KR20130000224A - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명 전도막의 사용을 배제한 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 태양 전지는 ⅰ) 상호 이격되어 배치되고 일방향으로 뻗어 있으며, 제1 도핑 영역 및 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는 제2 도핑 영역을 포함하는 복수의 나노 구조체들, ⅱ) 나노 구조체들의 제2 도핑 영역과 접하며 제2 도핑 영역의 상단과 이격되어 위치하는 제1 금속 전극, ⅲ) 제1 금속 전극과 이격되어 위치하며 제1 도핑 영역의 하측 단부를 덮는 제2 금속 전극, 및 ⅳ) 제1 금속 전극과 제2 금속 전극 사이에 위치한 유전체층을 포함한다.
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 휘어짐이 가능한 가요성(flexible) 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이며, 기본적으로 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 형태로 구성된다. 태양 전지로 태양광이 입사하면 p형 반도체의 전도대 전자가 가전자대로 여기되고, 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 전자-정공 쌍을 생성한다. 생성된 전자-정공 쌍 중 전자는 n형 반도체로 넘어가 외부에 전류를 공급하게 된다.
실리콘 태양 전지의 경우 광 흡수를 원활히 하기 위해 상부 전극으로 인듐주석산화물(ITO)과 같은 투명 전도막(trnasparent conductive oxide, TCO)을 사용한다. 그런데 가요성 태양 전지에 투명 전도막을 적용하면 투명 전도막의 낮은 유연성으로 인해 열화가 발생하여 내구성이 저하된다. 또한, 투명 전도막은 금속에 비해 전기 전도도가 낮고 비용이 높은 문제를 안고 있다.
상부 전극으로 투명 전도막을 사용하지 않는 태양 전지를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 태양 전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 ⅰ) 상호 이격되어 배치되고 일방향으로 뻗어 있으며, 제1 도핑 영역 및 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는 제2 도핑 영역을 포함하는 복수의 나노 구조체들, ⅱ) 나노 구조체들의 제2 도핑 영역과 접하며 제2 도핑 영역의 상단과 이격되어 위치하는 제1 금속 전극, ⅲ) 제1 금속 전극과 이격되어 위치하며 제1 도핑 영역의 하측 단부를 덮는 제2 금속 전극, 및 ⅳ) 제1 금속 전극과 제2 금속 전극 사이에 위치한 유전체층을 포함한다.
제1 금속 전극은 제2 도핑 영역의 하측 부분과 접할 수 있다. 제2 도핑 영역은 제1 도핑 영역의 상측 단부를 덮을 수 있다. 복수의 나노 구조체들은 제2 도핑 영역의 외면에 형성된 패시베이션층을 포함할 수 있다.
제1 도핑 영역은 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역 중 어느 하나로 형성되고, 제2 도핑 영역은 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역 중 다른 하나로 형성될 수 있다. 제2 금속 전극은 제1 도핑 영역의 하측 단부와 이격되어 위치하고, 제1 도핑 영역과 제2 금속 전극 사이에 제1 도핑 영역과 같은 종류의 불순물을 포함하는 고농도 도핑 영역이 형성될 수 있다.
복수의 나노 구조체들은 투명 유전체층으로 둘러싸일 수 있다. 유전체층과 투명 유전체층은 각각 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함할 수 있다. 투명 유전체층은 내부에 분산된 복수의 나노파티클을 포함할 수 있다. 복수의 나노파티클은 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 실리콘산화물(SiO2), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 및 셀렌화카드뮴(CdSe)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 투명 유전체층은 태양광이 입사하는 외면에 요철 표면을 형성할 수 있다.
제1 도핑 영역에 형성된 하측 단부 영역의 높이는 나노 구조체 전체 높이의 0.2배 내지 0.9배의 범위에 속할 수 있다.
제1 금속 전극과 제2 금속 전극은 각각 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양 전지는 ⅰ) 상호 이격되어 배치되고 일방향으로 뻗어 있으며, 제1 도핑 영역 및 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는 제2 도핑 영역을 포함하는 복수의 나노 구조체들, ⅱ) 나노 구조체들의 제2 도핑 영역과 접하는 제1 금속 전극, ⅲ) 제1 금속 전극과 이격되어 위치하며 제1 도핑 영역의 하측 단부를 덮는 제2 금속 전극, 및 ⅳ) 제1 금속 전극과 제2 금속 전극 사이에 위치한 유전체층을 포함한다. 제2 도핑 영역의 상단과 제2 금속 전극간 거리는 제2 도핑 영역의 상단과 제1 금속 전극간 거리보다 크다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 ⅰ) 기판 위로 기판의 판면에 대해 수직인 방향으로 뻗은 나노 구조체들을 형성하는 단계, ⅱ) 나노 구조체들 각각에 제1 도핑 영역 및 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는 제2 도핑 영역을 형성하는 단계, ⅲ) 기판 위에 투명 유전체층을 형성하여 나노 구조체들을 투명 유전체층으로 덮는 단계, ⅳ) 기판으로부터 투명 유전체층과 나노 구조체들을 분리시키는 단계, ⅴ) 투명 유전체층의 일부를 제거하여 하측 단부 영역 및 제2 도핑 영역의 하측 부분을 노출시키는 단계, ⅵ) 제2 도핑 영역의 하측 부분과 접하도록 투명 유전체층의 일면에 제1 금속 전극을 형성하는 단계, 및 ⅶ) 제1 금속 전극의 외면에 유전체층과 제2 금속 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 ⅰ) 기판 위로 기판의 판면에 대해 수직인 방향으로 뻗은 나노 구조체들을 형성하는 단계, ⅱ) 나노 구조체들 각각에 제1 도핑 영역 및 제1 도핑 영역의 외주면 전체를 덮는 제2 도핑 영역을 형성하는 단계, ⅲ) 기판 위에 투명 유전체층을 형성하여 나노 구조체들을 투명 유전체층으로 덮는 단계, ⅳ) 기판으로부터 투명 유전체층과 나노 구조체들을 분리시키는 단계, ⅴ) 투명 유전체층의 일부를 제거하여 나노 구조체들의 하측 부분을 노출시킨 후 제2 도핑 영역의 일부를 선택적으로 제거하는 단계, ⅵ) 제2 도핑 영역과 접하도록 투명 유전체층의 일면에 제1 금속 전극을 형성하는 단계, 및 ⅶ) 제1 금속 전극의 외면에 유전체층과 제2 금속 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 ⅰ) 기판 위로 기판의 판면에 대해 수직인 방향으로 뻗은 나노 구조체들을 형성하는 단계, ⅱ) 나노 구조체들 각각에 제1 도핑 영역 및 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는 제2 도핑 영역을 형성하는 단계, ⅲ) 기판 위로 나노 구조체들 사이에 유전체층을 형성하여 유전체층으로 하측 단부 영역을 덮는 단계, ⅳ) 제2 도핑 영역의 하측 부분과 접하도록 유전체층 위로 제1 금속 전극을 형성하는 단계, ⅴ) 제1 금속 전극 위에 투명 유전체층을 형성하여 나노 구조체들을 투명 유전체층으로 덮는 단계, ⅵ) 유전체층 및 나노 구조체들로부터 기판을 분리시키는 단계, 및 ⅶ) 제1 도핑 영역의 하측 단부를 덮도록 유전체층의 외면에 제2 금속 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
나노 구조체들을 형성하는 단계에서 기판의 일면을 에칭하여 나노 구조체들을 형성할 수 있다. 기판을 에칭하는 단계에서, 반응성 이온식각(reactive ion etching, RIE)과 무전해 에칭(electroless etching) 및 전기화학적 에칭(electrochemical etching) 중 어느 하나의 방법이 적용될 수 있다.
