KR20110070539A - 박막 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 박막 태양전지는 투명기판상에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 형성되고, p+형 비정질실리콘층과 진성 비정질실리콘층 및 n+형 비정질실리콘층으로 구성된 반도체층; 상기 n+형 비정질실리콘층 표면에 형성된 광산란층(haze); 상기 광산란층 상에 형성된 배면전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
투명전극층, 배면반사층, 광산란층(haze), 배면전극층
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빛의 반사율을 증가시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 태양광을 직접 전기로 변화시키는 태양광 발전의 핵심 소자로 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 그 응용 범위가 매우 넓다.
이러한 태양전지는 기본적으로 pn 접합으로 구성된 다이오드로서 그 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
태양전지의 pn 접합에 반도체의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 이들 전자-전공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동함에 따라 pn간에 광기전력이 발생하게 되는데, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.
태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양하게 구분되는데, 광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 실리콘계 태양전지가 대표적이다.
실리콘계 태양전지는 기판형[단결정(single crystal), 다결정(poly crystal)] 태양전지와, 박막형[비정질(amorphous), 다결정(poly crystal)] 태양전지로 구분된다.
이외에도 태양전지의 종류에는 CdTe나 CIS(CuInSe2)의 화합물 박막 태양 전지, Ⅲ-Ⅴ족 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 태양전지 등을 들 수 있다.
단결정 실리콘 기판형 태양전지는 다른 종류의 태양전지에 비해서 변환 효율이 월등히 높다는 장점이 있긴 하지만 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용함에 따라 제조단가가 높다는 치명적인 단점이 있다.
다결정 실리콘 기판형 태양전지 역시 단결정 실리콘 기판형 태양전지보다는 제조 단가가 저렴할 수 있지만, 벌크 상태의 원재료로부터 태양전지를 만드는 점은 단결정 실리콘 기판형 태양전지와 다를 바 없기 때문에, 원재료비가 비싸고 공정 자체가 복잡하여 제조단가 절감에 한계가 있을 수 밖에 없다.
이와 같은 기판형 태양전지의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 유리와 같은 기판위에 광흡수층인 실리콘을 박막 형태로 증착하여 사용함으로써 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 박막형 실리콘 태양전지가 주목을 받고 있다.
박막형 실리콘 태양전지는 기판형 실리콘 태양전지의 두께보다 매우 작은 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다.
박막형 실리콘 태양전지 중 가장 처음 개발되고 현재 주택용 등에 보급되기 시작한 것이 비정질 실리콘 박막형 태양전지이다. 비정질 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘을 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)법에 의해 형성할 수 있어서 대량 생산에 적합하고 제조 단가가 저렴한 대신에 비정질 실리콘 내에 다량으로 존재하는 실리콘 원자의 댕글링 본드(dangling bond) 때문에 변환효율이 기판형 실리콘 태양전지에 비해 너무 낮다는 문제점이 있다.
기존 비정질 실리콘 태양전지의 낮은 광전변환 효율을 향상시키기 위해 효과적인 태양광 흡수, 전하 생성 및 전하 분리, 전하 수집을 위한 물질 및 소자 구조 개선에 대한 다양한 기술들이 제안되어 왔다.
이론적으로 비정질실리콘 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 투명전극, 광흡수창(optical window; p+), 광흡수층(a-Si:H) 각 물질의 전기적 광학적 특성이 개선되어야 하며, 투명전극의 경우 광학적 투과도 증가와 전기적 저항이 감소되어야 하며, 흡수창의 경우 광학적 밴드갭과 광투과도가 증가해야 한다. 또한, 광흡수층의 경우에는 최대의 광흡수와 더블어 효과적인 전하 분리를 위한 막내 결함 밀도 감소를 실현시켜야 한다.
이러한 관점에서, 종래기술에 따른 박막 태양전지 구조에 대해 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술에 따른 박막 태양전지 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
종래기술에 따른 박막 태양전지 구조는, 도 1에 도시된 바와 같이, 투명기판 (11) 상에 투명기판 쪽에서 입사되는 태양광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물 (TCO; Transparent Conductive Oxide)로 구성된 투명도전층(13)과; 상기 투명도전층(13) 상에 적층되고, 광이 흡수되는 통로 역할을 하는 p+형 비정질실리콘층 (105p)과, 광을 흡수하는 진성(i형) 비정질 실리콘층(105i) 및, n+형 비정질실리콘층(105n)으로 구성된 반도체층(15)과; 상기 반도체층(15) 상에 형성된 배면반사층 (17)과; 상기 배면반사층(17) 상에 형성된 배면전극층(19)을 포함하여 구성된다.
