KR100629750B1 - 태양전지 ｄｌｃ 반사 방지막의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘을 기판으로 하는 태양전지의 표면상에 비정질 물질인 다이아몬드상 카본(Diamond-Like Carbon; DLC) 박막층을 마이크로웨이브 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법 또는 RF-PECVD 증착법을 이용하여 증착시킴으로서 태양전지의 반사 방지막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 태양전지 DLC 반사 방지막은 실리콘계 태양전지의 표면 반사율을 줄여서 단락 전류밀도를 향상시키는 효과를 얻음과 동시에 변환 효율 향상을 기대할 수 있으며, DLC 박막의 고유특성인 단단함 때문에 실리콘 표면을 패시베이션 함으로써, 표면 재결합 속도를 낮추어 소수 반송자의 수명을 연장시켜 변환효율 향상효과를 기대할 수 있다.
그리고, 비교적 간단한 제조 공정과 낮은 가격으로 효율을 올릴 수 있기 때문에 태양전지의 광범위한 실용화에도 기여할 수 있으며, 태양전지 외에 저반사율이 필수적인 기타 광학 기기에도 응용이 가능하다.
태양전지, 반사 방지막, DLC 박막, 수소(H2), 메탄(CH4)가스, PECVD 증착법
Description
도 1은 본 발명에 의한 태양전지 DLC 박막층의 제조에 사용된 일반적인 RF-PECVD 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 의한 태양전지 DLC 박막층의 제조에 사용된 일반적인 마이크로웨이브 PECVD 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 태양전지 DLC 반사 방지막의 구조를 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 도 3의 개략적인 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 챔버 100 : 실리콘계 태양전지
110 : 태양전지의 표면 200 : DLC 박막층
본 발명은 태양전지 반사 방지막의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지의 표면에 비정질 물질인 DLC 박막을 증착하여 태양전지의 표면 반사율을 효과적으로 줄일 수 있는 태양전지 DLC 반사 방지막의 제조방법에 관한 것이다.
현재, 에너지원으로 사용되고 있는 거의 모든 화석연료는 심각한 환경오염을 유발시키고 있다. 그러므로 점차적으로는 화석연료나 핵연료의 사용을 금지시키고 있다.
이러한 추세에 따라 태양전지는 무한한 에너지원인 태양을 이용하여 무공해로 전기에너지를 얻을 수 있는 소자로서 각광받고 있다. 태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 반도체 소자이므로 빛을 효과적으로 수집해야 하는데, 현재 양산되고 있는 대부분의 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘을 사용하고 있으며, 태양전지에 사용되는 기판인 실리콘의 경우에는 대부분이 입사된 빛의 30%를 표면에서 반사한다.
이에, 효과적인 빛 수집을 위해서 태양전지의 표면을 처리하는 방법으로는 표면 텍스춰링(texturing)과 반사방지막 형성을 들 수 있다.
표면 텍스춰링은 크게 기계적인 방법과 화학적인 방법으로 나눌 수 있는데, 먼저 기계적인 방법은 날의 각도를 변화시킬 수 있는 미세한 다이아몬드 블레이드를 이용하여 반도체의 표면에 피라미드 형태 또는 브이(V)자형 홈을 파는 것이며, 이 홈의 각도를 조정함으로 인해서 어느 정도 반사율을 줄일 수 있다. 또한, 빠른 속도로 만들 수 있으므로, 수율 향상에 도움이 된다.
다음으로, 화학적인 방법은 포토리쏘그라피를 이용하여 태양전지의 표면에 SiO, 포토레지스트 등을 이용하여 마스크를 형성하고, 단결정인 경우에는 특정 면방향만을 식각하는 이방성 식각용액을 이용하여 피라미드 혹은 역피라미드 형태의 표면 구조물을 형성하며, 다결정인 경우에는 등방성 식각용액을 이용한다.
