KR20170033951A - 나노결정 박막이 형성된 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

나노결정 박막이 형성된 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노결정 박막이 형성된 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판을 사용하는 태양전지의 전면 층과 반사 방지막 사이에 밴드 갭 에너지를 조절하여 원하는 빛의 파장을 선택적으로 흡수할 수 있도록 하고 태양전지 표면과의 합금화(merging)를 통해 태양전지 표면에서 빛의 산란으로 인한 빛의 흡수량 증가와 국부 표면 근거리 전기장에 의해 전자와 정공 쌍을 추가로 형성시킬 수 있는 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정을 증착시켜 형성한 나노결정 박막 위에 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막이 증착되어 있다.
본 발명은 나노결정 박막을 형성하는 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정의 태양전지 표면과 합금화(merging)를 통해 일함수가 반도체와 다른 금속을 형성함으로써 쇼트키 접합(Schottky junction) 또는 옴접촉(ohmic contact) 상태에서 나타나는 전자의 원활한 흐름 개선 효과와 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막에 의해 전자와 정공의 재결합을 방지해주는 수소 패시베이션(Hydrogen passivation) 효과를 기대할 수 있고, 이로 인해 실리콘 기판을 사용하는 태양전지의 광학적 손실과 전기적 손실을 줄이고 광전 효율을 증대할 수 있다.

Description

나노결정 박막이 형성된 태양전지 및 그 제조방법{Sollar cell with nano particle thin film and manufacturing process thereof}
본 발명은 태양전지에 관한 것이며, 더욱 상세히는 나노결정 박막이 형성된 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 태양전지의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1에 나타낸 태양전지(100)는 P형 실리콘 기판 혹은 N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 된 기판(111)의 전면에 상기 기판(111)과의 P-N 접합을 형성한 상태에서 상기 기판(111)과 함께 광전효과를 나타내는 이미터(emitter) 층으로 형성되거나 컬렉터(collector) 층으로 형성되는 전면 층(112)이 도핑 처리되어 형성되어 있고, 상기 전면 층(112) 위에 형성되는 반사 방지막(113)(ARC: Anti-Reflection Coating layer)을 관통하여 상기 전면 층(112)과 접속하는 전면 전극(214)이 형성되어 있고, 상기 기판(111)의 후면과 접속하는 후면 전극(115)이 형성되어 있는 태양전지를 나타낸 실시예이다.
도 2는 도 1의 태양전지 제조방법(S100)을 나타낸 공정도이다.
도 2를 참조하면, 도 1에 나타낸 종래의 태양전지(100)는 다음과 같이 제조된다.
먼저, 태양전지(100)의 표면 반사 손실을 줄이고 입사 경로를 증가시킴으로써 광 흡수율을 높이고 태양전지의 전류를 증가시키기 위하여, P형 실리콘 기판 혹은 N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 된 기판(111)을 표면조직화(texturing) 처리하여 표면에 요철 형상의 패턴을 형성한다(S110).
이어서, 표면조직화 처리된 기판(111)의 전면을 열처리 건조 방식으로 도핑 처리하여 상기 기판(111)과의 P-N 접합을 형성한 상태에서 상기 기판(111)과 함께 광전효과를 나타내는 이미터 층이나 컬렉터 층으로 된 전면 층(112)을 형성한다(S120).
이때, 상기 기판(111)이 P형 실리콘 기판이면 N형 이미터 층으로 상기 전면 층(112)을 형성하고, 상기 기판(111)이 N형 실리콘 기판이면 P형 컬렉터 층으로 상기 전면 층(112)을 형성한다.
상기 전면 층(112)은 물질 또는 전하의 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하는 확산현상을 이용하는 기판 표면의 도핑 처리 공정을 통해 형성된다.
예컨대, P-N 접합을 위한 N형 이미터 층은 인(P)과 같은 N형 불순물을 포함하는 POCl3, H3PO4 등을 고온에서 확산시켜 형성한다.
