KR101341199B1 - 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법 및 단결정 실리콘 태양전지 - Google Patents

단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법 및 단결정 실리콘 태양전지 Download PDF

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Abstract

실리콘 태양전지에 있어서, 그 원료로 되는 규소의 유효 활용을 도모하기 위해서 광변환층을 박막으로 함과 아울러, 변환 특성이 뛰어나고, 또한 광조사에 의한 열화가 적은 단결정 실리콘 태양전지를, 가옥 등의 채광용 창재료로서도 사용이 가능한 투견형 태양전지로서 제공한다.
단결정 실리콘 기판에 수소 이온 또는 희가스 이온의 적어도 한쪽을 주입하는 공정과, 상기 이온 주입면을 붙여 맞댐면으로 하여, 상기 단결정 실리콘 기판을, 투명 도전성 접착제를 개재하여 투명 절연성 기판과 밀착시키는 공정과, 상기 투명 도전성 접착제를 경화시켜 투명 도전성막으로 함과 아울러, 상기 단결정 실리콘 기판과 상기 투명 절연성 기판을 붙여 맞대는 공정과, 상기 이온 주입층에 충격을 주어 상기 단결정 실리콘 기판을 기계적으로 박리하여 단결정 실리콘층으로 하는 공정과, 상기 단결정 실리콘층에 pn접합을 형성하는 공정을 포함하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법이다.
박막, 광변환층, 결정성, 단결정, 투견형, 태양전지, 이온, 주입면, 접착제, 박리, 도전성막, pn접합

Description

단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법 및 단결정 실리콘 태양전지{FABRICATION METHOD OF SINGLE CRYSTAL SILICON SOLAR BATTERY AND SINGLE CRYSTAL SILICON SOLAR BATTERY}
본 발명은, 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법 및 단결정 실리콘 태양전지에 관한 것으로, 특히 투명 절연성 기판 상에 단결정 실리콘층을 형성하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법 및 단결정 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
규소를 주원료로 하는 태양전지는, 그 결정성에 의해 단결정 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지로 분류된다. 이 중에서 단결정 실리콘 태양전지는 결정 인상에 의한 단결정 잉곳(ingot)을 와이어 톱(wire saw)에 의해 웨이퍼 형상으로 잘라내고, 100~200㎛ 두께의 웨이퍼로 가공하고, 이에 pn접합, 전극, 보호막 등을 형성하여 태양전지 셀(solar battery cell)로 하고 있다.
다결정 실리콘에서는, 결정 인상에 의하지 않고, 주형에 의해 용융 금속 규소를 결정화시킴으로써 다결정의 잉곳(ingot)을 제조하고, 이것을 단결정 실리콘 태양전지와 마찬가지로 와이어 톱(wire saw)에 의해 웨이퍼 형상으로 잘라내고, 마 찬가지로 100~200㎛ 두께의 웨이퍼로 하고, 단결정 실리콘 기판과 마찬가지로 pn접합, 전극, 보호막을 형성하여 태양전지 셀로 하고 있다.
비정질 실리콘 태양전지에서는, 예를 들면, 플라즈마 CVD법(Chemical Vapour Deposition method)에 의해, 실란 가스를 기상 중에서 방전에 의해 분해함으로써, 기판 상에 비정질의 수소화 규소막을 형성하고, 이것에 도핑 가스로서 디보란(diborane), 포스핀(phosphine) 등을 첨가하고 동시에 퇴적시킴으로써, pn접합과 성막 공정을 동시에 행하고, 전극, 보호막을 형성하여 태양전지 셀로 하고 있다. 비정질 실리콘 태양전지에서는, 비정질 실리콘이 직접 천이형으로서 입사광을 흡수하기 때문에, 그 광흡수 계수는 단결정 및 다결정 실리콘의 그것에 비해 대략 1자리수 높음(비특허 문헌 1)으로써, 비정질 실리콘층의 두께는 결정계의 태양전지에 비해 대략 100분의 1의 막 두께인 1㎛ 전후로 충분하다고 하는 이점이 있다. 최근, 태양전지의 생산량이 세계에서 연간 1기가와트(Giga Watt)를 넘어, 향후 더욱 생산량이 늘어나는 것을 생각하면, 자원을 유효하게 활용할 수 있는 박막의 비정질 실리콘 태양전지에 대한 기대는 크다.
그러나, 비정질 실리콘 태양전지의 제조에는, 원료에 실란(silane)이나 디실란(disilane) 등의 고순도의 가스 원료를 이용하는 것이나, 그 가스 원료의 유효 이용률은 플라즈마 CVD(Chemical Vapour Deposition) 장치 내에서 기판 이외에 퇴적하는 것도 있는 것 등의 사정 때문에 결정계 태양전지에 필요한 막 두께와의 단순한 비교로 자원의 유효 이용률을 결정할 수 없다. 또, 결정계 태양전지가 변환 효율에 있어서 15% 전후인데 대해, 비정질 실리콘 태양전지는 10% 전후이고, 또한, 광조사 하에 있어서의 출력 특성 열화의 문제가 여전히 남아 있다.
