KR860001163B1 - 박막 태양전지 - Google Patents

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KR860001163B1
KR860001163B1 KR8201383A KR820001383A KR860001163B1 KR 860001163 B1 KR860001163 B1 KR 860001163B1 KR 8201383 A KR8201383 A KR 8201383A KR 820001383 A KR820001383 A KR 820001383A KR 860001163 B1 KR860001163 B1 KR 860001163B1
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에이이찌 마루야마
도시가즈 시마다
야스히로 시라기
요시후미 가다야마
히로가즈 마쓰바라
아끼도시 이사자까
요시마사 무라야마
아끼라 신다니
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미다 가쓰시게루
가부시기 가이샤 히다찌 세이사꾸쇼
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Abstract

내용 없음.

Description

박막 태양전지
제1도는 본 발명의 실리콘 박막 태양전지의 횡단면도.
제2도는 실리콘막이 결정상과 비정질 상의 혼상으로 구성된 경우, 빛에 의해 생성 또는 여기되는 대역구조와 반송자 사이의 관계 설명도.
제3도는 혼상의 혼합비와 빛 흡수에 필요한 막두께 간의 관계를 나타낸 그래프.
제4도는 종단된 비정질 상으로 덮힌 섬유질 결정립의 사시도.
제5도는 박막태양전지의 요부 횡단면도.
제6도는 실리콘막중의 수소 함유량과 광 전변환효율간의 관계를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 금속전극 도는 몰리브덴전극
3 : 다결정 실리콘막 5 : 투명전극
6 : 섬유질 결정링 7 : 비정질 상태층
11 : 스테인레스 기판 12 : 다결정 실리콘막
13 : 투명전극
본 발명은 실리콘막을 사용한 태양전지에 관한 것이다. 지금까지 3가지 형태의 실리콘 태양전지가 제안되었는데, 그것은, 단결정 실리콘을 사용한 것, 다결정 실리콘을 사용한 것, 수소, 불소 등으로 종단된 비정질 실리콘을 사용한 것등이 있으며 그중에서 무정형 실리콘 태양전지의 예는 「Apple. Phys Lett. 28(1976) Page 671, by D.E. Carlson and C.R. Wronski」에서 발표되었다.
일반적으로 단결정 태양전지는 3가지 형태의 전지중에서 가장 높은 광전자 변환효율을 갖는다. 그러나 그 제작에 있어서 고온 처리과정이 필요하게 되므로 생산단가가 다소 높다. 반대로 비정질 실콘 태양전지는 저온에서 전지자 제작되거나 형성되기 때문에 생산단가가 비교적 낮다는 장점을 갖는다.
그러나 광전변환효율이 단결정 전지의 약 1/2-1/3이라는 단점을 갖는다. 다결정 실리콘 전지의 변환효율은 단결정과 비정질 실리콘 전지의 중간에 속한다. 그러나, 다결정실리콘에서 결정립계 또는 주위에서 재결합 중심은 변환 효율을 감소시키는 작용을 하므로 이러한 이유로 인하여 효율은 결정 입경의 크기가 작아짐에 따라서 급격히 감소한다. 따라서 미결정립으로서 효율이 좋은 박막 태양전지를 형성하는 것은 곤란하다.
그러므로 본 발명은 상기의 결점을 제거하고, 단결정 태양전지에 필적하는 높은 변환효율을 가지며 낮은 생산단가로 제조될 수 있는 박막 태양전지를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적에 따라 주로 섬유질 결정립으로 구성되고 입계 부근의 재결합 중심이 다른 종류의 원소에 의하여 종단된 혼합상의 실리콘막이 얻어진다. 전형적으로 "섬유질"결정립은 원주 또는 원뿔 같은 형태와 성장방향으로 긴 길이를 갖는다.
그러나, 그것들은 다음에서 설명하는 바와 같이 결정립에 제한되지는 않는다.
