KR101920768B1 - 광전소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 상에 차례로 형성되는 절연막과 제 1 전극을 산소 함유량이 상이한 산화 아연(ZnO)계 물질로 형성하여 신뢰성을 향상시키고 제조 비용을 절감할 수 있는 광전소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 광전소자는 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기판 상에 형성된 절연막; 상기 절연막 상에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 반도체층; 및 상기 반도체층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며, 상기 절연막과 상기 제 1 전극은 산화 아연(ZnO)계 물질로 형성되며, 상기 절연막의 산소 함유량이 상기 제 1 전극의 산소 함유량보다 많다.
Description
본 발명은 광전소자에 관한 것으로, 특히, 제조 비용을 절감하고 공정을 간소화하며 신뢰성이 향상된 광전소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
광전소자는 p-n 접합으로 이루어진 반도체소자의 일종으로, 전기적인 신호를 가하면 다양한 형태의 빛 에너지를 방출하는 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED), 광을 흡수하여 전기 에너지로 변환하는 태양 전지 등을 포함한다. 특히, 태양 전지는 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화의 원인이 되는 것으로 지적되는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 대체하기 위한 친환경 재생에너지 중 하나로 주목되고 있다.
태양 전지는 밴드 갭 에너지 이상으로 흡수한 광 에너지에 의해 전자가 들뜬 상태가 되어 전자-정공쌍(electron hole pairs)이 발생되고, 이때 발생된 전자와 정공이 서로 반대방향으로 이동함에 따라 광기전력이 발생되는 광전효과를 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다.
이하에서는 광전소자의 일 예로 태양 전지에 적용하여 설명한다.
태양 전지에 태양광이 입사되면 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체층 내에서 정공 및 전자가 발생한다. 반도체층은 P(Positive)형 반도체와 N(Negative)형 반도체를 접합시킨 PN 구조 또는, P형 반도체와 N형 반도체 사이에 진성 반도체 재질의 광 흡수층인 I(Intrinsic)형 반도체를 삽입한 PIN 구조이며, PN접합에서 발생한 전기장에 의해 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 이동하고, P형 반도체 및 N형 반도체 상에 형성된 전극을 통해 전자 또는 정공이 외부 회로로 흘러 전류가 발생된다.
구체적으로, 일반적인 태양 전지는 기판, 기판 상에 형성된 제 1 전극, 제 1 전극 상에 형성된 반도체층 및 반도체층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며, 제 1 전극은 태양광이 투과할 수 있도록 투명한 금속물질로 형성한다. 특히, 기판이 플라스틱과 같은 플렉서블 기판인 경우, 기판의 아웃 개싱(Out Gassing)이 발생하거나 제 1 전극과 기판 사이의 밀착력 및 균일성이 저하된다. 또한, 플렉서블 기판은 유리 기판에 비해 열에 의한 변형 가능성이 높으므로, 이를 방지하기 위해 기판과 제 1 전극 사이에 SiOx, SiNx 등과 같은 물질로 절연막을 형성한다.
그런데, 이 경우, 절연막으로 인해 광 투과율이 저하되며, 절연막과 제 1 전극 사이에 응력이 발생하여 제 1 전극과 절연막 사이의 밀착력이 저하된다. 특히, 절연막과 제 1 전극의 굴절률 차이에 의해 광 투과율이 저하되어 광 손실이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 제 1 전극 및 절연막을 동일 물질로 형성하여 제 1 전극과 절연막의 밀착력을 향상시켜 신뢰성이 향상되며, 공정을 단순화할 수 있는 광전소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광전소자는 플렉서블 기판, 상기 플렉서블 기판 상에 형성된 절연막, 상기 절연막 상에 형성된 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 형성된 반도체층 및 상기 반도체층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며, 상기 절연막과 상기 제 1 전극은 산화 아연(ZnO)계 물질로 형성되며, 상기 절연막의 산소 함유량이 상기 제 1 전극의 산소 함유량보다 많다.
상기 산화 아연계 물질은 알루미늄(Al)이 도핑된 AZO 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 GZO이다.
또한, 동일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광전소자의 제조방법은 기판 상에 절연막을 형성하는 단계, 상기 절연막 상에 제 1 전극을 형성하는 단계, 상기 제 1 전극 상에 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 반도체층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 절연막과 상기 제 1 전극은 산화 아연(ZnO)계 물질로 형성하며, 상기 절연막의 산소 함유량이 상기 제 1 전극의 산소 함유량보다 많다.