다른 한편으로, 나노 구조체들을 형성하는 단계에서 기상-액상-고상 성장법을 이용하여 기판으로부터 나노 구조체들을 성장시킬 수 있다.
제1 도핑 영역과 제2 도핑 영역을 형성하는 단계에서, 제1 도핑 영역은 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역 중 어느 하나로 형성되고, 제2 도핑 영역은 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역 중 다른 하나로 형성될 수 있다.
제1 도핑 영역과 제2 도핑 영역을 형성하는 단계는 ⅰ) 나노 구조체들 각각에 p형 불순물과 n형 불순물 중 어느 하나를 주입하여 제1 도핑 영역을 형성하는 단계, ⅱ) 기판 위에 절연층을 형성하여 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 덮는 단계, ⅲ) 나노 구조체들 각각에 p형 불순물과 n형 불순물 중 다른 하나를 주입하여 제2 도핑 영역을 형성하는 단계, 및 ⅳ) 절연층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 제1 도핑 영역과 제2 도핑 영역을 형성하는 단계는 ⅰ) 나노 구조체들 각각에 p형 불순물과 n형 불순물 중 어느 하나를 주입하여 제1 도핑 영역을 형성하는 단계, ⅱ) 기판과 나노 구조체들의 표면에 산화막을 형성하는 단계, ⅲ) 산화막을 패터닝하여 기판의 표면과 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역에만 산화막을 남기는 단계, ⅳ) 나노 구조체들 각각에 p형 불순물과 n형 불순물 중 다른 하나를 주입하여 제2 도핑 영역을 형성하는 단계, 및 ⅴ) 산화막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
제2 도핑 영역을 형성한 후 제2 도핑 영역의 외면에 실리콘산화물, 실리콘질화물, 및 비정질 실리콘 중 적어도 하나를 증착하여 패시베이션층을 형성할 수 있다.
투명 유전체층을 형성하는 단계에서, 투명 유전체층의 두께를 나노 구조체들의 높이보다 크게 형성할 수 있다. 투명 유전체층을 형성하는 단계에서, 투명 유전체층의 내부에 복수의 나노파티클을 분산시킬 수 있다.
투명 유전체층은 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함하고, 복수의 나노파티클은 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 실리콘산화물(SiO2), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 및 셀렌화카드뮴(CdSe)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
투명 유전체층을 형성하는 단계에서, 태양광이 입사하는 투명 유전체층의 외면에 몰딩법으로 요철 표면을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에서, 투명 유전체층과 나노 구조체들로부터 분리된 기판은 나노 구조체들을 형성하는 단계에서 재사용될 수 있다. 유전체층 형성 후 제2 금속 전극을 형성하기 전, 유전체층의 외면과 제1 도핑 영역의 하측 단부 외면에 제1 도핑 영역과 같은 종류의 불순물을 포함하는 고농도 도핑 영역을 형성하고, 고농도 도핑 영역의 외면에 제2 금속 전극을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에서, 유전체층 및 나노 구조체들로부터 분리된 기판은 상기 나노 구조체들을 형성하는 단계에서 재사용될 수 있다. 유전체층의 외면에 제2 금속 전극을 형성하기 전, 제1 도핑 영역과 같은 종류의 불순물을 포함하며 제1 도핑 영역의 하측 단부와 접하는 고농도 도핑 영역을 형성하고, 고농도 도핑 영역의 외면에 제2 금속 전극을 형성할 수 있다.
상부 전극으로 투명 전도막(TCO)보다 저가이고 전기 전도도가 높은 금속 전극을 사용하므로 태양 전지의 제조 비용을 낮추고 광전 변환 효율을 높일 수 있다. 그리고 금속 전극은 투명 전도막(TCO)보다 유연성이 높기 때문에 태양 전지를 구부리는 경우에도 열화가 발생하지 않아 내구성을 높일 수 있다. 따라서 가요성(flexible) 태양 전지를 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 기판을 재사용할 수 있으므로 낮은 가격으로 대량의 태양 전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시한 태양 전지의 첫 번째 제조 공정을 나타낸 순서도이다.
도 6 내지 도 20은 도 5에 도시한 제조 공정의 각 단계들을 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
도 21은 도 1에 도시한 태양 전지의 두 번째 제조 공정을 나타낸 순서도이다.
도 22 내지 도 25는 도 21에 도시한 제조 공정의 각 단계들을 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시한 태양 전지의 첫 번째 제조 공정을 나타낸 순서도이다.
도 6 내지 도 20은 도 5에 도시한 제조 공정의 각 단계들을 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
도 21은 도 1에 도시한 태양 전지의 두 번째 제조 공정을 나타낸 순서도이다.
도 22 내지 도 25는 도 21에 도시한 제조 공정의 각 단계들을 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서에 기재된 “아래”, “위” 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 “아래”에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 “위”에 있는 것으로 설명된다. 따라서 “아래”라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90도 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
명세서에 기재된 “나노”라는 용어는 나노 스케일을 의미하며, 마이크로 단위를 포함할 수도 있다. 또한, 명세서에 기재된 “나노 구조체”라는 용어는 나노 막대, 나노 튜브, 나노벽 및 나노 와이어 등 모든 구조를 포함한 나노 스케일의 객체를 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지(100)의 개략적인 단면도이다. 도 1에 나타낸 태양 전지(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명은 도시한 예로 한정되지 않는다. 따라서 태양 전지(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 1을 참고하면, 태양 전지(100)는 복수의 나노 구조체들(30), 제1 금속 전극(10), 제2 금속 전극(20), 및 유전체층(40)을 포함한다. 이외에, 태양 전지(100)는 다른 소자들을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 태양 전지(100)는 투명 유전체층(50)과 고농도 도핑 영역(60)을 더 포함한다.
