KR20100118574A - 조성 구배를 갖는 3족 질화물 태양 전지 - Google Patents

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조엘 더블유 아거
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Abstract

조성 구배의 3족 질화물 합금이 태양 전지에서 이용하기 위해 제공된다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, In 조성이 합금의 두 영역들 사이에서 구배되어 있는 InGaN 또는 InAlN 합금이 형성된다. 조성 구배의 3족 질화물 합금이 다양한 유형의 태양 전지 구성, 즉 텐덤형 태양 전지 특성을 갖는 하나의 P-N 접합 태양 전지, 다중 접합 텐덤형 태양 전지, 저저항 터널 접합부를 갖는 텐덤형 태양 전지 및 다른 태양 전지 구성에서 이용될 수 있다. 조성 구배의 3족 질화물 합금은 매우 넓은 튜닝 범위, 예컨대 InGaN에 대하여 약 0.7 내지 3.4 eV 및 InAlN에 대하여 약 0.7 내지 6.2 eV로 확대되는 범위를 갖는 직접 밴드 갭을 갖는다.

Description

조성 구배를 갖는 3족 질화물 태양 전지{GROUP Ⅲ-NITRIDE SOLAR CELL WITH GRADED COMPOSITIONS}
본 명세서에서 설명하고 청구한 본 발명은 계약 번호 DE-AC02-05CH11231하에 미국 에너지국이 조달한 자금을 이용하여 일부 이루어졌다. 미국 정부가 본 발명에 대한 일정 권리를 갖는다.
본 출원은 2008년 1월 7일 출원한 "조성 구배를 갖는 3족 질화물 태양 전지"라는 명칭의 미국 가특허출원번호 61/019,536에 대해 우선권을 주장하고, 이는 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
본 발명은 태양 전지, 더 상세하게는, 태양 전지 효율을 개선하기 위해 태양 전지 내의 3족 질화물 합금의 조성 구배에 관한 것이다.
태양 전지 또는 태양광 전지는 태양광의 복사에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 P-N 접합부를 갖는 반도체 소자이다. 태양광을 전기에너지로 변환시키는 것은 3개의 주요 공정, 즉 태양광을 반도체 재료로 흡수; 태양 전지 내에 전압을 생성하는 양전하와 음전하의 생성 및 분리; 및 반도체 재료에 연결된 터미널을 통한 전기 전하의 수집 및 전달을 포함한다. 전하 분리를 위한 하나의 공핍 영역(depletion region)이 통상적으로 각 태양 전지의 P-N 접합부에 존재한다.
단일 반도체 재료에 기초한 현재의 통상적인 태양 전지는 대략 31%의 고유 효율 한도를 갖는다. 이 한도에 대한 주요한 원인은 대략 0.4 내지 4 eV의 광자의 이동 가능 에너지 범위를 갖는 넓은 범위의 태양 복사선을 완전하게 부합할 수 있는 어떠한 재료도 발견되지 않았다는 점에 있다. 반도체의 밴드갭 이하의 에너지를 갖는 빛은 흡수되지 않을 것이고 전력으로 변환되지 않을 것이다. 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛은 흡수될 것이지만, 생성된 전자-홀 쌍은 밴드갭 이상의 초과 에너지를 열 형태로 빠르게 잃는다. 따라서, 이 에너지는 전력으로 변환하기 위해 이용될 수 없다.
상이한 밴드갭을 갖는 태양 전지의 스택을 이용하여, "다중 접합(multijunction)형", "캐스캐이드(cascade)형", 또는 "텐덤(tandem)형" 태양 전지라 불리는 일련의 태양 전지를 형성함으로써 높은 효율을 얻도록 시도되었다. 텐덤형 태양 전지가 현재 이용할 수 있는 가장 효율적인 태양 전지이다. 텐덤형 태양 전지는 복수의(예컨대, 2개, 3개, 4개 등의) P-N 접합 태양 전지를 직렬로 연결함으로써 제조된다. 통상적으로 텐덤형 태양 전지는, 상부 전지에 높은 에너지 광자를 변환시키도록 큰 밴드갭의 물질을 이용하는 한편, 낮은 에너지 광자는 태양 전지 스택의 보다 작은 밴드갭의 물질까지 아래로 보내질 수 있게 형성된다. 이러한 스택에서 태양 전지의 밴드갭들은 태양 에너지 변환의 효율을 최대화하도록 선택되고, 이 경우 태양 전지의 전압들을 모두 합하도록 태양 전지를 직렬 연결하는데 터널 접합이 이용된다. 이러한 다중 접합형 태양 전지는 적층 배치로 형성될 다수의 재료 층을 요구한다.
