KR101181225B1 - 태양전지의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 AZO막을 포함하는 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 태양광이 입사하는 반대 측에 형성된 투명전도막층을 포함하는 태양전지의 제조방법에 있어서, 알루미늄이 첨가된 산화아연 타겟을 이용한 스퍼터링에 의하여 상기 투명전도막층을 형성하는 공정을 포함하며, 상기 스퍼터링이 150℃~200℃의 온도범위에서 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 최적화된 조건에서 AZO막을 형성함으로써, 후면전극 또는 후면반사막으로 AZO막을 사용한 태양전지를 제공하는 효과가 있다.
또한, 후면전극 또는 후면반사막으로 AZO막을 사용하여 태양전지의 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

태양전지의 제조방법{FABRICATING METHOD OF SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전자기기용 투명전극에 사용되는 AZO막을 포함하는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 PN접합 반도체의 금지대폭(Eg, Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사될 때, 생성된 전자-정공쌍(EHP, Electron-hole Pair)을 이용하기 위하여 PN접합의 구조로 구성된다. 반도체 내부에 생성된 전자-정공쌍이 PN 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로 이동하고, 정공은 p층으로 이동하게 됨에 따라 P층과 N층 사이에 기전력(광기전력)이 발생하게 되며, 이때 각 극에 형성된 전극을 연결하면 전류가 흐르게 된다.
따라서 태양전지의 태양광 입사면에서 태양광이 많이 입사되도록 투명전도성산화막(TCO, transparent conducting oxide)을 전극으로 사용하려는 시도가 계속되고 있다. 특히 박막형 태양전지와 같이 유연한 태양전지에 적용이 가능할 것으로 여겨지고 있다. TCO은 높은 전기전도특성과 400~800nm 파장의 가시광선 영역에 대한 광투과율이 우수한 막을 말한다.
이러한 TCO는 태양전지 외에 평판 디스플레이 장치와 투명 터치 패널 등의 전자기기에서 사용되고 있다.
현재는 통상적으로, 상기의 조건에 부합되는 TCO의 소재로서, ITO(Indium Tin Oxide)을 이용한다. ITO는 가시광선 영역에서 90% 이상의 높은 투과도와 10-3Ωcm이하의 낮은 비저항을 가지고 있어 투명전극으로 널리 사용되고 있다.
그러나 ITO 박막은 희소 물질인 In 원자를 포함하고 있어 고갈가능성이 있고, 가격이 비싸며, 수소 플라즈마 하에서 환원되어 Sn, In으로 바뀌기 때문에 불안정하다는 단점이 있다.
한편, 순수한 ZnO는 n형 반도체이지만, 전기적인 특성이 부도체에 가깝다. 때문에 Al, Ga, In, B 등의 불순물을 도핑한 ZnO가 투명전극용으로 많이 연구되고 있다. 특히, Al이 도핑된 ZnO(AZO, Al doped ZnO)는 가격이 저렴하고 비저항의 조절이 용이하며 가시광선 파장대에서 높은 투과율을 보여주고 있어 ITO의 대체물질로 여겨지고 있다.
그러나 AZO막의 형성과정에서 Al의 주입에 의하여 ZnO 내에 격자결함과 격자손상 덩어리들이 존재하게 되어, 전자와 정공의 이동도가 감소하고 수명도 짧아지며, 이들로 인해 발생된 전기적 응력이 전위 결함(dislocation)을 만들어 접합부의 누설 전류를 증가시키게 된다. 또한, 불순물들이 격자위치가 아닌 틈새에 위치하게 되면 활성화되지 않는 문제가 있다. 이러한 문제점들로 인하여 AZO막이 실용화되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 AZO막을 포함하는 태양전지의 최적화된 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 태양전지의 제조방법은, 태양광이 입사하는 반대 측에 형성된 투명전도막층을 포함하는 태양전지의 제조방법에 있어서, 알루미늄이 첨가된 산화아연 타겟을 이용한 스퍼터링에 의하여 상기 투명전도막층을 형성하는 공정을 포함하며, 상기 스퍼터링이 150℃~200℃의 온도범위에서 진행되는 것을 특징으로 한다. 그리고 스퍼터링은 DC 500W의 전력과, 2mTorr의 압력과, 5rpm의 기판회전속도 및 40°의 타겟각도 조건에서 진행되는 것이 바람직하다.
