KR20150008946A - 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 광흡수층의 균일한 결정화가 가능하고, 양질의 결정립을 구현할 수 있어, 기존의 비정질 실리콘 태양전지에 비해 향상된 광특성을 가질 수 있다.
Description
본 발명은 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
실리콘 태양전지의 가장 기본적인 구조는 p-n 접합으로 구성된 다이오드 형태이나, 비정질 실리콘 박막의 경우 캐리어의 확산거리(diffusion length)가 결정질 실리콘 기판에 비해 매우 낮아 p-n 구조로 제조될 경우 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍(electron-hole pairs)의 수집 효율이 낮다.
이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 대안으로서, 비정질 실리콘 태양전지는 도핑이 되지 않은 무첨가(intrinsic, i형) 비정질 실리콘 광흡수층을 p형 비정질 실리콘과 n형 비정질 실리콘층 중간에 삽입한 p-i-n 구조로 제조된다. 그러나, p-i-n 구조의 태양전지의 효율이 4~5% 정도로 여전히 poly-Si 태양전지나 CIGS에 비해 낮다.
최근에는 광흡수층을 결정화 혹은 준결정화시킴으로써 기존의 비정질 실리콘 태양전지보다 높은 효율의 태양전지를 제조하기도 한다.
비정질 실리콘을 결정화하는 방법은 여러 가지가 알려져 있으며, 가장 대표적인 방법으로 비정질 실리콘에 YAG 레이저, 특히 Nd:YAG 레이저의 레이저광선을 주사하는 방법을 사용하고 있다. 하지만, 이러한 레이저 주사방법은 결정화가 빠르지 못하고 균일하지 못한 단점이 있고, 이는 제조공정 및 박막 태양전지의 효율을 높이는데 걸림돌이 되고 있다. 따라서 신속하고 균일하게 결정화시키는 박막 태양전지 제조방법의 개발이 필요하다.
본 발명의 일 측면은, 광흡수층으로 사용되는 비정질 실리콘의 결정화로부터 결함 농도를 효과적으로 낮춤으로써 고효율의 태양전지를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은,
금속 기판을 준비하는 단계;
상기 금속 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계;
상기 투명전극층 상부에 비정질 실리콘층을 형성한 후 700℃ 이상에서 1 시간 이상, 질소분위기에서 열처리하여 상기 비정질 실리콘층을 결정화하는 단계; 및
상기 결정화된 비정질 실리콘층 상부에 후면전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 열처리 후 투명전극층과 상기 비정질 실리콘층 사이에 금속규화물(metal silicide)이 형성되는 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 고온 열처리로부터 광흡수층의 균일한 결정화가 가능하고, 양질의 결정립을 구현하여 태양전지의 성능을 개선할 수 있다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 열처리 전·후에 따른 비정질 실리콘의 결정화를 도식화하여 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면인 비정질 실리콘 태양전지를 제조하는 방법은, 금속 기판을 준비하는 단계; 상기 금속 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 투명전극층 상부에 비정질 실리콘층을 형성한 후 700℃ 이상에서 1시간 이상 열처리하여 상기 비정질 실리콘층을 결정화하는 단계; 및 상기 결정화된 비정질 실리콘층 상부에 후면전극층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에서 상기 금속 기판은 비정질 실리콘 태양전지에 사용될 수 있는 기판이면 그 종류를 특별히 제한하는 것은 아니나, 바람직한 예로는 스테인리스 스틸(STS)을 적용할 수 있다.
상기 금속 기판 상에 투명전극층을 형성한다.
통상, 투명전극층으로서 투명전도성 산화물(TCO; transparent conducting oxide)을 스퍼터링법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성하는데, 이때 투명전도성 산화물로는 인듐-주석 산화물(ITO; indium-tin oxide), ZnO:Al, ZnO-Al2O3 등과 같은 투명한 도전물질을 주로 사용한다.
본 발명자들은 상술한 바와 같은 투명전도성 산화물로 투명전극층을 형성한 후 그 위에 비정질 실리콘층을 형성하여 고온 열처리하는 경우, ITO는 반사도가 저하되고, Al 원자는 상부의 비정질 실리콘층으로 이동하여 갈바닉(galvanic) 현상을 유발함과 동시에 효율의 저하를 야기하는 것을 확인하였다.
이에, 고온에서도 잘 견디는 물질로 투명전극층을 형성함이 바람직할 것인바, 본 발명자들은 고내열성이 우수한 몰리브덴(Mo)을 활용하여 Mo 전극층을 형성하였으며, 이로 인해 상기의 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명에서 상기 Mo 전극층은 순수 Mo 또는 텅스텐이 합금된 MoW일 수 있으며, 이러한 Mo 전극층은 스퍼터링법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 Mo 전극층 상부에 비정질 실리콘층을 플라즈마화학기상증착(PECVD; plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 형성할 수 있다.
비정질 실리콘으로는 a-Si:H로 표현되는 수소화된 비정질 실리콘을 이용할 수 있으며, i(intrinsic)형 비정질 실리콘은 불순물이 첨가되지 않은 상태를 의미하며, p(positive)형과 n(negative)형은 비정질 실리콘에 불순물을 첨가하여 도핑된 상태를 의미한다. 이중 p형 비정질 실리콘을 형성하기 위해서는 3가 원소인 붕소, 칼륨 등을 첨가하고, n형 비정질 실리콘을 형성하기 위해서는 5가 원소인 인, 바소, 안티몬 등을 첨가할 수 있다.
