KR20130129732A - 태양 전지용 다결정 실리콘 박막의 제조 방법 - Google Patents

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KR20130129732A
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Abstract

본 발명은 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하여 기판의 표면에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계 및 상기 기판의 표면에 3 KeV 내지 6 KeV의 세기를 갖는 전자빔을 30초 내지 120초 동안 조사하여, 상기 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키는 단계를 포함한다.

Description

태양 전지용 다결정 실리콘 박막의 제조 방법{MANUFACTURING FOR POLYCRYSTALLINE SILICON THIN-FILM FOR SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지용 다결정 실리콘 박막의 제조 방법에 관한 것으로서, 태양 전지용 다결정 실리콘 박막의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자이며, 현재 전기, 전자제품, 주택이나 건물의 전기 공급 그리고 산업 발전에 이르기까지 다양한 분야에 적용되고 있다.
태양전지의 가장 기본적인 구조는 PN 접합으로 구성된 다이오드 형태이며, 광 흡수층의 재료에 따라 구분된다. 예컨대, 광 흡수층으로 실리콘을 사용하는 실리콘 태양전지, 광 흡수층으로 CIS(CuInSe2)나 CdTe를 이용하는 화합물 태양 전지, 다공질막의 나노입자 표면에 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광감응 염료 분자가 흡착된 염료 감응형 태양 전지, 복수의 비정질 실리콘이 적층된 적층형 태양전지로 구분된다. 또한, 태양 전지는 벌크형(단결정, 다결정 포함)과 박막형(비정질, 다결정) 태양전지로 구분된다.
현재는 다결정 실리콘을 이용하는 벌크형 결정질 실리콘 태양전지가 전체 시장의 90%이상을 차지하고 있다. 그런데, 이러한 벌크형 결정질 실리콘 태양전지의 태양광 발전 단가는 기존의 화력, 원자력, 수력 등에 비해 최소 3배에서 최대 10배 이상 비싸다. 이는 고가의 실리콘 원료를 다량 사용하고, 제조공정이 복잡한 결정질 실리콘 태양 전지의 높은 제조 원가가 주요 원인이다.
이에, 최근 들어 비정질 실리콘(a-Si:H) 및 미세결정 실리콘(μc-Si:H) 박막 태양전지에 대한 연구와 상업화가 진행되고 있다. 이러한 비정질 실리콘(a-Si:H) 및 미세결정 실리콘(μc-Si:H) 박막 태양전지는 제조공정이 간단하고, 고온 공정이 필요이 않아 저가의 태양전지 제작이 가능하다.
그러나, 비정질 실리콘(a-Si:H)은 전자 이동도(≤0.5cm2/Vs)가 낮은 전기적 특성으로 인해 태양 전지 대면적화나 구동회로 IC를 설계하는데 한계가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기적 특성이 우수한 태양 전지용 다결정 실리콘 박막의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다결정 실리콘 박막의 제조 방법은 기판을 제공하는 단계, 상기 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하여 기판의 표면에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계 및 상기 기판의 표면에 3 KeV 내지 6 KeV의 세기를 갖는 전자빔을 30초 내지 110초 동안 조사하여, 상기 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 태양전지용 기판을 제조하는 과정에서 전자빔 조사 공정을 통해 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화시킴으로써, 높은 전자 이동도와 구동 IC를 집적화할 수 있는 태양 전지 기판을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 기판의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 태양 전지 기판의 제조 방법을 보여주는 순서도이다.
도 4는 도 3의 단계 S330에서 이용되는 결정화 장비의 전체 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 전자빔 장비의 일례를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막의 결정성을 분석한 그래프들이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 실제 샘플들을 보여주는 사진들이다.
도 8은 제2 실시예에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막의 결정성을 라만(Raman) 분석법에 따라 분석한 그래프 및 실제 샘플들을 보여주는 사진들이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막의 결정성을 분석한 그래프들이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따라 제조된 샘플들의 실제 사진들이다.
도 11은 제4 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막의 결정성을 분석한 그래프들이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따라 제조된 샘플들의 실제 사진들이다.
본 발명에서는 태양 전지에 이용되는 비정질 실리콘 박막의 전기적 특성을 개선하기 위해, 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화하는 방법을 제안한다.
다결정 실리콘은 비정질 실리콘에 비하여 전자 이동도가 수백 배 이상 크기 때문에 대면적의 태양 전지 기판의 제조에 적합할 뿐만 아니라 Memory, CPU, Controller와 Interface 와 같은 각종 구동 회로를 유리 위에 직접 집적화시킬 수 있기 때문에 제조공정의 단순화는 물론 집적도 면에서 크게 유리한 장점이 있다.
