KR101218133B1

KR101218133B1 - 마이크로 렌즈의 제조방법 및 마이크로 렌즈를 구비한 태양전지

Info

Publication number: KR101218133B1
Application number: KR1020100039076A
Authority: KR
Inventors: 김재현; 박성기; 임정식; 이태영; 김민철
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2013-01-18
Anticipated expiration: 2030-04-27
Also published as: US20110259407A1; KR20110119391A; US9240509B2; CN102237429B; CN102237429A

Abstract

본 발명은, 기판 상에 강 소수성을 갖는 자기 조립 단분자층(Self Assembly Monolayer)을 형성하는 단계와; 상기 강 소수성을 갖는 자기 조립 단분자층 상에 잉크젯 장치를 이용하여 SiOx의 고형분이 제 1 비점을 갖는 제 1 용매와 상기 제 1 비점보다 낮은 제 2 비점을 갖는 제 2 용매에 분산된 투명한 잉크를 일정간격 이격하며 도팅하여 다수의 잉크 방울을 형성하는 단계와; 상기 잉크 방울을 건조시키는 단계를 포함하는 마이크로 렌즈의 제조 방법 및 이에 의해 제조되 마이크로 렌즈를 집광수단으로 하는 태양전지를 제공한다.

Description

마이크로 렌즈의 제조방법 및 마이크로 렌즈를 구비한 태양전지{Fabricating method of micro lens and solar cell using the same}

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 광 포집을 향상시키기 위한 마이크로 렌즈의 제조 방법과, 상기 마이크로 렌즈를 구비한 태양전지(solar cell)에 관한 것이다.

일반적으로 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로써 p형의 반도체와 n형의 반도체의 접합형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 동일하다.

대부분 보통의 태양전지는 서로 마주하는 전극 사이에 p형 반도체층과 n형 반도체층으로 구성된 p-n 접합 반도체층의 구조로서 이루어지고 있다.

이러한 구성을 갖는 태양전지는 광전 효율 향상을 위해 태양광을 집중하여 태양전지의 표면에 조사시키는 집광수단이 구비되고 있다. 이때, 상기 태양전지의 집광수단은 통상적으로 마이크로 렌즈가 되고 있다.

한편, 이러한 마이크로 렌즈는 다양한 방법으로 제조되고 있다. 예를 들면, 레이저 펄스를 이용한 에칭 방법, 포토레지스트(Photo Resist)를 사용한 리플로우(reflow) 방법, 건식 에칭 방법, CO₂ 가스 레이저를 사용한 유리 표면 가공 방법, 용해된 유리의 표면장력을 이용한 방법, 폴리머의 레이저 증착과 이온빔 가공법, 잉크제트 기술, PR 가열법, 그레이스케일 마스크 법 및 엠보싱 성형법 등을 들 수 있다.

도 1a 내지 1c는 종래의 포토레지스트를 사용한 리플로우 법에 의한 마이크로 렌즈의 제조 단계별 공정 단면도이다.

도 1a 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 마이크로 렌즈용 수지층(20)을 형성한다.

이후, 노광 마스크(90)를 이용한 노광 및 현상 등의 단위 공정을 포함하는 포토리소그래피(Photo lithography)를 진행함으로써 도 1b에 도시한 바와 같이, 렌즈 곡면에 대응하는 수지 패턴(25)을 형성한다.

다음, 도 1c에 도시한 바와 같이, 소성장치를 통해 열처리를 실시하여 상기 수지 패턴(도 1b의 25)에 열을 가함으로써, 리플로우(Reflow) 하여 마이크로 렌즈 형상(30)을 완성시킨다.

하지만, 전술한 바와 같은 종래 기술에 따른 마이크로 렌즈(30)의 제조방법은 포토리소그래피 공정을 통하여 마이크로 렌즈(30)를 제조함으로써, 레지스트 형성, 노광 및 현상 등 다단계의 공정이 필요로 되고 있으며, 특히 노광 공정을 진행함에 따라 상대적으로 매우 비싼 노광 마스크 및 노광 장치를 필요로 하고 있다. 따라서, 종래의 마이크로 렌즈는 값비싼 장치를 이용하여 전술한 바와 같이 이러한 복잡한 단위 공정을 포함하는 포토리소그래피 법에 의해 진행되어 제조됨으로써 제조 비용이 상승되고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 태양전지의 광 포집 향상을 위한 집광 수단인 마이크로 렌즈를 복잡한 단위 공정을 포함하는 포토리소그래피 법 등을 이용하지 않고, 매우 간단한 방법을 통해 정밀하게 제조함으로서 제조 시간 및 제조 비용을 낮추는 것을 그 목적으로 한다.

