KR101031881B1 - 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
하부 도전층에 전계를 인가하여 그것의 주울 가열에 의해 발생한 고열에 의해 결정화된 다결정 실리콘층을 이용하여 박막형 태양전지를 제조함으로써, 높은 광전 변환율을 얻을 수 있으며, 공정 시간을 단축시킬 수 있는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 기판 상에 하부 도전층을 형성하고, 상기 하부 도전층 상에 제 1 도전형의 비정질 실리콘층, 진성형 비정질 실리콘층, 및 상기 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하고, 상기 하부 도전층에 전계를 인가하여 주울 가열을 유도하여 상기 주울 가열에 의해 상기 비정질 실리콘층들을 제 1 도전형의 다결정 실리콘층, 진성형 다결정 실리콘층, 및 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 다결정 실리콘층으로 형성하고, 상기 제 2 도전형의 다결정 실리콘층 상에 상부 도전층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
주울 가열, 다결정 실리콘
Description
본 발명은 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 하부 도전층에 전계를 인가하여 그것의 주울 가열에 의해 발생한 고열에 의해 결정화된 다결정 실리콘층을 이용하여 박막형 태양전지를 제조함으로써, 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있으며, 공정 시간을 단축시킬 수 있는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양에너지를 직접 전기로 변환하는 전자소자이다. 그 기본 구조는 p형의 반도체와 n형의 반도체의 접합형태를 가지며, p형 반도체와 n형 반도체가 접한 부분에 밴드갭 이상의 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 상기 빛에 의해 발생된 전자와 정공은 내부의 전계에 의하여 각각 n형 반도체측과 p형 반도체측으로 이동하여 양쪽의 도전층에 모인다. 상기 양쪽의 도전층을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부에서 전력으로 이용할 수 있게 된다.
반도체층으로 실리콘을 이용하는 실리콘 태양전지는 결정상태에 따라서 단결정 실리콘(monocrystalline silicon) 태양전지, 다결정 실리콘(polycrystalline silicon) 태양전지, 비정질 실리콘(amophous silicon) 태양전지의 세 가지로 분류 된다. 그런데 단결정 실리콘 태양전지는 고가이며, 제작 공정이 복잡하며, 전지 제작 면적이 제한된다. 비정질 실리콘 태양전지는 대면적으로 생산이 가능하고 저렴하지만, 안정도와 에너지 변환 효율면에서 한계를 보이고 있다. 따라서 저렴하게 제조가 가능하고 효율이 비교적 높으며 안정한 다결정 실리콘 태양전지에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.
종래 다결정 실리콘 태양전지의 다결정 실리콘층을 형성하는 방법으로는 증착법(vapor-phase growth)이나 고상 결정화 방법(solid phase crystallization) 등이 있다. 그러나 증착법의 경우에는 증착속도가 느려서 생산성이 낮으며, 고상 결정화 방법의 경우에는 기판을 장시간 열처리함으로 인하여 기판의 열변형을 초래할 수 있다. 또한 상기의 방법들로 형성된 다결정 실리콘층에는 내부에 결함(defect)들이 다량 존재한다. 상기 결함들은 빛에 의해 발생한 전자와 정공의 재결합 사이트랩으로 작용하여 광전 변환효율을 감소시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하부 도전층에 전계를 인가하여 그것의 주울 가열에 의해 발생한 고열에 의해 결정화된 다결정 실리콘층을 이용하여 태양전지를 제조함으로써, 높은 광전 변환 효율을 얻을 수 있으며, 공정 시간을 단축시킬 수 있는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 기판 상에 하부 도전층을 형성하고, 상기 하부 도전층 상에 제 1 도전형의 비정질 실리콘층, 진성형 비정질 실리콘층, 및 상기 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하고, 상기 하부 도전층에 전계를 인가하여 주울 가열을 유도하여 상기 주울 가열에 의해 상기 비정질 실리콘층들을 제 1 도전형의 다결정 실리콘층, 진성형 다결정 실리콘층, 및 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 다결정 실리콘층으로 형성하고, 상기 제 2 도전형의 다결정 실리콘층 상에 상부 도전층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 하부 도전층에 전계를 인가하여 그것의 주울 가열에 의해 발생한 고열에 의해 결정화된 다결정 실리콘층을 이용하여 태양전지를 제조함으로써, 높은 광전 변환 효율을 얻을 수 있으며, 공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.