특히, 본 발명의 실시예에 의해 소정의 기판, 적어도 투명한 제1 전극과 제2 전극으로 구성되어 있는 박막 태양전지를 얻게 되며, 이 박막은 실리콘으로 주로 구성되어 있고 상술한 제1, 제2 전극 사이에 끼워져 있으며, 그리고 광이온화된 반송자(electrons and positive holes) 분리용 장벽이 적어도 하나가 박막내에 형성되어 있다. 상술한 실리콘막은 다결정상 및 비정질상의 혼상으로 이루어져 있으며, 이막은 1㎛ 이하의 하부 직경과 적어도 50nm의 높이를 가질 수 있도록 체적비로 50% 또는 그 이상의 섬유질 결정립을 함유한다. 그리고 이의 입계는 실제로 종단된다. 기판이 도체로 만들어진 경우 전극의 하나로서 동시에 작용할 수 있다. 장벽은 성장 pn 접합, 기존전계 또는 전위 장벽을 만드는 다른 정합 접촉으로 형성될 수 있다.
섬유질 결정립의 길이(성장)방향의 일반적 배향이 상술한 장벅명에 대하여 45°-90°의 각을 형성하는 것이 바람직하다. 상술한 실리콘막의 결정립계는 수소, 산소, 불소, 염소, 요드, 리듐, 나트륨, 칼륨, 세슘 및 루비듐으로 구성된 군중에서 선택된 적어도 하나에 의하여 종단된다.
종단된 무정형 실리콘은 태양광 방사의 최대파장 주변에서의 그의 광흡수상수가 단결정 실리콘에서보다 배이상 더 크다는 것이 특징이다. 그러므로 두께가 약 1㎛인 얇은 비정질실리콘은 최대파장 주변에서 태양의 빛 에너지를 효율적으로 흡수하기에 충분하다. 달리 말하면, 태양전지에 필요한 비정질 실리콘의 양은 단결정 실리콘 태양전지가 기술적인 이유로 약 100㎛ 또는 그 이상의 두께를 가져야 한다는 사실과 비교할 때 상당히 감소시킬 수 있다. 적절한 기판위에 형성된 무정형 실리콘 태양전자는 자원 절약에 효과적이다.
본 발명자가 다결정 실리콘막의 입경을 충분히 작게 만든다면 무정형막에 필적할만한 큰 광흡수 상수가 다결정 실리콘막에 의하여도 얻어질 수 있다는 것을 발견하였다. 이것은 다결정막내의 입계 및/또는 주변은 큰 광흡수 상수를 나타내는 비정진 물질(결정 대칭의 손실)과 비슷한 결합상태를 갖는다는 사실로부터 유추할 수 있으며 이러한 막은 결정상과 비정질상의 혼상으로 간주하여 본원에서는 그 상태를 혼상으로 칭하였다. 혼상 물질의 광흡수 상수는 결정상 부분 및 비정질상 부분의 체적비와 또한 결정립 크기의 분포에 따라 좌우된다. 일반적으로, 미결정립의 크기가 작을수록 흡수 상수는 더 커진다. 마찬가지로 결정립 크기가 더 커지게 되면 흡수상수는 단결정 물질의 흡수상수에 가까워지는 경향이 있다.
통상적으로는 재경합 중심이 입계내에 다수 존재하므로, 광-여기된 전자와 포지티브 홀은 수명이 짧으며 따라서 그러한 다결정실리콘은 광도전성을 거의 나타내지 않는다. 이러한 재결합 중심은 댕글링본드에 주로 관련이 되기 때문에 댕글링본드가 수소, 산소, 불소, 염소, 요드, 리튬, 나트륨, 칼슘, 세슘, 루비듐과 같은 원소를 포함한 원자와 원자군에서 선택된 적어도 하나의 원소에 의하여 종단되는 경우에는 재결합 중심은 숫적으로 상당히 감소하여 다결정 실리콘막은 높은 광-도전특성을 나타내게 된다. 첨가된 원소들의 대부분은 결정립의 내부가 아닌 입계 주변으로 도입된다.
