KR20180098095A - 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는, 화합물 반도체층; 상기 화합물 반도체층의 전면(front surface)에 위치하는 전면 전극; 상기 화합물 반도체층의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전극; 상기 화합물 반도체층의 후면으로부터 상기 화합물 반도체층을 통과하여 상기 화합물 반도체층의 전면에서 돌출되며, 상기 후면 전극과 물리적 및 전기적으로 연결되는 결함부; 및 상기 결함부의 주위를 둘러싸도록 형성되어 상기 결함부와 상기 화합물 반도체층 사이에 간격을 유지하는 절연부를 포함한다.

Description

화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법{COMPOUND SEMICONDUCTOR SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화합물 반도체 태양전지를 제조할 때 형성되는 결함부를 효과적으로 절연시킬 수 있는 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
화합물 반도체는 실리콘이나 게르마늄과 같은 단일 원소가 아닌 2종 이상의 원소가 결합되어 반도체로서 동작한다. 이러한 화합물 반도체는 현재 다양한 종류가 개발되어 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 대표적으로, 광전 변환 효과를 이용한 발광 다이오드나 레이저 다이오드 등의 발광 소자, 태양 전지, 그리고 펠티어 효과(Feltier Effect)를 이용한 열전 변환 소자 등에 이용된다.
이 중에서 화합물 반도체 태양전지는 갈륨 아세나이드(GaAs), 인듐 인(InP), 갈륨 알루미늄 아세나이드(GaAlAs), 갈륨 인듐 아세나이드(GaInAs) 등의 Ⅲ-V족 화합물 반도체, 카드뮴 황(CdS), 카드뮴 텔루륨(CdTe), 아연 황(ZnS) 등의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, 구리 인듐 셀레늄(CuInSe2)으로 대표되는 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 등을 사용하여 다양한 층들을 형성하고 있다.
화합물 반도체로 형성되는 다양한 층들은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법 또는 에피택셜층을 형성하기 위한 임의의 다른 적절한 방법에 의해 형성되는데, 화합물 반도체층을 형성할 때에는 원치 않는 파티클(particle)이 필연적으로 발생하게 되고, 상기 파티클이 위치한 부분의 화합물 반도체층에 형성된 빈 공간에 후면 전극을 형성하는 전극 형성 물질이 채워지게 된다.
따라서, 화합물 반도체층의 빈 공간에 채워진 전극 형성 물질(이하, "결함부"라고 함)이 전면 콘택층 위에 형성된 전면 전극(복수의 핑거 전극 및 적어도 하나의 버스바 전극)과 접촉되면, 결함부와 전면 전극의 접촉 영역에서 전류가 누설되는 접점이 형성되고, 이로 인해 화합물 반도체 태양전지의 효율이 크게 저하되며, 최악의 경우 쇼트(short)가 발생되어 화합물 반도체 태양전지를 사용할 수 없게 된다.
이에, 종래에는 복수의 핑거 전극 각각에 대해 전기적 테스트를 실시하여 결함부와 접촉하고 있는 핑거 전극을 찾아낸 후 정상적인 핑거 전극(결함부와 접촉하지 않는 핑거 전극을 말함)만 버스바 전극에 연결하는 방법을 사용하거나(예, US 8,846,417B), 화합물 반도체 태양전지의 결함부를 관측 장비(vision)로 찾아낸 후 레이저를 이용하여 기계적으로 제거하는 방법을 사용하였다(예, US 2010/0210040A1).
그런데, 상기한 방법들은 결함부를 찾기 위해 복수의 핑거 전극을 일일이 전기적으로 테스트하거나 관측 장비를 사용하여 결함부를 찾아야 하므로, 결함부를 찾는데 소요되는 시간이 매우 긴 문제점이 있다.
또한, 전자의 경우에는 결함부와 접촉하고 있는 핑거 전극을 선택적으로 절연(isolation)시켜야 하므로 이미 만들어진 핑거 전극 중 일부를 사용하지 못하게 되어 효율 측면에서 손해를 보는 문제점이 있으며, 후자의 경우에는 레이저에 의해 제거되는 결함부의 주변 영역의 크기가 커서 빛 입사 면적이 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 화합물 반도체 태양전지를 제조할 때에는 파티클로 인해 형성된 결함부를 효과적으로 절연(isolation)시킬 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 화합물 반도체 태양전지를 제조할 때 형성되는 결함부를 효과적으로 절연시킬 수 있는 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 한 측면에 따른 화합물 반도체 태양전지는, 화합물 반도체층; 상기 화합물 반도체층의 전면(front surface)에 위치하는 전면 전극; 상기 화합물 반도체층의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전극; 상기 화합물 반도체층의 후면으로부터 상기 화합물 반도체층을 통과하여 상기 화합물 반도체층의 전면에서 돌출되며, 상기 후면 전극과 물리적 및 전기적으로 연결되는 결함부; 및 상기 결함부의 주위를 둘러싸도록 형성되어 상기 결함부와 상기 화합물 반도체층 사이에 간격을 유지하는 절연부를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 절연부의 평면 형상은 상기 결함부의 평면 형상과 유사하게 형성된다.
따라서, 절연부의 크기를 최소화할 수 있으므로, 절연부로 인해 빛 입사 면적이 감소하는 문제점을 최소화할 수 있다.
