KR20070090235A - 미세결정 실리콘 및 층 시퀀스를 갖는 박막 태양 전지를생성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세결정 실리콘 및 층 시퀀스를 갖는 박막 태양 전지의 생성을 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 미세결정 실리콘 층은 미세결정 i 층의 적용 전에 HWCVD 방법에 의해 pin 또는 nip 박층 태양 전지내의 보다 낮은 p 또는 n 층에 적용된다. 여기에서 이 태양 전지의 절대 효율은 0.8% 까지 증가된다.
미세결정 실리콘, 층 시퀀스, 박막 태양 전지, 미세결정 i 층, 효율, 개방회로전압, 충실도

Description

미세결정 실리콘 및 층 시퀀스를 갖는 박막 태양 전지를 생성하는 방법{METHOD FOR PRODUCTION OF A THIN-LAYER SOLAR CELL WITH MICROCRYSTALLINE SILICON AND LAYER SEQUENCE}
본 발명은 미세결정 실리콘 및 층 시퀀스를 사용하여 박막 태양 전지를 생성하는 방법에 관한 것이다.
미세결정 박막 태양 전지는 도핑 및 결정도 정도에서 상이한 다양한 층의 실리콘을 포함하고 있다. 이 층들은 유리와 같은 기판상에 부착된다. 다양한 방법이 이러한 목적을 위해 알려져 있다. PECVD 방법으로 가스 혼합물이 플라즈마 프래그먼트로 분해되고 HWCVD 방법으로 가스 또는 가스 혼합물이 와이어를 가열함으로써 분해된다. 양측 방법으로 분해 제품은 기판상에 부착(deposit)되어 코팅을 생성한다. 종래 기술에서 알려진, 광-CVD 방법 및 스퍼터링이 또한 표면상에 층들을 부착하기 위해 사용될 수 있다.
이들의 층 시퀀스에서 상이한 차이가 pin 셀 및 nip 셀 사이에 생성된다.
pin 태양 전지에서 투명 기판에 인접한 층은 p 층, 즉 p 도핑된 실리콘층이고, i 층은 p 층상에 위치되어 있고 도핑되어 있지 않다. n 도핑된 n 층은 i 층상에 위치되어 있다. nip 태양 전지에서, p 층 및 n 층은 서로 교환되고 마찬가지 로, i 층을 포함한다.
미세결정 p 층은 예를 들어 붕소로 도핑된 p 도핑된 실리콘이다.
당업자는 이러한 층들이 부착되는 방식에 익숙하다.
p 층에 있어서, 상기 표면상에 분해되고 부착된 수소 가스는 물론 붕소 화합물과 같은 포지티브 도핑된 화합물, 실리콘 화합물을 포함하는 가스 혼합물이 사용된다. 최종 층은 미세결정이다. 공지된 HWCVD, PECVD, 및 광 CVD 방법이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
미세결정 i 층의 데포지션을 위해, 수소 및 실리콘 화합물을 포함하는 혼합물이 분해되고, 그위에 미세결정 Si 층이 부착된다. 공지된 HWCVD, PECVD, 스퍼터링, 및 광 CVD 방법이 마찬가지로 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
미세결정 n 층의 데포지션을 위해, 실리콘 함유 화합물, 수소 및 인 함유 화합물과같은 네가티브 도핑된 화합물을 포함하는 혼합물이 분해된다. HWCVD, PECVD, 및 광 CVD 방법이 물론 여기에서 사용될 수 있다.
공지된 방법에 따라, 박막 태양 전지가 PECVD에 의해 투명한 기판상에 부착된다. 부착 시퀀스는 pin이거나 또는 nip이고, 개별적인 층들은 일반적으로 상이한 캐비티에서 부착된다. PECVD에 있어서, 미세결정층이 무선 주파수, 마이크로파, 또는 초고주파수(VHF)와 같은 다양한 가능한 여기 주파수를 사용함으로써 부착된다. 높은 플라즈마 출력이 PECVD에 의해 높은 데포지션 율을 달성하기 위해 필요하다. HWCVD 방법은 높은 데포지션 율을 달성하기 위해 높은 와이어 온도를 필요로 한다. 지금까지 낮은 충실도(fill factor; FF) 및 낮은 개방회로전압(Voc)을 갖는 태양 전지가 높은 데포지션 율에서 생성되어 왔다. HWCVD 방법은 또한 PECVD 방법보다 훨씬 더 시간 집약적이다. 매우 높은 Voc 및 FF를 갖는 태양 전지는 낮은 기판 온도에서 얻을 수 있다.
