KR101395028B1 - Tandem Solar Cell and Fabricating Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예는 탠덤형 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지는 기판; 도전성 물질을 포함하는 제1 가스 및 도전성 물질과 다른 성질의 물질을 포함하는 제2 가스를 촉매와 화학적으로 반응시켜 기판상에 성장되는 도전성 물질로 이루어지며, 제1 가스 및 제2 가스 중 적어도 하나의 유량 변화에 따라 기판상에 성장되는 도전성 물질의 도핑 농도가 다르게 형성되는 도핑 층; 도핑 층상에 형성되며 도핑 층 이후의 후속 공정 시 도핑 층과의 격자 상수의 차이로 인해 성장 층에 가해지는 스트레스를 줄이는 완충 층(buffer layer); 및 완충 층상에 형성되는 PN 접합 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.An embodiment of the present invention relates to a tandem solar cell and a method of manufacturing the same, wherein a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention includes a substrate; At least one of a first gas and a second gas is formed of a conductive material that is chemically reacted with a catalyst and includes a first gas including a conductive material and a material different from the conductive material, A doping layer in which a doping concentration of a conductive material to be grown on the substrate is different according to a change in a flow rate of the doping layer; A buffer layer formed on the doping layer and reducing a stress applied to the growth layer due to a difference in lattice constant between the doping layer and the doping layer in a subsequent process subsequent to the doping layer; And a PN junction layer formed on the buffer layer.
Description
본 발명은 탠덤형 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 예컨대 실리콘 기판을 이용해 MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition) 공정을 수행하는 챔버(Chamber) 내에서 P형 실리콘 도핑 층을 형성하고 그 위에 질화물계의 PN 접합의 성장이 수행되는 탠덤형 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tandem type solar cell and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a tandem type solar cell and a method of manufacturing the same using a silicon substrate, Type PN junction on a substrate, and a method of manufacturing the tandem type solar cell.
태양전지는 태양광선의 빛 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다. 이러한 태양전지는 지금까지의 화학전지와는 다른 구조를 갖는 '물리전지'라 할 수 있다. 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 두 개 종류의 반도체를 사용해 전기를 일으킨다. 그 원리를 좀더 살펴보면, 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 전하들은 양, 음극으로 이동하며 이 현상에 의해 양극과 음극 사이에 전위차(혹은 광기전력)가 발생하며, 이때 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다. 이를 광전효과라 한다.A solar cell is a device that turns solar light energy into electrical energy. Such a solar cell can be referred to as a "physical cell" having a different structure from the conventional chemical cell. Solar cells generate electricity using two kinds of semiconductors called P-type and N-type. If we look more closely at the principle, when we shine light on a solar cell, electrons and holes are generated inside. The generated electric charges move to the positive and negative electrodes, and a potential difference (or photovoltaic power) is generated between the positive and negative electrodes by this phenomenon. When the load is connected to the solar cell, current flows. This is called photoelectric effect.
태양전지는 실리콘 반도체를 재료로 사용하는 것과 화합물 반도체를 재료로 하는 것으로 크게 나뉜다. 실리콘 반도체에 의한 것은 결정계와 비결정계로 다시 분류된다. 물론 현재 개발 중인 것을 포함하면 더욱 다양하다. 태양전지의 기술 개발에 관해서는 변환 효율의 향상이나 가격 조정 등이 계획된다. 또 변환 효율 20%를 초월하는 태양전지나 가격을 낮출 수 있는 박막 태양전지 등도 개발되고 있다.Solar cells are largely divided into those using silicon semiconductors and those using compound semiconductors. Silicon semiconductors are again classified as crystalline and amorphous. Of course, if you include what you are currently developing, it is more diverse. Regarding the technology development of solar cells, improvement of conversion efficiency and price adjustment are planned. In addition, solar cells exceeding 20% conversion efficiency and thin film solar cells capable of lowering prices are being developed.
이와 같이 현재 태양전지에 가장 널리 사용되는 반도체 물질인 실리콘 태양전지는 그 기술 개발이 활발할 뿐 아니라 다결정 실리콘을 중심으로 양산이 이루어지고 있다. 이에 따라 여러 가지 시도를 통해 태양전지의 광 변환 효율을 높이려는 노력이 계속되고 있다. 또한 빛 에너지 흡수 대역이 넓은 갈륨비소(GaAs) 등의 물질을 이용하여 가시광 대역의 빛뿐만 아니라 자외선, 적외선 대역의 빛을 통한 태양전지 기술에 대한 연구가 진행 중이다.As described above, the silicon solar cell, which is the most widely used semiconductor material for solar cells, is being actively developed and is being mass-produced mainly in polycrystalline silicon. Accordingly, various attempts have been made to increase the photoconversion efficiency of solar cells. In addition, research on solar cell technology through light of ultraviolet ray and infrared band as well as light of visible light band using materials such as gallium arsenide (GaAs) having a wide light energy absorption band is underway.
그런데 가장 좋은 성능을 가진다는 실리콘 단결정을 이용한 태양전지의 경우에도 최대 변환 효율이 약 25%에 그치고 있어 이는 실리콘으로 제작할 수 있는 태양전지의 한계로 지적되고 있다.However, even in the case of a solar cell using a silicon single crystal having the best performance, the maximum conversion efficiency is only about 25%, which is pointed out as a limitation of a solar cell that can be made of silicon.
