KR101084650B1 - Solar cell crystallized using microcrystalline semiconductor layer and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 미세 결정질 반도체층을 이용하여 결정화된 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 미세 결정질 반도체층을 이용하여 결정화된 태양전지는 전자 또는 정공의 이동 방향과 동일한 방향으로 성장된 결정립계(30)를 갖는 다결정 반도체층(320)을 포함하는 광전소자(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.Disclosed is a solar cell crystallized using a microcrystalline semiconductor layer and a method of manufacturing the same. The solar cell crystallized using the microcrystalline semiconductor layer according to the present invention includes an optoelectronic device 300 including a polycrystalline semiconductor layer 320 having a grain boundary 30 grown in the same direction as the movement direction of electrons or holes. Characterized in that it comprises a solar cell characterized in that.
태양전지, 미세 결정질 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 그레인, 결정립계 Solar cell, fine crystalline silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, grain, grain boundary
Description
본 발명은 미세 결정질 반도체층을 이용하여 결정화된 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 비정질 반도체층(특히, 광 흡수층) 사이에 미세 결정질 반도체층(microcrystalline semiconductor layer)을 배치한 후 열처리하여 보다 낮은 온도(예를 들면, 600도 이하)에서 비정질 반도체층을 결정화할 수 있는 다결정 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell crystallized using a microcrystalline semiconductor layer and a method of manufacturing the same. More specifically, a microcrystalline semiconductor layer may be disposed between the amorphous semiconductor layers (particularly, the light absorbing layer) and then thermally treated to crystallize the amorphous semiconductor layer at a lower temperature (eg, 600 degrees or less). The present invention relates to a polycrystalline solar cell and a method of manufacturing the same.
일반적으로 비정질 실리콘(a-Si)을 이용한 박막형 태양전지는 비정질 실리콘 물질 자체의 특성으로 인해 캐리어(carrier)의 확산 거리(diffusion length)가 단결정 또는 다결정 실리콘에 비해 매우 낮다. 따라서, p-n 접합 구조로 제조될 경우 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍(electron-hole pairs)의 수집 효율은 매우 낮고, 빛에 장시간 노출되면 열화 현상이 나타나서 시간이 갈수록 광전 변환 효율이 저하되는 문제점을 가지고 있다.In general, a thin film solar cell using amorphous silicon (a-Si) has a very low diffusion length of a carrier compared to single crystal or polycrystalline silicon due to the characteristics of the amorphous silicon material itself. Therefore, when manufactured with a pn junction structure, the collection efficiency of electron-hole pairs generated by light is very low, and when exposed to light for a long time, deterioration occurs and the photoelectric conversion efficiency decreases with time. Have
이러한 문제점을 해결하기 위해, 불순물이 첨가되지 않은 진성(intrinsic) 반도체층을 광 흡수층으로 사용하여 높은 불순물 도핑 농도를 갖는 p 형과 n 형 사이에 형성하는 비정질 실리콘 p-i-n 구조와, 이를 고온에서 열처리(예를 들면, 600도 이상)하여 다결정 실리콘(p-si)으로 결정화하는 다결정 실리콘 p-i-n 구조의 태양전지가 제안되었다.In order to solve this problem, an amorphous silicon pin structure formed between p-type and n-type having a high impurity doping concentration by using an intrinsic semiconductor layer containing no impurity as a light absorbing layer, and heat treatment at high temperature ( For example, a solar cell having a polycrystalline silicon pin structure which crystallizes to polycrystalline silicon (p-si) at 600 degrees or more) has been proposed.
이와 같은 p-i-n 구조에서 광 흡수층인 i층과 높은 불순물 도핑 농도를 갖는 p층과 n층의 접합면에는 공핍(depletion) 영역이 형성되어 내부에 전계(electric field)가 발생하게 된다. 따라서, i층에서 입사광(수광)에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부의 전계에 따라 전자(-)는 n 형 실리콘층으로, 정공(+)은 p 형 실리콘층으로 이동하는 표동(drift) 전류가 흐를 수 있다.In such a p-i-n structure, a depletion region is formed at the junction between the i-layer, which is a light absorbing layer, and the p-layer and the n-layer, which have a high impurity doping concentration, to generate an electric field therein. Therefore, the electron-hole pair generated by the incident light (receiving) in the i-layer is moved by electrons (-) to the n-type silicon layer and holes (+) to the p-type silicon layer according to the internal electric field, not diffusion. (drift) Current can flow.