상기 구성으로 이루어지는 종래기술에 따른 박막 태양전지 제조방법에 대해 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 투명기판(11) 상에 투명기판 쪽에서 입사되는 태양 광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물 (TCO; Transparent Conductive Oxide)을 증착하여 투명도전층(13)을 형성한다.
그다음, 상기 투명도전층(13) 상에 p+형 비정질실리콘층 (15p)을 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)방법으로 증착한다. 이때, 상기 p+형 비정질 실리콘층(15p)은 광이 흡수되는 통로 역할을 하는 광흡수창 (optical window)으로 사용한다.
이어서, 상기 광흡수창으로 이용하는 p+형 비정질 실리콘층(15p) 상에 진성 (intrinsic) 비정질실리콘층(a-Si:H)(15i)을 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)방법으로 증착한다. 이때, 상기 진성 비정질실리콘층(15i)은 박막 태양전지의 효율을 높이는 광 흡수층의 역할을 하며, 활성층으로 불리기도 한다.
그 다음, 상기 진성 비정질실리콘층(15i) 상에 n+형 불순물이 도핑된 n+형 비정질실리콘층(15n)을 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)방법으로 증착한다.
이렇게 하여, 상기 p+형 비정질실리콘층(15p), 진성 비정질실리콘층(15i) 및 n+형 비정질실리콘층(15n)은 태양전지의 반도체층(15)을 구성한다.
이어서, 상기 반도체층(15)의 n+형 비정질실리콘층(15n) 상에 상기 투명도전층(13)과 유사한 재질인 투명 전도성 산화물을 스퍼터링법(sputterning)으로 증착하여 배면반사층(17)을 형성한다. 이때, 상기 배면반사층(17)은 빛의 경로를 증가시켜 광전 변환 효율을 증가시키는 역할을 한다.
그 다음, 상기 배면반사층(17) 상에 스퍼터링법을 알루미늄(Al) 이나 게르마늄(Ga)을 증착하여 배면전극층(25)을 형성함으로써 태양전지 제조를 완료한다.
이상에서와 같이, 종래기술에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법에 의하면 다음과 같은 문제점이 있다.
종래기술에 따른 박막 태양전지 제조시에, 배면반사층을 형성하기 전에 PECVD 챔버에서 n+형 비정질실리콘층을 증착한 후 다시 별도의 스퍼터링 챔버로 기판을 이동시킨 상태에서 스퍼터링법으로 배면반사층을 증착해야 하기 때문에 태양전지 제조시의 제조비용이 상승하는 문제점이 있다.
또한, 종래기술에 따른 박막 태양전지 제조방법은 n+형 비정질실리콘층을 형성한 이후 다시 별도의 스퍼터링 챔버로 기판을 이동시킨 상태에서 스퍼터링법으로 배면반사층을 증착해야 하기 때문에 그만큼 박막 태양전지 제조시의 공정시간을 증가시키는 한 요인이 된다.
