KR101508597B1 - 광전지 패널을 제조하기 위한 전체 대기압 프린팅 방법에서 그레이디드 인덱스 렌즈의 제조 - Google Patents

광전지 패널을 제조하기 위한 전체 대기압 프린팅 방법에서 그레이디드 인덱스 렌즈의 제조 Download PDF

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Abstract

PV 패널(140)은 병렬로 연결된 작은 실리콘 구 다이오드(26)(직경이 10 내지 300 마이크론)의 어레이를 사용한다. 상기 구들은 미경화 알루미늄-함유층(22) 내에 박히고, 알루미늄-함유층은 가열되어 알루미늄-함유층을 어닐링할 뿐 아니라, 구의 하부 표면을 p-도핑한다. 인-함유층(38)은 구 상에 증착되어 상부 표면 n-형을 도핑하여 pn 접합을 이룬다. 인층은 이후 제거된다. 도전체(44)가 증착되어 상부 표면과 접촉한다. 다르게는, 구는 p-형 코어 및 n-형 외부 쉘(84)로 증착된다. 증착 후, 상부 표면은 에칭되어 코어를 노출한다. 제 1 도전체 층(86)은 하부 표면과 접촉하고, 제 2 도전체 층은 노출된 코어와 접촉한다. 액체 렌즈 재료(54,58)는 구의 둥근 상부 표면 위에 증착되고 경화되어 PV 패널 효율을 증가시키도록 고안된 정합 렌즈를 제공한다.

Description

광전지 패널을 제조하기 위한 전체 대기압 프린팅 방법에서 그레이디드 인덱스 렌즈의 제조{FORMING GRADED INDEX LENS IN AN ALL ATMOSPHERIC PRESSURE PRINTING PROCESS TO FORM PHOTOVOLTAIC PANELS}
본 출원은 본 양수인에게 양도되고 본원에서 참조로서 인용된 "그레이디드 인덱스 렌즈를 가진 광전지 패널(Photovoltaic Panel With Graded-Index Lens)"이라는 제목의 2011년 12월 19일에 출원된 미국 가출원 제 61/577,607 호에 부분적으로 기초한다.
본 출원은 또한 본 양수인에게 양도되고 본원에서 참조로서 인용된 "실리콘 태양 전지층 상에 직접적으로 증착된 양자점을 가진 광전지 패널(Photovoltaic Panel With Quantum Dots Deposited Directly On Silicon Solar Cell Layer)"이라는 제목의 2011년 12월 19일에 출원된 미국 가출원 제 61/577,607 호에 부분적으로 기초한다.
본 발명은 태양 패널 또는 태양 전지로도 알려진 광전지(photovoltaic, PV) 패널, 특히 전체 대기압 프린팅 방법을 사용한 실리콘계 PV 패널을 제조하기 위한 기술에 관한 것이다.
결정성 및 다결정성 실리콘 광전지 패널은, 고비용 제조 설비를 필요로 하고, 비교적 노동-집약적이고, 진공 증발기 및 플라즈마 강화 화학적 증기 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 챔버와 같은 진공 처리 장비를 필요로 하는 반-자동 방법을 사용하여 전통적으로 제조된다. 본원에 개시된 발명은 진공 장비(vacuum tools)가 필요없는 연속 롤-투-롤(roll-to-roll, R2R) 결정성 PV 제조 방법을 개시한다. PV 패널의 롤-투-롤(R2R) 제조는 플라즈마 증착 비정질 실리콘 및 슬롯-다이(slot-die) 코팅된 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드를 사용하여 설명되지만, 이들 방법은 진정한 연속식이 아니고, 예를 들어 R2R 설비는 사용되지만, 웹(web)은 권취되어 다단계 스테이션으로 이송된다. 더욱이, 이들 박막 패널로부터 생성된 전력의 와트당 제조 비용은 재정적으로 지속불가능하다.
본 발명에서, PV 패널은 직경이 10 내지 150 마이크론인 고효율 결정성 마이크로구로 제조되고, 이는 패널 면적당 실리콘 소모량을 크게 감소시킨다. PV 패널은 광-입사 표면적-대-부피 비율이 평면 실리콘보다 2승 내지 3승이 크기 때문에 실리콘을 매우 효율적으로 사용한다. 작은 구 크기는 또한 마이크로구가 조밀 단층(closed packed monolayer)으로 웹 상에 코팅된 잉크 시스템 내에 분산될 수 있게 한다. 마이크로구 및 다른 기능층의 고처리량, 저가 코팅 및 PN 접합의 제조는 모두 연속 대기압 롤-투-롤 방법에서 실행된다.
"발광, 광전지 또는 다른 전자 장치 및 시스템의 제조 방법(Method of Manufacturing a Light Emitting, Photovoltaic or Other Electronic Apparatus and System)"이라는 제목의 미국 공개 특허 제 2010/0167441 호는, 본 양수인에게 양도되고, 본원에서 참조로서 인용된다. 상기 공개 특허는 반도체 마이크로다이오드의 어레이(array)를 사용하는 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 시트 및 광전지(PV) 패널을 제조하기 위한 다양한 기술을 개시한다. 특히, PV 패널은 마이크로구로 이루어지고, 직경에서 20 내지 40 마이크론의 크기일 수 있다. 실리콘 구를 제조하는 여러 방법이 공지되어 있고, 드롭 타워(drop tower)에서 용융된 실리콘으로부터 구를 제조하는 단계, 기판 상에 실리콘 입자 집합체를 패터닝하는 단계 및 이를 용융하여 표면 장력에 의해 구를 제조하는 단계 또는 플라즈마 반응기를 통해 분말을 드롭핑하는 단계를 포함한다.
지금까지, 구형 PV 모듈(spherical PV module)은 실리콘 구의 거의 조밀 단층(closed packed monolayer)을 빠르게 제조하기 위한 수단에 의해 제한되어 왔다. 마이크로미터 또는 나노미터 범위인 구의 단층 제조는 오랜 시간 동안 수많은 상이한 학문에 걸쳐 상당히 폭넓은 연구가 있었다. 높은 고체 유체로부터 마이크로미터 구의 진정한 단층의 신속한 일렬 제조는 어렵고, 산업적인 설정 내에서 어려운 작업으로 남아 있다. 단층은, 프린트 조건에서 작은 변화량이 성긴 층(sparse layers)이나 또는 층 배가(layer-doubling)를 선호하는 매우 좁은 제어 범위 내에서 발생한다.
Lee 등의 미국 특허 출원 제 2011/0117694 A1 호는 실리콘 마이크로구 다이오드를 단층으로 제조하기 위한 잉크젯 프린팅 방법을 개시하지만, 조밀 어레이는 아니고, 잉크젯 프린팅은 본원에 개시된 코팅 방법에 비하여 상대적으로 낮은 처리율의 프린팅 방법이다. 더욱이, PV 패널 방법은 진공 장비, 구체적으로 플라즈마 강화 화학적 증기 증착을 사용하여 전극을 제조한다. 필요한 것은 실리콘 마이크로구의 높은 처리량(예를 들어, 10-20 ft/min)의 R2R 단층 코팅 방법이다.
저온(<640℃)에서 구형 PV 다이오드에서 후방 표면 필드(back surface field, BSF) 형성이 패널 효율을 증가시키고, R2R 방법 동안 웹의 구조적 완전성을 유지하기 위해 또한 필요하다. BSF는 태양 패널에서 1 내지 3% 총 전력 전환 효율 수득을 제공할 수 있는 실리콘 태양 전지에서 알루미늄 풍부 지역이다. 전형적으로, 단결정성 및 다결정성 실리콘 태양 전지에 대한 후면 접촉(rear contact)은 실리콘 웨이퍼의 후방-면 상에 알루미늄 페이스트를 스크린 프린팅하는 단계 및 800 내지 900℃에서 그들을 발화하여 저항 접촉(ohmic contact) 및 BSF를 제조하는 단계에 의해 제조된다. 미국 특허 출원 제13/587,380호는 알루미늄계 잉크를 개시한다. 상기 잉크는 움직이는 웹 상에 600℃의 피크 온도에서 급속 어닐링을 사용하여 실리콘 마이크로구에서 BSF를 제조하기 위해 사용된다.
실리콘 구를 드롭핑하여 다이오드를 제조하는 다양한 방법도 공지되어 있다. 전형적으로, 가볍게 도핑된 p-형 실리콘(1 내지 10 Ohm-cm)이 외부 표면 상에 인(phosphorus)으로 매우 도핑되어(1e-4 Ohm-cm 또는 이하), pn+ 다이오드를 만든다. 미국 특허 제 7,214,577 호는 PV 패널을 제조하기 전에 1 내지 2 mm 직경의 실리콘 구로 인 도펀트의 표준 확산을 사용하는 것을 개시한다. 이는 유독한 기체를 함유하기 위한 특별한 공정 챔버를 필요로 하는 배치 공정(batch process)이고, 나중에 구형 다이오드는 반드시 에칭되어 n+ 지역 분획을 제거하여야 한다. 본 개시에 설명된 방법은 대기압에서 레이저 어닐링을 사용하는 R2R 방법 동안 원 위치에서 PN 접합을 제조한다. 이는 레이저 어닐링이 직렬의 구형 실리콘 상에 PN 접합을 제조하기 위해 사용되고, 후속 방법에서 다이오드를 에칭하기 위한 필요성을 제거한 첫 번째 경우이다.
다이오드의 애노드 및 캐쏘드는 프린트된 도체에 저항적으로 연결되어 PV 패널에서 병렬로 연결된 다이오드의 어레이를 이룬다. 패널은 직렬 및 병렬의 조합으로 연결되어 필요한 전기 특성을 달성할 수 있다.
또한, 미국 공개 특허 출원 제 2010/0167441 호에 개시된 패널은 롤-투-롤 프린팅 방법과 함께 실용적이지 않은 다양한 방법을 사용하여 제조된다. 이는 패널의 비용을 증가시키고, 패널의 제조 처리량을 감소시킨다. 예를 들어, 구가 궁극적으로 존재하는 예비-제조된 채널을 가진 기판이 사용된다. 채널에 증착되지 않은 페이스트 도전체 및 구는 기판으로부터 반드시 벗겨져 나와야 하고, 이는 패널 제조의 난이도와 비용을 증가시킨다.
미국 공개 특허 출원 제 2010/0167441 호는 다이오드 어레이 상에 예비-제조된 렌즈를 일반적으로 증착시키고, 여기서 렌즈의 형태를 구에 대해 최적화하지 않고, 렌즈는 구에 대해 최적화된 위치에 놓이기 어렵다. 실리콘, 렌즈 및 공기 사이에서 굴절률의 큰 변화량 때문에, 빛의 현저한 반사가 일어난다. 미국 특허 제 8,013,238 호는 렌즈를 수직 탄성중합체성 스탠드오프(vertical elastomeric standoff)를 가진 밀리미터 크기의 구 다이오드로 정렬하여, 구는 사각형 배열에서 수 밀리미터 떨어져서 이격되는 것이 필요하고, 이는 광전지 패널의 활성 면적을 현저하게 감소시킨다. 본 출원에서, 출원인은 실리콘으로부터 빛의 반사를 줄이고, 더 효율적인 PV 패널을 허용하기 위해, 실리콘 마이크로구 다이오드의 조밀 어레이에 비해 그레이디드(graded) 굴절률을 가진 정렬된 렌즈를 개시한다. 유럽 특허 출원 제 1 586 121 B1 호는 재료 증착 방법이 진공 공정이라 연속 롤-투-롤 방법이 실행될 수 없는 구형 PV에 대한 반사방지 코팅을 개시한다.
미국 공개 특허 제 2010/0167441 호의 방법에 비해 다른 개선점들이 또한 바람직하고, 이는 패널의 성능을 향상시키고, 공정을 단순화시킨다.
롤-투-롤 프린팅 방법을 사용하여 상대적으로 낮은 비용에서 반사방지되는 그레이디드(graded) 인덱스 렌즈를 가진 고효율 PV 패널을 제조하기 위한 전체 대기압 기술이 필요하다.
효율적인 롤-투-롤 제작 기술을 사용하여 PV 패널을 제조하기 위한 전체 대기압 방법의 한 실시양태에서, 알루미늄 포일 기판이 롤 상에 제공된다. 금속 기판은 (본원에서 웹으로 지칭되는) 프린팅 프레스를 통해 풀리고, 도전성 접착층, 예를 들어 알루미늄-함유 잉크가 기판 상에 코팅된 후, 즉시 미경화된 알루미늄-함유 잉크 상에 실리콘 구 슬러리를 코팅된다. 실리콘 구는 직경이 10 내지 300 마이크론일 수 있고, 예비-도핑되어 n-형 또는 p-형이거나, 또는 진성 도전성 형을 가진다. 실시예에는 가볍게 도핑된 p-형 마이크로구가 가정된다. 슬러리는 예를 들어 롤러, 블레이드 또는 에어 나이프에 의해 얇게 펴져서 실리콘 구의 조밀 단층을 제조하고, 상기 구들은 알루미늄-함유 잉크 내에 박힌다(embedded). 이후, 알루미늄-함유 잉크는 직렬 로(inline furnace) 또는 다른 열 원천(source)에 의해 경화되고(예, 잉크의 용매 증발), 어닐링된다(알루미늄 입자 소결). 어닐링은 실리콘 구의 접촉 면적을 알루미늄 잉크와 합금되어 후방 표면 필드, 또는 매우 도핑된 p+ 실리콘을 제조하고, 알루미늄과 저항 접촉을 제조하게 한다. 이 p+ 층은 구의 후방 표면에서 전자-홀 재조합을 감소시킴으로써 효율을 총 1 내지 3 백분율 점수만큼 증가시킨다.
기판은 구를 정렬하고 알루미늄-함유층을 함유하기 위한 채널을 사용하지 않고, 이는 패널의 제조를 크게 단순화시키고, 낭비를 줄인다.
유전체는 구 상에 스프레이 코팅된다. 유전체는 마이크로구 사이에 1 내지 15 마이크론 두께의 코팅을 제조한 후 경화시키기 위해 모세관 활동 및 표면 장력에 의해 마이크로구의 상부를 습윤 제거(wet off)하도록(또는 윅킹 제거(wick-off)하도록) 고안된다. 실리콘 구의 상부에 남은 대략 150 nm 이하의 유전체 잔존층은 PN 접합(junction)을 제조하는데 해로운 영향을 미치지 않는다.
인산, 인-도핑된 유리, 인-도핑된 실리콘 나노입자, 또는 인-함유 실리콘 전구체는 구 상에 스프레이 코팅되고, 예컨대 레이저에 의해 가열되어 n-형 도펀트를 구의 상부 표면으로 확산시켜 다이오드를 제조한다. 이후 잔존하는 인 도펀트는 구의 상부로부터 씻겨나간다.
