KR101921239B1 - 화합물 반도체 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화합물 반도체 태양 전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 일례는 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 p형 반도체층과 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 n형 반도체층을 포함하는 적어도 하나의 광흡수층; 적어도 하나의 광흡수층의 전면에 위치하는 제1 전극; 및 적어도 하나의 광흡수층의 후면에 위치하는 제2 전극;을 포함하고, 적어도 하나의 광흡수층에서 p형 반도체층의 에너지 밴드갭(Eg) 및 n형 반도체층의 에너지 밴드갭 중 적어도 하나의 에너지 밴드갭은 n형 반도체층과 p형 반도체층이 서로 가장 인접한 면에서 멀어질수록 감소한다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 일례는 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 p형 반도체층과 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 n형 반도체층을 포함하는 적어도 하나의 광흡수층; 적어도 하나의 광흡수층의 전면에 위치하는 제1 전극; 및 적어도 하나의 광흡수층의 후면에 위치하는 제2 전극;을 포함하고, 적어도 하나의 광흡수층에서 p형 반도체층의 에너지 밴드갭(Eg) 및 n형 반도체층의 에너지 밴드갭 중 적어도 하나의 에너지 밴드갭은 n형 반도체층과 p형 반도체층이 서로 가장 인접한 면에서 멀어질수록 감소한다.
Description
본 발명은 화합물 반도체 태양 전지에 관한 것이다.
화합물 반도체는 실리콘이나 게르마늄과 같은 단일 원소가 아닌 2종 이상의 원소가 결합되어 반도체로서 동작하는 화합물이다. 이러한 화합물 반도체는 현재 다양한 종류가 개발되어 다양한 분야에서 사용되고 있다. 대표적으로, 광전 변환 효과를 이용한 발광 다이오드나 레이저 다이오드 등의 발광 소자와 태양 전지, 그리고 펠티어 효과(Feltier Effect)를 이용한 열전 변환 소자 등에 화합물 반도체가 이용된다.
이중 자연에 존재하는 태양광 이외의 별도 에너지원을 필요로 하지 않고 친환경적인 태양 전지는 미래의 대체 에너지원으로 활발히 연구되고 있다. 태양 전지는, 주로 실리콘의 단일 원소를 이용하는 실리콘 태양 전지와, 화합물 반도체를 이용하는 화합물 반도체 태양 전지로 대별된다.
화합물 반도체 태양 전지는, 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광흡수층에 화합물 반도체를 사용하는 데, GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs 등의 III-V족 화합물 반도체, CdS, CdTe, ZnS 등의 II-VI족 화합물 반도체, CuInSe2로 대표되는 I-III-VI족 화합물 반도체 등을 사용한다.
태양 전지의 광흡수층은, 장기적인 전기적 및 광학적 안정성이 우수하고, 광전 변환 효율이 높으며, 조성의 변화나 도핑에 의해 밴드갭 에너지나 도전형을 조절하기가 용이할 것 등이 요구된다. 또한, 실용화를 위해서는 제조 비용이나 수율 등의 요건도 만족해야 한다. 전술한 각종의 화합물 반도체는 이러한 요건들을 모두 함께 만족시키지는 못하며, 각각의 장단점에 따라, 용도에 따라 적절히 이용되고 있는 실정이다.
본 발명은 광전 변환 효율이 향상된 화합물 반도체 태양 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 일례는 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 p형 반도체층과 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 n형 반도체층을 포함하는 적어도 하나의 광흡수층; 적어도 하나의 광흡수층의 전면에 위치하는 제1 전극; 및 적어도 하나의 광흡수층의 후면에 위치하는 제2 전극;을 포함하고, 적어도 하나의 광흡수층에서 p형 반도체층의 에너지 밴드갭(Eg) 및 n형 반도체층의 에너지 밴드갭 중 적어도 하나의 에너지 밴드갭은 n형 반도체층과 p형 반도체층이 서로 가장 인접한 면에서 멀어질수록 감소한다.
여기서, p형 반도체층의 에너지 밴드갭은 n형 반도체층과 가장 인접한 면에서 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있고, n형 반도체층의 에너지 밴드갭은 p형 반도체층과 가장 인접한 면에서 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 광흡수층은 제1 전극 및 제2 전극 사이에 순서대로 배치되는 제1 광흡수층과 제2 광흡수층을 포함하고, 제1 광흡수층은 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 제1p 형 반도체층과 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 제1n 형 반도체층을 포함하고, 제2 광흡수층은 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 제2p 형 반도체층과 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 제2n형 반도체층을 포함할 수 있다.
여기서, 제1p 형 반도체층의 제1 도전성 타입의 불순물의 농도 및 제1n 형 반도체층의 제2 도전성 타입의 불순물 농도 중 적어도 하나는 제1p 형 반도체층과 제1n 형 반도체층이 서로 가장 인접한 면으로부터 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다.
또한, 제1 광흡수층은 InGaP 화합물에 알루미늄(Al)을 함유할 수 있으며, 여기서, 제1p 형 반도체층 및 제1n 형 반도체층 중 적어도 하나에서 알루미늄(Al)의 함유량은 제1p 형 반도체층과 제1n 형 반도체층이 서로 가장 인접한 면으로부터 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다. 이때, 제1 광흡수층의 에너지 밴드갭은 1.4 ~ 3.0eV 사이일 수 있다.
또한, 제2p 형 반도체층의 제1 도전성 타입의 불순물의 농도 및 제2n 형 반도체층의 제2 도전성 타입의 불순물 농도 중 적어도 하나는 제2p 형 반도체층과 제2n 형 반도체층이 서로 가장 인접한 면으로부터 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다.
또한, 제2 광흡수층은 GaAs 화합물에 인듐(In)을 함유할 수 있으며, 이에 더불어, 제2 광흡수층은 질소(N)을 더 함유할 수 있다.
여기서, 제2p 형 반도체층 및 제2n 형 반도체층 중 적어도 하나에서 인듐(In) 및 질소(N) 중 적어도 하나의 함유량은 제2p 형 반도체층과 제2n 형 반도체층이 서로 가장 인접한 면으로부터 멀어질수록 점진적으로 증가할 수 있다. 이때, 제2 광흡수층의 에너지 밴드갭은 0.5 ~ 1.5eV 사이일 수 있다.
또한, 제1 광흡수층 및 제2 광흡수층 각각은 제1 도전성 타입의 반도체층과 제2 도전성 타입의 반도체층 사이에 진성 반도체층을 더 포함할 수 있다.
또한, 제1 광흡수층과 제1 전극 사이에는 윈도우층(window layer)을 더 포함하고, 윈도우층은 입사면에 양자점(Quantum Dot)이 형성될 수 있다.
또한, 윈도우층과 제1 전극 사이에는 윈도우층에 도핑된 불순물보다 불순물의 도핑농도가 높은 제1 캡층(cap layer)이 더 포함될 수 있다.
또한, 제2 광흡수층과 제2 전극 사이에는 제2 광흡수층에 도핑된 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제2 도전성 타입의 불순물보다 높은 농도로 도핑된 제2 캡층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지는 광흡수층의 에너지 밴드 구조를 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential) 형태로 형성함으로써, 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제1 실시예를 설명하기 위한 도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제2 실시예를 설명하기 위한 도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 제3 실시예를 설명하기 위한 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제4 실시예를 설명하기 위한 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 제5 실시예를 설명하기 위한 도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제2 실시예를 설명하기 위한 도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 제3 실시예를 설명하기 위한 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제4 실시예를 설명하기 위한 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 제5 실시예를 설명하기 위한 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 “전체적”으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제1 실시예를 설명하기 위한 도이다.
여기서, 도 1은 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제1 실시예의 일부 사시도이고, 도 2는 도 1에 포함되는 광흡수층(PV)의 에너지 밴드 다이어그램에 대해서 설명하기 위한 도이고, 도 3은 도 2의 에너지 밴드를 형성하기 위한 광흡수층(PV)의 불순물 도핑 농도를 설명하기 위한 도이다.