이에, 본 발명은 상기 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 박막 태양전지의 반사율을 증가시켜 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 박막 태양전지 제조시의 제조 공정시간을 단축시키고, 제조 비용을 감소시킬 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지는 투명기판상에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 형성되고, p+형 비정질실리콘층과 진성 비정질실리콘층 및 n+형 비정질실리콘층으로 구성된 반도체층; 상기 n+형 비정질실리콘층 표면에 형성된 광산란층(haze); 상기 광산란층 상에 형성된 배면전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지 제조방법은 투명기판상에 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 투명전극층 상에 p+형 비정질실리콘층과 진성 비정질실리콘층 및 n+형 비정질실리콘층을 연속해서 형성하는 단계; 상기 n+형 비정질실리콘층 표면에 광산란층(haze)을 형성하는 단계; 상기 광산란층 상에 배면전극층을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, n+형 비정질실리콘층을 형성한 후 후처리를 통해 광산란층(haze)을 형성시킴으로써 이 광산란층를 통한 빛의 반사를 증가시켜 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, n+형 비정질실리콘층을 형성한 후 기판을 별도의 증착챔버로 이동하지 않은 상태에서 후처리를 통해 광산란층(haze)을 형성시켜 기존의 배면반사층 대신으로 사용할 수 있으므로, 배면반사층을 제거할 수 있어 태양전지 제조비용의 감소는 물론 제조공정을 단축시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, n+형 비정질실리콘층을 형성한 후 기판을 별도의 증착챔버로 이동하지 않은 상태에서 후처리를 통해 광산란층(haze)을 형성시키고 기존의 배면반사층을 추가로 형성하여 빛의 반사 효율을 배가시킬 수 있으므로, 광전 변환 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
이하. 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지 구조에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지는, 도 2에 도시된 바와 같이, 투 명기판(101) 상에 형성되고, 투명전극층(103)과; 상기 투명전극층(103) 상에 적층되고, 상기 광 흡수 통로 역할을 담당하는 p+형 비정질 실리콘층(105p)과, 광을 흡수하는 흡수층으로 사용되는 진성(i형) 비정질실리콘층(105i) 및, n+형 비정질실리콘층(105n)으로 이루어진 반도체층(105)과; 상기 반도체층(105) 상에 형성된 광산란층(haze)(107) 및; 상기 광산란층(107) 상에 형성된 배면전극층(109)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 투명전극층(103)은 투명기판(101) 쪽에서 입사되는 태양 광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 재질로 형성된다. 이때, 상기 투명 전도성 산화물 박막용으로는 산화아연(ZnO)이 사용되거나, 그 이외에 ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성된다.
또한, 상기 투명전극층(103) 표면에는 다수의 뾰족한 형태의 요철(103a)이 형성된다. 이때, 상기 투명기판(101) 표면은 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 텍스처링(texturing) 처리할 수 있다. 여기서, 텍스처링이란 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실에 의해 그 특성이 저하되는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 태양전지에서 사용되는 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 투명기판(101) 표면에 요철(103a) 형상의 패턴을 형성하는 것을 말한다. 텍스처링으로 투명기판 표면이 거칠어지면 한번 반사된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시키므로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 박막 태양전지에서 태양 광은 상기 p+형 비정질실리콘층(105p)을 통하여 진성(i형) 비정질실리콘층(105n)에 입사되도록 하는 것이 태양전지의 효율 측면에서 바람직하다. 이는 태양 광에 의해 생성된 전자와 정공의 표동 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것으로서, 정공의 표동 이동도가 전자에 비해 낮기 때문에 태양 광에 의한 캐리어의 수집 효율을 극대화하기 위해서는 대부분의 캐리어들이 p+형 비정질실리콘층(105p)/i형 비정질실리콘층(105i) 계면에서 생성하도록 하여 정공의 이동 거리를 최소화하여야 하기 때문이다.
또한, 상기 광산란층(haze)(107)은 상기 n+형 비정질실리콘층(105n) 표면에 클러스터(cluster) 형태로 성장되어 형성된다. 이는 증착 단계의 실란(SiH4) 가스와 RF 파워가 단일 지연(single delay)로 완전히 정지(off)하지 않고 후속 단계인 제전처리공정이 시작되면, 제전 처리 공정시에 플라즈마가 불안정하고, 불규칙적인 가스 흐림(turbulent flow) 발생으로 경계층(boundary layer)을 통한 확산 (diffusion) 및 표면 반응(surface reation)에 의한 정상적인 막 성장이 이루어지지 못하고, 파우더(power)가 클러스터(cluster) 형태로 성장하기 때문이다.
이때, 상기 클러스터 형태의 광산란층(107)은 광을 산란시키는 역할을 하기 때문에 빛의 반사를 증가시켜 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 배면전극층(109)은 투명 전도성 산화물(TCO) 박막이나, 반사도 및 전도도가 우수한 Al, Ag를 포함하는 금속물질 중에서 선택하여 사용된다.
상기 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법에 대해 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 공정단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 먼저 투명기판(101)상에 투명기판(101) 쪽에서 입사되는 태양 광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 재질을 증착하여 투명전극층(103)을 형성한다. 이때, 상기 투명 전도성 산화물 재질로는 산화아연(ZnO)이 사용되거나, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성한다. 또한, 상기 투명전극층(103)은 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링(sputtering)법과 같은 물리 증기 증착법(PVD; physical vapor disposition)으로 증착한다.
