KR101039150B1 - 태양전지 제조방법 - Google Patents

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KR101039150B1
KR101039150B1 KR1020100040269A KR20100040269A KR101039150B1 KR 101039150 B1 KR101039150 B1 KR 101039150B1 KR 1020100040269 A KR1020100040269 A KR 1020100040269A KR 20100040269 A KR20100040269 A KR 20100040269A KR 101039150 B1 KR101039150 B1 KR 101039150B1
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이시우
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주식회사 티지솔라
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Abstract

태양전지의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 (a) 기판(100) 상에 제1 비정질 실리콘층(310)을 형성하는 단계; (b) 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 비정질 실리콘층(324)과 미세 결정 실리콘층(322)을 포함하는 혼합 실리콘층(320)을 형성하는 단계; (c) 혼합 실리콘층(320) 상에 제2 비정질 실리콘층(330)을 형성하는 단계; 및 (d) 제1 비정질 실리콘층(310), 혼합 실리콘층(320), 제2 비정질 실리콘층(330)을 결정화 열처리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 제조방법{METHOD FOR FABRICATING OF SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 다결정 실리콘 태양전지의 제조시에 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮추고 결정화 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자로 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 그 응용 범위가 매우 넓다.
최근에는 유리와 같은 기판 위에 광흡수층인 실리콘을 박막 형태로 증착하여 사용함으로써 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 박막형 실리콘 태양전지가 주목을 받고 있다. 박막형 실리콘 태양전지는 기판형 실리콘 태양전지의 약 1/100에 해당되는 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다.
박막형 실리콘 태양전지 중 가장 처음 개발되고 현재 주택용 등에 보급되기 시작한 것이 비정질 실리콘 박막형 태양전지이다. 그러나. 비정질 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘 내에 다량으로 존재하는 실리콘 원자의 댕글링 본드(dangling bond) 때문에 변환 효율이 기판형 실리콘 태양전지에 비해 너무 낮다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것이 다결정 실리콘 박막형 태양전지이다. 다결정 실리콘 박막형 태양전지는 광흡수층으로 다결정 실리콘을 사용하기 때문에 광흡수층으로 비정질 실리콘을 사용하는 비정질 실리콘 박막형 태양전지보다 태양전지의 특성이 우수하다.
일반적으로 다결정 실리콘은 비정질 실리콘을 고상 결정화(solid phase crystallization: SPC)시켜 제조하게 된다. 이때, 결정화 단계에서 600℃ 이상의 고온을 유지하기 위해서는 기판으로서 일반 유리 대신에 고가의 석영 기판을 사용해야 하는데 이는 태양전지의 제조 단가를 높이는 문제점이 있다. 이에 최근에는 유리 기판을 사용하여 다결정 실리콘을 형성하는 여러 가지 공정들이 제안되고 있다.
엑시머 레이저 결정화(Excimer Laser Crystallization)법은 순간 레이저 조사를 이용하여 비정질 실리콘을 용융하여 재결정화시키는 방법으로서 급속 가열에 의한 유리 기판의 손상을 방지할 수 있고 다결정 실리콘의 결정성이 우수하다는 장점이 있으나, 재현성이 떨어지고 장비 구성이 복잡하다는 단점이 있다.
급속 열처리법은 IR 램프를 이용하여 비정질 실리콘을 급속 열처리시키는 방법으로서 생산 속도가 빠르고 생산단가가 저렴하다는 장점이 있으나, 급속 가열에 의한 열 충격 및 유리 기판의 변형 발생 등의 단점이 있다.
금속유도 결정화(Metal Induced Crystallization; MIC)법은 비정질 실리콘에 Ni, Cu, Al 등의 금속 촉매를 도포하여 낮은 온도에서 결정화를 유도하는 방법으로서 낮은 온도에서 결정화가 가능하다는 장점이 있으나, 활성화 영역에 포함되는 상당량의 금속으로 인하여 누설전류가 크게 증가한다는 단점이 있다.
금속유도 측면 결정화(Metal Induced Lateral Crystallization: MILC)법은 MIC 방법에서 발생하는 금속 오염의 방지를 위해 개발된 것으로서 소스/드레인 영역에 금속 촉매를 증착하여 MIC를 우선적으로 유도하고, 이를 시드로 하여 다결정 실리콘을 게이트 하부의 활성화 영역으로 측면 성장시키는 방법이다. MILC법은 MIC법에 비하여 측면 성장의 결정화 영역에서는 금속 오염이 적다는 장점이 있으나 누설전류의 문제는 여전히 존재하게 된다.
