KR101931712B1 - 화합물 반도체 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화합물 반도체 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 일례는, 갈륨 인듐 인(GaInP) 기반의 제1 광 흡수층; 제1 광 흡수층의 광 입사면 위에 위치하는 제1 전극; 및 광 입사면의 반대면인 제1 광 흡수층의 후면 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 제1 광 흡수층은, 갈륨 인듐 인(GaInP)으로 구성되는 n형 또는 p형의 제1 반도체층; 알루미늄 갈륨 인듐 인(AlGaInP)으로 구성되어 제1 반도체층보다 큰 밴드갭을 가지며, 제1 반도체층과 이종 접합(hetero junction)을 형성하는 p형 또는 n형의 제2 반도체층; 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 위치하며, 제1 반도체층으로부터 제2 반도체층까지 물질 구배를 갖는 접합 버퍼층을 포함하고, 접합 버퍼층에 있어서, 제2 반도체층과 접하는 면에서의 알루미늄(Al)의 함유량은 제1 반도체층과 접하는 면에서의 알루미늄의 함유량보다 크게 형성되고, 제2 반도체층과 접하는 면에서의 갈륨(Ga)의 함유량은 제1 반도체층과 접하는 면에서의 갈륨의 함량보다 작게 형성된다.

Description

화합물 반도체 태양전지{COMPOUND SEMICONDUCTOR SOLAR CELL}
본 발명은 화합물 반도체 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 갈륨 인듐 인(GaInP) 기반의 광 흡수층을 구비한 화합물 반도체 태양전지에 관한 것이다.
화합물 반도체는 실리콘이나 게르마늄과 같은 단일 원소가 아닌 2종 이상의 원소가 결합되어 반도체로서 동작한다. 이러한 화합물 반도체는 현재 다양한 종류가 개발되어 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 대표적으로, 광전 변환 효과를 이용한 발광 다이오드나 레이저 다이오드 등의 발광 소자, 태양 전지, 그리고 펠티어 효과(Feltier Effect)를 이용한 열전 변환 소자 등에 이용된다.
이 중에서 화합물 반도체 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광 흡수층으로 화합물 반도체를 사용하며, 광 흡수층으로는 GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs, GaInP 등의 Ⅲ-V족 화합물 반도체, CdS, CdTe, ZnS 등의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, CuInSe2로 대표되는 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 등을 사용한다.
이러한 구성의 화합물 반도체 태양전지는 복수 개가 직렬 또는 병렬로 연결되어 태양전지 모듈을 구성한다.
이 중에서 Ⅲ-V족 화합물 반도체로 구성된 광 흡수층을 포함하는 종래의 화합물 반도체 태양전지는 광 흡수층, 광 흡수층의 광 입사면 위에 위치하는 제1 전극, 광 흡수층의 후면에 위치하는 제2 전극을 포함하며, 광 흡수층을 구성하는 p형 반도체층과 n형 반도체층이 서로 동일한 물질로 형성된 동종 접합 구조로 형성되므로, 태양전지의 효율 개선에 한계가 있다.
따라서, p형 반도체층과 n형 반도체층을 서로 다른 물질로 형성하여 상기 p형 반도체층 또는 n형 반도체층의 밴드갭을 상기 n형 반도체층 또는 상기 p형 반도체층보다 높게 형성하는 이종 접합 구조를 화합물 반도체 태양전지에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현재까지는 효과적인 이종 접합 구조를 갖는 화합물 반도체 태양전지가 개발되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 신규한 구조의 이종 접합 구조를 갖는 화합물 반도체 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 일례는, 갈륨 인듐 인(GaInP) 기반의 제1 광 흡수층; 제1 광 흡수층의 광 입사면 위에 위치하는 제1 전극; 및 광 입사면의 반대면인 제1 광 흡수층의 후면 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 제1 광 흡수층은, 갈륨 인듐 인(GaInP)으로 구성되는 n형 또는 p형의 제1 반도체층; 알루미늄 갈륨 인듐 인(AlGaInP)으로 구성되어 제1 반도체층보다 큰 밴드갭을 가지며, 제1 반도체층과 이종 접합(hetero junction)을 형성하는 p형 또는 n형의 제2 반도체층; 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 위치하며, 제1 반도체층으로부터 제2 반도체층까지 물질 구배를 갖는 접합 버퍼층을 포함하고, 접합 버퍼층에 있어서, 제2 반도체층과 접하는 면에서의 알루미늄(Al)의 함유량은 제1 반도체층과 접하는 면에서의 알루미늄의 함유량보다 크게 형성되고, 제2 반도체층과 접하는 면에서의 갈륨(Ga)의 함유량은 제1 반도체층과 접하는 면에서의 갈륨의 함유량보다 작게 형성된다.
접합 버퍼층에 있어서, 알루미늄의 함유량과 갈륨의 함유량의 합은 24 내지 25%를 유지하는 것이 바람직하다.
접합 버퍼층은 단일층(single layer)으로 형성된다. 따라서, 단일층으로 형성된 접합 버퍼층은 제1 반도체층 및 제2 반도체층과 직접 접촉한다.
