KR20080065460A - 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘광기전력 변환소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법에 관한 것으로서, 비정질 실리콘 박막을 형성하고 그 측단면부에 금속층을 형성하여 상기 비정질 실리콘 박막을 수평적으로 다결정화를 진행하는 금속 유도 결정화 방법을 이용한 저온 다결정 실리콘 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 결정의 모양과 그 성장 방향을 조절할 수 있어 전류의 흐름을 개선한 저온 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있다.
금속유도 결정화, 광기전력 변환소자, 비정질 실리콘, 다결정, 태양전지
Description
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 금속유도 결정화법을 이용한 광기전력 변환소자의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 금속 유도 결정화법을 이용한 광기전력 변환소자의 제조방법을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 금속 유도 결정화법을 이용한 광기전력 변환소자의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
｛도면의 주요부분에 대한 부호의 설명｝
201 : 글래스 기판 202 : 절연막
203 : 비정질 실리콘 박막 204 : 마스크
205 : 금속층 206 : 다결정 실리콘 박막
본 발명은 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 적어도 한개 층 이상 형성하고, 상기 비정질 실리콘 박막에 노출된 측단면부를 적어도 하나 이상 형성하며, 상기 측단면부에 금속층을 형성하여 상기 비정질 실리콘 박막을 수평적으로 결정화하는 과정을 포함하는 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 광기전력 변환소자로서, 태양으로부터 지구에 전달되는 빛에너지를 전기에너지로 변환하여 에너지를 생산하는 청정 에너지원이며 이미 이에 대하여 수십 년간 많은 연구가 진행되어 오고 있다. 태양전지 등을 이용한 태양광발전은 신 재생 에너지를 이용하여 환경의 파괴를 일으키지 않고 그 에너지원을 어디에서든지 얻을 수 있다는 장점으로 인해 차세대 청정 에너지원으로서의 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 태양광 발전용으로 널리 상용화되어 있는 Si 단결정 태양전지는 고가의 웨이퍼 사용으로 인한 높은 제조 단가로 인하여 그 사용이 제한받고 있다. 이러한 문제를 해결하고 원재료의 비용을 절감하면서도 고효율과 고신뢰도를 얻을 수 있는 박막형 태양전지의 개발을 위해 여러 가지 시도들이 제안되고, 연구되고 있다.
그 중에서 투명한 유리 기판 위에 형성된 다결정 Si 박막을 이용하여 비정질 Si에서보다 태양전지 셀 내에서 carrier의 이동을 현저하게 증가시키는 방법이 설득력을 얻고 있다.
이 셀 구조는 유리와 Si막 사이에 투명전극막(TCO: transparent conducting oxide)을 사용하지 않고 Si막 자체에서 충분한 전류 전도도를 가지게 함으로써 투명전도막을 대신하여 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.
유리의 변형 온도 이하에서 유리 기판 위에 이러한 뛰어난 성질의 다결정 Si를 제조하기 위해서는 비정질 Si의 저온 결정화가 이상적인 방법으로 알려져 있다.
저온 다결정 Si의 제조 방법들 중에서, 유리의 변형을 초래되는 것을 방지할 수 있는 방법은 (1) 엑시머 레이저(Excimer Laser)를 이용하는 ELA 방법과 (2) 금속을 이용해서 비정질 Si을 낮은 온도에서 결정화를 유도하는 금속유도 결정화법(Metal Induced Crystallization, MIC)으로 나눌 수 있다.
하지만, ELA 방법은 태양전지 셀에 이용되기에는 낮은 균일도와 높은 제조단가로 인해 제한된다.
이와 대조적으로 금속유도 결정화법에서는 특정한 금속을 비정질 Si 막에 증착시킨후 열처리를 가하여 참가된 금속들이 촉매제 역할을 함으로써 Si의 결정화가 진행된다. 이 방법으로는 높은 균일도를 낮은 제조 단가에서 얻을 수 있는 장점을 가진다.
금속유도 결정화법은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 금속을 sputtering 이나 implantation으로 비정질 Si박막의 표면에 참가하여 유리의 변형 온도 아래에서 열처리를 가해줌으로써 Si의 결정화를 이루는 방법이다.
특히 Ni를 이용할 경우 비교적 낮은 온도에서도 Si의 결정화가 가능하며 결정질이 우수한 다결정 Si을 제작하는 것으로 알려져 있다.