그래서, 결정계 실리콘 재료를 이용하여 박막 태양전지를 개발하는 시도가 다양하게 이루어지고 있다(비특허 문헌 2). 예를 들면, 알루미나(alumina) 기판이나 그라파이트(graphite) 기판 등에 트리클로로실란 가스나 테트라클로로실란 가스 등을 이용하여 다결정의 박막을 퇴적시키는 것이다. 이 퇴적막에는 결정 결함이 많고, 그대로는 변환 효율이 낮기 때문에, 변환 효율을 향상시키기 위해서, 대역 용융을 행하고 결정성을 개선할 필요가 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 그러나, 이러한 대역 용융에 의한 방법을 취해도, 결정립계에서의 누설 전류(leak current) 및 수명(life time)의 저하에 의해 장파장 영역에서의 광전류 응답 특성이 저하하는 등의 문제가 있었다.
　　<특허 문헌 1> 일본국 특허공개 2004－342909호 공보
　　<비특허 문헌 1> 타카하시 키요시, 하마가와 요시히로, 고카와 아키오 편저, “태양광 발전”, 마루젠, 1980년, 233페이지
　　<비특허 문헌 2> 타카하시 키요시, 하마가와 요시히로, 고카와 아키오 편저, “태양광 발전”, 마루젠, 1980년, 217페이지
본 발명은, 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 실리콘 태양전지에 있어서, 그 원료로 되는 규소의 유효 활용을 도모하기 위해서 광변환층을 박막으로 함과 아울러, 변환 특성이 뛰어나고, 또한 광조사에 의한 열화가 적은 단결정 실리콘 태양전지를, 가옥 등의 채광용 창재료로서도 사용이 가능한 수광한 가시광 중 일부를 투과시키는 투견형(see through type) 태양전지로서 제공하는 것 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 투명 절연성 기판과 상기 투명 절연성 기판 상에 배치되고 광변환층으로서 동작하는 단결정 실리콘층을 포함하는 단결정 실리콘 태양전지를 제조하는 방법으로서, 적어도, 투명 절연성 기판과 제1도전형의 단결정 실리콘 기판을 준비하는 공정과, 상기 단결정 실리콘 기판에 수소 이온 또는 희가스 이온의 적어도 한쪽을 주입하여 이온 주입층을 형성하는 공정과, 상기 이온 주입면을 붙여 맞댐면으로 하여, 상기 단결정 실리콘 기판을, 투명 도전성 접착제를 개재하여 상기 투명 절연성 기판과 밀착시키는 공정과, 상기 투명 도전성 접착제를 경화시켜 투명 도전성막으로 함과 아울러, 상기 단결정 실리콘 기판과 상기 투명 절연성 기판을 붙여 맞대는 공정과, 상기 이온 주입층에 충격을 주어 상기 단결정 실리콘 기판을 기계적으로 박리하여 단결정 실리콘층으로 하는 공정과, 상기 단결정 실리콘층에 상기 제1도전형과는 다른 도전형인 제2도전형의 확산층을 형성하여 pn접합을 형성하는 공정과, 상기 단결정 실리콘층 상에 전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법을 제공한다(청구항 1).
이러한 공정을 포함하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법에 의해, 투명 절연성 기판 상에 광변환층으로서 단결정 실리콘층이 배치되어 있는 단결정 실리콘 태양전지를 제조할 수가 있다.
또, 단결정 실리콘 기판과 투명 절연성 기판을, 투명 도전성 접착제를 이용하여 붙여 맞대기 때문에, 양자를 강고하게 붙여 맞댈 수가 있다. 따라서, 결합력을 높이는 고온 열처리를 실시하지 않아도 충분히 강고한 접합으로 된다. 또, 이와 같이 접합면이 강고하게 접합하고 있으므로, 그 후 이온 주입층에 충격을 주어 단결정 실리콘 기판을 기계적으로 박리하여 투명 절연성 기판 상에 얇은 단결정 실리콘층을 형성할 수가 있다. 따라서, 박리를 위한 열처리를 행하지 않아도 단결정 실리콘층의 박막화를 할 수 있다.
그리고, 이러한 공정을 포함하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법에 의하면, 광변환층으로서의 단결정 실리콘층의 형성을 단결정 실리콘 기판으로부터 박리함으로써 행하므로, 이 단결정 실리콘층의 결정성을 높게 할 수가 있다. 그 결과, 태양전지로서의 변환 효율을 높게 할 수가 있다.
또, 단결정 실리콘층의 형성을 위한 단결정 실리콘 기판의 박리를 가열에 의하지 않고 기계적 박리에 의해 행하므로, 광변환층에 열팽창률의 서로 다름에 기인한 균열이나 결함이 도입되는 것을 억제할 수가 있다.
또, 실리콘층이 얇은 박막 태양전지로 하므로 규소 원료를 절약하고 유효하게 이용할 수가 있다.
이 경우, 상기 투명 절연성 기판을, 석영 유리, 결정화 유리, 붕규산 유리, 소다라임 유리의 어느 것으로 할 수가 있다(청구항 2).
