KR20120028061A - 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반사방지층으로 나노로드층을 형성하는 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 기판 상에 나노로드가 성장하기 위한 결정핵을 포함하는 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상에 수열 합성법으로 나노로드층을 형성하는 단계; 및 상기 나노로드층 상에 반도체층 및 제 2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반사방지층으로 나노로드층을 형성하는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
환경문제와 화석 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 대체 에너지 자원으로써, 재생가능하고 환경오염에 대한 문제가 없는 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 빛을 흡수하여 생성된 P 형 반도체의 전자와 N 형 반도체의 정공이 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지에 대한 연구가 활발히 행해지고 있다.
반도체의 성질을 이용한 태양전지는 P 형의 반도체와 N 형의 반도체의 접합형태를 가지는 다이오드(diode)와 동일하다. P 형 반도체와 N 형 반도체가 접한 P-N 접합부에 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 일반적으로 반도체에 밴드 갭 에너지(band gap energy) 이하의 빛이 들어가면 반도체 내의 전자와 약하게 상호작용하고, 밴드 갭 이상의 빛이 들어가면 공유결합 내의 전자를 여기시켜 캐리어(carrier)로서 전자 정공쌍을 생성한다. 빛에 의하여 형성된 캐리어들은 재결합과정을 통하여 정상상태로 돌아온다. 빛에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부의 전계에 의하여 각각 N 형 반도체과 P 형 반도체로 이동하여 양쪽의 전극부에 모아지고, 이를 전력으로 이용할 수 있게 된다.
도면을 참조로 종래기술의 태양전지에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래기술에 따른 태양전지의 단면도이다.
태양전지(10)는 기판(12), 조면층(22)을 포함하는 제 1 전극(14), 반도체층(16), 투명도전층(18) 및 제 2 전극(20)으로 구성된다. 제 1 전극(14) 및 제 2 전극(20)은 투명한 도전물질(transparent conductive oxide), 예를 들면, ITO(indium tin oxide)와 같은 물질을 사용하고, 반도체층(16)은 P형 반도체 물질, I형 반도체 물질 및 N형 반도체 물질이 순서대로 적층된 PIN구조로 형성한다.
태양전지(10)를 제조하는 방법은, 기판(10) 상에 제 1 전극(14)을 형성하는 단계, 태양광이 내부로 최대한 흡수될 수 있도록 제 1 전극(14)의 표면을 요철구조로 만드는 조면화(texturing process)공정을 수행하는 단계, 제 1 전극(14) 상에 반도체층(16) 및 투명도전층(18)을 형성하는 단계 및 투명도전층(18) 상에 제 2 전극(20)을 형성하는 단계를 포함한다.
태양광을 수광하는 태양전지(10)의 전면부에서 반사율을 감소시키고, 태양전지(10) 내에서 광경로를 길게하여 태양전지(10)의 내부로 태양광의 흡수 효율을 개선시키기 위해 제 1 전극(14) 상에 조면층(22)을 형성한다. 조면층(22)은 건식 또는 습식식각을 이용한 이방성 또는 등방성으로 제 1 전극(14)의 표면을 식각하여 형성한다. 일반적으로, 조면층(22)은 도 1과 같이 단면이 정삼각형 형상을 가지는 피라미드 구조를 가진다. 그리고, 경면 연마처리(polishing)된 기판(12)의 표면은 입사되는 태양광의 30% 내지 50% 정도를 반사시키지만, 조면층(22)을 형성하면 태양광의 10% 내지 20% 정도를 반사하게 되어 반사율이 현저하게 줄어든다.
그러나, 제 1 전극(14)의 표면을 식각하여 요철구조를 가지는 조면층(22)을 형성하기 위하여, 사진석판기술, 기계적 가공 및 물리적 가공 등을 이용하지만, 이들 가공방법은 복잡한 공정단계를 거치고 고가의 장비를 사용해야 한다. 예시적으로 범용적인 사진석판기술을 이용하여 조면층(22)을 형성하는 경우, 감광층의 도포, 노광 및 현상과정을 거쳐 감광층 패턴을 형성하고, 제 1 전극(14)의 표면을 건식 또는 습식식각하여 조면층(22)을 형성하는 것으로, 공정단계가 복잡해짐은 물론 다양한 장비, 예를 들면 감광층을 도포, 노광, 현상 및 제거하기 위한 코팅장치, 노광장치, 현상장치, 및 제거장치와 제 1 전극(14)의 표면을 식각하기 위한 식각장치가 필요하다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 수열합성법으로 반사방지층인 나노로드층을 형성하여, 고가의 장비사용을 배제한 공정의 단순화로 생산성을 개선한 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판 상에 나노로드가 성장하기 위한 결정핵을 포함하는 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상에 수열 합성법으로 나노로드층을 형성하는 단계; 및 상기 나노로드층 상에 반도체층 및 제 2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 제 1 전극을 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연(ZnO)으로 형성하거나, 또는 상기 제 1 전극 상에 갈륨(Ge)이 도핑되고 산화아연으로 구성된 시드층을 형성하는태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 나노로드층은 산화아연으로 구성되고, 아연을 포함한 수용액이 수용된 수조에 침강시켜 성장되는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 수용액은 징크 나이트라이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate: Zn(NO3)2ㆍ6H2O) 및 암모늄 헥사하이드레이트(ammonium hexahydrate: (NH3)4ㆍ6H2O)을 순수(DI water)에 희석시킨 혼합물 또는 징크 설페이트 헵토하이드레이트(zinc sulfate heptahydrate: ZnSO4ㆍ7H2O), 암모늄 클로라이트(ammonium chloride: NH4Cl), 수산화나트륨(Sodium hydroxide: NaOH)을 순수(DI water)에 희석시킨 혼합물을 사용하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 나노로드층은 30 내지 150 ℃ 및 8 내지 12 PH(potential hydrogen)의 상기 수용액에 1분 내지 10시간 동안 침강시켜 형성되는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 태양전지의 제조방법에 있어서, 시드층을 형성하고 수열합성법으로 반사방지층인 나노로드층을 형성하는 것에 의해 고가의 장비사용을 배제하고 공정을 단순화하여 생산성을 개선할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 태양전지의 단면도
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 단계별로 도시한 공정단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 성장장치의 모식도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 나노로드층이 성장된 사진
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 단계별로 도시한 공정단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 성장장치의 모식도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 나노로드층이 성장된 사진
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 단계별로 도시한 공정단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 성장장치의 모식도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노로드층이 성장된 사진이다.
