WO2022211332A1 - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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polycrystalline silicon
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doped
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김재호
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주성엔지니어링(주)
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Definitions

  • the present invention relates to solar cells, and more particularly to crystalline solar cells.
  • a crystalline solar cell has been manufactured using a semiconductor substrate such as a silicon wafer.
  • a semiconductor substrate such as a silicon wafer.
  • a crystalline solar cell was manufactured through a process of forming an n-type semiconductor layer on one surface of a silicon wafer and forming a p-type semiconductor layer on the other surface of the silicon wafer.
  • the present invention has been devised to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a crystalline solar cell using a thin substrate instead of a semiconductor substrate such as a silicon wafer, and a method for manufacturing the same.
  • the present invention comprises the steps of forming a first doped amorphous silicon layer on a substrate; forming a first doped polycrystalline silicon layer by crystallizing the first doped amorphous silicon layer; forming an intrinsic polycrystalline silicon layer on the first doped polycrystalline silicon layer; and forming a second doped polycrystalline silicon layer having a polarity opposite to that of the first doped polycrystalline silicon layer on the intrinsic polycrystalline silicon layer.
  • a content of hydrogen gas input in the step of forming the intrinsic polycrystalline silicon layer may be greater than a content of hydrogen gas input in the step of forming the first doped amorphous silicon layer.
  • the ratio of the content of hydrogen gas to the silicon-containing source gas input in the step of forming the intrinsic polycrystalline silicon layer is based on the silicon-containing source gas input in the step of forming the first doped amorphous silicon layer. It may be greater than the ratio of the content of hydrogen gas.
  • the forming of the second doped polycrystalline silicon layer may include directly depositing the second doped polycrystalline silicon layer using the intrinsic polycrystalline silicon layer as a seed layer.
  • a content of hydrogen gas input in the forming of the second doped polycrystalline silicon layer may be greater than a content of hydrogen gas input in the forming of the first doped amorphous silicon layer.
  • the ratio of the content of hydrogen gas to the silicon-containing source gas input in the step of forming the second doped polycrystalline silicon layer is the silicon-containing source gas input in the step of forming the first doped amorphous silicon layer. It may be greater than the ratio of the content of hydrogen gas to .
  • the ratio of the content of hydrogen gas to the silicon-containing source gas input in the step of forming the second doped polycrystalline silicon layer is based on the silicon-containing source gas input in the step of forming the intrinsic polycrystalline silicon layer. It may be the same as the ratio of the content of hydrogen gas to the hydrogen gas.
  • the method may further include forming a perovskite solar cell including a first conductive charge transport layer, a light absorption layer, and a second conductive charge transport layer on the second doped polycrystalline silicon layer.
  • the method may further include forming a barrier layer between the substrate and the first doped amorphous silicon layer before forming the first doped amorphous silicon layer.
  • the substrate may be made of glass or plastic.
  • the present invention also relates to a substrate; a first doped polycrystalline silicon layer provided on the substrate; an intrinsic polycrystalline silicon layer provided on the first doped polycrystalline silicon layer; and a second doped polycrystalline silicon layer provided on the intrinsic polycrystalline silicon layer and having a polarity opposite to that of the first doped polycrystalline silicon layer.
  • a perovskite solar cell including a first conductive charge transport layer, a light absorption layer, and a second conductive charge transport layer may be further provided on the second doped polycrystalline silicon layer.
  • a barrier layer may be further provided between the substrate and the first doped polycrystalline silicon layer.
  • the substrate may be made of glass or plastic.
  • a first doped polycrystalline silicon layer is formed through a crystallization process, and the first doped polycrystalline silicon layer is used as a seed layer. Since the intrinsic polycrystalline silicon layer is directly deposited and the first doped polycrystalline silicon layer can be directly deposited by using the intrinsic polycrystalline silicon layer as a seed layer, it is not a semiconductor substrate such as a silicon wafer as the substrate, but a thin thickness. of glass or plastic can be used, so a large-area solar cell can be manufactured, and a thin-thick solar cell can be realized, which has the advantage of being applicable to various products, such as being installed on the exterior wall of a car or building. .
  • FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A to 2E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a solar cell according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • 3A to 3E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a solar cell according to another embodiment of the present invention.
  • 4A to 4F are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a solar cell according to another embodiment of the present invention.
  • temporal relationship for example, 'immediately' or 'directly' when a temporal relationship is described as 'after', 'following', 'after', 'before', etc. It may include cases that are not continuous unless this is used.
  • first, second, etc. are used to describe various components, these components are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, the first component mentioned below may be the second component within the spirit of the present invention.
  • each feature of the various embodiments of the present invention may be partially or wholly combined or combined with each other, technically various interlocking and driving are possible, and each of the embodiments may be implemented independently of each other or may be implemented together in a related relationship. may be
  • a first doped amorphous silicon layer 210a is formed on the substrate 100 .
  • the substrate 100 is made of glass or plastic, not a semiconductor substrate such as a silicon wafer.
  • the first doped amorphous silicon layer 210a may be made of P-doped amorphous silicon or N-doped amorphous silicon.
  • the first doped amorphous silicon layer 210a may be formed through a thin film deposition process such as chemical vapor deposition (CVD). At this time, the first doped amorphous silicon layer 210a is a source gas containing silicon such as silane gas (SiH 4 ), hydrogen gas (H 2 ), and a material containing a P-type dopant or an N-type dopant. It can be formed using a source gas containing silicon such as silane gas (SiH 4 ), hydrogen gas (H 2 ), and a material containing a P-type dopant or an N-type dopant. It can be formed using vapor deposition (CVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • the first doped amorphous silicon layer 210a is crystallized to form a first doped polycrystalline silicon layer 210 .
  • the crystallization process may be a laser annealing process, but is not limited thereto.
  • amorphous silicon is crystallized to become polycrystalline silicon, and the first doped polycrystalline silicon layer 210 is obtained.
  • an intrinsic polycrystalline silicon layer 220 is formed on the first doped polycrystalline silicon layer 210 .
  • the intrinsic polycrystalline silicon Layer 220 may be formed.
  • the intrinsic polycrystalline silicon layer 220 may be directly deposited on the first doped polycrystalline silicon layer 210 by using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • the intrinsic polycrystalline silicon layer 220 may be formed using a source gas containing silicon such as silane gas (SiH 4 ) and hydrogen gas (H 2 ). At this time, if the flow rate of the hydrogen gas (H 2 ) is maintained high, polycrystalline silicon can be more easily grown by the effect of repeated hydrogen deposition/etching/deposition.
  • a source gas containing silicon such as silane gas (SiH 4 ) and hydrogen gas (H 2 ).
  • the flow rate of the hydrogen gas (H 2 ) injected when the intrinsic polycrystalline silicon layer 220 is formed is higher than the flow rate of the hydrogen gas (H 2 ) injected when the first doped amorphous silicon layer 210a is formed.
  • the ratio of the content of the hydrogen gas (H 2 ) to the source gas containing silicon, such as the silane gas (SiH 4 ) input when the intrinsic polycrystalline silicon layer 220 is formed is the first doping amorphous (armophous).
  • the ratio of the content of the hydrogen gas (H 2 ) to the source gas containing silicon such as the silane gas (SiH 4 ) is greater than the ratio.
  • a second doped polycrystalline silicon layer 230 is formed on the intrinsic polycrystalline silicon layer 220 .
  • the second doped polycrystalline silicon layer 230 is also formed in a one-step process of directly depositing.
  • the ratio of the content of the hydrogen gas (H 2 ) to the source gas containing silicon, such as the silane gas (SiH 4 ) injected when the second doped polycrystalline silicon layer 230 is formed is the intrinsic polycrystalline silicon layer.
