KR20020066689A - 고 광전변환 효율을 갖는 태양전지의 제조방법 - Google Patents

고 광전변환 효율을 갖는 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

고 광전변환 효율을 갖는 태양전지의 제조방법은 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 태양전지의 광전 변환효율을 높이기 위한 것이다. 본 발명은 결정계 실리콘이나 비정질 실리콘으로 형성된 기존 태양전지 구조 위에 종횡의 구멍이 있는 투명전도막층을 증착하고, 그 위에 비정질 실리콘(a-Si)층을 플라즈마 CVD법을 통해 형성하고 이를 직대각으로 레이저 에칭 패터닝한 후 에칭홀(etching holl)에 순도 99.9%의 갈륨비소(GaAs)를 진공속에서 200-300℃이내에서 증착막 처리하여 매우 얇은 3층막을 형성하여 전류가 세로방향 즉, 두께방향으로 흐르기 쉽도록 제조한다. 따라서, 본 발명은 기존보다 3-5% 높은 광전변환효율을 갖는 태양전지를 제조할 수 있으며, 이렇게 제조된 태양전지판을 휴대폰이나 PDA, 노트북 등의 대다수 전자제품에 적용하여 배터리 충전용이나 전원공급용으로 사용할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

Description

고 광전변환 효율을 갖는 태양전지의 제조방법{Method for manufacturing of solar cell with a high photoelectricity conversion of efficiency}
본 발명은 빛에너지를 전기에너지로 전환시키는 태양전지(solar cell)에 관한 것으로서, 특히 전지판 위에 비정질(Amorphous) 반도체 화합물을 플라즈마 박막처리하여 보다 높은 전압을 얻어낼 수 있는 고 광전변환 효율을 갖는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
빛에너지를 전기에너지로 전환하는 태양전지(solar cell)는 결정계 실리콘이나 비정질 실리콘등으로 제조된다. 비정질 실리콘 태양전지는 단결정이나 다결정 실리콘 태양전지에 비해 제조공정이 간단하고, 제조온도가 낮음으로 인하여 제조시의 필요한 에너지를 절약할 수 있으며, 박막화가 가능하다는 잇점이 있다.
이러한 태양전지의 제조공정을 간략히 살펴보면, 결정계의 경우 순도 99.999％로 순화된 실리콘 즉, 규소(Si)를 1500℃ 정도의 고온으로 가열한 후, 그 표면을 연마하여 두께 약 300-400㎛의 웨이퍼를 만든 다음, 필요한 불순물을 약 1000-1200℃에서 확산 첨가하여 pn접합의 전극을 형성한다. 그런 다음, 마지막으로 빛의 반사를 최대한 막기 위한 반사방지막을 형성한다. 이렇게 제조된 태양전지는 셀당 약 0.5V 정도밖에 발생하지 않기 때문에 전자계산기등 전자제품에 필요한 전압을 얻기 위해 건전지를 직렬로 연결하듯이 그 셀을 직렬로 연결하여 사용한다. 여기서, 셀은 태양전지 크기의 최소단위로, 전지판 크기가 클수록 많은 전압을 얻을 수 있다. 또한, 전지판들을 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 즉, 사용 목적에 따라 몇장 또는 몇십장의 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용한다.
한편, 이러한 태양전지를 전자계산기뿐 아니라 채용범위를 넓혀 사용하고자 하는 기술들이 제시되고 있다. 그 일예로, 태양전지를 휴대폰에 구비시켜 배터리 충전용으로 사용할 수 있도록 한 선행기술이 동일출원인에 의해 선출원된 특허 제 2000-47195호의 "태양전지가 구비된 휴대폰"에 개시되어 있다. 이는 휴대폰 본체의 플립 상면에 다수개의 셀을 형성한 전지판을 설치하고, 빛에너지를 흡수하여 전기에너지로 전환하여 휴대폰의 사용전압에 적정한 전압을 발생시켜 배터리가 충전되도록 한다.
