KR101315065B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력변환효율을 개선하고 원가 경쟁력이 있는 태양전지 및 그 제조방법을 위하여, 글래스 기판, 상기 글래스 기판 상에 배치되며 상기 글래스 기판과 반대쪽 표면이 텍스쳐링 처리되어 요철이 형성된 제1 도전성전극, 상기 제1 도전성전극과 접촉하는 복수의 나노입자들, 상기 제1 도전성전극 상에 배치되며 상기 복수의 나노입자들을 덮는 광활성층, 상기 광활성층 상의 반사방지층 및 상기 반사방지층 상의 제2 도전성전극을 포함하는, 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 나노입자들을 포함하는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 고유가 및 환경 문제로 인하여 신재생에너지 부분이 많은 주목을 받고 있으며, 그 중 태양전지에 대한 연구 및 양산화가 가장 활발히 진행되고 있다. 태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 이는 태양전지가 다른 신재생에너지원에 비해 그 에너지원을 장소에 구애받지 않고 어디에서든지 사용할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 그리고 태양전지는 공해가 없다는 장점 때문에 지구환경 보전의 관점으로 재평가되고 있으며, 차세대 청정에너지원으로서의 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양전지는 구조의 형태에 의하여 벌크형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분될 수 있으며, 특히, 박막형 태양전지는 효율의 한계를 극복하기 위하여 나노입자들을 적용하는 연구들이 진행되고 있다.
종래 나노입자들을 적용한 태양전지는 효율 향상을 위하여 기판 위에 나노홀 필름을 부착하거나 스프레이코팅 및 스핀코팅 등의 공정을 이용하여 나노입자를 형성하고 정렬하기 때문에 후속 공정이 많으며 플라즈몬 형성 거리를 일정하게 유지 제작하기 매우 어려워지는 문제점이 발생한다. 또한, 이로 인해 셀의 제작 단가가 증가하며 효율이 저하되는 문제점을 수반한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 전력변환효율을 개선하고 원가 경쟁력이 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다. 이러한 본 발명의 과제는 예시적으로 제시되었고, 따라서 본 발명이 이러한 과제에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 태양전지가 제공된다. 상기 태양전지는 글래스 기판, 상기 글래스 기판 상에 배치되며 상기 글래스 기판과 반대쪽 표면이 텍스쳐링 처리되어 요철이 형성된 제1 도전성전극, 상기 제1 도전성전극과 접촉하는 복수의 나노입자들, 상기 제1 도전성전극 상에 배치되며 상기 복수의 나노입자들을 덮는 광활성층, 상기 광활성층 상의 반사방지층 및 상기 반사방지층 상의 제2 도전성전극을 포함한다.
상기 태양전지에 있어서, 상기 복수의 나노 입자들은 스퍼터링에 의하여 형성된 금속 나노 입자들을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 금속 나노입자들은 금 또는 은을 포함할 수 있다.
상기 태양전지에 있어서, 상기 제1 도전성전극은 투명전도전극으로서, 알루미늄 박막 또는 인듐-주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide)을 포함할 수 있다.
