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KR101039719B1 - 플렉서블 기판 또는 인플렉서블 기판을 포함하는 광기전력 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

플렉서블 기판 또는 인플렉서블 기판을 포함하는 광기전력 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101039719B1
KR101039719B1 KR1020100027319A KR20100027319A KR101039719B1 KR 101039719 B1 KR101039719 B1 KR 101039719B1 KR 1020100027319 A KR1020100027319 A KR 1020100027319A KR 20100027319 A KR20100027319 A KR 20100027319A KR 101039719 B1 KR101039719 B1 KR 101039719B1
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KR
South Korea
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unit cell
reflective film
silicon
photovoltaic device
intermediate reflective
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명승엽
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한국철강 주식회사
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Abstract

본 발명은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 제1 단위전지를 형성하는 단계, 제1 제조시스템에서 굴절률이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 중간반사막의 일부를 상기 제1 단위전지 상에 형성하는 단계, 상기 중간반사막의 일부가 형성된 기판을 대기 중에 노출시키는 단계, 제2 제조시스템에서 굴절률이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 상기 중간반사막의 나머지를 형성하는 단계, 상기 중간반사막 상에 제2 단위전지를 형성하는 단계 및 상기 제2 단위전지 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

플렉서블 기판 또는 인플렉서블 기판을 포함하는 광기전력 장치 및 이의 제조 방법{Photovoltaic Device Including Flexible or Inflexible Substrate And Method For The Same}
본 발명은 플렉서블 기판 또는 인플렉서블 기판을 포함하는 광기전력 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 과도한 CO2 배출량으로 기후온난화와 고 유가로 인하여 에너지가 앞으로 인류의 삶을 좌우할 가장 큰 문제로 대두되고 있다. 풍력, 바이오 연료, 수소/연료전지 등 많은 신재생 에너지 기술들이 있으나, 모든 에너지의 근원인 태양에너지는 거의 무한한 청정에너지이기 때문에 태양광을 이용하는 광기전력 장치가 각광받고 있다.
지구 표면에 입사되는 태양광은 120,000TW에 해당하기 때문에, 이론적으로 10% 광전 변환효율(conversion efficiency)의 광기전력 장치로 지구 육지면적의 0.16%만 덮는다면 한해 글로벌 에너지 소모량의 2배인 20 TW의 전력을 생산할 수 있다.
실제로 지난 10년간 전세계 태양광 시장은 매년 성장률 40%에 육박하는 폭발적인 성장을 보여왔다. 현재, 광기전력 장치 시장의 90%는 단결정(single-crystalline)이나 다결정(multi-crystalline or poly-crystalline) 실리콘과 같은 벌크(bulk)형 실리콘 광기전력 장치가 점유하고 있다. 하지만, 주 원료인 태양전지급 실리콘 웨이퍼(solar-grade silicon wafer) 생산이 폭발적인 수요를 따라가지 못하여 전 세계적으로 품귀현상이 발생하게 되므로, 생산단가를 낮추는데 있어서 커다란 불안요소가 되고 있다.
이에 반해, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)을 바탕으로 한 수광층을 사용하는 박막(thin-film) 실리콘 광기전력 장치는 벌크형 실리콘 광기전력 장치에 비해서 실리콘의 두께를 100분의 1이하로 줄일 수 있을 뿐 아니라, 대면적 저가 생산이 가능하다.
한편, 단일접합(single-junction) 박막 실리콘 광기전력 장치는 달성할 수 있는 성능의 한계가 있기 때문에, 복수의 단위전지를 적층한 이중접합 박막 실리콘 광기전력 장치나, 삼중접합 박막 실리콘 광기전력 장치가 개발되어 고 안정화 효율(stabilized efficiency)의 달성을 추구하고 있다.
이중접합 또는 삼중접합 박막 실리콘 광기전력 장치를 탄뎀형 광기전력 장치라 하고, 탄뎀형 광기전력 장치의 개방전압은 단위전지들의 전압들의 합이고 단락전류는 각 단위전지의 단락전류 중 최소값에 의하여 결정된다.
탄템형 광기전력 장치의 경우, 단위전지들 사이에 내부 반사를 강화하여 효율을 높일 수 있는 중간반사막에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 서로 분리되어 있는 제조시스템들을 통하여 중간반사막을 포함하는 광기전력 장치 및 광기전력 장치의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 제1 단위전지를 형성하는 단계, 제1 제조시스템에서 굴절률이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 중간반사막의 일부를 상기 제1 단위전지 상에 형성하는 단계, 상기 중간반사막의 일부가 형성된 기판을 대기 중에 노출시키는 단계, 제2 제조시스템에서 굴절률이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 상기 중간반사막의 나머지를 형성하는 단계, 상기 중간반사막 상에 제2 단위전지를 형성하는 단계 및 상기 제2 단위전지 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 제1 단위전지를 형성하는 단계, 제1 제조시스템에서 결정체적분율이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 중간반사막의 일부를 상기 제1 단위전지 상에 형성하는 단계, 상기 중간반사막의 일부가 형성된 기판을 대기 중에 노출시키는 단계, 제2 제조시스템에서 결정체적분율이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 상기 중간반사막의 나머지를 형성하는 단계, 상기 중간반사막 상에 제2 단위전지를 형성하는 단계 및 상기 제2 단위전지 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 기판, 상기 기판 상에 위치하는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제1 단위전지, 상기 제1 단위전지 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제2 단위전지 및 상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 사이에 위치하며, 결정체적분율이 서로 다른 제1 부층 및 제2 부층을 포함하고, n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 중간반사막을 포함한다.
본 발명은 분리된 제조시스템에서 특성이 우수한 광기전력 장치를 제공할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 제조 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 중간반사막을 형성하기 위한 플라즈마 화학 기상 증착장치의 일례를 나타낸다.
도 3 내지 도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 중간반사막을 형성하기 위한 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량 변화를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 중간반사막을 형성하기 위한 플라즈마 화학 기상 증착장치의 다른예를 나타낸다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 중간반사막을 형성하기 위하여 공정챔버에 공급되는 제1 전원 및 제2 전원의 주파수 변화를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 포함된 중간반사막을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 중간반사막을 형성하기 위한 또다른 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량변화를 나타낸다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 제조 방법에 대해 상세히 설명된다.