상술한 원소들의 군은 할로겐 원소와 같은 1가 원소 또는 1가 금속원소들이다. 그러므로 종단된 다결정 실리콘막은 다결정상과 입계 부근의 종단된 비정질상과의 혼상으로서 간주할 수 있다.
종단된 비정질 실리콘에서, 입사광선에 의하여 생성된 포지티브홀의 확산길이는 약 50nm으로 결정실리콘에서의 수십마이크론에 비해 매우 짧은 것으로 지적되어 있다. 반면에 전자의 확산길이는 500내지 1,000nm이다. 이러한 이유로 종단된 비정질 실리콘에서 빚에 의하여 생성된 전자 및 포지티브홀이 태양전지의 접합 실리콘에서의 광-전변환 효율은 여전히 낮다. 태양전지의 막 구조가 전자와 포지티브홀이 종단된 비정질상 부분에서 생성되고 기존 전계의 영향하에서 결정상 부분으로 확산 또는 유동하고 태양전지의 접합면에 수직방향으로 결정상 부분을 통하여 이동할 수 있도록 배치되면 막은 단결정막보다 광흡수 상수가 더 크며 전자와 포지티브홀의 평균 확산 길이도 종단된 비정질막의 확산길이보다 더 길어질 수 있다.
유리와 스테인레스 기판위에 성장된 다결정 실리콘 막은 원주와 또는 원뿔같은 구조의 다결정립으로 구성될 수 있다. 그것은 어떤 조건하에서 기판위에 위치한 소위 섬유질 구조이다. 따라서, 그러한 막 구조가 종단된 비정질상 부분에서 생성된 전자와 포지티홀은 기존전계의 영향하에서 다결정상 부분으로 확산하거나 유동하여 태양전지의 접합면에 수직으로 결정상을 통하여 이동할 수 있도록 만들어지면 효과적 확산길이는 결정상에 있는 전자와 포지티브홀의 확산길이와 거의 같아질 수 있고 그것에 의하여 광-전변활 효율과 반송자 수집효율을 증가하게 된다.
본 발명의 실시에 따라 위에서 기술된 태양전지의 막구조의 단면도를 제1도에 나타냈다. 기판(1)은 유리세라믹, 금속(예, 스테인레스 또는 니켈) 또는 열안정성 고중합체 수지(예, 폴리이미드 수지)로 만든 것이다. 기판을 절연물질로 만드는 경우에는 하부의 금속전극(2)은 기판위에 증착시킬 수 있다. 기판을 도전성 물질로 만드는 경우에는 기판은 전극으로도 사용될 수 있다. 기판상의 전극(2)에 섬유질(원주상 및/또는 원뿔상) 다결정 실리콘막(3)을 형성시킨다. 다결정 실리콘막(3)은 열분해CVD(chemical vapour deposti-on; 화학적 증착)법, 글로우방전 CVD법, 스패터링(sputtering)법, 이온도금법, 고주파 스패터링법, 초고진공 증착법 등으로 형성시킬 수 있다. 그러나, 증착 속도가 너무 빠르거나 기판온도가 너무 낮거나 또는 다결정막의 형성시에 대기에 수소와 산소가 다량 함유되면 큰섬유질결정립의 형성에 있어서 막을 성장시킴는 것이 어렵게 되고 무정형상의 성장 또는 더작은 미결정립이 생긴다. 섬유질 결정립으로 형성된 다결정 실리콘막은 본 발명의 목적달성에 필요하므로 막 형성 조건을 적합하게 선택해야 한다. 특히 기판온도, 대기가스의 기압, 가스흐름속도, 입력전력, 증착속도 등을 조정하는 것이 필요하다.