복수의 나노 구조체들(30)은 z축 방향으로 뻗어 있으며, 서로간 거리를 두고 떨어져 위치한다. 이로써 복수의 나노 구조체들(30)에 태양광이 고르게 입사하므로 복수의 나노 구조체들(30)은 태양광을 잘 흡수할 수 있다. 나노 구조체(30)의 소재로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 또는 실리콘게르마늄(SiGe) 등을 사용할 수 있다. 이러한 소재를 사용하여 나노 구조체(30)에 도핑 영역을 형성할 수 있다.
각각의 나노 구조체(30)는 제1 도핑 영역(301)과 제2 도핑 영역(302)을 포함한다. 제1 도핑 영역(301)은 막대형 또는 와이어형으로 이루어지며, 제2 도핑 영역(302)은 제1 도핑 영역(301)의 외주면 일부를 둘러싸도록 위치한다. 특히 제2 도핑 영역(302)은 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10)을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는다. 여기서, '하측 단부 영역(A10)'은 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부로부터 z축 방향으로 일정 높이 올라간 영역을 의미한다.
제2 도핑 영역(302)은 제1 도핑 영역(301)의 상측 단부를 덮을 수도 있고 덮지 않을 수도 있다. 도 1에서는 제2 도핑 영역(302)이 제1 도핑 영역(301)의 상측 단부까지 덮는 경우를 도시하였다.
제1 도핑 영역(301)이 p형으로 형성될 때 제2 도핑 영역(302)은 n형으로 형성되고, 제1 도핑 영역(301)이 n형으로 형성될 때 제2 도핑 영역(302)은 p형으로 형성된다. 제2 도핑 영역(302)은 제1 금속 전극(10)과 접하여 이와 전기적으로 연결된다. 제1 도핑 영역(301)은 제1 금속 전극(10)과 떨어져 위치하며, 제2 금속 전극(20)과 전기적으로 연결된다. 제2 금속 전극(20)은 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부를 덮도록 형성된다.
제1 도핑 영역(301)과 제2 금속 전극(20) 사이에 고농도 도핑 영역(60)이 위치할 수 있다. 고농도 도핑 영역(60)은 제1 도핑 영역(301)과 같은 종류의 불순물을 더 높은 농도로 포함한다. 이 경우 제1 금속 전극(10)과 고농도 도핑 영역(60) 사이에 유전체층(40)이 위치한다.
제1 도핑 영역(301)이 제1 금속 전극(10)과 접하지 않으므로 나노 구조체(30)를 통한 제1 금속 전극(10)과 제2 금속 전극(20)의 단락 현상은 발생하지 않는다. 만일 제2 도핑 영역(302)이 제1 도핑 영역(301)의 외주면 전체를 덮는 경우를 가정하면 제2 도핑 영역(302)은 고농도 도핑 영역(60) 또는 제2 금속 전극(20)과 접하게 되므로 단락이 발생하게 된다.
제1 금속 전극(10)은 나노 구조체들(30)의 제2 도핑 영역(302)과 접하도록 형성되어 제2 도핑 영역들(302)과 전기적으로 연결된다. 제1 금속 전극(10)은 복수의 나노 구조체들(30)과 직교하며, xy 평면 방향을 따라 넓게 형성된다.
이때 제1 금속 전극(10)은 제2 도핑 영역(302)의 상단과 이격되어 위치한다. 예를 들어, 제1 금속 전극(10)은 제2 도핑 영역(302)의 하측 부분과 접하도록 형성될 수 있다. 여기서, '하측 부분'은 통상적인 의미의 아래 부분으로서 제2 도핑 영역(302)의 하측 단부와 접하는 부분이거나 공정 오차 이내의 거리를 두고 하측 단부로부터 위로 올라간 부분을 의미한다.
고농도 도핑 영역(60)은 나노 구조체(30)에서 생성된 정공들(p형인 경우) 또는 전자들(n형인 경우)의 이송 효율을 증대시켜 태양 전지(100)의 광전 변환 효율을 높이는 기능을 한다. 고농도 도핑 영역(60)은 복수의 나노 구조체들(30)과 접하도록 xy 평면 방향을 따라 넓게 형성될 수 있다.
다른 한편으로, 고농도 p형 도핑 영역(60)이 없는 경우 제2 금속 전극(20)은 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부를 직접 덮도록 형성될 수 있다. 이 경우 제1 금속 전극(10)과 제2 금속 전극(20) 사이에 유전체층(40)이 위치한다.
유전체층(40)은 제1 금속 전극(10)과 고농도 도핑 영역(60) 사이에 위치하여 제1 금속 전극(10)과 고농도 도핑 영역(60)(및 이와 연결된 제2 금속 전극(20))을 상호 절연시킨다.
제1 금속 전극(10) 위로 노출된 나노 구조체들(30)은 투명 유전체층(50)으로 덮인다. 투명 유전체층(50)은 나노 구조체들(30)의 형상을 유지시키고, 외부 환경으로부터 나노 구조체들(30)을 보호하여 외력에 의한 나노 구조체들(30)의 손상을 방지한다. 또한, 투명 유전체층(50)은 높은 광 투과율을 확보하여 태양광이 복수의 나노 구조체들(30)로 잘 입사하도록 한다. 투명 유전체층(50)의 두께는 제1 금속 전극(10) 위로 노출된 나노 구조체들(30)의 높이보다 클 수 있다.
유전체층(40)과 투명 유전체층(50)은 산화아연(ZnO), 산화실리콘(SiO2), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PMDS), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
전술한 구조의 태양 전지(100)에서 제2 도핑 영역(302)의 상단과 제2 금속 전극(20)간 거리는 제2 도핑 영역(302)의 상단과 제1 금속 전극(10)간 거리보다 크다.
