KR20120130493A - 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다수의 셀 영역들을 갖는 기판; 상기 각 셀 영역상에 배치된 제 1 전극; 상기 각 셀 영역 상에 배치되며 다수의 홀들을 구비한 마스크 패턴; 상기 다수의 홀의 각각에 배치된 나노 막대; 상기 각 셀 영역상에 배치되며, 상기 나노 막대를 덮으며 상기 나노 막대의 프로파일을 따라 형성된 광전변환층; 및 상기 각 셀 영역상에 배치되며, 상기 광전변환층을 덮는 제 2 전극;을 포함하는 태양전지 및 이의 제조 방법을 개시한다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 하나의 기판 상에서 셀 영역별로 선택적으로 정렬되어 성장된 나노 막대 기반의 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 대체 에너지에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 특히, 풍력, 원자력 및 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이중 태양 에너지는 입사광으로부터 광 에너지를 입사 받아 광기전력에 의해 전기 에너지로 변환시키는 광학 소자이다. 태양 에너지는 친환경적이며 무한한 에너지원일 뿐만 아니라 긴 수명을 갖는 장점을 가진다. 이와 같은 태양 전지는 필요한 전력을 얻기 위하여 다수의 셀을 제작한 후, 병렬 또는 직렬로 연결하여 사용하고 있다.
한편, 태양 전지는 상용화를 위해 효율을 더욱 높일 필요가 있다. 이를 위해, 태양 전지는 나노 막대를 이용하여 입체적인 태양 전지를 제조하는 기술이 개발되고 있다. 하지만, 나노 막대는 원하는 위치에 균일하게 형성하는 데 많은 어려움이 있다. 이에 따라, 나노 막대 기반의 태양전지를 제조하기 위해, 먼저 셀 단위의 기판 상에 나노막대를 형성한다. 이후, 태양전지는 셀 단위로 제작된 태양전지셀을 서로 접합시키며 서로 병렬 또는 직렬로 연결하는 공정을 통해 제조될 수 박에 없다. 이에 따라, 나노 막대 기반의 태양 전지를 형성하기 위한 제조 공정이 복잡해질 수밖에 없다.
이에 따라, 태양전지의 효율을 높이기 위해, 나노 막대를 이용하는 기술이 개발되었으나, 현재까지 나노 막대를 균일하게 그리고 특정 영역에 선택적으로 형성하기 어려워, 태양전지의 제조 공정이 복잡해지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 태양전지에서 발생될 수 있는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 구체적으로 하나의 기판 상에서 셀 영역별로 선택적으로 정렬되어 성장된 나노 막대 기반의 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 해결 수단의 태양전지를 제공한다. 상기 태양전지는 다수의 셀 영역들을 갖는 기판; 상기 각 셀 영역상에 배치된 제 1 전극; 상기 각 셀 영역 상에 배치되며 다수의 홀들을 구비한 마스크 패턴; 상기 다수의 홀의 각각에 배치된 나노 막대; 상기 각 셀 영역상에 배치되며, 상기 나노 막대를 덮으며 상기 나노 막대의 프로파일을 따라 형성된 광전변환층; 및 상기 각 셀 영역상에 배치되며, 상기 광전변환층을 덮는 제 2 전극;을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다수의 셀 영역에 각각 배치된 제 1 전극 및 제 2 전극은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 이때, 상기 다수의 셀 영역에서 서로 이웃한 셀 영역에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극을 서로 연결하는 콘택전극을 더 포함할 수 있다. 상기 콘택전극은 상기 광전 변환층을 관통하는 콘택홀을 경유하며 배치되어 상기 서로 이웃한 셀 영역에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극을 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
또한, 상기 다수의 셀 영역들에 각각 배치된 제 1 전극 및 제 2 전극은 서로 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 마스크 패턴은 금속 및 무기 절연물질 중 어느 하나의 단일층 또는 이들의 적층 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 금속층은 상기 광전 변환층으로부터 상기 제 1 전극으로 전하의 이동을 보조하는 보조 제 1 전극의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 광전 변환층과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 반사 방지 절연층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 각 셀 영역 상에 배치되며 상기 제 1 전극과 상기 기판 사이에 개재되는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 해결 수단의 태양전지의 제조 방법을 제공한다. 상기 제조 방법은 다수의 셀 영역들을 갖는 기판을 제공하는 단계; 상기 각 셀 영역에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 각 셀 영역 상에 다수의 홀들을 구비한 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 다수의 홀의 각각에 나노 막대를 성장시키는 단계; 상기 각 셀 영역상에 상기 나노 막대를 덮으며 상기 나노 막대의 프로파일을 갖는 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 각 셀 영역상에 상기 광전변환층을 덮는 제 2 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 마스크 패턴을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 셀 영역 별로 배치된 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트층에 레이저 간섭 리소그래피 공정을 수행하여 다수의 관통홀을 형성하는 단계; 및 상기 관통홀들을 갖는 포토레지스층을 이용한 식각 공정을 수행하여 상기 금속층에 다수의 홀을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 이때, 상기 포토레지스트층은 상기 나노 막대를 성장시키는 단계이전 또는 이후에 제거될 수 있다.
또는 상기 마스크 패턴을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 셀 영역 별로 배치된 무기 절연층을 형성하는 단계; 상기 무기 절연층 상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트층에 레이저 간섭 리소그래피 공정을 수행하여 다수의 관통홀을 형성하는 단계; 및 상기 관통홀들을 갖는 포토레지스트층을 이용한 식각 공정을 수행하여 상기 금속층과 상기 무기절연층에 상기 관통홀과 대응된 홀들을 다수개 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 금속층과 상기 무기절연층에 다수의 홀을 형성하는 단계 이후에 상기 포토레지스트층을 제거하는 단계; 및 상기 다수의 홀을 구비한 금속층을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 포토레지스트층은 상기 나노 막대를 성장시키는 단계 이전 또는 이후에 제거될 수 있다.
또한, 상기 각 셀 영역상에 상기 광전변환층을 덮는 제 2 전극을 형성하는 단계는, 상기 제 1 전극을 노출하도록 상기 광전변환층에 콘택홀을 형성하는 단계; 및 상기 콘택홀을 통해 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 서로 전기적으로 연결하는 콘택 전극을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 광전변환층과 상기 제 2 전극 사이에 개재되며 상기 콘택 전극이 관통하는 반사 방지 절연층을 더 형성할 수 있다.
