KR102472195B1 - Multi-Junction Solar Cell with Grading Structure - Google Patents

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Abstract

그레이딩 구조를 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, 윈도우층, 제3 태양전지셀 및 BSF층을 포함하며, 상기 그레이딩층은 기 설정된 개수의 단위 그레이딩층을 포함하고, 각 단위 그레이딩층의 두께와 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이 중 적어도 하나의 균일도가 기 설정된 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지를 제공한다.A multi-junction solar cell having a grading structure is disclosed.
According to one aspect of this embodiment, a substrate and a sacrificial layer sequentially stacked on the substrate, a first solar cell, a second solar cell, a first semiconductor layer, a grading layer, a window layer, a third solar cell, and A BSF layer, wherein the grading layer includes a preset number of unit grading layers, and the uniformity of at least one of a difference between a thickness of each unit grading layer and a lattice constant between each unit grading layer is within a preset range A multi-junction solar cell is provided.

Description

그레이딩 구조를 갖는 다중접합 태양전지{Multi-Junction Solar Cell with Grading Structure}Multi-Junction Solar Cell with Grading Structure}

본 실시예는 그레이딩 구조를 갖는 Ⅲ-Ⅴ 다중접합 태양전지에 관한 것이다.This embodiment relates to a III-V multi-junction solar cell having a grading structure.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this part merely provide background information on the present embodiment and do not constitute prior art.

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.A solar cell is a device capable of converting sunlight energy into electricity by a photovoltaic effect. A solar cell may have one or more photovoltaic subcells or p-n junctions. A multijunction solar cell has one or more photovoltaic subcells that are monolithically connected in series.

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. The relatively high cost per watt of power generated by photovoltaic systems is a barrier to widespread use in terrestrial applications. BACKGROUND OF THE INVENTION The efficiency of conversion of sunlight to electricity can be very important for terrestrial PV systems, as increased efficiency generally results in reduction of the associated electricity generating system components for the required power output of the system. For example, in a concentrator solar cell system that concentrates sunlight onto a solar cell by a factor of about 2 to 2000, the increase in cell efficiency typically involves expensive solar cells and concentrating optics. leads to a decrease in Improvements in solar cell efficiency are progressing at the system level, and cost per watt is a typical figure-of-merit applied at the system level.

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.In order to increase the power output of such a solar cell, a plurality of layers having different energy band gaps are stacked so that each layer can absorb a different part of a wide energy distribution in sunlight. At this time, all of the layers may have the same lattice structure, but some layers have a different lattice structure from the rest of the layers. Since layers having different lattice structures cannot be directly stacked, a grading layer in which a lattice constant is gradually changed is formed.

그러나 이와 같은 그레이딩 층이 단순하게 포함될 경우, 태양전지는 상대적으로 낮은 효율과 낮은 개방전압(Voc: Open Circuit Voltage)을 갖는 단점이 있다.However, when such a grading layer is simply included, the solar cell has disadvantages of relatively low efficiency and low open circuit voltage (Voc).

본 발명의 일 실시예는, 그레이딩 구조를 가짐에도, 상대적으로 높은 효율을 갖는 다중접합 태양전지를 제공하는 데 일 목적이 있다.An object of one embodiment of the present invention is to provide a multi-junction solar cell having a relatively high efficiency even though it has a grading structure.

본 발명의 일 측면에 의하면, 기판과 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 희생층, 제1 태양전지 셀, 제2 태양전지 셀, 제1 반도체층, 그레이딩층, 윈도우층, 제3 태양전지셀 및 BSF층을 포함하며, 상기 그레이딩층은 기 설정된 개수의 단위 그레이딩층을 포함하고, 각 단위 그레이딩층의 두께와 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이 중 적어도 하나의 균일도가 기 설정된 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지를 제공한다.According to one aspect of the present invention, a substrate and a sacrificial layer sequentially stacked on the substrate, a first solar cell, a second solar cell, a first semiconductor layer, a grading layer, a window layer, a third solar cell, and A BSF layer, wherein the grading layer includes a preset number of unit grading layers, and the uniformity of at least one of a difference between a thickness of each unit grading layer and a lattice constant between each unit grading layer is within a preset range A multi-junction solar cell is provided.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 태양전지 셀, 상기 제2 태양전지 셀 및 상기 제1 반도체층은 상기 윈도우층, 상기 제3 태양전지셀 및 상기 BSF층과 상이한 격자상수를 갖는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the first solar cell, the second solar cell, and the first semiconductor layer have different lattice constants from those of the window layer, the third solar cell, and the BSF layer. to be