그런데, 위와 같은 구조의 종래 태양전지 채용범위를 넓히기 위해서는, 보다 높은 전압을 얻어야 하는 데, 이를 위해 전지판 크기를 크게 할 경우 제조공정이 복잡하고 단가가 상승하게 되는 단점이 있다. 또한, 작게 제조하여도 필요한 만큼 직렬 또는 병렬로 연결해서 사용해야 하는 번거로움이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 점을 감안하여 전지판 크기를 크게 하지 않고도 박막의 층을 더 형성하여 고 광전변환 효율을 갖는 태양전지를 제조하는 방법을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고 광전변환 효율을 갖는 태양전지의 제조공정을 보여주는 도면,
도 2는 도 1 공정에 의해 제조되는 태양전지의 구조를 보여주는 단면도,
도 3은 도 1 공정에 의해 제조되는 태양전지판을 보여주는 사시도,
도 4는 본 발명에 의해 새롭게 형성되는 비정질 실리콘(a-Si)층을 확대하여 보여주는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 절연체보호막 12 : 기판
13 : 금속전극 14,16 : 비정질 실리콘(a-Si)층
15 : 투명전도막(TOC) 17 : 갈륨비소(GaAs)막
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지 제조방법은, 기판상에 반도체층이 형성되어 있는 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 반도체층 위에 구멍들이 종횡으로 형성되어 있는 투명전도막층을 형성하는 제 1공정과, 상기 투명전도막층 위에 플라즈마 CVD법을 이용하여 비정질 실리콘(a-Si)막을 증착하여 층을 형성하는 제 2공정, 및 상기 비정질 실리콘(a-Si)막층을 에칭하여 에칭홀에 갈륨비소(GaAs)를 증착막 처리하는 제 3공정을 포함하여, 상기 반도체층 위에 박막의 반도체층을 더 형성하여 전류가 세로방향인 두께방향으로 흐르도록 제조함을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고 광전변환 효율을 갖는 태양전지의 제조공정을 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1 공정 수행으로 제조되는 태양전지의 단면도이다.
우선 웨이퍼(셀기판)를 제조 가공하고, 수지막으로 된 전열체 보호막층(11) 위에 수지막 또는 유리등으로 기판층(12)을 형성하고, 그 위에 금속전극(13)을 형성한다. 여기서, 기판(12) 재료로 플라스틱필름을 사용할 경우 태양전지가 얇고, 경량이며, 구부려도 깨지지 않는 특징을 갖게 된다. 이러한 기판층(12) 위에 금속전극(13)이 적층되면, 그 위에 n형 반도체(141)와 pn접합층인 i층(142), p형 반도체(143)가 차례로 적층되어 비정질 실리콘(a-Si)층(14)이 증착된다. 태양전지의 기본적인 구조는 기판(12)위에 형성된 a-Si층(14)을 보호필름에 의해 커버된 구조로, 이 상태에서의 두께는 약 0.4㎜가 된다. 이때, 광전변환 율은 8-13% 정도이고, 비정질 실리콘(a-Si) 대신 화합물 반도체의 경우 2원계∼3원계 18-30, 10-12％ 정도이다. 본 발명은 비정질 실리콘(a-Si), 갈륨비소(GaAs)의 화합물질과의 에칭기법을 이용하여 3-5％ 변환효율을 더 높이기 위한 것으로, 태양전지의 기본구조 위에 비정질 실리콘(a-Si)층을 한층 더 증착시켜 형성되며, 이 막 두께는 0.01㎜를 갖는다. 물론, 결정계 실리콘으로 된 기존 태양전지 구조 위에 본 발명을 채용해도 되지만, 서로 다른 파장의 자외선, 가시광선, 적외선, 흑사체(black body light) 등으로 이루어진 태양 빛의 파장의 영역을 비정질 실리콘에서 보다 효과적으로 흡수하기 때문에, 결정계 실리콘에 비해 빛의 흡수율을 향상시킬 수 있으며,에너지 변환 효율도 향상시킬 수 있어 본 실시예에서는 비정질 실리콘으로 된 기본 태양전지 구조에 적용하여 설명한다. 여기서, 태양의 흑사체속 에너지는 진공속의 정상파와 같이 취급되고, 이것에 의하여 진동수에 의한 상태밀도(g(v))가 구해진다. 흑사체(복사체)속에서 빛과 열을 내보내는 전자는 무질서한 운동을 진공속의 전자기파와 마찬가지로 취급한다. 본 발명은 이러한 에너지가 큰 흑사체를 보다 효과적으로 흡수할 수 있도록 한다. 본 발명을 좀더 설명하면, 태양전지의 기본구조 위에 플라즈마 CVD(chemical vapor deposition)방법으로 박막처리한다.
