KR20160108440A - 인쇄법을 통한 에피택셜 리프트오프 태양 전지와 포물형 미니 집광기 어레이의 집적화 - Google Patents

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스티븐 알 포레스트
규상 이
데지우 팬
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Abstract

광기전력 디바이스의 제조 방법이 개시된다. 구체적으로, 상기 방법은 인쇄법을 거쳐 에피택셜 리프트오프 태양 전지를 포물형 미니 집광기 어레이와 집적화하는 것을 포함한다. 따라서, 성장 기판을 제공하는 단계; 성장 기판 위에 적어도 하나의 보호층을 침착시키는 단계; 보호층 위에 적어도 하나의 희생층을 침착시키는 단계; 희생층 위에 적어도 하나의 광활성 셀을 침착시키는 단계; 적어도 하나의 광활성 셀로부터 희생층으로 연장되는 적어도 2개의 평행한 트렌치의 패턴을 에칭하는 단계; 적어도 하나의 광활성 셀 위에 금속을 침착시키는 단계; 호스트 기판에 상기 금속을 결합시키는 단계; 및 1 이상의 에칭 단계에 의해 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 방법이 개시된다. 호스트 기판은 실록산일 수 있으며, 롤링시, 집광기 어레이에 태양 전지를 집적화하는 데에 사용되는 스탬프를 형성할 수 있다. 성장 기판의 제조 방법, 및 이로부터 제조된 성장 기판도 개시된다.

Description

인쇄법을 통한 에피택셜 리프트오프 태양 전지와 포물형 미니 집광기 어레이의 집적화{INTEGRATION OF EPITAXIAL LIFT-OFF SOLAR CELLS WITH MINI-PARABOLIC CONCENTRATOR ARRAYS VIA PRINTING METHOD}
본원은 모두 본 명세서에서 그 전체를 참고로 인용하는, 2014년 1월 15일 출원된 미국 가출원 제61/927,932호 및 2014년 3월 3일 출원된 동 제61/947,120호의 우선권을 청구한다.
정부 후원 연구에 관한 진술
본 발명은 미육군 연구 실험실이 수여하는 계약 제W911NF-08-2-0004호 하에서 미국 정부 지원으로 수행되었다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.
공동 연구 협정
본 개시의 주제는 대학 법인 공동 연구 협정에 대한 하기 당사자 중 1 이상에 의해, 이를 대신하여 및/또는 이와 함께 수행되었다: 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시간 및 나노플렉스 파워 코포레이션. 본 개시의 주제가 준비되고 협정의 범위 내에서 착수된 활동의 결과로서 본 개시의 주제가 이루어진 일자에 그리고 그 이전에 이 협정은 발효되었다.
본 개시는 일반적으로 에피택셜 리프트오프(epitaxial lift-off, ELO)를 이용하여 가요성 광기전력 디바이스와 같은 박막 전자 및 광전자 디바이스를 제조하는 방법 및 이의 제조를 위한 성장 구조체(growth structure)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 집열기를 박막 셀과 집적화시키는 독특한 기회를 제공하는, 가요성 기판에 결합된 박막 ELO 셀에 관한 것이다.
에피택셜 리프트오프(ELO)는 >28%의 기록 효율로 얇은 단결정성 GaAs 태양 전지를 얻어왔다. 인상적이기는 하지만, ELO에서 셀 활성층과 기판 사이에 "희생층"의 화학적 에칭을 이용하는 공정은 다른 태양 전지 활성 영역의 에피택셜 성장을 위해 한 번 더 사용하기 위해 모웨이퍼의 웨이퍼 연마를 필요로 한다. 안타깝게도, 웨이퍼 연마는 단지 몇 사이클 후에 웨이퍼에 추가의 손상을 가하면서 상당량의 웨이퍼 재료를 제거하여, 엄청나게 높은 제조 비용을 초래한다.
단결정성 반도체 기반 디바이스와 같은 박막 기술은 이의 가요성, 경량 및 고성능 특성으로 인해 전자 공학의 분야에서 가치가 있다. ELO는 박막 디바이스 영역이 성장 기판 또는 웨이퍼에서 "리프트오프"되어 호스트 기판에 이송될 수 있는 기술이다. 희생층의 선택적 에칭에 의해 디바이스 영역이 웨이퍼로부터 분리된다. ELO 공정의 주요 이점은 고가의 웨이퍼의 소비를 최소화하여 제조 비용을 크게 감소시킬 수 있는, 디바이스 영역의 리프트오프 후의 웨이퍼의 재사용 가능성이다.
그러나, 종래의 ELO 공정으로는 웨이퍼 표면이 상당히 거칠어지고 오염물이 축적된다. 후속 에피택셜 성장을 위한 준비에서 이들 결함을 없애기 위해, 연마 에칭 공정이 보통 사용된다. 그러나, 일반적으로 이 공정은 고품질 재성장 계면을 제공하지 않아서, ELO 후에 화학적으로 연마된 표면 상에서 성장된 디바이스층이 이어서 제작된 디바이스로 하여금 상당히 감소된 성능을 갖게 한다. 문헌[Bauhuis, G.J. et al., "Wafer reuse for repated growth of III-V solar cells" Prof. Photovolt. 18, 155-159 (2010)]. 화학기계적 웨이퍼 재연마가 이 문제의 해결에 사용되지만, 이러한 공정은 웨이퍼의 상부 표면으로부터 수십 마이크론의 재료를 소비하여, 웨이퍼 재사용의 가능한 수를 제한한다.
상기의 결과로서, 성장 기판을 보호하기 위한 희생층에 의존하고 재사용을 가능하게 하는 개선된 ELO 공정에 대한 요구가 존재한다. 상당한 추가 비용의 도입 없이 박막 셀 내에 집열기를 집적화 가능하게 하는 개선된 공정에 대한 요구도 존재한다.
본 발명자들은 비파괴적인 에피택셜 리프트오프의 수행 방법을 발견하였다. 따라서, 성장 기판을 제공하는 단계; 성장 기판 위에 적어도 하나의 보호층을 침착(deposition)시키는 단계; 보호층 위에 적어도 하나의 희생층을 침착시키는 단계; 희생층 위에 광활성 셀을 침착시키는 단계; 적어도 하나의 광활성 셀 위의 금속 마스크; 상기 금속 마스크를 통해 제1 에칭 단계를 수행하여 광활성 셀에 패턴을 형성시키는 단계로서, 상기 패턴은 희생층에 연장되는 단계; 및 1 이상의 제2 에칭 단계에 의해 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 방법이 개시된다.
본 발명자들은 또한 개선된 에피택셜 리프트오프를 위한 성장 구조체를 발견하였다. 따라서, 성장 기판; 성장 기판 상의 적어도 하나의 보호층; 보호층 상의 적어도 하나의 희생층; 희생층 상의 적어도 하나의 광활성 셀; 및 광활성 셀로부터 희생층에 에칭된 적어도 하나의 패턴을 포함하는 성장 구조체로서, 상기 에칭된 패턴은 적어도 하나의 광활성 셀에 에칭된 2 이상의 평행한 트렌치(trench)를 포함하는 성장 구조체가 개시된다.
본 발명자들은 또한 개선된 비파괴적인 ELO 방법의 이점을 취하는 광기전력 디바이스의 제조 방법 및 결과로 나오는 성장 구조체를 발견하였다. 구체적으로, 인쇄법을 통한 에피택셜 리프트오프 태양 전지와 포물형 미니 집광기(concentrator) 어레이의 집적화를 포함하는 방법이 개시된다. 개시된 방법은 성장 기판을 제공하는 단계; 성장 기판 위에 적어도 하나의 보호층을 침착시키는 단계; 보호층 위에 적어도 하나의 희생층을 침착시키는 단계; 희생층 위에 적어도 하나의 광활성 셀을 침착시키는 단계; 적어도 하나의 광활성 셀로부터 희생층으로 연장되는 적어도 2개의 평행한 트렌치의 패턴을 에칭하는 단계; 적어도 하나의 광활성 셀 위에 금속을 침착시키는 단계; 금속을 호스트 기판에 결합시키는 단계; 및 1 이상의 에칭 단계로 희생층을 제거하는 단계를 포함한다. 이 방법은 스탬프로 롤링(rolling)되고, 성장 기판 상에서 성장된 태양 전지를 미니 집광기 어레이에 집적화하기 위한 인쇄법에 사용될 수 있는, 엘라스토머 재료와 같은 호스트 기판을 제공한다.
상기 논의된 주제와는 별도로, 본 개시는 본원에서 하기 설명되는 것들과 같은 다수의 다른 예시적인 특징을 포함한다. 상기 설명 및 하기 설명 모두 단지 예시임을 이해해야 한다.
첨부 도면은 본 명세서에 삽입되며 본 명세서의 일부를 구성한다.
도 1은 비파괴적인 에피택셜 리프트오프(ND-ELO)에 사용되는 일반화된 웨이퍼 구조체의 개략도이다.
도 2는 ELO 전후의 웨이퍼 표면 형태의 비교이다.
도 3은 호스트 기판 상의 박막 GaAs 태양 스트라이프(solar stripe)에 대한 제작 흐름도이다.
도 4(a)는 진공 몰드의 개략도이고, 도 4(b)는 포물형 집광기 제작을 위해 제작된 진공 몰드의 사진이다.
