 흡수율을 증가시키기 위해 박막 태양전지의 본질적인 박막 구조에 크게 영향을 끼치지 않으면서도 빛이 셀 내부에 속박되도록 만드는 나노 크기 영역의 두께를 갖는 구조를 구비할 필요가 있다.
또한, 일반적인 박막 태양전지는 미세 먼지 또는 수증기가 많은 실외에서 사용할 경우 상기 박막 태양전지 표면에 소정의 두께 이상으로 이물질들이 쌓이게 되면, 입사광이 박막 태양전지의 셀 내로 진입하지 못하는 문제점이 발생하게 된다.
도 5는 일반적인 박막 태양전지에 있어서, 표면에 이물질의 부착으로 효율이 저하되는 상태를 설명하기 위한 예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 먼지와 같은 이물질(70)들이 박막 태양전지의 기판(10) 표면에 부착되면, 상기 이물질(70)들이 쌓인 이물질 층으로는 입사광이 투과되지 못하여 입사광의 일부는 반도체층(12, 13, 14) 내로 진입이 불가능하게 된다. 그 결과 박막 태양전지의 광효율이 저하되게 된다.
이때, 효율 저하를 방지하기 위해 기판(10) 표면을 자주 세정시켜줘야 하며, 따라서 기상 변화가 큰 곳에는 태양발전 시설을 설치하기 어려워지게 된다.
또한, 이러한 문제는 공기 중에 부유(浮游) 먼지가 많이 생기는 계절 또는 건조 지역에서 박막 태양전지의 설치에 큰 어려움을 초래하며, 이슬 같은 물방울들이 자주 맺히는 습한 지역에서도 실외에 박막 태양전지를 설치할 때 어렵게 된다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 나노 크기의 금속입자에 의한 적층 셀 구조를 활용하여 태양광의 흡수 효율을 향상시키도록 한 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 자기세정 기능을 가진 초소수성 마이크로 구를 기판 표면에 배치하여 수증기나 먼지 등을 자기세정함으로써 수증기나 먼지가 많이 발생하는 야외에서도 광효율을 일정하게 유지하도록 한 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 박막 태양전지는 기판 위에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층 위에 형성되어 광흡수층으로 사용되는 적어도 하나의 셀; 상기 셀 위에 형성된 후면 반사층; 상기 투명전극층이 형성된 기판의 반대편에 형성되며, 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층; 및 상기 점착층 위에 형성되는 초소수성 마이크로 구를 포함한다.
이때, 상기 셀은 비정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 1 셀, 비정질 실리콘 게르마늄층이 광흡수층으로 사용되는 제 2 셀 및 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 3 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 셀은 상기 투명전극층 위에 차례대로 n+형 반도체층, 진성 반도체층 및 p+형 반도체층이 형성되어 pin 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 초소수성 마이크로 구는 골프 공처럼 그 표면이 분화구 형태로 촘촘히 파인 소수성 패턴을 가지거나, 표면에 소수성 폴리머 기를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 수십에서 수백 나노미터의 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 크기 및 소정의 주기성을 갖는 배열에 의해서 태양광 스펙트럼 밴드를 선택적으로 강하게 산란시키는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층은 광학적으로 투명하고 UV와 같은 광이나 열에 의해 경화될 수 있는 접착성 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 구는 광학적으로 투명한 것을 특징으로 한다.
다수개의 상기 마이크로 구는 상기 점착층 위에 삼각형 배열을 형성하거나 직사각형 배열을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 박막 태양전지는 기판 위에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층 위에 형성되어 광흡수층으로 사용되는 적어도 하나의 셀; 상기 셀 위에 형성된 후면 반사층; 및 상기 투명전극층이 형성된 기판의 반대편에 형성되며, 그 표면에 나노 크기의 패턴이나 소수성 폴리머를 갖아 수증기나 먼지 등을 자기세정하는 초소수성 마이크로 구를 포함한다.