상기 태양전지에 있어서, 상기 광활성층은 p층, i층 및 n층이 연속적으로 적층된 PIN 구조체를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 복수의 나노입자들은 상기 p층 내에 매립될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 태양전지의 제조방법이 제공된다. 상기 태양전지의 제조방법은 글래스 기판을 제공하는 단계, 상기 글래스 기판 상에 제1 도전성전극을 형성하는 단계, 상기 글래스 기판과 반대쪽 표면에 요철이 형성되도록 상기 제1 도전성전극을 텍스쳐링 처리하는 단계, 상기 제1 도전성전극 상에 스퍼터링에 의하여 복수의 나노입자들을 형성하는 단계, 상기 제1 도전성전극 상에 상기 복수의 나노입자들을 덮도록 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 상에 반사방지층을 형성하는 단계 및 상기 반사방지층 상에 제2 도전성전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 복수의 나노입자들을 형성하는 단계는 광의 선택적 파장 흡수가 가능하도록 상기 복수의 나노입자들의 각각의 크기 및 이격거리를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 복수의 나노입자들의 각각의 크기 및 이격거리를 제어하는 단계는 스퍼터링 조건을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 스퍼터링 조건을 조절하는 단계는 스퍼터링 증착 시간을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 스퍼터링 조건을 조절하는 단계는 스퍼터링 파워, 스퍼터링 바이어스 전압 또는 캐리어 가스의 유량을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후속 공정을 단순화할 수 있으며 플라즈몬 형성 거리를 일정하게 유지할 수 있고 기판의 대면적화를 구현할 수 있으며 전력변환효율이 개선된 태양전지 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과는 예시적으로 기재되었고, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도해하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도해하는 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 텍스쳐링 처리되어 요철이 형성된 투명전도전극과 그 상에 접촉되어 형성된 복수의 나노입자들을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도해하는 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 텍스쳐링 처리되어 요철이 형성된 투명전도전극과 그 상에 접촉되어 형성된 복수의 나노입자들을 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면에서 묘사되는 방향에 추가하여 구조체의 다른 방향들을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 구조체의 상하가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도해하는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 태양전지(100)는 글래스 기판(110)을 포함한다. 글래스 기판(110) 상에 광흡수계수가 높은 반도체 물질을 형성하는 경우, 태양전지(100)는 상기 반도체 물질을 상대적으로 적게 필요로 하므로 재료비가 낮으며 제조공정도 일괄 공정화할 수 있으므로 제조비용 측면에서 유리하다.
글래스 기판(110) 상에 제1 도전성전극(120)이 배치된다. 제1 도전성전극(120)은 투명전도전극(Transparent Conducting Electrode)으로서, 예를 들어, 알루미늄 박막 또는 인듐-주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide)을 포함할 수 있으며, 스퍼터링(Sputtering) 혹은 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)법을 이용하여 증착할 수 있다. 알루미늄 박막의 두께는 수 내지 수십 나노미터이며, 예를 들어, 약 10nm일 수 있다. 글래스 기판(110)과 제1 도전성전극(120) 사이에 개재되는 물질을 제거하기 위하여 글래스 기판(110)을 세정한 후에 제1 도전성전극(120)을 형성할 수 있다. 글래스 기판(110)과 제1 도전성전극(120) 사이에 개재되는 물질이 존재하지 않으므로 제1 도전성전극(120)이 글래스 기판(110) 상에 부착력이 개선되는 효과를 기대할 수 있다.
광의 흡수를 높이기 위하여 제1 도전성전극(120)은 표면에 요철이 형성되도록 표면 텍스쳐링(texturing) 공정이 수행될 수 있다. 표면 텍스쳐링(texturing) 공정은 산 또는 알칼리 용액을 사용하여 표면을 습식식각하는 공정 또는 플라즈마를 사용하여 표면을 건식식각하는 공정을 포함할 수 있다. 제1 도전성전극(120)의 표면 요철의 형상에 따라서 광의 반사율, 변환효율, 및 양자효율에 영향을 미칠 수 있다.
글래스 기판(110)과 반대쪽 표면이 텍스쳐링 처리되어 요철이 형성된 제1 도전성전극(120) 상에 제1 도전성전극(120)과 접촉하는 복수의 나노입자(130)들을 형성한다. 복수의 나노입자(130)들은 나노 클러스터 스퍼터링(nano cluster sputtering)에 의하여 증착되며, 예를 들어, 금(Au) 또는 은(Ag)을 포함할 수 있다. 그러나 복수의 나노입자(130)들은 구성하는 물질은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 티타늄, 백금, 팔라듐, 알루미늄, 코발트, 철, 구리, 주석, 니켈 또는 아연을 포함할 수 있다. 나노 클러스터 스퍼터링은 스퍼터링의 일종으로서, 증착 초기에는 나노 클러스터 형태의 나노입자들이 형성되며 증착 시간이 길어질수록 이러한 나노 클러스터 형태의 나노입자들이 모여 나노박막으로 형성되는 증착법이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 구성하는 나노입자는, 나노 클러스터 스퍼터링을 이용하여, 나노박막을 형성하기 이전의 나노 클러스터 형태의 입자를 포함할 수 있다.
