KR20130108541A - 투명 전극의 제조 방법, 태양광 전지의 제조 방법 및 어레이 - Google Patents
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Abstract
기판(10)상에 투명 전극(110)을 제조하기 위한 방법은 기판(101)의 제공 단계, 기판(101)상에 제1 투명 전기 전도성 층(111)의 증착 단계, 기판(101)으로부터 등돌린 방향의 전기 전도성층(111)의 표면(114)에 금속산화물층(115)의 증착 단계, 금속산화물층(115)을 열 분해에 의해 복수 개의 금속 입자들(112)로 분할하는 단계, 금속 입자들(112)상에 제2 투명 전기 전도성 층(113)을 증착하는 단계를 포함한다. 태양광 전지의 제조를 위해, 광활성 층 스택(120)은 제2 투명 전기 전도성 층(113)상에 증착된다. 이와 같이 제조된 태양광 전지는 금속 산화물로부터의 복수 개의 금속 입자들(112)을 포함한다.
Description
본 발명은 기판상에 투명 전극을 제조하기 위한 방법, 특히 태양광 전지용 기판상에 투명 전극을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 태양광 전지의 제조 방법에 관한 것이기도 하다. 또한 본 발명은 태양광 전지를 위한 어레이 및 태양광 전지를 포함한 어레이에 관한 것이기도 하다.
태양광에 포함된 에너지를 활용하기 위해, 무엇보다도 태양광 모듈이 사용되며, 이러한 모듈은 태양 모듈(solar module)이라고도 한다. 일반적으로, 태양광 모듈은 서로 전기적으로 결합된 복수 개의 태양광 전지들을 포함하며, 이러한 태양광 전지들은 구동 시 광전 효과에 의해 광 내에 포함된 복사 에너지를 적어도 부분적으로 전기 에너지로 변환한다.
태양광 전지는 하나 이상의 pn 접합을 포함한다. pn 접합은 각각 p형층과 n형층으로 구성된다. p층과 n층 사이에는 i층이 배치될 수 있고, 즉 실질적으로 진성인 층, 도핑되지 않거나 p층 및 n층에 비해 매우 낮게 도핑된 층이 배치될 수 있다. p층은 포지티브로 도핑된 층이고 n층은 네거티브로 도핑된 층이다.
태양광 전지는 예컨대 미소 결정 규소층, 비정질 규소층, 다결정 규소층 및/또는 다른 반도체를 포함한다. 반도체층의 전기 접촉을 위해 태양광 전지에는 투명한 전기 전도성층(TCO, transparent conductive oxide)이 사용된다.
이러한 접촉층의 표면이 구조화되어 거칠어짐으로써, 입사되는 태양광은 이러한 층에서 산란될 수 있고, 이로써 더 많은 비율의 복사 에너지가 전기 에너지로 변환될 수 있다. 따라서 태양광 전지의 효과가 증대된다.
투명 기판상에 투명 전극을 제조하기 위한 방법으로서, 태양광 전지의 양호한 효과를 구현하는 방법을 제공하는 것이 필요하다. 또한, 양호한 효과를 가진 태양광 전지를 구현할 수 있는 태양광 전지의 제조 방법을 제공하는 것이 필요하다. 또한, 태양광 전지의 양호한 효과를 구현하는 태양광 전지용 어레이를 제공하는 것이 필요하다. 또한 양호한 효과를 가진 태양광 전지를 포함하는 어레이를 제공하는 것이 필요하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판 상에 투명 전극의 제조 방법은 기판의 제공 단계를 포함한다. 제1 투명 전기 전도성층은 기판상에 증착된다. 금속산화물층은 기판으로부터 등돌린 방향의 전기전도성 층의 표면에 증착된다. 금속산화물층은 열 분해에 의해 복수 개의 금속 입자들로 분할된다. 금속 입자상에 제2 투명 전기 전도성층이 증착된다.
금속 입자를 함유한 투명 전극을 포함하는 이러한 기판은 특히, 박층- 또는 박막 태양광 전지를 위한 전면 전극을 포함하는 캐리어 기판으로서 사용될 수 있다. 이 경우, 태양광 전지의 광활성 층 스택의 p-, i-, n-층들은 이후에 제2 전기 전도성층상에 증착된다. 견지에 따르면, 기판은 투명하고 예컨대 유리로 구성된다. 다른 견지에 따르면, 기판은 불투명하고 예컨대 판금(sheet metal)으로 구성된다.
특히, 기판 상에 투명한 전극을 제조하기 위한 방법은 기판이 1.4 ㎡보다 크고, 특히 5.5 ㎡보다 크고, 예컨대 5.72 ㎡로 대면적일 때 적용될 수 있어서, 기판의 전체면에 걸쳐 금속 입자의 균일한 분포가 구현될 수 있다. 또한, 상기 방법에 의해, 대략적으로 동일한 크기의 금속 입자들이 기판의 전체면에 걸쳐 제조될 수 있다. 금속 입자의 평균적 크기는 낮은 편차만을 가진다. 또한, 상기 방법에 의해, 상대적으로 작은 금속 입자도 제조할 수 있고, 특히 복수 개의 금속 입자들은 150 ㎚ 미만의 평균 직경을 가질 수 있으며, 특히 100 ㎚ 미만, 예컨대 70 ㎚ 미만의 평균 직경을 가질 수 있다.
다른 견지에 따르면, 금속산화물층은 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착된다. 금속산화물층은 캐소드 분무(cathode atomization)(스퍼터링 증착)에 의해 증착되고, 이때 캐리어로서 금속이 사용됨으로써, 금속산화물층은 예컨대 은, 금 및/또는 백금을 함유한다.
