KR20110081387A - 내산화성 윈도우층을 구비한 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 윈도우층의 산화를 방지하고, 캡층 제조시 윈도우층이 식각되지 않는 태양전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양전지는 기판 상에 형성되며 광신호를 전기적 신호로 변환하는 광전 변환셀과, 광전 변환셀 상에 형성되며 알루미늄을 포함한 화합물 반도체로 이루어진 제1 윈도우층(window layer)과, 제1 윈도우층 상에 형성되며 내산화성을 갖는 물질로 이루어진 제2 윈도우층과, 제2 윈도우층 상에 형성되는 캡층(cap layer)과, 기판의 하부에 형성되는 하부 전극과 캡층 상에 형성되는 상부 전극을 구비한다. 그리고 제2 윈도우층은 캡층과 서로 다른 식각 선택비(etch selectivity)를 갖는 물질로 이루어진다.

Description

내산화성 윈도우층을 구비한 태양전지{Solar cell having window layer with oxidation resistance}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내산화성 윈도우층을 구비한 태양전지에 관한 것이다.
도 1은 종래의 화합물 반도체 태양전지를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 화합물 반도체 태양전지(100)는 기판(110) 상에 광전 변환셀(120), 윈도우층(window layer)(130), 캡층(cap layer)(140) 및 상부 전극(150)이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가진다. 기판(110)의 하부에는 하부 전극(170)이 형성되어 있다. 그리고 윈도우층(130)의 표면이 노출된 영역 상에는 무반사 코팅층(160)이 형성되어 있다. 이때, 윈도우층(130)은 AlInP와 같은 알루미늄 화합물로 이루어진다. 그런데 알루미늄 화합물은 산소와 접촉시 빠른 속도로 산화되어 Al2O3 박막을 형성하게 되므로 윈도우층(130)의 표면에 Al2O3 박막이 형성될 수 있다. Al2O3 박막은 윈도우층(130)의 특성을 악화시킬 뿐 아니라, 이와 같이 형성된 Al2O3 박막은 불균일한 두께로 형성되므로, 윈도우층(130)의 특성을 더욱 악화시키게 된다.
그리고 캡층(140)의 제조과정에서 윈도우층(130)이 식각되는 문제가 발생할 수 있다. 이를 도 2 내지 도 4에 나타내었다.
캡층(140)은 GaAs로 이루어진다. 도 1에 도시된 바와 같은 캡층(140)을 형성하기 위해서는 우선, 도 2에 도시된 바와 같이 윈도우층(130) 상의 전 영역에 GaAs층(145)을 형성시킨다. 그리고 사진식각(photolithography) 공정과 습식 식각(wet etching) 공정을 통해 GaAs층(145) 일부를 제거하여, 도 1에 도시된 바와 같은 캡층(140)을 형성하게 된다. 이때 습식 식각 공정은 인산(H3PO4), 과산화수소(H2O2) 및 탈이온수(deionized water, DI water)가 혼합된 식각 용액을 이용하여 수행된다. 그런데 GaAs층(145)과 AlInP로 이루어진 윈도우층(130)은 식각 선택비(etch selectivity)가 낮다. 즉, GaAs층(145) 식각 용액은 AlInP로 이루어진 윈도우층(130)도 식각하게 된다. 따라서 정확히 GaAs층(145)만을 식각하기 어렵게 되어, GaAs층(145)의 일부가 덜 식각(under etch)되거나 AlInP로 이루어진 윈도우층(130)이 식각(over etch)되는 문제점이 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 정확히 GaAs층(145)만을 식각하여, 캡층(140)을 형성하는 경우에도, 상술한 바와 같이 윈도우층(130)의 표면이 산화되어 산화된 AlInP층(135)를 형성하는 문제점이 발생하게 된다. 그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 캡층(140) 형성을 위해 GaAs층(145)를 식각할 때, 윈도우층(130)의 일부가 식각되면, 윈도우층(130)의 두께가 얇아지게 된다. 또한, 이 경우에도 윈도우층(130)의 표면이 산화되어 산화된 AlInP층(135)를 형성하게 된다.
