KR101108931B1 - μＣ-규소층을 포함하는 규소 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents

μＣ-규소층을 포함하는 규소 태양 전지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 PECVD법에 의하여 미정질 층을 함유하는 하나 이상의 p-i-n 층 시퀀스를 포함하는 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 p-i-n 층 시퀀스의 모든 층이 단챔버 공정으로 증착되는 것을 특징으로 한다. 전극은 5 내지 15 mm 거리로 이격되고, 가스는 기판에 걸쳐서 가스의 균질한 분배를 보장하는 샤워 헤드 가스 입구에 의하여 분배된다. 0.01 내지 3 sccm/㎠의 값을 가진 SiH4 가스 스트림은 8 내지 50 hPa의 공정 압력으로 가한다. 가열기 온도는 50 내지 280℃로 설정되고, HF 출력은 0.2 내지 2 와트/㎠이다. H2 가스 스트림은 0.3 내지 30 sccm/㎠, 특히 0.3 내지 10 sccm/㎠의 값을 가진다.
태양 전지, 미정질, PECVD, 단챔버, 전극

Description

μＣ-규소층을 포함하는 규소 태양 전지의 제조 방법{PRODUCTION METHOD FOR SILICON SOLAR CELLS COMPRISING μC-SILICON LAYERS}
본 발명은 미정질 규소(μc-Si), 특히 (μc-Si:H) p-i-n 태양 전지, 뿐만 아니라 p-i-n/p-i-n 구조의 비정질(α-Si:H) 및 미정질 규소로 이루어진 적층형 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
당분야의 현 상황에 따르면, 통상적으로 μc-Si:H 태양 전지, 뿐만 아니라 α-Si:H/μc-Si:H 태양 전지는 다챔버 플라즈마 CVD 장치에서 생성된다. 이 유형의 PECVD(플라즈마 증강 화학 증착)법에 의한 이점은, 일반적으로 반응기 벽과 기존에 생성된 p-층의 전극 표면으로부터의 붕소 캐리오버(carry-over)의 결과로서의 진성 흡수재층(i-층)의 오염을 피할 수 있다는 것이다. 그 단점으로는 다챔버 공정이 시간 소모적이고, 따라서 비용 집약적이라는 점이다.
원칙적으로 단챔버 공정으로 생산하는 것이 가능하지만, 지금까지는 일반적으로 이들은 오로지 복잡한 방법, 예를 들면 플라즈마 처리 또는 코팅하고자 하는 기판의 중간 외향 전사로 수행되어 왔다. 그러므로, 이러한 제조 방법은 공업적 생산 환경에 거의 적합하지 않았다.
이러한 복잡한 방법을 피할 수 있는 단챔버 공정은 오랫동안 비정질 태양 전지의 제조에 알려져 왔다[1]. 이와는 대조적으로, μc-Si:H 태양 전지의 제조의 경우, 매우 높은 수소 희석 속도가 요구되지만, 캐리오버 문제에 관하여 특히 중대한 것으로 나타났다. 일반적으로, H2 플라즈마는 매우 반응성이고, 부식 특성을 가진다[2].
단챔버 공정을 사용하는 μc-Si:H 태양 전지의 제조는 2003년 일본 오사카에서의 "제3회 광전지 에너지 전환에 관한 세계 회의"에서 소개되었다. α-Si:H 태양 전지 모듈의 제조를 위하여 그때까지 사용되었던 시판 단챔버 반응기에서, 이제 μc-Si:H 태양 전지가 단챔버 방법으로 제조되고 있는 것으로 밝혀졌다[3]. 언급되었던 공정 매개변수는 SnO2 기판, 13.56 MHz에서의 RF-PECVD 증착 및 반응 가스로서 수소로 고도로 희석된 히드로실리콘의 사용을 포함하였다. 12" x 15" 치수의 전극을, 각각 12" x 15" 치수의 4 개의 기판의 동시 코팅에 사용하였다. 동시 코팅의 결과로서, μc-규소에 대해 매우 느린 성장 속도는 유리하게 보완되었다. 기판 온도는 200℃였다. 생성된 층의 품질을 테스트하기 위하여, 광속 전압 곡선(I-V), 암전류 전압 곡선(I-V) 및 분광 반응(QE)을 측정하였다. 약 0.146 ㎠의 표면에 대하여, 약 5%의 효율이 달성되었다. 극도의 비균질성에 대하여 언급된 기원은 고 HF 출력을 사용할 경우의 불충분한 가스 분포였다.