전술한 태양 전지(100)에서 태양광은 투명 유전체층(50)을 통해 복수의 나노 구조체들(30)로 입사한다. 제1 도핑 영역(301)이 p형으로 형성되고 제2 도핑 영역(302)이 n형으로 형성되는 경우, 나노 구조체들(30)의 제1 도핑 영역(301)에서 전자-정공 쌍이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍 중 전자는 제2 도핑 영역(302)으로 넘어가 제1 금속 전극(10)에 수집되고, 정공은 고농도 도핑 영역(60)을 통해 제2 금속 전극(20)에 수집된다.
반대로 제1 도핑 영역(301)이 n형으로 형성되고 제2 도핑 영역(302)이 p형으로 형성되는 경우, 제2 도핑 영역(302)에서 전자-정공 쌍이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍 중 전자는 제1 도핑 영역(301)으로 넘어가 고농도 도핑 영역(60)을 통해 제2 금속 전극(20)에 수집되고, 정공은 제1 금속 전극(10)에 수집된다.
제1 금속 전극(10)과 제2 금속 전극(20)은 수동 소자(P)와 연결된다. 따라서 태양 전지(100)를 이용하여 수동 소자(P)에 전력을 공급할 수 있다. 수동 소자(P)와의 연결을 위해 제1 금속 전극(10)과 제2 금속 전극(20) 각각에 도시하지 않은 컨택부가 형성될 수 있다.
복수의 나노 구조체들(30) 각각은 마이크로미터(㎛) 또는 나노미터(nm) 스케일의 크기로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체(30)의 높이는 대략 수십 마이크로미터 크기이고, 나노 구조체(30)의 폭과 나노 구조체들(30) 사이의 간격은 대략 수 마이크로미터 크기일 수 있다.
그리고 제2 도핑 영역(302)으로 덮이지 않는 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10)의 높이는 나노 구조체(30) 전체 높이의 0.2배 내지 0.9배의 범위에 속할 수 있다. 하측 단부 영역(A10)의 높이가 나노 구조체(30) 전체 높이의 0.2배 미만이면, 다음에 설명하는 제조 과정에서 기판으로부터 나노 구조체(30)를 분리할 때 하측 단부 영역(A10)이 모두 제거될 수 있고, 0.9배를 초과하면 제1 금속 전극(10)의 위치가 과도하게 높아져 나노 구조체(30)에 흡수되는 태양광의 양이 지나치게 감소할 수 있다.
제1 실시예의 태양 전지(100)에서 제1 금속 전극(10)은 나노 구조체들(30)의 상측 단부를 덮지 않고 제2 도핑 영역(302)의 하측 부분과 접하며 위치한다. 따라서 상부 전극(제1 실시예에서 제1 금속 전극(10))으로 인듐주석산화물(ITO)와 같은 투명 전도막(TCO)을 사용할 필요가 없다.
즉, 태양광은 상부 전극을 거치지 않고 투명 유전체층(50)을 통해 바로 나노 구조체들(30)로 입사하고, 광전 변환의 결과물인 제2 도핑 영역(302)의 전자들은 제2 도핑 영역(302)의 하측 부분과 접하는 제1 금속 전극(10)에 수집되므로, 제1 실시예의 태양 전지(100)는 투명 전도막의 사용을 배제할 수 있다.
제1 금속 전극(10)과 제2 금속 전극(20)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 특히 제1 금속 전극(10)은 태양 빛을 반사시키는 성질이 있으므로 후면 반사판(back reflector)의 역할을 겸한다. 따라서 제1 금속 전극(10)이 나노 구조체들(30)로 태양 빛을 반사시켜 나노 구조체들(30)의 광 흡수량을 증대시킨다.
또한, 제1 금속 전극(10)을 큰 거칠기로 형성하는 경우 플라즈몬 효과(plasmonic effect)를 유도할 수 있다. 플라즈몬은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자로서 제1 금속 전극(10)의 표면에 부분적으로 존재한다. 플라즈몬 효과를 이용하여 나노 구조체들(30)에 대한 가시광선 영역의 투과율을 높여 태양 전지(100)의 광 흡수율을 크게 증진시킬 수 있다.
제1 금속 전극(10)과 제2 금속 전극(20)은 투명 전도막(TCO)에 비해 저가이고 전기 전도도가 높으므로 태양 전지(100)의 제조 비용을 낮추고 광전 변환 효율을 높일 수 있다. 또한, 제1 금속 전극(10)과 제2 금속 전극(20)은 투명 전도막(TCO)에 비해 유연성이 높기 때문에 태양 전지(100)를 구부리는 경우에도 열화가 발생하지 않아 내구성을 높일 수 있다. 따라서 가요성(flexible) 태양 전지를 용이하게 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지(200)의 개략적인 단면도이다. 도 2에 나타낸 태양 전지(200)의 구조는 도 1의 태양 전지(100)의 구조와 유사하므로 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참고하면, 투명 유전체층(51)은 그 내부에 고르게 분산된 복수의 나노파티클(52)을 포함한다. 나노파티클(52)은 나노미터(nm) 사이즈의 파티클로서 광 산란(light scattering) 효과를 일으켜 나노 구조체들(30)의 광 흡수량을 증대시킨다.
나노파티클(52)은 유전체성 나노파티클과 반도체성 나노파티클 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유전체성 나노파티클은 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 실리콘산화물(SiO2) 등을 포함할 수 있다. 반도체성 나노파티클은 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 셀렌화카드뮴(CdSe) 등을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 태양 전지(300)의 개략적인 단면도이다. 도 3에 나타낸 태양 전지(300)의 구조는 도 1의 태양 전지(100)의 구조와 유사하므로 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3을 참고하면, 나노 구조체(310)는 제1 도핑 영역(301)과 제2 도핑 영역(302) 이외에 제2 도핑 영역(302)의 표면을 감싸는 패시베이션층(303)을 더 포함한다. 패시베이션층(303)은 제1 금속 전극(10) 위로 노출된 제2 도핑 영역(302)의 표면을 덮을 수 있다.
패시베이션층(303)은 증착으로 형성될 수 있으며, 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiN4), 및 비정질 실리콘 등을 포함할 수 있다. 베시베이션층(303)은 나노 구조체(310)의 표면을 보호하여 제조 과정에서 나노 구조체(310)의 표면 손상을 최소화한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다. 도 4에 나타낸 태양 전지의 구조는 도 1의 태양 전지의 구조와 유사하므로 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참고하면, 투명 유전체층(53)은 태양광이 입사하는 외면에 요철 표면(54)을 형성한다. 요철 표면(54)은 몰딩(molding) 방법으로 형성될 수 있다. 요철 표면(54)은 태양광이 투명 유전체층(53)으로 입사할 때 투명 유전체층(53)의 표면 반사율을 낮추는 역할을 한다. 따라서 태양 전지(400)는 보다 많은 양의 태양광을 나노 구조체(30)로 입사시킬 수 있으므로 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
이하, 태양 전지의 제조 공정에 대해 설명한다. 도 1에 도시한 태양 전지는 두가지 방법으로 제조될 수 있다. 도 5 내지 도 16을 참조하여 태양 전지의 첫 번째 제조 방법에 대해 설명하고, 도 17 내지 도 21을 참조하여 태양 전지의 두 번째 제조 방법에 대해 설명한다.