이에 본 발명의 일실시예에서는, 상기 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하여 기판의 표면에 비정질 실리콘 박막을 형성하고, 상기 기판의 표면에 3 KeV 내지 6 KeV의 세기를 갖는 전자빔을 20초 내지 130초 동안 조사하여, 상기 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키는 단계를 포함하는 결정화 공정을 개시한다.
다른 실시예에서는, 상기 기판의 표면에 4 KeV 세기를 갖는 전자빔을 80 내지 110 초 동안 조사하는 결정화 공정을 제공한다.
또 다른 실시예에서는, 상기 기판의 표면에 5 KeV 세기를 갖는 전자빔을 25초 내지 35초 동안 조사하는 결정화 공정을 제공한다.
또 다른 실시예에서는, 기판 온도는 250℃ 이상 300℃이고, 챔버 내의 작업압력(Working pressure)이 0.1 Torr 내지 0.5 Torr이고, RF power는 9 W 내지 11W, 가스 비율(Gas ratio)은 SiH4:H2:B2H6 = 3:21:9인 PECVD 공정 조건에서 형성되는 비정질 실리콘 박막의 형성 공정을 제공한다.
또 다른 실시예에서는, 290 내지 310 nm의 두께를 갖는 상기 비정질 실리콘 박막을 4 KeV의 전자빔을 60초 동안 조사하는 결정화 공정을 제공한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 기판의 단면도이고, 도 2는 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화하는 방법을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 다결정 실리콘 박막을 갖는 태양 전지 기판은 투명 기판(110), 폴리 실리콘 박막(120), P형 비정질 실리콘(a-Si:H), i형 비정질 실리콘(a-Si:H), n형 비정질 실리콘(a-Si:H) 및 투명 전도성 박막(160)을 포함한다.
투명 기판(110)은 석영, 파이렉스, 실리콘 웨이퍼, 유리 기판뿐만 아니라 유리보다 더욱 열에 약한 플라스틱이나 폴리머 기판, 가령 투명한 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에스터 설폰(polyethersulphone), 플라스틱, 폴리이미드, PEN, PET 또는 폴리아크릴레이트(polyacrylate) 등이 사용될 수 있다.
다결정 실리콘 박막(120)은 상기 투명 기판(110)에 형성된 시드 층(120: seed layer)으로서, 이러한 다결정 실리콘 박막(120)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 투명 기판(110) 위에 증착된 비정질 실리콘을 전자빔 조사 공정(Electron Beam Treatment)을 통해 전자빔으로 조사하여 다결정 실리콘으로 결정화되어 형성된다. 이러한 다결정 실리콘 박막(120)은 대면적 및 구동 IC를 고집적화할 수 있는 태양 전지 기판의 제조를 가능케 한다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 3 및 도 4를 참조하여 아래에서 상세히 기술된다.
상기 다결정 실리콘 박막(120) 위에는 불순물이 도핑 된 P형 비정질 실리콘(a-Si:H)(130), 불순물이 도핑 되지 않은 i형 비정질 실리콘(a-Si:H)(140), 불순물이 도핑 된 n형 비정질 실리콘(a-Si:H)(150) 또는 미세결정 실리콘(μc-Si:H)(150) 및 그 위에 윈도우 막(window layer)으로 기능 하는 투명 전도성 박막이 순차적으로 적층되어, p-i-n형 비정질 실리콘을 형성한다.
이러한 p-i-n형 비정질 실리콘(a-Si:H)에서, 불순물이 도핑 되지 않은 i형 비정질 실리콘(a-Si:H)(140)은 불순물이 도핑 된 P형과 n형 비정질 실리콘(a-Si:H)(130, 150)에 의해 공핍(depletion) 되며, 내부에서 전기장이 발생하게 된다. 입사광(hv)에 의하여 i형 비정질 실리콘(a-Si:H)(140)에서 생성된 정공-전자 쌍은 내부 전기장에 의한 드리프트(drift)에 의해 각각 P형 비정질 실리콘(a-Si:H)(130)과 n형 비정질 실리콘(a-Si:H)(150)에 수집되어 전류를 발생하게 된다.
