KR20120059095A - 반도체 소자용 기판의 제조 방법 및 이를 이용한 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
반도체 소자용 기판의 제조 방법 및 이를 이용한 태양 전지가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는, 금속급 실리콘을 포함하는 기판; 상기 기판 상에 위치하고 상기 기판과 PN 접합을 형성하는 반도체층; 상기 반도체층 상에 위치하는 상부 전극층; 및 상기 기판 하부에 위치하는 하부 전극층;을 포함한다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 반도체 소자용 기판의 제조 방법 및 이를 이용한 태양 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 금속급 실리콘을 이용한 기판의 제조 방법 및 이를 이용한 태양 전지에 관한 것이다.
본 발명은 교육과학기술부 및 서울대학교 산학협력단의 연구중심대학육성사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
[과제관리번호: R31-2008-000-10075-0, 과제명: 지속가능성을 위한 하이브리드 재료]
태양 전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자로 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 그 응용 범위가 매우 넓다. 태양 전지는 광 흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양하게 구분되는데, 광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 실리콘계 태양 전지가 대표적이다. 실리콘계 태양 전지는 기판형[단결정(single crystal), 다결정(poly crystal)] 태양 전지와 박막형 [비정질(amorphous), 다결정(poly crystal)] 태양 전지로 구분된다.
단결정 실리콘 기판형 태양 전지는 다른 종류의 태양 전지에 비해서 변환 효율이 월등히 높다는 장점이 있지만 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용함에 따라 제조 단가가 높다는 단점이 있다. 다결정 실리콘 기판형 태양 전지는 단결정 실리콘 기판형 태양 전지보다 제조 단가가 저렴할 수 있지만, 원재료비가 비싸고 공정 자체가 복잡하여 제조 단가 절감에 한계가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 저비용으로 제조할 수 있고 단순화된 공정으로 제조할 수 있으며, 캐리어(carrier)의 이동도가 향상된 반도체 소자용 기판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 저비용으로 제조할 수 있으며, 광 변환 효율이 향상된 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자용 기판의 제조 방법이 제공된다. 상기 반도체 소자용 기판의 제조 방법은, 금속급 실리콘(metallurgical-grade silicon)의 용융상을 준비하는 용융상 준비 단계; 및 상기 용융상을 일 방향으로 고체화하여 결정을 성장시키는 결정 성장 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 결정 성장 단계에서, 상기 결정은 단결정 또는 준단결정일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 준단결정은 일 방향에서의 결정립들의 결정면이 70 % 이상 동일하며, 저각 결정립계를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 결정 성장 단계에서, 상기 결정은 하나 이상의 시드(seed)로부터 성장될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 다결정 성장 단계에서, 상기 다결정은 초크랄스키(Czochralski)법을 사용하여 상기 용융상으로부터 인상에 의해 성장될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 금속급 실리콘의 순도는 98 % 내지 99.999 %일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 용융상 준비 단계는, 실리콘의 원재료인 규석을 환원하여 상기 금속급 실리콘을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지가 제공된다. 상기 태양 전지는, 금속급 실리콘을 포함하는 기판; 상기 기판 상에 위치하고 상기 기판과 PN 접합을 형성하는 반도체층; 상기 반도체층 상에 위치하는 상부 전극층; 및 상기 기판 하부에 위치하는 하부 전극층;을 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 금속급 실리콘은 단결정 또는 준단결정 실리콘일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 기판 및 상기 반도체층의 사이에 위치하는 진성 반도체층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 반도체층 또는 상기 진성 반도체층은 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 기판은 상부면에 요철을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 소자용 기판의 제조 방법에 따르면, 금속급 실리콘을 이용하여 표면에서 동일한 결정면을 갖도록 결정화시킴으로써, 캐리어의 이동도가 증가되고 텍스쳐링이 용이한 기판을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 태양 전지에 따르면, 저비용으로 제조 가능하며, 향상된 광 변환 효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 기판의 원재료인 실리콘의 제조 단계를 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자용 기판의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서, 결정 성장 방법의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서, 결정 성장 방법의 다른 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서, 결정 성장 방법의 또 다른 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자용 기판의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서, 결정 성장 방법의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서, 결정 성장 방법의 다른 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서, 결정 성장 방법의 또 다른 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 기판의 원재료인 실리콘의 제조 단계를 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 규석(SiO2)과 같은 원재료 물질로부터 금속급 실리콘(metallurgical Si, MG-Si)을 제조하기 위한 환원 단계가 수행된다(S10). 실리콘(Si)은 규석(SiO2)을 탄소(C)로 환원하여 얻어질 수 있으며, 이 경우의 화학 반응식은 화학식(1) 내지 화학식(3)과 같다.