도 5는 도 1에 도시한 태양 전지의 첫 번째 제조 공정을 나타낸 순서도이고, 도 6 내지 도 16은 도 5에 도시한 제조 공정의 각 단계들을 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
도 5를 참고하면, 태양 전지의 제조 방법은 기판 위에 복수의 나노 구조체들을 형성하는 제1 단계(S10)와, 나노 구조체들에 제1 도핑 영역과 제2 도핑 영역을 형성하는 제2 단계(S20)와, 기판 위에 투명 유전체층을 형성하는 제3 단계(S30)와, 기판으로부터 투명 유전체층과 나노 구조체들을 분리시키는 제4 단계(S40)와, 투명 유전체층의 일부를 제거하여 나노 구조체들의 일부를 노출시키는 제5 단계(S50)와, 투명 유전체층의 일면에 제1 금속 전극을 형성하는 제6 단계(S60)와, 제1 금속 전극의 외면에 유전체층을 형성하는 제7 단계(S70)와, 유전체층의 외면에 고농도 p형 도핑 영역을 형성하는 제8 단계(S80)와, 고농도 p형 도핑 영역의 외면에 제2 금속 전극을 형성하는 제9 단계(S90)를 포함한다.
도 6을 참고하면, 제1 단계(S10)에서는 기판(70)을 준비하고, 기판(70) 위에 기판(70)의 판면에 대해 수직인 방향으로 뻗은 복수의 나노 구조체들(30)을 형성한다. 나노 구조체들(30)은 기판(70)의 일면을 에칭하여 형성할 수 있다. 기판(70)의 에칭은 반응성 이온식각(reactive ion ethcing, RIE), 무전해 에칭(electroless etching), 및 전기화학적 에칭(electrochemical etching) 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다. 다른 한편으로, 기상-액상-고상(vapor-liquid-solid, VLS) 성장법을 이용하여 기판(70)으로부터 나노 구조체들(30)을 성장시킬 수 있다.
에칭법 또는 기상-액상-고상 성장법 적용시 공정 조건을 조절하여 나노 구조체들(30)의 높이와 폭 및 나노 구조체들 사이의 거리 등을 제어할 수 있다.
도 7을 참고하면, 제2 단계(S20)에서는 복수의 나노 구조체들(30)에 제1 도핑 영역(301)과 제2 도핑 영역(302)을 형성한다. 먼저, 나노 구조체들(30)을 열처리하면서 p형 불순물(붕소, 칼륨)과 n형 불순물(인, 비소, 안티몬) 중 어느 하나를 주입한다. 이로써 주입된 불순물이 열에 의해 나노 구조체들(30)의 내부로 확산되면서 나노 구조체들(30)이 전부 제1 도핑 영역(301)이 된다. 이후 나노 구조체들(30)을 열처리하면서 p형 불순물과 n형 불순물 중 다른 하나를 주입한다. 이로써 주입된 불순물이 열에 의해 확산되면서 제1 도핑 영역(301)의 외주면에 제2 도핑 영역(302)이 형성된다.
이때 제2 도핑 영역(302)은 단락 방지를 위해 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10)을 제외한 나머지 영역의 외주면에 형성되어야 한다. 이를 위해 도 8a와 도 8b에 도시한 첫 번째 방법과, 도 9a 내지 도 9c에 도시한 두 번째 방법 중 어느 하나의 방법이 적용될 수 있다.
도 8a와 도 8b를 참고하면, 제1 도핑 영역(301)을 형성한 다음 복수의 나노 구조체들(30) 사이로 절연층(71)을 형성한다. 절연층(71)은 하측 단부 영역(A10)의 높이보다 약간 큰 두께로 형성될 수 있다. 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10)은 절연층(71)에 의해 덮여 있으므로 절연층(71) 형성 후 불순물을 주입하면 하측 단부 영역(A10)을 제외한 나머지 영역의 외주면에 제2 도핑 영역(302)을 형성할 수 있다. 제2 도핑 영역 형성(302) 후 절연층(71)을 제거한다.
도 9a 내지 도 9c를 참고하면, 제1 도핑 영역(301)을 형성한 다음 기판(70) 전체를 산화시켜 기판(70)과 복수의 나노 구조체들(30) 표면에 산화막(72)을 형성한다. 이후 산화막(72)을 패터닝하여 기판(70) 표면과 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10)에 산화막(72)을 남기고, 불순물을 주입한다. 이로써 하측 단부 영역(A10)을 제외한 나머지 영역의 외주면에 제2 도핑 영역(302)을 형성할 수 있다. 제2 도핑 영역(302) 형성 후 남은 산화막(72)을 모두 제거한다.
이때 산화막(72)을 제거하기 전, 제2 도핑 영역(302)의 표면에 패시베이션 물질을 증착하여 패시베이션층(도시하지 않음)을 형성할 수 있다(제3 실시예의 태양 전지).
도 10을 참고하면, 제3 단계(S30)에서는 기판(70) 위로 복수의 나노 구조체들(30)을 덮도록 투명 유전체층(50)을 형성한다. 투명 유전체층(50)은 나노 구조체들(30)의 높이보다 큰 두께로 형성되어 나노 구조체들(30)의 외주면과 상측 단부 모두를 덮어 보호한다. 투명 유전체층(50)은 투명하면서 유연성이 우수한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PMDS)을 포함할 수 있다.
또한, 투명 유전체층(50)은 그 내부에 고르게 분산된 복수의 나노파티클(도시하지 않음)을 포함할 수 있다(제2 실시예의 태양 전지). 나노파티클은 광 산란 효과를 유발하여 나노 구조체들(30)의 광 흡수량을 증대시키며, 유전체성 나노파티클과 반도체성 나노파티클 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 투명 유전체층(50)은 태양광이 입사하는 외면에 몰딩 등의 방법으로 요철 표면(도시하지 않음)을 형성할 수 있다(제4 실시예의 태양 전지). 요철 표면은 투명 유전체층의 표면 반사율을 낮추는 기능을 한다.
