KR20210107702A - 알루미늄-비소 및 인듐-인계 이종 접합을 갖는 광전지, 관련 다중 접합 전지 및 관련 방법 - Google Patents

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슬리먼 아흐메드 벤
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상뜨로 나쇼날 드 라 러쉐르쉐 샹띠피크
인스티튜트 포토볼타이크 디엘르 드 프랑스
리베르
엘렉트리씨트 드 프랑스
토탈 에스이
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Abstract

본 발명은 알루미늄-비소계 합금으로 제조된 베이스 층(L4, L4', L4") 및 인듐-인계 합금으로 제조된 이미터 층(L3, L3')을 갖는 이종 접합을 포함하고, 상기 이미터 층(L3, L3')은 100 nm 미만의 두께를 가지며 상기 베이스 층의 산화를 방지하고 표면 재결합(L4, L4', L4")을 줄이기 위한 패시베이션(passivation) 층으로서 역할을 하는 광전지(1)에 관한 것이다.

Description

알루미늄-비소 및 인듐-인계 이종 접합을 갖는 광전지, 관련 다중 접합 전지 및 관련 방법
본 발명은 광전지 에너지 생산, 특히 태양 에너지를 전기로 변환할 수 있는 고효율 광전지에 관한 것이다.
기후 변화, 지구 온난화 및 화석 연료 고갈에 따라, 대체 자원 및 특히 재생 에너지 자원을 사용하기 위해 지난 몇년 동안 많은 기술이 개발되었다.
주요 기술들 중 하나는 광전지를 사용하여 태양 에너지를 전기로 변환하는 것이다.
태양 전지는, 빛이 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성하고 반대쪽 전극이 한쪽 면에 전자를 모으고 다른 면에 정공을 모으는 P-N 접합을 포함한다.
광전지의 효율을 향상시키기 위해, 하나의 방법은 상이한 밴드 갭을 갖는 2개의 광전지를 쌓아 탠덤(tandem) 광전지를 형성하는 것이며, 여기서 각 광전지는 수신된 빛의 스펙트럼의 상이한 부분을 변환한다.
탠덤 광전지는 일반적으로 실리콘에 기반하고 약 1.1 eV의 밴드 갭을 갖는 후방(back) 광전지를 포함한다.
전방 광전지는 더 높은 밴드 갭, 바람직하게는 약 1.7 eV를 가질 필요가 있다.
AlGaAs 합금은 알루미늄 농도 및 성장 기판 및 전방 전지의 후방 접촉에 사용되는 GaAs와 일치하는 격자 상수에 따라 1.42 eV에서 2.16 eV까지의 조정 가능한 밴드 갭을 제공하므로 실리콘계 탠덤 광전지의 전방 광전지에 대한 양호한 후보이다.
그러나, AlGaAs 합금은 또한 단점, 특히 소수 캐리어 확산 길이를 감소시키는 알루미늄-산소 심층 오염을 초래하고 빈약한 효율성을 초래하는 빈약한 내산화성을 갖는다.
더 높은 내산화성을 제공하는 다른 후보는 상대적으로 양호한 방사선 경도(radiation hardness)와 낮은 계면 재결합 속도와 함께 약 1.9 eV의 밴드 갭을 갖는 InGaP이다. 이러한 양호한 재료 특성에도 불구하고, 이러한 해결책은 인듐 원소의 희소성과 비용으로 인해 아직 선호되지 않는다.
따라서, 본 발명은 산화 오염물에 대한 양호한 내성과 감소된 제조 비용을 갖는, 1.7 eV에 가까운 밴드 갭을 제공하는 광전지를 얻기 위한 해결책을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 알루미늄-비소계 합금으로 제조된 베이스 층 및 인듐-인계 합금으로 제조된 이미터 층을 갖는 이종 접합을 포함하는 광전지에 관한 것으로, 상기 이미터 층은 100 nm 미만의 두께를 가지며 베이스 층의 산화를 방지하기 위한 패시베이션 층으로서 역할을 한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 이종 접합은 p-i-n 이종 접합이며 베이스 층과 이미터 층 사이의 계면에 적어도 하나의 고유한(intrinsic) 서브-층을 포함한다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 베이스 층은 알루미늄-갈륨-비소 "AlGaAs" 합금으로 제조된다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 이미터 층은 인듐-갈륨-인화물 "InGaP" 합금으로 제조된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 베이스 층은 20 내지 55% 범위에서 변하는 알루미늄 백분율 조성을 갖는 등급화된(graded) 알루미늄계 합금을 포함한다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 베이스 층은 25%의 알루미늄이 베릴륨으로 도핑된 AlGaAs로 제조된 제1 서브-층, 및 25 내지 30%에서 변하는 알루미늄 조성 백분율을 갖는 고유한 등급화된 AlGaA로 제조된 제2 서브-층을 포함한다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 베이스 층은 1.7 eV의 밴드 갭을 갖고, 이미터 층은 1.9 eV의 밴드 갭을 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 광전지는 또한
- 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되고:
- 실리콘 "Si",
- 셀레늄 "Se",
- 텔루륨 "Te",
도핑 농도가 5.1018 cm-3 내지 5.1019 cm-3로 이루어지며, 두께가 150 nm 내지 300 nm로 이루어지는 전방 접촉 층,
- 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 알루미늄-인듐-인화물 "AlInP" 합금으로 제조되고:
- 실리콘 "Si",
- 셀레늄 "Se",
- 텔루륨 "Te",
도핑 농도가 5.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3로 이루어지며, 두께가 20 nm 내지 70 nm로 이루어지는 윈도우(window) 층,
- 다음 도펀트들 중 하나로 도핑될 수 있는 인듐-갈륨-인화물 "InGaP" 합금으로 제조되고:
- 실리콘 "Si",
- 셀레늄 "Se",
- 텔루륨 "Te",
도핑 농도가 1.1016 cm-3 내지 2.1018 cm-3로 이루어지며, 두께가 20 nm 내지 100 nm로 이루어지는 이미터 층,
