JP2013530539A - Inpの強制ドーピングによる高濃度pドープ量子ドット太陽電池及び製造方法 - Google Patents

Inpの強制ドーピングによる高濃度pドープ量子ドット太陽電池及び製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、半導体量子ドット増感型太陽電池の製造方法に関する。
【解決手段】本発明の製造方法は、基板の上部に4族元素及びInPを含む半導体層を形成した後、前記半導体層が形成された基板を熱処理し、In(Indium)を除去し、P(phosphorus)がドープされた4族元素量子ドットであるn型半導体量子ドットを形成する量子ドット形成段階を含む特徴がある。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体ベースの量子ドット太陽電池及びその製造方法に関し、詳しくは、相当高濃度にPがドープされた半導体量子ドットが形成される太陽電池の製造方法に関する。
太陽光素子の場合、製造コストを減らして効率を上げるために、シリコン以外の多様な素材研究が行われているが、半導体原理を利用する太陽光素子の特性により、シリコンベースとする太陽光素子に比べて効率が相当低く、劣化による寿命が短くて実際市場占有比率は3%内外に微々たる実情である。
シリコンをベースとする太陽光素子の場合、シリコン単結晶、シリコン多結晶を利用したものが大部分であり、太陽光システム構築時、シリコン素材及びウエハーが占めるコストが全体構築コストの40%を超えている実情であるため、これに対する現実的解決策として、シリコン量子ドットを介して光電効率を高めることで単位電力生産に必要なシリコンの量を減らす努力と薄膜型素子によりシリコン消耗を最小化する努力が行われている。
このようなシリコン量子ドット太陽電池及びシリコン薄膜太陽電池の製造において、半導体元素がドープされたシリコン薄膜成長が太陽電池の性能向上に相当重要であり、既存方法である熱拡散法及び化学蒸気蒸着法を利用する場合、ドーピング濃度調節に制限があって高濃度ドーピングのための特別な方法が要求されている。
本発明は、化合物ターゲットを利用して高濃度にn型不純物がドープされるn型半導体量子ドットベースの太陽電池の製造方法を提供するものであり、再現性のある不純物元素ドーピングが可能であり、相当簡単で容易な方法により高い効率を有するn型半導体量子ドットベースの太陽電池を製造する方法を提供するものである。
本発明は、半導体量子ドット太陽電池の製造方法に関し、本発明の量子ドット太陽電池の製造方法は、基板の上部に4族元素及びInPを含む半導体層を形成した後、前記半導体層が形成された基板を熱処理してInを除去し、P(phosphorus)がドープされた4族元素量子ドットであるn型半導体量子ドットを形成する量子ドット形成段階を含んで実行される特徴がある。
前記熱処理時、Inの除去は、揮発(固体から気体への揮発)による除去である特徴がある。
特徴的に、前記半導体層は、4族元素または4族元素の化合物に前記InPが物理的にドープされたものである。
特徴的に、前記半導体層は、InPがドープされた非晶質相(amorphous phase)を含み、前記InPがドープされた非晶質相は、InPがドープされた4族元素の非晶質相、InPがドープされた4族元素酸化物の非晶質相、InPがドープされた4族元素窒化物の非晶質相またはこれらの混合物を含む。
特徴的に、前記半導体層は、InPがドープされた4族元素の薄膜、InPがドープされた4族元素窒化物の薄膜、InPがドープされた4族元素酸化物の薄膜、またはこれらの積層薄膜である。
前記4族元素及びInPを含む半導体層は、物理的蒸着により形成される特徴があり、詳しく、前記物理的蒸着は、スパッタリング(sputtering)であり、前記スパッタリングは、4族元素のターゲットと、InPターゲットと、をイオンビームを用いて同時スパッタリングして蒸着する特徴がある。
前記4族元素は、Si及びGeから一つ以上選択された元素である特徴があり、前記量子ドット形成段階で実行される熱処理の温度は、900℃〜1150℃である特徴がある。
好ましく、本発明の製造方法は、a)p型半導体基板の上部に媒質層と前記半導体層を交互に積層して複合積層層を形成する段階と、b)前記複合積層層を熱処理して半導体窒化物、半導体酸化物またはこれらの混合物である媒質内P(phosphorus)ドープされた半導体量子ドットを形成する段階と、c)水素雰囲気で熱処理して前記P(phosphorus)ドープされた半導体量子ドットの非結合電子を水素と結合させる段階と、を含んで実行される。
この時、前記半導体層は、InPがドープされた4族元素の薄膜、InPがドープされた4族元素窒化物の薄膜、InPがドープされた4族元素酸化物の薄膜、またはこれらの積層薄膜であり、前記媒質層は、前記半導体層と独立して4族元素の窒化物、4族元素の酸化物またはこれらの混合物である特徴がある。
