KR19980019054A - 광기전력 소자(photovoltaic device) - Google Patents

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Abstract

복수개의 핀 접합을 갖는 광기전력 소자에 있어서, 핀 접합은 광입사측으로부터 무정질 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제1 핀 접합, 미결정 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제2 핀 접합, 및 무정질 실리콘 게르마늄 또는 미결정 실리콘 게르마늄을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제3 핀 접합을 순서대로 포함한다. 본 발명에 따른 광기전력 소자는 탁월한 광전 변환 효율을 제공하면서도 광열화를 덜 야기시킨다.

Description

광기전력 소자
본 발명은 복수개의 핀 접합을 적층하여 형성되는 태양 전지 또는 센서와 같은 광기전력 소자에 관한 것이다.
광기전력층에 무정질 반도체를 사용하는 박막 광기전력 소자는 단결정 광기전력 소자에 비해 대면적의 막이 제조될 수 있고, 얇은 두께의 막이 형성될 수 있고, 막이 임의의 기판 재료상에 퇴적될 수 있는 등의 잇점을 가지고 있어, 유망한 것으로 생각된다.
무정질 반도체를 사용하는 광기전력 소자의 광전 변환 효율을 향상시키기 위한 수단으로서, 예를 들면 게르마늄을 포함시킴으로써 밴드 갭을 협소하게 하여 장파장 광에 대한 감도를 증가시키는 것이 시도되고 있다.
그러나, 무정질 실리콘 게르마늄이라 불리우는 반도체 재료는 보통은 게르마늄의 함량을 증가시키면 광전도율이 저하되는 일이 많았다. 특히, 게르마늄을 35 원자% 이상 함유하는 무정질 실리콘 게르마늄은 광전도율을 현저히 감소시키는 일이 많았다. 따라서, 게르마늄 함량이 많은 무정질 실리콘 게르마늄을 i형 반도체층에 사용하는 광기전력 소자의 경우, 높은 광전 변환 효율을 달성하기가 곤란하였다.
이는 게르마늄 함량이 증가하면서 밴드 갭내의 국소 준위가 증가하여 전도 밴드 말단 및 원자가 전자 밴드 말단의 테일 상태의 준위가 증가함으로써 전자 및 호올의 확산 길이가 짧게 되기 때문인 것으로 생각된다.
광기전력 소자의 광전 변환 효율을 향상시키기 위한 또다른 방법으로서, 미국 특허 제2,949,498호는 단위 소자 접접을 가지는 복수개의 광기전력 소자가 적층되는 소위 스택 셀을 사용하는 것을 개시하고 있다. 스택 셀은 상이한 밴드 갭을 갖는 소자를 적층하여 태양광선의 스펙트럼의 모든 부분을 양호한 효율로 흡수함으로써 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있고 적층된 소자의 광입사측에 위치하는 소위 탑층의 밴드 갭 보다도 상기 탑층의 밑에 위치하는 소위 바텀층의 밴드 갭이 협소하게 되는 방식으로 설계된다. 이로 인해, 태양광선의 스펙트럼을 충분히 흡수하여 광전 변환 효율이 개선된다 (K. Miyachi 등, Proc. 11th, E.C. Photovoltaic Solar Energy Conf., Montreux, Switzerland, 88, 1992, 또는 K. Nomoto 등, a-Si Alloy Three-Stacked Solar Cells with High Stabilized Efficiency, 7th Photovoltaic Science and Engineering Conf., Nagoya, 275, 1993 참조).
그러나, 무정질 실리콘 및 무정질 실리콘 게르마늄은 광조사에 의해 막의 품질이 저하되는 소위 스테블러-론스키 (Stebler-Ronskie) 효과의 문제가 있다. 이는 결정계에서는 관찰되지 않는 무정질 반도체 특유의 현상이다. 이 때문에, 전력 목적으로 사용하는 경우, 신뢰성이 떨어지고 실용화의 장애가 되고 있는 상황이다.
또한, 근년에 무정질/무정질계의 스택 셀 뿐만 아니라 무정질/결정질계의 스택 셀에 대해서도 연구가 행해져서 광기전력 소자의 광전 변환 효율이 향상된다고 보고되고 있다 (Hamakawa, Y 등 Device Physics and Optimum Design of a-Si/Poly Si Tandem Solar Cells, Proceedings of 4th International PVSEC, pp. 403-408, Feb. 1989, A. Shah, H. Keppner 등, Intrinsic Microcrystalline Silicon (μ-c-Si:H)-A Promising New Thin-film Solar Cell Material, IEEE First World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, pp. 409-412, Dec. 1994, 또는 Michell, R.L. 등, The DOE/SERI Polycrystalline Thin-film Subcontract Program, Proceedings of 20th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp. 1469-1476, Sept. 1988 참조).
그러나, 스택 셀에서 광에 의해 발생된 전류의 균형을 고려할 때, 광입사측의 (밴드 갭이 넓은) 셀의 두께를 두껍게 해야만 하고, 이는 막 두께가 두꺼우면 광열화의 정도가 크게 된다고 하는 문제를 야기시킨다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하여, 광전 변환 효율이 탁월하면서도 광열화가 저하되는 광기전력 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 광기전력 소자의 일례의 층 구조를 모식적으로 나타낸 단면도
도 2는 본 발명에 따른 광기전력 소자의 또다른 일례의 층 구조를 모식적으로 나타낸 단면도
도 3은 본 발명에 따른 광기전력 소자의 또다른 일례의 층 구조를 모식적으로 나타낸 단면도
도 4A는 본 발명의 광기전력 소자를 연속적으로 제조하는 데 적합한 제조 장치의 설명도
도 4B는 도 4A의 제조 장치의 부분 확대도
도 5는 본 발명의 광기전력 소자를 연속 시트 기판에서 연속적으로 제조하는 데 적합한 또다른 제조 장치의 설명도
* 도면의 중요 부분에 대한 부호 설명
100 : 기판101 : 이면 전극
102 : 확산 방지층103, 109, 112 : n형 반도체층
104, 105, 106, 110, 113 : i형 반도체층107, 111, 114 : p형 반도체층
115 : 투명 전극116 : 집전 전극
130 : 제3 핀 접합 (바텀 셀)140 : 제2 핀 접합 (미들 셀)
150 : 제1 핀 접합 (탑 셀)
본 발명은 복수개의 핀 접합을 갖는 광기전력 소자에 있어서, 핀 접합은 광입사측으로부터 무정질 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제1 핀 접합, 미결정 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제2 핀 접합, 및 무정질 실리콘 게르마늄 또는 미결정 실리콘 게르마늄을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제3 핀 접합을 순서대로 포함하는 광기전력 소자를 제공한다.
(1) 본 발명의 광기전력 소자는 광입사측으로부터 무정질 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제1 핀 접합, 미결정 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제2 핀 접합 및 무정질 실리콘 게르마늄 또는 미결정 실리콘 게르마늄을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제3 핀 접합을 순서대로 포함하는 복수개의 핀 접합을 가진다.
이는 핀 접합을 2개 적층시킨 2중형 광기전력 소자 보다 핀 접합을 3개 적층시킨 3중형 광기전력 소자가 보다 광열화를 덜 야기시킬 수 있다고 하는 발견에 근거한다. 동일한 종류의 반도체 재료를 사용하는 경우, 2중형 소자 보다 3중형 소자가 핀 접합 1개 당 광에 의해 발생되는 전류가 적게 됨으로써, 무정질 반도체의 광열화의 원인이 되는 호올과 전자의 재결합이 감소되기 때문이라고 생각된다.
하기 설명에 있어서, 광입사측으로부터 제1, 제2 및 제3 핀 접합을 각각 탑 (top) 셀, 미들 (middle) 셀 및 바텀 (bottom) 셀이라고 부른다.
미결정 실리콘은 무정질 실리콘 보다 장파장 광에 대해 보다 민감하며, 따라서 소자는 탑 셀의 i형 반도체층이 무정질 실리콘을 갖고 미들 셀의 i형 반도체층이 미결정 실리콘을 갖음으로써 탑 셀은 비교적 단파장 광을 흡수하고 미들 셀은 비교적 장파장 광을 흡수하는 구조를 가진다.
바텀 셀의 i형 반도체층은 무정질 실리콘 게르마늄을 가짐으로써, 바텀 셀은 미들 셀 보다 장파장 광에 대해 보다 민감하게 될 수 있다. 또한, 바텀 셀의 i형 반도체층은 미결정 실리콘 게르마늄을 가짐으로써, 바텀 셀은 훨씬 더 장파장을 갖는 광에 대해 민감하게 되어 광열화를 덜 야기시킬 수 있다.
미들 셀의 i형 반도체층은 미결정 실리콘을 가지므로, 미들 셀도 광열화를 덜 야기시킬 수 있다. 바텀 셀에 무정질 실리콘 게르마늄을 사용하는 경우에는, 미들 셀의 i형 반도체층의 층 두께는 300 nm 내지 2,200 nm, 보다 바람직하게는 500 nm 내지 2,000 nm가 바람직하다는 것을 발견하였다. 바텀 셀에 미결정 실리콘 게르마늄을 사용하는 경우에는, 미들 셀의 i형 반도체층의 층 두께는 500 nm 내지 2,500 nm, 보다 바람직하게는 600 nm 내지 2,200 nm가 바람직하다는 것을 발견하였다.
층 두께가 상기 하한 보다 작은 경우에는, 광에 의해 발생된 전류가 너무 작아서 3중 셀로서 요구되는 광전 변환 효율은 저하될 수 있다. 층 두께가 상기 상한 보다 큰 경우에는, 미들 셀에서 발생된 전류는 충분하지만 바텀 셀에 들어가는 광량을 감소시키므로, 바텀 셀에서 발생된 전류가 너무 작게 되어 각각의 셀의 전류값을 조정할 수가 없어 낮은 광전 변환 효율을 초래할 수 있다.
탑 셀의 i형 반도체층의 층 두께는 바람직하게는 50 nm 내지 250 nm, 보다 바람직하게는 70 nm 내지 150 nm일 수 있다. 바텀 셀에 무정질 실리콘 게르마늄을 사용하는 경우에는, 바텀 셀의 i형 반도체층의 층 두께는 바람직하게는 60 nm 내지 250 nm, 보다 바람직하게는 80 nm 내지 180 nm일 수 있다. 바텀 셀에 미결정 실리콘 게르마늄을 사용하는 경우에는, 바텀 셀의 i형 반도체층의 층 두께는 바람직하게는 200 nm 내지 2,000 nm일 수 있다는 것을 발견하였다.
(2) 미들 셀의 i형 반도체층의 미결정 실리콘에는 미량의 붕소를 포함시킬 수 있다. 따라서, 광에 의한 전류의 발생시의 호올의 이동성을 개선시킴으로써 광열화를 억제하면서 높은 광전 변환 효율을 유지시킬 수 있다. 붕소는 8 ppm 이하의 양으로 포함될 수 있다. 따라서, 미결정 실리콘의 미결정의 성장은 억제되지 않고 막의 품질은 과도한 불활성 붕소로 인한 저하가 방지될 수 있다.
(3) 미들 셀의 n형 반도체층은 미결정 실리콘 또는 미결정 실리콘 및 무정질 실리콘으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 이는 다음의 효과가 있다는 것을 발견하였다.
1) n형층상에 형성된 i형 반도체층의 미결정 실리콘은 높은 퇴적 속도로 형성될 수 있으므로, 불순물의 혼입이 가능한 한 억제되고 고품질 미결정 실리콘이 형성될 수 있다.
2) n형층상에 형성된 i형 반도체층의 미결정 실리콘은 퇴적 초기 단계로부터 무정질 성분이 적은 상태로 형성됨으로써, 품질이 양호한 미결정 실리콘이 형성될 수 있다.
3) n형층상에 형성된 i형 반도체층의 미결정 실리콘은 여태까지 검토되어 온 퇴적 기판 온도 보다 훨씬 높은 온도에서 퇴적됨으로써, 품질이 더욱 양호한 미결정 실리콘이 형성될 수 있다.
4) n형층상에 형성된 i형 반도체층의 미결정 실리콘을 퇴적시키는 초기 단계에는, n형 반도체층은 수소 이온 등에 의해 덜 손상됨으로써, 광열화가 보다 적은 높은 광전 변환 효율이 유지될 수 있다.
(4) 바텀 셀의 i형 반도체층의 무정질 실리콘 게르마늄은 바람직하게는 게르마늄 함량이 45 원자% 내지 90 원자%, 보다 바람직하게는 48 원자% 내지 75 원자%일 수 있다. 이로 인해 무정질 실리콘 게르마늄의 밴드 갭이 보다 작게 되며, 장파장 광을 이용하는 것을 가능하게 된다. 따라서, 발생된 전류값은 바텀 셀의 층 두께가 작을 때에도 유지될 수 있다.
바텀 셀의 i형 반도체층이 미결정 실리콘 게르마늄인 경우에는, 미결정 실리콘 게르마늄은 바람직하게는 게르마늄 함량이 40 원자% 내지 90 원자%, 보다 바람직하게는 45 원자% 내지 75 원자%일 수 있으며, 바람직하게는 800 nm에서의 흡광 계수가 10,000 cm-1이상일 수 있다. 이로 인해, 훨씬 장파장의 광을 이용하는 것이 가능하게 된다.
(5) 바텀 셀의 p형층과 i형층 사이에 무정질 실리콘층 또는 무정질 실리콘 카본층으로 이루어진 버퍼층을 배치할 수 있다. 이로 인해, 핀 접합의 확산 전위가 크게 되므로 광기전력 소자의 개방 전압 (Voc)이 향상된다. 게다가, n층과 i형 무정질 실리콘 게르마늄층의 사이에도 버퍼층이 배치됨으로써, 광전 변환 효율이 보다 향상될 수 있다.
버퍼층의 층 두께는 바람직하게는 30 옹스트롬 내지 450 옹스트롬, 보다 바람직하게는 50 옹스트롬 내지 350 옹스트롬일 수 있다. 또한, 이 정도의 층 두께의 버퍼층을 배치하여도, 광기전력 소자의 광열화율은 거의 증가하지 않는다.
(6) 무정질 실리콘 게르마늄층의 게르마늄 함량을 층 두께 방향으로 변화시켜, 게르마늄 함량을 p형층측의 버퍼층의 계면으로부터 측정한 무정질 실리콘 게르마늄층 전체의 층 두께의 1/4 이하의 위치에서 최대로 설정할 수 있다. 이로 인해, 개방 전압 (Voc)과 곡선 인자 (fill factor, FF)가 향상된다.
무정질 반도체에 있어서, 광에 의해 생성된 전자와 호올의 경우, 호올이 전자 보다 짧은 확산 길이를 가지며 전체 특성을 율속하는 것으로 생각되어, 무정질 실리콘 게르마늄의 밴드 갭을 층 두께 방향으로 변화시켜 밴드 갭이 최소인 위치를 p형층의 근방으로 설정하는 경우가 밴드 갭이 층 두께 방향으로 균일한 경우 보다 p형층의 근방에 포토캐리어가 주로 분포된다. 포토캐리어내의 호올에 있어서, i형 반도체층내에서의 이들의 이동 거리는 보다 짧게 된다. 따라서, 이들은 곡선 인자 (FF)의 향상을 가져오는 것으로 생각된다.
또한, 무정질 실리콘 게르마늄의 밴드 갭은 연속적으로 변화되어, 원자가 전자 밴드가 경사를 가짐으로써, 포토캐리어내의 호올의 확산이 촉진되어 광기전력 소자의 개방 전압 (Voc) 및 곡선 인자 (FF)가 향상될 수 있는 것으로 생각된다.
첨부 도면을 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 스택형 광기전력 소자의 개략 단면도이다. 도 1에 도시된 스택형 광기전력 소자는 3개의 핀 접합이 층으로 적층된 구조를 갖는다. 광입사측으로부터 순서대로 참고 부호 150은 제1 핀 접합 (탑 셀)을 나타내고, 140은 제2 핀 접합 (미들 셀)을 나타내며, 130은 제3 핀 접합 (바텀 셀)을 나타낸다. 이들 3개의 핀 접합은 기판 (100)상에 형성된 이면 전극 (101)상에 적층되고, 3개의 핀 접합의 최상부에는 투명 전극 (115)와 집전 전극 (16)이 형성되어 스택형 광기전력 소자를 형성한다.
3개의 핀 접합은 각각 n형 반도체층 (103, 109 및 112), i형 반도체층 (104 (버퍼층), 105, 106 (버퍼층), 110 및 113) 및 p형 반도체층 (107, 111 및 114)로 이루어진다.
본 발명에서, 제1 핀 접합의 i형 반도체층 (113)으로는 무정질 실리콘이 사용되고, 제2 핀 접합의 i형 반도체층 (110)으로는 미결정 실리콘이 사용되며, 제3 핀 접합의 i형 반도체층 (105)로는 무정질 실리콘 게르마늄 또는 미결정 실리콘 게르마늄이 사용된다.
도 2는 제2 핀 접합 (240)의 n형 반도체층이 n형 무정질 반도체 (208)과 n형 미결정 반도체 (209)로 형성된 적층 구조를 가지는 것을 제외하고는, 도 1에 도시한 구조와 동일 구조를 가지는 광기전력 소자를 도시한 도면이다. 보다 구체적으로는, 참고 부호 250은 제1 핀 접합을 나타내고, 230은 제3 핀 접합을 나타내며, 200은 기판을 나타내고, 201은 이면 전극을 나타내며, 202는 확산 방지층을 나타내고, 203, 209 및 212는 n형 반도체층을 나타내며, 204, 205, 206, 210 및 213은 i형 반도체층 (204 및 206은 버퍼층)을 나타내고, 207, 211 및 214는 p형 반도체층을 나타낸다.
