WO2019107718A1 - 플렉서블 이중접합 태양전지 - Google Patents

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ingaas
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이상준
김준오
김영호
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한국표준과학연구원
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a double junction compound solar cell having a surface plasmon resonance structure.
  • Multi-junction solar cells based on III-V compound semiconductors have a direct-type energy bandgap and a high light absorption coefficient, so they can absorb the solar spectrum very efficiently.
  • compound semiconductor solar cells are the next generation renewable energy devices capable of achieving very high photoelectric conversion efficiency of 40% or more through optimum bandgap combination.
  • the currently commercialized InGaP / GaAs / Ge triple junction solar cell is grown on a Ge substrate by lattice matching of each epitaxial layer and has a photoelectric conversion efficiency of about 30% in a non-concentrated condition.
  • a band gap combination more optimized than a quadruple junction or a five-junction is required.
  • epitaxial layer growth with lattice mismatch with the substrate is required.
  • Epitaxial growth under lattice mismatch conditions can produce crystalline defects that reduce the short-circuit current density and open-circuit voltage of the solar cell. Therefore, special attention should be paid to the growth of the solar cell structure.
  • Plasmon resonance is a phenomenon in which free electrons in metal excited by incident light act collectively, and can be divided into local surface plasmon resonance and propagation type surface plasmon resonance. At the interface between the metal nanoparticle and the semiconductor, this surface plasmon resonance creates a strong electric field, which allows the semiconductor to absorb more light.
  • the light absorption band and the light absorption efficiency can be selectively modulated by adjusting the dielectric constant, the shape, and the arrangement period of the metal nanoparticles.
  • the present invention provides a method of fabricating a double junction solar cell, comprising: disposing a metal nano disk array and an empty space aligned with the metal nano disk array between a series connected lower InGaAs solar cell and an upper GaAs solar cell, And a double junction solar cell having excellent electrical characteristics.
  • the present invention is directed to a dual junction solar cell in which a metal nano disk array and an empty space aligned with the metal nano disk array are formed between a series-connected lower InGaAs solar cell and an upper GaAs solar cell of a double junction solar cell And a method for manufacturing the same.
  • a flexible double junction solar cell includes: a flexible substrate including a lower electrode layer; An InGaAs solar cell in contact with the lower electrode layer of the flexible substrate; And a GaAs solar cell disposed on the InGaAs solar cell and connected in series with the InGaAs solar cell.
  • the GaAs solar cell includes a metal nano disk array formed on a lower surface thereof and an empty space array aligned with the metal nano disk array is disposed under the metal nano disk array.
  • the InGaAs solar cell includes: a lower metal bonding layer disposed on the lower electrode layer; A semiconductor adhesive layer disposed on the upper metal bonding layer; An upper metal bonding layer disposed on the semiconductor bonding layer; An n + -InP contact layer disposed on the upper metal bonding layer; An n-InGaAs base layer disposed on the n-InP contact layer; A p + -InGaAs emitter layer disposed on the n-InGaAs base layer; A p + -InP window layer disposed on the p-InGaAs emitter layer; It may include InGaAs contact layer and the p ++ disposed on the p + -InP window layer.
  • the GaAs solar cell further comprises: an n + -GaAs contact layer disposed on the p ++ - InGaAs contact layer; An n + -InGaP white back-surface field layer disposed on the n + -GaAs contact layer; An n-GaAs base layer disposed on the n + -InGaP white sheet piece field layer; A p + -GaAs emitter layer disposed on the n-GaAs base layer; A p + -InGaP window layer disposed on the p + -GaAs emitter layer; And a p + -GaAs contact layer disposed on the p + -InGaP window layer.
  • the metal nano disk array may be disposed on a lower surface of the n + -GaAs contact layer, and the void space array may be disposed between the p ++ - InGaAs contact layer and the metal nano disk array.
  • the p + -GaAs contact layer comprises a non-reflective coating layer that includes a deposit portion and fills the depression; And an upper electrode layer disposed on the p + -GaAs contact layer.
  • the metal nano disk array is gold (Au)
  • the thickness of the metal nano disk array is 40 nm to 60 nm
  • the period of the metal nano disk array is 50 nm to 200 nm
  • the diameter of the disk array may be between 30 nm and 120 nm.
  • the double junction solar cell according to an embodiment of the present invention can provide a light reflection characteristic and an excellent electrical characteristic by a metal nano disk array and an empty space aligned with the metal nano disk array.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a flexible double junction solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method for fabricating a GaAs solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • 3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an InGaAs solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • 4A to 4F are cross-sectional views illustrating a step of bonding an InGaAs solar cell and a GaAs solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a simulation result showing the surface reflectance according to wavelength of the flexible double junction solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows the result of FIG. 5 as an enhancement factor (F) according to the wavelength depending on the presence of the metal nano disk array.
  • a highly efficient flexible GaAs / InGaAs double junction solar cell having a lattice mismatched structure is provided using a surface plasmon resonance structure fabrication technique and a wafer bonding technique.
  • the single junction GaAs solar cell and the epitaxial thin film of the InGaAs solar cell required for the fabrication of the double junction solar cell were fabricated by using molecular beam epitaxy or metalorganic chemical vapor deposition method using GaAs and InP High-quality epitaxial growth is achieved by lattice matching on the substrate.
  • the GaAs single junction solar cell structure is a reverse growth structure including an AlAs sacrificial layer so that the selected thin film layer can be separated from the substrate.
  • the InGaAs single junction solar cell structure is a reverse growth structure including an AlAs auxiliary sacrificial layer so that the selected thin film layer can be separated from the substrate.
  • a flexible GaAs / InGaAs double junction solar cell can be fabricated on a polyimide film on which a lower electrode layer is deposited.
  • the visible light band 300 to 800 nm
  • the light in the infrared band 800 to 1800 nm
  • the light that is not absorbed by the n-GaAs base layer is reflected by the lower metal layer located on the lower surface of the flexible double junction solar cell.
  • the lower metal layer is disposed on the polyimide film and has a high reflectance of 90% or more.
  • the light incident on the lower metal layer is reflected by the flexible double junction solar cell.
  • the reflected light is reabsorbed in the n-InGaAs base layer of the flexible double junction solar cell to contribute to the improvement of the photocurrent.
  • the flexible GaAs / InGaAs double junction solar cell according to an embodiment of the present invention is disposed on a flexible substrate such as a polyimide film, and is advantageous in installation and processing.
  • the specific wavelength may be around 1000 nm.
  • a metal nano disk array is inserted between the GaAs solar cell (upper cell) and the InGaAs solar cell (lower cell) to absorb the wavelength of the visible light region which is the main absorption band of the GaAs solar cell And the wavelength absorption of the infrared region, which is the main absorption band of the InGaAs solar cell, can be increased.
  • a metal nano disk array located on an InGaAs solar cell can increase the reflectance in the wavelength range of 300 to 550 nm and reduce the reflectance in the range of 780 to 1800 nm.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a flexible double junction solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the flexible double junction solar cell 10 includes a flexible substrate 334 including a lower electrode layer 332; An InGaAs solar cell 201 contacting the lower electrode layer 332 of the flexible substrate 334; And a GaAs solar cell 101 disposed on the InGaAs solar cell 201 and connected in series with the InGaAs solar cell.
  • the GaAs solar cell 101 includes a metal nano disk array 128 disposed on a lower surface thereof. An empty space array 129 aligned with the metal nano disk array 128 is disposed under the metal nano disk array 128.
