KR101455724B1 - 실리콘 기판을 재활용한 고효율 iii-v 태양전지와 광전소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 기판을 재활용한 고효율 III-V 태양전지와 광전소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판 표면에 고효율의 적층형 III-V 및 Ge 태양전지 구조를 성장하도록 하고, 성장된 적층형 태양전지를 실리콘 기판으로부터 분리할 수 있도록 하고, 태양전지 에피구조 성장에 사용된 실리콘 기판을 지속적으로 다시 사용할 수 있도록 함으로써, 고가의 화합물반도체 기판을 새것으로 사용하지 않으면서 고효율의 태양전지를 포함한 광전소자를 얻을 수 있도록 하되, 실리콘 기판 표면에 격자상수가 불일치(1 % 이상) 하는 III-V 족 화합물 또는 격자상수가 일치(0.5 % 미만) 하는 III-V 족 화합물을 버퍼층으로 성장하고, 그 표면에 HF 용액에 쉽게 에칭되는 고농도의 Al이 포함된 III-V 물질층을 Sacrificed layer(SL)로 성장하고, 그 위로 III-V 화합물 물질과 Ge 물질이 결합된 고효율 III-V 족 에피 구조를 형성하도록 한다. Transfer와 stain induced method 등 기존 ELO 방법과 유사한 방법(BLO)으로 희생층을 통해 기판으로부터 태양전지 에피 구조를 떼어내지만, 실리콘 기판의 경우 ELO 후에 남은 III-V층들을 선택적으로 완벽하게 에칭할 수 있으므로 GaAs 기판과는 달리 지속적으로 기판을 사용할 수 있게 된다.

Description

실리콘 기판을 재활용한 고효율 III-V 태양전지와 광전소자 및 그의 제조방법{high efficiency solar cell and optoelectronic device using reusing si substrate}

본 발명은 실리콘 기판을 재활용한 고효율 III-V 태양전지와 광전소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘(Si) 기판을 이용하여 고효율 화합물 및 Ge 접합을 적층으로 갖는 태양전지를 얻고 실리콘(Si) 기판으로부터 에피층을 떼어내어 재활용하도록 하여 GaAs와 같은 비싼 기판을 사용하지 않는 방법으로 전환함으로써 보다 저가화 고효율 태양전지 및 광전소자를 구성할 수 있도록 한 실리콘 기판을 재활용한 고효율 III-V 태양전지와 광전소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출을 규제하기 위하여 1997년 12월 교토의정서가 채택된 후, 방대한 이산화탄소 배출량을 조절하기 위해, 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

청정 대체 에너지로 주목받는 태양광 소자(태양전지)는 반도체가 빛을 흡수하여 전자와 정공이 발생되는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 소자를 의미한다.

태양광 소자의 반도체로 안정성 및 효율이 입증된 실리콘이나 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 무기물 반도체의 np다이오드가 주로 사용되었으나, 그 제조 비용이 높아 태양전지의 실질적 활용에 걸림돌이 되어왔다.

보다 값싼 태양광 소자를 개발하고자, 염료 감응 물질, 유기/고분자 물질을 이용한 태양광 소자에 대한 연구가 활발히 진행 중이나, 실리콘 기반 태양광 소자에 비해 효율이 매우 낮고 열화에 의한 수명이 짧아 실제 시장 점유 비율은 3% 내외로 미미한 실정이다.

상술한 바와 같이 태양광 소자는 실리콘 단결정, 실리콘 다결정을 이용한 것이 대부분이나, 태양광 시스템 구축시 실리콘 소재 및 웨이퍼가 차지하는 비용이 전체 구축비용의 40%를 넘어서고 있는 실정이며, 이에 대한 현실적 해결책으로 구조적(morphology)/물리화학적(Eg engineering) 접근을 통해 단위 전력 생산에 필요한 실리콘의 양을 줄이는 노력과 박막형 소자로 실리콘 소모를 최소화하는 노력이 이루어지고 있다.

