KR101194060B1 - 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 결정화 시간이 상대적으로 짧고, 결정 크기가 상대적으로 크며, 결정화 분율 및 캐리어 농도가 높고, 또한 대면적화 및 고품질화가 용이하며, 저온 공정이 가능한 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공하는데 있다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예는 기판을 준비하는 기판 준비 단계; 상기 기판에 제1비정질 실리콘층을 증착하는 제1비정질 실리콘층 증착 단계; 상기 제1비정질 실리콘층에 전자빔을 조사함으로써 다결정질 실리콘으로 결정화하는 씨앗층 형성 단계; 상기 씨앗층에 제2비정질 실리콘층을 증착하는 제2비정질 실리콘층 증착 단계; 및 상기 제2비정질 실리콘층에 전자빔을 조사함으로써 다결정질 실리콘으로 결정화하는 흡수층 형성 단계로 이루어진 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
Description
본 발명의 일 실시예는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지에 관한 것이다.
일반적으로 저가형 기판(예를 들면, 글래스)을 이용한 박막 태양 전지의 경우, 저가화가 가능한 여러 가지 요인이 있는 반면에, 상대적으로 효율이 낮아 고효율화를 목표로 연구 및 개발이 진행되고 있다.
대표적인 박막 태양 전지로서 실리콘 박막(pin 구조), CIS계 박막 및 염료 감응형 등이 있으나, CIS계 박막 태양 전지를 제외하고는 낮은 효율을 보이는 문제가 있다.
종래 시장 점유율 80%를 차지하는 실리콘 벌크형의 경우, 상대적으로 효율이 안정적이기는 하나, 저가화에 한계가 있다.
이러한 실리콘 벌크의 최소 흡수 면적인 20~30㎛ 이외에 불필요한 두께로 인한 가격 하락이 한계와, 절단 손실(Kerf loss) 등에 의한 박형화 기술이 한계로 작용되고 있다.
이러한 종래의 실리콘 박막(pin 구조)이 아닌 실리콘 벌크형 구조(기판형, pn 접합)를 적용하되, 흡수층에 작용하는 최소한의 두께를 저가형 기판 위에 구현하는 방식(예를 들면, Crystalline Silicon On Glass, CSOG)의 새로운 개념을 갖는 실리콘 박막 태양 전지가 제안되고 있다.
이러한 실리콘 박막을 형성하기 위하여 종래에는 화학 기상 증착법(CVD)에 의한 가스(SiH4, Si2H6) 분해에 의한 전구체 합성이 위주였으나, 2~3㎛ 이상의 두께 형성에 많은 시간(평균 80~90㎚/min)과 재현성이 부족한 문제가 있다.
더불어, CSOG에 적용하기 위해서는 비정질 실리콘이 아닌 결정질 실리콘 상태로 제조하여야 하기 때문에 새로운 결정화법이 필요하다. 즉, 예를 들어 유리 기판의 녹는 점이 대략 600℃인데 반해, 실리콘의 결정화 온도가 대략 700℃이기 때문에, 새로운 결정화법의 적용이 필요하다.
이러한 새로운 결정화법의 적용을 위해, 종래의 CVD법에 의한 비정질 실리콘 증착은 품질이 우수하기는 하지만, 속도가 느려 양산성 및 상용화에 한계가 있다.
본 발명의 일 실시예는 비정질 실리콘의 고속 증착이 가능한 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 기판을 준비하는 기판 준비 단계; 상기 기판에 제1비정질 실리콘층을 증착하는 제1비정질 실리콘층 증착 단계; 상기 제1비정질 실리콘층을 다결정질 실리콘으로 결정화하는 씨앗층 형성 단계; 상기 씨앗층에 제2비정질 실리콘층을 증착하는 제2비정질 실리콘층 증착 단계; 및 상기 제2비정질 실리콘층을 다결정질 실리콘으로 결정화하는 흡수층 형성 단계를 포함하고, 상기 제1비정질 실리콘층 및 상기 제2비정질 실리콘층중 적어도 어느 하나는 물리 기상 증착법으로 형성된다.
