KR101539907B1 - 패턴화된 태양전지용 유리기판 제조방법 및 이를 이용한 박막태양전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 패턴화된 태양전지용 유리기판 식각방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 태양전지용 유리기판 식각방법은 불산을 포함하는 식각 용액으로 유리 기판을 식각하는 식각단계; 및 상기 식각단계에서 생성된 부산물을 염산을 포함하는 세척액으로 세척하는 세척단계를 포함할 수 있다.

Description

패턴화된 태양전지용 유리기판 제조방법 및 이를 이용한 박막태양전지{METHOD OF GLASS SUBSTRATE FOR SOLAR CELL PATTERNED AND THIN SOLAR CELL USING THE SAME}

본 발명은 간단한 공정으로 패턴층을 형성할 수 있는 태양전지용 유리기판의 제조방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 유리기판을 포함한 박막태양전지에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들의 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염이 없어 특히 주목 받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있다. 하지만, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, 태양전지라 한다)를 일컫는다.

태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조를 갖는다. 이러한 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 음전하를 띤 전자와 이 전자가 빠져나가 양전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과라 하는데 태양전지를 구성하는 p형과 n형 반도체 중 전자는 n형 반도체 방향으로, 정공은 p형 반도체 방향으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체 및 p형 반도체와 접합된 전극으로 이동하게 되고, 이 전극들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.

이러한 태양전지에 사용되는 유리기판의 상부에 형성된 패턴에 따라 태양전지의 단락전류밀도가 달라진다. 단락전류밀도를 향상시키기 위한 많은 연구가 제시되어 왔는데, 대표적으로 유리기판 상에 건식식각을 이용하여 구조체를 형성하거나, 임프린팅 방식으로 패턴을 형성시키는 방법이 사용되었다. 하지만 이러한 방법은 태양전지의 제작에 있어서 공정이 복잡하고 가격적인 면에서 경제적이지 못하다는 문제점이 있었다.

또한, 가격을 절감하기 위한 기존의 태양전지용 유리기판 제조방법으로는 양극 알루미늄 산화법을 이용하여 유리기판상에 패턴을 형성하는 방법인데, 이러한 유리기판을 제조하기 위해서는 유리기판의 양쪽에 알루미늄 시트와 전해질을 준비하여 전압등을 가하는 것이기 때문에 관련 조건을 확보하기 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명은 태양전지용 유리기판에 있어서, 유리기판 상에 패턴형성 공정을 단순하게 하는 태양전지용 유리기판 제조방법을 제공하고, 상기 유리기판을 이용한 박막태양전지를 제공함을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 태양전지용 유리기판 식각방법은 식각단계 및 세척단계를 포함할 수 있다.

상기 식각단계는 불산을 포함하는 식각 용액으로 유리 기판을 식각하는 단계일 수 있다. 유리 기판을 불산을 포함하는 식각 용액으로 식각할 수 있다면, 식각 방법은 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 식각용액은, 상기 불산 100중량부에 대해, 상기 염산이 300중량부 이상일 수 있다.

일 실시예에 있어서 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 태양전지용 유리기판 식각방법은 마스크생성단계를 더 포함할 수 있다.

상기 마스크생성단계는 상기 유리기판을 폴리머 입자가 포함된 용액에 담군 뒤 건조시켜 폴리머 입자 마스크를 생성할 수 있는 단계이다. 일 예로, 상기 마스크 생성단계에서는 상기 유리기판을 상기 용액에 담금으로서 상기 유리기판 표면에 상기 폴리머 입자가 흡착되고, 상기 유리기판을 상기 용액으로부터 분리시켜 상기 복수의 폴리머 입자가 상기 유리기판에 흡착되어 있는 상태에서 상기 유리기판을 건조시킴으로서 복수의 폴리머 입자 마스크를 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 폴리머 입자는 상기 유리기판 상에 형성되어야 하는 패턴의 크기 및 형상에 따라 크기 및 종류가 서로 다를 수 있다.

