KR20010014686A - 박막 반도체 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

단결정 실리콘 박막 솔라 배터리의 광학적 흡수율 등을 향상시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 박막 반도체 장치가 제공된다. 투명 박막 플라스틱 기판은 각각의 솔라 배터리 소자의 표면상에, 플라스틱막 기판에 대향하여 배치된다. 회절 격자는 플라스틱막 기판과 솔라 배터리 소자들 사이에 배치된다. 회절 격자는 알루미늄(Al)과 같은 도전성 물질로 만들어진 반사형 광택의 격자 구조를 갖는다. 입사광은 회절 격자에 의해 회절되어 솔라 배터리 소자에 되돌아온다. 회절 각도가 선정된 값 이상인 경우, 회절광과 솔라 배터리의 법선 간의 각도가 증가한다. 이에 따라, 광은 실리콘 박막층 (솔라 배터리 소자)의 최상부 표면이나 투명 플라스틱막 기판의 표면에 의해 전반사되고 솔라 배터리 소자에 되돌아온다. 광이 솔라 배터리 소자에 되돌아오는 과정이 반복됨으로써, 광이 솔라 배터리 소자 내에 갇히게 된다.

Description

박막 반도체 장치 및 그 제조 방법{THIN FILM SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 실리콘 박막, CIS와 같은 반도체, 도전성 폴리머와 같은 유기 물질로 만들어진 박막 솔라 배터리와 같은 박막 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에, 솔라 배터리들은 몇몇 분야에서 실용화되고 있다. 솔라 배터리가 더 널리 그리고 보편적으로 사용되기 위해서는 자원 절약과 비용 절감이 중요하다. 또한, 박막 솔라 배터리는 에너지 변환 (광전 변환) 효율, 에너지 리커버리에 필요한 연수의 단축 등을 위해서 후막 솔라 배터리보다 더 바람직하다. 또한, 박막 솔라 배터리는 광범위한 응용 분야들을 갖는 이점이 있다. 즉, 박막 솔라 배터리는 어느 정도까지 굽혀질 수 있기 때문에, 이에 따라 예를 들면 자동차 본체의 곡면상에, 또는 휴대용 전기 장치의 외부 곡면상에 탑재되어 전력을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 출원인은 박막 솔라 배터리를 제조하기 위한 바람직한 방법으로서 하기의 방법을 이미 제안하였다 (일본 공개 특허 번호 Hei8-213645, Hei 10-135500). 이 방법은, 단결정 실리콘 기판상에 분리층으로서 다공성 층을 형성하는 단계; 상기 다공성 층상에 솔라 배터리로서 기능하는 박막 단결정 실리콘으로 만들어진 반도체층을 서장시키는 단계; 얇은 플라스틱 플레이트를 접착제로 상기 반도체층상에 접합하는 단계; 및 상기 단결정 실리콘 기판으로부터 상기 반도체층을 상기 플라스틱 플레이트와 함께 박리하는 단계를 포함한다.
한편, 이러한 박막 솔라 배터리의 변환 효율을 향상시키기 위한 한가지 기술에 따르면, 미세한 돌기부들을 갖는 텍스쳐 구조가 실리콘 기판상에 만들어지고, 솔라 셀은 상기 텍스쳐 구조상에 만들어지고, 이에 따라 광이 솔라 배터리 내에 국한된다. 그러나, 미세한 돌기부들이 기판의 표면상에 형성되고, 솔라 배터리가 미세 돌기부들상에 형성되는 경우, 기판의 표면상의 반사도가 크게 감소하더라도 단락 회로 전류값은 크게 증가하지 않는다는 문제가 발생한다. 그러므로 더 개선될 필요가 있다.
또한, 솔라 배터리의 효율을 향상시키기 위한 한가지 방법이 있다. 이 방법에서는, 태양광이 박막 솔라 배터리의 배면상에 만들어진 텍스쳐 구조에 의해 산란되어, 상기 광의 일부가 솔라 배터리로부터 재방출되고, 상기 광의 다른 일부는 솔라 배터리의 표면에 의해 전반사되고 이 반사된 광이 기저면상의 텍스쳐 구조에 의해 재산란된다. 이에 따라, 솔라 배터리를 통한 상기 광의 투과 거리가 증가되고, 그 결과 솔라 배터리의 효율이 증가된다. 그러나, 이 방법은 광의 산란 방향이 랜덤 텍스쳐 구조로 인해 불규칙하고 이에 따라 솔라 배터리로부터의 광 방출을 실질적으로 제거하는 것이 불가능하다는 또 다른 문제가 있다.
다른 구조를 갖는 솔라 배터리도 제조될 수 있다. 이 구조는 솔라 배터리의 기저 표면을 알루미늄(Al)과 같은 반사 물질로 코팅함에 의해 만들어진 반사 미러를 갖는다. 그러나, 이 구조 역시 도 다른 문제점을 갖는다. 즉, 반사되어 솔라 배터리로 다시 돌아오는 광의 대부분은, 솔라 배터리에 의해 반사된 광을 제외하고는, 솔라 배터리로부터 공기중으로 다시 방사하고, 이에 따라 변환 효율이 충분히 증가될 수 없다.