다른 견지에 따르면, 금속산화물층을 복수 개의 금속 입자들로 분할하기 위한 열 분해 동안의 온도는 500℃이하이다. 특히 열 분해 온도는 200℃보다 크고, 특히 250℃보다 크다. 다른 실시예에 따르면 열 분해 온도는 300℃보다 크고 400℃이하이다. 다른 견지에 따르면 열 분해 온도는 450℃이하이고 예컨대 380℃이하이며 특히 350℃이하이다.
금속산화물층의 증착 동안, 다른 견지에 따르면 산소가 공급된다. 금속과 관련한 산소의 비율에 따라 금속산화물층의 밀도가 제어된다. 견지에 따르면, 금속과 관련한 산소의 비율에 의해 금속 입자의 크기가 제어될 수 있다. 따라서, 평균 직경이 100 ㎚이하인 금속 입자가 제조될 수 있다. 금속 입자의 크기는 특히 산소 대 금속의 비율에 의존한다. 금속 입자의 크기는 열 분해 온도에 종속적임으로써, 금속 산화물층은 금속 입자들로 분해된다.
다른 견지에 따르면, 열 분해 이후에, 제2투명 전기 전도성층이 증착되기 전에, 소위 어닐링 공정(영문:annealing)이 실시되고, 어닐링 공정에 의해 금속 입자의 크기가 더욱 조절될 수 있다. 금속 입자가 가열되고, 일정한 온도에서 유지되며 이후에 냉각된다. 이를 통해 미리 결정된 소정의 금속 입자의 특성이 달성된다. 금속산화물층의 재료 특성이 변경됨으로써, 금속 입자는 최초의 금속산화물층과 상이한 재료 특성을 가진다.
전극 내의 금속 입자에 의해, 구동 시 기판에 도달하여 기판을 통과하여 전극에 도달하는 광은 전극 내에서 흡수된다. 특히, 흡수는 금속 입자에서 이루어진다. 광이 금속 입자에 닿으면, 흡수에 의해 플라스몬(plasmon)이 형성된다. 입사된 광은 금속 입자들상에서 플라스몬을 여기시킨다.
플라스몬은 반도체, 금속 및 절연체에서 전하 캐리어의 양자화된 밀도 편차를 가리킨다. 플라스몬은 양이온에 대해 상대적으로 진동하는 전자로서 간주될 수 있다. 상기 전자는 예컨대 플라즈마 주파수로 진동한다. 플라스몬은 이러한 고유 주파수의 양자화이다.
견지에 따르면, 여기된 플라스몬은 구동 시 그 에너지를 다시 전극상에 배치된 광활성 층 스택에 전달한다. 이곳에서 에너지는 전기 에너지로 변환된다.
플라스몬과 광활성 층 스택 사이의 에너지 전달은 복수 개의 방식으로 가능하다. 예컨대, 플라스몬의 에너지는 다시 방출되고 광활성 층스택에 복사식으로(radiative) 전달된다. 예컨대 비복사적 에너지 전달은 특히 플라스몬의 파동 모드가 광활성 층 스택에 결합됨으로써 이루어진다. 예컨대 에너지는 소위 제한된 파동 모드(영문: trapped waveguide mode)로서 전달된다.
다른 견지에 따르면, 금속 입자의 크기는 광활성 층 스택에 따라 정해지고, 예컨대 광활성 층 스택의 물질 및/또는 광활성 층 스택의 흡수의 파장 영역에 따라 정해진다. 이를 통해 양호한 에너지 전달이 가능하다.
다른 견지에 따르면, 금속 입자의 물질은 광활성 층 스택에 따라 정해지고, 예컨대 광활성 층 스택의 물질 및/또는 광활성 층 스택의 흡수의 파장 영역에 따라 정해진다. 이를 통해 양호한 에너지 전달이 가능하다.
기판 및 그 위에 배치된 전극이 태양광 전지를 위해 사용되면, 플라스몬으로부터 전극상에 배치된 광 활성 층스택으로의 에너지 전달은 광 전류로 나타난다. 따라서, 금속 입자에 의한 광 전류 또는 태양광 전지의 효율은 금속 입자를 포함하지 않은 종래 태양광 전지에 비해 증대된다. 특히, 금속 입자에 의해, 종래에 광 산란을 위해 사용된 전극의 거칠기화가 생략될 수 있는데, 상기 금속 입자는 입사된 광의 충분히 높은 수율을 제공하기 때문이다.
다른 견지에 따르면, 태양광 전지의 제조를 위해 제2 투명한 전기 전도성층상에 부가적 층들이 적층되며, 특히 광활성 층 스택, 후면 반사체층 및/또는 후면 전극층이 적층된다.
다른 견지에 따르면, 금속 산화물층은 전면 전극에 대해 대안적 또는 부가적으로 후면 반사체층의 제1부분층상에 증착되며, 제1부분층은 광활성 층 스택상에 적층되어 있다. 금속산화물층은 열 분해에 의해 복수 개의 금속 입자들로 분할되고, 후면 반사체층의 제2부분층이 적층된다. 따라서 금속 입자는 후면 반사체층 내에 배치된다.
각각의 p-i-n층들을 구비한 2개의 광활성 층 스택을 포함하는 소위 탄뎀 정합 태양광 전지(tandem-junction photovoltaic cells)에서, 다른 견지에 따르면, 제2 광활성 층 스택이 증착되기 전에, 제1 광활성 층 스택상에 중간층의 제1 부분층이 증착된다. 금속산화물층은 중간층의 제1 부분층상에 증착된다. 금속산화물층은 열 분해에 의해 복수 개의 금속 입자들로 분할되고, 중간층의 제2부분층은 금속 입자상에 적층된다. 제2 광활성 층 스택은 금속 입자상에 적층된다.