SiO2 + C → SiO + CO --- 화학식(1)
SiO + 2C → SiC + CO --- 화학식(2)
SiC + SiO2 → Si + SiO(g) + CO(g) 
--- 화학식(3)
상기 반응은 고온, 예컨대 1400 ℃ 이상의 온도에서 진행될 수 있다. 상기 반응에서 중간 생성물인 실리콘 탄화물(SiC)과 실리콘 산화물(SiO)이 발생되며, 실리콘이 용융상태로 생성된다. 상기 실리콘은 금속급 실리콘(MG-Si)에 해당한다. 상기 금속급 실리콘(MG-Si) 생성물은 미반응 탄소(C) 및 실리콘 탄화물(SiC) 입자뿐 아니라 다른 불순물들을 함유한다. 상기 불순물은 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr)과 같은 금속, 금속 산화물, 탄소(C), 산소(O), 붕소(B) 또는 인(P) 중 하나 이상일 수 있다. 상기 금속급 실리콘(MG-Si)은 약 98 % 내지 99.999 %(5N)의 순도를 가질 수 있다.
다음으로, 상기 금속급 실리콘(MG-Si)으로부터 태양 전지급 실리콘(Solar grade Si, SoG-Si)을 제조하기 위한 제1 정제 단계가 수행된다(S20). 상기 정제 단계는 고순도 정제를 위하여 증류 방식의 화학공학적 정제 방법을 사용할 수 있다. 상기 방법은 금속급 실리콘(MG-Si)으로부터 실란(silane) 화합물을 합성하여 이를 정제하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 실란 화합물은 삼염화실란(trichlorosilane, SiHCl3) 또는 모노실란(monosilane, SiH4) 중 하나일 수 있다. 상기 정제된 실란을 환원하여 고순도의 다결정 실리콘(polysilicon)을 제조한다. 즉, 금속급 실리콘(MG-Si)의 가스화 반응, 실란의 정제 및 실리콘의 석출 단계가 수행될 수 있다. 염화수소(HCl)를 사용하여 삼염화실란을 생성하는 경우의 화학 반응식은 화학식(4)와 같다. 상기 반응은 약 300 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 다음으로, 삼염화실란을 수소(H2)로 분해하는 반응이 화학식(5)에 나타난다. 상기 반응은, 약 900 ℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다.
Si + 3HCl(g) → SiHCl3 (g) + H2 (g) --- 화학식(4)
SiHCl3 (g) + H2 (g) → Si + 3HCl(g) --- 화학식(5)
상기 반응에 의해 실리콘 미립자가 생성될 수 있다. 상기 실리콘 미립자는 석출 공정에 의해 다결정 실리콘으로 제조될 수 있다. 일반적인 석출 공정으로는, 종형(bell-jar) 반응기를 이용하는 지멘스(Simens) 석출법 및 유동층 반응기(fluidized bed reactor)를 사용하는 유동층 석출법이 사용될 수 있다. 상기 석출 공정에 의하여, 태양 전지급 실리콘(SoG-Si)을 제조할 수 있다. 태양 전지급 실리콘(SoG-Si)은 99.9999 %(6N) 이상의 순도를 가진다.
다음으로, 추가적인 제2 정제 과정이 진행될 수 있다(S30). 상기 제2 정제 과정과 후속의 석출 공정에 의하여 반도체급 실리콘(electronic grade Si, EG-Si)을 제조할 수 있다. 반도체급 실리콘(EG-Si)은 99.9999999 %(9N) 이상의 고순도 실리콘으로, 예컨대 메모리 소자와 같은 반도체 소자에 사용될 수 있다.
본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서 기판의 재료로 실리콘이 사용되는 경우, 상기 금속급 실리콘(MG-Si)을 사용할 수 있다. 금속급 실리콘(MG-Si)은 태양 전지급 실리콘(SoG-Si)을 사용하는 경우에 비하여, 가스화 과정을 포함하는 정제 과정이 줄어들기 때문에, 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 태양 전지의 제조에 있어서, 기판의 제조에 사용되는 비용이 전체 비용에서 절반 이상의 비율을 차지하는 점을 고려하면, 금속급 실리콘(MG-Si)을 사용하여 기판을 제조하는 경우 이러한 비용 절감 효과가 더욱 크게 나타날 수 있다.
