KR101840800B1 - 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는 화합물 반도체를 포함하는 광 흡수층; 상기 광 흡수층의 전면에 위치하는 전면 전극; 상기 광 흡수층과 상기 전면 전극 사이에 위치하는 전면 콘택층; 상기 광 흡수층의 후면에 위치하는 시트(sheet) 형상의 후면 전극; 상기 광 흡수층과 상기 후면 전극 사이에 위치하며, 투영면 상에서 상기 광 흡수층의 후면에 국부적으로(locally) 형성되는 국부적 후면 콘택층; 및 상기 광 흡수층과 상기 후면 전극 사이에 위치하며, 투영면 상에서 상기 광 흡수층의 후면에 국부적으로 형성되는 국부적 후면 반사층을 포함하고, 상기 후면 전극은 상기 국부적 후면 콘택층과 직접 접촉하는 제1 부분과, 상기 국부적 후면 반사층과 직접 접촉하는 제2 부분을 포함한다.

Description

화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법{COMPOUND SEMICONDUCTOR SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국부적 후면 콘택층을 구비한 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
화합물 반도체는 실리콘이나 게르마늄과 같은 단일 원소가 아닌 2종 이상의 원소가 결합되어 반도체로서 동작한다. 이러한 화합물 반도체는 현재 다양한 종류가 개발되어 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 대표적으로, 광전 변환 효과를 이용한 발광 다이오드나 레이저 다이오드 등의 발광 소자, 태양 전지, 그리고 펠티어 효과(Feltier Effect)를 이용한 열전 변환 소자 등에 이용된다.
이 중에서 화합물 반도체 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광 흡수층으로 화합물 반도체를 사용하며, 광 흡수층으로는 GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs 등의 Ⅲ-V족 화합물 반도체, CdS, CdTe, ZnS 등의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, CuInSe2로 대표되는 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 등을 사용한다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지는 복수 개가 직렬 또는 병렬로 연결되어 태양전지 모듈을 구성한다.
도 1은 종래 기술에 따른 화합물 반도체 태양전지의 일례를 도시한 것이다.
도 1에 도시한 화합물 반도체 태양전지는 광 흡수층(PV), 광 흡수층(PV)의 전면(front surface) 위에 위치하는 윈도우층(10), 윈도우층(10)의 전면 위에 위치하는 전면 전극(20), 윈도우층(10)과 전면 전극(20) 사이에 위치하는 국부적 전면 콘택층(30), 윈도우층(10) 위에 위치하는 반사 방지막(40), 광 흡수층(PV)의 후면 위에 위치하는 후면 콘택층(50), 및 후면 콘택층(50)의 후면 위에 위치하는 후면 전극(60)을 포함할 수 있다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지에 있어서, 후면 전극(60)은 태양전지의 광 입사면(특히 반사 방지막)을 통해 입사된 광 중에서 광 흡수층(PV)에서 흡수되지 못하고 광 흡수층(PV)을 투과한 광을 광 흡수층(PV)으로 반사하기 위해 광 흡수층(PV)과 동일한 평면적을 갖도록 형성되며, 후면 콘택층(50)은 광 흡수층(PV)과 후면 전극(60) 간의 접촉 저항을 줄여 전기적 성능을 향상시키기 위해 후면 전극(60)과 동일한 평면적을 갖도록 형성된다.
따라서, 광 흡수층(PV)의 후면 전체는 후면 콘택층(50)에 의해 커버되고, 후면 콘택층(50)의 후면 전체는 후면 전극(60)에 의해 커버된다.
그런데, 후면 콘택층(50)이 광 흡수층(PV)의 후면 전체에 위치하는 종래의 화합물 반도체 태양전지에서는 후면 전극(60)과 광 흡수층(PV) 간의 접촉 저항이 후면 콘택층(50)에 의해 감소하는 효과를 얻을 수 있지만, 광 흡수층(PV)에서 흡수되지 못하고 광 흡수층(PV)을 투과한 광 중에서 일부가 후면 콘택층(50)에서 흡수된다.
즉, 광 흡수층(PV)을 투과한 광은 후면 콘택층(50)을 투과한 후 후면 전극(60)에 의해 반사되고, 반사된 광은 후면 콘택층(50)을 다시 투과한 후 광 흡수층(PV)에 입사되므로, 광 흡수층(PV)을 투과한 광이 광 흡수층(PV)에 다시 입사될 때까지 후면 콘택층(50)을 총 2회 이상 통과해야 하며, 이 과정에서 광 중 일부가 후면 콘택층(50)에서 흡수된다.
따라서, 후면 콘택층(50)은 화합물 반도체 태양전지의 전기적 성능을 향상시킬 수 있는 이점과 광학적 성능을 저해하는 문제점을 함께 내포하고 있다.
본 발명은 광 흡수층을 투과한 광의 반사율을 증가시켜 광학적 성능을 향상시키면서도 전기적 성능을 일정한 수준으로 확보할 수 있는 화합물 반도체 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는, 화합물 반도체를 포함하는 광 흡수층; 상기 광 흡수층의 전면에 위치하는 전면 전극; 상기 광 흡수층과 상기 전면 전극 사이에 위치하는 국부적 전면 콘택층; 상기 광 흡수층의 후면에 위치하는 시트(sheet) 형상의 후면 전극; 상기 광 흡수층과 상기 후면 전극 사이에 위치하며, 투영면 상에서 상기 광 흡수층의 후면에 국부적으로(locally) 형성되는 국부적 후면 콘택층; 및 상기 광 흡수층과 상기 후면 전극 사이에 위치하며, 투영면 상에서 상기 광 흡수층의 후면에 국부적으로 형성되는 국부적 후면 반사층을 포함하고, 상기 후면 전극은 상기 국부적 후면 콘택층과 직접 접촉하는 제1 부분과, 상기 국부적 후면 반사층과 직접 접촉하는 제2 부분을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 국부적 후면 반사층은 600nm 내지 900nm의 파장에서 90% 이상의 평균 반사도를 갖는 은(Ag)으로 형성되며, 상기 후면 전극은 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택된 적어도 어느 한 물질을 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성된다.