이어서 투명한 도전체, 예컨대 도전성 잉크가 구의 노출된 n-형 층 위를 포함한 패널의 표면 상에 슬롯 다이(slot die) 코팅된다. 도전체 재료는 액체로 증착되는 경우, 도전체 점도는 충분히 낮아 구의 하단 분획(lower portion) 주위에서 중력, 표면 장력, 및 모세관 활동에 의해 당겨지고(pooling), 구 상에서부터 후퇴되어 도전성 네트워크를 제조할 것이다. 이러한 당김 현상은 도전체의 저항을 감소시키며, 도전체가 다이오드를 덮고 광학 투과를 감소시키는 문제들을 피하게 한다.
이어서, 얇은 금속 부스 바(bus bar)는 당겨진 도전체 층 및 구 상에 선택된 면적으로 프린트되어, PV 패널의 길이를 따라 흐르는 많은 저저항 병렬 스트립을 만든다. 이어서 조금 넓고 두꺼운 직각의 금속 부스 바들이 얇은 부스 바와 접촉하게 제조되어 각 PV 패널의 가장자리에서 전기 커넥터로 태양 전지의 캐쏘드 전류를 운반할 수 있다. 알루미늄 기재는 커넥터로 애노드 전류를 운반한다.
실리콘의 양자점 또는 양자점의 다른 형태는 이어서 구의 형태에 정합하도록 구의 상부 표면 상에 코팅된다. 양자점은 UV 광을 흡수하고, 가시광 파장의 빛을 발산한다. 실리콘 다이오드는 더해진 가시광을 전류로 전환시켜, 입사 UV 광이 허비되지 않고 태양 전지 가열이 감소된다.
굴절률을 줄이고 환경에 대한 장벽을 만들기 위해, 환경적으로 강건한 투명한 바인더에서 고굴절률 나노입자(예를 들어, 도핑된 유리 비드 또는 이산화티타늄과 같은 다른 고굴절률 입자)의 층 또는 일련의 층들이 실리콘 구 상에 증착되어, 전방향의 그레이디드(graded)(또는 계단형(stepped)) 인덱스 반사방지 코팅을 생성한다. 본원에서 사용되는 나노입자는 1 마이크론 보다 작은 직경을 가진다. 입자는 바람직하게 100 nm보다 작은 평균 직경을 가진다. 나노입자의 크기는 나노입자에 의한 산란을 제한하기 위해 가시광의 파장보다 작다. 입자는 약 1.7 내지 2.4의 굴절률을 가진다. 투명한 바인더는 나노입자의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지지만, 복합체는 바인더 자체보다 큰 실효 굴절률을 생성하고, 고굴절률 나노입자의 농도를 변화시킴으로써 조정된다. 첨가제 없이, 광학적으로 투명한 중합체의 굴절률을 1.7보다 증가시키는 것을 달성하기 어렵다. 층은 상이한 굴절률의 하나 이상의 나노입자 형태의 혼합물을 함유할 수 있고, 상이한 나노입자의 농도는 렌즈의 상단 부위 및 하단 부위 사이에서 변할 수 있다. 상이한 굴절률의 나노입자는, 나노입자가 상이한 속도에서 액체를 통해 안정되기 때문에 상이한 농도를 생성하기 위해 상이한 크기 및/또는 질량을 가질 수 있다. 단일 렌즈 코팅층은 롤-투-롤 방법 동안 코팅 단계의 수를 간략화하기 위해 선호될 수 있다. 다른 실시양태에서, 상이한 부피 굴절률을 가진 다중층은 각각의 상부에서 코팅되고 경화되어 렌즈의 굴절률을 보다 정확하게 그레이드한다.
한 실시양태에서, 낮은 인덱스(예를 들어, n=1.4)의 PVDF(폴리비닐리덴 디플루오라이드, polyvinylidene difluoride) 층, 또는 정합하는 인덱스(예를 들어, n=1.4)의 입자(예를 들어, 투명한 도핑된 유리 비드)를 함유하는 다른 적합한 투명한 중합체는 나노입자층 상에 다음으로 증착된다. 이 낮은 인덱스층은 1.4 이하(예를 들어, 1.3)의 실효 굴절률을 가질 수 있다. 이들 입자들은 1 내지 10 마이크론 사이의 평균 직경을 가질 수 있다. 이들 입자는 바람직하게 바인더보다 훨씬 단단하고, 바람직하게 마찰 저항성을 제공한다. 이러한 보호는 PV 패널에서 가장 중요한 이점이다.
양자점층 및 렌즈층은 다이오드의 둥글린 상부 표면에 정합하여 최소 반사율을 가진 최적의 광학 구조체를 생성한다.
이어서 롤은 절단되어 개개의 PV 패널을 형성하고, 여기서 각각의 패널은 병렬로 연결된 수백만 개의 실리콘 다이오드를 함유하며, PV 패널의 어레이는 지지 구조체에 결합되어 모듈을 형성한다. PV 패널은 바람직한 전압 및 전류 특성을 달성하기 위해 임의의 직렬 및 병렬의 조합으로 전기적으로 연결될 수 있다.
또 다른 실시양태에서, p-n 실리콘 다이오드가 기판에 코팅되기 전에 제조된다. p-형 도핑된 또는 미도핑된 실리콘 구가 초기에 제공된다. 이어서 외부 n+-형 층은 예컨대 구를 배치 배럴 공정(batch barrel process)에서 인산에 종속됨으로써 구 상에 제조된다. 구는 이어서 알루미늄 기재 상에 미경화된 알루미늄-함유 잉크층에 적용되고, 잉크는 소결되어 n+-형 층의 하부 분획(bottom) 및 알루미늄-함유 잉크 사이의 전기 접촉을 만든다.
유전체 층이 이어서 코팅되어 경화되고, 이는 모세관 활동 및 표면 장력에 의해 마이크로구의 상부를 적시어 마이크로구 사이에 1 내지 15 마이크론 두께의 코팅을 제조한다.
다이오드의 상부 표면은 이어서 에칭되어 내부 p-형 실리콘을 노출한다(구는 처음부터 도핑된 것으로 가정됨). p-형 실리콘의 추가적인 도핑은 필요시, 예를 들어 저항 접촉을 위해, 및 전방 표면 필드(front surface field)를 제조하기 위해, 또는 구가 처음부터 p-도핑되지 않은 경우 수행될 수 있다. 이어서 투명한 도전체가 프린트되어 p-형 실리콘을 접촉한다. 남은 공정들은 상술된 것들일 수 있다.
또 다른 실시양태에서, p-n 실리콘 다이오드는 상기 기재한 바와 같이 p-형 코어 및 n+-형 외부층을 가진 기판 상에 증착되기 전에 제조된다. 구는 이어서 예컨대 접착성 테이프와 같은 유전체 층 상에 프린트된다. 구의 상단 n+-형 층은 이어서 에칭되어 p-형 실리콘을 노출시킨다. 알루미늄-함유 잉크의 층은 이어서 패널 상으로 프린트된다. 알루미늄-함유 잉크는 가열되어 구 사이에 잉크를 흐르게 하여 알루미늄이 구의 n+-형 하부 층과 저항 접촉을 만들게 한다. 알루미늄은 또한 구의 p+-형 상부 표면을 제조한다. 상부 p+-형 실리콘과 접촉한 남은 임의의 알루미늄-함유 잉크는 습윤 에칭(wet etching)에 의해 제거된다.
인접한 p+ 및 n+ 지역 사이에 확산에 대한 우려가 있다면, 알루미늄-함유 잉크층을 증착하기 전에 얇은 유전체 층이 n+ 지역 및 노출된 p-형 지역 사이에 각 구 주위에 제조되어, 구의 p+ 상부 표면이 제조된 후에 세퍼레이터로서 작동한다.
저온 유전체는 이어서 모세관 활동 및 표면 장력에 의해 마이크로구의 상부를 습윤 제거된(또는 윅킹 제거된) (및 마이크로구의 경계 주변으로 당겨진) 패널 상으로 프린트되어 마이크로구 사이에 1 내지 15 마이크론 두께의 코팅을 제조하고, p+-형 실리콘을 노출시킨다.
이어서 투명한 도전체 층은 예를 들어 슬롯 다이 코팅과 같이 패널 상으로 코팅된다. 도전체 층은 이어서 가열되어 층 내에 도전성 입자를 소결하고, p+-형 실리콘과 저항 접촉을 만든다. 바람직하게 p+-형 실리콘의 측면 주변에 투명한 도전성 재료의 당김 현상이 있을 수 있다.
금속 부스 바가 이어서 프린트되어 투명한 도전체를 통해 p+-형 실리콘으로 저저항 패스를 생성한다.
이어서 양자점층 및 그레이디드 렌즈가 상술된 바와 같이 제조될 수 있다.
애노드 및 캐쏘드 커넥터가 이어서 제조되어 알루미늄계 애노드층 및 투명한 도전체 캐쏘드층으로 통한다.
이어서 패널이 분리되고, 지지 구조체 상에 탑재되고, 전기적으로 상호연결된다.
다른 실시양태들이 상세한 설명에 개시된다. 모든 단계는 대기압 조건 하에서 수행될 수 있다.
본 출원에 개시되어 있음.
도 1은 출발 얇은 금속 호일 기판의 하향도(top down view)이다. 패널 또는 전지를 만드는 기판은 롤-투-롤 전체 대기압 프린팅 방법에서 임의의 크기일 수 있다.
도 2는 구가 미경화된 도전체 층 위에 가로 놓이도록 실리콘 구의 층이 코팅되기 직전에 알루미늄-함유 잉크 또는 페이스트층이 슬롯 다이 코팅되는 것을 예시한다. 이들 층은 회전 스크린 프린팅(rotary screen printing) 또는 나이프-오버-롤 코팅(knife-over-roll coating)과 같은 다른 수단에 의해 적용될 수 있다.
도 3은 실리콘 구가 미경화된 도전체 층 상에 증착되어 조밀 단층을 제조하는 것을 예시하는 p-형 실리콘 구의 열을 따르는 기판의 횡단면이다. 공정들은, 공정의 각 단계가 PV 패널의 전체 표면 상에 동시에 수행될 수 있으나, 간소화를 위해 단일 구 상에 수행되는 것으로 도시될 것이다.
도 4는 구를 미경화된 도전체 층으로 밀어넣는 동안, 단층과 같은 얇은 층의 제조를 보조하기 위해 실리콘 구 슬러리로부터 용매를 에어 나이프 증발하는 것을 예시한다. 도 4는 또한 실리콘 구 층 및 도전체 층이 어닐링되어 실리콘 구 내에서 후방 표면 필드를 제조하는 것을 예시한다.
도 5는 도 4의 방법 후에 도전체 층에 결합된 실리콘 구를 예시한다.
도 6은 PV 패널의 표면 상에 코팅된 유전체 장벽층을 예시한다.
도 7은 실리콘 표면을 노출하기 위해 마이크로구의 상부를 습윤 제거한(또는 윅 오프한) 유전체를 예시한다.
도 8은 실리콘 표면 상에 증착된 n-형 도펀트층을 예시한다. n-형 도펀트 원자는 n-도펀트층으로부터 실리콘으로 확산되어 원위치에서 pn 다이오드를 생성한다.
도 9는 n-형 도펀트층이 밑에 있는 실리콘을 도핑한 후 씻겨지는 것을 예시한다.
도 10은 투명한 도전체 또는 다른 도전체는 적어도 실리콘 구의 가장자리를 따라 코팅된 후, 도전체 분획 상으로 금속 부스 바를 프린팅하는 것을 예시한다. 투명한 도전체 재료는, 액체로서 증착된다면, 도전성 네트워크를 제조하기 위해 모세관 활동 및 바람직하게 구의 경계 주변에서 당김 현상에 의해 구의 상부 표면으로부터 자동적으로 끌어 당겨질 수 있다.
도 11은 실리콘 표면 상에 양자점의 증착을 예시한다.
도 12는 반사를 줄이기 위한 그레이디드(또는 계단형)-인덱스 렌즈의 일부를 제조하는, 저-인덱스 유전체 재료 내에 고-인덱스 나노입자(<300 nm)의 증착을 예시한다.
도 13은 반사를 줄이기 위한 그레이디드(또는 계단형)-인덱스 렌즈의 일부를 제조하는, 저-인덱스 및 보다 큰 입자의 증착을 예시한다.
도 14는 예비-제조된 다이오드로서 실리콘 구의 또 다른 실시양태를 예시한다.
도 15는 전기 접촉이 n+-형 외부층에 만들어지도록 도전성 층에 박힌(embedded) 도 14의 실리콘 다이오드를 예시한다.
도 16은 유전체 층이 구 상으로 제조되고 다시 에칭되어 구의 상부를 노출하는 것을 예시한다.
도 17은 구의 상부가 에칭되어 p-형 실리콘을 노출하는 것을 예시한다. 노출된 p-형 실리콘은 초기의 p-형 도펀트 농도를 가질 수 있거나, 또는 도핑 스텝이 수행되어 p+-형으로 만들 수 있다. 이어서 투명한 도전체가 제조되어 p-형 또는 p+-형 실리콘과 저항 접촉을 만든 후, 금속 부스 바가 제조된다. 이어서, 도 11 내지 13의 공정이 수행될 수 있다.
도 18은 실리콘 구를 예비-제조된 다이오드로서 예시한다.
도 19는 구가 기재 상에 증착되고 유전체가 구 상에 증착되는 것을 예시한다.
도 20은 유전체가 다시 에칭되어 구의 상부를 노출하고, 노출된 n+-형 실리콘이 에칭되어 밑에 있는 p-형 실리콘을 노출하는 것을 예시한다.
도 21은 남은 유전체가 제거되는 것을 예시한다.
도 22는 알루미늄-함유층이 증착되고 가열되어 각 구의 상부에 p+-형 지역을 제조하는 것을 예시한다.
도 23은 알루미늄-함유층이 에칭되어 구의 n+-형 분획을 단지 저항적으로 접촉하는 것을 예시한다.
도 24는 유전체 마스크층이 구 상에 제조되어 p+-형 지역을 노출하는 것을 예시한다.
도 25는 투명한 도전체가 구 상에 증착되어 p+-형 자역을 접촉하고, 보다 더 두꺼운 금속 부스 바가 투명한 도전체에 접촉하는 것을 예시한다.
도 26은 롤-투-롤 기술을 사용하여 수행되는 전체 대기압 프린팅 방법의 부분 개략도이다.
