WO2014046473A1 - 태양전지 셀 및 이의 제조방법 - Google Patents

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WO2014046473A1
WO2014046473A1 PCT/KR2013/008427 KR2013008427W WO2014046473A1 WO 2014046473 A1 WO2014046473 A1 WO 2014046473A1 KR 2013008427 W KR2013008427 W KR 2013008427W WO 2014046473 A1 WO2014046473 A1 WO 2014046473A1
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photoactive layer
layer
photoactive
forming
solar cell
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김종수
손창원
노삼규
김진수
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영남대학교 산학협력단
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof, and in particular, to a double-sided light receiving solar cell and a manufacturing method thereof.
  • the solar cell refers to a battery that generates current-voltage using a photovoltaic effect of absorbing light energy from sunlight and generating electrons and holes.
  • np diode-type silicon (Si) single crystal-based solar cells capable of producing photovoltaic energy conversion efficiency of more than 20% are used for photovoltaic power generation, and compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs), which are more efficient than this, are used.
  • Solar cells have also been developed.
  • these inorganic semiconductor-based Taeang battery cells require highly purified materials for high efficiency, much energy is consumed for the purification of raw materials, and expensive process equipment is required to process single crystals or thin films using raw materials. As a result, there is a limit to lowering the manufacturing cost of solar cells, which has been an obstacle to large-scale utilization.
  • each of two independent cells having a single light receiving surface is placed between the insulating films and the like.
  • the structure is combined with each other, such a structure is manufactured by independently manufacturing two cells and combining the same, and thus, the problem of the conventional single-sided light-receiving solar cell is inevitably maintained.
  • the phases are arranged to receive light on both sides, the light receiving efficiency of the cell itself is not substantially enhanced.
  • the present invention is to provide a method for manufacturing a double-sided light receiving solar cell through a single photoactive layer growth process, and to provide a method for manufacturing a solar cell that can minimize the consumption of expensive semiconductor substrates (and materials).
  • the present invention provides a method for manufacturing a solar cell having excellent light receiving efficiency, and a method for manufacturing a double-sided light receiving solar cell that can use a conventional single-sided light receiving solar cell manufacturing process without high design change.
  • it is easy to handle in the manufacturing process and excellent physical stability when performing the process to prevent defects and crushing, and to provide a method of manufacturing a double-sided light-receiving solar cell that is very simple and mass-produced in a short time.
  • the present invention provides a double-sided light-receiving solar cell having improved efficiency compared to the light-receiving efficiency of a single-sided light-receiving solar cell, and is a double-sided light-receiving solar that can be industrialized and commercialized by using less expensive semiconductor substrates It is to provide a battery cell, and to provide a solar cell that can be reduced in weight and size while having a high light receiving efficiency.
  • Method for manufacturing a double-sided light receiving solar cell comprises the steps of: a) forming a photoactive layer on a semiconductor substrate having a sacrificial layer; b) forming a first front electrode on the photoactive layer and attaching a first transparent substrate on the first front electrode to manufacture a photoactive layer-electrode composite; c) removing the sacrificial layer to separate the photoactive layer-electrode composite from the semiconductor substrate; And d) forming a second front electrode on an opposing surface of the photoactive layer-electrode composite that faces the first transparent substrate and attaching a second transparent substrate on the second front electrode.
  • the step a) includes forming a first conductive impurity layer doped with a first conductive impurity on a semiconductor substrate on which the sacrificial layer is formed. step; And forming a second conductive impurity layer doped with a second conductive impurity as an impurity complementary to the first conductive impurity on the semiconductor substrate.
  • the step a) comprises: forming a first photoactive layer having a first bandgap energy on the semiconductor substrate; Forming a second photoactive layer having a second bandgap energy on the first photoactive layer; Forming a third photoactive layer having a third bandgap energy on the second photoactive layer; Forming a fourth photoactive layer having a second bandgap energy on the third photoactive layer; And forming a fifth photoactive layer having a first bandgap energy on the fourth photoactive layer, wherein the third bandgap energy is relatively small among the first to third bandgap energies. It may have a band gap, the first band gap energy may have a band gap larger than the second band gap energy.
  • step a) and before the step b partially etching the photoactive layer of step a), exposing a portion of the third photoactive layer to a surface; And forming a common electrode in the surface exposed third photoactive layer region.
  • the step a) comprises the steps of forming a sacrificial layer on a semiconductor substrate; And forming a photoactive layer on the sacrificial layer.
  • the unit process may be repeated two or more times.
  • the present invention includes a double-sided light receiving solar cell manufactured by the above-described manufacturing method.
  • the double-sided light receiving solar cell according to the present invention is manufactured by the above-described manufacturing method so that the first transparent substrate, the first front electrode, the photoactive layer, the second front electrode and the second transparent substrate are sequentially stacked. Light may be incident on the photoactive layer through the first transparent substrate and the second transparent substrate.
  • the photoactive layer is a tandem in which at least a first photoactive layer, a second photoactive layer, a third photoactive layer, a fourth photoactive layer, and a fifth photoactive layer are stacked. It has a structure, the band gap energy of the first to fifth photoactive layer may satisfy the following formula 1, formula 2 and formula 3.
  • E g (1) refers to the bandgap energy of the first photoactive layer
  • E g (5) refers to the bandgap energy of the fifth photoactive layer.
  • Equation 2 E g (2) means the bandgap energy of the second photoactive layer, and E g (4) means the bandgap energy of the fourth photoactive layer.
  • E g (3) refers to the bandgap energy of the third photoactive layer
  • E g (2) refers to the bandgap energy of the second photoactive layer
  • E g (1) refers to the first photoactive layer. Means the bandgap energy.
  • the double-sided light receiving solar cell may further include a common electrode connected to the third photoactive layer.
  • the light incident through the first transparent substrate is introduced into the fifth (third) photoactive layer from the first photoactive layer
  • the second Light incident through the transparent substrate is introduced into the first (third) photoactive layer from the fifth photoactive layer
  • the light incident through the first transparent substrate and the second transparent substrate is first to fifth photoactive. It can absorb in both layers.
  • the double-sided light receiving solar cell according to the embodiment of the present invention has a tunnel between the nth photoactive layer (a natural number of 1 ⁇ n ⁇ 4) and the n + 1 photoactive layer (a natural number of 1 ⁇ n ⁇ 4).
  • a bonding layer may be further provided.
  • the photoactive layer may contain a quantum dot.
  • the solar cell is manufactured by separating the photoactive layer-electrode complex from the semiconductor substrate by using an epitaxial lift-off method. It is possible to minimize the amount of the semiconductor substrate consumed for the manufacture of, there is an advantage that can be reused of the semiconductor substrate. In addition, after attaching the first transparent substrate on the first front electrode and separating and recovering the photoactive layer-electrode composite by epitaxial lift-off, physical damage can be prevented and productivity can be improved. In addition, since a plurality of double-sided light receiving solar cells can be manufactured by a single thin film forming process, productivity and quality can be improved.
  • the cell-level double-sided light receiving type solar cell in which light is incident to the photoactive layer through the opposing sides of the photoactive layer, the photoelectron-hole hole pair is formed by the light received through both sides in the photoactive layer. Based on the same volume of the photoactive layer, the light receiving efficiency can be significantly improved, and further, the photoelectric conversion efficiency can be significantly improved by using the photoactive layer having a symmetric tandem structure.
  • the double-sided light receiving type solar cell according to the present invention has the advantage that the light receiving efficiency can be increased to twice as much as the same volume of the photoactive layer as the same photoactive layer receives light through two light receiving surfaces facing each other.
  • a thinner and smaller area solar cell can have the same photoelectric conversion efficiency.
  • a photoactive layer having a symmetric tandem structure light incident on both sides is extremely efficiently absorbed. There is an advantage that can produce power.
  • FIG. 1 is a process diagram illustrating a method of manufacturing a double-sided light receiving solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is another process diagram illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a process chart showing the details of the photoactive layer forming step in the method of manufacturing a double-sided light receiving solar cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is another process diagram showing the details of the photoactive layer forming step in the method of manufacturing a double-sided light receiving solar cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is another process diagram showing the details of the photoactive layer forming step in the method of manufacturing a double-sided light receiving solar cell according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is another process diagram showing a method of manufacturing a double-sided light receiving solar cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a cross section of a double-sided light receiving solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is an example illustrating a cross section of a double-sided light receiving solar cell according to the present invention.
  • FIG. 9 is another example illustrating a cross section of a double-sided light receiving solar cell according to the present invention.
  • second front electrode 510 first transparent substrate
  • first conductive impurity layer 302 second conductive impurity layer
  • first tunnel junction layer 321 second tunnel junction layer
  • FIG. 1 is a process diagram illustrating a method of manufacturing a double-sided light receiving solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing a double-sided light receiving solar cell includes a) forming a photoactive layer 300 on a semiconductor substrate 100 on which a sacrificial layer 200 is formed. ; b) forming a first front electrode 410 on the photoactive layer 300 and attaching a first transparent substrate 510 on the first front electrode 410 to manufacture a photoactive layer-electrode composite 600.
  • the photoactive layer-electrode complex 600 is separated from the semiconductor substrate 100 by using an epitaxial lift-off method.
  • the semiconductor substrate used in the manufacture of the solar cell can be used again for the manufacture of the solar cell repeatedly, in detail by removing the sacrificial layer in step c).
  • the semiconductor substrate separated and recovered may be used again as the semiconductor substrate of step a).
  • the first front electrode 410 is formed on the photoactive layer 300, and the first front electrode is formed on the first front electrode.
