KR20110049218A - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
p형 층 및 n형 층을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계, 상기 반도체 기판의 일면에 산질화알루미늄을 포함하는 유전막을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판의 p형 층과 전기적으로 연결되는 제1 전극을 형성하는 단계, 그리고 상기 반도체 기판의 n형 층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 유전막을 형성하는 단계는 질화알루미늄 막을 형성하는 단계, 그리고 상기 질화알루미늄 막의 질소 중 적어도 일부를 산소로 치환하는 단계를 반복적으로 수행하는 태양 전지의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 태양 전지를 제공한다.
태양 전지, 유전막, 화학기상증착, 산질화알루미늄, 개방전압, 효율
Description
태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
한편, 태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 전자-정공 쌍을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.
전하의 손실은 다양한 원인에 의해 일어날 수 있는데 전하가 이동하는 통로(path)에 결함(defect)이 존재하는 경우 손실될 수 있고, 생성된 전자 및 정공이 재결합(recombination)에 의해 소멸할 수도 있다.
본 발명의 일 측면은 전하의 손실을 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있는 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 상기 방법에 의해 제조된 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 태양 전지의 제조 방법은 p형 층 및 n형 층을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계, 상기 반도체 기판의 일면에 산질화알루미늄을 포함하는 유전막을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판의 p형 층과 전기적으로 연결되는 제1 전극을 형성하는 단계, 그리고 상기 반도체 기판의 n형 층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 유전막을 형성하는 단계는 질화알루미늄 막을 형성하는 단계, 그리고 상기 질화알루미늄 막의 질소 중 적어도 일부를 산소로 치환하는 단계를 반복적으로 수행한다.
상기 질화알루미늄 막을 형성하는 단계는 알루미늄 전구체 및 질소 함유 기체를 공급하여 수행할 수 있다.
상기 알루미늄 전구체는 알루미늄에 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 방향족기, 치환 또는 비치환된 아마이드 기, 치환 또는 비치환된 알콕시기 또는 이들의 조합이 결합되어 있는 화합물을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 전구체는 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum)을 포함할 수 있다.
상기 질소 함유 기체는 암모니아 기체(NH3), 질소 기체(N2) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 유전막을 형성하는 단계는 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)으로 수행할 수 있다.
상기 화학 기상 증착은 약 100 내지 500℃에서 수행할 수 있다.
상기 화학 기상 증착은 약 250 내지 350℃에서 수행할 수 있다.
상기 제조 방법은 상기 질화알루미늄 막을 형성하는 단계 및 상기 질화알루미늄 막의 질소 중 적어도 일부를 산소로 치환하는 단계 사이에 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 질화알루미늄 막의 질소 중 적어도 일부를 산소로 치환하는 단계는 상기 질화알루미늄 막에 활성화된 산소를 공급하여 수행할 수 있다.
상기 산질화알루미늄은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
AlOxNy
상기 화학식 1에서, 0<y<x 및 y/x+y ≤ 0.01을 만족한다.
상기 제조 방법은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 소성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 소성하는 단계 후에 상기 유전막은 비정질 상태일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 태양 전지는 p형 층 및 n형 층을 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 일면에 형성되어 있으며 비정질 산질화알루미늄을 포함하는 유전막, 상기 반도체 기판의 p형 층과 연결되어 있는 제1 전극, 그리고 상기 반도체 기판의 n형 층과 연결되어 있는 제2 전극을 포함한다.
상기 유전막은 약 10 내지 700nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 유전막은 약 10 내지 400nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 유전막은 약 10 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 유전막은 두께 방향으로 산소 및 질소 분포가 균일할 수 있다.
상기 유전막은 질화알루미늄이 산화처리된 산질화알루미늄이 복수 개 적층되어 있을 수 있다.
상기 비정질 산질화알루미늄은 상기 화학식 1로 표현될 수 있다.
상기 태양 전지는 상기 유전막의 일면에 형성되어 있으며 상기 유전막보다 굴절률이 낮은 보호막을 더 포함할 수 있다.
