KR101370611B1

KR101370611B1 - 다중접합 태양전지

Info

Publication number: KR101370611B1
Application number: KR1020120062782A
Authority: KR
Inventors: 김효진; 신재철; 오시덕; 이세원
Original assignee: 한국광기술원
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2014-04-02
Also published as: KR20130139070A

Abstract

본 발명은 다중접합 태양전지에 관한 것으로서, GaAs기판위에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 구성되는 다중접합 구조에서 인버티드(inverted) 구조를 통해 불필요한 역위상 경계결함 문제를 해결하고 Ge기판을 이용하는 것보다 저렴하고 얇게 에칭하여 플렉서블할 뿐만 아니라 재활용할 수 있으며 BSF(Back Surface Field)층의 삽입으로 태양전지의 성능을 향상시켜 고성능 고효율을 갖는 태양전지 및 수광소자로 휴대용, 군사용, 저가형 소자에 적용할 수 있다.

Description

다중접합 태양전지{SOLAR CELL OF MULTI JUNCTION STRUCTURE}

본 발명은 다중접합 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 GaAs기판위에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 구성되는 다중접합 구조에서 인버티드(inverted) 구조로 불필요한 역위상 경계결함 문제를 해결하고 기판을 재활용할 수 있으며 BSF(Back Surface Field)층 삽입이 가능한 구조를 갖는 다중접합 태양전지에 관한 것이다.

전 세계적으로 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위해, 환경에 무해하고 고갈될 염려도 없는 대체에너지 및 청정에너지에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다.

한 예로 원자력 발전이 대체에너지로 개발되어 높은 기여도를 보이기도 했으나, 불안정성과 사고로 인해 심각한 피해를 야기함으로써 점차 이에 대한 의존도는 감소하고 있으며, 반면 청정의 무한한 에너지원이라는 측면에서 태양에너지를 현실적으로 활용할 수 있는 방안이 제기되고 있다.

이에 따라, 태양광 발전 시스템의 핵심인 태양전지의 효율이 높아질수록 에너지 생산원가를 낮출 수 있기 때문에 고효율 태양전지를 개발하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으며, 태양광 스펙트럼을 보다 효율적으로 이용할 수 있는 InGaP/GaAs/Ge 삼중접합 태양전지가 현재 가장 높은 변환효율을 기록하고 있다. 이러한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체 다중접합 태양전지는 그 접합의 수를 늘릴수록 변환효율의 이론적인 한계치가 증가하기 때문에 차세대 고효율 태양전지로의 발전가능성이 있다.

삼중접합 구조에서 하층의 Ge 태양전지는 일반적으로 p-type Ge 기판에 As이나 P 원자를 확산시켜서 p-n 접합을 형성하는 에피택시 방법으로 제작된다.

그러나, 이러한 방법은 원자들의 확산거리가 일정하지 않기 때문에 p-n 접합의 경계면이 명확히 정의되지 않고, Ge 기판 위에 GaAs 층을 성장시킬 때 극성 부조화(polarity mismatch)로 인하여 역위상 경계(anti-phase domain, APD)결함이 발생하는 문제점이 있기 때문에 태양전지의 박막특성이 저하되고 고효율 달성이 제한되며, 또한 구조적으로 얇은 박막의 태양전지 제작이 불가능하다.

도 1은 종래의 다중접합 태양전지의 구조와 다중접합 태양전지에서 APD결함을 설명하기 위해 도시한 TEM 이미지이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 다중접합 태양전지는 InGaP/GaAs/Ge 삼중접합 태양전지로써, 일반적으로 Ge 기판에 Ga이나 As원자를 확산시키는 방법으로 하층의 Ge셀을 형성하고, 에피택시 기술을 이용하여 GaAs/InGaP 구조를 성장시키는 방법을 이용하여 제작된다.

하지만 이러한 방법은 원자들의 확산정도가 불균일하여 Ge p-n 접합이 명확히 정의되지 않고, Ge 셀 위에 GaAs층 및 InGaP층을 성장시키는 과정에서 GaAs/Ge 계면에 많은 역위상 경계(anti-phase domain, APD)결함이 발생하게 되어 태양전지 에피웨이퍼의 품질 저하를 야기한다.

여기서, 역위상 경계라함은 단원자 원소의 문제점으로 에피택시 중 경계에서의 불일치로 결함(defect)에 의해 효율이 떨어지고, 태양 스펙트럼을 완전히 이용하지 못하는 것을 의미하는 것으로, 이로 인해 핫캐리어(hot carrier)를 발생시켜 태양전지의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

또한, 이러한 종래의 다중접합 태양전지에서는 생성된 캐리어(carrier)의 재결합(recombination)을 막아주는 BSF(back surface field) 층의 삽입이 불가능한 문제점이 있다.

