KR101303471B1 - 박막 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판, 상기 기판 상에 위치하는 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 위치하는 흡수층 및 상기 흡수층 상에 위치하는 제 2 전극을 포함하며, 상기 흡수층은 상기 기판과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막을 포함하는 박막 태양전지에 관한 것이다.
박막 태양전지
Description
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 비정질 실리콘과 다결정 실리콘을 포함하는 흡수층을 구비한 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어, 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되어 오고 있다.
이 중 태양에너지를 이용한 태양전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고, 환경 친화적이므로 1983년 Se 태양전지를 개발한 이후로 지난 수십 년간 많은 연구가 되어 왔다. 현재 상용화된 단결정 벌크 실리콘을 이용한 태양전지는 높은 제조 단가 및 설치 비용으로 인하여 적극적인 활용이 이루어지지 못하는 상황 이다.
이러한 비용 문제를 해결하기 위하여 박막 태양전지에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 비정질 실리콘(a-Si:H)을 이용한 박막 태양전지는 대면적 태양전지를 저가로 제작할 수 있는 기술로서 많은 관심을 받고 있다.
일반적으로, 박막 태양전지는 기판에 제 1 전극, 흡수층, 제 2 전극이 적층된 형태로 구성될 수 있으며, 제 1 전극 표면에 거대 요철을 형성시키기 위한 텍스쳐링 공정이 수행하거나, 흡수층의 비정질 실리콘을 결정화 하는 등의 효율 향상을 위하여 다양한 노력을 기울이고 있다.
따라서, 본 발명은 비정질 실리콘 및 다결정 실리콘을 포함하는 흡수층을 형성함으로써, 가시광 영역의 넓은 파장대를 흡수하여 효율을 향상시킬 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 태양전지는 기판, 상기 기판 상에 위치하는 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 위치하는 흡수층 및 상기 흡수층 상에 위치하는 제 2 전극을 포함하며, 상기 흡수층은 상기 기판과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막을 포함할 수 있다.
상기 다결정 실리콘막과 상기 비정질 실리콘막은 스트라입 패턴 형상으로 위치할 수 있다.
상기 다결정 실리콘막 및 상기 비정질 실리콘막의 일단은 상기 제 1 전극과 접하고, 상기 다결정 실리콘막 및 상기 비정질 실리콘막의 타단은 상기 제 2 전극과 접할 수 있다.
상기 제 1 전극의 표면은 요철이 형성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계, 상기 제 1 전극 상에 상기 제 1 기판과 수직하는 방향 으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막 포함하는 흡수층을 형성하는 단계 및 상기 흡수층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막 포함하는 흡수층을 형성하는 단계는, 상기 제 1 전극 상에 금속 시드를 형성하는 단계 및 상기 금속 시드가 형성된 상기 제 1 전극 상에 비정질 실리콘을 증착하여, 상기 금속 시드가 위치한 영역을 다결정 실리콘막으로 성장시키고, 그 외의 영역을 비정질 실리콘막으로 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막 포함하는 흡수층을 형성하는 단계는, 상기 제 1 전극 상에 비정질 실리콘을 증착하는 단계, 상기 비정질 실리콘의 일부 영역에 레이저를 조사하여 다결정 실리콘으로 결정화하는 단계 및 상기 비정질 실리콘과 상기 다결정 실리콘이 형성된 실리콘막 상에 비정질 실리콘을 증착하여, 상기 다결정 실리콘이 위치한 영역을 다결정 실리콘막으로 성장시키고, 그 외의 영역을 비정질 실리콘막으로 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계, 상기 제 1 전극 상에 상부 비정질 실리콘막을 증착하고 상기 상부 비정질 실리콘막에 레이저를 조사하여, 상기 상부 비정질 실리콘막의 일부를 결정화하여 다결정 실리콘막을 포함하는 흡수층을 형성하는 단계 및 상기 흡수층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 상부 비정질 실리콘막은 상기 기판과 인접하게 위치하고, 상기 상부 비정질 실리콘막 상에 다결정 실리콘막이 위치하도록 형성할 수 있다.
