WO2012018199A2 - 점진적으로 굴절률이 변하는 실리콘 다층 무반사막 및 그 제조방법 및 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an antireflective film used in various optical elements such as an optical filter and an optical semiconductor element such as a semiconductor light emitting device or a solar cell, and a method of manufacturing the same.
  • the present invention relates to a silicon multilayer anti-reflective film having a low refractive index and gradually changing its refractive index from the refractive index of the optical device and the optical device material to the refractive index of air, and a method of manufacturing the same and a solar cell having the same.
  • the refractive index difference from air in an optical semiconductor device including a semiconductor material having a high refractive index is increased. Due to the reflection of light generated at the interface, it is directly related to the performance of the device, and minimizing the reflection of light is an important problem that must be solved in order to have excellent performance. The development of technology to minimize the reflection of light generated between the optical element and the air is in progress.
  • the anti-reflective method used to reduce the reflection of light to improve the efficiency and improve the performance of the device in the optical semiconductor device such as solar cells, photodetectors, light-emitting diodes, etc.
  • Surface texturing method And anti-reflective coating method are examples of the optical semiconductor device.
  • the surface texturing is a method of reducing the reflection of light generated on the semiconductor surface by making regular or irregular structures or curves using physical or chemical methods on the semiconductor surface.
  • Physical methods used for such surface texturing include plasma etching and mechanical scribing. These methods have the advantage of suppressing anisotropic structure formation because there is no imbalance in the etching rate according to the crystal direction of the semiconductor substrate, and it is easy to control the shape and size of the structure, but the process is complicated and the process time is long and mass production Not only is this difficult, but also disadvantages such as the need for expensive vacuum equipment and additional equipment, there is a limitation that it is not suitable for commercial use.
  • chemical methods used for the surface texturing include photolithography and wet etching. These methods are not widely used because they are sensitive to the wavelength of the light source, difficult to control the surface shape and the etching rate, and difficult to produce a sufficiently fine structure depending on the crystal direction of the semiconductor substrate, the type of constituent elements, the composition ratio and the doping. have.
  • the anti-reflective coating is used to reduce the reflection of light by depositing a material having a lower refractive index than the semiconductor material on the semiconductor to reduce the sudden change in refractive index between the semiconductor material and the air.
  • the anti-reflective coating method has the advantage of obtaining the minimum reflectance in a specific wavelength region by adjusting the refractive index and the optical thickness of the coating material.
  • a multilayer structure is required.
  • the above materials should be used.
  • the antireflection film in which the refractive index is continuously changed by mixing and depositing two materials there is a disadvantage that it is very difficult to control the mixing ratio of the materials in the deposition process.
  • the refractive index is gradually changed, and a method of changing the refractive index by adjusting the angle of the substrate in a deposition apparatus has been proposed.
  • the inclination angle is increased, the porosity of the membrane is increased by the shadow effect and the effective refractive index of the membrane is lowered.
  • the materials used in the above method are oxides and fluorides of SiO2, TiO2, Al2O3, MgF2, etc., and it is difficult to change the refractive index over a wide range, and when the inclination is inclined much, the structure of the film becomes dense, and these oxides and fluorides Since it has a low heat transfer coefficient, it has the disadvantage of inhibiting the heat radiation characteristics of the optical semiconductor device.
  • an object of the present invention is to coat the antireflective film is gradually adjusted to the refractive index by depositing a semiconductor material inclined, it is structurally dense and relatively high compared to the conventional antireflective film
  • the present invention provides an anti-reflective film having excellent heat dissipation efficiency due to a heat transfer coefficient, a manufacturing method thereof, and a solar cell having the same, and a manufacturing method thereof.
  • the first aspect of the present invention at least two layers of the silicon layer is sequentially stacked on the substrate, each silicon layer is inclined so that the refractive index is gradually changed by adjusting the inclination angle on the substrate It is to provide a silicon multilayer antireflective film characterized in that it is deposited.
  • the substrate is made of a glass substrate or a semiconductor substrate
  • the semiconductor substrate is preferably made of any one of Si, GaAs, InP, GaP, GaN.
  • each silicon layer has a distribution of refractive indices that gradually increases or decreases.
  • the inclination angle may be made of 1 degree to 90 degrees.
  • the progressively changing refractive index structure is a step, and the progressively changing refractive index is any one of linear, polynomial, Gaussian, or nonlinear distribution.
  • At least two layers of silicon are sequentially stacked on a substrate, wherein each of the silicon layers is deposited on the substrate at an inclined angle, and the refractive index is gradually changed by adjusting the inclination angle. It is to provide a method for producing a silicon multilayer antireflection film.
  • the method of depositing obliquely is preferably using sputtering or evaporation.
  • each of the silicon layers may be deposited obliquely to have a distribution of refractive index that gradually increases or decreases.
  • the inclination angle may be made of 1 degree to 90 degrees.