하지만, 이러한 다결정 실리콘 p-i-n 구조에서는 비정질 실리콘의 결정화시 열처리 온도가 600도 이상의 고온이 요구되기 때문에, 기판이 변형(예를 들면, 기판 휨)되고 불순물이 실리콘층(특히, 광 흡수층)으로 불필요하게 확산되어 광전 변환 효율성을 저하시키는 문제점이 있다.However, in such a polycrystalline silicon pin structure, since the heat treatment temperature is required to be higher than 600 degrees at the time of crystallization of the amorphous silicon, the substrate is deformed (for example, the substrate is warped) and impurities are unnecessary as the silicon layer (especially the light absorbing layer). There is a problem in that the diffusion decreases the photoelectric conversion efficiency.
이를 해결하기 위해, 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)을 사용하여 비정질 실리콘과 다결정 실리콘의 경계 물질인 미세 결정질 실리콘(microcrystalline Si: μc-Si)을 이용하는 태양전지가 제안되었다. 하지만, PECVD를 이용하여 미세 결정질 실리콘을 형성할 경우 낮은 증착 압력과 높은 증착 파워 조건이 요구되어 공정 시간이 증가되고, 다결정 실리콘에 비해 작은 그레인 크기와 비정질이 혼재된 상태이기 때문에 양산화 및 광전 변환 효율 면에서 그 한계가 있다.In order to solve this problem, a solar cell using microcrystalline Si (μc-Si), which is a boundary material between amorphous silicon and polycrystalline silicon, has been proposed using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). However, the formation of microcrystalline silicon using PECVD requires low deposition pressure and high deposition power conditions, which increases process time, and results in a small grain size and amorphous phase compared to polycrystalline silicon, resulting in mass production and photoelectric conversion efficiency. There is a limit in that.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 미세 결정질 반도체의 특성을 이용하여 저온에서도 용이하게 비정질 반도체를 결정화할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and provides a solar cell and a method for manufacturing the same, which can easily crystallize an amorphous semiconductor even at low temperatures by using the characteristics of the microcrystalline semiconductor. There is this.
또한, 본 발명은 광 흡수층에서 생성된 전자와 전공의 이동 방향과 동일한 방향으로 성장된 결정립계를 가질 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a solar cell and a method of manufacturing the same, which may have grain boundaries grown in the same direction as the direction of movement of electrons and holes generated in the light absorption layer.
또한, 본 발명은 비정질 반도체층의 결정화를 효율적으로 제어하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a solar cell and a method of manufacturing the same, which can improve the photoelectric conversion efficiency by efficiently controlling the crystallization of the amorphous semiconductor layer.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.Representative configuration of the present invention for achieving the above object is as follows.
본 발명의 상기 목적은 전자 또는 정공의 이동 방향과 동일한 방향으로 성장된 결정립계를 갖는 다결정 반도체층을 포함하는 광전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 의해 달성된다.The above object of the present invention is achieved by a solar cell comprising a photovoltaic device comprising a polycrystalline semiconductor layer having grain boundaries grown in the same direction as the direction of movement of electrons or holes.
또한, 본 발명의 상기 목적은 (a) 적층된 비정질 반도체층 사이에 미세 결정질 반도체층을 형성하는 단계; 및 (b) 열처리 공정을 수행하여 상기 미세 결정질 반도체층과 상기 비정질 반도체층의 적어도 일부를 결정화시켜 형성되는 다결정 반 도체층을 포함하는 광전소자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법에 의해서도 달성된다.In addition, the above object of the present invention (a) forming a microcrystalline semiconductor layer between the stacked amorphous semiconductor layer; And (b) forming a photovoltaic device comprising a polycrystalline semiconductor layer formed by crystallizing at least a portion of the microcrystalline semiconductor layer and the amorphous semiconductor layer by performing a heat treatment process. It is also achieved by a manufacturing method.
이때, 상기 다결정 반도체층은 상기 결정립계와 수직하는 방향으로 배열된 그레인을 포함할 수 있다.In this case, the polycrystalline semiconductor layer may include grains arranged in a direction perpendicular to the grain boundaries.
상기 다결정 반도체층은 광 흡수층일 수 있다.The polycrystalline semiconductor layer may be a light absorbing layer.