본 발명은 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 이용하여 더 높은 전력 변환 효율이 달성되도록 형성된 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금이 태양 전지에서 이용하도록 제공된다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 인듐(In) 의 조성이 합금의 두 영역들 사이에서 구배되는 InGaN 또는 InAlN의 합금이 형성된다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금은 매우 넣은 튜닝 범위, 예컨대 InGaN의 경우 약 0.7 eV 에서 3.4 eV에 이르는 범위, 그리고 InAlN의 경우 약 0.7 eV 에서 6.2 eV에 이르는 범위를 갖는 직접 밴드갭(direct band gap)을 지니고 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 전하 분리를 위해 다수의 영역을 갖는 동시에 태양 전지의 모든 공핍 영역과 관련된 전압들을 합하도록 전자 및 홀을 재조합할 수 있는 단일 P-N 접합 태양 전지가 제공된다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 태양 전지 내 상부층의 전도띠 가장자리(CBE: conduction band edge)가 태양 전지 내 하부층의 가전자띠 가장자리(VBE: valence band edge)와 정렬되도록 형성된다. 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 단지 단일 P-N 접합의 형성을 통해 두 개의 에너지 갭을 갖는 텐덤형 태양 전지의 특성을 생성하기 위해 P-N 접합의 한쪽에는 InGaN 또는 InAlN으로 이루어진 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금이 형성되고 다른쪽에는 Si가 형성된 단일 P-N 접합 태양 전지가 제공된다.
하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 태양 전지들 중 하나가 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 포함하는 다중 접합 텐덤형 태양 전지가 제공된다. 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 두 개의 태양 전지들 사이에 형성된 저저항의 터널 접합부를 갖는 텐덤형 태양 전지가 제공되고, 태양 전지들 중 하나는 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 포함한다.
본 명세서에서 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 단일 P-N 접합 태양 전지에서 이용되는 3족 질화물 합금은 InxGa1 - xN 합금 또는 InxAl1 - xN 합금으로서, 변화하는 넓은 범위의 직접 갭을 제공하도록 인듐(In) 조성이 합금 층의 두 표면들 사이에서 넓은 범위(예컨대, x = 0.0 내지 x = 1.0 사이의 임의의 범위)에 걸쳐 구배질 수 있다. 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 이용하여 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라 형성된 태양 전지는 더 높은 전력 변환 효율이 달성되게 할 것이다.
하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, P-N 접합의 한쪽에는 InGaN 또는 InAlN로 이루어진 조성 구배를 갖는 합금이 형성되고 다른쪽에는 Si가 형성되는 태양 전지가 제공되며, 후면 전계(BSF: back surface field)를 생성하기 위해 Si층과 접점 사이에 추가의 n+ 층이 형성된다.
본 발명의 상기 특징 및 목적은 첨부 도면과 함께 취한 이하의 설명을 참조로 더 명백하게 될 것이고, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
본 발명에 따른 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 이용한 태양 전지에 의해 더 높은 전력 변환 효율이 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지 내의 다양한 영역을 도시하는 도 1의 더 상세한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 조성 구배를 갖는 3족 질화물 층이 있는 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지의 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 조성 구배를 갖는 3족 질화물 층이 있는 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지의 이종 접합에 대한 산출된 밴드 다이어그램을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 조성 구배를 갖는 층 및 후면 전계를 구비한 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지의 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지의 이종 접합에 대해 산출된 밴드 다이어그램을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 P-N 접합의 양쪽에 조성 구배를 갖는 3족 질화물층이 있는 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지에 대해 산출된 밴드 다이어그램을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 조성 구배를 갖는 3족 질화물층 및 후면 전계를 구비한 다중 접합 텐덤형 태양 전지의 블럭도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 7의 조성 구배를 갖는 3족 질화물층이 있는 다중 접합 텐덤형 태양 전지의 특정 실시예에 대해 산출된 밴드 다이어그램을 나타내는 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 조성 구배를 갖는 3족 질화물층 및 저저항의 터널 접합을 구비한 텐덤형 태양 전지의 특정 실시예에 대해 산출된 밴드 다이어그램을 나타내는 그래프이다.
일반적으로, 본 발명은 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 포함하는 광전지 소자 또는 태양 전지에 관한 것이다. 본 발명의 소정 실시예는 전술한 도면을 참조로 하여 논의될 것이며, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1을 참조로 하면, 전반적으로 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지(100)의 블럭도가 도시되어 있다. 층(102, 104)들 중 하나는 p형 재료로 형성되는 반면에 층(102, 104)들 중 다른 하나는 n형 재료로 형성되어, 단일 P-N 접합부(105)가 층(102, 104)들 사이에 존재한다. 층(102, 104)들 각각은 태양 전지(100) 내의 서브셀로서 설명하거나 및/또는 형성될 수도 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 태양 전지 내의 상부층(102)의 전도띠 가장자리(CBE)는 태양 전지(100) 내의 하부층(104)의 가전자띠 가장자리(VBE)와 정렬되도록 형성된다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 태양 전지(100)는 조성 구배들 간 3족 질화물 합금의 층(102) 및 Si층(104)을 포함한다. 전기 접점(106, 108)이 각각 3족 질화물 합금층(102)의 상부에 형성되거나 그 합금층에 다른 방식으로 결합되는 한편, Si층(104)의 하부에 형성되거나 Si층에 다른 방식으로 결합된다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 상부 전기 접촉(106)은, 태양 복사선이 전기 접점(106)을 지나 태양 전지(100) 안으로 들어가도록 실질적으로 투명한 전도 재료로 형성되어야 하는데 이를 테면 인듐 주석 산화물 또는 다른 적절한 실질적으로 투명의 전도 재료 또는 다른 금속층의 그리드로서 접점(106)이 형성되어야 한다. 전기 접촉부(106, 108)는 태양 전지를 제조하는 기술 분야의 당업자에게 알려진 방법에 따라 형성된다.
