KR20100031090A - 태양 전지 분야용 웨이퍼 및 박막을 위한 미세결정질 실리콘 합금 - Google Patents

태양 전지 분야용 웨이퍼 및 박막을 위한 미세결정질 실리콘 합금 Download PDF

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Abstract

태양 전지를 형성하는 방법 및 장치가 제공된다. 탄소, 산소 및 질소를 포함하는 도프 결정질 반도체 합금이 박막 태양 전지를 위한 전하 수집 층으로서 사용된다. 반도체 합금 층은 반도체 소오스 화합물과 공동-성분 소오스 화합물을 처리 챔버로 제공하고 기판 상에 층을 증착하도록 가스를 이온화함으로써 형성된다. 합금 층은 개선된 굴절 지수의 제어, 폭넓은 광학적 밴드갭, 높은 전도율, 및 산소 침식 저항을 제공한다.

Description

태양 전지 분야용 웨이퍼 및 박막을 위한 미세결정질 실리콘 합금 {MICROCRYSTALLINE SILICON ALLOYS FOR THIN FILM AND WAFER BASED SOLAR APPLICATIONS}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 태양 전지와 그 제조 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시예들은 박막 및 결정질 태양 전지에 있어서의 층 구조에 관한 것이다.
결정질 태양 전지 및 박막 태양 전지는 두 형태의 태양 전지이다. 결정질 태양 전지는 통상적으로 단결정질 기판(즉, 순수 실리콘의 단일 결정질 기판) 또는 다결정질 실리콘 기판(즉, 폴리 결정질 또는 폴리실리콘)을 사용한다. 추가의 필름 층이 상기 실리콘 기판 상에 증착되어 전기 회로로부터 광 캡쳐를 개선하며 상기 소자들을 보호한다. 박막 태양 전지는 하나 또는 그보다 많은 p-n 접합을 형성하도록 적합한 기판 상에 증착되는 얇은 층의 재료를 사용한다. 적합한 기판은 유리, 금속, 및 폴리머 기판을 포함한다.
태양 전지의 경제적인 용도를 확대하기 위해, 효율이 개선되어야 한다. 태양 전지 효율은 유용한 전력으로 변환되는 입사 방사선의 비율과 관련이 있다. 더 많은 분야에 사용될 수 있게 하기 위해서 태양 전지 효율은 현재 최고 성능의 대략 15%를 초과하도록 개선되어야 한다. 에너지 비용이 증가함에 따라, 개선된 박막 태양 전지와 이를 공장 환경하에서 제조하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
본 발명의 실시예들은 태양 전지 제조 방법을 제공한다. 몇몇 실시예들은 전도체 층을 기판 상에 형성하고, 상기 전도체 층 상에 p형 도프 비정질 또는 결정질 층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 몇몇 실시예들은 또한 비정질 또는 진성 반도체 층, n형 도프 비정질 또는 결정질 층, 버퍼 층, 변성 도프 층, 및 전도체 층을 포함할 수도 있다. 제 2 전도체 층이 n형 도프 결정질 층 상에 형성될 수 있다.
대체 실시예들은 전도체 층을 기판 상에 형성하는 단계, 제 1 도프 결정질 반도체 합금 층을 상기 전도체 층 상에 형성하는 단계, 및 제 2 도프 결정질 반도체 합금 층을 상기 제 1 도프 결정질 반도체 합금 층 상에 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 형성 방법을 제공한다. 몇몇 실시예들은 또한 도프 비정질 또는 결정질 반도체 층, 버퍼 층, 변성 도프 층, 및 전도체 층을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들은 또한 탠덤-접합 구조에 제 3 및 제 4 도프 결정질 반도체 합금 층을 포함한다.
추가의 실시예들은 반사 층을 반도체 기판 상에 형성하는 단계, 및 결정질 접합부를 상기 반사 층 상에 형성하는 단계를 포함하며, 상기 반사 층이 하나 또는 그보다 많은 결정질 반도체 합금 층을 포함하는 태양 전지 제조 방법을 제공한다.
전술한 본 발명의 특징들이 더 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 개략적으로 요약한 본 발명에 대해 일부만이 첨부 도면에 도시되어 있는 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 그러나, 첨부 도면은 단지 본 발명의 전형 적인 실시예만을 도시한 것이므로 본 발명의 범주를 제한하는 것이라 생각해서는 않되며 다른 동등한 유효한 실시예들이 있을 수 있다고 이해해야 한다.
이해를 용이하게 하기 위해, 도면에서 공통적인 동일한 구성 요소를 나타내기 위해 가능하다면 동일한 도면 부호가 사용되었다. 일 실시예에 설명된 구성 요소들은 특별히 언급하지 않더라도 다른 실시예들에서 유리하게 이용될 수 있다고 이해해야 한다.
박막 태양 전지는 다수의 다른 방식으로 함께 적층될 수 있는 다수 형태의 필름과 결합된다. 그러한 소자들에 사용된 대부분의 필름은 실리콘, 게르마늄 등과 같은 반도체 소자와 결합된다. 상이한 필름의 특성에는 결정질화 정도, 도펀트 형태 및 품질, 그리고 전도율을 포함한다. 대부분의 그러한 필름들은 어느 정도의 이온화 또는 플라즈마 형성을 포함할 수 있는 화학 기상 증착 공정들에 의해 형성될 수 있다.
태양 전지에 사용되는 필름
전하 생성은 일반적으로 실리콘 층과 같은 벌크(bulk) 반도체 층에 의해 제공된다. 벌크 층은 또한 때때로, 태양 전지 내에 존재하는 다양한 도프 층들과 구별하기 위해 진성(intrinsic) 층으로도 지칭된다. 진성 층은 광 흡수 특성에 영향을 주는 어떤 소정의 결정화도를 가질 수 있다. 예를 들어, 비정질 실리콘과 같은 비정질 진성 층은 일반적으로 상이한 정도의 결정화도를 갖는 진성 층으로부터 상이한 파장에서 광을 흡수한다. 이러한 이유로, 대부분의 태양 전지는 광범위한 잠 재적 흡수 특성을 생성하기 위해 두 형태의 층을 사용한다. 몇몇의 경우에, 진성 층은 두 층들 사이에 광학 또는 전기적 특성의 보다 유연한 전이를 제공하기 위해 두 개의 별개 형태의 층들 사이에서 버퍼 층으로서 사용될 수 있다.
실리콘과 다른 반도체들이 다양한 결정도를 갖는 솔리드(solid) 내에 형성될 수 있다. 필수적으로 결정질을 갖지 않는 솔리드는 비정질이며, 무시할만한 결정질을 갖는 실리콘은 비정질 실리콘으로 지칭된다. 완전한 결정질 실리콘은 결정질, 폴리결정질, 단결정질 실리콘으로 지칭된다. 폴리결정질 실리콘은 입계에 의해 분리된 다수의 결정 입자 내측에 형성되는 결정질 실리콘이다. 단결정질 실리콘은 단결정 실리콘이다. 부분 결정질, 즉 약 5% 내지 약 95% 범위의 결정질 분율을 갖는 솔리드는 일반적으로 비정질 상 내에 현탁되는 결정 입자의 크기를 지칭하는 나노결정질 또는 미세결정질로 지칭된다. 커다란 결정 입자를 갖는 솔리드는 미세결정질로 지칭되는 반면에, 보다 작은 결정 입자를 갖는 솔리드는 나노결정질로 지칭된다. 용어, 결정질 실리콘은 미세결정질 및 나노결정질 실리콘을 포함하는 결정질 상을 갖는 어떤 형태의 실리콘을 지칭한다.
벌크 실리콘 층들은 일반적으로 실리콘 소오스 화합물을 기판을 포함하는 처리 챔버로 제공함으로써 형성된다. 기판은 일반적으로 실리콘 소오스 화합물에의 노출을 위해 처리 챔버 내의 지지대 상에 배열된다. 실리콘 소오스 화합물을 포함하는 가스 혼합물이 챔버로 유입된다. 다수의 경우에, 실리콘 소오스 화합물은 실란이나, 치환형 실란, 올리고(oligo)- 또는 폴리-실란 및 시클릭(cyclic) 실란과 같은 다른 화합물도 사용될 수 있다. 적합한 실리콘 소오스 화합물은 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 사불화 실리콘(SiF4), 사염화 실리콘(SiCl4) 및 디클로로실란((SiH2Cl2))이다. 수소 가스는 가스 혼합물 내의 수소 대 실리콘 비율에 의해 일반적으로 증감하는 결정화도를 제어하기 위해 제공될 수 있다. 불활성 가스도 반응물을 희석 또는 농축함으로써 전체 반응을 제어하는데 사용될 수 있다. 반응물은 또한 반응 비율을 증가시키고 필름 형성에 필요한 온도를 낮추기 위해 이온화에 의해 활성화될 수 있다. 벌크 실리콘 또는 반도체는 진성 반도체와 다른 특성을 가지며 도프된 "외인성(extrinsic)" 반도체와 구별하기 위해 종종 "진성" 반도체라 지칭된다.
