KR20110026109A - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명은 제1도전형의 반도체 기판 표면 상에 텍스쳐링을 포함한 마이크로 구조물을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 표면에 다수의 나노 구조물을 형성하는 단계, 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 상기 반도체 기판 전면에 주입하여 에미터층을 형성하는 단계, 상기 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계, 상기 반사방지막의 일부 영역을 관통하여 상기 에미터층에 연결되도록 전면전극을 형성하는 단계 및 상기 전면전극이 형성된 면과 반대면인 상기 제1도전형 반도체 기판의 후면에 후면전극을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면 태양전지의 반도체 기판 상에 나노 구조물을 형성함으로써 우수한 광포집 특성을 갖는 효과가 있다.
태양전지, 태양광, 반사율, 텍스쳐링, 기판, 나노 구조물, 나노팁.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광의 파장영역에 관계없이 태양광의 반사율을 감소시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 광전자(photon)를 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, '태양전지'라 한다)를 일컫는다.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(101)와 n형 반도체(102)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형(101) 및 n형 반도체(102) 중 전자는 n형 반도체(102) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(101) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(101) 및 p형 반도체(102)와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하게 되고, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
이러한 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 태양전지에서 활성층에 도달하는 광전자(photon)의 수를 최대화하고, 전지표면의 반사에 의한 손실을 최소화하는 것은 매우 중요하다.
실리콘(Si)의 경우, 태양전지의 전면부에서의 반사율을 감소시키고, 태양전지 내에서의 빛의 통과 길이를 길게 함으로써 태양전지 내부로 빛이 흡수되도록 하여 효율을 향상시키고자 텍스처링(texturing) 공정을 거치게 된다. 한편, 기판 상에 반사방지막을 형성시켜 반사율을 감소시키는 방법도 있다.
종래 기술에 의하면, 경면 연마처리(polishing)된 기판 표면은 입사되는 태양빛의 30% 내지 50% 정도를 반사시키고, 표면을 피라미드 형태로 텍스처링 시키면 입사되는 태양 빛의 10% 내지 20% 정도를 반사하게 되어 반사율이 현저하게 줄어든다. 또한, 반사방지막을 증착시키면 반사율을 약 5% 내지 10%까지 감소시킬 수 있 다고 알려져 있다.
그러나, 반사율은 태양광의 주요 흡수 파장대역인 500nm 내지 1000nm에서 관찰된 평균값으로서, 태양광의 단파장 영역인 300nm에서 400nm에서는 비교적 높은 반사도를 가지며, 반사방지막의 증착 이후에야 상대적으로 낮은 반사도를 갖게 된다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 태양광의 모든 파장영역에서 균일하게 낮은 반사율을 갖는 기판 표면을 형성하는 노력이 관련 분야에서 꾸준히 이루어져 왔으며, 이와 같은 기술적 배경하에서 본 발명이 안출된 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 태양광의 모든 파장영역에서 균일하게 낮은 반사율을 갖는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1도전형의 반도체 기판 표면 상에 텍스쳐링을 포함한 마이크로 구조물을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 표면에 다수의 나노 구조물을 형성하는 단계, 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 상기 반도체 기판 전면에 주입하여 에미터층을 형성하는 단계, 상기 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계, 상기 반사방지막의 일부 영역을 관통하여 상기 에미터층에 연결되도록 전면전극을 형성하는 단계 및 상기 전면전극이 형성된 면과 반대면인 상기 제1도전형 반도체 기판의 후면에 후면전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 나노 구조물 형성 단계는 심도 반응성 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching, DRIE) 공정을 이용하여 나노팁(nanotips)을 형성하는 것일 수 있다. 특히, 상기 나노 구조물 형성 단계는 심도 반응성 이온 식각 공정을 2회 연속 실시하여 실리콘 나노팁을 형성하는 것일 수 있다.
상기 나노 구조물 형성 단계는, 상기 반도체 기판의 전면에 감광성막을 형성 하기 위하여 감광성막을 도포하는 단계, 자외선을 상기 감광성막에 선택적으로 노광시켜서 상기 감광성막을 일정한 형상으로 성형하는 단계 및 증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 반도체 기판의 일면에 나노팁을 형성하기 위한 제1차 심도 반응성 이온 식각을 수행하는 제1차 심도 반응성 이온 식각 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 나노 구조물 형성 단계는, 상기 감광성막을 제거하기 위한 감광성막 제거 단계 및 증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 반도체 기판의 일면에 나노팁을 형성하기 위한 제2차 심도 반응성 이온 식각을 수행하는 제2차 심도 반응성 이온 식각 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노 구조물은 실리콘 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1차 심도 반응성 이온 식각 공정은 상기 반도체 기판에 물결무늬의 스캘럽을 형성하는 것일 수 있다.