특히 투명전도막층을 형성하는 공정의 뒤에, 투명전도막층의 위에 후면전극을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있으며, 이때 후면 전극은 은 또는 알루미늄 재질인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 의한 태양전지의 다른 제조방법은, 결정질 실리콘 웨이퍼와, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞면 또는 앞뒷면에 위치하는 비정질 실리콘층과, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼와 상기 비정질 실리콘층 사이에 위치하는 패시베이션층 및 태양광이 입사하는 반대 측에 형성된 투명전도막층을 포함하는 이종접합 태양전지의 제조방법에 있어서, 알루미늄이 첨가된 산화아연 타겟을 이용한 스퍼터링에 의하여 상기 투명전도막층을 형성하는 공정을 포함하며, 상기 스퍼터링이 150℃~200℃의 온도범위에서 진행되는 것을 특징으로 한다. 그리고 스퍼터링은 DC 500W의 전력과, 2mTorr의 압력과, 5rpm의 기판회전속도 및 40°의 타겟각도 조건에서 진행되는 것이 바람직하다.
특히 투명전도막층을 형성하는 공정의 뒤에, 투명전도막층의 위에 후면전극을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있으며, 이때 후면 전극은 은 또는 알루미늄 재질인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 태양전지의 또 다른 제조방법은, 비정질 또는 마이크로 결정질 실리콘으로 이루어진 제1층과, 비정질 실리콘으로 이루어진 제2층이 PN접합을 형성하고, 태양광이 입사하는 반대 측에 형성된 투명전도막층을 포함하는 태양전지의 제조방법에 있어서, 알루미늄이 첨가된 산화아연 타겟을 이용한 스퍼터링에 의하여 상기 투명전도막층을 형성하는 공정을 포함하며, 상기 스퍼터링이 150℃~200℃의 온도범위에서 진행되는 것을 특징으로 한다. 그리고 스퍼터링은 DC 500W의 전력과, 2mTorr의 압력과, 5rpm의 기판회전속도 및 40°의 타겟각도 조건에서 진행되는 것이 바람직하다.
특히 투명전도막층을 형성하는 공정의 뒤에, 투명전도막층의 위에 후면전극을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있으며, 이때 후면 전극은 은 또는 알루미늄 재질인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 최적화된 조건에서 AZO막을 형성함으로써, 후면전극 또는 후면반사막으로 AZO막을 사용한 태양전지를 제공하는 효과가 있다.
또한, 후면전극 또는 후면반사막으로 AZO막을 사용하여 태양전지의 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라서 제조된 이종접합 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 증착 온도에 따른 증착률을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 증착 온도에 따른 성능지수(FOM)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 증착 온도에 따른 비저항을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 파장에 따른 반사율을 증착 온도별로 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 증착 온도에 따른 도핑농도 및 비저항을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 AZO막의 증착 온도에 따른 면저항과 이동도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 파장에 따른 투과율을 증착 온도별로 나타낸 그래프이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라서 제조된 이종접합 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 실시예에 따라서 제조되는 태양전지는 결정질 실리콘 웨이퍼층(100), 비정질 실리콘층(200), 패시베이션층(300), 전면전극(400), 투명전도막층(500)을 포함하여 구성되며, 서로 다른 결정구조를 갖는 결정질 실리콘 웨이퍼층(100)과 비정질 실리콘층(200)이 PN접합을 구성하는 이종접합 태양전지이다.
결정질 실리콘 웨이퍼층(100)은 P형 또는 N형으로 도핑된 결정질 실리콘 웨이퍼로 구성된다.
비정질 실리콘층(200)은 결정질 실리콘 웨이퍼층(100)의 앞면 또는 앞뒷면에 형성되는 비정질의 실리콘막이다.
결정질 실리콘 웨이퍼층(100)의 앞면 쪽에 형성되는 비정질 실리콘층(200a)은 결정질 실리콘 웨이퍼층(100)과 반대되는 도전형을 갖고 결정질 실리콘 웨이퍼층(100)과 PN접합을 구성한다. 즉, 결정질 실리콘 웨이퍼층(100)이 P형으로 도핑된 경우에 그 앞면 쪽에 형성되는 비정질 실리콘층(200a)은 N형의 실리콘층이며, 결정질 실리콘 웨이퍼층(100)이 N형으로 도핑된 경우에 그 앞면 쪽에 형성되는 비정질 실리콘층(200a)은 P형의 실리콘층이다.
결정질 실리콘 웨이퍼층(100)의 뒷면 쪽에 형성되는 비정질 실리콘층(200b)은 결정질 실리콘 웨이퍼층(100)과 동일한 도전형을 갖는다. 따라서 결정질 실리콘 웨이퍼층(100)과 PN접합을 구성하는 것이 아니므로 필수적인 구성은 아니지만, 후면전계효과(BSF, Back Surface Field effect)를 통해 태양전지의 효율을 향상시킨다.