다결정막의 형성에 있어서 막의 도접성은 소량의 p형 또는 n형 불순물을 대기가스 또는 원료 실리콘 물질에 적절하게 첨가하고 도우링(doping)함으로써 제어할 수 있다. 이러한 방법을 사용하면 옴접촉이 하부전극(2)과 다결정 실리콘막(3)사이에 형성되고 PN-집합은 다결정 실리콘막(3)내에 형성될 수 있으며 이것을 성장접합법이라 칭한다. 연확산에 의한 PN-집합 형성법은 단결정 실리콘 선비의 제작에 바람직하게 사용되나 다결정막설비의 경우에는 바람직하지 않다. 이것은 입계에서의 불순물 확산속도가 결정립 내부에 있는 불순물보다 더 빠르기 때문에 균일한 접합면을 형성하는 것이 거의 불가능한데 있다. 이러한 이유로 박막 태양전지의 접합 형성은 열 확산법이 아닌 이온주입 또는 성장접합법을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 관련하여 하부전극(2)과의 계면부근에 저항성이 낮은 N+또는 P+형태층을 형성시키면 전극과의 옴접촉의 형성을 향상시킬 수 있다. 세개의 도우핑 층이 전극막 주위에 형성되면 결정립의 크기가 큰 다결정막은 저온에서 형성될 수 있다. 이것은 본 발명에 적합한 구조를 형성시키는데 적합하다. N+또는 P+형층의 두께는 5nm 내지 1㎛가 바람직하다.
다결정막(3)을 형성시킨, 막을 입계의 부근에 있는 약한 댕글링본드를 제거하기 위하여 종단시킨다. 종단은 수소, 산소, 불소, 염소, 요드, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 루비듐 등으로 구성된 군중에서 적어도 하나의 원소를 함유하는 프라즈마 대기중에서 다결정막(3)을 열처리로써 수행한다. 다결정막(3)에 도우프된 원소의 양은 원자비로 약 10ppm내지 약 5원자%이다. 도우프된 양이 상위 범위에 있으면 생성된 다결정막의 광전자 변환효율은 결정립 크기에도 어느 정도 좌우되지만 막의 실제적 적용이 가능할 정도로 충분히 향상될 수 있다.
프라즈마 대기에서의 열처리는 통상적으로 다음 조건하에서 실행된다 : 대기 가스압력은 10-3-10pa범위이고, 기판온도는 305℃ 700℃범위이며 고주파 입력은 0.03W/㎠ 10W/㎠범위이고 입력 주파수는 통상 13.56MHz이나, 여기에 제한되지는 않는다. 이러한 처리과정하에서 다결정막(3)의 입계부근은 종단된다. 최종적으로 예를 들면 인듐-주석 산화물같은 적절한 물질을 공지된 스패터링법으로 막(3)을 도포하여 투명전극(5)을 형성시킨다.
종단된 무정형 실리콘은 통상적으로 결정실리콘보다 더 넓은 금지대역을 가지므로, 다음 두가지 현상 또는 작용이 종단된 비정질상 부분과 결정상 부분과의 계면 부근에서 일어날 수 있다.
첫째, 넓은 대역 갭의 종단된 비정질 막층은 적어도 빛이 다결정 실리콘막(3)으로 통과하는 태양전지 표면 부근에서각 결 정구조의 표면을 덮기 때문에, 수광 표면에서의 재결합이 억압되어 창효과(window effect)가 일어나게 되며, 이로 인하여 입사광 에너지로부터 전기에너지로의 광전 변환효율이 일어날 수 있다. 결정립과 종단된 비정질 실리콘층 사이의 계면 또는 입계는 제2도에 도시된 바와 같이 될 수 있다.
