KR20200080768A - 3차원 박막태양전지 셀 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 3차원 박막태양전지 셀은, 폴리머 재질로서 유리 기판 상에 코팅되는 폴리머 기판층과, 상기 폴리머 기판층 상에 형성되는 p-형 후면 전극층과, 상기 p-형 코팅층 상에 형성된 폴리머 재질의 폴리머 지지층이 에칭되어 미세기둥 또는 미세우물 구조로 형성되는 구조물 어레이를 포함할 수 있다.

Description

3차원 박막태양전지 셀 및 그의 제조 방법{3 DIMENSION THIN FILM SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 3차원 박막태양전지 셀 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 미세 구조인3차원 구조체가 적용되기 때문에 확장된 광흡수면적으로 확보하여 효율적인 광흡수를 할 수 있고, 또한 미세기둥 어레이 구조로 인해 텍스쳐링 효과를 구현할 수 있어 광흡수를 향상시킬 수 있는 3차원 박막태양전지 셀 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 태양전지의 활용은 기존의 대규모 발전소용 태양광 발전뿐만 아니라 건축물에 적용되거나 집적하는 건물일체형 태양전지, 센서 등에 결합되는 에너지 하베스팅에 의한 사물인터넷 소자의 무선 독립 에너지원 등으로 확장되고 있다.
아울러, 태양전지는 모듈 형태로 마련되어 전통적인 딱딱한 평판형을 벗어나 굴곡 구조 등을 적용한 유연성 특성을 구현하는 것이 중요해지고 있다. 다시 말해, 전통적인 강화유리(Fe-glass) 집적 태양광 모듈 패널에서 굴곡진 태양광 기와와 같은 편평하지 않은 장소에 설치가 가능한 유연 박막태양전지에 대한 연구가 이루어지고 있다. 또한 최근의 웨어러블 전자기기이 발전에 따라 독립 전원으로서의 태양전지 및 그의 모듈에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
태양전지의 응용에 있어서 중요한 것은 태양전지의 광전변환효율을 보장하고 태양전지 면에 곡률을 주는 형태와 함께 임의의 방향으로 굽어지고 늘어나거나 줄어들 수 있는 신축성의 기능을 구현하는 것이다.
한편, 반도체 기반 태양전지는 물질의 광전효과 원리를 이용한다. 따라서 태양전지로부터 생산되는 전력은 태양광의 세기, 반도체의 광흡수율, p-n 접합 다이오드 반도체소자의 광흡수 유효 면적 등에 비례한다. 즉, 셀의 수광 면적이 클수록 전력을 많이 생산할 수 있는 것이다.
지금까지 개발된 태양전지는 보통 2차원 형태를 갖는다. 따라서, 입사광에 대한 수광 면적이 고정되며, 태양과의 경사각도에 따라서 광흡수 특성 또는 광전류 생성효율 특성에 많은 변화가 있다.
이처럼 수광 면적이 고정될 때, 광반도체 태양전지로부터 생산되는 태양광 전력은 재로 자체의 광흡수 특성인 광흡수율에 따라 광전력 생산이 변화된다.
종래의 기술로 제조된 3차원 태양전지를 이루는 미세기둥은 광흡수체인 p-형 반도체 기판의 재료인 Si 와이퍼와 Ge 반도체 웨이퍼를 에칭하여 제작되었다.
이를 참조하면, 결정형 실리콘과 박막형 화합물 반도체는 광흡수계수가 약 103/cm, 105/cm로 큰 차이를 갖기 때문에 높은 광전변환효율을 확보하기 위해서는 결정형 실리콘 소재의 두께가 박막형 화합물 반도체의 두께에 비해 대략 10 내지 100배 두껍게 제작될 수밖에 없는 것이다.
한편, 광흡수계수가 큰 박막형 화합물 반도체의 경우에도 결정형 실리콘보다는 얇은 흡수층 두께에서도 거의 모든 입사광을 흡수할 수는 있지만 고품위의 광흡수체 반도체 박막을 제조하는 데 많은 시간과 에너지가 소요되는 단점이 있다.
