KR101032270B1 - 플렉서블 또는 인플렉서블 기판을 포함하는 광기전력 장치 및 광기전력 장치의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 광기전력 장치는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하며, 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 제1 단위전지 및 제2 단위전지 및 상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 사이에 위치하며, 수소화된 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막을 포함한다.
Description
본 발명은 플렉서블 또는 인플렉서블 기판을 포함하는 광기전력 장치 및 광기전력 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 과도한 CO2 배출량으로 기후온난화와 고 유가로 인하여 에너지가 앞으로 인류의 삶을 좌우할 가장 큰 문제로 대두되고 있다. 풍력, 바이오 연료, 수소/연료전지 등 많은 신재생 에너지 기술들이 있으나, 모든 에너지의 근원인 태양에너지는 거의 무한한 청정에너지이기 때문에 태양광을 이용하는 광기전력 장치가 각광받고 있다.
지구 표면에 입사되는 태양광은 120,000TW에 해당하기 때문에, 이론적으로 10% 광-전 변환효율(conversion efficiency)의 광기전력 장치로 지구 육지면적의 0.16%만 덮는다면 한해 글로벌 에너지 소모량의 2배인 20 TW의 전력을 생산할 수 있다.
실제로 지난 10년간 전세계 태양광 시장은 매년 성장률 40%에 육박하는 폭발적인 성장을 보여왔다. 현재, 광기전력 장치 시장의 90%는 단결정(single-crystalline)이나 다결정(multi-crystalline or poly-crystalline) 실리콘과 같은 벌크(bulk)형 실리콘 광기전력 장치가 점유하고 있다. 하지만, 주 원료인 태양전지급 실리콘 웨이퍼(solar-grade silicon wafer) 생산이 폭발적인 수요를 따라가지 못하여 전 세계적으로 품귀현상이 발생하게 되므로, 생산단가를 낮추는데 있어서 커다란 불안요소가 되고 있다.
이에 반해, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)을 바탕으로 한 수광층을 사용하는 박막(thin-film) 실리콘 광기전력 장치는 벌크형 실리콘 광기전력 장치에 비해서 실리콘의 두께를 100분의 1이하로 줄일 수 있을 뿐 아니라, 대면적 저가 생산이 가능하다.
한편, 단일접합(single-junction) 박막 실리콘 광기전력 장치는 달성할 수 있는 성능의 한계가 있기 때문에, 복수의 단위전지를 적층한 이중접합 박막 실리콘 광기전력 장치나, 삼중접합 박막 실리콘 광기전력 장치가 개발되어 고 안정화 효율(stabilized efficiency)의 달성을 추구하고 있다. 탄템형 광기전력 장치의 경우, 단위전지들 사이에 내부 반사를 강화하여 효율을 높일 수 있는 중간반사막에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 새로운 구조의 중간반사막을 포함하는 광기전력 장치 및 광기전력 장치의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 광기전력 장치는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하며, 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 제1 단위전지 및 제2 단위전지 및 상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 사이에 위치하며, 수소화된 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막을 포함한다.
본 발명의 광기전력 장치의 제조 방법은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 제1 단위전지를 형성하는 단계, 상기 제1 단위전지 상에 수소화된 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막을 형성하는 단계, 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 제2 단위전지를 상기 중간반사막 상에 형성하는 단계 및 상기 제2 단위전지 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 광기전력 장치 및 광기전력 장치의 제조 방법은 수소화된 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막을 포함함으로써 광기전력 장치의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광기전력 장치의 제조 방법을 나타낸다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치를 상세히 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 중간반사막의 굴절률을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광기전력 장치의 제조 방법을 나타낸다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치를 상세히 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 중간반사막의 굴절률을 나타낸다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치는 기판(100), 제1 전극(110), 제1 단위전지(UC1), 중간반사막(150), 제2 단위전지(UC2) 및 제2 전극(190)을 포함한다.
기판(100)은 플렉서블 기판 혹은 인플렉서블 기판일 수 있다. 플렉서블 기판은 투명 폴리머나 금속 포일(foil)과 같은 것으로 휘어질 수 있는 재질로 이루어진다. 또한 인플렉서블 기판은 유리 기판과 같은 것으로 휘어지지 않는 재질로 이루어진다.