  • the progressively changing refractive index structure is a step, and the progressively changing refractive index is any one of linear, polynomial, Gaussian, or nonlinear distribution.
  • the first transparent electrode formed on the substrate A silicon multilayer anti-reflective film formed on the first transparent electrode to be inclined so as to gradually change a refractive index; P-type, i-type, and n-type silicon layers sequentially stacked on the silicon multilayer antireflective film; A second transparent electrode formed on the n-type silicon layer; And it is to provide a solar cell having a silicon multilayer anti-reflective film comprising an n-type electrode formed on the second transparent electrode.
  • the substrate is made of a glass substrate or a semiconductor substrate
  • the semiconductor substrate is preferably made of any one of Si, GaAs, InP, GaP, GaN.
  • the multilayer structure may be composed of two to five layers.
  • the silicon multilayer antireflective film has a distribution of refractive indices that gradually increases or decreases.
  • the progressively changing refractive index structure is a step, and the progressively changing refractive index is any one of linear, polynomial, Gaussian, or nonlinear distribution.
  • a fourth aspect of the invention the step of forming a first transparent electrode on the substrate; Forming a silicon multilayer anti-reflective film on the first transparent electrode to be inclined such that the refractive index is gradually changed; Sequentially depositing p-type, i-type, and n-type silicon layers on the silicon multilayer antireflective film; Forming a second transparent electrode on the n-type silicon layer; And it provides a method for manufacturing a solar cell having a silicon multilayer anti-reflective film comprising the step of forming an n-type electrode on the second transparent electrode.
  • the silicon multilayer antireflection film is preferably formed to have a distribution of refractive index that gradually increases or decreases.
  • the progressively changing refractive index structure is a step, and the progressively changing refractive index is any one of linear, polynomial, Gaussian, or nonlinear distribution.
  • the silicon multilayer antireflective film having a gradually changing refractive index as described above a method for manufacturing the same, and a solar cell including the same, a method of tilting and depositing silicon on a substrate using an evaporation method or a sputtering method
  • the refractive index is adjusted, and the refractive index of each silicon layer is gradually increased or decreased, thereby minimizing the reflection of light between the semiconductor surface and the air.
  • the silicon multilayer anti-reflective film according to the present invention is made of a single material, it reduces contamination in the chamber, enables a wide range of refractive index changes, and has the advantage of being manufactured by only a few simple depositions.
  • silicon is a semiconductor, since it has a higher heat transfer coefficient than a multilayer antireflective structure using an oxide or fluoride, excellent heat dissipation characteristics can be expected.
  • the silicon multilayer anti-reflective film according to the present invention when applied to the existing silicon solar cell structure, the advantages of the non-reflective film formed of the same material and excellent heat dissipation characteristics due to the high heat transfer coefficient of the silicon reduces the deterioration phenomenon inside the solar cell There is an advantage to increase the efficiency of the solar cell.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view and a refractive index distribution diagram for explaining the structure of a silicon multilayer anti-reflective film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic system diagram of a gradient deposition method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing an SEM image of a cross section of a low refractive index silicon layer formed on a silicon substrate having different inclination angles according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the refractive index and reflectance of the low refractive index silicon layer produced by varying the inclination angle according to an embodiment of the present invention.
  • 5 to 5 are SEM images of a silicon multilayer antireflective film structure in which a structure in which refractive index is gradually changed is stacked on a silicon substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing reflectance of a silicon multilayer antireflective film structure in which a structure in which a refractive index is gradually changed is stacked on a silicon substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9 and 10 illustrate average reflectance according to the thickness and number of silicon multilayer antireflective films in which a structure in which refractive index is gradually changed is stacked on a silicon substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a silicon solar cell structure in which a silicon multilayer antireflection film is manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing a silicon multilayer antireflective film having a gradually changing refractive index is to deposit silicon on a substrate inclinedly, and to adjust the inclination angle to produce a silicon multilayer antireflective film having a gradually changing refractive index. It is characterized by.
  • the solar cell according to an embodiment of the present invention is characterized in that the p-electrode, a pin-type semiconductor layer, an optical thin film layer (that is, a silicon multilayer anti-reflective film layer) and a glass substrate, the optical thin film layer,
  • the refractive index distribution is characterized in that formed in a multi-layer structure is gradually reduced.
  • the refractive index of the optical thin film layer may be selected in the range of 1 or more and 5 or less.
  • the optical thin film layer is formed of a single material selected from the group consisting of crystalline, amorphous or intermediate silicon.
  • the optical thin film layer may form a porous structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view and a refractive index distribution diagram for explaining the structure of a silicon multilayer anti-reflective film according to an embodiment of the present invention.
  • the silicon multilayer antireflective film according to the present invention gradually changes the refractive index from the high refractive index silicon layer 2 sequentially stacked on the substrate 1 to the low refractive index silicon layer 5. It includes a structure in which the refractive index is reduced.