나아가 이러한 마이크로 렌즈를 태양전지의 광 포집수단으로 이용함으로써 태양전지 제조 비용을 낮추고 광 포집율을 향상시키는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 제조 방법은, 기판 상에 강 소수성을 갖는 자기 조립 단분자층(Self Assembly Monolayer)을 형성하는 단계와; 상기 강 소수성을 갖는 자기 조립 단분자층 상에 잉크젯 장치를 이용하여 SiOx의 고형분이 제 1 비점을 갖는 제 1 용매와 상기 제 1 비점보다 낮은 제 2 비점을 갖는 제 2 용매에 분산된 투명한 잉크를 일정간격 이격하며 도팅하여 다수의 잉크 방울을 형성하는 단계와; 상기 잉크 방울을 건조시키는 단계를 포함한다.

이때, 상기 자기 조립 단분자층은 Alkyl siloxane 계열의 물질로서 OTS(octa decyle trichloro silane), ODTS(octa dodecyle trichloro silane), OTMS(octa decyl trimethoxy silane) 중 어느 하나로 이루어진 것이 특징이다.

또한, 상기 자기 조립 단분자층은 스핀코팅(spin coating), 슬릿코팅(slit coating), 딥코팅(Dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 접촉 프린팅(contact printing) 중 어느 하나의 코팅 방법을 통해 상기 기판 전면에 코팅하여 형성하는 것이 특징이다.

또한, 상기 SiOx의 고형분은 나노 입자 형태이거나 또는 분자 형태가 되며, 상기 분자 형태인 경우 TEOS(tetraethoxysilane) 또는 TBOS(tetrabutoxysilane)인 것이 특징이다.

또한, 상기 투명한 잉크는 그 굴절율이 상기 기판의 굴절율과 같거나 큰 것이 특징이다.

또한, 상기 잉크방울의 건조는 상온에서 진행하는 자연건조이거나, 소성장치를 이용하여 50℃ 내지 350℃의 온도 분위기에서 열처리를 실시하는 것이 특징이다.

또한, 상기 잉크 방울의 건조 이후에는 열처리를 실시하여 소성장치를 이용하여 50℃ 내지 350℃의 온도 분위기에서 열처리를 실시하여 경화시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 태양전지는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항 기재의 발명에 의해 제조 된 마이크로 렌즈를 집광수단으로 구비하고, 제 1 절연기판과; 상기 제 1 절연기판 상에 형성된 제 1 투명전극과; 상기 제 1 투명전극 상부에 형성되며 순차적으로 n형 불순물 반도체 물질층과, 수소화된 실리콘층과, p형 불순물 반도체 물질층으로 이루어진 제 1 P/I/N 접합 반도체층과; 상기 제 1 P/I/N 접합 반도체층 상부로 형성된 제 2 투명전극을 포함하며, 상기 집광수단은 상기 제 2 투명전극 상부에 위치하는 것이 특징이다.

또한, 상기 제 1 투명전극과 상기 제 1 P/I/N 접합 반도체층 사이에는 상기 제 1 제 1 P/I/N 접합 반도체층과 동일한 구성을 갖는 제 2 및 제 3 P/I/N 접합 반도체층이 형성된 것이 특징이다.

또한, 상기 제 1, 2, 3 P/I/N 접합 반도체층은 순차적으로 에너지 밴드갭이 큰 순서를 갖도록 형성된 것이 특징이다.

이와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조방법에 노광 마스크를 이용한 노광, 현상을 포함하는 포토리소그래피법과 열처리에 의한 리플로우 과정을 거치는 종래의 마이크로 렌즈를 형성법 대비 기판상에 소수성 물질을 도포하고 이에 대해 잉크를 도팅하고, 경화하는 비교적 단순한 공정을 통해 마이크로 렌즈를 제조할 수 있으므로 제조 공정 시간 단축과 단위 시간당 생산성을 높일 수 있으며, 제조 비용을 저감시킬 수 있는 효과를 갖는다.