상기 세척단계는 염산을 포함하는 세척액으로 세척하는 단계일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 세척액은 염산과 함께 초순수(Deionized Water), 불산(HF) 및 아세트산(CH₃COOH) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 일 예로, 상기 염산, 상기 초순수, 상기 불산 및 상기 아세트산을 모두 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 식각단계 및 상기 식각단계에 의해 상기 유리 기판 상의 부산물이 제거될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 부산물은 SiH₆, SiHF₄, SiF₆등 일 수 있으며, 식각단계에서 생성되는 부산물이라면 그 제한은 없다.

일 실시예에 있어서, 상기 식각단계 및 상기 식각단계에 의해 상기 유리 기판 표면의 거칠기(Roughness)가 감소할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막태양전지는 본 발명의 실시예에 따른 유리기판을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 박막태양전지는 상기 유리기판 상에 투명전극층이 증착된 유리기판을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 투명전극층은 산화아연(ZnO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO), 갈륨이 도핑된 산화아연(GZO), 붕소가 도핑된 산화아연(BZO), 산화인듐주석(ITO : Indium Tin Oxide), 산화인듐갈륨아연(IGZO) 또는 지르코늄이 포함된 산화인듐주석(ITO:Zr) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만, 투명전극층으로서 사용될 수 있다면 위의 실시예에 제한되지 않고 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 태양전지용 유리기판 제조방법은 간단한 공정만으로 유리기판 상에 패턴을 형성할 수 있어, 기존의 광전환효율이 좋은 투명전극용 태양전지에 사용되는 유리기판의 제조공정이 단순화되고 그 제조비용이 저렴하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 유리기판을 포함하는 박막 태양전지는 기존의 태양전지와 동일하거나 그 이상의 광전환효율을 지닌다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유리기판의 상기 식각액에 포함된 염산의 함유 농도에 따른 표면의 부산물 제거정도를 촬영한 도면이다.
도 2는 실시예와 비교예의 유리기판 기판의 흡광도를 측정한 그래프를 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 있어서, 세척액에 포함된 염산의 농도에 따른 유리기판의 투과율을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들에 대해서만 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명에 따른 실시예 및 비교예에 따른 유리기판을 아래와 같이 제조하였다.

<실시예>

우선 용기 내에 초순수(Deionized Water) 및 이소프로필알콜(Isopropyl Alcohol)을 혼합용액과 유리기판을 준비하였고, 상기 혼합용액에 사이즈가 각각 다른 1.2㎛ 및 1.8㎛ 크기의 폴리머를 섞었다. 상기 폴리머는 폴리사이언스사의 폴리스티렌(polystyrene)으로 실리카 마이크로스피어(Silica Microspheres)를 사용하였다. 상기 유리기판을 폴리머가 섞인 혼합용액에 담근 다음 꺼내어 유리기판 표면에 폴리머 입자들이 흡착되도록 하였다. 상기 유리기판을 25℃의 온도를 유지한 건조기에서 건조시켜 유리기판 상에 폴리머 입자 마스크를 형성하였다. 그 뒤, 불산 및 염산을 혼합한 식각용액에 상기 유리기판을 담그어 유리기판 상에 폴리머 입자 마스크가 형성되지 않은 유리부분을 식각하여 제거하였다. 이 경우, 상기 식각용액의 불산 농도는 전체 조성물의 중량 대비 10wt%, 염산 농도는 각각 10wt%, 20wt%, 30wt%로 하였다. 식각이 완료된 유리기판을 세척하기 위해 염산(HCl) 및 초순수를 1:50비율로 혼합한 세척용액을 제조하였다. 그 뒤, 상기 유리기판을 상기 세척용액을 사용하여 5분동안 세척함으로서 유리기판을 염산으로 2차 처리 하였다. 마지막으로 유리기판을 아세톤, 이소프로필알콜 및 증류수의 클리닝액으로 클리닝함으로서 패턴화된 유리기판을 제조하였다.