도 27은 네 개의 PV 패널의 하향도이고, 각각은 전형적으로 태양광을 전기 전력으로 전환하기 위해 병렬로 연결된 수백만 개의 실리콘 다이오드를 함유하고, 여기서 강건한 금속 부스 바는 제조되어 보다 좁게 프린트된 도전체를 전기적으로 접촉하고, 전극이 제조되어 패널이 외부 도전체에 의해 직렬로 연결되게 한다.
도 28은 20℃ 내지 60℃ 범위의 슬러리 온도에서 전단 속도의 함수로서 실리콘 마이크로구 슬러리의 점성 거동을 나타낸다. 슬러리는 실온에서 매우 요변성(thixotropic, 전단 유동화성)이지만, 40℃에서 훨씬 적은 전단 유동화성을 나타낸다. 일부 용매는 60℃에서 분실되고 이는 100s-1에서 점도의 약간의 증가를 야기한다.
도 29A 및 29B는 알루미늄 웹 상에 코팅된 63 내지 75 마이크론의 마이크로구의 조밀 단층의 상이한 확대률에서 광학 이미지이다. 마이크로구는 조밀 단층을 제조하고 직경에서 +/-10 마이크론 변화량을 가진 직경이 10 내지 150 마이크론 내일 수 있다.
도 30은 Al 호일 기재 상에 코팅된 Al-함유 잉크에 결합된 실리콘 마이크로구의 횡단면의 광학 이미지이다. 잉크와 실리콘 마이크로구 사이의 계면(interface)은 p+ 지역 또는 후방 표면 필드 지역의 형성을 나타낸다.
도 31A는 경화된 Al 잉크 내에 박힌 실리콘 구의 단층의 횡단면의 주사전자 현미경 이미지이다.
도 31B 및 31C는 실리콘 마이크로구(도 31B)에서 합금된 지역(p+) 및 알루미늄 기재(도 31C)에서 합금된 (실리콘-풍부 상) 지역을 나타내는 주사전자 현미경에서 취한 에너지 분산성 x-선 분광분석 이미지이다.
다양한 도면에서 유사하거나 동일한 구성요소는 동일한 번호로 표시된다.
본 발명의 한 실시양태는 병렬로 전기적으로 상호연결된 수백만 개의 작고 실질적으로 구형인 실리콘 다이오드를 전형적으로 함유하는 얇은 PV 패널 (또는 태양 전지)를 제조하는 방법이다. 광전지 효과 덕분에 패널에 의해 전기가 발생된다. pn 접합은 전자-풍부 또는 전자-부족 원자가 대략 1 마이크론의 깊이로 확산하고 이미터(emitter)로 지칭되는 도핑된 n-형 층을 전형적으로 제조함으로써 전형적으로 p-형이고 베이스(base)로 지칭되는 가볍게 도핑된 실리콘 내에 제조된다. 전기 접촉은 이미터로 만들어지고 pn 접합의 어느 한 측면에 기초한다. 이 접합에서, 공핍 지역(depletion region)은 이온화된 도너(donor) 및 억셉터(acceptor)의 존재로부터 이루어진다. 광자가 태양광으로부터 흡수되면서, 자유 캐리어(carrier)가 발생된다. 이들 광생성된 캐리어는 p-n 접합의 공핍 지역으로 확산하며 서서히 이동하고, 붙박이 전계 하에서 접합을 가로질러 이동하고, 전극에서 모여, 순 광전류를 야기한다. 다이오드의 그룹은 직렬 및 병렬의 조합에서 연결되어 요구되는 작동 전압 및 전류를 생성할 수 있다. 전원은 예를 들어 급전 망(utility grid)로 투입하거나 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있다.
실리콘의 밴드 갭(~1.1 eV)과 동일하거나 다소 더 큰 에너지를 가진 광자만이 실리콘에 의해 전기로 전환된다. UV 광은 밴드 갭보다 훨씬 큰 에너지를 갖고, 이 흡수된 에너지의 대부분은 열로 낭비된다. 또한 공기(n=1)와 실리콘(가시광선에 대해 n=약 4) 사이의 굴절률 사이의 큰 차이로 인해 실리콘에 의한 현저한 반사가 존재한다. 따라서 반사된 태양광은 버려진다. 이는 실리콘계 PV 패널이 전형적으로 20% 보다 낮은 비교적 낮은 전압 전환 효율을 갖는 이유 중의 단지 일부이다.
하술되는 실시양태는 효율적인 PV 패널을 제조하기 위한 다양한 대기압 프린팅 방법을 예시한다. 예컨대 금속 증착, 유전체 증착, 에칭 등을 위해 진공 챔버를 필요로 하지 않아, PV 패널 제조 방법이 구현하기에 상대적으로 단순하고 경제적이다. 이 방법은 높은 처리량 롤-투-롤 제조 기술을 가능하게 한다. 또한, 상기 방법은 실리콘을 매우 효율적으로 사용한다.
도 1은 출발 기판(10)의 하향도(top down view)이다. 실시예에서, 기판(10)은 유연한 알루미늄 호일이고, 전류를 전도하기 위해 사용된다. 또 다른 실시양태에서, 기판(10)은 임의의 다른 금속, 예컨대 스테인리스 강, 구리, 황동 또는 다른 합금이다. 기판(10)은 대신 유전체, 예를 들어 중합체 시트일 수 있다. 기판(10)은 임의의 크기, 예컨대 9인치 내지 18인치일 수 있다. 바람직하게, 기판(10)은 롤 상에 제공되고, 설명된 기술이 대기압 조건 하에서 롤-투-롤 방법으로 수행된다. 바람직한 실시양태에서, 채널은 기판(10) 내에 형성되지 않는다.
도 2에서, 도전성 층이 제조된 직후에 실리콘 구 슬러리를 증착한다. 또 다른 실시양태에서, 도전성 층은 실리콘 구를 증착하기 전에 경화될 수 있다. 도 2는 다른 프린팅 또는 코팅 방법(예를 들어, 나이프-오버-롤 코팅)도 고려될 수 있지만, 슬롯 다이 코팅 방법을 예시한다. 알루미늄-함유 페이스트 또는 알루미늄-함유 잉크의 소스(12)가 제 1 슬롯 다이 헤드(14)로 제공된다. 페이스트는 또한 알루미늄 및 실리콘 또는 다른 재료의 조합일 수 있다. 제 1 슬롯 다이 헤드(14)는 알루미늄-함유 잉크(13)를 선택적으로 가열할 수 있고, 펌프는 상기 잉크(13)를 제 1 슬롯 다이 헤드(14) 내의 길고 가는 슬롯으로부터 분출되게 한다. 슬롯 다이 헤드는 잘 공지되어 있다. 따라서 증착된 알루미늄-함유 잉크(13)의 위치 및 양은 신중하게 제어되고, 여러 열의 도전체 층을 증착하기 위해 사용될 수 있다.
용매 시스템(실리콘 잉크, 18)에서 도핑된 또는 진성 실리콘 구의 소스(16)는 제 2 슬롯 다이 헤드(20)로 제공되고, 이는 또한 가열되어 점도를 제어하고, 알루미늄-함유 잉크(13)의 경화 전에 알루미늄-함유 잉크(13) 상으로 증착된다. 잉크(13 및 18)의 점도 및 용매 내의 입자의 백분율은 제어되어 잉크의 스프레딩(spreading) 및 증착된 입자의 패킹 밀도를 최적화할 수 있다. 슬롯 다이 헤드(14 및 20)는 잉크(13 및 18)의 정확한 정렬을 위해 듀얼-슬롯 다이 헤드라고 불리도록 함께 연결될 수 있다.
한 실시양태에서, 수천 개의 도핑된 구는 기판(10)의 너비에 걸쳐 증착된다. 구는 이상적으로 육방으로 패킹되어(즉, 각 구는 수직면에서 그를 둘러싼 6개의 구를 가진다) 단위 면적 당 구의 최대 수를 제공한다. 단층은 프린트 조건에서 작은 변화량이 성긴 층(sparse layers)이나 또는 층 배가(layer-doubling)를 선호하는 매우 좁은 제어 범위 내에서 발생한다. 이들 어려움은 이러한 높은 전단 유동화성 재료의 닥터 블레이드 코팅 또는 슬롯 다이 코팅의 물리적 한계 및 유체의 유동학에 기인한다.
도 28은 온도의 함수로서 실리콘 구 슬러리의 전단 유동화 특성을 나타낸다. 40℃에서 잉크를 코팅함으로써, 전단 유동화성이 최소화되어 단층의 제조가 가능하다.
더욱이, 웨트 온 웨트 접근법(예를 들어, 습윤 도전성 "접착(glue)" 층 상에 습윤 구형 깔기)을 사용함으로써, 조밀 또는 거의 완전한 단층이 213 cm/min에서 제조된다. 도 29A 및 29B는 63 내지 75 마이크론의 직경을 가진 마이크로구의 조밀 단층의 제조를 보여준다. 이 방법은 직경이 10 내지 150 마이크론 범위의 크기인 마이크로구로 입증되었지만, 높은 패킹 밀도는 많아야 20 마이크론의 직경에서 총 변화량을 요구한다. 나이프 오버 롤 코팅 및 슬롯 다이 코팅의 조합은 현저하게 향상된 코팅 제어 범위를 허용하고, 전단 유동화 유체의 고속 코팅에서 혁신이다.
이 단계와 반대로, 미국 공개 특허 제 2010/0167441 호에서 평평한 기판(채널 또는 공동이 없음) 상에 증착된 접착성 층은 금속이 아니고, 예를 들어 도전성 중합체이다. 알루미늄층의 저항은 도전성 중합체의 저항보다 낮고, 알루미늄은 p-형 도펀트로 실리콘을 도핑하기 위해 사용될 수 있다.
도 3은 기판(10)의 횡단면이고, 알루미늄-함유 도전체 층(22)의 코팅에 이어 p-형 실리콘 구(26)의 코팅을 도시한다. N-형, 미도핑, 또는 예비 제조된 pn 접합을 가진 실리콘 구가 대신 사용될 수 있다. 실리콘 구의 제조는 미국 특허 제 5,556,791 호에 개시된다. 한 실시양태에서, 구(26)는 10 내지 300 마이크론 사이의 평균 직경을 가진다. 구(26)는 전형적으로 완전한 구가 아니므로 실질적으로 구형인 것으로 가정된다.
스크린 프린팅이 본원에 개시된 다양한 층을 제조하기 위해 사용되는 경우, 방법은, 기판(1)이 정지되어 있는 동안 기판(10)의 대면적 표면 상에서 수행될 수 있다. 스크린 프린팅에서, 미세 메쉬가 예컨대 유화제와 같은 마스크층을 그 위에 제조하고, 이는 통상적인 포토리소그래피 방법을 사용하여 패턴화된다. 메쉬는 이어서 기판(10) 상에 놓인다. 이어서 증착될 재료를 포함하는 액체 또는 페이스트가 메쉬 상에 스퀴지되어 마스크 내의 개구를 통해 액체/페이스트를 밀어 기판(10) 표면 상에 액체/페이스트를 증착한다. 증착된 재료는, 예컨대 열에 의해 건조됨으로써 경화된다.
도 4는 실리콘 잉크층(31)을 스프레딩시켜 미경화된 도전체 층(22)으로 구(26)를 미는 동안, 구(26)의 얇은 층(예를 들어, 단층)을 제조하는 선택적인 에어 나이프(30)를 예시한다. 에어 나이프(30)는 또한 가열되고 여과된 공기 또는 비활성 기체를 불어 잉크 용매를 부분적으로 증발시킨다. 따라서, 닙 롤러 또는 블레이드에 비하여 에어 나이프(30)를 사용하는데에 시너지가 있다. 에어 나이프(30)은 기판(10)에 법선으로 또는 각으로 지시될 수 있다. 한 실시양태에서, 에어 나이프(30)는 협각(나이프 에지)의 공기를 분다. 다른 실시양태에서, 임의의 유형의 스프레더(spreader)가 사용될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 증착 기술에 따라 스프레더가 필요하지 않다.
도 4는 또한 실리콘 잉크층(31) 및 도전체 층(22)이 롤-투-롤 방법 동안 2 단계 방법에서 경화되고 어닐링되는 것을 예시한다. 경화 단계는 잉크 용매를 증발시킨다. 가열기(32)가 도시된다. 가열기(32)는 급속 어닐링 시스템을 포함하는 임의의 적합한 가열기일 수 있다. 어닐링은 도전체 층(22) 내에 알루미늄 입자를 함께 소결하고, 실리콘 내에 후방 표면 필드를 제조하고(p+ 지역), 실리콘을 도전체 층에 결합하여, 밑에 있는 기판으로 기계적 및 전기적 연결성을 제공한다. 도 5는 도 4의 방법 후에 실리콘 구(26)가 경화된 도전체 층(22) 내에 박혀 큰 접촉 면적을 생성하는 것을 예시한다. p+ 면적(34)은 Al이 실리콘 구(26)과 접촉하는 곳에서 Al 어닐링 단계 동안 제조된다. Al 원자는 실리콘으로 확산되어 매우 도핑된 p+ 면적(34)을 제조하고, 저항 접촉을 생성한다. 이 어닐링 방법 후 Al 잉크 및 기판에 결합된 실리콘 구의 횡단면 이미지는 도 30 및 31A 내지 31C에 도시된다. 도 30에서, 실리콘 마이크로구의 하부에서 "밝은" 지역은 BSF 지역이고, 도 31B에서 전자 분산형 분광학(electron dispersive spectroscopy, EDS) 현미경 사진에서 도시되는 것처럼 Al-풍부 "어두운 지역"이 되는 것으로 증명된다. 도 31C에서 실리콘 함량의 EDS 현미경사진이 도시된다. Al 기판에서 실리콘-풍부 지역은 합금되어, 그에 따른 Al-잉크 및 Al-기판 사이의 전기 접촉이 일어나 태양 전지 애노드를 완성하는 것을 도시한다.
도 6에서, 유전체(36)는 예컨대 스프레이 코팅 또는 잉크 제트 프린팅에 의해 PV 패널의 표면 상으로 증착된다. 한 실시양태에서, 유전체(36)는 스프레이 코팅된 유리 전구체, 예컨대 스핀-온-글래스(spin-on-glass, SOG)이고, 이는 이어서 경화된다. 스핀-온-글래스는 스핀-코팅 또는 스프레이-코팅에 의해 증착될 수 있는 낮은 점도 유리를 설명하기 위해 사용되는 용어이다. 구(26)가 10 내지 300 마이크론 사이의 직경을 가지기 때문에 유전체(36)의 두께는 구 사이에 대략 수 내지 수십 마이크론 크기이다. 또 다른 실시양태에서, 유전체는 경화시 연속 절연층을 형성하는 중합체 마이크로비드의 분산액이다.