진성 실리콘 층은 실란과 수소 가스를 포함하는 가스 혼합물을 기판을 포함하고 있는 처리 챔버로 제공함으로써 몇몇 실시예에서 형성될 수 있다. 가스 혼합물은 약 0.5 제곱센치미터 당 반응 체적의 리터(sccm/L) 내지 약 1000 sccm/L 범위의 유동로 제공되며, 수소 대 실란의 비율은 약 5 : 1 내지 약 500 : 1, 또는 그보다 높을 수 있다. 반응 체적은 일반적으로 반응이 내부에서 수행되는 처리 챔버에 의해 한정된다. 다수의 실시예에서, 반응 챔버는 챔버의 벽, 기판 지지대, 및 일반적으로 기판 지지대 위에 배열되는 가스 분배기에 의해 한정된다. 수소 가스 대 실란의 비율은 이론적으로 제한적이지 않지만, 그 비율이 소정의 반응에서 증가하면 증착율은 실란이 반응 속도를 제한할 수 있기 때문에 감소된다. 약 50 또는 그미만의 수소 대 실란 비율로 수행되는 증착은 비정질 실란 층의 증착을 초래할 수 있다. 12 미만의 비율에서, 상기 층은 일반적으로 비정질이다. 약 30% 미만의 결정질을 갖는 실리콘 층이 일반적으로 비정질이라 지칭된다. 약 100 또는 그보다 높은 수소 실란 비율로 수행된 증착은 일반적으로 약 60% 또는 그보다 높은 결정질 분율을 갖는 증착 필름을 초래한다. 정확한 전이점은 당연히 온도와 압력과 같은 다른 반응 조건에 의존할 것이다. 몇몇 실시예에서, 증착된 필름의 상이한 부분에서 결정질 분율을 조절하기 위해 증착 중에 상기 비율을 변화시키는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 증착 중의 반응 조건을 변경함으로써 한 번의 증착으로 벌크 실리콘 층과 버퍼 층을 증착하는 바람직할 수 있다.
챔버 압력은 약 0.1 torr 내지 약 100 torr 범위로 유지될 수 있다. 보다 높은 압력은 일반적으로 증착 비율과 결정화 정도를 촉진시키나 반응물의 소정의 이온화 정도를 유지하기 위해 보다 높은 전력이 요구된다. 따라서, 약 4 torr 내지 약 12 torr 범위의 압력이 대부분의 실시예에서 바람직하다. 약 15 밀리와트 당 제공센치의 기판 면적(mW/㎠) 내지 약 500 mW/㎠ 범위의 RF 전력의 인가는 일반적으로 100 Å/분 또는 그보다 더 양호한 비율로의 진성 실리콘의 증착을 초래한다.
진성 비정질 실리콘 층은 수소 가스 대 실란 가스의 가스 혼합물을 약 20 : 1 또는 그보다 적은 비율로 제공함으로써 증착될 수 있다. 실란 가스는 약 0.5 sccm/L 내지 약 7 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 수소 가스는 약 5 sccm/L 내지 60 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 15 mW/㎠ 내지 약 250 mW/㎠ 범위의 RF 전력이 샤워헤드로 제공될 수 있다. 챔버의 압력은 약 0.1 torr 내지 20 torr, 바람직하게 약 0.5 torr 내지 약 5 torr 범위로 유지될 수 있다. 진성형 비정질 실리콘 층의 증착율은 약 100 Å/분 또는 그보다 높을 수 있다. 예시적인 실시예에서 진성형 비정질 실리콘층은 약 12.5 : 1의 수소 대 실란 비율로 증착된다.
p-i 버퍼형 진성 비정질 실리콘(PIB) 층은 수소 대 실란 가스의 가스 혼합물을 예를 들어 30 : 1 미만과 같은 약 50 : 1 또는 그보다 적은, 예를 들어 약 25 : 1과 같은 약 20 : 1 내지 약 30 : 1의 비율로 제공됨으로써 증착될 수 있다. 실란 가스는 약 2.3 sccm/L과 같은 약 0.5 sccm/L 내지 약 5 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 수소 가스는 약 20 sccm/L 내지 약 65 sccm/L 범위와 같은 약 5 sccm/L 내지 약 80 sccm/L 범위, 예를 들어 약 57 sccm/L의 유동률로 제공된다. 약 30 mW/㎠와 같은 15 mW/㎠ 내지 약 250 mW/㎠ 범위의 RF 전력이 샤워헤드로 제공될 수 있다. 챔버의 압력은 약 0.1 torr 내지 20 torr, 바람직하게 약 3 torr와 같은 약 0.5 torr 내지 약 5 torr 범위로 유지될 수 있다. PIB 층의 증착율은 약 100 Å 또는 보다 클 수 있다.
진성형 미세결정질 실리콘 층이 약 20 : 1 내지 약 200 : 1 범위의 수소 대 실란의 비율로 실란 가스와 수소 가스의 가스 혼합물을 제공함으로써 증착될 수 있다. 실란 가스는 약 0.5 sccm/L 내지 약 약 5 sccm/L 범위의 유동율로 제공될 수 있다. 수소 가스는 약 40 sccm/L 내지 약 400 sccm/L 범위의 유동율로 제공될 수 있다. 어떤 실시예에서, 실란 유동율은 증착 중에 제 1 유동율로부터 제 2 유동율로 램프 업(ramp up)될 수 있다. 어떤 실시예에서, 실란 유동율은 증착 중에 제 1 유동율로부터 제 2 유동율로 램프 다운(ramp down)될 수 있다. 약 1 torr 내지 약 100 torr, 바람직하게 3 torr 내지 약 20 torr, 더 바람직하게 약 4 내지 약 12 torr 범위의 챔버 압력에서, 약 300 mW/㎠ 또는 그보다 큰, 바람직하게 600 mW/㎠ 또는 그보다 큰 범위의 RF 전력 인가로 일반적으로 약 20% 내지 약 80%, 바람직하게 55% 내지 약 75% 범위의 결정질 분율을 갖는 진성형 미세결정질 실리콘 층을 약 200 Å/분 또는 그보다 높은, 바람직하게 약 500 Å/분의 비율로 증착할 것이다. 몇몇 실시예에서, 증착 중에 제 1 전력 밀도로부터 제 2 전력 밀도로 인가된 RF 전력의 전력 밀도를 증가시키는 것이 바람직하다.
진성형 미세결정질 실리콘 층은 각각 상이한 결정 분율을 가지는 다중 단계로 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 수소 대 실란의 비율은 100 : 1로부터 95 : 1로, 그리고 90 : 1로 그리고 나서 85 : 1의 비율로 4 단계로 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 실란 가스는 약 0.97 sccm/L과 같은 약 0.1 sccm/L 내지 약 5 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 수소 가스는 약 80 sccm/L 내지 105 sccm/L와 같은 약 10 sccm/L 내지 약 200 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 증착이 다단계, 예를 들어 4 단계로 수행되는 예시적인 실시예에서, 수소 가스는 제 1 단계에서 약 97 sccm/L로 시작되어 다음의 연속 단계에서 각각, 약 92 sccm/L, 88 sccm/L, 및 83 sccm/L로 점차적으로 감소될 수 있다. 약 9 torr와 같은 약 4 torr 내지 약 12 torr 범위와 같은 예를 들어, 약 3 torr 내지 약 20 torr 범위와 같은 약 1 torr 내지 약 100 torr 범위의 챔버 압력에서, 약 490 mW/㎠와 같은 약 300 mW/㎠ 또는 그보다 높은 RF 전력의 인가는 400 Å/분과 같은 약 200 Å/분 또는 그보다 높은 비율로 진성형 미세결정질 실리콘 층의 증착을 초래할 것이다.
전하 수집은 일반적으로 p형 도프 또는 n형 도프된 실리콘 층과 같은 도프된 반도체 층에 의해 제공된다. p형 도펀트는 일반적으로 붕소 또는 알루미늄과 같은 3족 원소들이다. n형 도펀트는 일반적으로 인, 비소, 또는 안티몬과 같은 5족 원소들이다. 대부분의 실시예에서, 붕소가 p형 도펀트로서 사용되며 인이 n형 도펀트로서 사용된다. 이들 도펀트는 반응 혼합물 내에 붕소 함유 또는 인 함유 화합물을 포함함으로써 전술한 층에 첨가될 수 있다. 적합한 붕소 및 인 화합물은 일반적으로 치환형 및 미치환형 보다 적은 붕소 및 포스핀 올리고머를 포함한다. 몇몇 적합한 붕소 화합물은 트리메틸보론[(B(CH3)3 또는 TMB], 비보란(B2H6), 보론 트리플루오라이드(BF3), 및 트리에틸보론[B(C2H5)3 또는 TEB]를 포함한다. 포스핀은 가장 일반적인 인 화합물이다. 도펀트는 일반적으로 수소, 헬륨, 아르곤과 같은 캐리어 가스, 및 다른 적합한 가스로 제공된다. 수소가 캐리어 가스로서 사용되면, 반응 혼합물 내에 전체 수소로 첨가된다. 따라서 수소 비율은 도펀트용 캐리어 가스로서 사용되는 수소를 포함할 것이다.