- x가 0 내지 0.37로 이루어지고 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs" 합금으로 제조되고:
- 베릴륨 "Be",
- 탄소 "C",
- 아연 "Zn",
도핑 농도가 2.1016 cm-3 내지 5.1017 cm-3로 이루어지며, 두께가 200 nm 내지 2000 nm로 이루어지는 베이스 층,
- x가 0.4 내지 0.8로 이루어지고 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs" 합금으로 제조되고:
- 베릴륨 "Be",
- 탄소 "C",
- 아연 "Zn",
도핑 농도가 5.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3로 이루어지며, 두께가 20 nm 내지 120 nm로 이루어지는 후방 표면 필드,
- 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되고:
- 베릴륨 "Be",
- 탄소 "C",
- 아연 "Zn",
도핑 농도가 5.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3로 이루어지며, 두께가 150 nm 내지 300 nm로 이루어지는 후방 접촉 층을 포함한다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 광전지는
- 5.1018 cm-3 내지 2.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 실리콘 "Si"로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되며, 150 nm 내지 320 nm로 이루어지는 두께를 갖는 전방 접촉 층,
- 5.1018 cm-3 내지 2.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 실리콘 "Si"로 도핑된 알루미늄-인듐-인화물 "AlInP" 합금으로 제조되며, 20 nm 내지 50 nm로 이루어지는 두께를 갖는 윈도우 층,
- 인듐-갈륨-인화물 "InGaP"로 제조되며 40 nm 내지 60 nm로 이루어지는 두께를 갖는 미도핑된 이미터 층,
- 1.1016 cm-3 내지 2.1017 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "Al0.25GaAs" 합금으로 제조되며, 400 nm 내지 2000 nm로 이루어지는 두께를 갖는 베이스 층,
- 4.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "Al0.51GaAs" 합금으로 제조되며, 20 nm 내지 80 nm로 이루어지는 두께를 갖는 후방 표면 필드,
- 5.1018 cm-3 내지 2.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되며, 150 nm 내지 300 nm로 이루어지는 두께를 갖는 후방 접촉 층을 포함한다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 베이스 층은 또한
- 25% 내지 37%에서 변하는 등급화된 알루미늄 농도를 갖는 미도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs" 로 제조되며, 80 nm 내지 120 nm로 이루어지는 두께를 갖는 전방 추가 서브-층(L41),
- 25% 내지 51%에서 변하는 등급화된 알루미늄 농도를 갖고 4.1018 cm-3 내지 6.1018 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs"로 제조되며, 80 nm 내지 120 nm로 이루어지는 두께를 갖는 후방 추가 서브-층(L43)을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 후방 접촉 층은 또한
- 51% 내지 0%에서 변하는 등급화된 알루미늄 농도를 갖고 4.1018 cm-3 내지 6.1018 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs"로 제조되며, 80 nm 내지 120 nm로 이루어지는 두께를 갖는 전방 추가 서브-층(L61)을 포함한다.
본 발명은 또한, 적어도 제1 및 제2 광전지의 스택을 포함하고, 제1 밴드 갭을 갖는 전방 광전지, 및 제1 밴드 갭보다 낮은 제2 밴드 갭을 갖는 제2 광전지를 가지며, 적어도 상기 전방 광전지는 전술한 바와 같은 광전지인 다중 접합 광전지에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 다중 접합 광전지는 2개의 광전지를 포함하며, 제2 광전지는 1.1 eV의 밴드 갭을 갖는 실리콘계 전지이다.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 광전지 또는 탠덤 광전지를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 탠덤 광전지의 층들 중 적어도 일부는 분자 빔 에피택시(epitaxy) "MBE" 공정 또는 금속 유기 화학 기상 증착(Metalorganic Chemical Vapor Deposition) "MOCVD" 공정에 기반하여 수득된다.
[도 1]은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전지의 상이한 층들의 다이어그램이다.
[도 2]는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 광전지의 상이한 층들의 다이어그램이다.
[도 3]은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 광전지의 상이한 층들의 다이어그램이다.
[도 4]는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 광전지의 상이한 층들의 다이어그램이다.
[도 5]는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다중 접합 광전지의 상이한 층들의 다이아그램이다.
[도 6]은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탠덤 광전지의 상이한 제조 단계들의 다이어그램이다.
[도 7]은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탠덤 광전지의 상이한 제조 단계들의 다이어그램이다.