도 7에서, 유전체(36)은 실리콘 구(26)의 상부로부터 습윤 제거되어 상단 실리콘 표면을 노출하는 것이 도시된다. 유전체(36)의 낮은 점도, 실리콘 구의 부드러운 표면 및 실리콘 및 유전체(36) 사이의 화학적 상호작용의 부족 때문에, 유전체(36)는 모세관 활동, 표면 장력 및 중력에 기인하여 실리콘 구(26)의 가장자리를 따라 당겨진다. 구의 상부로부터 유전체 층의 제거는 또한 윅킹(wicking)으로 지칭될 수 있다. 구(26)의 상부 상에 얇은 잔존 유전체 층이 있더라도, 후속적인 레이저 확산 단계는 이 얇은 유전체 층을 극복하고 하술될 PN 접합을 형성할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 마이크로비드는 실리콘 마이크로구의 상부를 완전히 습윤 제거하여 완전한 표면을 노출하여 PN 접합을 형성한다.
도 8에서, n-도펀트층(38)은 실리콘 표면 상에 증착되어 직렬의 pn 접합 다이오드를 생성한다. 한 실시양태에서, n-도펀트층(38)은 스프레이 코팅되거나 프린트된 인-도핑된 유리층이다. 층(38) 내의 도펀트는 펄스 레이저를 사용하여 실리콘으로 확산된다. 레어저는 구(26) 표면을, 예를 들어 실리콘의 용융 온도보다 높게 가열하여, 실리콘으로 인이 급속히 확산되게 한다. 또 다른 실시양태에서, 도펀트는 인산이고, 유전체 층 상으로 바로 코팅될 수 있고, 이어서 p-n 접합을 제조하기 위해 레이저 어닐링을 사용하여 실리콘 마이크로구의 상부로 얇은 유전체를 통하여 확산될 수 있다. 세 번째 실시양태에서, 도펀트는 인-도핑된 나노실리콘 또는 인-함유 실리콘 전구체이고, 이는 레이저로 방사시 연속 실리콘 필름을 형성한다. 필름은 레이저 조건에 따라서 비정질, 나노결정질 또는 단결정질일 수 있다. 레이저 조건이 인을 실리콘 필름 및 마이크로구 사이에 계면을 넘어서 확산하도록 하는 것일 때, 동질접합(homojunction)이 제조된다. 레이저 조건이 인을 상단 실리콘층 내에 두도록 하는 것일 때, 이질접합(heterojunction)이 제조된다. 45W 이하의 피크 전력 및 20 내지 100 마이크로줄의 플루엔스(fluence, 유량)를 가지고, 6 mm 까지의 초점 거리를 가진 532 nm 레이저가 바람직하다.
도 9에서, n-도펀트층(38)의 나머지는 세정되거나 에칭되어 없어지고, 이는 유전체 층(26)을 더욱 얇게 할 수 있다. 도 9는 실리콘 구(26)의 상부 분획이 n-형 분획(40)이고, 따라서 pn 다이오드가 롤-투-롤 방법을 사용하여 직렬로 제조되는 것을 예시한다. 추가적인 유전체 층이 필요 시 증착되고, 이는 중력, 표면 장력 및 모세관 활동에 의해 평평한 구의 주변 주위를 당기기 위해, 구 표면의 대부분으로부터 습윤되도록 고안된다.
도 10에서, 투명한 도전체 또는 다른 도전체 층(44)은 적어도 실리콘 구(26)의 가장자리를 따라 증착되어 구(26)의 n+-형 분획(40)과 전기적으로 접촉되고, 어닐링되어 접촉 저항을 낮춘다. 한 실시양태에서, 도전체 층(44)은 슬롯 다이 코팅에 의해 증착되고, 액체 도전체 재료가 좁은 슬롯을 통하여 표면 상으로 밀리는 것을 수반한다. 한 실시양태에서, 투명한 도전체 재료는 중력, 표면 장력 및 모세관 활동에 의해 평평한 구의 주변 주위를 당기기 위해 충분히 낮은 점도를 가진다. 투명한 도전체의 당김은 도전체의 저항을 낮추고 신뢰성을 개선하다. 투명한 도전체는 다이오드의 상부를 실질적으로 윅킹 제거(wick off)하기 때문에, 투명한 도전체와의 반사 문제가 방지되고, 투명한 도전체 및 실리콘 사이에 굴절률의 불일치는 관계없게 된다. 필요 시, 임의의 얇은 도전체 층이 습윤 에칭을 사용하여 구의 상부에서 에칭될 수 있다.
불투명한 도전체 층이 사용되는 경우, 실리콘에 의해 흡수될 수 있는 태양 방사 스펙트럼에서 빛을 현저하게 쇠퇴시키는 구(26)의 상부 상에 임의의 도전체 재료는 에칭되어야 한다. 한 실시양태에서, 바인더 내의 나노미터 크기의 은 입자 또는 와이어를 포함하는 층이 도전체 층(44)로서 사용된다. 은 입자 또는 와이어는 경화 후 서로 접촉한다. 한 실시양태에서, 도전체 층(44)은 건조 후 약 100 내지 200 nm이다.
이어서 낮은 저항 금속 부스 바(48)가 예컨대 은 또는 다른 도전체의 잉크젯 프린팅 또는 회전 스크린 프린팅에 의해 투명한 도전체 층(44) 상에 선택적으로 프린트된다. 생성되는 구조체는 이어서 어닐링되어 은 입자를 소결한다.
전술된 바와 같이, 실리콘 다이오드에 의해 흡수된 태양으로부터 UV 광은 낭비된 열을 발생한다. UV 광자(photon)는 얇은 흡수 깊이 때문에 실리콘 구(26)의 상단 매우 도핑된 이미터 지역에서 흡수되어, 임의의 UV-생성된 자유 캐리어는 높은 재조합 가능성을 가진다.
도 11에서, 2 내지 20 nm의 평균 직경을 가진 나노실리콘 양자점(52)의 층(50)은 예컨대 스프레이 코팅 또는 잉크젯 프린팅에 의해 실리콘 표면 상에 직접적으로 증착된다. 따라서, 구(26)는 정합하도록 코팅된다. 바람직한 크기의 양자점은 상업적으로 입수가능하며, LED로부터 청색 광 또는 UV 광을 보다 긴 파장으로 전환하기 위해 사용되어, 이는 백색 광을 생성할 수 있는 것으로 공지되어 있다. 양자점의 재료 및 크기는 발산되는 파장을 결정한다. 양자점은 액체에서 구(26) 상에(또는 임의의 투명한 전도체 상에) 분산되고, 이는 이어서 증발되어 실리콘 구(26) 상에 양자점(52)의 얇은 층(50)을 남긴다. 양자점(52)은 태양의 UV 광을 흡수하고, 광 루미네선스에 기인하여 약 700 nm 이하에서 적색 광과 같이 가시 광을 발한다. 가시 광은 이어서 다이오드의 광전지 효과에 의해 전류로 전환된다. 따라서, 효율이 증가되고 열이 감소된다. 양자점의 크기 대 그들의 광 루미네선스 에너지를 나타내는 좌표가 공공연하게 입수가능하고, 최적의 크기는 태양 스펙트럼에서 파장 및 실리콘에 의해 전기로 가장 효율적으로 전환되는 파장에 의존한다. 양자점(56)은 전류를 직접적으로 생성하기 위해 사용되지 않는다.
양자점(52)은 바람직하게 실리콘이고 구(26)는 실리콘이기 때문에, 실리콘 구 표면의 반사도가 증가되지 않게 하기 위하여 굴절률들은 수치적으로 근접할 수 있다. 또한, 양자점(52)은 모든 전기 연결이 실리콘 구(26)에 만들어진 후 적용되어, 양자점층은 도전성일 필요가 없다.
가능한 비-도전성인 양자점층(50)은, 금속 부스 바(48)로의 전기적 접촉이 양자점이 증착되지 않은 PV 패널의 가장자리를 따라 이루어지기 때문에, 금속 부스 바(48) 상에 놓일 수 있다. 한 실시양태에서, 양자점(52)은 구(26) 상에 투명한 도전체 층으로 주입될 수 있다.
연마된 실리콘은 공기와 실리콘의 굴절률(n)의 큰 차이로 인해 가시광의 35 내지 50% 및 지외선의 50 내지 70%를 반사한다. 도 12 및 13은 실리콘의 반사도를 줄이기 위해 계단형-인덱스 렌즈 또는 그레이디드-인덱스 렌즈의 제조를 예시한다. 단지 두 개의 렌즈층이 도시되지만, 추가적인 층이 반사 손실을 추가로 감소시키기 위해 굴절률을 그레이드(grade)시키기 위해 추가될 수 있다. 렌즈 코팅 제제의 유동학 때문에 렌즈의 하부 표면은 구(26)에 내재적으로 정합하여, 실리콘 구로의 광 투과를 최대화할 것이다. 도 12에서, 바인더 내에 고 인덱스 나노입자(56)를 함유하는 층(54)은 양자점(50) 위에 증착된다. 한 실시양태에서, 나노입자(56)는 300 nm 보다 작은 평균 직경, 및 바람직하게 10 내지 100 nm의 평균 직경을 가진다. 나노입자(56)의 형태는 반드시 구형은 아니고, 직경은 형태의 가장 넓은 직경으로 간주된다. 나노입자(56)는 약 1.7 내지 2.4의 고 굴절률을 나타내는 재료로 제조된다. 이는 임의의 고 인덱스 중합체보다 일반적으로 높다. 나노입자(56)는 그들이 주입되는 바인더보다 높은 인덱스를 가지기 때문에, 나노입자의 크기를 희망하는 파장(즉, 350 nm 이상) 이하로 유지하는 것이 중요하고, 그렇지 않다면 현저한 흡수 및 층(54)에 대한 내부 반사가 있을 것이다. 나노입자(56)의 작은 크기 때문에, 바람직한 전자기 범위 내에서 반사 또는 흡수가 거의 없거나 아예 없다. 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 다른 적합한 중합체 또는 증착시 액체인 다른 재료일 수 있다. 나노입자는 또한 비드로서 지칭될 수 있다. 한 실시양태에서, 나노입자(56)는 투명한 도핑된 유리 비드이다. 나노입자(56) 및 바인더는 스프레이 코팅, 프린팅에 의해 또는 다른 대기압 증착 기술의 사용에 의해 증착될 수 있다. 경화시, 층(54)의 두께는 수 마이크론일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 나노입자(56)는 일부 흡수가 견딜만한 경우 10 마이크론 보다 작다.
도 13에서, 낮은 인덱스 및 보다 큰 입자, 바람직하게 투명한 유리 비드(60)(예를 들어, 실리카)를 함유하는 층(58)은 증착되어 반사를 줄이기 위한 그레이디드 인덱스 렌즈의 상단 부분(upper part)을 형성한다. 유리 비드(60)는 액체 바인더(예를 들어, PVDF)의 인덱스와 일치시키기 위해 1.4 내지 1.43 사이의 인덱스를 가질 수 있다. 비드(60)는 1 내지 10 마이크론 사이의 평균 직경을 가질 수 있다. 비드(60)는 바인더와 대략 동일한 인덱스를 가지도록 제조되기 때문에, 바인더 내에서 비드(60)에 인한 흡수 또는 반사는 무시할 만하다. 바인더보다 훨씬 단단한 유리 비드(60)는 바람직하게 층(58)의 마찰 저항성을 증가시킨다. 유리 비드(60)가 조밀하게 패킹되면, 층의 습기 차단 특성이 향상될 것이다. 층(58)은 스프레이 코팅, 프린팅 또는 다른 적절한 대기압 방법에 의해 증착될 수 있다.
렌즈 층(54 및 58)의 총 두께는 15 마이크론 보다 작을 수 있다. 한 실시양태에서, 층(58)은 실리콘 구 상에 추가적으로 태양광을 집중시키기 위해 일반적으로 반구형 렌즈를 형성한다. 렌즈의 그레이디드 또는 계단형 인덱스는 높은 인덱스 실리콘으로부터 낮은 인덱스 공기로 양호한 전환을 제공한다. 상이한 인덱스를 갖는 중합체 및/또는 중합체-나노입자 복합체의 추가적인 층이 층(54 및 58) 사이에 삽입되어 더 미세한 그레이디드 렌즈를 생성하여 반사를 추가로 감소시킬 수 있다. 1.7 보다 작은 인덱스를 가진 중합체가 상업적으로 입수가능하다.
증착된 렌즈(54 및 58)는 점성의 액체로서 증착되기 때문에 실리콘 구와 정합된다. 따라서, 렌즈(54)의 하부 표면은 구 형태와 정합할 것이고, 렌즈(58)의 하부는 렌즈(54) 형태의 상부와 정합할 것이다. 따라서, 두 개의 렌즈(54 및 58)는 모두 최대 빛 허용을 위하여 바인더의 자연적인 표면 장력에 의해 실질적으로 반구형으로 제조될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 렌즈 층(54 및 58) 내에서 사용된 유리 비드는 바람직하게 둥근 가장자리를 가지지만 용어 비드는 반드시 구 형태를 의미하지 않는다.
또 다른 실시양태에서, 단일 정합 렌즈층은 상이한 굴절률을 가진 하나 이상의 나노입자의 혼합물을 함유할 수 있고, 나노입자의 농도는 렌즈의 상단 분획 및 하단 분획 사이에서 농도를 변화시킬 수 있다. 한 실시양태에서, 단일 렌즈 코팅층은 롤-투-롤 방법 동안 코팅 단계의 수를 단순화하기에 바람직하다. 각각의 굴절률을 위해 나노입자의 크기 및/또는 질량은 다를 수 있고, 나노입자의 상이한 크기/질량은 상이한 속도로 액체층의 하부에 가라앉아 상이한 인덱스 나노입자의 상이한 층이 그레이디드 렌즈를 위해 형성되게 한다. 액체는 나노입자가 가라앉을 수 있도록 점도를 조정하기 위해 가열될 수 있다. 최적의 크기는 테스트에 의해 측정될 수 있다.
또 다른 실시양태에서, 렌즈층(54 및 58)은 도 13에서 층(58)의 일부에 제조된 낮은 굴절률 바인더 내에 주입된 나노입자(56)를 함유하는 단일 그레이디드-인덱스 층에 결합된다. 그러나 바인더(58)는 유리 비드(60)를 함유하지 않는다. 나노입자(56)는 단일 단계에서 상술한 바와 같이 바인더 내에서 혼합되어 증착된다. 나노입자(56)는 자연적으로 증착 후 바인더의 하부로 이동/정착한다. 액체층은 가열되어 그 점도를 크게 낮추어 나노입자(56)의 정착을 제어할 수 있다. 따라서, (고밀도의 나노입자(56)를 가진) 구(26)와 인접한 렌즈 면적은 저밀도의 나노입자(56)가 있는 구(26)로부터 굴절률보다 훨씬 높은 굴절률을 가질 것이다.
