KR102065148B1 - 태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층 및 그 제조방법으로 탄소섬유를 준비하는 단계; 상기 탄소섬유를 전처리 하는 단계; 상기 탄소섬유상에 실리콘 파우더 젯으로 실리콘 파우더를 분사하는 단계; 상기 실리콘 파우더에 레이저빔을 조사하는 단계; 상기 실리콘 파우더에 레이저빔을 조사한 다음 상기 탄소섬유를 냉각챔버에서 냉각하는 단계를 특징으로 한다.

Description

태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층 및 그 제조방법{SILICON LAYER ON CARBON FIBER FABRIC FOR SOLAR CELL AND A METHOD OF MANUFACTURING THE ABOVE}

본 발명은 실리콘 분말의 증착 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층을 제조하는 방법에 관한 것이다.

실리콘 태양전지는 도전형 반도체로 각각 이룰어진 실리콘 기판 및 에미터층과 실리콘 기판과 에미터층 위에 각각 형성된 전극으로 구성된다.

실리콘 태양전지는, 태양광이 입사되면 반도쳉서 복수의 전자 정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자 정공 쌍은 광전효과(photovoltaic effect)에 의해 저자와 정공으로 각각 분리되어 각각 n형의 반도체와 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 즉 저자는 에미터층 쪽으로, 정공은 실리콘 기판 쪽으로 이동하고, 실리콘 기판과 에미터층에 전기적으로 연결된 전극에 의해 수집된다.

실리콘 태양전지의 제조방법은, 실리콘 기판을 준비하는 단계, 준비된 실리콘 기판에 에미터층을 형성하는 단계, 패시베이션을 형성하는 단계 및 전극을 형성하는 단계로 구분될 수 있다.

특히 실리콘 기판을 준비하는 단계에서 결정질 실리콘은 기판 소재 비용이 전체 가격대비 차지하는 비중이 높고 단속적이고 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 가격 저감에 있어서 한계가 있다. 또한 최근의 실리콘 원소재 가격 급등은 전체적인 태양광 발전 시스템의 발전단가에 부담이 되고 있다.

이러한 문제를 극복하기 위하여 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄이는 기술과 함께 박막형 태양전지가 대안으로 제시되고 있다. 박막 태양전지는 수?의 박막을 태양전지 광흡수층으로 이용함으써 원소재 소모가 극히 적으며, 반도체 공정을 사용하기 때문에 연속공정이 가능하다.

실리콘 웨이퍼의 두께가 얇아지면 제조 단가를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 유연성이 생겨 휠 수 있는 특성을 갖는 반면, 실리콘 웨이퍼의 강도는 급격히 낮아져 충격에 약해지고 수율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.

실리콘 박막 태양전지는 비정질 실리콘 박막을 스퍼터링 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)방법등으로 증착 조건에 따라서 또는 후처리 공정에 의해서 비정질 실리콘, 폴리실리콘 마이크로 크리스탈 실리콘으로 나뉜다.

실리콘 박막 태양전지는 비정질 또는 마이크로 크리스탈 실리콘 중 하나의 박막을 광 흡수층으로 하는 박막형 태양전지와 이중 접합 구조로서 비정질과 마이크로 크리스탈 실리콘 박막의 두개 광 흡수층을 갖는 이중 접합 구조 태양전지 등으로 나뉜다.

단일접합구조 태양전지는 제조원가가 매우 싸다는 장점이 있으나 비정질 실리콘의 광의 흡수에 따라 열화되는 특성으로 인한 태양전지의 안정화 효율이 낮다. 이중 접합 구조 태양전지는 단일접합구조 태양전지에 비해서는 상대적으로 높은 효율을 보여주지만 효율의 증가정도가 월등히 높지 않고 공정은 2배이상 복잡해지며 생산효율도 떨어지는 단점을 갖고 있다.

본 발명은, 종래의 실리콘 웨이퍼 태양전지의 효율에 대응하면서도 유연성을 갖는 평면뿐 아니라 곡면에도 사용할 수 있는 제조단가를 낮춘 태양전지용 실리콘 기판을 제공하는데 그 목적이 있다.

태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층은 탄소섬유; 상기 탄소섬유상에 분사되는 실리콘 파우더가 멜팅되어 실리콘 층을 이루는 것을 특징으로 한다.