이와 같이 투명 절연성 기판을, 석영 유리, 결정화 유리, 붕규산 유리, 소다라임 유리의 어느 것으로 하면, 이들은 광학적 특성이 양호한 투명 절연성 기판이 고, 투견형 단결정 실리콘 태양전지를 용이하게 제조할 수 있다. 또, 제조한 단결정 실리콘 태양전지를 기존의 창유리 등과 치환하는 것도 용이하게 된다.
또, 상기 투명 도전성 접착제를, 산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화인듐 중 적어도 일종을 함유하고, 도너 형성용 첨가 재료를 함유하는 것으로 하는 것이 바람직하다(청구항 3).
이와 같이 투명 도전성 접착제를, 산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화인듐 중 적어도 일종을 함유하고, 도너 형성용 첨가 재료를 함유하는 것으로 하면, 면저항이 낮고 단결정 실리콘 태양전지의 변환광인 가시광 부근의 투과율이 높은 투명 도전성막으로 할 수가 있다.
또, 상기 투명 도전성 접착제를, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 지환식 아크릴 수지, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 적어도 일종을 함유하는 것으로 하는 것이 바람직하다(청구항 4).
이와 같이 투명 도전성 접착제를, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 지환식 아크릴 수지, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 적어도 일종을 함유하는 것으로 하면, 이들은 접착제로서의 기능을 가지고, 가시광 투과성이 뛰어나기 때문에 양호한 투명 도전성막을 형성할 수가 있다.
또한, 상기 이온 주입의 깊이를 이온 주입면으로부터 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다(청구항 5).
이와 같이 이온 주입의 깊이를 이온 주입면으로부터 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하로 함으로써, 제조되는 단결정 실리콘 태양전지의 광변환층으로서의 단결정 실리콘층 의 두께를 대략 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하로 할 수가 있다. 그리고, 이러한 두께의 단결정 실리콘층을 가지는 단결정 실리콘 태양전지이면, 박막 단결정 실리콘 태양전지로서 실용적인 효율이 얻어짐과 아울러, 사용하는 규소 원료의 양을 절약할 수 있다. 또, 이러한 두께의 단결정 실리콘층을 가지는 단결정 실리콘 태양전지이면 확실히 일부 가시광을 투과할 수가 있다.
또, 본 발명은, 상기의 어느 것의 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 실리콘 태양전지를 제공한다(청구항 6).
이와 같이 상기의 어느 것의 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 실리콘 태양전지이면, 광변환층으로서의 단결정 실리콘층의 형성을 단결정 실리콘 기판으로부터 박리함으로써 행하고, 단결정 실리콘층의 박리를 가열에 의하지 않고 기계적 박리에 의해 행한 것이므로, 결정성이 높은 단결정 실리콘층으로 할 수가 있다. 그 때문에 막 두께에 비해 변환 효율이 높은 박막 태양전지로 할 수가 있다. 또, 단결정 실리콘층의 두께가 얇은 박막 태양전지이므로 규소 원료를 유효하게 이용할 수가 있다.
또, 본 발명은, 적어도, 투명 절연성 기판과, 투명 도전성 접착제를 경화시켜 형성한 투명 도전성막과, pn접합이 형성된 단결정 실리콘층과 전극이 순차 적층된 것인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지를 제공한다(청구항 7).
이와 같이, 적어도, 투명 절연성 기판과 투명 도전성막과 pn접합이 형성된 단결정 실리콘층과 전극이 순차 적층된 것인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지이면, 투명 절연성 기판 상에 광변환층이 배치되어 있는 실리콘 태양전지로 서 광변환층을 단결정 실리콘층으로 한 태양전지이므로 막 두께에 비해 변환 효율이 높은 태양전지로 할 수가 있다.
이 경우, 상기 투명 절연성 기판은, 석영 유리, 결정화 유리, 붕규산 유리, 소다라임 유리의 어느 것인 것이 바람직하다(청구항 8).
이와 같이 투명 절연성 기판이, 석영 유리, 결정화 유리, 붕규산 유리, 소다라임 유리의 어느 것이면, 이들은 광학적 특성이 양호한 투명 절연성 기판이므로, 투명도가 높은 투견형 단결정 실리콘 태양전지로 할 수가 있다. 또, 제조한 단결정 실리콘 태양전지를 기존의 창유리 등과 치환하는 것도 용이하다.
또, 상기 투명 도전성막은, 산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화인듐 중 적어도 일종을 함유하고, 도너 형성용 첨가 재료를 함유하는 것인 것이 바람직하다(청구항 9).
이와 같이 투명 도전성막이, 산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화인듐 중 적어도 일종을 함유하고, 도너 형성용 첨가 재료를 함유하는 것이면, 면저항이 낮고 단결정 실리콘 태양전지의 변환광인 가시광 부근의 투과율이 높은 투명 도전성막으로 할 수가 있다.
또, 상기 투명 도전성막은, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 지환식 아크릴 수지, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 적어도 일종을 함유하는 것인 것이 바람직하다(청구항 10).