또한, 상기 정제 과정에서 발생하는 실란 가스들이 유해 가스임을 고려할 때, 이러한 과정을 거치지 않음으로써 환경 친화적으로 기판을 제조할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자용 기판의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 기판의 재료가 되는 물질(이하에서, '기판 물질'이라 한다)을 용융(melting)시키는 단계(S110)가 수행된다. 예를 들어, 기판 물질이 실리콘인 경우, 도 1을 참조하여 상술한 과정에서 얻어지는 금속급 실리콘(MG-Si)을 용융시키는 단계가 수행될 수 있다. 상기 금속급 실리콘(MG-Si)은 상기 환원 과정을 통해 용융 상태로 얻어질 수도 있다. 또는 상기 금속급 실리콘(MG-Si)이 고상으로 얻어지는 경우 본 단계를 통해 1400 ℃ 이상의 온도로 가열하여 용융시킬 수 있다.
다음으로, 결정 성장 단계(S120)가 수행된다. 상기 결정 성장 단계는, 일반적으로 단결정(single crystal) 성장에 사용되는 공정들을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 공정으로는, 용융상 성장법(melt growth method), 용액 성장법(solution growth method), 기상 성장법(vapor growth method) 또는 고상 성장법(solid growth method) 등이 사용될 수 있다. 용융상 성장법에는, 쵸크랄스키법(Czochralski method, CZ), 부유 대역법(floating zone method, FZ) 및 브리지만법(Bridgman method)이 포함된다. 이와 같은 성장 방법을 사용하는 구체적인 제조 방법에 대해서는, 아래에서 도 3 내지 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서는 이와 같은 고순도로 정제되지 않은 기판 물질을 단결정 성장법을 사용하여 잉곳(ingot)을 성장시킴으로써 단결정 또는 불순물을 일부 함유하더라도 특정 결정 방향을 가지며 결정립(grain)의 크기가 균일한 준단결정을 성장시킬 수 있다. 본 명세서에서, 상기 '준단결정'은 복수의 결정립으로 이루어지며, 대부분의 결정립들이 일 방향에서 동일한 결정면을 가지는 결정을 지칭하는 용어로 사용한다. 또한, 상기 준단결정은 결정립들 사이에 10°보다 작은 저각 결정립계(low angle grain boundary)를 가지는 것을 특징으로 한다. 다결정의 경우, 약 40 % 정도의 결정립들이 일 방향에서 동일한 결정면을 가지는 것으로 관찰되었다. 상기 준단결정은 동일한 결정면을 가지는 결정립들의 비율이 다결정보다 높은 결정을 의미하며, 상기 비율은 예컨대 약 70 % 이상일 수 있다.
다음으로, 성장된 결정의 잉곳을 절단하고 모서리를 가공하는 단계(S130)가 수행된다. 상기 잉곳은 봉형 또는 직육면체 형태일 수 있다. 상기 잉곳의 상부 및 하부를 절단하고, 사각화(squaring)하는 공정이 수행될 수 있다. 또한, 모서리를 가공하고 표면을 연마(grinding)하는 공정이 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 잉곳을 슬라이싱하는 단계(S140)가 수행된다. 상기 슬라이싱 단계 전에, 잉곳을 분할하여 절단하고 이를 마운팅(mounting)하는 단계가 추가될 수 있다. 상기 잉곳은 수백 마이크로 미터의 두께, 예를 들어 100 ㎛ 내지 700 ㎛의 두께로 슬라이싱할 수 있으며, 기판이 사용되는 반도체 소자의 종류에 따라 상기 두께가 결정될 수 있다.
다음으로, 상기 슬라이싱된 기판을 세정하는 단계(S150)가 수행된다. 상기 세정 단계는 예비 세정(pre-cleaning) 및 본 세정 단계를 포함할 수 있다. 상기 세정 단계가 수행된 후, 검사 및 분류(sorting)을 통해 최종적인 기판이 제조된다.
도 3은 본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서, 결정 성장 방법의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 쵸크랄스키법을 이용하여 결정을 제조하는 장치(100)는 지지부(110), 도가니(120), 히터(130) 및 시드 홀더(seed holder)(140)를 포함할 수 있다.
상기 도가니(120)는 챔버(미도시)의 내부에 배치될 수 있으며, 도가니(120)의 내부에 기판 물질의 용융상(molten phase)(160)이 담기게 된다. 상기 지지부(110)는 상기 도가니(120) 하부에 배치되어, 도가니(120)를 회전시킬 수 있다. 상기 히터(130)는 도가니(120)에 열을 가하기 위한 것으로, 예를 들어 와이어 또는 판의 형태일 수 있다.