하나 또는 그 이상의 실시예에서, 3족 질화물층(102)은 대략 0.7 eV 내지 3.4 eV의 에너지 밴드갭 범위를 갖는 In1 - xGaxN(0 ≤ x ≤ 1)의 합금이고, 태양 에너지 스펙트럼에 양호한 매치를 제공한다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 3족 질화물층(102)은 대략 0.7 eV 내지 6.2 eV의 에너지 밴드갭 범위를 갖는 In1 - xAlxN (0 ≤ x ≤ 1)의 합금이고, 역시 태양 에너지 스펙트럼에 양호하게 부합한다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 3족 질화물층(102)은 낮은 전자 농도 및 높은 전자 이동도를 갖는 분자 비임 에피택시 생성 결정에 의해 성장되지만, 다른 형성 방법이 더 이용될 수 있음을 이해하여야 한다. 본 명세서에서 기술되는 다양한 실시예에서 설명을 용이하게 하기 위해, 층(102)은 3족 질화물층(102)으로 지칭될 것이지만, 본 명세서에서 설명한 다양한 실시예에서 InAln, InGaN 또는 또 다른 3족 질화물이 서로 대신하여 교환 가능하게 대체될 수 있음을 이해하여야 한다.
하나 또는 그 이상의 실시예에서, 3족 질화물층(102)은 3족 질화물층(102)을 마그네슘(Mg)과 같은 p형 도펀트로 도핑함으로써 p형 층으로 형성되는 반면에, 얇은 Si 계면층은 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)과 같은 p형 도펀트로 카운터 도핑된다. Si층(104)의 잔부는 Si층(104)을 인(P), 비소(As), 게르마늄(Ge), 또는 안티몬(Sb)와 같은 n형 도펀트로 도핑함으로써 형성된다. n형 및 p형 층을 위한 통상적인 도핑 수준은 1015 cm-3 내지 1019 cm-3의 범위에 있다. 실제 도핑 수준은 태양 전지(100)의 층들(102, 104)의 다른 특성에 의존하고 효율을 최대화하기 위해 상기 범위 내외에서 조절 가능하다.
성장함에 따라, 도핑되지 않은 InGaN 막은 일반적으로 n형이고, 일실시예에서 3족 질화물층(102)은 Mg 억셉터로 도핑될 수 있어서 3족 질화물층(102)은 p형으로 거동한다. 하나의 특정 실시예에서, Mg p형 도펀트가 InyGa1 - yN (0.67 ≤ y ≤ 0.95)의 합금으로 이용된다.
P-N 접합부(105)는 도 1에 도시한 바와 같이 3족 질화물층(102)을 Si층(104)에 접하게 배치하여 간단히 형성될 수 있도 있지만, 실제로, P-N 접합부(105)가 열평형 및 정상 상태에 있을 때 다수의 공핍 영역이 P-N 접합부(105)에 걸쳐 형성될 것이다. 전자 및 홀이 각각 전자 및 홀의 농도가 낮은 영역으로 확산할 것이다. 따라서, n형 Si층(104) 내의 과잉 전자가 P-N 접합부(105)의 P측으로 확산할 것인 반면에 p형 3족 질화물층(102) 내의 과잉 홀이 P-N 접합부(105)의 N측으로 확산할 것이다. 도 2에 도시한 바와 같이, P-N 접합부(105)에 인접한 3족 질화물층(102)에 3족 질화물 공핍 영역(110)이 생성될 것이고 P-N 접합부(105)에 인접한 Si층(104)에 Si 공핍 영역(112)이 생성될 것이다.
층(104)은 본 명세서의 많은 실시예에서 Si층(104)으로서 기술되지만, 층(104)은 대안적으로 3족 질화물층을 포함할 수 있거나 광전지 소자에 적합한 또 다른 재료의 층을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 층(104)은 조성이 구배되거나 그렇지 않을 수 있다. 층(104)을 위한 다양한 가능한 조성이 본 명세서에서 설명한 다양한 실시예에서 태양 전지(100)의 소망의 특성에 따라 적절하게 교환가능하게 이용될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.
하나 또는 그 이상의 실시예에서, 3족 질화물층(102)은 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금이다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 3족 질화물 합금은 인듐(In) 조성이 합금의 두 영역들 사이에서 변화되도록 형성되어 있는 InGaN 또는 InAlN을 포함하고, 합금은 InxGa1 - xN 또는 InxAl1 - xN(0 ≤ x ≤ 1.0)을 포함한다. 합금의 두 영역들 사이에서 조성 구배의 넓은 범위를 제공함으로써, InGaN 또는 InAlN 합금은 매우 넓은 범위의 직접 밴드 갭 튜닝을 제공한다. 이러한 유리한 특성은 다른 합금, 예컨대 합금 범위의 단지 일부에 대하여만 갭이 직접적인 AlGaAs와는 대조를 이룬다.