본 발명의 박막 태양전지의 제조방법은 기판 위에 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 투명전극층 위에 광흡수층으로 사용되는 적어도 하나의 셀을 형성하는 단계; 상기 셀 위에 후면 반사층을 형성하는 단계; 상기 투명전극층이 형성된 기판의 반대편에 형성되되, 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층을 형성하는 단계; 및 상기 점착층 위에 초소수성 마이크로 구를 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 셀을 형성하는 단계는 상기 투명전극층 위에 비정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 1 셀을 형성하는 단계; 상기 제 1 셀 위에 비정질 실리콘 게르마늄층이 광흡수층으로 사용되는 제 2 셀을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 셀 위에 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 3 셀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 셀을 형성하는 단계는 상기 투명전극층 위에 n+형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n+형 반도체층 위에 진성 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 진성 반도체층 위에 p+형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자는 전자빔 리소그래피, 이온빔 밀링, 나노구 리소그래피, 나노 임프린팅, 블록 공중합체에 의한 상 분리법, 포토리소그래피 및 레이저 간섭 리소그래피 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층을 기판 표면에 형성함으로써 최상층에 입사되는 태양광의 흡수 효율을 증가시키는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은 나노 크기의 패턴이나 폴리머를 갖는 초소수성 마이크로 구를 상기 점착층 위에 배치하여 수증기나 먼지 등을 자기세정함으로써 박막 태양전지의 표면을 청결하게 유지하는 동시에 효율을 일정하게 유지할 수 있게 된다. 그 결과 태양광의 전기에너지로의 전환 효율을 극대화할 수 있는 효과를 제공한다. 이때, 이와 같은 자기세정 기능 및 효과는 반영구적인 이점이 있다.
도 1은 일반적인 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 2는 일반적인 박막 태양전지에 있어서, 태양광의 에너지가 손실되는 원인을 구분하여 나타내는 예시도.
도 3은 일반적인 적층 셀 구조의 박막 태양전지를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 4는 태양광 스펙트럼 및 상기 도 3에 도시된 적층 셀 구조의 박막 태양전지에 의해 흡수되는 광 에너지 밴드를 비교하여 나타내는 그래프.
도 5는 일반적인 박막 태양전지에 있어서, 표면에 이물질의 부착으로 효율이 저하되는 상태를 설명하기 위한 예시도.
도 6은 나노 크기의 금속입자에 의한 태양광의 선택적 산란 및 빛의 구속 현상을 개념적으로 나타내는 단면도.
도 7a는 일반적인 박막 태양전지에 있어, 셀 내부에서의 광 흡수 프로파일(profile)을 보여주기 위한 사시도.
도 7b는 상기 도 7a에 도시된 일반적인 박막 태양전지의 단위 부피당 광 흡수도(optical absorption)를 보여주는 광 흡수 프로파일.
도 8a는 본 발명에 따른 박막 태양전지에 있어, 셀 내부에서의 광 흡수 프로파일을 보여주기 위한 사시도.
도 8b는 상기 도 8a에 도시된 본 발명에 따른 박막 태양전지의 단위 부피당 광 흡수도를 보여주는 광 흡수 프로파일.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 10a는 연잎 표면에 맺힌 물방울을 나타내는 사진.
도 10b는 연잎 표면에 돋아있는 돌기들의 배열을 보여주는 현미경 사진.
도 11a 및 도 11b는 상기 도 9에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지에 있어서, 초소수성 마이크로 구에 의한 자기세정 효과를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 12a 내지 도 12f는 상기 도 9에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 초소수성 마이크로 구의 형태를 예를 들어 나타내는 예시도.
도 14a 및 도 14b는 본 발명에 따른 초소수성 마이크로 구들에 의한 삼각형 배열을 개략적으로 나타내는 평면도 및 단면도.
도 15a 및 도 15b는 본 발명에 따른 초소수성 마이크로 구들에 의한 직사각형 배열을 개략적으로 나타내는 평면도 및 단면도.
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
나노 크기의 입자에 대한 광학 특성은 최근 십여 년간 매우 큰 연구의 대상이 되어왔으며, 표면 플라즈몬 공명의 응용은 집적 광학과 바이오센서 분야에 큰 관심이 되고 있다. 표면 플라즈몬은 금속입자 속에서 자유전자들의 집단적 들뜸 현상으로 빛을 강하게 산란시키는 역할을 한다.
표면 플라즈몬 유도용 재료들 가운데 강한 산란율과 저비용으로 인해 광파장 이하 크기의 은, 알루미늄, 구리 등과 같은 금속입자를 선택하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에서와 같이 실리콘층의 상부에 놓인 나노 크기의 금속입자는 셀 내부 방향으로 표면 산란율을 증가시키는 역할을 한다.
도 6은 나노 크기의 금속입자에 의한 태양광의 선택적 산란 및 빛의 구속 현상을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 실리콘층(113)의 상부에 놓인 나노 크기의 금속입자(120)는 기판(110)을 통해 입사된 광이 셀 내부에 더욱 오랜 시간 동안 머물도록 하거나, 또는 후면 반사층(115)과의 전반사 효과에 의해 셀 내부에서 속박이 잘 되도록 유도한다. 결국 실리콘층(113) 상부에 나노 크기의 금속입자(120)의 삽입은 태양전지 내부로 유효광의 흡수량을 증가시키는 역할을 한다.
