KR20110105393A - 태양 전지의 제조 방법 및 태양 전지 - Google Patents

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다츠미 우사미
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Abstract

이 태양 전지의 제조 방법은 투명 기판(6, 51)에 형성된 투명 도전막(54)을 가지는 태양 전지의 제조 방법으로서, 주요 구성 요소인 ZnO와 Al 또는 Ga를 가지는 물질을 포함하는 재료로 이루어지는 타겟(7)을 준비하고, 프로세스 가스를 포함하는 제1 분위기에서 상기 타겟(7)에 스퍼터 전압을 인가하고, 상기 투명 도전막(54)을 구성하는 제1층(54a)을 형성하며, 상기 제1 분위기보다도 산소 가스량이 많은 제2 분위기에서 상기 타겟(7)에 스퍼터 전압을 인가하고, 상기 투명 도전막(54)을 구성하는 제2층(54b)을 상기 제1층(54a) 상에 형성하며, 상기 투명 도전막(54)을 에칭하여 요철 형상을 형성한다.

Description

태양 전지의 제조 방법 및 태양 전지{Method for manufacturing solar cell, and solar cell}
본 발명은 태양 전지의 제조 방법 및 태양 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ZnO계 재료로 이루어지는 투명 도전막에서 미세한 텍스처를 가능하게 하는 태양 전지의 제조 방법 및 태양 전지에 관한 것이다.
본원은 2009년 1월 23일에 출원된 특원 2009-013584호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래 태양 전지가 널리 이용되고 있다. 태양 전지에서는, 태양 광에 포함되는 광자라는 에너지 입자가 i층에 닿으면 광기전력 효과에 의해 전자와 정공(hole)이 발생하여 전자는 n층, 정공은 p층으로 향하여 이동한다. 이러한 태양 전지에서는 광기전력 효과에 의해 발생한 전자가 상부 전극 및 이면 전극에 의해 취출되고, 광 에너지가 전기 에너지로 변환된다.
도 15는 아몰퍼스 실리콘 태양 전지의 개략 단면도이다.
태양 전지(100)에서는, 유리 기판(101)의 표면 상에 상부 전극(103), 톱 셀(105), 중간 전극(107), 보텀 셀(109), 버퍼층(110), 이면 전극(111)이 차례대로 적층되어 있다. 상부 전극(103)은 산화 아연계의 투명 도전막으로 이루어진다. 톱 셀(105)은 아몰퍼스 실리콘으로 이루어진다. 중간 전극(107)은 투명 도전막으로 이루어지고, 톱 셀(105)과 보텀 셀(109) 사이에 설치되어 있다. 보텀 셀(109)은 미결정 실리콘으로 이루어진다. 버퍼층(110)은 투명 도전막으로 이루어진다. 이면 전극(111)은 금속막으로 이루어진다.
톱 셀(105)은 p층(105p), i층(105i), n층(105n)의 3층 구조로 구성되어 있고, 이 중에서 i층(105i)이 아몰퍼스 실리콘으로 형성되어 있다. 또한, 보텀 셀(109)도 톱 셀(105)과 같이 p층(109p), i층(109i), n층(109n)의 3층 구조로 구성되어 있고, 이 중에서 i층(109i)이 미결정 실리콘으로 구성되어 있다.
이러한 태양 전지(100)에 있어서, 유리 기판(101)에 입사된 태양 광은 상부 전극(103), 톱 셀(105)(p-i-n층), 버퍼층(110)을 통과하여 이면 전극(111)에서 반사된다. 태양 전지에서는, 광 에너지의 변환 효율을 향상시키기 위해 이면 전극(111)에서 태양 광을 반사시키는 구조, 또는 태양 전지에 입사된 태양 광의 광로를 넓히는 프리즘 효과와 광의 가둠 효과를 얻기 위해 텍스처라고 불리는 구조 등이 채용되어 있다. 또한, 텍스처 구조는 상부 전극(101)에 설치된다. 버퍼층(110)은 이면 전극(111)에 이용되는 금속막을 구성하는 재료가 확산되는 것을 방지하고 있다.
태양 전지에서는, 디바이스 구조의 종류에 따라 광기전력 효과가 얻어지는 파장대역이 서로 다르다. 어떤 태양 전지에서는, 상부 전극을 구성하는 투명 도전막의 특성으로서 i층에서 흡수되는 광을 투과하는 성질과 광기전력에 의해 발생한 전자를 취출하는 전기 전도성이 요구된다. 태양 전지에서는, SnO2에 불순물로서 불소가 첨가된 FTO 또는 ZnO계 산화물 반도체 박막이 이용되고 있다. 버퍼층의 특성으로서도 i층에서 광을 흡수하기 위해 이면 전극에서 반사된 광 및 이면 전극에서 반사된 광을 투과하는 성질과 이면 전극으로 정공을 이동하기 위한 전기 전도성이 요구된다.
태양 전지에 이용되는 투명 도전막에 요구되는 특성은 크게 나누어 도전성, 광학 특성, 텍스처 구조의 특성으로 이루어지는 3특성이다. 제1 특성인 도전성으로서는 발전된 전기를 취출하기 위해 낮은 전기저항이 요구된다. 일반적으로 태양 전지에 투명 도전막으로서 사용되고 있는 FTO는 CVD를 이용하여 형성되는 투명 도전막이다. SnO2에 F를 첨가함으로써 F와 O가 치환되어 도전성이 얻어진다. 또한, ITO를 대신하는 재료로서 크게 주목받고 있는 ZnO계 재료는 스퍼터법을 이용한 성막 공정에서 사용 가능하다. 이러한 ZnO계 재료에서는, 산소 결손과 Al 또는 Ga를 포함하는 재료를 ZnO에 첨가함으로써 도전성이 얻어진다.
제2 특성에 관해, 태양 전지에 사용되는 투명 도전막은 주로 광이 입사되는 위치(면)에서 사용되기 때문에, 발전층에서 흡수되는 파장대역을 투과하는 광학 특성이 요구된다.
제3 특성에 관해, 태양 광을 효율적으로 발전층에서 흡수하기 위해 광을 산란시키는 텍스처 구조가 필요하다. 통상 스퍼터 프로세스를 이용하여 작성된 ZnO계 박막은 평탄한 표면을 가진다. 그 때문에, 요철면을 가지는 텍스처 구조를 형성하기 위해 습식 에칭 등에 의한 텍스처 형성 처리가 필요하다.
그러나, 스퍼터법을 이용하여 ZnO계 재료로 이루어지는 막을 형성하고, 그 후 습식 에칭 처리에 의해 태양 전지에 사용되는 TCO를 작성하는 경우, ZnO계 재료는 현저한 C축 배향을 가지기 때문에 미세한 텍스처를 형성하기가 어렵다.