또 다른 실시양태에서, 상이한 부피 굴절률을 가진 다중층은 렌즈의 굴절률을 보다 정확하게 그레이드하기 위해 서로의 상부 상에 코팅되고 경화된다.
도 14는 기판에 적용되기 전에 예비-제조된 다이오드로서 실리콘 구(82)의 또 다른 실시양태를 예시한다. 실리콘 구(82)는 p-도핑될 수 있다. 한 실시양태에서, 구는 이어서 배치 배럴 내에서 POCl3에 종속되어 실리콘 구 표면 속으로 인의 확산에 의해 n+-형 쉘(84)을 제조한다. 다른 기술, 예컨대 인산으로 습윤 공정이 또한 사용될 수 있다.
도 15에서, 실리콘 구(82)는 전술된 바와 같이 기판(88) 상에 제조된 도전성 층(86) 내에 박힌다. 도전성 층(86)은 n-형 쉘(84)로 저항 접촉을 만든다.
도 16에서, 유전체 층(90)은 도전성 층(86) 및 실리콘 구(82)의 측면 상에 제조된다. 유전체 층(90)은 잉크젯-프린팅되거나 스프레이 코팅된 스핀-온 글라스(spin-on glass, SOG) 또는 중합체일 수 있다. 유전체 층(90)은 이어서 경화된다. 유전체 층(90)은 이어서 에칭되어 실리콘 구(82)의 상부를 노출한다.
도 17에서, 구(82)의 상부 분획은 습윤 또는 증기 에칭과 같은 대기압 화학 에칭 방법을 사용하여 에칭되어 구의 내부 p-형 분획을 노출한다. 필요하다면, 구(82)의 상부는 추가적으로 p-도핑되어 구(82) 상에 p-도핑된 층을 증착시키고, 구(82)의 상부로 도펀트를 확산시키기 위해 구조체를 가열하고, 이어서 남은 도펀트 층을 제거함으로써 p+ 형 층을 제조할 수 있다. 가열은 레이저로 수행될 수 있다. 이는 도 8에 대해 설명된 방법과 유사하지만, p-도핑된 층을 사용하였다.
투명한 도전체 또는 다른 도전체 층(92)은 이어서 p-형 실리콘과 접촉하기 위해 구조체 상에 증착된다. 도전체 층(92)은 임의의 유형의 프린팅에 의해 증착된 후 경화되는 잉크일 수 있다. 도전체(92)는 상술한 바와 같이 중력, 표면 장력 및 모세관 활동에 의해 구(82)의 상부 표면에서 윅킹 제거됨으로써 구(82)의 주변 주위에서 내재적으로 당겨지는 유형일 수 있다. 그러나, 구(82) 상으로 잔존하는 임의의 투명한 도전체(92)가 허용될 수 있다. 비-투명한 도전체도 사용될 수 있다. 금속 부스 바(94)가 이어서 일렬의 구(82)를 따라 저항을 줄이기 위해 투명한 도전체 층(92) 위에 예컨대 잉크젯 프린팅에 의해 제조된다. 따라서, 전기 접촉이 기판(88) 상에 증착된 모든 구(82)의 애노드 및 캐쏘드로 이루어지고, 다이오드는 병렬로 연결된다. 패널 면적에 의해 정의된 병렬로 연결된 다이오드의 수는 패널에 의해 생성될 필요한 전류에 의해 결정될 수 있다.
도 11 내지 13의 방법은 이어서 태양 패널의 전력 전환 효율을 개선하기 위한 양자점층 및 그레이디드 렌즈를 증착하기 위해 수행될 수 있다. 따라서 병렬로 연결된 수백만 개의 다이오드의 전체 패널은 전체 대기압 방법을 사용하여 완성된다.
도 14 내지 17의 변형에서, 다이오드는 1) n+-형 외부 쉘 및 진성 코어(i-도전성 형); 2) p-형 외부 쉘 및 n-형 또는 진성 코어; 3) p+-형 외부 쉘 및 p-형 또는 진성 코어; 또는 4) n+-형 외부 쉘 및 n-형 또는 진성 코어를 갖고 증착될 수 있다. 외부 쉘 또는 코어는 다이오드가 증착된 후에 도핑될 수 있다.
도 18 내지 25는 PV 패널을 제조하기 위해 전체 대기압 프린팅 방법을 사용한 본 발명의 또 다른 실시양태를 예시한다.
도 18은 도 14에 도시된 것과 유사한 예비-제조된 다이오드로서 실리콘 구(82)를 예시한다. p-형 도핑된 실리콘 구가 초기에 제공되고, 이어서 외부 n+-형 층(84)은 예컨대 배치 배럴 방법에서 구를 POCl3에 종속시킴으로써 구 상에 제조된다.
도 19에서 보는 바와 같이, 구(82)는 이어서 기판(102) 위에 놓인 접착 테이프와 같은 유전체 층(100) 상에 프린트된다. 유전체(104), 예컨대 유리는 이어서 구(82) 위에 증착된다. 유전체(104)는 스프레이 코팅에 의해 증착될 수 있다. 적합한 유리는 스핀-온-글래스(spin-on-glass, SOG)일 수 있다.
도 20은 유전체(104)가 예컨대 습윤 에칭제(etchant)로 도로 에칭하여 구의 상부를 노출하는 것을 예시한다. 이어서 노출된 n+-형 실리콘은 밑에 깔린 p-형 실리콘을 노출하기 위해 습윤 또는 증기 화학 에칭제로 에칭된다. 실리콘의 이방성 에칭이 사용된다면 희생 마스킹 층으로서 사용된 유전체(104)는 선택적이다. 실리콘 에칭이 이방성인 경우, 구(82)는 스스로 구(82)의 밑면의 에칭을 막는다.
이어서 남은 유전체(104)는 도 21에 도시된 바와 같이 제거된다.
도 22는 페이스트로서 구(82) 상에 스크린 프린팅된 알루미늄-함유층(108)을 예시한다. 슬롯 다이 프린팅과 같은 다른 증착 기술도 사용될 수 있다. 알루미늄-함유층(108)은 이어서 가열되어 구(82) 사이에 잉크를 흘려 알루미늄이 구의 n+-형 하부층과 저항 접촉된다. 알루미늄은 또한 구(82)의 상부 표면을 도핑하여 p+-형을 만든다. 급속 어닐링 시스템이 알루미늄-함유층(108)의 표면을 가열하기 위해 사용되어 구(82)의 상부 표면을 p-도핑할 수 있다.
인접한 p+ 및 n+ 지역 사이에 확산이 우려되는 경우, 얇은 유전체 층이 n+-형 지역 및 노출된 p-형 지역 사이에 각각의 구(82) 주변에 제조되어 알루미늄-함유층을 증착시키기 전에, 구의 p+-형 상부 표면이 제조된 후 세퍼레이터로서 작동할 수 있다.
도 23에서, 상부 p+-형 실리콘과 접촉된 임의의 알루미늄-함유 층은 에칭에 의해 제거되어 알루미늄-함유 층(108)은 구(82)의 n+-형 분획을 단지 저항 접촉할 수 있다.
도 24에서, 저온 유전체(112)가 이어서 구(82) 상에 프린트되고, 화학적으로 에칭되어 p+-형 실리콘을 노출시킨다.
도 25에서, 투명한 도전체 층(114)은 이어서 슬롯 다이 코팅 또는 다른 대기압 방법에 의해 구(82) 상에 증착된다. 도전체 층(114)은 이어서 경화되어 p+-형 실리콘과 저항 접촉을 이룬다. p+-형 실리콘의 가장자리 주위에 투명한 도전체 재료의 바람직한 당김이 있을 수 있고, 투명한 도전체는 상부 표면으로부터 쇠퇴할 수 있다.
이어서 금속 부스 바(116)가 프린트되어 투명한 도전체 층(114)을 통해 p+-형 실리콘으로 저-저항 경로를 생성한다.
이어서 전술한 바와 같이 양자점층 및 그레이디드 렌즈가 제조될 수 있다. 구(82)의 상부 분획이 투명한 도전체 층(114)이 제조된 후에 노출되면, 양자점 및 그레이디드 렌즈층은 구(82) 표면에 정합할 것이다.
이어서 애노드 및 캐쏘드 커넥터가 알루미늄-함유 애노드층 및 투명한 도전체 캐쏘드층으로 이어지도록 제조된다.
이어서 패널이 시트화되고(sheeted), 지지 구조체 상에 탑재되고, 전기적으로 상호연결된다.
발명자들에 의해 고려된 추가적인 변경은 기초 재료로서 가볍게 n-도핑된 실리콘 구 또는 진성 실리콘 구의 사용을 포함한다. 둘 중 어느 경우에도, p/n, p-i, 또는 n-i 접합 또는 전방 표면 필드(n+/n 또는 p+/i 또는 n+/i)는, 도 8 및 9에서 도시된 바와 같이, 도펀트의 레이저-매개된 확산으로 도핑된 유리 또는 다른 도펀트 소스에 의해 도입될 수 있다. 후방 표면 필드(p+/i) 또는 p/n 또는 p-i 접합은 도 5에 예시된 바와 같이 도전성 잉크로부터 알루미늄 도펀트를 사용하여 구의 하부에서 p-형 도핑함으로써 도입될 수 있다.
도 26은 롤-투-롤 기술을 사용하여 수행되는 전체 대기압 프린팅 방법의 개략도이다. 롤 상 또는 큰 시트일 수 있는 기판(120)은 상술한 임의의 스텝을 수행하기 위해 임의의 적절한 대기압 방법 스테이션 하에 위치된다. 기판(120)은 상이한 방법(인-라인, 롤-투-롤)에 대하여 상이한 스테이션을 통해 연속적으로 움직일 수 있고/있거나, 다른 스테이션(롤-투-롤)으로 이동되기 전에 전체 기판(120)의 커버를 위해 단일 스테이션에서 특정 세트의 장비 하에서 운영될 수 있다. 상기 방법에서 사용되는 3개의 기본 설비 장비는 증착(124), 가열/경화(128) 및 에칭(132)을 위한 것이다. 증착(124)은 슬롯 다이 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 스크린 프린팅 또는 다른 적합한 기술에 의해 수행될 수 있다. 가열/경화(128)는 레이저, 히트 바, IR, UV, 블로워 또는 다른 적합한 기술에 의해 수행될 수 있다. 에칭(132)은 화학적 증기 에칭, 습윤 에칭, 기계 에칭 또는 다른 적합한 기술에 의해 수행될 수 있다. 본원에서 개시된 전체 재료에 대한 에칭제는 대기압에서 사용되는 통상적인 것(예를 들어, 불소계, 염소계)일 수 있다.
따라서, 적어도 하기의 특징들이 미국 공개 특허 제 2010/0167441 호에 개시된 방법에 대하여 본 발명의 방법을 구분시킨다:
본 방법의 실시양태는 정합 렌즈를 제조한다(도 12 및 13). 정합 렌즈는 보다 최적화된 형태이고, 다이오드 위에 내재적으로 최적화되게 위치되어 효율이 개선된다. 렌즈의 굴절률은 또한 계단형(stepped) 또는 그레이디드(graded)로, 실리콘 마이크로구의 반사율을 감소시킨다.
본 방법의 실시양태는 다이오드의 형태에 정합하는 다이오드 위에 놓인 양자점층을 형성하여(도 11), 효율을 개선하고 열을 감소시킨다.
본 방법의 실시양태는 다이오드를 에칭하여(도 17 및 20) 코어 실리콘 지역을 노출한 후, 선택적인 p+ 또는 n+ 도핑 단계가 이어진다. 노출된 코어는 이어서 도전체에 의해 접촉된다.
본 방법의 실시양태는 알루미늄-함유층(108)을 증착하여(도 22), 다이오드의 상부를 p+-도핑하고, 이어서 알루미늄-함유층(108)은 에칭되어 다이오드의 하부 n+-형 분획을 전기적으로 접촉한다.
다양한 거의 대기압 에칭 방법들은 새로운 방법 흐름이 사용되어 패널을 제조하고 일부 실시양태에서 패널의 성능을 개선한다.
방법의 실시양태는 반도체 구의 상부를 윅킹 제거하는 유전체 층을 증착하여 도핑을 위해 구의 상부를 실질적으로 노출시켜, 유전체를 에칭할 필요를 제거한다. 유전체는 애노드 및 캐쏘드 도전체를 절연한다.
본 방법의 실시양태는, 상단 표면을 윅킹 제거하는 다이오드의 가장자리 주변에서 당긴 투명한 도전체를 증착한다. 이는 에칭에 대한 필요를 제거하고 광학 효율을 개선한다.
본 방법의 실시양태는 채널 없는 기판을 사용하고 미경화 또는 부분적으로 경화된 Al 층 상에 실리콘 구를 증착시킨다(도 3). Al 층을 어닐링하는 것은 Al이 실리콘을 p+ 도핑하도록 한다. 생성된 Al층은 매우 낮은 전기 저항을 가지고, Al 층은 태양으로부터 지속되는 UV 노출에 영향을 받지 않는다.
본 방법의 실시양태는, 인 함유 재료의 층을 가진 실리콘의 상부 분획을 n-도핑한 후(도 8), 남은 재료 잔류물을 에칭한다(도 9). 재료 잔류물을 에칭하는 것은 광학 효율을 개선하고, 실리콘-투명한 도전체 접촉의 저항을 낮춘다.
선행 기술에 대한 다른 개선점도 존재한다.
도 27은 4개의 패널(140)의 하향도이고, 각각의 패널은 전술된 방법 중 임의의 방법으로 제조되고, 각각의 패널은 태양광을 전기 전력으로 전환시키기 위해 병렬로 연결된 수백만 개의 실리콘 다이오드를 함유한다. 금속 기판(10/88/102)은 그에 형성된 제 1 전기 연결(141)(예를 들어, 애노드 전극)을 갖는 것으로 도시된다. 금속 부스 바(48/94/116)는 훨씬 더 크고 낮은 저항 금속 부스 바(142)와 함께 모두 연결되고, 이는 x 및 y 방향에서 형성된다. 부스 바(142)의 수는 패널의 크기 및 병렬로 연결된 다이오드의 수에 의존한다. 제 2 전기 연결(144)(예를 들어, 캐쏘드 전극)은 금속 부스 바(142)로 만들어진다.
이어서 다양한 패널(140)이 외부 도전체, 예컨대 와이어 또는 프레임의 일부에 의해 직렬 및 병렬의 임의의 조합으로 연결되어 바람직한 전압 및 전류를 달성한다.