상기 물리 기상 증착법은 전자빔 이베퍼레이션(E-beam Evaporation)에 의해 이루어질 수 있다.
상기 물리 기상 증착법은 적어도 0.5㎛/min의 증착 속도로 비정질 실리콘층을 증착하여 이루어질 수 있다.
상기 제1비정질 실리콘층은 플라즈마 강화 화학 기상 증착법으로 형성되고, 상기 제2비정질 실리콘층은 물리 기상 증착법으로 형성될 수 있다. 상기 제1비정질 실리콘층은 100~140nm의 두께로 형성되고, 상기 제2비정질 실리콘층은 1~100㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기 씨앗층 형성 단계 및 상기 흡수층 형성 단계중 적어도 어느 하나는 전자빔 조사에 의해 이루어질 수 있다. 상기 전자빔은 아르곤 가스가 플라즈마에 의해 아르곤 이온과 분리된 전자에 의해 이루어질 수 있다. 상기 전자빔은 에너지가 3.5~5keV일 수 있다. 상기 전자빔은 조사 시간이 20초 ~ 120초일 수 있다.
상기 씨앗층 및 상기 흡수층의 공정 온도는 350~450℃일 수 있다.
상기 전자빔의 조사시 상기 기판에는 금속층이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 상기 방법에 의해 제조된 태양 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지에 의하면, 종래 기술에 비해 비정질 실리콘층의 고속 증착이 가능하여 태양 전지의 양산화 및 상용화에 유리하다.
또한, 본 발명은 비정질 실리콘층을 다결정 실리콘층으로 결정화하는 시간이 대폭 축소됨으로써, 태양 전지의 대면적화에 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 전자빔 조사 시간에 따른 p+/p형 비정질 실리콘층의 연속 증착에 따른 SEM 단면 이미지이다.
도 4는 부하 전류에 따른 증착율의 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 전자빔의 조사 시간에 따른 비저항값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 전자빔의 조사 시간에 따른 캐리어 밀도 및 이동도 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 전자빔 조사 시간에 따른 p+/p형 비정질 실리콘층의 연속 증착에 따른 SEM 단면 이미지이다.
도 4는 부하 전류에 따른 증착율의 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 전자빔의 조사 시간에 따른 비저항값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 전자빔의 조사 시간에 따른 캐리어 밀도 및 이동도 분석 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 조사를 이용한 태양 전지(100)의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지(100)의 제조 방법은 기판(110) 준비 단계(S1), 제1비정질 실리콘층(130a) 증착 단계(S2), 씨앗층(130) 형성 단계(S3), 제2비정질 실리콘층(140a) 증착 단계(S4), 흡수층(140) 형성 단계(S5), 도핑층(150) 형성 단계(S6) 및 전극(171,172) 형성 단계(S7)를 포함한다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지(100)의 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(110) 준비 단계(S1)에서는, 대략 평평한 기판(110)을 준비한다. 이러한 기판(110)은 예를 들면, 글래스(glass), 세라믹(ceramic), 폴리머(polymer), 금속 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 일례로 상기 기판(110)은 글래스로서 코닝(corning)계, 소다-라임(soda-lime) 또는 파이렉스(pyrex)가 이용될 수 있다. 좀더 구체적으로, 공정에 직접적인 영향을 미치는 연화점(softening point), 어닐링점(annealing point) 및 스트레인점(strain point)이 각각 975℃, 721℃ 및 666℃로서 다른 글래스에 비해 우수한 코닝계 1737F 글래스가 기판(110)으로 이용될 수 있다.