한편, 실리콘 기판을 사용하지 않는 단결정 실리콘 박막 솔라 배터리는 실리콘 물질을 절약하고, 이에 따라 이 솔라 배터리는 비용 및 자원 절감을 위한 제조라는 관점에서 중요하다. 그러나, 실리콘 박막이기 때문에, 입사광의 상당량이 실리콘 박막에 의해 흡수되지 않고, 실리콘 막을 투과한다. 이에 따라, 단결정 실리콘 박막 솔라 배터리는 높은 효율의 전력 생성을 달성할 수 없는 또 다른 문제점을 갖는다. 예를 들어, 광의 파장이 800㎚이고, 실리콘 박막의 두께가 10㎛인 경우, 실리콘은 광학적 흡수율이 67%로 된다. 실리콘의 광학적 흡수는 파장이 200㎚에서 최대가 되며, 파장이 증가함에 따라 광학적 흡수율은 단조 감소한다. 이에 따라, 파장이 800㎚ 이상인 광은 실질적으로 실리콘 박막을 투과하고, 따라서 광전 변환 효율이 감소한다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은 단결정 실리콘 박막의 광학적 흡수율 등을 향상시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 박막 실리콘 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 박막 반도체 장치는 입사광을 전기 신호로 변환하기 위한 광전 변환층; 및 광이 입사되는 측에 대향하는 광전 변환층의 한 측면상에 배치되어, 광전 변환층을 투과하는 광을 광전 변환층을 향해 반사시키기 위한 회절 기능층을 포함한다.
본 발명의 박막 반도체 제조 방법은 투명한 열가소성 수지층이나 투명한 열경화성 수지층상에 회절 기능층의 주형을 프레싱하여 수지층에 격자 모양을 전사하고, 그 다음 광 반사 물질로 수지층의 전사 표면을 채워 반사형 회절 기능층을 형성하고, 회절 기능층을 광이 입사되는 표면에 대향하는 광전 변환층의 한 표면에 접합시키는 단계들을 포함한다.
본 발명의 박막 반도체 장치에서는, 광전 변환층을 투과하는 광이 회절 기능층에 의해 광전 변환층을 향해 반사되고, 이 반사광은 광전 변환층으로 다시 입사한다. 반사광이 광전 변환층을 향해 전반사되는 조건이 세팅되어, 광은 광전 변환층 내에 갇히게 되고 이에 따라 광전 변한 효율이 향상된다.
본 발명의 박막 반도체 장치의 제조 방법에서는, 회절 기능층의 주형이 투명한 열가소성 수지 또는 투명한 열경화성 수지상에 프레스된다. 격자 모양은 수지층으로 전사된다. 그런 다음, 알루미늄(Al)과 같은 반사 물질이 수지층의 전사 표면에 충전되어, 반사형 회절 기능층이 형성된다. 반사형 회절 기능층은 광이 입사되는 표면에 대향하는 광전 변환층의 한 표면상에 위치된다.
본 발명의 또 다른 목적들, 특징들, 및 이점들은 다음의 설명들로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 집적화된 솔라 배터리의 전체 구성을 나타낸 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 솔라 배터리의 주요 구조를 나타낸 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 솔라 배터리의 회절 격자의 일부분의 확대된 단면도.
도 4는 실리콘에서의 광학적 흡수 특성을 나타낸 그래프.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 집적화된 솔라 배터리의 제조 공정들을 나타낸 단면도들.
도 6a, 6b는 도 5d의 공정에 이어지는 공정들의 단면도들.
도 7a, 7b는 도 6b의 공정에 이어지는 공정들의 단면도들.
도 8은 도 7b의 공정에 이어지는 공정의 단면도.
도 9a, 9b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 회절 격자를 제조하는 공정들을 나타낸 단면도들.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 집적화된 솔라 배터리의 구성을 나타낸 단면도.
도 11은 도 10에 도시된 홀로그램의 제조 방법을 나타낸 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 솔라 배터리
10: 솔라 셀
11: 소자 분리층
12: 박막 플라스틱 기판
14: 플라스틱막 기판
15: 회절 격자
15a: 홈
16: 중간층
17: 투명 접착제
이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.
<제1 실시예>
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 솔라 배터리(1)의 구성을 나타낸다. 도 2는 도 1에 도시된 집적화된 솔라 배터리(1)의 A-A 라인에 따른 단면 구조를 확대시키고 부분적으로는 개략적으로 나타낸 단면 구조이다.
집적화된 솔라 배터리(1)는 전기적으로 서로 접속된 복수개의 솔라 셀(10)의 단방향(도 1에서 수평 방향) 어레이를 포함한다. 솔라 셀(10) 각각은 예를 들면 두께가 약 1㎛ 내지 10㎛인 단결정 실리콘층과, 단결정 실리콘층상에 형성된 n 타입층 및 p 타입층을 포함한다. 솔라 셀(10) 각각의 한 표면, 즉, 광이 입사되는 표면 (이하 정면으로 일컬어짐)은, 예를 들면, 투명하고 가요성의 박막 플라스틱 기판(12)에 접합된다. 플라스틱막 기판(12)은 솔라 셀(10)에 손상이 가해지는 것을 방지하기 위한 보호층으로서 기능한다. 플라스틱막 기판(12)은, 예를 들면, 에틸렌 비닐아세테이트(EVA)로 형성되고, 예를 들어 굴절율은 1.5이다.