도 7a는 일반적인 박막 태양전지에 있어, 셀 내부에서의 광 흡수 프로파일(profile)을 보여주기 위한 사시도이며, 도 7b는 상기 도 7a에 도시된 일반적인 박막 태양전지의 단위 부피당 광 흡수도(optical absorption)를 보여주는 광 흡수 프로파일이다.
이때, FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 이용하여 표면 플라즈몬 공명에 의한 광 흡수 증가를 조사하였는데, 입사광의 파장 λ=600nm에서 단위 부피당 광 흡수도를 FDTD 방법에 의해 계산한 결과를 보여주고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, p+형 실리콘층(12)과 n+형 실리콘층(14) 사이에 불순물이 첨가되지 않은 비정질 실리콘층(13)을 삽입하여 pin 구조를 갖는 일반적인 박막 태양전지는 p+형 실리콘층(12) 표면으로부터 n+형 실리콘층(14) 하부의 후면 반사층(115)으로 갈수록 광 흡수도가 감소하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 상기 일반적인 박막 태양전지는 x축 방향으로는 균일한 광 흡수도를 가지며, -z축 방향으로는 광 흡수도가 감소하는 것을 알 수 있다.
도 8a는 본 발명에 따른 박막 태양전지에 있어, 셀 내부에서의 광 흡수 프로파일을 보여주기 위한 사시도이며, 도 8b는 상기 도 8a에 도시된 본 발명에 따른 박막 태양전지의 단위 부피당 광 흡수도를 보여주는 광 흡수 프로파일이다.
전술한 바와 같이, FDTD 방법을 이용하여 표면 플라즈몬 공명에 의한 광 흡수 증가를 조사하였는데, 입사광의 파장 λ=600nm에서 단위 부피당 광 흡수도를 FDTD 방법에 의해 계산한 결과를 보여주고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, p+형 실리콘층(112)과 n+형 실리콘층(114) 사이에 불순물이 첨가되지 않은 비정질 실리콘층(113)을 삽입하여 pin 구조를 갖는 본 발명에 따른 박막 태양전지는 상기 p+형 실리콘층(112) 상부에 예를 들어, 나노 크기의 은 입자(120)가 놓여져 있으며, 상기 나노 크기의 은 입자(120)에서 발생된 표면 플라즈몬 공명에 의해 빛의 진행 방향으로의 산란(forward scattering)이 강하게 증가함으로써 실리콘층(112, 113, 114)에서 광 흡수가 증가함을 분명히 보여주고 있다.
여기서, 계산을 위해 사용된 나노 크기의 은 입자의 직경(Diameter; D)과 입자간의 간격(Period; P)은 각각 D=200nm와 P=600nm이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지는 기판(110), 상기 기판(110) 위에 형성된 투명전극층(111), 상기 투명전극층(111) 위에 형성되고 비정질 실리콘으로 이루어진 반도체층(112, 113, 114) 및 상기 반도체층(112, 113, 114) 위에 형성된 후면 반사층(115)과 전극층(116)으로 구성된다.
상기 투명전극층(111)은 외부로부터 기판(110)을 통해 입사된 태양광의 투과를 위하여 투명한 전도성 산화물을 재료로 하여 형성된다.
상기 반도체층(112, 113, 114)은 상기 투명전극층(111) 위에 형성된 p+형 실리콘층(112)과 상기 p+형 실리콘층(112) 위에 형성된 진성 실리콘층(113) 및 상기 진성 실리콘층(113) 위에 형성된 n+형 실리콘층(114)을 포함한 pin구조를 가진다.
이와 같이 상기 진성 실리콘층(113)을 구성하는 비정질 실리콘 박막은 물질 자체의 특성으로 인해 캐리어의 확산거리가 결정질 실리콘에 비해 매우 낮아 일반적으로 비정질 실리콘 박막 태양전지는 p+형 실리콘층(112)과 n+형 실리콘층(114) 사이에 불순물이 첨가되지 않은 비정질 실리콘층(113)을 삽입하여 pin 구조를 갖는다.