이에 유리 기판을 사용하면서도 효과적으로 다결정 실리콘을 형성하기 위한 새로운 기술이 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다결정 실리콘 태양전지의 제조시에 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮출 수 있는 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다결정 실리콘 태양전지의 제조시에 비정질 실리콘의 결정화 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 태양전지 제조방법을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다결정 실리콘 태양전지의 제조시에 비정질 실리콘 전체를 균일하게 결정화시킬 수 있는 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 (a) 기판 상에 제1 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; (b) 상기 제1 비정질 실리콘층 상에 비정질 실리콘층과 미세 결정 실리콘층을 포함하는 혼합 실리콘층을 형성하는 단계; (c) 상기 혼합 실리콘층 상에 제2 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제1 비정질 실리콘층, 상기 혼합 실리콘층, 상기 제2 비정질 실리콘층을 결정화 열처리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b) 단계에서 상기 비정질 실리콘층과 상기 미세 결정 실리콘층은 SiH4/H2 혼합가스를 이용하여 형성하되, 상기 비정질 실리콘층 형성시보다 상기 미세 결정 실리콘층 형성시가 SiH4/H2 혼합비가 더 작을 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 (a) 기판 상에 제1 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; (b) 상기 제1 비정질 실리콘층 상에 비정질 실리콘층과 미세 결정 실리콘층이 순차적으로 적층된 혼합 실리콘층을 형성하는 단계; (c) 상기 혼합 실리콘층 상에 제2 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제1 비정질 실리콘층, 상기 혼합 실리콘층, 상기 제2 비정질 실리콘층을 결정화 열처리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 비정질 실리콘층에는 p 형 도펀트가 도핑되어 있고 상기 제2 비정질 실리콘층에는 n 형 도펀트가 도핑되어 있을 수 있다.
상기 제1 비정질 실리콘층, 상기 비정질 실리콘층, 상기 제2 비정질 실리콘층은 화학기상 증착법에 의해 형성될 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 미세 결정 실리콘층은 상기 비정질 실리콘층의 일부가 플라즈마 처리되어 형성될 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 혼합 실리콘층이 복수개로 적층되어 형성될 수 있다.
상기 플라즈마는 수소 또는 NH3 플라즈마일 수 있다.
상기 플라즈마는 처리시 상기 기판의 온도는 상온 내지 500℃의 범위 내에서 유지될 수 있다.
상기 (a) 내지 상기 (c) 단계는 인시츄(in-situ)로 수행될 수 있다.
상기 (d) 단계에서 상기 미세 결정 실리콘층 내부에 포함되어 있는 결정질 실리콘 시드 핵이 결정화 시드로 작용할 수 있다.
상기 (d) 단계에서 결정화 열처리 온도는 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC) 온도보다 낮을 수 있다.
상기 (d) 단계에서 결정화 열처리 시간은 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC) 시간보다 작을 수 있다.
본 발명에 의하면, 다결정 실리콘 태양전지의 제조 시에 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 다결정 실리콘 태양전지의 제조 시에 비정질 실리콘의 결정화 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 다결정 실리콘 태양전지의 제조 시에 비정질 실리콘 전체를 균일하게 결정화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
도 1 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 기판(100)을 제공할 수 있다. 이러한 기판(100)의 재질은 투명한 유리 기판(100)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 태양전지가 빛을 수광하는 방향에 따라 유리, 플라스틱과 같은 투명 재질 또는 실리콘, 금속[예를 들면, SUS(Stainless Steel)]과 같은 불투명 재질을 모두 사용할 수 있다.