도 3은 제3 핀 접합 (330)의 n형 반도체층이 n형 무정질 반도체 (317)과 n형 미결정 반도체 (303)으로 형성된 적층 구조를 가지는 층 구조의 광기전력 소자를 도시한 도면이다. 또한, i형 반도체층 (305)의 버퍼층 (306)으로는 단지 1개의 층만이 배치된다. 다른 것들은 도 1에 도시된 바와 동일 방식으로 설계된다. 보다 구체적으로는 참고 부호 350은 제1 핀 접합을 나타내고, 340은 제2 핀 접합을 나타내며, 300은 기판을 나타내고, 301은 이면 전극을 나타내며, 302는 확산 방지층을 나타내고, 308 및 312는 n형 반도체층을 나타내며, 310 및 313은 i형 반도체층을 나타내고, 307, 311 및 314는 p형 반도체층을 나타낸다.
이들 소자는 또한 핀 접합의 n형 반도체층 및 p형 반도체층이 서로 교환된 층 구조를 갖는다.
본 발명의 스택형 광기전력 소자의 구조를 하기에 보다 상세히 설명하고자 한다.
기판
반도체층 (103 내지 114)는 총 두께가 최대 약 3 μm인 박막이므로 적합한 기판상에 퇴적된다. 이러한 기판 (100)은 단결정 또는 무정질일 수 있고, 또한 전도성 또는 전기 절연성일 수 있다. 게다가, 이들은 투광성 또는 비투광성일 수 있지만, 변형 또는 뒤틀림이 없이 목적하는 강도를 갖는 것이 바람직하다. 이들로는 구체적으로는 Fe, Ni, Cr, Al, Mo, Au, Nb, Ta, V, Ti, Pt 및 Pb와 같은 금속 시트 및 이들의 합금, 예를 들어 청동 및 스텐레스 스틸, 이들의 복합체, 및 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리카르보네이트, 셀룰로스 아세테이트, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리이미드 및 에폭시와 같은 내열성 수지의 막 또는 시트 또는 이들의 유리 섬유, 탄소 섬유, 붕소 섬유, 금속 섬유 등과의 복합체, 및 이들 재료의 표면을 이종 재료의 금속 박막 또는 SiO2, Si3N4, Al2O3, AlN3등의 절연 박막으로 스퍼터링법, 증착법, 도금법 등으로 표면 코팅한 것, 및 유리, 세라믹 등을 들 수 있다.
상기 기판을 광기전력 소자의 기판으로서 사용하고, 기판이 금속과 같은 전도성 재료로 이루어지는 경우에는, 이들 기판은 전류를 직접 집전하는 전극으로서 작용할 수 있다. 이들이 합성 수지와 같은 전기 절연성 재료로 이루어지는 경우에는, 퇴적막이 형성되는 측의 표면을 Al, Ag, Pt, Au, Ni, Ti, Mo, W, Fe, V, Cr, Cu, 스텐레스 스틸, 청동, 니크롬, SnO2, In2O3, ZnO 및 ITO 등의 금속 단체, 합금 또는 투명 전도성 산화물 (TCO)를 도금법, 증착법 또는 스퍼터링법에 의해 미리 표면 처리하여 전류 집전용 전극을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
물론, 기판이 금속과 같은 전도성 재료로 이루어지는 경우에도, 퇴적막이 형성되는 측의 기판에 이종의 금속층이 제공되어 예를 들면, 기판의 표면상의 장파장 광의 반사율을 개선시키거나, 기판 재료와 퇴적막 사이의 구성 원소의 상호 확산을 방지할 수 있다. 기판이 비교적 투명하고, 광기전력 소자가 광이 기판의 측상에 입사되는 층 구조를 가지는 경우에는, 상기 투명 전도성 산화물 또는 금속 박막과 같은 전도성 박막은 퇴적법으로 미리 퇴적 형성할 수 있다.
기판의 표면 특성에 관해서는, 표면은 평활 표면이거나 또는 약간 불규칙한 표면일 수 있다. 기판이 약간 불규칙한 표면을 가지는 경우에는, 최대 높이 (Rmax)가 바람직하게는 0.05 μm 내지 2 μm인 구상, 원추상 또는 피라미드상일 수 있다. 이로 인해, 표면으로부터의 광반사가 불규칙하게 되어 반사광의 광학 통로 길이가 증가하게 된다. 기판은 예를 들면, 판상, 연속 시트 벨트상 또는 실린더상일 수 있다. 광기전력 소자가 가요성을 갖는 것이 요구되거나 또는 광이 기판의 측상에 입사되는 경우에는, 기판은 기판으로서의 기능을 충분히 나타낼 수 있기만 하면 가능한 한 작은 두께를 가질 수 있다. 그러나, 기판의 제조 및 취급성을 고려하고 기계적 관점에서 보면, 두께는 보통 10 μm 이상일 수 있다.
이면 전극 또는 광반사층
본 발명에 사용된 이면 전극 (금속층)은 광입사 방향에 대해 반도체층의 하부에 배치된 전극이다. 따라서, 전극은 도 1의 101의 위치나, 또는 기판 (100)이 투명하여 광이 기판의 측상에 입사되는 경우에는, 115의 위치에 배치된다. 이면 전극용 재료로는 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 티탄, 코발트, 탄탈륨, 니오븀 및 지르코늄과 같은 금속, 또는 스텐레스 스틸과 같은 합금을 들 수 있다. 특히, 알루미늄, 구리, 은 및 금과 같은 반사율이 높은 금속이 특히 바람직하다. 반사율이 높은 금속을 사용하는 경우에는, 이면 전극은 반도체층에 완전히 흡수되지 않은 광을 반사시켜 반도체층으로 되돌리는 광반사층으로서 작용할 수 있다.
이면 전극은 평탄상일 수 있고, 보다 바람직하게는 광을 산란시키는 불규칙한 형상일 수 있다. 광을 산란시키는 불규칙한 형상을 갖는 이면 전극의 경우에, 반도체층에 완전히 흡수되지 않은 장파장 광을 산란시켜 반도체층내의 광학 통로를 연장시켜, 광기전력 소자의 장파장 광에 대한 감도를 향상시켜 단락 전류를 증대시키고 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 광을 산란시키는 불규칙 형상은 불규칙면의 산과 골 사이의 높이차 (Rmax)가 0.2 μm 내지 2.0 μm인 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 기판이 이면 전극으로서도 작용하는 경우에는, 이면 전극을 형성할 필요가 없는 경우도 있다.
이면 전극은 진공 증착법, 스퍼터링, 도금법 또는 인쇄법에 의해 형성될 수 있다. 이면 전극이 광을 산란시키는 불규칙 형상을 가지도록 형성되는 경우에는, 이와 같이 형성된 금속 또는 합금은 건식 에칭 또는 습식 에칭, 또는 샌드 블라스팅 또는 가열에 의해 불규칙하게 형성될 수 있다. 별법으로, 기판을 가열하면서 기판상에 상기 금속 또는 합금을 진공 증착함으로써 광을 산란시키는 불규칙 형상을 제공할 수 있다.
또한, 이면 전극 (101)과 n형 반도체층 (103)과의 사이에 전도성 산화아연 등으로 형성된 확산 방지층 (투명 전도층) (102)를 배치할 수도 있다. 이 확산 방지층 (102)의 효과로서는 이면 전극 (101)을 구성하는 금속 원소가 n형 반도체층내로 확산하는 것을 방지할 뿐만 아니라, 약간의 저항치를 갖도록 하여 반도체층을 그들 사이에 유지하도록 배치된 이면 전극 (101)과 투명 전극 (115)와의 사이에 핀홀 등의 결함에 의해 발생되는 쇼트를 방지하고, 또한 박막에 의한 다중 간섭이 발생된 후 입사된 광을 광기전력 소자내에 가둬버리는 등의 효과가 있다.
i형 반도체층
본 발명의 광기전력 소자에 있어서, 제1 핀 접합의 i형 반도체층 (113)을 구성하는 반도체 재료로서는 무정질 실리콘이 사용되고, 제2 핀 접합의 i형 반도체층 (110)을 구성하는 반도체 재료로서는 미결정 실리콘이 사용되며, 제3 핀 접합의 i형 반도체층 (105)를 구성하는 반도체 재료로서는 무정질 실리콘 게르마늄 또는 미결정 실리콘 게르마늄이 사용된다. i형 반도체층으로서는 약간 p형이거나 또는 약간 n형인 층이 사용될 수도 있다.
IV-IV족 및 III-V족 합금계 무정질 반도체 재료에는 수소 원자 (H, D) 또는 할로겐 원자 (X)가 함유되어, i형층의 미결합 아암 (댕글링 (dangling) 결합)을 보상하도록 작용함으로써 i형층에서의 캐리어의 이동도와 수명의 곱을 향상시킨다. 따라서, p형층과 i형층 및 n형층과 i형층 사이의 계면의 계면 에너지 준위를 보상하도록 작용하고, 광기전력 소자의 광기전력, 광전류 및 광응답성을 향상시키는 효과가 있다.
i형층에 함유된 수소 원자 및(또는) 할로겐 원자는 1 내지 40 원자%의 양이 최적 함량일 수 있다. 특히, p형층과 i형층, 및 n형층과 i형층 사이의 계면측에서의 수소 원자 및(또는) 할로겐 원자의 함유량이 많게 분포되어 있는 것이 바람직한 분포 형태일 수 있다. 상기 계면 근방에서의 수소 원자 및(또는) 할로겐 원자의 함량은 벌크내의 함량의 1.05 내지 2배의 범위가 바람직한 범위일 수 있다. 게다가, 실리콘 원자의 함량에 대응하여 수소 원자 및(또는) 할로겐 원자의 함량이 변화하는 것이 바람직하다.
무정질 실리콘, 미결정 실리콘 및 무정질 실리콘 게르마늄은 댕글링 결합을 보상하는 원소(들)에 따라 a-Si:H, a-Si:F, a-Si:H:F, μc-Si:H, μc-Si:F, μc-Si:H:F, a-SiGe:H, a-SiGe:F 또는 a-SiGe:H:F로서 대표된다.
보다 구체적으로 언급하자면, 본 발명의 광기전력 소자에서 바람직한 제1 핀 접합의 i형 반도체층 (113)의 재료로는 광학적 밴드 갭 (Eg)가 1.60 eV 내지 1.9 eV이고, 수소 원자 함량 (CH)이 1.0% 내지 25.0%이며, AM 1.5 및 100 mW/cm2의 의사 태양광 조사하에서의 광전도도 (σp)가 1.0 x 10-5S/cm 이상이고, 암전도도 (σd)가 1.0 x 10-9S/cm 이하이며, 일정 광전류법 (constant photocurrent method) (CPM)으로 측정한 어바크 (Urback) 에너지가 55 me 이하이고, 국소 준위 밀도가 1017/cm3이하인 것을 특징으로 하는 i형 할로겐화된 무정질 실리콘 (a-Si:H)가 포함된다. 이러한 재료를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
p형층 또는 n형층
p형층 및 n형층의 무정질 재료 (이하, a-) 및 미결정 재료 (이하, μc-)로는 예를 들면, a-Si:H, a-Si:HX, a-SiC:H, a-SiC:HX, a-SiGe:H, a-SiGeC:H, a-SiO:H, a-SiN:H, a-SiON:HX, a-SiOCN:HX, μc-Si:H, μc-SiC:H, μc-Si:HX, μc-SiC:HX, μc-SiGe:H, μc-SiO:H, μc-SiGeC:H, μc-SiN:H, μc-SiON:HX 및 μc-SiOCN:HX 등에 p형 원자가 전자 제어제 (주기율표 III족 원자, B, Al, Ga, In 또는 TI) 또는 n형 원자가 전자 제어제 (주기율표 V족 원자, P, As, Sb 또는 Bi)를 고농도로 첨가한 재료를 들 수 있다. 다결정 재료 (이하, poly-)로는 예를 들면, poly-Si:H, poly-Si:HX, poly-SiC:H, poly-SiC:HX, poly-SiGe:H, poly-Si, poly-SiC 및 poly-SiGe 등에 p형 원자가 전자 제어제 (주기율표 III족 원자, B, Al, Ga, In 또는 TI) 또는 n형 원자가 전자 제어제 (주기율표 V족 원자, P, As, Sb 또는 Bi)를 고농도로 첨가한 재료를 들 수 있다.
흡수가 적은 결정성 반도체층 또는 밴드 갭이 넓은 무정질 반도체층이 광입사측의 p형층 또는 n형층에 특히 적합하다.
p형층으로의 주기율표의 III족 원자의 첨가량 및 n형층으로의 주기율표의 V족 원자의 첨가량은 0.1 내지 50 원자%가 최적량일 수 있다.
또한, p형층 또는 n형층에 함유된 수소 원자 (H, D) 또는 할로겐 원자 (X)는 p형층 또는 n형층의 미결합 아암을 보상하도록 작용함으로써 p형층 또는 n형층의 도우핑 효율을 향상시킨다. 수소 원자 또는 할로겐 원자는 p형층 또는 n형층에 0.1 내지 40 원자%의 양으로 첨가되는 것이 최적량일 수 있다. 특히, p형층 또는 n형층이 결정성일 때에는, 수소 원자 또는 할로겐 원자는 0.1 내지 8 원자%가 최적량으로 첨가될 수 있다. 또한, p형층과 i형층, 및 n형층과 i형층 사이의 계면측에서의 수소 원자 및(또는) 할로겐 원자의 함량이 많게 분포되어 있는 것이 바람직한 분포 형태일 수 있다. 상기 계면 근방에서의 수소 원자 및(또는) 할로겐 원자의 함량은 벌크내의 함량의 1.05 내지 2배의 범위가 바람직한 범위일 수 있다. 이 때, p형층과 i형층, 및 n형층과 i형층 사이의 계면 근방에서의 수소 원자 또는 할로겐 원자의 함량이 보다 많을 경우에는, 상기 계면 근방의 결함 준위 또는 기계적 뒤틀림을 감소시킬 수 있고, 본 발명의 광기전력 소자의 광기전력 및 광전류를 증가시킬 수 있다.
광기전력 소자의 p형층 및 n형층의 전기적 특성으로는 활성 에너지가 0.2 eV 이하인 것이 바람직하고, 0.1 eV 이하인 것이 가장 바람직하며, 비저항으로는 100 Ω·cm 이하가 바람직하고, 1 Ω·cm 이하가 가장 바람직하다. p형층 및 n형층의 층 두께는 각각 1 nm 내지 50 nm가 바람직하고, 3 nm 내지 10 nm가 가장 바람직하다.
반도체층의 형성 방법
본 발명의 광기전력 소자의 반도체층으로서 바람직한 IV족 및 III-V족 합금계 무정질 반도체층은 마이크로파 플라즈마 CVD법 또는 RF (고주파) 플라즈마 CVD법에 의해 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
마이크로파 플라즈마 CVD법은 감압 상태로 될 수 있는 퇴적실 (진공 챔버)에 막 형성 기체, 희석 기체 등의 재료 기체를 도입하고, 진공 펌프에 의해 배기하면서 퇴적실의 내압을 일정하게 유지하여, 마이크로파 전원에 의해 발생된 마이크로파를 도파관 또는 동축 케이블에 의해 안내하고, 전기적으로 퇴적실로부터 절연된 전도체 (Ni, W 또는 SUS 스텐레스 스틸의 봉)을 통해 퇴적실에 도입하여, 재료 기체의 플라즈마를 생성시켜 분해함으로써, 퇴적실내에 배치된 기판상에 목적하는 퇴적막을 형성하는 방법이다. 따라서, 폭넓은 퇴적 조건하에 광기전력 소자에 적용가능한 퇴적막을 형성하는 것이 가능하다.
마이크로파 플라즈마 CVD법으로 퇴적하는 경우, 퇴적실내의 기판 온도는 300 내지 450 ℃, 내압은 0.5 내지 50 mTorr, 마이크로파 전력은 0.01 내지 1 W/cm3, 마이크로파의 주파수는 0.1 내지 10 GHz로 설정하는 것이 바람직할 수 있다.
RF 플라즈마 CVD법으로 퇴적하는 경우에는, 퇴적실내의 기판 온도는 100 내지 350 ℃, 내압은 0.1 내지 10 Torr, RF 전력은 0.01 내지 5.0 W/cm3, 퇴적 속도는 0.1 내지 15 A/sec로 설정하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 광기전력 소자의 반도체층의 형성에 적합한 퇴적막 형성 방법으로는 미국 특허 제4,400,409호에 개시되어 있는 바와 같은 롤 투 롤 (Roll to Roll) 시스템이 있다.
이 퇴적막 형성 방법은 복수개의 글로우 방전 영역을 순차 관통하는 경로를 따라 배치하고, 요구되는 전도형의 반도체층을 각각의 글로우 방전 영역에서 퇴적 형성하면서, 벨트상의 기판을 길이 방향으로 연속적으로 운송하는 것이다. 따라서, 목적하는 반도체 구조를 갖는 광기전력 소자를 연속적으로 형성할 수 있다.
본 발명의 광기전력 소자에 바람직한 IV족 및 III-V족 합금계 무정질 반도체층을 퇴적하기에 적합한 재료 기체로는 실리콘 원자를 함유한 기체화가능한 화합물, 게르마늄 원자를 함유한 기체화가능한 화합물, 탄소 원자를 함유한 기체화가능한 화합물, 질소 원자를 함유한 기체화가능한 화합물, 산소 원자를 함유한 기체화가능한 화합물, 및 상기 화합물들의 혼합 기체를 들 수 있다.
구체적으로는, 실리콘 원자를 함유하는 기체화가능한 화합물로는 쇄상 또는 환상 실란 화합물이 사용되며, 구체적으로는 예를 들면 SiH4, Si2H6, SiF4, SiFH3, SiF2H2, SiF3H, Si3H8, SiD4, SiHD3, SiH2D2, SiH3D, SiFD3, SiF2D2, Si2D3H3, (SiF2)5, (SiF2)6, (SiF2)4, Si2F6, Si3F8, Si2H2F4, Si2H3F3, SiCl4, (SiCl2)5, SiBr4, (SiBr2)5, Si2Cl6, SiHCl3, SiH2Br2, SiH2Cl2및 Si2Cl3F3등의 기체 상태의 또는 용이하게 기체화가능한 화합물을 들 수 있다.