나아가 전술한 바와 같이, 간략한 제조 방법에 의해 제조된 마스크로 렌즈를 집광수단으로 구비한 태양전지는 상기 마이크로 렌즈를 통해 태양광의 포집율이 향상됨으로서 태양전지의 광전효율을 향상시키는 효과가 있다.

도 1a 내지 1c는 종래의 포토레지스트를 사용한 리플로우 법에 의한 마이크로 렌즈의 제조 단계별 공정 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 제조 단계별 공정 단면도.
도 3은 자기 조립 단분자층의 기본적인 구조를 도시한 도면.
도 4는 비점이 200인 용매와 비점이 245도인 용매가 섞인 용액 방울의 농도별 건조 후의 프로파일 형태를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 자기 조립 단분자층 상에 형성된 하나의 잉크 방울과 비교예로서 자기 조립 단분자층 없이 기판 상에 형성된 하나의 잉크 방울을 찍은 사진.
도 6은 본 발명에 따라 제조 된 마이크로 렌즈의 배열 상태를 찍은 사진.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 마이크로 렌즈를 집광수단으로 구비한 태양전지의 단면도.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 제조 단계별 공정 단면도이다.

우선, 도 2a에 도시한 바와 같이, 투명한 절연기판(110) 예를들면 투명한 유리기판 상에 강 소수성 특성을 갖는 자기 조립 단분자층(Self Assembly Monolayer : SAM) 전구체 예를들면 Alkyl siloxane 계열의 물질로서 OTS(octa decyle trichloro silane), ODTS(octa dodecyle trichloro silane), OTMS(octa decyl trimethoxy silane) 중 어느 하나를 스핀코팅(spin coating), 슬릿코팅(slit coating), 딥코팅(Dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 접촉 프린팅(contact printing) 중 어느 하나의 코팅 방법을 통해 전면에 코팅함으로서 강 소수성 특성을 갖는 자기 조립 단분자층(120)을 형성한다.

이때, 상기 자기 조립 단분자층(120)의 기본적인 구조를 도 3을 참조하여 살펴보면, 상기 자기 조립 단분자층(120)은 크게 3부분으로 이루어지고 있다. 특정 물질층의 표면과 결합할 수 있는 작용기를 갖는 헤드그룹(HG)과 길게 늘어진 구조의 주사슬부분(MCG)과, 마지막으로 상기 주사슬 부분(MCG)의 끝단에 붙어있는 기능성을 부여할 수 있는 기능기로 이루어진 엔드그룹(EG)로 구성됨을 특징으로 한다.

이때, 상기 주사슬부분(MCG)은 주로 탄소(C)로 이루어지고 있다.

헤드그룹(HG)은 유리재질로 이루어진 상기 절연기판과의 접합력 향상을 위해 특히, 상기 기판이 유리재질인 경우 실란기(-Si)가 형성되고 있는 것이 특징이다.

또한 상기 엔드그룹(EG)은 소수성 특성을 갖는 기가 형성되고 있는 것이 특징이다.

한편, 상기 자기 조립 단분자층 전구체로서 기판 전면에 형성된 자기 조립 단분자층(120)은 엔드그룹(EG)을 이루는 소수성 기로 인해 그 표면이 강 소수성을 갖는 것이 특징이다.

다음, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 강 소수성을 갖는 자기 조립 단분자층(120) 위로 그 굴절율이 상기 기판(110)을 이루는 유리재질의 굴절율(약 1.5)과 같거나 이보다 더 큰 값을 갖도록 즉, n(굴절율)≥1.5를 만족하며, 친수성 특성을 갖는 투명한 잉크(125) 예를들면 SiOx를 주요 고형분으로 전구체를 포함하는 용액을 잉크젯 장치(190)를 이용하여 일정간격 이격하며 분사함으로써 잉크 방울(130)을 형성한다.

이때, 상기 투명한 잉크(125)를 이루는 구성성분인 상기 SiOx를 주성분으로 하는 전구체는 나노 입자 형태이거나 또는 분자 형태가 되며, 상기 분자 형태인 경우 TEOS(tetraethoxysilane) 또는 TBOS(tetrabutoxysilane) 인 것이 특징이다.