알루미늄의 함유량은 제1 반도체층과 접하는 면에서부터 제2 반도체층과 접하는 면까지 선형적, 비선형적, 지수함수적, 로그함수적 또는 계단식으로 증가하고, 갈륨의 함유량은 제1 반도체층과 접하는 면에서부터 제2 반도체층과 접하는 면까지의 알루미늄 함유량의 증가 패턴과 동일한 패턴으로 감소한다.
제1 반도체층은 24 내지 25%의 갈륨, 25 내지 26%의 인듐, 50%의 인으로 형성될 수 있고, 제2 반도체층은 1 내지 25%의 알루미늄, 1 내지 25%의 갈륨, 25 내지 26%의 인듐, 50%의 인으로 형성될 수 있다.
제1 반도체층은 100 내지 2000nm의 두께로 형성될 수 있고, 제2 반도체층은 10 내지 1000nm의 두께로 형성될 수 있으며, 접합 버퍼층은 10 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있다.
제2 반도체층은 단일층(single layer)으로 형성된다.
제2 반도체층의 p형 또는 n형의 불순물 도핑농도와 접합 버퍼층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도 및 제1 반도체층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도는 서로 동일할 수 있다.
이와 달리, 제2 반도체층의 p형 또는 n형의 불순물 도핑농도는 제1 반도체층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도보다 높을 수 있고, 이 경우, 접합 버퍼층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도는 제1 반도체층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도 이상이며 제2 반도체층의 p형 또는 n형의 불순물 도핑농도 이하일 수 있다.
접합 버퍼층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도는 접합 버퍼층의 두께 방향으로 일정하거나, 제1 반도체층으로부터 상기 제2 반도체층을 향해 선형적 또는 비선형적으로 증가할 수 있다.
화합물 반도체 태양전지는 제1 광 흡수층의 광 입사면에 위치하는 제1 윈도우층; 제1 윈도우층과 제1 전극 사이에 위치하는 제1 콘택층; 제1 윈도우층을 덮는 반사 방지막; 광 입사면의 후면에 위치하는 제1 후면 전계층; 및 제1 후면 전계층과 제2 전극 사이에 위치하는 제2 콘택층을 더 포함할 수 있다.
제1 윈도우층은 제1 반도체층 또는 제2 반도체층과 직접 접촉할 수 있으며, 제1 후면 전계층은 제2 반도체층 또는 제1 반도체층과 직접 접촉할 수 있고, 제1 윈도우층과 제1 후면 전계층은 알루미늄 인듐 인(AlInP)으로 구성될 수 있다.
제1 후면 전계층이 제2 반도체층과 직접 접촉할 경우, 제1 후면 전계층은 제2 반도체층과 동일한 도전성 타입을 가질 수 있다.
이와 달리, 제1 후면 전계층이 제1 반도체층과 직접 접촉할 경우, 제1 후면 전계층은 제1 반도체층과 동일한 도전성 타입을 가질 수 있다.
제1 전계층과 제2 콘택층 사이에는 갈륨 아세나이드(GaAs) 기반의 제2 광 흡수층이 위치할 수 있다.
제2 광 흡수층은 n형 또는 p형의 제3 반도체층과 p형 또는 n형의 제4 반도체층을 포함할 수 있으며, 제3 반도체층과 제4 반도체층은 동종 접합 또는 이종 접합을 형성할 수 있다.
제1 후면 전계층과 제2 광 흡수층 사이에는 터널 접합층이 위치할 수 있으며, 이 경우, 화합물 반도체 태양전지는 터널 접합층과 제2 광 흡수층 사이에 위치하는 제2 윈도우층 및 제2 광 흡수층의 후면에 위치하는 제2 후면 전계층을 더 포함할 수 있고, 제2 후면 전계층은 상기 제2 콘택층과 접촉할 수 있다.
그리고 제2 후면 전계층은 제3 반도체층 또는 제4 반도체층과 직접 접촉할 수 있으며, 접촉한 반도체층과 동일한 도전성 타입을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지는 제2 반도체층이 제1 반도체층보다 큰 밴드갭을 가지므로, 화합물 반도체 태양전지의 개방전압(Voc)이 증가한다.
그리고, 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에, 제1 반도체층(GaInP)으로부터 제2 반도체층(AlGaInP)까지 물질 구배를 갖는 접합 버퍼층이 위치하므로, 제1 반도체층과 제2 반도체층의 밴드갭 차이로 인해 발생하는 밴드 스파이크를 제거할 수 있다.
따라서, 화합물 반도체 태양전지의 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
또한, 갈륨 인듐 인 기반의 화합물 반도체 태양전지는 낮은 조도 및 실내에서 갈륨 아세나이드 기반의 화합물 반도체 태양전지에 비해 높은 효율을 얻을 수 있으므로, 낮은 조도 및 실내에서의 사용성이 갈륨 아세나이드 기반의 화합물 반도체 태양전지에 비해 우수하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 접합 버퍼층에 있어서, 알루미늄 함유량의 다양한 변화 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시한 접합 버퍼층을 구비하지 않은 경우의 화합물 반도체 태양전지의 밴드 다이어그램이다.
