KR102447410B1 - 광기전력 소자를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 육방 조밀 격자 구조(Hexagonal Close-Packed Lattice Structure)를 가지는 도전성 윈도우(Conductive Window);로서, 빛이 입사되는 측에 빛을 산란시키는 거친 표면을 가지며, 제1 밴드갭 에너지를 가지는 도전성 윈도우; 도전성 윈도우 상에 형성되며, 입사된 빛을 전기 에너지로 전환하고, 제1 밴드갭 에너지보다 작은 밴드갭 에너지를 가지면서 도전성 윈도우를 구성하는 물질과 다른 이종 물질로 된 광 흡수 영역을 가지는 셀 영역; 그리고, 셀 영역을 기준으로 도전성 윈도우의 반대 측에서 입사된 빛을 셀 영역으로 반사하는 반사층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자에 관한 것이다.

Description

광기전력 소자를 제조하는 방법{METHOD OF MANUFACTURING A PHOTOVOLTAIC DECIVE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 광기전력 소자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 기존 유리 기판 및/또는 투광성 전도 산화막(TCO)의 문제점을 개선한 광기전력 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
여기서, 광기전력 소자는 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하는 솔라셀과 같은 소자를 일컫는다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 광기전력 소자의 예를 나타내는 도면으로서, 좌측 상단에, a-Si(amorphous-Silicon; 비결정질 실리콘)을 구성 물질로 하는 솔라셀이, 좌측 하단에, CdTe를 구성 물질로 하는 솔라셀이, 우측에 CuInGaSe2(CIGS)를 구성 물질로 하는 솔라셀이 예시되어 있다. 도 1에서, a-Si 솔라셀과 CdTe 솔라셀은 기판(100)으로부터 빛이 입사되는 수퍼스트레이트(Superstrate) 구조로 되어 있으며, CIGS 솔라셀은 기판(100)의 반대 측에서 빛이 입사되는 서브스트레이트(Substrate) 구조로 되어 있다. a-Si 솔라셀은 글라스로 된 기판(100), TCO(Transparent Conductive Oxide; 예: SnO2)로 된 전극(200), p층(301; 예: p-SiC), 광 흡수 영역으로서 i층(302; 예: i-a-Si), n층(303; 예: n-a-Si), 반사층(401) 그리고, 전극(402) 등으로 구성될 수 있다. CdTe 솔라셀은 글라스로 된 기판(100), TCO(Transparent Conductive Oxide; 예: SnO2)로 된 전극(200), n층(303; 예: CdS), p층(301; 예: p-CdTe), 버퍼층(404) 그리고, 전극(402) 등으로 구성될 수 있다. CIGS 솔라셀은 글라스로 된 기판(100), 전극(200; 예: Mo), p층(301; 예: p-CuInGaSe2), n층(303; 예: n-CdS), 버퍼층(404; 예: ZnO) 그리고, 전극(402) 등으로 구성될 수 있다.
도 2는 종래의 광기전력 소자의 다른 예들을 나타내는 도면으로서, 하나의 소자 내에 복수의 셀 영역(310,320,330)이 구비되어 있다(예: 미국 등록특허공보 제5,407,491호). 빛이 소자의 위쪽으로부터 입사될 때 상측에 위치하는 셀 영역(310), 중간에 위치하는 셀 영역(320), 하측에 위치하는 셀 영역(330) 순으로, 위에서부터 큰 밴드갭 에너지를 가지도록 구성되어 광기전력 소자의 전환 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 여러 반도체 물질의 밴드갭 에너지는 다음과 같다(InN: 0.6eV, Ge: 0.65eV, Cu(In,Ga)Se2: 1.04-1.67eV, c-Si: 1.12eV InGaAs: 1.2eV, InP: 1.35eV, GaAs: 1.4eV, CdTe; 1.45eV, InGaP: 1.86eV, GaP: 2.25eV, ZeSe: 2.7eV, ZnO: 3.37eV, GaN: 3.4eV).
도 1 및 도 2에서와 같이, 다양한 밴드갭 에너지를 가지는 하나의 셀 영역 또는 복수의 셀 영역을 가지는 광기전력 소자가 제시되고 있지만, 기판(100)으로 주로 글라스 기판이 이용되고 있다. 그러나 글라스로 된 기판(100)은 고온 성장에 적합하지 않아, 박막 솔라셀의 제조에 있어 주로 저온 성장에 적합한 방법들이 이용되고 있으며, 고온 성장을 이용하여 박막의 양질화를 도모하는 데는 한계가 있다.
도 3은 종래의 광기전력 소자의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 광기전력 소자는 기판(100), 전극(200), 빛을 전기 에너지로 전환하는 셀 영역(300), 그리고 전극(402)을 구비한다. 도 1에 도시된 광기전력 소자와 달리, 전극(200; 예: ZnO)에 거친 표면(201)이 형성되어 있다. 거친 표면(201)은 전극(200)의 형성 과정에서 형성되거나, 전극(200)의 형성 후 Surface Texturing 기술(예: Wet Etching 또는 Dry Etching)에 의해 형성될 수 있다. 거친 표면(200)을 구비함으로써, 입사되는 빛을 산란시켜 소자 내로의 광 흡수량을 증가시킬 수 있다. 그러나 거친 표면(201) 위에 셀 영역(300)이 형성되기 때문에, 다양한 양질의 반도체 물질을 거친 표면(201) 위에 성장시키기에는 많은 제약(Shunting path, pinholes, local depletion 등)이 따른다. 수퍼스트레이트(Superstrate) 구조의 광기전력 소자에 있어서, 전극(200)은 도전성이어야 하며, 투광성이어야 하고, 셀 영역(300) 형성의 기초(Base)가 되고, 양질의 거친 표면(201)을 형성할 수 있어야 한다. 그러나, 기존의 TCO를 이용한 전극(200)으로는 이러한 다양한 요구를 만족시키기 쉽지 않으며, 한편으로 그 아래에 높은 온도에서 견디지 못하는 글라스로 된 기판(100)이 별도로 구비됨으로써, 셀 영역(300)을 고온 성장 기법으로 형성하기에는 제약이 따른다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 육방 조밀 격자 구조(Hexagonal Close-Packed Lattice Structure)를 가지는 도전성 윈도우(Conductive Window);로서, 빛이 입사되는 측에 빛을 산란시키는 거친 표면을 가지며, 제1 밴드갭 에너지를 가지는 도전성 윈도우; 도전성 윈도우 상에 형성되며, 입사된 빛을 전기 에너지로 전환하고, 제1 밴드갭 에너지보다 작은 밴드갭 에너지를 가지면서 도전성 윈도우를 구성하는 물질과 다른 이종 물질로 된 광 흡수 영역을 가지는 셀 영역; 그리고, 셀 영역을 기준으로 도전성 윈도우의 반대 측에서 입사된 빛을 셀 영역으로 반사하는 반사층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 광기전력 소자의 예를 나타내는 도면,
도 2는 종래의 광기전력 소자의 다른 예들을 나타내는 도면,
도 3은 종래의 광기전력 소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 4는 본 개시에 따른 광기전력 소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 육방 조밀 격자 구조를 가지는 물질에 형성된 거친 표면의 예를 나타내는 사진,
도 6은 본 개시에 따른 광기전력 소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 7 및 도 8은 본 개시에 따라 광기전력 소자를 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 4는 본 개시에 따른 광기전력 소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 광기전력 소자는 도전성 윈도우(23), 셀 영역(30), 그리고 반사층(41)을 포함한다. 도전성 윈도우(23)는 빛이 입사되는 측에 위치되며, 빛을 산란시키는 거친 표면(21)을 가진다. 도 3에 도시된 광기전력 소자와 달리, 거친 표면(21)이 셀 영역(30) 측이 아니라 소자의 외측에 형성되어 있어, 거친 표면(21)의 형성이 셀 영역(30)의 형성과 독립적으로 제어될 수 있는 이점을 가진다. 본 개시에 있어서, 거친 표면(31)이 형성되는 도전성 윈도우(23)는 육방 조밀 격자 구조를 가지는 물질로 이루어진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 육방 조밀 격자 구조를 가지는 물질(예: GaN, ZnO)을 표면 텍스쳐링(Surface Texturing; 예: Wet Etching)한 표면은 피라미드 형상을 가지는 매우 규칙적인 돌기들로 이루어져 산란에 매우 유리한 거친 표면(21)을 형성한다. 기판(10)이 제거되고 노출되는 N-face GaN은 습식 식각이 잘 되며, 도시와 같이 양질의 거친 표면(21)을 제공한다. 도전성 윈도우(23)를, 도 3 내지 도 4에서와 같이, 표면 텍스쳐링하는 기술 자체는 당업자에게 이미 잘 알려져 있다. 육방 조밀 격자 구조를 가지는 대표적인 물질로서, GaN계 화합물 반도체(즉, AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)로 표현되는 3족 질화물 반도체)와 ZnO계 산화물(예: ZnO, MgZnO)을 들 수 있다. 상세한 제조 방법은 후술하겠지만, 도전성 윈도우(23)는 기판(10) 위에 형성되며, 기판(10)은 광기전력 소자의 다른 요소들이 형성된 후에, 레이저 리프트-오프법, 기계적 연마, 습식 식각 등의 방법으로 도전성 윈도우(23)로부터 제거된다. 기판(10)은 예를 들어, 사파이어, SiC, Si, Ge, SiGe, GaAs 등으로 이루어질 수 있으며, 도전성 윈도우(23)의 형성이 가능하다면 특별히 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 녹는점이 높은 물질로 이루어지는 것이 바람직하다(예: 사파이어). 셀 영역(30)은 도전성 윈도우(23) 상에 형성되며, 도전성 윈도우(23)를 통해 입사된 빛을 전기 에너지로 전환한다. 셀 영역(30)은 광 흡수 영역(32)을 가지며, 광 흡수 영역(32)은 셀 영역(30) 내에서 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)에 의해 빛의 전기 에너지로 전환이 실제로 일어나는 영역이다. 바람직하게는 광 흡수 영역(32)은 셀 영역(30)을 n층, i층, p층, 즉 P-I-N 구조로 하여 만들어진다. 그러나, p층과 n층을 구비하여 이 사이의 공핍 영역을 광 흡수 영역(32)로 이용하거나, 도전성 윈도우(23)와 다른 도전성을 가지는 단일의 층을 셀 영역(30)으로 구성하여, 도전성 윈도우(23)와 셀 영역(30) 사이의 공핍 영역을 광 흡수 영역(32)으로 이용하는 것이 이론적으로 가능하다. 또한 이들 사이에 i층이 더 구비되어도 좋다. 즉, 광 흡수 영역(32)은 광기전력 소자 분야에서 통용되는 어떠한 방법에 의해서도 만들어질 수 있다. 도전성 윈도우(23)는 입사된 광이 광 흡수 영역(32)에 이르는 것을 방해하지 않도록 광 흡수 영역(32)보다 큰 밴드갭 에너지를 가지는 물질로 구성된다. 예를 들어, 도전성 윈도우(23)가 n형 GaN으로 이루어질 때, 광 흡수 영역(32)은 Si, Ge, CdTe, CuInGaSe2, AlGaInAs, AlGaInP, 그룹 3족 원소-(As, P, N) 화합물 등으로 이루어질 수 있다. 반사층(41)은 셀 영역(30)을 기준으로 도전성 윈도우(23)의 반대 측에 형성되며, 소자 내로 입사된 빛을 셀 영역(30)으로 반사한다. 예를 들어 반사층(41)은 Ag, Al, Au, Pt, Ni, Mo, Cu, Cr, Ti, TiW, DBR(Distributed Bragg Reflector), ODR(Omni-Directional Reflector) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 또한 반사층(41)과 셀 영역(30) 사이에 ITO, IO, TO, ZnO, ZITO, SiO2, TiN와 같은 투광성 막을 추가하는 것도 가능하다. 필요에 따라, 전극(22), 지지 기판(40), 전극(42)이 더 구비될 수 있으며, 지지 기판(40)은 본딩층(43)에 의해 결할될 수 있다. 지지 기판(40)은 기판(10)의 제거 과정 및 제거 후에 광기전력 소자를 지지하는 역할을 한다. 예를 들어, 본딩층(43)은 Au, Ni, Pd, Pt, Cu, Ti, W, Cr, CrN, TiW, Sn, In, Zn 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 지지 기판(40)은 휨이 없는(rigid) 형태 또는 휨이 가능한(flexible) 형태로 구성될 수 있으며, Sapphire, Si, Refractory Metal(Mo, V, Ti, Cr 등), 글라스, Polyimide, 일반 유기물 등으로 구성될 수 있다. 광 흡수 영역(30)은 화학증기증착법(CVD; 예: MOCVD, ALD, PECVD)으로 형성가능하며, 또한 물리증기증착법(PVD; 예: 열 또는 이빔 증착법(Evaporator), 스퍼터링(Sputtering))으로도 형성이 가능하다. 또한 필요에 따라, 투명하고(Transparent), 전기가 통하는(Conducting) 산화물(TCO; ITO, SnO2, In2O3, InZnO, etc) 또는 질화물(TCN; TiN, etc) 또는 산화질화물(TCON, ITON, etc)을 우선 형성하고 Si 등의 셀 영역(30) 물질을 형성하는 것도 가능하다.
도 6은 본 개시에 따른 광기전력 소자의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 광 기전력 소자는 두 개의 셀 영역(30A,30B)을 구비한다. 2개 이상의 셀 영역을 구비할 수 있음을 물론이다. 미설명 부호 35는 터널 정션(Tunnel Junction)층이다. 도전성 윈도우(23), 셀 영역(30A), 셀 영역(30B)으로 갈수록 작은 밴드갭 에너지를 가지는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 7 및 도 8은 본 개시에 따라 광기전력 소자를 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 먼저 (a)에서와 같이, 기판(10) 상에 도전성 윈도우(23)를 형성한다. 예를 들어, 사파이어로 된 기판(10) 위에, MOCVD법을 이용하여, 500℃ 전후의 온도에서 GaN 버퍼층을 형성한 다음, 1000℃ 전후의 온도에서 도핑되지 않은 GaN층을 형성한 다음, Si으로 도핑된 GaN층을 형성하여 도전성 윈도우(23)를 형성할 수 있다.
다음으로, (b)에서와 같이, 선택된 물질에 따르는 주지의 방법으로 셀 영역(30)을 형성한 다음, 반사층(41)을 형성한다. 별도로 전극(42)을 구비한 지지 기판(40)을 준비하고(전극(42)은 웨이퍼 본딩 후에 형성되거나, 생략될 수 있다.), 지지 기판(40)과 반사층(41) 중 적어도 일측에 본딩층(43)을 구성하는 물질을 형성한 다음 이들을 접합한다. 다음으로, (c)에서와 같이, 기판(10)을 제거한다. 사파이어, SiC와 같이 투명한 기판(10)이 사용되는 경우에는 레이저 리프트-오프법에 의해 기판(10)을 제거할 수 있으며(습식 식각 또는 기계적 연만에 의해 제거도 가능), Si,Ge, SiGe, GaAs와 같은 불투명한 기판(10)의 경우에 습식 식각을 통해 제거할 수 있다. 마지막으로, (d)에서와 같이, 거친 표면(21)을 형성하고, 전극(22)을 형성한다. 거친 표면(21)은 습식 식각, 건식 식각, 기계적 연마 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는 염기성 에천트(예: KOH, NaOH)를 이용하여 도 5에서와 같은 거친 표면(21)을 형성하는 것이 가능하다. 전극(22)은 Ti/Ni/Au의 적층으로 형성하는 것이 가능하다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 육방 조밀 격자 구조(Hexagonal Close-Packed Lattice Structure)를 가지는 도전성 윈도우(Conductive Window);로서, 빛이 입사되는 측에 빛을 산란시키는 거친 표면을 가지며, 제1 밴드갭 에너지를 가지는 도전성 윈도우; 도전성 윈도우 상에 형성되며, 입사된 빛을 전기 에너지로 전환하고, 제1 밴드갭 에너지보다 작은 밴드갭 에너지를 가지면서 도전성 윈도우를 구성하는 물질과 다른 이종 물질로 된 광 흡수 영역을 가지는 셀 영역; 그리고, 셀 영역을 기준으로 도전성 윈도우의 반대 측에서 입사된 빛을 셀 영역으로 반사하는 반사층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자. 여기서, 윈도우는 빛이 들어오는 입구를 의미한다. 도전성 윈도우가 하나의 물질 조성으로 된 층일 때, 제1 밴드갭 에너지는 단일의 값을 가지지만, 도전성 윈도우가 복수의 물질 조성으로 된 층일 때, 제1 밴드갭 에너지는 각각의 밴드갭 에너지의 평균값으로 정의될 수 있다. '도전성 윈도우를 구성하는 물질과 다른 이종 물질'이라는 것은, 예를 들어, 도전성 윈도우가 GaN계 화합물 반도체로 이루어질 때 GaN계 화합물 반도체(AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)가 아닌 물질로 광 흡수 영역이 이루어짐을 의미한다.
(2) 제1 밴드갭 에너지는 3eV보다 큰 것을 특징으로 하는 광기전력 소자. GaN계 화합물 반도체, ZnO계 산화물 및 MgO계 산화물이 이러한 조건을 만족할 수 있다. 3eV 이상의 밴드갭 에너지를 가짐으로써, 태양으로부터 대부분의 빛을 흡수 또는 반사시키지 않고 셀 영역으로 안내할 수 있게 된다. 또한 큰 밴드갭 에너지를 가지는 물질이 높은 녹는점을 가지는 것이 일반적이므로, 3eV이상의 밴드갭 에너지를 가지는 도전성 윈도우를 셀 영역을 형성하는 기초(base)로 사용함으로써, 고온 및 저온에서 적용가능한 다양한 셀 영역 형성 기법(PECVD법, MOCVD법, MBE법, HVPE법, Sputtering, Evaporator 등)을 사용할 수 있게 된다.
(3) 광 흡수 영역의 밴드갭 에너지는 2eV이하인 것을 특징으로 하는 광기전력 소자. 이러한 구성을 통해 Si과 같은 물질을 광 흡수 영역으로 사용할 수 있다.
(4) 셀 영역은 실리콘(Si)을 함유하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
(5) 셀 영역은 그룹 3족-비소(As)으로 결합된 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
(6) 셀 영역은 그룹 3족-인(P)으로 결합된 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
(7) 셀 영역은 Cu-In-Ga-S(Se)으로 결합된 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
(8) 도전성 윈도우는 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하는 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자(예: ZnO, MgZnO, MgO).
(9) 셀 영역은 염료감응형 다이(Dye)와 같은 유기물로 이루어질 수 있다.
본 개시에 따른 하나의 광기전력 소자에 의하면, 기존 유리 기판 및/또는 투광성 전도 산화막(TCO)의 사용에 따른 문제점을 개선할 수 있게 된다.
본 개시에 따른 다른 하나의 광기전력 소자에 의하면, 셀 영역을 고온에서 성장할 수 있는 기판(substrate) 내지 기초(base)를 제공할 수 있게 된다.
본 개시에 따른 또 다른 하나의 광기전력 소자에 의하면, Shunting path, pinholes, local depletion 등의 문제점 해소할 수 있는 거친 표면을 구비한 광기전력 소자를 만들 수 있게 된다.
100: 기판, 200: 전극, 300: 셀 영역, 402: 전극

Claims (1)

  1. 육방 조밀 격자 구조(Hexagonal Close-Packed Lattice Structure)를 가지는 도전성 윈도우(Conductive Window);로서, 빛이 입사되는 측에 빛을 산란시키는 거친 표면을 가지며, 제1 밴드갭 에너지를 가지는 도전성 윈도우; 도전성 윈도우 상에 형성되며, 입사된 빛을 전기 에너지로 전환하고, 제1 밴드갭 에너지보다 작은 밴드갭 에너지를 가지면서 도전성 윈도우를 구성하는 물질과 다른 이종 물질로 된 광 흡수 영역을 가지는 셀 영역; 그리고, 셀 영역을 기준으로 도전성 윈도우의 반대 측에서 입사된 빛을 셀 영역으로 반사하는 반사층;을 포함하며, 셀 영역을 기준으로 반사층의 반대 측에 위치하는 도전성 윈도우가 빛이 입사되는 측에 구비되는 광기전력 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    기판 상에 도전성 윈도우를 형성하는 단계;
    도전성 윈도우 상에 셀 영역을 형성하는 단계;
    셀 영역 상에 반사층을 형성하는 단계;
    기판을 제거하여 도전성 윈도우를 노출하는 단계; 그리고,
    도전성 윈도우에 거친 표면을 형성하는 단계;로서, 거친 표면의 형성이 셀 영역의 형성과 독립적으로 제어될 수 있도록 셀 영역의 반대 측에 거친 표면을 형성하는 단계;를 포함하는 광기전력 소자를 제조하는 방법.
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