이 경우, P형 실리콘 기판에 인(P)과 같은 N형 불순물을 증착하고 적어도 850℃ 이상의 확산로에서 이 불순물을 실리콘 속으로 밀어 넣어 확산시킴으로써 도핑 처리가 완료되며, 일 예로 고온의 POCl3과 O2가 확산로 안에서 서로 반응하여 P2O5층을 형성하고 고온의 열처리를 하면 P2O5 층의 인(P)이 실리콘(Si) 속으로 확산되어 N형 이미터 층이 형성되며, 이때 인(P)과 실리콘 내부에서 석출된 불순물을 포함하는 산화물(PSG: Phosphorous Silicate Glass)층이 더 형성되는데, 이 산화물층은 도핑공정 이후에 농도 5%로 희석된 불화수소(HF)의 수용액에서 15초 내외로 침지하여 실리콘 표면에 손상 없이 제거할 수 있다.
이와 달리, N형 실리콘 기판에 붕소(B)와 같은 P형 불순물을 증착하고 적어도 850℃ 이상의 확산로에서 이 불순물을 실리콘 속으로 밀어 넣어 확산시킴으로써 도핑 처리가 완료되는 경우에는 붕소(B)와 실리콘 내부에서 석출된 불순물을 포함하는 산화물(BSG: Boron Silicate Glass)층이 더 형성되는데, 이 산화물층은 도핑공정 이후에 농도 5%로 희석된 불화수소(HF)의 수용액에서 15초 내외로 침지하여 실리콘 표면에 손상 없이 제거할 수 있다.
이어서, 상기 기판(111)의 전면 층(112) 위에 반사 방지막(113)(ARC: Anti-Reflection Coating layer)을 형성한다(S120).
이어서, 열처리 건조 방식으로 상기 반사 방지막(113)을 관통하여 상기 전면 층(112)과 접속하는 전면 전극(114) 및 상기 기판(111)과 접속하는 후면 전극(115)을 형성한다(S140).
이때, 상기 전면 전극(114)은 은(Ag)과 유리 프리트(frit) 등이 포함된 전면 전극용 페이스트를 마스크를 사용하여 상기 반사 방지막(113) 위에 스크린 인쇄한 후 열처리와 소성 과정을 통해 은(Ag)이 고온에서 액상이 되었다가 다시 고상으로 재결정되면서 상기 반사 방지막(113)을 관통하여 상기 전면 층(112)과 접속하게 된다.
또한, 상기 후면 전극(115)은 AgAl을 포함하는 후면 전극용 페이스트를 상기 기판(111)의 후면 위에 도포한 후 열처리와 소성 과정을 통해 은(Ag)이 고온에서 액상이 되었다가 다시 고상으로 재결정되면서 상기 기판(111)과 접속하게 된다.
도 2에 나타낸 바와 같이 제조되는 종래의 태양전지(100)는 광학적 측면에서 전면의 반사 방지막(113)을 이용하여 기사광선의 일부 파장범위만 빛을 흡수시키는 구조이다.
따라서, 실리콘의 흡수계수와 태양광 스펙트럼의 불일치로 인하여 가시광선과 장파장 영역의 빛을 흡수하지 못하고 투과시키거나 핫 캐리어에 의한 열화 발생으로 인해 광전 효율이 저하되는 단점이 있다.
또한, 전자를 수집하는 상기 전면 전극(114)과 기판(111)의 P-N 접합 계면에 높은 에너지 장벽을 나타내는 산화막이 형성됨에 따라 옴접촉(ohmic contact)에 의한 전자의 원활한 흐름이 방해되어 광전 효율이 저하되는 단점이 있다.
