KR101905151B1 - 화합물 반도체 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는, GaInP 기반의 화합물 반도체로 형성되는 제1 베이스층; 상기 제1 베이스층과 pn 접합을 형성하는 제1 에미터층; 상기 제1 베이스층 또는 상기 제1 에미터층의 전면에 위치하는 제1 윈도우층; 및 상기 제1 에미터층 또는 상기 제1 베이스층의 후면에 위치하는 제1 후면 전계층을 포함하는 제1 셀을 구비하며, 상기 제1 셀의 상기 제1 윈도우층은 4성분계 Ⅲ-V족 화합물 반도체로 형성된다.

Description

화합물 반도체 태양전지{COMPOUND SEMICONDUCTOR SOLAR CELL}
본 발명은 화합물 반도체 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탑 셀로 작용하는 제1 셀이 갈륨 인듐 인(GaInP) 기반의 화합물 반도체층을 구비한 화합물 반도체 태양전지에 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 갈륨 아세나이드(GaAs), 인듐 인(InP), 갈륨 알루미늄 아세나이드(GaAlAs), 갈륨 인듐 아세나이드(GaInAs) 등의 Ⅲ-V족 화합물 반도체, 카드뮴 황(CdS), 카드뮴 텔루륨(CdTe), 아연 황(ZnS) 등의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, 구리 인듐 셀레늄(CuInSe2)으로 대표되는 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 등으로 형성된 화합물 반도체층을 구비한다.
Ⅲ-V족 화합물 반도체로 형성되는 화합물 반도체층을 구비한 화합물 반도체 태양전지는 1개의 셀을 구비하는 단일 접합(single hunction) 구조와 적어도 2개의 셀을 구비하는 다중 접합(multi junction) 구조로 구분할 수 있으며, 다중 접합 구조의 화합물 반도체 태양전지에 있어서 빛이 입사하는 쪽에 위치하며 탑 셀(top cell)로 작용하는 제1 셀의 베이스층(base layer) 및 상기 베이스층과 pn 접합을 형성하는 에미터층(emitter layer)은 통상적으로 GaInP 기반의 화합물 반도체로 형성되며, 제1 셀의 후면에 위치하는 제2 셀의 베이스층과 에미터층은 통상적으로 GaAs 기반의 화합물 반도체로 형성된다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지에 있어서, 상기 제1 셀은 제1 윈도우층(window) 및 제1 후면 전계층(BSF)을 더 구비하는데, 제1 윈도우층과 제1 후면 전계층은 태양전지의 효율을 개선하기 위해 Ⅲ-V족 화합물 반도체 중에서 밴드갭이 가장 큰 물질로 형성된다.
따라서, 화합물 반도체 태양전지를 제조하는 과정에서 ELO(Epitaxial Lift Off) 공정을 사용하지 않는 경우에는 Ⅲ-V족 화합물 반도체 중에서 밴드갭이 가장 큰 AlInP로 윈도우층 및 후면 전계층을 형성할 수 있다.
그런데, 상기 제1 윈도우층 및 제1 후면 전계층을 형성하는 AlInP는 ELO 공정에서 희생층을 제거하기 위해 사용하는 불산(HF)에 쉽게 용해된다.
따라서, 불산을 이용하여 ELO 공정을 실시할 때, 모기판(mother substrate) 위에 존재하는 파티클의 주변으로 불산이 침투하고, 파티클의 주변으로 침투한 불산에 의해 AlInP로 형성된 층, 특히 제1 윈도우층이 선택적으로 용해되며, 이로 인해 파티클 주변에 있는 화합물 반도체로 형성된 층이 부스러지는 결함(defect)이 발생하는 문제가 있다.
이러한 문제점으로 인해, ELO 공정을 사용하여 화합물 반도체 태양전지를 제조하는 경우에는 제1 윈도우층 및 제1 후면 전계층, 특히 제1 윈도우층을 AlInP로 형성할 수 없다.
따라서, ELO 공정을 사용하면서도 ELO 공정에서 사용하는 불산으로 인한 결함 발생을 억제할 수 있는 화합물 반도체 태양전지의 개발이 요구된다.
본 발명은 ELO 공정을 사용하면서도 ELO 공정에서 사용하는 불산으로 인한 결함 발생을 억제할 수 있는 화합물 반도체 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는, GaInP 기반의 화합물 반도체로 형성되는 제1 베이스층; 상기 제1 베이스층과 pn 접합을 형성하는 제1 에미터층; 상기 제1 베이스층 또는 상기 제1 에미터층의 전면에 위치하는 제1 윈도우층; 및 상기 제1 에미터층 또는 상기 제1 베이스층의 후면에 위치하는 제1 후면 전계층을 포함하는 제1 셀을 구비하며, 상기 제1 셀의 상기 제1 윈도우층은 4성분계 Ⅲ-V족 화합물 반도체로 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 윈도우층은 알루미늄(Al)의 함량을 적절히 조절하는 것에 의해 AlInP와 유사한 밴드갭 특성을 나타내는 동시에 ELO 공정에서 사용되는 불산에 의한 용해 현상이 거의 없거나 전혀 없는 화합물 반도체, 예를 들면 AlGaInP로 형성된다.
이때, 제1 윈도우층은 알루미늄과 갈륨의 함량을 100으로 할 때 알루미늄의 함량이 45 내지 70인 AlGaInP로 형성된다.
즉, 제1 윈도우층은 X가 0.45 내지 0.7인 AlxGa1 - xInP로 형성된다.
상기 제1 윈도우층은 20 내지 35nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 후면 전계층은 상기 제1 윈도우층과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 상기 제1 윈도우층보다 두껍게 형성될 수 있다.
한 예로, 상기 제1 후면 전계층은 50 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 에미터층은 상기 제1 베이스층과 동종 접합 또는 이종 접합을 형성할 수 있다.
상기 제1 베이스층과 상기 제1 윈도우층은 실리콘(Si), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중에서 선택된 적어도 하나의 n형 불순물로 각각 도핑될 수 있고, 상기 제1 에미터층과 상기 제1 후면 전계층은 아연(Zn)을 포함하는 p형 불순물로 각각 도핑될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는 상기 제1 셀의 후면에 위치하는 제2 셀을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 셀은 GaAs 기반의 화합물 반도체로 형성되는 제2 베이스층, 상기 제2 베이스층과 pn 접합을 형성하는 제2 에미터층, 제2 윈도우층 및 제2 후면 전계층을 포함할 수 있고, 상기 제2 윈도우층과 상기 제2 후면 전계층은 GaInP로 각각 형성될 수 있다.
상기 제2 베이스층과 상기 제2 윈도우층은 Si, Se 및 Te 중에서 선택된 적어도 하나의 n형 불순물로 각각 도핑될 수 있고, 상기 제2 에미터층과 상기 제2 후면 전계층은 Zn을 포함하는 p형 불순물로 각각 도핑될 수 있다.
상기 제1 셀과 상기 제2 셀 사이에는 제1 터널층이 위치할 수 있으며, 상기 제1 터널층은 p형 불순물이 제1 후면 전계층보다 고농도로 도핑된 AlGaAs로 이루어지며 상기 제1 후면 전계층과 접촉하는 제1 층과, n형 불순물이 제2 윈도우층보다 고농도로 도핑된 GaInP로 이루어지며 상기 제2 윈도우층과 접촉하는 제2 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는 상기 제2 셀의 후면에 위치하는 제3 셀을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 셀은 GaAs 기반의 화합물 반도체로 형성되는 제3 베이스층, 상기 제3 베이스층과 pn 접합을 형성하는 제3 에미터층, 제3 윈도우층 및 제3 후면 전계층을 포함할 수 있다.
상기 제3 윈도우층과 상기 제3 후면 전계층은 AlInGaAs로 각각 형성될 수 있다.
상기 제3 베이스층과 상기 제3 윈도우층은 Si, Se 및 Te 중에서 선택된 적어도 하나의 n형 불순물로 각각 도핑될 수 있고, 상기 제3 에미터층과 상기 제3 후면 전계층은 Zn을 포함하는 p형 불순물로 각각 도핑될 수 있다.
상기 제2 셀과 상기 제3 셀 사이에는 제2 터널층이 위치할 수 있으며, 상기 제2 터널층은 p형 불순물이 제2 후면 전계층보다 고농도로 도핑된 GaAs로 이루어지며 상기 제2 후면 전계층과 접촉하는 제3 층과, n형 불순물이 제3 윈도우층보다 고농도로 도핑된 GaAs로 이루어지며 상기 제3 층의 후면에 위치하는 제4 층을 포함할 수 있다.
상기 제2 터널층과 상기 제3 셀 사이에는 변성층이 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지는 ELO 공정에서 사용되는 불산에 의해 용해되지 않으면서도 큰 밴드갭을 갖는 AlGaInP로 제1 셀의 제1 윈도우층이 형성되므로, ELO 공정에서 파티클 주변으로 불산이 침투함으로 인해 발생하는 결함이 억제되고, 이에 따라 고효율의 화합물 반도체 태양전지를 얻을 수 있다
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 단면도이다.
도 2는 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 조성비에 따른 AlGaInP의 밴드갭을 나타내는 밴드갭 다이어그램이다.
도 3은 제1 셀의 제1 윈도우층과 후면 전계층이 AlInP로 형성되는 종래의 태양전지에서 불산 침투로 인해 형성된 결함을 나타내는 사진이다.
도 4는 제1 셀의 제1 윈도우층과 후면 전계층이 AlGaInP로 형성되는 도 1의 태양전지에서 불산 침투로 인해 형성된 결함을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 단면도이다.
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 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 단면도이다.
도 2는 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 조성비에 따른 AlGaInP의 밴드갭을 나타내는 밴드갭 다이어그램이다.
도 3은 제1 셀의 제1 윈도우층과 후면 전계층이 AlInP로 형성되는 종래의 태양전지에서 불산 침투로 인해 형성된 결함을 나타내는 사진이다.
도 4는 제1 셀의 제1 윈도우층과 후면 전계층이 AlGaInP로 형성되는 도 1의 태양전지에서 불산 침투로 인해 형성된 결함을 나타내는 사진이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하면, 제1 실시예의 화합물 반도체 태양전지는 하나의 셀, 즉 제1 셀(C1)만 구비하는 단일 접합(single junction) 구조를 갖는 태양전지로서, 제1 셀(C1)은 제1 광 흡수층(PV1), 제1 광 흡수층(PV1)의 전면(front surface)에 위치하는 제1 윈도우층(WD1), 제1 광 흡수층(PV1)의 후면에 위치하는 제1 후면 전계층(BSF1), 제1 윈도우층(WD1)의 전면에 위치하는 전면 콘택층(FC), 및 제1 후면 전계층(BSF1)의 후면에 위치하는 후면 콘택층(BC)을 포함한다.
그리고 제1 실시예의 화합물 반도체 태양전지는 상기 제1 셀(C1)에 더하여, 전면 콘택층(FC) 위에 위치하는 그리드 형상의 전면 전극(100)과, 후면 콘택층(BC)의 후면에 위치하는 시트(sheet) 형상의 후면 전극(200)을 더 포함한다.
제1 광 흡수층(PV1)은 n형 불순물을 포함하며 제1 윈도우층(WD1)과 접촉하는 제1 베이스층(PV1-n)과, p형 불순물을 포함하여 제1 베이스층(PV1-n)과 pn 접합을 형성하며 제1 베이스층(PV1-n)의 후면에 위치하는 제1 에미터층(PV1-p)을 포함하며, 제1 베이스층(PV1-n)과 제1 에미터층(PV1-p)은 GaInP 기반의 화합물 반도체로 형성된다.
한 예로, 제1 베이스층(PV1-n)은 n형 GaInP로 형성되고, 제1 에미터층(PV1-p)은 p형 GaInP로 형성된다.
제1 에미터층(PV1-p)에 도핑되는 p형 불순물은 탄소(C), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있고, 제1 베이스층(PV1-n)에 도핑되는 n형 불순물은 실리콘(Si), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
제1 베이스층(PV1-n)은 전면 전극(100)에 인접한 영역에 위치할 수 있으며, 제1 에미터층(PV1-p)은 제1 베이스층(PV1-n) 바로 아래에서 후면 전극(200)에 인접한 영역에 위치할 수 있다.
즉, 제1 베이스층(PV1-n)과 전면 전극(100) 사이의 간격은 제1 에미터층(PV1-p)과 전면 전극(100) 사이의 간격보다 작으며, 제1 베이스층(PV1-n)과 후면 전극(200) 사이의 간격은 제1 에미터층(PV1-p)과 후면 전극(200) 사이의 간격보다 크다.
이에 따라, 제1 광 흡수층(PV1)의 내부에는 제1 에미터층(PV1-p)과 제1 베이스층(PV1-n)이 접합된 pn 접합이 형성되므로, 제1 광 흡수층(PV1)에 입사된 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 제1 광 흡수층(PV1)의 pn 접합에 의해 형성된 내부 전위차에 의해 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고, 정공은 p형 쪽으로 이동한다.
따라서, 제1 광 흡수층(PV1)에서 생성된 정공은 후면 콘택층(BC)을 통하여 후면 전극(200)으로 이동하고, 제1 광 흡수층(PV1)에서 생성된 전자는 제1 윈도우층(WD1)과 전면 콘택층(FC)을 통해 전면 전극(100)으로 이동한다.
이와 달리, 제1 에미터층(PV1-p)이 전면 전극(100)에 인접한 영역에 위치하고 제1 베이스층(PV1-n)이 제1 에미터층(PV1-p) 바로 아래에서 후면 전극(200)에 인접한 영역에 위치하는 경우, 제1 광 흡수층(PV1)에서 생성된 정공은 전면 콘택층(FC)을 통하여 전면 전극(100)으로 이동하고, 제1 광 흡수층(PV1)에서 생성된 전자는 후면 콘택층(BC)을 통하여 후면 전극(200)으로 이동한다.
제1 광 흡수층(PV1)이 제1 후면 전계층(BSF1)을 더 포함하는 경우, 제1 후면 전계층(BSF1)은 직접 접촉하는 상부의 층, 즉 제1 에미터층(PV1-p)과 동일한 도전성 타입을 가지며, 제1 윈도우층(WD1)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
그리고 제1 후면 전계층(BSF1)은 전면 전극(100) 쪽으로 이동해야 할 전하(정공 또는 전자)가 후면 전극(200) 쪽으로 이동하는 것을 효과적으로 차단(blocking)하기 위해, 직접 접촉하는 상부의 층, 즉 제1 에미터층(PV1-p)의 후면에 전체적으로(entirely) 형성된다.
즉, 도 1에 도시한 태양전지에 있어서, 제1 에미터층(PV1-p)의 후면에 제1 후면 전계층(BSF1)이 형성된 경우, 제1 후면 전계층(BSF1)은 전자가 후면 전극(200) 쪽으로 이동하는 것을 차단하는 작용을 하며, 후면 전극(200) 쪽으로 전자가 이동하는 것을 효과적으로 차단하기 위해, 제1 후면 전계층(BSF1)은 제1 에미터층(PV1-p)의 후면 전체에 위치한다.
제1 에미터층(PV1-p)과 제1 베이스층(PV1-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).
동종 접합의 경우, 제1 베이스층(PV1-n)은 n형 GaInP로 형성될 수 있고, 제1 에미터층(PV1-p)은 p형 GaInP로 형성될 수 있다.
제1 윈도우층(WD1)은 제1 광 흡수층(PV1)과 전면 전극(100) 사이에 형성될 수 있으며, 4성분계 III-VI족 반도체 화합물에 제2 도전성 타입, 즉 n형의 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
그러나, 제1 에미터층(PV1-p)이 제1 베이스층(PV1-n) 위에 위치하고 제1 윈도우층(WD1)이 제1 에미터층(PV1-p) 위에 위치하는 경우, 제1 윈도우층(WD1)은 제1 도전성 타입, 즉 p형의 불순물을 포함할 수 있다.
제1 윈도우층(WD1)은 제1 광 흡수층(PV1)의 전면(front surface)을 패시베이션(passivation)하는 기능을 한다. 따라서, 제1 광 흡수층(PV1)의 표면으로 캐리어(전자나 정공)가 이동할 경우, 제1 윈도우층(WD1)은 캐리어가 제1 광 흡수층(PV1)의 표면에서 재결합하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 제1 윈도우층(WD1)은 제1 광 흡수층(PV1)의 전면, 즉 광 입사면에 배치되므로, 제1 광 흡수층(PV1)으로 입사되는 빛을 거의 흡수하지 않도록 하기 위하여 제1 광 흡수층(PV1)의 에너지 밴드갭보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 필요가 있다.
또한, 불산을 이용한 ELO 공정에서 용해되기 어려운 물질로 제1 윈도우층(WD1)을 형성할 필요가 있다.
따라서, 본 발명에서는 AlInP 대신에 AlGaInP로 제1 윈도우층(WD1)을 형성한다.
AlGaInP는 알루미늄(Al)의 함량을 적절히 조절하는 것에 의해 AlInP와 유사한 밴드갭 특성을 나타낼 수 있으며, AlInP와 달리 ELO 공정에서 사용되는 불산에 의한 용해 현상을 억제할 수 있다.
도 2를 참조하면, AlGaInP의 밴드갭은 알루미늄의 함량이 53%일 때 직접/간접 전이(direct/indirect transition)가 발생하며, 알루미늄의 함량이 53% 이하인 구간에서는 알루미늄의 함량 감소에 따라 밴드갭이 급격히 작아지고, 알루미늄의 함량이 53% 이상인 구간에서는 AlInP와 거의 유사한 밴드갭을 갖는 것을 알 수 있다.
한 예로, 알루미늄의 함량이 50%인 경우, 즉 알루미늄과 갈륨의 함량이 1:1인 경우 AlGaInP는 AlInP의 밴드갭인 2.3eV와 유사한 2.22Ev의 밴드갭을 갖는 것을 알 수 있다.
그리고 알루미늄의 함량에 따른 AlGaInP의 용해 성향을 테스트해본 결과, 알루미늄의 함량이 70%가 넘은 경우에는 ELO 공정 후에 100㎛ 이상의 크기를 갖는 결함이 발생되는 것을 알 수 있었다.
따라서, AlInP와 유사한 밴드갭, 예를 들어 2.2eV 이상의 밴드갭을 가지면서 불산에 의한 결함 발생을 억제할 수 있는 범위 내에서 알루미늄 함량을 조절하는 것이 바람직하며, 상기한 조건을 만족시키는 알루미늄의 함량 범위는 알루미늄과 갈륨의 함량을 100으로 할 때 알루미늄의 함량이 45 내지 70인 것을 알 수 있다.
여기에서, 알루미늄의 최소 함량을 45로 한정하는 이유는 AlGaInP의 밴드갭을 2.2ev 이상으로 형성하기 위한 것이고, 알루미늄의 최대 함량을 70으로 한정하는 이유는 불산에 의해 용해되는 것을 억제하기 위한 것이다.
따라서, 제1 윈도우층(WD1)은 X가 0.45 내지 0.7인 n형 AlxGa1 - xInP로 형성하는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, 제1 윈도우층을 AlInP로 형성한 경우, 8시간 동안 ELO 공정을 실시한 후에는 대략 10㎛ 이하의 크기를 갖는 파티클로 인해 파티클 주변부의 화합물 반도체층이 불산에 의해 침식되어 대략 800㎛ 정도의 크기를 갖는 결함이 발생하는 것을 알 수 있다.
하지만, 제1 윈도우층을 X가 0.45 내지 0.7인 n형 AlxGa1 - xInP로 형성한 경우, 8시간 동안 ELO 공정을 실시한 후에는 대략 10㎛ 이하의 크기를 갖는 파티클로 인해 파티클 주변부의 화합물 반도체층이 불산에 의해 침식되더라도 화합물 반도체층의 침식량이 매우 적어 대략 80㎛ 정도의 크기를 갖는 결함이 발생하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, X가 0.45 내지 0.7인 n형 AlxGa1 - xInP로 제1 윈도우층(WD1)을 형성하면, AlInP와 유사한 수준의 밴드갭을 구현하면서도 불산에 의한 결함 발생을 억제할 수 있다.
AlGaInP로 형성된 제1 윈도우층(WD1)은 20 내지 35nm의 두께(T1)로 형성될 수 있으며, 제1 후면 전계층(BSF1)은 제1 윈도우층(WD1)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
그리고 제1 후면 전계층(BSF1)은 제1 윈도우층(WD1)의 두께(T1)보다 두껍게 형성될 수 있다. 한 예로, 제1 후면 전계층(BSF1)은 50 내지 100nm의 두께(T2)로 형성될 수 있다.
반사 방지막(도시하지 않음)은 제1 윈도우층(WD1)의 전면 위 중에서 전면 전극(100) 및/또는 전면 콘택층(FC)이 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역에 위치할 수 있다.
이와 달리, 반사 방지막은 노출된 제1 윈도우층(WD1) 뿐만 아니라, 전면 콘택층(FC) 및 전면 전극(100) 위에 배치될 수도 있다.
도시하지는 않았지만 화합물 반도체 태양전지는 복수의 전면 전극(100)을 물리적으로 연결하는 버스바 전극을 더 구비할 수 있으며, 버스바 전극은 반사 방지막에 의해 덮여지지 않고 외부로 노출될 수 있다.
이러한 구성의 반사 방지막은 불화마그네슘, 황화아연, 티타늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전면 전극(100)은 제1 방향으로 길게 연장되어 형성될 수 있으며, 제1 방향과 직교하는 제2 방향(Y-Y')을 따라 복수개가 일정한 간격으로 이격될 수 있다.
이러한 구성의 전면 전극(100)은 전기 전도성 물질을 포함하여 형성될 수 있으며, 일례로 금속인 금(Au), 게르마늄(Ge), 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
제1 윈도우층(WD1)과 전면 전극(100) 사이에 위치하는 전면 콘택층(FC)은 III-VI족 반도체 화합물에 제2 도전성 타입의 불순물을 제1 베이스층(PV1-n)보다 높은 도핑농도로 도핑하여 형성할 수 있다. 한 예로, 전면 콘택층(FC)은 n+형 GaAs로 형성할 수 있다.
전면 콘택층(FC)은 제1 윈도우층(WD1)과 전면 전극(100) 간에 오믹 콘택(ohmic contact)을 형성한다. 즉, 전면 전극(100)이 제1 윈도우층(WD1)에 바로 접촉하는 경우, 제1 윈도우층(WD1)의 불순물 도핑농도가 낮음으로 인해 전면 전극(100)과 제1 광 흡수층(PV1) 간의 오믹 콘택이 잘 형성되지 않는다. 따라서, 제1 윈도우층(WD1)으로 이동한 캐리어가 전면 전극(100)으로 쉽게 이동하지 못하고 소멸될 수 있다.
그러나, 전면 전극(100)과 제1 윈도우층(WD1) 사이에 전면 콘택층(FC)이 형성된 경우, 전면 전극(100)과 오믹 콘택을 형성하는 전면 콘택층(FC)에 의해 캐리어의 이동이 원활하게 이루어져 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)가 증가한다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전면 콘택층(FC)은 전면 전극(100)과 동일한 형상으로 형성할 수 있다.
제1 후면 전계층(BSF1)의 후면 위에 위치하는 후면 콘택층(BC)은 제1 후면 전계층(BSF1)의 후면에 전체적으로 위치하며, III-VI족 반도체 화합물에 제1 도전성 타입의 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다. 한 예로, 후면 콘택층(BC)은 p형 GaAs로 형성할 수 있다.
이러한 후면 콘택층(BC)은 후면 전극(200)과 오믹 콘택을 형성할 수 있어, 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)를 보다 향상시킬 수 있다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전면 콘택층(FC)의 두께와 후면 콘택층(BC)의 두께는 각각 100nm 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있으며, 일례로, 전면 콘택층(FC)은 100nm의 두께로 형성되고 후면 콘택층(BC)은 300nm의 두께로 형성될 수 있다.
그리고 후면 콘택층(BC)의 후면 위에 위치하는 후면 전극(200)은 전면 전극(100)과는 다르게 후면 콘택층(BC)의 후면에 전체적으로 위치하는 시트(Sheet) 형상의 도전체로 형성될 수 있다. 즉, 후면 전극(200)은 후면 콘택층(BC)의 후면 전체에 위치하는 면 전극(sheet electrode)이라고도 말할 수 있다.
이때, 후면 전극(200)은 제1 광 흡수층(PV1)과 동일한 평면적으로 형성될 수 있으며, 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 있고, 후면 전극을 형성하는 물질은 후면 콘택층의 도전성 타입에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
한 예로, 후면 콘택층(BC)이 p형 불순물을 함유하는 경우, 후면 전극(200)은 금(Au), 백금(Pt)/티타늄(Ti), 텅스텐-규소 합금(WSi), 및 규소(Si)/니켈(Ni)/마그네슘(Mg)/니켈(Ni) 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 p형 후면 콘택층(BC)과의 접촉 저항이 낮은 금(Au)으로 형성될 수 있다.
그리고, 후면 콘택층(BC)이 n형 불순물을 함유하는 경우, 후면 전극(200)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 후면 콘택층(BC)과의 접촉 저항이 낮은 팔라듐(Pd)/금(Au)으로 형성될 수 있다.
하지만, 상기 후면 전극(200)을 형성하는 물질은 상기 물질들 중에서 적절하게 선택될 수 있으며, 특히, 후면 콘택층(BC)과의 접촉 저항이 낮은 물질들 중에서 적절하게 선택될 수 있다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지는 ELO 공정을 이용하여 제조할 수 있다.
이에 대해 설명하면, 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법은 크게, 모기판의 한쪽 면 위에 희생층을 형성하는 단계, 상기 희생층 위에 화합물 반도체층을 형성하는 단계, 상기 화합물 반도체층의 후면 위에 후면 전극을 형성하는 단계, ELO 공정을 실시하여 상기 희생층을 제거함으로써, 상기 화합물 반도체층 및 상기 후면 전극을 상기 모기판으로부터 분리하는 단계, 및 상기 화합물 반도체층의 전면 위에 전면 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
이에 대해 보다 상세히 설명하면, 먼저, 화합물 반도체층이 형성되는 적절한 격자 구조를 제공하기 위한 베이스층으로 작용하는 모기판(mother substrate)의 한쪽 면에 희생층을 형성하고, 희생층 위에 화합물 반도체층을 형성한다.
여기에서, 화합물 반도체층은 n+형 GaAs로 형성된 전면 콘택층(FC), X가 0.45 내지 0.7인 n형 AlxGa1 - xInP로 형성된 제1 윈도우층(WD1), n형 GaInP로 형성된 제1 베이스층(PV1-n), p형 GaInP로 형성된 제1 에미터층(PV1-p), X가 0.45 내지 0.7인 p형 AlxGa1 - xInP로 형성된 제1 후면 전계층(BSF1) 및 p형 GaAs로 형성된 후면 콘택층(BC)을 순차적으로 형성하는 것에 의해 제조할 수 있다.
이와 같이, 제1 윈도우층(WD1)과 제1 후면 전계층(BSF1)을 X가 0.45 내지 0.7인 AlxGa1 - xInP로 각각 형성하면, ELO 공정을 실시하여 희생층을 제거하는 동안 불산(HF)에 의해 파티클 주변의 화합물 반도체층이 침식되어 결함이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
이후, 불산을 이용한 ELO 공정을 실시하여 화합물 반도체층 및 후면 전극을 모기판으로부터 분리하고, 화합물 반도체층의 전면 위, 특히 전면 콘택층 위에 전면 전극(100)을 형성한 후, 전면 전극(100)을 마스크(mask)로 사용하여 상기 전면 전극(100)에 의해 커버되지 않은 영역의 전면 콘택층을 패터닝함으로써 도 1에 도시한 화합물 반도체 태양전지를 제조한다.
이상에서는 화합물 반도체 태양전지가 제1 셀(C1)만 구비하는 단일 접합 구조를 갖는 것을 예로 들어 설명하였지만, 본 발명의 화합물 반도체 태양전지는 복수의 셀을 구비한 다중 접합 구조를 가질 수 있다.
이에 대해 설명하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 화합물 반도체 태양전지는 전술한 도 1의 제1 셀(C1)과, 제1 셀(C1)의 후면에 위치하는 제2 셀(C2) 및 제1 셀(C1)과 제2 셀(C2)의 사이에 위치하는 제1 터널층(TRJ1)을 포함할 수 있다.
제2 셀(C2)은 GaAs 기반의 화합물 반도체, 예를 들어 n형 GaAs로 형성되는 제2 베이스층(PV2-n), 제2 베이스층(PV2-n)과 pn 접합을 형성하며 p형 GaAs로 형성되는 제2 에미터층(PV2-p), 제1 터널층(TRJ1)과 제2 베이스층(PV2-n) 사이에 위치하며 n형 GaInP로 형성되는 제2 윈도우층(WD2), 및 제2 에미터층(PV2-p)의 후면에 위치하며 p형 GaAs로 형성되는 제2 후면 전계층(BSF2)을 포함할 수 있다.
여기에서, 제2 베이스층(PV2-n)과 제2 에미터층(PV2-p)은 제2 광 흡수층(PV2)을 구성한다.
제2 셀(C2)은 제1 셀(C1)에서 흡수되지 못하고 제1 셀(C1)을 투과한 장파장의 빛을 흡수하기 위해 제1 셀(C1)의 후면에 위치한다.
따라서, 제2 베이스층(PV2-n)과 제2 에미터층(PV2-p)은 제1 셀(C1)의 제1 베이스층(PV1-n)과 제1 에미터층(PV1-p)을 형성하는 GaInP의 밴드갭(대략 1.9Ev)보다 낮은 밴드갭을 갖는 물질, 예를 들어 대략 1.42eV의 밴드갭을 갖는 GaAs로 형성된다.
그리고, 제2 셀(C2)의 제2 윈도우층(WD2)과 제2 후면 전계층(BSF2)은 제2 베이스층(PV2-n)과 제2 에미터층(PV2-p)보다 높은 밴드갭을 갖는 물질, 예를 들어 GaInP로 형성될 수 있다.
이와 같이, 제2 셀(C2)의 제2 윈도우층(WD2) 및 제2 후면 전계층(BSF2)이 제1 윈도우층(WD1) 및 제1 후면 전계층(BSF1)과 달리 알루미늄을 포함하지 않아도 되는 이유는 제2 셀(C2)의 제2 베이스층(PV2-n)과 제2 에미터층(PV2-p)의 밴드갭이 제1 셀(C1)의 제1 베이스층(PV1-n)과 제1 에미터층(PV1-p)의 밴드갭보다 낮기 때문이며, 또한, 파티클 주변의 화합물 반도체층의 침식이 제1 윈도우층(WD1)에 의해 억제되기 때문이다.
제1 터널층(TRJ1)은 p형 불순물이 제1 후면 전계층(BSF1)보다 고농도로 도핑된 p+형 AlGaAs로 형성되며 제1 후면 전계층(BSF1)과 접촉하는 제1 층(TRJ1-1)과, n형 불순물이 제2 윈도우층(WD2)보다 고농도로 도핑된 n+형 GaInP로 이루어지며 제2 윈도우층(WD2)과 접촉하는 제2 층(TRJ1-2)을 포함할 수 있다.
그리고 후면 콘택층(BC)은 후면 전극(200)의 오믹 콘택을 위해 형성하는 것이므로, 이중 접합 구조의 화합물 반도체 태양전지에서는 후면 콘택층(BC)이 제2 후면 전계층(BSF2)과 후면 전극(200) 사이에 위치한다.
이와 달리, 화합물 반도체 태양전지는 도 5에 도시한 제1 셀(C1) 및 제2 셀(C2)과, 상기 제2 셀(C2)의 후면에 위치하는 제3 셀(C3)과, 제2 셀(C2)과 제3 셀(C3) 사이에 위치하는 제2 터널층(TRJ2)과, 제2 터널층(TRJ2)과 제3 셀(C3) 사이에 위치하는 변성층(G)을 더 구비한 삼중 접합 구조를 가질 수 있다.
제3 셀(C3)은 GaAs 기반의 화합물 반도체, 예를 들어 n형 InGaAs로 형성되는 제3 베이스층(PV3-n), 제3 베이스층(PV3-n)과 pn 접합을 형성하며 p형 InGaAs로 형성되는 제3 에미터층(PV3-p), 변성층(G)과 제3 베이스층(PV3-n) 사이에 위치하며 n형 AlInGaAs로 형성되는 제3 윈도우층(WD3), 및 제3 에미터층(PV3-p)의 후면에 위치하며 p형 AlInGaAs로 형성되는 제3 후면 전계층(BSF3)을 포함할 수 있다.
여기에서, 제3 베이스층(PV3-n)과 제3 에미터층(PV3-p)은 제3 광 흡수층(PV2)을 구성한다.
제3 셀(C3)은 제2 셀(C2)에서 흡수되지 못하고 제2 셀(C2)을 투과한 장파장의 빛을 흡수하기 위해 제2 셀(C2)의 후면에 위치한다.
따라서, 제3 셀(C3)의 제3 베이스층(PV3-n)과 제3 에미터층(PV3-p)은 제2 셀(C2)의 제2 베이스층(PV2-n)과 제2 에미터층(PV2-p)보다 낮은 밴드갭을 갖는 물질, 예를 들어 InGaAs로 형성된다.
그리고 제3 윈도우층(WD3)과 제3 후면 전계층(BSF3)은 제3 베이스층(PV3-n)과 제3 에미터층(PV3-p)보다 높은 밴드갭을 갖는 물질, 예를 들어 AlInGaAs로 형성될 수 있다.
제2 터널층(TRJ2)은 p형 불순물이 제2 후면 전계층(BSF2)보다 고농도로 도핑된 p+형 GaAs로 형성되며 제2 후면 전계층(BSF2)과 접촉하는 제3 층(TRJ2-1)과, n형 불순물이 제3 윈도우층(WD3)보다 고농도로 도핑된 GaAs로 이루어지며 제3 층(TRJ2-1)의 후면에 위치하는 제4 층(TRJ2-2)을 포함할 수 있다.
그리고 후면 콘택층(BC)은 후면 전극(200)의 오믹 콘택을 위해 형성하는 것이므로, 삼중 접합 구조의 화합물 반도체 태양전지에서는 후면 콘택층(BC)이 제3 후면 전계층(BSF3)과 후면 전극(200) 사이에 위치한다.
이상에서는 다중 접합 구조가 이중 접합 또는 삼중 접합 구조인 경우를 예로 들어 설명하였지만, 사중 접합 구조 이상의 다중 접합 구조를 갖는 화합물 반도체 태양전지도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
이와 같이, 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.
PV1 내지 PV3: 광 흡수층 WD1 내지 WD3: 윈도우층
FC: 전면 콘택층 BC: 후면 콘택층
BSF1 내지 BSF3: 후면 전계층 TRJ1 내지 TRJ2: 터널층
G: 변성층 100: 전면 전극
200: 후면 전극

Claims (20)

  1. GaInP 기반의 화합물 반도체로 형성되는 제1 베이스층, 상기 제1 베이스층과 pn 접합을 형성하는 제1 에미터층, 상기 제1 베이스층 또는 상기 제1 에미터층의 전면에 위치하는 제1 윈도우층, 및 상기 제1 에미터층 또는 상기 제1 베이스층의 후면에 위치하는 제1 후면 전계층을 포함하는 제1 셀;
    상기 제1 후면 전계층의 후면에 위치하는 후면 전극;
    상기 제1 후면 전계층과 상기 후면 전극 사이에 위치하여 상기 후면 전극과 직접 접촉하고, 100nm 내지 300nm의 두께로 형성되며, 상기 후면 전극과 오믹 콘택을 형성하는 후면 콘택층
    을 구비하며,
    상기 제1 셀의 상기 제1 윈도우층은 4성분계 Ⅲ-V족 화합물 반도체로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 윈도우층은 AlxGa1 - xInP로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  3. 제2항에서,
    상기 X는 0.45 내지 0.7인 화합물 반도체 태양전지.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 윈도우층은 20 내지 35nm의 두께로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  5. 제3항에서,
    상기 제1 후면 전계층은 상기 제1 윈도우층과 동일한 물질로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 후면 전계층은 상기 제1 윈도우층보다 두껍게 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 후면 전계층은 50 내지 100nm의 두께로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 에미터층은 상기 제1 베이스층과 동종 접합 또는 이종 접합을 형성하는 화합물 반도체 태양전지.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 베이스층과 상기 제1 윈도우층은 Si, Se 및 Te 중에서 선택된 적어도 하나의 n형 불순물로 각각 도핑되고, 상기 제1 에미터층과 상기 제1 후면 전계층은 Zn을 포함하는 p형 불순물로 각각 도핑되는 화합물 반도체 태양전지.
  10. 제8항에서,
    상기 제1 셀의 후면에 위치하는 제2 셀을 더 포함하고,
    상기 제2 셀은 GaAs 기반의 화합물 반도체로 형성되는 제2 베이스층, 상기 제2 베이스층과 pn 접합을 형성하는 제2 에미터층, 제2 윈도우층 및 제2 후면 전계층을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  11. 제10항에서,
    상기 제2 윈도우층과 상기 제2 후면 전계층은 GaInP로 각각 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  12. 제11항에서,
    상기 제2 베이스층과 상기 제2 윈도우층은 Si, Se 및 Te 중에서 선택된 적어도 하나의 n형 불순물로 각각 도핑되고, 상기 제2 에미터층과 상기 제2 후면 전계층은 Zn을 포함하는 p형 불순물로 각각 도핑되는 화합물 반도체 태양전지.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 셀과 상기 제2 셀 사이에는 제1 터널층이 위치하는 화합물 반도체 태양전지.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 터널층은 p형 불순물이 상기 제1 후면 전계층보다 고농도로 도핑된 AlGaAs로 이루어지며 상기 제1 후면 전계층과 접촉하는 제1 층과, n형 불순물이 상기 제2 윈도우층보다 고농도로 도핑된 GaInP로 이루어지며 상기 제2 윈도우층과 접촉하는 제2 층을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  15. 제14항에서,
    상기 제2 셀의 후면에 위치하는 제3 셀을 더 포함하고,
    상기 제3 셀은 GaAs 기반의 화합물 반도체로 형성되는 제3 베이스층, 상기 제3 베이스층과 pn 접합을 형성하는 제3 에미터층, 제3 윈도우층 및 제3 후면 전계층을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  16. 제15항에서,
    상기 제3 윈도우층과 상기 제3 후면 전계층은 AlInGaAs로 각각 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  17. 제16항에서,
    상기 제3 베이스층과 상기 제3 윈도우층은 Si, Se 및 Te 중에서 선택된 적어도 하나의 n형 불순물로 각각 도핑되고, 상기 제3 에미터층과 상기 제3 후면 전계층은 Zn을 포함하는 p형 불순물로 각각 도핑되는 화합물 반도체 태양전지.
  18. 제17항에서,
    상기 제2 셀과 상기 제3 셀 사이에는 제2 터널층이 위치하는 화합물 반도체 태양전지.
  19. 제18항에서,
    상기 제2 터널층은 p형 불순물이 상기 제2 후면 전계층보다 고농도로 도핑된 GaAs로 이루어지며 상기 제2 후면 전계층과 접촉하는 제3 층과, n형 불순물이 상기 제3 윈도우층보다 고농도로 도핑된 GaAs로 이루어지며 상기 제3 층의 후면에 위치하는 제4 층을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  20. 제19항에서,
    상기 제2 터널층과 상기 제3 셀 사이에는 변성층이 위치하는 화합물 반도체 태양전지.
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