  • the flexible substrate 334 may be a flexible polyimide film, a plastic film, or a metal film.
  • the lower electrode layer 332 may be disposed on the flexible substrate 334.
  • the lower electrode layer 332 may be a gold (Au) thin film.
  • the lower electrode layer 332 may be connected to an external circuit.
  • the InGaAs solar cell 201 may be disposed on the lower electrode layer 332.
  • the InGaAs solar cell 201 includes a lower metal bonding layer 228 disposed on the lower electrode layer 332; A semiconductor adhesive layer 226 disposed on the lower metal adhesive layer 228; An upper metal bonding layer 224 disposed on the semiconductor bonding layer 226; An n + -InP contact layer 222 disposed on the upper metal adhesion layer 224; An n-InGaAs base layer 220 disposed on the n-InP contact layer 222; A p + -InGaAs emitter layer 218 disposed on the n-InGaAs base layer 220; A p + -InP window layer 216 disposed on the p + -InGaAs emitter layer 218; It may include InGaAs contact layer (214) and the p ++ disposed on the p + -InP window layer 216.
  • the lower metal adhesive layer 228, the semiconductor adhesive layer 226 and the upper metal adhesive layer 224 may provide ohmic contact with the n + -InP contact layer 222.
  • the lower metal adhesive layer 228 may be made of the same material as the lower electrode layer 228. Specifically, the lower metal bonding layer 228 and the lower electrode layer 228 may be a gold (Au) thin film.
  • the semiconductor adhesive layer 226 may be germanium (Ge).
  • the upper metal bonding layer 224 may be palladium (Pd).
  • the n + -InP contact layer 222 may be disposed on the upper metal adhesion layer 224 to collect carriers formed in the n-InGaAs base layer 220.
  • the n-InGaAs base layer 220 may have a depletion region region. In the depletion layer region, carriers (electrons, holes) are mainly formed through light absorption. Carriers are drifted to the n-type semiconductor and the holes drift toward the p-type semiconductor due to the internal electric field existing at the pn junction interface.
  • the n-InGaAs base layer 220 may be n-InGa 0.53 As 0.47 .
  • the p + -InGaAs emitter layer 218 forms a pn junction with the n-InGaAs base layer 220.
  • the p + -InGaAs emitter layer 218 may be p + -In 0.53 Ga 0.47 As.
  • the p + -InP window layer 216 serves to increase the external quantum efficiency by lowering the recombination speed of carriers.
  • the p + -InP window layer 216 is formed of a material having a bandgap larger than that of the emitter semiconductor material. If there is no window layer on the emitter, the emitter material has a very fast surface recombination speed, so the carriers can not escape to the external circuit and are recombined (carrier recombination) in the emitter.
  • the p ++ -InGaAs contact layer 214 collects carriers.
  • the p ++ - InGaAs contact layer 214 is a p ++ - it may be an In 0.53 Ga 0.47 As.
  • the GaAs solar cell 101 is disposed on the InGaAs solar cell 201.
  • the vertically stacked double junction solar cell 10 can generate a parasitic junction.
  • a heavily doped p-n tunnel junction is used to reduce the parasitic junction.
  • a rapid thermal annealing process at several hundred degrees Celsius is required. In this process, the dopants existing in the tunnel junction are moved by thermal diffusion to lower the p-n tunnel junction interface characteristics and form a parasitic junction.
  • the void space array 129 periodically arranged between the stacked double junction solar cells reduces the area of the pn tunnel junction interface by the area of the metal nano disk array, The parasitic junction can be minimized by reducing the thermal diffusion of the dopant.
  • a metal nano disk array 128 is disposed on the upper surface of the empty space array.
  • the metal nano disk array 128 reflects the wavelength band of visible light incident on the GaAs solar cell 101 and transmits the infrared wavelength band.
  • the metal nano disk array 128 reflects an infrared wavelength band incident in the direction of the InGaAs solar cell 201.
  • the GaAs solar cell 101 includes an n + -GaAs contact layer 124 disposed on the p ++ -InGaAs contact layer 214 of the InGaAs solar cell 201; An n + -InGaP white back-surface field layer 122 disposed on the n + -GaAs contact layer 124; An n-GaAs base layer 120 disposed on the n + -InGaP white sheet piece field layer 122; A p + -GaAs emitter layer 118 disposed on the n-GaAs base layer 120; A p + -InGaP window layer 116 disposed on the p + -GaAs emitter layer 118; And a p + -GaAs contact layer (114) disposed on the p + -InGaP window layer (116).
  • the metal nano disk array 128 is disposed on the lower surface of the n + -GaAs contact layer 124 and the void space arrays 129 are formed on the p ++ -InGaAs contact layer 214 and the metal nano- Array 128.
  • the array 128 includes a plurality of pixels.
  • the n + -InGaP white sheet piece field layer 122 prevents the minority carriers from recombining with the majority carriers in the n + -GaAs contact layer 124 by the interfacial electric field.
  • the n & lt ; + & gt ; -InGaP white sheet piece field layer 122 is formed of n + -In 0 . 49 Ga 0 .51 P.
  • the p + -InGaP window layer 116 may be p + -In 0.49 Ga 0.51 P.
  • the n + -GaAs contact layer 124 may include holes arranged in a matrix form on the lower surface thereof. The holes do not penetrate the n + -GaAs contact layer. Each of the metal nano-disks may be disposed on the upper surface of the holes. Accordingly, the metal nano-disks can constitute the metal nano-disk array 128.
  • the metal nano disk may have a hollow space at the bottom without filling the holes.
  • the metal nano disk array 128 may be gold (Au).
  • the thickness of the metal nano disk array 128 may be 40 nm to 60 nm.
  • the period of the metal nano disk array may be 50 nm to 200 nm.
  • the diameter of the metal nano disk array may be 30 nm to 120 nm.
  • the thickness of the interstitial array 129 may be 40 nm to 60 nm.
  • the empty space array 129 may be maintained in a vacuum state.
  • the thickness of the empty space array can be appropriately controlled by controlling the inductively coupled plasma etching depth for embedding the metal nano disk array or adjusting the thickness of the metal nano disk array.
  • the effective refractive index of the metal nano-disk-to-void space interface can be modulated, and the wavelength of the infrared band incident in the direction of the InGaAs solar cell 201 can be effectively reflected.
  • the p & lt ; + & gt ; -GaAs contact layer 114 may include a charge 114a.
  • the depression 114a may expose the p + -InGaP window layer 116.
  • the anti-reflective coating layer 115 may fill the depression 114a.
  • the anti-reflective coating layer 115 may be ZnS or MgF 2 .
  • the upper electrode layer 111 may be disposed on the p + -GaAs contact layer 114.
  • the upper electrode layer 111 may provide ohmic contact with the p + -GaAs contact layer 114 and may have a finger pattern.
  • the upper electrode layer may be aligned with the p + -GaAs contact layer 114 and have a finger pattern.
  • the upper electrode layer 111 is formed by depositing an AuZn / Ni / Au multiple metal layer and thermally treating the substrate in a nitrogen atmosphere at a temperature ranging from 280 to 300 degrees Celsius for several minutes to form an ohmic contact.
  • the upper electrode layer 111 may be connected to an external circuit.
  • FIGS. 2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method for fabricating a GaAs solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • GaAs solar cell epitaxy is grown using thin film epitaxy equipment such as metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE).
  • MOCVD metalorganic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • a GaAs buffer layer 112 is formed on the n + -GaAs substrate 110.
  • the n + -GaAs substrate 110 may be doped n-type, but may be doped or undoped.