또한, 상기 각 셀 영역 상에 상기 제 1 전극과 상기 기판 사이에 개재되는 버퍼층을 더 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극을 형성하는 단계에서 상기 서로 이웃한 셀 영역의 제 1 전극들을 서로 전기적으로 연결하는 제 1 배선을 형성하고, 상기 제 2 전극을 형성하는 단계에서 상기 서로 이웃한 셀 영역의 제 2 전극들을 서로 전기적으로 연결하는 제 2 배선을 형성할 수 있다.
또한, 상기 다수의 홀의 각각에 나노 막대를 성장시키는 단계 이후에 상기 마스크 패턴층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 나노 막대 기반으로 입체적으로 형성함에 따라 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 셀 영역 별로 금속층을 형성한 후, 레이저 간섭 리소그래피 공정을 수행하여 마스크 패턴을 형성한 후, 마스크 패턴을 통해 하나의 기판 상에 셀 영역별로 배치된 나노 막대를 형성할 수있어, 간단한 제조 공정을 통해 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 태양전지 셀을 구비한 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 마스크 패턴을 통해 다수의 나노 막대를 연결하는 보조 전극의 역할을 하여, 태양전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지를 간략하게 도시한 일부 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 I-I'선을 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 16 내지 도 17은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 18은 금속층의 형성 여부에 따른 포토레지스트층에 관통홀의 형성 여부를 보여주는 사진이다.
도 19는 다수의 관통홀이 형성된 산화 실리콘의 표면을 보여주는 사진이다.
도 20는 다수의 관통홀이 형성된 산화 실리콘의 단면을 보여주는 사진이다.
도 2는 도 1에 도시된 I-I'선을 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 16 내지 도 17은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 18은 금속층의 형성 여부에 따른 포토레지스트층에 관통홀의 형성 여부를 보여주는 사진이다.
도 19는 다수의 관통홀이 형성된 산화 실리콘의 표면을 보여주는 사진이다.
도 20는 다수의 관통홀이 형성된 산화 실리콘의 단면을 보여주는 사진이다.
본 발명의 실시예들은 태양전지의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지를 간략하게 도시한 일부 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 I-I'선을 절단한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 기판(100), 제 1 전극(120), 마스크 패턴(130), 나노 막대(140), 광전변환층(150) 및 제 2 전극(170)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 기판(100)은 다수의 셀 영역(C)들을 정의되어 있을 수 있다. 여기서, 기판(100)은 후술 될 나노 막대(140) 및 광전변환층(150)을 구성하는 반도체의 성장을 진행할 수 있는 사파이어 기판, SiC 기판, 실리콘 웨이퍼 GaAs기판 및 석영 유리기판을 이용할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에서 기판의 재질을 한정하는 것은 아니며, 기판(100)은 투명 기판 또는 반투명 기판을 이용할 수 있다. 이때, 기판(100)으로 이용할 수 있는 재질의 다른 예로서, 유리, 플라스틱 등을 들 수 있다.
제 1 전극(120)은 기판(100) 상의 다수의 셀 영역(C)에 각각 배치되어 있다. 제 1 전극(120)은 N형 불순물이 도핑된 GaN 또는 Ga:ZnO(Ga-doped ZnO)으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제 1 전극(120)은 전극의 역할 뿐만 아니라 후술 될 나노 막대(140)의 성장에서 핵성장을 가능하게 하는 역할과 동시에 결정내에 격자결함 및 크랙의 발생을 방지하는 버퍼의 역할을 할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 제 1 전극(120)의 재질을 한정하는 것은 아니며, 금속 또는 투명도전물질로 이루어질 수도 있다.
이에 더하여, 기판(100)과 제 1 전극(120) 사이에 버퍼층(110)이 더 배치될 수 있다. 여기서, 버퍼층(110)은 제 1 전극(120), 나노 막대(140) 및 광전변환층(150)을 이루는 반도체의 형성 과정에서 격자결함 및 크랙의 발생을 방지하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 버퍼층(110)을 형성하는 재질의 예로서는 undoped-GaN으로 형성될 수 있다.
마스크 패턴(130)은 기판(100) 상의 다수의 셀 영역(C)에 각각 배치되어 있다. 여기서, 마스크 패턴(130)은 후술될 나노 막대(140)의 형성 영역을 정의하는 역할을 할 수 있다. 이때, 마스크 패턴(130)은 직사각형 또는 정사각형의 형태를 가질 수 있으나, 본 발명의 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니다.
마스크 패턴(130)은 나노 막대(140)와 대응된 홀(130a)을 구비할 수 있다. 여기서, 마스크 패턴(130)은 금속층으로 이루어질 수 있다. 이때, 마스크 패턴(130)을 형성하는 재질의 예로서는 다른 금속에 비해 높은 반사율을 갖는 Cr, Ti, Al 및 Ag에서 선택된 단일물질 또는 합금으로 이루어질 수 있다.
여기서, 마스크 패턴(130)은 다른 물질에 비해 우수한 전도성을 갖는 금속으로 형성됨에 따라, 나노 막대(140) 또는 광전변환층(150)으로부터 전달되는 전하를 제 1 전극(120)으로 효과적으로 배출하는 역할을 할 수 있다. 즉, 마스크 패턴(130)은 나노 막대(140)의 형성 영역을 정의하는 역할뿐만 아니라, 전하를 효율적으로 배출하는 보조 제 1 전극의 역할을 할 수 있다.
마스크 패턴(130)을 형성하는 다른 재질의 예로서 무기 절연층을 들 수 있다. 여기서, 무기 절연층의 예로서는 산화 실리콘 또는 질화 실리콘일 수 있다. 이때, 마스크 패턴(130)은 무기 절연층으로 형성할 경우 다른 재질에 비해 나노 막대의 성장을 억제할 수 있어 나노 막대는 마스크 패턴(130)의 홀(130a)과 대응되도록 성장될 수 있다. 즉, 마스크 패턴(130)은 무기 절연층으로 형성할 경우에 더욱 효과적으로 마스크의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 마스크 패턴(130)은 후속 공정에서 발생할 수 있는 식각액에 의해 제 1 전극(120)의 손상을 방지하는 역할을 할 수 있다. 이는 제조 공정 중에 더욱 구체적으로 설명될 것이다. 또한, 마스크 패턴(130)은 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170)을 서로 절연시키는 역할을 할 수 있다.