도 5는 (a) 진공 몰드를 이용하는 변형된 플라스틱, 및 (b) 최대 광 반사를 위한 고반사 재료(Ag)로 코팅된 금속화 플라스틱 호스트 플랫폼의 사진이다.
도 6은 엘라스토머 스탬프에 결합된 박막이 리프트오프된 태양 전지 스트라이프, 및 (b) 이어지는 집적화 공정을 위해 준비된, 원통 주위에 신장 및 권취된 엘라스토머 스탬프의 개략도이다.
도 7은 집광기 어레이에 가압하는 엘라스토머 스탬프의 개략도이다.
도 8은 미니 집광기 어레이와 집적화된 태양 전지 스트라이프의 개략도이다.
도 9는 7개의 웨이퍼가 약 77% 충전 인자를 가져오는 원형 서스셉터에 타일링(tiling)될 수 있는 방법을 도시하는 개략도이다.
도 10은 18개의 1 cm x 3.5 cm 직사각형이 단일 100 mm(4 인치) 웨이퍼로부터 절단될 수 있는 방법을 도시하는 개략도이다.
정의
본원에서 사용되는 용어 "III-V 재료"는 주기율표의 IIIA족 및 VA족으로부터의 원소를 함유하는 화합물 결정을 지칭하는 데에 사용될 수 있다. 더욱 구체적으로, 용어 "III-V 재료"는 본원에서 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 알루미늄(Al)의 군 및 비소(As), 인(P), 질소(N) 및 안티몬(Sb)의 군의 조합인 화합물을 지칭하는 데에 사용될 수 있다.
본원에서 III-V 화합물은 약칭 형태로 지칭됨을 주지해야 한다. 2성분 재료는 III족:V족 화합물이 대략 1:1 몰비로 존재하는 것으로 고려된다. 3 이상의 성분계(예컨대 InGaAlAsP)에서, III족 종의 합(즉, In, Ga 및 Al)은 대략 1이고, V족 성분의 합(즉, As 및 P)은 대략 1이므로, III족 대 V족의 비는 대략 일치한다.
III-V 화합물의 명칭은 격자 매칭 또는 주위 환경으로부터 방해받았을 때의 격자 미스캐칭(스트레인)을 달성하기 위해 필요한 화학량론비에 있는 것으로 추정된다. 추가로, 명칭은 어느 정도 뒤바뀔 수 있다. 예컨대, AlGaAs 및 GaAlAs는 동일한 재료이다.
본원에서 사용되고 묘사되는 "층"은 주치수가 X-Y인, 즉 이의 길이 및 폭을 따르는 디바이스의 부재 또는 요소를 지칭한다. 용어 "층"은 재료의 단일 층 또는 시트에 반드시 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다. 또한, 특정 층과 다른 재료(들) 또는 층(들)의 계면(들)을 비롯한 이러한 층의 표면이 다른 재료(들) 또는 층(들)과 관통하거나, 이로 엉키거나, 또는 이와 뒤얽힌 네트워크를 나타내는 식으로 불완전할 수 있음을 이해해야 한다. 유사하게, 층이 비연속적일 수 있어서, X-Y 치수를 따르는 상기 층의 연속성이 다른 층(들) 또는 재료(들)에 의해 방해되거나 또는 그렇지 않으면 중단될 수 있음도 이해해야 한다.
제1 층이 제2 층 "너머로" 또는 "위에" 배치 또는 침착된다고 기재될 경우, 제1 층은 제2 층보다 기판으로부터 더 멀리 위치한다. 제1 층이 제2 층 바로 위에 배치될 수 있지만, 제1 층이 제2 층 "위에" 또는 제2 층과 "물리적으로 접촉하여" 배치된다고 명시되지 않을 경우, 제1 층과 제2 층 사이에 다른 층이 존재할 수 있다. 예컨대, 에피층(epilayer)은 그 사이에 다양한 층이 존재할 수 있기는 하지만, 희생층 "너머로" 또는 희생층 "위에" 배치되는 것으로 기재될 수 있다. 유사하게, 보호층은 그 사이에 다양한 층이 존재할 수 있기는 하지만, 성장 기판 "너머로" 또는 "위에" 배치되는 것으로 기재될 수 있다. 유사하게, 제1 층이 제2 층과 제3 층 사이에 배치 또는 침착된다고 기재될 경우, 제1 층이 제2 층 및/또는 제3 층 "위에" 또는 제2 층 및/또는 제3 층과 "물리적으로 접촉하여" 배치 또는 침착된다고 명시되지 않으면, 제1 층과 제2 층 사이에 및/또는 제1 층과 제3 층 사이에 다른 층이 존재할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "반도체"는 열 또는 전자기 여기에 의해 전하 담체가 유도될 때 전기를 전도할 수 있는 재료를 지칭한다. 용어 "광전도성"은 일반적으로 전자기 복사 에너지가 흡수되어, 담체가 재료 내 전하를 전도, 즉 수송할 수 있도록, 전하 담체의 여기 에너지로 전환되는 공정에 관한 것이다. 용어 "광전도체" 및 "광전도성 재료"는 본원에서, 전하 담체를 생성하기 위해 전자기 방사선을 흡수하는 성질을 위해 선택되는 반도체 재료를 지칭하는 데에 사용된다.
본원에서 사용되는 용어 "웨이퍼" 및 "성장 기판"은 상호 교환적으로 사용될 수 있다.
본원에서 사용되는 바의 용어 "에칭제 선택도"는 특정 에칭제가 다른 재료의 에칭율에 비해 특정 재료를 제거하는 비율을 지칭한다. X 및 Y의 에칭제 선택도는 특정 에칭제에 대한 X의 에칭율과 Y의 에칭율 사이의 비로서 정량화된다. 따라서, 본원에서 사용되는 바의 "고선택적"은 하나의 재료가 빠르게 에칭되는 반면 다른 재료는 10:1 초과, 또는 100:1, 또는 1000:1, 10,000:1 이상과 같이 매우 느리게 에칭되거나 또는 전혀 에칭되지 않는 경우를 지칭한다.
Si 또는 Ge와 같은 원소 반도체에 비해, 화합물 반도체는 종종 고효율 태양 전지에 유용한 우수한 특성을 갖는다. 그러나, 활성 디바이스 영역이 성장되는 웨이퍼는 엄청나게 비용이 들어서(예컨대 GaAs 웨이퍼 비용 ∼20k/㎡ 달러), 실제적인 태양 전지에 대한 이의 사용을 제한한다. 그 결과, 웨이퍼 재사용을 가능하게 하여 비용을 감소시키기 위해 본원에서는 III-V 반도체 태양 전지가 웨이퍼와 셀 에피(광활성 셀로도 지칭됨) 사이의 AlAs "희생층"으로부터 선택적 에칭에 의해 기판으로부터 제거되는 에피택셜 리프트오프(ELO)를 설명한다.
본원에 기재된 성능 저하 없는 상기 비파괴적인 기판 재이용법은 상당한 제조 비용 감소 가능성을 제공한다. 또한, 개시된 방법은 벌키한 2차원 기판 기반 플래폼으로부터 등각의 가요성 경량 박막 디바이스로 이동함으로써, 고성능 III-V족 광전자 디바이스의 적용을 확대한다. 또한, 박막 태양 전지와 플라스틱 포물형 집광기와 같은 저비용 집광기의 직접 집적화는 태양 에너지의 전기 에너지로의 전환 비용을 추가로 감소시킬 수 있다.
박막 무기 태양 전지 제작
본 출원인은 웨이퍼와 에피택시 사이에 개재된 표면 보호층을 이용하여 웨이퍼 손상을 없애는 완전히 비파괴적인 ELO(ND-ELO) 공정을 본원에 개시한다. 본 출원인은 이들 표면 보호층이 제거될 때, 모든 고유의 표면 손상도 제거될 수 있음을 발견하였다. 상기 공정은 플라즈마 공정과 조합된 화학 선택적 에칭제를 사용한다.
본원에 기재된 일측면에 따르면, 에피택셜 구조체는 순차 보호층, 희생층 및 활성 디바이스층을 포함하는 다층 구조체로 이루어진다. 보호층은 일반적으로 5∼200 nm, 예컨대 10∼150 nm, 또는 심지어 20∼100 nm 범위의 두께를 갖는 격자 매칭층인 보호층 및 버퍼층을 포함한다. 이들 층은 일반적으로 가스원 분자빔 에피택시(gas source molecular beam epitaxy, GSMBE)와 같은 가스원에 의해 성장된다. 성장 구조체의 제조를 위한 다른 적절한 침착 기술은 금속-유기 화학 증착(MOCVD), 수소화물 기상 에피택시(hydride gas vapor epitaxy, HVPE), 고체원 분자빔 에피택시(SSMBE) 및 화학적 빔 에피택시를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
일구체예에서, 기판은 GaAs를 포함할 수 있고, 기판 보호층 및 디바이스 구조체 보호층은 GaAs, AlInP, GaInP, AlGaAs, GaPSb, AlPSb 및 이들의 조합과 같은 격자 매칭 화합물일 수 있다. 다른 구체예에서, 기판은 GaAs를 포함할 수 있고, 기판 보호층 및 디바이스 구조체 보호층은 격자 매칭 화합물과의 조합을 비롯한 InP, InGaAs, InAlAs, AlInP, GaInP, InAs, InSb, GaP, AlP, GaSb, AlSb 및 이들의 조합과 같은 변형층(strained layer)일 수 있다.
