KR20160143719A - 비추적식 소형 복합 파라볼라 집광기와 통합된 에피텍셜 리프트 오프 처리된 GaAs 박막 태양 전지 - Google Patents
비추적식 소형 복합 파라볼라 집광기와 통합된 에피텍셜 리프트 오프 처리된 GaAs 박막 태양 전지 Download PDFInfo
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Abstract
광전지 디바이스를 준비하는 방법이 개시된다. 구체적으로, 상기 방법은, 저비용이고 열 성형되며 경량이고 수광각이 넓은 소형 CPC와 통합된 박막 GaAs 태양 전지를 제조하는 것을 포함한다. 이러한 제조는, 포일 기판에 냉각 용접되고 후속하여 무접착제 전사 인쇄 프로세스에서 CPC에 부착되는 ND-ELO 박막 전지들을 조합한다. 또한, 개시된 방법에 의해 제조된 개량된 광전지 디바이스가 개시된다. 개량된 광전지 디바이스는 비추적식 소형 복합 파라볼라 집광기와 통합된 박막 태양 전지를 포함하며, 플라스틱 복합 파라볼라 집광기는 복합 파라볼라 집광기의 수광각과 동일한 각도로 틸팅된 2개의 파라볼라를 포함한다.
Description
본 출원은 2014년 4월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/975,623호의 우선권을 주장하며, 상기 미국 가특허 출원은 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다.
합동 연구 협약
본 발명의 주제 대상은, 대학-기업 합동 연구 협약에 대한 이하의 단체들, 즉 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 미시건(The Regents of the University of Michigan)과 나노플렉스 파워 코오포레이션(NanoFlex Power Corporation) 중 하나 이상에 의해, 하나 이상을 대표하여, 및/또는 하나 이상과 함께 이루어진 것이다. 이 협약은, 본 발명의 주제 대상이 준비된 일자에 그리고 상기 일자 이전에 시행된 것이며, 본 협약의 범위 내에서 수행된 활동의 결과로서 이루어진 것이다.
본 발명은 대체적으로, 에피텍셜 리프트 오프(ELO; Epitaxial Lift-Off)를 이용하여, 가요성 광전지 디바이스와 같은 박막 전자 디바이스 및 광전자 디바이스를 제조하기 위한 방법 및 성장 구조물에 관한 것이다. ELO는, 박막 디바이스 영역이 성장 기판 또는 웨이퍼가 "리프트 오프"된 것일 수도 있고 호스트 기판에 전사될 수도 있는 것인 기술이다. 상기 디바이스 영역은 희생 층을 선택적으로 에칭함으로써 웨이퍼로부터 분리된다. 구체적으로, 본 발명은, 태양에너지 수집기를 박막 전지와 통합시키는 특유의 기회를 제공하는 가요성 기판 상에 접합되는 박막 ELO 전지에 관한 것이다.
ELO는 28 %보다 높은 효율을 갖는 얇은 단결정 GaAs 태양 전지를 산출시킨다. 인상적인 반면, 전지 활성 층과 ELO에서의 기판 사이의 "희생 층"의 화학적 에칭을 이용하는 프로세스는, 다른 태양 전지 활성 영역의 에피텍셜 성장을 위한 페어런트 웨이퍼(parent wafer)를 한 번 더 준비하기 위해 페어런트 웨이퍼의 후처리를 필요로 한다. 예를 들면, 후속하는 에피텍셜 성장을 위한 준비에 있어서 이들 결함을 제거하기 위해, 연마 에칭 프로세스가 보통 사용된다. 그러나, 일반적으로, 이러한 프로세스는 고품질의 재성장 계면을 제공하지 못하며, 이에 따라 ELO 이후에 화학적으로 연마된 표면 상에서 성장된 디바이스 층은 후속하여 제작되는 디바이스가 현저하게 저하된 성능을 나타내는 결과를 초래한다. 바우후이스, 지 제이(Bauhuis G. J.) 등의 "III-V족 태양 전지의 반복적 성장을 위한 웨이퍼 재사용" Prof. Photovolt 18, 155-159 (2010)을 참고하라. 화학 기계적 웨이퍼 재연마가 이러한 문제를 해결하는 데 사용되지만, 이러한 프로세스는 웨이퍼의 상부 표면으로부터 수십 미크론의 재료를 소비하며, 이에 따라 웨이퍼 재사용의 가능한 회수를 제한시킨다.
따라서, ELO 프로세스에 의해 오랫동안 약속되었던 비용 절감은, 각각의 성장 이후에 원래의 웨이퍼 표면 품질을 완벽하게 회복할 수 없게 됨으로써 결함의 누적으로 인해 그리고 화학 기계적 연마에 의해 발생되는 웨이퍼의 ?邨팁活막? 인해 제한된 회수만큼 기판의 재활용될 수 있다라는 결과를 초래하게 되어 주로 제한되고 있다. 따라서, 광전지 개발에 있어서의 상당한 노력은 광전지의 전력 변환 효율(PCE; Power Conversion Efficiency)을 상승시키면서도 적은 비용을 달성하는 것에 집중되어 왔다. 그러나, 그 제조에 있어서 고비용의 활성 재료 및 제조 프로세스가 사용된다면, 고도의 PCE 단독으로 반드시 저비용의 태양 에너지 생성이 가능한 것은 아니다.
단순히 PCE를 개선하는 것에 대한 대안으로서, 태양열 집광기는, 비싼 활성 태양 전지 재료의 사용을 감소시키는 수단으로서 제시되어 왔다. 그러나, 대부분의 집광기는 큰 광 입사 각도에서 효율 면에서 현저한 롤-오프(roll-off)를 겪게 되며, 또한 높은 전지 작동 온도를 초래할 수 있고, 이에 따라 비싼 능동적 태양 추적 시스템 및 태양 전지 냉각 시스템을 필요로 하게 된다. 이상을 고려하여, 비파괴 ELO(ND-ELO), 냉각 용접 접합 및 진공 보조식 열 성형 프로세스를 조합함으로써, 박막 GaAs 태양 전지를 저비용의 소형 플라스틱 복합 파라볼라 집광기(CPC; Compound Parabolic Concentrator)와 통합하여 생산 비용을 추가로 절감해야 할 필요가 있다.
본 발명자들은, 저비용이며 열 성형되고 경량이며 수광각(acceptance angle)이 넓은 소형 CPC와 통합된 박막 GaAs 태양 전지의 제조 방법을 발견하였다. 이러한 제조 방법은, 포일 기판(foil substrate)에 냉각 용접될 수 있고 후속하여 무접착제 전사 인쇄 프로세스(adhesive-free transfer printing process)에서 CPC에 부착될 수 있는 급속 ND-ELO 박막 전지들을 조합한다. 고도로 절삭된(truncated) 로우 프로파일(low profile) 플라스틱 CPC와 함께 박막 태양 전지의 저온 작동을 조합하면, 능동적 태양 추적을 필요로 하지 않으면서 1년에 걸쳐 2.8 배로 향상된 에너지 획득이 가능하면서, 집광 시스템에서 특징적으로 나타나는 높은 작동 온도에서 초래되는 손실이 없어진다.
따라서, 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합하기 위한 방법이 개시되어 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법은, 성장 기판을 제공하는 단계; 상기 성장 기판 상에 적어도 하나의 보호 층을 퇴적(depositing)하는 단계; 상기 적어도 하나의 보호 층 상에 적어도 하나의 희생 층을 퇴적하는 단계; 상기 희생 층 상에 광활성 전지(photoactive cell)- 상기 광활성 전지는 반전되어 있음 - 를 배치하는 단계; 포토리소그래피 방법에 의해 광활성 전지 상의 메사(mesa)의 어레이를 포함하는 패터닝된 금속 층을 형성하는 단계를 포함한다. 메사의 어레이를 형성한 이후에, 상기 방법은, 플라스틱 시트의 금속화된 표면에 대해 패터닝된 금속 층을 접합시키는 단계, 및 박막 태양 전지를 형성하기 위해 성장 기판으로부터 광활성 전지를 제거하는 하나 이상의 에칭 단계를 이용하여 희생 층을 에칭하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 이후, 적어도 하나의 열 성형 프로세스를 이용하여 플라스틱 재료로부터 복합 파라볼라 집광기를 제조하는 단계, 그리고 통합된 박막 태양 전지 및 복합 파라볼라 집광기를 형성하기 위해 무접착제 접합 단계에 의해, 열 성형된 복합 파라볼라 집광기 상에 박막 태양 전지를 전사하는 단계를 포함한다.
본 발명자들은 또한 개시된 방법으로부터 제조되는 비추적식 소형 복합 파라볼라 집광기가 통합된 박막 태양 전지를 포함하는, 개량된 광전지 디바이스를 발견하였다. 예를 들면, 상기 광전지 디바이스는, 플라스틱 복합 파라볼라 집광기에 접합된 박막 태양 전지를 포함하며, 여기서 플라스틱 복합 파라볼라 집광기는 복합 파라볼라 집광기의 수광각과 동일한 각도로 틸팅(tilting)된 2개의 파라볼라를 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 태양 전지는 복합 파라볼라 집광기의 수광각보다 더 넓은 각도에서 광을 수집할 수 있다.
앞서 논의된 주제 대상 이외에도, 본 발명은 이하에 설명되는 바와 같은 다수의 다른 예시적 특징을 포함한다. 이상의 설명 및 이하의 설명 양자 모두는 단지 예시적일 뿐이라는 것을 이해해야 한다.
첨부 도면은 본 명세서에 포함되며, 본 명세서의 일부를 구성한다.
도 1 (a) 내지 도 1 (c)는, 프리 메사 패터닝(pre-mesa patterning), 냉각 용접 및 ELO 프로세스를 위한 제작 흐름을 개략적으로 제시한 것이다.
도 2는 진공 보조식 열 성형 기법을 통한 플라스틱 소형 CPC에 대한 제작 흐름을 개략적으로 제시한 것이다.