게르마늄 원자를 함유하는 기체화가능한 화합물로는 구체적으로는 GeH4, GeD4, GeF4, GeFH3, GeF2H2, GeF3H, GeHD3, GeH2D2, GeH3D, Ge2H6및 Ge2D6을 들 수 있다.
탄소 워자를 함유하는 기체화가능한 화합물로는 구체적으로는 CH4, CD4, CnH2n+2(n은 정수), CnH2n(n은 정수), C2H2, C6H6, CO2및 CO를 들 수 있다.
질소 함유 화합물로는 N2, NH3, ND3, NO, NO2및 N2O를 들 수 있다.
산소 함유 화합물로는 O2, CO, CO2, NO, NO2, N2O, CH3CH2OH 및 CH3OH를 들 수 있다.
원자가 전자를 제어하기 위해 p형층 또는 n형층에 도입되는 물질로는 주기율표 III족 원자 및 V족 원자를 들 수 있다.
III족 원자 도입용의 출발 물질로서 유효하게 사용되는 재료로는 구체적으로는, 붕소 원자 도입용으로는 B2H6, B4H10, B5H9, B5H11, B6H10, B6H12및 B6H14등의 수소화 붕소, BF3및 BCl3등의 할로겐화 붕소 등을 들 수 있다. 이 외에 AlCl3, GaCl3, InCl3및 TICl3등을 들 수 있다. 특히 B2H6및 BF3가 적합하다.
V족 원자 도입용의 출발 물질로서 유효하게 사용되는 재료로는 구체적으로는, 인 원자 도입용으로는 PH3및 P2H4등의 수소화 인, PH4I, PF3, PF5, PCl3, PCl5, PBr3, PBr5및 PI3등의 할로겐화 인을 들 수 있다. 이 외에, AsH3, AsF3, AsCl3, AsBr3, AsF5, SbH3, SbF3, SbF5, SbCl3, SbCl5, BiH3, BiCl3및 BiBr3등도 들 수 있다. 특히, PH3및 PF3가 적합하다.
상기 기체화가능한 화합물을 H2, He, Ne, Ar, Xe 및 Kr 등의 기체로 절절히 희석하여 퇴적실에 도입할 수도 있다.
특히, 미결정 반도체층 및 a-SiC:H층 등과 같이 광흡수가 적거나 또는 밴드 갭이 넓은 층을 퇴적하는 경우는 수소 기체로 1/2 내지 1/100로 원료 기체를 희석하여, 마이크로파 전력 또는 RF 전력을 비교적 높은 전력으로 도입하는 것이 바람직할 수 있다.
투명 전극
본 발명에 있어서, 투명 전극 (115)는 광을 투과하는, 광입사측의 전극이면서, 층 두께를 최적화함으로써 반사 방지막으로서의 역할도 겸비한다. 투명 전극 (115)는 반도체층이 광을 흡수할 수 있는 파장 영역에서 높은 투과율을 갖고, 저항율이 낮은 것이 요구된다. 바람직하게는, 550 nm에서의 투과율이 80% 이상, 보다 바람직하게는 85% 이상일 수 있다. 또한, 저항률은 바람직하게는 5 x 10-3Ω·cm 이하, 보다 바람직하게는 1 x 10-3Ω·cm 이하일 수 있다. 이러한 재료로는 In2O3, SnO2, ITO (In2O3+ SnO2), ZnO, CdO, Cd2SnO4, TiO2, Ta2O5, Bi2O3, MoO3및 NaXWO3등의 전도성 산화물 또는 이들을 혼합한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 화합물의 전도율을 변화시킬 수 있는 원소 (즉, 도우핑제)를 첨가할 수도 있다.
전도율을 변화시킬 수 있는 원소 (도우핑제)로는, 예를 들면 투명 전극 (115)이 ZnO로 형성되는 경우에는 Al, In, B, Ga, Si 및 F을 사용하고, In2O3으로 형성되는 경우에는 Sn, F, Te, Ti, Sb 및 Pb를 사용하며, SnO2로 형성되는 경우에는 F, Sb, P, As, In, TI, Te, W, Cl, Br 및 I를 사용하는 것이 바람직하다.
투명 전극의 형성 방법으로는 진공 증착법, CVD법, 분무법, 스핀온법, 침지법 등이 바람직하게 사용된다.
집전 전극
본 발명에 있어서, 집전 전극 (116)은 투명 전극 (115)의 저항률이 충분히 저하될 수 없는 경우에 필요에 따라 투명 전극 (115)상의 일부분에 형성되어, 전극의 저항률을 저하시켜 광기전력 소자의 직렬 저항을 저하시키는 작용을 한다. 이러한 재료로는 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 티탄, 코발트, 탄탈륨, 니오븀 및 지르코늄, 스텐레스 스틸 등의 합금, 및 분말상 금속을 사용한 전도성 페이스트를 들 수 있다. 그의 형상은 가능한 한 반도체층으로의 입사광을 차단하지 않도록 분지상으로 형성된다.
광기전력 소자의 전체 면적에서, 집전 전극이 점유하는 면적은 바람직하게는 15% 이하, 보다 바람직하게는 10% 이하, 가장 바람직하게는 5% 이하이다.
집전 전극의 패턴 형성에는 마스크를 이용한 형성 방법으로는 진공 증착법, 스퍼터링법, 도금법, 인쇄법 등이 사용된다.
본 발명의 광기전력 소자를 사용하여, 목적하는 출력 전압 및 출력 전류의 광기전력 장치를 제조하는 경우에는, 복수개의 본 발명의 광기전력 소자를 직렬 또는 병렬로 접속하여, 표면과 이면에 보호막을 형성하고, 출력을 수집하기 위한 전극이 부착된다. 본 발명의 광기전력 소자를 직렬 접속하는 경우, 역류 방지용의 다이오우드를 포함시키는 경우도 있다.
실시예
실시예 1 내지 8은 바텀 셀의 i형 반도체층 (105)가 무정질 실리콘 게르마늄으로 형성되는 예이고, 실시예 9 내지 20은 바텀 셀의 i형 반도체층 (105)가 미결정 실리콘 게르마늄으로 형성되는 예이다.
실시예 1
도 4a 및 4b에 도시한 퇴적 장치를 사용하여 도 1에 도시한 광기전력 소자를 제조하였다.
도 4a 및 4b에서, 400은 다실 분리형 퇴적 장치 401은 로드 로크실 (로드실) 402는 n형층 (또는 p형층) 운송실 403은 MW (마이크로파) 또는 RF i형 반도체층 운송실 404는 p형층 (또는 n형층) 운송실 405는 언로드실 406, 407, 408 및 409는 게이트 밸브 410, 411 및 412는 기판 가열기 413은 기판 운송 레일 417은 n형층 (또는 p형층) 퇴적실 420은 RF 형성컵 422는 RF 전원 418은 MW 또는 RF i형 반도체층 퇴적실 425는 MW 도입창 426은 MW 도입 도파관 427은 MW i형층 퇴적 셔터 428은 바이어스 전극 (바이어스 로드) 424는 바이어스 인가 전원 419는 p형층 (또는 n형층) 퇴적실 421은 RF 형성컵 423은 RF 전원 429는 기체 도입관, 430, 431, 432, 433, 434, 441, 442, 443 및 444는 정지 밸브, 및 436, 437, 438 및 439는 매스 플로우 컨트롤러로 n형층 (또는 p형층) 퇴적 기체 도입 시스템을 구성하고 449는 기체 도입관, 450, 451, 452, 453, 454, 455, 461, 462, 463, 464 및 465는 정지 밸브, 및 456, 457, 458, 459 및 460은 매스 플로우 컨트롤러로 MW 또는 RF i형층 퇴적 기체 도입 시스템을 구성하고 및 469는 기체 도입관, 470, 471, 472, 473, 474, 481, 482, 483 및 484는 정지 밸브, 및 476, 477, 478 및 479는 매스 플로우 컨트롤러로 p형층 (또는 n형층) 퇴적 기체 도입 시스템을 구성하는 것을 나타낸다.
퇴적 장치 (400)은 MWPCVD (microwave plasma-assisted chemical vapor deposition: 마이크로파 플라즈마 화학 증착) 및 RFPCVD (radio frequency plasma-assisted chemical vapor deposition: 고주판 플라즈마 화학 증착) 둘다를 수행할 수 있다. 이 장치를 사용하여, 광반사층 (101 및 102)이 있는 기판 (490) 상에 각 반도체들층을 형성시켰다.
준비
퇴적 장치에 원료 기체 실린더 (도시되어 있지 않음)를 기체 도입관을 통하여 연결시킨다. 원료 기체 실린더를 모두 초고순도로 정제하고, SiH4기체 실린더, CH4기체 실린더, GeH4기체 실린더, Si2H6기체 실린더, PH3/H2(희석도: 2.0%) 기체 실린더, B2H6/H2(희석도: 2.0%) 기체 실린더, H2기체 실린더, He 기체 실린더, SiCl2H2기체 실린더 및 SiH4/H2(희석도: 2.0%) 기체 실린더를 연결시켰다.
다음으로, 금속층 (101) 및 투명 전도층 (102)이 형성되어 있는 기판 (490)을 로드실 (401)에 제공된 기판 운송 레일 (413)상에 위치시키고, 로드실 (401) 내를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 압력이 약 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
다음으로, 게이트 밸브 (406)을 개방하여 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 운송실 (402)로 운송한 후, 기판을 기판 가열기 (410)을 아래쪽으로 이동시켜 퇴적실 (417)로 하강시켰다. 이어서, 기판 (490)을 그의 이면이 기판 가열기 (410)과 밀착되는 방식으로 가열하였다. 이어서, 퇴적실 (417)내를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 압력이 약 1x10-5torr가 되도록 배기시켰다.
제3 핀 접합의 RF n형층의 형성
H2기체를 기체 도입관 (429)를 통하여 퇴적실 (417)에 도입하였다. 이어서, 밸브 (441, 431 및 430)을 개방하고, H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (436)을 사용하여 300 sccm이 되도록 조정하였다. 퇴적실 (417)의 내부 압력을 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 1.0 Torr가 되도록 조정하였다. 기판 가열기 (410)을 기판의 온도가 490 내지 380 ℃에 이르도록 설정하였다. 기판 온도가 안정해질 때, 밸브 (443, 433, 444 및 434)를 조작하여 기체 도입관 (429)를 통하여 퇴적실 (417)로 SiH4기체 및 PH3/H2기체를 도입하였다. 이때, SiH4기체 유량, H2기체 유량 및 PH3/H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (438, 436 및 439)를 사용하여 각각 2.2 sccm, 80 sccm 및 10 sccm이 되도록 조정하고, 퇴적실 (417)의 내압을 1.3 Torr가 되도록 조정하였다.
다음으로, 고주파 (이후, RF) 전원 (422)의 전력을 0.05 W/cm3으로 설정하고, 플라즈마 형성컵 (420)에 RF 전력을 도입하여 글로우 방전을 생성시켰다. 이와 같이 하여, 기판 상에 제3 핀 접합의 RF n형층의 형성을 개시하여, 층 두께 10 nm의 층이 형성될 때, RF 전원을 차단하여 글로우 방전을 정지시켜 제3 핀 접합의 RF n형층 (103)의 형성을 완료하였다. 퇴적실 (417)로의 SiH4기체, PH3/H2기체 및 H2기체의 유입을 정지시킨 후, 퇴적실 내 및 기체 배관 내를 압력이 1x10-4Torr가 되도록 배기시켰다. 기판 가열기 (410)을 본래 위치로 회귀시키고, 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 기판 운송 레일 (413)상으로 복귀시켰다.
제3 핀 접합의 i형층의 형성
다음으로, a-Si로 이루어진 RF i형층 (104) (버퍼층), a-SiGe로 이루어진 MW i형층 (105) 및 a-Si로 이루어진 RF i형층 (106) (버퍼층), 제3 핀 접합 모두를 하기 방식으로 순차적으로 형성시켰다.
우선, 게이트 밸브 (407)을 개방하여 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 운송실 (403) 및 i형층 퇴적실 (418) 내로 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송시켰다. 기판 (490)을 그의 이면이 기판 가열기 (411)과 밀착되는 방식으로 가열하였다. 이어서, i형층 퇴적실 (418) 내를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 압력이 약 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
제3 핀 접합의 RF i형층 (104)를 형성시키기 위하여, 기판 가열기 (411)를 기판의 온도가 490 내지 300 ℃가 되도록 설정하였다. 기판이 충분히 가열되었을 때, 밸브 (464, 454, 450, 463 및 453)를 서서히 개방하여 기체 도입관 (449)를 통하여 i형층 퇴적실 (418)로 Si2H6기체 및 H2기체를 유입되도록 하였다. 이때, Si2H6기체 유량 및 H2기체 유량을 해당 매스 플로우 컨트롤러 (459 및 458)을 사용하여 각각 3.5 sccm 및 100 sccm이 되도록 조정하였다. i형층 퇴적실 (418)의 내압이 0.65 Torr가 되도록 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (424)의 전력을 0.008 W/cm3으로 설정하고, 바이어스봉 (428)로 인가하여 글로우 방전을 생성시키고, 셔터 (427)을 개방하였다. 이와 같이 하여, RF n형층 상에 i형층의 형성을 개시하여, 층 두께 10 nm의 i형층이 형성될 때, RF 글로우 방전을 정지시키고, RF 전원의 출력을 차단하여 RF i형층 (104)의 형성을 완료하였다.
밸브 (464, 454, 453 및 450)를 폐쇄시켜 i형층 퇴적실 (418)로의 Si2H6기체 및 H2기체의 유입을 중단시킨 후, i형층 퇴적실 (418) 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
제3 핀 접합의 MW i형층 (105)를 형성시키기 위하여, 기판 가열기 (411)을 기판의 온도가 490 내지 380 ℃가 되도록 설정하였다. 기판이 충분히 가열되었을 때, 밸브 (461, 451, 450, 462, 452, 463 및 453)를 서서히 개방하여 기체 도입관 (449)를 통하여 i형층 퇴적실 (418)로 SiH4기체, GeH4기체 및 H2기체를 유입시켰다. 이때, SiH4기체 유량, GeH4기체 유량 및 H2기체 유량을 대응 매스 플로우 컨트롤러 (456, 457 및 458)를 사용하여 각각 48 sccm, 51 sccm 및 170 sccm이 되도록 조정하였다. i형층 퇴적실 (418) 내 압력이 10 mTorr가 되도록 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하였다.
RF 전원 (424)의 전력을 0.32 W/cm3으로 설정하고, 바이어스봉 (428)에 인가하였다. 그 후, 마이크로파 전원 (2.45 GHz) (도시되어 있지 않음)의 전력을 0.10 W/cm3으로 설정하고, 도파관 (426) 및 마이크로파 도입창 (425)를 통하여 i형층 퇴적실 (418)로 도입시켜 글로우 방전을 생성시키고, 셔터 (427)을 개방하였다. 이와 같이 하여, 제3 핀 접합의 RF i형층 상에 제3 핀 접합의 MW i형층의 형성을 개시하여, 층 두께 0.17 ㎛의 i형층이 형성될 때, 마이크로파 글로우 방전을 정지시키고, 바이어스 전원 (424)의 출력을 차단하여 제3 핀 접합의 MW i형층 (105)의 형성을 완료하였다. 밸브 (451, 452 및 453)을 폐쇄시켜 i형층 퇴적실 (418)로의 SiH4기체, GeH4기체 및 H2기체의 유입을 정지시킨 후, i형층 퇴적실 (418) 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
하기에서 i형층 침착실 (418) 내의 확대도 (도 4B)에 대하여 기술한다.
제3 핀 접합의 RF i형층 (106)을 형성시키기 위하여, 기판 가열기 (411)을 기판의 온도가 490 내지 300 ℃가 되도록 설정하였다. 기판이 충분히 가열되었을 때, 밸브 (464, 454, 450, 463 및 453)을 서서히 개방하여 기체 도입관 (449)를 통하여 i형층 퇴적실 (418)로 Si2H6기체 및 H2기체를 유입시켰다. 이때, Si2H6기체 유량 및 H2기체 유량을 대응 매스 플로우 컨트롤러 (459 및 458)를 사용하여 각각 3.5 sccm 및 100 sccm이 되도록 조정하였다. i형층 퇴적실 (418)의 내압이 0.65 Torr가 되도록 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (424)의 전력을 0.008 W/cm3으로 설정하고, 바이어스봉 (428)에 인가하여 글로우 방전을 생성시키고, 셔터 (427)를 개방하였다. 이와 같이 하여 제3 핀 접합의 MW i형층 상에 제3 핀 접합의 RF i형층의 형성을 개시하여, 층 두께 23 nm의 i형층이 형성될 때, RF 글로우 방전을 중단하고, RF 전원 (424)의 출력을 차단하여 제3 핀 접합의 RF i형층 (106)의 형성을 완료하였다. 밸브 (464, 454, 453 및 450)를 폐쇄시켜 i형층 퇴적실 (418)로의 Si2H6기체 및 H2기체의 유입을 정지시킨 후, i형층 퇴적실 (418) 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
제3 핀 접합의 RF p형층의 형성
SiC로 이루어진, 제3 핀 접합의 RF p형층 (107)을 형성시키기 위하여 먼저 게이트 밸브 (408)을 개방하여 진공 배기 펌프(도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 운송실 (404) 및 p형층 퇴적실 (419)로 기판 (490) (상기한 바와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하였다. 기판 (490)을 그의 이면이 기판 가열기 (412)와 밀착되는 방식으로 가열하였다. 이어서, p형층 퇴적실 (419) 내를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 압력이 약 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
기판 가열기 (412)를 기판의 온도가 490 내지 300 ℃이 되도록 설정하였다. 기판 온도가 안정하게 될 때, 밸브 (481, 471, 470, 482, 472, 483, 473, 484 및 474)를 조작하여 기체 도입관 (469)를 통하여 퇴적실 (419)로 H2기체, SiH4/H2기체, B2H6/H2기체 및 CH4기체를 도입하였다. 이때, H2기체 유량, SiH4/H2기체 유량, B2H6/H2기체 유량 및 CH4기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (476, 477, 478 및 479)를 사용하여 각각 80 sccm, 3 sccm, 9 sccm 및 0.1 sccm이 되도록 조정하고, 퇴적실 (419)의 내압이 1.8 Torr가 되도록 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (423)의 전력을 0.07 W/cm3으로 설정하고, RF 전력을 플라즈마 형성컵 (421)에 도입시켜 글로우 방전을 생성시켰다. 이와 같이 하여, i형층 상에 제3 핀 접합의 RF p형층의 형성을 개시하여, 층 두께 10 nm의 RF p형층이 형성될 때, RF 전원을 차단하여 글로우 방전을 정지시켜 제3 핀 접합의 RF p형층 (107)의 형성을 완료하였다. 밸브 (472, 482, 473, 483, 474, 484, 471, 481 및 470)을 폐쇄시켜 p형층 퇴적실 (419)로의 SiH4/H2기체, B2H6/H2기체, CH4기체 및 H2기체의 유입을 정지시킨 후, p형층 퇴적실 (419) 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기하였다.