상기 보호막은 질화규소, 산화규소, 산화알루미늄 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 유전막 및 상기 제1 전극은 상기 반도체 기판의 후면에 위치할 수 있고, 상기 제1 전극은 상기 유전막을 관통하여 반도체 기판과 부분적으로 접촉할 수 있다.
전하의 손실을 줄여 누설 전류를 감소시킬 수 있고 이에 따라 개방 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다. 또한 반도체 기판과 유전막에 결함이 발생하는 것을 줄이고 반도체 기판과 유전막의 계면의 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, '치환된' 이란, 화합물 중의 수소 원자가 C1 내지 C30의 알킬기, C2 내지 C30의 알키닐기, C6 내지 C30의 아릴기, C7 내지 C30의 아릴알킬기, C1 내지 C4의 옥시알킬기, C1 내지 C30의 헤테로알킬기, C3 내지 C30의 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30의 사이클로알킬기, C3 내지 C15의 사이클로알케닐기, C6 내지 C30의 사이클로알키닐기, C2 내지 C30의 헤테로사이클로알킬기, 할로겐 원자(F, Cl, Br, I), 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀 기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기 또는 그것의 염, 술폰산기 또는 그것의 염, 인산이나 그것의 염, 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
먼저 도 1을 참고하여 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
이하에서는 반도체 기판(110) 중 태양 에너지를 받는 측을 전면(front side)이라 하고, 반도체 기판(110)의 전면의 반대측을 후면(rear side)이라고 한다. 또한 이하에서는 설명의 편의상 반도체 기판(110)을 중심으로 상하의 위치 관계를 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 하부 반도체 층(110a) 및 상부 반도체 층(110b)을 포함하는 반도체 기판(110)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있으며, 결정질 규소인 경우 예컨대 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)가 사용될 수 있다. 하부 반도체 층(110a) 및 상부 반도체 층(110b) 중 하나는 p형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있으며 다른 하나는 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 이 때 p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 화합물일 수 있고, n형 불순물은 인(P)과 같은 V족 화합물일 수 있다.
반도체 기판(110)의 표면은 표면 조직화(surface texturing) 되어 있을 수 있다. 표면 조직화된 반도체 기판(110)은 예컨대 피라미드 모양과 같은 요철 또는 벌집(honeycomb) 모양과 같은 다공성 구조일 수 있다. 표면 조직화된 반도체 기판(110)은 표면적을 넓혀 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
반도체 기판(110)의 전면에는 반사방지막(112)이 형성되어 있다. 반사방지막(112)은 빛을 적게 흡수하고 절연성이 있는 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 질화규소(SiNx), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2) 및 이들의 조합일 수 있으며, 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다.
반사방지막(112)은 예컨대 약 200 내지 1500Å의 두께를 가질 수 있다.
반사방지막(112)은 태양 에너지를 받는 반도체 기판(110)의 전면에 형성되어 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시킬 수 있다. 또한 반도체 기판(110)의 표면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
반사방지막(112) 위에는 복수의 전면 전극(120)이 형성되어 있다. 전면 전극(120)은 반도체 기판(110)의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있으며, 반사방지 막(112)을 관통하여 상부 반도체 층(110b)과 접촉하고 있다. 전면 전극(120)은 은(Ag) 등의 저저항 금속으로 만들어질 수 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 유전막(dielectric film)(130)이 형성되어 있다.
유전막(130)은 산질화알루미늄(aluminum oxynitride)으로 만들어질 수 있다.
산질화알루미늄은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
AlOxNy
상기 화학식 1에서, 0<y<x 및 y/x+y ≤ 0.01을 만족한다.
이와 같이 유전막(130)은 알루미늄 산화물에 질소를 소량 포함하는 산질화알루미늄으로 만들어진다. 산질화알루미늄은 소량 함유된 질소가 결정화를 방해함으로써 고온의 열처리 후에도 비정질 상태를 유지할 수 있다.
비정질 상태의 산질화알루미늄은 결정화에 의해 형성된 결정입자 경계(grain boundary)를 가지지 않아 결정입자 경계에서 전하가 트랩핑(trapping)되어 손실되는 것을 줄일 수 있다.
