KR101429478B1 - 도핑보상층이 형성된 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 태양전지 - Google Patents

도핑보상층이 형성된 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 태양전지 Download PDF

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Abstract

기판 상에 p+ 반도체층과 n+ 반도체층을 순차적으로 적층하여 광전변환셀을 형성하고, 상기 기판의 하부에 하부 전극을 형성하며, 상기 광전변환셀 상부에 상부 전극을 형성하는 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 태양전지에 있어서, As 분위기에서 승온하고 일정 시간 대기 후 P 분위기로 전환하고 일정 시간 대기하여, 상기 광전변환셀의 p+ 반도체층과 n+ 반도체층 사이에 도핑보상층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 태양전지를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 광전변환셀에 As와 P의 확산을 제어하여 도핑보상층을 형성함으로써, p+n(또는 I)n+ 접합의 Ge 태양전지를 구현하여, 항복 전압을 높이고 터널 전류를 낮추어 태양전지의 효율성과 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다.

Description

도핑보상층이 형성된 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 태양전지{manufacturing method of solar cell with compensated dopping layer and solar cell thereby}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 특히 태양전지의 광전변환셀에 As와 P의 확산을 제어하여 도핑보상층을 형성함으로써, p+n(또는 I)n+ 접합의 Ge 태양전지를 구현하여 항복 전압을 높이고 tunnel 전류를 낮추기 위한 도핑보상층이 형성된 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양광 발전의 핵심소자이며, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 소자이다.
즉, 태양전지에 태양광이 조사되면 태양광에 의한 전자-정공쌍(electron hole pair)이 생성되고, 전자와 정공이 전극으로 이동되면서 전류가 흐르게 된다.
이러한 종래의 접합형 태양전지(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, p형 기판(110) 상에 광전 변환셀(120), 윈도우층(window layer)(130), 캡층(cap layer)(140) 및 상부 전극(150)이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가진다.
여기에서 광전 변환셀(120)은 p형 베이스(p-type base)(121)와 n형 에미터(n-type emitter)(122)가 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가지며, 이를 단일 접합 태양전지라고 한다. 이러한 광전 변환셀이 다수의 p/n 접합층으로 반복형성된 것을 다중 접합 태양전지라고 한다.
특히, p형 Ge 기판은 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체를 기반으로 하는 다중 접합 태양전지의 제조에 활용되고 있는데, 기판으로서 역할과 장파장 태양광을 흡수하는 bottom cell의 역할을 하고 있다. 이러한 botton cell로 역할을 위해서 pn 접합층 형성이 필요하며 도핑의 제어가 필요하게 된다.
그런데, p형 기판은 낮은 직렬 저항을 위해 높은 도핑 농도의 p형 Ge 기판을 사용하게 되는데, 이는 낮은 항복(breakdown) 전압을 유발하고 동작 영역에서는 터널 전류를 흘려 개방회로 전압을 낮출 수 있다.
이러한 p형 Ge 기판을 활용한 다중 접합 태양전지는 p+n+ 반도체를 접합하여 제작되어 왔으며, MOCVD를 활용하여 V족 가스를 주입하고 이와 관련한 물질을 성장하였다.
그런데, Ge의 경우 p+n+접합에서 터널 전류가 흐를 수 있는데, Ge는 에너지 밴드갭이 낮아 터널 전류가 더 많이 흐르게 될 가능성이 있다. 그러므로, p+n+ Ge 태양전지는 낮은 항복전압과 높은 암 전류를 형성할 수 있고, 이는 효율 저하와 신뢰성 감소를 야기하는 문제점을 초래하게 된다.
대한민국특허청 공개특허공보 공개특허 10-2011-0081385