따라서 광반도체를 활용한 태양전지로부터 광전력생산 효율을 향상시키기 위한 높은 광흡수율을 갖는 광반도체와 큰 흡수면적을 갖는 구조체를 결합한 새로운 구조의 태양전지의 개발이 요구되는 실정이다. 아울러, 입사면 텍스처링을 적용함으로써 태양전지 내부이 광경로를 증대하거나 다중 광흡수를 촉진시킬 수 있는 구조의 개발이 요구된다.
관련 선행기술로는, 대한민국 공개특허 10-2010-0006226호(발명의 명칭: 박막 태양전지 및 그 제조방법, 공개일자: 2010년 1월 19일)가 있다.
본 발명의 실시예들은 미세 구조인3차원 구조체가 적용되기 때문에 확장된 광흡수면적으로 확보하여 효율적인 광흡수를 할 수 있고, 또한 미세기둥 어레이 구조로 인해 텍스쳐링 효과를 구현할 수 있어 광흡수를 향상시킬 수 있는 3차원 박막태양전지 셀 및 그의 제조 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 박막태양전지 셀은, 폴리머 재질로서 유리 기판 상에 코팅되는 폴리머 기판층과, 상기 폴리머 기판층 상에 형성되는 p-형 후면 전극층과, 상기 p-형 코팅층 상에 형성된 폴리머 재질의 폴리머 지지층이 에칭되어 미세기둥 또는 미세우물 구조로 형성되는 구조물 어레이를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 구조물 어레이는, 광마스크를 이용하여 상기 폴리머 지지층에 자외선을 조사하여 상기 폴리머 지지층을 부분적으로 에칭시킴으로써 미세기둥 어레이 또는 미세우물 어레이 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 박막태양전지 셀은, 상기 구조물 어레이 상에 형성되는 박막층을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 박막층은, 상기 p-형 후면 전극층과 상기 구조물 어레이 상에 요철 구조로 코팅되어 형성되는 p-형 금속산화물 전극층과, 상기 p-형 금속산화물 전극층 상에 배치되는 서브-마이크론 두께의 화합물 반도체 p-형 광흡수층과, 상기 p-형 광흡수층 상에 형성되는 n-형 버퍼층 및 상기 n-형 버퍼층 상에 형성되는 진성반도체 삽입층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 p-형 금속산화물 전극층은 원자층증착법(ALD, Atomic Layer Deposition)에 의해 상기 p-형 후면 전극층과 상기 어레이 패턴 상에 형성되고, 상기 p-형 광흡수층은 CdTe, Cu(In,Ga)Se2, Cu2O, SnS로 마련되고, 상기 n-형 버퍼층은 CdS 또는 ZnS로 마련되며, 상기 진성반도체 삽입층은 i-ZnO 삽입층일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 폴리머 기판층 또는 상기 폴리머 지지층의 폴리머는 폴리이미드(Polyimide) 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, Polymethyl methacrylate)일 수 있다.