상기 상부 비정질 실리콘막을 증착하기 이전에, 상기 제 1 전극 상에 하부 비정질 실리콘막을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 박막 태양전지 및 그 제조방법은 비정질 실리콘 및 다결정 실리콘을 포함하는 흡수층을 형성함으로써, 가시광 영역의 넓은 파장대를 흡수하여 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들을 자세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 태양전지를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 태양전지(100)는 기판(110), 상기 기판(110) 상에 위치하는 제 1 전극(120), 상기 제 1 전극(120) 상에 위치하는 흡수층(130), 상기 흡수층(130) 상에 위치하는 제 2 전극(140) 및 상기 제 2 전극(140) 상에 위치하는 대향 기판(150)을 포함하며, 상기 흡수층(130)은 상기 기판(110)과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막(131)과 다결정 실리콘막(132)을 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 유리 또는 투명 수지 필름 등을 사용할 수 있다. 상기 유리는 투명성 및 절연성이 높은 산화규소(SiO2), 산화나트륨(Na2O) 및 산화칼슘(CaO)을 주 성분으로 하는 판유리를 사용할 수 있다.
상기 제 1 전극(120)은 투명 도전성 산화물 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 투명 도전성 산화물로는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO), 산화카드뮴(Cd2O3) 및 산화인듐주석(Indium Tin Oxide : ITO)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 금속으로는 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 사용할 수 있다.
그리고, 제 1 전극(120)은 투명 도전성 산화물 또는 금속으로 이루어진 단일층일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 투명 도전성 산화물/금속의 2층 또는 그 이상이 적층된 복층일 수 있다. 또한, 제 1 전극(120)은 표면에 요철(121)을 포함할 수 있다. 요청(121)은 제 1 전극(120)의 표면적을 넓혀 보다 많은 빛을 흡수할 수 있는 역할을 할 수 있다.
상기 흡수층(130)은 기판(110)과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막(a-Si:H)(131)과 다결정 실리콘막(μc-Si:H)(132)을 포함할 수 있다.
흡수층(130)에서는 가시광이 입사하게 되면, 흡수층(130)에서 가시광을 흡수하여 전자-홀을 생성한다. 그리고, 생성된 전자-홀은 각각 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140)으로 이동되어 이를 이용할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 박막 태양전지(100)는 비정질 실리콘막(131)에서 가시광의 단파장 영역을 흡수하고, 다결정 실리콘막(132)에서 가시광의 장파장 영역을 흡수하기 때문에, 종래 비정질 실리콘막(131)으로 이루어진 박막 태양전지(100)보다 우수한 효율을 나타낼 수 있다.
여기서, 가시광의 효율적인 흡수를 위해, 다결정 실리콘막(132)과 상기 비정질 실리콘막(131)은 기판(110)과 수직하는 방향의 단면이 스트라입 패턴 형상일 수 있다.
그리고, 생성된 전자-홀이 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140)으로 이동시키기 위해, 다결정 실리콘막(132) 및 비정질 실리콘막(131)의 일단은 제 1 전극(120)과 접하고, 다결정 실리콘막(132) 및 비정질 실리콘막(131)의 타단은 제 2 전극(140)과 접하며 위치할 수 있다.
상기 제 2 전극(140)은 상기 제 1 전극(120)과 동일하게 투명 도전성 산화물 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 투명 도전성 산화물로는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide : ITO), 산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)을 사용할 수 있다. 상기 금속으로는 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 사용할 수 있다.
그리고, 제 2 전극(140)은 투명 도전성 산화물 또는 금속으로 이루어진 단일층일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 투명 도전성 산화물/금속의 2층 또는 그 이상이 적층된 복층일 수 있다.
상기 대향 기판(150)은 전술한 기판(110)과 동일할 수 있으며, 유리 또는 투 명 수지 필름 등을 사용할 수 있다. 상기 유리는 투명성 및 절연성이 높은 산화규소(SiO2), 산화나트륨(Na2O) 및 산화칼슘(CaO)을 주 성분으로 하는 판유리를 사용할 수 있다.
전술한 도 1과 같은 구조를 갖는 본 발명의 박막 태양전지의 제조방법을 설명하면 하기와 같다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 기판(210) 상에 제 1 전극(220)을 형성한다. 기판(210)은 유리 또는 투명 수지 필름 등을 사용할 수 있다. 상기 유리는 투명성 및 절연성이 높은 산화규소(SiO2), 산화나트륨(Na2O) 및 산화칼슘(CaO)을 주 성분으로 하는 평편한 판유리를 사용할 수 있다.
그리고, 제 1 전극(220)은 기판(210) 상에 투명도전물질을 증착하여 형성할 수 있다. 여기서, 제 1 전극(220)은 투명 도전성 산화물 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 투명 도전성 산화물로는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO), 산화카드뮴(Cd2O3) 및 산화인듐주석(Indium Tin Oxide : ITO)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 금속으로는 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 사용할 수 있다.
