KR20120088719A - 개선된 광전지 - Google Patents

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KR20120088719A
KR20120088719A KR1020127010280A KR20127010280A KR20120088719A KR 20120088719 A KR20120088719 A KR 20120088719A KR 1020127010280 A KR1020127010280 A KR 1020127010280A KR 20127010280 A KR20127010280 A KR 20127010280A KR 20120088719 A KR20120088719 A KR 20120088719A
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네일 톰슨 고던
티모씨 애쉴리
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Abstract

본 발명은 광대역 복사선으로부터 효율적인 발전을 제공하는 개선된 광전지를 제공하고, 이 광전지는 단일 결정 실리콘으로 형성된 제 1 다이오드와 단일 결정 그룹 II-VI 반도체로 각각 형성된 하나 이상의 추가 다이오드를 포함한다. 양호한 실시예에서, 본 발명은 단결정 실리콘으로 형성된 제 1 다이오드(20), 그룹 II-VI 반도체로 형성된 제 2 다이오드(30), 선택적인 버퍼(buffer) 층(2)과 두 다이오드들 사이에서 선택적인 터널 접합으로서 작용하는 고농도 도핑된 실리콘의 층(3)을 포함하는 탠덤 광전지를 제공한다. 이 장치는 상하부(전후) 전기접점들(1, 5)과 더 긴 파장의 빛의 전류 채집을 최대화하기 위해 구조물의 뒤에 증착되는 실리콘 층(4)을 부가적으로 포함한다. 사용시, 광(6)이 광전지의 상부(전방) 표면에 부딪히고 다이오드(30, 20)들에 의해 (결국) 흡수된다. 본 발명에 따른 하나의 가능한 탠덤 광전지는 n+CdTe/(p 또는 n)CdTe/p+CdTe/p ZnTe/p+Si/n+Si/p Si/p+Si이다.

Description

개선된 광전지{Improved photocell}
본 발명은 일반적으로 광전지, 즉, 입사광 복사선을 전기 에너지로 변환하는 장치에 대한 것이고, 보다 상세하게는 태양 광선(solar flux)과 같은 광대역 입사 복사선으로부터 효율적인 발전을 위해 여러 파장들에서 작동하는 광전지에 대한 것이다.
태양전지로도 불리는, 광전지들은 입사 광선, 특히 태양광으로부터 전기 에너지를 제공하는 것으로 잘 알려져 있다.
잘 알려진 타입의 광전지는 반도체 p-n 접합 배치를 사용한다. 이러한 광전지를 사용하는 광 에너지의 전기 에너지로의 변환은 사용되는 반도체 재료의 밴드 갭보다 약간 위의 광자 에너지들에 대해 가장 효율적이다. 광자 에너지가 밴드 갭보다 작으면 이는 흡수되지 않고 (밴드 갭 이상의) 과다한 에너지는 열로서 소모된다. 단일 파장의 조명 복사선으로 작동하게 설계된 광전지들에 대해 밴드 갭은 광원의 파장과 일치될 수 있다. 그러나, 태양 복사선의 스펙트럼은 약 0.3㎛ 내지 5㎛의 일정 범위의 파장들에 걸쳐 연장한다.
효율을 증가시키기 위해, 광전지들은 수직으로 직렬로 적층된 몇 개의 접합들로 구성되어 만들어졌다. 각각의 접합은 상이한 밴드 갭을 가지므로 상이한 파장의 복사선에 동조된다. 이 접합들은 최대 밴드 갭을 갖는 접합이 최외측에 있도록 배치된다. 최고 에너지를 갖는 복사선은 이 최외측 접합에 의해 흡수되고 이 밴드 갭 아래의 에너지를 갖는 복사선은 보다 낮은 접합에 의해 흡수되도록 전송된다.
이러한 타입의 다중 접합 장치들은 그룹 III-V 반도체 시스템(system; 계)들로 보고되었고 단일 접합 접근법에 비해 증가된 효율을 보였다. 이러한 다중 접합 접근법이 InGaP/InGaAs/Ge와 같은 그룹 III-V 반도체 시스템들로 달성될 수 있지만, 그러나, CdTe 또는 HgCdTE와 같은 그룹 II-VI 반도체들로는 지금까지 가능하지 않았다. 그룹 II-VI 반도체들은 그룹 III-V 반도체들보다 큰 범위의 밴드 갭들에 걸쳐 있고, 따라서, 태양 복사선에 보다 적합한 밴드 갭들을 갖는다.
본 발명의 목적은 그룹 II-VI 반도체들을 사용하여 개선된 광전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따라, 단결정 실리콘으로 형성된 제 1 다이오드와 단결정 그룹 II-VI 반도체로 각각 형성된 하나 이상의 추가 다이오드를 포함하는 광전지가 제공되고, 여기서 하나 이상의 추가 다이오드가 적층된 구조물을 형성하도록 제 1 다이오드 상에 배치되고, 하나 이상의 추가 다이오드 각각은 상이한 밴드 갭을 갖고, 상기 밴드 갭은 제 1 다이오드의 밴드 갭보다 높고, 각각의 다이오드들은 최고 밴드 갭을 갖는 다이오드가 최외측에 있도록 밴드 갭이 증가하는 순서로 배치된다. 하나 이상의 추가 다이오드들 각각이 상이한 밴드 갭을 갖도록, 하나 이상의 추가 다이오드들 각각은 바람직하게는 상이한 그룹 II-VI 반도체로부터 형성된다.
그룹 II-VI 반도체는 (바람직하게는 O, S, Se와 Te로부터 선택된) 그룹 VI 원소들과 조합된 (바람직하게는 Be, Mg 및 Ca로부터 선택된) 그룹 IIA 원소들 및/또는 그룹 IIB(즉, Zn, Cd 및 Hg로부터 선택된) 원소들을 포함하는 재료를 의미한다. 달리 말해, 그룹 II-VI 반도체는 위에 정의한 바와 같이 하나 이상의 그룹 VI 재료와 하나 이상의 그룹 IIA 및/또는 그룹 IIB 원소를 포함하는 복합 반도체이다. 그룹 II-VI 반도체는 예를 들어, CdZnTeSe 등과 같은 4가(quaternary) 재료, 예를 들어, CdZnTe와 같은 3가 재료, 예를 들어, CdTe 또는 CdSe와 같은 2가 재료일 수 있다.
본 발명에서 사용될 때 그룹 II-VI 반도체는, 몇몇 상황에서, 예를 들어, 상이한 재료층들로서 재료들이 적층될 수 있는, 상이한 그룹 II-VI 재료들의 조합을 포괄할 수 있다. 그러나, 비록 그룹 II-VI 반도체 다이오드가 상이한 재료들의 층들을 포함할 수 있지만(일례는 혼합된 CdSe/CdTe 다이오드임) 본 발명의 하나 이상의 추가 다이오드는 하나의 그룹 II-VI 반도체로부터 개별적으로 형성되는 것이 바람직하다. 동일한 그룹 II-VI 반도체의 적절히 도핑된, 단결정층들은 균일한 격자 구조를 제공하고 따라서, 다이오드 성능을 최적화할 수 있다. 달리 말해, 본 발명의 광전지에서 이종(hetero)접합들보다 동종접합(homojunction)이 선호된다. 종래기술의 그룹 III-V 광전지들에서, 이종접합 다이오드들이 종종 실시되었다.
