KR100425093B1 - 화합물 반도체를 이용한 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화합물 반도체를 이용한 태양전지 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, n+-GaAs 기판상에 형성된 n-GaAs; 상기 n-GaAs상에 소정의 압력 및 열을 가하여 상기 n-GaAs와 공유결합하여 형성된 GaAs층; 상기 GaAs층 상에 상기 GaAs층보다 에너지 밴드갭이 적은 화합물 반도체층, GaAs층이 차례로 적어도 한번 이상 적층되어 형성된 양자우물층; 상기 양자우물층상에 형성된 p-GaAs; 상기 p-GaAs상에 p-GaAs를 도핑하여 형성된 p+-GaAs; 상기 n+-GaAs 기판과 p+-GaAs의 일측에 각각 형성된 전극을 포함하여 구성되며, 열과 압력을 가해 두께가 얇고 좁은 면적을 갖는 컴플라이언트 기판이라 지칭되는 GaAs층을 형성하고, 상기 GaAs층 위에 형성시켰을 때 결함이 적고, GaAs층보다 에너지 밴드갭이 적은 화합물 반도체를 이용한 다중 양자우물층을 형성하여, p-i-n 구조를 갖는 태양전지의 단락 전류를 증가시킴으로써 태양전지의 전력효율을 향상시킨다.
Description
본 발명은 고효율 위성탑재용 태양전지에 관한 것으로, 특히 컴플라이언트 기판을 이용하여 GaAs를 베이스로 밴드갭이 작은 화합물 반도체의 양자 우물 구조를 갖는 진성 영역(intrinsic region)을 삽입함으로써 고전력을 갖는 핀(p-i-n) 태양전지에 관한 것이다.
에너지 공급원으로써의 태양전지가 활발히 연구되고 있다. 태양전지는 발전기를 사용하지 않고 빛에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있는 전지이다. 가장 많이 사용되고 있는 태양전지는 Si를 기반으로 하는 태양전지이다. 단결정 Si 전지, 아몰퍼스 Si 전지, 다결정 Si 전지 등 다양한 Si 전지가 개발되고 있다.
그러나 우주공간에서는 Si 기반의 태양전지는 사용할 수 없다. 그래서 화합물 반도체 전지가 인공위성 탑재용으로 사용되고 있다. Si는 에너지 효율이 화합물 반도체보다 낮고, 무엇보다 우주공간에 무수히 존재하는 높은 에너지를 갖는 소립자들로 인하여 그 수명이 길지 못하다. 반면 화합물 반도체는 이러한 소립자들에 대하여 높은 저항성을 갖는다.
그러나 화합물 반도체 단위전지의 태양에너지 대비 전기 에너지로의 변환효율이 24%를 넘을 수 없는 것으로 알려져 있다.
이러한 한계를 극복하기 위하여 캐스캐이드(cascade) 전지나 탠뎀(tandem) 전지를 개발하기 위한 노력이 있고, 단일 전지내에서는 p-i-n 구조에 양자우물을삽입한 태양전지의 연구가 진행되고 있다.
그러나 GaAs나 InP등의 단결정 화합물 반도체의 진성 영역에 삽입할 수 있는 물질은 격자의 차이에 의한 반도체 에피탁시 기술의 한계로 인하여 극히 제한적이다. 이는 반도체들간의 서로 다른 물리적, 결정학적 차이로 인하여 발생한다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, p-i-n 구조를 갖는 태양전지의 진성영역에 화합물 반도체를 삽입하여 다중 양자우물층을 형성함으로 인해 필요에 따라 대처할 수 있는 유연성이 있고 인공위성 탑재용으로 이용되는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 두께가 얇고 좁은 면적을 갖는 GaAs층을 형성하여, 상기 GaAs 층 위에 GaAs보다 에너지 밴드갭이 적은 InGaSb계 등의 물질을 삽입하여 다중 양자우물층을 형성하여 단락 전류를 증가시킴으로써 전력 효율이 높은 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1의 ①과 ②는 태양전지의 일반적인 I-V특성변화 도시도이고, ③은 본 발명에 의한 I-V특성변화 도시도.
도2a는 진성영역에 양자우물을 형성한 p-i-n 타입의 태양전지의 에너지 밴드갭의 도식도이며, 도2b는 상기 도2a와 같은 도식도를 갖는 물질층의 일단면도.
도3a 내지 도3d는 본 발명에 따라 컴플라이언트 기판을 형성하고, 컴플라이언트 기판 상에 양자우물구조를 형성하는 태양전지의 제조 공정 단면도.
도4는 본 발명에 따른 웨이퍼 퓨전 공정에 이용되는 기구단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : GaAs 기판 12 : 식각 정지막
13 : GaAs 14 : n+-GaAs 기판
15 : n-GaAs 16 : InxGa1-xSb/GaAs
17 : 도핑되지 않은 GaAs층 18 : p-GaAs
19 : AlGaAs 20 : p+-GaAs
21 : AR코팅 22 : 전극
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 태양전지의 특징은 n+-GaAs 기판상에 형성된 n-GaAs; 상기 n-GaAs상에 소정의 압력 및 열을 가하여 상기 n-GaAs와 공유결합하여 형성된 GaAs층; 상기 GaAs층 상에 상기 GaAs층보다 에너지 밴드갭이 적은 화합물 반도체층, GaAs층이 차례로 적어도 한번 이상 적층되어 형성된 양자우물층; 상기 양자우물층상에 형성된 p-GaAs; 상기p-GaAs상에 p-GaAs를 도핑하여 형성된 p+-GaAs; 상기 n+-GaAs 기판과 p+-GaAs의 일측에 각각 형성된 전극을 포함하여 구성되는데 있다.
상기 p-GaAs과 p+-GaAs 사이에 식각정지막이 더 형성되며, 상기 p+-GaAs 상에 AR(Anti-Reflection)코팅막이 더 형성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 태양전지 제조방법의 특징은 GaAs 기판상에 GaAs층을 에피텍시하여 형성한 제1기판과, n+-GaAs 기판상에 n-GaAs를 성장시킨 제2기판을 준비하는 단계; 상기 GaAs층과 n-GaAs가 서로 대향하도록 상기 제1 기판 및 제2 기판을 배치하는 단계; 상기 배치된 제1 및 제2 기판에 압력 및 열을 가하여 상기 제1 및 제2 기판을 부착시킨 후, 상기 GaAs 기판을 제거하는 단계; 상기 GaAs층위에 상기 GaAs층보다 에너지 밴드갭이 적은 화합물 반도체층, GaAs층을 차례로 적어도 한번 이상 적층하는 단계; GaAs층 상에 p-GaAs, p-GaAs를 차례로 형성하는 단계; 상기 n+-GaAs 기판과 p+-GaAs의 일측에 각각 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 태양전지 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도1은 태양전지의 일반적인 특성과 본 발명에 의한 변화를 나타낸 I-V특성변화를 나타낸 것이다. ①은 빛이 조사되지 않을 때의 태양전지의 일반적인 I-V 특성이며, 여기에 빛이 조사될 때 ②와 같이 변화한다.
도1에 도시한 바와 같이 개방전압 Voc(open circuit voltage)와 Isc(short circuit current)는 태양전지의 성질에 따라 주어진 빛의 정도에 대하여 결정되는 것으로, Voc는 반도체 물질의 고유특성에 의해 정해지는 값으로 밴드갭(bandgap)이 큰 물질일수록 큰 값을 갖고, 단락전류 Isc 역시 물질의 고유특성에 의해 정해지고 밴드갭이 작은 물질일수록 큰 값을 가진다.
