KR100452448B1 - 기판 상에 산화세륨 층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
기판 상에 산화세륨 층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100452448B1 KR100452448B1 KR10-2001-0060573A KR20010060573A KR100452448B1 KR 100452448 B1 KR100452448 B1 KR 100452448B1 KR 20010060573 A KR20010060573 A KR 20010060573A KR 100452448 B1 KR100452448 B1 KR 100452448B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- layer
- ceo
- solar cell
- seed layer
- substrate
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 59
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 4
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 title description 4
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 34
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 33
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract description 40
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 abstract description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 19
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 13
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000001782 photodegradation Methods 0.000 description 4
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 2
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 208000016253 exhaustion Diseases 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000005224 laser annealing Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
본 발명의 기판 상에 CeO2층을 갖는 태양전지는, 태양전지 지지판으로 기능하는 투명기판(300); 상기 투명기판의 일측면에 증착되며 저온에서도 실리콘과 동일한 결정구조 격자상수를 가지는 CeO2씨앗층(200); 상기 CeO2씨앗층(200)에 증착되며, 상기 태양전지의 활성층으로 사용되는 다결정 실리콘층(100); 및 광생성된 전기를 외부로 공급하기 위한 금속전극(500, 550)을 포함한다. 본 발명의 태양전지 제조방법은, 단결정 실리콘과 표면 구조가 동일하며 격자상수가 일치하는 CeO2를 유리기판 위에 먼저 성장시켜 미세결정 실리콘 박막제조에 씨앗층 (seed layer)으로 이용한다. 본 발명의 씨앗층과 미세결정 실리콘층 모두 저온공정인 500 ℃ 이하에서 실행된다. 실리콘 박막이 직접 미세결정으로 성장되기 때문에 균일한 특성이 달성되며 기존에 사용되던 시스템과도 호환 가능하다.
Description
본 발명은 기존의 방법보다 낮은 공정온도인 500℃ 이하에서 CeO2씨앗층을 이용하여 다결정 실리콘 후막을 성장하여 태양전지를 제조하는 방법 및 그에 관한 태양전지에 관한 것이다.
환경오염이 날로 극심해져 감에 따라 여러가지 오염 물질을 배출하고 있는 현 발전 방식을 대체할 새로운 발전 방식의 필요성이 대두되고 있다. 무공해이면서 또한 고갈의 위험이 없는 태양전지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양전지는 이러한 요구에 부합하는 가장 매력 있는 소자이다.
기존에 사용되어온 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 태양전지 (solar cell)는 저온에서 제작되지만 열화현상으로 태양전지 수명과 효율에 한계를 보이고있다. 그 이유는, 수소를 실리콘 막에 포함하고 있어 광열화 문제를 가지고 있기 때문이며, 따라서 원천적으로 태양전지 신뢰도를 보장하기 어렵다.
이를 극복하기 위해서는 열화 현상이 없고 효율측면에서도 보다 개선이 가능한 다결정 실리콘 박막 태양전지가 필요한 바, 'Nakajima' 등은 플라즈마 CVD를 이용한 다결정 실리콘 전지를 제작하였다. "ITO/ p μc-Si:H/i poly-Si/n+ poly-Si/Glass기판" 구조에서 진성 다결정 실리콘의 두께는 3 μm이었으며, 0.25 cm2의 면적에서 변환효율 8.6 %의 특성을 나타냈다.
그 후 'Yamamoto' 등은 PECVD을 사용하여 도 1에서 보여진 것처럼 STAR (surface texture and enhanced absorption with a back reflector) 구조로 n-i-p 다결정 실리콘 형태의 전지를 제작하였다.
즉, 도 1에서 보는 바와 같이, 유리기판(1) 상에 후면 반사층(2), n층(3), 진성 다결정 실리콘층(i poly-Si)(4), p층(5)을 순서대로 형성하고, 그 위에 ITO 배선층(6) 및 Ag 전극(7)을 형성하는 것이다. 상기 유리기판의 기판온도는 550 ℃, cell의 두께는 1.5∼3.5 μm이었으며, 0.5 cm2의 면적일 때 변환효율은 9.8 %이었다. 이 방식은, 태양전지 활성층에 다결정 실리콘(poly-Si) 박막을 사용하여 광열화 특성에 대한 개선을 보인다.