상기 산화 아연계 물질은 알루미늄(Al)이 도핑된 AZO 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 GZO이다.
상기 절연막과 상기 제 1 전극을 동일한 챔버에서 상기 산화 아연(ZnO)계 물질을 타겟으로 이용하는 스퍼터링 방법으로 형성한다.
상기 절연막을 형성하는 단계는 상기 챔버 내에 스퍼터링 가스와 산소를 주입하며, 상기 제 1 전극을 형성하는 단계는 스퍼터링 가스만 주입한다.
본 발명의 광전소자 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 절연막과 제 1 전극을 산소 함유량만 상이한 산화 아연(ZnO)계 물질로 형성하여 절연막과 제 1 전극의 밀착성을 향상시키며, 제 1 전극의 면저항을 감소시켜 전극 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 산화 아연계 물질로 절연막과 제 1 전극을 형성하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
둘째, 절연막과 제 1 전극을 동일 챔버에서 동일 타겟을 이용하여 형성함으로써 공정을 간소화할 수 있다. 특히, 산소 분압을 조절하여 절연막과 제 1 전극을 연속적으로 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 태양 전지의 단면도
도 2a는 본 발명의 태양 전지의 투과율을 측정한 그래프
도 2b는 본 발명의 제 1 전극의 면저항을 측정한 그래프
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도
도 4는 산소 분압에 따른 본 발명의 태양 전지의 투과율을 측정한 그래프
도 5는 산소 분압에 따른 본 발명의 제 1 전극의 면저항을 측정한 그래프
도 2a는 본 발명의 태양 전지의 투과율을 측정한 그래프
도 2b는 본 발명의 제 1 전극의 면저항을 측정한 그래프
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도
도 4는 산소 분압에 따른 본 발명의 태양 전지의 투과율을 측정한 그래프
도 5는 산소 분압에 따른 본 발명의 제 1 전극의 면저항을 측정한 그래프
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 광전소자를 상세히 설명하면 다음과 같으며, 구체적인 실시 예는 광전소자의 일 예로 태양 전지에 적용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 태양 전지의 단면도이다.
도 1과 같이, 본 발명의 태양 전지는 기판(100) 상에 형성된 절연막(110), 절연막(110) 상에 형성된 제 1 전극(120), 제 1 전극(120) 상에 형성된 반도체층(130) 및 반도체층(130) 상에 형성된 제 2 전극(140)을 포함하며, 절연막(110)과 제 1 전극(120)은 산화 아연(ZnO)계 물질로 형성되며, 절연막(110)의 산소 함유량이 제 1 전극(120)의 산소 함유량보다 많다.
기판(100)은 유리 기판이거나 폴리이미드계(Polyimide) 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트계(Polyethylene terephtalate) 수지, 폴리우레탄계(Polyurethane) 수지, 폴리메틸메타아크릴레이트계(Polymethylmethacrylaten) 수지 등과 같은 물질로 형성된 플렉서블 기판이다.
그런데, 기판(100)이 플렉서블 기판인 경우, 기판(100)의 아웃 개싱(Out Gassing)이 발생하거나 제 1 전극(120)과 기판(100) 사이의 밀착력 및 균일성이 저하될 수 있다, 따라서, 이를 방지하기 위해 일반적으로 기판과 제 1 전극 사이에 SiOx, SiNx 등과 같은 물질로 절연막을 형성한다. 그런데, 제 1 전극은 일반적으로 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성되므로, 절연막과 제 1 전극의 밀착력이 저하되며, 절연막과 제 1 전극의 굴절률 차이에 의해 광 투과율이 저하되어 광 손실이 발생한다.
따라서, 본 발명의 광전소자는 제 1 전극(120)과 절연막(110)을 동일 물질로 형성한다. 이 때, 동일 물질은 산화 아연(ZnO)계 물질으로, 산화 아연계 물질은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 은(Ag), 티타늄(Ti), 주석(Sn) 및 탈륨(Ta) 중 선택된 금속이 도핑될 수 있으며, 알루미늄(Al)이 도핑된 AZO이거나, 갈륨(Ga)이 도핑된 GZO인 것이 바람직하다. 특히, 산화 아연계 물질은 ITO보다 저렴하고, 친환경적이며 ITO보다 연성이 좋고, 플라즈마에서 안정성이 좋으며 낮은 온도에서 공정이 가능하다.