도 3 (a) 내지 도 3 (c)는, 본 발명에서 사용될 수 있는, 자가 정렬식 전사 인쇄 프로세스의 다양한 양태를 나타내는 개략적인 예시이다.
도 4는 시뮬레이션된 일 태양 조명 하에서 측정되는, CPC를 갖춘 ND-ELO 처리된 GaAs 박막 태양 전지 그리고 이러한 CPC를 갖추지 않은 ND-ELO 처리된 GaAs 박막 태양 전지의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5 (a) 내지 도 5 (e)는 본 발명에 따른 2차원 소형 CPC 설계를 제시한 것이다.
도 6은 남북 축선 정렬[도 6 (a)] 및 동서 축선 정렬[도 6 (b)]을 나타내는, 태양 경로를 따르는 2가지 상이한 원통형 CPC 정렬을 개략적으로 제시한 것이다.
도 7 (a) 내지 도 7 (d)는 집광된 광 하에서 박막 GaAs 태양 전지의 성능을 나타낸 것이다.
도 8은 박막 GaAs 태양 전지 및 기판 GaAs 태양 전지의 작동 온도를 나타낸 것이다. 시간 의존적인 온도가 1 태양 조명(100 mW/cm2) 하에서 IR 영상화에 의해 측정되었다.
도 9 (a) 및 도 9 (b)는 애리조나주 피닉스에서의 여름[도 9 (a)] 및 겨울[도 9 (b)] 동안에, CPC 및 추적을 수반하는 상황에서 그리고 CPC 및 추적을 수반하지 않은 상황에서, 틸팅된 태양 전지로부터의 전력 생성을 비교한 것이다.
도 10 (a) 내지 도 10 (d)는 본 발명에 따라 제조된 태양 전지의 성능 특성을 나타낸 것이다.
도 11 (a) 내지 도 11 (d)는 본 발명에 따라 CPC를 이용한 시간당 에너지 획득 그리고 연간 에너지 획득의 특성을 나타낸 것이다.
도 12 (a) 내지 도 12 (c)는 연간 최대 에너지 획득을 위한 최적 정렬을 나타낸 것이며, 도 12 (a)는 그 계절별 최적 위치에서의 CPC의 커버리지(coverage)를 나타내는 극도표(polar plot)를 나타낸 것이고, 도 12 (b)는 6 도만큼 틸팅된 CPC를 이용하는, 애리조나주 피닉스에서의 일별 집광율 및 시간별 집광율에 관한 등고선도(contour plot)를 나타낸 것이며, 도 12 (c)는 집광부를 갖추지 않은 상태에서의 전지와 비교한, 6 도만큼 틸팅된 CPC를 갖춘 박막 GaAs 태양 전지에 대한 일별 집광 에너지 획득율의 비율을 나타낸 것이다.
도 1 (a) 내지 도 1 (c)는, 프리 메사 패터닝(pre-mesa patterning), 냉각 용접 및 ELO 프로세스를 위한 제작 흐름을 개략적으로 제시한 것이다.
도 2는 진공 보조식 열 성형 기법을 통한 플라스틱 소형 CPC에 대한 제작 흐름을 개략적으로 제시한 것이다.
도 3 (a) 내지 도 3 (c)는, 본 발명에서 사용될 수 있는, 자가 정렬식 전사 인쇄 프로세스의 다양한 양태를 나타내는 개략적인 예시이다.
도 4는 시뮬레이션된 일 태양 조명 하에서 측정되는, CPC를 갖춘 ND-ELO 처리된 GaAs 박막 태양 전지 그리고 이러한 CPC를 갖추지 않은 ND-ELO 처리된 GaAs 박막 태양 전지의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5 (a) 내지 도 5 (e)는 본 발명에 따른 2차원 소형 CPC 설계를 제시한 것이다.
도 6은 남북 축선 정렬[도 6 (a)] 및 동서 축선 정렬[도 6 (b)]을 나타내는, 태양 경로를 따르는 2가지 상이한 원통형 CPC 정렬을 개략적으로 제시한 것이다.
도 7 (a) 내지 도 7 (d)는 집광된 광 하에서 박막 GaAs 태양 전지의 성능을 나타낸 것이다.
도 8은 박막 GaAs 태양 전지 및 기판 GaAs 태양 전지의 작동 온도를 나타낸 것이다. 시간 의존적인 온도가 1 태양 조명(100 mW/cm2) 하에서 IR 영상화에 의해 측정되었다.
도 9 (a) 및 도 9 (b)는 애리조나주 피닉스에서의 여름[도 9 (a)] 및 겨울[도 9 (b)] 동안에, CPC 및 추적을 수반하는 상황에서 그리고 CPC 및 추적을 수반하지 않은 상황에서, 틸팅된 태양 전지로부터의 전력 생성을 비교한 것이다.
도 10 (a) 내지 도 10 (d)는 본 발명에 따라 제조된 태양 전지의 성능 특성을 나타낸 것이다.
도 11 (a) 내지 도 11 (d)는 본 발명에 따라 CPC를 이용한 시간당 에너지 획득 그리고 연간 에너지 획득의 특성을 나타낸 것이다.
도 12 (a) 내지 도 12 (c)는 연간 최대 에너지 획득을 위한 최적 정렬을 나타낸 것이며, 도 12 (a)는 그 계절별 최적 위치에서의 CPC의 커버리지(coverage)를 나타내는 극도표(polar plot)를 나타낸 것이고, 도 12 (b)는 6 도만큼 틸팅된 CPC를 이용하는, 애리조나주 피닉스에서의 일별 집광율 및 시간별 집광율에 관한 등고선도(contour plot)를 나타낸 것이며, 도 12 (c)는 집광부를 갖추지 않은 상태에서의 전지와 비교한, 6 도만큼 틸팅된 CPC를 갖춘 박막 GaAs 태양 전지에 대한 일별 집광 에너지 획득율의 비율을 나타낸 것이다.
정의
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "수광각(acceptance angle)"은, 입사하는 태양광이 복합 파라볼라 집광기와 같은 태양열 집광기에 의해 포획될 수 있는 최대 각도이다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "III-V족 재료"는 주기율표의 IIIA 족 및 VA 족으로부터의 원소를 함유하는 복합 결정을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 용어 "III-V족 재료"는 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 알루미늄(Al)의 군과 비소(As), 인(P), 질소(N) 및 안티몬(Sb)의 군의 조합인 복합물을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다.
본 명세서에서의 III-V족 복합물은 축약된 형태로 명명된 것이라는 점에 주의해야 한다. 2 성분 재료는 대략 1:1 몰비의 III:V족 복합물에 속하는 것으로 간주된다. 3 이상의 성분계(예컨대, InGaAlAsP)에 있어서, III족 화학종(즉, In, Ga 및 Al)의 총합은 대략 1이며, V족 원소(즉, As 및 P)의 총합은 대략 1이고, 이에 따라 III족 대 V족의 비율은 대략 일치한다.
III-V 복합물의 명칭은 배경 맥락으로부터 추측되는 바와 같이 격자 정합 또는 격자 부정합(변형)을 달성하기 위해 요구되는 화학양론적 비율에 속하는 것으로 가정된다. 추가적으로, 명칭들은 어느 정도 전치될 수 있다. 예를 들면, AlGaAs와 GaAlAs는 동일한 재료이다.
본 명세서에서 사용되고 도시되는 바와 같이, "층"은 주요 차원이 X-Y인, 즉 그 길이 및 폭을 따르는 디바이스의 부재 또는 구성요소를 지칭한다. 용어 "층"은 반드시 재료의 단일 층 또는 시트로 한정될 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 추가적으로, 다른 재료(들) 또는 층(들)과 이러한 층의 계면(들)을 포함하는 특정 층들의 표면들은 불완전할 수 있으며, 여기서 상기 표면들은 다른 재료(들) 또는 층(들)과 상호 침투되거나, 연루되거나, 또는 매우 복잡한 네트워크를 나타낸다는 것을 이해해야 한다. 또한, 마찬가지로, 층은 불연속적일 수 있으며, 이에 따라 X-Y 차원을 따르는 상기 층의 연속성은 방해를 받을 수 있고, 또는 다른 층(들) 또는 재료(들)에 의해 달리 간섭을 받을 수 있다는 것을 이해해야 한다.
제1 층이 제2 층 "에 걸쳐" 또는 제2 층 "위에" 배치 또는 퇴적되는 것으로 설명되어 있는 경우, 제1 층은 제2 층보다 기판으로부터 더 멀리 위치하게 된다. 제1 층은 제2 층 상에 직접 배치될 수도 있지만, 제1 층이 제2 층 "상에" 또는 제2 층과 "물리적으로 접촉하여" 배치 또는 퇴적되어 있다고 특정되지 않는 한, 제1 층과 제2 층 사이에는 다른 층이 존재할 수 있다. 예를 들면, 심지어 에피층(epilayer)과 희생 층 사이에 다양한 층이 존재할 수 있더라도, 에피층은 희생 층 "에 걸쳐" 또는 희생 층 "위에" 배치되는 것으로 설명될 수 있다. 마찬가지로, 심지어 보호 층과 성장 기판 사이에 다양한 층이 존재할 수 있더라도, 보호 층은 성장 기판 "에 걸쳐" 또는 성장 기판 "위에" 배치되는 것으로 설명될 수 있다. 마찬가지로, 제1 층이 제2 층과 제3 층 "사이에" 배치 또는 퇴적되는 것으로 설명되어 있는 경우, 제1 층이 제2 층 및/또는 제3 층 "상에" 또는 제2 층 및/또는 제3 층과 "물리적으로 접촉하여" 배치 또는 퇴적되어 있다고 특정되지 않는 한, 제1 층과 제2 층 사이에 및/또는 제1 층과 제3 층 사이에 다른 층이 존재할 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "반도체"는, 전하 캐리어가 열적 여기(thermal excitation) 또는 전자기적 여기(electromagnetic excitation)에 의해 유도될 때 전기를 전도시킬 수 있는 재료를 의미한다. 용어 "광전도"는 대체로, 전자기적 복사 에너지가 흡수되고 이에 따라 전하 캐리어의 여기 에너지로 변환되어 캐리어가 일 재료에서 전하를 전도시킬 수 있는, 즉 운반할 수 있는 프로세스와 관련된다. 용어 "광전도체" 및 "광전도성 재료"는 전하 캐리어를 발생시키기 위해 전자기적 복사를 흡수하는 그 특성을 위해 선택되는 반도체 재료를 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "웨이퍼"와 "성장 기판"은 상호 교환적으로 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "에천트 선택도"란 다른 재료의 에칭 속도와 비교할 때 특정 에천트가 특정 재료를 제거하는 속도를 지칭한다. X 및 Y의 에천트 선택도는 특정 에천트에 대한 Y의 에칭 속도에 대한 X의 에칭 속도 사이의 비율로서 정량화된다. 이에 따라, 본 명세서에서 사용될 때 "고도로 선택적"이란, 하나의 재료가 급속하게 에칭되는 반면 다른 재료는 매우 느리게 에칭되거나 또는 전혀 에칭되지 않는 경우, 예컨대 10:1, 또는 100:1, 또는 1000:1, 10000:1 또는 그 이상의 비율로 에칭되는 경우를 지칭한다.