당업자는 위에 정의한 그룹 IIA 원소들이 그룹 IIB 원소들로서 종종 불리고, 그 반대도 성립함을 알 것이다. 다른 명명 규칙들이 존재할 수 있다.
편리하게는, -전형적으로 p-n 및/또는 p-i-n 접합들인- 하나 이상의 추가 다이오드들이 그룹 II-VI 반도체의 도핑된 층들로부터 형성된다.
태양전지 응용예들에 사용되어온 그룹 II-VI 반도체들에는 CdS, ZnO 및 CdZnS(전형적으로 윈도우 재료들로서), CdTe, CdZnTe 및 CdMgTe(흡수기 층들로서)와 ZnTe(윈도우 재료 및/또는 배면 접점으로서)를 포함한다. ZnS와 CdSe는 태양전지들에도 이미 사용되어 왔고, MgTe에도 약간 관심이 있었는데 왜냐하면 이는 넓은 밴드 갭을 갖고 CdTe와 HgTe와 일치하는 격자이기 때문이다. 본 발명의 광전지에서, 하나 이상의 추가 다이오드는 실리콘보다 높은 밴드 갭을 갖는(달리 말해, 1.1eV를 넘는 밴드 갭) 그룹 II-VI 반도체로 각각 형성되고 최고 밴드 갭을 갖는 반도체 다이오드가 최외측에 있도록 증가하는 밴드 갭의 순서로 배치된다. 이론적으로, 실리콘보다 높은 밴드 갭을 갖는 그룹 II-VI 반도체가 본 발명에 사용되지만, 바람직하게는 하나 이상의 추가 다이오드는 상술한 화합물들로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 그룹 II-VI 반도체를 포함한다(즉, ZnSe, CdS, ZnO, CdZnS, CdTe, CdZnTe, CdMgTe, ZnTe, ZnS, CdSe, MgTe, CdO, CdTeSe, CdZnSe, CdZnTeSe).
실리콘은 1.1eV의 밴드 갭을 갖고, 이는 완전한 흑체 광원(source)과 100%효율 흡수를 가정할 때 단일 접합에 대해 약 28%의 이론적 효율을 낸다. 비록 실리콘의 밴드 갭이 태양 스펙트럼에 이상적으로 부합되지는 않지만, 광전 재료 및 단결정 실리콘으로 제조된 최근의 디바이스들은 약 22%까지의 효율을 갖는 것으로 나타났다. 실리콘의 밴드 갭은 태양 스펙트럼의 피크에 근접하지만, 간접 밴드 갭 재료이다.
그룹 II-VI 반도체는 태양 스펙트럼과 잘 맞는 밴드 갭들을 가질 수 있지만, 지금까지 광전 재료들로서 제한적인 용도만을 달성했다. 특히 CdTe는 거의-이상적인 태양전지 재료로서 오랫동안 간주되어 왔지만(왜냐하면 1.49eV의 그 밴드 갭이 태양 스펙트럼의 피크에 가깝게 있고, 약 25%의 이론적 효율을 갖고, 복사선의 매우 효율적인 흡수기이므로) ~그렇다 해도~ 유리(glass) 기판을 포함하는 보다 싸고 낮은 효율의 다결정질 박막 소자들로 사용된다.
본 발명에서, 전적으로 그룹 II-VI 반도체들로 만들어진 광전지를 제공하고자 하는 것은 아니다. 대신에, 그룹 II-VI 반도체들로 형성된 하나 이상의 다이오드가 고효율, 단결정, 실리콘 태양전지의 작동 효율을 개선하는데 사용된다. 이는 단결정 실리콘으로 형성된 제 1 다이오드와 단결정 그룹 II-VI 반도체로 형성된 하나 이상의 추가 다이오드를 포함하는 광전지를 제공하여 달성되고, 하나 이상의 추가 다이오드는 적층된 구조를 형성하도록 제 1 다이오드 상에 배치되고, 하나 이상의 추가 다이오드 각각은 상이한 밴드 갭을 갖고, 상기 밴드 갭은 제 1 다이오드의 밴드 갭보다 높고, 각각의 다이오드들은 최고 밴드 갭을 갖는 다이오드가 최외측에 있도록 증가하는 밴드 갭의 순서로 배치된다. 이런 식으로, 다중 접합 셀이 태양 에너지의 전기로의 변환을 최대화할 수 있는 하나 이상의 그룹 II-VI 다이오드와 실리콘으로부터 형성된다.
셀 효율에서 최적 이득들은 태양 스펙트럼에서 최대에 가까운 밴드 갭을 갖는 그룹 II-VI 반도체로 하나 이상의 추가 다이오드의 최내측 다이오드(즉, 제 1 다이오드에 가장 가깝게 놓인 다이오드)가 형성될 때 달성될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 최내측은 바람직하게는 ZnTe, CdTe, CdSe, CdS, ZnSe 및 MgTe와, 예를 들어, CdZnTe, CdTeSe, CdZnSe 및 CdZnTeSe와 같은 관련한 3가와 4가들로 구성된 그룹으로부터 선택된 그룹 II-VI 반도체로 형성된다. 태양 스펙트럼에 가장 가깝게 맞는 그룹 II-VI 반도체 재료들이 CdTe, CdSe와 CdZnTe이므로, 보다 바람직한 재료들이다. 가장 바람직하게는, 최내측 다이오드는 CdTe로부터 형성된다.
바람직하게는, 제 1 다이오드는 실리콘 웨이퍼, 보다 바람직하게는 종래의 고효율 태양전지에 사용하기 적합한 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 하나 이상의 추가 다이오드는 그 위에 성장된 그룹 II-VI 반도체 영역에 형성되고, 상기 영역은 -필요에 따라- 하나, 둘, 셋, 넷 또는 심지어 5가지 상이한 그룹 II-VI 재료들을 포함한다. 이는 표준의 고효율 실리콘 셀을 포함하는 실리콘 웨이퍼가 본 발명의 개선된 광전지를 형성하는 구성을 갖고 상부 접점들의 증착 전에 취해질 수 있다는 장점을 제공한다. 그룹 II-VI 다이오드들은 증가하는 밴드 갭의 순서로 성장되고, 최저 밴드 갭 다이오드는 제 1 다이오드에 가장 가깝고 최고 밴드 갭 다이오드는 최외측에 있다. 편리하게는, 그룹 II-VI 반도체 영역은 에피택셜층(epitaxial layer)들로서 성장되고, 상기 층들은 원하는 장치 구조를 제공하도록 도핑된다.
