KR20120036115A - 플렉서블 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플렉서블 태양전지에 관한 것으로, 특히 플렉서블 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 플렉서블 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 특징은 플렉서블 태양전지의 절연기판 상부에 요철 형상을 갖는 마이크로렌즈층을 형성함으로써, 기판과 박막층의 접촉 특성이 낮아, 박막의 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 요철 형상을 갖는 마이크로렌즈층을 통해 제 1 전극과 반도체층 그리고 제 2 전극의 표면 또한 요철 형상을 갖도록 형성함으로써, 플렉서블 태양전지의 광 포획 능력을 향상시켜, 최종적으로 플렉서블 태양전지의 효율을 향상시키게 된다.
또한, 반도체층과 제 2 전극 사이에 나노금속층을 더욱 형성함으로써, 태양전지 내부로 입사된 광의 경로를 더욱 증가시킬 수 있으며, 특히 플렉서블 태양전지 내부로 다양한 파장대의 광이 회절되도록 할 수 있어, 보다 넓은 영역의 태양광을 회절 할 수 있어 플렉서블 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

Description

플렉서블 태양전지 및 이의 제조방법{Flexible solar cell and method of fabricating the same}
본 발명은 플렉서블 태양전지에 관한 것으로, 특히 플렉서블 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 플렉서블 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높이지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열전지와 반도체의 성질을 이용하여 태양빛을 전기에너지로 변환시키는 태양 광 전지로 나눌 수 있다.
그 중에서도 빛을 흡수하여 생성된 p-형 반도체의 전자와 n-형 반도체의 정공이 전기에너지로 변환하는 태양 광 전지(이하, 태양전지라 함.)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도이다.
도시한 바와 같이, 태양전지(10)는 서로 마주하는 전극(11, 13) 사이에 p형 반도체층(15)과 n형 반도체층(17)으로 구성된 p-n 접합 반도체층의 구조로서 이루어지고 있다.
이러한 태양전지(10)의 전극(11, 13)에 발광부로서 전구를 연결하고 태양전지(10)를 태양광 등의 광원에 노출하면, n형 반도체층(17)과 p형 반도체층(15)을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생한다.
이와 같이, 광기전력 효과에 의해 발생된 기전력으로 태양전지(10)에 전기적으로 접속된 전구가 점등될 수 있다.
한편, 최근에는 종이처럼 휘어질 수 있는 유연성(flexibility), 경량(lightweght) 등의 장점으로 인해 차세대 PC산업에 필요한 전원의 자가충전이나 옷, 모자, 휴대폰, 자동차 유리, 건물 등에 부착해 활용할 수 있는 플렉서블 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 현재까지 개발된 플렉서블 태양전지의 경우 효율이 매우 낮은 실정으로, 보다 높은 효율을 갖는 플렉서블 태양전지의 제작이 요구되고 있는 실정이다.
이에, 광원을 향하는 방향에 위치하는 전극을 균일한 요철 형상으로 형성함으로써 외부의 광원으로부터 보다 효율적으로 광을 p-n 접합 반도체층(15, 17) 내부로 받아들이고자 하나, 플렉서블 태양전지는 금속호일(metal foil) 또는 플라스틱 재질의 기판을 사용함에 따라 공정 온도에 제약이 있어, 전극을 균일한 요철 형상으로 형성하기 매우 어려운 실정이다.
따라서, 플렉서블 태양전지의 효율을 향상시키는데 한계를 갖게 된다.
또한, 금속호일(metal foil) 또는 플라스틱 재질로 이루어지는 기판의 표면이 거칠어, 기판 상에 형성되는 박막층과 기판과의 접촉 특성이 낮아 박막층의 박리 현상이 발생하게 된다. 이는, 플렉서블 태양전지의 휨이 발생시 더욱 심화되며, 플렉서블 태양전지의 신뢰도를 저하시키는 문제점을 야기하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 플렉서블 태양전지의 기판과 박막층과의 접촉 특성을 향상시키고자 하는 것을 제 1 목적으로 한다.