본 발명의 목적은 보다 높은 효율, 특히 보다 높은 Voc 및 FF를 갖는 태양 전지를 생성하는 방법을 제공하는 것이다. 목표는 이러한 방법을 사용함으로써 태양 전지의 개방회로전압을 증가시키는 것이다. 또 다른 목표는 보다 높은 개방 전압 및 충실도를 허용하는 특징을 갖는 층 시퀀스를 제공하는 것이다. 이러한 방법을 최단 가능한 시간에 수행하는 것이 가능해야만 한다.
청구항 제1항의 전반부에 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 목적은 청구항 제1항의 특징절에 나타난 특징에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 방법은 보다 높은 효율, 즉, 보다 높은 개방회로전압(Voc) 및 보다 높은 충실도(FF)를 갖는 미세결정 실리콘에 기초한 pin 및 nip 태양 전지를 생성하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 유익한 상세부는 종속항에 기술되어 있다.
본 발명이 아래에 설명된다.
본 발명에 따른 태양 전지 또는 층 시퀀스의 생성을 위해 제1 단계에서, 투명 전류 도전층이 당업분야에서 TCO 층으로 부리는 투명한 기판, 예를 들어, 유리 또는 플라스틱사에 부착된다. 이러한 층은 보통 0.5 내지 2 ㎛의 층 두께를 갖고 있고 다음의 조성물, SnO2, ZnO, ITO를 가질 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
이 데포지션은 예를 들어, 스퍼터링 또는 CVD의 종래 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법이 아래에 pin 태양 전지에 대해 설명되어 있다. 그러나, 본 발명은 또한 nip 태양 전지의 생성을 포함하고 있다. 후자의 생성에서, p 층 및 n 층의 적용의 시퀀스가 반전되는 것을 제외하곤 동일한 단계가 수행된다.
추가 단계에서, TCO 층 위에 미세결정 p 층이 중첩된 TCO 층과 함께 투명한 기판상에 바람직하게는 PECVD 방법을 사용함으로써 부착된다. 그러나, 데포지션은 또한 HWCVD 방법, 스퍼터링, 또는 광-CVD 방법과 같은 종래 기술로부터 알려진 다른 방법을 사용하여 실행될 수 있다.
이러한 단계는 당업자에게 알려진 가스 혼합물 및 방법 파라미터를 사용하여 수행된다.
가스 혼합물 성분은 p 도핑을 나타내는 기판을 부착하는 화합물 및 실리콘 함유 화합물 및 수소를 포함한다.
이 실리콘 함유 화합물은 SiH4, 메틸 실란, 디메틸 실란, 트리메틸 실란, 테트라메틸 실란, 디실란, 트리실란, 또는 HSiCl3, H2SiCl2, H3SiCl1, SiCl4와 같은 할로실란 또는 상응하는 불소 화합물을 포함하는 그룹으로부터의 적어도 하나의 성분일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
실리콘 화합물의 농도는 예를 들어, 0.1% 와 10% 사이이다.
전체 압력은 예를 들어, 0.2hPa 와 20hPa 사이일 수 있다.
p 도핑으로 나타나는 성분을 부착하는 화합물은 디보란, 트리메틸보란, 또는 트리메틸 또는 트리에틸과 같은 Ga 및 Al의 오가닐 화합물을 포함하는 그룹의 적어도 하나의 화합물일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
p 도핑된 화합물의 농도는 예를 들어, 실리콘 함유 화합물에 비교하여 0.1% 과 2% 사이이다.
실리콘 함유 화합물, p 도핑을 나타내는 성분을 부착하는 화합물, 치환기로서의 수소를 포함하는 가스 혼합물은 PECVD 방법 또는 HECVD 방법 또는 광 CVD 방법과 같은 또 다른 방법에 의해 분해되고, 최종 성분은 미세결정 p 도핑된 실리콘 층의 형태로 부착한다.
기판 온도는 예를 들어, 50도 및 300도 사이일 수 있다.
데포지팅 층은 2 nm 내지 100 nm, 바람직하게는 5 nm 내지 30 nm, 특히 바람직하게는 10nm 내지 20 nm의 층 두께를 가지고 있다.
다음 단계에서, 본 발명에 따라 미세결정 실리콘층이 HWCVD 방법에 의해 부착된다. 놀랍게도, HWCVD 방법에 의한 미세결정 실리콘의 층의 데포지션은 개방회로전압 및 충실도에서의 증가를 유발하고 따라서, 태양 전지의 효율을 향상시키는 것을 결과를 가져온다는 것이 발견되었다. HWCVD 방법에 의해 부착된 층의 층 두께는 2 nm 내지 200nm, 바람직하게는 5nm 내지 50nm이고, 특별히 바람직하게는 10nm 내지 20nm일 수 있다.