더불어, 이러한 기판(110)에는 클리닝 공정이 수행될 수 있다. 일례로, 아세톤, IPA(Isopropyl Alcohol), 메탄올 용액에 초음파로 기판(110)을 각각 10분씩 클리닝한 후 DI 워터(DeIonized water)로 5회 린스(rinse)하고, 이어서 질소 가스로 건조(N2 blowing)하는 단계가 수행될 수 있다. 여기서, 상기 기판(110)에는 미리 버퍼층(120)(산화막 또는 질화막)이 형성될 수 있으며, 이러한 버퍼층(120)은 비정질 실리콘층이 기판(110)에 더욱 잘 증착되도록 하고, 또한 기판(110)으로부터의 오염 물질이 비정질 실리콘층 또는 다결정 실리콘층으로 이동하지 못하도록 하는 역할을 한다. 물론, 경우에 따라 상기 버퍼층(120)은 형성되지 않을 수도 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 제1비정질 실리콘층(130a) 증착 단계(S2)에서는, 상기 기판(110)에 제1비정질 실리콘층(130a)을 증착한다. 즉, 상기 기판(110) 또는 버퍼층(120) 위에 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD), 예를 들면 스퍼터링(sputtering), 전자빔 이베포레이션(evaporation) 및 그 등가 방법중 어느 하나로 제1비정질 실리콘층(130a)을 증착한다. 바람직하기로 0.5㎛/min 이상의 고속 증착을 위해 스퍼터링 방식보다는 전자빔 이베포레이션 방식에 의해 p+형 또는 n+형의 제1비정질 실리콘층(130a)을 증착한다. 즉, 본 발명의 발명자들은 스퍼터링 및 전자빔 이베포레이션을 모두 실험해 본 결과, 전자빔 이베포레이션이 증착 속도에 있어 상대적으로 고속임을 파악하였다. 이와 같이 하여, 본 발명은 비정질 실리콘층의 고속 증착이 가능하여 양산화 및 상용화에 유리하다.
일례로, 전자빔 이베포레이터(evaporator)를 이용할 경우, 상기 제1비정질 실리콘층(130a)은 온도가 상온, 작업 압력이 대략 1.2×10-5Torr, 증착 시간이 대략 200초, 보른 소스가 대략 99.999%의 이퓨션 셀(effusion cell), 실리콘 소스가 대략 99.999%의 크르시블(crucible)인 조건을 가질 수 있다.
여기서, 이러한 공정 조건을 이용하여 원하는 증착 속도를 얻기 위해서 전자빔의 파워만을 조절하면 되며, 물론, 전자빔의 파워를 크게 할수록 증착 속도가 빨라진다. 그러나, 증착 속도가 0.5㎛/min 이상으로 고속 증착을 할 경우 들뜸 현상이 발생할 수 있다.
경우에 따라, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)에 의해 p+형 또는 n+형 제1비정질 실리콘층(130a)을 증착할 수도 있다. 이는 하기할 상대적으로 두꺼운 흡수층(140)의 PVD법에 의한 안정적인 고속 증착을 가능하게 한다.
여기서, 상기 제1비정질 실리콘층은 100~350nm, 바람직하기로 100~140nm의 수직 방향으로 증착될 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 씨앗층(130) 형성 단계(S3)에서는, 상기 제1비정질 실리콘층(130a)에 전자빔을 조사함으로써 다결정질 실리콘으로 결정화하여 씨앗층(130)을 형성한다. 상기 전자빔은 종래와 같이 필라멘트에 전류를 인가하여 나오는 열전자를 자기장으로 가속시켜 얻어진 것이 아니다. 즉, 상기 전자빔은 고밀도 플라즈마 형성을 통하여 아르곤 가스를 아르곤 이온과 전자로 분리하고, 분리된 아르곤 이온과 전자 중에서 전자만으로 이루어진 것이다.