1 이상의 보호층에 적절한 III-V 재료의 예는 AlInP, GaInP, AlGaAs, GaPSb, AlPSb, InP, InGaAs, InAs, InSb, GaP, AlP, GaSb, AlSb, InAlAs, GaAsSb, AlAsSb 및 GaAs를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 구체예에서, 성장 기판이 GaAs일 경우, 1 이상의 보호층은 격자 매칭된 AlInP, GaInP, AlGaAs, GaPSb, AlPSb 및 변형된 InP, InGaAs, AlInP, GaInP, InAs, InSb, GaP, AlP, GaSb, AlSb에서 선택된다. 일부 구체예에서, 성장 기판이 InP일 때, 1 이상의 보호층은 격자 매칭된 InGaAs, InAlAs, GaAsSb, AlAsSb 및 변형된 InGaAs, InAlAs, GaAsSb, AlAsSb, InAs, GaSb, AlSb, GaAs, GaP 및 AlP에서 선택된다. 미국 특허 제8,378,385호 및 미국 특허 공개 제2013/0043214호를 이의 보호층 스킴(scheme)에 대한 개시에 대해 본원에서 참고로 인용한다.
보호층은 기재된 바의 1 이상의 보호층을 더 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 보호층은 하나의 보호층을 더 포함한다. 다른 구체예에서, 보호층은 2개의 보호층을 더 포함한다. 다른 구체예에서, 보호층은 3 이상의 보호층을 더 포함한다. 보호층(들)은 성장 기판과 희생층 사이에 위치할 수 있다.
그 다음, 희생 해제층(sacrificial release layer)을 보호층 위에 성장시킨다. 이러한 층의 하나의 비제한적인 예는 AlAs이다. 이 재료를 희생층으로서 사용시, 산화비소 축적물이 리프트오프 동안 AlAs 에칭을 늦출 수 있다. 따라서, AlAs를 천천히 에칭된 III-V 재료(예컨대 InAlP, AlGaAs, InAlGaP)로 클래딩함으로써, 산화비소 축적물을 감소시킬 수 있고; 이에 따라 리프트오프 공정을 촉진할 수 있다. 본원에서 참고로 인용되는 미국 특허 공개 제2010/0047959호는 단결정 기판으로부터 에피택셜층을 선택적으로 유리시키는 방법을 기재한다.
일구체예에서, 활성 박막 디바이스 영역은 공지된 산을 사용하여 희생층의 선택적 에칭에 의해 리프트오프할 수 있다. 성장 구조체의 희생층은 성장 기판으로부터 에피층을 해제하기 위해 ELO 동안 해제층으로서 작용한다. ELO 동안 에피층 및/또는 성장 기판을 손상시킬 가능성을 최소화 또는 제거하기 위해, 희생층이 에피층 및/또는 성장 기판에 대한 높은 에칭 선택도를 갖도록 선택될 수 있다. ELO 동안 에피층을 보호하기 위해 희생층과 에피층 사이에 보호층을 사용할 수도 있다. 일부 구체예에서, 희생층은 III-V 재료를 포함한다. 일부 구체예에서, III-V 재료는 AlAs, AlInP 및 AlGaInP에서 선택된다. 특정 구체예에서, 희생층은 AlAs를 포함한다. 일부 구체예에서, 희생층은 두께가 약 2 nm 내지 약 200 nm, 예컨대 약 4 nm 내지 약 100 nm, 약 4 nm 내지 약 80 nm, 또는 약 4 nm 내지 약 25 nm이다.
에칭에 의한 희생층의 해제 단계를 다른 기술, 예컨대 스폴링(spalling)과 조합할 수 있다. PCT 특허 출원 제PCT/US14/52642호를 이의 에칭과 스폴링의 조합을 통한 에피층의 해제에 대한 개시에 대해 본원에서 참고로 인용한다.
다음으로, 에피층(또는 활성 디바이스 영역)을 통상적으로, 2차 플라스틱 기판에 결합시킨 후 디바이스를 종래의 배향으로 제작할 수 있고 이에 의해 ELO 디바이스 가공에서 종종 채용되는 제2 전사 단계를 없애는 식으로 역순서로 성장시킨다. 성장 구조체의 에피층은 성장 기판에서 "리프트오프"시키고자 하는 임의의 수의 층을 지칭한다. 에피층은 예컨대 전자 또는 광전자 디바이스의 제작을 위한 임의의 수의 활성 반도체층을 포함할 수 있다. 따라서, 에피층을 종종 "활성 디바이스 영역"으로 지칭한다. 에피층은 광전지, 광다이오드, 발광 다이오드 및 전계 효과 트랜지스터, 예컨대 금속- 반도체 전계 효과 트랜지스터 및 고전자이동도 트랜지스터를 포함하나 이에 한정되지 않는 디바이스의 제작을 위한 층을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 에피층은 적어도 하나의 III-V 재료를 포함한다.
본 개시에 따른 완전한 에피 성장 구조체의 예를 도 1에 도시한다. 당업자의 숙련자가 이해하는 바와 같이, 도면의 역전 GaAs 태양 전지 구조체는 다른 역전 고효율 III-V 반도체 태양 전지 구조체로 대체될 수 있다. 도 1을 참조시, 이 구조체의 후면 거울이, 동일한 외부 양자 효율을 유지하면서, 단일 흡수 디바이스에 비해 활성 영역의 두께가 1/2로 감소될 수 있음을 의미하는 이중 흡수를 달성하기 위해, 광자가 활성 흡수 영역으로 재반사되도록 한다.
일구체예에서, 기판을 플라스틱 기판에 결합시킨 후, 활성 디바이스 영역을 예컨대 산으로의 침지 에칭에 의해 모웨이퍼로부터 리프트오프할 수 있다.
다른 구체예에서, 본 출원인은, 웨이퍼 재사용을 위해 기판 웨이퍼의 원래의 표면 품질을 회복하기 위한 비파괴적인 2 단계 세정 절차를 발견하였다. 이 절차는 우선 오염의 대부분을 제거하기 위한 유도 결합 플라즈마에 의해서와 같은 건식 에칭 단계에 의해 기판의 표면을 예비 세정하는 것을 포함한다. 그 다음, 에칭 정지층에서 에칭이 정지될 때까지, 산계 에칭제를 사용하여 다양한 보호층을 제거한다. 그 다음, 강산(예컨대 에칭 정지층을 위한 묽은 HCl산(HCl:H2O(1:1)) 대 보호층을 위한 인산 에칭제)을 사용하여 에칭 정지층을 제거한다. 최종적으로, 완전한 에칭이 달성되며, 이는 고품질 재성장 계면을 제공하기 위한 표면 세정의 이 마지막 단계를 가능하게 한다. 도 2의 원자간력 현미경(AFM) 상에 도시된 바와 같이, GaAs 모웨이퍼 기판 표면은 각각의 단계 후에 제곱 평균(RMS) 표면 거칠기에 대한 변화를 나타내어, 이 비파괴적인 2 단계 세정 절차의 효능의 증거를 제공한다.
일구체예에서, 광전지는 가요성 결정성 반도전성 셀을 포함하는 활성 광기전력 영역을 포함한다. 단일 접합 반도전성 셀의 비제한적인 예는 InGaP, GaAs, InGaAs, InP 또는 InAlP를 포함한다. 가요성 결정성 반도전성 셀은 통상적으로 두께가 2∼10 ㎛, 예컨대 3∼6 ㎛ 범위이다.
다른 구체예에서, 광전지는 탠덤형 광전지(2개의 보조 셀 있음), 3중 접합 셀(3개의 보조 셀) 또는 심지어 4중(quad) 접합 셀(4개의 보조 셀)과 같은 다중 접합 셀을 포함하는 활성 광기전력 영역을 포함한다.
일구체예에서, 매우 고효율의 다중 접합(GaAs/InGaP) 태양 전지가 사용될 수 있다. 무접합 냉간 용접 공정에 사용되는 "업사이드 다운(upside down)" 결합 기하 구조를 수용하기 위한 종래의 다중 접합 셀 성장 순서에 대해 이 구체예를 위한 설계를 역전시킬 수 있고; 상기 구조체는 25% GaAs 셀 구성을 포함한다. 이 경우, 반사성 완전 덮임율 옴 접촉이 디바이스 활성 영역을 통한 입사광의 2 통과를 가능하게 하므로, GaAs 셀 두께가 감소될 수 있다(예컨대 종래의 기판 기반 셀의 대략 50%인 2 ㎛까지). InGaP 셀 설계(층 두께, 윈도우층, 층 구성 등)를 비롯한 최대 효율을 위한 탠덤형 PV 구조체의 최적화, 적층된 부재 사이의 와이드 갭 터널 접합(TJ)의 개선, 및 이 다중 접합 셀에 대한 대면적에 걸친 다중 리프트오프 공정의 완성에 주요 초점이 맞춰질 것이다.