그 다음, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 투명전극층(103) 표면에는 다수의 뾰족한 형태의 요철(103a)을 형성한다. 이때, 상기 투명기판(101) 표면은 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 텍스처링(texturing) 처리할 수 있다. 여기서, 텍스처링이란 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실에 의해 그 특성이 저하되는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 태양전지에서 사용되는 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 투명기판(101) 표면에 요철(103a) 형상의 패턴을 형성하는 것을 말한다. 텍스처링으로 투명기판 표면이 거칠어지면 한번 반사 된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시키므로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 투명기판(101) 상에 투명전극층 (103)을 형성하기 전에 반사방지층(미도시)을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 반사방지층은 기판을 통하여 입사된 태양 광이 비정질실리콘층에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 하며, 예를 들어 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)을 포함할 수 있다. 이 반사 방지층의 형성방법으로는 저압화학 기상 증착법(low pressure chemical deposition; LPCVD) 및 PECVD 등을 포함할 수 있다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 보론(Boron) 가스와 실란(SiH4) 가스를 화학기상 증착챔버(CVD) 내로 주입하면서 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)을 이용한 증착공정을 실시하여, 상기 투명전극층(103) 상에 p+형 비정질실리콘층(105p)을 형성한다. 이때, 상기 p+형 비정질실리콘층(105p)의 증착방법으로는, LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다.
그 다음, 실란(SiH4) 가스를 화학기상 증착챔버(CVD) 내로 주입하면서 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)을 이용한 증착공정을 실시하여, 상기 p+형 비정질실리콘층(105p) 상에 진성(i형) 비정질실리콘층(105i)을 형성한다. 이 때, 상기 진성 비정질실리콘층(105i)의 증착방법으로는, LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다. 이때, 태양전지에서 태양 광은 p+형 비정질실리콘층(105p)을 통하여 i형인 진성 비정질실리콘층(105i)에 입사되도록 하는 것이 태양전지의 효율 측면에세 바람직하다. 이는 태양광에 의해 생성된 전자와 정공의 표동 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것으로서, 정공의 표동 이동도가 전자에 비해 낮기 때문에 태양광에 의한 캐리어의 수집 효율을 극대화하기 위해서는 대부분의 캐리어들이 p형 비정질실리콘층(105p)/진성 비정질실리콘층(105i) 계면에서 생성하도록 하여 정공의 이동 거리를 최소화하여야 하기 때문이다.
이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 포스핀(PH3)(phosphine)가스와 실란 (SiH4) 가스를 화학기상 증착챔버(CVD) 내로 주입하면서 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)을 이용한 증착 공정을 실시하여, 상기 진성 비정질실리콘층(105i) 상에 n+형 비정질실리콘층(105n)을 형성한다. 이때, 상기 n+형 비정질실리콘층(105n)의 증착 방법으로는, 상기 진성 비정질실리콘층(105i)의 증착방법과 동일한 LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착 (hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다. 하지만, 상기 증착 조건들은 경우에 따라 변경될 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.
그 다음, 도 3d에 도시된 바와 같이, n+형 비정질실리콘층(105n)을 증착한 후, 상기 포스핀(PH3)(phosphine)가스 주입을 멈추고, 실란 (SiH4) 가스만 화학기상 증착챔버(CVD) 내로 주입하면서 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)을 이용하여 약 150 ∼ 450 ℃ 온도하에서 증착 공정을 실시하여, 상기 n+형 비정질실리콘층(105n) 표면에 클러스터(cluster) 형태의 광산란층(107)을 성장시킨다. 특히, 상기 광산란층(107)을 성장시키기 위한 조건으로는, 일시적으로 플라즈마 파워를 약 3 ∼ 20초 동안 끈 상태로 실란(SiH4) 가스만 계속해서 챔버 내로 흘려 주고, 챔버 압력을 높여서 실란(SiH4) 가스가 챔버내에서 늦게 빠져 나가도록 한다. 또한, 증착 속도를 빠르게 하기 위해 상부전극과 하부전극 높이를 조절하여 실란 가스가 기판 위로 내려 오도록 한다.