상기 다결정 실리콘 박막 태양전지는, 현재 고효율 달성을 위해 시도되고 있는 SPC(solid phase crystallization), MIC(Metal induced crystallization), MILC(Metal induced lateral crystallization), 마이크로웨이브(Microwave) 결정화, ELA (Excimer laser annealing)를 이용한다. 그러나, SPC와 마이크로웨이브 결정화 방법은 600℃ 이상의 후속 공정이 필요하여 유리기판 사용에 한계가 있다. MIC와 MILC 기법은 500℃ 정도의 온도에서 결정화 시에 유입되는 금속계열에 의한 오염이 문제시된다. ELA 기법은 Si 박막의 균일도 향상이 필요하며 또한 고가의 레이저 장비 사용으로 생산단가의 상승이 문제시된다.
최근의 태양전지 효율 향상을 위한 다결정 실리콘 태양전지를 이용한 응용연구가 가속되고 있으며 MIC, MILC, Microwave 결정화, ELA등 다양한 결정화 방법이 제안되고 있다. 이러한 다결정 실리콘 박막은 기존의 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition), LPCVD(Low pressure chemical vapor deposition)를 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)을 증착한 후 금속유도현상, 마이크로웨이브, 엑시머 레이저(Excimer laser)와 같은 후 결정화공정을 거치게 되어 공정단계가 증가하며, 박막의 균일도, 박막내 불순물 오염 등의 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 이상의 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단결정 실리콘과 표면 구조가 동일하며 격자상수가 일치하는 CeO2를 유리기판 위에 먼저 성장시켜 미세결정 실리콘 박막제조에 씨앗층 (seed layer)으로 이용한다. 본 특허의 씨앗층과 미세결정 실리콘층 모두 저온공정인 500 ℃ 이하에서 실행된다. 실리콘 박막이 직접 미세결정으로 성장되기 때문에 균일한 특성이 달성되며 기존에 사용되던 시스템과도 호환 가능하다.
본 발명의 태양전지에 따르면, 광열화의 원인인 수소를 실리콘 막에 포함하지 않아서 안정한 특성이 보장된다.
또한, 기존의 방법보다 낮은 공정온도인 500℃ 이하에서 오염이 없고, 균일하면서도 고효율 특성을 가지는 다결정 실리콘 (polycrystalline silicon: poly-Si) 박막을 이용한 태양전지 제조방법이 제공된다. 본 발명에 관한 태양전지 제조방법은, 단결정 실리콘과 표면 구조가 동일하며 격자상수가 유사한 CeO2를 유리기판 위에 먼저 성장하여 다결정 실리콘 박막제조에 씨앗층 (seed layer)으로 이용하며, 씨앗층과 다결정 실리콘층 모두 저온공정인 500℃ 이하에서 실행된다. 실리콘 박막을 직접 다결정 형태로 성장하기 때문에 균일한 특성달성이 가능하다.
더구나, 현재 결정 규소 태양전지는 최고 24%의 변환 효율을 보이고 있지만 전지 제작 면적이 제한되며, 규소 웨이퍼가 원형으로 성장되기 때문에 태양전지 제작 시 kerf 손실이 있으며, Si 기판 자체의 기계적 강도 유지를 위한 재료 손실로 생산 단가가 높다. 이런 손실은 웨이퍼 크기가 8인치, 12인치 등으로 구경이 커지면 커질수록 기판의 두께 또한 증가하기 때문에 손실이 증가한다. 본 발명에 의한 SG 다결정 실리콘 박막을 사용하면 생산단가의 36%이상을 차지하고 있던 태양전지 가격을 저가화 할 수 있다.
