KR101389540B1 - Solar cell and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있는 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있는 제1형 반도체, 제2 전극 위에 형성되어 있는 제2형 반도체, 제2형 반도체 위에 형성되어 있는 제2 전극을 포함하고, 제1형 반도체 및 제2형 반도체 중 적어도 하나는 나노 크기의 규소 입자를 포함한다.A solar cell according to the present invention includes a substrate, a first electrode formed on the substrate, a first-type semiconductor formed on the first electrode, a second-type semiconductor formed on the second electrode, And at least one of the first type semiconductor and the second type semiconductor includes nano-sized silicon particles.
Description
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
태양 전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 광전 변환(photoelectric conversion) 소자로서 대규모 태양광 발전소나 휴대용 전원이나 충전기 등에 이르기까지 다양한 형태로 응용되고 있으며, 앞으로 신재생 에너지의 핵심 소자로서 활용범위가 더욱 확대될 전망이다.Photovoltaic cells are photoelectric conversion devices that convert sunlight directly into electricity. They are used in various forms ranging from large-scale solar power plants to portable power supplies and chargers. Is expected to expand.
광전 변환은 빛의 흡수에 적합한 밴드갭 에너지(bandgap energy)를 갖는 최적의 p형과 n형 반도체로 이루어진 pn 광전변환 소자 또는 p형, i형(또는 진성) 및 n형 반도체로 이루어진 pin 광전변환 소자에 빛을 비추게 되면 에너지 밴드갭(bandgap) 이상의 에너지를 갖는 파장의 빛(광자)이 흡수되면서 반도체 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)에 각각 전자와 정공 쌍이 여기(excitation)된다. The photoelectric conversion is performed by a pn photoelectric conversion element made of an optimum p-type and n-type semiconductor having a bandgap energy suitable for light absorption or a pin photoelectric conversion element made of a p-type, i-type (or intrinsic) When the device is irradiated with light, the light (photons) having the energy higher than the energy bandgap is absorbed, and the electron and the hole pair are excited respectively in the semiconductor conduction band and the valence band .
생성된 전자와 정공은 농도(또는 밀도) 차에 의해서 주변으로 확산하다가 내재 전위장벽(built-in potential barrier)이 형성되어 있는 p형과 n형 반도체의 접합부(junction)에 도달하게 되면 강한 전기장에 의해 유동(drift)이 일어나게 된다. 그 결과, p형 반도체에서 확산되어 온 전자는 n형 반도체 쪽으로, n형 반도체에서 확산되어 온 정공은 p형 반도체 쪽으로 이동하게 되어 전류가 발생한다. 따라서 태양전지의 효율은 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합(recombination)하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지 내부에서 수집되어 외부회로 쪽으로 보내어지는 가에 의해서 결정된다. The generated electrons and holes diffuse to the periphery due to the concentration (or density) difference, and when they reach junctions of p-type and n-type semiconductors with built-in potential barriers, So that drift occurs. As a result, the electrons diffused from the p-type semiconductor migrate toward the n-type semiconductor, and the holes diffused from the n-type semiconductor migrate toward the p-type semiconductor to generate a current. Therefore, the efficiency of a solar cell is determined by how efficiently electrons and holes excited by light absorption recombine and are not lost, but are collected in the cell and sent to an external circuit.
태양전지의 효율을 증가시키기 위해서는 가능한 많은 빛이 반도체에 흡수될 수 있도록 광반사를 감소시키는 기술과 광전 여기에 적합하도록 반도체의 에너지갭이 적합한 범위를 가지도록 조절하는 기술이 중요하다.In order to increase the efficiency of the solar cell, it is important to reduce the reflection of light so that as much light as possible can be absorbed by the semiconductor and to control the energy gap of the semiconductor so as to be suitable for the photoelectric excitation.
따라서 본 발명에서는 밴드갭 에너지를 조절하여 빛의 단파장에서 장파장까지 이르는 넓은 흡광성질을 가지는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention provides a solar cell having a broad light absorbing property ranging from a short wavelength to a long wavelength by adjusting band gap energy, and a method of manufacturing the same.
그리고 본 발명에서는 빛의 산란 현상을 이용하여 광반사를 감소시키고 광 포획(light trapping)을 증가시킴으로서 광전 변환 효율을 개선시키기 위한 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention provides a solar cell and its manufacturing method for improving photoelectric conversion efficiency by reducing light reflection and increasing light trapping by utilizing scattering phenomenon of light.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있는 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있는 제1형 반도체, 제1 형 반도체 위에 위치하는 진성 반도체, 진성 반도체 위에 형성되어 있는 제2형 반도체, 제2형 반도체 위에 형성되어 있는 제2 전극을 포함하고, 제1형 반도체, 진성 반도체 및 제2형 반도체 중 적어도 하나는 나노 크기의 규소 입자를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a solar cell including a substrate, a first electrode formed on the substrate, a first semiconductor formed on the first electrode, an intrinsic semiconductor disposed on the first semiconductor, Type semiconductor, a second electrode formed on the second-type semiconductor, and at least one of the first-type semiconductor, the intrinsic semiconductor, and the second-type semiconductor includes nano-sized silicon particles.