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, As와 P의 확산을 제어하여 도핑보상층을 형성함으로써, p+n(또는 I)n+ 접합의 Ge 태양전지를 구현하여 항복 전압을 높이고 tunnel 전류를 낮추기 위한 도핑보상층이 형성된 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 태양전지의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판 상에 p+ 반도체층과 n+ 반도체층을 순차적으로 적층하여 광전변환셀을 형성하고, 상기 기판의 하부에 하부 전극을 형성하며, 상기 광전변환셀 상부에 상부 전극을 형성하는 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 태양전지에 있어서, As 분위기에서 승온하고 일정 시간 대기 후 P 분위기로 전환하고 일정 시간 대기하여, 상기 광전변환셀의 p+ 반도체층과 n+ 반도체층 사이에 도핑보상층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 태양전지를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 도핑보상층은, n- 반도체층 또는 진성(intrinsic) 반도체층인 것이 바람직하다.
또한, 상기 P 및 As의 플럭스(flux)가 고용도(solid solubility)/NA를 넘지 않도록 하는 것(여기에서, NA는 아보가드로의 수(6.022x1023)를 나타낸다)이 바람직하며, 또한, 상기 상기 P와 As의 고용도의 비가 2.5(=20/8)을 넘지 않는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 As 공급시 Zn, Mg, Ga, In 및 Al 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 소스를 공급하는 것이 바람직하며, 특히, 상기 도핑보상층이 진성(intrinsic) 반도체층인 경우, 상기 As 공급 후 일정 시간 대기 후 Zn, Mg, Ga, In 및 Al 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 소스를 투입 후 As를 1회 또는 반복하여 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 As 및 P는 하이드라이드(hydride) 가스 또는 탄화수소 화합물 형태의 원료로 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도핑보상층이 n- 반도체층인 경우, p+ 반도체층의 전자 농도는 1x1017/cm3와 1x1019/cm3 사이의 값을 갖고, n- 반도체층의 전자농도는 1x1017/cm3와 1x1018/cm3사이의 값을 갖고, n+ 반도체층의 전자농도는 2x1018/cm3와 2x1019/cm3 사이의 값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 광전변환셀에 As와 P의 확산을 제어하여 도핑보상층을 형성함으로써, p+n(또는 I)n+ 접합의 Ge 태양전지를 구현하여, 항복 전압을 높이고 터널 전류를 낮추어 태양전지의 효율성과 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1 - 종래의 접합형 태양전지의 구조를 나타낸 도.
도 2 - Ge에서 P와 As의 고용도(solid solubility)와 접합 깊이(junction depth)에 따른 거동을 나타낸 도.
도 3 - 본 발명에 따른 도핑보상층의 분포 곡선을 나타낸 도.
도 4 - 본 발명의 일실시예에 따른 Ga 또는 Zn 등 p형 도판트(dopant)를 활용한 도핑 방법을 도시한 도.
본 발명은 Ge 기판을 이용한 태양전지에 있어서, 도핑보상층을 형성하여 공핍층으로 작용할 수 있도록 하여 터널 전류와 암 전류를 줄일 수 있어 태양전지의 효율성과 신뢰성을 향상시키기 위한 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 2는 Ge에서 P와 As의 고용도(solid solubility)와 접합 깊이(junction depth)에 따른 거동을 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 도핑보상층의 분포 곡선을 나타낸 것이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Ga 또는 Zn 등 p형 도판트(dopant)를 활용한 도핑 방법을 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 p형 기판 상에 p+ 반도체층과 n+ 반도체층을 순차적으로 적층하여 광전변환셀을 형성하고, 상기 기판의 하부에 하부 전극을 형성하며, 상기 광전변환셀 상부에 상부 전극을 형성하는 태양전지의 제조방법에 있어서, As 분위기에서 승온하고 일정 시간 대기 후 P 분위기로 전환하고 일정 시간 대기하여, 상기 광전변환셀의 p+ 반도체층과 n+ 반도체층 사이에 도핑보상층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
여기에서 As 및 P 가스의 공급 및 반도체층의 형성은 MOCVD 반응기를 이용한다.
또한, 기판은 p형 Ge 기판을 사용하여, 일반적으로 p형 Ge 기판은 기판으로서의 역할과 장파장 태양광을 흡수하는 bottom cell의 역할을 동시에 하고 있다. bottom cell의 역할을 위해서 pn 접합 형성이 필요하며, 도핑의 제어가 필요하게 되는데, p형 Ge 기판의 경우 낮은 직렬 저항을 위해 높은 도핑 농도의 필요성이 있으며, 이는 낮은 항복(breakdown) 전압을 유발하고 동작 영역에서 터널(tunnel) 전류를 흘려 개방회로 전압을 낮추게 된다.