본 발명에서 상기 Mo 전극층 상부에 형성되는 비정질 실리콘층은 n형, n-i형 및 p-i형 중에서 선택된 1종의 비정질 실리콘층인 것이 바람직하다.
상기한 비정질 실리콘층을 형성한 후 이를 질소분위기에서 고온 열처리하여 상기 비정질 실리콘층을 결정화하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 비정질 실리콘층을 형성한 후 고온 열처리를 행하는 것은, 기존 p-i-n형 구조를 갖는 태양전지의 낮은 효율을 극복하기 위한 것으로서, 상기와 같이 비정질 실리콘층에 고온 열처리를 행하게 되면 상기 비정질 실리콘층의 막질이 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)으로 변형됨에 따라 광특성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 비정질 실리콘층의 막질을 변형시키기 위해서는 700℃ 이상의 온도에서 1시간 이상 열처리함이 바람직하다.
열처리 온도가 700℃ 미만이거나 열처리 시간이 1시간 미만으로 충분하지 못하며, 비정질 실리콘층이 다결정 실리콘으로 모두 변형되지 않고 일부가 비정질 실리콘으로 남아 광특성 개선 효과가 충분하지 못하다. 다만, 열처리 온도가 750℃를 초과하거나, 열처리 시간이 2시간을 초과하면 열처리 효과가 포화될 뿐만 아니라, 스틸 기판에서 Fe 원자가 상부 전자소자로 확산되기 때문에, 소자 특성에 영향을 미친다.
상기 열처리 후 투명전극층과 상기한 비정질 실리콘층 사이에 금속 규화물(metal silicide)이 형성되는데, 본 발명의 경우 상기 금속 규화물을 형성할 수 있는 금속은 Mo이며, 형성된 금속 규화물은 Mo-Silicide이다 (도 1a 내지 1c 참조).
상기 금속은 연속적이지 않은 형태로 분산되어 표면에 존재하며, 그 상부에 비정질 실리콘층을 형성한 후 고온 열처리를 행하여 결정화를 진행할 경우 Mo와 실리콘이 금속 규화물을 형성하여 계면 특성을 향상시키므로 서로 다른 이종 물질 사이에 발생하는 직렬 저항이 감소하게 되어, 전자소자 특성 향상에 기여한다.
이와 같이 비정질 실리콘층의 결정화가 완료되면, 그 위에 후면전극층을 형성하기 전에, 다른 비정질 실리콘층을 더 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 비정질 실리콘층이 n형인 경우에는 그 위에 i-p형 비정질 실리콘층을 더 형성하고, 상기 비정질 실리콘층이 n-i형인 경우에는 그 위에 p형 비정질 실리콘층을 더 형성하고, 상기 비정질 실리콘층이 p-i형인 경우에는 그 위에 n형 비정질 실리콘층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 비정질 실리콘층의 형성이 완료되면, 그 위에 후면전극층을 형성할 수 있으며, 이때 후면전극층은 ITO 또는 Al 산화물로 이루어질 수 있다.
상기 후면전극층을 Al 산화물로 형성할 경우, ZnO:Al, ZnO-Al2O3 등과 같은 투명한 도전물질을 주로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 비정질 실리콘 태양전지는 기존의 비정질 실리콘 태양전지, 예컨대 기판 상에 주기적인 표면 요철을 형성한 후 비정질 실리콘층 형성시킨 태양전지나, p형과 n형 비정질 실리콘 사이에 i형 비정질 실리콘층을 갖는 p-i-n형 구조의 태양전지에 비해 우수한 광특성 효과를 가질 수 있다. 즉, 고온 열처리에 따른 비정질 실리콘층의 상변화에 의해 밴드갭(bandgap)이 낮아짐에 따라 높은 에너지의 빛을 흡수할 수 있어, 태양전지의 효율이 극대화될 수 있는 것이다.
Claims (6)
- 금속 기판을 준비하는 단계;
상기 금속 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계;
상기 투명전극층 상부에 비정질 실리콘층을 형성한 후 700℃ 이상에서 1 시간 이상, 질소분위기에서 열처리하여 상기 비정질 실리콘층을 결정화하는 단계; 및
상기 결정화된 비정질 실리콘층 상부에 후면전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 열처리 후 투명전극층과 상기 비정질 실리콘층 사이에 금속규화물(metal silicide)이 형성되는 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 투명전극층은 Mo 전극층인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 비정질 실리콘층은 n형, n-i형 및 p-i형 중에서 선택된 1종의 비정질 실리콘층인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 비정질 실리콘층이 n형인 경우 열처리 후 i-p형 비정질 실리콘층을 형성시키는 단계를 더 포함하고,
상기 비정질 실리콘층이 n-i형인 경우 열처리 후 p형 비정질 실리콘층을 형성시키는 단계를 더 포함하고,
상기 비정질 실리콘층이 p-i형인 경우 열처리 후 n형 비정질 실리콘층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 후면전극층은 ITO(indium-tin oxide) 또는 Al 산화물로 이루어지는 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 금속규화물(metal silicide)은 Mo-Silicide인 비정질 실리콘 태양전지의 제조방법.
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2013
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| KR101490599B1 (ko) | 2015-02-05 |
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