또한, 상기 친수성을 갖는 투명한 잉크(125)는 상기 SiOx를 주성분으로 하는 전구체와 상기 SiOx를 주성분으로 하는 전구체를 분산시킬 수 있는 용매로 구성되며, 이때, 상기 용매는 상대적으로 고비점을 갖는 제 1 용매와, 상대적으로 저비점을 갖는 제 2 용매로 이루어진 것이 특징이다.

이렇게 고비점과 저비점을 갖는 2가지의 용매를 상기 SiOx를 주성분으로 하는 전구체의 분산제로 사용한 것은 서로 다른 비점을 갖는 두 가지 용매 제어를 통해 최종적으로 기판(110) 상에 형성되는 마이크로 렌즈(도 2c의 140)의 프로파일을 제어하도록 하기 위함이다.

건조 중에 있는 잉크 방울(130)은 가장자리에서 용매의 기화량이 가장 크며 중앙으로 갈수록 기화량이 줄어들게 되며 이로인해 잉크 방울(130) 내에서 대류현상이 발생하게 되어 커피얼룩과 같은 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상을 커피 고리 효과(Coffee Ring Effect)라고 한다.

본 발명에 있어서는 이러한 커피 고리 효과를 이용할 수 있도록 고비점과 저비점의 2가지 용매를 상기 SiOx를 주성분으로 하는 전구체의 분산제로서 이용한 것이다.

도 4는 비점이 200℃인 용매와 비점이 245℃인 용매가 섞인 용액 방울의 농도별 건조 후의 프로파일 형태를 나타낸 그래프이다.

도시한 바와 같이, 상대적으로 고비점을 갖는 용매(비점 245℃)의 비중이 높은 용액 방울의 경우 기판 면에 그 가장자리로부터 중앙부로 갈수록 더 두꺼운 두께를 가져 볼록한 형태를 이룸을 알 수 있으며, 상대적으로 저비점을 갖는 용매(비점 200℃)의 비중이 상대적으로 증가할수록 중앙부의 두께보다 가장자리의 두께가 더 두꺼운 오목한 형태를 이룸을 알 수 있다.

따라서, 이러한 사실을 기초로하여 저비점과 고비점 용매의 농도비를 적절히 조절함으로써 잉크 방울의 건조후의 프로파일을 조절할 수 있다. 볼록렌즈(중앙부가 가장자리보다 더 두꺼운 두께를 가짐)를 이루도록 하는 경우 고비점 용매 비중을 높이고, 오목렌즈(가장자리가 중앙부보다 더 두꺼운 두께를 가짐)를 이루도록 하는 경우 저비점 용매의 비중을 높임으로서, 볼록렌즈와 오목렌즈를 선택적으로 형성할 수 있다.

한편, 도 2b를 참조하면, 전술한 바와 같은 특성을 갖는 투명한 잉크를 상기 자기 조립 단분자층(120) 상에 잉크젯 장치(190)를 이용하여 도포하여 다수의 일정간격 이격하는 잉크 방울(130)을 형성하게 되면, 상기 잉크 방울(130)은 이를 이루는 물질 특성상 친수성을 가지므로 강 소수성을 갖는 상기 자기 조립 단분자층(120) 상에서 매우 큰 접촉각을 이루도록 즉, 강 소수성을 갖는 상기 자기 조립 단분자층(120)과의 접촉 면적을 최소화하며 형성됨으로써 도 5(본 발명에 따른 자기 조립 단분자층 상에 형성된 하나의 잉크 방울과 비교예로서 자기 조립 단분자층 없이 기판상에 형성된 하나의 잉크 방울을 찍은 사진)에 도시한 바와 같이, 중앙부가 볼록한 반구 형태를 이루게 된다. 더욱 정확히는 상기 자기 조립 단분자층(120) 상에 형성된 잉크 방울은 반구를 이루는 부분 중 상기 자기 조립 단분자층(120)과 접촉하는 면적이 상부로 갈수록 증가하다 다시 감소하는 형태가 된다. 즉, 구에서 정확히 반을 절단한 반구 형태를 갖는 것이 아니라 강 소수성의 상기 자기 조립 단분자층(120)과 친수성의 잉크 방울의 반발력에 의해 구를 상부로부터 1/2보다 더 아래측을 절단한 형태를 이루는 것이 특징이다.

