KR20230091637A - 디자인이 형성된 건물 적용 실리콘 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 자체에 디자인이 형성된 실리콘 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명은 실리콘 웨이퍼를 포함하는 실리콘 태양전지로서, 상기 실리콘 웨이퍼의 표면은 반사 특성이 서로 다른 2개 이상의 영역으로 구분되며, 외부에서 반사 특성이 서로 다른 영역이 구분되는 것을 통해서 태양전지 자체에 디자인이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 태양전지의 표면에 외부에서 무늬와 같은 디자인으로 보일 수 있도록 표면처리를 수행함으로써, 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈의 미감을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 태양전지의 제조과정에서 실리콘 웨이퍼에 대하여 반사 특성에서 차이가 있는 2개 이상의 영역을 형성하기 때문에, 외부에 설치된 필름 등에 의해서 태양전지의 발전 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

디자인이 형성된 건물 적용 실리콘 태양전지 및 그 제조방법{DESIGNED SILICON PHOTOVOLTAICS FOR BUILDING APPLICATION AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 건물 등에 적용되는 실리콘 태양전지와 그 제조방법에 대한 것으로서, 더욱 자세하게는 태양전지의 미관을 향상시킬 수 있도록 디자인이 형성된 실리콘 태양전지와 그 제조방법에 대한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명이 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 P-N 접합 다이오드(P-N junction diode)로 이루어져 있으며, 광전효과로 발전하는 소자이다. 광전 효과란 물체가 가지는 밴드갭 이상의 에너지를 받으면 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 전자가 여기 되며 전자-정공 쌍이 발생하게 되는 것을 이야기 하며, 전자-정공 쌍이 P-N 접합 계면의 전계로 인해 분리가 되어 전극으로 수집되며 전류가 흐른다.
이와 같이, 태양전지를 이용한 태양광 발전(PV)은 에너지 부문이 탄소 중립을 달성하는 방향으로 전환함에 따라 많은 국가에서 기존 화석 연료를 대체할 수 있는 혁신적이고 비용 효율적인 재생 에너지원이다. 태양전지를 이용한 태양광 발전은 복수의 태양전지 셀을 묶어서 모듈화한 태양전지모듈을 적용하고 있다. 태양전지 모듈은 다수의 태양전지모듈을 설치한 태양광 발전부지에 시작하여, 다양한 건물의 지붕에 태양전지모듈을 설치하는 형태도 나타나고 있으며, 건물에 일체형으로 태양전지모듈을 설치하는 건물 통합 PV(BIPV, Building Integrated Photovoltaic)와 수상, 농업 및 모바일 PV 시스템을 포함한 방향으로 다양하게 발전하고 있다.
정리하면, 종래에는 일상생활과는 멀리 떨어진 별도의 공간에 복수의 태양전지모듈을 설치하는 형태였다면, 점차 일상생활과 가까운 공간에 태양전지모듈이 설치되는 경향이 증가하고 있다. 다만, 태양전지의 경우에는 태양광의 흡수율을 높이기 위한 결과로 외부에 볼 때에 흑색으로 보이며, 다수의 태양전지가 포함된 태양전지모듈이 생활환경 주변에 설치된 경우에 태양전지모듈의 외관에 대한 문제가 지적되고 있다. 특히, BIPV의 경우에는 태양전지가 건물의 외관 및 내부 환경에도 영향을 미치기 때문에 태양전지의 외관에 의한 문제가 심하며, BIPV가 적용된 건물들은 특색을 살리기 어려운 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 태양광 패널을 가려주는 광학스크린을 이용하는 기술(대한민국 등록특허 10-2276479)과 태양전지모듈의 외부를 보호하는 유리판에 글자나 그림과 같은 장식부가 형성된 기술(대한민국 공개특허 10-2009-0102912)이 개발되었다. 광학스크린의 경우는 태양전지모듈의 효율 저하를 줄이기 위해서 구조가 매우 복잡하고, 방향에 따라서 태양전지모듈의 일부가 보이는 문제가 있다. 장식부를 형성하는 기술은 태양전지의 근본적인 외관을 변경하는 것이 아니라서 효과가 미미하며, 외관을 변경하는 효과를 높이기 위하여 장식부를 진하게 구성하는 경우에는 태양전지모듈의 발전효율을 저해시키는 문제가 있어서, 태양전지모듈의 후면에만 사용하기 때문에 건물의 외관에는 영향을 미치지 못하는 단점이 있다.