태양 전지는 p형 층의 최상부 상에서 n형 재료로 성장되는 반면, 터널 접합은 대향 극성으로 성장해야 한다. 셀은 p형 층 모두에 또는 이의 일부에 탄소 도핑을 채용할 수 있는데, 왜냐하면 탄소는 종래의 p-도펀트인 Be처럼 성장 표면에 용이하게 이동하지 않기 때문이다. 탠덤형 셀은 일반적으로 GaAs 셀 내 전류에 의해 제한되므로, InGaP 및 GaAs 셀의 전류 매칭을 위해 InGaP 셀 두께를 조정할 필요가 있다.
광전지를 형성한 후, 이의 한쪽 표면을 전도성 금속 코팅으로 코팅한다. 금속 코팅의 비제한적인 예는 Au, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Cu에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하며, Au가 특히 강조된다. 지지 기판 상의 Au 층은 두께가 100∼500 ㎛, 예컨대 200∼400 ㎛ 범위이다.
상기 기재된 비파괴적인 ELO 공정에 의해 광전지가 일단 성장 기판으로부터 제거되면, 이를 다양한 결합 공정에 의해 지지 구조체 상에 장착한다. 예컨대, 활성 광기전력 영역은 단일 접합 셀이던 또는 다중 접합 셀이던 간에 직접 부착 결합 공정에 의해 호스트 기판에 도포할 수 있다. 이 공정은 가요성 호스트 기판 및 활성 영역의 인접 표면에 금속 층을 추가하고, 냉간 용접을 이용하여 이를 결합시키는 것을 포함한다. 냉간 용접 결합 공정은 통상적으로 균일한 결합 계면을 달성하기 위해 실온에서 2개 표면을 함께 가압하는 것을 포함한다.
단일 접합 셀의 경우와 같이, 다중 접합 셀은 성장-ELO-재사용 사이클의 각각의 반복 후에 현미경으로 그리고 화학적으로 검사할 수 있다. 반사 방지 코팅을 포함하는 완성된 셀을 표준 조명 조건(AM1.5G 스펙트럼)을 이용하여 그러나 10 sun 이하의 강도 범위에 걸쳐, 전기적으로 시험할 수 있다. 측정되는 파라미터는 단일 접합 셀의 경우와 같이 PCE, 충전 인자, 개방 회로 전압, 단락 전류, 직렬 및 병렬 저항을 포함한다.
대안적인 직접 부착 결합 공정은 통상적으로 저압 그러나 고온(즉, 금속 재결정화 온도보다 높은 온도)의 적용을 수반하는 열 압착 결합을 포함할 수 있다. 이 공정은 통상적으로 가요성 기판이 직접 부착 결합 공정에 사용되는 금속층의 재결정화 온도 미만의 유리 전이 및/또는 용융 온도를 가질 때에는 사용되지 않는다.
사용될 수 있는, ELO 공정과 관련된 금속층의 결합을 위한 다른 직접 부착 기술은 통상적인 냉간 용접 공정보다 낮은 압력 및 통상적인 열 압착 결합 공정보다 낮은 온도를 이용하는 열 보조 냉간 용접 결합 공정이다. 구체적으로, 열 보조 냉간 용접은 반도체 웨이퍼의 손상 가능성을 감소시켜 추가의 활성 영역을 성장시키기 위한 웨이퍼의 재사용 비율을 감소시킬 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 직접 부착 결합 공정의 비제한적인 예는 냉간 용접, 열 보조 냉간 용접 또는 열 압착 결합을 포함한다. 냉간 용접을 설명하는 미국 특허 출원 공개 US 제2013/0037095호를 본원에서 참고로 인용한다.
Au 코팅 Cu 포일과 같은 금속-포일 기판에의 결합, 냉간 용접에 덜 비싼 금속의 사용(예컨대 Au 대신 Ag), HF의 감소된 소비, 감소된 보호층 두께 및 리프트오프 공정 가속화에 의해 추가의 비용 감소가 가능할 수 있다. AlAs 희생층을 용해시키기 위해 사용되는 HF의 연장 노출은 채용될 수 있는 금속 호스트 기판의 선택을 제한한다. 일구체예에서, 냉간 용접에 사용될 수 있는 Cu 포일을 HF에의 노출시 저항을 증가시키는 데에 사용할 수 있는데, 이의 사용이 Au와 같은 귀금속으로의 포일 코팅보다 간단할 수 있기 때문이다. Cu 포일을 사용하는 추가의 이점은 집광된 셀로부터 열을 추출하기 위해 사용될 수 있는 이의 높은 열 전도율(∼4W cm-1℃-1)이다.
ELO 공정의 가속화를 위한 태양 전지 스트립 제작
본원에 기재된 ELO 공정을 가속화하기 위해, 본 출원인은 에칭 단계를 채용하였다. 구체적으로, 본 출원인은, AlAs 희생층에 에피택셜층에 패턴을 하향 에칭시, ELO를 달성하기 위한 시간이 상당히 개선됨을 발견하였다. 일구체예에서, 본 출원인은, 광활성 셀을 형성한 후 그리고 상기 기재된 냉간 용접 결합 공정 전에, 금속 마스크 패턴을 통한 반응성 이온 에칭을 사용하여 평행한 트렌치를 희생층에 하향 형성할 경우, ELO 공정이 가속화됨을 밝혔다. 구체적으로, 이 변형된 ND-ELO 공정을 이용하여 리프트오프 에칭 시간이 상당히 감소되는데, 이것이 완전 웨이퍼 에칭을 필요로 하지 않기 때문이다. 대신, 에칭제가 좁은 스트라이프 사이의 트렌치에 진입하여 AlAs 희생층을 에칭할 수 있어, 공정은 스트립 폭에 따라 완전 웨이퍼 에칭보다 ∼5배 내지 10배 빨라질 수 있다.
도 3은 ELO 가공 태양 전지 스트라이프를 위한 제작 절차를 도시한다. 대면적에 걸쳐 수집된 광을 소면적 디바이스에 집광하는 일축 트래킹 2차원 포물형 집광기와 편리하게 집적화되게 하는 데에 스트립형 박막 태양 전지를 이용하였다. 이는 거울 또는 렌즈를 통해 점 또는 선에 입사하는 평행 태양 광선을 집중시킨다. 또한, 다양한 형상의 태양 전지(예컨대 원형, 직사각형 및 육각형 등)를 이용하여 이축 트래킹 3차원 포물형 집광기와 호환되도록 이 공정을 변형할 수 있다.
포물형 집광기 제작
종래의 복합 포물형 수집기(CPC)는 CPC의 설계된 수용각에 따라 대략 4배 내지 10배의 한정된 집중 계수(concentration factor)만을 제공할 수 있다. 또한, 이들 수집기는 진공 몰드를 이용하는 플라스틱 변형 기술로는 제작하기 어려운 높은 종횡비를 필요로 한다.
낮은 종횡비와 함께 높은 집중 계수를 달성하기 위해, 일구체예에서, CPC 대신에 포물형 집광기 어레이 설계를 이용하였다. 포물형 집광기의 개구 면적과 태양 전지 스트라이프 면적 사이의 비를 변형시켜 집중 계수를 조정할 수 있다.
포물형 집광기 어레이를 제작하기 위해, 진공 몰드 및 오븐을 이용하여 변형성 매체(예컨대 중합체)를 원통형 포물면 미니 집광기로 성형할 수 있다. 스트립형 박막 태양 전지 대신에, 스트라이프형 Si 또는 폴리-Si 태양 전지도 일축 트래킹 2차원 포물형 집광기와의 편리한 집적화에 사용될 수 있다. 집광기의 설계는 종래의 포물형 집광기와 동일하지만, 이는 저렴한 플라스틱으로 제조된다. 종래의 대형 집광기에 비해 축소된 버전이기 때문이다. 이들 설계는 2D형이기 때문에, 일축에 대한 트래킹만이 필요하다.
일구체예에서, 이러한 집광기를 제작하기 위해, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜 개질(PETG) 시트를 이의 기저에 구멍을 갖는 금속 몰드의 최상부를 가로질러 Kapton®(캡톤®)테이프로 고정한다. 0.75 mm 두께 PETG 시트를, 이의 낮은 유리 전이 온도(81℃)로 인해 집광기로 사용하며, 이는 열 및 진공의 동시 적용에 의해 성형을 가능하게 한다. 구멍을 통해 진공을 인가하면서, 어셈블리를 60℃ 오븐에 넣는다. 오븐 온도를 ∼15 분 동안 96℃로 상승시키면서 PETG를 몰드로 인발하여 복합 포물 형상을 형성시킨다. 그 다음, 집광기를 금속 몰드로부터 탈착한 후 냉각시킨다.
도 4 (a) 및 (b)는 진공 몰드의 개략도 및 사진이고, 도 5(a)는 진공 몰드와 동일한 형상으로 변형된 플라스틱을 도시한다. 그 다음, Ag와 같은 고반사 금속 격자를 원통형 포물면 미니 집광기의 표면에 침착시킬 수 있다. 이 구체예가 도 5(b)에 도시되어 있다. 나중의 디바이스 집적화를 위해, 캐소드 및 애노드용 접촉 패드를 또한 이 표면의 가장자리에 패터닝할 수 있다.
이 구체예의 전체 성형 어레이는 (전체가 플라스틱 및 금속 박막으로 구성되어 제조될 수 있으므로) 상당히 경량일 수 있고, 완성시 약간 제한된 가요성을 갖는다. 반사 표면이 위쪽을 향하고 있으므로, 초점의 라인이 집광기 개구면의 중앙에서 오른쪽에 위치하도록 집광기가 설계되어, 이것이 원통형 포물면 미니 집광기에 입사된 광의 완전한 수집을 가능하게 한다.
