KR102602377B1 - 본딩을 이용한 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼 본딩을 이용한 다중접합 태양전지에 관한 것이다. 상세하게, 본 발명의 다중접합 태양전지는 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 이중접합 태양전지 단위체; 및 상기 태양전지 단위체의 배열의 하부에 배치되는 실리콘을 포함하는 반도체로 형성되는 베이스 태양전지를 포함하고, 상기 이중접합 태양전지 단위체의 하부 및 상기 베이스 태양전지의 상부는 서로 웨이퍼 본딩으로 결합가능한 재질로 형성되고, 상기 베이스 태양전지 상에 복수의 이중접합 태양전지 단위체가 일정한 배열을 형성한다. 나아가, 본 발명의 다중접합 태양전지의 상기 이중접합 태양전지 단위체는, 제1태양전지; 제1태양전지와 하부에 배치되는 제2태양전지; 및 제1태양전지와 제2태양전지 사이에 배치되는 제1터널 배리어를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

본딩을 이용한 태양전지{Solar cell formed by bonding}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 III-V 화합물 태양전지를 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 형성된다. 일반적으로 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체로 이루어지며, 빛을 비추면 전하가 이동하여 전위차가 발생하게 된다.
특히, III-V 화합물 반도체 태양전지는 고배율 집광에 유리하고 효율이 높은 특징이 있다. 또한, III-V 화합물 반도체 태양전지는 다양한 흡수 대역을 가지는 태양전지를 적층할 수 있어, 단일접합(single junction) 구조보다 진보된 다중접합(multi-junction) 탠덤(tandem) 구조의 태양전지를 만들 수 있다.
종래의 다중접합 태양전지는 격자부정합(metamorphic) 성장기법을 이용한 GaInP 태양전지(top cell)/GaAs 태양전지(middle cell) /Ge 태양전지(bottom cell)의 적층형 태양전지로 구현되었다. 하지만, 태양전지 사이에 격자상수가 불일치하여 불일치하는 격자상수를 줄여주는 층이 필요하였다. 상세하게 격자상수의 불일치를 줄여주는 층은 GaAs 기판과 동일한 격자상수를 갖고 있으면서 에너지 밴드갭이 1.0eV 보다 작은 III-V 물질로 구성될 수 있다. 즉, 태양전지 사이에는 광전효율에 불필요한 5.0 um 이상의 두께를 가지는 GaInP 화합물 반도체로 형성되는 그레이딩(grading) 층이 존재하였다.
GaInP 화합물 반도체로 형성되는 그레이딩 층과 GaInP 태양전지(top cell)을 구성하는 GaInP 화합물 반도체층에 포함된 인듐(In)은 고가의 물질이므로 다중접합 태양전지를 제조하는 비용이 높아지는 문제점이 있었다.
또한, 다중접합 태양전지를 제조하기 위해서 유기금속화학증착법으로 GaInP 태양전지(top cell), GaAs 태양전지(middle cell) 및 그레이딩 층을 형성하는 에피성장이 진행되는 과정에서 에피성장에 소요되는 시간 외에 에피성장을 준비하기 위해 온도를 상승시키고 에피성장 완료 후 온도를 내리는 과장에서 많은 시간과 비용이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 목적은 다중접합 태양전지에서 고가의 인듐(In)의 소모량을 줄이고, 광전환 효율이 향상된 다중접합 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 다중접합 태양전지의 제조방법에서 소모되는 시간과 비용을 절감된 다중접합 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 웨이퍼 본딩을 이용한 다중접합 태양전지에 관한 것이다. 상세하게, 본 발명의 다중접합 태양전지는 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 이중접합 태양전지 단위체; 및 상기 태양전지 단위체의 배열의 하부에 배치되는 실리콘을 포함하는 반도체로 형성되는 베이스 태양전지를 포함하고, 상기 이중접합 태양전지 단위체의 하부 및 상기 베이스 태양전지의 상부는 서로 웨이퍼 본딩으로 결합가능한 재질로 형성되고, 상기 베이스 태양전지 상에 복수의 이중접합 태양전지 단위체가 일정한 배열을 형성한다. 나아가, 본 발명의 다중접합 태양전지의 상기 이중접합 태양전지 단위체는, 제1태양전지; 제1태양전지와 하부에 배치되는 제2태양전지; 및 제1태양전지와 제2태양전지 사이에 배치되는 제1터널 배리어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지 단위체의 제1태양전지는 AlGaAs 화합물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지 단위체의 제2태양전지는 GaAs 화합물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지 단위체와 상기 베이스 태양전지 사이에는 제2터널 배리어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지 단위체의 배열 사이로 드러난 상기 베이스 태양전지의 표면은 소정의 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 베이스 태양전지는 실리콘 태양전지로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 베이스 태양전지는 Si/SiGe 이중접합 태양전지로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지 단위체의 배열에 대응되는 집광렌즈를 구비하는 