대한민국 등록특허 10-2276479 대한민국 공개특허 10-2009-0102912
본 발명은 태양전지의 미관을 향상시킬 수 있도록 디자인이 형성된 실리콘 태양전지와 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 아래와 같은 구성으로 이루어지는 실리콘 태양전지를 제공한다.
실리콘 웨이퍼를 포함하는 실리콘 태양전지로서, 상기 실리콘 웨이퍼의 표면은 반사 특성이 서로 다른 2개 이상의 영역으로 구분되며, 외부에서 반사 특성이 서로 다른 영역이 구분되는 것을 통해서 태양전지 자체에 디자인이 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
제1영역과 제2영역은 표면처리에 의해 형성된 나노 구조물에 의해서 반사 특성에서 차이가 있는 것이 바람직하다.
이때, 표면처리는 RIE, 산 식각 및 나노임프린트 중에 하나 이상의 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 의한 실리콘 태양전지의 제조방법은, 실리콘 웨이퍼를 포함하는 실리콘 태양전지를 제조하는 방법으로서, 실리콘 웨이퍼의 표면에 디자인 형성을 위한 표면처리를 수행하는 표면처리 공정을 포함하며, 상기 표면처리 공정은, 실리콘 웨이퍼의 표면이 2개 이상의 영역으로 구분되도록 표면처리를 수행하되, 각각의 영역이 반사 특성에서 차이가 있도록 범위를 나눠서 표면처리하는 것을 특징으로 한다.
표면처리가 RIE, 산 식각 및 나노임프린트 중에 하나 이상의 방식으로 수행될 수 있다.
이때, RIE를 이용한 표면처리는 실리콘 웨이퍼 상부에 패턴이 형성된 마스크를 설치한 상태로 수행되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 태양전지의 표면에 외부에서 특정 디자인으로 보일 수 있도록 하기 위한 표면처리를 수행함으로써, 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈의 미감을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 태양전지의 제조과정에서 실리콘 웨이퍼에 대하여 반사 특성에서 차이가 있는 2개 이상의 영역을 형성하기 때문에, 외부에 설치된 필름 등에 의해서 태양전지의 발전 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 단면과 평면에 대한 모식도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 통해 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 태양전지의 제조방법은, 디자인을 위한 표면처리를 수행하는 것을 제외하면, 실리콘 태양전지를 제조하는 구체적인 공정들이 본 발명의 특징을 해치지 않는 범위에서 제한 없이 적용할 수 있다.
구체적으로, 실리콘 웨이퍼를 이용한 태양전지는 도펀트의 종류와 적층 순서 및 구성에 따라서 다양한 태양전지로 구분할 수 있으며, 본 발명은 실리콘 웨이퍼에 애하여 표면처리를 통해서 디자인을 형성하는 것을 제외하면 종래의 다양한 태양전지 제조방법이 모두 적용될 수 있다.
본 발명에서 실리콘 웨이퍼의 표면에 대하여 수행되는 디자인을 위한 표면처리는, 실리콘 웨이퍼의 표면이 2개 이상의 영역으로 구분되도록 표면처리를 수행하며, 각각의 영역은 표면의 반사 특성에서 차이가 있도록 표면처리되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 2개 이상의 영역은, 표면처리된 영역과 표면처리되지 않은 영역으로 나뉠 수도 있고, 서로 다른 표면처리 방법을 적용하여 표면처리된 영역들로 나뉠 수도 있으며, 동일한 표면처리 방법을 적용하되 표면처리 공정 조건이나 횟수 등의 차이에 의해서 구분될 수도 있다.
또한 실리콘 웨이퍼에 대한 표면처리는 실리콘 웨이퍼의 표면에 나노구조물을 형성하는 것이 바람직하며, 대표적인 예로서는, RIE 공정과 같은 건식공정과 산 식각(acid etching)과 같은 용액공정 및 나노임프린트(nano-imprint)와 같은 물리공정이 가능하다.