또한, 플렉서블 태양전지의 효율을 향상시키고자 하는 것을 제 2 목적으로 한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 유연한 절연기판과; 상기 유연한 절연기판의 광이 입사되는 일면에 형성되며, 그 표면이 요철 형상인 마이크로렌즈층(micro-lens layer)과; 상기 마이크로렌즈층 상에 형성되는 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상에 형성되는 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성되는 제 2 전극을 포함하는 플렉서블 태양전지를 제공한다.
이때, 상기 유연한 절연기판은 금속호일(metal foil), 플라스틱 중 선택된 하나로 이루어지며, 상기 반도체층과 상기 제 2 전극 사이에 나노금속층이 개재된다.
또한, 상기 나노금속층은 나노사이즈의 막대형, 와이어형, 다면체형 중 선택된 하나의 형상을 갖는 나노금속으로 이루어지며, 상기 제 2 전극은 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide)로, ITO(indium tin oxide), ZnO, AlZnO, InZnO 중 선택된 하나로 이루어진다.
여기서, 상기 반도체층은 n형 반도체층과 순수 비정질 실리콘층 그리고 p형 반도체층으로 이루어지며, 상기 제 1 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어진다.
또한, 상기 제 2 전극 및 상기 반도체층은 각각 표면이 요철 형상이며, 상기 요철 형상인 상기 제 2 전극을 통해 장파장(650 ~ 1100nm)의 광이 상기 반도체층을 향해 회절되며, 상기 나노금속층을 통해 단파장(350 ~ 650nm)의 광이 상기 반도체층을 향해 회절된다.
또한, 본 발명은 유연한 절연기판의 일측면에 고분자 화합물을 증착하는 단계와; 상기 고분자 화합물을 오목렌즈 형상의 몰드기판을 이용하여 볼록렌즈 형상의 마이크로렌즈층으로 패터닝하는 단계와; 상기 마이크로렌즈층의 상부에 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나를 증착하여 제 1 전극을 형성하는 단계와;
상기 제 1 전극 상에 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층 상부에 투명 도전성 산화물질을 증착하여 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 플렉서블 태양전지의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 투명 도전성 산화물을 증착하기 전에, 상기 반도체층 상에 나노금속층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 나노금속층은, 상기 반도체층 상부에 나노금속이 분산되어 있는 용매를 코팅하는 단계와; 상기 나노금속이 분산되어 있는 용매를 어닐링(annealing) 처리 하여, 상기 용매만을 제거하는 단계를 포함한다.
위에 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 절연기판 상부에 요철 형상을 갖는 마이크로렌즈층을 형성함으로써, 기판과 박막층의 접촉 특성이 낮아, 박막의 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 요철 형상을 갖는 마이크로렌즈층을 통해 제 1 전극과 반도체층 그리고 제 2 전극의 표면 또한 요철 형상을 갖도록 형성함으로써, 플렉서블 태양전지의 광 포획 능력을 향상시켜, 최종적으로 플렉서블 태양전지의 효율을 향상시키게 되는 효과가 있다.
또한, 반도체층과 제 2 전극 사이에 나노금속층을 더욱 형성함으로써, 태양전지 내부로 입사된 광의 경로를 더욱 증가시킬 수 있는 효과가 있으며, 특히 플렉서블 태양전지 내부로 다양한 파장대(장파장, 단파장)의 광이 회절되도록 할 수 있어, 반도체층으로 입사되는 광량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 플렉서블 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광효율이 향상되는 원리를 개략적으로 도시한 개략도.
도 4a ~ 4g는 본 발명에 따른 태양전지의 제조 단계별 공정단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 태양전지의 광효율이 향상되는 원리를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 크게 절연기판(101), 반도체층(140) 그리고 제 1 및 제 2 전극(130, 150)으로 이루어지며, 특히 절연기판(101)과 제 1 전극(130) 사이에는 마이크로렌즈층(120)이 더욱 위치하며, 반도체층(140)과 제 2 전극(150) 사이에는 나노금속층(160)이 더욱 위치한다.
이에 좀더 대해 자세히 살펴보면, 플렉서블 태양전지(100)의 절연기판(101)은 유연성 있는 재료로 이루어지는데, 금속호일(metal foil), 플라스틱 종류의 유연성 있는 재료가 선택될 수 있다.