실리콘 기판 표면에 III-V 태양전지 및 광전소자 제작의 기존기술은 주로 실리콘 기판을 매개체로 하여 한쪽 면에 GaAs 단일 접합 또는 GaAs/InGaAs 또는 AlGaAs/GaAs 이중 접합 에피를 형성하는 구조로 이루어져 있으며, 이와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 다이오드 트랜지스터와 같은 전자 소자뿐만 아니라 레이저 다이오드, 포토 다이오드 또는 태양전지와 같은 광전 소자로의 응용이 가능하다.

이러한 화합물 반도체를 사용하기 위해 보편적으로 Ⅵ족 기판이 사용된다. 그러나, Ⅵ족 기판과 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 이루는 물질은 서로의 결정구조, 격자상수 또는 열팽창 계수와 같은 근본적인 물성의 차이가 존재하기 때문에 내부에 결함이 발생되고, 표면의 균일성이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 기판과 화합물 반도체층 사이에 격자상수 차이를 감소시킬 수 있는 버퍼층을 삽입하거나, InGaAs/GaAs와 GaAsP/GaAs와 같은 초격자층으로의 성장과 같은 방법이 제시되었다.

그러나, 상기와 같은 반도체의 제조방법은 반도체층의 두께를 확대시키고, 제조비용을 증가시키는 등의 문제점을 발생시키는 동시에 기판을 재활용하기 위한 방안이 거의 없었다.

그리하여 고효율 III-V 족 태양전지 및 광전소자에 대한 저가화 방안으로 III-V 기판의 재활용방안에 대하여 다음과 같이 보고된바 있다[1].

¹Ref. nature 465, 329 (2010)

상기의 문헌에 따르면, 기판을 3번 정도 재활용할 경우, 기존의 성능에 대비하여 85% 정도의 성능을 유지하다가 3번 이상 재활용 시 급격하게 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

성능이 급격히 저하되는 원인은 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As의 희생층(Sacrificed Layer, SL)과 GaAs 버퍼층에 대하여 기판과의 Epitaxial Lift-off(ELO) 후 선택적인 에칭이 제대로 이루어지지 않음으로 인하여 잔존하는 물질들의 표면 거칠기로 인해 성능이 저하되는 문제점이 발생하게 되었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 실리콘(Si) 기판을 이용하여 고효율 화합물 및 Ge 접합을 적층으로 갖는 태양전지를 얻도록 한 실리콘 기판을 재활용한 고효율 III-V 태양전지와 광전소자 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 실리콘(Si) 기판으로부터 에피층을 떼어내어 재활용하도록 하여 GaAs와 같은 비싼 기판을 사용하지 않는 방법으로 전환함으로써 보다 저가화 고효율 태양전지 및 광전소자를 구성할 수 있도록 함을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리콘 기판을 재활용한 고효율 III-V 태양전지와 광전소자 및 그의 제조방법은 실리콘(Si) 기판 표면에 고효율의 적층형 III-V 및 Ge 태양전지 구조를 성장하도록 하고, 성장된 적층형 태양전지를 실리콘(Si) 기판으로부터 분리하도록 하여 태양전지 에피 구조의 성장에 사용된 실리콘(Si) 기판을 지속적으로 다시 사용할 수 있도록 함으로써 고가의 화합물 반도체 기판을 사용하지 않으면서 고효율의 태양전지를 포함한 광소자를 얻을 수 있도록 한 것으로,

실리콘(Si) 기판 표면에 격자상수가 불일치하는(1% 이상) III-V족 화합물 또는 격자상수가 일치하는(0.5 % 미만) III-V족 화합물을 버퍼층으로 성장하고 그 표면에 HF 용액에 쉽게 에칭되는 고농도의 Al이 포함된 III-V 물질층을 희생층(SL: Sacrificed layer)로 성장한 다음 그 위로 III-V 화합물 물질과 Ge 물질이 결합된 고효율 III-V족 에피 구조를 형성한다.