인접한 솔라 셀(10)은 소자들의 어레이 방향에 수직한 방향을 따라 형성된 소자 분리층(11)에 의해 서로에 대해 전기적으로 분리된다. 소자 분리층(11)은 가요성의 절연 물질, 예를 들어 에틸렌 비닐아세테이트로 만들어진다. 인접한 솔라 셀들(10)은 플라스틱막 기판(12)의 표면에 제공된 콘택트 전극(13)을 통해 전기적으로 접속된다.
투명한 박막 플라스틱 기판(14)은 솔라 셀(10) 각각의 반대쪽 표면, 즉 플라스틱 박막 기판(12)에 대향하는 표면 (이하 배면으로 일컬어짐) 상에 배치된다. 플라스틱막 기판(14)은 예를 들면 플루오로 카본 수지, 폴리카보네이트, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 만들어진다. 회절 격자(15)는 플라스틱막 기판(14)과 솔라 셀(10) 사이에 배치된다.
회절 격자(15)는 알루미늄(Al), 은(Ag) 등과 같은 도전성 물질로 만들어진 반사형의 광택나는 격자(격자 구조)를 갖는다. 회절 격자(15)의 홈(15a)은 실시적으로 도 3에 도시된 바와 같은 톱니 모양이다. 홈(15a)은 예를 들면 피치 d가 2.6㎛이고, 깊이가 0.8㎛이다.
회절 격자(15)는 다음과 같은 방식으로 형성된다. 회절 격자(15)의 주형 모양은 예를 들어 반사율이 1.5인 열경화성 수지 또는 열가소성 수지로 만들어진 중간층(16)으로 전사된다. 그런 다음, 전사된 격자 홈들에는, 예를 들어 알루미늄이나 은이 피착, 스크린 인쇄 등을 사용하여 채워진다. 회절 격자(15)는 솔라 셀(10)의 배면에 접합되어 투명 접착제(17)와 함께 중간층(16)을 샌드위치한다. 접착제(17)는 중간층(16)과 유사하게, 예를 들면 열경화성 수지 또는 열가소성 수지로 만들어진다. 플라스틱막 기판(14)은 회절 격자(15)의 배면에 접합된다. 예를 들면 티타늄 산화물(TiO2) 초미세 입자들이, 회절 격자(15)와 솔라 셀(10) 사이에 배치된 중간층(16)과 접착제(17)에 첨가되어 중간층(16)과 접착제(17)의 각 굴절율을 증가시킨다. 그 결과, 중간층(16)과 접착제(17)는 예를 들어 굴절율이 2.2로 향상된다.
그 다음, 본 발명의 실시예에 따른 솔라 셀 배터리의 제조 방법이 도 5a 내지 도 8과, 도 9a, 9b를 참조하여 구체적으로 설명된다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 복수개의 솔라 셀(10)을 형성하기 위한 실리콘 기판(21)이 준비된다. 보론과 같은 p 타입 불순물로 도핑되고 저항율이 0.01Ω㎝ 내지 0.02Ω㎝인 단결정 실리콘이 실리콘 기판(21)용으로 사용된다. 그런 다음, 도 5b에 도시된 바와 같이, 다공성 실리콘층(22)이 예를 들어 양극 화성법에 의해 실리콘 기판(21)의 표면상에 형성된다.
양극 화성법은 실리콘 기판(21)을 애노드로서 대신 사용하여 플루오르화수소산 용액을 통해 전류를 흐르게 하는 방법을 일컫는다. 양극 화성법은 예를 들면 Surface Finishing Vol. 46, No. 5, pp. 8-13, 1995에 개시된 Itoh et al.의 "Anodization of Porous Silicon"에 설명된 이중 셀 방법으로 수행될 수 있다. 본 명세서에서는, HF(hydrogen fluoride)와 C2H5OH(에탄올)을 일 대 일로 함유한 전해질 용액이 전해질 용액(양극 화성 용액)으로서 사용된다. 제1 단계 양극 화성은 예를 들면 전류 밀도 약 0.5㎃/㎠ 내지 3㎃/㎠에서 8분 동안 수행되어, 낮은 다공률을 갖는 제1 다공성층이 형성된다. 이어서, 제2 단계 양극 화성은 전류 밀도 약 3㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠에서 8분 동안 수행되어, 중간 다공률을 갖는 제2 다공성층이 형성된다. 또한, 제3 양극 화성은 전류 밀도 약 40㎃/㎠ 내지 300㎃/㎠에서 약 수초 동안 수행되어, 높은 다공률을 갖는 제3 다공성층이 형성된다. 참고로, 제3 다공성층은 이하에 설명될 분리층(22a)(도 5c를 참조)이 된다. 이에 따라, 두께가 약 8㎛인 다공성 실리콘층(22)이 제1, 제2, 제3 다공성층으로서 형성된다. 바람직하게, p 타입 단결정 실리콘 기판은 양극 화성에 의해 다공성 실리콘층(22)이 상부에 형성되는 실리콘 기판(21)으로서 사용된다. 대안적으로, n 타입 단결정 실리콘 기판이 세팅 조건에 따라 사용될 수 있다.