상기 제2차 심도 반응성 이온 식각 공정은 상기 반도체 기판에 나노팁을 형성하는 것일 수 있다.
상기 증착가스는 C4F8 가스를 포함하는 것일 수 있다.
상기 식각가스는 SF6 가스를 포함하는 것일 수 있다.
상기 반사방지막은 실리콘나이트라이드를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 반사방지막은 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposion, PECVD)에 의해 형성될 수 있다.
상기 전면전극 및 후면전극은 인쇄법(Printing)에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면 태양전지의 반도체 기판 상에 나노 구조물을 형성함으로써 우수한 광포집 특성을 갖는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 태양광의 모든 파장 영역에서 균일하게 낮은 반사율을 갖는 장점이 있으며, 궁극적으로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 표면(212)에 텍스처링(texturing)이 수행된 반도체 기판(210)이 도시되어 있다. 텍스처링 공정은 반도체 기판(210) 표면을 식각처리하는 방식으로 수행된다. 본 발명의 일 실시예에서 텍스처링된 표면(212)은 피라미드 모 양 또는 정사각형의 벌집모양으로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 반도체 기판(210) 표면에 다수의 나노 구조물(220)이 형성된 모습이 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서 나노 구조물(220)은 실리콘 물질로 형성될 수 있다.
본 발명에서 나노 구조물(220)을 형성하는 공정은 심도 반응성 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching, DRIE) 공정을 이용하여 나노팁(nanotips)을 형성하는 공정으로 진행된다.
본 발명에서는 패턴화된 실리콘 나노팁을 제작하기 위해 사진공정, 막 도포 공정, 심도 반응성 이온 식각공정 등 기본적인 반도체 제조공정 기술들을 근간으로 하여 진행된다. 심도 반응성 이온 식각공정은 일명 보쉬(Bosch) 공정이라고 불리며 C4F8 가스와 같은 증착가스에 의한 보호용 폴리머 증착과 SF6 가스와 같은 식각가스에 의한 폴리머 및 실리콘 식각을 반복적으로 수행하여 실리콘을 수직방향으로 식각할 수 있는 공정이다. 이 공정의 결과로 측벽에 미세 물결무늬의 스캘럽이 형성된다. 나노팁과 나노벽은 심도 반응성 이온 식각공정을 통해 측벽에 증착된 폴리머막이 식각방지 역할을 하여 생성되며 공정 결과로 표면에 스캘럽이 형성된다.
본 발명에서는 심도 반응성 이온 식각 공정을 2회 연속 실시하여 실리콘 나노팁을 형성할 수 있다. 그 구체적인 과정은 다음과 같다.
나노팁의 제작방법은 감광성막 도포 단계, 감광성막 성형 단계, 제1차 심도 반응성 이온 식각 단계, 감광성막 제거 단계, 제2차 심도 반응성 이온 식각 단계를 포함한다.
감광성막 도포 단계는 반도체 기판(210)의 전면에 감광성막을 도포하는 단계이다. 감광성막 도포 단계에 의하여 반도체 기판(210)의 일면에 감광성막이 형성된다.
감광성막 성형단계는 감광성막이 일정한 형상으로 성형 되도록 감광성막에 자외선, X-선 또는 전자빔을 선택적으로 노광시켜 원하는 패턴으로 형성하는 사진공정 과정이다. 감광성막 성형단계에 의하여 감광성막은 일정한 형상의 감광성막으로 성형된다.
제1차 심도 반응성 이온 식각 단계는 반도체 기판(210)에 나노팁을 형성하기 위하여 심도 반응성 이온으로 반도체 기판(210)을 식각하여 스캘럽을 형성하는 단계이다. 예를 들어, 반도체 기판(210)의 일면에 SF6 등과 같은 식각가스를 분사하여 RF(Radio Frequency) 전원을 인가하면 SF6의 식각가스가 플라즈마 상태로 전이되어 반도체 기판(210)이 식각된다. 반도체 기판(210)이 식각된 후 C4F8 등과 같은 증착가스를 분사하여 RF 전원을 인가하면 반도체 기판(210)의 식각부에 보호용 폴리머층이 증착된다. 식각부에 다시 식각가스를 분사하여 RF 전원을 인가하면 식각부의 바닥면의 보호용 폴리머층은 제거되어 반도체 기판(210)은 다시 식각된다. 이상의 과정을 반복해서 수행하면 반도체 기판(210)에는 깊이 방향으로 물결무늬의 스캘럽이 형성된다.