이어서, 도시되지는 않았지만 텍스쳐링(texturing) 공정을 수행하여 기판(100)의 표면에 거칠기를 형성할 수 있다. 본 발명에서, 텍스쳐링이란 태양전지의 기판(100) 표면에 입사되는 빛이 반사되어 광학적으로 손실됨으로써 그 특성이 저하되는 현상을 방지하지 위한 것이다. 즉, 기판(100)의 표면을 거칠게 만드는 것으로, 기판(100) 표면에 요철 패턴을 형성하는 것을 말한다. 이와 같이, 텍스쳐링으로 기판(100)의 표면이 거칠어지면 표면에서 한번 반사된 빛이 태양전지 방향으로 재반사될 수 있으므로 빛이 손실되는 것을 감소시킬 수 있고, 광 포획량이 증가되어 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 대표적인 텍스쳐링 방법으로는 샌드 블래스팅 방법을 사용할 수 있는데, 식각 입자를 압축 공기로 분사하여 식각하는 건식 블래스팅과 액체와 함께 식각 입자를 분사하여 식각하는 습식 블래스팅을 모두 포함하는 것이다. 한편, 본 발명의 샌드 블래스팅에 사용되는 식각 입자는 모래, 작은 금속과 같이 물리적 충격으로 기판(100)에 요철을 형성시킬 수 있는 입자를 제한 없이 사용할 수 있다. 물론 필요에 따라 텍스쳐링 공정을 생략할 수도 있다.
이어서, 기판(100) 상에는 반사 방지층(미도시됨)을 형성할 수 있다. 반사 방지층은 기판(100)을 통하여 입사된 태양광이 반도체층(광전소자)에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써, 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 할 수 있다. 반사 방지층의 재질은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx)일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다. 물론 필요에 따라 반사 방지층은 생략할 수도 있다.
반사 반지층의 형성 방법으로는, 저압 화학기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD) 및 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 등을 포함할 수 있다.
이어서, 기판(100) 상에는 전도성 재질의 하부전극(200)을 형성할 수 있다. 하부전극(200)은 금속 산화물에 소정의 불순물이 도핑되어 전극의 기능을 수행할 수 있다. 금속 산화물의 재질로는 Zn계 산화물, Sn계 산화물, In계 산화물, Cd계 산화물, Ga계 산화물, Al계 산화물 중 어느 하나일 수 있다. 불순물로는 B, Al, Ga, In, C, Si, Ge, Sn, Pb, Ti 중 어느 하나일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, Zn계 금속 산화물에 상기 불순물이 도핑되면, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:Ga, ZnO:In, ZnO:C, ZnO:Si, ZnO:Ge, ZnO:Sn, ZnO:Pb, ZnO:Ti 중 어느 하나가 될 수 있어 빛을 투과시키면서도 전도성을 가지는 투명 전극의 기능을 수행할 수 있다.
이러한 하부전극(200)의 형성 방법으로는 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(E-beam Evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD) 및 LPCVD, PECVD, 금속유기 화학기상 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 포함할 수 있다.
다음으로, 하부전극(200) 상에는 반도체층을 형성할 수 있다. 이러한 반도체층은 광이 수광되어 발생되는 광기전력으로 전력을 생산할 수 있는 p 형, i 형, n 형의 다결정 실리콘층이 순서대로 적층된 p, i, n 형 다이오드의 구조일 수 있다. 여기서 i 형은 불순물이 도핑되지 않은 진성(intrinsic)을 의미한다. 그러나, 본 발명의 반도체층이 반드시 p, i, n 형 구조를 가지는 것은 아니다. 이를 테면, 본 발명의 반도체층은 p, i, n 형 이외에도 p+, i, n+ 형, n, i, p 형(특히, n+, i, p+), p, n, n 형(특히, p+, p-, n+) 또는 n, n, p형(특히, n+, n-, p+)의 실리콘층으로 형성될 수 있다[여기서, +와 -의 의미는 도핑 농도의 상대적인 차이를 나타내며 +가 -보다 고농도의 도핑 농도를 가짐을 의미한다. 예를 들어, n+가 n- 보다 하이 도핑되어 있음을 의미한다. + 또는 -의 표시가 없는 경우에는 도핑 농도의 특별한 제한이 없음을 의미한다]. 