Si 또는 Ge와 같은 원소 반도체와 비교하면, 복합 반도체는 종종 고효율 태양 전지에서 유용하고 우수한 특성을 나타낸다. 그러나, 활성 디바이스 영역이 그 위에서 성장되는 웨이퍼는 엄청나게 고가이고, 이는 실용적인 태양 전지에 대한 웨이퍼의 사용을 제한한다. ELO의 결과로서, 웨이퍼와 전지 에피(cell epi)(또한 광활성 전지로도 지칭됨) 사이에서 AlAs "희생 층"을 선택적으로 에칭하여 제거함으로써 기판으로부터 III-V족 반도체 태양 전지가 제거되는 것은 웨이퍼의 재사용을 허용함으로써 비용을 절감시키는 것으로 본 명세서에서 설명된다.
본 명세서에서 설명되는, 성능 열화 없는 비파괴 기판 재사용 방법은, 극적인 생산 비용 절감에 관한 가능성을 제시한다. 추가적으로, 개시된 방법은, 벌크한(bulky) 2차원 기판 기반의 플랫폼으로부터 컨포멀하고(conformal) 가요성이며 경량인 박막 디바이스로 옮김에 따라 고성능 III-V족 광전자 디바이스의 용례를 확장시킨다. 더욱이, 플라스틱 파라볼라 집광기와 같은 저비용 집광기와 박막 태양 전지의 직접적인 통합은, 태양열을 전기 에너지로 변환시키기 위한 비용을 더욱 절감시킬 수 있다.
본 명세서에서 제시된 바와 같이, 가속화된 ND-ELO 제조 프로세스에 의해 생성되는 박막 GaAs 태양 전지로서, 간단한 열 성형된 소형 집광기와 통합된 박막 GaAs 태양 전지의 통합은, 태양 에너지 획득을 통한 전기 생성의 비용에 있어서 극적한 절감을 유도할 수 있다. 이러한 접근법은 전지 재료 비용 및 제조 비용을 최소 수준, 예컨대 유사한 기판 기반의 GaAs 전지의 전지 재료 비용 및 제조 비용의 약 3 %, 그리고 ELO 처리된 GaAs 태양 전지의 11 %로 절감시키는 반면, 광학 시스템은 고도로 절삭된 2차원 소형 복합 파라볼라 집광기(CPS: Compound Parabolic Concentrator)를 이용함으로써 일 단위의 능동적 태양 추적 시스템을 필요로 하지 않으면서도 연간 에너지 출력을 최대화한다.
본 명세서에서 설명되는 로우 프로파일 집광기(low profile concentrator)는, 직접적인 태양광뿐만 아니라 단지 미미한 손실만을 갖는 분산된 태양광 양자 모두에서 통상의 집광기에 비해 개선된 오프각(off-angle) 태양광 흡수를 나타내는 얇고 경량인 모듈을 제시한다. 개시된 접근법은, 고가이고 중형(heavy)인 태양 추적용 용품을 요구하는 고집광율 광학계를 필요로 하지 않는다. 또한, 히트 싱크(heat-sink)용 금속 층 상에 장착되는 개시된 박막 GaAs 태양 전지의 고유한 기하학적 형상은, 능동적 냉각 없이 실온에서 또는 실온 부근에서의 작동을 가능하게 하며, 심지어 기판 기반의 GaAs 태양 전지와 비교할 때 40 도가 넘는 감소를 나타내는 4배에 근접한 집광율에 있어서의 작동을 가능하게 한다.
박막 무기 태양 전지 제조
웨이퍼와 에피텍셜 구조물 사이에 개재되는 표면 보호 층을 채용함으로써 웨이퍼 손상을 없애는 비파괴 ELO(ND-ELO) 프로세스가 개시되며, 상기 에피텍셜 구조물은 순차적인 보호 층, 희생 층 및 활성 디바이스 층을 포함하는 다층 구조로 이루어진다. 보호 층은 보호 층 및 버퍼 층을 포함하며, 이들 층은 일반적으로 격자 정합 층으로서, 5 내지 200 nm, 예컨대 10 내지 150 nm, 또는 심지어 20 내지 100 nm 범위의 두께를 갖는다. 이들 층은 일반적으로 가스 소스, 예컨대 가스 소스 분자 빔 에피텍시(GSMBE; gas source molecular beam epitaxy)에 의해 성장된다. 성장 구조물을 준비하기 위한 다른 적절한 퇴적 기법은, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 금속-유기 화학적 기상 증착(MOCVD; Metallo-Organic Chemical Vapor Deposition), 하이브리드 기상 에피텍시(HVPE; Hybrid Vapor Phase Epitaxy), 고체 소스 분자 빔 에피텍시(SSMBE; Solid Source Molecular Beam Epitaxy) 및 화학적 빔 에피텍시(chemical beam epitaxy)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 기판은 GaAs를 포함할 수 있으며, 기판 보호 층 및 디바이스 구조물 보호 층은 격자 정합 복합물일 수 있고, 예컨대, AlAs, GaAs, AlInP, GaInP, AlGaAs, GaPSb, AlPSb 및 이들의 조합일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 기판은 GaAs를 포함할 수 있으며, 기판 보호 층 및 디바이스 구조물 보호 층은, 격자 정합 복합물과의 조합을 비롯하여, 변형된 층, 예컨대 InP, InGaAs, InAlAs, AlInP, GaInP, InAs, InSb, GaP, AlP, GaSb, AlSb 및 이들의 조합일 수 있다.
하나 이상의 보호 층에 적절한 III-V족 재료의 예는, 이로써 한정하는 것은 아니지만, AlInP, GaInP, AlGaAs, GaPSb, AlPSb, InP, InGaAs, InAs, InSb, GaP, AlP, GaSb, AlSb, InAlAs, GaAsSb, AlAsSb, 및 GaAs를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 성장 기판이 GaAs일 때, 하나 이상의 보호 층은 격자 정합형의 AlInP, GaInP, AlGaAs, GaPSb, AlPSb 그리고 변형된 InP, InGaAs, AlInP, GaInP, InAs, InSb, GaP, AlP, GaSb, AlSb로부터 선택된다. 일부 실시예에 있어서, 성장 기판이 InP일 때, 하나 이상의 보호 층은 격자 정합형인 InGaAs, InAlAs, GaAsSb, AlAsSb 그리고 변형된 InGaAs, InAlAs, GaAsSb, AlAsSb, InAs, GaSb, AlSb, GaAs, GaP 및 AlP로부터 선택된다. 미국 특허 제8,378,385호 및 미국 특허 출원 공개 공보 제2013/0043214호는, 보호 층 설계(protective layer scheme)에 관한 그 개시내용이 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.
보호 층은 설명되는 바와 같은 하나 이상의 보호 층을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 보호 층은 하나의 보호 층을 더 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 보호 층은 2개의 보호 층을 더 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 보호 층은 3개 이상의 보호 층을 더 포함한다. 보호 층(들)은 성장 기판과 희생 층 사이에 위치하게 될 수 있다.
희생 릴리스 층(sacrificial release layer)이 이후 보호 층 상에 성장하게 된다. 이러한 층의 비한정적인 일례는 AlAs이다. 이러한 재료를 희생 층으로서 사용할 때, 비소 산화물 형성부는 리프트 오프 동안 AlAs 에칭을 느려지게 할 수 있다. 따라서, Al(Ga)As를 느리게 에칭되는 III-V족 재료(예컨대, InAlP, AlGaAs, InAlGaP)로 클래딩(cladding)함으로써, 비소 산화물 형성부는 감소될 수 있고, 이에 따라 리프트 오프 프로세스를 가속화한다. 인용함으로써 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 공개 공보 제2010/0047959호는, 단결정 기판으로부터 에피텍셜 층을 선택적으로 제거하기 위한 방법을 설명하고 있다.
일 실시예에 있어서, 활성 박막 디바이스 영역은 알려진 산(acid)을 이용하여 선택적으로 희생 층을 에칭함으로써 리프트 오프될 수 있다. 성장 기판의 희생 층은 성장 기판으로부터 에피층을 릴리스하기 위한 ELO 동안 릴리스 층으로서의 역할을 한다. 희생 층은 ELO 동안 에피층 및/또는 성장 기판의 손상 가능성을 최소화하거나 또는 이러한 손상 가능성을 없애기 위해 에피층 및/또는 성장 기판에 비해 높은 에칭 선택도를 갖도록 선택될 수 있다. 또한, ELO 동안 에피층을 보호하기 위해 희생 층과 에피층 사이에 보호 층을 사용하는 것도 가능하다. 일부 실시예에 있어서, 희생 층은 III-V족 재료를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, III-V족 재료는 AlAs, AlGaAs, AlInP, 및 AlGaInP로부터 선택된다. 특정 실시예에 있어서, 희생 층은 Al(Ga)As를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 희생 층은 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 nm 범위의 두께를 갖는다.