  • the photoactive layer may be physically handled in a stable manner during the process.
  • the photoactive layer is separated and recovered from the substrate by using the epitaxial lift-off method, the photoactive layer itself has a very small thickness but a large area, and the semiconductor material has a very weak property to impact, thereby manufacturing a solar cell.
  • the risk of breakage in handling for subsequent processes or modular processes is very high, and very careful and careful management is required to prevent such breakage, resulting in reduced productivity.
  • the first transparent substrate 510 serves to protect the solar cell from the external environment together with the front electrode 410 in the photoactive layer 300. After attaching, by separating the complex structure of the transparent substrate-front electrode-photoactive layer from the semiconductor substrate through epitaxial lift-off, this risk can be fundamentally prevented. That is, the first transparent substrate 510 attached on the first front electrode 410 physically supports and supports the photoactive layer 300 similarly to the semiconductor substrate 100 in the entire process after the epitaxial lift-off. By performing the role of a supporter to be able to physically handle the photoactive layer extremely stable in the process, it is possible to improve the productivity.
  • the method of manufacturing a double-sided light-receiving solar cell after separating and recovering the photoactive layer-electrode composite 600 from the semiconductor substrate 100 through an epitaxial lift-off method, the photoactive layer- The second front electrode 420 is formed on the electrode composite 600 so as to face the first front electrode 410, and the second transparent substrate 520 is attached on the second front electrode 420 to form a photoactive layer ( The light is incident on the photoactive layer 300 through both sides of the opposite side of the 300, and a photosensitive photovoltaic cell having a photoelectron-hole hole pair is formed by the light received through both sides of the photoactive layer 300 is manufactured. Can be.
  • the photoactive layer 300 that is in contact with the first front electrode 410 and the photoactive layer that is in contact with the second front electrode 420 are the same photoactive layer 300, and the photoactive layer 300 provided in the solar cell has the first front surface.
  • the light receiving efficiency may be improved at least twice as compared to the single-sided light receiving solar cell.
  • the double-sided light receiving type TAN battery cell in which an insulating film or a semiconductor substrate is present between two front electrodes facing each other, light cannot be transmitted by the insulating film or the semiconductor substrate, so only two single-sided light receiving type solar cells are physically coupled.
  • the solar cell manufactured by the manufacturing method of the present invention actually has all of the light incident on the photoactive layer through both front electrodes. As it is incident to form the photoelectron-holes, the photoelectric efficiency of the solar cell can be significantly improved.
  • the step a) includes forming a sacrificial layer 200 on the semiconductor substrate 100; And forming the photoactive layer 300 on the sacrificial layer 200.
  • the unit process may be repeatedly performed two or more times.
  • the unit process is repeatedly performed four times, but the present invention may not be limited by the number of times the unit process is repeatedly performed. As a practical example, the unit process may be repeated twice to 100 times.
  • the photoactive layer and the sacrificial layer formed by the repetition of the unit process are separately illustrated by describing the number of repetitions of the unit process in parentheses. That is, in FIG. 2, the symbol '200 (2)' of the sacrificial layer means a sacrificial layer formed by a unit process repeatedly performed a second time, and the symbol '300 (2)' of a photoactive layer means a unit process performed a second time. It means the photoactive layer formed by.
  • a stack structure in which the sacrificial layer 200 and the photoactive layer 300 are alternately stacked may be formed on the semiconductor substrate 100.
  • This alternating stack structure can improve productivity by significantly reducing the process time in the photoactive layer and the sacrificial layer forming process, which is typically performed through thin film deposition equipment for chemical, physical, and physical-chemical deposition. It is possible to prevent the change in film quality due to the mass production of a solar cell having a high quality photoactive layer in a short time.
  • step a after forming a single sacrificial layer and a photoactive layer in step a), if steps b) to d) are performed, the semiconductor substrate separated and recovered in step c) is put back into the thin film deposition apparatus and the sacrificial layer and A photoactive layer should be formed.
  • Such thin film deposition equipment is not only significantly influenced by the film quality produced by the degree of vacuum, gas flow, reaction temperature, etc., but also has a very long time to load the semiconductor substrate in the thin film deposition equipment to have a desired level of vacuum. Length can impair quality uniformity and productivity.
  • a laminate in which the sacrificial layer 200 and the photoactive layer 300 are alternately stacked may be formed on the semiconductor substrate.
  • step b) of forming the first front electrode 410 and attaching the first transparent substrate 510 is performed on the photoactive layer 300 (4) positioned at the top of the laminate.
  • C) separating the photoactive layer-electrode complex from the semiconductor substrate by removing the sacrificial layer may be performed by contacting the sacrificial layer 200 (4) with the photoactive layer 300 (4) disposed on the uppermost portion of the laminate. Can be performed on a target).
  • step b) may be performed for each photoactive layer formed by repetition of the unit process
  • step c) may be performed for each sacrificial layer formed by repeating the unit process. That is, after the sacrificial layer and the photoactive layer are alternately stacked by repeating the unit process, the step b) may be performed on the top photoactive layer exposed to the surface, and is positioned in contact with the bottom of the top photoactive layer. Step c) may be performed on the sacrificial layer.
  • step b) is performed on the uppermost photoactive layer exposed to the surface, and is located in contact with the lower portion of the photoactive layer-electrode composite formed by step b).
  • step b) is performed again on the photoactive layer on the semiconductor substrate exposed to the surface by selective removal of the sacrificial layer.
  • step c) of selectively removing the sacrificial layer positioned in contact with the lower portion of the photoactive layer-electrode composite according to step b) may be performed again.
  • the unit process is repeatedly performed four times, and as shown in FIG. 2 in which four pairs of photoactive layers and a sacrificial layer are stacked on a semiconductor substrate, the uppermost photoactive layer exposed to the surface and the sacrificial layer contacting the target are covered.
  • the forming of the photoactive layer 300 may include forming the sacrificial layer 200. Forming a first conductive impurity layer (301) doped with a first conductive impurity in the c); And forming a second conductive impurity layer 302 doped with a second conductive impurity that is complementary to the first conductive impurity on the semiconductor substrate 100 on which the sacrificial layer 200 is formed. It may include.
  • the step a) is a first conductive impurity that is a semiconductor layer doped with a first conductive impurity on the semiconductor substrate 100 on which the sacrificial layer 200 is formed.
  • a second conductive impurity layer 302 is formed on the layer 301 and the first conductive impurity layer 301, which is a semiconductor layer doped with a second conductive impurity that is complementary to the first conductive impurity.
  • the method may include forming a pn junction by the first conductive impurity and the second conductive impurity. The depletion layer of the p-n junction may absorb light to form photoelectrons and light holes.
  • the second conductivity type impurity when the first conductivity type impurity is a p type impurity, the second conductivity type impurity may be an n type impurity, and when the first conductivity type impurity is an n type impurity, the second conductivity type impurity may be a p type impurity. have.
  • FIG. 4 is another process diagram showing in detail the step of forming a photoactive layer 300 in the method for manufacturing a double-sided light receiving solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • an intrinsic semiconductor layer 303 which is an undoped semiconductor layer, is formed on the first conductive impurity layer 301.
  • forming the second conductive impurity layer 302 on the intrinsic semiconductor layer may be performed.
  • a photoactive layer having a p-i-n structure may be formed.
  • the intrinsic semiconductor layer 303 may be a quantum dot layer 303 in which a plurality of quantum dots are formed in a semiconductor medium, and the quantum dot layer may be manufactured through a conventional self-assembly method.
  • the step of forming the photoactive layer 300 may include forming a first photoactive layer 310 having a first bandgap energy on a semiconductor substrate on which a sacrificial layer is formed; Forming a second photoactive layer 320 having a second bandgap energy on the first photoactive layer 310; Forming a third photoactive layer (330) having a third bandgap energy on the second photoactive layer (320); Forming a fourth photoactive layer (340) having a second bandgap energy on the third photoactive layer (330); And forming a fifth photoactive layer 350 having a first bandgap energy on the fourth photoactive layer 340, wherein the third of the first to third bandgap energies is included.
  • the band gap energy may have a relatively small band gap
  • the first band gap energy may have a band gap larger
  • the photoactive layer having the largest bandgap energy is positioned at the bottom (the semiconductor substrate side) and the top (the opposite side of the semiconductor substrate side) of the photoactive layer, and the smallest band at the center It may be a tandem photoactive layer in which the photoactive layer having a gap energy is located.
  • a photoactive layer having a larger band gap energy may be positioned at each of the upper and lower portions of the photoactive layer (330 of FIG. 5) having the smallest band gap energy.
  • This tandem structure can more effectively absorb light transmitted from the light receiving surface to the photoactive layer, and both surfaces of the first transparent substrate (and the first front electrode) and the second transparent substrate (and the second front electrode) When the light is incident through, the light incident through the first transparent substrate side and the second transparent substrate side can be absorbed extremely effectively.
  • the first front electrode 410 and the first transparent substrate 510 may be formed on the fifth photoactive layer 350
  • the second front electrode 420 and the second transparent substrate 520 may be formed on the fifth photoactive layer 350.
  • 1 may be formed below the photoactive layer 310.
  • the first photoactive layer 310 to the fifth photoactive layer 350 have the smallest band gap energy at the center thereof and have a symmetrical structure such that the band gap energy increases toward both front electrodes. Accordingly, light received through the first front electrode 410 may flow into the fifth photoactive layer 350 through the first photoactive layer 310, and at the same time, through the second front electrode 420. The received light may be introduced into the first photoactive layer 310 through the fifth photoactive layer 350.