이어서, 솔라 셀(10)이 다공성 실리콘 층(22)상에 형성된다. 즉, 먼저, 수소 어닐링이 온도 1100℃에서 30분간 수행되어, 다공성 실리콘층(22)의 표면 내의 홀들을 충전한다. 그런 다음, 도 5c에 도시된 바와 같이, 예를 들면, p+ 타입층(31d)와 p타입층(31a)으로 구성되는 반도체층(31)이 SiH4또는 SiCl4와 같은 가스를 사용하여 다공성 실리콘층(22)상에 적층 성장(epitaxial grown)된다. 적층 성장을 위한 성장 온도는 SiH4를 사용하기 위해서 예를 들어 1070℃로 세팅되고, 또는 SiCl4를 사용하기 위해서는 1140℃로 세팅된다.
수소 어닐링과 적층 성장 동안, 다공성 실리콘층(22) 내의 실리콘 원자들은 이동되고 재배열된다. 그 결과, 다공성 실리콘층(22) 내의 높은 다공률을 갖는 부분이 더 많이 변화한다. 이에 따라, 최저의 인장 강도를 갖는 층, 즉 분리층(22a)이 형성된다. 분리층(22a)은, 솔라 셀(10)이 다공성 실리콘층(22)상에 형성되면서 p+ 타입층(31d)과 p타입층(31a)이 실리콘 기판(21)에서 부분적으로 또는 전체적으로 박리되지 않도록 충분한 인장 강도를 갖는다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 솔라 셀(10)이 형성되는 영역에 대응하여, p 타입층(31a)이 예를 들면, 인과 같은 n 타입 불순물을 이온 주입함에 의해 고농도로 도핑되어, 두께가 약 0.02㎛ 내지 1㎛인 n+ 타입층(31b)이 형성된다. 또한, p 타입층(31a)이 보론과 같은 p 타입 불순물로 이온 주입됨에 의해 고농도로 도핑되어, 두께가 약 0.02㎛ 내지 1㎛인 p+ 타입층(31c)이 형성된다. n+ 타입층(31b)과 p+ 타입층(31c)이 형성된 후, 티타늄 산화물로 만들어진 반사 방지막(32)이 예를 들면, 스퍼터링에 의해 반도체층(31)상에 형성된다.
그런 다음, 반사 방지막(32)의 영역들, 즉, n+ 타입층(31b)과 p+ 타입층(31c)에 대응하는 반사 방지막(32) 영역들은 선택적으로 제거되어 개구가 형성된다. 그런 다음, 알루미늄으로 만들어진 캐소드(33)와 애노드(34)가 예를 들면 스퍼터링에 의해 반사 방지막(32) 내의 개구 내에 형성된다.
이렇게 솔라 셀(10)이 형성된 후, 도 6a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(21)보다 더 넓은 영역을 갖고, 플루오로카본, 폴리카보네이트, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 만들어진 플라스틱막 기판(12)이 준비된다. 플라스틱막 기판(12)은 접착제(35)로 솔라 셀(10)의 정면에 접합된다.
플라스틱막 기판(12)이 도 6b에 도시된 바와 같이 솔라 셀(10)에 접합된 후, 솔라 셀(10)은 플라스틱막 기판(12)과 함께 분리층(22a)에 의해 실리콘 기판(21)으로부터 박리된다. 그러면, 솔라 셀(10)은 플라스틱막 기판(12)에 전사된다. 박리를 위해, 다음의 세가지 방법들이나 이 방법들의 조합들중 임의의 것이 사용된다. 인장 스트레스가 플라스틱막 기판(12)과 실리콘 기판(21) 사이에 인가되는 방법, 실리콘 기판(21)이 물이나 에탄올 내에 담궈지고, 분리층(22a)의 강도가 초음파 조사에 의해 약화되어 박리가 일어나는 방법, 분리층(22a)의 강도가 원심 분리에 의해 약화되어 박리가 일어나는 방법.
도 7a에 도시된 바와 같이, 솔라 셀(10)이 플라스틱막 기판(12)에 전사된 후, 플라스틱막 기판(12)에 가까운 측이 엑시머 레이저와 같은 레이저 빔 LB로 조사되어, 분리 트렌치(11a)가 형성된다. 이에 따라, 솔라 셀(10)은 분리 트렌치(11a)에 의해 분리된다. 플라스틱막 기판(12)의 단부 표면에 가까운 영역이 절단되지 않는 한, 솔라 셀(10)은 개개의 솔라 셀(10)이 플라스틱막 기판(12)에 접합되기 때문에 플라스틱막 기판(12)에서 박리되지 않는다.
