KR101719620B1 - 다중접합 태양 전지 소자들의 제조 - Google Patents

다중접합 태양 전지 소자들의 제조 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 제1 설계된 기판을 제공하는 단계; 제2 기판을 제공하는 단계; 제1 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제1 설계된 기판 상에 적어도 하나의 제1 태양전지층을 형성하는 단계; 제2 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제2 기판 상에 적어도 하나의 제2 태양전지층을 형성하는 단계; 상기 제1 웨이퍼 구조를 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합시키는 단계; 상기 제1 설계된 기판을 분리하는 단계; 상기 제2 기판을 제거하는 단계; 및 제3 기판을 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에 결합시키는 단계;를 포함하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

다중접합 태양 전지 소자들의 제조{Manufacture of multijunction solar cell devices}
본 발명은 다중접합(multijuction) 태양 전지 기판들의 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 층 전달 공정들을 포함하는 다중접합 태양 전지 기판들의 제조와, 지구 및 우주 관련 응용들에 대한 태양 전지 소자들의 제조에 관한 것이다.
광전지들 또는 태양 전지들은 태양 복사를 전류로 변환하기 위해 설계된다. 집중 태양 광발전 응용들에서 입사하는 태양광은 그것이 태양 전지들로 향하기 전에 광학적으로 집중된다. 예를 들어, 입사하는 태양광은 1차 거울에 의해 수신되고, 1차 거울은 수신된 복사를 2차 거울을 향하여 반사시키며, 2차 거울은 결국 상기 복사를 태양 전지로 반사하며, 상기 태양 전지는 III-V족 반도체 또는 단결정 실리콘에서 전자-정공 쌍들의 생성에 의해 상기 집중된 복사를 전류로 변환시킨다. 대안적으로, 상기 태양광은 프레넬 랜즈들(Fresnel lenses)과 같은 전달 광학(transmittive optics)을 사용하여 태양 전지들 상으로 집중될 수 있다.
상이한 반도체 물질 조성은 상기 입사하는 태양광의 상이한 파장들에 대하여 최적의 흡수를 보여주기 때문에 상이한 파장 범위들에서 최적의 흡수를 보여주는, 예를 들어 3개의 셀들을 포함하는 다중접합 태양 전지들이 제안되었다. 3중 셀 구조는 예를 들어, 1.8 eV의 갭값(gap value)을 갖는 GnInP 상부 셀층, 1.4 eV의 갭값을 갖는 GaAs 중간 셀층 및 0.7 eV의 갭값을 갖는 Ge 하부 셀층을 포함할 수 있다. 원칙적으로 III-V족 또는 IV족 반도체들은 층 전달/결합(transfer/bonding)에 의해 제조된 다중접합 태양전지 소자들의 활성 셀층들로서 사용될 수 있다. 다중접합 태양전지들은 통상 모놀리식 에피택셜 성장에 의해 제조된다. 상기 모놀리식 성장 공정은 일반적으로 어떤 형성된 층들은 앞서서 형성된 층들 또는 하부에 놓이는 기판에 실질적으로 정합된 격자일 것을 요구한다. 그러나, 성장 기판들 상에서 상기 태양 전지 층들의 에피택셜 성장은 여전히 격자 부정합들의 견지에서 부담이 큰 문제를 제공한다. 예를 들어, InP 태양 전지층의 결정학적 및 광학적 특성들은 결정 부정합에 기인하여 심각하게 저하될 수 있기 때문에, Ge 기판 상에 InP 태양 전지층을 에피택셜하게 성장시키는 것은 적합하지 않다. 부가하여, 종래에 사용된 층 전달 공정들에서는 중간 기판들이 에피택셜 성장 층들의 전달 후에 버려진다.
따라서, 최근 엔지니어링의 진전에도 불구하고 여전히 다중접합 태양 전지 소자들에 대한 개선된 제조 공정에 대한 요구가 있으며, 여기서 낮은 결함율을 갖는 태양 전지 층들이 얻어지며, 중간 기판들이 재활용될 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 요구를 감안하여 개선된 다중접합 태양전지 소자들을 제조하는 것이다.
전술한 요구를 해결하기 위해, 본 발명은, 제1 설계된(engineered) 기판을 제공하는 단계; 제2 기판을 제공하는 단계; 제1 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제1 설계된 기판 상에 적어도 하나의 제1 태양전지층을 형성하는 단계; 제2 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제2 기판 상에 적어도 하나의 제2 태양전지층을 형성하는 단계; 상기 제1 웨이퍼 구조를 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합시키는 단계; 상기 제1 설계된 기판을 분리하는 단계; 상기 제2 기판을 제거하는 단계; 및 제3 기판을 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에 결합시키는 단계;를 포함하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
대안적으로, 제1 기판 및 제2 설계된 기판이 제공될 수 있다.
상기 용어 "설계된 기판(engineered substrate)"은 단순한 순수 벌크 기판과는 다른 기판을 포함하며, 차라리 제1 및 제2 웨이퍼 구조들의 결합의 결과 구조로부터 그 제거를 촉진하기 위해 기판 내에 형성된 층 또는 인터페이스를 포함한다. 특히 상기 "설계된 기판"은 씨드층과 베이스 기판 사이에 지퍼층(zipper layer)을 포함할 수 있다. 특히, 상기 설계된 기판은 상기 설계된 기판의 제거 단계에서 상기 씨드층으로부터 분리된 베이스 기판을 포함할 수 있다.
상기 지퍼층을 통한 분리는 상기 분리된 기판을 재활용할 수 있게 해준다.
본 명세서에서, 용어 "상기 설계된 기판의 분리(detachment of the engineered substrate)"는 상기 베이스 기판의 분리로써 해석되어야 한다. 이러한 분리 단계는 (만약에 있다면) 상기 지퍼층의 있을 수 있는 잔류물의 제거가 후행될 수 있고, 상기 나머지 구조로부터 상기 씨드층의 제거가 후행될 수 있다.
상기 지퍼층은 적절한 처리, 예를 들어 상부 씨드층과 하부 베이스 기판의 경계를 정하는, 기판 내로의 수소 및/또는 헬륨 주입에 의해 형성된 약화된 층일 수 있다.
상기 지퍼층은 상기 베이스 기판의 표면에서 양극 식각(anodic etching)에 의한 매몰 다공성 층에 의해 형성될 수도 있다. 이어서 상기 씨드층의 에피택셜 성장이 상기 다공성 층의 상부 상에 수행될 수 있다.
상기 지퍼층은 에피택시 시퀀스 동안 중간 변형층에서 레이저 리프트-오프, 화학적 리프트 오프 또는 기계적 분열을 위한 흡수층의 형태로 제공될 수 있다: Si 매트릭스 내의 SiGe, 특히 Si 기판 내의 20%에서 SiGe의 중간 변형층. 이러한 대안에서, 상기 지퍼층은 상기 씨드층 자체에 의해 형성될 수 있으며, 예를 들어 상기 씨드층은 상기 설계된 기판을 분리하기 위하여 선택적으로 그리고 화학적으로 식각되어 버릴 수 있다.
상기 지퍼층은 예를 들어 WO2010/015878로부터 공지된 바와 같이, 씨드층과 투명한 베이스 기판 사이에 삽입된 레이저 리프트-오프를 위한 SiN 흡수층의 형태일 수도 있다.
설계된 기판을 위한 다른 가능성은 다음과 같이 이해할 수 있다: 제거가능한(1.5 J/㎡ 보다 작은, 바람직하게는 1 J/㎡ 보다 작은 낮은 결합 에너지를 나타내는) 결합 인터페이스가 씨드층 및 베이스 지지대의 마주보는 면들 사이에 형성된다. 그 가능성에 있어서, 상기 지퍼층은 상기 제거가능한 결합 인터페이스에 의해 형성된다. 제1 태양전지층은 에피택셜 성장 온도로 가열된 상기 설계된 기판과 함께, 상기 결합 인터페이스의 상기 제거가능한 특성을 유지하면서 상기 씨드층 상에서 에피택시에 의해 성장될 수 있다. 낮은 에너지 결합은, 상기 씨드층 또는 상기 기판 중의 하나의 마주보는 표면(또는 그들의 각각 상의 SiO2 또는 Si3N4의 결합층)의 친수성을 감소시키기 위한 처리를 유효하게 함으로써, 화학적 공격 또는 식각에 의해 특별히 수행된 상기 씨드층 또는 상기 기판 중의 하나의 상기 마주보는 표면의 거칠기를 증가시키기 위한 처리를 수행함으로써 얻어진다. 더구나, 상기 인터페이스 재료들의 약한 고유의 상호 화학적 친화도(weak intrinsic mutual chemical affinity)가 얻어지도록 상기 결합층을 위한 상이한 재료가 선택될 수 있다. 상기 베이스 기판의 분리는 열적 처리 또는 예를 들어, 유체 분출 또는 블레이드로부터 적용된 기계적 스트레스들을 적용함으로써 수행될 수 있다. 이러한 종류의 분리는 예를 들어, WO03/063214에 개시된다.
이미 언급한 바와 같이, 상기 설계된 기판은 상기 지퍼층의 상부에 형성된 씨드층 또는 제거가능한 결합 인터페이스를 포함한다. 상기 씨드층은 예를 들어, 스마트 컷(Smart CutTM) 공정에 의해, 웨이퍼에서 웨이퍼로의 층 전달에 의해 상기 씨드 기판으로부터 베이스 기판으로 전달된다. 상기 씨드층은 상기 씨드 기판 상에 에피택시에 의해 원래 형성되었던 에피택셜층을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 대안적으로, 상기 씨드층은 벌크 씨드 기판으로부터 전달되거나 분리된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 씨드층은 태양전지층으로써 사용되지 않고, 차라리 제1 태양전지층이 상기 씨드층 상에서 성장된다.
전술한 방법에서 특정 예에 따르면, 상기 제1 설계된 기판은 지퍼층 및 제1 씨드층을 포함하며, 상기 방법은 특히, 연속적으로 수행되는,
a) 상기 지퍼층에서 상기 제1 설계된 기판의 베이스 기판을 분리하는 단계;
b) 상기 제1 씨드층을 제거하는 단계;
c) 전기 도전성 결합 컨택을 통해 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에 상기 제3 기판을 결합하는 단계; 및
d) 상기 제2 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 씨드층은, 그것의 밴드갭이 결국에는 상기 다중접합 태양전지를 형성하게 될 전지층들의 시퀀스에서 최적의 효율성을 위해 적용되지 않을 수 있기 때문에 태양전지층의 일부로써 반드시 사용될 필요는 없다. 따라서, 본 발명의 실시예에서, 상기 씨드층은 단지 제1 태양전지층의 성장을 위해 사용되며, 그리하여 결정학적 및 전기적 특성들 모두를 만족시키는 제1 태양전지층(바텀셀(bottom cell)로써)을 포함하는 다중접합 태양전지 소자로 결과되어 진다. 실제로, 상기 예에 따르면 상기 씨드층은 예를 들어, 식각과 같은 화학적 처리에 의해 공정에서 나중에 제거될 수도 있다.
전술한 예들에서, 상기 태양전지층들은 높은 결정학적 및 전기적 품질을 갖고 성장될 수 있다. 예를 들어, 106 /㎠ 보다 작은 전위 밀도가 얻어질 수 있다.
상기 지퍼층에서의 분리는 레이저 리프트-오프에 의해 수행될 수 있다: 레이저 빔이 예를 들어, 사파이어 기판을 포함하는 상기 설계된 기판에 방사되고, 상기 지퍼층에서 상기 재료의 분해를 유발함으로써 상기 지퍼층에서의 분리가 이루어진다.
나아가, 전술한 예에서, 상기 제2 기판은 상기 설계된 기판의 분리 동안 및 후에,그리고 제3 기판을 거기에 결합하기까지 상기 적층된 태양전지층들에게 기계적 안정성을 제공한다. 상기 제3 기판은 상기 태양전지 소자의 최종 베이스 기판이다. 상기 최종 베이스 기판 상에 형성된 태양전지층들의 스택(stack)은 최종 태양전지를 획득하기 위해 마무리 공정에 이어질 수 있다. 마무리 공정 또는 패터닝은 식각, 반반사 코팅들의 퇴적 및 패터닝, 및 동일한 것의 전기적 접촉에 의해 상기 적층된 태양전지층들로부터 메사들(상기 웨이퍼의 완전한 표면 위로 형성된)의 형성을 포함할 수 있다. 최종 베이스 기판은 열적 및 전기적 도전성 재료, 예를 들어, 알루미늄 또는 구리 또는 몰리브데늄 또는 텅스텐 또는 오믹 접촉을 위한 실리콘과 같은 도핑된 반도체들로 만들어질 수 있다.
텅스텐 또는 몰리브데늄 또는 Ge, GaAs 또는 InP와 같은 도핑된 반도체들로 만들어진 최종 베이스 기판은 예를 들어, GaAs 또는 GaAsOS(아래 참조)로 만들어진 제2 기판 상에 제공된 태양전지층들의 스택을 수용하기에 특히 적합할 수 있다. 특히, 제2 기판의 열팽창계수(CTE)에 대한 상기 최종 베이스 기판의 CTE에서의 차이는 상기 최종 기판에 대한 결합과 관련된 문제들을 방지하기 위해 30% 보다 작아야 한다.
다중접합 태양전지의 제조를 위한 본 발명의 방법의 대안적인 실시예에 따르면, 상기 제1 설계된 기판은 주입된 이온성 종들(species)에 의해 내부에 형성된 층을 갖는 벌크 기판(그리고 상기 벌크 기판의 주입된 표면과 상기 주입된 종들의 층 사이에 상기 씨드층을 한정하는)을 포함하며, 상기 방법은, 특히 연속적으로 수행되는,
a) 상기 주입된 이온성 종들에 의해 형성된 상기 층에서 상기 제1 설계된 기판의 상기 벌크 기판의 일부를 분리하는 단계;
b) 상기 제1 씨드층을 제거하는 단계;
c) 특히, 전기 도전성 결합을 통해 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에 상기 제3 기판을 결합하는 단계; 및
d) 상기 제2 기판을 제거하는 단계;를 포함한다.
본 실시예에서, 지퍼층 위에 씨드층을 포함하는 설계된 기판의 제조에 대한 요구는 전체 공정을 단순화한다.
다른 예에 따르면, 본 발명의 방법은, 제1 설계된 기판을 제공하는 단계;
제2 기판을 제공하는 단계; 제1 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제1 설계된 기판 상에 적어도 하나의 제1 태양전지층을 형성하는 단계; 제2 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제2 기판 상에 적어도 하나의 제2 태양전지층을 형성하는 단계; 상기 제1 웨이퍼 구조를 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합시키는 단계; 상기 제1 설계된 기판을 분리하는 단계; 상기 제2 기판을 제거하는 단계; 및 제3 기판을 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에 결합시키는 단계;를 포함하며, 특히 연속적으로 수행되는,
a) 상기 제2 기판을 제거하는 단계;
b) 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층 및 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층을 패터닝하는 단계;
c) 임시의(제4) 기판을 패터닝된 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층에 결합시키는 단계;
d) 상기 제1 설계된 기판을 분리하는 단계; 및
e) 상기 제3 기판을 상기 적어도 하나의 패터닝된 제1 태양전지층에 결합시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 예에 따르면, 상기 패터닝(patterning) 공정 동안(상기 적층된 태양전지층들의 메사 및 캡층 식각, 및/또는 반반사 코팅 실현 및/또는 전면 금속화와 같은) 및 상기 임시의 기판에 대한 결합(bonding) 동안에 상기 적층된 태양전지층들에 대한 기계적 안정성을 제공하는 것은 제1 설계된 베이스 기판이다. 상기 제1 베이스 기판의 분리(및 잔류물 제거) 후에 상기 임시의 기판을 포함하는 상기 구조가 최종 베이스 기판에 결합되며, 상기 임시의 기판의 제거 후에 이미 마무리된 또는 반-마무리된(semi-finished)(적어도 상기 태양전지층들의 공정에 관련하여) 다중접합 태양전지가 얻어진다. 상기 임시의 기판은 글라스 웨이퍼, 실리콘일 수 있으며, 상기 결합은 통상의 기술자에게 잘 알려진 용액 또는 열처리 또는 다른 방법들에 의해 용이하게 가역적으로 되는 접착제, 왁스 등에 의해 수행될 수 있다. 상기 임시의 기판의 분리는 서브셀(subcell) 층들에게 손상을 주지않는 용액 또는 열처리로 상기 접착제의 용해에 의해 얻어진다.
전술한 모든 실시예들에서, 상기 최종 베이스 기판에 대한 최종 결합은 상기 제1 태양전지층과 상기 최종 베이스 기판 사이에 형성된 전기 도전성(금속성, 또는 도전체 산화물들과 함께, 투명 도전체 산화물(TCO), 실리사이드 등) 결합층을 통하여 수행될 수 있다. 상기 전기 도전성 결합은 직접 결합에 의해, 즉 어떠한 중간 결합층들이 없이 수행될 수 있으며, 그리고 상기 제1 태양 전지와 상기 최종 베이스 기판의 표면들의 직접 접촉에 의해 수행될 수 있다. 특히 전기 도전성 결합은 열 싱크(heat sink) 역할을 할 수 있으며, 열 싱크에 연결될 수 있으며, 바람직하게는 그 자체가 열적 및 전기적 도전성인 상기 최종 베이스 기판에 열 전도를 제공할 수도 있다. 상기 도전성 결합은 Au/Sn과 같은 공융 접촉(eutectic contact)을 형성함으로써, 또는 Au/Au 열-압축과 같은 열-압축 기술에 의해 얻어질 수 있다.
상기 제1 웨이퍼 구조를 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합하는 단계는 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도, 보다 바람직하게는 450℃와 550℃ 사이의 온도에서 수행되는 고온 처리를 포함할 수 있으며, 따라서 상기 태양전지층들의 상기 반도체 재료들 사이에 신뢰성있는 결합을 허용하게 해준다.
상기 공정의 장점은, 상기 태양전지층의 결합이 수행되지만, 반면에 상기 최종 베이스 기판은 아직 상기 구조에 존재하지 않는다는 것이다. 따라서, 결합 동안 그리고 고온이 사용될 수 있는 열처리 동안에 금속 오염물들의 위험이 방지된다. 더구나, 상이한 열팽창계수(CTE)으로 인하여 이러한 온도에서 상기 제1 및 제2 기판의 팽창과 다를 수 있는 상기 최종 베이스 기판의 팽창은 상기 구조에 손상을 줄 수 있으며, 특히 이것은 상기 반도체 재료들 사이의 결합 인터페이스를 약화시킬 수 있다.
텅스텐 또는 몰리브데늄 또는 Ge, GaAs 또는 InP와 같은 도핑된 반도체들로 만들어진 최종 베이스 기판은 예를 들어, GaAs 또는 GaAsOS(아래 참조)로 만들어진 제2 기판 상에 제공된 태양전지층들의 스택을 수용하기에 특히 적합할 수 있다. 특히, 상기 제2 기판의 CTE에 대한 상기 최종 베이스 기판의 CTE에서의 차이는 상기 최종 기판에 대한 결합과 관련된 문제들을 방지하기 위하여 30%보다 작아야한다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예를 형성하는, 상기 제2 웨이퍼 구조에 상기 제1 웨이퍼 구조를 직접 결합시키는 경우에, 결합된 상기 태양전지층들의 표면의 연마가, 상기 태양전지층들 사이에서의 향상된 결합력 및 후속 태양전지의 향상된 효율 및 신뢰성을 얻기 위해 5 x 5 마이크로미터 필드 위로 0.5 nm RMS 보다 크게, 상기 표면을 매끈하게 하기 위해 수행될 수 있다.
대안적으로, 전기 도전성이고 광학적으로 투명한 재료가 결합층으로써 사용될 수 있으며, 상기 두 구조들의 접착을 촉진시킬 수 있다.
나아가, 전술한 예들에서, 상기 제2 기판은 지퍼층 및 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층이 형성된 제2 씨드층을 포함하는 설계된 기판의 형태로 제공될 수 있다. 특히, 상기 제2 기판은 사파이어 기판을 포함할 수 있으며, 상기 제2 씨드층은 InP, Ge 또는 GaAs를 포함하거나 또는 이들로 구성될 수 있다. 그 경우에, 상기 제2 기판의 제거는 예를 들어, 상기 씨드층으로부터 상기 사파이어 기판의 분리에 의해 수행될 수 있다.
다른 한편, 상기 제1 설계된 기판은 사파이어 기판을 포함할 수 있으며, 상기 제1 씨드층은 본 발명의 방법을 위한 전술한 모든 예들에서 InP, GaSb, InAs 또는 GaAs를 포함하거나 또는 이들로 구성될 수 있다.
전술한 예들에서, 특별한 변형에 따르면, 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층은 두개의 층들, 제1 층 및 상기 제1 층 상에 에피택시에 의해 성장된 제2 층을 포함하며, 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층도 또한 두개의 층들, 즉 반전된(inverted) 성장층들을 제공하기 위해, 제4 층 및 상기 제4 층 상에 에피택시에 의해 성장된 제3 층을 포함할 수 있다. 다른 용어들에서, 상기 제2 태양전지에서, 더 작은 밴드갭을 갖는 층이 더 큰 밴드갭을 갖는 층의 상부에서 성장된다. 특별한 예에 따르면, 상기 제1 층(바텀셀)은 GaInAs를 포함하거나 또는 GaInAs로 구성되거나, 및/또는 상기 제2 층은 GaInAsP를 포함하거나 또는 GaInAsP로 구성되거나, 및/또는 상기 제4 층(마무리된 다중접합 태양전지 소자에서 탑셀(top cell))은 GaInP를포함하거나 또는 GaInP로 구성되거나, 및/또는 상기 제3 층은 GaAs를 포함하거나 또는 GaAs로 구성될 수 있다. 따라서 4-셀 다중접합 태양전지 소자가 얻어지며, 여기서 각 셀의 재료는 입사되는 태양광의 특정 파장을 위해 최적화된다.
용어 "층(layer)"에 의해, 기능적인 광전층이 이해된다. 이러한 기능적 층은 상이한 결정 성질 또는 조성을 갖는 몇개의 개별적 층들을 포함할 수 있으며, 필요한 접합들, 터널다이오드, 베리어층들, 등을 포함한다.
나아가, 제조 공정 동안에 태양전지층들의 반전이 필요하지 않는 실시예가 제공된다. 본 실시예에 따르면, 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법은, 제1 설계된 기판을 제공하는 단계; 제2 기판, 특히 제2 설계된 기판을 제공하는 단계; 제1 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제1 설계된 기판 상에 적어도 하나의 제1 태양전지층을 형성하는 단계; 제2 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제2 기판 상에 적어도 하나의 제2 태양전지층을 형성하는 단계; 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층에서 핸들링 기판을 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합시키는 단계; 제3 웨이퍼 구조를 얻기 위해 제2 기판을 제거, 특히 분리하는 단계; 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층 및 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층에서 상기 제3 웨이퍼 구조를 상기 제1 웨이퍼 구조에 결합시키는 단계; 제4 웨이퍼 구조를 얻기 위해 제1 설계된 기판을 분리하는 단계; 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에서 상기 제4 웨이퍼 구조를 최종 기판에 결합시키는 단계; 및 상기 핸들링 기판을 분리하는 단계;를 포함한다.
본 실시예에서, 특히 상기 제1 설계된 기판은 사파이어 베이스 기판 및 InP 씨드층, 그리고 상기 InP층 상에 형성된 제1 및 제2 층을 포함한다. 상기 제2 기판은 벌크 GaAs 기판 또는 사파이어 베이스 기판 및 GaAs 씨드층을 포함하는 설계된 기판일 수 있으며, 제3 및 제4 층이 상기 GaAs 층 상에서 반전된 성장없이 연속적으로 형성된다(즉, 더 큰 밴드갭을 갖는 층이 더 작은 밴드갭을 갖는 층의 상부에 성장된다). 본 경우에서, 상기 제2 및 제3 층이 핸들링 기판의 분리 및 상기 제2 기판의 분리 후에 반전없이 서로에 결합된다(또한 아래의 상세한 설명을 참조하라).
본 발명은 또한 GaAs 또는 Ge을 포함하는 제1 기판, 특히 GaAs 또는 Ge을 포함하는 제1 설계된 기판; 상기 제1 기판 상에 본 순서로 순차적으로 형성된 제4, 제3, 제2 및 제1 층들;을 포함하며(즉, 제4 층이 상기 제1 설계된 기판과 직접 접촉되어 있다), 상기 제1 층은 GaInAs를 포함하거나 또는 GaInAs로 구성되거나, 및/또는 상기 제2 층은 GaInAsP를 포함하거나 또는 GaInAsP로 구성되거나, 및/또는 상기 제4 층은 GaInP를포함하거나 또는 GaInP로 구성되거나, 및/또는 상기 제3 층은 GaAs를 포함하거나 또는 GaAs로 구성되는 것을 특징으로 하는 중간 반도체 기판을 제공한다. 본 발명에 따른 다중접합 태양전지 소자의 제조 방법의 전술한 예들에 따라 제공된 층들과의 비교가 가능하도록 개개의 층들이 열거된다.
상기 중간 반도체 소자는 최종 베이스 기판을 더 포함할 수 있으며, 특히 최종 베이스 기판은 특히, 도전성 결합 컨택에 의해 상기 제1 태양전지층에 결합된 Cu, Mo 또는 Al 또는 W 또는 Si으로 이루어진다.
텅스텐 또는 몰리브데늄 또는 Ge, GaAs 또는 InP와 같은 도핑된 반도체들로 이루어진 최종 베이스 기판은 예를 들어, GaAs 또는 GaAsOS(아래 참조)로 만들어진 제2 기판 상에 제공된 태양전지층들의 스택을 수용하기에 특히 적합할 수 있다. 특히, 상기 제2 기판의 CTE에 대한 상기 최종 베이스 기판의 CTE에서의 차이는 상기 최종 기판에 대한 결합과 관련된 문제들을 방지하기 위하여 30%보다 작아야한다.
본 명세서에 제공된 다른 중간 반도체 소자는, InP를 포함하는 제1 기판, 특히 InP를 포함하는 제1 설계된 기판; 상기 제1 기판 상에 아래 순서로 순차적으로 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4 층;을 포함하며, 여기서 상기 제1 층은 GaInAs를 포함하거나 또는 GaInAs로 구성되거나, 및/또는 상기 제2 층은 GaInAsP를 포함하거나 또는 GaInAsP로 구성되거나, 및/또는 상기 제3 층은 GaAs를 포함하거나 또는 GaAs로 구성되거나, 및/또는 상기 제4 층은 GaInP를포함하거나 또는 GaInP로 구성된다.
상기 중간 반도체 소자는 상기 제4 층 상에 형성된 컨택을 더 포함할 수 있다. 핸들링 기판, 특히 글라스 또는 실리콘 재료를 포함하거나 또는 이들로 만들어진 핸들링 기판은 제4 층 및 컨택 상에 위치한다.
전술한 "비반전된(non-inverted)" 방법에 상응하여, 또한 InP를 포함하는 제1 기판, 특히 InP를 포함하는 제1 설계된 기판; 상기 제1 기판 상에 순차적으로 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4 층; 및 핸들링 기판;을 포함하며, 상기 제1 층은 GaInAs를 포함하거나 또는 GaInAs로 구성되거나, 및/또는 상기 제2 층은 GaInAsP를 포함하거나 또는 GaInAsP로 구성되거나, 및/또는 상기 제3 층은 GaAs를 포함하거나 또는 GaAs로 구성되거나, 및/또는 상기 제4 층은 GaInP를포함하거나 또는 GaInP로 구성되며,
상기 핸들링 기판은 상기 제4 층 상에 형성된 글라스 재료를 포함하거나 또는 글라스 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 중간 반도체 기판이 제공된다.
부가적으로, 본 발명에 따른 다중접합 태양전지 소자의 제조 방법의 전술한 예들 중의 하나에 의해 얻어질 수 있는 다중접합 태양전지 소자가 제공된다.
본 발명에 의하면, 개선된 다중접합 태양 전지 소자들에 대한 제조 방법과 중간 기판들을 얻을 수 있다.
본 발명의 부가적인 특징들 및 장점들은 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 상세한 설명에서, 참조가 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내도록 의미하는 첨부되는 도면들에 대하여 이루어진다. 이러한 실시예들은 본 발명의 전체 사상을 대표하는 것은 아니라고 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 2개의 웨이퍼 결합 단계들을 포함하는 다중접합 태양 전지의 제조를 위한 본 발명의 방법의 예를 보여준다.
도 2는 3개의 웨이퍼 결합 단계들을 포함하는 다중접합 태양 전지의 제조를 위한 본 발명의 방법의 다른 예를 보여준다.
도 3은 형성된 태양 전지층들의 반전이 포함되지 않은 다중접합 태양 전지의 제조를 위한 본 발명의 방법의 다른 예를 보여준다.
4개의 태양 전지층들을 포함하는 다중접합 태양 전지의 제조를 위한 본 발명의 방법의 예가 도 1에 도시된다. 제1 베이스 기판(1)의 나중의 분리를 위한 지퍼층(2)을 포함하는 제1 설계된(engineered) 베이스 기판이 제공된다. 상기 용어 "설계된(engineered)"은 일반적으로 나중의 공정 단계에서 웨이퍼 결합(bonding) 후에 상기 기판의 분리를 촉진하는, 상기 기판 내에서 일부 층을 도입하거나 인터페이스하는 방식으로 처리된 기판을 나타낸다. 예를 들어, 상기 제1 베이스 기판(1)은 사파이어 기판이다. 사파이어는 열팽창계수의 견지에서 바람직하게 선택될 수 있으며, 이것은 에피택시 동안 그리고 추가 공정, 특히 결합 단계(아래 참조) 동안 온도 변화(상승 및 하강)에 대하여 중요하다. 더구나, 사파이어는 레이저광에 대하여 투명하며, 따라서 나중의 공정 단계(아래 참조)에서 레이저 리프트-오프(lift-off)를 허용할 수 있다. 씨드층(3), 예를 들어 InP, Ge, GaSb, InAs, 또는 GaAs 씨드층은 상기 제1 베이스 기판(1) 상에 형성된다. 예를 들어, 상기 씨드층은 씨드 기판상에 성장될 수 있으며, 이어서 상기 베이스 기판으로 전달될 수 있다. 대안적으로, 상기 씨드층은 벌크 씨드 기판으로부터 떼어진다. 상기 지퍼층(2)은 상기 베이스 기판과 상기 씨드층 사이에 개재된 SiN 층을 포함할 수 있다. 변형으로서, 상기 지퍼층은 상기 씨드층 자체, 예를 들어 InP이다. 상기 씨드층(3)은 태양 전지층으로써 기능하지 않고 단지 제1 태양 전지층(4)의 에피택셜 성장을 위한 씨드(seed)로써 기능하기 때문에, 이 씨드층은 상기 베이스 기판의 분리를 촉진하기 위한 희생층으로써 사용될 수 있으며, 예를 들어 분해가 발생되는 매체일 수 있으며, 다른 예로써 상기 씨드층의 측방향 선택적 식각에 의한 분리를 가능하게 할 수 있다.
상기 InP 씨드층의 두께는 50 nm 내지 1 ㎛의 범위일 수 있다. 상기 제1 태양 전지층(4) 상에 제2 태양 전지층(5)이 성장된다.
나아가, 그 위에 제4 태양 전지층(7) 및 제3 태양 전지층(8)이 에피택셜 성장된 제2 기판(6)이 제공된다. 상기 제2 기판(6)은 벌크 GaAs 또는 Ge 기판일 수 있다. 대안적으로, 상기 제2 기판(6)은 서브셀(subcell) 층들의 에피택시를 허용하는 상기 기판들(1 및 6)의 일부를 재활용할 수 있도록 상기 제1 베이스 기판(1)을 위해 제공된 것과 유사하게 지퍼층을 포함하는 설계된 GaAsOS 또는 GeOS("OS"는 "사파이어 상(on saphire)"을 지칭함) 기판일 수 있다. 설계된 기판의 경우에, 재활용될 수 있는 부분은 상기 베이스 기판이다. 상기 베이스 기판이 사파이어와 같이 비싼 경우에 특히 유리하다. 상기 지퍼층을 통하여 상기 베이스 기판에 결합된 상기 GaAs 및 Ge층은 상기 제3 및 제4 태양 전지들(7,8)의 물질과 실질적으로 격자-정합된 씨드층이며, 따라서 상기 태양 전지들의 에피택시는 다중접합 태양 전지 소자들에서 후속 동작을 위한 충분한 결정 성질(106/㎠ 보다 작은 전위 밀도)을 가져올 수 있다.
4개의 태양 전지층들(4,5,7,8)은 상이한 파장들에 대하여 입사 태양광에 대한 최대 흡수를 보여준다. 제1 태양 전지층(4)은 바텀셀(bottom cell)로 되며, 제4 태양 전지층(7)은 마무리된 다중접합 태양 전지 소자(아래 설명 참조)에서 톱셀(top cell)이 된다는 것에 특히 주의해야 한다. 본 실시예에 따르면, 4개의 단결정 태양 전지층들(4,5,7,8)의 모두는 에피택셜 성장에 의해 형성된다. 원칙적으로, 상기 태양 전지층들의 물질은 InGaAs, GaAs, AlGaAs, InGaP, InP, GaSb, AlGaAsSb, 및 InGaAsP로 구성된 그룹의 III-V족 반도체들로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 태양 전지층(4)은 InGaAs로 구성될 수 있으며, 제2 태양 전지층(5)은 InGaAsP로 구성될 수 있으며, 제3 태양 전지층(7)은 GaAs로 구성될 수 있으며, 제4 태양 전지층(8)은 GaInP 또는 InGaP로 구성될 수 있다. 각 태양 전지층은 소수 캐리어(minority carrier)에 대한 장벽, 터널 다이오드 등과 같은 기능성 층들을 포함할 수 있다. 또한 적절한 터널 접합층들이 각 태양 전지층들 상에 퇴적 또는 성장에 의해 상기 태양 전지층들의 특정한 층들 사이에 제공될 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각기 제1 베이스 기판(1)과 제1의 2개의 태양 전지층들(4,5), 및 제2 기판(6)과 제2의 2개의 태양 전지층들(7,8)을 포함하는 결과의 웨이퍼 구조들이 함께 결합된다. 가장 바람직한 실시예에서, 상기 결합은 상기 구조들의 직접 결합, 환언하면 어떠한 결합 층들이 없이 접촉하는 두 면들의 분자적 접착력에 의해 형성된다. 접촉(contacting) 및 결합(bonding)은 약 400℃ 내지 600℃의 상대적으로 고온에서, 보다 바람직하게는 450℃와 550℃ 사이에서 형성된다. 바람직하게는, 비록 보다 높은 온도에서 접촉 단계를 수행하는 것을 배제하지 않지만, 상기 접촉 단계는 실온에서 수행되며, 최고 온도가 400℃ 내지 600℃에 이르는 어닐링 단계가 후속된다. 상기 결합 단계는 결과되는 다중접합 태양 전지의 품질에 대하여 결정적이며, 심각한 결함들 없이 결합 인터페이스(태양 전지층들(5,8) 사이)를 얻기 위해 고온 결합을 수행하는 것이 바람직하다. 나아가, 제1 베이스 기판(1)을 포함하는 다중 웨이퍼 구조들은 제2 기판(6)을 포함하는 보다 큰 웨이퍼 구조에 인접하여 결합될 수도 있다. 예를 들어, GaAs는 6"의 크기로 제공될 수 있으며, InP는 2" 또는 3"의 크기로 제공될 수 있다.
후속하여, 상기 제1 베이스 기판(1)은 상기 지퍼층(2)을 통하여 상기 씨드층(3)으로부터 분리되며, 예를 들어 상기 제1 설계된 기판이 상기 지퍼층(2)에서 벽개되어(cleaved), 상기 씨드층(3)으로부터 제1 베이스 기판(1)의 분리를 허용한다. 예를 들어, 상기 지퍼층(2)은 이온성 종들(species) 예를 들어, 수소 또는 헬륨 이온들의 주입에 의해 형성된 약화된 층의 형태로 제공될 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 기판(1)은 벌크 InP 기판으로써 제공될 수 있으며, 상기 벌크 기판의 주 상부 표면을 통한 주입은 상기 약화된 층(2)을 형성함으로써, 상기 벌크 기판의 상부 부분 및 하부 부분 각각에 상기 씨드층(3) 및 제1 베이스 기판(1)을 생성한다. 이어서 상기 제1 베이스 기판(1)의 분리가 수소 또는 헬륨 이온들에 의해 형성된 상기 약화된 층에서 갈라지도록(delaminate) 기계적 힘들을 적용함으로써 이루어질 수 있다.
더구나, 상기 베이스 기판의 잔류부 및/또는 결합 층 및 상기 씨드층(3)은, 예를 들어 특히 상기 씨드층(3)이 취약한 전기적 및/또는 열적 성질들을 보여주고 후속 소자에서 사용되지 않는다면 식각 및/또는 연마에 의해 제거될 수 있다. 따라서 얻어진 구조가 이어서 최종 베이스 기판(10)에 결합된다. 이러한 결합 공정은 상기 제1 태양 전지층(4)을 상기 최종 베이스 기판(10)에 직접 도전성 결합에 의해 또는 상기 제1 태양 전지층(4)의 상기 노출된 표면 상에 또는 상기 결합 공정 전에 상기 최종 베이스 기판(10) 상에 형성된 금속 결합층(9)에 의해 수행될 수 있다. 또한 상기 제1 태양 전지층(4)의 상기 노출된 표면 및 상기 최종 베이스 기판(10) 각각에 금속 결합층을 형성하는 것이 가능하다.
상기 분리된 제1 베이스 기판(1)은 에피택셜 층들을 위한 성장 기판으로써 재사용을 위해 새로이 설계된 기판을 형성하기 위해 재활용될 수 있다는 것을 주목할 필요가 있다.
도 1에서 도해된 다음 단계에서, 상기 제2 기판(6)은 그라인딩 및/또는 씨닝(thinning) 및 식각에 의해 제거된다. 만약 상기 제2 기판(6)이 전술한 바와 같이 설계된 기판의 형태로 제공되면, 분리는 상기 설계된 기판의 상기 지퍼층에 의해 영향을 받는다. 이어서 결과되는 구조가 식각된 태양 전지층들을 포함하는 복수의 메사(mesa)들의 형성을 포함하는 일부 마무리 공정으로 들어간다. 상기 메사들의 형성은 적합하게 패턴된 포토레지스트 및 선택적으로 형성된 반반사(anti-reflective) 코팅의 형성 후에 리소그라피 공정에 의해 얻어질 수 있다. 씨드층(3) 상에서 성장한 상기 제1 태양 전지층(4)은 결과되는 다중접합 태양 전지에서 바텀셀이며, 태양 전지층들(7,8)은 상기 결과되는 다중접합 태양 전지에서 최종 배향에 대하여 역순서로 형성되어져야 한다는 것에 주목해야 한다.
상기 최종 베이스 기판(10)은 열적으로 및 전기적으로 도전성 기판으로써 기능할 수 있다는 것에 주목해야 한다. 특히, 상기 최종 베이스 기판(10)은 Cu 또는 Al으로 만들어질 수 있으며, 특히 상기 적층된 태양 전지층들을 지지하기에 충분히 뻣뻣한 알루미늄 시트로 만들어질 수 있다. 상기 최종 베이스 기판(10)을 위한 다른 예상되는 후보들은 도핑된 실리콘과 같은 Si, Mo 및 W를 포함한다.
텅스텐 또는 몰리브데늄 또는 Ge, GaAs 또는 InP와 같은 도핑된 반도체들로 이루어진 최종 베이스 기판은 예를 들어 GaAs 또는 GaAsOS(아래 참조)로 만들어진 제2 기판 상에 제공된 태양 전지층들의 스택을 수용하기에 특히 적합할 수 있다. 특히 상기 제2 기판의 CTE에 대한 상기 최종 베이스 기판의 CTE에서의 차이는 상기 최종 기판에 대한 결합과 관련된 문제들을 방지하기 위해 30% 보다 작아야 한다.
도 1에 도시된 예의 변형에 따라서, 벌크 기판, 특히 InP 벌크 기판이 상기 제1 설계된 기판 대신에 제공될 수 있다는 것에 더 주목해야 한다.
도 2는 3개의 웨이퍼 결합 단계들을 포함하는 다중접합 태양 전지의 제조를 위한 발명적 방법에 대한 대안적인 예를 보여준다. 제1 지퍼층(12), 사파이어의 제1 베이스 기판(11) 및 InP 씨드층(13)을 포함하는 InPOS(사파이어 기판 상에 결합된 InP층) 기판의 형태로 제1 설계된 기판이 제공된다. 상기 InP 씨드층(13) 상에 제1 태양 전지층(14) 및 제2 태양 전지층(15)이 에피택셜하게 성장된다. 제2 지퍼층(17), 사파이어의 제2 베이스 기판(16) 및 GaAs 씨드층(18)을 포함하는 GaAsOS(사파이어 상의 GaAs) 기판의 형태로 제2 설계된 기판이 더 제공된다. 상기 GaAs 씨드층(18) 상에 제4 태양 전지층(19) 및 제3 태양 전지층(20)이 에피택셜하게 성장된다. 도 1에서 보여진 예처럼, 제2 및 제3 태양 전지층들(15 및 20)에서 웨이퍼 결합이 수행된다. 양쪽 베이스 기판들(11 및 16)은 사파이어로 되어 있기 때문에, 상기 베이스 기판들은 동일한 CTE를 가지게 되어, 상기 결합된 구조의 바텀 및 톱에서 동일한 물질 팽창이 일어나고, 결합 온도는 결합력을 감소시킴이 없이 600℃ 만큼 높게 될 수 있다. 그러나, 본 예의 다음 단계에서 상기 제2 기판(16)은 분리된다. 분리는 상기 제2 지퍼층(17)에 의해 촉진된다. 그 이후 상기 GaAs 씨드층(18)이 제거된다(예를 들어, 연마, 박막화 및/또는 식각에 의해).
양쪽 모두 사파이어로 된 제1 및 제2 베이스 기판들(11,16)의 장점은, 양쪽 모두가 태양 전지층들의 전체 스택에 대해 CTE에서 완전하게 정합된다는 것이며, 이것은 태양 전지를 악화시킴이 없이 600℃ 만큼 높은 결합 온도들을 적용하는 것을 가능하게 해준다. 유사한 이유가 예를 들어, Ge, GaAs 또는 InP와 같은 물질들에 적용되며, 이것은 제1 및 제2 베이스 기판들(11,16)로써 사용될 수 있다. 사용된 상기 제1 베이스 기판(11)은 예를 들어, 사파이어처럼 도전성이 아닐 수도 있으며, 이것은 도전성이 필요한 최종 베이스 기판에 대한 결합을 만들어 준다. 바람직하게는 상기 제1 및 제2 베이스 기판(11,16)의 물질은 다를 수 있지만, 그들의 CTE에서의 차이는 높은 결합 온도들을 허용할 수 있도록 30%보다 작아야 한다. 그러나 제1 및 제2 베이스 기판을 위해 Si을 사용하는 것은, 상기 태양 전지층들의 에피택셜 성장을 위해 사용된 높은 온도에 관해서는, 상기 태양 전지층들의 성장을 위해 사용된 상기 씨드층과 상기 베이스 기판 사이의 CTE에서의 차이에 때문에 적합하지 않다.
도 1에서 보여지는 예와 달리, 상기 태양 전지층들의 스택으로부터 메사의 형성을 포함하는 마무리 공정은 작업 흐름의 효율성 및 공정의 용이성 면에서 유리할 수 있는 상기 최종 베이스 기판보다도 상기 InPOS 제1 설계된 기판 상에서 수행된다. 그러나, 바람직하다면 상기 마무리 공정은 최종 베이스 기판으로의 전달 후에 수행될 수도 잇다. 컨택(21)이 상기 태양 전지층(19)(톱셀)의 톱에 형성될 수 있다. 결과되는 구조는 최종 베이스 기판에 전달되어야 한다. 이를 위해, 글라스(glass) 형태로 제공될 수 있으며 그리고 상기 태양 전지층 구조의 기계적 지지를 제공한 다른 기판(23)에 접착 물질(22)에 의해 결합된다.
후속하여, 상기 제1 베이스 기판(11)이 분리될 수 있다. 분리는 제1 지퍼층(12)에 의해 촉진된다. 이어서 최종 베이스 기판(25)이 상기 지퍼층을 통한 분리에 의해 노출된 표면에 결합된다. 상기 최종 베이스 기판(25)의 결합은 예를 들어, 금속 결합층(24)을 통해 달성될 수 있다. 후속하여, 상기 접착 물질(22) 및 다른 기판(23) 모두가 제거된다. 도 2에서 상기 접착 물질(22)과 상기 다른 기판(23)이 원칙적으로 분리된 구성요소들로써 도시되어 있는 반면에 그들은 균일하게(uniformly) 형성될 수 있다.
상기 제2 기판이 설계된 기판의 형태로 제공되는 반면에, 이것은 GaAs 벌크 기판의 형태로도 제공될 수 있어서, 상기 제3 및 제4 태양 전지층들이 에피택셜 성장된다. 이 경우에서, 상기 GaAs 제2 기판이 그라인딩 또는 식각에 의해 제거된다. 상기 태양 전지층들 뿐만 아니라 상기 최종 베이스 기판(25)은 도 1을 참조하여 설명된 바와 동일한 물질들로 이루어질 수도 있다.
전술한 예들의 상기 설계된 기판들은 상기 베이스 기판들로의 상기 각 씨드층들의 층 전달을 통해 제조될 수 있다. 예를 들어, InP 에피택셜층 또는 다른 예로써 변형된(strained) 또는 이완된(relaxed) InGaAs층은, 공지된 스마트 컷(Smart CutTM) 공정에 의해 사파이어 기판으로 후속하여 전달되는 초기 벌크 InP 씨드 기판의 표면층일 수 있다. 초기 벌크 씨드 기판의 나머지는 상기 전달 이후에 재활용될 수 있다. 또한 상기 베이스 기판들도 각각의 분리 단계들 이후에 재활용될 수 있다. InP 씨드층을 형성하기 위하여, 벌크 InP 씨드 기판 상으로 상기 공지된 스마트 컷 공정을 적용하는 것이 바람직하다. 그러나 InP로 구성된 에피택셜 스택 상으로 동일한 공정을 적용하는 것은, 상기 씨드층을 제조하기 위한 예를 들어, 도핑 레벨들, 결정 품질 및 정확한 공정의 선택에 관한 보다 많은 옵션을 제안하면서 선택될 수 있다. 상기 스마트 컷 기술에 대한 대안으로써, 상기 결합 및 후면 박형화 기술(bond and thin back technique)과 같은 어떠한 다른 층 전달 공정이 사용될 수 있다.
도 3은 다중접합 태양전지를 제조하기 위한 다른 예를 보여준다. 2개의 설계된 기판들이 제공된다: 지퍼층(31)을 포함하는 제1 사파이어 베이스 기판(30) 및 다른 지퍼층(36)을 포함하는 제2 사파이어 베이스 기판(35). 상기 제1 베이스 기판(30) 상에 InP 층(32)이 형성되며, 제2 베이스 기판(35) 상에 GaAs 층(37)이 형성된다. 대안적으로 벌크 GaAs 기판이 상기 제2 설계된 기판 대신에 제공될 수 있음을 알아야 한다.
제1 및 제2 태양전지층(33 및 34)이 상기 InP 층 상에 형성되며, 제3 및 제4 태양전지층(38 및 39)이 상기 GaAs 층(37) 상에 형성된다. 상기 태양전지층들을 위한 재료는 전술한 예들에서 설명된 바와 같이 선택될 수 있다. 이어서, 상기 제2 기판의 리프트-오프(lift-off)와 상기 GaAs층(37)의 제거를 위해, 핸들링 기판(41)이 접착층(40)을 통해 상기 제4 태양전지층(39)에 부착된다. 상기 핸들링 기판(41)은 글라스 기판일 수 있으며, 상기 접착층은 접착제 층 일 수 있다. 상기 제2 기판(35)의 리프트-오프와 상기 GaAs층(37)의 제거 후에, 상기 제2 및 제3 태양전지층들(34 및 38)에서의 결합이 수행되어, 도 3에서 상부 열의 우변 상에 보여지는 구조로 된다.
상기 제1 기판(30)의 리프트-오프와 상기 InP 층(32)의 제거 후에, 상기 태양전지층 스택이 금속 결합층(43)을 통해 최종 베이스 기판(42)에 부착된다. 상기 접착층(40) 및 상기 핸들링 기판(41)이 제거되고, 후속하여 상기 태양전지층 스택이 패턴화되고, 컨택(44)이 상기 태양전지층(39)(톱셀)의 상부에 형성된다. 본 예의 장점은 상기 제3 및 제4 태양전지 층들(38 및 39)의 반전이 필요하지 않다는 점에서 보여질 수 있다. 다른 한편, 핸들링 기판(41)에 대한 부착의 다른 단계가 요구되며, 상기 제2 및 제3 태양 전지층들(34 및 38)에서의 결합은 상기 결합이 발생될 수 있는 제한된 온도에 기인하여 몇가지 문제를 제기한다.
모든 앞서 언급한 실시예들은 제한으로써 의도된 것이 아니며, 본 발명의 특징들 및 장점들을 보여주기 위한 예들로써의 역할을 한다. 전술한 특징들의 일부 또는 전부는 또한 다른 방식으로 조합될 수 있다는 것도 이해되어야 한다. 특히, 본 발명에 따르면 4개 접합들(앞서의 실시예들에서 일반적으로 개시된 것처럼)로 구성된 것 뿐만 아니라 2개, 3개, 5개 또는 그 이상의 접합들로 구성된 다중접합 태양전지들을 형성하는 것이 가능하다.

Claims (20)

  1. 제1 기판을 제공하는 단계로서, 상기 제1 기판은 제1 베이스 기판, 상기 제1 기판과 다른 기판의 결합의 결과 구조로부터 그 제거를 촉진하기 위해 상기 제1 베이스 기판 상에 형성된 제1 지퍼층, 및 상기 제1 지퍼층 상에 형성된 제1 씨드층을 포함하도록 설계된 기판인, 상기 제1 기판을 제공하는 단계;
    제2 기판을 제공하는 단계;
    제1 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제1 기판 상에 적어도 하나의 제1 태양전지층을 형성하는 단계;
    제2 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제2 기판 상에 적어도 하나의 제2 태양전지층을 형성하는 단계;
    상기 제1 웨이퍼 구조를 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합시키는 단계;
    상기 제1 기판을 분리하는 단계;
    제3 기판을 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에 결합시키는 단계; 및
    상기 제2 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판을 분리하는 단계는,
    상기 제1 지퍼층에서 상기 제1 기판의 상기 제1 베이스 기판을 분리하는 단계; 및
    상기 제1 씨드층을 제거하는 단계;를 포함하며,
    상기 제3 기판을 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에 결합시키는 단계는 전기 도전성 결합 컨택(electrically conductive bonding contact)을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 지퍼층은 상기 제1 씨드층과 상기 제1 기판의 상기 제1 베이스 기판 사이에 전자기 흡수층에 의해 형성되며, 상기 제1 기판의 분리는 레이저 리프트-오프에 의해 수행되거나;
    또는 상기 제1 지퍼층은 주입 층이며, 상기 제1 기판의 분리는 열적 또는 기계적 변형의 적용에 의해 수행되거나;
    또는 상기 제1 지퍼층은 다공성 층이고;
    상기 제1 지퍼층은 1.5 J/㎡ 보다 낮은 결합 에너지를 갖는 결합 인터페이스를 포함하는, 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  4. 제1 기판을 제공하는 단계로서, 상기 제1 기판은 제1 베이스 기판, 상기 제1 기판과 다른 기판의 결합의 결과 구조로부터 그 제거를 촉진하기 위해 상기 제1 베이스 기판 상에 형성된 제1 지퍼층, 및 상기 제1 지퍼층 상에 형성된 제1 씨드층을 포함하도록 설계된 기판인, 상기 제1 기판을 제공하는 단계;
    제2 기판을 제공하는 단계;
    제1 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제1 기판 상에 적어도 하나의 제1 태양전지층을 형성하는 단계;
    제2 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제2 기판 상에 적어도 하나의 제2 태양전지층을 형성하는 단계;
    상기 제1 웨이퍼 구조를 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합시키는 단계;
    상기 제2 기판을 제거하는 단계;
    상기 적어도 하나의 제1 태양전지층 및 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층을 패턴화하는 단계;
    임시의 기판을 패턴화된 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층에 결합하는 단계;
    상기 제1 기판을 분리하는 단계; 및
    제3 기판을 패턴화된 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에 결합하는 단계;를 포함하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 기판은 제2 베이스 기판, 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층이 형성되는 제2 씨드층, 및 상기 제2 베이스 기판과 상기 제2 씨드층 사이의 제2 지퍼층을 포함하도록 설계된 기판인 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 기판은 사파이어 기판을 포함하며, 상기 제2 씨드층은 InP, GaAs 또는 Ge을 포함하거나, 또는 InP, GaAs 또는 Ge으로 구성된 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 기판은 사파이어 기판을 포함하며, 상기 제1 씨드층은 InP, InAs, GaSb 또는 GaAs을 포함하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 태양전지층은 제1 층 및 제2 층을 포함하고, 및/또는 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층은 제3 층 및 제4 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 층은 GaInAs를 포함하고, 상기 제2 층은 GaInAsP를 포함하고, 상기 제3 층은 GaAs를 포함하고, 상기 제4 층은 GaInP를포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 층 및 제3 층은 각각 상기 제1 층 및 제4 층 상에 형성되거나, 또는 상기 제2 층 및 제4 층은 각각 상기 제1 층 및 제3 층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  11. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 웨이퍼 구조를 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합하는 단계는 직접 결합(direct bonding)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  12. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 웨이퍼 구조를 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합하는 단계는 실온에서 수행되고, 400℃ 내지 600℃의 온도에서 수행되는 어닐링 처리가 뒤따르는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  13. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 기판을 제공하는 단계는,
    씨드 기판 상에 상기 제1 씨드층을 성장시키는 단계; 및
    사파이어 기판 상에 상기 제1 씨드층을 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  14. 청구항 1 또는 청구항 4에 따른 방법에 의해 얻어진 다중접합 태양전지 소자.
  15. GaAs 또는 Ge을 포함하는 제1 기판으로서, 상기 제1 기판은 베이스 기판, 상기 제1 기판과 다른 기판의 결합의 결과 구조로부터 그 제거를 촉진하기 위해 상기 베이스 기판 상에 형성된 지퍼층, 및 상기 지퍼층 상에 형성된 씨드층을 포함하도록 설계된 기판인, 상기 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 순차적으로 형성된 제4 태양전지층, 제3 태양전지층, 제2 태양전지층 및 제1 태양전지층;을 포함하며,
    상기 제1 태양전지층은 GaInAs를 포함하고, 상기 제2 태양전지층은 GaInAsP를 포함하고, 상기 제3 태양전지층은 GaAs를 포함하고, 상기 제4 태양전지층은 GaInP를포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 및 공간 셀(spatial cell)을 위한 중간 반도체 기판.
  16. 청구항 15에 있어서,
    전기 도전성 결합 컨택에 의해 상기 제1 태양전지층에 결합된 Cu, Mo, W, Si 또는 Al 시트로 이루어진 최종 베이스 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지 및 공간 셀(spatial cell)을 위한 중간 반도체 기판.
  17. InP를 포함하는 제1 기판으로서, 상기 제1 기판은 베이스 기판, 상기 제1 기판과 다른 기판의 결합의 결과 구조로부터 그 제거를 촉진하기 위해 상기 베이스 기판 상에 형성된 지퍼층, 및 상기 지퍼층 상에 형성된 씨드층을 포함하도록 설계된 기판인, 상기 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 태양전지층, 제2 태양전지층, 제3 태양전지층 및 제4 태양전지층;을 포함하며,
    상기 제1 태양전지층은 GaInAs를 포함하고, 상기 제2 태양전지층은 GaInAsP를 포함하고, 상기 제3 태양전지층은 GaAs를 포함하고, 상기 제4 태양전지층은 GaInP를포함하는 것을 특징으로 하는 중간 반도체 기판.
  18. InP를 포함하는 제1 기판으로서, 상기 제1 기판은 베이스 기판, 상기 제1 기판과 다른 기판의 결합의 결과 구조로부터 그 제거를 촉진하기 위해 상기 베이스 기판 상에 형성된 지퍼층, 및 상기 지퍼층 상에 형성된 씨드층을 포함하도록 설계된 기판인, 상기 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 태양전지층, 제2 태양전지층, 제3 태양전지층 및 제4 태양전지층; 및
    상기 제4 태양전지층 상에 형성된 핸들링 기판;을 포함하며,
    상기 제1 태양전지층은 GaInAs를 포함하고, 상기 제2 태양전지층은 GaInAsP를 포함하고, 상기 제3 태양전지층은 GaAs를 포함하고, 상기 제4 태양전지층은 GaInP를 포함하며,
    상기 핸들링 기판은 글라스 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 중간 반도체 기판.
  19. 제1 기판을 제공하는 단계로서, 상기 제1 기판은 제1 베이스 기판, 상기 제1 기판과 다른 기판의 결합의 결과 구조로부터 그 제거를 촉진하기 위해 상기 제1 베이스 기판 상에 형성된 제1 지퍼층, 및 상기 제1 지퍼층 상에 형성된 제1 씨드층을 포함하도록 설계된 기판인, 상기 제1 기판을 제공하는 단계;
    제2 기판을 제공하는 단계로서, 상기 제2 기판은 제2 베이스 기판, 상기 제2 기판과 다른 기판의 결합의 결과 구조로부터 그 제거를 촉진하기 위해 상기 제2 베이스 기판 상에 형성된 제2 지퍼층, 및 상기 제2 지퍼층 상에 형성된 제2 씨드층을 포함하도록 설계된 기판인, 상기 제2 기판을 제공하는 단계;
    제1 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제1 기판 상에 적어도 하나의 제1 태양전지층을 형성하는 단계;
    제2 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제2 기판 상에 적어도 하나의 제2 태양전지층을 형성하는 단계;
    상기 적어도 하나의 제2 태양전지층에서 핸들링 기판을 상기 제2 웨이퍼 구조에 결합시키는 단계;
    제3 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제2 기판을 분리하는 단계로서, 상기 제2 기판을 분리하는 단계는 식각 또는 그라인딩에 의해 수행되며, 연마에 의한 박막화가 후행하는, 상기 제2 기판을 분리하는 단계;
    상기 적어도 하나의 제1 태양전지층 및 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층에서 상기 제3 웨이퍼 구조를 상기 제1 웨이퍼 구조에 결합시키는 단계;
    제4 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제1 기판을 분리하는 단계;
    상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에서 상기 제4 웨이퍼 구조를 최종 기판에 결합시키는 단계; 및
    상기 핸들링 기판을 분리하는 단계;를 포함하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
  20. 제1 벌크 InP 기판을 제공하는 단계;
    제2 기판을 제공하는 단계로서, 상기 제2 기판은 사파이어 기판, GaAs 씨드층 및 상기 사파이어 기판과 상기 GaAs 씨드층 사이의 지퍼층을 포함하는, 상기 제2 기판을 제공하는 단계;
    제1 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 제1 벌크 InP 기판 상에 적어도 하나의 제1 태양전지층을 형성하는 단계;
    제2 웨이퍼 구조를 얻기 위해 상기 씨드층 상에 적어도 하나의 제2 태양전지층을 형성하는 단계;
    결합된 구조를 얻기 위해 상기 적어도 하나의 제2 태양전지층 및 적어도 하나의 제2 태양전지층에서 상기 제1 웨이퍼 구조 및 제2 웨이퍼 구조를 결합시키는 단계;
    상기 결합된 구조로부터 상기 제1 벌크 InP 기판을 분리하는 단계;
    상기 제2 기판을 분리하는 단계; 및
    제3 기판을 상기 적어도 하나의 제1 태양전지층에 결합시키는 단계;를 포함하는 다중접합 태양전지 소자를 제조하는 방법.
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