  • the light incident through the first transparent substrate 510 is introduced into the fifth photoactive layer 350 from the first photoactive layer 310, and the light incident through the second transparent substrate 520 is From the fifth photoactive layer 350 into the first photoactive layer 310, the light incident through the first transparent substrate 510 and the second transparent substrate 520 is transmitted to the first photoactive layer 310 through the first photoactive layer 310.
  • the fifth photoactive layer 350 may absorb the light.
  • the forming of the photoactive layer may include forming a first photoactive layer 310 having a first bandgap energy in the semiconductor substrate 100; Forming a first tunnel junction layer 311 on the first photoactive layer 310; Forming a second photoactive layer (320) having a second bandgap energy on the first tunnel junction layer (311); Forming a second tunnel junction layer 321 on the second photoactive layer 320; Forming a third photoactive layer (330) having a third bandgap energy on the second tunnel junction layer (321); Forming a third tunnel junction layer 331 on the third photoactive layer 330; Forming a fourth photoactive layer (340) having a second bandgap energy on the third tunnel junction layer (331); Forming a fourth tunnel junction layer 341 on the fourth photoactive layer 340; And forming a fifth photoactive layer 350 having a first bandgap energy on the fourth tunnel junction layer 341.
  • each photoactive layer is a tunnel junction layer It can have a structure bonded to the tunnel junction by.
  • each of the first photoactive layer 310 to the fifth photoactive layer 350 may be a semiconductor layer having the above-described pn junction, may be a semiconductor layer having the above-described pin structure, and an intrinsic semiconductor layer located between the pn junctions. (i) may contain quantum dots.
  • the first to fifth photoactive layers may be compound semiconductors of different materials, and different bandgap energy due to bandgap energy changed by intrinsic properties or nanostructures such as quantum dots. It can have
  • the first photoactive layer 310 and the fifth photoactive layer 350 having the largest band gap with the second photoactive layer 320 and the fourth photoactive layer 340 having an intermediate band gap.
  • a structure is illustrated as an example (symmetric tandem structure) stacked symmetrically about the third photoactive layer 330 having the lowest band gap, the present invention is limited due to the number of photoactive layers having different band gap energies.
  • the bandgap energy profile of the photoactive layer to be laminated may be changed according to the application field, the use environment, and the design conditions of the solar cell.
  • the photoactive layer is composed of a plurality of semiconductor layers having different band gap energies.
  • Figure 6 is an example showing another process diagram of a method of manufacturing a double-sided light receiving solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the manufacturing method according to an embodiment of the present invention partially etches the manufactured photoactive layer, thereby allowing the third photoactive layer (photoactive layer having the smallest energy band gap). Exposing a portion of the layer) to a surface; And forming a common electrode 430 in the surface exposed third photoactive layer region.
  • the first front electrode 410 and the second front electrode 420 facing each other independently receive light to transfer light to the same photoactive layer 300.
  • a single common electrode 430 may be provided as a counter electrode of the first front electrode 410 and the second front electrode 420.
  • the same photoactive layer 300 receives light on both sides, and the structure of the photoactive layer also has a smaller band gap energy as it moves away from the light receiving surface.
  • an electrode structure for double-sided light reception such as a front electrode and a single common electrode, it is possible to manufacture a solar cell capable of receiving both-side light in a substantial cell dimension.
  • the semiconductor of the semiconductor substrate is a group 4 semiconductor substrate including silicon (Si), germanium (Ge) or silicon germanium (SiGe); A group 3-5 semiconductor substrate including gallium arsenide (GaAs), indium phosphorus (InP), or gallium phosphorus (GaP); A Group 2-6 semiconductor substrate comprising cadmium sulfide (CdS) or zinc telluride (ZnTe); Group 4-6 semiconductor substrates containing lead sulfide (PbS); Or a laminated substrate thereof. Crystallographically, the semiconductor substrate may be a single crystal.
  • the sacrificial layer may be formed as an epitaxial layer on the semiconductor substrate, and may be a layer of a material that can be selectively removed irrespective of the semiconductor material of the semiconductor substrate or the photoactive layer. Any layer of common material used may be used.
  • the sacrificial layer may be AlAs.
  • the thickness of the sacrificial layer can be reliably epitaxial lifted off by removing the sacrificial layer, the thickness of the high-quality photoactive layer can be formed on the sacrificial layer (that is, due to excessive residual stress The thickness at which no defect is formed).
  • the sacrificial layer may have a thickness of about 3 nm to about 100 nm.
  • the photoactive layer may have a pn junction or pin junction structure, and the semiconductor layer forming the p-type layer may be Si, Ge, phosphide-based (P) compound semiconductor, or an arsenide-based (As) compound semiconductor doped with p-type impurities. Or a nitride (N) compound semiconductor, and the semiconductor layer forming the n-type layer may be Si, Ge, phosphide-based (P) compound semiconductor, an arsenide-based (As) compound semiconductor or nitride doped with n-type impurities.
  • the intrinsic semiconductor layer may be an undoped Si, Ge, phosphide (P) compound semiconductor, an arsenide (As) compound semiconductor, or a nitride (N) compound semiconductor.
  • the intrinsic semiconductor layer may be a semiconductor layer containing quantum dots, which may be Si, Ge, SiGe, phosphide-based (P) compound semiconductors, arsenide-based (As) compound semiconductors, or nitride-based (N)
  • the compound semiconductor may be a layer in which quantum dots of Si, Ge, SiGe, phosphide-based (P) compound semiconductors, arsenide-based (As) compound semiconductors, or nitride-based (N) compound semiconductors are formed.
  • the semiconductor layer containing such a quantum dot may be manufactured using a quantum dot forming method commonly used in the field of inorganic solar cells.
  • a self-assembled quantum dot method may be used in which self-assembled quantum dots are assembled to relieve stress.
  • the lattice constant of GaAs is 5.65 ⁇ and the lattice constant of InAs is 6.06 ⁇ , which may result in InAs quantum dots formed on GaAs due to such lattice mismatch.
  • the photoactive layer has the symmetric tandem structure described above, the size and / or type of the quantum dots contained in the materials of the compound semiconductors forming the first to fifth photoactive layers and / or the first to fifth photoactive layers Of course, the band gap energy can be adjusted.
  • the semiconductor material that provides the greatest bandgap energy when the substrate is an arsenide (As) compound semiconductor is Al x Ga 1-x As (0 ⁇ x ⁇ 1) (p-type), Al x Ga 1 -x As (n-type), Al x Ga 1-x As (i or GaAs quantum dots), and the semiconductor material providing the smallest bandgap energy may be InAs / GaAs quantum dots, with a medium bandgap
  • the semiconductor material providing the energy may be GaAs.
  • the semiconductor materials providing different bandgap energy may have a stacked structure having a symmetrical structure around the semiconductor layer having the bandgap energy having the smallest bandgap energy.
  • each photoactive layer constituting the tandem structure may include the pn junction or the pin junction described above.
  • the semiconductor substrate is Ge, (Al) InGaP (n type)-(Al) InGaP (p type), (In) GaAs (n type)-(In) GaAs (p type), and Ge (n type) -Ge (p type).
  • Al x Ga 1-x As (p type) -Al x Ga 1-x As (i) -Al x Ga 1-x As (n type), GaAs (p type) -GaAs ( i) -GaAs (n-type), GaAs (p-type) -GaAs (i) -GaAs (n-type, including InAs quantum dot layer) is one or more selected from the photoactive layer may have the symmetric tandem structure.
  • the tunnel junction layer tunneling each photoactive layer providing different bandgap energy as described above is commonly used in tandem compound semiconductor-based solar cells, the thickness of each photoactive layer can be bonded by tunneling The material layer is sufficient.
  • the tunnel junction layer may be AlGaAs, InGaP or GaAs, and the thickness of the tunnel junction layer may be 1 nm to 50 nm.
  • the sacrificial layer and the photoactive layer may be performed through a conventional semiconductor thin film deposition method and equipment, for example, chemical vapor deposition , Physical vapor deposition, physical-chemical vapor deposition, plasma deposition, and the like.
  • the type of the deposited film and the thickness of the film may be controlled by controlling the incoming source gas or the molecular beam or the sputtered raw material, the deposition time, or the like.
  • partial etching that exposes a part of the photoactive layer having the smallest bandgap energy to the surface is performed through mesa-etching. Can be performed.
  • the first front electrode and / or the second front electrode may be a front electrode structure of a conventional solar cell.
  • the first front electrode and / or the second front electrode may have a bone structure or a comb structure, and the first front electrode and / or the second front electrode may be carbon nanotubes, graphene, or silver (Ag).
  • FTO Fluorine doped Tin Oxide
  • ITO Indium doped Tin Oxide
  • the first front electrode and / or the second front electrode may be performed by a deposition process such as a conventional printing process or thermal evaporation, for example, a conductive ink
  • a deposition process such as a conventional printing process or thermal evaporation, for example, a conductive ink
  • the front electrode may be performed through a printing process such as screen printing.
  • the first transparent substrate and / or the second transparent substrate may perform a role of a support and a transparent that can physically and chemically protect the inside of the solar cell from the external environment It is enough material.
  • the first transparent substrate and / or the second transparent substrate may be a glass substrate or a transparent plastic substrate including soda lime glass.
  • the first transparent substrate and / or the second transparent substrate may be attached using an adhesive commonly used in the bonding of the optical component, a practical example of such an adhesive And waxes.
  • an adhesive commonly used in the bonding of the optical component a practical example of such an adhesive And waxes.
  • the manufacturing method of the present invention cannot be limited by the type of adhesive to which the transparent substrate is used for attachment.
  • the present invention includes a double-sided light receiving solar cell manufactured by the above-described manufacturing method.
  • the double-sided light-receiving Taeang battery cell includes a first transparent substrate 510, a first front electrode 410, a photoactive layer 300, and a second
  • the front electrode 420 and the second transparent substrate 520 may be sequentially stacked, and light may be incident on the photoactive layer 300 through the first transparent substrate 510 and the second transparent substrate 520. have.
  • the photoactive layer of the double-sided light receiving solar cell may have a symmetric tandem structure.
  • the photoactive layer 300 includes at least a first photoactive layer 310, a second photoactive layer 320, a third photoactive layer 330, a fourth photoactive layer 340, and a fifth photoactive layer 350. It has a stacked tandem structure, the band gap energy of the first to fifth photoactive layer may satisfy the following formula 1, formula 2 and formula 3.
  • E g (1) refers to the bandgap energy of the first photoactive layer
  • E g (5) refers to the bandgap energy of the fifth photoactive layer.
  • Equation 2 E g (2) means the bandgap energy of the second photoactive layer, and E g (4) means the bandgap energy of the fourth photoactive layer.
  • E g (3) refers to the bandgap energy of the third photoactive layer
  • E g (2) refers to the bandgap energy of the second photoactive layer
  • E g (1) refers to the first photoactive layer. Means the bandgap energy.
  • the double-sided light-receiving Taeang battery cell may include a first transparent substrate 510, a first front electrode 410, a photoactive layer 300, and a second front surface.
  • the electrode 420 and the second transparent substrate 520 may further include a common electrode 430 connected to the third photoactive layer 330 that provides the smallest bandgap energy.
  • the double-sided light receiving solar cell further includes a tunnel junction layer between the nth photoactive layer (a natural number of 1 ⁇ n ⁇ 4) and the n + 1 photoactive layer (a natural number of 1 ⁇ n ⁇ 4) and adjacent to each other.
  • the two photoactive layers can be joined by the tunnel junction layer.
  • the photoactive layer 300 may include a quantum dot.
  • the photoactive layer 300 may include a quantum dot in a depletion region by a pn junction or a pin junction. Can be formed.
  • the light incident through the first transparent substrate is introduced into a photoactive layer, for example, the first photoactive layer, into the third photoactive layer
  • the second Light incident through the transparent substrate is also introduced into the same photoactive layer, for example, the fifth photoactive layer, into the third photoactive layer
  • the light incident through the first transparent substrate and the second transparent substrate is respectively photoactive layer, one.
  • the first photoactive layer, the second photoactive layer, the third photoactive layer to the fifth photoactive layer, the fourth photoactive layer, and the third photoactive layer may be absorbed.

Abstract

본 발명은 양면수광형 태양전지 셀 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 제조방법은 a) 희생층이 형성된 반도체 기판에 광활성층을 형성하는 단계; b) 상기 광활성층 상부에 제1전면전극을 형성하고 상기 제1전면전극 상부에 제1투명기판을 부착하여 광활성층-전극 복합체를 제조하는 단계; c) 상기 희생층을 제거하여, 상기 광활성층-전극 복합체를 상기 반도체 기판으로부터 분리하는 단계; 및 d) 상기 광활성층-전극 복합체의 제1투명기판과 대향하는 대향면에 제2전면전극을 형성하고 상기 제2전면전극 상부에 제2투명기판을 부착하는 단계;를 포함한다.

Description

태양전지 셀 및 이의 제조방법
본 발명은 태양전지 셀 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 양면 수광형 태양전지 셀 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 개발된 바 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태앙전지 셀은 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다.
이에 따라 태양전지의 상용화를 위해서는 가능한 태양전지 셀의 제조에 소요되는 반도체 물질들을 최소화하며 높은 수광효율을 얻을 수 있는 셀 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
태양전지 셀의 두 대향면을 통해 광을 수광하는 양면 수광형 태양전지 셀은 대한민국 공개특허 제2011-0076126호와 같이, 단일한 수광면을 갖는 독립적인 두 셀 각각을 절연막등을 사이에 두고 물리적으로 결합시킨 구조를 가지나, 이러한 구조는 독립적으로 두 셀을 제조하고 이를 결합함으로써 제조됨에 따라, 종래 단일면 수광형 태양전지 셀의 문제점을 그대로 가질 수 밖에 없으며, 독립된 두 셀이 단지 서로 대향하도록 공간상의 배치되어 양면으로 광을 수광하는 것임에 따라, 실질적으로 셀 자체의 수광효율이 증진된 것은 아니다.
본 발명은 단일한 광활성층 성장 공정을 통해 양면 수광 가능한 태양전지 셀의 제조방법을 제공하는 것이며, 고가의 반도체 기판(및 물질)의 소모를 최소화할 수 있는 태양전지 셀의 제조방법을 제공하는 것이며, 우수한 수광효율을 갖는 태양전지 셀의 제조방법을 제공하는 것이며, 종래의 단일면 수광형 태양전지 셀의 제조공정을 고도의 설계 변경 없이 사용 가능한 양면 수광형 태양전지 셀의 제조방법을 제공하는 것이며, 제조과정에서 취급이 용이하고 공정 수행 시 물리적 안정성이 우수하여 불량 및 파쇄를 방지할 수 있으며, 공정이 매우 간단하고 단시간에 대량생산 가능한 양면 수광형 태양전지 셀의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 단일면 수광형 태양전지 셀의 수광효율 대비 향상된 효율을 갖는 양면 수광형 태양전지 셀을 제공하는 것이며, 고가의 반도체 기판(및 물질)의 소모가 적어 산업화 및 상용화 가능한 양면 수광형 태양전지 셀을 제공하는 것이며, 높은 수광효율을 가지면서도 경량화 및 소형화 가능한 태양전지 셀을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법은 a) 희생층이 형성된 반도체 기판에 광활성층을 형성하는 단계; b) 상기 광활성층 상부에 제1전면전극을 형성하고 상기 제1전면전극 상부에 제1투명기판을 부착하여 광활성층-전극 복합체를 제조하는 단계; c) 상기 희생층을 제거하여, 상기 광활성층-전극 복합체를 상기 반도체 기판으로부터 분리하는 단계; 및 d) 상기 광활성층-전극 복합체의 제1투명기판과 대향하는 대향면에 제2전면전극을 형성하고 상기 제2전면전극 상부에 제2투명기판을 부착하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 상기 a) 단계는 상기 희생층이 형성된 반도체 기판에 제1도전형 불순물로 도핑된 제1도전형불순물층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 기판에 상기 제1도전형 불순물에 대해 상보적인 불순물인 제2도전형 불순물로 도핑된 제2도전형불순물층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 상기 a) 단계는 상기 반도체 기판에 제1 밴드갭 에너지를 갖는 제1광활성층을 형성하는 단계; 상기 제1광활성층 상부에 제2 밴드갭 에너지를 갖는 제2광활성층을 형성하는 단계; 상기 제2광활성층 상부에 제3 밴드갭 에너지를 갖는 제3광활성층을 형성하는 단계; 상기 제3광활성층 상부에 제2 밴드갭 에너지를 갖는 제4광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 제4광활성층 상부에 제1 밴드갭 에너지를 갖는 제5광활성층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 내지 제3 밴드갭 에너지 중, 상기 제3 밴드갭 에너지가 상대적으로 가장 작은 밴드갭을 가지며, 상기 제1 밴드갭 에너지가 상기 제2 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭을 가질 수 있다.
상세하게, 상기 a) 단계 후 및 b) 단계 전, 상기 a) 단계의 광활성층을 부분식각하여, 상기 제3광활성층의 일부를 표면으로 노출시키는 단계; 및 상기 표면 노출된 제3광활성층 영역에 공통전극을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 상기 a) 단계는 반도체 기판에 희생층을 형성하는 단계; 및 상기 희생층 상부에 광활성층을 형성하는 단계;를 단위 공정으로 하여, 상기 단위 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있다.
본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 양면 수광형 태양전지 셀을 포함한다. 상세하게, 본 발명에 따른 양면 수광형 태양전지 셀은 상술한 제조방법으로 제조되어 제1투명기판, 제1전면전극, 광활성층, 제2전면전극 및 제2투명기판이 순차적으로 적층되고, 상기 제1투명기판 및 상기 제2투명기판을 통해 상기 광활성층으로 광이 입사될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 셀에 있어, 상기 광활성층은 적어도 제1광활성층, 제2광활성층, 제3광활성층, 제4광활성층 및 제5광활성층이 적층된 탠덤구조를 가지며, 상기 제1 내지 제5광활성층의 밴드갭 에너지는 하기 식 1, 식 2 및 식 3을 만족할 수 있다.
(식 1)
Eg(1)=Eg(5)
상기 식 1에서 Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(5)는 제5광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
(식 2)
Eg(2)=Eg(4)
상기 식 2에서 Eg(2)은 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(4)는 제4광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
(식 3)
E(3)<E(2)<E(1)
상기 식 3에서 Eg(3)은 제3광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(2)는 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 셀은 상기 제3광활성층과 접속하는 공통전극을 더 포함할 수 있다.
상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 셀은 상기 제1투명기판을 통해 입사된 광은 상기 제1광활성층에서 제5(제3)광활성층으로 유입되며, 상기 제2투명기판을 통해 입사된 광은 상기 제5광활성층에서 제1(제3)광활성층으로 유입되어, 상기 제1투명기판 및 제2투명기판을 통해 입사된 광을 제1광활성층 내지 제5광활성층 모두에서 흡수할 수 있다.