반면, 유전막이 고온에서 결정화되는 물질, 예컨대 산화알루미늄(Al2O3) 또는 질화알루미늄(AlN)과 같은 물질로 만들어진 경우, 유전막(130)에 존재하는 결정입자 경계에서 전하들이 트랩되어 손실될 수 있다.
유전막(130)은 고정 전하(fixed charge)를 가짐으로써 반도체 기판(110)에서 생성된 전하가 후면 측으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 유전막(130)이 다수의 음 전하(negative charge)을 띠는 경우 하부 반도체 층(110a)에 존재하는 소수 전하(minor charges)인 전자가 후면 측으로 이동하는 것을 방해함으로써 반도체 기판의 후면 측에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 전하의 손실을 줄여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
유전막(130) 하부에는 보호막(140)이 형성되어 있다.
보호막(140)은 유전막(130)보다 굴절률이 낮은 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다.
보호막(140)은 반도체 기판(110)을 통과한 빛을 다시 반도체 기판(110) 측으로 반사시켜 재흡수시킴으로써 빛의 손실을 방지하고 효율을 높일 수 있다. 이와 더불어 보호막(140)은 후면 전극(150) 형성시 고온 소성에 의해 유전막(130) 및 반도체 기판(110)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 유전막(130)이 빛을 충분히 반사하고, 반도체 기판(110)을 보호하기에 충분한 두께로 형성되어 있다면 보호막(140)이 필수적인 것은 아니다.
한편 유전막(130)의 형성 속도가 보호막(140)의 형성속도 대비 느린 경우 반도체 기판(110) 측에 일정 두께의 유전막(130)을 형성한 후, 보호막(140)으로 필요로 하는 두께의 박막을 추가형성함으로써 페시베이션 특성 및 반도체 기판 보호 기 능을 달성함과 동시에 공정 속도 또한 높일 수 있다.
보호막(140) 하부에는 후면 전극(150)이 형성되어 있다. 후면 전극(150)은 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있으며, 약 2 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다.
후면 전극(150)은 유전막(130) 및 보호막(140)의 일부분을 관통하여 하부 반도체 층(110a)과 접촉하는 복수의 접촉부(150a) 및 기판의 전면에 형성되어 있는 전면부(150b)를 포함한다.
반도체 기판(110)의 하부 반도체 층(110a)과 후면 전극(140)의 접촉부(150a)가 접촉하는 부분에는 후면 전기장(back surface field, BSF)이 생성될 수 있다. 후면 전기장은 예컨대 실리콘과 알루미늄이 접촉할 때 알루미늄이 p형 불순물로 작용하여 이들 사이에 형성되는 내부 전기장이며, 이로 인해 반도체 기판(110)의 후면 측으로 전자가 이동하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(110)의 후면 측에서 전하들이 재결합하여 소멸되는 것을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
후면 전극(150)의 전면부(150b)는 반도체 기판(110)을 통과한 빛을 다시 반도체 기판으로 반사시킴으로써 빛의 누설을 방지하여 효율을 높일 수 있다.
그러면 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법에 대하여 도 2 내지 9f를 도 1과 함께 참고하여 설명한다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이고, 도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일 구현예에 따라 유 전막을 형성하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이다.
먼저 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(110)을 준비한다. 이 때 반도체 기판(110)은 예컨대 p형 불순물로 도핑되어 있을 수 있다.
이어서, 반도체 기판(110)을 표면 조직화(texturing)한다. 표면 조직화는 예컨대 질산 및 불산과 같은 강산 또는 수산화나트륨과 같은 강염기 용액을 사용하는 습식 방법으로 수행하거나 플라스마를 사용한 건식 방법으로 수행할 수 있다.
다음 도 2를 참고하면, 반도체 기판(110)에 예컨대 n형 불순물을 도핑한다. 여기서 n형 불순물은 POCl3 또는 H3PO4 등을 고온에서 확산시킴으로써 도핑할 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(110)은 다른 불순물로 도핑된 하부 반도체 층(110a)과 상부 반도체 층(110b)을 포함한다.