특허문헌 1: 특개소58-57756호 공보 특허문헌 2: 특표평2-503615호 공보
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 스퍼터법을 이용하여 ZnO계 재료로 이루어지는 투명 도전막을 성막한 경우이어도 미세한 텍스처를 형성하는 것이 가능하고, 높은 광전 변환 효율을 가지는 태양 전지를 제작하는 것이 가능한 태양 전지의 제조 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 ZnO계 재료로 이루어지는 투명 도전막에 있어서 미세한 텍스처를 가지고 높은 광전 변환 효율을 가지는 태양 전지를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 태양의 태양 전지의 제조 방법은 투명 기판에 형성된 투명 도전막을 가지는 태양 전지의 제조 방법으로서, 주요 구성 요소인 ZnO와 Al 또는 Ga를 가지는 물질을 포함하는 재료로 이루어지는 타겟을 준비하고, 프로세스 가스를 포함하는 제1 분위기에서 상기 타겟에 스퍼터 전압을 인가하고, 상기 투명 도전막을 구성하는 제1층을 형성하며(단계 A), 상기 제1 분위기보다도 산소 가스량이 많은 제2 분위기에서 상기 타겟에 스퍼터 전압을 인가하고, 상기 투명 도전막을 구성하는 제2층을 상기 제1층 상에 형성하며(단계 B), 상기 투명 도전막을 에칭하여 요철 형상을 형성한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제2 태양의 태양 전지는 투명 기판; 상기 투명 기판에 가까운 위치에 배치되는 제1층; 상기 제1층에 함유되는 산소량보다도 많은 산소량을 가지고 상기 발전층에 가까운 위치에 배치되는 제2층;을 포함하고, 주요 구성 요소로서 ZnO를 가지고, 요철 형상이 형성된 투명 도전막; 상기 투명 도전막 상에 형성된 발전층; 상기 발전층 상에 형성된 이면 전극;을 포함한다.
본 발명의 제2 태양의 태양 전지에서는, 상기 제2층에 함유되는 산소량은 상기 제1층에 함유되는 산소량보다도 0.5~3중량% 많은 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 태양의 태양 전지에서는, 상기 제2층은 상기 제1층 상에 접촉하도록 배치되고, 상기 요철 형상은 상기 제2층의 두께보다 큰 깊이를 가지고, 상기 제2층에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양 전지의 제조 방법에서는, 투명 도전막의 형성 공정에서 스퍼터법을 이용하여 ZnO계 재료를 투명 기판 상에 형성할 때에, 도전성을 가지는 제1층을 성막하는 단계 A와 상기 제1층 상에 형성되어 텍스처를 구성하는 제2층을 성막하는 단계 B가 차례대로 행해진다. 또한, 상기 단계 A가 행해지는 제1 분위기에서의 산소 가스량보다도 상기 단계 B가 행해지는 제2 분위기에서의 산소 가스량이 많다. 이 방법에 의해 형성된 제2층을 구성하는 막의 배향은 흐트러져 미세 텍스처를 형성할 수 있다.
그 결과, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 텍스처 구조에 의한 프리즘 효과와 광의 가둠 효과를 충분히 얻을 수 있어 높은 광전 변환 효율을 가지는 태양 전지를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 태양 전지는 투명 기판, 투명 도전막, 발전층, 이면 전극을 포함한다. 투명 도전막은 상기 투명 기판에 가까운 위치에 배치되는 제1층과, 상기 제1층에 함유되는 산소량보다도 많은 산소량을 가지고 상기 발전층에 가까운 위치에 배치되는 제2층을 포함하며, 주요 구성 요소로서 ZnO를 가지고, 상기 투명 기판 상에 형성되어 있다.
이 구성에 있어서, 제2층을 구성하는 막의 배향이 흐트러져 미세 텍스처를 형성할 수 있으므로, 텍스처 구조를 가지는 태양 전지가 얻어진다.
이 텍스처 구조에서는 프리즘 효과와 광의 가둠 효과가 얻어지므로, 높은 광전 변환 효율을 가지는 태양 전지를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조 방법에 의해 형성되는 태양 전지를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 태양 전지의 제조 방법에 이용되는 성막 장치를 나타내고, 성막 장치의 상방에서 본 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명의 태양 전지의 제조 방법에 이용되는 성막 장치에서의 성막실을 나타내고, 성막실의 상방에서 본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 태양 전지의 제조 방법에 이용되는 성막 장치에서의 성막실을 나타내고, 성막실의 상방에서 본 단면도이다.
도 5는 성막 속도와 압력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 연속 성막 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 7은 연속 성막 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 8a는 연속 성막 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 8b는 성막 장치의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 8c는 성막 장치의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 9는 실시예 1에서 얻어진 투명 도전막의 SEM상을 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예 2에서 얻어진 투명 도전막의 SEM상을 나타내는 도면이다.
도 11은 실시예 3에서 얻어진 투명 도전막의 SEM상을 나타내는 도면이다.
도 12는 비교예 1에서 얻어진 투명 도전막의 SEM상을 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예에서 얻어진 투명 도전막이 XRD측정을 이용하여 측정된 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 비교예에서 얻어진 투명 도전막이 XRD측정을 이용하여 측정된 결과를 나타내는 도면이다.
도 15는 종래의 태양 전지를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명에 관한 태양 전지의 제조 방법 및 태양 전지의 최량의 형태에 대해 도면에 기초하여 설명한다.
또한, 이하의 설명에 이용하는 각 도면에서는 각 구성 요소를 도면 상에서 인식할 수 있는 정도의 크기로 하기 때문에, 각 구성 요소의 치수 및 비율을 실제의 것과는 적절히 다르게 하고 있다.
또, 본 발명의 기술 범위는 하기의 실시형태에 한정되지 않고 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지의 변경을 가하는 것이 가능하다.
(태양 전지)
우선, 본 발명의 태양 전지에 대해 도 1에 기초하여 설명한다.
도 1은 태양 전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
태양 전지(50)에서는, 유리 기판(51)(투명 기판)의 표면 상에 상부 전극(53), 톱 셀(55), 중간 전극(57), 보텀 셀(59), 버퍼층(61), 이면 전극(63)이 차례대로 적층되어 있다. 상부 전극(53)은 산화 아연계의 투명 도전막(54)으로 이루어진다. 톱 셀(55)은 아몰퍼스 실리콘으로 이루어진다. 중간 전극(57)은 투명 도전막(54)으로 이루어지고, 톱 셀(55)과 보텀 셀(59) 사이에 설치되어 있다. 보텀 셀(59)은 미결정 실리콘으로 이루어진다. 버퍼층(61)은 투명 도전막(54)으로 이루어진다. 이면 전극(63)은 금속막으로 이루어진다.
본 발명의 태양 전지(50)에 있어서, 상부 전극(53)은 광이 입사되는 전극이다. 상부 전극(53)은 주요 구성 요소로서 ZnO를 포함하는 투명 도전막(54)이다. 투명 도전막(54)은 제1층(54a)과 제1층(54a)의 헤이즈율과는 다른 헤이즈율을 가지는 제2층(54b)이 순차적으로 적층된 적층 구조를 가진다. 이 투명 도전막(54)은 후술하는 제조 방법을 이용하여 형성되어 있고, 미세 텍스처를 가진다. 이에 의해, 본 발명의 태양 전지(50)는 텍스처 구조에 의한 프리즘 효과와 광의 가둠 효과를 충분히 가지고 높은 광전 변환 효율을 가진다.