관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 2012-0047065호(2012.05.11.) "Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 및 이의 제조방법"이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창작된 것으로서, GaAs기판위에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 구성되는 다중접합 구조에서 인버티드(inverted) 구조로 불필요한 역위상 경계결함 문제를 해결하고 기판을 재활용할 수 있으며 BSF(Back Surface Field)층 삽입이 가능한 구조를 갖는 다중접합 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 다중접합 태양전지는 양면이 폴리싱된 n-GaAs 기판의 한면으로 n/p-InGaP층과 n/p-GaAs층이 형성되고, 다른 면으로는 n/p-Ge층이 형성된 것을 특징으로 하되, Ge층은 IBuGe(IsoButylGermane)을 이용한 화학 기상 증착법으로 형성하며, Ge층은 다중접합 태양전지에서 생성되는 캐리어의 재결합을 방지하기 위해 InGaP로 형성되는 BSF(Back Surface Field)층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 또 다른 측면에 따른 다중접합 태양전지는 양면이 폴리싱된 n-GaAs 기판의 한면으로 n/p-InGap층과 n/p-GaAs층이 형성되고, 다른 면으로는 n/p-InGaAsNSb층과 n/p-Ge층이 형성된 것을 특징으로 하되, n/p-InGaAsNSb층은 에너지 밴드갭(Eg)이 0.7 ≤ Eg(eV) ≤ 1.3 인 것을 특징으로 하며, Ge층은 IBuGe(IsoButylGermane)을 이용한 화학 기상 증착법으로 형성하고, Ge층은 다중접합 태양전지에서 생성되는 캐리어의 재결합을 방지하기 위해 InGaP로 형성되는BSF(Back Surface Field)층을 포함하며, InGaAsNSb층은 In과 Ga의 조성이 단계적으로 조절된 적어도 2 이상의 층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명은 GaAs기판위에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 구성되는 다중접합 구조에서 인버티드(inverted) 구조를 통해 불필요한 역위상 경계결함 문제를 해결하고 Ge기판을 이용하는 것보다 저렴하고 얇게 에칭하여 플렉서블할 뿐만 아니라 재활용할 수 있으며 BSF(Back Surface Field)층의 삽입으로 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있어 고성능 고효율을 갖는 태양전지 및 수광소자로 휴대용, 군사용, 저가형 소자에 적용할 수 있다.

도 1은 종래의 다중접합 태양전지와 다중접합 태양전지에서 APD결함을 설명하기 위해 도시한 TEM 이미지이다.
도 2는 Ⅲ-Ⅴ족 물질등의 에너지밴드갭 및 격자상수를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 4실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 제 4실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조에서 스폴링 공정에 의해 기판을 분리하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다중접합 태양전지의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 Ⅲ-Ⅴ족 물질등의 에너지밴드갭 및 격자상수를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 1실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조는 n-GaAs 기판의 한면으로 n/p-InGaP층과 n/p-GaAs층이 형성되고, 다른 면으로는 n/p-Ge층이 형성된다.

즉, 양면이 폴리싱(polishing)된 n-GaAs 웨이퍼 기판의 한면으로 도 2에 도시된 그래프에서와 같이 에너지 밴드갭이 큰 n/p-InGaP층과 n/p-GaAs층을 형성하고, 다른 면으로는 Ge층을 Ge metalorgarnic source인 IBuGe(IsoButylGermane)을 이용한 화학 기상 증착법으로 형성한다.

즉, IBuGe을 이용한 MOCVD(metalorgarnic chemical vapor deposition) 기술로 에피택셜(epitaxial) Ge셀을 제작할 경우 Ge p-n 접합의 계면특성이 향상될 수 있고, 인버티드(inverted) 구조로 InGaP/GaAs/Ge 삼중접합 구조의 태양전지를 제작할 경우 역위상 경계결함(APD) 문제를 해결할 수 있다.

또한, Ge층은 다중접합 태양전지에서 생성되는 캐리어의 재결합을 방지하기 위한 BSF(Back Surface Field)층으로 InGaP층의 삽입이 가능함에 따라 Ge 단일접합 태양전지 성능향상이 가능하므로 효율을 향상시킬 수 있다.

이때 다중접합 태양전지의 각 층들 사이에는 터널 정션(tunnel junction)이 형성된다.

도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 2실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조는 n-GaAs 기판의 한면으로 n/p-InGap층과 n/p-GaAs층이 형성되고, 다른 면으로는 n/p-InGaAsNSb층이 형성된다.

즉, 양면이 폴리싱(polishing) 된 n-GaAs 웨이퍼 기판의 한면으로 에너지 밴드갭이 큰 n/p-InGaP층과 n/p-GaAs층을 형성하고, 다른 면으로는 에너지 밴드갭이 작은 n/p-InGaAsNSb층을 성장시켜 형성한다.

도 4는 본 발명의 제 3실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 3실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조는 n-GaAs 기판의 한면으로 n/p-InGap층과 n/p-GaAs층이 형성되고, 다른 면으로는 n/p-InGaAsNSb층과 n/p-Ge층이 형성된다.

즉, n-GaAs 기판의 한면에는 n/p-InGaP층과 n/p-GaAs층을 이종 접합하고, 다른 면에는 에너지 밴드갭(Eg)이 0.7 ≤ Eg(eV) ≤1.3 인 n/p-InGaAsNSb층을 성장한 다음, 그 위로 n/p-Ge층을 성장하여 형성한다.