상기 규소 입자는 10nm 이하의 크기로 이루어질 수 있다.The silicon particles may have a size of 10 nm or less.
상기한 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법은 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계, 제1 전극 위에 제1형 반도체를 형성하는 단계, 제1형 반도체 위에 진성 반도체를 형성하는 단계, 진성 반도체 위에 제2형 반도체를 형성하는 단계, 제2형 반도체 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 제1형 반도체, 진성 반도체, 제2형 반도체를 형성하는 단계 중 적어도 하나의 단계는 플라스마 장치에 아르곤 기체 또는 헬륨 기체: 반응 기체를 50 내지 500: 1의 비율로 주입한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a solar cell including forming a first electrode on a substrate, forming a first semiconductor on the first electrode, forming an intrinsic semiconductor on the first semiconductor, Forming a second-type semiconductor on the intrinsic semiconductor; and forming a second electrode on the second-type semiconductor, wherein at least one of the first-type semiconductor, the intrinsic semiconductor, and the second-type semiconductor is formed Comprises injecting argon gas or helium gas: reactive gas into the plasma apparatus at a rate of 50 to 500: 1.
상기 제1형 반도체, 진성 반도체, 및 제2형 반도체를 형성하는 단계 중 적어도 하나는 플라스마 장치의 RF파워를 제1 파워, 제2 파워 및 제1 파워 순으로 변화시키는 단계를 포함하고, 제2 파워는 상기 제1 파워보다 클 수 있다.Wherein at least one of forming the first type semiconductor, the intrinsic semiconductor, and the second type semiconductor includes changing RF power of the plasma apparatus to a first power, a second power and a first power, The power may be greater than the first power.
상기 RF 파워는 50W 내지 200W의 범위로 공급할 수 있다.The RF power may be supplied in the range of 50W to 200W.
상기 제1형 반도체, 진성 반도체, 및 제2형 반도체를 형성하는 단계 중 적어도 하나는 비열식 플라스마에 의한 기상합성법으로 형성할 수 있다. At least one of the steps of forming the first type semiconductor, the intrinsic semiconductor, and the second type semiconductor may be formed by a vapor phase synthesis method using a non-thermal plasma.
본 발명에서와 같이 태양전지를 형성하면, 광반사율은 감소하고, 광포획율은 증가한 태양전지를 제조할 수 있다. When a solar cell is formed as in the present invention, a solar cell in which the light reflectance is decreased and the light trapping rate is increased can be produced.
그리고 본 발명에서와 같이 태양 전지를 형성하면 나노 입자의 크기를 용이하게 제어할 수 있으므로 용이하게 광파장에 따른 여지자 생성을 촉진시켜 태양 전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. Since the size of nanoparticles can be easily controlled by forming a solar cell as in the present invention, it is possible to facilitate photoelectric conversion efficiency of a solar cell by facilitating generation of a filament according to a light wavelength.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3 내지 도 5은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순서대로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 규소 나노 입자의 합성 단계를 도시한 순서도이다.
도 7(a) 내지 도 7(f)는 도 6의 순서로 규소 나노 입자를 형성할 때 캐리어 기체의 변화에 따른 나노 입자의 크기 분포를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 규소 나노 입자의 밴드갭 에너지 변화를 나타낸 것으로 PL(Photoluminescence) 실험을 통하여 나타난 결과이다.1 is a schematic cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 to 5 are views sequentially illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flow chart showing a step of synthesizing silicon nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
7 (a) to 7 (f) are graphs showing the size distribution of nanoparticles according to the change of the carrier gas when the silicon nanoparticles are formed in the order of FIG. 6.