  • An AlAs sacrificial layer 113 grown in lattice-match on the GaAs buffer layer 112 is formed.
  • the p + -GaAs contact layer 116, the p + -InGaP window layer 116, the p + -GaAs emitter layer 118, the n-GaAs base layer 120, the n + -InGaP white-sheet-piece field layer 122, and an n + -GaAs contact layer 124 are sequentially formed.
  • a resist mask pattern 126 is formed on the n + -GaAs contact layer 124 through a patterning process.
  • the patterning process may be performed by photolithography, electron beam lithography, nanoimprint lithography, or laser interference lithography.
  • the resist mask pattern 126 may be in the form of a periodically arranged matrix.
  • anisotropic etching may be performed using the resist mask pattern 126 as an etching mask. Accordingly, the n & lt ; + & gt ; -GaAs contact layer 126 may be formed with a hole array 124a.
  • the anisotropic etching may be performed using an inductively coupled plasma etching apparatus.
  • the resist mask pattern 126 is removed by wet etching.
  • the metal thin film may be formed by electron beam evaporation.
  • the material of the metal thin film may be gold (Au).
  • the lower surface of the hole array 124a may be filled with a metal thin film.
  • a gold-nano disk array 128 may be formed on the n + -GaAs contact layer 124 of the GaAs solar cell 101 by performing a lift-off process using an acetone solution .
  • 3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an InGaAs solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • InGaAs solar cell epitaxy is grown using thin film epitaxy equipment such as metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE).
  • MOCVD metalorganic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • An InP buffer layer 212 is formed on the n + -InP substrate 210.
  • the p + -InGaAs contact layer 214, the p + -InP window layer 216, the p + -InGaAs emitter layer 218, the n- An InGaAs base layer 220, and an n + -InP contact layer 222 are formed.
  • an upper metal bonding layer 224, a semiconductor bonding layer 226, and a lower metal bonding layer 228 are sequentially stacked on the n + -InP contact layer 222.
  • rapid thermal processing may be performed.
  • the rapid thermal annealing may be performed within a range of from 300 degrees Celsius to 400 degrees Celsius in a few minutes under a nitrogen atmosphere below atmospheric pressure.
  • the upper metal bonding layer 224, the semiconductor bonding layer 226, and the lower metal bonding layer 228 may form an ohmic contact with the n + -InP contact layer.
  • the upper metal bonding layer 224 may be Pd
  • the semiconductor bonding layer 226 may be Ge
  • the lower metal bonding layer 228 may be Au.
  • a flexible substrate 334 including a lower electrode layer 332 is prepared.
  • the lower electrode layer 332 may be a gold thin film
  • the flexible substrate 334 may be a polyimide film.
  • n + -InP substrate 210 is flipped over the flexible substrate 334 to join the lower electrode layer 332 and the lower metal adhesion layer 228 so as to face each other.
  • a pressure of 50 MPa is applied at a temperature of 180 degrees Celsius so that the lower electrode layer 332 and the lower metal adhesion layer 228 are bonded to each other. Bonding of the lower electrode layer 332 and the lower metal bonding layer 228 may be performed using a conventional wafer bonder.
  • 4A to 4F are cross-sectional views illustrating a step of bonding an InGaAs solar cell and a GaAs solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the n + -GaAs contact layer 124 of the GaAs solar cell 101 can be surface-treated and activated by using argon or oxygen plasma before wafer bonding.
  • the p ++ -InGaAs contact layer 214 of the InGaAs solar cell 201 can be surface-treated and activated by using argon or oxygen plasma before wafer bonding.
  • the n + -GaAs contact layer 124 and the metal nano disk array 128 of the GaAs solar cell 101 are connected to the p ++ -InGaAs contact layer 214 of the InGaAs solar cell 201, As shown in Fig.
  • the wafer bonder performs wafer bonding by applying a pressure of about 50 MPa to the GaAs solar cell 101 and the InGaAs solar cell 201 at room temperature in a vacuum state. After wafer bonding, the empty space array 129 around the metal nano disk array can be maintained in a vacuum state.
  • the double junction solar cell is manufactured by using a HF solution diluted with a 1: 5 ratio of hydrofluoric acid-HF (de-ionized water) (113) is removed. That is, an epitaxial lift-off process for separating the n + -GaAs substrate 110 and the GaAs buffer layer 112 from the p + -GaAs contact layer 114 is performed.
  • a photoresist mask 191 may be formed by performing a photolithography process on the p + -GaAs contact layer 114 of the GaAs solar cell 101.
  • a metal thin film for forming an upper electrode layer may be deposited on the substrate on which the photoresist mask 191 is formed. Then, the photoresist mask 191 can be removed. Accordingly, a finger pattern-shaped upper electrode layer 111 locally disposed on the p + -GaAs contact layer 114 may be formed.
  • the p + -GaAs contact layer 114 may be etched using the upper electrode layer 111 as an etch mask to form a depression 114a.
  • the depression 114a may expose the upper surface of the p + -InGaP window layer 116.
  • an auxiliary photoresist mask is formed on the top electrode layer 111 using a photolithography process. Subsequently, a thin film that forms an anti-reflecction coating layer 115 may be deposited. The thin film may be ZnS or MgF 2 . The auxiliary photoresist mask can then be removed. The anti-reflective coating layer 115 may be disposed in contact with the p + -InGaP window layer 116 to fill the depression 114a. The anti-reflective coating layer 115 can minimize reflection of sunlight. The anti-reflective coating layer 115 may be ZnS or MgF 2 .
  • 5 is a simulation result showing the surface reflectance according to wavelength of the flexible double junction solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the metal nano disk arrays are arranged in a matrix shape, the period is 100 nm, the diameter of the nano disk is 60 nm, and the thickness is 50 nm.
  • FDTD finite difference time domain
  • FIG. 6 shows the result of FIG. 5 as an enhancement factor (F) according to the wavelength depending on the presence of the metal nano disk array.
  • the surface reflectance enhancement factor F is shown by dividing the value of two reflectances depending on the presence or absence of the metal nano disk array 128, using the simulation result of FIG.
  • the reflectance enhancement is greater than 1 in the wavelength range of 300 nm to 550 nm. This means that the reflectance of the corresponding wavelength is improved by the light reflection effect of the metal nano disk array.
  • the reflected light may be reabsorbed by the GaAs solar cell 101 located on the metal nano disk array to increase the light absorption efficiency.
  • the reflectance improvement degree is smaller than 1 due to the surface plasmon effect of the metal nano disk array. This means that the reflectance of the wavelength is reduced. As a result, the light absorption of the InGaAs solar cell is improved by the reduced reflectance.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 이중접합 태양전지는, 하부 전극층을 포함하는 유연성 기판; 상기 유연성 기판의 상기 하부 전극층과 접촉하는 InGaAs 태양 전지; 및 상기 InGaAs 태양 전지 상에 배치되고 상기 InGaAs 태양 전지와 직렬 연결된 GaAs 태양 전지;를 포함한다. 상기 GaAs 태양 전지는 그 하부면에 형성된 금속 나노디스크 어레이를 포함하고, 상기 금속 나노디스크 어레이의 하부에는 상기 금속 나노디스크 어레이와 정렬된 빈공간 어레이가 배치된다.

Description

플렉서블 이중접합 태양전지
본 발명은 이중접합 화합물 태양 전지에 관한 것으로, 더 구체적으로, 표면 플라즈몬 공명 구조(surface plasmon resonance structure)를 구비한 이중 접합 화합물 태양전지에 관한 것이다.
