KR20100084843A - 다중접합 태양전지 - Google Patents

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Abstract

다중접합 태양전지가 개시된다. 개시된 다중접합 태양전지는 밴드갭 에너지가 다른 복수개의 서브셀을 포함하며, 복수개의 서브셀 중 적어도 하나의 서브셀은 GaAsxN1-x(0<x<1)으로 이루어진 제1층과 GaxIn1-xNyAs1-y(0<x<1, 0≤y<1)으로 이루어진 제2층이 교대로 반복 적층된 구조를 구비하는 GaAsN-서브셀로 이루어진다.

Description

다중접합 태양전지{Multijunction solar cell}
개시된 태양 전지는 반도체 물질로 제작되는 고효율 다중접합 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양광 에너지를 전기로 광전 변환시키는 소자로서, 미래 대체 에너지로 각광 받고 있다.
태양전지는 이에 채용되는 재료에 따라 크게 실리콘 반도체형과 화합물 반도체형으로 분류되며, 실리콘 반도체를 사용한 태양전지는 결정계와 비정질계로 분류된다.
태양전지가 태양광으로부터 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 흡수함으로써 전기에너지를 발생시키게 되는데, 넓은 스펙트럼을 갖는 태양광을 단일접합 태양전지에서 광전 변환할 때 높은 thermalization 손실이 발생한다. thermalization 손실은 높은 에너지를 갖는 짧은 파장의 빛이 반도체내의 홀(hole)을 높은 에너지 준위로 여기시켜도, 여기 상태에서의 캐리어 수명이 매우 짧기 때문에, 결국 열로 에너지를 방출하며 전도대(conduction band)까지 떨어진 후에 전압이 발생되므로 광전 변환 효율이 낮아지는 것을 의미한다.
따라서, 보다 효율적인 구조를 갖는 태양전지에 대한 연구가 필요하다.
상술한 필요성에 따라 본 발명의 실시예들은 결정 결함이 적으며 광전 변환 효율이 높은 구조의 다중접합 태양전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중접합 태양전지는 밴드갭 에너지가 다른 복수개의 서브셀을 포함하며, 상기 복수개의 서브셀 중 적어도 하나의 서브셀은 GaAsN으로 이루어진 제1층과 GaInNyAs1-y(0≤y<1)으로 이루어진 제2층이 교대로 반복 적층된 구조를 구비하는 GaAsN-서브셀로 이루어진다.
상기 제2층은 GaInNyAs1-y(0≤y<0.5)으로 이루어질 수 있다.
상기 GaInNyAs1-y(0≤y≤1)의 N 조성비는 GaAsN에 의한 스트레인을 상쇄할 수 있는 격자상수를 갖도록 정해질 수 있다.
상기 GaInNyAs1-y(0≤y<1)의 밴드갭 에너지과 GaAsN의 밴드갭 에너지는 어느 하나가 다른 하나보다 높은 다중양자우물구조를 이룰 수 있다.
상기 GaAsN-서브셀의 총 두께는 0.1um 이상 5um 이하가 될 수 있다.
상기 복수개의 서브셀 개수는 4 이상일 수 있다.
상기 복수개의 서브셀은 Ge으로 이루어진 제1서브셀을 포함하며, 상기 GaAsN-서브셀은 상기 Ge-서브셀의 바로 위층에 제2서브셀로 마련될 수 있다.
상기 GaAsN-서브셀 위에 InxGa1-xAs(0<x<1), InxGa1-xP(0<x<1), In1-x-yGaxAlyP(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1), AlxGa1-xAs(0<x≤1) 중 선택된 어느 하나로 이루어진 서브셀이 더 마련될 수 있다.
상기 GaAsN-서브셀 위에, InxGa1-xAs(0<x<1)로 이루어진 제3서브셀이 더 마련될 수 있고, 또한, 상기 제3서브셀 위에 InxGa1-xP(0<x<1)로 이루어진 제4서브셀이 더 마련될 수 있다.