도 4는 도 1에 도시한 화합물 화합물 반도체 태양전지의 밴드 다이어그램이다.
도 5는 도 1에 도시한 접합 버퍼층을 구비한 경우와 구비하지 않은 경우의 화합물 반도체 태양전지의 개방전압(Voc)과 효율(Eff)을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "결합되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
본 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지는 제1 광 흡수층(PV1), 제1 광 흡수층(PV1)의 광 입사면, 즉 전면(front surface) 위에 위치하는 제1 윈도우층(110), 제1 윈도우층(110)의 전면 위에 위치하는 제1 전극(120), 제1 윈도우층(110)과 제1 전극(120) 사이에 위치하는 제1 콘택층(130), 제1 윈도우층(110) 위에 위치하는 반사 방지막(140)(ARC), 제1 광 흡수층(PV1)의 후면에 위치하는 제1 후면 전계층(150), 제1 후면 전계층(150)의 후면에 위치하는 제2 콘택층(160), 및 제2 콘택층(160)의 후면에 위치하는 제2 전극(170)을 포함할 수 있다.
여기서, 제1 윈도우층(110), 제1 콘택층(130), 반사 방지막(140), 제1 후면 전계층(150) 및 제2 콘택층(160) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있지만, 도 1에 도시된 바와 같이 구비된 경우를 일례로 설명한다.
본 발명에 있어서, 제1 광 흡수층(PV1)은 III-VI족 반도체 화합물 중 하나인 갈륨 인듐 인(이하, "GaInP"라 함) 기반의 화합물로 형성된다.
GaInP 기반의 화합물로 형성된 제1 광 흡수층(PV1)을 구비한 화합물 반도체 태양전지는 낮은 조도 및 실내에서 갈륨 아세나이드(이하, "GaAs"라 함) 기반의 화합물로 된 광 흡수층을 구비한 화합물 태양전지에 비해 높은 효율을 얻을 수 있다.
따라서, 낮은 조도 및 실내에서는 상기 GaAs 기반의 화합물 반도체 태양전지에 비해 사용성이 우수하다.
제1 광 흡수층(PV1)은 제1 도전성 타입(n형 또는 p형)의 불순물이 도핑되며 제2 반도체층(PV1-2)에 비해 작은 밴드갭을 갖는 제1 반도체층(PV1-1)과, 제2 도전성 타입(p형 또는 n형)의 불순물이 도핑되며 제1 반도체층(PV1-1)에 비해 큰 밴드갭을 갖는 제2 반도체층(PV1-2)과, 제1 반도체층(PV1-1)과 제2 반도체층(PV1-2) 사이에 위치하며 제1 반도체층(PV1-1)으로부터 제2 반도체층(PV1-2)까지 물질 구배를 갖는 접합 버퍼층(PV1-3)을 포함한다.
이때, 접합 버퍼층(PV1-3)은 단일층(single layer)으로 형성되며, 단일층으로 형성된 접합 버퍼층은 제1 반도체층 및 제2 반도체층과 직접 접촉한다.
그리고 접합 버퍼층(PV1-3)은 제1 반도체층(PV1-1)과 동일한 도전성 타입을 가질 수 있다.
따라서, 제1 반도체층(PV1-1)과 접합 버퍼층(PV1-3)이 p형으로 형성되는 경우에는 제2 반도체층(PV1-2)이 n형으로 형성되고, 이와 달리, 제1 반도체층(PV1-1)과 접합 버퍼층(PV1-3)이 n형으로 형성되는 경우에는 제2 반도체층(PV1-2)이 p형으로 형성된다.
제1 반도체층(PV1-1)과 제2 반도체층(PV1-2) 및 접합 버퍼층(PV1-3) 중 적어도 하나의 층에 도핑되는 p형 불순물은 탄소, 마그네슘, 아연 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있고, 나머지 층에 도핑되는 n형 불순물은 실리콘, 셀레늄, 텔루륨 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
본 실시예에서, 제1 반도체층(PV1-1)은 n형 불순물을 함유하는 갈륨 인듐 인(GaInP)으로 구성되며, 제2 반도체층(PV1-2)의 아래에서 제2 전극(170)에 인접한 영역에 위치한다.
이때, 제1 반도체층(PV1-1)은 24 내지 25%의 갈륨(Ga), 25 내지 26%의 인듐(In), 50%의 인(P)으로 형성될 수 있고, 100 내지 2000nm의 두께로 형성될 수 있다.
그리고 제1 반도체층(PV1-1)에는 1×1015 내지 1×1018 atom/㎝3의 도핑농도로 n형 불순물이 도핑될 수 있다.
제2 반도체층(PV1-2)은 p형 불순물을 함유하며, 제1 반도체층(PV1-1)에 비해 큰 밴드갭을 갖는 화합물, 예를 들면 알루미늄 갈륨 인듐 인(AlGaInP)으로 구성되고, 제1 전극(120)에 인접한 영역에 위치한다.