패시베이션층(300)은 결정질 실리콘 웨이퍼층(100)과 비정질 실리콘층(200)의 사이에 위치하며, 결정질과 비정질 계면에서 발생하는 결함에 의한 문제점을 줄이기 위한 층이다. 패시베이션층(300)은 진성의 비정질 실리콘막 또는 산화실리콘막 등이 다양하게 적용될 수 있다.
전면전극(400)은 태양광이 입사하는 측에 형성된 전극으로, 금속전극 또는 TCO전극을 사용할 수 있다. 금속전극을 사용하는 경우에는 태양광이 태양전지 내부로 들어갈 수 있도록 공간을 두고 이격되도록 배치하며, TCO전극을 사용하는 경우에는 입사되는 전체 면에 대하여 형성한다.
이외에도 태양광이 입사하는 입사면에는 전면반사방지막이 추가로 형성될 수 있다.
투명전도막층(500)은 태양광이 입사되는 반대 측에 형성되며, 별도의 금속전극을 형성하지 않은 경우 후면전극의 역할을 한다.
투명전도막층(500)의 아래에 후면전극이 더 형성될 수 있으며, 이 후면전극은 알루미늄이나 은 페이스트를 이용한 전면전극이 가능하고, 후면전극이 형성되는 경우에 투명전도막층(500)은 후면반사막의 역할을 하게 된다.
본 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 투명전도막층(500)을 형성하는 방법 이외에는 특별히 한정되지 않고 모든 태양전지의 제조방법을 사용할 수 있으므로, 이하에서는 투명전도막층(500)을 형성하는 방법에 대하여 설명한다.
본 실시예의 투명전도막층(500)은 알루미늄이 첨가된 산화아연 타겟을 이용한 스퍼터링 방법에 의하여 형성되며, 스퍼터링을 실시한 조건은 다음과 같다.
스퍼터링을 통한 증착 시에 사용된 전력, 압력, 기판의 회전속도 및 타겟의 각도는 각각 DC 500W, 2mTorr, 5rpm 및 40°로 고정하고, 150℃~200℃의 온도 범위에서 스퍼터링을 수행한다.
본 실시예에 따라 제조된 태양전지의 효과를 확인하기 위하여, 스퍼터링을 통한 증착 시에 사용된 전력, 압력, 기판의 회전속도 및 타겟의 각도를 각각 DC 500W, 2mTorr, 5rpm 및 40°로 고정하고, 증착시의 온도를 다양하게 변화시키며 형성시킨 AZO박막의 물리적 특성을 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 증착 온도에 따른 증착률을 나타낸 그래프이다.
그래프에 의하면, 55℃ 이상의 온도에서는 증착 온도가 높을수록 증착률이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 따라서 과도하게 높은 온도에서 AZO박막을 증착하는 경우에는 증착의 효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 그래프 상으로 살펴보면, 약 200℃까지가 효율적으로 AZO박막을 증착할 수 있는 온도인 것으로 나타난다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 증착 온도에 따른 성능지수(FOM)를 나타낸 그래프이다.
성능지수(FOM, figure of merits) φ는 투명전도막의 특성을 수치적으로 표현하기 위하여 광학적 투과도와 비저항 값을 이용하여, 도 3에 표시된 공식으로 구해진 값이다. 증착 온도에 따른 성능지수는 증착온도 약 75℃~125℃ 범위에서 온도의 증가에 따라서 감소하다가 125℃~200℃ 범위에서는 온도의 증가에 따라서 증가하며, 200℃ 이상의 범위에서는 온도의 증가에 따라서 다시 감소한다. 성능지수 그래프에 따르면, 150℃보다 낮은 증착온도에서 증착된 AZO박막은 만족할 만한 성능지수를 나타내지 못한 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 증착 온도에 따른 비저항을 나타낸 그래프이다.
증착 온도에 따른 AZO박막의 비저항 값은 온도의 증가에 따라서 감소하지만 200℃ 이후에는 약간 증가하는 것으로 나타났다. 이에 따르면 투명전극으로 사용하기 위해 낮은 저항을 갖는 AZO박막을 형성하기 위해서는 150℃ 이상의 온도에서 증착을 하여야 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 파장에 따른 반사율을 증착 온도별로 나타낸 그래프이다.