상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 셀은 제n광활성층(1≤n≤4인 자연수)과 제n+1광활성층(1≤n≤4인 자연수)사이에 터널접합층이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 셀에 있어, 상기 광활성층은 양자점을 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법은 에피텍샬 리프트 오프(epitaxial lift-off) 방법을 이용하여 광활성층-전극 복합체를 반도체 기판으로부터 분리함으로써 태양전지 셀을 제조함에 따라, 태양전지 셀의 제조를 위해 소모되는 반도체 기판의 양을 최소화할 수 있으며, 반도체 기판의 재사용이 가능한 장점이 있다. 또한, 제1전면전극상부에 제1투명기판을 부착한 후, 에피텍샬 리프트 오프에 의해 광활성층-전극 복합체를 분리 회수함에 따라, 물리적 파손을 방지할 수 있으며, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 다수개의 양면수광형 태양전지 셀이 단일한 박막형성공정에 의해 제조될 수 있어 생산성과 품질을 높일 수 있다. 또한, 광활성층의 서로 대향하는 양 면을 통해 광활성층으로 광이 입사되고, 광활성층에서 양면을 통해 수광된 광에 의해 광전자-광정공 쌍이 형성되는 셀 레벨의 양면 수광형 태양전지인 장점이 있으며, 동일 부피의 광활성층을 기준으로 수광효율을 현저히 향상시킬 수 있으며, 나아가, 대칭형 탠덤구조의 광활성층을 이용하여 광전변환효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 양면수광형 태양전지 셀은 동일한 광활성층이 서로 대향하는 두 수광면을 통해 광을 수광함에 따라, 동일 부피의 광활성층을 기준으로 2배에 이르도록 수광효율을 높일 수 있는 장점이 있으며, 태양전지 셀을 설계할 때, 보다 박형이며 소면적의 태양전지 셀로 동일한 광전변환효율을 가질 수 있으며, 나아가, 대칭형 탠덤구조의 광활성층을 통해, 양 면으로 입사되는 광을 극히 효율적으로 흡수하여 전력을 생산할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법을 도시한 일 공정도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 셀의 제조방법을 도시한 다른 공정도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 광활성층 형성 단계를 상세 도시한 일 공정도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 광활성층 형성 단계를 상세 도시한 다른 일 공정도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 광활성층 형성 단계를 상세 도시한 또 다른 일 공정도이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법을 도시한 또 다른 일 공정도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양면수광형 태양전지 셀의 단면을 도시한 일 단면도이며,
도 8은 본 발명에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 단면을 도시한 일 예이며,
도 9는 본 발명에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 단면을 도시한 다른 일 예이다.
<부호의 설명>
100 : 반도체 기판 200 : 희생층
300 : 광활성층 410 : 제1전면전극
420 : 제2전면전극 510 : 제1투명기판
520 : 제2투명기판 600 : 광활성층-전극 복합체
301 : 제1도전형불순물층 302 : 제2도전형불순물층
303 : 진성반도체층 310 : 제1광활성층
320 : 제2광활성층 330 : 제3광활성층
340 : 제4광활성층 350 : 제5광활성층
311 : 제1터널접합층 321 : 제2터널접합층
331 : 제3터널접합층 341 : 제4터널접합층
430 : 공통전극
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 태양전지 셀 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법을 도시한 일 공정도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법은 a) 희생층(200)이 형성된 반도체 기판(100)에 광활성층(300)을 형성하는 단계; b) 상기 광활성층(300) 상부에 제1전면전극(410)을 형성하고 상기 제1전면전극(410) 상부에 제1투명기판(510)을 부착하여 광활성층-전극 복합체(600)를 제조하는 단계; c) 상기 희생층(200)을 제거하여, 상기 광활성층-전극 복합체(600)를 상기 반도체 기판(100)으로부터 분리하는 단계; 및 d) 상기 광활성층-전극 복합체(600)의 제1투명기판(510)과 대향하는 대향면에 제2전면전극(420)을 형성하고 상기 제2전면전극(420) 상부에 제2투명기판(520)을 부착하는 단계;를 포함한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법은 에피텍샬 리프트 오프(epitaxial lift-off) 방법을 이용하여 광활성층-전극 복합체(600)를 반도체 기판(100)으로부터 분리함으로써 태양전지 셀을 제조함에 따라, 태양전지 셀의 제조를 위해 소모되는 반도체 기판의 양을 최소화할 수 있다. 나아가, 이러한 에피텍샬 리프트 오프 방법을 이용함으로써, 태양전지 셀의 제조시 사용된 반도체 기판은 반복적으로 태양전지 셀의 제조를 위해 다시 사용될 수 있는데, 상세하게, c)단계에서 희생층의 제거에 의해 분리 회수되는 반도체 기판은 a) 단계의 반도체 기판으로 다시 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법은 에피텍샬 리프트 오프 전, 광활성층(300)에 제1전면전극(410)을 형성하고, 제1전면전극 상에 제1투명기판(510)을 부착(bonding)함으로써, 공정과정에서 극히 안정적으로 광활성층을 물리적으로 핸들링(handling)할 수 있다. 에피텍샬 리프트 오프 방법을 이용하여 광활성층을 기판으로부터 분리 회수하는 경우, 광활성층 자체는 두께가 극히 얇은 반면 대면적을 가지며, 반도체 물질이 충격에 매우 약한 특성을 가짐에 따라, 태양전지 셀을 제조하기 위한 후속 공정 또는 모듈화 공정을 위한 취급시 파손의 위험이 매우 크며, 이러한 파손 방지를 위해 매우 주의깊고 세심한 관리가 요구되어 생산성을 떨어뜨린다. 그러나, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 광활성층(300)에 전면전극(410)과 함께 태양전지 셀을 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 하는 제1투명기판(510)을 부착한 후, 에피텍샬 리프트 오프를 통해 이러한 투명기판-전면전극-광활성층의 복합 구조체를 반도체 기판으로부터 분리시킴에 따라, 이러한 위험을 원천적으로 방지할 수 있다. 즉, 제1전면전극(410)상부에 부착되는 제1투명기판(510)은 에피텍샬 리프트 오프 이후의 공정 전 과정에서 반도체 기판(100)과 유사하게 광활성층(300)을 물리적으로 지지하며 지탱하는 지지체의 역할을 수행하여 공정과정에서 극히 안정적으로 광활성층을 물리적으로 취급할 수 있으며, 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법은 에피텍샬 리프트 오프 방법을 통해 광활성층-전극 복합체(600)를 반도체 기판(100)으로부터 분리 회수한 후, 광활성층-전극 복합체(600)에 제1전면전극(410)과 대향하도록 제2전면전극(420)을 형성하고, 제2전면전극(420) 상부에 제2투명기판(520)을 부착함으로써, 광활성층(300)의 서로 대향하는 양 면을 통해 광활성층(300)으로 광이 입사되고, 광활성층(300)에서 양면을 통해 수광된 광에 의해 광전자-광정공 쌍이 형성되는 양면 수광형 태양전지 셀이 제조될 수 있다.
상세하게, 제1전면전극(410)과 접하는 광활성층과 제2전면전극(420)과 접하는 광활성층이 동일한 광활성층(300)으로, 태양전지 셀에 구비되는 광활성층(300)은 제1전면전극(및 제1투명기판)을 통해 광을 수광함과 동시에 제2전면전극(및 제2투명기판)을 통해서도 광을 수광할 수 있다. 이에 따라, 동일 부피의 광활성층(300)이 구비되는 경우를 가정할 때, 단일면 수광형 태양전지 셀에 비해, 적어도 2배의 수광효율이 향상될 수 있다. 또한, 서로 대향하는 두 전면전극 사이에 절연막 또는 반도체 기판이 존재하는 양면 수광형 태앙전지 셀은 절연막이나 반도체 기판에 의해 광의 투과가 실질적으로 불가능하여 단지 단일면 수광형 태양전지 셀 두 개가 물리적으로 결합된 것이거나 단일면 수광형 태양전지 셀의 광전효율을 일부 향상시킨 것에 불과하나, 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 태양전지 셀은 실제, 일 광활성층에 양 전면전극을 통해 입사되는 광이 모두 입사되어 광전자-광정공을 형성함에 따라, 태양전지 셀의 광전효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 셀의 제조방법을 도시한 다른 공정도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 a) 단계는 반도체 기판(100)에 희생층(200)을 형성하는 단계; 및 상기 희생층(200) 상부에 광활성층(300)을 형성하는 단계;를 일 단위 공정으로 하여, 상기 단위 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있다.
도 2는 상기 단위 공정이 4회 반복 수행되는 경우의 일 예를 도시한 것이나, 본 발명이 상기 단위 공정의 반복 수행 횟수에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. 실질적인 일 예로, 상기 단위 공정은 2회 내지 100회까지 반복 수행될 수 있다.
도 2의 도면의 부호에서 단위 공정의 반복 수행에 의해 형성되는 광활성층과 희생층은 각각 괄호 내 단위 공정의 반복 횟수를 기재함으로써 구분 도시하였다. 즉, 도 2에서 희생층의 기호 '200(2)'는 2번째 반복 수행된 단위 공정에 의해 형성된 희생층을 의미하며, 광활성층의 기호 '300(2)'는 2번째 반복 수행된 단위 공정에 의해 형성된 광활성층을 의미한다.