이하, 도면 등을 참조하여 본 발명의 예시적인 내용들을 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1a 내지 도 1c은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 공정을 나타낸 단면도이다. 본 실시예에서는 태양광이 기판 측으로부터 입사되는 태양전지의 제조공정을 설명한다.
도 1a를 참조하면, 기판(100) 상에 하부 도전층(101)을 형성한다. 상기 기판(100)은 태양광이 투과할 수 있는 유리 기판을 주로 사용한다. 상기 하부 도전층(101)은 태양광이 투과할 수 있도록 투명 도전막을 이용하여 형성하며, 상기 투명 도전막으로는 ITO, ZnO, SnO2 또는 In2O3 등을 이용할 수 있다. 투명 도전막으로 이루어진 상기 하부 도전층(101)은 스퍼터링(sputtering)법, 기상증착(vapor phase deposition)법, 이온 빔 증착(ion beam deposition)법, 전자 빔 증착(electron beam deposition)법 또는 레이저 어블레이션(laser ablation)법을 사용하여 형성할 수 있다.
이어서 상기 하부 도전층(101) 상에 제 1 도전형의 비정질 실리콘층(102), 진성형 비정질 실리콘층(103), 및 상기 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 비정질 실리콘층(104)을 순차적으로 형성한다. 이때 상기 제 1 도전형은 p형, 상기 제 2 도전형은 n형으로 형성할 수 있다.
상기 비정질 실리콘층들(102, 103, 104)은 저압화학 증착법, 상압화학 증착 법, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링법 또는 진공 증착법(vacuum evaporation) 등으로 형성할 수 있다. 바람직하게는 PECVD법을 이용하여 형성할 수 있으며, 이때 p형 비정질 실리콘층은 원료기체로 디보란(B2H6)과 모노실란을, 진성형 비정질 실리콘층은 모노실란만을, n형 비정질 실리콘층은 포스핀(PH3)과 모노실란을 원료기체로 사용하여 형성할 수 있다.
이어서 도 1b를 참조하면, 상기 하부 도전층(101)에 전계를 인가하여 주울 가열(Joule Heating)을 유도하여 상기 주울 가열에 의해 상기 비정질 실리콘층들(102,103,104)을 결정화하여 제 1 도전형의 다결정 실리콘층, 진성형 다결정 실리콘층, 및 상기 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 다결정 실리콘(도 1c의 105,106,107)으로 형성한다.
상기 주울 가열이란, 도체를 통하여 전류가 흐를 때 저항으로 인하여 발생되는 열을 이용하여 가열하는 것을 의미한다. 전계의 인가로 인한 주울 가열에 의해 도전층에 가해지는 단위 시간당 에너지량은 하기 식으로 표시될 수 있다.
W = V × I
상기 식에서, W 는 주울 가열의 단위 시간당 에너지량, V 는 도전층의 양단에 걸리는 전압, I 는 전류를 각각 의미한다.
상기 식으로부터 전압(V)이 증가할수록, 및/또는 전류(I)가 클수록, 주울 가열에 의해 도전층에 가해지는 단위 시간당 에너지량이 증가함을 알 수 있다. 주울 가열에 의해 도전층의 온도가 올라가면 도전층의 상부에 위치하는 비정질 실리콘층 으로 열전도가 일어나게 되며, 전달된 열로 인하여 상부의 비정질 실리콘층을 다결정 실리콘층으로 결정화시킬 수 있다.