상기 탄소섬유는 롤에 말린 직물형태이거나 매엽식인 것을 특징으로 한다.

상기 탄소섬유는 금속으로 상기 탄소섬유의 상부가 코팅된 것을 특징으로한다.

태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층 제조방법은 탄소섬유를 준비하는 단계; 상기 탄소섬유를 전처리 하는 단계; 상기 탄소섬유상에 실리콘 파우더 젯으로 실리콘 파우더를 분사하는 단계; 상기 실리콘 파우더에 레이저빔을 조사하는 단계; 상기 실리콘 파우더에 레이저빔을 조사한 다음 상기 탄소섬유를 냉각챔버에서 냉각하는 단계를 특징으로 한다.

상기 탄소섬유를 전처리 하는 단계는 고주파 전기방전 또는 플라즈마 처리를 하는 것을 특징으로 한다.

상기 실리콘 파우더는 실리콘 파우더 젯, 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 잉크젯 인쇄, 에어로졸 인쇄중 어느 하나로 상기 탄소섬유상에 도포하는 것을 특징으로 한다.

상기 레이저빔은 엑시머 레이저 또는 자외선 레이저인 것을 특징으로 한다.

상기 냉각챔버는 공랭식 또는 수냉식으로 냉각하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명은 탄소섬유상에 실리콘 분말을 증착하고 증착된 실리콘 분말을 후 처리함으로써, 실리콘 웨이퍼 태양전지의 효율에 대응하면서도 유연성을 갖을 뿐 아니라 제조 단가를 낮춘 태양전지용 실리콘 기판을 제조할 수 있다.

도 1 및 도 2는 탄소섬유상에 실리콘층을 적층한 계층구조를 나타낸 것이다.
도 3은 롤 투 롤(Roll to Roll)공정을 통하여 탄소섬유(100)에 실리콘 파우더를 분사하는 과정(A), 탄소섬유(100)에 레이저(400)을 조사하여 실리콘을 멜팅시키는 과정(B'), 냉각처리하는 과정(C)을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 실리콘 파우더(210)를 실리콘 파우더 젯(jet)(200)의 주입구(220)를 통하여 분사하는 것을 도시한 것이다.
도 5는 도3에서 도시한 롤 투 롤(Roll to Roll)공정을 통하여 탄소섬유(100)에 실리콘 파우더를 분사하는 과정(A), 탄소섬유(100)에 레이저(400)빔을 인가하여 실리콘 파우더(210)를 멜팅하는 과정(B'), 멜팅된 실리콘 파우더(210)를 냉각처리하는 과정(C)을 순서도로 나타낸 것이다.
도 6은 탄소섬유(100)상에 실리콘 파우더(120)를 분사하기 전 전처리(pre treatment)하는 과정이다.
도 7은 탄소섬유(100)에 실리콘 파우더를 분사하는 과정(A)에 앞서 탄소섬유(100)를 전처리하는 과정을 포함한 탄소섬유상에 실리콘층을 증착하는 제조공정을 순서도로 나타낸 것이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지용 실리콘 기판의 제조방법에 대해 설명한다.

도 1 및 도 2는 탄소섬유상에 실리콘층을 적층한 계층구조를 나타낸 것이다.

도 1(a)는 탄소섬유(100)상에 실리콘층(110)이 적층 단면도이다. 도 1(b)는 직물형태의 탄소섬유(100)상에 실리콘 파우더를 분사하고 열 또는 전기적인 처리를 통하여 실리콘층(110)이 적층된 것을 나타낸 것이다. 도 2(a)는 탄소섬유(100)상에 금속층(120)을 적층한 다음 실리콘층(110)을 적층한 태양전지용 실리콘 기판 단면도이다. 실리콘층(110)은 금속층(120)이 탄소섬유(100)상에 코팅되어 있는 것이거나 탄소섬유(100) 상부에 이베포레이션 또는 스퍼터링 같은 방법을 통하여 증착한 금속층(120) 상부에 실리콘 파우더를 분사하고 열 또는 전기장을 인가하여 실리콘층(110)을 형성한다. 금속층(120)은 알루미늄 또는 니켈 또는 은 등과 같은 물질로서 상부의 실리콘과 열처리후 실리사이드를 형성하여 다결정 실리콘으로 형성 될 수 있다. 도 2(b)는 직물형태의 탄소섬유(100)상에 실리콘 파우더를 분사하고 열 또는 전기적인 처리를 통하여 실리콘층(110)이 적층된 것을 나타낸 것이다.