상기한 표면처리를 수행한 실리콘 웨이퍼의 표면과 표면처리되지 않는 실리콘 웨이퍼의 표면은 서로 다른 반사특성을 나타내고, 외부에서 봤을 때에 2개 영역이 명확하게 구분된다. 또한, 표면처리를 수행한 공정이 서로 다르거나, 동일한 공정을 다른 조건으로 수행한 경우에도, 각 영역은 서로 다른 반사특성을 나타내기 때문에, 외부에서 봤을 때에 각 영역이 명확하게 구분된다.
본 발명은, 상기한 표면처리의 차이에 의해 형성된 실리콘 웨이퍼 표면의 나노 구조들 사이에서 발생된 반사 특성의 차이를 이용하여 실리콘 태양전지의 표면에 자체적인 디자인이 형성되는 것을 특징으로 한다.
나아가 본 발명의 디자인 형성을 위한 표면처리는, 디자인 형성을 위하여 별도의 공정으로 추가될 수도 있지만, 일반적인 실리콘 태양전지의 제조과정에서 수행되는 다양한 표면처리 공정에서 표면이 2개 이상의 영역으로 구분되도록 표면처리를 수행하여 수행될 수도 있다. 예를 들면, 실리콘 태양전지의 표면 텍스처를 형성하는 과정에서 2개 이상의 영역으로 구분하여 서로 다른 표면 텍스처를 갖도록 표면처리를 수행하면, 이 과정은 표면 텍스처 형성 과정에서 본 발명에 따른 디자인을 위한 표면처리 과정이 함께 수행된 것으로 볼 수 있다. 다른 방법으로는 표면 텍스처링이 수행된 실리콘 웨이퍼에 대하여 텍스처링된 표면 중에 일부분에만 추가적인 표면처리를 수행하는 형태로 디자인을 위한 표면처리를 수행하는 것도 가능하다.
이에 따른 본 발명의 실리콘 태양전지는 표면의 반사특성이 다른 2개 이상의 영역으로 구분되기 때문에, 반사특성이 가장 뛰어난 상태로 통일되지 못한 점에서 태양전지의 발전 효율이 조금 낮아질 수는 있다. 하지만, 실리콘 웨이퍼에 형성된 나노구조에 의한 반사특성의 차이를 부가한 것에 불과하기 때문에, 모듈의 일부 또는 모듈의 외부에 장식을 위한 필름 등을 부가한 것에 비하여 발전 효율의 저하는 극히 적으면서도, 태양전지의 외부에서는 디자인이나 글씨 등이 형성되어 미감이 크게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 단면과 평면에 대한 모식도이다.
본 발명의 실리콘 태양전지 제조방법은, 실리콘 웨이퍼의 표면이 2개 이상의 영역으로 구분되도록 표면처리를 수행하되, 각각의 영역은 표면의 반사 특성에서 차이가 있도록 표면처리되는 것을 특징으로 한다. 상기한 것과 같은 디자인을 위한 표면처리를 수행하는 것을 제외한 다른 공정은 일반적인 실리콘 태양전지의 제조방법이 적용될 수 있으므로 자세한 설명을 생략하며, 디자인을 위한 표면처리를 위주로 설명한다.
본 발명의 실리콘 태양전지 제조방법은 실리콘 웨이퍼(100)의 표면에 디자인 형성을 위한 표면처리를 수행하며, 본 실시예는 RIE(Reactive Ion Etching) 공정을 통해서 수행된다. 이때, RIE 플라즈마 헤드(210)를 통해서 RIE 공정을 수행하는 것은 일반적인 RIE 공정과 같지만, 본 실시예는 도시된 것과 같이 마스크(220)를 이용하여 실리콘 웨이퍼(100)의 일부분에만 표면처리를 수행하는 점에 특징이 있다. 마스크(220)를 사용하기 때문에 RIE에 의한 표면처리가 실리콘 웨이퍼(100)의 전체 표면에 수행되지 않으며, 마스크(220)에 형성된 개구부의 위치에 대응되는 위치에만 RIE에 의한 표면처리가 수행됨으로써, RIE 표면처리가 수행된 제1영역(110)과 수행되지 않은 제2영역(120)으로 구분된다.