상기 광전소자는 p, i, n 형 또는 n, i, p 형 반도체층이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.The optoelectronic device may have a structure in which p, i, n type or n, i, p type semiconductor layers are sequentially stacked.
상기 광전소자는 p, n, n 형 또는 n, n, p 형 반도체층이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.The optoelectronic device may have a structure in which p, n, n type or n, n, p type semiconductor layers are sequentially stacked.
상기 다결정 반도체층은 다결정 실리콘층일 수 있다.The polycrystalline semiconductor layer may be a polycrystalline silicon layer.
상기 (a) 단계는, (a1) 기판 상의 하부전극 상에 제1 비정질 반도체층을 형성하는 단계; (a2) 상기 제1 비정질 반도체층 상에 하부 제2 비정질 반도체층을 형성하는 단계; (a3) 상기 하부 제2 비정질 반도체층 상에 상기 미세 결정질 반도체층을 형성하는 단계; (a4) 상기 미세 결정질 반도체층 상에 상부 제2 비정질 반도체층을 형성하는 단계; 및 (a5) 상기 상부 제2 비정질 반도체층 상에 제3 비정질 반도체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The step (a) may include: (a1) forming a first amorphous semiconductor layer on a lower electrode on the substrate; (a2) forming a lower second amorphous semiconductor layer on the first amorphous semiconductor layer; (a3) forming the microcrystalline semiconductor layer on the lower second amorphous semiconductor layer; (a4) forming an upper second amorphous semiconductor layer on the microcrystalline semiconductor layer; And (a5) forming a third amorphous semiconductor layer on the upper second amorphous semiconductor layer.
상기 다결정 반도체층은 전자 또는 정공의 이동 방향과 동일한 방향으로 성장된 결정립계를 포함할 수 있다.The polycrystalline semiconductor layer may include grain boundaries grown in the same direction as the moving direction of the electrons or holes.
상기 비정질 반도체층과 상기 미세 결정질 반도체층은 화학기상 증착법을 이용하여 형성될 수 있다.The amorphous semiconductor layer and the microcrystalline semiconductor layer may be formed using a chemical vapor deposition method.
상기 비정질 반도체층과 상기 미세 결정질 반도체층은 인시츄(in situ) 방식으로 형성될 수 있다.The amorphous semiconductor layer and the microcrystalline semiconductor layer may be formed in situ.
상기 비정질 반도체층 중 적어도 한 층 상에 금속층을 형성할 수 있다.A metal layer may be formed on at least one of the amorphous semiconductor layers.
상기 기판과 상기 하부전극 사이에 투명 절연층인 반사 방지층을 더 형성할 수 있다.An anti-reflection layer, which is a transparent insulating layer, may be further formed between the substrate and the lower electrode.
본 발명에 의하면, 미세 결정질 실리콘을 이용하여 저온에서도 특성이 우수한 다결정 실리콘 태양전지를 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to produce a polycrystalline silicon solar cell having excellent properties even at low temperatures using fine crystalline silicon.
또한, 본 발명에 의하면, 인시츄(in situ) 방식으로 비정질 실리콘과 미세 결정질 실리콘을 순차적으로 형성하고 이를 결정화할 수 있어, 태양전지의 신뢰성 및 생산성을 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to sequentially form and crystallize amorphous silicon and fine crystalline silicon in an in situ manner, it is possible to improve the reliability and productivity of the solar cell.
또한, 본 발명에 의하면, 광 흡수층에서 생성된 전자와 전공의 이동 방향과 동일한 방향으로 결정립계를 형성하여 이동도를 향상시킴으로써, 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.Further, according to the present invention, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be improved by forming a grain boundary in the same direction as the movement direction of electrons and holes generated in the light absorbing layer to improve mobility.
또한, 본 발명에 의하면, 미세 결정질 실리콘을 이용하는 방식과 더불어 금속유도 결정화(Metal Induced Crystallization: MIC) 방식을 이용함으로써 보다 효율적으로 비정질 실리콘층의 결정화 과정을 촉진할 수 있다.In addition, according to the present invention, the crystallization process of the amorphous silicon layer can be promoted more efficiently by using a metal induced crystallization (MIC) method in addition to the method using fine crystalline silicon.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발 명을 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.DETAILED DESCRIPTION The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings that show, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description, therefore, is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is defined only by the appended claims, along with the full range of equivalents to which such claims are entitled. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several aspects, and length, area, thickness, and the like may be exaggerated for convenience.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention.