본 발명의 추가의 목적이나 효과는, 첨부한 도면을 참고하여 기술한 이하의 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 종래의 n-i-p 다결정 실리콘 형태의 전지의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 기판 상에 CeO2층을 갖는 태양전지의 모식도.
도 3은 기판 온도 변화에 따른 CeO2박막의 표면 거칠기를 나타내는 그래프.
도 4는 가스비에 따른 결정성을 알아보기 위한 XRD 결과를 보이는 그래프.
도 5는 기판 온도에 따른 CeO2박막의 격자 상수를 보이는 그래프.
도 6a는 실리콘 박막 성장시 CeO2씨앗층 유무를 나타내는 모식도이고, 도 6b는 실리콘 박막 성장시 CeO2씨앗층 유무에 따른 실리콘 층의 결정성의 변화를 보이기 위한 그래프이다.
도 7은 MgF2와 CeO2복층형 반사방지막을 이용한 반사율값을 보이는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 투명기판 2 : 후면 반사층
3 : n층 4 : 진성 다결정 실리콘
5 : p층 6 : ITO
7 : Ag 전극
100 : 다결정 실리콘층 200 : CeO2씨앗층
300 : 유리기판층 400 : MgF2반사방지막
500 : P+ 전극 600 : N+ 전극
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 기판 상에 CeO2층을 갖는 태양전지는, 태양전지 지지판으로 기능하는 투명기판(300); 상기 투명기판의 일측면에 증착되며 저온에서도 실리콘과 동일한 결정구조 격자상수를 가지는 CeO2씨앗층(200); 상기 CeO2씨앗층(200)에 증착되며, 상기 태양전지의 활성층으로 사용되는 다결정 실리콘층(100); 및 광생성된 전기를 외부로 공급하기 위한 금속전극(500, 550)을 포함한다.
바람직하게, 상기 투명기판의 타측면에는 태양광이 반사되는 것을 방지하는 반사방지막(400)이 위치하며, 또한 바람직하게는, 상기 투명기판(300)은 유리기판이며, 상기 유리기판 전면에 반사방지막(400)으로서 MgF2층을, 그리고 후면에 상기 CeO2씨앗층(200)을 두어 복층 형태로 반사방지를 행하며, 상기 금속전극은 Al금속전극(500) 및 Ag금속전극(550)으로 이루어지며, 상기 금속전극들의 금속배선은 광생성된 전기를 외부로 공급하는 역할 외에도 광을 상기 다결정 실리콘층(100)으로 다시 반사시키는 후면 반사막으로서 기능하도록 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따른 기판 상에 CeO2 층을 갖는 태양전지의 제조방법은, 태양전지 지지판으로 기능하는 투명기판(300)의 일측면에 기판 온도가 500℃ 이하의 온도에서 후 열처리 공정없이 CeO2씨앗층(200)을 성장시키는 단계; 상기 CeO2씨앗층(200)에 상기 태양전지의 활성층으로 사용되는 다결정 실리콘층(100)을 증착시키는 단계; 및 광생성된 전기를 외부로 공급하기 위한 금속전극(500, 550)을 형성하는 단계; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 CeO2씨앗층(200)을 성장시키는 단계는, Ce 금속 타겟을 Ar/O2분위기에서 스퍼터링하되, 상기 기판 온도는 400∼500℃이며, Ar과 O2의 가스비를 대략 7:3으로 하여 CeO2층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 최적 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 기판 상에 CeO2층을 갖는 태양전지의 모식도이다. 한편, 도 3은 기판 온도 변화에 따른 CeO2박막의 표면 거칠기를 나타내는 그래프이고, 도 4는 가스비에 따른 결정성을 알아보기 위한 XRD 결과를 보이는 그래프이고, 도 5는 기판 온도에 따른 CeO2박막의 격자 상수를 보이는 그래프이고, 도 6a는 실리콘 박막 성장시 CeO2씨앗층 유무를 나타내는 모식도이고, 도 6b는 실리콘 박막 성장시 CeO2씨앗층 유무에 따른 실리콘층의 결정성의 변화를 보이기 위한 그래프이며, 도 7은 MgF2와 CeO2복층형 반사방지막을 이용한 반사율값을 보이는 그래프이다.