에칭에 의해 희생 층을 릴리스하는 단계는, 다른 기법, 예컨대 스폴링(spalling)과 조합될 수 있다. PCT 특허 출원 제PCT/US14/52642호는, 에칭 및 스폴링의 조합을 통해 에피층을 릴리스하는 것에 대한 그 개시내용에 있어서 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.
다음으로, 에피층(또는 활성 디바이스 영역)이 성장되며, 2차 플라스틱 기판에 대한 접합 이후에, 디바이스들이 이들의 통상적인 배향으로 제조될 수 있도록 보통 반전된 순서로 성장되고, 이에 따라 ELO 디바이스 처리에 있어서 종종 채용되는 2차 전사 단계를 배제할 수 있다. 성장 구조물의 에피층은 성장 기판의 "리프트 오프"인 것이 바람직한 임의의 개수의 층을 지칭한다. 에피층은, 예컨대, 전자 디바이스 또는 광전자 디바이스를 제조하기 위한 임의의 개수의 활성 반도체 층을 포함할 수 있다. 따라서, 에피층은 때때로 "활성 디바이스 영역"으로서 불리게 된다. 에피층은, 한정하는 것은 아니지만, 광전지, 포토다이오드, 발광 다이오드, 및 전계 효과 트랜지스터, 예컨대 금속-반도체 전계 효과 트랜지스터 및 높은 전자 이동도의 트랜지스터를 비롯한 디바이스를 제조하기 위한 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 에피층은 적어도 하나의 III-V족 재료를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 기판이 플라스틱 기판에 접합된 이후에, 활성 디바이스 영역은 침지 에칭에 의해, 예컨대 산을 이용한 침지 에칭에 의해 페어런트 웨이퍼(parent wafer)로부터 리프트 오프될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광전지는 가요성 결정질 반도체 전지를 포함하는 활성 광전 영역을 포함한다. 단일 연접 반도체 전지의 비한정적인 예로는 InGaP, GaAs, InGaAs, InP, 또는 InAlP가 포함된다. 가요성 결정질 반도체 전지는 보통 2 내지 10 미크론, 예컨대 3 내지 6 미크론 범위를 두께를 갖는다.
다른 실시예에 있어서, 활성 광전 영역을 포함하는 광전지는, 다중 연접 전지, 예컨대 (2개의 서브 전지를 갖춘) 탠덤 광전지(tandem photovoltaic), (3개의 서브 전지를 갖춘) 3중 연접 전지(triple junction cells), 또는 심지어 (4개의 서브 전지를 갖춘) 4중 연접 전지를 포함한다.
광전지가 형성된 이후에, 이 광전지는 일 표면 상에서 전도성 금속 코팅으로 코팅된다. 금속 코팅의 비한정적인 예는, Au, Ag, Pt, Pd, Ni, 및 Cu로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하며, 특히 Au에 주안점을 둔다. 일 실시예에 있어서, 지지 기판 상의 Au 층은 100 내지 500 nm, 예컨대 200 내지 400 nm 범위의 두께를 갖는다.
일단 광전지가 앞서 설명한 비파괴 ELO 프로세스에 의해 성장 기판으로부터 제거되면, 광전지는 다양한 접합 프로세스에 의해 지지 구조물 상에 장착된다. 예를 들면, 단일 연접 전지이든지 또는 다중 연접 전지이든지, 활성 광전 영역은 직접 부착식 접합 프로세스에 의해 호스트 기판(host substrate)에 적용될 수 있다. 이러한 프로세스는 활성 영역 및 가요성 호스트 기판의 이웃하는 표면에 금속 층을 추가하는 것, 그리고 이들을 접합하기 위해 냉각 용접을 이용하는 것을 포함한다. 냉각 용접 접합 프로세스는 균일하게 접합되는 계면을 달성하기 위해 실온에서 2개의 표면을 함께 누르는 것을 보통 포함한다.
대안적인 직접 부착식 접합 프로세스는, 열 압축 접합을 포함할 수 있으며, 이는 보통 저압이지만 고온(즉, 금속 재결정화 온도보다 높은 온도)의 적용을 수반한다. 이러한 프로세스는, 가요성 기판이 직접 부착식 접합 프로세스에서 사용되는 금속 층의 재결정 온도 미만의 용융 온도 및/또는 유리 천이를 나타낼 때는 보통 사용되지 않는다.
사용될 수 있는 ELO 프로세스와 연관되는 금속 층의 접합을 위한 다른 직접 부착 기법은, 통상의 냉각 용접 프로세스보다 낮은 압력 및 통상의 열 압축 접합 프로세스보다 낮은 온도를 이용하는 열 보조식 냉각 용접 접합 프로세스이다. 구체적으로, 열 보조식 냉각 용접은 반도체 웨이퍼의 손상 가능성을 낮출 수 있으며, 이에 따라 추가적인 활성 영역을 성장시키기 위한 웨이퍼의 재사용 비율을 높일 수 있다.
여기서 사용될 수 있는 직접 부착식 접합 프로세스의 비한정적인 예는, 냉각 용접, 열 보조식 냉각 용접, 또는 열 압축 접합을 포함한다. 냉각 용접을 설명하는 미국 특허 출원 공개 공보 제US2013/0037095호는 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.
일 실시예에 있어서, 레이저 다이싱(laser dicing)을 채용하는 가속화된 ND-ELO 프로세스가 개시된다. 예를 들면, 도 1은, 본 발명의 일 양태에 따라, 급속 ND-ELO와 냉각 용접 접합의 조합을 통한, 박막 GaAs 태양 전지의 제조 순서를 나타낸 것이다. 공지된 ND-ELO 방법은, ELO 프로세스 동안 심지어 원자 스케일에서도, 원래의 웨이퍼 표면 품질을 완전하게 유지하며 희생 층과 웨이퍼 사이에 성장된 에피텍셜 보호 층을 보통 채용한다.
습식 화학적 에칭을 이용한 보호 층의 선택적인 제거에 의해 통상적인 ELO에서 사용되는 화학 기계적 연마에 대한 필요성이 없어진다. 따라서, ND-ELO는, GaAs 기판의 거의 무한정의 재사용을 가능하게 하며, 그 비용을 재료 비용으로부터 자본 투자로 전환시킨다. 그러나, 이러한 프로세스는 시간 소모적이다. 심지어 작은 웨이퍼로부터 활성 에피텍시를 분리하는 데 수 시간이 소요되는 통상적인 ELO를 가속화하기 위해, 두꺼운 금속 층, 예컨대 100 nm 초과의, 예를 들어 200 nm 내지 500 nm, 예시적으로 350 nm 두께의 두꺼운 Au 층이 에피텍셜 층 표면 상에 퇴적될 수 있다. 금속 층은, 한정된 트렌치(trench), 예컨대 폭이 100 미크론 내지 500 미크론인 트렌치에 의해 분리되는 메사의 어레이를 형성하기 위한 마스크를 형성하기 위해, 활성 태양 전지 에피텍시/AlAs 희생 층 계면에서 종료되는 습식 화학적 에칭에 의해 포토리소그래피식으로 패터닝된다.
도 1은 CPC와 박막 GaAs 태양 전지의 통합을 위한 제조 단계를 예시한 것이다. 도 1 (a)는 (좌측으로부터 우측으로) AlAs 희생 층(120)에서 중단되는 선택적인 에칭에 의한 비파괴 에피텍셜 리프트 오프(ND-ELO) 이전에 사전 패터닝된 메사(110)를 나타내고 있다. 이후 샘플은 냉각 용접을 통해 Au 코팅된 Kapton® 시트(125) 상에 접합된다. 제3 단계는 ND-ELO 이후의 샘플(130)을 나타낸 것이다.
도 1 (b)는 본 발명의 일 양태에 따른 소형 CPC를 제조하는 데 사용되는 열 성형 프로세스를 예시한 것이다. 여기서, 도 1 (b)는 프로세스가 3개의 몰드, 즉 열 성형된 CPC를 성형하기 위한 금속 몰드, 태양 전지를 기판 상에 전사하기 위한 엘라스토머 스탬프를 제조하기 위한 다른 하나의 몰드, 및 태양 전자 정렬을 보조하기 위한 제3 몰드를 채용하는 것을 나타내고 있다. 또한 도 1 (b)를 참고하면, PETG 시트(140)가 금속 몰드(150)의 상부 상에 고정되어 있는 것으로 도시되어 있다. 이후, PETG는 열 및 진공을 인가함으로써 그 최종 형상으로 열 성형된다. 마지막으로, 소형 CPC가 몰드(160)로부터 박리된다.
도 1 (c)는 레이저 다이싱(170)을 이용하여 개별적인 바아로 분리되는 태양 전지-Kapton® 시트 조립체를 도시한 것이다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, Kapton® 시트(125)에 접합되는 비파괴 에피텍셜 리프트 오프(ND-ELO) 처리된 박막 GaAs 태양 전지를 다이싱하기 위해 CO2 레이저 인그레이빙 및 절단 시스템(X-660 superspeed-600, Universal Laser Systems, Inc.)이 사용될 수 있다. 이후, 각각의 바아는 저압 냉각 용접을 통해 PDMS 스탬프(180)를 이용하여 소형 CPC(175) 상에 전사 인쇄된다. 마지막 도식은, 반사형 금속 코팅이 CPC 어레이 표면(190) 상에 퇴적된 이후의 통합된 박막 태양 전지 및 소형 CPC를 도시한 것이다.
도 1 (c)를 추가로 참고하면, 일 실시예에 따라 사용될 수 있는 플라스틱 CPC 상으로 박막 GaAs 태양 전지를 자가 정렬식 전사 인쇄하는 실시예가 도시되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 폴리디메틸실록산(PDMS) 스탬프(180)를 위한 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 몰드는 3D 프린터(Dimension Elite, Stratasys)를 이용하여 제조되는 플라스틱 소형 CPC와 함께 박막 GaAs 태양 전지를 통합하기 위해 그리고 박막 GaAs 태양 전지를 정렬하기 위해 사용될 수 있다.