상기 하부 도전층(101)에 대한 전계 인가는 상기 비정질 실리콘층들(102, 103, 104)의 결정화를 유도하기에 충분한 고열을 주울 가열에 의해 발생시킬 수 있는 파워 밀도(power density)의 에너지를 인가함으로써 행해진다. 상기 전계의 인가는 상기 하부 도전층(101)의 저항, 길이, 두께 등 다양한 요소들에 의해 결정되므로 특정되기는 어렵다. 결정화 속도를 증가시키기 위해서는 상기 비정질 실리콘층들(102, 103, 104)에 가해지는 순간 온도가 1,000℃ 이상이 되도록 하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 약 1kw/㎠ 이상의 전계를 인가하는 것이 바람직하다. 인가되는 전류는 직류이거나 교류일 수 있다. 전계의 1회 인가 시간은1/1,000,000 ~ 100 초일 수 있으며, 바람직하게는 1/1,000,000 ~ 10 초, 더욱 바람직하게는 1/1,000,000 ~ 1초이다. 이러한 전계의 인가는 종래의 결정화 방법들과 비교하여 매우 짧은 시간이다.
상기 기판(100)과 비교하여 상기 비정질 실리콘층들(102,103,103)은 상대적으로 매우 얇기 때문에, 짧은 시간에 고온으로 가열된 상기 하부 도전층(101)으로부터의 열전도가 상기 비정질 실리콘층들(102,103,104)의 온도를 상승시키지만, 두께가 두꺼운 상기 기판(100)은 높은 온도까지 가열할 수 없으므로, 상기 기판(100)의 열변형을 초래하지 않는다.
본 실시예의 주울 가열에 의한 결정화 방법의 경우 가열 속도가 적어도 100,000℃/sec 이상을 상회한다. 이는 종래 급속 열처리법인 RTA(Rapid Thermal Annealing)법이 100℃/sec 정도인 경우와 비교하면, 매우 빠른 가열 속도이다. 가열 속도가 상기와 같이 매우 빠르기 때문에, 앞서 살펴본 바와 같이 비정질 실리콘층을 결정화 하는데 걸리는 시간이 1/1,000,000 ~ 100 초일 수 있으며, 바람직하게는 1/1,000,000 ~ 10 초, 더욱 바람직하게는 1/1,000,000 ~ 1초가 걸린다. 이에 반하여 종래 태양전지의 다결정 실리콘층을 형성하는 증착법에 의하는 경우, CVD 법에 의한 다결정 실리콘층의 증착 속도는 1Å/sec이다. 통상 태양전지의 다결정 실리콘층은 적어도 10,000Å 이상을 형성하는데, 그러면 상기 다결정 실리콘층을 증착하는데 적어도 10,000 sec 이상이 걸린다. 따라서 본 발명에 의하는 경우에는 증착법에 의해 다결정 실리콘층을 증착하는 경우보다 공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.
이어서 도 1c를 참조하면, 상기 제 2 도전형의 다결정 실리콘층(107) 상에 상부 도전층(108)을 형성한다. 상기 상부 도전층(108)은 알루미늄(Al) 이나 은(Ag) 등을 이용하여 형성할 수 있다. 이로써 제 1 실시예에 따른 태양전지를 완성한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 공정을 나타낸 단면도이다. 본 제 2 실시예는 제 1 도전형의 실리콘층, 진성형 실리콘층 및 제 2 도전형의 실리콘층으로 이루어진 태양전지층이 적층된 태양전지를 제조하는 공정이다. 하기 실시예에서 특별히 언급되는 것을 제외하고는 상기 실시예에서 언급된 것을 참조한다.
도 2를 참조하면, 상기 제 1 실시예에서 다결정 실리콘층들(도 1c의 105,106,107)을 형성하고 난 후에, 상기 상부 도전층(도 1c의 108)을 형성하기 전 에 중간층(201)을 형성하고, 상기 중간층 상에 제 1 도전형의 비정질 실리콘층(202), 진성형 비정질 실리콘층(203) 및 상기 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 비정질 실리콘층(204)을 순차적으로 형성한다. 이때 상기 제 1 도전형은 p형, 상기 제 2 도전형은 n형으로 형성할 수 있다.