도 2a을 참조하면, 기판(110) 상에 제 1 전극(120)을 형성하고, 제 1 전극(120) 상에 시드층(seed layer)(130)을 형성한다. 기판(110)으로는 유리, 투명한 플라스틱 및 가요성 플라스틱 중 하나를 이용할 수 있다. 시드층(130)은 갈륨(Ge)이 도핑된 산화아연을 스퍼터링(sputtering) 방법으로 제 1 전극(120) 상에 형성한다. 시드층(130)은 제 1 전극(120) 상에 산화아연을 성장시키기 위한 결정핵으로 기능한다.
제 1 전극(120)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공정, PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정, 스퍼터링(Sputtering) 공정, 이빔(e-beam) 공정 또는 열적(Thermal) 공정 등에 의해 형성한다. 제 1 전극(120)은 Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg, Ag+Mn, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu, 또는 Ag+Al+Zn 등과 같은 금속물질을 이용하여 형성하거나, ITO(indium tin oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, Ag, SnO2, SnO2:F, ZnO:Ga2O3, ZnO:Al2O3, SnO2:Sb2O3 등과 같은 투명한 도전물질(transparent conductive oxide)을 이용하여 형성할 수 있다.
제 1 전극(120)을 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연(ZnO)으로 형성하는 경우, 제 1 전극(120)이 산화아연을 성장시키기 위한 결정핵으로 기능할 수 있기 때문에, 별도로 시드층(130)을 형성하지 않을 수 있다.
도 2b와 같이, 시드층(130) 상에 나노로드층(170)을 수열 합성법으로 형성한다. 나노로드층(170)을 형성하는 수열 합성법은 도 3과 같이, 아연을 포함한 수용액(182)이 수용된 수조(bath)(180)에 침강시켜 형성한다. 도 3의 수조(180)에서 수용액(182)은 공급관(184) 및 배출관(186)을 통하여 공급 및 배출되면서, 일정한 유속으로 순환된다.
수용액(182)은 징크 나이트라이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate: Zn(NO3)2ㆍ6H2O) 및 암모늄 헥사하이드레이트(ammonium hexahydrate: (NH3)4ㆍ6H2O)을 순수(DI water)에 희석시킨 혼합물 또는 징크 설페이트 헵토하이드레이트(zinc sulfate heptahydrate: ZnSO4ㆍ7H2O), 암모늄 클로라이트(ammonium chloride: NH4Cl), 수산화나트륨(Sodium hydroxide: NaOH)을 순수(DI water)에 희석시킨 혼합물을 사용한다.
산화아연이 나노로드층(170)으로 시드층(130)에 형성되는 반응식은 다음과 같다.
Zn2 + + 4NH3 -> Zn(NH3)4 2+ (반응식1)
Zn(NH3)4 2+ + 2OH- -> ZnO + 4NH3 + H2O (반응식 2)
부연하여 설명하면, 반응식1과 같이, 도 3의 수조(180)에 수용된 Zn(NO3)2ㆍ6H2O 또는 ZnSO4ㆍ7H2O는 순수와 반응하여 2가의 양이온인 아연이온(Zn2＋)을 생성하고, (NH3)4ㆍ6H2O 또는 NH4Cl은 순수 또는 NaOH과 반응하여 수산화이온(OH-)을 생성한다. 그리고, 반응식2와 같이, 아연이온(Zn2＋)과 수산화이온(OH-)이 반응하여 시드층(130) 상에 산화아연의 나노로드층(170)을 형성한다. 시드층(130)을 구성하는 산화아연의 결정핵이 산화아연과 결합하면서 산화아연의 나노로드층(170)이 성장된다. 나도로드층(170)을 상기와 같은 수용액(182)을 사용하여 수열합성법으로, 30 내지 150 ℃, 8 내지 12 PH(potential hydrogen) 및 1분 내지 10시간의 조건에 형성된다. 나노로드층(170)의 로드밀도는, 산화아연을 성장시키는 조건인 온도, PH 및 시간에 따라 영향을 받는다
나노노드층(170)은 태양광을 수광하는 태양전지의 전면부에서 반사율을 감소시키고, 태양전지 내에서 광경로를 길게하여 태양전지의 내부로 태양광의 흡수 효율을 개선시키는 기능을 한다. 나노로드층(170)을 제 1 전극(120) 상에 형성하면, 입사되는 태양광이 태양전지 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되고, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지 내부로 태양광이 흡수되는 비율은 증가하게 되어, 태양전지의 효율이 증진되는 효과가 있다.