광기전력 장치는 이중접합구조와 삼중접합구조 등을 지닐 수 있으나, 도 1a 및 도 1b에서는 이중접합구조인 광기전력 장치를 그 예로 하여 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치를 제조하기 위한 제1 제조시스템 및 제2 제조시스템을 나타낸다. 도 1a는 스텝핑 롤 타입 (stepping roll type) 제조시스템을 나타내고, 도 1b는 클러스터 타입 (cluster type) 제조시스템을 나타낸다. 스텝핑 롤 타입 제조시스템은 금속 포일(foil)이나 폴리머 기판과 같은 플렉서블(flexible) 기판에 광기전력 장치를 형성하기 위한 것이고, 클러스터 타입 제조시스템은 유리 기판과 같이 인플렉서블(inflexible) 기판에 광기전력 장치를 형성하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 광기전력 장치의 제조 방법은 도 1a 및 도 1b에 도시된 제조시스템 외에 롤투롤 타입 (roll to roll type) 제조시스템과 같이 다양한 제조시스템에 적용할 수 있다.
제1 제조시스템(SYS1) 및 제2 제조시스템(SYS2)에 포함된 공정챔버들(CH1, CH21~CH23, CH3, CH41, CH41, CH5, CH61~CH63, CH7)은 대기로부터 격리되어 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 전극(110)이 형성된 기판(100)이 준비된다. 제1 단위전지(200)가 제1 제조시스템(SYS1)에서 형성된다. 이 때 제1 단위전지(200)는 제1 전극(110)으로부터 순차적으로 적층된 제1 도전성 실리콘층(210), 진성 실리콘층(230) 및 제2 도전성 실리콘층(250)을 포함한다.
제1 도전성 실리콘층(210), 진성 실리콘층(230) 및 제2 도전성 실리콘층(250) 각각은 제1 제조시스템(SYS1)의 공정챔버(CH1), 공정챔버들(CH21~CH23) 그리고 공정챔버(CH3)에서 형성된다. 진성 실리콘층(230)의 두께가 제1 도전성 실리콘층(210) 및 제2 도전성 실리콘층(230)의 두께보다 크므로 진성 실리콘층(230)을 형성하기 위한 공정챔버들(CH21~CH23)의 개수는 제1 도전성 실리콘층(210) 또는 제2 도전성 실리콘층(230)을 형성하기 위한 공정챔버들의 개수보다 클 수 있다.
제1 도전성 실리콘층(210) 및 제2 도전성 실리콘층(250)이 각각 p 타입 실리콘층 및 n 타입 실리콘층인 경우 공정챔버(CH1) 및 공정챔버(CH3)에는 수소 가스 및 실란 가스와 함께 3족 불순물 및 5족 불순물이 각각 유입될 수 있다. 또한 제1 도전성 실리콘층(210) 및 제2 도전성 실리콘층(250)이 각각 n 타입 실리콘층 및 p 타입 실리콘층인 경우 공정챔버(CH1) 및 공정챔버(CH3)에는 수소 가스 및 실란 가스와 함께 5족 불순물 및 3족 불순물이 각각 유입될 수 있다. 이와 같은 불순물의 유입은 제2 단위전지(300)의 제1 도전성 실리콘층(310) 및 제2 도전성 실리콘층(350)의 형성에도 적용될 수 있다.
중간반사막(400)의 일부가 제1 단위전지(200) 상에 형성된다. 중간반사막(400)의 일부가 형성될 때, 산소, 탄소 또는 질소와 같은 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량이 증착 시간에 따라 제1 유량값 및 제2 유량값 사이의 변화를 반복한다. 이에 따라 중간반사막(400)은 복수의 부층들을 포함하는 다층구조를 가지며, 서로 인접한 2개의 부층들의 결정 체적분율은 서로 다르다. 중간반사막(400)의 형성시 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 사용되는 이유는 중간반사막(400)의 결정체적분율이나 굴절률을 조절하기 위해서이다.
이 때 중간반사막(400)은 수직 전기 전도도의 향상을 위하여 수소화된 나노 결정질 실리콘계 물질을 포함할 수 있다. 또한 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질은 중간반사막(400)의 수직 전기 전도도를 더욱 향상시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질은 수소화된 n 타입 나노 결정질 산화실리콘(n-nc-SiO:H), 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘 카바이드(n-nc-SiC:H) 또는 수소화된 n 타입 나노 결정질 질화실리콘(n-nc-SiN:H)을 포함할 수 있다.
중간반사막(400)에 대한 설명은 이후 보다 상세하게 이루어진다.
중간반사막(400)의 일부가 형성된 기판(100)이 대기에 노출된다. 도 1a 및 도 1b의 제1 제조시스템(SYS1)과 제2 제조시스템(SYS2)은 서로 분리되어 있다. 이에 따라 중간반사막(400)의 일부가 형성된 기판(100)이 제2 제조시스템(SYS2)으로 이송되기 위하여 대기에 노출된다. 제1 제조시스템(SYS1)과 제2 제조시스템(SYS2)의 분리로 인하여 제1 제조시스템(SYS1) 및 제2 제조시스템(SYS2)의 가격이 줄어들 수 있고 결과적으로 광기전력 장치의 제조시 비용이 절감될 수 있다. 제1 제조시스템(SYS1)과 제2 제조시스템(SYS2)이 분리되지 않을 경우 제1 제조시스템(SYS1)과 제2 제조시스템(SYS2)은 대기 노출 구간 없이 진공 상태를 유지해야 하므로 제조시스템의 가격이 상승한다. 또한 제1 제조시스템(SYS1)과 제2 제조시스템(SYS2)의 분리로 인하여 제조시스템들(SYS1, SYS2)의 운용 다양성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 다양한 공간에 설치가능하므로 제조시스템들(SYS1, SYS2)이 설치되는 공간의 활용이 효율적으로 이루어질 수 있다.
비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량이 증착 시간에 따라 제3 유량값 및 제4 유량값 사이의 변화를 반복하도록 하여 중간반사막(400)의 나머지가 제2 제조시스템(SYS2)의 공정챔버(CH42)에서 형성된다. 앞서와 마찬가지로 중간반사막(400)의 나머지도 복수의 부층들을 포함하는 다층 구조를 가지며, 인접한 2개의 부층들의 결정체적분율은 서로 다르다.
앞서 설명된 바와 같이 중간반사막(400)의 수직 전기 전도도 향상을 위하여 중간반사막(400)은 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질을 포함하므로 중간반사막(400) 형성시 5족 불순물이 공정챔버(CH41) 및 공정챔버(CH42)에 유입될 수 있다.
중간반사막(400)의 일부가 형성된 기판(100)이 대기에 노출되므로 중간반사막(400)에 산화막이 형성될 수 있다. 이와 같이 대기 노출에 의하여 형성된 산화막은 광기전력 장치의 효율을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 공정챔버(CH42)에서 중간반사막(400)의 나머지가 형성되기 전에 산화막 에칭 공정이 이루어질 수 있다.
이 때 산화막의 제거는 별도의 공정챔버에서 이루어질 수도 있고, 나머지 중간반사막(400)이 형성되는 공정챔버(CH42)에서 이루어질 수도 있다. 에칭 공정이 나머지 중간반사막(400)이 형성되는 공정챔버(CH42)에서 이루어질 경우 제2 제조시스템(SYS2)의 구조가 간단해질 수 있다.
본 발명의 실시예에서 에칭 공정이 이루어질 경우 수소 플라즈마 에칭법이 사용될 수 있다. 즉, 수소 가스는 나머지 중간 반사막(400)의 형성에도 사용되므로 중간반사막(400)이 형성되는 공정챔버(CH42)에서 에칭 공정이 이루어질 때 에칭 공정에서 사용된 물질이 중간반사막(400) 형성시 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
공정챔버(CH42) 또는 별도의 공정챔버에서 수소 플라즈마에 의하여 에칭 공정이 이루어질 때 불순물이 유입될 수 있다. 예를 들어, 중간반사막(400)이 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 경우 수소 플라즈마에 의하여 에칭 공정이 이루어지면 중간반사막(400)에 포함된 불순물이 빠져나와 중간반사막(400)의 전기 전도도가 감소할 수 있다. 따라서 에칭 공정시 불순물이 유입될 경우 수소 플라즈마 에칭에 따른 전기 전도도의 감소를 방지할 수 있다.
나머지 중간반사막(400)이 형성되고 제2 단위전지(300)가 중간반사막(400) 상에 형성된다. 제2 단위전지(300)는 제1 도전성 실리콘층(310), 진성 실리콘층(330) 및 제2 도전성 실리콘층(350)을 포함한다. 제2 단위전지(300)의 제1 도전성 실리콘층(310), 진성 실리콘층(330) 및 제2 도전성 실리콘층(350) 각각은 공정챔버(CH5), 공정챔버들(CH61 내지 CH63) 및 공정챔버(CH7)에서 형성될 수 있다.
이 때, 제1 단위전지(200) 및 제2 단위전지(300) 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 제2 도전성 반도체층이 n 타입 나노 결정질 실리콘으로 이루어진 경우, 제2 도전성 반도체층의 두께는 5 nm 이상 30 nm 이하일 수 있다. 제2 도전성 반도체층의 기능을 수행하기 위하여 제2 도전성 반도체층의 두께는 5 nm 이상일 수 있다. 또한 제2 도전성 반도체층의 두께가 30 nm 이하인 경우 제2 도전성 반도체층의 두께 증가로 인하여 빛이 제2 도전성 반도체층에 과도하게 흡수되는 것이 방지될 수 있다.
한편 공정챔버(CH42)의 압력이 일정하게 유지될 경우 산화막의 제거, 나머지 중간반사막(400)의 형성 및 제2 단위전지(300)의 제1 도전성 실리콘층(310)의 형성이 하나의 공정챔버(CH42)에서 이루어질 수 있다.
또한 스텝핑 롤 제조장치나 롤투롤 제조장치의 경우, 중간반사막(400)의 두께에 따라 복수 개의 공정챔버에서 중간반사막(400)이 형성될 수 있다.
다음으로 도면을 참조하여 중간반사막(400)의 제조 방법이 상세히 설명된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 중간반사막을 형성하기 위한 플라즈마 화학 기상 증착장치의 일례를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전극(110) 및 제1 단위전지(200)가 형성된 기판(100)이, 전극 역할을 하는 플레이트(510) 상에 위치한다. 제1 단위전지(200)는 순차적으로 적층된 제1 도전성 실리콘층(210), 진성 실리콘층(230) 및 제2 도전성 실리콘층(250)을 포함할 수 있다.
이 때 제2 도전성 실리콘층(250)이 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘(n-nc-Si:H)을 포함할 경우, 공정챔버(520) 내부로 사일렌(SiH4) 가스, 수소(H2) 가스, 및 포스핀(PH3) 가스가 유입될 수 있다. 또한 제2 도전성 실리콘층(250)이 수소화된 p 타입 나노 결정질 실리콘(p-nc-Si:H)을 포함할 경우, 공정챔버(520) 내부로 사일렌(SiH4) 가스, 수소(H2) 가스와 더불어 디보란(B2H6) 가스가 유입될 수 있다.
수소화된 나노 결정질 실리콘을 포함하는 제2 도전성 실리콘층(250)이 형성된 후, 공정챔버(520)로 유입되는 사일렌 가스, 수소 가스 및 불순물 가스의 유량과, 공정챔버(520)의 증착 온도와 증착 압력 등이 유지되고 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 공정챔버(520)로 유입된다.
이 때 공정챔버(520) 내에서 가스의 유량, 증착 온도, 증착 압력 등이 유지되고, 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 공정챔버(520) 내로 유입되므로, 제1 단위전지(200)의 제2 도전성 실리콘층(250) 및 중간반사막(400)은 동일 공정챔버(520) 내에서 형성될 수 있다. 즉, 도 1a 및 도 1b에서는 공정챔버(CH3)와 공정챔버(CH41) 각각에서 제2 도전성 실리콘층(250) 및 중간반사막(400)의 일부가 형성되나 하나의 공정챔버에서 제2 도전성 실리콘층(250) 및 중간반사막(400)의 일부가 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 수소 가스, 실란 가스 및 불순물 가스는 유량 조절기들(MFC1, MFC2, MFC3) 및 노즐이 형성된 전극(550)을 통하여 공정챔버(520) 내로 유입된다.
또한 비실리콘계 원소를 포함하는 가스는 유량 조절기(MFC4) 및 전극(550)의 노즐을 통하여 공정챔버(520) 내로 유입된다. 비실리콘계 원소가 산소인 경우 비실리콘계 원소를 포함하는 가스는 O2 또는 CO2를 포함할 수 있다. 비실리콘계 원소가 탄소인 경우 비실리콘계 원소를 포함하는 가스는 CH4, C2H4, 또는 C2H2를 포함할 수 있다. 또한 비실리콘계 원소가 질소인 경우 비실리콘계 원소를 포함하는 가스는 NH4, N2O, 또는 NO를 포함할 수 있다.
이 때 앵글 밸브(540)는 공정챔버(520)의 압력이 일정하게 유지되도록 제어되고, 펌프(530)는 가스들을 유출하기 위한 흡입력을 제공한다. 즉, 유량 조절기(MFC1, MFC2, MFC3, MFC4)를 통하여 유입되는 가스들의 유량과 앵글 밸브(540)를 통하여 유출되는 유량이 같으면 공정챔버(520)의 압력은 일정하게 유지될 수 있다. 공정챔버(520)의 압력이 일정하게 유지될 경우 공정챔버(520) 내의 와류 발생으로 인한 실리콘 파우더의 생성이 방지되고, 증착 조건이 일정하게 유지된다. 수소는 실란의 희석을 위하여 유입되며 스테블러-론스키 효과 (Staebler-Wronski effect)를 감소시킨다.
상기 가스들과 함께 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 유입되고 전원(E)이 전압을 공급하면 전극(550)과 플레이트(510) 사이에 전위차가 발생하므로 공정챔버(520) 내의 가스들은 플라즈마 상태가 되어 제1 단위전지(200)의 수소화된 나노 결정질 실리콘 상에 중간반사막(400)의 일부가 형성된다.
산소, 탄소 또는 질소를 포함하는 가스가 유입된 경우, 중간반사막(400)은 수소화된 나노 결정질 산화실리콘(nc-SiO:H), 수소화된 나노 결정질 실리콘 카바이드(nc-SiC:H) 또는 수소화된 나노 결정질 질화실리콘(nc-SiN:H)을 포함할 수 있다.
이와 같이 중간반사막(400)은 빛이 입사되는 단위전지의 수소화된 나노 결정질 실리콘과 유사한 수소화된 나노 결정질 실리콘계 물질을 포함하므로 중간반사막(400)은 빛이 입사되는 단위전지와 원활하게 접합될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 산소, 탄소 또는 질소를 포함하는 가스는 도 3 내지 도 6b에 도시된 유량 변화에 따라 공정챔버(520)로 유입될 수 있다. 이 때 도 3 내지 도 6b에 도시된 유량 변화에 따라 유입되는 가스는 중간반사막(400)의 일부와 더불어 나머지 중간반사막(400)의 형성에도 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수소의 유량(A) 및 실란의 유량(B)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정하고, 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량은 증착 시간(T)에 따라 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 사이의 변화를 반복하며, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정할 수 있다. 즉, 각 주기(P)의 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)은 일정하게 유지된다.
이 때, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 변화의 한 주기(P) 동안 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1)과 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정하다.
본 발명의 실시예에서는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량이 변할 수 있다. 도 3의 유량 변화와 마찬가지로 수소의 유량(A) 및 실란의 유량(B)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정하고, 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량은 증착 시간(T)에 따라 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 사이의 변화를 반복한다. 또한 도 4a의 유량 변화의 경우 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)은 증착 시간(T)에 따라 점진적으로 증가하고, 도 4b의 유량 변화의 경우 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)은 증착 시간(T)에 따라 점진적으로 감소한다. 이 때 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 변화의 한 주기(P) 동안 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1)과 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정하다.
도면에는 도시되지 않았으나 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 중 하나는 증착 시간(T)에 따라 점진적으로 증가하거나 감소하고 나머지 하나는 증착 시간(T)에 따라 일정하게 유지될 수도 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량이 변할 수 있다. 즉, 수소의 유량(A) 및 실란의 유량(B)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정하고, 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량은 증착 시간(T)에 따라 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 사이의 변화를 반복한다. 또한 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정하다.
이 때 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 변화의 한 주기(P) 동안 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1)과 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2)은 증착 시간(T)의 변화에 점진적으로 증가할 수 있다.
또한 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 변화의 한 주기(P) 동안 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1)과 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2)은 증착 시간(T)의 변화에 점진적으로 감소할 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1)과 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2) 중 하나는 증착 시간(T)에 따라 점진적으로 증가하거나 감소하고 나머지 하나는 증착 시간(T)에 따라 일정하게 유지될 수도 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량이 변할 수 있다. 즉, 수소의 유량(A) 및 실란의 유량(B)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정하고, 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량은 증착 시간(T)에 따라 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 사이의 변화를 반복한다.
이 때, 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 점진적으로 증가하고, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 변화의 한 주기(P) 동안 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1)과 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2) 역시 증착 시간(T)의 변화에 점진적으로 증가한다.
또한 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)은 증착 시간(T)의 변화에 따라 점진적으로 감소하고, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β) 변화의 한 주기(P) 동안 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1)과 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2) 역시 증착 시간(T)의 변화에 점진적으로 감소한다.
도 4a, 도 5a 및 도 6a의 유량 변화는 p-i-n 타입 광기전력 장치의 중간반사막(400)의 형성시 사용될 수 있고, 도 4b, 도 5b 및 도 6b의 유량 변화는 n-i-p 타입 광기전력 장치의 중간반사막(400)의 형성시 사용될 수 있다.
p-i-n 타입 광기전력 장치의 제1 단위전지(200)는 기판(100)으로부터 순차적으로 적층된 p 타입 실리콘층, 진성 실리콘층 및 n 타입 실리콘층을 포함하고, 제2 단위전지(300)는 중간반사막(400)으로부터 순차적으로 적층된 p 타입 실리콘층, 진성 실리콘층 및 n 타입 실리콘층을 포함한다. p-i-n 타입 광기전력 장치의 경우 빛은 제1 단위전지(200)로 입사된다.
또한 n-i-p 타입 광기전력 장치의 제1 단위전지(200)는 기판(100)으로부터 순차적으로 적층된 n 타입 실리콘층, 진성 실리콘층 및 p 타입 실리콘층을 포함하고, 제2 단위전지(300)는 중간반사막(400)으로부터 순차적으로 적층된 n 타입 실리콘층, 진성 실리콘층 및 p 타입 실리콘층을 포함한다. n-i-p 타입 광기전력 장치의 경우 빛은 제2 단위전지(300)로 입사된다.
p-i-n 타입 광기전력 장치의 경우, 도 4a, 도 5a 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)이 증착시간에 따라 증가하거나, 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1) 및 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2)이 증착시간(T)에 따라 증가할 수 있다.
이에 따라 복수의 제1 부층들(400a) 또는 제2 부층들(400b)가 형성될 때 먼저 형성된 제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)에 함유된 비실리콘계 원소의 양은 나중에 형성된 제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)에 함유된 비실리콘계 원소의 양보다 작다.
또한 n-i-p 타입 광기전력 장치의 경우, 도 4b, 도 5b 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)이 증착시간에 따라 감소하거나, 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1) 및 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2)이 증착시간(T)에 따라 감소할 수 있다.
이에 따라 복수의 제1 부층들(400a) 또는 제2 부층들(400b)가 형성될 때 먼저 형성된 제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)에 함유된 비실리콘계 원소의 양은 나중에 형성된 제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)에 함유된 비실리콘계 원소의 양보다 크다.
즉, 빛이 입사되는 측으로부터 멀어질수록 제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)에 함유된 산소, 탄소 또는 질소와 같은 비실리콘계 원소의 농도가 증가되도록 프로파일된다. 예를 들어, p-i-n 타입 광기전력 장치의 경우, 제1 단위전지(200)로부터 멀어질수록 비실리콘계 원소의 농도가 증가된다. 또한 n-i-p 타입 광기전력 장치의 경우, 제2 단위전지(300)로부터 멀어질수록 비실리콘계 원소의 농도가 증가된다.
빛이 입사되는 측으로부터 멀어질수록 제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)에 함유된 비실리콘계 원소의 농도가 증가되면, 빛이 입사되는 단위전지와 중간반사막(400) 사이의 계면에서의 굴절률 변화가 점진적으로 이루어져 빛의 반사량이 증가할 수 있다.
도 3 내지 도 6b에서의 유량 변화에서 제1 유량값(α)보다 작은 제2 유량값(β)은 0보다 클 수도 있고, 0과 같을 수도 있다. 제2 유량값(β)이 0일 경우 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2) 동안에는 수소화된 나노 결정질 실리콘(nc-Si:H)이 형성될 수 있다.
도 3 내지 도 6b에 도시된 유량 변화는 중간반사막(400)의 일부뿐만 아니라 나머지의 중간반사막(400) 형성시 적용될 수 있다. 이 때 중간반사막(400)의 나머지 형성시 사용되는 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 제3 유량값 및 제4 유량값 각각은 제1 유량값(α) 및 제2 유량값(β)과 같거나 다를 수 있다. 또한 중간반사막(400)의 일부 형성시 제2 유량값(β)보다 큰 제1 유량값(α)으로 가스가 공급되나 나머지 중간반사막(400) 형성시에는 제3 유량값보다 작은 제4 유량값의 가스가 먼저 공급될 수 있다.
도 3 내지 도 6b에서는 불순물의 유량 변화가 도시되어 있지 않으나 본 발명의 실시예에서 불순물의 유량은 증착 시간(T)에 따라 일정하다. 따라서 도 3 내지 도 6b를 통하여 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 수소의 유량(A), 실란의 유량(B) 및 불순물의 유량은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정하다.
도 3 내지 도 6b의 유량 변화는 도 1a의 스텝핑 롤 타입 제조시스템이나 도 1b의 클러스터 타입 제조시스템과 같이 제조시스템의 공정챔버들이 분리된 제조시스템에 적용될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나 롤투롤 타입 제조시스템의 경우 공정챔버들이 서로 분리되지 않기 때문에 제1 부층(400a) 및 제2 부층(400b)이 형성되는 공정챔버가 필요할 수 있다.
즉, 스텝핑 롤 타입 제조시스템의 경우 기판(100)이 하나의 공정챔버로 이송되면 기판 이송이 멈춘 후 공정챔버의 게이트들이 닫히고 제1 부층(400a) 및 제2 부층(400b)의 증착이 이루어진다. 반면에 롤투롤 타입 제조시스템의 경우, 공정챔버는 게이트를 포함하지 않으므로 기판이 멈춤없이 계속 이송되면서 제1 부층(400a) 및 제2 부층(400b)의 증착이 이루어져야 한다.
기판(400)이 멈춤없이 계속하여 이송 중에 제1 부층(400a) 및 제2 부층(400b)의 증착이 이루어지기 위해서 롤투롤 타입 제조시스템은 제1 부층(400a)을 증착하기 위한 공정챔버와 제2 부층(400b)을 증착하기 위한 공정챔버를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 부층(400a)을 증착하기 위한 공정챔버에는 제1 유량값(α)의 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 계속하여 유입되고, 제2 부층(400b)을 증착하기 위한 공정챔버에는 제2 유량값(β)의 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 계속하여 유입될 수 있다.
또한 복수의 제1 부층들(400a) 및 제2 부층들(400b)를 형성하기 위하여 롤투롤 타입 제조시스템은 복수의 제1 부층용 공정챔버들과 제2 부층용 공정챔버들을 포함할 수 있다. 이 때 인접하는 제1 부층들(400a)을 형성하기 위한 2개의 공정챔버들에 유입되는 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 제1 유량값들(α)은 서로 다를 수 있다. 또한 인접하는 제1 부층들(400a)을 형성하기 위한 2개의 공정챔버들에 유입되는 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 제1 유량값들(α)이 유지되는 시간들은 서로 다를 수 있다.
마찬가지로 인접하는 제2 부층들(400b)을 형성하기 위한 2개의 공정챔버들에 유입되는 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 제2 유량값들(β)은 서로 다를 수 있다. 또한 인접하는 제2 부층들(400b)을 형성하기 위한 2개의 공정챔버들에 유입되는 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 제2 유량값들(β)이 유지되는 시간들은 서로 다를 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 중간반사막을 형성하기 위한 플라즈마 화학 기상 증착장치를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 전극(110) 및 제1 단위전지(200)가 형성된 기판(100)이, 전극 역할을 하는 플레이트(510) 상에 위치한다.
제1 단위전지(200)의 제2 도전성 실리콘층(250)이 형성된 후, 공정챔버(520)로 유입되는 수소, 실란 및 불순물 가스들의 유량, 증착 온도, 증착 압력 등이 유지되고 산소, 탄소 또는 질소와 같은 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 공정챔버(520)로 유입된다.
도 7에 도시된 바와 같이 가스들은 유량 조절기들(MFC1, MFC2, MFC3) 및 노즐이 형성된 전극(340)을 통하여 공정챔버(520) 내로 유입되고, 비실리콘계 원소를 포함하는 가스는 유량 조절기(MFC4) 및 전극(550)의 노즐을 통하여 공정챔버(520) 내로 유입된다. 이 때 유량 조절기들(MFC1, MFC2, MFC3, MFC4)을 통하여 유입되는 가스들의 유량은 일정하게 유지될 수 있다.
비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 유입되고 제1 전원(E1) 및 제2 전원(E2)이 각각 제1 전압 및 제2 전압을 공급하면 전극(550)과 플레이트(510) 사이에 전위차가 발생하므로 공정챔버(520) 내의 가스들은 플라즈마 상태가 되어 제1 단위전지(200)의 제2 도전성 실리콘층(250) 상에 증착된다. 이에 따라 중간반사막(400)이 형성된다.
비실리콘계 원소가 산소, 탄소 또는 질소인 경우, 중간반사막(400)은 각각 수소화된 n 타입 나노 결정질 산화실리콘(n-nc-SiO:H), 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘 카바이드(n-nc-SiC:H) 또는 수소화된 n 타입 나노 결정질 질화실리콘(n-nc-SiN:H)을 포함할 수 있다.
이와 같이 중간반사막(400)은 빛이 입사되는 단위전지의 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘과 유사한 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질을 포함하므로 중간반사막(400)은 빛이 입사되는 단위전지와 원활하게 접합될 수 있다. 즉, p-i-n 타입 광기전력 장치의 경우, 제1 단위전지(200)의 제2 도전성 실리콘층(250)은 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 또한 n-i-p 타입 광기전력 장치의 경우, 제1 단위전지(200)의 제2 도전성 실리콘층(250)은 수소화된 n 타입 나노 결정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 주파수 변화는 중간반사막(400)의 일부와 더불어 나머지 중간반사막(400)의 형성에도 사용될 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 중간반사막을 형성하기 위하여 공정챔버(520)에 공급되는 제1 전원(E1) 및 제2 전원(E2)의 주파수 변화를 나타낸다.
본 발명의 실시예에서 공정챔버(520)로 유입되는 수소의 유량, 실란의 유량 및 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량은 증착 시간(T)의 변화에 따라 일정하다. 이 때, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 전원(E1) 및 제2 전원(E2) 각각은 제1 주파수(f1)를 지닌 제1 전압과 제2 주파수를 지닌 제2 전압을 교번되게 공급할 수 있다.
또한 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 전원(E1)은 제1 주파수(f1)를 지닌 전압을 증착시간(T)에 따라 계속하여 공급하고, 제2 전원(E2)은 제2 주파수(f2)를 지닌 전압을 불연속적으로 공급한다. 즉, 제2 전원(E2)은 전압의 공급 및 공급 차단을 반복적으로 수행한다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 서로 다른 주파수를 지닌 제1 전압 및 제2전압이 공급되면, 도 10과 같이 복수의 부층들(sub-layers)(400a, 400b)을 포함하는 중간반사막(400)이 제1 단위전지(200)의 제2 도전성 실리콘층(250) 상에 형성된다.
도 3 내지 도 6b를 통하여 설명된 바와 같이, 산소, 탄소 또는 질소와 같은 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량이 달라지거나 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 전원의 주파수가 달라질 경우, 도 10과 같이 복수의 부층들(sub-layers)(400a, 400b)을 포함하는 중간반사막(400)이 형성된다.
이 때 제1 유량값(α)이 유지되는 시간(t1)과 제2 유량값(β)이 유지되는 시간(t2)의 비가 일정할 경우 도 10에 도시된 바와 같이, 중간반사막(400)은 일정한 두께의 비를 지닌 제1 부층(400a) 및 제2 부층(400b)을 포함할 수 있다.
또한 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 주파수(f1)를 지닌 제1 전압이 공급되는 시간(t1)에 대한 제2 주파수(f2)를 지닌 제2 전압이 공급되는 시간(t2)의 비는 일정하다. 또한 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 주파수(f2)를 지닌 제2 전압이 차단되는 시간, 즉 제1 전압만 공급되는 시간(t1)에 대한 제2 주파수(f2)를 지닌 제2 전압이 공급되는 시간(t2)의 비는 일정하다. 이에 따라 중간반사막(400)에 포함된 제1 부층(400a) 및 제2 부층(400b)의 두께의 비는 일정하다.
도 3 내지 도 9의 도시된 유량 변화 및 주파수 변화에 도시된 바와 같이 증착 시간(T)의 변화에 따라 수소의 유량(A)과 실란의 유량(B)은 일정하므로 실란의 유량에 대한 수소 유량의 비인 수소 희석비는 일정하다.
비실리콘계 원소는 결정화를 방해하므로 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량이 변할 때 결정체적분율이 서로 다른 부층들이 형성된다. 즉, 제2 유량값(β)보다 큰 제1 유량값(α)으로 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 공급되는 동안 형성되는 제1 부층(400a)의 결정체적분율은 제2 유량값(β)으로 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 공급되는 동안 형성되는 제2 부층(400b)의 결정체적분율보다 작다.
또한 공정챔버(520)에 공급되는 전압의 주파수가 작을수록 결정성이 떨어지고 증착속도가 감소하는 반면, 공정챔버(520)에 공급되는 전압의 주파수가 클수록 결정성 및 증착속도는 증가하다. 이에 따라 결정체적분율이 서로 다른 제1 부층(400a) 및 제2 부층(400b)이 형성되며, 제1 부층(400a)의 결정체적분율은 제2 부층(400b)의 결정체적분율보다 작다.
나노 결정질 실리콘계 물질의 경우, Raman 측정에 의하여 얻어진 component peak의 면적을 이용하여 다음의 수학식으로 결정체적분율이 얻어질 수 있다.
결정체적분율 (%) = [(A510 + A520)/(A480 + A510 + A520)] * 100
이 때 Ai는 i cm-1 근처의 component peak의 면적이다.
비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량이 증가하거나 주파수가 감소하여 결정체적분율이 작을수록 부층의 굴절률 역시 감소한다. 따라서 제2 부층(400b)의 결정체적분율보다 작은 결정체적분율을 지닌 제1 부층(400a)의 굴절률은 제2 부층(400b)의 굴절률보다 작다.
도 3 내지 도 6b에 도시된 바와 같이, 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 시간 t2 동안 공급되지 않는다면, 즉, 제2 유량값(β)이 0이라면, 제2 부층(400b)은 수소화된 나노 결정질 실리콘(nc-Si:H)으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 결정체적분율이 다르거나 굴절률이 다른 부층들(400a, 400b)이 교대로 적층되며, 각 부층(400a, 400b)이 도파관의 역할을 하므로 중간반사막(400)에 의하여 복수의 단위전지들 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지가 흡수하는 특정 파장의 빛의 반사가 선택적으로 극대화될 수 있다.
이 때 결정체적분율이 큰 제2 부층(400b)은 수직 전도도를 향상시키므로 제1 단위전지(200)과 제2 단위전지(300) 사이의 전류 흐름을 원활히 한다. 제2 부층(400b)에 비하여 굴절률이 낮은 제1 부층(400a)은 빛이 입사되는 단위전지의 굴절률을 매칭시키므로 500 nm 내지 700 nm 파장의 빛과 같이 에너지 밀도가 높은 단파장 영역의 빛의 반사를 증가시킨다.
한편, 앞서 언급된 바와 같이 본 발명의 실시예들에서 수소 희석비 및 공정챔버(520) 내의 압력은 일정하다. 공정챔버(520) 내에 공급되는 수소 및 실란의 유량은 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량에 비하여 크므로 수소 및 실란의 유량 제어가 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량 제어보다 상대적으로 어렵고, 수소 및 실란의 유입에 따라 공정챔버(520) 내에서 수소와 실란의 와류가 발생할 수 있다.
따라서 수소와 실란의 유량이 일정할 경우 유량이 작은 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 제어가 용이하고, 챔버(520) 내에서 수소와 실란의 와류가 발생 가능성이 줄어들어 중간반사막(400)의 두께 균일도가 향상된다.
본 발명의 실시예에서 중간반사막(400)의 전체 두께는 20 nm 이상 200 nm 이하일 수 있다. 중간반사막(400)의 두께가 20 nm 이상일 경우, 빛이 입사되는 단위전지와 중간반사막(400) 사이의 굴절률 매칭이 이루어지면서 내부 반사가 원활히 이루어질 수 있다. 또한 중간반사막(400)의 두께가 200 nm 이하일 경우, 중간반사막(400)의 두께 증가로 인한 중간반사막(400) 자체의 과도한 빛의 흡수가 방지된다.
제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)의 두께는 10 nm 이상 50 nm 이하일 수 있다. 제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)의 두께가 10 nm 이상인 경우 굴절률 매칭이 이루어지고 결정질 실리콘 입자가 충분히 형성될 수 있다. 또한 제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)의 두께가 50 nm보다 크면 부층이 너무 두꺼워져 중간반사막(400)이 포함하는 부층들의 개수가 작아질 수 있다. 이에 따라 중간반사막(400)에 의한 내부 반사가 줄어들 수 있다. 따라서 제1 부층(400a) 또는 제2 부층(400b)의 두께가 50 nm 이하이면 중간반사막(400)이 포함하는 부층의 개수가 적절하게 되어 빛의 반사가 원활하게 이루어질 수 있다.
한편, 제1 부층(400a) 및 제2 부층(400b)을 포함하는 중간반사막(400)의 파장 600 nm에서의 굴절률은 1.7 이상 2.5 이하일 수 있다. 중간반사막(400)의 굴절률이 1.7 이상이면, 전기전도도(conductivity)이 커져 다중 접합 광기전력 장치의 FF (Fill Factor)가 향상되어 효율이 높아진다. 또한 중간반사막(400)의 굴절률이 2.5 이하이면 500 nm 내지 700 nm 파장 영역의 빛을 원활하게 반사하여 단위전지의 단락 전류가 증가하므로 효율이 높아진다.
중간반사막(400)에 함유되는 비실리콘계 원소의 평균함유량은 10 atomic % 이상 40 atomic % 이하일 수 있다. 비실리콘계 원소의 평균함유량이 10 atomic % 이상인 경우 빛이 입사되는 단위전지와 중간반사막(400) 사이에 굴절률 매칭이 이루어져 내부 반사가 원활하게 이루어진다.
또한 비실리콘계 원소의 평균함유량이 불필요하게 크면 부층들의 결정체적분율이 감소하므로 수직 전기전도도가 감소할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서 비실리콘계 원소의 평균함유량은 40 atomic % 이하인 경우 중간반사막(400)의 평균결정체적분율이 적절하게 유지되어 중간반사막(400)이 비정질화되는 것이 방지되므로 전기 전도도가 향상된다.
중간반사막(400)의 평균수소함유량은 10 atomic % 이상 25 atomic % 이하일 수 있다. 중간반사막(400)의 평균수소함유량은 10 atomic % 이상인 경우 미결합손(dangling bond)이 패시베이션되어 중간반사막(400)의 막질이 향상된다. 중간반사막(400)의 평균수소함유량이 불필요하게 크면 중간반사막(400)의 결정체적분율이 줄어들어 전기 전도도가 낮아진다. 따라서 중간반사막(400)의 평균수소함유량이 25 atomic % 이하인 경우 중간반사막(400)의 결정체적분율의 저하에 따른 비정질화를 방지하므로 수직 전기 전도도가 증가한다.
중간반사막(400)의 결정체적분율은 4 % 이상 30 % 이하일 수 있다. 중간반사막(400)의 결정체적분율은 4 % 이상이면 터널링 접합 특성이 향상되고, 중간반사막(400)의 결정체적분율은 30 % 이하이면 비실리콘계 물질의 함량이 유지되므로 굴절률 매칭 특성 저하가 방지된다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 중간반사막(400)이 수직 전기 전도도가 우수한 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 경우, 빛이 입사되는 단위전지의 n 타입 실리콘층을 대신할 수 있다.
예를 들어, 제1 단위전지(200)가 기판(100)으로부터 순차적으로 적층된 p 타입 실리콘층 및 진성 실리콘층 및 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 중간반사막(400)을 포함하고, 제2 단위전지(300)가 중간반사막(400)으로부터 순차적으로 적층된 p 타입 실리콘층, 진성 실리콘층 그리고 n 타입 실리콘층을 포함할 경우, 중간반사막(400)이 빛이 입사되는 제1 단위전지(200) n 타입 실리콘층의 역할을 대신할 수 있다.
또한 제1 단위전지(200)가 기판(100)으로부터 순차적으로 적층된 n 타입 실리콘층, 진성 실리콘층 및 p 타입 실리콘층을 포함하고, 제2 단위전지(300)가 제1 단위전지(200)로부터 순차적으로 적층된 p 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 중간반사막(400), 진성 실리콘층 그리고 p 타입 실리콘층을 포함할 경우, 중간반사막(400)이 빛이 입사되는 제2 단위전지(200) n 타입 실리콘층의 역할을 대신할 수 있다.
따라서 중간반사막(400)이 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 경우, 제1 단위전지(200) 또는 제2 단위전지(300) 중 빛이 입사되는 단위전지는 p 타입 실리콘층 및 진성 실리콘층을 포함하고, 중간반사막(400)은 진성 실리콘층과 접촉할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 중간반사막을 형성하기 위한 또다른 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량변화를 나타낸다.
도 11에 도시된 바와 같이, 수소 유량(A), 사일렌의 유량(B) 및 불순물의 유량(미도시)은 일정하다. 이 때 산화질소(NO)나 이산화질소(NO2)와 같은 제1 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량은 제1 유량값(α)과 제2 유량값(β=0) 사이의 변화를 반복하며, 이산화탄소와 같은 제2 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량은 제1 유량값(α)보다 낮고 0보다 클 수 있다.
이에 따라 제1 유량값(α)으로 산화질소(NO)나 이산화질소(NO2)와 같은 제1 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 공급되는 동안에는 산소와 질소를 모두 포함하는 수소화된 나노 결정질 산화실리콘 질화물(nc-SiON:H)를 포함하는 제1 부층(400a)이 형성된다.
또한 제2 유량값(β=0)으로 산화질소(NO)나 이산화질소(NO2)와 같은 제2 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 공급이 차단되고, 이산화탄소와 같은 제2 비실리콘계 원소를 포함하는 가스가 공급되는 동안에는 수소화된 나노 결정질 산화실리콘(n-nc-SiO:H)를 포함하는 제2 부층(400b)이 형성된다.
이와 같은 제1 부층(400a) 및 제2 부층(400b)를 포함하는 중간반사막(400)은 비실리콘계 원소를 포함하는 가스에 의하여 빛이 입사되는 단위전지와의 굴절률 매칭을 형성하며, 결정질 실리콘 입자에 의하여 복수의 단위전지들 사이의 수직 전기 전도도를 향상시킨다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 기판 110 : 제1 전극
120 : 제2 전극 200, 300 : 제1 단위전지 및 제2 단위전지
210, 310 : 제1 도전성 실리콘층 230, 330 : 진성 실리콘층
250, 350 : 제2 도전성 실리콘층 400 : 중간반사막
400a : 제1 부층 400b : 제2 부층
500 : 플라즈마화학기상증착장치 510 : 플레이트
520 : 하나의 공정챔버 530 : 펌프
540 : 앵글 밸브 550 : 공정챔버의 전극
SYS1, SYS2 : 제1 및 제2 제조시스템
CH1, CH21~CH23, CH3, CH4, CH5, CH61~CH63, CH7 : 공정챔버
MFC1, MFC2, MFC3, MFC4 : 유량 조절기

Claims (31)

  1. 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 제1 단위전지를 형성하는 단계;
    제1 제조시스템에서 굴절률이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 중간반사막의 일부를 상기 제1 단위전지 상에 형성하는 단계;
    상기 중간반사막의 일부가 형성된 기판을 대기 중에 노출시키는 단계;
    제2 제조시스템에서 굴절률이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 상기 중간반사막의 나머지를 형성하는 단계;
    상기 중간반사막 상에 제2 단위전지를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 단위전지 상에 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  2. 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 제1 단위전지를 형성하는 단계;
    제1 제조시스템에서 결정체적분율이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 중간반사막의 일부를 상기 제1 단위전지 상에 형성하는 단계;
    상기 중간반사막의 일부가 형성된 기판을 대기 중에 노출시키는 단계;
    제2 제조시스템에서 결정체적분율이 서로 다른 인접한 2개의 부층들을 포함하는 상기 중간반사막의 나머지를 형성하는 단계;
    상기 중간반사막 상에 제2 단위전지를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 단위전지 상에 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인접한 2개의 부층들은 비실리콘계 원소를 포함하는 가스의 유량이 증착 시간에 따라 제1 유량값 및 제2 유량값 사이의 변화를 반복하도록 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인접한 2개의 부층들은 공정챔버에 공급되는 서로 다른 제1 주파수 및 제2 주파수를 지닌 전압들이 공급되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막은 비실리콘계 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막은 수소화된 나노 결정질 실리콘계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막의 일부 및 나머지 형성시 불순물이 공정챔버에 유입되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판의 대기 노출 후 상기 제2 제조시스템에서 상기 중간반사막의 일부에 대한 에칭이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 에칭 공정은 상기 중간반사막의 나머지가 형성되는 공정챔버에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 중간반사막의 일부에 대한 수소 플라즈마 에칭이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 에칭 공정시 불순물이 유입되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    공정챔버의 압력이 일정하게 유지되고,
    상기 에칭 공정, 나머지 중간반사막의 형성 및 상기 제2 단위전지의 제1 도전성 실리콘층의 형성이 상기 공정챔버에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    빛이 입사되는 측으로부터 멀어질수록 상기 중간반사막의 제1 부층 또는 제2 부층에 함유된 비실리콘계 원소의 농도가 증가하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막의 파장 600 nm에서의 굴절률은 1.7 이상 2.5 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막이 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 경우, 상기 제1 단위전지 또는 상기 제2 단위전지 중 빛이 입사되는 단위전지는 p 타입 실리콘층 및 진성 실리콘층을 포함하고,
    상기 중간반사막은 상기 진성 실리콘층과 접촉하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막의 비실리콘계 원소의 평균 함유량은 10 atomic % 이상 40 atomic % 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막이 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 경우, 상기 제1 단위전지 또는 상기 제2 단위전지 중 빛이 입사되는 단위전지의 진성 실리콘층과 상기 중간반사막이 접촉하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막은 복수 개의 공정챔버들에서 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막의 전체 두께는 20 nm 이상 200 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간반사막의 전체 두께는 20 nm 이상 200 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 제2 도전성 반도체층이 n 타입 나노 결정질 실리콘으로 이루어진 경우, 상기 제2 도전성 반도체층의 두께는 5 nm 이상 30 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치의 제조 방법.
  22. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제1 단위전지;
    상기 제1 단위전지 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제2 단위전지; 및
    상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 사이에 위치하며, 결정체적분율이 서로 다른 제1 부층 및 제2 부층을 포함하고, n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 중간반사막
    을 포함하는 광기전력 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 중간반사막은 빛이 입사되는 측에서 멀어질수록 비실리콘계 원소의 농도가 증가되도록 프로파일된 복수의 제1 부층들과 복수의 제2 부층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 중간반사막이 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 경우, 상기 제1 단위전지 또는 상기 제2 단위전지 중 빛이 입사되는 단위전지는 p 타입 실리콘층 및 진성 실리콘층을 포함하고,
    상기 중간반사막은 상기 진성 실리콘층과 접촉하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 중간반사막의 파장 600 nm에서의 굴절률은 1.7 이상 2.5 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 비실리콘계 원소는 산소, 탄소 또는 질소인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 중간반사막의 비실리콘계 원소의 평균 함유량은 10 atomic % 이상 40 atomic % 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 중간반사막이 n 타입 나노 결정질 실리콘계 물질로 이루어진 경우, 상기 제1 단위전지 또는 상기 제2 단위전지 중 빛이 입사되는 단위전지의 진성 실리콘층과 상기 중간반사막이 접촉하는 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  29. 제22항에 있어서,
    상기 중간반사막의 전체 두께는 20 nm 이상 200 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  30. 제22항에 있어서,
    상기 중간반사막의 전체 두께는 20 nm 이상 200 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
  31. 제22항에 있어서,
    상기 제1 단위전지 및 상기 제2 단위전지 중 빛이 먼저 입사되는 단위전지의 제2 도전성 반도체층이 n 타입 나노 결정질 실리콘으로 이루어진 경우, 상기 제2 도전성 반도체층의 두께는 5 nm 이상 30 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 장치.
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