상기 폴리머 기판층 및 상기 폴리머 지지층이 폴리머 재질로 마련됨으로써 유연성(flexibility)을 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 p-형 후면 전극층은 상기 폴리머 기판층 상에서 스핀 코팅 방식에 의해 코팅될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 미세기둥 어레이 패턴 또는 상기 미세우물 어레이 패턴은 상기 폴리머 지지층에 자외선을 설정된 시간 동안 노출시킨 후 반응성 이온 에칭(RIE, Reactive ion etching) 또는 화학용액 에칭을 통해 형성되며, 양각의 상기 광마스크를 사용하여 미세기둥 어레이 패턴이 형성되고 음각 구조의 상기 광마스크를 사용하여 미세우물 어레이 패턴이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저 박리 현상(LLO, Laser lift-off)을 이용하여 상기 유리기판 측에서 상기 폴리머 기판층 방향으로 레이저를 조사하여 상기 유리기판과 상기 폴리머 기판층 사이를 분리시켜 제조될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 박막태양전지 셀의 제조 방법은, 유리 기판 상에 폴리머를 코팅함으로써 폴리머 기판층을 형성하는 폴리머 기판층 형성 단계와, 상기 폴리머 기판층에 p-형 후면 전극층을 형성하는 후면 전극층 형성 단계 및 상기 p-형 후면 전극층에 폴리머 지지층을 형성한 후 에칭 공정을 통해 3차원의 미세기둥 어레이 또는 미세우물 어레이를 형성하는 어레이 형성 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 어레이 형성 단계는, 상기 p-형 후면 전극층에 폴리머 지지층을 형성하는 폴리머 지지층 형성 단계 및 광마스크를 이용하여 상기 폴리머 지지층에 자외선을 조사하여 상기 폴리머 지지층을 부분적으로 에칭시킴으로써 미세기둥 어레이 또는 미세우물 어레이 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 폴리머 지지층 형성 단계 시 사용되는 상기 폴리머는 자외선 광감응용 내열성 폴리머 폴리이미드이며, 상기 p-형 후면 전극층 상에서 스핀 코팅 방식을 이용하여 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 패턴 형성 단계 시, 상기 폴리머 지지층에 자외선을 설정된 시간 동안 노출시킨 후 반응성 이온 에칭(RIE, Reactive ion etching) 또는 화학용액 에칭을 통해 상기 어레이 패턴을 형성하며, 양각의 상기 광마스크를 사용하여 미세기둥 어레이 패턴을 형성하고 음각 구조의 상기 광마스크를 사용하여 미세우물 어레이 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 어레이 형성 단계는, 상기 패턴 형성 단계 다음으로, 노출 상태의 상기 p-형 후면 전극층과 상기 어레이 패턴 상에 p-형 금속산화물 전극층을 형성하는 p-형 금속산화물 전극층 형성 단계와, 상기 p-형 금속산화물 전극층 상에 서브-마이크론 두께의 화합물 반도체 p-형 광흡수층을 형성하는 p-형 광흡수층 형성 단계와, 상기 p-형 광흡수층 상에 n-형 버퍼층을 형성하는 n-형 버퍼층 형성 단계와, 상기 n-형 버퍼층 상에 진성반도체 삽입층을 형성하는 삽입층 형성 단계 및 상기 진성반도체 삽입층 상에 n-형 투명전도막층을 형성하는 투명전도막층 형성 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 어레이 형성 단계 다음으로, 레이저 박리 현상(LLO, Laser lift-off)을 이용하여 상기 유리기판 측에서 상기 폴리머 기판층 방향으로 레이저를 조사하여 상기 유리기판과 상기 폴리머 기판층 사이를 분리시키는 박리 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 후면 전극층 형성 단계 시 상기 폴리머 기판층 상에 상기 p-형 후면 전극층을 물리증발법(PVD, Physical Vapor Deposition)을 이용하여 상기 폴리머 기판층의 전면에 균일한 두께로 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 3차원 구조체인 미세기둥 어레이 또는 미세우물 어레이가 적용되기 때문에 확장된 광흡수면적으로 확보하여 효율적인 광흡수를 할 수 있고, 또한 3차원 어레이 구조로 인해 텍스쳐링 효과를 구현할 수 있어 광흡수를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 반사면이 분산되어 어느 한 방향으로 빛이 집중되어 반사되는 경우를 최소화할 수 있어 입사광의 활용을 증대시킬 수 있다.
또한, 폴리머와 같은 유연한 폴리머 플라스틱이 기판층으로 형성되어 3차원의 박막태양전지를 구현하기 때문에 극도의 굽힘이 발생되어도 전지 특성을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 태양전지 셀의 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 태양전지 셀의 단면 구조도 및 확대도이다.