FIG. 8 is a graph showing a change in band gap energy of silicon nanoparticles according to an embodiment of the present invention, and is a result of PL (Photoluminescence) experiment.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. Like parts are designated with like reference numerals throughout the specification. Whenever a portion of a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the case where it is "directly on" another portion, but also the case where there is another portion in between. Conversely, when a part is "directly over" another part, it means that there is no other part in the middle.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 기판(100), 기판(100) 위에 형성되어 있는 제1 전극(202), 제1 전극(202) 위에 형성되어 있는 광전 변환부(PV), 광전 변환부(PV) 위에 형성되어 있는 제2 전극(204)을 포함한다.1, a solar cell according to an embodiment of the present invention includes a
기판(100)은 다수 기능성층들이 배치될 수 있는 공간을 마련할 수 있다. 그리고 기판(100)은 입사되는 광(light)이 광전 변환부(PV)에 효과적으로 도달할 수 있도록 실질적으로 투명한 비전도성 재질, 예를 들어 유리 또는 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다. The
제1 전극(202)은 기판(100) 위에 위치하고, 광전 변환부(PV)가 발생시킨 전력의 회수 효율을 높이기 위해서 전기 전도성 및 반사성이 우수한 금속 재질을 포함할 수 있다. 그리고 제2 전극(204)은 광전 변환부(PV)와 전기적으로 연결되며, 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예를 들어 정공을 수집하여 출력할 수 있다. The
이와 같이 제1 전극(202)은 반사성이 우수한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있다.As described above, the
제2 전극(204)은 제1 전극(202)과 이격되어 광전 변환부(PV) 위에 위치하여 광전 변환부(PV)와 전기적으로 연결된다. The
제2 전극(204)은 입사되는 광의 투과율을 높이기 위해서 실질적으로 광투과성의 전도성 물질인 TCO(transparent conductive oxide)로 이루어진 하부층(204a)과, 하부층(204a) 위에 위치하며 광전 변환부(PV)에 의해서 생성된 캐리어의 수집을 효율을 높이기 위한 전기 전도도가 우수한 상부층(204b)을 포함한다. 제2 전극(204)은 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨데 전자를 수집하여 출력할 수 있다.The
하부층(204a)은 ZnO(zinc oxide), 알루미늄이 도핑된 ZnO인 AZO(aluminum zinc oxide), ITO(indium tin oxide) 등으로 이루어질 수 있으며, 100nm 내지 200nm의 두께로 형성될 수 있다.The
상부층(204b)은 전기 전도도가 우수한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있으며, 0.2㎛ 내지 1㎛의 두께로 형성될 수 있다. The
이상에서는 빛이 제2 전극(204) 쪽으로부터 입사되는 구조에 대해서 설명하였지만, 빛은 기판(100)쪽, 제1 전극(202)쪽으로부터 입사될 수 있으며, 이 경우에 제1 전극(202)이 광투과성의 전도성 물질로 형성되고, 제2 전극(204)은 금속 전극으로 형성될 수 있다. The light is incident on the
광전 변환부(PV)는 제1 전극(202)과 제2 전극(204) 사이에 위치하며, 외부로부터 기판(100)의 입사면을 통하여 입사되는 광을 전기로 변환하는 기능을 한다.The photoelectric conversion unit PV is positioned between the
광전 변환부(PV)는 제1형 반도체(302), 진성 반도체(304) 및 제2형 반도체(306)를 적어도 하나 이상 포함한다. The photoelectric conversion portion PV includes at least one of the first-
도 1에서는 제1형 반도체(302), 진성 반도체(304) 및 제2형 반도체(306)를 하나씩 포함하는 광전 변환부(PV)를 예로 들었으나, 2개 또는 3개 이상 적층하여 형성할 수 있다. Although the photoelectric conversion portion PV including the
그리고 광전 변환층(PV)이 2개인 경우 제1형 반도체(302), 진성 반도체(304) 및 제2형 반도체(306)를 각각 2개 이상 포함할 수 있다. 2개 이상의 복 수개로 형성될 제1형 반도체(302), 진성 반도체(304) 및 제2형 반도체(306)가 순서대로 반복해서 적층될 수 있다.
제1형 반도체(302) 및 제2형 반도체(306)에는 p형 도전형 불순물 또는 n형 도전형 불순물이 도핑될 수 있으며, p형 도전형 불순물은 예를 들어, 붕소(boron, B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소일 수 있고, n형 도전형 불순물은 예를 들어, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소일 수 있다. The
제1형 반도체(302)와 제2형 반도체(306)는 서로 반대의 도전형 불순물이 도핑되어 있으며, 제1형 반도체(302)에 n형 도전형 불순물이 도핑되면 제2형 반도체(306)는 p형 도전형 불순물이 도핑되고, 제1형 반도체(302)에 p형 도전형 불순물이 도핑되면, 제2형 반도체(306)는 n형 도전형 불순물이 도핑된다.The
광전 변환부(PV)의 제1형 반도체(302)와 제2형 반도체(306)는 진성 반도체(304)를 사이에 두고 PN 접합을 이룬다. The
진성 반도체(304)는 제1형 반도체(302)와 제2형 반도체(306) 사이에 위치하여 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수하여 전자 및 정공과 같은 캐리어를 생성할 수 있다.The