일구체예에서, 가요성 재료는 폴리이미드와 같은 플라스틱 재료 또는 금속 포일을 포함한다. 지지 구조체는 통상적으로 두께가 25∼100 ㎛, 예컨대 40∼60 ㎛ 범위이다.
가요성 재료가 플라스틱 재료를 포함할 경우, 이는 통상적으로 일표면 상에 전도성 금속 코팅을 갖는다. 금속 코팅의 비제한적인 예는 Au, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Cu에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하며, Au가 특히 강조된다. 일구체예에서, 지지 기판 상의 Au 층은 두께가 100∼500 ㎛, 예컨대 200∼400 ㎛ 범위이다.
박막 태양 전지와 집광기의 집적화
일구체예에서, 본원에 상기 기재된 방법을 이용하여 고분자 유기 규소, 예컨대 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 엘라스토머 스탬프를 제조할 수 있다. 예컨대, 금속화되어 AlAs 희생층에 하향 에칭된 평행 융기(raised) 스트라이프를 갖는 금속화 표면 및 에피택셜에 냉각 용접 결합된 엘라스토머 스탬프를 제조할 수 있다. 그 다음 상기 기재된 변형된 ELO 공정을 이용하여 이 엘라스토머 스탬프 상에 박막 태양 전지 스트라이프 어레이를 형성할 수 있다. 이 구체예가 도 6(a)에 도시되어 있다. 다음으로, 태양 전지의 상면을 패터닝 및 금속화하여 이 표면으로부터의 조명 및 접촉을 가능하게 한다. 그 다음, 캐소드 및 애노드용 접촉 패드를 표면에 패터닝하고, 그 표면에 나중의 디바이스 집적화를 위해 태양 전지의 어레이를 냉간 용접 결합시킨다.
그 다음, 엘라스토머를 이의 길이의 대략 2배로 신장시키고 원통 주위에 권취한다. 이 구체예가 도 6(b)에 도시되어 있다. 마지막으로, 원통형 포물면 미니 집광기 어레이를 선형 트랜스퍼 스테이지(transfer stage)에 장착하고, 원통을 원통형 포물면 미니 집광기 어레이에 가압하여(도 7) 집적화를 마무리한다.
선형 트랜스퍼 스테이지는 원통형 포물면 미니 집광기 어레이를 유지할 수 있는 스테이지이다. 일구체예에서, 도 7에 도시된 바와 같이 제어된 속도로 원통의 롤링 방향을 따라 이 스테이지를 이동시킬 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 집광기 어레이 및 태양 전지 결합 표면 모두 상의 캐소드 및 애노드용 접촉 패드는 엘라스토머 스탬프의 회전 속도 및 집광기 어레이의 이송 속도의 정확한 제어 하에서 서로 정렬 및 부착되어 있다.
그 다음 스트립형 태양 전지의 가장자리를 원통형 포물면 미니 집광기 어레이의 측면 상의 편평한 표면에 대해 가압한다. 태양 전지 및 미니 집광기 어레이를 기계적 압력을 적용하여 냉간 용접을 통해 결합한다.
결과로 나온, 미니 집광기 어레이와 집적화된 태양 전지 스트라이프가 도 8에 도시되어 있다. 이 집적화된 디바이스는 원통형 포물면 미니 집광기에 전체 정상 입사광을 수집하고 태양 전지 스트라이프 상에 이를 집속시킬 수 있다. 각각의 개별 집광기의 집중 계수는 포물형 집광기의 개구 면적과 태양 전지 스트라이프 면적 사이의 비이다.
반사성 및 가요성 기판에 결합된 박막 다중 접합 셀은 상당한 추가의 비용을 도입하지 않고 집열기와 박막 셀을 집적화하는 독특한 기회를 제공한다. 일구체예에서, 더 큰 가요성 반사 필름의 중심에 결합된 ELO 단일 셀 또는 다중 접합 셀로 구성된 스트립이 개시된다. 그 다음, 필름을 복합 포물형 수집기(예컨대 CPC 또는 Winston 수집기)의 형상으로 (열 전도성 또는 활성 냉각 프리폼에 배치하여) 성형한다. 이 기하 구조는 이의 초점에서 셀 스트립 상의 평행 태양 광선을 집광할 뿐 아니라, 수용뿔 내에 산란광을 수집한다.
이용되는 소형 집광의 추가의 이점은 일축 트래킹의 사용 가능(수집기의 배향에 따라 매일 또는 계절마다) 및 더 높은 집광에 필요한 것보다 수동 냉각이 간단화된다는 것을 포함한다. 사실상, 사용되는 매우 얇은 기판은 열 전달을 간단화하는데: 계산은 수동 냉각된 Cu 히트 싱크에 대해 배치된 10배 농축 및 25 mm 두께 KaptonTM 기판이 단지 5∼20℃의 온도 상승을 초래하여 더욱 공격적인 냉각법에 대한 필요를 없앰을 시사한다.
일구체예에서, 성장 기판을 제공하는 단계; 성장 기판 위에 적어도 하나의 보호층을 침착시키는 단계; 보호층 위에 적어도 하나의 희생층을 침착시키는 단계; 희생층 위에 적어도 하나의 광활성 셀을 침착시키는 단계; 적어도 하나의 광활성 셀로부터 희생층으로 연장되는 적어도 2개의 평행한 트렌치의 패턴을 에칭하는 단계를 포함하는 광기전력 디바이스 구조체의 제조 방법으로서, 상기 에칭으로 구조체의 표면에, 희생층에 연장되는 트렌치 및 상기 광활성 셀을 포함하는 플래토(plateau)가 교대로 형성되는 제조 방법이 개시된다.
개시된 방법은 적어도 하나의 광활성 셀 위에 적어도 하나의 금속을 침착시키고, 플래토에 위치한 광활성 셀을 호스트 기판에 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이들 표면의 결합에 사용되는 방법의 비제한적인 예는 냉간 용접, 열 보조 냉간 용접 또는 열 압착 결합에서 선택되는 직접 부착 방법을 포함한다.
일구체예에서, 호스트 기판은 Au, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Cu에서 선택되는 적어도 하나의 금속으로 금속화된 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 엘라스토머 재료를 포함한다.
상기 기재된 바와 같이, 엘라스토머 재료를 원형 스탬프로 롤링하여 희생층에 하향 에칭된 광활성 셀의 평행 융기 스트라이프를 포함하는 플래토를 노출시킬 수 있다. 엘라스토머 재료를 원형 스탬프로 롤링하기 전에 이의 크기의 2배까지 신장시킬 수 있다.
개시된 방법은 희생층을 에칭하여 상기 원형 스탬프 상에 박막 태양 전지 스트라이프 어레이를 형성시키는 단계를 더 포함한다. 에칭법의 비제한적인 예는 희생층을 습윤 에칭제, 건조 에칭제 또는 이들의 조합과 접촉시키는 것을 포함한다.
예컨대, 습윤 에칭제는 HF, H3PO4, HCl, H2SO4, H2O2, HNO3, C6H8O7 및 H2와의 조합을 비롯한 이들의 조합을 포함할 수 있다. 건조 에칭제는 플라즈마로의 반응성 이온 에칭(RIE)을 포함할 수 있다.
상기 방법은 패터닝, 금속화 및 조합에서 선택되는, 광활성 셀의 표면에 대해 수행되는 추가의 가공 단계를 더 포함할 수 있다. 가공 단계는 포토리소그래피 분야에 공지되어 있다.
일구체예에서, 상기 방법은 적어도 하나의 원통형 포물면 미니 집광기 어레이를 선형 트랜스퍼 스테이지에 장착하는 단계를 더 포함한다. 원통형 포물면 미니 집광기 어레이는 통상적으로 원통형 포물면 미니 집광기 어레이를 형성하기 위해 진공 및 열 하에서 성형될 수 있는 아미드와 같은 플라스틱 재료를 포함한다. 대안적으로, 원통형 포물면 미니 집광기 어레이는 가요성 금속을 포함할 수 있다. 플라스틱이던 또는 금속이던 간에, 원통형 포물면 미니 집광기 어레이는 두께가 10∼250 ㎛, 예컨대 15∼200 ㎛, 또는 20∼150 ㎛, 또는 심지어 25∼100 ㎛ 범위일 수 있다.
또한, 원통형 포물면 미니 집광기 어레이가 플라스틱이던 또는 금속이던 간에, 이를 Au, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Cu에서 선택되는 적어도 하나의 금속으로 금속화할 수 있다.
태양 전지의 집광기 어레이에의 집적화를 돕기 위해, 미니 집광기 어레이 및 태양 전지는 각각 캐소드 및 애노드용 접촉 패드를 포함할 수 있으며, 여기서 접촉 패드는 엘라스토머 스탬프의 회전 속도 및 집광기 어레이의 이송 속도의 제어 하에 서로 정렬 및 부착된다.
일단 엘라스토머 스탬프의 회전 속도 및 집광기 어레이의 이송 속도가 정렬되면, 상기 방법은 다음으로 원형 스탬프 상에 위치하는 적어도 하나의 광활성 셀을 원통형 포물면 미니 집광기 어레이에 결합하여 집적화 태양 전지 어레이를 형성하는 것을 수반한다.