또한 단결정, 다결정, 비정질, 박막형 태양전지 등 실리콘을 기반으로 한 태양전지 기술이나 제품의 생산은 활발하게 이루어지고 있으나, 화합물 태양전지의 경우 아직까지 시장 점유율이 태양전지 관련 기술의 10% 미만에 그치고 있는 것에서 근거해 볼 때 화합물 반도체 물질들이 동일한 면적의 실리콘에 비해 웨이퍼 단가가 비싸고 소자 제조공정 기술이 아직 잘 확립되어 있지 않은 문제가 있다.Silicon-based solar cell technologies and products such as single crystal, polycrystalline, amorphous and thin film solar cells are being actively produced, but compound solar cells still have a market share of less than 10% of solar cell technology There is a problem that the compound semiconductor materials are expensive compared with the silicon of the same area and the technology of the device manufacturing process is not well established yet.
본 발명의 실시예에서는 두 가지 대역, 즉 자외선 영역과 가시광 영역의 빛을 동시에 흡수하는 고효율의 탠덤 방식을 이용한 태양전지를 제조하기 위하여 예컨대 챔버 내에서 MOCVD를 이용해 실리콘과 질화물계의 PN 접합을 형성함으로써 높은 변환 효율과 성능이 뛰어나고 동시에 제조 비용이 저렴한 탠덤형 태양전지 및 그의 제조 방법을 제공함에 목적이 있다.In the embodiment of the present invention, in order to manufacture a solar cell using a high-efficiency tandem system that simultaneously absorbs light of two bands, i.e., an ultraviolet region and a visible light region, a PN junction of silicon and nitride system is formed using MOCVD in a chamber A tandem type solar cell having a high conversion efficiency and performance and a low manufacturing cost, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지는 기판; 도전성 물질을 포함하는 제1 가스 및 상기 도전성 물질과 다른 성질의 물질을 포함하는 제2 가스를 촉매와 화학적으로 반응시켜 상기 기판상에 성장되는 상기 도전성 물질로 이루어지며, 상기 제1 가스 및 상기 제2 가스 중 적어도 하나의 유량 변화에 따라 상기 기판상에 성장되는 상기 도전성 물질의 도핑 농도가 다르게 형성되는 도핑 층; 상기 도핑 층상에 형성되며, 상기 도핑 층 이후의 후속 공정 시 상기 도핑 층과의 물리적 특성 차이로 인해 성장 층에 가해지는 스트레스를 줄이는 완충 층(buffer layer); 및 상기 완충 층상에 형성되는 PN 접합 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.A tandem solar cell according to an embodiment of the present invention includes a substrate; A first gas comprising a conductive material and a second gas comprising a substance of a property different from that of the conductive material, the conductive material being chemically reacted with a catalyst to be grown on the substrate, A doping layer in which a doping concentration of the conductive material grown on the substrate varies according to a change in the flow rate of at least one of the two gases; A buffer layer formed on the doping layer to reduce stress applied to the growth layer due to a difference in physical properties between the doping layer and the doping layer during a subsequent process subsequent to the doping layer; And a PN junction layer formed on the buffer layer.
여기서 상기 기판은 N형 실리콘 기판이고, 상기 도핑 층은 P형 실리콘 단결정 또는 다결정 층으로서, 상기 N형 실리콘 기판 및 상기 P형 실리콘 단결정 또는 다결정 층은 실리콘 PN 접합을 형성하는 것을 특징으로 한다.Wherein the substrate is an N-type silicon substrate and the doping layer is a P-type silicon single crystal or polycrystalline layer, wherein the N-type silicon substrate and the P-type silicon single crystal or polycrystalline layer form a silicon PN junction.
상기 완충 층은 도전성 물질로 형성되며, 상기 도전성 물질은 상기 실리콘 PN 접합과 상기 PN 접합 층 사이의 격자상수 및 열팽창 계수 중 적어도 하나에 근거하여 선택되는 것을 특징으로 한다.Wherein the buffer layer is formed of a conductive material and the conductive material is selected based on at least one of a lattice constant and a thermal expansion coefficient between the silicon PN junction and the PN junction layer.
상기 완충 층은 두 개 이상의 층을 갖는 것을 특징으로 한다.The buffer layer has two or more layers.
상기 PN 접합 층은 상기 완충 층상에 차례로 적층되는 N형 층과 P형 층을 포함하며, 상기 N형 층 및 상기 P형 층은 질화물계의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The PN junction layer includes an N-type layer and a P-type layer which are sequentially stacked on the buffer layer, and the N-type layer and the P-type layer are formed of a nitride-based material.
상기 도핑 층은 표면이 비평탄한 것을 특징으로 한다.The doping layer is characterized in that the surface is non-planar.
상기 도전성 물질은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B), 비소(As) 중 어느 하나이고, 상기 다른 성질의 물질은 실리콘(Si)인 것을 특징으로 한다.Wherein the conductive material is any one of aluminum (Al), gallium (Ga), boron (B), and arsenic (As), and the other material is silicon (Si).
또한 본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지의 제조방법은 기판을 준비하는 단계; 도전성 물질을 포함하는 제1 가스 및 상기 도전성 물질과 다른 성질의 물질을 포함하는 제2 가스를 촉매와 화학적으로 반응시켜 상기 기판상에 상기 도전성 물질을 도핑 층으로서 성장시키는 단계; 상기 도핑 층 이후의 후속 공정 시 상기 도핑 층과의 물리적 특성 차이로 인해 성장 층에 가해지는 스트레스를 줄이기 위하여 상기 도핑 층상에 완충 층(buffer layer)을 형성하는 단계; 및 상기 완충 층상에 PN 접합 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention includes: preparing a substrate; Chemically reacting a first gas comprising a conductive material and a second gas comprising a material of a nature different from the conductive material with a catalyst to form the conductive material as a doping layer on the substrate; Forming a buffer layer on the doped layer in order to reduce a stress applied to the grown layer due to a difference in physical characteristics between the doped layer and the doped layer; And forming a PN junction layer on the buffer layer.