상기와 같은 태양전지에 의하여 부하에 공급될 수 있는 최대 전력은 4사분면에 그려지는 사각형의 최대면적으로 결정되며, 따라서 ②의 I-V 곡선특성을 갖는 태양전지의 최대 면적은 Voc ×Isc1보다 작은 Vp ×Ip1으로 빗금친 a에 해당한다.
상기 최대 전력을 증가시키기 위해서는 개방전압 Voc는 밴드갭이 큰 물질을 이용하여 그대로 유지하면서 단락전류 Isc의 값을 증가시키는 개념을 도입하면 도1의 ③과 같이 최대 전력이 Voc ×Isc2로 증가함을 알 수 있다.
즉, 도1의 ③과 같이 전력량이 a+b로 되어 기존의 태양전지의 전력량 a보다 더 높은 효율의 전지를 만들 수 있다.
본 발명에 따른 실시예로, 밴드갭이 1.42eV이고, Isc나 Voc의 측면에서 가장 큰 전력을 가지므로 최대의 효율을 낼 수 있는 반도체 재료인 GaAs를 이용하여 GaAs로 형성된 p-n 접합의 Voc, 즉 기전력은 그대로 유지하면서 단락전류 Isc를 증가시키기 위해 p-n 접합 사이에 진성영역을 형성한 구조를 갖는 p-i-n 타입의 태양전지를 도입하고, 상기 진성영역에 밴드갭이 작은 물질을 삽입하여 양자우물을 만들어 최대한 많은 양의 에너지를 흡수하게 한다.
도2a는 진성영역(i)에 양자우물을 형성한 p-i-n 타입의 태양전지의 에너지 밴드갭의 도식도이며, 도2b는 상기 도2a와 같은 도식도를 갖는 물질층의 일단면도이다.
여기서 밴드갭(Eg)보다 작은 에너지를 갖는 광자(photon)는 투과하나, 진성영역(i)에 있는 밴드갭이 작은 반도체에서는 자신보다는 크며 GaAs보다는 작은 에너지를 갖는 광자를 흡수하며, 이것은 전류 성분 Isc를 증가시킨다.
즉, 광자의 에너지가 GaAs의 밴드갭(Eg)보다 작기 때문에 GaAs(1, 3, 5)는 투과하나, GaAs보다 밴드갭(Eg)이 작은 양자우물(2, 4, 6)을 투과하지 못하기 때문에 많은 양의 에너지를 흡수하게 한다.
이와 같은 역할을 할 수 있는 반도체는 여러 가지가 있는데 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체가 InxGa1-xSb이고, InGaAs 계도 적용 가능하다.
그러나 이러한 특성을 가지면서 GaAs와 어울릴 수 있는 반도체가 극히 제한적이다. 이는 격자상수와 열팽창계수가 다름으로 인해 2차원 성장을 못하는 스트란스키-크랜스타노브(Stranski-Krastanov) 성장모드를 따르기 때문이다.
반도체 에피텍시에서 임계두께라는 것이 존재한다. 이것은 어떤 기판에 그 기판과 격자상수가 다른 물질이 에피텍시될 때 특정한 두께 이상부터는 결함이 생겨남을 의미하는 것이다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 많은 노력들이 시도되었으나 관통전위(threading dislocation)나 부정합전위(misfit dislocation)의 생성과 같은 문제를 완전히 해결하지는 못하고 있는 실정이다.
따라서 도2b에 도시한 바와 같은 물질층은 GaAs 기판 위에서 발생하는 결함을 방지하기 위해 컴플라이언트 기판을 도입하여 형성될 수 있다.
상기 컴플라이언트 기판이란 다음 두가지 이론에 근거한다.
1.기존 임계두께란 기판의 두께가 무한대라고 가정하였지만, 컴플라이언트 기판은 기판의 두께를 매우 얇게 하여 얻을 수 있다.
2.기존의 임계두께는 기판의 넓이가 무한대라고 가정하였으나, 컴플라이언트 기판은 기판의 넓이를 매우 작게하여 얻을 수 있다.
