JP2021504980A - フレキシブル二重接合太陽電池 - Google Patents

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Abstract

本発明の一実施例によるフレキシブル二重接合太陽電池は、下部電極層を含むフレキシブル基板と、前記フレキシブル基板の前記下部電極層と接触するＩｎＧａＡｓ太陽電池と、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池上に配置され、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池と直列連結したＧａＡｓ太陽電池と、を含む。前記ＧａＡｓ太陽電池はその下部面に形成された金属ナノディスクアレイを含み、前記金属ナノディスクアレイの下部には前記金属ナノディスクアレイと整列された空きスペースアレイが配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、二重接合化合物太陽電池に関するものとして、より詳細には、表面プラズモン共鳴構造（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を備えた二重接合化合物太陽電池に関する。
ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体ベースの多重接合太陽電池は、直接型エネルギバンドギャップ（ｄｉｒｅｃｔ−ｔｙｐｅ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄｇａｐ）と高い光吸収係数を有するため、太陽光スペクトルをとても効率的に吸収できる。また、化合物半導体、太陽電池は、最適のバンドギャップの組み合わせを通じて４０パーセント以上のとても高い光電変換効率を達成できる次世代新再生エネルギ素子である。
現在商用化されているＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ三重接合太陽電池は、Ｇｅ基板にそれぞれのエピタキシャル層が格子整合に成長され、非集光条件（ｎｏｎ−ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）で約３０％の光電変換効率を有する。
太陽電池の変換効率をさらに向上させるためには、四重接合、五重接合などより最適化されたバンドギャップを組み合わせることが必要である。これを具現するためには、基板と格子不整合をなすエピタキシャル層の成長が必要である。格子不整合条件でのエピタキシャル成長は、太陽電池の短絡電流密度（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）と開放電圧（ｏｐｅｎ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）を減少させる結晶質欠陥を生成する。したがって、太陽電池構造成長時に格別の注意を払う必要がある。
最近、太陽電池の効率向上のための新たな方法として、金属ナノ粒子を太陽電池の表面に導入して、ナノ粒子による光散乱効果の増大及びプラズモン共鳴（ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）発生を通じて太陽電池の光吸収を画期的に増加させようとする試みが活発に行われている。プラズモン共鳴は、入射光によって励起された金属内の自由電子が集団的に挙動する現象で、局部的表面プラズモン共鳴と電波型表面プラズモン共鳴に分ける。金属ナノ粒子と半導体の界面では、このような表面プラズモン共鳴によって強い電場が形成されて、半導体はより多くの光を吸収できるようになる。また、金属ナノ粒子の誘電率、形態、配列周期などを調整して光吸収帯域及び光吸収効率を選択的に変調できる長所がある。
本発明の解決しようとする技術的課題は、二重接合太陽電池の直列連結した下部ＩｎＧａＡｓ太陽電池と上部ＧａＡｓ太陽電池との間に金属ナノディスクアレイ及び前記金属ナノディスクアレイと整列した空きスペースを配置して、光反射特性及び優秀な電気的特性を二重接合太陽電池に提供することである。
本発明の解決しようとする技術的課題は、二重接合太陽電池の直列連結した下部ＩｎＧａＡｓ太陽電池と上部ＧａＡｓ太陽電池との間に金属ナノディスクアレイ及び前記金属ナノディスクアレイと整列した空きスペースが形成された二重接合太陽電池の製造方法を提供することである。
本発明の一実施例によるフレキシブル二重接合太陽電池は、下部電極層を含むフレキシブル基板と、前記フレキシブル基板の前記下部電極層と接触するＩｎＧａＡｓ太陽電池と、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池上に配置され、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池と直列連結したＧａＡｓ太陽電池と、を含む。前記ＧａＡｓ太陽電池はその下部面に形成された金属ナノディスクアレイを含み、前記金属ナノディスクアレイの下部には前記金属ナノディスクアレイと整列した空きスペースアレイが配置される。
本発明の一実施例において、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池は、前記下部電極層上に配置された下部金属接着層と、前記上部金属接着層上に配置された半導体接着層と、前記半導体接着層上に配置された上部金属接着層と、前記上部金属接着層上に配置されたｎ＋−ＩｎＰコンタクト層と、前記ｎ−ＩｎＰコンタクト層上に配置されたｎ−ＩｎＧａＡｓベース層と、前記ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層上に配置されたｐ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタ層と、前記ｐ−ＩｎＧａＡｓエミッタ層上に配置されたｐ＋−ＩｎＰ窓層と、前記ｐ＋−ＩｎＰ窓層上に配置されたｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層と、を含む。
本発明の一実施例において、前記ＧａＡｓ太陽電池は、前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層上に配置されたｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層と、前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層上に配置されたｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層（ｂａｃｋ−ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ ｌａｙｅｒ）と、前記ｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層上に配置されたｎ−ＧａＡｓベース層と、前記ｎ−ＧａＡｓベース層上に配置されたｐ＋−ＧａＡｓエミッタ層と、前記ｐ＋−ＧａＡｓエミッタ層上に配置されたｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層と、前記ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層上に配置されたｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層と、を含む。前記金属ナノディスクアレイは、前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層の下部面に配置され、前記空きスペースアレイは、前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層と前記金属ナノディスクアレイとの間に配置される。
本発明の一実施例において、前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層は、陷沒部を含み、前記陥没部を埋める無反射コーティング層と、前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層上に配置された上部電極層と、をさらに含む。
本発明の一実施例において、前記金属ナノディスクアレイは金（Ａｕ）であり、前記金属ナノディスクアレイの厚さは４０ｎｍないし６０ｎｍであり、前記金属ナノディスクアレイの周期は５０ｎｍないし２００ｎｍであり、前記金属ナノディスクアレイの直径は３０ｎｍないし１２０ｎｍである。
本発明の一実施例によるフレキシブル二重接合太陽電池の製造方法は、ｎ＋−ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓバッファ層、ＡｌＡｓ犠牲層、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層、ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層、ｐ＋−ＧａＡｓエミッタ層、ｎ−ＧａＡｓベース層、ｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層、及びｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層を備えたＧａＡｓ太陽電池を用意する段階と、前記ＧａＡｓ太陽電池のｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層に形成されたホールアレイの下部面に金属ナノディスクアレイを形成し、前記金属ナノディスクアレイの上部には空きスペースを形成する段階と、ｎ＋−ＩｎＰ基板上に順次積層されたＩｎＰバッファ層、ＡｌＡｓ補助犠牲層、ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、ｐ＋−ＩｎＰ窓層、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタ層、ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層、及びｎ＋−ＩｎＰコンタクト層を備えたＩｎＧａＡｓ太陽電池を用意する段階と、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池のｎ＋−ＩｎＰコンタクト層上に上部金属接着層、半導体接着層、及び下部金属接着層を積層する段階と、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池に積層された下部金属接着層と下部電極層を含むフレキシブル基板とボンディングする段階と、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池のＡｌＡｓ補助犠牲層を除去してｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を露出させる段階と、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池の前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層と前記ＧａＡｓ太陽電池のｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層をウエハボンディングして二重接合太陽電池を形成する段階と、前記二重接合太陽電池で前記ＧａＡｓ太陽電池の前記ＡｌＡｓ犠牲層を除去して前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層を露出させる段階と、を含む。
本発明の一実施例において、前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層上に局部的に上部電極層を形成する段階と、前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層が局部的に除去された陥没部に無反射コーティング層を形成する段階と、をさらに含む。
本発明の一実施例による二重接合太陽電池は、金属ナノディスクアレイ及び前記金属ナノディスクアレイと整列した空きスペースによって光反射特性及び優秀な電気的特性を提供する。
本発明の一実施例によるフレキシブル二重接合太陽電池を説明する概念図である。 本発明の一実施例によるＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池とＧａＡｓ太陽電池を接合する段階を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池とＧａＡｓ太陽電池を接合する段階を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池とＧａＡｓ太陽電池を接合する段階を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池とＧａＡｓ太陽電池を接合する段階を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池とＧａＡｓ太陽電池を接合する段階を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池とＧａＡｓ太陽電池を接合する段階を説明する断面図である。 本発明の一実施例によるフレキシブル二重接合太陽電池の波長による表面反射度を示すシミュレーション結果である。 図５の結果を金属ナノディスクアレイの存在による波長による表面反射率向上度（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒ、Ｆ）に表示する。
本発明の一実施例によると、表面プラズモン共鳴構造製作技術とウエハボンディング技術を用いて格子不整合構造を有した高効率フレキシブルＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ二重接合太陽電池が提供される。二重接合太陽電池製作に必要な単一接合ＧａＡｓ太陽電池及びＩｎＧａＡｓ太陽電池のエピタキシャル薄膜は、分子線エピタキシ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）又は有機金属化学蒸着（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、それぞれＧａＡｓ及びＩｎＰ基板上に格子整合で高品質のエピタキシャル成長が行われる。
ＧａＡｓ単一接合太陽電池構造は、選定された薄膜層を基板から分離するようにＡｌＡｓ犠牲層が含まれた逆方向成長構造である。ＩｎＧａＡｓ単一接合太陽電池構造は、選定された薄膜層を基板から分離するようにＡｌＡｓ補助犠牲層が含まれた逆方向成長構造である。
フレキシブルＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ二重接合太陽電池は、下部電極層が蒸着したポリイミドフィルム上に製作される。前記フレキシブル二重接合太陽電池に入射される太陽光の中で可視光線帯域（３００〜８００ｎｍ）の光は、主に上部ＧａＡｓセルのｎ−ＧａＡｓベース層によって吸収される。赤外線帯域（８００〜１８００ｎｍ）の光は、下部ＩｎＧａＡｓセルのｎ−ＩｎＧａＡｓベース層によって吸収される。前記ｎ−ＧａＡｓベース層に吸収されない光は、前記フレキシブル二重接合太陽電池の下部面に位置する前記下部金属層で反射される。前記下部金属層は、前記ポリイミドフィルム上に配置され、９０％以上の高い反射率を有する。前記下部金属層で入射された光は、前記フレキシブル二重接合太陽電池に反射する。反射した光は、前記フレキシブル二重接合太陽電池のｎ−ＩｎＧａＡｓベース層内で再吸収されて、光電流向上に寄与する。
本発明の一実施例によるフレキシブルＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ二重接合太陽電池は、ポリイミドフィルムのようなフレキシブル基板上に配置され、設置及び加工に有利である。
本発明の一実施例によるフレキシブルＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ二重接合太陽電池において、ＩｎＧａＡｓ太陽電池は、下部電極層と金属ナノディスクアレイによってファブリ・ペロー共鳴（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ Ｃａｖｉｔｙ）構造を有する。したがって、ＩｎＧａＡｓ太陽電池の薄膜厚さの最適設計を通じて、特定波長（λ＝２ｎＬ／ｍ、λ：共鳴波長、n：下部ＩｎＧａＡｓ太陽電池薄膜の有効屈折率、Ｌ：太陽電池薄膜の総厚さ、ｍ：１、２、３、...）の光は、ファブリ・ペロー共鳴（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）現象を発生させる。これによって、前記下部ＩｎＧａＡｓ太陽電池の光吸収効率を高めることができる。前記特定波長は、１０００ｎｍ付近である。
本発明の一実施例によると、金属ナノディスクアレイが前記ＧａＡｓ太陽電池（上部セル）と前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池（下部セル）との間に挿入されて、前記ＧａＡｓ太陽電池の主な吸収帯域である可視光線領域の波長吸収を増加させ、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池の主な吸収帯域である赤外線領域の波長吸収を増加させる。
本発明の一実施例によると、ＩｎＧａＡｓ太陽電池の上に位置した金属ナノディスクアレイは、３００〜５５０ｎｍ波長範囲で反射率を増加させ、７８０〜１８００ｎｍ領域では反射率を減少させる。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。本発明のメリット及び特徴、並びにそれらを達成する方法は、添付する図面とともに詳細に後述されている実施例を参照すると明確になる。しかし、本発明は、ここで説明される実施例に限られるものではなく、互いに異なる形態で具体化されることもある。むしろ、ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底かつ完全になるよう、そして当業者に本発明の思想が十分伝えるように提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によって定義されるだけである。
明細書全体に亘って、同一の参照番号は、同一の構成要素を指す。したがって、同一又は類似の参照符号は、当該図面で言及又は説明されなかったとしても、他の図面を参照して説明することができる。また、参照符号が表示されなかったとしても、他の図面を参照して説明することができる。
図１は、本発明の一実施例によるフレキシブル二重接合太陽電池を説明する概念図である。
図１に示すように、前記フレキシブル二重接合太陽電池１０は、下部電極層３３２を含むフレキシブル基板３３４と、前記フレキシブル基板３３４の前記下部電極層３３２と接触するＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１と、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１上に配置され、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池と直列連結したＧａＡｓ太陽電池１０１と、を含む。前記ＧａＡｓ太陽電池１０１はその下部面に配置された金属ナノディスクアレイ１２８を含む。前記金属ナノディスクアレイ１２８の下部には前記金属ナノディスクアレイ１２８と整列した空きスペースアレイ１２９が配置される。
前記フレキシブル基板３３４は、柔軟性を有するポリイミドフィルム、プラスチックフィルム、又は金属フィルムである。
前記下部電極層３３２は、前記フレキシブル基板３３４上に配置される。前記下部電極層３３２は、金（Ａｕ）薄膜である。前記下部電極層３３２は、外部回路に連結される。
前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１は、前記下部電極層３３２上に配置される。前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１は、前記下部電極層３３２上に配置された下部金属接着層２２８と、前記下部金属接着層２２８上に配置された半導体接着層２２６と、前記半導体接着層２２６上に配置された上部金属接着層２２４と、前記上部金属接着層２２４上に配置されたｎ＋−ＩｎＰコンタクト層２２２と、前記ｎ−ＩｎＰコンタクト層２２２上に配置されたｎ−ＩｎＧａＡｓベース層２２０と、前記ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層２２０上に配置されたｐ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタ層２１８と、前記ｐ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタ層２１８上に配置されたｐ＋−ＩｎＰ窓層２１６と、前記ｐ＋−ＩｎＰ窓層２１６上に配置されたｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１４と、を含む。
前記下部金属接着層２２８、前記半導体接着層２２６、及び前記上部金属接着層２２４は、前記ｎ＋−ＩｎＰコンタクト層２２２とオーミック接合を提供する。前記下部金属接着層２２８は、前記下部電極層２２８と同一の材質である。具体的に、前記下部金属接着層２２８及び前記下部電極層２２８は、金（Ａｕ）薄膜である。前記半導体接着層２２６はゲルマニウム（Ｇｅ）である。前記上部金属接着層２２４はパラジウム（Ｐｄ）である。
前記ｎ＋−ＩｎＰコンタクト層２２２は、前記上部金属接着層２２４上に配置されて前記ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層２２０で形成されたキャリアを収集する。
前記ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層２２０は、空乏層（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）領域を有する。空乏層領域で主に光吸収を通じてキャリア（電子、正孔）が作られる。キャリアは、ｐ−ｎ接合界面に存在する内部電場によって、電子はｎ−ｔｙｐｅ半導体側に、正孔はｐ−ｔｙｐｅ半導体側にドリフト（ｄｒｉｆｔ）して移動する。前記ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層２２０は、ｎ−ＩｎＧａ０.５３Ａｓ０.４７である。
前記ｐ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタ層２１８は、前記ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層２２０とｐｎ接合を構成する。前記ｐ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタ層２１８は、ｐ＋−Ｉｎ０.５３Ｇａ０.４７Ａｓである。
前記ｐ＋−ＩｎＰ窓層２１６は、キャリアの再結合速度を下げて外部量子効率を高める役割をする。前記ｐ＋−ＩｎＰ窓層２１６は、エミッタ半導体物質のバンドギャップよりさらに大きなバンドギャップを有する物質が使用される。エミッタの上に窓層が存在しないならば、エミッタ物質は非常に速い表面再結合速度を有するため、キャリアが外部回路に抜け出せずエミッタ内部で再結合（ｃａｒｒｉｅｒ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）されて消滅する。
前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１４はキャリアを収集する。前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１４はｐ＋＋−Ｉｎ０.５３Ｇａ０.４７Ａｓである。
前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１上に前記ＧａＡｓ太陽電池１０１が配置される。垂直に積層された二重接合太陽電池１０は、寄生接合（ｐａｌａｓｉｔｉｃ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を生成する。通常、前記寄生接合を減少させるために、高濃度にドーピングされたｐ−ｎトンネル接合が使用される。太陽電池電極層のオーミック接合形成のために摂氏数百度で急速熱処理工程が必要であるが、この過程でトンネル接合に存在するドーパント（ｄｏｐａｎｔ）が熱拡散によって移動してｐ−ｎトンネル接合界面特性を低下させ、寄生接合を形成させる。しかし、本発明の一実施例による積層された二重接合太陽電池の間に周期的に配列された空きスペースアレイ１２９の構造は、金属ナノディスクアレイの面積ほどｐ−ｎトンネル接合界面の面積が減るようになって、界面で発生するドーパントの熱拡散を減少させることで、前記寄生接合を最小化できるメリットがある。
また、前記空きスペースアレイの上部面に金属ナノディスクアレイ１２８が配置される。前記金属ナノディスクアレイ１２８は、前記ＧａＡｓ太陽電池１０１方向から入射する可視光線波長帯域を反射させ、赤外線波長帯域を透過させる。また、前記金属ナノディスクアレイ１２８は、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１方向から入射する赤外線波長帯域を反射させる。
前記ＧａＡｓ太陽電池１０１は、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１の前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１４上に配置されたｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４と、前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４上に配置されたｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層１２２（ｂａｃｋ−ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ ｌａｙｅｒ）と、前記ｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層１２２上に配置されたｎ−ＧａＡｓベース層１２０と、前記ｎ−ＧａＡｓベース層１２０上に配置されたｐ＋−ＧａＡｓエミッタ層１１８と、前記ｐ＋−ＧａＡｓエミッタ層１１８上に配置されたｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層１１６と、前記ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層１１６上に配置されたｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４と、を含む。
前記金属ナノディスクアレイ１２８は、前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４の下部面に配置され、前記空きスペースアレイ１２９は、前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１４と前記金属ナノディスクアレイ１２８との間に配置される。
前記ｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層１２２は、界面電場によって少数キャリアが前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４で多数キャリアと再結合することを防止する。前記ｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層１２２は、ｎ＋−Ｉｎ０.４９Ｇａ０.５１Ｐである。前記ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層１１６は、ｐ＋−Ｉｎ０.４９Ｇａ０.５１Ｐである。
前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４は、その下部面にマトリックスの形に配置されたホールを含む。前記ホールは前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層を貫通しない。前記ホールの上部面には金属ナノディスクがそれぞれ配置される。 これによって、金属ナノディスクは金属ナノディスクアレイ１２８を構成する。前記金属ナノディスクは前記ホールを全部埋めず、下側には空きスペースを有する。
前記金属ナノディスクアレイ１２８は、金（Ａｕ）である。前記金属ナノディスクアレイ１２８の厚さは４０ｎｍないし６０ｎｍである。前記金属ナノディスクアレイの周期は５０ｎｍないし２００ｎｍである。前記金属ナノディスクアレイの直径は３０ｎｍないし１２０ｎｍである。前記空きスペースのアレイ１２９の厚さは４０ｎｍないし６０ｎｍである。前記空きスペースアレイ１２９は、真空状態に維持される。
金属ナノディスクアレイを埋め込むための誘導結合プラズマエッチング深さ調整や金属ナノディスクアレイの厚さ調整によって、前記空きスペースアレイの厚さを適切に制御する。これよって、金属ナノディスク−空きスペース界面の有効屈折率の変調が可能であり、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１方向から入射する赤外線帯域の波長を効果的に反射させる。
前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４は、陷沒部１１４ａを含む。前記陷沒部１１４ａは、前記ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層１１６を露出させる。無反射コーティング層１１５は、前記陷沒部１１４ａを埋める。前記無反射コーティング層１１５は、ＺｎＳ又はＭｇＦ２である。
上部電極層１１１は、前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４に配置される。前記上部電極層１１１は、前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４とオーミック接合を提供し、フィンガーパターンを有する。前記上部電極層は、前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４と整列され、フィンガーパターンを有する。前記上部電極層１１１は、ＡｕＺｎ／Ｎｉ／Ａｕ多重金属層を蒸着し、窒素雰囲気下で摂氏２８０〜３００度の範囲で数分間熱処理してオーミック接合を形成する。
前記上部電極層１１１は、外部回路に連結される。
図２Ａないし図２Ｅは、本発明の一実施例によるＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。
図２Ａないし図２Ｅに示すように、ＧａＡｓ太陽電池１０１の製造方法が説明される。ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）のような薄膜エピタキシ装備を用いてＧａＡｓ太陽電池エピタキシを成長する。ｎ＋−ＧａＡｓ基板１１０上にＧａＡｓバッファ層１１２が形成される。前記ｎ＋−ＧａＡｓ基板１１０は、ｎ−ｔｙｐｅにドーピングされるが、ｐ−ｔｙｐｅにドーピングされるが、ドーピングされない場合もある。前記ＧａＡｓバッファ層１１２上に格子整合（ｌａｔｔｉｃｅ−ｍａｔｃｈ）に成長されたＡｌＡｓ犠牲層１１３を形成する。前記ＡｌＡｓ犠牲層１１３上にｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１６、ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層１１６、ｐ＋−ＧａＡｓエミッタ層１１８、ｎ−ＧａＡｓベース層１２０、ｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層１２２、及びｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４を順次に形成する。
図２Ｂに示すように、前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４上に、パターニング工程を通じてレジストマスクパターン１２６を形成する。前記パターニング工程は、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、又はレーザ干渉リソグラフィによって行われる。前記レジストマスクパターン１２６は、周期的に配列されたマトリックスの形である。
図２Ｃに示すように、前記レジストマスクパターン１２６をエッチングマスクを使用して、異方性エッチングを行う。これによって、前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２６にホールアレイ１２４ａが形成される。前記異方性エッチングは、誘導結合プラズマ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）エッチング装備を使用して行う。
図２Ｄ及び図２Ｅに示すように、前記レジストマスクパターン１２６がいる前記ｎ＋−ＧａＡｓ基板１１０上に金属薄膜を蒸着した後、前記レジストマスクパターン１２６をウェットエッチングで除去する。前記金属薄膜は電子ビーム蒸着法によって形成される。前記金属薄膜の材質は金（Ａｕ）である。これによって、前記ホールアレイ１２４ａの下部面は、金属薄膜で埋められる。具体的に、アセトン溶液を使用してリフト−オフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）工程を進行すれば、金ナノディスクアレイ１２８が前記ＧａＡｓ太陽電池１０１のｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４に形成される。
図３Ａないし図３Ｅは、本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池の製造方法を説明する断面図である。
図３Ａに示すように、ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１の製造方法が説明される。ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）のような薄膜エピタキシ装備を用いてＩｎＧａＡｓ太陽電池エピタキシを成長させる。
ｎ＋−ＩｎＰ基板２１０上にＩｎＰバッファ層２１２を形成する。前記ＩｎＰバッファ層２１２上に順次にＡｌＡｓ補助犠牲層２１３、ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１４、ｐ＋−ＩｎＰ窓層２１６、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタ層２１８、ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層２２０、及びｎ＋−ＩｎＰコンタクト層２２２を形成する。
図３Ｂに示すように、前記ｎ＋−ＩｎＰコンタクト層２２２上に順次に上部金属接着層２２４、半導体接着層２２６、及び下部金属接着層２２８を積層する。上部金属接着層２２４、半導体接着層２２６、及び下部金属接着層２２８を蒸着した後、急速熱処理が行われる。前記急速熱処理は、大気圧以下の窒素雰囲気下で摂氏３００度ないし摂氏４００度の範囲で数分以内に行われる。これによって、前記上部金属接着層２２４、前記半導体接着層２２６、及び前記下部金属接着層２２８は、前記ｎ＋−ＩｎＰコンタクト層とオーミック接合を形成する。前記上部金属接着層２２４はＰｄであり、前記半導体接着層２２６はＧｅであり、前記下部金属接着層２２８はＡｕである。
図３Ｃに示すように、下部電極層３３２を含むフレキシブル基板３３４が用意される。前記下部電極層３３２は金薄膜であり、前記フレキシブル基板３３４はポリイミドフィルムである。
前記フレキシブル基板３３４上に前記ｎ＋−ＩｎＰ基板２１０を覆して、前記下部電極層３３２と前記下部金属接着層２２８が対向するように接合する。前記下部電極層３３２と前記下部金属接着層２２８が互いにボンディングするように、摂氏１８０度の温度で５０ＭＰａの圧力を印加する。前記下部電極層３３２と前記下部金属接着層２２８のボンディングは、通常のウエハボンダを使用して行われる。
図３Ｄ及び図３Ｅに示すように、前記フレキシブル基板３３４と前記ｎ＋−ＩｎＰ基板２１０が互いに接合されたＩｎＧａＡｓ太陽電池基板で、フッ酸―対―超純水（ＨＦ：ｄｅ−ｉｏｎｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ）が１：５の割合で希釈したフッ酸液を用いて前記ＡｌＡｓ補助犠牲層２１３を除去する。即ち、前記ｎ＋−ＩｎＰ基板２１０と前記ＩｎＰバッファ層２１２を前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１４から分離するエピタキシャルリフト―オフ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）工程を行う。これによって、ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１が提供される。
図４Ａないし図４Ｆは、本発明の一実施例によるＩｎＧａＡｓ太陽電池とＧａＡｓ太陽電池を接合する段階を説明する断面図である。
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、ＧａＡｓ太陽電池１０１のｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４は、ウエハボンディング前にアルゴン又は酸素プラズマを用いて表面処理されて表面活性化される。また、ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１のｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１４は、ウエハボンディングの前にアルゴン又は酸素プラズマを用いて表面処理されて表面活性化される。
アルゴンプラズマ表面処理の後、前記ＧａＡｓ太陽電池１０１のｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層１２４及び金属ナノディスクアレイ１２８は、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１のｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１４を対向するように配置される。ウエハボンダは、前記ＧａＡｓ太陽電池１０１と前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１を常温で真空状態で約５０ＭＰａの圧力を印加してウエハボンディングする。ウエハボンディングの後、金属ナノディスクアレイの周りの空きスペースアレイ１２９は、真空状態に維持される。