또한, 제2층(54b)에 함유되는 산소량은 제1층(54a)에 함유되는 산소량보다도 0.5~3중량% 많다. 이러한 제2층(54b)의 산소량은 후술하는 제조 방법에 의해 제어된다.
또한, 제1층(54a)에 함유되는 산소량보다도 많은 산소량을 가지는 제2층(54b)이 에칭되면, 제2층(54b)을 포함하는 투명 도전막(54)의 표면에 요철 형상이 형성된다(도 9~도 11 참조). 이에 따라, 투명 도전막(54)에 형성된 요철 형상의 깊이는 제2층(54b)의 두께보다 크다. 또한, 이 요철 형상은 제2층(54b) 상에 형성되어 있다.
또한, 태양 전지(50)는 a-Si 및 미결정 Si로 이루어지는 탠덤형 태양 전지이다. 이러한 탠덤 구조의 태양 전지(50)에서는, 단파장 광이 톱 셀(55)에서 흡수되고, 장파장 광이 보텀 셀(59)에서 흡수되어 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또, 상부 전극(53)의 막두께는 2000Å~10000Å이다.
톱 셀(55)은 p층(55p)(제1 p층), i층(55i)(제1 i층), n층(55)(제1 n층)의 3층 구조를 가진다. i층(55i)은 아몰퍼스 실리콘으로 이루어진다.
또한, 보텀 셀(59)은 톱 셀(55)의 구조와 같이 p층(59p)(제2 p층), i층(59i)(제2 i층), n층(59n)(제2 n층)의 3층 구조를 가진다. i층(59i)은 미결정 실리콘으로 이루어진다.
이러한 구성을 가지는 태양 전지(50)에서는, 태양 광에 포함되는 광자라는 에너지 입자가 i층에 닿아 광기전력 효과가 생기고, 전자와 정공(hole)이 발생하여 전자는 n층으로 향하여 이동하고, 정공은 p층으로 향하여 이동한다.
이 광기전력 효과에 의해 발생한 전자는 상부 전극(53)과 이면 전극(63)에 의해 취출된다. 이에 따라, 광 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
또한, 톱 셀(55)과 보텀 셀(59) 사이에 중간 전극(57)이 설치되어 있다. 이 구조에서는, 톱 셀(55)을 통과하여 보텀 셀(59)에 도달하는 광의 일부가 중간 전극(57)에서 반사하여 다시 톱 셀(55)에 입사한다. 이 때문에, 셀의 감도 특성이 향상되어 발전 효율이 향상된다.
또한, 유리 기판(51)을 통해 태양 전지(50)에 입사된 태양 광은 각 층을 통과하여 이면 전극(63)에서 반사된다. 태양 전지(50)에는 광 에너지의 변환 효율을 향상시키기 위해, 상부 전극(53)에 입사된 태양 광의 광로를 넓히는 프리즘 효과와 광의 가둠 효과를 얻는 텍스처 구조를 채용하고 있다.
후술하는 바와 같이, 상부 전극(53)을 구성하는 투명 도전막(54)을 형성하는 공정에서는, 스퍼터법을 이용하여 ZnO계 재료로 이루어지는 투명 도전막(54)을 형성할 때에, 도전성을 가지는 제1층(54a)을 성막하는 공정(단계 A)과 상기 제1층(54a) 상에 형성되면서 텍스처를 구성하는 제2층(54b)을 성막하는 공정(단계 B)이 행해진다. 또한, 제2층(54b)은 제1층(54a)이 형성되는 제1 분위기의 산소 가스량보다도 많은 산소 가스량을 포함하는 제2 분위기에서 형성된다. 이와 같이 산소 가스량이 많은 분위기에서 제2층(54b)이 형성된 후, 에칭법(예를 들면, 습식 에칭법)을 이용하여 제2층(54b)을 포함하는 투명 도전막(54)의 표면에 요철 형상이 형성된다. 이에 따라, 미세 텍스처를 형성할 수 있다. 이와 같이 하여 제작된 태양 전지(50)는 텍스처 구조에 의한 프리즘 효과와 광의 가둠 효과를 충분히 얻을 수 있어 높은 광전 변환 효율을 얻을 수 있다.
(태양 전지의 제조 방법)
다음에, 이러한 태양 전지의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 실시형태의 태양 전지의 제조 방법에서는, 주요 구성 요소인 ZnO와 Al 또는 Ga를 가지는 물질을 포함하는 재료로 이루어지는 타겟을 이용한 스퍼터법에 의해 주요 구성 요소로서 ZnO를 포함하는 투명 도전막(54)으로 이루어지는 상부 전극(53)이 형성되어 있다. 또한, 스퍼터법에서는 프로세스 가스를 포함하는 분위기에서 상기 재료로 이루어지는 타겟에 스퍼터 전압을 인가하고, 타겟의 표면에 수평 자계를 발생시켜 스퍼터가 행해지고 있다. 이 방법에서는, 투명 기판(유리 기판(51)) 상에 투명 도전막(54)이 형성되고, 투명 도전막(54)으로 이루어지는 상부 전극(53)이 형성되어 있다.
본 실시형태의 태양 전지의 제조 방법에서는, 투명 도전막(54)을 형성하기 위해 이용되는 재료는 Al 또는 Ga를 포함하는 물질과 ZnO를 함유한다. 상부 전극(53)을 형성하는 공정은, 투명 도전막(54)을 구성하는 제1층(54a)을 형성하는 공정(단계 A)과 상기 투명 도전막(54)을 구성하는 제2층(54b)을 제1층(54a) 상에 형성하는 공정(단계 B)을 적어도 차례대로 포함한다. 또한, 제2층(54b)은 제1층(54a)이 형성되는 제1 분위기의 산소 가스량보다도 많은 산소 가스량을 포함하는 제2 분위기에서 형성된다.
따라서, 텍스처를 구성하는 제2층(54)이 형성되는 제2 분위기의 산소 가스량은 도전성을 가지는 제1층(54a)이 성막되는 제1 분위기의 산소 가스량보다도 많다. 이와 같이 형성된 제1층(54a) 및 제2층(54b)을 포함하는 투명 도전막(54)은 에칭된다. 이에 따라 제2층(54b)의 표면이 에칭되고, 요철 형상이 형성된다. 이에 의해, 이 방법에 의해 형성된 제2층을 구성하는 막의 배향이 흐트러져 미세 텍스처를 형성할 수 있다.
그 결과, 본 실시형태의 제조 방법에 의하면, 텍스처 구조에 의한 프리즘 효과와 광의 가둠 효과를 충분히 얻을 수 있어 높은 광전 변환 효율을 가지는 태양 전지를 제작할 수 있다.
우선, 본 발명의 태양 전지의 제조 방법에 있어서, 상부 전극(53)을 구성하는 산화 아연계의 투명 도전막(54)을 형성할 때에 이용되는 스퍼터 장치(성막 장치)를 설명한다.