도 2는 도 1 (b)에 도시되고 설명되는 파라볼라 집광기 어레이를 제조하는 데 사용되는 제조 프로세스에 관한 추가 정보를 제공한다. 여기서, 변형 가능한 매체(예컨대, 폴리머)는 진공 몰드 및 오븐을 이용하여 원통형의 포물면 소형 집광기로 몰딩될 수 있다. 이러한 실시예의 전체적인 몰드형 어레이는, (전체적으로 플라스틱 및 얇은 금속 막으로 이루어지도록 제조될 수 있기 때문에) 극히 경량일 수 있으며, 완성되었을 때 약간의 제한적인 가요성을 나타낼 수 있다. 반사 표면이 위로 향하게 하면, 집광기는, 초점 라인이 바로 집광기 개방 표면의 중심에 위치하게 되도록 구성되며, 이는 원통형의 포물면 소형 집광기로 입사하는 광의 완전한 수집을 가능하게 한다.
도 2 (a)를 참고하면, 열 성형 프로세스는 PETG 시트를 섭씨 105 도로 가열하는 것을 포함할 수 있는 한편, 몰드의 형상으로 PETG를 잡아당기기 위해 진공이 이용된다. 열 및 진공을 인가함으로써 CPC가 그 최종 형상으로 열 성형된 이후에, CPC는 도 2 (b)에 도시된 바와 같이 몰드로부터 박리될 수 있다. 다음으로, 태양 전지는 소형 CPC 상으로의 전사 인쇄에 의해 박리된 CPC로 통합된다. 도 1 (c)에서 설명된 바와 같이, 태양 전지 통합은 저압 냉각 용접을 통해 PDMS 스탬프(180)를 이용하여 달성될 수 있다. 도 2 (d)는, 반사형 금속 코팅이 CPC 어레이 표면(190) 상에 퇴적된 이후 통합된 박막 태양 전지 및 소형 CPC를 도시한 것이다.
도 3 (a)는 PDMS 스탬프를 위한 몰드의 상세한 치수 및 사진을 나타낸 것이며, 이는 도 3 (b)에 도시된 CPC 개구 내로 정확하게 끼워지도록 구성된다. PDMS 스탬프에 의한 픽업(pick up)을 위한 태양 전지 스트립을 정렬시키기 위해 3D 인쇄된 추가적인 몰드가 사용될 수 있다. PDMS 스탬프의 피라미드 형상은, CPC의 측벽과 스탬프 사이의 직접적인 접촉을 방지하여, 태양 전지들을 접합시키기 위한 압력은 단지 CPC 기부 상에만 인가된다. 도 3 (c)는 스탬프와 CPC 사이의 조립을 개략적으로 나타낸 것이다.
소형 복합 파라볼라 집광기(CPC) 설계
본 명세서에서 설명되는 CPC는 플라스틱 재료, 예컨대 폴리이미드 또는 금속 포일을 비롯한 가요성 재료로부터 제조될 수 있다. 지지 구조물은 보통 25 내지 100 미크론, 예컨대 40 내지 60 미크론 범위의 두께를 갖는다. 가요성 재료가 플라스틱 재료를 포함할 때, 이는 보통 일 표면 상의 전도성 금속 코팅을 구비한다. 금속 코팅의 비한정적인 예는, Au, Ag, Pt, Pd, Ni, 및 Cu로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하며, 특히 Au에 주안점을 둔다. 일 실시예에 있어서, 지지 기판 상의 Au 층은 100 내지 500 nm, 예컨대 200 내지 400 nm 범위의 두께를 갖는다.
도 5 (a) 및 도 5 (b)는, 그 수광각과 동일한 각도로 틸팅된 축선을 갖는 2개의 파라볼라로 이루어진 CPC의 개략도를 도시한 것이다. 플라스틱 소형 CPC는 그 길이방향 축선을 따라 태양을 추적할 필요를 없애기 위해 2차원 반원통이다. 도 5 (c)는 수광각 및 집광율(CF; concentration factor)에 대한 CPC 절삭의 효과를 나타낸 것이다. 절삭되지 않은 CPC는 가장 높은 CF를 나타내며, 이때 수광각의 외부에서는 어떠한 광도 수집되지 않는다. CF가 절삭의 증가와 함께 감소됨에도 불구하고, 수광각보다 훨씬 넓은 각도에서 광을 수집하는 것이 가능하다.
CF를 결정하기 위해, Matlab 소프트웨어(MathWorks)를 이용한 광선 추적이 이용되었다. 직교 좌표계에서 한정되는 CPC의 기하학적 형상 및 그 4개의 법선은, 베이스의 폭(GaAs 태양 전지의 치수에 의해 한정됨), 높이 및 수광각을 이용하여 산출되었다. CPC를 이루는 2개의 파라볼라의 초점은 베이스 에지를 형성한다는 것에 주의하라. 실용적인 CPC 높이(절삭되지 않은 CPC의 대략 8 %)는 CPC 상에 입사하는 입력 광선의 수광 및 이에 따른 CF가 절삭에 의해 변경되는 경우에 선택되었다. 입력 광선들은 평행한 것으로 가정하였다.
이제, CF는 CPC를 갖춘 태양 전지 상에 입사하는 광자의, CPC를 갖추지 않은 태양 전지 상에 입사하는 광자에 대한 비율이다. 그 중앙 축선을 중심으로 한 CPC의 대칭성으로 인해, 단지 양의 태양 입사 각도만이 고려되며, 즉, 0 < θsun < θmax이고, 여기서 θsun은 CPC의 중앙 축선에 대한 광선의 각도이며, θmax는 모든 입사 광선이 가려지는 각도로서, 이에 따라 CF가 0이 되는 각도이다. 각각의 각도에 대해 10000개가 넘는 공간적으로 분배된 광선들이 사용되었다. 광선이 CPC에 의해 반사될 때, 광선의 강도는 Ag의 반사에 의해 감소되며, 이는 가변 각도 분광분석용 일립소미터(VASE, J.A. Woollam) 및 UV/Vis/NIR 분광광도계(LAMBDA 1050, Perkin Elmer)를 이용하여 PTEG 상에서 측정되었다. 파장 및 각도의 범위는 3 nm의 스텝(step)으로 300 nm 내지 900 nm이었고, 5 도의 스텝으로 15 도 내지 85 도이었다. 측정된 값들 사이의 값은 내삽되었다. 이후, 반사에 좌우되는 파장 및 입사 각도는 AM1.5G 태양 스펙트럼에 의해 가중되었다. 마지막으로, CF 대 θsun 및 수광각이 산출된다.
도 5 (d) 및 도 5 (e)는 다양한 CPC 형상에 대해 산출된 CF 대 입사 각도의 등고선도를 나타낸 것이다. 도 5 (d)는, 각각의 파라볼라 축선 사이의 각도(즉, 수광각)가 감소함에 따라 CF가 증가하는 경우에, 비절삭된(non-truncated) CPC의 경우를 나타낸 것이다. 도 5 (e)는, 절삭 비율이 수광각에 따라 좌우되도록 종횡비(태양 전지 폭/CPC 높이/태양 전지 폭)가 4로 고정되어 있을 때의 CPC의 경우를 나타낸 것이다. 좁은 수광각을 갖는 CPC의 절삭 비율은 넓은 수광각의 경우에 비해 더 높다.
일 실시예에 있어서, CPC는 원통형 대칭을 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 집광기의 수광각은 단지 단일 축선으로 한정된다. 도 6은 소형 CPC 실린더에 의해 달성될 수 있는 상이하게 정렬된 2가지 기하학 형상을 나타낸 것이다. 도 6 (a) 및 도 6 (b)는 각각 남북 축선 및 동서 축선과 정렬된 CPC의 길이방향 축선을 나타낸 것이다. 추적 없는 남북 정렬의 경우에 있어서, CPC는 단지 낮 시간 동안에만 태양광을 수집하며, 이때 태양은 CPC의 40도 수광각 내에 놓이고, 반면, 동서 축선 정렬은 태양의 경사 경로를 향해 틸팅함으로써 심지어 추적 없이도 낮 동안에 태양광의 넓은 커버리지를 제공한다. CPC의 위치는 최적의 에너지 획득을 위해 일년에 단지 4회만 조정될 필요가 있는데, 왜냐하면 CPC의 수광각이 태양 경로의 계절별 변화를 커버(cover)할 정도로 충분히 넓기 때문이다.
본 발명에 따라 제조된 박막 GaAs 태양 전지의 특성 및 집광된 광 하에서 측정된 특성은 아래와 같이 설명된다. 도 7 (a) 내지 도 7 (d)는 집광된 광 하에서 박막 GaAs 태양 전지의 성능을 나타낸 것이다. 도 7 (a)는 단락 전류를 나타낸 것이다. 도 7 (b)는 충전율(fill factor)를 나타낸 것이다. 도 7 (c)는 개방 회로 전압을 나타내며, 도 7 (d)는 소형 CPC와의 통합에 의해 측정되는 다양한 집광된 광 조건 하에서 박막 GaAs 태양 전지의 전력 변환 효율을 나타낸 것이다.
도 7 (a) 내지 도 7 (d)를 참고하면, 태양 전지는 앞서 설명된 바와 같은 소형 CPC와 통합되며, Si 포토다이오드를 이용하는 1 태양(100mW/cm2)에서 AM 1.5G 조명으로 캘리브레이션된 태양 시뮬레이터를 이용하여 측정된다. 단락 전류(Jsc), 개방 회로 전압(Voc), 충전율, 및 전력 변환 효율(PCE)은 I-V 특성으로부터 추출된다. 이러한 측정은, CF=3.3일 때 6 도만큼 틸팅된 CPC와 통합된 전지의 전력 변환 효율이, 더 높은 강도에서 증가된 개방 회로 전압(Voc)으로 인해 비집광식 디아비스에 비해 약간(대략 0.5%) 개선된다는 것을 보여주고 있다.
1 태양 조명 하에서 태양 전지 작동 온도의 비교가 도 8에 제시되어 있으며, 도 8은 시뮬레이션된 AM 1.5G 1 태양 강도(100mW/cm2) 조명 하에서 박막 GaAs 태양 전지 및 기판 기반 GaAs 태양 전지의 작동 온도를 나타내고 있다. 250 s 후에, 기판 기반 GaAs 태양 전지는 예측된 바와 같이 섭씨 약 45 도에서 작동하는 반면, 박막 전지는 훨씬 낮은 섭씨 28 도에서 작동한다.
도 10 (a)는 1 태양(100mW/cm2) 강도에서 시뮬레이션된 AM 1.5G 조명 하에서 측정된 박막 GaAs 태양 전지의 전류-전압(I-V) 특성을 나타낸 것이며, 도 10 (b)는 산출된 값과 함께 I-V 특성으로부터 유추되는 바와 같은 파라볼라의 축선의 틸팅 각도에 대한 집광율(concentration factor)의 의존도를 나타낸 것이고, 도 10 (c)는 직접 조명 및 분산 조명의 2가지 조명 하에서 92 % 높이 절삭되고 6 도만큼 틸팅된 CPC에 대한 태양 입사 각도의 함수로서 집광율의 측정값 및 산출값 양자 모두를 나타낸 것이며, 도 10 (d)는 3.3 태양 집광 하에서 기판 기반 GaAs 태양 전지 및 박막 GaAs 태양 전지 양자의 열적 성능을 나타낸 것이다.
도 11 (a) 및 도 11 (b)는 6 도만큼 틸팅된 CPC를 이용하여, 각각 겨울 및 여름 동안 특정한 2가지 일자에서의 에너지 획득을 나타낸 것이다. 넓은 수광각은 CPC가 적은 공기 질량에서 유용한 일광(daylight)의 대부분을 커버할 수 있도록 한다. CPC를 갖춘 박막 GaAs 태양 전지 및 CPC를 갖추지 않은 박막 GaAs 태양 전지에 대한 시간별 에너지 획득 곡선의 적분으로부터, 본 발명자는, 6 도만큼 틸팅된 CPC와 통합된 ND-ELO 처리된 태양 전지가 각각 1월 1일 및 7월 1일에[도 11 (c) 및 도 11 (d) 참고] 비집광식 전지와 비해 2.8 배 및 2.7 배 더 높은 에너지 획득을 나타낸다는 것을 확인하였으며, 비집광식과 연간 2개, 3개, 및 4개의 틸팅 위치를 비교하였다.
본 명세서에서 설명되는 CPC/박막 GaAs 태양 전지 조립체와 관련되는 한 가지 장점은, 이들의 향상된 연간 에너지 획득 특성이다. 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 소형 CPC는 원통형 대칭이며, 동서 축선을 따라 정렬될 때 향상된 에너지 획득을 나타낸다. 이러한 정렬은, 단지 틸팅 면에서 경우에 따른 계절별 조정만으로, 태양 경사 경로의 천정(zenith)을 향해 그 축선을 간단히 틸팅함으로써 낮동안 내내 태양광의 최대 폭의 커버리지를 제공할 것이다. 일 실시예에 있어서, 애리조나주 피닉스(33.4N, 112.1W)에서의 계절별 조정은 도 12 (a)에 제시되어 있다. 이는, 특정 일자(1월 1일, 4월 1일, 및 7월 1일)의 태양 경로를 나타내며, 각각 하지, 춘분/추분 및 동지에서만 11 도/31 도/53.5 도의 천정 각도로 조정되는 것과 같이 계절별로 조정된 틸팅 각도에서 6 도만큼 틸팅된 CPC의 커버리지를 나타낸다.
도 12 (b)는 6 도만큼 틸팅된 CPC를 이용하여 집광된 전력 생성의 일별 경향 및 시간별 경향을 나타낸 것이다. 넓은 CPC 수광각은, 정오를 가로지르는 일광의 가장 유용한 시간 동안에 에너지 획득이 가능하게 한다. 도 12 (c)는 통상적인 비집광식 전지와 비교하여, 6 도만큼 틸팅된 CPC와 함께 박막 GaAs 태양 전지를 이용하여 1년 전체에 걸쳐 획득된 집광 에너지의 결과를 나타낸 것이다. 양 경우 모두는 매년 3가지 계절별 위치 조정에 기초하여 산출된 것이다. 도 12 (c)의 삽입도는 집광식 박막 GaAs 태양 전지 및 비집광식 박막 GaAs 태양 전지의 연간 에너지 생성을 비교한 것이다. 연간 총 에너지 수득은 집광식 전지의 경우에 2.8 배 더 높은 것으로 확인되었다.
본 명세서에서 설명되는 시스템, 디바이스 및 방법은, 순수하게 예시적인 것으로 의도되는 이하의 비한정적인 예에 의해 추가로 설명될 것이다.
예
이하의 예는, 비파괴 ELO(ND-ELO), 냉각 용접 접합 및 진공 보조식 열 성형 프로세스를 조합함으로써, 박막 GaAs 태양 전지를 저비용의 플라스틱 소형 복합 파라볼라 집광기(CPC)와 통합하는 방법을 제시한 것이다.
예 1
에피텍셜
성장
태양 전지 에피텍셜 층 구조물은 Zn 도핑된 (100) p-GaAs 기판 상에서 가스 소스 분자 빔 에피텍시(GSMBE)에 의해 성장되었다. GaAs 버퍼 층(0.2 미크론 두께)과 함께 개시된 성장은 InGaP/GaAs(100 nm/100 nm) 보호 층 및 AlAs(20 nm) 희생 층으로 이어진다.
다음으로, 반전된 활성 디바이스 영역이 다음과 같이, 즉 5 x 1018 cm-3 Be-도핑된 GaAs (0.15 미크론) 접촉 층, 2 x 1018 cm-3 Be-도핑된 Al0 . 20ln0 . 49Ga0 .31P (0.025 미크론) 윈도우, 1 x 1018 cm-3 Be-도핑된 p-GaAs (0.15 미크론) 에미터 층, 2 x 1017 cm-3 Si-도핑된 n-GaAs (3.0 미크론) 베이스 층, 6 x 1017 cm-3 Si- 도핑된 ln0.49Ga0.51P (0.05 미크론) 후면 필드(BSF; Back Surface Field) 층, 및 5 x 1018 cm-3 Si-도핑된 n-GaAs (0.1 미크론) 접촉 층으로 성장되었다. GaAs/AlAs 층은 섭씨 600 도에서 성장되었고, Al0 . 20ln0 . 49Ga0 .31P 층/ ln0 . 49Ga0 .51P 층은 섭씨 480 도에서 성장되었다.
프리
메사
패터닝
(pre-mesa patterning),
냉각
용접 접합 및
에피텍셜
리프트
오프
도 1 (a)는, 프리 메사 패터닝, 냉각 용접 및 ELO 프로세스를 위한 제작 흐름의 개략도를 나타낸 것이다. 2.5 mm x 6.5 mm Cr/Au (4 nm/350 nm) 메사는, 각각, GaAs 및 InGaP에 대해 H3PO4:H2O2:탈이온화된 H20 (3:1:25) 및 HCl:H3P04 (3:1)를 이용한 메사 에칭을 위한 마스크로서 사용되는 LOR 3A 및 S-1827 (Microchem) 이중층 포토레지스트를 이용한 포토리소그래피에 의해 패터닝되었다. 에피텍셜 GaAs 웨이퍼 상의 패터닝된 Au는 대략 10-5 토르에서 EVA 520 웨이퍼 접합기를 이용하여 Au 코팅된 25 미크론 두께의 Kapton® 시트에 접합되었다. 이후, Au 막들 사이에 접합을 형성하기 위해 80 N/sec 램프 비율(ramp rate)로 4 MPa이 2인치 직경의 기판에 인가되었다. 온도는 분당 섭씨 25도씩 섭씨 230 도까지 상승되었으며, 8 분 동안 이 온도에서 유지되었다. 기판은 이후 급속하게 냉각되었다. 균일한 압력을 인가하기 위해, 샘플과 프레스 헤드 사이에 연질 흑연 시트가 삽입되었다. 일단 GaAs 기판이 Kapton® 시트에 완전히 부착되면, 얇은 활성 디바이스 영역은 ND-ELO를 이용하여 그 페어런트 기판(parent substrate)으로부터 제거되었다. 샘플은, 900 rpm으로 교반 바아를 이용하여 용액을 교반하는 동안 섭씨 60 도에서 유지되는 20% HF:H20에 침지되었다. 총 리프트 오프 시간은 30 분이었다.
태양 전지 제조
리프트 오프에 후속하여, 박막 활성 영역 및 가요성 플라스틱 호스트가 Kapton® 테이프를 이용하여 강성 기판에 고정되었다. 전면 접촉 그리드(front surface contact grid)는 LOR 3A 및 S-1827 (Microchem) 이중층 포토레지스트를 이용하여 포토리소그래피 방식으로 패터닝되었으며, 이후 e-빔 기화에 의해 Pd(5 nm)/Zn(20 nm)/Pd(20 nm)/Au(700 nm) 금속 접점이 퇴적되었다. 그리드 및 버스 바아의 폭은 각각 20 미크론 및 150 미크론이었으며, 그리드 핑거(grid finger)들 사이의 간격은 300 미크론이었다. 금속화에 의한 태양 전지 활성 영역의 총 커버리지는 4 %이었다. 금속 층이 리프트 오프된 이후에, 고도로 도핑된 100 nm p++ GaAs 접촉 층이 플라즈마 에칭에 의해 선택적으로 제거되었다. 박막 태양 전지는 오옴 접점(ohmic contacts)을 형성하기 위해 섭씨 200 도에서 1 시간 동안 공기에서 어닐링(annealing)되었다. 49 nm 두께의 TiO2 및 81 nm 두께의 MgF2로 이루어지는 반사 방지 코팅 이중층이 e-빔 기화에 의해 퇴적되었다. 플라스틱 시트 상의 태양 전지는 2.5 W의 파워 및 인치 당 500 펄스로 CO2 레이저 커터(50 W Universal Laser Systems)를 이용하여 에칭된 트렌치를 따라 다이싱하는 동안 발생되는 파편으로부터 태양 전지를 보호하기 위해 플라스틱 막에 의해 덮여 있었다.