이때, 제2 반도체층(PV1-2)은 1 내지 25%의 알루미늄(Al), 1 내지 25%의 갈륨(Ga), 25 내지 26%의 인듐(In), 50%의 인(P)으로 형성될 수 있고, 10 내지 1000nm의 두께로 형성될 수 있다.
그리고 제2 반도체층(PV1-2)에는 1×1017 내지 1×1019 atom/㎝3의 범위 내에서 제1 반도체층(PV1-1)의 n형 불순물 도핑농도와 동일한 도핑농도로 p형 불순물이 도핑되거나, 상기 범위 내에서 제1 반도체층(PV1-1)의 n형 불순물 도핑농도보다 높은 도핑농도로 p형 불순물이 도핑될 수 있다.
제2 반도체층은 접합 버퍼층(PV1-3)과 마찬가지로, 단일층(single layer)으로 형성된다.
그리고 제1 반도체층(PV1-1)과 제2 반도체층(PV1-2) 사이에 위치하는 접합 버퍼층(PV1-3)은 직접 접촉하는 제1 반도체층(PV1-1)과 동일한 도전성 타입, 즉 n형 불순물을 함유하며, 제2 반도체층(PV1-2)과 접하는 면에서의 알루미늄(Al)의 함유량은 제1 반도체층(PV1-1)과 접하는 면에서의 알루미늄의 함유량보다 크게 형성되고, 제2 반도체층(PV1-2)과 접하는 면에서의 갈륨(Ga)의 함유량은 제1 반도체층(PV1-1)과 접하는 면에서의 갈륨의 함량보다 작게 형성된다.
따라서, 접합 버퍼층(PV1-3)에 있어서, 제1 반도체층(PV1-1)과 접하는 면에서는 접합 버퍼층(PV1-3)이 제1 반도체층(PV1-1)과 동일한 조성(GaInP)으로 형성되고, 제2 반도체층(PV1-2)과 접하는 면에서는 접합 버퍼층(PV1-3)이 제2 반도체층(PV1-2)과 동일한 조성(AlGaInP)으로 형성된다.
이때, 접합 버퍼층(PV1-3)에 있어서, 알루미늄 함유량과 갈륨의 함유량의 합은 24 내지 25%를 유지할 수 있다.
알루미늄의 함유량은 도 2에 도시한 바와 같이 제1 반도체층(PV1-1)과 접하는 면에서부터 제2 반도체층(PV1-2)과 접하는 면까지 선형적 또는 비선형적으로 증가할 수 있고, 비선형적으로 증가하는 경우, 지수함수적, 로그함수적 또는 계단식으로 증가할 수 있다.
그리고, 갈륨의 함유량은 제1 반도체층과 접하는 면에서부터 제2 반도체층과 접하는 면까지의 알루미늄 함유량의 증가 패턴과 동일한 패턴으로 감소할 수 있다.
그리고 접합 버퍼층(PV1-3)은 10 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있으며, 제2 반도체층(PV1-2)의 p형 불순물 도핑농도와 제1 반도체층(PV1-1)의 n형 불순물 도핑농도가 서로 동일한 경우 접합 버퍼층(PV1-3)의 n형 불순물 도핑농도도 제1 반도체층(PV1-1)의 n형 불순물 도핑농도 및 제2 반도체층(PV1-2)의 p형 불순물 도핑농도와 동일할 수 있다.
그러나, 제2 반도체층(PV1-2)의 p형 불순물 도핑농도가 제1 반도체층(PV1-1)의 n형 불순물 도핑농도보다 높은 경우, 접합 버퍼층(PV1-3)의 n형 불순물 도핑농도는 제1 반도체층(PV1-1)의 n형 불순물 도핑농도 이상이며 제2 반도체층(PV1-2)의 p형 불순물 도핑농도 이하일 수 있다.
이때, 접합 버퍼층(PV1-3)의 n형 불순물 도핑농도는 접합 버퍼층(PV1-3)의 두께 방향으로 일정하거나, 제1 반도체층(PV1-1)으로부터 상기 제2 반도체층(PV1-2)을 향해 선형적 또는 비선형적으로 증가할 수 있다.
이와 같이, 제1 반도체층(PV1-1)과 제2 반도체층(PV1-2)이 서로 다른 밴드갭을 갖는 서로 다른 물질로 형성되고, 접합 버퍼층(PV1-3)이 제1 반도체층(PV1-1)과 제2 반도체층(PV1-2) 사이에 위치하며, 접합 버퍼층(PV1-3)이 제1 반도체층(PV1-1)과 동일한 도전성 타입으로 형성되므로, 접합 버퍼층(PV1-3)과 제2 반도체층(PV1-2)은 pn 접합을 형성하고, 접합 버퍼층(PV1-3)의 내부에서 이종 접합(hetero junction)이 형성된다.