도 11을 참고하면, 제4 단계(S40)에서는 기판(70)으로부터 투명 유전체층(50)과 복수의 나노 구조체들(30)을 분리시킨다. 분리된 기판(70)은 제1 단계(S10)에서 재사용될 수 있으므로 태양 전지(100)의 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 12를 참고하면, 제5 단계(S50)에서는 투명 유전체층(50)의 하단 일부를 에칭 등의 방법으로 제거하여 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10)과 제2 도핑 영역(302)의 하측 부분을 노출시킨다.
도 13을 참고하면, 제6 단계(S60)에서는 제2 도핑 영역(302)의 하측 부분과 접하도록 투명 유전체층(50)의 일면 전체에 제1 금속 전극(10)을 형성한다. 제1 금속 전극(10)은 노출된 투명 유전체층(50)의 일면 전체 및 노출된 나노 구조체들(30)의 표면 전체에 제1 금속 전극 물질, 예를 들어 은(Ag)을 전면 증착한 후 이를 패터닝하여 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10)을 노출시키는 과정으로 형성될 수 있다.
도 14를 참고하면, 제7 단계(S70)에서는 제1 금속 전극(10)의 외면에 유전체층(40)을 형성하여 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10)을 유전체층(40)으로 둘러싼다. 이때 유전체층(40)은 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부를 덮지 않고 노출시키는 두께로 형성된다.
도 15를 참고하면, 제8 단계(S80)에서는 노출된 유전체층(40)과 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 외면에 고농도 도핑 영역(60)을 일정 두께로 형성한다. 고농도 도핑 영역(60)은 제1 도핑 영역들(301)의 하측 단부와 접촉하여 이와 전기적으로 연결된다. 고농도 도핑 영역(60)은 제1 도핑 영역(301)의 불순물이 고농도로 주입된 영역으로서, 나노 구조체(30)에서 생성된 정공들(또는 전자들)의 이송 효율을 증대시켜 태양 전지(100)의 광전 변환 효율을 높이는 기능을 한다.
도 16을 참고하면, 제9 단계(S90)에서는 고농도 도핑 영역(60)의 외면에 제2 금속 전극(20)을 형성한다. 제2 금속 전극(20)은 고농도 도핑 영역(60) 위로 제2 금속 전극 물질, 예를 들어 은(Ag)을 전면 증착하는 방법으로 형성될 수 있다.
한편, 전술한 방법과 달리 제2 단계(S20)에서 제2 도핑 영역(302)을 제1 도핑 영역(301)의 외면 전체에 형성하고, 제5 단계(S50)와 제6 단계(S60) 사이에서 제2 도핑 영역(302)의 일부를 제거하는 방법을 적용할 수 있다. 이 방법을 도 17 내지 도 20에 도시하였다.
도 17을 참고하면, 제2 단계(S20)에서 복수의 나노 구조체들(30)을 열처리하면서 p형 불순물과 n형 불순물 중 어느 하나를 주입하여 제1 도핑 영역(301)을 형성한다. 이후 나노 구조체들(30)을 열처리하면서 p형 불순물과 n형 불순물 중 다른 하나를 주입하여 제1 도핑 영역(301)의 외주면 전체에 제2 도핑 영역(301)을 형성한다. 이때 제2 도핑 영역(301)의 외면에 패시베이션층(도시하지 않음)을 형성할 수 있다.
도 18을 참고하면, 제4 단계(S40)에서 기판(70)으로부터 투명 유전체층(50)과 복수의 나노 구조체들(30)을 분리시킨 후 제5 단계(S50)에서 투명 유전체층(50)의 하단 일부를 에칭 등의 방법으로 제거하여 나노 구조체들(30)의 아래 부분을 노출시킨다.
도 19를 참고하면, 나노 구조체들(30)의 노출된 부위 중 제2 도핑 영역(302)의 일부를 에칭 등의 방법으로 선택적으로 제거한다. 이로써 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10)을 제외한 나머지 영역의 외주면에 제2 도핑 영역(302)이 형성된다. 제6 단계 이후의 제조 과정은 전술한 방법과 동일하다.
즉, 도 20을 참고하면, 제6 단계(S60)에서 제2 도핑 영역(302)과 접하도록 투명 유전체(50)의 일면 전체에 제1 금속 전극(10)을 형성하고, 제7 단계(S70)에서 제1 금속 전극(10)의 외면에 유전체층(40)을 형성한다. 제8 단계(S80)에서 유전체층(40)의 외면에 고농도 도핑 영역(60)을 형성하고, 제9 단계(S90)에서 고농도 도핑 영역(60)의 외면에 제2 금속 전극(20)을 형성한다.
도 21은 도 1에 도시한 태양 전지의 두 번째 제조 공정을 나타낸 순서도이고, 도 21 내지 도 25는 도 21에 도시한 제조 공정의 각 단계들을 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
도 21을 참고하면, 태양 전지의 두 번째 제조 공정은 기판 위에 복수의 나노 구조체들을 형성하는 제1 단계(S100)와, 나노 구조체들에 제1 도핑 영역과 제2 도핑 영역을 형성하는 제2 단계(S200)와, 기판 위에 유전체층을 형성하는 제3 단계(S300)와, 유전체층 위에 제1 금속 전극을 형성하는 제4 단계(S400)와, 제1 금속 전극 위에 투명 유전체층을 형성하는 제5 단계(S500)와, 기판으로부터 유전체층 및 나노 구조체들을 분리시키는 제6 단계(S600)와, 유전체층 및 제1 도핑 영역의 외면에 고농도 도핑 영역을 형성하는 제7 단계(S700)와, 고농도 도핑 영역의 외면에 제2 금속 전극을 형성하는 제8 단계(S800)를 포함한다.
제1 단계(S100)와 제2 단계(S200)는 전술한 첫 번째 제조 공정과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 22를 참고하면, 제3 단계(S300)에서는 기판(70) 위로 나노 구조체들(30) 사이에 유전체층(40)을 형성한다. 유전체층(40)의 두께는 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부 영역(A10) 높이와 같거나 이보다 클 수 있다.
