KR101233206B1 - Photovoltaic Device Including Buffer Layer And Fabrication Method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 새로운 버퍼층의 성장을 통한 고효율의 실리콘 박막형 광기전력 변환소자에 관한 것으로서, 농도구배에 따라 고농도에서 저농도로 조성이 달라지는 주석(Sn)을 포함하는 버퍼층을 투명전도막과 반도체층 사이에 형성한다.The present invention relates to a high-efficiency silicon thin-film photovoltaic conversion device through the growth of a new buffer layer, wherein a buffer layer containing tin (Sn) whose composition varies from high concentration to low concentration according to a concentration gradient is formed between the transparent conductive film and the semiconductor layer. do.

본 발명에 따르면, 수소 플라즈마로 인해 발생하는 투명전도막의 결함과 투명전도막과 반도체층의 접촉저항으로 인한 결함의 발생을 제거하여 고효율과 고신뢰도의 광기전력 변환소자를 얻을 수 있다.According to the present invention, it is possible to obtain a high efficiency and high reliability photovoltaic conversion device by eliminating the defect of the transparent conductive film generated by the hydrogen plasma and the defect caused by the contact resistance of the transparent conductive film and the semiconductor layer.

광기전력 변환소자, 버퍼층, 실리콘, 투명전도막, 반도체층, 수소플라즈마 Photovoltaic conversion element, buffer layer, silicon, transparent conductive film, semiconductor layer, hydrogen plasma

Description

버퍼층을 포함하는 실리콘 박막형 광기전력 변환소자 및 그 제조방법{Photovoltaic Device Including Buffer Layer And Fabrication Method thereof}Silicon thin film type photovoltaic device comprising a buffer layer and a method of manufacturing the same {Photovoltaic Device Including Buffer Layer And Fabrication Method

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a structure of a silicon solar cell according to an embodiment of the prior art.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층을 포함하는 실리콘 박막형 태양전지 구조를 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a silicon thin film solar cell including a buffer layer according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층을 한 개(3a) 또는 두 개(3b)의 층으로 투명전도막 위에 형성하는 공정을 나타내는 모식도이다.3 is a schematic diagram showing a process of forming a buffer layer according to an embodiment of the present invention on a transparent conductive film in one (3a) or two (3b) layers.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층을 투명전도막 위에 형성하는 단계를 나타내는 태양전지의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a solar cell showing a step of forming a buffer layer on a transparent conductive film according to an embodiment of the present invention.

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}} Explanation of symbols for main part of drawing

100,200 : 글래스 기판 101,201,301,401 : 투명전도막100,200: glass substrate 101,201,301,401: transparent conductive film

102,202,302 : p형 반도체층 103,203 : i형 반도체층102,202,302 p-type semiconductor layer 103,203 i-type semiconductor layer

104,204 : n형 반도체층 105,205 : 투명전도막104,204 n-type semiconductor layer 105,205 transparent conductive film

106,206 : 금속전극층 210,310,410 : 버퍼층106,206: metal electrode layer 210,310,410: buffer layer

312,412 : 초기 버퍼층 311,411 : 후기 버퍼층312,412 Initial buffer layer 311,411 Late buffer layer

본 발명은 버퍼층의 성장을 통한 고효율의 실리콘 박막형 광기전력 변환소자와 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 농도구배에 따라 고농도에서 저농도로 조성이 달라지는 주석(Sn)을 포함하는 버퍼층을 불소가 도핑된 SnO2 등의 물질로 이루어진 투명전도막과 p형 반도체층 사이에 형성하여 투명전도막과 반도체층의 결함을 제거하여 고효율과 고신뢰성을 가지는 광기전력 변환소자를 제공하는 것이다.The present invention relates to a highly efficient silicon thin film photovoltaic device and a method of manufacturing the same by growing a buffer layer, and more particularly, a fluorine-containing buffer layer containing tin (Sn) whose composition varies from a high concentration to a low concentration according to a concentration gradient. The present invention provides a photovoltaic device having a high efficiency and high reliability by removing defects between the transparent conductive film and the semiconductor layer by forming between the transparent conductive film made of a doped material such as SnO 2 and the p-type semiconductor layer.

태양광발전은 신 재생 에너지를 이용하여 환경의 파괴를 일으키지 않고 그 에너지원을 어디에서든지 얻을 수 있다는 장점으로 인해 차세대 청정 에너지원으로서의 연구가 활발히 진행되고 있다. Photovoltaic power generation is actively being researched as a next-generation clean energy source due to the advantage that renewable energy can be obtained anywhere without causing environmental damage.

현재 태양광발전용으로 널리 상용화되어 있는 실리콘 단결정 태양전지는 고가의 웨이퍼 사용으로 인한 높은 제조 단가로 인하여 그 사용이 제한받고 있다. Currently, silicon single crystal solar cells, which are widely commercialized for photovoltaic generation, are limited in their use due to high manufacturing costs due to the use of expensive wafers.

이러한 문제를 해결하고 원재료의 비용을 획기적으로 절감하면서도 고효율과 고신뢰도를 얻을 수 있는 박막형 태양전지의 개발을 위해 여러 가지 시도들이 제안되고, 연구되고 있다. Various attempts have been proposed and studied to solve the problem and to develop a thin film solar cell which can achieve high efficiency and high reliability while significantly reducing the cost of raw materials.

현재 제조되고 있는 비정질(amorphous), 미세 결정질(microcrystalline), 그리고 다결정질(polycrystalline)의 실리콘을 이용한 박막형 태양전지는 그 단면구조가 거 1에 도시된 바와 같다.Thin film solar cells using amorphous, microcrystalline, and polycrystalline silicon, which are currently manufactured, have a cross-sectional structure as shown in Fig. 1.