KR 10-2011-0070541 A
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 실리콘 기판을 사용하는 태양전지의 전면 층과 반사 방지막 사이에 밴드 갭 에너지를 조절하여 원하는 빛의 파장을 선택적으로 흡수할 수 있도록 하고 태양전지 표면과의 합금화(merging)를 통해 태양전지 표면에서 빛의 산란으로 인한 빛의 흡수량 증가와 국부 표면 근거리 전기장에 의해 전자와 정공 쌍을 추가로 형성시킬 수 있는 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정을 증착시켜 형성한 나노결정 박막 위에 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막이 증착되어 있는 나노결정 박막이 형성된 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지는, P형 실리콘 기판 혹은 N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 된 기판(211)의 전면에 상기 기판(211)과의 P-N 접합을 형성한 상태에서 상기 기판(211)과 함께 광전효과를 나타내는 이미터(emitter) 층으로 형성되거나 컬렉터(collector) 층으로 형성되는 전면 층(212)이 도핑 처리되어 형성되어 있고, 상기 전면 층(212) 위에 형성되는 반사 방지막(213)(ARC: Anti-Reflection Coating layer)을 관통하여 상기 전면 층(212)과 접속하는 전면 전극(214)이 형성되어 있고, 상기 기판(211)의 후면과 접속하는 후면 전극(215)이 형성되어 있는 태양전지에 있어서, 상기 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정을 증착시켜 형성한 나노결정 박막 위에 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막이 증착되어 있고, 상기 나노결정의 크기와 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막의 두께는 23∼40 : 1∼10의 비율로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지에 있어서, 상기 기판의 표면은 평탄하거나 요철 형상의 패턴으로 표면조직화(texturing) 처리된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지에 있어서, 상기 나노결정의 크기와 나노결정의 간격은 7∼12 : 1∼3의 비율로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지에 있어서, 상기 전면 층과 반사 방지막 사이에 형성된 상기 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막 위에 상기 전면 층과 동일 재질로 된 이중 전면 층이 도핑 처리되어 더 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법은, P형 실리콘 기판 혹은 N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 된 기판의 전면에 상기 기판과의 P-N 접합을 형성한 상태에서 상기 기판과 함께 광전효과를 나타내는 이미터(emitter) 층으로 형성되거나 컬렉터(collector) 층으로 형성되는 전면 층이 도핑 처리되어 형성되어 있고, 상기 전면 층 위에 형성되는 반사 방지막(ARC: Anti-Reflection Coating layer)을 관통하여 상기 전면 층과 접속하는 전면 전극이 형성되어 있고, 상기 기판의 후면과 접속하는 후면 전극이 형성되어 있는 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 전면 층과 반사 방지막 사이에 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정을 증착하여 나노결정 박막을 형성한 다음 상기 나노결정 박막 위에 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막을 증착하여 형성하되, 상기 나노결정의 크기와 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막의 두께는 23∼40 : 1∼10의 비율이 되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 나노결정 박막은 표면이 평탄한 기판에 형성하거나, 표면이 요철 형상의 패턴으로 표면조직화(texturing) 처리된 기판에 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 나노결정의 크기와 나노결정의 간격은 7∼12 : 1∼3의 비율이 되도록 나노결정 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 전면 층과 반사 방지막 사이에 형성된 상기 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막 위에 상기 전면 층과 동일 재질로 된 이중 전면 층을 도핑 처리하여 더 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 나노결정 박막을 형성하는 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정의 태양전지 표면과 합금화(merging)를 통해 일함수가 반도체와 다른 금속을 형성함으로써 쇼트키 접합(Schottky junction) 또는 옴접촉(ohmic contact) 상태에서 나타나는 전자의 원활한 흐름 개선 효과와 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막에 의해 전자와 정공의 재결합을 방지해주는 수소 패시베이션(Hydrogen passivation) 효과를 기대할 수 있고, 이로 인해 실리콘 기판을 사용하는 태양전지의 광학적 손실과 전기적 손실을 줄이고 광전 효율을 증대할 수 있다.
도 1은 종래의 태양전지의 구성을 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 태양전지 제조방법을 나타낸 공정도.
도 3은 본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지의 구성을 나타낸 단면도.
도 4는 도 3의 태양전지 제조방법을 나타낸 공정도.
도 5는 본 발명에 따른 태양전지의 광반사도(PR; PhotoReflectance) 측정 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지의 구성을 나타낸 다른 실시예.
도 7은 도 6의 태양전지 제조방법을 나타낸 공정도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3에 나타낸 태양전지(200)는 P형 실리콘 기판 혹은 N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 된 기판(211)의 전면에 상기 기판(211)과의 P-N 접합을 형성한 상태에서 상기 기판(211)과 함께 광전효과를 나타내는 이미터(emitter) 층으로 형성되거나 컬렉터(collector) 층으로 형성되는 전면 층(212)이 도핑 처리되어 형성되어 있다.