본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제1 실시예는 제1 전극(120), 반사 방지막(130), 제1 캡층(150), 윈도우층(110), 광흡수층(PV), 기판(100), 제2 캡층(170) 및 제2 전극(140)을 포함할 수 있다. 여기서, 반사 방지막(130), 제1 캡층(150), 윈도우층(110), 제2 캡층(170) 및 기판(100) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있지만, 도 1에 도시된 바와 같이 구비된 경우를 일례로 설명한다.
여기서, 기판(100)은 III-VI족 반도체 화합물을 포함하여 형성될 수 있으며, 일례로, 갈륨(Ga)과 비소(As)가 함유된 GaAs 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 아울러, 이와 같은 기판(100)에는 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑될 수 있다.
여기서, 제1 도전성 타입의 불순물은 예를 들어, p형 타입의 불순물 또는 n형 타입의 불순물 중 어느 하나일 수 있으며, p형 타입의 불순물은 붕소(B, Baron), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물일 수 있고, n형 타입의 불순물은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물일 수 있다.
아울러, 제2 도전성 타입의 불순물은 제1 도전성 타입과 반대인 불순물일 수 있다. 따라서, 제1 도전성 타입의 불순물이 p형 타입의 불순물인 경우 제2 도전성 타입의 불순물은 n형 타입의 불순물일 수 있고, 제1 도전성 타입의 불순물이 n형 타입의 불순물인 경우 제2 도전성 타입의 불순물은 p형 타입의 불순물일 수 있다.
이하에서는 일례로, 제1 도전성 타입의 불순물이 p형 타입의 불순물이고, 제2 도전성 타입의 불순물이 n형 타입의 불순물일 경우를 일례로 설명한다.
따라서, 일례로, 도 1에서 기판(100)은 제2 도전성 타입의 불순물, 즉 n형 타입의 불순물이 도핑된 GaAs 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
도 1에서는 이와 같은 기판(100)이 광흡수층(PV)의 아래, 즉, 후면에 구비되는 것을 일례로 도시하였으나, 이와 다르게, 생략될 수도 있다.
광흡수층(PV)은 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 전면에 위치할 수 있으며, III-VI족 반도체 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 일례로, 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 인(P)이 함유된 InGaP 화합물 또는 갈륨(Ga)과 비소(As)가 함유된 GaAs 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
아울러, 광흡수층(PV)은 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 p 형 반도체층(PV-p)과 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 n 형 반도체층(PV-n)을 포함할 수 있다.
따라서, p 형 반도체층(PV-p)은 전술한 화합물에 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되어 형성되고, n 형 반도체층(PV-n)은 전술한 화합물에 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.
여기서, p 형 반도체층(PV-p)의 에너지 밴드갭(Eg) 및 n 형 반도체층(PV-n)의 에너지 밴드갭(Eg) 중 적어도 하나의 에너지 밴드갭은 반도체층 내의 위치에 따라 변화할 수 있다. 즉, p 형 반도체층(PV-p) 및 n 형 반도체층(PV-n) 중 적어도 하나는 내부에 형성된 가전자대(valance band)나 전도대(conduction band) 또는 페르미 준위(Fermi level)가 각 반도체층 내에서 위치에 따라 동일한 수평으로 이루어지지 않고 기울어진 형태인 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)가 형성될 수 있다. 이에 대해서는 도 2에서 상세하게 설명한다.
광흡수층(PV)이 복수 개인 경우, 각 광흡수층(PV) 내에 포함된 각 p 형 반도체층(PV-p) 및 n 형 반도체층(PV-n) 중 적어도 하나는 내부에 전술한 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)가 형성될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, n 형 반도체층(PV-n)은 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑된 기판(100) 바로 위에 접하여 형성될 수 있으며, p 형 반도체층(PV-p)은 n 형 반도체층(PV-n) 바로 위에 접하여 형성될 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 반대로, 기판(100)에 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 경우, 기판(100) 바로 위에는 p 형 반도체층(PV-p)이 형성되고, p 형 반도체층(PV-p) 바로 위에 n 형 반도체층(PV-n)이 접하여 형성되는 것도 가능하다.
이에 따라, 광흡수층(PV)의 내부에는 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)이 접합된 p-n 접합을 형성할 수 있다.
이에 따라, 광흡수층(PV)에 빛이 입사되는 경우, 입사된 빛은 전자-정공 쌍을 생성하고, 광흡수층(PV)의 p-n 접합에 의해 형성된 내부 전위차에 의해, 생성된 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어, 전자는 n형 쪽으로 이동하고, 정공은 p형 쪽으로 이동한다. 따라서, 광흡수층(PV)에서 생성된 전자는 기판(100)을 통하여 제2 전극(140)으로 이동하고, 광흡수층(PV)에서 생성된 정공은 윈도우층(110)을 통하여 제1 전극(120)으로 이동할 수 있다.
아울러, 도 1에서는 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)을 포함하는 광흡수층(PV)의 개수가 하나인 경우를 일례로 도시하고 있으나, 이와 다르게 광흡수층(PV)의 개수는 복수 개로 형성될 수도 있다.
이와 같은 광흡수층(PV)은 유기금속화학증착장비(MOCVD, Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여, 기판(100)의 전면 광흡수층(PV)을 에피텍셜 성장 방법으로 형성시킬 수 있다.
이때, 에피텍셜 성장 방법으로는 기판(100)의 격자 상수(lattice constant)와 기판(100) 위에 형성되는 광흡수층(PV)의 격자 상수를 일치시켜 성장시키는 격자법(lattice method)을 이용할 수 있다.
윈도우층(110)은 광흡수층(PV)과 제1 전극(120) 사이에 형성될 수 있으며, 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑될 수 있다.
일례로, 윈도우층(110)은 윈도우층(110)과 접하는 광흡수층(PV)에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 불순물이 도핑될 수 있다.
따라서, 도 1에서와 같이, 윈도우층(110)이 p 형 반도체층(PV-p) 위에 형성되는 경우, 윈도우층(110)은 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑될 수 있다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 반대로, 윈도우층(110)이 n 형 반도체층(PV-n) 위에 형성되는 경우, 윈도우층(110)은 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑될 수 있다.
이와 같은 윈도우층(110)은 광흡수층(PV)의 전면 표면을 패시베이션하는 기능을 한다. 따라서, 광흡수층(PV)의 표면으로 캐리어(전자나 정공)가 이동할 경우, 윈도우층(110)은 캐리어가 광흡수층(PV)의 표면에서 재결합되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 윈도우층(110)은 광흡수층(PV)의 입사면에 배치되므로, 광흡수층(PV)으로 입사되는 빛을 거의 흡수하지 않도록 하기 위하여 광흡수층(PV)의 에너지 밴드갭보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
이와 같은 윈도우층(110)도 III-VI족 반도체 화합물을 포함하여 형성될 수 있으며, 일례로, InGaP 화합물을 포함하여 형성될 수 있으며, 윈도우층(110)에서의 광흡수율을 최소화하기 위하여, 윈도우층(110)의 에너지 밴드갭을 더 높게 형성할 수 있다. 이를 위하여, 윈도우층(110)은 알루미늄(Al)을 더 함유할 수 있다.
따라서, 도 1에 도시된 윈도우층(110)은 일례로, 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 AlInGaP 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 이와 같은 윈도우층(110)의 입사면, 즉 전면에는 입사되는 빛의 산란 및 분산을 위하여 양자점(Quantum Dot, 110QD)이 형성될 수 있다.
이와 같은 양자점(110QD)으로 빛이 입사되었을 때에, 입사된 빛은 양자점(110QD)에 의해 복수의 경로로 산란될 수 있으며, 빛의 입사각을 굴절시켜 광흡수층(PV) 내에서 광경로를 더 증가시켜, 광흡수층(PV)이 보다 많은 양의 빛을 흡수할 수 있도록 도와주는 역할을 한다.