복수의 나노입자(130)들은 광의 선택적 파장 흡수가 가능하도록 복수의 나노입자(130)들의 각각의 크기 및 이격거리가 조절될 수 있다. 이를 위하여 스퍼터링 공정 조건을 제어할 수 있는데, 예를 들어, 스퍼터링 증착 시간, 스퍼터링 파워, 스퍼터링 바이어스 전압 또는 캐리어 가스의 유량을 제어할 수 있다.
스퍼터링 공정 조건을 조절하여 복수의 나노입자(130)들의 각각의 크기 및 이격거리를 제어함으로써, 근적외선에서 가시광까지 전파장 영역(300nm 내지 1000nm)에서 광의 흡수율이 증가되어 태양전지의 흡수율 및 양자효율이 개선되는 효과를 기대할 수 있다. 예를 들어, 50nm이하의 그레인(grain) 크기에서는 단파장의 흡수율이 증가하며, 100nm의 그레인 크기에서는 장파장의 스캐터링이 증가한다.
즉, 스퍼터링 공정 조건을 조절하여 나노입자(130)의 크기를, 예를 들어, 10nm 내지 100nm까지, 정밀하게 제어함으로써 선택적 파장의 광을 증폭시킬 수 있으며 광의 입사각도에 따라 스캐터링 각도 또한 조절할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 최적의 나노입자(130)의 크기는 표면 플라즈몬 공명 효과를 관찰함으로써 설정될 수 있는데, 이에 대하여 간략하게 설명한다.
태양전지는 빛을 흡수해 전자를 발생시키는 원리를 이용하므로 태양광을 많이 흡수할수록 좋은 전지의 조건이 될 수 있다. 태양광을 많이 흡수하기 위해서는 광의 흡수영역을 장파장까지 넓게 하는 방법과 더불어 광 흡수능력을 극대화할 수 있는 방법도 가능하다. 광 흡수능력을 극대화할 수 있는 방법 중의 하나가 표면 플라즈몬 공명을 이용하는 기술이다. 금속 나노입자의 표면에는 자유전자가 존재한다. 이 표면의 자유전자는 외부의 전자기파와 상호작용을 하며 금속 표면에서 움직이게 된다. 이러한 자유전자들의 움직임이 금속 나노입자 주위 물질의 극성을 변화시켜 금속 나노입자 주위의 물질의 편극률을 변화시킨다. 편극률의 변화는 금속 나노입자를 둘러싼 그 물질의 흡광도를 증가시키는 결과를 가져오게 된다.
결과적으로 외부에서 보면 금이나 은 나노입자를 포함하는 어떠한 물질의 흡광도가 그렇지 않은 것보다 증가하게 된다. 이러한 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 물질의 광 흡수능력(흡광도)을 증가시킴으로써 태양광 활용을 극대화할 수 있으므로, 표면 플라즈몬 공명 현상을 관찰하여 광 흡수능력을 개선시킬 수 있는 최적의 금속 나노입자의 크기가 결정될 수 있다.
계속하여, 도 1을 참조하면, 제1 도전성전극(120) 상에 복수의 나노입자(130)들을 덮는 광활성층(140)이 배치된다. 광활성층(140)은 광을 받아서 전자를 발생시킬 수 있는 광활성 물질로 구성된다. 광을 받아서 생성된 전자는 일함수가 낮은 제2 도전성전극(160)으로 이동하고 정공은 상대적으로 일함수가 높은 제1 도전성전극(120)으로 이동하게 된다. 광활성층(140)은, 예를 들어, p층(142), i층(144) 및 n층(146)이 연속적으로 적층된 PIN 구조체를 포함할 수 있다. 복수의 나노입자(130)들은 p층(142) 내에 매립될 수 있다. 즉, 복수의 나노입자(130)들은 i층(144) 또는 n층(146) 내에는 매립되지 않고 p층(142) 내에만 매립되어 존재할 수 있다.