이와 같이 상기 투명 도전성막은, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 지환식 아크릴 수지, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 적어도 일종을 함유하는 것이면, 이들은 가시광 투과성이 뛰어나기 때문에 양호한 투명 도전성막으로 할 수가 있다.
또, 상기 단결정 실리콘층의 막 두께는 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하인 것이 바람직하다(청구항 11).
이와 같이 단결정 실리콘층의 막 두께가 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하이면, 박막 단결정 실리콘 태양전지로서 실용적인 효율이 얻어짐과 아울러, 사용하는 규소 원료의 양을 절약할 수 있다. 또, 이러한 두께의 단결정 실리콘층을 가지는 단결정 실리콘 태양전지이면 확실히 일부 가시광을 투과할 수가 있다.
또한, 상기의 어느 것의 단결정 실리콘 태양전지는, 한쪽의 면측에서 보았을 때에, 다른 한쪽의 면측이 투견(透見)되는 것인 것이 바람직하다(청구항 12).
이와 같이 한쪽의 면측에서 보았을 때에, 다른 한쪽의 면측이 투견되는 투명한 태양전지이면, 기존의 창유리 등과 치환할 수 있는 등 여러 가지 방면에 응용할 수가 있다.
본 발명에 따르는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법이면, 결정성이 양호하고, 변환 효율이 높은 단결정 실리콘층을 광변환층으로 한 투견형 박막 태양전지를 제조할 수가 있다.
또, 본 발명에 따르는 단결정 실리콘 태양전지이면, 투명 절연성 기판 상에 광변환층이 배치되어 있는 실리콘 태양전지에 있어서, 광변환층을 단결정 실리콘층으로 한 태양전지이므로 막 두께에 비해 변환 효율이 높은 태양전지로 할 수가 있 다.
전술한 것처럼, 규소 원료를 절약할 수 있는 박막 태양전지에 있어서도, 한층 더 고변환 효율이 요구되고 있고, 그 때문에 결정계 태양전지로 하는 것을 채용한 다음 더욱 결정성을 개선하는 것이 요구되고 있었다.
그래서, 본 발명자들은, 단결정 실리콘 기판을 투명 절연성 기판에 붙여 맞댄 후에, 이 단결정 실리콘 기판을 박막화함으로써, 광변환층으로서의 실리콘층의 결정성을 높게 하는 것을 찾아내었다. 또한, 단결정 실리콘 기판과 투명 절연성 기판을 붙여 맞댈 때에, 투명 도전성 접착제를 이용하고, 이것을 경화시킴으로써 열처리를 하지 않아도 접합 강도를 높게 하고, 또 박리할 때에도 기계적 박리를 행함으로써 고온의 열처리를 하지 않고 박리함에 따라 단결정 실리콘층의 결정성을 양호하게 유지할 수가 있다는 생각에 이르렀다. 또, 이러한 박막 태양전지이면 가옥의 창재료로서도 사용이 가능하고, 한쪽의 표면측으로부터 보아 다른 한쪽의 표면측이 투견되는 이른바 투견형 태양전지로 할 수가 있는 것에 생각이 이르러 본 발명을 완성시켰다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 구체적으로 설명하지만 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명과 관련되는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법의 일례를 나타내는 공정도이다.
우선, 단결정 실리콘 기판(11) 및 투명 절연성 기판(12)을 준비한다(공정 a).
단결정 실리콘 기판으로서는 특히 한정되지 않고, 예를 들면 쵸크랄스키법(Czochralski method)에 의해 육성된 단결정을 슬라이스(slice)하여 얻어진 것으로, 예를 들면 직경이 100~300㎜, 도전형이 p형 또는 n형, 저항률이 0.1~20Ω·㎝ 정도의 것을 이용할 수가 있다.
또, 투명 절연성 기판에는 석영 유리, 결정화 유리, 붕규산 유리, 소다라임 유리(soda-lime glass) 등이 선택된다. 이것들에 한정하는 것은 아니지만, 투명하고, 창유리 재료로 대체할 수 있다는 것을 감안하면 상기와 같은 유리 재료가 바람직하다. 또, 투명 절연성 기판을, 유리 재료로서 범용인 소다라임 유리로 하는 경우에는, 그 표면에 딥코트법에 의해 산화규소 피막 혹은 산화주석 피막(네사막(NESA film)) 등을 형성한 것으로 하여도 좋다. 이러한 피막은 소다라임 유리 중의 알칼리 금속 성분의 표면에의 용출 및 확산을 방지하는 버퍼막(buffer film)으로서 기능하기 때문에 바람직하다.
다음에, 단결정 실리콘 기판(11)에 수소 이온 또는 희가스 이온의 적어도 한쪽을 주입하여 이온 주입층(14)을 형성한다(공정 b).