미세결정 실리콘(μc-Si:H)(150)은 단결정과 비정질 실리콘의 경계물질로서 수십 ㎚에서 수백 ㎚의 결정 크기를 가지며, 결정 사이의 결정 경계에서는 흔히 비정질 상이 존재하여 높은 결함 밀도로 인해 대부분 캐리어 재결합이 발생한다. 미세결정 실리콘(μc-Si:H)(150)의 에너지 밴드갭은 약 1.6eV로 단결정 실리콘(1.12eV)과 큰 차이가 없으며 비정질 실리콘(a-Si:H) 태양전지에서 나타나는 열화 현상이 없다. 미세결정 실리콘(μc-Si:H) 태양전지의 구조는 광 흡수층을 제외하면 비정질 실리콘(a-Si:H) 태양전지와 매우 유사한 구조이다.
비정질 실리콘(a-Si:H) 또는 미세결정 실리콘(μc-Si:H)을 광 흡수층으로 사용하는 단일 p-i-n 접합 박막 태양 전지는 광 변환 효율이 낮아 실제로 사용하는데에는 많은 제약이 있을 수도 있으므로, 비정질 실리콘(a-Si:H) 또는 미세결정 실리콘(μc-Si:H) 박막 태양전지를 이중 또는 삼중으로 적층 하여 제조할 수도 있으며, 소위 탠덤(Tandem) 형 또는 트리플(Triple)형 적층형 태양전지일 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따라 다결정 실리콘 박막을 갖는 태양전지의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 도 1에 도시된 태양 전지 기판의 제조 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 기판의 제조 방법은 투명 기판(110)을 준비하는 단계(S310), 상기 투명 기판(110) 위에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계(S320), 상기 기판의 표면에 전자빔을 조사하는 단계(S330) 및 상기 단계(S330)를 통해 상기 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화하는 단계(S340)를 포함한다.
상기 투명 기판(110) 위에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계(S320)에서는, 가령 실리콘 타겟을 가속된 플라즈마(120)로 스퍼터링하는 RF/DC 스퍼터링 방식이나 실리콘 타겟을 이온빔으로 스퍼터링하는 이온빔 스퍼터링 방식 등을 포함하는 스퍼터링 방식, 실리콘 펠릿(pellet)을 텅스텐이나 몰리브데늄으로 만들어진 보트(boat)에 넣어 증발(Thermal Evaporation)시키거나 도가니속에 넣어진 실리콘을 전자빔으로 가열, 기화시켜 공급하는 전자빔 기상증발법(E-beam Evaporation), 또는 실리콘의 전구체인 실란(silane) 가스나 TCS를 기판 가까이 공급하는 방식 또는 이 실란 가스를 플라즈마로 이온화시켜 실리콘 이온을 추출한 다음, 이를 기판상에 조사하는 플라즈마 방식 등 다양한 방식이 사용될 수 있다. 그 외에도 추가로 실리콘 공급 수단은 화학 기상 증착(CVD), 저압 화학 기상 증착(LPCVD), 플라즈마 화학기상 증착(PECVD: Plasma Enhanced Vapor Deposition) 등이 사용될 수 있다.
상기 투명 기판(110)의 표면에 전자빔을 조사하는 단계(S330)는, 전자빔을 조사하여 기판 위에 증착된 비정질 실리콘 박막의 특성을 변화시키는 단계로서, 비정질 실리콘을 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키는 단계이다. 이에 대한 구체적인 설명은 아래의 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 실리콘을 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키기는 제조 공정에서 사용되는 결정화 장비의 개략적인 구성도이고, 도 5는 도 4에 도시된 전자빔 장비의 일례를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 결정화 장비(200)는 결정화 공정을 위해 작업 공간을 형성하는 챔버(210), 상기 챔버(210) 내에 구비되어 비정질 실리콘 박막(115)이 증착된 투명 기판(110)을 이송하는 이송 롤러(220), 상기 이송 롤러(220)에 의해 이송되는 투명 기판(110) 위에 증착된 비정질 실리콘 박막(115)을 열처리하여 1차적으로 결정화시키기는 열처리 장비(230)(HTS: Hyper Thermal System), 1차적으로 결정화된 실리콘 박막에 전자빔을 조사하여 2차적(또는 최종적)으로 결정화하는 전자빔 장비(240)(EBS: Electron Beam System)를 포함하며, 그 밖에 상기 챔버(210)의 진공 상태를 조절하기 위한 토출구(250: Vent) 및 진공 장비(260)를 포함한다.