플라즈마 CVD법은 글로우 방전에 의해 생성된 자유전자가 충분한 에너지를 얻어 가스분자들과 충돌할 때 가스이온이 생성되며, 이와 같은 이온과 전자들의 집합을 플라즈마라 하는 데, 유입된 기체가 플라즈마로 되어 웨이퍼에 박막을 형성시키고 부산물과 플라즈마의 나머지 부분들이 밖으로 유출되어 나온다. 반응장치는 두개의 서로 평행한 전극 판으로 되어 있으며, 고전압의 윗부분 전극은 정합회로망을 통해 고주파(RF)소스에 연결되어 있다. 기판을 얹어 놓게 되어 있는 아래 전극 판은 접지되어 있고, 기판과 기판간의 박막 균일도 향상을 위해 아래 전극 판이 자계회전 드라이버에 의하여 회전되어진다. 반응기체들은 하부에서 상부로 회전축의 중심부를 통해 공급되어지며, 상부 반응로 내에서 방사형으로 퍼져 하부전극판과 기판에 평행하게 이동되면서 플라즈마로 변화되고 기판에서 박막을 형성시키게 된다. 그리고, 빛이 입사하는 쪽에는 투명하면서 전기를 통하는 투명전도막을 사용하여 보통 산화주석(SnO2), 산화인듐주석(ITO)이 사용된다. 비정질 실리콘 태양전지는 불순물을 첨가한 pn층의 캐리어 확산길이가 짧기 때문에 pn접합 사이에 i층을 사용한 캐리어 드래포트형으로 형성되어 있다. 즉, 기판(투명전도막) 위에 증착 또는 CVD방식으로 산화주석이나 산화인듐을 투명전극으로 형성하고, 10-108㎰정도의 진공으로 유지된 반응실에 수소화규소(SiH4)인 모노실란등을 도입하여 고주파전계를 가함으로서 글로우방전에 의해 가스로 분해 형성한다. 이때, 수소화붕소(B2H6)를 혼입시켜 150Å 두께의 p형 비정질 실리콘층을 형성하고, 다음에 i층을, 그리고 약 4000-5000Å 두께의 n형 비정질 실리콘층을 형성하여 비정질 실리콘(a-Si)층을 제조한다. 이같이 투명전도막(TCO)(15)위에 pin층을 형성한 후 알루미늄 등의 금속을 약 1㎛ 증착하여 전극을 형성한다. 투명전도층(TOC)(15)은 100㎛/φ의 구멍들이 종횡으로 형성되어 있다. 그 위에 다시 비정질 실리콘(a-Si)막을 증착하여 층을 형성한다. 여기서, 비정질 실리콘층(16)은 30-35㎛ 이내의 두께로 제조된다. 그런 다음, 레이저 에칭(etching)하여 생긴 에칭홀에 순도 99.9%의 갈륨비소(GaAs)를 진공속에서 200-300℃이내에서 셀당 10㎝×10㎝×0.41㎜로 ㎝/sec 5초간 증착막 처리한다. 에칭홀은 도 4에 확대하여 보여진 바와 같은 직대각 모양으로 패터닝하거나 구형파 모양 등 어떤 모양으로도 패터닝할 수 있다. 도 4의 직대각 에칭모양은 태양광 입사각도를 고려해 볼 때 다른 모양의 패터닝에 비해 효율이 더욱 좋다. 그리고, 종횡의 에칭간격은 가로세로 폭 0.0005(±0.0001)n/m로 하고, 깊이는 0.1-7-8n/m로 한다. 위와 같은 제조공정에 의해 형성되는 태양전지판은 도 3에 보여진바와 같다.