이때, 상기 잉크 방울(130)의 크기는 상기 잉크젯 장치(190)를 통한 잉크의 토출량을 조절함으로써 그 직경이 수 백 nm 내지 수 십 ㎛ 정도가 되도록 형성할 수 있다. 또한 상기 잉크 방울(130)간 이격간격 또한 잉크젯 장치(190)의 헤드 간격 또는 이동 간격을 조절함으로써 수 ㎛ 내지 수백 ㎛정도의 범위에서 조절될 수 있다.

다음, 도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 다수의 잉크 방울(도 2b의 130)이 형성된 기판(110)을 상온의 분위기에서 그대로 수 분 내지 수 십 분간 움직임 없이 유지되도록 하여 잉크 방울(도 2b의 130)을 이루는 용매를 모두 휘발시켜 자연 건조시킨 후, 소성장치(192) 내부에 위치시킨 후 50℃ 내지 350℃의 온도 분위기에서 수 십초 내지 수 십분간 열처리를 실시하여 경화시킴으로서 다수의 이격하는 마이크로 렌즈(140)를 형성한다.

한편, 변형예로서 상기 잉크 방울(도 2b의 130)의 자연건조를 생략하고, 상기 소성장치(192)를 통해 열처리를 실시하여 건조와 경화를 동시에 진행시켜 마이크로 렌즈(140)를 형성할 수도 있다.

이때, 전술한 바와 같이 제조된 마이크로 렌즈(140)는 상기 건조단계 또는 경화단계에서 상기 고비점의 제 1 용매와 저비점의 제 2 용매가 서로 다른 속도를 가지고 휘발됨으로서 커피 고리 효과가 구현되며, 상기 제 1 및 제 2 용매의 농도비를 변화시킴으로서 최종적인 형태는 상기 자기 조립 단분자층(120)에 대해 그 중앙부가 볼록한 볼록렌즈를 구현할 수도 있고, 또는 상기 자기 조립 단분자층(120)에 대해 그 가장자리가 중앙부 대비 더 두꺼운 두께를 가져 오목렌즈를 구현할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따라 제조 된 마이크로 렌즈의 배열 상태를 찍은 사진이다. 도시한 바와 같이, 소정의 크기를 가지며 다수의 마이크로 렌즈가 일정간격 이격하며 형성되고 있음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 따라 제조된 마이크로 렌즈를 집광수단으로 구비한 태양전지의 단면도이다.

도시한 바와 같이, 제 1 기판(210) 위로 반사성이 우수한 도전성 물질로 이루어진 반사판(215)이 구비되고 있다. 이때, 상기 반사판(215)은 상기 제 1 기판(210)의 내측면에 형성된 것을 일례로 보이고 있지만 상기 제 1 기판(210)의 외측면에 형성될 수도 있다.

다음, 상기 반사판(215) 위로 투명 도전성 산화물 예를들면 GZO(갈륨-징크-옥사이드), AZO(알루미늄-징크-옥사이드), ZnO(징크-옥사이드), SnO(틴-옥사이드) 중 어느 하나로 이루어진 제 1 투명전극(220)이 형성되어 있으며, 상기 제 1 투명전극(220) 위로 n형 불순물이 도핑된 n형 불순물층(223)과 수소화된 비정질 실리콘층(226) 및 p형 불순물이 도핑된 p형 불순물층(229)으로 구성된 P/I/N 접합 반도체층(230)이 형성되고 있다.

한편, 도면에 있어서는 상기 제 1 투명전극(220) 상부로 하나의 P/I/N 접합 반도체층(230)이 형성됨을 보이고 있지만, 상기 P/I/N 접합 반도체층(230)은 그 에너지 밴드갭을 달리하여 적층된 형태로 다수개 형성될 수도 있다. 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 다수개의 P/I/N 접합 반도체층(230)을 적층하여 구성한 것은 파장대가 다른 빛을 특정 파장대별로 효율적으로 흡수하기 위함이다.

한편, 상기 P/I/N 접합 반도체층(230)이 하나만 형성된 경우는 상기 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 이루어진 수소화된 순수 비정질 실리콘층(226)은 생략되어 P/N 접합 반도체층(미도시)만으로 이루어질 수도 있다.