  • the ratio of the content of the hydrogen gas (H 2 ) to the silicon-containing source gas such as silane gas (SiH 4 ) to be input during the formation of 220 may be the same, but may be different depending on the case.
  • the polarity of the second doped polycrystalline silicon layer 230 is opposite to that of the first doped polycrystalline silicon layer 210 . That is, when the first doped polycrystalline silicon layer 210 is made of P-doped polycrystalline silicon, the second doped polycrystalline silicon layer 230 is made of N-doped polycrystalline silicon, and the first doped polycrystalline silicon When the layer 210 is made of N-doped polycrystalline silicon, the second doped polycrystalline silicon layer 230 is made of P-doped polycrystalline silicon.
  • the first doped polycrystalline silicon layer 210a is formed on the substrate 100
  • the first doped polycrystalline silicon layer 210 is formed through a crystallization process, and the Using the first doped polycrystalline silicon layer 210 as a seed layer, the intrinsic polycrystalline silicon layer 220 is directly deposited in a one-step process, and first doped using the intrinsic polycrystalline silicon layer 220 as a seed layer
  • the polycrystalline silicon layer 210 can be directly deposited in a one-step process, a thin glass or plastic can be used as the substrate 100 instead of a semiconductor substrate such as a silicon wafer, so that a large-area solar cell can be used.
  • FIGS. 2A to 2E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a solar cell according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1A to 1D are the same as the aforementioned FIGS. 1A to 1D, and thus a repeated description will be omitted.
  • a buffer layer 300 is formed on the second doped polycrystalline silicon layer 230, and a perovskite solar cell 400 is formed on the buffer layer 300. ) to form
  • the buffer layer 300 includes a polycrystalline solar cell including the first doped polycrystalline silicon layer 210 , the intrinsic polycrystalline silicon layer 220 , and the second doped polycrystalline silicon layer 230 and the perovsky It is provided between the solar cells 400, so that the solar cell according to an embodiment of the present invention forms a structure of a tandem solar cell through a tunnel junction.
  • the buffer layer 300 is preferably made of a material for allowing light of a long wavelength passing through the perovskite solar cell 400 to be incident on the polycrystalline solar cell without loss.
  • the buffer layer 300 may be made of a transparent conductive oxide, a carbonaceous conductive material, a metallic material, or a conductive polymer, and in some cases, the material may be doped with an n-type or p-type dopant.
  • a first conductive charge transport layer 410 is formed on the buffer layer 300 , and a light absorption layer 420 is formed on the first conductive charge transport layer 410 . ), and forming a second conductive charge transfer layer 430 on the light absorption layer 420 .
  • the process of forming the first conductive charge transport layer 410 and the process of forming the second conductive charge transport layer 430 are respectively performed through a thin film deposition process such as evaporation to form a hole transport layer ( HTL) or a process of forming an electron transport layer (ETL).
  • a thin film deposition process such as evaporation to form a hole transport layer ( HTL) or a process of forming an electron transport layer (ETL).
  • the first conductive charge transport layer 410 is made of a hole transport layer (HTL) and the second conductive charge transports Layer 430 is made of an electron transport layer (ETL).
  • HTL hole transport layer
  • ETL electron transport layer
  • the first conductive charge transport layer 410 is made of an electron transport layer (ETL) and the second conductive charge transport layer 430 is formed of a hole transport layer (HTL).
  • ETL electron transport layer
  • HTL hole transport layer
  • the hole transport layer is Spiro-MeO-TAD, Spiro-TTB, polyaniline, polypinol, poly-3,4-ethylenedioxythiophene-polystyrenesulfonate (PEDOT-PSS), or poly-[bis(4-phenyl) )(2,4,6-trimethylphenyl)amine](PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), etc.
  • Ni oxide, Mo oxide or V oxide, W oxide, Cu oxide, etc. known in the art may be made of various P-type metal oxides and a compound including various P-type organic or inorganic materials.
