KR100326835B1 - 태양전지 - Google Patents

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Abstract

태양전지 (10) 는, n+층, p 층 및 p+층을 갖는 상부셀 (12) 및 p 층 아래의 이면측에 배치된 n-층과 p+층을 갖는 하부셀 (14) 을 구비하며, 상기 상부셀과 하부셀은 서로 적층되어 있다. 상기 태양전지는 광전변환효율의 관점에서 가장 적절한 두께를 가지며 캐리어 재결합 손실을 저감할 수 있다. 상기 상부셀 (12) 은 상기 하부셀 (14) 보다 넓은 밴드갭을 갖는다. 상기 상부셀 (12) 은 n+층상에 형성된 상부전극 (18) 을 구비하고, 상기 하부셀 (14) 은, n+층에 각각 접속된 음전극 (26) 및 p+층에 각각 접속된 양전극 (28) 을 구비한다. 상기 음전극 (26) 은 대응하는 양전극 (28) 과 쌍을 이루고, 상기 양전극 (28) 은 또한 상기 상부셀 (12) 의 상부전극 (18) 의 짝으로 작용한다. 이러한 구조에서, 상기 하부셀 (14) 에 나타나는 소수 캐리어들은 셀내의 전극에 의해 회수된다.

Description

태양전지{SOLAR BATTERY}
상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지셀이 적층된 탠덤형 태양전지는 넓은 파장 범위를 활용함으로써 광전변환효율을 향상시키는 디바이스로서 주지되어 있다. 이러한 탠덤 태양전지의 일례는 일본 특개평 4-226084 호에 개시되어 있다.
도 15 는 종래의 탠덤형 태양전지를 나타내는 단면도이다. 도 15 를 참조하면, 태양전지 (10) 는 광입사측 (도면의 상부) 에 형성된 단위 태양전지인 상부셀 (12), 이면에 형성된 단위 태양전지인 하부셀 (14), 및 이들 셀 사이에 형성된 터널 다이오드 (16) 를 구비하고 있다. 이 태양전지는 또한 광입사측에 배치된 상부전극 (18) 및 이면측에 설치된 하부전극 (20) 도 구비하고 있다. 일반적으로, 이러한 탠덤형 태양전지에서는, 넓은 밴드갭 (Eg) 을 갖는 태양전지가 상부셀용으로 사용되고, 좁은 밴드갭을 갖는 태양전지가 하부셀용으로 사용된다.
도 16 은 도 15 에서 점선 D 로 절취된 태양전지의 밴드구조를 나타낸다. 도 16 에 도시된 바와 같이, 캐리어, 즉 전자와 정공은 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 접합면 (junction) 을 통해 이동될 수 없는 데, 그 이유는 셀 (12 와14) 사이의 밴드레벨의 차이 때문이다. 그러므로, 터널 다이오드 (16) 가 이 접합면에서 캐리어를 이동시키기 위해 접합면에 설치되어 있으며, 따라서 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 이 직렬로 접속되어 일체화된 태양전지로서 기능한다. 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 는 서로 상이한 파장의 광을 흡수할 수 있기 때문에, 상술된 구조는 보다 넓은 범위 파장의 광을 흡수할 수 있으면, 그럼으로써 광전변환효율을 향상시킨다.
그러나, 종래의 태양전지에서는, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 을 통해 흐르는 전류는 셀들 (12 와 14) 이 직렬로 접속되어 있으므로 서로 일치해야 한다. 그러므로, 도 15 에 도시된 태양전지 (10) 의 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 은 이들 셀에서 발생하는 캐리어가 동일하고 흐르는 전류를 동일하게 하는 두께를 가져야 한다. 그 결과, 높은 광전변환효율을 위한 최적의 두께를 갖는 셀을 제공할 수 없다.
게다가, 상당한 저항손실 및 캐리어 재결합 손실이 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이에 설치된 터널 다이오드 (16) 에서 관찰된다.
또한, 상기 태양전지는 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 접합면에서의 격자의 부정합에 의한 결함 밀도가 높고, 따라서 이 부분에서의 재결합에 의한 소수 캐리어의 손실도 많다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 높은 광전변환효율을 위한 가장 바람직한 두께를 가지며 캐리어 재결합 손실을 저감할 수 있는 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지를 적층하여 형성된 탠덤형 태양전지로서, 상기 태양전지의 광입사면에 형성되어 광입사측의 단위 태양전지의 일 전극으로 기능하는 상부전극; 및 상기 태양전지의 이면에 형성되고, 상기 이면에 형성된 n 층과 p 층에 개별적으로 접속되어 상기 광입사측의 상기 단위 태양전지의 타 전극 및 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 한 쌍의 전극으로서 기능하는 이면전극을 구비하는 탠덤형 태양전지를 제공한다.
상술된 태양전지에서는, 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지 사이에 다중양자우물층이 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지를 적층하여 형성되는 탠덤형 태양전지로서, 상기 태양전지의 광입사면에 형성되고, 광입사측의 상기 단위 태양전지의 일 전극으로서 기능하는 상부전극; 및 상기 태양전지의 이면에 형성되고, 상기 이면에 형성된 n 층과 p 층에 개별적으로 접속되어 상기 광입사측의 상기 단위 태양전지의 타 전극 및 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 한 쌍의 전극으로서 기능하는 이면전극을 구비하며, 상기 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지 중에서, 상기 이면측의 상기 단위 태양전지는, 기판보다 불순물 농도가 높고 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 최상면에 형성되는 확산층을 갖는 탠덤형 태양전지를 제공한다.