감광성막 제거단계는 반도체 기판(210)의 일면에 잔존된 감광성막을 제거하 는 단계이다. 식각가스가 계속해서 분사되어 플라즈마 이온화되면 감광성막도 식각된다. 감광성막 제거단계는 미처 식각되지 못하여 잔존한 감광성막을 제거하는 과정이다.
제2차 심도 반응성 이온 식각 단계는 감광성막이 제거된 반도체 기판(210)에 심도 반응성 이온 식각 과정을 반복해서 수행한다. 제2차 심도 반응성 이온 식각 단계에 의하여 반도체 기판(210)에 식각 및 증착과정이 되풀이되면 나노팁이 형성된다.
도 4를 참조하면, 제1도전형의 반도체 기판(210) 전면에 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 주입하여 에미터층(230)을 형성하여 p-n 접합을 형성한다.
에미터층(230) 상에 반사방지막(240)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서 반사방지막(240)은 실리콘나이트라이드를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 반사방지막(240)은 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposion, PECVD)에 의해 형성될 수 있다.
다음, 반사방지막(240)의 일부 영역을 관통하여 에미터층(230)에 연결되도록 전면전극(250)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서 전면전극(250)은 인쇄법(Printing)에 의해 형성될 수 있다.
전면전극(250)이 형성된 면과 반대면인 제1도전형 반도체 기판(210)의 후면에 후면전극(260)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서 후면전극(260)은 인쇄법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에서 전면전극(250)을 형성하는 단계와, 후면전극(260)을 형성하는 단계는 그 순서를 바꾸어도 무방하다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 도시한 개략도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
210 반도체 기판 220 나노 구조물
230 에미터층 240 반사방지막
250 전면 전극 260 후면 전극
Claims (14)
- 제1도전형의 반도체 기판 표면 상에 텍스쳐링을 포함한 마이크로 구조물을 형성하는 단계;상기 반도체 기판 표면에 다수의 나노 구조물을 형성하는 단계;상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 상기 반도체 기판 전면에 주입하여 에미터층을 형성하는 단계;상기 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계;상기 반사방지막의 일부 영역을 관통하여 상기 에미터층에 연결되도록 전면전극을 형성하는 단계; 및상기 전면전극이 형성된 면과 반대면인 상기 제1도전형 반도체 기판의 후면에 후면전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노 구조물 형성 단계는 심도 반응성 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching, DRIE) 공정을 이용하여 나노팁(nanotips)을 형성하는 것임을 특징으로 태양전지의 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 나노 구조물 형성 단계는 심도 반응성 이온 식각 공정을 2회 연속 실시하여 실리콘 나노팁을 형성하는 것임을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 나노 구조물 형성 단계는,상기 반도체 기판의 전면에 감광성막을 형성하기 위하여 감광성막을 도포하는 단계;자외선을 상기 감광성막에 선택적으로 노광시켜서 상기 감광성막을 일정한 형상으로 성형하는 단계; 및증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 반도체 기판의 일면에 나노팁을 형성하기 위한 제1차 심도 반응성 이온 식각을 수행하는 제1차 심도 반응성 이온 식각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 나노 구조물 형성 단계는,상기 감광성막을 제거하기 위한 감광성막 제거 단계; 및증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 반도체 기판의 일면에 나노팁을 형성 하기 위한 제2차 심도 반응성 이온 식각을 수행하는 제2차 심도 반응성 이온 식각 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노 구조물은 실리콘 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 제1차 심도 반응성 이온 식각 공정은 상기 반도체 기판에 물결무늬의 스캘럽을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 제2차 심도 반응성 이온 식각 공정은 상기 반도체 기판에 나노팁을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 증착가스는 C4F8 가스를 포함하는 것임을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 식각가스는 SF6 가스를 포함하는 것임을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 반사방지막은 실리콘나이트라이드를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 반사방지막은 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposion, PECVD)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 전면전극 및 후면전극은 인쇄법(Printing)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법을 이용하여 제조된 태양전지.
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