KR20190044235A - 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 격자 부정합 완충구조에서 인장 변형(tensile strain)을 가지는 완충층을 삽입하여 큰 격자 부정합에 의해 응축되는 변형(strain)을 효과적으로 완화시키고, 그 위에 격자상수 차이가 큰 태양전지 구조를 고품위 성장시킬 수 있는 다중 접합 태양 전지 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
Description
본 발명은 태양 전지 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 단순화된 공정을 통해 에피 성장 기법을 이용하는 다중 접합 태양전지 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
특히, 본 발명은 격자 부정합 완충구조에서 인장 변형(tensile strain)을 가지는 완충층을 삽입하여 큰 격자 부정합에 의해 응축되는 변형(strain)을 효과적으로 완화시키고, 그 위에 격자상수 차이가 큰 태양전지 구조를 고품위 성장시킬 수 있는 다중 접합 태양 전지 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
태양전지는 광전 변환 효율을 높이기 위해 넓은 파장대에 분포하는 태양빛을 효과적으로 흡수하기 위해 다중 접합 태양전지를 성장하는 방식을 사용하는 것이 매우 효과적이다. 따라서, 이러한 다중 접합 태양전지를 제작하기 위해서는 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 등과 같은 화학 증착 장비를 이용하여 단결정 기판위에 고품위 태양전지 에피 구조를 성장한다.
그런데, 에너지 밴드 구조 차이에 따른 격자 부정합 차이로 인해 고품위 다중 접합 태양 전지 구조를 성장하는 것이 매우 큰 문제점으로 대두되고 있다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위해 밴드갭 에너지가 큰 태양전지와 밴드갭 에너지가 작은 태양전지 에피 구조를 고품위 성장할 수 있는 각각의 단결정 기판위에 각각 성장시킨 후, 물리적 또는 화학적 본딩 방법을 적용하여 다중접합 태양전지를 제작하는 방법이 보잉사의 미국 특허등록번호 제9331227호(발명의 명칭: Directly bonded, lattice-mismatched semiconductor)에 개시되어 있다.
또한, Azur space solar power사의 미국 공개특허공보 제2015-0034142호(발명의 명칭: Solar cell stack)을 보면, 고효율 다중접합 태양전지를 구현하기 위해 마찰열을 이용한 계면 본딩법을 이용하여 밴드갭 에너지가 다른 태양전지를 적층하는 것을 특징으로 하고 있다.
미국 공개특허공보 제2015-0034142호에 개시된 다중 접합 태양전지의 개념을 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, GaAs 기판에 고품위 에피 성장하는 태양전지 구조(20)와 Ge 기판에 고품위 에피 성장하는 태양전지 구조(30)를 구비하고, 격자상수 차이가 큰 구조(20)와 구조(30)를 마찰력을 이용한 본딩에 의해 접합하며, 이러한 본딩에 의해 얇은 비결정질(amorphous) 층(35)이 형성된다.
그러나, 웨이퍼와 웨이퍼 전체를 마찰력에 의해 본딩시키기 위해서는 웨이퍼 표면의 평탄성, 깨끗한 표면 상태, 웨이퍼 구부리기(bowing) 등에 의해 매우 민감하게 영향을 받는 문제점을 가지고 있다.
예를 들어 에피 성장된 표면의 거칠기가 증가되거나, 에피 박막의 변형(strain)에 의한 휨(bowing) 형성 및 웨이퍼 표면의 산화 또는 부분적인 오염 등에 의해 웨이퍼와 웨이퍼가 직접 본딩시 부분적으로 본딩이 이루어지지 않아 신뢰성 및 수율 문제점이 야기되는 문제점이 있다. 또한, 이로 인해 양산성있는 다중접합 태양전지 제조 방법으로는 해결해야할 기술적 난이도가 큰 기술이라는 단점이 있다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 단순화된 공정을 통해 에피 성장 기법을 이용하는 다중 접합 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고효율 다중접합 태양전지 에피 구조를 구현하기 위해 발생되는 격자 부정합 무제를 해결하기 위한 다중 접합 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 큰 격자부정합에 의해 응축되는 변형(strain)을 효과적으로 완화시키고, 그 위에 격자상수 차이가 큰 태양전지 구조를 고품위 성장시킬 수 있는 다중 접합 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 단순화된 공정을 통해 에피 성장 기법을 이용하는 다중 접합 태양전지를 제공한다.
상기 다중 접합 태양 전지는,
다중 접합 태양 전지에 있어서,
제 1 격자상수(a0)를 갖는 기판(410);
상기 기판(410)상에 형성되며 상기 제 1 격자상수(a0)를 갖는 제 1 에피층(430);
상기 제 1 에피층(430)상에 형성되며 상기 제 1 격자 상수(a0)와 상이한 제 2 격자 상수(a0-n)를 갖는 격자 부정합 완충 구조층(470);
점차적으로 증가되는 제 3 격자 상수(a0+n)를 갖도록 에피 성장하는 완충 버퍼층(440); 및
상기 완충 버퍼층(440)상에 형성되며 제 4 격자 상수(ac)를 갖는 제 2 에피층(450);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 2 격자 상수(a0-n)는 상기 기판(410)의 제 1 격자상수(a0) 보다 작은 격자상수인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 격자 부정합 완충 구조층(470)은 1 쌍(pair) 이상의 층을 가지는 다중 초격자 구조를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 1 쌍 이상의 층의 각 두께는 0.01um이상 내지 1um 이하를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 2 격자 상수(a0-n)는 상기 기판(410)의 제 1 격자상수(a0) 보다 1% 이상 내지 2%이하의 인장 변형(tensile strain)을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 완충 버퍼층(440)의 재료는 GaInP, AlGaInP, AlGaAs, AlGaInAs 등 다양한 물질을 적용할 수 있으며, 상기 기판(410)의 제 1 격자 상수 보다 큰 조성을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 격자 부정합 완충 구조층(470)의 재료는 GaInP, AlGaInP, AlGaAs, AlGaInAs 등 다양한 물질을 적용할 수 있으며, 상기 기판(410)의 제 1 격자 상수 보다 작은 조성을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판(410)은 GaAs, GaP, InP, Si, Ge 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판(410), 제 1 에피층(430)은 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판(410), 상기 제 1 에피층(430), 및 상기 완충 버퍼층(440)의 폭들은 해당 격자상수의 값에 따라 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 2 에피층(450)의 제 4 격자 상수(ac)는 이종 접합 태양전지층(460)의 격자 상수와 동일한 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 다중 접합 태양 전지의 제조 방법으로, (a) 제 1 격자상수(a0)를 갖는 기판(410)을 준비하는 단계; (b) 상기 제 1 격자상수(a0)를 갖는 제 1 에피층(430)을 상기 기판(410)상에 형성하는 단계; (c) 상기 제 1 격자 상수(a0)와 상이한 제 2 격자 상수(a0-n)를 갖는 격자 부정합 완충 구조층(470)를 상기 제 1 에피층(430)상에 형성하는 단계; (d) 점차적으로 증가되는 제 3 격자 상수(a0+n)를 갖도록 에피 성장시켜 완충 버퍼층(440)을 형성하는 단계; 및 (e) 제 4 격자 상수(ac)를 갖는 제 2 에피층(450)을 상기 완충 버퍼층(440)상에 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 격자 부정합 완충구조에서 인장 변형(tensile strain)을 가지는 완충층을 삽입하여 큰 격자 부정합에 의해 응축되는 변형(strain)을 효과적으로 완화시키고, 그 위에 격자상수 차이가 큰 태양전지 구조를 고품위 성장시킬 수 있어 큰 고효율 다중접합 태양전지를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 웨이퍼와 웨이퍼를 직접 본딩하여 제작하는 다중접합 태양전지 방법에 비해 태양전지 제작의 단순화 및/또는 낮은 제조 단가, 생산성 향상, 고신뢰성 확보가 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 격자 부정합이 큰 고품위 광전소자용 에피 성장 구현을 통해 기존 성능 향상 및 신규 분야로의 경쟁력 확보가 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 고효율 III-V 박막(thin film) 태양 전지용 고품위 에피 성장에 직접 응용 가능하며, 이를 통해 군수, 항공 우주 및 차세대 자동차 등 신규 응용분야에서 자가 발전용 전원 공급 장치로 적용 분야 확대 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 다중 접합 태양전지의 개념을 보여주는 도면이다.
도 2는 일반적인 기판위에 격자 상수가 큰 태양전지 에피 성장을 구현하는 경우의 예시이다.
도 3은 일반적인 격자 부정합에 따른 시험 결과 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조에 따른 시험 결과 이미지이다.