그러나, μc-Si:H 태양 전지에 대한 당분야의 현 상황은, 이들이 현재 다챔버 공정으로 제조될 수 있기 때문에, 효율 및 균질성에 관하여 상기 언급된 단챔버 공정으로는 크게 달성할 수 없다.
본 발명의 목적은 공업용, 특히 μc-Si:H 층을 가진 태양 전지의 제조에 적당한, 간단하고 비용 효율적인 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 전술한 방법을 수행하기에 적당한 장치를 제조하는 것이다.
본 발명의 목적은 특허 청구의 범위의 모든 특징을 가진 방법뿐만 아니라, 추가의 독립항의 모든 특성을 가진 장치로 달성된다. 본 발명의 방법 및 장치의 유리한 구체예는 이들에 관한 청구범위에 개시되어 있다.
태양 전지용 μc-Si:H 및, 또한 α-Si:H/μc-Si:H를 완전히 단챔버 공정으로 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은 특히 대형 표면의 균질한 증착을 생성하는데, 이는 지금까지 단챔버 공정으로 달성된 것보다 상당히 더 높은 효율을 반영하는 것이다. 더욱이, 본 발명의 방법은 진성 μc-규소층의 불리한 붕소 오염의 문제를 극복한다. 13.56 MHz에서의 PECVD를 통하여, μc-Si:H가 30 x 30 ㎠까지의 크기의 표면 상에서 균질하게 생성될 수 있고, 그 결과, 고효율이 박막 태양 전지 어레이에서 달성될 수 있다고 설명되었다. 증착 방식은 고 증착 압력 및 고 HF 출력 레벨의 사용을 특징으로 한다. 이 조합은 고 증착 속도를 산출하며, 동시에 양호한 재료 품질을 달성한다.
본 발명에 따른 단챔버 방법은 이 공정에 기초한다. 13.56 MHz의 플라즈마 CVD에 의하여 기판 상에 균질한 μc-규소층, 특히 태양 전지용 i 및 p-층을 생성하는 방법은 하기에 개략 설명된 공정 매개변수를 특징으로 할 수 있는 증착 방식으로 수행된다. 또한, 공정 윈도우 범위도 열거되어 있는데, 본 지식에 따르면 특히 적당한 것으로 고려된다. 그러나, 이 공정 윈도우는 증착을 위하여 더 높은 주파수를 사용함으로써 팽창될 수 있다. 이 추이에서, 공정 윈도우는 임의로 저압 레벨 및 고히드로실리콘 농도로 팽창된다.
μc-Si:H 흡수재층(i-층)에 대한 공정 매개변수:
매개변수 공지의 다챔버 공정 단챔버 공정에 대한
실시예		 단챔버 공정에 대해 채택된 공정 윈도우
전극 간격 10 mm 12.5 mm 5 내지 15 mm
가스 분포 샤워헤드, 9 mm 그리드, 3단계 가스 분포 샤워헤드, 9 mm 그리드, 3단계 가스 분포 샤워헤드, 그리드 < 전극 간격
H2 가스 유량 2.4 sccm/㎠
(24 slm/㎡)		 1.4 sccm/㎠
(14 slm/㎡)		 균질성을 위하여
>0.3 sccm/㎠
(>3 slm/㎡)
SiH4 가스 유량 0.02 sccm/㎠
(0.2 slm/㎡)		 0.02 sccm/㎠
(0.2 slm/㎡)		 0.01-3 sccm/㎠
(0.1-30 slm/㎡)
공정 압력 13 hPa 10.4 hPa 3 내지 50 hPa
기판 온도 150℃ 150℃ 50-220℃
HF 출력 0.35 W/㎠ 0.35 W/㎠ 0.2-2 W/㎠
μc-Si:H p-층에 대한 공정 매개변수:
i-층과 유사하게, μc-Si:H p-층은 고 증착 압력 및 고 HF 출력을 사용하는 증착 방식으로 생성된다. i-층과 비교하면, 히드로실리콘 농도는 더 높은 레벨로 설정되고, 예를 들면 0.004 sccm/㎠ SiH4(0.04 slm/㎡) 및 1.43 sccm/㎠ H2(14.3 slm/㎡)을 가진다.