도펀트는 일반적으로 불활성 가스 내에 희석 가스 혼합물로서 제공될 것이다. 예를 들어, 도펀트는 캐리어 가스 내에 약 0.5%의 몰랄 또는 체적 농도로 제공될 수 있다. 도펀트가 1.0 sccm/L로 유동하는 캐리어 가스 내에 0.5 %의 체적 농도로 제공되면, 결과적인 도펀트 유동률은 0.005 sccm/L일 것이다. 도펀트는 소 정의 도핑 정도에 따라 약 0.0002 sccm/L 내지 약 0.1 sccm/L 사이의 유동률로 반응 챔버에 제공될 것이다. 일반적으로, 도펀트 농도는 약 1018 원자/㎠ 내지 약 1020 원자/㎠ 범위로 유지된다.
P형 미세결정질 실리콘 층은 예를 들어, 약 250 : 1 내지 약 800 : 1인 1000 : 1 또는 그 미만과 같은 약 200 : 1 또는 그보다 높은, 추가의 예로서 약 601 : 1 내지 약 401 : 1의 수소 대 실란의 비율을 갖는 수소 가스와 실란 가스의 가스 혼합물을 제공함으로써 증착될 수 있다. 실란 가스는 약 0.2 sccm/L 내지 약 0.38 sccm/L과 같은 약 0.1 sccm/L 내지 약 0.8 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 수소 가스는 143 sccm/L과 같은 약 60 sccm/L 내지 약 500 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. TMB는 0.00115 sccm/L과 같은 약 0.0002 sccm/L 내지 약 0.0016 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. TMB가 캐리어 가스 내에 0.5% 몰랄 또는 체적 농도로 제공되면, 도펀트/캐리어 가스 혼합물은 0.23 sccm/L과 같은 약 0.04 sccm/L 내지 약 0.32 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 약 7 torr 또는 약 9 torr와 같은, 약 1 torr 내지 약 100 torr, 바람직하게 약 3 torr 내지 약 20 torr, 더 바람직하게 약 4 torr 내지 약 12 torr 범위의 챔버 압력에서, 약 290 mW/㎠ 내지 약 440 mW/㎠와 같은 약 50 mW/㎠ 내지 약 700 mW/㎠ 범위의 RF 전력의 인가에 의해 약 143 Å/분 또는 그보다 높은 비율과 같은 약 10 Å/분 또는 그보다 높은 비율에서, 미세결정질 층을 위한 약 20% 내지 약 80%, 바람직하게 약 50% 내지 약 70% 범위의 결정질 분률을 갖는 P형 미세결정질 층을 증 착할 것이다.
p형 비정질 실리콘 층은 약 20 : 1 또는 그 미만의 비율을 갖는 수소 가스 대 실란 가스의 가스 혼합물을 제공함으로써 증착될 수 있다. 실란 가스는 약 1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 수소 가스는 약 5 sccm/L 내지 약 60 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 트리메틸보론은 약 0.005 sccm/L 내지 약 0.05 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 트리메틸보론이 0.5% 몰랄 또는 체적 농도의 캐리어 가스 내에 제공되면, 도펀트/캐리어 가스 혼합물은 약 1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 약 0.1 torr 내지 20 torr, 바람직하게 약 1 torr 내지 약 4 torr 범위의 챔버 압력에서 약 15 mW/㎠ 내지 약 200 mW/㎠ 범위의 RF 전력 인가에 의해 약 100 Å/분 또는 그보다 높은 비율로 p형 비정질 실리콘 층을 증착할 것이다.
n형 미세결정질 실리콘 층은 예를 들어, 약 304 : 1 또는 약 203 : 1과 같은, 또는 약 150 : 1 내지 약 400 : 1과 같은, 또는 500 : 1 또는 그 미만과 같은 약 100 : 1 또는 그보다 큰 비율을 갖는 수소 가스 대 실란 가스의 가스 혼합물을 제공함으로써 증착될 수 있다. 실란 가스는 예를 들어, 약 0.35 sccm/L인 약 0.32 sccm/L 내지 약 0.45 sccm/L 범위와 같은 약 0.1 sccm/L 내지 약 0.8 sccm/L 범위의 비율로 제공될 수 있다. 수소 가스는 예를 들어, 약 71.43 sccm/L인 약 68 sccm/L 내지 약 143 sccm/L 범위와 같은 약 30 sccm/L 내지 약 250 sccm/L 범위의 비율로 제공될 수 있다. 포스핀은 예를 들어, 약 0.005 sccm/L인 약 0.0025 sccm/L 내지 약 0.015 sccm/L 범위와 같은 약 0.0005 sccm/L 내지 약 0.006 sccm/L 범위의 비율로 제공될 수 있다. 환언하면, 포스핀이 캐리어 가스 내에 0.5 몰랄 또는 체적 농도로 제공되면, 도펀트/캐리어 가스는 예를 들어, 약 0.9 sccm/L 내지 약 1.088 sccm/L인 약 0.5 sccm/L 내지 약 3 sccm/L 범위와 같은 약 0.1 sccm/L 내지 약 5 sccm/L 범위의 비율로 제공될 수 있다. 약 6 torr 또는 약 9 torr인 약 1 torr 내지 약 100 torr, 바람직하게 약 3 torr 내지 약 20 torr, 더 바람직하게 약 4 torr 내지 약 12 torr 범위의 챔버 압력에서, 약 370 mW/㎠와 같은 약 100 mW/㎠ 내지 약 900 mW/㎠ 범위의 RF 전력의 인가에 의해 약 150 Å/분 또는 그보다 높은 비율과 같은 약 50 Å/분 또는 그보다 높은 비율에서, 약 20% 내지 약 80%, 바람직하게 약 50% 내지 약 70% 범위의 결정질 분률을 갖는 n형 미세결정질 실리콘 층을 증착할 것이다.
n형 비정질 실리콘 층은 약 5.5 : 1 또는 7.8 : 1과 같은 약 20 : 1 또는 그 미만의 비율을 갖는 수소 가스 대 실란 가스의 가스 혼합물을 제공함으로써 증착될 수 있다. 실란 가스는 예를 들어, 약 1.42 sccm/L 또는 5.5 sccm/L인, 약 1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L, 약 0.1 sccm/L 내지 약 5 sccm/L, 또는 약 0.5 sccm/L 내지 약 3 sccm/L과 같은 약 0.1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 수소 가스는 예를 들어, 약 6.42 sccm/L 또는 27 sccm/L인, 약 4 sccm/L 내지 약 40 sccm/L, 또는 약 1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L 범위와 같은 약 1 sccm/L 내지 약 40 sccm/L 범위의 유동률로 제공될 수 있다. 포스핀은 예를 들어 약 0.0095 sccm/L 또는 0.023 sccm/L인 약 0.0005 sccm/L 내지 약 0.0015 sccm/L 또는 0.015 sccm/L 내지 약 0.03 sccm/L 범위와 같은 약 0.0005 sccm/L 내지 약 0.075 sccm/L 범위의 비율로 제공될 수 있다. 포스핀이 캐리어 가스 내에 0.5% 몰랄 또는 체적 농도로 제공되면, 도펀트/캐리어 가스는 예를 들어, 약 1.9 sccm/L 또는 약 4.71 sccm/L인, 약 0.1 sccm/L 내지 약 3 sccm/L, 약 2 sccm/L 내지 약 15 sccm/L, 또는 약 3 sccm/L 내지 약 6 sccm/L 범위와 같은 약 0.1 sccm/L 내지 약 15 sccm/L의 비율로 제공될 수 있다. 약 1.5 torr와 같은 약 0.1 torr 내지 약 20 torr, 바람직하게 약 0.5 torr 내지 약 4 torr 범위의 챔버 압력에서, 약 60 mW/㎠ 또는 약 80 mW/㎠와 같은 약 25 mW/㎠ 내지 약 250 mW/㎠ 범위의 RF 전력의 인가에 의해 예를 들어, 약 300 Å/분 또는 약 600 Å/분인, 약 200 Å/분 또는 그보다 높은 비율과 같은 약 100 Å/분 또는 그보다 높은 비율로 n형 비정질 실리콘 층을 증착할 것이다.