[본 발명의 바람직한 실시예][Preferred Embodiments of the Invention]
이하의 본 발명의 일 실시예에 따른 상세한 설명에서는, 반도체층의 소재로서 가장 일반적으로 사용되는 실리콘(Si)을 일례로 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 특성을 가지는 공지된 물질들을 제한 없이 사용할 수 있다.In the following detailed description according to an embodiment of the present invention, silicon (Si) which is most commonly used as a material of a semiconductor layer is described as an example, but the present invention is not limited thereto, and a known material having semiconductor characteristics. You can use them without limitation.
또한, 이하의 본 발명의 일 실시예에 따른 상세한 설명에서, 광 흡수층 사이 에 하나의 미세 결정질(microcrystalline) 반도체층을 형성한 경우를 일례로 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 비정질(amorphous) 반도체 사이에 미세 결정질 반도체층을 형성하여 이를 시드(seed)로 활용하여 비정질 반도체층을 결정화 하는 기술 전반을 포괄적으로 의미하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, in the following detailed description according to an embodiment of the present invention, a case where one microcrystalline semiconductor layer is formed between the light absorbing layers will be described as an example, but the present invention is not limited thereto and is amorphous. ) It is to be understood that the overall technology of forming a microcrystalline semiconductor layer between semiconductors and using the seed as a seed to crystallize the amorphous semiconductor layer is comprehensive.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 결정질 반도체층을 이용하여 결정화된 태양전지의 제조 과정을 나타내는 도면이다.1 to 5 are views illustrating a manufacturing process of a solar cell crystallized using a microcrystalline semiconductor layer according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 1을 참조하면, 기판(100)을 제공할 수 있다. 기판(100)의 재질은 투명한 유리 기판을 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.First, referring to FIG. 1, a
이어서, 도시되지는 않았지만 기판(100) 상의 표면에 텍스쳐링(texturing) 공정을 수행하여 거칠기를 형성할 수 있다. 본 발명에서 텍스쳐링이란, 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛이 반사되어 광학적으로 손실됨으로써 그 특성이 저하되는 현상을 방지하지 위한 것이다. 즉, 기판의 표면을 거칠게 만드는 것으로, 기판 표면에 요철 패턴을 형성하는 것을 말한다. 이와 같이, 텍스쳐링으로 기판의 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.Subsequently, although not shown, a roughness may be formed by performing a texturing process on the surface of the
이때, 대표적인 텍스쳐링 방법으로는 샌드 블래스팅 방법을 사용할 수 있는데, 식각 입자를 압축 공기로 분사하여 식각하는 건식 블래스팅과 액체와 함께 식 각 입자를 분사하여 식각하는 습식 블래스팅을 모두 포함하는 것이다. 한편, 본 발명의 샌드 블래스팅에 사용되는 식각 입자는 모래, 작은 금속과 같이 물리적 충격으로 기판에 요철을 형성시킬 수 있는 입자를 제한 없이 사용할 수 있다. 물론, 필요에 따라 텍스쳐링 공정을 생략할 수도 있다.In this case, a representative texturing method may be a sand blasting method, which includes both dry blasting for spraying etched particles with compressed air and wet blasting for etching etched particles with liquid. On the other hand, the etching particles used in the sand blasting of the present invention can be used without limitation, particles that can form irregularities on the substrate by physical impact, such as sand, small metal. Of course, the texturing process may be omitted if necessary.
이어서, 기판(100) 상에는 반사 방지층(미도시함)을 형성할 수 있다. 반사 방지층은 기판(100)을 통하여 입사된 태양광이 실리콘층에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써, 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 할 수 있다. 반사 방지층의 소재는 투명 절연층인 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx)일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다.Subsequently, an antireflection layer (not shown) may be formed on the
반사 반지층의 형성 방법으로는 저압 화학기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD) 및 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 등과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 포함할 수 있다.The method of forming the reflective ring layer may include chemical vapor deposition (CVD), such as Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) and Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD). Can be.