상기 도전성 물질을 도핑 층으로서 성장하는 단계는 상기 제1 가스 및 상기 제2 가스 중 적어도 하나의 유량을 변화시켜 상기 도전성 물질의 도핑 농도를 다르게 하여 상기 도전성 물질을 성장하는 것을 특징으로 한다.The step of growing the conductive material as a doping layer may vary the flow rate of at least one of the first gas and the second gas to vary the doping concentration of the conductive material to grow the conductive material.
상기 완충 층을 형성하는 단계는 상기 완충 층이 두 개 이상의 층을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 한다.The forming of the buffer layer is characterized in that the buffer layer is formed to have two or more layers.
상기 PN 접합 층을 형성하는 단계는, 상기 완충 층상에 N형 층을 형성하는 단계; 및 상기 N형 층상에 P형 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The forming of the PN junction layer includes: forming an N-type layer on the buffer layer; And forming a P-type layer on the N-type layer.
상기 N형 층 및 상기 P형 층은 질화물계의 물질로 형성하는 것을 특징으로 한다.And the N-type layer and the P-type layer are formed of a nitride-based material.
상기 도전성 물질을 도핑 층으로서 성장시키는 단계는 상기 도전성 물질로서 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B), 비소(As) 중 어느 하나를 사용하고, 상기 다른 성질의 물질로서 실리콘(Si)을 사용하는 것을 특징으로 한다.The step of growing the conductive material as a doping layer may include the steps of using any one of aluminum (Al), gallium (Ga), boron (B), and arsenic (As) as the conductive material, ) Is used.
본 발명의 실시예에 따르면, 태양전지를 탠덤 방식으로 제조함으로써 고효율, 고성능의 특성을 가질 수 있으며, 예컨대 MOCVD를 사용함으로써 짧은 공정 시간과 간소화된 제조 공정을 통해 저렴한 가격의 소자를 제공할 수 있게 된다.According to the embodiment of the present invention, a solar cell can be manufactured in a tandem manner, and it can have high efficiency and high performance characteristics. For example, by using MOCVD, it is possible to provide an inexpensive device through a short process time and a simplified manufacturing process do.
이를 통해 탠덤 방식의 기술이 적용된 태양전지는 민수용으로 고효율 태양전지에 응용될 수 있을 뿐만 아니라, 우주공간에서 인공위성 등의 동력원으로도 사용될 수 있기 때문에 차후 우주와 관련된 사업을 진행함에 있어서 많은 도움을 줄 수 있을 것이다.As a result, the solar cell using the tandem-type technology can be applied not only to the high-efficiency solar cell for civil use but also because it can be used as the power source for the satellite etc. in the space. It will be possible.
나아가 적외선/가시광 또는 가시광/자외선 두 대역의 파장을 동시에 흡수하는 탠덤 방식의 태양전지를 제공하면서 적절한 생산성까지 갖추어짐으로써 앞으로의 에너지에 관련된 문제들에 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라 친환경적으로 인해 환경오염의 부담을 줄여 줄 수 있게 된다.Furthermore, by providing a tandem type solar cell that absorbs both wavelengths of infrared / visible light or visible / ultraviolet light simultaneously, it can be provided with appropriate productivity, which not only can help problems related to future energy, It is possible to reduce the burden on the user.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지의 개요도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지의 단면 구조를 나타내는 도면,
도 3은 탠덤형 태양전지의 특성을 나타내는 그래프,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지의 제조과정을 나타내는 도면이다.1 is an outline view of a tandem type solar cell according to an embodiment of the present invention,
2 is a sectional view of a tandem type solar cell according to an embodiment of the present invention,
3 is a graph showing characteristics of a tandem type solar cell,
4A to 4D are views illustrating a manufacturing process of a tandem type solar cell according to an embodiment of the present invention.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지의 개요도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지의 단면 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a schematic diagram of a tandem type solar cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a tandem type solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 가령 탠덤 방식의 태양전지로서, 이종 접합 구조를 가지며, 예컨대 실리콘 기판을 이용하고, 실리콘 PN 접합과 함께 질화갈륨(GaN)과 같은 질화물계의 PN 접합을 실리콘 기판상에 수행함으로써 탠덤형 태양전지를 형성하게 된다(A-C). 여기서, 탠덤이란 두 가지 다른 물질로 만들어지는 접합을 2차원 구조로 결합함으로써 높은 개방 전압과 효율이 좋은 고성능을 갖도록 하는 방식을 나타낸다.As shown in FIGS. 1 and 2, a solar cell according to an embodiment of the present invention is a tandem solar cell having a heterojunction structure, for example, a silicon substrate, and a gallium nitride GaN) is formed on a silicon substrate to form a tandem type solar cell (AC). Here, tandem indicates a method of providing a high open-circuit voltage and a high-efficiency high-efficiency by combining a junction made of two different materials into a two-dimensional structure.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지는 도 2에 도시된 바와 같이 기판(200), 도핑 층(210), 완충 층(220) 및 PN 접합 층(230)의 일부 또는 전부를 포함하며, 나아가 상부 및 하부 전극(미표기)을 더 포함할 수 있다.The tandem type solar cell according to the embodiment of the present invention includes a part or all of the
여기서 기판(200)은 가령 N형 실리콘 기판으로서, N형 실리콘 기판상에는 P형 단결정 또는 다결정 실리콘 등의 도핑 층(210)이 성장된다. 이를 통해 탠덤형 태양전지는 실리콘 기판과 P형 단결정 또는 다결정 실리콘으로 이루어진 실리콘 PN 접합을 완성하게 된다. 이와 같은 과정은 N형 실리콘 기판상에 MOCVD 챔버 내에서 GaN 층과 같은 PN 접합 층(230)의 결정을 성장하기 이전에 P형 도핑을 수행하는 것이 바람직하다. 이것은 마치 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B), 비소(As) 등을 표면에 증착하고 이후에 고온 성장시 도핑이 되도록 하는 것과 유사할 수 있다.Here, the
여기서, MOCVD란 고온의 기판 위에 원료 가스를 유출시켜, 그 표면상에서 분해반응을 일으켜 박막을 형성하는 화학증착(CVD)의 하나로, 원료가스 중에 트리메틸갈륨 등의 유기 금속 착물을 포함하는 경우를 말한다. 할로겐화물의 기체를 사용하는 CVD보다 저온에서 조작하게 되고, 원자 오더에서의 박막 제어가 가능하다. 또한 GaAs 등의 전자재료 박막을 만드는 기술 중 하나이다.Here, MOCVD is a chemical vapor deposition (CVD) in which a raw material gas flows out on a substrate at a high temperature to cause a decomposition reaction on the surface of the substrate to form a thin film, and includes an organic metal complex such as trimethyl gallium in the raw material gas. It is operated at a lower temperature than CVD using a halide gas, and thin film control at atomic order is possible. It is also one of the technologies to make thin films of electronic materials such as GaAs.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지는 알루미늄(Al) 등을 함유한 가스(TMAI)와 실리콘(Si)을 포함한 가스, 예컨대 실란(SiH4), 모노클로실란(SiH3Cl)을 MOCVD 챔버 내에 투입시켜서 N형 실리콘 기판 위에 두 기체와 반응을 위한 다른 촉매들의 화학반응을 통해 고농도로 도핑된 P형 실리콘의 도핑 층(210)을 성장시켜 최종적으로 실리콘으로 이루어진 PN 접합을 완성하게 된다.The tandem type solar cell according to the embodiment of the present invention is a tandem type solar cell according to the present invention in which a gas containing aluminum (Al) or the like (TMAI) and silicon (Si) such as silane (SiH 4 ) and monoclosilane (SiH 3 Cl) And the
실질적으로 이와 같은 도핑 층(210)은 챔버 내에 투입되는 가스 유량의 변화에 따라 성장된 P형 층의 도핑 농도가 어떻게 달라지는지 SIMS(Second Ion Mass Spectroscopy)를 통한 도핑 프로파일을 분석하고 어떤 온도와 압력조건에서 가장 좋은 품질의 PN 접합을 얻을 수 있는지 온도 조건과 압력 조건을 변화시키면서 최적의 성장 조건을 찾는 과정을 수행함으로써 얻어질 수 있는 것이다.Substantially, such a
이와 같이 가령 탠덤 방식의 태양전지를 구현하기 위하여 먼저 실리콘으로 이루어진 PN 접합을 형성할 때, N형 기판에 P형 영역을 형성하기 위하여 MOCVD를 통해 N형 실리콘 기판상에 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B), 비소(As) 등과 실리콘이 포함된 가스를 주입하여 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B), 비소(As) 등이 도핑된 얇은 P형 실리콘의 도핑 층(210)을 형성시킬 수 있는데, 이와 같이 성장된 얇은 P형 층은 거의 금속에 가까운 전도성을 가지는 박막의 특성을 보이게 된다. 이는 기존의 이온 주입을 통해 미리 형성된 PN 접합이 GaN 성장을 위한 MOCVD 1000℃ 이상의 고온 공정에 노출되어 접합 사이에서 캐리어들의 확산이 일어나 접합 자체가 손상을 입는 등의 문제를 피할 수 있게 된다. In order to realize a tandem-type solar cell, for example, a PN junction formed of silicon is first formed. In order to form a P-type region on an N-type substrate, an aluminum (Al) Type silicon doped with aluminum (Al), gallium (Ga), boron (B), arsenic (As) or the like by injecting a gas containing silicon and boron (B)
한편 기판(200)의 도핑 층(210)상에는 완충 층(220)이 형성된다. 이와 같은 완충 층(220)은 PN 접합 층(230), 가령 GaN 성장시 도핑 층(210)의 손상을 방지하기 위하여 형성되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 도핑 층(210)상에 완충 층(220) 없이 GaN 등의 PN 접합 층(230)을 성장하게 되면, 그만큼 도핑 층(210)이 쉽게 손상될 수 있을 것이다.On the other hand, a
이와 같은 완충 층(220)과 관련해서는 격자 상수와 열팽창 계수 등에 따른 실리콘과 GaN 사이의 적합한 완충 층(220)이 선택되어야 하고, 실험을 통해 최적화된 두께가 결정되어야 하며, 적층구조, 그리고 전체 소자의 저항을 줄이기 위한 전도성을 가진 완충 층(220) 등이 고려되게 된다. 다시 말해, 적합한 완충 층(220)의 선택이란 현재 GaN 성장에 주로 사용되는 AlN, LT-GaN, AlGaN 등의 완충 층(220)을 이용해 실리콘과 GaN 사이의 격자 상수와 열팽창 계수 등의 물리적 특성의 불일치를 완화하여 크랙(crack)이 없는 GaN 층을 성장시키는 것이다. 또한 적층구조와 관련해서는 보통 하나의 완충 층(220)으로 GaN에 가해지는 스트레스를 모두 해소하는 것이 어려울 수 있으므로 여러 개의 층으로 적층하는 방식을 사용할 수 있다. With respect to such a
그리고 완충 층(220)상에는 PN 접합 층(230)이 형성된다. 좀더 정확히 말해, 본 발명의 실시예에 따른 PN 접합 층(230)은 완충 층(220)상에 N형 층(231)과 P형 층(233)이 차례로 적층되어 형성되며, GaN과 같은 질화물계로 형성되는 것이 바람직하다.A
본 발명의 실시예에서는 이와 같은 GaN을 재질로 하는 PN 접합 층(230)의 안정된 성장을 위하여 적절한 두께와 고품질의 P형 단결정 층의 성장, 공정 온도 및 투입된 가스들의 유량 등의 공정 조건 최적화, 그리고 동일 기판 내에서의 접합들의 균일성 테스트를 수행하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 적절한 두께와 고품질의 P형 단결정 층의 성장을 위하여 고분해능 X선 회절(XRD) 분석을 통해 단결정 성장 여부를 판단하고, 면저항 측정기(4-point probe)를 이용해서 실리콘의 면 저항을 측정한다. 또한 다음 공정인 GaN 층의 안정된 성장을 위해 원자현미경(AFM)으로 표면의 거칠기(roughness)를 측정한다. 또한 동일 기판 내에서의 접합들의 균일성을 테스트하기 위하여 성장된 PN 접합의 단면의 완성도를 주사전자현미경(SAM) 또는 투사전자현미경(TEM)의 이미지를 통해 평가하고 동일 기판 내에서 균일하게 형성되었는지 확인할 수 있게 된다.In the embodiment of the present invention, for the stable growth of the
나아가 본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지는 상부 및 하부 전극(미표기)을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 상부 및 하부 전극에는 가령 태양전지의 전하, 혹은 전기를 외부의 장치에 이용하기 위한 부하가 연결될 수 있다. 이에 따라 상부 및 하부 전극은 도전 물질로 형성될 수 있다. 또한 상부 전극은 도면에 자세히 나타내지는 않았지만 태양 빛이 입사되도록 가급적 많은 영역을 개방시키기 위하여 예컨대 'E' 혹은 'ㅕ'와 같은 형상으로 형성될 수 있으며, 하부 전극은 입사된 빛을 반사시켜 효율을 극대화시키기 위하여 전면에 형성되는 것이 바람직하다.Furthermore, the tandem type solar cell according to the embodiment of the present invention may further include upper and lower electrodes (not shown). The upper and lower electrodes may be connected, for example, with the charge of the solar cell, or a load for using electricity in an external device. Accordingly, the upper and lower electrodes may be formed of a conductive material. Although the upper electrode is not shown in detail in the drawings, it may be formed in a shape such as 'E' or 'ㅕ' in order to open as many regions as possible to allow sunlight to be incident, and the lower electrode reflects incident light, It is preferable that it is formed on the whole surface in order to maximize it.
탠덤형 태양전지의 최적 효율을 위하여 N형 실리콘 기판 쪽에 형성된 하부 전극과 P형 GaN에 형성될 상부 전극의 저항성 접촉을 위한 금속의 선택이 필요하며, 최적화된 열처리, 그리고 표면 전처리가 수행될 수 있다. 또한 GaN 표면에서의 빛의 반사를 막기 위한 코팅 방법 등이 추가로 수행될 수 있을 것이다. 이외에도 빛의 흡수가 잘 일어날 수 있도록 하는 방안이 강구될 수 있을 것이다. For optimum efficiency of the tandem solar cell, it is necessary to select a metal for resistive contact between the lower electrode formed on the N-type silicon substrate and the upper electrode to be formed on the P-type GaN, optimized heat treatment and surface pretreatment can be performed . Further, a coating method for preventing reflection of light on the GaN surface may be further performed. In addition, there is a possibility that the absorption of light can occur well.
나아가 최적 효율을 위하여 수직(vertical) 타입의 전극 형성을 통해 제작된 소자의 전기적 특성, 에너지 변환 효율 등을 평가할 수 있다. 이를 위하여 전압-전류 특성을 통한 전기적 특성을 분석할 수 있고, 단락 전류, 개방 전압, 충전률(Fill factor)을 통한 변환 효율을 추출할 수 있을 것이다. 이와 같은 분석 및 추출을 통해 태양 전지의 변환 효율을 계산하게 된다.Further, for the optimum efficiency, it is possible to evaluate electrical characteristics, energy conversion efficiency, and the like of the device manufactured through the formation of the vertical type electrode. For this purpose, it is possible to analyze the electrical characteristics through the voltage-current characteristics and to extract the conversion efficiency through the short-circuit current, the open-circuit voltage, and the fill factor. The conversion efficiency of the solar cell is calculated through such analysis and extraction.
도 3은 탠덤형 태양전지의 특성을 나타내는 그래프로서, 도 3의 (a)는 n-GaN/pn-Si 구조로 제작된 소자의 1 sun AM1.5G의 빛이 인가되었을 때(red curve)와 빛이 없을 때(blue curve)의 전압-전류 특성 그래프이고, 도 3의 (b)는 pn-GaN/pn-Si 탠덤 구조로 제작된 소자의 다양한 조건의 빛이 인가되었을 때의 전압-전류 특성(dark(blue), 1 sun AM1.5G(green), 20 sun AM1.5G (red), 1 sun AM1.5G+325nm UV laser(magenta))의 그래프이며, 도 3의 (c)는 pn-GaN/pn-Si 탠덤형 태양전지의 인가된 빛의 파장 변화에 따른 외부 양자 효율 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the characteristics of a tandem solar cell. FIG. 3 (a) is a graph showing a red curve of a device manufactured with an n-GaN / pn- FIG. 3 (b) is a graph showing voltage-current characteristics when light is applied in various conditions of a device fabricated in a pn-GaN / pn-Si tandem structure. (c) of FIG. 3 is a graph of pn-1 (blue), 1 sun AM1.5G (green), 20 sun AM1.5G (red), 1 sun AM1.5G + 2 is a graph showing an external quantum efficiency spectrum according to a wavelength change of an applied light of a GaN / pn-Si tandem type solar cell.
탠덤 구조가 아닐 경우, 1 sun AM1.5G의 빛이 인가되었을 때, 도 3의 (a)에 나타낸 전압-전류 특성 그래프로부터 개방 전압 555 mV, 단락 전류 밀도 22.9 mA/cm2, 충전률 73%, 변환 효율 9.3% 정도의 특성을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 탠덤 구조로 태양전지를 제작하였을 경우에는 도 3의 (b)에 나타낸 전압-전류 특성으로부터 각각 1 sun AM1.5G의 빛이 인가되었을 때 개방 전압 1.44 V, 단락 전류 밀도 0.16 mA/cm2, 충전률 40%이고, 20 sun AM1.5G의 빛이 인가되었을 때 개방 전압 2.26 V, 단락 전류 밀도 6.14 mA/cm2이며, 1 sun AM1.5G의 빛과 추가로 325 nm 파장의 자외선 레이저 빛이 인가되었을 때 개방 전압 2.4 V, 단락 전류 밀도 7.3 mA/cm2, 충전률 59%의 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.When the light of 1 sun AM 1.5G is applied, the open-circuit voltage is 555 mV, the short-circuit current density is 22.9 mA / cm 2 , the charging rate is 73% , And a conversion efficiency of about 9.3%. When a solar cell is fabricated in a tandem structure, when a voltage of 1 sun AM 1.5G is applied from the voltage-current characteristics shown in FIG. 3 (b) open-circuit voltage 1.44 V, the short circuit current density of 0.16 mA / cm 2, and the
이에 근거해 볼 때, 예를 들어 MBE(Molecular Beam Epitaxy)나 MOCVD와 같은 탠덤 방식의 경우 탠덤 구조가 아닌 경우에 비해 개방 전압 특성이 월등히 향상되는 것을 볼 수 있지만, 단락 전류 특성과 충전률에 있어서는 아직까지 많은 개선이 있어야 함을 알 수 있다. 또한 현재 제작되어 발표되고 있는 탠덤 방식의 태양전지 기술은 효율이 뛰어난 반면, 제조공정에 소모되는 시간과 비용이 저렴한 가격의 소자 생산에 적합하지 않기 때문이 제조단가를 낮추는 데에 많은 어려움이 있다.On the basis of this, it can be seen that the open-circuit voltage characteristic of the tandem type, such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) or MOCVD, is significantly improved compared with the case of the tandem type. However, We can see that many improvements still need to be made. In addition, tandem-type solar cell technology, which is currently being produced and announced, has high efficiency, but it is difficult to lower the manufacturing cost because the time and cost consumed in the manufacturing process are not suitable for production of low cost devices.
이러한 관점에서 본 발명의 실시예와 같은 MOCVD를 이용한 공정기술은 공정속도가 빠르기 때문에 생산성에 따른 가격 경쟁력 측면에서도 큰 장점을 갖는다. 다시 말해, 가령 MBE 방식을 이용하는 탠덤 방식의 태양전지는 저온에서의 결정성장이 가능한 장점을 갖지만, 양산성은 상당히 결여되는 것으로 알려져 있다. 그러나 MOCVD를 사용한 방식은 양산성이 확보된다. 이를 위하여 본 발명의 실시예에서는 MOCVD 챔버 내에서 N형 실리콘 기판 위에 P형 도핑이 된 층을 형성함으로써 양산성이 우수한 MOCVD 탠덤형 태양전지를 제조할 수 있게 되는 것이다.From this point of view, the process technology using MOCVD like the embodiment of the present invention has a great advantage in terms of price competitiveness due to productivity because the process speed is fast. In other words, a tandem solar cell using the MBE method has a merit that crystal growth can be performed at a low temperature, but it is known that the mass productivity is considerably lacking. However, the method using MOCVD ensures mass productivity. For this, in the embodiment of the present invention, a P-type doped layer is formed on an N-type silicon substrate in an MOCVD chamber, thereby manufacturing a MOCVD tandem type solar cell having excellent mass productivity.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지의 제조 과정을 나타내는 도면이다.4A to 4D are views illustrating a manufacturing process of a tandem type solar cell according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤형 태양전지의 제조를 위하여, 도 4a에 도시된 바와 같이 먼저 기판(200)을 준비하는 단계를 수행한다. 이때 기판(200)의 준비는 MOCVD 공정을 진행하기 위하여 챔버 내에 기판(200)을 투입하는 과정을 포함할 수 있다. 여기서, 기판(200)은 예컨대 N형 실리콘 기판으로서, 웨이퍼 또는 유리 기판을 포함하게 된다.In order to manufacture a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention, a step of preparing a
이어 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B), 비소(As) 등의 도전성 물질과 실리콘 등이 각각 포함된 가스를 기판(200)이 준비된 챔버 내로 주입하게 된다. 이때 가스 주입과 함께 주입된 가스와 화학적으로 반응을 시키기 위한 촉매를 동시에 주입할 수도 있을 것이다. 또한 도핑 층(210)의 도핑 농도를 조절하기 위하여 가스의 유량을 변화시켜 주입할 수 있다.A gas containing a conductive material such as aluminum (Al), gallium (Ga), boron (B), and arsenic (As) and silicon is injected into the chamber in which the
이에 따라 챔버 내에서는 도전성 물질을 포함하는 가스와 실리콘이 포함된 가스가 촉매와 화학적으로 반응함으로써 도 4b에서와 같이 기판(200)상에는 가령 알루미늄(Al) 등이 도핑된 얇은 P형 실리콘의 도핑 층(210)이 성장된다. 여기서, 성장된 얇은 P형 층, 즉 도핑 층(210)은 거의 금속에 가까운 전도성을 갖는 박막을 형성하게 된다.As a result, a gas containing a conductive material and a gas containing silicon are chemically reacted with the catalyst in the chamber, so that a thin P-type silicon doped layer, such as aluminum (Al) (210) is grown. Here, the grown thin P-type layer, that is, the doped
또한 도 4c에 도시된 바와 같이 도핑 층(210)상에 완충 층(220)을 형성한다. 이때 완충 층(220)은 두 개 이상의 층을 적층하는 것이 바람직하다. 이와 같은 완충 층(220)은 하부의 도핑 층(210)과 이후 형성될 PN 접합 층(230)과의 사이에 형성됨으로써 완충 역할을 하게 된다. 즉 PN 접합 층(230)의 형성시 도핑 층(210)에 가해지는 스트레스를 줄이는 역할을 수행하게 되는 것이다. 이때 완충의 효율을 증대시키기 위하여 두께가 두꺼운 단층으로 형성하기보다는 얇게 복층을 형성하는 것이 바람직하다. 또한 완충 층(220)은 저항이 증가하여 전류 흐름을 방해하는 것을 방지하기 위하여 전도성을 갖는 것이 바람직하다.A
이어 완충 층(220)상에는 도 4d에서와 같이 PN 접합 층(230)을 형성한다. 이와 같은 PN 접합 층(230)은 완충 층(220)상에 성장되는 N형 층(231), 그리고 N형 층(231)상에 이어 성장되는 P형 층(233)으로 이루어진다. 이때 N형 층(231) 및 P형 층(233)은 질화물계의 물질로 이루어지며, 하부의 실리콘 PN접합과 이종의 접합 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이는 어디까지나 두 대역의 파장을 동시에 흡수하기 위한 것으로 이해될 수 있을 것이다.A
한편, 별도의 도면으로 나타내지는 않았지만 기판(200)의 하부와 PN 접합 층(230)을 이루는 P형 층(233)의 상부에는 각각 하부 전극과 상부 전극을 형성하는 과정을 더 수행할 수 있다. 이때, 상부 및 하부 전극은 금속으로서 저항성, 열처리 조건 및 표면 전처리 등을 고려하여 선택될 수 있는데, 가령 P형 층(233)의 GaN 표면에는 빛의 반사를 막기 위하여 코팅층 등을 추가로 형성할 수 있을 것이다.Although not shown in the drawing, the lower electrode and the upper electrode may be formed on the P-
이의 과정에서 가령 하부 전극은 기판(200)의 하부 전면에 형성될 수 있지만, 상부 전극은 태양 빛을 가급적 많이 흡수하기 위하여 다양한 형상을 가질 수 있다. 예컨대 'E' 혹은 'ㅑ' 등의 형상을 가질 수 있는데, 이를 위하여 상부 전극은 별도의 장비를 이용하거나 챔버에서 프린팅 방식이나 포토리소그래피 공정 등에 의해 형성될 수도 있을 것이다.In this process, for example, the lower electrode may be formed on the lower surface of the
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.While the invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention.
200: 기판 210: 도핑 층
220: 완충 층 230: PN 접합 층
231: N형 층 233: P형 층200: substrate 210: doped layer
220: buffer layer 230: PN junction layer
231: N-type layer 233: P-type layer
Claims (13)
도전성 물질을 포함하는 제1 가스 및 상기 도전성 물질과 다른 성질의 물질을 포함하는 제2 가스를 촉매와 화학적으로 반응시켜 상기 기판상에 성장되는 상기 도전성 물질로 이루어지며, 상기 제1 가스 및 상기 제2 가스 중 적어도 하나의 유량 변화에 따라 상기 기판상에 성장되는 상기 도전성 물질의 도핑 농도가 다르게 형성되는 도핑 층;
상기 도핑 층상에 형성되며, 상기 도핑 층 이후의 후속 공정 시 상기 도핑 층과의 물리적 특성 차이로 인해 성장 층에 가해지는 스트레스를 줄이는 완충 층(buffer layer); 및
상기 완충 층상에 형성되는 PN 접합 층을
포함하며,
상기 기판은 N형 실리콘 기판이고, 상기 도핑 층은 P형 실리콘 단결정 또는 다결정 층으로서, 상기 N형 실리콘 기판 및 상기 P형 실리콘 단결정 또는 다결정 층은 실리콘 PN 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.Board;
A first gas comprising a conductive material and a second gas comprising a substance of a property different from that of the conductive material, the conductive material being chemically reacted with a catalyst and grown on the substrate, A doping layer in which a doping concentration of the conductive material grown on the substrate varies according to a change in the flow rate of at least one of the two gases;
A buffer layer formed on the doping layer to reduce stress applied to the growth layer due to a difference in physical properties between the doping layer and the doping layer during a subsequent process subsequent to the doping layer; And
The PN junction layer formed on the buffer layer
≪ / RTI &
Wherein the substrate is an N-type silicon substrate and the doping layer is a P-type silicon single crystal or polycrystalline layer, wherein the N-type silicon substrate and the P-type silicon single crystal or polycrystalline layer form a silicon PN junction. battery.