그리고 상기 결함부 및 상기 절연부는 적어도 2개씩 각각 구비될 수 있으며, 상기 적어도 2개의 절연부의 평면 형상은 서로 동일하지 않게, 즉 서로 다른 평면 형상으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 결함부는 상기 후면 전극과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법은 후면 전극이 위치하는 화합물 반도체층의 후면으로부터 상기 화합물 반도체층을 통과하여 상기 화합물 반도체층의 전면에서 돌출되며 상기 후면 전극과 물리적 및 전기적으로 연결되는 결함부를 구비한 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 있어서, 상기 화합물 반도체층의 최상부 층을 제1 식각 용액에 대한 선택비가 높으며 제2 식각 용액에 의해 식각되는 제1 화합물 반도체로 형성하고, 상기 화합물 반도체층의 최상부 층에는 보호층을 형성하되, 상기 보호층은 상기 제2 식각 용액에 대한 선택비가 높으며 상기 제1 식각 용액에 의해 식각되는 제2 화합물 반도체로 형성한 단일층으로 형성하거나, 상기 제2 화합물 반도체로 형성한 층과 상기 제1 화합물 반도체로 형성한 층을 교대로 적층한 적어도 2개의 층으로 형성하며, 상기 제1 화합물 반도체 및 제2 화합물 반도체 중에서 상기 보호층의 최상부에 위치하는 층을 형성하는 화합물 반도체에 대한 선택비가 높은 식각 용액을 이용한 식각 공정을 교대로 실시하여 상기 화합물 반도체층 중에서 상기 결함부와 직접 접촉하고 있는 부분을 선택적으로 제거함으로써 상기 결함부의 주위를 둘러싸도록 형성되어 상기 결함부와 상기 화합물 반도체층 사이에 간격을 유지하는 절연부를 형성함과 아울러, 상기 보호층을 제거하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
상기 화합물 반도체층의 상기 최상부 층을 형성하는 상기 제1 화합물 반도체는 GaAs로 형성할 수 있고, 상기 화합물 반도체층의 상기 최상부층과 직접 접촉하는 상기 보호층의 최하부 층을 형성하는 상기 제2 화합물 반도체는 GaInP 또는 AlGaInP로 형성할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 식각 용액으로는 염산을 사용할 수 있고, 상기 제2 식각 용액으로는 암모니아수와 과산화수소수 및 초순수가 혼합된 용액을 사용할 수 있으며, 제2 식각 용액은 암모니아수와 과산화수소수 및 초순수를 1:2:10의 비율로 혼합하여 형성할 수 있다.
한 예로, 상기 보호층은 상기 제1 층으로 형성할 수 있으며, 이 경우, 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정과, 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정을 순차적으로 실시할 수 있다.
다른 예로, 상기 보호층은 상기 제1 층, 및 상기 제1 층 위에 위치하며 상기 제1 화합물 반도체로 형성된 제2 층으로 형성할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정과, 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정, 및 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정을 순차적으로 실시할 수 있다.
또 다른 예로, 상기 보호층은 상기 제1 층, 상기 제1 층 위에 위치하며 상기 제1 화합물 반도체로 형성된 제2 층, 및 상기 제2 층 위에 위치하며 상기 제2 화합물 반도체로 형성된 제3 층으로 형성할 수 있고, 이 경우, 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정, 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정, 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정, 및 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정을 순차적으로 실시할 수 있다.
또 다른 예로, 상기 보호층은 상기 제1 층, 상기 제1 층 위에 위치하며 상기 제1 화합물 반도체로 형성된 제2 층, 상기 제2 층 위에 위치하며 상기 제2 화합물 반도체로 형성된 제3 층, 및 상기 제3 층 위에 위치하며 상기 제1 화합물 반도체로 형성된 제4 층으로 형성할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정, 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정, 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정, 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정, 및 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정을 순차적으로 실시할 수 있다.
또 다른 예로, 상기 보호층은 상기 제1 층, 상기 제1 층 위에 위치하며 상기 제1 화합물 반도체로 형성된 제2 층, 상기 제2 층 위에 위치하며 상기 제2 화합물 반도체로 형성된 제3 층, 상기 제3 층 위에 위치하며 상기 제1 화합물 반도체로 형성된 제4 층, 및 상기 제4 층 위에 위치하며 상기 제2 화합물 반도체로 형성된 제5 층으로 형성할 수 있고, 이 경우, 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정, 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정, 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정, 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정, 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정, 및 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정을 순차적으로 실시할 수 있다.
또 다른 예로, 상기 보호층의 적층 구조와 상기 화합물 반도체층의 적층 구조를 서로 동일하게 형성할 수 있다.
상기 보호층은 상기 화합물 반도체층을 성장시킬 때 사용하는 최소 공정 온도보다 50 내지 100℃ 정도 낮은 공정 온도에서 성장시키는 것이 바람직하며, 상기 화합물 반도체층을 성장시킬 때의 최고 성장 속도보다 1.2배 내지 4배 정도 빠른 속도로 성장시키는 것이 바람직하다.
그리고 상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정은 20초 내지 4분 정도 실시하는 것이 바람직하고, 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정은 10초 내지 10분 정도 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 따르면, 결함부를 찾기 위한 별도의 공정이 필요하지 않으므로 화합물 반도체 태양전지의 제조 시간을 단축할 수 있다.
그리고 절연부의 크기를 최소화할 수 있으므로 결함부로 인해 빛 입사 면적이 감소되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 결함부를 절연시킨 후에 핑거 전극을 형성함으로써, 결함부로 인해 사용하지 못하는 핑거 전극의 개수를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법의 한 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 제조 방법을 구체적으로 나타내는 공정도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 제조 방법에 의해 제조한 화합물 반도체 태양전지의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 보호층의 다양한 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 결함부 주위에 절연부를 형성하는 식각 공정의 한 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 공정에 따라 최종적으로 형성된 절연부와 결함부의 평면 형상을 나타내는 도면이다.
도 7은 절연부를 형성하기 전과 후의 복수의 태양전지의 PL 이미지이다.
도 8은 절연부를 형성하기 전과 후의 복수의 태양전지의 효율 데이터이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "결합되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법을 나타내는 블록도이고, 도 2는 도 1의 제조 방법을 구체적으로 나타내는 공정도이다.
그리고 도 3은 도 1 및 도 2의 제조 방법에 의해 제조한 화합물 반도체 태양전지의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 보호층의 다양한 실시예를 나타내는 단면도이다.
그리고 도 5는 결함부 주위에 절연부를 형성하는 식각 공정의 한 실시예를 나타내는 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시한 공정에 따라 최종적으로 형성된 절연부와 결함부의 평면 형상을 나타내는 도면이다.
그리고 도 7은 절연부를 형성하기 전과 후의 복수의 태양전지의 PL 이미지이며, 도 8은 절연부를 형성하기 전과 후의 복수의 태양전지의 효율 데이터이다.
먼저, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 화합물 반도체 태양전지에 대해 설명한다.
화합물 반도체 태양전지는 광 흡수층(PV), 광 흡수층(PV)의 전면(front surface) 위에 위치하는 윈도우층(10), 윈도우층(10)의 전면 위에 위치하는 전면 전극(20), 윈도우층(10)과 전면 전극(20) 사이에 위치하는 전면 콘택층(30), 윈도우층(10) 위에 위치하는 반사 방지막(40), 광 흡수층(PV)의 후면 위에 위치하는 후면 콘택층(50) 및 후면 콘택층(50)의 후면 위에 위치하는 후면 전극(60)을 포함할 수 있다.
여기서, 후면 콘택층(50), 광 흡수층(PV), 윈도우층(10) 및 전면 콘택층(30)은 화합물 반도체층(CS)을 형성한다.
그리고 반사 방지막(40), 윈도우층(10), 전면 콘택층(30) 및 후면 콘택층(50) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 층들이 구비된 경우를 일례로 설명한다.
광 흡수층(PV)은 III-VI족 반도체 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 일례로, 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 인(P)이 함유된 GaInP 화합물 또는 갈륨(Ga)과 비소(As)가 함유된 GaAs 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
이하에서는 광 흡수층(PV)이 GaAs 화합물을 포함하는 것을 예로 들어 설명한다.
광 흡수층(PV)은 제1 도전성 타입의 불순물, 한 예로 p형 불순물이 도핑되는 p형 반도체층(PV-p)과, 제2 도전성 타입의 불순물, 한 예로 n형 불순물이 도핑되는 n형 반도체층(PV-n)을 포함할 수 있다.
그리고 도시하지는 않았지만, 광 흡수층(PV)은 p형 반도체층(PV-p)의 후면에 위치하는 후면 전계층을 더 포함할 수 있다.
p형 반도체층(PV-p)은 전술한 화합물에 제1 도전성 타입, 즉 p형의 불순물이 도핑되어 형성되고, n형 반도체층(PV-n)은 전술한 화합물에 제2 도전성 타입, 즉 n형의 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.
여기에서, p형 불순물은 탄소, 마그네슘, 아연 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있고, n형 불순물은 실리콘, 셀레늄, 텔루륨 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
n형 반도체층(PV-n)은 전면 전극(20)에 인접한 영역에 위치할 수 있으며, p형 반도체층(PV-p)은 n형 반도체층(PV-n) 바로 아래에서 후면 전극(60)에 인접한 영역에 위치할 수 있다.
즉, n형 반도체층(PV-n)과 전면 전극(20) 사이의 간격은 p형 반도체층(PV-p)과 전면 전극 사이의 간격보다 작으며, n형 반도체층(PV-n)과 후면 전극(60) 사이의 간격은 p형 반도체층(PV-p)과 후면 전극 사이의 간격보다 크다.
이에 따라, 광 흡수층(PV)의 내부에는 p형 반도체층(PV-p)과 n형 반도체층(PV-n)이 접합된 p-n 접합이 형성되므로, 광 흡수층(PV)에 입사된 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 광 흡수층(PV)의 p-n 접합에 의해 형성된 내부 전위차에 의해 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고, 정공은 p형 쪽으로 이동한다.
따라서, 광 흡수층(PV)에서 생성된 정공은 후면 콘택층(50)을 통하여 후면 전극(60)으로 이동하고, 광 흡수층(PV)에서 생성된 전자는 윈도우층(10)과 전면 콘택층(30)을 통해 전면 전극(20)으로 이동한다.
이와 달리, p형 반도체층(PV-p)이 전면 전극(20)에 인접한 영역에 위치하고 n형 반도체층(PV-n)이 p형 반도체층(PV-p) 바로 아래에서 후면 전극(60)에 인접한 영역에 위치하는 경우, 광 흡수층(PV)에서 생성된 정공은 전면 콘택층(30)을 통하여 전면 전극(20)으로 이동하고, 광 흡수층(PV)에서 생성된 전자는 후면 콘택층(50)을 통하여 후면 전극(60)으로 이동한다.
광 흡수층(PV)이 후면 전계층을 더 포함하는 경우, 후면 전계층은 직접 접촉하는 상부의 층, 즉 n형 반도체층(PV-n) 또는 p형 반도체층(PV-p)과 동일한 도전성 타입을 가지며, 윈도우층(10)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
그리고 후면 전계층은 전면 전극 쪽으로 이동해야 할 전하(정공 또는 전자)가 후면 전극 쪽으로 이동하는 것을 효과적으로 차단(blocking)하기 위해, 직접 접촉하는 상부의 층, 즉 n형 반도체층(PV-n) 또는 p형 반도체층(PV-p)의 후면에 전체적으로(entirely) 형성된다.
즉, 도 3에 도시한 태양전지에 있어서, p형 반도체층(PV-p)의 후면에 후면 전계층이 형성된 경우, 후면 전계층은 전자가 후면 전극 쪽으로 이동하는 것을 차단하는 작용을 하며, 후면 전극 쪽으로 전자가 이동하는 것을 효과적으로 차단하기 위해, 후면 전계층은 p형 반도체층(PV-p)의 후면 전체에 위치한다.
이러한 구성의 광 흡수층(PV)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법 또는 에피택셜층을 형성하기 위한 임의의 다른 적절한 방법에 의해 모기판(mother substrate)으로부터 제조할 수 있다.
p형 반도체층(PV-p)과 n형 반도체층(PV-n)은 서로 동일한 밴드갭을 갖는 서로 동일한 물질로 이루어질 수 있고(동종 접합), 이와 달리, 서로 다른 밴드갭을 갖는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다(이종 접합).
윈도우층(10)은 광 흡수층(PV)과 전면 전극(20) 사이에 형성될 수 있으며, III-VI족 반도체 화합물에 제2 도전성 타입, 즉 n형의 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
그러나, p형 반도체층(PV-p)이 n형 반도체층(PV-n) 위에 위치하고 윈도우층(10)이 p형 반도체층(PV-p) 위에 위치하는 경우, 윈도우층(10)은 제1 도전성 타입, 즉 p형의 불순물을 포함할 수 있다.
하지만 윈도우층(10)은 n형 또는 p형의 불순물을 포함하지 않을 수도 있다.
윈도우층(10)은 광 흡수층(PV)의 전면(front surface)을 패시베이션(passivation)하는 기능을 한다. 따라서, 광 흡수층(PV)의 표면으로 캐리어(전자나 정공)가 이동할 경우, 윈도우층(10)은 캐리어가 광 흡수층(PV)의 표면에서 재결합하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 윈도우층(10)은 광 흡수층(PV)의 전면, 즉 광 입사면에 배치되므로, 광 흡수층(PV)으로 입사되는 빛을 거의 흡수하지 않도록 하기 위하여 광 흡수층(PV)의 에너지 밴드갭보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
윈도우층(10)의 에너지 밴드갭을 광 흡수층의 에너지 밴드갭보다 높게 형성하기 위해, 윈도우층(10)은 알루미늄(Al)을 더 함유할 수 있다.
반사 방지막(40)은 윈도우층(10)의 전면 위 중에서 전면 전극(20) 및/또는 전면 콘택층(30)이 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역에 위치할 수 있다.
이와 달리, 반사 방지막(40)은 노출된 윈도우층(10) 뿐만 아니라, 전면 콘택층(30) 및 전면 전극(20) 위에 배치될 수도 있다.
이 경우, 도시하지는 않았지만 화합물 반도체 태양전지는 복수의 전면 전극(20)을 물리적으로 연결하는 버스바 전극을 더 구비할 수 있으며, 버스바 전극은 반사 방지막(140)에 의해 덮여지지 않고 외부로 노출될 수 있다.
이러한 구성의 반사 방지막(40)은 불화마그네슘, 황화아연, 티타늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전면 전극(20)은 제1 방향(X-X')으로 길게 연장되어 형성될 수 있으며, 제1 방향과 직교하는 제2 방향(Y-Y')을 따라 복수개가 일정한 간격으로 이격될 수 있다.
이러한 구성의 전면 전극(20)은 전기 전도성 물질을 포함하여 형성될 수 있으며, 일례로 금속인 금(Au), 게르마늄(Ge), 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
윈도우층(10)과 전면 전극(20) 사이에 위치하는 전면 콘택층(30)은 III-VI족 반도체 화합물에 윈도우층(10)의 불순물 도핑농도보다 높은 도핑농도로 제2 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
전면 콘택층(30)은 윈도우층(10)과 전면 전극(20) 간에 오믹 콘택(ohmic contact)을 형성한다. 즉, 전면 전극(20)이 윈도우층(10)에 바로 접촉하는 경우, 윈도우층(10)의 불순물 도핑농도가 낮음으로 인해 전면 전극(20)과 광 흡수층(PV) 간의 오믹 콘택이 잘 형성되지 않는다. 따라서, 윈도우층(10)으로 이동한 캐리어가 전면 전극(20)으로 쉽게 이동하지 못하고 소멸될 수 있다.
그러나, 전면 전극(20)과 윈도우층(10) 사이에 전면 콘택층(30)이 형성된 경우, 전면 전극(20)과 오믹 콘택을 형성하는 전면 콘택층(30)에 의해 캐리어의 이동이 원활하게 이루어져 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)가 증가한다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전면 전극(20)과 오믹 콘택을 형성하기 위하여, 전면 콘택층(30)에 도핑된 제2 불순물의 도핑농도는 윈도우층(10)에 도핑된 제2 불순물의 도핑농도보다 더 높을 수 있다.
전면 콘택층(30)은 전면 전극(20)과 동일한 형상으로 형성된다.
광 흡수층(PV)의 p형 반도체층(PV-p)의 후면, 광 흡수층(PV)이 후면 전계층을 구비하는 경우에는 후면 전계층의 후면 위에 위치하는 후면 콘택층(50)은 광 흡수층(PV)의 후면에 전체적으로 위치하며, III-VI족 반도체 화합물에 제1 도전성 타입의 불순물을 p형 반도체층(PV-p)보다 높은 도핑농도로 도핑하여 형성할 수 있다.
이러한 후면 콘택층(50)은 후면 전극(160)과 오믹 콘택을 형성할 수 있어, 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)를 보다 향상시킬 수 있다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전면 콘택층(30)의 두께와 후면 콘택층(50)의 두께는 각각 100nm 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있으며, 일례로, 전면 콘택층(30)은 100nm의 두께로 형성되고 후면 콘택층(50)은 300nm의 두께로 형성될 수 있다.
그리고 후면 콘택층(50)의 후면 위에 위치하는 후면 전극(60)은 전면 전극(20)과는 다르게 후면 콘택층(50)의 후면에 전체적으로 위치하는 시트(Sheet) 형상의 도전체로 형성될 수 있다. 즉, 후면 전극(60)은 후면 콘택층(50)의 후면 전체에 위치하는 면 전극(sheet electrode)이라고도 말할 수 있다.
이때, 후면 전극(60)은 광 흡수층(PV)과 동일한 평면적으로 형성될 수 있으며, 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택된 적어도 어느 한 물질을 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성될 수 있고, 후면 전극을 형성하는 물질은 후면 콘택층의 도전성 타입에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
한 예로, 후면 콘택층이 p형 불순물을 함유하는 경우, 후면 전극(60)은 금(Au), 백금(Pt)/티타늄(Ti), 텅스텐-규소 합금(WSi), 및 규소(Si)/니켈(Ni)/마그네슘(Mg)/니켈(Ni) 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 p형 후면 콘택층과의 접촉 저항이 낮은 금(Au)으로 형성될 수 있다.