즉, 제 1 전극(120)보다 산소 함유량이 많은 절연막(110)은 제 1 전극(120)과 같이 산화 아연계 물질로 형성되어도 절연 특성을 갖게 된다. 이 때, 절연막(110)의 두께는 100㎚이하이며, 제 1 전극(120)의 두께는 500㎚ 이하인 것이 바람직하다.
그리고, 제 1 전극(120) 상에 반도체층(130)이 형성된다. 반도체층(130)은 P형 실리콘층, I형 실리콘층, N형 실리콘층이 차례로 적층된 구조로, P형 실리콘층은 붕소(boron) 등의 제3족 원소인 p형 불순물이 도핑된 층이며, I형 실리콘층은 불순물이 포함되지 않은 실리콘층인 유전체층이며, N형 실리콘층은 인(P: Phosphorous), 질소(N: Nitrogen) 등과 같이 n형의 불순물이 도핑(doping)된 층이다.
이 때, 반도체층(130)은 높은 광변환 효율을 갖도록 P형 실리콘층, I형 실리콘층, N형 실리콘층의 PIN 구조가 두 번 적층된 구조거나, PIN 구조가 세 번 적층된 구조일 수 있다. 한편, 반도체층(130)은 CuInGaSe 또는 CdTe화합물의 단층으로 형성될 수 있다.
그리고, 반도체층(130) 상에 알루미늄(Al), 텅스텐(W)과 같은 도전 금속으로 제 2 전극(140)이 형성된다.
도 2a는 본 발명의 태양 전지의 투과율을 측정한 그래프이며, 도 2b는 본 발명의 제 1 전극의 면저항을 측정한 그래프이다.
도 2a는 유리 기판(Glass) 상에 차례로 절연막(AZO(Insulator)) 및 제 1 전극(AZO)을 형성한 태양 전지의 투과율을 측정한 그래프이다. 본 발명과 같이 비정질 실리콘 반도체층을 갖는 태양 전지는 가시광선 영역(약 400㎚ 내지 800㎚ 파장)의 광을 이용하며, 도 2a와 같이, 가시광선 영역에서 80% 이상의 투과율을 갖는다. 이는, 본 발명의 태양 전지는 절연막(110)과 제 1 전극(120)을 동일 물질로 형성함으로써, 절연막(110)과 제 1 전극(120)의 굴절률차이로 인한 광 손실을 방지할 수 있기 때문이다.
그리고, 도 2b와 같이, 밴딩 사이클 테스트(Bending Cycle Test)를 실시하여도 기판(PI)과 제 1 전극(AZO) 사이에 절연막(AZO(Insulator))을 형성한 경우, 기판(PI) 상에 바로 제 1 전극(AZO)를 형성한 경우보다 제 1 전극(AZO)의 면저항이 더 낮아 전극 특성이 향상된다. 또한, 10000 사이클(Cycle)까지 면저항 값이 일정하여 신뢰성이 향상된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 광전소자의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같으며, 구체적인 실시 예는 광전소자의 일 예로 태양 전지에 적용하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
본 발명의 태양 전지의 제조 방법은 도 3a와 같이, 초기 진공을 유지하는 챔버(300) 내에 기판(100)을 위치시키고, 기판(100)과 대향되도록 타겟(200)을 위치시킨다. 이 때, 기판(100)은 유리 기판이거나 폴리이미드계(Polyimide) 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트계(Polyethylene terephtalate) 수지, 폴리우레탄계(Polyurethane) 수지, 폴리메틸메타아크릴레이트계(Polymethylmethacrylaten) 수지 등과 같은 물질로 형성된 플렉서블 기판이며, 바람직하게는 플렉서블 기판이다.
타겟(200)은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 은(Ag), 티타늄(Ti), 주석(Sn) 및 탈륨(Ta) 중 선택된 금속이 도핑된 산화 아연(ZnO)계 물질으로, 알루미늄이 도핑된 AZO 또는 갈륨이 도핑된 GZO가 바람직하며, 도면에서는 타겟(200)이 AZO인 것을 도시하였다.