상기 완충 층은 도전성 물질로 형성되며, 상기 완충 층을 형성하는 도전성 물질은 상기 실리콘 PN 접합과 상기 PN 접합 층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 중 적어도 하나에 근거하여 선택되는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the buffer layer is formed of a conductive material and the conductive material forming the buffer layer is selected based on at least one of a lattice constant and a thermal expansion coefficient between the silicon PN junction and the PN junction layer. battery.
상기 완충 층은 두 개 이상의 층을 갖는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the buffer layer has two or more layers.
상기 PN 접합 층은 상기 완충 층상에 차례로 적층되는 N형 층과 P형 층을 포함하며, 상기 N형 층 및 상기 P형 층은 질화물계의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the PN junction layer includes an N-type layer and a P-type layer which are sequentially stacked on the buffer layer, and the N-type layer and the P-type layer are made of a nitride-based material.
상기 도핑 층은 표면이 비평탄한 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the doped layer has a non-planar surface.
상기 도전성 물질은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B), 비소(As) 중 어느 하나이고, 상기 다른 성질의 물질은 실리콘(Si)인 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the conductive material is any one of aluminum (Al), gallium (Ga), boron (B), and arsenic (As), and the other material is silicon (Si).
도전성 물질을 포함하는 제1 가스 및 상기 도전성 물질과 다른 성질의 물질을 포함하는 제2 가스를 촉매와 화학적으로 반응시켜 상기 기판상에 도핑 층을 성장시키는 단계;
상기 도핑 층 이후의 후속 공정 시 상기 도핑 층과의 물리적 특성 차이로 인해 성장 층에 가해지는 스트레스를 줄이기 위하여 상기 도핑 층상에 완충 층(buffer layer)을 형성하는 단계; 및
상기 완충 층상에 PN 접합 층을 형성하는 단계를
포함하며,
상기 기판은 N형 실리콘 기판이고, 상기 도핑 층은 P형 실리콘 단결정 또는 다결정 층으로서, 상기 N형 실리콘 기판 및 상기 P형 실리콘 단결정 또는 다결정 층은 실리콘 PN 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지의 제조방법.Preparing a substrate;
Growing a doping layer on the substrate by chemically reacting a first gas comprising a conductive material and a second gas comprising a material of a property different from the conductive material with a catalyst;
Forming a buffer layer on the doped layer in order to reduce a stress applied to the grown layer due to a difference in physical characteristics between the doped layer and the doped layer; And
Forming a PN junction layer on the buffer layer
≪ / RTI &
Wherein the substrate is an N-type silicon substrate and the doping layer is a P-type silicon single crystal or polycrystalline layer, wherein the N-type silicon substrate and the P-type silicon single crystal or polycrystalline layer form a silicon PN junction. Gt;
상기 도핑 층을 성장시키는 단계는,
상기 제1 가스 및 상기 제2 가스 중 적어도 하나의 유량을 변화시켜 상기 도전성 물질의 도핑 농도를 다르게 하여 상기 도핑 층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지의 제조방법.9. The method of claim 8,
The step of growing the doped layer comprises:
Wherein the doping concentration of the conductive material is varied by varying a flow rate of at least one of the first gas and the second gas to grow the doped layer.
상기 완충 층을 형성하는 단계는 상기 완충 층이 두 개 이상의 층을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지의 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein the buffer layer is formed such that the buffer layer has two or more layers.
상기 PN 접합 층을 형성하는 단계는,
상기 완충 층상에 N형 층을 형성하는 단계; 및
상기 N형 층상에 P형 층을 형성하는 단계를
포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지의 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein forming the PN junction layer comprises:
Forming an N-type layer on the buffer layer; And
Forming a P-type layer on the N-type layer;
Wherein the tandem-type solar cell is a solar cell.
상기 N형 층 및 상기 P형 층은 질화물계의 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지의 제조방법.12. The method of claim 11,
Wherein the N-type layer and the P-type layer are formed of a nitride-based material.
상기 도핑 층을 성장시키는 단계는,
상기 도전성 물질로서 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B), 비소(As) 중 어느 하나를 사용하고, 상기 다른 성질의 물질로서 실리콘(Si)을 사용하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지의 제조방법.9. The method of claim 8,
The step of growing the doped layer comprises:
Characterized in that any one of aluminum (Al), gallium (Ga), boron (B) and arsenic (As) is used as the conductive material and silicon (Si) Gt;
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KR20190044235A (en) | 2017-10-20 | 2019-04-30 | 한국전력공사 | Multi junction solar cell having lattice mismatched buffer structure and Method for manufacturing the same |
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2011
- 2011-11-30 KR KR1020110127370A patent/KR101395028B1/en active IP Right Grant
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