합금 내에서 인듐(In)의 조성이 구배진다고 설명한다면, 그 구배는 합금의 한 부분으로부터 합금의 또 다른 부분까지 인듐(In) 농도의 전체적이거나 대체적인 변화를 의미하는 것으로, 이러한 인듐(In) 농도의 변화율은 그 합금에 걸쳐 선형으로, 비선형으로, 점진적으로, 비점진적으로, 균일하게 또는 불균일하게 발생할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 또한, 인듐(In) 농도는 합금의 특정 부분들 사이에서는 전혀 변화하지 않을 수도 있음을 이해하여야 한다.
도 3을 참조하면, 전반적으로 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지(100)의 블럭 다이어그램 도해가 도시되었는데, 태양 전지(100)의 층들 중 하나는 본 명세서에서 설명한 바와 같이 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 포함한다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 3족 질화물층(102)은 인듐(In) 조성이 3족 질화물층(102)의 표면(114)에서 낮은 인듐(In) 조성부터 Si 층(104)과의 계면 또는 접합부(105)에서의 높은 인듐(In) 조성까지 구배진 있는 InxGa1-xN 합금이다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 3족 질화물층(102)은 인듐(In) 조성이 3족 질화물층(102)의 표면(114)에서의 낮은 인듐(In) 농도부터 Si층(104)과의 계면 또는 접합부(105)에서의 높은 인듐(In) 농도까지 구배진 InxAl1 - xN 합금이다. 각 실시예에서, 3족 질화물층(102) 내의 인듐(In) 농도는 대체로 화살표(116) 방향으로 증가하고, 도 3의 3족 질화물층(102)에 도시된 변화하는 음영은 Si층(104)과의 접합부(105)에 가장 가까운 영역에서 층(102) 내에서의 인듐(In) 농도의 증가를 도시하고 있다.
3족 질화물층(102) 내의 인듐(In)의 조성을 구배지게 함으로써, Si층(104)과의 접합부(105)를 향해 전자를 구동시키는 추가의 전위가 생성되어, 전지 전류를 증가시킨다. 또한, 3족 질화물층(102)의 조성 구배는 표면(114)에서 더 큰 갭을 제공할 것이어서, 더 양호한 홀 전도 접촉을 형성할 것이다. 조성 구배와 관련된 이러한 이점들은 이러한 유형의 태양 전지의 태양 전력 전환 효율을 더 증가시킬 것이다.
인듐(In) 농도가 0 ≤ x ≤ 1.0 사이에서 변할 수 있지만, 하나의 특정 실시예에서, 인듐(In) 조성이 합금막의 일면 근처에서 x = 0.25로부터 그 합금막의 타면 근처에 x = 0.45까지 구배지는 InxGa1 - xN 합금의 막이 제공된다. 또 다른 특정 실시예에서, 인듐(In) 조성이 합금막의 일면 근처에서 x = 0.6으로부터 막 합금의 타면 근처에서 x = 0.8까지 구배지는 InxAl1 - xN 합금의 막이 제공된다. 이러한 특정 실시예에서 명시한 특정 범위는 태양 전지 내에 흡수시키길 원하는 태양 스펙트럼에 양호하게 부합한다. 그러나, InxGa1 - xN 및 InxAl1 - xN은 넓은 범위의 직접 밴드갭 튜닝을 제공하고, InxGa1 - xN 또는 InxAl1 - xN (0.0 ≤ x ≤ 1.0)을 위한 다른 값 및 범위가 효율 및 전달을 최적화하도록 선택될 수 있음을 이해하여야 한다.
n형 Si층(104) 및 p형 InxGa1 - xN 층(102)을 갖고 있는 표면(114) 근처에서 x = 0.25이고 접합부(105) 근처에서 x = 0.45인 일실시예의 경우, 에너지 레벨(eV) 대 표면(114)으로부터의 거리(nm)에 대해 산출된 밴드 다이어그램이 도 4에 도시되어 있다. 도시한 실시예에서, 도핑은 p형 InxGa1 - xN 층(102)에서 2 × 1017 cm-3이고 n형 Si 층(104)에서 2 × 1016 cm-3이다.
태양 전지(100)가 태양 에너지에 노출될 때, 층들(102, 104)이 이들의 밴드갭과 동일한 양의 에너지를 함유한 광파를 흡수하는 경우에 에너지가 태양 에너지의 광자로부터 태양 전지(100)로 전달된다. 밴드갭은 재료의 가전자띠로부터 전도띠까지 전자를 밀어내는데 필요한 에너지이다. InN과 GaN 간의 1.05 ± 0.25 eV의 가전자띠 오프셋의 실험 측정치와 GaN에 대한 기지의 전자 친화도에 기초할 때, InN은 임의의 공지된 반도체의 가장 큰 값에 해당하는 5.8 eV의 전자 친화도를 갖는 것으로 예상된다. InGaN 또는 InAlN의 합금으로서 층(102)을 형성하는 것은 넓은 밴드갭 튜닝 범위, 즉 InGaN의 경우 0.7 내지 3.4 eV와 InAlN의 경우 0.7 내지 6.0 eV를 허용한다.