도 23을 참고하면, 제4 단계(S400)에서는 제2 도핑 영역(302)의 하측 부분과 접하도록 유전체층(40) 위로 제1 금속 전극(10)을 형성한다. 제1 금속 전극(10)은 노출된 유전체층(40)과 나노 구조체들(30) 표면 전체에 제1 금속 전극 물질, 예를 들어 은(Ag)을 전면 증착 후 이를 패터닝하여 제2 도핑 영역(302)의 대부분을 노출시키는 과정으로 형성될 수 있다.
도 24를 참고하면, 제5 단계(S500)에서는 제1 금속 전극(10) 위로 복수의 나노 구조체들(30)을 덮도록 투명 유전체층(50)을 형성한다. 투명 유전체층(50)은 제1 금속 전극(10) 위로 노출된 나노 구조체들의 높이보다 큰 두께로 형성되어 나노 구조체들(30)의 외주면과 상측 단부 모두를 덮어 보호한다. 또한, 투명 유전체층(50)은 그 내부에 고르게 분산된 복수의 나노파티클(도시하지 않음)을 포함할 수 있다(제2 실시예의 태양 전지). 또한, 투명 유전체층(50)은 태양광이 입사하는 외면에 요철 표면(도시하지 않음)을 형성할 수 있다(제4 실시예의 태양 전지).
도 25를 참고하면, 제6 단계(S600)에서는 기판(70)으로부터 유전체층(40), 나노 구조체들(30), 제1 금속 전극(10), 및 투명 유전체층(50)을 분리시킨다. 기판(70) 분리에 따라 제1 도핑 영역(301)의 하측 단부가 외부로 노출된다. 분리된 기판(70)은 제1 단계(S100)에서 재사용될 수 있으므로 태양 전지(100)의 제조 비용을 절감할 수 있다.
이어서 제7 단계(S700)에서는 노출된 유전체층(40)과 제1 도핑 영역(301)의 외면에 고농도 도핑 영역(60)을 일정 두께로 형성한다. 고농도 도핑 영역(60)은 제1 도핑 영역들(301)과 접촉하여 이들과 전기적으로 연결된다. 이후 제8 단계(S800)에서는 고농도 도핑 영역(60)의 외면에 제2 금속 전극(20)을 형성하여 태양 전지(100)를 완성한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300, 400: 태양 전지 10: 제1 금속 전극
20: 제2 금속 전극 30, 310: 나노 구조체들
301: 제1 도핑 영역 302: 제2 도핑 영역
A10: 하측 단부 영역 40: 유전체층
50, 51, 53: 투명 유전체층 52: 나노파티클
60: 고농도 도핑 영역 70: 기판
71: 절연층 72: 산화막
20: 제2 금속 전극 30, 310: 나노 구조체들
301: 제1 도핑 영역 302: 제2 도핑 영역
A10: 하측 단부 영역 40: 유전체층
50, 51, 53: 투명 유전체층 52: 나노파티클
60: 고농도 도핑 영역 70: 기판
71: 절연층 72: 산화막
Claims (31)
- 상호 이격되어 배치되고 일방향으로 뻗어 있으며, 제1 도핑 영역 및 상기 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는 제2 도핑 영역을 포함하는 복수의 나노 구조체들;
상기 나노 구조체들의 제2 도핑 영역과 접하며 상기 제2 도핑 영역의 상단과 이격되어 위치하는 제1 금속 전극;
상기 제1 금속 전극과 이격되어 위치하며 상기 제1 도핑 영역의 하측 단부를 덮는 제2 금속 전극; 및
상기 제1 금속 전극과 상기 제2 금속 전극 사이에 위치한 유전체층
을 포함하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속 전극은 상기 제2 도핑 영역의 하측 부분과 접하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 도핑 영역은 상기 제1 도핑 영역의 상측 단부를 덮는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노 구조체들은 상기 제2 도핑 영역의 외면에 형성된 패시베이션층을 포함하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도핑 영역은 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역 중 어느 하나로 형성되고,
상기 제2 도핑 영역은 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역 중 다른 하나로 형성되는 태양 전지. - 제5항에 있어서,
상기 제2 금속 전극은 상기 제1 도핑 영역의 하측 단부와 이격되어 위치하고,
상기 제1 도핑 영역과 상기 제2 금속 전극 사이에 상기 제1 도핑 영역과 같은 종류의 불순물을 포함하는 고농도 도핑 영역이 형성되는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노 구조체들은 투명 유전체층으로 둘러싸이는 태양 전지. - 제7항에 있어서,
상기 유전체층과 상기 투명 유전체층은 각각 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함하는 태양 전지. - 제7항에 있어서,
상기 투명 유전체층은 내부에 분산된 복수의 나노파티클을 포함하는 태양 전지. - 제9항에 있어서,
상기 복수의 나노파티클은 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 실리콘산화물(SiO2), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 및 셀렌화카드뮴(CdSe)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 태양 전지. - 제7항에 있어서,
상기 투명 유전층은 태양광이 입사하는 외면에 요철 표면을 형성하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도핑 영역에 형성된 상기 하측 단부 영역의 높이는 상기 나노 구조체 전체 높이의 0.2배 내지 0.9배의 범위에 속하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속 전극과 상기 제2 금속 전극은 각각 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 태양 전지. - 상호 이격되어 배치되고 일방향으로 뻗어 있으며, 제1 도핑 영역 및 상기 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는 제2 도핑 영역을 포함하는 복수의 나노 구조체들;
상기 나노 구조체들의 제2 도핑 영역과 접하는 제1 금속 전극;
상기 제1 금속 전극과 이격되어 위치하며 상기 제1 도핑 영역의 하측 단부를 덮는 제2 금속 전극; 및
상기 제1 금속 전극과 상기 제2 금속 전극 사이에 위치한 유전체층
을 포함하고,
상기 제2 도핑 영역의 상단과 상기 제2 금속 전극간 거리는 상기 제2 도핑 영역의 상단과 상기 제1 금속 전극간 거리보다 큰 태양 전지. - 기판 위로 상기 기판의 판면에 대해 수직인 방향으로 뻗은 나노 구조체들을 형성하는 단계;
상기 나노 구조체들 각각에 제1 도핑 영역 및 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는 제2 도핑 영역을 형성하는 단계;
상기 기판 위에 투명 유전체층을 형성하여 상기 나노 구조체들을 투명 유전체층으로 덮는 단계;
상기 기판으로부터 상기 투명 유전체층과 상기 나노 구조체들을 분리시키는 단계;
상기 투명 유전체층의 일부를 제거하여 상기 하측 단부 영역 및 상기 제2 도핑 영역의 하측 부분을 노출시키는 단계;
상기 제2 도핑 영역의 하측 부분과 접하도록 상기 투명 유전체층의 일면에 제1 금속 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제1 금속 전극의 외면에 유전체층과 제2 금속 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 기판 위로 상기 기판의 판면에 대해 수직인 방향으로 뻗은 나노 구조체들을 형성하는 단계;