  • the electron transport layer is an N-type organic material such as BCP (Bathocuproine), C60, or PCBM (Phenyl-C61-butyric acid methyl ester), or a sugar such as ZnO, c-TiO2/mp-TiO 2 , SnO 2 , or IZO It may be made of various N-type metal oxides known in the art and compounds including various N-type organic or inorganic materials.
  • the process of forming the light absorption layer 420 may be a process of forming a perovskite compound known in the art through a solution process or a thin film deposition process such as chemical vapor deposition (CVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • 3A to 3E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a solar cell according to another embodiment of the present invention.
  • the barrier layer 150 is formed on the substrate 100 .
  • the substrate 100 is made of glass or plastic, not a semiconductor substrate such as a silicon wafer.
  • the barrier layer 150 serves to block the penetration of components in the substrate 100 into the silicon layer during a deposition process to be described later.
  • the barrier layer 150 may also perform an encapsulation function to block external moisture or oxygen from penetrating into the inside of the solar cell through the substrate 100 .
  • the barrier layer 150 may be made of an inorganic insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, a metal oxide such as aluminum, or a metal nitride such as aluminum, chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (Atomic Layer) It may be formed through a thin film deposition process such as deposition (ALD).
  • an inorganic insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, a metal oxide such as aluminum, or a metal nitride such as aluminum, chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (Atomic Layer) It may be formed through a thin film deposition process such as deposition (ALD).
  • a first doped amorphous silicon layer 210a is formed on the barrier layer 150 .
  • the first doped amorphous silicon layer 210a is crystallized to form a first doped polycrystalline silicon layer 210 .
  • an intrinsic polycrystalline silicon layer 220 is formed on the first doped polycrystalline silicon layer 210 .
  • a second doped polycrystalline silicon layer 230 is formed on the intrinsic polycrystalline silicon layer 220 .
  • 4A to 4F are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a solar cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 3A to 3E are the same as those of FIGS. 3A to 3E, and thus a repeated description will be omitted.
  • a buffer layer 300 is formed on the second doped polycrystalline silicon layer 230 , and a perovskite solar cell 400 is formed on the buffer layer 300 . do.

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Abstract

본 발명은 기판 상에 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 결정화하여 제1 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층 상에 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계; 및 상기 진성 다결정질 실리콘층 상에 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층과 반대 극성을 가지는 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 태양 전지의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 태양 전지를 제공한다.

Description

태양 전지 및 그 제조 방법
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 특히 결정질 태양 전지에 관한 것이다.
종래에는 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 이용하여 결정질 태양 전지를 제조하였다. 구체적으로, 종래에는 실리콘 웨이퍼의 일면 상에 n형 반도체층을 형성하고 상기 실리콘 웨이퍼의 타면 상에 p형 반도체층을 형성하는 공정을 통해서 결정질 태양 전지를 제조하였다.
그러나 이와 같이 실리콘 웨이퍼를 이용할 경우에는 대면적의 태양 전지를 제조하는 것이 어렵고, 또한 실리콘 웨이퍼로 인해서 태양 전지의 두께가 증가하여 얇은 두께가 요구되는 제품에 응용하는 것이 어려운 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판 대신에 얇은 두께의 기판을 이용한 결정질 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 기판 상에 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 결정화하여 제1 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층 상에 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계; 및 상기 진성 다결정질 실리콘층 상에 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층과 반대 극성을 가지는 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계는 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층을 씨드층으로 하여 상기 진성 다결정질 실리콘층을 직접 증착하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 수소 가스의 함량은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 수소 가스의 함량보다 많을 수 있다.
상기 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율보다 클 수 있다.
상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계는 상기 진성 다결정질 실리콘층을 씨드층으로 하여 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 직접 증착하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 수소 가스의 함량은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 수소 가스의 함량보다 많을 수 있다.