이때, 상기 pin 구조에서는 태양광은 p+형 실리콘층(112)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘층(113)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘층(113)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 p+형 실리콘층(112)과 n+형 실리콘층(114)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 따라서 입사광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
여기서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지는 상기 기판(110)의 외부 표면에 나노 크기의 금속입자(120)를 포함하는 소정의 점착층(adhesive layer)(101)이 형성되고, 상기 점착층(101) 위에 나노 크기의 패턴이나 폴리머(polymer)를 갖는 초소수성(superhydrophobic) 마이크로 구(130)가 다수개 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이 상기 나노 크기의 금속입자(120)는 입사광을 산란시켜서 박막 태양전지 내부에서 반도체층(112, 113, 114)에 빛이 구속되는 현상을 강화시켜준다.
이때, 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지는 단층 셀 구조의 박막 태양전지를 예를 들어 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 에너지밴드 갭이 다른 반도체층이 동일한 기판에 적층되어 복수개의 액티브 영역(active region)을 갖는 다층(tandem) 셀 구조의 박막 태양전지에도 적용될 수 있다.
상기 박막 태양전지는 광학적으로 투명한 전도층인 투명전극층(111)과 광학적 반사용 전도층인 후면 반사층(115)을 각각 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전도층(111, 115)들은 각각 접촉 전극으로 사용하거나, 각 상기 전도층(111, 115)에 인접한 위치에 별도의 전극용 금속층을 둘 수도 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브(CNT), 폴러린, 그래핀(graphen), 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어질 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 수십에서 수백 나노미터의 크기를 가질 수 있으며, 상기 나노 크기의 금속입자(120)는 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 태양전지 내부로 흡수하거나, 반도체층(112, 113, 114) 영역으로 구속시키는 역할을 한다. 즉, 상기 나노 크기의 금속입자(120)는 크기 또는 형태 및 소정의 규칙성을 갖는 배열에 의해서 소정의 태양광 스펙트럼 밴드를 선택적으로 강하게 산란시키는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가질 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)의 나노 패터닝 방법은 전자빔 리소그래피(e-beam lithography), 이온빔 밀링(ion beam milling), 나노구(nanosphere) 리소그래피, 나노 임프린팅(nano imprinting), 블록 공중합체(block copolymers)에 의한 상(phase) 분리법, 포토리소그래피(photolithography) 및 레이저 간섭 리소그래피(laser interference lithography) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)를 포함하는 점착층(101)은 광학적으로 투명하고 UV와 같은 광이나 열에 의해 경화될 수 있는 접착성 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기와 같은 나노 크기의 금속입자(120)를 포함하는 점착층(101) 위에는 나노 크기의 패턴이나 폴리머를 갖는 초소수성 마이크로 구(130)가 다수개 배열되게 되는데, 상기 초소수성 마이크로 구(130)는 기판(110) 표면에 부착되는 수증기나 먼지 등을 자기세정함으로써 박막 태양전지의 효율을 일정하게 유지하는 역할을 하게 된다.
이때, 상기 마이크로 구(130)는 광학적으로 투명하고, 초소수성을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 박막 태양전지 표면에 형성된 상기 마이크로 구(130)들은 태양광이 입사되는 투명한 기판(110) 쪽에 놓이는 것을 특징으로 한다.
도 10a는 연잎 표면에 맺힌 물방울을 나타내는 사진이며, 도 10b는 연잎 표면에 돋아있는 돌기들의 배열을 보여주는 현미경 사진이다.
도면에 도시된 바와 같이, 육안에 의해 매끈하게 보이는 연잎을 전자현미경으로 보면, 마이크로미터 크기의 돌기들이 표면에 산봉우리처럼 돋아 있고, 이 봉우리에 나노미터 규모의 다른 돌기들이 오돌토돌하게 배열돼 있는 것을 알 수 있다.
이러한 구조적 특성 때문에 연잎은 물을 거부하는 초소수성을 가지게 된다. 이 특성 때문에 빗방울이나 이슬은 잎을 적시지 못하고, 미세한 진동에서도 동그랗게 물방울로 뭉쳐서 또르르 굴러 떨어지게 된다. 또한, 물방울이 퍼지지 않고 맺히도록 하면서 동시에 잎 표면에 뭍은 먼지를 쓸어내는 자기세정 효과를 나타내게 된다.
본 발명은 이러한 연잎 효과(Lotus Effect)를 이용한 것으로 도 11a 및 도 11b는 상기 도 9에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지에 있어서, 초소수성 마이크로 구에 의한 자기세정 효과를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적으로 박막 태양전지는 소정의 경사각을 가지도록 배치되며, 상기 박막 태양전지의 기판(110) 외부 표면에 나노 크기의 패턴이나 폴리머를 갖는 초소수성 마이크로 구(130)를 배치하게 되면, 자기세정 효과에 의해 물방울(140)들이 응집되면서 신속하게 제거되게 된다.