나노 막대(140)는 마스크 패턴(130)의 홀에 배치될 수 있다. 여기서, 나노 막대(140)는 마스크 패턴(130)에 의해 특정한 영역, 즉 셀 영역(C)별로 군락을 이루며 균일하게 배치될 수 있다.
도면상에 하나의 셀 영역(C)에 나노 막대(140)가 9개로 구비되는 것으로 도시하였으나, 이는 설명의 편의상 간략하게 도시될 뿐 하나의 단위 셀 영역(C)에 다수의 나노 막대가 배치될 수 있다.
나노 막대(140)는 기판(100)에 대해 수직하게 성장되어 있다. 여기서, 나노 막대(140)를 통해, 후술될 광전변환층(150)은 3차원의 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 광전변환층(150)은 기판(100)상에서 차지하는 표면적을 증대시킬 수 있어, 박막형 태양전지에 비해 광전 변환 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 광전변환층(150)에서 형성된 전자는 나노 막대(140)를 통해 전극으로 효율적으로 배출할 수 있어, 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다.
여기서, 나노 막대(140)는 ZnO으로 이루어질 수 있다. 이때, ZnO 나노 막대는 다른 재질에 비해 수직하게 성장하기 용이하며 다른 재질에 비해 광전변환층(150)을 형성하는 반도체와 격자 상수의 차이가 작아 광전변환층(150)에서 격자결함 및 크랙의 발생을 최소화하거나 방지할 수 있다.
광전변환층(150)은 나노 막대(140)의 프로 파일을 따라 형성될 수 있다. 이에 따라, 광전변환층(150)은 3차원의 입체적 형상을 가질 수 있어, 태양전지의 광전 변환 효율을 증대시킬 수 있다.
광전변환층(150)은 나노 막대(140)를 순차적으로 덮으며 형성된 P형 InGaN(153), I형 InGaN(152), N형 InGaN(151)을 포함할 수 있다. 여기서, 광전변환층(150)은 PIN 접합 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 광전변환층(150)으로 태양광이 입사되면, I형 InGaN(152)에서 광기전력 효과에 의해 전자와 홀이 형성되고, P형 InGaN(153)과 N형 InGaN(151)의 전위차이에 의해 전자는 N형 InGaN(151)로 이동하고, 홀은 P형 InGaN(153)로 이동한다. 이와 같은 전자와 홀은 각각 제 1 전극(120)과 후술될 제 2 전극(170)을 통해 취출됨에 따라, 광에너지는 전기에너지로 변환될 수 있다.
제 2 전극(170)은 각 셀 영역(C)상에 배치되어 있다. 여기서, 제 2 전극(170)은 광전변환층(150)을 덮도록 형성될 수 있다. 제 2 전극(170)은 광전변환층(150)으로 태양광을 전달할 수 있도록 투명한 도전물질로 형성될 수 있다. 제 2 전극(170)을 형성하는 재질의 예로서는 ITO 및 IZO등일 수 있다.
이에 더하여, 제 2 전극(170)과 광전변환층(150) 사이에 반사 방지 절연층(160)을 더 구비할 수 있다. 여기서, 반사 방지 절연층(160)은 태양광이 광전변환층(150)의 표면에서 반사되는 것을 방지하는 역할을 하여, 광 손실률을 줄이는 역할을 할 수 있다. 또한, 반사 방지 절연층(160)은 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170)을 전기적으로 절연시키는 역할을 할 수 있다. 여기서, 반사 방지 절연층(160)은 질화실리콘 또는 산화 실리콘으로 형성될 수 있다.
여기서, 다수의 셀 영역(C)들에 각각 배치된 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(170)은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 이때, 다수의 셀 영역(C)에서 서로 이웃한 셀 영역에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극(120, 170)은 콘택전극(172)을 통해 서로 연결될 수 있다.
콘택전극(172)은 광전변환층(150)을 관통하는 콘택홀(171)을 경유하며 배치되어, 서로 이웃한 셀 영역(C)에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극(120, 170)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 광전변환층(150)과 제 2 전극(170) 사이에 반사 방지 절연층(160)이 구비될 경우, 콘택전극(172)은 반사 방지 절연층(160)을 관통하도록 형성될 수 있다. 여기서, 콘택전극(172)은 제 2 전극(170)과 일체로 이루어질 수 있다.
이에 따라, 기판(100) 상의 각 셀 영역(C)상에 나노 막대(140)를 기반으로 3차원 입체적 형상을 가지며 제 1 및 제 2 전극(120, 170)과 광전변환층(150)을 포함한 태양전지 셀이 배치될 수 있다. 이때, 하나의 기판(100) 상에 배치된 다수의 태양전지 셀은 직렬로 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 다수의 태양전지 셀은 직렬로 연결되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 다수의 태양전지 셀은 병렬로 연결될 수 있다. 구체적으로, 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 서로 이웃한 셀 영역에 배치된 제 1 전극은 제 1 연결 배선을 통해 서로 연결될 수 있다. 이때, 제 1 연결배선은 반사 방지 절연층(160) 상에 배치될 수 있다. 또한, 서로 이웃한 셀 영역에 배치된 제 2 전극은 제 2 연결 배선을 통해 서로 연결될 수 있다. 이때, 제 2 연결배선은 기판(100) 또는 버퍼층(110) 상에 배치될 수 있다.
이에 더하여, 제 2 전극(170)과 전기적으로 연결된 그리드 전극(180)이 더 배치될 수 있다. 여기서, 그리드 전극(180)은 제 2 전극(170)에 비해 전기 전도도가 높은 금속으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제 2 전극(170)은 은 또는 구리로 형성될 수 있다.
또한, 그리드 전극(180)의 일부를 노출하는 개구부를 가지며 각 셀 영역(C)에 형성된 셀을 덮는 보호층(190)이 더 구비될 수 있다. 여기서, 보호층(190)은 질화실리콘 또는 산화실리콘으로 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 하나의 기판상에 다수의 나노 막대를 기반으로 하는 다수의 태양전지 셀을 구비함에 따라, 태양전지는 용이한 공정을 통해 고효율을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다. 여기서, 마스크 패턴을 이중층으로 형성하는 것을 제외하고 제 2 실시예는 앞서 설명한 제 1 실시예에 따른 태양전지와 동일한 기술적 구성을 구비한다. 이에 따라, 제 1 실시예와 반복된 설명은 제 2 실시예의 설명에서 생략하기로 하며, 제 1 실시예와 동일한 기술적 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 하나의 기판(100) 상에 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 다수개의 태양전지 셀을 포함할 수 있다. 여기서, 태양전지 셀은 제 1 전극(120), 광전변환층(150) 및 제 2 전극(170)을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 전극(120)과 광전변환층(150) 사이에 나노 막대(140)가 배치되고, 광전변환층(150)은 나노 막대(140)의 프로파일을 따라 나노 막대(140)를 덮으며 형성됨에 따라, 태양전지 셀은 3차원적인 입체적 형상을 가질 수 있다.