(제1 스퍼터 장치)
도 2는 본 발명의 태양 전지의 제조 방법에 이용되는 제1 스퍼터 장치(성막 장치)를 나타내고, 스퍼터 장치의 상방에서 본 개략 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 스퍼터 장치의 성막실을 나타내고, 성막실의 상방에서 본 단면도이다.
스퍼터 장치(1)는 인터백식의 스퍼터 장치이다. 스퍼터 장치(1)는 무알칼리 유리 기판(도시생략) 등의 기판을 반입 또는 반출하는 이동탑재실(2)(사입/취출실)과, 기판 상에 산화 아연계의 투명 도전막(54)을 성막하는 성막실(3)(진공 용기)을 포함한다.
이동탑재실(2)에는 로터리 펌프 등의 러핑 배기부(4)가 설치되어 있다. 배기부(4)는 이동탑재실(2) 안을 감압한다. 이동탑재실(2) 내에는 기판을 유지하고 기판을 반송할 때에 이용되며 이동 가능한 기판 트레이(5)가 배치되어 있다.
한편, 성막실(3)의 제1 측면(3a)에는 기판(6)(유리 기판(51))을 가열하는 히터(11)가 종형으로 설치되어 있다. 또한, 제2 측면(3b)에는 산화 아연계 재료의 타겟(7)을 유지하여 원하는 스퍼터 전압을 인가하는 스퍼터 캐소드 기구(12)(타겟 유지부)가 종형으로 설치되어 있다. 또, 성막실(3)에는 터보 분자 펌프 등의 고진공 배기부(13), 타겟(7)에 스퍼터 전압을 인가하는 전원(14) 및 성막실(3) 내에 가스를 도입하는 가스 도입부(15)가 설치되어 있다. 고진공 배기부(13)는 성막실(3) 안을 고진공으로 감압한다.
스퍼터 캐소드 기구(12)는 판형상의 금속 플레이트로 이루어진다. 스퍼터 캐소드 기구(12)에는 타겟(7)이 로우재 등을 개재하여 본딩(고정)된다. 전원(14)은 타겟(7)에 직류 전압에 고주파 전압이 중첩된 스퍼터 전압을 인가하고, 직류 전원과 고주파 전원(도시생략)을 포함한다.
가스 도입부(15)는 Ar 등의 스퍼터 가스를 도입하는 스퍼터 가스 도입부(15a), 수소 가스를 도입하는 수소 가스 도입부(15b), 산소 가스를 도입하는 산소 가스 도입부(15c), 수증기를 도입하는 수증기 도입부(15d)를 포함한다.
이 가스 도입부(15)에서는 수소 가스 도입부(15b), 산소 가스 도입부(15c) 및 수증기 도입부(15d)가 필요에 따라 선택되어 사용된다. 예를 들면, 수소 가스 도입부(15b) 및 산소 가스 도입부(15c)로 이루어지는 2개의 가스 도입부에 의해 가스 도입부(15)가 구성되어도 된다. 또한, 수소 가스 도입부(15b) 및 수증기 도입부(15d)로 이루어지는 2개의 가스 도입부에 의해 가스 도입부(15)가 구성되어도 된다.
(제2 스퍼터 장치)
도 4는 본 발명의 태양 전지의 제조 방법에 이용되는 제2 스퍼터 장치, 즉 인터백식의 마그네트론 스퍼터 장치의 성막실을 나타내고, 성막실의 상방에서 본 단면도이다.
도 4에 도시된 마그네트론 스퍼터 장치(21)와 상기 스퍼터 장치(1)는, 성막실(3)의 제1 측면(3a)에 산화 아연계 재료로 이루어지는 타겟(7)이 유지되고, 원하는 자계를 발생시키는 스퍼터 캐소드 기구(22)(타겟 유지부)가 종형으로 설치된 점에서 다르다.
스퍼터 캐소드 기구(22)는 타겟(7)이 로우재 등을 개재하여 본딩(고정)된 배면 플레이트(23)와, 배면 플레이트(23)의 이면을 따라 배치된 자기 회로(24)를 포함한다.
이 자기 회로(24)는 타겟(7)의 표면에 수평 자계를 발생시킨다. 자기 회로(24)에서는, 복수의 자기 회로 유닛(24a, 24b)(도 4에서는 2개)이 브라켓(25)에 연결되어 일체화되어 있다. 자기 회로 유닛(24a, 24b) 각각은 제1 자석(26) 및 제2 자석(27)이 장착되는 요크(28)를 포함한다. 또한, 배면 플레이트(23)에 대향하고 있는 제1 자석(26) 및 제2 자석(27)의 표면에서는, 제1 자석(26)의 극성은 제2 자석(27)의 극성과는 다르다. 즉, 배면 플레이트(23) 측에서 자석(26)의 극성과 제2 자석(27)의 극성은 다르다.
이 자기 회로(24)에서는 상술한 제1 자석(26) 및 제2 자석(27)이 설치되어 있으므로, 자력선(29)에서 나타나는 자계가 발생한다. 이에 의해, 제1 자석(26)과 제2 자석(27) 사이에서의 타겟(7)의 표면에서는, 부호(30)로 나타난 위치에서 수직 자계가 0(즉, 수평 자계가 최대)이다. 이 위치(30)에 고밀도 플라즈마가 생성함으로써 성막 속도가 향상된다.
상술한 도 4에 도시된 성막 장치에서는, 성막실(3)의 제1 측면(3a)에 원하는 자계를 발생시키는 스퍼터 캐소드 기구(22)가 종형으로 설치되어 있다. 이 구성에서는, 스퍼터 전압을 340V이하로 설정하고, 타겟(7)의 표면에서의 수평 자계 강도의 최대값을 600가우스 이상으로 설정함으로써, 결정 격자가 잘 갖추어진 산화 아연계의 투명 도전막(54)을 성막할 수 있다.
이 산화 아연계의 투명 도전막(54)에서는, 성막 후에 고온으로 어닐 처리를 행해도 산화되기 어려워 비저항의 증가를 억제할 수 있다. 이와 같이 형성된 산화 아연계의 투명 도전막(54)을 태양 전지의 상부 전극에 적용함으로써 내열성이 뛰어난 태양 전지를 실현할 수 있다.
다음에, 본 발명의 태양 전지의 제조 방법의 일례로서 도 2 및 도 3에 도시된 스퍼터 장치(1)를 이용하여 태양 전지의 상부 전극을 구성하는 산화 아연계의 투명 도전막(54)을 투명 기판 상에 성막하는 방법을 설명한다.
우선, 타겟(7)이 스퍼터 캐소드 기구(12)에 로우재 등을 개재하여 본딩하여 고정된다. 타겟재로서는 산화 아연계 재료, 예를 들면 알루미늄(Al)이 0.1~10질량% 첨가된 알루미늄 첨가 산화 아연(AZO), 갈륨(Ga)이 0.1~10질량% 첨가된 갈륨 첨가 산화 아연(GZO) 등이 이용된다. 특히, 낮은 비저항의 박막을 성막할 수 있는 점에서 타겟재로서 알루미늄 첨가 산화 아연(AZO)을 이용하는 것이 바람직하다.