여기에서, p층(142)은 하나 이상의 p-도핑된 층을 의미하며, i층(144)은 (전기 용어에서) 하나 이상의 비도핑된 층 또는 비교하여 약간 도핑된 층을 의미하는데, 이는 하나 이상의 광자가 흡수되고 전류의 발생에 기여하며, n층(146)은 하나 이상의 n-도핑된 층을 의미한다. 광을 흡수하여 엑시톤을 형성하는 PIN 구조체(140)는 연속적으로 적층하여 형성되며, 예를 들어, 500nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
반사방지층(150)이 광활성층(140) 상에 배치된다. 반사방지층(150)은 광의 반사로 인하여 효율이 감소되는 현상을 억제하기 위하여 도입되며, 예를 들어, 100nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 반사방지층(150) 상에 제2 도전성전극(160)이 배치된다. 제2 도전성전극(160)은 외부 신호전달용 상부 전극을 구성한다. 광활성층(140)이 광을 받으면 전자와 정공이 생성되는데, 이 중에서 전자는 일함수가 상대적으로 낮은 제2 도전성전극(160)으로 이동할 수 있다. 태양전지(100)는 소자간의 크로스토크(crosstalk) 발생을 억제하기 위하여 에지 공정을 수행하여 형성된 트렌치(T)를 포함한다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도해하는 순서도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 글래스 기판(110)을 제공하는 단계(S10), 글래스 기판(110) 상에 제1 도전성전극(120)을 형성하는 단계(S20), 제1 도전성전극(120) 상에 글래스 기판(110)과 반대쪽 표면에 요철이 형성되도록 제1 도전성전극(120)을 텍스쳐링 처리하는 단계(S30), 제1 도전성전극(120) 상에 스퍼터링에 의하여 복수의 나노입자(130)들을 형성하는 단계(S40), 제1 도전성전극(120) 상에 복수의 나노입자(130)들을 덮도록 광활성층(140)을 형성하는 단계(S50), 광활성층(140) 상에 반사방지층(150)을 형성하는 단계(S60), 반사방지층(150) 상에 제2 도전성전극(160)을 형성하는 단계(S70) 및 에지 공정을 수행하는 단계(S80)를 포함한다. 이하에서는, 도 3 내지 도 9를 순차적으로 참조하여, 상기 각 단계들을 설명한다. 다만, 도 1에서 이미 설명된 부분과 중복되는 내용은 편의상 생략한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 글래스 기판(110) 상에 제1 도전성전극(120)을 형성한다. 제1 도전성전극(120)은 표면에 요철이 형성되도록 표면 텍스쳐링(texturing) 공정이 수행될 수 있다. 즉, 글래스 기판(110)을 세정하고 제1 도전층(120a)을 형성한 후에 산 또는 알칼리 용액을 사용하여 제1 도전층(120a)의 표면을 습식식각하는 공정 또는 플라즈마를 사용하여 제1 도전층(120a)의 표면을 건식식각하는 공정이 수행될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 도전성전극(120) 상에 스퍼터링에 의하여 복수의 나노입자(130)들을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 나노입자(130)를 형성하기 위한 방법으로서 스퍼터링 공정을 제안하였다. 아래에서는 이러한 스퍼터링에 의하여 형성되는 금속 나노입자(130)에 의하여 기대되는 효과에 대하여 살펴보고자 한다.