도 1에서 나타난 바와 같이 종래의 태양전지의 구조는 글래스 기판(100) 위에 투명전도막(101), p-i-n 형의 실리콘 반도체층(102, 103, 104), 투명전도막(105), 금속전극층(106)을 차례로 적층시킨 구조이다. As shown in FIG. 1, the structure of a conventional solar cell includes a transparent conductive film 101, a pin-type silicon semiconductor layer 102, 103, 104, a transparent conductive film 105, and a metal electrode layer on a glass substrate 100. 106) is laminated in order.

종래의 태양전지에서 보다 높은 효율을 얻기 위한 방법으로 서로 다른 광학적 밴드갭(band gap)을 가진 이들 태양전지 모듈들을 직렬로 접속시키는 탠덤형 태양전지(tandem cell)의 구조가 제시되고 있다. As a method for obtaining higher efficiency in conventional solar cells, a structure of a tandem cell that connects these solar cell modules having different optical band gaps in series has been proposed.

이러한 태양전지의 구조에서 p형 반도체층은 높은 광학적 밴드갭을 가질 것과 투명전도막과의 뛰어난 계면특성이 요구되는데, 두께 수 십 나노미터(nm) 정도의 비정질이나 미정질의 수소화된 실리콘(Si)층과 SiC층이 높은 효율을 얻기 위한 실리콘 박막형 태양전지에서 대표적으로 이용되고 있다. In the structure of the solar cell, the p-type semiconductor layer has a high optical bandgap and an excellent interfacial property with the transparent conductive film. The amorphous or microcrystalline hydrogenated silicon (Si) having a thickness of several tens of nanometers (nm) is required. Layers and SiC layers are typically used in silicon thin film solar cells for obtaining high efficiency.

하지만 p형 반도체층의 생성을 위해 요구되는 수소 플라즈마(plasma) 환경하에서는 불소가 도핑된 SnO2등으로 이루어진 투명전도막의 안정성이 낮아지고 그로 인하여 전도막의 표면에서 산소의 환원작용(desorption)이 발생하여 전위(dislocation)를 포함하는 다량의 결함(defect)들과 조절불능의 금속 주석(Sn)층의 생성을 피할 수 없게 되는 문제가 생긴다. However, under the hydrogen plasma environment required for the formation of the p-type semiconductor layer, the stability of the transparent conductive film made of fluorine-doped SnO 2 is lowered, resulting in the reduction of oxygen on the surface of the conductive film. A problem arises in which a large amount of defects including dislocations and the generation of an uncontrollable metal tin (Sn) layer are unavoidable.

결과적으로 투명전도막과 p형 반도체층 사이의 계면에는 결함들이 다량 존재 하며, 이들이 캐리어(carrier)의 재결합을 조장하고 광전 변환효율을 감소시키는 역할을 한다. As a result, a large amount of defects exist at the interface between the transparent conductive film and the p-type semiconductor layer, which promotes recombination of carriers and reduces photoelectric conversion efficiency.

이러한 결함들의 생성을 피하기 위해, 투명전도막과 p형 반도체층 사이의 계면에 매우 얇은 수소화된 Si나 SiC 로 이루어진 버퍼층이 일반적으로 삽입된다. To avoid the generation of such defects, a buffer layer made of very thin hydrogenated Si or SiC is generally inserted at the interface between the transparent conductive film and the p-type semiconductor layer.

이들 버퍼층을 삽입하여 투명전도막과 p형 반도체층 사이의 접촉저항을 줄이고, p층의 생성을 위해 요구되는 높은 플라즈마 밀도로부터 투명전극막을 보호하는 시도가 진행되어왔다. 수소화된 SiC가 p형 반도체로 이용될 때 수소화된 미정질 Si을 버퍼층으로 삽입하는 것이 한 예이다. 그러나 이 구조 또한 버퍼층의 생성을 위한 수소 플라즈마의 적용 때문에 결함이 생성되고, 산소 결함 주석(Sn)층이 생성되는 것을 피할 수 없다. 그리고 다정질 투명전도막 위에 이종물질인 버퍼층을 생성시키는 것은 상(phase)이나 격자(lattice)상의 미스매치(mismatch)로 인한 접촉저항을 제거할 수 없다. 또한 수소 플라즈마 환경 하에서 투명전도막 내부에 수소의 벌크 확산(bulk diffusion)으로 인한 변형을 피할 수 없는 문제가 있다. Attempts have been made to insert these buffer layers to reduce the contact resistance between the transparent conductive film and the p-type semiconductor layer and to protect the transparent electrode film from the high plasma density required for the formation of the p layer. One example is the insertion of hydrogenated microcrystalline Si into a buffer layer when hydrogenated SiC is used as a p-type semiconductor. However, this structure is also inevitable due to the application of the hydrogen plasma for the generation of the buffer layer, and the generation of the oxygen defective tin (Sn) layer. In addition, the formation of a buffer layer as a heterogeneous material on the polycrystalline transparent conductive film cannot remove contact resistance due to mismatches of phase or lattice. In addition, there is a problem that deformation due to bulk diffusion of hydrogen in the transparent conductive film in a hydrogen plasma environment is inevitable.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 태양전지 구조의 투명전도막과 반도체층 사이의 결함과 접촉저항에 관한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수소 플라즈마 환경 하에서도 투명전도막이 보호되고 결함생성이 억제되며 투명전도막과 반도체층 간의 접촉저항이 제거되는 구조를 가지는 태양전지를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to solve the problems related to defects and contact resistance between the transparent conductive film and the semiconductor layer of the conventional solar cell structure, the transparent conductive film is protected even under a hydrogen plasma environment and suppressed defect generation The present invention provides a solar cell having a structure in which contact resistance between a transparent conductive film and a semiconductor layer is removed.