이어서, 기판(100) 상에는 전도성 재질의 하부전극(200)을 형성할 수 있다. 하부전극(200)의 소재는 접촉 저항이 낮으면서 투명한 성질을 갖는 투명전극인 TCO(transparent conductive oxide)을 사용할 수 있다. 일례로 AZO(ZnO:Al), ITO(Indium-Tin-Oxide), GZO(ZnO:Ga), BZO(ZnO:B) 및 SnO2(SnO2:F) 중 어느 하나일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며 통상적인 전도성 소재를 제한 없이 사용할 수 있다.Subsequently, a
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.The
다음으로, 도 2를 참조하면, 하부전극(200) 상에는 p, i, n 형(특히, p+, i, n+), 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 반도체층이 적층된 실리콘층(300)을 형성할 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. 또한, p와 n 형 사이에 위치하는 반도체층은 광 흡수층(예를 들면, i 형)의 기능을 한다.Next, referring to FIG. 2, on the
본 발명에서는 일례로, p 형, i 형, n 형의 순서대로 형성한 경우를 설명한다. 실리콘층(300)은 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학기상 증착법으로 형성할 수 있는데, 이러한 실리콘층(300)은 이후 공정에 의해 빛을 수광하여 전력을 생산할 수 있는 광전소자의 기능을 수행할 수 있으므로, 이하에서는 실리콘층(300)과 광전소자를 등가적인 의미로 사용한다. In this invention, the case where it forms in order of p type, i type, and n type is demonstrated as an example. The
보다 상세하게 설명하면, 하부전극(200) 상에 p 형 도전형의 제1 비정질 실리콘층(310)을 형성하고, 이어서 제1 비정질 실리콘층(310) 상에 i 형 도전형의 제 2 비정질 실리콘층(320)을 형성하고, 이어서 제2 비정질 실리콘층(320) 상에 n 형 도전형의 제3 비정질 실리콘층(330)을 형성하여 하나의 광전소자인 실리콘층(300)을 구성할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서는 제2 비정질 실리콘층(320)을 형성하는 공정에서, 하부 제2 비정질 실리콘층(321)과 상부 제2 비정질 실리콘층(323) 사이에 미세 결정질 실리콘층(322)을 더 형성할 수 있다.In more detail, the first
즉, 하나 또는 다수개가 적층된 비정질 실리콘층(310, 321, 323, 330) 사이에 미세 결정질 실리콘층(322)을 포함하는 광전소자를 형성할 수 있는데, 이러한 미세 결정질 실리콘층(322)은 이후 열처리 공정에 의해 비정질 실리콘 보다 저온에서 결정화되어 인접하는 비정질 실리콘의 결정화를 유도하는 기능을 수행할 수 있다.That is, an optoelectronic device including the
제2 비정질 실리콘층(320)을 형성하는 방법으로는 일례로, SiH4(또는, Si2H6)와 H2의 혼합비를 조절하여 형성할 수 있다. 이때, H2의 비율을 감소(H2가 0일 수도 있음)시켜 하부/상부 제2 비정질 실리콘층(321, 323)을 형성할 수 있고, H2의 비율이 증가시켜 미세 결정질 실리콘층(322)을 형성할 수 있는데, 이와 같이 미세 결정질 실리콘을 형성하는 방법은 공지의 기술이므로 본 발명에서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.As a method of forming the second
한편, 상기와 같은 실리콘층(300)은 단일 챔버 내에서 단일 공정으로 순차적으로 진행되는 인시츄(in situ) 방식으로 형성될 수 있어 실리콘층(300)이 외기에 노출되어 오염되는 불량을 감소시켜서 태양전지의 신뢰성이 향상되고, 제조 공정이 간단해지고 제조 시간이 단축되어 태양전지의 생산성이 향상된다.On the other hand, the
여기서, i 형은 불순물이 도핑되지 않은 진성(intrinsic)을 의미하며, n 형 또는 p 형 도핑은 비정질 실리콘층 형성시에 불순물을 인시츄(in situ) 방식으로 도핑하는 것이 바람직하다. P 형 도핑시 불순물로서는 보론(B)을 n 형 도핑시 불순물로서는 인(P) 또는 비소(As)를 사용하는 것이 일반적이나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 기술을 제한 없이 사용할 수 있다.Here, the i-type means intrinsic without impurities, and the n-type or p-type doping is preferably doped with impurities in situ when forming the amorphous silicon layer. It is common to use boron (B) as an impurity in P-type doping and phosphorus (P) or arsenic (As) as an impurity in n-type doping, but it is not limited to this, and well-known techniques can be used without limitation.