상기 시드 홀더(140)는 시드를 장착하기 위한 부분이다. 시드(150)는 도가니(120)에 담기는 기판 물질의 용융상(160)과 동일한 물질의 단결정일 수 있다. 또는 상기 시드(150)는 도가니(120)에 담긴 기판 재료의 용융상(160)과 동일한 물질의 결정으로, 표면에서 단일 결정면(crystalline plane) 예컨대 (100) 면을 갖는 단결정 또는 다결정일 수 있다. 상기 시드 홀더(140)는 복수 개일 수 있으며, 이 경우 시드(150)도 복수 개일 수 있다.
상기 용융상(160)은 예를 들어, 금속급 실리콘(MG-Si)의 용융상일 수 있다. 상기 용융상(160)은 도펀트(dopant) 물질을 포함할 수 있다. 상기 도펀트는 인(P), 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In), 안티몬(Sb) 또는 게르마늄(Ge)일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 용융상(160)은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 갈륨질화물(GaN), 인듐인(InP) 및 사파이어(Al2O3) 중 어느 하나의 용융상일 수 있다.
상기 시드(150)를 도가니(120) 내의 용융상에 담근 후, 회전시키면서 상부로 인상(引上)한다. 이때, 상기 시드 홀더(140) 및 상기 지지부(110)가 서로 반대 방향으로 회전될 수 있다. 이에 의해, 용융상(160)과 시드(150)의 계면으로부터 용융상(160)이 고체화(solidification)되며 결정(170)이 성장한다. 즉, 방향성 응고(directional solidification)로 결정(170)이 성장한다. 본 공정에서, 결정(170)의 성장은 길이 방향의 성장 및 목표 직경으로의 성장을 포함할 수 있다. 용융상(160)의 온도, 시드 홀더(140) 및 지지부(110)의 회전 속도, 및 결정(170)의 인상 속도는 형성하려는 결정(170)에 따라 변화될 수 있다.
본 공정에서, 성장시키려는 결정(170)의 종류에 따라, 특정한 기체를 챔버(미도시) 내에 주입할 수 있으며, 용융상(160)의 분해를 방지하기 위한 액상 캡슐(liquid encapsulation)을 사용할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 단결정 성장법으로 통상적으로 사용되는 쵸크랄스키법을 이용하여 단결정 또는 준단결정을 성장시킨다. 예를 들어, 금속급 실리콘(MG-Si)을 사용하는 경우, 금속과 같은 불순물을 함유하고 있어, 단결정으로 성장하지 못한다 하더라도, 일반적으로 사용되는 다결정 성장법에 의한 경우보다 크고 균일한 결정립(grain)을 가지는 준단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 대부분의 상기 결정립들이 동일한 결정면을 가지도록 성장시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서, 결정 성장 방법의 다른 실시예를 도시하는 개략도이다. 도 4에서, 도 3과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 부유 대역법을 이용하여 결정을 제조하는 장치(200)는 히터(230) 및 시드 홀더(240)를 포함할 수 있다. 상기 히터(230)는 다결정 로드(rod)(280)에 열을 가하기 위한 것으로, 예를 들어 와이어 또는 판의 형태일 수 있다. 상기 시드 홀더(240)는 시드(250)를 장착하기 위한 부분이다.
상기 다결정 로드(280)는 예를 들어, 금속급 실리콘(MG-Si)의 로드일 수 있다. 상기 다결정 로드(280)는 도펀트(dopant)를 포함하는 실리콘 다결정일 수 있다. 상기 도펀트는 인(P), 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In), 안티몬(Sb), 또는 게르마늄(Ge)일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 다결정 로드(280)는 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 갈륨질화물(GaN), 인듐인(InP) 및 사파이어(Al2O3) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 시드(250)는 상기 다결정 로드(280)와 동일한 물질의 단결정일 수 있다. 또는 상기 시드(250)는 다결정 로드(280)와 동일한 물질의 다결정으로, 표면에서 단일 결정면 예컨대 (100) 면을 갖는 다결정일 수 있다.