반사 방지막(130)은 광흡수층(PV)의 전면 위에 위치할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 윈도우층(110)이 구비된 경우, 윈도우층(110)의 전면 위에 위치할 수 있다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 전극(120)이 윈도우층(110)의 전면 위에 구비된 경우, 윈도우층(110)의 전면에서 제1 전극(120)과 중첩되는 영역을 제외한 나머지 영역에 반사 방지막(130)이 위치할 수 있다.
제1 전극(120)은 광흡수층(PV) 위에 위치할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 윈도우층(110)이 구비된 경우, 윈도우층(110) 위에 위치할 수 있다.
아울러, 제1 전극(120)은 도 1에 도시된 바와 같이, 복수 개로 형성될 수 있으며, 복수 개의 제1 전극(120) 각각은 서로 이격되어 정해진 방향으로 길게, 스트라이프 형태로 형성될 수 있다.
이와 같은 제1 전극(120)은 전기 전도성 물질을 포함하여 형성될 수 있으며, 일례로 금속인 금(Au), 게르마늄(Ge), 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
아울러, 제2 전극(140)은 광흡수층(PV) 아래에 위치할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 광흡수층(PV) 아래에 기판(100)이 위치하는 경우, 기판(100) 아래에 위치할 수 있다.
이와 같은 제2 전극(140)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100) 아래에 전체 표면에 형성될 수 있으나, 이와 다르게, 제2 전극(140)은 제1 전극(120)과 유사하게 복수 개로 형성될 수 있으며, 복수 개의 제2 전극(140)은 스트라이프 형태로 길게 뻗어 서로 이격되어 형성될 수 있다.
또한, 제1 캡층(150)은 윈도우층(110)과 제1 전극(120) 사이에 위치할 수 있으며, 윈도우층(110)에 도핑된 불순물보다 불순물의 도핑농도가 높을 수 있다.
이와 같은 제1 캡층(150)은 윈도우층(110)의 전면에 배치되어 제1 전극(120)과 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성한다. 즉, 제1 전극(120)이 윈도우층(110)에 바로 접촉하여 형성될 경우, 윈도우층(110)의 불순물이 상대적으로 작아, 제1 전극(120)과 오믹 컨택이 잘 형성되지 않아, 윈도우층(110)으로 이동한 캐리어가 제1 전극(120)으로 쉽게 이동하지 못하고 소멸될 수 있다.
그러나, 본 발명과 같이, 제1 전극(120)과 윈도우층(110) 사이에 제1 캡층(150)이 형성된 경우, 제1 전극(120)과 오믹 컨택을 형성하는 제1 캡층(150)에 의해 캐리어의 이동을 원할히 이루어져 화합물 반도체 태양 전지의 단락 전류(Jsc)가 향상된다. 이에 따라 태양 전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
이와 같은 제1 전극(120)과 오믹 컨택을 형성하기 위하여, 제1 캡층(150)에 도핑된 불순물의 도핑 농도를 윈도우층(110)에 도핑된 불순물보다 더 높게 할 수 있다.
아울러, 이와 같은 제1 캡층(150)은 AlInGaP 화합물 또는 실리콘(Si) 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 따라서, 일례로, 도 1에서 제1 캡층(150)은 윈도우층(110)의 제1 도전성 타입의 불순물 농도보다 제1 도전성 타입의 불순물이 고농도로 도핑된 AlInGaP 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 제2 캡층(170)은 기판(100)과 제2 전극(140) 사이에 형성될 수 있으며, 기판(100)에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 불순물이 기판(100)의 불순물 농도보다 높은 농도로 함유될 수 있다.
이와 같은 제2 캡층(170)도 제1 캡층(150)과 동일하게, 제2 전극(140)과의 오믹 컨택을 형성할 수 있어, 화합물 반도체 태양 전지의 단락 전류(Jsc)를 보다 향상시킬 수 있다. 이에 따라 태양 전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
이와 같은 제2 캡층(170)은 GaAs 화합물 또는 실리콘(Si) 재질을 포함하여 형성될 수 있다.
만약, 기판(100)이 생략되는 경우, 제2 캡층(170)은 광흡수층(PV)과 직접 접촉하여 형성될 수 있으며, 이때, 제2 캡층(170)에 함유되는 불순물은 제2 캡층(170)과 접촉하는 광흡수층(PV)의 면에 도핑된 불순물과 동일하고, 더 고농도로 함유될 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 화합물 반도체 태양 전지의 동작은 다음과 같다.
화합물 반도체 태양 전지의 전면으로 빛이 입사되는 경우, 입사된 빛은 광흡수층(PV) 내에 전자-정공 쌍을 발생시킨다. 이들 전자-정공 쌍은 광흡수층(PV) 내의 p-n 접합에 의해 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 n 형 반도체층(PV-n)과 기판(100)을 통하여 제2 전극(140)으로 이동하고, 정공은 p 형 반도체층(PV-p)과 윈도우층(110)을 통하여 제1 전극(120)으로 이동한다.
이때, 제1 전극(120)과 제2 전극(140)을 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이동하게 된다.
한편, 이와 같은 구조에서, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지는 전술한 바와 같이, 광흡수층(PV) 내에 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)가 형성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지는 적어도 하나의 광흡수층(PV)에서 p 형 반도체층(PV-p)의 에너지 밴드갭(Eg) 및 n 형 반도체층(PV-n)의 에너지 밴드갭 중 적어도 하나의 에너지 밴드갭은 n 형 반도체층(PV-n)과 p 형 반도체층(PV-p)이 서로 다른 도전형의 반도체층과 가장 인접한 면(즉, n 형 반도체층(PV-n)과 p 형 반도체층(PV-p)이 서로 다른 도전형의 반도체층을 향하는 면, 또는 도 1의 경우에서는 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)의 접합면, JS-PN)으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
다시 말하면, p 형 반도체층(PV-p)의 에너지 밴드갭(Eg)은 n 형 반도체층(PV-n)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 감소할 수 있고, n 형 반도체층(PV-n)의 에너지 밴드갭(Eg)은 p 형 반도체층(PV-p)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 감소할 수 있다.
도 2를 참고하여, 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)이 서로 접합하는 경우, p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)의 접합면(JS-PN)을 중심으로, 공핍층(depletion region, DR)이 형성되고, p 형 반도체층(PV-p)에서 공핍층(DR)을 제외한 나머지 영역에는 p 영역이 형성되고, n 형 반도체층(PV-n)에서 공핍층(DR)을 제외한 나머지 영역에는 n 영역이 형성될 수 있다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, p 형 반도체층(PV-p)의 가전자대(Evp2, valance band)와 전도대(Ecp, conduction band) 사이의 에너지 밴드갭은 n 형 반도체층(PV-n)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 Eg-p1에서 Eg-p2로 점진적으로 및/또는 연속적으로 감소할 수 있다.
이때, p 형 반도체층(PV-p)의 가전자대(Evp2)가 n 형 반도체층(PV-n)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 p 형 반도체층(PV-p)의 가전자대(Evp2)와 전도대(Ecp) 사이의 에너지 밴드갭이 점진적으로 감소하는 방향으로 기울어져 있을 수 있다.
또한, n 형 반도체층(PV-n)의 가전자대(EVN, valance band)와 전도대(ECN2) 사이의 에너지 밴드갭은 p 형 반도체층(PV-p)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 점진적으로 및/또는 연속적으로 감소할 수 있다.
이때, n 형 반도체층(PV-n)의 전도대(ECN2)는 p 형 반도체층(PV-p)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 n 형 반도체층(PV-n)의 가전자대(EVN)와 전도대(ECN2) 사이의 에너지 밴드갭이 점진적으로 감소하는 방향으로 기울어져 있을 수 있다.