나노 막대(140)는 하나의 기판(100) 상에서 셀 영역(C) 별로 군락을 이루며 다수개로 배치되어 있을 수 있다. 이때, 나노 막대(140)의 형성 영역은 마스크 패턴(130)에 의해 정의될 수 있다. 즉, 마스크 패턴(130)은 기판(100)상의 셀 영역(C)별로 배치되어 있으며, 마스크 패턴(130)은 나노 막대(140)의 성장을 위한 다수의 홀(130a)을 구비할 수 있다. 이때, 나노 막대(140)는 홀에 의해 노출된 제 2 전극(170) 상에 형성될 수 있다. 또한, 나노 막대(140)는 마스크 패턴(130)에 의해 셀 영역(C)별로 군락을 이루며 형성될 수 있다.
마스크 패턴(130)은 제 2 전극(170) 상에 순차적으로 적층된 제 1 및 제 2 마스크 패턴(131, 132)을 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 마스크 패턴(131)은 무기절연물질로 형성되며, 제 2 마스크 패턴(132)은 금속으로 형성될 수 있다.
여기서, 제 1 마스크 패턴(131)은 제 2 마스크 패턴(132)에 홀(130a)을 형성하는 과정에서 제 1 전극(120)이 손상되는 것을 방지할 수 있어, 제 1 전극(120) 상에서 성장되는 나노 막대(140)의 결정에서 결함이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 나노 막대(140)의 결함에 의해 나노 막대(140)의 전기적 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있어, 결국 태양전지의 효율을 더 증대시킬 수 있다.
또한, 제 1 마스크 패턴(131)은 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170)을 서로 전기적으로 절연시키는 역할을 할 수 있다.
여기서, 제 2 마스크 패턴(132)은 다른 재질에 비해 높은 전기 전도도를 갖는 금속으로 형성되므로, 나노 막대(140) 또는 광전변환층(150)으로부터 제공된 전하를 제 1 전극(120)으로 원활하게 이동시키는 역할을 할 수 있다. 즉, 제 2 마스크 패턴(132)은 제 1 전극(120)의 역할을 보조하는 보조 제 1 전극의 역할을 수행할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서와 같이, 태양전지는 나노 막대(140)를 일정 영역에 선택적으로 형성하기 위한 마스크 패턴(130)을 이중 구조로 형성함에 따라, 태양전지의 효율을 더욱 효과적으로 높일 수 있다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위해, 먼저 기판(100)을 제공한다. 여기서, 기판(100)은 다수의 셀 영역(C)들을 가질 수 있다.
기판(100)은 후술 될 나노 막대(140) 및 광전변환층(150)을 구성하는 반도체의 성장을 진행할 수 있는 사파이어 기판, SiC 기판, 실리콘 웨이퍼, GaAs기판 및 석영유리기판을 이용할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에서 기판(100)의 재질을 한정하는 것은 아니며, 기판(100)은 투명 기판 또는 반투명 기판을 이용할 수 있다. 즉, 기판(100)으로 이용할 수 있는 재질의 다른 예로서, 유리, 플라스틱 등을 들 수 있다.
기판(100)을 제공한 후, 기판(100) 상에 단위 셀 영역(C) 상에 버퍼층(110)과 제 1 전극(120)을 형성할 수 있다. 여기서, 버퍼층(110)은 후술 될 제 1 전극(120) 및 광전변환층(150)을 구성하는 반도체와 격자상수 및 열팽창 계수의 차이가 적은 재질로 선택될 수 있다. 예컨대, 버퍼층(110)은 undoped-GaN으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 버퍼층(110)은 후술될 제 1 전극(120) 및 광전변환층(150)의 성장에서 발생할 수 있는 격자결함 및 크랙의 발생을 최소화하거나 방지할 수 있다.
이후, 제 1 전극(120)은 N형 불순물이 도핑된 GaN 또는 Ga:ZnO(Ga-doped ZnO)으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제 1 전극(120)은 전극의 역할뿐만 아니라 후술될 나노 막대(140)의 성장에서 결정내에 격자결함 및 크랙의 발생을 방지하는 버퍼의 역할을 할 수 있다.
여기서, 버퍼층(110) 및 제 1 전극(120)은 기판(100) 상에 MOCVD법에 의해 성장시킨후, 성장된 반도체막들을 각 셀 영역(C)별로 패터닝하여 형성할 수 있다. 이때, 버퍼층(110)과 제 1 전극(120)은 일괄 패터닝 공정을 통해 형성될 수 있다. 이에 따라, 버퍼층(110)과 제 1 전극(120)은 일치된 식각 측면을 가질 수 있다. 여기서, 버퍼층(110) 및 제 1 전극(120)을 형성하기 위한 패터닝 공정은 레이저, 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma), 건식 에칭법 및 습식 에칭법을 통해 이루어질 수 있다.
버퍼층(110) 및 제 1 전극(120)을 형성한 후, 제 1 전극(120) 상에 마스크 패턴(130)과 포토레지스트층을 순차적으로 형성한다. 여기서, 마스크 패턴(130)은 다른 물질에 비해 높은 반사율을 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 마스크 패턴(130)은 Cr, Ti, Al 및 Ag에서 선택된 단일물질 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 여기서, 마스크 패턴(130)은 제 1 전극(120)을 포함한 기판(100) 상에 진공증착법 및 스퍼터링법을 통해 증착한 후, 증착막을 패터닝하여 제 1 전극(120)상에 배치된 마스크 패턴(130)을 형성할 수 있다. 여기서, 마스크 패턴(130)을 형성하기 위한 패터닝 공정은 포토리소그래피 공정을 포함한 습식 식각법 또는 반응성 이온 에칭법을 통해 이루어질 수 있다.