산화아연의 나노로드층(170)이 도 4와 같이 완전히 성장되면, 도 3의 수조(180)로부터 기판(110)을 인출하고, 도 2c와 같이 나노로드층(170)이 형성된 제 1 전극(120) 상에 반도체층(190)을 형성한다.
반도체층(190)은 P형 반도체 물질, I형 반도체 물질 및 N형 반도체 물질이 순서대로 적층된 PIN구조로 형성한다. 반도체층(190)을 PIN구조로 형성하게 되면, I형 반도체 물질이 P형 반도체 물질과 N형 반도체 물질에 의해 공핍(depletion)이 되어 내부에 전기장이 발생하게 되고, 태양광에 의해 생성되는 정공 및 전자가 전기장에 의해 드리프트(drift)되어 각각 P형 반도체 물질 및 N형 반도체 물질에서 수집되게 된다.
한편, 반도체층(190)을 PIN구조로 형성할 경우에는 제 1 전극(120) 상부에 P형 반도체 물질을 형성하고 이어서 I형 반도체 물질 및 N형 반도체 물질을 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 일반적으로 정공의 드리프트 이동도(drift mobility)가 전자의 드리프트 이동도에 의해 낮기 때문에 입사광에 의한 수집효율을 극대화하기 위해서 P형 반도체 물질을 수광면에 가깝게 형성하기 위함이다.
도 2d와 같이, 반도체층(190) 상에 투명도전층(192) 및 제 2 전극(194)을 형성한다.
반도체층(190) 상에 적층되는 투명도전층(192)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, Ag와 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 투명도전층(192)은 태양광을 산란시켜 다양한 각으로 진행하도록 함으로써 제 2 전극(194)에서 반사되어 반도체층(190)으로 재 입사되는 광의 비율을 증가시키는 역할을 한다.
투명도전층(192) 상에 적층되는 제 2 전극(194)은 MOCVD 공정, PECVD 공정, 또는 스퍼터링 공정 등에 의해 형성될 수 있다. 제 2 전극(194)은 Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg,Ag+Mn, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu, 또는 Ag+Al+Zn 등과 같은 금속물질을 이용하여 형성하거나, ITO, FTO, ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, Ag, SnO2, SnO2:F, ZnO:Ga2O3, ZnO:Al2O3, SnO2:Sb2O3 등과 같은 투명한 도전물질로 형성될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (5)
- 기판 상에 나노로드가 성장하기 위한 결정핵을 포함하는 제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 상에 수열 합성법으로 나노로드층을 형성하는 단계;
상기 나노로드층 상에 반도체층 및 제 2 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극을 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연(ZnO)으로 형성하거나, 또는 상기 제 1 전극 상에 갈륨(Ge)이 도핑되고 산화아연으로 구성된 시드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나노로드층은 산화아연으로 구성되고, 아연을 포함한 수용액이 수용된 수조에 침강시켜 성장되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 수용액은 징크 나이트라이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate: Zn(NO3)2ㆍ6H2O) 및 암모늄 헥사하이드레이트(ammonium hexahydrate: (NH3)4ㆍ6H2O)을 순수(DI water)에 희석시킨 혼합물 또는 징크 설페이트 헵토하이드레이트(zinc sulfate heptahydrate: ZnSO4ㆍ7H2O), 암모늄 클로라이트(ammonium chloride: NH4Cl), 수산화나트륨(Sodium hydroxide: NaOH)을 순수(DI water)에 희석시킨 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 나노로드층은 30 내지 150 ℃ 및 8 내지 12 PH(potential hydrogen)의 상기 수용액에 1분 내지 10시간 동안 침강시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020100090037A KR20120028061A (ko) | 2010-09-14 | 2010-09-14 | 태양전지의 제조방법 |
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Publications (1)
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|---|---|
| KR20120028061A true KR20120028061A (ko) | 2012-03-22 |
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| KR (1) | KR20120028061A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101363990B1 (ko) * | 2012-12-03 | 2014-02-19 | 한국과학기술연구원 | 솔라셀의 반사방지막 형성방법 |
| KR20150120138A (ko) * | 2014-04-17 | 2015-10-27 | 경성대학교 산학협력단 | 산화아연 나노로드 전극을 이용한 전기화학발광 셀 |
-
2010
- 2010-09-14 KR KR1020100090037A patent/KR20120028061A/ko not_active Application Discontinuation
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