상기 GaAsN-서브셀은 p-n 접합구조 또는 p-i-n 접합구조로 이루어질 수 있으며, 또한, 상기 GaAsN-서브셀의 최상층 및 최하층에는 GaAs, AlGaAs 또는 InGaAlP로 이루어진 클래딩층이 더 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 다중접합 태양전지는 GaAsN과 GaIn(N)As이 교대로 반복 적층된 구조로 된 서브셀을 채용하여 결정 결함의 발생 가능성이 낮으면서도 높은 광전 변환 효율을 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 다중접합 태양전지(500)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 2는 도 1의 다중접합 태양전지에 채용될 수 있는 GaAsN-서 브셀의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
다중접합 태양전지(500)는 광전 변환 효율을 높이기 위한 구조로 제안되는 것으로, 태양 스펙트럼을 분리하여 흡수하기 위해, 서로 다른 밴드갭을 가지는 물질로 형성된 복수의 서브셀을 포함한다.
다중접합 태양전지(500)는 도시된 바와 같이, 제1서브셀(100), 제2서브셀(200), 제3서브셀(300) 및 제4서브셀(400)을 포함하여 4개의 서브셀로 구성될 수 있으며, 4 보다 큰 복수개로 구성될 수도 있다.
각 서브셀(100,200,300,400)은 밴드갭 에너지(Eg)가 다른 반도체 물질을 포함하며, p-n 접합 또는 p-i-n 접합구조로 이루어진다. 각 서브셀(100,200,300,400)은 터널 접합(tunnel junction) 구조에 의해 서로 직렬 연결되며, 즉 한 서브셀의 전도대에 있는 전자가 다른 서브셀에 있는 정공과 터널링에 의해 결합하여 전류가 흐르는 원리를 따른다.
다중접합 태양전지(500)의 표면으로 약 0.6eV~6eV의 에너지 분포를 가지는 태양광이 입사되면 각 서브셀(100,200,300,400)은 각 서브셀(100,200,300,400)의 밴드갭 에너지보다 높은 에너지를 가지는 태양광을 흡수한다. 예를 들어, 제1 내지 제4서브셀(100,200,300,400)의 밴드갭 에너지가 각각 Eg1, Eg2, Eg3, Eg4이고 이들이 Eg1<Eg2<Eg3<Eg4의 관계를 가질 때, 제4서브셀(400)은 입사된 태양광(Es)중 Eg4 보다 큰 에너지를 갖는 태양광을 흡수하고, 다음의 제3서브셀(300)은 입사된 태양광 중 Eg3<Es≤Eg4 범위의 태양광을 흡수하고, 다음의 제2서브셀(200)은 Eg2<Es≤Eg3 범위의 태양광을 흡수하며, 제1서브셀(100)은 Eg1<Es≤Eg2 범위의 태양광을 흡 수한다. 흡수된 에너지에 의해 각 서브셀에서 여기된 전자와 정공이 PN 접합 부분에 형성된 전계내에서 이동함으로써 전류가 흐르게 된다.
다중접합 태양전지(500)의 효율은 이론적으로는 서브셀의 개수가 증가할수록 높아지게 된다. 그러나, 효율을 높이기 위해 서브셀의 개수를 증가시키고자 할 때, 인접한 서브셀 간의 격자정합과 밴드갭 에너지 관계를 동시에 충족시키는 것이 필요하며, 이를 위하여, 본 발명의 실시예의 다중접합 태양전지(500)는 적어도 하나의 서브셀에 GaAsN-서브셀을 채용하고 있다.
예를 들어, 제1서브셀(100)은 Ge로 구성되고, 제2서브셀(200)은 GaAsN-서브셀로 구성될 수 있다. 또한, 제3서브셀(300) 및 제4서브셀(400)은 InxGa1-xAs(0<x<1) (이하, InGaAs), InxGa1-xP(0<x<1) (이하, InGaP), In1-x-yGaxAlyP(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1) (이하, In(Ga)(Al)P), AlxGa1-xAs(0<x≤1) (이하, Al(Ga)As) 중 선택된 어느 하나로 구성될 수 있는데, 격자정합되며, 제4서브셀(400)의 밴드갭 에너지가 제3서브셀(300)의 밴드갭 에너지가 크도록 선택된다. 예컨대, 제3서브셀(300)은 InGaAs로 구성되고, 제4서브셀(400)은 InGaP로 구성될 수 있다.