이때, 상기 광산란층(haze)(107) 성장시의 공정 조건으로는, 증착 시간은 약 3 ∼ 20 초 정도이며, RF 파워는 1000∼3000 W이며, 플라즈마를 생성하기 위한 상부전극과 하부전극간 거리는 약 20∼30 mm 정도이다. 또한, 챔버 압력은 1500∼2000 mtorr이며, 주입 가스로는 실란(SiH4) 가스를 사용한다. 그리고, 증착방법으로는, 상기 진성 비정질실리콘층(105i)의 증착방법과 동일한 LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다. 하지만, 상기 증착 조건들은 경우에 따라 변경될 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.
이는 증착 단계의 실란(SiH4) 가스와 RF 파워가 단일 지연(single delay)로 완전히 정지(off)하지 않고 후속 단계인 제전처리 공정이 시작되면, 제전 처리 공정시에 플라즈마가 불안정하고, 불규칙적인 가스 흐림(turbulent flow) 발생으로 경계층(boundary layer)을 통한 확산 (diffusion) 및 표면 반응(surface reation)에 의한 정상적인 막 성장이 이루어지지 못하고, 파우더(power)가 클러스터 (cluster) 형태로 성장하기 때문이다. 이때, 상기 클러스터 형태의 광산란층(107)은 광을 산란시키는 역할을 하기 때문에 빛의 반사를 증가시켜 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기 클러스터 형태의 광산란층(107)은 기존의 배면반사층의 역할, 즉 빛의 반사를 증가시키는 역할을 담당하기 때문에 배면반사층 대신에 사용가능하다.
이어서, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 광산란층(107) 상에 금속물질을 증착하여 배면전극층(109)을 형성함으로써 박막 태양전지 제조를 완료한다. 이때, 상기 배면전극층(113)의 재질로는 반사도 및 전도도가 우수한 알루미늄(Al), 은(Ag) 등과 같은 전도성 물질이면 바람직하며, 이의 형성방법은 열 증착법 또는 스퍼터링법 등과 같은 물리 기상 증착법 등을 사용한다.
본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, n+형 비정질실리콘층을 형성한 후 후처리를 통해 광산란층(haze)을 형성시킴으로써 이 광산란층을 통한 빛의 반사를 증가시켜 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, n+형 비정질실리콘 층을 형성한 후 기판을 별도의 증착챔버로 이동하지 않은 상태에서 후처리를 통해 광산란층(haze)을 형성시켜 기존의 배면반사층 대신으로 사용할 수 있으므로, 배면반사층을 제거할 수 있어 태양전지 제조비용의 감소는 물론 제조공정을 단축시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지 구조에 대해 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지는, 도 4에 도시된 바와 같이, 투명기판(201) 상에 형성되고, 투명전극층(203)과; 상기 투명전극층(203) 상에 적층되고, 상기 광 흡수 통로 역할을 담당하는 p+형 비정질 실리콘층(205p)과, 광을 흡수하는 흡수층으로 사용되는 진성(i형) 비정질실리콘층(205i) 및, n+형 비정질실리콘층(205n)으로 이루어진 반도체층(205)과; 상기 반도체층(205) 상에 형성된 광산란층(haze)(207) 및; 상기 광산란층(207) 상에 적층된 배면반사층(207) 및 배면전극층(211)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 투명전극층(203)은 투명기판(201) 쪽에서 입사되는 태양 광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 재질로 형성된다. 이때, 상기 투명 전도성 산화물 박막용으로는 산화아연(ZnO)이 사용되거나, 그 이외에 ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성된다.
또한, 상기 투명전극층(203) 표면에는 다수의 뾰족한 형태의 요철(203a)이 형성된다. 이때, 상기 투명기판(201) 표면은 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 텍스처링(texturing) 처리할 수 있다. 여기서, 텍스처링이란 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실에 의해 그 특성이 저하되는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 태양전지에서 사용되는 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 투명기판(201) 표면에 요철(203a) 형상의 패턴을 형성하는 것을 말한다. 텍스처링으로 투명기판 표면이 거칠어지면 한번 반사된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시키므로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 박막 태양전지에서 태양 광은 상기 p+형 비정질실리콘층(205p)을 통하여 진성(i형) 비정질실리콘층(205n)에 입사되도록 하는 것이 태양전지의 효율 측면에서 바람직하다. 이는 태양 광에 의해 생성된 전자와 정공의 표동 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것으로서, 정공의 표동 이동도가 전자에 비해 낮기 때문에 태양 광에 의한 캐리어의 수집 효율을 극대화하기 위해서는 대부분의 캐리어들이 p+형 비정질실리콘층(205p)/i형 비정질실리콘층(205i) 계면에서 생성하도록 하여 정공의 이동 거리를 최소화하여야 하기 때문이다.