몇몇 실시예에서, 층들은 예를들어, 전술한 예의 상부에 있는 비율인 높은 비율로 도펀트 화합물을 공급함으로써 밀집되게 도프 또는 변성되게 도프될 수 있다. 변성 도핑(degenerate doping)이 낮은 저항의 접촉 접합을 제공함으로써 전하 수집을 개선한다고 생각된다. 변성 도핑 또한 비정질 층과 같은 몇몇 층의 전도율을 개선한다고 생각된다.
몇몇 실시예에서, 산소, 탄소, 질소, 및 게르마늄과 같은 다른 원소들과 실리콘의 합금이 유용할 수 있다. 이들 다른 원소들은 각각의 소오스에 의해 반응 가스 혼합물을 보충함으로써 실리콘 필름에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 탄소는 메탄(CH4)와 같은 탄소 소오스를 가스 혼합물에 첨가함으로써 상기 필름에 첨가될 수 있다. 이와는 달리, 본 기술분야에 알려진 유기실란, 유기실록산, 유기실란올 등과 같은 유기실리콘 화합물이 실리콘과 탄소 소오스로서의 역할을 할 수 있다. 시릴게르만(silylgermans) 또는 게르밀실란(germylsilanes)과 같은 실리콘과 게르마늄을 포함하는 화합물과 함께, 게르만과 유기게르만과 같은 게르마늄 화합물이 게르마늄 소오스로서의 역할을 할 수 있다. 산소 가스(O2)가 산소 소오스로서의 역할을 할 수 있다. 다른 산소 소오스는 질소 산화물(N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4, N2O5, 및 NO3), 과산화수소(H2O2), 일산화탄소 또는 이산화탄소(CO, CO2), 오존(O3), 산소 원자, 산소 라디칼, 및 알콜(ROH, 여기서 R은 유기 또는 헤테로-유기 라디칼 족임)이 포함되나, 이에 한정되지는 않는다. 질소 소오스는 N2, NH3, N2H2, 아민(RXNR'3 -X, 여기서 X는 0 내지 3, 그리고 각각 R과 R'는 무관한 어떤 유기 또는 헤테로-유기 라디칼 족임), 아미드[(RCO)XNR'3 -X, 여기서 X는 0 내지 3, 그리고 각각 R과 R'는 무관한 어떤 유기 또는 헤테로-유기 라디칼 족임), 이미드[(RCONCOR', 여기서 각각 R과 R'는 무관한 어떤 유기 또는 헤테로-유기 라디칼 족임), 에나민(R1R2C=C3NR4R5, 여기서 각각 R1- R5는 무관한 어떤 유기 또는 헤테로-유기 라디칼 족임), 및 질소 원자와 라디칼이 포함될 수 있다.
다수의 실시예에 있어서 전술한 층들의 증착을 위한 기판 및/또는 반응 챔버를 준비하기 위해 예비 세정 공정이 사용될 수 있음을 주목해야 한다. 수소 또는 아르곤 플라즈마 예비 처리 공정이 수소 가스 또는 아르곤 가스를 예를 들어 약 20 sccm/L 내지 약 36 sccm/L 범위인, 약 15 sccm/L 내지 약 40 sccm/L 범위와 같은 약 10 sccm/L 내지 약 45 sccm/L 범위로 수소 가스 또는 아르곤 가스를 처리 챔버로 공급함으로써 기판 및/또는 챔버 벽으로부터 오염물을 제거하도록 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 수소 가스는 약 21 sccm/L로 공급될 수 있으며, 아르곤 가스는 약 36sccm/L로 공급될 수 있다. 상기 처리는 수소 처리를 위해 예를 들어, 60 mW/㎠ 또는 80 mW/㎠인 약 25 mW/㎠ 내지 약 250 mW/㎠ 범위와 같은 약 10 mW/㎠ 내지 약 250 mW/㎠ 범위의 RF 전력 및 아르곤 처리를 위해 약 25 mW/㎠의 RF 전력을 인가함으로써 달성된다. 다수의 실시예에서, p형 비정질 실리콘 층을 증착하기 이전에 아르곤 플라즈마 예비 처리 공정을 수행하고 다른 형태의 층을 증착하기 이전에 수소 플라즈마 예비 처리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
태양 전지 실시예
본 발명의 실시예는 개선된 효율을 갖는 박막 및 결정질 태양 전지를 형성하는 방법 및 장치를 제공한다. 이후의 실시예에서, 다수 층의 증착이 전술한 방법에 따라 수행된다. 이후의 실시예에 설명된 층들은 다른 실시예의 필요에 따라 어떤 종래 기술의 두께로 형성될 수 있다. n형 도프 층은 일반적으로 예를 들어, 약 300 Å인, 약 200 Å 내지 약 500 Å와 같은 약 100 Å 내지 약 1000 Å 범위의 두께를 가질 것이다. p형 도프 층은 일반적으로 예를 들어, 약 200 Å인, 약 150 Å 내지 약 250 Å와 같은 약 50 Å 내지 약 300 Å 범위의 두께를 가질 것이다. 전도체 층은 일반적으로 예를 들어, 약 8000 Å인, 약 5000 Å 내지 약 11000 Å와 같은 약 500 Å 내지 약 20000 Å 범위의 두께를 가질 것이다. 진성 층은 일반적 으로 예를 들어, 약 3000 Å인, 약 2000 Å 내지 약 4000 Å와 같은 약 1000 Å 내지 약 10000 Å 범위의 두께를 가질 것이다. PIB 층은 일반적으로 예를 들어, 약 200 Å인, 약 100 Å 내지 약 300 Å와 같은 약 50 Å 내지 약 500 Å 범위의 두께를 가질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일-접합 박막 태양 전지(100)의 개략적인 측면도이다. 태양 전지(100)는 상부에 형성된 박막을 갖는, 유리 기판, 폴리머 기판, 금속 기판, 또는 다른 적합한 기판과 같은 기판(101)을 포함한다. 전도체 층(104)은 기판(101) 상에 형성된다. 전도체 층(104)은 바람직하게 투명 전도체 산화물(TCO)과 같이 실질적으로 투명하다. 본 발명에서 설명하는 모든 실시예에서, TCO 층은 주석 산화물, 아연 산화물, 인듐 주석 산화물, 주석산(stannate) 카드뮴, 이들의 조합물, 또는 다른 적합한 재료를 포함할 수 있으며, 또한 추가의 도펀트와 성분들도 포함할 수 있다. 예를 들어, 아연 산화물은 추가로, 알루미늄, 갈륨, 붕소, 및 다른 적합한 도펀트를 포함할 수 있다. 아연 산화물은 바람직하게, 5 원자% 또는 그 미만의 도펀트, 및 더 바람직하게 2.5 원자% 또는 그 미만의 알루미늄도 포함한다. 어떤 예에서, 기판(101)은 이미 형성된 전도체 층(104)을 갖는 유리 제작자에 의해 제공될 수 있다. 광 반사를 감소시킴으로써 광 흡수를 개선하기 위해, 기판 및/또는 기판 위에 형성된 하나 또는 그보다 많은 박막이 선택적으로 습윤화, 플라즈마, 이온, 및/또는 기계적 공정에 의해 조직화될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 전도체 층(104)은 조직화되고(textured) 그 위에 증착된 이후의 박막이 일반적으로 아래 표면의 포토그래피를 따를 것이다.
변성 도프된 p형 비정질 실리콘 층(106)이 전도체 층(104) 위에 형성된다. p형 비정질 실리콘 합금 층(108)은 변성 도프된 p형 비정질 실리콘 층(106) 위에 형성된다. PIB 층(110)은 p형 비정질 실리콘 합금 층(108) 위에 형성된다. 진성 비정질 실리콘 층(112)이 상기 PIB 층(110) 위에 형성된다. n형 비정질 실리콘 층(114)이 진성 비정질 실리콘 층(112) 위에 형성된다.