도 3은 도 2에 도시된 태양전지 셀의 제조 공정을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 제조 공정에 의해 제조된 미세기둥 어레이 패턴을 가진 태양전지 셀의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 셀을 도시한 것으로 미세우물 어레이 패턴을 가진 태양전지 셀의 사시도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 태양전지 셀의 제조 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 태양전지 셀의 단면 구조도 및 확대도이고, 도 3은 도 2에 도시된 태양전지 셀의 제조 공정을 순차적으로 도시한 도면이며, 도 4는 도 3에 도시된 제조 공정에 의해 제조된 미세기둥 어레이 패턴을 가진 태양전지 셀의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 태양전지 셀의 제조 방법은, 유리 기판(101) 상에 폴리머를 코팅함으로써 폴리머 기판층(110)을 형성하는 폴리머 기판층 형성 단계(S100)와, 폴리머 기판층(110)에 p-형 후면 전극층(120)을 형성하는 후면 전극층 형성 단계(S200)와, p-형 후면 전극층(120)에 폴리머 지지층(130)을 형성한 후 에칭 공정을 통해 3차원의 미세기둥 어레이(131)를 형성하는 어레이 형성 단계(S300)와, 상기 단계들에 의해 제조된 박막태양전지 셀(100)을 유리 기판(101)으로부터 박리시키는 박리 단계(S400)를 포함할 수 있다.
이러한 단계적 구성에 의해서, 도 2에 도시된 바와 같은 3차원 박막태양전지 셀(100)을 제조할 수 있는 것이다. 즉, 폴리머 기판층(110) 상에 p-형 후면 전극층(120)이 형성되고, 그 상에 미세기둥 어레이(131)가 형성되고, 또 그 상에 p-형 금속산화물 전극층(151)과, 서브-마이크론 두께의 화합물 반도체 p-형 광흡수층(153)과, n-형 버퍼층(155)과, 진성반도체 삽입층(157), 투명전도막층(159)이 요철 형태로 형성되는 박막태양전지 셀을 제조할 수 있는 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 각 단계를 설명하면, 먼저, 본 실시예의 폴리머 기판층 형성 단계(S100)는, 광파장에 대하여 투명한 유리 기판(101)을 준비하고 액상 상태의 폴리머를 유리 기판(101) 상에 코팅함으로써 폴리머 기판층(110)을 형성하는 단계이다.
폴리머 기판층(110)은 유연성을 갖기 때문에 폴리머 기판층(110)을 기초로 하여 제조되는 본 실시예의 3차원 박막태양전지 셀(100)은 유연성을 가질 수 있으며 따라서 임의의 굴곡면에도 부착할 수 있다. 따라서 태양전지 설치면이 많은 이동에 의해 태양광과 임의의 경사각도에 있게 되더라도 입사각의 변화에 무관하게 태양전지 셀(100)의 광흡수 능력이 동일하게 유지될 수 있다.
결과적으로 태양이 비치는 동안 일정한 태양전지 셀(100)의 광전변환효율을 유지할 수 있다. 부연하면, 이러한 태양전지 셀(100)은 이동성이 강한 사물인터넷(IOT, Internet of Things) 센서 모듈의 자기 전원으로 이용될 수 있다.
여기서, 폴리머 기판층(110) 또는 후술할 폴리머 지지층(130)의 폴리머는 폴리이미드(Polyimide) 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, Polymethyl methacrylate)일 수 있다. 따라서, 본 실시예의 3차원 박막 태양전지 셀(100)은 재질이 갖는 특성으로 인해 유연성(flexibility)을 구비하며, 이를 통해 굴곡진 장착면 등에서 원활하게 장착할 수 있게 된다. 즉 반도체 웨이퍼 기반이 아니라 폴리머 기반으로 본 실시예의 박막태양전지 셀(100)이 제조되기 때문에 유연성 특성을 잘 활용할 수 있게 된다.