다결정 Si의 제조는 Ni와 Si 결합체인 NiSi2상이 비정질 Si 방향으로의 이동과 함께 후미에 결정질 Si을 계속 성장시킴으로써 이루어진다.
최근에는 금속 유도 결정화법의 변형된 방법으로써 비정질 Si 박막 표면 위의 일부 범위에 금속막을 만들어 이 금속 패턴으로부터 Si의 결정화가 시작되는 방법이 이용되고 있다.
도 1은 그러한 종래의 금속유도 결정화법을 이용하여 다결정 실리콘 박막 태양전지를 제조하는 방법을 순차로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)의 다층구조 상에 적층되거나 일부 패터닝된 니켈 금속층에 의해 니켈 입자가 확산되어 Ni와 Si 결합체인 NiSi2상이 형성되는 단계와 이로 인해 결정질 실리콘이 성장되는 과정을 나타내고 있다.
하지만 이러한 기존의 방법들로부터 제조되는 다결정 Si막은 태양전지에 적용되기에는 여러 가지 제한점들을 가지고 있다.
일반적인 금속 유도 결정화법으로 제조되는 다결정 Si은 그 결정 크기와 결정입계면에서 발생하는 결함 수가 Si막의 두께에 따라 민감하게 영향을 받는 문제가 있다.
그리고 비결정 Si의 상 혹은 하 표면에 증착된 금속막에서부터 결정 성장이 시작되므로, 그 성장은 수평과 수직 방향으로 무질서하게 진행되며 그 성장 방향을 조절할 수 없는 난점이 있고, 그 결과로 생성된 각각 다른 크기와 형태의 결정들이 접촉하면서 그 입계면에서 많은 결함들이 생성되어진다.
또한 다결정 Si 박막형 태양전지에서 산화막과 면해 있는 Si이 TCO의 역할을 대신하기 위해서는 수평 방향으로의 높은 전도도가 요구되지만, 진행방향에 존재하는 많은 수의 결정입계면과 결함들로 인해 전류 전도도 값이 감소하게 된다.
본 발명의 목적은 수평 방향의 금속 유도 결정화법을 이용하여 저온 다결정 Si막을 제조함으로써 실리콘 박막 내에서 전류 전도도를 증가시키고 누설 전기의 양을 급격히 감소시켜 다결정 실리콘 태양전지의 효율을 향상시키는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 수평방향으로의 금속 유도 결정화를 이룰 수 있는 실리콘 박막형 태양전지의 제조 공정을 제안하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법은 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 적어도 한개 층 이상 형성하는 단계와, 상기 비정질 실리콘 박막에 노출된 측단면부를 적어도 하나 이상 형성하는 단계와, 상기 측단면부에 금속층을 형성하여 상기 비정질 실리콘 박막을 수평적으로 결정화하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 상기 기판과 비정질 실리콘 박막 사이에 절연막을 형성하는 단 계를 더 추가할 수 있다. 절연막은 비정질 실리콘 결정화 공정에서 기판의 불순물이 비정질 실리콘 박막으로 침투하는 것을 방지하기 위하여 형성될 수 있는데, 산화절연막(SiOx)나 질화절연막(SiNx)이 이용될 수 있다.
본 발명에서는 상기 기판 상에 형성된 비정질 실리콘 박막에 금속이온을 주입하는 단계를 더 추가하여 금속 유도에 의한 결정화를 더 촉진시킬 수 있다.
상기 금속층이나 금속이온의 금속은 알루미늄, 니켈, 코발트 등의 전이금속류가 가능한데, 특히 니켈(Ni)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비정질 실리콘 박막은 상부에 마스크층을 형성하는 단계를 더 추가할 수 있다.
본 발명에서 상기 비정질 실리콘 박막 또는 상부에 마스크층이 더 형성된 비정질 실리콘 박막의 측단면부는 레이저 스크라이빙(Laser Scribing)법에 의해 라인 형태로 패터닝되어 형성될 수 있으며, 상기 측단면부는 상기 비정질 실리콘 박막을 V자형, U자형, 또는 사각형의 형태로 제거하여 노출시킨다.
노출된 측단면부에 금속층을 적층하되, 금속층의 두께는 나노미터 수준의 범위로서 특히 바람직하게는 1 내지 100nm일 수 있지만 반드시 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에서 상기 비정질 실리콘 박막을 수평적으로 결정화할 때 전기장 또는 자기장을 가한 상태에서 열처리하여 결정화를 촉진할 수 있다.