아울러, 도 2의 에너지 밴드 다이어그램에서 공핍층(DR)의 에너지 밴드갭은 거의 동일한 경우를 일례로 도시하고 있으나, 이와 다르게 공핍층(DR) 내에서도 p 형 반도체층(PV-p)의 가전자대(Evp2, valance band)와 전도대(Ecp, conduction band) 사이의 에너지 밴드갭은 n 형 반도체층(PV-n)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 점진적으로 및/또는 연속적으로 감소할 수 있고, n 형 반도체층(PV-n)의 가전자대(EVN, valance band)와 전도대(ECN2) 사이의 에너지 밴드갭도 p 형 반도체층(PV-p)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 점진적으로 및/또는 연속적으로 감소할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 에너지 밴드 다이어그램의 페르미 레벨(Fermi level, Ef2)은 각 반도체층의 위치에 따라 변화하는 Ef2로 기울어져 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 광흡수층(PV)의 에너지 밴드 다이어그램에서, (1) 본 발명의 페르미 레벨(Ef2)은 각 반도체층의 위치에 따라 동일한 종래의 페르미 레벨(Ef1)과 다르게 기울어져 형성될 수 있다.
또한, (2) 본 발명의 p 형 반도체층(PV-p)의 가전자대(Evp2)는 각 반도체층의 위치에 따라 동일한 종래의 가전자대(Evp1)와 다르게, n 형 반도체층(PV-n)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 p 형 반도체층(PV-p)의 에너지 밴드갭이 감소하는 방향으로 기울어져 형성될 수 있다.
또한, (3) 본 발명의 n 형 반도체층(PV-n)의 전도대(ECN2)는 각 반도체층의 위치에 따라 동일한 종래의 전도대(ECN1)와 다르게, p 형 반도체층(PV-p)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 n 형 반도체층(PV-n)의 에너지 밴드갭이 감소하는 방향으로 기울어져 형성될 수 있다.
도 2에서는 본 발명에 따른 광흡수층(PV)의 에너지 밴드 다이어그램에서, 전술한 (1), (2), (3) 모두가 포함된 경우를 일례로 설명하고 있으나, 이와 다르게, (1) 내지 (3) 중에서, (2)만 포함되거나 (3)만 포함될 수도 있다.
이와 같이, 광흡수층(PV)이 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)를 갖는 경우, 각 반도체층으로 이동하는 캐리어(전자나 정공)의 이동 속도가 기울어진 가전자대나 전도대(Ecp)에 의해 상대적으로 더 증가되므로 태양 전지의 효율이 더욱 향상될 수 있다. 즉, 캐리어의 이동 속도는 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)에 의해, 내리막 길을 굴러가는 공처럼 속도가 증가할 수 있다.
이와 같이, 광흡수층(PV) 내에 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)를 형성하는 방법은 광흡수층(PV) 내에 포함되는 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도를 제어하거나 광흡수층(PV)을 형성하는 InGaP 화합물 또는 GaAs 화합물의 화합물 농도비를 제어함으로써 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1, 2 도전성 타입의 불순물의 농도를 조절하여 각 반도체층의 페르미 레벨(Ef2)의 기울기를 주로 제어할 수 있고, 아울러 각 반도체층의 에너지 밴드 갭의 크기를 미세하게 제어할 있다. 광흡수층(PV)을 형성하는 화합물의 농도비를 조절하여, 반도체층의 에너지 밴드갭(Eg-p2 또는 Eg-n2)의 크기를 제어할 수 있다.
따라서, 앞에서 설명한 본 발명의 광흡수층(PV)의 에너지 밴드 다이어그램을 형성하기 위하여, 제1, 2 도전성 타입의 불순물의 농도 및 광흡수층(PV)을 형성하는 화합물 농도비 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 즉, 도 2에서 설명한 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)를 광흡수층(PV)에 형성하기 위하여, 제1, 2 도전성 타입의 불순물의 농도만을 조절할 수도 있고, 제1, 2 도전성 타입의 불순물의 농도와 광흡수층(PV)을 형성하는 화합물 농도비를 함께 조절할 수도 있다.
일례로, 도 2에서 설명한 광흡수층(PV)의 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)는 광흡수층(PV)의 제1, 2 도전성 타입의 불순물 농도를 도 3에 도시된 바와 같이, 조절하여 제어할 수 있다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 광흡수층(PV)에서 n 형 반도체층(PV-n)의 전면에 p 형 반도체층(PV-p)이 위치하고, p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)이 서로 P-N 접합을 형성하는 경우 다음과 같다.
p 형 반도체층(PV-p)에서 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP)는 P-N 접합면(JS-PN)(즉, n 형 반도체층(PV-n)과 가장 인접한 면(JS-PN))에서 p 형 반도체층(PV-p)의 전면(즉, 제1 전극(120)과 인접한 면(FF-PV-p))으로 진행할수록 점진적으로 감소할 수 있다.
n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)는 P-N 접합면(JS-PN)(즉, p 형 반도체층(PV-p)과 가장 인접한 면(JS-PN))에서 n 형 반도체층(PV-n)의 후면(즉, 제2 전극(140)과 인접한 면(RF-PV-n))으로 진행할수록 점진적으로 감소할 수 있다.
여기서, p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP) 및 n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)의 구체적인 예는 다음의 도 3과 같다.
먼저 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP)는 P-N 접합면(JS-PN)에서 멀어질수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 선형적으로 감소할 수 있고, n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)는 P-N 접합면(JS-PN)에서 멀어질수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 선형적으로 감소할 수 있다.
또는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP)는 P-N 접합면(JS-PN)에서 멀어질수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 연속적이되 비선형적 또는 지수함수적으로 감소할 수 있고, n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)는 P-N 접합면(JS-PN)에서 멀어질수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 연속적이되 비선형적 또는 지수함수적으로 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지는 p 형 반도체층(PV-p)에서 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP) 및 n 형 반도체층(PV-n)에서 제2 도전성 타입의 불순물 농도(CL)가 점진적 및 연속적으로 감소할 수 있다.
또한, 이와 다르게, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP)는 P-N 접합면(JS-PN)에서 멀어질수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 불연속적, 즉 계단 형태로 점진적으로 감소할 수 있고, n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)는 P-N 접합면(JS-PN)에서 멀어질수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 불연속적, 점진적으로 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지는 p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP) 및 n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN) 각각이 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN)으로부터 멀어질수록 점진적 및/또는 연속적으로 감소하도록 함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)를 갖는 광흡수층(PV)을 형성할 수 있다.
광흡수층(PV)을 형성하는 화합물의 농도비를 이용하여, 도 2에 도시된 광흡수층(PV)의 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)를 형성하는 방법은 화합물의 특성에 따라 변화될 수 있으므로, 광흡수층(PV)이 특정된 도 6에 대해 설명할 때에 함께 설명한다.
지금까지는 광흡수층(PV)의 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)이 서로 P-N 접합을 형성하는 경우에 대해서만 설명했으나, 이와 다르게 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n) 사이에는 진성 반도체층인 i 형 반도체층(PV-i)이 더 위치할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제2 실시예를 설명하기 위한 도이다.
여기서, 도 4은 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제2 실시예의 일부 사시도이고, 도 5는 도 4에서 광흡수층(PV)의 불순물 도핑 농도를 설명하기 위한 도이다.
도 4에서, 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제2 실시예는 도 1과 비교하여, 광흡수층(PV)을 제외한 나머지 구성 요소는 도 1과 동일하다. 따라서, 도 4에서는 광흡수층(PV)에 대해서만 설명하고, 나머지 구성 요소에 대한 설명은 도 1의 기재로 대체한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제2 실시예는 광흡수층(PV)의 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n) 사이에 진성 반도체층인 i 형 반도체층(PV-i)을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 i 형 반도체층(PV-i)은 p 형 반도체층(PV-p) 및 n 형 반도체층(PV-n)과 다르게 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제2 도전성 타입의 불순물을 전혀 포함하지 않거나 포함하더라도 p 형 반도체층(PV-p) 및 n 형 반도체층(PV-n)에 포함된 불순물 농도의 10% 이내의 범위에서 포함할 수 있다. 따라서, i 형 반도체층(PV-i)은 p 형 반도체층(PV-p) 및 n 형 반도체층(PV-n)과 비교하여 상대적으로 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제2 도전성 타입의 불순물을 거의 포함하지 않을 수 있다.
따라서, i 형 반도체층(PV-i)은 진성 InGaP 화합물 또는 진성 GaAs 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
이와 같은 경우에도 역시, 도 3에서 설명한 바와 유사하게, p 형 반도체층(PV-p)에서 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP)는 n 형 반도체층(PV-n)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있고, n 형 반도체층(PV-n)에서 제2 도전성 타입의 불순물 농도(CL)는 p 형 반도체층(PV-p)과 가장 인접한 면(JS-PN)에서 멀어질수록 점직적으로 감소할 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 광흡수층(PV)에서 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n) 사이에 i 형 반도체층(PV-i)이 위치하고, i 형 반도체층(PV-i)의 전면에 p 형 반도체층(PV-p)이 위치하고, i 형 반도체층(PV-i)의 후면에 n 형 반도체층(PV-n)이 위치하는 경우, p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n) 각각의 불순물 농도는 다음과 같다.
p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP)는 p 형 반도체층(PV-p)의 후면(RF-PV-p)(즉, n 형 반도체층(PV-n)과 가장 인접한 면)에서 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다.
아울러, n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)는 n 형 반도체층(PV-n)의 전면(FF-PV-n)(즉, p 형 반도체층(PV-p)과 가장 인접한 면)에서 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다.
여기서, p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP) 및 n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)의 구체적인 예는 다음의 도 5와 같다.
먼저 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP)는 p 형 반도체층(PV-p)의 후면(RF-PV-p)에서 p 형 반도체층(PV-p)의 전면(FF-PV-p)으로 진행할수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 선형적으로 감소할 수 있고, n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)는 n 형 반도체층(PV-n)의 전면(FF-PV-n)에서 n 형 반도체층(PV-n)의 후면(RF-PV-n)으로 진행할수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 선형적으로 감소할 수 있다.
또는, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP)는 p 형 반도체층(PV-p)의 후면(RF-PV-p)에서 p 형 반도체층(PV-p)의 전면(FF-PV-p)으로 진행할수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 연속적이되 비선형적 또는 지수함수적으로 감소할 수 있고, n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)는 n 형 반도체층(PV-n)의 전면(FF-PV-n)에서 n 형 반도체층(PV-n)의 후면(RF-PV-n)으로 진행할수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 연속적이되 비선형적 또는 지수함수적으로 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지는 p 형 반도체층(PV-p)에서 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP) 및 n 형 반도체층(PV-n)에서 제2 도전상 타입의 불순물 농도가 연속적으로 및 점진적으로 감소할 수 있다.
또한, 이와 다르게, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP)는 p 형 반도체층(PV-p)의 후면(RF-PV-p)에서 p 형 반도체층(PV-p)의 전면(FF-PV-p)으로 진행할수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 불연속적, 즉 계단 형태로 점진적으로 감소할 수 있고, n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN)는 n 형 반도체층(PV-n)의 전면(FF-PV-n)에서 n 형 반도체층(PV-n)의 후면(RF-PV-n)으로 진행할수록 제1 농도(CH)에서 제2 농도(CL)로 불연속적, 즉 계단 형태로 점진적으로 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지는 p 형 반도체층(PV-p)에 도핑되는 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP) 및 n 형 반도체층(PV-n)에 도핑되는 제2 도전성 타입의 불순물의 농도(CN) 각각이 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)이 서로 인접한 면(JS-PN)으로부터 멀어질수록 점진적 및/또는 연속적으로 감소하도록 함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이, i 형 반도체층(PV-i)을 사이에 둔 p 형 반도체층(PV-p)과 n 형 반도체층(PV-n)이 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)를 가지도록 할 수 있다.
지금까지는 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지에서 광흡수층(PV)이 도 1 및 도 4에서 도시된 바와 같이, 하나의 광흡수층(PV)만 포함하는 경우를 일례로 설명하였으나, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지에서 광흡수층(PV)은 복수 개로 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지에서 광흡수층(PV)은 복수 개인 경우에 대해 설명한다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 제3 실시예를 설명하기 위한 도이다.
여기서, 도 6는 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제3 실시예의 일부 사시도이고, 도 7은 도 6의 제1 광흡수층(PV1) 내에서 알루미늄(Al) 농도 변화를 도시한 일례이고, 도 8은 도 6의 제2 광흡수층(PV2) 내에서 인듐(In)(또는 질소(N))의 농도 변화를 도시한 일례이다.
도 6에서 제2 광흡수층(PV2)의 불순물 도핑 농도를 설명하기 위한 도이다.
도 6 및 도 7에서는 도 1과 중복되는 부분에 대해서는 도 1에 대한 설명으로 대체하고, 도 1과 다른 부분에 대해서 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지에서 광흡수층(PV)은 제1 광흡수층(PV1)과 제2 광흡수층(PV2)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 광흡수층(PV1)은 InGaP 화합물을 포함할 수 있으며, 제2 광흡수층(PV2)은 GaAs 화합물을 포함할 수 있다.
이와 같은 경우, 제1 광흡수층(PV1)과 제2 광흡수층(PV2) 사이에는 터널 정션층(tunnel junction, 160)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 제1 광흡수층(PV1), 터널 정션층(160), 및 제2 광흡수층(PV2)은 윈도우층(110)과 기판(100) 사이에 차례대로 형성될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 광흡수층(PV1)의 후면에 터널 정션층(160), 터널 정션층(160)의 후면(FF-PV2-p)에 제2 광흡수층(PV2)이 순차적으로 형성될 수 있다. 참고로, 윈도우층(110)부터 기판(100)까지의 거리는 대략 2μm ~ 3 μm 사이로 형성될 수 있다.
이와 같은 경우, 제1 광흡수층(PV1)은 제1p 형 반도체층(PV1-p)과 제1n 형 반도체층(PV1-n)을 포함할 수 있으며, 제2 광흡수층(PV2)은 제2p 형 반도체층(PV2-p)과 제2n 형 반도체층(PV2-n)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 제1 광흡수층(PV1) 및 제2 광흡수층(PV2)은 내부에서 각각 P-N 접합을 형성할 수 있다.
여기서, 터널 정션층(160)은 정합 특성을 개선하기 위하여 제1 광흡수층(PV1)과 제2 광흡수층(PV2)을 서로 오믹 컨택(ohmic contact)시키는 역할을 할 수 있으며, InGap 화합물 또는 GaAs 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
일례로, InGap 화합물을 포함하는 경우 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 p+ InGaP 층과 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑된 n+ InGaP 층을 포함하여 형성될 수 있다.
이때, p+ InGaP 층은 제2 광흡수층(PV2)의 제2p 형 반도체층(PV2-p)과 접하여 위치할 수 있으며, n+ InGaP 층은 p+ InGaP 층과 제1n 형 반도체층(PV1-n)과 접하여 위치할 수 있다.
이와 같이, 터널 정션층(160)이 복수 개의 광흡수층(PV) 사이에 형성된 경우, 복수 개의 광흡수층(PV) 사이에 별도의 금속 전극 대신에 터널 정션층(160)으로만 복수 개의 광흡수층(PV)을 전기적으로 직렬 연결시킬 수 있어, 넓은 흡수 대역을 가지는 다중 접합 태양 전지의 제작이 가능하다.
이와 같은 터널 정션층(160)은 제1광흡수층(PV)과 제2광흡수층(PV) 사이의 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하여 태양전지의 안정성을 제공하고, 접합특성을 개선시키는 역할을 수행할 수 있다.
이와 같이, 태양 전지의 광흡수층(PV)이 복수 개로 형성된 경우, 윈도우층(110)에 가장 인접한 제1 광흡수층(PV1)은 단파장 대역의 빛을 흡수받아 광전 변환시키고, 윈도우층(110)에서 가장 멀리 위치한 제2 광흡수층(PV2)은 장파장 대역의 빛을 흡수받아 광전 변환시킬 수 있다.