예를 들면, 단결정 실리콘 기판의 온도를 200~450℃로 하고, 그 표면(13)으로부터 소망의 단결정 실리콘층의 두께에 대응하는 깊이, 예를 들면 0.1~5㎛ 이하의 깊이로 이온 주입층(14)을 형성할 수 있는 주입 에너지로 소정의 선량(線量)의 수소 이온 또는 희가스(希가스) 이온의 적어도 한쪽을 주입한다. 이 경우, 수소 이온은 가볍기 때문에 동일한 가속 에너지에 있어서 보다 이온 주입면(13)으로부터 깊게 주입되기 때문에 특히 바람직하다. 수소 이온의 전하는 정부(正負)의 어느 것이라도 좋고, 원자 이온 외에 수소 가스 이온이라도 좋다. 희가스 이온의 경우도 전하의 정부는 어느 것이라도 좋다.
또, 단결정 실리콘 기판의 표면에 미리 얇은 실리콘 산화막 등의 절연막을 형성해 두고, 그것을 통해 이온 주입을 행하면, 주입 이온의 채널링(channeling)을 억제하는 효과가 얻어진다.
다음에, 이온 주입면(13)을 붙여 맞댐면으로 하여 단결정 실리콘 기판(11)을 도전성 접착제(15)를 개재하여 투명 절연성 기판(12)과 밀착시킨다(공정 c).
투명 도전성 접착제로서는, 예를 들면, 산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화인듐 등을 함유하고, 이러한 재료의 도전성을 높이는 도너 형성용 첨가 재료를 함유하는 투명 도전성 재료를 들 수 있다. 도너 형성용 첨가 재료로서는, 산화인듐에는 주석을 첨가하여 이른바 산화인듐주석(주석 첨가 산화인듐, ITO)으로 하는 것 외에, 산화주석에는 불소나 안티몬(antimony), 산화아연에는 갈륨(gallium)이나 알루미늄을 첨가하는 것이 일반적이지만, 이것들에 한정되는 것은 아니고 적당히 설계된다. 그리고, 이 투명 도전성 접착제에는, 아크릴 수지, 지환식 아크릴 수지, 실리콘 수지, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 가시광 투과성이 뛰어난 수지에 상기의 투명 도전성 재료의 입자를 필러(filler)로서 함유하는 것으로 하는 것이 바람직하다. 그 외 폴리에틸렌디옥시티오펜-폴리스티렌술폰산(PEDOT/PSS) 등의 유기 도전성 폴리머를 이용하는 것을 선택할 수도 있다. 또, 투명 도전성 재료의 필러로서는, 상기의 투명 도전성 재료 입자 이외에도 카 본(carbon) 혹은 은의 나노 입자를 선택할 수도 있지만, 이 경우, 투명도가 비교적 낮은 것으로 된다. 사용되는 투명 도전성 접착제는 이것들에 한정되는 것은 아니지만, 면저항이 100Ω/sq. 이하이고, 가시광의 투과율이 80% 이상인 것이 바람직하다.
그리고, 이러한 투명 도전성 접착제를 개재하여 단결정 실리콘 기판과 투명 절연성 기판을 밀착시킨다. 이때 단결정 실리콘 기판은 이온 주입면(13)을 붙여 맞댐면으로 한다.
구체적으로는, 예를 들면, 우선 단결정 실리콘 기판과 투명 절연성 기판의 적어도 한쪽의 붙여 맞댐면에 투명 도전성 접착제층을 형성한다. 이 투명 도전성 접착제층의 형성에는 슬릿다이코트(slit die-coat), 딥코트법(dip-coat method) 등의 도포법 등을 선택할 수가 있다. 다음에, 단결정 실리콘 기판과 투명 절연성 기판을 이 투명 도전성 접착제층을 개재하여 밀착시킨다.
다음에, 투명 도전성 접착제(15)를 경화시켜 투명 도전성막(16)으로 함과 아울러 단결정 실리콘 기판(11)과 투명 절연성 기판(12)을 붙여 맞댄다(공정 d).
이 투명 도전성 접착제의 경화 방법은 특히 한정되지 않고 재료에 맞추어 적당히 선택된다. 예를 들면, 일단 250℃ 정도까지 가열하여 투명 도전성 접착제를 연화시키고, 다시 냉각하는 방법, 용제를 휘발시키는 방법 등으로 투명 도전성 접착제를 경화시켜 단결정 실리콘 기판과 투명 절연성 기판을 강고하게 붙여 맞댄다. 단, 이 경화 처리는 실온으로부터 250℃ 전후까지의 온도 조건에서 행하는 것으로 하고, 300℃ 이상의 열처리는 하지 않는다. 단결정 실리콘 기판(11)과 투명 절연성 기판(12)을 붙여 맞댄 상태로 300℃ 이상의 고온 열처리를 하면, 양자의 열팽창 계수의 차이 때문에 열왜곡, 균열, 박리 등이 발생할 우려가 있기 때문이다. 이와 같이 300℃ 이상의 고온 열처리를 하지 않도록 하는 것은, 후술하는 공정 e의 단결정 실리콘 기판(11)의 박리 전사(轉寫)가 종료할 때까지는 마찬가지이다.
다음에, 이온 주입층(14)에 충격을 주어 상기 단결정 실리콘 기판(11)을 기계적으로 박리하여 단결정 실리콘층(17)으로 한다(공정 e).