본 발명에서는 이러한 p형 기판의 높은 도핑 농도에 따른 카운터 도핑(counter dopping)을 함으로써, 보상(compensation)하여 항복 전압을 높이고 tunnelling 가능성을 낮추기 위해 상기 도핑보상층을 도입한 것이다.
상기 도핑보상층은 p+ 반도체층과 n+ 반도체층 사이에 형성되며, n- 반도체층 또는 진성(intrinsic) 반도체층으로 공핍층으로 형성될 수 있어, 터널 전류와 암 전류를 줄일 수 있게 되어 태양전지의 효율과 신뢰성을 향상시키게 되는 것이다.
즉, 본 발명에 따른 도핑보상층에 의해 기존의 p+n+ 접합이 아닌 p+n-(또는 I)n+ 접합을 구현한 것이다.
상기 도핑보상층은 MOCVD 반응기를 이용하여 As 분위기에서 승온하고 일정 시간 대기 후 P 분위기로 전환하고 일정 시간 대기하여, 상기 광전변환셀의 p+ 반도체층과 n+ 반도체층 사이에 형성된다.
구체적으로는 MOCVD 반응기 내부를 공정 진공도까지 도달시킨 후, As를 공급한 후 반도체층의 증착온도까지 승온한 후 도핑보상층의 농도에 따라 1분 내지 2시간 동안 대기 후, P를 공급한 후 도핑보상층의 농도에 따라 1분 내지 2시간 동안 대기하여 도핑보상층을 형성하게 된다.
여기에서, 대기 시간은 1분 내지 2시간 정도가 바람직한데, 1분보다 대기 시간이 짧으면 도핑보상층의 두께가 너무 얇아서 기존의 p+n+ 반도체층과 거의 물성의 차이가 나지 않으며, 2시간보다 더 길게 되면 도핑보상층의 두께가 너무 두꺼워 태양전지의 효율을 저하시켜 적합하지 않을 수 있기 때문이다.
도 2는 Ge에서 P와 As의 고용도(solid solubility)와 접합 깊이(junction depth)를 활용한 분포도를 나타낸 것으로서, 이에 따라 본 발명에 따른 도핑보상층은 p+In+ 구조까지 구현할 수 있게 된다.
상기 As 및 P는 하이드라이드(hydride) 가스 또는 탄화수소 화합물 형태의 원료로 공급되는데, 예를 들어 AsH3, PH3 가스를 공급하거나, TBP, TBAs를 포함하는 액체 형태의 소스를 공급하여 As 및 P 분위기를 형성한다.
즉, MOCVD 반응기에 AsH3를 흘리면서 승온하고 성장 온도 도달 후 또는 성장 온도보다 높은 온도 도달 후(As를 깊이 확산 시키고자 할 때) PH3 가스로 전환 후 도핑보상층을 형성하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 도핑보상층의 분포 곡선도를 나타낸 것이다.
이 때 P 원자 및 As 원자량이 100% 분해(decomposition)된다고 가정했을 때, 상기 P 및 As의 플럭스(flux)가 고용도(solid solubility)/NA를 넘지 않도록 한다. 여기에서, NA는 아보가드로의 수(6.022x1023)를 나타낸다. 또한, 상기 P와 As의 고용도의 비가 2.5(=20/8)을 넘지 않도록 한다.
상기의 고용도를 넘는 량이 공급될 경우에는 P, As가 도펀트로 작용하기 보다는 결합으로 작용하여, 도핑보상층의 역할을 수행하지 못하게 된다.
또한, 상기 As 공급시 Zn, Mg, Ga, In 및 Al 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 소스를 공급하여 높은 농도의 p형 Ge 기판을 보상(compensate)할 수 있도록 하여, 상기 도핑보상층이 n- 반도체층이나 진성(intrinsic) 반도체층 중 어느 하나로 형성되게 한다.
특히, 상기 도핑보상층이 진성(intrinsic) 반도체층인 경우에는 상기 As 공급 후 일정 시간 대기 후 Zn, Mg, Ga, In 및 Al 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 소스를 투입 후 As를 1회 또는 반복하여 제공하는 것이 바람직하다.
도 4는 Ga 또는 Zn 등 p형 도판트(dopant)를 활용한 도핑 방법을 도시한 것이다.
여기에서, 진성 반도체층 부분을 늘리기 위해 As 가스 분위기에서 반도체층의 성장 온도보다 승온시킨 후 As 공급을 중단하고 온도 하강 후 P를 짧은 시간 동안 노출 후 성장하는 방법도 사용할 수 있다.
한편, 도핑보상층은 GaAs, InGaAs, AlInGaAs, InGaP, AlInGaP 중 어느 하나로 형성되도록 하며, 상기 p+반도체층 및 n+반도체층의 경우에는 위의 반도체 중 어느 하나로 형성되어 광전변환셀을 형성하도록 한다.
또한, 상기 도핑보상층이 n- 반도체층인 경우, p+ 반도체층의 전자 농도는 1x1017/cm3와 1x1019/cm3 사이의 값을 갖고, n- 반도체층의 전자농도는 1x1017/cm3와 1x1018/cm3사이의 값을 갖고, n+ 반도체층의 전자농도는 2x1018/cm3와 2x1019/cm3 사이의 값을 갖는다.
이러한 구조를 가지는 태양전지는 다수의 광전변환셀을 적층함으로써, 다중접합 태양전지를 구현할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 태양전지는 As와 P의 확산을 제어하여 광전변환셀에 도핑보상층을 형성함으로써, p+n(또는 I)n+ 접합의 Ge 태양전지를 구현하였으며, 높은 기판 농도를 카운터 도핑(counter dopping)함으로써 보상하여 항복 전압을 높이고 tunnelling 가능성을 낮추어 태양전지의 효율성과 신뢰성을 향상시킨 것이다.