도 3에 나타낸 태양전지(200)는 상기 전면 층(212) 위에 형성되는 반사 방지막(213)(ARC: Anti-Reflection Coating layer)을 관통하여 상기 전면 층(212)과 접속하는 전면 전극(214)이 형성되어 있다.
도 3에 나타낸 태양전지(200)는 상기 기판(211)의 후면과 접속하는 후면 전극(215)이 형성되어 있다.
도 3에 나타낸 태양전지(200)는 상기 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정을 증착시켜 형성한 나노결정 박막(212a) 위에 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b)이 증착되어 있고, 상기 나노결정의 크기와 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막의 두께는 23∼40 : 1∼10의 비율로 형성된다.
상기 나노결정 박막(212a)은 실리콘 기판(211)을 사용하는 태양전지(200)의 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 밴드 갭 에너지를 조절하여 원하는 빛의 파장을 선택적으로 흡수할 있도록 하고 태양전지(200) 표면과의 합금화(merging)를 통해 태양전지(200) 표면에서 빛의 산란으로 인한 빛의 흡수량 증가와 국부 표면 근거리 전기장에 의해 전자와 정공 쌍을 추가로 형성시킬 수 있다.
도 4는 도 3에 나타낸 태양전지(200)의 제조방법(S200)을 나타낸 공정도이다.
도 4를 참조하면, 도 3에 나타낸 본 발명에 따른 태양전지(200)는 다음과 같이 제조된다.
먼저, P형 실리콘 기판 혹은 N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 된 표면이 평탄한 기판(211)을 준비한다(S210).
이어서, 표면이 평탄한 상기 기판(211)의 전면에 상기 기판(211)과의 P-N 접합을 형성한 상태에서 상기 기판(211)과 함께 광전효과를 나타내는 이미터(emitter) 층으로 형성되거나 컬렉터(collector) 층으로 형성되는 전면 층(212)을 도핑 처리하여 형성한다(S220).
이때, 상기 기판(211)이 P형 실리콘 기판이면 N형 이미터 층으로 상기 전면 층(212)을 형성하고, 상기 기판(211)이 N형 실리콘 기판이면 P형 컬렉터 층으로 상기 전면 층(212)을 형성하며, 이 전면 층(212)은 상기한 도 1 내지 도 2를 참고하는 실시예에서 설명한 확산현상을 이용하는 기판 표면의 도핑 처리 공정을 통해 형성된다.
또한, 상기 N형 이미터 층으로 상기 전면 층(212)을 형성할 때 인(P)과 실리콘 내부에서 석출된 불순물을 포함하는 산화물(PSG: Phosphorous Silicate Glass)층이 더 형성되는데, 이 산화물층은 불화수소(HF)의 수용액에서 침지하여 실리콘 표면에 손상 없이 제거한다.
또한, 상기 P형 컬렉터 층으로 상기 전면 층(212)을 형성할 때 붕소(B)와 실리콘 내부에서 석출된 불순물을 포함하는 산화물(BSG: Boron Silicate Glass)층이 더 형성되는데, 이 산화물층은 불화수소(HF)의 수용액에서 침지하여 실리콘 표면에 손상 없이 제거한다.
이어서, 상기 기판(211)의 전면 층(212) 위에 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정을 증착하여 나노결정 박막(212a)을 먼저 형성한 다음 상기 나노결정 박막 위에 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b)을 증착하여 형성한다(S230).
상기 S230 과정에서는, 본 발명에 따른 태양전지(200)의 광전 효율을 최대한 증대하기 위한 조건(이하, 나노결정 박막 형성 조건)으로, 도 3 내지 도 4의 확대도에 나타낸 바와 같이, 상기 나노결정의 크기(D)와 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b)의 두께(T)는 23∼40 : 1∼10의 비율이 되도록 형성하고, 상기 나노결정의 크기(D)와 나노결정의 간격(L)은 7∼12 : 1∼3의 비율이 되도록 나노결정 박막(212a)을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 나노결정 박막(212a)은 도 3 내지 도 4의 확대도의 해칭 단면으로 표시한 바와 같이, 태양전지(200) 표면과 합금화(merging)를 통해 일함수가 반도체와 다른 금속을 형성함으로써 쇼트키 접합(Schottky junction) 또는 옴접촉(ohmic contact) 상태에서 전자의 원활한 흐름 개선 효과를 나타낸다.