사용자에 의해 요구되는 바와 같이 각각의 전지가 다른 전지와 상호연결된 단일한 단위로서 작동하기 때문에 각각의 패널(140)은 태양 전지로 지칭될 수 있다. 태양 전지는 임의의 형태를 취할 수 있고, 반드시 직사각형 패널일 필요는 없다.
한 실시양태에서, 태양광은 패널(140)에 의해 전기로 전환되고, DC-DC 변전기는 전기를 적합한 전압으로 전환하여 배터리를 충전한다.
다이오드는 구로 설명되었지만, 다이오드는 일반적으로 구형일 수 있고, 여전히 구로 지칭될 수 있다. 정확한 형태는 공정에서 허용 정도 및 무작위의 특정한 정도에 의존한다. 용어 "반도체 입자"는 구, 다면체 또는 무작위 형태를 포함하는 임의의 형태를 갖는 다이오드를 지칭하기 위해 본원에서 사용된다.
렌즈를 제조하는 다양한 투명한 층 및 투명한 유리 비드는 재료의 한계 내에서 모든 관련된 파장에서 100% 투명할 필요는 없지만, 당 분야에서 일반적인 사용에 따라 투명한 것으로 지칭된다.
본원에 설명된 모든 단계는 대기압 조건에서 적어도 패널-레벨 상에서 수행되어, 임의의 진공 챔버에 대한 필요를 제거하고, 패널이 롤-투-롤 방법에서 빠르고 저렴하게 형성되게 한다. 완성된 패널은 가볍고 유연하다.
본원에 설명된 기술들은 또한 발광 다이오드의 패널을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 실리콘 구 대신에, 반도체 입자는 청색 광을 발생하는 GaN계 입자(예를 들어, 구)일 수 있다. 인의 층은 스프레이 코팅 또는 프린팅에 의해 반도체 입자 위에 증착되어 백색 광 또는 임의의 다른 파장의 광을 생성할 수 있다. LED에 적합한 본원에 설명된 모든 다른 방법은 LED의 애노드 및 캐쏘드에 전기적 접촉을 만들기 위해, 또는 LED를 도핑하기 위해, 또는 LED 위에 렌즈를 형성하기 위해 동일할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시양태들이 도시되고 설명되지만, 당 분야의 통상의 기술을 가진 자에게는 보다 넓은 견지에서 이 발명을 벗어나지 않은 채 변화와 변경이 만들어질 수 있음이 명백하고, 따라서 첨부된 청구항은 본 발명의 진정한 정신과 범주 내에 해당되는 이러한 모든 변화 및 변경을 그 범주 내에 동반하는 것으로 의도된다.
현재 청구된 발명 이외에, 본 양수인에게 양도된 다양한 다른 발명들이 그 발명자와 함께 하기에 기재된다.
QUANTUM DOTS BETWEEN DIODES AND LENS IN A PV PANEL(PV 패널 내에 다이오드 및 렌즈 사이의 양자점). 도 11. Lixin Zheng, Tricia A. Youngbull
1. 태양광을 전기로 전환하기 위해 개조된 복수의 실리콘 다이오드로서, 상기 다이오드는 태양에 노출되기 위한 제 1 표면 분획을 갖는 다이오드; 및
제 1 표면 분획에 정합하도록 적어도 제 1 표면 분획 위에 증착된 양자점층으로서, 상기 양자점층은 태양광의 UV 파장을 전환하여 가시광 파장을 발산하고, 이때 하나 이상의 다이오드가 발산된 가시광 파장을 전기로 전환하는 것인 양자점층
을 포함하는 태양 전지 구조체.
2. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 기판 상에 복수의 실리콘 구를 포함하고, 다이오드는 제 1 도전체에 연결된 제 1 도전성 형의 상부 표면 및 제 2 도전체에 연결된 제 2 도전성 형의 하부 표면을 가지고, 양자점은 다이오드의 상부 표면 및 제 1 도전체의 적어도 일부 상에 증착되는 것인 구조체.
3. 제 1 항에 있어서, 양자점층은 2 내지 20 nm 사이의 평균 직경을 갖는 나노실리콘 입자의 층을 포함하는 것인 구조체.
4. 제 1 항에 있어서, 양자점층은 2 내지 20 nm 사이의 평균 직경을 갖는 나노입자의 층을 포함하는 것인 구조체.
5. 제 1 항에 있어서, 양자점은 1000 nm 보다 작은 파장을 갖는 빛을 발산하는 것인 구조체.
6. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 다이오드는 기판 상에 복수의 실리콘 구를 포함하고, 다이오드는 10 마이크론 보다 큰 평균 직경을 가지고, 다이오드는 제 1 도전성 형의 상부 표면 및 제 2 도전성 형의 하부 표면을 가지고, 양자점은 다이오드의 상부 표면 위에 증착되고, 여기서 양자점은 20 nm 보다 작은 평균 직경을 가지고 태양으로부터 UV 광을 1000 nm 보다 작은 파장을 갖는 광으로 전환하는 것인 구조체.
7. 제 6 항에 있어서, 양자점층 상에 제조된 렌즈를 더 포함하는 것인 구조체.
8. 제 7 항에 있어서, 렌즈는 그레이디드(graded) 굴절률을 가지는 것인 구조체.
9. 제 8 항에 있어서, 다이오드는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 재료로 이루어지는 외부 표면을 가지고, 상기 렌즈는
제 1 표면 분획 위에 놓이는 제 1 렌즈층으로서, 제 1 렌즈층은 300 nm보다 작은 제 1 평균 직경을 가지고, 제 1 입자는 제 1 굴절률보다 작은 제 2 굴절률을 가지는 것인 제 1 렌즈층; 및
제 1 렌즈층 위에 놓이는 제 2 렌즈층으로서, 제 2 렌즈층은 제 1 평균 직경보다 큰 제 2 평균 직경을 갖는 투명한 제 2 입자를 포함하고, 제 2 입자는 제 2 굴절률보다 작은 제 3 굴절률을 가지는 것인 제 2 렌즈층
을 포함하는 것인 구조체.
10. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 도전체에 의해 전기적으로 접촉되고, 양자점층은 다이오드 위 및 도전체 위에 블랭킷 증착되는 것인 구조체.
11. 태양광을 진기로 전환하기 위해 개조된 기판 상에 복수의 실리콘 다이오드를 증착하는 단계로서, 다이오드는 태양에 노출되기 위한 제 1 표면 분획을 가지는 것인 단계; 및
양자점층을 적어도 제 1 표면 분획 위에 증착하여 제 1 표면 분획에 정합시키는 단계로서, 양자점층은 태양의 UV 파장을 발산된 가시광 파장으로 전환하고, 하나 이상의 다이오드는 발산된 가시광 파장을 전기로 전환하는 것인 단계
를 포함하는 태양 전지 구조체를 제조하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 다이오드는 10 마이크론 보다 큰 평균 직경을 가지고, 양자점층은 태양으로부터 UV 광을 1000 nm 보다 작은 파장을 갖는 가시광으로 전환하기 위해 20 nm보다 작은 평균 직경을 갖는 나노실리콘 입자의 층을 포함하는 것인 방법.
13. 제 11 항에 있어서, 양자점층 상에 렌즈를 제조하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 렌즈는 그레이디드(graded) 굴절률을 가지는 것인 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 다이오드는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 재료로 이루어진 외부 표면을 가지고, 렌즈의 형성은
제 1 표면 분획 상에 제 1 렌즈층을 증착하는 단계로서, 제 1 렌즈층은 300 nm 보다 작은 제 1 평균 직경을 갖는 투명한 제 1 입자를 포함하고, 제 1 입자는 제 1 굴절률보다 작은 제 2 굴절률을 가지는 것인 단계; 및
제 1 렌즈층 상에 제 2 렌즈층을 증착하는 단계로서, 제 2 렌즈층은 제 1 평균 직경보다 큰 제 2 평균 직경을 갖는 투명한 제 2 입자를 포함하고, 제 2 입자는 제 2 굴절률보다 작은 제 3 굴절률을 가지는 것인 단계
를 포함하는 것인 방법.
CONFORMAL LENS OVER SPHERICAL DIODES IN A PV PANEL(PV 패널에서 구형 다이오드 상에 정합 렌즈). 도 12 및 13. Tricia A. Youngbull, Lixin Zheng, Vera N. Lockett.
1. 태양광을 전기로 전환하기 위해 개조된 복수의 다이오드를 기판 상에 제공하는 단계로서, 다이오드는 태양에 노출되기 위한 제 1 도전성 형의 둥글게 처리된 상부 표면 분획 및 제 2 도전성 형의 하부 표면 분획을 가지는 것인 단계;
하부 표면 분획에 전기적으로 접촉된 제 1 도전체를 제공하는 단계;
상부 표면 분획에 전기적으로 접촉된 제 2 도전체를 증착하는 단계;
상부 표면 분획 위에 렌즈 재료를 증착하는 단계로서, 렌즈 재료가 증착된 후에만 렌즈 재료의 하부 표면이 상부 표면 분획의 둥근 형태에 실질적으로 정합하는 것인 단계
를 포함하는 태양 전지 구조체를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 렌즈 재료를 증착하는 단계는
다이오드 상에 액체 렌즈 재료를 증착하는 단계로서, 액체 렌즈 재료는 적어도 표면 장력에 의해 다이오드의 상부 표면 분획에 실질적으로 정합하는 것인 단계; 및
액체 렌즈 재료를 경화하여 제 1 렌즈를 제조하는 단계
를 포함하는 것인 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 다이오드는 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지고, 제 1 도전체는 금속층을 포함하고, 제 2 도전체는 투명한 도전체 층을 포함하고, 방법은
금속층 상에 유전체 층을 증착하는 단계로서, 유전체 층이 다이오드 사이로 확장되는 것인 단계; 및
유전체 층 상에 투명한 도전체 층을 증착하여 다이오드의 상부 표면 분획에 전기적으로 접촉되고, 다이오드를 전기적으로 상호연결하는 단계
를 추가로 포함하고,
액체 렌즈 재료를 증착하는 단계는 다이오드 사이에 유전체 층 위에, 다이오드 사이에 투명한 도전체 층 위에, 뿐만 아니라 다이오드의 상부 표면 분획 위에 액체 렌즈 재료를 증착하는 단계를 포함하는 것인 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 액체 렌즈 재료를 증착하기 전에, 유전체 층 위에, 투명한 도전체 층 위에, 및 다이오드 위에 양자점층을 증착하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
5. 제 2 항에 있어서, 액체 렌즈 재료는 코팅 또는 프린팅 중의 하나에 의해 증착되는 것인 방법.
6. 제 2 항에 있어서, 액체 렌즈 재료는 다이오드를 마스킹하지 않은 채 복수의 다이오드 위 및 다이오드 사이에 증착되는 것인 방법.
7. 제 2 항에 있어서, 제 1 렌즈는 제 1 굴절률을 가지고, 방법은
제 1 렌즈 상에 제 2 액체 렌즈 재료를 증착하는 단계로서, 제 2 액체 렌즈 재료의 하부 표면은 제 1 렌즈의 상부 표면에 정합하는 것인 단계; 및
제 2 액체 재료를 경화하여 제 2 렌즈를 제조하는 단계로서, 제 2 렌즈는 제 1 굴절률보다 낮은 제 2 굴절률을 갖는 단계
를 추가로 포함하는 것인 방법.
8. 제 2 항에 있어서, 액체 렌즈 재료는 가시광에 투명하고 10 마이크론 보다 작은 평균 직경을 갖는 제 1 입자를 포함하고, 여기서 제 1 입자는 경화시 제 1 굴절률을 갖는 제 1 액체 바인더 내에 있고, 제 1 입자는 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 갖는 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 제 1 입자는 300 nm 보다 작은 평균 직경을 갖는 방법.
10. 제 8 항에 있어서,
제 1 렌즈 상에 제 2 액체 렌즈 재료를 증착하는 단계로서, 제 2 액체 렌즈 재료의 하부 표면은 제 1 렌즈의 상부 표면에 정합하는 것인 단계; 및
제 2 액체 재료를 경화하여 제 2 렌즈를 제조하는 단계로서, 제 2 렌즈는 제 2 굴절률보다 낮은 제 3 굴절률을 가지는 것인 단계
를 추가로 포함하는 것인 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 제 2 액체 렌즈 재료는 제 2 액체 바인더 내에서 가시광에 투명한 제 2 입자를 포함하는 것인 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 제 2 입자는 대략 제 3 굴절률을 가지고, 제 2 액체 바인더도 경화시 대략 제 3 굴절률을 가지는 것인 방법.
13. 제 8 항에 있어서, 제 1 입자는 유리 비드를 포함하는 것인 방법.
14. 태양광을 전기로 전환하기 위해 개조된 기판 상에 복수의 다이오드로서, 다이오드는 태양에 노출되기 위한 제 1 도전성 형의 둥근 상부 표면 분획 및 제 2 도전성 형의 하부 표면 분획을 가지는 것인 다이오드;
하부 표면 분획에 전기적으로 접촉한 제 1 도전체;
상부 표면 분획에 전기적으로 접촉한 제 2 도전체; 및
제 1 렌즈의 하부 표면이 상부 표면 분획의 둥근 형태 주변에 실질적으로 정합하도록 액체로서 상부 표면 분획 상에 증착되고 경화되는 제 1 렌즈 재료로 제조된 제 1 렌즈
를 포함하는 태양 전지 구조체.
15. 제 14 항에 있어서, 다이오드는 실질적으로 구형 형태를 가지고, 제 1 렌즈 재료는 적어도 표면 장력에 의해 다이오드의 상부 표면 분획에 실질적으로 정합하는 것인 구조체.
16. 제 14 항에 있어서, 다이오드는 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지고, 제 1 도전체는 금속층을 포함하고, 제 2 도전체는 투명한 도전체 층을 포함하고, 패널은
금속층 위에 유전체 층으로, 상기 유전체 층은 다이오드 사이로 연장되는 유전체 층; 및
유전체 층 상에 놓여 다이오드의 상부 표면 분획을 전기적으로 접촉하고 다이오드를 전기적으로 상호연결하는 투명한 도전체 층
을 추가로 포함하고,
제 1 렌즈 재료는 다이오드 사이에, 다이오드 사이의 투명한 도전체 층 상에, 뿐만 아니라 다이오드의 상부 표면 분획 상에 유전체 층 상에 놓이는 것인 구조체.
17. 제 16 항에 있어서, 유전체 층 상, 투명한 도전체 층 상, 및 다이오드 상의 양자점층을 더욱 포함하고, 제 1 렌즈는 양자점층 상에 형성되는 것인 구조체.