다만, 이하에서는 본 발명의 반도체층이 p, i, n 형 구조를 가지는 것으로 상정하고 설명한다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체층(300)의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 하부전극(200) 상에 p형 도펀트가 도핑된 제1 비정질 실리콘층(310)을 형성할 수 있다. 이때, 제1 비정질 실리콘층(310)의 형성 방법으로는 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학 기상 증착법이 이용될 수 있다. 한편, p형 도펀트로는 보론(B)이 이용될 수 있다. p형 도펀트를 도핑하는 농도는 박막형 실리콘 태양전지에서 통상적으로 채택하고 있는 도핑 농도를 적용할 수 있다. 도핑 방법으로는 이온 주입법(ion implant) 또는 확산법(diffusion) 등을 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이 다결정 실리콘 박막형 태양전지는 다결정 실리콘을 제조하기가 용이하지 않다는 단점이 있다. 즉, 일반적으로 다결정 실리콘은 비정질 실리콘을 고상 결정화(solid phase crystallization: SPC)시켜 제조하게 되는데, 비정질 실리콘의 고상 결정화를 위해서는 600℃ 이상의 온도와 수십 시간 이상의 시간이 필요하여 이를 태양전지의 양산 공정에 적용하기가 어렵다. 특히, 고상 결정화 단계에서 600℃ 이상의 고온을 유지하기 위해서는 기판으로서 일반 유리 대신에 고가의 석영 기판을 사용해야 하는데 이는 태양전지의 제조 단가를 높이는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 태양전지의 제조시에 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 혼합 실리콘층(320)을 형성하는 것을 특징적인 구성으로 한다. 여기서 혼합 실리콘층(320)이란 비정질 실리콘층(324)과 미세 결정 실리콘층(322)을 포함하는 층을 의미한다. 혼합 실리콘층(320)에 비정질 실리콘층(324)과 미세 결정 실리콘층(322) 중에서 어느 것이 상부 또는 하부에 위치하는 지는 특별하게 한정되지 아니한다. 따라서, 비정질 실리콘층(324) 상에 미세 결정 실리콘층(322)이 위치할 수도 있고 미세 결정 실리콘층(322) 상에 비정질 실리콘층(324)이 위치할 수도 있을 것이다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 혼합 실리콘층(320)을 형성한다. 혼합 실리콘층(320)을 형성하는 방법은 특별하게 제한되지 아니하나, 바람직하게는 이하에서 설명되는 두 가지 방법이 이용될 수 있다.
먼저, 혼합 실리콘층(320)을 형성하기 위한 하나의 방법은 SiH4와 H2의 혼합 가스를 이용하는 것이다. 보다 구체적으로, 혼합 실리콘층(320)은 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 SiH4와 H2 가스를 공급하여 형성될 수 있는데, 이때에 SiH4와 H2가스의 공급 비율을 적절하게 조절함으로써, 미세 결정 실리콘층(322)과 비정질 실리콘층(324)으로 구성된 혼합 실리콘층(320)을 형성할 수 있다.
이에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 널리 알려진 바와 같이 비정질 실리콘층(324)은 SiH4와 H2를 이용하여 형성될 수 있다. 이때에, SiH4/H2 혼합비를 작게 하면[즉, 공급되는 SiH4의 농도를 감소시키거나 공급되는 H2의 농도를 증가시키면], 비정질 실리콘층(324)에서 미세 결정 실리콘층(322)으로 상 전이가 발생하게 된다.
따라서, 하나의 챔버 내에서 공급되는 SiH4와 H2의 농도를 적절하게 조절한다면, 미세 결정 실리콘층(322)가 비정질 실리콘층(324)이 혼합된 혼합 실리콘층(320)을 형성할 수 있게 된다. 이를 테면, 먼저 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 SiH4/H2 혼합비가 높은 상태로 SiH4 및 H2가스를 공급하여 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 미세 결정 실리콘층(322)을 형성하고, 그 상태에서 공급되는 SiH4의 농도를 상대적으로 증가시켜 미세 결정 실리콘층(322) 상에 비정질 실리콘층(324)을 형성함으로써, 도 3에 도시된 바와 같은 미세 결정 실리콘층(322)과 비정질 실리콘층(324)이 순차적으로 적층된 혼합 실리콘층(320)을 형성할 수 있다.