한편, 도 9a에 도시된 바와 같이, 회절 격자의 주형(40)이 준비되고, 주형(40)의 회절 격자 모양이 예를 들어 굴절율이 1.5인 열경화성 수지로 된 중간층(16)에 전사된다. 그런 다음, 도 9b에 도시된 바와 같이, 전사된 홈들에는 피착, 스크린 인쇄 등에 의해 알루미늄과 같은 금속 물질이 채워져서, 회절 격자(15)가 형성된다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 회절 격자(15)는 중간층(16)과 함께, 접착제(17)를 사용하여 솔라 셀(10)의 배면에 접합된다. 그런 다음, 솔라 셀(10) 사이의 분리 트렌치(11a)가 가요성의 투명 절연 물질, 예를 들면, EVA로 충전되어, 소자 분리층(11)이 형성된다. 소자 분리층(11)이 형성된 후, 플라스틱막 기판(12)에 가까운측은 예를 들면 CO2레이저 빔과 같은 레이저 빔 LB로 조사되어, 캐소드(33)와 애노드(34)에 도달하는 쓰루홀들(13a)이 형성된다. 쓰루홀들(13a)이 형성된 후, 도 8에 도시된 바와 같이, 은 페이스트로 만들어진 콘택트 전극(13)이 예를 들어, 프린팅 방법에 의해 형성되어 인접한 소자들이 서로 접합될 수 있다.
이렇게 만들어진 본 실시예에 따른 솔라 배터리에서, 입사광 Lin은 투명한 플라스틱막 기판(12)을 투과하여 솔라 배터리 소자(10)에 입사하고, 입사광 Lin의 일부는 솔라 배터리 소자(10)에 의해 흡수된다. 솔라 배터리 소자(10)에 의해 흡수되지 않은 광은 솔라 배터리 소자(10)를 투과하고 회절 격자(15)에 의해 반사된다. 반사된 광은 솔라 배터리 소자(10)에 다시 입사한 다음 흡수된다. 광이 흡수된 솔라 배터리 소자(10)에서는, 전자와 홀의 쌍이 n+ 타입층과 p 타입층 내에 생성된다. 이에 따라, 입사광량에 비례하는 전류가 생성되고, 전류는 리드 전극(도시되지 않음)으로부터 흐르게 된다.
본 실시예의 솔라 배터리에서, 입사광 Lin은 회절 격자(15)에 의해 회절되어 솔라 배터리 소자(10)에 되돌아간다. 회절 각도가 선정된 값 이상일 경우, 회절된 광과 솔라 배터리에 대한 법선간의 각도가 증가한다. 이에 따라, 반사된 광은 공기중으로 방사하지 않고, 실리콘 박막층(솔라 배터리 소자(10))의 최상부 표면이나 또는 투명한 플라스틱막 기판(12)의 표면에 의해 전반사되어 솔라 배터리 소자(10)에 되돌아간다. 광은 상기와 같은 솔라 배터리 소자(10)로 되돌아가는 과정을 반복함에 의해 솔라 배터리 소자(10) 내에 갇히게 된다. 이에 따라 광은 솔라 배터리 소자(10) 내에 갇히게 되고, 실리콘 박막 내의 광로 길이가 증가한다. 이에 따라, 광학적 흡수량이 증가하고, 따라서 광전 변환 효율이 증가한다. 본 실시예에서, 회절 격자(15)는 도 2에 도시된 바와 같은 광택나는 격자 구조를 가지며, 이에 따라 광은 특정 회절 차순으로 집중될 수 있다.
본 실시예에서, 광이 회절 격자(15)에 의해 회절되어 솔라 배터리 소자(10)에서 전반사되는 조건은 다음과 같이 표현된다.
여기서, θi는 솔라 배터리에 대한 광의 입사각이고, d는 회절 격자의 피치를 나타내고, λ는 광의 파장을 나타내고, ng는 회절 격자(15)와 솔라 배터리 소자(10) 사이의 최하 굴절율을 갖는 매체 (여기서는 중간층(16)과 접착제(17))의 굴절율을 나타낸다. 공기의 굴절율은 1.0이라고 가정된다.
상기 수학식 1에서 k=2π/λ이고, K=2π/d이다. ng는 광전 변환층(솔라 배터리 소자(10)), 즉 실리콘의 굴절율과 대략적으로 같거나 그 이하임에 주목한다. 만일 그렇지 않다면, 회절 격자(15)에 의해 회절되어 솔라 배터리에 대한 법선과의 큰 각도로 솔라 배터리 소자(10)에 되돌아온 광은 솔라 배터리 소자(10)에 도달하기 전에 전반사되어 회절 격자(15)에 되돌아온다. 이 경우, 회절광은 전력 생성에 기여하지 않는다. 일반적으로, 열가소성 수지 물질이나 접착제 등은 실리콘보다 낮은 굴절율을 갖는다.
n은 솔라 배터리의 최외곽층(본 실시예에서는 플라스틱막 기판(12))의 굴절율을 나타내고, θ는 외곽층을 통해 전송하는 광의 전송 방향과 솔라 배터리의 법선 간의 각도를 나타낸다고 가정하면, 전송하는 광이 공기와의 경계면에 의해 전반사되어 솔라 배터리 내에 갇히기 위해 다음과 같은 수학식 2로 표시되는 조건이 만족되어야 한다.