층들 중 하나(102 또는 104)의 전도띠를 층들 중 다른 하나(102 또는 104)의 가전자띠와 정렬함으로써, 저저항의 터널 접합이 층들(102, 104) 간에 생성된다. 전자 친화도[진공 레벨에 대한 전도띠 최저점(CBM: conduction band minimum)의 에너지 준위]는 또한 넓은 범위, 즉 InAlN에서 5.8 eV 내지 2.1 eV 및 InGaN에서 5.8 eV 내지 4.2 eV에 걸쳐 튜닝될 수도 있다. 일실시예에서, 대략 Al0 .3In0 .7N 또는 In0.45Ga0.55N의 조성에 대하여, AlInN/InGaN의 전도띠는 Si의 가전자띠와 정렬되어, 통상적으로 종래의 다중접합 태양 전지에서 통상적으로 필요했던 것과 같은 심하게 도핑된 층을 추가로 필요로 하지 않고 층들(102, 104) 사이에서 매우 낮은 저항 터널에 대한 조건을 생성하도록 이루어질 수 있어 다중 접합 태양 전지에 비해 단일 접합 텐덤형 태양 전지(100)의 실시예의 구조를 매우 단순화시킨다.
p형 3족 질화물층(102)(InGaN 또는 InAlN)과 n형 Si층(104) 사이에 하나의 P-N 접합부(105)를 갖는 태양 전지(100)는 (1) 전하 분리를 위한 두 개의 공핍 영역을 제공하고, 또는 (2) 두 층들(102, 104) 내에서 태양 에너지로부터 생성된 전압들을 함께 합할 수 있도록 전자 및 홀을 재조합하는 접합부(105)를 제공한다. 이러한 유형의 결과는 종래에는 터널 접합 층을 갖는 다중 접합 텐덤형 태양 전지에서만 달성할 수 있었고 단지 단일 P-N 접합만을 이용하여서는 결코 달성할 수 없었다.
태양 전지(100)의 단일 p-InGaN/n-Sn 이종접합은 통상의 P-N 반도체 이종접합과 근본적으로 상이한 방식으로 거동한다. 통상의 P-N 접합에서, 홀은 p형 쪽에서 공핍되고 전자는 n형 쪽에서 공핍되어, 하나의 공핍 영역을 생성한다. 그러나, 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라 형성된 본 발명의 p-InGaN/n-Si 이종 접합(또는 p-InAlN/n-Si 이종 접합)이 두 개의 공핍 영역을 생성한다. 명백하게는, 이들 공핍 영역 모두는 전하를 분리시킬 수 있어서, 단일 p-InGaN/n-Si 또는 p-InAlN/n-Si 이종 접합이 2-접합 텐덤형 태양 전지로서 작용한다. 또한, 층들(102, 104) 사이의 접합부(105)에서, 유형 역전[접합부(105)의 InGaN면에서 과잉 전자 및 접합부(105)의 Si면에서 과잉 홀]이 존재하여, InGaN 공핍 영역(110) 및 Si 공핍 영역(112)을 생성한다. 이러한 유형의 역전은 더 유효한 전자 홀 소멸 및 층들(102, 104)의 직렬 연결을 제공한다. 이러한 단일 접합 텐덤형 태양 전지의 하나의 대표적인 실시예가 "SINGLE P-N JUNCTION TANDEM PHOTOVOLTAIC DEVICE"라는 명칭으로 2007년 7월 13일 출원한 미국 특허 출원 번호 제11/777,963호에 기술되어 있고, 그 내용이 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예에서, 암전류[즉, 빛이 입력으로서 작용하지 않을 때 태양 전지(100)의 출력 전류]가 층들(102, 104) 중 적어도 하나와 전기 접점(106, 108) 중 각각의 하나 사이의 계면 근처에서 농후한 카운터 도핑[즉, n형 층(104) 내의 p++ 또는 p형 층(102) 내의 n++]에 의해서 감소될 수 있다. 이는 또한 개방 회로 전압 및 태양 전지(100)의 효율을 증가시킬 것이다.
하나 또는 그 이상의 실시예에서, 층들(102, 104) 사이에 형성된 얇은 절연 중간층(예컨대 GaN의 박형 층)의 이용을 통해 암전류가 감소될 수 있고 개방 회로 전압이 증가될 수 있다. 그 중간층은 p-InGaN 층(102)으로부터 n-Si 층(104)으로 홀 누설에 대한 배리어를 증가시키는 동시에 n-Si 층(104)으로부터 p-InGaN 층(102)으로 전자 누설을 막는 기능을 할 것이다.
농후한 카운터 도핑 또는 얇은 절연층을 이용하는 암전류 감소와 관련된 그러한 기법들은 그러한 피쳐가 없는 구성과 비교하여 약 0.1 내지 0.2 eV 만큼의 전자 및 홀 누설에 대항한 배리어를 증가시킬 것이다.
단일 P-N 접합을 이용하여 텐덤형 광전지 소자를 형성하기 위해서, 태양 전지(100)의 상부 3족 질화물층(102) 내의 전도띠 최저점(CBM)이 태양 전지(100)의 하부층(104)의 가전자띠 최고점(VBM)과 실질적으로 정렬되거나, 가전자띠 최고점(VBM)보다 진공 레벨에 대한 에너지가 낮도록 형성된다. 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 매우 단순한 단일 P-N 접합 구성에 의해 2-접합 텐덤형 태양 전지의 효율 특성을 갖는 태양 전지(100)가 제공된다. 하부 n-Si 층(104) 위에 얇을 수 있는(＜ 0.5 ㎛) p-InGaN 층(102)을 간단히 형성함으로써, 텐덤형 태양 전지(100)가 현재 최상으로 제조되는 단일 접합 Si 태양 전지의 효율 이상의 효율을 갖도록 제조될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예에서, Si 층(104)이 다결정 또는 심지어는 비정질 Si를 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 텐덤형 태양 전지(100)는 종래에 공지된 Si 기술과 비교하여 증가 효율 및 낮은 비용으로 제조될 수 있고, 이는 광전지 제작에 혁명을 일으킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 전반적으로 본 명세서에 기술된 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 단일 P-N 접합 텐덤형 태양 전지(100)의 블럭도가 도 3의 조성 구배를 갖는 태양 전지(100)의 전기 접점(108)과 n형 Si 층(104) 사이에 추가의 n+ 층(118)이 형성된다. n+ 층(118)의 추가는 전자를 접촉부(108)에 보내고 홀을 밀어내는 "후면 전계(BSF)"를 제공한다. 후면 전계는 태양 전지(100)의 효율을 증가시키는데 유용하다.
추가의 n+ 층(118)이 위에 형성되어 있는 n형 Si층(104) 및 p형 InxGa1 - xN 층(102)[표면(114) 근처에서 x = 0.25 및 접합부(105) 근처에서 x = 0.45]을 갖는 일실시예의 경우, 에너지 레벨(eV) 대 표면(114)에서의 거리(nm)를 도시하는 산출된 밴드 다이어그램이 도 6에 도시되어 있다. 도시한 실시예에서, 도핑은 p형 InxGa1-xN 층(102)에서 2 × 1017 cm-3 및 n형 Si 층(104)에서 2 × 1016 cm-3이다.
하나 또는 그 이상의 실시예에서, 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금이 P-N 접합부의 양쪽에 형성될 수 있다. 도 7을 참조하면, InxGa1 - xN 내에서 단일 n-p 접합부 양쪽에 구배를 갖고 있는 태양 전지의 모델에 대한 밴드 다이어그램을 도시하고 있다. 이 태양 전지 모델의 경우, n형 InxGa1 - xN 상부 층(102)(100 nm 두께)은 표면(114)에서의 대략 x = 0.25로부터 두 개의 합금층들 사이의 접합부(105)에서의 x = 0.5까지 구배진다. p형 InxGa1 - xN 하부 층(104)(900 nm 두께)은 접합부(105)에서의 x = 0.5부터 층(104)의 다른 쪽에 위치한 전류를 수집하는 전기 접촉부(108)와의 접합부에서 x = 0.35까지 구배지게 접합부(105) 하부의 p형 측에 형성된다. n형 및 p형 도핑은 각각 본 모델에서 1018 및 1017 cm-3이다. 도 7에서 밴드 다이어그램은 직접 밴드 갭 튜닝의 매우 넓은 범위를 갖는 InGaN 및 AlInN 합금에 의해서 제공되는 독특한 이점들 중 일부를 도시하고 있다. 이는 예컨대, 갭이 합금 범위의 단지 일부에 대하여만 직접적인 AlGaAs와 대비된다. n형 상부 층(102)의 경우, 구배는 소수 캐리어(홀)를 접합부(105)로 운반하는 내부 전기장을 생성한다. 유사하게는, 접합부(105)의 p형 쪽에서의 구배(반대 방향에서, 높은 x값으로부터 낮은 x으로)는 접합부(105)에 소수 캐리어(전자)를 운반하는 전기장을 생성한다. 그 전체적인 효과는 소수 캐리어의 재조합 감소이고, 이러한 재조합은 태양 전지에서의 효율 감소이다. 이러한 구조에서 본 실시예의 경우, n형 층은 얇게 제조되어 p형 쪽으로부터의 전자의 컬렉터로서 주로 기능한다. p형 쪽에서의 구배는 낮은 밴드 갭에서부터 높은 밴드 갭으로 진행한다는 점에서 통상 사고와 비교하여 독특하다. 이는 중간부 또는 접합부(105) 근처에서 전하 생성을 집중시킬 것이고, 이는 실제로 소자를 제조하는데 이용되는 재료의 특성에 따라 상당한 이점을 제공할 수 있다. 일반적으로, InxGa1 -xN(및 InxAl1 - xN)에서 이용할 수 있는 넓은 밴드 갭 튜닝 범위를 이용하여 최적화될 수 있는 내부 전기장의 크기와 태양 광자의 상이한 파장에 대한 전하 생성 속도들 간에 상호 작용을 미치게 된다.