또한, 본 발명은 종래 태양전지 제조공정에 대해 별도의 다른 공정을 추가함 없이 의도적으로 농도구배가 조성된 주석을 포함하는 버퍼층을 생성하는 공정만으로 간편하고 효율적으로 종래의 태양전지의 문제점을 해결할 수 있는 태양전지의 제조방법을 제시하는 데 있다.In addition, the present invention can solve the problem of the conventional solar cell simply and efficiently simply by generating a buffer layer containing tin intentionally gradient composition without adding any other process to the conventional solar cell manufacturing process. The present invention provides a method for manufacturing a solar cell.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 광기전력 변환소자는 단일접합 실리콘 기반 태양전지의 구조나 탠덤형 실리콘 기반 태양전지 구조에 존재하는 투명전도막과 q반도체층 사이에 의도적으로 생성된 농도의 조성 경사구조를 가지는 주석(Sn)을 포함하는 단층 또는 다층의 버퍼층을 삽입한다. 즉, 농도구배에 따라 고농도에서 저농도로 조성이 달라지는 주석(Sn)을 포함하는 버퍼층이 투명전도막과 반도체층 사이에 적어도 하나 이상의 층으로 구비될 수 있다.In order to achieve the above object, the photovoltaic conversion device of the present invention has a composition gradient of intentionally generated concentration between a transparent conductive film and q semiconductor layer present in a structure of a single junction silicon-based solar cell or a tandem silicon-based solar cell. A single layer or multilayer buffer layer containing tin (Sn) having a structure is inserted. That is, a buffer layer including tin (Sn) whose composition varies from high concentration to low concentration according to the concentration gradient may be provided as at least one layer between the transparent conductive film and the semiconductor layer.

본 발명에서 상기 버퍼층은 수소화된 SiSn, 수소화된 SiSnO, 수소화된 SiSnC, 수소화된 SiSnCO 등에서 하나 이상 선택되는 물질로 이루어질 수 있다.In the present invention, the buffer layer may be made of at least one material selected from hydrogenated SiSn, hydrogenated SiSnO, hydrogenated SiSnC, hydrogenated SiSnCO and the like.

상기 버퍼층이 다층으로 구비되는 경우, 다층의 버퍼층은 수소화된 SiSn, 수소화된 SiSnO, 수소화된 SiSnC, 수소화된 SiSnCO 등의 물질로 이루어지는 초기 버퍼층과, 수소화된 Si, 수소화된 SiC 등의 물질로 이루어지는 후기 버퍼층일 수 있다.When the buffer layer is provided in multiple layers, the multilayer buffer layer includes an initial buffer layer made of a material such as hydrogenated SiSn, hydrogenated SiSnO, hydrogenated SiSnC, or hydrogenated SiSnCO, and a later layer made of a material such as hydrogenated Si or hydrogenated SiC. It may be a buffer layer.

상기 버퍼층의 결정구조는 비정질, 미세 결정질(미정질) 또는 다결정질(다정질) 구조를 가질 수 있으며 p형으로 도핑되거나 도핑없이 형성될 수 있다.The crystal structure of the buffer layer may have an amorphous, fine crystalline (microcrystalline) or polycrystalline (polycrystalline) structure and may be doped with p-type or without doping.

본 발명에서 상기 투명전도막은 특히 불소(F)가 도핑된 산화주석(SnO2) 또는 도핑되지 않은 산화주석(SnO2)을 포함할 수 있고, 상기 반도체층은 특히 수소화된 Si 또는 수소화된 SiC로 구성되는 p형 반도체층일 수 있다.In the present invention, the transparent conductive film may include, in particular, tin oxide (SnO 2 ) doped with fluorine (F) or undoped tin oxide (SnO 2 ), and the semiconductor layer is particularly hydrogenated Si or hydrogenated SiC. It may be a p-type semiconductor layer constituted.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 광기전력 변환소자의 제조방법은 투명전도막 위에 농도구배에 따라 고농도에서 저농도로 조성이 달라지는 주석(Sn)을 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계와 상기 버퍼층 위에 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a photovoltaic conversion device according to the present invention includes forming a buffer layer including tin (Sn) whose composition varies from a high concentration to a low concentration according to a concentration gradient on a transparent conductive film and a semiconductor layer on the buffer layer. Forming a step.

버퍼층을 다층으로 형성할 경우 상기 버퍼층을 형성하는 단계는 초기 버퍼층으로부터 후기 형성 버퍼층으로 연속적으로 성장될 수 있다. When the buffer layer is formed in multiple layers, the forming of the buffer layer may be continuously grown from the initial buffer layer to the late formation buffer layer.

초기 버퍼층은, Sn층 또는 산소결함 SnO층을 형성한 후 이들 물질층이 수소화된 Si, 수소화된 C, 수소화된 SiH4, 및 수소화된 CH4 등의 가스분위기 하에서 수소화된 SiSn층, 수소화된 SiSnO층, 수소화된 SiSnC층, 수소화된 SiSnCO층 등으로 전환되는 과정에 의해 형성될 수 있다. 전환이 진행될수록 주석(Sn)의 농도는 투명전도막과 접촉된 경계면에서 고농도이다가 점차 상부로 갈수록 저농도로 구배되는 농도의 경사구조를 가지게 될 수 있다.The initial buffer layer is a layer of hydrogenated SiSn, hydrogenated SiSnO under a gas atmosphere such as hydrogenated Si, hydrogenated C, hydrogenated SiH 4 , and hydrogenated CH 4 after formation of a Sn layer or an oxygen-deficient SnO layer. Layer, hydrogenated SiSnC layer, hydrogenated SiSnCO layer and the like can be formed by the process of conversion. As the conversion proceeds, the tin (Sn) concentration may have a high concentration at the interface in contact with the transparent conductive film, and may have an inclined structure having a concentration gradient gradually toward the upper portion.

상기 초기 버퍼층의 두께는 Sn층 또는 산소결함 SnO층을 형성할 때 주입되는 수소(H2) 양에 의해 조절될 수 있으며, 그 두께는 수십 나노미터 수준인 것으로 1nm 내지 90nm이 바람직하다.The thickness of the initial buffer layer may be controlled by the amount of hydrogen (H 2 ) injected when the Sn layer or the oxygen-deficient SnO layer is formed, and the thickness thereof is in the range of several tens of nanometers, preferably 1 nm to 90 nm.