본 발명에 있어서는 이온 주입층에 충격을 주어 기계적 박리를 행하므로, 가열에 수반하는 열왜곡, 균열, 박리 등이 발생할 우려가 없다. 이온 주입층에 충격을 주기 위해서는, 예를 들면 가스나 액체 등의 유체의 젯(jet)을 접합한 웨이퍼의 측면으로부터 연속적 또는 단속적으로 내뿜으면 좋지만, 충격에 의해 기계적 박리가 발생하는 방법이면 특히 한정은 되지 않는다.
또, 단결정 실리콘 기판의 기계적 박리를 할 때에 투명 절연성 기판의 배면에 제1의 보조 기판을 밀착시킴과 아울러, 상기 단결정 실리콘 기판의 배면에 제2의 보조 기판을 밀착시켜 단결정 실리콘 기판의 박리를 행하는 것이 바람직하다. 이와 같이 보조 기판을 이용하여 기계적 박리를 행하면, 박리 전사된 단결정 실리콘층(17)에 있어서 휨에 의한 미소한 균열 및 이에 의한 결정 결함의 발생을 방지하고, 태양전지의 변환 효율의 저하를 방지할 수가 있다. 양자의 기판이 1㎜ 정도 이하의 두께와 같이 얇은 경우에는 이 방법에 의한 효과가 현저하다. 예를 들면, 투명 절연성 기판이 소다라임 유리로서, 그 두께가 0.7㎜인 경우에는, 보조 기판을 동일한 소다라임 유리로 하고, 그 총계의 두께를 1㎜ 이상으로 하여 박리를 행한 다.
또, 단결정 실리콘 기판의 박리 전사를 한 후, 단결정 실리콘층(17)의 표면 부근에 있어서의 이온 주입 손상을 회복하기 위한 열처리를 하여도 좋다. 이 시점에서는 이미 단결정 실리콘 기판(11)은 박리 전사되고, 박막의 단결정 실리콘층(17)으로 되어 있기 때문에, 표면 부근의 국소적인 열처리를 300℃ 이상에서 행하여도 균열이나 거기에 수반하는 결함은 새롭게 거의 도입되지 않는다. 또, 이것은 이후의 공정에서도 마찬가지이다.
다음에, 단결정 실리콘층(17)에 공정 a에서 준비한 단결정 실리콘 기판의 도전형인 제1도전형과는 다른 도전형인 제2도전형의 확산층을 형성하여 제1도전형 실리콘층(21), 제2도전형 실리콘층(22)으로 이루어지고, pn접합이 형성된 단결정 실리콘층으로 한다(공정 f).
공정 a에서 준비한 단결정 실리콘 기판(11)이 p형 단결정 실리콘일 경우에는 n형의 확산층을 형성하고, n형의 단결정 실리콘일 경우에는 p형의 확산층을 형성한다. 제2도전형의 확산층의 형성 방법은 예를 들면 이하와 같이 할 수가 있다. 공정 a에서 준비한 단결정 실리콘 기판(11)이 p형일 경우에는, 단결정 실리콘층(17)의 표면에 인(phosphorus) 원소 이온을 이온 주입법으로 주입하고, 이에 플래시램프(flash-lamp) 아닐(anneal) 또는 단결정 실리콘층 표면에서의 흡수 계수가 높은 자외선, 심자외선의 레이저 조사 등을 행하고, 도너(donor)의 활성화 처리를 함으로써 pn접합을 형성할 수가 있다. 이러한 pn접합은, 도너를 형성하는 인(phosphorus)을 포함하는 페이스트(paste) 형상의 조성물을 작성하고, 이것을 단 결정 실리콘층(17) 표면에 도포하고, 이것을 플래시램프 아닐 또는 단결정 실리콘층 표면에서의 흡수 계수가 높은 자외선, 심자외선의 레이저 조사, 적외선 가열로 등으로 확산 처리를 행하는 것이라도 좋다.
또, 이와 같이 하여 pn접합을 형성한 후, 예를 들면 터치폴리시(touch polish)로 불리는 연마대가 5~400㎚로 매우 적은 연마를 하여도 좋다.
다음에, 단결정 실리콘층(17)의 제2도전형 실리콘층(22)측의 표면에 전극(23)을 형성한다(공정 g).
확산 처리를 한 표면에, 금속 또는 투명 도전성 재료를 이용하여, 진공 증착법 또는 화성 스퍼터법(sputtering method) 등에 의해 선상(線狀) 등의 전극을 형성함으로써, 전극인 투명 도전성막(16)의 대극(對極)으로 되는 전극(23)을 형성한다. 또한, 금속을 포함한 도전성 페이스트(paste)를 이용하여 인쇄법에 의해 집전 전극을 형성할 수도 있다. 이 집전 전극 형성용 조성물의 경화는 상기의 플래시램프 아닐(annela)이나 적외선 가열법 등에 의해 행해진다. 본 발명과 관련되는 단결정 실리콘 태양전지를 확실히 한쪽의 면측에서 보았을 때에 다른 한쪽의 면측이 투견되는 것인 구조로 하기 위해서, 금속의 전극을 형성하는 경우는, 전극 면적을 광 수광면 전체의 80% 이하, 보다 바람직하게는 50% 이하로 하는 것이 좋다. 투명 도전성막을 형성하는 경우는 전체면에 형성하여도 좋다. 또, 집전 전극은 투명 절연 기판의 단부에 형성하는 것이라도 좋다.