다음, 상기 P/I/N 접합 반도체층(230) 상부에는 투명 도전성 산화물 예를들면 GZO(갈륨-징크-옥사이드), AZO(알루미늄-징크-옥사이드), ZnO(징크-옥사이드), SnO(틴-옥사이드) 중 어느 하나로 이루어진 제 2 투명전극(240)이 형성되어 있으며, 이의 상부에는 상기 P/I/N 접합 반도체층(230)과 제 2 투명전극(240)의 보호를 위해 투명한 재질로 이루어진 제 2 기판(250)이 구비되고 있다.

또한, 상기 제 2 기판(250)의 상부에는 그 표면에 다수의 마이크로 렌즈(140)가 구비된 집광수단(150)이 구비됨으로써 본 발명에 따른 태양전지(290)를 이루고 있다. 이때, 상기 제 2 기판(250)은 생략되고 상기 제 2 투명전극(240) 상에 상기 집광수단(250)이 구비될 수도 있다.

한편, 변형예로서 상기 제 1 투명전극(220)과 상기 P/I/N 접합 반도체층(230)은 태양광의 흡수율을 향상시키고자 그 표면이 요철구조를 이룰 수도 있다. 이렇게 제 1 투명전극(220)과 상기 P/I/N 접합 반도체층(230)의 표면이 요철구조를 이루는 경우 입사되는 태양광의 산란되어 광경로가 길어짐으로 해서 상기 P/I/N 접합 반도체층(230) 내에 더욱더 많은 태양광이 흡수될 수 있으며, 이로 인해 광전 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 이러한 구조를 갖는 태양전지(290)가 광전 에너지 변환(photovoltaic energy conversion)을 위해 기본적으로 갖춰야 하는 요건은 상기 P/N 접합 또는 P/I/N 접합 반도체층(230) 구조 내에서 전자들이 비대칭적으로 존재하도록 해야 한다는 것이다. 즉, 상기 P/N 접합 또는 P/I/N 접합 반도체층(230)에서 n형 반도체층은 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(holedensity)를 가지고 있고, p형 반도체층은 작은 전자밀도와 큰 정공밀도를 갖도록 이루어지는 것이 특징이다.

따라서, 열적 평형상태에서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 이루어진 상기 P/N 접합 또는 P/I/N 접합 반도체층(230) 내에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배(句配)에 의한 확산으로 전하의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상의 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다. 이때, 상기 P/N 접합 또는 P/I/N 접합 반도체층(230) 내부에 이를 이루는 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드 갭 에너지(band gap energy) 보다 큰 에너지를 갖는 빛이 조사되었을 경우, 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite) 되게 되며, 이때, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되고, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다.

이렇게 생성된 자유전자와 정공을 과잉(excess) 캐리어라고 하며, 상기 과잉 캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이에 의해서 확산하게 된다. 이때, 상기 과잉 캐리어 즉, p형 반도체에서 여기된 전자들과 n형 반도체에서 만들어진 정공을 각각의 소수 캐리어(minority carrier)라 정의되며, 기존 접합 전의 p형 또는 n형 반도체내의 캐리어(즉, p형의 정공 및 n형의 전자)는 이와 구분해 다수 캐리어(majority carrier)라 정의된다. 이때, 상기 다수 캐리어들은 전기장으로 인한 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만, p형의 소수 캐리어인 전자는 n형 쪽으로 이동할 수 있게 된다. 상기 소수 캐리어의 확산에 의해 P/N 접합 또는 P/I/N 접합 반도체층 내부에 전압차(potential drop)가 생기게 되며, 상기 P/N 접합 또는 P/I/N 접합 반도체층(230)의 양극단에 발생된 기전력을 P/N 접합 또는 P/I/N 접합 반도체층(230)의 외측면과 각각 접촉하며 형성된 제 1 및 제 2 투명전극(220, 240)을 이용하여 회로에 연결하면 전지로서 작용하게 되는 것이다.

이러한 태양전지(290)는 태양광을 집광시키면 보다 효율적으로 광전 변환이 이루어지게 되며, 따라서 본 발명에서와 같이 상기 제 2 투명전극(240)의 외측에 소정간격 이격한 형태로 다수의 마이크로 렌즈(140)를 구비한 집광수단(150)을 구비하고 있는 것이다.