다음 도 3을 참고하면, 반도체 기판(110)의 후면에 산질화알루미늄으로 만들어진 유전막(130)을 형성한다. 유전막(130)은 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)으로 형성될 수 있다. 유전막(130)을 형성하는 방법은 후술한다.
다음 도 4를 참고하면, 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 각각 반사방지막(112) 및 보호막(140)을 형성한다. 반사방지막(112) 및 보호막(140)은 예컨대 질화규소 따위를 플라스마 화학 기상 증착으로 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 반사방지막(112) 및 보호막(140)은 다른 재료 및 방법으로 각각 형성할 수 있다.
다음 도 5를 참고하면, 유전막(130) 및 보호막(140)의 일부분을 제거하여 복 수의 접촉구(135)를 형성하고 하부 반도체 층(110a)의 일부를 노출시킨다. 유전막(130) 및 보호막(140)의 일부분은 예컨대 레이저를 사용하여 제거하거나 감광막을 사용한 사진 식각 공정으로 제거할 수 있다.
다음 도 6을 참고하면, 반사방지막(112)의 일면에 전면 전극용 도전성 페이스트(120a)를 도포한다.
전면 전극용 도전성 페이스트(120a)는 예컨대 은(Ag) 등의 금속 파우더를 포함할 수 있으며, 전면 전극이 형성될 위치에 이를 도포하고 건조하는 스크린 인쇄(screen printing) 방법으로 형성할 수 있다.
다음 도 7 및 도 8을 차례로 참고하면, 접촉구(135)에 후면 전극용 도전성 페이스트(150aa)을 채우고, 그 위에 반도체 기판의 후면 전체를 덮도록 후면 전극용 도전성 페이스트(150ba)를 도포한다.
후면 전극용 도전성 페이스트(150aa, 150ba)는 예컨대 알루미늄(Al) 등의 금속 파우더를 포함할 수 있으며, 후면 전극이 형성될 위치에 이를 도포하고 건조하는 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있다.
그러나 스크린 인쇄 방법에 한정되지 않고 잉크젯 인쇄 또는 압인 인쇄 등의 다양한 방법으로 형성할 수 있다.
이어서 도전성 페이스트(120a, 150aa, 150ba)가 도포된 반도체 기판(110)을 고온의 소성로(furnace)에 두고 소성(firing)한다. 소성은 금속 파우더의 용융 온도보다 높은 온도에서 수행할 수 있으며, 예컨대 약 600 내지 1000℃에서 수행할 수 있다.
다음 도 1을 참고하면, 상기 소성에 의해 전면 전극용 도전성 페이스트(120a)는 반사방지막(112)을 관통하여 상부 반도체 층(110b)과 접촉하고, 후면 전극용 도전성 페이스트(150aa)는 유전막(130) 및 보호막(140)에 형성된 접촉구(135)를 통하여 하부 반도체 층(110a)과 접촉한다.
이하 유전막(130)을 형성하는 방법에 대하여 도 9a 내지 도 9b를 참고하여 설명한다.
도 9a를 참고하면, 반도체 기판(110)을 화학 기상 증착을 위한 챔버(도시하지 않음) 내에 배치하고, 반도체 기판(110)에 알루미늄 전구체 및 질소 함유 기체를 공급하여 질화알루미늄 막(130a1)을 증착한다.
알루미늄 전구체는 플라즈마에 의해 박막으로 증착될 수 있는 전구체이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 알루미늄에 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 방향족기, 치환 또는 비치환된 아마이드 기, 치환 또는 비치환된 알콕시기 또는 이들의 조합이 결합되어 있는 화합물을 포함할 수 있다. 알루미늄 전구체는 예컨대 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum)을 포함할 수 있다.