상기 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b)은 전자와 정공의 재결합을 방지해주는 수소 패시베이션(Hydrogen passivation) 효과를 나타낸다.
이때, 상기 나노결정 박막(212a)을 형성하기 위한 반도체로는 실리콘, 게르마늄 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판(211)이 P형 실리콘 기판이면 상기 나노결정 박막(212a)을 형성하기 위한 금속물질로는 인(P)을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 기판(211)이 N형 실리콘 기판이면 상기 나노결정 박막(212a)을 형성하기 위한 금속물질로는 붕소(B)를 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b) 위에 상기 전면 층(212)과 동일 재질로 된 이중 전면 층(212a)을 도핑 처리하여 더 형성한다(S240).
본 발명에 따른 태양전지(200) 제조 시, 상기한 이중 전면 층(212a) 형성 과정(S240)은 생략할 수도 있다.
상기한 바와 같이, 나노결정 박막(212a)과 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b) 및 이중 전면 층(212a)이 모두 형성되고 나면, 이어서 상기 기판(211)의 이중 전면 층(212a) 위에 반사 방지막(213)(ARC: Anti-Reflection Coating layer)을 형성한다(S250).
이때, 상기한 바와 같이 상기한 이중 전면 층(212a) 형성 과정(S240)이 생략되는 경우, 상기 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b) 위에 반사 방지막(213)(ARC: Anti-Reflection Coating layer)을 형성한다(S250).
이어서, 열처리 건조 방식으로 상기 반사 방지막(213)을 관통하여 상기 전면 층(212)과 접속하는 전면 전극(214) 및 상기 기판(211)과 접속하는 후면 전극(215)을 형성함으로써 본 발명에 따른 태양전지(200)의 제조를 완료한다(S260).
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 태양전지(200)는 나노결정 박막(212a)을 형성하는 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정의 태양전지(200) 표면과 합금화(merging)를 통해 일함수가 반도체와 다른 금속을 형성함으로써 쇼트키 접합(Schottky junction) 또는 옴접촉(ohmic contact) 상태에서 나타나는 전자의 원활한 흐름 개선 효과와 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b)에 의해 전자와 정공의 재결합을 방지해주는 수소 패시베이션(Hydrogen passivation) 효과를 기대할 수 있고, 이로 인해 실리콘 기판(211)을 사용하는 태양전지(200)의 광학적 손실과 전기적 손실을 줄이고 광전 효율을 증대할 수 있다.
참고로, 도 5는 상기 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 상기한 나노결정 박막(212a)과 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b)을 증착하여 제조한 본 발명에 따른 태양전지(200)의 광반사도(PR; PhotoReflectance) 측정한 그래프이다.
도 5에 따른 광반사도를 측정하기 위하여, 상기 S230 과정에서 언급한 본 발명에 따른 태양전지(200)의 광전 효율을 최대한 증대하기 위한 나노결정 박막 형성 조건을 적용하였다.
도 5를 참조하면, 다음과 같은 광반사도 측정 결과를 알 수 있다.
첫째로, 도 1 내지 도 2의 실시예로 설명한 바와 같이 표면조직화(texturing) 처리하여 표면에 요철 형상의 패턴을 형성한 기판의 전면 층과 반사 방지막을 형성한 종래의 태양전지는 200∼1100nm의 빛의 파장에 대하여 평균 16.1%의 광반사도를 나타냄을 알 수 있다.
둘째로, 상기 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 상기한 본 발명에 따른 나노결정 박막(212a)만을 증착하여 형성한 태양전지는 200∼1100nm의 빛의 파장에 대하여 평균 12.2%의 광반사도를 나타냄을 알 수 있다.