둘째, 넓은 금지 대역을 갖는 종단된 비정질 층에서 생성된 전자-포지티브홀 쌍은 비정질층과 결정립과의 게면 주위에 설정된 기존 전계의 영향하에서결정측으로 이동하여 모여지게 된다. 이러한 경우, 비정질층에 생성된 다수의 반소자 대부분이 인접결정측으로 이동될 수 있는 방식으로 전계를 일으키는 것이 바람직하다. 더우기, 제2도에서 보는 바와 같은 구조의 경우, 비정질상에서 생성된 전자-포지티브홀 쌍은 국소적으로 유리하게 분리되기 때문에 재결합의 가능성은 감소될 수 있다. 제2도에서 "a"는 비정질 영역을, "c"는 텐결정영역을 나타낸다. 결과적으로, 빛에 의하여 여기된 소수의 반송자 대부분은 결정립을 통해 확산됨으로써 반송자가 확산길이가 짧은 비정질 실리콘 영역을 통하여 확산되는 경우와 비교하여 농은 집효과를 얻을 수 있게 된다. 위의 설명에서 명백한 바와 같이, 결정립중으로 일단 이동한 전자와 포지트드홀은 비정질 영역으로 되돌아가지 않고 태양전지의 접합 또는 장벽 부분으로 확산되다는 것은 바람직하다. 따라서 각 결정립의 하부 표면의 직경에 비하여 섬유질 결정립의 막두께의 주부분에서 연속적이 되고 각 섬유질결정립의 성장방향이 태양전자의 접합 또는 장벽면에 거의 수직이 되도록 섬유질(원주상 및/또는 원뿔상)결정립의 높이를 높게하는 것이 바람직하다.
이상 본 발명의 요지에 대해 설명한 것이며, 다음은 이를 정량적으로 설명한 것이다.
제3도는 태양의 망사에너지에서 최대파장인 약 550nm파장의 빛을 96%를 흡수하는데에 필요한 막두께와 종단된 비정질상과 결정상이 혼재된 막에 함유된 결정립의 체적비와의 관계를 나타낸 도면이다. 종단 비정질 실리콘층의 두께가 적어도 0.5㎛이면 막은 위에서 언급된 빛을 충분히 흡수한다는 것을 제3도에서 쉽게 알 수 있다. 반대로, 막이 체적비율로 결정상 50%를 함유하면 필요한 막두께는 약 2배로 증가한다. 그러므로, 비정질상의 전자와 포지티브홀의 확산길이가 상당히 짧다는 것을고려할 때 막은 전하 담체 수송을 늘으기위하여 결정상의 수십체적비율(즉, 체적으로 50%)을 함유하는 것이 바람직하디 마찬가지로, 비정질상의 혼성효과는 체적으로 비정질상 약 0.1%가 함유될 때 뚜렷하게 나타나며 체적으로 지정질상 약1%가 함유되면 유효하다.
다음은 제4도에서 보는 바와 같은 섬유질 결정립의 모텔과 관련하여 설명한다.
비정질 상층과 섬유질 결정립의 혼상막에 있어서 각 섬유질결정립(반경 r1임)(6)이 비정질상층의 반송자의 확산 길이에 상응하는 두께 50nm의 비정질상층 (7)(외반경 r2)에 의하여 둘러싸여 있다고 한다면, 다음 식과 같은 관계를 갖는다.
r2-r1=50
Figure kpo00001
여기서, R은 비정질상과 결정상 전체에 대한 결정상의 체적비를 나타내며 다음식으로 표시된다.
Figure kpo00002
예를 들면, 원주상 결정립의하부표면의 직경이 100nm (r1=50nm)이면 R은 0.25이고 막은 체적%로 결정립 25%을 함유한다. 결정립의 하부표면의 직경이 1㎛mr1=500nm)이면 막은 체적비로 결정살 약 80%를 함유한다. 실제의 막 구조는 위에서 설명된 것처럼 간단하지 않기 때문에 결정립의 체적비는 여러 조건에 따라서 변환시킬 수 있다.
상기한 결과는 본 발명에 따른 막 구조의 실질적인 형성에 매우 중요하다. 즉, 먼저 적절한 처리방법으로 설유질(원주상 또는 원뿔상) 결정상막을 형성시키고 이어서 상기한 플라즈마 처리방법을 이용하여 계면 또는 입계의 부근에서 댕글링 본드를 종단시켜 막이 형성되게하는 것이 일반적이다. 이러한 경우에 프라즈마 처리에 의하여 영향을 받게 되는 결정구조의 깊이는 결정립 크기와는 거의 무관하다.
