KR102179339B1 - 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 반도체층; 상기 화합물 반도체층의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전극; 상기 화합물 반도체층의 빈 공간에 채워지며, 상기 후면 전극과 물리적으로 연결되는 결함부; 및 상기 결함부의 주위를 둘러싸며, 상기 화합물 반도체층이 제거되어 형성된 폐쇄형(enclosed type) 절연부를 포함하고, 상기 폐쇄형 절연부의 내측 공간에 위치하며 상기 결함부와 직접 접촉하는 화합물 반도체층은 상기 폐쇄형 절연부의 외측 공간에 위치하는 화합물 반도체층과 상기 폐쇄형 절연부에 의해 물리적으로 이격된다.
본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는, 화합물 반도체층; 상기 화합물 반도체층의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전극; 상기 화합물 반도체층의 빈 공간에 채워지며, 상기 후면 전극과 물리적으로 연결되는 결함부; 및 상기 결함부의 주위를 둘러싸며, 상기 화합물 반도체층이 제거되어 형성된 폐쇄형(enclosed type) 절연부를 포함하고, 상기 폐쇄형 절연부의 내측 공간에 위치하며 상기 결함부와 직접 접촉하는 화합물 반도체층은 상기 폐쇄형 절연부의 외측 공간에 위치하는 화합물 반도체층과 상기 폐쇄형 절연부에 의해 물리적으로 이격된다.
Description
본 발명은 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화합물 반도체 태양전지를 제조할 때 형성되는 결함부를 효과적으로 절연시킬 수 있는 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 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 등을 사용하여 다양한 층들을 형성하고 있다.
화합물 반도체로 형성되는 다양한 층들은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법 또는 에피택셜층을 형성하기 위한 임의의 다른 적절한 방법에 의해 형성되는데, 화합물 반도체층을 형성할 때에는 화합물 반도체층 형성 장비, 예를 들어 MOCVD(metalorganic chemical vapour deposition)의 챔버 내에서 유입되는 파티클(particle)로 인해 기판 분리 후 화합물 반도체층에 빈 공간이 형성된다.
따라서, 기판 분리 후에 화합물 반도체층에 후면 전극을 형성하면, 후면 전극을 형성하는 전극 형성 물질(이하, "결함부"라고 함)이 화합물 반도체층의 빈 공간에 채워지고, 이에 따라 결함부가 화합물 반도체층의 측면과 전기적으로 연결되어 누설 전류가 발생하며, 이로 인해 화합물 반도체 태양전지의 효율이 저하한다.
따라서, 화합물 반도체 태양전지를 제조할 때에는 파티클로 인해 형성된 결함부를 효과적으로 절연(isolation)시킬 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 화합물 반도체 태양전지를 제조할 때 형성되는 결함부를 효과적으로 절연시킬 수 있는 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는, 화합물 반도체층; 상기 화합물 반도체층의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전극; 상기 화합물 반도체층의 빈 공간에 채워지며, 상기 후면 전극과 물리적으로 연결되는 결함부; 및 상기 결함부의 주위를 둘러싸며, 상기 화합물 반도체층이 제거되어 형성된 폐쇄형(enclosed type) 절연부를 포함하고, 상기 폐쇄형 절연부의 내측 공간에 위치하며 상기 결함부와 직접 접촉하는 화합물 반도체층은 상기 폐쇄형 절연부의 외측 공간에 위치하는 화합물 반도체층과 상기 폐쇄형 절연부에 의해 물리적으로 이격된다.
상기 폐쇄형 절연부의 선폭은 1㎛ 이하로 형성될 수 있다.
상기 폐쇄형 절연부는 원형, 타원형 또는 다각형 중 적어도 하나의 평면 형상으로 형성될 수 있다.
한 예로, 상기 폐쇄형 절연부는 원형의 평면 형상으로 형성될 수 있으며, 원형의 평면 형상으로 형성된 상기 폐쇄형 절연부 20㎛ 내지 300㎛의 지름(diameter)으로 형성될 수 있다.