상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율보다 클 수 있다.
상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율은 상기 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율과 동일할 수 있다.
상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층 상에 제1 도전성 전하 전달층, 광흡수층, 및 제2 도전성 전하 전달층을 포함한 페로브스카이트 태양 전지를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계 이전에 상기 기판과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층 사이에 배리어층을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 기판은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한 기판; 상기 기판 상에 구비된 제1 도핑 다결정질 실리콘층; 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층 상에 구비된 진성 다결정질 실리콘층; 및 상기 진성 다결정질 실리콘층 상에 구비되며, 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층과 반대 극성을 가지는 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 포함하여 이루어진 태양 전지를 제공한다.
상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층 상에 제1 도전성 전하 전달층, 광흡수층, 및 제2 도전성 전하 전달층을 포함한 페로브스카이트 태양 전지가 추가로 구비될 수 있다.
상기 기판과 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층 사이에 배리어층이 추가로 구비될 수 있다.
상기 기판은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 상에 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성한 후 결정화 공정을 통해서 제1 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하고, 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층을 씨드층으로 하여 진성 다결정질 실리콘층을 직접 증착 형성하고, 상기 진성 다결정질 실리콘층을 씨드층으로 하여 제1 도핑 다결정질 실리콘층을 직접 증착 형성할 수 있으므로, 상기 기판으로서 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판이 아니라 얇은 두께의 유리 또는 플라스틱을 이용할 수 있게 되어, 대면적의 태양 전지를 제조할 수 있고, 또한, 얇은 두께의 태양 전지 구현이 가능하여 자동차 또는 건물 외벽 등에 설치할 수 있는 등 다양한 제품에 응용할 수 있는 장점이 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 공정 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 공정 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 공정 단면도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 공정 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 공정 단면도이다.
우선, 도 1a에서 알 수 있듯이, 기판(100) 상에 제1 도핑 비정질 실리콘층(210a)을 형성한다.
상기 기판(100)은 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판이 아니라 유리 또는 플라스틱으로 이루어진다.
상기 제1 도핑 비정질(armophous) 실리콘층(210a)은 P 도핑 비정질 실리콘으로 이루어질 수도 있고, N 도핑 비정질 실리콘으로 이루어질 수도 있다.
상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(210a)은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)과 같은 박막 증착 공정을 통해 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(210a)은 실란 가스(SiH4)와 같이 실리콘을 함유한 소스(Source) 가스, 수소 가스(H2) 및 P형 도펀트 또는 N형 도펀트를 함유하는 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
다음, 도 1b에서 알 수 있듯이, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(210a)을 결정화하여 제1 도핑 다결정질(Polycrystalline) 실리콘층(210)을 형성한다.
상기 결정화 공정은 레이저 어닐링 공정으로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(210a)에 대해서 레이저 어닐링 공정을 수행하면 비정질 실리콘이 결정화되어 다결정질 실리콘이 되어 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210)이 얻어진다.
다음, 도 1c에서 알 수 있듯이, 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210) 상에 진성 다결정질 실리콘층(220)을 형성한다.
상기 결정화된 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210)이 시드(seed)층으로 기능할 수 있기 때문에 비정질 실리콘층 증착후 결정화하는 2단계 공정을 거치지 않고 직접 증착하는 1단계 공정으로 상기 진성 다결정질 실리콘층(220)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 플라즈마 강화 화학적 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)을 이용하여 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210) 상에 상기 진성 다결정질 실리콘층(220)을 직접 증착 형성할 수 있다.
상기 진성 다결정질 실리콘층(220)은 실란 가스(SiH4)와 같이 실리콘을 함유한 소스 가스 및 수소 가스(H2)를 이용하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 수소 가스(H2)의 유량을 많게 유지하게 되면 수소의 증착/에칭/증착이 반복되는 효과에 의해서 다결정질 실리콘이 보다 용이하게 자랄 수 있게 된다.