이와 같은, 절연기판(101)은 불투명 하거나 광의 투과도가 낮다.
이때, 태양광 등의 광이 입사되는 일면을 절연기판(101)의 상부면이라 정의하면, 절연기판(101)의 상부면에 마이크로렌즈층(micro-lens layer : 120)이 형성된다.
마이크로렌즈층(120)은 플렉서블 태양전지(100)의 광기전력 효과를 증가시키기 위하여 그 표면이 요철형 상으로 이루어진다.
즉, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 마이크로렌즈층(120) 상부에 제 1 전극(130)과 반도체층(140) 그리고 제 2 전극(150)이 순차적으로 형성되는데, 마이크로렌즈층(120) 상부에 형성되는 제 1 및 제 2 전극(130, 150)과 반도체층(140) 모두 마이크로렌즈층(120)에 의해 그 표면이 요철 형상으로 형성되게 된다.
이에 따라, 플렉서블 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다.
이에 대해 자세히 살펴보면, 마이크로렌즈층(120) 상부에는 반사특성이 우수한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 일명 배면전극이라 하는 제 1 전극(130)이 형성된다.
제 1 전극(130)은 요철 형상으로 형성되는 마이크로렌즈층(120) 상에 증착됨에 따라, 그 표면이 마이크로렌즈층(120)과 동일하게 요철 형상으로 형성된다.
이때, 마이크로렌즈층(120)은 금속호일(metal foil), 플라스틱 중 하나로 이루어지는 절연기판(101)과의 접촉 특성이 제 1 전극(130)과의 접촉특성에 비해 좋다.
따라서, 절연기판(101)과 제 1 전극(130)의 접촉특성이 나빠, 제 1 전극(130)및 제 1 전극(130) 상부에 증착되는 박막층의 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 요철 형상으로 형성되는 제 1 전극(130)에 의해 보다 많은 양의 광을 반사시킬 수 있어, 플렉서블 태양전지(100)의 광기전력 효과를 더욱 향상시키게 된다.
즉, 플렉서블 태양전지(100)의 효율을 더욱 향상시키게 된다.
그리고, 제 1 전극(130)의 상부에는 반도체층(140)이 위치하는데, 반도체층(140)은 p+형 불순물을 포함하는 p형 반도체층(140a)과 n+형 불순물을 포함하는 n형 반도체층(140b)으로, p형 반도체층(140a)과 n형 반도체층(140b) 사이에는 순수 비정질 실리콘층(140c)이 형성된다.
이때, 반도체층(140) 내의 전자들이 비대칭적으로 존재해야 한다. 즉, 반도체층(140)에서 n형 반도체층(140b)은 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지고, p형 반도체층(140a)은 작은 전자밀도와 큰 정공밀도를 갖는다.
그리고, 반도체층(140) 또한 표면이 요철 형상으로 형성되는 제 1 전극(130) 상에 순차적으로 증착되어 형성됨에 따라, 제 1 전극(130)과 동일하게 그 표면이 요철 형상으로 형성된다.
그리고, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 이러한 반도체층(140) 상부에 나노금속층(160)을 더욱 형성하는 것을 특징으로 하는데, 나노금속층(160)은 나노사이즈의 막대형, 와이어형, 다면체형 등 다양한 형태의 나노금속으로 이루어진다.
이러한 나노금속층(160)은 반도체층(140)과 나노금속층(160) 상부에 형성되는 제 2 전극(150)의 접촉 특성을 향상시키는 역할을 하며, 플렉서블 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 경로를 더욱 증가시킬 수 있다.
특히 플렉서블 태양전지(100)는 나노금속층(160)에 의해 다양한 파장대(장파장, 단파장)의 광이 회절되어, 반도체층(140)으로 입사되는 광량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 플렉서블 태양전지(100)의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
이때, 나노금속층(160)은 반도체층(140)의 요철 형상을 따라 그 표면에 형성된다.
따라서, 나노금속층(160) 상부에 형성되는 제 2 전극(150) 또한 반도체층(140)과 동일하게 요철형상으로 형성된다.