또한, 희생층을 통해 기판으로부터 태양전지 에피 구조를 떼어내는 ELO(Epitaxial Lift-off)는 Transfer 및 stain induced method 등의 ELO 방법을 사용하도록 한다.

그리고 실리콘(Si) 기판의 경우, ELO 후에 남은 III-V 버퍼층들을 선택적으로 완벽하게 에칭할 수 있으므로 GaAs 기판과는 달리 지속적으로 기판을 사용할 수 있도록 한다.

그러므로 고가의 GaAs 기판을 사용하지 않고 실리콘(Si)과 같은 저가의 기판을 지속적으로 재활용하여 고효율 태양전지 및 광소자를 구성하도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기의 본 발명에 따른 실리콘(Si) 기판을 재활용한 고효율 III-V 태양전지와 광전소자 및 그의 제조방법에 의하여서는, GaAs와 같은 고가의 기판을 전혀 사용하지 않은 채, Si 기판을 이용하여 고효율 태양전지를 얻는 구조를 얻고 에피를 분리하여 플렉시블 태양전지에 적용하였으며, 남아있는 실리콘(Si) 기판을 선택적 에칭 용액으로 에칭한 후 깨끗하게 Si 기판을 지속적으로 재활용하여 사용할 수 있는 이점이 있다.

현재까지는 실리콘(Si) 기판 표면에 성장하는 III-V 화합물 태양전지는 모두 GaAs 계열의 III-V 화합물만 적용하여 성장을 에너지 밴드갭이 큰 물질이 위로 가도록 성장하는 방법만을 추구하였으나, 에너지 밴드갭이 큰 AlGaP에서 Ge에 이르는 보다 넓은 밴드갭을 포함하는 영역 대에 대하여 성장할 수 있도록 하였음은 물론, 실리콘(Si) 기판을 재활용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 재활용 실리콘 기판을 이용한 플랙시블 고효율 태양전지의 구성을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 실리콘 기판의 표면에 성장될 물질들의 에너지 밴드갭 및 격자상수 그리고 태양광 스펙트럼에서 물질들에 해당하는 에너지 분포도.
도 3은 본 발명의 실리콘 기판의 표면에 성장된 적층형 정위상 플렉시블 태양전지 구조를 도시한 개략도.
도 4. 본 발명의 실리콘 기판의 표면에 성장된 역위상 플렉시블 태양전지 구조의 개략도.
도 5는 본 발명의 실리콘 기판의 표면에 격자상수가 4% 이상 차이 나는 III-V 또는 Ge을 성장하는 성장온도 계통도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘 기판의 표면에 성장된 고효율 태양전지의 에피층을 떼어내는 과정을 도시한 개략도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 실리콘 기판의 표면에 성장된 고효율 태양전지의 에피층을 떼어내는 과정을 도시한 개략도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘 기판의 표면에 성장된 플렉시블 고효율 태양전지를 떼어내는 상태를 도시한 개략도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 실리콘 기판의 표면에 성장된 플렉시블 고효율 태양전지를 떼어내는 상태를 도시한 개략도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실리콘 기판을 재활용한 고효율 III-V 태양전지와 광전소자 및 그의 제조방법의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1a는 본 발명의 성장면의 윗층의 에너지 밴드 갭이 높은 구조의 실리콘 기판을 이용한 플랙시블 고효율 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 것으로서, p-Si 기판(1)의 위에 격자상수가 4% 이상 차이가 나는 GaAs층이나 GaP층의 버퍼층(2)을 성장하고, 상기 버퍼층(2)의 위에 고농도 Al을 포함한 희생층(SL)(3)을 형성하며, 상기 희생층(3)의 위에 플렉시블 기판(4)을 형성하고, 상기 플렉시블 기판(4)의 위에 적층형 고효율 III-V 태양전지(5)를 형성하며, 상기 III-V 태양전지(5)의 상면 일부에 도전용 금속층(6)을 형성하여 구성하였다.

그리고 상기의 태양전지를 재사용하기 위해서는 Al을 포함한 희생층(SL)(3)을 에칭하여 제거하도록 한다.