태양 전지의 상부 접촉 층(118)을 형성하기 이전에, n형 결정질 실리콘 합금 층(116)이 n형 비정질 실리콘 층(114) 위에 형성된다. n형 결정질 실리콘 합금 층(116)은 미세결정질, 나노결정질, 또는 폴리결정질일 수 있으며, 그 밖에 설명한 방법을 사용하여 형성될 수 있다. n형 결정질 실리콘 합금 층(116)은 탄소, 산소, 질소, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 이는 단일 균질 층, 하나 또는 그보다 많은 개선된 특성을 갖는 단일 층, 또는 다중 층으로서 증착될 수 있다. 개선된 특성은 결정질화도, 도펀트 농도, 합금 재료 농도, 또는 유전체 상수, 반사율, 전도율, 또는 밴드갭(bandgap)과 같은 다른 특성을 포함할 수 있다. n형 결정질 실리콘 합금 층은 n형 실리콘 카바이드 층, n형 실리콘 산화물 층, n형 실리콘 질화물 층, 및 n형 실리콘 산질화물 층, n형 실리콘 산탄화물 층, 또는 n형 실리콘 산탄화물 층일 수 있다.
n형 결정질 실리콘 합금 층(116) 내의 2차 성분의 양은 화학량론전 비율로부터 약간까지 벗어날 수 있다. 예를 들어, n형 실리콘 카바이드 층은 약 1 원자% 내지 약 50 원자% 범위의 탄소를 가질 수 있다. n형 실리콘 질화물 층은 유사하게, 약 1 원자% 내지 약 50 원자%의 질소를 가진다. n형 실리콘 산화물 층 은 약 1 원자% 내지 약 50 원자%의 산소를 가진다. 하나 이상의 2차 성분을 포함하는 합금에서, 2차 성분의 함량은 약 1 원자% 내지 약 50 원자% 범위이며, 탄소 함량은 50 원자% 내지 99 원자% 범위일 수 있다. 2차 성분의 양은 처리 챔버 내에서 전구체 가스의 비율을 조절함으로써 조절될 수 있다. 상기 비율은 층진 구조물을 형성하거나 개선된 단일 층을 형성하는 단계에서 조절될 수 있다.
메탄(CH4)은 n형 미세결정질 실리콘 카바이드 층을 형성하도록 n형 미세결정질 실리콘 층을 위한 반응 혼합물에 첨가될 수 있다. 일 실시예에서, 메탄 가스 유동률 대 실란 유동률의 비율은 예를 들어, 약 0.25인 약 0.20 내지 약 0.35 범위와 같은 약 0 내지 약 0.5 범위이다. 공급시 메탄 가스 대 실란의 상기 비율은 증착된 박막 내의 탄소량을 조절하도록 변화될 수 있다. 박막은 각각 상이한 탄소 함량을 갖는 다수의 층으로 증착될 수 있거나, 상기 탄소 함량은 증착 층을 통해 연속적으로 조절될 수 있다. 또한, 탄소 및 도펀트 함량은 상기 층 내에서 조절되는 동시에 개선될 수 있다. 다수의 층으로 박막을 증착하는 것이 유리한데, 이는 상이한 굴절 지수를 갖는 다중 층이 중간 및 장파장 범위에서 상기 층의 반사율을 현저히 개선하는 브래그 반사기(bragg reflector)로서 작동할 수 있기 때문이다.
상부 접촉 층(118)의 근처에 형성된 n형 결정질 실리콘 합금 층(116)은 태양 전지 실시예에 여러 장점을 제공한다. 상기 층은 상당히 높은 전도성과 조절가능한 밴드갭 및 굴절 지수를 가진다. 예를 들어, 미세결정질 실리콘 카바이드는 60% 이상의 결정질 분률, 2 eV 이상의 밴드갭 폭, 및 0.1 지멘스(siemens) 당 센치미터(S/cm) 이상의 전도율을 개선한다. 또한, 10 % 미만의 두께 편차로 150 내지 200 Å/분의 비율로 증착될 수 있다. 밴드갭과 굴절지수는 반응 혼합물 내의 메탄 대 실란의 비율을 변경함으로써 조절될 수 있다. 조절가능한 굴절지수는 넓은 밴드갭을 갖는 높은 전도성의 반사층을 형성할 수 있어서 전류 및 충전 인자를 개선한다.
상부 접촉 층(118)은 일반적으로 Al, Ag, Ti, Cr, Au, Cu, Pt, 이들의 합금, 또는 이들의 조합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 재료를 포함하는 층과 같은 금속 층일 수 있는 전도체 층이다. 이와는 달리, 상부 접촉 층(118)은 금속/TCO 스택 층과 같은 금속 층 위에 형성되는 투명 전도체 산화물(TCO) 층일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탠덤-접합 박막 태양 전지(200)의 개략적인 측면도이다. 도 1의 기판(101)과 유사한 기판(201)은 그 위에 형성된 도 1의 전도체 층(104)과 유사한 전도체 층(204)을 가진다. 도 1의 대응 층(106,108)과 유사한 변성 및 정상 도프된 P형 비정질 실리콘 층(206,208)이 다음에 형성되고 그 후에 제 1 PIB 층(210)이 형성된다. 진성 비정질 실리콘 층(212)이 형성되고, 다음에 n형 비정질 실리콘 층(214)이 형성된다. 제 1 n형 결정질 실리콘 합금 층(216)은 제 1 전지를 완성하도록 n형 비정질 실리콘 층(214) 위에 형성된다. n형 결정질 실리콘 합금 층(216)은 탠덤-접합 박막 태양 전지(200)의 제 1 p-i-n 접합의 n층을 형성한다.
도 2의 실시예는 전하 생성을 증대시키기 위한 두 개의 p-i-n 접합을 특징으 로 하며, p형 결정질 실리콘 합금 층(218)은 제 2 전지를 시작하기 위해 n형 결정질 실리콘 합금 층(216) 위에 형성된다. PIB 층(220) 및 진성 결정질 실리콘 층(222) 이후에, 제 2 n형 결정질 실리콘 합금 층(224)이 도 1의 태양 전지(100)의 구조와 유사하게, 접촉 층(226)을 형성하기 이전에 형성된다. 결정질 층들을 특징으로 하는 대부분의 실시예에 대해, 미세결정질 형태(morphology)가 바람직하지만, 나노결정질, 모노결정질 및 폴리결정질 층도 사용될 수 있다.
도 2의 실시예에서, n형 결정질 실리콘 합금 층은 두 가지 역할, 즉 반사 후면 접촉 층 및 접합 층으로서의 역할을 한다. 접합 층으로서 상기 합금 층(212)을 포함하는 것은 태양 전지에 의해 장파장 광의 흡수를 증대시키며 단락 전류를 개선하여, 양자(quantum)와 변환 효율을 개선한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 접합 박막 태양 전지의 개략적인 측면도이다. 도 3의 실시예는 도 1의 층(114)과 같은 변성 도프된 층 대신에, p형 비정질 실리콘 층과 상부 TCO 층 사이에 p형 결정질 실리콘 합금 층을 포함한다는 점에서 도 1과 상이하다. 따라서 도 3의 실시예는 상부에 TCO 층과 같은 전도체 층(304)이 형성되는 기판(301)을 포함한다. 전술한 바와 같이, p형 결정질 실리콘 합금 층(306)은 전도체 층(304) 위에 형성된다. p형 결정질 실리콘 합금 층(306)은 낮은 도핑, 일반적으로 변성 도프된 층의 굴절 지수보다 낮은 조절가능한 굴절 지수, 높은 전도성, 및 포함된 합금 성분에 의한 산소 침식에 대하 저항성으로 인해 개선된 밴드갭을 가진다. p-i-n 형 접합은 p형 비정질 실리콘 층(308), PIB 층(310), 진성 비정질 실리콘 층(312), 및 n형 비정질 실리콘 층(314)을 형성함으 로써 p형 결정질 실리콘 합금 층(306) 위에 형성된다. 도 1의 전도체 층(118)과 유사한, 금속 또는 금속/TCO 스택일 수 있는 n형 결정질 실리콘 합금 층(316)과 전도체 층(318)을 가지는, 전술한 실시예들과 유사하게 도 3의 태양 전지(300)가 완성된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탠덤 접합 박막 태양 전지(400)의 개략적인 측면도이다. 도 4의 실시예는 변성 도프된 p형 비정질 실리콘 층(206)을 대체하는, 전도체 층(204)과 p형 비정질 실리콘 합금 층(208) 사이에 제 1 p형 결정질 실리콘 합금 층을 포함한다는 점에서 도 2의 실시예와 상이하다. 따라서 도 4의 실시예는 전도체 층(404), 제 1 p형 결정질 실리콘 합금 층(406), p형 비정질 실리콘 합금 층(408), 및 상기 합금 층에 형성되는 제 1 PIB 층(410)을 가지는, 전술한 실시예의 기판들과 유사한 기판(401)을 포함한다. 제 1 p형 결정질 실리콘 층(406)은 도 2의 변성 도프된 p형 비정질 실리콘 층(206)을 대체한다. 탠덤 접합 박막 태양 전지(400)의 제 1 p-i-n 접합은 진성 비정질 실리콘 층(412), n형 비정질 실리콘 층(414), 및 PIB 층(410) 위의 제 1 N형 결정질 실리콘 합금 층(416)을 형성함으로써 완성된다.