GaAsN-서브셀은 도 2에 도시된 바와 같이, GaAsxN1-x(0<x<1)으로 이루어진 제1층(10)과 GaxIn1-xNyAs1-y(0<x<1,0≤y<1)으로 이루어진 제2층(20)이 교대로 반복 적층된 구조로 되어 있다. 이하의 설명이나 도면에서 GaAsxN1-x(0<x<1)의 의미로 GaAsN의 표기를, GaxIn1-xNyAs1-y(0<x<1,0≤y<1)의 의미로 GaIn(N)As라는 표기를 사용 하도록 한다. GaAsN-서브셀의 총 두께가 대략 0.1um 이상 5um 이하가 되도록 각 층의 두께 및 층수를 정할 수 있다.
제2층(20)을 이루는 물질, GaIn(N)As의 N 조성비는 GaAsN에 의한 스트레인을 상쇄할 수 있는 격자 상수(lattice constant)를 갖도록 정해지며, 이에 대해서는 후술한다. 여기서, N 함유량은 As에 비해 상대적으로 소량일 수 있고, 예를 들어, GaInNyAs1-y(0≤y<0.5)가 될 수 있다. GaIn(N)As의 밴드갭 에너지는 GaAsN보다 클 수도 있고, 작을 수도 있다. 또는, 제2층(20)은 제1층(10)보다 얇게 형성하고, 제2층(20)을 이루는 GaInNyAs1-y(0≤y<1)의 밴드갭 에너지가 제1층(10)을 이루는 GaAsN과 큰 차이가 나지 않고 대략 동일하게 할 수도 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하며, 본 발명의 실시예에 의한 태양전지(500)의 구조 및 이에 GaAsN-서브셀을 도입한 원리를 설명하기로 한다.
도 3은 다양한 Ⅲ-Ⅴ 반도체물질들에 대한 밴드갭 에너지와 격자상수를 보인 그래프이고, 도 4는 도 2의 서브셀에 채용되는 Ⅲ-Ⅴ 반도체물질에 대한 밴드갭 에너지와 격자상수의 범위를 표시한 그래프이다.
에너지 분포가 넓은 태양광을 효율적으로 흡수하기 위해, 첫번째 서브셀과 마지막 서브셀의 에너지 밴드갭 차이를 크게 하고, 그 사이에 적절한 에너지 밴드갭 간격을 갖는 물질을 배치시킬 수 있다. 이 경우, 에너지 밴드갭 간격 뿐 아니라 격자 정합을 고려하여야 한다.
도면들을 참조하면, 통상, 기판 물질로 쓰이는 GaAs 또는 Ge과의 격자 정합 을 고려할 때, 대략, 1.2eV에서 2.2eV 범위의 밴드갭 에너지를 가지는 물질은 존재하지만, 1.2eV 보다 작은 밴드갭 에너지를 가지는 물질이 존재하지 않음을 알 수 있다.
예를 들어, 에너지 밴드갭이 약 0.7eV인 Ge을 제1서브셀(100)에 채용하는 경우, InGaAs, InGaP, In(Ga)(Al)P, Al(Ga)As 같은 조합을 선택하고 각 조성비를 조절하여 Ge과의 격자 정합을 이루는 서브셀을 구성하는 것이 가능한데, 이 경우 밴드갭은 대략 1.2eV보다 큰 값을 가진다.
그런데, 최근, 적은 양의 N을 GaAs 기반의 화합물에 첨가하는 새로운 물질, 즉, Dilute nitride 라는 물질이 개발되었는데, 도 4의 그래프를 참조하면, GaAs에 적은 양의 N을 첨가하면 밴드갭 에너지가 급격히 낮아지는 GaAsN을 형성함을 알 수 있다.