먼저, 표 1에 기존에 사용되어지는 Si 열처리 조건과 이에 따른 결정크기(grain size)를 나타내었다.
| 열처리방식 | 온도(℃) | 구 조 | 변 수 | 결정크기(μm) |
| 전기로 어닐 | 620 | a-Si:H/유리 | 시간 : 24h | 0.02 |
| ELA | - | a-Si:H/유리 | 파워 : 300mJ/cm2 | 0.1 |
| ZMR | 1450 | a-Si:H/용융 실리카 | 스캔 속도 : 0.1∼2 mm/s | 100 |
본 발명은 단결정 실리콘과 결정구조가 유사한 씨앗층을 유리기판 위에 형성하고 기존에 사용하던 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막제조 장비를 그대로 적용하여 대면적, 저온, 고효율 실리콘 제조를 구현한다. 결정립은 핵자형성으로 구성되고 특허는 단결정 Si와 유사한 핵자를 제공하는 씨앗층으로서 CeO2등의 박막을 사용함으로써 우수한 다결정 실리콘을 제조한다.
한편, 표 2에는 본 발명에 사용되는 물질과 물성 변수를 나타내었는 바, 본 발명은, 표 2에서 나타낸 바와 같이 실리콘과 격자상수가 유사하며 동시에 결정구조가 유사하다는 것에 착안하여 유리기판 위에 후 결정화 공정 없이 결정성장을 얻을 수 있다. 또한 이러한 씨앗층들은 유리기판 위에서 쉽게 결정성장이 가능하고 이 씨앗층 위에 다시 저온에서 다결정 실리콘 박막이 직접 제조된다.
| 물질 | 결정구조 | 유전상수 | 격자상수 (nm) | 격자부정합(%) |
| Si | Cubic | 11.7 | 0.543 | - |
| CaF2 | Cubic | 6.81 | 0.546 | 0.55 |
| CeO2 | Cubic | 26 | 0.541 | 0.37 |
다음, 도 2를 참조하여 본 발명에 관한 기판 상에 CeO2층을 갖는 태양전지의 제조방법에 대하여 상술한다.
먼저, 본 발명의 씨앗층으로 이용되는 CeO2씨앗층(200)을 세척된 유리기판(300) 위에 PVD(evaporation 혹은 e-beam) 또는 스퍼터링 방법으로 제조한다. CeO2씨앗층(200)은 Ce 순수금속 타겟을 이용하여 반응성으로 성장하거나 CeO2타겟을 사용하여 성장 가능하다. CeO2증착시 챔버 내에 유입되는 산소에 의해 실리콘표면에 SiO2가 생성되는 것을 억제하기 위하여 챔버 내로 Ar을 유입시켜 플라즈마를 발생시켜 Ce층을 4nm정도 증착후 O2가스를 챔버 내에 유입하여 Ce층을 산화시켰다. 이외에도 PLD (Pulsed Laser Deposition)법, 전자빔 증착(E-beam evaporation), 가열 증착(thermal evaporation)법 등으로 CeO2층으로 성장하도록 할 수 있다. 즉, 기판 온도가 500℃ 이하의 온도에서, 바람직하게는, 400-500℃에서, 후 열처리 공정없이 CeO2씨앗층(200)을 성장시키게 된다.
그 후, 상기 CeO2씨앗층(200) 상에 활성층으로서의 다결정 실리콘층(100)을 약 5㎛ 정도로 증착시키고, 광생성된 전기를 외부로 공급하기 위한 금속전극(500, 550)을 형성하되, Al (p+) 금속전극 (500) 및 Ag (n+) 금속전극 (550)을 교대로 형성한다.