본 실시예에서는, 제작공정을 고려하여 비정질 실리콘 박막전도층을 한층 더 증착시켰지만, 동일 공정으로 여러층 더 증착시켜도 무방하다.
이러한 구조로 제작된 태양전지는 pin부분이 금속전극으로 단락되어 단락전류가 흐르려고 하나 n층과 p층의 저항이 높고 두께가 얇기 때문에 단락전류가 적고 똑같은 전류가 i층을 통해 세로방향으로 흐른다. 이는 마치 셀을 직렬연결한 것과 같아 기존 효율에서 3-5%을 더 변환시키는 에너지 증가 전류의 흐름이다.
이렇게 제조된 태양전지는 휴대폰, PDA, 노트북등의 휴대단말기의 배터리 충전용 뿐 아니라 빛이 있는 장소에 설치된 모든 전자제품의 빛을 잘 받는 적정위치에 부착되어 전원공급용으로 사용될 수 있음은 설명하지 않아도 충분히 이해할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 고 광전변환 효율을 갖는 태양전지의 제조방법은, 태양전지의 기본구조 위에 구멍이 있는 투명전도막층과 비정질 실리콘층을 차례로 적층하고 그 비정질 실리콘층을 레이저 에칭 패터닝한 후 그 에칭홀에 갈륨비소를 진공상태에서 증착막 처리하여 전류가 세로방향 즉, 두께방향으로 흐르게 형성하므로써, 광전변환 효율을 3-5% 더 높일 수 있도록 하는 효과를 갖는다. 아울러, 이렇게 제조된 태양전지를 휴대폰, PDA, 노트북등의 휴대 전자제품뿐 아니라 빛이 있는 곳에 설치되는 전자제품 모두에 채용하여 전원공급원으로 사용할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (9)

  1. 기판상에 반도체층이 형성되어 있는 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 반도체층 위에 구멍들이 종횡으로 형성되어 있는 투명전도막층을 형성하는 제 1공정;
    상기 투명전도막층 위에 플라즈마 CVD법을 이용하여 비정질 실리콘(a-Si)막을 증착하여 층을 형성하는 제 2공정; 및
    상기 비정질 실리콘(a-Si)막층을 에칭하여 에칭홀에 갈륨비소(GaAs)를 증착막 처리하는 제 3공정을 포함하여,
    상기 반도체층 위에 박막의 반도체층을 더 형성하여 전류가 세로방향인 두께방향으로 흐르도록 제조함을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 박막의 반도체층은 두께 0.01㎜로 형성됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 태양전지의 총두께는 0.41㎜±0.01㎜인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1공정의 투명전도막층은 결정계나 비정질 실리콘중 어느 하나로 형성된 반도체층 위에 형성됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2공정은 30-35㎛ 이내의 두께로 비정질 실리콘막을 형성함을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 2공정은 진공상태에서 모노실란(SiH4)을 도입하여 고주파(RF)전계를 가하고, 수소화붕소(B2H6)를 혼입시켜 150Å 두께의 p형 비정질 실리콘층, i층, 그리고 약 4000-5000Å 두께의 n형 비정질 실리콘층을 형성함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 3공정은 직대각으로 레이저 에칭 패터닝함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 에칭간격은 가로세로 폭 0.0005(±0.0001)㎚인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 3공정은 진공속 200-300℃ 이내에서 에칭홀에 갈륨비소를 ㎝/sec 5초간 증착막 처리함을 특징으로 하는 방법.
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KR101308324B1 (ko) * 2008-09-29 2013-09-17 씬실리콘 코포레이션 단일체로 통합된 태양광 모듈
KR20200025030A (ko) * 2018-08-29 2020-03-10 주식회사 원익아이피에스 비정질 실리콘막의 제조방법

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