KR102472172B1 - 역 스트레인 층을 갖는 다중접합 태양전지 - Google Patents

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Abstract

역 스트레인 층을 갖는 다중접합 태양전지를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기판과 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 희생층, 제1 태양전지 셀, 제2 태양전지 셀, 제1 반도체층, 그레이딩층, 역 스트레인층, 윈도우층, 제3 태양전지셀 및 BSF층을 포함하며, 상기 역스트레인층은 격자 상수가 증가하다 감소하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지를 제공한다.

Description

역 스트레인 층을 갖는 다중접합 태양전지{Multi-Junction Solar Cell with Reverse Strain Layer}
본 실시예는 역 스트레인 층을 포함하여 벤딩을 최소화한 다중접합 태양전지에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
태양전지는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해서 태양광 에너지를 전기로 변환할 수 있는 장치이다. 태양전지는 하나 이상의 광서브셀(photovoltaic subcell) 또는 p-n 접합을 가질 수 있다. 다중접합 태양전지는 연속하여 모놀리식으로(monolithically) 연결되어 있는 하나 이상의 광서브셀을 가진다.
광발전시스템(photovoltaic system)에 의해 생성된 전력의 와트(watt)당 상대적으로 높은 비용은 지상 애플리케이션에서 널리 사용되는 것에 대한 장애가 된다. 증가된 효율은 일반적으로 시스템의 요구되는 파워 출력에 대해 관련 전기 생성 시스템 구성요소들의 감소를 낳기 때문에, 태양광(sunlight)의 전기로의 변환 효율은 지상의 PV 시스템들에 대해 매우 중요할 수 있다. 예를 들어, 태양전지 상으로 약 2 내지 2000 배까지 태양광을 집중시키는 집광식(concentrator) 태양전지 시스템에서, 전지 효율의 증가는 전형적으로 비싼 태양전지 및 집광 옵틱스(concentrating optics)를 포함하는 영역의 감소를 낳는다. 태양전지 효율의 향상은 시스템 레벨에서 진행되고 있으며, 와트당 비용은 시스템 레벨에서 적용되는 전형적인 성능 지수(figure-of-merit)이다.
이러한 태양전지의 전력 출력을 증가시키기 위해서, 상이한 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 층(layer)들이 적층되어, 각 층은 태양광에서의 넓은 에너지 분포의 상이한 부분을 흡수할 수 있다. 이 때, 층들은 모두 동일한 격자 구조를 가질 수도 있으나, 일부 층들은 나머지 층과는 상이한 격자구조를 갖는다. 상이한 격자구조를 갖는 층 간에는 직접 적층될 수 없기에, 격자 상수가 점진적으로 변경되는 그레이딩(Grading) 층이 형성된다.
이와 같은 그레이딩 층은 일반적으로 2.5㎛ 이상의 두께를 가져야 그 위에 성장하는 층이 양질로 성장할 수 있다. 그러나 태양전지 제조에 있어서, 에피의 성장온도는 650℃를 넘으며, 에피가 모두 성장한 후에는 다시 상온으로 내려간다. 이 과정에서 물질들의 열 팽창계수의 차이로 인해 기판 상에 성장한 태양전지 전체 구조가 휘어지는 문제가 발생한다. 이처럼 휘어진 태양전지는 기판에서 분리되어 플렉서블 시트 등 다른 구성에 본딩되기에 어려움이 존재한다.
본 발명의 일 실시예는, 역 스트레인 층을 포함하여 벤딩을 최소화함으로써 다른 구성에 본딩될 수 있는 다중접합 태양전지를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기판과 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 희생층, 제1 태양전지 셀, 제2 태양전지 셀, 제1 반도체층, 그레이딩층, 역 스트레인층, 윈도우층, 제3 태양전지셀 및 BSF층을 포함하며, 상기 역스트레인층은 격자 상수가 증가하다 감소하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 역 스트레인층은 GaInP로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 윈도우층은 n형 GaInP로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 에미터층은 n형 GaInAs로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 베이스층은 p형 GaInAs로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 역 스트레인층은 복수의 오버슈팅 층(Overshooting Layer)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기판과 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 희생층, 제1 태양전지 셀, 제2 태양전지 셀, 제1 반도체층, 그레이딩층, 역 스트레인층, 윈도우층, 제3 태양전지셀 및 BSF층을 포함하며, 상기 역스트레인층은 상기 그레이딩층 상에 적층되며 상기 그레이딩층보다 큰 격자상수를 갖는 제1 오버슈팅 층(Overshooting Layer), 상기 제1 오버슈팅층 상에 적층되며 상기 제1 오버슈팅층보다 더 큰 격자상수를 갖는 제2 오버슈팅층 및 상기 제2 오버슈팅층 상에 적층되며 상기 제2 오버슈팅층보다 작은 격자상수를 갖는 제3 오버슈팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 역 스트레인층은 GaInP로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 윈도우층은 n형 GaInP로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 에미터층은 n형 GaInAs로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 베이스층은 p형 GaInAs로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제3 오버슈팅층은 상기 제1 오버슈팅층과 동일한 격자상수를 갖는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 역 스트레인 층을 포함하여 벤딩이 최소화됨에 따라, 플렉서블 시트 등 다른 구성에 구성의 파손없이 용이하게 본딩될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지 내 각 층의 격자 상수와 에너지 밴드갭을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역 스트레인층을 도시한 도면이다.
도 4 및 5는 종래의 다중접합 태양전지의 두께 구조의 변화와 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지의 두께구조의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께와 격자상수 차이간 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께 및/또는 격자상수 차이의 변화에 따른 개방전압을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께 및/또는 격자상수 차이의 변화에 따른 발전효율을 도시한 그래프이다.
도 9은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 10 및 11은 종래의 다중접합 태양전지의 두께 구조의 변화와 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지의 두께구조의 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특성 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특성한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특성한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지(100)는 기판(110), 희생층(115), 제1 태양전지 셀(120), 제1 터널정션(125a), 제2 터널정션(125b), 제2 태양전지 셀(130), 제1 반도체층(140), 그레이딩 층(150), 역 스트레인층(160), 윈도우층(170), 에미터층(175), 베이스층(180), BSF층(185) 및 제3 터널정션(190)을 포함한다.
다중접합 태양전지(100)는 기판(110) 상에 각 층이 성장함에 있어, 에너지 밴드갭이 큰 물질로 구현된 층으로부터 작은 물질로 구현된 층이 성장하는 경향을 갖는다. 다중접합 태양전지(100)는 이처럼 에너지 밴드갭이 큰 층으로부터 작은 층으로 성장하는 역방향 변성 다중접합(IMM: Inverted Metamorphic Multi-junction) 구조를 갖는다. 이때, 기판으로부터 가장 먼 위치에 성장하는 태양전지 셀은 상대적으로 상당히 작은 에너지밴드갭을 가진다. 이에 전술한 태양전지 셀의 격자상수는 기판의 그것과는 상당한 차이를 가져, 기판(110) 상에 모든 층이 직접 성장하기는 곤란하다. 이에, 다중접합 태양전지(100)는 그레이딩층을 포함한다. 이때, 그레이딩층은 각 단위 그레이딩층의 두께와 각 단위 그레이딩층의 격자상수 차이를 조정함으로써, 다중접합 태양전지(100)가 그레이딩층을 포함하더라도 최적의 발전효율과 개방전압을 가질 수 있도록 한다.
또한, 다중접합 태양전지(100)는 각 층의 성장 과정에서 온도 변화에 따른 그레이딩층(150) 등의 벤딩(Bending)을 방지하기 위해 역 스트레인층(Reverse Strain Layer, 160)을 포함한다. 역 스트레인층(160)을 포함함으로써, 온도 변화로 인한 각 층의 벤딩이 최소화될 수 있다.
기판(110)은 다중접합 태양전지(100)의 나머지 구성이 적층될 수 있도록 한다. 기판(110)은 GaAs로 구현될 수 있다.
희생층(115)은 기판(110) 상에 적층되어, 기판(110)과 자신의 상단에 적층된 나머지 구조를 분리시킨다. 다중접합 태양전지(100) 내 구성이 모두 적층된 후, 자신의 상단에 적층된 나머지 구조가 다른 성분(예를 들어, 투명필름 또는 플렉서블 필름 등)과 결합되어야 할 때, 희생층(115)이 식각되며 나머지 구조를 기판(110)으로부터 분리시킨다.
제1 태양전지 셀(120)은 광을 흡수하여 전기를 생성한다. 제1 태양전지 셀(120)은 희생층(115) 상에 적층되며, GaInP로 구현된다. 제1 태양전지 셀(120)은 자신으로 인가되는 광을 흡수하여 전기를 생성한다.
제1 터널정션(125a)은 제1 태양전지 셀(120) 상에 적층되어, 자신의 상하에 위치한 각 태양전지 셀(120, 130) 간으로 전자가 통과할 수 있도록 한다.
제2 태양전지 셀(130)도 마찬가지로 광을 흡수하여 전기를 생성한다. 제2 태양전지 셀(130)은 제1 터널정션(125b) 상에 적층되며, GaAs로 구현된다.
제2 터널정션(125b)은 제2 태양전지 셀(130) 상에 적층되어, 자신의 상하에 위치한 태양전지 셀(130)이나 제1 반도체층(140) 간으로 전자가 통과할 수 있도록 한다.
제1 반도체층(140)은 제2 터널정션(125b) 상에 적층된다. 제1 반도체층(140)은 GaInP로 구현되어, 제1 태양전지 셀(120) 및 제2 태양전지 셀(130)과 동일한 격자 상수를 갖는다.
한편, 윈도우층(170)은 에미터층(175)의 하부에 배치되어, 에미터층(175)으로의 입사량을 상승시킨다. 윈도우층(170)이 존재하지 않을 경우, 광이 표면에서 반사되는 등 에미터층(175)으로 온전히 입사되지 못해 입사율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 에미터층(175)의 상부에 윈도우층(170)이 배치된다. 다만, 윈도우층(170)은 n형 GaInP로 구현되어, 제1 태양전지 셀(120), 제2 태양전지 셀(130) 및 제1 반도체층(140)과 다른 격자 상수를 갖는다. 이는 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지 내 각 층의 격자 상수와 에너지 밴드갭을 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 제1 태양전지 셀(120), 제2 태양전지 셀(130) 및 제1 반도체층(140)은 5.6 내지 5.7Å 사이의 동일한 격자 상수를 갖는다. 반면, 윈도우층(170)은 5.8Å 이상의 격자상수를 가져, 양자는 상이한 격자 상수를 갖는다. 제1 반도체층(140)과 윈도우층(170)은 동일한 성분으로 구현되나, 성분량에 있어서 차이를 갖는다. 제1 반도체층(140)은 Ga0.51In0.49P로 구현되는 반면, 윈도우층(170)은 Ga0.25In0.75P로 구현되어 양자는 서로 상이한 격자 상수를 갖는다.
다시 도 1을 참조하면, 이처럼 양 층(140, 170)이 서로 상이한 격자 상수를 가짐으로써 격자 부정합에 의한 스트레인을 줄이기 위해, 양 층(140, 170) 사이에 그레이딩층(150)과 역 스트레인층(160)이 형성된다. 그레이딩층(150)은 제1 반도체층(140) 상에 적층되어, 격자 상수를 점진적으로 가변함으로써 격자 부정합에 의한 스트레인을 최소화한다.
그레이딩층(150)은 기 설정된 두께로 구현되며, 기 설정된 개수의 단위 그레이딩층을 포함한다. 그레이딩층(150) 내 각 단위 그레이딩층은 균일하거나 그렇지 않은 두께를 가질 수 있으며, 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이는 균일하거나 그렇지 않을 수 있다. 이때, 그레이딩층(150)의 전체 두께(x), 기판의 격자상수 및 그레이딩층(150) 양단(상하에 적층된 각 층)의 격자상수 차이 간 비율(y) 및 각 단위 그레이딩층의 두께와 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이 중 적어도 하나의 균일도를 변화시키는 변수(a) 간에는 다음과 같은 수식을 만족한다.
y=x1/a
전술한 수식은 도 6에 도시된 그래프를 갖는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께와 격자상수 차이간 관계를 도시한 그래프이다. 도 8에 도시된 그래프는 그레이딩층(150)의 전체 두께가 1㎛인 것을, 그레이딩층(150) 내 단위 그레이딩층이 20개가 포함되었을 때의 그래프이다. 또한, 도 8은 기판의 격자상수가 5.653Å, 제1 반도체층의 격자상수가 5.763Å으로서, 격자 상수 비율(y)이 약 2%인 상황에서의 그래프이다. 다만, 이는 그레이딩층(150)의 일 예로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6을 참조하면, 두께와 격자상수 비율은 각각 단위 그레이딩층의 개수만큼 구분하여 계단식으로 증가한다. 이때, 변수(a)가 1일 경우, 두께와 격자상수 비율은 각 구간에서 균일하게 증가한다. 반면, 변수(a)가 1보다 작아질 경우, 격자상수 비율은 균일하게 증가하되 두께는 증가폭이 점점 작아지도록 변화한다. 반대로, 변수(a)가 1보다 클 경우, 격자상수 비율은 균일하게 증가하되 두께는 증가폭이 점점 증가하도록 변화한다. 이때, 변수가 기 설정된 범위 내로 설정될 경우, 각 단위 그레이딩층들의 두께와 격자상수는 변수에 따라 변화하며 다중접합 태양전지가 최적의 개방전압과 발전효율을 가질 수 있다. 변수에 따른 다중접합 태양전지의 개방전압과 발전효율 변화는 도 7 및 8에 도시되어 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께 및/또는 격자상수 차이의 변화에 따른 개방전압을 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께 및/또는 격자상수 차이의 변화에 따른 발전효율을 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 변수(a)가 증가할수록 개방전압은 증가하는 경향을 갖되, 변수(a)가 1.4 내지 1.8 범위 내에 있을 경우, 다중접합 태양전지(100)는 0.53V 이상의 개방전압을 가질 수 있다. 특히, 변수(a)가 1.55일 경우, 가장 높은 개방전압을 가질 수 있다. 다중접합 태양전지의 개방전압이 증가할수록, 태양전지가 더 많은 전압을 출력할 수 있다.
도 8을 참조하면, 마찬가지로, 변수(a)가 1.4 내지 1.8 범위 내에 있을 경우, 다중접합 태양전지(100)는 33.5% 이상의 발전효율을 가질 수 있다, 특히, 특히, 변수(a)가 1.55일 경우, 34% 이상의 높은 발전효율을 가질 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 변수(a)가 1.4 내지 1.8 범위 내의 값을 갖는 것이 바람직하기에, 그레이딩 층(150) 내 각 단위 그레이딩층의 격자상수 차이는 균일하게 가변되며, 그레이딩 층(150) 내 각 단위 그레이딩층의 두께는 균일하지 않고 점점 증가하도록 형성된다. 즉, 제1 반도체층(140)에 근접한 단위 그레이딩층은 상대적으로 얇은 두께를 가지며, 윈도우층(170)에 근접한 단위 그레이딩층은 상대적으로 두꺼운 두께를 가진다.
제1 반도체층(140)에 근접한 단위 그레이딩층이 지나치게 얇은 두께를 가질 경우, 오히려 발전효율과 개방전압이 떨어질 수 있다. 이에, 그레이딩층(150)은 각 단위 그레이딩층의 두께가 모두 균일한 상태를 기준으로, 1.4 내지 1.8배 만큼 불균일하게(윈도우층(170)에 근접할수록 두꺼워지도록) 형성된다.
여기서, 변수(a)는 단위 그레이딩층의 개수, 그레이딩층(150)의 두께 또는 격자 상수 비율(y) 변화에는 영향을 받지 않는다.
한편, 도 6에는 변수(a)의 변화에 따라 각 단위 그레이딩층의 두께의 균일도만이 가변되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 각 단위 그레이딩층의 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이간 균일도가 가변하거나 양자 모두의 균일도가 가변할 수 있다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 역 스트레인층(160)은 그레이딩 층(150) 상단에 적층되어, 제조 과정에서 열 팽창계수 차이로 인해 생기는 스트레인을 회복한다. 역 스트레인층(160)은 도 3에 구체적으로 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역 스트레인층을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역 스트레인층(160)은 제1 오버슈팅 층(Overshooting Layer, 310), 제2 오버슈팅 층(320) 및 제3 오버슈팅 층(330)을 포함한다.
제1 오버슈팅층(310)은 그레이딩층(150)의 최상단 단위 그레이딩층 상단에 적층된다. 제1 오버슈팅층(310)은 그레이딩층(150)의 최상단 단위 그레이딩층의 격자상수보다 큰 격자상수를 가진다. 제1 오버슈팅층(310)은 예를 들어, GaInP 성분으로 구현될 수 있으며, 그레이딩층(150)의 최상단 단위 그레이딩층보다 더 큰 격자상수를 갖는다. 제1 오버슈팅층(310)은 그레이딩층(150) 내 단위 그레이딩층의 두께보다 2 내지 5배의 두께를 가진다.
제2 오버슈팅층(320)은 제1 오버슈팅층(310)의 상단에 적층된다. 제2 오버슈팅층(320)은 제1 오버슈팅층(310)과 마찬가지로 GaInP 성분으로 구현되나, 제1 오버슈팅층(310) 보다 더 큰 격자상수를 가진다. 또한, 제2 오버슈팅층(320)은 제1 오버슈팅층(310)의 두께보다 2 내지 10배 두꺼운 두께를 가진다.
제3 오버슈팅층(330)은 제2 오버슈팅층(320)의 상단에 적층된다. 제3 오버슈팅층(330)은 제1 오버슈팅층(310)과 동일하게 구현될 수 있다. 즉, 제3 오버슈팅층(330)은 GaInP 성분으로 구현될 수 있으며, 제1 오버슈팅층(310)과 동일한 격자상수를 가질 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제3 오버슈팅층(330)은 반드시 동일하게 구현되지는 않더라도 상대적으로 제2 오버슈팅층(320)의 격자상수보다 작은 격자상수를 가진다. 제3 오버슈팅층(330)은 윈도우층(170)과 동일한 격자상수를 가짐으로써, 자신의 상단에 윈도우층(170)이 적층될 수 있도록 한다. 이처럼, 제1 및 제2 오버슈팅층(310, 320)이 적층되며 격자상수가 증가하다가 제3 오버슈팅층(330)에 의해 격자상수가 감소하게 되면, 완충이 발생하며 벤딩이 크게 완화되는 효과를 가질 수 있다.
벤딩이 완화되는 효과는 도 4 및 5에 도시되어 있다.
도 4 및 5는 종래의 다중접합 태양전지의 두께 구조의 변화와 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지의 두께구조의 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 태양전지 내 특정 층의 일 방향(x)으로의 두께구조 변화를 나타내며, 도 5는 동일한 층에서 일 방향과 수직인 방향(y)으로의 두께구조 변화를 나타내었다.
도 4a를 참조하면, 종래의 다중접합 태양전지 내에서는 열 팽창계수 차이로 인해, 벤딩이 발생한 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지(100) 내에서는 종래의 것에 비해 현저히 벤딩이 완화된 것을 확인할 수 있다.
벤딩이 완화된 것은 일 방향과 수직인 방향에서도 확인할 수 있다.
도 5a와 도 5b를 참조하면, 종래의 다중접합 태양전지에서 발생한 벤딩이 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지(100) 내에서는 현저히 완화된 것을 확인할 수 있다.
이를 참조하면, 역 스트레인층(160)이 그레이딩층(150) 상에 적층됨으로써 벤딩이 현저히 완화됨을 확인할 수 있다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 에미터층(175)과 베이스층(180)은 광을 흡수하여 전기를 생성한다. 에미터층(175)은 윈도우층(170) 상에 적층되고, 베이스층(180)은 에미터층(175) 상에 적층된다. 에미터층(175)과 베이스층(180)은 각각 n형 GaInAs와 p형 GaInAs로 구현된다. 양 층(165, 170)은 PN 접합되어 있어, 양 층(165, 170)은 광을 흡수하여 전기를 생성한다. 각 층은 Ga0.73In0.27P로 구현되어, 윈도우층(170)과 동일한 격자 상수를 갖는다.
BSF(Back Surface Field)층(175)은 베이스층(180)의 상부에 적층하여, 베이스층(180)과 에미터층(175)에서 생성되는 전자와 정공이 온전히 외부로 전달되도록 한다. 발전 효율이 상승하기 위해서는 생성된 전자와 정공의 재결합이 방지되어야 한다. BSF층(185)은 베이스층(180)의 상부에 위치한다. BSF층(185)은 베이스층(180) 및 에미터층(175)과의 에너지 밴드갭 차이를 이용하여, 양자(165, 170)로부터 생성된 정공 및 전자 중 어느 하나는 자신을 통과시키는 반면, 나머지 하나는 통과하지 못하도록 한다. 이에, 생성된 전자와 정공이 BSF층(185)에 의해 서로 다른 방향으로 전달됨으로써 재결합이 방지된다. BSF층(185)은 Ga0.25In0.75P로 구현됨으로써, 마찬가지로 에미터층(175) 및 베이스층(180)과 동일한 격자 상수를 갖는다.
제3 터널정션(190)은 BSF층(185) 상단에 적층되어, BSF층(185)이 외부 구성의 상·하단에 배치될 수 있도록 한다. 전술한 대로, 최종적으로 다중접합 태양전지(100)가 제조될 경우, 희생층(120)이 식각되며, 희생층(120) 상의 구성은 기판(110)과 분리되어 다른 구성과 결합된다. 이에, 태양전지(100)로부터 생성되는 전기 에너지를 전달하거나 받고자 전극이나 기타 구성과 태양전지(100)가 연결되어야 한다. 제3 터널정션(190)은 p형 Ga0.73In0.27P로 구현되어 BSF층(185)과 동일한 격자 상수를 가지며, 제3 터널정션(190)은 전극 등과 연결될 수 있도록 한다.
도 9은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지(900)는 다중접합 태양전지(100) 상에 추가적인 태양전지 셀(930)이 적층된다. 추가적인 태양전지 셀(930)의 적층을 위해, 격자 상수의 정합을 위한 그레이딩층(910)이 다중접합 태양전지(100) 상에 적층되며, 벤딩을 방지하기 위한 역 스트레인층(920)이 그레이딩층(910) 상에 추가로 적층된다. 역 스트레인층(920) 상에 태양전지 셀(930)이 적층된다.
역 스트레인층(920)에 의해, 마찬가지로 다중접합 태양전지(900)도 벤딩이 크게 완화될 수 있다. 벤딩이 완화되는 효과는 도 10 및 11에서 확인할 수 있다.
도 10 및 11은 종래의 다중접합 태양전지의 두께 구조의 변화와 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지의 두께구조의 변화를 도시한 그래프이다.
도 10은 태양전지 내 특정 층의 일 방향(x)으로의 두께구조 변화를 나타내며, 도 11은 동일한 층에서 일 방향과 수직인 방향(y)으로의 두께구조 변화를 나타내었다.
도 10a를 참조하면, 종래의 다중접합 태양전지 내에서는 열 팽창계수 차이로 인해, 벤딩이 상당히 발생한 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 10b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지(100) 내에서는 종래의 것에 비해 현저히 벤딩이 완화된 것을 확인할 수 있다.
벤딩이 완화된 것은 일 방향과 수직인 방향에서도 확인할 수 있다.
도 11a와 도 11b를 참조하면, 종래의 다중접합 태양전지에서 발생한 벤딩이 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지(900) 내에서는 현저히 완화된 것을 확인할 수 있다.
이를 참조하면, 역 스트레인층(920)이 그레이딩층(910) 상에 적층됨으로써 벤딩이 현저히 완화됨을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 900: 다중접합 태양전지
110: 기판
115: 희생층
120: 제1 태양전지 셀
125, 190: 터널정션
130: 제2 태양전지 셀
140: 제1 반도체층
150, 910: 그레이딩층
160, 920: 역 스트레인층
170: 윈도우층
175: 에미터층
180: 베이스층
930: 태양전지 셀
185: BSF층

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 순차적으로 적층된 희생층, 제1 태양전지 셀, 제2 태양전지 셀, 제1 반도체층, 그레이딩층, 역 스트레인층, 윈도우층, 제3 태양전지셀 및 BSF층을 포함하며,
    상기 역스트레인층은 격자 상수가 증가하다 감소하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 역 스트레인층은,
    GaInP로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우층은,
    n형 GaInP로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 태양전지 셀은,
    GaInP로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 태양전지 셀은,
    GaAs로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 역 스트레인층은,
    복수의 오버슈팅 층(Overshooting Layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 순차적으로 적층된 희생층, 제1 태양전지 셀, 제2 태양전지 셀, 제1 반도체층, 그레이딩층, 역 스트레인층, 윈도우층, 제3 태양전지셀 및 BSF층을 포함하며,
    상기 역스트레인층은,
    상기 그레이딩층 상에 적층되며 상기 그레이딩층보다 큰 격자상수를 갖는 제1 오버슈팅 층(Overshooting Layer), 상기 제1 오버슈팅층 상에 적층되며 상기 제1 오버슈팅층보다 더 큰 격자상수를 갖는 제2 오버슈팅층 및 상기 제2 오버슈팅층 상에 적층되며 상기 제2 오버슈팅층보다 작은 격자상수를 갖는 제3 오버슈팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 역 스트레인층은,
    GaInP로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 윈도우층은,
    n형 GaInP로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 태양전지 셀은,
    GaInP로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제2 태양전지 셀은,
    GaAs로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제3 오버슈팅층은,
    상기 제1 오버슈팅층과 동일한 격자상수를 갖는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
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