즉, 금속 입자는 전면 전극, 중간층 또는 후면 반사체층이라는 층들 중 적어도 하나의 층 내에 포함될 수 있다. 또한, 금속 입자는 상기 열거한 층들 중 2개의 층에 또는 모든 층들에 포함될 수 있다.
3개의 광활성 층 스택이 포개어져서 포함된 소위 3중 전지(triple cells)에서, 특히 각각의 금속 입자를 구비한 2개의 중간층들이 제공되고, 이러한 중간층은 3개의 광활성 층 스택들 중 2개의 층 스택 사이에 배치된다.
다른 견지에 따르면 3개보다 많은 수의 광활성 층 스택이 배치된다. 구동 시 입사된 광의 주요 입사 방향에서 금속 입자는 제1 광활성 층 스택 앞에, 제1 광활성 층 스택과 제2 광활성 층 스택 사이에, 제2 광활성 층 스택과 제3 광활성 층 스택 사이에 내지 (n-1)번째 광 활성 층 스택과 n-번째 광활성 층 스택 사이에 이르기까지 그리고 n번째 광활성 층 스택 이후에 배치될 수 있다.
금속 입자는 각각 광활성 층 스택으로부터 예컨대 50 ㎚이하의 두께를 가진 얇은 층에 의해 분리된다. 따라서, 광활성 층 스택과 금속 입자 사이의 직접적 접촉이 방지된다. 이를 통해, 특히, 금속 입자 또는 플라스몬으로부터 광활성 층 스택으로의 양호한 에너지 전달이 구현된다.
다른 이점, 특징 및 발전예는 이하 도 1 내지 도 8과 관련하여 설명된 예로부터 도출된다.
도 1은 일 실시예에 따른 광전 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
도 2a, 2b는 플라스몬 효과의 개략도를 도시한다.
도 3은 플라스몬 효과의 개략도를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 태양광 전지의 제조 방법의 흐름도를 도시한다.
도 5는 제조 시점에서 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광전 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
도 2a, 2b는 플라스몬 효과의 개략도를 도시한다.
도 3은 플라스몬 효과의 개략도를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 태양광 전지의 제조 방법의 흐름도를 도시한다.
도 5는 제조 시점에서 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 어레이의 단면을 개략도로 도시한다.
동일하거나 동일한 종류이거나 동일한 효과를 가진 요소는 도면에서 동일한 참조번호를 가질 수 있다. 도시된 층들 및 영역들, 그 크기비율은 기본적으로 축척에 맞지 않는 것으로 간주되어야 한다. 오히려 예컨대 층 및 영역과 같은 개별 요소는 더 나은 표현 및/또는 더 나은 이해를 위해 과장되어 두껍거나 큰 치수로 도시되어 있을 수 있다.
도 1은 태양광 전지(100)의 단면을 개략도로 도시한다. 편평하게 연장된 기판(101)의 표면(102)상에 마찬가지로 편평하게 연장된 투명 전극(110)이 배치된다. 투명한 전기 전도성 전극(110)은 층의 형태로 구동 중에 입사되는 복사의 주요 방향에서 기판(101)상에 배치된다. 구동 중에 입사되는 복사의 주요 방향은 도 1의 X 방향과 동일한 방향이다.
투명한 전기 전도성 전극(110)상에 광활성 층 스택(120)이 배치되고, 광활성 층 스택은 광전 효과에 의해 복사 에너지를 전기 에너지로 변환화도록 설계된다. 광활성 층 스택(120)상에 후면 반사체층(130)이 배치된다. 후면 반사체층(130)에 의해, 광활성 층 스택(120)을 통해 도달한 복사는 전기 에너지로 변환되지 않고, 도로 광활성 층 스택(120)의 방향으로 반사될 수 있다. 후면 반사체층(130)상에 부가적 전극(140), 소위 후면 전극이 배치된다.
실시예에 따르면 기판(101)은 태양광에 대해 가급적 투명하다. 특히 기판(101)은 가시 스펙트럼 및 적외 영역의 광에 대해 특히 투과성이며, 400 ㎚ 내지 1200 ㎚의 파장 영역에서 85%를 넘는 투명도를 가진다. 기판은 예컨대 유리, 특히 저철분 평판 유리, 규산화유리 또는 압연 유리를 포함한다. 기판(101)은 상기 기판(101)상에 배치된 층 스택을 지지하도록 형성된다.
실시예에 따르면, 광활성 층 스택(120)은 p형 도핑된 층 및 n형 도핑된 층, 그리고 실질적으로 진성인 층을 포함하고, 진성층은 p형 도핑된 층과 n형 도핑된 층 사이에 배치된다. 광활성 층 스택은 평편하게 연장된다. 실시예에 따르면, p형 도핑된 층은 X 방향에서 투명 전극(110)의 표면(116)상에 배치된다. 다른 실시예에 따르면, n형 도핑된 층은 표면(116)상에 배치된다.
실질적으로 진성인 층은 미도핑되거나 인접한 p형- 또는 인접한 n형 도핑된 층에 비해 매우 낮게 도핑된다. 실질적으로 진성인 층은 광을 흡수하고 광전식으로 변환하도록 설계된다. 실질적으로 진성인 층은 에너지를 흡수하고 전기 에너지로 변환하도록 설계된다. 광전 어레이는 특히 400 내지 1200 ㎚ 파장 영역의 광을 흡수하도록 설계된다.