또, 전극(23) 형성 후, 질화규소 등의 보호막 등을 더 형성하여도 좋다.
그리고, 공정 a~g에 의해 제조된 단결정 실리콘 태양전지는 제조시에 열왜 곡, 박리, 균열 등이 발생되어 있지 않고, 얇고 양호한 막 두께 균일성을 가지고, 결정성이 뛰어나고, 투명 절연성 기판 상에 단결정 실리콘층을 가지는 단결정 실리콘 태양전지(31)이다.
또, 공정 e에서 단결정 실리콘층(17)을 박리 전사한 후의 나머지의 단결정 실리콘 기판은, 박리 후의 조면(粗面) 및 이온 주입층을 연마에 의해 평활화 및 제거 처리를 행하고 반복 이온 주입 처리를 함으로써, 다시 단결정 실리콘 기판(11)으로서 이용할 수가 있다. 본 발명의 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법에서는, 이온 주입 공정으로부터 박리 공정에 있어서, 단결정 실리콘 기판을 300℃ 이상으로 가열할 필요가 없기 때문에, 산소 야기 결함이 단결정 실리콘 기판에 도입될 우려가 없다. 그 때문에, 최초로 1㎜ 미만의 단결정 실리콘 기판을 이용하는 경우에는, 단결정 실리콘층(17)의 막 두께를 5㎛로 하는 경우에는, 100회 이상 박리 전사하는 것도 가능하게 된다.
이러한 제조 방법에 의해 제조된 단결정 실리콘 태양전지(31)는, 도 1(g)에 나타내듯이, 투명 절연성 기판(12)과 투명 도전성막(16)과 pn접합이 형성된 단결정 실리콘층(17)과 전극(23)이 순차 적층된 것이다.
단결정 실리콘층(17)이 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하이면, 박막 단결정 실리콘 태양전지로서 실용적인 효율이 얻어짐과 아울러, 사용하는 규소 원료의 양을 절약할 수 있다. 또, 이러한 두께의 단결정 실리콘층을 가지는 단결정 실리콘 태양전지이면 확실히 일부 가시광을 투과시켜 투명하게 할 수가 있다.
또, 본 발명과 관련되는 단결정 실리콘 태양전지(31)는, 한쪽의 면측에서 보 았을 때에 다른 한쪽의 면측이 투견되는 것으로 할 수가 있고, 이 경우, 수광면은 투명 절연성 기판(12)측과 전극(23)측의 어느 것으로 할 수 있다.
==<실시예>==
(실시예)
단결정 실리콘 기판(11)으로서 한쪽의 면이 경면연마(鏡面硏磨)된 직경 200㎜(8인치), 결정면(100), p형, 저항률 15Ω·㎝의 단결정 실리콘 기판을 준비하였다. 또, 투명 절연성 기판(12)으로서 직경 200㎜(8인치), 두께 2.5㎜의 석영 유리 기판을 준비하였다(공정 a).
다음에, 단결정 실리콘 기판(11)에 가속 전압 350keV로 수소 플러스 이온을 도우즈양(dose quantity) 1.0×1017/㎝2의 조건으로 주입하였다(공정 b). 이온 주입층(14)의 깊이는 이온 주입면(13)으로부터 대략 3㎛로 되었다.
다음에, 석영 유리 기판(12)으로 안티몬을 도핑(doping)한 산화주석의 피막을 스프레이법(spray method)에 의해 형성하고, 이것에 산화인듐주석로 이루어지는 평균 입자직경 1.0㎛의 도전성 입자를 필러(filler)로서 알콕시실란과 테트라알콕시실란의 가수분해 중축합물에 상기 도전성 입자를 80wt% 포함하는 도전성 재료로 하고, 이것을 이소프로필 알코올의 용매에 녹여서 투명 도전성 접착제로 하였다. 이 투명 도전성 접착제(15)를 개재하여 단결정 실리콘(11)과 석영 유리 기판(12)을 밀착시켰다(공정 c).
이 붙여 맞댐 기판을 250℃에서 2시간 가열 처리한 후, 실온으로 되돌림으로 써 투명 도전성 접착제(15)를 경화시켜 투명 도전성막(16)으로 함과 아울러, 단결정 실리콘(11)과 석영 유리 기판(12)을 강고하게 붙여 맞대었다(공정 d).
다음에, 접합 계면 근방에 고압 질소 가스를 내뿜은 후, 이 분사면으로부터 박리가 개시되도록, 단결정 실리콘 기판을 벗기도록 기계적으로 박리를 행하였다(공정 e). 이때 단결정 실리콘 기판 및 석영 유리 기판에 배면으로부터 보조 기판을 흡착시킨 후 박리하도록 하였다. 또, 박리 전사된 단결정 실리콘에 플래시램프 아닐법(annealing method)에 의해 표면이 순간적으로 700℃ 이상으로 되는 조건에서 조사하고, 수소 주입 손상을 회복하였다.