이때, 기판(110) 표면에 부착된 먼지 등의 이물질(170)들은 상기 물방울(140)들의 응집 및 제거과정 중에 상기 물방울(140)에 합쳐져 제거되게 된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조공정을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 12a 내지 도 12f는 상기 도 9에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도이다.
또한, 도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 초소수성 마이크로 구의 형태를 예를 들어 나타내는 예시도이다.
또한, 도 14a 및 도 14b는 본 발명에 따른 초소수성 마이크로 구들에 의한 삼각형 배열을 개략적으로 나타내는 평면도 및 단면도이며, 도 15a 및 도 15b는 본 발명에 따른 초소수성 마이크로 구들에 의한 직사각형 배열을 개략적으로 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 다수의 셀 영역이 정의된 투명한 기판(110)을 준비한다.
그리고, 상기 기판(110) 위에 나노 크기의 금속입자(120)들이 균일한 밀도로 포함된 액상의 점착층(101)을 도포한다.
전술한 바와 같이 상기 나노 크기의 금속입자(120)는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어질 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 수십에서 수백 나노미터의 크기를 가질 수 있으며, 상기 나노 크기의 금속입자(120)는 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 태양전지 내부로 흡수하거나, 반도체층 영역으로 구속시키는 역할을 한다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가질 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)의 나노 패터닝 방법은 전자빔 리소그래피, 이온빔 밀링, 나노구 리소그래피, 나노 임프린팅, 블록 공중합체에 의한 상 분리법, 포토리소그래피 및 레이저 간섭 리소그래피 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(120)를 포함하는 점착층(101)은 광학적으로 투명하고 UV와 같은 광이나 열에 의해 경화될 수 있는 접착성 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이후, 도 12b에 도시된 바와 같이, 상기 나노 크기의 금속입자(120)를 포함하는 점착층(101)에 UV를 조사, 경화시켜 고상의 점착층(101)을 형성한다.
다음으로, 도 12c에 도시된 바와 같이, 상기 나노 크기의 금속입자(120)를 포함하는 점착층(101) 위에는 나노 크기의 패턴이나 폴리머를 갖는 초소수성 마이크로 구(130)를 다수개 배열한다.
이때, 상기 마이크로 구(130)는 광학적으로 투명하고, 초소수성을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 박막 태양전지 표면에 형성된 상기 마이크로 구(130)들은 태양광이 입사되는 투명한 기판(110) 쪽에 놓이는 것을 특징으로 한다.
연잎 표면의 나노 구조를 모방한 상기 본 발명에 따른 마이크로 구(130)는 다음과 같이 제조될 수 있다.
먼저, 수백 나노미터 크기의 유리구슬들을 빛에 민감한 감광성 액체 속에 넣어 분산시켜 크기가 수십 마이크로미터인 균일한 감광성 액체방울을 만든다.
이 액체방울을 물 속에 넣어, 물-감광성 액체-유리구슬 사이의 표면화학적 힘의 균형을 유지시키면 유리구슬은 저절로 감광성 액체방울 표면 위에 촘촘하게 육방형 밀집구조로 배열된다.
여기에 자외선을 쬐어 굳히면 수천 개의 나노 유리구슬들이 박힌 단위 미세입자를 얻는다.
그리고, 불산(HF)으로 유리구슬들을 녹여내면, 골프 공처럼 그 표면이 분화구 형태로 촘촘히 파인 소수성 패턴을 가진 미세입자가 생긴다.
여기에 고 에너지의 플라스마를 쪼여주면, 소수성 패턴이 깊게 깎이면서 연잎과 유사한 나노 구조를 가진 마이크로 구(130)가 형성된다.
이와 같이 제조된 마이크로 구는 도 13a에 도시된 바와 같이 소수성 패턴(133)을 갖는 마이크로 구(130a)에 해당하며, 도 13b를 참조하면 다른 방식으로 소수성 폴리머 기(134)가 표면에 부착된 마이크로 구(130b)를 얻을 수도 있다.
또한, 상기와 같이 제조된 다수개의 마이크로 구는 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 점착층(101) 위에 삼각형 배열(triangular array)을 형성할 수 있으며, 또는 도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같이, 점착층(101) 위에 직사각형 배열(rectangular array)을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 12d에 도시된 바와 같이, 상기 점착층(101) 형성된 기판(110)의 반대편에 투명전극층 형성용 박막(미도시)을 형성한다. 이때, 상기 투명전극층 형성용 박막은 도전성이 있음과 동시에 태양광의 투과가 가능한 재료로 이루어지는 것이 바람직하며, 일 예로서 투명한 전도성 산화물이 있다.