한편, 상기 유리기판(300)의 상기 CeO2씨앗층(200)과 반대되는 타측면에는 MgF2반사방지막(100)을 약 100nm 두께로 형성하여, 태양광이 반사되는 것을 방지하도록 하는 바, 상기 유리기판 전면에 반사방지막(400)으로서 MgF2층을, 그리고 후면에 상기 CeO2씨앗층(200)을 두어 복층 형태로 반사방지를 행하게 된다. 또한, Al금속전극(500) 및 Ag금속전극(550)으로 이루어지는 금속배선은 광생성된 전기를 외부로 공급하는 역할 외에도 광을 상기 다결정 실리콘층(100)으로 다시 반사시키는 후면 반사막으로서 기능하도록 한다.
도 3에는 기판온도 가변에 따른 CeO2층의 표면 거칠기를 도시하고 있다. 유리기판 위에 CeO2의 형성을 위해서 Ce금속 타겟을 이용하여 상온에서 500℃이하의 온도범위와 Ar/O2분위기에서 스퍼터링함으로써, CeO2층을 약 608Å 정도의 두께로 증착한다. 이 경우, 표면 거칠기는 20Å이내에서 달성 가능하다.
박막의 결정성을 알아보기 위하여 X-선 회절장치(XRD)를 이용하였다. XRD 조사결과 CeO2 박막의 결정성은 실리콘과 동일하며 제조 조건에 따라서 결정성에 어느 정도 가변이 있다. 박막성장 시의 플라스마 방전전력이 증가 할 수록 CeO2의 결정성은 크게 증가하지는 않는 것으로 나타났으며 오히려 줄어드는 경향으로 나타났다.
도 4에 나타나 있듯이 가스분압은 화학적으로 안정된 결합을 할 수 있는 조건이 되므로 여러 가지 변화를 주어서 제조를 시행하였다. XRD 곡선에서 볼 수 있듯이 Ar 및 O2의 가스비가 7:3에서 강도(intensity)의 피크(peak)가 가장 컸으며 이외의 가스비에서는 별다른 특징이 나타나지 않았다. 이는 7:3의 가스비가 가장 결정성이 우수한 결정성장을 위한 조건임을 나타낸다.
증착시에는 기판의 온도가 상승할수록 결정성 면에서는 더욱 더 우수한 박막이 생성 된다. 기판온도는 RF 파워보다 박막의 결정화에 가장 더 중요한 변수이고 온도가 높아짐에 따라 결정성이 좋아지는 것을 알 수 있다.
도 5는 XRD 곡선을 통해서 얻은 격자상수 값을 나타내고 있다. 도 5에서 보는 바와 같이 기판 온도가 상승할수록 격자상수가 실리콘의 격자상수 값과 가까워짐을 알 수 있다. 따라서 격자상수와 결정성 면에서 볼 때 기판 온도가 증가할수록 개선되고 있음을 알 수 있다.
본 발명에 사용된 씨앗층으로써 CeO2박막은, 표 3에서 보이는 바와 같이, 실리콘과의 격자구조가 유사한 구조(Cubic structure)로 하며 격자상수가 거의 일치하여 격자부정합이 0.5%이하로 매우 작은 물질이다. 또한, 저온에서 기존의 PVD (physical vapor deposition : evaporation, e-beam, sputtering)법으로 성장이 용이하다. 씨앗층 성장 후 저온에서 다결정 실리콘을 직접 성장시키기 위하여 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 기법이 사용한다. 반응기체로 사용된 SiH4, H2, He 등을 사용하게 되며, 플라즈마원(plasma source)으로 가스를 분해 증착하게 된다. 사용하는 플라즈마원에 따라 압력은 10mtorr에서 100mtorr까지 다르다.