하나 이상의 추가 다이오드는 최고 밴드 갭을 갖는 다이오드가 최외측(즉, 셀의 정면에)에 있도록 증가하는 밴드 갭의 순서로 배치된다. 사용시, 장치는 광전지의 그룹 II-VI 측면으로부터 조명된다. 최고 에너지를 갖는 복사선은 최외측 다이오드에 의해 흡수되고 밴드 갭 이하의 에너지를 갖는 복사선은 보다 하부 다이오드에 의해 흡수되도록 관통해 전송된다. 이 더 높은 에너지 복사선은 실리콘에 직접 흡수되는 것보다 더 효율적으로 전기 에너지로 변환될 수 있는데 밴드 갭이 복사 에너지에 보다 엄밀하게 적합하기 때문이다. 따라서, 복합 구조는 실리콘 셀 단독보다 큰 효율을 갖는다.
본 발명의 광전지가 가능한 최고 효율에서 동작하도록, 결정학적 결함들이 최소화되는 것이 바람직하다. 따라서, 다이오드들은 단결정 재료들로부터 제조된다. 실리콘의 단결정 웨이퍼들로부터 만들어지는 태양전지들은 공지되어 있고 -접점들의 증착 전에- 하나 이상의 그룹 II-VI 반도체의 단결정층들의 성장을 위해 기판들로서 사용될 수 있어, 이에 의해 본 발명의 장치의 직접적인 제조를 가능하게 한다. 예를 들어, 금속-유기 화학 증기 증착(MOCVD), 금속-유기 증기 상 에피택시(MOVPE), 화학 증기 증착(CVD) 또는 분자 빔 에피택시(MBE)와 같은 임의의 적절한 기술이 하나 이상의 그룹 II-VI 반도체의 성장을 위해 사용될 수 있다.
이론적으로, 본 발명의 광전지는 점진적으로 더 높은 밴드 갭을 각각 갖는, 하나, 둘, 셋 또는 심지어 네 개의 추가 다이오드를 포함할 수 있다. 달리 말해, 광전지는 둘, 셋, 넷 또는 심지어 5개의 광전 접합을 포함할 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 광전지는 단결정 그룹 II-VI 반도체로 형성된 단 하나의 추가 다이오드(달리 말해, 제 2 다이오드)와 단결정 실리콘으로 형성된 제 1 다이오드를 포함하는 탠덤(tandem)-또는 2-접합- 장치이다. 탠덤 소자는 유익할 수 있는데 왜냐하면 셀들 간의 스펙트럼 불일치의 가능성을 최소화하기 때문이다. 이는 그룹 III-V 재료들로부터 형성된 종래기술의 다중 접합 장치들에 대해 문제가 될 수 있고, 이들은 종종 태양 스펙트럼의 단 하나의 값에만 현재 일치될 수 있다. 태양 스펙트럼은 수년에 걸쳐 변하기 때문에, 본 발명의 바람직한 배치에 따른 탠덤 셀은 수년간 에너지를 포집하기 위한 더 높은 잠재력을 제공한다.
탠덤 셀에 대해, 용어 '최외측 다이오드', "하나 이상의 추가 다이오드 중 최내측', '제 2 다이오드'와 '하나의 추가 다이오드'는 동등한 의미를 가짐이 명확하다.
본 발명의 특히 양호한 실시예에서, 광전지는 탠덤 소자이고 제 2 다이오드는 CdTe(1.49eV의 밴드 갭을 가짐), CdSe(1.74eV의 밴드 갭을 가짐) 또는 CdZnTe(Cd 대 Zn의 정확한 비에 따라 1.49eV 내지 2.2eV의 밴드 갭을 가짐)로부터 형성된다. 보다 바람직하게는, 제 2 다이오드는 CdTe로부터 형성되고, 이는 태양활동극대기(solar maximum)에 가장 밀접하게 일치한다. 후자의 실시예에서, CdTe는 1.49 eV 이상의 복사선을 흡수하고 실리콘은 1.1 내지 1.49 eV의 복사선을 흡수한다. 두 재료를 조합하여, 탠덤 광전지가 약 33% 근처의 효율로 제조될 수 있다.
작동하는 광전지를 생산하기 위해, 제 1 다이오드와 하나 이상의 추가 다이오드가 일반적으로 직렬로 연결되고 같은 방향으로 바이어스(biased)될 필요가 있다. 다이오드들은 p-n 및/또는 p-i-n 접합들이고, 장치는 n-도핑된 영역들이 최외측-즉, 복사선이 입사하는 각각의 접합의 측면이거나 또는 p-도핑된 영역들이 최외측이도록 배향될 수 있다. 선택된 특정한 극성은 광전지에 대해 선택된 그룹 II-VI 반도체들, 실리콘 상의 상기 재료들의 성장 편이도, 및/또는 작동하는 광전지를 형성하기 위한 반도체 재료들의 도핑 편이도에 의존한다.
다이오드들이 직렬로 연결되면, 터널 접합이 바람직하게는 상이한 영역들 사이에서 효과적인 전기 접점을 제공하도록 각각의 다이오드 사이에 형성된다. 터널 접합을 형성하는 하나의 방식은 두 접합들 사이에 부가적인, 적절히 도핑된 재료 층을 적층하는 것이다. 그룹 III-V 광전지들에서, 터널 접합들은 전형적으로 보다 높은 밴드 갭 재료의 층으로 형성된다. 그러나, 본 발명자들은 그룹 II-VI 재료들의 불순물(dopant) 확산 효과들때문에, 터널 접합을 형성하기 힘들 수 있음을 발견했다. 결과적으로, 그룹 II-VI 재료에 터널 접합을 형성하는 것을 회피하는 것이 바람직할 수 있고 대신에, 제 1 다이오드와 하나 이상의 추가 다이오드의 최내측 사이에 터널 접합이 바람직하게는 실리콘으로 형성된다. 적절하게는, 터널 접합은 제 1 다이오드 상에 적층된 고농도 도핑된 실리콘 층의 형태를 취하고, 상기 층은 전형적으로 1017cm-3을 초과하는 도핑 레벨을 갖는다. 바람직하게는, 각각의 터널 접합의 두께는 가능한 방사선 손실들을 줄이기 위해 최소화된다. 탠덤 광전지에 대해, 제 1 다이오드와 제 2 그룹 II-VI 다이오드 사이의 터널 접합의 두께는 바람직하게는 약 1㎛미만이다.