도 1에서는 광전 변환부(PV)의 구조가 제1 전극(202)으로부터 p형이 도핑된 제1형 반도체(302), 진성 반도체(304), n형이 도핑된 제2형 반도체(306)가 적층된 것을 설명하였으나, p형이 도핑된 제1형 반도체(302), 진성 반도체(304), n형이 도핑된 제2형 반도체(306)가 적층될 수 있다. 1, the structure of the photoelectric conversion portion PV is formed from a
이하에서는 설명의 편의상 광전 변환부(PV)의 구조가 입사면으로부터 p형이 도핑된 제1형 반도체(302), 진성 반도체(304), n형이 도핑된 제2형 반도체(306)를 예로 설명한다. Hereinafter, for convenience of explanation, the structure of the photoelectric conversion portion PV is shown as an example of a p-type doped
제1형 반도체(302), 진성 반도체(304) 및 제2형 반도체(306) 중 적어도 하나의 반도체는 구형이며 나노 크기의 나노 입자를 포함할 수 있으며, 나노 입자는 10nm 이하의 지름을 가지고, 규소(Si) 또는 게르마늄(Ge)일 수 있다. At least one semiconductor of the
한편, 도 1의 태양 전지(1000)는 광전 변환부(PV)와 제1 전극(202) 사이에 위치하는 후면 반사층(400)을 더 포함할 수 있다. The
후면 반사층(400)은 광전 변환부(PV) 및 제1 전극(202) 사이에 위치하며 광전 변환부(PV)에서 흡수되지 않은 광을 다시 광전 변환부(PV)로 반사시키는 기능을 한다. 광전 변환부(PV)에서 흡수되지 않은 빛을 광전 변환부(PV) 방향으로 반사시켜 광전 변환부(PV)의 광흡수율을 증가시키는 기능을 한다. The rear
후면 반사층(400)은 광전 변환부(PV)와 접하는 계면에서의 굴절율이 제1 전극(202)과 접하는 계면에서의 굴절률보다 낮을 수 있다. The refractive index of the rear
후면 반사층(400)은 알루미늄 아연 산화물((ZnOx:Al) 또는 붕소 아연 산화물(ZnOx:B) 또는 실리콘 산화물(SiOx) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. The rear
이와 같은 후면 반사층(400)에 사용될 수 있는 물질 중에서 각 물질의 산소 함유량을 조절하여 굴절률과 전기 전도도를 조절할 수 있다.The refractive index and electrical conductivity of the rear
후면 반사층에서 반사된 빛은 광전 변환부(PV)에서 흡수되며, 일부 빛은 광전 변환부(PV)를 투과한 후 다시 제2 전극(204)에서 광전 변환부(PV) 방향으로 다시 반사된다. 이와 같은 제2 전극(204)과 후면 반사층(400) 사이에서의 반사는 10회 내지 15회 정도로 반복해서 발생되면서 빛이 트래핑(trapping) 된다. The light reflected from the rear reflective layer is absorbed by the photoelectric conversion unit PV and some light is reflected again from the
따라서 광전 변환부(PV)의 광흡수율이 증가될 수 있고, 이에 따라서 태양 전지의 광전 변환 효율은 더욱 향상될 수 있다. Therefore, the light absorptivity of the photoelectric conversion portion (PV) can be increased, and thus the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be further improved.
광전 변환부(PV)에 광이 입사되면 진성 반도체(304)의 내부에서는 상대적으로 높은 도핑 농도를 갖는 제1형 반도체(302)와 제2형 반도체(306)에 의해 공핍(deplation)이 형성되고, 이에 따라서 전기장이 형성될 수 있다. 이러한 광기전력 효과(photovoltatic effect)에 의하여 광흡수층인 진성 반도체(304)에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다.When light is incident on the photoelectric conversion unit PV, a depletion is formed by the
즉, 정공은 p형인 제1형 반도체(302)를 통해서 제1 전극(202)으로 이동하고, 전자는 n형 반도체를 통해서 제2 전극(204)으로 이동하여 전력이 생산된다. That is, the holes move to the
본 발명의 한 실시예에서와 같이 나노 입자를 포함하는 광전 변환부(PV)를 형성하면 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있다.As described in one embodiment of the present invention, photoelectric conversion efficiency can be increased by forming a photoelectric conversion unit (PV) including nanoparticles.
본 발명의 한 실시예에 따른 나노 입자는 광전 변환부의 상, 하부에 위치하는 전극의 표면에서 반사된 빛이 재반사되거나 산란될 수 있도록 함으로써 광전 변환부(PV)에 입사된 빛의 손실을 최소화하고 광 포획량을 증가시켜 광전 변환 효율을 증가시킨다.The nanoparticles according to an embodiment of the present invention can minimize the loss of light incident on the photoelectric conversion unit (PV) by allowing the light reflected from the surface of the electrode located above and below the photoelectric conversion unit to be retroreflected or scattered And increases photo trapping efficiency to increase photoelectric conversion efficiency.
광전 변환부에 포함된 나노 입자는 구형으로, 전극과 나노 입자 물질과의 굴절율을 점진적으로 변화시키는 효과가 나타나므로 유효 매질 이론(effective medium theory)에 의해서 반사율이 감소하게 되므로 광 포획량을 증가시킬 수 있다. Since the nanoparticles included in the photoelectric conversion unit are spherical and exhibit an effect of gradually changing the refractive index between the electrode and the nanoparticle material, the reflectance is decreased by the effective medium theory, have.