열처리 장비(230)는 전자빔 장비(240)에 의한 전자빔 조사 공정에 앞서 비정실 실리콘 박막(115)을 열처리 방식을 이용하여 1차적으로 결정화하는 장비로서, 일종의 결정화 보조 장비로 역할한다. 이러한 열처리 장비(230)는 높은 온도로 가열된 텅스텐 필라멘트를 이용하여 그 밑으로 이송되는 비정질 실리콘 박막을 열처리하여 1차적으로 결정화시킨다.
전자빔 장비(240)는 상기 열처리 장비(230)에 의해 1차적으로 결정화된 실리콘 박막에 전자빔(e-beam)을 조사하여 비정실 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키는 장비로서, 이를 위해, 전자빔 건과 같은 전자빔 공급수단이 챔버(210) 내의 소정 공정 영역 상에 배치된다. 일례로, 상기 전자빔 건은 도 5에 도시된 바와 같이, 투명 기판(110)의 폭과 유사한 길이를 가진 선형(Linear)의 직육면체 형태로 구현될 수 있다. 이러한 상기 전자빔 건은 전자빔을 생성하기 위하여 날카로운 단부에 높은 양 전압을 걸어 전자를 추출하는 전계 추출(Field Emission) 방식, 플라즈마를 그리드로 차폐함과 동시에 전압을 걸어 전자를 추출하여 가속하는 플라즈마 추출방식 등이 사용될 수 있다.
이러한 선형의 전자빔 건을 이용하여 전자빔을 조사하는 과정에서, 사전에 설정된 주기에 따라 조사 에너지 레벨을 달리하여 펄스 형태로 반복적으로 조사할 수 있다. 설정된 주기는 전자빔을 높은 에너지 레벨로 조사하며, 전자빔이 조사되지 않는 주기는 전자빔을 낮은 에너지 레벨로 조사하는 것으로 대체할 수도 있다.
그 밖에 토출구(250)와 진공 장비(260)는 챔버(210) 내의 진공 상태를 조절하는 장비들이다.
토출구(250)는 챔버(210) 내에서 샘플을 채취하기 위해 챔버(210) 내의 진공 상태를 대기압 상태로 만드는 장비로서, 개폐 제어하여 챔버(210) 내의 진공 상태를 대기압 상태로 만든다.
진공 장비(210)는 다수의 밸브와 펌프로 구성되어 챔버(210) 내의 진공 상태를 조절한다. 구체적으로, 진공 장비(210)는 로타리 펌프(261)(Rotary), 러핑 밸브(263)(Roughing Valve: R/V), 포라인 밸브(265)(F/V: Foreline Valve), 터보 롤레큘러 펌프(267)(TMP: Turbo Molecular Pump), 고진공 밸브(269)(High vacuum Valve: H/V)를 포함한다.
1차 펌프인 로타리 펌프(261)가 작동하면, 러핑 밸브(263)가 개방되어 1차적으로 챔버(210) 내부를 2 × 10-2 torr 까지 진공상태로 만든다. 게이지를 통해 1차 진공상태가 어느 정도 형성되면, 러핑 밸브(263)를 폐쇄하고, 포라인 밸브()를 개방한 후, 터보 롤레큘러 펌프(267)를 작동시킨다. 이후, 고진공 밸브(269)를 개방하여, 챔버(210) 내를 목적한 진공 상태로 형성한다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 다양 공정 조건에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막의 결정 특성에 대해 살펴보기로 한다.
제1 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막의 결정성 고찰
제1 실시예는 플라즈 마화학기상증착법(PECVD: Plasma Enhanced Vapor Deposition)을 통해 형성된 비정질 실리콘 박막을 결정화시켜 다결정 실리콘 박막을 형성하였다.
일례로, 비정질 실리콘 박막은 기판 온도는 250℃이상 300℃이고, 챔버 내의 작업압력(Working pressure)이 0.1 Torr 내지 0.5 Torr이고, RF power는 9 W 내지 11W, 가스 비율(Gas ratio)은 SiH4:H2:B2H6 = 3:21:9이고, 도핑 농도(Doping conc.)는 (B2H6/SiH4) : 0.03의 PECVD 공정 조건을 통해 200nm의 두께를 형성하였다.