또한, 상기 광산란층(haze)(207)은 상기 n+형 비정질실리콘층(205n) 표면에 클러스터(cluster) 형태로 성장되어 형성된다. 이는 증착 단계의 실란(SiH4) 가스와 RF 파워가 단일 지연(single delay)로 완전히 정지(off)하지 않고 후속 단계인 제전처리공정이 시작되면, 제전 처리 공정시에 플라즈마가 불안정하고, 불규칙적인 가스 흐림(turbulent flow) 발생으로 경계층(boundary layer)을 통한 확산 (diffusion) 및 표면 반응(surface reation)에 의한 정상적인 막 성장이 이루어지지 못하고, 파우더(power)가 클러스터(cluster) 형태로 성장하기 때문이다.
이때, 상기 클러스터 형태의 광산란층(207)은 광을 산란시키는 역할을 하기 때문에 빛의 반사를 증가시켜 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 배면반사층(209)은 상기 투명전극층(203)의 재질과 유사한 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 재질로 형성되는데, 상기 투명 전도성 산화물 박막용으로는 산화아연(ZnO)이 사용되거나, 그 이외에 ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성된다.
또한, 상기 배면전극층(211)은 투명 전도성 산화물(TCO) 박막이나, 반사도 및 전도도가 우수한 Al, Ag를 포함하는 금속물질 중에서 선택하여 사용된다.
상기 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법에 대해 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 공정단면도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 먼저 투명기판(201)상에 투명기판(201) 쪽에서 입사되는 태양 광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 재질을 증착하여 투명전극층(203)을 형성한다. 이때, 상기 투명 전도성 산화물 재질로는 산화아연(ZnO)이 사용되거나, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 박막으로 형성한다. 또한, 상기 투명전극층(203)은 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링(sputtering)법과 같은 물리 증기 증착법(PVD; physical vapor disposition)으로 증착한다.
그 다음, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 투명전극층(203) 표면에는 다수의 뾰족한 형태의 요철(203a)을 형성한다. 이때, 상기 투명기판(201) 표면은 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 텍스처링(texturing) 처리할 수 있다. 여기서, 텍스처링이란 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실에 의해 그 특성이 저하되는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 태양전지에서 사용되는 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 투명기판(201) 표면에 요철(203a) 형상의 패턴을 형성하는 것을 말한다. 텍스처링으로 투명기판 표면이 거칠어지면 한번 반사된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시키므로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 투명기판(201) 상에 투명전극층 (203)을 형성하기 전에 반사방지층(미도시)을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 반사방지층은 기판을 통하여 입사된 태양 광이 비정질실리콘층에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 하며, 예를 들어 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)을 포함할 수 있다. 이 반사 방지층의 형성방법으로는 저압화학 기상 증착법(low pressure chemical deposition; LPCVD) 및 PECVD 등을 포함할 수 있다.
이어서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 보론(Boron) 가스와 실란(SiH4) 가스를 화학기상 증착챔버(CVD) 내로 주입하면서 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)을 이용한 증착공정을 실시하여, 상기 투명전극층(203) 상에 p+형 비정질실리콘층(205p)을 형성한다. 이때, 상기 p+형 비정질실리콘층(205p)의 증착방법으로는, LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다.
그 다음, 실란(SiH4) 가스를 화학기상 증착챔버(CVD) 내로 주입하면서 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)을 이용한 증착공정을 실시하여, 상기 p+형 비정질실리콘층(205p) 상에 진성(i형) 비정질실리콘층(205i)을 형성한다. 이때, 상기 진성 비정질실리콘층(205i)의 증착방법으로는, LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다. 이때, 태양전지에서 태양 광은 p+형 비정질실리콘층(205p)을 통하여 i형인 진성 비정질실리콘층(205i)에 입사되도록 하는 것이 태양전지의 효율 측면에세 바람직하다. 이는 태양광에 의해 생성 된 전자와 정공의 표동 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것으로서, 정공의 표동 이동도가 전자에 비해 낮기 때문에 태양광에 의한 캐리어의 수집 효율을 극대화하기 위해서는 대부분의 캐리어들이 p형 비정질실리콘층(205p)/진성 비정질실리콘층(205i) 계면에서 생성하도록 하여 정공의 이동 거리를 최소화하여야 하기 때문이다.