III-V 화합물 반도체 기반의 다중접합 태양전지는 직접형 에너지 밴드갭(direct-type energy bandgap)과 높은 광흡수 계수를 갖기 때문에 태양광 스펙트럼을 매우 효율적으로 흡수할 수 있다. 또한, 화합물 반도체 태양전지는 최적의 밴드갭 조합을 통해 40 퍼센트 이상의 매우 높은 광전변환효율을 달성할 수 있는 차세대 신재생 에너지 소자이다.
현재 상용화 되어있는 InGaP/GaAs/Ge 삼중접합 태양전지는 Ge 기판에 각각의 에피탁시얼 층이 격자 정합으로 성장되며 비집광 조건(non-concentrated condition)에서 약 30%의 광전 변환효율을 갖는다.
태양전지의 변환효율을 더욱 향상시키기 위해서는 4중접합, 5중접합 등 보다 최적화된 밴드갭 조합이 필요하다. 이를 구현하기 위해서는 기판과 격자 부정합을 이루는 에피탁시얼층 성장이 필요하다. 격자 부정합 조건에서의 에피탁시얼 성장은 태양전지의 단락전류밀도(short-circuit current density)와 개방전압(open-circuit voltage)을 감소시키는 결정질 결함을 생성할 수 있다. 따라서, 태양전지 구조 성장시에 각별한 주의가 필요하다.
최근 태양전지의 효율향상을 위한 새로운 방법으로 금속 나노입자를 태양전지의 표면에 도입하여 나노입자에 의한 광산란 효과 증대 및 플라즈몬 공명(plasmon resonance) 발생을 통해 태양전지의 광흡수를 획기적으로 증가시키려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 플라즈몬 공명은 입사광에 의해 여기된 금속 내의 자유전자들이 집단적으로 거동하는 현상으로 국부적 표면 플라즈몬 공명과 전파형 표면 플라즈몬 공명으로 나눌 수 있다. 금속 나노입자와 반도체의 계면에서는 이러한 표면 플라즈몬 공명으로 인해 강한 전기장이 형성되어 반도체는 더욱 많은 빛을 흡수할 수 있게 된다. 또한, 금속 나노입자의 유전율, 형태, 배열 주기 등을 조절하여 광흡수 대역 및 광흡수 효율을 선택적으로 변조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 이중 접합 태양전지의 직렬 연결된 하부 InGaAs 태양전지와 상부 GaAs 태양전지 사이에 금속 나노디스크 어레이 및 상기 금속 나노디스크 어레이와 정렬된 빈공간을 배치하여, 광 반사 특성 및 우수한 전기적 특성을 이중 접합 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 이중 접합 태양전지의 직렬 연결된 하부 InGaAs 태양전지와 상부 GaAs 태양전지 사이에 금속 나노디스크 어레이 및 상기 금속 나노디스크 어레이와 정렬된 빈공간이 형성된 이중 접합 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 이중접합 태양전지는, 하부 전극층을 포함하는 유연성 기판; 상기 유연성 기판의 상기 하부 전극층과 접촉하는 InGaAs 태양 전지; 및 상기 InGaAs 태양 전지 상에 배치되고 상기 InGaAs 태양 전지와 직렬 연결된 GaAs 태양 전지;를 포함한다. 상기 GaAs 태양 전지는 그 하부면에 형성된 금속 나노디스크 어레이를 포함하고, 상기 금속 나노디스크 어레이의 하부에는 상기 금속 나노디스크 어레이와 정렬된 빈공간 어레이가 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 InGaAs 태양 전지는, 상기 하부 전극층 상에 배치된 하부 금속 접착층; 상기 상부 금속 접착층 상에 배치된 반도체 접착층; 상기 반도체 접착층 상에 배치된 상부 금속 접착층; 상기 상부 금속 접착층 상에 배치된 n+-InP 컨택층; 상기 n-InP 컨택층 상에 배치된 n-InGaAs 베이스층; 상기 n-InGaAs 베이스층 상에 배치된 p+-InGaAs 에미터층; 상기 p-InGaAs 에미터층 상에 배치된 p+-InP 윈도우층; 및 상기 p+-InP 윈도우층 상에 배치된 p++- InGaAs 컨택층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 GaAs 태양 전지는, 상기 p++- InGaAs 컨택층 상에 배치된 n+-GaAs 컨택층; 상기 n+-GaAs 컨택층 상에 배치된 n+-InGaP 백서피스필드층(back-surface field layer); 상기 n+-InGaP 백서피스필드층 상에 배치된 n-GaAs 베이스층; 상기 n-GaAs 베이스층 상에 배치된 p+-GaAs 에미터층; 상기 p+-GaAs 에미터층 상에 배치된 p+-InGaP 윈도우층; 및 상기 p+-InGaP 윈도우층 상에 배치된 p+-GaAs 컨택층을 포함할 수 있다. 상기 금속 나노디스크 어레이는 상기 n+-GaAs 컨택층의 하부면에 배치되고, 상기 빈공간 어레이는 상기 p++- InGaAs 컨택층과 상기 금속 나노디스크 어레이 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 p+-GaAs 컨택층은 함물부를 포함하고, 상기 함몰부를 채우는 무반사코팅층; 및 상기 p+-GaAs 컨택층 상에 배치된 상부 전극층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 나노디스크 어레이는 금(Au)이고, 상기 금속 나노디스크 어레이의 두께는 40nm 내지 60nm이고, 상기 금속 나노디스크 어레이의 주기는 50nm 내지 200nm이고, 상기 금속 나노디스크 어레이의 지름은 30nm 내지 120nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 이중접합 태양전지의 제조 방법은, n+-GaAs 기판 상에 GaAs 버퍼층, AlAs 희생층, p+-GaAs 컨택층, p+-InGaP 윈도우층, p+-GaAs 에미터층, n-GaAs 베이스층, n+-InGaP 백서피스필드층, 및 n+-GaAs 컨택층을 구비한 GaAs 태양전지를 준비하는 단계; 상기 GaAs 태양전지의 n+-GaAs 컨택층에 형성된 홀 어레이의 하부면에 금속 나노디스크 어레이를 형성하고 상기 금속 나노디스크 어레이의 상부에는 빈 공간을 형성하는 단계; n+-InP 기판 상에 차례로 적층된 InP 버퍼층, AlAs 보조 희생층, p++-InGaAs 컨택층, p+-InP 윈도우층, p+-InGaAs 에미터층, n-InGaAs 베이스층, 및 n+-InP 컨택층을 구비한 InGaAs 태양전지를 준비하는 단계; 상기 InGaAs 태양전지의 n+-InP 컨택층 상에 차례로 상부 금속 접착층, 반도체 접착층, 및 하부 금속 접착층을 적층하는 단계; 상기 InGaAs 태양전지에 적층된 하부 금속 접착층과 하부 전극층을 포함하는 유연성 기판과 본딩하는 단계; 상기 InGaAs 태양전지의 AlAs 보조 희생층을 제거하여 p++-InGaAs 컨택층을 노출시키는 단계; 상기 InGaAs 태양전지의 상기 p++-InGaAs 컨택층과 상기 GaAs 태양전지의 n+-GaAs 컨택층을 웨이퍼 본딩하여 이중접합 태양 전지를 형성하는 단계; 및 상기 이중접합 태양 전지에서 상기 GaAs 태양전지의 상기 AlAs 희생층을 제거하여 상기 p+-GaAs 컨택층을 노출시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 p+-GaAs 컨택층 상에 국부적으로 상부 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 p+-GaAs 컨택층이 국부적으로 제거된 함몰부에 무반사코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중 접합 태양전지는, 금속 나노디스크 어레이 및 상기 금속 나노디스크 어레이와 정렬된 빈공간에 의하여 광 반사 특성 및 우수한 전기적 특성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 이중접합 태양전지를 설명하는 개념도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaAs 태양전지의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 InGaAs 태양 전지의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 InGaAs 태양전지와 GaAs 태양 전지를 접합하는 단계를 설명하는 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 이중접합 태양전지의 파장에 따른 표면 반사도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 도 5의 결과를 금속 나노디스크 어레이의 존재에 따른 파장에 따른 표면 반사율 향상도(enhancement factor, F)로 표시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 표면 플라즈몬 공명 구조 제작 기술과 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 격자 부정합 구조를 가진 고효율 플렉서블 GaAs/InGaAs 2중접합 태양전지가 제공된다. 2중접합 태양전지 제작에 필요한 단일접합 GaAs 태양전지 및 InGaAs 태양전지의 에피탁시얼 박막은 분자선에피택시(molecular beam epitaxy) 또는 유기금속화학증착(metalorganic chemical vapor deposition)법을 이용해 각각 GaAs 및 InP 기판 상에 격자 정합으로 고품질의 에피탁시얼 성장이 이루어진다.