먼저, 제 1 밸브(300a)를 열어 아르곤(Ar)과 같은 스퍼터링 가스를 주입하고, 동시에 제 2 밸브(300b)를 열어 산소(O2)를 주입한다. 도시하지는 않았으나, 기판(100)과 타겟(200)의 배면에 전극이 위치하여, 전극에 전계를 인가하면 전극 사이에 아르곤 이온(Ar+)으로 이루어진 플라즈마가 형성된다. 그리고, 아르곤 이온(Ar+)이 고속으로 타겟(200)에 충돌하고, 이로 인해 타겟(200)으로부터 금속 이온이 방출되어 기판(100) 상에 증착되어 AZO로 절연막이 형성된다. 이 때, 절연막의 두께는 100㎚ 이하인 것이 바람직하다.
그리고, 도 3b와 같이, 제 2 밸브(300b)를 잠그고 제 1 밸브(300a)만 열어 아르곤(Ar)만 주입하여 도 3c와 같이, 절연막(110) 상에 제 1 전극(120)을 형성한다. 이 때, 제 1 전극(120)의 두께는 500㎚ 이하인 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 태양 전지는 절연막(110)과 제 1 전극(120)을 동일 타겟을 이용하므로, 동일 챔버 내에서 차례로 형성하여 공정을 간소화할 수 있다. 특히, 절연막(110)을 형성할 때만 산소(O2)를 주입하므로, 산소(O2)는 알루미늄(Al)을 산화시켜, 절연막(110)의 산소 함유량이 제 1 전극(120)의 산소 함유량보다 많다. 따라서, 절연막(110)과 제 1 전극(120)을 동일 물질로 형성하여도, 절연막(110)이 절연 특성을 가질 수 있다.
이어, 도 3d와 같이, 제 1 전극(120) 상에 반도체층(130)을 형성한다. 반도체층(130)은 P형 실리콘층, I형 실리콘층, N형 실리콘층을 차례로 적층한 구조이며, PECVD, ICP(Inductive Coupled Plasma) CVD, HDP(High Density Plasma) CVD와 같은 CVD 공정으로 형성한다.
P형 실리콘층은 붕소(boron) 등의 제3족 원소인 p형 불순물이 도핑된 층이며, I형 실리콘층은 불순물이 포함되지 않은 실리콘층인 유전체층이며, N형 실리콘층은 인(P: Phosphorous), 질소(N: Nitrogen) 등과 같이 n형의 불순물이 도핑(doping)된 층이다. 이 때, 반도체층(130)은 높은 광변환 효율을 갖도록 P형 실리콘층, I형 실리콘층, N형 실리콘층의 PIN 구조가 두 번 적층된 구조거나, PIN 구조가 세 번 적층된 구조일 수 있다. 한편, 반도체층(130)은 CuInGaSe 또는 CdTe화합물의 단층으로 형성될 수 있다.
그리고, 반도체층(130) 상에 알루미늄(Al), 텅스텐(W)과 같은 도전 금속을 증착하여 제 2 전극(140)을 형성한다. 제 2 전극(140)은 MOCVD, PECVD와 같은 CVD 공정, e빔(e-beam) 공정, 스퍼터링(Sputtering) 공정 등으로 형성된다. 그리고, 도시하지는 않았으나, 기판(100)으로 입사되는 태양광 경로를 증가시키기 위해 기판(100) 하부에 표면에 요철이 형성된 필름을 더 부착할 수 있다.
한편, 상기와 같은 광전소자의 제조 방법은 반도체층(130)으로 실리콘을 이용하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법을 설명하였으나, CdTe 태양 전지(CdTe: Cadmium Telluride, 카드뮴, 텔루라이드 화합물), CIGS/CIS 태양 전지(CIGS: Copper-Indium-Gallium-Selenide, 구리-인듐-갈륨-셀레늄 화합물, CIS: Copper-Indium-Selenide), 염료감응 태양 전지 등과 같은 다양한 종류의 태양 전지 및 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)와 같은 다른 광전소자에도 적용할 수 있다.
도 4는 산소 분압에 따른 본 발명의 태양 전지의 투과율을 측정한 그래프이다.