다음으로, 도 3을 참조하면, 소정의 온도로 열처리 공정을 수행하여 미세 결정질 실리콘층(322)을 다결정 실리콘층으로 결정화시킬 수 있다. 이때, 미세 결정질 실리콘은 비정질 실리콘과 다결정 실리콘의 중간 정도의 미세 구조(microstructure)를 갖는다고 볼 수 있다. 다시 말하여, 미세 결정질 실리콘의 미세 구조는 비정질 실리콘과 다결정 실리콘이 혼재해 있으되, 그 그레인 크기는 는 다결정 실리콘의 그레인 크기보다 작다. 따라서, 비정질 실리콘을 직접 다결정 실리콘으로 결정화하는 경우보다 낮은 온도에서 미세 결정질 실리콘의 결정화가 수행될 수 있는데, 예를 들면, 비정질 실리콘을 결정화하는 온도가 600도 이상이라면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 공정은 600도 이하의 저온에서 수행될 수 있다.Next, referring to FIG. 3, the
이어서, 결정화된 미세 결정질 반도체층(322)의 그레인은 시드(seed)의 기능을 수행할 수 있어, 결정화된 미세 결정질 반도체층(322)의 경계면을 중심으로 인접하는 하부/상부 제2 비정질 실리콘층(321, 323)도 순차적으로 결정화가 진행될 수 있다.Subsequently, the grains of the crystallized
다음으로, 도 4를 참조하면, 상술된 열처리 공정의 수행 정도(예를 들면, 열처리 시간)에 따라 제1 비정질 실리콘층(310)과 제3 비정질 실리콘층(330) 까지도 연속적으로 결정화가 진행될 수 있다. 따라서, 저온 열처리로도 실리콘층(300) 전체를 순차적으로 다결정 실리콘으로 결정화시킬 수 있어, 고온에 따른 기판(100)이 변형(예를 들면, 기판 휨)을 방지하고, 인시츄(in situ) 방식으로 우수한 신뢰성과 양산성을 가지는 다결정 실리콘 태양전지를 구현할 수 있다. 이에 관하여는 도 6을 참조한 이하의 상세한 설명을 통해 자세히 알아보기로 한다.Next, referring to FIG. 4, crystallization may proceed continuously even to the first
다음으로, 도 5를 참조하면, 실리콘층(300) 상에 전도성 재질의 상부전극(400)을 형성할 수 있다. 상부전극(400)의 재질은 투명전극인 TCO(transparent conductive oxide)이거나 통상적인 전도성 소재인 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 은(Ag) 등 및 이들의 합금을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상부전극(400)의 형성 방법으로는 스퍼터링과 같은 물리기상 증착법 및 LPCVD, PECVD, MOCVD와 같은 화학기상 증착법 등을 포함할 수 있다.Next, referring to FIG. 5, an
미세 결정질 Fine crystalline 반도체층을Semiconductor layer 이용하여 결정화된 실리콘층 Crystallized Silicon Layer Using
이하의 상세한 설명에서는 본 발명의 구현을 위하여 중요한 기능을 수행하는 결정화된 실리콘층(300)의 상세한 구성 및 형성 방법에 대하여 살펴보기로 한다.In the following description, a detailed configuration and forming method of the crystallized
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화된 실리콘층 일부를 상세하게 나타내는 도면이다.6 is a view showing in detail a portion of the crystallized silicon layer according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 열처리 공정에 의해 저온에서도 광 흡수층인 제2 비정질 실리콘층(320) 사이의 미세 결정질 실리콘층(322)부터 먼저 결정화될 수 있는데, 이는 미세 결정질 반도체층(322)에 포함된 미세 결정(microcrystal)이 시드로 작용하여 이를 중심으로 결정화가 진행되기 때문이다. 따라서, 미세 결정질 반도체층(322)이 위치한 영역에는 제2 비정질 실리콘층(320)과 수평 방향으로 다수개의 제1 그레인(10)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6, the
이어서, 제1 그레인(10)과 상, 하부에 접하는 비정질 실리콘[하부/상부 제2 비정질 실리콘층(321, 323)]의 경계면에서는 이미 결정화된 제1 그레인(10)을 시드로 하여 연속적으로 성장할 수 있다. 이때, 제1 그레인(10)의 배열 방향과 수직으로 성장하는 제2 그레인(20)들 사이의 경계에는 제2 그레인(20)의 성장 방향과 동일한 방향으로 결정립계(30)가 형성될 수 있다.Subsequently, at the interface between the
따라서, 광 흡수층의 중앙부에서 생성된 전자와 전공의 이동 방향과 동일한 방향으로 각각 성장된 결정립계(30)를 따라 우수한 이동도를 얻을 수 있어 전체적인 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.Therefore, excellent mobility can be obtained along the
한편, 도시되지는 않았지만, 제2 그레인(20)은 제1 비정질 실리콘층(310)과 제3 비정질 실리콘층(330) 까지도 순차적으로 성장될 수 있는데, 이때 제1 비정질 실리콘층(310)과 제3 비정질 실리콘층(330)의 보다 효율적으로 결정화를 촉진하기 위하여, 제1 비정질 실리콘층(310) 및/또는 제3 비정질 실리콘층(330) 상에는 별도의 금속층(미도시함)을 형성하여 제1 비정질 실리콘층(310)과 제3 비정질 실리콘층(330)은 금속유도 결정화(Metal Induced Crystallization: MIC) 방식에 의해서도 결정화가 진행되게 할 수 있다. 물론, 이 과정에서 하부/상부 제2 비정질 실리콘층(321, 323)의 결정화도 촉진시킬 수 있다.Although not shown, the