상기 나노 구조체들 각각에 제1 도핑 영역 및 상기 제1 도핑 영역의 외주면 전체를 덮는 제2 도핑 영역을 형성하는 단계;
상기 기판 위에 투명 유전체층을 형성하여 상기 나노 구조체들을 상기 투명 유전체층으로 덮는 단계;
상기 기판으로부터 상기 투명 유전체층과 상기 나노 구조체들을 분리시키는 단계;
상기 투명 유전체층의 일부를 제거하여 상기 나노 구조체들의 하측 부분을 노출시킨 후 상기 제2 도핑 영역의 일부를 선택적으로 제거하는 단계;
상기 제2 도핑 영역과 접하도록 상기 투명 유전체층의 일면에 제1 금속 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제1 금속 전극의 외면에 유전체층과 제2 금속 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 기판 위로 상기 기판의 판면에 대해 수직인 방향으로 뻗은 나노 구조체들을 형성하는 단계;
상기 나노 구조체들 각각에 제1 도핑 영역 및 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 제외한 나머지 영역의 외주면을 덮는 제2 도핑 영역을 형성하는 단계;
상기 기판 위로 상기 나노 구조체들 사이에 유전체층을 형성하여 유전체층으로 상기 하측 단부 영역을 덮는 단계;
상기 제2 도핑 영역의 하측 부분과 접하도록 상기 유전체층 위로 제1 금속 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 금속 전극 위에 투명 유전체층을 형성하여 상기 나노 구조체들을 투명 유전체층으로 덮는 단계;
상기 유전체층 및 상기 나노 구조체들로부터 상기 기판을 분리시키는 단계; 및
상기 제1 도핑 영역의 하측 단부를 덮도록 상기 유전체층의 외면에 제2 금속 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 구조체들을 형성하는 단계에서 상기 기판의 일면을 에칭하여 형성하며,
상기 기판을 에칭하는 단계에서, 반응성 이온식각(reactive ion etching, RIE)과 무전해 에칭(electroless etching) 및 전기화학적 에칭(electrochemical etching) 중 어느 하나의 방법이 적용되는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 구조체들을 형성하는 단계에서 기상-액상-고상 성장법을 이용하여 상기 기판으로부터 상기 나노 구조체들을 성장시키는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 도핑 영역과 상기 제2 도핑 영역을 형성하는 단계에서, 상기 제1 도핑 영역은 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역 중 어느 하나로 형성되고, 상기 제2 도핑 영역은 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역 중 다른 하나로 형성되는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항 또는 제17항에 있어서,
상기 제1 도핑 영역과 상기 제2 도핑 영역을 형성하는 단계는,
상기 나노 구조체들 각각에 p형 불순물과 n형 불순물 중 어느 하나를 주입하여 상기 제1 도핑 영역을 형성하는 단계;
상기 기판 위에 절연층을 형성하여 상기 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역을 덮는 단계;
상기 나노 구조체들 각각에 p형 불순물과 n형 불순물 중 다른 하나를 주입하여 상기 제2 도핑 영역을 형성하는 단계; 및
상기 절연층을 제거하는 단계
를 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항 또는 제17항에 있어서,
상기 제1 도핑 영역과 상기 제2 도핑 영역을 형성하는 단계는,
상기 나노 구조체들 각각에 p형 불순물과 n형 불순물 중 어느 하나를 주입하여 제1 도핑 영역을 형성하는 단계;
상기 기판과 상기 나노 구조체들의 표면에 산화막을 형성하는 단계;
상기 산화막을 패터닝하여 상기 기판의 표면과 상기 제1 도핑 영역의 하측 단부 영역에만 상기 산화막을 남기는 단계;
상기 나노 구조체들 각각에 p형 불순물과 n형 불순물 중 다른 하나를 주입하여 상기 제2 도핑 영역을 형성하는 단계; 및
상기 산화막을 제거하는 단계
를 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 도핑 영역을 형성한 후 상기 제2 도핑 영역의 외면에 실리콘산화물, 실리콘질화물, 및 비정질 실리콘 중 적어도 하나를 증착하여 패시베이션층을 형성하는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 투명 유전체층을 형성하는 단계에서, 상기 투명 유전체층의 두께를 상기 나노 구조체들의 높이보다 크게 형성하는 태양 전지의 제조 방법. - 제24항에 있어서,
상기 투명 유전체층을 형성하는 단계에서, 상기 투명 유전체층의 내부에 복수의 나노파티클을 분산시키는 태양 전지의 제조 방법. - 제25항에 있어서,
상기 투명 유전체층은 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함하고,
상기 복수의 나노파티클은 알루미늄산화물(Al2O3), 티타늄산화물(TiO2), 실리콘산화물(SiO2), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 및 셀렌화카드뮴(CdSe)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제24항에 있어서,
상기 투명 유전체층을 형성하는 단계에서, 태양광이 입사하는 상기 투명 유전체층의 외면에 몰딩법으로 요철 표면을 형성하는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 투명 유전체층과 상기 나노 구조체들로부터 분리된 상기 기판은 상기 나노 구조체들을 형성하는 단계에서 재사용되는 태양 전지의 제조 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 유전체층 형성 후 상기 제2 금속 전극을 형성하기 전, 상기 유전체층의 외면과 상기 제1 도핑 영역의 하측 단부 외면에 상기 제1 도핑 영역과 같은 종류의 불순물을 포함하는 고농도 도핑 영역을 형성하고,
상기 고농도 도핑 영역의 외면에 상기 제2 금속 전극을 형성하는 태양 전지의 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 유전체층 및 상기 나노 구조체들로부터 분리된 상기 기판은 상기 나노 구조체들을 형성하는 단계에서 재사용되는 태양 전지의 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 유전체층의 외면에 상기 제2 금속 전극을 형성하기 전, 상기 제1 도핑 영역과 같은 종류의 불순물을 포함하며 상기 제1 도핑 영역의 하측 단부와 접하는 고농도 도핑 영역을 형성하고,
상기 고농도 도핑 영역의 외면에 상기 제2 금속 전극을 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
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2011
- 2011-06-22 KR KR1020110060801A patent/KR101651622B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101651622B1 (ko) | 2016-09-06 |
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