제 2 전극(150)은 태양광 등의 광의 투과를 위해 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide : TCO)로 형성된다.
제 2 전극(150)은 ITO(indium tin oxide), GaZnO, AlZnO, InZnO 등으로 이루어질 수 있다.
이렇게, 제 2 전극(150)이 요철 형상으로 형성됨에 따라, 요철 형상으로 형성되는 제 2 전극(150)에 의해 플렉서블 태양전지(100) 내부로 보다 많은 양의 광이 입사되도록 할 수 있다.
또한, 광의 입사시 보다 효율적으로 전반사를 방지하고 광 산란을 확대하여 플렉서블 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시키게 된다. 이를 통해, 플렉서블 태양전지(100) 내부로 집광되어 입사되는 광이 태양전지(100) 내부에서 긴 시간 머무르게 한다.
이는, 플렉서블 태양전지(100)의 광 포획 능력을 향상시키는 것으로써, 이렇게 플렉서블 태양전지(100)로 입사되는 광량을 증가시키고, 광 포획 능력을 향상시킴으로써, 최종적으로 플렉서블 태양전지(100)의 효율이 향상된다.
즉, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 절연기판(101) 상에 요철 형상의 마이크로렌즈층(120)을 형성함에 따라, 마이크로렌즈층(120) 상부에 형성되는 박막층들을 모두 요철 형상으로 형성할 수 있어, 플렉서블 태양전지(100)의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
즉, 이러한 플렉서블 태양전지(100)가 태양광 등의 광에 노출되면, p형 반도체층(140a)과 n형 반도체층(140b)을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생한다.
이렇게 발생된 기전력에 의해 제 1 전극(130)과 제 2 전극(150) 사이에 전위차를 발생시키게 되어, 플렉서블 태양전지(100)를 충전시키게 된다.
이때, 플렉서블 태양전지(100)로 입사되어 반도체층(140)을 통과한 광은 제 1 전극(130)에 의해 반사되어 반도체층(140)으로 재입사됨에 따라, 기전력이 더욱 커지게 된다.
이렇게, 기전력이 향상되면, 실질적으로 플렉서블 태양전지(100)의 효율이 향상되는 것이다.
이에 대해 도 3을 참조하여 좀더 자세히 살펴보면, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 요철 형상으로 형성되는 제 2 전극(150)을 통해, 집광에 의해 플렉서블 태양전지(100) 내부로 광이 흡수되는 비율이 증가된다.
즉, 제 2 전극(150)은 요철 형상으로 형성됨에 따라, 태양광 등의 외부 광이 보다 많이 집광되어 플렉서블 태양전지(100) 내부로 입사되도록 할 수 있다.
또한, 플렉서블 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시키게 된다. 이를 통해, 플렉서블 태양전지(100) 내부로 집광되어 입사되는 광이 태양전지(100) 내부에서 긴 시간 머무르게 한다.
또한, 광의 입사시 보다 효율적으로 전반사를 방지하고 광 산란을 확대하여, 반도체층(140)으로 입사되는 광량을 증가시키게 된다.
이는, 플렉서블 태양전지(100)의 광 포획 능력을 향상시키는 것으로써, 이렇게 태양전지(100)로 입사되는 광량을 증가시키고, 광 포획 능력을 향상시킴으로써, 태양전지(100)의 효율이 향상되는 것이다.
특히, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 제 2 전극(150)과 반도체층(140) 사이에 형성되는 나노금속층(160)을 통해 플렉서블 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 경로를 더욱 증가시킬 수 있으며, 특히 플렉서블 태양전지(100) 내부로 다양한 파장대(장파장, 단파장)의 광이 회절되도록 할 수 있다.
따라서, 보다 넓은 영역의 태양광을 회절할 수 있어, 반도체층(140)으로 입사되는 광량을 증가시킬 수 있어, 플렉서블 태양전지(100)의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 요철 형상으로 형성되는 제 1 전극(130)을 통해 광의 반사율을 더욱 높일 수 있어, 태양전지(100) 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.
여기서, 플렉서블 태양전지(100)의 동작원리에 대해 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다.