この時、前記媒質層及び前記半導体層の厚さは、互いに独立して0.5nm乃至5nmの厚さであることが好ましい。
本発明による製造方法において、前記量子ドット形成段階以後、前記基板及び前記n型半導体量子ドットを挟んで互いに対向し、少なくとも一電極は透明電極である二つの電極を形成する電極形成段階がさらに実行されることが好ましく、前記n型半導体量子ドットと前記透明電極との間に3族または5族元素がドープされた多結晶体の4族半導体層である多結晶半導体層をさらに形成することがさらに好ましい。
本発明による量子ドット太陽電池の製造方法は、n型半導体量子ドットを製造するためのn型不純物としてInP化合物を使用することによって、物理的な強制注入によりPのドーピング濃度調節が可能であり、相当高濃度にPがドープされたn型半導体量子ドットを製造することができるという長所があり、熱処理によりInが完全に除去されて高純度のPドーピングが可能であるという長所がある。
また、p−nジャングション(junction)をなすn型領域に多様な大きさのn型半導体量子ドットを含入させることができるという長所があり、n型ドーピングのために常温で安定した化合物ターゲット(target)を使用することによって再現性のある不純物元素ドーピングが可能であり、緩和された工程条件で不純物元素ドーピングが可能であり、スパッタリング及び熱処理という相当簡単で容易な方法により相当高濃度の不純物がドープされたn型半導体量子ドットが備えられた太陽電池を製造することができ、光吸収効率に優れた太陽電池を製造することができる。
本発明による量子ドット太陽電池の製造方法を示す一工程図である。 本発明による量子ドット太陽電池の製造方法を示す他の一工程図である。 本発明による量子ドット太陽電池の製造方法を示す他の一工程図である。 半導体層の熱処理前及び熱処理後のO、Si、及びPに対するSIMS深さ分布分析結果である。 半導体層の熱処理前及び熱処理後のO、Si、及びInに対するSIMS深さ分布分析結果である。 本発明による量子ドット太陽電池の効率を測定した結果であり、表面酸化膜を除去した後、多結晶シリコン層上に電極を積層して製造された量子ドット太陽電池の効率測定結果である。 本発明による量子ドット太陽電池の効率を測定した結果であり、表面酸化膜を除去した後、多結晶シリコン層上に透明伝導膜として80nmのITO薄膜を形成した太陽電池素子の光電効率測定した結果である。
以下、添付図面を参照して本発明の製造方法を詳細に説明する。以下に提示される図面は、当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするために例として提供されるものである。従って、本発明は、以下に提示される図面に限定されるものではなく、他の形態に具体化されることもでき、以下に提示される図面は、本発明の思想を明確にするために誇張されて図示されることができる。また、明細書全体にわたって同じ参照番号は、同じ構成要素を示す。
この時、使われる技術用語及び科学用語において、他の定義がない場合、この発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が通常的に理解している意味を有し、下記の説明及び添付図面において本発明の要旨を不明にする公知機能及び構成に対する説明は省略する。
図1は、本発明による製造方法において、量子ドット形成段階を示す工程図の一例であり、図1に示すように。基板110の上部にInP及び4族元素を含む半導体層120を形成した後、前記半導体層120が形成された基板110を熱処理して水素化処理し、Pがドープされた4族元素の量子ドットであるn型半導体量子ドット132が4族元素を含む媒質(matrix)131に含入された半導体量子ドット層130が製造される。
詳しく、前記半導体層120は、4族元素、4族元素の酸化物、4族元素の窒化物、これらの混合物またはこれらの積層薄膜に不純物としてInPが強制ドープされた膜である特徴があり、前記半導体層120に含まれている4族元素、4族元素の酸化物、4族元素の窒化物、これらの混合物が非晶質相である特徴があり、前記半導体層120の熱処理により前記半導体層に含まれているInPのうちInが選択的に蒸発(固状から気状への蒸発)除去され、n型半導体量子ドット132が形成される特徴がある。
詳しく、前記InPが強制ドープされた膜である半導体層120の熱処理時、半導体層120で蒸気圧の差によりInのみが選択的に蒸発除去され、純粋にPによりドープされた4族元素の量子ドットであるn型半導体量子ドット132が形成される特徴がある。