제2 핀 접합의 RF n형층의 형성
μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 RF n형층 (109)를 형성시키기 위하여 게이트 밸브 (408)을 개방하여 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 운송실 (403)으로 기판 (490) (상기한 바와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하고, 게이트 밸브 (407)을 개방하여 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 n형 퇴적실 (417) 및 운송실 (402)로 기판 (490)을 운송하였다.
기판 (490)을 그의 이면이 기판 가열기 (410)과 밀착되는 방식으로 가열하였다. 이어서, n형층 퇴적실 (417) 내를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)을 사용하여 압력이 약 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
기판 가열기 (410)을 기판의 온도가 490 내지 320 ℃가 되도록 설정하였다. 이때 기판의 온도가 안정해지면, 밸브 (443, 433, 444 및 434)를 조작하여 SiH4및 PH3/H2기체를 기체 도입관 (429)를 통하여 퇴적실 (417)로 도입하였다. 이때, SiH4기체 유량, H2기체 유량 및 PH3/H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (438, 436 및 439)를 사용하여 각각 1 sccm, 150 sccm 및 8 sccm이 되도록 조정하고, 퇴적실 (417) 내 압력이 1.2 Torr가 되도록 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (422)의 전력을 0.07 W/cm3로 설정하고, RF 전력을 플라즈마 형성컵 (420)에 도입하여 글로우 방전을 생성시켰다. 이와 같이 하여, 제3 핀 접합의 RF p형층 상에 제2 핀 접합의 RF n형층의 형성을 개시하여, 층 두께 100 nm의 RF n형층이 형성될 때, RF 전원을 차단하여 글로우 방전을 정지시켜 제2 핀 접합의 RF n형층 (109)의 형성을 완료하였다. 퇴적실 (417)로의 SiH4기체, PH3/H2기체 및 H2기체의 유입을 정지시킨 후, 퇴적실 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
제2 핀 접합의 i형층의 형성
μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층 (110)을 형성시키기 위하여, 게이트 밸브 (407)을 개방하여 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 운송실 (403) 및 i형층 퇴적실 (418)로 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하였다.
기판 가열기 (411)를 기판 온도 490 내지 380 ℃가 되도록 설정하였다. 기판이 충분히 가열될 때, 밸브 (461, 451, 450, 462, 452, 463 및 453)를 서서히 개방하여 기체 도입관 (449)를 통하여 i형층 퇴적실 (418)로 SiH4기체 및 H2기체를 유입시켰다. 이때, SiH4기체 유량 및 H2기체 유량을 대응 매스 플로우 컨트롤러 (456 및 458)를 사용하여 각각 50 sccm 및 1,500 sccm이 되도록 조정하였다. i형층 퇴적실 (418)의 내압이 0.03 Torr가 되도록 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (424)의 전력을 0.15 W/cm3으로 설정하고, 바이어스봉 (428)에 인가하였다. 그 다음에, 마이크로파 전원 (0.5 GHz) (도시되어 있지 않음)의 전력을 0.10 W/cm3으로 설정하고, 마이크로파 전력을 바이어스봉 (428)을 통하여 i형층 퇴적실 (418)에 도입하여 글로우 방전을 생성시켰다. 이와 같이 하여, 제2 핀 접합의 RF n형층 상에 제2 핀 접합의 i형층의 형성을 개시하여, 1.5 ㎛ 두께의 층이 형성될 때, 글로우 방전을 정지시키고, 바이어스 전원 (424)의 출력을 차단하여 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 형성을 완료하였다. 밸브 (451 및 453)을 폐쇄시켜 i형층 퇴적실 (418)내로의 SiH4기체 및 H2기체의 유입을 정지시킨 후, i형층 퇴적실 (418) 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
제2 핀 접합의 RF p형층의 형성
SiC로 이루어진 제2 핀 접합의 RF p형층 (111)을 형성시키기 위하여, 제3 핀 접합의 RF p형층 (107)의 형성과 동일한 방법으로 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하였다. H2기체 유량, SiH4/H2기체 유량, B2H6/H2기체 유량 및 CH4기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러를 사용하여 각각 80 sccm, 3 sccm, 9 sccm 및 0.2 sccm이 되도록 조정하고, 기판 온도 260 ℃에서 퇴적을 수행하는 것을 제외하고, 제3 핀 접합의 RF p형층에 대하여 이후의 절차를 반복하였다.
제1 핀 접합의 RF n형층의 형성
a-Si로 이루어진 제1 핀 접합의 RF n형층 (112)를 형성시키기 위하여, 제1 게이트 밸브 (408)을 개방하여 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)로 미리 배기시킨 운송실 (403)으로 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하고, 게이트 밸브 (407)을 개방하여 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)로 미리 배기시킨 운송실 (402) 및 n형층 퇴적실 (417)로 기판 (490)을 운송하였다.
SiH4기체 유량, H2기체 유량 및 PH3/H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러를 사용하여 각각 1.1 sccm, 50 sccm 및 10 sccm이 되도록 조정하고, 퇴적실 (417)의 내압을 1.5 Torr가 되도록 조정하고, 기판 가열기 (410)을 기판의 온도가 490 내지 230 ℃가 되도록 설정하는 것을 제외하고, 제2 핀 접합의 RF n형층에 대하여 이후의 절차를 반복하였다. 이와 같이 하여, 제1 핀 접합의 RF n형층 (112)를 형성시켰다.
제1 핀 접합의 RF i형층의 형성
a-Si로 이루어진 제1 핀 접합의 RF i형층 (113)을 형성시키기 위하여, 제3 핀 접합의 RF i형층 (104)의 형성과 동일한 방법으로 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하였다. Si2H6기체 유량 및 H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (464 및 463)을 사용하여 각각 2 sccm 및 200 sccm이 되도록 조정하고, 퇴적실 (417)의 압력을 0.8 Torr가 되도록 조정하고, RF 전력을 0.007 W/cm3로 설정하는 것을 제외하고, 제3 핀 접합의 RF i형층 (104)에 대하여 이후의 절차를 반복하였다. 이와 같이 하여, 층 두께 0.09 ㎛의 RF i형층 (113)을 형성시켰다.
제1 핀 접합의 RF p형층의 형성
SiC로 이루어진 제1 핀 접합의 RF p형층 (114)를 형성시키기 위하여, 제3 핀 접합의 RF p형층 (107)의 형성에서와 동일한 방법으로 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하였다. H2기체 유량, SiH4/H2기체 유량, B2H6/H2기체 유량 및 CH4기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러를 사용하여 각각 90 sccm, 3 sccm, 8 sccm 및 0.4 sccm이 되도록 조정하고, 퇴적을 기판 온도 170 ℃에서 수행하였다.
다음으로, 게이트 밸브 (409)를 개방하여 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 언로드실 (405)로 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하고, 누출 밸브 (도시되어 있지 않음)를 개방하여 언로드실 (405)로부터 기체를 배출시켰다.
투명 전도층 및 집전 전극
다음으로, 제1 핀 접합의 RF p형층 (114) 상에 투명 전극 (115)로서 ITO를 70 nm의 층 두께로 진공 증착법으로 증착시켰다.
다음으로, 투명 전극 (115) 상에, 빗형 개구가 있는 마스크를 위치시키고, 진공 증착법에 의해 Cr (40 nm)/Ag (1,000 nm)/Cr (40 nm)로 이루어진 빗형 집전 전극 (116)을 증착시켰다.
이와 같이 하여, 본 실시예의 광기전력 소자의 제조를 완료하였다. 이 광기전력 소자를 SCEx-1으로서 칭한다.
비교예 1-1
실시예 1에서, 모두 RF 전력을 사용하여 a-Si로 이루어진 제3 핀 접합의 n형층, a-SiGe로 이루어진 제3 핀 접합의 i형층, a-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 n형층 및 a-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층을 형성시켰다. 이와 같이 하여, 광기전력 소자 SCCp-1-1을 제조하였다. 상기 이외의 p형, i형 및 n형층을 실시예 1과 동일한 방법으로 형성시켰다.
기체 유량 및 다른 조건을 표 5에 나타낸다.
각 광기전력 소자 SCEx-1 및 SCCp-1-1의 경우에, 5개의 샘플을 제조하고, 그의 초기 광전 변환 효율, 단락 전류, 35 ℃에서 AM 1.5 (100 mW/cm2)의 광선 조사 하에 2,000 시간 경과 후의 초기 효율에 대한 효율의 감소분 (이하, 광열화율로서 칭함), 암소에서 85 ℃, 습도 80 % RH에서 2,000 시간 동안 방치시킨 후의 효율 (이하, 내열 열화율로서 칭함), 셀 내전압, 및 수율을 측정하였다. 초기 광전 변환 효율의 측정은 제조한 광기전력 소자를 AM 1.5 (100 mW/cm2)의 광선 조사하에 설치하여 V-I 특성을 측정하여 정한다. 측정의 결과로서, SCEx-1의 특성을 1이라고 정한 것을 기준하여 SCCp-1-1의 특성은 하기와 같다: 초기 광전 변환 효율: 0.89 배 단락 전류: 0.92 배 광열화율: 1.08 배 내열 열화율: 1.15 배 셀 내전압: 0.94 배 및 수율: 0.94 배.
모든 i형층들 중에서 미들 셀 i형층만이 미결정인 소자가 모든 i형층이 무정질인 것 보다 우수한 특성을 갖는 것임을 나타낸다.
비교예 1-2
무정질 실리콘 게르마늄로 이루어진 제3 핀 접합의 MW i형 반도체층 (105)을 RF 전력만으로 형성시키고, SiH4기체 유량, GeH4기체 유량 및 H2기체 유량을 대응하는 매스 플로우 컨트롤러 (456, 457 및 458)을 사용하여 각각 4 sccm, 3 sccm 및 200 sccm이 되도록 조정하고, i형층 퇴적실 (418)의 내압을 0.8 Torr가 되도록 조정하여, 층 두께 0.1 ㎛인 RF i형 반도체층을 형성시켰다.
유사하게 이루어진 측정의 결과로서, SCEx-1의 특성을 1이라고 정한 것을 기준하여 SCCp-1-2의 특성은 하기와 같다: 초기 광전 변환 효율: 0.92 배 광열화율: 1.05 배 내열 열화율: 1.13 배 셀 내전압: 0.96 배 및 수율: 0.98배.
상기한 바와 같이, RF 전력만을 사용하여 수행한 막 형성과 비교하여 마이크로파 전력을 사용하여 수행한 막 형성은 막 형성율의 증가를 초래하며, 고온 막 형성을 가능하게 하므로, 전구체의 이동성의 증가를 초래하여 우수한 품질을 갖는 막을 수득하도록 한다. RF 전력만을 사용하여 형성된 막과 비교하여 광열화율에 관하여 보다 우수한 결과가 수득되었다.
실시예 2
실시예 1에서, μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형 반도체층을 마이크로파 광원 (0.5 GHz) 대신에 마이크로파 광원 (2.45 GHz)을 사용하여 하기 방법으로 형성시켰다.
기판 가열기 (411)을 기판의 온도가 490 내지 380 ℃가 되도록 설정하였다. 기판이 충분히 가열되었을 때, 밸브 (461, 451, 450, 462, 452, 463 및 453)을 서서히 개방하여 기체 도입관 (449)를 통하여 i형층 퇴적실 (418)로 SiH4기체 및 H2기체를 유입시켰다. 이때, SiH4기체 유량 및 H2기체 유량을 대응 매스 플로우 컨트롤러 (456 및 458)을 사용하여 각각 25 sccm 및 500 sccm이 되도록 조정하였다. i형층 퇴적실 (418)의 내압이 0.02 Torr가 되도록 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (424)의 전력을 0.15 W/cm3으로 설정하고, 바이어스봉 (428)에 인가하였다. 그 다음에, 마이크로파 전원 (2.45 GHz) (도시되어 있지 않음)의 전력을 0.10 W/cm3으로 설정하고, 마이크로파 전력을 바이어스봉 (428)을 통하여 i형층 퇴적실 (418)에 도입하여 글로우 방전을 생성시켰다. 이와 같이 하여, 제2 핀 접합의 RF n형층 상에 제2 핀 접합의 i형층의 형성을 개시하여, 0.5 ㎛ 두께의 층이 형성될 때, 글로우 방전을 정지시키고, 바이어스 전원 (424)의 출력을 차단하여 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 형성을 완료하였다. 밸브 (451 및 453)을 폐쇄시켜 i형층 퇴적실 (418)로의 SiH4기체 및 H2기체의 유입을 정지시킨 후, i형 퇴적실 (418) 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
이와 같이 하여 수득된 광기전력 소자를 SCEx-2로 칭한다. 기체 유량 및 다른 조건을 표 6에 나타낸다.
비교예 2
실시예 2에서, 모두 RF 전력을 사용하여 a-Si로 이루어진 제3 핀 접합의 n형층, a-SiGe로 이루어진 제3 핀 접합의 i형층, a-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 n형층 및 a-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층을 형성시켰다. 이와 같이 하여, 광기전력 소자 SCCp-2을 제조하였다. 상기 이외의 p형, i형 및 n형층을 실시예 1과 동일한 방법으로 형성시켰다.
기체 유량 및 다른 조건을 표 7에 나타낸다.
각 광기전력 소자 SCEx-2 및 SCCp-2의 경우에, 4개의 샘플을 제조하고, 그의 초기 광전 변환 효율, 단락 전류, 광열화율, 내열 열화율, 셀 내전압, 및 수율을 측정하였다.
측정의 결과로서, SCEx-2의 특성을 1이라고 정한 것을 기준하여 SCCp-2의 특성은 하기와 같다: 초기 광전 변환 효율: 0.89 배 단락 전류: 0.94 배 광열화율: 1.12 배 내열 열화율: 1.13 배 셀 내전압: 0.95 배 및 수율: 0.93 배.
본 발명의 광기전력 소자가 월등한 특성을 갖는 것으로 보인다.
실시예 3
실시예 1에서, μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층 (110)을 하기에 나타낸 바와 같이 기체 유량을 변화시켜 형성시켰다.
SiH4기체 유량 및 H2기체 유량을 대응 매스 플로우 컨트롤러 (456 및 458)을 사용하여 각각 50 sccm 및 1,500 sccm이 되도록 조정하였다. i형층 퇴적실 (418)의 내압이 0.03 Torr가 되도록 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하였다. 다음으로, RF 전원 (424)의 전력을 0.15 W/cm3으로 설정하고, 바이어스봉 (428)에 인가하였다. 그 다음에, 마이크로파 전원 (0.5 GHz) (도시되어 있지 않음)의 전력을 0.1 W/cm3으로 설정하고, 마이크로파 전력을 바이어스봉 (428)을 통하여 i형층 퇴적실 (418)에 도입하여 글로우 방전을 생성시켰다. 이와 같이 하여, 제2 핀 접합의 RF n형층 상에 제2 핀 접합의 i형층의 형성을 개시하여, 1.0 ㎛ 두께의 i형층이 형성될 때, 글로우 방전을 정지시키고, 바이어스 전원 (424)의 출력을 차단하여 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 형성을 완료하였다. μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 층 두께를 0.1 ㎛에서 2.5 ㎛로 변화시키는 것을 제외하고, 동일한 방식으로 8개의 샘플을 제조하고, 그들의 초기 광전 변환 효율, 단락 전류, 개방 전류 전압, 충전 인자, 광열화율 및 수율을 측정하였다.
수득된 결과를 표 1에 나타낸다.
초기 광전 변환 효율의 면에서, μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 두께를 0.3 ㎛에서 2.2 ㎛로 형성시키면 월등한 특성을 나타내는 소자가 수득되었다. 충전 인자는 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 층 두께가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내며, 광열화율은 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 층 두께의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 단락 전류, 개방 전류 전압 및 수율에 관해서는 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 층 두께가 증가함에 따라 우수한 결과를 나타내었다.
실시예 4
실시예 1에서, 제2 핀 접합의 n형층 (109)를 동일한 방법으로 형성시키고, μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층 (110)을 하기에 나타낸 바와 같이 기체 유량을 변화시켜 형성시켰다.