이와 같이, 접합 버퍼층(PV1-3)으로 인해, 제1 광 흡수층의 pn 접합과 이종 접합은 서로 오프셋(offset)되어 있다.
따라서, 접합 버퍼층을 구비한 경우와 구비하지 않은 경우의 밴드 다이어그램을 살펴 보면, 먼저, 도 3에 도시한 바와 같이, 접합 버퍼층을 구비하지 않은 경우에는 pn 접합(pn junction)에서 원형으로 도시한 바와 같이 정공(h)의 이동을 방해하는 밴드 스파이크가 형성된다.
하지만, 도 4에 도시한 바와 같이, 접합 버퍼층을 구비하는 본 발명의 경우에는 상기 접합 버퍼층으로 인해 밴드 스파이크가 제거된다.
이에 따라, 제1 광 흡수층(PV1)의 광 입사면을 통해 입사된 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 제1 광 흡수층(PV1)의 p-n 접합에 의해 형성된 내부 전위차에 의해 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고, 정공은 p형 쪽으로 이동한다.
따라서, 제1 광 흡수층(PV1)에서 생성된 전자는 제1 후면 전계층(150)과 제2 콘택층(160)을 통하여 제2 전극(170)으로 이동하고, 제1 광 흡수층(PV1)에서 생성된 정공은 제1 윈도우층(110)과 제1 콘택층(130)을 통해 제1 전극(120)으로 이동한다.
도 5는 접합 버퍼층을 구비한 경우와 구비하지 않은 경우의 화합물 반도체 태양전지의 개방전압(Voc)과 효율(Eff)을 비교한 그래프로서, 도 5를 참조하면, 접합 버퍼층을 구비하지 않은 이종 접합 구조(hetero junction without junction buffer)의 화합물 반도체 태양전지는 동종 접합 구조(homo junction)의 화합물 반도체 태양전지에 비해 개방전압(Voc)과 효율(Eff)이 높은 것을 알 수 있지만, 접합 버퍼층을 구비한 이종 접합 구조(hetero junction with junction buffer)의 화합물 반도체 태양전지(본 발명)에 비해 개방전압과 효율이 낮은 것을 알 수 있다.
이러한 구성의 제1 광 흡수층(PV1)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법 또는 에피택셜층을 형성하기 위한 임의의 다른 적절한 방법에 의해 모기판(mother substrate)으로부터 제조할 수 있다.
모기판은 제1 광 흡수층(PV1)이 형성되는 적절한 격자 구조를 제공하는 베이스로 작용할 수 있으며, 갈륨 비소(GaAs)를 포함하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 형성될 수 있다.
모기판은 이전에 하나 이상의 화합물 반도체 태양전지를 제조하는데 사용되었던 기판일 수도 있다.
즉, 모기판은 제조 공정의 몇몇 포인트에서 화합물 반도체 태양전지로부터 분리되고, 다른 화합물 반도체 태양전지를 제조하기 위해 재사용될 수 있다.
제1 윈도우층(110)은 제1 광 흡수층(PV1)과 제1 전극(120) 사이에 형성될 수 있으며, 직접 접촉하는 하부의 제2 반도체층(PV1-2)과 동일한 도전성 타입, 즉 p형 불순물을 함유하는 III-VI족 반도체 화합물로 형성할 수 있으며, 제2 반도체층(PV1-2)보다 고농도로 p형 불순물을 함유할 수 있다. 이 경우, 제1 윈도우층(110)은 전자를 차단(blocking)하는 전면 전계부(front surface field)로 작용할 수 있다. 하지만, 제1 윈도우층(110)은 p형 불순물을 함유하지 않을 수도 있다.
제1 윈도우층(110)은 제1 광 흡수층(PV1)의 전면(front surface)을 패시베이션(passivation)하는 기능을 한다. 따라서, 제1 광 흡수층(PV1)의 광 입사면 쪽으로 캐리어(정공)가 이동할 경우, 제1 윈도우층(110)은 정공이 광 입사면 쪽에서 재결합하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 제1 윈도우층(110)은 제1 광 흡수층(PV1)의 전면, 즉 광 입사면에 배치되므로, 제1 광 흡수층(PV1)으로 입사되는 빛을 거의 흡수하지 않도록 하기 위하여 높은 에너지 밴드갭을 갖는 물질, 예를 들면 알루미늄 인듐 인(AlInP), 알루미늄 갈륨 인듐 인(AlGaInP)으로 형성될 수 있다.
반사 방지막(140)은 제1 윈도우층(110)의 전면 위 중에서 제1 전극(120) 및/또는 제1 콘택층(130)이 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역에 위치할 수 있다.
이와 달리, 반사 방지막(140)은 노출된 제1 윈도우층(110) 뿐만 아니라, 제1 콘택층(130) 및 제1 전극(12) 위에 배치될 수도 있으며, 이 경우, 도시하지는 않았지만 화합물 반도체 태양전지는 복수의 제1 전극(120)들을 물리적으로 연결하는 버스바 전극을 더 구비할 수 있으며, 버스바 전극은 반사 방지막(140)에 의해 덮여있지 않고 외부로 노출될 수 있다.