제1 단위전지(UC1)는 제1 도전성 반도체층(120), 진성 반도체층(130) 및 제2 도전성 반도체층(140)을 포함하고, 제2 단위전지(UC1)는 제1 도전성 반도체층(160), 진성 반도체층(130) 및 제2 도전성 반도체층(140)을 포함한다. 제1 단위전지(UC1)와 제2 단위전지(UC2)는 제1 전극(110)과 제2 전극(190) 사이에 위치한다.
본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치는 p-i-n 타입 또는 n-i-p 타입 광기전력 장치일 수 있다. p-i-n 타입 광기전력 장치는 기판(100)으로부터 순차적으로 적층된 제1 단위전지(UC1)의 p 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 n 타입 반도체층과, 제2 단위전지(UC2)의 p 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 n 타입 반도체층을 포함한다.
또한 n-i-p 타입 광기전력 장치는 제2 전극(190)으로부터 순차적으로 적층된 제2 단위전지(UC2)의 p 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 n 타입 반도체층과, 제1 단위전지(UC1)의 p 타입 반도체층, 진성 반도체층 및 n 타입 반도체층을 포함한다.
이 때 p 타입 반도체층은 3족 원소로 도핑될 수 있으며, n 타입 반도체층은 5족 원소로 도핑될 수 있다.
p-i-n 타입 광기전력 장치의 경우 빛은 기판(100)을 통하여 입사되므로 기판(100)과 제1 전극(110)은 투광성을 지녀야 한다. 또한 n-i-p 타입 광기전력 장치의 경우 빛은 제2 전극(190)을 통하여 입사되므로 제2 전극(190)은 투광성을 지녀야 한다.
제1 전극(110) 또는 제2 전극(190)이 투광성을 지닐 경우 제1 전극(110) 또는 제2 전극(190)은 ZnO, ITO 또는 SnO2와 같은 투명 전도성 산화물로 이루어질 수 있다.
p-i-n 타입 광기전력 장치의 경우 빛은 기판(100)을 통하여 입사되므로 기판(100)에 가까운 제1 단위전지(UC1)를 통하여 제2 단위전지(UC2)로 입사된다. 또한 n-i-p 타입 광기전력 장치의 경우 빛은 제2 전극(190)을 통하여 입사되므로 제2 전극(190)에 가까운 제2 단위전지(UC2)를 통하여 제1 단위전지(UC1)로 입사된다.
제1 단위전지(UC1) 또는 제2 단위전지(UC2) 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 진성 반도체층은 단파장 영역의 빛을 흡수하기 위하여 광학적 밴드갭이 큰 수소화된 비정질 실리콘계 물질로 이루어질 수 있다. 또한 빛이 늦게 입사되는 단위전지의 진성 반도체층은 장파장 영역의 빛을 흡수하기 위하여 광학적 밴드갭이 작은 실리콘 게르마늄계 물질이나 마이크로 결정질 실리콘계 물질로 이루어질 수 있다.
중간반사막(150)은 제1 단위전지(UC1) 및 제2 단위전지(UC2) 사이에 위치하며 수소화된 비정질 카본층(a-C:H 또는 a-DLC:H)을 포함한다. 이 때 DLC는 Diamond Like Carbon의 약자이다. 수소화된 비정질 카본층의 굴절률은, 제1 단위전지(UC1) 및 제2 단위전지(UC2) 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 진성 반도체층의 굴절률보다 작다. 또한 수소화된 비정질 카본층의 광학적 밴드갭은 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층의 광학적 밴드갭보다 크다. 이에 따라 수소화된 비정질 카본층은 입사된 빛을 상층 전지 쪽으로 반사시키면서 장파장 영역의 빛이나 적외선 영역의 빛을 하층 전지 쪽으로 투과시킬 수 있다.
이 때 수소화된 비정질 카본층의 경우 증착 속도가 느리다. 하지만 수소화된 비정질 카본층의 굴절률이 2.0 보다 낮으면 수소화된 비정질 카본층의 두께가 얇더라도 내부 반사가 원활하게 이루어진다. 따라서 비정질 카본층의 두께가 1 nm 이상 20 nm 이하인 경우 수소화된 비정질 카본층의 형성을 위한 공정시간(tact time)을 줄일 수 있다.