상기 중간층(201)은 ITO, ZnO, SnO2 또는 In2O3 와 같은 투명 도전막이나 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막과 같은 절연막으로 형성할 수 있다. 그러나 본 실시예에서와 달리 상기 중간층(201)을 형성하지 않을 수도 있다.
이어서 상기 제 2 도전형의 비정질 실리콘층(204) 상에 상부 도전층(108)을 형성한다.
다결정 실리콘층과 비정질 실리콘층은 광 흡수 대역이 서로 상이한데, 본 실시예에서와 같이 다결정 실리콘 태양전지층과 비정질 실리콘 태양전지층이 적층된 태양전지의 경우에는 하부의 다결정 실리콘 태양전지층이 흡수하지 못하는 광을 상부의 비정질 실리콘 태양전지층이 흡수할 수 있게 되어 더 많은 전자와 정공을 생성시킬 수 있게 되어 광전 변환율을 더욱 높일 수 있다. 또한 상기 제 1 실시예에 따라 제조된 다결정 실리콘 태양전지층을 이용함으로써, 종래의 다결정 실리콘 태양전지층과 비정질 실리콘 태양전지층이 적층된 태양전지보다 광흡수율 및 광전변환율이 향상시킬 수 있다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 공정을 나타낸 단면도이다. 본 실시예에서는 태양광이 기판과 반대측으로부터 입사되는 태 양전지의 제조공정을 설명한다. 하기에서 특별히 언급되는 것을 제외하고는 상기의 실시예들에서 언급된 것을 참조한다.
도 3a를 참조하면, 기판(300) 상에 하부 도전층(301)을 형성한다. 본 실시예에서는 상기 하부 도전층(301)을 투명 도전막이 아닌 알루미늄(Al) 이나 은(Ag) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
이어서 상기 하부 도전층(301) 상에 제 1 도전형의 비정질 실리콘층(302), 진성형 비정질 실리콘층(303), 및 상기 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 비정질 실리콘층(304)을 순차적으로 형성한다. 이때 상기 제 1 도전형은 n형, 상기 제 2 도전형은 p형으로 형성할 수 있다.
이어서 도 3b를 참조하면, 상기 하부 도전층(301)에 전계를 인가하여 주울 가열(Joule Heating)을 유도하여 상기 주울 가열에 의해 상기 비정질 실리콘층들(302,303,304)을 결정화하여 다결정 실리콘층들(도 3c의 305,306,307)로 형성한다.
이어서 도 3c를 참조하면, 제 2 도전형의 다결정 실리콘층(307) 상에 상부 도전층(308)을 형성한다. 상기 상부 도전층(308)은 투명 도전막으로 형성하며, 상기 투명 도전막으로는 ITO, ZnO, SnO2 또는 In2O3 등을 이용하여 형성할 수 있다.
한편, 상기 제 2 실시예에서와 동일하게 상기 다결정 실리콘층들(305,306,307)을 형성하고 난 후에, 상기 상부 도전층(308)을 형성하기 전에 중간층, 제 1 도전형의 비정질 실리콘층, 진성형 비정질 실리콘층, 및 상기 제 1 도 전형과 다른 제 2 도전형의 비정질 실리콘층을 순차적으로 더욱 형성할 수도 있다.이때 상기 제 1 도전형은 n형, 상기 제 2 도전형은 p형으로 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
가로 × 세로 × 두께가 2 ㎝ × 2 ㎝ × 0.7 ㎜인 유리기판 상에 스퍼터링법에 의해 6000Å의 두께로 ZnO를 증착하여 하부 도전층을 형성하였다. 상기 하부 도전층 상에 PECVD 법에 의해 500Å 두께의 p형 비정질 실리콘층을 형성하여 제 1 도전형의 비정질 실리콘층을 형성하였다. 상기 p형 비정질 실리콘층 상에 PECVD 법에 의해 10000Å의 두께로 진성형 비정질 실리콘층을 형성하였다. 상기 진성형 비정질 실리콘층 상에 PECVD 법에 의해 500Å의 두께로 n형 비정질 실리콘층을 형성하였다. 이어서 상기 하부 도전층인 ZnO에 500V의 전압을 300㎲초간 인가하여 주울 가열을 유도하고, 상기 비정질 실리콘층들을 상기 주울 가열에 의해 다결정 실리콘층들로 형성하였다. 상기 ZnO의 저항값은 5Ω으로 측정되었으며, 전계 인가 시 상기 비정질 실리콘층들에 가해진 에너지량은 약 20000 Watt/cm2 이고, 가해지는 온도는 1350℃정도로 상승한 것으로 측정되었다. 이어서 결정화된 n형 다결질 실리콘층 상에 스퍼터링법에 의해 2000Å의 두께로 Al층을 증착하여 상부 도전층을 형성하였 다.