다른 예로, 상기 폐쇄형 절연부는 사각형의 평면 형상으로 형성될 수 있으며, 사각형의 평면 형상으로 형성된 상기 폐쇄형 절연부는 각 변의 길이가 20㎛ 내지 300㎛로 형성될 수 있다.
상기 폐쇄형 절연부는 적어도 2개가 구비될 수 있으며, 상기 적어도 2개의 폐쇄형 절연부의 평면 형상은 서로 동일하게 형성되나, 서로 다르게 형성될 수 있다.
상기 결함부는 상기 후면 전극과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있다.
이러한 구성의 화합물 반도체는, 화합물 반도체층의 빈 공간에 채워지며 후면 전극과 물리적으로 연결되는 결함부를 구비한 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 있어서, 상기 결함부의 주위의 화합물 반도체층에 레이저를 조사하여 상기 결함부의 주위를 둘러싸는 폐쇄형(enclosed type) 절연부를 형성하는 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
상기 폐쇄형 절연부는 상기 결함부의 주위에 있는 화합물 반도체층을 1㎛ 이하의 선폭으로 제거하여 형성할 수 있다.
상기 폐쇄형 절연부를 형성할 때, 상기 후면 전극은 제거하지 않을 수 있다.
상기 폐쇄형 절연부는 원형, 타원형 또는 다각형 중 적어도 하나의 평면 형상으로 형성할 수 있다.
상기 레이저로는 248nm, 355nm, 또는 532nm의 파장과 100kHz 내지 150kHz의 주파수를 갖는 펨토초(femto second) 레이저를 사용할 수 있다.
상기 레이저를 조사할 때, 상기 레이저 조사 부위에 불활성 가스를 공급할 수 있다.
상기 불활성 가스로 질소 또는 아르곤을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 따르면, 결함부를 효과적으로 절연시키면서도 빛 입사 면적의 감소를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 폐쇄형 절연부 형성 방법을 나타내는 공정도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 제조 방법에 의해 제조한 화합물 반도체 태양전지의 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시한 방법에 의해 형성한 폐쇄형 절연부의 다양한 평면 형상을 나타내는 사진이다.
도 5는 도 2에 도시한 방법에 의해 형성한 폐쇄형 절연부의 단면 형상을 나타내는 사진이다.
도 2는 도 1의 폐쇄형 절연부 형성 방법을 나타내는 공정도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 제조 방법에 의해 제조한 화합물 반도체 태양전지의 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시한 방법에 의해 형성한 폐쇄형 절연부의 다양한 평면 형상을 나타내는 사진이다.
도 5는 도 2에 도시한 방법에 의해 형성한 폐쇄형 절연부의 단면 형상을 나타내는 사진이다.
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 태양전지 및 이의 제조 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법을 나타내는 블록도이고, 도 2는 도 1의 폐쇄형 절연부 형성 방법을 나타내는 공정도이다.
그리고 도 3은 도 1 및 도 2의 제조 방법에 의해 제조한 화합물 반도체 태양전지의 사시도이고, 도 4는 도 2에 도시한 방법에 의해 형성한 폐쇄형 절연부의 다양한 평면 형상을 나타내는 사진이며, 도 5는 도 2에 도시한 방법에 의해 형성한 폐쇄형 절연부의 단면 형상을 나타내는 사진이다.
먼저, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 화합물 반도체 태양전지에 대해 설명한다.
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 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.
여기서, 후면 콘택층(50), 광 흡수층(PV), 윈도우층(10) 및 전면 콘택층(30)은 화합물 반도체층(CS)을 형성한다.
그리고 반사 방지막(40), 윈도우층(10), 전면 콘택층(30) 및 후면 콘택층(50) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 층들이 구비된 경우를 일례로 설명한다.
광 흡수층(PV)은 III-VI족 화합물 반도체를 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 기반의 화합물 반도체를 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, 화합물 반도체층(CS)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(20)에 인접한 영역에 위치하여 베이스(base)층으로 작용할 수 있으며, p형 반도체층(PV-p)은 n형 반도체층(PV-n) 바로 아래에서 후면 전극(60)에 인접한 영역에 위치하여 에미터(emitter)층으로 작용할 수 있다.