다르게는, 사실상 몇몇 상황들에서 바람직하게는, 전력이 제 1 다이오드와 하나 이상의 추가 다이오드로부터 개별적으로 및 외부에서 조합되어 취해질 수 있다. 장치 효율의 손실과 전류 매칭의 어려움과 같은 직렬로 연결된 다중 접합 광전지에 대한 문제점들이 발생할 수 있다. 이는 전력을 각각의 접합으로부터 개별적으로 가져와 나중에 이 전력을 조합하여 다소 개선될 수 있고, 제 1 다이오드와 하나 이상의 추가 다이오드 사이에, 및/또는 각각의 추가 다이오드 사이에 터널 접합들이 요구되지 않는 장점을 또한 제공한다. 따라서, 장치 구조가 간단해지고 전체 효율이 개선된다. 바람직하게는, 광전지는 각각의 다이오드로부터 독립적으로 전류를 인출하기 위해 하나 이상의 접점 영역을 포함하고, 이 하나 이상의 접점 영역은 바람직하게는 전도성 산화물과 같은 투명 도체를 포함한다. 적절한 전도성 산화물의 예들에는 주석 산화물(밴드 갭 2.5 -3 eV) 또는 인듐 주석 산화물이 있다. 그 다음에 전력은 그렇지 않으면 터널 접합들로 제공되는 층들 사이의 접점들을 단락(short)시켜 효과적으로 추출될 수 있다. 달리 말해, 층들은 터널 접합 이외의 외부 접점들을 사용하여 연결된다.
상술한 접근법들의 조합을 실시하는 것이 바람직할 수 있다. 특히, 바람직하게는 상술한 바와 같이 실리콘 층으로서 제 1 다이오드와 하나 이상의 추가 다이오드의 최내측 사이에 터널 접합을 형성하고, 외부 접점들에 의해 모든 나머지 다이오드들로부터 전력을 취하는 것이 바람직할 수 있다.
격자 불일치를 제거하고 따라서, 제 1 다이오드와 하나 이상의 추가 다이오드 간의 접합을 촉진하기 위해, 중간 버퍼 층이 바람직하고, 상기 버퍼 층은 제 1 다이오드와 하나 이상의 추가 다이오드의 최내측 사이에 위치한다. 일반적으로, 최내측 다이오드가 형성되는 그룹 II-VI 반도체와 같은 격자 타입, 적합한 격자 변수를 갖고, (버퍼 층이 방사선을 흡수하지 않도록) 더 높은 밴드 갭을 또한 갖는 버퍼 층이 선택된다. 따라서, 버퍼 재료의 정확한 선택은 하나 이상의 추가 다이오드가 형성되는 특정 반도체(들)에 의존한다. 그러나, 전형적으로, 버퍼 층 자체는 요구되는 격자 일치를 제공하는 그룹 II-VI 반도체 재료를 포함하고, 적합한 재료들의 예들에는 ZnTe, CdTe, CdSe, CdS, ZnSe와 관련한 3가들과 4가들(예를 들어, CdZnTe와 같은)이 있다. 최내측 다이오드가 CdTe로부터 형성되는 특정한 경우에, 바람직한 버퍼 층은 ZnTe이다. 최내측 다이오드가 CdSe로부터 형성되는 특정한 경우에, 바람직한 버퍼 층은 ZnSe 또는 CdS이다.
버퍼 층은 단결정 그룹 II-VI이 상부에서 성장될 수 있도록 단결정 재료일 필요가 있고, 이상적으로는, 버퍼 층은 제 1 다이오드와 하나 이상의 추가 다이오드 사이의 전기 접촉을 돕고 광 흡수를 감소시키기 위해 가능한 한 얇다. 바람직하게는, 버퍼 층은 약 1㎛미만의 두께를 갖고, 보다 바람직하게는 약 0.5㎛ 미만, 보다 더 바람직하게는 약 0.1㎛ 미만의 두께를 갖는다. 가장 바람직하게는 버퍼 층은 20-50㎚ 범위의 두께를 갖는다.
제 1 다이오드는 터널 접합을 형성하기 위해 n= 표면 상에 증착되는 고농도 도핑된 p+층을 선택적으로 갖는, 종래의 실리콘 p/n+ 확산일 수 있다. 선택적인 p+ 층의 존재는 접합의 예민성(sharpness)을 억제하지 않고, p/n+ 확산은 태양전지로서 여전히 작동함이 밝혀졌다. p+ 층은 더 긴 파장의 빛의 전류 채집을 최대화하기 위해 구조물의 후면에 증착될 수도 있다. 종래의 실리콘 셀의 p/n+ 영역에 대한 전형적인 치수는 200㎛ p Si/0.5㎛ n+ Si이다.
다르게는, 제 1 다이오드 구조는 터널 접합을 형성하기 위해 p+ 표면 상에 증착되는 고농도 도핑된 n+ 층을 선택적으로 갖는, 실리콘 (p 또는 n)/p+ 확산일 수 있다. n+ 층은 더 긴 파장의 빛의 전류 채집을 최대화하기 위해 구조물의 후면에 증착될 수 있다.
실리콘 상에 그룹 II-VI 재료들의 에피택셜 층들을 성장시키기 위한 종래기술의 일부 방법들은 (211) 배향을 갖는 실리콘 기판을 사용한다. 그러나, 이 Si 배향은 표준 실리콘 태양전지들과 호환되지 않는다. 본 발명에서, 실리콘 웨이퍼는 대신에 바람직하게는 <111>을 향해 오정렬된 (001)이고, 2° 내지 10°의 오정렬 정도가 허용가능하다. 이 오-배향은 태양전지 효율에 무시가능한 영향을 주지만, 결정 성장에 유익한 것으로 밝혀졌다.
광전지는 부가적으로 상부 및/또는 하부(즉, 전방 및/또는 후방) 접점들을 포함할 수 있다. 단일 접합 실리콘 태양 전지는 통상적으로 셀을 가로지르는 약 1.5mm 폭의 2개의 스트립(strip)-또는 부스바(bus bar)들-로 구성된 정면(전형적으로 n+) 표면 상에 금속 그리드(grid)를 갖고, 약 100㎛폭의 좁은 그리드 라인이 전체 셀 폭에 걸쳐 부스바들에 직각으로 연장한다. 본 발명에서, 제 1 다이오드의 외면 상에는 금속 그리드가 없지만, 대신에 금속 그리드는 최외측 그룹 II-VI 다이오드의 상부에 위치할 수 있다(최외측 다이오드는 탠덤 셀을 위한 제 2 다이오드임). 금속 그리드들은 Ag, Ti/Pd/Ag와 Ni/Cu/Ag와 같은 일반적으로 사용되는 접점 금속들을 포함할 수 있지만, 몇몇 응용예들에서 Ag와 Cu의 사용을 회피하는 것이 바람직한데 왜냐하면 이들은 그룹 II-VI 불순물들로서 작용할 수 있기 때문이다. 이러한 응용예들에서, Au와 Cr이 바람직한 접점 금속들일 수 있다. 다르게는, 중첩된 그리드를 갖는 투명한 전도성 산화물 막이 최외측 다이오드의 상부에 증착될 수 있다. 하부, 또는 배면 접점은 실리콘 태양 전지들에 대해 공지된 임의의 적절한 접촉 배치일 수 있다.
당업자는 실리콘과 그룹 II-VI 반도체들에 대해 일반적으로 사용되는 원소들을 잘 알 것이고 -이론적으로- 임의의 공지된 불순물들이 원하는 다이오드 구조들을 실시하기 위해 본 발명의 장치에 사용될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 하나 이상의 추가 다이오드의 그룹 II-VI 재료들과 선택적인 버퍼 층이 -p 타입 도핑에 대해- N, As, P 및 Sb로 도핑되고, -n 타입 도핑에 대해- In, Cl, Br 및 I로 도핑된다. 보다 바람직하게는, 그룹 II-VI 재료들은 As 및/또는 I로 도핑된다.
적절하게는, (다이오드들과 선택적인 버퍼 층이 그로부터 전형적으로 형성되는) 그룹 II-VI 반도체 재료들의 층들이 1015 내지 1018cm-3의 레벨로 도핑되고, n+ 및 p+ 층들이 이 범위의 상단에 있고 n과 p 층들이 이 범위의 중간 내지 하단에 있다. 선택적인 버퍼 층은 바람직하게는 전기 접촉이 이루어짐을 보장하기 위해 가능한 한 고농도로 도핑될 필요가 있다.
하나 이상의 추가 다이오드의 두께는 특정한 재료 시스템 및 응용예에 대해 최적화될 수 있지만, 전형적으로 흡수 층의 두께는 흡수되는 빛의 파장과 비슷하다. CdTe로부터 형성되는 p-i-n 다이오드를 갖는 탠덤 소자에 대해, 흡수(고유) 층의 두께는 전형적으로 약 1-3㎛이고, 전체 p-i-n 구조의 두께는 전형적으로 약 2-5㎛이다.
비록 몇몇 예들에서 10Ωcm 재료를 사용하는 것이 가능하고 심지어 바람직하지만, Si 태양전지들에 대해 1Ωcm p타입의 저항이 통상적이다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 광전지는 하기의 탠덤 셀 구조를 갖는다:
n+ CdTe/(p 또는 n) CdTe/ p+ CdTe/p ZnTe/p+ Si/n+ Si/p Si/p+ Si
n+ Si/ p Si층들은 제 1 다이오드를 포함하고 n+ CdTe/(p 또는 n) CdTe/ p+ CdTe 층들은 제 2 다이오드를 포함한다. p-도핑된 ZnTe를 포함하는 버퍼 층이 제 1 및 제 2 다이오드들 사이에 위치하고, 고농도 도핑된 p-타입 실리콘(p+ Si)과 함께 터널 접합을 형성한다. 부가적인 p+ Si 층이 더 긴 파장의 빛으로부터 전류 채집을 최대화하기 위해 구조물의 뒤에 증착된다. 복사선의 흡수는 실리콘의 저농도 도핑된(p Si) 층과 저농도 도핑된(p 또는 n) CdTe 층에서 일어난다.
탠덤 CdTe 광전지는 하기와 같은 변동하는 극성으로 구성될 수 있다:
p+ CdTe/(p 또는 n) CdTe/ n+ CdTe/n ZnTe/n+ Si/p+ Si/(p 또는 n) Si/n+ Si
p+ Si/(p 또는 n) Si 층들은 제 1 다이오드를 포함하고 p+ CdTe/(p 또는 n) CdTe/ n+ CdTe 층들은 제 2 다이오드를 포함한다. n-도핑된 ZnTe를 포함하는 버퍼층이 제 1 및 제 2 다이오드 사이에 위치하고, n-타입 실리콘(n+ Si)의 고농도 도핑된 층과 함께 터널 접합을 형성한다. 부가적인 n+ Si 층이 더 긴 파장 빛으로부터 전류 채집을 최대화하기 위해 구조물의 뒤에 증착된다. 복사선의 흡수는 저농도 도핑된 (p 또는 n) CdTe 층과 실리콘의 저농도 도핑된 (p 또는 n Si)층에서 일어난다.
다른(비록 일반적으로 적은 효율의) 이중 셀 구조들은:
n+ CdSe / (p 또는 n) CdSe / p+ CdSe / p CdS / p+ Si / n+ Si / p Si / p+ Si
p+ CdSe / (p 또는 n) CdSe / n+ CdSe / n CdS / n+ Si / p+ Si / (p 또는 n) Si / n+ Si
n+ CdSe / (p 또는 n) CdSe / p+ CdSe / p ZnSe / p+ Si / n+ Si / p Si / p+ Si
p+ CdSe / (p 또는 n) CdSe / n+ CdSe / n ZnSe / n+ Si / p+ Si / (p 또는 n) Si / n+ Si
상술한 변동하는 구조들의 첫번째 및 두번째에서, 제 2 다이오드는 CdSe를 포함하고 버퍼층은 CdS를 포함한다. 제 3 및 제 4 구조들에서, 제 2 다이오드는 CdSe를 포함하고 버퍼층은 ZnSe를 포함한다.
모든 상술한 예시적 구조들은 이종 접합들이 아닌 동종 접합들인 다이오드들을 포함한다.
본 발명의 제 2 특징에 따라, 단결정 실리콘으로 형성된 제 1 다이오드, 단결정 그룹 II-VI 반도체로 형성된 제 2 다이오드, 제 1 다이오드와 제 2 다이오드 사이에 위치하는 단결정 버퍼층, 제 1 다이오드와 제 2 다이오드 사이의 터널 접합을 포함하는 탠덤 광전지가 제공되고, 제 2 다이오드는 최외측 제 2 다이오드를 갖는 적층된 구조를 형성하도록 제 1 다이오드 상에 배치되고, 터널 접합은 제 1 다이오드와 버퍼층 사이에서 도핑된 실리콘 층으로서 형성되고, 제 2 다이오드는 제 1 다이오드보다 높은 밴드 갭을 갖는다. 바람직하게는 제 2 다이오드는 CdTe를 포함하고 버퍼층은 ZnTe를 포함한다.
본 발명의 제 3 특징에 따라, 제 1 및 제 2 특징들에 관련하여 상술한 바와 같이 둘 이상의 광전지를 포함하는 광전 배열(array)이 제공된다.
본 발명의 제 4 특징에 따라, 제 1 및 제 2 특징들에 관해 상술한 바와 같이 하나 이상의 광전지와, 상기 하나 이상의 광전지에 태양 복사선을 집중하는 수단을 포함하는 집중형 태양 시스템이 제공된다. 셀들 상에 태양 복사선을 집중시키는 시스템들에 광전 셀들을 포함시키는 것이 공지되어 있고 당업자는 태양 복사선을 집중시키는 적절한 수단을 알 것이다. 일례는 예를 들어, 프레넬(Fresnel) 렌즈와 같은 확대 렌즈이다.
