KR100653236B1 - 매립형 실리콘 게르마늄 접합 태양전지 - Google Patents

Abstract

종래의 실리콘 기반의 태양전지에서 흡수하지 못하는 빛을 흡수하여 감도가 향상된 태양 전지가 개시된다. 본 발명에 따른 태양 전지는 제1 전도형 실리콘 기판; 상기 제1 전도형 실리콘 기판상에 결정 성장시킨 제2 전도형 게르마늄부; 및 상기 제1 전도형 실리콘 기판과 제2 전도형 게르마늄부의 상부에 형성되는 제1 전도형 실리콘;을 포함하고, 상기 제2 전도형 게르마늄부는 상기 제1 전도형 실리콘에 의해 덮여져 매립된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양 전지로 입사한 빛은 상층부의 실리콘 층에서 흡수되고, 상층부의 실리콘 층에 의하여 흡수되지 않은 빛들이 가시 광 영역에서 수백 배 이상의 우수한 감도를 가지는 게르마늄 층에 의하여 흡수됨으로써 실리콘만을 사용하는 태양전지에 비하여 효율을 향상시킬 수 있고, 실리콘이 흡수하지 못하는 장파장 대의 빛의 흡수가 가능하다.

태양전지, 실리콘, 게르마늄, 이종 접합 태양전지

Description

매립형 실리콘 게르마늄 접합 태양전지{Si-Ge junction Solar cell}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지의 구조를 나타낸 단면도.

도 3은 도 1 과 도 2와 같은 구조의 태양전지의 에너지 밴드 구조를 나타낸 도면.

도 4는 Si이나 Ge등을 사용하여 제작한 종래의 태양전지의 일반적인 구조를 나타낸 단면도.

도 5는 도 4와 같은 구조의 태양전지의 에너지 밴드 구조를 나타낸 도면.

도 6은 Si과 Ge등의 서로 다른 갭 에너지를 갖는 태양전지를 적층하여 배열하는 종래의 다른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.

본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 더 상세하게는 종래의 실리콘 기반의 태양전지에서 흡수하지 못하는 빛을 흡수하여 감도가 향상된 태양 전지에 관한 것이다.

상용화된 종래의 일반적인 태양전지는 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 또는 폴리-실리콘(poly-Si)을 사용하여 만들어진다. 하지만, 이러한 종래의 태양전지에 사용되는 실리콘은 태양광에 대한 감도가 게르마늄(Ge)이나 갈륨비소(GaAs)등에 비하여 효율이 낮다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 다른 태양전지는 특수한 목적으로 사용되는 것들인데, 이러한 태양전지는 게르마늄(Ge)이나 갈륨비소(GaAs)등의 화합물 반도체를 사용하여 만들어진다. 하지만, 상기 종래의 다른 태양전지가 사용하는 게르마늄 또는 화합물 반도체는 웨이퍼를 제작하기가 어려워 가격이 비싸기 때문에 상용화에 장애로 작용한다. 따라서 대부분의 태양전지의 연구는 가격을 낮추기 위하여 폴리(poly) 기판을 사용하는 방향과 효율을 향상시키기 위하여 다층의 구조를 갖는 방향으로 연구되고 있다.

한편, 게르마늄은 실리콘에 비하여 높은 감광 특성을 가져서 태양전지를 게르마늄을 사용하여 만들 경우, 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 또한 게르마늄이 적외선 영역에서도 우수한 감광특성을 가지므로, 어두운 환경에서도 태양전지로 사용할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 게르마늄(이하 Ge라 칭함)을 기판으로 사용하여 태양전지를 만드는 것은 경제성이 떨어지는데, 실리콘 웨이퍼의 크기가 12 인치까지 개발되어 상용화 되어있는데 반하여, Ge 웨이퍼는 6 인치까지만 상용화 되어 있고, Ge 기판은 Si 기판에 비하여 고가여서 Ge 기판을 사용할 경우 제조 원가가 높기 때문이다.