그리고, 제 1 전극(220)은 투명 도전성 산화물 또는 금속으로 이루어진 단일 층일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 투명 도전성 산화물/금속의 2층 또는 그 이상이 적층된 복층으로 형성될 수도 있다.
또한, 제 1 전극(220)은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD), 물리 기상 증착법(Physical vapor Deposition :PVD) 또는 전자빔(E-beam)법 등으로 형성할 수 있다.
그리고, 제 1 전극(220)을 형성한 후에, 제 1 전극(220)의 표면을 화학적 에칭법 또는 물리적 에칭법을 이용하여 그 표면에 요철(221)을 형성한다. 요철(221)은 제 1 전극(220)의 표면적을 넓혀 보다 많은 빛을 흡수할 수 있는 역할을 할 수 있다.
다음, 제 1 전극(220) 상에 금속 시드(225)를 선택적으로 증착한다. 금속 시드(225)는 Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Cr, Mo, Tr, Ru, Rh 및 Pt로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
금속 시드(225)는 스퍼터링과 같은 일반적인 금속 증착법을 이용하여 박막을 증착한 후, 패터닝하여 제 1 전극(220) 상에 서로 이격되도록 형성할 수 있다.
다음, 도 2b를 참조하면, 금속 시드(225)가 형성된 기판(210) 상에 기판(210)과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막(231)과 다결정 실리콘막(232) 포함하는 흡수층(230)을 형성한다.
보다 자세하게는, 금속 시드(225)가 형성된 기판(210)을 챔버에서 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)으로 실리콘을 증착할 수 있다. 이때, 챔버는 400 내지 600℃의 온도 분위기에서 수행될 수 있으며, 실리콘막이 1 내지 2㎛의 두께가 되도록 수행될 수 있다.
여기서, 고온의 챔버 분위기에서 금속 시드(225)가 형성된 기판(210) 상에 실리콘을 증착하면, 금속 시드(225)가 형성된 영역은 실리콘이 결정화되어 다결정 실리콘막(μc-Si:H)(232)으로 성장할 수 있으며, 금속 시드(225)가 형성되지 않은 영역에서는 비정질 실리콘으로 성장하여 비정질 실리콘막(a-Si:H)(231)이 형성될 수 있다.
따라서, 기판(210)과 수직하는 방향으로 서로 교번하면서 위치하는 비정질 실리콘막(231)과 다결정 실리콘막(232)을 포함하는 흡수층(230)을 형성할 수 있다. 이러한 흡수층(230)의 비정질 실리콘막(231)과 다결정 실리콘막(232)은 기판(210)과 수직하는 방향으로 스트라입 패턴 형상으로 형성될 수 있다.
이때, 흡수층(230)에서는 태양광을 흡수하여 전자-홀이 생성된 것을 제 1 전극(210)에 전달하기 위해, 다결정 실리콘막(232) 및 비정질 실리콘막(231)의 일단은 제 1 전극(210)과 접하도록 형성한다.
다음, 도 2c를 참조하면, 흡수층(230)이 형성된 기판(210) 상에 제 2 전극(240)을 형성한다.
제 2 전극(240)은 상기 제 1 전극(220)과 동일하게 투명 도전성 산화물 또는 금속으로 형성될 수 있다. 여기서, 투명 도전성 산화물로는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide : ITO), 산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)을 사용할 수 있다. 또한, 상기 금속으로는 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 사용할 수 있다.
그리고, 제 2 전극(240)은 투명 도전성 산화물 또는 금속으로 이루어진 단일층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 투명 도전성 산화물/금속의 2층 또는 그 이상이 적층된 복층으로 형성될 수도 있다.
이때, 제 2 전극(240)은 제 1 전극(220)과 동일하게 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD), 물리 기상 증착법(Physical vapor Deposition :PVD) 또는 전자빔(E-beam)법 등으로 형성할 수 있다.
마지막으로, 제 2 전극(240) 상에 대향 기판(250)을 형성하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지를 제조한다.