| 물질 | 결정구조 | 유전상수 | 격자상수(nm) | 격자부정합율(%) |
| Si | Cubic | 11.7 | 0.543 | |
| CaF2 | Cubic | 6.81 | 0.546 | + 0.55 |
| SrF2 | Cubic | 6.50 | 0.580 | + 6.38 |
| CeO2 | Cubic | 26 | 0.541 | - 0.37 |
제조된 실리콘 박막의 결정성장 특성을 라만 스펙트로스코피((Raman spectroscopy) 측정으로 확인할 수 있으며, 이를 도 6b에 도시하였다. 씨앗층을 사용하지 안고 제작된 실리콘 박막의 경우(도 6a의 (a) 경우), 무결정(a-Si:H/glass) 구조의 시로는 480cm-1에서 피크값을 가지고 있으며(도 6b의 (a) 참조), 대부분의비정질 상의 박막에서 나타나는 값이다. 그러나 CeO2씨앗층을 삽입하고 실리콘 박막을 제작하면 (도 6a의 (b) 경우), poly-Si/CeO2/glass 결정화된 실리콘에서 나타나는 520cm-1의 위치에서 라만 피크(Raman peak)값이 나타나고 있다 (도 6b의 (b) 참조). 라만 스펙트로스코피 결과로부터 결정화율을 계산하면, 65%정도의 값을 가지고 있다. 결정립의 크기는 씨앗층을 이용한 미세결정 실리콘의 경우 70nm 정도로 분포된다.
실리콘층을 성장한 후, 금속 배선재를 성장시키기 위해서 열선 증착법이나, 스크린 인쇄기법을 사용한다. 금속층 제조시에 Ag층을 Al층보다 2배 이상 폭을 넓게하고 Ag 소스(source)에는 n-type형성이 가능한 인불순물이 삽입된 물질을 이용한다. 또한 후면에 사용하는 금속 배선재는 실리콘의 활성층에서 흡수되지 못하고 투과되는 빛을 실리콘 층으로 다시 반사되도록 하여 광이용 효율을 극대화한다.
한편, 태양전지는 빛이 반사되는 것을 방지하기 위한 반사방지막이 필수적이다. 본 발명에서 사용하는 반사방지막은 유리기판 전면에 MgF2후면에 CeO2층을 이용한 복층 형태를 사용한다. 고품질 반사 방지막 제작하기 위해서는 정밀한 두께의 제어와 적절한 굴절율의 비율, 높은 광 투과도를 얻는 것이 필수적이다. MgF2박막에 대해서 엘립소미터(ellipsometer)를 이용하여 굴절율의 변화를 관찰하였다.
이 결과를 표 4에 나타내었다. 즉, 표 4는 다양한 조건에서 증착된 CeO2, MgF2박막의 굴절율을 나타내고 있다. MgF2박막의 경우 증착 조건에 관계없이1.386의 굴절율을 보였으며, CeO2 박막의 경우 Ar/O2비율에는 크게 영향을 받지 않았으며, RT에서 성장된 경우 2.352를 기록했으며 300 ℃에서 성장된 경우는 2.780으로써 기판온도에 따라 가변 가능하다.
| 물 질 | 변 수 | 굴절율 |
| CeO2 | Ts= RT | 2.352 |
| Ts= 100℃ | 2.702 | |
| Ts= 300℃ | 2.780 | |
| Ts= 400℃ | 2.467 | |
| CeO2 | Ar/O2(9/1) | 2.304 |
| Ar/O2(8/2) | 2.228 | |
| Ar/O2(7/3) | 2.352 | |
| Ar/O2(6/4) | 2.275 | |
| Ar/O2(5/5) | 2.334 | |
| MgF2 | Ts= RT | 1.386 |
| Ts= 100℃ | 1.386 | |
| Ts= 200℃ | 1.385 |
도 7에 입사파장의 0.4㎛에서 1.1㎛ 범위에서 이론적인 반사율은 약 1.8 %이었으며, 실제 제작된 반사방지막의 가장 낮은 반사율은 MgF2= 1015 Å, CeO2= 598 Å인 경우로써 약 2.8 % 이었다. 이론과 실제에서 약 1 %의 오차를 보였으며 이는 박막의 균일도와 정밀하지 못한 두께의 제어가 원인으로 사료된다. 따라서 좀더 세밀한 두께 제어와 균일도를 향상시킨다면 2 % 이하의 반사율을 얻을 수 있을 것이다.