포토레지스트층(200)은 네가티브 포토레지스트액을 도포하여 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 포토레지스트층(200) 상에 레이저 간섭 리소그래피 공정을 수행한다. 여기서, 레이저 간섭 리소그래피 공정을 구체적으로 살펴보면, 포토레지스트층(200)상에 동일한 단파장의 레이저가 결맞음(Coherence)되도록 조사된다. 이때, 금속으로 형성된 마스크 패턴(130)에 의해 포토레지스트층(200)상에 레이저간 간섭이 발생하여, 포토레지스트층(200)에 수백 nm 수준의 주기적인 간섭 노광 패턴이 형성된다. 하지만, 마스크 패턴(130)이 형성되지 않은 영역의 포토레지스트층(200) 상은 레이저의 투과 손실이 심하여 레이저의 간섭이 일어나지 않게 되어, 마스크 패턴(130)이 형성되지 않은 영역의 포토레지스트층(200)에는 간섭 노광패턴이 형성되지 않는다.
이후, 레이저를 조사한 포토레지스트층(200)을 현상함으로써, 포토레지스트층(200)에 마스크 패턴(130)과 대응된 영역, 즉 각 셀 영역(C)별로 간섭 노광 패턴에 의해 수백 nm의 다수의 관통홀(210)들이 군락을 이루며 형성될 수 있다. 여기서, 다수의 관통홀(210)들은 수백 nm의 원형 형태를 가질 수 있다.
이후, 다수의 관통홀(210)을 구비한 포토레지스트층(200)을 식각 마스크로 사용하여 마스크 패턴(130)을 식각하여, 마스크 패턴(130)에 포토레지스트층(200)의 관통홀과 대응된 홀(130a)이 형성될 수 있다. 여기서, 마스크 패턴(130)의 홀(130a)을 형성하기 위한 식각은 습식 식각법 및 반응성 이온 에칭법을 통해 이루어질 수 있다.
도 6을 참조하면, 마스크 패턴(130)을 형성한 후, 마스크 패턴(130)을 이용하여 각 셀 영역(C)별로 군락을 이루며 다수개로 배열된 나노 막대(140)를 성장시킨다.
여기서, 나노 막대(140)는 마스크 패턴(130)의 홀(130a)에 의해 노출된 제 1 전극(120)상으로부터 수직하게 성장되어 형성될 수 있다. 나노 막대(140)를 성장하는 방법의 예로서는 수열합성 방법 또는 유기금속 화학기상증착(MOCVD)법을 통해 형성될 수 있다.
이에 따라, 나노 막대(140)는 마스크 패턴(130)에 의해 셀 영역(C)별로 군락을 이루며 형성될 수 있다.
여기서, 포토레지스트층(200)은 나노 막대(140)를 성장시키기 전 또는 후에 제거될 수 있다. 특히, 나노 막대(140)를 유기금속 화학기상증착법을 통해 형성할 경우, 나노 막대(140)를 성장시키기 전에 제거되는 것이 바람직하다. 이는, 포토레지스트층(200)은 열안정성이 떨어지는 재질로써, 유기금속 화학기상증착법은 고온의 환경에서 수행되기 때문이다.
이에 더하여, 본 발명의 실시예에서 나노 막대(140)를 성장한 후, 마스크 패턴(130)을 보조 제 1 전극으로 사용하는 것으로 한정하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 나노 막대(140)를 형성한 후 마스크 패턴(130)을 제거하는 공정을 더 진행할 수도 있다.
도 7을 참조하면, 나노 막대(140)를 형성한 후, 나노 막대(140)를 덮으며 나노 막대(140)의 프로파일을 갖는 광전변환층(150)을 형성한다.
여기서, 광전변환층(150)은 N형 InGaN(151), I형 InGaN(152), P형 InGaN(153)을 순차적으로 성장시켜 형성할 수 있다. 이때, 광전변환층(150)은 유기금속 화학기상증착법을 통해 형성할 수 있다. 이때, 광전변환층(150)은 나노 막대(140)를 덮으며 제 1 전극(120)상에 형성된다. 여기서, 광전변환층(150)은 나노 막대(140)의 프로파일을 따라 형성되므로, 광전변환층(150)은 3차원적으로 입체적 형상을 가지게 될 수 있다.
이후, 광전변환층(150) 상에 반사방지 절연층(160)을 형성한다. 이때, 반사방지 절연층(160)은 광전변환층(150)과 후술될 제 2 전극(170)의 접촉을 위해 나노 막대(140)에 의해 돌출된 광전변환층(150)을 노출하도록 형성한다. 여기서, 반사방지 절연층(160)은 산화 실리콘 또는 질화 실리콘으로 형성할 수 있다. 이때, 반사방지 절연층(160)의 형성방법은 화학기상증착법 또는 스퍼터링법을 통해 형성할 수 있다.
여기서, 반사방지 절연층(160)을 형성하는 공정에서 광전변환층(150)의 일부가 노출되지 않고 광전변환층(150)을 전면 도포하도록 형성될 경우, 광전변환층(150)의 적어도 일부가 노출될 때까지 반사방지 절연층(160)을 전면 식각하는 공정을 더 수행할 수 있다.
도 8을 참조하면, 반사방지 절연층(160)을 형성한 후, 반사방지 절연층(160) 및 광전변환층(150)에 제 1 전극(120)을 노출하는 콘택홀(171)을 형성한다. 여기서, 콘택홀(171)은 레이저, 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma), 건식 에칭법 및 습식 에칭법을 통해 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 콘택홀(171)이 구비한 반사방지 절연층(160)을 형성한 후, 노출된 광전변환층(150)을 포함한 반사방지 절연층(160) 상에 제 2 전극(170)을 형성한다. 여기서, 제 2 전극(170)은 투명도전물질을 스퍼터링법 또는 진공증착법을 통해 증착한 후, 증착막을 각 셀 영역(C)별로 패터닝하여 형성될 수 있다. 이때, 제 2 전극(170)을 형성하기 위한 증착 공정에서 투명도전물질은 반사방지 절연층(160)의 콘택홀(171)에 충진되어 콘택전극(172)이 더 형성될 수 있다. 여기서, 콘택전극(172)은 서로 이웃한 셀 영역에 배치된 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170)을 서로 전기적으로 연결시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 제 2 전극(170)을 형성하기 위한 패터닝 공정은 레이저, 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma), 건식 에칭법 및 습식 에칭법을 통해 형성될 수 있다.
이에 따라, 하나의 기판(100)상에 나노 막대(140)에 의해 입체적 형상을 가지며 제 1 및 제 2 전극(120, 170)과 광전변환층(150)을 포함한 태양전지셀을 다수개 형성할 수 있다.