광투과층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다중접합 태양전지 제조방법에 있어서, 베이스 태양전지를 준비하는 단계; 성장기판 상에 희생층, 제1태양전지층, 제1터널배리어층, 제2태양전지층를 순차적으로 성장시켜 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계; 상기 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계를 복수회 반복하여 다층의 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계; 제1식각용액으로 상기 다층의 이중접합 태양전지층 중 최상부에 위치한 이중접합 태양전지층을 일정한 패턴으로 식각하여 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열을 형성하는 단계; 상기 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열을 베이스 태양전지에 웨이퍼 본딩으로 결합하는 단계; 및 제2식각용액으로 최상부에 위치한 이중접합 태양전지층의 제2태양전지와 인접한 희생층을 식각하는 단계를 포함한다. 상세하게, 상기 희생층을 식각하는 단계에서 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열이 상기 다층의 이중접합 태양전지로부터 분리되고, 상기 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열을 형성하는 단계부터 상기 희생층을 식각하는 단계를 복수회 반복하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 베이스 태양전지를 준비하는 단계에서 상기 베이스 태양전지는 실리콘 태양전지로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 베이스 태양전지를 준비하는 단계에서 상기 베이스 태양전지는 Si/SiGe 이중접합 태양전지로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 베이스 태양전지를 준비하는 단계에서 상기 베이스 태양전지의 상부에는 제2터널 배리어를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계에서 희생층은 AlAs층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계에서 제1태양전지층은 AlGaAs 화합물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계에서 제2태양전지층은 GaAs 화합물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열을 형성하는 단계에서 상기 제1식각용액은 상기 제1태양전지층, 제1터널배리어층 및 제2태양전지층을 식각하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 희생층을 식각하는 단계 다음에 상기 이중접합 태양전지 단위체의 배열 사이의 상기 베이스 태양전지의 표면을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 이중접합 태양전지 단위체의 배열에 대응되는 집광렌즈를 구비하는 광투과층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다중접합 태양전지에서는 고가의 인듐이 배제된 제1태양전지를 제공하고, GaInP 화합물 반도체로 형성되는 그레이딩 층을 배제하여 인듐의 소모량을 줄일 수 있어 비용을 절감하는 효과가 있다.
또한, 다중접합 태양전지의 제조방법에서 성장기판에 이중접합 태양전지층를 형성하는 단계를 복수회 반복하여, 다층의 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계를 포함하여 다중접합 태양전지 제조 시에 소요되는 성장시간과 비용을 절감하는 효과가 있다.
또한, 이중접합 태양전지층을 식각하여 이중접합 태양전지 단위체를 형성하고, 웨이퍼 본딩으로 순차적으로 베이스 태양전지에 이중접합 태양전지 단위체를 결합한 다음 희생층을 식각하여 다층의 이중접합 태양전지층에서 이중접합 태양전지 단위체를 분리한다. 이에, 하나의 성장기판에 형성된 다층의 이중접합 태양전지층을 한층 씩 이중접합 태양전지 단위체를 형성하는 단계 내지 희생층을 식각하는 단계를 반복하여 다중접합 태양전지를 제조하므로, 베이스 태양전지에 결합하므로 다중접합 태양전지를 생산에 소모되는 성장기판 단가를 절감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 다중접합 태양전지의 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다중접합 태양전지의 변형례를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다중접합 태양전지의 제조방법을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다중접합 태양전지의 제조방법의 변형례를 나타낸 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 다중접합 태양전지에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 다중접합 태양전지(100)의 실시예를 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 다중접합 태양전지(100)는 직접 천이형 밴드갭을 가지는 III-V족 화합물 반도체를 포함하여 실리콘 태양전지에 비해 광 흡수율이 높다는 장점이 있다. 또한, 발명의 다중접합 태양전지(100)는 제1태양전지(111), 제2태양전지(112)를 포함하는 이중접합 태양전지 단위체(110) 및 베이스 태양전지(120)를 적층하여 태양광 전체 파장을 흡수하여 전기를 생산하도록 이루어질 수 있다.