한편, 본 실시예의 후면 전극층 형성 단계(S200)는, 굳어진 폴리머 기판층(110) 상에 p-형 후면 전극층(120)(back contact layer)을 형성하는 단계로서, p-형 후면 전극층(120)을 폴리머 기판층(110)의 전면에 균일한 두께로 형성하는데, 이 때 물리증발법(PVD, Physical Vapor Deposition)이 사용될 수 있다. 여기서 p-형 후면 전극층(120)의 두께는 1 내지 2마이크로미터가 바람직하며, 1회 또는 2회 증착을 통해 폴리머 기판층(110) 상에 형성될 수 있다.
다만, p-형 후면 전극층(120)의 증착 방법, 두께, 또는 증착 횟수가 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시예의 어레이 형성 단계(S300)는, 상기 단계(S200)에 의해 형성된 p-형 후면 전극층(120) 상에 폴리머 지지층(130)을 형성한 후, 에칭 공정을 통해 미세기둥 어레이(131)를 형성하는 단계로서, 다수의 순차적인 단계들을 포함할 수 있다.
본 실시예의 어레이 형성 단계(S300)는, 도 1의 순서도 및 도 3에 도시된 순차적인 공정에 도시된 것처럼, p-형 후면 전극층(120)에 폴리머 지지층(130)을 형성하는 폴리머 지지층 형성 단계(S310)와, 폴리머 지지층(130)에 미세기둥 어레이(131) 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계(S320)를 포함할 수 있다.
먼저, 본 실시예의 폴리머 지지층 형성 단계는, 도 3에 도시된 바와 같이, 형성된 p-형 후면 전극층(120) 상의 전면에 자외성 광감응(photo sensitive)용 내열성 폴리머 폴리머 지지층(130)을 형성하는데, 이 때 스핀 코팅 방식이 이용될 수 있다. 여기서 형성되는 폴리머 지지층(130)은 예를 들면 5 내지 10마이크로미터의 두께를 가질 수 있는데, 이 두께가 형성될 미세기둥(132)의 높이가 될 수 있다.
본 실시예의 패턴 형성 단계(S320)는, 폴리머 지지층 형성 단계(S310)에서 형성된 폴리머 지지층(130) 상에 광마스크(140)를 배치하고 광마스크(140)를 향하여 자외선을 조사함으로써 폴리머 지지층(130)에 부분적인 에칭이 발생되도록 하여, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 미세기둥 어레이(131) 패턴을 만드는 단계이다.
여기서, 광마스크(140)는 형성하고자 하는 미세기둥 어레이(131) 패턴의 주기에 맞는 양각을 가지며, 따라서 이러한 광마스크(140)에 자외선을 조사하는 경우 본 실시예의 미세기둥 어레이(131) 패턴이 형성될 수 있는 것이다. 즉, 미세기둥 어레이(131)가 3차원으로 형성됨으로써 여러 측면이 노출될 수 있고, 따라서 태양광 입사각도에 무관하게 임의의 경사 입사광에 대해 미세기둥 어레이(131)에 의한 다중 광흡수가 가능하여 경사입사 조건에서도 균일한 광전변환효율을 달성할 수 있다.
본 실시예의 패턴 형성 단계(S320) 시, 폴리머 지지층(130)에 자외선을 설정된 시간 동안 노출시킨 후 반응성 이온 에칭(RIE, reactive ion etching) 또는 화학용액 에칭을 통해 미세기둥 어레이(131) 패턴을 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 미세기둥 어레이(131)를 이루는 미세기둥(132)과 미세기둥(132) 사이의 간격(t, w)이 미세기둥(132)의 높이(h)에 비해 더 짧아서 종횡비가 1보다 큰 형상을 가질 수 있다.
한편, 전술한 것처럼 미세기둥 어레이(131) 패턴을 형성한 후, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 그 위에 박막층(150)을 형성할 수 있다.