이때, 나노 입자에 조사된 빛의 파장보다 나노 입자의 크기가 작을 경우 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 일어나고 빛의 파장과 나노 입자의 크기가 비슷한 경우에는 미 산란(mie scattering) 현상이 나타나므로 산란에 의하여 광 흡수가 증대될 수 있다. 특히 미 산란의 경우에는 산란된 빛이 보강 간섭뿐만 아니라 상쇄 간섭까지 일으켜 파장과 무관하게 빛의 진행 방향에 대하여 전방이 후방에 비해 매우 큰 산란이 발생한다. 이 때문에 광전변환부의 포획량이 증가하여 광전 변환 효율이 증가한다. At this time, when the size of the nanoparticles is smaller than the wavelength of the light irradiated to the nanoparticles, Rayleigh scattering occurs. When the wavelength of the light and the size of the nanoparticles are similar, mie scattering occurs. The light absorption can be increased. Especially, in the case of non-scattering, scattered light causes not only a constructive interference but also a destructive interference, so that a very large scattering occurs in the forward direction relative to the traveling direction of the light regardless of the wavelength. Therefore, the trapped amount of the photoelectric conversion portion increases and the photoelectric conversion efficiency increases.
그럼 이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여, 도 1의 태양 전지를 제조하는 방법에 대해서 구체적으로 설명한다. Hereinafter, with reference to FIGS. 2 to 5, a method of manufacturing the solar cell of FIG. 1 will be described in detail.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3 내지 도 5은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순서대로 도시한 도면이다.FIG. 2 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3 to 5 sequentially illustrate a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법은 기판(100) 위에 제1 전극(202)을 형성하는 단계(S100), 제1 전극(202) 위에 제1형 반도체(302), 진성 반도체(304) 및 제2형 반도체(306)를 포함하는 광전 변환부(PV)를 형성하는 단계(S102), 광전 변환부(PV) 위에 후면 반사층(400)을 형성하는 단계(S104), 후면 반사층(400) 위에 제2 전극(204)을 형성하는 단계(S106)를 포함한다. 2, a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention includes forming a
구체적으로 도 3 내지 도 5와 기 설명한 도 2를 참조하여 설명한다.Will be described in detail with reference to Figs. 3 to 5 and Fig. 2 described above.
먼저, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 기판(100) 위에 반사성이 우수한 은(Ag)으로 금속막을 형성하여 제1 전극(202)을 형성한다. First, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, a metal film is formed on the
그런 다음, 제1 전극(202) 위에 제1형 반도체(302), 진성 반도체(304) 및 제2형 반도체(306)를 적층하여 광전 변환부(PV)를 형성한다. Then, the first-
광전 변환부(PV)는 플라스마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 형성할 수 있으며, 도 5의 합성 장치를 이용하여 형성할 수 있다. The photoelectric conversion unit PV may be formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), or may be formed using the synthesizer of FIG.
도 5의 합성 장치(1000)는 고진공을 제공하기 위한 챔버(10), 챔버와 연결되어 있으며 기체가 유입되고 반응하여 결정이 생성되는 석영 반응로(quartz reactor)(20), 석영 반응로(20)의 외부에 위치하여 RF전력을 공급하는 링 형 안테나(ring type antenna)(30)를 포함한다.The
도 5를 참고하면, 광전 변환부(PV)는 인-시츄(in-situ) 공정으로 진행할 수 있으며, 각각의 반도체는 10-3 ~10-7 torr 범위의 고진공 상태에서 진행한다. 이때, 캐리어(carrier gas) 기체로 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He)을 200sccm 내지 2,000sccm의 유량으로 주입하고, 반응 기체인 실란(SiH4)을 1sccm 내지 100sccm의 유량으로 주입한다. 그리고 석영 반응로(20)의 외부에 위치한 링 형 안테나(30)에 13.56 MHz의 RF 전력(power)을 50W 내지 200W의 범위로 공급하여 발생된 비열식 플라스마(non-thermal plasma)에 의한 기상합성법으로 형성한다. 게르마늄(Ge)층을 형성할 경우에는 실란 기체 대신 사수소화 게르마뉴(GeH4)을 주입할 수 있다. Referring to FIG. 5, the photoelectric conversion part PV may proceed in an in-situ process, and each semiconductor proceeds in a high vacuum state in the range of 10 -3 to 10 -7 torr. At this time, argon (Ar) or helium (He) is injected as a carrier gas at a flow rate of 200 sccm to 2,000 sccm, and silane (SiH 4 ) as a reaction gas is injected at a flow rate of 1 sccm to 100 sccm. A gas phase synthesis method using a non-thermal plasma generated by supplying an RF power of 13.56 MHz in a range of 50 W to 200 W to a ring-shaped
비열식 플라스마에 의한 기상 합성법은 고에너지 플라스마 내의 전자 충돌에 의해 전구체 기체(precursor gas) 분자가 분해되어 기상 합성 반응(gas phase synthesis) 반응이 일어나게 되는데 이때의 전자 온도는 3eV~5eV로 30,000K ~50,000K 정도의 고온이지만 플라스마 내부의 전자 밀도가 극히 낮고 전자와 충돌하는 중성 기체 분자, 이온의 열 접촉(thermal contact)이 적으므로 실제 반응온도는 상온에 가깝게 된다.In the gas phase synthesis method using non-thermal plasma, precursor gas molecules are decomposed by an electron collision in a high-energy plasma, and a gas phase synthesis reaction occurs. The electron temperature is 3,000 to 5 eV, 50,000K, but the electron density inside the plasma is extremely low and the thermal contact of the neutral gas molecules and ions colliding with electrons is small, so the reaction temperature is close to room temperature.