  • the substrate 1 may be made of a glass substrate or a semiconductor substrate, the semiconductor substrate is preferably made of any one of, for example, Si, GaAs, InP, GaP, GaN.
  • M of the low refractive index silicon layer 5 means a positive integer, and the refractive index distribution of the antireflection film may be formed stepwise.
  • the m may be selected as the number of various layers depending on the structure and the substrate material.
  • each silicon layer may be formed by a gradient deposition method, for example, by sputtering or evaporation.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a system configuration of the gradient deposition method according to an embodiment of the present invention, a schematic diagram showing the gradient deposition method of the sputtering and evaporation method that can be used in the present invention. This shows the basic system for practicing the present invention.
  • FIG. 3 is a SEM image of a cross section of a low refractive index silicon layer deposited on a silicon substrate, manufactured by varying an inclination angle, according to an embodiment of the present invention. Cross section images are shown.
  • the inclination degree of the inclination is increased from (a) to (d) of FIG. 3, and as a result, nano-columnization of the low refractive index silicon layer is intensified.
  • Figure 4 is a graph showing the refractive index and reflectance of the low refractive index silicon layer produced by varying the inclination angle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A shows the refractive index according to the inclination angle of the low refractive index silicon layer of the practical example, in the wavelength range of about 250 nm to about 820 nm. It shows that the refractive index decreases as the tilt is inclined. When the tilt is about 70 degrees, the refractive index of the low refractive index silicon layer on the silicon substrate has a value of about 1.67 at a wavelength of about 633 nm.
  • the inclination angle of the silicon layer applied to the present invention is preferably made of about 0 degrees to 90 degrees (preferably 1 degree to 90 degrees).
  • FIG. 5 to 7 are SEM images of a silicon multilayer antireflective film structure in which a structure having a gradually changing refractive index is stacked on a silicon substrate according to an embodiment of the present invention. Cross-sectional images of various silicon multilayer antireflective film structures combined are shown.
  • FIG. 5 three practical examples were deposited on a silicon substrate to form a refractive index distribution of linear (FIG. 5), fifth order (FIG. 6), and Gaussian (FIG. 7), respectively, cross-sectional images.
  • FIG. 7 a bar graph shows the refractive index distribution of each silicon layer.
  • the three practical examples fixed the overall thickness to about 100 nm and adjusted the refractive index distribution by adjusting the thickness of each layer.
  • FIG. 8 is a graph showing reflectance of a silicon multilayer antireflective film structure in which a structure in which a refractive index is gradually changed is stacked on a silicon substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8A and 8B show the results of calculating and reflecting the reflectance of the structure of the practical example, and the reflectance of the silicon substrate. It can be seen that the antireflection characteristics in the wavelength range of about 400 nm to about 800 nm vary depending on the refractive index distribution of the antireflection film. In addition, it can be seen that the theoretical calculation results (FIG. 8 (a)) and the measurement results (FIG. 8 (b)) show a similar tendency.
  • the anti-reflective property can be ensured in a wide wavelength range and the angle of incidence, and it is possible to prevent contamination in the chamber by depositing with a single material, and the refractive index variation range is sufficiently wide. Reflective properties can be suppressed even with a wide and thin antireflection film, and an antireflection film can be formed even with a small number of layers, which is advantageous over the conventional antireflection film manufacturing process.
  • the silicon material is a semiconductor, and has a higher heat transfer coefficient than the oxides and fluorides used in the past, the silicon material contributes to excellent temperature characteristics when applied to optical devices such as solar cells or light emitting diodes.
  • 9 and 10 are graphs showing average reflectance according to the thickness and number of silicon multilayer antireflective films in which a structure having a gradually changing refractive index is laminated on a silicon substrate according to an embodiment of the present invention.
  • the average reflectance is about 7.86, the lowest.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a silicon solar cell structure in which a silicon multilayer antireflection film is manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • a silicon solar cell structure having a silicon anti-reflective film inserted according to an embodiment of the present invention is basically provided with a first transparent electrode layer 12 and a p-type sequentially on a glass substrate 13.
  • the silicon layer 10, the i-type silicon layer 9, the n-type silicon layer 8, the second transparent electrode layer 7, and the metal layer (or n-type electrode) 6 are formed.
  • the silicon multilayer antireflective film layer 11 is stacked between the first transparent electrode layer 12 and the p-type silicon layer 10 so that when the sunlight is incident from the glass substrate 13 direction, the first transparent electrode layer 12 ) And may suppress the reflection by reducing the difference in refractive index between the p-type silicon layer 10.
  • the anti-reflective film made of the same material as the silicon solar cell, the reflection at the interface between the materials can be suppressed to a minimum compared to the reflection at the interface between other existing materials.
  • the silicon multilayer antireflective film layer 11 applied to the present invention may be selected in a distribution in which the refractive index is gradually increased, and the inclination angle and the number of layers and the thickness of each layer may be selected in various combinations during deposition.