그 후 제 2 p-i-n 접합이 제 1 p-i-n 접합 위에 형성되는데, 상기 제 1 p-i-n 접합은 제 2 p형 결정질 실리콘 합금 층(418), 제 2 PIB 층(420), 진성 결정질 실리콘 층(422), 및 제 1 n형 결정질 실리콘 합금 층 위에 형성되는 제 2 n형 결정질 실리콘 합금 층(424)을 포함한다. 제 2 p-i-n 접합은 도 2의 태양 전지(200)의 제 2 p-i-n 접합과 유사하다. 태양 전지(400)는 상기 제 2 n형 결정 질 실리콘 합금 층(424) 위에 상부 접촉 층(426)을 추가함으로써 완성된다. 전술한 바와 같이, 상부 접촉 층(426)은 금속 층 또는 금속/TCO 스택 층일 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 결정질 태양 전지(500)의 개략적인 측면도이다. 도 5의 실시예는 결정질 실리콘 합금 층(504)이 상부에 형성되는 반도체 기판(502)을 포함한다. 결정질 실리콘 합금 층(504)은 전술한 방법 및 실시예 중의 어느 하나에 따라 형성되며 단일 합금 층 또는 조합 또는 다층 스택일 수 있다. 결정질 실리콘 합금 층(504)은 전술한 바와 같이 조절가능한 낮은 굴절 지수를 가지며, 반사도를 개선하도록 구조화될 수 있어서, 결정질 실리콘 합금 층(504)이 상부에 형성되는 결정질 태양 전지(506)를 위한 후면 반사기 층으로서의 역할을 한다. 도 5의 실시예에서, 결정질 실리콘 합금 층(504)이 층 구조물에 따라 종래의 두께로 형성될 수 있다. 단일 층 실시예는 예를 들어, 약 1500 Å인 약 1000 Å 내지 약 2000 Å 범위와 같은 약 500 Å 내지 약 5000 Å 범위의 두께를 가진다. 다층 구조물은 각각 약 100 Å 내지 약 1000 Å 범위의 두께를 갖는 복수의 층들을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예들은 모든 층들이 결정질 층인 박막 태양 전지를 특징으로 한다. 도 8은 다른 실시예에 따른 탠덤-접합 박막 태양 전지의 개략적인 측면도이다. 도 8의 실시예는 결정질 층으로부터 형성되는 두 개의 단순한 p-i-n 접합을 특징으로 한다. 따라서 도 8의 실시예는 전술한 실시예들과 유사하게 전도체 층(804)이 상부에 형성되는 기판(801)을 포함한다. 전도체 층(804) 위에 형성되는 제 1 p-i-n 접합은 제 1 p형 결정질 실리콘 합금 층(806), 상기 p형 결정질 실리콘 합금 층 위에 형성되는 제 1 진성 결정질 실리콘 합금 층(808), 및 상기 제 1 진성 결정질 실리콘 합금 층 위에 형성되는 제 1 n형 결정질 실리콘 합금 층(810)을 포함한다. 제 2 p-i-n 접합이 제 1 p-i-n 접합 위에 형성되며, 제 2 p형 결정질 실리콘 합금 층(812), 상기 p형 결정질 실리콘 합금 층(812) 위에 형성되는 제 2 진성 결정질 실리콘 합금 층(814), 및 상기 제 1 진성 결정질 실리콘 합금 층(814) 위에 형성되는 제 2 n형 결정질 실리콘 합금 층(816)을 포함한다. 상부 접촉 층(818)은 제 2 p-i-n 접합 위에 형성된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 삼중-접합 박막 태양 전지의 개략적인 측면도이다. 도 9의 실시예는 결정질 층으로부터 형성되는 세 개의 p-i-n 접합을 특징으로 한다. 따라서 도 9의 실시예는 상부에 형성된 제 1 p-i-n 접합을 가지는, 전술한 실시예들과 유사한, 기판(901) 및 전도체 층(904)을 포함한다. 제 1 p-i-n 접합은 제 1 p형 진성 및 n형 결정질 실리콘 합금 층(906,908,910)들을 각각 포함한다. 제 2 p-i-n 접합은 제 1 p-i-n 접합 위에 형성되는, 제 2 p형 진성 및 n형 결정질 실리콘 합금 층(912,914,916)들을 각각 포함한다. 제 3 p-i-n 접합은 제 2 p-i-n 접합 위에 형성되는, 제 3 p형 진성 및 n형 결정질 실리콘 합금 층(918,920,922)들을 각각 포함한다.
도 8 및 도 9의 탠덤 및 삼중 접합 실시예는 다양한 층들 내에 포함되는 합금 재료의 형태에 이용가능한 변형예들을 고려한 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서 하나의 p-i-n 접합 층은 합금 재료로서 카본을 사용할 수 있는 반면에, 다른 p-i-n 접합 층은 게르마늄을 사용한다. 예를 들어, 도 8의 실시예에서 결정질 합 금 층(806,808, 810)은 실리콘과 카본의 합금을 포함할 수 있는 반면에, 상기 층(812,814,816)은 실리콘과 게르마늄 합금을 포함할 수 있다. 유사하게, 도 9의 실시예에서 상기 층(906,908,910,912,914,196)은 실리콘과 카본 의 합금을 포함할 수 있는 반면에, 층(918,920,922)은 실리콘과 게르마늄의 층들을 포함한다. 최종적으로, 도 8 및 도 9의 실시예들은 진성 층들 중의 하나가 합금 층이 아닌 변경예를 고려한 것이다. 예를 들어, 도 8의 대체 실시예에서 층(808)은 은 합금 층이 아닌 진성 결정질 실리콘 층이다. 유사하게, 도 9의 대체 실시예에서 진성 층(914)은 합금 층이 아닌, 진성 결정질 실리콘 층이다. 그러한 변형예는 태양 전지의 흡수 특성을 확대하고 전하 분리 성능을 개선한다.
예들
표 1은 결정질화 정도를 변화시키는 다양한 n형 실리콘 카바이드 층들의 예들을 포함한다. 이들 예는 4,320 ㎠의 면적을 갖는 72 × 60 cm의 기판 상에 50,000 sccm의 수소 가스 유동률과 3 ㎾의 RF 전력에서 증착되었다.
층 형태 CH4 (sccm) SiH4 (sccm) 압력 (torr) H2/SiH4 유동률 D/R (Å/분) 전도율 (S/cm) 광 밴드갭 (eV) 결정질분률 (%) 균질도 (%)
비정질 20 100 4 503 96 3.86×10-5 2.16 0 9.1
결정질 20 100 6 503 154 0.0393 2.10 51 5.4
결정질 20 100 7 503 177 0.302 2.10 55 5.8
결정질 20 100 8 503 186 0.994 2.03 60 5.1
결정질 20 100 9 503 185 2.12 2.02 60 8.2
결정질 20 100 10 503 190 3.18 1.98 61 9.2
결정질 20 100 12 503 163 4.08 1.98 60 13.7
결정질 20 100 9 503 185 2.12 2.02 60 8.2
결정질 25 100 9 503 191 0.775 2.01 56 8.0
결정질 30 100 9 503 174 0.085 2.09 41 5.1
비정질 35 100 9 503 156 --- 2.11 0 7.0
결정질 20 100 9 503 185 2.12 2.02 60 8.2
결정질 20 80 9 629 166 1.83 2.04 62 7.5
결정질 20 67 9 751 131 1.88 2.03 62 5.2
결정질 20 57 9 883 56 3.06 --- 63 2.6
도 1은 고 전도율, 폭넓은 밴드갭, 및 양호한 균질도를 갖는 층을 형성하기 위해 고압 플라즈마 증착 공정을 사용하여 결정질 실리콘 카바이드가 증착될 수 있음을 입증한다.
280Å 미세결정질 실리콘 카바이드 n층으로 구성되는 단일 접합 태양 전지가 13.6 mA/㎠의 단락 전류(Jsc) 및 73.9%의 충전 인자(FF), 13.4%의 양자 효율, 및 9.4%의 변환 효율로 노출되었다. 비교를 위해, 미세결정질 실리콘을 사용한 유사한 태양 전지가 13.2 mA/㎠의 Jsc, 73.6%의 FF, 13.0%의 QE 및 9.0%의 CE에 노출되었다. 추가의 비교를 위해, 80 Å이 변성 도프된 280Å 비정질 실리콘 n-층을 사용하는 유사한 태양 전지가 13.1 mA/㎠의 Jsc, 74.7%의 FF, 12.7%의 QE 및 9.0%의 CE에 노출되었다.
