(57)【要約】  本発明は、水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法に関する。非晶質シリコン薄膜を形成して薄膜内に前記薄膜の深さ以下の深さを有する溝を形成して、その上に金属層を形成し、前記非晶質シリコン薄膜を水平的に多結晶化を進行させる金属誘導結晶化方法を利用する低温多結晶シリコン太陽電池の製造方法を提供する。本発明によると、結晶の模様とその成長方向を調節することができるので、電流の流れを改善した低温多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
2010515280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に非晶質シリコン薄膜を少なくとも１層以上形成する段階と、
前記非晶質シリコン薄膜に前記薄膜の深さ以下の深さを有する溝を少なくとも１つ以上形成する段階と、
前記溝の上部に金属層を形成して前記非晶質シリコン薄膜を水平的に結晶化する段階を含めてなる水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【請求項２】
前記基板と非晶質シリコン薄膜との間に絶縁膜を形成する段階をさらに追加することを特徴とする請求項１に記載の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【請求項３】
前記基板上に形成された非晶質シリコン薄膜に金属イオンを注入する段階をさらに追加することを特徴とする請求項１に記載の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【請求項４】
前記金属はニッケルであることを特徴とする請求項１又は３に記載の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【請求項５】
前記非晶質シリコン薄膜は、上部にマスク層を形成する段階をさらに追加することを特徴とする請求項１に記載の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【請求項６】
前記溝は、レーザースクライビング法によって線模様にパターニングされて形成されることを特徴とする請求項１に記載の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【請求項７】
前記溝は、前記非晶質シリコン薄膜をＶ字型、Ｕ字型、又は四角型の形態で除去したことを特徴とする請求項１に記載の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【請求項８】
前記非晶質シリコン薄膜が水平的に結晶化する段階は、電界又は磁界を印加した状態で熱処理することを特徴とする請求項１に記載の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【請求項９】
前記熱処理は、４５０℃〜５５０℃の温度でなることを特徴とする請求項８に記載の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【請求項１０】
前記非晶質シリコン薄膜を水平的に結晶化する段階の後に、欠陥を除去するためのアニーリング段階又は水素パッシべーション段階をさらに追加することを特徴とする請求項１に記載の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法に関する。より詳細には、基板上に非晶質シリコン薄膜を少なくとも１層以上形成し、前記非晶質シリコン薄膜に露出された側断面部を少なくとも１つ以上形成し、前記側断面部に金属層を形成して前記非晶質シリコン薄膜が水平的に結晶化する過程を含めてなる低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に太陽電池は光起電力装置の１つである。
【０００３】
光起電力装置は、太陽から地球に伝達される光エネルギーを電気エネルギーに変換してエネルギーを生産するクリーンエネルギー源であり、既に長年に亘る研究が進行されている。
【０００４】
太陽電池などを利用する太陽光発電は、新・再生可能のエネルギーを利用して環境を破壊することなく、そのエネルギー源をどこでも得ることができるというメリットがある。
【０００５】
したがって、太陽光発電は次世代クリーンエネルギー源としての研究が活発に進行されている。
【０００６】
しかし、現在、太陽光発電用として広く商用化されているＳｉ単結晶太陽電池は、高価のウエハーを使用することによる高いコストのため、その使用が制限的である。
【０００７】
このような問題を解決して、原材料の費用を節減するとともに高効率化と高信頼度を得ることのできる薄膜型太陽電池を開発するために、多様な検討が提案されている。
【０００８】
その多様な検討の中で、透明ガラス基板上に形成された多結晶Ｓｉ薄膜を利用して非晶質Ｓｉより太陽電池の内でキャリアの移動を顕著に増加させる方法が説得力を得ている。
【０００９】
このセル構造は、ガラス基板とＳｉ膜との間に透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を使用することなく、Ｓｉ膜それ自体に十分な電流伝導度を有するようにして透明導電膜の代りにすることによって、画期的にコストを節減することができる。
【００１０】
ガラスの変形温度以下において、ガラス基板上にこのような優れた性質の多結晶Ｓｉを製造するためには、非晶質Ｓｉの低温結晶化が理想的な方法として知られている。
【００１１】
低温多結晶Ｓｉの製造方法の中で、ガラスに変形が生じることを防止する方法は、（１）エキシマレーザーを利用するＥＬＡ法と、（２）金属を利用して非晶質Ｓｉを低い温度で結晶化するように誘導する金属誘導結晶化法（ＭＩＣ法）などがある。
【００１２】
しかし、太陽電池に前記ＥＬＡ法を利用することは、低い均一度と高いコストのためその利用が制限される。
【００１３】
これに比べて、ＭＩＣ法においては、特定の金属を非晶質Ｓｉ膜に蒸着させた後、熱処理によって添加された金属が触媒剤の役割をすることによりＳｉの結晶化が進行される。この方法は、高い均一度と低コストで得ることができるメリットがある。
【００１４】
前記のＭＩＣ法は、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）などの金属をスパッタリング又はインプランテーションして非晶質Ｓｉ薄膜の表面に添加し、ガラスの変形温度以下で熱処理することによって、Ｓｉの結晶化を実施する方法である。
【００１５】
とりわけ、Ｎｉを利用する場合、比較的に低い温度においてもＳｉの結晶化が可能であり、結晶質の優秀な多結晶Ｓｉを作製することができると知られている。
【００１６】
多結晶Ｓｉの製造は、ＮｉとＳｉの結合体であるＮｉＳｉ２相が非晶質Ｓｉ方向への移動とともに、その後尾部分に結晶質Ｓｉを継続的に成長させることによって実現される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
最近、前記ＭＩＣ法を変形させた方法で、非晶質Ｓｉ薄膜の表面上の一部の範囲に金属膜を作製して、この金属パターンからＳｉの結晶化を開始させる方法が利用されている。
【００１８】
図１は、従来のＭＩＣ法を利用して多結晶シリコン薄膜太陽電池を製造する方法をフローチャートで図示した模式図である。
【００１９】
図１を参照するとき、非晶質シリコン薄膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ）の多層構造上に積層されるか、又は、一部がパターニングされたニッケル金属層によってニッケル粒子が拡散されて、ＮｉとＳｉの結合体であるＮｉＳｉ２相が形成される段階と、これによって結晶質シリコンが成長する過程が示されている。
【００２０】
しかし、このような従来の方法によって作製される多結晶Ｓｉ膜は、太陽電池に適用するには多くの制限条件を有している。
【００２１】
従来のＭＩＣ法によって製造される多結晶Ｓｉは、その結晶サイズと粒界表面で発生する欠陥数がＳｉ膜の厚さによって敏感に影響を受ける問題がある。
【００２２】
また、非晶質Ｓｉの上部または下部の表面上に蒸着された金属膜から結晶成長が始まるので、その成長は水平と垂直方向へと無秩序に進行されるが、その成長の方向を調節することができないという問題があり、その結果、生成されたそれぞれの異なるサイズと形態の結晶などが接触しながらその粒界表面に多くの欠陥が生成される。
【００２３】
また、多結晶Ｓｉ薄膜型太陽電池において、酸化膜と対面しているＳｉがＴＣＯの役割をなすためには、水平方向への高い伝導度が要求されるが、進行方向に存在する多数の結晶粒子の界面と欠陥によって、電流伝導度の値が減少することになる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記のような問題を解決するために、本発明の水平金属誘導結晶化を利用する低温多結晶シリコン光起電力装置の製造方法は、基板上に非晶質シリコン薄膜を少なくとも１層以上形成する段階と、前記非晶質シリコン薄膜に少なくとも１つ以上の溝を形成する段階と、前記溝に金属層を形成して前記非晶質シリコン薄膜が水平的に結晶化する段階を包含する。
【００２５】
前記溝は、非晶質シリコン薄膜の上部から下部の方に形成されるとともに、前記非晶質シリコン薄膜の側面部を露出させる。
【００２６】
前記溝の深さは、前記薄膜の深さ以下の深さであり、少なくとも１つ以上形成される。
【００２７】
本発明において、前記基板と非晶質シリコン薄膜との間に絶縁膜を形成する段階をさらに追加することができる。前記絶縁膜は、基板の不純物が非晶質シリコン薄膜に浸透することを防止するために形成されることができるが、酸化絶縁膜（ＳｉＯｘ）または窒化絶縁膜（ＳｉＮｘ）が利用されることができる。
【００２８】
本発明においては、前記基板上に形成された非晶質シリコン薄膜に金属イオンを注入する段階をさらに追加して、金属誘導による結晶化をさらに促進させることができる。
【００２９】
前記金属層または金属イオンの金属は、Ａｌ、Ｎｉ、ＣＯなどの遷移元素が可能であるが、特にＮｉを使用することが好ましい。
【００３０】
本発明の製造方法は、前記非晶質シリコン薄膜の上部にマスク層を形成する段階をさらに追加することができる。マスク層を形成する場合、前記溝がマスク層によってカバーされない非晶質シリコン薄膜層に形成される。
【００３１】
本発明において、前記溝はレーザースクライビング法によって線模様にパターニングされて形成されることができる。線模様とは光起電力装置を上部から観察した時、溝が一列に連結されて１つの線を形成する形態である。
【００３２】
溝の断面形状は、Ｖ字型、Ｕ字型、又は四角型の形態であることができ、溝の側面にシリコン薄膜が露出される。
【００３３】
前記溝の上面に金属層を積層するとき、金属層の厚さはナノメートルのレベル範囲で、特に好ましくは１〜１００ｎｍであることができるが、必ずしもこれに限定するものではない。
【００３４】
本発明において、前記非晶質シリコン薄膜を水平的に結晶化するとき、電界又は磁界を印加した状態で熱処理することにより結晶化を促進することができる。
【００３５】
前記の熱処理は、ガラス基板が変質されない範囲の温度内で実施するべきであるが、特に４００℃〜５５０℃の温度で実施されることが好ましい。
【００３６】
前記非晶質シリコン薄膜が水平的に結晶化する段階の後に、欠陥を除去するためのアニーリング段階又は水素パッシべーション段階をさらに追加することができる。
【００３７】
本発明において提案される金属誘導結晶化法によると、非晶質Ｓｉの上面  又は下面ではなく側面から結晶化が水平方向に進行され、その結晶のサイズと形態などは一定に制御される特徴を有する。
【００３８】
このようなシリコン結晶の形態は、結晶化の進行方向が水平方向であるため、水平方向の長さが垂直方向の長さに比べて非常に長く成長するコラム状を有している。
【００３９】
シリコン薄膜の水平方向においては、結晶粒子の粒界表面とこれによる欠陥の数が大いに減少される。
【００４０】
本発明において側面から水平方向に進行するＳｉの結晶成長によって、シリコン薄膜内の欠陥の数は薄膜の厚さに係らず調節されることができる。
【００４１】
特に、絶縁膜に接しているシリコン薄膜層によって得られる水平方向への電流伝導度は、本発明で提案された結晶化法によって電流の進行方向で出合う粒界表面が大幅に減少することによって、その値が非常に改善される。
【００４２】
初期のＳｉ結晶化を始めるために供給される金属層だけでなく、継続的に結晶化を進行するための他の金属が供給されることによって、その結晶化の速度を促進しかつ調節することができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明は、水平方向の金属誘導結晶化法を利用して低温多結晶Ｓｉ膜を製造することによって、シリコン薄膜内において電流伝導度を増加させるとともに、漏電の量を急激に減少させて、多結晶シリコン太陽電池の効率を向上させるために使用することができる。
また、本発明は水平方向への金属誘導結晶化を具現することのできるシリコン薄膜型太陽電池の製造工程を提案する。
本発明によると、高い光電変換効率を有する太陽電池素子を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来技術の１実施形態による金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示す模式図である。
【図２】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【図３】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【図４】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【図５】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【図６】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【図７】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【図８】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【図９】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【図１０】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【図１１】本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【００４６】
なお、本発明の要旨が混同されると判断される公知機能及び構成に対しては詳細な説明を省略する。
【００４７】
図２〜図１０は、本発明の１実施形態による水平金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示した断面図である。
【００４８】
すなわち、図２〜図１０は、金属誘導結晶化法を利用する多結晶Ｓｉ太陽電池の製造において、Ｓｉ結晶の模様とその成長方向を調節するために提案された工程図である。
【００４９】
図２から分るように、ガラス基板２０１上に蒸着された絶縁膜（ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ）２０２上に、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）を利用して多層構造の非晶質シリコン薄膜２０３などを蒸着させる。前記Ｓｉ膜などは、他のドーピングの種類とその濃度に従ってｐ層とｎ層に形成されることができる。これらシリコン薄膜層の配列は、太陽電池の構造によって多様に変化されることができる。
【００５０】
図３において、これらの非晶質Ｓｉ膜に微少な量のＮｉをイオン・インプランテーション又はスパッタリングを利用して注入する。この工程で注入された金属の量は、最適の条件下で存在しなければならない。その最適条件において、金属量は、熱処理の間、Ｓｉ内での拡散を通じて互に結合して、明白な核生成を通じて自体的にＳｉ結晶化を形成しないほど、少なくなければならないが、以後、側面の金属から進行されてくるＳｉ結晶化に対して追加的なＮｉ金属量を提供し、これらを通じて水平方向への結晶化を促進することができるほど、その量が十分でなければならない。
【００５１】
図４において、微少な量のＮｉが注入された後、非晶質Ｓｉの全体表面は、次の段階でなされる部分的なＮｉ膜の蒸着を通じる側面からの結晶化のために、マスク２０４によってカバーされる。
【００５２】
次いで、図５に図示されたように、ガラス基板上に蒸着されたＳｉとマスク層などの一部分は、素子設計のためにレーザースクライビング法によって線形パターン内で除去される。
【００５３】
除去された部分は、緩慢な窪みの形態を形成し、その直径は一般的に数十ｍｍに制御される。また、これら窪み間の残りのＳｉ膜の幅は、数十ｍｍから増加する値に調節することができる。
【００５４】
マスク２０４で覆われた非晶質シリコン薄膜の表面を除いて、レーザースクライビング法によって除去された部分の側面は、マスクで保護されない非晶質シリコン薄膜である。図６において、非晶質シリコン薄膜の側面に沿って金属層２０５、特に、Ｎｉ金属層がスパッタリング又はＣＶＤ装備によって蒸着される。一般的にこのような金属層は、ナノメートルレベルの厚さで蒸着されるが、数十ナノメートルのレベルが好ましい。
【００５５】
図７と図８によると、Ｎｉ金属層２０５に近接する非晶質Ｓｉ膜からＮｉＳｉ２相の形成とＳｉの核生成を経て結晶シリコンの成長が発生し、反対側側面への水平成長が漸進的に進行することを確認することができる。このとき、非晶質シリコン薄膜中に進行する結晶質シリコン薄膜２０６の境界面には、非晶質金属で既に注入されているＮｉイオンから連続的に金属が供給されることによってシリコンの多結晶水平成長を促進させる。
【００５６】
図９においては、前記シリコン結晶が水平方向に十分成長されて、隣接したシリコンの側面から始まって同一の水平方向に成長されてくる結晶シリコンと出合う場合に至るとき、結晶化が止まることを確認することができる。
【００５７】
図１０によると、最終的に欠陥を除去するためのアニーリング段階、又は、水素パッシべーション段階を経て太陽電池への利用が可能になる良質の多結晶シリコン薄膜２０６が製造される。
【００５８】
図１１は、本発明の１実施形態による金属誘導結晶化法を利用する光起電力装置の製造方法を示したフローチャートである。
【００５９】
図１１を参照するとき、本発明の太陽電池の製造方法は、非晶質シリコン薄膜を基板上に積層する工程（Ｓ３０１）、金属イオン、特にＮｉイオンをスパッタリング又はインプランテーションする工程（Ｓ３０２）、その上にマスキングする工程（Ｓ３０３）、レーザースクライビング法によって非晶質シリコン薄膜をパターニングする工程（Ｓ３０４）、パターニングした部位に金属層、特に、Ｎｉ層を蒸着する工程（Ｓ３０５）、マスクを除去する工程（Ｓ３０６）、電界又は磁界の印加状態における熱処理（Ｓ３０７）によって、シリコン薄膜の多結晶化を完結する工程（Ｓ３０８）によって進行される。
【００６０】
前記パターニングによって非晶質シリコン薄膜層に、線形パターン内で連結された溝が形成される。
【００６１】
上述のように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の当業者であれば、特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域の範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、水平方向の金属誘導結晶化法を利用して低温多結晶Ｓｉ膜を製造することによって、シリコン薄膜内で電流伝導度を増加させるとともに、漏電の量を急激に減少させることにより多結晶シリコン太陽電池の効率を向上させることに使用することができる。
【００６３】
また、本発明は水平方向への金属誘導結晶化を促進することのできるシリコン薄膜型太陽電池の製造工程を開示する。
【００６４】
本発明によると、高い光電変換効率を有する太陽電池素子を低コストで製造することができる。
【符号の説明】
【００６５】
２０１：ガラス基板                  ２０２：絶縁膜
２０３：非晶質シリコン薄膜          ２０４：マスク
２０５：金属層                      ２０６：多結晶シリコン薄膜
【図１】
2010515280.tif 000003
【図２】
2010515280.tif 000004
【図３】
2010515280.tif 000005
【図４】
2010515280.tif 000006
【図５】
2010515280.tif 000007
【図６】
2010515280.tif 000008
【図７】
2010515280.tif 000009
【図８】
2010515280.tif 000010
【図９】
2010515280.tif 000011
【図１０】
2010515280.tif 000012
【図１１】
2010515280.tif 000013
【国際調査報告】
2010515280.tif 000014
2010515280.tif 000015