여기서, 열전자로부터 얻은 전자빔은, 텅스텐과 같은 필라멘트에 전류를 가하여 발생되는 전자로서, 필라멘트의 열화에 의해 전자의 농도나 개수가 달라질 수 있고, 또한 고밀도의 전자 클러스터를 얻기가 쉽지 않다. 그러나, 플라즈마를 이용하는 방법으로서 축적 결합 플라즈마(CCP)나 유도 결합 플라즈마(ICP)는 아르곤과 같은 불활성 가스를 전기장을 이용하여 아르곤 이온과 전자로 분리하여 전자빔을 얻는 것으로서, CCP에 비해 ICP가 대략 100배 높은 고밀도 전자 농도를 얻을 수 있다. 따라서, 주기적인 교체 시기가 필라멘트 열전자 방식에 비해 더 길고, 고밀도 전자 농도를 형성함으로써 전자빔의 세기를 쉽게 조절할 수 있는 예를 들면 ICP로부터 얻는 전자빔을 이용한다.
더욱이, 이러한 전자빔은 스팟 스캐닝(spot-scanning) 방식이 아닌 그리드 렌즈(grid lens)를 이용하여 리니어 스캔(linear scan) 방식으로 동작할 수 있어, 대략 10cm/min의 속도로 제1비정질 실리콘층(130a)을 빠르게 스캔할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전자빔 조사 방식은 태양 전지(100)의 제조에 있어 대면적화에 매우 유리하다. 여기서, 상기 전자빔은 에너지가 3.5~5keV가 적절하다. 상기 전자빔의 에너지가 3.5keV 미만인 경우에는 결정화 속도 및 결정화 분율이 상대적으로 작고, 상기 전자빔의 에너지가 5keV를 초과할 경우에는 제1비정질 실리콘층(130a)의 표면이 식각되어 제거될 수 있다.
또한, 상기 씨앗층(130)의 공정 온도는 350~450℃이면 충분하다. 상기 온도가 350℃ 미만인 경우 결정화 속도 및 결정화 분율이 상대적으로 작고, 상기 온도가 450℃를 초과할 경우 기판(110)이 손상될 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 제2비정질 실리콘층(140a) 증착 단계(S4)에서는, 상술한 바와 동일한 방법으로, 상기 결정화된 씨앗층(130)에 수직 방향으로 대략 1~50㎛ 두께를 갖는 제2비정질 실리콘층(140a)을 증착한다. 즉, 상기 씨앗층(130) 위에 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 예를 들면 스퍼터링, 전자빔 이베포레이션 및 그 등가 방법중 어느 하나로 제2비정질 실리콘층(140a)을 증착한다. 바람직하기로 0.5㎛/min 이상의 고속 증착을 위해 스퍼터링 방식보다는 전자빔 이베포레이션 방식에 의해 p형 또는 n형의 제2비정질 실리콘층(140a)을 증착한다.
일례로, 전자빔 이베포레이터를 이용할 경우, 상기 제2비정질 실리콘층(140a)은 온도가 상온, 작업 압력이 대략 1.2×10-5Torr, 증착 시간이 대략 200초, 보른 소스가 대략 99.999%의 이퓨션 셀(effusion cell), 실리콘 소스가 대략 99.999%의 크르시블(crucible)인 조건을 가질 수 있다.
여기서, 이러한 공정 조건을 이용하여 원하는 증착 속도를 얻기 위해서는 전자빔의 파워만을 조절하면 되며, 물론, 전자빔의 파워를 크게 할수록 증착 속도가 빨라진다. 그러나, 증착 속도가 0.5㎛/min 이상으로 고속 증착을 할 경우 들뜸 현상이 발생할 수 있다.
더불어, 상기 제2비정질 실리콘층(140)은 상기 씨앗층(130)이 아닌 제1비정질 실리콘층(130a)의 표면에 직접 형성될 수도 있다. 즉, 상기 제1비정질 실리콘층(130a)을 결정화하지 않고(다르게 표현하면, 씨앗층(130)의 형성 단계를 생략하고), 상기 제1비정질 실리콘층(130a)의 표면에 바로 제2비정질 실리콘층(140)을 물리 기상 증착법으로 고속 증착하는 것이다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 흡수층(140) 형성 단계(S5)에서는, 상기 고속으로 증착된 제2비정질 실리콘층(140a)에 전자빔을 조사함으로써 다결정질 실리콘으로 결정화하여 흡수층(140)을 형성한다. 여기서, 상기 제1비정질 실리콘층(130)이 결정화되지 않았을 경우, 상기 제1,2비정질 실리콘층(130,140)이 함께 결정화됨은 당연하다.