図４Ｃ及び図４Ｄに示すように、二重結合された太陽電池は、フッ酸―対―超純水（ＨＦ：ｄｅ−ｉｏｎｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ）が１：５の割合で希釈したフッ酸液を用いて前記ＧａＡｓ太陽電池のＡｌＡｓ犠牲層１１３を除去する。即ち、ｎ＋−ＧａＡｓ基板１１０とＧａＡｓバッファ層１１２を前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４から分離するエピタキシャルリフト―オフ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）工程を行う。
図４Ｅ及び図４Ｆに示すように、前記ＧａＡｓ太陽電池１０１のｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４上にフォトリソグラフィ工程を行ってフォトレジストマスク１９１を形成する。前記フォトレジストマスク１９１が形成された基板上に上部電極層を形成する金属薄膜を蒸着する。その次に、前記フォトレジストマスク１９１を除去する。これによって、前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４上に局部的に配置されたフィンガーパターン形状の上部電極層１１１が形成される。
その次に、前記上部電極層１１１をエッチングマスクを使用して前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４をエッチングして陷沒部１１４ａを形成する。前記陷沒部１１４ａは、前記ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層１１６の上部面を露出させる。
再び図１に示すように、フォトリソグラフィ工程を使用して前記上部電極層１１１上に補助フォトレジストマスクを形成する。その次に、無反射コーティング層１１５（ａｎｔｉ−ｒｅｆｅｌｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を形成する薄膜が蒸着される。前記薄膜は、ＺｎＳ又はＭｇＦ２である。その次に、前記補助フォトレジストマスクは除去される。前記無反射コーティング層１１５は、前記ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層１１６と接触するように配置され、前記陷沒部１１４ａを埋める。前記無反射コーティング層１１５は、太陽光の反射を最小化させる。前記無反射コーティング層１１５は、ＺｎＳ又はＭｇＦ２である。
図５は、本発明の一実施例によるフレキシブル二重接合太陽電池の波長による表面反射度を示すシミュレーション結果である。
図５に示すように、金属ナノディスクアレイは、マトリックスの形に配置され、周期は１００ｎｍであり、ナノディスクの直径は６０ｎｍであり、厚さは５０ｎｍである。この条件において、表面反射率スペクトルをシミュレーションするために時間領域有限差分法（ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ、ＦＤＴＤ）法を用いた。金属ナノディスクアレイ１２８が前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１と前記ＧａＡｓ太陽電池１０１との間に存在する場合と存在しない場合によって、波長による表面反射率が表示される。
図６は、図５の結果を金属ナノディスクアレイの有無による波長による表面反射率向上度（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒ、Ｆ）に表示する。
図６に示すように、図５のシミュレーション結果を用いて、金属ナノディスクアレイ１２８の有無による両反射率の値を分けて表面反射率向上度（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒ、Ｆ）が表示される。３００ｎｍ〜５５０ｎｍ波長範囲で反射率の向上度が１より大きくなる。これは、金属ナノディスクアレイの光反射効果によって、当該波長の反射率が向上することを意味する。反射された光は、金属ナノディスクアレイ上に位置するＧａＡｓ太陽電池１０１によって再吸収されて光吸収効率を増加させる。また、ＩｎＧａＡｓ太陽電池２０１の主な吸収波長である７８０〜１８００ｎｍ領域では、金属ナノディスクアレイの表面プラズモン効果によって反射率の向上度が１より小さくなる。これは当該波長の反射率の減少を意味する。これによって、減少された反射率分だけＩｎＧａＡｓ太陽電池の光吸収は向上するようになる。
以上、添付図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須的な特徴を変更せずに他の具体的な形態で実施されるということが理解できるはずである。したがって、以上の実施例はすべての面で例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。

Claims (7)

  1. 下部電極層を含むフレキシブル基板と、
    前記フレキシブル基板の前記下部電極層と接触するＩｎＧａＡｓ太陽電池と、
    前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池上に配置され、前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池と直列連結したＧａＡｓ太陽電池と、を含み、
    前記ＧａＡｓ太陽電池はその下部面に形成された金属ナノディスクアレイを含み、
    前記金属ナノディスクアレイの下部には前記金属ナノディスクアレイと整列した空きスペースアレイが配置されることを特徴とするフレキシブル二重接合太陽電池。
  2. 前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池は、
    前記下部電極層上に配置された下部金属接着層と、
    前記上部金属接着層上に配置された半導体接着層と、
    前記半導体接着層上に配置された上部金属接着層と、
    前記上部金属接着層上に配置されたｎ＋−ＩｎＰコンタクト層と、
    前記ｎ−ＩｎＰコンタクト層上に配置されたｎ−ＩｎＧａＡｓベース層と、
    前記ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層上に配置されたｐ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタ層と、
    前記ｐ−ＩｎＧａＡｓエミッタ層上に配置されたｐ＋−ＩｎＰ窓層と、
    前記ｐ＋−ＩｎＰ窓層上に配置されたｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル二重接合太陽電池。
  3. 前記ＧａＡｓ太陽電池は、
    前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層上に配置されたｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層と、
    前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層上に配置されたｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層（ｂａｃｋ−ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ ｌａｙｅｒ）と、
    前記ｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層上に配置されたｎ−ＧａＡｓベース層と、
    前記ｎ−ＧａＡｓベース層上に配置されたｐ＋−ＧａＡｓエミッタ層と、
    前記ｐ＋−ＧａＡｓエミッタ層上に配置されたｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層と、
    前記ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層上に配置されたｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層と、を含み、
    前記金属ナノディスクアレイは、前記ｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層の下部面に配置され、
    前記空きスペースアレイは、前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層と前記金属ナノディスクアレイとの間に配置されることを特徴とする請求項２に記載のフレキシブル二重接合太陽電池。
  4. 前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層は、陷沒部を含み、
    前記陥没部を埋める無反射コーティング層と、
    前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層上に配置された上部電極層と、をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のフレキシブル二重接合太陽電池。
  5. 前記金属ナノディスクアレイは金（Ａｕ）であり、
    前記金属ナノディスクアレイの厚さは４０ｎｍないし６０ｎｍであり、
    前記金属ナノディスクアレイの周期は５０ｎｍないし２００ｎｍであり、
    前記金属ナノディスクアレイの直径は３０ｎｍないし１２０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル二重接合太陽電池。
  6. ｎ＋−ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓバッファ層、ＡｌＡｓ犠牲層、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層、ｐ＋−ＩｎＧａＰ窓層、ｐ＋−ＧａＡｓエミッタ層、ｎ−ＧａＡｓベース層、ｎ＋−ＩｎＧａＰバックサーフェイスフィールド層、及びｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層を備えたＧａＡｓ太陽電池を用意する段階と、
    前記ＧａＡｓ太陽電池のｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層に形成されたホールアレイの下部面に金属ナノディスクアレイを形成し、前記金属ナノディスクアレイの上部には空きスペースを形成する段階と、
    ｎ＋−ＩｎＰ基板上に順次積層されたＩｎＰバッファ層、ＡｌＡｓ補助犠牲層、ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、ｐ＋−ＩｎＰ窓層、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタ層、ｎ−ＩｎＧａＡｓベース層、及びｎ＋−ＩｎＰコンタクト層を備えたＩｎＧａＡｓ太陽電池を用意する段階と、
    前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池のｎ＋−ＩｎＰコンタクト層上に上部金属接着層、半導体接着層、及び下部金属接着層を積層する段階と、
    前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池に積層された下部金属接着層と下部電極層を含むフレキシブル基板とボンディングする段階と、
    前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池のＡｌＡｓ補助犠牲層を除去してｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を露出させる段階と、
    前記ＩｎＧａＡｓ太陽電池の前記ｐ＋＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層と前記ＧａＡｓ太陽電池のｎ＋−ＧａＡｓコンタクト層をウエハボンディングして二重接合太陽電池を形成する段階と、
    前記二重接合太陽電池で前記ＧａＡｓ太陽電池の前記ＡｌＡｓ犠牲層を除去して前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層を露出させる段階と、を含むことを特徴とするフレキシブル二重接合太陽電池の製造方法。
  7. 前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層上に局部的に上部電極層を形成する段階と、
    前記ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層が局部的に除去された陥没部に無反射コーティング層を形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のフレキシブル二重接合太陽電池の製造方法。

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