질소 함유 기체는 알루미늄과 결합하는 질소를 제공할 수 있는 기체이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 암모니아 기체(NH3), 질소 기체(N2) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
질화알루미늄 막(130a1)을 증착하는 단계는 약 100 내지 500℃의 온도에서 수행할 수 있으며, 약 250 내지 350℃에서 수행할 수 있다. 상기 온도 범위에서 증착함으로써, 상기 알루미늄 전구체 및 질소 함유 기체가 효과적으로 분해되면서도 반도체 기판의 표면에 노출된 실리콘이 불완전 산화되는 것을 방지하여 반도체 기판의 표면에 불완전 산화된 산화규소(SiOx (0<x<2))가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
이어서 퍼지(purge)하여 챔버 내에 존재하는 알루미늄 전구체 및 질소 함유 기체를 제거할 수 있다. 퍼지는 예컨대 아르곤(Ar)과 같은 비활성 기체를 공급할 수 있다.
이어서, 질화알루미늄 막(130a1) 위에 활성화된 산소 함유 기체를 공급한다. 질화알루미늄 막(130a1) 위에 활성화된 산소 함유 기체를 공급함으로써 질화알루미늄 막(130a1) 의 질소 중 적어도 일부가 산소로 치환된다.
산소 함유 기체는 알루미늄과 결합할 수 있는 산소 원자를 제공할 수 있으면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 산소 기체(O2), 오존(O3) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 도 9a에서는 예시적으로 산소 기체(O2)를 사용한 플라즈마를 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다.
또는 산소 분위기에서 어닐링공정을 진행하는 열산화법을 적용하는 것도 가능하다.
이에 따라 도 9b에 도시한 바와 같이, 산질화알루미늄 막(130b1)이 형성된다.
산질화알루미늄 막(130b1)은 약 0.5 내지 3nm의 두께를 가질 수 있으며, 다만 공정 조건 및 사용 장비에 따라서 두께 범위의 조정이 가능하다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써, 치밀한 박막을 균일하게 형성할 수 있는 동시에 적절한 공정 시간을 유지할 수 있으며, 질화알루미늄 내에 산소가 균일하게 치환되어 균일한 산소 분포를 가지는 박막을 형성할 수 있다.
이어서 퍼지하여 챔버 내에 존재하는 산소 함유 기체를 제거할 수 있다. 퍼지는 예컨대 아르곤(Ar)과 같은 비활성 기체를 공급할 수 있다.
다음 도 9c를 참고하면, 산질화알루미늄 막(130b1) 위에 알루미늄 전구체 및 질소 함유 기체를 다시 공급하여 질화알루미늄 막(130a2)을 증착한다. 질화알루미늄 막(130a2)을 증착하는 단계 또한 약 100 내지 500℃의 온도에서 수행할 수 있으며, 약 250 내지 350℃에서 수행할 수 있다.
이어서 퍼지하여 챔버 내에 존재하는 알루미늄 전구체 및 질소 함유 기체를 제거할 수 있다.
다음 도 9d를 참고하면, 질화알루미늄 막(130a2) 위에 산소 함유 기체(O2 plasma)를 공급한다.
이에 따라 도 9e에 도시한 바와 같이, 산질화알루미늄 막(130b2)이 형성된다.
이어서 퍼지하여 챔버 내에 존재하는 산소 함유 기체를 제거할 수 있다.
도 9f를 참고하면, 상기와 같이 알루미늄 전구체 및 질소 함유 기체를 공급 하여 질화알루미늄을 형성하는 단계 및 상기 질화알루미늄에 산소 함유 기체를 공급하는 단계를 교호적으로 n번 수행함으로써 산질화알루미늄으로 만들어진 유전막(130)을 형성할 수 있다.
산질화알루미늄으로 만들어진 유전막(130)은 약 10 내지 700nm의 두께를 가질 수 있으며, 상기 범위에서 약 10 내지 400nm의 두께를 가질 수 있으며, 상기 범위에서 약 10 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 구현예에 따른 유전막(130)은 산질화알루미늄을 화학 기상 증착 방법으로 형성하나 이에 제한되는 것은 아니다. 화학기상 증착 방법으로 유전막을 형성하는 경우, 스퍼터링 또는 원자 기상 증착 방법 대비 전하의 손실 또는 공정성 저하를 방지할 수 있다.