그리고, 후면 콘택층(150)이 n형 불순물을 함유하는 경우, 후면 전극(60)은 팔라듐(Pd)/금(Au), 구리(Cu)/게르마늄(Ge), 니켈(Ni)/게르마늄-금의 합금(GeAu)/니켈(Ni), 및 금(Au)/티타늄(Ti) 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 p형 후면 콘택층과의 접촉 저항이 낮은 팔라듐(Pd)/금(Au)으로 형성될 수 있다.
하지만, 상기 후면 전극을 형성하는 물질은 상기 물질들 중에서 적절하게 선택될 수 있으며, 특히, 후면 콘택층과의 접촉 저항이 낮은 물질들 중에서 적절하게 선택될 수 있다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지는 화합물 반도체층(CS)의 후면으로부터 화합물 반도체층(CS)을 통과하여 화합물 반도체층(CS)의 전면에서 돌출되며 후면 전극(60)과 물리적 및 전기적으로 연결되는 결함부(70)와, 결함부(70)의 주위를 둘러싸도록 형성되어 결함부(70)와 화합물 반도체층(CS) 사이에 간격(D)을 유지하는 절연부(80)를 더 포함한다.
이때, 결함부(70)는 후면 전극(60)과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있다.
도면의 간략화를 위해, 결함부(70)와 절연부(80)는 도 5에만 도시하였다. 하지만, 도 3에 도시한 화합물 반도체 태양전지가 상기 결함부(70)와 절연부(80)를 구비하는 것은 자명하다.
이하, 상기한 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 제조 방법은 화합물 반도체층의 최상부 층을 제1 식각 용액에 대한 선택비가 높으며 제2 식각 용액에 의해 식각되는 제1 화합물 반도체로 형성하고, 화합물 반도체층의 최상부 층에는 보호층을 형성하되, 상기 보호층은 상기 제2 식각 용액에 대한 선택비가 높으며 제1 식각 용액에 의해 식각되는 제2 화합물 반도체로 형성한 단일층으로 형성하거나, 상기 제2 화합물 반도체로 형성한 층과 상기 제1 화합물 반도체로 형성한 층을 교대로 적층한 적어도 2개의 층으로 형성하며, 상기 제1 화합물 반도체 및 제2 화합물 반도체 중에서 상기 보호층의 최상부에 위치하는 층을 형성하는 화합물 반도체에 대한 선택비가 높은 식각 용액을 이용한 식각 공정을 교대로 실시하여 화합물 반도체층 중에서 결함부와 직접 접촉하고 있는 부분을 선택적으로 제거함으로써 결함부의 주위를 둘러싸도록 형성되어 결함부와 화합물 반도체층 사이에 간격을 유지하는 절연부를 형성함과 아울러, 보호층을 제거하는 것을 특징으로 한다.
이에 대해 구체적으로 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법은, 크게, 모기판의 한쪽 면 위에 희생층을 형성하는 단계(S10); 상기 희생층 위에 화합물 반도체층을 형성하는 단계(S20); 상기 화합물 반도체층 위에, 화합물 반도체로 형성된 보호층을 형성하는 단계(S30); 상기 보호층 위에 제1 라미네이션 필름을 부착하는 단계(S40); ELO 공정을 실시하여 상기 희생층을 제거함으로써, 상기 화합물 반도체층, 상기 보호층, 및 상기 제1 라미네이션 필름을 상기 모기판으로부터 분리하는 단계(S50); 상기 화합물 반도체층 위에 후면 전극을 형성하는 단계(S60); 상기 후면 전극 위에 제2 라미네이션 필름을 부착하는 단계(S70); 상기 제1 라미네이션 필름을 제거하는 단계(S80); 상기 보호층을 제거함과 아울러 상기 절연부를 형성하는 단계(S90); 및 상기 화합물 반도체층 위에 전면 전극을 형성하는 단계(S100)를 포함한다.
이에 대해 보다 상세히 설명하면, 먼저, 광 흡수층(PV)이 형성되는 적절한 격자 구조를 제공하기 위한 베이스로 작용하는 모기판(110, mother substrate)의 한쪽 면에 희생층(120)을 형성하고(S10), 희생층(120) 위에 화합물 반도체층(CS)을 형성한다(S20).
여기에서, 화합물 반도체층(CS)은 후면 콘택층(50), 광 흡수층(PV), 윈도우층(10) 및 전면 콘택층(30)을 포함할 수 있다.
화합물 반도체층(CS)이 전면 콘택층(30)을 포함하는 경우, 태양전지의 제조 공정 중에는 전면 콘택층(30)이 윈도우층(10) 위에 전체적으로 형성될 수 있고, 오믹 콘택을 위해 전기 전도도가 우수한 제1 화합물 반도체, 예를 들어 GaAs로 형성된다.
제1 화합물 반도체(GaAs)는 염산을 포함하는 제1 식각 용액에 대한 선택비가 높으므로 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정에서는 제거되지 않고 하부의 막들을 보호하는 작용을 할 수 있으며, 암모니아수와 과산화수소수 및 초순수가 혼합된 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정에서는 제거된다.
한 예로, 제2 식각 용액은 암모니아수와 과산화수소수 및 초순수를 1:2:10의 비율로 혼합하여 형성할 수 있다.
이어서, 상기 화합물 반도체층(CS) 위에, 화합물 반도체로 형성된 보호층(130)을 형성한다(S30).
도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 보호층(130)은 GaAs를 제외한 다른 화합물 반도체, 바람직하게는 GaInP 또는 AlGaInP 중에서 선택된 어느 하나의 제2 화합물 반도체로 형성한 단일층, 예컨대 제1 층(130A)으로 형성될 수 있다.
제2 화합물 반도체(GaInP 또는 AlGaInP)는 제2 식각 용액에 대한 선택비가 높으므로 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정에서는 제거되지 않고 하부의 막들을 보호하는 작용을 할 수 있으며, 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정에서는 제거된다.