반사 방지막(140)은 불화마그네슘, 황화아연, 티타늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제1 전극(120)은 제1 방향(X-X')으로 길게 연장되어 형성될 수 있으며, 제1 방향과 직교하는 제2 방향(Y-Y')을 따라 복수개가 일정한 간격으로 이격될 수 있다.
이러한 구성의 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.
제1 윈도우층(110)과 제1 전극(120) 사이에 위치하는 제1 콘택층(130)은 III-VI족 반도체 화합물, 예를 들면 갈륨 아세나이드(GaAs) 또는 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs)에 제1 윈도우층(110)의 p형 불순물 도핑농도보다 높은 도핑농도로 p형 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다.
제1 콘택층(130)은 제1 윈도우층(110)과 제1 전극(120) 간에 오믹 콘택(ohmic contact)을 형성한다. 즉, 제1 전극(120)이 제1 윈도우층(110)에 바로 접촉하는 경우, 제1 윈도우층(110)의 p형 불순물 도핑농도가 낮음으로 인해 제1 전극(120)과 제1 광 흡수층(PV1) 간의 오믹 콘택이 잘 형성되지 않는다. 따라서, 제1 윈도우층(110)으로 이동한 캐리어가 제1 전극(120)으로 쉽게 이동하지 못하고 소멸될 수 있다.
그러나, 제1 전극(120)과 제1 윈도우층(110) 사이에 제1 콘택층(160)이 형성된 경우, 제1 전극(120)과 오믹 콘택을 형성하는 제1 콘택층(160)에 의해 캐리어의 이동이 원활하게 이루어져 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)가 증가한다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
제1 전극(120)과 오믹 콘택을 형성하기 위하여, 제1 콘택층(130)에 도핑된 p형 불순물의 도핑농도는 제1 윈도우층(110)에 도핑된 p형 불순물의 도핑농도보다 더 높을 수 있다.
제1 콘택층(130)은 제1 전극(120)과 동일한 형상으로 형성된다.
제1 광 흡수층(PV1), 특히 제1 반도체층(PV1-1)의 후면 위에 위치하는 제1 후면 전계층(150)은 직접 접촉하는 상부의 제1 반도체층(PV1-1)과 동일한 도전성 타입을 갖는다. 따라서, 제1 후면 전계층(150)은 n형의 도전성 타입을 가지며, 제1 윈도우층(110)과 동일한 물질, 즉 알루미늄 인듐 인(AlInP)으로 형성된다.
이러한 구성의 제1 후면 전계층(150)은 정공을 차단(blocking)하는 작용을 한다.
제1 후면 전계층(150)의 후면에 위치하는 제2 콘택층(160)은 제1 후면 전계층의 후면 전체에 위치하며, III-VI족 반도체 화합물, 예를 들면 갈륨 아세나이드(GaAs) 또는 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs)에 n형 불순물을 제1 반도체층(PV1-1)보다 높은 도핑농도로 도핑하여 형성할 수 있다.
이러한 제2 콘택층(160)은 제2 전극(170)과 오믹 콘택을 형성할 수 있어, 화합물 반도체 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)를 보다 향상시킬 수 있다. 이에 따라 태양전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
그리고 제2 콘택층(160)의 후면 위에 위치하는 제2 전극(170)은 제1 전극(120)과는 다르게 제1 광 흡수층(PV1)의 후면에 전체적으로 위치하는 시트(Sheet) 형상의 도전체로 형성될 수 있다.
이때, 제2 전극(170)은 제1 광 흡수층(PV1)과 동일한 평면적으로 형성될 수 있다.
위에서 설명한 GaInP 기반의 제1 광 흡수층(PV1)을 구비한 화합물 반도체 태양전지는 ELO(epitaxial lift-off) 방법에 의해 형성될 수 있으며, 구체적으로는, 모기판 위에 희생층을 에피택셜 성장시키는 단계, 희생층 위에 제1 콘택층을 에피택셜 성장시키는 단계, 제1 콘택층 위에 제1 광 흡수층을 에피택셜 성장시키는 단계, 제1 광 흡수층 위에 제1 후면 전계층을 에피택셜 성장시키는 단계, 제1 후면 전계층 위에 제2 콘택층을 에피택셜 성장시키는 단계, 제2 콘택층 위에 제2 전극을 형성하는 단계, 에피택셜 리프트 오프(epitaxial lift-off) 공정에 의해 희생층을 제거하는 단계, 및 제1 콘택층의 패터닝 공정과 제1 전극 형성 공정을 실시하는 단계에 따라 제조할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지를 설명하기 위한 단면도로서, 이하에서는 전술한 도 1의 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
전술한 도 1의 실시예에서는 제1 반도체층(PV1-1)이 제2 전극(170)에 인접한 영역에 위치하고, 제2 반도체층(PV1-2)이 제1 반도체층(PV1-1) 바로 위에서 제1 전극(120)에 인접한 영역에 위치하는 화합물 반도체 태양전지에 대해 설명하였다.