여기서, 하나의 기판(100) 상에서 선택적인 영역에 다수의 나노 막대(140)를 형성할 수 있어, 하나의 기판(100) 상에서 셀 영역(C)상에 다수의 나노 막대를 포함한 태양전지셀을 형성할 수 있다. 이에 따라, 종래와 같이, 태양전지를 형성하기 위해 태양전지 셀을 개별적으로 형성한 후, 태양전지 셀을 서로 접합하는 공정을 수행하지 않고, 하나의 기판(100)상에 나노 막대 기반의 태양전지 셀을 다수개 갖는 태양전지를 바로 형성할 수 있어, 종래보다 공정을 단순화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 다수의 태양전지 셀이 콘택전극(172)을 통해 직렬 연결되는 것으로 한정하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 다수의 태양전지 셀이 병렬로 연결될 경우, 제 1 전극(120)을 형성하는 공정에서 서로 이웃한 셀 영역에 배치된 제 1 전극(120)들을 형성하는 제 1 연결배선이 형성될 수 있다. 또한, 제 2 전극(170)을 형성하는 공정에서 서로 이웃한 셀 영역(C)에 배치된 제 2 전극(170)들을 형성하는 제 2 연결배선이 형성될 수 있다. 즉, 다수의 태양전지 셀은 제 1 및 제 2 전극(120, 170)을 형성하는 공정에서 각각 형성된 제 1 및 제 2 연결배선에 의해 병렬로 연결될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제 2 전극(170)을 형성한 후, 제 2 전극(170) 상에 그리드 전극(180)을 형성한다. 여기서, 그리드 전극(180)은 제 2 전극(170)에 비해 전기 전도도가 높은 금속으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제 2 전극(170)은 은 또는 구리로 형성될 수 있다. 여기서, 그리드 전극(180)은 제 2 전극(170)상에 금속을 증착한 후, 패터닝 공정을 통해 형성될 수 있다. 여기서, 그리드 전극(180)을 형성하기 위한 패터닝 공정은 포토리소그래피 공정을 포함한 습식 식각법 및 반응성 이온 에칭법을 통해 이루어질 수 있다.
이후, 그리드 전극(180)의 일부를 노출하는 개구부(190a)를 가지며 각 셀 영역(C)에 형성된 태양전지 셀을 덮는 보호층(190)이 더 구비될 수 있다. 여기서, 보호층(190)은 그리드 전극(180)을 포함하는 태양전지 셀을 덮도록 질화 실리콘 또는 산화 실리콘을 증착한 후, 패터닝 공정을 통해 보호층(190)에 그리드 전극(180)의 일부를 노출하는 개구부(190a)를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 셀 영역(C)별로 금속으로 이루어진 마스크 패턴(130)을 이용하여, 셀 영역(C)별로 배열된 다수의 나노 막대(140)들을 형성할 수 있다. 이에 따라, 하나의 기판(100) 상에서 나노 막대(140)을 기반으로 한 태양전지 셀을 셀 영역별로 형성할 수 있어, 종래보다 태양전지의 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다. 여기서, 마스크 패턴을 무기 절연물질로 형성하는 것을 제외하고, 앞서 설명한 제 3 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정과 동일할 수 있다. 이에 따라, 제 4 실시예는 제 3 실시예와 반복된 설명은 생략하여 설명하기로 한다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위해, 기판(100)의 각 셀 영역(C)상에 버퍼층(110)과 제 1 전극(120)을 형성한다.
이후, 각 셀 영역(C)상의 제 1 전극(120) 상에 금속층(133)과 마스크 패턴(130)을 형성한다. 여기서, 금속층(133)은 다른 재질에 비해 높은 반사율을 갖는 금속, 예컨대 Cr, Ti, Al 및 Ag에서 선택된 단일물질 또는 합금으로 형성할 수 있다. 마스크 패턴(130)은 무기절연물질, 예컨대 산화실리콘 또는 질화실리콘으로 형성할 수 있다.
금속층(133)과 마스크 패턴(130)은 일괄적인 패터닝 공정을 통해 형성될 수 있어, 금속층(133)과 마스크 패턴(130)은 동일한 식각 측면을 가질 수 있다.
이후, 금속층(133)상에 포토레지스트층(200)을 형성한다. 여기서, 포토레지스트층(200)은 네가티브 포토레지스트 물질을 도포하여 형성할 수 있다.
도 12를 참조하면, 포토레지스트층(200)에 레이저 간섭 리스그래피 공정을 수행하여 다수의 관통홀(210)을 형성한다. 여기사, 다수의 관통홀(210)은 포토레지스트층(200) 하부에 금속층(133)이 존재하는 영역에 주기적으로 형성될 수 있다.
이후, 포토레지스트층(200)을 식각 마스크로 사용하여 금속층(133)에 다수의 마스크 홀(133a)을 형성할 수 있다. 이때, 마스크 패턴(130)은 금속층(133)의 마스크(133a)을 형성하는 습식식각공정에서 제 1 전극(120)의 표면이 손상되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
이후, 마스크 패턴(130)에 포토레지스트층(200)의 관통홀(210) 또는 금속층(133)의 마스크홀(133a)과 대응된 홀(130a)을 형성하여, 제 2 전극(170)을 노출시킨다.
도 13을 참조하면, 포토레지스트층(200) 및 금속층(133)을 제거하여, 홀(130a)을 구비한 마스크 패턴(130)을 형성할 수 있다. 이때, 마스크 패턴(130)은 무기 절연물질로 형성함에 따라, 제 1 및 제 2 전극(120, 170)을 서로 전기적으로 절연시킬 수 있다.
또한, 마스크 패턴(130)은 다른 재질에 비해 더욱 효과적으로 나노 막대의 성장을 억제할 수 있어, 나노 막대는 마스크 패턴(130)의 홀(130a)에서 성장될 수 있다.
도 14를 참조하면, 각 셀 영역(C)별로 배열된 다수의 홀(130a)을 구비한 마스크 패턴(130)을 형성한 후, 홀(130a)에 의해 노출된 제 1 전극(120) 상으로 나노 막대(140)를 성장시킨다.