  • the silicon multilayer antireflective film layer 11 may be composed of one or more layers and five or less layers (preferably, two to five layers).
  • the solar cell layer is formed of a p-type silicon layer 10, an i-type silicon layer 9, and an n-type silicon layer 8, but is not limited thereto.
  • it may be made of at least one of amorphous Si, crystalline Si, micro-crystalline Si, multi-crystalline Si, CIGS, CIS, CdTe.

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Abstract

본 발명은 점진적으로 굴절률이 변하는 실리콘 다층 무반사막 및 그 제조방법 및 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 실리콘을 반도체 또는 유리 기판 상에 비스듬히 기울여 증착하는 것으로 실리콘 박막의 굴절률을 조절하는 것을 특징으로 하며, 경사각을 달리하여 다층으로 적층된 실리콘 다층막을 이용하여 굴절률이 점진적으로 변화하는 무반사막을 구현하는 것을 특징으로 한다. 또한, 실리콘 태양전지에 본 발명에 따른 실리콘 다층 무반사막을 적용하여 태양전지 내부의 반사를 억제하며, 높은 열전달계수를 이용한 우수한 방열특성을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

점진적으로 굴절률이 변하는 실리콘 다층 무반사막 및 그 제조방법 및 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법
본 발명은 광학 필터 등의 각종 광학 소자 및 반도체 발광소자 혹은 태양전지 등의 광반도체소자에 사용되어지는 무반사막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘의 굴절률을 기울여 증착하는 방법을 이용하여 매우 낮은 수준까지 낮추며 광소자 및 광학소자 물질의 굴절률에서 공기의 굴절률까지 점진적으로 굴절률이 변화하는 실리콘 다층 무반사막 및 그 제조방법 및 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 굴절률이 서로 다른 물질의 경계에서 발생하는 빛의 반사는 굴절률 차이가 클수록 커진다는 프레넬(Fresnel) 법칙에 따라, 높은 굴절률을 갖는 반도체 물질을 포함하는 광반도체소자에서 공기와의 굴절율 차이로 인해 경계면에서 발생하는 빛의 반사는 소자의 성능과 직접적인 관계가 있으며, 빛의 반사를 최소화하는 일은 우수한 성능을 갖도록 하기 위해 반드시 해결해야 할 중요한 문제로, 간단한 제조방법과 짧은 공정 시간 및 저비용으로 광소자와 공기사이에서 발생하는 빛의 반사를 최소화하기 위한 기술 개발이 진행되고 있다.
예를 들면, 태양 전지, 광검출기, 발광 다이오드 등의 광반도체소자에서 빛의 반사를 줄여 효율을 향상시키고, 소자의 성능을 향상시키기 위해 대표적으로 사용하는 반사방지 방법에는 표면 텍스처링(Surface Texturing) 방법과 무반사막 코팅 방법이 있다.
상기 표면 텍스처링은 반도체 표면에 물리적 혹은 화학적 방법을 이용하여 규칙적이거나 불규칙적인 구조 또는 굴곡을 만들어 반도체 표면에서 일어나는 빛의 반사를 줄이는 방식이다.
이러한 표면 텍스처링을 위해 사용되는 물리적 방법에는 플라즈마 식각(Plasma Etching) 및 기계적 스크라이빙(Mechanical Scribing) 등이 있다. 이러한 방법들은 반도체 기판의 결정방향에 따른 식각 속도의 불균형이 없어 비등방성 구조 형성을 억제할 수 있으며, 구조의 모양과 크기를 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있지만, 공정이 복잡하고 공정 시간이 길어 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라, 고가의 진공 장비와 추가 설비를 필요로 하는 등의 단점 때문에 상업적으로 이용하기에 적합하지 않다는 한계를 가지고 있다.
또한, 상기 표면 텍스처링에 사용되는 화학적 방법은 포토리소그라피(Photolithography)와 습식 식각(Wet Etching) 등이 있다. 이러한 방법은 광원의 파장에 민감하거나, 반도체 기판의 결정 방향, 구성 원소의 종류, 조성비 및 도핑에 따라 각기 표면 형태와 식각 속도를 조절하기 어렵고, 충분히 미세한 구조를 만들기 어렵다는 단점이 있어 널리 활용되지 못하고 있다.
최근에는 표면 텍스처링 방법보다 넓은 파장영역에서 매우 낮은 반사율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 넓은 입사각 범위에서도 낮은 반사율을 보이는 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조(Subwavelength Structure, SWS)를 제작하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조를 제작하기 위한 기존의 방법으로는 전자빔 리소그라피, 홀로그램 리소그라피 혹은 나노임프린트 방법 등을 이용하여 기판에 광파장 이하의 주기적 또는 비주기적 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 물리적 식각 또는 화학적 식각을 하는 방법 등이 있다. 그러나, 이러한 기존의 방식들은 고가의 장비를 활용해야하며, 공정이 복잡하고 생산성이 낮으며 공정 시간이 오래 걸리는 등의 비경제적이라는 한계를 갖고 있다.