상술된 태양전지에서 확산층의 불순물 농도는 기판의 농도의 10 - 106배로 설정될 수 있다.
본 발명은 또한, 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지를 적층하여 형성되는 탠덤형 태양전지로서, 상기 태양전지의 광입사면에 형성되고, 광입사측의 상기 단위 태양전지의 일 전극으로서 기능하는 상부전극; 및 상기 태양전지의 이면에 형성되고, 상기 이면에 형성된 n 층과 p 층에 개별적으로 접속되어 상기 광입사측의 상기 단위 태양전지의 타 전극 및 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 한 쌍의 전극으로서 기능하는 이면전극을 구비하며, 상기 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지 중에서, 상기 이면측의 상기 단위 태양전지는, 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 최상면에 개구부가 형성되도록 상기 최상면에 형성되는 절연층을 갖는 탠덤형 태양전지를 제공한다.
상술된 태양전지에서, 개구부의 총면적은 전체 표면적의 0.01 - 10 % 로 설정되는 것이 바람직하다.
상술된 태양전지에서, 개구부의 총면적은 전체 표면적의 0.1 - 2 % 로 설정되는 것도 바람직하다.
본 발명은 또한, 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지를 적층하여 형성되는 탠덤형 태양전지로서, 상기 태양전지의 광입사면에 형성되고, 광입사측의 상기 단위 태양전지의 일 전극으로 기능하는 상부전극; 및 상기 태양전지의 이면에 형성되고, 상기 이면에 형성된 n 층과 p 층에 개별적으로 접속되어 상기 광입사측의 상기 단위 태양전지의 타 전극 및 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 한 쌍의 전극으로 기능하는 이면전극을 구비하며, 상기 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지 사이에 수소 또는 할로겐을 함유하는 중간층이 형성되는 탠덤형 태양전지를 제공한다.
상술된 태양전지에서, 수소 또는 할로겐의 농도는 1 ppm - 30 % 이다.
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지를 적층한 탠덤형 태양전지에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지를 나타내는 단면도;
도 2 는 도 1 의 A 라인으로 나타낸 부분의 밴드구조를 나타내는 도면;
도 3 은 도 1 의 B 라인으로 나타낸 부분의 밴드구조를 나타내는 도면;
도 4 는 도 1 의 C 라인으로 나타낸 부분의 밴드구조를 나타내는 도면;
도 5 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지를 나타내는 단면도;
도 6 은 도 5 의 A 라인으로 나타낸 부분의 밴드구조를 나타내는 도면;
도 7 은 도 5 의 B 라인으로 나타낸 부분의 밴드구조를 나타내는 도면;
도 8 는 도 5 의 C 라인으로 나타낸 부분의 밴드구조를 나타내는 도면;
도 9 는 확산층이 도 1 에 도시된 태양전지에 부가된 일례를 나타내는 단면도;
도 10 은 도 9 에 도시된 확산층을 둘러싸는 영역의 밴드구조를 나타내는 도면;
도 11 은 확산층의 불순물 농도와 태양전지의 광전변환효율 사이의 관계를 나타내는 도면;
도 12 는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타내는 단면도;
도 13a 는 도 12 에 도시된 개구부의 레이아웃의 일례를 나타내는 도면;
도 13b 는 도 12 에 도시된 개구부의 레이아웃의 일례를 나타내는 도면;
도 14 는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타내는 단면도;
도 15 는 종래의 탠덤형 태양전지의 구조를 나타내는 단면도; 및
도 16 은 도 15 에 도시된 탠덤형 태양전지의 밴드구조를 나타내는 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
제 1 실시예
도 1 은 본 발명에 따른 태양전지의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 1 을 참조하면, 태양전지 (10) 는 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 이 적층된 탠덤 구조를 갖는다. 상부셀 (12) 은 넓은 밴드갭 (Eg) 을 갖는 반도체 재료로 형성된 단위 태양전지이고, 하부셀 (14) 은 좁은 밴드갭을 갖는 반도체 재료로 형성된 단위 태양전지이다.
상부셀 (12) 은 n+층, p 층 및 p+층을 적층하여 형성되며, 광입사측의 단위 태양전지로서 기능한다. 상부전극 (18) 이 최상위 n+층에 접속되어 형성되어 있다. n+층의 상부에 형성된 절연층 (24) 은 투명재료로 형성되어 있고, 이 절연층 (24) 을 통해, 태양광이 태양전지 (10) 상에 입사한다.
하부셀 (14) 에서는, n+층과 p+층이 기판으로서 기능하는 p 층의 이면에 교대로 형성되어 있다. 음전극 (26) 이 각 n+층에 개별적으로 접속되고, 양전극(28) 이 각 p+층에 개별적으로 접속되어, 본 발명의 이면전극이 형성된다. 음전극 (26) 과 양전극 (28) 은 하부셀 (14) 의 전극쌍을 형성하며, 양전극 (28) 은 또한 상부셀 (12) 의 일 전극인 상부전극 (18) 을 갖는 쌍을 형성하는 전극으로서도 사용된다. 하부셀 (14) 은 본 발명에 따른 이면측의 단위 태양전지로서 기능한다.
상술된 상부셀 (12) 은, 예를 들어, 1.82 eV 의 밴드갭을 갖는 AlGaAs 로 형성될 수 있다. 이 경우, n+층은 1 ×1019cm-3의 도펀트 농도 및 0.1 ㎛ 의 두께를 갖는다. p 층은 1 ×1016cm-3의 도펀트 농도 및 0.1 ㎛ 의 두께를 갖는다. p+층은 1 ×1019cm-3의 도펀트 농도 및 0.1 ㎛ 의 두께를 갖는다.
하부셀 (14) 에 적합한 재료의 일례는 1.11 eV 의 밴드갭을 갖는 Si 이다. 하부셀 (14) 용으로 이 재료를 사용하면, n+층은 1 ×1019cm-3의 도펀트 농도 및 0.1 ㎛ 의 두께를 갖는다. p 층은 5 ×1013cm-3의 도펀트 농도 및 0.1 ㎛ 의 두께를 가지며, p+층은 1 ×1019cm-3의 도펀트 농도 및 0.1 ㎛ 의 두께를 갖는다.
상부셀 (12) 은 또한 1.88 eV 와 1.42 eV 의 밴드갭을 각각 갖는 InGaP 또는 GaAs 로도 형성될 수 있다. 하부셀 (14) 도 또한 1.42 eV 의 밴드갭을 갖는 GaAs 또는 0.66 eV 의 밴드갭을 갖는 Ge 로 형성될 수 있다.
도 2-4 는 도 1 에서 점선 A, B 및 C 로 각각 나타낸 부분의 밴드구조를 나타낸다. 이들 모든 도면은 태양전지 (10) 가 광으로 조사될 때의 밴드구조를 나타낸다.
도 2 에 도시된 밴드구조, 즉 도 1 에서 점선 A 로 나타낸 부분의 구조에 있어서, 전자와 정공, 즉 캐리어는 태양전지 (10) 가 태양방사를 받을 때 하부셀 (14) 에서 발생된다. 전자들은 n+층으로 이동되고 이면전극의 음전극 (26) 에 모이며, 정공은 p+층으로 이동되어 이면전극의 양전극 (28) 에 모인다. 발생된 캐리어는 하부셀 (14) 내에서만 이동되기 때문에, 종래의 디바이스에서와 같이 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 을 통해 흐르는 전류량을 일치시킬 필요는 없다. 또한, 터널 다이오드가 필요없고, 그러므로, 캐리어 재결합 손실이 회피될 수 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 도 1 의 점선 B 로 나타낸 부분에서, 상부셀 (12) 의 최하층인 p+층의 전도대는 가장 높은 에너지 레벨을 갖는다. 따라서, 태양전지가 입사 태양광으로 조사되는 경우 상부셀 (12) 에 발생되는 전자는 상부전극 (18) 을 향해 이동되고, 하부셀 (14) 에서 발생되는 전자는 이면전극의 음전극 (26) 을 향해 이동된다.
B 부분에서, 태양전지 (10) 의 최상층과 최하층인 n+층의 가전자대는 최저 에너지 레벨을 갖는다. 그 결과, 정공은 부분 B 를 따라 이동될 수 없다. 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 에서 발생되는 정공은, 도 1 에 볼 때, 각 셀에서 이동한 다음, C 부분을 따라 이동된다.
도 4 를 참조하면, 가전자대는 도 1 의 점선 C 로 나타낸 부분에서 동일한 에너지 레벨을 갖는다. 이것은 상부셀 (12) 에서의 p 층과 p+층의 도펀트 농도 및 하부셀 (14) 에서의 p 층의 도펀트 농도가 적절하게 조절되어 이들 층의 가전자대의 에너지 레벨이 태양방사를 받을 때 일치하기 때문이다. 도 4 에 도시된 부분, 즉 도 1 에서 점선 C 로 나타낸 부분에서, n+층은 태양전지 (10) 의 수광측에 형성되고, p+층은 이면측에 형성되어 있다. 이러한 구조에 의해, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 에서 발생되는 정공이, 도 4 에 도시된 바와 같이, 이면측의 p+층을 향해 이동되어 양전극 (28) 에 모일 수 있다. 상부셀 (12) 에서 발생된 정공이 상술된 이동 과정에서 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 계면을 통해 이동되어도, 에너지 레벨이 이동의 전체 과정에서 동일하기 때문에 터널 다이오드는 필요없다.
C 부분에서, 상부셀 (12) 의 p 층과 p+층의 전도대 및 하부셀 (14) 의 p+층의 전도대는 보다 높은 에너지 레벨을 가지며, 그럼으로써, 하부셀 (14) 의 p 층에서 발생되는 전자들은 도 1 에 도시된 C 부분을 따라 이동될 수 없다. 그러므로, 거기에서 발생된 전자들은, 도 1 에서 볼 때, 하부셀 (14) 에서 수평으로 이동된 다음, B 부분을 따라 이동된다. 다른 한편으로, 상부셀 (12) 의 p 층과 p+층에서 발생되는 전자들은 상부전극 (18) 에 모이기 전에 상부셀 (12) 의 n+층을향해 이동된다.
상술된 바와 같이, 하부셀 (14) 의 이면측에 형성된 음전극 (26) 과 양전극 (28) 은 하부셀 (14) 의 전극쌍으로서 기능하고, 양전극 (28) 도 또한 상부셀 (12) 의 타전극으로서 사용되어, 상부셀 (12) 의 일 전극인 상부전극 (18) 을 갖는 쌍을 형성한다. 상술된 구조에 의해, 하부셀 (14) 에서 발생되는 전자와 정공은 각각 음전극 (26) 과 양전극 (28) 에 모이게 된다. 상부셀 (12) 에서 발생되는 전자들은 B 부분을 따라 상부셀 (12) 의 n+층으로 이동되어, 또한 상부전극 (18) 에 모인다. 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 에서 발생되는 정공은 C 부분을 따라 하부셀 (14) 의 p+층으로 이동되어, 양전극 (28) 에 모인다. 따라서, 본 실시예에 따른 태양전지 (10) 는 2 개의 적층된 단위 태양전지, 즉 상부셀 (12) 와 하부셀 (14) 를 구비한다. 그러나, 이들 2 셀은 종래의 디바이스와 같이 직렬로 접속되어 있지 않기 때문에, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 에서의 전류량을 일치시킬 필요는 없다. 그 결과, 최적의 흡수 효율을 위해 가장 바람직한 두께를 갖는 각 셀을 제공하며, 그럼으로써 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
게다가, n+층이 상부셀 (12) 의 상부와 하부셀 (14) 의 하부에 형성되어 있기 때문에, 이들 셀에서 발생되는 전자들은 각각의 n+층으로 이동되어, 광입사측의 상부전극 (18) 및 이면측의 음전극 (26) 에 각각 모인다. 그 결과, 소수 캐리어, 즉 전자의 이동 거리가 감소될 수 있으며, 그럼으로써 재결합 손실이 감소된다.
또한, 종래의 직렬 접속된 탠덤형 태양전지와 반대로, 캐리어는 에너지 장벽을 통과할 필요가 없으며, 그러므로, 터널 다이오드도 필요없다. 따라서, 터널 다이오드를 형성할 필요가 없고, 터널 다이오드에서 캐리어 재결합 손실 및 저헝 손실이 회피될 수 있다.
본 실시예에서 태양전지를 형성하기 위한 기판으로써 p 형 기판이 사용되었지만, n 형 기판도 사용될 수 있다. n 형 기판에 있어서, 전도대와 가전자대 사이의 관계 및 전자와 정공 사이의 관계가 상술된 것과 반대이어도, 동일한 기능을 갖는 디바이스가 얻어질 수 있다.
제 2 실시예
도 5 는 본 발명에 따른 태양전지의 제 2 실시예를 나타내는 단면도이다. 도 5 를 참조하면, 상이한 밴드갭을 갖는 2 종류의 박막을 적층하여 형성된 다중양자우물층 (22) 이 상부셀 (12) 의 최하층으로서 형성되어 있다. 다중양자우물층 (22) 은 광여기(光勵起)를 활용하는 수단으로서 사용되어 태양전지의 광전변환효율을 향상시킨다. 본 실시예에서는 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이에 다중양자우물층 (22) 이 형성되어 있고, 종래에서는 이러한 다중양자우물층은 p-n 접합면 사이에 형성되어 있었다. 이러한 구조는 태양전지 (10) 에서 발생되는 캐리어, 특히 소수캐리어를 다중양자우물층 (22) 을 통과시키는 필요를 제거함으로써, 층 (22) 에서 소수 캐리어의 재결합에 의한 손실을 방지하는 목적을 갖고 있다. 본 실시예에 따른 태양전지의 구조는, 양자우물층 (22) 이 상부셀 (12) 과 하부셀(14) 사이에 형성되어 있다는 것을 제외하고는 도 1 에 도시된 제 1 실시예의 것과 동일하다.
넓은 밴드갭을 가지며 다중양자우물층 (22) 용으로 사용될 수 있는 재료의 예는 1.82 eV 의 밴드갭 (Eg) 을 갖는 AlGaAs 가 있다. 이러한 재료가 사용될 때, 도펀트 농도는 1 ×1016cm-3이고, 두께는 20 nm 이다. 반면, 좁은 밴드갭을 갖는 재료로서, 1.42 eV 의 밴드갭을 갖는 GaAs 가 사용될 수 있다. 이 경우, 도펀트 농도는 1 ×1016cm-3이고, 두께는 10 nm 이다.
넓은 밴드갭을 갖는 다른 재료로서, 1.42 eV 의 밴드갭을 갖는 GaAs 가 또한 사용될 수 있다. 이러한 재료에서, 도펀트 농도는 1 ×1016cm-3이고, 두께는 30 nm 이다. 또한, 1.25 eV 의 밴드갭을 갖는 InGaAs 가 좁은 밴드갭을 갖는 재료로서 또한 사용될 수 있다. 이 경우, 도펀트 농도는 1 ×1016cm-3이고, 두께는 15 nm 이다.
도 6-8 은 도 5 에서 점선 A, B 및 C 로 각각 나타낸 부분의 밴드구조이다. 이들 모든 구조는 태양광이 태양전지 (10) 에 입사할 때 얻어진 것과 관련이 있다.
도 5 에 도시된 A 부분의 도 6 에서의 밴드구조는 도 2 에 도시된 제 1 실시예의 구조와 동일하다. 그러므로, 하부셀 (14) 에서 발생되는 전자들이 n+층으로 이동된 다음, 양전극 (26) 에 모인다. 반면, 정공은 p+ 층으로 이동한 다음, 양전극 (28) 에 모인다.
도 7 을 참조하면, 상부셀 (12) 의 p 층 및 다중양자우물층 (22) 의 전도대가 도 5 에 도시된 점선 B 로 나타낸 부분에서 최고의 에너지 레벨을 갖는다. 결과적으로, 상부셀 (12) 의 p 층 및 다중양자우물층 (22) 에서 발생되는 전자들은 상부셀 (12) 의 n+층으로 이동된 다음, 상부전극 (18) 에 모인다. 하부셀 (14) 에서 발생되는 전자는 다중양자우물층 (22) 에서의 에너지 장벽이 높기 때문에 하부셀 (14) 의 이면에 형성된 n+층으로 이동된 다음, 이면전극의 음전극 (26) 에 모인다. 따라서, 마찬가지로 본 실시예에 따르면, n+층이 태양전지 (10) 의 광입사측의 표면 및 이면에 형성되고, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 에서 발생되는 전자가 광입사측 및 이면의 n+층으로 각각 이동된다. 그 결과, 소수 캐리어, 즉 전자들이 다중양자우물층 (22) 을 통해 이동될 필요가 없으며, 그렇지 않으면 커다란 캐리어 재결합 손실을 초래한다. 또한, 전자의 이동거리도 또한 감소될 수 있고, 따라서 태양전지 (10) 의 발전효율을 향상시킨다.
또한, B 부분에서, 태양전지 (10) 의 반대측의 n+층의 가전자대의 에너지 레벨이 보다 낮고, 그들 사이에 형성된 p 층과 다중양자우물층 (22) 의 에너지 레벨이 도 7 에 도시된 바와 같이 보다 높다. 결과적으로, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 에서 발생되는 정공은 도 5 에서 점선 B 로 나타낸 부분을 따라 이동될 수 없지만, 도 5 에서 볼 때, 각 셀에서 C 부분을 따라 수평으로 이동된다.
도 8 을 참조하면, 상부셀 (12) 에서의 p 층과 다중양자우물층 (22) 의 가전자대 및 하부셀 (14) 에서의 p 층의 가전자대는 도 5 에 점선으로 나타낸 C 부분에서 동일한 에너지 레벨을 갖는다. 도 4 를 참조하여 전에 설명한 바와 같이, 이것은 각 층의 도펀트 농도를 적절하게 조정함으로써 달성될 수 있다. 그 결과, 상부셀 (12), 다중양자우물층 (22) 및 하부셀 (14) 에서 발생되는 정공이 하부셀 (14) 의 이면에 형성된 p+층으로 이동한 다음, 양전극 (28) 에 모인다. 상부셀 (12) 에서 발생되는 정공이 다중양자우물층 (22) 을 통과하지만, 본 실시예의 다중양자우물층 (22) 은 p 층으로 형성되어 있고 다수 캐리어 (정공) 의 재결합 손실이 적기 때문에, 이것은 문제를 초래하지 않는다.
C 부분에서는, 상부셀의 p 층과 다중양자우물층 (22) 의 전도대 및 하부셀 (14) 의 p+층의 전도대는 보다 큰 에너지 레벨을 갖는다. 그러므로, 하부셀 (14) 에서 발생되는 전자들은 상부셀 (12) 에 형성된 n+층을 향해 이동될 수 없다. 따라서, 하부셀 (14) 에서 발생되는 전자들은, 도 5 에서 볼 때, B 부분을 따라 하부셀 (14) 의 n+층으로 수평으로 이동되고, 결국 음전극 (26) 에 모인다. 상부셀 (12) 에서 발생되는 전자들은 상부셀 (12) 에 형성된 n+층을 향해 이동한 다음, 상부전극 (18) 에 모인다.
상술된 바와 같이, 본 실시예에서도, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 에서 발생되는 소수 캐리어 전자는 다중양자우물층 (22) 을 통과할 필요가 없으며, 그렇지 않으면 커다란 재결합 손실을 초래하며, 그럼으로써 재결합 손실에 의한 전자의 감소를 회피하고 발전효율의 향상을 이룬다. 상부셀 (12) 에서 발생되는 정공이 상술된 바와 같이 다중양자우물층 (22) 을 통과하지만, 본 실시예에서 정공은 다수 캐리어이고, 가전자대 사이의 에너지 레벨 차이는 적고, 그러므로 재결합 손실은 작은 값으로 억제된다. 따라서, 재결합에 의한 캐리어의 손실이 적고, 다중양자우물층 (22) 의 효과에 의해 광전변환효율이 향상될 수 있고, 그럼으로써, 태양전지 (10) 의 발전효율이 본 실시예에 따라 더 향상될 수 있다.
본 실시예에서는 p 형 기판이 태양전지를 형성하는 기판으로서 사용되었지만, n 형 기판도 사용될 수 있다. n 형 기판에 있어서, 전도대와 가전자대 사이의 관계 및 전자와 정공 사이의 관계가 상술된 것에 반대이지만, 동일한 기능을 갖는 태양전지가 실현될 수 있다.
제 3 실시예
도 9 는 본 발명에 따른 태양전지의 제 3 실시예를 나타내는 단면도이다. 상술된 도 1 의 제 1 실시예에 따르면, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 계면에서 재결합에 의한 소수 캐리어 전자의 손실 가능성이 있다. 도 9 에 도시된 본 실시예에 따르면, 하부셀 (14) 의 기판보다 높은 불순물 농도를 갖는 확산층 (30) 이 하부셀 (14) 의 최상면, 즉 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 계면에 형성되어 있다.
도 10 은 도 9 에 도시된 확산층 (30) 을 둘러싸는 부분의 밴드구조를 나타낸다. 도 10 을 참조하면, 높은 불순물 농도를 갖는 확산층 (30) 을 제공함으로써, 확산층 (30) 과 하부셀 (14) 의 기판으로 기능하는 p 층 사이에 전위차를 생성한다. 결과적으로, 이러한 장벽에 의해, 하부셀 (14) 에서 발생되는 소수 캐리어 전자가 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 계면을 향해 이동하는 것을 방지한다. 그 결과, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 계면에서 소수 캐리어 (전자) 의 재결합 손실이 억제될 수 있고, 광전변환효율을 더 향상시킨다.
확산층 (30) 이 기판보다 높은 불순물 농도를 갖기 때문에, 이 층에서 캐리어 재결합의 가능성이 더 높아진다. 그러므로, 확산층 (30) 은 5.0 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 0.3 - 1.0 ㎛ 의 두께를 갖는 것이 보다 바람직하다.
도 11 은 상술된 확산층 (30) 의 불순물 농도와 태양전지 (10) 의 광전변환효율 사이의 관계를 나타낸다. 도 11 에서 명백한 바와 같이, 확산층 (30) 의 불순물 농도에 대해 광전변환효율이 가장 높은 지점이 존재한다. 따라서, 확산층 (30) 의 불순물 농도에 대해 최적의 범위가 존재한다. 확산층 (30) 의 불순물 농도는 상술된 하부셀 (14) 의 p 형 기판 농도보다 10-106배가 바람직하고, 103-104배가 보다 바람직하다. 확산층 (30) 에서의 캐리어 재결합은 기판 농도의 106배를 초과하는 확산층 (30) 의 불순물 농도에 따라 증가한다. 다른 한편으로, 확산층 (30) 의 불순물 농도가 기판 농도의 10 배 미만이면, 도 10 에 도시된 장벽은 보다 낮아지고, 보다 많은 소수 캐리어가 이 장벽을 넘어 이동되어 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 계면에 도달한다. 따라서, 확산층 (30) 의 불순물 농도는 상술된 바와 같이 기판 농도보다 10-106배의 범위가 바람직하다.
본 실시예에서 p 형 기판이 다시 태양전지를 형성하는 기판으로 사용되었지만, n 형 기판도 대안으로 사용될 수 있다. 본 실시예에서 전도대와 가전자대 사이의 관계 및 전자와 정공 사이의 관계가 상술된 관계와 반대이지만, 기능적으로 동일한 태양전지가 실현될 수 있다.
제 4 실시예
도 12 는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 12 를 참조하면, 태양전지는 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 이 적층된 탠덤형 구조를 갖는다. 상부셀 (12) 은 넓은 밴드갭 (Eg) 을 갖는 반도체 재료로 형성된 단위 태양전지이고, 하부셀 (14) 은 좁은 밴드갭을 갖는 반도체 재료로 형성된 단위 태양전지이다.
n+층, p 층 및 p+층이 적층되어 상부셀 (12) 를 형성하여, 본 발명에 따른 입사측의 단위 태양전지로서 기능한다. 상부전극 (18) 이 최상 n+층에 접속되어 배치되어 있다. 투명재료로 형성된 절연막 (24) 이 n+층의 상부에 형성되어 있다. 이 절연층 (24) 을 통해, 태양광이 태양전지 (10) 상에 입사된다.
하부셀 (14) 에서는, n+층과 p+층이 기판으로서 기능하는 p 층의 이면에 교대로 형성되어 있다. 음전극 (26) 이 각각의 n+층에 개별적으로 접속되어 있고, 양전극 (28) 이 각각의 p+층에 개별적으로 접속되어, 본 발명의 이면전극을 형성한다. 이들 음전극 (26) 과 양전극 (28) 은 하부셀 (14) 용 전극쌍을 형성하고, 양전극 (28) 은 또한 상부셀 (12) 의 일 전극인 상부전극 (18) 을 갖는 쌍을 형성하는 전극으로서도 사용된다. 하부셀 (14) 은 본 발명에 따른 이면측의 단위 태양전지에 대응한다.
상술된 상부셀 (12) 은, 예를 들어, 1.82 eV 의 밴드갭을 갖는 AlGaAs 로 형성될 수 있다. 이 재료가 사용되면, n+층은 1 ×1019cm-3의 도펀트 농도 및 0.1 ㎛ 의 두께를 가지며, p 층은 1 ×1016cm-3의 도펀트 농도 및 1.0 ㎛ 의 두께를 갖고, p+층은 1 ×1019cm-3의 도펀트 농도 및 0.1 ㎛ 의 두께를 갖는다.
하부셀 (14) 용 재료의 일례는 1.11 eV 의 밴드갭을 갖는 Si 이다. 이 경우, n+층은 1 ×1019cm-3의 도펀트 농도 및 1.0 ㎛ 의 두께를 가지며, p 층은 5 ×1013cm-3의 도펀트 농도 및 100 ㎛ 의 두께를 갖고, p+층은 1 ×1019cm-3의 도펀트 농도 및 1.0 ㎛ 의 두께를 갖는다.
대안으로, 1.42 eV 의 밴드갭을 갖는 GaAs 가 사용되어 상부셀 (12) 을 형성할 수 있고, 0.66 eV 의 밴드갭을 갖는 Ge 가 사용되어 하부셀 (14) 을 형성할 수도 있다.
본 실시예는 절연층 (32) 이 하부셀 (14) 의 최상표면에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이렇게 절연층 (32) 을 형성함으로써, 하부셀 (14) 의 상부면에 존재하는 미결합 공유전자가 절연층 (32) 을 형성하는 산소 또는 질소와 결합함으로써, 격자 결함이 제거된다. 결과적으로, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 계면에서 결함에 의해 발생되는 소수 캐리어의 재결합 손실이 저감될 수 있다.
절연막은 SiO2, SiNx, 및 SiC 와 같은 재료로 형성될 수 있으며, 그 두께는 1-5000 nm 의 범위가 바람직하고, 50-500 nm 의 범위가 보다 바람직하다.
그러나, 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이에 절연층 (32) 만 형성되면, 상부셀 (12) 에서 발생되는 캐리어 (정공) 은 하부셀 (14) 의 이면측에 형성된 양전극 (28) 으로 이동될 수 없으며, 그 결과 발전효율이 감소된다. 그러므로, 개구부 (30) 가 소정의 면적비율로 형성된다. 개구면적 대 하부셀 (14) 의 최상표면의 전체 표면적의 비율은 0.01-10 % 이고, 바람직하게는 0.1-2 % 이다. 개구부 (34) 의 면적이 더 넓어지면, 상부셀 (12) 에서 발생되는 캐리어 정공이 보다 잘 이동하여, 저항 손실이 더 줄어들지만, 개구부 (34) 에서의 재결합 손실이 증가된다. 이러한 이유 때문에, 상술된 면적비가 바람직하다.
도 13a 와 13b 는 절연층 (32) 에 형성된 개구부 (34) 의 예시적인 배치를 나타내며, 여기서 상기 개구부 (34) 는 정방형 및 육방형으로 각각 배치되어 있다. 이들 예 이외의 개구부 (34) 의 배치 패턴도 하부셀 (14) 의 상부면에 거의 균일하게 분산될 수 있으면 가능하다.
본 실시예에 따른 태양전지 (10) 의 형성은 하부셀 (14) 의 형성으로부터 시작되고, 그 최상표면에 절연층 (32) 을 형성함으로써 상부셀 (12) 이 형성된다. 본 실시예에서는, 절연층 (32) 상에 형성된 상부셀 (12) 의 p+층은 시드(seed) 결정부가 개구부 (34) 로 한정되기 때문에 보다 큰 그레인 사이즈를 가지며, 그럼으로써, 결정의 계면 면적이 감소되고 계면에서 캐리어 재결합 손실이 감소된다.
개구부 (34) 에서 p+층의 불순물 농도가 더 높아지면 (p++층), 상부셀 (12) 에서 발생되는 캐리어 이동이 촉진됨으로써, 저항 손실이 더 감소된다.
상술된 바와 같이, 본 실시에의 태양전지 (10) 는 절연층 (32) 을 형성함으로써 하부셀 (14) 의 최상표면에서 격자 결함을 감소시킬 수 있고, 절연층 (32) 에 개구부 (34) 를 형성함으로써 저항 손실을 감소시킨다. 그 결과, 높은 발전효율을 갖는 태양전지가 실현될 수 있다.
제 5 실시예
도 14 는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 12 에서와 동일한 구성요소에는 본 도면에서 동일한 도면부호를 붙이며, 다시 설명되지 않는다.
도 14 를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양전지 (10) 는 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이에 수소 또는 할로겐을 함유하는 중간층 (36) 을 구비한다. 본 실시예에 따르면, 수소 등을 함유하는 중간층 (36) 이 하부셀 (14) 의 최상표면에 형성되고, 다음으로 상부셀 (12) 이 형성되고 환원 분위기 등에서 열처리된다. 그 결과, 수소 또는 할로겐과 같은 원소가 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 계면에서 확산되어, 거기에 존재하는 미결합 공유전자와 결합됨으로써, 계면에서 격자 결함이 감소되고, 따라서 계면에서의 캐리어 재결합 손실이 감소된다. 결과적으로, 탠덤형 태양전지에서 발생되는 발전량이 증가될 수 있고, 광전변환효율이 향상될 수 있다.
상술된 중간층 (36) 은, 예를 들어, 1-1000 nm 의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 두께가 커지면 저항손실이 증가하고, 두께가 작아지면 중간층 (36) 에 의한 효과가 약해진다.