이때 Ge층은 Ge metal orgarnic source인 IBuGe(IsoButylGermane)을 이용한 화학 기상 증착법으로 형성한다.

즉, IBuGe을 이용한 MOCVD(metal orgarnic chemical vapor deposition) 기술로 에피택셜(epitaxial) Ge셀을 제작할 경우 Ge p-n 접합의 계면특성이 향상될 수 있고, 인버티드(inverted) 구조로 태양전지를 제작할 경우 역위상 경계결함 문제를 해결할 수 있다.

또한, GaAs 기판의 다른쪽 면에 성장되는 InGaAsNSb층은 In과 Ga의 조성을 조절하여 적어도 2이상의 완충층을 형성할 수 있다. 이와 같이, InGaAsNSb층을 여러개로 형성함에 의해 에너지 밴드갭이 차츰 높아지는 여러 층의 완충층을 형성함으로써 InGaAsNSb층과 Ge층 사이에서의 격자부정합 문제를 최소화한다.

도 6은 본 발명의 제 4실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 4실시예에 따른 다중접합 태양전지는 GaAs기판위로 Al_0.9Ga_0.1As층, n/p-InGaP층, n/p-GaAs층, n/p-InGaAsNSb층, n/p-Ge층이 적층되고, n/p-Ge층의 p-Ge층위로 전극과 유연한 금속기판이 접착된다.

즉, IBuGe을 이용한 MOCVD(metal orgarnic chemical vapor deposition) 기술로 에피택셜(epitaxial) Ge셀을 제작할 경우 Ge p-n 접합의 계면특성이 향상될 수 있고, 인버티드(inverted) 구조로 태양전지를 제작할 경우 역위상 경계결함 문제를 해결할 수 있게 된다.

또한, GaAs 기판의 다른 면에 성장되는 InGaAsNSb층은 In과 Ga의 조성을 조절하여 적어도 2이상의 완충층을 형성할 수 있다. 이와 같이, InGaAsNSb층을 여러개로 형성함에 의해 에너지 밴드갭이 차츰 높아지는 여러 층의 완충층을 통해 InGaAsNSb층과 Ge층 사이에서의 격자부정합 문제를 최소화한다.

이와 같이 다중접합한 후 HF 용액에 담궈 에칭할 경우 인버티드 구조로 에너지 밴드갭이 큰 물질인 AlGaAs층만 에칭됨으로 기판을 분리할 수 있다.

도 7은 본 발명의 따른 다중접합 태양전지의 구조에서 스폴링 공정에 의해 기판을 분리하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이 스폴링 공정에 의해 기판을 분리할 경우 GaAs 기판(10)위에 인버티드 구조의 다중접합 태양전지 셀(20) 및 BSF층(30)이 형성된 밑면에 (a)와 같이 텐실(Tensile)층(40)을 형성하여 인버티드 구조에 스트레스를 가하고, (b)와 같이 유연한 핸들(handle)층(50)을 형성하여 자발적 균열이 발생하도록 함으로써 (c)와 같이 식각시 GaAs 기판(10)의 식각이 조절되어 기판을 얇게 에칭할 수 있도록 한다.

이와 같이 본 발명에 의한 다중접합 태양전지에 따르면, GaAs기판위에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 구성되는 다중접합 구조에서 인버티드(inverted) 구조를 통해 불필요한 역위상 경계결함 문제를 해결하고 Ge기판을 이용하는 것보다 저렴하고 얇게 에칭하여 플렉서블할 뿐만 아니라 재활용할 수 있으며 BSF(Back Surface Field)층의 삽입으로 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 기판 20 : 태양전지 셀
30 : BSF층 40 : 텐실층
50 : 핸들층

Claims

양면이 폴리싱된 n-GaAs 기판의 한면으로 n/p-InGaP층과 n/p-GaAs층이 형성되고, 다른 면으로는 n/p-Ge층이 형성된 것을 특징으로 하되,
상기 Ge층은 IBuGe(IsoButylGermane)을 이용한 화학 기상 증착법으로 형성하며,
상기 Ge층은 다중접합 태양전지에서 생성되는 캐리어의 재결합을 방지하기 위해 InGaP로 형성되는 BSF(Back Surface Field)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
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양면이 폴리싱된 n-GaAs 기판의 한면으로 n/p-InGap층과 n/p-GaAs층이 형성되고, 다른 면으로는 n/p-InGaAsNSb층과 n/p-Ge층이 형성된 것을 특징으로 하되,
상기 n/p-InGaAsNSb층은 에너지 밴드갭 (Eg)이 0.7 ≤ Eg (eV) ≤ 1.3 인 것을 특징으로 하며,
상기 Ge층은 IBuGe(IsoButylGermane)을 이용한 화학 기상 증착법으로 형성하고,
상기 Ge층은 다중접합 태양전지에서 생성되는 캐리어의 재결합을 방지하기 위해 InGaP로 형성되는 BSF(Back Surface Field)층을 포함하며,
상기 InGaAsNSb층은 In과 Ga의 조성이 단계적으로 조절된 적어도 2 이상의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
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