Claims (14)

  1. 기판 상에 p+ 반도체층과 n+ 반도체층을 순차적으로 적층하여 광전변환셀을 형성하고, 상기 기판의 하부에 하부 전극을 형성하며, 상기 광전변환셀 상부에 상부 전극을 형성하는 태양전지의 제조방법에 있어서,
    As 분위기에서 승온하고 일정 시간 대기 후 P 분위기로 전환하고 일정 시간 대기하여, 상기 광전변환셀의 p+ 반도체층과 n+ 반도체층 사이에 도핑보상층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 도핑보상층은,
    n- 반도체층 또는 진성(intrinsic) 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 P 및 As의 플럭스(flux)가 고용도(solid solubility)/NA를 넘지 않도록 하는 것(여기에서, NA는 아보가드로의 수(6.022x1023)를 나타낸다)을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 상기 P와 As의 고용도의 비가 2.5(=20/8)을 넘지 않는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 As 공급시 Zn, Mg, Ga, In 및 Al 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 소스를 공급하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 도핑보상층이 진성(intrinsic) 반도체층인 경우,
    상기 As 공급 후 일정 시간 대기 후 Zn, Mg, Ga, In 및 Al 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 소스를 투입 후 As를 1회 또는 반복하여 제공하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 As 및 P는 하이드라이드(hydride) 가스 또는 탄화수소 화합물 형태의 원료로 공급되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 도핑보상층이 n- 반도체층인 경우,
    p+ 반도체층의 전자 농도는 1x1017/cm3와 1x1019/cm3 사이의 값을 갖고, n- 반도체층의 전자농도는 1x1017/cm3와 1x1018/cm3사이의 값을 갖고, n+ 반도체층의 전자농도는 2x1018/cm3와 2x1019/cm3 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 기판은,
    p형 Ge 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  10. 기판과, 기판 상에 형성되며 p형 반도체와 n형 반도체가 순차적으로 적층되어 광신호를 전기적 신호로 변환하는 광전변환셀 및 상기 기판의 하부에 형성되는 하부 전극과 상기 광전변환셀 상에 형성되는 상부 전극을 포함하여 이루어진 태양전지에 있어서,
    상기 광전변환셀의 p+ 반도체층과 n+ 반도체층 사이에 도핑보상층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 도핑보상층은,
    n- 반도체층 또는 진성(intrinsic) 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 도핑보상층이 n- 반도체층인 경우,
    p+ 반도체층의 전자 농도는 1x1017/cm3와 1x1019/cm3 사이의 값을 갖고, n- 반도체층의 전자농도는 1x1017/cm3와 1x1018/cm3사이의 값을 갖고, n+ 반도체층의 전자농도는 2x1018/cm3와 2x1019/cm3 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 태양전지는 다중접합 태양전지인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 기판은,
    p형 Ge 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지.
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