前記InPは、常温で安定した化合物であるため、InPターゲット(target)及び4族元素のターゲット(target)を利用した物理的蒸着法により不純物としてInPが強制ドープされた膜である半導体層120が製造される特徴があり、前記半導体層120に相当な高濃度にInPをドーピングすることができる特徴があり、精密に制御された濃度にInPをドーピングすることができる特徴がある。
詳しく、前記半導体層120は、物理的蒸着により実行され、前記物理的蒸着は、スパッタリングである特徴があり、より詳しく、前記半導体層120を形成するスパッタリングは、薄型のInPターゲットと薄型の4族元素ターゲットを同時にスパッタリングして蒸着する方法を利用して実行される特徴がある。
この時、前記基板110に形成される半導体層120に含まれているInPの濃度は、スパッタリング時に使われる前記InPターゲットと前記4族元素ターゲットの相対的なスパッタリング面積またはイオンビーム強度により制御されることが好ましい。
詳しく、前記4族元素は、Si、GeまたはSiGe化合物である特徴があり、前記基板は、p型半導体基板である特徴がある。この時、前記p型半導体基板は、前記半導体層120に含まれている4族元素と同じ元素にp型不純物がドープされた基板であることが好ましい。
好ましく、前記半導体層120は、4族元素の酸化物、4族元素の窒化物、これらの混合物またはこれらの積層薄膜に不純物としてInPが強制ドープされた4族元素薄膜である。これにより、前記熱処理により製造される前記半導体量子ドット層130は、4族元素の酸化物、4族元素の窒化物またはこれらの混合物である媒質131に複数個のn型半導体量子ドット132がアレイをなし、前記媒質に含入されている構造を有する特徴がある。
図2は、本発明の製造方法を示す好ましい一工程図であり、基板110、好ましく、p型半導体基板の上部に蒸着工程を利用して媒質層121と図1に基づいて詳述した半導体層122とを交互に蒸着して多層薄膜構造の複合積層層120′を製造し、以後透明伝導膜の蒸着を円滑にするために表面に純粋な4族元素層123を蒸着し、その上に4族元素酸化物層124を蒸着する。
前記媒質層121は、4族元素の酸化物、4族元素の窒化物またはこれらの混合物である特徴があり、前記複合積層層120′を構成する複数個の媒質層121は、膜別に互いに異なる物質(半導体酸化物、半導体窒化物、半導体酸化物と半導体窒化物の混合物)及び互いに異なる厚さを有することができる。
好ましく、前記半導体層122の4族元素が酸化物相である場合、前記媒質層121も酸化物相であることが好ましく、前記半導体層122の4族元素が窒化物相である場合、前記媒質層121も窒化物相であることが好ましい。
前記半導体層122の熱処理によりPドープされた4族元素の量子ドットであるn型半導体量子ドット132が形成されるようになるため、前記半導体層122の厚さ、前記半導体層122の組成、前記複合積層層120′を構成する半導体層122の数等により、媒質131内のn型半導体量子ドット132の位置、大きさ、個数などが制御される。
詳しく、複合積層層120′の蒸着時、前記媒質層121及び半導体層122の厚さを各々0.5nm〜5nmになるように蒸着することが好ましい。
また、前記複合積層層120′の厚さを数ナノメートル乃至数百ナノメートルに製造し、複合積層層120′の熱処理により製造される半導体量子ドット層130の厚さが数ナノメートル乃至数百ナノメートルになるように制御することが好ましい。
以後、図1の説明と同様に、前記複合積層層120′を熱処理し、媒質131内の複数個のn型半導体量子ドット132と表面に多結晶体の4族元素層133が形成された半導体量子ドット層130を形成する。
前記熱処理によりInが選択的に除去され、応力緩和及び界面エネルギーの最小化を駆動力にして媒質に囲まれたn型半導体量子ドット132アレイが製造され、n型半導体量子ドット132アレイを形成した後、水素雰囲気で再熱処理して前記n型半導体量子ドット132の非結合電子を水素と結合させる。
n型半導体量子ドット132を形成させるための前記熱処理は、Inの選択的な蒸発除去、媒質の物質、半導体層の物質、製造しようとする量子ドットの大きさ及び密度を考慮して決定されなければならず、主な考慮要素は、Inの選択的な除去及び量子閉じ込め効果を有するn型半導体量子ドットの生成であり、そのために、n型半導体量子ドット132を形成させるための前記熱処理は900℃〜1150℃で実行されることが好ましい。
前記n型半導体量子ドットの製造時、熱処理温度があまりにも低くなる場合、Inの除去が行われず、物質移動が難しくて半導体量子ドット形状を得ることが難しく、熱処理温度があまりにも高くなるInだけでなく、Pも除去される危険があり、半導体量子ドットの大きさが相当不均一になる危険及び量子閉じ込め効果(Quantum confinement effect)が微々たる粗立粒子が生成される危険がある。