그런데, 전자는 표면에 심각한 손상을 주게 되어 후에 등방성 식각용액을 이용한 화학적인 처리를 병행해야만 하는 결점이 있다. 후자는 900℃이상의 고온 산화막 공정이 수반되고 구조물의 형성 절차가 너무 복잡하여 수율향상에 도움을 주지 못한다. 따라서 효과는 우수하지만, 실제 생산단계에서는 적용이 곤란하다.
따라서 표면 텍스춰링에 비하여 간단하게 수행할 수 있는 반사 방지막 형성방법이 현재 거의 모든 태양전지에 적용되고 있다. 태양전지의 표면에 반사 방지막을 적용할 경우에는 반사율을 3% 미만으로 줄일 수 있다.
일반적으로, 반사 방지막은 적절한 굴절률 비를 가지는 물질을 여러 층 코팅할수록 보다 넓은 파장 영역에서 낮은 반사율을 얻을 수 있다. 그러나 가격 경쟁력과 제품 수율을 동시에 만족하기 위해서 대부분 3층 이하로 사용하고 있다. 단층 구조의 경우에는 표면 텍스춰링과 병행하면 효과적으로 반사율을 줄일 수 있지만, 낮은 반사율을 얻을 수 있는 파장 범위가 좁아서 효과적이지 못하다. 3층 구조의 경우에는 이층 구조보다 더 효과적이지만, 역시 가격이 상승하는 문제가 있다.
기존에 가장 많이 쓰이고 효율이 좋았던 이층 구조의 반사방지막은 ZnS/MgF2
의 구조를 가지고 있었다. 이 구조는 반사율을 효과적으로 줄여주고 있지만, ZnS/MgF2 구조의 경우에는 표면 패시베이션 효과가 없는 단점이 있다. 따라서 최근의 고효율 태양전지에 사용되고 있는 패시베이션 층(passivatiion layer)을 추가로 형성시켜 주어야 한다. 이들 패시베이션 층은 대부분 SiO2, Si3N4 등으로 이루어지는데, 이들 층의 사용으로 인하여 반사 방지막의 역할이 감소하게 된다.
또한, 표면 패시베이션 효과를 생각한 SiNx, Si3N4를 이용하는 경우에는 이들의 굴절률이 비교적 낮기 때문에 효과적인 반사 방지막의 역할을 기대하기 어렵다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 태양전지의 표면에 비정질 물질인 DLC 박막을 증착하여 태양전지의 표면 반사율을 효과적으로 줄일 수 있으면서도 DLC 박막의 고유특성인 단단함 때문에 보다 향상된 표면 패시베이션 효과를 얻을 수 있는 태양전지 DLC 반사 방지막의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 제조 공정이 간단하고 제조비용이 저렴하여 태양전지의 광범위한 실용화에 기여할 수 있고, 태양전지 이외의 저반사율이 필수적인 광학 기기에도 응용이 가능한 태양전지 DLC 반사 방지막의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 태양전지 DLC 반사 방지막의 제조방법은, 실리콘을 기판으로 하는 태양전지의 표면상에 비정질 물질인 DLC 박막층을 마이크로웨이브 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법 또는 RF-PECVD 증착법을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 한다.
상기 DLC 박막층은 상기 태양전지의 표면에 수소(H2) 가스와 메탄(CH4) 가스를 이용하여 상온 내지 200℃ 온도 범위에서 화학 반응하여 소정의 두께로 증착되고, 메탄(CH4) 가스량에 따라 반사율과 표면 패시베이션이 변화하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 태양전지 DLC 박막층의 제조에 사용된 일반적인 RF-PECVD 시스템의 구성도이다.
도면에서, 10은 챔버(Quartz chamber), 20은 MSC(Moving stage controller), 30은 13.56MHz의 RF Power, 40은 RF Matching box, 50은 로터리 펌프(Rotary pump), 60은 MFC(Mass Flow Controller), 70,80,90은 체크(check)밸브, 100은 실리콘을 기판으로 하는 태양전지를 각각 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의한 태양전지 DLC 박막층의 제조에 사용된 일반적인 마이크로웨이브 PECVD 시스템의 구성도로서, 도 1과 동일한 부분에 대해서는 동일부호 및 동일명칭을 병기하여 중복되는 설명을 생략한다.