이때, 나노 입자의 크기는 캐리어 기체의 공급량에 따라서 플라스마 챔버 내에서 생성되는 규소 입자의 잔류 시간(residence time)에 따라서 달라진다.At this time, the size of the nanoparticles depends on the residence time of the silicon particles generated in the plasma chamber depending on the amount of carrier gas supplied.
이하에서는 나노 입자를 가지는 진성 반도체를 형성하는 방법에 대해서 좀 더 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a method of forming an intrinsic semiconductor having nanoparticles will be described in more detail.
제1형 반도체(302) 및 제2형 반도체(306)은 진성 반도체와 동일한 방법으로 형성될 수 있으며, 진성 반도체와 달리 제1형 반도체는 제1형 도전형 불순물이 추가로 주입되고, 제2형 반도체는 제2형 도전형 불순물이 추가로 주입된다.The
진성 반도체의 규소 입자의 크기는 석영 반응로(20) 내부의 실란 기체의 잔류 시간(residence time)에 따라서 달라지며, 잔류 시간이 길어질수록 규소 입자의 크기가 증가하고 잔류 시간이 짧을수록 규소 입자의 크기가 작아진다. 따라서 캐리어 기체의 공급량(flow rates)을 증가시켜 실란 기체의 잔류시간을 줄임으로써 규소 나노 입자의 크기를 줄일 수 있으므로, 캐리어 기체와 반응 기체는 50 내지 500 : 1의 비율로 주입하는 것이 바람직하다. The size of the silicon particles of the intrinsic semiconductor depends on the residence time of the silane gas in the
예를 들어, 규소 나노 입자의 합성은 도 6에서와 같이 4단계로 진행될 수 있다. For example, the synthesis of the silicon nanoparticles can be carried out in four steps as shown in FIG.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 규소 나노 입자의 합성 단계를 도시한 순서도이다.FIG. 6 is a flow chart showing a step of synthesizing silicon nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
규소 나노 입자 합성의 4단계는 첫째, 챔버 내에 캐리어 기체로 아르곤(Ar) 기체를 주입(S10)하고, 둘째, 캐리어 기체의 공급이 안정된 후 플라스마 파워를 70W로 유지하여 플라스마 분위기를 형성(S20)하고, 셋째, 플라스마 파워를 130W로 유지한 상태에서 반응 기체인 SiH4 가스를 주입하여 나노 입자를 합성(S30)하고, 넷째, 플라스마 파워를 70W로 유지한 상태에서 NF3 가스를 통하여 반응로 외벽에 증착된 규소를 제거(S40)하는 순으로 진행될 수 있다. In the fourth step of synthesizing the silicon nanoparticles, first, argon (Ar) gas is injected into the chamber as a carrier gas (S10), secondly, after the supply of the carrier gas is stabilized, the plasma power is maintained at 70W to form a plasma atmosphere (S20) and, third, the synthesis of nanoparticles to a plasma power injected into the reaction gas of SiH 4 gas in a holding state to 130W (S30), and the fourth, outer wall to the reaction via the NF 3 gas while keeping the plasma power to 70W (Step S40). In this case, as shown in FIG.
셋째 단계에서는 원하는 규소 결정 크기를 가지는 규소 나노 입자가 형성되는 단계로, 원하는 결정 크기를 형성할 수 있도록 플라스마 세기와 가스의 공급량을 변화시킨다. 이때, 입자의 크기를 증가시키려면 캐리어 기체에 대한 실란 기체 비율을 증가시켜야 하므로, 원하는 결정 크기에 맞게 둘째 단계에서보다 플라스마 전압을 올려 플라스마 발생량을 증가시킨다. 따라서 실란 기체의 이온화 반응이 증가하고 생성되는 규소 입자의 밀도가 증가하여 규소 나노 입자의 크기를 증가시킬 수 있다. In the third step, the silicon nanoparticles having the desired silicon crystal size are formed. The plasma intensity and the gas supply amount are changed so as to form a desired crystal size. At this time, in order to increase the size of the particles, the ratio of the silane gas to the carrier gas must be increased, so that the plasma voltage is increased to increase the amount of plasma generated in the second stage to meet the desired crystal size. Therefore, the ionization reaction of the silane gas increases and the density of the generated silicon particles increases, which can increase the size of the silicon nanoparticles.