<비교예>
상기 실험예와 달리 상기 하부 도전층에 전계를 인가하여 상기 비정질 실리콘층들을 주울 가열에 의한 다결정 실리콘층들로 형성하지 않고, 비정질 실리콘층들로 형성하였다.
상기 실험예와 비교예에 따른 태양전지의 광전 변환율을 비교하면, 상기 비교예에 따른 태양전지의 광전 변환율은 초기에 8%였으나, 시간이 지남에 따라 5%까지 떨어짐을 확인할 수 있었다. 이에 반하여, 상기 실험예에 따른 태양전지의 광전 변환율은 초기에 9%로 상기 비교예에 따른 태양전지의 광전 변환율보다 높았으며, 시간이 지나더라도 변하지 않았다.
이상 설명한 바와 같이 태양전지의 반도체층으로 이용하는 다결정 실리콘층을 본 발명에서와 같이 하부 도전층에 전계를 인가하여 주울 가열을 유도하여 상기 주울 가열에 비정질 실리콘층을 결정화하여 형성하면, 비정질 실리콘층을 이용하는 태양전지에 비하여 광전 변환율을 향상시킬 수 있으며, 시간이 지나더라도 균일한 광전 변환율을 유지할 수 있다. 또한 종래 CVD법에 의해 다결정 실리콘층을 증착하는 경우에 비하여 공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 공정을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 공정을 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 공정을 나타낸 단면도이다.
<도면 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 300: 기판 101, 301: 하부 도전층
102, 202, 302: 제 1 도전형의 비정질 실리콘층
103, 203, 303: 진성형 비정질 실리콘층
104, 204, 304: 제 2 도전형의 비정질 실리콘층
105, 305: 제 1 도전형의 다결정 실리콘층
106, 306: 진성형 다결정 실리콘층
107, 307: 제 2 도전형의 다결정 실리콘층
108, 308: 상부 도전층 201: 중간층
Claims (8)
- 기판 상에 하부 도전층을 형성하고,상기 하부 도전층 상에 제 1 도전형의 비정질 실리콘층, 진성형 비정질 실리콘층, 및 상기 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하고,상기 하부 도전층에 1kw/㎠ 이상의 파워 밀도로 전계를 인가하여 주울 가열을 유도하여, 상기 주울 가열에 의해 상기 비정질 실리콘층들을 제 1 도전형의 다결정 실리콘층, 진성형 다결정 실리콘층, 및 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 다결정 실리콘층으로 형성하고,상기 제 2 도전형의 다결정 실리콘층 상에 제 1 도전형의 비정질 실리콘층, 진성형 비정질 실리콘층, 및 상기 제 1 도전형과 다른 제 2 도전형의 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하고,상기 제 2 도전형의 비정질 실리콘층 상에 상부 도전층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 전계의 인가 시간은 1/1,000,000 내지 100초인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 전계의 인가 시간은 1/1,000,000 내지 1초인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 도전형의 다결정 실리콘층 상에 상기 제 1 도전형의 비정질 실리콘층을 형성하기 전에 중간층을 형성하는 것을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 하부 도전층은 ITO, ZnO, SnO2, In2O3, 알루미늄, 또는 은으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 중간층은 ITO, ZnO, SnO2, In2O3, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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- 2008-10-13 KR KR1020080100075A patent/KR101031881B1/ko not_active IP Right Cessation
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