본 발명의 제 5 특징에 따라,
(i) 제 1 다이오드를 포함하는 단결정 실리콘 웨이퍼를 제공하고;
(ii) 적층된 구조를 형성하도록 제 1 다이오드 상에 하나 이상의 추가 다이오드를 에피택셜 성장시키고, 상기 하나 이상의 추가 다이오드는 그룹 II-VI 반도체로 형성되는 단계들을 포함하는 광전지의 제조 방법이 제공되고,
여기서 하나 이상의 추가 다이오드 각각은 상이한 밴드 갭을 갖고, 상기 밴드 갭은 제 1 다이오드의 밴드 갭보다 높고,
각각의 다이오드들은 최고 밴드 갭을 갖는 다이오드가 최외측이도록 증가하는 밴드 갭의 순서로 배치된다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 광전지는 전형적으로 상이한 두께들과 도핑 농도들을 갖는 n- 및/또는 p-타입 그룹 II-VI 재료들의 상이한 에피택셜 층들을 포함한다. 제 5 특징의 방법에서, 제 1 다이오드는 실리콘 웨이퍼, 보다 바람직하게는 종래의 고효율 태양전지에 사용하기 적합한 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 하나 이상의 추가 다이오드는 그 위에 성장된 그룹 II-VI 반도체 영역으로 형성된다. 이는 효율적이고 직접적인 제조 방법을 제공하여 표준의, 고효율 실리콘 셀이 상부 접점들의 증착 전에 취해질 수 있고 본 발명의 개선된 광전지를 형성하는 구성일 수 있다.
그룹 II-VI 반도체는 실리콘보다 높은 밴드 갭을 갖는 임의의 그룹 II-VI 반도체일 수 있지만, 바람직하게는 ZnSe, CdS, ZnO, CdZnS, CdTe, CdZnTe, CdMgTe, ZnTe, ZnS, CdSe, MgTe, CdO, CdTeSe, CdZnSe, CdZnTeSe로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 그룹 II-VI 반도체를 포함한다.
하나 이상의 추가 다이오드의 최내측은 바람직하게는 ZnTe, CdTe, CdSe, CdS, ZnSe와 MgTe와, 예를 들어, CdZnTe, CdTeSe, CdZnSe와 CdZnTeSe와 같은 관련한 3가들과 4가들로 구성된 그룹으로부터 선택되는 그룹 II-VI 반도체로 형성된다. 태양 스펙트럼에 가장 가깝게 매칭하는 그룹 II-VI 반도체 재료들은 CdTe, CdSe와 CdZnTe이므로, 보다 선호되는 재료들이다. 가장 바람직하게는, 최내측 다이오드는 CdTe로 형성된다.
특히 양호한 실시예에서, 하나의 추가-또는 제 2- 다이오드가 탠덤 광전지를 형성하도록 제 1 다이오드 상에 에피택셜 성장된다. 제 2 다이오드에 바람직한 반도체들이 최내측 다이오드에 관해 위에 열거되어 있다.
에피택셜 층들은 예를 들어, MOCVD, MOVPE, MBE, CVD 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 적절한 공정에 의해 성장될 수 있다. 바람직하게는, 층들은 MBE 및/또는 MOVPE에 의해 성장될 수 있고, 이는 그룹 II-VI 재료들을 위해 확립된 기술들이고, 보다 더 바람직하게는 소자는 단일 MBE 또는 MOVPE 공정으로 성장된다(즉, 모든 층들이 MBE 또는 MOVPE 중 어느 하나에 의해 성장됨). 실리콘 상에서 그룹 II-VI 재료들의 성장은 상술되어 있고 당업자는 가능한 성장 기술들을 잘 알 것이다.
특정 상황들에서, MBE가 바람직한 결정 성장 방법일 수 있는데 왜냐하면 이 기술이 원하는 도핑 레벨들을 갖는 에피택셜 층들이 성장되게 할 뿐만 아니라, 그 장비가 증착의 시작 전에 실리콘 기판의 청결성을 확립하기 위해 필요한 배경 대기 조건 하에서 상승된 온도들에서도 작동될 수 있게 하기 때문이다. 그러나, MOVPE는 특히 정률 증가(scale-up), 신뢰성 및 비용 감축에 관해, 특히 유익한 기술일 수도 있다.
에피택셜 층들의 MBE 성장은 복합 소스들로부터(예를 들어, ZnTe 버퍼 층의 성장을 위해 ZnTe로부터, 및/또는 CdTe 반도체 층의 성장을 위해 CdTe로부터) 증발에 의해 실시될 수 있다. 에피택셜 층들은 예를 들어, ZnTe에 대해 Zn과 Te, CdTe에 대해 Cd와 Te와 같은 구성성분 그룹 II-VI 원소들로부터 성장될 수도 있다. CdTe를 성장시키는 특정한 경우에, 활성 도핑을 달성하기 위해 카드뮴 과압이 설정되는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 성장 조건은 바람직하게는 에피택셜 CdTe 층들이 카드뮴 텔루라이드와 카드뮴의 조합으로부터, 또는 과잉 Cd 유량과 함께 Cd와 Te로부터 성장되도록 수정된다. 바람직하게는, 과압은 불순물이 도입되기 전에 설정된다.
임의의 적절한 전구체들이 에피택셜 층들의 MOVPE 성장을 위해 사용될 수 있다. MOVPE에 의한 CdTe 성장을 위한 바람직한 전구체들은 전형적으로 수소 캐리어 가스 중의, 디메틸카드뮴과 디-이소-프로필 텔루라이드, 또는 역시 전형적으로 수소 캐리어 가스 중의, 디메틸카드뮴과 디에틸텔루라이드이다.
이론적으로, 선택된 결정 성장 기술에 적합한 임의의 불순물 소스가 사용될 수 있다. 그러므로, MBE를 위한 불순물 소스들에는 As4, As2, Cd3As2, CdI2, ZnI2, AgI2 또는 금속 In이 포함될 수 있고, MOVPE에 대해 예를 들어, 이소부틸요오드화물(1-요오드-2-메틸프로판)과 같은 알킬 요오드화물, 또는 트리스(디메틸)아미노비소를 포함할 수 있다. 그러나, 사실상, 그룹 II-VI 반도체들의 활성 p-도핑과 n-도핑이 달성하기 어려움이 발견되었다. 따라서, 불순물 소스의 적절한 선택이 본 발명에서 중요하다. (예를 들어, CdTe와 같은) 카드뮴을 함유하는 그룹 II-VI 재료들의 MBE 성장을 위해, 카드뮴 과압이 불순물 활성화를 크게 개선함이 발견되었는데, 왜냐하면 Cd 비어있음(vacancy)이 없음을 보장하기 때문이다(이는 그렇지 않으면 도핑 활성도를 상쇄함). 따라서, n-도핑을 위한 카드뮴 요오드화물(CdI2)과, p-도핑을 위한 카드뮴 비화물(Cd3As2)과 같은 카드뮴이-농후한 재료들이 특히 바람직하다. CdI2 및/또는 Cd3As2를 사용하는 추가 장점은 불순물 화합물이 I 및/또는 As가 CdTe 격자에서 정확한 상소들에 있게 하여, 다시 도핑 활성도를 개선한다는 것이다.