즉, 본 실시예의 어레이 형성 단계(S300)는, 도 3에 도시된 것처럼, 전술한 단계들 이후에 시행되는 단계들을 더 포함하는데, 그 단계들은, 도 5에 도시된 것처럼, 패턴 형성 단계(S320) 다음 단계로 노출 상태의 p-형 후면 전극층(120)과 어레이 패턴(132) 상에 p-형 금속산화물 전극층(151)을 형성하는 p-형 금속산화물 전극층 형성 단계(S330)와, p-형 금속산화물 전극층(151) 상에 서브-마이크론 두께의 화합물 반도체 p-형 광흡수층(153)을 형성하는 p-형 광흡수층 형성 단계(S340)와, p-형 광흡수층(153) 상에 n-형 버퍼층(155)을 형성하는 n-형 버퍼층 형성 단계(S350)와, n-형 버퍼층(155) 상에 진성반도체 삽입층(157)을 형성하는 삽입층 형성 단계(S360) 그리고 진성반도체 삽입층(157) 상에 n-형 투명전도막층(159)을 형성하는 투명전도막층 형성 단계(S370)이다.
여기서, 상기 층(150)들을 형성할 때, 전술한 것처럼 미세기둥 어레이(131) 패턴의 종횡비가 1보다 크기 때문에 전자선증발법 또는 스퍼터링과 같은 물리증발법을 사용하기보다는 원자층증착(ALD, Atomic Layer Deposition)과 같은 화학기상법을 사용하여 표면을 따라 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있다.
부연하면, p-형 금속산화물 전극층(151)을 비롯한 전술한 박막층들은 원자층증착법(ALD, Atomic Layer Deposition)에 의해 p-형 후면 전극층(120)과 어레이 패턴(131) 상에 형성될 수 있다. 그리고, p-형 광흡수층(153)은 CdTe, Cu(In,Ga)Se2, Cu2O, SnS로 마련될 수 있다.
n-형 버퍼층(155)은 CdS 또는 ZnS로 마련될 수 있고, 진성반도체 삽입층(157)은 i-ZnO 삽입층일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시예의 박리 단계(S400)는, 레이저 박리(LLO, Laser lift-off) 현상을 이용하여 상기 단계들에 의해 제조된 3차원 박막태양전지 셀(100)을 유리 기판(101)으로부터 박리시키는 단계이다. 박리 단계(S400) 시, 유리 기판(101) 측에서 폴리머 기판층(110) 방향으로 예를 들면 308나노미터 파장의 레이저를 조사하여 유리 기판(101)과 폴리머 기판층(110) 사이를 분리시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3차원 구조체인 미세기둥 어레이(131)가 적용되기 때문에 확장된 광흡수면적으로 확보하여 효율적인 광흡수를 할 수 있고, 또한 미세기둥 어레이(131) 구조로 인해 텍스쳐링 효과를 구현할 수 있어 광흡수를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 반사면이 분산되어 어느 한 방향으로 빛이 집중되어 반사되는 경우를 최소화할 수 있어 입사광의 활용을 증대시킬 수 있다.
또한, 폴리머와 같은 유연한 폴리머 플라스틱이 기판층(110)으로 형성되어 3차원의 박막태양전지 셀(100)을 구현하기 때문에 극도의 굽힘이 발생되어도 전지 특성을 유지할 수 있다.
다시 말해, 미세기둥 어레이(131) 구조로 인해 입사각도에 무관하게 유효 발전 시간을 연장할 수 있어 태양광 발전 스루풋을 향상시킬 수 있고, 얇은 박막의 두께에도 불구하고 3차원 구조로 인해 확장된 표면적을 확보할 수 있어 고효율의 광전변환효율을 얻을 수 있는 것이다.
부연하면, 본 실시예의 태양전지 셀(100)의 광흡수체는 종래의 것에 비해 1/5 이하의 서브 마이크론 두께로 제작되는데, 이러한 경우더라도 3차원 구조로 인해 확장된 표면의 수광 면적으로 인해 우수한 광흡수면적을 확보할 수 있다. 따라서 광흡수체의 사용을 종래보다 줄일 수 있어 비용 절감을 기대할 수 있다.