본 발명에서 상기 후기 버퍼층은 초기 버퍼층이 계속 성장하여 Sn이 존재하 지 않는 수소화된 Si 또는 수소화된 SiC으로 조성될 수 있다.In the present invention, the late buffer layer may be composed of hydrogenated Si or hydrogenated SiC in which the initial buffer layer continues to grow and Sn is not present.

일반적으로 투명반사막과 p형 반도체층의 계면에는 이종 물질의 뉴클리에이션(nucleation)에 의해 심각한 접촉저항이 발생하지만, 본 발명에서는 계면 접촉저항은 Sn을 포함하는 버퍼층의 조성을 연속적으로 변화시킴으로써 감소될 수 있다. In general, serious contact resistance is generated at the interface between the transparent reflective film and the p-type semiconductor layer by nucleation of heterogeneous materials. However, in the present invention, the interface contact resistance can be reduced by continuously changing the composition of the buffer layer containing Sn. Can be.

버퍼층의 상하부 계면에서는 이종물질의 3차원 뉴클리에이션(3D-nucleation)이 진행되지 않으므로, 이들 계면에서 버퍼층과 투명전도막 그리고 버퍼층과 p형 반도체층간에 아주 뛰어난 접촉을 이룬다. Since 3D nucleation of heterogeneous materials does not proceed at the upper and lower interfaces of the buffer layer, there is an excellent contact between the buffer layer, the transparent conductive film, and the buffer layer and the p-type semiconductor layer at these interfaces.

투명전도막과 그에 인접한 하부 버퍼층의 계면에서 SnO2로부터 SiSn 이나 SiSnC로의 조성의 점진적인 변화는 그 계면에서 부적응면(misfit)을 상쇄시켜 결함의 생성을 억제할 수 있다. Gradual changes in the composition of SnO 2 to SiSn or SiSnC at the interface between the transparent conductive film and the lower buffer layer adjacent thereto may cancel misfit at the interface and thus suppress the generation of defects.

또한 상부 버퍼층인 Si나 SiC로부터 동종 물질인 p형 반도체층으로의 전환도 계면에서의 결함없이 진행될 수 있다. In addition, the conversion from Si or SiC, which is an upper buffer layer, to a p-type semiconductor layer, which is a homogeneous material, can also proceed without defects at the interface.

그리고 SiSnC 화합물에서 Sn과 C의 상대농도의 변화를 가해줌으로써 격자크기(lattice dimension)를 SiC나 Si의 그것과 아주 근접하는 값으로 조절할 수 있다.And by adding a change in the relative concentration of Sn and C in the SiSnC compound, the lattice size can be adjusted to a value very close to that of SiC or Si.

버퍼층은 성장조건에 따라 비정질 또는 미정질 또는 다정질로 성장될 수 있다. SiSn에서 약 2%이상의 Sn 조성과 SiSnC에서 약 2.5%이상의 Sn조성은 미정질에서 nucleation을 통한 정질로의 변화를 유도함으로써 기존의 방법에서는 가능하지 않은 낮은 plasma power, 낮은 plasma frequency, 낮은 성장온도, 낮은 수소비에서 도 미정질이나 다정질 버퍼층의 성장을 구현할 수 있다. 플라즈마에 의한 손상은 이들 버퍼층의 성장조건에서 억제될 수 있다. The buffer layer may be grown amorphous, microcrystalline or polycrystalline depending on the growth conditions. Sn composition of about 2% or more in SiSn and Sn composition of more than 2.5% in SiSnC induces a change from microcrystalline to crystalline through nucleation, resulting in low plasma power, low plasma frequency, low growth temperature, Even at low hydrogen ratios, growth of microcrystalline or polycrystalline buffer layers can be achieved. Damage by plasma can be suppressed in the growth conditions of these buffer layers.

그리고 상기 버퍼층은 플라즈마로 인한 결함을 획기적으로 줄일 수 있는 낮은 플라즈마 밀도에서 p형 반도체층의 미정질 또는 다정질화를 유도할 수 있다. 비정질이 요구되는 버퍼층일 경우에는, SiSn에서 Sn 농도을 2% 이하로 낮춤으로써, SiSnC에서 Sn 농도를 낮추거나 또는 Sn에 대해 C의 상대농도를 높임으로써 정질로의 nucleation없이 비정질을 유지할 수 있다.The buffer layer may induce microcrystallization or polycrystallization of the p-type semiconductor layer at a low plasma density that can significantly reduce defects caused by plasma. In the case of an amorphous buffer layer, by lowering the Sn concentration to 2% or less in SiSn, it is possible to maintain the amorphous state without nucleation by reducing the Sn concentration in SiSnC or increasing the relative concentration of C to Sn.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

하기의 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.In adding reference numerals to the components of the following drawings, the same components, even if displayed on the other drawings to have the same reference numerals as much as possible and known functions that are determined to unnecessarily obscure the subject matter of the invention Detailed description of the configuration will be omitted.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 변환소자의 적층구조를 개략적으로 나타낸 단면도로서, 이를 참조하면 글래스 기판(200) 상에 투명전도막(201), 버퍼층(210), p형 반도체층(202), i형 반도체층(203), n형 반도체층(204), 투명전도막(205) 및 금속전극층(206)으로 순차적으로 구성되어 있으나 이는 하나의 실시예일뿐, 이에 의하여 본 발명이 여기에 한정되지는 않는다. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a stacked structure of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention. Referring to this, the transparent conductive film 201, the buffer layer 210, and the p-type semiconductor are formed on the glass substrate 200. The layer 202, the i-type semiconductor layer 203, the n-type semiconductor layer 204, the transparent conductive film 205, and the metal electrode layer 206 are sequentially formed, but this is only one embodiment. This is not limited to this.