다른 실시예에 따르면, 기판(101)은 불투명하고, 즉 실질적으로 400 ㎚ 내지 1200 ㎚의 파장 영역의 광에 대해 불투과성이다. 실시예에 따른 층 시퀀스는 불투명한 기판, 그 위에 배치된 선택적인 전기 절연층, 선택적으로 그 위에 배치된 후면 반사체층, 선택적으로 그 위에 배치된 금속 후면 접촉, 그 위에 배치되며 금속 입자를 포함한 전기 전도성층, 그 위에 배치된 광활성 층 스택(120), 그 위에 배치되며 금속 입자를 포함한 전기 전도성층(110)이다. 다른 실시예에 따르면, 부가적 광활성 층 스택(160)(도 7)이 전기 전도성층(130)과 전기 전도성층(110) 사이에 배치된다. 특히 3개 이상의 광활성 층 스택은 전기 전도성층(130)과 전기 전도성층(110) 사이에 배치된다.
X 방향에서 광활성 층 스택(120)상에 후면 반사체층(130)이 배치되고 그 위에 후면 전극(140)이 배치되며, 후면 전극은 전류 또는 전압을 광활성 층 스택(120)으로부터 끌어내도록 설계된다. 다른 실시예에 따르면 적어도 상기 부가적 광활성 층 스택(160)(도 7)은 전극(110)과 후면 반사체층(130) 또는 전극(140) 사이에 배치된다.
투명 전기전도성층(110)은 예컨대 아연산화물을 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 투명 전극(110)은 다른 투명한 전기전도성 산화물, 예컨대 ITO 또는 SnO2를 포함한다. 투명 전기전도성층(110)은 양호한 광학적 투과도 및 양호한 전기 전도도를 포함한다.
광활성 층 스택(120)은 특히 규소, 예컨대 미소 결정 규소 및/또는 비정질 규소를 포함한다. 태양광 전지(100)는 소위 박막- 또는 박층 태양 전지로서 형성된다. 태양광 전지(100)의 층들은 X 방향에서 수 10 ㎚ 내지 수 마이크로 미터의 범위의 두께를 가진다. 일반적으로, 광활성 층들은 전극과 함께, 그리고 경우에 따라서 반사층과 함께 대면적으로 기판(101)상에 적층된다. 하나 이상의 구조화 단계를 이용하여 복수 개의 개별적 스트립형 태양 전지들이 형성되고, 태양 전지들은 전기적으로 직렬로 연결되어있다. 스트립형 태양 전지들은 전지 스트립이라고도 불리는데, 이들의 폭은 밀리미터 내지 센티미터의 범위를 가진다. 따라서 복수 개의 태양광 전지들(100)을 포함한 태양 모듈이 형성된다. 외부의 전지 스트립들상에는 일반적으로 집전장치(current collector)가 설치되며, 집전장치에 의해 박층 태양 모듈이 연결되고 발생한 전기 출력이 끌어내질 수 있다.
실시예에 따르면, 기판으로부터 등돌린 방향의 투명 전극(110)의 표면(116)은 가급적 균일하게 형성된 거친 조직(texture)을 포함하여, 표면(116)은 400 ㎚ 내지 1200 ㎚의 파장 영역의 입사된 광에 대해 양호한 산란력을 가진다. 이를 통해, 광활성 층 스택(120)의 효과가 증대될 수 있는데, 입사된 복사의 경로는 광활성 층 스택(120)에 의해 평균적으로 길어지고, 입사된 광은 더욱 양호하게 광활성 층 스택(120) 내에 결합되며, 입사된 복사의 흡수 확률이 더 높게 달성되기 때문이다.
다른 실시예에 따르면, 투명 전극(110)의 표면(116)은 매끄럽게 형성된다. 상기 실시예에서 표면(116)의 거친 조직화(rough texturing)는 생략된다. 이하에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 그럼에도 불구하고 입사된 복사가 광활성 층 스택(120)내에서 흡수될 확률이 높고 따라서 높은 효과가 달성된다.
투명 전극은 복수 개의 금속 입자들(112)을 포함한다. 금속 입자(112)는 표면(116)을 따라 배치된다. 금속 입자(112)는 광활성 층 스택(120)과 간격을 가지고, 광활성 층 스택(120)과 직접 접촉하지 않는다. 금속 입자들(112)과 광활성 층 스택(120) 사이에 투명 전극(110)의 투명 전기 전도성 부분층(113)이 배치된다. 투명 전기 전도성 부분층(113)은 X방향에서 50 ㎚ 미만의 두께(117)(도 6)를 가지고, 특히 두께(117)는 40 ㎚이하이며, 예컨대 35 ㎚이하이다.
금속 입자(112)와 기판(101) 사이에는 전극(110)의 투명한 전기 전도성 부분층(111)이 형성된다. 금속 입자(112)는 전기 전도성층(110)의 물질에 의해 둘러싸여 있다. 전기 전도성 부분층(111) 및 전기 전도성 부분층(113)은 각각 투명한 전기 전도성 산화물을 포함하고, 공통적으로 금속 입자(112)를 둘러싼다.
금속 입자(112)가 배치되어 있는, 평편하게 연장된 영역의 주요 확산 방향은 실질적으로, 표면(102) 및 표면(116)의 평편한 연장부와 동일한 방향이다.
금속 입자(112)는 실질적으로 구체이다. 금속 입자는 다른 형태를 가질 수 있으며 예컨대 디스크형이다. 금속 입자(112)는 100 ㎚이하의 평균 직경을 가진다. 금속 입자의 각각의 크기는 각각 횡단면에서 120 ㎚이하, 예컨대 80 ㎚이하, 특히 70 ㎚이하이다. 금속 입자(112)는 전극(110)에 배치되되, 금속 입자가 표면(102) 및 기판(101)보다 표면(116) 및 광활성 층 스택(120)에 더 근접하도록 배치된다. 금속 입자(112)는 각각 예컨대 은을 포함한다. 다른 실시예에서, 금속 입자는 각각 금을 포함한다. 다른 견지에 따르면, 금속 입자(112)는 각각 백금을 포함한다.