다른 예로, 보호층(130)은 제2 화합물 반도체로 형성한 층과 상기 제1 화합물 반도체로 형성한 층을 교대로 적층한 적어도 2개의 층으로 형성할 수 있다.
이에 대해 설명하면, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 보호층(130)은 상기 제1 층(130A), 및 제1 층(130A) 위에 위치하며 제1 화합물 반도체(GaAs)로 형성된 제2 층(130B)으로 형성할 수 있다.
또 다른 예로, 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 보호층(130)은 상기 제1 층(130A), 상기 제2 층(130B), 및 제2 층(130B) 위에 위치하며 제2 화합물 반도체(GaInP 또는 AlGaInP)로 형성된 제3 층(130C)으로 형성할 수 있다.
또 다른 예로, 도 4의 (d)에 도시한 바와 같이, 상기 보호층(130)은 상기 제1 층(130A), 상기 제2 층(130B), 상기 제3 층(130C), 및 제3 층(130C) 위에 위치하며 제1 화합물 반도체(GaAs)로 형성된 제4 층(130D)으로 형성할 수 있다.
또 다른 예로, 도 4의 (e)에 도시한 바와 같이, 상기 보호층(130)은 상기 제1 층(130A), 상기 제2 층(130B), 상기 제3 층(130C), 상기 제4 층(130D), 및 제4 층(130D) 위에 위치하며 제2 화합물 반도체(GaInP 또는 AlGaInP)로 형성된 제5 층(130E)으로 형성할 수 있다.
또 다른 예로, 도시하지는 않았지만, 상기 보호층(130)의 적층 구조와 상기 화합물 반도체층(CS)의 적층 구조를 서로 동일하게 형성할 수 있다.
한편, 보호층(130)에 구비되는 제1 화합물 반도체(또는 제2 화합물 반도체)로 이루어지는 층은 화합물 반도체층(CS)에 구비되는 제1 화합물 반도체(또는 제2 화합물 반도체)로 이루어지는 층을 성장시킬 때 사용하는 최소 공정 온도(대략 600 내지 700℃)보다 50 내지 100℃ 정도 낮은 공정 온도에서 성장시키고, 또한, 화합물 반도체층(CS)에 구비되는 제1 화합물 반도체(또는 제2 화합물 반도체)로 이루어지는 층을 성장시킬 때의 최고 성장 속도보다 1.2배 내지 4배 정도 빠른 속도로 성장시키는 것이 바람직하다.
희생층(120)과 화합물 반도체층(CS) 및 보호층(130)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법 또는 에피택셜층을 형성하기 위한 임의의 다른 적절한 방법에 의해 형성할 수 있으며, 레귤러 성장법에 의해 형성할 수 있다.
계속하여, 보호층(130) 위에 제1 라미네이션 필름(140)을 부착한다(S40).
제1 라미네이션 필름(140)은 지지 기판으로 작용하는 PET 필름(140A) 및 상기 PET 필름(140A)의 한쪽 면에 위치하며 접착제로 작용하는 EVA 필름(140B)으로 형성할 수 있다.
이때, PET 필름(140A) 및 EVA 필름(140B)의 두께를 각각 25㎛ 내지 75㎛의 두께로 형성하고, 제1 라미네이션 필름(140)을 70℃ 내지 150℃의 온도에서 부착하면, ELO 공정을 실시할 때 제1 라미네이션 필름(140)의 온도 저하로 인해 PET 필름(140A)이 응축되어 크게 변형되므로, ELO 공정을 실시하기 위한 시간을 단축할 수 있으며, 대면적의 화합물 반도체 태양전지의 생산성을 향상시킬 수 있다.
한 예로, PET 필름(140A) 및 EVA 필름(140B)의 두께를 각각 50㎛로 형성하고, 제1 라미네이션 필름(140)을 100℃의 온도에서 부착할 수 있다.
다음으로, ELO 공정을 실시하여 희생층(120)을 제거한다(S50).
ELO 공정에서는 불산(HF)을 식각 용액으로 사용할 수 있으며, ELO 공정을 실시하면, 상기 불산(HF)에 의해 희생층(120)이 제거되므로, 화합물 반도체층(CS), 보호층(130), 및 제1 라미네이션 필름(140)을 모기판(110)과 분리할 수 있으며, 상기 제1 라미네이션 필름(140)의 변형으로 인해 분리 공정을 빠른 시간 내에 완료할 수 있다.
한편, ELO 공정을 실시하면, 화합물 반도체층(CS)과 보호층(130)을 형성하는 동안 필연적으로 발생되는 파티클이 위치하던 부분이 제거되면서 화합물 반도체층(CS)과 보호층(130)에 빈 공간이 형성된다.
이어서, 제1 라미네이션 필름(140)이 보호층(130)의 하부에 위치하도록 배치한 상태에서 제1 라미네이션 필름(140)의 후면 위에 제1 캐리어 기판(150)을 부착하고, 화합물 반도체층(CS) 위에 후면 전극(60)을 형성한다(S60).
후면 전극(60)은 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택된 적어도 어느 한 물질을 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성할 수 있다.
후면 전극(60)을 형성하면, 화합물 반도체층(CS)과 보호층(130)의 내부에 형성된 빈 공간에도 전극 형성 물질이 채워져 결함부(70)가 형성되며, 결함부(70)는 후면 전극과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있다. 결함부(70)가 형성된 상태를 도 5의 (a)에 도시하였다.
이어서, 후면 전극(60) 위에 제2 라미네이션 필름(160)을 부착한다(S70).
제2 라미네이션 필름(160)은 제1 라미네이션 필름과 동일한 구조로 형성할 수 있으며, 제1 라미네이션 필름(140)과 동일한 방법으로 부착할 수 있다.
계속하여, 제2 라미네이션 필름(160) 위에 제2 캐리어 기판(170)을 부착한 상태에서 제2 캐리어 기판(170)이 하부를 향하도록 배치하고, 이후, 제1 캐리어 기판(150)과 제1 라미네이션 필름(140)을 제거한다(S80).