도 15를 참조하면, 나노 막대(140)를 형성한 후, 나노 막대(140)를 덮으며 나노 막대(140)의 프로파일을 갖는 광전변환층(150)을 형성한다. 이후, 제 2 전극(170)과 서로 이웃한 셀 영역(C)에 배치된 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170)을 서로 전기적으로 연결하는 콘택전극(172)을 형성함으로써, 하나의 기판(100) 상에 다수의 셀 영역(C)에 배치되고 서로 콘택전극(172)에 의해 직렬로 연결된 나노 막대(140) 기반의 태양전지셀을 제조할 수 있다.
이에 더하여, 광전 변환층(150)과 제 2 전극(170) 사이에 반사방지 절연층(160)을 더 형성할 수 있다. 여기서, 반사방지 절연층(160)은 콘택전극(172)이 관통하도록 형성될 수 있다.
이후, 제 2 전극(170) 상에 그리드 전극(180) 및 그리드 전극(180)의 일부를 노출하며 태양전지셀을 덮는 보호층(190)을 더 형성할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서와 같이, 마스크 패턴(130)을 무기 절연재질로 형성함에 따라, 나노 막대(140)를 단위 셀 영역별로 형성함과 동시에 제 1 및 제 2 전극(120, 170)을 서로 전기적으로 절연시켜, 태양전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 16 내지 도 17은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다. 여기서, 마스크 패턴을 금속층과 무기절연층의 이중 구조로 형성하는 것을 제외하고 앞서 설명한 제 4 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정과 동일할 수 있다. 이에 따라, 제 5 실시에에서 제 4 실시예와 반복된 설명은 생략하여 설명하기로 한다.
도 16을 참조하면, 기판(100)의 다수의 셀 영역(C)상에 버퍼층(110), 제 1 전극(120), 마스크 패턴(130)을 형성한다. 여기서, 마스크 패턴(130)은 순차적으로 적층된 제 1 및 제 2 마스크 패턴(131, 132)을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 마스크 패턴(131)은 무기절연층으로 형성되며, 제 2 마스크 패턴(132)은 금속층으로 형성될 수 있다.
이후, 마스크 패턴(130) 상에 포토레지스트층(200)을 형성한 후, 포토레지스트층(200)에 레이저 간섭 리소그래피 공정을 진행하여 단위 셀 영역(C)별로 군락을 이루며 배열된 다수의 관통홀(210)을 형성한다.
이후, 관통홀(210)이 형성된 포토레지스트층(200)을 식각 마스크로 사용하여, 마스크 패턴(130)에 단위 셀 영역(C)별로 군락을 이루며 배열된 다수의 홀(130a)을 형성한다.
여기서, 마스크 패턴(130)의 제 2 마스크 패턴(132)은 다른 재질에 비해 높은 전기 전도도를 갖는 금속으로 형성함에 따라, 제 2 마스크 패턴(132)은 보조 제 1 전극의 역할을 할 수 있다. 또한, 마스크 패턴(130)의 제 1 마스크 패턴(131)은 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170)을 서로 전기적으로 절연시키는 역할을 할 수 있다.
도 17을 참조하면, 다수의 홀(130a)을 구비한 마스크 패턴(130)을 이용하여, 셀 영역(C)별로 군락을 이루며 배열된 다수의 나노 막대(140)들을 형성한다. 즉, 다수의 나노 막대(140)들은 마스크 패턴(130)의 홀(130a)에 의해 노출된 제 1 전극(120)상에 형성될 수 있다.
여기서, 포토레지스트층(200)은 나노 막대(140)를 형성하기 이전 또는 이후에 제거될 수 있다.
도 18을 참조하면, 나노 막대(140)를 형성한 후, 나노 막대(140)를 덮으며 나노 막대(140)의 프로파일을 갖는 광전변환층(150)을 형성한다. 이후, 제 2 전극(170)과 다수의 태양전지 셀을 직렬로 연결하는 콘택전극(172)을 형성한다. 이에 따라, 하나의 기판(100)상에 다수의 셀 영역(C)에 배치되고 서로 콘택전극(172)에 의해 직렬로 연결된 나노 막대(140) 기반의 태양전지셀을 제조할 수 있다.
이에 더하여, 광전 변환층(150)과 제 2 전극(170) 사이에 반사방지 절연층(160)을 더 형성할 수 있다. 여기서, 반사방지 절연층(160)은 콘택전극(172)이 관통하도록 형성될 수 있다.
이후, 제 2 전극(170) 상에 그리드 전극(180) 및 그리드 전극(180)의 일부를 노출하며 태양전지셀을 덮는 보호층(190)을 더 형성할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서와 같이, 마스크 패턴(130)을 제 1 및 제 2 마스크 패턴(131, 132)의 적층구조로 형성함에 따라, 나노 막대(140)를 단위 셀 영역별로 형성함과 동시에 제 1 및 제 2 전극(120, 170)을 서로 전기적으로 절연시켜, 태양전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 셀 영역 별로 포토레지스트층의 관통홀을 형성하기 위한 금속층을 제거하는 공정을 진행하지 않음에 따라 금속층을 제거하는 공정에서 제 1 전극(120) 및 기판(100)이 손상되는 것을 최소화할 수 있다.
도 18은 금속층의 형성 여부에 따른 포토레지스트층에 관통홀의 형성 여부를 보여주는 사진이다.
도 18에서와 같이, 질화 갈륨(A1) 상에 산화 실리콘층(A2)을 형성한 후, 산화 실리콘층(A2)상의 제 1 영역(A)에 금속층을 형성하고, 산화 실리콘층(A2)상의 제 2 영역(B)에는 금속층을 형성하지 않는다. 이후, 금속층을 포함한 산화 실리콘층(A2)상의 전면에 포토레지스트층을 형성하였다. 여기서, 금속층은 크롬으로 형성하였다. 이후, 포토레지스트층 상에 레이저 간섭 리소그래피 공정을 수행하여 다수의 관통홀들을 형성하였다. 이때, 다수의 관통홀들은 제 1 영역(A), 즉 금속층과 대응된 영역에만 형성된 것을 확인할 수 있었다.
도 19는 다수의 홀이 형성된 산화 실리콘의 표면을 보여주는 사진이고, 도 20은 다수의 홀이 형성된 산화 실리콘의 단면을 보여주는 사진이다.