18. 제 14 항에 있어서, 제 1 렌즈는 제 1 굴절률을 가지고, 패널은 제 1 렌즈 상에 제조되는 제 2 렌즈를 더욱 포함하고, 여기서 제 2 렌즈는 제 1 렌즈 상에 증착된 제 2 렌즈 재료로 제조된 후 경화되고, 제 2 렌즈의 하부 표면은 제 1 렌즈의 상부 표면과 정합하고, 제 2 렌즈는 제 1 굴절률보다 낮은 제 2 굴절률을 가지는 것인 구조체.
19. 제 14 항에 있어서, 제 1 렌즈는 가시광에 투명한 제 1 입자를 포함하고, 제 1 입자는 10 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지고, 여기서 제 1 투명한 입자는 제 1 굴절률을 가지는 제 1 바인더 내에 있고, 제 1 투명한 입자는 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 가지는 것인 구조체.
20. 제 19 항에 있어서, 제 1 입자는 300 nm 보다 작은 평균 직경을 가지는 구조체.
21. 제 19 항에 있어서,
제 1 렌즈 상에 제조된 제 2 렌즈로서, 제 2 렌즈는 제 1 렌즈 상에 증착된 제 2 렌즈 재료로 제조된 후 경화되고, 제 2 렌즈의 하부 표면은 제 1 렌즈의 상부 표면과 정합하고, 제 2 렌즈는 제 2 굴절률보다 낮은 제 3 굴절률을 가지는 것인 제 2 렌즈를 더욱 포함하는 구조체.
22. 제 21 항에 있어서, 제 2 렌즈는 제 2 바인더 내에서 가시광에 투명한 제 2 입자를 포함하고, 제 2 입자는 대략 제 3 굴절률을 갖고, 제 2 바인더도 대략 제 3 굴절률을 가지는 것인 구조체.
DIELECTRIC WETTING OFF TOPS OF SILICON MICROSPHERES IN PV PANEL TO INSULATE ANODE AND CATHODE CONDUCTORS (애노드 및 캐쏘드 도전체를 절연하기 위한 PV 패널 내에서 실리콘 마이크로구의 상부를 습윤 제거하는 유전체) 도 6 및 7. Mark M. Lowenthal, Tricia A. Youngbull, Lixin Zheng.
1. 대기압에서 기판 상에 복수의 반도체 입자를 증착하는 단계로서, 입자는 전기를 생성하기 위해 태양에 노출되기 위한 상부 표면 분획 및 하부 표면 분획을 가지는 것인 단계;
하부 표면 분획을 전기적으로 접촉한 제 1 도전체를 제공하는 단계로서, 하부 표면 분획은 제 1 도전성 형을 가지는 단계;
제 1 도전체 상에, 그리고 입자의 상부 표면 분획 상에 유전체 층을 증착하는 단계;
입자의 가장자리를 따라 당기기 위해 모세관 활동에 의해 상부 표면 분획에서 실질적으로 모든 유전체 층을 윅킹(wicking) 제거하는 단계;
대기압에서 상부 표면 분획 상에 제 1 층 재료를 증착하는 단계로서, 제 1 층 재료는 제 2 도전성 형의 도펀트를 함유하는 것인 단계;
제 1 층의 재료를 가열하여 제 2 도전체 형의 도펀트로 상부 표면 분획을 도핑하는 단계;
대기압에서 제 1 층의 재료를 제거하는 단계; 및
상부 표면 분획에 전기적으로 접촉된 유전체 층 상에 제 2 도전체를 증착하는 단계를 포함하는 태양 전지 구조체를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 층의 재료를 가열하여 제 2 도전성 형의 도펀트로 상부 표면 분획을 도핑하는 단계는 레이저를 사용하여 제 1 층의 재료를 가열하는 단계를 포함하는 것인 방법.
ETCHING SILICON DIODES IN PV PANEL TO EXPOSE THEIR INNER CORE FOR CONDUCTOR CONTACT (도전체 접촉을 위해 내부 코어를 노출하기 위한 PV 패널 내에서 실리콘 다이오드의 에칭). 도 17 내지 20. Tricia A. Youngbull, Theodore I. Kamins.
1. 태양광을 전기로 전환하기 위해 개조된 기판 상에 복수의 다이오드를 증착하는 단계로서, 다이오드는 태양에 노출되기 위한 상부 표면 분획 및 하부 표면 분획을 가지고, 복수의 다이오드를 증착하기 전에, 다이오드는 제 1 도전성 형을 갖는 코어 분획 및 또 다른 도전성 형을 갖는 외부 쉘을 가지는 것인 단계;
다이오드의 상부 표면 분획을 에칭하여 외부 쉘의 분획을 제거하여 코어 분획을 노출하는 단계;
하부 표면 분획에서 외부 쉘에 전기적으로 접촉된 제 1 도전체를 제공하는 단계;
적어도 다이오드 주변에 제 1 도전체 상에 유전체 층을 증착하는 단계; 및
노출된 코어 분획에 전기적으로 접촉된 제 2 도전체를 증착하는 단계
를 포함하는 태양 전지 구조체를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지는 것인 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 기판 상에 증착되기 전에 n+-형 외부 쉘 및 p-형 또는 진성 코어를 가지는 것인 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 기판 상에 증착되기 전에 p-형 외부 쉘 및 n-형 또는 진성 코어를 가지는 것인 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 기판 상에 증착되기 전에 p+-형 외부 쉘 및 p-형 또는 진성 코어를 가지는 것인 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 기판 상에 증착되기 전에 n+-형 외부 쉘 및 n-형 또는 진성 코어를 가지는 것인 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 다이오드가 증착된 후에 외부 쉘 또는 코어를 도핑하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 제 1 도전체는 복수의 다이오드를 증착하기 전에 기판 상에 제조된 금속층이고, 다이오드의 하부 표면 분획은 금속층에 전기적으로 접촉하는 것인 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 제 1 도전체는 복수의 다이오드를 증착한 후 기판 상에 제조된 금속층인 것인 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 제 2 도전체는 노출된 코어 분획 상에 증착된 투명한 도전체 층인 것인 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 프린팅에 의해 증착되는 것인 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상부 표면 분획을 에칭하는 단계, 제 1 도전체를 제공하는 단계, 유전체 층을 증착하는 단계 및 제 2 도전체를 증착하는 단계는 다이오드의 마스킹 없이 수행되고, 대기압에서 수행되는 것인 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 실질적으로 구형이고, 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지는 것인 방법.
14. 제 1 항에 있어서, 기판은 제 1 도전체인 금속층을 포함하는 것인 방법.
15. 제 1 항에 있어서, 다이오드는 기판 상에 증착되기 전에 n+-형 외부 쉘 및 p-형 코어를 갖고, 방법은
코어 분획을 노출하기 위해 다이오드의 상부 표면 분획을 에칭한 후에 다이오드 상으로 알루미늄-함유층을 증착하는 단계;
알루미늄-함유층을 가열하여 노출된 코어 분획을 추가로 p+-도핑하는 단계; 및
알루미늄-함유층을 에칭하여 다이오드의 상부 표면 분획을 노출하여 제 1 도전체를 제조하는 단계
를 추가로 포함하는 것인 방법.
16. 제 1 항에 있어서, 다이오드의 상부 표면 분획 상에 액체 렌즈 재료를 증착하는 단계 및 렌즈 재료를 경화하여 다이오드의 상부 표면 분획에 정합하는 하부 표면을 갖는 렌즈를 제조하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
17. 태양광을 전기로 전환하기 위해 개조된 기판 상에 복수의 다이오드로서, 다이오드는 태양에 노출되기 위한 상부 표면 분획 및 하부 표면 분획을 가지고, 다이오드는 제 1 도전성 형을 갖는 코어 분획 및 또 다른 도전성 형을 갖는 외부 쉘을 갖는 다이오드;
코어 분획을 노출시키기 위해 외부 쉘의 일 부분을 제거하기 위해 에칭되는 다이오드의 상부 표면 분획;
하부 표면 분획에서 외부 쉘에 전기적으로 접촉된 제 1 도전체 층;
적어도 다이오드 주변에서 제 1 도전체 상에 유전체 층; 및
노출된 코어 분획을 전기적으로 접촉하는 유전체 층 상에 제 2 도전체 층
을 포함하는 태양 전지 구조체.
18. 제 17 항에 있어서, 다이오드는 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지는 것인 구조체.
19. 제 17 항에 있어서, 다이오드는 n+-형 외부 쉘 및 p-형 코어를 가지는 것인 구조체.
20. 제 17 항에 있어서, 다이오드는 p-형 외부 쉘 및 n-형 또는 진성 코어를 가지는 것인 구조체.
21. 제 17 항에 있어서, 다이오드는 p+-형 외부 쉘 및 p-형 또는 진성 코어를 가지는 것인 구조체.
22. 제 17 항에 있어서, 다이오드는 n+-형 외부 쉘 및 n-형 또는 진성 코어를 가지는 것인 구조체.
23. 제 17 항에 있어서, 제 1 도전체는 기판 상에 제조된 금속층이고, 다이오드는 금속층 내에 부분적으로 박힌 것인 구조체.
24. 제 17 항에 있어서, 제 2 도전체 층은 노출된 코어 분획 상에 증착된 투명한 도전체 층인 것인 구조체.
25. 제 17 항에 있어서, 다이오드의 상부 표면 분획 상에 렌즈를 더욱 포함하고, 렌즈는 액체로서 증착되고 경화되어 렌즈가 다이오드의 상부 표면 분획에 정합하는 하부 표면을 갖게 하는 것인 구조체.
DEPOSITING SEMICONDUCTOR SPHERES IN AN UNCURED ALUMINUM-CONTAINING LAYER TO FORM A SUBSTANTIALLY CLOSED PACKED MONOLAYER OF SPHERES (구의 실질적으로 조밀 단층을 제조하기 위해 미경화된 알루미늄-함유층에서 반도체 구의 증착). 도 3 내지 10. Mark M. Lowenthal, Edward W. Kahrs, Vera N. Lockett, William J. Ray, Howard Nelson, Tricia A. Youngbull.
1. 실질적으로 평평한 기판을 제공하는 단계;
기판 상에 알루미늄-함유층을 증착하는 단계로서, 알루미늄-함유층은 미경화되는 단계;
미경화된 알루미늄-함유층 상에 복수의 반도체 입자를 증착하여 입자는 알루미늄-함유층에 부분적으로 박히고, 입자는 전기를 생성하기 위해 태양에 노출되기 위한 상부 표면 분획을 가지고, 하부 표면 분획을 가지는 것인 단계;
알루미늄-함유층을 가열하여 적어도 부분적으로 알루미늄-함유층을 소결하는 단계로서, 하부 표면 분획은 제 1 도전성 형이고, 알루미늄-함유층은 하부 표면 분획을 전기적으로 접촉한 도전체이고, 반도체 입자는 알루미늄-함유층 상에 단층을 형성하는 단계;
알루미늄-함유층의 노출된 분획 상에 유전체 층을 증착하는 단계; 및
상부 표면 분획을 전기적으로 접촉한 유전체 층 상에 도전체를 증착하는 단계로서, 상부 표면 분획은 제 2 도전체 형인 단계
를 포함하고,
적어도 유전체 층 상에 도전체를 증착하는 단계 이후에, 반도체 입자는 태양광을 전기로 전환하기 위해 개조된 복수의 다이오드인 것인 태양 전지 구조체를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 복수의 반도체 입자는 코팅 방법을 사용하여 미경화 알루미늄-함유층 상에 단층으로 조립되는 것인 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 반도체 입자의 상부 표면 분획을 제자리에서 도핑하여 다이오드를 생성하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상부 표면 분획은 n-형 도펀트로 도핑되는 것인 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 반도체 입자는 미경화 알루미늄-함유층 상에 초기에 증착된 경우 p-형인 것인 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상부 표면 분획 상에 인층을 증착하는 단계 및 인층을 가열하여 상부 표면 분획으로 n-형 도펀트를 확산하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 유전체 층 상에 도전체를 증착하기 전에 인층을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 알루미늄-함유층을 가열하는 것은 p-형 도펀트를 반도체 입자의 하부 표면 분획으로 확산하는 것인 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 반도체 입자는 제 1 도전성 형인 코어 분획 및 제 2 도전성 형인 외부 쉘을 가지는 다이오드인 것인 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 도전체를 증착하기 전에 코어 분획을 노출하기 위해 반도체 입자의 상부 표면을 에칭하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 도전체는 코어 분획과 접촉하는 것인 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 반도체 입자는 제 2 도전성 형인 코어 분획 및 제 1 도전성 형인 외부 쉘을 가지는 다이오드인 것인 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 도전체를 증착하기 전에 코어 분획을 노출하기 위해 반도체 입자의 상부 표면을 에칭하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 도전체는 코어 분획과 접촉하는 것인 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 도전체는 투명한 도전체인 것인 방법.
14. 제 1 항에 있어서, 반도체 입자는 실질적으로 구형이고, 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지는 것인 방법.
15. 제 1 항에 있어서, 기판은 유전체인 것인 방법.
16. 제 1 항에 있어서, 기판은 전기적으로 도전성인 것인 방법.
17. 실질적으로 평평평한 기판;
기판 상에서 알루미늄-함유층으로, 알루미늄-함유층은 증착시 미경화된 알루미늄-함유층;
미경화된 알루미늄-함유층 내에 부분적으로 박힌 복수의 반도체 입자로서, 입자는 전기를 생성하기 위해 태양에 노출되기 위한 상부 표면 분획을 가지고, 하부 표면 분획을 가지고, 상기 알루미늄-함유층은 가열되어 알루미늄-함유층을 적어도 부분적으로 소결하고, 하부 표면 분획은 제 1 도전성 형이고, 알루미늄-함유층은 하부 표면 분획에 전기적으로 접촉된 도전체인 반도체 입자;
알루미늄-함유층의 노출된 분획 상에 유전체 층; 및
상부 표면 분획에 전기적으로 접촉된 유전체 층 상에 도전체로서, 상기 상부 표면 분획은 제 2 도전체 형인 도전체를 포함하고,
반도체 입자는 태양광을 전기로 전환하기 위해 개조된 복수의 다이오드인 것인 태양 전지 구조체.
18. 제 17 항에 있어서, 복수의 반도체 입자는 알루미늄-함유층 상에 단층으로 조립되는 것인 구조체.
19. 제 17 항에 있어서, 상부 표면 분획은 n-형 도펀트로 도핑되고 하부 표면 분획은 p-형인 것인 구조체.
20. 제 17 항에 있어서, 반도체 입자는 제 2 도전성 형인 코어 분획 및 제 1 도전성 형인 외부 쉘을 갖는 다이오드인 것인 구조체.
21. 제 17 항에 있어서, 반도체 입자는 실질적으로 구형이고, 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지는 것인 구조체.
22. 제 17 항에 있어서, 기판은 유전체인 것인 구조체.