상기 단위 공정의 반복을 통해, 상기 반도체 기판(100)에는 희생층(200)과 광활성층(300)이 교번 적층된 적층 구조가 형성될 수 있다. 이러한 교번 적층구조는 통상적으로 화학적, 물리적, 물리-화학적 증착을 위해 박막 증착 장비를 통해 수행되는 광활성층 및 희생층 형성 공정시의 공정 시간을 현저하게 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있으며, 공정변수에 의한 막질의 변화를 방지할 수 있으며, 고품질의 광활성층을 갖는 태양전지 셀을 단시간에 대량생산할 수 있다.
상세하게, a) 단계에서 단일한 희생층 및 광활성층을 형성한 후 b) 내지 d) 단계가 수행되는 경우, c) 단계에서 분리 회수된 반도체 기판을 다시 박막 증착 장비에 투입하여 다시 희생층과 광활성층을 형성해야 한다. 이러한 박막 증착 장비는 진공도, 가스의 흐름, 반응 온도의 미세한 변화등에 의해 제조되는 막질이 현저하게 영향을 받을 뿐만 아니라, 박막 증착 장비 내에 반도체 기판을 로딩하여 원하는 수준의 진공도를 갖도록 배기하는 시간이 매우 길어 품질의 균일성 및 생산성을 저해할 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라, 희생층(200)과 광활성층(300)을 교번 형성하는 단위 공정을 반복 수행함으로써, 광활성층의 막질을 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 태양전지 셀의 제조시 가장 큰 공정시간을 자치하는 박막 증착 공정의 시간을 현저하게 단축시킬 수 있다.
도 2의 일 실시예에 도시한 바와 같이, 상기 단위 공정이 반복 수행됨에 따라, 반도체 기판에는 희생층(200)과 광활성층(300)이 교번 적층된 적층체가 형성될 수 있다. 이러한 적층체가 형성된 후, 제1전면전극(410)을 형성하고 제1투명기판(510)을 부착하는 b) 단계는 적층체의 최 상부에 위치하는 광활성층(300(4))을 대상으로 수행될 수 있으며, 희생층을 제거하여 광활성층-전극 복합체를 상기 반도체 기판으로부터 분리하는 c) 단계는 상기 적층체의 최 상부에 위치하는 광활성층(300(4))와 접하는 희생층(200(4))을 대상으로 수행될 수 있다.
상세하게, 상기 단위 공정의 반복에 의해 형성된 광활성층 별로 상기 b) 단계가 수행되며, 상기 단위 공정의 반복에 의해 형성된 희생층 별로 상기 c) 단계가 수행될 수 있다. 즉, 상기 단위 공정의 반복에 의해 희생층과 광활성층을 교번 적층한 후, 표면으로 노출되는 최상위의 광활성층을 대상으로 상기 b) 단계가 수행될 수 있으며, 상기 최상위의 광활성층 하부에 접하여 위치하는 희생층을 대상으로 상기 c) 단계가 수행될 수 있다.
보다 상세하게, 상기 단위 공정이 반복 수행된 후, 표면으로 노출되는 최상부의 광활성층을 대상으로 하여 b) 단계가 수행되고, 상기 b) 단계에 의해 형성되는 광활성층-전극 복합체의 하부에 접하여 위치하는 희생층을 선택적으로 제거하여 광활성층-전극 복합체를 반도체 기판으로부터 분리 회수하며, 상기 희생층의 선택적 제거에 의해 표면으로 노출되는 반도체 기판상의 광활성층을 대상으로, 상기 b) 단계가 재수행되고, 재수행되는 b) 단계에 의한 광활성층-전극 복합체의 하부에 접하여 위치하는 희생층을 선택적으로 제거하는 c) 단계가 재수행될 수 있다.
즉, 단위 공정이 4회 반복 수행되어, 광활성층과 희생층을 하나의 쌍으로 4개의 쌍이 반도체 기판에 적층된 도 2와 같은 경우, 표면으로 노출되는 최상부의 광활성층과 이에 접하는 희생층을 대상으로 전면전극을 형성하고 투명기판을 부착하는 b) 단계 및 최상부의 광활성층과 접하는 희생층만을 선택적으로 제거하여 전면전극이 형성되고 투명기판이 부착된 최상부의 광활성층을 기판으로부터 분리하는 c) 단계가 4회 반복 수행될 수 있으며, 이러한 반복 수행에 의해 4개의 광활성층-전극 복합체가 제조될 수 있다. 이후, 단위 공정의 반복 횟수만큼 수득되는 광활성층-전극 복합체 각각에 대해 d) 단계가 서로 독립적으로 수행될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 광활성층(300) 형성 단계를 상세 도시한 일 공정도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 광활성층(300)을 형성하는 단계는 상기 희생층이(200) 형성된 반도체 기판(100)에 제1도전형 불순물로 도핑된 제1도전형불순물층(301)을 형성하는 단계; 및 상기 희생층이(200) 형성된 반도체 기판(100)에 상기 제1도전형 불순물에 대해 상보적인 불순물인 제2도전형 불순물로 도핑된 제2도전형불순물층(302)을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 상기 a) 단계는 희생층(200)이 형성된 반도체 기판(100) 상부에 제1도전형 불순물로 도핑된 반도체층인 제1도전형불순물층(301)과 상기 제1도전형불순물층(301) 상부에 제1도전형 불순물과 상보적인 불순물인 제2도전형 불순물로 도핑된 반도체층인 제2도전형불순물층(302)을 형성하여 제1도전형 불순물과 제2도전형 불순물에 의한 p-n 정션을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 p-n 정션의 공핍층이 광을 흡수하여 광전자 및 광정공을 형성할 수 있다. 이때, 제1도전형 불순물이 p형 불순물인 경우, 제2도전형 불순물은 n형 불순물일 수 있으며, 제1도전형 불순물이 n형 불순물인 경우, 제2도전형 불순물은 p형 불순물일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 광활성층(300) 형성 단계를 상세 도시한 다른 일 공정도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 제1도전형불순물층(301)을 형성한 후, 제1도전형불순물충(301) 상부에 미도핑 반도체층인 진성 반도체층(intrinsic semiconductor layer, 303)을 형성하고, 진성 반도체층 상부로 제2도전형불순물층(302)을 형성하는 단계가 수행될 수 있다. 이를 통해 p-i-n 구조의 광활성층이 형성될 수 있다. 이때, 상기 진성 반도체층(303)은 반도체 매질에 다수개의 양자점이 형성된 양자점층(303)일 수 있으며, 이러한 양자점층은 통상의 자기조립 방법을 통해 제조될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 광활성층(300) 형성 단계를 상세 도시한 또 다른 일 공정도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 광활성층(300) 형성 단계는 희생층이 형성된 반도체 기판에 제1 밴드갭 에너지를 갖는 제1광활성층(310)을 형성하는 단계; 상기 제1광활성층(310) 상부에 제2 밴드갭 에너지를 갖는 제2광활성층(320)을 형성하는 단계; 상기 제2광활성층(320) 상부에 제3 밴드갭 에너지를 갖는 제3광활성층(330)을 형성하는 단계; 상기 제3광활성층(330) 상부에 제2 밴드갭 에너지를 갖는 제4광활성층(340)을 형성하는 단계; 및 상기 제4광활성층(340) 상부에 제1 밴드갭 에너지를 갖는 제5광활성층(350)을 형성하는 단계;를 포함할 수 있으며, 상기 제1 내지 제3 밴드갭 에너지 중, 상기 제3 밴드갭 에너지가 상대적으로 가장 작은 밴드갭을 가지며, 상기 제1 밴드갭 에너지가 상기 제2 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭을 가질 수 있다.
즉, 상기 광활성층(300) 형성단계는 광활성층의 최 하부(반도체 기판측)와 최 상부(반도체 기판측의 반대측)에 밴드갭 에너지가 가장 큰 광활성층이 위치하며, 그 중심에 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층이 위치하는 탠덤 구조의 광활성층일 수 있다. 이러한 광활성층(300) 형성 단계를 통해, 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층(도 5의 330)을 중심으로 그 상부 및 하부 각각에 보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층이 위치할 수 있다. 이러한 탠덤 구조에 의해 수광면에서 광활성층으로 투과되는 광을 보다 효과적으로 흡수할 수 있으며, 제1투명기판( 및 제1전면전극) 및 제2투명기판( 및 제2전면전극)의 양 면 모두를 통해 광이 입사될 때, 제1투명기판 측 및 제2투명기판측 각각을 통해 입사되는 광을 극히 효과적으로 흡수할 수 있다.
상세하게, 제1전면전극(410) 및 제1투명기판(510)은 제5광활성층(350) 상부에 형성될 수 있으며, 제2전면전극(420) 및 제2투명기판(520)은 제1광활성층(310) 하부에 형성될 수 있다. 제1광활성층(310) 내지 제5광활성층(350)은 그 중심이 가장 작은 밴드갭 에너지를 가지며 양 전면전극 측으로 갈수록 밴드갭 에너지가 커지도록 대칭된 구조를 가진다. 이에 따라, 제1전면전극(410)을 통해 수광되는 광은 제1광활성층(310)을 거쳐 제5광활성층(350)으로 유입될 수 있으며, 이와 동시에, 제2전면전극(420)을 통해 수광되는 광은 제5광활성층(350)을 거쳐 제1광활성층(310)으로 유입될 수 있다.