우선, 균일한 배열의 금속 나노입자(130) 어레이(array)의 형성이 가능하다. 금속 나노입자의 배열이 균일 할수록 특성이 향상되기 때문에 배열의 균일성은 나노입자 어레이 제조 분야에서 중요한 조건 중 하나이다. 예를 들어, 플라즈몬 공명 특성을 관측하고자 할 경우 흡광도를 측정하여야 하는데, 그 특성을 야기하는 금속 나노입자(130)의 크기가 균일할수록 흡수되는 빛의 파장의 영역이 제한되고 그 정도가 증가하여 실용 분야에 적용하기 용이해진다. 또한 특성의 재현성을 위해서 나노입자(130) 크기의 균일도가 필수적이다. 그 크기가 불균일하다면, 공정이 행해지는 시간에 따라 특성이 전부 다르게 나타나기 때문에 실용 분야에 적용하기 부적합하다. 현재 산업이나 실험실에서 가장 많이 쓰이는 공침법이나 열에 의한 금속 박막 디웨팅을 이용할 경우, 나노입자의 균일도가 문제가 되지만, 본원의 일 실시예에 따르면, 균일한 금속 나노입자(130) 어레이 제조가 가능하다.
다음으로, 입자의 크기 및 간격 조절이 가능한 금속 나노입자(130) 어레이 제조가 가능하다. 균일한 금속 나노입자(130) 어레이를 제조함과 동시에 어레이를 구성하는 입자 자체의 크기 역시 조절이 가능하여야 한다. 금속 나노입자(130) 어레이의 적용 분야에서 특성의 조절은 입자 크기 조절을 통하여 구현될 수 있다. 나아가 크기 조절이 가능한 범위 역시 넓은 것이 바람직하다. 화학적 합성법을 이용한 공정으로 균일한 금속 입자를 만드는 방법은 여러 가지가 알려져 있으나, 크기의 조절이 가능한 범위는 수 nm 내지 수십 nm로 매우 작은 범위이다. 조절 가능 범위를 100 nm 대로 넓히는 공정을 이용하면 균일도가 크게 감소하는 문제가 동반된다. 따라서 입자의 균일도를 유지하면서 크기를 넓은 범위 하에서 조절하는 공정이 필수적이다. 본원의 일 실시예에 따르면, 증착할 수 있는 박막의 두께로 금속 나노입자(130)의 크기를 조절하고, 플라즈마의 스퍼터 효과를 이용하여 입자간의 간격 조절이 가능해진다. 예컨대, 플라즈마 스퍼터 효과는 기판 상에 바이어스를 인가한 뒤 전압을 조절하여 입자 간의 크기 및/또는 간격을 조절할 수 있다.
다음으로, 저온 공정 기술이 가능해진다. 다양한 금속 나노입자(130) 어레이의 실용 분야에서 낮은 공정 온도가 요구된다. 예를 들어, 유연한 기판 재료 상에 금속 나노입자(130)를 형성하기 위해서는 변성이 일어나지 않는 저온에서 공정이 이루어져야 한다. 레이저나 열을 통한 금속 박막 디웨팅을 이용하여 금속 나노입자 어레이를 제조하는 공정이나, 화학적 합성법으로 금속 나노입자를 제조한 후 기판 상에 열처리로 이를 접착시켜 어레이를 제조하는 공정들은 저온 공정에 부적합하다. 본원의 일 실시예에서 이용될 수 있는 유도결합 플라즈마는 저온 공정이 대표적인 이점 중의 하나이다. 따라서 본원의 일 실시예에 따르면, 금속 나노입자(130) 어레이를 저온 공정에 의하여 용이하게 구현할 수 있다.
다음으로, 기판과의 높은 접착력을 지니는 금속 나노입자(130) 어레이를 형성할 수 있다. 금속 나노입자(130) 어레이를 제품에 이용할 경우, 기판과의 낮은 접착력은 외부 충격에 대한 취약성과 제품 수명의 감소를 야기한다. 따라서 기판과 금속 나노입자(130) 어레이와의 높은 접착력은 필수적이다. 금속 나노입자(130)를 제조한 후 기판 위에 뿌려 어레이를 형성시키는 공정에서는 접착력 향상을 위하여 중간층을 증착하거나 열처리를 하는 등의 추가 작업을 행한다. 하지만 본원의 일 실시예에 따르면, 대상 금속 박막을 스퍼터링을 이용하여 증착하는 공정과 금속 나노입자(130)의 기판 상에 생성하고 배치하는 공정이 동시에 저온에서 일어나기 때문에 접착력이 추가 공정 없이 높게 유지되는 이점을 가진다.