본 발명에 따른 방법에서, 통상적으로 13.56 MHz의 플라즈마 여기 주파수를 사용하지만, 또한 다른, 특히 더 높은 여기 주파수 레벨, 예를 들면 27 또는 40.5 Hz(13.56 Hz의 n-다중항)도 가능하다.
임의로, 미정질 규소층을 가진 태양 전지를 생성하는 경우, 버퍼층도 적용할 수 있다. 또한, p/i 계면 상에 고 H2 희석을 가진 버퍼층의 사용은 캐리오버 문제를 유리하게 감소시킨다.
임의의 μc-Si:H 버퍼층에 대한 공정 매개변수:
μc-Si:H p-층 및 i-층과 같은 적당한 μc-Si:H 버퍼층은 고 증착 압력 및 고 HF 출력을 사용하는 증착 방식으로 생성될 수 있다. 히드로실리콘 농도 및/또는 히드로실리콘 유량은 μc-Si:H p-층의 경우만큼 높게 설정되지만, 버퍼층은 도핑 가스의 첨가없이 본질적으로 증착된다.
일반적으로, 태양 전지의 효율이 클수록, p-층에서 i-층으로의 전이, 즉 재조합이 일어나는 면적은 더 한정된다. 통상적으로, 고도로 도핑된 p-층 상의 i-층 증착 중에 캐리오버가 일어나는 데, 이 때 붕소가 i-층에 도입된다. 또한, 1*1017 내지 1*1018 원자/㎤ 범위로 단지 낮은 붕소 도핑을 가진 5 내지 100 nm의 초기에 약간 도핑된 버퍼층이 고도로 도핑된 p-층 상에 적용된 다음, 단지 i-층이 그 위에 증착된 경우에 유리한 것으로 입증되었다. 그 결과, 붕소 캐리오버는 유리하게 상당히 낮고, 생성된 층 순서는 일반적으로 재생될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적당한 장치는 통상의 PECVD 장치 이외에 최적화된 샤워헤드 전극을 포함하는데, 이는 균질한 가스 분포 및 공급뿐만 아니라, HF 출력을 공급하는 데 기여한다. 이것으로, 특히 대형 표면 균질성의 코팅이 가능하다. 분배 단계는 증착 방식에 대한 전도성 값으로 설정된다.
도 1은 구경 표면이 64 ㎠인 병렬 접속 μc-Si:H 모듈의 전류 전압 곡선을 나타낸다.
도 2는 구경 표면이 64 ㎠인 병렬 접속 α-Si:H/μc-Si:H 모듈의 전류 전압 곡선을 나타낸다.
본 발명의 목적은 도면 및 예시적인 구체예를 참고로 이하에서 더 상세하게 설명하고자 하며, 본 발명의 목적을 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 단챔버 방법을 사용하여, 효율이 7.7% 이하이고, 구경 표면(효율적으로 사용된 표면)이 64 ㎠인 μc-Si:H 태양 전지 모듈과, 효율이 10.6% 이하이고, 구경 표면이 마찬가지로 64 ㎠인 α-Si:H/μc-Si:H 모듈을 제조하였다. 이들 값은 공지의 다챔버 공정에 대하여 언급된 바와 같은 당분야의 상태에 해당한다. 본 발명에 따른 단챔버 공정에 대한 공정 매개변수는 표에 열거하였다. 사용된 기판은 패턴(textured) ZnO였다. 증착 속도는 약 30 nm/분이었다.