한편, 광택나는 격자는, 회절 격자에 대한 입사 각도가 증가함에 따라, 일차 광의 회절 효율이 점차 감소하는 문제가 있다. nm은 솔라 배터리를 구성하는 실리콘 박막과 같은 층들의 가장 높은 굴절율을 갖는 층의 굴절율을 나타내고, θm은 가장 높은 굴절율을 갖는 층 내에서의 광의 각도를 나타낸다고 가정하면, 다음과 같은 수학식 3이 공식화된다. 이에 따라, 회절 격자상의 층은 가장 높은 굴절율을 가지지만, 회절 격자에의 입사각은 감소한다.
즉, 회절 격자상의 층의 굴절율이 높은 경우, 광은 일차 광에 더 효율적으로 집중되고, 이에 따라 광은 솔라 배터리 내에 효율적으로 갇히게 된다. 여기서, 다음의 수학식들 4, 5가 공식화된다.
여기서, θi는 회절 격자에 대한 입사 각도를 나타내고, θo는 일차 회절 광의 각도를 나타내고, nG는 회절 격자상의 매체의 굴절율을 나타낸다.
이러한 이유로 인해서도, 본 실시예에서와 같이 광택나는 격자가 회절 격자(15)로서 사용되는 경우 굴절율이 증가되는 것이 바람직하다. 특히, 티타늄 산화물과 같은 굴절율이 높은 성분의 초미세 입자들이 회절 격자가 전사될 열가소성 수지나 열경화성 수지에 첨가되어, 상기 수지의 굴절율을 증가시킨다. 단, 상기 수지의 굴절율은 상술한 바와 같이 실리콘의 굴절율보다 낮아야 한다. 본 실시예에서는, 광택나는 격자의 회절 효율을 최적화하기 위해 파장 범위가 솔라 배터리의 투과 파장 범위와 같은 것이 바람직하다. 예를 들어, 홈(15a)의 깊이는 1/(2λ0)로 표시되는데, 여기서 λ0는 솔라 배터리 소자(10)를 투과하는 광의 중심 파장을 나타낸다. 이에 따라, 회절 격자의 모양은 광이 실리콘과 같은 솔라 배터리 물질에 의해 거의 흡수되지 않고 박막 솔라 배터리를 투과하는 파장 범위를 갖는 것으로 최적화된다. 이에 따라 더 높은 광전 효율이 얻어진다.
표 1은 본 실시예의 회절 격자(15)의 회절 효율을 나타낸 것으로, Waterman과 Rayleigh 방법들을 사용하여 계산되었다.
n : 회절 차수, θ: 입사각, s와 p : 편광, 단위: arcdeg, 광의 파장: 900㎚
여기서, 플라스틱막 기판(12)의 굴절율은 1.5이고, 중간층(16)과 접착제(17)의 굴절율은 각각 2.2이고, 회절 격자(15)는 완전 도체로 만들어지고, 광은 900㎚의 파장을 갖는다. 회절 격자에의 입사각은 θ이고, θ=0, θ=34deg, θ=67deg는 솔라 배터리에의 입사 각도와 회절 격자(15)의 홈(15a)이 형성되는 표면의 경사 각도로부터 계산된 최대 회절 효율로 회절되는 입사광의 각도, 즉, 광이 실리콘 박막이나 보호막(투명 플라스틱막 기판(12))에 의해 전반사된 후 회절 격자(15)에 재입사되는 각도, 및 또 다른 회절과 전반사 후에 회절 격자(15)에 다시 재입사되는 광의 입사각을 나타낸다. 회절 격자의 피치로부터 계산된 차수들의 회절광의 각도들은 이 각도들과 정확하게 일치하지는 않는다는 점을 주목한다. 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 입사각이 0인 회절광 중 3차광과 4차광은 최고의 회절 효율을 갖는다. 이 회절 효율의 합은 0.625이다. 열경화성 수지와 접착제의 굴절율이 2.2인 것을 고려하면, 3차광은 회절 각도 27.9deg를 갖는다. 이에 따라, 3차광은 실리콘 박막의 최상부 표면에 의해 반사된다. 그러므로, 3차광과 4차광은 솔라 배터리로부터 방출되지 않는다. 전반사되지 않는 회절된 광의 차수는 -2 내지 2의 범위이다. 회절 효율들의 합은 0.145 정도로 낮다. 이에 따라, 다른 회절된 광의 회절 효율의 합, 0.855는 광이 솔라 배터리로부터 방출되지 않는다.
3차 및 4차 광들이 전반사 후 다시 회절되는 경우의 회절 효율은 입사각 34deg로 얻은 회절 효율과 대략 같다. 이 경우, 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 최고의 회절 효율을 갖는 것은 2차 광이다. 2차 회절광은 역시 실리콘 박막의 최상부 표면에 의해 전반사되므로, 이 광은 솔라 배터리로부터 방사하지 않는다. 회절 후에 전반사되지 않고 솔라 배터리로부터 방사하는 회절광들의 차수는 -6 내지 2의 범위이다. 이 회절 효율들의 합은 입사각이 0deg인 경우에서와 같이 0.276 정도로 작다. 입사각이 67deg인 경우, 회절 효율이 명확히 최대가 되는 회절 차수는 없다. 전반사되지 않고 솔라 배터리로부터 방사하는 광들의 회절 차수는 -8 내지 4 범위이다. 이 회절 광들의 회절 효율들의 합은 0.480이므로, 전반사에 의해 갇히는 광의 부분은 0.520이다. 그러므로, 입사각 67deg는 입사각 34deg에 비해 광학적 흡수율을 증가시킬 것으로 기대되지 않는다.