앞서 전술한 바와 같이, 반도체층(140) 내의 전자들이 비대칭적으로 존재하는데, 열적 평형상태에서 p형 반도체층(140a)과 n형 반도체층(140b)의 접합으로 이루어진 반도체층(140) 내에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배(句配)에 의한 확산으로 전하의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성된다.
이에, 반도체층(140) 내부로, 반도체층(140)을 이루는 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드 갭 에너지(band gap energy) 보다 큰 에너지를 갖는 빛이 조사되었을 경우, 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite) 되며, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 된다.
또한, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다.
이렇게 생성된 자유전자와 정공을 과잉(excess) 캐리어라고 하며, 과잉 캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이에 의해서 확산하게 된다.
이때, 과잉 캐리어 즉, p형 반도체층(140a)에서 여기된 전자들과 n형 반도체층(140b)에서 만들어진 정공을 각각의 소수 캐리어(minority carrier)라 정의되며, 기존 접합 전의 p형 또는 n형 반도체층(140a, 140b)내의 캐리어(즉, p형의 정공 및 n형의 전자)는 이와 구분해 다수 캐리어(majority carrier)라 정의된다.
이때, 다수 캐리어들은 전기장으로 인한 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만, p형 반도체층(140a)의 소수캐리어인 전자는 n형 반도체층(140b)으로 이동할 수 있게 된다.
따라서, 소수캐리어의 확산에 의해 반도체층(140) 내부에 전압차(potential difference)가 생기게 되며, 반도체층(140) 양측에 위치하는 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(150)을 외부회로에 연결하여 기전력을 활용함으로써, 이들 반도체층(140)을 전지로서 사용하게 되는 것이다.
이때, 제 2 전극(150)은 요철 형상으로 형성됨에 따라, 플렉서블 태양전지(100) 내부로 많은 광이 입사되고, 입사된 광의 경로를 향상시키게 되면, 플렉서블 태양전지(100)의 광 흡수율을 높이게 됨으로써 에너지 변환효율을 향상시키게 된다.
이를 통해 반도체층(140) 내부의 전압차(potential difference)가 더욱 커지게 됨으로써, 플렉서블 태양전지(100)의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
특히, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 제 1 전극(130)을 통해 보다 많은 양의 광이 반사되어, 다시 반도체층(140)으로 재 입사되도록 함으로써, 플렉서블 태양전지(100)의 광 흡수율을 보다 높이게 된다.
또한, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 나노금속층(160)을 통해 플렉서블 태양전지(100)의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는데, 즉, 나노금속층(160)을 통해 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 광경로를 더욱 증가시키게 됨으로써, 태양전지(100)의 광 포획 능력을 향상시키게 된다.
따라서, 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다.
또한, 본 발명의 나노금속층(160)을 통해 단파장의 광을 태양전지 내부로 회절시키게 된다. 따라서, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 요철 형상을 통해 장파장의 광을 태양전지(100) 내부로 회절시키게 되고, 나노금속층(160)을 통해 단파장의 광을 태양전지(100) 내부로 회절시키게 됨으로써, 반도체층(140)으로 입사되는 광량을 증가시킬 수 있다.
따라서, 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 광경로를 증가시키게 됨으로써, 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다.
여기서, 제 2 전극(150)의 요철 형상은 대략 650 ~ 1100nm의 장파장 영역의 광을 회절시키고, 나노금속층(160)은 대략 350 ~ 650nm의 단파장 영역의 광을 회절시킨다.
한편, 이하 태양전지(100)의 제조과정에 대해 살펴보도록 하겠다.
도 4a ~ 4g는 본 발명에 따른 플렉서블 태양전지의 제조 단계별 공정단면도이다.
우선, 도 4a에 도시한 바와 같이, 투명한 절연기판(101) 예를 들면 금속호일(metal foil), 플라스틱 종류의 유연성 있는 기판 상에 유리 또는 폴리머(polymer), 포토레지스트 등의 고분자 화합물층(120a)을 증착하는데, 이때 고분자 화합물층(120a)은 태양광 등의 광이 입사되는 일면을 절연기판(101)의 상부면이라 정의하면, 절연기판(101)의 상부면에 증착한다.