본 발명의 실시예의 태양전지는 이 GaAsN와 InGaAs물질을 혼합한 GaIn(N)As가 그 조성에 따라 밴드갭과 격자상수의 조절이 가능한 점을 이용하고 있다. 즉, GaAs(N)의 격자상수는 N 첨가량이 많아질수록 GaAs의 격자 상수보다 작아지게 되는데, 이를 고려하여, GaAs에 의한 스트레인을 보상할 수 있도록 GaAs(N)와 InGaAs물질을 혼합한 GaIn(N)As가 도 4에 표시된 빗금친 영역 내에서 선택되도록 한다. 상기 빗금친 영역에서 정해지는 GaIn(N)As은 밴드갭 에너지 범위 0.7~1.4eV 범위이며, GaAsN에 의한 스트레인을 상쇄하도록 GaAsN의 격자상수보다 큰 격자상수를 갖는다.
도 5는 도 2의 서브셀이 스트레인을 보상하는 구조를 설명하는 도면이다. Ge 보다 격자 상수가 작은 GaAsN은 압축 스트레인(compressive strain)을 받는 상태이다. 한편, GaIn(N)As는 GaAsN보다 큰 격자상수를 갖도록 선택되며, 따라서, 인장 스트레인(tensile strain)을 받는다. 이 때, GaIn(N)As의 N 함량은 GaAsN에 의해 발생하는 스트레인을 상쇄시키기에 적합하게 조절되며, 이와 함께 두께를 적절히 조절한다. 예를 들어, GaIn(N)As의 격자상수가 클수록 얇은 두께로도 GaAsN에 의한 스트레인의 상쇄가 가능하다. 이와 같이, GaIn(N)As와 GaAsN이 반복 적층됨으로써 각 층에 쌓인 압축 스트레인과 인장 스트레인은 서로 상쇄되며, 결정결함의 생성이나 크랙(crack)이 방지된다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다중접합 태양전지에 채용되는 GaAsN-서브셀에 대한 다양한 실시예들을 보이는 도면들이다.
도 6에 도시한 GaAsN-서브셀(201)은 p-n 접합구조를 갖는다. 즉, GaAsN-서브셀(201)은 p-GaAsN으로 이루어진 제1층(10)과 p-GaIn(N)As으로 이루어진 제2층(20)이 교대로 반복 적층된 구조 및 n-GaAsN으로 이루어진 제1층(10)과 n-GaIn(N)As으로 이루어진 제2층(20)이 교대로 반복 적층된 구조가 접합되어 있다.
도 7에 도시한 GaAsN-서브셀(202)은 p-i-n 접합구조를 갖는다. 즉, GaAsN-서브셀(202)은 p-GaAsN으로 이루어진 제1층(10)과 p-GaIn(N)As으로 이루어진 제2층(20)이 교대로 반복 적층된 구조 및 n-GaAsN으로 이루어진 제1층(10)과 n-GaIn(N)As으로 이루어진 제2층(20)이 교대로 반복 적층된 구조가 반도체 진성층으로 구성된 GaAsN/GaIn(N)As를 사이에 두고 접합되어 있다.
도 8에 도시한 GaAsN-서브셀(203)은 도 7과 유사한 p-n 접합구조를 가지며, 다만, GaAs층(30)으로 클래딩되어 있다. 즉, GaAsN-서브셀(203)의 최상층 및 최하층에는 밴드갭 에너지가 높은 GaAs층(30)으로 된 클래딩 층이 더 마련될 수 있다. 이러한 클래딩 층은 통상 윈도우(window) 및 BSF로 불리우며, 이는 캐리어 가둠(confinement)룰 효과적으로 하기 위한 것이며, GaAs 외에 AlGaAs 또는 InGaAlP로 이루어질 수도 있다.
도 9에 도시한 GaAsN-서브셀(204)은 도 8과 유사한 p-i-n 접합구조를 가지며, 다만, 도 8과 마찬가지로, 밴드갭 에너지가 높은 GaAs층(30)으로 클래딩되어 있다. GaAsN-서브셀(203)의 최상층 및 최하층은 GaAs 외에 AlGaAs 또는 InGaAlP로 이루어질 수도 있다.