그러나 본 실시예의 화합물 반도체 태양전지에서는 제1 반도체층(PV1-1)이 제1 전극(120)에 인접한 영역에 위치하고, 제2 반도체층(PV1-2)이 제1 반도체층(PV1-1) 바로 아래에서 제2 전극(170)에 인접한 영역에 위치한다.
이와 같이, 본 실시예의 화합물 반도체 태양전지는 제1 반도체층(PV1-1)과 제2 반도체층(PV1-2)의 적층 위치 또는 순서가 전술한 도 1의 실시예와 반대로 형성되며, 이에 따라 제1 및 제2 반도체층의 도전성 타입에 따라 변화되어야 할 해당 층의 도전성 타입이 변경되는 차이점을 제외한 다른 구성은 도 1의 실시예와 동일하다.
이와 같이, 화합물 반도체 태양전지의 적층 구조에 있어서 제1 반도체층과 제2 반도체층의 적층 위치 또는 순서는 바뀔 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에 대해 설명한다.
본 실시예의 화합물 반도체 태양전지는 도 1 또는 도 6에 도시한 GaInP 기반의 제1 광 흡수층(PV1-1)의 하부에 GaAs 기반의 제2 광 흡수층(PV2)을 더 구비한다.
이에 대해 상세히 설명하면, 제1 후면 전계층(150)과 제2 콘택층(160)의 사이에는 GaAs 기반의 제2 광 흡수층(PV2)이 위치한다.
제2 광 흡수층(PV2)이 GaAs 기반의 화합물로 형성되므로, 단파장 대역의 광은 제1 광 흡수층(PV1)에서 흡수되고, 장파장 대역의 광은 제2 광 흡수층(PV2)에서 흡수된다. 따라서, 화합물 반도체 태양전지의 효율이 향상된다.
제2 광 흡수층(PV2)은 n형 또는 p형의 제3 반도체층(PV2-1)과 p형 또는 n형의 제4 반도체층(PV2-2)을 포함하며, 제3 반도체층(PV2-1)과 제4 반도체층(PV2-2)은 동종 접합 또는 이종 접합을 형성한다.
제1 후면 전계층(150)과 제4 반도체층(PV2-2) 사이에는 터널 접합층(180)(tunnel junction)이 위치하며, 터널 접합층(180)은 제1 광 흡수층(PV1)의 제1 반도체층(PV1-1)과 제2 광 흡수층(PV2)의 제4 반도체층(PV2-2)을 전기적으로 연결한다.
그리고 터널 접합층(180)과 제4 반도체층(PV2-2)의 사이에는 제2 윈도우층(110A)이 위치하고, 제3 반도체층(PV2-1)의 후면에는 제2 후면 전계층(150A)이 위치한다.
제2 윈도우층(110A)은 직접 접촉하고 있는 제4 반도체층(PV2-2)보다 고농도로 p형 또는 n형의 불순물을 함유할 수 있으며, 이 경우 제2 윈도우층(110A)은 캐리어(전자 또는 정공)을 차단하는 전면 전계부로 작용할 수 있다.
제2 후면 전계층(150A)은 제2 콘택층(160) 및 제3 반도체층(PV2-1)과 직접 접촉하며, 제3 반도체층(PV2-1)과 동일한 도전성 타입을 갖는다.
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.
110: 제1 윈도우층 120: 제1 전극
130: 제1 콘택층 140: 반사 방지막
150: 제1 후면 전계층 150A: 제2 후면 전계층
160: 제2 콘택층 170: 제2 전극
PV1: 제1 광 흡수층 PV2: 제2 광 흡수층

Claims (18)

  1. 갈륨 인듐 인(GaInP) 기반의 제1 광 흡수층;
    상기 제1 광 흡수층의 광 입사면 위에 위치하는 제1 전극; 및
    상기 광 입사면의 반대면인 상기 제1 광 흡수층의 후면 위에 위치하는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 제1 광 흡수층은,
    상기 갈륨 인듐 인(GaInP)으로 구성되는 n형 또는 p형의 제1 반도체층;
    알루미늄 갈륨 인듐 인(AlGaInP)으로 구성되어 상기 제1 반도체층보다 큰 밴드갭을 가지며, 상기 제1 반도체층과 이종 접합(hetero junction)을 형성하는 p형 또는 n형의 제2 반도체층; 및
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 위치하며, 상기 제1 반도체층으로부터 상기 제2 반도체층까지 물질 구배를 갖는 접합 버퍼층
    을 포함하며,
    상기 접합 버퍼층에 있어서, 상기 제2 반도체층과 접하는 면에서의 알루미늄(Al)의 함유량은 상기 제1 반도체층과 접하는 면에서의 알루미늄의 함유량보다 크고, 상기 제2 반도체층과 접하는 면에서의 갈륨(Ga)의 함유량은 상기 제1 반도체층과 접하는 면에서의 갈륨의 함량보다 작으며,
    상기 접합 버퍼층에 있어서, 상기 알루미늄의 함유량과 상기 갈륨의 함유량의 합은 24 내지 25%를 유지하는 화합물 반도체 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 알루미늄의 함유량은 상기 제1 반도체층과 접하는 면에서부터 상기 제2 반도체층과 접하는 면까지 선형적, 비선형적, 지수함수적, 로그함수적 또는 계단식으로 증가하고, 상기 갈륨의 함유량은 상기 제1 반도체층과 접하는 면에서부터 상기 제2 반도체층과 접하는 면까지의 상기 알루미늄의 함유량의 증가 패턴과 동일한 패턴으로 감소하는 화합물 반도체 태양전지.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 반도체층은 24 내지 25%의 갈륨, 25 내지 26%의 인듐, 50%의 인으로 형성되고, 상기 제2 반도체층은 1 내지 25%의 알루미늄, 1 내지 25%의 갈륨, 25 내지 26%의 인듐, 50%의 인으로 형성되며,
    상기 제2 반도체층에 있어서, 상기 알루미늄의 함유량과 상기 갈륨의 함유량의 합은 24 내지 25%를 유지하는 화합물 반도체 태양전지.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 반도체층은 100 내지 2000nm의 두께로 형성되고, 상기 제2 반도체층은 10 내지 1000nm의 두께로 형성되며, 상기 접합 버퍼층은 10 내지 300nm의 두께로 형성되는 화합물 반도체 태양전지.