상술된 층의 데포지션에 대하여, 수소를 포함하는 가스 및 SiH4, 메틸 실란, 디메틸 실란, 트리메틸 실란, 테트라메틸 실란, 디실란, 트리실란, 또는 HSiCl3, H2SiCl2, H3SiCl1, SiCl4와 같은 할로실란 또는 상응하는 불소 화합물일 수 있는 실리콘 함유 화합물이 사용된다.
본 발명에 따른 방법 단계를 수행하기 위해, 파라미터는 다음에 같은 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
와이어 재료: 텅스텐, 탄탈, 그래파이트, 레늄, 또는 오스뮴, 또는 고융점 재료.
와이오 온도: 1200도 내지 2200 도 (또는 바람직하게는 1500도 내지 1800도)
기판 온도: < 400도 (pin에서는, <300도 )
압력: 1 Pa 내지 100 Pa (또는 바람직하게는 2 Pa 내지 10 Pa)
수소 희석: 수소내 0.1% 내지 20% 실란
(HWCVD에 의해 생성된) 이러한 파라미터에 따라 생성된 층은 2 nm 내지 200nm, 바람직하게는, 5 nm 내지 20nm의 두께를 가지고 있고 0%를 초과하는 결정도를 가지고 있다.
기판 온도는 50도 및 300도 사이에 있는 것이 바람직하고, 특별히 바람직하게는 150도 및 200도 사이이다.
가스 농도는 예를 들어, 수소에 비교하여, 0.1 내지 10% 실란 또는 실리콘 함유 화합물이다.
전체 압력 범위는 1Pa 내지 100Pa 사이이다.
중간층으로서 적용된 이러한 미세결정 실리콘 층에 의해 전체 태양 전지는 보다 높은 개방회로전압 및 보다 높은 충실도를 가지게 되어 보다 높은 효율을 가지게 된다. 이러한 층은 p 도핑된 층에 적용된 미세결정 i 층의 일부를 형성한다.
절대 효율은 0.8%까지 증가되고, 개방회로전압은 최대 25mV만큼, 충실도는 최대 3%만큼 증가된다.
추가 단계에서, 바람직하게는 PECVD 방법을 사용함으로써, 추가 미세결정 실리콘 i 층이 부착된다. 이러한 방법 단계에서, 다른 방법에서와 동일하게, HWCVD, 스퍼터링, 또는 광 CVD와 같은 대안의 방법이 사용될 수 있다.
원리상, 데포지션은 중간층의 데포지션에서와 동일한 성분을 사용하여 수행될 수 있다.
데포지션에 대하여 사용된 화합물은 수소 및 SiH4, 디실란, 트리실란, 또는 HSiCl3, H2SiCl2, H3SiCl1, SiCl4와 같은 할로실란 또는 상응하는 불소 화합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는 그룹으로부터의 적어도 하나의 성분이다.
이러한 층은 20%를 초과하는 결정도를 갖는 것이 바람직하다.
실란 농도 또는 실리콘 함유 화합물의 농도는 예를 들어, 0.1% 내지 100%일 수 있다. 수소의 존재는 선택사항이다.
온도 범위는 바람직하게는 50 내지 400도, 특별히 바람직하게는 pin 층 시퀀스에 대하여 150도 내지 200도, 또는 nip 층 시퀀스에 대하여 150도 내지 250도이다.
전체 압력은 예를 들어, 0.2 hPa 및 20hPa 사이이다.
PECVD 방법에 의해 부착된 미세결정 i 층의 층 두께는 0.2 ㎛와 10㎛ 사이인 것이 바람직하고, 특히 바람직하게는 0.5 ㎛와 2 ㎛인 것이 바람직하다.
i 층의 특징은 다음과 같다.
PECVD(RF, VHF, 마이크로파등)에 의해 생성된다.
두께: 0.5 ㎛ 내지 5㎛인 것이 바람직하다.
결정도: >20%
HWCVD 방법 및 PECVD 방법을 사용하여 부착된 층은 종래기술에 따른 i층과 비교하여 보다 높은 개방 온도 전압, 보다 높은 충실도 및 보다 높은 효율을 허용하는 미세결정 실리콘의 i 층을 형성한다.
n 층은 i 층상에 부착된다.
n 층은 비정질 또는 미세결정일 수 있다.