GaAs층(145) 습식 식각 후, 윈도우층(130)의 표면이 산화되어 산화된 AlInP층(oxidized AlInP)(135)이 형성된 단면 투과전자현미경(cross-section transmission electron microscope) 사진을 도 5에 나타내었다. 도 5에 도시된 바와 같이, GaAs층(145) 습식 식각 후, 윈도우층(130) 상에 두께가 불균일하고 모폴로지(morphology)가 굴곡져 있는 산화된 AlInP층(135)이 형성됨을 알 수 있다.
그리고 GaAs층(145)의 습식 식각 수행시간에 따른 반사도를 도 6에 나타내었다. 도 6의 참조번호 610으로 표시된 그래프는 17초 동안 GaAs층(145)을 식각한 것으로, 정확하게 GaAs층(145) 만을 식각하여 캡층(140)을 제조한 경우이다. 그리고 도 6의 참조번호 620으로 표시된 그래프는 GaAs층(145) 식각을 29초 동안 수행하여 윈도우층(130)의 일부가 식각된 경우이다. 각각의 경우, 윈도우층(130)의 표면이 노출된 영역에는 동일한 무반사 코팅층(160)을 형성하고 반사도를 측정하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, 캡층(140) 형성을 위한 습식 시간의 변화에 따라 반사도가 변함을 알 수 있다.
결과적으로 AlInP로 이루어진 윈도우층(130) 상에 GaAs로 이루어진 캡층(140)을 형성하면, 캡층(140) 형성을 위한 공정 윈도우(process window)가 넓지 않아, 윈도우층(130)의 두께를 정확히 제어하기 힘들고, 윈도우층(130)의 산화로 인해 원치 않는 산화막이 불균일한 두께로 형성되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 윈도우층의 산화를 방지하고, 캡층 제조시 윈도우층이 식각되지 않는 태양전지를 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 광신호를 전기적 신호로 변환하는 광전 변환셀; 상기 광전 변환셀 상에 형성되며, 알루미늄을 포함한 화합물 반도체로 이루어진 제1 윈도우층(window layer); 상기 제1 윈도우층 상에 형성되며, 내산화성을 갖는 물질로 이루어진 제2 윈도우층; 상기 제2 윈도우층 상에 형성되는 캡층(cap layer); 및 상기 기판의 하부에 형성되는 하부 전극과 상기 캡층 상에 형성되는 상부 전극;을 포함하며, 상기 제2 윈도우층은 상기 캡층과 서로 다른 식각 선택비(etch selectivity)를 갖는 물질로 이루어진다.
상기 제2 윈도우층은 알루미늄을 함유하지 않는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
상기 제1 윈도우층은 AlInP를 포함하여 이루어지고, 상기 제2 윈도우층은 GaInP를 포함하여 이루어지며, 상기 캡층은 GaAs를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제2 윈도우층의 밴드갭(band gap)은 1.7eV 이상일 수 있다.
상기 제2 윈도우층의 두께는 상기 제1 윈도우층의 두께의 절반 이하일 수 있다.
본 발명에 따르면, 알루미늄을 포함한 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체로 이루어진 제1 윈도우층 상에, 내산화성을 갖는 제2 윈도우층을 형성함으로써, 윈도우층의 산화로 인해 원하지 않는 산화물이 불균일한 두께로 형성되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 윈도우층은 캡층과 서로 다른 식각 선택비를 가지므로, 캡층 제조시 제2 윈도우층이 식각되는 것이 방지되어 윈도우층을 원하는 두께로 형성하는 것이 가능하며, 캡층 제조를 위한 공정 윈도우(process window)가 넓어지게 된다.
도 1은 종래의 화합물 반도체 태양전지를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 종래의 화합물 반도체 태양전지의 캡층(cap layer)을 제조하는 방법을 나타내는 도면들이다.
도 5는 종래의 화합물 반도체 태양전지의 단면 투과전자현미경(cross-section transmission electron microscope) 사진이다.