이후, 도면에는 자세히 도시하지 않았지만, 레이저 조사 장치를 이용하여 상기 투명전극층 형성용 박막의 소정 영역에 제 1 홀을 형성하여 각 셀의 투명전극층(111)이 서로 이격되도록 패터닝한다.
즉, 상기 투명전극층 형성용 박막의 소정 영역에 레이저를 조사하면, 투명전극층 형성용 박막의 일부가 고체, 액체 및 기체로 차례로 상 변화를 겪고(또는, 액체를 거치지 않고 바로 기체로 승화하고) 이후 온도가 증가하여 기체의 압력을 견딜 수 없을 때 물질이 폭발적으로 날아감에 의해 제거됨으로써 레이저가 조사된 영역에 상기 기판(110)의 일부를 노출시키는 제 1 홀이 형성되고, 이로써 각 셀 영역에는 서로 이격된 투명전극층(111)이 형성된다.
다음으로, 도 12e에 도시된 바와 같이, 상기 투명전극층(111)이 형성된 기판(110) 위에 반도체층 형성용 박막(미도시)을 형성한다. 상기 반도체층 형성용 박막은 다양한 재료가 가능하지만, 일 예로서 비정질 실리콘이 있으며, 이와 같이 상기 반도체층 형성용 박막이 비정질 실리콘을 재료로 하여 형성된 경우에 상기 반도체층 형성용 박막은 투명전극층(111) 상에 형성된 p형 실리콘 박막, 상기 p형 실리콘 박막 상에 형성된 진성 실리콘 박막 및 상기 진성 실리콘 박막 상에 형성된 n형 실리콘 박막을 포함하는 pin구조를 가진다.
이후, 도면에는 자세히 도시하지 않았지만, 레이저 조사 장치를 이용하여 상기 반도체층 형성용 박막의 소정 영역에 제 2 홀을 형성하여 각 셀의 반도체층(112, 113, 114)이 서로 이격되도록 패터닝한다.
즉, 상기 반도체층 형성용 박막의 소정 영역에 레이저를 조사하면, 반도체층 형성용 박막의 일부가 고체, 액체 및 기체로 차례로 상 변화를 겪고(또는, 액체를 거치지 않고 바로 기체로 승화하고) 이후 온도가 증가하여 기체의 압력을 견딜 수 없을 때 물질이 폭발적으로 날아감에 의해 제거됨으로써 레이저가 조사된 영역에 상기 투명전극층(111)의 일부를 노출시키는 제 2 홀이 형성되고, 이로써 각 셀 영역에는 서로 이격된 반도체층(112, 113, 114)이 형성된다.
다음으로, 도 12f에 도시된 바와 같이, 상기 반도체층(112, 113, 114)이 형성된 기판(110) 상에 금속전극 형성용 박막(미도시)을 형성한다. 상기 기판(110) 상에 형성된 금속전극 형성용 박막은 상기 제 2 홀을 통해 각 셀 영역의 투명전극층(111)에 전기적으로 접속된다.
이때, 상기 금속전극 형성용 박막은 도전성이 있는 금속으로 형성되는 것이 바람직하며, 태양광을 투과시키는 기능은 포함하지 않아도 된다.
다음으로, 도면에는 자세히 도시하지 않았지만, 레이저 조사 장치를 이용하여 상기 반도체층(112, 113, 114)과 금속전극 형성용 박막에 제 3 홀을 형성하여 각 셀의 후면 반사층(115) 및 전극층(116)이 서로 이격되도록 패터닝한다.