상기 전자빔은 상술한 바와 같이 고밀도 플라즈마 형성을 통하여 아르곤 가스를 아르곤 이온과 전자로 분리하고, 분리된 아르곤 이온과 전자 중에서 전자만으로 이루어진 것일 수 있다. 더불어, 이러한 전자빔은 스팟 스캐닝(spot-scanning) 방식이 아닌 그리드 렌즈(grid lens)를 이용하여 리니어 스캔(linear scan) 방식으로 동작할 수 있어, 대략 10cm/min의 속도로 제2비정질 실리콘층(140a)을 고속 스캔할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전자빔 조사 방식은 태양 전지(100)의 대면적화에 매우 유리하다. 여기서, 상기 전자빔은 에너지가 3.5~5keV가 적절하다. 상기 전자빔의 에너지가 3.5keV 미만인 경우에는 결정화 속도 및 분률이 상대적으로 작고, 상기 전자빔의 에너지가 5keV를 초과할 경우에는 제2비정질 실리콘층(140a)의 표면이 식각되는 문제가 있다.
또한, 상기 흡수층(140)의 공정 온도는 350~450℃이면 충분하다. 상기 온도가 350℃ 미만인 경우 결정화 속도 및 결정화 분율이 상대적으로 작고, 상기 온도가 450℃를 초과할 경우 기판(110)이 손상될 수 있다.
한편, 이러한 전자빔 조사에 의해 전반적으로 태양 전지(100)의 전기적 성능이 향상된다. 즉, 상기 전자빔 조사에 의해 비저항이 감소하고, 캐리어 농도 및 이동도가 증가하는 것으로 파악되었다.
일례로, 흡수층(140)에 가까운 두께인 보론(boron)이 도핑된 비정질 실리콘층 570nm(60초 증착)를 기판(110) 위에 증착한 후 대략 3.5keV에 에너지를 가지고 각각 20, 60 및 120초간 전자빔을 조사하여 결정화한 이후, 이를 홀 이펙트 측정 장비(Hall effect measurement)를 이용하여 비저항(resistivity), 캐리어 농도(carrier density), 이동도(mobility)를 측정한 결과, 아래 표 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
| 비저항 (Resistivity, Ωcm) |
캐리어농도 (Carrier density, cm-3) |
이동도 (mobility, cm2/V-s) |
|
| 비정질 실리콘층 | 4.15×102 | 5.5×1010 | 1.2×104 |
| 20초 전자빔 조사 | 3.2×104 | 4.57×1010 | 7.9×106 |
| 60초 전자빔 조사 | 2.4×10-1 | 4.7×1015 | 6×102 |
| 120초 전자빔 조사 | 1.67 | 9.6×1017 | 3.8 |
상기 표 1에 따르면, 대체로 전자빔 조사 시간이 길어질수록 비저항이 감소하며, 캐리어 농도가 증가하고, 또한 이동도는 대체로 감소하는 결과를 보이고 있다. 따라서, 최적의 비저항, 캐리어 농도 및 이동도에 따라 전자빔의 조사 시간을 적절히 조절할 수 있다.
또한, 여기서 상기 흡수층(140)은 상기 씨앗층(130)과 같은 결정 방향으로 결정을 형성하는데, 통상적으로 씨앗층(130) 및 흡수층(140)에 대한 수평 방향의 결정 크기는 대략 50~100㎛로 형성됨을 관찰할 수 있었다. 이러한 결정 크기는 실질적으로 상기 씨앗층(130) 및 상기 흡수층(140)의 합친 수직 방향 두께보다 훨씬 큰 것으로서, 본 발명에 따른 씨앗층(130) 및 흡수층(140)에 의해 광변환 효율이 우수함을 예측할 수 있다.