이에 따르면, AZO박막은 낮은 파장대의 빛을 반사하는 특성을 나타내고 있으며, 태양전지의 반사층으로 사용할 수 있음을 알 수 있다. 그리고 AZO박막의 반사특성은 증착 온도에 큰 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 증착 온도에 따른 도핑농도 및 비저항을 나타낸 그래프이다.
도핑농도는 증착온도가 높아짐에 따라서 125℃까지 증가하다가 175℃까지는 감소하며, 175℃ 이상에서는 다시 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 100℃보다 낮은 온도에서 증착된 AZO박막은 도핑농도가 너무 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 AZO막의 증착 온도에 따른 면저항과 이동도를 나타낸 그래프이다.
면저항은 비저항과 유사하게 증착온도의 증가에 따라서 감소하다가 200℃ 이상에서는 약간 증가한다.
그리고 이동도는 약 120℃까지 증착 온도 증가에 따라서 감소하고, 약 200℃까지는 증착 온도의 증가에 따라서 증가하다가 200℃ 이상에서는 다시 감소한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 투명전도막층의 파장에 따른 투과율을 증착 온도별로 나타낸 그래프이다.
AZO박막의 투과율은 증착 온도가 높아짐에 따라서 증가하며, 특히 낮은 파장의 빛에 대한 투과율의 증가가 높은 것으로 나타났다.
이상의 결과를 종합하면, 태양전지의 후면전극 또는 후면반사층으로 적용하기에 적합한 AZO박막의 형성온도는 150℃~200℃의 범위인 것을 확인할 수 있다.
150℃보다 낮은 온도에서 형성된 AZO박막은 저항이 높아서 전극으로 사용 시에 성능이 떨어지는 문제가 있으며, 200℃보다 높은 온도에서 AZO박막을 형성하는 경우에는 증착 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 실시예에 따라 제조된 태양전지는 후면전극 또는 후면반사층으로 ITO박막을 사용한 태양전지에 비하여 효율이 향상되는데, 이는 AZO박막이 ITO박막에 비하여 일함수가 낮기 때문인 것으로 여겨진다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 결정질 실리콘 웨이퍼층 200: 비정질 실리콘층
300: 페시베이션층 400: 전면전극
500: 투명전도막층

Claims (12)

  1. 태양광이 입사하는 반대 측에 형성된 투명전도막층을 포함하는 태양전지의 제조방법에 있어서,
    알루미늄이 첨가된 산화아연 타겟을 이용한 스퍼터링에 의하여 상기 투명전도막층을 형성하는 공정을 포함하며,
    상기 스퍼터링이 150℃~200℃의 온도범위와, 5rpm의 기판회전속도 및 40°의 타겟각도 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명전도막층을 형성하는 공정의 뒤에, 상기 투명전도막층의 위에 후면전극을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 후면전극이 은 또는 알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퍼터링이 DC 500W의 전력과, 2mTorr의 압력 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  5. 결정질 실리콘 웨이퍼와, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞면 또는 앞뒷면에 위치하는 비정질 실리콘층과, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼와 상기 비정질 실리콘층 사이에 위치하는 패시베이션층 및 태양광이 입사하는 반대 측에 형성된 투명전도막층을 포함하는 이종접합 태양전지의 제조방법에 있어서,
    알루미늄이 첨가된 산화아연 타겟을 이용한 스퍼터링에 의하여 상기 투명전도막층을 형성하는 공정을 포함하며,
    상기 스퍼터링이 150℃~200℃의 온도범위와, 5rpm의 기판회전속도 및 40°의 타겟각도 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 투명전도막층을 형성하는 공정의 뒤에, 상기 투명전도막층의 위에 후면전극을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 후면전극이 은 또는 알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퍼터링이 DC 500W의 전력과, 2mTorr의 압력 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  9. 비정질 또는 마이크로 결정질 실리콘으로 이루어진 제1층과, 비정질 실리콘으로 이루어진 제2층이 PN접합을 형성하고, 태양광이 입사하는 반대 측에 형성된 투명전도막층을 포함하는 태양전지의 제조방법에 있어서,
    알루미늄이 첨가된 산화아연 타겟을 이용한 스퍼터링에 의하여 상기 투명전도막층을 형성하는 공정을 포함하며,
    상기 스퍼터링이 150℃~200℃의 온도범위와, 5rpm의 기판회전속도 및 40°의 타겟각도 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 투명전도막층을 형성하는 공정의 뒤에, 상기 투명전도막층의 위에 후면전극을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 후면전극이 은 또는 알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퍼터링이 DC 500W의 전력과, 2mTorr의 압력 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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