<비교예1>

비교예 1은 실시예와 비교하여 불산만 포함하고 염산을 포함하지 않은 식각용액을 사용하여 유리기판을 식각하여 제조한 유리기판이다. 비교예 1에서 나머지 구성은 실시예와 동일한 바, 이에 대한 중복설명은 생략한다.

<비교예2 내지 비교예 4>

비교예 2는 세척용액으로 아세톤, 메탄올 및 초순수를 혼합한 기존의 세척용액을 사용하여 상기 유리기판을 세척한 표준 세척 공정을 사용하여 유리기판을 제조한 것이다. 비교예 2에서 나머지 구성은 실시예와 동일한 바, 이에 대한 중복설명은 생략한다.

비교예 3은 세척용액으로 질산 및 초순수를 1:50의 비율로 혼합한 혼합용액을 사용하여 유리기판을 세척하여 제조되었다. 비교예 3에서 나머지 구성은 실시예와 동일한 바, 이에 대한 중복설명은 생략한다.

비교예 4는 세척용액으로 아세트산 및 초순수를 1:50의 비율로 혼합한 혼합용액을 사용하여 유리기판을 세척하여 제조되었다. 비교예 4에서 나머지 구성은 실시예와 동일한 바, 이에 대한 중복설명은 생략한다.

<비교예1과 실시예의 염산농도에 따른 유리기판 표면비교>

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유리기판의 상기 식각액에 포함된 염산의 함유 농도에 따른 표면의 부산물 제거정도를 촬영한 도면이다. 도면에서 HCl 0%는 염산을 함유하지 않은 식각용액을 사용한 비교예를 의미하고, HCl 10%, 20%, 30%는 각각 실시예에 있어서 염산의 농도를 의미한다.

도 1을 참조하면, 비교예 1의 경우와 같이 염산을 포함하지 않은 식각용액을 사용하여 유리기판을 식각한 경우, 유리기판 표면이 균일하지 못하고 울퉁불퉁하여 표면의 거칠기가 큰 것을 확인할 수 있다. 그리고 실시예에서 염산의 농도가 10wt% 또는 20wt%인 경우의 식각액으로 유리기판을 식각한 경우, 비교예 1에 비해서는 표면의 균일도가 향상되었으나, 여전히 표면이 울퉁불퉁하여 표면이 거칠기가 큰 것을 확인할 수 있다. 실시예에서 염산의 농도가 30wt%인 경우의 식각액으로 유리기판을 식각한 경우는 기판 표면의 울퉁불퉁함은 없이 전체적으로 표면의 균일도가 향상된 것을 확인할 수 있었다. 즉, 염산이 30wt% 이상 포함된 식각액으로 기판을 세척한 경우는 다른 경우에 비해 기판 표면의 균일도가 향상되어 있음을 확인할 수 있다. 유리기판 표면이 울퉁불퉁한 이유는 유리기판의 식각단계에서 사용한 실시예의 식각용액에 포함된 불산이 유리기판 표면에서 유리의 Si원자와 반응하여 부산물로서 SiH₆, SiHF_4, SiF₆를 형성하고, 이러한 부산물들이 유리기판의 표면에 흡착되어 있기 때문인 것으로 추정된다. 부산물이 형성된 유리기판을 염산을 포함한 식각액으로 식각하여 식각 용액에 포함된 염산과 부산물간의 1차 반응을 유도하고, 실시예의 염산을 포함한 세척액으로 세척함으로서 세척 용액에 포함된 염산과 부산물간의 2차 반응을 유도하여 부산물들이 염산과 2번의 반응을 통해 효과적으로 제거되어 유리기판 표면의 균일도가 향상되고 표면의 거칠기가 줄어든 것으로 판단된다.

