KR20130121103A - 갈륨 아르제나이드 광흡수층을 지닌 고효율 태양 전지 소자 - Google Patents

갈륨 아르제나이드 광흡수층을 지닌 고효율 태양 전지 소자 Download PDF

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카우살 케이. 싱
로버트 잔 비세
스리칸트 라오
바스카 쿠마르
클레어 제이. 카말트
란가 라오 아르네팔리
옴카람 나라마수
과라브 사라프
크리스토퍼 에스. 블랙맨
산자얀 사아시얌
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 구체예는 용액 기반 전구체로부터 도핑된 갈륨 아르제나이드 기반 (GaAs) 층을 형성시키는 방법을 제공한다. 용액 기반 전구체로부터 형성된 도핑된 갈륨 아르제나이드 기반 (GaAs) 층은 태양 전지 소자가 광 흡수 및 변환 효율을 개선시키는데 도움을 줄 수 있다. 일 구체예에서, 태양 전지 소자를 형성시키는 방법은 기판의 표면 위에 제 1 타입의 도펀트가 도핑된 제 1 층을 형성시키는 단계, 상기 제 1 층 상에 GaAs 기반 층을 형성시키는 단계, 및 상기 GaAs 기반 층 상에 제 2 타입의 도펀트가 도핑된 제 2 층을 형성시키는 단계를 포함한다.

Description

갈륨 아르제나이드 광흡수층을 지닌 고효율 태양 전지 소자 {HIGH EFFICIENCY SOLAR CELL DEVICE WITH GALLIUM ARSENIDE ABSORBER LAYER}
본 발명의 구체예는 일반적으로 태양 전지 및 이를 형성시키는 방법에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명의 구체예는 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 복사(solar radiation) 및 다른 광을 사용 가능한 전기 에너지로 변환시킨다. 에너지 변환은 광기전 효과(photovoltaic effect)의 결과로서 일어난다. 태양 전지는 결정질 물질로부터 또는 비정질 또는 미세결정질 물질로부터 형성될 수 있다. 일반적으로, 오늘날 대량으로 생산되는 두 가지 주요 타입의 태양 전지, 즉 결정질 실리콘 태양 전지 및 박막 태양 전지가 존재한다. 결정질 실리콘 태양 전지는 통상적으로 단일-결정질 기판(즉, 순수한 실리콘의 단결정 기판) 또는 다중-결정질 실리콘 기판(즉, 다결정질 또는 폴리실리콘) 중 어느 하나를 사용한다. 추가 막 층은 광 포획(light capture)을 개선시키고 전기 회로를 형성시키고 장치를 보호하기 위해 실리콘 기판 상에 증착된다. 적합한 기판은 유리, 금속, 및 폴리머 기판을 포함한다. 박막 태양 전지의 성질이 광에 노출 시에 시간에 따라 저하된다는 것을 발견하였는데, 이는 장치 안정성을 요망되는 수준 보다 낮아지게 할 수 있다. 저하될 수 있는 통상적인 태양 전지 성질들에는 충전율(FF), 단락 전류, 및 개방 회로 전압(Voc)이 있다.
박막 실리콘 태양 전지는 비정질-미세결정질 실리콘 광흡수층의 낮은 비용의 대면적 증착으로 인하여, 상당한 시장 점유율을 차지하고 있다. 박막 태양 전지는 하나 이상의 p-n 접합부(p-n junction)를 형성시키기 위해 적합한 기판 상에 증착된 얇은 물질 층을 사용한다. 일반적으로, 상이한 물질 층들은 태양 전지에서 상이한 기능을 수행한다. 일부 물질 층들은 보다 긴 전류 발생을 위하여 태양 전지에서 광을 보유하는데 도움을 주기 위해 기판 상에 형성된 태양 전지에서 광을 반사시키고 산란시키도록 구성된다. 일부 경우에서, 일부 물질 층들은 높은 빛 가둠 효과(light-trapping effect)를 가질 수 있는 광흡수층으로서 제공될 수 있다. 빛 가둠 효과는 고전류를 발생시키기 위해 광흡수층에서 광을 흡수한다. 일반적으로, 광흡수층은 광자가 태양 전지 전극에 도달하고 광전류를 발생시키기 전에 광자를 최소한의 재결합(minimum recombination)으로 흡수시키도록 구성된다. 그러나, 일부 광흡수층은 종종 고밀도의 재결합 사이트에 결함이 있는데, 이는 태양 장치의 효율에 대해 상당한 악 영향을 미친다.
이에 따라, 태양 전지의 변환 효율을 개선시키기 위해서 전자-정공 쌍(electron-hope pair)의 최소한의 재결합을 갖는 개선된 박막 태양 전지 및 박막 태양 전지를 형성시키기 위한 방법 및 장치가 필요로 한다.
발명의 요약
본 발명의 구체예는 용액 기반 전구체로부터 도펀트를 지니거나 지니지 않는 갈륨 아르제나이드 기반 (GaAs) 층을 형성시키는 방법을 제공한다. 용액 기반 전구체로부터 형성된 갈륨 아르제나이드 기반 (GaAs) 층은 광흡수 및 변환 효율을 개선시키기 위해서 태양 전지 소자에 도입될 수 있다. 일 구체예에서, 태양 전지 소자를 형성시키는 방법은 기판의 표면 위에 제 1 타입의 도펀트가 도핑된 제 1 층을 형성시키는 단계, 상기 제 1 층 상에 GaAs 기반 층을 형성시키는 단계, 및 상기 GaAs 기반 층 상에 제 2 타입의 도펀트가 도핑된 제 2 층을 형성시키는 단계를 포함한다.
다른 구체예에서, 태양 전지 소자를 형성시키는 방법은 용매 중의 GaAs 함유 전구체를 공정 챔버에 공급하되, GaAs 함유 전구체는 그 안에 p-타입 또는 n-타입 도펀트가 배치되어 있는 단계, 및 공정 챔버에서 p-타입 도펀트 또는 n-타입 도펀트를 지닌 GaAs 함유 전구체로부터 용매를 증발시켜 기판 상에 p-타입 도핑된 또는 n-타입 도핑된 GaAs 층을 형성시키는 단계를 포함한다.
또 다른 구체예에서, 태양 전지 소자는 기판 상에 배치된 제 1 타입의 도펀트가 도핑된 제 1 층, 상기 제 1 층 위에 형성된 GaAs 기반 층, 및 상기 GaAs 기반 층 위에 형성된 제 2 층을 포함한다.
본 발명의 상기 언급된 특징이 달성되고 상세하게 이해될 수 있도록 하기 위해서, 상기 간략하게 요약된 본 발명에 대한 더욱 구체적인 설명이 첨부된 도면에서 예시되고 있는 본 발명의 구체예를 참조로 하여 기재될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 광흡수층으로서 GaAs 층을 갖는 단일 접합(single junction) 박막 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 광흡수층으로서 GaAs 층을 갖는 텐덤형 접합(tandem junction) 박막 태양 전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 구체예에 따른 GaAs 기반 태양 전지를 제작하는 방법의 흐름도이다.
도 4는 에어로졸 보조된 화학적 기상 증착 (AACVD)의 일 구체예의 단순화된 단면 사시도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 다른 구체예에 따른 GaAs 기반 태양 전지를 제작하는 방법의 흐름도이다.
도 6은 급속 열공정 챔버의 일 구체예의 단순화된 단면 사시도를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일 구체예에 따른 GaAs 기반 물질에서 형성된 탄소 나노 튜브의 단면도를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 일 구체예에 따른 태양 전지 소자의 단면도를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 다른 구체예에 따른 태양 전지 소자의 단면도를 도시하고 있다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 가능한 경우에, 도면에서 공통되는 동일한 구성요소를 지정하기 위해서 동일한 참조 번호가 사용되었다. 일 구체예의 구성요소 및 특징은 유리하게는 추가의 설명 없이 다른 구체예에 포함될 수 있는 것으로 사료된다.
그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 구체예를 단지 예시하는 것이고, 그에 따라서, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 여겨지지 않아야 함을 주지해야 한는데, 그 이유는 본 발명이 다른 동일하게 효과적인 구체예를 인정할 수 있기 때문이다.
상세한 설명
박막 증착 공정을 이용하여 형성된 태양 전지 소자는 일반적으로 여러 상이한 방식으로 합쳐질 수 있는 상이한 조성의 여러 물질 층, 또는 막을 포함한다. 이러한 장치에서 사용되는 대부분의 막은 실리콘, 게르마늄, 갈륨, 아르제나이드, 인듐, 탄소, 붕소, 인, 질소, 산, 수소 등을 포함할 수 있는 반도체 성분을 도입한다. 상이한 증착된 막의 특징은 결정도, 도펀트 타입, 도펀트 농도, 밴드 갭, 막 굴절률, 막 흡광 계수(film extinction coefficient), 막 투명도, 막 흡수, 및 전도도를 포함한다.
광기전 공정(photovoltaic process) 동안의 전하 발생은 일반적으로 하나 이상의 광흡수층에 의해 제공된다. 통상적으로, 전자-정공 쌍 발생 공정은 주로 p-i-n 타입 박막 태양 전지 소자의 반대로 도핑된 p-n 영역들을 떨어지도록 이격시키기 위해 사용되는 진성 층(intrinsic layer)에서 일어난다. 구 "진성 층"은 통상적으로 태양 전지에 존재하는 다양한 도핑된 층들과 구별하여 사용된다. 진성 층은 상이한 막 성질을 가질 수 있는데, 이러한 성질들은 이의 광-흡수 특징 및 전자-정공 쌍 발생 공정에 영향을 미칠 수 있다. 본 발명의 양태들은 일반적으로 광범위한 파장 내에서 광의 흡수를 돕기 위해 요망되는 광학적 성질을 갖는 GaAs 기반 광흡수층을 형성시키기 위한 장치 구조물 및 방법을 제공한다. 태양 전지 소자에서 광기전 접합(photovoltaic junction)을 형성시키기 위하여 비정질 및/또는 미세결정질 실리콘 층과 함께 GaAs 기반 광흡수층을 사용함으로써, 높은 광흡수 효율 및 변환 효율이 얻어질 수 있다.
도 1은 발광원 또는 태양 복사(101) 쪽으로 지향되는 단일 접합 태양 전지 소자(150)의 일 구체예의 단면도이다. 태양 전지 소자(150)는 기판(100), 예를 들어 유리 기판, 폴리머 기판, 또는 다른 적합한 기판을 포함하며, 이러한 기판 위에는 박막들이 형성된다. 태양 전지 소자(150)는 기판(100) 위에 형성된 제 1 투명 도전성 산화물 (TCO) 층(102), 제 1 TCO 층(102) 위에 형성된 p-i-n 접합부(114), p-i-n 접합부(114) 위에 형성된 제 2 TCO 층(110), 및 제 2 TCO 층(110) 위에 형성된 금속 후면 층(112)을 추가로 포함한다.
빛 가둠(light trapping)을 향상시킴으로써 광흡수를 개선시키기 위하여, 기판 및/또는 그 위에 형성된 하나 이상의 박막은 습식 처리 기술, 플라즈마 처리 기술, 이온 충돌 처리 기술, 및/또는 기계적 처리 기술을 사용함으로써 임의적으로 텍스쳐링될 수 있다. 일 구체예에서, 제 1 TCO 층(102)에서의 인터페이스 표면(interface surface)은, 그 위에 증착되는 후속 박막이 일반적으로 그 아래의 표면의 텍스쳐링된 토포그래피를 따르도록 텍스쳐링된다(미도시됨).
일 구체예에서, 제 1 TCO 층(102) 및 제 2 TCO 층(110)은 각각 산화주석, 산화아연, 산화알루미늄아연, 산화알루미늄주석, 산화인듐주석, 카드뮴 주석산염, 이들의 조합물, 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다. TCO 물질이 또한 추가 도펀트 및 성분들을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 산화아연은 도펀트, 예를 들어 알루미늄, 갈륨, 붕소, 및 다른 적합한 도펀트를 추가로 포함할 수 있다. 산화아연은 5 원자% 이하의 도펀트를 포함하고, 예를 들어 2.5 원자% 이하의 알루미늄을 포함한다. 특정 경우에, 유리 제조업체에 의해 제 1 TCO 층(102)이 이미 제공된 기판(100)이 제공될 수 있다.
제 1 p-i-n 접합부(114)는 p-타입 층(104), p-타입 층(104) 위에 형성된 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(106), 및 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(106) 위에 형성된 n-타입 층(108)을 포함한다. 일 구체예에서, p-타입 층(104)은 p-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(104)이 되도록 구성되며, n-타입 층(108)은 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(108)이 되도록 구성되는데, 둘 모두는 하나 이상의 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층 또는 도핑된 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층으로부터 형성된다. p-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(104)과 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(108) 사이에 배치된 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106)은 통상적인 박막 태양 전지 소자와 비교하여 광범위한 파장의 광에 걸쳐 더욱 많은 양의 광 흡수를 제공하고 보다 큰 캐리어 이동성을 갖는다. 태양 전지 소자(150)에서 p-타입, 진성 타입 및 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(104, 106, 108)을 형성시키는 방법 및 공정은 도 2 내지 도 5를 참조로 하여 하기에서 추가로 기술될 것이다. p-타입, 진성 및 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(104, 106, 108)이 하기에서 추가로 기술되는 용액 기반 GaAs 전구체에 의해 가장 잘 얻어지고 형성될 수 있는 것으로 여겨지지만, p-타입, 진성 타입 및 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(104, 106, 108)이 또한 임의의 다른 적합한 방식에 의해 얻어질 수 있다는 것이 주지된다. 특정 구체예에서, p-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(104)은 약 60Å 내지 약 300Å의 두께를 갖는다. 특정 구체예에서, 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(106)은 약 1,500Å 내지 약 3,500Å의 두께를 갖는다. 특정 구체예에서, n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(108)은 약 200Å 내지 약 500Å의 두께를 갖는다.
금속 후면 층(112)은 Al, Ag, Ti, Cr, Au, Cu, Pt, 이들의 합금, 또는 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 태양 전지 소자(150)를 형성시키기 위하여, 다른 공정, 예를 들어 레이저 스크라이빙 공정(laser scribing process)이 수행될 수 있다. 다른 막, 물질, 기판, 및/또는 패키징(packaging)이 태양 전지 소자를 완성하기 위해서 금속 후면 층(112) 위에 제공될 수 있다. 형성된 태양 전지는 모듈을 형성시키기 위해서 상호 연결될 수 있으며, 이러한 모듈은 또한 태양 전지 어레이를 형성시키기 위해서 연결될 수 있다.
임의적으로, 일 구체예에서, 태양 전지 소자(150)는 다중 접합 태양 전지 소자를 포함한다. 이러한 구성에서, 하나 이상의 추가 p-i-n 접합부는, 도 2를 참조로 하여 하기에 추가로 논의되는 바와 같이, 제 1 p-i-n 접합부(114)와 제 2 TCO 층(110) 사이에, 또는 제 1 TCO 층(102)과 제 1 p-i-n 접합부(114) 사이에 형성될 수 있다. 하나 이상의 추가 p-i-n 접합부는 제 1 p-i-n 접합부(114)에서 발견되는 층들과 유사하거나 상이한 조성을 갖는 층들로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 추가 접합부들 중 하나 이상은 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106)과는 다른 밴드 갭을 갖는 물질로부터 형성된 진성 층을 포함할 수 있다.
태양 복사(101)는 p-i-n 접합부(114)의 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106)에 의해 주로 흡수되고 전자-정공 쌍으로 변환된다. 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106)을 가로질러 뻗어 있는, p-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(104)과 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(108) 사이에 형성된 전기장은 전자를 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(108) 쪽으로 이동시키고 정공을 p-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(104) 쪽으로 이동시켜 전류를 형성시킨다. 이에 따라, 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106)이 보다 넓은 범위의 태양 복사 스펙트럼을 포획할 수 있기 때문에, 형성된 태양 전지(100)는 통상적인 태양 전지 소자 보다 더욱 효율적일 것이다.
다른 구체예에서, p-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(104)에 존재하는 p-타입 도펀트는 아연 함유 물질, 마그네슘 함유 물질, 탄소 함유 물질 등으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 아연 함유 물질의 적합한 예는 금속 아연 도펀트, 디메틸 아연(DMZ), 디에틸 아연(DEZ), 또는 다른 적합한 아연 함유 물질을 포함한다. 마그네슘 함유 물질의 적합한 예는 금속 마그네슘 도펀트, 사이클로펜타디에닐 마그네슘, 또는 다른 적합한 마그네슘 함유 물질을 포함한다. 탄소 함유 물질의 적합한 예는 카본 클로라이드(CCl4), 카본 브로마이드(CBr4) 등을 포함한다. n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(108)에 존재하는 N-타입 도펀트는 황 함유 물질, 실리콘 함유 물질, 셀레늄 함유 물질 등으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 황 함유 물질의 적합한 예는 H2S, 황 등을 포함한다. 실리콘 함유 물질의 적합한 예는 실란(SiH4), 디실란(Si2H6) 등을 포함한다. 셀레늄 함유 물질의 적합한 예는 H2Se, Se 등을 포함한다. 일 예에서, p-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(104)을 형성시키기 위해 사용되는 p-타입 도펀트는 아연 도핑된 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층을 형성시키기 위한 아연 함유 물질이다. n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(108)을 형성시키기 위해 사용되는 n-타입 도펀트는 실리콘 도핑된 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층을 형성시키기 위한 실리콘 함유 물질이다. 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층에 도펀트를 도핑시키는 방법에 관한 세부사항은 도 5 및 도 6을 참조로 하여 하기에 추가로 기술될 것이다.
대안적으로, 일부 구체예에서, 제 1 p-i-n 접합부(114)에 형성된 p-타입 층(104) 및 n-타입 층(108)은 실리콘 기반 층, 예를 들어 그 안에 p-타입 도펀트 또는 n-타입 도펀트가 도핑된 실리콘 함유 층일 수 있다. 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106)은 p-타입 실리콘 함유 층(104) 위에 형성되며, n-타입 실리콘 함유 층(108)은 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106) 위에 형성된다. p-타입 실리콘 층(104) 및 n-타입 실리콘 층(108)은 하나 이상의 p-타입 또는 n-타입 미세결정질 층 또는 하나 이상의 p-타입 또는 n-타입 비정질 실리콘 층으로부터 형성될 수 있다. p-타입 실리콘 층(104)과 n-타입 실리콘 층(108) 사이에 배치된 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106)은 다른 통상적인 실리콘 기반 박막 태양 전지 소자에 비해 광범위한 파장의 광에 걸쳐 더 많은 양의 광흡수를 제공하고 보다 큰 캐리어 이동성을 갖는다. 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106)이 도 3 내지 도 6을 참조로 하여 하기에 추가로 기술되는 용액 기반 GaAs 전구체에 의해 가장 잘 얻어지고 형성될 수 있는 것으로 여겨지지만, 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층(106)이 또한 당해 분야에서 이용 가능한 임의의 적합한 방식에 의해 얻어질 수 있다는 것이 주지된다. 특정 구체예에서, p-타입 실리콘 함유 층(104)은 약 60Å 내지 약 300Å의 두께로 형성될 수 있는 비정질 실리콘 층이다. 특정 구체예에서, n-타입 실리콘 함유 층(108)은 약 1,500Å 내지 약 3,500Å의 두께로 형성될 수 있다. 특정 구체예에서, n-타입 실리콘 함유 층(108)은 약 100Å 내지 약 400Å의 두께로 형성될 수 있는 n-타입 비정질 실리콘 층이다.
p-타입 층(104) 및 n-타입 층(108)이 실리콘 함유 층인 이러한 특정의 대표적인 구체예에서, p-타입 실리콘 함유 층(104)에 형성된 p-타입 도펀트는 일반적으로 III족 원소, 예를 들어 붕소 또는 알루미늄이다. n-타입 실리콘 함유 층(108)에 형성된 N-타입 도펀트는 일반적으로 V족 원소, 예를 들어 인, 비소 또는 안티모니이다. 대부분의 구체예에서, 붕소는 p-타입 도펀트로서 사용되며, 인은 n-타입 도펀트로서 사용된다. 이러한 도펀트는 증착 공정 동안 반응 혼합물에 붕소-함유 화합물 또는 인-함유 화합물을 포함시킴으로써 상술된 p-타입 및 n-타입 층(104, 108)에 첨가될 수 있다. 적합한 붕소 및 인 화합물은 일반적으로 치환된 및 비치환된 저급 보란 및 포스핀 올리고머를 포함한다. 몇몇 적합한 붕소 화합물은 트리메틸붕소(B(CH3)3 또는 TMB), 디보란 (B2H6), 보란 (BH3), 붕소 트리플루오라이드 (BF3), 및 트리에틸붕소 (B(C2H5)3 또는 TEB)를 포함한다. 포스핀은 가장 일반적인 인 화합물이다. 도펀트에는 일반적으로, 캐리어 가스, 예를 들어 수소, 헬륨, 아르곤 및 다른 적합한 가스가 제공된다.
일 구체예에서, p-타입 실리콘 함유 층(104)은 수소 가스와 실란 가스의 약 20:1의 이하의 부피비의 가스 혼합물을 제공함으로써 증착될 수 있다. 실란 가스는 약 1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L의 유속으로 제공될 수 있다. 수소 가스는 약 5 sccm/L 내지 60 sccm/L의 유속으로 제공될 수 있다. 트리메틸붕소는 약 0.005 sccm/L 내지 약 0.05 sccm/L의 유속으로 제공될 수 있다. 트리메틸붕소가 0.5% 몰 또는 부피 농도로 캐리어 가스에 제공되는 경우에, 도펀트/캐리어 가스 혼합물은 약 1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L의 유속으로 제공될 수 있다. 약 0.1 Torr 내지 20 Torr, 예를 들어 약 1 Torr 내지 약 4 Torr의 챔버 압력에서 약 15 mWatt/cm2 내지 약 200 mWatt/cm2로 RF 전력을 인가하여 p-타입 비정질 실리콘 층을 약 100 Å/분 이상으로 증착시킬 것이다.
n-타입 실리콘 함유 층(108)이 n-타입 비정질 실리콘 층으로서 형성되는 구체예에서, n-타입 실리콘 함유 층(108)은 수소 가스와 실란 가스의 약 20:1 이하, 예를 들어 약 5.5:1 또는 7.8:1의 부피비의 가스 혼합물을 제공함으로써 증착될 수 있다. 실란 가스는 약 0.1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L, 예를 들어 약 1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L, 약 0.1 sccm/L 내지 5 sccm/L, 또는 약 0.5 sccm/L 내지 약 3 sccm/L, 예를 들어 약 1.42 sccm/L 또는 5.5 sccm/L의 유속으로 제공될 수 있다. 수소 가스는 약 1 sccm/L 내지 약 40 sccm/L, 예를 들어 약 4 sccm/L 내지 약 40 sccm/L, 또는 약 1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L, 예를 들어 약 6.42 sccm/L 또는 27 sccm/L의 유속으로 제공될 수 있다. 포스핀은 약 0.0005 sccm/L 내지 약 0.075 sccm/L, 예를 들어, 약 0.0005 sccm/L 내지 약 0.0015 sccm/L, 또는 약 0.015 sccm/L 내지 약 0.03 sccm/L, 예를 들어 약 0.0095 sccm/L 또는 0.023 sccm/L의 부피 유속(flow rate by volume)으로 제공될 수 있다. 포스핀이 캐리어 가스에 0.5% 몰 또는 부피 농도로 제공되는 경우에, 도펀트/캐리어 가스 혼합물은 약 0.1 sccm/L 내지 약 15 sccm/L, 예를 들어 약 0.1 sccm/L 내지 약 3 sccm/L, 약 2 sccm/L 내지 약 15 sccm/L, 또는 약 3 sccm/L 내지 약 6 sccm/L, 예를 들어 약 1.9 sccm/L 또는 약 4.71 sccm/L의 부피 유속으로 제공될 수 있다. 약 0.1 Torr 내지 약 20 Torr, 예를 들어 약 0.5 Torr 내지 약 4 Torr, 예를 들어 약 1.5 Torr의 챔버 압력에서 약 25 mW/cm2 내지 약 250 mW/cm2, 예를 들어 약 60 mW/cm2 또는 약 80 mW/cm2로 RF 전력을 인가하여, n-타입 비정질 실리콘 층을 약 100 Å/분 이상, 예를 들어 약 200 Å/분 이상, 예를 들어 약 300 Å/분 또는 약 600 Å/분의 속도로 증착시킬 것이다.
도 2는 빛 또는 태양 복사(101) 쪽으로 지향되는 텐덤형 접합 태양 전지(200)의 일 구체예의 개략적 다이아그램이다. 태양 전지(200)는 기판(100) 위에 형성된 제 1 투명 도전성 산화물 (TCO) 층(104), 제 1 TCO 층(102) 위에 형성된 제 1 p-i-n 접합부(114)를 포함하는, 도 1에 기술된 것과 유사한 장치 구조물을 포함한다. 제 1 TCO 층(102) 위에 형성된 제 1 p-i-n 접합부(114)에 대해 옆에, 제 2 p-i-n 접합부(208)는 제 1 p-i-n 접합부(114) 위에 형성된다. 제 2 p-i-n 접합부(208)는 제 2 p-타입 층(202), 제 2 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(204) 및 제 2 n-타입 층(206)을 포함한다. 일 구체예에서, 제 2 p-타입 층(202)은 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층에 요망된 p-타입 도펀트가 도핑된 제 1 p-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(102)과 유사한 제 2 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(202)일 수 있다. 제 2 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(204)은 도펀트가 없는 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 층으로서 형성된 제 1 진성 타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(106)과 유사하다. 제 2 n-타입 층(206)은 그 안에 요망되는 n-타입 도펀트가 도핑된 제 1 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(108)과 유사한 제 2 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층일 수 있다. 다른 구체예에서, 제 2 p-타입 층(202)은 그 안에 p-타입 도펀트가 배치된 실리콘 기반 층일 수 있으며, 제 2 n-타입 층(206)은 상기에서 논의된 바와 같이 그 안에 n-타입 도펀트가 도핑된 n-타입 실리콘 층일 수 있다.
일 예에서, 제 2 p-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(202)에 도핑하기 위해 선택된 p-타입 도펀트는 아연 함유 물질이며, 제 2 n-타입 갈륨 아르제나이드 (GaAs) 기반 층(206)에 도핑하기 위해 선택된 n-타입 도펀트는 실리콘 함유 물질이다. 제 2 p-i-n 접합부(208)가 제 1 p-i-n 접합부(114) 상에 형성된 후에, 제 2 TCO 층(110) 및 금속 후면 층(112)은 이후에 도 1을 참조로 하여 태양 전지 소자(150)을 형성시키기 위해 상술된 방식과 유사하게, 제 2 p-i-n 접합부(208) 위에 형성된다.
도 1 및 도 2에 도시된 구체예 둘 모두가 p-i-n 접합부 구성으로 존재하지만, 접합부는 또한 요구되는 경우에, 역순으로, 예를 들어 진성 타입 GaAs 층 이전에 형성된 n-타입 도핑된 GaAs 층 또는 n-타입 도핑된 실리콘 함유 층 및 및 p-타입 도핑된 GaAs 층 또는 p-타입 도핑된 실리콘 함유 층을 갖는 n-i-p 접합부로 형성될 수 있다. 또한, 일부 구성에서, 진성 타입 GaAs 층은 또한 제거되어, 기판 상에 형성된 p-n 접합부(예를 들어, n-타입 도핑된 GaAs 층에 인접하여 형성된 p-타입 도핑된 GaAs 층을 가짐)만이 존재할 수 있다. 특정 구체예에서, 다중의 도핑된 층, 예를 들어 하나 초과의 p-타입 도핑된 GaAs 층 또는 n-타입 도핑된 GaAs 층은 또한 요구되는 경우에, p-i-n, n-i-p, p-n, 또는 n-p 접합부를 형성시키도록 사용될 수 있다.
도 3은 태양 전지 소자에서 사용되는 용액 기반 GaAs 층, 예를 들어 도 1 및 도 2에 도시된 태양 전지 소자(150, 200)에 형성된 GaAs 층(106, 204)을 형성시키기 위한 공정 순서(300)의 일 구체예의 흐름도를 도시하고 있다. p-타입 층(104, 202) 및 n-타입 층(108, 206)이 GaAs 기반 물질로서 구성되는 구체예에서, 이러한 층들은 또한 도 3에 도시된 바와 같이 공정 순서(300)에 의해서 제조될 수 있다. 도 3은 단지 예시 목적으로 진성 GaAs 기반 층(106, 204)을 제조하는 공정을 도시하고 있고 본 발명의 범위 또는 제조될 수 있는 특정 층들의 타입을 제한하고자 하는 것이 아님이 주지된다. 도 3에서 예시된 단계들의 수 및 순서는 본원에 기재된 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아님이 주지되어야 하는데, 그 이유는, 적절한 경우에, 본원에 기재된 본 발명의 기본 범위를 벗어나지 않으면서, 하나 이상의 단계가 추가되고/거나, 삭제되고/거나, 다시 주문될 수 있기 때문이다.
공정 순서(300)는 도 1에 도시된 바와 같이 그 위에 태양 전지 소자를 형성시키도록 구성된 기판(100)을 제공함으로써 단계(302)로 출발한다. 일 구체예에서, 기판(100)은 투명 기판, 플라스틱 기판, 실리콘 함유 기판, 예를 들어 단결정 실리콘 기판, 다결정질 실리콘 기판, 유리 기판, 석영 기판, 또는 다른 적합한 물질일 수 있다. 태양 전지 소자(150)에 형성된 막 층과 유사하게, 기판(100)은 제 1 TCO 층(102), 및 그 위에 형성된 p-타입 층(104)을 가질 수 있다. 공정 순서(200)에서 다음 단계, 또는 단계(204)는 이후에 p-타입 층(104) 상에 GaAs 층, 예를 들어 도 1에 도시된 GaAs 층(106)을 형성시키기 위해 p-타입 층(104) 상에서 수행된다. 기판(100)이 기판(100) 상에 GaAs 층의 형성을 촉진시키기 위해서 그 위에 형성된 상이한 물질 층들을 가질 수 있다는 것이 주지된다.
단계(304)에서, GaAs 증착 공정이 기판(100) 상에 GaAs 층(106)을 증착시키기 위해서 수행된다. GaAs 증착 공정은 기판(100) 상에 GaAs 층(106)의 증착을 촉진시키기 위해서 사전-조작된 용액 기반 GaAs 전구체를 소스 전구체로서 공정 챔버에 제공함으로써 수행된다.
사전-조작된 용액 기반 GaAs 전구체는 용액 상태에서 갈륨-비소 착화합물을 형성하는 용액 상태의 갈륨 착화합물과 비소 착화합물의 혼합물을 포함한다. 일 구체예에서, 사전-조작된 용액 기반 GaAs 전구체로 형성된 갈륨-비소 착화합물은 일반적으로, 하기에 도시된 바와 같은, GaAs 다이머(-GaAs-), GaAs 테트라머(-Ga2As2-), 또는 GaAs 헥사머(-Ga3As3-) 구조를 지닌다.
Figure pct00001
GaAs 다이머(-GaAs-), GaAs 테트라머(-Ga2As2-), 또는 GaAs 헥사머(-Ga3As3-) 구조는 비교적 안정한 착화합물이어서, 이들이 비교적 안정한 상태하에 액체 용액 상태로 유지되거나 저장되기에 양호한 후보물질이 되게 한다. 이러한 비교적 안정한 용액 기반 GaAs 전구체를 이용함으로써, GaAs 용액이 높은 균일성 및 양호한 막 품질로 기판 상에 전달되고, 주입되고, 스프레잉되고, 코팅되어서, 요망되는 막 성질 및 높은 막 성질을 지닌 신뢰 가능하고 반복 가능한 GaAs 층을 제공할 수 있다.
GaAs 다이머, GaAs 테트라머, 또는 GaAs 헥사머는 이에 결합된 상이한 작용기를 지녀서 사전-조작된 용액 내의 안정한 착화합물로서 GaAs 공급원 전구체를 형성시킬 수 있다. GaAs 착화합물은 화학식 Rx(GaAs)yR'z를 지닐 수 있으며, 여기서, x, y 및 z는 1 내지 15 범위의 정수이고, R 및 R'는 동일한 작용기 등이거나 그렇지 않을 수 있다. GaAs 다이머, GaAs 테트라머, 또는 GaAs 헥사머에서 Ga 및 As 원소에 결합될 수 있는 작용기는 알킬기, 예를 들어, 메틸(CH3-), 에틸 (C2H5-), 프로필 (C3H7-), 부틸(C4H9-), 및 펜틸(C5H11-) 등, 이소프로필 및 다른 유사한 이성질체, 방향족기, 예를 들어, 벤잘, 스티렌, 톨루엔, 자일렌, 피리딘, 에틸벤젠, 아세토페논, 메틸 벤조에이트, 페닐 아세테이트, 페놀, 크레졸, 및 푸란 등, 지환족기, 예를 들어, 사이클로프로판, 사이클로부탄, 사이클로펜탄, 사이클로펜타디엔, 및 톨루엔 등, 아미노기, 예를 들어, NR2(알킬기로서의 R), -SiR3, -O-R, -S-R, -PR3, -POR3, 할로겐, 2,3,5,6-테트라메틸-1,4-벤조퀴논 또는 테트라메틸-p-벤조퀴논, 두자리 리간드, 익스페디어스 리간드(expedious ligand), 아민 피라닌, 및 입체 장애 리간드 등을 포함할 수 있다. 예시적인 일 구체예에서, 아미노기, 예를 들어, NR2(알킬기로서의 R) 및 입체 장애 리간드가 GaAs 다이머, GaAs 테트라머, 또는 GaAs 헥사머에 결합되는 작용기로서 선택된다.
GaAs 착화합물은 용액 중의 높은 용해도 및 안정성을 지니는 것을 필요로 한다. 따라서, GaAs 착화합물을 형성하도록 선택되는 작용기는 1:1 화학양론 프리액티브(stoichiometry preactive)를 지니도록 요망되거나, 클러스터를 형성하도록 요망된다. 추가로, 작용기는 또한 GaAs로 저온 분해되는 것이 가능하도록 요망된다. 또한, 작용기와 Ga 원소 사이 및/또는 작용기와 As 원소 사이의 결합 에너지는 Ga-As 결합을 포함하는 결합 에너지보다 더 약하도록 구성된다. 이러한 구성에 의해서, 증착 반응 동안에, 작용기와 Ga 및/또는 As 원소 사이의 결합이 GaAs 용액 전구체로부터 용이하게 파괴되어서, 기판 표면 상의 GaAs 층의 형성을 보조하고, 착화합물 중의 GaAs 결합을 남길 수 있다. 결합된 작용기는, 증착 동안에, 또는 후속 베이킹 또는 경화 공정에서, 용이하게 제거되거나, 증발되거나, 열분해되도록 선택되기 때문에, 그에 따라서, 최소 불순물 또는 오염을 지니는 GaAs 층이 기판 표면 상에 얻어지거나 형성될 수 있다.
상기 기술된 구체예를 따르는 GaAs 전구체의 적합한 예는 (NMe2)2Ga2As2(tBuH)2, Me2GaAs(NMe2)2, Me2GaAs(SiMePh2)2, Me2GaAs(SiPh3)2, Et2GaAs(SiMe2Cy)2, Me2GaAs(SiMe2Cy)2, (Me)3GaAs(NMe2)3, (Et)3GaAs(NMe2)3, (Me)4Ga2As2(tBuH)2, (Et)4Ga2As2(tBuH)2, 1:3 화학양론의 Ga:As, 예를 들어, GaAs3 tBu6 등을 포함한다. GaAs 전구체의 구조는 하기 구조를 포함한다:
Figure pct00002
Figure pct00003
일 구체예에서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기판 상에 GaAs 층(106, 204)을 형성시키기 위해서 사용된 GaAs 전구체는 (NMe2)2GaAstBuH이다. (NMe2)2GaAstBuH 전구체는 헥산 또는 톨루엔 용매 또는 다른 적합한 유기 또는 무기 용매 중에서 갈륨 아미드 (Ga(NMe2))3를 과량의 3차-부틸 아르신(tBuAsH2)과 혼합하고, 밤새 교반, 예를 들어, 16시간에 걸쳐서 교반함으로써 합성될 수 있다. 공정 온도는 약 -40℃ 내지 약 -90℃로 조절될 수 있다. 혼합 공정 후에, (NMe2)2GaAstBuH가 얻어지고, CH2Cl2 용매 또는 톨루엔 용매 중에 저장될 수 있다.
다른 구체예에서, GaAs 층은 GaAs 공급원 전구체를 합성하고 사전-조작하기 위해서 공급원 전구체로서 트리스(디메틸아미노)아르신(Me6N3As) 및 트리메틸갈륨(GaMe3)을 사용함으로써 형성될 수 있다. 트리스(디메틸아미노)아르신(Me6N3As) 및 트리메틸갈륨(GaMe3)은 톨루엔 또는 헥산 용매 중에서 반응되어 요망되는 용액 기반 GaAs 함유 전구체를 형성시킨다. 공정 온도는 약 -40℃ 내지 약 -90℃로 조절될 수 있다.
또 다른 구체예에서, GaAs 층은 전구체로서 [{L}HGaAsR]n 또는 [{L}2GaAstBuH]를 사용함으로써 형성될 수 있으며, 여기서, L은 질소-기반 공여 리간드, NMe2, 또는 하이드라진 작용기이다. [{L}HGaAsR]n 또는 [{L}2GaAstBuH]의 전구체는 실온에서 24 시간에 걸쳐서 교반하면서 헥산 용액 중에서 As(SiR3)3, R3SiAsH3, 또는 H2AstBu를 GaH3{L} 또는 Ga{L}3과 반응시킴으로써 합성될 수 있다. 반응이 완료된 후에, [{L}HGaAsR]n 또는 [{L}2GaAstBuH] 전구체가 얻어질 수 있고, 분해시에 기판 상에 GaAs 층을 형성시키는 GaAs의 공급원으로서 사용될 수 있다.
이어서, GaAs 함유 전구체, 예를 들어, (NMe2)2GaAstBuH, [{L}HGaAsR]n 또는 [{L}2GaAstBuH], 또는 상기 기재된 다른 적합한 전구체가 CVD 챔버에 공급되어 기판 상에 GaAs 층을 증착시킨다. 일 구체예에서, 용액 기반 GaAs 함유 전구체가 에어로졸 보조된 화학적 기상 증착(AACVD) 공정을 수행하기 위해서 CVD 챔버에 공급된다. AACVD 공정에서, GaAs 함유 전구체가 용해된다. 본 발명을 실시하기 위해서 사용될 수 있는 AACVD 챔버의 예가 도 4를 참조로 하여 하기에서 추가로 논의될 것이다. 전구체 용액은 에어로졸 발생장치를 사용함으로써 분무된다. 캐리어 가스가 에어로졸 형성을 촉진시키기 위해서 사용된다. 후속하여, GaAs 함유 용매 전구체를 운반하는 에어로졸이 캐리어 가스에 의해서 CVD 챔버 내로 운반되고, 그러한 챔버 내에서 증발된다. CVD 챔버 내로 유입된 후에, 전구체는 액체 상으로부터 기체 상이 되어 CVD 공정을 가능하게 한다. 후속하여, 기체 상 GaAs 함유 전구체가 분해되고 기판 상에 흡수되어 기판 상에 요망되는 GaAs 층을 형성시킨다. 전구체가 완전히 증발되지 않는 경우에, 스프레이 열분해 공정이 수행되어 전구체가 에어로졸 액적이 되어 기판 상에 흡수되고 기판 표면 상에 GaAs 층을 형성시킬 수 있다. 일 구체예에서, AACVD 증착 공정 동안에, 기판 온도는, 전구체가 효율적으로 증발되어 챔버 내로 진입되도록, 약 550℃로 조절된다.
또 다른 구체예에서, GaAs 층은 또한 에어로젯(aerojet), 플래쉬 증발법(flash evaporation), 레이저 보조 CVD(laser assisted CVD), UV 보조 CVD(UV assisted CVD), 레이저 반응 증착(laser reactive deposition), 용액으로부터의 나노입자 스프레이, 스프레이 CVD, 금속유기 기상 에피택시(metalorganic vapour phase epitaxy: MOVPE), 하이드라이드 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy: HVPE)를 이용함으로써, 또는 필요에 따른 다른 적합한 기술에 의해서 기판 상에 형성될 수 있다. 어떠한 다른 습식 증착 공정, 예를 들어, 잉크-젯, 스핀 코팅, 메니스커스 코팅(meniscus coating), 딥 코팅(dip coating), 전기 도금, 스프레이 코팅, 전기분무(electrospraying), 스크린 인쇄 또는 다른 적합한 기술이 또한 이용되어 기판 표면 상에 GaAs 층을 형성시킬 수 있다. 추가로, 어떠한 진공 기술, 예를 들어, 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy: MBE), 금속유기 기상 에피택시(MOVPE), 펄스식 레이저 증착(pulsed laser deposition: PLD), 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition: PECVD), 스퍼터(sputter), 증발(evaporate), 마그네트론 스퍼터(magnetron sputter), 화학선 증착(chemical beam deposition), 원자층 증착(atomic layer deposition: ALD), 하드웨어 화학적 기상 증착(hardware chemical vapor deposition: HWCVD), 마이크로파 플라즈마 및 어떠한 다른 기술이 또한 필요에 따라 사용될 수 있다.
증착 후에, GaAs 층(106, 204)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 형성된다. 기판 상에 형성된 GaAs 층은 실질적으로 약 1:0.8 내지 약 1:1.2의 Ga 원소 대 As 원소의 비를 지닐 수 있다. XRD 분석은 형성된 GaAs 층이 강한 (111)면 피크를 지님을 나타낸다. <111>, <220> 및 <311>면에서의 XRD 피크 위치는 입방체 GaAs에 대한 표준 피크 위치와 매칭된다. 일 구체예에서, GaAs 층(106)은 약 0.2㎛ 내지 약 3㎛ 사이의 두께를 지닐 수 있다.
일 구체예에서, 여러 도펀트가 GaAs 층내로 도핑될 수 있다. 도펀트는 용액 기반 GaAs 사전-조작 전구체 내로 배합되고 혼합되는 입자, 분말, 젤, 액체, 용액의 형태 또는 어떠한 다른 적합한 형태일 수 있다. GaAs 층 내에 형성된 여러 도펀트는 상이한 막 전도성 및 이동성을 제공하여, 소자의 전기적 성능을 증가시킬 수 있다. 일 구체예에서, GaAs 층 내로 도핑될 수 있는 도펀트는 Al, Zn, Mg, In, P, Si, Se, S, C, 및 N 등을 포함한다.
단계(306)에서, GaAs 층(106, 204)이 기판(100)에 형성된 후에, 어닐링 공정이 수행되어 GaAs 층(106, 204)을 열적으로 처리한다. 여러 타입의 후처리 공정, 예를 들어, 켄칭(quenching), 베이킹(baking), 또는 레이저 처리 등이 필요에 따라 GaAs 층(106, 204)에 대해서 또한 수행될 수 있음이 주지된다. GaAs 층(106)을 형성시키기 위해서 사용되는 전구체는 Ga 및 As가 아닌 원소, 예를 들어, 탄소, 질소, 산화물 또는 전구체에 함유된 다른 원소를 함유한다. 증착된 층에 대해서 수행된 열적 어닐링 공정 및/또는 후처리 공정은 증착된 대로의(as-deposited) GaAs 층에 함유된 불순물의 방출을 보조할 수 있다. 열적 공정은 증착 공정 동안에 증착된 대로의 막에 형성될 수 있는 결함의 복구를 또한 보조할 수 있다.
일 구체예에서, 어닐링 공정(annealing process)은 어떠한 적합한 어닐링 도구, 예를 들어, 로(furnace), 신속한 열공정(rapid thermal processing: RTP) 챔버, 스파이크 어닐(spike anneal), 또는 레이저 어닐링 챔버 등에 의해서 수행될 수 있다. 어닐링 공정은 기판(100) 상에 형성된 GaAs 층(106, 204)의 치밀화(densification) 및/또는 결정화를 보조하도록 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도에서 수행될 수 있다.
도 4는 기판, 예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조로 하여 상기 기재된 기판(100)상에 용액 기반 GaAs 층을 증착시키기 위해서 사용될 수 있는 에어로졸 보조 화학적 기상 증착(AACVD) 챔버(300)의 일 구체예의 단순화된 단면 사시도를 도시하고 있다. AACVD 챔버(400)는 AACVD 증착 공정, 예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조로 하여 상기 기재된 증착 공정을 수행하기 위해서 사용될 수 있다. 다른 타입의 증착 공정, 예를 들어, MOCVD, 에어로젯, 플래쉬 증발법, 레이저 보조 CVD, UV 보조 CVD, 레이저 반응 증착, 용액으로부터의 나노입자 스프레이, 스프레이 CVD, MOVPE, HVPE 또는 다른 적합한 기술이 필요에 따라 GaAs 층을 형성시키기 위해서 사용될 수 있음이 주지된다. 어떠한 다른 습식 증착 공정, 예를 들어, 잉크-젯, 스핀 코팅, 메니스커스 코팅, 딥 코팅, 전기 도금, 스프레이 코팅, 전기분무, 스크린 인쇄 또는 다른 적합한 기술이 또한 이용되어 기판 표면 상에 GaAs 기반 층을 형성시킬 수 있다. 추가로, 어떠한 진공 기술, 예를 들어, MBE, MOVPE, PLD, PECVD, 스퍼터, 증발, 마그네트론 스퍼터, 화학선 증착, ALD, HWCVD, 마이크로파 플라즈마 및 어떠한 다른 기술이 또한 필요에 따라 사용될 수 있다.
챔버(400)는 제 1 벽(426), 제 2 벽(428), 및 제 1 벽(426)과 제 2 벽(428) 사이를 연결하는 반응기 바디(424)를 지니는 반응 튜브(422)를 포함한다. 반응 튜브(422)에 형성된 제 1 벽(426), 제 2 벽(428), 및 반응기 바디(424)는 내부 공정 영역(418)을 한정한다. 흑연 가열 블록(820)이 반응 튜브(422) 내에 배치되어 가공을 위해서 그 위에 배치된 기판(100)을 수용한다. 기판의 온도는 필요에 따라 반응 튜브(422) 내에 배치된 온도 센서(도시되지 않음)에 의해서 모니터링될 수 있다.
배기구(432)가 제 2 벽(428)에 형성되어 반응 튜브(422)내로 그리고 반응 튜브(422) 밖으로의 기판(100)의 이송을 용이하게 한다. 가스 유입구(430)가 제 1 벽(426)에 형성되어 반응 가스 및 전구체를 공정 동안에 혼합 챔버(416)로부터 내부 공정 영역(418) 내로 전달하는 것을 용이하게 한다. 액체 앰플 컨테이너(434)가 가스 전달 통로(436)를 통해서 혼합 챔버(416)에 결합되어 있다. 액체 앰플 컨테이너(434)는 기판(100) 상에 GaAs 기반 층을 증착시키기 위해서 내부 공정 영역(418)내로 공급 물질을 제공하도록 전구체(408)를 저장할 수 있다. 혼합 챔버(416)는 완전한 혼합을 확실히 하기 위해서 액체 앰플 컨테이너(434)로부터 공급된 GaAs 전구체(408)에 대한 흐름 경로를 연장시킬 수 있는 구불구불한 경로를 제공한다. 액체 앰플 컨테이너(434)에 저장될 수 있는 GaAs 전구체의 예는 (NMe2)2GaAstBuH, Me2GaAs(NMe2)2, Me2GaAs(SiMePh2)2, Me2GaAs(SiPh3)2, Et2GaAs(SiMe2Cy)2, Me2GaAs(SiMe2Cy)2, (Me)3GaAs(NMe2)3, (Et)3GaAs(NMe2)3, (Me)4Ga2As2(tBuH)2, 또는 (Et)4Ga2As2(tBuH)2 등을 포함한다.
도핑된 GaAs 기반 층, 예를 들어, p-타입 도핑된 GaAs 기반 층 또는 n-타입 도핑된 GaAs 기반 층이 기판(100) 상에 형성되도록 요망되는 구체예에서, 도펀트 함유 물질은 액체 앰플 컨테이너(334)에서 GaAs 전구체와 배합되거나, 그에 첨가되거나, 그와 혼합되어서, 공정을 위한 내부 공정 영역(418)에 용이하게 공급될 수 있는 도펀트 함유 GaAs 전구체를 형성할 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, GaAs 전구체 내로 첨가될 수 있는 적합한 p-타입 도펀트 물질은 아연 함유 물질, 예를 들어, 금속 아연 도펀트, 디메틸 아연(DMZ), 또는 디에틸 아연(DEZ) 등, 마그네슘 함유 물질, 예를 들어, 금속 마그네슘 도펀트, 또는 사이클로펜타디에닐 마그네슘 등, 및 탄소 함유 물질, 카본 클로라이드(CCl4), 또는 카본 브로마이드((CBr4) 등을 포함한다. GaAs 전구체 내로 첨가될 수 있는 적합한 n-타입 도펀트 물질은 황 함유 물질, 예를 들어, H2S, 황, 실리콘 함유 물질, 예를 들어, 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 및 셀레늄 함유 물질, 예를 들어, H2Se, 또는 Se 등을 포함한다. 일 구체예에서, GaAs 전구체에 첨가하기 위해서 사용되는 p-타입 도펀트 물질은 DMZ 또는 DEZ이며, GaAs 전구체에 첨가하기 위해서 사용되는 n-타입 도펀트 물질은 디실란(Si2H6)이다.
가스 패널(410)이 액체 앰플 컨테이너(432)에 결합되어 전달 통로(412)를 통해서 액체 앰플 컨테이너(432)에 캐리어 가스를 공급한다. 가스 패널(410)은 캐리어 가스를 액체 앰플 컨테이너(434)에 도입시켜서 액체 앰플 컨테이너(434)에 배치된 GaAs 전구체(402)를 혼합 챔버(416)에 주입하고 밀어넣으며, 궁극적으로는, 가스 전달 통로(436)를 통해서 내부 공정 영역(418) 내로 주입하고 밀어넣는다. 가스 패널(410)로부터 공급될 수 있는 가스의 예는 질소 함유 가스, 예를 들어, 질소(N2), N2O, 및 NO 등, 또는 산소 함유 가스, 예를 들어, 산소(O2) 또는 (O3)를 포함한다. 불활성 가스, 예를 들어, Ar, 또는 He가 또한 사용되어 GaAs 전구체(402)를 내부 공정 영역(418) 내로 전달할 수 있다. 본원에서 기재된 예시적인 일 구체예에서, GaAs 전구체(408)를 내부 공정 영역(418)으로 주입하고 밀어넣기 위해서 사용되는 캐리어 가스는 질소(N2) 가스이다.
액체 앰플 컨테이너(434)에 배치된 요망되는 도펀트가 있거나 없는 용액 기반 GaAs 전구체(402)는 급습장치(404)에 의해서 가열되고 증발된다. 급습장치(404)는 내부에 배치된 용액 기반 GaAs 전구체(402)에 초음파 에너지 및/또는 열 에너지를 공급할 수 있는 압전 소자(406)를 지녀서, 화살표(414)에 의해서 나타낸 바와 같이, GaAs 전구체(402)를 캐리어 가스에 의해 내부 공정 영역(418) 내로 주입하기 위한 아주 작은 액적 형태로 또는 가스 상으로 가열 및 증발시키는 것을 보조할 수 있다. 어떠한 액체(408), 예를 들어, 물 또는 다른 적합한 액체가 액체 앰플 컨테이너(434)와 급습장치 사이에 배치되어 용액 기반 GaAs 전구체(402)를 요망되는 온도 범위내에 유지시킬 수 있다. 일 구체예에서, 급습장치(404)는 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도에서 GaAs 전구체를 증발시킬 수 있다.
도 5는 용액 기반 GaAs 기반 층을 형성시키기 위한 공정 순서(500)의 다른 구체예의 흐름도를 도시한 것으로서, 이는 p-타입 층(104, 202)이 p-타입 도핑된 GaAs 기반 층(104, 202)이도록 구성되며 n-타입 층(108, 206)이 도 1 및 도 2에 도시된 태양 전지 소자(150, 200)에 형성된 n-타입 도핑된 GaAs 기반 층(108, 206)이도록 구성되는 구체예에서, 진성 GaAs 층(106)으로서 형성될 수 있고 태양 전지 소자에 도입될 수 있다. 도 5에 예시된 단계의 수 및 순서가 본원에 기술된 본 발명의 범위로서 한정되는 것으로 의도되지 않는다는 것이 주지되어야 하는데, 왜냐하면 하나 이상의 단계가 본원에 기술된 본 발명의 기본 범위를 벗어나지 않고 적절하게 첨가되고/거나 삭제되고/거나 순서를 바꿀 수 있기 때문이다.
공정 순서(500)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 그 위에 태양 전지 소자를 형성시키도록 구성된 기판(100)을 제공함으로써 단계 (502)로 출발한다. 일 구체예에서, 기판(100)은 투명 기판, 플라스틱 기판, 실리콘 함유 기판, 예를 들어 단결정 실리콘 기판, 다결정질 실리콘 기판, 유리 기판, 석영 기판, 또는 다른 적합한 물질일 수 있다. 태양 전지 소자(150)에 형성된 막 층과 유사하게, 기판(100)은 그 위에 형성된 제 1 TCO 층(102)을 가질 수 있다. 공정 순서(500)에서 다음 단계, 또는 단계 (504)는 이후에 요구되는 경우에 p-타입 도핑된 GaAs 층, 진성 GaAs 층, 또는 n-타입 도핑된 GaAs 층을 형성시키기 위해 기판 상에서 수행된다. 기판(100)이 기판(100) 상에 GaAs 층의 형성을 촉진시키기 위해 그 위에 형성된 상이한 물질 층을 가질 수 있다는 것이 주지된다.
단계 (504)에서, 요망되는 도펀트가 혼합되고 배합되고 첨가된 GaAs 전구체는 공정 챔버, 예를 들어 도 4에 도시된 공정 챔버(400)에 공급된다. GaAs 전구체는 기판(100) 상에 p-타입 GaAs 도핑된 기반 층 또는 n-타입 도핑된 GaAs 기반 층의 증착을 촉진시키기 위해 소스 전구체로서 상기 논의된 바와 같은 사전-조작된 용액 기반 GaAs 전구체, 예를 들어 그 안에 요망되는 도펀트, 예를 들어 p-타입 도펀트 또는 n-타입 도펀트가 첨가된 용액 기반 GaAs 전구체일 수 있다. 진성 타입 GaAs 층이 형성되도록 요망되는 구체예에서, 도펀트가 GaAs 전구체에 첨가되는 것은 필수적인 것이 아니다.
사전-조작된 용액 기반 GaAs 전구체는 용액 상태의 갈륨-비소 착화합물을 형성시키는, 용액 상태의 갈륨 착화합물 및 비소 착화합물의 혼합물을 포함한다. 일 구체예에서, 사전-조작된 용액 기반 GaAs 전구체에 형성된 갈륨-비소 착화합물은 일반적으로 GaAs 다이머 (-GaAs-), GaAs 테트라머 (-Ga2As2-), 또는 GaAs 헥사머 (-Ga3As3-) 구조를 갖는다. GaAs 다이머 (-GaAs-), GaAs 테트라머 (-Ga2As2-), 또는 GaAs 헥사머 (-Ga3As3-) 구조가 비교적 안정한 착화합물이어서 이러한 것들을 액체 용액 중에 배치시키거나 저장하는데 적합하게 하는 것으로 여겨진다. 이러한 비교적 안정한 용액 기반 GaAs 전구체를 사용함으로써, GaAs 용액은 예측 가능한 양호한 막 품질을 형성시키기 위해 기판에 전달될 수 있으며, 이에 의해 신뢰성 있고 반복 가능한 GaAs 층에 요망되는 막 성질 및 높은 막 성질을 제공할 수 있다.
GaAs 다이머, GaAs 테트라머, 또는 GaAs 헥사머는 사전-조작된 용액에서 안정한 착화합물로서 GaAs 소스 전구체를 형성시키기 위해 사용될 때 이에 결합되는 상이한 작용기를 가질 수 있다. GaAs 착화합물은 화학식 Rx(GaAs)yR'z (상기 식에서, x, y, 및 z는 1 내지 15의 범위를 갖는 정수이며, R 및 R'는 동일한 작용기일 수 있거나 그렇지 않을 수 있음)를 가질 수 있다. GaAs 다이머, GaAs 테트라머, 또는 GaAs 헥사머에서 Ga 및 As 원소에 결합될 수 있는 작용기는 알킬 기, 예를 들어 메틸 (CH3-), 에틸 (C2H5-), 프로필 (C3H7-), 부틸 (C4H9-), 펜틸 (C5H11-) 등, 이소프로필 및 다른 유사한 이성질체, 방향족 기, 예를 들어 벤잘, 스티렌, 톨루엔, 자일렌, 피리딘, 에틸벤젠, 아세토페논, 메틸 벤조에이트, 페닐 아세테이트, 페놀, 크레졸, 푸란 등, 지환족 기, 예를 들어 사이클로프로판, 사이클로부탄, 사이클로펜탄, 사이클로펜타디엔, 톨루엔 등, 아미노 기, 예를 들어 NR2 (알킬 기로서 R), -SiR3, -O-R, -S-R, -PR3, -POR3, 할로겐, 2,3,5,6-테트라메틸-1,4-벤조퀴논 또는 테트라메틸-p-벤조퀴논, 두자리 리간드, 익스페디어스 리간드, 아민 피라닌, 입체 장해 리간드 등을 포함할 수 있다. 대표적인 일 구체예에서, 아미노 기, 예를 들어 NR2 (알킬 기로서 R) 및 입체 장해 리간드는 GaAs 다이머, GaAs 테트라머, 또는 GaAs 헥사머에 결합되는 작용기로서 선택된다. 상기 기술되는 바와 같은 요건들을 따르는 GaAs 전구체의 적합한 예는 (NMe2)2Ga2As2(tBuH)2, Me2GaAs(NMe2)2, Me2GaAs(SiMePh2)2, Me2GaAs(SiPh3)2, Et2GaAs(SiMe2Cy)2, Me2GaAs(SiMe2Cy)2, (Me)3GaAs(NMe2)3, (Et)3GaAs(NMe2)3, (Me)4Ga2As2(tBuH)2, (Et)4Ga2As2(tBuH)2, 1:3 화학양론의 Ga:As, 예를 들어 GaAs3 tBu6 등을 포함한다. 일 구체예에서, p-타입 도핑된 GaAs 층, 진성 타입 GaAs 층 또는 n-타입 도핑된 GaAs 층을 형성시키기 위해 선택되는 GaAs 전구체는 (NMe2)2GaAstBuH이다. (NMe2)2GaAstBuH 전구체는 헥산 또는 톨루엔 용매 또는 다른 적합한 유기 또는 무기 용매에서 갈륨 아미드 (Ga(NMe2))3를 과량의 3차-부틸 아르신 (tBuAsH2)과 혼합시키고 밤새, 예를 들어 16 시간에 걸쳐 교반함으로써 합성될 수 있다. 공정 온도는 약 -40℃ 내지 약 -90℃로 조절될 수 있다. 혼합 공정 후에, (NMe2)2GaAstBuH는 CH2Cl2 용매 또는 톨루엔 용매에서 얻어지고 저장될 수 있다.
상술된 바와 같은 적합한 p-타입 및 n-타입 도펀트는 도핑된 GaAs 용액 기반 전구체를 형성시키기 위한 GaAs 전구체에 첨가되거나, 혼합되거나, 블랜딩되어 p-타입 또는 n-타입 도핑된 GaAs 층을 형성시킬 수 있다. GaAs 전구체에 첨가될 수 있는 p-타입 도펀트의 적합한 예는 금속 아연 도펀트, 디메틸 아연(DMZ), 디에틸 아연(DEZ), 금속 마그네슘 도펀트, 사이클로펜타디에닐 마그네슘, 카본 클로라이드(CCl4), 카본 브로마이드(CBr4) 등을 포함한다. n-타입 도펀트의 적합한 예는 H2S, 황, 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), H2Se, Se 등을 포함한다.
단계 (506)에서, 도펀트를 지니거나 지니지 않은 GaAs 전구체가 공정 챔버에 공급된 후에, 도핑되거나 도핑되지 않은 GaAs 층은 기판 표면 상에 형성될 수 있다. 일 구체예에서, 용액 기반 GaAs 함유 전구체는 에어로졸 보조된 화학적 기상 증착 (AACVD) 공정을 수행하기 위해 CVD 챔버, 예를 들어 도 4에 도시된 AACVD 챔버(400)에 공급된다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 도펀트는 또한 입자, 분말, 겔, 액체, 용액 또는 다른 적합한 형태를 지닐 수 있고 용액 기반 GaAs 사전-조작된 전구체에 혼합될 수 있다. 도핑된 GaAs 층을 형성시키도록 선택된 상이한 도펀트는 상이한 막 전도성 및 이동성을 제공할 수 있으며, 이에 의해 소자의 전기적 성능을 증가시킬 수 있다. 일 구체예에서, GaAs 층에 도핑될 수 있는 도펀트는 Al, Zn, Mg, In, P, Si, Se, S, C, N 등을 포함한다.
일 구체예에서, 도핑된 GaAs 층에서의 도펀트 농도는 약 1x1016 원자/㎤ 내지 약 1x1020 원자/㎤로 조절될 수 있다. 예를 들어, p-타입 도핑된 GaAs 층에서, p-타입 도펀트는 GaAs 층에 약 1x1017 원자/㎤ 내지 약 1x1019 원자/㎤의 도펀트 농도로 도핑될 수 있다. 다른 예에서, n-타입 도핑된 GaAs 층에서, n-타입 도펀트는 GaAs 층에 약 1x1018 원자/㎤ 내지 약 1x1020 원자/㎤의 도펀트 농도로 도핑될 수 있다.
단계 (508)에서, 도핑되거나 도핑되지 않은 GaAs 층이 기판(100) 상에 형성된 후에, 어닐링 공정(anneal process)은 증착된 GaAs 층을 열처리하기 위해 수행된다. 상이한 타입의 후처리 공정, 예를 들어 켄칭(quenching), 베이킹(baking), 레이저 처리 등이 또한 필요한 경우에 증착된 GaAs 층 상에서 수행될 수 있다는 것이 주지된다. GaAs 층을 형성시키기 위해 사용되는 전구체는 도펀트 Ga 및 As 이외의 원소, 예를 들어 탄소, 질소, 산화물, 또는 증착된 GaAs 막에 혼입될 수 있는 다른 불순물을 함유한다. 증착된 층 상에서 수행되는 열적 어닐링 공정 및/또는 후처리 공정은 증착된 대로의 GaAs 층에 함유된 불순물의 방출을 보조할 수 있다. 열적 공정은 증착 공정 동안에 증착된 대로의 막에 형성될 수 있는 결함의 복구를 또한 보조할 수 있다.
일 구체예에서, 어닐링 공정은 임의의 적합한 어닐링 도구, 예를 들어 로, 신속한 열공정 챔버, 스파이크 어닐, 또는 레이저 어닐링 챔버 등에 의해서 수행될 수 있다. 어닐링 공정은 기판(100) 상에 형성된 GaAs 층을 치밀화하고/거나 결정화를 보조하도록 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도에서 수행될 수 있다. 열 어닐링 챔버의 예, 예를 들어 RTP 챔버는 도 6을 참조로 하여 하기에서 추가로 논의될 것이다.
도 6는 기판, 예를 들어, 도 1 내지 도 5를 참조로 하여 상기 기재된 기판(100)을 어닐링하기 위해서 사용될 수 있는 신속한 열적 공정 챔버(600)의 일 구체예의 단순화된 단면 사시도를 도시하고 있다. 공정 챔버(600)는 내부 공간(628)을 한정하는 챔버 벽(630), 바닥(632) 및 상부(634)를 지니는 챔버 바디(650)를 포함한다. 이러한 벽(630)은 통상적으로 하나 이상의 기판 접근 포트(substrate access port)(도시되지 않음)를 포함하여 기판(100)의 유입 및 유출을 용이하게 한다.
방사열 어셈블리(624)가 챔버 바디(650)의 상부(634)에 장착된다. 방사열 어셈블리(624)는 기판(100)의 주변 둘레에 배치된 에지 링(610)에 의해서 현수된 기판(100)을 가열하기 위해서 사용된다. 방사열 어셈블리(624)는 워터 재킷 어셈블리(604) 내에 복수의 램프 튜브(602)를 포함한다. 각각의 튜브(602)는 반사경 및 텅스텐 할로겐 램프 어셈블리를 포함한다. 램프 튜브(602)는 빽빽한 벌집 모양 파이프 배열로 내포된다. 램프 튜브(602)의 이러한 밀집 육방 배열은 방사 에너지, 예를 들어, 높은-출력 밀도로 약 400nm 내지 약 4000nm의 파장을 지니는 장파장의 UV 방사선 및/또는 IR 방사선을 제공한다. 일 구체예에서, 방사열 어셈블리(624)는 방사 에너지를 제공하여, 기판(100) 상에 배치된 실리콘 층을 어닐링 하는 것과 같이, 기판을 열처리한다. 본 발명으로부터 이익을 얻도록 구성될 수 있는 한 가지의 방사열 어셈블리(924)가 그로넷(Gronet) 등에게 1996년 1월 23일자 허여된 미국특허 제5,487,127호에 기재되어 있으며, 본원에서는 상기 특허의 전체 내용을 참조로 포함한다.
기판(100)을 지지하는 에지 링(610)은 스테인리스강 베이스(618) 상에 장착된 회전 가능한 석영 실린더(612)에 의해서 스테인리스강 베이스(618) 위에 이격되어 있다. 에지 링(610)은 작은 열팽창 계수를 지니는 경질 물질, 예를 들어, 실리콘 카바이드로부터 제조되어 열처리 동안에 과도한 팽창 및 수축을 방지할 수 있다. 석영 실린더(612)는 기판 처리 동안에 약 50 rpm 내지 약 300 rpm으로 회전하여, 챔버(600)내 및 기판(100)상 열적 비대칭의 효과를 최소화시킴으로써 기판 온도 균일성을 최대화할 수 있다. 일 구체예에서, 실린더(612)는 실리콘으로 코팅되어, 실린더가 소정의 파장에 대해서 불투명하게 할 수 있다. 스테인리스강 베이스(618)는 순환회로(circulation circuit)(646)를 지녀서 냉매, 예를 들어, 물이 그를 통해서 순환되게 한다. 냉매 순환은 공정 후에 챔버 온도를 효율적으로 냉각시킨다.
반사경 플레이트(614)는 기판(100) 아래에 배치되고 스테인리스강 베이스(618) 위에 장착된다. 온도 프로브(644)의 어레이가 반사경 플레이트(614)에 형성된 개구(642)를 통해서 반사경 플레이트(614)에 매립된다. 온도 프로브(644)는 스테인리스강 베이스(618)의 바닥측으로부터 반사경 플레이드(614) 내의 개구(642)까지 연장되는 도관을 통해서 고온계(pyrometer: 616)에 연결되어 있다. 온도 프로브(644) 및 고온계(616)가 사용되어 각각의 프로브(644)에 근접한 기판(100)의 영역들의 미터법으로 나타낸 온도를 얻어서, 기판의 온도 구배가 측정될 수 있게 한다.
기판(100)의 바닥측(620)과 반사경 플레이트(614)의 상부측(538)은 그들 사이의 반사 공동(640)에 접하고 있다. 반사 공동(640)은 기판(100)의 유효 방사율을 향상시켜서, 온도 측정의 정확성을 개선시킨다. 제어기(617)는, 공정 챔버(600)에서 생성된 방사선을 실시간으로 변화시켜서 요망되는 기판 온도를 공정 범위 내로 유지시키기 위해서, 고온계(616)로부터의 측정값을 수신하고 제어신호를 방사열 어셈블리(624)에 출력할 수 있다.
반사경 플레이트(614)의 상부측(638)은 고도로 반사성이며, 표적 파장 범위의 열 방사선을 반사시키고 표적 파장 범위가 아닌 열 방사선을 흡수한다. 하나 이상의 코팅 또는 층이 사용되어 스테인리스강 베이스(618) 상의 반사경 플레이트(614)를 코팅시켜서 선택적 반사성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 여러 반사성 및 흡수성을 지닌 코팅의 여러 조합이 이용되어서 반사경 플레이트(614)가 요망되는 파장의 열 방사선을 기판(100)으로 다시 반사시키고 요망되는 파장이 아닌 열 방사선을 흡수(또는 덜 반사)하게 할 수 있다. 일 구체예에서, 반사경 플레이트(614)는 약 700 nm 내지 약 1000 nm의 열적 파장을 반사하고, 700 nm 미만 및 1000 nm 초과의 열적 파장을 흡수한다. 본 발명에서 유익하게 채택될 수 있는 한가지 반사경 플레이트(614)은 아담스(Adams) 등에게 2005년 1월 4일자 허여된 미국특허 제6,839,507호에 기재되어 있으며, 본원에서는 이의 전체 내용을 참조로 포함한다.
기판(100)으로 다시 반사되지 않은 열 에너지는 반사경 플레이트(614)에 의해서 흡수된다. 흡수된 열 에너지는 반사경 플레이트(614) 아래에 배치된 스테인리스강 베이스(618)를 통해서 순환하는 냉매에 의해서 효율적이며 신속하게 제거된다. 추가적으로, 반사경 플레이트(614)에서의 구멍(도시되지 않음)을 통해서 제공된 가스는 반사경 플레이트(614) 및 그 위에 위치한 기판(100)의 냉각 속도를 촉진하기 위해서 사용될 수 있다. 반사경 플레이트(614)에 의해서 제공된 신속한 냉각 속도는 기판(100)의 온도 제어를 향상시켜서, 요망되는 온도 처리 특징을 제공한다. 일 구체예에서, 반사경 플레이트(614)는 초당 약 200℃ 초과의 기판 냉각 데이터 속도를 제공할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 반사경 플레이트(614)는 초당 약 220℃의 기판 냉각 속도를 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 구체예에 따른 GaAs 물질(706)에 의해 둘러싸여진 복수의 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)를 포함하는 광흡수층(702)의 단면도이다. 도 7은 GaAs 물질(706)에 의해 형성되고 캡슐화된 탄소 나노 튜브 (CNT)를 갖는 광흡수층(702)의 하나의 가능한 구성을 예시한다는 것이 주지된다. 일부 다른 구성에서, 추가 층들은, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 GaAs 물질(706)을 배치시키기 전에, 기판과 광흡수층(702) 사이에, 또는 기판(100)과 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 사이에 형성될 수 있다. GaAs 물질(706)로 코팅된 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)를 사용하는 태양 전지 소자의 예는 도 8 및 도 9를 참조로 하여 하기에 논의된다.
도 7을 계속 참조하여, 일 구체예에서, 광흡수층(702)은 기판(100)의 표면(708) 상에 형성된다. 광흡수층(702)은 태양 전지 소자에서 광을 가두고 전류를 발생시키는 공정을 보조하기 위해 사용된다. 광흡수층(702)에 배치된 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)가 정공 및/또는 전자의 수집을 개선시키기 위해 효율적인 경로로서 사용되고 통상적으로 통상적인 광흡수층에서 일어날 수 있는 전하 캐리어 재결합 속도를 감소시킬 수 있는 것으로 여겨진다. 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)는 형성된 태양 전지 소자에서 전하 발생을 개선시킬 수 있는 요망되는 전기적 성질을 갖는다. 일 구체예에서, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)는 기판의 표면 상에 형성된다. 이후에, 용액 기반 GaAs 층(706)은 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 증착되며, 이에 따라 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)를 캡슐화한다. 추가 층들은 또한, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 GaAs 층(306)을 배치시키기 전에, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 증착될 수 있다는 것이 주지된다.
일 구체예에서, 광흡수층(702)은 기판(100)의 표면 상에 연속 박막으로서 형성된다. GaAs 함유 광흡수층(702)은 자외선(UV) 파장에서 근적외선(IR) 파장으로 연장하는 넓은 스펙트럼을 가로질러 높은 흡수 계수를 제공한다. 형성된 광흡수층(702)은 또한 층에 CNT의 도입으로 인하여, 연속 박막(702)을 통해 측정된 높은 전기 전도도를 가질 것이다. 또한, 형성된 광흡수층(702)의 높은 광흡수 계수로 인하여, 광흡수층의 전체 두께가 감소될 수 있는데, 이는 향상된 태양 전지 특징, 예를 들어 전지 에너지 변환 효율, 개방 회로 전압, 충전율, 및 정규화된 단락 전류를 제공한다.
일 구체예에서, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)는 흑연의 단일 원자 두께 시트인 그라핀(graphene)으로 형성된 벽을 갖는 나노미터 스케일의 실린더이다. 탄소 나노 튜브(704)는 단일벽(그라핀의 단일 시트로 이루어진 실린더 벽, SWNT로서 지칭됨) 또는 다중벽(그라핀의 다중 시트로 이루어진 실린더 벽, MWNT로서 지칭됨)일 수 있다. 일 구체예에서, 금속 입자 촉매(712)의 얇은 층(710)은 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 형성 전에 기판(100) 상에 증착될 수 있다. 금속 입자 촉매(712)의 얇은 층(710)은 기판(100) 상에서의 탄소 원자의 핵형성을 촉진시켜 기판(100) 상에서의 탄소 나노 튜브(CNT)(704)의 후속 증착을 촉진시키기 위해 사용될 수 있다. 일 구성에서, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)는 탄화수소 전구체 가스, 예를 들어 에틸렌, 프로필렌, 아세틸렌, 벤젠, 톨루엔, 에탄, 메탄, 부탄, 프로판, 헥산, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 일산화탄소, 아세톤, 산소화된 탄화수소, 저분자량 탄화수소, 고분자량 탄화수소, 또는 이들의 조합물을 사용하여 금속 입자 촉매(712) 상에 선택적으로 형성된다. 적합한 금속 입자는 철, 니켈, 코발트, 구리, 몰리브덴, 및 합금 등을 포함한다. 얇은 층(710)은 Fe, Cu, Al, Co, Mo, Ta, W, Ag, Ni, Al2O3 등으로부터 선택된 금속성 물질일 수 있다.
일 구체예에서, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)는 개개 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 간에 일정한 간격을 갖도록 기판(100) 상에 수직으로 정렬된다. 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 수직 정렬은 광흡수층(702) 내에 광을 가두는데 도움을 줄 수 있다. 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 길이는 약 100 nm 내지 약 2.0 ㎛일 수 있으며, 직경은 약 0.5 내지 약 1.5 nm의 범위이다. 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)가 GaAs 물질(706)로 둘러싸여져 있는 구성에서, GaAs 물질(706)은 도 3 및 도 5를 참조로 하여 상기 기술된 공정과 유사한 공정을 이용하여 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 형성될 수 있다. 일 구체예에서, 형성된 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 높이는 기판의 표면(708)을 제외하고 광흡수층(702) 두께의 약 5 내지 95%이다.
탄소 나노 튜브 (CNT)(704)는 서로 수직으로 그리고 평행하게 정렬될 수 있다. 이러한 정렬은 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 물질을 통한 전도를 통하여 광흡수층(702)으로부터 캐리어 추출(예를 들어, 정공)을 위한 보다 짧은 경로를 제공한다. 광흡수층(702)에서의 형성된 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 요망되는 밀도는 광흡수층(702) 내에서의 전자-정공 쌍 생산 효율과 광흡수층(702)으로부터의 정공 추출 효율 간에 절충될 수 있다. 일 구체예에서, 기판 표면 상에서의 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 요망되는 평균 밀도는 1 제곱 미터 당 대개 1011 내지 1016일 수 있다.
일 구체예에서, 기판(100) 상에 형성된 금속성의 얇은 층(710)은 그 위에 Fe 나노-입자(710)가 형성된 알루미늄일 수 있다. Fe 나노-입자의 직경은 이후에 그 위에 형성되는 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 직경을 결정할 것이다. 나노-입자(710) 및 얇은 층(712)은 임의의 적합한 기술, 예를 들어 CVD, PVD, ALD, PECVD, HWCVD, 임의의 플라즈마 공정 또는 UV 유도된 ALD 기술에 의해 형성될 수 있다. 이후에, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)가 Fe 나노-입자(710) 상에 형성된다. 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)가 기판(100) 상에서 성장된 후에, GaAs 기반 물질(306)은 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 배치되어 광흡수층(702)을 형성시킨다.
도 8은 태양 전지 소자(840)에 광흡수층(802)이 형성된 다른 타입의 태양 전지 소자(840)의 단면도로서, 이는 일반적으로 도 1에 도시된 태양 전지 소자(150) 내에 배치된 광흡수층(106)과 유사하게 구성된다. 이러한 구성에서, 광흡수층(802)은 복수의 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 배치된 GaAs 물질(706)을 포함한다. 이러한 구체예에서, 상기에서 논의된 바와 같이, 제 1 TCO 층(102)은 기판(100) 상에 형성된다. 이후에, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)는 제 1 TCO 층(102) 상에 형성된다. 도 7을 참조로 하여 상기에서 논의된 바와 같이, 임의 촉매 입자(712)는 기판 상에서의 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 성장을 돕기 위하여 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 기판(100) 상에 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)를 형성시킨 후에, p-타입 층(104)은 도 3 및 도 5를 참조로 하여 상기 기술된 공정을 이용하여, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 형성된다. 일 구체예에서, p-타입 층(104)은 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 외부 표면을 덮는 컨포멀한(conformal) 층을 형성시킨다. 이후에, GaAs 층(706)은 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)를 캡슐화하기 위하여 p-타입 층(104) 위에 형성된다. 일 구체예에서, 용액 기반 GaAs 층(706)은 도 3 및 도 5를 참조로 하여 상기에 기술된 하나 이상의 공정에 의해 p-타입 층(104) 및 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 광흡수층(802)은 p-타입 층(104) 및 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 상에 배치되는 GaAs 층(706)을 포함한다. GaAs 층(706) 및 p-타입 층(104)에 의해 캡슐화되는 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)는 전하가 수집될 수 있는 표면적의 증가 및 CNT의 높은 전기 전도도로 인하여 진성 광흡수층(802)에 형성된 정공 및 전자의 추출에 도움이 될 것이다. 이에 따라, 진성 광흡수층(802)은 전하 캐리어의 수집을 촉진시키고 형성된 태양 전지 소자(840)의 전체 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 이후에, n-타입 층(108)은 진성 광흡수층(802) 상에 형성되며, 제 2 TCO 층(112) 및 후방 전극 층(110)은 이후에 도 1과 함께 상기에서 논의된 바와 같이 그 위에 형성된다.
상기에서 논의된 광흡수층(802)의 구조적 구성이 또한, 통상적인 실리콘 기반 태양 전지 소자와 비교하여, 광 산란 표면 수의 증가, 층의 지향, 및 보다 광범위한 흡수된 파장으로 인하여 입사광의 보유 및 흡수에 도움이 될 수 있는 것으로 여겨진다. 이에 따라, 광흡수층(802)에 형성된 전도성 나노-튜브(CNT)(704) 및 GaAs 물질(706)은 전체 태양 전지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
도 9는 태양 전지 소자(940)에 진성 광흡수층(902)이 형성된 태양 전지 소자(940)를 도시한 것이다. 이러한 구체예에서, 도 8에 예시된 태양 전지(940)와 비교하여, 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)는 먼저 기판(100) 상에 형성된다. 임의적으로, 금속 입자 촉매(712)는 기판(100) 표면 상에서의 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 성장에 도움을 주기 위하여 기판 표면 상에 사용되고 증착된다. 이후에, 제 1 TCO 층(102)은, 증착된 층이 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 프로파일을 따르도록 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 형성된다. 다음으로, p-타입 층(104)은 제 1 TCO 층(102) 상에 형성된다. 일 구성에서, 증착된 p-타입 층(104)은 제 1 TCO 층(102) 및 탄소 나노 튜브 (CNT)(704)의 프로파일을 컨포멀하게 따른다. 이후에, GaAs 층(706)은 p-타입 층(104) 및 탄소 나노 튜브 (CNT)(704) 위에 형성되어 광흡수층(902)을 형성시킨다. 일 구체예에서, 용액 기반 GaAs 층(706)은 도 3 및 도 5를 참조로 하여 상기 기술된 공정들 중 하나 이상을 이용하여 기판 상에 형성될 수 있다. 탄소 나노 튜브 (CNT)(704), p-타입 층(104), 제 1 TCO 층(102) 및 GaAs 층(706) 모두는 광흡수층(902)에 형성된 정공 및 전자의 추출을 도우며, 이에 의해 생성된 전하의 수집을 촉진시키고 형성된 태양 전지 소자의 전체 변환 효율을 증가시킨다. 이후에, n-타입 실리콘 층(108)은 광흡수층(902) 상에 형성되며, 제 2 TCO 층(110) 및 후방 금속 전극(112)은 이후에, 도 1과 함께 상기에서 논의된 바와 같이, 그 위에 형성된다.
p-타입 층(104), 광흡수층(702, 802, 902) 및 n-타입 층(108)을 포함하는 p-i-n 접합부를 형성시키기 위한 순서가 필요한 경우에 역순일 수 있다는 것이 주지된다. 예를 들어, n-i-p 접합부는 또한 GaAs 기반 물질 층(706)으로 채워진 탄소 나노 튜브(704)의 구조를 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 탄소 나노 튜브(704) 상에 p-타입 층(104)을 형성시키는 대신에, n-타입 층(108)이 탄소 나노 튜브(704) 상에 형성될 수 있다. 이후에, GaAs 기반 물질 층(706)은 n-타입 층(108) 및 탄소 나노 튜브(704) 위에 형성될 수 있다. 연속적인 GaAs 기반 물질 층(706)이 기판(100) 상에 형성된 후에, p-타입 층(104)이 그 위에 형성되어 요망되는 경우에 기판 상에 요망되는 n-i-p 접합부를 형성시킨다. 일부 구성에서, 실리콘 이외의 물질로부터 p-타입 및/또는 n-타입 층을 형성시키는 것이 요망될 수 있다는 것이 주지되어야 한다.
상기 설명은 본 발명의 구체예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 및 추가의 구체예가 본 발명의 기본 범위를 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 발명의 범위는 이하 기재되는 특허청구범위에 의해서 결정된다.

Claims (15)

  1. 기판의 표면 위에 제 1 타입의 도펀트가 도핑된 제 1 층을 형성시키는 단계;
    상기 제 1 층 상에 GaAs 기반 층을 형성시키는 단계; 및
    상기 GaAs 기반 층 상에 제 2 타입의 도펀트가 도핑된 제 2 층을 형성시키는 단계를 포함하는, 태양 전지 소자를 형성시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, GaAs 기반 층을 형성시키는 단계가 용매 중에 배치된 GaAs 함유 전구체를 공정 챔버에 공급하고 기판 상에 GaAs 기반 층을 형성시키기 위해서 상기 공정 챔버에서 GaAs 함유 전구체 용매를 증발시킴을 포함하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, GaAs 함유 전구체가 (NMe2)2GaAstBuH, Me2GaAs(NMe2)2, Me2GaAs(SiMePh2)2, Me2GaAs(SiPh3)2, Et2GaAs(SiMe2Cy)2, 및 Me2GaAs(SiMe2Cy)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 기판 상에 형성된 GaAs 기반 층을 어닐링(annealing)함을 추가로 포함하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 제 1 타입의 도펀트가 p-타입 도펀트이며, 제 2 타입의 도펀트가 n-타입 도펀트인 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 제 1 층이 실리콘 함유 층 또는 GaAs 기반 층이며, 제 2 층이 실리콘 함유 층 또는 GaAs 기반 층인 방법.
  7. 제 6항에 있어서, p-타입 도펀트가 금속 아연 도펀트, 디메틸 아연(DMZ), 디에틸 아연(DEZ), 금속 마그네슘 도펀트, 사이클로펜타디에닐 마그네슘, 카본 클로라이드(CCl4) 또는 카본 브로마이드(CBr4) 중 하나 이상을 포함하며, n-타입 도펀트가 H2S, 황, 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), H2Se, Se 등 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 제 1 층이 p-타입 비정질 실리콘 층이며, 제 2 층이 n-타입 비정질 실리콘 층인 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 기판 상에 제 1 층을 형성시키기 전에 기판의 표면 위에 복수의 탄소 나노튜브를 형성시킴을 추가로 포함하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 복수의 탄소 나노튜브를 GaAs 층으로 채움을 추가로 포함하는 방법.
  11. 기판 상에 배치된, 제 1 타입의 도펀트로 도핑된 제 1 층;
    상기 제 1 층 위에 형성된 GaAs 기반 층; 및
    상기 GaAs 기반 층 위에 형성된 제 2 층을 포함하는, 태양 전지 소자에서 사용하기에 적합한 구조물.
  12. 제 11항에 있어서, 제 1 타입의 도펀트가 금속 아연 도펀트, 디메틸 아연(DMZ), 디에틸 아연(DEZ), 금속 마그네슘 도펀트, 사이클로펜타디에닐 마그네슘, 카본 클로라이드(CCl4) 또는 카본 브로마이드(CBr4) 중 하나 이상을 포함하는 p-타입 도펀트이며, 제 2 타입 도펀트가 H2S, 황, 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), H2Se, Se 등 중 하나 이상을 포함하는 n-타입 도펀트인 구조물.
  13. 제 11항에 있어서, 제 1 층이 p-타입 실리콘 함유 층이며, 제 2 층이 n-타입 실리콘 함유 층인 구조물.
  14. 제 11항에 있어서, 기판 상에 형성된 GaAs 기반 층이 그에 도핑된 제 3 타입의 도펀트를 포함하며, 제 3 타입의 도펀트가 p-타입 도펀트 또는 n-타입 도펀트인 구조물.
  15. 제 11항에 있어서, GaAs 기반 층이 용액 기반 GaAs 전구체에 의해 제조되는 구조물.
KR1020137011285A 2010-10-01 2011-09-30 갈륨 아르제나이드 광흡수층을 지닌 고효율 태양 전지 소자 KR101875159B1 (ko)

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