상기와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 제 1 전극 상에 금속 시드를 이용하여 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막을 포함하는 흡수층을 형성함으로써, 가시광의 단파장 영역은 비정질 실리콘막이 흡수하고, 가시광의 장파장 영역은 비정질 실리콘막이 흡수할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 하기에서는 전술한 제 2 실시예와 중복되는 설명은 간단히 하기로 한다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 기판(310) 상에 제 1 전극(320)을 형성한다. 전술한 제 1 실시예와 동일하게, 제 1 전극(320)은 제 1 전극(320)의 표면적을 넓혀 보다 많은 빛을 흡수할 수 있도록 요철(321)을 포함할 수 있다.
다음, 도 3b를 참조하면, 제 1 전극(320) 상에 비정질 실리콘(330)을 증착한다. 그리고, 상기 비정질 실리콘(330)의 일부 영역에 레이저를 조사하여 다결정 실리콘(331)으로 결정화한다.
여기서, 제 1 전극(320) 상에 증착된 비정질 실리콘(330)은 약 500Å 정도의 얇은 두께로 증착할 수 있고, 레이저에 의해 결정화되는 다결정 실리콘(331)은 서로 이격되도록 형성한다. 이러한 다결정 실리콘(331)은 전술한 제 1 실시예의 금속 시드와 같은 작용으로 추후 다결정 실리콘막을 형성하는 역할을 할 수 있다.
이어, 도 3c를 참조하면, 전술한 비정질 실리콘(330)과 다결정 실리콘(331)을 에피택시(Epitaxy) 성장하여 비정질 실리콘막(341) 및 다결정 실리콘막(342)을 포함하는 흡수층(340)을 형성한다.
에피택시 성장 공정은 결정성장방법 중의 하나로 기판 상에 형성된 결정을 시드로 하여 새로운 결정을 성장시키는 것으로, 새 결정은 기판 상에 형성된 결정과 같은 결정 구조 및 방향성을 가질 수 있다.
에피택시 성장 방법으로는 액상 에피택시(liquid phase epitaxy ; LPE), 기상 에피택시(vapor phase epitaxy ; VPE) 또는 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE) 등을 사용할 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
에피택시 성장 공정의 특성 상, 비정질 실리콘(330)과 다결정 실리콘(331)으로부터 성장된 비정질 실리콘막(341)과 다결정 실리콘막(342)은 그 결정 구조 및 방향성이 각각 동일하게 성장하기 때문에, 다결정 실리콘(331)이 형성된 영역에서는 다결정 실리콘막(342)이 형성될 수 있다.
따라서, 기판(310) 상에 기판(310)과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막(341)과 다결정 실리콘막(342) 포함하는 흡수층(340)을 형성할 수 있다. 이러한 흡수층(340)의 비정질 실리콘막(341)과 다결정 실리콘막(342)은 기판(310)과 수직하는 방향으로 스트라입 패턴 형상으로 형성될 수 있다.
이때, 흡수층(340)에서는 태양광을 흡수하여 전자-홀이 생성된 것을 제 1 전극(320)에 전달하기 위해, 다결정 실리콘막(342) 및 비정질 실리콘막(341)의 일단은 제 1 전극(320)과 접하도록 형성한다.
다음, 도 3d를 참조하면, 흡수층(340)이 형성된 기판(210) 상에 제 2 전극(350)을 형성하고, 마지막으로, 제 2 전극(350) 상에 대향 기판(360)을 형성하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지를 제조한다.
상기와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 제 1 전극 상에 비정질 실리콘과 다결정 실리콘을 얇은 두께로 형성한 후 이를 성장시켜 흡수층을 형성함으로써, 가시광의 단파장 영역은 비정질 실리콘막이 흡수하고, 가시광의 장파장 영역은 비정질 실리콘막이 흡수할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 기판(410) 상에 제 1 전극(420)을 형성한다. 전술한 제 1 실시예와 동일하게, 제 1 전극(420)은 제 1 전극(420)의 표면적을 넓혀 보 다 많은 빛을 흡수할 수 있도록 요철(421)을 포함할 수 있다.
다음, 도 4b를 참조하면, 제 1 전극(420) 상에 비정질 실리콘막(a-SiGe:H)(431)을 형성한다. 여기서, 비정질 실리콘막(431)은 1.5 내지 2㎛의 두께로 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)로 형성할 수 있다.
이어, 도 4c를 참조하면, 비정질 실리콘막(431)이 형성된 기판(410) 상에 레이저를 조사하여, 비정질 실리콘막(431)의 상부영역을 결정화하여 다결정 실리콘막(432)을 형성한다.