도 19 및 도 20에서와 같이, 다수의 관통홀을 갖는 포토레지스트층을 식각 마스크로 사용하여, 산화실리콘층(A2)을 식각하여 질화 갈륨(A1)을 노출하는 다수의 홀(H)을 형성하였다. 이후, 금속층과 포토레지스트층을 제거하는 공정을 진행한 후, 기판의 표면 및 단면을 측정한 결과, 균일하게 배열된 수백 나노 미터의 홀(H)이 형성된 산화 실리콘층(A2)이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 선택된 영역상에 금속층을 형성한 후 레이저 간섭 리소그래피 공정을 통해, 선택된 영역상에 다수의 관통홀을 갖는 마스크 패턴이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이로써, 셀 영역 별로 다수의 홀을 구비한 마스크 패턴을 통해 나노 막대의 성장 영역을 자유롭게 선택할 수 있으므로, 나노 막대 기반의 태양전지 셀을 하나의 기판상에 다수개 형성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
100 : 기판
110 : 버퍼층
120 : 제 1 전극
130 : 마스크 패턴
140 : 나노 막대
150 : 광전 변환층
160 : 반사 방지 절연층
170 : 제 2 전극
171 : 콘택전극
180 : 그리드 전극
190 : 보호층
110 : 버퍼층
120 : 제 1 전극
130 : 마스크 패턴
140 : 나노 막대
150 : 광전 변환층
160 : 반사 방지 절연층
170 : 제 2 전극
171 : 콘택전극
180 : 그리드 전극
190 : 보호층
Claims (20)
- 다수의 셀 영역들을 갖는 기판;
상기 각 셀 영역상에 배치된 제 1 전극;
상기 각 셀 영역 상에 배치되며 다수의 홀들을 구비한 마스크 패턴;
상기 다수의 홀의 각각에 배치된 나노 막대;
상기 각 셀 영역상에 배치되며, 상기 나노 막대를 덮으며 상기 나노 막대의 프로파일을 따라 형성된 광전변환층; 및
상기 각 셀 영역상에 배치되며, 상기 광전변환층을 덮는 제 2 전극;
을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 셀 영역에 각각 배치된 제 1 전극 및 제 2 전극은 서로 직렬로 연결되는 태양전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 다수의 셀 영역에서 서로 이웃한 셀 영역에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극을 서로 연결하는 콘택전극을 더 포함하는 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 콘택전극은 상기 광전 변환층을 관통하는 콘택홀을 경유하며 배치되어 상기 서로 이웃한 셀 영역에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극을 서로 전기적으로 연결하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 셀 영역들에 각각 배치된 제 1 전극 및 제 2 전극은 서로 병렬로 연결된 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 마스크 패턴은 금속 및 무기 절연물질 중 어느 하나의 단일층 또는 이들의 적층 구조로 형성된 태양전지.
- 제 6 항에 있어서,
상기 금속층은 상기 광전 변환층으로부터 상기 제 1 전극으로 전하의 이동을 보조하는 보조 제 1 전극인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환층과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 반사 방지 절연층을 더 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 각 셀 영역 상에 배치되며, 상기 제 1 전극과 상기 기판 사이에 개재되는 버퍼층을 더 포함하는 태양전지.
- 다수의 셀 영역들을 갖는 기판을 제공하는 단계;
상기 각 셀 영역에 제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 각 셀 영역 상에 다수의 홀들을 구비한 마스크 패턴을 형성하는 단계;
상기 다수의 홀의 각각에 나노 막대를 성장시키는 단계;
상기 각 셀 영역상에 상기 나노 막대를 덮으며 상기 나노 막대의 프로파일을 갖는 광전변환층을 형성하는 단계; 및
상기 각 셀 영역상에 상기 광전변환층을 덮는 제 2 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 마스크 패턴을 형성하는 단계는
상기 기판 상에 셀 영역 별로 배치된 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 상에 포토레지스트층을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트층에 레이저 간섭 리소그래피 공정을 수행하여 다수의 관통홀을 형성하는 단계; 및
상기 관통홀들을 갖는 포토레지스층을 이용한 식각 공정을 수행하여 상기 금속층에 다수의 홀을 형성하는 단계;
를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 포토레지스트층은 상기 나노 막대를 성장시키는 단계이전 또는 이후에 제거되는 태양전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 마스크 패턴을 형성하는 단계는
상기 기판 상에 셀 영역 별로 배치된 무기 절연층을 형성하는 단계;
상기 무기 절연층 상에 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 상에 포토레지스트층을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트층에 레이저 간섭 리소그래피 공정을 수행하여 다수의 관통홀을 형성하는 단계; 및
상기 관통홀들을 갖는 포토레지스트층을 이용한 식각 공정을 수행하여 상기 금속층과 상기 무기절연층에 상기 관통홀과 대응된 홀들을 다수개 형성하는 단계;
를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 금속층과 상기 무기절연층에 다수의 홀을 형성하는 단계 이후에 상기 포토레지스트층을 제거하는 단계; 및
상기 다수의 홀을 구비한 금속층을 제거하는 단계;
를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 포토레지스트층은 상기 나노 막대를 성장시키는 단계 이전 또는 이후에 제거되는 태양전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 각 셀 영역상에 상기 광전변환층을 덮는 제 2 전극을 형성하는 단계는
상기 제 1 전극을 노출하도록 상기 광전변환층에 콘택홀을 형성하는 단계; 및
상기 콘택홀을 통해 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 서로 전기적으로 연결하는 콘택 전극을 형성하는 단계;
를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 광전변환층과 상기 제 2 전극 사이에 개재되며 상기 콘택 전극이 관통하는 반사 방지 절연층을 더 형성하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 각 셀 영역 상에 상기 제 1 전극과 상기 기판 사이에 개재되는 버퍼층을 더 형성하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 전극을 형성하는 단계에서 상기 서로 이웃한 셀 영역의 제 1 전극들을 서로 전기적으로 연결하는 제 1 배선을 형성하고,
상기 제 2 전극을 형성하는 단계에서 상기 서로 이웃한 셀 영역의 제 2 전극들을 서로 전기적으로 연결하는 제 2 배선을 형성하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 다수의 홀의 각각에 나노 막대를 성장시키는 단계 이후에 상기 마스크 패턴층을 제거하는 단계를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| CN111162141A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-05-15 | 燕山大学 | 一种多结纳米线太阳能电池的制备方法 |
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| US20090194160A1 (en) * | 2008-02-03 | 2009-08-06 | Alan Hap Chin | Thin-film photovoltaic devices and related manufacturing methods |
-
2011
- 2011-05-23 KR KR1020110048473A patent/KR101734567B1/ko active IP Right Grant
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| CN111162141A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-05-15 | 燕山大学 | 一种多结纳米线太阳能电池的制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |