박막증착을 위한 플라즈마 공정장치 및 이를 이용한미세결정질 실리콘 박막의 증착방법 document_id A220623034534

화석자원의 고갈과 환경오염에 대처하기 위해 태양력 등의 청정에너지에 대한 관심이 고조되면서, 태양광을 이용하여 기전력을 발생시키는 태양전지에 대한 연구가 활력을 얻고 있다. 태양전지는 pn접합된 반도체에서 태양광에 의해 여기된 소수캐리어의 확산에 의하여 발생하는 기전력을 이용하는 것으로서 사용되는 반도체 재료의 종류에는 단결정실리콘, 다결정실리콘, 비정질 실리콘, 화합물반도체 등이 있다. 단결정실리콘이나 다결정실리콘을 이용하면 발전효율은 높지만 재료비가 비싸고 공정이 복잡하기 때문에 최근에는 유리나 플라스틱 등의 값싼 기판에 비정질 실리콘이나 화합물반도체 등을 증착하는 박막 태양전지가 주목을 받고 있다. 특히 박막 태양전지는 대면적화에 매우 유리할 뿐만 아니라 기판의 소재에 따라 플렉시블한 태양전지를 생산할 수 있다는 장점을 가진다. 비정질 실리콘을 이용하는 박막 태양전지는 도 1의 개략 단면도에 도시된 바와 같이 투명기판(11)의 상부에 제1전극(12), 비정질 실리콘(a-Si:H)의 반도체층(13), 제2전극(14)이 순차적으로 형성된 구조를 가진다. 투명기판(11)은 유리나 투명한 플라스틱 재질이 이용된다. 제1전극(12)은 투명기판(11) 쪽에서 입사되는 태양광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(Transparent conductive oxide: TCO) 박막으로 형성된다. 반도체층(13)은 제1전극(12)쪽에서부터 P형반도체층(13a), 광흡수율을 높이기 위한 진성(intrinsic) 반도체층(13b), N형반도체층(13c)이 순차적으로 적층되어 PIN 접합면을 구성한다. 제2전극(14)은 제1전극(12)과 마찬가지로 TCO박막을 증착하여 형성하거나 Al, Cu, Ag 등의 금속 박막을 증착하여 형성한다. 이러한 구조의 박막 태양전지에서 투명기판(11)측에서 태양광이 조사되면 반도체층(13)에서 생성된 소수캐리어가 PIN 접합면을 가로질러 확산되면서 제1전극(12)과 제2전극(14)의 사이에서 전압차를 일으켜 기전력을 발생시킨다. 그런데 비정질 실리콘을 이용하는 박막 태양전지는 단결정 또는 다결정 실리콘을 이용하는 태양전지나 화합물반도체를 이용하는 태양전지에 비하여 에너지 변환효율이 매우 낮고, 빛에 장시간 노출되면 특성 열화 현상(Staebler-Wronski Effect)이 나타나서 시간이 갈수록 효율이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 비정질 실리콘 대신에 미세결정질 실리콘(μc-Si:H 또는 nc-SiH)을 이용한 것이 미세결정질 실리콘 박막 태양전지이다. 미세결정질 실리콘은 비정질과 단결정 실리콘의 경계물질로서 증착방법에 따라 수십 내지 수백 nm의 결정크기를 가지며, 비정질 실리콘과 같은 특성열화현상이 없다는 장점이 있다. 또한 미세결정질 실리콘은 비정질 실리콘과 다른 에너지 밴드갭(band-gap)을 가지기 때문에 광흡수율을 높이기 위해 비정질 실리콘과 함께 사용되기도 한다. 즉, 비정질 실리콘의 PIN층(P형-진성-N형반도체층)과 미세결정질 실리콘의 PIN층을 연속으로 적층한 탠덤(Tandem) 또는 트리플(Triple) 구조의 박막 태양전지가 많이 이용되고 있다. 그런데 이러한 태양전지에서 비정질실리콘층은 약 400nm정도의 두께로 증착하면 되지만, 미세결정질실리콘은 장파장 대역의 광흡수율을 높이기 위해서는 약1~5μm의 두께로 증착해야 하는데다 증착속도가 매우 느리기 때문에 생산성을 제한하는 요인이 되고 있다. 한편, 박막 태양전지는 저가의 대면적 기판을 사용함으로써 생산단가를 크게 낮출 수 있는 장점을 가지므로 대면적 기판에 균일한 박막을 증착하는 것이 매우 중요하다. 그런데 비정질 또는 미세결정질 실리콘층을 형성하는 종래의 PECVD장치는 서로 대향하는 전극과 기판안치대 사이에 플라즈마를 발생시켜서 기판에 박막을 증착하기 때문에 기판의 주변부와 중앙부에서 박막두께가 달라지는 경향이 있다. 이러한 문제점은 태양전지뿐만 아니라 대면적 기판을 사용하여 평판표시장치를 제조하는 경우에도 해결과제로 대두되고 있는 실정이다.