구동 시 입사되는 복사(R)는 금속 입자(112)에 도달한다. 입사된 복사는 금속 입자(112)에서 변형되고, 이후 복사로부터의 에너지는 광활성 층 스택(120)으로 전달된다. 금속 입자(112)에서 입사된 복사(R)의 변형에 의해, 광활성 층 스택(120)을 통한 복사의 평균적 경로는 길어지고, 따라서 흡수 확률 상승에 따라 태양 전지의 효과가 증대된다.
예컨대, 금속 입자(112)에서 상기 입사된 복사(R)는 플라스몬 효과에 의해 변형된다.
도 2a는 입사된 복사(R)를 개략적으로 도시하며, 입사된 복사는 금속 입자(112)상에서 각각 국부적으로 제한된 표면 플라스몬을 여기시킨다. 여기는 장(field)(E)을 야기하고, 시점(t)에서의 장은 시점(t+ㅿt)에 비해 상이하다. 복사(R)의 흡수는 플라스몬의 형성을 야기한다. 플라스몬의 에너지는 광활성 층 스택(120)으로 전달되고, 이곳에서 전기 에너지로 변환된다. 이를 통해, 구동 시 효과가 증대되는데, 종래에 비해 입사된 복사(R)의 더 많은 비율이 전기 에너지로 변환되기 때문이다. 흡수 확률은 종래 태양광 전지에 비해, 금속 입자(112)의 배치 및 이로 인해 발생한 플라스몬 효과에 의해 증대된다.
도 2b는 비복사적 에너지 전달의 형태를 도시한다. 입사된 복사(R)는 예컨대 금속 입자(112)에서 표면 플라스몬 공진을 여기시킨다. 이후에, 상기 공진 및 이로 인하여 플라스몬의 에너지는 제한된 파동 모드(M)로서 광활성 층 스택으로 전송된다. 이러한 모드는 다시 광활성 층 스택(120) 내에서 전기 에너지로 변환된다. 따라서, 금속 입자(112)를 미포함한 경우에 비해, 금속 입자(112)를 이용하면 입사된 복사(R)의 더 많은 비율이 전기 에너지로 변환된다.
도 3(a)는 저밀도 은으로 구성된 금속 입자(112)의 근거리장 분포를 도시한다.
도 3(b)는 고밀도 금속 입자(112)를 함유하며 은으로 구성된 금속 입자(112)의 근거리장 분포를 도시한다.
도 4는 실시예에 따른 태양광 전지의 제조 방법에 대한 개략적 흐름을 도시한다.
단계(201)에서 기판(101)이 제공되고, 전기 전도성 투명 부분층(111)이 기판(101)상에 증착된다.
실시예에 따르면, 부분층(111)의 거친 표면이 형성된다. 다른 실시예에 따르면, 부분층(111)의 가급적 평편하고 균질하게 평면인 표면(114)(도 5)이 형성된다.
이어서, 단계(202)에서 부분층(111)의 표면(114)에 금속산화물층(115)(도 5)이 증착된다. 금속산화물층(115)은 스퍼터링 증착 공정에 의해 증착된다. 따라서, 예컨대 5 평방미터가 넘는 큰 면적에서 금속산화물층의 균일한 증착이 가능하다. 실시예에 따르면, 금속산화물층(115)은 금, 은 및 백금 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예에 따르면, 단계(202)에서 금속산화물층(115)의 증착 동안 가스형 산소가 증착 챔버안으로 넣어진다. 공급된 산소량을 이용하여, 금속산화물층(115)의 면적 당 금속 밀도가 제어될 수 있다. 또한, 단계(202)에서 층(115)의 X 방향 두께는 규정에 따라 제어된다. 금속 밀도 및 두께는 단계(202)에서 제어되어, 이후에 단계(203)에서 형성되는 금속 입자(102)는 100 ㎚이하의 평균 직경을 가진다.
단계(203)에서 열 분해(영문: thermal decomposition)가 실시된다. 다른 견지에 따르면, 단계(203)에서 어닐링 공정(영문: annealing)이 실시된다, 금속산화물층(115)은 단계(203)에서 가열되고 다시 냉각된다. 단계(203)에서 금속산화물층(115)은 복수 개의 금속 입자들(112)로 분할된다. 단계(203)에서 금속산화물층(115)은 복수 개의 금속 입자들(112)이 되도록 분리된다. 금속 입자들은 금속산화물층(115)으로부터 형성된다. 금속산화물층(115)의 분할 및 금속 입자들(112)의 형성은 500℃이하의 온도에서 이루어진다. 금속산화물층(115)의 분할은 금속 입자들(112)의 평균 직경이 100 ㎚이하가 될 만큼의 온도에서 이루어진다.
이어서, 단계(204)에서 투명한 전기 전도성층(113)이 증착된다. 특히, 층(113)은 스퍼터링 증착을 이용하여 증착된다. 층(113)은 상기 층이 금속 입자들(112)을 덮는 방식으로 증착된다. 층(113)의 표면(116)(도 6)은 금속 입자(112)와 이격되어, 금속 입자(112)는 전극(110)의 외부쪽으로 미치지 않는다. 금속 입자(112)는 표면(116)과 접촉하지 않는다.
이어서, 단계(205)에서 광활성 층 스택(120)은 표면(116)에 증착되고, 특히 플라즈마 보조 화학적 가스상 증착(PECVD)을 이용하여 증착된다.
도 5는 일 실시예에 따라 도 4의 방법 단계(202) 이후에 층(111) 및 층(115)을 포함하는 기판(101)의 개략도를 도시한다.