그리고 넷째 단계에서는 더 이상의 결정 성장이 일어나지 않도록 플라스마 전압을 둘째 단계에서와 같은 수준으로 내린다. In the fourth step, the plasma voltage is reduced to the same level as in the second step so that no further crystal growth occurs.
도 6의 4단계 공정은 플라스마가 형성되는 높이 또는 반응로 제일 밑 부분으로부터 일정한 거리를 유지한 상태에서 진행할 수 있다. The process of
도 7(a) 내지 도 7(f)는 도 6의 순서로 규소 나노 입자를 형성할 때 캐리어 기체의 변화에 따른 나노 입자의 크기 분포를 도시한 그래프이다. 7 (a) to 7 (f) are graphs showing the size distribution of nanoparticles according to the change of the carrier gas when the silicon nanoparticles are formed in the order of FIG. 6.
도 7(a) 내지 도 7(f)는 아르곤/SiH4를 각각 200sccm/9sccm, 320sccm/7.2sccm, 560sccm/4.7sccm, 640sccm/4.1sccm, 1,030sccm/3.3sccm, 1,220sccm/2.6sccm의 비율로 변화시키면서 주입하였으며, 각각 30nm이상, 20nm이상, 8nm, 6nm, 4nm, 2nm 크기의 규소 나노 입자가 생성됨을 알 수 있다.7 (a) to 7 (f) illustrate the case where argon / SiH 4 is added at a rate of 200 sccm / 9 sccm, 320 sccm / 7.2 sccm, 560 sccm / 4.7 sccm, 640 sccm / 4.1 sccm, 1,030 sccm / 3.3 sccm and 1,220 sccm / 2.6 sccm, And silicon nanoparticles having sizes of 30 nm or more, 20 nm or more, 8 nm, 6 nm, 4 nm, and 2 nm, respectively, were produced.
이때, 형성된 나노 입자는 대략 구형으로 균일한 원자 배열을 가지는 단결정 상태이다.At this time, the formed nanoparticles are in a single crystal state having a substantially spherical uniform atomic arrangement.
따라서 본 발명의 반도체는 아르곤: SiH4는 50 내지 500 : 1의 비율로 주입되는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable that the semiconductor of the present invention is injected at a ratio of 50 to 500: 1 for argon: SiH 4 .
다시, 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 광전 변환층(PV) 위에 제2 전극(204)을 형성한다. 제2 전극(204)은 광투과성의 전도성 물질인 하부층(204a) 및 전도성 금속막을 형성한다. 그리고 전도성 금속막을 패터닝하여 상부층(204b)을 형성하여 하부층(204a)과 상부층(204b)으로 이루어지는 제2 전극(204)을 완성한다. 2 and 4, the
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 규소 나노 입자의 밴드갭 에너지 변화를 나타낸 것으로 PL(Photoluminescence) 실험을 통하여 나타난 결과이다.FIG. 8 is a graph showing a change in band gap energy of silicon nanoparticles according to an embodiment of the present invention, and is a result of PL (Photoluminescence) experiment.
도 8의 규소 나노 입자는 1,220sccm 내지 640 sccm 범위의 아르곤, 2.6sccm 내지 4.1 sccm 범위의 SiH4 기체 유량 범위로 조절하여, 형성된 나노 입자의 평균입자 크기가 2nm, 4nm, 6nm이다. The silicon nanoparticles of FIG. 8 may include argon ranging from 1,220 sccm to 640 sccm, SiH 4 ranging from 2.6 sccm to 4.1 sccm Adjusted to the gas flow rate range, the average particle size of the formed nanoparticles is 2 nm, 4 nm, 6 nm.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 규소 나노 입자의 크기가 2nm, 4nm, 6nm일 때 발광 파장의 정점이 각각 467nm, 625nm, 653nm로 나타났다. 이를 규소의 광학적 밴드갭으로 환산하면 직접 천이형 밴드갭으로서 각각 2.7eV, 2.0eV, 1.9eV에 해당되는 것으로 계산된다. As shown in FIG. 8, when the sizes of the silicon nanoparticles according to an embodiment of the present invention were 2 nm, 4 nm, and 6 nm, the peaks of the emission wavelengths were 467 nm, 625 nm, and 653 nm, respectively. When this is converted to the optical bandgap of silicon, it is calculated that it corresponds to 2.7 eV, 2.0 eV, and 1.9 eV, respectively, as direct transition bandgap.
종래 기술에 따른 벌크(bulk)형 규소인 경우에는 1.1eV에 해당하는 간접 천이형 밴드갭을 가지나, 본 발명의 실시예에서는 규소 입자의 크기가 나노 크기로 작아짐에 따라 밴드갭 에너지가 증가하며 직접 천이형 밴드갭으로 변화하는 것을 보인다. In the case of bulk type silicon according to the prior art, there is an indirect transition band gap corresponding to 1.1 eV. However, in the embodiment of the present invention, the band gap energy increases as the size of the silicon particles decreases to nano- It is shown that the transition band gap is changed.