<실시예와 비교예2 내지 4의 흡광도 비교>

도 2는 염산 및 다른 물질을 포함한 세척액(비교예 2 내지 4)으로 기판을 세척한 경우, 기판의 흡광도를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 실시예의 유리기판의 흡광도가 비교예 2 및 비교예 3의 유리기판의 흡광도에 비해 낮게 측정되었음을 확인할 수 있었다. 특히, 비교예 2의 흡광도가 비교예 3의 흡광도에 비해 낮은 것으로 보아 산이 포함된 세척액을 사용하여 세척한 경우가 무조건적으로 표준 세척액을 사용하여 세척한 경우보다 좋다고 볼 수 없다는 것을 확인하였다. 즉, 실시예의 유리기판의 경우 흡광도가 비교예들에 비해 낮게 측정되었음을 확인할 수 있었다. 부산물이 적게 흡착된 유리기판일수록 흡광도가 낮게 측정되기 때문에, 흡광도의 비교를 통해 실시예의 유리기판 표면에 형성된 부산물이 비교예 2 내지 3의 유리기판 표면에 형성된 부산물에 비해 적음을 확인할 수 있었다. 또한, 그래프상으로는 비교예 4와 실시예의 흡광도가 큰 차이가 없어 보이나, 실제 부산물 함량을 측정한 결과 비교예 4의 유리기판에 비해 실시예의 유리기판의 경우 부산물 함량이 작게 측정되었다.

<실시예와 비교예의 투과율 비교>

도 3은 세척액으로 유리기판을 세척할 경우, 세척액에 포함된 염산의 함유량에 따른 유리기판의 투과율을 나타낸 그래프이다.

도 3을 참조하면, 염산의 함유량이 높은 세척액을 사용하여 유리기판을 세척한 경우, 파장이 300 내지 500nm인 단파장 영역 구간에서 쉬프트가 발생하였다. 이는 식각용액에 들어있는 염산량의 증가에 따른 것으로, 자세히 살펴보면 산을 함유하지 않은 세척액을 사용하여 유리기판을 세척한 경우에 비해 투과율이 높음을 확인할 수 있다.

Claims (9)

1. 불산 및 염산을 포함하는 식각 용액으로 유리 기판을 식각하는 식각단계;
   상기 유리 기판을 염산을 포함하는 세척액으로 세척하는 세척단계; 및
   상기 유리기판을 폴리머 입자를 포함하는 용액에 담군 뒤 건조시켜 폴리머 입자 마스크를 생성하는 마스크생성단계를 포함하는,
   유리기판 식각방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유리 기판 상에 부산물이 생성되고,
   상기 부산물은 SiF₆, SiH₆, SiHF₅ 중 어느 하나 이상을 포함하며,
   상기 유리 기판 상의 부산물이 제거되는,
   유리기판 식각방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 유리 기판 표면의 거칠기(Roughness)가 감소하는,
   유리기판 식각방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 식각용액은,
   상기 불산 100중량부에 대해, 상기 염산이 300중량부 이상인,
   유리기판 식각방법.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 세척액은 불산(HF) 및 아세트산(CH₃COOH) 중 어느 하나 이상을 더 포함하는,
   유리기판 식각방법.
7. 제1항 내지 제4항 및 제6항 중 어느 하나의 항에 따른 유리기판을 포함하는,
   박막태양전지.
8. 제7항에 있어서,
   상기 유리기판 상에 투명전극층을 증착시킨,
   박막태양전지.
9. 제8항에 있어서,
   상기 투명전극층은 산화아연(ZnO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO), 갈륨이 도핑된 산화아연(GZO), 붕소가 도핑된 산화아연(BZO), 산화인듐주석(ITO : Indium Tin Oxide), 산화인듐갈륨아연(IGZO) 또는 지르코늄이 포함된 산화인듐주석(ITO:Zr) 중 어느 하나 이상을 포함하는,
   박막태양전지.
   

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