한편, 상기 무반사막 코팅은 반도체 상부에 반도체 물질보다 굴절률이 낮은 물질을 증착하여 반도체 물질과 공기 사이에 일어나는 급격한 굴절률 변화를 줄임으로써 빛의 반사를 줄이는 방식으로 사용된다.
이러한 무반사막 코팅 방법은 코팅 물질의 굴절률 및 광학적 두께를 조절하여 특정 파장 영역에서 최소 반사율을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 일층만으로 넓은 영역에서 낮은 반사율을 갖기 어렵기 때문에 다층구조가 필요하며, 2종류 이상의 물질을 사용해야 한다. 또한, 두 물질을 혼합 증착하여 굴절률이 연속적으로 변하도록 하는 무반사막의 경우 증착 과정에서 물질의 혼합비의 조절이 매우 어렵다는 단점이 있다.
최근 무반사막 코팅의 문제점을 개선하고자 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조로, 증착 장비에서 기판의 각도를 조절하는 것으로 굴절률을 변화시키는 방법이 제안되고 있다. 경사각을 크게 하는 경우, 그림자 효과에 의해 막의 다공성이 증가되고 막의 유효굴절률은 낮아지게 된다.
그러나, 상기의 방법에 사용되는 물질이 SiO2, TiO2, Al2O3, MgF2 등의 산화물 및 불화물로 넓은 범위의 굴절률 변화가 어려우며, 경사를 많이 기울이는 경우 막의 구조가 조밀하지 못하게 되며, 또한 이러한 산화물 및 불화물은 낮은 열전달계수를 갖기 때문에 광반도체소자의 방열특성을 저해하게 되는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체 물질인 실리콘을 경사지게 증착하여 점진적으로 굴절률이 조절되는 무반사막을 코팅하며, 구조적으로 조밀하고 기존 무반사막에 비해 상대적으로 높은 열전달계수로 인한 뛰어난 방열효율을 갖는 무반사막 및 그 제조방법과 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 기판 상에 적어도 두 층의 실리콘층이 순차적으로 적층되되, 상기 각 실리콘층은 상기 기판 상에 경사각을 조절하여 점진적으로 굴절률이 변화되도록 경사지게 증착되는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 기판은 유리 기판 또는 반도체 기판으로 이루어지며, 상기 반도체 기판은 Si, GaAs, InP, GaP, GaN 중 어느 하나로 이루어짐이 바람직하다.
바람직하게, 상기 각 실리콘층은 점진적으로 증가 또는 감소하는 굴절률의 분포를 갖는다.
바람직하게, 상기 경사각은 1도 내지 90도로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조는 계단식으로 이루어지며, 상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 분포는 선형, 다항형(Polynomial), 가우시안형(Gaussian) 또는 비선형 분포 중 어느 하나이다.
본 발명의 제2 측면은, 기판 상에 적어도 두 층의 실리콘층을 순차적으로 적층하되, 상기 각 실리콘층은 상기 기판 상에 경사지게 증착하며, 그 경사각을 조절하여 점진적으로 굴절률을 변화시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 경사지게 증착하는 방법은 스퍼터링 또는 증발법을 이용함이 바람직하다.
바람직하게, 상기 각 실리콘층은 점진적으로 증가 또는 감소하는 굴절률의 분포를 갖도록 경사지게 증착할 수 있다.
바람직하게, 상기 경사각은 1도 내지 90도로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조는 계단식으로 이루어지며, 상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 분포는 선형, 다항형(Polynomial), 가우시안형(Gaussian) 또는 비선형 분포 중 어느 하나이다.
본 발명의 제3 측면은, 기판 상에 형성되는 제1 투명전극; 상기 제1 투명전극 상에 점진적으로 굴절률이 변화되도록 경사지게 형성되는 실리콘 다층 무반사막; 상기 실리콘 다층 무반사막 상에 순차적으로 적층된 p형, i형, n형 실리콘층; 상기 n형 실리콘층 상에 형성되는 제2 투명전극; 및 상기 제2 투명전극 상에 형성되는 n형 전극을 포함하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 기판은 유리 기판 또는 반도체 기판으로 이루어지며, 상기 반도체 기판은 Si, GaAs, InP, GaP, GaN 중 어느 하나로 이루어짐이 바람직하다.
바람직하게, 상기 다층 구조는 2층 내지 5층으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 실리콘 다층 무반사막은 점진적으로 증가 또는 감소하는 굴절률의 분포를 갖는다.
바람직하게, 상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조는 계단식으로 이루어지며, 상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 분포는 선형, 다항형(Polynomial), 가우시안형(Gaussian) 또는 비선형 분포 중 어느 하나이다.