[도 8]은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탠덤 광전지의 제조 공정의 상이한 단계들의 흐름도이다.
[도 9]는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탠덤 광전지의 제조 공정의 상이한 단계들의 흐름도이다.
본 발명은 p-n 또는 p-i-n 이종 접합, 즉 접합의 p 부분을 제공하기 위한 제1 원소 또는 합금 및 접합의 n 부분을 제공하기 위한 제2 원소 또는 합금을 포함하는 접합을 포함하는 광전지에 관한 것이다. 따라서 접합의 p 부분과 접합의 n 부분 사이의 차이는 단지 도핑의 차이에 의해 얻어지는 것이 아니다. p-i-n 접합의 경우, 고유한 부분은 접합의 p 부분과 n 부분 사이의 계면에 미도핑된(고유한) 서브-층의 존재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전지(1)의 일반적인 구조를 나타낸다. 광전지(1)는 다수의 층을 갖는 스택을 포함한다:
- 화살표(3)로 표시된 광이 층(L1)에 진입하는 면에 대응하는 전면 및 전면에 대향하는 후면을 포함하는 전방 접촉 층(L1). 전방 접촉 층(L1)은 전류를 수집하고 전방 접촉 층(L1)의 상부에 배치된 금속 그리드(도 1에 도시되지 않음)와 옴(ohmic) 접촉을 형성하는 것을 가능하게 한다. 그리드 아래에 있지 않은 전방 접촉 층(L1)의 부분(광전지는 상이한 층이 수평(중력 방향에 대응하는 수직 방향)으로 놓이도록 배치되고 층의 전면은 층의 후면 위에 배치되는 것을 고려할 때)은 에칭 공정에 의해 추후에 제거된다.
- 전방 접촉 층(L1)의 후면과 접촉하는 전면 및 전면에 대향하는 후면을 포함하는 윈도우 층(L2). 윈도우 층(L2)은 전방 접촉 층(L1)에서 수집되는 다수 캐리어(n형 층의 경우 전자)를 통과시키고 소수 캐리어(n형 층의 경우 정공)를 차단함으로써 표면 재결합을 감소시키는 장벽(barrier)으로서 사용된다.
- 윈도우 층(L2)의 후면과 접촉하는 전면 및 전면에 대향하는 후면을 포함하는 이미터층(L3).
- 이미터 층(L3)의 후면과 접촉하는 전면 및 전면에 대향하는 후면을 포함하는 베이스 층(L4).
이미터 층(L3) 및 베이스 층(L4)은 광이 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성하는 층에 속한다. 이미터 층(L3)은 예를 들어 n형 층에 대응하고 베이스 층(L4)은 예를 들어 p형 층에 대응한다.
- 베이스 층(L4)의 후면과 접촉하는 전면 및 전면에 대향하는 후면을 포함하는 후방 표면 필드 층(L5). 후방 표면 필드 층(L5)은 밴드 갭 장벽을 생성하고 전자를 차단함으로써 전자와 정공의 재결합을 줄이는 것을 가능하게 한다.
- 후방 표면 필드 층(L5)의 후면과 접촉하는 전면 및 전면에 대향하는 후면을 포함하는 후방 접촉 층(L6). 후방 접촉 층(L6)은 정공을 모으고 후방 접촉 층(L6)의 후방에 배치된 금속 접점(contact)(도 1에 도시되지 않음)과 옴 접촉을 형성하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에서, 베이스 층(L4)은 알루미늄 및 비소계 합금, 특히 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 합금으로 제조되며, 이미터 층(L3)은 인듐 및 인 합금, 특히 인듐-갈륨- 인(InGaP) 합금으로 제조된다.
이러한 이미터 층(L3)-베이스 층(L4)의 구성으로, 베이스 층(L4)에서 알루미늄 백분율 조성의 농도를 조정하여 원하는 밴드 갭, 본 경우에 1.7 eV에 가까운 밴드 갭을 얻고 이미터 층(L3)을 베이스 층(L4)의 패시베이션 층으로서 사용하여 산화, 특히 깊은 수준의 알루미늄-산소 결함을 방지하는 것이 가능하다. 이미터 층(L3)의 두께는 또한 인듐 재료의 희소성 및 비싼 비용과 관련된 전체 비용을 제한하기 위해 100 nm 미만으로 감소될 수 있다. 이 패시베이션 층(L3)의 두께는 예를 들어 20 내지 100 nm, 특히 40 내지 60 nm, 예를 들어 50 nm로 이루어진다. 또한, p-n 이종 접합은 흡수 대역 스펙트럼, 및 이에 따라 베이스 층(L4)과 이미터 층(L3)에 의해 제공되는 2개의 상이한 밴드 갭으로 인한 광전지의 전체 효율을 증가시킬 수 있으며, InGaP 합금의 경우 이미터 층의 밴드 갭은 약 1.9 eV이다.
베이스 층(L4)은 알루미늄 백분율 조성의 상이한 농도를 갖는 복수의 서브-층을 포함할 수 있다. 서브-층들의 일부는 또한 인접한 층들 사이의 밴드 갭의 큰 홉(hop)을 회피하고 따라서 캐리어 드리프트 현상을 제한하기 위해 미리 결정된 범위에서 변하는 알루미늄 백분율 조성을 갖는 등급화된 알루미늄계 합금일 수 있다.