이를 위하여, 제2 광흡수층(PV2)의 에너지 밴드갭은 제1 광흡수층(PV1)의 에너지 밴드갭보다 낮게 할 수 있으며, 제2 광흡수층(PV2)의 두께는 제1 광흡수층(PV1)의 두께보다 클 수 있다.
여기서, 제1 광흡수층(PV1) 및 제2 광흡수층(PV2) 중 적어도 하나는 도 2에서 설명한 바와 같이, 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)가 형성될 수 있다.
따라서, 제2 광흡수층(PV2)은 제1 광흡수층(PV1)의 에너지 밴드갭보다 낮은 범위 내에서, 도 2에 도시된 바와 동일하게, 제2p 형 반도체층(PV2-p)의 에너지 밴드갭(Eg) 및 제2n 형 반도체층(PV2-n)의 에너지 밴드갭 중 적어도 하나의 에너지 밴드갭이 제2n 형 반도체층(PV2-n)과 제2p 형 반도체층(PV2-p)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN2)에서 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다.
일례로, 제2 광흡수층(PV2)에서는 2p 형 반도체층(PV2-p) 및 제2n 형 반도체층(PV2-n)의 모두의 에너지 밴드갭이 제2n 형 반도체층(PV2-n)과 제2p 형 반도체층(PV2-p)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN2)에서 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다.
아울러, 제1 광흡수층(PV1)은 윈도우층(110)의 에너지 밴드갭보다 낮은 범위 내에서, 도 2에 도시된 바와 동일하게, 제1p 형 반도체층(PV1-p)의 에너지 밴드갭(Eg) 및 제1n 형 반도체층(PV1-n)의 에너지 밴드갭 중 적어도 하나의 에너지 밴드갭은 제1n 형 반도체층(PV1-n)과 제1p 형 반도체층(PV1-p)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN1)에서 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다.
일례로, 제1 광흡수층(PV1)에서는, 윈도우층(110)의 에너지 밴드갭을 고려하여, 제1n 형 반도체층(PV1-n)의 에너지 밴드갭만 제1n 형 반도체층(PV1-n)과 제1p 형 반도체층(PV1-p)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN1)에서 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있다.
여기서, 제2 광흡수층(PV2)의 에너지 밴드갭을 제1 광흡수층(PV1)의 에너지 밴드갭보다 낮추기 위하여, 제2 광흡수층(PV2)은 GaAs 화합물에 인듐(In)을 함유한 InGaAs 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 아울러, 제1 광흡수층(PV1)은 InGaP 화합물에 알루미늄(Al)을 함유한 AlInGaP 화합물을 포함하여 형성될 수 있고, 이로 인하여 제1 광흡수층(PV1)의 에너지 밴드갭(Eg)을 보다 더 높일 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 기판(100)은 도 1에서 전술한 바와 같이, GaAs 화합물로 형성될 수 있는데, 이와 같은 경우, 유기금속화학증착장비(MOCVD, Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여, 제2 광흡수층(PV2)을 격자법(lattice method)으로 에피텍셜 성장시키는 경우, 제2 광흡수층(PV2)의 격자 상수(lattice constant)가 기판(100)의 격자 상수보다 과도하게 커서 에피텍셜 성장이 제대로 이루어질 수 없거나, 에피텍셜 성장이 이루어진다고 하더라도 격자 상수의 차이로 인하여 제2 광흡수층(PV2)과 기판(100)의 면에서 캐리어가 과도하게 소멸될 수 있다.
따라서, 이를 방지하기 위하여, 제2 광흡수층(PV2)은 InGaAs 화합물에 질소(N)을 함유한 InGaAsN 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 아울러, 경우에 따라, 제1 광흡수층(PV1)도 AlInGaP 화합물에 질소(N)을 함유한 AlInGaPN 화함물을 포함하여 형성될 수 있다.
따라서, 제1 광흡수층(PV1)의 제1p 형 반도체층(PV1-p)은 제1 도전성 불순물이 도핑된 p-AlInGaP(N) 화함물을 포함하여 형성되고, 제1n 형 반도체층(PV1-n)은 제2 도전성 불순물이 도핑된 n-AlInGaP(N) 화함물을 포함하여 형성될 수 있다.
아울러, 제2 광흡수층(PV2)의 제2p 형 반도체층(PV2-p)은 제1 도전성 불순물이 도핑된 p-InGaAsN 화함물을 포함하여 형성되고, 제2n 형 반도체층(PV2-n)은 제2 도전성 불순물이 도핑된 n-InGaAsN 화함물을 포함하여 형성될 수 있다.
이에 따라, 기판(100)의 전면(Rf-PV2-n) 위에 상대적으로 낮은 에너지 밴드갭을 가지는 제2 광흡수층(PV2)을 형성할 수 있고, 제2 광흡수층(PV2) 위에 상대적으로 높은 에너지 밴드갭을 가지는 제1 광흡수층(PV1)을 형성할 수 있다.
이때, 제1 광흡수층(PV1)의 에너지 밴드갭은 제2 광흡수층(PV2)의 에너지 밴드갭보다 높은 범위 내에서, 일례로, 1.4 ~ 3.0eV 사이로 형성될 수 있으며, 제2 광흡수층(PV2)의 에너지 밴드갭은 제1 광흡수층(PV1)의 에너지 밴드갭보다 낮은 범위 내에서, 일례로, 0.5 ~ 1.5eV 사이로 형성될 수 있다.
이와 같은 에너지 밴드갭의 범위 내에서, 제1 광흡수층(PV1) 및 제 2 광흡수층(PV) 내에는 도 2에서 설명한, 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)가 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2에서 설명한, 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)가 제1 광흡수층(PV1)의 제1p 형 반도체층(PV1-p) 및 제1n 형 반도체층(PV1-n) 중 적어도 하나에 형성되도록 하기 위하여, (1) 제1p 형 반도체층(PV1-p)의 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP) 및 제1n 형 반도체층(PV1-n)의 제2 도전성 타입의 불순물 농도(CN) 중 적어도 하나가, 도 3에서 설명한 바와 같이, 제1p 형 반도체층(PV1-p)과 제1n 형 반도체층(PV1-n)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN1)으로부터 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있고, 이와 더불러, (2) AlInGaP(N) 화함물을 함유하는 제1p 형 반도체층(PV1-p) 및 제1n 형 반도체층(PV1-n) 중 적어도 하나에서 알루미늄(Al)의 함유량(또는 농도)(CAlP1)이 제1p 형 반도체층(PV1-p)과 제1n 형 반도체층(PV1-n)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN1)으로부터 멀어질수록 점진적으로 및/또는 연속적으로 감소할 수 있다.
일례로, 알루미늄(Al) 함유량(CAlP1)이 커질수록 에너지 밴드갭이 높아지므로, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1p 형 반도체층(PV1-p) 및 제1n 형 반도체층(PV1-n)에 함유된 각 알루미늄(Al)의 함유량(CAlP1)을 제1p 형 반도체층(PV1-p)과 제1n 형 반도체층(PV1-n)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN1)으로부터 멀어질수록 제1 알루미늄 농도(AlH)에서 제2 알루미늄 농도(AlL)로 점진적으로 및/또는 연속적으로 감소시켜, 제1p 형 반도체층(PV1-p)과 제1n 형 반도체층(PV1-n) 각각의 에너지 밴드갭이 서로 가장 인접한 면(JS-PN1)으로부터 멀어질수록 감소시킬 수 있다.
이때, 알루미늄(Al) 함유량(CAlP1)이 제1 알루미늄 농도(AlH)에서 제2 알루미늄 농도(AlL)로 감소하는 형태는 도 7에 도시된 바와 같이, 연속적 및 선형적으로 감소할 수도 있으나, 도 3 및 도 5에서 설명한 바와 같이, 연속적이나 비선형적 또는 지수함수적으로 감소될 수도 있고, 비연속적이나 점진적으로 감소할 수도 있다.