또한 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼층(310,311,312) 한 개(도 3a) 또는 두 개(도 3b)층을 투명전도막(301)과 p형 반도체층(302) 사이에 형성하는 공정을 도식화한 것이다. 도 3과 같이 Sn을 포함하는 조성이 두께에 따라 변화하는 단층 또는 다층 구조의 버퍼층을 생성시킴으로써, 투명전도막과 버퍼층의 계면 및 버퍼층과 p형 반도체층의 계면에서 부적응면(misfit)에 의해 생성되는 결함들을 급격히 줄여 효율을 증가 시킬 수 있는 구조이다.3 is a process of forming one (FIG. 3A) or two (FIG. 3B) layers between the transparent conductive film 301 and the p-type semiconductor layer 302 according to an embodiment of the present invention. It is a schematic diagram. As shown in FIG. 3, by generating a buffer layer having a single layer or a multilayer structure in which a Sn-containing composition varies with thickness, it is generated by misfit at the interface between the transparent conductive film and the buffer layer and at the interface between the buffer layer and the p-type semiconductor layer. It is a structure that can increase efficiency by reducing drastically.

도 3a는 투명전도막(301)상에 한 개의 버퍼층(310)을 형성한 것으로서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명전도막은 불소(F)가 도핑된 SnO2로 구성할 수 있으며, 수소화된 Si-C 가스 또는 수소화규소(SiH4)또는 메탄(CH4)가스를 수소와 함께 또는 수소 없이 낮은 플라스마 에너지, 낮은 주파수, 낮은 기판온도, 낮은 가스 유동비(flow rate)하에서 반응시켜서 버퍼층을 형성할 수 있다. 이 때 버퍼층은 수소화된 SiSnC이며 주석(Sn)의 농도는 투명전도막의 계면부에서는 높다가 점차 위로 갈수록 감소된다. 3A illustrates that one buffer layer 310 is formed on the transparent conductive film 301. According to an embodiment of the present invention, the transparent conductive film may be formed of SnO 2 doped with fluorine (F) and hydrogenated. Si-C gas or silicon hydride (SiH 4 ) or methane (CH 4 ) gas with or without hydrogen reacts under low plasma energy, low frequency, low substrate temperature, low gas flow rate to form a buffer layer can do. At this time, the buffer layer is hydrogenated SiSnC and the concentration of tin (Sn) is high at the interface portion of the transparent conductive film and gradually decreases upward.

상기 버퍼층(310)을 형성한 후, 수소화규소(SiH4) 또는 수소화규소(SiH4) 및 메탄(CH4)가스를 수소와 함께 또는 수소 없이 버퍼층의 형성시보다 높은 플라스마 에너지, 고 주파수, 고 기판온도, 고 가스 유동비(flow rate)하에서 반응시켜서 연속적으로 p형 반도체층을 형성할 수 있다. 이 때 p형 반도체층은 비정질, 미정질 또는 다정질의 수소화된 실리콘(Si) 또는 SiC로 이루어질 수 있다.After the formation of the buffer layer 310, silicon hydride (SiH 4 ) or silicon hydride (SiH 4 ) and methane (CH 4 ) gas with or without hydrogen, higher plasma energy, higher frequency, higher The p-type semiconductor layer can be continuously formed by reacting at a substrate temperature and a high gas flow rate. In this case, the p-type semiconductor layer may be formed of amorphous, microcrystalline, or polycrystalline hydrogenated silicon (Si) or SiC.

도 3b는 투명전도막(301)상에 두 개의 버퍼층을 형성한 것으로서 초기에 형 성된 초기 버퍼층(312)에 연속하여 후기 버퍼층(311)이 형성된 것이다.FIG. 3B shows two buffer layers formed on the transparent conductive film 301, and the late buffer layer 311 is formed in succession to the initially formed initial buffer layer 312.

도 3b에 따른 본 발명의 태양전지는 단일 버퍼층의 형성과 마찬가지로, 투명전도막은 불소(F)가 도핑된 SnO2로 구성할 수 있고, 수소화된 Si-C 가스 또는 수소화규소(SiH4)또는 메탄(CH4)가스를 수소와 함께 또는 수소 없이 주입하면서 낮은 플라스마 에너지, 낮은 주파수, 낮은 기판온도, 낮은 가스 유동비(flow rate)하에서 반응시켜서 초기 버퍼층(312)을 형성할 수 있다.In the solar cell of the present invention according to FIG. 3B, as in the formation of a single buffer layer, the transparent conductive film may be composed of SnO 2 doped with fluorine (F), and hydrogenated Si-C gas or silicon hydride (SiH 4 ) or methane. The initial buffer layer 312 can be formed by reacting (CH 4 ) gas with or without hydrogen, under low plasma energy, low frequency, low substrate temperature, and low gas flow rate.

이 때 초기 버퍼층은 수소화된 SiSnC이며 주석(Sn)의 농도는 투명전도막의 계면부에서는 높다가 점차 위로 갈수록 감소되는 농도 경사를 이룬다. At this time, the initial buffer layer is hydrogenated SiSnC and the concentration of tin (Sn) is increased at the interface portion of the transparent conductive film and forms a concentration gradient gradually decreasing upward.

상기 초기 버퍼층(312)을 형성한 후, 수소화규소(SiH4) 또는 수소화규소(SiH4) 및 메탄(CH4)가스를 수소와 함께 또는 수소 없이 주입하고 버퍼층의 형성시보다 높은 플라스마 에너지, 고 주파수, 고 기판온도, 고 가스 유동비(flow rate)하에서 반응시키면 p형 반도체층의 형성 전에, 농도가 희박해진 주석(Sn)과 반응하지 못하고 수소화된 SiC층을 연속적으로 형성하게 되는데 이것이 후기 버퍼층(311)을 형성할 수 있다. After the initial buffer layer 312 is formed, silicon hydride (SiH 4 ) or silicon hydride (SiH 4 ) and methane (CH 4 ) gases are injected with or without hydrogen and have higher plasma energy and higher than when the buffer layer is formed. Reaction under high frequency, high substrate temperature, and high gas flow rate results in the formation of hydrogenated SiC layers that do not react with thinned tin (Sn) before formation of the p-type semiconductor layer, which is a late buffer layer. 311 may be formed.