이상 본 발명을 첨부도면에 도시된 실시예들을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자가 용이하게 생각해 낼 수 있는 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 한계는 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 기판 상에 CeO2 층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법에 의하면, 후 열처리 공정없이 씨앗층을 이용하여 다결정 실리콘이 성장하므로써 기존에 광열화 특성을 보이는 비정질 실리콘을 다결정화하여 광열화 원인을 제거하는 장점이 있다.
또한, CeO2는 화학적 및 열적 안정성이 뛰어나며 반사방지막 재료로도 적합한 굴절율을 가지고 있어, 실리콘 활성층의 결정화 촉진과 반사방지의 두 가지 작용을 하게 된다. 아울러, 유리기판을 태양전지 모듈로 사용하여 태양전지 제품생산에도 유리하다.
또한, CeO2와 MgF2는 반사방지막으로도 작용하여 고효율을 이룰 수 있는 여건을 조성하며, 다시, 후면에 사용한 금속 배선재는 광생성된 전기를 외부로 전달하는 역할과 실리콘층으로 다시 반사시키는 후면 반사막으로의 두 가지 기능을 수행하여, 고효율로 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 작용을 한다.
Claims (5)
- 태양전지 지지판으로 기능하는 투명기판(300);상기 투명기판의 일측면에 증착되며 저온에서도 실리콘과 동일한 결정구조 격자상수를 가지는 CeO2씨앗층(200);상기 CeO2씨앗층(200)에 증착되며, 상기 태양전지의 활성층으로 사용되는 다결정 실리콘층(100); 및광생성된 전기를 외부로 공급하기 위한 금속전극(500, 550)을 포함하는 기판 상에 CeO2층을 갖는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 투명기판의 타측면에는 태양광이 반사되는 것을 방지하는 반사방지막(400)이 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 투명기판(300)은 유리기판이며, 상기 유리기판 전면에 반사방지막(400)으로서 MgF2층을, 그리고 후면에 상기 CeO2씨앗층(200)을 두어 복층 형태로 반사방지를 행하며,상기 금속전극은 Al금속전극(500) 및 Ag금속전극(550)으로 이루어지며, 상기 금속전극들의 금속배선은 광생성된 전기를 외부로 공급하는 역할 외에도 광을 상기 다결정 실리콘층(100)으로 다시 반사시키는 후면 반사막으로서 기능하도록 하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 태양전지 지지판으로 기능하는 투명기판(300)의 일측면에 기판 온도가 500℃이하의 온도에서 후 열처리 공정없이 CeO2씨앗층(200)을 성장시키는 단계;상기 CeO2씨앗층(200)에 상기 태양전지의 활성층으로 사용되는 다결정 실리콘층(100)을 증착시키는 단계; 및광생성된 전기를 외부로 공급하기 위한 금속전극(500, 550)을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 CeO2씨앗층(200)을 성장시키는 단계는, Ce 금속 타겟을 Ar/O2분위기에서 스퍼터링하되, 상기 기판 온도는 400∼500℃이며, Ar과 O2의 가스비를 대략 7:3으로 하여 CeO2층을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0060573A KR100452448B1 (ko) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | 기판 상에 산화세륨 층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0060573A KR100452448B1 (ko) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | 기판 상에 산화세륨 층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20030027388A KR20030027388A (ko) | 2003-04-07 |
| KR100452448B1 true KR100452448B1 (ko) | 2004-10-08 |
Family
ID=29562864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0060573A KR100452448B1 (ko) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | 기판 상에 산화세륨 층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100452448B1 (ko) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100818783B1 (ko) * | 2005-06-24 | 2008-04-01 | 이병수 | 입방 정렬된 금속 기판 위에 형성된 태양전지 |
| CN104022170A (zh) * | 2014-05-26 | 2014-09-03 | 无锡中能晶科新能源科技有限公司 | 一种多晶硅薄膜太阳能电池 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992012542A1 (en) * | 1990-12-26 | 1992-07-23 | Canon Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing solar cell by selective epitaxial growth |
| KR20010002273A (ko) * | 1999-06-14 | 2001-01-15 | 이준신 | 씨앗층으로 플루오르화칼슘 또는 산화세륨을 적용하여 미세결정 규소박막을 성장시킨 박막 트랜지스터의 제조방법 |