열처리는 글래스 기판이 변질되지 않는 범위의 온도 내에서 이루어져야 할 것인데, 특히 400℃ 내지 550℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 비정질 실리콘 박막을 수평적으로 결정화하는 단계 후에 결함 어닐링(defect annealing) 단계 또는 수소 패시베이션(hydrogen passivation) 단계를 더 추가할 수 있다.
본 발명에서 제안되는 금속 유도 결정화법에 의하면 비결정 Si의 상하면이 아닌 측면에서부터 결정화가 수평 방향으로 진행되고, 그 결정의 크기와 형태들은 일정하게 제어되는 특징을 가진다.
그러한 실리콘 결정의 형태는 결정화의 진행방향인 수평방향이기 때문에 수평방향의 길이가 수직방향의 길이에 비해 아주 길게 성장하는 칼럼(column)모양을 지니고 있다.
실리콘 박막의 수평 방향으로는 결정입계면의 수와 그로 인한 결함 수가 크게 감소된다.
측면에서부터 수평하게 진행되는 Si의 결정 성장에 의해 실리콘 박막 내의 결함수는 박막 두께에 상관없이 조절될 수 있다.
특히 절연막에 접해 있는 실리콘 박막층으로 얻어질 수 있는 수평 방향으로의 전류 전도도는, 본 발명에서 제안된 결정화법에 의해 전류의 진행 방향에서 만나는 결정입계면의 수가 크게 감소함으로써, 그 값이 크게 개선되어진다.
초기 Si의 결정화를 시작하기 위해 공급되어지는 금속층뿐만 아니라 계속적으로 결정화의 진행을 돕기 위한 또 다른 금속의 공급이 이루어짐으로써 그 결정화의 속도를 촉진하고 조절할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 금속 유도 결정화법을 이용한 광기전력 변환소자의 제조방법을 나타낸 단면도이다.
즉, 금속 유도 결정화법에 의한 저온 다결정 Si 태양전지의 제조에서 Si 결정의 모양과 그 성장 방향을 조절하기 위해 제안된 공정도이다.
먼저, 유리 기판(201)상에 증착된 절연막(SiNx, SiOx)(202)위에 화학기상증착법(Chemical vapor deposition,CVD)을 이용해서 다층 구조의 비정질 실리콘막(203)들을 증착시킨다(도 2의 (a)). 이들 Si막들은 다른 도핑의 종류와 그 농도에 따라 p와 n층 모두 혹은 각각의 도핑만을 포함하며 그 도핑의 배열은 태양전지의 구조에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
이들 비정질 Si막에 미세한 양의 Ni를 ion implantation이나 sputtering을 이용하여 주입한다(도 2의 (b)). 이 공정으로 주입된 금속의 양은 최적의 조건에서 존재해야 한다. 그 최적 조건은 열처리 동안 Si 내에서 확산(diffusion)을 통해 서로 결합하여 뚜렷한 핵 생성을 통한 자체적인 Si 결정화를 이루지 않을 만큼 적어야 하지만, 이후 측면의 금속으로부터 진행되어 오는 Si 결정화에 추가적인 Ni 양을 제공하고 이를 통해 수평 방향으로의 결정화를 촉진할 만큼 그 양이 충분해야 한다.
미세한 양의 Ni가 주입된 후 비정질Si의 전 표면은 다음 단계에서 이루어질 부분적인 Ni막 증착을 통한 측면으로부터의 결정화를 위해 마스크(mask)(204)로 덮여진다 (도 2의 (c)).
그런 다음 유리 기판 위에 증착된 Si과 마스크층들의 일부분은 소자 설계를 위해 레이저 스크라이빙(Laser scribing)법에 의해 라인 형태(line pattern)로 제거된다 (도 2의 (d)).
도 2를 참조하면, 제거된 부분은 완만한 valley의 형태를 이루며 그 지름은 일반적으로 수십 mm에서 제어된다. 그리고 이들 valley사이의 잔여 Si막의 넓이는 수십 mm에서부터 증가하는 값으로 조절 가능하다.