270 Å의 미세결정질 실리콘 카바이드를 포함하는 바닥 전지 n-층, 및 100 Å의 n형 비정질 실리콘 및 250 Å의 n형 미세결정질 실리콘 카바이드를 갖는 탠덤 접합 태양 전지가 구성되었다. 바닥 전지는 700 nm 광에 대해 9.69 mA/㎠의 Jsc 및 58% QE에 노출되었다. 상부 전지는 500 nm 광에 대해 10.82 mA/㎠의 Jsc 및 78% QE에 노출되었다. 270 Å의 n형 미세결정질 실리콘 카바이드를 포함하는 바닥 전지, 및 50 Å의 n형 비정질 실리콘 및 250 Å의 n형 미세결정질 실리콘 카바이드를 갖는 다른 탠덤 태양 전지가 구성되었다. 바닥 전지는 700 nm 광에 대해 9.62 mA/㎠의 Jsc 및 58% QE에 노출되었다. 상부 전지는 500 nm 광에 대해 10.86 mA/㎠의 Jsc 및 78% QE에 노출되었다. 비교를 위해, 270 Å의 n형 미세결정질 실리콘을 포함하는 바닥 전지 n층, 및 200 Å의 n형 비정질 실리콘 및 90 Å의 변성 도프된(n형) 비정질 실리콘을 포함하는 상부 n-층을 갖는 탠덤 접합 태양 전지가 구성되었다. 바닥 전지는 700 nm 광에 대해 9.00 mA/㎠의 Jsc 및 53% QE에 노출되었다. 상부 전지는 500 nm 광에 대해 10.69 mA/㎠의 Jsc 및 56% QE에 노출되었다. 따라서 실리콘 카바이드의 사용으로 양 전지에서 흡수율이 개선되었으며 바닥 전지에서 가장 현저했다.
장치
도 6은 도 1 내지 도 4의 태양 전지와 같은 박막 태양 전지의 하나 또는 그보다 많은 필름이 증착될 수 있는 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 챔버(600)의 일 실시예를 도시하는 개략적인 횡단면도이다. 하나의 적합한 플라즈마 강화 화학 기상 증착 챔버는 미국 산타클라라 소재의 어플라이드 머티리얼즈 인코포레이티드로부터 이용가능하다. 이는 다른 제작자로부터 증착 챔버를 포함하는 다른 증착 챔버들도 본 발명의 실시하는데 이용될 수 있다고 이해해야 한다.
챔버(600)는 일반적으로 기판 처리 공간(606)을 한정하는, 벽(602), 바닥(604), 샤워헤드(610), 및 기판 지지대(630)를 포함한다. 상기 처리 공간은 기판(100)과 같은 기판이 챔버(600)로부터 내외측으로 전달될 수 있도록 밸브(608)를 통해 접근된다. 기판 지지대(100)는 기판을 지지하기 위한 기판 수용면(632) 및 기판 지지대(630)를 상승 및 하강시키도록 리프트 시스템(636)에 연결되는 스템(634)을 포함한다. 샤워 링(633)은 기판(100) 주변부 위에 선택적으로 놓일 수 있다. 리프트 핀(638)은 기판을 기판 수용면(632)으로부터 그리고 기판 수용면으로 이동시키도록 기판 지지대(630)를 통해 이동가능하게 배열된다. 기판 지지대(630)는 또한 소정의 온도로 기판 지지대(630)를 유지하기 위한 가열 및/또는 냉각 소자(639)를 포함할 수 있다. 기판 지지대(630)는 또한 기판 지지대(63)의 주변에서 RF 접지를 제공하기 위한 접지 스트랩(631)도 포함할 수 있다.
샤워헤드(610)는 서스펜션(614)에 의해 주변부에서 후면판(612)에 연결된다. 샤워헤드(610)는 또한 샤워헤드(610)의 평탄도/곡률을 제어 및/또는 쳐짐을 방지하는데 도움을 주도록 하나 또는 그보다 많은 중심 지지대(616)에 의해 후면판에 연결될수도 있다. 가스 소오스(620)는 후면판(612) 및 샤워헤드(610)를 통해 기판 수용면(632)으로 가스를 제공하도록 후면판(612)에 연결된다. 진공 펌프(609)는 소정의 압력으로 처리 공간(606)을 제어하도록 챔버(600)에 연결된다. RF 전력 소오스(622)는 전기장이 샤워헤드와 기판 지지대 사이에 형성되어 플라즈마가 샤워헤드(610)와 기판 지지대(630) 사이의 가스로부터 생성될 수 있도록 RF 전력을 샤워헤드(610)로 제공하기 위해 후면판(612) 및/또는 샤워헤드(610)에 연결된다. 약 0.3 ㎒ 내지 약 200 ㎒ 범위의 주파수와 같은 다양한 RF 주파수가 사용될 수 있다. 일 실시예에서 RF 전력 소오스는 13.56 ㎒의 주파수에서 제공된다.
유도 결합 원격 플라즈마 소오스와 같은 원격 플라즈마 소오스(624)도 가스 소오스와 후면판 사이에 연결될 수 있다. 처리 기판들 사이에서 세정 가스가 원격 플라즈마 소오스(624)에 제공되어 원격 플라즈마가 생성되어 챔버 부품들을 세정하기 위해 제공된다. 세정 가스는 샤워헤드에 제공되는 RF 전력 소오스(622)에 의해 추가로 여기될 수 있다. 적합한 세정 가스로는 NF3, F2 및 SF6가 포함되나, 이에 한정되지는 않는다.
도 1 내지 도 4의 층들 중 하나 또는 그보다 많은 층과 같은 하나 또는 그보다 많은 층들을 위한 증착 방법은 도 6의 처리 챔버 또는 다른 적합한 챔버에 다음과 같은 증착 변수들을 포함할 수 있다. 10,000 ㎠ 또는 그보다 큰, 바람직하게 40,000 ㎠ 또는 그보다 큰, 더 바람직하게 55,000 ㎠ 또는 그보다 큰 표면적을 갖는 기판이 챔버로 제공된다. 이는 기판의 처리 후에 보다 작은 태양 전지를 형성하도록 절단될 수 있다고 이해해야 한다.
일 실시예에서, 가열 및/또는 냉각 소자(639)가 약 400 ℃ 또는 그 미만, 바람직하게 약 200 ℃와 같은, 약 100 ℃ 내지 약 400 ℃, 더 바람직하게 약 150 ℃ 내지 약 300 ℃ 범위의 증착 중 기판 지지대 온도를 제공하도록 설정될 수 있다.
기판 수용면(632) 상에 배열되는 기판의 상부면과 샤워헤드(610) 사이에서의 증착 중 간격은 400 mil 내지 약 1,200 mil, 바람직하게 400 mil 내지 약 800 mil 범위일 수 있다.
도 7은 도 6의 PECVD 챔버(600)와 같은 복수의 처리 챔버(731-737) 또는 실리콘 필름을 증착할 수 있는 다른 적합한 챔버를 갖는 처리 시스템(700)의 일 실시예를 도시하는 평면도이다. 처리 시스템(700)은 로드록 챔버(710)에 연결되는 이송 챔버(720) 및 처리 챔버(731-737)를 포함한다. 로드록 챔버(710)는 시스템 외측의 주위 환경과 이송 챔버(720) 내측의 진공 환경 사이에서 기판이 이송될 수 있게 한다. 로드록 챔버(710)는 하나 또는 그보다 많은 기판을 유지하는 하나 또는 그보다 많은 배기가능한 영역을 포함한다. 배기가능한 영역은 시스템(700) 내측으 로 기판의 유입 중에 펌핑 다운되며 시스템(700)으로부터 기판의 유출 중에 배기된다. 이송 챔버(720)는 로드록 챔버(710)와 처리 챔버(731-737) 사이로 기판을 이송하도록 구성되는 내부에 배열되는 적어도 하나의 진공 로봇(722)을 가진다. 7 개의 처리 챔버가 도 7에 도시되어 있으나, 상기 시스템은 어떤 적합한 수의 처리 챔버를 가질 수 있다.
본 발명의 어떤 실시예에서, 하나의 시스템(700)은 도 2의 층(204-210) 또는 도 4의 층(404-410)과 같은 다중 접합 태양 전지 중의 제 1 p-i-n 접합을 증착하도록 구성된다. 처리 챔버(731-737) 중의 하나는 제 1 p-i-n 접합의 p형 층을 증착하도록 구성되는 반면에, 나머지 처리 챔버(731-737)는 진성형 층과 n형 층을 증착하도록 각각 구성된다. 제 1 p-i-n 접합의 진성형 층과 n형 층은 증착 단계들 사이에 어떠한 수동태화 공정없이 동일한 챔버 내에서 증착될 수 있다. 따라서, 기판은 로드록 챔버(710)를 통해 시스템으로 유입되며, 진공 로봇에 의해 p형 층을 증착하도록 구성되는 지정 처리 챔버의 내측으로 이송되며, 진공 로봇에 의해 진성 형 층과 n형 층을 증착하도록 구성되는 나머지 처리 챔버 중의 하나의 내측으로 이송되며, 진공 로봇에 의해 로드록 챔버(710)로 다시 이송된다. 어떤 실시예에서, p형 층을 형성하기 위해 처리 챔버에서 기판을 처리하는 시간은 대략 단일 챔버에서 진성형 층과 n형 층을 형성하는 시간보다 4배 또는 그보다 더, 바람직하게 6배 또는 그보다 더 빠르다. 그러므로, 제 1 p-i-n 접합을 증착하기 위한 시스템의 어떤 실시예에서 p-챔버 대 i/n-챔버의 비율은 1 : 4 또는 그보다 크며, 바람직하게 1 : 6 또는 그보다 크다. 처리 챔버의 플라즈마 세정을 제공하는 시간을 포함한 시스템 처리능력은 약 10 기판/시간 또는 그보다 크며, 바람직하게 20 기판/시간 또는 그보다 크다.