그러므로, 결정상 대 종단된 비정질상의 체적비가 프라즈마처리 시간내에서 제어되도록 하기 위한 가장 간단한 방법은 제조할 결정립의 크기를 제어하는 것이다. 설유질 결정립의 높이는 위에서 설명한 바와 같은 소정의 막두께 범위에서 가능한한 높게 하는 것이 바람직하다. 따라서 제어할 "결정립크기"는 섬유질(원주상 또는 원뿔상) 결정립의하부표면의 직경을 나타내기도 한다.
본 발명자들의 실험 결과에 의하여, 다결정막의 결정립 기는 막이 프라즈마 처리에 의하여 종단되고, 높은 광흡수 상수 및 혼상 특성을 나타내도록 하기 위해서는 최대로 1㎛가 되어야 한다. 다시 말하면, 막의 결정립 크기가 1㎛보다 더 크면, 즉 입사광의 파장보다 더 크면, 막은 광흡수 상수에 있어서 단결정막과의 명백한 차이를 갖는다는 것을 인식 할 수 있다. 본 발명의 다른 양상에 의하면, 결정립의 높이가 비정상질층의 포지티브홀의 확산길이, 즉 50nm보다 더 큰 것이 바람직하다. 이것은 깊이가 50nm보다 더 작은 결정립에서 반송자가 결정 경계를 가로 지르지 않고 50nm이상 이동할 수 없다는 사실에서 명백히 알 수 있다. 결과적으로 본 발명에 의한 태양전지에서 결정립은 제적비유로 섬유질(원주상 및 또는 원뿔상) 결정립을 적어도 50%를 함유해야 하며, 하부표면의 직경은 최대 약 1㎛(통사 30 또는 50Å보다 큰 직경)이어야 하고, 높이는 적어도 약 50nm(통상 100㎛ 이하의 깊이)를 가져야 한다. 더우기, 결정립높이의 일반적인 배향이 태양전지의 접합 또는 장벽면에 거의 수직으로 되지 않으면 본 발며의 효과가 약화되므로 결정립 성장방향의 일반적인 배향은 접합 또는 장벽면에 대하여 45-90°의 각을 형성하도록 하는 것이 바람직하다.
결정립(결정립 높이)의 성장방향의 일반적인 배향은 다음식으로 표시된다.
Figure kpo00003
여기서 hk는 막내의 섬유질(원주살 또는 원뿔상)결정립의 높이 백터를 나타내며 N은 해당하는 결정립의 총수를 나타낸다. 더우기, 태양전지에 사용되는 실리콘막의 두께는 약 5000Å 약 5㎛의 범위이므로 통상의 막의 두께와 거의 같다.
[실시예 1]
본 발명에 따른 박막태양전지의 기본구조의 단면도를 제5도에 나타내었다.
표면을 경면 연마한 스테인레스 기판(11)을 진공 챔버에 넣고 챔버는 1×10-4Torr의 진공상태에 둔다. 기판은 500℃로 가열하고 10%의 SiH4를 함유하는 Ar 가스를 100cc/min의 속도로 유입한다. 다음에 하기의 조건, 즉 1Torr의 압력, 13.56MHz의 고주파를 갖는 입력 전력, 100W의 전력하에 가스를 방전시키고 두께가 2㎛의 다결정 실리콘막(12)을 소위 프라즈마 CVD 법으로 기판상에 증착시킨다. 증착속도는 약 2Å/sec 으로 한다. 막이 형성되는 동안 pH350ppm 또는 B2H6100ppm을 두께 100nm의 N형층, 1.8㎛의 I형층, 100nm의 P+형층이 기판측에서부터 순차적으로 형성되도록 원료 가스와 혼합한다. 이러한 조건하에 형성된 실리콘막에 함유된 결정립은 하부 표면의 직경이 0.2㎛이고, 평균 높이는 1㎛이다. 막이 형성된 후 막은 댕글링 본드의 종당 처리를 하기 위해 300℃의 기판 온도에서 1시간 동안 5×10-2Torr의 수소 기압에서 형성된 프라즈마 분위기에 둔다(이 경우 입력 전력은 고주파 13.56MHz와 전력 50W임). 이 단계에서 막에 함유된 수소원자의 양은 약 0.1원자%이다. 그 후 인듐-주석산화물을 150℃의 가판 온도에서 다결정 실리콘막(12)상에 스패터링하여 두께 100nm의 투명전극(13)을 형성시키고 이에 의해 태양전지를 완성시킨다.