마스크(204)로 덮여진 비정질 실리콘 박막의 표면을 제외하고 레이저 스크라이빙법에 의해 제거된 부분의 측면은 마스크로 보호되지 않은 비정질 실리콘 박막이다. 이 비정질 실리콘 박막의 측면을 따라 금속층(205), 특히 니켈 금속층이 스퍼터링(sputtering)이나 CVD 장비로부터 증착되어진다(도 2의 (e)). 일반적으로 이러한 금속층은 나노미터 수준의 두께로 증착되는데 수십 나노미터가 바람직할 것이다.
이 니켈 금속층(205)에 근접한 비정질 Si막으로부터 NiSi2상의 형성과 Si의 핵 생성을 거쳐서 결정 실리콘 성장이 발생되고 반대편 측면으로의 수평 성장이 점진적으로 이루어진다(도 2의 (f) 및 (g)). 이때 비정질 실리콘 박막 속으로 진행하 는 결정질 실리콘 박막(206)의 경계면에는 비정질에 이미 주입되어졌던 Ni이온으로부터 계속적인 금속의 공급이 이루어져 실리콘의 다결정의 수평성장을 촉진시킨다. 이 실리콘 결정이 수평 방향으로 충분히 성장되어져서 이웃한 실리콘의 측면에서 시작되어 같은 수평 방향으로 성장되어 오는 결정 실리콘과 만나는 경우에 도달하면 결정화는 멈추게 된다(도 2의 (h)).
그 다음으로 결함 어닐링(defect annealing) 단계 또는 수소 패시베이션(hydrogen passivation) 단계를 거치면서 태양전지의 이용 가능한 양질의 다결정 실리콘 박막(206)이 제조된다(도 2의 (i)).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 금속 유도 결정화법을 이용한 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 태양전지의 제조방법은 비정질 실리콘 박막을 기판 상에 적층하는 과정(S301), 금속이온 특히 Ni이온을 스퍼터링 또는 임플랜테이션하는 과정(S302), 그 위에 마스킹하는 과정(S303), 레이저 스크라이빙법으로 비정질 실리콘 박막을 패터닝하는 과정(S304), 패터닝 부위에 금속층 특히 Ni층을 증착하는 과정(S305), 마스크를 제거하고(S306) 전기장 또는 자기장 인가상태에서의 열처리(S307)하여 실리콘 박막의 다결정화를 완결하는 과정(S308)으로 진행된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 실리콘 박막의 측단면에 금속층의 증착을 통해 실리콘 결정의 모양과 진행 방향을 조절함으로써 저온 실리콘 박막 내에서 결함을 감소시킬 수 있다. 그로 인해 실리콘 내의 전류 전도도를 증가시키고 누설 전류의 뚜렷한 감소를 가져온다. 특히, 결정성의 향상에 의한 실리콘막내에서의 수평 전류 전도도의 증가는 실리콘막 자체로써 투명전도층을 대신하는 것이 가능하다. 본 발명에 의하면, 높은 광전 변환 효율을 갖는 태양전지 소자를 낮은 비용에 제조 가능하다.
Claims (10)
- 기판 상에 비정질 실리콘 박막을 적어도 한개 층 이상 형성하는 단계;상기 비정질 실리콘 박막에 노출된 측단면부를 적어도 하나 이상 형성하는 단계; 및상기 측단면부에 금속층을 형성하여 상기 비정질 실리콘 박막을 수평적으로 결정화하는 단계를 포함하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 기판과 비정질 실리콘 박막 사이에 절연막을 형성하는 단계를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 기판 상에 형성된 비정질 실리콘 박막에 금속이온을 주입하는 단계를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
- 제 1항 또는 제3항에 있어서, 상기 금속은 니켈인 것을 특징으로 하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 박막은 상부에 마스크층을 형성하는 단계를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
- 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 박막 또는 상부에 마스크층이 더 형성된 비정질 실리콘 박막의 측단면부는 레이저 스크라이빙(Laser Scribing)법에 의해 라인 형태로 패터닝되어 형성되는 것을 특징으로 하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 측단면부는 상기 비정질 실리콘 박막을 V자형, U자형, 또는 사각형의 형태로 제거하여 노출시키는 것을 특징으로 하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 박막을 수평적으로 결정화하는 단계는 전기장 또는 자기장을 가한 상태에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 열처리는 450℃ 내지 550℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 박막을 수평적으로 결정화하는 단계 후에 결함 어닐링(defect annealing) 단계 또는 수소 패시베이션(hydrogen passivation) 단계를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 수평 금속 유도 결정화를 이용한 저온 다결정 실리콘 광기전력 변환소자의 제조방법.
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