CPC의 진공
보조식
열 성형
도 2는 CPC 제조를 위한 진공 보조식 열 성형 프로세스의 개략도를 나타낸 것이다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜-변형(PETG) 시트가, 그 베이스에 구멍을 포함하는 금속 몰드의 상부를 가로질러 Kapton® 테이프로 고정되었다. 상기 구멍을 통해 진공이 인가되는 동안, 조립체는 섭씨 60 도에서 오븐 내에 배치되었다. PETG는 오븐 온도가 약 15 분 동안 섭씨 96 도로 상승될 때 몰드 내로 인입되어, 복합 파라볼라 형상을 형성한다. 이후 CPC는 냉각되었으며, 냉각 이후 CPC는 금속 몰드로부터 박리되었다.
집광식
GaAs 광전지의 특성
Agilent 4155B 파라메타 분석기를 이용하여 획득되는 I-V 측정을 위해 Xe 아크 램프 및 AM 1.5 글로벌 필터를 갖춘 Oriel 태양 시뮬레이터(모델:91191)이 사용되었다. 시뮬레이터 강도는 NREL(National Renewable Energy Laboratory) 인증을 받은 직경 5 mm의 Si 표준 전지를 사용하여 캘리브레이션(calibration)되었다. 광 입사 각도는 광섬유 및 회전 스테이지(Newport, 481-A)를 이용하여 조정되었다. 분산 조명(N-BK7 ground glass diffusers, 220 grit polish, Thorlab) 하에서의 집광율은, 동일한 셋업(set-up)으로 측정되었다. 태양 전지 작동 온도는 열 화상 카메라(A325, FLIR)에 의해 측정되었다.
태양 전지 작동 온도에 관한 특성은 도 10 (c)에 제시되어 있다. 이는, 직접 조명 및 분산 조명 양자의 조명 하에서 92 % 높이 절삭되고 6 도만큼 틸팅된 CPC에 대해 태양 입사 각도의 함수로서 집광율의 측정값 및 산출값 양자 모두를 나타내고 있다. 추가적으로, 도 10 (d)는 3.3 태양 집광 하에서 기판 기반의 GaAs 태양 전지 및 박막 GaAs 태양 전지 양자 모두의 열적 성능을 나타낸 것이다.
예 2
이하의 예는, 비파괴 ELO(ND-ELO), 냉각 용접 접합 및 진공 보조식 열 성형 프로세스를 조합함으로써, 박막 GaAs 태양 전지를 저비용의 플라스틱 소형 복합 파라볼라 집광기(CPC)와 통합하기 위한 전술한 방법과 유사한 방법을 제시한 것이다.
예 1에서서와 같이, 도 2는 네거티브 진공 몰드(negative vacuum mold)를 이용하여 생성되는 진공 보조식 열 성형된 원통형 플라스틱 소형 CPC에 대한 제조 흐름도를 나타낸 것이다. 우선, 낮은 유리 천이 온도(섭씨 81 도)를 갖는 PETG(폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜-변형) 플라스틱 기판이, 네거티브 복합 파라볼라 형상의 몰드 상에 장착되었으며 노 내에 배치되었다. 몰드의 베이스에서, 진공 펌프에 연결되는 균일한 간격의 작은 구멍을 사용하여, 몰드 형상에 대해 동형을 이룰 때까지 (섭씨 105 도로) 가열된 기판을 하방을 향해 잡아당겼다.
변형된 기판은 이후 실온으로 냉각되었으며, 실온에서 그 형상을 유지하였다. 후속하여, 반사기는, 각각 전자 빔 및 열적 기화를 이용하여 그 내측 표면 상에서 5 nm 두께의 Ge 웨팅 층(wetting layer) 및 200 nm 두께의 Ag 반사 층으로 코팅되었다. 퇴적에 앞서, 기판은 각각 5 분 동안 탈이온수, 터지톨, 및 이소프로필 알코올의 순서로 세척되었다.
박막 GaAs 광전지의 제조를 위해, Zn 도핑된 (100) p-GaAs 기판 상에서의 가스 소스 분자 빔 에피텍시(GSMBE)에 의해 에피텍셜 층 구조물이 성장되었다. 이러한 성장은 0.2 미크론 두께의 GaAs 버퍼 층으로 시작되어 0.025 미크론 두께의 AlAs 희생 층에 의해 후속되었다. 이후, 반전된 활성 디바이스 영역(p-on-n GaAs 태양 전지 활성 영역)이 다음과 같이, 즉 0.15 미크론 두께, 5 x 1018 cm-3 Be-도핑된 GaAs 접촉 층, 0.025 미크론 두께, 2 x 1018 cm-3 Be-도핑된 Al0 . 25Ga0 . 26ln0 .49P 윈도우 층, 0.15 미크론 두께, 1 x 1018 cm-3 Be-도핑된 p-GaAs 에미터 층, 3.5 미크론 두께, 2 x 1017 cm-3 Si-도핑된 n-GaAs 베이스 층, 0.05 미크론 두께, 4 x 1017 cm-3 Si-도핑된 ln0 . 49Ga0 .51P 후면 필드(BSF) 층, 및 0.1 미크론 두께, 5 x 1018 cm-3 Si-도핑된 n-GaAs 접촉 층으로 성장되었다.
GSMBE를 이용한 성장 이후에, 0.005 미크론 두께의 Ir 층이 접착 층으로서 50 미크론 두께의 Kapton® 시트 상에 스퍼터링(sputtering)되었다. 이는 또한 ELO 프로세스를 가속화하기 위한 스트레서 층(stressor layer)으로서 이용되었다. 이후, 0.5 미크론 두께의 Au 접촉 층이 e-빔 기화에 의해 Ir 코팅된 Kapton® 시트 및 GaAs 에피텍셜 층 양자 모두에 퇴적되었다.
기판 및 플라스틱 시트는 EVG 520 웨이퍼 접합 툴을 이용하여 섭씨 200 도에서 4 kN의 힘을 인가하는 것으로 이루어지는 열 보조식 냉각 용접에 의해 접합되었으며, 이후 후속하여 에피텍셜 리프트 오프를 위해 가열된 20 % HF 용액 내에 침지되었다. 리프트 오프된 박막은, e-빔 기화에 의한 Pd(0.005 미크론)/Zn(0.02 미크론)/Pd(0.015 미크론)/Au(0.7 미크론)의 퇴적 및 포토리소그래피를 이용하는 전방 접점 그리드 패터닝로 시작되어, 태양 전지로 제조되었다. 상기 디바이스는 이후 오옴 접점을 형성하기 위해 섭씨 200 도에서 30 분 동안 어닐링되었다.
메사는 포토리소그래피 및 습식 에칭을 이용하여 형성되었으며, 고도로 도핑된 GaAs 오옴 접점 층은 그리드라인(gridline)들 사이에서 제거되었다. 마지막으로, Ti02 (0.052 미크론)/ MgF2 (0.085 미크론) 이중층 반사방지 코팅이 e-빔 기화에 의해 퇴적되었다.
플라스틱 소형 CPC를 갖춘 ND-ELO 처리된 GaAs 태양 전지 및 플라스틱 소형 CPC를 갖추지 않은 ND-ELO 처리된 GaAs 태양 전지의 제4 4분면 전류-전압(I-V) 특성은, 100 mW/cm2의 강도에서 시뮬레이션된 AM 1.5G(대기 질량 1.5 글로벌) 조명 하에서 측정되었으며, 도 4에 제시되어 있다. 광학 파워 강도는 National Renewable Energy Laboratory의 추적 가능한 Si 기준 광전지를 이용하여 캘리브레이션되었다. 단락 전류 밀도는 21.9 mA/cm2이며, 개방 회로 전압은 0.95 V이고, 충전율은 76 %이며, 결과적인 전력 변환 효율은 CPC가 없는 상태에서 15.8 %이다.
CPC는 20 도만큼 틸팅된 파라볼라의 50 % 높이를 절삭함으로써 디바이스와 개방 면적이 1:3의 비율을 갖도록 구성되었다. 20 도의 CPC는 40 도의 수광각에 걸쳐 동일한 집광율을 제공한다. CPC와 통합된 GaAs 박막 태양 전지는, 집광기가 없는 동일한 전지와 비교하여 2배의 단락 전류를 나타내며, 이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 전력 생산이 2배로 되는 결과를 유도한다.
도 9 (a) 및 도 9 (b)는, 이러한 예에 따라 제조된 박막 GaAs 광전지로부터의 전력 생성을 계절별 조건(1월 1일 및 7월 15일)에 따라 추적하는 집광기를 갖춘 상태에서 그리고 이러한 집광기를 갖추지 않은 상태에서 비교한 것을 나타낸 것이다. 이러한 비교는 애리조나주 피닉스(33.4N, 112.1W)의 좌표에 기초하여 산출된다. 태양 복사 강도는 시간 의존적인 천정 각도 및 공기 질량을 이용하여 시간의 함수로서 계산된다. 분산된 광은 계산에 고려하지 않는다.
이때 에너지 획득 값은 1일의 과정 전반에 걸쳐 시간의 함수로서 각각의 디바이스 상에서의 전력 입사를 적분함으로써 산출된다. 우선, 비추적식 틸팅형 태양 전지로부터 생성된 전력을 CPC 통합을 행한 상태에서 그리고 CPC 통합이 행해지지 않은 상태에서 비교하였다. 이들 2가지 경우에서는 각각 여름 및 겨울에 대해 7.6 도 북쪽 및 67.75 도 남쪽의 천정 각도로 지향되는 전지를 갖는다.