GaAs 단일접합 태양전지 구조는 선정된 박막층을 기판으로부터 분리할 수 있도록 AlAs 희생층이 포함된 역방향 성장 구조이다. InGaAs 단일접합 태양전지 구조는 선정된 박막층을 기판으로부터 분리할 수 있도록 AlAs 보조 희생층이 포함된 역방향 성장 구조이다.
플렉서블 GaAs/InGaAs 이중접합 태양전지는 하부 전극층이 증착된 폴리이미드 필름 상에 제작될 수 있다. 상기 플렉서블 이중 접합 태양전지에 입사되는 태양광 중에서 가시광선 대역(300~800nm)의 빛은 상부 GaAs 셀의 n-GaAs 베이스층에 의해 주로 흡수된다. 적외선 대역(800~1800nm)의 빛은 하부 InGaAs 셀의 n-InGaAs 베이스층에 의해 흡수된다. 상기 n-GaAs 베이스 층에 흡수되지 못한 빛은 상기 플렉서블 이중 접합 태양전지의 하부면에 위치한 상기 하부 금속층에서 반사된다. 상기 하부 금속층은 상기 폴리이미드 필름 상에 배치되고, 90% 이상의 높은 반사율을 가진다. 상기 하부 금속층에서 입사된 빛은 상기 플렉서블 이중 접합 태양전지로 반사된다. 반사된 빛은 상기 플렉서블 이중 접합 태양전지의 n-InGaAs 베이스층 내에서 재흡수 되어 광전류 향상에 기여한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 GaAs/InGaAs 이중접합 태양전지는 폴리이미드 필름과 같은 유연성 기판 상에 배치되어 설치 및 가공에서 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 GaAs/InGaAs 이중접합 태양전지에서, InGaAs 태양 전지는 하부 전극층과 금속 나노디스크 어레이에 의하여 패브리-페로 공동(Fabry-Perot Cavity) 구조를 갖는다. 따라서 InGaAs 태양전지의 박막 두께 최적 설계를 통해 특정 파장(λ=2nL/m, λ: 공명파장, n: 하부 InGaAs 태양전지 박막의 유효 굴절률, L:태양전지 박막 총 두께, m: 1, 2, 3, ...)의 빛은 패브리-페로 공명(resonance) 현상을 발생시킨다. 이에 따라, 상기 하부 InGaAs 태양전지의 광흡수 효율을 높일 수 있다. 상기 특정 파장은 1000nm 근처일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 나노디스크 어레이가 상기 GaAs 태양전지(상부셀)와 상기 InGaAs 태양전지(하부셀) 사이에 삽입되어 상기 GaAs 태양전지의 주된 흡수 대역인 가시광선 영역의 파장 흡수를 증가시키고, 상기 InGaAs 태양전지의 주된 흡수 대역인 적외선 영역의 파장 흡수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, InGaAs 태양전지 위에 위치한 금속 나노디스크 어레이는 300~550nm 파장 범위에서 반사율를 증가시키고, 780~1800nm 영역에서는 반사율을 감소시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 이중접합 태양전지를 설명하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 상기 플렉서블 이중접합 태양전지(10)는, 하부 전극층(332)을 포함하는 유연성 기판(334); 상기 유연성 기판(334)의 상기 하부 전극층(332)과 접촉하는 InGaAs 태양 전지(201); 및 상기 InGaAs 태양 전지(201) 상에 배치되고 상기 InGaAs 태양 전지와 직렬 연결된 GaAs 태양 전지(101);를 포함한다. 상기 GaAs 태양 전지(101)는 그 하부면에 배치된 금속 나노디스크 어레이(128)를 포함한다. 상기 금속 나노디스크 어레이(128)의 하부에는 상기 금속 나노디스크 어레이(128)와 정렬된 빈공간 어레이(129)가 배치된다.
상기 유연성 기판(334)은 유연성을 가진 폴리이미드 필름, 플라스틱 피름, 또는 금속 필름일 수 있다.
상기 하부 전극층(332)은 상기 유연성 기판(334) 상에 배치될 수 있다. 상기 하부 전극층(332)은 금(Au) 박막일 수 있다. 상기 하부 전극층(332)은 외부 회로에 연결될 수 있다.
상기 InGaAs 태양 전지(201)는 상기 하부 전극층(332) 상에 배치될 수 있다. 상기 InGaAs 태양 전지(201)는, 상기 하부 전극층(332) 상에 배치된 하부 금속 접착층(228); 상기 하부 금속 접착층(228) 상에 배치된 반도체 접착층(226); 상기 반도체 접착층(226) 상에 배치된 상부 금속 접착층(224); 상기 상부 금속 접착층(224) 상에 배치된 n+-InP 컨택층(222); 상기 n-InP 컨택층(222) 상에 배치된 n-InGaAs 베이스층(220); 상기 n-InGaAs 베이스층(220) 상에 배치된 p+-InGaAs 에미터층(218); 상기 p+-InGaAs 에미터층(218) 상에 배치된 p+-InP 윈도우층(216); 및 상기 p+-InP 윈도우층(216) 상에 배치된 p++- InGaAs 컨택층(214)을 포함할 수 있다.
상기 하부 금속 접착층(228), 상기 반도체 접착층(226), 및 상기 상부 금속 접착층(224)은 상기 n+-InP 컨택층(222)과 오믹 접합을 제공할 수 있다. 상기 하부 금속 접착층(228)은 상기 하부 전극층(228)과 동일한 재질일 수 있다. 구체적으로, 상기 하부 금속 접착층(228) 및 상기 하부 전극층(228)은 금(Au) 박막일 수 있다. 상기 반도체 접착층(226)은 저마늄(Ge)일 수 있다. 상기 상부 금속 접착층(224)은 팔라듐(Pd)일 수 있다.
상기 n+-InP 컨택층(222)은 상기 상부 금속 접착층(224) 상에 배치되어 상기 n-InGaAs 베이스층(220)에서 형성된 케리어를 수집할 수 있다.
상기 n-InGaAs 베이스층(220)은 공핍층(depletion region) 영역을 가질 수 있다. 공핍층 영역에서 주로 광흡수를 통해 캐리어들(전자, 정공)이 만들어진다. 캐리어들은 p-n 접합 계면에 존재하는 내부 전기장에 의해 전자는 n-type 반도체쪽으로, 정공은 p-type 반도체쪽으로 드리프트 (drift)하여 이동한다. 상기 n-InGaAs 베이스층(220)은 n-InGa0.53As0.47 일 수 있다.