또한, 이미터 층(L3)의 후면 및 이미터 층(L3) 자체와 접촉하는 전방 서브-층은 접합부의 양면에서 캐리어 수집을 개선하기 위해 고유한 층이라고도 하는 미도핑된 층일 수 있다.
예를 들어, 베이스 층(L4)은 25%의 알루미늄이 베릴륨 또는 탄소로 도핑된 AlGaAs로 제조되는 후방 서브-층, 및 25 내지 30%에서 변하는 알루미늄 조성 백분율을 갖는 고유한 등급화된 AlGaA로 제조된 전방 서브-층을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 이종 접합을 갖는 광전지의 제2 실시형태의 예를 나타낸다.
5.1018 cm-3 내지 5.1019 cm-3 사이, 특히 5.1018 cm-3 내지 2.1019 cm-3 사이, 예를 들어 1.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 실리콘(Si), 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)으로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조된다. 전방 접촉 층(L1')의 두께는 150 내지 320 nm, 특히 280 내지 320 nm, 예를 들어 300 nm로 이루어질 수 있다.
윈도우 층(L2')은 5.1018 cm-3 내지 2.1019 cm-3, 예를 들어 1.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 실리콘(Si), 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)으로 도핑된 알루미늄-인듐-인(AlInP) 합금으로 제조된다. 윈도우 층(L2')의 두께는 20 내지 70 nm, 특히 20 내지 50 nm, 예를 들어 20 nm로 이루어질 수 있다.
이미터 층(L3')은 인듐-갈륨-인 합금으로 제조되며 고유한 층이거나 1.1016 cm-3 내지 2.1018 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 실리콘(Si), 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)으로 도핑될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이미터 층(L3')은 바람직하게는 고유한 층이다. 윈도우 층(L2')의 두께는 20 내지 70 nm, 특히 20 내지 100 nm, 특히 40 내지 60 nm, 예를 들어 50 nm로 이루어질 수 있다.
베이스 층(L4')은 알루미늄-갈륨-비소(AlxGa1-xAs) 합금으로 제조되며, 알루미늄 조성 x의 백분율은 0 내지 0.37 범위, 예를 들어 0.25로 이루어진다. AlxGa1-xAs 합금은 1.1016 cm-3 내지 5.1017 cm-3, 예를 들어 1.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be", 탄소 "C" 또는 아연 "Zn"으로 도핑될 수 있다. 베이스 층(L4')의 두께는 400 내지 2000 nm, 예를 들어 1000 nm로 이루어질 수 있다.
그러나, 제1 실시형태에서 전술한 바와 같이, 베이스 층(L4')은 상이한 서브-층을 포함할 수 있다. 도 3은 3개의 서브-층: 전방 서브-층(L41), 메인 서브-층(L42) 및 후방 서브-층(L43)을 포함하는 베이스 층(L4")을 갖는 제3 실시형태의 예를 나타낸다.
전방 서브-층(L41)은 0.25 내지 0.37, 예를 들어 0.25 내지 0.3에서 변하는 알루미늄 조성 x의 백분율을 갖는 등급화된 AlxGa1-xAs 합금의 고유한 층일 수 있다. 전방 서브-층(L41)은 80 내지 120 nm, 예를 들어 100 nm로 이루어지는 두께를 가질 수 있다. 대안적으로, 전방 서브-층은 예를 들어 베릴륨으로 도핑될 수 있다. 도핑 농도는 약 2.1016이다.
메인 서브-층(L42)은 알루미늄 조성 x의 백분율이 0.25인 알루미늄-갈륨-비소 (AlxGa1-xAs) 합금으로 제조될 수 있다. AlxGa1-xAs 합금은 2.1016 cm-3의 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑될 수 있다. 메인 층(L42)의 두께는 800 내지 1200 nm, 예를 들어 1000 nm로 이루어질 수 있다.
후방 서브층(L43)은 0.25 내지 0.51에서 변하는 알루미늄 조성 x의 백분율을 갖는 등급화된 AlxGa1-xAs 합금으로 제조될 수 있다. 등급화된 AlxGa1-xAs 합금은 2.1016 cm-3의 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑될 수 있다. 후방 서브-층(L43)은 80 내지 120 nm, 예를 들어 100 nm로 이루어지는 두께를 가질 수 있다.
도 3의 광전지의 층(L1', L2', L3')은 제2 실시형태에 따른 도 2의 광전지의 층들과 동일하게 유지된다.
후방 표면 필드 층(L5')은 예를 들어 0.4 내지 0.8 범위, 예를 들어 0.51로 이루어지는 알루미늄 조성 x의 백분율을 갖는 알루미늄-갈륨-비소(AlxGa1-xAs) 합금으로 제조된다. AlxGa1-xAs 합금은 5.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3, 예를 들어 5.1018 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be", 탄소 "C" 또는 아연 "Zn"으로 도핑될 수 있다. 후방 표면 필드 층(L5')의 두께는 20 내지 120 nm, 예를 들어 70 nm로 이루어질 수 있다.