상기의 태양전지(5)는 성장방법과 ELO(Epitaxy lift-off)에 따라 여러 형태가 있을 수 있다.

도 1b는 본 발명의 성장면의 윗층의 에너지 밴드 갭이 낮은 구조의 실리콘 기판을 이용한 플랙시블 고효율 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 것으로서, 상기 플렉시블 기판(11)의 표면에 도전용 금속층(12)을 형성하고, 상기 도전용 금속층(12)의 표면에 적층형 고효율 III-V 태양전지(13)를 형성하며, 상기 태양전지(13)의 상면 일부에 도전용 금속층(14)을 형성하고, 상기 p-Si 기판(15)의 아래에 격자상수가 0.5 % 미만인 GaAs층이나 GaP층의 버퍼층(16)을 성장하며, 상기 버퍼층(16)의 아래에 고농도 Al을 포함한 희생층(SL)(17)을 형성하고, 상기 태양전지(13)의 상면에 희생층(SL)(17)이 접하도록 하여 구성하였다.

그리고 상기의 나노 막대 태양전지를 재사용하기 위해서는 Al을 포함한 희생층(SL)(17)을 에칭하여 제거하도록 한다.

한편, 상기의 p-Si 기판의 표면을 세척 처리하는 과정은 다음과 같다.

2^o-off 경사진 p-Si 기판은 우선 불산(HF)에 1분간 에칭하는 과정과, 상기의 에칭한 p-Si 기판을 H₂SO₄과 H₂O₂를 3:1로 혼합한 용액으로 Piranha 세정을 수행하는 과정과, p-Si 기판을 산화물 에칭(BOE: Buffered Oxide Etchant)의 방법으로 20분 동안 에칭하는 과정과, p-Si 기판을 5초간 DI(deionized)로 Rinse 처리하는 과정과, 세척이 끝난 p-Si 기판을 N₂ Gun으로 건조하면서 물기를 증발시키는 과정과, 물기를 증발시킨 p-Si 기판을 재빨리 MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition) 반응관에 넣어서 GaAs층을 증착하는 과정에 의해 수행하도록 한다.

상기의 2^o-off p-Si 기판의 표면에 격자불일치가 기판의 4% 이상 되는 GaAs층이나 GaP층의 버퍼층을 성장하는 과정은 다음과 같다. 750℃ 이상 고온에서 p-Si 기판의 자연 산화막을 없애는 과정과, 상기의 p-Si 기판을 380∼420℃ 가량의 낮은 온도로 내리는 과정과, 상기 p-Si 기판에 버퍼층을 위한 seed층을 성장하되, V/III 비율이 작고 성장률을 크게 하여 성장하는 과정에 의해 수행하도록 한다.

상기의 p-Si 기판을 700℃ 까지 소스 공급없이 성장온도를 올리면서 열처리하게 되면, 성장된 버퍼층 중 제대로 결합하지 못한 버퍼층은 탈착이 일어나 2∼20nm 정도의 거친 표면을 갖는 안정된 버퍼층만 남게 된다.

그러므로 그 표면에 GaAs층이나 GaP층의 버퍼층을 일반적인 성장온도에서 성장하게 되면 양질의 버퍼층을 형성하게 된다.

이때 2^o-off 경사진 기판 및 높은 온도의 성장이 양질의 GaAs층이나 GaP층의 버퍼층을 성장하는 데 도움을 주게 된다.

성장하는 버퍼층은 궁극적으로 얻고자 하는 태양전지의 에피층 구조에 따라 달라진다.

상기의 실리콘 기판의 표면에 버퍼층을 성장하는 과정은, 도 2a의 시간 그래프에 도시한 것과 같이 고온에서 전 열처리(pre annealing)를 수행하고, 다시 저온에서 열처리(annealing)를 수행한 다음 고온에서 버퍼층을 성장하도록 하는 일반적인 온도 성장 절차에 따라 수행하도록 한다.

상기의 실리콘 기판의 표면에 버퍼층을 성장하는 과정은, 도 2b의 시간 그래프에 도시한 것과 같이 고온에서 전 열처리(pre annealing)를 수행하고, 저온에서 GaAs 시드층을 형성한 후, 고온에서 GaAs 버퍼층을 0.5μm의 두께로 형성하고, 반응관 안에서 저온의 TCA(thermal cycling annealing) 공정을 3회 수행한 다음, GaAs 버퍼층을 0.2μm의 두께로 형성하고 다시 GaAs 버퍼층을 1.5μm의 두께로 견고하게 형성하는 성장절차에 따라 수행하도록 한다.

상기의 2^o-off p-Si 기판의 표면에 격자 불일치가 기판의 0.5% 이하 되는 GaAs층이나 GaP층의 버퍼층을 성장하는 과정은 다음과 같다.

AlGaP에서 GaP와 같은 높은 에너지 밴드갭을 포함하는 광범위한 구조를 포함하려 할 경우, 도 3a에 도시한 것과 같이 격자상수의 불일치가 0.5% 이하인 GaP 물질을 seed층 및 버퍼층으로 성장한다.

이때는, 경우에 따라 경사진 기판 및 고온성장온도에 의하여도 seed층이 필요 없이 곧 바로 버퍼층을 성장할 수 있다.

즉, 플렉시블 기판(21)의 표면에 2^o-off 경사진 실리콘(Si) 기판(22)을 형성하는 과정과, 2^o-off 경사진 실리콘(Si) 기판(22)의 표면에 GaAs 시트층 및 버퍼층(23)을 성장하는 과정과, 그 표면에 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 인 희생층(SL: Sacrificed Layer)(24)을 성장하는 과정과, 상기 희생층(24)의 표면에 태양전지를 성장하는 과정에 의해 제조하도록 한다.

상기의 태양전지는, n-GaP층(25)의 표면에 (p,n)-GaP층(26)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-GaP층(26)의 표면에 InAlP, InGaP, GaAs, Ge 접합 및 터널졍션 구조(27)를 성장하는 과정과, 상기의 터널졍션 구조(27)의 표면에 (p,n)-AlGaP층(28)을 형성하는 과정과, 상기의 n-GaP층(25)과 (p,n)-AlGaP층(28)의 표면에 전극(electrode)(29)을 형성하는 과정에 의해 제조하도록 한다.

그리고, 도 3b에 도시한 것과 같이, 플렉시블 기판(31)의 표면에 2^o-off 경사진 실리콘(Si) 기판(32)을 형성하는 과정과, 2^o-off 경사진 실리콘(Si) 기판(32)의 표면에 GaAs 시트층 및 버퍼층(33)을 성장하는 과정과, 상기 GaAs 시트층 및 버퍼층(33)의 표면에 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 인 희생층(SL: Sacrificed Layer)(34)을 성장하는 과정과, 상기 희생층(34)의 표면에 태양전지를 성장하는 과정에 의해 제조하도록 한다.

상기의 태양전지는, n-GaP층(35)의 표면에 (p,n)-GaAs층(36)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-GaAs층(36)의 표면에 InAlP, InGaP, GaAs, Ge 접합 및 터널졍션 구조(37)를 성장하는 과정과, 상기의 터널졍션 구조(37)의 표면에 (p,n)-InGaAlP층(38)을 형성하는 과정과, 상기의 n-GaP층(35)과 (p,n)-InGaAlP(38)층의 표면에 전극(electrode)(39)을 형성하는 과정에 의해 제조하도록 한다.

상기의 물질들로부터, 다시 실리콘(Si)과 격자상수가 4% 이상인 GaAs층이나 AlGaP 구조로 성장하기는 어렵지만, 상기 태양전지는 p/n-GaP, p/n-GaAs, (p,n)-AlGaP, (p,n)-InGaAlP와 같은 GaAs에 격자상수가 일치하는 물질들이 터널졍션 구조와 어우러져 단일접합, 이중접합, 삼중접합, 다중접합을 이룰 수 있게 된다.

한편, 표면에 격자불일치가 실리콘(Si) 기판의 4% 이상 되는 GaAs층이나 GaP층의 버퍼층을 성장한 2^o-off p-Si 기판을 재활용하거나 플렉시블 가능한 태양전지로 성장하는 과정은 다음과 같다.

AlGaP에서 GaP와 같은 낮은 에너지 밴드갭을 포함하는 광범위한 구조를 포함하려 할 경우, 도 4a에 도시한 것과 같이 격자상수의 불일치가 4% 이상인 GaP 물질을 seed층 및 버퍼층으로 성장한다.

2^o-off 경사진 p-Si 기판(41)의 아래 표면에 격자상수의 불일치가 4% 이상인 GaP 버퍼층(42)을 성장하는 과정과, GaP 버퍼층(42)의 아래 표면에 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 인 희생층(SL: Sacrificed Layer)(43)을 성장하는 과정과, 상기 희생층(43)의 아래 표면에 태양전지를 성장하는 과정에 의해 제조하도록 한다.

상기의 태양전지는, 플렉시블 기판(44)의 위 표면에 금속층(45)을 형성하고, 상기 금속층(45)의 위 표면에 (p,n)-GaP(Eg=2.26eV)층(46)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-GaP층(46)의 위 표면에 InAlP, InGaP, GaAs, Ge 접합 및 터널졍션 구조(47)를 성장하는 과정과, 상기의 터널졍션 구조(47)의 위 표면에 (p,n)-AlGaP(Eg=2.26∼2.34eV)층(48)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-AlGaP층(48)의 위 표면에 전극(electrode)(49)을 형성하는 과정에 의해 제조하도록 한다.

그리고, 도 4b에 도시한 것과 같이, 2^o-off 경사진 p-Si 기판(51) 아래 표면에 GaAs 시트층 및 버퍼층(52)을 성장하는 과정과, 상기 GaAs 시트층 및 버퍼층(52)의 아래 표면에 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 인 희생층(SL: Sacrificed Layer)(53)을 성장하는 과정과, 상기 희생층(53)의 표면에 태양전지를 성장하는 과정에 의해 제조하도록 한다. 상기의 태양전지는, 플렉시블 기판(54)의 표면에 금속층(55)을 형성하고, 상기 금속층(55)의 표면에 (p,n)-Ge(Eg=0.7eV)층(56)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-Ge층(56)의 표면에 InAlP, InGaP, GaAs, Ge 접합 및 터널졍션 구조(57)를 성장하는 과정과, 상기의 터널졍션 구조(57)의 표면에 (p,n)-GaAs(Eg=1.4eV)층(58)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-GaAs층(58)의 표면에 InAlP, InGaP, GaAs, Ge 접합 및 터널졍션 구조(59)를 성장하는 과정과, 상기의 터널졍션 구조(59)의 표면에 (p,n)-InGaAlP(Eg=1.8∼1.94eV)층(60)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-InGaAlP층(60)의 표면에 전극(electrode)(61)을 형성하는 과정에 의해 제조하도록 한다.

또한, 도 4c에 도시한 것과 같이, 2^o-off 경사진 p-Si 기판(71)의 아래 표면에 GaAs 시트층 및 버퍼층(72)을 성장하는 과정과, GaAs 시트층 및 버퍼층(72)의 아래 표면에 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 인 희생층(SL: Sacrificed Layer)(73)을 성장하는 과정과, 상기 희생층(73)의 표면에 태양전지를 성장하는 과정에 의해 제조하도록 한다.

상기의 태양전지는, 플렉시블 기판(74)의 표면에 금속층(75)을 형성하고, 상기 금속층(75)의 표면에 (p,n)-Ge(Eg=0.7eV)층(76)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-Ge층(76)의 표면에 InAlP, InGaP, GaAs, Ge 접합 및 터널졍션 구조(77)를 성장하는 과정과, 상기의 터널졍션 구조(77)의 표면에 (p,n)-GaAs(Eg=1.4eV)층(78)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-GaAs층(78)의 표면에 InAlP, InGaP, GaAs, Ge 접합 및 터널졍션 구조(79)를 성장하는 과정과, 상기의 터널졍션 구조(79)의 표면에 (p,n)-InGaAlP(Eg=1.8∼1.94eV)층(80)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-InGaAlP층(80)의 표면에 InAlP, InGaP, GaAs, Ge 접합 및 터널졍션 구조(81)를 성장하는 과정과, 상기의 터널졍션 구조(81)의 표면에 (p,n)-GaP(Eg=2.26eV)층(82)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-GaP층(82)의 표면에 InAlP, InGaP, GaAs, Ge 접합 및 터널졍션 구조(83)를 성장하는 과정과, 상기의 터널졍션 구조(83)의 표면에 (p,n)-AlGaP(Eg=2.26∼2.34eV)층(84)을 형성하는 과정과, 상기 (p,n)-AlGaP층(84)의 표면에 전극(electrode)(85)을 형성하는 과정에 의해 제조하도록 한다.

상기 태양전지는 GaAs에 격자상수가 일치하는 물질들이 터널졍션과 어울러져 단일접합, 이중접합, 삼중접합, 다중접합을 이룰 수 있다.

도 5는 이러한 기판 재활용된 다중접합 고효율 태양전지 구조의 에너지 밴드갭과 이에 해당하는 태양광 스펙트럼의 범위를 나타내었다.

AlGaP에서 GaP와 같은 높은 에너지 밴드갭을 포함하는 광범위한 구조를 포함하려 할 경우, 격자상수의 불일치가 0.5% 이하인 GaP 물질을 seed층 및 버퍼층으로 성장한다.

이때는, 경우에 따라 경사진 기판 및 고온성장온도에 의하여도 seed층이 필요없이 곧 바로 버퍼층을 성장할 수 있다.

성장되는 정위상 성장 구조의 경우는 (p,n)-GaP(Eg=2.268eV), (p,n)-AlGaP(Eg=2.268∼2.45eV) 물질(Si과 격자상수의 차이가 0.5% 미만)로 이루어진 단일접합 또는 이중접합층으로 태양전지 구조를 이루고 있다.

그리고 역위상 성장 구조의 경우, (p,n)-AlGaP과 p/n-GaP 물질들을 성장한 후, 실리콘(Si) 기판 표면에 성장하는 GaAs(격자상수 4% 이상)처럼 (p/n)-GaAs(Eg=1.414eV), (p,n)-AlGaAs(Eg=1.414∼1.87eV), (p,n)-InGaP(Eg=1.87eV), (p,n)-InAlGaP(Eg=1.8∼2.14eV)와 같은 물질들을 역위상으로 성장한다.

이때, (p,n)-Ge 물질은 다른 III-V 물질들보다 에너지 밴드갭이 낮은 물질로 맨 표면에 성장할 수 있다.

실리콘(Si) 기판으로부터 에피층을 떼어내면서 기판을 재활용하거나 플렉시블 광전소자로 제작하는 과정은 다음과 같다.

태양전지 구조 성장 후 성장된 태양전지의 에피층을 Transfer method에 의해 떼어내는 ELO(Epitaxial Lift-off) 방법은 도 6에 도시한 것과 같이, 트랜스퍼(transfer)용 웨이퍼(wafer)를 준비하는 과정과, 기판에서 태양전지를 스탬프(stamp)에 부착하면서 탈착하는 과정과, 상기의 탈착한 태양전지를 포함하는 스탬프(stamp)를 캐리어(carrier) 기판으로 이동하는 과정과, 상기의 탈착한 태양전지를 포함하는 스탬프(stamp)를 캐리어(carrier) 기판에 부착하는 과정에 의해 수행되도록 한다.