여기서, 비정질 실리콘막(431)을 결정화하는 레이저는 엑시머 레이저(eximer laser)를 사용할 수 있다. 이때, 엑시머 레이저의 조사 조건으로는, 0.1 내지 2.5mm/s의 스캔 속도, 10 내지 150Hz의 주파수 및 300 내지 400mJ/㎠의 에너지 밀도를 사용할 수 있다.
그리고, 비정질 실리콘막(431)이 Ge를 함유하고 있는 a-SiGe:H이기 때문에 결정화된 다결정 실리콘막(432)은 μc-SiGe:H로 형성될 수 있다. 이때, Ge의 양을 조절하여 비정질 실리콘막(431)과 다결정 실리콘막(432)의 광학 밴드갭(Optical Band Gap)을 조절할 수 있다. 즉, 비정질 실리콘막(431)의 광학 밴드갭은 1.4 내지 1.6eV로 형성하고, 다결정 실리콘막(432)의 광학 밴드갭도 1.4 내지 1.6eV로 형성할 수 있다.
따라서, 비정질 실리콘막(431) 및 다결정 실리콘막(432)을 포함하는 흡수층(430)을 형성할 수 있다. 이때, 비정질 실리콘막(431)의 두께는 500 내지 800nm일 수 있으며, 다결정 실리콘막(432)의 두께는 1000 내지 1500nm일 수 있다.
다음, 도 4d를 참조하면, 흡수층(430)이 형성된 기판(410) 상에 제 2 전극(450)을 형성하고, 마지막으로, 제 2 전극(450) 상에 대향 기판(460)을 형성하여 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지를 제조한다.
상기와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 제 1 전극 상에 비정질 실리콘막을 형성하고, 비정질 실리콘막의 일부를 레이저를 이용하여 결정화함으로써, 종래, 다결정 실리콘막을 형성하기 위한 PECVD의 공정 시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.
또한, 비정질 실리콘막 및 다결정 실리콘막을 포함하는 흡수층을 형성함으로써, 가시광의 단파장 영역은 비정질 실리콘막이 흡수하고, 가시광의 장파장 영역은 비정질 실리콘막이 흡수할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면이다.
도 5a를 참조하면, 기판(510) 상에 제 1 전극(520)을 형성한다. 전술한 제 1 실시예와 동일하게, 제 1 전극(520)은 제 1 전극(520)의 표면적을 넓혀 보다 많은 빛을 흡수할 수 있도록 요철(521)을 포함할 수 있다.
다음, 제 1 전극(520) 상에 하부 비정질 실리콘막(a-Si:H)(531)을 형성한다. 여기서, 하부 비정질 실리콘막(531)은 100 내지 300nm의 두께로 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)으로 형성할 수 있다.
이어, 도 5b를 참조하면, 하부 비정질 실리콘막(531)이 형성된 기판(510) 상에 상부 비정질 실리콘막(a-SiGe:H)(532)을 형성한다. 여기서, 상부 비정질 실리콘막(532)은 1 내지 1.5㎛의 두께로 형성할 수 있으며, 하부 비정질 실리콘막(531)과는 달리 Ge을 더 포함할 수 있다.
다음 도 5c를 참조하면, 상부 비정질 실리콘막(532)에 레이저를 조사하여, 상부 비정질 실리콘막(532)의 상부영역을 결정화하여 다결정 실리콘막(533)을 형성한다.
여기서, 상부 비정질 실리콘막(532)을 결정화하는 레이저는 엑시머 레이저(eximer laser)를 사용할 수 있다. 이때, 엑시머 레이저의 조사 조건으로는, 0.1 내지 2.5mm/s의 스캔 속도, 10 내지 150Hz의 주파수 및 300 내지 400mJ/㎠의 에너지 밀도를 사용할 수 있다.
그리고, 상부 비정질 실리콘막(532)이 Ge를 함유하고 있는 a-SiGe:H이기 때문에 결정화된 다결정 실리콘막(533)은 μc-SiGe:H로 형성될 수 있다. 이때, Ge의 양을 조절하여 상부 비정질 실리콘막(532)과 다결정 실리콘막(533)의 광학 밴드갭(Optical Band Gap)을 조절할 수 있다. 즉, 상부 비정질 실리콘막(532)의 광학 밴드갭은 1.4 내지 1.6eV로 형성하고, 다결정 실리콘막(533)의 광학 밴드갭도 1.4 내지 1.6eV로 형성할 수 있다. 반면, Ge를 포함하지 않은 하부 비정질 실리콘막(531)의 광학 밴드갭은 1.7eV일 수 있다.