기판(101)으로부터 등돌린 방향의 제1 투명한 전기 전도성층(111)의 표면(114)에는 평편하게 연장된 금속산화물층(115)이 적층된다. 금속산화물층(115)은 상기 금속산화물층이 열 분해에 의해, 특히 가열 및 냉각에 의해 금속 입자들(112)로 분리되도록 적층되며, 금속 입자들은 100 ㎚이하의 평균 직경을 가진다.
도 6은 도 4의 방법 단계(204) 이후에 층(111) 및 층(113) 뿐만 아니라 금속 입자들(112)도 포함하는 기판(101)의 단면을 개략도로 도시한다. 금속 입자(112)는 금속산화물층(115)으로부터 형성되고, 제2투명 전기 전도성 층(113)에 의해 덮여있다. 층(113)은 금속 입자(112)를 덮어서, 층(113)이 X 방향으로 약 50 ㎚의 두께(117)를 가진다.
도 6의 어레이는 기판(101) 및 금속 입자들(112)을 구비한 전극(110)을 포함한다. 도 6의 어레이상에, 특히 표면(116)상에는 이후에 광활성 층 스택(120)이 증착될 수 있다.
도 5의 표면(114) 및 도 6의 표면(116)은 매끄럽고 가급적 평면으로 층들(111 또는 113)의 전체 평편한 연장부에 걸쳐 도시되어있다. 다른 실시예에 따르면, 표면들은 각각 거칠게 조직화되어 있다. 층(111)은 X 방향에서 층(113)보다 더 두꺼워서, 금속 입자(120)가 배치된 평편하게 연장된 영역은 기판(101)의 표면(102)보다 표면(116)에 더 근접하여 배치된다.
도 7은 탄뎀 정합 태양광 전지의 단면을 개략도로 도시하며, 이러한 태양광 전지는 X 방향에서 2개의 광활성 층 스택(120, 160)을 적층된 상태로 포함한다.
광활성 층 스택(120)에 있어 기판으로부터 등돌린 방향의 표면(121)에는 중간층(150)이 배치되어 있다. 제2 광활성 층 스택(160)은 광활성 층 스택(120)으로부터 등돌린 방향의 상기 중간층(150)의 표면에 배치된다. 중간층(150)은 X 방향에서 두 개의 광활성 층 스택들(120, 160) 사이에 배치된다.
중간층(150)은 제1 부분층(151)을 포함하고, 제1 부분층은 광활성 층 스택(120)에 인접한다. 중간층(150)의 제2 부분층(152)은 제2 광활성 층 스택(160)에 인접한다. 중간층(150)은 특히 도핑된 SiOx, SiCO, SiNx, SiCxOy, SiCxOyNz, ZnO, ITO, SnO2 중 하나를 포함한다.
실시예에 따르면, 제2 광활성 층 스택(160) 상에 후면 반사체층(130)이 배치된다.
실시예에 따르면, 제2 광활성 층 스택(160) 상에 부가적 중간층이 배치되고, 부가적 중간층은 그 기능면에서 상기 중간층(150)과 일치한다. 부가적 중간층상에 부가적 광활성 층 스택이 배치되어, 소위 3중 전지가 형성된다.
견지에 따르면, 두 광활성 층 스택들(120, 160)은 각각 상이한 파장 영역에서 매우 양호하게 흡수하여, 종합적으로 넓은 파장 영역에서 매우 양호하게 흡수가 이루어진다. 실시예에서 중간층(150)은 반투과성이고, 이러한 점은 특히 중간층(150) 내의 금속 입자들(112)의 배치에 의해 가능해진다. 중간층(150)은 광활성 층 스택(120) 내에 특히 양호하게 흡수된 파장 영역의 복사를 도로 광활성 층 스택(120)으로 반사한다. 중간층(150)은 광활성 층 스택(160) 내에서 특히 양호하게 흡수된 파장 영역의 복사에 대해 투명하다.
중간층(150)은 복수 개의 금속 입자들(112)을 포함한다. 금속 입자들(112)은 두 광활성 층 스택들(120, 160) 사이에서 표면(121)을 따라 평편하게 연장된 영역 내에 배치된다. 금속 입자들(112)은 형태 및 기능면에서 도 1 내지 도 6의 실시예와 일치한다.
제조 시, 광활성 층 스택(120)의 증착 이후에, 부분층(151)은 표면(121)에 증착된다. 또한, 금속산화물층(115)은 부분층(151)상에 증착되고, 500℃미만의 온도에서 가열 및 냉각을 이용하여 금속 입자들(112)로 분해된다. 이후 제2부분층(152)이 증착된다. 부분층(152)상에 제2 광활성 층 스택(160)이 증착된다.
금속 입자들(112)은 부분층들(151, 152)에 의해 덮임으로써, 금속 입자들은 광활성 층 스택들(120, 160)과 직접 닿지 않는다. 이로써 금속 입자들(112)에 의한 두 광활성 층스택들(120, 160)의 원하지 않는 전기적 연결이 방지된다. 또한 중간층으로부터 광활성 층스택들(120, 160)로 양호한 에너지 전달이 구현된다. 중간층(150) 내에서 금속 입자들(112)의 물질 및 크기는 특히 두 광활성 층 스택들(120, 160)의 흡수 파장 영역 및 물질에 따라 정해진다.
도 8은 다른 실시예에 따라 기판(101)을 포함한 태양광 전지의 단면을 개략도로 도시한다. 후면 반사체층(130)은 제1 부분층(131)을 포함하고, 제1 부분층은 광활성 층 스택(120)의 표면(121)상에 배치되며 상기 층 스택에 인접한다. 후면 반사체층(130)은 제2 부분층(132)을 포함하고, 제2 부분층은 광활성 층 스택(120)으로부터 등돌린 방향에 위치한다. 제1 부분층(131) 및 제2 부분층(132)은 복수 개의 금속 입자들(112)을 포함한다. 금속 입자들(112)이 배치되며 평편하게 연장된 영역은 실질적으로 표면(121)을 따라 연장된다. 표면(121)과 금속 입자(112) 사이에 위치한 부분층(131)의 두께(133)는 50 ㎚이하이다.