詳しく、n型半導体量子ドット132を形成させるための前記熱処理は、4族元素の酸化物、好ましく、酸化シリコン(SiO)が媒質である場合、1100℃〜1150℃で実行され、半導体窒化物、好ましく、窒化シリコン(Si)が媒質の場合、900℃〜1100℃で実行されることが好ましく、前記熱処理は、10分〜30分実行されることが好ましい。
以後、水素雰囲気で熱処理して前記n型半導体量子ドットの非結合電子を水素と結合させる水素化段階が実行される。前記水素化段階の熱処理温度は、半導体量子ドットの種類によって決定されなければならず、前記半導体量子ドットがシリコン量子ドットである場合、フォーミングガス(forming gas;95%Ar−5%H)を利用した水素雰囲気下600℃〜700℃温度で30分〜90分熱処理することが好ましい。
以後、図2に示すように熱処理された半導体層130の上部に透明伝導膜210を形成した後、前記透明伝導膜210の上部と基板の下部に電極310、320を形成する段階が実行されることが好ましい。前記電極310、320は、導電性金属ペーストを利用したスクリーンプリンティング、ステンシルプリンティングなどの通常のプリンティング方法またはPVD/CVDを利用した蒸着を利用して製造される。
図3は、本発明の製造方法を示すより好ましい一工程図であり、図3に示すように、本発明による製造方法は、前記複合積層層120′を形成した後、前記複合積層層120′の上部に4族元素層123をさらに形成することが好ましく、前記4族元素層123の上部に4族元素の酸化物層である表面酸化物層124をさらに形成することが好ましい。
前記4族元素層123は、酸化または窒化されない純粋な4族元素のマトリックスに3族または5族元素が不純物としてドープされた薄膜であり、詳しく、非晶質相の4族元素薄膜または多結晶体の4族元素薄膜である。一例として、前記4族元素層は、多結晶シリコン層である。この時、前記基板110がp型基板である場合、前記4族元素層123は、n型不純物としてドープされたことが好ましい。
前記4族元素層123は、量子ドット132で形成された電子及び正孔の流れを円滑に電極に移動させ、透明伝導膜210の蒸着を容易にする役割を実行する。円滑な光電荷の流れ及び光電荷の再結合による消滅を防止するために、前記4族元素層123は、30nm〜50nm厚さであることが好ましい。
前記表面酸化物層124は、化学定量の酸素と結合した4族元素の完全な酸化物相であることが好ましく、熱処理時、太陽電池の光活性領域及び光電荷移動領域を保護する役割を実行する。前記表面酸化物層124は、熱処理以後に除去されなければならないため、20nm以上の厚さであることが好ましく、実質的に20nm〜50nmの厚さである。
以後、図2の説明と同様に、前記4族元素層123及び表面酸化物層124が形成された複合積層層120′を熱処理及び水素化した後、前記酸化物層124は、蝕刻液を利用した湿式エッチングにより除去されることが好ましい。
酸化物層124を除去した後、表面に露出された4族元素層133と接するように前記4族元素層133の上部に透明伝導膜210を形成した後、前記透明伝導膜210の上部と基板の下部に電極310、320を形成することが好ましい。
図4は、図3のように製造された複合積層層を1100℃で20分間熱処理した後、熱処理前と熱処理後のO、Si、及びP元素に対するSIMS深さ分布分析結果であり、図5は、熱処理前と熱処理後のO、Si、及びIn元素に対するSIMS深さ分布分析結果である。
図4及び図5に示すように、前記熱処理により、Inは、蒸着された量を分析機が検出することができる程度に完全に除去され、Pは、そのまま維持されることを確認することができた。
図6は、スパッタリングを利用してInPがドープされた非晶質Si膜を半導体層(1nm)とし、シリコン酸化物を媒質層(2nm)とし、前記半導体層と前記媒質層を33回繰り返して積層して複合積層層を生成した後、InPがドープされた非晶質シリコン層(30nm)及びシリコン酸化物層(20nm)を形成した後、1100℃で20分間熱処理し、水素雰囲気で600℃で30分間水素化処理して製造された量子ドット太陽電池に対してBOE溶液で表面酸化膜134を除去した後、4族元素層133上に電極を積層した太陽電池の効率測定結果を示し、図7は、図6と類似な素子で4族元素層133上に透明伝導膜として80nm程度のITO薄膜を適用した太陽電池素子の光電効率を測定した結果であり、透明伝導膜を導入する場合、約25%の効率向上を確認した。
以上のように、本発明は特定された事項と限定された実施例及び図面により説明したが、これは本発明のより全般的な理解のために提供されたものに過ぎず、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明が属する分野において通常の知識を有する者であればこのような記載から多様な修正及び変形が可能である。