구체적으로, 유전막을 스퍼터링으로 형성하는 경우 고진공 상태에서 플라즈마가 반도체 기판의 표면에 강하게 작용하여 반도체 기판(110)의 표면이 손상될 수 있고, 이에 따라 반도체 기판(110)의 표면에서 누설 전류가 증가할 뿐만 아니라 반도체 기판(110)과 유전막(130)의 계면 특성이 불량하여 전하가 손실될 수 있다. 또한 유전막을 원자 기상 증착 방법으로 형성하는 경우 증착 속도가 낮아 상술한 두께 범위의 유전막을 형성하는데 장시간이 소요되어 공정 효율이 저하될 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 유전막(130)은 알루미늄 전구체 및 질소 함유 기체를 공급하여 질화알루미늄을 먼저 형성한 후, 상기 질화알루미늄을 산화하는 방법으로 형성함으로써 알루미늄 전구체, 질소 함유 기체 및 산소 함유 기체를 동시에 공급 하여 형성된 산질화알루미늄과 비교하여 치밀한(dense) 막질로 형성될 수 있다. 따라서 본 구현예에 따른 유전막(130)은 고밀도의 고정 전하를 가질 수 있어서 전하 손실을 방지하고 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 유전막(130)은 얇은 두께의 산질화알루미늄을 복수 번 반복하여 형성함으로써 유전막 전체에 걸쳐 산소 및 질소가 균일하게 분포될 수 있다. 따라서 유전막(130) 전체에 걸쳐 고정 전하의 양을 균일하게 유지할 수 있어서 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 유전막(130)은 상술한 방법에 따라 산질화알루미늄을 증착함으로써 전극의 소성과 같은 고온의 열처리 단계에서도 결정화되지 않고 비정질 상태의 유전막을 유지할 수 있다.
이에 대하여 도 10a 내지 도 10c를 참고하여 설명한다.
도 10a는 본 구현예에 따른 산질화알루미늄을 950℃에서 3초간 열처리한 후의 결정화 상태를 보여주는 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 사진이고, 도 10b는 산화알루미늄(Al2O3)을 950℃에서 3초간 열처리한 후의 결정화 상태를 보여주는 투과전자현미경 사진이고, 도 10c는 질화알루미늄(AlN)을 950℃에서 3초간 열처리한 후의 결정화 상태를 보여주는 투과전자현미경 사진이다.
도 10a에서 보는 바와 같이, 본 구현예에 따른 산질화알루미늄은 열처리 후에도 결정화되지 않고 비정질 상태로 남아있는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 도 10b 및 도 10c의 원으로 표시한 영역을 참고하면, 산화알루미늄(Al2O3) 및 질화알루 미늄(AlN)은 열처리에 의해 결정화되어 소정의 결정화 영역을 형성함을 알 수 있다.
산화알루미늄(Al2O3) 및 질화알루미늄(AlN)과 같이 유전막에 결정화 영역이 형성되는 경우, 결정입자 경계에 전하가 트랩되어 전하가 손실될 수 있으므로 태양 전지의 효율을 저하시킬 수 있다. 이에 반해 본 구현예에 따른 유전막은 고온의 열처리에서도 결정화되지 않아 결정입자 경계가 형성되지 않음으로써 전하의 손실을 방지할 수 있다.
이에 따라 본 구현예에 따른 유전막을 포함하는 태양 전지는 전하의 손실을 줄여 누설 전류를 감소시킬 수 있고 이에 따라 개방 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다. 또한 반도체 기판과 유전막에 결함이 발생하는 것을 줄이고 반도체 기판과 유전막의 계면의 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 2 내지 도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이고,
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일 구현예에 따라 유전막을 형성하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이고,
도 10a는 본 구현예에 따른 산질화알루미늄을 950℃에서 3초간 열처리한 후의 결정화 상태를 보여주는 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 사진이고,
도 10b는 산화알루미늄(Al2O3)을 950℃에서 3초간 열처리한 후의 결정화 상태를 보여주는 투과전자현미경 사진이고,
도 10c는 질화알루미늄(AlN)을 950℃에서 3초간 열처리한 후의 결정화 상태를 보여주는 투과전자현미경 사진이다.