이처럼 SiH4와 H2의 혼합 가스를 이용하여 혼합 실리콘층(320)을 형성함에 있어서, 플라즈마 장치에 SiH4와 H2의 혼합 가스를 공급하여 혼합 실리콘층(320)을 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 플라즈마를 이용한 화학 기상 증착법을 이용하여 혼합 실리콘층(320)을 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 혼합 실리콘층(320)은 복수개로 적층되어 형성되는 것이 바람직하다. 도 4에서는 이처럼 혼합 실리콘층(320)이 복수개로 적층되어 형성된 모습을 나타내고 있다. 혼합 실리콘층(320)을 복수개로 적층시키기 위하여 위에서 설명하였던 공정이 반복적으로 수행될 수 있다. 이를 테면, 제1 비정질 실리콘(310)층 상에 SiH4/H2 혼합비가 높은 상태로 SiH4 및 H2가스를 공급하여 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 미세 결정 실리콘층(322)을 형성하고, 그 상태에서 공급되는 SiH4의 농도를 상대적으로 증가시켜 미세 결정 실리콘층(322) 상에 비정질 실리콘층(324)을 형성하는 공정을 하나의 사이클 공정이라 할 때, 이러한 사이클 공정을 여러 차례 반복적으로 실시할 수 있다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 혼합 실리콘층(320)이 복수개로 적층되어 형성될 수 있게 된다. 이러한 경우, 후술하는 결정화 열처리 공정시에 결정의 성장이 보다 다양한 방향으로 이루어질 수 있게 되므로[다시 말하여, 하나의 미세 결정 실리콘층(322)에서 상하 방향으로 결정의 성장이 이루어지고 또 다른 미세 결정 실리콘층(322)에서 상하 방향으로 결정의 성장이 이루어질 수 있게 되므로], 결정화 처리 온도를 보다 낮추고 결정화 처리 시간을 보다 단축시킬 수 있게 된다.
다음으로, 혼합 실리콘층(320)을 형성하기 위한 나머지 하나의 방법은, 먼저 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 비정질 실리콘층(324)을 형성하고 비정질 실리콘층(324)의 일부를 플라즈마(10) 처리하는 것이다. 이하에서는, 도 5내지 도 6을 참조하여, 비정질 실리콘층(324)의 일부를 플라즈마(10) 처리하여 혼합 실리콘층(320)을 형성하는 방법에 대해서 살펴보기로 한다.
도 5를 참조하면, 먼저 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 비정질 실리콘층(324)을 형성한다. 비정질 실리콘층(324)의 형성방법으로는 플라즈마(10)를 이용한 화학기상 증착법[즉, PECVD 법]이 이용될 수 있다. 이때, 공정 가스로는 SiH4 등을 이용할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 비정질 실리콘층(324)을 소정의 시간 동안 플라즈마(10) 처리한다. 여기서 비정질 실리콘층(324)을 플라즈마(10) 처리한다 함은 소정의 가스에 전원을 인가하여 플라즈마(10)로 변환시키고 이러한 플라즈마(10) 내에 존재하는 이온들을 비정질 실리콘층(324) 표면에 충돌시키는 것을 의미할 수 있다. 이처럼 이온들이 비정질 실리콘층(324) 표면에 충돌함에 따라, 실리콘 원자들과 결합하고 있던 수소 원자들이 외부로 빠져나가게 되고, 비정질 실리콘층(324)의 일부는 미세 결정 실리콘층(322)으로 변환될 수 있게 된다. 결과적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘층(324)) 상에 미세 결정 실리콘층(322)이 순차적으로 적층된 혼합 실리콘층(320)이 형성될 수 있게 된다.
비정질 실리콘층(324)을 플라즈마(10) 처리하기 위하여 산소 플라즈마(10) 또는 아르곤 플라즈마(10)와 같은 공지의 여러 가지 플라즈마(10)가 이용될 수 있으나, 바람직하게는 수소 또는 NH3 플라즈마(10)가 이용될 수 있다. 이를 위하여 플라즈마 장치에 수소 또는 NH3 가스를 공급하여 수소 또는 NH3 플라즈마(10)를 생성시킬 수 있을 것이다.
