박막 태양전지 {Thin film solar cell }

본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 효율의 태양전지 제조가 가능한 박막 태양전지 제조 방법에 관한 것이다.

실리콘계 태양전지는 반도체의 상(phase)에 따라 세부적으로 단결정(single crystalline) 실리콘, 다결정(polycrystalline) 실리콘, 비정질(amorphous) 실리콘 태양전지로 분류된다.

또한, 태양전지는 반도체의 두께에 따라 벌크(기판)형 태양전지와 박막형 태양전지로 분류되는데, 박막형 태양전지는 반도체층의 두께가 수 10㎛ 내지 수 ㎛ 이하의 태양전지이다.

실리콘계 태양전지에서 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지는 벌크형에 속하며, 비정질 실리콘 태양전지는 박막형에 속한다.

이 중에서 단결정 실리콘 태양전지는 결정 인상에 의한 단결정 잉곳(ingot)을 와이어 톱(wire saw)에 의해 웨이퍼 형상으로 잘라내고, 100~200㎛ 두께의 웨이퍼로 가공하고, 이에 pn접합, 전극, 보호막 등을 형성하여 태양전지 셀(solar battery cell)로 하고 있다.

다결정 실리콘에서는, 결정 인상에 의하지 않고, 주형에 의해 용융 금속 규소를 결정화시킴으로써 다결정의 잉곳(ingot)을 제조하고, 이것을 단결정 실리콘 태양전지와 마찬가지로 와이어 톱(wire saw)에 의해 웨이퍼 형상으로 잘라내고, 마찬가지로 100~200㎛ 두께의 웨이퍼로 하고, 단결정 실리콘 기판과 마찬가지로 pn접합,전극, 보호막을 형성하여 태양전지 셀로 하고 있다.

비정질 실리콘 태양전지에서는, 예를 들면, 플라즈마 CVD법(Chemical Vapour Deposition method)에 의해, 실란 가스를 기상 중에서 방전에 의해 분해함으로써, 기판 상에 비정질의 수소화 규소막을 형성하고, 이것에 도핑 가스로서 디보란(diborane), 포스핀(phosphine) 등을 첨가하고 동시에 퇴적시킴으로써, pn접합과 성막공정을 동시에 행하고, 전극, 보호막을 형성하여 태양전지 셀로 하고 있다. 비정질 실리콘 태양전지에서는, 비정질 실리콘이 직접 천이형으로서 입사광을 흡수하기 때문에, 그 광흡수 계수는 단결정 및 다결정 실리콘의 그것에 비해 대략 1자리수 높음으로써, 비정질 실리콘층의 두께는 결정계의 태양전지에 비해 대략

100분의 1의 막 두께인 1㎛전후로 충분하다고 하는 이점이 있다. 최근, 태양전지의 생산량이 세계에서 연간 1기가와트(Giga Watt)를 넘어, 향후 더욱 생산량이 늘어나는 것을 생각하면, 자원을 유효하게 활용할 수 있는 박막의 비정질 실리콘 태양전지에 대한 기대는 크다.

그러나, 비정질 실리콘 태양전지의 제조에는, 원료에 실란(silane)이나 디실란(disilane) 등의 고순도의 가스 원료를 이용하는 것이나, 그 가스 원료의 유 효 이용률은 플라즈마 CVD(Chemical Vapour Deposition) 장치 내에서 기판 이외에 퇴적하는 것도 있는 것 등의 사정 때문에 결정계 태양전지에 필요한 막 두께와의 단순한비교로 자원의 유효 이용률을 결정할 수 없다. 또, 결정계 태양전지가 변환 효율에 있어서 15% 전후인데 대해, 비정질 실리콘 태양전지는 10% 전후이고, 또한, 광조사 하에 있어서의 출력 특성 열화의 문제가 여전히 남아 있다.

그래서, 결정계 실리콘 재료를 이용하여 박막 태양전지를 개발하는 시도가 다양하게 이루어지고 있다.

본 발명에서 실시되는 그래핀 (graphene)이란. 탄소화합물로써 그래파이트(graphite)가 판상구조를 가지는데 그래파이트 한겹을 그래핀이라 한다. 그래핀은 2차원 물질(높이가 없음)이고 탄소로만 이루어져있기 때문에 실리콘과는 전혀 무관하다.

그래핀(graphene)은 탄소원자가 서로 연결돼 벌집 모양의 평면 구조를 이루는 물질로 구조적화학적으로 안정돼있고 매우 뛰어난 전기적 성질을 갖는다. 그래핀(graphene)이 튜브형태로 말려 있으면 그래핀(graphene)과 함께 차세대 전자소자 소재로 주목받는 탄소나노튜브가 된다. 현재 반도체에서 사용되는 단결정 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자가 이동할 뿐만 아니라 구리보다 100배 많은 전류가 흐를 수 있어 기존 기술을 대체할 차세대 트랜지스터 및 전극 소재로 주목받아왔다.