Si-층의 층 두께는 2 ㎛ 미만이었다. 사용된 접속은 ZnO/Ag였다. 제조된 태양 전지의 출력을 검증하기 위하여, 표준 측정(STC)을 수행하였다(AM 1.5, 100 mW/㎠, 25℃). 이를 위하여 본 발명에 따른 단챔버 방법은 또한 공업 규모의 대형 표면에 대한 태양 전지를 제조하는 데 특히 적당하다. 그러므로, 1 x 1 m 이상의 치수를 가진 표면에 대한 본 발명의 방법의 규모를 증가시켜도 통상적으로 아무런 문제를 제공하지 않는다.
도 1은 구경 표면이 64 ㎠인 병렬 접속 μc-Si:H 모듈의 전류 전압 곡선을 나타낸다.
도 2는 구경 표면이 64 ㎠인 병렬 접속 α-Si:H/μc-Si:H 모듈의 전류 전압 곡선을 나타낸다.
마찬가지로, 단챔버 공정을 사용하여 μc-Si:H 태양 전지를 제조하는 중에, 전술한 증착 방식으로 조합된, 임계 p/i 계면에 대한 추가 버퍼층은 대체로 고 효율 레벨을 생성하고, 더욱이 이들이 정규적으로 재생될 수 있도록 특성을 조절할 수 있는 이점을 제공한다. 또한, 이 증착 방식으로, α-Si:H/μc-Si:H 태양 전지의 제조 중에 n/p 전이도 고 품질로 생성할 수 있다. α-Si:H/μc-Si:H 태양 전지 내 비정형 태양 전지도 p/i 계면 상에 버퍼층을 사용하여 생성할 수 있다.
본 명세서에서 인용한 문헌:
[1] A.E. Delahoy, F.B. Ellis, Jr., E. Eser, S. Gau, H. Volltrauer, z. Kiss, 6th E. C. Photovoltaic Energy Conf., London, (1984), 670.
[2] R. Platz, D. Fischer, S. Dubail, A. Shah, Sol. Energy Mat. and Sol. Cells 46 (1997), 157.
[3] Y.-M. Li, J. A. Anna Selvan, L. Li, R.A. Levy, A.E. Delahoy, 3rd World Conf. on Photovoltaic Energy Conv., Japan (2003), 출간 예정.

Claims (14)

  1. PECVD법에 의하여 하나 이상의 p-i-n 층 시퀀스를 포함하는 태양 전지의 제조 방법으로서,
    p-i-n 층 시퀀스의 모든 층은 단챔버 공정을 사용하여 증착되고,
    전극 간격은 5~15 mm 사이의 범위이며,
    가스 분배는 기판 전체에서의 가스의 균질한 분배를 보장하는 샤워헤드 가스 입구에 의하여 발생하고,
    SiH4 가스 유량은 0.01~3 sccm/㎠ 사이의 값으로 설정되며,
    공정 압력은 3~50 hPa 사이의 값으로 설정되고,
    기판에 대한 가열기 온도는 50~280℃ 사이에서 설정되며,
    HF 출력은 0.2~2 와트/cm 사이의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 전극 간격은 10~15 mm 사이의 값인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 샤워헤드 가스 입구는 선택된 전극 간격보다 더 작은 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, H2 가스 유량은 0.3~30 sccm/㎠ 사이, 특히 0.3~10 sccm/㎠ 사이에서 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, SiH4 가스 유량은 0.01~1 sccm/㎠ 사이에서 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공정 압력은 8~15 hPa 사이에서 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기판에 대한 가열기 온도는 80~180℃ 사이에서 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, HF 출력은 0.2~2 W/㎠ 사이에서 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 균질한 μc-규소층은 20 x 20 cm 이상, 특히 30 x 30 cm 이상의 크기를 갖는 기판 상에 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 패턴(textured) ZnO 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 추가의 버퍼층을 p-층과 i-층 사이에 증착시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 30 x 30 cm 이상, 특히 50 x 50 cm 이상, 더욱 더 1 x 1 m 이상의 크기를 갖는 기판을 균질하게 코팅하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고 플라즈마 여기 주파수, 특히 다중의 13.56 MHz를 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 삭제
KR1020067014905A 2004-01-23 2004-12-16 μＣ-규소층을 포함하는 규소 태양 전지의 제조 방법 KR101108931B1 (ko)

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