다음으로 도 4b에 도시한 바와 같이, 고분자 화합물층(120a)의 상부면에 대응하여 표면에 소정의 음각(210)이 형성된 몰드기판(200)을 준비한다.
몰드기판(200)은 절연기판(101)의 상부면에 형성된 고분자 화합물(120a)을 패터닝하게 된다.
여기서, 몰드기판(200)으로 PDMS(Polydimethylsiloxsane) 재질의 소프트 몰드가 많이 사용된다. PDMS 몰드는 탄성체이므로 패터닝할 고분자 화합물층(120a) 표면과 균일하게 접촉할 수 있고, 표면에너지가 작아서 패터닝 후에 고분자 화합물층(120a)으로부터 쉽게 분리되는 장점이 있다.
이에, 도 4c에 도시한 바와 같이 몰드기판(도 4b의 200)에는 오목렌즈 형상의 음각(도 4b의 210)이 형성되어 있어, 절연기판(101)의 상부면에 형성된 고분자 화합물층(도 4b의 120a)은 볼록하게 형성되는 볼록렌즈 형상의 요철 형상을 갖게 된다.
다음으로, 이렇게 형성된 볼록렌즈 형상의 요철 형상의 고분자 화합물층(도 4b의 120a)은 경화공정을 거쳐, 마이크로렌즈층(120)을 이루게 된다.
다음으로, 도 4d에 도시한 바와 같이 마이크로렌즈층(120) 상부에 금속물질 특히 반사특성이 우수한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 전면에 증착하고 이를 패터닝하여 제 1 전극(130)을 마이크로렌즈층(120) 전면에 형성한다.
이때, 제 1 전극(130)은 마이크로렌즈층(120)에 의해 그 표면이 요철 형상으로 형성된다.
다음, 도 4e에 도시한 바와 같이, 표면에 요철 형상이 형성된 제 1 전극(130)의 상부로 p형 불순물을 포함하는 반도체 물질을 증착하여 p형 반도체층(140a)을 기판(101) 전면에 형성하고, 연속하여 p형 반도체층(140a) 위로 순수 비정질 실리콘층(140c)과 n형 불순물을 포함하는 반도체 물질을 순차적으로 증착하여 순수 비정질 실리콘층(140c)과 n형 반도체층(140b)을 형성한다.
이로써, 제 1 전극(130) 위로 p-n 접합 반도체층(140)을 형성하게 된다. 이때 p-n 접합 반도체층(140)은 p형 반도체층(140a)과 n형 반도체층(140b) 사이의 순수 비정질 실리콘층(140c)을 삭제할 수도 있다.
이때, p-n 접합 반도체층(140)은 요철 형상을 갖는 제 1 전극(130)의 단차를 따라 형성됨에 따라, p-n 접합 반도체층(140)은 제 1 전극(130)과 동일한 형태로 형성된다.
다음으로, 도 4f에 도시한 바와 같이 p-n 접합 반도체층(140) 상부에 나노금속이 분산되어 있는 용매(미도시)를 코팅한다.
이후, 나노금속이 분산되어 있는 용매(미도시)를 어닐링(annealing)처리한다.
이를 통해, 용매는 제거되어, 나노금속 만이 p-n 접합 반도체층(140) 상부에 존재하게 되며, 이로써, 나노금속층(160)이 형성된다.
이때, 나노금속층(160)은 요철 형상으로 형성되는 p-n 접합 반도체층의 표면을 따라 형성된다.
다음으로, 도 4g에 도시한 바와 같이 나노금속층(160) 상부로 투명 도전성 산화물(TCO : Transparent Conductive Oxide), 예를 들면 안티몬(Sb)이나 불소(F)가 도핑된 SnO2와 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga) 등이 도핑된 ZnO 중 하나를 상온의 분위기에서 스퍼터 장치(미도시)를 통해 전면에 증착함으로서 제 2 전극(150)을 형성한다.