상기 다결정 로드(280)는 용융 상태의 부유 대역(260)을 형성하며, 상기 시드(250)로부터 결정(270)이 성장할 수 있다. 상기 부유 대역(260)은 다결정 로드(280)와 결정(270)의 사이에서 표면 장력에 의해 형태를 유지할 수 있다. 상기 부유 대역(260)이 하부에서 상부로 이동하면서, 고체화에 의해 결정화가 이루어진다. 따라서, 상기 결정(270)은 하부에서 상부를 따라 성장할 수 있다. 이 경우에도, 상기 시드 홀더(240)는 일 방향으로 회전될 수 있다.
본 발명에 따르면, 단결정 성장법으로 통상적으로 사용되는 부유 대역법을 이용하여, 단결정 또는 준단결정을 성장시킨다. 부유 대역법은 일반적으로 쵸크랄스키법에 비하여 불순물 함량이 낮은 결정을 만들 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 실시예에 의하면, 결정이 성장되는 경우, 균일한 결정립을 가지는 준단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 동일한 결정면을 가지도록 결정을 성장시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 반도체 소자용 기판의 제조 방법에서, 결정 성장 방법의 또 다른 실시예를 도시하는 개략도이다. 도 5에서, 도 3 및 도 4와 중복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 브리즈만법을 이용하여 결정을 제조하는 장치(300)는 튜브(310), 도가니(320) 및 히터(230)를 포함할 수 있다.
상기 튜브(310)는 밀봉된 상태일 수 있으며, 적어도 일 방향으로 이동 가능하도록 제조될 수 있다. 상기 도가니(320)는 튜브(310) 내에 배치 되며, 내부에 시드(350) 및 용융상(360)이 담기게 된다. 상기 히터(330)는 용융상(360)에 열을 가하기 위한 것으로, 예를 들어 와이어 또는 판의 형태일 수 있다.
상기 용융상(360)은 예를 들어, 금속급 실리콘(MG-Si)의 용융상일 수 있다. 상기 용융상(360)은 도펀트(dopant) 물질을 포함할 수 있다. 상기 시드(350)는 도가니(320)에 담긴 기판 물질의 용융상(360)과 동일한 물질의 단결정일 수 있다. 또는 상기 시드(350)는 도가니(320)에 담긴 기판 재료의 용융상(360)과 동일한 물질의 다결정으로, 표면에서 단일 결정면 예컨대 (100) 면을 갖는 다결정일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 시드(350)를 사용하지 않고, 고체화가 수행될 수도 있다.
본 공정에서, 상기 튜브(310)가 일 방향으로 이동되면서 용융상(360)이 시드(350)의 계면으로부터 고체화되어 결정(370)으로 성장한다. 튜브(310) 내부의 온도 및 분위기(ambient)와 튜브(310)의 이동 속도는 형성하려는 결정(370)에 따라 변화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 단결정 성장법으로 통상적으로 사용되는 브리즈만법을 이용하여, 단결정 또는 준단결정을 성장시킨다. 따라서, 준단결정이 성장하는 경우에도, 크고 균일한 결정립을 가지는 준단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 동일한 결정면을 갖도록 성장시킬 수 있다. 따라서, 금속급 실리콘(MG-Si)을 사용하여 결정을 성장시키는 경우, 저비용으로도 캐리어(carrier) 이동도가 향상된 반도체 소자용 기판의 제조가 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 도시하는 개략적인 단면도이다.
태양 전지는 반도체의 성질을 이용하여 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환 시키는 장치이다. 태양 전지는 기본적으로 PN 접합(junction)으로 구성된 다이오드로서 그 동작 원리는 다음과 같다. 태양 전지의 PN 접합에 반도체의 에너지 밴드 갭(band gap)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성되고, 이들 전자-정공이 PN 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 N층으로 정공은 P층으로 이동함에 따라 PN 영역 사이에 광기전력이 발생하게 되는데, 이때 태양 전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.
태양 전지는 기판형 태양 전지 및 박막형 태양 전지가 있다. 기판형 태양 전지는 실리콘과 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용한 것이며, 박막형 태양 전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막 형태로 반도체를 형성하여 태양 전지를 제조한 것이다.
도 6을 참조하면, 기판(510) 상에 순서대로 적층된 진성 반도체층(520), 반도체층(530) 및 상부 전극층(560)과 기판(510) 하부의 하부 전극층(550)으로 이루어진 태양 전지(500)가 제공된다.
상기 기판(510)은 금속급 실리콘(MG-Si) 기판(510)일 수 있다. 상기 금속급 실리콘(MG-Si)은 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술한 방법에 의해 제조된 단결정 또는 준단결정 기판(510)일 수 있다. 상기 금속급 실리콘(MG-Si) 기판(510)은 제조 시에 도펀트가 도핑되어 특정 타입을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(510)은 P형 또는 N형일 수 있다.