본 발명의 제4 측면은, 기판 상에 제1 투명전극을 형성하는 단계; 상기 제1 투명전극 상에 점진적으로 굴절률이 변화되도록 경사지게 실리콘 다층 무반사막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 다층 무반사막 상에 p형, i형, n형 실리콘층을 순차적으로 적층하는 단계; 상기 n형 실리콘층 상에 제2 투명전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 투명전극 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 실리콘 다층 무반사막은 점진적으로 증가 또는 감소하는 굴절률의 분포를 갖도록 형성함이 바람직하다.
바람직하게, 상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조는 계단식으로 이루어지며, 상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 분포는 선형, 다항형(Polynomial), 가우시안형(Gaussian) 또는 비선형 분포 중 어느 하나이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 점진적으로 굴절률이 변하는 실리콘 다층 무반사막 및 그 제조방법 및 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법에 따르면, 기판에 실리콘을 증발법 또는 스퍼터링법을 이용하여 기울여 증착하는 방법으로 굴절률을 조절하며 각 실리콘층의 굴절률이 점진적으로 증가 혹은 감소하는 구조로 반도체 표면과 공기사이의 빛의 반사를 최소한으로 억제할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 다층 무반사막은 단일 물질로 제조되기 때문에 챔버 내부의 오염을 줄이며, 넓은 범위의 굴절률 변화가 가능하며, 간단한 몇 차례 증착만으로 제조할 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 실리콘은 반도체이기 때문에 기존 산화물 혹은 불화물을 이용한 다층 무반사구조에 비해 높은 열전달계수를 가지므로 우수한 방열특성을 기대할 수 있다.
또한, 기존 실리콘 태양전지 구조에 본 발명에 따른 실리콘 다층 무반사막을 적용할 경우, 동일 물질로 형성된 무반사막이라는 이점과 상기 실리콘의 높은 열전달계수로 인한 우수한 방열특성으로 태양전지 내부의 열화현상을 줄이며, 태양전지의 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 다층 무반사막의 구조를 설명하기 위한 단면도 및 굴절률 분포도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사 증착법의 개략적인 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 경사각을 달리하여 제작된 저굴절률 실리콘층을 실리콘 기판 상에 증착한 단면의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 경사각을 달리하여 제작된 저굴절률 실리콘층의 굴절률과 반사율을 보이는 그래프이다.
도 5 내지 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘 기판 상에 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조를 적층한 실리콘 다층 무반사막 구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘 기판 상에 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조를 적층한 실리콘 다층 무반사막 구조의 반사율을 보이는 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘 기판 상에 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조를 적층한 실리콘 다층 무반사막의 두께 및 개수에 따른 평균반사율을 보이는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작되는 실리콘 다층 무반사막이 삽입된 실리콘 태양전지 구조의 개략도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 점진적으로 굴절률이 변하는 실리콘 다층 무반사막의 제조방법은, 기판 상에 실리콘을 경사지게 증착하며, 그 경사각을 조절하여 점차적으로 굴절률이 변화하는 실리콘 다층 무반사막을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, p-전극, p-i-n형 반도체층, 광학박막층(즉, 실리콘 다층 무반사막층)과 글래스 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 광학박막층은, 그 굴절률 분포가 점진적으로 감소되는 다층구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광학박막층의 굴절률은 1 이상 5 이하의 범위에서 선택될 수 있다. 바람직하게, 상기 광학박막층은 결정형, 비정질 혹은 그 중간 단계의 실리콘으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 단일 물질로 형성된다. 여기에서, 상기 광학박막층은 다공성 구조를 형성할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 점진적으로 굴절률이 변하는 실리콘 다층 무반사막 및 이를 구비하는 태양전지의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 단, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 다층 무반사막의 구조를 설명하기 위한 단면도 및 굴절률 분포도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 다층 무반사막은, 기판(1) 상에 순차로 적층된 고굴절률 실리콘층(2)에서 저굴절률 실리콘층(5)까지 순차적으로 굴절률을 달리하며 점진적으로 굴절률이 줄어드는 구조를 포함한다.
여기서, 기판(1)은 유리 기판 또는 반도체 기판으로 이루어질 수 있으며, 상기 반도체 기판은 예컨대, Si, GaAs, InP, GaP, GaN 중 어느 하나로 이루어짐이 바람직하다.
저굴절률 실리콘층(5)의 m은 양의 정수를 의미하며, 상기 무반사막의 굴절률 분포는 계단식으로 형성될 수 있다. 상기 m은 구조와 기판 물질 등에 따라 다양한 층의 개수로 선택될 수 있다. 여기에서 각각의 실리콘층은 경사 증착법으로 형성될 수 있으며, 예컨대, 스퍼터링(sputtering) 또는 증발법(evaporation)에 의해 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사 증착법의 개략적인 시스템 구성도로서, 본 발명에서 이용될 수 있는 스퍼터링 및 증발법의 경사 증착법을 나타낸 모식도이다. 이는 본 발명을 실시하기 위한 기본 시스템을 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 경사각을 달리하여 제작된 저굴절률 실리콘층을 실리콘 기판 상에 증착한 단면의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 전술한 도 2의 방법으로 증착된 실리콘 박막의 실제 단면 이미지를 나타내었다.