또한, 3차원 구조로 인해 입사광의 경사각도에 의하여 광 경로가 길어짐으로써 다중 흡수 현상이 일어나고 이에 따라 경사 입사광에서도 광전변환효율의 손실을 보상할 수 있게 된다.
한편, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 태양전지 셀에 대해서 설명하되 전술한 일 실시예와 실질적으로 대응되는 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 셀을 도시한 것으로 미세우물 어레이 패턴을 가진 태양전지 셀의 사시도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 태양전지 셀(200)은, 전술한 일 실시예가 미세기둥 어레이(131, 도 4 참조) 패턴을 가진 것에 반해, 미세우물 어레이(231) 패턴을 가지고 있다.
일 실시예의 미세기둥 어레이 패턴이 양각을 가진 광마스크에 의해 형성되었다면, 본 실시에의 미세우물 어레이(231) 패턴은 음각을 가진 광마스크에 의해 형성될 수 있다.
즉, 음각을 가진 광마스크를 폴리머 지지층 상에 놓고 자외선을 조사하면, 도 5에 도시된 미세우물 어레이(231) 패턴이 형성될 수 있는 것이다.
여기서, 각각의 미세우물(232)과 미세우물(232) 사이의 간격(t, w)이 미세우물(232)의 높이(h)에 비해 더 짧아 종횡비가 1보다 큰 형상을 가질 수 있다.
본 실시예의 경우에도, 3차원 구조체인 미세우물 어레이(231)가 적용되기 때문에 확장된 광흡수면적으로 확보하여 효율적인 광흡수를 할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 3차원 박막태양전지 셀
101: 유리 기판
110: 폴리머 기판층
120: p-형 후면 전극층
130: 폴리머 지지층
131: 미세기둥 어레이
132: 미세기둥
140: 광마스크
150: 박막층
151: p-형 금속산화물 전극층
153: p-형 광흡수층
155: n-형 버퍼층
157: 진성반도체 삽입
159: n-형 투명전도막층
200: 3차원 박막태양전지 셀(다른 실시예)
231: 미세우물 어레이
232: 미세우물

Claims (17)

  1. 폴리머 재질로서 유리 기판 상에 코팅되는 폴리머 기판층;
    상기 폴리머 기판층 상에 형성되는 p-형 후면 전극층; 및
    상기 p-형 코팅층 상에 형성된 폴리머 재질의 폴리머 지지층이 에칭되어 미세기둥 또는 미세우물 구조로 형성되는 구조물 어레이;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조물 어레이는, 광마스크를 이용하여 상기 폴리머 지지층에 자외선을 조사하여 상기 폴리머 지지층을 부분적으로 에칭시킴으로써 미세기둥 어레이 또는 미세우물 어레이 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구조물 어레이 상에 형성되는 박막층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 박막층은,
    상기 p-형 후면 전극층과 상기 구조물 어레이 상에 요철 구조로 코팅되어 형성되는 p-형 금속산화물 전극층;
    상기 p-형 금속산화물 전극층 상에 배치되는 서브-마이크론 두께의 화합물 반도체 p-형 광흡수층;
    상기 p-형 광흡수층 상에 형성되는 n-형 버퍼층; 및
    상기 n-형 버퍼층 상에 형성되는 진성반도체 삽입층을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 p-형 금속산화물 전극층은 원자층증착법(ALD, Atomic Layer Deposition)에 의해 상기 p-형 후면 전극층과 상기 어레이 패턴 상에 형성되고,
    상기 p-형 광흡수층은 CdTe, Cu(In,Ga)Se2, Cu2O, SnS로 마련되고,
    상기 n-형 버퍼층은 CdS 또는 ZnS로 마련되며,
    상기 진성반도체 삽입층은 i-ZnO 삽입층인 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 기판층 또는 상기 폴리머 지지층의 폴리머는 폴리이미드(Polyimide) 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, Polymethyl methacrylate)인 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 기판층 및 상기 폴리머 지지층이 폴리머 재질로 마련됨으로써 유연성(flexibility)을 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 p-형 후면 전극층은 상기 폴리머 기판층 상에서 스핀 코팅 방식에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 미세기둥 어레이 패턴 또는 상기 미세우물 어레이 패턴은 상기 폴리머 지지층에 자외선을 설정된 시간 동안 노출시킨 후 반응성 이온 에칭(RIE, Reactive ion etching) 또는 화학용액 에칭을 통해 형성되며,
    양각의 상기 광마스크를 사용하여 미세기둥 어레이 패턴이 형성되고 음각 구조의 상기 광마스크를 사용하여 미세우물 어레이 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    레이저 박리 현상(LLO, Laser lift-off)을 이용하여 상기 유리기판 측에서 상기 폴리머 기판층 방향으로 레이저를 조사하여 상기 유리기판과 상기 폴리머 기판층 사이를 박리시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀.