또한, 비정질 실리콘층(324)을 플라즈마(10) 처리하는 온도는 특별하게 제한되지 아니하나 바람직하게는 상온 내지 500℃일 수 있다. 또한, 플라즈마(10)를 생성하기 위하여 공정 가스에 인가되는 주파수 역시 특별하게 제한되지 아니하나, 바람직하게는 13.56 MHz의 실용 전원 주파수일 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 혼합 실리콘층(320) 상에 n형 도펀트가 도핑된 제2 비정질 실리콘층(330)을 형성할 수 있다. 참고로, 도 7에서는 도 4의 혼합 실리콘층(320) 상에 제2 비정질 실리콘층(330)을 형성하는 것으로 상정하고 도시하였다. 이때, 제1 비정질 실리콘층(310)과 유사하게, 제2 비정질 실리콘층(330)의 형성 방법으로는 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학 기상 증착법이 이용될 수 있다. 한편, n형 도펀트로는 인(P)이 이용될 수 있다. 도핑 농도와 도핑 방법은 상술한 제1 비정질 실리콘층(310)의 형성과 관련하여 설명되었던 것이 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 위에서 제1 비정질 실리콘층(310), 혼합 실리콘층(320), 제2 비정질 실리콘층(330)과 관련하여 설명되었던 내용을 다시 살펴보면, 제1 비정질 실리콘층(310), 혼합 실리콘층(320), 제2 비정질 실리콘층(330) 모두 플라즈마(10)를 이용하여 형성될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 장점을 적극적으로 활용하는 의미에서, 본 발명의 제1 비정질 실리콘층(310), 혼합 실리콘층(320), 제2 비정질 실리콘층(330)은 하나의 플라즈마 장치 내에서 인시츄로 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 태양전지 제조 공정의 생산성은 더욱 향상될 수 있게 된다.
이러한 플라즈마 장치의 종류는 특별하게 제한되지 아니한다. 따라서, 반도체 분야에서 일반적으로 사용되는 플라즈마 장치들이 본 발명에서도 이용될 수 있다. 이를 테면, 라디오 주파수를 이용하여 플라즈마를 생성시키는 CCP(capacitively coupled plasma) 형의 플라즈마 장치, TCP(transformer coupled plasma)/ICP(inductively coupled plasma) 형의 플라즈마 장치, 마이크로 웨이브를 이용하여 플라즈마를 생성시키는 ECR(electron cyclotron resonance) 형의 플라즈마 장치, SWP(surface wave plasma) 형의 플라즈마 장치 등이 본 발명에서 이용될 수 있다.
다음으로, 도 9를 참조하면, 제1 비정질 실리콘층(310), 혼합 실리콘층(320), 제2 비정질 실리콘층(330)을 결정화 열처리한다. 이에 따라. 제1 비정질 실리콘층(310), 혼합 실리콘층(320), 제2 비정질 실리콘층(330) 모두 다결정 실리콘층으로 변환될 수 있게 된다. 보다 구체적으로, 제1 비정질 실리콘층(310)은 p형 다결정 실리콘층(340)으로, 혼합 실리콘층(320)은 i형 다결정 실리콘층(350)으로, 제2 비정질 실리콘층(330)은 n형 다결정 실리콘(360)층으로 변환될 수 있게 된다.
이때, 미세 결정 실리콘층(322)의 결정질 시드 핵으로부터 고상 결정화 방식에 의하여 비정질 실리콘층(324)이 결정화 될 수 있다. 일반적인 비정질 실리콘의 결정화 열처리시에는 결정 성장을 위한 시드를 생성하기 위하여 상당한 시간이 요구되나, 본 발명에서는 미세 결정 실리콘층(322)의 결정질 실리콘 시드 핵이 결정화 열처리 초기 단계부터 시드로서의 역할을 수행할 수 있으므로, 결정화 시간을 단축할 수 있게 된다. 더욱이, 미세 결정 실리콘층(322)의 결정질 실리콘 시드 핵은 결정 성장의 활성화 에너지를 낮추는 촉매 역할을 하기 때문에, 결정화 열처리 시간은 보다 단축될 수 있게 된다. 결과적으로 본 발명의 결정화 열처리 시간은 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC) 시간보다 현저하게 적게 될 수 있다.
또한, 유사한 의미에서, 본 발명에서는 결정화 열처리 온도가 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC) 온도보다 낮게 될 수 있다. 이는, 앞서 설명한 바와 같이 결정 성장의 활성화 에너지가 작기 때문에 적은 양의 에너지로도 결정 성장을 이룰 수 있게 되며, 결과적으로 낮은 온도에서도 결정화가 이루어질 수 있게 되기 때문이다.