도 6은 일반적인 격자 부정합에 따른 전압-전류-파워간의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조에 따른 전압-전류-파워간의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조과정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 일반적인 기판위에 격자 상수가 큰 태양전지 에피 성장을 구현하는 경우의 예시이다.
도 3은 일반적인 격자 부정합에 따른 시험 결과 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조에 따른 시험 결과 이미지이다.
도 6은 일반적인 격자 부정합에 따른 전압-전류-파워간의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조에 따른 전압-전류-파워간의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조과정을 보여주는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 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. 또한, 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 일반적인 기판위에 격자 상수가 큰 태양전지 에피 성장을 구현하는 경우의 예시이다. 도 2를 참조하면, 기판(210)위에 격자상수가 큰 GaInAs 태양전지 에피 성장을 진행하면, 2% 정도 큰 격자부정합에 의해 GaInAs 태양전지 에피 구조를 성장시 결함이 많이 발생된다. 이로 인해 고효율 태양전지를 제작하기 어려운 문제점이 있다. 부연하면, GaAs 기판(210)의 격자 상수는 a0 = 5.653Å이고, GaInAs층(220)의 격자 상수는 ac = 5.763Å으로서, 격자상수 차이가 0.110Å이다. 따라서, 결함형성으로 인해 고품위 에피 성장이 어렵게 된다. 이러한 결함 형성을 줄이기 위해 일반적인 결자 부정합 완충 구조가 사용될 수 있다.
즉, 기판(210)의 격자 상수에서 이종 태양전지의 격자 상수까지 격자 상수를 점차적으로 증가시키는 방식이다.
도 3은 일반적인 격자 부정합에 따른 시험 결과 이미지이다. 특히, 도 3은 일반적인 격자 부정합 완충 구조를 적용하여 GaInAs 태양전지 에피 구조를 성장한 샘플의 단면을 TEM(transmission electron microscope)으로 측정한 결과 이미지이다. 도 3을 참조하면, 격자상수 a0+n 를 점차적으로 증가시키는 일반적인 GaInP GB(graded buffer) 완충 구조 영역에서는 결함 형성이 충분히 이루어지지 않아 격자 부정합에 따른 변형(strain)이 축적되어 있는 것을 알 수 있다.
GaInP GB 위에 성장된 GaInAs 태양전지의 격자상수와 정합조건인 Ga0.25In0.75P 층과 GaInAs 태양전지 에피 단면을 보면, 격자 부정합에 기인한 결함이 다량 형성된 것을 확인할 수 있다. 위 일반적인 격자 부정합 완충구조를 적용하여 성장한 GaInAs 태양전지 에피 구조는 약 3 x 106 cm-2의 관통 전위(threading dislocation) 결함밀도를 가지고 있어 보다 낮은 결함밀도를 가지는 격자 부정합 완충구조 개발이 필요함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 개념도이다. 도 4를 참조하면, 다중 접합 태양전지는, 맨아래에서부터 제 1 격자상수(a0)를 갖는 기판(410), 상기 기판(410)상에 형성되는 터널 접합층(420), 상기 터널 접합층(420)상에 형성되며 상기 제 1 격자상수(a0)를 갖는 제 1 에피층(430), 상기 제 1 에피층(430)상에 형성되며 상기 제 1 격자 상수(a0)와 상이한 제 2 격자 상수(a0-n)를 갖는 격자 부정합 완충 구조층(470), 점차적으로 증가되는 제 3 격자 상수(a0+n)를 갖도록 에피 성장하는 완충 버퍼층(440), 상기 완충 버퍼층(440)상에 형성되며 상기 제 3 격자 상수를 갖는 제 2 에피층(450), 상기 제 2 에피층(450)에 형성되는 이종 태양 전지(460) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
기판(410)은 제 1 격자상수(a0)를 가지며, GaAs, GaP, InP, Si, Ge 등이 될 수 있다. 물론, 기판(410)는 웨이퍼가 된다.
터널 접합층(420)은 제 1 에피층(430)과 기판(410)을 터널 정션을 통해 서로 연결하는 기능을 수행한다.
제 1 에피층(430)은 터널 접합층(420)상에 에피 성장(epitaxial growth)을 통해 형성되며 상기 제 1 격자상수(a0)를 갖는다. 즉, 격자상수(a0)에 따라 성장하는 폭이 결정된다. 에피 성장의 종류로는 LPE(Liquid-phase epitaxy), VPE(Vapor-phase epitaxy), MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 등을 들 수 있다.