도 4에는 Si이나 Ge등을 사용하여 제작한 종래의 태양전지의 일반적인 구조를 단면도로써 나타내었다. 도 5에는 도 4와 같은 구조의 태양전지의 에너지 밴드 구조를 나타내었다. 도 4와 도 5를 참조하면, 수직으로 입사된 빛은 접합면을 지나고, 접합 면에서 발생한 전자와 정공은 각각 p층(402) 과 n형(404) 층으로 이동하고, +전 극부(406)와 -전극부(408)를 통하여 흡수된다. 이때 발생되는 최대전압은 사용된 반도체의 갭 에너지(gap energy)가 클수록 높아지는데, Si을 사용하는 경우 갭 에너지(gap energy)가 ∼ 1.1eV로, Ge의 갭 에너지 ∼ 0.64eV보다 높아서 Si이 높은 전압을 발생시킬 수 있는데 반하여 Si의 낮은 빛의 흡수율 때문에 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기위하여 Si과 Ge등의 서로 다른 갭 에너지를 갖는 태양전지를 적층하여 배열하는 종래의 다른 태양전지의 구조를 도 6에 나타내었다. 도 6을 참조하면, 태양전지는 적층 구조를 이루고 있는데 특히, 주목할 부분은 갭 에너지가 높은 접합, 예를 들면, Si pn 접합을 상층에 배치하고, 갭 에너지가 낮은 접합, 예를 들면, Si-Ge 접합을 배치하고 있다는 것이다. 하지만, 상기와 같은 종래의 태양전지를 위에서 기술한 바와 같은 배열을 형성하기 위해서는 낮은 갭 에너지를 갖는 기판을 사용하여야 하는데, Si-Ge의 경우, 기판은 경제성이 떨어지는 Ge을 기판으로 사용해야 한다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 빛의 흡수특성이 우수한 Ge을 사용하여 감도를 향상시키고 Si 기반의 태양전지와 같이 높은 전압을 얻을 수 있으며, 상용화된 Si 기판을 사용하여 효율과 경제성이 우수한 태양 전지를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 태양 전지는 제1 전도형 실리콘 기판; 상기 제1 전도형 실리콘 기판상에 결정 성장시킨 제2 전도형 게르마늄부; 및 상기 제1 전도형 실리콘 기판과 제2 전도형 게르마늄부의 상부에 형성되는 제1 전도형 실리콘;을 포함하고, 상기 제2 전도형 게르마늄부는 상기 제1 전도형 실리콘에 의해 덮여져 매립된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따른 태양 전지는 홈이 형성된 제1 전도형 실리콘 기판; 상기 홈에 결정 성장시킨 제2 전도형 게르마늄부; 및 상기 제1 전도형 실리콘 기판과 제2 전도형 게르마늄부의 상부에 형성되는 제1 전도형 실리콘;을 포함하고, 상기 제2 전도형 게르마늄부는 상기 제1 전도형 실리콘에 의해 덮여져 매립된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3은 제 1 실시예와 제2 실시예에서의 에너지밴드 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지는 p형 실리콘 기판(102)상에 홈을 형성하고 이 홈에 n형 게르마늄부(104)를 결정 성장시키고, 상기 n형 게르나늄부(104) 상부와 p형 실리콘 기판(102) 상부에 에피텍셜 성장시킨 p형 실리콘(103)이 덮는 구조를 형성한다.

또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지는 p형 실리콘 기판(202)상에 n형 게르마늄부(204)를 결정 성장시키고, 상기 n형 게르마늄부(204)와 p형 실리콘 기판(202) 상부에 에피텍셜 성장시킨 p형 실리콘(203)이 덮는 구조를 형성한다.