상기 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 광택나는 격자 구조의 회절 격자(15)는 솔라 배터리의 배면에 접합되어, 광이 솔라 배터리 내에 갇히게 되고, 이에 따라 전력이 효율적으로 생성될 수 있다. 실리콘의 복소 굴절율의 허수부가 0.00275로 세팅되는 경우, 광학적 흡수율은 도 4에 도시된 바와 같이 실리콘 박막의 두께의 변화에 따라 변화된다. 단결정 실리콘 박막의 두께가 10㎛라고 가정하면, 광은 0deg의 입사각을 갖고, 제1 전반사후 회절 격자에 입사하는 광은 34deg의 입사각을 갖고, 제2 전반사후 회절 격자에 입사하는 광은 67deg의 입사각을 갖는다. 이 경우, 실리콘 박막에서의 광로 길이는 회절 격자에 세번째 입사할 때까지 53.3㎛가 된다. 이 때, 광학적 흡수율은 도 4에 도시된 바와 같이 0.87이다. 참고로, 회절 격자가 없다고 가정하면, 솔라 배터리에 입사하는 광은 솔라 배터리를 투과한게 된다. 이 경우, 광학적 흡수율은 도 4에 도시된 바와 같이 0.32이다. 그러므로, 광은 실리콘 박막의 최상부 표면에서 두번만 전반사되어도, 이에 따라 광 흡수율이 2.72(=0.87/0.32)배 증가되어 광이 솔라 배터리에 실질적으로 흡수된다는 것을 알 수 있다. 살술한 설명으로부터, 본 실시예의 구조는 솔라 배터리의 광학적 흡수율을 2배 이상 증가시키고, 그 결과 전력 생성 효율이 현저하게 향상됨을 알 수 있다.
<제2 실시예>
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따라 집적화된 솔라 배터리의 구조를 나타낸다. 이 집적화된 솔라 배터리는 회절 기능층으로서 제1 실시예의 회절 격자(15) 대신 홀로그램(55)을 구비한다는 것을 제외하고는 제1 실시예의 구성과 같다. 이에 따라, 제1 실시예에서와 같은 소자들에는 동일한 참조 번호 및 부호를 병기하고, 그 설명은 생략한다.
홀로그램(55)으로는, 예를 들면 홈의 단면이 파형인 반사형 홀로그램을 포함한다. 홀로그램(55)은 광학적 기술을 사용하여 만들어질 수 있다. 특히, 예를 들면, 도 11에 도시된 바와 같이, 광원인 레이저(61)로부터 방출된 광빔의 빔 직경은 콜리메이터 렌즈(62)를 사용하여 확대된다. 방출된 광빔은 미러(63)에 의해 빔 스플리터(64)를 향해 반사되고, 그 다음 방출된 광 빔은 빔 스플리터(64)에 의해 두개의 광 빔들로 분리된다. 그런 다음, 두개의 방출 광 빔들은 미러(65, 66)를 사용하여 레지스트-코팅된 광전도체(67)를 향해 반사되고, 방출된 광 빔들은 광전도체(67)상에서 서로 간섭하도록 허용된다. 이에 따라, 광전도체(67)상에는 간섭 강도의 분포에 대응하여 요철부들의 분포가 기록된다. 그런 다음, 광전도체(67)의 표면은 니켈로 도금되고, 레지스트가 용해 제거되어, 홀로그램(55)의 주형이 만들어진다. 또한, 주형의 모양이 중간층(16)에 전사되고, 중간층(16)의 표면은 알루미늄과 같은 금속 물질로 코팅되고, 이에 따라 홀로그램(55)이 형성된다.
본 실시예에서도, 전반사 조건은 제1 실시예와 유사하게 수학식 1로 표현된다. 여기서, θi는 솔라 배터리에 대한 광 Lin의 입사각이고, d는 홀로그램(55)의 피치를 나타내고, λ는 광의 파장을 나타내고, ng는 홀로그램(55)과 솔라 배터리 소자(10) 사이의 최하 굴절율을 갖는 매체 (여기서는 중간층(16)과 접착제(17))의 굴절율을 나타낸다. 공기의 굴절율은 1.0으로 가정한다. ng가 높을수록 홀로그램(55)에 의해 회절된 광이 전반사에 의해 솔라 배터리 내에 갇히게 되는 조건을 만족하는 θ의 범위가 더 넓어진다. 그러므로, ng가 높아질수록, 광전 변환 효율이 증가한다. 제1 실시예와 유사하게, 굴절율은 티타늄 산화물(TiO2)과 같은 높은 굴절율을 갖는 성분의 초미세 입자들을 중간층(16)과 접착제(17)에 첨가하는 것이 효율적이다.