즉, 상기 제1투명기판(510)을 통해 입사된 광은 상기 제1광활성층(310)에서 제5광활성층(350)으로 유입되며, 상기 제2투명기판(520)을 통해 입사된 광은 상기 제5광활성층(350)에서 제1광활성층(310)으로 유입되어, 상기 제1투명기판(510) 및 제2투명기판(520)을 통해 입사된 광을 제1광활성층(310) 내지 제5광활성층(350) 모두에서 흡수할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 광활성층 형성 단계는 상기 반도체 기판(100)에 제1 밴드갭 에너지를 갖는 제1광활성층(310)을 형성하는 단계; 상기 제1광활성층(310) 상부에 제1터널접합층(311)을 형성하는 단계; 상기 제1터널접합층(311) 상부에 제2 밴드갭 에너지를 갖는 제2광활성층(320)을 형성하는 단계; 상기 제2광활성층(320) 상부에 제2터널접합층(321)을 형성하는 단계; 상기 제2터널접합층(321) 상부에 제3 밴드갭 에너지를 갖는 제3광활성층(330)을 형성하는 단계; 상기 제3광활성층(330) 상부에 제3터널접합층(331)을 형성하는 단계; 상기 제3터널접합층(331) 상부에 제2 밴드갭 에너지를 갖는 제4광활성층(340)을 형성하는 단계; 상기 제4광활성층(340) 상부에 제4터널접합층(341)을 형성하는 단계; 및 상기 제4터널접합층(341) 상부에 제1 밴드갭 에너지를 갖는 제5광활성층(350)을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
즉, 제1전면전극(410)이 형성되는 측과 제2전면전극(420)이 형성되는 측에 인접할수록 보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층이 형성되도록 하며, 각각의 광활성층은 터널접합층에 의해 터널 정션으로 접합된 구조를 가질 수 있다.
이때, 제1광활성층(310) 내지 제5광활성층(350)은 각각 상술한 p-n 정션을 갖는 반도체층일 수 있으며, 상술한 p-i-n 구조를 갖는 반도체층일 수 있으며, p-n 정션 사이에 위치하는 진성 반도체층(i)은 양자점을 함유할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 내지 제5광활성층은 서로 다른 물질의 화합물 반도체일 수 있으며, 물질 고유의 특성 또는 양자점과 같은 나노구조(양자 구속효과)에 의해 변화된 밴드갭 에너지에 의해 서로 다른 밴드갭 에너지를 가질 수 있다.
도 5의 일 실시예에 있어, 중간 밴드갭을 갖는 제2광활성층(320) 및 제4광활성층(340)과 가장 큰 밴드갭을 갖는 제1광활성층(310) 및 제5광활성층(350)이 가장 낮은 밴드갭을 갖는 제3광활성층(330)을 중심으로 대칭되어 적층된 구조(대칭형 탠덤구조)를 일 예로 도시하였으나, 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층의 수로 인해 본 발명의 한정될 수 없으며, 태양전지 셀의 활용 분야, 사용 환경 및 설계 조건에 따라, 적층되는 광활성층의 밴드갭 에너지 프로파일은 변경될 수 있다.
다만, 본 발명의 제조방법에 있어, 양 전면전극 모두를 통해 광이 입사되고, 입사된 광이 모두 광활성층에 유입되는 구조임에 따라, 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 다수개의 반도체층으로 광활성층을 제조하고자 하는 경우, 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층을 중심으로, 밴드갭 에너지가 점차 증가하도록 대칭 구조(대칭형 탠덤구조)를 갖도록 광활성층을 형성하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법의 또 다른 일 공정도를 도시한 예이다. 상술한 바와 같이, 광활성층이 대칭형 탠덤 구조를 가질 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 상기 제조된 광활성층을 부분식각하여, 상기 제3광활성층(가장 작은 에너지 밴드갭을 갖는 광활성층)의 일부를 표면으로 노출시키는 단계; 및 상기 표면 노출된 제3광활성층 영역에 공통전극(430)을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이를 통해 도 7에 도시한 바와 같이, 서로 대향하는 제1전면전극(410)과 제2전면전극(420) 각각은 서로 독립적으로 광을 수광하여 동일한 광활성층(300)으로 광을 전달하며, 제1전면전극(410)과 제2전면전극(420)의 상대극으로 단일한 공통전극(430)을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 동일한 광활성층(300)이 양면으로 광을 수광하며, 광활성층의 구조 또한 수광면에서 멀어질수록 보다 작은 밴드갭 에너지를 가지며, 두 전면전극과 단일한 공통전극이라는 양면 수광을 위한 전극 구조를 가짐에 따라, 실질적인 셀 차원에서의 양면 수광이 가능한 태양전지 셀을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 상기 반도체 기판의 반도체는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 또는 실리콘게르마늄(SiGe)을 포함하는 4족 반도체 기판; 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP) 또는 갈륨인(GaP)을 포함하는 3-5족 반도체 기판; 황화카드뮴(CdS) 또는 텔루르화아연(ZnTe)을 포함하는 2-6족 반도체 기판; 황화납(PbS)을 포함하는 4-6족 반도체기판; 또는 이들의 적층 기판을 포함할 수 있다. 결정학적으로 상기 반도체 기판은 단결정체일 수 있다.
상기 희생층은 상기 반도체 기판에 에피텍샬층으로 형성될 수 있으며, 반도체 기판 내지 광활성층의 반도체 물질과 무관하게 선택적으로 제거될 수 있는 물질의 층이면 족하며, 반도체 제조공정에서 에피텍샬 리프트 오프에 사용되는 통상의 물질층이면 사용가능하다. 실질적인 일 예로, 상기 기판이 GaAs 기판인 경우, 상기 희생층은 AlAs일 수 있다. 상기 희생층의 두께는 희생층의 제거에 의해 광활성층-전극 복합체가 안정적으로 에피텍샬 리프트 오프될 수 있으며, 희생층 상부로 고품질의 광활성층이 형성될 수 있는 두께(즉, 과도한 잔류응력에 의한 결함이 형성되지 않을 두께)이면 족하다. 실질적인 일 예로, 상기 희생층의 두께는 3 nm 내지 100 nm일 수 있다.
상기 광활성층은 p-n 접합 또는 p-i-n 접합 구조일 수 있으며, p형 층을 형성하는 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 Si, Ge, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체일 수 있으며, n형 층을 형성하는 반도체층은 n형 불순물이 도핑된 Si, Ge, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체일 수 있으며, 진성 반도체층은 도핑되지 않은 Si, Ge, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체일 수 있다.
상술한 바와 같이, 진성 반도체층은 양자점을 함유하는 반도체층일 수 있는데, 이러한 양자점은 Si, Ge, SiGe, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체인 매질에 Si, Ge, SiGe, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체의 양자점이 형성된 층일 수 있다. 이러한 양자점을 함유하는 반도체층은 무기 태양전지 분야에서 통상적으로 사용하는 양자점 형성 방법을 이용하여 제조할 수 있으며, 실질적인 일 예로, 응력 완화를 위해 스스로 양자점으로 조립되는 자기 조립 양자점방 법을 이용할 수 있다. 일 예로 GaAs 층에 InAs 양자점을 성장할 경우, GaAs의 격자상수는 5.65 Å이고 InAs의 격자상수는 6.06 Å이므로 이러한 격자불일치에 기인하여 GaAs 상에 InAs 양자점이 형성될 수 있다.
나아가, 광활성층이 상술한 대칭형 탠덤구조를 가지는 경우, 제1 내지 제5 광활성층을 이루는 화합물 반도체의 물질들 및/또는 제1 내지 제5 광활성층에 함유되는 양자점의 크기 및/또는 종류에 의해 밴드갭 에너지의 조절이 가능함은 물론이다. 실질적인 일 예로, 기판이 아세나이드계(As)화합물반도체 일 때 가장 큰 밴드갭 에너지를 제공하는 반도체 물질은 AlxGa1-xAs(0 < x < 1) (p형), AlxGa1-xAs (n형), AlxGa1-xAs(i 또는 GaAs 양자점)일 수 있으며, 가장 작은 밴드갭 에너지를 제공하는 반도체 물질은 InAs/GaAs 양자점일 수 있으며, 그 중간 크기의 밴드갭 에너지를 제공하는 반도체 물질은 GaAs일 수 있다. 이때 상술한 바와 같이, 서로 다른 밴드갭 에너지를 제공하는 반도체 물질들은 밴드갭 에너지가 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 반도체층을 중심으로 대칭구조를 갖도록 적층된 구조일 수 있다.
또한, 광활성층이 상술한 대칭형 탠덤구조를 가지는 경우, 탠덤구조를 이루는 각 광활성층은 상술한 p-n 접합 또는 p-i-n 접합을 포함할 수 있는데, 실질적인 일 예로, 반도체 기판이 Ge일 때, (Al)InGaP(n형)-(Al)InGaP(p형), (In)GaAs(n형)-(In)GaAs(p형), Ge(n형)-Ge(p형)일 수 있다. 반도체 기판이 GaAs일 때, AlxGa1-xAs(p형)-AlxGa1-xAs(i)-AlxGa1-xAs(n형), GaAs(p형)-GaAs(i)-GaAs(n형), GaAs(p형)-GaAs(i)-GaAs(n형, InAs 양자점층 포함)에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 광활성층으로 상기 대칭형 탠덤구조를 가질 수 있다.