본 발명의 태양전지 DLC 박막층의 성장에 사용된 마이크로웨이브 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법 또는 RF-PECVD(RF Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 시스템에서, 가스는 수소(H2)와 메탄(CH4)을 사용하였다. 로터리 펌프(50)로 챔버(10)를 펌핑하고, DLC 박막을 증착시키는 동안 압력은 챔버(10)의 끝단에 설치된 체크밸브(90)를 통해서 유지되도록 하였다.
챔버(10) 내부를 진공으로 유지한 후, 태양전지(100) 기판이 가열되어 반응 챔버(10) 온도가 상온 내지 200℃ 온도범위에 도달하면, 체크밸브(70,80)를 통해 챔버(10)내로 유입된 수소(H2)가스와 메탄(CH4)가스가 상온 내지 200℃ 온도범위에서 화학반응을 하여 태양전지(100) 표면위에 소정의 두께로 증착되어 DLC(Diamond-like Carbon) 박막층을 형성한다.
이때, DLC 박막은 계면 특성이 매우 우수하고, 이에 의해 효과적으로 반도체 표면의 댕글링 본드(dangling bond)나 불순물 등을 패시베이션 할 수 있다. 이외에도 DLC 박막은 스퍼터링법(sputtering), 기화 증착법(evaporation) 또는 CVD법 등으로 형성이 가능하다.
상기와 같이, 일반적인 RF-PECVD 증착법으로 태양전지의 표면위에 DLC 박막을 증착시켜 제조된 태양전지 DLC 반사 방지막의 구조를 도 3 및 도 4에 도시하였다.
도면에서, 110은 태양전지(100)의 표면, 120은 하부 금속전극, 130은 상부 금속전극, 200은 DLC 박막층을 각각 나타낸다.
본 발명에서는 DLC 박막의 증착을 위해서, 먼저 제조된 태양전지(100)의 표면(110)을 수소(H2) 가스를 이용하여 전처리함으로서 태양전지(100)의 표면(110)을 안정화시킨다.
이때, DLC 박막의 표면 거칠기, 굴절률, 패시베이션 효과 등을 고려하여 최적의 증착 조건을 정하게 되는데, 박막층(200) 형성에 가장 큰 영향을 주는 인자는 수소(H2) 가스 대 메탄(CH4) 가스의 비율이다. 메탄(CH4) 가스량이 증가할수록 표면 거칠기는 감소하고, 광학적 밴드갭이 감소하였다.
따라서, DLC 박막층(200)이 증착됨에 따라 태양전지(100)의 효율이 향상되고, 태양전지(100)의 전력이 향상되게 된다.
상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 태양전지 DLC 반사 방지막의 제조방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 다양한 형태로 구현이 가능함은 물론이다.
상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 태양전지 DLC 반사 방지막의 제조방법에 의하면, 태양전지의 표면에 비정질 물질인 DLC 박막층을 증착함으로써, 실 리콘계 태양전지의 표면 반사율을 줄여서 단락 전류밀도를 향상시키는 효과를 얻음과 동시에 변환 효율 향상을 기대할 수 있다는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 DLC 박막의 고유특성인 단단함 때문에 실리콘 표면을 패시베이션 함으로써, 표면 재결합 속도를 낮추어 소수 반송자의 수명을 연장시켜 변환효율 향상효과를 기대할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 비교적 간단한 제조 공정과 낮은 가격으로 효율을 올릴 수 있기 때문에 태양전지의 광범위한 실용화에도 기여할 수 있으며, 태양전지 외에 저반사율이 필수적인 기타 광학 기기에도 응용이 가능하다.
Claims (5)
- 실리콘을 기판으로 하는 태양전지의 표면상에 마이크로웨이브 PECVD법 또는 RF-PECVD 증착법으로, 상온 내지 200℃ 온도 범위에서 수소(H2) 가스와 메탄(CH4) 가스를 이용하여 비정질의 DLC 박막층을 형성하여, 반사방지막 및 패시베이션층으로 이용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 DLC 반사 방지막의 제조방법.
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