이러한 구조의 GaAsN-서브셀(201-204)의 제조과정에서 일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 성장방법으로 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition;MOCVD), 혼성 기상 결정 성장법(hydride vapor phase epitaxy;HVPE), 분자선 결정 성장법(molecular beam epitaxy;MBE), 유기 금속 기상 결정 성장법(metal organic vapor phase epitaxy;MOVPE), HCVD 법(halide chemical vapour deposition) 등이 사용될 수 있다. p형 도펀트로는 Mg, Ca, Zn, Cd, Hg 등이 사용될 수 있으며, n형 도펀트로는 Si이 사용될 수 있다.
도 10a 내지 도 11b는 본 발명의 실시예들에 의한 GaAsN-서브셀이 가질 수 있는 밴드갭 다이어그램들을 예시적으로 보인다. 도 10a 및 도 10b는 각각 GaAsN의 밴드갭이 GaIn(N)As의 밴드갭보다 크게 형성된 경우 및 GaAsN의 밴드갭이 GaIn(N)As의 밴드갭보다 작게 형성된 경우의 다중양자우물구조(multi quantum well structure)를 보인다. 도 11a 및 도 11b는 도 10a 및 도 10b의 경우와 동일하며 다만, 최상층부와 최하층부에 GaAs층이 형성된 경우이다.
이러한 본원 발명인 다중접합 태양전지는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 다중접합 태양전지의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1의 다중접합 태양전지에 채용될 수 있는 서브셀의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 3은 다양한 Ⅲ-Ⅴ 반도체물질들에 대한 밴드갭 에너지와 격자상수를 보인 그래프이다.
도 4는 도 2의 서브셀에 채용되는 Ⅲ-Ⅴ 반도체물질에 대한 밴드갭 에너지와 격자상수의 범위를 표시한 그래프이다.
도 5는 도 2의 서브셀이 스트레인을 보상하는 구조를 설명하는 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다중접합 태양전지에 채용되는 서브셀에 대한 다양한 실시예들을 보이는 도면들이다.
도 10a 내지 도 11b는 본 발명의 실시예들에 의한 GaAsN-서브셀이 가질 수 있는 밴드갭 다이어그램들을 예시적으로 보인다.

Claims (15)

  1. 밴드갭 에너지가 다른 복수개의 서브셀을 포함하며,
    상기 복수개의 서브셀 중 적어도 하나의 서브셀은,
    GaAsxN1-x(0<x<1)으로 이루어진 제1층과 GaxIn1-xNyAs1-y(0<x<1, 0≤y<1)으로 이루어진 제2층이 교대로 반복 적층된 구조를 구비하는 GaAsN-서브셀로 이루어진 다중접합 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 GaxIn1-xNyAs1-y (0<x<1, 0≤y<0.5)으로 이루어진 다중접합 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 GaxIn1-xNyAs1-y(0<x<1, 0≤y<1)의 N 조성비는 GaAsxN1-x(0<x<1)에 의한 스트레인을 상쇄할 수 있는 격자 상수를 갖도록 정해진 다중접합 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 GaxIn1-xNyAs1-y(0<x<1, 0≤y<1)의 밴드갭 에너지과 GaAsxN1-x(0<x<1)의 밴드갭 에너지는 어느 하나가 다른 하나보다 높은 다중양자우물구조를 이루는 다중접 합 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 GaAsN-서브셀의 총 두께는 0.1um 이상 5um 이하인 다중접합 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    4이상의 복수개의 서브셀로 구성되는 다중접합 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    Ge으로 이루어진 제1서브셀을 포함하며,
    상기 GaAsN-서브셀은 상기 제1서브셀의 바로 위층에 제2서브셀로 마련되는 다중접합 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 GaAsN-서브셀 위에 InxGa1-xAs(0<x<1), InxGa1-xP(0<x<1), In1-x-yGaxAlyP(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1), AlxGa1-xAs(0<x≤1) 중 선택된 어느 하나로 이루어진 서브셀이 더 마련되는 다중접합 태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 GaAsN-서브셀 위에 InxGa1-xAs(0<x<1)로 이루어진 제3서브셀이 더 마련되는 다중접합 태양전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제3서브셀 위에 InxGa1-xP(0<x<1)로 이루어진 제4서브셀이 더 마련되는 다중접합 태양전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 GaxIn1-xNyAs1-y(0<x<1, 0≤y<1)의 N 조성비는 GaAsxN1-x(0<x<1)에 의한 스트레인을 상쇄할 수 있는 격자 상수를 갖도록 정해진 다중접합 태양전지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 GaxIn1-xNyAs1-y(0<x<1, 0≤y<1)의 밴드갭 에너지와 GaAsxN1-x(0<x<1)의 밴드갭 에너지는 어느 하나가 다른 하나보다 높은 다중양자우물구조를 이루는 다중접합 태양전지.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 GaAsN-서브셀의 총 두께는 0.1um 이상 5um 이하인 다중접합 태양전지.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GaAsN-서브셀은 p-n 접합구조 또는 p-i-n 접합구조로 이루어진 다중접합 태양전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 GaAsN-서브셀의 최상층 및 최하층에 GaAs, AlGaAs 또는 InGaAlP로 된 클래딩 층이 더 마련되는 다중접합 태양전지.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101535281B1 (ko) * 2014-07-25 2015-07-09 한국철도기술연구원 태양전지 제조 방법