후방 접촉 층(L6')은 예를 들어 5.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3, 예를 들어 1.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be", 탄소 "C" 또는 아연 "Zn"으로 도핑된 갈륨-비소 (GaAs)합금으로 제조될 수 있다. 후방 표면 필드 층(L6')의 두께는 150 내지 300 nm, 예를 들어 300 nm로 이루어질 수 있다.
도 3의 제3 실시형태에 나타낸 바와 같이, 후방 접촉 층(L6")은 또한 51% 내지 0%에서 변하는 등급화된 알루미늄 농도를 갖고 4.1018 cm-3 내지 6.1018 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs"로 제조되며 80 nm 내지 120 nm로 이루어지는 두께를 갖는 전방 추가 서브-층(L61)을 포함할 수 있다.
상이한 층의 상이한 도핑 농도 및 두께뿐만 아니라 조성은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 도 2 및 3과 관련하여 설명된 실시형태와 상이할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 층 또는 서브-층의 수는 또한 제시된 실시형태와 다를 수 있다. 또한, 실시형태의 일부 층은 새로운 실시형태를 생성하기 위해 다른 실시형태의 층과 결합될 수 있다.
도 4는 특히 높은 효율을 제공하는 본 발명에 따른 광전지의 특정 실시형태를 나타낸다. 이는:
- 1.1019의 도핑 농도로 실리콘 "Si"로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되며 300 nm의 두께를 갖는 전방 접촉 층,
- 1.1019의 도핑 농도로 실리콘 "Si"로 도핑된 알루미늄-인듐-인(AlInP) 합금으로 제조되며 20 nm의 두께를 갖는 윈도우 층,
- 50 nm의 두께를 갖는 고유한 인듐-갈륨-인(InGaP) 합금의 이미터 층,
- 0.25의 알루미늄 조성 x의 백분율을 갖고 2.1016의 도핑 농도로 베릴륨(Be)으로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 (AlxGa1-xAs) 합금으로 제조되고 1000 nm의 두께를 갖는 알루미늄-갈륨-비소(AlxGai_xAs) 합금,
- 0.51의 알루미늄 조성 x의 백분율을 갖고 5.1018의 도핑 농도로 베릴륨(Be)으로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 (AlxGa1-xAs) 합금으로 제조되고 70 nm의 두께를 갖는 후방 표면 필드 층,
- 1.1019의 도핑 농도로 베릴륨(Be)으로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되며 300 nm의 두께를 갖는 후방 접촉 층을 포함한다.
더욱이, 광전지는 일반적으로 또한 전방 접촉 층(L1, L1') 및 후방 접촉 층(L6, L6') 상에 배치된 금속 접점을 포함한다는 점에 유의해야 한다. 전방 금속 접점은 니켈(Ni), 게르마늄(Ge) 및/또는 금(Au) 원소 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로 제조될 수 있고 그리드로서 제공될 수 있다. 후방 금속 접점은 티타늄(Ti) 및/또는 금(Au) 원소 중 적어도 하나의 합금으로 제조될 수 있다.
전방 및 후방 금속 접점에 상이한 금속이 또한 사용될 수 있다.
따라서 알루미늄 조성 비율에 따른 알루미늄-비소계 합금의 유연성은 이 층에 대해 원하는 밴드 갭을 얻는 것을 가능하게 하며, 인듐-인 합금의 얇은 층을 만든 이미터와의 조합은 베이스 층의 알루미늄-비소 합금의 산화를 방지하는 것을 가능하게 하여 베이스 층을 위한 패시베이션을 제공하고 표면 재결합을 감소시킨다.
더욱이, 도 2 내지 4에 기초하여 제시된 광전지는 다수의 p-n 접합 또는 p-i-n 접합을 포함하는 다중 접합 광전지 또는 다중 접합 태양 전지에 특히 상부 전지로서 사용하기에 매우 적합하다.
도 5는 복수의 서브-셀(1')을 포함하는 다중 접합 태양 전지(10)의 예를 나타낸다.
상이한 서브-셀(1')은 윈도우 층(AlInP 합금으로 제조됨)(L2) 및 접합의 n-부분에 대응하는 이미터 층(InGaP 합금으로 제조됨)(L3), 및 p-부분에 대응하는 베이스 층(AlGaAs 합금으로 제조됨)(L4) 및 후방 표면 필드(AlGaAs 합금으로 제조됨)(L5)를 포함한다.
2개의 인접한 서브-셀(1')은 터널 접합(예를 들어, AlGaAs 합금의 두 층으로 제조되며, 한 층은 n형 도핑을, 다른 층은 p형 도핑을 가짐)에 의해 분리된다.
상이한 서브-셀들(1')은 베이스 층에서 알루미늄 조성의 백분율을 제외하고는 동일할 수 있다. 이 백분율은 상부 서브-셀의 경우 0.37에서 후방 서브-셀의 경우 0까지 변할 수 있으며, 이 백분율은 각 서브-셀에 대해 상이하며 상부 서브-셀에서 후방 서브-셀로 갈수록 감소한다.
더욱이, 터널 접합의 조성은 밴드 갭 및 도핑 프로파일과 일치하도록 조정될 수 있다.