상기 p+-InGaAs 에미터층(218)은 상기 n-InGaAs 베이스층(220)과 pn 접합을 구성한다. 상기 p+-InGaAs 에미터층(218)은 p+-In0.53Ga0.47As 일 수 있다.
상기 p+-InP 윈도우층(216)은 케리어의 재결합 속도를 낮추어 외부 양자 효율을 높이는 역할을 한다. 상기 p+-InP 윈도우층(216)은 에미터 반도체 물질의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 갖는 물질이 사용된다. 에미터 위에 창문층이 존재하지 않는다면, 에미터 물질은 매우 빠른 표면 재결합 속도를 가지기 때문에 캐리어들이 외부 회로로 빠져나가지 못하고 에미터 내부에서 재결합 (carrier recombination) 되어 소멸된다.
상기 p++-InGaAs 컨택층(214)은 케리어를 수집한다. 상기 p++- InGaAs 컨택층(214)은 p++- In0.53Ga0.47As 일 수 있다.
상기 InGaAs 태양전지(201) 상에 상기 GaAs 태양전지(101)가 배치된다. 수직으로 적층된 이중접합 태양전지(10)는 기생 접합(parasitic junction)을 생성할 수 있다. 통상적으로, 상기 기생 접합을 감소시키기 위하여 고농도로 도핑된 p-n 터널 접합이 사용된다. 태양전지 전극층의 오믹 접합 형성을 위해 섭씨 수백 도에서 급속열처리 공정이 필요한데 이 과정에서 터널접합에 존재하는 도펀트(dopant)들이 열확산에 의해 이동하여 p-n 터널 접합 계면 특성을 저하시키고 기생 접합을 형성시킨다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층된 이중접합 태양전지 사이에 주기적으로 배열된 빈공간 어레이(129) 구조는 금속 나노디스크 어레이의 면적만큼 p-n 터널 접합 계면의 면적이 줄어들게 되어 계면에서 발생하는 도펀트의 열확산을 감소시킴으로써 상기 기생 접합을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 빈 공간 어레이의 상부면에 금속 나노디스크 어레이(128)가 배치된다. 상기 금속 나노디스크 어레이(128)는 상기 GaAs 태양전지(101) 방향에서 입사하는 가시광선 파장 대역을 반사시키고 적외선 파장 대역을 투과시킨다. 또한, 상기 금속 나노디스크 어레이(128)는 상기 InGaAs 태양전지(201) 방향에서 입사하는 적외선 파장 대역을 반사시킨다.
상기 GaAs 태양 전지(101)는, 상기 InGaAs 태양전지(201)의 상기 p++-InGaAs 컨택층(214) 상에 배치된 n+-GaAs 컨택층(124); 상기 n+-GaAs 컨택층 (124)상에 배치된 n+-InGaP 백서피스필드층(back-surface field layer, 122); 상기 n+-InGaP 백서피스필드층(122) 상에 배치된 n-GaAs 베이스층(120); 상기 n-GaAs 베이스층(120) 상에 배치된 p+-GaAs 에미터층(118); 상기 p+-GaAs 에미터층(118) 상에 배치된 p+-InGaP 윈도우층(116); 및 상기 p+-InGaP 윈도우층(116) 상에 배치된 p+-GaAs 컨택층(114)을 포함한다.
상기 금속 나노디스크 어레이(128)는 상기 n+-GaAs 컨택층(124)의 하부면에 배치되고, 상기 빈공간 어레이(129)는 상기 p++- InGaAs 컨택층(214)과 상기 금속 나노디스크 어레이(128) 사이에 배치된다.
상기 n+-InGaP 백서피스필드층(122)은 계면 전기장에 의해 소수 캐리어가 상기 n+-GaAs 컨택층(124)에서 다수 캐리어와 재결합하는 것을 방지한다. 상기 n+-InGaP 백서피스필드층(122)은 n+-In0 . 49Ga0 .51P 일 수 있다. 상기 p+-InGaP 윈도우층(116)은 p+-In0.49Ga0.51P 일 수 있다.
상기 n+-GaAs 컨택층(124)은, 그 하부면에 매트릭스 형태로 배치된 홀들을 포함할 수 있다. 상기 홀들은 상기 n+-GaAs 컨택층을 관통하지 않는다. 상기 홀들의 상부면에는 금속 나노디스크들 각각 배치될 수 있다. 이에 따라, 금속 나노디스크들은 금속 나노디스크 어레이(128)를 구성할 수 있다. 상기 금속 나노디스크는 상기 홀을 전부 채우지 않고 하측에는 빈 공간을 가질 수 있다.
상기 금속 나노디스크 어레이(128)는 금(Au)일 수 있다. 상기 금속 나노디스크 어레이(128)의 두께는 40nm 내지 60nm일 수 있다. 상기 금속 나노디스크 어레이의 주기는 50nm 내지 200nm일 수 있다. 상기 금속 나노디스크 어레이의 지름은 30nm 내지 120nm일 수 있다. 상기 빈공 간 어레이(129)의 두께는 40nm 내지 60nm일 수 있다. 상기 빈 공간 어레이(129)는 진공 상태로 유지될 수 있다.
금속 나노디스크 어레이의 매립을 위한 유도결합플라즈마 식각 깊이 조절이나 금속 나노디스크 어레이의 두께 조절을 통해 상기 빈공간 어레이의 두께를 적절히 제어할 수 있다. 이로써 금속 나노디스크-빈공간 계면의 유효 굴절률 변조가 가능하며 상기 InGaAs 태양전지(201) 방향에서 입사하는 적외선 대역의 파장을 효과적으로 반사시킬 수 있다.
상기 p+-GaAs 컨택층(114)은 함물부(114a)를 포함할 수 있다. 상기 함몰부(114a)는 상기 p+-InGaP 윈도우층(116)을 노출시킬 수 있다. 무반사코팅층(115)은 상기 함몰부(114a)를 채울 수 있다. 상기 무반사코팅층(115)은 또는 ZnS 또는 MgF2 일 수 있다.
상부 전극층(111)은 상기 p+-GaAs 컨택층(114)에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극층(111)은 상기 p+-GaAs 컨택층(114)과 오믹 접합을 제공하고 핑거 패턴을 가질 수 있다. 상기 상부 전극층은 상기 p+-GaAs 컨택층(114)과 정렬되고 핑거 패턴을 가질 수 있다. 상기 상부 전극층(111)은 AuZn/Ni/Au 다중 금속층을 증착하고 질소 분위기 하에서 섭씨 280~300도 범위에서 수분동안 열처리하여 오믹 접합을 형성한다.
상기 상부 전극층(111)은 외부 회로에 연결될 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaAs 태양전지의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, GaAs 태양전지(101)의 제조 방법이 설명된다. MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition)나 MBE (molecular beam epitaxy)와 같은 박막 에피택시 장비를 이용하여 GaAs 태양전지 에피탁시를 성장한다. n+-GaAs 기판(110) 상에 GaAs 버퍼층(112)이 형성된다. 상기 n+-GaAs 기판(110)은 n-type으로 도핑될 수 있으나, p-type의 도핑되거나 도핑되지 않을 수도 있다. 상기 GaAs 버퍼층(112) 상에 격자정합 (lattice-match)으로 성장된 AlAs 희생층(113)을 형성한다. 상기 AlAs 희생층(113) 상에 p+-GaAs 컨택층(116), p+-InGaP 윈도우층(116), p+-GaAs 에미터층(118), n-GaAs 베이스층(120), n+-InGaP 백서피스필드층(122), 및 n+-GaAs 컨택층(124)을 순차적으로 형성한다.