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9337360B1 (en) 2009-11-16 2016-05-10 Solar Junction Corporation Non-alloyed contacts for III-V based solar cells
US20110114163A1 (en) * 2009-11-18 2011-05-19 Solar Junction Corporation Multijunction solar cells formed on n-doped substrates
US20110232730A1 (en) 2010-03-29 2011-09-29 Solar Junction Corp. Lattice matchable alloy for solar cells
US9214586B2 (en) 2010-04-30 2015-12-15 Solar Junction Corporation Semiconductor solar cell package
US20120174971A1 (en) * 2010-07-29 2012-07-12 University Of Houston Design and Fabrication of Dilute Nitride Material and Multi-Quantum Well Solar Cells
US9214580B2 (en) 2010-10-28 2015-12-15 Solar Junction Corporation Multi-junction solar cell with dilute nitride sub-cell having graded doping
US8962989B2 (en) 2011-02-03 2015-02-24 Solar Junction Corporation Flexible hermetic semiconductor solar cell package with non-hermetic option
US8859892B2 (en) 2011-02-03 2014-10-14 Solar Junction Corporation Integrated semiconductor solar cell package
US8962991B2 (en) 2011-02-25 2015-02-24 Solar Junction Corporation Pseudomorphic window layer for multijunction solar cells
US8766087B2 (en) 2011-05-10 2014-07-01 Solar Junction Corporation Window structure for solar cell
CN103022057A (zh) * 2011-09-21 2013-04-03 索尼公司 多结太阳能电池、光电转换元件和化合物半导体层叠层结构体
TWI473289B (zh) * 2011-09-22 2015-02-11 Pinecone En Inc 太陽能電池的製造方法
WO2013074530A2 (en) 2011-11-15 2013-05-23 Solar Junction Corporation High efficiency multijunction solar cells
US9153724B2 (en) 2012-04-09 2015-10-06 Solar Junction Corporation Reverse heterojunctions for solar cells
US9530911B2 (en) * 2013-03-14 2016-12-27 The Boeing Company Solar cell structures for improved current generation and collection
WO2015120169A1 (en) 2014-02-05 2015-08-13 Solar Junction Corporation Monolithic multijunction power converter
CN104241409A (zh) * 2014-08-25 2014-12-24 华南理工大学 一种在GaAs衬底上生长GaInNAs薄膜的方法
CN104241416B (zh) * 2014-09-18 2017-01-25 瑞德兴阳新能源技术有限公司 一种含量子阱结构的三结太阳能电池
EP3012874B1 (de) 2014-10-23 2023-12-20 AZUR SPACE Solar Power GmbH Stapelförmige integrierte Mehrfachsolarzelle
US20170110613A1 (en) 2015-10-19 2017-04-20 Solar Junction Corporation High efficiency multijunction photovoltaic cells
US10090420B2 (en) 2016-01-22 2018-10-02 Solar Junction Corporation Via etch method for back contact multijunction solar cells
US9680035B1 (en) 2016-05-27 2017-06-13 Solar Junction Corporation Surface mount solar cell with integrated coverglass
US10930808B2 (en) 2017-07-06 2021-02-23 Array Photonics, Inc. Hybrid MOCVD/MBE epitaxial growth of high-efficiency lattice-matched multijunction solar cells
CN107546287B (zh) * 2017-08-25 2019-10-01 扬州乾照光电有限公司 一种太阳能电池及其制作方法
WO2019067553A1 (en) 2017-09-27 2019-04-04 Solar Junction Corporation SHORT-LENGTH WAVELENGTH INFRARED OPTOELECTRONIC DEVICES HAVING DILUTED NITRIDE LAYER