따라서, 상기 진성 다결정질 실리콘층(220) 형성시 투입하는 수소 가스(H2)의 유량은 상기 제1 도핑 비정질(armophous) 실리콘층(210a) 형성시 투입하는 수소 가스(H2)의 유량보다 많다. 또한, 상기 진성 다결정질 실리콘층(220) 형성시 투입하는 실란 가스(SiH4)와 같이 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스(H2)의 함량의 비율은 상기 제1 도핑 비정질(armophous) 실리콘층(210a) 형성시 투입하는 실란 가스(SiH4)와 같이 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스(H2)의 함량의 비율보다 크다.
다음, 도 1d에서 알 수 있듯이, 상기 진성 다결정질 실리콘층(220) 상에 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)을 형성한다.
상기 진성 다결정질 실리콘층(220)이 씨드층으로 기능할 수 있기 때문에, 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)도 직접 증착하는 1단계 공정으로 형성한다.
상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)은 실란 가스(SiH4)와 같이 실리콘을 함유한 소스 가스, 수소 가스(H2) 및 P형 도펀트 또는 N형 도펀트를 함유하는 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 진성 다결정질 실리콘층(220)과 마찬가지로, 상기 수소 가스(H2)의 유량을 많게 유지하게 되면 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)이 보다 용이하게 형성될 수 있다.
따라서, 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230) 형성시 투입하는 수소 가스(H2)의 유량은 상기 제1 도핑 비정질(armophous) 실리콘층(210a) 형성시 투입하는 수소 가스(H2)의 유량보다 많다. 또한, 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230) 형성시 투입하는 실란 가스(SiH4)와 같이 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스(H2)의 함량의 비율은 상기 제1 도핑 비정질(armophous) 실리콘층(210a) 형성시 투입하는 실란 가스(SiH4)와 같이 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스(H2)의 함량의 비율보다 크다.
또한, 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230) 형성시 투입하는 실란 가스(SiH4)와 같이 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스(H2)의 함량의 비율은 상기 진성 다결정질 실리콘층(220) 형성시 투입하는 실란 가스(SiH4)와 같이 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스(H2)의 함량의 비율과 동일할 수 있지만, 경우에 따라서 상이할 수도 있다.
상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)의 극성은 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210)의 극성과 반대이다. 즉, 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210)이 P도핑 다결정질 실리콘으로 이루어진 경우 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)은 N도핑 다결정질 실리콘으로 이루어지고, 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210)이 N도핑 다결정질 실리콘으로 이루어진 경우 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)은 P도핑 다결정질 실리콘으로 이루어진다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(100) 상에 제1 도핑 비정질 실리콘층(210a)을 형성한 후 결정화 공정을 통해서 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210)을 형성하고, 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210)을 씨드층으로 하여 진성 다결정질 실리콘층(220)을 1단계 공정으로 직접 증착 형성하고, 상기 진성 다결정질 실리콘층(220)을 씨드층으로 하여 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210)을 1단계 공정으로 직접 증착 형성할 수 있으므로, 상기 기판(100)으로서 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판이 아니라 얇은 두께의 유리 또는 플라스틱을 이용할 수 있게 되어, 대면적의 태양 전지를 제조할 수 있고, 또한, 얇은 두께의 태양 전지 구현이 가능하여 자동차 또는 건물 외벽 등에 설치할 수 있는 등 다양한 제품에 응용할 수 있는 장점이 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 공정 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 전술한 도 1a 내지 도 1d와 동일하므로 반복설명은 생략하기로 한다.
도 2d 공정 이후에 도 2e에서 알 수 있듯이, 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230) 상에 버퍼층(300)을 형성하고, 상기 버퍼층(300) 상에 페로브스카이트(Perovskite) 태양 전지(400)를 형성한다.