도 3은 롤 투 롤(Roll to Roll)공정을 통하여 탄소섬유(100)에 실리콘 파우더를 분사하는 과정(A), 탄소섬유(100)에 레이저(400)을 조사하여 실리콘을 멜팅시키는 과정(B'), 냉각처리하는 과정(C)을 개략적으로 도시한 것이다.

먼저, 롤(260)에 말린 형태의 직물형태의 탄소섬유(100)가 태양전지용 기판으로 마련된다. 여기에 실리콘 파우더(210)를 실리콘 파우더 젯(jet)(200)의 주입구(220)를 통하여 분사한다.

다음으로, 도시한 바와 같이 탄소섬유(100)에 레이저(400) 빔을 조사하여 실리콘을 멜팅하여 실리콘층(110)을 적층시키는 과정(B'')에서는 탄소섬유(100)상에 탄소섬유(100)에 레이저(400)을 조사하면 탄소섬유(100)의 온도가 상승하고, 상승한 온도로 인하여 분사된 실리콘 파우더(210)가 멜팅(melting)된다. 레이저(400) 빔은 비정질 실리콘을 다결정화하는 엑시머레이저용 KrF를 사용할 수 있다. 레이저(400) 빔은 엑시머 레이저 또는 UV 레이저 등을 사용할 수 있다.

다음으로, 냉각처리하는 과정(C)은 냉각챔버(250) 내부로 열처리 된 탄소섬유(100)상의 실리콘층(110)을 냉각시키는 것이다. 냉각챔버(250)은 파우더젯(200), 레이저(400) 빔으로 인한 실리콘 멜팅 프로세서(410)와 인라인(in-line)으로 연결되어 있다. 또한, 냉각챔버(250)의 냉각채널은 공랭식 또는 수냉식이 가능하다.

도 4는 실리콘 파우더(210)를 실리콘 파우더 젯(jet)(200)의 주입구(220)를 통하여 분사하는 것을 도시한 것이다. 도면상에는 실리콘 파우더 젯(200)을 통한 실리콘 파우더(210)를 탄소섬유(100)상에 증착하는 제조과정에 대해서만 도시하였으나, 실리콘 파우더(210)를 탄소섬유(100)상에 증착하는 방법은 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 잉크젯 인쇄, 에어로졸 인쇄 등의 방법에 의해서도 가능하다.

도 5는 도3에서 도시한 롤 투 롤(Roll to Roll)공정을 통하여 탄소섬유(100)에 실리콘 파우더를 분사하는 과정(A), 탄소섬유(100)에 레이저(400)빔을 인가하여 실리콘 파우더(210)를 멜팅하는 과정(B''), 멜팅된 실리콘 파우더(210)를 냉각처리하는 과정(C)을 순서도로 나타낸 것이다.

S400은 먼저 탄소섬유(100)를 기판으로 구비하는 과정이다. 이 구비된 탄소섬유(100)는 롤(260)에 말려 있는 형태 또는 필요한 모양에 맞추어 절단기로 절단된 매엽식 기판 형태의 탄소섬유(100)기판이다. 탄소섬유(100)기판은 탄소섬유(100)만으로 이루어져있거나 탄소섬유(100)상에 금속 코팅된 금속층(120)이 코팅되어 있는 탄소섬유(100) 기판이다.

S410은 준비된 탄소섬유(100) 또는 금속층(120)이 코팅된 탄소섬유(100)에 실리콘 파우더(210)를 실리콘 파우더 젯(jet)(200)의 주입구(220)를 통하여 분사하는 과정이다.

S420은 탄소섬유(100)에 레이저(400) 빔을 조사하여 실리콘파우더(210)를 멜 팅하는 과정(B?)이다. 탄소섬유(100)상에 분사된 실리콘 파우더(210)에 레이저(400) 빔을 조사하게 되면 레이저(400) 빔의 높은 에너지로 인하여 실리콘 파우더(210)가 멜팅되고 이로 인하여 실리콘 파우더(210)가 실리콘층(110)으로 탄소섬유(100)상에 적층된다.