이어서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 포스핀(PH3)(phosphine)가스와 실란 (SiH4) 가스를 화학기상 증착챔버(CVD) 내로 주입하면서 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)을 이용한 증착 공정을 실시하여, 상기 진성 비정질실리콘층(205i) 상에 n+형 비정질실리콘층(205n)을 형성한다. 이때, 상기 n+형 비정질실리콘층(205n) 증착시의 증착 방법으로는, 상기 진성 비정질실리콘층(205i)의 증착방법과 동일한 LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다. 하지만, 상기 증착 조건들은 경우에 따라 변경될 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.
그 다음, 도 5d에 도시된 바와 같이, n+형 비정질실리콘층(505n)을 증착한 후, 상기 포스핀(PH3)(phosphine)가스 주입을 멈추고, 실란 (SiH4) 가스만 화학기상 증착챔버(CVD) 내로 주입하면서 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)을 이용하여 약 150 ∼ 450 ℃ 온도하에서 증착 공정을 실시하여, 상기 n+형 비정질실리콘층(105n) 표면에 클러스터(cluster) 형태의 광산란층(207)를 성장시킨다. 특히, 상기 광산란층(207)을 성장시키기 위한 조건으로는, 일시적으로 플라즈마 파워를 약 3 ∼ 20초 동안 끈 상태로 실란(SiH4) 가스만 계속해서 챔버내로 흘려 주고, 챔버 압력을 높여서 실란(SiH4) 가스가 챔버내에서 늦게 빠져 나가게 유지한다. 또한, 증착 속도를 빠르게 하기 위해 상부전극과 하부전극 높이를 조절하여 실란 가스가 기판 위로 내려 오도록 한다.
이때, 상기 광산란층(207) 성장시의 공정 조건으로는, 증착 시간은 약 3 ∼ 20 초 정도이며, RF 파워는 1000∼3000 W이며, 플라즈마를 생성하기 위한 상부전극과 하부전극간 거리는 약 20∼30 mm 정도이다. 또한, 챔버 압력은 1500∼2000 mtorr이며, 주입 가스로는 실란(SiH4) 가스를 사용한다. 그리고, 증착방법으로는, 상기 진성 비정질실리콘층의 증착방법과 동일한 LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법 등과 같은 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition; CVD) 등을 포함한다. 하지만, 상기 증착 조건들은 경우에 따라 변경될 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.
이는 증착 단계의 실란(SiH4) 가스와 RF 파워가 단일 지연(single delay)로 완전히 정지(off)하지 않고 후속 단계인 제전처리 공정이 시작되면, 제전 처리 공정시에 플라즈마가 불안정하고, 불규칙적인 가스 흐림(turbulent flow) 발생으로 경계층(boundary layer)을 통한 확산 (diffusion) 및 표면 반응(surface reation)에 의한 정상적인 막 성장이 이루어지지 못하고, 파우더(power)가 클러스터 (cluster) 형태로 성장하기 때문이다. 이때, 상기 클러스터 형태의 광산란층(107) 은 광을 산란시키는 역할을 하기 때문에 빛의 반사를 증가시켜 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기 클러스터 형태의 광산란층(207)은 기존의 배면반사층의 역할, 즉 빛의 반사를 증가시키는 역할을 담당하기 때문에 배면반사층 대신에 사용가능하다.
이어서, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 광산란층(207) 상에 상기 투명전극층 (203) 재질과 동일한 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)을 이용하여 배면반사층(209)을 증착한다. 이때, 상기 배면반사층(209)은 배면 반사에 의해 효율 증가를 도모하는 역할을 한다. 또한, 상기 배면반사층(209)은 산화아연 (ZnO) 이외에 ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 재질로 형성한다.