따라서, 하부 비정질 실리콘막(531), 상부 비정질 실리콘막(532) 및 다결정 실리콘막(533)을 포함하는 흡수층(530)을 형성할 수 있다. 이때, 하부 비정질 실리 콘막(531)의 두께는 100 내지 300nm일 수 있고, 상부 비정질 실리콘막(532)의 두께는 50 내지 200nm일 수 있으며, 다결정 실리콘막(533)의 두께는 200 내지 300nm일 수 있다.
다음, 도 5d를 참조하면, 흡수층(530)이 형성된 기판(510) 상에 제 2 전극(540)을 형성하고, 마지막으로, 제 2 전극(540) 상에 대향 기판(550)을 형성하여 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지를 제조한다.
상기와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 제 1 전극 상에 하부 비정질 실리콘막을 형성하고, 하부 비정질 실리콘막 상에 상부 비정질 실리콘막을 형성하고, 상부 비정질 실리콘막의 일부를 레이저를 이용하여 결정화함으로써, 종래, 다결정 실리콘막을 형성하기 위한 PECVD의 공정 시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.
또한, Ge를 포함하지 않은 하부 비정질 실리콘막, Ge를 포함하는 상부 비정질 실리콘막 및 다결정 실리콘막을 포함하는 흡수층을 형성함으로써, 가시광의 단파장 영역은 상부 비정질 실리콘막이 흡수하고, 가시광의 장파장 영역은 다결정 실리콘막이 흡수할 수 있으며, 단파장과 장파장의 사이 영역은 하부 비정질 실리콘막이 흡수할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 6은 태양광 스펙트럼에서 흡수층이 흡수하는 파장대를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전술한 본 발명의 제 1 내지 제 4 실시예에 따른 박막 태양전지는 다결정 실리콘막 및 비정질 실리콘막을 포함하는 흡수층을 포함함으로써, 비정질 실리콘막은 태양광 중에서 단파장 영역(A)을 흡수하고, 다결정 실리콘막은 장파장 영역(B)을 흡수할 수 있는 이점이 있다.
따라서, 종래 비정질 실리콘막으로만 이루어진 흡수층에 비해, 태양광의 넓은 파장 영역을 흡수함으로써, 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 태양전지를 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면.
도 6은 태양광 스펙트럼에서 흡수층이 흡수하는 파장대를 도시한 도면.
Claims (10)
- 기판;상기 기판 상에 위치하는 제 1 전극;상기 제 1 전극 상에 위치하는 흡수층; 및상기 흡수층 상에 위치하는 제 2 전극을 포함하며,상기 흡수층은 상기 기판과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막을 포함하고,상기 다결정 실리콘막 및 상기 비정질 실리콘막의 일단은 상기 제 1 전극과 접하고, 상기 다결정 실리콘막 및 상기 비정질 실리콘막의 타단은 상기 제 2 전극과 접하는 박막 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 다결정 실리콘막과 상기 비정질 실리콘막은 스트라입 패턴 형상으로 위치하는 박막 태양전지.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 전극의 표면은 요철이 형성된 박막 태양전지.
- 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;상기 제 1 전극 상에 상기 기판과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막 포함하는 흡수층을 형성하는 단계; 및상기 흡수층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,상기 기판과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막 포함하는 흡수층을 형성하는 단계는,상기 제 1 전극 상에 금속 시드를 형성하는 단계; 및상기 금속 시드가 형성된 상기 제 1 전극 상에 비정질 실리콘을 증착하여, 상기 금속 시드가 위치한 영역을 다결정 실리콘막으로 성장시키고, 그 외의 영역을 비정질 실리콘막으로 성장시키는 단계를 포함하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 5항에 있어서,상기 기판과 수직하는 방향으로 서로 교번하여 위치하는 비정질 실리콘막과 다결정 실리콘막 포함하는 흡수층을 형성하는 단계는,상기 제 1 전극 상에 비정질 실리콘을 증착하는 단계;상기 비정질 실리콘의 일부 영역에 레이저를 조사하여 다결정 실리콘으로 결정화하는 단계; 및상기 비정질 실리콘과 상기 다결정 실리콘이 형성된 실리콘막 상에 비정질 실리콘을 증착하여, 상기 다결정 실리콘이 위치한 영역을 다결정 실리콘막으로 성장시키고, 그 외의 영역을 비정질 실리콘막으로 성장시키는 단계를 포함하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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