일례로, 다결정 실리콘 박막은, 챔버(210) 내의 작업 압력을 5 × 10-6Torr로 하고, 4 KeV 전자빔의 세기로 전자빔의 조사 시간을 30초, 60초, 90초, 120초 별로 달리하여 4개의 샘플을 채취하였다. 본 출원인은 정확한 결과 고찰을 위해, 실제 조사 시간을 10초 단위로 나누어 샘플을 채취하였다. 따라서, 실제 제조 공정에서 채취한 샘플의 개수는 4개 이상이었다. 설명의 이해를 돕기 위해, 단순히 30초 간격으로 이루어진 4개의 샘플에 대해서만 그 결과를 고찰하였다. 실제 30초의 조사 시간에서 얻은 샘플의 결과는 오차범위 ±5초 즉, 25초 내지 35초의 조사 시간에서 얻은 샘플들의 특성과 큰 차이를 보이지 않았다. 만일 90초의 조사 시간에서 가장 양호한 샘플을 채취했다면, 오차범위 ±5초인 85초 내지 95초의 조사 시간에서도 가장 양호한 샘플들을 채취할 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막의 결정성을 분석한 그래프들로서, (a)는 라만(Raman) 분석법에 따른 측정 결과를 보여주는 그래프이고, (b), (c)는 전기적 특성을 보여주는 그래프들로서, 빔 조사 시간에 따른 비저항성과 캐리어 농도의 변화를 각각 보여주는 그래프들이다.
도 6의 (a)에 나타나는 바와 같이, 제1 실시예에 따라 형성되는 실리콘 박막은 대략 60초 이후에서 걸정성이 서서히 나타나기 시작하며, 대략 90초의 빔 조사시간에서 가장 양호한 결정성을 나타냄을 알 수 있다. 120초 이후에서는 결정성이 저하되었다. 전기적 특성 또한 도 6의 (b), (c)에 나타나는 바와 같이, 대략 90초의 빔 조사시간에서 비저항과 캐리어 농도 특성이 가장 양호함을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 실제 샘플들을 보여주는 사진들로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 육안으로도 빔 조사 처리 시간이 대략 60초 부근에서 가장 양호한 결정성을 갖는 다결정 폴리 실리콘 박막을 얻을 수 있음을 관찰했다.
결론적으로 200nm의 비정실 실리콘을 4 KeV 전자빔의 세기로 조사하는 경우, 그 빔 조사 시간은 대략 50초 내지 70초가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 대략 55초 내지 65초의 빔 조사 시간에서 가장 양호한 결정화 특성 및 전기적 특성을 갖는 다결정 폴리 실리콘 박막을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
제2 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막의 결정성 고찰
2 실시예에 따른 결정화 공정은 제1 실시예의 공정 조건과 동일하게 진행하였고, 다만, 5 KeV의 전자빔의 세기로 전자빔 조사 공정을 진행하였다.
도 8의 (a)는 제2 실시예에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막의 결정성을 라만(Raman) 분석법에 따라 분석한 그래프로서, 전술한 제1 실시예에 따른 분석 결과와는 달리 5 KeV의 전자빔으로 조사한 경우, 30초를 조사했을 때 가장 양호한 결정성을 보였다.
아래의 표는 빔 조사 시간이 30초인 경우와 60초인 경우 전기적 특성을 비교한 것이다.
조사시간
(sec)		 비저항 캐리어 농도
(cm-3)		 이동도
(cm2/Vs)
30 2.07 ×10-3
1.40 × 1020 21.512
60 6.06 ×10-3
9.31 × 1019 11.077
위의 표 1에 볼 수 있듯이, 전기적 특성을 평가하는 비저항, 캐리어 농도 및 이동도 특성에도 30초의 빔 조사 시간에서 가장 양호한 특성을 확인할 수 있었다.
도 8의 (b)는 제2 실시예에 따라 제조된 샘플들의 실제 사진들로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 200nm의 두께를 갖는 비정질 실리콘 박막을 5KeV의 전자빔으로 30초 동안 조사했을 때 가장 양호한 결정성을 보임을 육안으로 확인할 수 있었다.
제3 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막의 결정성 고찰
제3실시예에서는, 제1 및 제2 실시예와는 다르게 300nm의 두께를 갖는 비 정질 실리콘을 형성하였고, 5KeV의 전자빔 세기로 비정실 실리콘 박막을 결정화시켰다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따라 형성된 다결정 실리콘 박막의 결정성을 분석한 그래프들로서, (a), (b), (c)는 각각 라만 측정 결과, 비저항성, 캐리어 농도 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 9의 (a), (b), (c)에 나타나는 바와 같이, 300nm의 두께를 5KeV의 전자빔 세기로 조사한 경우, 제2 실시예와 같이 30초의 빔 조사 시간에서 가장 양호한 결정성 및 전기적 특성을 보여줬다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따라 제조된 샘플들의 실제 사진들로서, 300nm의 두께를 갖는 비정질 실리콘 박막을 5KeV의 전자빔으로 30초 동안 조사했을 때 가장 양호한 결정성을 보임을 육안으로 확인할 수 있었다.