| KR20010019842A (ko) * | 1999-08-31 | 2001-03-15 | 이준신 | 태양전지 반사 방지막의 제조방법 |
| KR20020027070A (ko) * | 2000-10-05 | 2002-04-13 | 윤덕용 | 미세결정 실리콘 박막 형성방법 및 이를 이용한 박막형실리콘 태양전지 제조방법 |
-
2001
- 2001-09-28 KR KR10-2001-0060573A patent/KR100452448B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992012542A1 (en) * | 1990-12-26 | 1992-07-23 | Canon Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing solar cell by selective epitaxial growth |
| KR20010002273A (ko) * | 1999-06-14 | 2001-01-15 | 이준신 | 씨앗층으로 플루오르화칼슘 또는 산화세륨을 적용하여 미세결정 규소박막을 성장시킨 박막 트랜지스터의 제조방법 |
| KR20010019842A (ko) * | 1999-08-31 | 2001-03-15 | 이준신 | 태양전지 반사 방지막의 제조방법 |
| KR20020027070A (ko) * | 2000-10-05 | 2002-04-13 | 윤덕용 | 미세결정 실리콘 박막 형성방법 및 이를 이용한 박막형실리콘 태양전지 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20030027388A (ko) | 2003-04-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5770463A (en) | Method of fabricating a photovoltaic device | |
| US6750394B2 (en) | Thin-film solar cell and its manufacturing method | |
| EP1041646B1 (en) | Method of producing silicon thin-film photoelectric transducer | |
| US6331672B1 (en) | Photovoltaic cell and method for manufacturing the same | |
| US5603778A (en) | Method of forming transparent conductive layer, photoelectric conversion device using the transparent conductive layer, and manufacturing method for the photoelectric conversion device | |
| US20090242019A1 (en) | Method to create high efficiency, low cost polysilicon or microcrystalline solar cell on flexible substrates using multilayer high speed inkjet printing and, rapid annealing and light trapping | |
| JP2994812B2 (ja) | 太陽電池 | |
| EP2084752A1 (en) | Substrate provided with transparent conductive film for photoelectric conversion device, method for manufacturing the substrate, and photoelectric conversion device using the substrate | |
| US5549763A (en) | Photovoltaic device | |
| JP2004311704A (ja) | 薄膜光電変換装置用基板及びそれを用いた薄膜光電変換装置 | |
| US6653165B2 (en) | Methods of forming semiconductor element, and semiconductor elements | |
| US20100229934A1 (en) | Solar cell and method for the same | |
| KR100452448B1 (ko) | 기판 상에 산화세륨 층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법 | |
| JP2003188400A (ja) | 結晶性ＳｉＣ膜の製造方法、結晶性ＳｉＣ膜及び太陽電池 | |
| JP5469298B2 (ja) | 光電変換装置用透明導電膜、及びその製造方法 | |
| JP2000252501A (ja) | シリコン系薄膜光電変換装置の製造方法 | |
| JP2846508B2 (ja) | 光起電力素子 | |
| JP3695923B2 (ja) | 透明電極基板及びその作製方法並びに光起電力素子の製造方法 | |
| JP2908616B2 (ja) | 太陽電池 | |
| TWI405343B (zh) | 具有高光電轉換效率之可撓式太陽能電池及其製備方法 | |
| KR101092923B1 (ko) | 태양전지 및 그 제조방법 | |
| EP1463125A2 (en) | Stacked photovoltaic element and current balance adjustment method | |
| TWI436493B (zh) | 簡化電極設計之太陽能電池及其製造方法 | |
| JP2000252499A (ja) | 薄膜光電変換装置の製造方法 | |
| JPH06318718A (ja) | 光起電力素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20111004 Year of fee payment: 8 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |