光起電力装置及びその製造方法
【課題】本発明の光起電力装置の製造方法は、光起電力装置の劣化率を低下させ、安定化効率を高めるためのものである。
【解決手段】一実施形態は、基板と、前記基板の上部に配置された第１電極と、前記第１電極の上部に受光層を含む少なくとも一つ以上の光電変換層と、前記光電変換層の上部に配置された第２電極とを含み、前記少なくとも一つの光電変換層に含まれた受光層は、水素化された非晶質シリコン系を含む第１副層と、結晶性シリコン粒子を含む第２副層とを含む光起電力装置を提供する。
【解決手段】一実施形態は、基板と、前記基板の上部に配置された第１電極と、前記第１電極の上部に受光層を含む少なくとも一つ以上の光電変換層と、前記光電変換層の上部に配置された第２電極とを含み、前記少なくとも一つの光電変換層に含まれた受光層は、水素化された非晶質シリコン系を含む第１副層と、結晶性シリコン粒子を含む第２副層とを含む光起電力装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、石油や石炭のような既存のエネルギー資源の枯渇が予測され、これらを代替する代替エネルギー源に関する関心が高まっている。その中でも太陽光エネルギーは、エネルギー資源が豊富であり、環境汚染に対する問題点がないため、特に注目されている。
【０００３】
太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接変換させる装置が、光起電力装置、即ち、太陽電池である。光起電力装置は、主に半導体接合の光起電力現象を用いる。即ち、ｐ型とｎ型の不純物でそれぞれドーピングされた半導体ｐｉｎ接合に光が入射され吸収されると、光のエネルギーが半導体内部で電子とホールとを発生させ、内部電界によって、これらが分離されることでｐｉｎ接合両端に光起電力が発生される。このとき、接合両端に電極を形成し導線を接続すると、電極及び導線を通して外部に電流が流れるようになる。
【０００４】
石油のような既存のエネルギー源を太陽光エネルギー源に代替していくためには、時間が経つに従って現れる光起電力装置の劣化率は低く、安定化効率は高くなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の光起電力装置の製造方法は、光起電力装置の劣化率を低下させ、安定化効率を高めるためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態による光起電力装置は、基板と、前記基板の上部に配置された第１電極と、前記第１電極の上部に受光層を含む少なくとも一つ以上の光電変換層と、前記光電変換層の上部に配置された第２電極とを含み、前記少なくとも一つの光電変換層に含まれた受光層は、水素化された非晶質シリコン系を含む第１副層と、結晶性シリコン粒子を含む第２副層とを含む。
【０００７】
本発明の一実施形態による光起電力装置の製造方法は、基板上に第１電極を形成するステップと、チャンバ内で前記第１電極上に、受光層を含む一つ以上の光電変換層を形成するステップと、前記光電変換層上に第２電極を形成するステップとを含み、前記受光層が形成される間、前記チャンバに流入される原料ガスの水素希釈比は一定であり、前記受光層が形成される間、前記チャンバ内のノズルが形成された電極に第１周波数を有する第１電圧と、前記第１周波数より高い第２周波数を有する第２電圧とが交互に供給されるか、または前記第１電圧が供給しつづけ前記第２電圧が交互に供給される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の光起電力装置の製造方法は、光起電力装置の劣化率を低下させ、安定化効率を高め、受光層の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による光起電力装置を示した図である。
【図２】本発明の第２実施形態による他の光起電力装置を示した図である。
【図３ａ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｂ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｃ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｄ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｅ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｆ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｇ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｈ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図４】本発明の実施形態によって、受光層を形成するためのプラズマ化学気相蒸着装置を示した図である。
【図５】本発明の実施形態によって、受光層を形成するためにチャンバに供給される第１電源及び第２電源の周波数変化を示した図である。
【図６】本発明の実施形態に含まれた複数の副層を含む受光層を示した図である。
【図７】プロト結晶質シリコン層からなった受光層を示した図である。
【図８】本発明の実施形態によって、受光層を形成するために、チャンバに供給される第１電源及び第２電源のさらに他の周波数変化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の第１実施形態による光起電力装置を示した図である。
【００１１】
図示されるように、光起電力装置は、基板１００と第１及び第２電極２１０、２５０と光電変換層２３０と保護層３００とを含む。
【００１２】
具体的に、基板１００上に第１電極２１０が配置される。第１電極２１０は、隣接した第１電極間に電気的に短絡されないように、一定間隔で離隔される。光電変換層２３０は、第１電極間の一定間隔で離隔された領域を覆うように、第１電極２１０の上部に配置される。第２電極２５０は、光電変換層２３０の上部に配置され、第２電極２５０は隣接した第２電極間に電気的に短絡されないように、一定間隔で離隔される。このとき、第２電極２５０は、第１電極２１０と直列接続されるように、光電変換層２３０を貫通して電気的に接続される。保護層３００は、第２電極間に離隔された領域と光電変換層間に離隔された領域とを覆うように、第２電極の上部に配置される。
【００１３】
光電変換層２３０は、ｐタイプ半導体層２３１と受光層２３３とnタイプ半導体層２３５とを含む。受光層２３３は、第１副層２３３ａと第１副層２３３ａ上に積層された第２副層２３３ｂとを含み、第１副層２３３ａは、水素化された非晶質シリコン系を含み、第２副層２３３ｂは、結晶性シリコン粒子を含む。
【００１４】
図２は、本発明の第２実施形態による他の光起電力装置を示した図である。
【００１５】
図２の光起電力装置については、図１に示された光起電力装置とほとんど類似しているため、同一の構造に対しては省略することにする。図２で、光電変換層２３０は、第１光電変換層２３０−１と第１光電変換層の上部に配置された第２光電変換層２３０−２とを含み、第１光電変換層及び第２光電変換層は、ｐタイプ半導体層２３１−１、２３１−２と受光層２３３−１、２３３−２とnタイプ半導体層２３５−１、２３５−２とを含む。
【００１６】
受光層２３３−１、２３３−２は、第１副層２３３−１ａ、２３３−２ａと第１副層の上部に積層された第２副層２３３−１ｂ、２３３−２ｂからなる。このとき、第１光電変換層２３０−１に含まれた受光層２３３−１は、水素化された非晶質シリコン系を含む第１副層２３３−１ａと、結晶質シリコン粒子を含む第２副層２３３−１ｂとを含む。第２光電変換層２３０−２に含まれた受光層２３３−２は、水素化されたマイクロ結晶質シリコンゲルマニウムを含む第１副層２３３−２ａと、水素化されたマイクロ結晶質シリコンを含む第２副層２３３−２ｂとを含む。
【００１７】
本実施形態では、光電変換層を２つに限定したが、３つ以上を含むことができ、３つの光電変換層のうち、光が入射される側面から遠く離れた２番目、或いは３番目の光電変換層は、水素化されたマイクロ結晶質シリコンゲルマニウムを含む第１副層と、水素化されたマイクロ結晶質シリコンを含む第２副層とを有する受光層を含むことができる。
【００１８】
このような第１及び第２実施形態による光起電力装置については、以下に説明する光起電力装置の製造方法でさらに詳しく説明することにする。
【００１９】
図３ａ乃至図３ｈは、本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示す。
【００２０】
図３ａに示されるように、まず、基板１００が用意される。基板１００は、絶縁性透明基板１００であることができる。
【００２１】
図３ｂに示されたように、基板１００上に第１電極２１０が形成される。本発明の実施形態で、第１電極２１０は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成されることができ、酸化錫(ＳｎＯ２)や酸化亜鉛(ＺｎＯ)のような透明伝導性酸化物(ＴＣＯ:Transparent Conductive Oxide)からなることができる。
【００２２】
図３ｃに示されるように、レーザーが第１電極２１０側や基板１００側に照射され第１電極２１０がスクライブ(scribe)される。これによって、第１電極２１０に第１分離溝２２０が形成される。即ち、第１分離溝２２０は、第１電極２１０を貫通するため、隣接した第１電極２１０の間の短絡が防止される。
【００２３】
図３ｄに示されるように、第１電極２１０と第１分離溝２２０とを覆うように、受光層を含む一つ以上の光電変換層２３０がCVD法で積層される。このとき、各光電変換層２３０は、ｐタイプ半導体層と受光層とnタイプ半導体層とを含む。ｐタイプ半導体層の形成のために、モノシラン(ＳｉＨ４)のようにシリコンを含む原料ガスと、Ｂ２Ｈ６のように３族元素を含む原料ガスとが反応室に混入されると、CVD法によってｐタイプ半導体層が積層される。その後、シリコンを含む原料ガスが反応室に流入されると、CVD法によって受光層がｐタイプ半導体層上に形成される。受光層の形成方法については、以下に詳しく説明される。最後に、ＰＨ３のように５族元素を含む反応ガスとシリコンを含む原料ガスとが混入されると、CVD法によってnタイプ半導体層が真性半導体層上に積層される。これによって、第１電極２１０上にｐタイプ半導体層と受光層とnタイプ半導体層とが順次に積層される。
【００２４】
本発明の実施形態による受光層は、一つの光電変換層２３０を含む単一接合の光起電力装置に含まれるか、複数の光電変換層を含む多重接合の光起電力装置に含まれることができる。
【００２５】
図３ｅに示されるように、大気中でレーザーが基板１００側や光電変換層２３０側に照射され光電変換層２３０がスクライブされる。これによって、光電変換層２３０に第２分離溝２４０が形成される。
【００２６】
図３ｆに示されるように、CVDやスパッタリング方法で光電変換層２３０及び第２分離溝２４０を覆う第２電極２５０が形成される。第２電極２５０は、ＡｌやＡｇのような金属電極であることができる。
【００２７】
図３ｇに示されるように、大気中でレーザーが照射され光電変換層２３０及び第２電極２５０がスクライブされる。これによって、光電変換層２３０及び第２電極２５０に対して第３分離溝２７０が形成される。
【００２８】
図３ｈに示されるように、光電変換層２３０と第１電極２１０と第２電極２５０とを含む光起電力セル２００を保護するために、保護層３００がラミネーション工法によって光起電力セル２００の一部、または全部を覆う。保護層３００は、ＥＶＡ(Ethylene Vinyl Acetate)を含むことができる。
【００２９】
このような工程を通して保護層３００が形成された光起電力セル２００が用意され、保護層上にはバックシート(図示しない)が形成されることができる。
【００３０】
次に、図面を参照して受光層の製造方法が詳しく説明される。
【００３１】
図４は、本発明の実施形態によって、受光層を形成するためのプラズマ化学気相蒸着装置を示す。図４に示されたように、第１電極２１０及びｐタイプ半導体層２３１が形成された基板１００が、電極の役割を果たすプレート３００上に位置する。
【００３２】
また、受光層の形成工程以前にチャンバ３１０内部の不純物を除去するために、真空ポンプ３２０が動作し、これによって、アングルバルブ３３０を通してチャンバ３１０内部の不純物が除去され、チャンバ３１０内部は、実質的に真空状態になる。
【００３３】
チャンバ３１０内部が実質的に真空状態になると、水素(Ｈ２)及びシランのような原料ガスが、流量調節機ＭＦＣ１、ＭＦＣ２、及びノズルが形成された電極３４０を通してチャンバ３１０内に流入される。例えば、第１流量調節機ＭＦＣ１を通して水素が流入され、第２流量調節機(ＭＦＣ２)を通してシランが流入されることができる。水素は、シランの希釈のために流入され、ステーブラーロンスキー効果(Staebler-Wronski effect)を減少させる。
【００３４】
このとき、第１流量調節機ＭＦＣ１及び第２流量調節機ＭＦＣ２は、水素及びシランの流量が一定に維持されるように制御され、アングルバルブ３３０もチャンバ３１０の圧力が一定に維持されるように制御される。
【００３５】
一方、原料ガスが流入され、第１電源Ｅ１及び第２電源Ｅ２がそれぞれ第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２を有した電圧を供給すると、電極３４０とプレート３００との間に電位差が発生する。これによって、原料ガスはプラズマ状態になり受光層がｐタイプ半導体層２３１上に蒸着される。
【００３６】
図５は、本発明の実施形態によって受光層を形成するために、チャンバ３１０に供給される第１電源Ｅ１及び第２電源Ｅ２の周波数の変化を示す。第１電源Ｅ１は、第１周波数ｆ１を有した第１電圧を供給し、第２電源Ｅ２は、第２周波数ｆ２を有した第２電圧を供給する。このとき、図５に示されるように、第１周波数ｆ１を有した第１電圧と第２周波数ｆ２を有した第２電圧とが交互に供給される。また、第１電圧が供給される時間ｔ１と第２電圧が供給される時間ｔ２との比は、一定に維持される。
【００３７】
上記で説明されたように、水素とシランの流量、チャンバ３１０の圧力及び互いに異なる周波数を有した電圧が供給される時間の比が一定に維持されることによって、チャンバ３１０内の水素希釈比、即ち、シランの流量に対する水素の流量の比も一定に維持される。
【００３８】
このように、水素希釈比が一定に維持されるため、水素とシランとの流量の変化によるチャンバ３１０内の渦流形成が防止される。特に、大面積の光起電力装置が製造されるチャンバ３１０の場合、原料ガスによる渦流が形成される可能性が大きくなるため、水素とシランとの流量及びチャンバ３１０の圧力の維持は、大面積の光起電力装置の製造をより容易にする。
【００３９】
一方、図６に示されるように、複数の副層(sub-layers)２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が、ｐタイプ半導体層２３１上に形成される。即ち、第２周波数ｆ２より低い第１周波数ｆ１の第１電圧が供給される場合、相対的に速度が遅く蒸着される非晶質シリコンを含む第１副層２３３ａが形成される。また、第１周波数ｆ１より高い第２周波数ｆ２の第２電圧が供給される場合、相対的に速度が早く蒸着される結晶性シリコン粒子(crystalline silicon grain)を含む第２副層２３３ｂが形成される。
【００４０】
周波数が高くなるほど、プラズマの密度が高くなって蒸着速度が増加し、電子温度(electron temperature)が低くなって薄膜表面や界面のイオン損傷が減り、結晶成長が容易になる。
【００４１】
第１副層２３３ａは、非晶質シリコンを含む水素化された非晶質シリコン副層(hydrogenated amorphous silicon sub-layer)(a-Si:H)であり、第２副層２３３ｂは、結晶質シリコン粒子(crystalline silicon grain)を含む水素化されたプロト結晶質シリコン副層(hydrogenated proto-crystalline silicon sub-layer)(pc-Si:H)である。水素化されたプロト結晶質シリコンは、非晶質シリコンがマイクロ結晶質シリコンに相変化する過程で生成される。
【００４２】
このように、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成される場合、初期効率及び安定化効率の差異である劣化率が減少するため、発明の実施形態による光起電力装置は高い安定化効率を有することができる。
【００４３】
即ち、非晶質シリコンからなった第１副層２３３ａは、第２副層２３３ｂの結晶質シリコン粒子が柱状成長(columnar growth)することを妨げる。図７に示されるように、本発明の実施形態と異なり、プロト結晶質シリコン層のみから受光層がなる場合、蒸着が進行されるにしたがって、結晶質シリコン粒子Ｇの大きさが増加する結晶質シリコン粒子の柱状成長が生じる。
【００４４】
このような結晶質シリコン粒子の柱状成長は、正孔や電子のようなキャリア(carrier)の再結合率を増加させるだけでなく、不均一な大きさの結晶質シリコン粒子によって、光起電力装置の効率が安定化効率に到達する時間が増え、安定化効率も低くなる。
【００４５】
しかし、本発明の実施形態のように、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３の場合、ＳＲＯ(Short-Range-Order)及びＭＲＯ(Medium-Range-Order)が向上されるため、受光層２３３の初期劣化が早くなり、安定化効率に到達するための時間が短くなる。従って、安定化効率が高くなる。
【００４６】
第１副層２３３ａの非晶質シリコンは、結晶質シリコン粒子の柱状成長を妨げて第２副層２３３ｂの結晶質シリコン粒子の大きさを均一にするため、光起電力装置の効率が安定化効率に到逹する時間が減るだけでなく、高い安定化効率を有することができる。さらに、蒸着期間の間に、実質的に一定に維持されるチャンバ３１０内の水素希釈比も第２副層２３３ｂの結晶性シリコン粒子の大きさを一定にするため、安定化効率に到逹する時間が減り、高い安定化効率を有することができる。
【００４７】
また、第２副層２３３ｂの結晶質シリコン粒子は、非晶質シリコンによって覆われているため、互いに分離されている。分離された結晶質シリコン粒子は、捕獲されたキャリアの一部の放射性再結合の中心の役割を果たすため、未結合手の光生成を妨げ、これは結晶質シリコン粒子を囲む第２副層２３３ｂの非晶質シリコンの非放射性の再結合を減少させる。
【００４８】
一方、上記で説明されたように、本発明の実施形態では、photo-CVDの代りにプラズマ化学気相蒸着方法が用いられる。photo-CVDの場合、大面積の光起電力装置の製造に適合しないだけでなく、蒸着が進行されるほど、photo-CVDの装置の石英窓に薄膜が蒸着されて透過されるＵＶ光が減る。
【００４９】
これによって、蒸着率が漸次低くなって第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂの厚さが漸次減少する。反面に、プラズマ化学気相蒸着方法は、このようなphoto-CVD方法の短所を克服することができる。
【００５０】
図８は、本発明の実施形態によって受光層を形成するために、チャンバに供給される第１電源及び第２電源のさらに他の周波数変化を示す。
【００５１】
図８に示されたように、第１周波数ｆ１を有した電圧は、蒸着期間の間に供給しつづけ、第１周波数ｆ１より高い第２周波数ｆ２を有した電圧は、交互に供給される。これによって、蒸着期間は、第１周波数ｆ１を有した電圧が供給される時間ｔ１と、第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２を有した電圧が供給される時間ｔ２とを含む。
【００５２】
図８の周波数変化によって、電圧が供給されることで第２周波数ｆ２より低い第１周波数ｆ１の第１電圧が供給される場合、相対的に速度が遅く蒸着される非晶質シリコンを含む第１副層２３３ａが形成される。また、第１周波数ｆ１より高い第２周波数ｆ２の第２電圧が第１電圧とともに供給される場合、相対的に速度が早く蒸着される結晶性シリコン粒子(crystalline silicon grain)を含む第２副層２３３ｂが形成される。
【００５３】
このような第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂを含む受光層が形成されるため、初期効率及び安定化効率の差異である劣化率が減少するため、本発明の実施形態による光起電力装置は、高い安定化効率を有することができる。
【００５４】
図５の周波数変化にしたがって電圧が供給される場合、第１周波数ｆ１を有した第１電圧の供給開始時点と第２周波数ｆ２を有した第２電圧の供給終了時点とが適切にマッチングされなければならない。また、第１電圧の供給終了時点と第２電圧の供給開始時点も適切にマッチングされなければならない。
【００５５】
これに比べて、図８の周波数変化にしたがって電圧が供給される場合、相対的に低い第１周波数ｆ１を有した第１電圧が蒸着期間の間に供給され、第２周波数ｆ２を有した第２電圧の供給及び供給中止が、繰り返される。これによって、図５のように第１電圧及び第２電圧の供給開始時点及び供給終了時点のマッチングによる負担が軽減される。
【００５６】
本発明の実施形態で、第１周波数ｆ１は１３.５６ＭＨｚ以上であることができる。第２周波数ｆ２は、第１周波数ｆ１より高い。
【００５７】
一方、本発明の実施形態で、非晶質シリコンからなった第１副層２３３ａの厚さは、１０ｎｍ以上とすることができる。また、１回の周期Ｐの間に形成される第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂの厚さの総和は、５０ｎｍ以下とすることができ、３０ｎｍ以下の場合よりさらに望ましい。
【００５８】
このとき、３回以上の周期Ｐの間に第１副層２３３ａと第２副層２３３ｂとを含む受光層２３３の厚さ、１５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下とすることができる。
【００５９】
例えば、１回の周期Ｐの間に形成される第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂの厚さの総和は５０ｎｍの場合、３周期の間に１５０ｎｍの厚さを有し、３つの第１副層２３３ａと３つの第２副層２３３ｂとを含む受光層２３３が形成されることができる。
【００６０】
３周期未満の間に１５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の厚さである受光層２３３が形成され、非晶質シリコン層からなった第１副層２３３ａの厚さが増加しすぎる。これによって、非晶質シリコン層での再結合が増大されることで安定化効率が悪化される。
【００６１】
結晶性シリコン粒子の直径は、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることができる。直径が３ｎｍより小さい結晶性シリコン粒子は、形成が困難であるだけでなく、太陽電池の劣化率減少の効果が落ちる。また、結晶性シリコン粒子の直径が１０ｎｍより大きい場合、結晶性シリコン粒子のまわりの結晶粒界(grain boundary)の体積が過度に増加することによって、再結合も増加して効率が低下することがある。
【００６２】
このような受光層は、単一接合の光起電力装置や多重接合タンデム光起電力装置のトップセルに含まれる場合、光学的バンドギャップが１.８５ｅＶ以上２.０ｅＶ以下とすることができる。トップセルは、光起電力装置が複数の光電変化層を含む場合、光が最初に入射される光電変化層である。
【００６３】
結晶質シリコン粒子の形成によって、量子ドット(Quantum Dots)による陽子効果が発生し、これによって、本発明の実施形態による受光層２３３は、１.８５ｅＶ以上２.０ｅＶ以下の大きい光学的バンドギャップを有する。光学的バンドギャップが１.８５ｅＶ以上であれば、エネルギー密度が高い短波長領域の光を多く吸収することができる。光学的バンドギャップが２.０ｅＶより大きいと、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成されにくく、光の吸収が減って短絡電流の減少によって効率が低下することがある。
【００６４】
複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３の平均水素含量は、１５atomic％以上２５atomic％以下とすることができる。受光層２３３の平均水素含量は１５atomic％より小さいと、量子点の大きさと密度とが小さくて受光層２３３のバンドギャップも小さく、劣化率が大きくなることがある。また、受光層２３３の平均水素含量は２５atomic％より大きいと、結晶質シリコン粒子の大きさが過度に大きくなって、結晶質シリコン粒子を囲んでいる不安定な非晶質シリコンの体積も大きくなるため、劣化率が高くなることがある。
【００６５】
一方、受光層２３３の形成時、水素とシランだけでなく、酸素、炭素、またはゲルマニウムのような原料ガスがチャンバ３１０に流入されることができる。このとき、酸素、炭素、またはゲルマニウムのような原料ガスの流量は、蒸着期間の間に一定に維持されることができる。酸素、炭素、またはゲルマニウムのような原料ガスの流量が一定に維持されることによって、第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂの膜質が一定に維持されることができる。
【００６６】
酸素がチャンバ３１０に流入される場合、第１副層２３０ａ及び第２副層２３０ｂは、水素化された非晶質酸化シリコン(i-a-SiO:H)を含む。このとき、第２副層２３０ｂの結晶質シリコン粒子は、水素化された非晶質酸化シリコンによって囲まれる。酸素の流入によって複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成される場合、受光層２３３の厚さは、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、受光層２３３の平均酸素含量は０atomic％より大きく、３atomic％以下であることができ、受光層２３３の光学的バンドギャップは１.８５ｅＶ以上２.１ｅＶ以下であることができる。
【００６７】
炭素がチャンバ３１０に流入される場合、第１副層２３０ａ及び第２副層２３０ｂは、水素化された非晶質シリコンカーバイド(i-a-SiC:H)を含み、第２副層２３０ｂの結晶質シリコン粒子は、水素化された非晶質シリコンカーバイドによって囲まれる。炭素の流入によって複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成される場合、受光層２３３の厚さは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、受光層２３３の平均炭素含量は０atomic％より大きく、３atomic％以下であることができ、受光層２３３の光学的バンドギャップは１.８５ｅＶ以上２.１ｅＶ以下であることができる。
【００６８】
酸素、または炭素の流入によって形成される受光層２３３の光学的バンドギャップが１.８５ｅＶ以上であれば、エネルギー密度が高い短波長領域の光を多く吸収することができる。また、光学的バンドギャップが２.１ｅＶより大きいと、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成されにくく、光の吸収が減って短絡電流の減少によって効率が低下することがある。
【００６９】
酸素、または炭素の流入によって形成される受光層２３３の平均酸素含量、または平均炭素含量が３atomic％より大きい場合、受光層２３３の光学的バンドギャップが急激に大きくなるだけでなく、未結合手(dangling bond)の密度が急激に増加して短絡電流及びＦＦ(Fill Factor)が減少することにより、効率が低下される。
【００７０】
このように酸素、または炭素の流入によって形成される受光層２３３は、多重接合の光起電力装置のトップセルに含まれることができる。
【００７１】
ゲルマニウムがチャンバ３１０に流入される場合、第１副層２３０ａ及び第２副層２３０ｂは、水素化された非晶質シリコンゲルマニウム(i-a-SiGe:H)を含み、第２副層２３０ｂの結晶質シリコン粒子は、水素化された非晶質シリコンゲルマニウムによって囲まれる。ゲルマニウムの流入によって、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成される場合、受光層２３３の厚さは３００ｎｍ 以上１０００ｎｍ以下であり、受光層２３３の平均ゲルマニウム含量は０atomic％より大きく、２０atomic％以下であることができ、受光層２３３の光学的バンドギャップは１.３ｅＶ以上１.７ｅＶ以下であることができる。ゲルマニウムの流入によって形成される受光層２３３の光学的バンドギャップが１.３ｅＶ以上１.７ｅＶ以下であれば、受光層２３３の蒸着率が急速に減少することが防止され、未結合手の密度及び再結合が減少することによって、効率低下が防止される。
【００７２】
ゲルマニウムの流入によって形成される受光層２３３のゲルマニウム含量が、２０atomic％より大きいと、受光層２３３の蒸着率が急速に減少し、未結合手の密度の増加による再結合が増加して短絡電流、ＦＦ及び効率が低下される。
【００７３】
一方、酸素、炭素、またはゲルマニウムの流入によって受光層２３３が形成される場合、受光層２３３の平均水素含量は、１５atomic％以上２５atomic％以下であることができる。
【００７４】
このように、ゲルマニウムの流入によって形成される受光層２３３は、２つの光電変換層２３０を含む二重接合の光起電力装置のボトムセル(bottom cell)、または３つの光電変換層２３０を含む三重接合の光起電力装置のミドルセル(middle cell)に含まれることができる。
【００７５】
即ち、ゲルマニウムの流入によって形成される受光層２３３の光学的バンドギャップが１.３ｅＶ以上、１.７ｅＶ以下であるため、トップセルに使われる受光層の光学的バンドギャップは１.８５ｅＶ以上２.０ｅＶ以下より小さい。従って、トップセルで吸収することができなかった短波長以外の光を吸収するために、二重接合の光起電力装置のボトムセル(bottom cell)、または３つの光電変換層２３０を含む三重接合の光起電力装置のミドルセル(middle cell)に使われることができる。
【００７６】
一方、平均ゲルマニウム含量は、０atomic％より大きく２０atomic％以下であり、炭素、または酸素の平均含量より大きいことがあるため、蒸着速度が落ちることがある。これによって、第１周波数ｆ１は１３.５６ＭＨｚより大きい２７.１２ＭＨｚ以上であることがあり、第１周波数ｆ１が大きいと、蒸着率が向上して量子ドットの形成が円滑になることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、石油や石炭のような既存のエネルギー資源の枯渇が予測され、これらを代替する代替エネルギー源に関する関心が高まっている。その中でも太陽光エネルギーは、エネルギー資源が豊富であり、環境汚染に対する問題点がないため、特に注目されている。
【０００３】
太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接変換させる装置が、光起電力装置、即ち、太陽電池である。光起電力装置は、主に半導体接合の光起電力現象を用いる。即ち、ｐ型とｎ型の不純物でそれぞれドーピングされた半導体ｐｉｎ接合に光が入射され吸収されると、光のエネルギーが半導体内部で電子とホールとを発生させ、内部電界によって、これらが分離されることでｐｉｎ接合両端に光起電力が発生される。このとき、接合両端に電極を形成し導線を接続すると、電極及び導線を通して外部に電流が流れるようになる。
【０００４】
石油のような既存のエネルギー源を太陽光エネルギー源に代替していくためには、時間が経つに従って現れる光起電力装置の劣化率は低く、安定化効率は高くなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の光起電力装置の製造方法は、光起電力装置の劣化率を低下させ、安定化効率を高めるためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態による光起電力装置は、基板と、前記基板の上部に配置された第１電極と、前記第１電極の上部に受光層を含む少なくとも一つ以上の光電変換層と、前記光電変換層の上部に配置された第２電極とを含み、前記少なくとも一つの光電変換層に含まれた受光層は、水素化された非晶質シリコン系を含む第１副層と、結晶性シリコン粒子を含む第２副層とを含む。
【０００７】
本発明の一実施形態による光起電力装置の製造方法は、基板上に第１電極を形成するステップと、チャンバ内で前記第１電極上に、受光層を含む一つ以上の光電変換層を形成するステップと、前記光電変換層上に第２電極を形成するステップとを含み、前記受光層が形成される間、前記チャンバに流入される原料ガスの水素希釈比は一定であり、前記受光層が形成される間、前記チャンバ内のノズルが形成された電極に第１周波数を有する第１電圧と、前記第１周波数より高い第２周波数を有する第２電圧とが交互に供給されるか、または前記第１電圧が供給しつづけ前記第２電圧が交互に供給される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の光起電力装置の製造方法は、光起電力装置の劣化率を低下させ、安定化効率を高め、受光層の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による光起電力装置を示した図である。
【図２】本発明の第２実施形態による他の光起電力装置を示した図である。
【図３ａ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｂ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｃ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｄ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｅ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｆ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｇ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図３ｈ】本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示した図である。
【図４】本発明の実施形態によって、受光層を形成するためのプラズマ化学気相蒸着装置を示した図である。
【図５】本発明の実施形態によって、受光層を形成するためにチャンバに供給される第１電源及び第２電源の周波数変化を示した図である。
【図６】本発明の実施形態に含まれた複数の副層を含む受光層を示した図である。
【図７】プロト結晶質シリコン層からなった受光層を示した図である。
【図８】本発明の実施形態によって、受光層を形成するために、チャンバに供給される第１電源及び第２電源のさらに他の周波数変化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の第１実施形態による光起電力装置を示した図である。
【００１１】
図示されるように、光起電力装置は、基板１００と第１及び第２電極２１０、２５０と光電変換層２３０と保護層３００とを含む。
【００１２】
具体的に、基板１００上に第１電極２１０が配置される。第１電極２１０は、隣接した第１電極間に電気的に短絡されないように、一定間隔で離隔される。光電変換層２３０は、第１電極間の一定間隔で離隔された領域を覆うように、第１電極２１０の上部に配置される。第２電極２５０は、光電変換層２３０の上部に配置され、第２電極２５０は隣接した第２電極間に電気的に短絡されないように、一定間隔で離隔される。このとき、第２電極２５０は、第１電極２１０と直列接続されるように、光電変換層２３０を貫通して電気的に接続される。保護層３００は、第２電極間に離隔された領域と光電変換層間に離隔された領域とを覆うように、第２電極の上部に配置される。
【００１３】
光電変換層２３０は、ｐタイプ半導体層２３１と受光層２３３とnタイプ半導体層２３５とを含む。受光層２３３は、第１副層２３３ａと第１副層２３３ａ上に積層された第２副層２３３ｂとを含み、第１副層２３３ａは、水素化された非晶質シリコン系を含み、第２副層２３３ｂは、結晶性シリコン粒子を含む。
【００１４】
図２は、本発明の第２実施形態による他の光起電力装置を示した図である。
【００１５】
図２の光起電力装置については、図１に示された光起電力装置とほとんど類似しているため、同一の構造に対しては省略することにする。図２で、光電変換層２３０は、第１光電変換層２３０−１と第１光電変換層の上部に配置された第２光電変換層２３０−２とを含み、第１光電変換層及び第２光電変換層は、ｐタイプ半導体層２３１−１、２３１−２と受光層２３３−１、２３３−２とnタイプ半導体層２３５−１、２３５−２とを含む。
【００１６】
受光層２３３−１、２３３−２は、第１副層２３３−１ａ、２３３−２ａと第１副層の上部に積層された第２副層２３３−１ｂ、２３３−２ｂからなる。このとき、第１光電変換層２３０−１に含まれた受光層２３３−１は、水素化された非晶質シリコン系を含む第１副層２３３−１ａと、結晶質シリコン粒子を含む第２副層２３３−１ｂとを含む。第２光電変換層２３０−２に含まれた受光層２３３−２は、水素化されたマイクロ結晶質シリコンゲルマニウムを含む第１副層２３３−２ａと、水素化されたマイクロ結晶質シリコンを含む第２副層２３３−２ｂとを含む。
【００１７】
本実施形態では、光電変換層を２つに限定したが、３つ以上を含むことができ、３つの光電変換層のうち、光が入射される側面から遠く離れた２番目、或いは３番目の光電変換層は、水素化されたマイクロ結晶質シリコンゲルマニウムを含む第１副層と、水素化されたマイクロ結晶質シリコンを含む第２副層とを有する受光層を含むことができる。
【００１８】
このような第１及び第２実施形態による光起電力装置については、以下に説明する光起電力装置の製造方法でさらに詳しく説明することにする。
【００１９】
図３ａ乃至図３ｈは、本発明の実施形態による光起電力装置の製造方法を示す。
【００２０】
図３ａに示されるように、まず、基板１００が用意される。基板１００は、絶縁性透明基板１００であることができる。
【００２１】
図３ｂに示されたように、基板１００上に第１電極２１０が形成される。本発明の実施形態で、第１電極２１０は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成されることができ、酸化錫(ＳｎＯ２)や酸化亜鉛(ＺｎＯ)のような透明伝導性酸化物(ＴＣＯ:Transparent Conductive Oxide)からなることができる。
【００２２】
図３ｃに示されるように、レーザーが第１電極２１０側や基板１００側に照射され第１電極２１０がスクライブ(scribe)される。これによって、第１電極２１０に第１分離溝２２０が形成される。即ち、第１分離溝２２０は、第１電極２１０を貫通するため、隣接した第１電極２１０の間の短絡が防止される。
【００２３】
図３ｄに示されるように、第１電極２１０と第１分離溝２２０とを覆うように、受光層を含む一つ以上の光電変換層２３０がCVD法で積層される。このとき、各光電変換層２３０は、ｐタイプ半導体層と受光層とnタイプ半導体層とを含む。ｐタイプ半導体層の形成のために、モノシラン(ＳｉＨ４)のようにシリコンを含む原料ガスと、Ｂ２Ｈ６のように３族元素を含む原料ガスとが反応室に混入されると、CVD法によってｐタイプ半導体層が積層される。その後、シリコンを含む原料ガスが反応室に流入されると、CVD法によって受光層がｐタイプ半導体層上に形成される。受光層の形成方法については、以下に詳しく説明される。最後に、ＰＨ３のように５族元素を含む反応ガスとシリコンを含む原料ガスとが混入されると、CVD法によってnタイプ半導体層が真性半導体層上に積層される。これによって、第１電極２１０上にｐタイプ半導体層と受光層とnタイプ半導体層とが順次に積層される。
【００２４】
本発明の実施形態による受光層は、一つの光電変換層２３０を含む単一接合の光起電力装置に含まれるか、複数の光電変換層を含む多重接合の光起電力装置に含まれることができる。
【００２５】
図３ｅに示されるように、大気中でレーザーが基板１００側や光電変換層２３０側に照射され光電変換層２３０がスクライブされる。これによって、光電変換層２３０に第２分離溝２４０が形成される。
【００２６】
図３ｆに示されるように、CVDやスパッタリング方法で光電変換層２３０及び第２分離溝２４０を覆う第２電極２５０が形成される。第２電極２５０は、ＡｌやＡｇのような金属電極であることができる。
【００２７】
図３ｇに示されるように、大気中でレーザーが照射され光電変換層２３０及び第２電極２５０がスクライブされる。これによって、光電変換層２３０及び第２電極２５０に対して第３分離溝２７０が形成される。
【００２８】
図３ｈに示されるように、光電変換層２３０と第１電極２１０と第２電極２５０とを含む光起電力セル２００を保護するために、保護層３００がラミネーション工法によって光起電力セル２００の一部、または全部を覆う。保護層３００は、ＥＶＡ(Ethylene Vinyl Acetate)を含むことができる。
【００２９】
このような工程を通して保護層３００が形成された光起電力セル２００が用意され、保護層上にはバックシート(図示しない)が形成されることができる。
【００３０】
次に、図面を参照して受光層の製造方法が詳しく説明される。
【００３１】
図４は、本発明の実施形態によって、受光層を形成するためのプラズマ化学気相蒸着装置を示す。図４に示されたように、第１電極２１０及びｐタイプ半導体層２３１が形成された基板１００が、電極の役割を果たすプレート３００上に位置する。
【００３２】
また、受光層の形成工程以前にチャンバ３１０内部の不純物を除去するために、真空ポンプ３２０が動作し、これによって、アングルバルブ３３０を通してチャンバ３１０内部の不純物が除去され、チャンバ３１０内部は、実質的に真空状態になる。
【００３３】
チャンバ３１０内部が実質的に真空状態になると、水素(Ｈ２)及びシランのような原料ガスが、流量調節機ＭＦＣ１、ＭＦＣ２、及びノズルが形成された電極３４０を通してチャンバ３１０内に流入される。例えば、第１流量調節機ＭＦＣ１を通して水素が流入され、第２流量調節機(ＭＦＣ２)を通してシランが流入されることができる。水素は、シランの希釈のために流入され、ステーブラーロンスキー効果(Staebler-Wronski effect)を減少させる。
【００３４】
このとき、第１流量調節機ＭＦＣ１及び第２流量調節機ＭＦＣ２は、水素及びシランの流量が一定に維持されるように制御され、アングルバルブ３３０もチャンバ３１０の圧力が一定に維持されるように制御される。
【００３５】
一方、原料ガスが流入され、第１電源Ｅ１及び第２電源Ｅ２がそれぞれ第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２を有した電圧を供給すると、電極３４０とプレート３００との間に電位差が発生する。これによって、原料ガスはプラズマ状態になり受光層がｐタイプ半導体層２３１上に蒸着される。
【００３６】
図５は、本発明の実施形態によって受光層を形成するために、チャンバ３１０に供給される第１電源Ｅ１及び第２電源Ｅ２の周波数の変化を示す。第１電源Ｅ１は、第１周波数ｆ１を有した第１電圧を供給し、第２電源Ｅ２は、第２周波数ｆ２を有した第２電圧を供給する。このとき、図５に示されるように、第１周波数ｆ１を有した第１電圧と第２周波数ｆ２を有した第２電圧とが交互に供給される。また、第１電圧が供給される時間ｔ１と第２電圧が供給される時間ｔ２との比は、一定に維持される。
【００３７】
上記で説明されたように、水素とシランの流量、チャンバ３１０の圧力及び互いに異なる周波数を有した電圧が供給される時間の比が一定に維持されることによって、チャンバ３１０内の水素希釈比、即ち、シランの流量に対する水素の流量の比も一定に維持される。
【００３８】
このように、水素希釈比が一定に維持されるため、水素とシランとの流量の変化によるチャンバ３１０内の渦流形成が防止される。特に、大面積の光起電力装置が製造されるチャンバ３１０の場合、原料ガスによる渦流が形成される可能性が大きくなるため、水素とシランとの流量及びチャンバ３１０の圧力の維持は、大面積の光起電力装置の製造をより容易にする。
【００３９】
一方、図６に示されるように、複数の副層(sub-layers)２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が、ｐタイプ半導体層２３１上に形成される。即ち、第２周波数ｆ２より低い第１周波数ｆ１の第１電圧が供給される場合、相対的に速度が遅く蒸着される非晶質シリコンを含む第１副層２３３ａが形成される。また、第１周波数ｆ１より高い第２周波数ｆ２の第２電圧が供給される場合、相対的に速度が早く蒸着される結晶性シリコン粒子(crystalline silicon grain)を含む第２副層２３３ｂが形成される。
【００４０】
周波数が高くなるほど、プラズマの密度が高くなって蒸着速度が増加し、電子温度(electron temperature)が低くなって薄膜表面や界面のイオン損傷が減り、結晶成長が容易になる。
【００４１】
第１副層２３３ａは、非晶質シリコンを含む水素化された非晶質シリコン副層(hydrogenated amorphous silicon sub-layer)(a-Si:H)であり、第２副層２３３ｂは、結晶質シリコン粒子(crystalline silicon grain)を含む水素化されたプロト結晶質シリコン副層(hydrogenated proto-crystalline silicon sub-layer)(pc-Si:H)である。水素化されたプロト結晶質シリコンは、非晶質シリコンがマイクロ結晶質シリコンに相変化する過程で生成される。
【００４２】
このように、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成される場合、初期効率及び安定化効率の差異である劣化率が減少するため、発明の実施形態による光起電力装置は高い安定化効率を有することができる。
【００４３】
即ち、非晶質シリコンからなった第１副層２３３ａは、第２副層２３３ｂの結晶質シリコン粒子が柱状成長(columnar growth)することを妨げる。図７に示されるように、本発明の実施形態と異なり、プロト結晶質シリコン層のみから受光層がなる場合、蒸着が進行されるにしたがって、結晶質シリコン粒子Ｇの大きさが増加する結晶質シリコン粒子の柱状成長が生じる。
【００４４】
このような結晶質シリコン粒子の柱状成長は、正孔や電子のようなキャリア(carrier)の再結合率を増加させるだけでなく、不均一な大きさの結晶質シリコン粒子によって、光起電力装置の効率が安定化効率に到達する時間が増え、安定化効率も低くなる。
【００４５】
しかし、本発明の実施形態のように、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３の場合、ＳＲＯ(Short-Range-Order)及びＭＲＯ(Medium-Range-Order)が向上されるため、受光層２３３の初期劣化が早くなり、安定化効率に到達するための時間が短くなる。従って、安定化効率が高くなる。
【００４６】
第１副層２３３ａの非晶質シリコンは、結晶質シリコン粒子の柱状成長を妨げて第２副層２３３ｂの結晶質シリコン粒子の大きさを均一にするため、光起電力装置の効率が安定化効率に到逹する時間が減るだけでなく、高い安定化効率を有することができる。さらに、蒸着期間の間に、実質的に一定に維持されるチャンバ３１０内の水素希釈比も第２副層２３３ｂの結晶性シリコン粒子の大きさを一定にするため、安定化効率に到逹する時間が減り、高い安定化効率を有することができる。
【００４７】
また、第２副層２３３ｂの結晶質シリコン粒子は、非晶質シリコンによって覆われているため、互いに分離されている。分離された結晶質シリコン粒子は、捕獲されたキャリアの一部の放射性再結合の中心の役割を果たすため、未結合手の光生成を妨げ、これは結晶質シリコン粒子を囲む第２副層２３３ｂの非晶質シリコンの非放射性の再結合を減少させる。
【００４８】
一方、上記で説明されたように、本発明の実施形態では、photo-CVDの代りにプラズマ化学気相蒸着方法が用いられる。photo-CVDの場合、大面積の光起電力装置の製造に適合しないだけでなく、蒸着が進行されるほど、photo-CVDの装置の石英窓に薄膜が蒸着されて透過されるＵＶ光が減る。
【００４９】
これによって、蒸着率が漸次低くなって第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂの厚さが漸次減少する。反面に、プラズマ化学気相蒸着方法は、このようなphoto-CVD方法の短所を克服することができる。
【００５０】
図８は、本発明の実施形態によって受光層を形成するために、チャンバに供給される第１電源及び第２電源のさらに他の周波数変化を示す。
【００５１】
図８に示されたように、第１周波数ｆ１を有した電圧は、蒸着期間の間に供給しつづけ、第１周波数ｆ１より高い第２周波数ｆ２を有した電圧は、交互に供給される。これによって、蒸着期間は、第１周波数ｆ１を有した電圧が供給される時間ｔ１と、第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２を有した電圧が供給される時間ｔ２とを含む。
【００５２】
図８の周波数変化によって、電圧が供給されることで第２周波数ｆ２より低い第１周波数ｆ１の第１電圧が供給される場合、相対的に速度が遅く蒸着される非晶質シリコンを含む第１副層２３３ａが形成される。また、第１周波数ｆ１より高い第２周波数ｆ２の第２電圧が第１電圧とともに供給される場合、相対的に速度が早く蒸着される結晶性シリコン粒子(crystalline silicon grain)を含む第２副層２３３ｂが形成される。
【００５３】
このような第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂを含む受光層が形成されるため、初期効率及び安定化効率の差異である劣化率が減少するため、本発明の実施形態による光起電力装置は、高い安定化効率を有することができる。
【００５４】
図５の周波数変化にしたがって電圧が供給される場合、第１周波数ｆ１を有した第１電圧の供給開始時点と第２周波数ｆ２を有した第２電圧の供給終了時点とが適切にマッチングされなければならない。また、第１電圧の供給終了時点と第２電圧の供給開始時点も適切にマッチングされなければならない。
【００５５】
これに比べて、図８の周波数変化にしたがって電圧が供給される場合、相対的に低い第１周波数ｆ１を有した第１電圧が蒸着期間の間に供給され、第２周波数ｆ２を有した第２電圧の供給及び供給中止が、繰り返される。これによって、図５のように第１電圧及び第２電圧の供給開始時点及び供給終了時点のマッチングによる負担が軽減される。
【００５６】
本発明の実施形態で、第１周波数ｆ１は１３.５６ＭＨｚ以上であることができる。第２周波数ｆ２は、第１周波数ｆ１より高い。
【００５７】
一方、本発明の実施形態で、非晶質シリコンからなった第１副層２３３ａの厚さは、１０ｎｍ以上とすることができる。また、１回の周期Ｐの間に形成される第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂの厚さの総和は、５０ｎｍ以下とすることができ、３０ｎｍ以下の場合よりさらに望ましい。
【００５８】
このとき、３回以上の周期Ｐの間に第１副層２３３ａと第２副層２３３ｂとを含む受光層２３３の厚さ、１５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下とすることができる。
【００５９】
例えば、１回の周期Ｐの間に形成される第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂの厚さの総和は５０ｎｍの場合、３周期の間に１５０ｎｍの厚さを有し、３つの第１副層２３３ａと３つの第２副層２３３ｂとを含む受光層２３３が形成されることができる。
【００６０】
３周期未満の間に１５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の厚さである受光層２３３が形成され、非晶質シリコン層からなった第１副層２３３ａの厚さが増加しすぎる。これによって、非晶質シリコン層での再結合が増大されることで安定化効率が悪化される。
【００６１】
結晶性シリコン粒子の直径は、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることができる。直径が３ｎｍより小さい結晶性シリコン粒子は、形成が困難であるだけでなく、太陽電池の劣化率減少の効果が落ちる。また、結晶性シリコン粒子の直径が１０ｎｍより大きい場合、結晶性シリコン粒子のまわりの結晶粒界(grain boundary)の体積が過度に増加することによって、再結合も増加して効率が低下することがある。
【００６２】
このような受光層は、単一接合の光起電力装置や多重接合タンデム光起電力装置のトップセルに含まれる場合、光学的バンドギャップが１.８５ｅＶ以上２.０ｅＶ以下とすることができる。トップセルは、光起電力装置が複数の光電変化層を含む場合、光が最初に入射される光電変化層である。
【００６３】
結晶質シリコン粒子の形成によって、量子ドット(Quantum Dots)による陽子効果が発生し、これによって、本発明の実施形態による受光層２３３は、１.８５ｅＶ以上２.０ｅＶ以下の大きい光学的バンドギャップを有する。光学的バンドギャップが１.８５ｅＶ以上であれば、エネルギー密度が高い短波長領域の光を多く吸収することができる。光学的バンドギャップが２.０ｅＶより大きいと、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成されにくく、光の吸収が減って短絡電流の減少によって効率が低下することがある。
【００６４】
複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３の平均水素含量は、１５atomic％以上２５atomic％以下とすることができる。受光層２３３の平均水素含量は１５atomic％より小さいと、量子点の大きさと密度とが小さくて受光層２３３のバンドギャップも小さく、劣化率が大きくなることがある。また、受光層２３３の平均水素含量は２５atomic％より大きいと、結晶質シリコン粒子の大きさが過度に大きくなって、結晶質シリコン粒子を囲んでいる不安定な非晶質シリコンの体積も大きくなるため、劣化率が高くなることがある。
【００６５】
一方、受光層２３３の形成時、水素とシランだけでなく、酸素、炭素、またはゲルマニウムのような原料ガスがチャンバ３１０に流入されることができる。このとき、酸素、炭素、またはゲルマニウムのような原料ガスの流量は、蒸着期間の間に一定に維持されることができる。酸素、炭素、またはゲルマニウムのような原料ガスの流量が一定に維持されることによって、第１副層２３３ａ及び第２副層２３３ｂの膜質が一定に維持されることができる。
【００６６】
酸素がチャンバ３１０に流入される場合、第１副層２３０ａ及び第２副層２３０ｂは、水素化された非晶質酸化シリコン(i-a-SiO:H)を含む。このとき、第２副層２３０ｂの結晶質シリコン粒子は、水素化された非晶質酸化シリコンによって囲まれる。酸素の流入によって複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成される場合、受光層２３３の厚さは、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、受光層２３３の平均酸素含量は０atomic％より大きく、３atomic％以下であることができ、受光層２３３の光学的バンドギャップは１.８５ｅＶ以上２.１ｅＶ以下であることができる。
【００６７】
炭素がチャンバ３１０に流入される場合、第１副層２３０ａ及び第２副層２３０ｂは、水素化された非晶質シリコンカーバイド(i-a-SiC:H)を含み、第２副層２３０ｂの結晶質シリコン粒子は、水素化された非晶質シリコンカーバイドによって囲まれる。炭素の流入によって複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成される場合、受光層２３３の厚さは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、受光層２３３の平均炭素含量は０atomic％より大きく、３atomic％以下であることができ、受光層２３３の光学的バンドギャップは１.８５ｅＶ以上２.１ｅＶ以下であることができる。
【００６８】
酸素、または炭素の流入によって形成される受光層２３３の光学的バンドギャップが１.８５ｅＶ以上であれば、エネルギー密度が高い短波長領域の光を多く吸収することができる。また、光学的バンドギャップが２.１ｅＶより大きいと、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成されにくく、光の吸収が減って短絡電流の減少によって効率が低下することがある。
【００６９】
酸素、または炭素の流入によって形成される受光層２３３の平均酸素含量、または平均炭素含量が３atomic％より大きい場合、受光層２３３の光学的バンドギャップが急激に大きくなるだけでなく、未結合手(dangling bond)の密度が急激に増加して短絡電流及びＦＦ(Fill Factor)が減少することにより、効率が低下される。
【００７０】
このように酸素、または炭素の流入によって形成される受光層２３３は、多重接合の光起電力装置のトップセルに含まれることができる。
【００７１】
ゲルマニウムがチャンバ３１０に流入される場合、第１副層２３０ａ及び第２副層２３０ｂは、水素化された非晶質シリコンゲルマニウム(i-a-SiGe:H)を含み、第２副層２３０ｂの結晶質シリコン粒子は、水素化された非晶質シリコンゲルマニウムによって囲まれる。ゲルマニウムの流入によって、複数の副層２３３ａ、２３３ｂを含む受光層２３３が形成される場合、受光層２３３の厚さは３００ｎｍ 以上１０００ｎｍ以下であり、受光層２３３の平均ゲルマニウム含量は０atomic％より大きく、２０atomic％以下であることができ、受光層２３３の光学的バンドギャップは１.３ｅＶ以上１.７ｅＶ以下であることができる。ゲルマニウムの流入によって形成される受光層２３３の光学的バンドギャップが１.３ｅＶ以上１.７ｅＶ以下であれば、受光層２３３の蒸着率が急速に減少することが防止され、未結合手の密度及び再結合が減少することによって、効率低下が防止される。
【００７２】
ゲルマニウムの流入によって形成される受光層２３３のゲルマニウム含量が、２０atomic％より大きいと、受光層２３３の蒸着率が急速に減少し、未結合手の密度の増加による再結合が増加して短絡電流、ＦＦ及び効率が低下される。
【００７３】
一方、酸素、炭素、またはゲルマニウムの流入によって受光層２３３が形成される場合、受光層２３３の平均水素含量は、１５atomic％以上２５atomic％以下であることができる。
【００７４】
このように、ゲルマニウムの流入によって形成される受光層２３３は、２つの光電変換層２３０を含む二重接合の光起電力装置のボトムセル(bottom cell)、または３つの光電変換層２３０を含む三重接合の光起電力装置のミドルセル(middle cell)に含まれることができる。
【００７５】
即ち、ゲルマニウムの流入によって形成される受光層２３３の光学的バンドギャップが１.３ｅＶ以上、１.７ｅＶ以下であるため、トップセルに使われる受光層の光学的バンドギャップは１.８５ｅＶ以上２.０ｅＶ以下より小さい。従って、トップセルで吸収することができなかった短波長以外の光を吸収するために、二重接合の光起電力装置のボトムセル(bottom cell)、または３つの光電変換層２３０を含む三重接合の光起電力装置のミドルセル(middle cell)に使われることができる。
【００７６】
一方、平均ゲルマニウム含量は、０atomic％より大きく２０atomic％以下であり、炭素、または酸素の平均含量より大きいことがあるため、蒸着速度が落ちることがある。これによって、第１周波数ｆ１は１３.５６ＭＨｚより大きい２７.１２ＭＨｚ以上であることがあり、第１周波数ｆ１が大きいと、蒸着率が向上して量子ドットの形成が円滑になることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上部に配置された第１電極と、
前記第１電極の上部に受光層を含む少なくとも一つ以上の光電変換層と、
前記光電変換層の上部に配置された第２電極と、を含み、
前記少なくとも一つの光電変換層に含まれた受光層は、水素化された非晶質シリコン系を含む第１副層と、結晶性シリコン粒子を含む第２副層と、を含む光起電力装置。
【請求項２】
前記結晶性シリコン粒子の直径は、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記受光層の平均水素含量は、１５atomic％以上２５atomic％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項４】
基板上に第１電極を形成するステップと、
チャンバ内で前記第１電極上に、受光層を含む一つ以上の光電変換層を形成するステップと、
前記光電変換層上に第２電極を形成するステップと、を含み、
前記受光層が形成される間、前記チャンバに流入される原料ガスの水素希釈比は一定であり、
前記受光層が形成される間、前記チャンバ内のノズルが形成された電極に第１周波数を有した第１電圧と、前記第１周波数より高い第２周波数を有した第２電圧とが交互に供給されることを特徴とする、光起電力装置の製造方法。
【請求項５】
基板上に第１電極を形成するステップと、
チャンバ内で前記第１電極上に、受光層を含む一つ以上の光電変換層を形成するステップと、
前記光電変換層上に第２電極を形成するステップと、を含み、
前記受光層が形成される間、前記チャンバに流入される水素及びシランの流量は一定であり、
前記受光層が形成される間、前記チャンバ内のノズルが形成された電極に第１周波数を有した第１電圧が供給されつづけ、前記第１周波数より高い第２周波数を有した第２電圧が交互に供給されることを特徴とする、光起電力装置の製造方法。
【請求項６】
前記受光層が形成される間に、前記チャンバの圧力は一定であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１電圧及び前記第２電圧が供給される時間の比が、一定に維持されることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１電圧が供給される場合、非晶質シリコンを含む第１副層が形成され、
前記第２電圧が供給される場合、結晶性シリコン粒子を含む第２副層が形成されることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１周波数は、１３.５６ＭＨｚ以上であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１０】
前記受光層の厚さは、１５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１１】
前記受光層は、前記第１電圧が供給される間に形成される第１副層と、前記第２電圧が供給される間に形成される第２副層と、を含み、
前記第１副層の厚さは、１０ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１２】
前記受光層は、前記第１電圧が供給される間に形成される第１副層と、前記第２電圧が供給される間に形成される結晶性シリコン粒子を含む第２副層と、を含み、
前記結晶性シリコン粒子の直径は、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１３】
前記受光層は、前記第１電圧が供給される間に形成される第１副層と、前記第２電圧が供給される間に形成される第２副層と、を含み、
１回の周期の間に形成される前記第１副層及び前記第２副層の厚さは、５０ｎｍ 以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１４】
前記受光層は、光学的バンドギャップが１.８５ｅＶ以上２.０ｅＶ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１５】
前記受光層の形成時、酸素、炭素、またはゲルマニウムが前記チャンバに流入されることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１６】
前記受光層の形成時、酸素、炭素、またはゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記酸素、炭素、またはゲルマニウムの流量は、蒸着期間の間に一定に維持されることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１７】
前記受光層の形成時、酸素、炭素、またはゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記受光層は、前記複数の光電変換層のうち、光が最初に入射される光電変換層に含まれることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１８】
前記受光層の平均水素含量は、１５atomic％以上２５atomic％以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１９】
前記受光層の形成時、酸素、炭素、またはゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記受光層の平均水素含量は、１５atomic％以上、２５atomic％以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２０】
前記受光層の形成時、酸素、または炭素が前記チャンバに流入され、
前記受光層の平均酸素含量、または平均炭素含量は、０atomic％より大きく、３atomic％以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２１】
前記受光層の形成時、酸素、または炭素が前記チャンバに流入され、
前記受光層の光学的バンドギャップは、１.８５ｅＶ以上２.１ｅＶ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２２】
前記受光層の形成時、ゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記受光層の平均ゲルマニウム含量は、０atomic％より大きく、２０atomic％以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２３】
前記受光層の形成時、ゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記受光層の光学的バンドギャップが、１.３ｅＶ以上１.７ｅＶ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２４】
前記受光層の形成時、ゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記第１周波数は、２７.１２ＭＨｚ以上であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板の上部に配置された第１電極と、
前記第１電極の上部に受光層を含む少なくとも一つ以上の光電変換層と、
前記光電変換層の上部に配置された第２電極と、を含み、
前記少なくとも一つの光電変換層に含まれた受光層は、水素化された非晶質シリコン系を含む第１副層と、結晶性シリコン粒子を含む第２副層と、を含む光起電力装置。
【請求項２】
前記結晶性シリコン粒子の直径は、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記受光層の平均水素含量は、１５atomic％以上２５atomic％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項４】
基板上に第１電極を形成するステップと、
チャンバ内で前記第１電極上に、受光層を含む一つ以上の光電変換層を形成するステップと、
前記光電変換層上に第２電極を形成するステップと、を含み、
前記受光層が形成される間、前記チャンバに流入される原料ガスの水素希釈比は一定であり、
前記受光層が形成される間、前記チャンバ内のノズルが形成された電極に第１周波数を有した第１電圧と、前記第１周波数より高い第２周波数を有した第２電圧とが交互に供給されることを特徴とする、光起電力装置の製造方法。
【請求項５】
基板上に第１電極を形成するステップと、
チャンバ内で前記第１電極上に、受光層を含む一つ以上の光電変換層を形成するステップと、
前記光電変換層上に第２電極を形成するステップと、を含み、
前記受光層が形成される間、前記チャンバに流入される水素及びシランの流量は一定であり、
前記受光層が形成される間、前記チャンバ内のノズルが形成された電極に第１周波数を有した第１電圧が供給されつづけ、前記第１周波数より高い第２周波数を有した第２電圧が交互に供給されることを特徴とする、光起電力装置の製造方法。
【請求項６】
前記受光層が形成される間に、前記チャンバの圧力は一定であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１電圧及び前記第２電圧が供給される時間の比が、一定に維持されることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１電圧が供給される場合、非晶質シリコンを含む第１副層が形成され、
前記第２電圧が供給される場合、結晶性シリコン粒子を含む第２副層が形成されることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１周波数は、１３.５６ＭＨｚ以上であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１０】
前記受光層の厚さは、１５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１１】
前記受光層は、前記第１電圧が供給される間に形成される第１副層と、前記第２電圧が供給される間に形成される第２副層と、を含み、
前記第１副層の厚さは、１０ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１２】
前記受光層は、前記第１電圧が供給される間に形成される第１副層と、前記第２電圧が供給される間に形成される結晶性シリコン粒子を含む第２副層と、を含み、
前記結晶性シリコン粒子の直径は、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１３】
前記受光層は、前記第１電圧が供給される間に形成される第１副層と、前記第２電圧が供給される間に形成される第２副層と、を含み、
１回の周期の間に形成される前記第１副層及び前記第２副層の厚さは、５０ｎｍ 以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１４】
前記受光層は、光学的バンドギャップが１.８５ｅＶ以上２.０ｅＶ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１５】
前記受光層の形成時、酸素、炭素、またはゲルマニウムが前記チャンバに流入されることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１６】
前記受光層の形成時、酸素、炭素、またはゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記酸素、炭素、またはゲルマニウムの流量は、蒸着期間の間に一定に維持されることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１７】
前記受光層の形成時、酸素、炭素、またはゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記受光層は、前記複数の光電変換層のうち、光が最初に入射される光電変換層に含まれることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１８】
前記受光層の平均水素含量は、１５atomic％以上２５atomic％以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項１９】
前記受光層の形成時、酸素、炭素、またはゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記受光層の平均水素含量は、１５atomic％以上、２５atomic％以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２０】
前記受光層の形成時、酸素、または炭素が前記チャンバに流入され、
前記受光層の平均酸素含量、または平均炭素含量は、０atomic％より大きく、３atomic％以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２１】
前記受光層の形成時、酸素、または炭素が前記チャンバに流入され、
前記受光層の光学的バンドギャップは、１.８５ｅＶ以上２.１ｅＶ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２２】
前記受光層の形成時、ゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記受光層の平均ゲルマニウム含量は、０atomic％より大きく、２０atomic％以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２３】
前記受光層の形成時、ゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記受光層の光学的バンドギャップが、１.３ｅＶ以上１.７ｅＶ以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項２４】
前記受光層の形成時、ゲルマニウムが前記チャンバに流入され、
前記第１周波数は、２７.１２ＭＨｚ以上であることを特徴とする、請求項４または５に記載の光起電力装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図３ｅ】
【図３ｆ】
【図３ｇ】
【図３ｈ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図３ｅ】
【図３ｆ】
【図３ｇ】
【図３ｈ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２８７８８０（Ｐ２０１０−２８７８８０Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９９６４３（Ｐ２０１０−９９６４３）
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【出願人】（５１０１１４７８９）韓国鉄鋼株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【出願人】（５１０１１４７８９）韓国鉄鋼株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]