따라서, 광 파장에 따른 여기자 생성이 촉진되어 태양 전지의 효율을 향상시키고, 태양전지의 단파장 범위에서 광전 변환 효율이 증가하는 효과를 기대할 수 있다. Accordingly, the exciton generation according to the light wavelength is promoted, thereby improving the efficiency of the solar cell and increasing the photoelectric conversion efficiency in the short wavelength range of the solar cell.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.
10: 고진공 챔버 20: 석영 반응로
30: 링 안테나 100: 기판
202: 제1 전극 204: 제2 전극
302: 제1형 반도체 306: 제2형 반도체
304: 진성 반도체 1000: 태양 전지
500: 합성장치 PV: 광전 변환부10: high vacuum chamber 20: quartz reactor
30: ring antenna 100: substrate
202: first electrode 204: second electrode
302: first type semiconductor 306: second type semiconductor
304: intrinsic semiconductor 1000: solar cell
500: Synthesizer PV: photoelectric conversion unit
Claims (7)
상기 기판 위에 형성되어 있는 제1 전극,
상기 제1 전극 위에 형성되어 있는 제1형 반도체,
상기 제1 형 반도체 위에 위치하는 진성 반도체,
상기 진성 반도체 위에 형성되어 있는 제2형 반도체,
상기 제2형 반도체 위에 형성되어 있는 제2 전극
을 포함하고,
상기 제1형 반도체, 진성 반도체 및 제2형 반도체 중 적어도 하나는 나노 크기의 규소 입자를 포함하고,
상기 규소 입자의 밴드갭 에너지는 1.1eV초과인 태양 전지.Board,
A first electrode formed on the substrate,
Type semiconductor formed on the first electrode,
An intrinsic semiconductor disposed on the first-type semiconductor,
A second type semiconductor formed on the intrinsic semiconductor,
And a second electrode formed on the second-
/ RTI >
At least one of the first-type semiconductor, the intrinsic semiconductor, and the second-type semiconductor includes nano-sized silicon particles,
Wherein the silicon particle has a band gap energy of more than 1.1 eV.
상기 규소 입자는 10nm 이하의 크기로 이루어지는 태양 전지.The method of claim 1,
Wherein the silicon particles have a size of 10 nm or less.
상기 제1 전극 위에 제1형 반도체를 형성하는 단계,
상기 제1형 반도체 위에 진성 반도체를 형성하는 단계,
상기 진성 반도체 위에 제2형 반도체를 형성하는 단계,
상기 제2형 반도체 위에 제2 전극을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 제1형 반도체, 진성 반도체, 및 제2형 반도체를 형성하는 단계 중 적어도 하나는 플라스마 장치의 RF파워를 제1 파워, 제2 파워 및 제1 파워 순으로 변화시키는 단계를 포함하고,
상기 제2 파워는 상기 제1 파워보다 큰 태양 전지의 제조 방법.Forming a first electrode on the substrate,
Forming a first type semiconductor on the first electrode,
Forming an intrinsic semiconductor on the first-type semiconductor,
Forming a second type semiconductor on the intrinsic semiconductor,
Forming a second electrode on the second-type semiconductor;
Lt; / RTI >
Wherein at least one of forming the first type semiconductor, the intrinsic semiconductor, and the second type semiconductor includes changing the RF power of the plasma device to a first power, a second power and a first power,
Wherein the second power is larger than the first power.
상기 제1형 반도체, 진성 반도체 및 제2형 반도체를 형성하는 단계 중 적어도 하나의 단계는 상기 플라스마 장치에 아르곤 기체 또는 헬륨 기체: 반응 기체를 50 내지 500: 1의 비율로 주입하여 형성하는 태양 전지의 제조 방법. In paragraph 3
At least one of the steps of forming the first type semiconductor, the intrinsic semiconductor and the second type semiconductor is a step of forming a solar cell by forming an argon gas or a helium gas: a reactive gas into the plasma device at a rate of 50 to 500: ≪ / RTI >
상기 RF 파워는 50W 내지 200W의 범위로 공급하는 태양 전지의 제조 방법.4. The method of claim 3,
Wherein the RF power is supplied in a range of 50W to 200W.
상기 제1형 반도체, 진성 반도체, 및 제2형 반도체를 형성하는 단계 중 적어도 하나는 비열식 플라스마에 의한 기상합성법으로 형성하는 태양 전지의 제조 방법.4. The method of claim 3,
Wherein at least one of the steps of forming the first type semiconductor, the intrinsic semiconductor, and the second type semiconductor is formed by a vapor phase synthesis method using a non-thermal plasma.
상기 규소 입자의 밴드갭 에너지는 1.9eV이상인 태양 전지.
The method of claim 1,
Wherein the silicon particle has a band gap energy of 1.9 eV or more.
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| JP2001332494A (en) | 2000-05-25 | 2001-11-30 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Semiconductor element and method of manufacturing the same |
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