도 2 내지 4에 기초하여 제시된 광전지는 또한 실리콘(Si)계 후방 전지를 포함하는 탠덤 광전지 또는 탠덤 태양 전지에 사용하기에 매우 적합하다. Si계 후방 서브-셀은 예를 들어 약 1.1 eV의 밴드 갭을 가지고 있다.
도 6은 제조 공정의 상이한 단계에서 2 단자(2T) 광전지의 경우 탠덤 광전지(20)의 제1 실시형태를 나타낸다. 그것은 금속 후방 접점을 갖는 동종 접합(Si) 형태의 후방 서브-셀(201), 터널 접합(202) 및 금속 전방 접점을 갖는 이종 접합(AlGaAs/InGaP)을 갖는 전방 서브-셀(203)을 포함한다. 제조 단계는 도 8에 기초한 다음의 설명에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 7은 제조 공정의 상이한 단계에서 4 단자(4T) 광전지의 경우 탠덤 광전지(20)의 제2 실시형태를 나타낸다. 그것은 금속 후방 접점을 갖는 동종 접합(Si) 형태의 후방 서브-셀(301), Si 서브-셀의 전면 상의 제1 내부 접점, 투명한 절연(전기적) 중간 층(302), 예를 들어 유리 층, 중간 층의 전면 상의 제2 내부 접점, 및 금속 전방 접점을 갖는 이종 접합(AlGaAs/InGaP)을 포함하는 전방 서브-셀(303)을 포함한다. 제조 단계는 도 9에 기초한 다음의 설명에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 5의 실시형태를 도 6 또는 7의 실시형태와 결합하여 도 5에 기술된 바와 같은 복수의 서브-셀이 도 6 또는 7에 개시된 바와 같은 후방 Si 서브-셀과 결합된 다중 접합 전지를 제공하는 것이 또한 가능하다.
약 1.7 eV의 밴드 갭을 갖는 적어도 하나의 이종 접합(AlGaAs/InGaP) 서브-셀을 전면에 포함하고 약 1.1 eV의 밴드 갭을 갖는 동종 접합 Si 서브-셀을 후면에 포함하는 이러한 탠덤 광전지는 광 파장의 넓은 스펙트럼의 상이한 접합에 의한 흡수와 제한된 캐리어 재결합을 가능하게 하여 높은 효율을 초래한다. 또한 인듐-인계 합금의 얇은 층만의 사용은 심층 산화를 피하면서 전체 비용을 제한할 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 실시형태들 중 하나에 따른 광전지, 다중 접합 광전지 또는 탠덤 광전지를 얻기 위한 제조 공정에 관한 것이다.
제조 공정의 제1 실시형태에 따르면, 이종 접합 광전지의 상이한 층은 분자 빔 에피택시(MBE: molecular beam epitaxy)에 의해 얻어진다.
제조 공정의 제2 실시형태에 따르면, 이종 접합 광전지의 상이한 층은 금속 유기 화학 기상 증착(MCVD: metalorganic chemical vapor deposition)에 의해 얻어진다.
제조 공정은 또한 예를 들어 본딩 단계, 에칭 단계 또는 금속화 단계와 같은 추가 단계를 포함할 수 있다.
실리콘계 서브-셀과 AlGaAs/InGaP계 이종 접합을 결합한 탠덤 광전지를 제조하기 위한 상이한 단계들은 이제 도 6과 조합된 도 8 및 도 7과 조합된 도 9의 순서도에 기초하여 설명될 것이다.
도 8은 2 단자(2T) 탠덤 전지를 얻기 위한 본딩 기술에 기반한 제조 공정에 대응하는 반면, 도 9는 4 단자(4T) 탠덤 전지를 얻기 위한 기계적 적층 기술에 기반한 제조 공정에 대응한다.
a) 2T 탠덤 전지 제조
도 8에서, 제1 단계(101)는 Si계 광전지 서브-셀의 상이한 층들을 얻기 위한 성장 공정을 지칭한다. 전술한 바와 같이, Si계 광전지의 상이한 층들은 화학 기상 증착(CVD) 또는 기타 증착 기술에 기초하여 성장될 수 있다.
제2 단계(102)는 AlGaAs/InGaP계 이종 접합의 상이한 층들을 얻기 위한 성장 공정을 지칭한다. 전술한 바와 같이, AlGaAs/InGaP계 이종 접합의 상이한 층들은 분자 빔 에피택시(MBE) 공정 또는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)에 기초하여 성장될 수 있다.
이 제2 단계(102)는 단계(101) 이전에 또는 동시에 달성될 수 있다. 두 단계 모두 도 6의 왼쪽 부분에 표시되어 있다.
제3 단계(103)는 터널 접합의 성장 공정에 대응한다. 이러한 성장 공정은 Si계 광전지 또는 AlGaAs/InGaP계 이종 접합 또는 부분적으로 둘 다에서 달성될 수 있다. 단계(101) 및 단계(102)에서와 동일한 성장 공정이 사용될 수 있다.
제4 단계(104)는 신뢰할 수 있는 본딩을 허용하기 위해 평활한 표면을 얻기 위한 연마 단계를 지칭한다.
제5 단계(105)는 본딩이 필요한 평활한 표면을 서로 압착하고 가열하여 표면 융합 및 본딩을 생성하는 본딩 단계를 지칭한다.