즉, 이렇게 본 발명의 실시예에 따른 집광수단(150)을 구비한 태양전지(290)는 태양광의 입사각도에 관계없이 상기 집광수단(150)에 구비된 다수의 마이크로 렌즈(140)에 의한 산란을 통해 상기 P/I/N 접합 반도체층(230) 내부로 입사되는 빛의 양을 증가시키므로 태양 빛을 전기에너지로 변환하는 효율이 높아지게 되는 것이 특징이다.

즉, 상기 태양전지(290)에 입사되는 태양광의 각도가 매우 작은 값 일례로 20도 정도의 입사각을 가지며 입사된다 하더라도 상기 마이크로 렌즈(140)에 의해 그 내부에서 굴절되어 그 광경로가 바뀌어 P/I/N 접합 반도체층(230) 내부로는 상기 20보다 큰 각도를 가지며 입사되도록 하여 P/I/N 접합 반도체층(230) 내에서의 광의 흡수율을 향상시키게 되는 것이다.

110 : 기판 120 : 자기 조립 단분자층
125 : 투명한 잉크 130 : 잉크 방울
190 : 잉크젯 장치

Claims

기판 상에 강 소수성을 갖는 자기 조립 단분자층(Self Assembly Monolayer)을 형성하는 단계와;
상기 강 소수성을 갖는 자기 조립 단분자층 상에 잉크젯 장치를 이용하여 SiOx의 고형분이 제 1 비점을 갖는 제 1 용매와 상기 제 1 비점보다 낮은 제 2 비점을 갖는 제 2 용매에 분산된 투명한 잉크를 일정간격 이격하며 도팅하여 다수의 잉크 방울을 형성하는 단계와;
상기 잉크 방울을 건조시키는 단계
를 포함하는 마이크로 렌즈의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 자기 조립 단분자층은 Alkyl siloxane 계열의 물질로서 OTS(octa decyle trichloro silane), ODTS(octa dodecyle trichloro silane), OTMS(octa decyl trimethoxy silane) 중 어느 하나로 이루어진 것이 특징인 마이크로 렌즈의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 자기 조립 단분자층은 스핀코팅(spin coating), 슬릿코팅(slit coating), 딥코팅(Dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 접촉 프린팅(contact printing) 중 어느 하나의 코팅 방법을 통해 상기 기판 전면에 코팅하여 형성하는 것이 특징인 마이크로 렌즈의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 SiOx의 고형분은 나노 입자 형태이거나 또는 분자 형태가 되며, 상기 분자 형태인 경우 TEOS(tetraethoxysilane) 또는 TBOS(tetrabutoxysilane)인 것이 특징인 마이크로 렌즈의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 투명한 잉크는 그 굴절율이 상기 기판의 굴절율과 같거나 큰 것이 특징인 마이크로 렌즈의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 잉크방울의 건조는 상온에서 진행하는 자연건조이거나, 소성장치를 이용하여 50℃ 내지 350℃의 온도 분위기에서 열처리를 실시하는 것이 특징인 마이크로 렌즈의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 잉크 방울의 건조 이후에는 열처리를 실시하여 소성장치를 이용하여 50℃ 내지 350℃의 온도 분위기에서 열처리를 실시하여 경화시키는 단계를 포함하는 마이크로 렌즈의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항 기재의 발명에 의해 제조 된 마이크로 렌즈를 집광수단으로 구비하고,
제 1 절연기판과;
상기 제 1 절연기판 상에 형성된 제 1 투명전극과;
상기 제 1 투명전극 상부에 형성되며 순차적으로 n형 불순물 반도체 물질층과, 수소화된 실리콘층과, p형 불순물 반도체 물질층으로 이루어진 제 1 P/I/N 접합 반도체층과;
상기 제 1 P/I/N 접합 반도체층 상부로 형성된 제 2 투명전극
을 포함하며, 상기 집광수단은 상기 제 2 투명전극 상부에 위치하는 것이 특징인 태양전지.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 투명전극과 상기 제 1 P/I/N 접합 반도체층 사이에는 상기 제 1 제 1 P/I/N 접합 반도체층과 동일한 구성을 갖는 제 2 및 제 3 P/I/N 접합 반도체층이 형성된 것이 특징인 태양전지.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1, 2, 3 P/I/N 접합 반도체층은 순차적으로 에너지 밴드갭이 큰 순서를 갖도록 형성된 것이 특징인 태양전지.