후기 버퍼층의 형성 후에는 비정질, 미정질 또는 다정질의 수소화된 실리콘(Si) 또는 SiC로 이루어지는 p형 반도체층이 형성되므로 후기 버퍼층의 물질과 동일선상에서 구비되어 접촉저항이 크게 감소하는 효과를 얻을 수 있고 결함의 발생이 현저하게 줄어들게 된다.After the formation of the late buffer layer, a p-type semiconductor layer made of amorphous, microcrystalline or polycrystalline hydrogenated silicon (Si) or SiC is formed, so that the contact resistance is greatly reduced because it is provided in the same line as the material of the late buffer layer. The occurrence of defects is significantly reduced.

상기 도 3a 및 도 3b에서 알 수 있듯이, 버퍼층의 초기성장은 낮은 플라스마 에너지를 이용하여 투명전도막의 표면에서 산소의 환원작용(desorption)에 의해 아주 얇은 두께의 결합이 이완된(relaxed) 구조의 Sn층 또는 산소결함(O-deficient) SnO층의 형성으로 시작된다. Sn층은 이후 공정 단계에서 기체상태의 Si와 C(또는 Si)와의 반응으로 완전히 SiSnC (또는 SiSn) 화합물로 전환될 수 있는 최대 수십 나노미터 수준 이하의 두께를 가져야 한다. 낮은 플라즈마 밀도는 낮은 플라즈마 에너지 및/또는 낮은 플라즈마 주파수 및/또는 낮은 성장온도를 적용함으로써 얻어진다. Sn층의 형성과정에서 많은 양의 H로 인한 급격한 산소의 환원반응을 방지하기 위해 반응기에 주입되는 H2는 적은 양으로 제한된다. As can be seen in FIGS. 3A and 3B, the initial growth of the buffer layer is performed by using Sn plasma having a very thin thickness relaxed by a desorption of oxygen at the surface of the transparent conductive film using low plasma energy. It begins with the formation of a layer or an O-deficient SnO layer. The Sn layer should have a thickness of up to several tens of nanometers or less, which can be fully converted to SiSnC (or SiSn) compounds by reaction of gaseous Si with C (or Si) in subsequent process steps. Low plasma density is obtained by applying low plasma energy and / or low plasma frequency and / or low growth temperature. In order to prevent the rapid reduction of oxygen due to the large amount of H during the formation of the Sn layer, H 2 injected into the reactor is limited to a small amount.

버퍼층의 두께는 H2의 주입 양이 감소할수록 산소의 환원반응이 억제되고 그 결과로 Sn층의 생성이 제한되므로 감소한다. 이러한 초기 성장 단계에서 성장 조건이 상기와 같이 조절되지 않는다면 종래 기술에서 보여지는 것과 같이 급격한 산소의 환원작용에 의해 표면에 높은 밀도의 결함들이 생성되고 이후 공정으로서는 제거할 수 없는 두께의 Sn층이 생성된다. The thickness of the buffer layer decreases as the amount of H 2 injected decreases, thereby reducing the oxygen reduction reaction and consequently restricting the generation of the Sn layer. If the growth conditions are not controlled as described above in this initial growth stage, high density defects are generated on the surface by rapid oxygen reduction as shown in the prior art, and a Sn layer having a thickness that cannot be removed by a subsequent process is generated. do.

상기의 Sn층이나 산소결함 Sn층과 기상으로부터 전달되는 Si 및/또는 C 원소들의 반응으로 인해 초기 버퍼층이 형성되고 Sn의 농도구배가 이루어진다. 즉 Sn층을 통한 확산(Sn층으로 Si와 C의 주입 벌크 확산이나 Sn층으로부터 Sn의 유출 확산)에 의해 SiSn 또는 SiSnC 로 구성되는 버퍼층이 생성되며 이로 인해 Sn층은 상부 p형 반도체층과 이루는 계면부에서는 거의 소멸된다. 그 초기 버퍼층의 두께는 1 nm 이하에서 수십 나노미터로서 관측된다. Due to the reaction between the Sn layer or the oxygen-deficient Sn layer and Si and / or C elements transferred from the gas phase, an initial buffer layer is formed and a concentration gradient of Sn is achieved. That is, a buffer layer composed of SiSn or SiSnC is generated by diffusion through the Sn layer (injection bulk diffusion of Si and C into the Sn layer or diffusion of Sn outflow from the Sn layer), whereby the Sn layer forms an upper p-type semiconductor layer. Almost disappear at the interface. The thickness of the initial buffer layer is observed as tens of nanometers below 1 nm.

Sn층 내에서의 확산을 돕기 위해 성장 온도는 금속 주석(metal Sn)의 녹는점인 232℃ 근처에서 유지된다. 이 성장 온도는 불소가 도핑된 SnO2으로 이루어진 투명전도막의 저항값에 영향을 미치지 않는 충분히 낮은 값이다. The growth temperature is maintained near 232 ° C., the melting point of metal tin, to aid diffusion in the Sn layer. This growth temperature is a sufficiently low value that does not affect the resistance value of the transparent conductive film made of fluorine-doped SnO 2 .