결과로 나온 원통형 포물면 미니 집광기 어레이는, 반사기의 초점 선을 따라 위치한 광활성 셀에 광을 집중시키는 선형 포물형 반사기를 포함하는 포물형 홈통(trough) 설계를 갖는다. 일구체예에서, 광활성 셀 및 선형 포물형 반사기는 반사 손실을 최소화하기 위해 동일한 곡률 반경을 갖는다.
박막 스트립의 ELO
본 개시에 기재된 공정이 해결하는, 에피택셜 리프트오프(ELO)가 당면하는 다양한 어려움이 있다. 예컨대, ELO는 종종 매우 긴 시간(현재 2" 웨이퍼당 6 시간 내지 10 일)이 걸리는 것으로 밝혀진 느린 공정이다. 웨이퍼가 리프트오프 에칭제(예컨대 HF)에 더 길게 있을수록, 제거가 어려운 표면 산화(즉, 산화비소)가 더 많이 일어난다. 따라서, 에피택셜 리프트오프 시간을 단축시킴으로써, 웨이퍼 표면이 과도하게 손상되는 것이 방지된다. 상업화는 더 큰 웨이퍼를 사용하게 할 것이고, ELO 시간은 웨이퍼 직경에 따라 고르지 않게 선형으로 증가할 것이다. ELO는 생산 환경에서 병목을 나타낼 수 있다.
또한, 공급원 재료 사용은 최종적으로 제공된 반응기(즉, MOCVD 또는 MBE)의 성장 영역에서 압반 내 웨이퍼가 덮는 영역과 관련되어 있으며, 통상적으로 제공된 크기의 압반 상에서의 원의 충전에 의해 제한된다. 이 효율의 상한은 90.7%(즉, n/12, 원에 대한 최대 충전 분율)이지만, 실제 값 75%는 웨이퍼가 일반적으로 반응기와 접촉하지 않으며 가장자리 효과가 간주되어야만 하기 때문에 더욱 그러하다. 예컨대, 육각형 어레이 내에 타일링된 7개 원형 웨이퍼에 맞는 원형 서스셉터는 도 9에 도시된 바와 같이 서스셉터 영역의 약 77%를 채운다. 제2 예는 서스셉터 주위에 19개 웨이퍼를 충전하여 76% 충전 분율을 가져오는 것이다. 일반적으로 침착 기술에서 겪는 다른 재료 사용 손실이 있음을 주지하라.
원형 웨이퍼는 태양 패널 어레이의 제작에는 곤란한 형상인데, 왜냐하면 패널의 영역을 효과적으로 채울 수 있는 정사각형 타일을 제조하기 위해서 웨이퍼의 일부를 버려야 할 필요가 있고, 재료 이용을 최대화하기 위해 전체 웨이퍼를 사용할 수 있거나, 또는 웨이퍼 이용의 최적화와 패널 효율의 균형을 맞추기 위해 부분적으로 길이를 줄인 웨이퍼 가장자리의 타협(원형 결과물을 갖는 정사각형이 생김)을 이용할 수 있다. 대형 웨이퍼는 부서지기 쉽고 소형 웨이퍼 또는 웨이퍼의 부분보다 파손 하에서 더 큰 위험을 나타낸다.
폭이 감소된 스트립은 리프트오프 속도를 상당히 향상시킬 것이다. 스트립은 원래 (더 작은 크기 및 질량으로 인해) 덜 파손되는 경향이 있고, 파손된 하나의 스트립은 전체 웨이퍼보다 상당히 저렴하므로, 더 적은 위험을 나타낼 것이다.
스트립과 상이한 다른 최적 기하 구조는 정사각형이다. 일구체예에서, 2" 정사각형을 압반을 채우기 위해 함께 배치하였고, 이는 5 시간의 에칭 시간을 소요시켰다. 그러나, 완성시, 정사각형은 포일 기판 상에 밀폐 충전되어 효율적인 모듈 어레이를 형성시켰다. 이 경우, 집중이 필요하지 않거나 사용되지 않는다.
일구체예에서, 상기 공정의 조합을 포함하는 광기전력 디바이스의 제조 방법이 기재된다. 예컨대, 광기전력 디바이스의 제조 방법은 웨이퍼와 같은 기판을 제공하는 단계; 기판을 복수의 세그먼트에 분할하는 단계; 복수의 박막층을 기판 위에 침착시키는 단계; 및 본원에 기재된 에피택셜 리프트오프 공정을 이용하여 박막층 중 적어도 하나로부터 기판을 해제시키는 단계를 포함할 수 있다.
일구체예에서, 복수의 세그먼트는 도 10에 도시된 바와 같이 직사각형 및 정사각형에서 선택되는 기하 구조를 갖는다.
본원에 기재된 시스템, 디바이스 및 방법을 하기의 비제한적인 실시예에 의해 더 설명할 것인데, 이는 단순히 예시적인 것이다.
실시예
하기 실시예는 웨이퍼와 에피택시 사이에 낀 표면 보호층을 이용하여 웨이퍼 손상을 없애는 완전히 비파괴적인 ELO(ND-ELO) 공정을 증명한다. 도 1에 도시된 구조체를 제조하고, 플라즈마 공정과 조합된 화학적으로 선택적인 에칭제를 이용하여 모든 고유의 표면 손상과 함께 표면 보호층이 제거될 수 있는지를 증명하는 데에 본 발명의 공정을 이용하였다.
구체적으로, 묽은 플루오르화수소산을 사용하여 AlAs 희생층을 선택적 에칭하여 활성 박막 디바이스 영역을 리프트오프하였다. GaAs-InGaP 보호층 및 AlAs 희생층을 교대로 포함하는 에피택셜층의 상세는 하기에 더욱 상세히 기재되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 에피택셜 구조체는 순차적인 보호층, 희생층 및 활성 디바이스층으로 이루어져 있었다. 2 인치 직경(100) GaAs 모웨이퍼 상에서 가스원 분자빔 에피택시(GSMBE)에 의해 격자 매칭된 InGaP(100 nm) 및 GaAs(100 nm) 보호층 및 버퍼층을 성장시켰다. 그 다음, 보호층 위에 AlAs 희생 해제층을 성장시켰다. 다음으로, 2차 플라스틱 기판에 결합 후에, 디바이스가 이의 종래의 배향으로 제작되어 ELO 디바이스 가공에서 종종 채용되는 제2 전사 단계를 뺄 수 있도록, 활성 디바이스 영역을 역전 순서로 성장시켰다.
전체 에피 성장 구조체가 도 1에 도시되어 있지만, 도면에서의 역전 GaAs 태양 전지 구조체는 다른 역전 고효율 III-V 반도체 태양 전지 구조체로 대체될 수 있다. 이 구조체의 후면 거울이, 동일한 외부 양자 효율을 유지하면서, 단일 흡수 디바이스에 비해 활성 영역의 두께가 1/2로 감소될 수 있음을 의미하는 이중 흡수를 달성하기 위해, 광자가 활성 흡수 영역으로 재반사되도록 하였다.
일단 GaAs 기판이 플라스틱 기판에 결합되면, 대략 5 시간 동안의 HF에의 침지에 의해 활성 디바이스 영역이 모웨이퍼로부터 리프트오프되었다. 웨이퍼 재사용을 위해 기판 웨이퍼의 원래 표면 품질을 회복하기 위해, 하기의 완전히 비파괴적인 2 단계 세정 절차를 개발 및 이용하였다.
우선, 표면을 유도 결합 플라즈마로 예비 세정하여 오염의 대부분을 제거하였다. 이 세정 절차를 ELO 공정 후에 유사하게 오염된 기판 뿐 아니라 리프트오프된 필름에도 적용하였다. 그 다음, InGaP 층에서 에칭이 정지될 때까지, 인산계 에칭제(H3PO4:H2O2:H2O(3:1:25))를 사용하여 아래에 있는 GaAs 보호층을 제거하였다. 다음으로, 묽은 HCl산(HCl:H2O(1:1)) 중에서의 에칭을 통해 InGaP층을 제거하였고, 이는 GaAs 성장 버퍼층과 완전한 에칭 선택도를 제공하였다. 묽은 HCl 에칭은 고유 산화물의 제거를 통한 에피 준비된 표면의 제조에 잘 알려져 있으며, 이는 고품질 재성장 계면을 제공하기 위한 표면 세정의 이 마지막 단계를 가능하게 한다.
각각의 단계 후에 제곱 평균(RMS) 표면 거칠기를 도 2에 도시하며, 이는 세정 후 원래 표면 형태의 회복을 확인시켜 준다. 그 다음, 분리된 에피택셜 필름을 태양 전지로 제작하였다. 구체적으로, 도 2는 GaAs 모웨이퍼 기판 표면이 각각의 단계 후에 제곱 평균(RMS) 표면 거칠기(색 막대로 표시됨)를 나타내는 원자간력 현미경(AFM) 상이다. 나노미터 아래의 표면 거칠기로 성장이 시작되었다. 그러나, 희생층 에칭에 의한 ELO 직후에, 거칠기가 한자리수 증가하였다. 하지 GaAs 보호층에 의해 마이너한 물리적 손상이 일어났지만, 플라즈마 세정은 미립자의 제거에 의해 표면 거칠기를 감소시켰다. 나머지 InGaP의 제거에 습식 화학 세정을 이용하였다.