도 2b를 참조하면, 상기 n+-GaAs 컨택층(124) 상에 패터닝 공정을 통하여 레지스트 마스크 패턴(126)을 형성한다. 상기 패터닝 공정은 포토 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 또는 레이저 간섭 리소그래피에 의하여 수행될 수 있다. 상기 레지스트 마스크 패턴(126)은 주기적으로 배열된 매트릭스 형태일 수 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 레지스트 마스크 패턴(126)을 식각 마스크로 사용하여 이방성 식각을 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 n+-GaAs 컨택층(126)에 홀 어레이(124a)가 형성될 수 있다. 상기 이방성 식각은 유도결합플라즈마(inductively coupled plasma) 식각 장비를 사용하여 수행될 수 있다.
도 2d 및 도 2e를 참조하면, 상기 레지스트 마스크 패턴(126)이 있는 상기 n+-GaAs 기판(110) 상에 금속 박막을 증착한 후 상기 레지스트 마스크 패턴(126)를 습식 식각으로 제거한다. 상기 금속 박막은 전자빔 증착법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 금속 박막의 재질은 금(Au)일 수 있다. 이에 따라, 상기 홀 어레이(124a)의 하부면은 금속 박막으로 채워질 수 있다. 구체적으로, 아세톤 용액을 사용하여 리프트-오프(lift-off) 공정을 진행하면 금 나노디스크 어레이(128)가 상기 GaAs 태양전지(101)의 n+-GaAs 컨택층(124)에 형성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 InGaAs 태양 전지의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 3a를 참조하면, InGaAs 태양전지(201)의 제조 방법이 설명된다. MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition)나 MBE (molecular beam epitaxy)와 같은 박막 에피택시 장비를 이용하여 InGaAs 태양전지 에피탁시를 성장시킨다.
n+-InP 기판(210) 상에 InP 버퍼층(212)을 형성한다. 상기 InP 버퍼층(212) 상에 차례로 AlAs 보조 희생층(213), p++-InGaAs 컨택층(214), p+-InP 윈도우층(216), p+-InGaAs 에미터층(218), n-InGaAs 베이스층(220), 및 n+-InP 컨택층(222)을 형성한다.
도 3b를 참조하면, 상기 n+-InP 컨택층(222) 상에 차례로 상부 금속 접착층(224), 반도체 접착층(226), 및 하부 금속 접착층(228)을 적층한다. 상부 금속 접착층(224), 반도체 접착층(226), 및 하부 금속 접착층(228)을 증착한 후 급속 열처리가 수행될 수 있다. 상기 급속 열처리는 대기압 이하의 질소 분위기 하에서 섭씨 300도 내지 섭씨 400도 범위에서 수분 이내로 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 상부 금속 접착층(224), 상기 반도체 접착층(226), 및 상기 하부 금속 접착층(228)은 상기 기 n+-InP 컨택층과 오믹 접합을 형성할 수 있다. 상기 상부 금속 접착층(224)은 Pd이고, 상기 반도체 접착층(226)은 Ge이고, 상기 하부 금속 접착층(228)은 Au일 수 있다.
도 3c를 참조하면, 하부 전극층(332)을 포함하는 유연성 기판(334)이 준비된다. 상기 하부 전극층(332)은 금박막이고, 상기 유연성 기판(334)은 폴리이미드 필름일 수 있다.
상기 유연성 기판(334) 상에 상기 n+-InP 기판(210)을 뒤집어 상기 하부 전극층(332)과 상기 하부 금속 접착층(228)이 서로 마주보도록 접합한다. 상기 하부 전극층(332)과 상기 하부 금속 접착층(228)이 서로 본딩되도록, 섭씨 180도의 온도에서 50MPa의 압력을 인가한다. 상기 하부 전극층(332)과 상기 하부 금속 접착층(228)의 본딩은, 통상적인 웨이퍼 본더를 사용하여 수행될 수 있다.
도 3d 및 도 3e를 참조하면, 상기 유연성 기판(334)과 상기 n+-InP 기판(210)이 서로 접합된 InGaAs 태양전지 기판에서, 불산-대-초순물(HF: de-ionized water)이 1:5 비율로 희석된 불산용액을 이용하여 상기 AlAs 보조 희생층(213)을 제거한다. 즉, 상기 n+-InP 기판(210)과 상기 InP 버퍼층(212)을 상기 p++-InGaAs 컨택층(214)으로부터 분리하는 에피탁시얼 리프트-오프(epitaxial lift-off) 공정을 수행한다. 이에 따라, InGaAs 태양전지(201)가 제공된다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 InGaAs 태양전지와 GaAs 태양 전지를 접합하는 단계를 설명하는 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, GaAs 태양전지(101)의 n+-GaAs 컨택층(124)은 웨이퍼 본딩 전에 아르곤 또는 산소 플라즈마를 이용하여 표면 처리되어 표면 활성화될 수 있다. 또한, InGaAs 태양전지(201)의 p++-InGaAs 컨택층(214)은 웨이퍼 본딩 전에 아르곤 또는 산소 플라즈마를 이용하여 표면 처리되어 표면 활성화될 수 있다.
아르곤 플라즈마 표면 처리 후, 상기 GaAs 태양전지(101)의 n+-GaAs 컨택층(124) 및 금속 나노디스크 어레이(128)는 상기 InGaAs 태양전지(201)의 p++-InGaAs 컨택층(214)를 서로 마주보도록 배치된다. 웨이퍼 본더는 상기 GaAs 태양전지(101)와 상기 InGaAs 태양전지(201)를 상온에서 진공 상태에서 약 50MPa의 압력을 인가하여 웨이퍼 본딩한다. 웨이퍼 본딩 후, 금속 나노디스크 어레이 주위의 빈 공간 어레이(129)는 진공 상태로 유지될 수 있다.
도 4c 및 도 4d를 참조하면, 이중접합된 태양전지는 불산-대-초순물(HF: de-ionized water)이 1:5 비율로 희석된 불산용액을 이용하여 상기 GaAs 태양전지의 AlAs 희생층(113)을 제거한다. 즉, n+-GaAs 기판(110)과 GaAs 버퍼층(112)을 상기 p+-GaAs 컨택층(114)로부터 분리하는 에피탁시얼 리프트-오프(epitaxial lift-off) 공정을 수행한다.
도 4e 및 도 4f를 참조하면, 상기 GaAs 태양전지(101)의 p+-GaAs 컨택층(114) 상에 포토리소그리피 공정을 수행하여 포토레지스트 마스크(191)를 형성할 수 있다. 상기 포토레지스트 마스크(191)가 형성된 기판 상에 상부 전극층을 형성하는 금속 박막을 증착할 수 있다. 이어서, 상기 포토레지스트 마스크(191)를 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 p+-GaAs 컨택층(114) 상에 국부적으로 배치된 핑거 패턴 형상의 상부 전극층(111)이 형성될 수 있다.