도 3을 참조하면, 도 3의 (a)에서 (d)로 갈수록 경사의 기울진 정도가 커지며, 그에 따라 저굴절률 실리콘층의 나노기둥(Nano-column)화가 심화되는 것을 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 경사각을 달리하여 제작된 저굴절률 실리콘층의 굴절률과 반사율을 보이는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 상기 실제 예의 저굴절률 실리콘층의 경사각에 따른 굴절률을 파장 범위 약 250nm 내지 820nm 정도까지 보여준다. 경사를 기울일수록 굴절률이 낮아지는 것을 보여주며, 약 70도로 기울일 경우 실리콘 기판 상의 저굴절률 실리콘층의 굴절률은 약 633nm 파장에서 약 1.67의 값을 가진다.
도 4의 (b), (c), (d) 및 (e)은 상기 실제 예의 저굴절률 실리콘층의 반사율을 측정한 결과를 보여준다. 반사율은 상기 측정된 경사각도별 실제 예의 굴절률을 이용하여 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)법과 TMM(Transmission Matrix Method) 방법으로 계산되었으며, 실제 예의 측정값도 함께 보여준다.
한편, 본 발명에 적용된 실리콘층의 경사각은 약 0도 내지 90도(바람직하게는, 1도 내지 90도) 정도로 이루어짐이 바람직하다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘 기판 상에 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조를 적층한 실리콘 다층 무반사막 구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 상기 다양한 굴절률을 갖는 실리콘층을 적절히 조합한 다양한 실리콘 다층 무반사막 구조의 단면 이미지를 나타내었다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 세 가지 실제 예는 각각 선형(도 5), 5차식형(도 6) 및 가우시안형(도 7)의 굴절률 분포를 이루도록 실리콘 기판 상에 증착되었으며, 각 단면 이미지 우측에는 각 실리콘층의 굴절률 분포를 막대 그래프로 보여준다. 세 가지 실제 예는 전체 두께가 약 100nm 정도로 고정되었으며, 각 층의 두께를 조절하여 굴절률 분포를 조절하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘 기판 상에 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조를 적층한 실리콘 다층 무반사막 구조의 반사율을 보이는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 도 8의 (a)와 (b)는 각각 상기 실제 예의 구조에 대한 반사율을 계산한 결과와 측정한 결과 및 실리콘 기판의 반사율을 비교하여 보여준다. 무반사막의 굴절률 분포에 따라 파장 범위 약 400nm 내지 800nm 정도에서의 무반사 특성이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이론적 계산결과(도 8의 (a))와 측정결과(도 8의 (b))가 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 8의 (c) 및 (d)은 각각 상기 실제 예의 구조의 각도에 대한 반사율을 계산한 결과와 측정한 결과를 보여준다. 무반사막을 적용할 경우, 빛의 입사각을 약 70도까지 기울여도 약 10％ 미만의 반사율을 보임을 보여준다.
이렇듯 실리콘을 경사 증착하여 무반사막을 형성할 경우, 넓은 파장 범위 및 입사각 범위에서 무반사 특성을 보장할 수 있으며, 한 가지 물질을 사용하여 증착하므로 챔버 내의 오염을 막을 수 있다는 장점과, 굴절률 변화 폭이 충분히 넓고, 얇은 두께의 무반사막으로도 반사 특성을 억제할 수 있으며, 또한 작은 층수로도 무반사막을 형성할 수 있어 기존 무반사막 제조 공정에 비해 유리하다.
또한, 실리콘 물질은 반도체로, 기존 사용되는 산화물 및 불화물에 비해 높은 열전달계수를 가지므로 예컨대, 태양전지 혹은 발광다이오드 등의 광소자에 적용할 때 우수한 온도특성에 보탬이 된다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘 기판 상에 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조를 적층한 실리콘 다층 무반사막의 두께 및 개수에 따른 평균반사율을 보이는 도면으로서, 실리콘 다층 무반사막의 두께가 50nm, 개수가 3층일 경우 평균반사율이 약 7.86으로 가장 낮은 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작되는 실리콘 다층 무반사막이 삽입된 실리콘 태양전지 구조의 개략도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작되는 실리콘 다층 무반사막이 삽입된 실리콘 태양전지 구조는, 기본적으로 유리기판(13) 상에 순차적으로 제1 투명전극층(12), p형 실리콘층(10), i형 실리콘층(9), n형 실리콘층(8), 제2 투명전극층(7) 및 금속층(또는 n형 전극)(6)으로 이루어진다.