본 발명의 어떤 실시예에서, 하나의 시스템(700)은 도 2의 층(212-222) 또는 도 4의 층(412-422)과 같은 다중 접합 태양 전지 중의 제 2 p-i-n 접합을 증착하도록 구성된다. 처리 챔버(731-737) 중의 하나는 제 2 p-i-n 접합의 p형 층을 증착하도록 구성되는 반면에, 나머지 처리 챔버(731-737)는 진성형 층과 n형 층을 증착하도록 각각 구성된다. 제 2 p-i-n 접합의 진성형 층과 n형 층은 증착 단계들 사이에 어떠한 수동태화 공정없이 동일한 챔버 내에서 증착될 수 있다. 어떤 실시예에서, p형 층을 형성하기 위해 처리 챔버에서 기판을 처리하는 시간은 대략 단일 챔버에서 진성형 층과 n형 층을 형성하는 시간보다 4배 또는 그보다 더 빠르다. 그러므로, 제 2 p-i-n 접합을 증착하기 위한 시스템의 어떤 실시예에서 p-챔버 대 i/n-챔버의 비율은 1 : 4 또는 그보다 크며, 바람직하게 1 : 6 또는 그보다 크다. 처리 챔버의 플라즈마 세정을 제공하는 시간을 포함한 시스템 처리능력은 약 3 기판/시간 또는 그보다 크며, 바람직하게 5 기판/시간 또는 그보다 크다.
어떤 실시예에서, 진성형 비정질 실리콘 층을 포함하는 제 2 p-i-n 접합을 증착하기 위한 시스템(700)의 처리능력은 진성형 미세결정질 실리콘 층을 포함하는 제 1 p-i-n 접합을 증착하기 위한 시스템(700)의 처리능력보다 대략 2 배 또는 그보다 크며, 이는 진성형 미세결정질 실리콘 층의 두께가 일반적으로 진성형 비정질 실리콘 층보다 더 두껍기 때문이다. 그러므로, 진성형 비정질 실리콘 층을 포함하는 제 2 p-i-n 접합을 증착하도록 구성된 단일 시스템(700)은 진성형 미세결정질 실리콘 층을 포함하는 제 1 p-i-n 접합을 증착하도록 구성된 두 개 또는 그보다 많은 시스템(700)과 조화될 수 있다. 제 1 p-i-n 접합이 하나의 시스템에서 하나의 기판 상에 형성되면, 기판은 주위 환경(즉, 비 진공 환경)에 노출되며 제 2 시스템으로 이송된다. 제 1 p-i-n 접합을 증착하는 제 1 시스템과 제 2 p-i-n 접합을 증착하는 제 2 시스템 사이의 습식 또는 건식 세정은 불필요하다.
본 발명의 실시예들에 대해 이제까지 설명하였지만 본 발명의 추가의 실시예들이 본 발명의 기본 사상으로부터 이탈함이 없이 창안될 수 있으며 본 발명의 범주는 이후의 특허청구범위에 의해 결정된다. 예를 들어, 도 6의 처리 챔버는 수평 위치에 도시되어 있다. 이는 본 발명의 다른 실시예에서 처리 챔버는 수직과 같은 어떤 비 수평 위치에 있을 수 있다고 이해해야 한다. 본 발명의 실시예들은 도 7의 다중-처리 챔버 클러스터 툴을 참조하여 설명하였지만, 인-라인 시스템 및 하이브리드 인-라인/클러스터 시스템도 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 제 1 p-i-n 접합 및 제 2 p-i-n 접합을 형성하도록 구성된 제 1 시스템을 참조하여 설명하였지만, 제 1 p-i-n 접합 및 제 2 p-i-n 접합도 단일 시스템에서 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 진성형 층과 n형 층을 증착하도록 구성된 처리 챔버를 참조하여 설명하였지만, 별도의 챔버들이 진성형 층과 n형 층을 증착하도록 구성될 수 있으며, 단일 처리 챔버가 p형 층과 진성형 층을 증착하도록 구성될 수 있다. 마지막으로, 본 발명에서 설명한 실시예들은 유리와 같은 투명 기판에 일반적으로 적용가능한 p-i-n 구성이지만, 다른 실시예들에서는 n-i-p 접합, 단일 또는 다중 스택이 스테인레스 스틸 또는 폴리머와 같은 불투명 기판 상에 역 증착 시퀀 스에 의해 구성될 수 있다고 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 접합 박막 태양 전지의 개략적인 측면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탠덤 접합(tandem junction) 박막 태양 전지의 개략적인 측면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 접합 박막 태양 전지의 개략적인 측면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탠덤 접합(tandem junction) 박막 태양 전지의 개략적인 측면도.
도 5은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 결정질 태양 전지의 개략적인 측면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 횡단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 평면도.
도 8은 다른 실시예에 따른 탠덤 접합 박막 태양 전지의 측면도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 삼중 접합 박막 태양 전지의 개략적인 측면도.

Claims (15)

  1. 태양 전지 제조 방법으로서,
    기판 상에 n형 결정질 반도체 합금 층을 형성하는 단계, 및
    상기 n형 결정질 반도체 합금 층 상에 전도체 층을 형성하는 단계를 포함하는,
    태양 전지 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 결정질 반도체 합금은 실리콘과 게르마늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 재료, 및 탄소, 질소 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 재료를 포함하는,
    태양 전지 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 결정질 반도체 합금 층은,
    처리 챔버로 탄소 소오스와 실리콘 소오스를 제공하는 단계와,
    RF 전력을 인가함으로써 상기 탄소 소오스와 실리콘 소오스를 이온화하는 단 계, 및
    상기 처리 챔버 내부의 압력을 8 torr 이상으로 유지하는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성되는,
    태양 전지 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 결정질 반도체 합금 층은 약 1.5 내지 3.6 범위의 굴절 지수, 2 eV 이상의 밴드갭, 및 0.1 S/cm 이상의 전도율을 가지는,
    태양 전지 제조 방법.
  5. 태양 전지 제조 방법으로서,
    기판 상에 전도체 층을 형성하는 단계와,
    상기 전도체 층 상에 제 1 도프 결정질 반도체 합금 층을 형성하는 단계, 및
    상기 제 1 도프 결정질 반도체 합금 층 위에 제 2 도프 결정질 반도체 합금 층을 형성하는 단계를 포함하는,
    태양 전지 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 도프 결정질 반도체 합금 층은 p형 도펀트로 도프되며, 상기 제 2 도프 결정질 반도체 합금 층은 n형 도펀트로 도프되는,
    태양 전지 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도프 결정질 반도체 합금 층은 각각 반도체 재료; 및 탄소, 질소, 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 재료를 포함하는,
    태양 전지 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도프 결정질 반도체 층들 사이에 언도프 결정질 반도체 층을 형성함으로써 제 1 접합을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    태양 전지 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 접합 위에 제 2 접합을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제 2 접합은 제 3 도프 결정질 반도체 합금 및 제 4 도프 결정질 반도체 합금 층을 포함하며, 상기 제 3 도프 결정질 반도체 합금 층은 p형 도펀트로 도프되며, 제 4 도프 결정질 반도체 합금 층은 n형 도펀트로 도프되는,
    태양 전지 제조 방법.
  10. 광전지 소자로서,
    n형 결정질 반도체 합금 층, 및
    상기 n형 결정질 반도체 합금 층 상에 형성되는 전도체 층을 포함하는,
    광전지 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 n형 결정질 반도체 합금은 탄소, 질소 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 재료를 포함하는,
    광전지 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 n형 결정질 반도체 합금 층은 약 1.5 내지 3.6 범위의 굴절 지수, 2 eV 이상의 밴드갭, 및 0.1 S/cm 이상의 전도율을 가지는,
    광전지 소자.
  13. 광전지 소자로서,
    전도체 층과,
    상기 전도체 층 상에 형성되는 제 1 도프 결정질 반도체 합금 층, 및
    상기 제 1 도프 결정질 반도체 합금 층 위에 형성되는 제 2 도프 결정질 반도체 합금 층을 포함하는,
    광전지 소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 도프 결정질 반도체 합금 층은 p형 층이며, 상기 제 2 도프 결정질 반도체 합금 층은 n형 층인,
    광전지 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 도프 결정질 반도체 합금 층 위에 제 1 p-i-n 접합을 포함하며 상기 제 2 도프 결정질 반도체 합금 층 위에 제 2 p-i-n 접합을 포함하는,
    광전지 소자.
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