23. 제 17 항에 있어서, 기판은 도전성인 것인 구조체.
LOW TEMPERATURE BACK SURFACE FIELD FORMATION IN SILICON MICROSPHERES IN A PV PANEL (PV 패널에서 실리콘 마이크로구에서 저온 후방면 필드 제조). 도 3 내지 6. Tricia A. Youngbull, Theodore I. Kamins, Vera N. Lockett, Matthew Gess.
실질적으로 평평한 기판을 제공하는 단계;
기판 상에 알루미늄-함유 층을 증착하는 단계로서, 상기 알루미늄-함유층은 미경화된 단계;
미경화된 알루미늄-함유층 상에 복수의 반도체 입자를 증착하여 입자는 알루미늄-함유층 내에 부분적으로 박히고, 입자는 전기를 생성하기 위해 태양에 노출되기 위한 상부 표면 분획을 가지고, 하부 표면 분획을 가지는 것인 단계;
알루미늄-함유층을 가열하여 후방 표면 필드를 생성하기 위해 하부 표면 분획으로 p-형 도펀트를 확산시키는 단계로서, 알루미늄-함유층은 하부 표면 분획에 전기적으로 접촉하는 도전체이고, 반도체 입자는 알루미늄-함유층 상에 단층을 형성하는 것인 단계;
알루미늄-함유층의 노출된 분획 상에 유전체 층을 증착하는 단계; 및
상부 표면 분획을 전기적으로 접촉하는 유전체 층 상에 도전체를 증착하는 단계로서, 상부 표면 분획은 제 2 도전체 형인 단계
를 포함하고,
적어도 유전체 층 상에 도전체를 증착하는 단계 후에, 반도체 입자가 태양광을 전기로 전환하기 위해 개조된 복수의 다이오드인 것인 태양 전지 구조체를 제조하는 방법.
DEPOSIT DOPING LAYER OVER SEMICONDUCTOR SPHERES IN A PV PANEL AND DIFFUSING DOPANTS USING LASER ANNEALING (PV 패널 내에서 반도체 구 상에 도핑 층의 증착 및 레이저 어닐링을 사용한 도펀트의 확산). 도 8 내지 10. Tricia A. Youngbull, Richard A. Blanchard, Theodore I. Kamins, William J. Ray.
1. 대기압에서 기판 상에 복수의 반도체 입자를 증착하는 단계로서, 입자는 전기를 생성하기 위해 태양으로부터 노출되기 위한 상부 표면 분획을 가지고 하부 표면 분획을 가지는 단계;
하부 표면 분획과 전기적으로 연결된 제 1 도전체를 제공하는 단계로서, 하부 표면 분획은 제 1 도전성 형을 갖는 단계;
제 1 도전체 상에 유전체 층을 증착하는 단계;
대기압에서 상부 표면 분획 상에 제 1 층의 재료를 증착하는 단계로서, 제 1 층의 재료는 제 2 도전성 형의 도펀트를 함유하는 것인 단계;
제 1 층의 재료를 가열하여 제 2 도전성 형의 도펀트로 상부 표면 분획을 도핑하는 단계;
대기압에서 제 1 층의 재료를 제거하는 단계; 및
상부 표면 분획을 전기적으로 접촉하는 유전체 층 상에 제 2 도전체를 증착하는 단계
를 포함하는 태양 전지 구조체의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 층의 재료는 인을 포함하고, 제 2 도전성 형의 도펀트는 n-형 도펀트인 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 제 1 도전체는 금속층인 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 제 1 도전체를 제공하는 단계는 기판 상에 알루미늄-함유층을 증착하는 단계로서, 알루미늄-함유층은 미경화되는 것인 단계를 포함하고, 및
복수의 반도체 입자를 증착하는 단계는,
미경화된 알루미늄-함유층 상에 복수의 반도체 입자를 증착하여 입자는 알루미늄-함유층 내에 부분적으로 박히는 단계; 및
알루미늄-함유층을 가열하여 알루미늄-함유층을 적어도 부분적으로 소결하고 하부 표면 분획을 p-형 도펀트로 도핑하는 단계를 포함하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 제 1 도전체는 금속층이고, 복수의 반도체 입자는 프린팅 방법을 사용하여 금속층 상에 단층으로 조립되는 것인 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 반도체 입자는 기판 상에 초기에 증착된 경우 p-형이고, 제 1 층의 재료를 가열하는 단계는 n-형 도펀트와 상부 표면 분획을 도핑하여 반도체 입자를 다이오드로 전환하는 것인 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 제 2 도전체는 투명한 도전체인 것인 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 반도체 입자는 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지는 것인 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 기판은 유전체이고, 제 1 도전체는 기판 상에 금속층인 것인 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 기판은 실질적으로 평평하고, 제 1 도전체는 기판 상에 금속층이고, 반도체 입자는 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지고, 기판 상에 복수의 반도체 입자를 증착하는 단계는 금속층 상에 반도체 입자를 프린팅하는 단계를 포함하는 것인 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 반도체 입자는 금속층 상에 무작위적으로 위치되는 것인 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 복수의 반도체 입자를 증착시키는 단계, 제 1 도전체를 제공하는 단계, 제 1 층을 증착하는 단계, 및 제 2 도전체를 증착하는 단계는 모두 프린팅에 의해 수행되는 것인 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 방법에는 마스킹 스텝이 포함되지 않는 것인 방법.
14. 제 1 항에 있어서, 제 1 도전체 상에 유전체 층을 증착하는 단계는 또한 입자의 상부 표면 분획 상에 유전체 층을 증착하는 단계 및 입자의 가장자리를 따라 당겨지도록 모세관 활동에 의해 상부 표면 분획을 실질적으로 모든 유전체 층으로부터 윅킹(wicking) 제거하는 단계를 포함하는 것인 방법.
15. 제 1 항에 있어서, 제 1 층의 재료를 가열하여 제 2 도전성 형의 도펀트로 상부 표면 분획을 도핑하는 단계는 레이저를 사용하여 제 1 층의 재료를 가열하는 단계를 포함하는 것인 방법.
16. 기판;
기판 상에 복수의 반도체 입자로서, 입자는 전기를 생성하기 위해 태양에 노출되기 위한 상부 표면 분획을 가지고, 하부 표면 분획을 가지고, 입자는 입자의 상부 표면 분획을 가진 제 1 도전성 형이 제자리에서 도핑되어 제 2 도전성 형이 되고, 상부 표면 분획은 그 위에 도핑층을 가지지 않는 것인 반도체 입자;
하부 표면 분획을 전기적으로 접촉하는 제 1 도전체로서, 하부 표면 분획은 제 1 도전성 형을 가지는 제 1 도전체;
제 1 도전체 상에 유전체 층; 및
상부 표면 분획을 전기적으로 접촉하는 유전체 층 상에 제 2 도전체
를 포함하고,
반도체 입자가 태양광을 전기로 전환하기 위해 개조된 복수의 다이오드인 것인 태양 전지 구조체.
17. 제 16 항에 있어서, 제 1 도전체는 금속층이고, 반도체 입자는 금속층 위에 단층으로 조립되는 것인 구조체.
18. 제 16 항에 있어서, 상부 표면 분획은 n-형 도펀트로 도핑되고, 하부 표면 분획은 p-형인 것인 구조체.
19. 제 16 항에 있어서, 반도체 입자는 실질적으로 구형이고, 300 마이크론 보다 작은 평균 직경을 가지는 것인 구조체.
20. 제 16 항에 있어서, 제 2 도전체는 투명한 도전체인 것인 구조체.
21. 제 16 항에 있어서, 기판은 유전체이고, 제 1 도전체는 기판 상에 금속층인 것인 구조체.
WICKING DIELECTRIC LAYER OFF TOPS OF SEMICONDUCTOR SPHERES AND DOPING EXPOSED SPHERES IN PV PANEL (반도체 구의 상부에서 유전체의 윅킹 제거 및 PV 패널 내에 노출된 구의 도핑). 도 6 내지 10. Tricia A. Youngbull, Theodore I. Kamins, Richard A. Blanchard.
1. 대기압에서 기판 상에 복수의 반도체 입자를 증착하는 단계로서, 입자는 전기를 생성하기 위해 태양에 노출되기 위한 상부 표면 분획을 가지고, 하부 표면 분획을 가지는 것인 단계;
하부 표면 분획에 전기적으로 접촉된 제 1 도전체를 제공하는 단계로서, 하부 표면 분획은 제 1 도전성 형을 가지는 것인 단계;
제 1 도전체 상에, 그리고 입자의 상부 표면 분획 상에 유전체 층을 증착하는 단계;
입자의 가장자리를 따라 당기기 위해 모세관 활동에 의해 입자의 상부 표면 분획에서 실질적으로 모든 유전체 층을 윅킹(wicking) 제거하는 단계;
대기압에서 상부 표면 분획 위에 제 1 층의 재료를 증착하는 단계로, 여기서 제 1 층의 재료는 제 2 도전성 형의 도펀트를 함유하는 것인 단계;
제 1 층의 재료를 가열하여 제 2 도전성 형의 도펀트로 상부 표면 분획을 도핑하는 단계;
대기압에서 제 1 층의 재료를 제거하는 단계; 및
상부 표면 분획에 전기적으로 접촉하는 유전체 층 상에 제 2 도전체를 증착하는 단계를 포함하는 태양 전지 구조체를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 층의 재료를 가열하여 제 2 도전성 형의 도펀트로 상부 표면 분획을 도핑하는 단계는 레이저를 사용한 제 1 층의 재료를 가열하는 단계를 포함하는 방법.

Claims (32)

  1. 태양광을 전기로 전환하도록 개조된 기판(10) 상의 하나 이상의 다이오드(26)로, 상기 다이오드는 태양에 노출되기 위한 제 1 표면 분획을 가지고, 상기 다이오드는 제 1 굴절률을 가지는 제 1 재료로 제조되는 외부 표면을 가지는 것인 다이오드;
    제 1 표면 분획 위에 놓이는 제 1 렌즈층(54)으로, 상기 제 1 렌즈층은 제 1 바인더 재료 내에 투명한 제 1 입자(56)을 포함하고, 제 1 입자는 300 nm보다 작은 제 1 평균 직경을 가지고, 상기 제 1 입자는 제 1 굴절률보다 작은 제 2 굴절률을 가지고, 제 2 굴절률은 제 1 바인더 재료의 굴절률보다 커서, 제 1 렌즈층의 굴절률이 제 1 굴절률보다 작은 것인 제 1 렌즈층; 및
    제 1 렌즈층 위에 놓이는 제 2 렌즈층(58)으로, 상기 제 2 렌즈층은 제 3 바인더 재료 내에 투명한 제 2 입자(60)를 포함하고, 제 2 입자는 1 마이크론보다 큰 제 2 평균 입자를 가지고, 제 2 입자는 제 2 굴절률보다 작은 제 3 굴절률을 가지고, 제 3 굴절률은 제 2 바인더 재료의 굴절률과 대략 동일하고, 제 2 입자는 제 2 바인더 재료보다 더 단단하여 마찰 저항성 및 습기에 대한 저항성을 제공하는 것인 제 2 렌즈층
    을 포함하는 태양 전지 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 입자(56)는 50 내지 300 nm 사이의 평균 직경을 가지는 것인 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 입자(56)는 1.7 이상의 굴절률을 가지는 것인 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 입자(56)는 도핑되어 1.7 내지 2.4 사이의 굴절률을 가지는 것인 구조체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    제 1 입자(56)는 1.7보다 작은 굴절률을 가지는 제 1 중합체 내에 주입되는 것인 구조체.
  6. 제 3 항에 있어서,
    제 2 입자(60)는 1.43 이하의 굴절률을 가지는 것인 구조체.
  7. 제 3 항에 있어서,
    제 2 입자(60)는 제 2 입자의 굴절률과 대략 동일한 굴절률을 가지는 제 2 중합체 내에 주입되는 것인 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제 2 렌즈층(58)은 대략 반구형 렌즈를 형성하는 것인 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상이한 굴절률을 가져 더 미세한 그레이디드(graded) 렌즈를 생성하여 반사를 더 줄인 하나 이상의 추가적인 렌즈층을 더 포함하는 것인 구조체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    제 1 입자(56) 및 제 2 입자(60)는 도핑된 유리 입자인 것인 구조체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    제 1 표면 분획 상에 증착된 양자점층(50)을 더욱 포함하는 구조체로서, 상기 양자점층은 태양광의 UV 파장을 발산된 가시광으로 전환시키고, 하나 이상의 다이오드(26)는 발산된 가시광 파장을 전기로 전환시키고, 제 1 렌즈층 및 제 2 렌즈층은 양자점층 상에 제조되는 것인 구조체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 다이오드(26)는 기판(10) 상에 복수의 실리콘 구를 포함하고, 상기 다이오드는 제 1 도전성 형의 상부 표면 및 제 2 도전성 형의 하부 표면을 가지고, 제 1 렌즈층(54) 및 제 2 렌즈층(58)은 다이오드의 상부 표면 상에 증착되는 것인 구조체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    제 1 렌즈층(54)은 다이오드(26)의 제 1 표면 분획의 윤곽(contour)에 정합하고, 제 2 렌즈층(60)은 제 1 렌즈층의 상부 표면에 정합하는 것인 구조체.
  14. 태양광을 전기로 전환하도록 개조된 기판(10) 상에 하나 이상의 다이오드(26)로, 상기 다이오드는 태양에 노출되기 위한 제 1 표면 분획을 가지고, 상기 다이오드는 제 1 굴절률을 갖는 제 1 재료로 제조되는 외부 표면을 가지는 것인 다이오드; 및
    제 1 표면 분획 위에 놓인 단일 렌즈층으로, 상기 렌즈층은 300 nm보다 작은 제 1 평균 직경을 갖는 투명한 제 1 입자(56)를 포함하고, 입자는 제 1 굴절률보다 작은 제 2 굴절률을 가지고, 상기 렌즈층은 제 2 굴절률보다 작은 제 3 굴절률을 갖는 바인더 재료를 더욱 포함하고, 상기 바인더 재료는 제 1 입자를 함유하고, 상기 제 1 입자는 제 1 표면 분획으로부터 더욱 먼 제 1 입자의 밀도와 비교되어 다이오드의 제 1 표면 분획에 근접한 더욱 높은 밀도를 가져 상기 렌즈가 제 1 표면 분획으로부터 더욱 먼 굴절률보다 높은 제 1 표면 분획에 근접한 굴절률을 갖게 하고, 상기 렌즈층은 다이오드의 제 1 표면 분획의 윤곽에 정합하는 것인 렌즈층
    을 포함하는 태양 전지 구조체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    입자(56)는 50 내지 300 nm의 평균 직경을 가지는 것인 구조체.


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