제 1 에피층(430)은 기판(410)과 동일한 제 1 격자상수(a0)를 갖는다. 도 4의 예에서는 제 1 에피층(430)을 Ga0.51In0.49P 층으로 예시하였다.
격자 부정합 완충 구조층(470)은 상기 제 1 에피층(430)상에 형성되며 상기 제 1 격자 상수(a0)와 상이한 제 2 격자 상수(a0-n)를 갖는다. 특히, 격자 부정합 완충 구조층(470)은 상기 기판(410)의 제 1 격자상수(a0) 보다 작은 격자상수(a0-n)이다. 따라서, 다량의 결함이 형성되며, 이는 격자 부정합 차이에 의해 축적되는 변형(strain)이 완화되는 것을 의미한다. 즉, 완충구조 영역에서 다량의 결함이 형성됨으로써 격자 부정합 차이에 의해 축적되는 변형(strain)이 완화되는 것을 의미한다.
격자 부정합 완충 구조층(470)은 기판보다 격자상수가 작은 조성을 가지는 1층 이상의 다층 구조를 포함할 수 있다. 특히, 상기 격자 부정합 완충 구조층을 구성하고 있는 각 층의 두께는 0.01um이상 내지 1um 이하를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
격자 부정합 완충 구조층(470)의 재료는 GaInP, AlGaInP, AlGaAs, AlGaInAs 등을 들 수 있다.
여기서, 제 2 격자 상수(a0-n)는 상기 기판(410)의 제 1 격자상수(a0) 보다 1% 이상 내지 2%이하의 인장 변형(tensile strain)을 가질 수 있다.
완충 버퍼층(440)은 점차적으로 증가되는 제 3 격자 상수(a0+n)를 갖도록 에피 성장하여 형성된다. 완충 버퍼층(440)은 제 4 격자상수 ac 까지 격자상수를 점차적으로 증가시키는 격자상수(a0+n )를 가지는 완충 구조이다. 즉, 완충 버퍼층(440)은 격자 부정합 완충 구조층(470) 상에 형성되며, 격자상수를 점차적으로 증가시키면서 한층식 성장한다. 물론, 격자상수는 조성물의 비율을 변환시킴으로서 변경된다. 또한, 격자 상수에 의해 층의 폭이 결정된다. 폭은 주로 가로 폭을 의미할 수 있으나 세로 폭 및 가로 폭 모두를 모두 변경하는 것도 가능하다.
상기 완충 버퍼층(440)의 재료는 GaInP, AlGaInP, AlGaAs, AlGaInAs 등 다양한 물질을 적용할 수 있으며, 기판 격자 상수 보다 큰 조성을 가지는 특징을 가지고 있다.
제 2 에피층(450)은 완충 버퍼층(440)상에 형성되며 상기 제 4 격자 상수(ac)를 갖는다. 즉, 이종 태양전지 층(460)의 격자 상수(ac)와 같다. 따라서, 이종 태양전지와의 격자 부정합을 줄인다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조에 따른 시험 결과 이미지이다. 특히, 도 5는 일반적인 격자 부정합 완충 구조를 적용하여 GaInAs 태양전지 에피 구조를 성장한 샘플의 단면을 TEM으로 측정한 결과 이미지이다. 도 5의 경우, GaAs 격자상수 a0 보다 작은 a0-n 격자상수를 가지는 인장 변형(tensile strain) 완충층을 삽입한 신규 격자 부정합 완충 구조를 적용하여 GaInAs 태양전지 에피 구조를 성장한 샘플의 단면을 TEM 측정한 결과이다.
도 5를 참조하면, GaAs 격자상수 a0 보다 작은 a0-n 격자상수를 가지는 인장 변형(tensile strain) 완충층을 삽입함에 따라 신규 GaInP GB(graded buffer) 완충구조 영역(510)에서 다량의 결함이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는 격자 부정합 차이에 의해 축적되는 변형(strain)이 신규 격자 부정합 완충구조 적용을 통해 완화되는 것을 의미한다. 이로 인해 그 위에 성장되는 Ga0.25In0.75P층(520)과 GaInAs 태양전지인 Ga0.73In0.27P층(530)은 격자 부정합에 기인한 결함 형성이 매우 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이를 이해하기 쉽게 도 3과 비교하면 다음과 같다.
| 일반적인 부정합 완충 구조 | 신규 격자 부정합 완충 구조 | |
| GaInP GB(graded buffer) | 결함 적음 | 결함 많음 |
| Ga0.25In0.75P | 결함 많음 | 결함 적음 |
| Ga0.73In0.27P | 결함 많음 | 결함 적음 |
도 6은 일반적인 격자 부정합에 따른 전압-전류-파워간의 그래프이다. 특히, 도 6은 격자 부정합 완충구조를 적용한 GaInAs 태양전지 특성 결과이다. 도 6을 참조하면, Isc는 5.8 mA, Voc는 0.19 V 및 광전변환효율은 2.0 %로 측정되었다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조에 따른 전압-전류-파워간의 그래프이다. 특히, 도 7은 격자 부정합 완충구조를 적용한 GaInAs 태양전지 특성 결과이다. 도 7을 참조하면, Isc는 6.9 mA, Voc는 0.33 V 및 광전변환효율은 6.2 %로 태양전지 성능이 뚜렷이 향상되는 결과를 나타낸다.
위 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 신규 격자 부정합 완충구조가 큰 격자 부정합을 가지는 태양전지의 고품위 에피 성장에 뚜렷한 효과가 있음을 알 수 있다. 이를 통해 격자 부정합 차이가 큰 고효율 다중접합 태양전지 에피 성장 및 그 성능 구현에 매우 효과적으로 적용될 수 있다. 뿐만 아니라 LED(Light Emitting Diode), LD(Laser Diode), PD(Photo Diode) 등 고품위 에피 성장 구조에 적용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조과정을 보여주는 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 제 1 격자상수(a0)를 갖는 기판(410)을 준비한다(단계 S810).
이후, 기판(410)상에 터널 접합층(420)을 형성한다(단계 S820). 이 터널 접합층(420)에 상기 제 1 격자상수(a0)를 갖는 제 1 에피층(430)을 형성한다(단계 S820). 물론, 제 1 에피층(430)을 기판(410)상에 직접 형성하는 것도 가능하다.
이후, 상기 제 1 격자 상수(a0)와 상이한 제 2 격자 상수(a0-n)를 갖는 격자 부정합 완충 구조층(470)를 상기 제 1 에피층(430)상에 형성한다(단계 S830).
이후, 점차적으로 증가되는 제 3 격자 상수(a0+n)를 갖도록 에피 성장시켜 완충 버퍼층(440)을 제 1 에피층(430)을 형성한다(단계 S840).
이후, 제 4 격자 상수(ac)를 갖는 제 2 에피층(450)을 상기 완충 버퍼층(440)상에 형성한다(단계 S850). 제 2 에피층(450)상에 이종 태양 전지층(460)을 형성한다(단계 S860).
410: 기판
420: 터널 접합층
430: 제 1 에피층
440: 완충 버퍼층
450: 제 2 에피층
460: 이종 태양전지층
470: 격자 부정합 완충 구조층
420: 터널 접합층
430: 제 1 에피층
440: 완충 버퍼층
450: 제 2 에피층
460: 이종 태양전지층
470: 격자 부정합 완충 구조층
Claims (19)
- 다중 접합 태양 전지에 있어서,
제 1 격자상수(a0)를 갖는 기판(410);
상기 기판(410)상에 형성되며 상기 제 1 격자상수(a0)를 갖는 제 1 에피층(430);
상기 제 1 에피층(430)상에 형성되며 상기 제 1 격자 상수(a0)와 상이한 제 2 격자 상수(a0-n)를 갖는 격자 부정합 완충 구조층(470);
점차적으로 증가되는 제 3 격자 상수(a0+n)를 갖도록 에피 성장하는 완충 버퍼층(440); 및
상기 완충 버퍼층(440)상에 형성되며 제 4 격자 상수(ac)를 갖는 제 2 에피층(450);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 격자 상수(a0-n)는 상기 기판(410)의 제 1 격자상수(a0) 보다 작은 격자상수인 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 격자 부정합 완충 구조층(470)은 1 쌍(pair) 이상의 층을 가지는 다중 초격자 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 1 쌍 이상의 층의 각 두께는 0.01um이상 내지 1um 이하를 가지는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 격자 상수(a0-n)는 상기 기판(410)의 제 1 격자상수(a0) 보다 1% 이상 내지 2%이하의 인장 변형(tensile strain)을 가지는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 완충 버퍼층(440)의 재료는 GaInP, AlGaInP, AlGaAs, AlGaInAs 중 어느 하나이며, 상기 기판(410)의 제 1 격자 상수 보다 큰 조성을 가지는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 격자 부정합 완충 구조층(470)의 재료는 GaInP, AlGaInP, AlGaAs, AlGaInAs 중 어느 하나이며, 상기 기판(410)의 제 1 격자 상수 보다 작은 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판(410)은 GaAs, GaP, InP, Si, Ge 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판(410), 제 1 에피층(430)은 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판(410), 상기 제 1 에피층(430), 및 상기 완충 버퍼층(440)의 폭들은 해당 격자상수의 값에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 에피층(450)의 제 4 격자 상수(ac)는 이종 접합 태양전지층(460)의 격자 상수와 동일한 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지.