또한 수소화된 비정질 카본층은 낮은 암전도도(dark conductivity)를 가질 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 중간반사막(150)은 낮은 암전도도를 보상하기 위하여 PH3와 같은 n형 불순물로 도핑된다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 중간반사막(150)은 수소화된 n 타입 비정질 카본층(n-a-C:H 또는 n-a-DLC:H)을 포함할 수 있다. 이와 같이 수소화된 n 타입 비정질 카본층(n-a-C:H 또는 n-a-DLC:H)을 포함하는 중간반사막(150)의 암전도도는 10-12 S/cm 이상 10-6 S/cm 이하일 수 있다.
또한 중간반사막(150)의 암전도도를 보상하기 위하여 제1 단위전지(UC1) 또는 제2 단위전지(UC2) 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 제2 도전성 반도체층은 n 타입 나노 결정질 실리콘층(n-nc-Si:H)일 수 있다. n 타입 나노 결정질 실리콘층의 경우 수직 전도도가 우수하므로 중간반사막(150)의 암전도도 저하를 보상할 수 있다.
한편 중간반사막(150)은 n 타입 비정질 카본층과 더불어 제1 단위전지(UC1) 또는 제2 단위전지(UC2) 중 빛이 나중에 입사되는 단위전지와 접촉하는 n 타입 나노 결정질 실리콘층을 더 포함할 수 있다. 수소화된 나노 결정질 실리콘층은 결정 입계나 비정질 실리콘계 물질로 둘러싸인 결정질 실리콘 입자를 포함하며, 상변이 영역 근처의 결정질 실리콘계 물질과 비정질 실리콘계 물질이 혼합된 혼합상(mixed- phase) 구조를 갖는다.
예를 들어, p-i-n 타입 광기전력 장치의 경우, 빛은 제1 단위전지(UC1)을 통하여 제2 단위전지(UC2)로 입사되므로 중간반사막(150)은 제2 단위전지(UC2)의 제1 도전성 반도체층(160)와 접촉하는 n 타입 나노 결정질 실리콘층을 포함할 수 있다. 또한 n-i-p 타입 광기전력 장치의 경우, 빛은 제2 단위전지(UC2)을 통하여 제1 단위전지(UC1)로 입사되므로 중간반사막(150)은 제1 단위전지(UC2)의 제1 도전성 반도체층(120)과 접촉하는 n 타입 나노 결정질 실리콘층을 포함할 수 있다.
중간반사막(150)의 수소화된 비정질 카본층은 제1 단위전지(UC1)또는 제2 단위전지(UC2)의 수소화된 p 타입 마이크로 결정질 실리콘(p-uc-Si:H) 의 성장을 방해할 수 있다. 따라서 중간반사막(150)의 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 단위전지와 접촉함으로써 p 타입 마이크로 결정질 실리콘(p-uc-Si:H) 의 성장 방해가 방지될 수 있다.
이와 같은 중간반사막(150)은 교대로 적층되는 복수 개의 수소화된 비정질 카본층들과 n 타입 나노 결정질 실리콘층들을 포함할 수도 있다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 광기전력 장치의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예들에 따른 광기전력 장치의 제조 방법은 제1 기판(100) 상에 제1 전극(110)을 형성하는 단계, 제1 전극(110) 상에 제1 도전성 반도체층(120), 진성 반도체층(130) 및 제2 도전성 반도체층(140)을 포함하는 제1 단위전지(UC1)를 형성하는 단계, 제1 단위전지(UC1) 상에 수소화된 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막(150)을 형성하는 단계, 제1 도전성 반도체층(160), 진성 반도체층(170) 및 제2 도전성 반도체층(180)을 포함하는 제2 단위전지(UC2)를 중간반사막(150) 상에 형성하는 단계 및 제2 단위전지(UC2) 상에 제2 전극(190)을 형성하는 단계를 포함한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광기전력 장치의 제조 방법을 나타낸다.
제1 전극(110)이 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 이나 스퍼터링 (sputterring) 등에 의하여 제1 기판(100) 상에 형성된다(S210).
제1 도전성 반도체층(120), 진성 반도체층(130) 및 제2 도전성 반도체층(140)이 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 제1 전극(110) 상에 순차적으로 형성된다(S220). 제1 단위전지(UC1) 및 제2 단위전지(UC2)가 p-i-n 타입 단위전지인 경우, 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘이 진성 반도체층(130) 상에 5 nm 이상 30 nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 제1 단위전지(UC1)의 제2 도전성 반도체층(140)이 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘으로 이루어진 경우 앞서 설명된 바와 같이 중간반사막(150)의 암전도도를 보상할 수 있다.