다음으로, 짧은 공정 시간의 이점을 가질 수 있다. 금속 나노입자(130) 어레이의 생산성을 위해서는 짧은 공정 시간이 필수적이다. 대부분의 화학적 합성법을 이용한 공정은 금속 나노입자를 기판 상에 올렸을 경우, 그 균일도와 접착력을 높이기 위하여 고온에서 열처리를 행한다. 이때 걸리는 시간이 수 시간 정도로 길기 때문에 생산성이 떨어진다. 본원의 일 실시예에 따라, 예를 들어, 유도결합 플라즈마 처리를 사용하여, 금속 나노입자(130) 어레이를 제조할 경우 공정 시간은 30분 이내가 가능하므로 공정시간 단축에 의한 생산성 향상을 기대할 수 있다.
다음으로, 대량 생산이 가능하다는 이점을 가질 수 있다. 생산성을 높이기 위해서는 한 공정에 많은 양의 금속 나노입자(130) 어레이를 제조하는 것이 필수적이다. 레이저를 이용하는 공정의 경우 한 번에 처리 가능한 영역이 매우 좁기 때문에 균일도가 좋고 크기 조절 범위가 넓다는 이점에도 불구하고 산업적으로 이용되기 힘들다. 또한 에어로졸 방법의 경우도 좋은 균일도를 보이는 입자를 생성 가능하지만 대량생산에 단점이 있는 공정이다. 하지만 본원의 일 실시예에 따르면, 예를 들어, 유도결합 플라즈마를 사용하는 경우, 대면적으로 금속 나노입자(130)의 생성이 가능하고, 현재 산업에서 대량생산에 널리 이용되고 있는 공정이기 때문에 대량 생산이 가능하다는 이점을 지닌다.
다음으로, 금속 나노입자(130) 어레이 종류의 다양성을 확보할 수 있다. 금속 나노입자(130) 어레이 제조법으로 이점을 지니려면 생성 가능한 대상 금속이 다양하여야 한다. 본원의 일 실시예에 따르면, 금속 박막을 증착한 후에 이를 후처리하여 나노입자(130) 어레이를 만들기 때문에 그 대상물질이 다양할 수 있다는 이점을 가진다. 예를 들어, 금속 입자로 많이 쓰이는 티타늄, 백금, 팔라듐, 알루미늄, 코발트, 철, 구리, 주석, 니켈, 아연, 금 또는 은에 대하여 본원의 기술적 사상의 적용이 가능하다.
계속하여, 도 6을 참조하면, 제1 도전성전극(120) 상에 복수의 나노입자(130)들을 덮도록 광활성층(140)을 형성한다. 광활성층(140)은, 도 1에서 도시된 것처럼, p층(142), i층(144) 및 n층(146)이 연속적으로 적층된 PIN 구조체를 포함할 수 있다. 복수의 나노입자(130)들은 p층(142) 내에 매립될 수 있다. 즉, 복수의 나노입자(130)들은 i층(144) 또는 n층(146) 내에는 매립되지 않고 p층(142) 내에만 매립되어 존재할 수 있다. 광을 흡수하여 엑시톤을 형성하는 PIN 구조체(140)는 연속적으로 적층하여 형성되며, 예를 들어, 500nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 광활성층(140) 상에 반사방지층(150)을 형성하고, 반사방지층(150) 상에 제2 도전성전극(160)을 형성한 후에, 에지 공정을 수행할 수 있다. 에지 공정을 수행하여 형성된 트렌치(T)는 소자들(A, B)을 분리하며 나아가, 소자간의 크로스토크(crosstalk) 발생을 억제한다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에 따르면 복수의 나노입자(130)들은 광의 선택적 파장 흡수가 가능하도록 복수의 나노입자(130)들의 각각의 크기 및 이격거리가 조절될 수 있다. 이를 위하여 스퍼터링 공정 조건을 제어할 수 있는데, 예를 들어, 스퍼터링 증착 시간, 스퍼터링 파워, 스퍼터링 바이어스 전압 또는 캐리어 가스의 유량을 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 텍스쳐링 처리되어 요철이 형성된 투명전도전극과 그 상에 접촉되어 형성된 복수의 나노입자들을 나타낸 사진이다.