제1태양전지(111), 제2태양전지(112), 베이스 태양전지(120) 순으로 밴드갭이 작아질 수 있다. 즉, 가장 밴드갭이 큰 제1태양전지(111)가 가장 상부에 위치하여, 태양광을 가장 먼저 흡수할 수 있다. 이어서, 중간 밴드갭을 갖는 제2태양전지(112)가 가운데 위치하고, 가장 밴드갭이 작은 베이스 태양전지(120)가 가장 하부에 위치하여 순차적으로 태양광을 흡수할 수 있다.
상세하게, 제1태양전지(111)는 300 내지 670 nm 파장의 태양광을 흡수하여 전기를 생산하고, 제2태양전지(112)는 500 내지 890 nm 파장의 태양광을 흡수하여 전기를 생산하고, 베이스 태양전지(120)는 650 내지 1180 nm 파장의 태양광을 흡수하여 전기를 생산하므로, 다중접합 태양전지(100)는 태양광의 전체 파장을 여러 부분으로 나누어 효율적으로 사용할 수 있다. 이에 다중접합 태양전지(100)는 단일접합 태양전지보다 높은 변환 효율을 얻을 수 있다.
이하에서는 다중접합 태양전지(100)는 이중접합 태양전지의 단위체(110) 및 베이스 태양전지(120)을 포함한다.
이중접합 태양전지의 단위체(110)는 III-V족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 이중접합 태양전지 단위체(110)의 제1태양전지(111)는 AlGaAs 화합물 반도체로 형성되고, 제2태양전지(112)는 GaAs 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 제1태양전지(111)가 AlGaAs 화합물 반도체로 형성되어 제2태양전지(112)는 GaAs 화합물 반도체와의 격자상수 불일치를 해소할 수 있으므로, 태양전지 사이에는 광전효율에 불필요한 5.0 um 이상의 두께를 가지는 GaInP 화합물 반도체로 형성되는 그레이딩(grading) 층이 배제될 수 있다. 나아가, GaInP 화합물 반도체로 형성되는 그레이딩 층과 종래의 GaInP 태양전지(top cell)을 구성하는 GaInP 화합물 반도체층에 포함된 고가의 인듐(In)이 배제되므로 다중접합 태양전지를 제조하는 비용을 절감할 수 있다.
일 실시예에서, AlGaAs 화합물 반도체로 형성되는 제1태양전지(111)는 제1도전형 반도체층(111a)과 제2도전형 반도체층(111b)으로 형성될 수 있다. 제1도전형 반도체층(111a)과 제2도전형 반도체층(111b)은 각각 복수의 층을 포함할 수도 있다. 덧붙여, 제1태양전지(111)는 0.9 내지 2.0 ㎛ 범위의 두께로 형성되어 300 내지 670 nm 파장의 태양광으로 전기를 생산하도록 형성될 수 있다.
또한, GaAs 화합물 반도체로 형성되는 제2태양전지(112)는 제1도전형 반도체층(112a)과 제2도전형 반도체층(112b)으로 형성될 수 있다. 제1도전형 반도체층(112a)과 제2도전형 반도체층(112b)은 각각 복수의 층을 포함할 수도 있다. 덧붙여, 제2태양전지(112)는 0.6 내지 1.5 ㎛ 범위의 두께로 형성되어 500 내지 890 nm 파장의 태양광으로 전기를 생산하도록 형성될 수 있다.
한편, 베이스 태양전지(120)는 이중접합 태양전지 단위체(110)의 하부에 배치되고, 실리콘을 포함하는 반도체로 형성될 수 있다. 전술된 제1태양전지(111) 및 제2태양전지(112)와 마찬가지로 제1도전형 반도체층(120a)과 제2도전형 반도체층(120b)으로 형성될 수 있으며, 제1도전형 반도체층(120a)과 제2도전형 반도체층(120b)은 각각 복수의 층을 포함할 수도 있다. 또한, 베이스 태양전지(120)는 150 내지 500 ㎛ 범위의 두께로 형성되어 650 내지 1180 nm 파장의 태양광으로 전기를 생산하도록 형성될 수 있다. 나아가, 베이스 태양전지(120)는 Si/SiGe 이중접합 태양전지로 형성되는 예도 가능하다. 이에, 다중접합 태양전지(100)는 더욱 높은 효율을 가질 수 있다.
덧붙여, 상기 제1도전형 반도체층은 n형 반도체층이 될 수 있으며, 제2도전형 반도체층은 p형 반도체층이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 p형이 되고 제2도전형이 n형이 되는 예시도 가능하다.
한편, 다중접합 태양전지(100)는 제1터널 배리어(111)와 제2터널 배리어(130)를 포함한다. 제1태양전지(111)와 제2태양전지(112) 사이에는 제1터널 배리어(113)가 배치될 수 있다. 이에, 제1태양전지(111)와 제2태양전지(112)가 서로 직렬 연결될 수 있다.
또한, 이중접합 태양전지의 단위체(110)와 베이스 태양전지(120) 사이에는 제2터널 배리어(130)가 배치될 수 있다. 이에, 이중접합 태양전지의 단위체(110)와 베이스 태양전지(120)가 서로 직렬 연결될 수 있다.
제1터널 배리어(113) 및 제2터널 배리어(130)는 터널링 효과를 통해 캐리어를 이동시키기 때문에 터널링의 최적 확률을 위한 두께가 형성되어야 하며, 터널링의 최적 확률을 위한 두께는 본 발명에서 0.1 내지 5 nm의 범위를 가질 수 있다.
덧붙여, 이중접합 태양전지의 단위체(110)는 베이스 태양전지(120) 상에 배열을 이루며 배치될 수 있으며, 이중접합 태양전지의 단위체(110)와 베이스 태양전지(120)는 서로 웨이퍼 본딩으로 결합될 수 있다. 즉, 이중접합 태양전지 단위체(110)의 하부 및 베이스 태양전지(120)의 상부는 서로 웨이퍼 본딩으로 결합 가능한 재질로 형성될 수 있다. 여기서 웨이퍼 본딩은 접착제를 사용하지 않고 열과 압력을 가하여 서로 다른 기판을 접합하는 기술이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다중접합 태양전지의 변형례를 나타내는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 다중접합 태양전지(200)의 베이스 태양전지(220)의 표면은 소정의 형상을 가질 수 있다. 상세하게, 이중접합 태양전지 단위체(210)의 배열 사이로 드러난 베이스 태양전지(220)의 표면은 에칭되어 평면보다 더 넓은 면적을 가지도록 형성될 수 있다. 이에, 베이스 태양전지(220)의 수광면이 넓어지므로 더 많은 전류를 생성하여 태양전지의 효율이 상승할 수 있다.
덧붙여, 상기 소정 형상은 피라미드 형상, 역피라미드 형상, V형 홈으로 형성된 형상, 반원형으로 오목하게 형성된 형상, 반원형으로 볼록하게 형성된 형상 또는 이들의 복합적인 형상으로 형성될 수 있다. 상기 소정 형상에 관한 위 열거 사항은 예시적일 뿐 이중접합 태양전지 단위체(210)의 배열 사이로 드러난 베이스 태양전지(220)의 표면의 면적이 평면보다 더 넓은 면적을 가지도록 형성되는 형상이라면 그 형상에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 4를 참조하면, 다중접합 태양전지(300)는 이중접합 태양전지 단위체(310)의 배열에 대응되는 집광렌즈(341)를 구비하는 글래스층(340)을 더 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 집광렌즈(341)는 태양광을 집광하여 전기를 생산하도록 할 수있도록 형성되므로 집광렌즈(341)를 구비하는 광투과층(340)을 구비하는 다중접합 태양전지(300)의 광변환 효율이 상승될 수 있다.
집광렌즈(341)는 태양광을 집광하기 위해서 이중접합 태양전지 단위체(310)를 향하여 볼록한 형성으로 형성될 수 있다. 또한, 광투과층(340)의 두께를 얇게하기 위해서 복수개의 동그라미띠를 구비하는 프레넬 렌즈(fresnel lesns)로 형성될 수도 있다. 나아가, 집광렌즈(341)들은 광투과층(340)에 동일 재질로 일체화 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 집광렌즈(341)들은 광투과층(340)의 하면에 부착되는 별도의 렌즈형상의 부재가 될 수도 있다.
한편, 광투과층(340)은 유리(glass), PC (polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), Silicone 과 같은 광투과성 재질로 형성될 수 있다. 또한, 태양광의 반사를 방지하고 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 들어간 저철분 강화유리가 될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 다중접합 태양전지(100)의 제조방법을 나타낸 개념도이다. 이하 설명되는 다중접합 태양전지(100)의 제조방법에서는 앞선 실시예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음으로 갈음된다.
도 5를 참조하면, 베이스 태양전지(120)를 준비하고, 도 5의 (a) 내지 (h) 단계에 따라 다중접합 태양전지(100)를 제조할 수 있다. 베이스 태양전지(120)는 650 내지 1180 nm 파장의 태양광을 흡수하여 전기를 생산하도록 형성될 수 있다.
우선, 베이스 태양전지(120)를 준비하는 단계에서 베이스 태양전지(120)는 실리콘을 포함하는 반도체로 형성된 실리콘 태양전지일 수 있다. 또한, 베이스 태양전지(120)는 Si/SiGe 이중접합 태양전지로 형성될 수도 있다. 한편, 베이스 태양전지(120)의 상부에는 터널배리어를 구비하여, 후술되는 이중접합 태양전지 단위체(110)와 직렬 연결될 수 있다. 상기 터널 배리어는 후술되는 이중접합 태양전지 단위체에 구비된 제1터널배리어(미도시)와 구분하기 위하여 제2터널배리어로 명명할 수 있다.
도 5의 (a) 단계에서 성장기판(W) 상에 희생층(150), 제1태양전지층(111'), 제1터널배리어(미도시), 제2태양전지층(112')을 순차적으로 성장시켜 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 이중접합 태양전지층(10)을 형성할 수 있다.
구체적으로 성장기판(W)은 사파이어(spire) 기판, 실리콘(silicon) 기판 및 GaAs 기판과 같이 표면이 일정한 기판일 수 있다. 일 실시예에서, 희생층(150)은 특정 식각용액에 식각될 수 있는 층으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 AlAs층으로 형성될 수 있다
희생층(150) 상에 적층되는 제1태양전지층(111')은 인듐(In)이 배제된 AlGaAs 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 제1태양전지층(111')은 AlGaAs 화합물 반도체로 형성된 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층을 포함하고, 이들은 서로 접합되어 PN 접합을 형성하여 태양광으로 전기를 생성하도록 형성될 수 있다. 특히, 제1태양전지층(111')은 300 내지 670 nm 파장의 태양광을 흡수하여 전기를 생산할 수 있다.
한편, 제2태양전지층(112')은 GaAs 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 제1태양전지층(111')은 GaAs 화합물 반도체 형성된 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층을 포함하고, 이들은 서로 접합되어 PN 접합을 형성하여 태양광으로 전기를 생성하도록 형성될 수 있다. 제2태양전지층(112')는 500 내지 890 nm 파장의 태양광을 흡수하여 전기를 생산할 수 있다.
즉, 이중접합 태양전지층(10)을 형성하는 단계에서는 순차적으로 밴드갭이 큰 물질부터 적층 또는 성장한다. 상세하게, 희생층(150), 제1태양전지층(111'), 제2태양전지층(112')은 순으로 밴드갭이 크게 형성된다.
덧붙여, 제1태양전지층(111')과 제2태양전지층(112') 사이에 배치된 제1터널배리어(미도시)에 의하여 제1태양전지층(111')과 제2태양전지층(112')은 서로 직렬 연결될 수 있다.
도 5의 (b) 단계에서는 이중접합 태양전지층(10)을 형성하는 단계를 복수회 반복하여 다층의 이중접합 태양전지층(10')을 형성할 수 있다. 이는 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 특히 도 5의 (b) 단계는 이중접합 태양전지층(10)을 형성하고 MOCVD 장비에서 연속하여 수행된다.
즉, 다층의 이중접합 태양전지층(10')을 형성하는 것으로 단일층의 이중접합 태양전지층을 형성할 때에 온도 상승과 막의 성장 및 막의 성장 후 온도를 하강시키는 공정을 배제시킬 수 있다. 이에, 이중접합 태양전지층(10)을 형성하는 단계를 복수회 반복하여 다층의 이중접합 태양전지층(10')을 형성하는 단계를 포함하는 다중접합 태양전지의 제조방법은 공정 시에 소요되는 막의 성장시간과 비용을 절감하는 효과가 있다.
도 5의 (c) 단계에서는 공지의 포토리소그래피 기술에 따라 포토레지스트(160)를 도포한다.
도 5의 (d) 단계에서는 개구(171)가 형성된 마스크(170)에 노광처리를 수행하여 경화영역(160a) 및 미경화영역(160b)을 형성하고, 공지의 포토리소그라피 기술에 따라 미경화영역(160b)을 세정하여 제거한다.
도 5의 (e) 단계에서는 제1식각용액으로 경화영역(160a)으로 보호된 부분 이외의 다층의 이중접합 태양전지층(10')의 최상부에 위치한 이중접합 태양전지층을 식각하여 이중접합 태양전지 단위체(110) 및 단위체의 배열을 형성한다. 이에, 이중접합 태양전지 단위체(110) 및 단위체의 배열이 형성된 다층의 이중접합 태양전지층체(10a)가 형성된다.
일 실시예에서, 도 5의 (e) 단계의 제1식각용액은 시트르 산(citric acid)을 포함하여 선택적 식각을 수행할 수 있다. 상세하게, 제1식각용액으로 다층의 이중접합 태양전지층(10')의 최상부에 위치한 이중접합 태양전지층 중 제1태양전지층(111'), 제1터널배리어층(미도시), 제2태양전지층(112')를 식각하여 이중접합 태양전지 단위체(110) 및 단위체의 배열을 형성하고, 희생층(150)은 남기는 선택적 식각을 수행된다.
이후, 후속공정을 진행하도록 이중접합 태양전지 단위체(110)의 상부에 구비된 경화영역(160a)을 제거한다.
도 5의 (f) 단계에서는 이중접합 태양전지 단위체(110) 및 단위체의 배열을 베이스 태양전지(120)에 웨이퍼 본딩으로 결합한다. 웨이퍼 본딩은 접착제를 사용하지 않고 열과 압력을 가하여 서로 다른 기판을 접합하는 기술이다.
도 5의 (g) 단계에서는 제2식각용액으로 최상부에 위치한 이중접합 태양전지층의 제2태양전지와 인접한 희생층의 식각이 수행되고, 희생층이 식각되어 이중접합 태양전지 단위체(100) 및 단위체의 배열이 다층의 이중접합 태양전지(10")로부터 분리될 수 있다. 상세하게, 단위체의 배열 사이의 공간으로 제2식각용액이 침투하여 최상부에 위치한 이중접합 태양전지층의 제2태양전지와 인접한 희생층의 식각이 쉽게 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, AlAs층으로 형성되는 희생층(150)을 식각하기 위해서 제2식각용액은 불산(hydrofluoric acid, HF)을 포함할 수 있다. 바람직하게 제2식각용액은 불산과 아세톤의 혼합물로 형성될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 불산과 아세톤은 부피비로 1:1로 혼합되어 제2식각용액으로 사용될 수 있다.
상세하게, 희생층(150)의 식각을 살펴보면, 제1태양전지(111)을 형성하는 AlGaAs 층도 불산에 의하여 식각될 수 있다. 하지만, 제1태양전지(111)을 형성하는 AlGaAs 층은 AlAs 층으로 형성되는 희생층(150)에 비하여 100 분의 1 의 에칭속도를 가지므로 희생층이 에칭되는 동안 제1태양전지(111)을 형성하는 AlGaAs 층은 거의 에칭이 이루어지지 않으므로 다중접합 태양전지(100) 구조에 영향을 주지 않는다.
또한, 최상부에 위치한 이중접합 태양전지층의 제2태양전지와 인접한 희생층 이외의 하부에 배치된 희생층은 바깥측면만 노출되어 있으므로 제2식각용액에 의하여 쉽게 식각되지 않는다.
이에, 도 5의 (h) 단계에서는 본 발명의 다중접합 태양전지(100)가 제조될 수 있다.
나아가, 도 5의 (c) 내지 도 5의 (g) 단계를 복수회 반복하여, 연속적으로 베이스 태양전지(120)에 이중접합 태양전지 단위체(100)를 접합하여 다중접합 태양전지(100)를 제조할 수 있다. 즉, 포토레지스트(160)를 도포하여 이중접합 태양전지 단위체(100)를 형성하는 단계부터 희생층(150) 식각하는 단계를 복수회 반복하여 복수의 다중접합 태양전지(100)를 제조할 수 있다.
이에, 하나의 성장기판에 형성된 다층의 이중접합 태양전지층을 한층 씩 이중접합 태양전지 단위체를 형성하는 단계 내지 희생층을 식각하는 단계를 반복하여 다중접합 태양전지를 제조하므로, 베이스 태양전지에 결합하므로 다중접합 태양전지를 생산에 소모되는 성장기판 단가를 절감하는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 다중접합 태양전지(100)의 제조방법의 변형례를 나타낸 개념도이다.
도 6을 참조하면, 대면적으로 형성된 베이스 태양전지(120')에 복수개의 이중접합 태양전지 단위체(110) 및 단위체의 배열이 형성된 다층의 이중접합 태양전지층체(10a)를 웨이퍼 본딩으로 접합한 다음 희생층(150)을 식각하여 다중접합 태양전지(100')를 형성한다. 이어서, 대면적으로 형성된 베이스 태양전지(120')를 절단하여 한번의 공정으로 다수의 다중접합 태양전지(100)을 형성할 수도 있다.
덧붙여, 희생층(150)을 식각한 다음에 이중접합 태양전지 단위체(110)의 배열 사이의 베이스 태양전지(120)의 표면을 식각하는 단계를 더 포함하여, 베이스 태양전지(120)의 표면에 소정의 형상을 형성할 수도 있다. 또한, 이중접합 태양전지 단위체(110)의 배열에 대응되는 집광렌즈를 구비하는 광투과층을 적층하는 단계를 더 포함하여 다중접합 태양전지를 제조할 수 도 있다.
이상에서 설명된 다중접합 태양전지는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100, 200, 300: 다중접합 태양전지
110, 210, 310: 이중접합 태양전지 단위체
111, 211, 311: 제1태양전지
112, 212, 312: 제2태양전지
113, 213, 313: 제1터널 배리어
120, 220, 320: 베이스 태양전지
130, 230, 330: 제2터널 배리어
340: 광투과층
150: 희생층
160: 포토레지스트

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 다중접합 태양전지의 제조방법에 있어서,
    베이스 태양전지를 준비하는 단계;
    성장기판 상에 희생층, 제1태양전지층, 제1터널배리어층, 제2태양전지층를 순차적으로 성장시켜 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계;
    상기 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계를 복수회 반복하여 다층의 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계;
    제1식각용액으로 상기 다층의 이중접합 태양전지층 중 최상부에 위치한 이중접합 태양전지층을 일정한 패턴으로 식각하여 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열을 형성하는 단계;
    상기 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열을 베이스 태양전지에 웨이퍼 본딩으로 결합하는 단계; 및
    제2식각용액으로 최상부에 위치한 이중접합 태양전지층의 제2태양전지와 인접한 희생층을 식각하는 단계를 포함하고,
    상기 희생층을 식각하는 단계에서 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열이 상기 다층의 이중접합 태양전지로부터 분리되고,
    상기 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열을 형성하는 단계부터 상기 희생층을 식각하는 단계를 복수회 반복하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 베이스 태양전지를 준비하는 단계에서 상기 베이스 태양전지는 실리콘 태양전지로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 베이스 태양전지를 준비하는 단계에서 상기 베이스 태양전지는 Si/SiGe 이중접합 태양전지로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 베이스 태양전지를 준비하는 단계에서 상기 베이스 태양전지의 상부에는 제2터널 배리어를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계에서 희생층은 AlAs층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계에서 제1태양전지층은 AlGaAs 화합물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 이중접합 태양전지층을 형성하는 단계에서 제2태양전지층은 GaAs 화합물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 이중접합 태양전지 단위체 및 단위체의 배열을 형성하는 단계에서 상기 제1식각용액은 상기 제1태양전지층, 제1터널배리어층 및 제2태양전지층을 식각하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 희생층을 식각하는 단계 다음에 상기 이중접합 태양전지 단위체의 배열 사이의 상기 베이스 태양전지의 표면을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 이중접합 태양전지 단위체의 배열에 대응되는 집광렌즈를 구비하는 광투과층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지의 제조방법.
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