SiH4기체 유량 및 H2기체 유량을 대응 매스 플로우 컨트롤러 (456 및 458)을 사용하여 각각 50 sccm 및 1,500 sccm을 사용하여 조정하고, B2H6/H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (460)을 사용하여 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 미결정 규소 중의 붕소 함량을 0 ppm에서 10.0 ppm 범위로 조정하여, 광기전력 소자를 제조하였다. 다른 p형, i형 및 n형층들을 실시예 1과 동일한 방식으로 형성시켰다. 제2 핀 접합 내의 i형층 (110)내의 붕소의 함량을 IMF-4F (상품명 CAMECA Co 제조)을 사용하여 측정하였다. 수득된 결과를 표 2에 나타낸다.
제2 핀 접합의 i형층 (110)의 규소 중의 붕소 함량이 8.0 ppm 이하인 경우월등한 초기 광전 변환 효율, 안정화된 광전 변환 효율, 광열화율 및 열 열화후 수율을 갖는 양질의 i형층을 수득하였다.
실시예 5
실시예 1에서, 제3 핀 접합의 MW i형층 (105)을 하기에 나타낸 바와 같이 기체 유량을 변화시켜 형성시켰다.
SiH4기체 유량 및 H2기체 유량을 대응하는 매스 플로우 컨트롤러 (456 및 458)을 사용하여 각각 50 sccm 및 150 sccm이 되도록 조정하고, GeH4기체 유량이 막 형성 중에 증가하도록 매스 플로우 컨트롤러 (457)을 사용하여 조정하였다. 기타 p형, i형 및 n형층을 실시예 1과 동일한 방법으로 형성시켰다.
수득된 결과를 표 3 및 4에 나타낸다.
i형 반도체층의 무정질 실리콘 게르마늄 중의 게르마늄 함량을 45 원자% 이상의 함량으로 조정하면, GeH4기체 유량이 일정하거나 구배이거나 간에 제3 핀 접합의 i형층은 본 발명의 광기전력 소자 내의 장파장 광선을 흡수하는 데 적당한 밴드 갭을 갖고, 제3 핀 접합에서 충분한 전류를 수득하므로, 전체로서 효율의 개선을 나타내었다.
실시예 6
실시예 1의 제2 핀 접합의 n형 반도체층을 무정질 반도체 및 미결정 반도체로 이루어진 도 2에 도시한 적층 구조를 갖도록 변화시켜 광기전력 소자 SCEx-6을 제조하였다. 도 2에서, 208은 n형 무정질 반도체 (a-Si)층을 나타내고, 209는 n형 미결정 반도체 (μc-Si)층을 나타낸다.
a-Si로 이루어진 RF n형층 (208)을 형성하기 위하여, 제3 핀 접합의 p형 반도체층 (207)이 형성된 후, 밸브 (443, 433, 444 및 434)를 조작하여 기체 도입관 (429)를 통하여 SiH4기체 및 PH3/H2기체를 퇴적실 (417)로 도입하였다. 이 때, SiH4기체 유량, H2기체 유량 및 PH3/H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (438, 436 및 439)를 사용하여 각각 2 sccm, 100 sccm 및 5 sccm이 되도록 조정하고, 퇴적실 (417)의 내압이 1.0 Torr가 되도록 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (422)의 전력을 0.03 W/cm3으로 설정하고, RF 전력을 플라즈마 형성컵 (420)에 도입하여 글로우 방전을 생성시켰다. 이와 같이 하여, 제2 핀 접합의 p형층 (207)상에 제2 핀 접합의 RF n형층의 형성을 개시하고, 층 두께 20 nm의 RF n형층이 형성될 때, RF 전원을 차단하여 글로우 방전을 정지시켜 제2 핀 접합의 RF n형층 (208)의 형성을 완료하였다. SiH4기체, PH3/H2기체 및 H2기체를 퇴적실 (417)로의 유입을 중단시킨 후, 퇴적실 내 및 기체 배관 내를 압력이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
다른 퇴적층을 실시예 1과 동일한 방법으로 형성하였다.
비교예 3
실시예 1에서, a-Si를 갖는 제2 핀 접합의 RF n형층 및 a-Si를 갖는 제2 핀 접합의 i형층을 형성시켜 광기전력 소자 SCCp-3을 제조하였다. 상기 이외의 p형, i형 및 n형층을 실시예 1과 동일한 방법으로 형성시켰다.
각 광기전력 소자 SCEx-6 및 SCCp-3에 대하여, 6개의 샘플을 제조하고, 그의 초기 광전 변환 효율, 단락 전류, 광열화율, 내열 열화율, 셀 내전압, 및 수율을 측정하였다.
측정의 결과로서, SCEx-6의 특성을 1이라고 정한 것을 기준하여 SCCp-3의 특성은 하기와 같다: 초기 광전 변환 효율: 0.93 배 단락 전류: 0.93 배 광열화율: 1.08 배 내열 열화율: 1.13 배 셀 내전압: 0.96 배 및 수율: 0.94 배.
본 발명의 광기전력 소자가 월등한 특성을 갖는 것임을 나타낸다.
실시예 7
도 5에 도시한 바와 같은 롤-대-롤 시스템을 사용하는 퇴적 장치를 사용하여 도 1에 도시한 3중형 광기전력 소자를 제조하였다.
도 5에서, 5010은 시트상 기판의 도입용 로드실 5011은 배기관 5012는 배기 펌프 5201은 기체 게이트 5301은 기체 게이트로의 기체 도입관 5020은 제3 핀 접합의 p형층의 퇴적실 5021은 배기관 5022는 배기 펌프 5023은 RF 전력 공급용 동축 케이블 5024는 RF 전원 5025는 원료 기체 도입관 5026은 혼합 시스템 5202는 기체 게이트 5302는 기체 게이트로의 기체 도입관 5030은 제3 핀 접합의 RF i형 반도체(n/i)층용 퇴적실 5031은 배기관 5032는 배기 펌프 5033은 RF 전력 도입용 동축 케이블 5034는 RF 전원 5035는 원료 기체 도입관 5036은 혼합 시스템 5203은 기체 게이트 5303은 기체 게이트로의 기체 도입관 5040은 제3 핀 접합의 MW i형 반도체층의 퇴적실 5041은 배기관 5042는 배기 펌프 (확산 펌프 보유) 5043은 MW 도입 도파관 5044는 MW 전원 5045는 원료 기체 도입관 5046은 혼합 시스템 5204는 기체 게이트 5304는 기체 게이트로의 기체 도입관 5050은 제3 핀 접합의 RF i형 반도체층 (p/i)의 퇴적실 5051은 배기관 5052는 배기 펌프 5053은 RF 전력 공급용 동축 케이블 5054는 RF 전원 5055는 원료 기체 도입관 5056은 혼합 시스템 5205는 기체 게이트 5305는 기체 게이트로의 기체 도입관 5060은 제3 핀 접합의 p형 반도체층용 퇴적실 5061은 배기관 5062는 배기 펌프 5063은 RF 전력 공급용 동축 케이블 5064는 RF 전원 5065는 원료 기체 도입관 5066은 혼합 시스템 5206은 기체 게이트 5306은 기체 게이트로의 기체 도입관 5070은 제2 핀 접합의 n형 반도체층용 퇴적실 5071은 배기관 5072는 배기 펌프 5073은 RF 전력 공급용 동축 케이블 5074는 RF 전원 5075는 원료 기체 도입관 5076은 혼합 시스템 5207는 기체 게이트 5307는 기체 게이트로의 기체 도입관 5090은 제3 핀 접합의 MW i형 반도체층용 퇴적실 5091은 배기관 5092는 배기 펌프 (확산 펌프를 보유) 5093은 MW 도입 도파관 5094는 MW 전원 5095는 원료 기체 도입관 5096은 혼합 시스템 5210는 기체 게이트 5310는 기체 게이트로의 기체 도입관 5110은 제2 핀 접합의 p형 반도체층의 퇴적실 5111은 배기관 5112는 배기 펌프 5113은 RF 전력 공급용 동축 케이블 5114는 RF 전원 5115는 원료 기체 도입관 5116은 혼합 시스템 5211는 기체 게이트 5311는 기체 게이트로의 기체 도입관 5120은 제1 핀 접합의 n형 반도체층용 퇴적실 5121은 배기관 5122는 배기 펌프 5123은 RF 전력 공급용 동축 케이블 5124는 RF 전원 5125는 원료 기체 도입관 5126은 혼합 시스템 5212는 기체 게이트 5312는 기체 게이트로의 기체 도입관 5130은 제1 핀 접합의 RF i형 반도체층의 퇴적실 5131은 배기관 5132는 배기 펌프 5133은 RF 전력 공급용 동축 케이블 5134는 RF 전원 5135는 원료 기체 도입관 5136은 혼합 시스템 5213는 기체 게이트 5313은 기체 게이트로의 기체 도입관 5140은 제1 핀 접합의 p형 반도체층의 퇴적실 5141은 배기관 5142는 배기 펌프 5143은 RF 전력 공급용 동축 케이블 5144는 RF 전원 5145는 원료 기체 도입관 5146은 혼합 시스템 5214는 기체 게이트 5314는 기체 게이트로의 기체 도입관 5150은 언로드실 5151은 배기관 5152는 배기 펌프 5400은 롤에 권취되는 기판 및 5402는 권취 치구를 나타낸다.
기판으로서, 금속층 및 투명 전도층이 미리 형성되어 있는 길이 300 nm, 폭 30 cm 및 두께 0.2 mm의 시트상 기판을 사용하였다. 반도체층을 형성시키기 위한 조건을 표 8에 나타낸다.
기체 도입용 로드실 (5010) 내에 광반사층을 갖는 시트상 기판 (금속층 및 투명 전도층)을 설치하였다. 이 시트상 기판을 모든 퇴적실 및 모든 기체 게이트를 통하여 통과시키고, 언로드실 (5150) 내의 시트 권취 치구에 연결시켰다. 각 퇴적실을 배기 시스템 (도시되어 있지 않음)을 사용하여 10-3Torr 이하로 배기시켰다. 소망의 원료 기체를 퇴적된 막 형성 혼합 시스템 (5026, 5036, 5046, 5056, 5066, 5076, 5096, 5116, 5126, 5136 및 5146)으로 도입하였다. 기체 게이트 (5201, 5202, 5203, 5204, 5205, 5206, 5207, 5210, 5211, 5212, 5213 및 5214)에 기체를 각 게이트 기체 도입 시스템으로부터 도입하였다.
기판을 각 퇴적 시스템 내에서 기판 가열기를 사용하여 가열하고, 진공도를 각 배기 시스템의 배기 밸브의 개구를 조정하여 조정하였다. 기판 온도 및 진공도가 안정해진 후, 기판의 운송을 개시하고, 플라즈마 생성을 위하여 RF 전력 또는 MW (주파수: 0.5 GHz, 2.45 GHz) 전력을 각 퇴적실에 도입하였다. 이 방법으로 도 1에 나타낸 바와 같이 시트상 기판 상에 3개의 핀 접합이 적층된 3중형 광기전력 소자를 100 nm 길이에 걸쳐 형성시켰다. 제2 핀 접합의 i형 반도체층의 형성에서, 마이크로파 전력 (0.5 GHz)을 인가하였다.
다음으로, RF p형층 (114) 상에, 투명 기판 (115)로서 진공 증착법으로 층 두께 70 nm로 ITO를 증착시켰다. 투명 전극 (115) 상에, 빗형 개구를 갖는 마스크를 위치시키고, Cr (40 nm)/Ag (1,000 nm)/Cr (40 nm)로 이루어진 빗형 집전 전극 (116)을 진공 증착법에 의해 증착시켰다. 이와 같이 하여, 본 실시예의 광기전력 소자 (SCEx-7)의 제조를 완료하였다.
이와 같은 광기전력 소자는 상기 실시예의 소자와 유사한 월등한 특성을 갖고, 생산성이 매우 높다.
비교예 4
제2 핀 접합의 RF n형층이 a-Si를 갖고, 제2 핀 접합의 i형층이 a-Si를 갖도록 형성시키는 것을 제외하고, 실시예 7과 동일한 조건 하에 광기전력 소자 SCCp-4를 상기 롤-대-롤 시스템으로 제조하였다.
측정의 결과로서, SCEx-7의 특성을 1이라고 정한 것을 기준하여 SCCp-4의 특성은 하기와 같다: 초기 광전 변환 효율: 0.93 배 단락 전류: 0.92 배 광열화율: 1.09 배 내열 열화율: 1.12 배 셀 내전압: 0.97 배 및 수율: 0.92 배.
본 발명의 광기전력 소자는 우수한 특성을 갖는 것으로 보인다.
실시예 8
실시예 7에서, 마이크로파 전력 (0.5 GHz) 대신에 마이크로파 전력 (2.45 GHz)를 사용하여 제2 핀 접합의 i형 반도체층을 형성시키고, 도 5에 나타낸 바와 같은 롤-대-롤 시스템을 사용하는 퇴적 장치를 이용하여 도 1에 도시한 3 중형 광기전력 소자를 제조하였다. 이 광기전력 소자 SCEx-8은 상기한 실시예의 소자와 유사한 뛰어난 특성을 가지며, 또한 생산성이 매우 우수하다. 이 소자는 하기 나타낸 결과를 수득하여 비교예 4의 결과와 비교할 만하였다.
측정의 결과로서, SCEx-8의 특성을 1이라고 정한 것을 기준하여 SCCp-4의 특성은 하기와 같다: 초기 광전 변환 효율: 0.89 배 단락 전류: 0.95 배 광열화율: 1.09 배 내열 열화율: 1.08 배 셀 내전압: 0.96 배 및 수율: 0.95 배.
본 발명의 광기전력 소자가 우수한 특성을 갖는 것임을 나타낸다.
실시예 9
도 4a 및 도 4b에 도시한 퇴적 장치를 사용하여 도 1에 도시한 광기전력 소자를 제조하였다. 본 실시예에서, 층 (105)은 미결정 실리콘 게르마늄로 형성되고, 버퍼층 (104)는 제공되지 않았다.
퇴적 장치 (400)을 MWPCVD 및 RFPCVD 둘다로 수행할 수 있다. 이 장치를 사용하여, 각 반도체층을 광반사층 (101 및 102)를 갖는 기판 (490) 상에 형성시켰다.
준비
퇴적 장치에, 원료 기체 실린더 (도시되어 있지 않음)를 기체 도입관을 통하여 연결시킨다. 원료 기체 실린더를 모두 초고순도로 정제하고, SiH4기체 실린더, CH4기체 실린더, GeH4기체 실린더, Si2H6기체 실린더, PH3/H2(희석도: 2.0%) 기체 실린더, B2H6/H2(희석도: 0.2%) 기체 실린더, H2기체 실린더, He 기체 실린더, SiCl2H2기체 실린더 및 SiH4/H2(희석도: 2%) 기체 실린더를 연결시켰다.
다음으로, 광반사층 (101 및 102)가 형성된 기판 (490)을 로드실 (401) 내에 제공된 기판 운송 레일 (413) 상에 위치시키고, 로드실 (401) 내를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 약 1x10-5Torr의 압력으로 배기시켰다.
다음으로, 게이트 밸브 (406)을 개방하여 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 운송실 (402)로 운송한 후, 기판 가열기 (410)을 아래쪽으로 이동시켜 퇴적실 (417)로 기판을 하강시켰다. 다음으로, 기판 (490)을 그의 이면이 기판 가열기 (410)과 밀착되는 방식으로 가열하였다. 이어서, 퇴적실 (417) 내를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 약 1x10-5Torr의 압력으로 배기시켰다.
제3 핀 접합의 RF n형층의 형성
H2기체를 기체 도입관 (492)를 통하여 퇴적실 (417)로 도입하였다. 이어서, 밸브 (441, 431 및 430)을 개방하고, H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (436)를 사용하여 300 sccm이 되도록 조정하였다. 퇴적실 (417)의 내압을 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 1.0 Torr가 되도록 조정하였다. 기판 가열기 (410)을 기판의 온도가 490 내지 380 ℃가 되도록 설정하였다. 기판 온도가 안정해질 때, 밸브 (443, 433, 444 및 434)를 조작하여 기체 도입관 (429)를 통하여 퇴적실 (417)로 SiH4기체 및 PH3/H2기체를 도입시켰다. 이 때, SiH4기체 유량, H2기체 유량 및 PH3/H2기체 유량을 매스 플로우 조절기 (438, 436 및 439)를 사용하여 각각 1.2 sccm, 150 sccm 및 8 sccm이 되도록 조정하고, 퇴적실 (417)의 내압이 1.3 Torr가 되도록 조정하였다.
다음으로, 고주파 (이후 RF) 전원 (422)의 전력을 0.07 W/cm3으로 설정하고, RF 전력을 플라즈마 형성컵 (420)에 도입하여 글로우 방전을 생성시켰다. 이와 같이 하여, 기판 상에 제3 핀 접합의 RF n형층의 형성을 개시하여, 층 두께 0.1 ㎛의 층이 형성될 때, RF 전원을 차단하여 글로우 방전을 정지시켜 μc-Si로 이루어진 제3 핀 접합의 RF n형층 (103)의 형성을 완료하였다. 퇴적실 (417)로의 SiH4기체, PH3/H2기체 및 H2기체의 유입을 중단시킨 후, 퇴적실 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
제3 핀 접합의 i형층의 형성
다음으로, μc-SiGe로 이루어진 MW i형층 (105) 및 a-Si로 이루어진 RF i형층 (106) (버퍼층)의 제3 핀 접합을 하기 방법으로 연속적으로 형성시켰다.
우선, 게이트 밸브 (407)을 개방하여 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 운송실 (403) 및 i형층 퇴적실 (418)로 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하였다. 기판 (490)을 그의 이면이 기판 가열기 (411)과 밀착되는 방식으로 가열하였다. 다음으로, i형층 퇴적실 (418) 내를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 압력이 약 1x10-5Torrr이 되도록 배기시켰다.