이어서, 보호층(130)을 제거함과 아울러 절연부(80)를 형성한다(S90).
도 5를 참조하여, 보호층(130)이 제1 층(130A) 내지 제5층(130E)으로 형성된 경우에 대해 설명한다.
보호층이 적어도 2개의 층으로 형성된 경우, 제1 화합물 반도체 및 제2 화합물 반도체 중에서 보호층의 최상부에 위치하는 층을 형성하는 화합물 반도체에 대한 선택비가 높은 식각 용액을 이용한 식각 공정을 교대로 실시하는 것에 의해 절연부를 형성함과 아울러 보호층을 제거할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 제1 화합물 반도체(GaAs)는 염산을 포함하는 제1 식각 용액에 대한 선택비가 높으므로 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정에서는 제거되지 않고 하부의 막들을 보호하는 작용을 할 수 있으며, 암모니아수와 과산화수소수 및 초순수가 혼합된 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정에서는 제거된다.
이때, 제2 식각 용액은 암모니아수와 과산화수소수 및 초순수를 1:2:10의 비율로 혼합하여 형성할 수 있다.
따라서, 제1 화합물 반도체로 형성된 제2층(130B)과 제4층(130D)을 제거할 때에는 제2 식각 용액을 사용할 수 있다.
그리고 제2 화합물 반도체(GaInP 또는 AlGaInP)는 제2 식각 용액에 대한 선택비가 높으므로 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정에서는 제거되지 않고 하부의 막들을 보호하는 작용을 할 수 있으며, 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정에서는 제거된다.
따라서, 제2 화합물 반도체로 형성된 제1 층(130A)과 제3층(130C) 및 제5층(130E)을 제거할 때에는 제1 식각 용액을 사용할 수 있다.
보호층(130)의 최상부 층이 제5 층(130E)이므로, 먼저, 제5 층을 형성하는 제2 화합물 반도체가 높은 선택비를 갖는 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정을 실시한다.
이와 같이 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정을 실시하면, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이 결함부(70)와 접촉하고 있는 부분의 제4 층(130D)과 제2 층(130B)이 식각되며, 또한, 화합물 반도체층(CS) 중에서 제1 화합물 반도체(GaAs)로 형성된 층도 결함부(70)와 접촉하고 있는 부분에서 식각된다.
그리고 상기한 식각 공정에서, 결함부(70)가 위치하지 않는 부분의 화합물 반도체층(CS)과 보호층(130)은 보호된다.
제2 식각 용액을 이용한 식각 공정은 대략 20초 내지 4분 정도 실시하는 것이 바람직하다.
이어서, 제1 식각 용액(염산)을 이용한 식각 공정을 실시한다.
이와 같이, 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정을 실시하면, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이 제2 화합물 반도체로 형성된 제5 층(130E)이 제거됨과 아울러 결함부(70)와 접촉하고 있는 부분의 제3 층(130C)과 제1 층(130A)이 식각된다.
또한, 화합물 반도체층(CS) 중에서 제2 화합물 반도체(GaInP 또는 AlGaInP)로 형성된 층도 결함부(70)와 접촉하고 있는 부분에서 식각된다.
제1 식각 용액을 이용한 식각 공정은 대략 10초 내지 10분 정도 실시하는 것이 바람직하다.
제1 층(130A), 제3 층(130C) 및 제5층(130E)이 각각 제2 화합물 반도체로 형성되어 있고, 제2 층(130B) 및 제4층(130D)이 각각 제1 화합물 반도체로 형성되어 있으며, 화합물 반도체층(CS)에 구비되는 여러 층이 상기 제1 화합물 반도체 또는 상기 제2 화합물 반도체로 형성되어 있다.
따라서, 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정(도 5의 (d) 참조), 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정(도 5의 (e) 참조), 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정(도 5의 (f) 참조), 및 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정(도 5의 (g) 참조)을 순차적으로 실시하면 도 5의 (g)에 도시한 바와 같이 보호층(130)을 제거함과 아울러 절연부(80)를 형성할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 절연부(80)는 결함부(70)와 직접 접촉하고 있는 부분의 화합물 반도체층(CS) 및 보호층(130)을 제거하는 것에 의해 형성되므로, 도 6에 도시한 바와 같이, 절연부(80)의 평면 형상은 결함부(70)의 평면 형상과 유사하게 형성된다.
따라서, 절연부(80)의 크기를 최소화할 수 있으므로, 절연부(80)로 인해 빛 입사 면적이 감소하는 문제점을 최소화할 수 있다.
그리고 절연부(80)의 평면 형상은 대략적으로 결함부(70)의 평면 형상과 유사하게 형성되므로, 결함부(70)가 2개 이상이며 서로 다른 평면 형상을 갖는 경우, 결함부(70)의 주위를 둘러싸도록 형성되는 절연부(80)의 평면 형상도 서로 다르게 형성될 수 있다.
이어서, 화합물 반도체층(CS) 위에 전면 전극(20)을 형성한다(S100).
전면 전극(20)은 전면 전극을 형성하고자 하는 영역에만 금속을 증착하여 형성하거나, 전면 콘택층(30) 위에 전면 전극 물질을 증착한 후 패터닝하여 형성할 수 있다.
한편, 전면 전극(20)을 형성할 때, 결함부(70) 및 절연부(80)가 위치한 영역에는 전면 전극(20)을 형성하지 않을 수 있으며, 이 경우, 결함부(70) 및 절연부(80)가 위치한 영역을 지나는 전면 전극(20)은 결함부(70) 및 절연부(80)를 중심으로 제1 방향을 따라 서로 이격할 수 있다.
도 5에서는 결함부(70)가 화합물 반도체층(CS)의 최상부 층으로부터 많이 돌출된 상태로 도시하였으나, 결함부(70)의 높이는 전면 전극(20)의 상부 표면보다 낮게 형성될 수도 있다.