  11. 유리 기판 상에 폴리머를 코팅함으로써 폴리머 기판층을 형성하는 폴리머 기판층 형성 단계;
    상기 폴리머 기판층에 p-형 후면 전극층을 형성하는 후면 전극층 형성 단계; 및
    상기 p-형 후면 전극층에 폴리머 지지층을 형성한 후 에칭 공정을 통해 3차원의 미세기둥 어레이 또는 미세우물 어레이를 형성하는 어레이 형성 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 어레이 형성 단계는,
    상기 p-형 후면 전극층에 폴리머 지지층을 형성하는 폴리머 지지층 형성 단계; 및
    광마스크를 이용하여 상기 폴리머 지지층에 자외선을 조사하여 상기 폴리머 지지층을 부분적으로 에칭시킴으로써 미세기둥 어레이 또는 미세우물 어레이 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 폴리머 지지층 형성 단계 시 사용되는 상기 폴리머는 자외선 광감응용 내열성 폴리머 폴리이미드이며, 상기 p-형 후면 전극층 상에서 스핀 코팅 방식을 이용하여 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 패턴 형성 단계 시, 상기 폴리머 지지층에 자외선을 설정된 시간 동안 노출시킨 후 반응성 이온 에칭(RIE, Reactive ion etching) 또는 화학용액 에칭을 통해 상기 어레이 패턴을 형성하며,
    양각의 상기 광마스크를 사용하여 미세기둥 어레이 패턴을 형성하고 음각 구조의 상기 광마스크를 사용하여 미세우물 어레이 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 어레이 형성 단계는,
    상기 패턴 형성 단계 다음으로, 노출 상태의 상기 p-형 후면 전극층과 상기 어레이 패턴 상에 p-형 금속산화물 전극층을 형성하는 p-형 금속산화물 전극층 형성 단계;
    상기 p-형 금속산화물 전극층 상에 서브-마이크론 두께의 화합물 반도체 p-형 광흡수층을 형성하는 p-형 광흡수층 형성 단계;
    상기 p-형 광흡수층 상에 n-형 버퍼층을 형성하는 n-형 버퍼층 형성 단계;
    상기 n-형 버퍼층 상에 진성반도체 삽입층을 형성하는 삽입층 형성 단계; 및
    상기 진성반도체 삽입층 상에 n-형 투명전도막층을 형성하는 투명전도막층 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀의 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 어레이 형성 단계 다음으로, 레이저 박리 현상(LLO, Laser lift-off)을 이용하여 상기 유리기판 측에서 상기 폴리머 기판층 방향으로 레이저를 조사하여 상기 유리기판과 상기 폴리머 기판층 사이를 분리시키는 박리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀의 제조 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 후면 전극층 형성 단계 시 상기 폴리머 기판층 상에 상기 p-형 후면 전극층을 물리증발법(PVD, Physical Vapor Deposition)을 이용하여 상기 폴리머 기판층의 전면에 균일한 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 박막태양전지 셀의 제조 방법.
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