그리고 불산(HF: Hydrofluoric acid)을 이용하여 에피층을 떼어내는 방법은 도 7에 도시한 것과 같이, 4000rpm의 속도로 30초 동안 회전시킨 후 100℃에서 2분 동안 약하게 가열면서 PR(photp resist) 코팅하는 과정과, 홀의 크기와 간격을 조절 가능하도록 한 ELO(Epitaxial Lift-off) 용 홀을 인쇄하는 과정과, 다른 기판으로 홀이 인쇄된 PDMS(polydimethylsiloxane)을 전송하는 과정과, 희생층(SL: Sacrificed Layer) 까지 홀을 가공하는 과정과, 상기의 희생층까지 형성된 홀에 불산(HF)을 주입하는 과정과, 상기의 불산이 주입된 태양전지 구조에 자력으로 잡아서 떼어내는 과정에 의하여 수행되도록 한다.

태양전지 구조 성장 후 역위상으로 성장된 태양전지의 에피층을 떼어내는 Strain induced method에 의한 ELO(Epitaxial Lift-off) 방법은 도 8에 도시한 것과 같이, 기판과 떼어내야 할 에피층과의 사이에 불산 용액을 주입하면서 기판을 전방으로 이동시키는 중에 에피층은 선택적으로 자성체를 띠도록 하는 회전 실린더에 감기도록 하여 에피층을 분리시키도록 한다.

그리고 도 9에 도시한 것과 같이, 기판은 지지봉에 고정하면서 플렉시블 캐리어를 중량물로 잡아당기도록 하여 분리층(release layer)에 의해 분리되도록 한다.

또한, 상기의 실리콘(Si) 기판에서 상기의 ELO(Epitaxial Lift-off) 방법에 의하여 에피층을 분리시킨 후 남아있는 GaAs 또는 GaP를 제거하기 위해서는 H₂SO₄, H₂O₂, H₂O와 H₃PO₄, HCl와 같은 에칭 용액(wet etchant)을 사용하여 실리콘(Si) 기판에 대하여 선택적으로 에칭을 수행할 수 있도록 한다.

그러므로 이 에칭 용액으로 실리콘(Si) 기판 표면에 남아있는 III-V 물질들을 깨끗이 에칭할 수 있으며, 좋은 표면 환경 속에서 다시 실리콘(Si) 기판에 태양전지의 구조를 성장하여 재사용이 가능하도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

1 : p-Si 기판 2 : GaAs층이나 GaP층의 버퍼층
3 : 고농도 Al을 포함한 희생층(SL) 4 : 플렉시블 기판
5 : 적층형 고효율 III-V 태양전지 6 : 도전용 금속층

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4. 2^o-off 경사진 p-Si 기판을 불산(HF)에 1분간 에칭한 다음, H₂SO₄과 H₂O₂를 3:1로 혼합한 용액으로 Piranha 세정하고, 상기 세정된 p-Si 기판을 산화물 에칭(BOE: Buffered Oxide Etchant)으로 20분 동안 에칭한 다음, 5초간 DI(deionized)로 Rinse 처리하며, 상기 p-Si 기판을 N₂ Gun으로 건조시켜 물기를 증발시킨 다음, GaAs층을 증착하기 위해 MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition) 반응관에 넣어 p-Si 기판의 표면을 세척하는 단계;
   상기 p-Si 기판 표면에 GaAs 또는 GaP 버퍼층이 형성되도록 버퍼층을 성장하는 단계;
   상기 버퍼층 위에 Al_0.9Ga_0.1As 인 희생층(SL: Sacrificed Layer)이 형성되도록 성장하는 단계;
   상기 희생층의 표면에 태양전지 구조를 성장하는 단계;
   상기 성장된 태양전지 구조를 ELO(Epitaxial Lift-off)를 통해 p-Si 기판에서 분리하는 단계; 및
   분리된 p-Si 기판의 재활용이 가능하도록 상기 p-Si 기판에 남아있는 GaAs 또는 GaP를 H₂SO₄, H₂O₂, H₂O와 H₃PO₄, HCl 중 적어도 하나의 에칭 용액(wet etchant)을 통해 에칭하는 단계를 포함하는 실리콘 기판을 재활용한 고효율 III-V 태양전지의 제조방법.
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