도 2f에 도시된 바와 같이, 도핑층(150) 형성 단계(S6)에서는, 상기 흡수층(140)의 표면에 n+형 또는 p+형 불순물을 이온 주입함으로써, 상기 씨앗층(130) 또는 상기 흡수층(140)과 도전형이 반대인 도핑층(150)을 형성한다. 이러한 도핑층(150)은 대체로 100nm~200nm로 형성할 수 있으나, 이러한 두께로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 물론, 이러한 도핑층(150)의 형성 대신 n+형 또는 p+형 불순물이 포함된 비정질 실리콘층이 형성되어도 좋다.
도 2g에 도시된 바와 같이, 전극(171,172) 형성 단계에서는, 상기 씨앗층(130) 및 상기 도핑층(150)에 각각 전극(171,172)을 형성함으로써, 태양 전지(100)를 완성한다. 여기서, 상기 도핑층(150)에는 투명 도전막 또는 반사 방지층(160)이 더 형성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 전자빔 조사 시간에 따른 p+/p형 비정질 실리콘층의 연속 증착에 따른 SEM 단면 이미지이다. 여기서, 하부의 p+형 비정질 실리콘층은 플라즈마 강화 화학 기상 증착법에 의해 형성된 것이고, 상부의 p형 비정질 실리콘층은 물리 기상 증착법에 의해 형성된 것이다. 더불어, 도3b는 5keV로 10초간 전자빔을 조사한 이미지이고, 도 3c는 5keV 로 30초간 전자빔을 조사한 이미지이며, 도 3d는 60초간 5keV로 60초간 전자빔을 조사한 이미지이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 전자빔의 조사전 하부의 p+형 비정질 실리콘층과 상부의 p형 비정질 실리콘층은 증착 방법의 차이에 의해 계면상 단면을 구분할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 대략 10초간 전자빔을 조사한 이후에는 두층이 한층으로 보이기 시작하였다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 대략 30초간 전자빔을 조사한 이후에는 다시 계면간 분리가 일어나기 시작하였다.
그러나, 도 3d에 도시된 바와 같이, 대략 60초간 전자빔을 조사한 이후에는 에너지 공급에 의해 계면 분리 현상이 사라지면서 초기 조사 시간(10초)의 SEM 이미지보다 좀더 큰 결정립을 갖는 단면 형상이 나타나기 시작했다.
도 4는 부하 전류에 따른 증착율의 변화를 도시한 그래프이다. 여기서, X축은 부하 전류값이고, Y축은 증착율이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가해주는 전류의 세기에 비례하여 증착율이 증가하였으며, 대략 180mA를 인가하였을 경우 초당 대략 80Å의 고속 증착이 됨을 알 수 있다. 그러나, 급격한 증착으로 인해 약간의 들뜸 현상이 발생할 수 있음을 발견하였고, 이를 위해 기판 위에 버퍼층(예를 들면, SiO2)를 대략 300nm 증착후 공정을 수행할 경우, 들뜸 현상이 발생하지 않음을 발견하였다.
한편, 비정질 실리콘층의 증착 속도에 있어서, 스퍼터링(sputtering), PECVD 및 이베퍼레이터(evaporator)중 이베퍼레이터가 가장 좋은 결과를 가지고 있으나, 빠른 증착 속도로 인하여 계면간 접착력 문제가 발생할 수 있다. 이는 기판 위에 바로 증착하는 계면 문제로 판단하여, 기판 위에 p+형 비정질 실리콘을 PECVD로 대략 120nm 증착후 이베퍼레이션을 이용하여 더 두꺼운 두께의 비정질 실리콘층을 형성할 수도 있다.