수소화된 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막(150)이 제1 단위전지(UC1) 상에 형성된다(S230). 중간반사막(150)의 형성을 위하여 증착 챔버로부터 제1 단위전지(UC1)의 제2 도전성 반도체층(140)의 형성시 증착 챔버에 유입되었던 수소, 실란 및 불순물 가스 등이 배기된다. 이후 증착 챔버에 수소화된 비정질 카본층의 형성에 필요한 수소, CH4와 같은 탄소 원료가스 및 불순물 가스가 유입된다. 증착 챔버에 전원이 공급되면 증착 챔버에 있던 가스들이 플라즈마 상태가 되고 수소화된 비정질 카본층이 증착된다.
앞서 설명된 바와 같이, 수소화된 비정질 카본층이 제2 단위전지(UC2)의 제1 도전성 반도체층(160)의 증착을 방해하는 것을 방지하기 위하여 수소화된 비정질 카본층 상에 5 nm 이상 30 nm 이하의 두께를 지닌 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 형성될 수 있다. 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 5 nm 이상인 경우 나노 결정질이 충분히 형성될 수 있고, 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 30 nm 이하인 경우 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층의 두께 증가에 따른 빛의 흡수가 방지될 수 있다. n 타입 나노 결정질 실리콘층이 형성되기 전에 증착 챔버에 남아 있던 수소, 탄소 원료가스 및 불순물 가스 등이 배기되고 수소, 실란, 불순물 가스 등이 증착 챔버로 유입된다.
수소화된 비정질 카본층의 두께가 1 nm 이상 20 nm 이하인 경우 중간반사막(150)은 교대로 적층된 수소화된 비정질 카본층들과 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층들을 포함할 수 있다. 수소화된 비정질 카본층의 두께가 1 nm 이상인 경우, 굴절률 매칭에 의한 내부 반사가 이루어질 수 있다. 또한 수소화된 비정질 카본층의 두께가 20 nm 이하인 경우, 중간반사막(150)의 두께 증가로 인한 과도한 빛의 흡수가 방지될 수 있다.
이와 같은 중간반사막(150)이 형성 후 제2 단위전지(UC2)가 형성된다(S240). 제1 단위전지(UC1) 및 제2 단위전지(UC2)가 n-i-p 타입 단위전지인 경우, 중간반사막(150) 상에 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘으로 이루어진 제2 단위전지(UC2)의 제1 도전성 반도체층(160)이 형성될 수 있다. 이에 따라 중간반사막(150)의 암전도도가 보상될 수 있다.
중간반사막(150) 형성 후 제2 전극(190)이 형성된다(S250).
앞서의 설명에서는 단위전지의 수소화된 나노 결정질 실리콘과 중간반사막의 형성을 위하여 증착 챔버 내부의 가스들에 대한 배기 공정이 이루어졌으나 배기 공정없이 하나의 증착 챔버에서 단위전지의 수소화된 나노 결정질 실리콘과 중간반사막이 형성될 수 있다.
즉, 제1 단위전지(UC1)과 제2 단위전지(UC2) 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 제2 도전성 반도체층, 중간반사막(150)의 수소화된 비정질 카본층 및 수소화된 나노 결정질 실리콘층이 배기 공정없이 하나의 증착 챔버에서 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 단위전지(UC1)과 제2 단위전지(UC2)가 p-i-n 타입 단위전지인 경우, 빛이 먼저 입사되는 제1 단위전지(UC1)의 제2 도전성 반도체층(140), 중간반사막(150)의 수소화된 비정질 카본층 및 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 순차적으로 적층된다. 따라서 수소화된 나노 결정질 실리콘으로 이루어진 제2 도전성 반도체층(140), 중간반사막(150)의 수소화된 비정질 카본층 및 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 배기 공정없이 하나의 증착 챔버에서 형성될 수 있다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 단위전지(UC1)과 제2 단위전지(UC2)가 n-i-p 타입 단위전지인 경우, 중간반사막(150)의 수소화된 나노 결정질 실리콘층과 수소화된 n 타입 비정질 카본층 및 빛이 먼저 입사되는 제2 단위전지(UC2)의 제1 도전성 반도체층(160)이 순차적으로 형성된다. 따라서 중간반사막(150)의 수소화된 비정질 카본층 및 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층과, 수소화된 나노 결정질 실리콘으로 이루어진 제2 도전성 반도체층(180)이 배기 공정없이 하나의 증착 챔버에서 형성될 수 있다.