도 6은 종래의 화합물 반도체 태양전지에 있어서, 캡층을 식각하는 시간에 따른 반사도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 캡층을 식각하는 시간에 따른 반사도를 나타낸 도면이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 내산화성 윈도우층을 구비한 태양전지의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지(700)는 기판(710), 광전 변환셀(720), 윈도우층(730), 캡층(740), 무반사 코팅층(760), 상부 전극(750) 및 하부 전극(770)을 구비한다.
기판(710)은 화합물 반도체로 이루어지며, 예컨대 GaAs가 이용될 수 있다.
광전 변환셀(720)은 기판(710) 상에 형성되며, 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 광전 변환셀(720)은 외부에서 입력된 광신호를 전기적 신호로 변환시킨다. 광전 변환셀(720)은 단일 셀 또는 복수의 셀로 이루어질 수 있다. 광전 변환셀(720)이 복수의 셀로 이루어진 경우, 턴뎀(tandem) 구조로 형성될 수 있으며, 이때, 각 셀과 셀 사이에는 터널 접합층이 형성될 수 있다. 각 셀은 광신호를 전기적 신호로 변환시키며, 터널 접합층은 셀에서 생성된 캐리어를 이동시키는 역할을 한다. 턴뎀 구조를 갖도록 광전 변환셀(720)을 형성하면 각각의 셀에서 흡수하는 파장 대역이 다르게 되도록 구성할 수 있어, 에너지 변환효율이 우수하게 된다.
윈도우층(730)은 광전 변환셀(720) 상에 형성되며, 제1 윈도우층(731)과 제2 윈도우층(732)이 순차적으로 적층된 형태의 이중층으로 구성된다. 윈도우층(730)은 태양전지로 입사되는 태양광을 광전 변환셀(720)로 통과시키고 광전 변환셀(720)에서 생성되는 전자 또는 정공과 같은 캐리어에게는 전위 장벽이 되어 캐리어의 이동을 방해하는 역할을 한다.
제1 윈도우층(731)은 알루미늄을 포함한 화합물 반도체로 이루어진다. 바람직하게는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체로 이루어지며, 더욱 바람직하게는 AlInP를 포함하여 이루어진다. 제2 윈도우층(732)은 내산화성을 가지며, 캡층(740)과 서로 다른 식각 선택비(etch selectivity)를 갖는 물질로 이루어진다. 이를 위해, 제2 윈도우층(732)은 알루미늄을 함유하지 않는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 GaInP를 포함하여 이루어진다. 제2 윈도우층(732)은 밴드갭(band gap)이 1.7 eV 이상이 되도록 형성될 수 있고, 제2 윈도우층(732)의 두께는 제1 윈도우층(731)의 두께의 절반 이하가 되도록 형성될 수 있다.
그리고 제2 윈도우층(732)이 높은 에너지 밴드갭을 갖도록, 제2 윈도우층(732)은 부정형(pseudo morphic) 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 윈도우층(732)이 GaInP로 이루어진 경우, P의 조성비를 고정시킨 상태에서, In에 대한 Ga의 조성비를 증가시키거나 감소시키면, 하부층과 격자 간격을 다르게 할 수 있다. 제2 윈도우층(732)과 하부층의 격자 간격을 다르게 하더라도, 제2 윈도우층(732)을 30 nm 이하의 두께로 성장시키면 결정질을 유지할 수 있다. 즉, 이와 같은 부정형(pseudo morphic) 기술을 이용하여 제2 윈도우층(732)을 성장시키면, 높은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 윈도우층(732)을 형성할 수 있다.
이와 같이, 알루미늄을 포함한 화합물 반도체로 이루어지는 제1 윈도우층(731) 상에 내산화성을 갖는 제2 윈도우층(732)이 적층된 형태의 윈도우층(730)이 형성되면, 윈도우층(730)이 산소와 접촉하더라도 산화가 잘 일어나지 않는다. 따라서 윈도우층(730)의 표면에 원치 않는 산화막이 형성되는 것을 방지할 수 있어 윈도우층(730)의 특성이 악화되는 것을 방지할 수 있다.
캡층(740)은 윈도우층(730)의 일부 영역 상에 형성된다. 캡층(250)은 윈도우층(730)과 상부 전극(750)의 접촉 저항을 개선하기 위해 형성되는 것으로 GaAs를 포함하여 이루어질 수 있다.