도 5는 전자빔의 조사 시간에 따른 비저항값의 변화를 도시한 그래프이다. 여기서, X축은 전자빔 조사 시간이고, Y축은 비저항값이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전자빔의 조사 시간이 증가함에 따라 비저항값이 작아짐을 볼 수 있으며, 이는 캐리어 밀도의 증가가 원인으로 판단된다.
도 6는 전자빔의 조사 시간에 따른 캐리어 밀도 및 이동도 분석 결과를 도시한 그래프이다. 여기서, X축은 전자빔 조사 시간이고, Y축은 캐리어 밀도 및 이동도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전자빔의 조사 시간이 증가함에 따라 캐리어 밀도는 증가하였고, 이동도는 감소하였다. 그러나, 상기 이동도는 일반적인 이동도의 값에 비해 낮은 편은 아니다.
여기서, 전자빔 조사 후 다결정 실리콘층에 대한 홀 이펙트 측정 장비(Hall effect measurement)를 이용하여 비저항(resistivity), 캐리어 농도(carrier density), 이동도(mobility)가 측정되었음을 밝혀둔다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 태양 전지
110; 기판 120; 버퍼층
130; 씨앗층 130a; 제1비정질 실리콘층
140; 흡수층 140a; 제2비정질 실리콘층
150; 도핑층 160; 투명 전극 또는 반사 방지층
171, 172; 전극
110; 기판 120; 버퍼층
130; 씨앗층 130a; 제1비정질 실리콘층
140; 흡수층 140a; 제2비정질 실리콘층
150; 도핑층 160; 투명 전극 또는 반사 방지층
171, 172; 전극
Claims (12)
- 기판을 준비하는 기판 준비 단계;
상기 기판에 제1비정질 실리콘층을 증착하는 제1비정질 실리콘층 증착 단계;
상기 제1비정질 실리콘층을 다결정질 실리콘으로 결정화하는 씨앗층 형성 단계;
상기 씨앗층에 제2비정질 실리콘층을 증착하는 제2비정질 실리콘층 증착 단계; 및
상기 제2비정질 실리콘층을 다결정질 실리콘으로 결정화하는 흡수층 형성 단계를 포함하고,
상기 제1비정질 실리콘층 및 상기 제2비정질 실리콘층중 적어도 어느 하나는 물리 기상 증착법으로 형성됨을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 물리 기상 증착법은 전자빔 이베퍼레이션(E-beam Evaporation)에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 물리 기상 증착법은 적어도 0.5㎛/min의 증착 속도로 비정질 실리콘층을 증착함을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1비정질 실리콘층은 플라즈마 강화 화학 기상 증착법으로 형성되고, 상기 제2비정질 실리콘층은 물리 기상 증착법으로 형성됨을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 제1비정질 실리콘층은 100~140nm의 두께로 형성되고,
상기 제2비정질 실리콘층은 1~100㎛의 두께로 형성됨을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 씨앗층 형성 단계 및 상기 흡수층 형성 단계중 적어도 어느 하나는 전자빔 조사에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 전자빔은 아르곤 가스가 플라즈마에 의해 아르곤 이온과 분리된 전자에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 전자빔은 에너지가 3.5~5keV인 것을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 전자빔은 조사 시간이 20초 ~ 120초인 것을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 씨앗층 및 상기 흡수층의 공정 온도는 350~450℃인 것을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 전자빔의 조사시 상기 기판에는 금속층이 형성됨을 특징으로 하는 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 11 항에 기재된 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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| KR1020110095729A KR101194060B1 (ko) | 2011-09-22 | 2011-09-22 | 물리 기상 증착법을 이용한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지 |
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|---|---|---|---|---|
| CN104362184A (zh) * | 2014-09-26 | 2015-02-18 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶硅太阳能电池 |
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2011
- 2011-09-22 KR KR1020110095729A patent/KR101194060B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
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| 논문(2006) |
| 논문(2009) |
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