예를 들어 이온 주입, 전기 전도성 층 및 최대 300℃의 고온에 의한 직접 융합, 저온(100℃)에서의 표면 활성화 직접 웨이퍼 본딩 또는 직접 금속 상호 연결과 같은 다양한 기술을 사용하여 이러한 본딩을 얻을 수 있다.
제6 단계(106)는 기판 리프트-오프(lift-off)를 지칭한다. 기판은 일반적으로 단계(102)의 성장 공정에 사용되는 GaAs계 기판이며 제거될 수 있다. 이 단계는 도 6의 중간 부분에 표시되어 있다.
제7 단계(107)는 탠덤 광전지를 얻기 위해 다른 필요한 작업을 포함하는 마무리 단계를 지칭하며, 특히 도 6의 오른쪽 부분에 나타낸 바와 같이 전방 접촉 층(L1)의 가능한 에칭 단계 또는 전방 및 후방 금속 접점을 얻기 위한 금속화 단계를 지칭한다.
a) 4T 탠덤 전지 제조
도 9에서, 제1 단계(1001) 및 제2 단계(1002)는 도 8에 기초하여 설명된 본딩 공정과 동일하다. 도 7의 왼쪽 부분은 동시에 또는 임의의 순서로 달성될 수 있는 이러한 단계들(1001, 1002)을 나타낸다.
제3 단계(1003)는 예를 들어 전방 접촉 층(L1)의 일부를 제거하기 위한 에칭 단계, 및 AlGaAs/InGaP계 이종 접합의 후방 및 Si계 서브-셀의 전방에 위치한 중간 금속 접점을 얻기 위한 금속화 단계를 포함하는 2개의 광전지의 마무리 단계에 대응한다.
제4 단계(1004)는 접착될 표면에 에폭시 또는 비-전도성 접착제를 도포하는 것을 지칭한다. 유리 층이 또한 두 서브-셀들 사이의 전기 절연을 보장하기 위해 사용될 수 있다.
제5 단계(1005)는 접착될 표면들이 서로에 대해 압착되는 접착 단계를 지칭한다. 에폭시를 경화시키기 위해 열이 필요한 경우 가열이 사용될 수 있다. 가열은 서브-셀의 손상을 방지하기 위해 200℃로 제한될 수 있다.
제6 단계(1006)는 기판 리프트-오프(lift-off)를 지칭한다. 기판은 일반적으로 단계(102)의 성장 공정에 사용되는 GaAs계 기판이며 제거될 수 있다. 도 7의 중간 부분은 제6 단계(1006)를 나타낸다.
제7 단계(1007)는 탠덤 광전지를 얻기 위해 다른 필요한 작업을 포함하는 마무리 단계를 지칭하며, 특히 도 7의 오른쪽 부분에 나타낸 바와 같이 전방 접촉 층(L1)의 가능한 에칭 단계 또는 전방 및 후방 금속 접점을 얻기 위한 금속화 단계를 지칭한다.
따라서, 본 발명은 고효율 및 제한된 전체 비용으로 효율적인 탠덤 광전지를 얻을 수 있게 한다.

Claims (14)

  1. 알루미늄-비소계 합금으로 제조된 베이스 층(L4, L4', L4") 및 인듐-인계 합금으로 제조된 이미터 층(L3, L3')을 갖는 이종 접합을 포함하고, 상기 이미터 층(L3, L3')은 100 nm 미만의 두께를 가지며 상기 베이스 층의 산화를 방지하고 표면 재결합(L4, L4', L4")을 줄이기 위한 패시베이션(passivation) 층으로서 역할을 하는, 광전지(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 이종 접합은 p-i-n 이종 접합이며 상기 베이스 층(L4, L4', L4")과 상기 이미터 층(L3, L3') 사이의 계면에 적어도 하나의 고유한(intrinsic) 서브-층을 포함하는, 광전지(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 베이스 층(L4, L4', L4")은 알루미늄-갈륨-비소 "AlGaAs" 합금으로 제조되는, 광전지(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이미터 층(L3, L3')은 인듐-갈륨-인화물 "InGaP" 합금으로 제조되는, 광전지(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스 층(L4")은 20 내지 55% 범위에서 변하는 알루미늄 백분율 조성을 갖는 등급화된 알루미늄계 합금을 포함하는, 광전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 베이스 층(L4")은 25%의 알루미늄이 베릴륨으로 도핑된 AlGaAs로 제조된 제1 서브-층, 및 25 내지 30%에서 변하는 알루미늄 조성 백분율을 갖는 고유한 등급화된 AlGaA로 제조된 제2 서브-층을 포함하는, 광전지(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스 층(L4, L4', L4")은 1.7 eV의 밴드 갭을 갖고, 상기 이미터 층은 1.9 eV의 밴드 갭을 갖는, 광전지(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되고:
    - 실리콘 "Si",
    - 셀레늄 "Se",
    - 텔루륨 "Te",
    도핑 농도가 5.1018 cm-3 내지 5.1019 cm-3로 이루어지며, 두께가 150 nm 내지 300 nm로 이루어지는 전방 접촉 층,
    - 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 알루미늄-인듐-인화물 "AlInP" 합금으로 제조되고:
    - 실리콘 "Si",
    - 셀레늄 "Se",
    - 텔루륨 "Te",
    도핑 농도가 5.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3로 이루어지며, 두께가 20 nm 내지 70 nm로 이루어지는 윈도우 층(L2, L2'),
    - 다음 도펀트들 중 하나로 도핑될 수 있는 인듐-갈륨-인화물 "InGaP" 합금으로 제조되고:
    - 실리콘 "Si",
    - 셀레늄 "Se",
    - 텔루륨 "Te",
    도핑 농도가 1.1016 cm-3 내지 2.1018 cm-3로 이루어지며, 두께가 20 nm 내지 100 nm로 이루어지는 이미터 층(L3, L3'),
