KR102498522B1 - 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는, 화합물 반도체층을 구비하는 셀; 셀의 전면(front surface)에 위치하는 전면 전극; 셀의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전극; 후면 전극의 후면에 위치하며, 셀을 지지하는 지지 기판; 및 후면 전극을 상기 지지 기판에 접착하는 접착제를 포함하고, 후면 전극과 접하는 접착제의 전면(front surface)은 텍스처링 표면으로 형성되고, 후면 전극의 전면 및 후면과 셀의 전면 및 후면은 접착제의 텍스처링 표면과 실질적으로 동일한 형상의 텍스처링 표면으로 각각 형성된다.

Description

화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법{COMPOUND SEMICONDUCTOR SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화합물 반도체층을 포함하는 셀의 전면 및 후면에 서로 동일한 형상의 텍스처링 표면을 구비한 화합물 반도체 태양전지 및 상기 텍스처링 표면을 효과적으로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
화합물 반도체 태양전지는 갈륨 아세나이드(이하, GaAs라 함), 갈륨 인듐 인(이하, GaInP라 함), 갈륨 알루미늄 아세나이드(이하, GaAlAs라 함), 갈륨 인듐 아세나이드(이하, GaInAs라 함), 알루미늄 인듐 아세나이드(이하, AlInP라 함) 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 등이 박막 형태로 증착된 화합물 반도체층을 포함하는 셀을 구비한다.
그런데, 광 이용 효율을 증가시켜 화합물 반도체 태양전지를 고효율화 하기 위해서는 화합물 반도체 태양전지에 입사되는 빛의 양을 증가시키는 것이 유리하다.
이에, 셀의 전면 또는 후면에 텍스처링 표면을 형성하기 위한 다양한 방법이 개발되어 있는데, 텍스처링 표면을 형성하기 위한 방법의 서로 다른 예들이 미국 특허번호 US 9,269,843B2와 미국 특허번호 US 9,691,921B2에 각각 개시되어 있다.
그런데, 상기 특허들에 개시된 방법을 포함하여 현재까지 개발된 방법들은 텍스처링 표면을 형성하기 위한 공정 제어가 어려우므로, 화합물 반도체 태양전지의 제조 원가가 증가하고, 양산에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
이에, 화합물 반도체 태양전지에 텍스처링 표면을 형성할 수 있는 보다 효과적인 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 화합물 반도체층을 포함하는 셀의 전면 및 후면에 서로 동일한 형상의 텍스처링 표면을 구비한 화합물 반도체 태양전지 및 상기 텍스처링 표면을 효과적으로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는, 화합물 반도체층을 구비하는 셀; 셀의 전면(front surface)에 위치하는 전면 전극; 셀의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전극; 후면 전극의 후면에 위치하며, 셀을 지지하는 지지 기판; 및 후면 전극을 상기 지지 기판에 접착하는 접착제를 포함하고, 후면 전극과 접하는 접착제의 전면(front surface)은 텍스처링 표면으로 형성되고, 후면 전극의 전면 및 후면과 셀의 전면 및 후면은 접착제의 텍스처링 표면과 실질적으로 동일한 형상의 텍스처링 표면으로 각각 형성된다.
접착제는 50 내지 150℃의 연화점을 갖는 열 경화형 에폭시 계열 접착제로 이루어질 수 있다.
텍스처링 표면을 효과적으로 형성하기 위해, 접착제의 전면에 형성된 텍스처링 표면은 원자현미경 조도(AFM roughness)가 10nm 이상인 것이 바람직하며, 셀은 10㎛ 이하의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
지지 기판은 유리, 석영, 실리콘 웨이퍼, PET 필름 및 불소 수지 필름 중에서 선택된 어느 한 재료로 형성할 수 있다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지는, 모기판의 전면(front surface) 위에 희생층을 형성하는 단계; 화합물 반도체층을 포함하는 셀을 희생층의 전면(front surface) 위에 형성하는 단계; 셀의 전면(front surface) 위에 캐리어 기판을 부착하는 단계; ELO 공정을 실시하여 셀을 모기판과 분리하는 단계; 셀의 후면 위에 후면 전극을 형성하는 단계; 접착제를 이용하여 후면 전극을 지지 기판에 접착하는 단계; 캐리어 기판을 제거한 후, 열처리를 실시하는 단계; 및 셀의 전면(front surface) 위에 전면 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 열처리를 실시하는 단계에서 접착제의 전면(front surface)에 텍스처링 표면을 형성함으로써, 후면 전극의 전면 및 후면과 셀의 전면 및 후면을 접착제의 텍스처링 표면과 동일한 형상의 텍스처링 표면으로 각각 형성하는 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
열처리를 실시하는 단계는 50 내지 250℃의 온도에서 30분 이내 동안 실시할 수 있다.
접착제는 50 내지 150℃의 연화점을 갖는 열 경화형 에폭시 계열 접착제로 형성할 수 있다.
빛 입사량을 효과적으로 증가시키기 위해, 접착제의 텍스처링 표면은 원자현미경 조도(AFM roughness)가 10nm 이상이 되도록 형성하고, 셀은 10㎛ 이하의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 따르면, 접착제를 열처리하는 단계에서 접착제의 전면에 텍스처링 표면이 형성됨과 아울러, 후면 전극의 전면 및 후면과 셀의 전면 및 후면이 접착제의 텍스처링 표면과 실질적으로 동일한 형상의 텍스처링 표면으로 형성된다.
따라서, 셀의 전면 및 후면에 텍스처링 표면을 형성하기 위한 별도의 공정을 제거할 수 있으므로, 공정수를 절감할 수 있다.
또한, 셀의 전면 및 후면에 각각 텍스처링 표면이 형성되므로, 셀의 전면 및 후면 중 어느 한 면에만 텍스처링 표면이 형성된 경우에 비해 빛 입사량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시한 접착제의 재료에 따른 원자현미경 조도(AFM roughness)를 비교한 사진이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시한 접착제의 재료에 따른 반사율(reflectance)의 크기를 비교한 그래프이다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시한 접착제의 재료에 따른 양자 효율(QE)의 크기를 비교한 그래프이다.
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 발명의 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지 및 제조 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시한 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시한 접착제의 재료에 따른 원자현미경 조도(AFM roughness)를 비교한 사진이고, 도 4는 도 1 및 도 2에 도시한 접착제의 재료에 따른 반사율(reflectance)의 크기를 비교한 그래프이며, 도 5는 도 1 및 도 2에 도시한 접착제의 재료에 따른 양자 효율(QE)의 크기를 비교한 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지는 하나 이상의 셀을 구비할 수 있으며, 이하에서는 화합물 반도체 태양전지가 하나의 셀(C1)만 구비하는 단일 접합(single junction) 구조를 갖는 것을 예로 들어 설명한다.
셀(C1)은 III-VI족 화합물 반도체로 형성되는 화합물 반도체층, 예를 들어, 전면(front surface) 또는 수광면(light receiving surface) 쪽에 위치하는 윈도우층, 윈도우층의 후면(back surface)에 위치하며 제1 도전성 타입의 불순물을 함유하는 베이스층, 베이스층의 후면에 위치하며 상기 제1 도전성 타입의 반대인 제2 도전성 타입의 불순물을 함유하는 에미터층, 에미터층의 후면에 위치하는 후면 전계층, 윈도우층의 전면 쪽에 위치하는 전면 콘택층, 및 후면 전계층의 후면에 위치하는 후면 콘택층을 포함할 수 있다.
하지만, 상기 층들 중에서 적어도 하나의 층은 필요에 따라 선택적으로 제거될 수도 있다.
그리고, 화합물 반도체 태양전지는 상기 셀(C1)의 전면 콘택층의 전면에 위치하는 그리드 형상의 전면 전극(100)과, 셀(C1)의 후면 콘택층의 후면에 위치하는 시트(sheet) 형상의 후면 전극(200)을 더 포함한다.
베이스층은 제1 도전성 타입의 불순물, 예를 들어 n형 불순물을 포함하고, 에미터층은 베이스층의 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물, 예를 들어 p형 불순물을 포함하며, 베이스층과 에미터층은 pn 접합을 형성한다.
베이스층과 에미터층은 GaAs 기반의 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
한 예로, 베이스층은 n-GaAs로 형성될 수 있고, 에미터층은 p-(Al)GaAs로 형성될 수 있다.
에미터층에 도핑되는 p형 불순물은 탄소(C), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있고, 베이스층에 도핑되는 n형 불순물은 실리콘(Si), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
베이스층은 전면 전극(100)에 인접한 영역에 위치하고, 에미터층은 베이스층의 바로 아래에서 후면 전극(200)에 인접한 영역에 위치할 수 있다.
이 경우, 화합물 반도체 태양전지는 리어 에미터(rear emitter) 구조를 갖는다.
이러한 구성에 따르면, 베이스층에 입사된 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 에미터층과 베이스층의 pn 접합에 의해 형성된 내부 전위차에 의해 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고, 정공은 p형 쪽으로 이동한다.
따라서, 베이스층의 내부에서 생성된 소수 캐리어(minor carrier)인 정공(hole)은 후면 콘택층을 통하여 후면 전극(200)으로 이동하고, 베이스층에서 생성된 다수 캐리어(majority carrier)인 전자(electron)는 윈도우층과 전면 콘택층을 통해 전면 전극(100)으로 이동한다.
하지만, 본 실시예의 화합물 반도체 태양전지는 에미터층이 전면 전극(100)에 인접한 영역에 위치하고 베이스층이 에미터층의 바로 아래에서 후면 전극(200)에 인접한 영역에 위치하는 프론트 에미터(front emitter) 구조로 형성될 수도 있다.
후면 전계층은 직접 접촉하는 상부의 층, 즉 에미터층과 동일한 도전성 타입을 가지며, 한 예로 p-Al(Ga)InP로 형성될 수 있다.
후면 전계층은 전면 전극(100) 쪽으로 이동해야 할 전하(정공 또는 전자)가 후면 전극(200) 쪽으로 이동하는 것을 효과적으로 차단(blocking)하기 위해, 에미터층의 후면에 전체적으로(entirely) 형성된다.
윈도우층은 베이스층과 전면 전극(100) 사이에 형성되며, 베이스층의 전면(front surface)을 패시베이션(passivation)하는 기능을 한다.
따라서, 베이스층의 표면으로 다수 캐리어(전자)가 이동할 경우, 윈도우층은 다수 캐리어가 베이스층의 표면에서 재결합하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 베이스층의 전면, 즉 광 입사면에 배치되는 윈도우층은 베이스층으로 입사되는 빛을 거의 흡수하지 않도록 하기 위하여 베이스층의 에너지 밴드갭보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
따라서, 윈도우층은 대략 2.3eV의 밴드갭을 갖는 n-AlInP로 형성될 수 있다.
반사 방지막은 윈도우층의 전면 위 중에서 전면 전극(100) 및/또는 전면 콘택층이 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역에 위치할 수 있다.
이와 달리, 반사 방지막은 노출된 윈도우층 뿐만 아니라, 전면 콘택층 및 전면 전극(100) 위에 배치될 수도 있다.
이러한 구성의 반사 방지막은 불화마그네슘, 황화아연, 티타늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 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.
전면 전극(100)은 제1 방향으로 길게 연장되어 형성될 수 있으며, 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 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.
윈도우층과 전면 전극(100) 사이에 위치하는 전면 콘택층은 III-VI족 화합물 반도체에 n형 불순물을 베이스층보다 높은 도핑 농도로 도핑하여 형성할 수 있다. 한 예로, 전면 콘택층은 n+-GaAs로 형성될 수 있다.
전면 콘택층은 윈도우층과 전면 전극(100) 간에 오믹 콘택(ohmic contact)을 형성할 수 있다. 즉, 전면 전극(100)이 윈도우층에 바로 접촉하는 경우, 윈도우층의 불순물 도핑농도가 낮음으로 인해 전면 전극(100)과 베이스층 간의 오믹 콘택이 잘 형성되지 않는다. 따라서, 윈도우층으로 이동한 다수 캐리어가 전면 전극(100)으로 쉽게 이동하지 못하고 소멸될 수 있다.
그러나, 전면 전극(100)과 윈도우층 사이에 전면 콘택층이 형성된 경우, 전면 전극(100)과 오믹 콘택을 형성하는 전면 콘택층에 의해 다수 캐리어의 이동이 원활하게 이루어져 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)가 증가한다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전면 콘택층은 전면 전극(100)과 동일한 형상으로 형성할 수 있다.
후면 전계층의 후면 위에 위치하는 후면 콘택층은 후면 전계층의 후면에 전체적으로 위치할 수 있으며, III-VI족 화합물 반도체에 p형 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다. 한 예로, 후면 콘택층은 p-GaAs로 형성될 수 있다.
이러한 후면 콘택층은 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 콘택층과 후면 콘택층은 각각 100nm 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있다. 일례로, 전면 콘택층은 100nm의 두께로 형성될 수 있고, 후면 콘택층은 전면 콘택층보다 두꺼운 300nm의 두께로 형성될 수 있다.
후면 콘택층의 후면 위에 위치하는 후면 전극(200)은 전면 전극(100)과는 다르게 후면 콘택층의 후면에 전체적으로 위치하는 시트(Sheet) 형상의 도전체로 형성될 수 있다. 즉, 후면 전극(200)은 후면 콘택층의 후면 전체에 위치하는 면 전극(sheet electrode)이라고도 말할 수 있다.
이때, 후면 전극(200)은 베이스층과 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(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 콘택층과의 접촉 저항이 낮은 금(Au)으로 형성될 수 있다.
그리고, 후면 콘택층이 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 콘택층과의 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 콘택층과의 접촉 저항이 낮은 물질들 중에서 적절하게 선택될 수 있다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지에 있어서, 셀(C1)은 10㎛ 이하의 두께(T1)로 형성된다.
이와 같이, 셀(C1)의 두께가 매우 얇으므로, 화합물 반도체 태양전지는 셀(C1)을 지지하기 위한 지지 기판(300)을 더 포함하며, 지지 기판(300)은 접착제(400)에 의해 후면 전극(200)과 접착된다.
지지 기판(300)은 유리, 석영, 실리콘 웨이퍼, PET 필름 및 불소 수지 필름 중에서 선택된 어느 한 재료로 형성할 수 있다.
이때, 접착제(400)는 셀(C1)을 지지 기판(300)에 접착하는 작용 외에, 셀(C1)의 전면 및 후면에 텍스처링 표면을 형성하도록 작용한다.
이를 위해, 접착제(400)는 50 내지 150℃의 연화점을 갖는 열 경화형 에폭시 계열 접착제로 형성된다.
셀(C1)의 전면 및 후면에 텍스처링 표면을 효과적으로 형성하기 위해, 접착제의 전면에 형성된 텍스처링 표면(410)은 원자현미경 조도(AFM roughness)가 10nm 이상인 것이 바람직하다.
이에, 도 3을 참조하여 접착제 재료에 따른 AFM 조도를 살펴 보면, 도 3의 우측에 도시한 열 경화형 에폭시 접착제의 AFM 조도는 좌측에 도시한 UV 경화형 아크릴 접착제의 AFM 조도에 비해 매우 큰 것을 알 수 있으며, 본 출원인의 실험 결과에 따르면, UV 경화형 아크릴 접착제의 AFM 조도는 1.62nm 정도인데 반하여, 열 경화형 에폭시 접착제의 AFM 조도는 UV 경화형 아크릴 접착제의 AFM 조도에 비해 매우 큰 15.44nm인 것을 알 수 있었다.
그리고 접착제(400)로 열 경화형 에폭시 계열의 접착제를 사용하면, UV 경화형 아크릴 계열의 접착제를 사용한 경우에 비해 단파장 대역(600nm 이하)에서는 표면 반사 손실이 감소하고 장파장 대역(600 내지 nm 900nm)에서는 광 산란에 따른 반사가 감소하여 양자효율(QE)이 증가하는 것을 알 수 있었다 (도 4 및 도 5 참조).
따라서, 본 실시예의 화합물 반도체 태양전지에서는 셀(C1)을 지지 기판(300)과 접착하는 접착제(400)로 50 내지 150℃의 연화점을 갖는 열 경화형 에폭시 계열 접착제를 사용한다.
접착제(400)가 상기 연화점을 가지면, 화합물 반도체 태양전지의 제조 공정에서 추후 실시되는 열처리 공정에서 접착제(400)가 연화되었다가 경화되면서 전면에 텍스처링 표면이 형성된다.
접착제의 텍스처링 표면과 실질적으로 동일한 형상의 텍스처링 표면이 후면 전극(200)의 전면 및 후면과 셀(C1)의 전면 및 후면에 각각 형성된다.
여기에서, "실질적으로 동일한 형상"은 AFM 조도가 오차 범위(대략 10% 이내) 내에서 동일한 크기를 갖는 것과, 텍스처링 표면을 형성하는 철부의 단면 형상이 동일한 것, 및 철부의 높이 및 폭이 오차 범위(대략 10% 이내) 내에서 동일한 것을 의미한다.
화합물 반도체 태양전지를 제조하는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있으며, 그 중 한 가지 방법은 모기판(GaAs 웨이퍼 또는 Ge 웨이퍼) 위에 화합물 반도체층을 형성한 후 상기 화합물 반도체층과 상기 모기판을 태양전지의 구성 요소로 함께 사용하여 화합물 반도체 태양전지를 제조하는 방법이고, 다른 한 가지 방법은 모기판(GaAs 웨이퍼 또는 Ge 웨이퍼) 위에 희생층 및 화합물 반도체층을 순차적으로 형성한 후 불산을 이용한 ELO(Epitaxial Lift Off) 공정에서 희생층을 제거하는 것에 의해 모기판과 화합물 반도체층을 분리하고, 모기판에서 분리한 상기 화합물 반도체층을 사용하여 화합물 반도체 태양전지를 제조하는 방법이다.
그런데, 미국 특허번호 US 9,269,843B2와 미국 특허번호 US 9,691,921B2에 개시된 화합물 반도체 태양전지에서와 같이 화합물 반도체층과 상기 모기판을 태양전지의 구성 요소로 함께 사용하는 경우에는 상기 특허들에 개시된 바와 같이 별도의 공정에 의해 텍스처링 표면을 형성해야 하는 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법은 ELO 공정을 사용하는 두 번째 방법에 의해 화합물 반도체 태양전지를 제조하면서 효과적으로 텍스처링 표면을 형성할 수 있기 위해 개발되었다.
이에 대해 구체적으로 설명하면, 본 실시예의 화합물 반도체 태양전지는 모기판(MS)의 전면(front surface) 위에 희생층(SL)을 형성하는 단계, 화합물 반도체층을 포함하는 셀(C1)을 희생층(SL)의 전면(front surface) 위에 형성하는 단계, 셀(C1)의 전면(front surface) 위에 캐리어 기판(CS)을 부착하는 단계, ELO 공정을 실시하여 셀(C1)을 모기판(MS)과 분리하는 단계, 셀(C1)의 후면 위에 후면 전극(200)을 형성하는 단계, 50 내지 150℃의 연화점을 갖는 열 경화형 에폭시 계열 접착제(400)를 이용하여 후면 전극(200)을 지지 기판(300)에 접착하는 단계, 캐리어 기판(CS)을 제거한 후 열처리를 실시하는 단계, 및 셀(C1)의 전면(front surface) 위에 전면 전극(100)을 형성하는 단계를 포함하며, 열처리를 실시하는 단계에서 접착제(400)의 전면(front surface)에 텍스처링 표면을 형성함으로써, 후면 전극(200)의 전면 및 후면과 셀(C1)의 전면 및 후면을 접착제(400)의 텍스처링 표면과 실질적으로 동일한 형상의 텍스처링 표면으로 각각 형성하는 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
이때, 열처리를 실시하는 단계는 50 내지 250℃의 온도에서 30분 이내 동안 실시할 수 있으며, 열처리를 실시하면, 열 경화형 에폭시 계열 접착제(400)가 연화되었다가 경화되면서 텍스처링 표면이 형성되며, 텍스처링 표면이 양호하게 형성될 수 있도록 하기 위해, 열처리를 실시하는 단계 이전에 캐리어 기판(CS)은 제거한다.
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.
100: 전면 전극 200: 후면 전극
300: 지지 기판 400: 접착제

Claims (10)

  1. 화합물 반도체층을 구비하는 셀;
    상기 셀의 전면(front surface)에 위치하는 전면 전극;
    상기 셀의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전극;
    상기 후면 전극의 후면에 위치하며, 상기 셀을 지지하는 지지 기판; 및
    상기 후면 전극을 상기 지지 기판에 접착하는 접착제
    를 포함하고,
    상기 후면 전극과 접하는 상기 접착제의 전면(front surface)은 텍스처링 표면으로 형성되고,
    상기 후면 전극의 전면 및 후면과 상기 셀의 전면 및 후면은 상기 접착제의 텍스처링 표면과 실질적으로 동일한 형상의 텍스처링 표면으로 각각 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 접착제는 50 내지 150℃의 연화점을 갖는 열 경화형 에폭시 계열 접착제로 이루어지는 화합물 반도체 태양전지.
  3. 제1항에서,
    상기 접착제의 전면에 형성된 텍스처링 표면은 원자현미경 조도(AFM roughness)가 10nm 이상인 화합물 반도체 태양전지.
  4. 제1항에서,
    상기 셀은 10㎛ 이하의 두께로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  5. 제1항에서,
    상기 지지 기판은 유리, 석영, 실리콘 웨이퍼, PET 필름 및 불소 수지 필름 중에서 선택된 어느 한 재료로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  6. 모기판의 전면(front surface) 위에 희생층을 형성하는 단계;
    화합물 반도체층을 포함하는 셀을 상기 희생층의 전면(front surface) 위에 형성하는 단계;
    상기 셀의 전면(front surface) 위에 캐리어 기판을 부착하는 단계;
    ELO 공정을 실시하여 상기 셀을 상기 모기판과 분리하는 단계;
    상기 셀의 후면 위에 후면 전극을 형성하는 단계;
    접착제를 이용하여 상기 후면 전극을 지지 기판에 접착하는 단계;
    상기 캐리어 기판을 제거한 후, 열처리를 실시하는 단계; 및
    상기 셀의 전면(front surface) 위에 전면 전극을 형성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 열처리를 실시하는 단계에서 상기 접착제의 전면(front surface)에 텍스처링 표면을 형성함으로써, 상기 후면 전극의 전면 및 후면과 상기 셀의 전면 및 후면을 상기 접착제의 텍스처링 표면과 동일한 형상의 텍스처링 표면으로 각각 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    50 내지 250℃의 온도에서 30분 이내로 상기 열처리를 실시하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    50 내지 150℃의 연화점을 갖는 열 경화형 에폭시 계열 접착제로 상기 후면 전극을 상기 지지 기판에 접착하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  9. 제8항에서,
    원자현미경 조도(AFM roughness)가 10nm 이상이 되도록 상기 접착제의 텍스처링 표면을 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  10. 제6항에서,
    상기 셀을 10㎛ 이하의 두께로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
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