이를 위해, 실리콘 데포지팅 화합물, 선택적으로 수소 및 n 도핑을 유발하는 성분을 포함하는 가스 혼합물이 사용된다.
이 실리콘 데포지팅 성분으로서 사용된 성분은 예를 들어, SiH4, 메틸 실란, 디메틸 실란, 트리메틸 실란, 테트라메틸 실란, 또는 HSiCl3, H2SiCl2, H3SiCl1, 또는 SiCl4일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 포스핀이 n 도핑 화합물로서 사용될 수 있다.
n 도핑된 층의 데포지션은 예를 들어, PECVD 방법, 광 CVD 방법, 스퍼터링, 또는 HECVD 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
n 층의 층 두께는 5nm 와 50nm 사이인 것이 바람직하고, 특히 바람직하게는 10nm 와 30nm 사이이다.
바람직한 코팅 온도는 100도와 400도 사이이다.
전체 압력은 보통 0.2 hPa와 20 hPa 사이이다.
가스 상태에서의 실리콘 함유 화합물의 농도는 0.1% 와 100% 사이이다.
포스핀은 실란 또는 실리콘 함유 화합물과 비교하여 0.1%와 5% 사이인 것이 바람직한 농도 범위에서 사용된다.
각 경우에 퍼센트 값은 볼륨 퍼센트를 나타낸다.
최상위층, 즉, pin에 대하여 n 층 및 nip에 대하여 p층은 보통 반사층으로 코팅된다. 이러한 반사층은 예를 들어, Ag 또는 Al로 제조된 금속층 및 TCO 층으로 구성될 수 있다.
본 발명은 또한 적어도 한번 본 발명에 따른 층 시퀀스를 포함하는 층의 스택을 포함한다.
본 발명은 또한 다음의 패턴을 갖는 층 시퀀스를 포함한다.
A) 미세결정 p층,
HWCVD 방법에 의해 적용된 미세결정 진성 실리콘층,
PECVD에 의해 적용된 i 층, 및
미세결정 또는 비정질 n 층 또는 다음을 포함하는 박막 태양 전지:
- 투명 기판,
- TCO 층,
- 미세결정 p 층,
- HWCVD 방법에 의해 적용된 미세결정 진성 실리콘층,
- PECVD 방법에 의해 적용된 i 층,
- 미세결정 또는 비정질 n 층, 및
- 반사층.
B) 미세결정 n층,
HWCVD 방법에 의해 적용된 미세결정 진성 실리콘층,
PECVD에 의해 적용된 i 층, 및
미세결정 또는 비정질 p 층 또는 다음을 포함하는 박막 태양 전지:
- 투명 기판,
- TCO 층,
- 미세결정 n 층,
- HWCVD 방법에의해 적용된 미세결정 진성 실리콘층,
- PECVD 방법에 의해 적용된 i 층,
- 미세결정 또는 비정질 p 층, 및
- 반사층.
p, n, 및 TCO 층은 종래의 것이고, 여기에 설명된 파라미터 및 생성 방법에 제한되지 않는다.
5 내지 50nm 두께의 진성 HW 층이 VHF-PECVD에 의해 ZnO 기판상에 부착된 p 층상에 부착되었다. 이러한 층은 1650도의 와이어 온도, 3.5Pa 및 수소내의 2 내지 10% 실란, 1 내지 2 Å/s의 데포지션 속도로 부착되었다. 태양 전지의 생성은 높은 성장 속도에서 VHF-PECVD에 의해 i 층의 데포지션과 함께 계속되었다. 따라서 개방회로전압은 20mV만큼, 충실도는 2%만큼, 그리고 절대 효율은 0.8% 만큼 증가되었다.
본 발명에 따른 태양 전지의 유익한 특징은 도면에 도시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중간층이 있는 pin 태양 전지 및 상기 중간층이 없는 pin 태양 전지의 개방회로전압을 비교한 도면이다.
i 층 데포지션에 대한 실란 농도는 횡좌표상에 %로 플로팅되어 있다.
세로좌표는 취득된 개방회로전압을 mV로 나타내고 있다.
원은 본 발명에 따른 중간층이 없는 태양 전지를 나타내고, 삼각형은 본 발명에 따른 중간층을 가진 태양 전지를 나타낸다. 개방회로전압은 본 발명에 따라 증가되는 것을 볼 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 중간층을 가진 pin 태양 전지 및 상기 중간층을 갖지 않는 pin 태양 전지의 충실도를 비교한 도면이다.
i 층 데포지션에 대한 실란 농도는 횡좌표상에 %로 플로팅되어 있다.