상기와 같이 두께가 매우 얇고, 넓이가 매우 작게 형성이 가능한 컴플라이언트 기판은 도4와 같은 기구를 통해 도3b의 공정을 통해 얻을 수 있다.
도3a 내지 도3c는 컴플라이언트 기판을 형성하고, 컴플라이언트 기판 상에 양자우물구조를 형성하는 태양전지의 제조 공정 단면도이다.
먼저 도3a에 도시한 바와 같이, GaAs 기판(11) 위에 MOCVD, MBE 또는 MO-MBE등 화합물 반도체 에피텍시(epitaxy) 장비를 이용하여 AlGaAs 또는 AlAs를 10~300㎚ 정도로 성장시켜 식각 정지막(12)을 형성한다. 그리고 나서 다른 기판으로 전이될 도핑되지 않은 GaAs층(13)을 필요한 두께로 성장시킨다.
도3b는 n+-GaAs 기판(14)위에 n-GaAs(15)를 성장시킨 기판과 상기 GaAs 기판(11)과의 웨이퍼 퓨전 공정을 나타낸다.
시편들을 TCE(Tri Chloro-Ethylene), 아세톤(Aceton), 메탄올(Methanol)의순서로 세척한 후, HF나 HCL를 DI(초순수)에 희석시킨 용액에 담궈 친수성 표면을 형성한다. 친수성의 정도를 알아보기 위해 웨팅 엥글(wetting angle)을 측정해 본다.
도3b에 도시한 바와 같이, 상기 세척 및 친수성 표면 처리된 두 기판(11, 14)을 도4에 도시된 바와 같은 기구를 이용하여 웨이퍼 퓨전 공정을 한다.
상기 도핑되지 않은 GaAs층(13)과 n-GaAs(15)가 서로 대향하도록 상기 두 기판(11, 14)을 위치시키고, 상기 두 기판(11, 14)을 반데발(Van der vaals)의 힘으로 부착시킨다.
이렇게 부착된 기판들을 도4의 기구를 이용하여 압력을 가하면서 열처리한다. 이렇게 되면 대향하는 상기 GaAs층(13)과 n-GaAs(15)의 표면 원자간의 결합이 공유결합으로 바뀌게 된다.
도4에 도시한 바와 같이 나사를 죄어 시편(A)에 압력을 가하고, 또한 온도를 상승시키면 온도 상승에 의해 고정물, 시편(A), 돔, 플레이트가 열팽창되므로 시편(A)이 더욱 압력을 받아 GaAs층(13)과 n-GaAs(15)의 표면이 결합될 수 있다. 그리고, 고정물와 돔의 형태가 원형을 가짐으로써 시편(A)이 골고루 압력을 받아 결합이 표면간의 결합이 골고루 일어난다. 또한 돔은 알루미늄이나 그레파이트(graphite)로 각각 제작한다. 600℃ 이상에서는 그레파이트 돔으로, 600℃ 이하에서는 알루미늄 돔을 사용한다.
필요에 따라 10분에서 20시간 정도 열처리를 진행을 하고 시편(A)을 도4의 기구로부터 분리시키면 도3c에 도시한 바와 같이 GaAs(13)과 n-GaAs(15)을 결합시킬 수 있다.
이어 도3c에 도시한 바와 같이 GaAs 기판(11)을 제거하기 위한 리프트-오프(Lift-off) 공정을 수행한다.
GaAs 기판(11)은 젯(jet) 에칭을 통해 제거한다. 젯 에쳔트는 NH4OH, H2O2의 혼합물에 의해 이루어지는데, 이는 분당 수 마이크로미터를 에칭하며, AlGaAs또는 AlAs의 식각 정지막(12)은 거의 제거하지 않는다. 따라서 다시 HF와 DI의 혼합물로 AlAs 또는 AlGaAs의 식각 정지막(12)을 제거하여 GaAs 기판(11)을 떼어낼 수 있다.
이어 도3d에 도시한 바와 같이, InxGa1-xSb/GaAs(16)의 양자우물 구조와, 도핑되지 않은 GaAs(17)와, p-GaAs(18)를 차례로 성장시키고 다시 AlGaAs(19)를 성장시킨다. 이는 표면 재결합을 방지하기 위함이다. 금속전극과의 옴접촉을 위해 다시 p-GaAs를 고농도로 도핑한 p+-GaAs(20)을 얇게 형성한 후, AR코팅(21)과 전극(22)을 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
소정의 열과 압력을 가해 두께가 얇고 좁은 면적을 갖는 GaAs층을 형성하고, 상기 GaAs층과 같은 컴플라이언트 기판을 이용하여 p-i-n 구조를 갖는 태양전지의 진성영역에 화합물 반도체를 삽입하여 다중 양자우물층을 형성하여 단락 전류를 증가시킴으로써 태양전지의 전력효율을 향상시킨다.
즉, 컴플라이언트 기판을 이용하면, 두께가 얇고 면적이 작더라도 높은 임계두께 및 임계넓이를 가지는 효과가 있으므로, 컴플라이언트 기판인 상기 GaAs층 위에 격자상수가 차이나고, 에너지 밴드갭이 적은 InGaSb층 등의 화합물 반도체를 형성시켜도 격자 상수등에 의한 결함을 줄일 수 있기 때문에 화합물 반도체를 이용한 다중 양자우물층을 형성하여, p-i-n 구조를 갖는 태양전지의 전력효율을 향상시킨다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
Claims (8)
- n+-GaAs 기판상에 형성된 n-GaAs;상기 n-GaAs상에 소정의 압력 및 열을 가하여 상기 n-GaAs와 GaAs와 공유결합하여 형성된 컴플라이언트 기판;상기 컴플라이언트 기판 상에 상기 GaAs층보다 에너지 밴드갭이 적은 화합물 반도체층, GaAs층이 차례로 적어도 한번 이상 적층되어 형성된 양자우물층;상기 양자우물층상에 형성된 p-GaAs;상기 p-GaAs상에 p-GaAs를 도핑하여 형성된 p+-GaAs;상기 n+-GaAs 기판과 p+-GaAs의 일측에 각각 형성된 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 화합물 반도체층은 InGaSb계인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 p-GaAs 기판과 p+-GaAs 사이에 식각정지막이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 p+-GaAs 상에 AR(Anti-Reflection)코팅막이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 태양전지.
- 제3항에 있어서, 상기 식각정지막은 AlGaAs 계열을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 태양전지.
- GaAs 기판상에 GaAs층을 에피텍시하여 형성한 제1기판과, n+-GaAs 기판상에 n-GaAs를 성장시킨 제2기판을 준비하는 단계;상기 GaAs층과 n-GaAs가 서로 대향하도록 상기 제1 기판 및 제2 기판을 배치하는 단계;상기 배치된 제1 및 제2 기판에 압력 및 열을 가하여 상기 제1 및 제2 기판을 부착시킨 후, 상기 GaAs 기판을 제거하여 컴플라이언트 기판을 형성하는 단계;상기 GaAs층위에 상기 GaAs층보다 에너지 밴드갭이 적은 화합물 반도체층, GaAs층을 차례로 적어도 한번 이상 적층하는 단계;GaAs층 상에 p-GaAs, p-GaAs를 도핑한 p+-GaAs을 차례로 형성하는 단계;상기 n+-GaAs 기판과 p+-GaAs의 일측에 각각 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 양자우물 구조를 이용한 태양전지 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 GaAs 기판과 GaAs층 사이에 식각정지막을 형성하는 단계를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 태양전지.
- 제6항에 있어서,상기 제1 및 제2 기판을 부착하는 단계 이전에 상기 제1 및 제2 기판을 세척하는 공정, 친수성 표면처리하는 단계가 더 추가되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 태양전지 제조방법.
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