하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금은 또한 태양 전지 중 하나가 조성 구배의 3족 질화물 합금을 포함하는 다중 접합 텐덤형 태양 전지에서도 이용될 수 있다. 다중 접합 텐덤형 태양 전지는 적층 배치로 직렬 연결된 복수의(예컨대, 2개, 3개, 4개 등의)P-N 접합 태양 전지를 포함한다. 태양 전지 중 적어도 하나에서 3족 질화물 합금을 이용하는 다중 접합 텐덤형 태양 전지의 대표적인 예가, 그 내용이 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 "BROAD SPECTRUM SOLAR CELL"이란 명칭의 Walukiewicz 등의 2007년 5월 15일 발행된 미국 특허 제7.217,882호에 기술되어 있다. 이러한 다중 접합 텐덤형 태양 전지(200)에서, 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라 도 8에 도시한 바와 같이, 서브셀(202)의 n형 및 p형 영역 중 임의의 것 또는 모두는 본 명세서에 기술한 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금에 따라 조성이 구배질 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 서브셀들(202) 사이의 계면(204)에서 전자에 대한 배리어가 추가 도핑에 의해 줄어들 수 있다.
도 9a를 참조하면, 조성 구배를 갖는 도 7의 구조를 갖는 InGaN 텐덤형 태양 전지의 특정 일실시예를 위한 밴드 다이어그램이 도시되어 있다. 본 실시예에서, p-InGaN 도핑은 1 × 1017 cm-3 Mg(100 meV 활성 에너지) 및 n-InGaN 도핑은 1 × 1017 cm-3 (공명 도너)이다. 서브셀 내의 InxGa1 - xN 층들은, 0 에서 500 nm(상부 p형 영역)까지 x = 0.25 에서 x = 0.45로, 500 nm에서 1000 nm(상부 n형 영역)까지 x = 0.45(일정); 1000 nm에서 1500 nm(하부 p형 영역)까지 x = 0.75 에서 x = 0.85로, 1500 에서 2000 nm(하부 n형 영역)까지 x = 0.85(일정)하도록 조성이 구배진다.
도 9b를 참조하면, 조성 구배를 갖는 도 7의 InGaN 텐덤형 태양 전지의 또 다른 특정 실시예에 대한 밴드 다이어그램이 도시되어 있다. 본 실시예에서, p-InGaN 도핑은 1 × 1017 cm-3 Mg(100 meV 활성 에너지) 및 n-InGaN 도핑은 1 × 1017 cm-3 (공명 도너)이다. 서브셀 내의 InxGa1 - xN 층들은 0 에서 500 nm(상부 p형 영역)까지 x = 0.25 에서 x = 0.5로, 500 nm 에서 1000 nm(상부 n형 영역)까지 x = 0.5 에서 x = 0.45로, 1000 nm에서 1500 nm(하부 p형 영역)까지 x = 0.65 에서 x = 0.85로, 1500 nm에서 2000 nm(하부 n형 영역)까지 x = 0.85 에서 x = 0.75로 조성이 구배진다.
하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 태양 전지 중 하나가 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 포함하는 두 개의 태양 전지들 사이에 저저항의 터널 접합부가 형성된 텐덤형 태양 전지가 제공된다. InGaN/Si 텐덤형 태양 전지 내의 이러한 저저항 접합부의 대표적인 일실시예는, 그 내용이 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 "LOW RESISTANCE TUNNEL JUNCTIONS FOR HIGH EFFICIENCY TANDEM SOLAR CELLS"란 명칭의 2008년 10월 16일 발행된 PCT 특허 출원 공보 제 WO/2008/124160 호에 기술되어 있다. 이러한 텐덤형 태양 전지에서, 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, n형 및 p형 영역 중 어느 하나 또는 모두는 본 명세서에 기술되어 있는 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금에 따라 조성이 구배될 수 있어서, 구배는 선형일 수 있거나 또 다른 공간 함수에 따라 형성될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예에 따라, 전하 수집을 개선시키기 위해서 후면 전계가 Si 층에서 이용될 수 있다.
도 10a를 참조하면, 조성 구배를 갖게 형성되고 저저항의 터널 접합부를 갖는 InGaN/Si 텐덤형 태양 전지의 구체적인 일실시예에 대한 밴드 다이어그램이 도시되어 있다. 도시한 본 실시예에서, 밴드 다이어그램은 프아송(Poisson) 식을 수치 해석함으로써 얻었고, p-InGaN 도핑은 1 × 1017 cm-3 Mg(100 meV 활성 에너지)이고, n-InGaN 도핑은 1 × 1017 cm-3 (공명 도너)이다. Si 층에서, p형 및 n형 영역은 1 × 1017 (얕은 도너/억셉터)이다. 서브셀 내의 InxGa1 - xN 층은 p형 영역(0 내지 500 nm)에서 x = 0.25 에서 x = 0.45로 조성이 구배져 있고, n형 영역(500 내지 1000 nm)을 향해 소수의 캐리어(전자)를 이동시키기 위해 추가의 전기장을 제공한다.