셋째로, 상기 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 상기한 본 발명에 따른 나노결정 박막(212a)과 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b)을 모두 증착하여 형성한 태양전지는 200∼1100nm의 빛의 파장에 대하여 평균 7.0%의 광반사도를 나타냄을 알 수 있다.
상기 본 발명에 따른 평균 광반사도는 상기한 나노결정 박막 형성 조건에 대응하여 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막(212b)의 두께(T)는 3∼30nm, 나노결정의 간격(L)은 10∼30nm로 설정한 경우, 나노결정의 크기(D) 70∼120nm의 범위에서 가장 낮은 평균 광반사도를 나타내었다. 즉, 상기한 나노결정 박막 형성 조건에 대응하여 나노결정의 크기(D)를 70nm 미만으로 적용하거나 120nm보다 크게 적용하면 평균 광반사도가 상대적으로 높아짐을 알 수 있다. 이러한 측정 결과는 본 출원인 또는 발명자의 부단한 연구와 실험을 통하여 획득한 것이다.
이러한 광반사도 측정 결과에 따르면, 본 발명에 따른 태양전지(200)는 도 1 내지 도 2에 나타낸 바와 같은 종래의 태양전지(100)와 비교해 볼 때, 대략 50% 이상으로 광반사도를 감소시킴으로써 광투과율 및 광전 효율을 모두 증대함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지의 구성을 나타낸 다른 실시예이고, 도 7은 도 6의 태양전지 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 6 내지 도 7에 나타낸 본 발명에 따른 태양전지(200')는 도 3 내지 도 4에 나타낸 본 발명에 따른 태양전지(200)와 비교하여 볼 때, 태양전지(200')의 표면 반사 손실을 줄이고 입사 경로를 증가시킴으로써 광 흡수율을 높이고 태양전지(200)의 전류를 증가시키기 위하여, P형 실리콘 기판 혹은 N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 된 기판(211')을 표면조직화 처리하여 표면에 요철 형상의 패턴을 형성한 점이 다르고, 나머지 다른 구성요소와 제조방법은 도 3 내지 도 4에 나타낸 태양전지(200)의 대응하는 구성요소와 대응하는 제조방법과 동일하다.
예컨대, 도 6에서는 기판을 211'로 표시하였고, 도 7에서는 전체 제조방법(S200') 중 기판 준비 과정을 S210'로 표시하였으며, 나머지 다른 구성요소와 제조방법은 도 3 내지 도 4에 나타낸 태양전지(200)의 대응하는 구성요소와 대응하는 제조방법과 동일한 식별번호를 사용하였다.
따라서, 도 6 내지 도 7에 나타낸 본 발명에 따른 태양전지(200')는 그 구성과 제조방법에 대한 상세한 설명을 생략하더라도 이 기술분야의 통상의 기술자라면 용이하게 이해하고 실시할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 나노결정 박막이 형성된 태양전지 및 그 제조방법은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있다.
100: 태양전지 111: 기판
112: 전면 층 113: 반사 방지막
114: 전면 전극 115: 후면 전극
200,200': 태양전지 211,211': 기판
212: 전면 층 212': 이중 전면 층
212a: 나노결정 박막 212b: 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막
213: 반사 방지막 214: 전면 전극
215: 후면 전극

Claims (14)

  1. P형 실리콘 기판 혹은 N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 된 기판(211)의 전면에 상기 기판(211)과의 P-N 접합을 형성한 상태에서 상기 기판(211)과 함께 광전효과를 나타내는 이미터(emitter) 층으로 형성되거나 컬렉터(collector) 층으로 형성되는 전면 층(212)이 도핑 처리되어 형성되어 있고, 상기 전면 층(212) 위에 형성되는 반사 방지막(213)(ARC: Anti-Reflection Coating layer)을 관통하여 상기 전면 층(212)과 접속하는 전면 전극(214)이 형성되어 있고, 상기 기판(211)의 후면과 접속하는 후면 전극(215)이 형성되어 있는 태양전지에 있어서,
    상기 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정을 증착시켜 형성한 나노결정 박막 위에 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막이 증착되어 있고, 상기 나노결정의 크기와 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막의 두께는 23∼40 : 1∼10의 비율로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(211)의 표면은 평탄한 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(211)의 표면은 요철 형상의 패턴으로 표면조직화(texturing) 처리된 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전면 층(212)은 상기 기판(211)이 P형 실리콘 기판이면 N형 이미터 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전면 층(212)은 상기 기판(211)이 N형 실리콘 기판이면 P형 컬렉터 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 나노결정의 크기와 나노결정의 간격은 7∼12 : 1∼3의 비율로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 형성된 상기 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막 위에 상기 전면 층(212)과 동일 재질로 된 이중 전면 층(212a)이 도핑 처리되어 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지.