투명전도막과 초기 버퍼층 사이의 계면에서 결함을 줄이고 계면 접촉저항을 낮추기 위해서 상기 확산의 정확한 조절에 의해 초기 버퍼층 내 Sn의 농도가 두께에 따라 점진적으로 감소하고 Si/Sn/C 조성비가 두께에 따라 변화하는 조성 경사를 가진 초기 버퍼층을 생성한다. 투명전도막과 초기 버퍼층의 계면에서는 다량의 Sn이 존재하여 실제적으로 이종물질간의 급격한 변화가 아닌 SnO2로부터 SiSn 이나 SiSnC로의 조성의 점진적인 변화가 발생한다. In order to reduce defects and lower interfacial contact resistance at the interface between the transparent conductive film and the initial buffer layer, the concentration of Sn in the initial buffer layer gradually decreases with thickness and the Si / Sn / C composition ratio decreases with the thickness by precisely controlling the diffusion. Create an initial buffer layer with varying composition gradients. At the interface between the transparent conductive film and the initial buffer layer, a large amount of Sn is present, so that a gradual change in the composition from SnO 2 to SiSn or SiSnC occurs, rather than a sudden change between heterogeneous materials.

이는 플라즈마 에너지와 주파수, 수소화규소(SiH4)/메탄(CH4)/수소(H2) 의 유동비(flow rate), 그리고 기판 성장온도를 이용해서 정밀하게 조절함으로써 기상으로부터 반응 표면에 도달하는 Si 와 C의 양을 소량으로 유지하여 얻어질 수 있다. This is precisely controlled using plasma energy and frequency, the flow rate of silicon hydride (SiH 4 ) / methane (CH 4 ) / hydrogen (H 2 ), and substrate growth temperature to reach the reaction surface from the gas phase. It can be obtained by keeping the amounts of Si and C in a small amount.

본 발명에서는 주입되는 기체의 양을 연속적으로 증가시키는 것이나 각각의 기체들의 주입 시점을 달리하는 것, 또는 플라즈마 에너지를 서서히 증가시키는 방법들이 제안된다. In the present invention, methods for continuously increasing the amount of injected gas, changing the injection timing of each gas, or increasing the plasma energy gradually are proposed.

주입 기체로는 SI-H 또는 Si-C-H를 포함하는 기체들이 사용될 수 있으며 H2-SiH4-CH4, H2-SiH4, H2-CH4, SiH4-CH4들의 혼합가스들이 여기에 포함된다. 그리고 상 기 초기 버퍼층은 성장조건에 따라 산소의 확산에 의해 무시할 수 없는 농도의 산소가 포함될 수 있다. 이 경우 버퍼층의 조성은 수소화된 SiSnO 또는 수소화된 SiSnCO가 된다.Gases containing SI-H or Si-CH may be used as the injection gas, and mixed gases of H 2 -SiH 4 -CH 4 , H 2 -SiH 4 , H 2 -CH 4 , and SiH 4 -CH 4 are excited. Included in The initial buffer layer may include oxygen in a concentration that cannot be ignored by diffusion of oxygen depending on growth conditions. In this case, the composition of the buffer layer is hydrogenated SiSnO or hydrogenated SiSnCO.

초기 버퍼층의 성장이 두께의 증가로 인하여 반응 표면에서의 확산을 통한 Sn의 공급을 제한받게 되어 멈춘 후에는 Sn이 존재하지 않는 수소화된 Si 또는 수소화된 SiC을 조성으로 가지는 후기 버퍼층의 성장이 연속적으로 진행된다. 또한 버퍼층에서 p형 반도체층으로의 성장의 변환은 주입 기체의 조성과 유동비(flow rate), 플라즈마 에너지, 플라즈마 주파수, 기판 성장온도의 변화에 의해 진행된다. 도 4는 다층의 버퍼층을 가지는 태양전지의 제조과정 중 초기 버퍼층의 성장에서 후기 버퍼층의 성장으로의 진행을 나타내고 있다. After the growth of the initial buffer layer was stopped due to the increase in thickness, the supply of Sn through diffusion on the reaction surface was stopped, and then the growth of the late buffer layer having the composition of hydrogenated Si or hydrogenated SiC without Sn was continuously performed. Proceed. In addition, the conversion of the growth from the buffer layer to the p-type semiconductor layer is performed by changing the composition of the injection gas, flow rate, plasma energy, plasma frequency, and substrate growth temperature. 4 shows the progression from the growth of the initial buffer layer to the growth of the late buffer layer during the fabrication of a solar cell having a multilayer buffer layer.

도 4를 참조하면 버퍼층의 출발 물질에서 Sn이 표면으로 외부 확산되면서 외부의 Si 또는 SiC 등의 가스분위기 하에서 결합되어 전환되는 과정을 알 수 있다.Referring to Figure 4 it can be seen that in the starting material of the buffer layer Sn is externally diffused to the surface is combined and converted under an external gas atmosphere such as Si or SiC.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, but those skilled in the art can vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be appreciated that modifications and variations can be made.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 높은 광전 변환 효율을 갖는 태양전지 소자를 경제적이고 효율적으로 제조할 수 있게 된다. 본 발명이 상용화되면 차세대 청정 에너지원으로서 지구 환경 보전에 기여할 것이고, 공공시설, 민간시설, 군수시설 등에 직접 응용되어 막대한 경제적 가치를 창출할 수 있을 것이다. As described above, according to the present invention, it is possible to economically and efficiently manufacture a solar cell element having a high photoelectric conversion efficiency. When the present invention is commercialized, it will contribute to the preservation of the global environment as a next-generation clean energy source, and can be applied directly to public facilities, private facilities, military facilities, etc., and can generate enormous economic value.