    - x가 0 내지 0.37로 이루어지고 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs" 합금으로 제조되고:
    - 베릴륨 "Be",
    - 탄소 "C",
    - 아연 "Zn",
    도핑 농도가 2.1016 cm-3 내지 5.1017 cm-3로 이루어지며, 두께가 200 nm 내지 2000 nm로 이루어지는 베이스 층(L4, L4', L4"),
    - x가 0.4 내지 0.8로 이루어지고 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs" 합금으로 제조되고:
    - 베릴륨 "Be",
    - 탄소 "C",
    - 아연 "Zn",
    도핑 농도가 5.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3로 이루어지며, 두께가 20 nm 내지 120 nm로 이루어지는 후방 표면 필드(L5, L5'),
    - 다음 도펀트들 중 하나로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되고:
    - 베릴륨 "Be",
    - 탄소 "C",
    - 아연 "Zn",
    도핑 농도가 5.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3로 이루어지며, 두께가 150 nm 내지 300 nm로 이루어지는 후방 접촉 층(L6, L6')을 포함하는, 광전지(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 5.1018 cm-3 내지 2.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 실리콘 "Si"로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되며, 150 nm 내지 320 nm로 이루어지는 두께를 갖는 전방 접촉 층(L1),
    - 5.1018 cm-3 내지 2.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 실리콘 "Si"로 도핑된 알루미늄-인듐-인화물 "AlInP" 합금으로 제조되며, 20 nm 내지 50 nm로 이루어지는 두께를 갖는 윈도우 층(L2),
    - 인듐-갈륨-인화물 "InGaP"로 제조되며 40 nm 내지 60 nm로 이루어지는 두께를 갖는 미도핑된 이미터 층(L3),
    - 1.1016 cm-3 내지 2.1017 cm-3로 이루어는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "Al0.25GaAs" 합금으로 제조되며, 400 nm 내지 2000 nm로 이루어지는 두께를 갖는 베이스 층(L4),
    - 4.1018 cm-3 내지 1.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "Al0.51GaAs" 합금으로 제조되며, 20 nm 내지 80 nm로 이루어는 두께를 갖는 후방 표면 필드(L5),
    - 5.1018 cm-3 내지 2.1019 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 갈륨-비소 "GaAs" 합금으로 제조되며, 150 nm 내지 300 nm로 이루어는 두께를 갖는 후방 접촉 층(L6)을 포함하는, 광전지(1).
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 베이스 층(L4, L4")은 또한
    - 25% 내지 37%에서 변하는 등급화된 알루미늄 농도를 갖는 미도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs"로 제조되며, 80 nm 내지 120 nm로 이루어지는 두께를 갖는 전방 추가 서브-층(L41),
    - 25% 내지 51%에서 변하는 등급화된 알루미늄 농도를 갖고 4.1018 cm-3 내지 6.1018 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs"로 제조되며, 80 nm 내지 120 nm로 이루어지는 두께를 갖는 후방 추가 서브-층(L43)을 포함하는, 광전지(1).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 후방 접촉 층(L6, L6")은 또한
    - 51% 내지 0%에서 변하는 등급화된 알루미늄 농도를 갖고 4.1018 cm-3 내지 6.1018 cm-3로 이루어지는 도핑 농도로 베릴륨 "Be"로 도핑된 알루미늄-갈륨-비소 "AlxGa1-xAs"로 제조되며, 80 nm 내지 120 nm로 이루어지는 두께를 갖는 전방 추가 서브-층(L61)을 포함하는, 광전지(1).
  12. 적어도 제1 및 제2 광전지의 스택을 포함하고, 제1 밴드 갭을 갖는 전방 광전지, 및 상기 제1 밴드 갭보다 낮은 제2 밴드 갭을 갖는 제2 광전지를 가지며, 적어도 상기 전방 광전지는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 광전지인 다중 접합 광전지(10, 20, 30).
  13. 제12항에 있어서, 2개의 광전지를 포함하며, 상기 제2 광전지는 1.1 eV의 밴드 갭을 갖는 실리콘계 전지인, 다중 접합 광전지(20, 30).
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 광전지 또는 탠덤 광전지를 제조하는 방법으로서, 상기 탠덤 광전지의 층들 중 적어도 일부는 분자 빔 에피택시(epitaxy) "MBE" 공정 또는 금속 유기 화학 기상 증착(Metalorganic Chemical Vapor Deposition) "MOCVD" 공정에 기반하여 수득되는, 방법.
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