계속하여, 전면 전극(20)을 마스크(mask)로 사용하여 상기 전면 전극(20)에에 의해 커버되지 않은 영역의 전면 콘택층(30)을 패터닝한 후, 제2 캐리어 기판(170)과 제2 라미네이션 필름(160)을 제거하여 도 3에 도시한 화합물 반도체 태양전지를 제조한다.
이상에서는 화합물 반도체 태양전지가 1개의 광 흡수층을 구비한 것을 예로 들어 설명하였지만, 광 흡수층은 복수 개로 형성될 수도 있다.
이 경우, 하부 광 흡수층은 장파장 대역의 빛을 흡수하여 광전 변환하는 GaAs 화합물을 포함할 수 있고, 상부 광 흡수층은 단파장 대역의 빛을 흡수하여 광전 변환하는 GaInP 화합물을 포함할 수 있으며, 상부 광 흡수층과 하부 광 흡수층 사이에는 터널 정션층이 위치할 수 있다.
그리고 광 흡수층의 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에는 진성 반도체층이 더 형성될 수도 있다.
도 7의 (a)는 절연부를 형성하기 전의 복수의 태양전지의 PL 이미지이고, 도 7의 (b)는 본 발명에 따라 절연부를 형성한 후의 복수의 태양전지의 PL 이미지이다.
그리고 도 8의 (a)는 도 7의 (a)에 도시한 복수의 태양전지의 효율 데이터이고, 도 8의 (b)는 도 7의 (b)에 도시한 복수의 태양전지의 효율 데이터이다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 절연부를 형성하기 전의 복수의 태양전지는 결함부로 인한 불량 영역이 많이 관측되고, 이로 인해 복수의 태양전지의 효율이 전체적으로 낮은 문제점이 있지만, 절연부를 형성한 후의 복수의 태양전지는 결함부로 인한 불량 영역이 현저히 감소하고, 이로 인해 복수의 태양전지의 효율이 전체적으로 증가한 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 윈도우층 20: 전면 전극
30: 전면 콘택층 40: 반사 방지막
50: 후면 콘택층 60: 후면 전극
70: 결함부 80: 절연부
110: 모기판 120: 희생층
130: 보호층 PV: 광 흡수층

Claims (13)

  1. 화합물 반도체층;
    상기 화합물 반도체층의 전면(front surface)에 위치하는 전면 전극;
    상기 화합물 반도체층의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전극;
    상기 화합물 반도체층의 후면으로부터 상기 화합물 반도체층을 통과하여 상기 화합물 반도체층의 전면에서 돌출되며, 상기 후면 전극과 물리적 및 전기적으로 연결되는 결함부; 및
    상기 결함부의 주위를 둘러싸도록 형성되어 상기 결함부와 상기 화합물 반도체층 사이에 간격을 유지하는 절연부
    를 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 절연부의 평면 형상이 상기 결함부의 평면 형상과 유사하게 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 결함부 및 상기 절연부가 적어도 2개씩 각각 구비되며, 상기 적어도 2개의 절연부의 평면 형상이 서로 동일하지 않은 화합물 반도체 태양전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결함부는 상기 후면 전극과 동일한 금속 물질을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  5. 후면 전극이 위치하는 화합물 반도체층의 후면으로부터 상기 화합물 반도체층을 통과하여 상기 화합물 반도체층의 전면에서 돌출되며 상기 후면 전극과 물리적 및 전기적으로 연결되는 결함부를 구비한 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 화합물 반도체층의 최상부 층을 제1 식각 용액에 대한 선택비가 높으며 제2 식각 용액에 의해 식각되는 제1 화합물 반도체로 형성하고,
    상기 화합물 반도체층의 최상부 층에는 보호층을 형성하되,
    상기 보호층은 상기 제2 식각 용액에 대한 선택비가 높으며 상기 제1 식각 용액에 의해 식각되는 제2 화합물 반도체로 형성한 단일층으로 형성하거나, 상기 제2 화합물 반도체로 형성한 층과 상기 제1 화합물 반도체로 형성한 층을 교대로 적층한 적어도 2개의 층으로 형성하며,
    상기 제1 화합물 반도체 및 제2 화합물 반도체 중에서 상기 보호층의 최상부에 위치하는 층을 형성하는 화합물 반도체에 대한 선택비가 높은 식각 용액을 이용한 식각 공정을 교대로 실시하여 상기 화합물 반도체층 중에서 상기 결함부와 직접 접촉하고 있는 부분을 선택적으로 제거함으로써 상기 결함부의 주위를 둘러싸도록 형성되어 상기 결함부와 상기 화합물 반도체층 사이에 간격을 유지하는 절연부를 형성함과 아울러, 상기 보호층을 제거하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 화합물 반도체층의 상기 최상부 층을 형성하는 상기 제1 화합물 반도체를 GaAs로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 화합물 반도체층의 상기 최상부층과 직접 접촉하는 상기 보호층의 최하부 층을 형성하는 상기 제2 화합물 반도체를 GaInP 또는 AlGaInP로 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 식각 용액으로 염산을 사용하고, 상기 제2 식각 용액으로 암모니아수와 과산화수소수 및 초순수가 혼합된 용액을 사용하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 제2 식각 용액은 암모니아수와 과산화수소수 및 초순수를 1:2:10의 비율로 혼합하여 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  10. 제8항에서,
    상기 보호층의 적층 구조와 상기 화합물 반도체층의 적층 구조를 서로 동일하게 형성하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,
    상기 보호층은 상기 화합물 반도체층을 성장시킬 때 사용하는 최소 공정 온도보다 50 내지 100℃ 정도 낮은 공정 온도에서 성장시키는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 보호층은 상기 화합물 반도체층을 성장시킬 때의 최고 성장 속도보다 1.2배 내지 4배 정도 빠른 속도로 성장시키는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 제2 식각 용액을 이용한 식각 공정은 20초 내지 4분 정도 실시하고, 상기 제1 식각 용액을 이용한 식각 공정은 10초 내지 10분 정도 실시하는 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법.
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