- 다중 접합 태양 전지의 제조 방법에 있어서,
(a) 제 1 격자상수(a0)를 갖는 기판(410)을 준비하는 단계;
(b) 상기 제 1 격자상수(a0)를 갖는 제 1 에피층(430)을 상기 기판(410)상에 형성하는 단계;
(c) 상기 제 1 격자 상수(a0)와 상이한 제 2 격자 상수(a0-n)를 갖는 격자 부정합 완충 구조층(470)를 상기 제 1 에피층(430)상에 형성하는 단계;
(d) 점차적으로 증가되는 제 3 격자 상수(a0+n)를 갖도록 에피 성장시켜 완충 버퍼층(440)을 형성하는 단계; 및
(e) 제 4 격자 상수(ac)를 갖는 제 2 에피층(450)을 상기 완충 버퍼층(440)상에 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 격자 상수(a0-n)는 상기 기판(410)의 제 1 격자상수(a0) 보다 작은 격자상수인 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 격자 부정합 완충 구조층(470)은 1 쌍(pair) 이상의 층을 가지는 다중 초격자 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 1 쌍 이상의 층의 각 두께는 0.01um이상 내지 1um 이하를 가지는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 격자 상수(a0-n)는 상기 기판(410)의 제 1 격자상수(a0) 보다 1% 이상 내지 2%이하의 인장 변형(tensile strain)을 가지는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 기판(410), 제 1 에피층(430)은 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 기판(410), 상기 제 1 에피층(430), 및 상기 완충 버퍼층(440)의 폭들은 해당 격자상수의 값에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 에피층(450)의 제 4 격자 상수(ac)는 이종 접합 태양전지층(460)의 격자 상수와 동일한 것을 특징으로 하는 격자 부정합 완충 구조를 갖는 다중 접합 태양전지의 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20220073081A (ko) * | 2020-11-26 | 2022-06-03 | 한국광기술원 | 그레이딩 구조를 갖는 다중접합 태양전지 |
| KR20220073122A (ko) * | 2020-11-26 | 2022-06-03 | 한국광기술원 | 역 스트레인 층을 갖는 다중접합 태양전지 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101395028B1 (ko) | 2011-11-30 | 2014-05-19 | 경북대학교 산학협력단 | 탠덤형 태양전지 및 그의 제조 방법 |
| KR101455723B1 (ko) | 2013-04-24 | 2014-11-04 | 한국광기술원 | 실리콘기판을 재활용한 고효율 iii-v 나노 막대 태양전지 및 그의 제조방법 |
| US20150034142A1 (en) | 2012-04-12 | 2015-02-05 | Azur Space Solar Power Gmbh | Solar cell stack |
| US9331227B2 (en) | 2014-01-10 | 2016-05-03 | The Boeing Company | Directly bonded, lattice-mismatched semiconductor device |
-
2017
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101395028B1 (ko) | 2011-11-30 | 2014-05-19 | 경북대학교 산학협력단 | 탠덤형 태양전지 및 그의 제조 방법 |
| US20150034142A1 (en) | 2012-04-12 | 2015-02-05 | Azur Space Solar Power Gmbh | Solar cell stack |
| KR101455723B1 (ko) | 2013-04-24 | 2014-11-04 | 한국광기술원 | 실리콘기판을 재활용한 고효율 iii-v 나노 막대 태양전지 및 그의 제조방법 |
| US9331227B2 (en) | 2014-01-10 | 2016-05-03 | The Boeing Company | Directly bonded, lattice-mismatched semiconductor device |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220073081A (ko) * | 2020-11-26 | 2022-06-03 | 한국광기술원 | 그레이딩 구조를 갖는 다중접합 태양전지 |
| KR20220073122A (ko) * | 2020-11-26 | 2022-06-03 | 한국광기술원 | 역 스트레인 층을 갖는 다중접합 태양전지 |
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