제3 핀 접합의 MW i형층 (105)를 형성시키기 위하여, 기판 가열기 (411)을 기판의 온도가 490 내지 420 ℃가 되도록 설정하였다. 기판이 충분히 가열되었을 때, 밸브 (461, 451, 450, 462, 452, 463 및 453)을 서서히 개방하여 기체 도입관 (449)를 통하여 i형층 퇴적실 (418)로 SiH4기체, GeH4기체 및 H2기체를 유입시켰다. 이때, SiH4기체 유량, GeH4기체 유량 및 H2기체 유량을 대응하는 매스 플로우 컨트롤러 (456, 457 및 458)을 사용하여 각각 40 sccm, 40 sccm 및 1,500 sccm이 되도록 조정하였다. i형층 퇴적실 (418)의 내압을 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하여 30 mTorr가 되도록 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (424)의 전력을 0.15 W/cm3으로 설정하고, 바이어스봉 (428)에 인가하였다. 그 다음에, 마이크로파 전원 (0.5 GHz) (도시되어 있지 않음)의 전력을 0.10 W/cm3으로 설정하고, 마이크로파 전력을 바이어스봉 (428)을 통하여 i형층 퇴적실 (418)에 도입하여 글로우 방전을 생성시키고, 셔터 (427)을 개방하였다. 이와 같이 하여, 제3 핀 접합의 RF n형층 상에 제3 핀 접합의 MW i형층의 형성을 개시하여, 1.5 ㎛ 두께의 층이 형성될 때, 마이크로파 글로우 방전을 정지시키고, 바이어스 전원 (424)으로부터의 출력을 차단하여 제3 핀 접합의 MW i형층 (105)의 형성을 완료하였다. 밸브 (451, 452 및 453)을 폐쇄시켜 i형층 퇴적실 (418)로의 SiH4기체, GeH4기체 및 H2기체의 유입을 정지시킨 후, i형 퇴적실 (418) 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
제3 핀 접합의 RF i형층 (106)을 형성시키기 위하여, 기판 가열기 (411)을 기판의 온도가 490 내지 300 ℃가 되도록 설정하였다. 기판이 충분히 가열되었을 때, 밸브 (464, 454, 450, 463 및 453)을 서서히 개방하여 기체 도입관 (449)를 통하여 Si2H6기체 및 H2기체를 i형층 퇴적실 (418)로 유입시켰다. 이때, Si2H6기체 유량 및 H2기체 유량을 대응 매스 플로우 컨트롤러 (459 및 458)을 사용하여 각각 3.5 sccm 및 100 sccm이 되도록 조정하였다. i형층 퇴적실 (418)의 내압이 0.65 Torr가 되도록 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (424)의 전력을 0.008 W/cm3로 설정하고, 바이어스봉 (428)에 인가하여 글로우 방전을 생성시키고, 셔터 (427)을 개방하였다. 이와 같이 하여, 제3 핀 접합의 Mw i형층 상에 제3 핀 접합의 RF i형층의 형성을 개시하여, 층 두께 23 nm의 i형층이 형성될 때, RF 글로우 방전을 정지시켜 제3 핀 접합의 RF i형층 (106)의 형성을 완료하였다.
밸브 (464, 454, 453 및 450)를 폐쇄시켜 i형층 퇴적실 (418)로의 Si2H6기체 및 H2기체의 유입을 정지시킨 후, i형층 퇴적실 (418) 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
제3 핀 접합의 RF p형층의 형성
SiC로 이루어진 제3 핀 접합의 RF p형층 (107)을 형성시키기 위하여, 우선, 게이트 밸브 (408)을 개방시켜 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 미리 배기시킨 운송실 (404) 및 p형층 퇴적실 (419)로 기판 (490) (상기와 같이 형성된 층을 포함함)을 운송하였다. 기판 (490)을 그의 이면이 기판 가열기 (412)와 밀착되는 방식으로 가열하였다. 이어서, p형층 퇴적실 (419) 내를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)를 사용하여 압력이 약 1x10-5Torr이 되도록 배기시켰다.
기판 가열기 (412)를 기판의 온도가 490 내지 300 ℃가 되도록 설정하였다. 기판 온도가 안정해질 때, 밸브 (481, 471, 470, 482, 472, 483, 473, 484 및 474)를 조작하여 기체 도입관 (469)를 통하여 퇴적실 (419)를 통하여 H2기체, SiH4/H2기체, B2H6/H2기체 및 CH4기체를 도입하였다. 이 때, H2기체 유량, SiH4/H2기체 유량, B2H6/H2기체 유량 및 CH4기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (476, 477, 478 및 479)를 사용하여 각각 80 sccm, 3 sccm, 9 sccm 및 0.1 sccm이 되도록 조정하고, 퇴적실 (419)의 내압이 1.8 Torr가 되도록 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정하였다.
다음으로, RF 전원 (423)의 전력을 0.07 W/cm3으로 설정하고, RF 전력을 플라즈마 형성컵 (421)에 도입하여 글로우 방전을 생성시켰다. 이와 같이 하여, 제3 핀 접합의 RF p형층을 i형층 상에 형성시키고, 층 두께 10 nm의 RF p형층이 형성될 때, RF 전원을 차단하여 글로우 방전을 정지시켜 제3 핀 접합의 RF p형층 (107)의 형성을 완료하였다. 밸브 (472, 482, 473, 483, 474, 484, 471, 481 및 470)을 폐쇄시켜 p형층 퇴적실 (419)로의 SiH4/H2기체, B2H6/H2기체, CH4기체 및 H2기체의 유입을 중단시킨 후, p형 퇴적실 (419) 내 및 기체 배관의 내압이 1x10-5Torr가 되도록 배기시켰다.
제2 핀 접합의 RF n형층의 형성
μc-Si로 이루어지는 제2 핀 접합의 RF n형층 (109)를 형성하기 위해, 게이트 밸브 (408)을 개방하여 기판 (490) (상기 형성된 층을 포함함)을 미리 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)로 배기시킨 운송실 (403)내로 운송하고, 게이트 밸브 (407)을 개방하여 기판 (490)을 미리 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)로 배기시킨 운송실 (402) 및 n형층 퇴절실 (417)내로 운송하였다.
기판 (490)을 그의 이면이 기판 가열기 (410)과 밀착되는 방식으로 가열하였다. 이어서, n형층 퇴적실 (417)의 내부를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)으로 약 1 x 10-5Torr의 압력으로 배기시켰다. 기판 가열기 (410)은 기판 (490)의 온도가 320 ℃가 되도록 설정하였다. 기판 온도가 안정하게 될 때, 밸브 (443, 433, 444 및 434)를 작동하여 SiH4기체 및 PH3/H2기체를 기체 공급관 (429)를 통해 퇴적실 (417)내로 공급하였다. 이 때, SiH4기체 유량, H2기체 유량 및 PH3/H2기체 유량은 매스 플로우 컨트롤러 (438, 436 및 439)로 각각 1 sccm, 150 sccm 및 8 sccm으로 조정하고, 퇴적실 (417)의 내압은 1.2 Torr로 조정하였다.
이어서, RF 전원 (422)의 전력을 0.07 W/cm3으로 설정하고, RF 전력을 플라즈마 형성컵 (420)으로 공급하여 글로우 방전이 일어나도록 하였다. 그러자, 제3 핀 접합의 RF n형층상에 제2 핀 접합의 RF n형층이 형성되기 시작하여, 층 두께가 100 nm인 RF n형층이 형성되었으며, 이 때 RF 전원을 차단하여 글로우 방전을 중단함으로써 제2 핀 접합의 RF n형층 (109)의 형성을 완료하였다. SiH4기체, PH3/H2기체 및 H2기체를 퇴적실 (417)로 유입하는 것을 중지하여, 퇴적실의 내부 및 기체관의 내부를 1 x 10-5Torr의 압력으로 배기시켰다.
제2 핀 접합의 i형층의 형성
μc-Si로 이루어지는 제2 핀 접합의 i형층 (110)을 형성하기 위해, 게이트 밸브 (407)을 개방하여 기판 (490) (상기 형성된 층을 포함함)을 미리 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)로 배기시킨 운송실 (403) 및 i형층 퇴적실 (418)내로 운송하였다. 기판 (490)을 그의 이면이 기판 가열기 (411)과 밀착되는 방식으로 가열하였다. 이어서, i형층 퇴적실 (418)의 내부를 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)으로 약 1 x 10-5Torr의 압력으로 배기시켰다.
기판 가열기 (411)은 기판 (490)의 온도가 380 ℃가 되도록 설정하였다. 기판이 충분히 가열되었을 때, 밸브 (461, 451, 463 및 453)을 서서히 개방하여 SiH4기체 및 H2기체를 기체 공급관 (449)를 통해 i형층 퇴적실 (418)내로 공급하였다. 이 때, SiH4기체 유량 및 H2기체 유량은 매스 플로우 컨트롤러 (456 및 458)로 각각 50 sccm 및 1,500 sccm으로 조정하였다. i형층 퇴적실 (418)의 내압은 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정함으로써 0.03 Torr로 조정하였다.
이어서, RF 전원 (424)의 전력을 0.15 W/cm3으로 설정하여 바이어스봉 (428)에 인가하였다. 이 후, 마이크로파 전원 (0.5 GHz) (도시되어 있지 않음)의 전력을 0.10 W/cm3으로 설정하고, 마이크로파 전력을 바이어스봉 (428)을 통해 i형층 퇴적실 (418)내로 공급하여 글로우 방전이 일어나도록 하였다. 그러자, 제2 핀 접합의 RF n형층상에 제2 핀 접합의 i형층이 형성되기 시작하여, 층 두께가 1.5 μm인 층이 형성되었으며, 이 때 글로우 방전을 중단하고 바이어스 전원 (424)로부터의 출력을 중단함으로써 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 형성을 완료하였다. 밸브 (451 및 453)을 폐쇄하여 SiH4기체 및 H2기체를 i형층 퇴적실 (418)내로 유입하는 것을 중지하여, i형층 퇴적실 (418)의 내부 및 기체관의 내부를 1 x 10-5Torr의 압력으로 배기시켰다.
제2 핀 접합의 RF p형층의 형성
SiC로 이루어지는 제2 핀 접합의 RF p형층 (111)을 형성하기 위해, 제3 핀 접합의 RF p형층 (107)의 형성과 동일 방법으로 기판 (490) (상기 형성된 층을 포함함)을 운송하였다. H2기체 유량, SiH4/H2기체 유량, B2H6/H2기체 유량 및 CH4기체 유량을 각각 매스 플로우 컨트롤러로 80 sccm, 3 sccm, 9 sccm 및 0.2 sccm으로 조정한 것을 제외하고는, 제3 핀 접합의 RF p형층에 대한 후속 과정을 반복하고, 기판 온도 260 ℃에서 퇴적하였다.
제1 핀 접합의 RF n형층의 형성
a-Si로 이루어지는 제1 핀 접합의 RF n형층 (112)를 형성하기 위해, 먼저 게이트 밸브 (408)을 개방하여 기판 (490)을 미리 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)로 배기시킨 운송실 (403)으로 운송하고, 게이트 밸브 (407)을 개방하여 미리 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)으로 배기시킨 운송실 (402) 및 n형층 퇴적실 (417)내로 기판 (490)을 운송하였다.
SiH4기체 유량, H2기체 유량 및 PH3/H2기체 유량을 각각 매스 플로우 컨트롤러 (438, 436 및 439)로 1.1 sccm, 50 sccm 및 10 sccm으로 조정한 것을 제외하고는, 제2 핀 접합의 RF n형층에 대한 후속 과정을 반복하고, 퇴적실 (417)의 내압을 1.05 Torr로 조정하고, 기판 가열기 (410)을 기판 (490)의 온도가 230 ℃가 되도록 설정하였다.
제1 핀 접합의 RF i형층의 형성
a-Si로 이루어지는 제1 핀 접합의 RF i형층 (113)을 형성하기 위해, 제3 핀 접합의 RF i형층 (104)의 형성과 동일 방법으로 기판 (490) (상기 형성된 층을 포함함)을 운송하였다. 기판 온도를 190 ℃로 설정하고, Si2H6기체 유량 및 H2기체 유량을 각각 대응하는 매스 플로우 컨트롤러 (464 및 463)으로 2 sccm 및 200 sccm으로 조정한 것을 제외하고는, 제3 핀 접합의 RF i형층에 대한 후속 과정을 반복하고, 퇴적실 (417)의 내압을 0.8 Torr로 조정하고, RF 전력을 0.07 W/cm3로 설정하였다. 이와 같이 하여, 층 두께가 0.1 μm인 RF i형층 (113)을 형성하였다.
제1 핀 접합의 RF p형층의 형성
SiC로 이루어지는 제1 핀 접합의 RF p형층 (114)를 형성하기 위해, 제3 핀 접합의 RF p형층 (107)의 형성과 동일 방법으로 기판 (490) (상기 형성된 층을 포함함)을 운송하였다. H2기체 유량, SiH4/H2기체 유량, B2H6/H2기체 유량 및 CH4기체 유량을 각각 매스 플로우 컨트롤러로 90 sccm, 3 sccm, 8 sccm 및 0.4 sccm으로 조정한 것을 제외하고는 제3 핀 접합의 RF p형층의 후속 과정을 반복하고, 170 ℃의 기판 온도에서 퇴적하였다.
이어서, 기판 밸브 (409)를 개방하여 미리 진공 배기 펌프 (도시되어 있지 않음)으로 배기시킨 언로드실 (405)내로 기판 (490) (상기 형성된 층을 포함함)을 운송하고, 누출 밸브 (도시되어 있지 않음)를 개방하여 언로드실 (405)로부터 기체가 누출되도록 하였다.
이어서, 제1 핀 접합의 RF p형층 (114)상에, 층 두께 70 nm의 ITO를 진공 증착법으로 투명 전극 (115)로서 증착시켰다.
이어서, 투명 전극 (115)상에, 빗형 개구를 갖는 마스크를 배치하고, Cr (40 nm)/Ag (1,000 nm)/Cr (40 nm)로 이루어진 빗형 집전 전극 (116)을 진공 증착법에 의해 증착시켰다.
이와 같이 하여, 본 발명의 광기전력 소자를 제조하였다. 이 광기전력 소자를 SCEx-9라 부른다.
비교예 5-1
실시예 9에서, FR 전력을 사용하여 제3 핀 접합의 n형층이 a-Si를 갖도록 형성하고, 제3 핀 접합의 i형층이 a-SiGe를, 제2 핀 접합의 n형층이 a-Si를, 제2 핀 접합의 i형층이 a-Si를 갖도록 형성하였다. 이와 같이 하여, 광기전력 소자 SCCp-5-1을 제조하였다. 상기 이외의 p형층, i형층 및 n형층을 실시예 9와 동일 방식으로 형성하였다.
기체 유량 및 다른 조건들을 표 9에 나타내었다.
광기전력 소자 SCEx-9 및 SCCp-5-1 각각에 대해 5개의 샘플을 제조하고, 그들의 특성을 측정하였다. 측정 결과, SCEx-9의 특성을 1이라고 가정할 때 SCCp-5-1의 특성은 다음과 같았다: 초기 광전 변환 효율: 0.85배 단락 전류: 0.90배 광열화율: 1.12배 내열 열화율: 1.17배 셀 내전압: 0.93배 및 수율: 0.94배.
비교예 5-2
실시예 9에서, FR 전력을 사용하여 제1 핀 접합의 i형층이 μc-Si를 갖도록 형성하였다. 이와 같이 하여, 광기전력 소자 SCCp-5-2를 제조하였다. 상기 이외의 p형층, i형층 및 n형층을 실시예 9와 동일 방식으로 형성하였다.
광기전력 소자 SCEx-9 및 SCCp-5-2 각각에 대해 5개의 샘플을 제조하고, 그들의 특성을 측정하였다. 측정 결과, SCEx-9의 특성을 1이라고 가정할 때 SCCp-5-2의 특성은 다음과 같았다: 초기 광전 변환 효율: 0.81배 단락 전류: 1.01배 광열화율: 0.98배 내열 열화율: 1.03배 셀 내전압: 0.91배 및 수율: 0.92배.
비교예 5-1 및 5-2로부터 알 수 있는 바와 같이, 탑 셀의 i형층이 무정질이거나 또는 미들 셀 및 바텀 셀의 i형층이 미결정인 소자는 i형층 모두가 무정질이거나 i형층 모두가 미결정인 소자 보다 양호한 특성을 나타내었다.
비교예 5-3
실시예 9에서, FR 전력만을 사용하여 미결정 실리콘 게르마늄으로 이루어진 제3 핀 접합의 MW i형 반도체층 (105)를 형성한 것을 제외하고는 실시예 9의 과정을 반복하였다. 이와 같이 하여, 광기전력 소자 SCCp-5-3을 제조하였다. 유사하게 행한 측정 결과로서, SCEx-9의 특성을 1이라고 가정할 때 SCCp-5-3의 특성은 다음과 같았다: 초기 광전 변환 효율: 0.93배 광열화율: 1.06배 내열 열화율: 1.12배 셀 내전압: 0.97배 및 수율: 0.97배.
본 발명의 광기전력 소자는 탁월한 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
실시예 10
표 10에 나타낸 퇴적 조건하에, 실시예 9와 동일 방식으로 광기전력 소자를 제조하였다. 이 광기전력 소자를 SCEx-10이라 칭한다.
비교예 6
실시예 9에서, FR 전력을 사용하여 제3 핀 접합의 n형층이 a-Si를 갖도록 형성하고, 제3 핀 접합의 i형층이 a-SiGe를, 제2 핀 접합의 n형층이 a-Si를, 제2 핀 접합의 i형층이 a-Si를 갖도록 형성하였다. 이와 같이 하여, 광기전력 소자 SCCp-6을 제조하였다. 상기 이외의 p형층, i형층 및 n형층을 실시예 9와 동일 방식으로 형성하였다.