남북 축선과 정렬된 CPC를 갖춘 GaAs 박막 태양 전지는 각각 여름 및 겨울 동안 틸팅식 평탄형 태양 전지에 비해 복사의 단지 68 % 및 50 %만을 수집한다. 이는 CPC의 제한된 수광각 때문이다. 다른 한편으로, 동서 축선을 따라 정렬되는 CPC를 갖춘 틸팅식 GaAs 박막 태양 전지는 각각 여름 및 겨울 동안 틸팅식 평탄형 전지와 비교하여 1.9 배 및 2 배만큼 더 큰 전력을 발생시킨다. 이는 주로 소형 CPC 커버리지와 태양 경로 사이의 정렬에 따른 것이다. 소형 CPC를 갖춘 전지가 태양광을 추적한다면, 집광율은, 각각 여름 및 겨울 동안 동일한 면적의 평탄형 GaAs 태양 전지에 비해 훨씬 더 향상되어 2.72 배 및 2.33 배에 이른다.
본 명세서에서의 실시예에 관한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시된 것이다. 이는 총망라하려는 의도가 아니며, 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 구체적인 실시예의 개별적인 요소 또는 특징은 일반적으로 특정 실시예의 개별적인 요소 또는 특징으로 한정되지 않으며, 오히려 적용 가능한 경우, 상호 교환 가능할 수 있고, 심지어 구체적으로 도시 또는 설명되어 있지 않더라도 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 또한, 다수의 방식으로 상기 개별적인 요소 또는 특징이 변형될 수 있다. 이러한 변형은 본 발명으로부터 벗어난 것으로 간주되어서는 안 되며, 이러한 모든 변경은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
Claims (36)
- 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법에 있어서,
성장 기판을 제공하는 단계;
상기 성장 기판 상에 적어도 하나의 보호 층을 퇴적하는 단계;
상기 적어도 하나의 보호 층 상에 적어도 하나의 희생 층을 퇴적하는 단계;
상기 희생 층 상에 광활성 전지(photoactive cell) - 상기 광활성 전지는 반전되어 있음 - 를 퇴적하는 단계;
포토리소그래피 방법에 의해 상기 광활성 전지 상에 메사(mesa)들의 어레이를 포함하는 패터닝된 금속 층을 형성하는 단계;
플라스틱 시트의 금속화된 표면에 대해 상기 패터닝된 금속 층을 접합시키는 단계;
박막 태양 전지를 형성하기 위해 상기 성장 기판으로부터 상기 광활성 전지를 제거하는 하나 이상의 에칭 단계를 이용하여 상기 희생 층을 에칭하는 단계;
적어도 하나의 열 성형 프로세스를 이용하여 플라스틱 재료로부터 복합 파라볼라 집광기를 제조하는 단계; 및
통합된 박막 태양 전지 및 복합 파라볼라 집광기를 형성하기 위해 무접착제 접합 단계(adhesive-free bonding step)에 의해 열 성형된 복합 파라볼라 집광기 상에 상기 박막 태양 전지를 전사하는 단계
를 포함하는 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 성장 기판은 GaAs 또는 InP를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 보호 층은 상기 성장 기판과 격자 정합되는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제3항에 있어서,
상기 적어도 하나의 보호 층은 AlAs, GaAs, InP, InGaAs, AlInP, GaInP, InAs, InSb, GaP, AlP, GaSb, AlSb 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 보호 층, 희생 층, 또는 광활성 전지 중 적어도 하나는 가스 소스 분자 빔 에피텍시(GSMBE; Gas Source Molecular Beam Epitaxy), 금속 유기 화학적 기상 증착(MOCVD; Metallo-Organic Chemical Vapor Deposition), 하이브리드 기상 에피텍시(HVPE; Hybrid Vapor Phase Epitaxy), 고체 소스 분자 빔 에피텍시(SSMBE; Solid Source Molecular Beam Epitaxy) 및 화학적 빔 에피텍시(Chemical Beam Epitaxy)로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스에 의해 퇴적되는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 보호 층은 버퍼 층, 에칭 중단 층, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 포토리소그래피 방법은, 적어도 하나의 광활성 전지 상에 금속 층을 퇴적하는 단계; 메사 에칭을 위해 상기 금속 층의 상부 상에 마스크를 퇴적하는 단계; 상기 금속 층에서 패턴을 형성하기 위해 상기 마스크를 통해 적어도 하나의 에칭 단계를 수행하는 단계를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제7항에 있어서,
상기 패턴은 상기 희생 층까지 연장되는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제7항에 있어서,
상기 적어도 하나의 에칭 단계는 습식 에천트, 건식 에천트, 또는 이들의 조합과 상기 희생 층을 접촉시키는 단계를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제9항에 있어서,
상기 습식 에천트는 H20와의 조합을 비롯하여, HF, H3P04, HCl, H2S04, H2O2, HNO3, C6H807 및 이들의 조합을 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제9항에 있어서,
상기 건식 에천트는 플라즈마를 이용한 반응성 이온 에칭(RIE; Reactive Ion Etching)을 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제8항에 있어서,
상기 희생 층은 AlAs를 포함하며, 하나 이상의 제2 에칭 단계는 HF와 상기 AlAs를 접촉시키는 단계를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
에칭된 패턴은 적어도 하나의 태양 전지에서 에칭된 2 이상의 평행한 트렌치(trench)를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 2 이상의 평행한 트렌치는 100 미크론 내지 500 미크론 범위의 폭을 갖는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 태양 전지는 단일 연접 전지(single junction cell) 또는 다중 연접 전지를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 접합은, 플라스틱 시트에 접합되는 패터닝된 태양 전지를 형성하기 위해, 냉각 용접, 열 보조식 냉각 용접, 또는 열 압축식 접합으로부터 선택된 직접 부착 방법을 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제16항에 있어서,
레이저를 이용하여, 상기 플라스틱 시트에 접합된 상기 패터닝된 태양 전지를 다이싱(dicing)하는 단계
를 더 포함하는 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제17항에 있어서,
상기 레이저는 CO2 레이저인 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 열 성형된 복합 파라볼라 집광기 상으로의 상기 박막 태양 전지의 전사는, Au, Ag, Pt, Pd, Ni, 및 Cu로부터 선택된 적어도 하나의 금속으로 금속화된 엘라스토머(elastomeric) 재료에 상기 박막 태양 전지를 부착하는 단계 및 상기 복합 파라볼라 집광기의 금속화된 표면에 태양 전지를 전사 인쇄(transfer printing)하는 단계를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제19항에 있어서,
상기 복합 파라볼라 집광기의 금속화된 표면은 Au, Ag, Pt, Pd, Ni, 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 플라스틱 파라볼라 집광기는 섭씨 100 도 미만의 유리 천이 온도를 갖는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 플라스틱 파라볼라 집광기는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜 변형(polyethylene terephthalate glycol-modified)을 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 열 성형 프로세스는 네거티브 복합 파라볼라 형상의 진공 몰드 상에 상기 플라스틱 재료를 장착하는 단계를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제23항에 있어서,
상기 플라스틱 재료가 자신의 유리 천이 온도 위로 가열되는 동안 상기 플라스틱 재료가 상기 몰드의 형상을 따르도록 하기 위해 상기 몰드의 표면에 대해 상기 플라스틱 재료를 잡아당기는 데 진공이 사용되는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제23항에 있어서,
상기 플라스틱 재료는 후속하여 실온까지 냉각되며, 상기 플라스틱 재료는 실온에서 복합 파라볼라로서 그 형상을 유지하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제25항에 있어서,
복합 파라볼라로서의 형상을 갖는 상기 플라스틱 재료는 적어도 하나의 웨팅 층(wetting layer) 및 적어도 하나의 금속 반사 층으로 코팅되는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제26항에 있어서,
상기 적어도 하나의 웨팅 층은 Ge를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제26항에 있어서,
상기 적어도 하나의 금속 반사 층은 Ag를 포함하는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 제26항에 있어서,
상기 적어도 하나의 웨팅 층 및 적어도 하나의 금속 반사 층은 전자 빔, 열적 기화 또는 이들의 조합을 이용하여 퇴적되는 것인 박막 태양 전지를 비추적식 소형 집광기와 통합시키기 위한 방법. - 비추적식 소형 복합 파라볼라 집광기와 통합된 박막 태양 전지를 포함하는 광전지 디바이스에 있어서,
플라스틱 복합 파라볼라 집광기에 접합된 박막 태양 전지
를 포함하며, 상기 플라스틱 복합 파라볼라 집광기는 상기 복합 파라볼라 집광기의 수광각(acceptance angle)과 동일한 각도로 틸팅되는 2개의 파라볼라를 포함하며,
상기 태양 전지는 상기 복합 파라볼라 집광기의 수광각보다 더 넓은 각도에서 광을 수집할 수 있는 것인 광전지 디바이스. - 제30항에 있어서,
상기 집광기는, 초점의 라인이 집광기 개방 평면의 중심에 정확히 위치하도록 설계되는 것인 광전지 디바이스. - 제30항에 있어서,
박막 태양 전지와 상기 플라스틱 복합 파라볼라 집광기 사이에는 접착제 재료가 존재하지 않는 것인 광전지 디바이스. - 제30항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광활성 전지는 단일 연접 전지 또는 다중 연접 전지를 포함하는 것인 광전지 디바이스. - 제30항에 있어서,
상기 플라스틱 복합 파라볼라 집광기는, Au, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나의 금속으로 금속화되는 적어도 하나의 표면을 갖는 것인 광전지 디바이스. - 제30항에 있어서,
상기 플라스틱 파라볼라 집광기는 섭씨 100 도 미만의 유리 전이 온도를 갖는 것인 광전지 디바이스. - 제30항에 있어서,
상기 플라스틱 파라볼라 집광기는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜-변형을 포함하는 것인 광전지 디바이스.
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