즉, 상기 반도체층(112, 113, 114)과 금속전극 형성용 박막의 소정 영역에 레이저를 조사하면, 반도체층(112, 113, 114)과 금속전극 형성용 박막의 일부가 고체, 액체 및 기체로 차례로 상 변화를 겪고(또는, 액체를 거치지 않고 바로 기체로 승화하고) 이후 온도가 증가하여 기체의 압력을 견딜 수 없을 때 물질이 폭발적으로 날아감에 의해 제거됨으로써 레이저가 조사된 영역에 상기 투명전극층(111)의 일부를 노출시키는 제 3 홀이 형성되어 각 셀 영역에는 서로 이격되고 일측으로 인접한 셀 영역 내의 투명전극층(111)과 전기적으로 접속한 후면 반사층(115) 및 전극층(116)이 형성되게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명은 에너지밴드 갭이 다른 반도체층이 동일한 기판에 적층되어 복수개의 액티브 영역을 갖는 다층 셀 구조의 박막 태양전지에도 적용될 수 있으며, 이를 다음의 본 발명의 제 2 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 적층 셀 구조의 박막 태양전지는 투명한 기판(210) 위에 태양광이 입사되는 방향으로부터 차례대로 투명전극층(211), 제 1 셀(I), 제 2 셀(II), 제 3 셀(III), 후면 반사층(215) 및 전극층(216)이 형성되어 3층으로 셀이 적층된 구조를 갖는다.
이때, 상기 제 1 셀(I)은 상대적으로 가장 큰 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 투명전극층(211) 위에 차례대로 제 1 p+형 실리콘층(212a), 비정질 실리콘층(213a), 제 1 n+형 실리콘층(214a)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 2 셀(II)은 상대적으로 중간 크기의 밴드 갭을 가진 비정질 실리콘 게르마늄층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 1 셀(I) 위에 차례대로 제 2 p+형 실리콘층(212b), 비정질 실리콘 게르마늄층(213b), 제 2 n+형 실리콘층(214b)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
상기 제 3 셀(III)은 상대적으로 가장 작은 크기의 밴드 갭을 가진 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되며, 상기 제 2 셀(II) 위에 차례대로 제 3 p+형 실리콘층(212c), 마이크로 결정질 실리콘층(213c), 제 3 n+형 실리콘층(214c)이 형성되어 pin 구조를 갖는다.
이때, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 적층 셀 구조의 박막 태양전지에서는 단파장의 태양광은 제 1 셀(I)로 입사되며, 상기 제 1 셀(I)로 입사된 단파장의 태양광은 제 1 p+형 실리콘층(212a)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘층(213a)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘층(213a)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 1 p+형 실리콘층(212a)과 제 1 n+형 실리콘층(214a)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 따라서 입사광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
또한, 상기 비정질 실리콘층(213a)에 흡수되지 않고 투과한 중간 파장의 태양광은 제 2 셀(II)로 입사되며, 상기 제 2 셀(II)로 입사된 중간 파장의 태양광은 제 2 p+형 실리콘층(212b)을 통해 광흡수층인 비정질 실리콘 게르마늄층(213b)으로 입사되는데, 상기 비정질 실리콘 게르마늄층(213b)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 2 p+형 실리콘층(212b)과 제 2 n+형 실리콘층(214b)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
상기 비정질 실리콘 게르마늄층(213b)에 흡수되지 않고 투과한 장파장의 태양광은 제 3 셀(III)로 입사되며, 상기 제 3 셀(III)로 입사된 장파장의 태양광은 제 3 p+형 실리콘층(212c)을 통해 광흡수층인 마이크로 결정질 실리콘층(213c)으로 입사되는데, 상기 마이크로 결정질 실리콘층(213c)은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 제 3 p+형 실리콘층(212c)과 제 3 n+형 실리콘층(214c)에 의해 공핍이 되어 내부에 전기장이 발생되고, 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 이동하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지는 상기 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 태양전지와 동일하게 상기 기판(210)의 외부 표면에 나노 크기의 금속입자(220)를 포함하는 소정의 점착층(201)이 형성되고, 상기 점착층(201) 위에 나노 크기의 패턴이나 폴리머를 갖는 초소수성 마이크로 구(230)가 다수개 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 크기의 금속입자(220)는 입사광을 산란시켜서 박막 태양전지의 셀(I, II, III) 내부에 빛이 구속되는 현상을 강화시켜준다.
상기 박막 태양전지는 광학적으로 투명한 전도층인 투명전극층(211)과 광학적 반사용 전도층인 후면 반사층(215)을 각각 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전도층(211, 215)들은 각각 접촉 전극으로 사용하거나, 각 상기 전도층(211, 215)에 인접한 위치에 별도의 전극용 금속층을 둘 수도 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(220)는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어질 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(220)는 수십에서 수백 나노미터의 크기를 가질 수 있으며, 상기 나노 크기의 금속입자(220)는 입사되는 태양광을 선택적으로 산란시켜 태양전지 내부로 흡수하거나, 셀(I, II, III) 영역으로 구속시키는 역할을 한다.