아울러, 도 7에서는 제1p 형 반도체층(PV1-p) 및 제1n 형 반도체층(PV1-n) 모두의 알루미늄(Al)의 함유량(CAlP1)이 감소하는 것을 일례로 도시하고 있으나, 이와 다르게, 제1n 형 반도체층(PV1-n)의 알루미늄(Al)의 함유량(CAlP1)만 감소할 수도 있다.
도 2에서 설명한, 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)가 제2 광흡수층(PV2)의 제2p 형 반도체층(PV2-p) 및 제2n 형 반도체층(PV2-n) 중 적어도 하나에 형성되도록 하기 위하여, (1) 제2p 형 반도체층(PV2-p)의 제1 도전성 타입의 불순물의 농도(CP) 및 제2n 형 반도체층(PV2-n)의 제2 도전성 타입의 불순물 농도(CN) 중 적어도 하나가, 도 3에서 설명한 바와 같이, 제2p 형 반도체층(PV2-p)과 제2n 형 반도체층(PV2-n)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN2)으로부터 멀어질수록 점진적으로 감소할 수 있고, 이와 더불러, (2) InGaAsN 화함물을 함유하는 제1p 형 반도체층(PV1-p) 및 제1n 형 반도체층(PV1-n) 중 적어도 하나에서 인듐(In)의 함유량(CInP2, CInN2) 및 질소(N)의 함유량(CNP2, CNN2) 중 적어도 하나는 제2p 형 반도체층(PV2-p)과 제2n 형 반도체층(PV2-n)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN2)으로부터 멀어질수록 점진적으로 및/또는 연속적으로 증가할 수 있다.
일례로, 인듐(In) 함유량(CInP2, CInN2)이 커질수록 에너지 밴드갭이 낮아지므로, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2p 형 반도체층(PV2-p) 및 제2n 형 반도체층(PV2-n)에 함유된 각 인듐(In)의 함유량(CInP2, CInN2)을 제2p 형 반도체층(PV2-p)과 제2n 형 반도체층(PV2-n)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN2)으로부터 멀어질수록 제1 인듐 농도(InL)에서 제2 인듐 농도(InH)로 점진적으로 및/또는 연속적으로 증가시켜, 제2p 형 반도체층(PV2-p)과 제2n 형 반도체층(PV2-n) 각각의 에너지 밴드갭이 서로 가장 인접한 면(JS-PN2)으로부터 멀어질수록 감소시킬 수 있다.
이때, 인듐(In) 함유량(CInP2, CInN2)이 제1 인듐 농도(InL)에서 제2 인듐 농도(InH)로 증가하는 형태는 도 8에 도시된 바와 같이, 연속적 및 선형적으로 증가할 수도 있으나, 연속적이면서 비선형적(또는 지수함수적)으로 증가될 수도 있고, 비연속적이나 점진적으로 증가할 수도 있다.
아울러, 인듐(In) 함유량(CInP2, CInN2)에 따라 격자 상수가 변화하므로, 제2 광흡수층(PV2)의 격자 상수를 제어하기 위하여, 질소(N)의 함유량(CNP2, CNN2)을 인듐(In)의 함유량(CInP2, CInN2)과 동일하게 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2p 형 반도체층(PV2-p) 및 제2n 형 반도체층(PV2-n)에 함유된 질소(N)의 함유량(CNP2, CNN2) 역시, 제2p 형 반도체층(PV2-p)과 제2n 형 반도체층(PV2-n)이 서로 가장 인접한 면(JS-PN2)으로부터 멀어질수록 제1 질소 농도(NL)에서 제2 질소 농도(NH)로 점진적으로 및/또는 연속적으로 증가시킬 수 있다.
여기서, 제2 광흡수층(PV2)에서의 제2 인듐 농도(InH) 및 제2 질소 농도(NH)는 거의 “0(zero)”에 가까울 수 있다. 따라서, P-N 접합층(JS-PN2)에 가까워질수록 제2p 형 반도체층(PV2-p) 및 제2n 형 반도체층(PV2-n)에 포함되는 화합물은 InGaAsN 화함물에서 GaAs 화합물로 변화될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 제3 실시예는 광흡수층(PV)을 복수 개로 형성하여 단파장 뿐만 아니라 장파장 대역의 빛을 효율적으로 흡수할 있어, 태양 전지의 단락 전류(Jsc)를 향상시킬 뿐만 아니라, 각 광흡수층(PV) 내에 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)가 형성되도록 하여, 캐리어의 이동 속도를 더욱 높일 수 있어, 태양 전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
지금까지는 각각의 광흡수층(PV1, PV2)이 서로 P-N 접합을 형성하는 경우에 대해서만 설명했으나, 이와 다르게 각각의 광흡수층(PV1, PV2)은 제p 형 반도체층(PV-p)과 제n 형 반도체층(PV-n) 사이에는 진성 반도체층인 제i 형 반도체층(PV-i)이 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제4 실시예를 설명하기 위한 도이다.
여기서, 도 9는 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제2 실시예의 일부 사시도이다.
도 9에서, 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제4 실시예는 제3 실시예의 도 6와 비교하여, 제1 광흡수층(PV1) 및 제2 광흡수층(PV2) 내에서 진성 반도체층인 제1i형 반도체층(PV1-i) 및 제2i형 반도체층(PV2-i)을 구비한 것을 제외하고 나머지 구성요소는 제3 실시예의 도 6과 동일하다. 따라서, 도 9에서는 제1 광흡수층(PV1) 및 제2 광흡수층(PV2) 내에 제1i형 반도체층(PV1-i) 및 제2i형 반도체층(PV2-i)이 구비된 경우에 대해서 주로 설명하고, 나머지 구성 요소에 대한 설명은 앞서 설명한 기재로 대체한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 화합물 태양 전지의 제4 실시예는 제1 광흡수층(PV1)의 제1p 형 반도체층(PV1-p)과 제1n 형 반도체층(PV1-n) 사이에 진성 반도체층인 제1i 형 반도체층(PV1-i)을 더 포함하고, 제2 광흡수층(PV2)의 제2p 형 반도체층(PV2-p)과 제2n 형 반도체층(PV2-n) 사이에 진성 반도체층인 제2i 형 반도체층(PV2-i)을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 제1i 형 반도체층(PV1-i) 및 제2i 형 반도체층(PV2-i)은 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제2 도전성 타입의 불순물을 전혀 또는 거의 포함하지 않을 수 있다.
따라서, 제1i 형 반도체층(PV1-i)은 앞선 도 5에서 설명한 바와 같이, 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제2 도전성 타입의 불순물을 거의 포함하지 않을 수 있으며, AlInGaP(N) 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 이때, 알루미늄(Al)의 함유량은 도 7에서 설명한 제1 알루미늄 농도(AlH)와 동일하게 함유될 수 있다.
또한, 제2i 형 반도체층(PV2-i)도 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제2 도전성 타입의 불순물을 포함하지 않고, 아울러, InGaAsN 화합물을 함유하는 제2p 형 반도체층(PV2-p)과 제2n 형 반도체층(PV2-n)과 달리 인듐(In)이나 질소(N)의 함유량(CNP2, CNN2)도 매우 낮거나 없을 수 있다.
따라서, 인듐(In)이나 질소(N)의 함유량이 매우 낮은 경우, 제2i 형 반도체층(PV2-i)에 함유되는 인듐(In)의 함유량은 제1 인듐 농도(InL)와 동일할 수 있고, 제2i 형 반도체층(PV2-i)에 함유되는 질소(N)의 함유량은 도 8의 제1 질소 농도(NL)와 동일할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지의 제5 실시예를 설명하기 위한 도이다.
도 10에서는 기판(100)을 제거되는 점을 제외하고 화합물 반도체 태양 전지의 나머지 구성 요소에 대한 설명은 이전에 설명한 바와 동일하므로, 나머지 구성 요소에 대한 설명은 이전의 설명으로 대체한다.