양호한 카드뮴이 풍부한 화합물들을 불순물들로서 사용하는 하나의 단점은 그 휘발성이 초고진공 환경에서 이들을 취급하기 어렵게 한다는 것이다. 따라서, 본 발명의 방법에 사용하기에 바람직한 MBE 셀은 (몇 cm3만의) 작은 체적을 갖고 불순물 소스의 방출을 제어하기 위한 밸브를 구비한다. 제어된 방출은 필요하지 않을 때 성장 챔버, 진공 시스템 및/또는 성장하는 층들에 불순물 소스 재료가 도망가는 것을 방지하기 위해 중요하다. 밸브의 자동화는 샘플들의 수율과 재현성을 크게 개선한다.
본 발명의 일 특징의 임의의 특성이 본 발명의 임의의 다른 특징들에 임의의 적절한 조합으로 적용될 수 있다. 특히, 장치 특징들은 방법 특징들에 적용될 수 있고, 그 역도 성립한다.
본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여 본원에 설명되는 바와 같이 실질적으로 광전지 및 방법으로 확장된다.
본 발명은 이제, 순수하게 예로서, 첨부한 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 광전지의 개략 단면도.
도 2는 소자 구조를 보다 상세히 도시하는 탠덤 광전지의 개략 단면도.
도 1은 단결정 실리콘으로 형성되는 제 1 다이오드(20), 그룹 II-VI 반도체로 형성되는 제 2 다이오드(30), 선택적인 버퍼층(2)과 이 두 다이오드들 사이에서 선택적인 터널 접합으로서 작용하는 고농도 도핑된 실리콘 층(3)을 포함하는 탠덤 광전지(10)를 예시한다(실축척이 아님). 이 소자는 상부 및 하부(전후) 전기 접점(1, 5)과, 더 긴 파장의 빛의 전류 채집을 최대화하기 위해 구조물의 뒤에 증착되는 실리콘 층(4)을 부가적으로 포함할 수 있다. 사용시, 빛(6)은 광전지의 상부(앞) 표면에 부딪치고 다이오드(30, 20)들에 의해 (결국) 흡수된다.
도 2는 바람직한 탠덤 광전지(40)의 구조를 보다 상세히 예시한다(실축척 아님). 제 1 다이오드(50)가 p/n+ 확산 형태를 취하고 p-타입 실리콘의 층(17)과 n+ 실리콘의 층(18)을 포함한다. 제 2 다이오드(60)는 p-타입 CdTe의 고농도 도핑 층(19), CdTe의 p- 또는 n- 도핑된 층(21)과 n-타입 CdTe의 고농도 도핑층(22)을 포함하는 p-i-n 접합이다.
실리콘과 CdTe 소자 영역들이 p-도핑된 ZnTe 버퍼층(12)에 의해 연결되고 고농도 도핑된 p-타입 실리콘 층(13)이 두 다이오드 사이에서 터널 접합으로서 작용한다.
부가적인 p+ Si 층(14)이 더 긴 파장의 빛의 전류 채집을 최대화하기 위해 구조물의 뒤에 증착되고, 이 소자는 상부 및 하부 전기 접점(11, 15)들을 포함한다. 사용시, 빛(16)은 상부 표면 상에 부딪치고 층(21, 17)들에 의해 (결국) 흡수된다.
실리콘 층들이 표준적인 산업용 불순물들을 사용하여 도핑되어 있다(예를 들어, 실리콘 n+ 표면(18)이 인 도핑되어 있음). CdTe와 ZnTe 층들은 비소로 p-타입 도핑되어 있고 CdTe는 요오드로 n-타입 도핑된다.
변경 실시예에서, 제 1 다이오드(50)는 상술한 바와 같은 p/n+ 실리콘 확산의 형태를 취하고, 제 2 다이오드(60)는 p-타입 CdSe의 고농도 도핑된 층(19), CdSe의 p- 또는 n- 도핑된 층(21)과 n-타입 CdSe의 고농도 도핑된 층(22)을 포함하는 p-i-n 접합이고, 버퍼층(12)은 p-도핑된 CdS를 포함한다. 고농도 도핑된 p-타입 실리콘 층은 역시 두 다이오드들 사이에서 터널 접합으로서 작용한다. 버퍼층(12)은 다르게는 p-타입 ZnSe로부터 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 탠덤 광전지가 역 바이어스로 제공될 수 있다. 제 1 다이오드(50)는 n/p+ 확산의 형태를 취하고 p- 또는 n-타입 실리콘의 층(17)과 p+ 실리콘의 층(18)을 포함한다. 제 2 다이오드(60)는 n-타입 CdTe의 고농도 도핑된 층(19), CdTe의 p- 또는 n- 도핑된 층(21)과 p-타입 CdTe의 고농도 도핑된 층(22)을 포함하는 n-i-p 접합이다.
실리콘과 CdTe 소자 영역들이 n-도핑된 ZnTe 버퍼층(12)에 의해 연결되고, 고농도 도핑된 n-타입 실리콘 층(13)이 두 다이오드들 사이에서 터널 접합으로서 작용한다.
부가적인 n+ Si 층(14)이 더 긴 파장의 빛의 전류 채집을 최대화하기 위해 구조물의 뒤에 증착된다. 실리콘 층들은 표준의 산업용 불순물들을 사용하여 도핑되고 CdTe와 ZnTe 층들의 p-타입 및 n-타입 층들은 비소와 요오드로 (각각) 도핑된다.
상술한 Si-CdSe 광전지는 역 바이어스로 구성될 수도 있다.