다음에, 예를 들면 유리로 이루어지는 태양 전지의 기판(6)(유리 기판(51))을 이동탑재실(2)의 기판 트레이(5)에 배치한다. 기판 트레이(5)가 이동탑재실(2) 내에 배치된 상태로 이동탑재실(2) 및 성막실(3)을 러핑 배기부(4)를 이용하여 거칠게 감압한다. 이에 의해, 이동탑재실(2) 및 성막실(3)은 소정의 진공도, 예를 들면 0.27Pa(2.0mTorr)로 설정된다. 그 후, 기판(6)은 이동탑재실(2)로부터 성막실(3)에 반입된다. 기판(6)은 전력이 공급되지 않은 히터(11) 전에 배치되면서 타겟(7)에 대향하도록 배치된다. 그 후, 이 기판(6)은 히터(11)에 의해 가열되고, 기판(6)의 온도는 100℃~600℃의 범위 내에 제어된다.
다음에, 성막실(3)은 고진공 배기부(13)를 이용하여 고진공으로 감압된다. 성막실(3)의 압력이 소정의 고진공도, 예를 들면 2.7×10-4Pa(2.0×10-3mTorr)에 도달한 후에 성막실(3) 내에 스퍼터 가스 도입부(15)로부터 Ar 등의 스퍼터 가스가 공급되고, 성막실(3) 안이 소정의 압력(스퍼터 압력)으로 제어된다.
다음에, 전원(14)으로부터 타겟(7)에 스퍼터 전압, 예를 들면 직류 전압에 고주파 전압이 중첩된 스퍼터 전압이 인가된다. 스퍼터 전압의 인가에 의해 기판(6) 상에 플라즈마가 발생하고, 이 플라즈마에 의해 여기된 Ar 등의 스퍼터 가스의 이온이 타겟(7)에 충돌한다. 이에 따라, 이 타겟(7)으로부터 알루미늄 첨가 산화 아연(AZO) 또는 갈륨 첨가 산화 아연(GZO) 등의 산화 아연계 재료를 구성하는 원자가 비산하여 기판(6) 상에 산화 아연계 재료로 이루어지는 투명 도전막(54)이 성막된다.
본 실시형태에서는, 제2층(54b)은 제1층(54a)이 형성되는 제1 분위기의 산소 가스량보다도 많은 산소 가스량을 포함하는 제2 분위기에서 형성된다. 즉, 스퍼터법을 이용하여 도전성을 가지는 제1층(54a)을 저산소 가스 분위기에서 형성하고, 그 후 스퍼터법을 이용하여 텍스처를 구성하는 제2층(54b)을 고산소 가스 분위기에서 형성하고 있다.
스퍼터법을 이용하여 제2층(54b)을 고산소 가스 분위기에서 형성함으로써, 이 방법에 의해 형성된 제2층을 구성하는 막의 배향이 흐트러진다. 그 때문에, 스퍼터 공정의 후공정인 습식 에칭법(부등방 에칭법)을 이용하여 미세 텍스처를 형성할 수 있다.
여기서, 스퍼터시에서의 성막 압력과 성막 속도의 관계에 대해 설명한다.
스퍼터 공정에서의 성막 압력은 타겟 재료 또는 프로세스 가스의 종류에 의존하는데, 마그네트론 스퍼터법을 이용하여 막을 형성하는 경우, 일반적으로 2mTorr에서 10mTorr의 범위의 압력이 선택되어 막이 형성된다. 성막 압력이 낮은 경우, 플라즈마의 임피던스가 높아 방전할 수 없거나, 방전할 수 있어도 플라즈마가 불안정해지거나 한다.
반대로 성막 압력이 높은 경우는, 프로세스 가스와 스퍼터된 타겟 재료가 스캐터링(scattering)한다. 이 스캐터링에 기인하여 기판에 막이 부착되는 효율(성막 속도)이 저하되거나, 캐소드의 주변에 배치된 부품에 스퍼터된 타겟 재료가 막으로 부착됨으로써 캐소드와 어스가 합선되거나 한다. 결과적으로 생산성이 저하된다.
생산성이 저하된 경우의 일례로서 성막 속도와 압력의 관계를 도 5에 나타낸다. 도 5에 나타내는 실험에서는, 5인치×16인치 크기로 형성되고, 주요 구성 요소인 ZnO와 2중량%의 Al2O3를 함유하는 타겟을 준비하여 타겟이 1kW의 전력으로 스퍼터되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 성막 압력이 5mTorr일 때에 성막 속도가 약 93Å/min이고, 성막 압력이 30mTorr일 때에 성막 속도가 약 60Å/min이다. 즉, 성막 압력이 5mTorr에서 30mTorr로 변화하면, 성막 속도가 30%~40% 저하되는 것을 알 수 있다.
다음에, 스퍼터시에 공급되는 산소 가스의 농도의 차이와 막 중에 포함되는 산소에 대해 설명한다.
산소가 첨가되어 있는 막과 산소가 첨가되지 않은 막의 차이를 검증하기 위해, 산소 도입량이 0sccm인 조건에서 Si기판 상에 성막된 1000nm의 ZnO박막의 성분과 산소 도입량이 20sccm인 조건에서 Si기판 상에 성막된 1000nm의 ZnO박막의 성분을 EPMA(Electron Probe Micro-Analysis)를 이용하여 분석하였다.
EPMA를 이용한 분석의 결과로부터, 산소 도입량이 많은 조건에서 성막된 ZnO박막에 함유되는 산소량이 산소 도입량이 제로인 조건에서 성막된 ZnO박막에 함유되는 산소량보다도 많은 것이 확인되었다.
후술하는 도 14에 도시된 바와 같은 XRD(X-ray Diffraction, X선 회절 측정)를 이용한 측정 결과와 상기 결과를 고려하면, 산화가 진행됨으로써 (004)면의 배향성이 향상되기 때문에, 복수 방향으로 에칭이 진행되어 미세 텍스처를 형성하는 것이 가능하게 된다고 생각된다.