상기 진성 반도체층(520)은 기판(510)과 반도체층(530)의 사이에 삽입되어 태양광의 흡수율을 향상시키기 위한 체적을 제공할 수 있다. 상기 진성 반도체층(520)은 기판(510) 및 반도체층(530)에 의해 공핍(depletion)되어 내부에 전기장이 발생하게 된다. 태양광에 의해 생성되는 정공 및 전자는 상기 전기장에 의해 드리프트(drift)되어 각각 기판(510) 및 반도체층(530)으로 모이게 된다.
상기 진성 반도체층(520)은 예컨대 비정질(amorphous) 실리콘을 포함할 수 있다. 비정질 실리콘은 결정질 실리콘에 비하여 상대적으로 큰 에너지 밴드 갭을 가지게 된다. 따라서, 태양 전지(500)는 서로 다른 밴드 갭을 가지는 반도체를 포함하게 되므로, 광 변환 효율이 상승될 수 있다. 상기 비정질 실리콘은, 예컨대 플라즈마 화학적 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 이용하여 형성될 수 있으며, 수소화될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 진성 반도체층(520)은 생략될 수도 있다.
상기 반도체층(530)은 상기 기판(510)과 다른 타입을 가지며, 상기 기판(510)과 PN 접합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(510)이 P형인 경우, 반도체층(530)은 N형이고, 상기 기판(510)이 N형인 경우, 반도체층(530)은 P형일 수 있다. 상기 반도체층(530)은 결정질 실리콘, 비정질 실리콘 또는 화합물 반도체일 수 있다. 상기 반도체층(530)이 비정질 실리콘인 경우, 반도체층(530) 형성 후, 소스 가스를 분사하여 도핑할 수 있다.
상기 하부 전극층(550)은 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 이의 합금과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 하부 전극층(550)은 스퍼터링(sputtering) 또는 열적 증발법(thermal evaporation)과 같은 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)에 의해 형성할 수 있다.
상기 상부 전극층(560)은 아연산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2) 및 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)일 수 있다. 또한, 상기 물질에 소량의 불순물을 첨가하여 전도성이 향상되도록 할 수도 있다. 상기 상부 전극층(560) 상에 추가적으로 반사 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막(미도시)은 입사된 태양광이 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써 태양 전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다. 상기 반사 방지막(미도시)은 예컨대 실리콘 질화물(SiN)이나 실리콘 산화물(SiO2)일 수 있다.
본 발명의 태양 전지(500)에 따르면, 기판(510) 및 박막 형태의 진성 반도체층(520)과 반도체층(530)을 포함한다. 따라서, 기판형 태양 전지의 장점인 고효율을 가지면서, 금속급 실리콘(MG-Si)으로 이루어진 기판(510)을 사용함으로써 비용 절감이 가능하게 된다. 특히, 상기 금속급 실리콘(MG-Si)은 단결정 성장법에 의해 성장한 단결정 또는 준단결정 실리콘으로, 준단결정인 경우라도 결정립의 크기가 크며 저각 결정립계를 가지므로 결정립계로 인한 캐리어의 이동도 저하가 감소될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시하는 개략적인 단면도이다. 도 7에서, 도 6과 중복되는 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 기판(610) 상에 순서대로 적층된 진성 반도체층(620), 반도체층(630) 및 상부 전극층(660)과 기판(610) 하부의 하부 전극층(650)으로 이루어진 태양 전지(600)가 제공된다.
상기 기판(610)은 금속급 실리콘(MG-Si) 기판(610)일 수 있다. 상기 금속급 실리콘(MG-Si)은 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술한 방법에 의해 제조된 단결정 또는 준단결정 실리콘일 수 있다. 상기 금속급 실리콘(MG-Si) 기판(610)은 제조 시에 도핑되어 특정 타입을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(610)은 P형 또는 N형일 수 있다.
상기 기판(610)은 상면에 요철을 포함할 수 있다. 상기 요철은 예컨대 피라미드 형상일 수 있으며, 기판(610)의 텍스쳐링(texturing) 공정 의해 형성된다. 텍스쳐링은 광학적 손실을 줄이기 위해 기판(610) 표면에 요철을 형성시켜 표면 조도를 높이는 방법이다. 이에 의해, 태양 전지(600)의 표면 반사가 감소되고, 캐리어 수집 효과가 향상될 수 있다. 또한, 태양 전지(600)의 내부 반사에 의해 입사된 태양광을 가두는 효과가 있다.