아울러, 도 10에서는 광흡수층(PV)이 복수 개인 경우를 일례로 설명하였으나, 광흡수층(PV)이 하나인 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명에서 기판(100)이 제거되는 특징은 이전에 설명하였던, 화합물 반도체 태양 전지의 제1 실시예 내지 제4 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 제2 광흡수층(PV2)과 제2 전극(140) 사이에 위치해야할 기판(100)이 생략되면, 제2 광흡수층(PV2)과 제2 전극(140) 사이의 오믹 컨택을 위하여, 제2 광흡수층(PV2)과 제2 전극(140) 사이에는 제2 광흡수층(PV2)에 도핑된 제1 도전성 타입의 불순물 또는 제2 도전성 타입의 불순물보다 높은 농도로 도핑된 제2 캡층(170)이 위치할 수 있다. 그러나 이와 다르게, 제2 캡층(170) 없이 제2 광흡수층(PV2)과 제2 전극(140)이 서로 직접 접촉되는 것도 가능하다.
이때, 제2 캡층(170)은 제2 광흡수층(PV2)과 동일한 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 따라서, 제2 광흡수층(PV2)이 InGaAsN 화합물을 포함하므로, 제2 캡층(170)은 InGaAsN 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
일례로, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 광흡수층(PV2)에서 제2 캡층(170)과 접하는 면에 제2n 형 반도체층(PV2-n)이 위치한 경우, 제2 캡층(170)에는 제2 도전성 타입의 불순물, 즉, n형 불순물이 제2n 형 반도체층(PV2-n)에 함유된 불순물보다 고농도로 도핑된 InGaAsN 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
이와 같이, 화합물 반도체 태양 전지에서 기판(100)을 제거하는 방법을 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기판(100)의 전면 위에 희생층(미도시)을 형성하고, 희생층(미도시)의 전면 위에 제2 광흡수층(PV2)을 형성한다. 그리고, 제2 광흡수층(PV2)의 전면에 위에 터널 정션층(160) 및 제1 광흡수층(PV1) 등 나머지 화합물 반도체 태양 전지의 구성 요소들을 형성시킬 수 있다.
이후, 화합물 반도체 태양 전지에서 기판(100)을 제거하기 위해, 기판(100) 위에 형성된 희생층(미도시)만을 선택적으로 식각할 수 있다.
이때, 식각 방법은 습식 식각을 수행하여, 기판(100)과 제2 광흡수층(PV2) 사이의 희생층(미도시)만을 제거할 수 있고, 이에 따라, 희생층(미도시)이 제거되면서 기판(100)이 제2 광흡수층(PV2)으로부터 분리될 수 있다.
그 다음, 제2 광흡수층(PV2)의 후면에 제2 캡층(170)을 형성하고, 제2 캡층(170)의 후면에 제2 전극(140)을 형성함으로써, 도 10와 같은 화합물 반도체 태양 전지를 완성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양 전지는 기판(100)이 제거함으로써, 화합물 반도체 태양 전지를 보다 경량화할 수 있다.
이와 같이, 지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다양한 실시예의 화합물 반도체 태양 전지는 광흡수층(PV)에 의사 전계(quasi-electric field) 또는 유도 내부 전위차(induced built-in potential)가 형성되도록 함으로써, 화합물 반도체 태양 전지의 광전 변환 효율을 더욱 극대화할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (18)
- 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 p형 반도체층과 상기 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 n형 반도체층을 포함하는 적어도 하나의 광흡수층;
상기 적어도 하나의 광흡수층의 전면에 위치하는 제1 전극; 및
상기 적어도 하나의 광흡수층의 후면에 위치하는 제2 전극;을 포함하고,
상기 적어도 하나의 광흡수층에서 상기 p형 반도체층의 에너지 밴드갭(Eg) 및 상기 n형 반도체층의 에너지 밴드갭 중 적어도 하나의 에너지 밴드갭은 상기 n형 반도체층과 상기 p형 반도체층이 서로 가장 인접한 면에서 멀어질수록 감소하고,
상기 적어도 하나의 광흡수층에서 상기 p형 반도체층 및 상기 n형 반도체층에 도핑된 불순물 중 적어도 하나의 불순물 농도는 상기 n형 반도체층과 상기 p형 반도체층이 서로 가장 인접한 면에서 멀어질수록 감소하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제1 항에 있어서,
상기 p형 반도체층의 에너지 밴드갭은 상기 n형 반도체층과 가장 인접한 면에서 멀어질수록 점진적으로 감소하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제1 항에 있어서,
상기 n형 반도체층의 에너지 밴드갭은 상기 p형 반도체층과 가장 인접한 면에서 멀어질수록 점진적으로 감소하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광흡수층은
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 순서대로 배치되는 제1 광흡수층과 제2 광흡수층을 포함하고,
상기 제1 광흡수층은 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 제1p 형 반도체층과 상기 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 제1n 형 반도체층을 포함하고,
상기 제2 광흡수층은 상기 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 제2p 형 반도체층과 상기 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되는 제2n형 반도체층을 포함하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제4 항에 있어서,
상기 제1p 형 반도체층의 상기 제1 도전성 타입의 불순물의 농도 및 상기 제1n 형 반도체층의 상기 제2 도전성 타입의 불순물 농도 중 적어도 하나는 상기 제1p 형 반도체층과 제1n 형 반도체층이 서로 가장 인접한 면으로부터 멀어질수록 점진적으로 감소하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 광흡수층은 InGaP 화합물에 알루미늄(Al)을 함유하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제6 항에 있어서,
상기 제1p 형 반도체층 및 상기 제1n 형 반도체층 중 적어도 하나에서 상기 알루미늄(Al)의 함유량은 상기 제1p 형 반도체층과 상기 제1n 형 반도체층이 서로 가장 인접한 면으로부터 멀어질수록 점진적으로 감소하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 광흡수층의 에너지 밴드갭은 1.4 ~ 3.0eV 사이인 화합물 반도체 태양 전지. - 제4 항에 있어서,
상기 제2p 형 반도체층의 제1 도전성 타입의 불순물의 농도 및 상기 제2n 형 반도체층의 제2 도전성 타입의 불순물 농도 중 적어도 하나는 제2p 형 반도체층과 상기 제2n 형 반도체층이 서로 가장 인접한 면으로부터 멀어질수록 점진적으로 감소하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제4 항에 있어서,
상기 제2 광흡수층은 GaAs 화합물에 인듐(In)을 함유하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제10 항에 있어서,
상기 제2 광흡수층은 질소(N)을 더 함유하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제11 항에 있어서,
상기 제2p 형 반도체층 및 상기 제2n 형 반도체층 중 적어도 하나에서 상기 인듐(In) 및 상기 질소(N) 중 적어도 하나의 함유량은 상기 제2p 형 반도체층과 상기 제2n 형 반도체층이 서로 가장 인접한 면으로부터 멀어질수록 점진적으로 증가하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제4 항에 있어서,
상기 제2 광흡수층의 에너지 밴드갭은 0.5 ~ 1.5eV 사이인 화합물 반도체 태양 전지. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 광흡수층 및 상기 제2 광흡수층 각각은 상기 제1 도전성 타입의 반도체층과 상기 제2 도전성 타입의 반도체층 사이에 진성 반도체층을 더 포함하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 광흡수층과 상기 제1 전극 사이에는 윈도우층(window layer)을 더 포함하는 화합물 반도체 태양 전지. - 제15 항에 있어서,
상기 윈도우층은 입사면에 양자점(Quantum Dot)이 형성되어 있는 화합물 반도체 태양 전지. - 제15 항에 있어서,
상기 윈도우층과 상기 제1 전극 사이에는 상기 윈도우층에 도핑된 불순물보다 불순물의 도핑농도가 높은 제1 캡층(cap layer)이 더 포함되는 화합물 반도체 태양 전지. - 제4 항에 있어서,
상기 제2 광흡수층과 상기 제2 전극 사이에는 상기 제2 광흡수층에 도핑된 상기 제1 도전성 타입의 불순물 또는 상기 제2 도전성 타입의 불순물보다 높은 농도로 도핑된 제2 캡층을 더 포함하는 화합물 반도체 태양 전지.
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