도 10b를 참조하면, 저저항의 터널 접합부를 갖고 조성 구배를 갖게 형성된 InGaN/Si 텐덤형 태양 전지의 또 다른 특정 실시예를 위한 밴드 다이어그램이 도시되어 있다. 도시한 본 실시예에서, 밴드 다이어그램은 프아송(Poisson) 식을 수치 해석함으로써 얻었고, p-InGaN 도핑은 1 × 1017 cm-3 Mg(100 meV 활성 에너지)이고, n-InGaN 도핑은 1 × 1017 cm-3 (공명 도너)이다. Si 층에서, p형 및 n형 영역은 1 × 1017 (얕은 도너/억셉터)이다. 서브셀 내의 InxGa1 - xN 층은 p형 영역(0 내지 500 nm)에서 x = 0.25 에서 x = 0.5로 n형 영역(500 내지 1000 nm)에서 x = 0.5 에서 x = 0.55로 조성이 구배진다. n형 영역의 구배는 p형 영역으로 홀(소수 캐리어)을 보내는 전기장을 생성한다.
100: 태양 전지 102: 상부층
104: 하부층 105: 접합부
106, 108: 전기 접점 110: InGaN 공핍 영역
112: Si 공핍 영역 114: 표면
118: n+ 층

Claims (19)

  1. 태양 전지로서,
    조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금층;
    광전지 재료층;
    조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금층과 광전지 재료층 사이의 단일 p-n 접합부; 및
    단일 p-n 접합부와 관련된 전하 분리를 위한 다수의 공핍 영역(depletion regions)
    을 포함하는 것인 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 3족 질화물 합금층은 3족 질화물 합금층의 두 부분들 간에 두 개의 x값(0.0 ≤ x ≤ 1.0)들 사이에서 구배지는 InxGa1 - xN을 포함하는 것인 태양 전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 3족 질화물 합금층은 InxGa1 - xN(0.25 ≤ x ≤ 0.45)을 포함하는 것인 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 3족 질화물 합금층은 3족 질화물 합금층의 두 부분들 간에 두 개의 x값들 (0.0 ≤ x ≤ 1.0) 사이에서 구배지는 InxAl1 - xN을 포함하는 것인 태양 전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 3족 질화물 합금층은 InxAl1 - xN (0.6 ≤ x ≤ 0.8)을 포함하는 것인 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광전지 재료는 실리콘 재료를 포함하는 것인 태양 전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광전지 재료는 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 포함하는 것인 태양 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 3족 질화물 합금층에 결합된 제1 전기 접점;
    상기 광전지 재료층에 형성된 n+ 재료층; 및
    상기 n+ 재료층에 결합된 제2 전기 접점
    을 더 포함하는 것인 태양 전지.
  9. 태양 전지로서,
    제1 밴드갭을 갖는 3족 질화물 합금의 제1 접합부; 및
    상기 제1 접합부에 전기적으로 결합된 제2 밴드갭을 갖는 3족 질화물 합금의 제2 접합부
    를 포함하고, 상기 제1 접합부 및 제2 접합부 중 적어도 하나는 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 포함하는 것인 태양 전지.
  10. 반도체 구조체로서,
    제1 재료를 포함하는 제1 광전지; 및
    제2 재료를 포함하고, 상기 제1 광전지에 직렬 연결되는 제2 광전지
    를 포함하고,
    제1 재료 및 제2 재료 중 적어도 하나는 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금을 포함하고;
    저저항 터널 접합부가 제1 광전지 및 제2 광전지 사이에 형성되는 것인 반도체 구조체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금은 3족 질화물 합금의 두 부분들 간에 두 개의 x값(0.0 ≤ x ≤ 1.0)들 사이에서 구배지는 InxGa1 - xN을 포함하는 것인 반도체 구조체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 3족 질화물 합금층은 InxGa1 - xN(0.25 ≤ x ≤ 0.45)을 포함하는 것인 반도체 구조체.
  13. 제10항에 있어서, 상기 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금은 3족 질화물 합금의 두 부분들 간에 두 개의 x값(0.0 ≤ x ≤ 1.0)들 사이에서 구배지는 InxAl1 - xN을 포함하는 것인 반도체 구조체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 3족 질화물 합금층은 InxAl1 - xN(0.6 ≤ x ≤ 0.8)을 포함하는 것인 반도체 구조체.
  15. 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금층을 포함하는 것인 태양 전지용 광전층.
  16. 제15항에 있어서, 상기 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금층은 3족 질화물 합금층의 두 부분들 간에 두 개의 x값(0.0 ≤ x ≤ 1.0)들 사이에서 구배지는 InxGa1 - xN을 포함하는 것인 태양 전지용 광전층.
  17. 제16항에 있어서, 상기 조성 구배를 갖는 3족 질화물 합금층은 InxGa1 -xN(0.25 ≤ x ≤ 0.45)을 포함하는 것인 태양 전지용 광전층.
  18. 제15항에 있어서, 상기 조성 구배의 3족 질화물 합금층은 3족 질화물 합금층의 두 부분들 간에 두 개의 x값(0.0 ≤ x ≤ 1.0)들 사이에서 구배되어 있는 InxAl1 - xN을 포함하는 것인 태양 전지용 광전층.
  19. 제18항에 있어서, 상기 조성 구배의 3족 질화물 합금층은 InxAl1 - xN(0.6 ≤ x ≤ 0.8)을 포함하는 것인 태양 전지용 광전층.
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