이와 같이 제1 단위전지(UC1)와 제2 단위전지(UC2)가 p-i-n 타입 또는 n-i-p 타입 단위전지인 경우, 수소화된 비정질 카본층의 양쪽에는 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층들이 위치할 수 있다. 따라서 증착 챔버에 수소, 실란, 불순물 가스가 유입된 후 전원이 증착 챔버에 공급되면 유입된 가스들이 플라즈마 상태가 되어 하나의 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 형성된다.
다음으로 증착 챔버로 유입되는 실란이 차단되고 수소, 불순물 가스 및 탄소 원료가스의 유량이 다시 조정된다. 수소, 불순물 가스 및 탄소 원료가스의 유량이 다시 조정되었으므로 증착 챔버 내의 가스들의 상태가 안정화될 때까지 증착 챔버는 10 초 이상 60 초 이하까지 대기한다.
증착 챔버 내의 가스들의 상태가 안정화되면, 증착 챔버에 전원이 공급되어 증착 챔버 내의 가스들이 플라즈마 상태가 되고 수소화된 비정질 카본층이 형성된다.
다음으로 전원이 차단되어 플라즈마가 턴오프된다. 또한 탄소 원료가스의 유입이 차단된다. 이후 증착 챔버에 수소, 실란, 불순물 가스의 유량이 재조정되고 대기 시간이 지난 후 전원이 증착 챔버에 공급된다. 이에 따라 증착 챔버 내의 가스들이 플라즈마 상태가 되고 수소화된 비정질 카본층 상에 다른 하나의 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 형성될 수 있다.
한편, 제1 단위전지(UC1)와 제2 단위전지(UC2)를 포함하는 탄뎀형 광기전력 장치의 제조시 제1 단위전지(UC1)와 제2 단위전지(UC2)는 서로 다른 증착 시스템들에서 형성될 수 있다. 이 때 제1 단위전지(UC1)가 제조되는 증착시스템과 제2 단위전지(UC2)가 제조되는 증착시스템은 서로 분리되어 있을 수 있다. 이에 따라 하나의 증착시스템에서 기판(100) 상에 제1 단위전지(UC1)가 형성된 후, 제1 단위전지(UC1)가 형성된 기판(100)이 다른 증착시스템으로 이송되는 과정에서 대기에 노출될 수 있다.
도 3의 제1 단위전지(UC1)나 도 4의 중간반사막(150)의 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 하나의 증착시스템에서 형성되고, 기판(100)이 이송되는 과정에서 이미 형성된 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 대기에 노출될 수 있다. 이후 다른 하나의 증착시스템에서 중간반사막(150)의 수소화된 비정질 카본층이 형성되고, 제2 단위전지(UC2)가 형성된다.
또한 도 3의 제1 단위전지(UC1)나 도 4의 중간반사막(150)의 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층과 더불어 중간반사막(150)의 수소화된 비정질 카본층의 일부가 하나의 증착시스템에서 형성되고, 기판(100)이 이송되는 과정에서 이미 형성된 수소화된 비정질 카본층의 일부가 대기에 노출될 수도 있다. 이후 다른 하나의 증착시스템에서 중간반사막(150)의 수소화된 비정질 카본층의 나머지가 형성되고, 제2 단위전지(UC2)가 형성된다.
이와 같이 제1 단위전지(UC1)가 형성된 이후 기판(100)이 이송되는 과정에서 대기 노출이 이루어지면 대기에 노출된 박막에 산화막이 형성되어 광기전력 장치의 특성이 저하될 수 있다.
따라서 다른 하나의 증착시스템에서 수소화된 n 타입 비정질 카본층전체가 형성되거나 수소화된 n 타입 비정질 카본층의 나머지가 형성되기 전에 이미 형성된 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층 또는 수소화된 n 타입 비정질 카본층의 일부의 표면이 에칭될 수 있다. 에칭 공정은 증착시스템의 증착 챔버에서 수소 플라즈마나 알곤 플라즈마에 의해 이루어질 수 있다.
산화막의 에칭시 n 타입 나노 결정질 실리콘층이나 수소화된 n 타입 비정질 카본층의 불순물이 빠져나올 수 있으므로 에칭 공정이 이루어지는 증착 챔버에는 불순물 가스가 유입되어 에칭 공정에서 빠져나오는 불순물을 보상할 수 있다.