본 실시예에서, 홀로그램(55)은 요철의 구조가 주기적으로 변화하는 위상 격자를 포함한다. 이 경우, 특정 파장 범위 내에서 0차 광의 강도를 감소시키는 것이 가능하다. 그러나, 태양광과 같은 광범위한 스펙트럼을 갖는 광의 모든 파장들에 대해 0차 광의 강도를 감소시키는 것은 어렵다. 그러나, 광의 파장이 더 짧으면, 실리콘의 광학적 흡수율은 더 높아진다. 이에 따라, 실리콘 박막의 두께가 증가되고, 짧은 파장의 광이 실리콘 박막에 의해 흡수되어 실리콘 박막을 투과하지 않는다. 그러므로, 긴 파장의 광만이 실리콘 박막을 투과하도록 하는 한 임의의 홀로그램이 사용될 수 있다. 긴 파장 범위만의 광의 0차 광이 감소하는 회절 구조를 갖는 한, 임의의 홀로그램 구조가 사용될 수 있다.
비록 본 발명은 실시예들을 참조하여 설명되었으나, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 않고 다양한 변형들도 가능하다. 예를 들어, 상술한 실시예들에서, 회절 격자(15)는 톱니형 모양이고 홀로그램(55)은 파형이지만, 전반사를 허용하는 한 임의의 모양일 수 있다. 또한, 본 발명은 박막 솔라 배터리외에 박막 반도체 장치에 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 박막 반도체 장치 및 그 제조 방법에 따르면, 회절 기능층은 광이 입사하는 표면에 대향하는 광전 변환층의 표면에 배치된다. 이에 따라, 광이 광전 변환층을 향해 전반사되는 조건이 세팅되어, 광전 변환층의 광학적 흡수율이 증가되고 이에 따라 광전 변환 효율이 향상된다. 따라서, 실리콘과 같은 광전 변환층의 두께가 감소되어도, 두꺼운 광전 변환층에 의해 얻을 수 있는 광전 변환 효율과 실질적으로 같은 효율을 얻는 것이 가능하여 제조 비용이 감소된다.
더 구체적으로, 본 발명의 박막 반도체 장치의 제조 방법에 따르면, 회절 기능층이 열가소성 수지나 열경화성 수지에 주형을 전사함으로써 만들어지므로, 박막 반도체 장치가 저렴하게 제조될 수 있다.
본 발명의 많은 변형들과 변경들이 상술한 기술적 관점에서 만들어질 수 있다. 그러므로, 첨부한 특허 청구 범위 내에서 본 발명은 특정적으로 기재되었다기 보다는 다양하게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 박막 반도체 장치에 있어서,
    입사광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환층; 및
    상기 광이 입사하는 측에 대향하는 상기 광전 변환층의 다른 측상에 배치되어, 상기 광전 변환층을 투과하는 광을 상기 광전 변환층을 향해 반사하는 회절 기능층
    을 포함하는 박막 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    다음의 공식이 만족되고,
    (k=2π/λ, K=2π/d)
    여기서, θi는 상기 광전 변환층에 대한 광의 입사 각도를 나타내고, d는 상기 회절 기능층의 피치를 나타내고, λ는 광의 파장을 나타내고, ng는 상기 회절 기능층과 상기 광전 변환층 사이의 최하 굴절율을 갖는 매체의 굴절율을 나타내는 박막 반도체 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 회절 기능층은 광반사 물질로 만들어지고, 투명 수지로 만들어진 중간층은 상기 광전 변환층에 대향하는 상기 회절 기능층의 표면상에 상기 회절 기능층과 일체화되어 형성되고, 상기 중간층은 투명 수지로 만들어진 접착제를 사용하여 상기 광전 변환층에 접합되는 박막 반도체 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 중간층 및 상기 접착제를 만드는 상기 수지는 상기 광전 변환층보다 낮은 굴절율을 갖는 박막 반도체 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 중간층 및 상기 접착제를 만드는 상기 수지는 굴절율을 증가시키기 위한 초미세 입자들을 함유하는 박막 반도체 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 회절 기능층을 만드는 홈은 톱니형 단면을 갖는 박막 반도체 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 회절 기능층을 만드는 상기 홈의 깊이는 1/(2λ0)로 표시되고, 여기서 λ0는 상기 광전 변환층을 투과하는 광의 중심 파장을 나타내는 박막 반도체 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 회절 기능층은 회절 격자를 포함하는 박막 반도체 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 회절 기능층은 홀로그램을 포함하는 박막 반도체 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광전 변환층은 박막 솔라 배터리 소자를 포함하는 박막 반도체 장치.
  11. 입사광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환층, 및 상기 광전 변환층을 투과하는 광을 상기 광전 변환층을 향해 반사하는 회절 기능층을 포함하는 박막 반도체 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    회절 기능층의 주형을 투명 열가소성 수지층이나 투명 열경화성 수지층상에 프레싱하여 상기 회절 기능층의 형태를 상기 수지층에 전사한 다음, 상기 수지층의 전사 표면에 광 반사 물질을 충전하여 반사형 회절 기능층을 형성하는 단계; 및
    상기 회절 기능층을 상기 광이 입사하는 표면에 대향하는 상기 광전 변환층의 다른 표면상에 접합하는 단계
    를 포함하는 박막 반도체 장치 제조 방법.
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