후면 반사체층(130) 내의 금속 입자(112)에 의해, 흡수되지 않고 광활성 층 스택(120)을 통해 후면 반사체층(130)에 도달한 복사는 도로 광활성 층스택(120)으로 안내됨으로써, 복사가 흡수될 수 있다.
다른 견지에 따르면, 복수 개의 금속 입자들(112)은 전면 전극(110) 내에 뿐만 아니라 후면 반사체(130) 내에도 배치된다. 다시 다른 실시예에 따르면, 예컨대 도 7에 도시된 바와 같은 탄뎀 정합 전지에서, 금속 입자들(112)은 중간층(150) 내에 뿐만 아니라 전면 전극(110) 내에도 배치된다. 다시 다른 실시예에 따르면, 금속 입자들(112)은 탄뎀 정합 전지에서 전면 전극(110) 및 후면 전극(130) 내에 배치된다. 실시예들에 따르면, 탄뎀 정합 태양 전지에서, 금속 입자들은 중간층 없이 전면 전극 및/또는 후면 전극 내에 배치된다.
실시예에 따르면, 금속 입자(112)는 X 방향에서 기판(101) 바로 다음에 위치한 광활성 층 스택(120) 앞에 배치된다. 대안적 또는 부가적으로, 실시예에 따르면, 금속 입자들(112)은 각각, 직접 인접한 2개의 광활성 층 스택들 사이에 배치된다. 대안적 또는 부가적으로, 실시예에 따른 금속 입자들(112)은 기판(101)으로부터 등돌린 방향으로 배치된 광활성 층 스택 이후에 배치된다. 금속 입자들(112)은 실시예에 따르면 각각의 광활성 층 스택의 앞에 그리고/또는 이후에 각각 배치된다.
특히, 금속 입자(112)의 평균적 크기 및/또는 물질은 금속 입자가 배치된 층에 따라 정해진다. 예컨대 전극(110)을 위한 금속 입자(112)의 평균적 크기 및/또는 물질은 후면 반사체층(130)을 위한 금속 입자(112)의 평균적 크기 및/또는 물질과 다르게 정해진다. 예컨대 전극(110) 및/또는 후면 반사체층(130)을 위한 금속 입자(112)의 평균 크기 및/또는 물질은 중간층(150)을 위한 금속 입자(112)의 평균 크기 및/또는 물질과 다르게 정해진다.
실시예에서, 탄뎀 정합 전지에서, 금속 입자들(112)은 광활성 층 스택(120) 내에서 특히 양호하게 흡수된 파장 영역의 복사가 도로 광활성 층 스택(120)으로 반사되고 광활성 층 스택(160) 내에서 특히 양호하게 흡수된 파장 영역의 복사가 반사되지 않는 방식으로 형성된다. 또한 광활성 층 스택(120) 내에서 특히 양호하게 흡수된 파장 영역의 복사의 흡수 및 이후에 광활성 층 스택(120)으로 비복사적으로 도로 전달되는 것이 가능하다.
다른 견지에 따르면, 탄뎀 정합 전지에서, 금속 입자들(112)은, 광활성 층 스택(160) 내에서 특히 양호하게 흡수된 파장 영역의 복사가 중간층(150) 내에서 플라스몬을 여기시키고, 플라스몬의 에너지가 광활성 층 스택(160)으로 전달되도록 형성된다.
태양광 전지(110) 내에서 금속 입자(112)가 배치됨으로써, 입사된 복사의 흡수 확률 및 이로 인하여 태양 전지의 효과가 증대된다. 이를 통해, 광활성 층 스택(120) 또는 층 스택(160)의 두께, 특히 실질적으로 진성인 층의 두께는 줄어들 수 있고, 이로써 특히 제조 비용이 절감된다. 스퍼터링 증착을 이용하여 금속산화물층(115)이 적층됨으로써, 금속 입자들은 5㎡을 초과한 크기의 대면적 태양광 모듈, 특히 5.7 ㎡을 초과한 대면적 태양광 모듈에도 사용될 수 있는데, 이러한 대면적 태양 모듈에서도 상기 금속 입자들이 태양 모듈 또는 태양 모듈 전지의 전체 면에 걸쳐 균일하게 분포하기 때문이다. 또한, 스퍼터링 증착 공정 그리고 이후의 가열 및 냉각은 필름 태양 전지에서 이미 존재하는 제조 공정에 간단히 편입될 수 있다.
금속 입자(112)를 사용함으로써, 전극 또는 중간층의 구조화가 생략될 수 있는데, 이러한 조직화 없이도 높은 흡수 확률이 달성되기 때문이다. 이를 통해 태양 전지의 전압이 증대될 수 있는데, 표면 조직화를 하지 않은 상태에서 아연 산화물이 스퍼터링/식각된 경우에 더 낮은 직렬 저항이 나타나기 때문이다. 또한 실시예에 따르면, 금속 입자(112)가 후면 반사체층(130) 내에 배치됨으로써 부가적인 후면 전극(140)을 생략할 수 있다.