이 실시예에서는 다결정 실리콘막(12)의 입계로 도입하는 원소로서 수소를 사용하였으나, 산소 또는 불소 염소, 브롬, 요드 등의 할로겐원소 또는 이들의 혼합물과 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 루비듐과 같은 1가금속원소 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
제6도는 실시예 1에서 얻어진 실리콘막의 수소 함량과 막에 의거한 태양전지의광전 변환 효율(り)과의 관계를 예시한 그래프이다. 도면에서 보는 바와 같이, 실제 응용에 유효한 변환 효율은 10ppm 이상의 범위에서 얻어질 수 있으나, 막을 5원자% 이상의 범위에서 작동하고, 사용하는 것은 막이 형성됨에 따라 수소원자는 실리콘막으로 도입되기가 어렵기 때문에 실질적으로 불가능하다.
아래 표 1은 실리콘막으로 도입된 다른 원소들에 대한 변환 효율을 나타낸 것이다. 막 형성과정은 상기 실시예에서와 동일하다. 표에서 "None"은 대조 목적으로 상기한 제조단계에서 댕글링 본드의 종단 처리를 하지 않은 경우를 의미한다.
P-I-N 접합 구조의 막을 실시예에서는 사용하였으나, P-N 접합 또는 쇼트키(Schottky) 접촉의 막도 태양전지의 제조에 사용할 수 있다.
[표 1]
Figure kpo00004
[실시예 2]
이 실시예는 제1도에 도시한 태양전지의 단면도에 대하여 설명한 것이다.
몰리브덴 전극(2)을 표면에 증착한 알루미늄 기판(1)을 전공 챔버에 넣고 550℃의 기판 온도에서 이온도금법에 몰리브덴 전극(2)상에 두께 3㎛의 다결정 실리콘막(3)을 형성시킨다. 생성된 실리콘막(3)에 함유된 결정립은 0.3㎛의 하부 표면 직경과 약 1㎛의 평균 높이를 갖는다. 막이 형성되는 동안 Ga, Sb 또는 순수한 실리콘으로 도우프된 실리콘을 원료물질로서 사용하여 두께 15nm의 P+층, 2800nm의 I층, 5nm의 N+층이 기판측에서부터 순차적으로 형성시킨다. 기판은 550℃의 온도에서 유지시키면서 5×10-3Torr의 HF 가스를 진공 챔버에 도입한다. 다음에 제조된 기판을 30분 동안 50W와 13.56MHz의 입력 전력에 의하여 HF 가스에 형성된 프라즈마에 노출한다. 이 프라즈마 처리에 의해 다결정 실리콘의 입계가 종단된다. 이러한 단계에서 실리콘막에 함유된 수소원자의 양은 약 0.2원자%이다. 이어서 1가압의 N2가스에 SnCl4가 H2O 가스를 혼합한 것을 550℃의 온도에서 유지된 실리콘막상에 도입하고 열분해에 의해 투명전극(5)을 실리콘막(3)에 형성시킨다. 이 시점에서 태양전지는 완성된다. 얻어진 전지의 변환효율은 약 5,5-약 6.0%이다.
