양면형 GaAs 단일접합 박막 태양전지 제작 연구

Abstract

III-V 화합물 반도체, 예를 들어 GaAs는 가전자대의 최대와 전도대의 최소가 모두 k=0에서 나타나는 직접천이 밴드갭 물질이며 1.42 eV의 밴드갭을 가진다. 높은 전자 이동도(~9000 cm2/V∙S)와 큰 흡수계수(α=6~12×〖10〗^3 〖cm〗^(-1))를 가져 Shockley-Queisser efficiency limit에 근접한 성능을 낼 수 있는 잠재력이 있다. 위와 같이 GaAs는 좋은 광 특성을 가지며, 이를 이용해 제작하는 디바이스의 박막화 및 유연화가 가능한 이점으로 많은 연구들이 진행되고 있으며 현재 다양한 photonic device에 활용되고 있다. 특히 태양전지에 활용됨에 있어 그 두각을 나타내고 있다. NREL에서 발표하고 있는 태양전지 효율 순위에서 GaAs기반의 다중접합과 단일접합 태양전지들이 압도적인 효율을 보여주고 있다. 다만 III-V 화합물 반도체는 비싼 재료비 때문에 우주∙군사 및 민감한 센서 등의 효율이 중요시 되는 분야에 한정적으로 쓰여져 왔다. 즉 GaAs 기반의 태양전지가 시장에서 더 큰 포션을 차지하기 위해서는 효율을 올려 더 많은 에너지를 생산해 내도록 하며, 또한 재료비를 절감할 수 있는 공정기술의 개발이 필요하다. 본 논문에서는 하나의 GaAs p-n접합으로 빛을 전면과 후면으로 동시에 빛을 흡수하여 동작하는 양면형 태양전지 구현에 대해 연구를 진행했다. 한정적인 공간 내에서 빛을 전면과 후면으로 동시에 흡수하여 더 많은 에너지를 생산해 낼 수 있는 개념의 디바이스 이다. 이를 구현하기 위해서는 다음과 같은 공정 기술들이 필요하다. 먼저 후면으로 빛을 흡수하기 위하여 두꺼운 GaAs 기판을 제거하는 박막화 공정이 필요하다. 이 때 박막을 지지하기 위하여 투명한 이종기판으로의 박막을 전사하는 공정 필요하며 동시에 전사될 박막과 투명한 이종기판을 접합하는 투명 접합에 대한 연구를 진행했다. 바로 유연한 소자를 만드는 것은 굉장히 어려운 연구였고, 먼저 사파이어기판을 이종기판으로 하는 rigid한 양면형 단일접합 GaAs 태양전지를 구현하는 것을 선행연구로 진행하였다. 가장 먼저 진행된 연구는 투명 접합 연구이다. 표면에 태양전지 셀 패턴이 있고, 이를 폴리머 물질을 이용해 사파이어 기판에 안정적으로 접합하는 기술이 필요했다. 가시광 영역에서 투과율이 95%이상의 특성(두께 2μm기준)을 가진 투명 폴리머인 CYTOP을 GaAs기판의 p-GaAs층 위에 형성된 태양전지 셀 패턴과 양면 polishing된 사파이어기판 양쪽에 스핀 코팅 및 baking한 후, CYTOP to CYTOP cohesive bonding을 하여 패턴이 깨지지 않고 안정적으로 강력하게 접합하는 조건을 찾았다. 이후 350μm의 두꺼운 GaAs기판은 습식 식각을 통해 제거한 후 후면에 형성되었던 태양전지 셀 패턴과 back-aligning 하여 전면 패턴 공정을 진행했다. 마지막으로 mesa etching을 하여 태양전지 셀들을 defining하여 공정을 완료하였다. 공정 완료한 양면형 태양전지의 효율은 전면과 후면이 각각 12.72%와 8.79%로 측정됐다. 당시 후면 측정을 위한 set-up이 되어있지 않아서 측정 오차가 크게 발생하여 후면 충적률(Fill factor, FF)이 43.55%로 나타났고 이로 인해 후면 효율 오차가 크게 나타나 낮은 효율을 기록하였다. 이후 flexible한 양면형 단일접합 GaAs 태양전지를 구현하였다. 이종기판으로 50μm 두께의 colorless-polyimide(CPI)를 사용하여 태양전지 박막을 지지하였고, 가시광대 영역에서 투과도가 90% 이상인 optical epoxy를 사용해 투명 접합을 하였다. 또한 유연 소자에 적합한 투명∙유연 전극인 silver nanowires(AgNWs)를 p-GaAs 층 위에 적용하였고 이를 위해 p-GaAs to AgNWs ohmic contact에 대한 선행 연구가 진행되었다. GaAs기판의 p-GaAs층 위에 형성된 태양전지 셀 패턴에 epoxy를 스핀 코팅한 후 CPI를 부착한다. 이후 열 경화를 시키면서 GaAs기판의 측면에 묻은 epoxy를 최대한 제거해 주었다. 이후 공정들은 선행연구를 진행했던 rigid한 양면형 태양전지와 비슷하지만, 다른 점으로 유연한 소자를 후속공정하기 위해 단단한 사파이어 기판에 양면 캡톤 테이프를 사용해 부착하여 후속 공정을 진행했다. 두꺼운 GaAs기판은 습식 식각을 통해 제거한 후 후면 셀 패턴 공정을 진행하며 마지막으로 mesa etching을 통해 디바이스를 완성시켰다. 양면측정용 지그를 사용하여 양면형 태양전지의 전면과 후면의 전기적 특성을 측정하였다. 전면에 p, n컨택에 프로브를 접촉한 상태로 스테이지를 회전시켜 후면 측정을 같은 조건에서 진행할 수 있었다. 공정 완료한 양면형 태양전지 솔라시뮬레이터를 이용해 AM1.5G로 simulation된 태양광을 조사해 에너지변환 효율을 측정하였다. 측정된 전면과 후면의 효율은 각각 8.54%와 6.78% 이다. 이번 연구들을 통해 목표했던 유연한 GaAs기반의 단일접합 양면형 태양전지를 구현하는데 성공하였다. ARC를 적용하고, 전체 공정을 최적화하며 태양전지 heterostructure의 최적화 과정을 통해 효율개선을 할 수 있을 것이다. 마지막으로 기판 비파괴 분리 공정방법인 epitaxial lift-off(ELO) 공정을 적용하여 양면형 태양전지를 구현하고 더 높은 효율을 얻는 것을 목표로 future work을 계속 진행하고 있다.