기체 유량 및 다른 조건들을 표 11에 나타내었다.
광기전력 소자 SCEx-10 및 SCCp-6 각각에 대해 4개의 샘플을 제조하고, 그들의 특성을 측정하였다. 측정 결과, SCEx-10의 특성을 1이라고 가정할 때 SCCp-6의 특성은 다음과 같았다: 초기 광전 변환 효율: 0.86배 단락 전류: 0.93배 광열화율: 1.12배 내열 열화율: 1.14배 셀 내전압: 0.95배 및 수율: 0.94배.
본 발명의 광기전력 소자는 탁월한 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
실시예 11
실시예 9에서, μc-Si로 이루어지는 제2 핀 접합의 i형층 (110)을 형성하기 위해, SiH4기체 유량 및 H2기체 유량을 대응하는 매스 플로우 컨트롤러 (456 및 458)에 의해 각각 50 sccm 및 1,500 sccm으로 조절하였다. 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조정함으로써, i형층 퇴적실 (418)의 내압을 0.03 Torr로 조절하였다. 이어서, RF 전원 (424)의 전력을 0.15 W/cm3으로 설정하고, 바이어스봉 (428)에 인가하였다. 그 후, 마이크로파 전원 (0.5 GHz) (도시되어 있지 않음)의 전력을 0.1 W/cm3으로 설정하고, 마이크로파 전력을 바이어스봉 (428)을 통해 i형층 퇴적실 (418)내로 공급하여 글로우 방전을 일으켰다. 이와 같이 하여, 제2 핀 접합의 RF n형층상에 제2 핀 접합의 i형층을 형성하기 시작하여 층 두께가 1.0 μm인 i형층을 형성하였으며, 이 때 글로우 방전을 중단하고 바이어스 전원 (424)로부터의 출력을 중단함으로써 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 형성을 완료하였다. 동일 방식으로, μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 층 두께만을 0.1 μm 내지 3.0 μm의 범위로 변화시켜 8개의 샘플을 제조하고, 이들의 초기 광전 변환 효율, 단락 전류, 개방 전압, 곡선 인자, 광열화율 및 수율을 측정하였다.
얻어진 결과를 표 12에 나타내었다. 초기 광전 변환 효율에 있어서, i형층을 층 두께 0.5 μm 내지 2.8 μm로 형성할 때 실제 사용할만한 소자가 얻어졌다. 곡선 인자는 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 층 두께가 증가할 때 감소하는 경향을 나타내고, 광열화율은 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 층 두께가 증가할 때 증가하는 경향을 나타내었다. 단락 전류, 개방 전압 및 수율에 있어서, 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 층 두께가 증가할 때 양호한 결과가 얻어졌다.
μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층 (110)이 층 두께 0.5 μm 내지 2.5 μm로 형성될 때 탁월한 특성을 갖는 광기전력 소자가 얻어졌다.
실시예 12
실시예 9에서, μc-SiGe로 이루어진 제3 핀 접합의 i형층 (105)를 형성하기 위해, SiH4기체 유량, GeH4기체 유량 및 H2기체 유량을 각각 매스 플로우 컨트롤러 (456, 457 및 458)로 40 sccm, 40 sccm 및 1,500 sccm으로 조정하였다. i형층 퇴적실 (418)의 내압을 컨덕턴스 밸브 (도시되어 있지 않음)의 개구를 조절하여 0.03 Torr로 조절하였다. 이어서, RF 전원 (424)의 전력을 0.15 W/cm3로 설정하고, 바이어스봉 (428)에 인가하였다. 그 후, 마이크로파 전원 (0.5 GHz) (도시되어 있지 않음)의 전력을 0.1 W/cm3으로 설정하고, 마이크로파 전력을 바이어스봉 (428)을 통해 i형층 퇴적실 (418)내로 공급하여 글로우 방전시켰다. 이와 같이 하여, 제3 핀 접합의 i형층을 제3 핀 접합의 RF n형층상에 형성하기 시작하여, 층 두께가 1.0 μm인 i형층을 형성하였으며, 이 때 글로우 방전을 중단하고 바이어스 전원 (424)로부터의 출력을 중단함으로써 제3 핀 접합의 i형층 (105)의 형성을 완료하였다. 동일 방식으로, μc-SiGe로 이루어진, 제3 핀 접합의 i형층 (105)의 층 두께만을 0.1 μm 내지 2.5 μm 범위내로 변화시켜 8개의 샘플을 제조하고, 이들의 초기 광전 변환 효율, 단락 전류, 개방 전압, 곡선 인자, 광열화율 및 수율을 측정하였다.
얻어진 결과를 표 13에 나타내었다. 초기 광전 변환 효율에 있어서, i형층을 층 두께 0.2 μm 내지 2.3 μm로 형성할 때 실제 사용할만한 소자가 얻어졌다. 곡선 인자는 제3 핀 접합의 i형층 (105)의 층 두께가 증가할 때 감소하는 경향을 나타내고, 광열화율은 제3 핀 접합의 i형층 (105)의 층 두께가 증가할 때 증가하는 경향을 나타내었다. 단락 전류, 개방 전압 및 수율에 있어서, 제3 핀 접합의 i형층 (105)의 층 두께가 증가할 때 양호한 결과가 얻어졌다.
실시예 13
실시예 9에서, 제2 핀 접합의 n형층 (109)를 동일 방식으로 형성하였다. μc-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 i형층 (110)을 형성하기 위해, SiH4기체 유량 및 H2기체 유량을 각각 대응하는 매스 플로우 컨트롤러 (456 및 458)로 50 sccm 및 1,500 sccm으로 조정하고, B2H6/H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (460)으로 조정하여 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 미결정 실리콘의 붕소 함량을 0 ppm 내지 10.0 ppm으로 조정함으로써, 광기전력 소자를 제조하였다. 다른 p형층, i형층 및 n형층도 실시예 9와 동일 방식으로 형성하였다. 제2 핀 접합의 i형층 (110)의 붕소 함량을 카메카사 (CAMECA Co.)제 IMF-4F (등록 상표)를 사용하여 측정하였다.
제2 핀 접합의 i형층 (110)의 실리콘 중 붕소 함량이 8.0 ppm 이하일 때 열 열화 후 탁월한 초기 광전 변환 효율, 안정된 광전 변환 효율, 광열화율 및 수율을 갖는 양호한 품질의 i형층을 얻었다. 결과를 표 14에 나타내었다.
실시예 14
실시예 9에서, 제3 핀 접합의 n형층 (103)을 동일 방식으로 형성하였다. μc-SiGe로 이루어진 제3 핀 접합의 i형층 (105)를 형성하기 위해, SiH4기체 유량, GeH4기체 유량 및 H2기체 유량을 각각 대응하는 매스 플로우 컨트롤러 (456, 457 및 458)로 40 sccm, 40 sccm 및 1,500 sccm으로 조정하고, B2H6/H2기체 유량을 매스 플로우 컨트롤러 (460)으로 조정하여 제3 핀 접합의 i형층 (105)의 미결정 실리콘의 붕소 함량을 0 ppm 내지 10.0 ppm으로 조정함으로써, 광기전력 소자를 제조하였다. 다른 p형층, i형층 및 n형층도 실시예 9와 동일 방식으로 형성하였다. 제3 핀 접합의 i형층 (105)의 붕소 함량을 카메카사 (CAMECA Co.)제 IMF-4F (등록 상표)를 사용하여 측정하였다.
제3 핀 접합의 i형층 (105)의 실리콘 게르마늄 중 붕소 함량이 8.0 ppm 이하일 때 열 열화 후 탁월한 초기 광전 변환 효율, 안정된 광전 변환 효율, 광열화율 및 수율을 갖는 양호한 품질의 i형층을 얻었다. 결과를 표 15에 나타내었다.
실시예 15
실시예 9에서, 제2 핀 접합의 n형층이 무정질 반도체층과 미결정 반도체층으로 이루어진 적층 구조를 갖도록 변경함으로써, 도 2에 도시된 바와 같은 구조의 광기전력 소자 SCEx-15를 제조하였다. 그러나, 버퍼층 (204)는 설계하지 않았다. 도 2에서, 참고 부호 208은 n형 무정질 반도체 (a-Si)층을 나타내고, 209는 n형 미결정 반도체 (μc-Si)층을 나타낸다.
a-Si로 이루어진 제2 핀 접합의 RF n형층 (208)을 형성하기 위해, 밸브 (443, 433, 444 및 434)를 작동하여 SiH4기체 및 PH3/H2기체를 기체 공급관 (429)를 통해 퇴적실 (417)내로 공급하였다. 이 때, SiH4기체 유량, H2기체 유량 및 PH3/H2기체 유량을 각각 매스 플로우 컨트롤러 (438, 436 및 439)로 2 sccm, 100sccm 및 5 sccm으로 조정하고, 퇴적실 (417)의 내압을 1.0 Torr로 조정하였다.
이어서, RF 전원 (422)의 전력을 0.03 W/cm3으로 설정하고, RF 전력을 플라즈마 형성컵 (420)으로 공급하여 글로우 방전을 일으켰다. 이와 같이 하여, 제2 핀 접합의 RF n형층을 제3 핀 접합의 p형층상에 형성하기 시작하여, 층 두께가 15 nm인 RF n형층을 형성하였으며, 이 때 RF 전원을 차단하여 글로우 방전을 중단함으로써 제2 핀 접합의 RF n형층 (208)의 형성을 완료하였다. SiH4기체, PH3/H2기체 및 H2기체가 퇴적실 (417)내로 유입되는 것을 중단한 후, 퇴적실의 내부와 기체관의 내부를 1 x 10-5Torr의 압력으로 배기시켰다.
다른 퇴적층들도 실시예 9와 동일 방식으로 형성하였다.
비교예 7
제2 핀 접합의 RF n형층이 a-Si를 갖도록 형성하고, 제2 핀 접합의 i형층이 a-Si를 갖도록 형성한 것을 제외하고는, 실시예 15와 동일 조건하에 광기전력 소자 SCCp-7을 제조하였다.
광기전력 소자 SCEx-15 및 SCCp-7 각각에 대해 6개의 샘플을 제조하고, 이들의 특성을 측정하였다. 측정 결과, SCEx-15의 특성을 1이라고 가정할 때 SCCp-7의 특성은 다음과 같았다: 초기 광전 변환 효율: 0.87배 단락 전류: 0.91배 광열화율: 1.12배 내열 열화율: 1.13배 셀 내전압: 0.94배 및 수율: 0.94배.
본 발명의 광기전력 소자는 탁월한 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
실시예 16
제3 핀 접합의 n형층이 무정질 반도체층과 미결정 반도체층으로 이루어진 적층 구조를 갖도록 변경하여 광기전력 소자 SCEx-16을 제조하였다. 구조는 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서, 참고 부호 317은 n형 무정질 반도체 (a-Si)층을 나타내고, 303은 n형 미결정 반도체 (μc-Si)층을 나타낸다. 제3 핀 접합의 i형층 (305)의 버퍼층으로는 층 (306)을 설계하였다.
a-Si로 이루어진 제3 핀 접합의 RF n형층 (317)을 형성하기 위해, 밸브 (443, 433, 444 및 434)를 작동하여 SiH4기체 및 PH3/H2기체를 기체 공급관 (429)를 통해 퇴적실 (417)내로 공급하였다. 이 때, SiH4기체 유량, H2기체 유량 및 PH3/H2기체 유량을 각각 매스 플로우 컨트롤러 (438, 436 및 439)로 2 sccm, 100 sccm 및 5 sccm으로 조정하고, 퇴적실 (417)의 내압을 1.0 Torr로 조정하였다.
이어서, RF 전원 (422)의 전력을 0.03 W/cm3로 설정하고, RF 전력을 플라즈마 형성컵 (420)으로 공급하여 글로우 방전을 일으켰다. 이와 같이 하여, 제3 핀 접합의 RF n형층을 기판상에 형성하기 시작하여, 층 두께가 20 nm인 RF n형층을 형성하였으며, 이 때 RF 전원을 차단하여 글로우 방전을 중단함으로써 제3 핀 접합의 RF n형층 (317)의 형성을 완료하였다. SiH4기체, PH3/H2기체 및 H2기체가 퇴적실 (417)내로 유입되는 것을 중단한 후, 퇴적실의 내부와 기체관의 내부를 1 x 10-5Torr의 압력으로 배기시켰다.
도 3에 도시된 다른 퇴적층들도 실시예 9와 동일 방식으로 형성하였다.
비교예 8
제3 핀 접합의 RF n형층이 a-Si를 갖도록 형성하고, 제2 핀 접합의 i형층이 a-SiGe를 갖도록 형성한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일 조건하에 광기전력 소자 SCCp-8을 제조하였다.
광기전력 소자 SCEx-16 및 SCCp-8 각각에 대해 6개의 샘플을 제조하고, 이들의 특성을 측정하였다. 측정 결과, SCEx-16의 특성을 1이라고 가정할 때 SCCp-8의 특성은 다음과 같았다: 초기 광전 변환 효율: 0.88배 단락 전류: 0.89배 광열화율: 1.13배 내열 열화율: 1.12배 셀 내전압: 0.95배 및 수율: 0.95배.
본 발명의 광기전력 소자는 탁월한 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
실시예 17
실시예 9에서, 제3 핀 접합의 MW i형층 (105)를 형성하기 위해, SiH4기체 유량 및 H2기체 유량을 각각 대응하는 매스 플로우 컨트롤러 (456 및 458)로 50 sccm 및 1,500 sccm으로 조정하고, GeH4기체 유량을 20 원자% 내지 60 원자%의 범위로 변경하였다. 이와 같이 하여, 광기전력 소자를 제조하였다. 제3 핀 접합의 MW i형층 (105)의 게르마늄 함량을 카메카사 (CAMECA Co.)제 IMF-4F (등록 상표)를 사용하여 측정하였다. 얻어진 결과가 표 16 및 17에 나타나있다.
i형 반도체층의 미결정 실리콘 게르마늄의 게르마늄 함량이 40 원자% 이상일 때, GeH4기체 유량이 일정하든지 또는 경사지든지 간에, 본 발명의 광기전력 소자에 있어서 제3 핀 접합의 i형층은 장파장 광을 흡수하기에 적합한 밴드 갭을 가지고, 제3 핀 접합에서 충분한 전류가 얻어지며, 따라서 전체적으로 효율 개선이 나타났다.
실시예 18
제3 핀 접합의 MW i형층 (105), 미결정 실리콘 게르마늄층을 형성하기 위해, 막 형성 기체, SiH4기체, GeH4기체 및 H2기체의 유량을 변경시켜 상이한 흡광 계수를 갖는 광기전력 소자를 제조하였다. 층 두께는 0.3 μm로 균일하게 측정하였다. 흡광 계수는 분광광도계를 이용하여 측정하였다.
흡광 계수가 10,000 cm-1이상인 것에 대해서는, 광열화율이 낮고 탁월한 곡선 인자 및 안정한 변환 효율을 갖는 광기전력 소자를 얻었다. 흡광 계수가 높은 i형 반도체층에 있어서, 박막화함으로써 보다 광열화율이 낮고 개방 전압이 낮은 막이 제조될 수 있었다.
실시예 19
도 5에 도시한 롤-투-롤 시스템을 이용한 퇴적 장치를 사용하여 도 1에 도시된 3중형 광기전력 소자를 제조하였다. 그러나, 제3 핀 접합의 i형층 (105)는 미결정 실리콘 게르마늄으로 형성되었으며, 버퍼층 (104)는 설계하지 않았다.
기판으로는, 길이가 300 m이고, 폭이 30 cm이며, 두께가 0.2 mm인, 광반사층 (금속층 및 투명 전도층)을 갖는 시트상 기판을 사용하였다. 이어서, 다른 퇴적층에 대한 표 8에 나타낸 조건하에, 3중형 광기전력 소자를 다음 방식으로 제조하였다.
광반사층을 갖는 시트상 기판을 기판 공급용의 로드실 (5010)에 설정하였다. 이 시트상 기판을 모든 퇴적실 및 모든 기체 게이트를 통해 언로드실 (5150)의 시트 권취 치구에 연결하였다. 각각의 퇴적실을 배기계 (도시되어 있지 않음)에 의해 10-3Torr 이하로 배기시켰다. 퇴적막 형성 혼합 장치 (5026, 5036, 5046, 5056, 5066, 5076, 5096, 5116, 5126, 5136 및 5146)으로부터 각각의 퇴적실로 목적하는 기체 재료를 공급하였다. 각각의 게이트 기체 공급 장치로부터 기체 게이트 (5201, 5202, 5203, 5204, 5205, 5206, 5207, 5210, 5211, 5212, 5213 및 5214)로 기체를 공급하였다.
각 퇴적 장치의 기판 가열기로 기판을 가열하고, 진공도를 각각의 배기 장치의 배기 밸브의 개구를 조정함으로써 조정하였다. 기판 온도 및 진공도가 안정하게 된 후, 기판을 운송하기 시작하고, 플라즈마 발생용의 RF 전력 또는 MW (주파수: 0.5 GHz, 2.45 GHz) 전력을 각각의 퇴적실에 공급하였다. 이와 같은 방식으로, 도 1에 도시된 바와 같이 3개의 핀 접합이 적층된 3중 광기전력 소자를 시트상 기판상에 길이 100 m에 걸쳐서 형성하였다. 제2 핀 접합의 i형 반도체층의 형성시에 마이크로파 전력 (0.5 GHz)를 인가하였다.
이어서, RF p형층 (114)상에 진공 증착법으로 투명 전극 (115)로서 ITO를 층 두께 70 nm로 증착시켰다.
이어서, 투명 전극 (115)상에 빗형 개구를 갖는 마스크를 배치하고, Cr (40 nm)/Ag (1,000 nm)/Cr (40 nm)로 이루어진 빗형 집전 전극 (116)을 진공 증착법에 의해 증착시켰다.