도 10을 참조하면, 앞에서 설명한 것처럼, 투명전도전극의 형태로 존재하는 제1 도전성전극(120)은 표면이 텍스쳐링 처리되어 요철이 형성된다. 요철이 형성되어 있으므로 골짜기 부분은 사진 상에서 어두운 경계선의 형태로 나타난다. 복수의 나노입자(130)들은 나노 클러스터 형태로 제1 도전성전극(120) 상에 배치됨을 확인할 수 있다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 실리콘(결정형, 박막형) 태양전지 또는 화합물 태양전지에 적용될 수 있다.
100 : 태양전지
110 : 글래스 기판
120 : 제1 도전성전극
130 : 나노입자
140 : 광활성층
150 : 반사방지층
160 : 제2 도전성전극
110 : 글래스 기판
120 : 제1 도전성전극
130 : 나노입자
140 : 광활성층
150 : 반사방지층
160 : 제2 도전성전극
Claims (11)
- 글래스 기판;
상기 글래스 기판 상에 배치되며 상기 글래스 기판과 반대쪽 표면이 텍스쳐링 처리되어 요철이 형성된 제1 도전성전극;
상기 제1 도전성전극과 접촉하는 복수의 나노입자들;
상기 제1 도전성전극 상에 배치되며 상기 복수의 나노입자들을 덮는 광활성층;
상기 광활성층 상의 반사방지층; 및
상기 반사방지층 상의 제2 도전성전극;을 포함하고,
상기 광활성층은 p층, i층 및 n층이 연속적으로 적층된 PIN 구조체를 포함하고,
상기 복수의 나노입자들은 상기 p층 내에 매립된, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노입자들은 스퍼터링에 의하여 형성된 금속 나노입자들을 포함하는, 태양전지. - 제2항에 있어서,
상기 금속 나노입자들은 금 또는 은을 포함하는, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도전성전극은 투명전도전극으로서, 알루미늄 박막 또는 인듐-주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide)을 포함하는, 태양전지. - 삭제
- 삭제
- 글래스 기판을 제공하는 단계;
상기 글래스 기판 상에 제1 도전성전극을 형성하는 단계;
상기 글래스 기판과 반대쪽 표면에 요철이 형성되도록 상기 제1 도전성전극을 텍스쳐링 처리하는 단계;
상기 제1 도전성전극 상에 스퍼터링에 의하여 복수의 나노입자들을 형성하는 단계;
상기 제1 도전성전극 상에 상기 복수의 나노입자들을 덮도록 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 반사방지층을 형성하는 단계; 및
상기 반사방지층 상에 제2 도전성전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 광활성층은 p층, i층 및 n층이 연속적으로 적층된 PIN 구조체를 포함하고,
상기 복수의 나노입자들은 상기 p층 내에 매립된, 태양전지의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 복수의 나노입자들을 형성하는 단계는 광의 선택적 파장 흡수가 가능하도록 상기 복수의 나노입자들의 각각의 크기 및 이격거리를 제어하는 단계를 포함하는, 태양전지의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 복수의 나노입자들의 각각의 크기 및 이격거리를 제어하는 단계는 스퍼터링 조건을 조절하는 단계를 포함하는, 태양전지의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 스퍼터링 조건을 조절하는 단계는 스퍼터링 증착 시간을 조절하는 단계를 포함하는, 태양전지의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 스퍼터링 조건을 조절하는 단계는 스퍼터링 파워, 스퍼터링 바이어스 전압 또는 캐리어 가스의 유량을 조절하는 단계를 포함하는, 태양전지의 제조방법.
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