도 3에는 도 1 및 도 2와 같은 구조의 태양전지의 에너지 밴드 구조를 나타내었다. 도 3을 참조하면, 입사된 빛에 의하여 발생하는 전자-정공 쌍은 주로 p형 실리콘 기판(102, 202)과 n형 게르마늄부(104, 204)의 계면에 형성되며, 발생된 전자와 정공은 각각 게르마늄부(104,204)와 실리콘 기판(102,202)으로 이동하고, +전극부(도 1의 108, 도 2의 208)와 -전극부(도 1의 106, 도 2의 206)를 통하여 흡수된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 태양 전지는 게르마늄(Ge)을 실리콘(Si) 기판 위에 특정한 두께로 결정 성장 시키고, 그 위에 실리콘(Si)층을 형성하여 실리콘(Si)-게르마늄(Ge) 접합을 태양전지로 사용하여 효율을 실리콘(Si)만을 사용하는 경우에 비하여 백배 이상 향상시킬 수 있다. 또한, 실리콘(Si)을 태양전지로 사용하는 경우, 실리콘의 빛에 대한 감도가 낮기 때문에 적외선 파장 대역인 700nm 파장의 빛에 대하여 실리콘 내에서 약 5㎛ 까지 침투하게 되며, 이러한 깊은 침투 깊이는 태양전지에서 긴 접합 영역을 필요로 한다. 태양전지에서 긴 접합영역은 전자와 정공의 재결합 확률을 높임으로써 발전효율을 낮추는 요인이 된다. 반면에, 본 발명에 따른 태양 전지는 게르마늄이 실리콘에 비하여 가시 광 영역에서 수 백배 이상의 감도를 가지는 우수한 감광 특성을 사용하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있고, 침투 깊이가 짧아 접합 영역이 얇은 접합을 사용할 수 있어서 전자와 정공의 재결합 확률이 작아져서 효율이 높은 초박형의 태양 전지가 가능하다. 또한 파장이 짧은 영역의 빛이 상층부의 실리콘 접합 영역에서 흡수되고, 파장이 긴 영역의 빛은 실리콘 층을 투과하여 게르마늄부에서 흡수되어 게르마늄만을 사용하는 경우보다 효율이 높다. 또한 발전 전압은 순수한 Si을 사용하는 경우보다는 낮지만 순수한 게르마늄을 사용하는 것보다 높은 전압을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 태양 전지는 게르마늄이 가시 광 영역에서 실리콘보다 수 백배 이상의 감도를 가지는 우수한 감광 특성을 사용하여 빛 흡수율이 높고, 게르마늄 층에서의 빛의 침투 깊이가 짧아 접합 영역이 얇은 초박형의 태양 전지가 가능하고 전자와 정공의 재결합 확률이 낮아서 실리콘 접합에 비하여 효율이 높으며, 상층에 실리콘 층을 배치함으로써 짧은 파장의 빛이 실리콘 층에서 흡수되게 함으로써 게르마늄을 사용하는 경우보다 효율이 우수하고 발전전압이 높은 태양전지를 만들 수 있다. 또한 장파장의 빛에 대한 감도가 우수한 게르마늄 층이 아래에 위치함으로써 어두운 환경에서도 발전이 가능하다.

Claims (2)

1. 제1 전도형 실리콘 기판;

   상기 제1 전도형 실리콘 기판상에 결정 성장시킨 제2 전도형 게르마늄부; 및

   상기 제1 전도형 실리콘 기판과 제2 전도형 게르마늄부의 상부에 형성되는 제1 전도형 실리콘;을 포함하고,

   상기 제2 전도형 게르마늄부는 상기 제1 전도형 실리콘에 의해 덮여져 매립된 것을 특징으로 하는 매립형 실리콘 게르마늄 접합 태양전지.
2. 홈이 형성된 제1 전도형 실리콘 기판;

   상기 홈에 결정 성장시킨 제2 전도형 게르마늄부; 및

   상기 제1 전도형 실리콘 기판과 제2 전도형 게르마늄부의 상부에 형성되는 제1 전도형 실리콘;을 포함하고,

   상기 제2 전도형 게르마늄부는 상기 제1 전도형 실리콘에 의해 덮여져 매립된 것을 특징으로 하는 매립형 실리콘 게르마늄 접합 태양전지.

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