[실시예 3]
반투명전극으로서 표면상에 스패터링한 탄탈막을 가진 경질유리 기판을 긴공챔버에 넣는다. 기판을 600℃의 온도에서 유지시키고 3×10-3Torr의 Ar 가스를 도입하고 실리콘 타겟을 사용하여 스패터링에 의해 실리콘막을 기판의 표면상에 형성시킨다. 생성된 막에 함유된 결정립은 0.2㎛의 하부 표면 직경과 약 0.8㎛의 평균 높이를 갖는다. 타켓을 In-도우프된 실리콘, 순수한 실리콘, As-도우프된 실리콘으로 순차적으로 대체하여 두께 50nm의 P+층, 900nm의 I층, 50nm의 N+층을 형성시킨다. 그 후 NaCl을 진공 챔버에 넣고 600℃의 기판 온도에서 NaCl을 함유한 Ar 가스에 형성된 프라즈마에 기판을 노출시킨다. 생성된 실리콘막에 함유된 Na 원자의 양은 약 0.1원자%이다. 얻어진 실리콘막상에 알루미늄 전극을 증착하여 태양전지를 얻는다. 이 경우 빛은 유리 기판측으로부터 통과하게 된다. 태양전지의 변환 효율은 약 5%이었다.
[실시예 4]
몰리브덴 전극을 표면에 스패터링한 알루미늄 기판을 진공 챔버에 넣는다. 기판을 700℃로 유지시키고 SiF4, SiH4, H2의 혼합가스를 1Torr의 압력하에서 챔버로 도입한다. 실리콘 4㎛층이 200W의 RF 전력원에 의하여 글로우 방전으로 4㎛ 두께의 다결정 실리콘층을 기판상에 형성시킨다. 증착하는 동안 1.3×10-3pa의 분압을 갖는 pH3가스를 증착 초기단계에 침버로 도입하는 반면에, 1.3×10-3pa의 분할을 갖는 B2H6가스를 최종단계에 도입하여 두께 10nm의 N-1층, 3,800nm의 I층, 100nm의 P+층을 기판측에서부터 순차적으로 형성시킨다. 생성된 실리콘막에 함유된 결정립은 0.4㎛의 하부 표면 직경과 1.2㎛의 평균 높이를 갖는다. 이와 같이 얻어진 실리콘막은 프라즈마 처리과정을 거치지 않아도 이미 분소에 의해 종단되며 광-도전성이 높은 섬유질 결정립을 함유한다. 생성된 막에 함유된 불소원자의 양은 약 0.8원자%이었다. 막상에 인듐-주석 산화물을 350℃의 기판 온도에서 스패터링하여 투명전극을 형성시킨다. 얻어진 태양전지의 변환 효율은 약 6.5%이었다.
상기 실시예에 기술된 바와 같이 본 발명에 의한 박막 태양전지는 결정상에 유사한 조성을 갖고 높은 광전 변환 효율을 나타내므로 태양전지는 저렴한 가격으로 제조할 수 있으며 산업에 광범위하게 응용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기판상에 적어도 하나의 제1 전극과, 실린콘으로 주로 구성되고 상기 제 1 전극상에 형성된 실리콘 박막 및 실리콘 박막상에 형성된 제 2 전극을 설치한 라미네이트 구조로서, 제1 및 제2 전극중 적어도 하나는 투명하고, 상기한 실리콘 박막은 광-이온화된 반송자 분리용 장벽층 적어도 하나를 함유하며, 상기한 실리콘 박막은 다결정상 및 비정질상의 혼상으로 구성되어 있고, 각기 1㎛ 이하의 하부 직경과 적어도 50nm의 높이를 가지며 그 결정립게가 종단된 섬유질 결정립을 체적비로 적어도 약 50% 함유하는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 섬유질 결정립의 높이 방향의 일반적 배향은 상기한 장벽층에 대하여 45∼90도의 각을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 실리콘막의 결정립 계면이 수소, 산소, 불소, 염소, 요드, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 루비듐으로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나의 원소에 의하여 종단되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 장벽층이 PN 접합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 장벽층이 PIN 접합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서 장벽층이 쇼트키 접촉으로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지.
  7. 제 1 항, 2항 또는 3항에 있어서, 실리콘 박막이 기판에 인접한 제 1 및 제2 전극 중 하나와 접속하여 5nm-1㎛ 두께의 N+형층을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지.
  8. 제 1 항, 2항 또는 3항에서, 실리콘 박막이 기판에 인접한 제 1 및 제2 전극 중 하나와 접속하여 5nm-1㎛ 두께의 P+형층을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지.
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