그 다음, 상기 배면반사층(209) 상에 금속물질을 증착하여 배면전극층(211)을 형성함으로써 박막 태양전지 제조를 완료한다. 이때, 상기 배면전극층(211)의 재질로는 반사도 및 전도도가 우수한 알루미늄(Al), 은(Ag) 등과 같은 전도성 물질이면 바람직하며, 이의 형성방법은 열 증착법 또는 스퍼터링법 등과 같은 물리 기상 증착법 등을 사용한다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, n+형 비정질실리콘층을 형성한 후 후처리를 통해 광산란층(haze)을 형성시킴으로써 이 광산란층을 통한 빛의 반사를 증가시켜 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, n+형 비정질실리콘 층을 형성한 후 기판을 별도의 증착챔버로 이동하지 않은 상태에서 후처리를 통해 광산란층(haze)을 형성시켜 기존의 배면반사층 대신으로 사용할 수 있으므로, 배면반사층을 제거할 수 있어 태양전지 제조비용의 감소는 물론 제조공정을 단축시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 박막 태양전지 및 그 제조방법은, n+형 비정질실리콘층을 형성한 후 기판을 별도의 증착챔버로 이동하지 않은 상태에서 후처리를 통해 광산란층(haze)을 형성시키고 기존의 배면반사층을 추가로 형성하여 빛의 반사 효율을 배가시킬 수 있으므로, 광전 변환 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였 으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형 예 및 변경 예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위내에 속하는 것으로 보아야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 박막 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 공정 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지 구조의 개략적인 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 공정 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *
101 : 투명기판 103 : 투명전극층
105p : p+형 비정질실리콘층 105i : 진성 비정질실리콘층
105n : n+형 비정질실리콘층 105 : 반도체층
107 : 광산란층(haze) 109 : 배면전극층
Claims (15)
- 투명기판상에 형성된 투명전극층;상기 투명전극층 상에 형성되고, p+형 비정질실리콘층과 진성 비정질실리콘층 및 n+형 비정질실리콘층으로 구성된 반도체층;상기 n+형 비정질실리콘층 표면에 형성된 광산란층(haze);상기 광산란층 상에 형성된 배면전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광산란층은 클러스터(cluster) 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 투명전극층 재질로는 산화아연(ZnO)이 사용되거나, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 를 포함하는 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)이 사용되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 투명전극층은 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링 (sputtering)과 같은 물리 증기 증착법(PVD; physical vapor disposition)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 p+형 비정질실리콘층, 진성 비정질실리콘층 및 n+형 비정질실리콘층은 LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법과 같은 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition; CVD)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광산란층은 상기 n+형 비정질실리콘층과 동일한 챔버내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 광산란층와 배면전극층 사이에 배면반사층이 더 포함된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 투명기판상에 투명전극층을 형성하는 단계;상기 투명전극층 상에 p+형 비정질실리콘층과 진성 비정질실리콘층 및 n+형 비정질실리콘층을 연속해서 형성하는 단계;상기 n+형 비정질실리콘층 표면에 광산란층(haze)을 형성하는 단계;상기 광산란층 상에 배면전극층을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 투명전극층 재질로는 산화아연(ZnO)이 사용되거나, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2:F, ITO 를 포함하는 투명 전도성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)이 사용되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 투명전극층은 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링 (sputtering)과 같은 물리 증기 증착법(PVD; physical vapor disposition)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 p+형 비정질실리콘층, 진성 비정질실리콘층 및 n+형 비정질실리콘층은 LPCVD법, PECVD법, 열선 화학기상증착(hot wire chemical vapor deposition) 법과 같은 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition; CVD)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 광산란층은 상기 n+형 비정질실리콘층과 동일한 챔버 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 광산란층을 형성하는 단계는,상기 n+형 비정질실리콘층을 형성한 후 증착 챔버내로 포스핀(PH4) 가스 주입을 멈추고 실란(SiH4) 가스를 흘려 주면서 상기 n+형 비정질실리콘층 표면에 클러스터 형태의 광산란층을 성장시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전 지 제조방법.
- 제13항에 있어서, 상기 광산란층을 형성하는 단계는, 증착 시간은 3 ∼ 20 초 정도이며, RF 파워는 1000∼3000 W이며, 플라즈마 발생용 상부전극과 하부전극간 거리는 20∼30 mm 정도이며, 증착 챔버 압력은 1500∼2000 mtorr인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 광산란층과 배면전극층 사이에 배면반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
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| CN107768523A (zh) * | 2017-12-07 | 2018-03-06 | 湖南师范大学 | 一种同质结钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法 |
| KR20210033205A (ko) * | 2019-09-18 | 2021-03-26 | 한국에너지기술연구원 | 다기능 다공성 박막을 갖는 태양광 실리콘 웨이퍼 및 이를 제조하는 방법 |
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2009
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