이때, 제 2 전극(150)은 p-n 접합 반도체층(140)의 표면을 따라 형성되는 나노금속층(160)의 단차를 따라 형성됨에 따라, 제 2 전극(150)은 p-n 접합 반도체층(140)과 동일한 형태로 형성된다.
이로써, 본 발명에 따른 플렉서블 태양전지(100)를 완성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 플렉서블 태양전지(100)는 절연기판(101) 상부에 요철 형상을 갖는 마이크로렌즈층(120)을 형성함으로써, 절연기판(101)과 박막층의 접촉 특성이 낮아, 박막의 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 요철 형상을 갖는 마이크로렌즈층(120)을 통해 제 1 전극(130)과 반도체층(140) 그리고 제 2 전극(150)의 표면 또한 요철 형상을 갖도록 형성함으로써, 플렉서블 태양전지(100)의 광 포획 능력을 향상시켜, 최종적으로 플렉서블 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다.
또한, 반도체층(140)과 제 2 전극(150) 사이에 나노금속층(160)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(100) 내부로 입사된 광의 경로를 더욱 증가시킬 수 있으며, 특히 플렉서블 태양전지(100) 내부로 다양한 파장대(장파장, 단파장)의 광이 회절되도록 할 수 있어, 반도체층(140)으로 입사되는 광량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 플렉서블 태양전지(100)의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
120 : 마이크로렌즈층,
130 : 제 1 전극
140 : 반도체층(140a : p형 반도체층, 140b : n형 반도체층, 140c : 비정질 실리콘층)
150 : 제 2 전극
160 : 나노금속층

Claims (12)

  1. 유연한 절연기판과;
    상기 유연한 절연기판의 광이 입사되는 일면에 형성되며, 그 표면이 요철 형상인 마이크로렌즈층(micro-lens layer)과;
    상기 마이크로렌즈층 상에 형성되는 제 1 전극과;
    상기 제 1 전극 상에 형성되는 반도체층과;
    상기 반도체층 상에 형성되는 제 2 전극
    을 포함하는 플렉서블 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유연한 절연기판은 금속호일(metal foil), 플라스틱 중 선택된 하나로 이루어지는 플렉서블 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층과 상기 제 2 전극 사이에 나노금속층이 개재되는 플렉서블 태양전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 나노금속층은 나노사이즈의 막대형, 와이어형, 다면체형 중 선택된 하나의 형상을 갖는 나노금속으로 이루어지는 플렉서블 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide)로, ITO(indium tin oxide), ZnO, AlZnO, InZnO 중 선택된 하나로 이루어지는 플렉서블 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 n형 반도체층과 순수 비정질 실리콘층 그리고 p형 반도체층으로 이루어지는 플렉서블 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어지는 플렉서블 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 및 상기 반도체층은 각각 표면이 요철 형상인 플렉서블 태양전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 요철 형상인 상기 제 2 전극을 통해 장파장(650 ~ 1100nm)의 광이 상기 반도체층을 향해 회절되며, 상기 나노금속층을 통해 단파장(350 ~ 650nm)의 광이 상기 반도체층을 향해 회절되는 플렉서블 태양전지.
  10. 유연한 절연기판의 일측면에 고분자 화합물을 증착하는 단계와;
    상기 고분자 화합물을 오목렌즈 형상의 몰드기판을 이용하여 볼록렌즈 형상의 마이크로렌즈층으로 패터닝하는 단계와;
    상기 마이크로렌즈층의 상부에 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나를 증착하여 제 1 전극을 형성하는 단계와;
    상기 제 1 전극 상에 반도체층을 형성하는 단계와;
    상기 반도체층 상부에 투명 도전성 산화물질을 증착하여 제 2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 플렉서블 태양전지의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물을 증착하기 전에, 상기 반도체층 상에 나노금속층을 형성하는 단계를 포함하는 플렉서블 태양전지의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 나노금속층은,
    상기 반도체층 상부에 나노금속이 분산되어 있는 용매를 코팅하는 단계와;
    상기 나노금속이 분산되어 있는 용매를 어닐링(annealing) 처리 하여, 상기 용매만을 제거하는 단계를 포함하는 플렉서블 태양전지의 제조방법.
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