본원에서의 구체예의 기재는 예시 및 설명을 목적으로 제공된 것이다. 이는 배제적이거나 개시를 제한하려는 것이 아니다. 특정 구체예의 개별 요소 및 특징은 일반적으로 그 특정 구체예에 한정되지 않지만, 적용 가능한 경우, 구체적으로 제시 또는 기재되어 있지 않더라도, 상호 교환 가능하며, 선택된 구체예에서 이용될 수 있다. 동일한 것이 다른 방식으로 변경될 수도 있다. 이러한 변경이 본 개시로부터 벗어나는 것으로 간주되어서는 안 되며, 모든 이러한 변경을 개시의 범위에 포함시키고자 한다.

Claims (47)

  1. 성장 기판을 제공하는 단계;
    성장 기판 위에 적어도 하나의 보호층을 침착시키는 단계;
    보호층 위에 적어도 하나의 희생층을 침착시키는 단계;
    희생층 위에 광활성 셀을 침착시키는 단계;
    적어도 하나의 광활성 셀 위에 금속 마스크를 침착시키는 단계;
    상기 금속 마스크를 통해 제1 에칭 단계를 수행하여 광활성 셀에 패턴을 형성시키는 단계로서, 상기 패턴은 희생층에 연장되는 단계; 및
    1 이상의 제2 에칭 단계에 의해 희생층을 제거하는 단계
    를 포함하는, 비파괴적인 에피택셜 리프트오프의 수행 방법.
  2. 제1항에 있어서, 성장 기판은 GaAs 또는 InP를 포함하는 수행 방법.
  3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 보호층은 성장 기판과 매칭된 격자인 수행 방법.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 보호층은 GaAs, InP, InGaAs, AlInP, GaInP, InAs, InSb, GaP, AlP, GaSb, AlSb 및 이들의 조합에서 선택되는 수행 방법.
  5. 제4항에 있어서, 적어도 하나의 보호층은 GaAs 및 InGaP의 적어도 3개의 교대층을 포함하는 수행 방법.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 보호층은 가스원 분자빔 에피택시(GSMBE), 금속-유기 화학 증착(MOCVD), 수소화물 기상 에피택시(HVPE), 고체원 분자빔 에피택시(SSMBE) 및 화학적 빔 에피택시에서 선택되는 적어도 하나의 공정에 의해 침착시키는 수행 방법.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 보호층은 버퍼층, 에칭 정지층 또는 이들의 조합을 포함하는 수행 방법.
  8. 제1항에 있어서, 1 이상의 제2 에칭 단계는 희생층을 습윤 에칭제, 건조 에칭제 또는 이들의 조합과 접촉시키는 것을 포함하는 수행 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 습윤 에칭제는 HF, H3PO4, HCl, H2SO4, H2O2, HNO3, C6H8O7 및 H2와의 조합을 비롯한 이들의 조합을 포함하는 수행 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 건조 에칭제는 플라즈마로의 반응성 이온 에칭(RIE)을 포함하는 수행 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 에칭 단계는 플라즈마로의 반응성 이온 에칭(RIE)을 포함하는 수행 방법.
  12. 제8항에 있어서, 희생층은 AlAs를 포함하며, 1 이상의 제2 에칭 단계는 상기 AlAs를 HF와 접촉시키는 것을 포함하는 수행 방법.
  13. 제1항에 있어서, 에칭된 패턴은 적어도 하나의 광활성 셀에 에칭된 2 이상의 평행한 트렌치를 포함하는 수행 방법.
  14. 제1항에 있어서, 기판은 GaAs를 포함하며, 보호층 스킴은 GaAs 기판/InAlP/InGaP/GaAs/InAlP/AlAs를 포함하는 수행 방법.
  15. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 광활성 셀은 단일 접합 또는 다중 접합 셀을 포함하는 수행 방법.
  16. 성장 기판;
    성장 기판 상의 적어도 하나의 보호층;
    보호층 상의 적어도 하나의 희생층;
    희생층 상의 적어도 하나의 광활성 셀; 및
    광활성 셀로부터 희생층에 에칭된 적어도 하나의 패턴
    을 포함하는, 에피택셜 리프트오프를 위한 성장 구조체로서,
    상기 에칭된 패턴은 2 이상의 평행한 트렌치를 포함하는 성장 구조체.
  17. 제16항에 있어서, 성장 기판은 GaAs를 포함하며, 적어도 하나의 보호층은 InP, InGaAs, AlInP, GaInP, InAs, InSb, GaP, AlP, GaSb, AlSb 및 이들의 조합에서 선택되는 성장 구조체.
  18. 제17항에 있어서, 적어도 하나의 보호층은 GaAs 및 InGaP의 적어도 3개의 교대층을 포함하는 성장 구조체.
  19. 제16항에 있어서, 희생층은 AlAs를 포함하는 성장 구조체.
  20. 제16항에 있어서, 광활성 셀은 광기전력 디바이스를 형성하기 위한 활성 반도체층을 포함하는 성장 구조체.
  21. 제16항에 있어서, 적어도 하나의 광활성 셀은 단일 접합 또는 다중 접합 셀을 포함하는 성장 구조체.
  22. 제16항에 있어서, 적어도 하나의 보호층은 버퍼층, 에칭 정지층 또는 이들의 조합을 포함하는 성장 구조체.
  23. 제16항에 있어서, 기판은 GaAs를 포함하며, 보호층 스킴은 GaAs 기판/InAlP/InGaP/GaAs/InAlP/AlAs를 포함하는 성장 구조체.
  24. 성장 기판을 제공하는 단계;
    성장 기판 위에 적어도 하나의 보호층을 침착시키는 단계;
    보호층 위에 적어도 하나의 희생층을 침착시키는 단계;
    희생층 위에 적어도 하나의 광활성 셀을 침착시키는 단계;
    적어도 하나의 광활성 셀로부터 희생층으로 연장되는 적어도 2개의 평행한 트렌치의 패턴을 에칭하는 단계
    를 포함하는 광기전력 디바이스 구조체의 제조 방법으로서,
    상기 에칭으로 구조체의 표면에, 희생층에 연장되는 트렌치 및 상기 광활성 셀을 포함하는 플래토가 교대로 형성되는 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서, 적어도 하나의 광활성 셀 위에 적어도 하나의 금속을 침착시키고, 플래토에 위치한 상기 광활성 셀을 호스트 기판에 결합시키는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 결합은 냉간 용접, 열 보조 냉간 용접 또는 열 압착 결합에서 선택되는 직접 부착 방법을 포함하는 제조 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 호스트 기판은 Au, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Cu에서 선택되는 적어도 하나의 금속으로 금속화된 엘라스토머 재료를 포함하는 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 엘라스토머 재료는 폴리디메틸실록산을 포함하는 제조 방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 엘라스토머 재료를 원형 스탬프에 롤링하여, 희생층에 하향 에칭된 광활성 셀의 평행 융기 스트라이프를 포함하는 상기 플래토를 노출시키는 제조 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 엘라스토머 재료를 원형 스탬프에 롤링하기 전에, 이의 크기의 2배 이하로 신장시키는 제조 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 희생층을 에칭하여 상기 원형 스탬프 상에 박막 태양 전지 스트라이프 어레이를 형성시키는 제조 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 에칭은 희생층을 습윤 에칭제, 건조 에칭제 또는 이들의 조합과 접촉시키는 것을 포함하는 제조 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 습윤 에칭제는 HF, H3PO4, HCl, H2SO4, H2O2, HNO3, C6H8O7 및 H2와의 조합을 비롯한 이들의 조합을 포함하는 제조 방법.
  34. 제32항에 있어서, 상기 건조 에칭제는 플라즈마로의 반응성 이온 에칭(RIE)을 포함하는 제조 방법.
  35. 제31항에 있어서, 패터닝, 금속화 및 조합에서 선택되는, 광활성 셀의 표면 상에 수행되는 추가의 가공 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  36. 제31항에 있어서, 선형 트랜스퍼 스테이지에 적어도 하나의 원통형 포물면 미니 집광기 어레이를 장착하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  37. 제36항에 있어서, 미니 집광기 어레이 및 태양 전지는 각각 집광기 어레이 및 태양 전지 양쪽 위에 캐소드 및 애노드용 접촉 패드를 포함하며, 상기 접촉 패드는 엘라스토머 스탬프의 회전 속도 및 집광기 어레이의 이송 속도의 제어 하에 서로 정렬 및 부착되는 제조 방법.
  38. 제36항에 있어서, 상기 원통형 포물면 미니 집광기 어레이는 두께가 25∼100 ㎛ 범위인 플라스틱 재료 또는 가요성 금속을 포함하는 제조 방법.
  39. 제38항에 있어서, 상기 플라스틱 재료는 원통형 포물면 미니 집광기 어레이를 형성하기 위해 진공 및 열 하에서 성형되는 아미드를 포함하며, 상기 아미드는 Au, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Cu에서 선택되는 적어도 하나의 금속으로 금속화되는 제조 방법.