상기 버퍼층(300)은 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210), 상기 진성 다결정질 실리콘층(220) 및 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)을 포함한 다결정질 태양 전지와 상기 페로브스카이트 태양 전지(400) 사이에 구비되어, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지가 터널 접합을 통한 탠덤 태양 전지의 구조를 이루도록 한다.
상기 버퍼층(300)은 상기 페로브스카이트(Perovskite) 태양 전지(400)를 투과하는 장파장의 광을 손실 없이 다결정질 태양 전지로 입사될 수 있도록 하기 위한 물질로 이루어진 것이 바람직하다. 예로서, 상기 버퍼층(300)은 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 또는 전도성 고분자로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라서 상기 물질에 n형 또는 p형 도펀트가 도핑될 수도 있다. 다만, 경우에 따라서 상기 버퍼층(300)을 생략하는 것도 가능하다.
상기 페로브스카이트 태양 전지(400)의 형성 공정은 상기 버퍼층(300) 상에 제1 도전성 전하 전달층(410)을 형성하고, 상기 제1 도전성 전하 전달층(410) 상에 광흡수층(420)을 형성하고, 그리고 상기 광흡수층(420) 상에 제2 도전성 전하 전달층(430)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전성 전하 전달층(410)을 형성하는 공정 및 상기 제2 도전성 전하 전달층(430)을 형성하는 공정은 각각 증발법(Evaporation) 등과 같은 박막 증착 공정을 통해서 유기물로 이루어진 정공 전달층(HTL) 또는 전자 전달층(ETL)을 형성하는 공정으로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)이 N도핑 다결정질 실리콘으로 이루어진 경우, 상기 제1 도전성 전하 전달층(410)은 정공 전달층(HTL)으로 이루어지고 상기 제2 도전성 전하 전달층(430)은 전자 전달층(ETL)으로 이루어진다.
또는, 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)이 P도핑 다결정질 실리콘으로 이루어진 경우, 상기 제1 도전성 전하 전달층(410)은 전자 전달층(ETL)으로 이루어지고 상기 제2 도전성 전하 전달층(430)은 정공 전달층(HTL)으로 이루어진다.
상기 정공 전달층은 Spiro-MeO-TAD, Spiro-TTB, 폴리아닐린, 폴리피놀, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 또는 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) 등과 같은 당업계에 공지된 다양한 P-type 유기물을 포함하여 이루어질 수도 있고, Ni산화물, Mo산화물 또는 V산화물, W산화물, Cu 산화물 등과 같은 당업계에 공지된 다양한 P-type 금속 산화물과 그에 더불어 다양한 P-type 유기 또는 무기물을 포함한 화합물로 이루어질 수도 있다.
상기 전자 전달층은 BCP(Bathocuproine), C60, 또는 PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 등과 같은 N-type 유기물 또는 ZnO, c-TiO2/mp-TiO2, SnO2, 또는 IZO와 같은 당업계에 공지된 다양한 N-type 금속 산화물과 그에 더불어 다양한 N-type 유기 또는 무기물을 포함한 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 광흡수층(420)의 형성 공정은 용액 공정 또는 화학 기상 증착법(CVD) 등과 같은 박막 증착 공정을 통해 당업계에 공지된 페로브스카이트 화합물을 형성하는 공정으로 이루어질 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 공정 단면도이다.
우선, 도 3a에서 알 수 있듯이, 기판(100) 상에 배리어층(150)을 형성한다.
상기 기판(100)은 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판이 아니라 유리 또는 플라스틱으로 이루어진다.
상기 배리어층(150)은 후술하는 증착 공정 시에 상기 기판(100) 내의 구성 성분이 실리콘층 내부로 침투하는 것을 차단하는 역할을 한다. 또한, 상기 배리어층(150)은 상기 기판(100)을 통해서 외부의 수분이나 산소가 태양 전지의 내부로 침투하는 것을 차단하는 인캡슐레이션(encapsulation) 기능도 수행할 수 있다.