도 8은 이렇게 혼합 실리콘층(320)의 고상 결정화가 진행되는 모습을 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면, 미세 결정 실리콘층(322)의 결정질 시드 핵으로부터 고상 결정화가 진행되고 있는 모습을 확인할 수 있다. 일반적인 비정질 실리콘의 결정화 열처리시에는, 비정질 실리콘을 가열하는 히터와 가까운 국부적인 위치에 결정 성장을 위한 시드가 생성되기 마련이다. 이에 따라, 일반적인 결정화 열처리 시에는 결정 성장이 비정질 실리콘 내부에서부터 균일하게 이루어질 수 없게 된다. 그러나, 본 발명에 의하면, 미세 결정 실리콘층(322)의 결정질 시드 핵이 혼합 실리콘층(320)의 내부에 존재하고 있고, 이에 따라 내부의 결정질 시드 핵으로부터 다양한 방향으로 결정 성장이 이루어지게 되기 때문에, 균일하게 결정화된 다결정 실리콘층을 제조하기에 매우 유리해진다. 결과적으로, 본 발명에 의하면 고품질의 다결정 실리콘층을 형성할 수 있게 된다.
다음으로, 도 1 내지 도 9에 도시되지는 않았지만, 이렇게 형성된 다결정 실리콘층(340, 350, 360)으로 구성된 다결정 광전소자 상에 다른 광전소자가 더 형성될 수 있는데, 이러한 다른 광전소자는 비정질 실리콘층인 세 개로 적층된 비정질 광전소자일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 광전소자가 적층형 구조(탠덤 구조)로 형성될 수 있다. 한편, 이러한 적층형 구조는 광전소자가 삼중 이상으로 적층된 다중 접합 구조를 포괄적으로 의미할 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하면, 반도체층(300) 상에 상부전극(400)을 형성하여 본 발명에 의한 태양전지를 형성할 수 있다. 상부전극(400)은 투명 전도성 재질로 ITO, ZnO, IZO, AZO(ZnO:Al), FSO(SnO:F) 중 어느 하나일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며 통상적인 전도성 소재를 제한 없이 사용할 수 있다. 이러한 상부전극의 형성 방법으로는 스퍼터링과 같은 PVD 방법 및 LPCVD, PECVD, MOCVD와 같은 CVD 방법을 이용할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
100: 기판
200: 하부전극
300: 반도체층
310: 제1 비정질 실리콘층
320: 혼합 실리콘층
322: 미세 결정 실리콘층
324: 비정질 실리콘층
330: 제2 비정질 실리콘층
340: p형 다결정 실리콘층
350: i형 다결정 실리콘층
360: n형 다결정 실리콘층
400: 상부전극

Claims (13)

  1. (a) 기판 상에 제1 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1 비정질 실리콘층 상에 비정질 실리콘층과 미세 결정 실리콘층을 포함하는 혼합 실리콘층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 혼합 실리콘층 상에 제2 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 제1 비정질 실리콘층, 상기 혼합 실리콘층, 상기 제2 비정질 실리콘층을 결정화 열처리시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  2. (a) 기판 상에 제1 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1 비정질 실리콘층 상에 비정질 실리콘층과 미세 결정 실리콘층이 순차적으로 적층된 혼합 실리콘층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 혼합 실리콘층 상에 제2 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 제1 비정질 실리콘층, 상기 혼합 실리콘층, 상기 제2 비정질 실리콘층을 결정화 열처리시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 비정질 실리콘층에는 p 형 도펀트가 도핑되어 있고 상기 제2 비정질 실리콘층에는 n 형 도펀트가 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 비정질 실리콘층, 상기 비정질 실리콘층, 상기 제2 비정질 실리콘층은 화학기상 증착법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 비정질 실리콘층과 상기 미세 결정 실리콘층은 SiH4/H2 혼합가스를 이용하여 형성하되, 상기 비정질 실리콘층 형성시보다 상기 미세 결정 실리콘층 형성시가 SiH4/H2 혼합비가 더 작은 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 미세 결정 실리콘층은 상기 비정질 실리콘층의 일부가 플라즈마 처리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 혼합 실리콘층이 복수개로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 플라즈마는 수소 또는 NH3 플라즈마인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 플라즈마는 처리시 상기 기판의 온도는 상온 내지 500℃의 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (a) 내지 상기 (c) 단계는 인시츄(in-situ)로 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 미세 결정 실리콘층 내부에 포함되어 있는 결정질 실리콘 시드 핵이 결정화 시드로 작용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 결정화 열처리 온도는 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC) 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 결정화 열처리 시간은 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC) 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR19980086477A (ko) * 1997-05-20 1998-12-05 세끼자와 다다시 반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치

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