본 발명은, 상기의 문제점과 그래핀(graphene) 소재의 특성 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 단결정 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지 및 박막형 태양전지에 있어서. 태양전지 반도체 n형층이 형성된 상에 그래핀(graphene)층을 층착하여 형성하고, 그 위에 태양전지 반도체 p형층을 형성하는 것으로, 태양전지 특성과 그래핀(graphene) 소재의 특성을 이용하여 높은 광 기전력 효과를 얻고 , 고 효율의 태양전지를 제공하자 한다

본 발명은 상기 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이러한 본 발명의 제조 방법은 (a)는 투명절연성 기판(100)준비 단계; (b)는 광반사 방직막(200)층을 형성하는 단계; (c) 투명전극(300)층 형성 단계; (d)는 상기 태양전지 반도체 n-type(400)층을 형성하는 단계; (e)는 그래핀(500)층을 증착하여 형성하는 단계; (f)는 태양전지 반도체 p-type(600)층 형성하는 단계; (g)는 후면 전극(700)을 형성하는 단계; (h)는 절연물질(800)로 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 태양전지 제조방법에 의한 (d) 반도체(n-type)층 위에, 그래핀 소재를 증착하는 것으로, 증착은 전자빔 또는 열증착에 의하여 이루어지며, 그랜핀 (graphene)소재는 단원자층의 물질로써 나노미터 단위로 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 증착한다. 상기 그래핀(graphene) 소재는 가시광선 구역에서 비교적 높 은 몰 흡광 계수(molar absorption coefficient)를 가지고 있고 강한 전자획득 능력을 갖고 있어 고효율의 태양전지를 제조 할 수 있다

본 발명은 태양전지 반도체(pn접합) 면에 그래핀(graphene)층을 형성하며,그래핀(graphene)소재는 특성을 태양전지에 적용한 것으로 고효율의 태양전지를 제조 할 수 있는 특징이 있다.

본 발명의 실시의 형태에 대해서 구체적으로 설명하지만 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.

도 1,2,3은 본 발명에 의한 실시예로서 박막 실리콘 태양전지의 제조 방법의 일례를 나타내는 공정도이다.

도 4는 그래핀(graphene) 소재 단원자층을 나타낸 것이다.

상기 (a)의 투명 절연성기판을 준비하고, 투명 절연성 기판에는 석역유리, 결정화유리, 봉규산유리, 소라다임유리등이 선택된다. 그 위에 (b)광 반사막층 형성한다. (c)는 투명전극층은 형성하는 단계로 투명전도성 물질 또는 금속성 물질이다.

여기서, 바람직하게는 상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상이다. 상기 금속성 물질은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상이다. (c) 단계에는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝된 전극을 형성하는 단계가 포함된다. 투명 전도성 물질을 형성하는 단계; 투명 전도성 물질위에 인쇄법을 이용하여 일정 거리 이격되게 포토레지스터(photoresister; PR) 또는 폴리머 띠를 도포하여 패턴을 이루는 단계 ; 상기 도포된 포토레지스터 또는 폴리머 패턴을 마스크로 사용하여 상기 전도성 물질을 에칭하는 단계; 및 상기 포토레지스터 또는 폴리머 패턴을 제거하는 단계; 를 포함한다.

(d)는 태양전지 반도체(n-type)층 형성하는 단계 이다.

(e)는 상기 (d)의 태양전지 반도체(n-type)층 위에, 그래핀(graphene) 소재를 증착하는 단계; 증착은 물리기상증착(Physical Vapor Deposition)과 화학기상증착(Chamical Vapor Deposition), 프라즈마 화학증착법(PACVD) 의하여 이루어지며 , 그랜핀(graphene) 소재는 단원자층의 물질로써 나노미터 단위로 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 증착한다. 상기 그래핀(graphene) 소재는 가시광선 구역에서 비교적 높은 몰 흡광 계수(molar absorption coefficient)를 가지고 있고 강한 전자획득 능력을 갖고 있다.

상기 (f)는 태양전지 반도체(p-type)층 형성하는 단계 이다.

상기 태양전지 반도체(n-type, p-type)층은 실리콘계 태양전지는 비정질 실리콘 단일접합 태양전지(amorphous silicon(a-Si:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘 다중접합 태양전지(a-Si:H/a-Si:H, a-Si:H/a-Si:H/a-Si:H multi-junction solar cell), 비정질 실리콘게르마늄 단일접합 태양전지(amorphous silicon-germanium(a-SiGe:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르마늄 이중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H double junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르S마늄/비정질 실리콘게르마늄 삼중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H triple junction solar cell), 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘(다결정 실리콘) 이중접합 태양전지(amorphous silicon/microcrystalline(poly) silicon double junction

solar cell), 및 프로토결정(protocrystalline) 실리콘 태양전지 중 어느 하나를 이용하는 것과 태양전지 반도체층 형성하는 방법을 특징으로 한다.

상기 (g)는 후면전극층 형성하는 단계로 후면전극층은 금속성 물질로서 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상이다.

상기 (g)는 후면 절연층을 형성하는 단계이다.

본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다, 그러므로 상기 단계적 공정에 있어서, 기판에 수소 이온 또는 가스 이온을 주입하는 공정과, 표면 활성화 처리를 하는 공정과, 기계적으로 박리 하는 공정과, 화성 스퍼터법 , 물리기상증착(Physical Vapor Deposition), 화학기상증착(Chamical Vapor Deposition), 프라즈마 화학증착법(PACVD)등에 의한 공정은 본 발명의 설명에서 생략 하였다. 상기 실시 형태는 단순한 예시이고, 본 발명의 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지고 동일한 작용 효과를 나타 내는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.

기존의 비정질 실리콘 태양전지는 10% 전후 효율을 나타내는 한계에 있으나 본 발명은 15% 이상의 효율을 기대할 수 있으며, 비교적 저렴한 박막 태양전지 제조 공정으로 고효율 태양전지를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 박막 태양전지 제조 공정 순서도.

도 2는 본 발명에 따른 박막 태양전지 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 박막 태양전지 제조 공정 순서도.

도 4는 그래핀 소재의 단원자층 구조도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

100: 투명기판 200: 반사방지막

300: 투명전극층 400: n-type 반도체

500: 그래핀(graphene)층 600: p-type 반도체

700: 후면전극층 800: 후면절연층