상기 후면 전극은 상기 국부적 후면 콘택층의 도전성 타입에 따라 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
한 예로, 상기 국부적 후면 콘택층이 p형 불순물을 함유하는 경우, 상기 후면 전극은 금, 백금/티타늄, 텅스텐-규소 합금, 및 규소/니켈/마그네슘/니켈 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
다른 예로, 상기 국부적 후면 콘택층이 n형 불순물을 함유하는 경우, 상기 후면 전극은 팔라듐/금, 구리/게르마늄, 니켈/게르마늄-금의 합금/니켈, 및 금/티타늄 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 국부적 후면 콘택층은 100nm 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 국부적 후면 반사층의 두께는 상기 국부적 후면 콘택층의 두께 이하로 형성될 수 있다. 이때, 상기 국부적 후면 반사층은 5nm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적에 대해, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적은 상기 국부적 후면 콘택층의 평면적 이상으로 형성될 수 있다.
한 예로, 상기 국부적 후면 콘택층은, 각각이 5㎛ 내지 100㎛의 크기를 갖는 원형, 타원형 또는 사각형의 평면 형상으로 형성되며 서로 이격한 복수의 도트(dot)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 복수의 도트의 평면적의 합은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 10% 내지 50%로 형성될 수 있고, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 50% 내지 90%로 형성될 수 있다.
상기 복수의 도트는 상기 범위 내에서 서로 동일한 크기로 형성되거나, 상기 범위 내에서 적어도 2개의 서로 다른 크기로 형성될 수 있다.
상기 복수의 도트는 격자 형상 또는 마름모 형상으로 균일하게 분포될 수 있다.
이때, 1개의 격자 형상 또는 1개의 마름모 형상으로 배치된 4개의 도트에 있어서, 어느 한 열에 배치된 2개의 도트 사이의 간격은 10㎛ 내지 200㎛로 형성될 수 있다.
그리고 1개의 격자 형상으로 배치된 4개의 도트에 있어서, 어느 한 행에 배치된 2개의 도트 사이의 간격은 10㎛ 내지 200㎛로 형성될 수 있으며, 1개의 마름모 형상으로 배치된 4개의 도트에 있어서, 어느 한 행에 배치된 2개의 도트 사이의 간격은 15㎛ 내지 350㎛로 형성될 수 있다.
상기 복수의 도트를 포함하는 상기 국부적 후면 콘택층은 투영면 상에서 상기 전면 전극과 중첩하는 영역에 위치하는 선형부를 더 포함할 수 있다.
다른 예로, 상기 국부적 후면 콘택층은 서로 이격한 복수의 제1 선형부를 포함할 수 있으며, 상기 복수의 제1 선형부의 평면적의 합은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 10% 내지 50%로 형성될 수 있고, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 50% 내지 90%로 형성될 수 있다.
상기 복수의 제1 선형부는 격자 패턴으로 형성될 수 있다. 이때, 제1 방향으로 서로 이웃한 2개의 제1 선형부는 상기 제1 방향을 따라 30㎛ 내지 200㎛의 간격을 유지하도록 배열될 수 있고, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 서로 이웃한 2개의 제1 선형부는 상기 제2 방향을 따라 30㎛ 내지 200㎛의 간격을 유지하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법은, 화합물 반도체를 포함하는 광 흡수층의 후면에 후면 콘택층을 형성하는 단계; 상기 후면 콘택층의 후면에 마스크를 형성하고, 상기 마스크를 이용한 식각 공정에 의해 상기 후면 콘택층을 선택적으로 제거함으로써, 투영면 상에서 상기 광 흡수층의 후면에 국부적으로 형성되는 국부적 후면 콘택층을 형성하는 단계; 상기 후면 콘택층이 선택적으로 제거된 영역의 상기 광 흡수층의 후면 및 상기 마스크의 후면에 후면 반사층을 형성하는 단계; 리프트 오프(lift-off)법에 의해 상기 마스크 및 상기 마스크의 후면에 위치한 후면 반사층 부분을 선택적으로 제거하여 국부적 후면 반사층을 형성하는 단계; 및 상기 국부적 후면 콘택층 및 상기 국부적 후면 반사층의 후면에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 반사층은 600nm 내지 900nm의 파장에서 90% 이상의 평균 반사도를 갖는 은(Ag)으로 형성할 수 있고, 상기 후면 전극은 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택된 적어도 어느 한 물질을 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성할 수 있다.
그리고 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적에 대해, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적을 상기 국부적 후면 콘택층의 평면적 이상으로 형성할 수 있다.
한 예로, 상기 국부적 후면 콘택층의 평면적은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 10% 내지 50%로 형성할 수 있고, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 50% 내지 90%로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지는 후면 전극과 광 흡수층 간의 접촉 저항을 줄이기 위한 후면 콘택층이 광 흡수층의 후면에 국부적 또는 부분적으로 위치하고, 후면 콘택층이 위치하지 않는 영역의 광 흡수층의 후면에는 반사층이 위치하며, 후면 전극은 국부적 후면 콘택층과 직접 접촉하는 제1 부분과, 상기 국부적 후면 반사층과 직접 접촉하는 제2 부분을 포함한다.
따라서, 국부적 후면 콘택층을 갖는 화합물 반도체 태양전지는 후면 콘택층이 광 흡수층의 후면 전체에 형성된 경우에 비해 후면 콘택층에서 흡수되는 광량을 줄일 수 있으므로, 후면 전극 간의 접촉 저항의 증가로 인한 문제점을 해결하면서도 후면 콘택층으로 인한 광 손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 광 흡수층에서 흡수되지 못하고 광 흡수층을 투과한 빛이 국부적 후면 콘택층이 형성되지 않은 영역의 광 흡수층의 후면에 형성된 국부적 후면 반사층에 의해 광 흡수층 쪽으로 반사되므로, 광 흡수층에 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
따라서, 화합물 반도체 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율에 따른 후면 전극에서의 후면 반사도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율에 따른 개방전압(Voc)과 단락전류밀도(Jsc)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율에 따른 곡선인자(F.F.)와 효율(Eff)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 2에 도시한 국부적 후면 콘택층의 제1 실시예에 따른 평면도이다.
도 7은 도 2에 도시한 국부적 후면 콘택층의 제2 실시예에 따른 평면도이다.
도 8은 도 2에 도시한 국부적 후면 콘택층의 제3 실시예에 따른 평면도이다.
도 9는 도 2에 도시한 국부적 후면 콘택층의 변형 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하기 위한 사시도이다.
도 10은 도 2에 도시한 국부적 후면 콘택층의 제4 실시예에 따른 평면도이다.