무반사 코팅층(760)은 윈도우층(730)의 표면이 노출된 영역에 형성된다. 윈도우층(730)이 반사율이 높기 때문에 입사되는 태양광이 반사되지 않고 광전 변환셀(720)에 잘 도달할 수 있도록, 무반사 코팅층(760)이 윈도우층(730) 상에 형성된다. 상부 전극(750)은 캡층(740) 상에 형성되고, 하부 전극(770)은 기판(710)의 하부에 형성된다.
이와 같이, 제2 윈도우층(732)이 캡층(740)과 서로 다른 식각 선택비를 갖는 물질로 이루어지게 되면, 캡층(740) 형성을 위한 습식 식각시 윈도우층(730)이 식각되는 것(over etch)을 방지할 수 있게 된다. 캡층(740) 형성을 위한 습식 식각을 수행하는 시간에 따른 반사도를 도 8에 나타내었다.
도 8에서 실선으로 나타낸 그래프는 17초 동안 캡층(740) 형성을 위한 습식 식각을 수행한 경우이고, 점선으로 나타낸 그래프는 29초 동안 캡층(740) 형성을 위한 습식 식각을 수행한 경우이다. 각각의 경우, 윈도우층(730)의 표면이 노출된 영역에는 동일한 무반사 코팅층(760)을 형성하고 반사도를 측정하였다. 도 8을 살펴보면, 캡층(740) 형성을 위한 습식 시간이 변화하더라도 반사도는 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 이는 종래의 결과와는 큰 차이가 있다. 종래의 경우에는 도 6에 나타낸 바와 같이 습식 시각 수행 시간을 변화시키면 반사도가 변화하였다. 그러나 본 발명에서는 제1 윈도우층(731) 상에 캡층(740)과 서로 다른 식각 선택비를 갖는 물질로 이루어진 제2 윈도우층(732)을 적층함에 따라, 캡층(740)의 습식 식각 수행 시간이 변화되더라도 반사도는 일정하게 유지되었다. 이는 캡층(740)과 제2 윈도우층(732)의 식각 선택비가 서로 다르기 때문이다. 즉, 캡층(740)의 습식 식각을 오랜 시간 동안 수행하더라도 제2 윈도우층(732)이 식각되지 않으므로, 윈도우층(730)의 두께가 일정하게 유지되기 때문이다.
결과적으로 본 발명과 같이 윈도우층(730)을 이중층(731, 732)으로 구성하게 되면, 윈도우층(730)의 두께를 정확히 제어할 수 있으며, 윈도우층(730)의 산화로 인해 원치 않는 산화막이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 캡층(740) 형성시 윈도우층(730)이 식각되지 않아 윈도우층(730)의 물성이 악화되지 않고, 캡층(740)의 습식 식각 수행 시간에 따라 윈도우층(730)의 물성이 크게 변하지 않으므로, 캡층(740) 형성 공정의 공정 윈도우가 넓어지게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 광신호를 전기적 신호로 변환하는 광전 변환셀;
    상기 광전 변환셀 상에 형성되며, 알루미늄을 포함한 화합물 반도체로 이루어진 제1 윈도우층(window layer);
    상기 제1 윈도우층 상에 형성되며, 내산화성을 갖는 물질로 이루어진 제2 윈도우층;
    상기 제2 윈도우층 상에 형성되는 캡층(cap layer); 및
    상기 기판의 하부에 형성되는 하부 전극과 상기 캡층 상에 형성되는 상부 전극;을 포함하며,
    상기 제2 윈도우층은 상기 캡층과 서로 다른 식각 선택비(etch selectivity)를 갖는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 윈도우층은 알루미늄을 함유하지 않는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 윈도우층은 AlInP를 포함하여 이루어지고, 상기 제2 윈도우층은 GaInP를 포함하여 이루어지며, 상기 캡층은 GaAs를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 윈도우층의 밴드갭(band gap)은 1.7eV 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 윈도우층의 두께는 상기 제1 윈도우층의 두께의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 윈도우층은 밴드갭을 증가시키기 위해 부정형(pseudo morphic) 기술을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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