이어서, 상기 상부 전극층(111)을 식각 마스크로 사용하여 상기 p+-GaAs 컨택층(114)을 식각하여 함몰부(114a)를 형성할 수 있다. 상기 함몰부(114a)는 상기 p+-InGaP 윈도우층(116)의 상부면을 노출시킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 포토리소그래피 공정을 사용하여 상기 상부 전극층(111) 상에 보조 포토레지스트 마스크를 형성한다. 이어서, 무반사코팅층(anti-refelction coating layer, 115)을 형성하는 박막이 증착될 수 있다. 상기 박막은, ZnS 또는 MgF2일 수 있다. 이어서, 상기 보조 포토레지스트 마스크는 제거될 수 있다. 상기 무반사코팅층(115)은 상기 p+-InGaP 윈도우층(116)과 접촉하도록 배치되고 상기 함몰부(114a)를 채울 수 있다. 상기 무반사코팅층(115)은 태양광의 반사를 최소화시킬 수 있다. 상기 무반사코팅층(115)은 ZnS 또는 MgF2일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 이중접합 태양전지의 파장에 따른 표면 반사도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 5를 참조하면, 금속 나노디스크 어레이는 매트릭스 형태로 배치되고, 주기는 100nm이고, 나노디스크의 지름은 60nm이고, 두께는 50nm이다. 이 조건에서, 표면 반사율 스펙트럼을 시뮬레이션하기 위해 시간영역유한차분법(finite difference time domain, FDTD)법을 이용하였다. 금속 나노디스크 어레이(128)가 상기 InGaAs 태양전지(201)와 상기 GaAs 태양전지(101) 사이에 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우에 따라 파장에 따른 표면 반사율이 표시된다.
도 6은 도 5의 결과를 금속 나노디스크 어레이의 존재에 따른 파장에 따른 표면 반사율 향상도(enhancement factor, F)로 표시한다.
도 6을 참조하면, 도 5의 시뮬레이션 결과를 이용하여, 금속 나노디스크 어레이(128)의 유무에 따른 두 반사율의 값을 나누어 표면 반사율 향상도(enhancement factor, F)가 표시된다. 300nm~550nm 파장 범위에서 반사율 향상도가 1보다 커w진다. 이것은 금속 나노디스크 어레이의 광반사 효과에 의해 해당 파장의 반사율이 향상됨을 의미한다. 반사된 빛은 금속 나노디스크 어레이 상에 위치하는 GaAs 태양전지(101)에 의해 재흡수되어 광흡수 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, InGaAs 태양전지(201)의 주된 흡수 파장인 780~1800nm 영역에서는 금속 나노디스크 어레이의 표면 플라즈몬 효과로 인해 반사율 향상도가 1보다 작아진다. 이는 해당 파장의 반사율 감소를 의미한다. 이로써 감소된 반사율만큼 InGaAs 태양전지의 광흡수는 향상되게 된다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

  1. 하부 전극층을 포함하는 유연성 기판;
    상기 유연성 기판의 상기 하부 전극층과 접촉하는 InGaAs 태양 전지; 및
    상기 InGaAs 태양 전지 상에 배치되고 상기 InGaAs 태양 전지와 직렬 연결된 GaAs 태양 전지;를 포함하고,
    상기 GaAs 태양 전지는 그 하부면에 형성된 금속 나노디스크 어레이를 포함하고,
    상기 금속 나노디스크 어레이의 하부에는 상기 금속 나노디스크 어레이와 정렬된 빈공간 어레이가 배치되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이중접합 태양전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 InGaAs 태양 전지는:
    상기 하부 전극층 상에 배치된 하부 금속 접착층;
    상기 상부 금속 접착층 상에 배치된 반도체 접착층;
    상기 반도체 접착층 상에 배치된 상부 금속 접착층;
    상기 상부 금속 접착층 상에 배치된 n+-InP 컨택층;
    상기 n-InP 컨택층 상에 배치된 n-InGaAs 베이스층;
    상기 n-InGaAs 베이스층 상에 배치된 p+-InGaAs 에미터층;
    상기 p-InGaAs 에미터층 상에 배치된 p+-InP 윈도우층; 및
    상기 p+-InP 윈도우층 상에 배치된 p++- InGaAs 컨택층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이중접합 태양전지.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 GaAs 태양 전지는:
    상기 p++- InGaAs 컨택층 상에 배치된 n+-GaAs 컨택층;
    상기 n+-GaAs 컨택층 상에 배치된 n+-InGaP 백서피스필드층(back-surface field layer);
    상기 n+-InGaP 백서피스필드층 상에 배치된 n-GaAs 베이스층;
    상기 n-GaAs 베이스층 상에 배치된 p+-GaAs 에미터층;
    상기 p+-GaAs 에미터층 상에 배치된 p+-InGaP 윈도우층; 및
    상기 p+-InGaP 윈도우층 상에 배치된 p+-GaAs 컨택층을 포함하고,
    상기 금속 나노디스크 어레이는 상기 n+-GaAs 컨택층의 하부면에 배치되고,
    상기 빈공간 어레이는 상기 p++- InGaAs 컨택층과 상기 금속 나노디스크 어레이 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이중접합 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 p+-GaAs 컨택층은 함물부를 포함하고,
    상기 함몰부를 채우는 무반사코팅층; 및
    상기 p+-GaAs 컨택층 상에 배치된 상부 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이중접합 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노디스크 어레이는 금(Au)이고,
    상기 금속 나노디스크 어레이의 두께는 40nm 내지 60nm이고,
    상기 금속 나노디스크 어레이의 주기는 50nm 내지 200nm이고,
    상기 금속 나노디스크 어레이의 지름은 30nm 내지 120nm인 것을 특징으로 하는 플렉서블 이중접합 태양전지.
  6. n+-GaAs 기판 상에 GaAs 버퍼층, AlAs 희생층, p+-GaAs 컨택층, p+-InGaP 윈도우층, p+-GaAs 에미터층, n-GaAs 베이스층, n+-InGaP 백서피스필드층, 및 n+-GaAs 컨택층을 구비한 GaAs 태양전지를 준비하는 단계;
    상기 GaAs 태양전지의 n+-GaAs 컨택층에 형성된 홀 어레이의 하부면에 금속 나노디스크 어레이를 형성하고 상기 금속 나노디스크 어레이의 상부에는 빈 공간을 형성하는 단계;
    n+-InP 기판 상에 차례로 적층된 InP 버퍼층, AlAs 보조 희생층, p++-InGaAs 컨택층, p+-InP 윈도우층, p+-InGaAs 에미터층, n-InGaAs 베이스층, 및 n+-InP 컨택층을 구비한 InGaAs 태양전지를 준비하는 단계;
    상기 InGaAs 태양전지의 n+-InP 컨택층 상에 차례로 상부 금속 접착층, 반도체 접착층, 및 하부 금속 접착층을 적층하는 단계;
    상기 InGaAs 태양전지에 적층된 하부 금속 접착층과 하부 전극층을 포함하는 유연성 기판과 본딩하는 단계;
    상기 InGaAs 태양전지의 AlAs 보조 희생층을 제거하여 p++-InGaAs 컨택층을 노출시키는 단계;
    상기 InGaAs 태양전지의 상기 p++-InGaAs 컨택층과 상기 GaAs 태양전지의 n+-GaAs 컨택층을 웨이퍼 본딩하여 이중접합 태양 전지를 형성하는 단계; 및
    상기 이중접합 태양 전지에서 상기 GaAs 태양전지의 상기 AlAs 희생층을 제거하여 상기 p+-GaAs 컨택층을 노출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이중접합 태양전지의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 p+-GaAs 컨택층 상에 국부적으로 상부 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 p+-GaAs 컨택층이 국부적으로 제거된 함몰부에 무반사코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이중접합 태양전지의 제조 방법.
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