상기 배리어층(150)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 등의 금속 산화물, 알루미늄 등의 금속 질화물 등과 같은 무기 절연물로 이루어질 수 있으며, 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD) 또는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD) 등과 같은 박막 증착 공정을 통해 형성될 수 있다.
다음, 도 3b에서 알 수 있듯이, 상기 배리어층(150) 상에 제1 도핑 비정질 실리콘층(210a)을 형성한다.
상기 제1 도핑 비정질(armophous) 실리콘층(210a)의 형성 공정은 전술한 도 1a와 동일하므로 반복 설명은 생략하기로 한다.
다음, 도 3c에서 알 수 있듯이, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(210a)을 결정화하여 제1 도핑 다결정질(Polycrystalline) 실리콘층(210)을 형성한다.
상기 제1 도핑 다결정질(Polycrystalline) 실리콘층(210)의 형성 공정은 전술한 도 1b와 동일하므로 반복 설명은 생략하기로 한다.
다음, 도 3d에서 알 수 있듯이, 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층(210) 상에 진성 다결정질 실리콘층(220)을 형성한다.
상기 진성 다결정질 실리콘층(220)의 형성 공정은 전술한 도 1c와 동일하므로 반복 설명은 생략하기로 한다.
다음, 도 3e에서 알 수 있듯이, 상기 진성 다결정질 실리콘층(220) 상에 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)을 형성한다.
상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230)의 형성 공정은 전술한 도 1d와 동일하므로 반복 설명은 생략하기로 한다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 공정 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 전술한 도 3a 내지 도 3e와 동일하므로 반복설명은 생략하기로 한다.
도 4e 공정 이후에 도 4f에서 알 수 있듯이, 제2 도핑 다결정질 실리콘층(230) 상에 버퍼층(300)을 형성하고, 상기 버퍼층(300) 상에 페로브스카이트 태양 전지(400)를 형성한다.
상기 버퍼층(300)의 형성 공정 및 상기 페로브스카이트 태양 전지(400)의 형성 공정은 전술한 도 2e와 동일하므로 반복 설명은 생략하기로 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 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. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 유리 기판 상에 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 결정화하여 제1 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층 상에 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계; 및
    상기 진성 다결정질 실리콘층 상에 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층과 반대 극성을 가지는 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 태양 전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계는 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층을 씨드층으로 하여 상기 진성 다결정질 실리콘층을 직접 증착하는 공정을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 수소 가스의 함량은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 수소 가스의 함량보다 많은 태양 전지의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율보다 큰 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계는 상기 진성 다결정질 실리콘층을 씨드층으로 하여 상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 직접 증착하는 공정을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 수소 가스의 함량은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 수소 가스의 함량보다 많은 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율보다 큰 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율은 상기 진성 다결정질 실리콘층을 형성하는 단계에서 투입되는 실리콘을 함유한 소스 가스에 대한 수소 가스의 함량의 비율과 동일한 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층 상에 제1 도전성 전하 전달층, 광흡수층, 및 제2 도전성 전하 전달층을 포함한 페로브스카이트 태양 전지를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 형성하는 단계 이전에 상기 기판과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층 사이에 배리어층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  11. 유리 기판;
    상기 유리 기판 상에 구비된 제1 도핑 다결정질 실리콘층;
    상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층 상에 구비된 진성 다결정질 실리콘층; 및
    상기 진성 다결정질 실리콘층 상에 구비되며, 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층과 반대 극성을 가지는 제2 도핑 다결정질 실리콘층을 포함하여 이루어진 태양 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 도핑 다결정질 실리콘층 상에 제1 도전성 전하 전달층, 광흡수층, 및 제2 도전성 전하 전달층을 포함한 페로브스카이트 태양 전지가 추가로 구비되어 있는 태양 전지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 유리 기판과 상기 제1 도핑 다결정질 실리콘층 사이에 배리어층이 추가로 구비되어 있는 태양 전지.
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