  8. P형 실리콘 기판 혹은 N형 실리콘 기판 중 어느 하나로 된 기판(211)의 전면에 상기 기판(211)과의 P-N 접합을 형성한 상태에서 상기 기판(211)과 함께 광전효과를 나타내는 이미터(emitter) 층으로 형성되거나 컬렉터(collector) 층으로 형성되는 전면 층(212)이 도핑 처리되어 형성되어 있고, 상기 전면 층(212) 위에 형성되는 반사 방지막(213)(ARC: Anti-Reflection Coating layer)을 관통하여 상기 전면 층(212)과 접속하는 전면 전극(214)이 형성되어 있고, 상기 기판(211)의 후면과 접속하는 후면 전극(215)이 형성되어 있는 태양전지 제조방법에 있어서,
    상기 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 반도체 또는 금속물질로 된 나노결정을 증착하여 나노결정 박막을 형성한 다음 상기 나노결정 박막 위에 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막을 증착하여 형성하되, 상기 나노결정의 크기와 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막의 두께는 23∼40 : 1∼10의 비율이 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 나노결정 박막은 표면이 평탄한 기판(211)에 형성하는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 나노결정 박막은 표면이 요철 형상의 패턴으로 표면조직화(texturing) 처리된 기판(211)에 형성하는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 기판(211)이 P형 실리콘 기판이면 N형 이미터 층으로 상기 전면 층(212)을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 기판(211)이 N형 실리콘 기판이면 P형 컬렉터 층으로 상기 전면 층(212)을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 나노결정의 크기와 나노결정의 간격은 7∼12 : 1∼3의 비율이 되도록 나노결정 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 전면 층(212)과 반사 방지막(213) 사이에 형성된 상기 아모포스실리콘(a-Si:H) 박막 위에 상기 전면 층(212)과 동일 재질로 된 이중 전면 층(212a)을 도핑 처리하여 더 형성하는 것을 특징으로 하는 나노결정 박막이 형성된 태양전지 제조방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220040590A (ko) * 2020-09-24 2022-03-31 한국과학기술원 임의 배열된 금속 나노입자를 이용한 실리콘 광검출기 및 그 제작방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110070541A (ko) 2009-12-18 2011-06-24 엘지디스플레이 주식회사 박막 태양전지 및 그 제조방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2641800B2 (ja) * 1990-11-30 1997-08-20 シャープ株式会社 太陽電池及びその製造方法
AUPP699798A0 (en) * 1998-11-06 1998-12-03 Pacific Solar Pty Limited Thin films with light trapping
WO2010132401A2 (en) * 2009-05-12 2010-11-18 Lightwave Power, Inc. Integrated solar cell nanoarray layers and light concentrating device
KR101083372B1 (ko) * 2009-10-14 2011-11-14 주식회사 효성 보론 도핑방법 및 이를 이용한 태양전지 제조방법
US20130105806A1 (en) * 2011-11-01 2013-05-02 Guojun Liu Structures incorporating silicon nanoparticle inks, densified silicon materials from nanoparticle silicon deposits and corresponding methods

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110070541A (ko) 2009-12-18 2011-06-24 엘지디스플레이 주식회사 박막 태양전지 및 그 제조방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220040590A (ko) * 2020-09-24 2022-03-31 한국과학기술원 임의 배열된 금속 나노입자를 이용한 실리콘 광검출기 및 그 제작방법

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