従って、本発明の思想は、説明された実施例に限定されて決まってはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等或いは等価的変形がある全ては本発明の思想範疇に属する。
110 基板
120 複合積層層 121 媒質層 122、123 半導体層
130 量子ドット層 131 媒質 132 量子ドット
133 4族元素層 134 表面酸化物層
210 透明伝導膜 310、320 電極

Claims (13)

  1. 半導体量子ドット増感型太陽電池の製造方法において、
    基板の上部に4族元素及びInPを含む半導体層を形成した後、前記半導体層が形成された基板を熱処理してIn(Indium)を除去し、P(phosphorus)がドープされた4族元素量子ドットであるn型半導体量子ドットを形成する量子ドット形成段階を含むことを特徴とする量子ドット太陽電池の製造方法。
  2. 前記半導体層は、4族元素または4族元素の化合物に前記InPが物理的にドープされることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  3. 前記半導体層は、InPがドープされた非晶質相(amorphous phase)を含むことを特徴とする請求項1に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  4. 前記半導体層は、InPがドープされた4族元素の薄膜、InPがドープされた4族元素窒化物の薄膜、InPがドープされた4族元素酸化物の薄膜、またはこれらの積層薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  5. 前記4族元素及びInPを含む半導体層は、物理的蒸着により形成されることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  6. 前記物理的蒸着は、スパッタリング(sputtering)であり、前記スパッタリングは、4族元素のターゲットとInPターゲットと、をイオンビームを用いて同時スパッタリングして蒸着することを特徴とする請求項5に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  7. a)p型半導体基板の上部に媒質層と前記半導体層を交互に積層して複合積層層を形成する段階と、
    b)前記複合積層層を熱処理して半導体窒化物、半導体酸化物またはこれらの混合物である媒質内P(phosphorus)ドープされた半導体量子ドットを形成する段階と、
    c)水素雰囲気で熱処理して前記P(phosphorus)ドープされた半導体量子ドットの非結合電子を水素と結合させる段階と、
    を含んで製造されることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  8. 前記半導体層は、InPがドープされた4族元素の薄膜、InPがドープされた4族元素窒化物の薄膜、InPがドープされた4族元素酸化物の薄膜、またはこれらの積層薄膜であり、前記媒質層は、前記半導体層と独立して4族元素の窒化物、4族元素の酸化物またはこれらの混合物であることを特徴とする請求項7に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  9. 前記媒質層及び前記半導体層の厚さは、互いに独立して0.5nm〜5nmの厚さであることを特徴とする請求項7に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  10. 前記量子ドット形成段階以後、前記基板及び前記n型半導体量子ドットを挟んで互いに対向し、少なくとも一電極は透明電極である二つの電極を形成する電極形成段階がさらに実行されることを特徴とする請求項1または7に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  11. 前記n型半導体量子ドットと前記透明電極との間に3族または5族元素がドープされた多結晶体の4族半導体層である多結晶半導体層をさらに形成することを特徴とする請求項10に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  12. 前記熱処理は、900℃〜1150℃で実行されることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
  13. 前記4族元素は、Si及びGeから一つ以上選択された元素であることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット太陽電池の製造方法。
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