도 4와 같이, 아무 것도 형성하지 않은 유리 기판(Bare Glass)은 90% 이상의 투과율을 갖는다. 그리고, 본 발명과 같이 비정질 실리콘 반도체층을 갖는 태양 전지는 가시광선 영역(약 400㎚ 내지 800㎚ 파장)의 광을 이용하는데, 산소 분압이 10%, 20%, 30%인 상태에서 절연막(AZO(Insulator))을 형성한 후, 스퍼터링 가스만을 주입하여 절연막(AZO(Insulator)) 상에 제 1 전극(AZO)을 형성한 경우에도 가시광선 영역에서 80% 이상의 투과율을 갖는다. 즉, 본 발명의 태양 전지는 절연막을 형성할 때, 산소 분압을 증가시켜도 투과율이 저하되지 않는다.
그리고, 도 5는 산소 분압에 따른 본 발명의 제 1 전극의 면저항을 측정한 그래프로, 절연막(AZO(Insulator))의 두께는 100㎚이며, 제 1 전극(AZO)의 두께는 400㎚이다.
도 5와 같이, 밴딩 사이클 테스트(Bending Cycle Test)를 실시한 경우, 절연막(AZO(Insulator)) 형성 시 산소 분압이 10% 및 20%인 경우는 기판(PI) 상에 바로 제 1 전극(AZO)을 형성한 경우보다 제 1 전극(AZO)의 면저항이 낮다. 그러나, 절연막(AZO(Insulator)) 형성 시 산소 분압이 30%인 경우는 기판(PI) 상에 바로 제 1 전극(AZO)을 형성한 경우보다 제 1 전극(AZO)의 면저항이 높다. 따라서, 본 발명의 절연막(110)은 산소 분압이 30% 미만인 상태에서 형성하는 것이 바람직하다.
즉, 상기와 같은 본 발명의 태양 전지는 절연막(110)과 제 1 전극(120)을 산화 아연계 물질로 형성하여 절연막(110)과 제 1 전극(120)의 밀착성을 향상시키며, 제 1 전극(110)의 면저항을 감소시켜 전극 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 산소 분압 만을 조절하여 절연막(110)과 제 1 전극(120)을 동일 타겟을 이용하여 동일 챔버에서 형성함으로써 공정을 간소화하고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)와 같은 다른 광전소자에도 적용할 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 기판 110: 절연막
120: 제 1 전극 130: 반도체층
140: 제 2 전극 200: 타겟
300: 챔버 300a: 제 1 밸브
300b: 제 2 밸브
120: 제 1 전극 130: 반도체층
140: 제 2 전극 200: 타겟
300: 챔버 300a: 제 1 밸브
300b: 제 2 밸브
Claims (7)
- 투명한 플렉서블 기판;
상기 플렉서블 기판 상에 접한 절연막;
상기 절연막 상에 형성된 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성된 반도체층; 및
상기 반도체층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며,
상기 절연막과 상기 제 1 전극은 산화 아연(ZnO)계 물질로 이루어지며, 상기 절연막과 상기 제 1 전극의 성분은 산소 함유량에서만 차이가 있고, 상기 절연막의 산소 함유량이 상기 제 1 전극의 산소 함유량보다 많고,
상기 플렉서블 기판의 밴딩시 상기 절연막은 상기 플렉서블 기판에 밀착하여 함께 밴딩하는 것을 특징으로 하는 광전소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 산화 아연계 물질은 알루미늄(Al)이 도핑된 AZO 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 GZO인 것을 특징으로 하는 광전소자. - 투명한 플렉서블 기판에 접하여, 산화 아연(ZnO)계 물질을 타겟 물질로 하고, 산소를 공급하며 절연막을 형성하는 단계;
상기 절연막 상에, 상기 산화 아연계 물질과 동일한 타겟 물질을 이용하고, 산소의 공급을 차단하여 제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 상에 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 반도체층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 산화 아연계 물질은 알루미늄(Al)이 도핑된 AZO 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 GZO인 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 절연막과 상기 제 1 전극을 형성하는 단계는, 동일한 챔버에서 상기 산화 아연(ZnO)계 물질을 스퍼터링하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 챔버는 상기 타겟 물질을 상기 플렉서블 기판과 이격하여 갖고,
아르곤 가스와 산소의 공급을 제어하는 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 구비하며,
상기 제 1 밸브는 상기 절연막 및 제 1 전극을 형성시 지속하여 열려있고,
상기 제 2 밸브는 상기 절연막 형성시만 열려있는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 플렉서블 기판의 밴딩시 상기 절연막은 상기 플렉서블 기판에 밀착하여 함께 밴딩하는 것을 특징으로 하는 광전소자의 제조방법.
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