Claims (17)
- 기판(101)상에 투명 전극(110)을 제조하기 위한 방법에 있어서,
기판(101)의 제공 단계,
상기 기판(101) 상에 제1 투명 전기 전도성 층(111)의 증착 단계,
상기 기판(101)으로부터 등돌린 방향의 상기 전기 전도성 층(111)의 표면(114)에 금속산화물층(115)을 증착시키는 단계,
상기 금속 산화물층(115)을 열 분해에 의해 복수 개의 금속 입자들(112)로 분할하는 단계,
상기 금속 입자들(112)상에 제2 투명 전기 전도성 층(113)을 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조 방법. - 태양광 전지(100)의 제조 방법에 있어서,
기판(101)의 제공 단계,
상기 기판(101) 상에 제1 투명 전기 전도성 층(111)의 증착 단계,
상기 기판(101)으로부터 등돌린 방향의 상기 전기 전도성 층(111)의 표면(114)에 금속산화물층(115)을 증착시키는 단계,
상기 금속 산화물층(115)을 열 분해에 의해 복수 개의 금속 입자들(112)로 분할하는 단계,
상기 금속 입자들(112)상에 제2 투명 전기 전도성 층(113)을 증착시키는 단계,
상기 제2 투명 전기전도성 층(113)상에 층들(120, 130, 140)을 적층하여 태양광 전지가 완성되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 전지의 제조 방법. - 태양광 전지(100)의 제조 방법에 있어서,
기판(101)의 제공 단계,
상기 기판(101) 상에 투명한 전기 전도성 전극(110)의 증착 단계,
상기 투명한 전기 전도성 전극(110)상에 제1 광활성 층 스택(120)을 적층하는 단계,
상기 제1 광활성 층 스택(120)상에 제1 중간층(151)을 적층하는 단계
상기 기판(101)으로부터 등돌린 방향의 상기 제1 중간층(151)의 표면에 금속산화물층(115)을 증착시키는 단계,
상기 금속 산화물층(115)을 열 분해에 의해 복수 개의 금속 입자들(112)로 분할하는 단계,
상기 금속 입자들(112)상에 제2 중간층(152)을 증착시키는 단계,
상기 제2 중간층(152)상에 제2 광활성 층 스택(160)을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 전지의 제조 방법. - 태양광 전지(100)의 제조 방법에 있어서,
기판(101)의 제공 단계,
상기 기판(101) 상에 투명한 전기 전도성 전극(110)의 증착 단계,
상기 투명한 전기 전도성 전극(110)상에 광활성 층 스택(120)을 적층하는 단계,
상기 광활성 층 스택(120)상에 제1 후면 반사체층(131)을 적층하는 단계
상기 기판(101)으로부터 등돌린 방향의 상기 제1 후면 반사체층(131)의 표면에 금속산화물층(115)을 증착시키는 단계,
상기 금속 산화물층(115)을 열 분해에 의해 복수 개의 금속 입자들(112)로 분할하는 단계,
상기 금속 입자들(112)상에 제2 후면 반사체층(132)을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 전지의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속산화물층(115)은 스퍼터링에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속산화물층(115)은 은, 금 및/또는 백금을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 분해를 위한 온도는 500℃이하인 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속산화물층(115)은 상기 금속 입자들(112)이 100 ㎚이하의 평균 직경을 가지도록 나눠지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속산화물층(115)의 증착 동안 가스형 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제2 투명 전기 전도성층(113)의 두께(117)는 50 ㎚이하인 것을 특징으로 하는 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 제1 후면 반사체층(131)의 두께(133)는 50 ㎚이하인 것을 특징으로 하는 태양광 전지의 제조 방법. - 태양광 전지를 위한 어레이에 있어서,
기판(101),
상기 기판(101)상에 위치한 투명한 전기 전도성 전극(110)을 포함하고, 상기 전극은 2개의 투명한 전기 전도성 부분층들(111, 113) 및 상기 2개의 부분층들(111, 113) 사이에 위치하며 평편하게 연장된 영역을 포함하고, 상기 영역은 금속 산화물로부터의 복수 개의 금속 입자들(112)을 함유하는 것을 특징으로 하는 태양광 전지 어레이. - 어레이에 있어서,
기판(101),
상기 기판(101)상에 위치하는 투명한 전기 전도성 전극(110); 이때 상기 전극은 2개의 투명한 전기 전도성 부분층들(111, 113) 및 상기 2개의 부분층들(111, 113) 사이에 위치하며 평편하게 연장된 영역을 포함하고, 상기 영역은 금속 산화물로부터의 복수 개의 금속 입자들(112)을 함유함;
상기 전기 전도성 전극(110)상에 위치한 광활성 층 스택(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이. - 어레이에 있어서,
기판(101),
상기 기판(101)상에 위치한 투명한 전기 전도성 전극(110),
상기 투명한 전기 전도성 전극(110)상에 위치한 제1 광활성 층 스택(120),
상기 광활성 층 스택(12)상에 위치한 중간층(150); 이때 상기 중간층은 2개의 부분층들(151, 152) 및 상기 2개의 부분층들(151, 152) 사이에 위치하며 평편하게 연장된 영역을 포함하고, 상기 영역은 금속 산화물로부터의 복수 개의 금속 입자들(112)을 함유함;
상기 중간층(150)상에 위치한 제2 광활성 층 스택(160)을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이. - 어레이에 있어서,
기판(101),
상기 기판(101)상에 위치한 투명한 전기 전도성 전극(110),
상기 전기 전도성 전극(110)상에 위치한 제1 광활성 층 스택(120),
상기 광활성 층 스택(120)상에 위치한 후면 반사체층(130)을 포함하고, 상기 후면 반사체층은 2개의 부분층들(131, 132) 및 상기 2개의 부분층들(131, 132) 사이에 위치하며 평편하게 연장된 영역을 포함하고, 상기 영역은 금속 산화물로부터의 복수 개의 금속 입자들(112)을 함유하는 것을 특징으로 하는 어레이. - 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 입자들(112)은 각각 은, 금 및/또는 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이. - 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광활성 층스택(120, 160)을 향해있는 부분층(113, 131)의 두께(117, 133)는 50 ㎚이하인 것을 특징으로 하는 어레이.
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