상기 텍스쳐링은 건식 식각법(dry etch), 기계적 그루빙(mechanical grooving), 습식 식각법(wet etch) 등에 의할 수 있다. 예를 들어, 수산화칼륨(KOH) 용액 등을 사용한 습식 식각법에 의하는, 단결정 실리콘 기판에서는 균일한 요철을 형성할 수 있다. 그러나, 다결정 실리콘 기판에서는 결정면의 방향에 따라 식각 속도가 상이하여 균일하게 요철이 형성되지 못하는 단점을 가진다.
본 발명에서, 금속급 실리콘(MG-Si)으로 이루어진 기판(610)은 단결정 성장법을 이용하여 제조된 단결정 또는 준단결정 실리콘으로, 기판(610)의 표면에서 대부분의 결정립들이 동일한 결정면을 가질 수 있다. 따라서, 상기 텍스쳐링 공정에서 균일한 요철을 형성할 수 있게 된다.
상기 진성 반도체층(620)은 예컨대 비정질(amorphous) 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 진성 반도체층(620)은 기판(610)의 텍스쳐링에 의한 요철 위에 형성되므로 요철을 포함할 수 있다. 상기 비정질 실리콘은, PECVD에 의해 형성될 수 있으며, 수소화될 수 있다. 변형된 실시예에서, 상기 진성 반도체층(520)은 생략될 수도 있다.
상기 반도체층(630)은 상기 기판(610)과 다른 타입을 가진다. 예를 들어, 상기 기판(610)이 P형인 경우, 반도체층(630)은 N형이고, 상기 기판(610)이 N형인 경우, 반도체층(630)은 P형일 수 있다. 상기 반도체층(630)은 진성 반도체층(620)의 요철 위에 형성되므로 요철을 포함할 수 있다. 상기 반도체층(630)은 결정질 실리콘, 비정질 실리콘 또는 화합물 반도체일 수 있다. 상기 반도체층(630)이 비정질 반도체인 경우, 증착 후에 소스 가스를 분사하여 도핑할 수 있다.
상기 하부 전극층(650)은 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 이의 합금과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 하부 전극층(650)은 스퍼터링 또는 열적 증발법과 같은 PVD에 의해 형성할 수 있다.
상기 상부 전극층(660)은 아연산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2) 및 ITO와 같은 TCO일 수 있다. 또한, 상기 물질에 소량의 불순물을 첨가하여 전도성이 향상되도록 할 수도 있다. 상기 상부 전극층(660)은 반도체층(630)의 요철 위에 형성되므로 요철을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극층(560) 상에 추가적으로 반사 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막(미도시)은 예컨대 실리콘 질화물(SiN)이나 실리콘 산화물(SiO2)일 수 있다.
본 발명의 태양 전지(600)에 따르면, 기판(610) 및 박막 형태의 진성 반도체층(620)과 반도체층(630)을 포함한다. 따라서, 기판형 태양 전지의 장점인 고효율을 가지면서, 금속급 실리콘(MG-Si)으로 이루어진 기판(610)을 사용함으로써 비용 절감이 가능하게 된다. 특히, 상기 금속급 실리콘(MG-Si)은 단결정 성장법에 의해 성장한 단결정 또는 준단결정 실리콘으로, 준단결정인 경우라도 결정립의 크기가 크며 저각 결정립계를 가지므로 결정립계로 인한 캐리어의 이동도 저하가 감소될 수 있다. 또한, 텍스쳐링에 의해 균일한 요철을 형성할 수 있어, 태양 전지(600)의 효율이 더욱 증가될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 금속급 실리콘(MG-Si) 기판을 준비하는 단계(S210)가 수행된다. 금속급 실리콘(MG-Si) 기판은 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술한 것과 같이 단결정 성장법에 의해 제조될 수 있다. 상기 기판은 단결정 또는 준단결정일 수 있으며, 기판의 표면에서 결정립들의 결정면이 동일할 수 있다. 상기 기판은 P형 또는 N형으로 제조된 기판일 수 있다.
다음으로, 상기 기판의 표면을 텍스쳐링하는 단계(S220)가 수행된다. 텍스쳐링은 건식 식각법(dry etch), 기계적 그루빙(mechanical grooving), 습식 식각법(wet etch) 등에 의할 수 있다. 건식 식각법은, 예컨대 염소(Cl2) 또는 플루오르화황(SF6)을 이용한 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etch, RIE)에 의할 수 있다. 습식 식각법은 예컨대, 수산화칼륨(KOH)과 같은 알칼리 용액 또는 불산(HF)과 질산(HNO3)의 혼합 용액 등과 같은 산성 용액을 사용하여 수행할 수 있으며, 금속 촉매를 이용할 수도 있다.