특히, 실리콘 다층 무반사막층(11)은 제1 투명전극층(12)과 p형 실리콘층(10) 사이에 적층되어 태양광이 유리기판(13) 방향에서 입사할 때, 제1 투명전극층(12)과 p형 실리콘층(10) 사이의 굴절률 차이를 줄임으로 반사를 억제하는 역할을 할 수 있다.
또한, 실리콘 태양전지와 동일한 물질로 이루어진 무반사막이므로 물질 사이의 계면에서 반사를 기존의 다른 물질간의 계면에서 반사에 비해 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 적용된 실리콘 다층 무반사막층(11)은 굴절률이 점진적으로 증가하는 분포로 선택될 수 있으며, 증착 시 경사 각도와 층수 및 각 층의 두께는 다양한 조합으로 선택될 수 있다.
또한, 실리콘 다층 무반사막층(11)은 1층 이상 5층 이하(바람직하게, 2층 내지 5층)로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 태양전지 층을 p형 실리콘층(10), i형 실리콘층(9) 및 n형 실리콘층(8)으로 형성하였지만, 이에 국한하지 않으며, 상기 태양전지 층은 예컨대, amorphous Si, crystalline Si, micro-crystalline Si, multi-crystalline Si, CIGS, CIS, CdTe 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수도 있다.
전술한 본 발명에 따른 점진적으로 굴절률이 변하는 실리콘 다층 무반사막 및 그 제조방법 및 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법에 대한 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 발명에 속한다.

Claims (20)

  1. 기판 상에 적어도 두 층의 실리콘층이 순차적으로 적층되되,
    상기 각 실리콘층은 상기 기판 상에 경사각을 조절하여 점진적으로 굴절률이 변화되도록 경사지게 증착되는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 유리 기판 또는 반도체 기판으로 이루어지며, 상기 반도체 기판은 Si, GaAs, InP, GaP, GaN 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 각 실리콘층은 점진적으로 증가 또는 감소하는 굴절률의 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 경사각은 1도 내지 90도로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조는 계단식으로 이루어지며,
    상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 분포는 선형, 다항형(Polynomial), 가우시안형(Gaussian) 또는 비선형 분포 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막.
  6. 기판 상에 적어도 두 층의 실리콘층을 순차적으로 적층하되,
    상기 각 실리콘층은 상기 기판 상에 경사지게 증착하며, 그 경사각을 조절하여 점진적으로 굴절률을 변화시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막의 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 경사지게 증착하는 방법은 스퍼터링 또는 증발법을 이용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막의 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 각 실리콘층은 점진적으로 증가 또는 감소하는 굴절률의 분포를 갖도록 경사지게 증착하는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막의 제조방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 경사각은 1도 내지 90도인 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막의 제조방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조는 계단식으로 이루어지며,
    상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 분포는 선형, 다항형(Polynomial), 가우시안형(Gaussian) 또는 비선형 분포 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막의 제조방법.
  11. 기판 상에 형성되는 제1 투명전극;
    상기 제1 투명전극 상에 점진적으로 굴절률이 변화되도록 경사지게 형성되는 실리콘 다층 무반사막;
    상기 실리콘 다층 무반사막 상에 적층되는 태양전지 층;
    상기 태양전지 층 상에 형성되는 제2 투명전극; 및
    상기 제2 투명전극 상에 형성되는 n형 전극을 포함하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 태양전지 층은 amorphous Si, crystalline Si, micro-crystalline Si, multi-crystalline Si, CIGS, CIS, CdTe 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 기판은 유리 기판 또는 반도체 기판으로 이루어지며, 상기 반도체 기판은 Si, GaAs, InP, GaP, GaN 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 다층 구조는 2 내지 5층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 실리콘 다층 무반사막은 점진적으로 증가 또는 감소하는 굴절률의 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조는 계단식으로 이루어지며,
    상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 분포는 선형, 다항형(Polynomial), 가우시안형(Gaussian) 또는 비선형 분포 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지.
  17. 기판 상에 제1 투명전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 투명전극 상에 점진적으로 굴절률이 변화되도록 경사지게 실리콘 다층 무반사막을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 다층 무반사막 상에 태양전지 층을 적층하는 단계;
    상기 태양전지 층 상에 제2 투명전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 투명전극 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지의 제조방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 태양전지 층은 amorphous Si, crystalline Si, micro-crystalline Si, multi-crystalline Si, CIGS, CIS, CdTe 중 적어도 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지의 제조방법.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 실리콘 다층 무반사막은 점진적으로 증가 또는 감소하는 굴절률의 분포를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지의 제조방법.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조는 계단식으로 이루어지며,
    상기 점진적으로 굴절률이 변화하는 분포는 선형, 다항형(Polynomial), 가우시안형(Gaussian) 또는 비선형 분포 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 다층 무반사막을 구비하는 태양전지의 제조방법.
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