중간층 (36) 에 함유되는 수소, 할로겐 등의 농도는 1 ppm - 30 % 의 범위가 바람직하다. 농도가 과도하게 높으면 저항손실이 커지고, 농도가 지나치게 낮으면 중간층 (36) 의 효과가 완전히 발휘되지 않는다. 수소 또는 할로겐은 이온주입법에 의해 중간층 (36) 에 첨가될 수 있다.
본 실시예에서는 중간층 (36) 이 하부셀 (14) 의 최상표면에 형성되었지만, 상부셀 (12) 의 최하표면에 형성되어도 된다. 대안으로, 제 4 실시예의 개구부 (34) 를 갖는 절연층 (32) 이 수소, 할로겐 등을 함유하도록 형성된 다음, 열처리 등에 의해 상부셀 (12) 과 하부셀 (14) 사이의 계면에서 확산됨으로써, 미결합 공유전자가 감소될 수도 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 상이한 밴드갭을 갖는 각각의 단위 태양전지에서 발생되는 소수 캐리어가 그들이 발생되는 단위 태양전지내에서만 이동되고, 따라서 재결합 손실이 현저하게 감소될 수 있다. 또한, 각각의 단위 태양전지는 직렬로 접속되지 않으며, 그러므로, 각 단위 태양전지에 대해 캐리어가 얻어질 수 있고, 따라서 각 단위 태양전지를 통해 흐르는 전류량을 일치시킬 필요가 없다. 그 결과, 각각의 단위 태양전지는 최고의 광전변환효율을 위한 최적의 두께를 가질 수 있고, 따라서 발전효율이 더 향상될 수 있다.
각 단위 태양전지 사이에 다중양자우물층을 형성함으로써 광전변환효율을 더 향상시킬 수 있다.
하부셀의 최상표면에 형성된 확산층에 의해 상부셀과 하부셀 사이의 계면에서 캐리어의 재결합이 억제된다.
절연막이 격자 결함의 감소에 기여하며, 절연막에 형성되는 개구부가 캐리어를 통과시킴으로써, 재결합 손실 및 저항손실이 동시에 감소될 수 있다.
수소 또는 할로겐이 미결합 공유전자에 결합되기 때문에, 갹자 결함이 감소될 수 있고, 상부셀과 하부셀 사이의 계면에서 재결합 손실이 감소될 수 있다.

Claims (9)

  1. 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지를 적층하여 형성되는 탠덤형 태양전지로서,
    상기 태양전지의 광입사면에 형성되고, 광입사측의 상기 단위 태양전지의 일 전극으로서 기능하는 상부전극; 및
    상기 태양전지의 이면에 형성되고, 상기 이면에 형성된 n 층과 p 층에 개별적으로 접속되어 상기 광입사측의 상기 단위 태양전지의 타 전극 및 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 한 쌍의 전극으로서 기능하는 이면전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 다중양자우물층이 상이한 밴드갭을 갖는 상기 단위 태양전지 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  3. 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지를 적층하여 형성되는 탠덤형 태양전지로서,
    상기 태양전지의 광입사면에 형성되고, 광입사측의 상기 단위 태양전지의 일 전극으로서 기능하는 상부전극; 및
    상기 태양전지의 이면에 형성되고, 상기 이면에 형성된 n 층과 p 층에 개별적으로 접속되어 상기 광입사측의 상기 단위 태양전지의 타 전극 및 상기 이면측의상기 단위 태양전지의 한 쌍의 전극으로서 기능하는 이면전극을 구비하며,
    상기 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지 중에서, 상기 이면측의 상기 단위 태양전지는, 기판보다 불순물 농도가 높고 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 최상면에 형성되는 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 확산층의 불순물 농도는 상기 기판의 농도보다 10 - 106배 높은 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  5. 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지를 적층하여 형성되는 탠덤형 태양전지로서,
    상기 태양전지의 광입사면에 형성되고, 광입사측의 상기 단위 태양전지의 일 전극으로서 기능하는 상부전극; 및
    상기 태양전지의 이면에 형성되고, 상기 이면에 형성된 n 층과 p 층에 개별적으로 접속되어 상기 광입사측의 상기 단위 태양전지의 타 전극 및 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 한 쌍의 전극으로서 기능하는 이면전극을 구비하며,
    상기 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지 중에서, 상기 이면측의 상기 단위 태양전지는, 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 최상면에 개구부가 형성되도록 상기 최상면에 형성되는 절연층을 갖는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 개구부의 총면적은 전체 표면적의 0.01 - 10 % 인 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 개구부의 총면적은 전체 표면적의 0.1 - 2 % 인 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  8. 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지를 적층하여 형성되는 탠덤형 태양전지로서,
    상기 태양전지의 광입사면에 형성되고, 광입사측의 상기 단위 태양전지의 일 전극으로서 기능하는 상부전극; 및
    상기 태양전지의 이면에 형성되고, 상기 이면에 형성된 n 층과 p 층에 개별적으로 접속되어 상기 광입사측의 상기 단위 태양전지의 타 전극 및 상기 이면측의 상기 단위 태양전지의 한 쌍의 전극으로서 기능하는 이면전극을 구비하며,
    상기 상이한 밴드갭을 갖는 단위 태양전지 사이에 수소 또는 할로겐을 함유하는 중간층이 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 수소 또는 할로겐의 농도는 1 ppm - 30 % 인 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
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