상기 나노 크기의 금속입자(220)는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가질 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(220)의 나노 패터닝 방법은 전자빔 리소그래피, 이온빔 밀링, 나노구 리소그래피, 나노 임프린팅, 블록 공중합체에 의한 상 분리법, 포토리소그래피 및 레이저 간섭 리소그래피 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 나노 크기의 금속입자(220)를 포함하는 점착층(201)은 광학적으로 투명하고 UV와 같은 광이나 열에 의해 경화될 수 있는 접착성 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 마이크로 구(230)는 광학적으로 투명하고, 초소수성을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 박막 태양전지 표면에 형성된 상기 마이크로 구(230)들은 태양광이 입사되는 투명한 기판(210) 쪽에 놓이는 것을 특징으로 한다.
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.
101,201 : 점착층 110,210 : 기판
111,211 : 투명전극층 113,213a~213c : 반도체층
115,215 : 후면 반사층 116,216 : 전극층
120,220 : 금속입자 130,130a,130b,230 : 마이크로 구
133 : 소수성 패턴 134 : 소수성 폴리머 기

Claims (19)

  1. 기판 위에 형성된 투명전극층;
    상기 투명전극층 위에 형성되어 광흡수층으로 사용되는 적어도 하나의 셀;
    상기 셀 위에 형성된 후면 반사층;
    상기 투명전극층이 형성된 기판의 반대편에 형성되며, 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층; 및
    상기 점착층 위에 형성되는 초소수성 마이크로 구를 포함하는 박막 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀은 비정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 1 셀, 비정질 실리콘 게르마늄층이 광흡수층으로 사용되는 제 2 셀 및 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 3 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 셀은 상기 투명전극층 위에 차례대로 n+형 반도체층, 진성 반도체층 및 p+형 반도체층이 형성되어 pin 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 초소수성 마이크로 구는 골프 공처럼 그 표면이 분화구 형태로 촘촘히 파인 소수성 패턴을 가지거나, 표면에 소수성 폴리머 기를 갖는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 수십에서 수백 나노미터의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 크기 및 소정의 주기성을 갖는 배열에 의해서 태양광 스펙트럼 밴드를 선택적으로 강하게 산란시키는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층은 광학적으로 투명하고 UV와 같은 광이나 열에 의해 경화될 수 있는 접착성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 구는 광학적으로 투명한 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 다수개의 상기 마이크로 구는 상기 점착층 위에 삼각형 배열을 형성하거나 직사각형 배열을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  12. 기판 위에 형성된 투명전극층;
    상기 투명전극층 위에 형성되어 광흡수층으로 사용되는 적어도 하나의 셀;
    상기 셀 위에 형성된 후면 반사층; 및
    상기 투명전극층이 형성된 기판의 반대편에 형성되며, 그 표면에 나노 크기의 패턴이나 소수성 폴리머를 갖아 수증기나 먼지 등을 자기세정하는 초소수성 마이크로 구를 포함하는 박막 태양전지.
  13. 기판 위에 투명전극층을 형성하는 단계;
    상기 투명전극층 위에 광흡수층으로 사용되는 적어도 하나의 셀을 형성하는 단계;
    상기 셀 위에 후면 반사층을 형성하는 단계;
    상기 투명전극층이 형성된 기판의 반대편에 형성되되, 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층을 형성하는 단계; 및
    상기 점착층 위에 초소수성 마이크로 구를 형성하는 단계를 포함하는 박막 태양전지의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 셀을 형성하는 단계는
    상기 투명전극층 위에 비정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 1 셀을 형성하는 단계;
    상기 제 1 셀 위에 비정질 실리콘 게르마늄층이 광흡수층으로 사용되는 제 2 셀을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 셀 위에 마이크로 결정질 실리콘층이 광흡수층으로 사용되는 제 3 셀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 셀을 형성하는 단계는
    상기 투명전극층 위에 n+형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 n+형 반도체층 위에 진성 반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 진성 반도체층 위에 p+형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 철, 탄소 나노튜브, 폴러린, 그래핀, 전도성 복합재료 등에서 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나가 포함된 복합 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 막대, 구, 타원체, 디스크, 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 다이아몬드 그룹 중에서 선택되거나, 또는 필요시 그 외의 임의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자를 포함하는 점착층은 광학적으로 투명하고 UV와 같은 광이나 열에 의해 경화될 수 있는 접착성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 나노 크기의 금속입자는 전자빔 리소그래피, 이온빔 밀링, 나노구 리소그래피, 나노 임프린팅, 블록 공중합체에 의한 상 분리법, 포토리소그래피 및 레이저 간섭 리소그래피 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
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