제4 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막의 결정성 고찰
제4 실시예에서는, 비정실 실리콘 박막의 증착 두께를 300nm으로 형성하고, 빔 조사 시간을 60초로 고정한 상태에서 전자빔의 세기를 달리하여 다결정 실리콘 박막의 결정성을 고찰하였다.
도 11은 제4 실시예에 따른 다결정 실리콘 박막의 결정성을 분석한 그래프들로서, 도 11의 (a), (b), (c)에 도시된 바와 같이, 빔 조사 시간을 고정한 경우, 1.5 KeV 이상의 전자빔 세기에서 결정화 특성을 보였으며, 특히 4 KeV 부근에서 가장 양호한 결정화 특성을 보임을 확인했다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따라 제조된 샘플들의 실제 사진들로서, 4Kev로 빔 조사된 샘플 사진에서는 부분적으로 결정화되지 않은 부분이 있으나, 결정화가 이루어진 부분은 다른 샘플들에 비해 가장 양호한 상태임을 육안으로 확인할 수 있었다.
이러한 제4 실시예에 따른 결과로부터 빔 처리 전압이 대략 1.5 Kev에서 대략 4 KeV로 증가할수록 박막의 결정화 도를 나타내는 FWHM(Full width at Half Maximum)이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 열처리 시간만으로는 비정질 Si(a-Si)박막의 결정 성장 방향을 변화시키는 데는 한계가 있으며, 결정성장에 있어서는 열처리 시간보다는 온도에 의해 결정되는 것으로 본 출원인은 예측하였다.
한편, 본 출원인은 a-Si을 빔 처리를 통해 다결정화한 실리콘 박막의 표면 거칠기를 확인하기 위해 AFM(Atomic Force Microscopy)분석을 이용하였으며 그 결과 열처리 온도가 증가함에 따라 다결정 실리콘 박막의 Rms roughness는 점차 감소하는 것을 알 수 있었다. 이것은 높은 열처리 온도의 영향으로 인하여 박막 표면 Si 원자들의 확산능력이 높아짐으로써 점차 다결정 실리콘 박막의 표면이 매끄러워지는 것으로 예측하였다.
또한, 결정립 크기의 변화는 E-beam 가속전압이 증가할수록 nucleation rate가 증가하기 때문에 핵의 수가 많아져 결정립 크기가 줄어들었다. 4KeV 까지는 최고로 증가하고 5KeV부터는 nucleation rate가 감소 혹은 유지됨으로 인하여 결정립의 크기가 조금씩 증가 혹은 비슷한 크기를 형성하였다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 태양 전지용 다결정 실리콘 박막의 제조 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하여 기판의 표면에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 표면에 3 KeV 내지 6 KeV의 세기를 갖는 전자빔을 30초 내지 110초 동안 조사하여, 상기 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키는 단계;
    를 포함하는 다결정 실리콘 박막의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키는 단계는,
    상기 기판의 표면에 4 KeV 세기를 갖는 전자빔을 80 내지 110 초 동안 조사하여, 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 것인 다결정 실리콘 박막의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키는 단계는,
    상기 기판의 표면에 5 KeV 세기를 갖는 전자빔을 25초 내지 35초 동안 조사하여, 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 것인 다결정 실리콘 박막의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계는,
    기판 온도는 250℃이상 300℃이고, 챔버 내의 작업압력(Working pressure)이 0.1 Torr 내지 0.5 Torr이고, RF power는 9 W 내지 11W, 가스 비율(Gas ratio)은 SiH4:H2:B2H6 = 3:21:9인 공정 조건에 따라 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Vapor Deposition: PECVD)으로 형성되는 것인 다결정 실리콘 박막의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다결정 실리콘 박막으로 결정화시키는 단계는,
    290 내지 310 nm의 두께를 갖는 상기 비정질 실리콘 박막을 4 KeV의 전자빔을 60초 동안 조사하는 것인 다결정 실리콘 박막의 제조 방법.
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KR101536266B1 (ko) * 2013-12-19 2015-07-14 한국생산기술연구원 전자빔을 이용하여 Ga 편석 방지가 가능한 CIGS 광흡수층 제조방법 및 이를 이용한 CIGS 태양전지 제조방법

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