세로좌표는 취득된 충실도를 %로 도시하고 있다.
원은 본 발명에 따른 중간층이 없는 태양 전지를 나타내고, 삼각형은 본 발 명에 따른 중간층을 가진 태양 전지를 나타낸다. 충실도는 본 발명에 따라 증가되는 것을 볼 수 있다.

Claims (23)

  1. pin 또는 nip 층 시퀀스가 생성된 박막 태양 전지 생성 방법에 있어서,
    a) 미세결정 p 층 또는 n 층,
    b) HWCVD 방법에 의해 적용된 미세결정 실리콘층,
    c) 미세결정 i 층,
    d) p 층이 상기 a) 층으로 존재하는 경우에는 n 층, 그리고 n 층이 상기 a) 층으로 존재하는 경우에는 p 층이 연속으로 부착되고,
    상기 d) 층은 미세결정 또는 비정질인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 b) 층은 2nm 내지 200nm의 층 두께로 적용되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 b) 층은 5 nm 내지 50 nm의 층 두께로 적용되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 b) 층은 10 nm 내지 20 nm의 층 두께로 적용되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 한항에 있어서, 상기 b) 층의 부착을 위해, SiH4, 디실란, 트리실란, 또는, HSiCl3, H2SiCl2, H3SiCl1, 또는 SiCl4와 같은 할로실란을 포함하는 그룹으로부터의 실리콘 화합물의 적어도 하나의 성분이 사용되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  6. 제1항 내지 제5항중 어느 한항에 있어서,
    상기 HWCVD 방법에서, 텅스텐, 탄탈, 그래파이트, 레늄, 또는 오스뮴을 포함하는 그룹으로부터의 재료로 구성된 와이어가 사용되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  7. 제1항 내지 제6항중 어느 한항에 있어서,
    상기 b) 층을 생성하기 위한 와이어는 1200 도 내지 2200 도의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  8. 제1항 내지 제7항중 어느 한항에 있어서,
    상기 b) 층의 생성에서의 기판 온도는 400도 미만인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  9. 제1항 내지 제8항중 어느 한항에 있어서,
    상기 b)층의 생성에서의 프로세스 압력은 1 Pa 내지 100 Pa인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 프로세스 압력은 2 Pa 내지 10 Pa인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  11. 제1항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 실란 또는 실리콘 함유 화합물의 가스 농도는 부피에 대해 0.1 % 내지 20%인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  12. 제1항 내지 제11항중 어느 한항에 있어서, 상기 기판 온도는 50 도와 300 도 사이인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 기판 온도는 150도 와 200도 사이인 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 생성 방법.
  14. 층 시퀀스에 있어서,
    미세결정 p 층,
    HWCVD 방법에 의해 적용된 미세결정 실리콘층,
    PECVD 방법에 의해 적용된 미세결정 i 층, 및
    미세결정 또는 비정질 n 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 층 시퀀스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 HWCVD 방법에 의해 적용된 미세결정 실리콘층은 제2항 내지 제13항의 방법중 하나에 따라 적용된 층인 것을 특징으로 하는 층 시퀀스.
  16. 제14항 또는 제15항중 어느 한항에 있어서,
    상기 미세결정 p 층은 투명 매체에 적용된 TCO 층상에 배치되는 것을 특징으로 하는 층 시퀀스.
  17. 제14항 내지 제16항중 어느 한항에 있어서,
    상기 n 층상에 반사층 또는 추가층의 스택이 배치되는 것을 특징으로 하는 층 시퀀스.
  18. 층 시퀀스에 있어서,
    미세결정 n 층,
    HWCVD 방법에 의해 적용된 미세결정 실리콘층,
    PECVD 방법에 의해 적용된 미세결정 i 층, 및
    미세결정 또는 비정질 p 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 층 시퀀스.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 HWCVD 방법에 의해 적용된 미세결정 실리콘층은 제2항 내지 제13항의 방법중 하나에 따라 적용된 층인 것을 특징으로 하는 층 시퀀스.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 미세결정 n 층은 투명 매체에 적용된 TCO 층상에 배치되는 것을 특징으로 하는 층 시퀀스.
  21. 제18항 내지 제20항중 어느 한항에 있어서,
    상기 p 층상에 반사층 또는 추가층의 스택이 배치되는 것을 특징으로 하는 층 시퀀스.
  22. 제14항 내지 제21항중 어느 한항에 있어서, 층 시퀀스를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
  23. 제1항 내지 제13항중 어느 한항에 따라 생성된 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지.
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