단결정 실리콘층(17)의 표면에, 인 유리(phosphorus glass)를 포함하는 에틸셀로솔브(ethyl-cellosolve)를 증점제(增粘劑)로 하는 확산용 페이스트(paste)를 스크린 인쇄법에 의해 전체면에 도포하였다. 이것에 플래시램프에 의해 순간적으로 표면이 600℃ 이상으로 되도록 조사를 하고, 대략 1㎛의 접합 깊이의 pn접합 계면을 형성하였다(공정 f).
이 확산 페이스트를 불산 및 아세톤, 이소프로필 알코올로 제거 세정 후, 진공 증착법 및 패터닝법(patterning method)에 의해 은 전극(23)을 형성하였다(공정 g). 그 후, 또한 은의 집전 전극 패턴을 금속 마스크를 이용하여 진공 증착법에 의해 형성하였다. 그 후, 취출 전극 부분을 제외한 표면을 반응성 스퍼터법에 의해 질화규소의 보호 피막을 형성하였다.
이와 같이 하여 투명 절연성 기판, 투명 도전성막, pn접합이 형성된 단결정 실리콘층과 전극이 순차 적층된 박막 단결정 실리콘 태양전지(31)를 제조하였다.
이와 같이 하여 제조한 단결정 실리콘 태양전지에 솔라 시뮬레이터(solar simulator)에 의해 AM1.5로 100㎽/㎝2의 광을 조사하고, 변환 효율을 구하였다. 변환 효율은 7%이고, 시간 경과 변화는 없었다.
또, 이 태양전지를 비쳐보이게 하여 맑은 날씨일 때의 대낮에 있어서 실외로부터 외광을 거두어 들여 실외를 엿보면 실외의 모습을 볼 수가 있었다.
또, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태는 단순한 예시이고, 본 발명의 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지고 동일한 작용 효과를 나타내는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 1은 본 발명과 관련되는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법의 일례를 나타내는 공정도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
　11 단결정 실리콘 기판
　12 투명 절연성 기판,
　13 이온 주입면
　14 이온 주입층
　15 투명 도전성 접착제
　16 투명 도전성막
　17 단결정 실리콘층
　21 제1도전형 실리콘층
　22 제2도전형 실리콘층
　23 전극
　31 단결정 실리콘 태양전지

Claims (12)

  1. 투명 절연성 기판과 상기 투명 절연성 기판 상에 배치되고 광변환층으로서 동작하는 단결정 실리콘층을 포함하는 단결정 실리콘 태양전지를 제조하는 방법으로서,
    적어도,
    투명 절연성 기판과 제1도전형의 단결정 실리콘 기판을 준비하는 공정과,
    상기 단결정 실리콘 기판에 수소 이온 또는 희가스 이온의 적어도 한쪽을 주입하여 이온 주입층을 형성하는 공정과,
    상기 이온 주입면을 붙여 맞댐면으로 하여, 상기 단결정 실리콘 기판을, 투명 도전성 접착제를 개재하여 상기 투명 절연성 기판과 밀착시키는 공정과,
    상기 투명 도전성 접착제를 경화시켜 투명 도전성막으로 함과 아울러, 상기 단결정 실리콘 기판과 상기 투명 절연성 기판을 붙여 맞대는 공정과,
    상기 이온 주입층에 충격을 주어 상기 단결정 실리콘 기판을 기계적으로 박리하여 단결정 실리콘층으로 하는 공정과,
    상기 단결정 실리콘층에 상기 제1도전형과는 다른 도전형인 제2도전형의 확산층을 형성하여 pn접합을 형성하는 공정과,
    상기 단결정 실리콘층 상에 전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명 절연성 기판을, 석영 유리, 결정화 유리, 붕규산 유리, 소다라임 유리의 어느 것으로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 투명 도전성 접착제를, 산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화인듐 중 적어도 일종을 함유하고, 도너 형성용 첨가 재료를 함유하는 것으로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명 도전성 접착제를, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 지환식 아크릴 수지, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 적어도 일종을 함유하는 것으로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 주입의 깊이를 이온 주입면으로부터 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재의 단결정 실리콘 태양전지의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 실리콘 태양전지.
  7. 적어도, 투명 절연성 기판과, 투명 도전성 접착제를 경화시켜 형성한 투명 도전성막과, pn접합이 형성된 단결정 실리콘층과 전극이 순차 적층된 것인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 투명 절연성 기판은, 석영 유리, 결정화 유리, 붕규산 유리, 소다라임 유리의 어느 것인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 투명 도전성막은, 산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화인듐 중 적어도 일종을 함유하고, 도너 형성용 첨가 재료를 함유하는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명 도전성막은, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 지환식 아크릴 수지, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 적어도 일종을 함유하는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지.
  11. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘층의 막 두께는 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지.
  12. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 태양전지는, 한쪽의 면측에서 보았을 때에, 다른 한쪽의 면측이 투견되는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지.
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