상술한 바와 같이 기판(6) 상에 산화 아연계 재료로 이루어지는 투명 도전막(54)을 성막한 후, 이 기판(6)(유리 기판(51))을 성막실(3)로부터 이동탑재실(2)에 반송하고, 이 이동탑재실(2)의 압력을 대기압으로 되돌린다. 산화 아연계의 투명 도전막(54)이 형성된 기판(6)(유리 기판(51))이 이동탑재실(2)로부터 취출된다. 다음에, 투명 도전막(54)에 습식 에칭 처리를 실시한다. 이에 의해, 투명 도전막(54)의 표면에 미세 텍스처가 형성된다. 이 때, 투명 도전막(54)의 표면에 위치하는 제2층(54b)은 스퍼터법을 이용함으로써 고산소 가스 분위기에서 형성되어 있으므로, 제2층(54b)의 막의 배향이 흐트러진다. 이와 같이 배향이 흐트러져 있는 표면을 가지는 제2층(54b)이 습식 에칭되면, 제2층(54b)에서 복수의 방향으로 에칭이 진행되어 미세 텍스처를 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 산화 아연계의 투명 도전막(54)이 형성된 기판(6)(유리 기판(51))이 얻어진다. 이 투명 도전막(54)은 표면에 미세한 텍스처 구조를 가진다. 이러한 텍스처 구조를 태양 전지에 적용함으로써, 입사된 태양 광의 광로를 넓히는 프리즘 효과와 광의 가둠 효과를 최대한으로 얻을 수 있다. 이에 따라, 높은 광전 변환 효율을 가지는 태양 전지를 실현할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서, 제1층(54a)과 제2층(54b)을 연속하여 형성할 때에 인라인 타입의 성막 장치를 이용하는 경우에는, 도 6에 도시된 바와 같이 버퍼 챔버를 가지는 인라인 버퍼 챔버형의 성막 장치(200)를 채용할 수 있다.
성막 장치(200)는 로드 로크 챔버(201), 가열 챔버(202), 제1층 성막 챔버(203), 버퍼 챔버(204), 제2층 성막 챔버(205), 언로드 로크 챔버(206)를 포함한다. 성막 장치(200)에서는 챔버(201, 202, 203, 204, 205, 206)가 일렬로 배치되고, 서로 인접하는 챔버 사이에는 게이트 밸브(207)가 설치되어 있다. 가열 챔버(202)에서는 기판이 가열된다. 제1층 성막 챔버(203)에서는 상술한 제1층(54a)이 형성되고, 최적의 산소 결손이 제1층(54a)에 첨가된다. 버퍼 챔버(204)에서는 제1층(54a)이 형성된 기판이 대기된다. 제2층 성막 챔버(205)에서는 상술한 제2층(54b)이 형성되고, 제1층(54a)에 포함되는 산소량보다도 많은 산소량이 제2층(54b)에 첨가된다. 또한, 기판은 로드 로크 챔버(201)를 통해 성막 장치(200)로 반입되고, 언로드 로크 챔버(206)를 통해 성막 장치(200)로부터 반출된다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 제1층(54a)과 제2층(54b)을 연속하여 형성할 때에 인라인 타입의 성막 장치를 이용하는 경우에는, 도 7에 도시된 바와 같이 슬릿을 가지는 인라인 슬릿형의 성막 장치(300)를 채용할 수 있다.
성막 장치(300)는 상술한 로드 로크 챔버(201), 상술한 가열 챔버(202), 성막 챔버(301), 상술한 언로드 로크 챔버(206)를 포함한다. 성막 장치(300)에서는 챔버(201, 202, 203, 301, 206)가 일렬로 배치되고, 서로 인접하는 챔버 사이에는 게이트 밸브(207)가 설치되어 있다. 성막 챔버(301)는 제1층 성막 영역(302), 제2층 성막 영역(304), 슬릿(303)을 포함한다. 슬릿(303)은 제1층 성막 영역(302)과 제2층 성막 영역(304)을 연통시키고 있다. 제1층 성막 영역(302)과 제2층 성막 영역(304) 사이에는 게이트 밸브가 설치되어 있지 않다. 제1층 성막 영역(302)에서는 상술한 제1층(54a)이 형성되고, 최적의 산소 결손이 제1층(54a)에 첨가된다. 제1층(54a)이 형성된 기판은 슬릿(303)을 통해 제2층 성막 영역(304)으로 반송된다. 제2층 성막 영역(304)에서는 상술한 제2층(54b)이 형성되고, 제1층(54a)에 포함되는 산소량보다도 많은 산소량이 제2층(54b)에 첨가된다. 성막 챔버(301)에서는 제1층 성막 영역(302) 및 제2층 성막 영역(304)에서 동시에 막을 형성할 수 있다.
도 6 및 도 7에서는 인라인 타입의 성막 장치에 대해 설명하였지만, 권취식 성막 장치를 채용해도 된다.
한편, 매엽형 성막 장치를 이용하는 경우는 도 8a에 도시된 바와 같은 클러스터형 성막 장치를 채용할 수 있다.
성막 장치(400)는 이동탑재 챔버(401), 상술한 로드 로크 챔버(201), 상술한 제1층 성막 챔버(203), 상술한 제2층 성막 챔버(205), 상술한 언로드 로크 챔버(206)를 포함한다. 이동탑재 챔버(401)와 챔버(201, 203, 205, 206) 각각의 사이에는 게이트 밸브(207)가 설치되어 있다. 이동탑재 챔버(401)는 기판을 반송하는 로봇 아암을 포함한다. 로봇 아암은 로드 로크 챔버(201)로부터 제1층 성막 챔버(203)에 기판을 반송하고, 제1층 성막 챔버(203)로부터 제2층 성막 챔버(205)에 기판을 반송하며, 제2층 성막 챔버(205)로부터 언로드 로크 챔버(206)에 기판을 반송한다.
도 8a에서는 매엽형 성막 장치에 대해 설명하였지만, 카루셀형 성막 장치를 채용해도 된다.
또, 본 발명의 기술 범위는 상기 실시형태에 한정되지 않고 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지의 변경을 가하는 것이 가능하다. 즉, 본 실시형태에서 서술한 구체적인 재료 또는 구성 등은 본 발명의 일례로서 적절히 변경이 가능하다.
예를 들면, 상술한 실시형태에서는 전원(14)을 이용함으로써 직류 전압에 고주파 전압이 중첩된 스퍼터 전압을 타겟(7)이 놓인 배면 플레이트(23)에 인가하는 성막 장치에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이 성막 장치에 한정되지 않는다.
예를 들면, 도 8b의 평면도에 도시된 바와 같이, 배면 플레이트(23)에 직류 전압만을 공급하는 성막 장치에 본 발명을 적용해도 된다. 도 8b에서는 직류 전원(114)이 이용되고, 복수의 자석(52)(자석(26, 27))이 배면 플레이트(23)의 이면에 배치되어 있다. 또한, 배면 플레이트(23)에 놓인 타겟(7)에 대향하도록 기판(51)이 배치되어 있다.
또한, 도 8c의 평면도에 도시된 바와 같이, 배면 플레이트(23)에 교류 전압만을 공급하는 성막 장치에 본 발명을 적용해도 된다. 도 8c에서는 2개의 교류 전원(214)이 이용되고 있다. 2개의 교류 전원(214) 각각에는 배면 플레이트(23A, 23B)가 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 배면 플레이트(23A, 23B) 각각의 이면에는 하나의 자석(52)(자석(26, 27))이 배치되어 있다. 또한, 배면 플레이트(23A, 23B)에 놓인 타겟(7)에 대향하도록 기판(51)이 배치되어 있다.
실시예
이하, 이 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 성막 장치(스퍼터 장치)(1)를 이용하여 기판 상에 투명 도전막을 성막하였다.