Claims (15)

농도구배에 따라 고농도에서 저농도로 조성이 달라지는 주석(Sn)을 포함하는 버퍼층이 투명전도막과 반도체층 사이에 적어도 하나 이상의 층으로 구비되는 광기전력 변환소자.A photovoltaic device comprising: a buffer layer comprising tin (Sn) whose composition varies from high concentration to low concentration according to a concentration gradient, provided with at least one layer between the transparent conductive film and the semiconductor layer. 제 1항에 있어서, 상기 버퍼층은 수소화된 SiSn, 수소화된 SiSnO, 수소화된 SiSnC, 수소화된 SiSnCO로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자.The photovoltaic device of claim 1, wherein the buffer layer is formed of at least one material selected from the group consisting of hydrogenated SiSn, hydrogenated SiSnO, hydrogenated SiSnC, and hydrogenated SiSnCO. 제 1항에 있어서, 상기 버퍼층이 다층의 버퍼층을 포함하고, The method of claim 1, wherein the buffer layer comprises a multilayer buffer layer, 상기 다층의 버퍼층은 수소화된 SiSn, 수소화된 SiSnO, 수소화된 SiSnC, 수소화된 SiSnCO로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는 초기 버퍼층과, 수소화된 Si, 수소화된 SiC로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는 후기 버퍼층인 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자.The multilayer buffer layer includes an initial buffer layer comprising at least one material selected from the group consisting of hydrogenated SiSn, hydrogenated SiSnO, hydrogenated SiSnC, and hydrogenated SiSnCO, and at least one selected from the group consisting of hydrogenated Si and hydrogenated SiC. A photovoltaic device, characterized in that the late buffer layer made of a material. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 버퍼층의 결정구조는 비정질, 미세 결정질, 및 다결정질 구조 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자.The photovoltaic device according to any one of claims 1 to 3, wherein the crystal structure of the buffer layer is any one of an amorphous, a microcrystalline, and a polycrystalline structure. 제 1항에 있어서, 상기 투명전도막은 불소(F)가 도핑된 산화주석(SnO2) 또는 도핑되지 않은 산화주석(SnO2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자.The photovoltaic device of claim 1, wherein the transparent conductive film comprises tin oxide (SnO 2 ) doped with fluorine (F) or undoped tin oxide (SnO 2 ). 제 1항에 있어서, 상기 반도체층은 수소화된 Si 또는 수소화된 SiC로 구성되는 p형 반도체층인 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자.The photovoltaic device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is a p-type semiconductor layer composed of hydrogenated Si or hydrogenated SiC. 투명전도막 위에 농도구배에 따라 고농도에서 저농도로 조성이 달라지는 주석(Sn)을 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계; 및 Forming a buffer layer including tin (Sn) on the transparent conductive film, the composition of which is varied from high concentration to low concentration according to a concentration gradient; And 상기 버퍼층 위에 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 광기전력 변환소자의 제조방법.A method of manufacturing a photovoltaic device comprising the step of forming a semiconductor layer on the buffer layer. 제 7항에 있어서, 상기 버퍼층은 단층으로 형성하고, 수소화된 SiSn, 수소화된 SiSnO, 수소화된 SiSnC, 수소화된 SiSnCO로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자의 제조방법.The photovoltaic device of claim 7, wherein the buffer layer is formed of a single layer and is formed of at least one material selected from the group consisting of hydrogenated SiSn, hydrogenated SiSnO, hydrogenated SiSnC, and hydrogenated SiSnCO. Way. 제 7항에 있어서, 상기 버퍼층은 초기 버퍼층으로부터 후기 형성 버퍼층으로 연속적으로 성장되는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자의 제조방법.The method of claim 7, wherein the buffer layer is continuously grown from an initial buffer layer to a late formation buffer layer. 제 9항에 있어서, 상기 초기 버퍼층은,The method of claim 9, wherein the initial buffer layer, Sn층 또는 산소결함 SnO층을 형성하는 단계와, 및Forming a Sn layer or an oxygen-deficient SnO layer, and 상기 Sn층 또는 산소결함 SnO층이 수소화된 Si, 수소화된 C, 수소화된 SiH4, 및 수소화된 CH4로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상의 가스분위기 하에서 수소화된 SiSn층, 수소화된 SiSnO층, 수소화된 SiSnC층, 수소화된 SiSnCO층으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상의 층으로 전환되는 단계에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자의 제조방법.The Sn layer or oxygen-deficient SnO layer is hydrogenated SiSn layer, hydrogenated SiSnO layer, hydrogenated under one or more gas atmospheres selected from the group consisting of hydrogenated Si, hydrogenated C, hydrogenated SiH 4 , and hydrogenated CH 4 Method of manufacturing a photovoltaic device, characterized in that formed by the step of converting into at least one layer selected from the group consisting of SiSnC layer, hydrogenated SiSnCO layer. 제 10항에 있어서, 상기 초기 버퍼층의 두께는 Sn층 또는 산소결함 SnO층을 형성할 때 주입되는 수소(H2) 양에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자의 제조방법.The method of claim 10, wherein the thickness of the initial buffer layer is controlled by the amount of hydrogen (H 2 ) injected when the Sn layer or the oxygen-deficient SnO layer is formed. 제 11항에 있어서, 상기 초기 버퍼층의 두께는 1nm 내지 90nm인 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자의 제조방법.The method of claim 11, wherein the initial buffer layer has a thickness of about 1 nm to about 90 nm. 제 9항에 있어서, 상기 후기 버퍼층은 초기 버퍼층이 계속 성장하여 Sn이 존재하지 않는 수소화된 Si 또는 수소화된 SiC으로 조성된 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the late buffer layer is formed of hydrogenated Si or hydrogenated SiC in which the initial buffer layer is continuously grown and Sn is not present. 제 7항에 있어서, 상기 투명전도막은 불소(F)가 도핑된 산화주석(SnO2) 또는 도핑되지 않은 산화주석(SnO2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자의 제조방법.The method of claim 7, wherein the method for manufacturing a photovoltaic conversion element characterized by including the transparent conductive film is fluorine (F) doped tin oxide (SnO 2) or non-doped tin oxide (SnO 2). 제 7항에 있어서, 상기 반도체층은 수소화된 Si 또는 수소화된 SiC로 구성되는 p형 반도체층인 것을 특징으로 하는 광기전력 변환소자의 제조방법.The method of manufacturing a photovoltaic device according to claim 7, wherein the semiconductor layer is a p-type semiconductor layer composed of hydrogenated Si or hydrogenated SiC.
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