이때, RIE에 의한 표면처리가 수행되는 실리콘 웨이퍼(100)는 표면 텍스처링이 수행되지 않은 것일 수도 있고, 표면 텍스처링이 수행된 것일 수도 있다.
표면 텍스처링이 수행되지 않은 실리콘 웨이퍼인 경우, 제1영역(110)은 RIE 표면처리에 의해서 표면에 나노구조가 형성된 부분이고, 제2영역(120)은 표면처리되지 않은 실리콘 웨이퍼 상태이므로, 제1영역(110)과 제2영역(120)은 표면의 반사 특성에서 차이가 있다. 이러한 반사 특성의 차이로 인하여, 외부에 볼 때에는 제1영역(110)과 제2영역(120)이 구분되며, 태양전지의 표면에 장식 디자인이 형성된 것으로 보인다.
실리콘 웨이퍼가 표면 텍스처링이 수행되어 있는 경우라면, 제1영역(110)은 표면 텍스처링에 추가적으로 RIE 표면처리가 수행된 영역이고 제2영역(120)은 표면 텍스처링만 형성된 영역으로서 서로 반사특성에서 차이가 있다. 앞선 경우와 마찬가지로 제1영역(110)과 제2영역(120)이 갖는 반사 특성의 차이로 인하여, 외부에 볼 때에는 제1영역(110)과 제2영역(120)이 구분되며, 태양전지의 표면에 디자인이 형성된 것으로 보인다. 일반적인 실리콘 태양전지의 제조방법에 따르면, KOH를 이용하는 방법 등으로 표면 텍스처링을 수행한 실리콘 웨이퍼에 대하여 디자인 형성을 위한 표면처리를 수행하는 것이 바람직하다.
한편, 실리콘 태양전지는 최종적으로 표면에 SiNx 재질의 반사방지막(300)을 형성하는 것이 일반적이다. 이때, 반사방지막(300)은 제1영역(110)과 제2영역(120)의 반사 특성 차이에 영향을 미치지 못하기 때문에, 반사방지막(300)이 형성된 경우에도 태양전지의 표면에 형성된 제1영역과 제2영역은 분리되어 보이고, 태양전지의 표면에 디자인이 형성된 것으로 보이는 상태가 유지된다.
본 실시예에 따르면, 최종적으로 태양전지 자체에 디자인이 형성된 것으로 보이는 실리콘 태양전지를 제조할 수 있다.
이상 RIE 표면처리를 이용하여 디자인을 위한 표면처리를 수행하는 실시예에 대하여 설명하였으나, 앞서 설명한 것과 같이 이외에 다른 표면처리 공정을 이용하여 본 발명을 수행할 수도 있고, 나아가 서로 다른 2개 이상의 표면처리를 이용하는 것도 가능하다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 실리콘 웨이퍼
110: 제1영역
120: 제2영역
210: RIE 플라즈마 헤드
220: 마스크
300: 반사방지층

Claims (6)

  1. 실리콘 웨이퍼를 포함하는 건물 적용 실리콘 태양전지로서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 표면은 반사 특성이 서로 다른 2개 이상의 영역으로 구분되며,
    외부에서 반사 특성이 서로 다른 영역이 구분되는 것을 통해서 태양전지 자체에 디자인이 형성된 건물 적용 실리콘 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1영역과 제2영역은 표면처리에 의해 형성된 나노 구조물에 의해서 반사 특성에서 차이가 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    표면처리가 RIE, 산 식각 및 나노임프린트 중에 하나 이상의 방식으로 수행된 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  4. 실리콘 웨이퍼를 포함하는 건물 적용 실리콘 태양전지를 제조하는 방법으로서,
    실리콘 웨이퍼의 표면에 디자인 형성을 위한 표면처리를 수행하는 표면처리 공정을 포함하며,
    상기 표면처리 공정은, 실리콘 웨이퍼의 표면이 2개 이상의 영역으로 구분되도록 표면처리를 수행하되, 각각의 영역이 반사 특성에서 차이가 있도록 범위를 나눠서 표면처리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    표면처리가 RIE, 산 식각 및 나노임프린트 중에 하나 이상의 방식으로 수행된 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    RIE를 이용한 표면처리는 실리콘 웨이퍼 상부에 패턴이 형성된 마스크를 설치한 상태로 수행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
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