  6. 제5항에서,
    상기 제2 반도체층의 p형 또는 n형의 불순물 도핑농도와 상기 접합 버퍼층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도 및 상기 제1 반도체층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도가 서로 동일한 화합물 반도체 태양전지.
  7. 제5항에서,
    상기 제2 반도체층의 p형 또는 n형의 불순물 도핑농도는 상기 제1 반도체층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도보다 높고, 상기 접합 버퍼층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도는 상기 제1 반도체층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도 이상이며 상기 제2 반도체층의 p형 또는 n형의 불순물 도핑농도 이하인 화합물 반도체 태양전지.
  8. 제7항에서,
    상기 접합 버퍼층의 n형 또는 p형의 불순물 도핑농도는 상기 접합 버퍼층의 두께 방향으로 일정하거나, 상기 제1 반도체층으로부터 상기 제2 반도체층을 향해 증가하는 화합물 반도체 태양전지.
  9. 제1항 및 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 광 흡수층의 광 입사면에 위치하는 제1 윈도우층;
    상기 제1 윈도우층과 상기 제1 전극 사이에 위치하는 제1 콘택층;
    상기 제1 윈도우층을 덮는 반사 방지막;
    상기 제1 광 흡수층의 후면에 위치하는 제1 후면 전계층; 및
    상기 제1 후면 전계층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제2 콘택층
    을 더 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 윈도우층은 상기 제1 반도체층 또는 상기 제2 반도체층과 직접 접촉하며, 상기 제1 후면 전계층은 상기 제2 반도체층 또는 상기 제1 반도체층과 직접 접촉하고, 상기 제1 윈도우층과 상기 제1 후면 전계층은 알루미늄 인듐 인(AlInP)으로 구성되는 화합물 반도체 태양전지.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 후면 전계층은 상기 제2 반도체층과 직접 접촉하며, 상기 제2 반도체층과 동일한 도전성 타입을 갖는 화합물 반도체 태양전지.
  12. 제10항에서,
    상기 제1 후면 전계층은 상기 제1 반도체층과 직접 접촉하며, 상기 제1 반도체층과 동일한 도전성 타입을 갖는 화합물 반도체 태양전지.
  13. 제10항에서,
    상기 제1 후면 전계층과 상기 제2 콘택층 사이에는 갈륨 아세나이드(GaAs) 기반의 제2 광 흡수층이 위치하는 화합물 반도체 태양전지.
  14. 제13항에서,
    상기 제2 광 흡수층은 n형 또는 p형의 제3 반도체층과 p형 또는 n형의 제4 반도체층을 포함하는 화합물 반도체 태양전지.
  15. 제14항에서,
    상기 제3 반도체층과 상기 제4 반도체층은 동종 접합 또는 이종 접합을 형성하는 화합물 반도체 태양전지.
  16. 제15항에서,
    상기 제1 후면 전계층과 상기 제2 광 흡수층 사이에는 터널 접합층이 위치하는 화합물 반도체 태양전지.
  17. 제16항에서,
    상기 터널 접합층과 상기 제2 광 흡수층 사이에 위치하는 제2 윈도우층; 및
    상기 제2 광 흡수층의 후면에 위치하는 제2 후면 전계층
    을 더 포함하고,
    상기 제2 후면 전계층은 상기 제2 콘택층과 직접 접촉하는 화합물 반도체 태양전지.
  18. 제17항에서,
    상기 제2 후면 전계층은 상기 제3 반도체층 또는 상기 제4 반도체층과 직접 접촉하며, 접촉한 반도체층과 동일한 도전성 타입을 갖는 화합물 반도체 태양전지.
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