상기 금속층의 성분은 Ni, Al, Ti, Ag, Au, Co, Sb, Pd, Cu 중 어느 하나 또는 이들 중 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 상기 금속층의 형성 방법으로는 저압 화학 기상 증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법, 원자 단위층 증착법, 스퍼터링법 등을 포함할 수 있다.The component of the metal layer may include any one of Ni, Al, Ti, Ag, Au, Co, Sb, Pd, Cu, or a combination of two or more thereof. The metal layer may be formed by a low pressure chemical vapor deposition method, a plasma chemical vapor deposition method, an atomic unit layer deposition method, a sputtering method, or the like.
금속유도 결정화 방식에 의한 비정질 실리콘의 결정화 방법은 공지의 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.Since the method of crystallizing amorphous silicon by the metal-induced crystallization method is a known technique, a detailed description thereof will be omitted herein.
또한, 도시되지는 않았지만 다결정 실리콘의 성질을 보다 향상시키기 위하여 결함 제거 공정을 추가로 진행할 수 있다. 본 발명에서는 다결정 실리콘층을 수소 플라즈마 처리하여 다결정 실리콘층 내에 존재하는 결함(예를 들어, 불순물 및 댕글링 본드 등)을 제거할 수 있다.In addition, although not shown, a defect removal process may be further performed to further improve the properties of the polycrystalline silicon. In the present invention, the polycrystalline silicon layer is subjected to hydrogen plasma treatment to remove defects (eg, impurities and dangling bonds) present in the polycrystalline silicon layer.
이상의 상세한 설명에서 본 발명은 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.In the foregoing detailed description, the present invention has been described by specific embodiments such as specific components and the like, but the embodiments and drawings are provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is limited to the above embodiments. However, one of ordinary skill in the art can make various modifications and variations from this description. Therefore, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, I will say.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 결정질 반도체층을 이용하여 결정화된 태양전지의 제조 과정을 나타내는 도면이다.1 to 5 are views illustrating a manufacturing process of a solar cell crystallized using a microcrystalline semiconductor layer according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화된 실리콘층 일부를 상세하게 나타내는 도면이다.6 is a view showing in detail a portion of the crystallized silicon layer according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: 제1 그레인10: first grain
20: 제2 그레인20: second grain
30: 결정립계30: grain boundary
100: 기판100: substrate
200: 하부전극200: lower electrode
300: 실리콘층(반도체층, 광전소자)300: silicon layer (semiconductor layer, photoelectric device)
310: 제1 비정질 실리콘층310: first amorphous silicon layer
320: 제2 비정질 실리콘층320: second amorphous silicon layer
321: 하부 제2 비정질 실리콘층321: Lower second amorphous silicon layer
322: 미세 결정질 실리콘층322: microcrystalline silicon layer
323: 상부 제2 비정질 실리콘층323: Upper second amorphous silicon layer
330: 제3 비정질 실리콘층330: third amorphous silicon layer
400: 상부전극400: upper electrode
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논문: APPLIED PHYSICS LETTERS |
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