버퍼 층과 제 2 다이오드를 포함하는 그룹 II-VI 반도체 재료들이 다양하고 상이한 소자들을 제공하도록 바뀔 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명은 태양전지들을 특히 참조하여 설명되었다. 이는 제한하고자 하는 것이 아니고 본 발명이 광전지들과 함께 보다 일반적으로, 예를 들어, 발전하기 위해 다른 열원들을 사용하는 열-광전(thermo-photovoltaic) 변환기로 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
1, 5: 전기 접점 2: 버퍼 층
3, 4: 실리콘 6: 빛
10: 탠덤 광전지 12: p-도핑된 ZnTe 버퍼층
13: p-타입 실리콘 층 14: p+ Si 층
11, 15: 상부, 하부 전기 접점
16: 빛

Claims (36)

  1. 단결정 실리콘으로 형성되는 제 1 다이오드와 단결정 그룹 II-VI 반도체로 각각 형성되는 하나 이상의 추가 다이오드를 포함하는 광전지로서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들은 적층된 구조를 형성하도록 제 1 다이오드 상에 위치하고, 상기 하나 이상의 추가 다이오드 각각은 상이한 밴드 갭을 갖고, 상기 밴드 갭은 제 1 다이오드의 밴드 갭보다 높고, 각각의 다이오드는 최고 밴드 갭을 갖는 다이오드가 최외측에 있도록 증가하는 밴드 갭의 순서로 배치되는 광전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드 각각은 상이한 그룹 II-VI 반도체로부터 형성되는 광전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들이 하나의 그룹 II-VI 반도체로부터 개별적으로 형성되는 광전지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들이 그룹 II-VI 반도체의 도핑된 층들로부터 형성되는 광전지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드는 실리콘 웨이퍼로 형성되고 상기 하나 이상의 추가 다이오드들은 그 위에 성장된 그룹 II-VI 재료 영역에 형성되는 광전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    그룹 II-VI 재료 영역이 에피택셜 층들로서 성장되는 광전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들은 ZnSe, CdS, ZnO, CdZnS, CdTe, CdZnTe, CdMgTe, ZnTe, ZnS, CdSe, MgTe, CdO, CdTeSe, CdZnSe 및 CdZnTeSe로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 그룹 II-VI 반도체들을 포함하는 광전지.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들의 최내측은 ZnTe, CdTe, CdSe, CdS, ZnSe 및 MgTe와, CdZnTe, CdTeSe, CdZnSe 및 CdZnTeSe로 구성된 그룹으로부터, 보다 바람직하게는 CdTe, CdSe, CdZnTe로 구성된 그룹으로부터, 가장 바람직하게는 CdTe로부터 선택된 하나 이상의 그룹 II-VI 반도체들을 포함하는 광전지.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드와 상기 하나 이상의 추가 다이오드들은 p-n 및/또는 p-i-n 접합들인 광전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들의 p-타입 층들은 N, As, P와 Sb로부터 선택된 하나 이상의 불순물들을 포함하는 광전지.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들의 n-타입 층들은 In, Cl, Br와 I로부터 선택된 하나 이상의 불순물을 포함하는 광전지.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드와 상기 하나 이상의 추가 다이오드들은 직렬로 연결되고 같은 방향으로 바이어스되는 광전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    각각의 다이오드 사이에 하나 이상의 터널 접합들을 추가로 포함하는 광전지.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드와 상기 하나 이상의 추가 다이오드들의 최내측 사이의 터널 접합은 단결정 실리콘으로 형성되는 광전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 터널 접합은 상기 제 1 다이오드 상에 증착된 고농도로 도핑된 실리콘 층을 포함하는 광전지.
  16. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 접점 영역들에 의해 각각의 다이오드로부터 전류가 인출되는 광전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 접점 영역들은 투명한 도체를 포함하는 광전지.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드와 상기 하나 이상의 추가 다이오드들의 최내측 사이에 단결정 버퍼층을 추가로 포함하는 광전지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 그룹 II-VI 반도체, 바람직하게는 ZnTe, CdTe, CdSe, CdS, ZnSe와 CdZnTe로 구성된 그룹으로부터 선택되는 그룹 II-VI 반도체를 포함하는 광전지.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들의 최내측은 CdTe로부터 형성되고 상기 버퍼층은 ZnTe를 포함하는 광전지.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전지는 제 1 다이오드와 하나의 추가 다이오드를 포함하는 탠덤 소자인 광전지.
  22. 단결정으로 형성된 제 1 다이오드, 단결정 그룹 II-VI 반도체로 형성된 제 2 다이오드, 상기 제 1 다이오드와 상기 제 2 다이오드 사이에 위치하는 단결정 버퍼층과, 상기 제 1 다이오드 및 상기 제 2 다이오드 사이의 터널 접합을 포함하고, 상기 제 2 다이오드는 상기 제 2 다이오드가 최외측에 있는 적층된 구조를 형성하도록 상기 제 1 다이오드 상에 위치하고, 상기 터널 접합은 상기 상기 제 1 다이오드와 버퍼층 사이에 도핑된 실리콘 층으로서 형성되고, 상기 제 2 다이오드는 제 1 다이오드보다 높은 밴드 갭을 갖는 탠덤 광전지.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 다이오드는 CdTe를 포함하고 상기 버퍼층은 ZnTe를 포함하는 탠덤 광전지.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항중 어느 한 항에 따른 둘 이상의 광전지들을 포함하는 광전 배열체.
  25. 제 1 항 내지 제 23 항중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 광전지들과 상기 하나 이상의 광전지들 상에 태양 복사선을 집중시키는 수단을 포함하는 집중형 태양 시스템.
  26. (i) 제 1 다이오드를 포함하는 단결정 실리콘 웨이퍼를 제공하고;
    (ii) 적층된 구조를 형성하도록 상기 제 1 다이오드 상에서 하나 이상의 추가 다이오드들을 에피택셜 성장시키고, 하나 이상의 추가 다이오드 각각은 그룹 II-VI 반도체로 형성되는 단계들을 포함하는 광전지 제조방법으로서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들은 상이한 밴드 갭을 각각 갖고, 상기 밴드 갭은 상기 제 1 다이오드의 밴드 갭보다 높고,
    각각의 다이오드는 최고 밴드 갭을 갖는 다이오드가 최외측에 있도록 증가하는 밴드 갭의 순서로 배치되는 광전지 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들의 최내측과 상기 제 1 다이오드 사이에서 버퍼층을 에피택셜 성장시키는 부가적인 단계를 포함하는 광전지 제조 방법.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    카드뮴을 함유하는 그룹 II-VI 재료의 하나 이상의 에피택셜층이 성장되는 광전지 제조 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 다이오드들이 MBE에 의해 성장되고 카드뮴 과압이 하나 이상의 에피택셜 층의 성장 중에 유지되는 광전지 제조 방법.
  30. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 에피택셜 층이 As로 도핑되고 불순물 소스는 Cd3As2인 광전지 제조 방법.
  31. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 에피택셜 층이 I로 도핑되고 불순물 소스는 CdI2인 광전지 제조 방법.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 불순물 소스의 방출은 필요하지 않을 때 불순물 소스 재료가 성장 챔버, 진공 시스템 및/또는 성장하는 층들 안으로 이탈하는 것을 방지하기 위해 제어되는 광전지 제조 방법.
  33. 제 26 항 내지 제 32 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이오드들은 직렬로 연결되고 상기 방법은 각각의 다이오드들 사이에 하나 이상의 터널 접합들을 형성하는 부가적인 단계를 포함하는 광전지 제조 방법.
  34. 제 26 항 내지 제 32 항중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 외부 접점들이 전력이 각각의 다이오드로부터 개별적으로 추출되도록 각각의 다이오드들에 제공되는 광전지 제조 방법.
  35. 첨부한 도면들을 참조하여, 실질적으로 본원에 설명된 바와 같은 모든 장치 또는 방법.
  36. 첨부한 도면들을 참조하여, 본원에 설명된, 모든 신규한 형태, 또는 형태들의 조합.
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