(실시예 1)
우선, 스퍼터 캐소드 기구(12)에 300mm×610mm의 타겟(7)을 장착하였다. 타겟(7)의 재료로서는 주요 구성 요소인 ZnO와 불순물로서 2질량%의 Al2O3을 포함하는 재료를 이용하였다. 또한, 기판의 온도가 250℃가 되도록 히터(11)의 출력을 조정하여 성막실(3)을 가열하였다.
그 후, 이동탑재실(2) 내에 무알칼리 유리 기판(기판(6))을 반입하고, 러핑 배기부(4)를 이용하여 이동탑재실(2)을 감압한 후, 기판(6)을 성막실(3)로 반송하였다. 이 때, 성막실(3)의 압력은 고진공 배기부(13)에 의해 소정의 진공도로 유지되어 있다.
다음에, 스퍼터 가스 도입부(15)로부터 성막실(3)에 프로세스 가스로서 270sccm의 Ar가스를 공급하고, 컨덕턴스 밸브의 컨덕턴스를 조정함으로써 성막실(3)의 압력을 원하는 스퍼터 압력(0.67Pa)이 되도록 제어하였다. 그 후, DC전원으로부터 스퍼터 캐소드 기구(12)에 8.4kW의 전력을 인가함으로써 스퍼터 캐소드 기구(12)에 장착한 ZnO계 타겟을 스퍼터하였다.
상술한 일련의 공정에 의해, 무알칼리 유리 기판 상에 ZnO계 투명 도전막을 구성하는 제1층을 300nm의 두께로 형성하였다. 그 후, 스퍼터 가스 도입부(15)로부터 성막실(3)에 프로세스 가스로서 270sccm의 Ar가스와 10sccm의 산소 가스를 공급하고, 컨덕턴스 밸브의 컨덕턴스를 조절함으로써 성막실(3)의 압력을 원하는 스퍼터 압력(0.67Pa)이 되도록 다시 제어하였다. 그 후, ZnO계 타겟을 스퍼터함으로써 제1층 상에 제2층을 300nm의 두께로 형성하였다. 그 후, 제1층 및 제2층으로 이루어지는 투명 도전막이 형성된 기판을 이동탑재실(2)로부터 취출하였다. 투명 도전막을 형성한 후, 0.01중량%의 염산을 이용하여 180~300초간의 습식 에칭을 행하여 투명 도전막의 표면에 텍스처를 형성하였다.
특히, 실시예 1에서는 180초간의 습식 에칭에 의해 투명 도전막의 표면에 텍스처를 형성하였다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 240초간의 습식 에칭에 의해 투명 도전막의 표면에 텍스처를 형성하였다. 실시예 2에서는, 상기 실시예 1과 같이 제1층 및 제2층으로 이루어지는 투명 도전막을 형성하였다.
(실시예 3)
실시예 3에서는, 300초간의 습식 에칭에 의해 투명 도전막의 표면에 텍스처를 형성하였다. 실시예 3에서는, 상기 실시예 1과 같이 제1층 및 제2층으로 이루어지는 투명 도전막을 형성하였다.
즉, 실시예 1~3에서는 습식 에칭의 처리 시간이 서로 다르고, 투명 도전막을 형성하는 공정 및 텍스처를 형성하는 공정은 같다.
(비교예 1)
비교예 1에서는, 스퍼터 압력으로서 5mTorr의 단일 압력으로 설정하고, 산소량을 증가시키지 않고 소정의 두께를 가지는 단층으로 이루어지는 투명 도전막을 성막하였다. 비교예 1에서의 기타 공정은 상기 실시예 1과 같다. 또한, 0.01중량%의 염산을 이용하여 소정 시간의 습식 에칭을 행하여 투명 도전막의 표면에 텍스처를 형성하였다.
이상과 같이 하여 제작된 실시예 1 내지 3 및 비교예의 투명 도전막의 SEM상(Scanning Electron Microscope Image)을 도 9 내지 도 12에 각각 나타낸다.
도 9 내지 도 11은 실시예 1 내지 실시예 3 각각의 SEM상이다. 도 12는 비교예 1의 SEM상이다.
또한, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 에칭 처리 전의 투명 도전막에 대해 XRD를 이용한 측정 결과를 도 13 및 도 14에 각각 나타낸다. 실시예 1 내지 3의 측정 결과를 도 13에 나타낸다. 비교예 1의 측정 결과를 도 14에 나타낸다.
또한, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서의 텍스처 형상에 의한 효과를 검증하기 위해, 단막의 광학 특성과 상기와 같이 얻어진 투명 도전막으로 이루어지는 상부 전극을 포함하는 태양 전지의 성능을 평가하였다. 단막의 광학 특성의 평가에서는 HAZE METER HM-150(주식회사 무라카미 색채기술연구소 제품)를 이용하였다. 태양 전지의 성능 평가에서는, 우선 상기와 같이 얻어진 투명 도전막으로 이루어지는 상부 전극을 포함하는 미니 셀의 태양 전지를 작성하고, 솔라 시뮬레이터 YSS-50A(야마시타 전장 주식회사 제품)를 이용하여 태양 전지의 성능을 평가하였다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 투명 도전막에 대해 투명 도전막의 성막 조건, 에칭 시간, 광학 특성 및 태양 전지 특성을 표 1에 나타낸다. 태양 전지 특성으로서 변환 효율(Eff), 단락 전류 밀도(Jsc) 및 곡선 인자(FF)를 평가하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
제1층 막두께(nm) 300 300 300 500
산소 도입량(%) 0 0 0 0
제2층 막두께(nm) 300 300 300 -
산소 도입량(%) 3.7 3.7 3.7 -
광
학
특
성		 모든 광선 투과율(%) 82.8 83.1 80.9 85.7
확산 광선 투과율(%) 7.6 12.0 21.9 2.3
헤이즈율(%) 9.2 14.4 27.1 2.7
평행 광선 투과율(%) 75.2 71.1 59.0 83.4
전
지
특
성		 변환 효율(%) 8.95 9.24 9.51 7.48
단락 전류 밀도Jsc
(mA/㎠)		 14.22 14.94 15.29 13.15
곡선 인자 F.F 0.71 0.71 0.72 0.66
도 9 내지 도 12로부터 명백한 바와 같이, 도 12에 나타내는 비교예 1의 SEM상에서는 충분한 크기를 가지는 미세 텍스처가 균일하게 형성되지 않은 것을 알 수 있다. 한편, 도 9 내지 도 11에 나타내는 실시예 1 내지 3의 SEM상에서는 적합한 미세 텍스처가 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 13 및 도 14에 나타내는 투명 도전막의 XRD측정 결과로부터도 명백한 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 투명 도전막에서는 (004)면의 배향성이 향상된다.
즉, 도 9 내지 도 11의 SEM상에 나타난 실시예 1 내지 3의 투명 도전막에서의 미세 텍스처의 특성은 상술한 XRD측정 결과에 의해 뒷받침되고 있다.
실시예 1 내지 3의 투명 도전막에서는 복수 방향으로 에칭이 진행되어 미세 텍스처를 형성할 수 있기 때문에, (004)면의 배향성이 향상되는 효과가 얻어진다고 생각된다.