Claims (22)
- p형 층 및 n형 층을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계,상기 반도체 기판의 일면에 산질화알루미늄을 포함하는 유전막을 형성하는 단계,상기 반도체 기판의 p형 층과 전기적으로 연결되는 제1 전극을 형성하는 단계, 그리고상기 반도체 기판의 n형 층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,상기 유전막을 형성하는 단계는질화알루미늄 막을 형성하는 단계, 그리고상기 질화알루미늄 막의 질소 중 적어도 일부를 산소로 치환하는 단계를 반복적으로 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제1항에서,상기 질화알루미늄 막을 형성하는 단계는 알루미늄 전구체 및 질소 함유 기체를 공급하여 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제2항에서,상기 알루미늄 전구체는 알루미늄에 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 방향족기, 치환 또는 비치환된 아마이드 기, 치환 또는 비치환된 알콕시기 또는 이들의 조합이 결합되어 있는 화합물을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제3항에서,상기 알루미늄 전구체는 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum)을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제2항에서,상기 질소 함유 기체는 암모니아 기체(NH3), 질소 기체(N2) 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제2항에서,상기 유전막을 형성하는 단계는 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)으로 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제6항에서,상기 화학 기상 증착은 100 내지 500℃에서 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제7항에서,상기 화학 기상 증착은 250 내지 350℃에서 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제6항에서,상기 질화알루미늄 막을 형성하는 단계 및 상기 질화알루미늄 막의 질소 중 적어도 일부를 산소로 치환하는 단계 사이에 퍼지하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제1항에서,상기 질화알루미늄 막의 질소 중 적어도 일부를 산소로 치환하는 단계는 상기 질화알루미늄 막에 활성화된 산소를 공급하여 수행하는 태양 전지의 제조방법.
- 제1항에서,상기 산질화알루미늄 막은 하기 화학식 1로 표현되는 태양 전지의 제조 방법:[화학식 1]AlOxNy상기 화학식 1에서, 0<y<x 및 y/x+y ≤ 0.01을 만족한다.
- 제1항에서,상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 소성하는 단계를 더 포함하고,상기 소성하는 단계 후에 상기 유전막은 비정질 상태인 태양 전지의 제조 방법.
- p형 층 및 n형 층을 포함하는 반도체 기판,상기 반도체 기판의 일면에 형성되어 있으며 비정질 산질화알루미늄을 포함하는 유전막,상기 반도체 기판의 p형 층과 연결되어 있는 제1 전극, 그리고상기 반도체 기판의 n형 층과 연결되어 있는 제2 전극을 포함하는 태양 전지.
- 제13항에서,상기 유전막은 10 내지 700nm의 두께를 가지는 태양 전지.
- 제13항에서,상기 유전막은 10 내지 400nm의 두께를 가지는 태양 전지.
- 제13항에서,상기 유전막은 10 내지 100nm 의 두께를 가지는 태양 전지.
- 제13항에서,상기 유전막은 질화알루미늄이 산화처리된 산질화알루미늄 막이 복수 개 적층되어 있는 태양 전지.
- 제17항에서,상기 유전막은 두께 방향으로 산소 및 질소 분포가 균일한 태양 전지.
- 제13항에서,상기 비정질 산질화알루미늄은 하기 화학식 1로 표현되는 태양 전지:[화학식 1]AlOxNy상기 화학식 1에서, 0<y<x 및 y/x+y ≤ 0.01을 만족한다.
- 제13항에서,상기 유전막의 일면에 형성되어 있으며 상기 유전막보다 굴절률이 낮은 보호 막을 더 포함하는 태양 전지.
- 제20항에서,상기 보호막은 질화규소, 산화규소, 산화알루미늄 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지.
- 제13항에서,상기 유전막 및 상기 제1 전극은 상기 반도체 기판의 후면에 위치하고,상기 제1 전극은 상기 유전막을 관통하여 반도체 기판과 부분적으로 접촉하는 태양 전지.
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