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 태양전지 셀은 GaInP로 구현되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the first solar cell is characterized in that it is implemented with GaInP.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 태양전지 셀은 GaAs로 구현되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the second solar cell is characterized in that it is implemented with GaAs.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제3 태양전지 셀은 GaInAs로 구현되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the third solar cell is characterized in that it is implemented with GaInAs.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 범위는 각 단위 그레이딩층의 두께가 모두 균일하거나, 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이가 모두 균일할 때를 기준으로 1.4 내지 1.8배 만큼 불균일한 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the predetermined range is characterized by being non-uniform by 1.4 to 1.8 times based on when the thickness of each unit grading layer is all uniform or the difference in lattice constant between each unit grading layer is all uniform. to be

본 발명의 일 측면에 의하면, 기판과 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 희생층, 제1 태양전지 셀, 제2 태양전지 셀, 제1 반도체층, 그레이딩층, 윈도우층, 제3 태양전지셀 및 BSF층을 포함하며, 상기 그레이딩층은 기 설정된 개수의 단위 그레이딩층을 포함하고, 상기 그레이딩층의 전체 두께를 x, 상기 제1 반도체층의 격자상수 및 상기 제1 반도체층과 상기 윈도우층의 격자상수 차이 간 비율을 y, 각 단위 그레이딩층의 두께와 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이 중 적어도 하나의 균일도를 a라 할 때, 다음의 수식(y=x1/a)을 만족하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지를 제공한다.According to one aspect of the present invention, a substrate and a sacrificial layer sequentially stacked on the substrate, a first solar cell, a second solar cell, a first semiconductor layer, a grading layer, a window layer, a third solar cell, and A BSF layer, wherein the grading layer includes a predetermined number of unit grading layers, the total thickness of the grading layer is x, the lattice constant of the first semiconductor layer and the lattice of the first semiconductor layer and the window layer When the ratio between the constant differences is y, and the uniformity of at least one of the difference between the thickness of each unit grading layer and the lattice constant between each unit grading layer is a, the following formula (y = x 1 / a ) is satisfied A multi-junction solar cell is provided.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 태양전지 셀, 상기 제2 태양전지 셀 및 상기 제1 반도체층은 상기 윈도우층, 상기 제3 태양전지셀 및 상기 BSF층과 상이한 격자상수를 갖는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the first solar cell, the second solar cell, and the first semiconductor layer have different lattice constants from those of the window layer, the third solar cell, and the BSF layer. to be

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 태양전지 셀은 GaInP로 구현되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the first solar cell is characterized in that it is implemented with GaInP.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 태양전지 셀은 GaAs로 구현되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the second solar cell is characterized in that it is implemented with GaAs.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제3 태양전지 셀은 GaInAs로 구현되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the third solar cell is characterized in that it is implemented with GaInAs.

본 발명의 일 측면에 의하면, 각 단위 그레이딩층의 두께와 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이 중 적어도 하나의 균일도는 기 설정된 범위 내의 수치를 갖는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the uniformity of at least one of the difference between the thickness of each unit grading layer and the lattice constant between each unit grading layer is characterized in that it has a numerical value within a predetermined range.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 다중접합 태양전지 내 그레이딩 구조가 형성됨에도, 상대적으로 높은 발전 효율을 가질 수 있는 장점이 있다.As described above, according to one aspect of the present invention, even when a grading structure is formed in a multi-junction solar cell, there is an advantage of having relatively high power generation efficiency.

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 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께와 격자상수 차이간 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께 및/또는 격자상수 차이의 변화에 따른 개방전압을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께 및/또는 격자상수 차이의 변화에 따른 발전효율을 도시한 그래프이다. 1 is a diagram showing the structure of a multi-junction solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing lattice constants and energy band gaps of each layer in a multi-junction solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the relationship between the thickness and the lattice constant difference of each unit grading layer in the grading layer according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing an open-circuit voltage according to a change in thickness and/or lattice constant difference of each unit grading layer in a grading layer according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing power generation efficiency according to a change in thickness and/or lattice constant difference of each unit grading layer in a grading layer according to an embodiment of the present invention.

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.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to the specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure.

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.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. The terms and/or include any combination of a plurality of related recited items or any of a plurality of related recited items.

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.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no intervening element exists.

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.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. It should be understood that terms such as "include" or "having" in this application do not exclude in advance the possibility of existence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification. .

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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

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.Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.In addition, each configuration, process, process or method included in each embodiment of the present invention may be shared within a range that does not contradict each other technically.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.1 is a diagram showing the structure of a multi-junction solar cell according to an embodiment of the present invention.

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), 윈도우층(160), 에미터층(165), 베이스층(170), BSF층(175) 및 제3 터널정션(180)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , a multi-junction solar cell 100 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 110, a sacrificial layer 115, a first solar cell 120, a first tunnel junction 125a, Second tunnel junction 125b, second solar cell 130, first semiconductor layer 140, grading layer 150, window layer 160, emitter layer 165, base layer 170, BSF layer 175 and a third tunnel junction 180 .

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.In the multi-junction solar cell 100, when each layer is grown on the substrate 110, a layer made of a material having a large energy band gap tends to grow from a layer made of a material having a small energy band gap. The multi-junction solar cell 100 has an inverted metamorphic multi-junction (IMM) structure in which a layer having a large energy band gap grows into a layer having a small energy band gap. At this time, the solar cell grown at the farthest position from the substrate has a relatively small energy band gap. Accordingly, since the lattice constant of the above-described solar cell has a significant difference from that of the substrate, it is difficult to directly grow all the layers on the substrate 110 . Accordingly, the multi-junction solar cell 100 includes a grading layer. At this time, the grading layer adjusts the difference between the thickness of each unit grading layer and the lattice constant of each unit grading layer, so that the multi-junction solar cell 100 can have optimal power generation efficiency and open-circuit voltage even if it includes the grading layer.

기판(110)은 다중접합 태양전지(100)의 나머지 구성이 적층될 수 있도록 한다. 기판(110)은 GaAs로 구현될 수 있다.The substrate 110 allows the remaining components of the multi-junction solar cell 100 to be stacked. The substrate 110 may be implemented with GaAs.

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.The sacrificial layer 115 is stacked on the substrate 110 to separate the substrate 110 from the rest of the structure stacked on top of the substrate 110 . After all the components in the multi-junction solar cell 100 are stacked, when the rest of the structure stacked on top of itself needs to be combined with another component (eg, a transparent film or a flexible film, etc.), the sacrificial layer 115 It is etched away and the remaining structure is separated from the substrate 110 .

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. The first solar cell 120 absorbs light to generate electricity. The first solar cell 120 is stacked on the sacrificial layer 115 and is made of GaInP. The first solar cell 120 generates electricity by absorbing light applied thereto.

제1 터널정션(125a)은 제1 태양전지 셀(120) 상에 적층되어, 자신의 상하에 위치한 각 태양전지 셀(120, 130) 간으로 전자가 통과할 수 있도록 한다.The first tunnel junction 125a is stacked on the first solar cell 120 to allow electrons to pass between the solar cells 120 and 130 positioned above and below the first tunnel junction 125a.

제2 태양전지 셀(130)도 마찬가지로 광을 흡수하여 전기를 생성한다. 제2 태양전지 셀(130)은 제1 터널정션(125b) 상에 적층되며, GaAs로 구현된다.The second solar cell 130 similarly absorbs light to generate electricity. The second solar cell 130 is stacked on the first tunnel junction 125b and is made of GaAs.

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.The second tunnel junction 125b is stacked on the second solar cell 130 and allows electrons to pass between the solar cell 130 or the first semiconductor layer 140 positioned above and below the second tunnel junction 125b.

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.The first semiconductor layer 140 is stacked on the second tunnel junction 125b. The first semiconductor layer 140 is implemented with GaInP and has the same lattice constant as the first solar cell 120 and the second solar cell 130 .

한편, 윈도우층(160)은 에미터층(165)의 하부에 배치되어, 에미터층(165)으로의 입사량을 상승시킨다. 윈도우층(160)이 존재하지 않을 경우, 광이 표면에서 반사되는 등 에미터층(165)으로 온전히 입사되지 못해 입사율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 에미터층(165)의 상부에 윈도우층(160)이 배치된다. 다만, 윈도우층(160)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.Meanwhile, the window layer 160 is disposed below the emitter layer 165 to increase the amount of incident light on the emitter layer 165 . When the window layer 160 does not exist, a problem in which light is reflected from the surface and does not completely enter the emitter layer 165 may occur, resulting in a decrease in incident rate. To prevent this, a window layer 160 is disposed on top of the emitter layer 165 . However, the window layer 160 is implemented with n-type GaInP and has a different lattice constant from those of the first solar cell 120, the second solar cell 130, and the first semiconductor layer 140. This is shown in FIG. 2 .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중접합 태양전지 내 각 층의 격자 상수와 에너지 밴드갭을 도시한 그래프이다.2 is a graph showing lattice constants and energy band gaps of each layer in a multi-junction solar cell according to an embodiment of the present invention.

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(160)은 5.8Å 이상의 격자상수를 가져, 양자는 상이한 격자 상수를 갖는다. 제1 반도체층(140)과 윈도우층(160)은 동일한 성분으로 구현되나, 성분량에 있어서 차이를 갖는다. 제1 반도체층(140)은 Ga0.51In0.49P로 구현되는 반면, 윈도우층(160)은 Ga0.25In0.75P로 구현되어 양자는 서로 상이한 격자 상수를 갖는다.Referring to FIG. 2 , the first solar cell 120 , the second solar cell 130 , and the first semiconductor layer 140 have the same lattice constant between 5.6 and 5.7 Å. On the other hand, the window layer 160 has a lattice constant of 5.8 Å or more, so both have different lattice constants. The first semiconductor layer 140 and the window layer 160 are implemented with the same components, but have differences in component amounts. The first semiconductor layer 140 is implemented with Ga 0.51 In 0.49 P, while the window layer 160 is implemented with Ga 0.25 In 0.75 P, so both have different lattice constants.

다시 도 1을 참조하면, 이처럼 양 층(140, 160)이 서로 상이한 격자 상수를 가짐으로써 격자 부정합에 의한 스트레인을 줄이기 위해, 양 층(140, 160) 사이에 그레이딩층(150)이 형성된다. 그레이딩층(150)은 제1 반도체층(140) 상에 적층되어, 격자 상수를 점진적으로 가변함으로써 격자 부정합에 의한 스트레인을 최소화한다.Referring back to FIG. 1 , since the two layers 140 and 160 have different lattice constants, a grading layer 150 is formed between the two layers 140 and 160 in order to reduce strain due to lattice mismatch. The grading layer 150 is stacked on the first semiconductor layer 140 to minimize strain due to lattice mismatch by gradually varying the lattice constant.

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.The grading layer 150 is implemented with a preset thickness and includes a preset number of unit grading layers. Each unit grading layer in the grading layer 150 may have a uniform or non-uniform thickness, and a difference in lattice constant between each unit grading layer may be uniform or not. At this time, the ratio between the total thickness (x) of the grading layer 150, the lattice constant of the substrate and the difference between the lattice constants of both ends of the grading layer 150 (each layer stacked on the top and bottom) (y) and the thickness of each unit grading layer Among the differences in lattice constants between each unit grading layer, the following formula is satisfied between the variables (a) that change the uniformity of at least one.

y=x1/a y=x 1/a

전술한 수식은 도 3에 도시된 그래프를 갖는다.The foregoing formula has the graph shown in FIG. 3 .

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께와 격자상수 차이간 관계를 도시한 그래프이다. 도 3에 도시된 그래프는 그레이딩층(150)의 전체 두께가 1㎛인 것을, 그레이딩층(150) 내 단위 그레이딩층이 20개가 포함되었을 때의 그래프이다. 또한, 도 3은 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.Figure 3 is a graph showing the relationship between the thickness and the lattice constant difference of each unit grading layer in the grading layer according to an embodiment of the present invention. The graph shown in FIG. 3 is a graph when the total thickness of the grading layer 150 is 1 μm and 20 unit grading layers are included in the grading layer 150 . 3 is a graph in a situation where the lattice constant of the substrate is 5.653 Å, the lattice constant of the first semiconductor layer is 5.763 Å, and the lattice constant ratio (y) is about 2%. However, this is not necessarily limited thereto as an example of the grading layer 150 .

도 3을 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 4 및 5에 도시되어 있다. Referring to FIG. 3, the ratio of the thickness and the lattice constant increases in a stepwise manner by dividing by the number of unit grading layers, respectively. At this time, when the variable (a) is 1, the ratio of the thickness and the lattice constant increases uniformly in each section. On the other hand, when the variable (a) is smaller than 1, the lattice constant ratio increases uniformly, but the thickness changes so that the increase gradually decreases. Conversely, when the variable (a) is greater than 1, the lattice constant ratio increases uniformly, but the thickness changes so as to increase gradually. At this time, when the variable is set within a preset range, the thickness and lattice constant of each unit grading layer change according to the variable, and the multi-junction solar cell can have an optimal open-circuit voltage and power generation efficiency. Changes in open-circuit voltage and power generation efficiency of multi-junction solar cells according to variables are shown in FIGS. 4 and 5 .

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께 및/또는 격자상수 차이의 변화에 따른 개방전압을 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그레이딩 층 내 각 단위 그레이딩층의 두께 및/또는 격자상수 차이의 변화에 따른 발전효율을 도시한 그래프이다. 4 is a graph showing open-circuit voltages according to changes in thickness and/or lattice constant difference of each unit grading layer in a grading layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a graph showing grading according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing the power generation efficiency according to the change in the thickness and / or lattice constant difference of each unit grading layer in the layer.

도 4를 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. Referring to FIG. 4, the open-circuit voltage tends to increase as the variable (a) increases, but when the variable (a) is in the range of 1.4 to 1.8, the multi-junction solar cell 100 has an open-circuit voltage of 0.53V or more. can In particular, when the variable (a) is 1.55, it may have the highest open-circuit voltage. As the open-circuit voltage of the multi-junction solar cell increases, the solar cell can output more voltage.

도 5를 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.Referring to FIG. 5, similarly, when the variable (a) is within the range of 1.4 to 1.8, the multi-junction solar cell 100 may have a power generation efficiency of 33.5% or more, in particular, when the variable (a) is 1.55. In this case, it can have a high power generation efficiency of 34% or more.

다시 도 3을 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(160)에 근접한 단위 그레이딩층은 상대적으로 두꺼운 두께를 가진다. Referring back to FIG. 3, since it is preferable that the variable (a) has a value within the range of 1.4 to 1.8, the lattice constant difference of each unit grading layer in the grading layer 150 is uniformly varied, and the grading layer 150 The thickness of each unit grading layer within is not uniform and gradually increases. That is, a unit grading layer adjacent to the first semiconductor layer 140 has a relatively thin thickness, and a unit grading layer adjacent to the window layer 160 has a relatively thick thickness.

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(160)에 근접할수록 두꺼워지도록) 형성된다.If the unit grading layer adjacent to the first semiconductor layer 140 has an excessively thin thickness, power generation efficiency and open-circuit voltage may decrease. Accordingly, the grading layer 150 is non-uniformly formed (the closer to the window layer 160, the thicker) by 1.4 to 1.8 times based on a state in which the thickness of each unit grading layer is uniform.

여기서, 변수(a)는 단위 그레이딩층의 개수, 그레이딩층(150)의 두께 또는 격자 상수 비율(y) 변화에는 영향을 받지 않는다.Here, the variable (a) is not affected by the change in the number of unit grading layers, the thickness of the grading layer 150 or the lattice constant ratio (y).

한편, 도 3에는 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. Meanwhile, FIG. 3 shows that only the uniformity of the thickness of each unit grading layer is varied according to the change of the variable (a), but is not necessarily limited thereto, and the difference in lattice constant between each unit grading layer of each unit grading layer. The uniformity of the liver may be variable or the uniformity of both may be variable.

다시 도 1 및 2를 참조하면, 에미터층(165)과 베이스층(170)은 광을 흡수하여 전기를 생성한다. 에미터층(165)은 윈도우층(160) 상에 적층되고, 베이스층(170)은 에미터층(165) 상에 적층된다. 에미터층(165)과 베이스층(170)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(160)과 동일한 격자 상수를 갖는다. Referring back to FIGS. 1 and 2 , the emitter layer 165 and the base layer 170 absorb light to generate electricity. An emitter layer 165 is stacked on the window layer 160 , and a base layer 170 is stacked on the emitter layer 165 . The emitter layer 165 and the base layer 170 are implemented with n-type GaInAs and p-type GaInAs, respectively. Both layers 165 and 170 are PN-junctioned, so both layers 165 and 170 absorb light to generate electricity. Each layer is implemented with Ga 0.73 In 0.27 P and has the same lattice constant as the window layer 160 .

BSF(Back Surface Field)층(175)은 베이스층(170)의 상부에 적층하여, 베이스층(170)과 에미터층(165)에서 생성되는 전자와 정공이 온전히 외부로 전달되도록 한다. 발전 효율이 상승하기 위해서는 생성된 전자와 정공의 재결합이 방지되어야 한다. BSF층(175)은 베이스층(170)의 상부에 위치한다. BSF층(175)은 베이스층(170) 및 에미터층(165)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(175)에 의해 서로 다른 방향으로 전달됨으로써 재결합이 방지된다. BSF층(175)은 Ga0.25In0.75P로 구현됨으로써, 마찬가지로 에미터층(165) 및 베이스층(170)과 동일한 격자 상수를 갖는다. A back surface field (BSF) layer 175 is stacked on top of the base layer 170 so that electrons and holes generated in the base layer 170 and the emitter layer 165 are completely transmitted to the outside. In order to increase power generation efficiency, recombination of generated electrons and holes must be prevented. The BSF layer 175 is located on top of the base layer 170 . The BSF layer 175 uses a difference in energy bandgap between the base layer 170 and the emitter layer 165 to allow one of the holes and electrons generated from the protons 165 and 170 to pass through itself, while the other one to not pass through. Thus, the generated electrons and holes are transferred to different directions by the BSF layer 175, thereby preventing recombination. Since the BSF layer 175 is implemented with Ga 0.25 In 0.75 P, it similarly has the same lattice constant as the emitter layer 165 and the base layer 170 .

제3 터널정션(180)은 BSF층(175) 상단에 적층되어, BSF층(175)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(180)은 p형 Ga0.73In0.27P로 구현되어 BSF층(175)과 동일한 격자 상수를 가지며, 제3 터널정션(180)은 전극 등과 연결될 수 있도록 한다.The third tunnel junction 180 is stacked on top of the BSF layer 175 so that the BSF layer 175 can be disposed above and below the external structure. As described above, when the multijunction solar cell 100 is finally manufactured, the sacrificial layer 120 is etched, and the components on the sacrificial layer 120 are separated from the substrate 110 and combined with other components. Accordingly, in order to transmit or receive electric energy generated from the solar cell 100, the solar cell 100 must be connected to electrodes or other components. The third tunnel junction 180 is implemented with p-type Ga 0.73 In 0.27 P and has the same lattice constant as the BSF layer 175, and the third tunnel junction 180 can be connected to an electrode or the like.

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.The above description is merely an example of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but to explain, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of rights of this embodiment.

100: 다중접합 태양전지
110: 기판
115: 희생층
120: 제1 태양전지 셀
125, 180: 터널정션
130: 제2 태양전지 셀
140: 제1 반도체층
150: 그레이딩층
160: 윈도우층
165: 에미터층
170: 베이스층
175: BSF층100: multi-junction solar cell
110: substrate
115: sacrificial layer
120: first solar cell
125, 180: tunnel junction
130: second solar cell
140: first semiconductor layer
150: grading layer
160: window layer
165: emitter layer
170: base layer
175: BSF layer

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 기판;
상기 기판 상에 순차적으로 적층된 희생층, 제1 태양전지 셀, 제2 태양전지 셀, 제1 반도체층, 그레이딩층, 윈도우층, 제3 태양전지셀 및 BSF층을 포함하며,
상기 그레이딩층은 기 설정된 개수의 단위 그레이딩층을 포함하고,
상기 그레이딩층의 전체 두께를 x, 상기 제1 반도체층의 격자상수 및 상기 제1 반도체층과 상기 윈도우층의 격자상수 차이 간 비율을 y, 각 단위 그레이딩층의 두께와 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이 중 적어도 하나의 균일도를 a라 할 때, 다음의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
y=x1/a Board;
A sacrificial layer, a first solar cell, a second solar cell, a first semiconductor layer, a grading layer, a window layer, a third solar cell, and a BSF layer sequentially stacked on the substrate;
The grading layer includes a predetermined number of unit grading layers,
The total thickness of the grading layer is x, the lattice constant of the first semiconductor layer and the ratio between the lattice constant difference between the first semiconductor layer and the window layer is y, the thickness of each unit grading layer and the lattice constant between each unit grading layer When a is the uniformity of at least one of the differences in , a multi-junction solar cell, characterized in that it satisfies the following formula.
y=x 1/a 제7항에 있어서,
상기 제1 태양전지 셀, 상기 제2 태양전지 셀 및 상기 제1 반도체층은,
상기 윈도우층, 상기 제3 태양전지셀 및 상기 BSF층과 상이한 격자상수를 갖는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.According to claim 7,
The first solar cell, the second solar cell, and the first semiconductor layer,
A multi-junction solar cell, characterized in that it has a lattice constant different from that of the window layer, the third solar cell, and the BSF layer. 제7항에 있어서,
각 단위 그레이딩층의 두께와 각 단위 그레이딩층 간 격자 상수의 차이 중 적어도 하나의 균일도는 기 설정된 범위 내의 수치를 갖는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.According to claim 7,
A multi-junction solar cell, characterized in that the uniformity of at least one of the difference between the thickness of each unit grading layer and the lattice constant between each unit grading layer has a value within a predetermined range. 제7항에 있어서,
상기 제1 태양전지 셀은,
GaInP로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.According to claim 7,
The first solar cell,
A multi-junction solar cell, characterized in that it is implemented with GaInP. 제7항에 있어서,
상기 제2 태양전지 셀은,
GaAs로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.According to claim 7,
The second solar cell,
A multi-junction solar cell, characterized in that it is implemented with GaAs. 제7항에 있어서,
상기 제3 태양전지 셀은,
GaInAs로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지.
According to claim 7,
The third solar cell,
A multi-junction solar cell, characterized in that it is implemented with GaInAs.
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