S430은 탄소섬유(100)상에 직가열로 인하여 증착된 실리콘층(110)을 냉각하는 과정이다. 냉각챔버 내부에서 냉각되는 탄소섬유(100)상의 실리콘층(110)은 수냉식 또는 공랭식 방법으로 냉각된다.

도 6은 탄소섬유(100)상에 실리콘 파우더(120)를 분사하기 전 전처리(pre treatment)하는 과정으로서, 프로세스 챔버(270)(270)에서 고주파 전기방전에 의해 표면을 처리하여 친수성을 향상시키고 접착력을 향상시키는 표면개질 공정이다. 상술한 바와 같은 코로나 방전처리를 하거나 플라즈마처리를 할 수 도 있다. 또한, 퍼니스(230)에서 열처리를 한 다음 실리콘 파우더(120)를 증착하는 방법도 가능하다. 이 때, 열처리시 대기중에서 어닐링하는 방법과 불활성가스분위기에서 어닐링 하는 방법 모두 가능하다.

도 7은 탄소섬유(100)에 실리콘 파우더를 분사하는 과정(A)에 앞서 탄소섬유(100)를 전처리하는 과정을 포함한 탄소섬유상에 실리콘층을 증착하는 제조공정을 순서도로 나타낸 것이다.

S405는 먼저 탄소섬유(100)를 기판으로 구비하는 과정이다. 이 구비된 탄소섬유(100)는 롤(260)에 말려 있는 형태 또는 필요한 모양에 맞추어 절단기로 절단된 매엽식 기판 형태의 탄소섬유(100)기판이다. 탄소섬유(100)기판은 탄소섬유(100)만으로 이루어져있거나 탄소섬유(100)상에 금속 코팅된 금속층(120)이 코팅되어 있는 탄소섬유(100) 기판이다.

S415는 전처리 과정으로서, 탄소섬유(100)의 표면개질을 위한 코로나 방전 또는 플라즈마처리를 한다. 또는 퍼니스(230)에서 열처리를 할 수 도 있다.

S425는 준비된 탄소섬유(100) 또는 금속층(120)이 코팅된 탄소섬유(100)에 실리콘 파우더(210)를 실리콘 파우더 젯(jet)(200)의 주입구(220)를 통하여 분사하는 과정이다.

S435는 탄소섬유(100)에 레이저(400) 빔을 조사하여 실리콘파우더(210)를 멜 팅하는 과정(B'')이다. 탄소섬유(100)상에 분사된 실리콘 파우더(210)에 레이저(400) 빔을 조사하게 되면 레이저(400) 빔의 높은 에너지로 인하여 실리콘 파우더(210)가 멜팅되고 이로 인하여 실리콘 파우더(210)가 실리콘층(110)으로 탄소섬유(100)상에 적층된다.

S445는 탄소섬유(100)상에 적층된 실리콘층(110)을 냉각시켜 경화하는 과정이다.

이상에서 설명된 본 발명의 마그네틱 코어 냉각용 냉각키트 및 이를 구비한 플라즈마 반응기의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100: 탄소섬유 110: 실리콘층
120: 금속층 200: 실리콘 파우더 젯
220: 주입구 230: 퍼니스
250: 냉각챔버 260 : 롤
270: 프로세스 챔버 400: 레이저

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 탄소섬유를 준비하는 단계;
   상기 탄소섬유를 전처리 하는 단계;
   상기 탄소섬유상에 실리콘 파우더 젯으로 실리콘 파우더를 분사하는 단계;
   상기 실리콘 파우더에 레이저빔을 조사하는 단계;
   상기 레이저빔이 조사된 상기 탄소섬유를 냉각챔버에서 냉각하는 단계를 특징으로 하는 태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층 제조방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 탄소섬유를 전처리 하는 단계는 고주파 전기방전 또는 플라즈마 처리를 하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층 제조방법.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 실리콘 파우더는 실리콘 파우더 젯, 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 잉크젯 인쇄, 에어로졸 인쇄중 어느 하나로 상기 탄소섬유상에 도포하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층 제조방법.
   
7. 제 4항에 있어서,
   상기 레이저빔은 엑시머 레이저 또는 자외선 레이저인 것을 특징으로 하는 태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층 제조방법.
   
8. 제 4항에 있어서,
   상기 냉각챔버는 공랭식 또는 수냉식으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 탄소섬유상의 실리콘층 제조방법.
   
   

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