이와 같이 하여, 광기전력 소자의 제조를 완료하였다. 이 광기전력 소자를 SCEx-19라 칭한다.
비교예 9
제3 핀 접합의 RF n형층이 μc-Si를 갖도록 형성하고, 제2 핀 접합의 i형층이 μc-SiGe를 갖도록 형성한 것을 제외하고는, 실시예 19와 동일 조건하에 광기전력 소자 SCCp-9를 제조하였다.
광기전력 소자 SCEx-19 및 SCCp-9 각각에 대해 8개의 샘플을 제조하고, 그들의 특성을 측정하였다. 측정 결과, SCEx-19의 특성을 1이라고 가정할 때 SCCp-9의 특성은 다음과 같았다: 초기 광전 변환 효율: 0.88배 단락 전류: 0.93배 광열화율: 1.07배 내열 열화율: 1.08배 셀 내전압: 0.94배 및 수율: 0.95배.
본 발명의 광기전력 소자는 탁월한 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
실시예 20
실시예 9에서, 마이크로파 전력 (0.5 GHz) 대신에 마이크로파 전력 (2.45 GHz)를 사용하여 제3 핀 접합의 i형 반도체층을 형성하고, 도 5에 도시된 롤-투-롤 시스템을 이용한 퇴적 장치를 사용하여 실시예 9와 동일한 3중형 광기전력 소자를 제조하였다. 이 광기전력 소자를 SCEx-20이라 칭한다.
측정 결과, SCEx-20의 특성을 1이라고 가정할 때 SCCp-9의 특성은 다음과 같았다: 초기 광전 변환 효율: 0.89배 단락 전류: 0.91배 광열화율: 1.08배 내열 열화율: 1.10배 셀 내전압: 0.94배 및 수율: 0.96배.
본 발명의 광기전력 소자는 탁월한 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
제2 핀의 i형층의 층 두께(μm) 0.1 0.2 0.3 1.0 1.5 2.2 2.4 3.0
초기 광전 변환 효율 C B B A A A B C
단락 전류 C C B A A A B C
개방 전압 B B A A A A A B
곡선 인자 A A A A A B B B
광열화율 A A A A A A A B
수율 C B A A A A A A
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
미결정 Si 중의 붕소(B) 함량(ppm) 0 1 3 8 10
초기 광전 변환 효율 A A A B C
안정화된 광전 변환 효율 A A A A B
광열화율 A A A A B
열 열화 후의 수율 A A A B C
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
무정형 SiGe 중의 게르마늄(Ge) 함량(원자%) 20 30 45 50 55 60 75
초기 광전 변환 효율 C B A A A A A
안정화된 광전 변환 효율 C C A A A A A
개방 전압 A A A A A A A
단락 전류 C B A A A A A
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
무정형 SiGe 중의 평균 게르마늄(Ge) 함량(원자%) 30 (20-40) 50 (40-60) 70 (60-80)
초기 광전 변환 효율 C A A
안정화된 광전 변환 효율 C A A
개방 전압 A A A
단락 전류 C A A
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
비교예 1
SiH4유량 Si2H6유량 CH4유량 GeH4유량 H2유량 PH3/H2유량 B2H6/H2유량 SiH4/H2유량 압력 MW 전력 RF 전력 기판 온도 층 두께
sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm Torr W/cm3 W/cm3 ℃ nm
RF n형층(103) 2.2 - - - 80 10 - - 1.3 - 0.05 380 10
RF i형층(104) - 3.5 - - 100 - - - 0.65 - 0.008 300 10
MW i형층(105) 48 - - 51 170 - - - 0.01 0.1 0.32 380 170
RF i형층(106) - 3.5 - - 100 - - - 0.65 - 0.008 300 23
RF p형층(107) - - 0.1 - 80 - 9 3 1.8 - 0.07 300 10
RF n형층(109) 2.0 - - - 70 8 - - 1.2 - 0.07 320 10
MW i형층(110) 50 - - - 250 - - - 0.02 0.1 0.205 320 150
RF p형층(111) - - 0.2 - 80 - 9 3 1.7 - 0.07 260 10
RF n형층(112) 1.1 - - - 50 10 - - 1.05 - 0.04 230 10
RF i형층(113) - 2.0 - - 200 - - - 0.8 - 0.007 190 90
RF p형층(114) - - 0.4 - 90 - 8 3 1.6 - 0.07 170 10
실시예 2
SiH4유량 Si2H6유량 CH4유량 GeH4유량 H2유량 PH3/H2유량 B2H6/H2유량 SiH4/H2유량 압력 MW 전력 RF 전력 기판 온도 층 두께
sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm Torr W/cm3 W/cm3 ℃ nm
RF n형층(103) 2.2 - - - 75 10 - - 1.3 - 0.05 380 10
RF i형층(104) - 4.0 - - 100 - - - 0.65 - 0.008 290 10
MW i형층(105) 48 - - 51 170 - - - 0.01 0.10 0.32 380 170
RF i형층(106) - 4.0 - - 100 - - - 0.65 - 0.008 290 23
RF p형층(107) - - 0.1 - 80 - 9 4 1.8 - 0.08 300 10
RF n형층(109) 1.0 - - - 150 8 - - 1.2 - 0.08 320 100
MW i형층(110) 45 - - - 800 - - - 0.02 0.15 0.12 370 1,500
RF p형층(111) - - 0.2 - 80 - 9 4 1.7 - 0.08 260 10
RF n형층(112) 1.1 - - - 50 10 - - 1.05 - 0.04 220 10
RF i형층(113) - 2.0 - - 200 - - - 0.8 - 0.007 190 90
RF p형층(114) - - 0.4 - 90 - 8 4 1.6 - 0.08 160 10
비교예 2
SiH4유량 Si2H6유량 CH4유량 GeH4유량 H2유량 PH3/H2유량 B2H6/H2유량 SiH4/H2유량 압력 MW 전력 RF 전력 기판 온도 층 두께
sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm Torr W/cm3 W/cm3 ℃ nm
RF n형층(103) 2.2 - - - 80 10 - - 1.3 - 0.05 370 10
RF i형층(104) - 3.5 - - 90 - - - 0.65 - 0.008 300 10
MW i형층(105) 48 - - 53 170 - - - 0.02 0.1 0.32 370 170
RF i형층(106) - 3.5 - - 90 - - - 0.67 - 0.008 300 20
RF p형층(107) - - 0.1 - 80 - 8 3 1.8 - 0.07 300 10
RF n형층(109) 2.0 - - - 70 8 - - 1.2 - 0.07 320 10
MW i형층(110) 50 - - - 250 - - - 0.02 0.1 0.205 320 150
RF p형층(111) - - 0.2 - 80 - 8 3 1.8 - 0.07 250 10
RF n형층(112) 1.3 - - - 50 10 - - 1.05 - 0.04 230 10
RF i형층(113) - 2.0 - - 100 - - - 0.8 - 0.007 180 90
RF p형층(114) - - 0.4 - 90 - 8 3 1.6 - 0.07 170 10
실시예 7
SiH4유량 Si2H6유량 CH4유량 GeH4유량 H2유량 PH3/H2유량 B2H6/H2유량 SiH4/H2유량 압력 MW 전력 RF 전력 기판 온도 층 두께
sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm Torr W/cm3 W/cm3 ℃ nm
RF n형층(103) 2.2 - - - 80 10 - - 1.3 - 0.05 380 10
RF i형층(104) - 3.5 - - 100 - - - 0.65 - 0.008 300 10
MW i형층(105) 48 - - 51 170 - - - 0.010 0.10 0.32 380 170
RF i형층(106) - 3.5 - - 100 - - - 0.65 - 0.008 300 23
RF p형층(107) - - 0.1 - 80 - 9 3 1.8 - 0.07 300 10
RF n형층(109) 1.0 - - - 150 8 - - 1.2 - 0.07 320 100
MW i형층(110) 50 - - - 1,500 - - - 0.03 0.1 0.15 380 1,500
RF p형층(111) - - 0.2 - 80 - 9 3 1.7 - 0.07 260 10
RF n형층(112) 1.1 - - - 50 10 - - 1.05 - 0.04 230 10
RF i형층(113) - 2.0 - - 200 - - - 0.8 - 0.007 190 90
RF p형층(114) - - 0.4 - 90 - 8 3 1.6 - 0.07 170 10
비교예 5-1
SiH4유량 Si2H6유량 CH4유량 GeH4유량 H2유량 PH3/H2유량 B2H6/H2유량 SiH4/H2유량 압력 MW 전력 RF 전력 기판 온도 층 두께
sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm Torr W/cm3 W/cm3 ℃ nm
RF n형층(103) 1.2 - - - 50 5 - - 1.2 - 0.06 370 10
RF i형층(105) 5 - - 5 140 - - - 1.5 - 0.08 370 120
RF i형층(106) - 3.5 - - 100 - - - 0.65 - 0.008 310 23
RF p형층(107) - - 0.2 - 80 - 8 4 1.8 - 0.06 310 10
RF n형층(109) 1.0 - - - 130 8 - - 1.2 - 0.06 320 100
RF i형층(110) 5 - - - 120 - - - 1.3 - 0.08 380 150
RF p형층(111) - - 0.3 - 70 - 8 4 1.7 - 0.06 260 10
RF n형층(112) 1 - - - 55 6 - - 1.3 - 0.06 230 10
RF i형층(113) - 2.0 - - 220 - - - 0.8 - 0.006 190 100
RF p형층(114) - - 0.3 - 150 - 8 4 1.5 - 0.06 160 10
실시예 10
SiH4유량 Si2H6유량 CH4유량 GeH4유량 H2유량 PH3/H2유량 B2H6/H2유량 SiH4/H2유량 압력 MW 전력 RF 전력 기판 온도 층 두께
sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm Torr W/cm3 W/cm3 ℃ nm
RF n형층(103) 1.2 - - - 150 8 - - 1.3 - 0.07 380 100
MW i형층(105) 30 - - 30 800 - - - 0.03 0.1 0.15 420 1,500
RF i형층(106) - 3.5 - - 100 - - - 0.65 - 0.008 300 23
RF p형층(107) - - 0.1 - 80 - 9 3 1.8 - 0.07 300 10
RF n형층(109) 1.0 - - - 150 8 - - 1.2 - 0.07 320 100
MW i형층(110) 25 - - - 500 - - - 0.02 0.1 0.15 380 1,200
RF p형층(111) - - 0.2 - 80 - 9 3 1.7 - 0.07 260 10
RF n형층(112) 1.1 - - - 50 10 - - 1.05 - 0.04 230 10
RF i형층(113) - 2.0 - - 200 - - - 0.8 - 0.007 190 100
RF p형층(114) - - 0.4 - 90 - 8 3 1.6 - 0.07 170 10
비교예 6
SiH4유량 Si2H6유량 CH4유량 GeH4유량 H2유량 PH3/H2유량 B2H6/H2유량 SiH4/H2유량 압력 MW 전력 RF 전력 기판 온도 층 두께
sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm sccm Torr W/cm3 W/cm3 ℃ nm
RF n형층(103) 1.2 - - - 45 5 - - 1.2 - 0.07 380 10
RF i형층(105) 4 - - 4 150 - - - 1.5 - 0.08 380 120
RF i형층(106) - 3.5 - - 100 - - - 0.65 - 0.01 300 23
RF p형층(107) - - 0.1 - 80 - 9 3 1.8 - 0.07 300 10
RF n형층(109) 1.0 - - - 150 8 - - 1.2 - 0.07 320 100
RF i형층(110) 5 - - - 120 - - - 1.3 - 0.08 380 150
RF p형층(111) - - 0.2 - 90 - 9 3 1.5 - 0.07 260 10
RF n형층(112) 1 - - - 50 6 - - 1.3 - 0.06 230 10
RF i형층(113) - 2.0 - - 180 - - - 0.8 - 0.01 190 100
RF p형층(114) - - 0.2 - 100 - 8 3 1.5 - 0.07 160 10
제2 핀의 i형층의 층 두께(μm) 0.1 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2.8 3.0
초기 광전 변환 효율 C B A A A A B C
단락 전류 C B A A A B B C
개방 전압 B A A A A A A B
곡선 인자 A A A A A B B B
광열화율 A A A A A A B B
수율 B A A A A A A A
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
제3 핀의 i형층의 층 두께(μm) 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0 2.3 2.5
초기 광전 변환 효율 C B A A A A B C
단락 전류 C B A A A A B C
개방 전압 B A A A A A B B
곡선 인자 A A A A A B B B
광열화율 A A A A A A B B
수율 B A A A A A A A
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
미결정 Si 중의 붕소(B) 함량(ppm) 0 1 3 8 10
초기 광전 변환 효율 A A A B C
안정화된 광전 변환 효율 A A A A B
광열화율 A A A B C
열 열화 후의 수율 A A A B C
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
미결정 SiGe 중의 붕소(B) 함량(ppm) 0 1 3 8 10
초기 광전 변환 효율 A A A B C
안정화된 광전 변환 효율 A A A A B
광열화율 A A A A B
열 열화 후의 수율 A A A B C
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
미결정 SiGe 중의 게르마늄(Ge) 함량(원자%) 20 30 40 50 60 75
초기 광전 변환 효율 C B A A A A
안정화된 광전 변환 효율 C C A A A A
개방 전압 A A A A A A
단락 전류 C B A A A A
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
미결정 SiGe 중의 평균 게르마늄(Ge) 함량(원자%) 25 (20-30) 45 (40-50) 65 (60-70)
초기 광전 변환 효율 C A A
안정화된 광전 변환 효율 C A A
개방 전압 A A A
단락 전류 C A A
A: 실용상 최적, B: 실용상 충분, C: 실용상 불충분
본 발명에 따르면, 광전 변환 효율이 탁월하고, 광열화가 개선된 광기전력 소자를 제조할 수 있다.

Claims (21)

  1. 복수개의 핀 접합을 갖는 광기전력 소자에 있어서,
    핀 접합은 광입사측으로부터 무정질 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제1 핀 접합, 미결정 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제2 핀 접합 및 무정질 실리콘 게르마늄을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제3 핀 접합을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
  2. 제1항에 있어서, 제2 핀 접합의 i형 반도체층의 층 두께가 300 nm 내지 2,200 nm인 광기전력 소자.
  3. 제1항에 있어서, 제2 핀 접합의 i형 반도체층이 8 ppm 이하의 붕소를 함유하는 것인 광기전력 소자.
  4. 제1항에 있어서, 제2 핀 접합의 n형 반도체층이 미결정 실리콘을 포함하는 것인 광기전력 소자.
  5. 제1항에 있어서, 제2 핀 접합의 n형 반도체층이 미결정 실리콘을 포함하는 층 및 무정질 실리콘을 포함하는 층을 포함하는 적층 구조를 가지는 것인 광기전력 소자.
  6. 제1항에 있어서, 제3 핀 접합의 i형 반도체층의 무정질 실리콘 게르마늄의 평균 게르마늄 함량이 45 원자% 이상인 광기전력 소자.
  7. 제1항에 있어서, 제3 핀 접합의 i형 반도체층의 층 두께가 60 nm 내지 250 nm인 광기전력 소자.
  8. 제1항에 있어서, 제3 핀 접합의 i형 반도체층의 무정질 실리콘 게르마늄이 마이크로파 플라즈마 화학 증착법에 의해 형성되는 것인 광기전력 소자.
  9. 제1항에 있어서, 제3 핀 접합의 i형 반도체층이 그의 적어도 하나의 계면상에 게르마늄을 함유하지 않는 버퍼층을 가지는 것인 광기전력 소자.
  10. 제1항에 있어서, 제1 핀 접합의 i형 반도체층의 층 두께가 50 nm 내지 250 nm인 광기전력 소자.
  11. 복수개의 핀 접합을 갖는 광기전력 소자에 있어서,
    핀 접합은 광입사측으로부터 무정질 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제1 핀 접합, 미결정 실리콘을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제2 핀 접합 및 미결정 실리콘 게르마늄을 포함하는 i형 반도체층을 갖는 제3 핀 접합을 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
  12. 제11항에 있어서, 제2 핀 접합의 i형 반도체층의 층 두께가 500 nm 내지 2,500 nm인 광기전력 소자.
  13. 제11항에 있어서, 제2 핀 접합의 i형 반도체층이 8 ppm 이하의 붕소를 함유하는 것인 광기전력 소자.
  14. 제11항에 있어서, 제2 핀 접합의 n형 반도체층이 미결정 실리콘을 포함하는 것인 광기전력 소자.
  15. 제11항에 있어서, 제2 핀 접합의 n형 반도체층이 미결정 실리콘을 포함하는 층 및 무정질 실리콘을 포함하는 층을 포함하는 적층 구조를 가지는 것인 광기전력 소자.
  16. 제11항에 있어서, 제3 핀 접합의 i형 반도체층의 미결정 실리콘 게르마늄의 평균 게르마늄 함량이 40 원자% 이상인 광기전력 소자.
  17. 제11항에 있어서, 제3 핀 접합의 i형 반도체층의 층 두께가 200 nm 내지 2,000 nm인 광기전력 소자.
  18. 제11항에 있어서, 제3 핀 접합의 i형 반도체층의 미결정 실리콘 게르마늄이 마이크로파 플라즈마 화학 증착법에 의해 형성되는 것인 광기전력 소자.
  19. 제11항에 있어서, 제3 핀 접합의 i형 반도체층이 그의 적어도 하나의 계면상에 게르마늄을 함유하지 않는 버퍼층을 가지는 것인 광기전력 소자.
  20. 제11항에 있어서, 제1 핀 접합의 i형 반도체층의 층 두께가 50 nm 내지 250 nm인 광기전력 소자.
  21. 제11항에 있어서, 제3 핀 접합의 i형 반도체층의 미결정 실리콘 게르마늄의 흡광 계수가 10,000 cm-1이상인 광기전력 소자.
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