  40. 제36항에 있어서, 원형 스탬프 상에 위치된 적어도 하나의 광활성 셀을 원통형 포물면 미니 집광기 어레이에 결합시켜 집적화 태양 전지 어레이를 형성시키는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  41. 제40항에 있어서, 원통형 포물면 미니 집광기 어레이는 포물형 홈통 설계를 갖는 제조 방법.
  42. 제41항에 있어서, 포물형 홈통은 반사기의 초점 선을 따라 위치한 광활성 셀에 빛을 집중시키는 선형 포물형 반사기를 포함하는 제조 방법.
  43. 제40항에 있어서, 광활성 셀 및 선형 포물형 반사기는 동일한 곡률 반경을 갖는 제조 방법.
  44. 제24항에 있어서, 패턴의 에칭 전에 상기 광활성 셀 위에 금속 마스크를 침착시키는 단계를 더 포함하며, 상기 패턴의 에칭은 상기 금속 마스크를 통한 플라즈마로의 반응성 이온 에칭(RIE)을 포함하는 제조 방법.
  45. 제24항에 있어서, 희생층은 AlAs를 포함하는 제조 방법.
  46. 제24항에 있어서, 상기 적어도 하나의 보호층을 침착시키기 전에, 상기 기판을 복수의 직사각형 및/또는 정사각형 세그먼트로 분할하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  47. 제46항에 있어서, 상기 기판은 웨이퍼를 포함하는 제조 방법.
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KR1020167021774A KR20160108440A (ko) 2014-01-15 2015-01-15 인쇄법을 통한 에피택셜 리프트오프 태양 전지와 포물형 미니 집광기 어레이의 집적화

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9941168B1 (en) 2016-09-21 2018-04-10 Korea Institute Of Science And Technology Method for manufacturing semiconductor device by epitaxial lift-off using plane dependency of III-V compound
KR101960265B1 (ko) * 2017-12-29 2019-03-20 (재)한국나노기술원 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치
KR20190045676A (ko) * 2017-10-24 2019-05-03 한국전력공사 선택영역 성장법을 이용한 기판 재활용 방법
KR20210052191A (ko) * 2019-10-31 2021-05-10 한국과학기술연구원 유연 박막 태양전지 모듈의 제조방법 및 이를 이용한 유연 박막 태양전지 모듈
US11411128B2 (en) 2019-10-31 2022-08-09 Korea Institute Of Science And Technology Manufacturing method of flexible thin film solar cell module and the flexible thin film solar cell module using the same

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10141465B2 (en) 2014-04-04 2018-11-27 The Regents Of The University Of Michigan Epitaxial lift-off processed GaAs thin-film solar cells integrated with non-tracking mini-compound parabolic concentrators
US10340187B2 (en) 2015-03-18 2019-07-02 The Regents Of The University Of Michigan Strain relief epitaxial lift-off via pre-patterned mesas
EP3347914A4 (en) 2015-09-08 2019-09-25 Massachusetts Institute of Technology SYSTEMS AND METHOD FOR GRAPH-BASED LAYER TRANSMISSION
TW201806083A (zh) * 2016-02-24 2018-02-16 美國密西根州立大學 用於非破壞性磊晶移起之有效複合基材
CN110050335A (zh) 2016-11-08 2019-07-23 麻省理工学院 用于层转移的位错过滤系统和方法
CN106486355B (zh) * 2016-12-20 2019-03-01 成都海威华芯科技有限公司 一种InGaP的湿法刻蚀方法
WO2018156877A1 (en) * 2017-02-24 2018-08-30 Massachusetts Institute Of Technology Apparatus and methods for curved focal plane array
KR102492733B1 (ko) 2017-09-29 2023-01-27 삼성디스플레이 주식회사 구리 플라즈마 식각 방법 및 디스플레이 패널 제조 방법
EP3714491A4 (en) * 2017-11-20 2021-06-30 The Government Of The United States Of America As The Secretary of The Navy FLEXIBLE SOLAR CELLS WITH ULTRA-THIN CRYSTALLINE
KR20190135842A (ko) * 2018-05-29 2019-12-09 엘지전자 주식회사 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법
CN111092129A (zh) * 2018-10-24 2020-05-01 东泰高科装备科技有限公司 Iii-v族太阳能电池与制作方法
TWI699088B (zh) * 2019-04-19 2020-07-11 向陽農業生技股份有限公司 陣列太陽能發電裝置
DE102019006094B4 (de) * 2019-08-29 2021-04-22 Azur Space Solar Power Gmbh Zweistufiges Loch-Ätzverfahren
RU2747075C1 (ru) * 2020-07-14 2021-04-26 Акционерное общество "НПО "Орион" Состав меза-травителя для антимонида индия ориентации (100)
CN112002999B (zh) * 2020-08-03 2023-05-23 首都师范大学 一种THz天线的简易制作方法
CN112701176B (zh) * 2021-03-23 2021-06-08 南昌凯迅光电有限公司 一种砷化镓薄膜太阳电池及制作方法
CN115020547B (zh) * 2022-07-12 2024-05-28 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种激光光伏器件的成型工艺

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3107888A1 (de) 1981-03-02 1982-09-16 Imchemie Kunststoff Gmbh, 5632 Wermelskirchen Solarkonzentrator
US8222072B2 (en) 2002-12-20 2012-07-17 The Trustees Of Princeton University Methods of fabricating devices by low pressure cold welding
EP2937896B1 (en) * 2005-06-02 2022-05-04 The Board of Trustees of the University of Illinois Method of transfering a printable semiconductor element
US20100047959A1 (en) 2006-08-07 2010-02-25 Emcore Solar Power, Inc. Epitaxial Lift Off on Film Mounted Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells
WO2008036837A2 (en) * 2006-09-20 2008-03-27 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Release strategies for making transferable semiconductor structures, devices and device components
KR101610885B1 (ko) * 2007-01-17 2016-04-08 더 보오드 오브 트러스티스 오브 더 유니버시티 오브 일리노이즈 프린팅­기반 어셈블리에 의해 제조되는 광학 시스템
US8314011B2 (en) * 2008-05-30 2012-11-20 Alta Devices, Inc. Epitaxial lift off stack having a non-uniform handle and methods thereof
US8330036B1 (en) * 2008-08-29 2012-12-11 Seoijin Park Method of fabrication and structure for multi-junction solar cell formed upon separable substrate
US9136404B2 (en) * 2008-12-10 2015-09-15 Iucf-Hyu (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) Solar cell capable of recycling a substrate and method for manufacturing the same
KR101706915B1 (ko) * 2009-05-12 2017-02-15 더 보드 오브 트러스티즈 오브 더 유니버시티 오브 일리노이 변형가능 및 반투과 디스플레이를 위한 초박형, 미세구조 무기발광다이오드의 인쇄 어셈블리
JP5619901B2 (ja) * 2009-09-10 2014-11-05 ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァシティ オブ ミシガン エピタキシャルリフトオフを用いたフレキシブル光起電力デバイスの製造方法、およびエピタキシャル成長に用いる成長用基板の完全性を保持する方法
KR101163154B1 (ko) * 2010-09-30 2012-07-06 광주과학기술원 고효율 연성 캘코파이럿계 화합물 반도체 박막태양전지의 제조 방법
EP2521189A3 (en) * 2011-04-29 2013-05-01 Institute of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council Lift-off structure for substrate of a photoelectric device and the method thereof
TWI445189B (zh) * 2011-04-29 2014-07-11 Iner Aec Executive Yuan 光電元件之基板剝離的結構及其方法
CA2840517A1 (en) * 2011-06-29 2013-06-27 Stephen R. Forrest Sacrificial etch protection layers for reuse of wafers after epitaxial lift off
JP6312257B2 (ja) * 2011-07-06 2018-04-18 ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァシティ オブ ミシガン エピタキシャルリフトオフを使用した組み込まれた太陽光集光と冷間圧接接合された半導体太陽電池
US20130228221A1 (en) * 2011-08-05 2013-09-05 Solexel, Inc. Manufacturing methods and structures for large-area thin-film solar cells and other semiconductor devices
WO2013088621A1 (ja) * 2011-12-14 2013-06-20 パナソニック株式会社 太陽電池及びその製造方法
JP2013149773A (ja) * 2012-01-19 2013-08-01 Sharp Corp 薄膜化合物太陽電池の製造方法
US9548218B2 (en) * 2012-02-07 2017-01-17 The Regents Of The University Of Michigan Thermal surface treatment for reuse of wafers after epitaxial lift off
JP2013183125A (ja) * 2012-03-05 2013-09-12 Sharp Corp 化合物半導体素子エピタキシャル成長基板

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9941168B1 (en) 2016-09-21 2018-04-10 Korea Institute Of Science And Technology Method for manufacturing semiconductor device by epitaxial lift-off using plane dependency of III-V compound
KR20190045676A (ko) * 2017-10-24 2019-05-03 한국전력공사 선택영역 성장법을 이용한 기판 재활용 방법
KR101960265B1 (ko) * 2017-12-29 2019-03-20 (재)한국나노기술원 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치
KR20210052191A (ko) * 2019-10-31 2021-05-10 한국과학기술연구원 유연 박막 태양전지 모듈의 제조방법 및 이를 이용한 유연 박막 태양전지 모듈
US11411128B2 (en) 2019-10-31 2022-08-09 Korea Institute Of Science And Technology Manufacturing method of flexible thin film solar cell module and the flexible thin film solar cell module using the same

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