한편 수소화된 비정질 카본층의 굴절률이 점차적으로 변하도록 수소화된 비정질 카본층의 형성시 탄소 원료가스에 대한 수소 가스의 유량비가 조절될 수 있다. 즉, 제1 단위전지(UC1) 및 제2 단위전지(UC2) 중 빛이 먼저 입사되는 측에 가까울수록 중간반사막(150)의 수소화된 비정질 카본층의 굴절률이 작아지도록 탄소 원료가스에 대한 수소 가스의 유량비가 조절될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 전체 두께 T인 수소화된 비정질 카본층 내부의 t1 지점이 t2 지점에 비하여 빛 입사측에 가까울 때 t1 지점의 굴절률이 t2 지점의 굴절률보다 작을 수 있다. 본 발명의 실시에에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 굴절률이 선형적으로 변할 수도 있으나, 계단식으로 변할 수도 있다.
이와 같이 수소화된 비정질 카본층의 굴절률이 점진적으로 변함으로써 중간반사막(150)에 의한 빛의 반사가 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서 수소화된 비정질 카본층의 평균수소함량은 5 atomic % 이상 40 atomic % 이하일 수 있다. 평균수소함량이 5 atomic % 이상인 경우, 미결합손이 수소에 의하여 패시베이션되어 재결합이 감소할 수 있다. 또한 평균수소함량이 40 atomic % 이하인 경우, 수소화된 비정질 카본층의 다공성이 커짐으로 인해 수소화된 비정질 카본층의 안정성이 감소하는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 수소화된 비정질 카본층의 평균 굴절률은 1.5 이상 2.2 이하일 수 있다. 평균 굴절률은 1.5 이상인 경우, 암전도도의 감소로 인한 광전변환효율의 저하가 방지될 수 있다. 또한 평균 굴절률이 2.2 이하인 경우 내부반사가 원활히 이루어져 단락전류의 감소가 방지될 수 있다.
타원편광 분광법 (spectroscopic ellipsometry)에 의하여 Tauc-Lorentz 모델로 수소화된 비정질 카본층을 피팅(fitting)했을 경우, 수소화된 비정질 카본층의 에너지 밴드갭은 2.2 eV 이상 3.0 eV 이하일 수 있다. 이에 따라 수소화된 비정질 카본층의 광학적 밴드갭은 2.2 eV 이상 3.0 eV 이하일 수 있다. 수소화된 비정질 카본층의 광학적 밴드갭이 2.2 eV 이상인 경우, 중간반사막(150)의 과도한 빛 흡수가 방지될 수 있다. 또한 수소화된 비정질 카본층의 광학적 밴드갭이 3.0 eV 이하인 경우, 수소화된 비정질 카본층이 과도하게 다공성화되는 것이 방지되어 수소화된 비정질 카본층의 내구성이 유지될 수 있다.
라만 분광법 (Raman spectroscopic)에 의하여 수소화된 비정질 카본층을 측정할 경우 1200 cm-1 이상 1400 cm- 1 에서 G-band 또는 D-band 중 적어도 하나에 해당하는 피크(peak)가 존재할 수 있다. 수소화된 비정질 카본층의 결정은 흑연 결정 구조 또는 다이아몬드 결정 구조를 지닐 수 있다. 수소화된 비정질 카본층의 결정이 흑연 결정 구조를 지닐 경우, 1200 cm-1 이상 1400 cm- 1 에서 G-band에 해당하는 피크가 존재한다. 또한 수소화된 비정질 카본층의 결정이 다이아몬드 결정 구조를 지닐 경우, 1200 cm-1 이상 1400 cm- 1 에서 D-band에 해당하는 피크가 존재한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 기판 110 : 제1 전극
120, 160 : 제1 도전성 반도체층 130, 170 : 진성반도체층
140, 180 : 제2 도전성 반도체층 150 : 중간반사막
190 : 제2 전극
UC1 : 제1 단위전지 UC2 : 제2 단위전지
120, 160 : 제1 도전성 반도체층 130, 170 : 진성반도체층
140, 180 : 제2 도전성 반도체층 150 : 중간반사막
190 : 제2 전극
UC1 : 제1 단위전지 UC2 : 제2 단위전지
Claims (24)
- 제1 전극 및 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하며, 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 제1 단위전지 및 제2 단위전지; 및
상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 사이에 위치하며, 수소화된 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막
을 포함하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 수소화된 비정질 카본층의 굴절률은 상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 진성 반도체층의 굴절률보다 작은 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 수소화된 비정질 카본층의 광학적 밴드갭은
상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층의 광학적 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 수소화된 비정질 카본층의 두께는 1 nm 이상 20 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 중간반사막은 수소화된 n 타입 비정질 카본층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제5항에 있어서,