또한, 상술한 서로 다른 밴드갭 에너지를 제공하는 각 광활성층을 터널 접합시키는 터널접합층은 탠덤구조의 화합물 반도체 기반 태양전지에서 통상적으로 사용되며, 터널링에 의해 각 광활성층이 결합될 수 있는 두께의 물질층이면 족하다. 실질적인 일 예로, 반도체 기판이 Ge일 때, 터널접합층은 AlGaAs, InGaP 또는 GaAs일 수 있으며, 터널접합층의 두께는 1 nm 내지 50 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 상기 희생층 및 상기 광활성층(터널접합층을 포함함)은 각각 통상의 반도체 박막 증착 방법 및 장비를 통해 수행될 수 있으며, 일 예로, 화학적 증착, 물리적 증착, 물리-화학적 증착, 플라즈마 증착 등을 통해 수행될 수 있다. 이때, 유입되는 원료 가스 또는 분자선 또는 스퍼터링되는 원료 물질, 증착시간 등을 조절하여 증착되는 막의 종류 및 막의 두께를 제어할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 광활성층이 대칭형 탠덤구조일 경우, 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층의 일부를 표면으로 노출시키는 부분 에칭은 메사 에칭(mesa-etching)을 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 상기 제1전면전극 및/또는 제2전면전극은 통상적인 태양전지의 전면전극 구조이면 족하다. 일 예로, 제1전면전극 및/또는 제2전면전극은 어골구조 또는 빗(comb)구조일 수 있으며, 제1전면전극 및/또는 제2전면전극은 탄소나노튜브, 그래핀, 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 금(Au), 게르마늄(Ge), 아연(Zn), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 납(Pb), 팔라듐(Pd) 및 이들의 합금에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질이거나, FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 또는 ITO(Indium doped Tin Oxide)을 포함하는 투명전도성 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 상기 제1전면전극 및/또는 제2전면전극은 통상의 인쇄공정 또는 열증착과 같은 증착공정에 의해 수행될 수 있으며, 실질적인 일 예로, 전도성 잉크 조성물을 이용하여 전면전극을 형성하는 경우 스크린 프린팅과 같은 인쇄공정을 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 상기 제1투명기판 및/또는 제2투명기판은 지지체의 역할을 수행할 수 있으며 외부 환경으로부터 태양전지 셀 내부를 물리 화학적으로 보호할 수 있는 투명 소재이면 족하다. 실질적인 일 예로, 상기 제1투명기판 및/또는 제2투명기판은 소다라임유리를 포함하는 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 상기 제1투명기판 및/또는 제2투명기판은 광학부품의 접착 시 통상적으로 사용되는 접착제를 이용하여 부착될 수 있는데, 이러한 접착제의 실질적인 일 예로, 왁스(wax)를 들 수 있다. 그러나, 본 발명의 제조방법이 투명기판이 부착을 위해 사용되는 접착제의 종류에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 양면 수광형 태양전지를 포함한다.
상세하게, 도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태앙전지 셀은 제1투명기판(510), 제1전면전극(410), 광활성층(300), 제2전면전극(420) 및 제2투명기판(520)이 순차적으로 적층되고, 상기 제1투명기판(510) 및 상기 제2투명기판(520)을 통해 상기 광활성층(300)으로 광이 입사될 수 있다.
또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 광활성층은 대칭형 탠덤구조를 가질 수 있다.
상세하게, 상기 광활성층(300)은 적어도 제1광활성층(310), 제2광활성층(320), 제3광활성층(330), 제4광활성층(340) 및 제5광활성층(350)이 적층된 탠덤구조를 가지며, 상기 제1 내지 제5광활성층의 밴드갭 에너지는 하기 식 1, 식 2 및 식 3을 만족할 수 있다.
(식 1)
Eg(1)=Eg(5)
상기 식 1에서 Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(5)는 제5광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
(식 2)
Eg(2)=Eg(4)
상기 식 2에서 Eg(2)은 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(4)는 제4광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
(식 3)
E(3)<E(2)<E(1)
상기 식 3에서 Eg(3)은 제3광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(2)는 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
나아가, 도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태앙전지 셀은 제1투명기판(510), 제1전면전극(410), 광활성층(300), 제2전면전극(420) 및 제2투명기판(520)과 함께, 제일 작은 밴드갭 에너지를 제공하는 제3광활성층(330)과 접속하는 공통전극(430)을 더 포함할 수 있다.
이때, 양면 수광형 태양전지 셀은 제n광활성층(1≤n≤4인 자연수)과 제n+1광활성층(1≤n≤4인 자연수)사이에 터널접합층이 더 구비되어, 서로 인접하는 두 광활성층이 상기 터널접합층에 의해 접합할 수 있다.
도 9 내지 도 10의 일 실시예에 따른 태양전지에 있어, 상기 광활성층(300)은 양자점을 함유할 수 있으며, 실질적인 일 예로, p-n 접합 또는 p-i-n 접합에 의한 공핍영역(depletion region)에 양자점이 형성될 수 있다.
도 9 내지 도 10의 일 실시예에 따른 태양전지에 있어, 상기 제1투명기판을 통해 입사된 광은 광활성층, 일 예로, 상기 제1광활성층에서 제3광활성층으로 유입되며, 상기 제2투명기판을 통해 입사된 광 또한 동일한 광활성층, 일 예로, 상기 제5광활성층에서 제3광활성층으로 유입되어, 상기 제1투명기판 및 제2투명기판을 통해 입사된 광을 각각 광활성층, 일 예로, 제1광활성층, 제2광활성층, 제3광활성층 내지 제5광활성층, 제4광활성층, 제3광활성층 모두에서 흡수할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. a) 희생층이 형성된 반도체 기판에 광활성층을 형성하는 단계;
    b) 상기 광활성층 상부에 제1전면전극을 형성하고 상기 제1전면전극 상부에 제1투명기판을 부착하여 광활성층-전극 복합체를 제조하는 단계;
    c) 상기 희생층을 제거하여, 상기 광활성층-전극 복합체를 상기 반도체 기판으로부터 분리하는 단계; 및
    d) 상기 광활성층-전극 복합체의 제1투명기판과 대향하는 대향면에 제2전면전극을 형성하고 상기 제2전면전극 상부에 제2투명기판을 부착하는 단계;
    를 포함하는 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 단계는
    상기 반도체 기판에 제1도전형 불순물로 도핑된 제1도전형불순물층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 기판에 상기 제1도전형 불순물에 대해 상보적인 불순물인 제2도전형 불순물로 도핑된 제2도전형불순물층을 형성하는 단계;를 포함하는 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 단계는
    상기 반도체 기판에 제1 밴드갭 에너지를 갖는 제1광활성층을 형성하는 단계;
    상기 제1광활성층 상부에 제2 밴드갭 에너지를 갖는 제2광활성층을 형성하는 단계;
    상기 제2광활성층 상부에 제3 밴드갭 에너지를 갖는 제3광활성층을 형성하는 단계;
    상기 제3광활성층 상부에 제2 밴드갭 에너지를 갖는 제4광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 제4광활성층 상부에 제1 밴드갭 에너지를 갖는 제5광활성층을 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제1 내지 제3 밴드갭 에너지 중, 상기 제3 밴드갭 에너지가 상대적으로 가장 작은 밴드갭을 가지며, 상기 제1 밴드갭 에너지가 상기 제2 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭을 갖는 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 a) 단계 후 및 b) 단계 전,
    상기 a) 단계의 광활성층을 부분식각하여, 상기 제3광활성층의 일부를 표면으로 노출시키는 단계; 및
    상기 표면 노출된 제3광활성층 영역에 공통전극을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 단계는
    반도체 기판에 희생층을 형성하는 단계; 및
    상기 희생층 상부에 광활성층을 형성하는 단계;
    를 단위 공정으로 하여,
    상기 단위 공정이 2회 이상 반복 수행되는 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 단위 공정의 반복에 의해 형성된 광활성층 별로 상기 b) 단계가 수행되며, 상기 단위 공정의 반복에 의해 형성된 희생층 별로 상기 c) 단계가 수행되는 양면수광형 태양전지 셀의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항에서 선택된 어느 한 항의 제조방법으로 제조되어, 제1투명기판, 제1전면전극, 광활성층, 제2전면전극 및 제2투명기판이 순차적으로 적층되고, 상기 제1투명기판 및 상기 제2투명기판을 통해 상기 광활성층으로 광이 입사되는 양면 수광형 태양전지 셀.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광활성층은 적어도 제1광활성층, 제2광활성층, 제3광활성층, 제4광활성층 및 제5광활성층이 적층된 탠덤구조를 가지며, 상기 제1 내지 제5광활성층의 밴드갭 에너지는 하기 식 1, 식 2 및 식 3을 만족하는 양면 수광형 태양전지 셀.
    (식 1)
    Eg(1)=Eg(5)
    (상기 식 1에서 Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(5)는 제5광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다)
    (식 2)
    Eg(2)=Eg(4)
    (상기 식 2에서 Eg(2)은 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(4)는 제4광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다)
    (식 3)
    E(3)<E(2)<E(1)
    (상기 식 3에서 Eg(3)은 제3광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(2)는 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다)
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 양면 수광형 태양전지 셀은 상기 제3광활성층과 접속하는 공통전극을 더 포함하는 양면 수광형 태양전지 셀.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 양면 수광형 태양전지 셀은 상기 제1투명기판을 통해 입사된 광은 상기 제1광활성층에서 제5광활성층으로 유입되며, 상기 제2투명기판을 통해 입사된 광은 상기 제5광활성층에서 제1광활성층으로 유입되어, 상기 제1투명기판 및 제2투명기판을 통해 입사된 광을 제1광활성층 내지 제5광활성층 모두에서 흡수하는 양면 수광형 태양전지 셀.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 양면 수광형 태양전지 셀은 제n광활성층(1≤n≤4인 자연수)과 제n+1광활성층(1≤n≤4인 자연수)사이에 터널접합층이 더 구비되는 양면 수광형 태양전지 셀.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 광활성층은 양자점을 함유하는 양면 수광형 태양전지 셀.
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