즉, n형 반도체층(PV-n)과 전면 전극(20) 사이의 간격은 p형 반도체층(PV-p)과 전면 전극 사이의 간격보다 작으며, n형 반도체층(PV-n)과 후면 전극(60) 사이의 간격은 p형 반도체층(PV-p)과 후면 전극(60) 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 후면 콘택층(50)을 통하여 후면 전극(60)으로 이동하고, 광 흡수층(PV)에서 생성된 전자는 윈도우층(10)과 전면 콘택층(30)을 통해 전면 전극(20)으로 이동한다.
이와 달리, p형 반도체층(PV-p)이 전면 전극(20)에 인접한 영역에 위치하고 n형 반도체층(PV-n)이 p형 반도체층(PV-p) 바로 아래에서 후면 전극(60)에 인접한 영역에 위치하는 경우, 광 흡수층(PV)에서 생성된 정공은 전면 콘택층(30)과 윈도우층(10)을 통하여 전면 전극(20)으로 이동하고, 광 흡수층(PV)에서 생성된 전자는 후면 콘택층(50)을 통하여 후면 전극(60)으로 이동한다.
화합물 반도체층(CS)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(10)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 3에 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.
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(10)은 광 흡수층(PV)과 전면 전극(20) 사이에 형성될 수 있으며, III-VI족 화합물 반도체에 제2 도전성 타입, 즉 n형의 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
그러나, p형 반도체층(PV-p)이 n형 반도체층(PV-n) 위에 위치하고 윈도우층(10)이 p형 반도체층(PV-p) 위에 위치하는 경우, 윈도우층(10)은 제1 도전성 타입, 즉 p형의 불순물을 포함할 수 있다.
하지만 윈도우층(10)은 n형 또는 p형의 불순물을 포함하지 않을 수도 있다.
윈도우층(10)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(10)은 캐리어가 광 흡수층(PV)의 표면에서 재결합하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 윈도우층(10)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(10)의 에너지 밴드갭을 광 흡수층의 에너지 밴드갭보다 높게 형성하기 위해, 윈도우층(10)은 알루미늄(Al)을 더 함유할 수 있다.
반사 방지막(40)은 윈도우층(10)의 전면 위 중에서 전면 전극(20) 및/또는 전면 콘택층(30)이 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역에 위치할 수 있다.
이와 달리, 반사 방지막(40)은 노출된 윈도우층(10) 뿐만 아니라, 전면 콘택층(30) 및 전면 전극(20) 위에 배치될 수도 있다.
이 경우, 도시하지는 않았지만 화합물 반도체 태양전지는 복수의 전면 전극(20)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(40)은 불화마그네슘, 황화아연, 티타늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전면 전극(20)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(20)은 전기 전도성 물질을 포함하여 형성될 수 있으며, 일례로 금속인 금(Au), 게르마늄(Ge), 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
윈도우층(10)과 전면 전극(20) 사이에 위치하는 전면 콘택층(30)은 III-VI족 화합물 반도체에 윈도우층(10)의 불순물 도핑농도보다 높은 도핑농도로 제2 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
전면 콘택층(30)은 윈도우층(10)과 전면 전극(20) 간에 오믹 콘택(ohmic contact)을 형성한다. 즉, 전면 전극(20)이 윈도우층(10)에 바로 접촉하는 경우, 윈도우층(10)의 불순물 도핑농도가 낮음으로 인해 전면 전극(20)과 광 흡수층(PV) 간의 오믹 콘택이 잘 형성되지 않는다. 따라서, 윈도우층(10)으로 이동한 캐리어가 전면 전극(20)으로 쉽게 이동하지 못하고 소멸될 수 있다.
그러나, 전면 전극(20)과 윈도우층(10) 사이에 전면 콘택층(30)이 형성된 경우, 전면 전극(20)과 오믹 콘택을 형성하는 전면 콘택층(30)에 의해 캐리어의 이동이 원활하게 이루어져 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)가 증가한다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전면 전극(20)과 오믹 콘택을 형성하기 위하여, 전면 콘택층(30)에 도핑된 제2 불순물의 도핑농도는 윈도우층(10)에 도핑된 제2 불순물의 도핑농도보다 더 높을 수 있다.
전면 콘택층(30)은 전면 전극(20)과 동일한 그리드 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 후면 콘택층(50)은 광 흡수층(PV)의 후면에 전체적으로 위치하며, III-VI족 화합물 반도체에 제1 도전성 타입의 불순물을 p형 반도체층(PV-p)보다 높은 도핑농도로 도핑하여 형성할 수 있다.
이러한 후면 콘택층(50)은 후면 전극(60)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(30)의 두께와 후면 콘택층(50)의 두께는 각각 100nm 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있으며, 일례로, 전면 콘택층(30)은 100nm의 두께로 형성되고 후면 콘택층(50)은 300nm의 두께로 형성될 수 있다.
그리고 후면 콘택층(50)의 후면 위에 위치하는 후면 전극(60)은 전면 전극(20)과는 다르게 후면 콘택층(50)의 후면에 전체적으로 위치하는 시트(Sheet) 형상의 도전체로 형성될 수 있다. 즉, 후면 전극(60)은 후면 콘택층(50)의 후면 전체에 위치하는 면 전극(sheet electrode)이라고도 말할 수 있다.
이때, 후면 전극(60)은 광 흡수층(PV)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 콘택층이 p형 불순물을 함유하는 경우, 후면 전극(60)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 콘택층과의 접촉 저항이 낮은 금(Au)으로 형성될 수 있다.
그리고, 후면 콘택층(150)이 n형 불순물을 함유하는 경우, 후면 전극(60)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 콘택층과의 접촉 저항이 낮은 팔라듐(Pd)/금(Au)으로 형성될 수 있다.
하지만, 상기 후면 전극을 형성하는 물질은 상기 물질들 중에서 적절하게 선택될 수 있으며, 특히, 후면 콘택층과의 접촉 저항이 낮은 물질들 중에서 적절하게 선택될 수 있다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지는 화합물 반도체층(CS)의 빈 공간에 채워진 결함부(70)와, 결함부(70)의 주위를 둘러싸며 화합물 반도체층(CS)이 제거되어 형성된 폐쇄형(enclosed type) 절연부(80)를 더 포함한다.
여기에서, "폐쇄형"은 평면 상에서 결함부(70)의 주위를 완벽하게 둘러싸도록 연결된 형상을 말한다.
결함부(70)는 화합물 반도체층(CS)의 후면으로부터 화합물 반도체층(CS)을 통과하여 화합물 반도체층(CS)의 전면에서 돌출될 수 있으며, 후면 전극(60)과 동일한 금속 물질로 형성되어 후면 전극(60)과 물리적으로 연결된다.
도면의 간략화를 위해, 결함부(70)와 폐쇄형 절연부(80)는 도 2, 도 4 및 도 5에만 도시하였다. 하지만, 도 3에 도시한 화합물 반도체 태양전지가 상기 결함부(70)와 폐쇄형 절연부(80)를 구비하는 것은 자명하다.
폐쇄형 절연부(80)는 1㎛ 이하의 선폭(W)으로 형성된다. 따라서, 폐쇄형 절연부(80)의 내측 공간에 위치하며 결함부(70)와 직접 접촉하는 화합물 반도체층(CS1)은 폐쇄형 절연부(80)의 외측 공간에 위치하는 화합물 반도체층(CS2)과 폐쇄형 절연부(80)에 의해 물리적으로 이격되며, 화합물 반도체층(CS1)과 화합물 반도체층(CS2)간의 이격 거리는 폐쇄형 절연부(80)의 선폭(W)과 동일하다.
폐쇄형 절연부(80)는 도 4에 도시한 바와 같이 원형 또는 사각형 중 어느 하나의 평면 형상으로 형성될 수 있으며, 도시하지는 않았지만, 폐쇄형 절연부(80)가 타원형의 평면 형상, 또는 사각형 이외의 다각형의 평면 형상으로 형성될 수 있다.
폐쇄형 절연부(80)는 원형의 평면 형상으로 형성되는 경우, 원형의 평면 형상으로 형성된 폐쇄형 절연부 20㎛ 내지 300㎛의 지름(diameter)으로 형성될 수 있다.
그리고 폐쇄형 절연부(80)가 사각형의 평면 형상으로 형성되는 경우, 사각형의 평면 형상으로 형성된 폐쇄형 절연부는 4개의 변의 길이가 각각 20㎛ 내지 300㎛로 형성될 수 있다.
그리고 1개의 화합물 반도체 태양전지에는 적어도 2개의 폐쇄형 절연부(80)가 구비될 수 있으며, 이때, 적어도 2개의 폐쇄형 절연부(80)의 평면 형상은 서로 동일하게 형성되나, 서로 다르게 형성될 수 있다.
이하, 상기한 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 제조 방법은 크게, 모기판의 한쪽 면 위에 희생층을 형성하는 단계(S10); 상기 희생층 위에 화합물 반도체층을 형성하는 단계(S20); 상기 화합물 반도체층 위에 제1 라미네이션 필름을 부착하는 단계(S30); ELO 공정을 실시하여 상기 희생층을 제거함으로써, 상기 화합물 반도체층 및 상기 제1 라미네이션 필름을 상기 모기판으로부터 분리하는 단계(S40); 상기 제1 라미네이션 필름이 하부에 위치하도록 배치한 상태에서 상기 화합물 반도체층 위에 후면 전극을 형성하는 단계(S50); 상기 후면 전극 위에 제2 라미네이션 필름을 부착하는 단계(S60); 제2 라미네이션 필름이 하부에 위치하도록 배치한 상태에서 상기 제1 라미네이션 필름을 제거하는 단계(S70); 폐쇄형 절연부를 형성하는 단계(S80); 및 상기 화합물 반도체층 위에 전면 전극을 형성하는 단계(S90)를 포함한다.
이에 대해 보다 상세히 설명하면, 먼저, 광 흡수층(PV)이 형성되는 적절한 격자 구조를 제공하기 위한 베이스로 작용하는 모기판(mother substrate)의 한쪽 면에 희생층을 형성하고(S10), 희생층 위에 화합물 반도체층(CS)을 형성한다(S20).
희생층과 화합물 반도체층(CS)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법 또는 에피택셜층을 형성하기 위한 임의의 다른 적절한 방법에 의해 형성할 수 있다.
그리고 화합물 반도체층(CS)은 희생층 위에 후면 전계층, 후면 콘택층(50), 광 흡수층(PV), 윈도우층(10), 및 전면 콘택층(30)을 순차적으로 적층하는 레귤러 성장법(regular growth)에 의해 형성할 수 있다.
이어서, 상기 화합물 반도체층(CS) 위에 제1 라미네이션 필름을 부착한다(S30).
제1 라미네이션 필름은 지지 기판으로 작용하는 PET 필름 및 상기 PET 필름의 한쪽 면에 위치하며 접착제로 작용하는 EVA 필름으로 형성할 수 있다.
이때, PET 필름 및 EVA 필름의 두께를 각각 25㎛ 내지 75㎛의 두께로 형성하고, 제1 라미네이션 필름을 70℃ 내지 150℃의 온도에서 부착하면, ELO 공정을 실시할 때 제1 라미네이션 필름의 온도 저하로 인해 PET 필름이 응축되어 크게 변형되므로, ELO 공정을 실시하기 위한 시간을 단축할 수 있으며, 대면적의 화합물 반도체 태양전지의 생산성을 향상시킬 수 있다.
한 예로, PET 필름 및 EVA 필름의 두께를 각각 50㎛로 형성하고, 제1 라미네이션 필름을 100℃의 온도에서 부착할 수 있다.
다음으로, ELO 공정을 실시하여 희생층을 제거한다(S40).
ELO 공정에서는 불산(HF)을 식각 용액으로 사용할 수 있으며, ELO 공정을 실시하면, 상기 불산(HF)에 의해 희생층이 제거되므로, 화합물 반도체층(CS) 및 제1 라미네이션 필름을 모기판과 분리할 수 있으며, 상기 제1 라미네이션 필름의 변형으로 인해 분리 공정을 빠른 시간 내에 완료할 수 있다.
한편, ELO 공정을 실시하면, 화합물 반도체층(CS)을 형성하는 동안 화합물 반도체층 형성 장비, 예를 들어 MOCVD(metalorganic chemical vapour deposition)의 챔버 내에서 유입되는 파티클(particle)로 인해 화합물 반도체층(CS)에 빈 공간이 형성된다.
이어서, 제1 라미네이션 필름이 화합물 반도체층(CS)의 하부에 위치하도록 배치한 상태에서 제1 라미네이션 필름의 후면 위에 제1 캐리어 기판을 부착하고, 화합물 반도체층(CS) 위에 후면 전극(60)을 형성한다(S50).
후면 전극(60)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 형성할 수 있다.
후면 전극(60)을 형성하면, 화합물 반도체층(CS)의 내부에 형성된 빈 공간에도 전극 형성 물질이 채워져 결함부(70)가 형성되며, 결함부(70)는 후면 전극과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있다.
이어서, 후면 전극(60) 위에 제2 라미네이션 필름(110)을 부착한다(S70).
제2 라미네이션 필름(110)은 제1 라미네이션 필름과 동일한 구조로 형성할 수 있으며, 제1 라미네이션 필름과 동일한 방법으로 부착할 수 있다.
계속하여, 제2 라미네이션 필름(110) 위에 제2 캐리어 기판(120)을 부착한 상태에서 제2 캐리어 기판(120)이 하부를 향하도록 배치하고, 이후, 제1 캐리어 기판과 제1 라미네이션 필름을 제거한다(S70).
이어서, 폐쇄형 절연부(80)를 형성한다(S80).
폐쇄형 절연부(80)는 결함부(70) 주위의 화합물 반도체층(CS)에 레이저를 조사하여 화합물 반도체층(CS)을 1㎛ 이하의 선폭(W)으로 제거하는 것에 의해 형성할 수 있다.
폐쇄형 절연부(80)를 형성할 때, 후면 전극(60)은 제거하지 않고 화합물 반도체층(CS)만 제거하는 것이 바람직한데, 그 이유는 레이저에 의해 후면 전극(60)이 제거되면 후면 전극을 형성하는 전극 물질이 증발되면서 폐쇄형 절연부(80)에 노출된 화합물 반도체층(CS)의 측면에 재증착되고, 재증착된 전극 물질로 인해 결함부(70)의 절연(isolation)이 효과적으로 이루어지지 않기 때문이다.
폐쇄형 절연부(80)를 형성하면, 폐쇄형 절연부(80)의 내측 공간에 위치하며 결함부(70)와 직접 접촉하는 화합물 반도체층(CS1)은 폐쇄형 절연부(80)의 외측 공간에 위치하는 화합물 반도체층(CS2)과 폐쇄형 절연부(80)에 의해 물리적으로 이격되며, 화합물 반도체층(CS1)과 화합물 반도체층(CS2)간의 이격 거리는 폐쇄형 절연부(80)의 선폭(W)과 동일하다.
폐쇄형 절연부(80)는 원형, 타원형 또는 다각형 중 적어도 하나의 평면 형상으로 형성할 수 있으며, 폐쇄형 절연부(80)를 형성할 때에는 248nm, 355nm, 또는 532nm의 파장과 100kHz 내지 150kHz의 주파수를 갖는 펨토초(femto second) 레이저를 사용할 수 있다.
그리고 레이저를 조사하여 화합물 반도체층(CS)을 제거할 때, 가공 중 발생하는 반응물이 폐쇄형 절연부(80)에 노출된 화합물 반도체층(CS)의 측면에 재증착되는 것을 방지하기 위하여 레이저를 조사하는 동안 레이저 조사 부위에 불활성 가스, 예를 들어 질소 또는 아르곤을 공급하는 것이 바람직하다.
이어서, 화합물 반도체층(CS) 위에 전면 전극(20)을 형성한다(S90).
전면 전극(20)은 전면 전극을 형성하고자 하는 영역에만 금속을 증착하여 형성하거나, 전면 콘택층(30) 위에 전면 전극 물질을 증착한 후 패터닝하여 형성할 수 있다.
한편, 전면 전극(20)을 형성할 때, 결함부(70) 및 절연부(80)가 위치한 영역에는 전면 전극(20)을 형성하지 않을 수 있으며, 이 경우, 결함부(70) 및 절연부(80)가 위치한 영역을 지나는 전면 전극(20)은 결함부(70) 및 절연부(80)를 중심으로 제1 방향을 따라 서로 이격할 수 있다.
이후, 전면 전극(20)을 마스크(mask)로 사용하여 상기 전면 전극(20)에 의해 커버되지 않은 영역의 전면 콘택층(30)을 패터닝한 후, 제2 캐리어 기판과 제2 라미네이션 필름을 제거하여 도 3에 도시한 화합물 반도체 태양전지를 제조한다.
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.
10: 윈도우층 20: 전면 전극
30: 전면 콘택층 40: 반사 방지막
50: 후면 콘택층 60: 후면 전극
70: 결함부 80: 폐쇄형 절연부
PV: 광 흡수층
30: 전면 콘택층 40: 반사 방지막
50: 후면 콘택층 60: 후면 전극
70: 결함부 80: 폐쇄형 절연부
PV: 광 흡수층
Claims (13)
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- 모기판에 희생층을 형성하는 단계;
상기 희생층 위에 화합물 반도체층을 형성하는 단계;
상기 화합물 반도체층의 제1 면에 제1 라미네이션 필름을 부착하는 단계;
상기 희생층을 제거하여, 상기 화합물 반도체층 및 상기 제1 라미네이션 필름을 모기판으부터 분리하는 단계;
상기 분리된 제1 라미네이션 필름 상의 화합물 반도체층의 제2 면에 후면 전극을 형성하는 단계;
상기 후면 전극 상에 제2 라미네이션 필름을 부착하는 단계;
상기 제1 라미네이션 필름을 제거하는 단계;
상기 후면 전극으로부터 상기 화합물 반도체층 쪽으로 돌출되어 상기 화합물 반도체층의 내부에서 상기 화합물 반도체층과 접합된 결함부의 주위를 폐쇄형(enclosed type)으로 둘러싸는 폐쇄형 절연부를 형성하기 위해, 상기 결함부 주위의 상기 화합물 반도체층에 레이저를 조사하여 상기 레이저가 조사된 영역의 상기 화합물 반도체층을 제거하는 단계; 및
상기 화합물 반도체층의 상기 제1 면에 전면 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법. - 제7항에서,
상기 폐쇄형 절연부는 상기 결함부의 주위에 있는 화합물 반도체층을 1㎛ 이하의 선폭으로 제거하여 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법. - 제8항에서,
상기 폐쇄형 절연부를 형성할 때, 상기 후면 전극은 제거하지 않는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법. - 제9항에서,
상기 폐쇄형 절연부를 원형, 타원형 또는 다각형 중 적어도 하나의 평면 형상으로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법. - 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,
상기 레이저를 조사할 때, 상기 레이저 조사 부위에 불활성 가스를 공급하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법. - 제11항에서,
상기 불활성 가스로 질소 또는 아르곤을 사용하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법. - 제7항에서,
248nm, 355nm, 또는 532nm의 파장과 100kHz 내지 150kHz의 주파수를 갖는 펨토초(femto second) 레이저를 상기 결함부의 주위의 화합물 반도체층에 조사하여 상기 폐쇄형 절연부를 형성하되, 상기 폐쇄형 절연부가 상기 후면 전극의 일부를 노출하도록 하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
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