상기 수소화된 n 타입 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막의 암전도도는 10-12 S/cm 이상 10-6 S/cm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 제2 도전성 반도체층은 n 타입 나노 결정질 실리콘층인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 중간반사막은 상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 중 빛이 나중에 입사되는 단위전지와 접촉하는 n 타입 나노 결정질 실리콘층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제8항에 있어서,
상기 n 타입 나노 결정질 실리콘층의 두께는 5 nm 이상 30 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제8항에 있어서,
상기 중간반사막은 교대로 적층되는 복수 개의 상기 수소화된 비정질 카본층들과 상기 n 타입 나노 결정질 실리콘층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제10항에 있어서,
상기 수소화된 비정질 카본층의 두께는 1 nm 이상 20 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 중 빛이 먼저 입사되는 측에 가까울수록 상기 수소화된 비정질 카본층의 굴절률이 작아지는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 수소화된 비정질 카본층의 에너지 밴드갭은 2.2 eV 이상 3.0 eV 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
라만에 의하여 상기 수소화된 비정질 카본층을 측정할 경우 1200 cm-1 이상 1400 cm-1 이하에서 G-band 또는 D-band 중 적어도 하나에 해당하는 피크가 존재하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 수소화된 비정질 카본층의 굴절률은 1.5 이상 2.2 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서,
상기 수소화된 비정질 카본층의 평균수소함량은 5 atomic % 이상 40 atomic % 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치. - 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 제1 단위전지를 형성하는 단계;
상기 제1 단위전지 상에 수소화된 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막을 형성하는 단계;
제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 제2 단위전지를 상기 중간반사막 상에 형성하는 단계; 및
상기 제2 단위전지 상에 제2 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 광기전력 장치의 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 수소화된 비정질 카본층을 포함하는 중간반사막이 상기 제1 단위전지 상에 형성되고,
상기 제1 단위전지의 제2 도전성 반도체층의 형성시 유입되었던 수소, 실란 및 불순물 가스가 배기되며,
상기 수소화된 비정질 카본층의 형성시 수소, 탄소 원료가스 및 불순물 가스가 유입되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법. - 제17항에 있어서,
증착 챔버에 수소, 실란, 불순물 가스가 유입된 후 하나의 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 형성되고,
상기 증착 챔버로 유입되는 상기 실란이 차단되고 수소, 불순물 가스 및 탄소 원료가스의 유량이 다시 조정되며,
소정 시간 동안 상기 증착 챔버 내의 가스들의 상태가 안정화될 때까지 대기상태가 지속되고,
상기 증착 챔버 내에서 수소화된 비정질 카본층이 형성되며,
상기 탄소 원료가스가 상기 증착 챔버로 유입되는 것이 차단된 후 상기 증착 챔버에 수소, 실란, 불순물 가스의 유량이 재조정되고,
대기 시간이 지난 후 상기 수소화된 비정질 카본층 상에 다른 하나의 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법. - 제17항에 있어서,
수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 하나의 증착시스템에서 형성된 후 상기 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층이 대기에 노출되고,
다른 하나의 증착시스템에서 상기 중간반사막의 수소화된 비정질 카본층이 상기 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법. - 제17항에 있어서,
수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층과 수소화된 비정질 카본층의일부가 하나의 증착시스템에서 형성된 후 상기 수소화된 비정질 카본층의 일부가 대기에 노출되고,
다른 하나의 증착시스템에서 상기 중간반사막의 수소화된 비정질 카본층의 나머지가 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법. - 제20항에 있어서,
상기 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘층의 일부가 다른 하나의 증착시스템에서 에칭되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법. - 제21항에 있어서,
상기 수소화된 비정질 카본층의 일부의 표면이 다른 하나의 증착시스템에서 에칭되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법. - 제21항 또는 제22항에 있어서,
상기 에칭시 불순물 가스가 유입되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
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