도 11은 은(Ag)으로 형성된 국부적 후면 반사층을 구비한 이종 접합 태양전지와 상기 국부적 후면 반사층을 구비하지 않은 이종 접합 태양전지에서의 반사도 변화를 비교한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 이종 접합 태양전지의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "결합되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하기 위한 사시도이고, 도 3은 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율에 따른 후면 전극에서의 후면 반사도의 변화를 나타내는 그래프이다.
그리고 도 4는 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율에 따른 개방전압(Voc)과 단락전류밀도(Jsc)의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 5는 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율에 따른 곡선인자(F.F.)와 효율(Eff)의 변화를 나타내는 그래프이다.
그리고 도 6 내지 도 10은 도 2에 도시한 국부적 후면 콘택층의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지는 광 흡수층(PV), 광 흡수층(PV)의 전면(front surface) 위에 위치하는 윈도우층(110), 윈도우층(110)의 전면 위에 위치하는 전면 전극(120), 윈도우층(110)과 전면 전극(120) 사이에 위치하는 국부적 전면 콘택층(130), 윈도우층(110) 위에 위치하는 반사 방지막(140), 광 흡수층(PV)의 후면 위에 위치하는 국부적 후면 콘택층(150), 국부적 후면 콘택층(150)이 위치하지 않는 영역의 광 흡수층(PV)의 후면에 위치하는 국부적 반사층(160) 및 국부적 후면 콘택층(150)과 국부적 반사층(160)의 후면 위에 위치하는 후면 전극(170)을 포함할 수 있다.
여기서, 반사 방지막(140) 및 윈도우층(110) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이 구비된 경우를 일례로 설명한다.
광 흡수층(PV)은 III-VI족 반도체 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 일례로, 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 인(P)이 함유된 GaInP 화합물 또는 갈륨(Ga)과 비소(As)가 함유된 GaAs 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
이하에서는 광 흡수층(PV)이 GaAs 화합물을 포함하는 것을 예로 들어 설명한다.
광 흡수층(PV)은 제1 도전성 타입의 불순물, 한 예로 p형 불순물이 도핑되는 p형 반도체층(PV-p)과, 제2 도전성 타입의 불순물, 한 예로 n형 불순물이 도핑되는 n형 반도체층(PV-n)을 포함할 수 있다.
그리고 도시하지는 않았지만, 광 흡수층(PV)은 p형 반도체층(PV-p)의 후면에 위치하는 후면 전계층을 더 포함할 수 있다.
p형 반도체층(PV-p)은 전술한 화합물에 제1 도전성 타입, 즉 p형의 불순물이 도핑되어 형성되고, n형 반도체층(PV-n)은 전술한 화합물에 제2 도전성 타입, 즉 n형의 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.
여기에서, p형 불순물은 탄소, 마그네슘, 아연 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있고, n형 불순물은 실리콘, 셀레늄, 텔루륨 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
n형 반도체층(PV-n)은 전면 전극(120)에 인접한 영역에 위치할 수 있으며, p형 반도체층(PV-p)은 n형 반도체층(PV-n) 바로 아래에서 후면 전극(170)에 인접한 영역에 위치할 수 있다.
즉, n형 반도체층(PV-n)과 전면 전극(120) 사이의 간격은 p형 반도체층(PV-p)과 전면 전극 사이의 간격보다 작으며, n형 반도체층(PV-n)과 후면 전극(170) 사이의 간격은 p형 반도체층(PV-p)과 후면 전극 사이의 간격보다 크다.
이에 따라, 광 흡수층(PV)의 내부에는 p형 반도체층(PV-p)과 n형 반도체층(PV-n)이 접합된 p-n 접합이 형성되므로, 광 흡수층(PV)에 입사된 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 광 흡수층(PV)의 p-n 접합에 의해 형성된 내부 전위차에 의해 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고, 정공은 p형 쪽으로 이동한다.
따라서, 광 흡수층(PV)에서 생성된 정공은 국부적 후면 콘택층(150)을 통하여 후면 전극(170)으로 이동하고, 광 흡수층(PV)에서 생성된 전자는 윈도우층(110)과 국부적 전면 콘택층(130)을 통해 전면 전극(120)으로 이동한다.
이와 달리, p형 반도체층(PV-p)이 전면 전극(120)에 인접한 영역에 위치하고 n형 반도체층(PV-n)이 p형 반도체층(PV-p) 바로 아래에서 후면 전극(170)에 인접한 영역에 위치하는 경우, 광 흡수층(PV)에서 생성된 정공은 국부적 전면 콘택층(130)을 통하여 전면 전극(120)으로 이동하고, 광 흡수층(PV)에서 생성된 전자는 국부적 후면 콘택층(150)을 통하여 후면 전극(170)으로 이동한다.
광 흡수층(PV)이 후면 전계층을 더 포함하는 경우, 후면 전계층은 직접 접촉하는 상부의 층, 즉 n형 반도체층(PV-n) 또는 p형 반도체층(PV-p)과 동일한 도전성 타입을 가지며, 윈도우층(110)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
그리고 후면 전계층은 전면 전극 쪽으로 이동해야 할 전하(정공 또는 전자)가 후면 전극 쪽으로 이동하는 것을 효과적으로 차단(blocking)하기 위해, 직접 접촉하는 상부의 층, 즉 n형 반도체층(PV-n) 또는 p형 반도체층(PV-p)의 후면에 전체적으로(entirely) 형성된다.
즉, 도 2에 도시한 태양전지에 있어서, p형 반도체층(PV-p)의 후면에 후면 전계층이 형성된 경우, 후면 전계층은 전자가 후면 전극 쪽으로 이동하는 것을 차단하는 작용을 하며, 후면 전극 쪽으로 전자가 이동하는 것을 효과적으로 차단하기 위해, 후면 전계층은 p형 반도체층(PV-p)의 후면 전체에 위치한다.
이러한 구성의 광 흡수층(PV)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법 또는 에피택셜층을 형성하기 위한 임의의 다른 적절한 방법에 의해 모기판(mother substrate)으로부터 제조할 수 있다.
모기판은 광 흡수층(PV)이 형성되는 적절한 격자 구조를 제공하는 베이스로 작용할 수 있으며, 갈륨 비소(GaAs)를 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 형성될 수 있다.
모기판은 이전에 하나 이상의 화합물 반도체 태양전지를 제조하는데 사용되었던 기판일 수도 있다.
즉, 모기판은 제조 공정의 몇몇 포인트에서 화합물 반도체 태양전지로부터 분리되고, 다른 화합물 반도체 태양전지를 제조하기 위해 재사용될 수 있다.
p형 반도체층(PV-p)과 n형 반도체층(PV-n)은 서로 동일한 밴드갭을 갖는 서로 동일한 물질로 이루어질 수 있고(동종 접합), 이와 달리, 서로 다른 밴드갭을 갖는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다(이종 접합).
윈도우층(110)은 광 흡수층(PV)과 전면 전극(120) 사이에 형성될 수 있으며, III-VI족 반도체 화합물에 제2 도전성 타입, 즉 n형의 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
그러나, p형 반도체층(PV-p)이 n형 반도체층(PV-n) 위에 위치하고 윈도우층(110)이 p형 반도체층(PV-p) 위에 위치하는 경우, 윈도우층(110)은 제1 도전성 타입, 즉 p형의 불순물을 포함할 수 있다.
하지만 윈도우층(110)은 n형 또는 p형의 불순물을 포함하지 않을 수도 있다.
윈도우층(110)은 광 흡수층(PV)의 전면(front surface)을 패시베이션(passivation)하는 기능을 한다. 따라서, 광 흡수층(PV)의 표면으로 캐리어(전자나 정공)가 이동할 경우, 윈도우층(110)은 캐리어가 광 흡수층(PV)의 표면에서 재결합하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 윈도우층(110)은 광 흡수층(PV)의 전면, 즉 광 입사면에 배치되므로, 광 흡수층(PV)으로 입사되는 빛을 거의 흡수하지 않도록 하기 위하여 광 흡수층(PV)의 에너지 밴드갭보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
윈도우층(110)의 에너지 밴드갭을 광 흡수층의 에너지 밴드갭보다 높게 형성하기 위해, 윈도우층(110)은 알루미늄(Al)을 더 함유할 수 있다.
반사 방지막(140)은 윈도우층(110)의 전면 위 중에서 전면 전극(120) 및/또는 국부적 전면 콘택층(130)이 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역에 위치할 수 있다.
이와 달리, 반사 방지막(140)은 노출된 윈도우층(110) 뿐만 아니라, 국부적 전면 콘택층(130) 및 전면 전극(120) 위에 배치될 수도 있다.
이 경우, 도시하지는 않았지만 화합물 반도체 태양전지는 복수의 전면 전극(120)을 물리적으로 연결하는 버스바 전극을 더 구비할 수 있으며, 버스바 전극은 반사 방지막(140)에 의해 덮여지지 않고 외부로 노출될 수 있다.
이러한 구성의 반사 방지막(140)은 불화마그네슘, 황화아연, 티타늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전면 전극(120)은 제1 방향(X-X')으로 길게 연장되어 형성될 수 있으며, 제1 방향과 직교하는 제2 방향(Y-Y')을 따라 복수개가 일정한 간격으로 이격될 수 있다.
이러한 구성의 전면 전극(120)은 전기 전도성 물질을 포함하여 형성될 수 있으며, 일례로 금속인 금(Au), 게르마늄(Ge), 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
윈도우층(110)과 전면 전극(120) 사이에 위치하는 국부적 전면 콘택층(130)은 III-VI족 반도체 화합물에 윈도우층(110)의 불순물 도핑농도보다 높은 도핑농도로 제2 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
국부적 전면 콘택층(130)은 윈도우층(110)과 전면 전극(120) 간에 오믹 콘택(ohmic contact)을 형성한다. 즉, 전면 전극(120)이 윈도우층(110)에 바로 접촉하는 경우, 윈도우층(110)의 불순물 도핑농도가 낮음으로 인해 전면 전극(120)과 광 흡수층(PV) 간의 오믹 콘택이 잘 형성되지 않는다. 따라서, 윈도우층(110)으로 이동한 캐리어가 전면 전극(120)으로 쉽게 이동하지 못하고 소멸될 수 있다.
그러나, 전면 전극(120)과 윈도우층(110) 사이에 국부적 전면 콘택층(130)이 형성된 경우, 전면 전극(120)과 오믹 콘택을 형성하는 국부적 전면 콘택층(130)에 의해 캐리어의 이동이 원활하게 이루어져 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)가 증가한다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전면 전극(120)과 오믹 콘택을 형성하기 위하여, 국부적 전면 콘택층(130)에 도핑된 제2 불순물의 도핑농도는 윈도우층(110)에 도핑된 제2 불순물의 도핑농도보다 더 높을 수 있다.
국부적 전면 콘택층(130)은 전면 전극(120)과 동일한 형상으로 형성된다.
광 흡수층(PV)의 p형 반도체층(PV-p)의 후면, 광 흡수층(PV)이 후면 전계층을 구비하는 경우에는 후면 전계층의 후면 위에 위치하는 국부적 후면 콘택층(150)은 투영면 상에서 광 흡수층(PV)의 후면에 국부적 또는 부분적으로 위치하며, III-VI족 반도체 화합물에 제1 도전성 타입의 불순물을 p형 반도체층(PV-p)보다 높은 도핑농도로 도핑하여 형성할 수 있다.
이러한 국부적 후면 콘택층(150)은 후면 전극(170)과 오믹 콘택을 형성할 수 있어, 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)를 보다 향상시킬 수 있다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
국부적 전면 콘택층(130)의 두께(T1)와 국부적 후면 콘택층(150)의 두께(T2)는 각각 100nm 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있으며, 일례로, 국부적 전면 콘택층(130)은 100nm의 두께(T1)로 형성되고 국부적 후면 콘택층(150)은 300nm의 두께(T2)로 형성될 수 있다.
그리고 광 흡수층(PV)의 p형 반도체층(PV-p)의 후면, 광 흡수층(PV)이 후면 전계층을 구비하는 경우에는 후면 전계층의 후면 중에서 국부적 후면 콘택층(150)이 위치하지 않는 영역에는 투영면 상에서 광 흡수층(PV)의 후면에 국부적 또는 부분적으로 국부적 후면 반사층(160)이 형성된다.
국부적 후면 콘택층(150) 및 국부적 후면 반사층(160)의 후면 위에 위치하는 후면 전극(170)은 전면 전극(120)과는 다르게 광 흡수층(PV)의 후면에 전체적으로 위치하는 시트(Sheet) 형상의 도전체로 형성될 수 있다. 즉, 후면 전극(170)은 광 흡수층(PV)의 후면 전체에 위치하는 면 전극(sheet electrode)이라고도 말할 수 있다.
이때, 후면 전극(170)은 광 흡수층(PV)과 동일한 평면적으로 형성될 수 있다.
따라서, 위에서 설명한 바와 같이, 국부적 후면 콘택층(150)과 국부적 후면 반사층(160)이 투영면 상에서 각각 광 흡수층(PV)의 후면에 부분적 또는 국부적으로 위치하고, 후면 전극(170)이 시트 형상으로 형성되므로, 후면 전극(170)은 국부적 후면 콘택층(150)과 직접 접촉하는 제1 부분(170A)과, 국부적 후면 반사층(160)과 직접 접촉하는 제2 부분(170B)을 포함한다.
국부적 후면 반사층(160)은 국부적 후면 콘택층(150)의 두께 이하로 형성될 수 있다.
한 예로, 은(Ag)으로 형성된 국부적 후면 반사층(160)이 반사 작용을 하기 위해서는 최소 5nm의 두께를 가져야 하므로, 국부적 후면 반사층(160)은 최소 5nm 이상의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 국부적 후면 반사층(160)의 최대 두께는 국부적 후면 콘택층(150)과 실질적으로 동일한 두께(300nm)의 형성할 수 있다.
이와 같이, 국부적 후면 반사층(160)이 5nm 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있으므로, 국부적 후면 반사층(160)의 두께가 국부적 후면 콘택층(150)의 두께보다 작게 형성되는 경우에는 국부적 후면 반사층(160)과 직접 접촉하는 후면 전극(170)의 제2 부분(170B)의 두께(T3)는 제1 부분(170A)의 두께(T4)보다 두껍게 형성될 수 있다.
도 3은 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율에 따른 후면 전극에서의 후면 반사도의 변화를 나타내는 그래프로서, 후면 전극을 금(Au)으로 형성한 경우를 실험한 것이다.
도 3에서, 10%, 33%, 50% 및 100%로 표시된 접촉 비율은 후면 전극의 평면적을 100으로 할 때, 후면 전극과 접촉하는 국부적 후면 콘택층의 평면적의 합의 크기를 백분율로 표시한 것이며, 접촉 비율이 100%인 경우는 도 1에 도시한 바와 같이 제2 콘택층(50)과 제2 전극(60)이 서로 동일한 평면적을 갖도록 형성된 경우를 나타낸다.
그리고 도 3의 실험을 실시함에 있어서, 국부적 후면 콘택층이 형성되지 않은 영역에서는 금(Au)으로 형성된 후면 전극의 일부가 채워지는 것으로 가정하였다.
도 3을 참조하면, 상기 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율이 감소할수록 후면 반사도가 증가하는 것을 알 수 있다.
따라서, 광학적 성능을 향상시키기 위해서는 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율을 낮게 유지할수록 유리한 것을 알 수 있다.
하지만, 광학적 성능을 향상시키기 위해 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율을 낮게 형성할수록 국부적 후면 콘택층의 형성 면적이 감소하고, 이로 인해 화합물 반도체 태양전지의 전기적 성능이 저하된다.
즉, 도 4 및 도 5를 참조하면, 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율이 감소할수록 개방전압(Voc)과 단락전류밀도(Jsc)는 상승하지만, 국부적 후면 콘택층과 후면 전극이 접촉하는 면적이 감소하여 곡선인자(F.F.)는 감소하는 것을 알 수 있으며, 최종적으로, 태양전지의 효율(Eff)은 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율이 감소할수록 증가하는 것을 알 수 있고, 국부적 후면 콘택층과 후면 전극의 접촉 비율이 10%인 경우 태양전지의 효율이 가장 높은 것을 알 수 있다.
이와 같이, 광학적 성능과 전기적 성능을 모두 고려하여 태양전지의 효율을 효과적으로 향상시키기 위해서는 국부적 후면 콘택층(150)과 후면 전극(170)의 접촉 비율이 10% 내지 50%가 되도록 국부적 후면 콘택층(150)을 형성하는 것이 바람직하다.
이에, 본원 발명은 국부적 후면 콘택층(150)이 형성되지 않는 영역에 상기 후면 전극(170)을 형성하는 금속, 예컨대 금(Au)보다 반사도가 더 우수한 금속으로 국부적 후면 반사층을 형성함으로써 이종 접합 태양전지의 효율을 더 개선하는 것을 특징으로 한다.
이에 대해 도 11을 참조하여 설명하면, 도 11에 도시한 바와 같이, 은(Ag)은 600nm 내지 900nm의 파장에서 90% 이상의 평균 반사도를 갖는 것을 알 수 있으며, 특히, 600nm 내지 700nm의 파장에서 금(Au)에 비해 반사도가 높은 것을 알 수 있다.
상기 도 11에서는 은(Ag)과 금(Au)의 반사도에 대해서만 비교하였지만, 상기 은(Ag)은 후면 전극을 형성하기 위해 사용되는 물질로 금을 제외한 다른 물질, 예를 들어 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 및 게르마늄(Ge) 등과 비교할 때도 이 물질들에 비해 600nm 내지 900nm의 파장에서의 반사도가 우수한 것을 알 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 은(Ag)으로 국부적 후면 반사층(160)을 국부적 후면 콘택층(150)이 형성되지 않은 영역에 형성함으로써, 국부적 후면 콘택층(150)이 형성되지 않은 영역에서 금(Au)으로 형성된 후면 전극의 일부가 채워지는 경우에 비해 화합물 반도체 태양전지의 효율을 더 높일 수 있다.
아래의 [표 1]은 국부적 후면 콘택층이 제1 도전성 타입(p형)의 불순물을 함유한 화합물 반도체 태양전지에서, 국부적 후면 반사층(160)이 은(Ag)으로 형성되고 후면 전극이 금(Au)으로 형성된 본 발명과, 국부적 후면 반사층을 구비하지 않고 금(Au)으로 형성된 후면 전극의 일부가 국부적 후면 콘택층(150)의 사이 영역에 채워지는 비교예의 전기적 성능을 비교한 것이다.
Voc [V] Jsc [mA/㎠] FF [%] Eff [%]
비교예 1.1018 23.6 84.2 21.9
본 발명 1.1021 23.9 84.1 22.1
상기 [표 1]에 따르면, 금(Au)으로 형성된 후면 전극의 일부가 국부적 후면 콘택층의 사이 영역에 채워지는 비교예에 비해 은(Ag)으로 형성된 국부적 후면 반사층을 더 형성한 본 발명의 전기적 성능이 개선되어 효율이 상승하는 것을 알 수 있다.
한편, 후면 전극(170)은 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택된 적어도 어느 한 물질을 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성될 수 있으며, 후면 전극을 형성하는 물질은 국부적 후면 콘택층의 도전성 타입에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
본 발명인의 실험에 의하면, 국부적 후면 콘택층이 p형 불순물을 함유하는 경우, 후면 전극(170)은 금(Au), 백금(Pt)/티타눔(Ti), 텅스텐-규소 합금(WSi), 및 규소(Si)/니켈(Ni)/마그네슘(Mg)/니켈(Ni) 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 p형 국부적 후면 콘택층과의 접촉 저항이 은(Ag)에 비해 낮은 금(Au)으로 형성될 수 있다.
한 예로, p형 불순물이 1×1019cm-3의 도핑 농도로 도핑된 국부적 후면 콘택층의 경우, 은(Ag)의 접촉 저항은 3.6×10-3Ω㎠이고, 금(Au)의 접촉 저항은 3.5×10-3Ω㎠이다.
그리고, 국부적 후면 콘택층(150)이 n형 불순물을 함유하는 경우, 후면 전극(170)은 팔라듐(Pd)/금(Au), 구리(Cu)/게르마늄(Ge), 니켈(Ni)/게르마늄-금의 합금(GeAu)/니켈(Ni), 및 금(Au)/티타늄(Ti) 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 p형 국부적 후면 콘택층과의 접촉 저항이 은(Ag)에 비해 낮은 팔라듐(Pd)/금(Au)으로 형성될 수 있다.
한 예로, n형 불순물이 1×1018cm-3의 도핑 농도로 도핑된 국부적 후면 콘택층의 경우, 은(Ag)의 접촉 저항은 4×10-4Ω㎠이고, 팔라듐(Pd)/금(Au)의 접촉 저항은 1×10-6Ω㎠이다.
하지만, 상기 후면 전극을 형성하는 물질은 상기 물질들 중에서 적절하게 선택될 수 있으며, 특히, 접촉 저항이 1×10-7Ω㎠ 내지 4×10-3Ω㎠의 범위에 속하는 물질들 중에서 적절하게 선택될 수 있다.
한편, 국부적 후면 콘택층(150)과 후면 전극(170)의 접촉 비율이 상기 범위(10% 내지 50%) 내에 유지되도록 형성하는 것이 바람직하므로, 국부적 후면 반사층(160)의 평면적은 국부적 후면 콘택층(150)의 평면적 이상으로 형성할 수 있다.
국부적 후면 콘택층(150)과 후면 전극(170)의 접촉 비율이 상기 범위(10% 내지 50%) 내에 유지되도록 국부적 후면 콘택층(150)을 형성하기 위해, 국부적 후면 콘택층(150)은 다양한 형태로 형성할 수 있다.
한 예로, 국부적 후면 콘택층(150)은 도 6에 도시한 바와 같이 서로 동일한 크기로 형성되며 서로 이격하여 균일하게 배열된 복수의 원형 도트(dot)(150A)를 포함할 수 있다.
이때, 각각의 원형 도트(150A)는 5㎛ 내지 100㎛의 크기(D) 또는 직경으로 형성될 수 있는데, 그 이유는 원형 도트(150A)의 크기(D)가 5㎛ 미만인 경우 식각 공정에서 공정 마진이 너무 작아 원형 도트(150A)가 유실될 가능성이 있고, 원형 도트(150)의 크기(D)가 100㎛를 초과하는 경우 원형 도트(150A)간의 간격(G)가 너무 멀어 캐리어의 수집 효율이 낮아짐으로 인해 전기적 성능이 저하하기 때문이다.
그리고, 태양전지의 효율을 고려할 때, 복수의 원형 도트(150A)의 평면적의 합은 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 10% 내지 50%로 형성될 수 있으며, 국부적 후면 반사층(160)의 평면적은 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 50% 내지 90%로 형성될 수 있다.
바람직하게, 복수의 원형 도트(150A)의 평면적의 합은 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 10%의 평면적으로 형성될 수 있고, 국부적 후면 반사층(160)의 평면적은 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 90%로 형성될 수 있다.
복수의 원형 도트(150)는 점선으로 도시한 바와 같이 마름모 형상으로 분포될 수 있으며, 이때, 복수의 원형 도트(150A)의 평면적의 합을 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 10% 내지 50%로 형성하기 위해, 1개의 마름모 형상으로 배치된 4개의 도트에 있어서, 어느 한 열에 배치된 2개의 도트 사이의 간격(G1)은 10㎛ 내지 200㎛로 형성할 수 있고, 어느 한 행에 배치된 2개의 도트 사이의 간격(G2)은 15㎛ 내지 350㎛로 형성할 수 있다.
다른 예로, 국부적 후면 콘택층(150)은 도 7에 도시한 바와 같이 복수의 사각형 도트(150B)로 형성될 수 있으며, 복수의 사각형 도트(150B)는 점선으로 도시한 바와 같이 격자 형상으로 균일하게 분포될 수 있다.
이때, 각 사각형 도트(150B)는 원형 도트(150A)와 마찬가지로 5㎛ 내지 100㎛의 크기(D)로 형성될 수 있다.
복수의 사각형 도트(150B)가 격자 형상으로 분포된 경우, 1개의 격자 형상으로 배치된 4개의 도트에 있어서, 어느 한 열에 배치된 2개의 도트 사이의 간격(G1)은 10㎛ 내지 200㎛로 형성할 수 있고, 어느 한 행에 배치된 2개의 도트 사이의 간격(G2)은 10㎛ 내지 200㎛로 형성할 수 있다.
하지만, 복수의 사각형 도트(150B)가 도 6에 도시한 바와 같이 마름모 형상으로 배치되는 것도 가능하고, 이와 반대로, 복수의 원형 도트(150A)가 도 7에 도시한 바와 같이 격자 형상으로 배치되는 것도 가능하다.
다른 예로, 도 8에 도시한 바와 같이, 복수의 원형 도트(150A, 150A') 또는 사각형 도트는 5㎛ 내지 100㎛의 범위 내에서 서로 다른 적어도 2개의 크기(D, D1)로 각각 형성될 수 있으며, 복수의 원형 도트(150A, 150A') 또는 사각형 도트는 도 6 및 도 7과 달리 랜덤(random)하게 배치될 수도 있다.
하지만, 서로 다른 적어도 2개의 크기로 형성된 복수의 도트(150A, 150A')를 격자 형상 또는 마름모 형상으로 균일하게 배치하는 것도 가능하며, 또한, 서로 동일한 크기로 형성된 복수의 도트를 랜덤하게 배치하는 것도 가능하다.
이상에서는 국부적 후면 콘택층이 원형 또는 사각형 도트로 형성되는 것에 대해 설명하였지만, 도트의 평면 형상은 다양하게 변형시킬 수 있으며, 복수의 도트의 배치 형태도 다양하게 변형시킬 수 있다.
다른 예로, 도 9에 도시한 바와 같이, 국부적 후면 콘택층(150)은 복수의 도트(150A 또는 150B) 외에, 전면 전극(120)과 투영면 상에서 중첩하는 영역의 광 흡수층(PV)의 후면에 위치하는 선형부(150C)를 더 포함할 수 있다.
이때, 선형부(150C)와 전면 전극(120)은 서로 동일한 평면적으로 형성되거나, 서로 다른 평면적으로 형성될 수 있다.
국부적 후면 콘택층(150)이 복수의 도트 외에 선형부(150C)를 더 포함하는 경우에는 국부적 후면 콘택층(150)과 후면 전극(170)의 접촉 비율이 50%를 초과할 수 있다.
즉, 복수의 도트와 후면 전극의 접촉 비율이 10% 내지 50%이므로, 복수의 도트 외에 선형부(150C)를 더 포함하는 국부적 후면 콘택층의 경우에는 선형부와 후면 전극이 접촉하는 면적만큼 상기 접촉 비율이 증가할 수 있다.
이 경우, 국부적 후면 반사층(160)의 평면적은 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 50% 미만으로 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 국부적 후면 콘택층을 도시한 것으로, 본 실시예의 국부적 후면 콘택층(150)은 서로 이격한 복수의 제1 선형부(150D)를 포함할 수 있으며, 복수의 제1 선형부(150D)의 평면적의 합은 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 10% 내지 50%일 수 있고, 국부적 후면 반사층(160)의 평면적은 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 50% 내지 90%로 형성될 수 있다.
바람직하게, 복수의 제1 선형부(150D)의 평면적의 합은 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 10%일 수 있고, 국부적 후면 반사층(160)의 평면적은 광 흡수층(PV) 및 후면 전극(170)의 각각의 평면적의 90%일 수 있다.
복수의 제1 선형부(150D)는 도시한 바와 같이 격자 패턴으로 형성될 수 있으며, 서로 동일한 선폭(W), 예를 들면 1.2㎛의 선폭(W)으로 형성될 수 있다.
이때, 제1 방향(X-X')으로 서로 이웃한 2개의 제1 선형부(150D)는 제1 방향을 따라 30㎛ 내지 200㎛의 간격(G3)을 유지하도록 배열될 수 있고, 제1 방향과 직교하는 제2 방향(Y-Y')으로 서로 이웃한 2개의 제1 선형부(150D)는 제2 방향을 따라 30㎛ 내지 200㎛의 간격(G4)을 유지하도록 배열될 수 있다.
하지만, 제1 선형부(150D)는 제1 방향(X-X')으로만 형성될 수도 있고, 이와 달리 제2 방향(Y-Y')으로만 형성될 수도 있으며, 직선이 아닌 물결 형상으로 형성될 수도 있다.
그리고 제1 선형부(150D)가 제1 방향 또는 제2 방향으로만 형성되는 경우에는 제1 선형부와 후면 전극의 접촉 비율을 10% 내지 50%로 유지하기 위해, 서로 이웃한 2개의 제1 선형부 사이의 간격이 도 10에 도시한 것보다 작게 형성될 수 있다.
그리고, 제1 선형부(150D)의 적어도 일부는 전면 전극(120)과 투영면 상에서 중첩할 수 있다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지는 ELO(epitaxial lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있으며, 구체적으로는, 모기판 위에 희생층(도시하지 않음)을 에피택셜 성장시키는 단계, 희생층 위에 전면 콘택층(130-1), 윈도우층(110), 광 흡수층(PV), 및 후면 콘택층(150-1)을 형성한 후 ELO 방법에 의해 희생층을 제거한다.
이후, 후면 콘택층(150-1)의 후면에 마스크(180)를 형성하고, 마스크(180)를 이용한 식각 공정을 실시하여 후면 콘택층(150-1)을 선택적으로 제거함으로써 국부적 후면 콘택층(150)을 형성한다.
이후, 후면 콘택층(150-1)이 선택적으로 제거된 영역, 즉 국부적 후면 콘택층(150)이 형성되지 않은 영역의 광 흡수층(PV)의 후면 및 마스크(180)의 후면에 후면 반사층(160-1)을 형성하고, 리프트 오프(lift-off)법에 의해 마스크(180) 및 마스크(180)의 후면에 위치한 후면 반사층(160-1) 부분을 선택적으로 제거하여 국부적 후면 반사층(160)을 형성한다.
이어서, 국부적 후면 콘택층(150) 및 국부적 후면 반사층(160)의 후면에 후면 전극(170)을 형성하고, 전면 콘택층(130-1) 위에 전면 전극(120)을 형성한 후, 전면 전극(120)을 마스크로 이용한 식각 공정을 실시하여 전면 콘택층(130-1)을 선택적으로 제거함으로써 국부적 전면 콘택층(130)을 형성한다.
이상에서는 화합물 반도체 태양전지가 1개의 광 흡수층을 구비한 것을 예로 들어 설명하였지만, 광 흡수층은 복수 개로 형성될 수도 있다.
이 경우, 하부 광 흡수층은 장파장 대역의 빛을 흡수하여 광전 변환하는 GaAs 화합물을 포함할 수 있고, 상부 광 흡수층은 단파장 대역의 빛을 흡수하여 광전 변환하는 GaInP 화합물을 포함할 수 있으며, 상부 광 흡수층과 하부 광 흡수층 사이에는 터널 정션층이 위치할 수 있다.
그리고 광 흡수층의 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에는 진성 반도체층이 더 형성될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: 윈도우층 120: 전면 전극
130: 전면 콘택층 140: 반사 방지막
150: 국부적 후면 콘택층 160: 국부적 후면 반사층
170: 후면 전극 PV: 광 흡수층

Claims (20)

  1. 화합물 반도체를 포함하는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층의 전면에 위치하는 전면 전극;
    상기 광 흡수층과 상기 전면 전극 사이에 위치하는 전면 콘택층;
    상기 광 흡수층의 후면에 위치하는 시트(sheet) 형상의 후면 전극;
    상기 광 흡수층과 상기 후면 전극 사이에 위치하며, 투영면 상에서 상기 광 흡수층의 후면에 국부적으로(locally) 형성되는 국부적 후면 콘택층; 및
    상기 광 흡수층과 상기 후면 전극 사이에 위치하며, 투영면 상에서 상기 광 흡수층의 후면에 국부적으로 형성되는 국부적 후면 반사층
    을 포함하고,
    상기 후면 전극은 상기 국부적 후면 콘택층과 직접 접촉하는 제1 부분과, 상기 국부적 후면 반사층과 직접 접촉하는 제2 부분을 포함하며,
    상기 국부적 후면 반사층은 상기 후면 전극을 형성하는 물질에 비해 광 반사도가 높은 광 반사성 물질로 형성되고, 상기 광 흡수층과 마주하는 면이 광 반사면으로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 국부적 후면 반사층은 600nm 내지 900nm의 파장에서 90% 이상의 평균 반사도를 갖는 은(Ag)으로 형성되며, 상기 후면 전극은 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택된 적어도 어느 한 물질을 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  3. 제2항에서,
    상기 국부적 후면 콘택층은 p형 불순물을 함유하며, 상기 후면 전극은 금, 백금/티타늄, 텅스텐-규소 합금, 및 규소/니켈/마그네슘/니켈 중에서 선택된 어느 하나로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  4. 제2항에서,
    상기 국부적 후면 콘택층은 n형 불순물을 함유하며, 상기 후면 전극은 팔라듐/금, 구리/게르마늄, 니켈/게르마늄-금의 합금/니켈, 및 금/티타늄 중에서 선택된 어느 하나로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  5. 제2항에서,
    상기 국부적 후면 콘택층은 100nm 내지 300nm의 두께로 형성되며, 상기 국부적 후면 반사층의 두께는 상기 국부적 후면 콘택층의 두께 이하로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  6. 제5항에서,
    상기 국부적 후면 반사층은 5nm 이상의 두께로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
    상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적에 대해, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적은 상기 국부적 후면 콘택층의 평면적 이상으로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  8. 제7항에서,
    상기 국부적 후면 콘택층은, 각각이 5㎛ 내지 100㎛의 크기를 갖는 원형, 타원형 또는 사각형의 평면 형상으로 형성되며 서로 이격한 복수의 도트(dot)를 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  9. 제8항에서,
    상기 복수의 도트의 평면적의 합은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 10% 내지 50%로 형성되고, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 50% 내지 90%로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  10. 제8항에서,
    상기 복수의 도트는 서로 동일한 크기로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  11. 제8항에서,
    상기 복수의 도트는 격자 형상 또는 마름모 형상으로 균일하게 분포되며, 1개의 격자 형상 또는 1개의 마름모 형상으로 배치된 4개의 도트에 있어서, 어느 한 열에 배치된 2개의 도트 사이의 간격은 10㎛ 내지 200㎛인 화합물 반도체 태양전지.
  12. 제11항에서,
    1개의 격자 형상으로 배치된 4개의 도트에 있어서, 어느 한 행에 배치된 2개의 도트 사이의 간격은 10㎛ 내지 200㎛인 화합물 반도체 태양전지.
  13. 제11항에서,
    1개의 마름모 형상으로 배치된 4개의 도트에 있어서, 어느 한 행에 배치된 2개의 도트 사이의 간격은 15㎛ 내지 350㎛인 화합물 반도체 태양전지.
  14. 제8항에서,
    상기 국부적 후면 콘택층은 투영면 상에서 상기 전면 전극과 중첩하는 영역에 위치하는 선형부를 더 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  15. 제7항에서,
    상기 국부적 후면 콘택층은 서로 이격한 복수의 제1 선형부를 포함하며, 상기 복수의 제1 선형부의 평면적의 합은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 10% 내지 50%로 형성되고, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 50% 내지 90%로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  16. 제15항에서,
    상기 복수의 제1 선형부는 격자 패턴으로 형성되며, 제1 방향으로 서로 이웃한 2개의 제1 선형부는 상기 제1 방향을 따라 30㎛ 내지 200㎛의 간격을 유지하도록 배열되고, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 서로 이웃한 2개의 제1 선형부는 상기 제2 방향을 따라 30㎛ 내지 200㎛의 간격을 유지하도록 배열되는 화합물 반도체 태양전지.
  17. 화합물 반도체를 포함하는 광 흡수층의 후면에 후면 콘택층을 형성하는 단계;
    상기 후면 콘택층의 후면에 마스크를 형성하고, 상기 마스크를 이용한 식각 공정에 의해 상기 후면 콘택층을 선택적으로 제거함으로써, 투영면 상에서 상기 광 흡수층의 후면에 국부적으로 형성되는 국부적 후면 콘택층을 형성하는 단계;
    상기 후면 콘택층이 선택적으로 제거된 영역의 상기 광 흡수층의 후면 및 상기 마스크의 후면에 후면 반사층을 형성하는 단계;
    리프트 오프(lift-off)법에 의해 상기 마스크 및 상기 마스크의 후면에 위치한 후면 반사층 부분을 선택적으로 제거하여 국부적 후면 반사층을 형성하는 단계; 및
    상기 국부적 후면 콘택층 및 상기 국부적 후면 반사층의 후면에 후면 전극을 형성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 국부적 후면 반사층은 상기 후면 전극을 형성하는 물질에 비해 광 반사도가 높은 광 반사성 물질로 형성하고, 상기 광 흡수층과 마주하는 면을 광 반사면으로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 반사층은 600nm 내지 900nm의 파장에서 90% 이상의 평균 반사도를 갖는 은(Ag)으로 형성하고, 상기 후면 전극은 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택된 적어도 어느 한 물질을 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에서,
    상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적에 대해, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적을 상기 국부적 후면 콘택층의 평면적 이상으로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  20. 제19항에서,
    상기 국부적 후면 콘택층의 평면적은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 10% 내지 50%로 형성하고, 상기 국부적 후면 반사층의 평면적은 상기 광 흡수층 및 상기 후면 전극의 각각의 평면적의 50% 내지 90%로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
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