다음으로, 상기 기판의 상부에 진성 반도체층을 형성하는 단계(S230)가 수행된다. 진성 반도체층은 예컨대 비정질 실리콘을 포함할 수 있으며, CVD 또는 PECVD에 의해 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 본 단계(S23)는 생략될 수도 있다.
다음으로, 상기 진성 반도체층 상부에 기판과 반대 타입의 반도체층을 형성하는 단계(S240)가 수행된다. 상기 반도체층은 결정질 실리콘, 비정질 실리콘 또는 화합물 반도체일 수 있다. 상기 반도체층이 비정질 반도체인 경우, 증착 후 소스 가스를 분사하여 도핑할 수 있다. 상기 도핑에 의해 반도체층은 기판과 다른 타입을 가지게 된다.
다음으로, 상기 반도체층의 상부 및 상기 기판의 하부에 각각 상부 전극층 및 하부 전극층을 형성하는 단계(250)가 수행된다. 하부 전극층은 CVD 또는 PVD에 의해 증착할 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 이의 합금일 수 있다. 상부 전극층은 TCO일 수 있으며, CVD 또는 PVD를 이용하여 형성할 수 있다.
상기 상부 전극층 상에 추가적으로 반사 방지막이 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막은 예컨대 PECVD를 이용하여 형성할 수 있으며, 실리콘 질화물(SiN)을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
110: 지지부 120, 320: 도가니
130, 230, 330: 히터 140, 240: 시드 홀더
150, 250, 350: 시드 160, 360: 용융상
170, 270, 370: 결정 260: 부유 대역
280: 다결정 로드 310: 튜브
510, 610: 기판 520, 620: 진성 반도체층
530, 630: 반도체층 550, 650: 하부 전극층
650, 660: 상부 전극층
130, 230, 330: 히터 140, 240: 시드 홀더
150, 250, 350: 시드 160, 360: 용융상
170, 270, 370: 결정 260: 부유 대역
280: 다결정 로드 310: 튜브
510, 610: 기판 520, 620: 진성 반도체층
530, 630: 반도체층 550, 650: 하부 전극층
650, 660: 상부 전극층
Claims (12)
- 금속급 실리콘(metallurgical-grade silicon)의 용융상을 준비하는 용융상 준비 단계; 및
상기 용융상을 일 방향으로 고체화하여 결정을 성장시키는 결정 성장 단계;를 포함하는 반도체 소자용 기판의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 결정 성장 단계에서, 상기 결정은 단결정 또는 준단결정인 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판의 제조 방법. - 제2 항에 있어서,
상기 준단결정은, 일 방향에서의 결정립들의 결정면이 70 % 이상 동일하며, 저각 결정립계를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 결정 성장 단계에서, 상기 결정은 하나 이상의 시드(seed)로부터 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 결정 성장 단계에서, 상기 결정은 초크랄스키(Czochralski)법을 사용하여 상기 용융상으로부터 인상에 의해 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 금속급 실리콘의 순도는 98 % 내지 99.999 %인 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 용융상 준비 단계는,
실리콘의 원재료인 규석을 환원하여 상기 금속급 실리콘을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 기판의 제조 방법. - 금속급 실리콘을 포함하는 기판;
상기 기판 상에 위치하고 상기 기판과 PN 접합을 형성하는 반도체층;
상기 반도체층 상에 위치하는 상부 전극층; 및
상기 기판 하부에 위치하는 하부 전극층;
을 포함하는 태양 전지. - 제8 항에 있어서,
상기 금속급 실리콘은 단결정 또는 준단결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제8 항에 있어서,
상기 기판 및 상기 반도체층의 사이에 위치하는 진성 반도체층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제8 항에 있어서,
상기 반도체층 또는 상기 진성 반도체층은 비정질 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제8 항에 있어서,
상기 기판은 상부면에 요철을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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| KR1020100120717A KR20120059095A (ko) | 2010-11-30 | 2010-11-30 | 반도체 소자용 기판의 제조 방법 및 이를 이용한 태양 전지 |
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2010
- 2010-11-30 KR KR1020100120717A patent/KR20120059095A/ko not_active Application Discontinuation
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