또한, 표 1에서도 명백한 바와 같이, 미세 텍스처가 형성된 실시예 1 내지 3에서의 단락 전류 밀도는 비교예의 단락 전류 밀도보다도 높다. 즉, 실시예 1 내지 3에서는 광의 산란 효과가 개선되어 발전층에서의 발전량이 큰 것이 확인되었다. 또한, 단락 전류 밀도의 개선에 따라 광전 변환 효율이 향상되기 때문에, 본 발명의 제조 방법은 태양 전지의 고효율화에 유효한 것이 검증되었다.
본 발명은, 광이 입사되어 전력을 얻는 전극으로서 기능하는 상부 전극이 주요 구성 요소로서 ZnO를 함유하는 투명 도전막으로 이루어지는 태양 전지의 제조 방법 및 태양 전지에 널리 적용 가능하다.
50 태양 전지, 51 유리 기판(기판), 53 상부 전극, 54 투명 도전막, 54a 제1층, 54b 제2층, 55 톱 셀, 59 보텀 셀, 57 중간 전극, 61 버퍼층, 63 이면 전극

Claims (4)

  1. 투명 기판에 형성된 투명 도전막을 가지는 태양 전지의 제조 방법으로서,
    주요 구성 요소인 ZnO와, Al 또는 Ga를 가지는 물질을 포함하는 재료로 이루어지는 타겟을 준비하고,
    프로세스 가스를 포함하는 제1 분위기에서 상기 타겟에 스퍼터 전압을 인가하고, 상기 투명 도전막을 구성하는 제1층을 형성하며,
    상기 제1 분위기보다도 산소 가스량이 많은 제2 분위기에서 상기 타겟에 스퍼터 전압을 인가하고, 상기 투명 도전막을 구성하는 제2층을 상기 제1층 상에 형성하며,
    상기 투명 도전막을 에칭하여 요철 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  2. 태양 전지로서,
    투명 기판;
    상기 투명 기판에 가까운 위치에 배치되는 제1층과, 상기 제1층에 함유되는 산소량보다도 많은 산소량을 가지고 상기 발전층에 가까운 위치에 배치되는 제2층을 포함하며, 주요 구성 요소로서 ZnO를 가지고, 요철 형상이 형성된 투명 도전막;
    상기 투명 도전막 상에 형성된 발전층;
    상기 발전층 상에 형성된 이면 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2층에 함유되는 산소량은 상기 제1층에 함유되는 산소량보다도 0.5~3중량% 많은 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2층은 상기 제1층 상에 접촉하도록 배치되고,
    상기 요철 형상은 상기 제2층의 두께보다 큰 깊이를 가지고, 상기 제2층에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101282291B1 (ko) * 2012-03-06 2013-07-10 한국에너지기술연구원 산화아연 요철구조의 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2416370A1 (en) * 2010-08-06 2012-02-08 Applied Materials, Inc. Thin film solar fabrication process, deposition method for TCO layer, and solar cell precursor layer stack
US20120211079A1 (en) 2011-02-23 2012-08-23 International Business Machines Corporation Silicon photovoltaic element and fabrication method
US20120024695A1 (en) * 2011-03-14 2012-02-02 Primestar Solar, Inc. Systems and methods for high-rate deposition of thin film layers on photovoltaic module substrates
KR101921236B1 (ko) 2012-03-21 2019-02-13 엘지전자 주식회사 박막 태양 전지 및 그의 제조 방법
KR101920768B1 (ko) * 2012-09-11 2018-11-22 엘지디스플레이 주식회사 광전소자 및 이의 제조 방법
CN106206765B (zh) * 2014-10-31 2018-02-09 比亚迪股份有限公司 太阳能电池片阵列、太阳能电池组件及其制备方法
US11674217B2 (en) * 2016-03-29 2023-06-13 Ulvac, Inc. Method of manufacturing substrate with a transparent conductive film, manufacturing apparatus of substrate with transparent conductive film, substrate with transparent conductive film, and solar cell
CN112513315B (zh) * 2018-08-01 2023-04-04 株式会社钟化 带有透明电极的基板及其制造方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5857756A (ja) 1981-10-01 1983-04-06 Agency Of Ind Science & Technol 非晶質太陽電池
US4808462A (en) 1987-05-22 1989-02-28 Glasstech Solar, Inc. Solar cell substrate
JP2846508B2 (ja) * 1991-06-28 1999-01-13 キヤノン株式会社 光起電力素子
JP2974485B2 (ja) * 1992-02-05 1999-11-10 キヤノン株式会社 光起電力素子の製造法
JP3651932B2 (ja) * 1994-08-24 2005-05-25 キヤノン株式会社 光起電力素子用裏面反射層及びその形成方法並びに光起電力素子及びその製造方法
JPH11220154A (ja) * 1997-10-29 1999-08-10 Canon Inc 光起電力素子および光起電力素子モジュール
JP3801342B2 (ja) * 1998-02-12 2006-07-26 シャープ株式会社 太陽電池用基板、その製造方法及び半導体素子
JP3819632B2 (ja) * 1999-04-07 2006-09-13 三洋電機株式会社 光電変換素子及びその製造方法
JP4043148B2 (ja) * 1999-07-06 2008-02-06 株式会社リコー 電子写真感光体の製造方法
JP2002025350A (ja) * 2000-07-11 2002-01-25 Sanyo Electric Co Ltd 透明導電膜付き基板及びその作製方法，それを用いたエッチング方法並びに光起電力装置
JP3715911B2 (ja) * 2000-09-21 2005-11-16 キヤノン株式会社 酸化物針状結晶の製造方法、酸化物針状結晶および光電変換装置
JP2002222969A (ja) * 2001-01-25 2002-08-09 Sharp Corp 積層型太陽電池
JP2006310348A (ja) * 2005-04-26 2006-11-09 Sanyo Electric Co Ltd 積層型光起電力装置
US20080047602A1 (en) * 2006-08-22 2008-02-28 Guardian Industries Corp. Front contact with high-function TCO for use in photovoltaic device and method of making same
JP4752015B2 (ja) 2007-06-29 2011-08-17 清水建設株式会社 トンネル構築方法及びこの方法で用いる撤去シールド
US20090272641A1 (en) * 2008-04-30 2009-11-05 Applied Materials, Inc. Sputter target, method for manufacturing a layer, particularly a tco (transparent conductive oxide) layer, and method for manufacturing a thin layer solar cell
US8022291B2 (en) * 2008-10-15 2011-09-20 Guardian Industries Corp. Method of making front electrode of photovoltaic device having etched surface and corresponding photovoltaic device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101282291B1 (ko) * 2012-03-06 2013-07-10 한국에너지기술연구원 산화아연 요철구조의 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법
WO2013133491A1 (ko) * 2012-03-06 2013-09-12 한국에너지기술연구원 산화아연 요철구조의 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법
US9159865B2 (en) 2012-03-06 2015-10-13 Korea Institute Of Energy Research Method of forming zinc oxide prominence and depression structure and method of manufacturing solar cell using thereof

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