US11211514B2 (en) 2019-03-11 2021-12-28 Array Photonics, Inc. Short wavelength infrared optoelectronic devices having graded or stepped dilute nitride active regions
ES2810599B2 (es) * 2019-09-06 2021-12-15 Univ Madrid Autonoma Dispositivo semiconductor

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5407491A (en) * 1993-04-08 1995-04-18 University Of Houston Tandem solar cell with improved tunnel junction
US5851310A (en) * 1995-12-06 1998-12-22 University Of Houston Strained quantum well photovoltaic energy converter
US6150604A (en) * 1995-12-06 2000-11-21 University Of Houston Quantum well thermophotovoltaic energy converter
US6147296A (en) * 1995-12-06 2000-11-14 University Of Houston Multi-quantum well tandem solar cell
JP3547037B2 (ja) * 1997-12-04 2004-07-28 株式会社リコー 半導体積層構造及び半導体発光素子
US6348698B1 (en) * 1998-12-03 2002-02-19 Ricoh Company, Ltd. Layered semiconductor structures and light emitting devices including the structure
US6252287B1 (en) * 1999-05-19 2001-06-26 Sandia Corporation InGaAsN/GaAs heterojunction for multi-junction solar cells
US6316715B1 (en) * 2000-03-15 2001-11-13 The Boeing Company Multijunction photovoltaic cell with thin 1st (top) subcell and thick 2nd subcell of same or similar semiconductor material
US20020075920A1 (en) * 2000-12-15 2002-06-20 Sylvia Spruytte Laser diode device with nitrogen incorporating barrier
US20020136932A1 (en) * 2001-03-21 2002-09-26 Seikoh Yoshida GaN-based light emitting device
US6765232B2 (en) * 2001-03-27 2004-07-20 Ricoh Company, Ltd. Semiconductor light-emitting device, surface-emission laser diode, and production apparatus thereof, production method, optical module and optical telecommunication system
JP2003017812A (ja) * 2001-04-25 2003-01-17 Furukawa Electric Co Ltd:The 半導体レーザ素子
US6787385B2 (en) * 2001-05-31 2004-09-07 Midwest Research Institute Method of preparing nitrogen containing semiconductor material
US20030013223A1 (en) * 2001-07-16 2003-01-16 Motorola, Inc. Structure and method for fabricating semiconductor structures and devices utilizing the formation of a compliant III-V arsenide nitride substrate used to form the same
US7119271B2 (en) * 2001-10-12 2006-10-10 The Boeing Company Wide-bandgap, lattice-mismatched window layer for a solar conversion device
JP2003152283A (ja) * 2001-11-19 2003-05-23 Mitsubishi Electric Corp ＧａＩｎＮＡｓ層の形成方法、エピタキシャルウェハ、半導体レーザ、高電子移動度トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、及び高周波集積回路
US6858519B2 (en) * 2002-08-14 2005-02-22 Finisar Corporation Atomic hydrogen as a surfactant in production of highly strained InGaAs, InGaAsN, InGaAsNSb, and/or GaAsNSb quantum wells
US6927412B2 (en) * 2002-11-21 2005-08-09 Ricoh Company, Ltd. Semiconductor light emitter
TWI285436B (en) * 2005-12-30 2007-08-11 Ind Tech Res Inst Solar cell with superlattice structure and fabricating method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101535281B1 (ko) * 2014-07-25 2015-07-09 한국철도기술연구원 태양전지 제조 방법

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US20100180936A1 (en) 2010-07-22

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