KR20160082990A - 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

반도체 요소(10)와 통합하는 태양 전지는 단일 전도성 타입 전체로 구성된다. 바이어싱 에이전트(26)는 요소의 면 위에 놓여지는 반도체 요소의 그것과 다른 일함수를 가지고 밴드 벤딩 따라서 공간 전하 영역에서 전기장을 생성한다. 전극들은 공간 전하 영역 내부의 반도체 요소와 접촉한다. 반도체 요소에 흡수된 빛에 의해 생성된 캐리어들은 전기장에 의해 전극들을 향해 가속화된다.

Description

태양 전지{photovoltaic cells}
본 출원은 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 합체되는 2013. 11. 4.자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/899,400호의 '반도체 접합이 없는 높은 밴드갭 태양 전지'의 우선권을 향유한다.
본 발명은 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지 즉, 지금까지 빛을 전기 에너지로 변환할 수 있는 반도체 장치의 개발에 대해 상당한 노력이 있었다. 일반적으로, 그러한 전지들은, 지배적 또는 다수의 전하 운반체가 전자(electron)인 n-타입 반도체, 및 다수의 전하 운반체가 정공(hole)인 p-타입 반도체를 포함하는 반도체 물질의 복수의 층들에 통합된다. 이러한 층들은 협력적으로 p-n 접합을 정의한다. 전극들은 접합의 반대편의 반도체 물질과 접촉하도록 마련된다. p-타입 물질과 n-타입 물질은 서로로부터 분리될 때서로 다른 도핑때문에 다른 페르미 준위(Fermi level)를 가진다. 페르미 준위는 전자들로 채워질 준위의 가능성이 50%인 에너지이다. p-타입 및 n-타입 물질들이 전지의 p-n 접합에서 서로 결속될 때, 페르미 준위는 서로 평행에 도달하여 공간 전하 영역(space charge region)이 형성된다. 공간 전하 영역은 접합 주위에 전기장을 제공한다. 빛이 반도체 물질에 충돌할 때 들어오는 광자는 반도체 물질의 가전자대(valence band)로부터 전도대까지 전자들을 여기시켜서 증가된 수의 전하 운반체들을 생성한다. "밴드갭(band gap)"은 반도체 물질의 가전자대와 반도체 물질의 전도대 사이의 에너지 차이를 의미한다.
공간 전하 영역의 전기장은 p-n 접합에 걸쳐 전하 운반체를 가속화시킨다. 정공과 전자는 반대 방향으로 이동한다. 전자는 n-타입 물질과 접촉하는 제1 전극을 통과하는 반면, 정공은 p-타입 물질과 접촉하는 제2 전극을 향해 통과한다. 이것은 전극들 사이에서 전위차를 생성함으로써, 유용하고 가용한 전기 에너지를 전극들에서 생성한다. 전극들에 연결된 외부 회로는 이러한 전기 에너지를 이용할 수 있다.
그러한 p-n 접합 전지로부터 활용할 수 있는 전위차는 제한된다. 그러한 전지로부터 최대 전압은 n-타입 물질의 전도대의 에너지 준위와 p-타입 물질의 가전자대의 에너지 준위 사이의 차이에 의해 한정된다. 이러한 차이는 전형적으로 반도체의 밴드갭 아래이다. 예를 들어, 대략 1.7 전자 볼트 또는 그 이상의 와이드(wide) 밴드갭을 가진 물질로부터 태양 전지를 형성하는 것이 바람직하다. 와이드 밴드갭 물질은 대략 800나노미터 미만의 파장에서 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다. 그러한 빛은 스펙트럼의 가시광선 및 자외선 부분이고 지구에 도달하는 태양 에너지의 실질적인 부분을 구성한다. 또한, 와이드 밴드갭 물질로부터 형성된 전지는 내로우(narrow) 밴드갭 물질로부터 형성된 전지와 함께 사용될 수 있다. 그러한 구성에 있어서, 와이드 밴드갭 전지는 내로우 밴드갭 전지 앞에 배치된다. 장-파장의 빛은 와이드 밴드갭 전지에 의해 흡수되지 않고 내로우 밴드갭 전지로 통과되어 전지에 흡수된다.
실리콘으로부터 형성된 p-n 접합 전지는 실리콘 웨이퍼 속으로 도판트(dopant)의 주입과 같은 상대적으로 저렴한 공정에 의해 제조될 수 있다. 그러나, 실리콘은 1.12 eV의 밴드갭을 가진다. 특정의 와이드 밴드갭 반도체 물질에서 p-n 접합 전지의 제조는 에피텍시얼 증착의 연속 공정에 의한 다층의 형성을 필요로 한다. 에피텍시얼 증착 공정에서, 가장 전형적으로, 증기 또는 기체 상태로부터, 존재하는 고체 크리스탈의 기재 위에 물질을 증착하여 물질이 성장하고, 성장된 크리스탈은 기재의 격자 간격에 의해 결정되는 크리스탈 격자 간격을 가진 구조에 형성된다. 그러나, 특정의 와이드 밴드갭 반도체 물질을 사용하여 반대되는 전도율 형태의 고품질 반도체 물질을 성장시키는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 지금까지 태양 전지의 개발을 위해 업계에서 상당한 노력들이 투자되었음에도 불구하고, 더 향상될 필요가 있다.
본 발명은 개선된 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는, 전면, 후면, 및 전면과 후면 사이의 두께 방향을 가진 반도체 요소를 포함한다. 반도체 요소는 n-타입 반도체 전체 또는 p-타입 반도체 전체로 구성된다. 바이어싱 에이전트(biasing agent)는 반도체 요소의 면들의 어느 하나 위에 겹쳐지는 것이 바람직하다. 바이어싱 에이전트는 페르미 준위 또는 정상 페르미 준위와 다른 일함수(work function) 또는 반도체 요소의 일함수를 가지는 것이 바람직하다. 바이어싱 에이전트는 반도체 요소의 밴드 벤딩(band bending)을 생성하므로, 공간 전하 영역이 반도체 요소 내부에 존재하게 되고 공간 전하 영역에 걸쳐 두께 방향으로 단향성 전위 기울기(potential gradient)가 존재한다. 태양 전지는 두께 방향으로 서로 이격된 전방 전극과 후방 전극을 포함하고, 전극들의 각각은 조명이 없을 때 공간 전하 영역 내부에서 반도체 요소와 접촉된다.
본 발명의 다른 측면은 전기를 생성하는 방법을 제공한다. 이러한 측면에 따른 방법은, p-타입 반도체 전체 또는 n-타입 반도체 전체로 구성된 반도체 요소의 공간 전하 영역에 걸쳐 기울기 방향에서 단향성 전위 기울기를 유지하는 단계를 포함한다. 본 방법은 공간 전하 영역으로 빛을 유도하는 동안 전위 기울기를 유지하여 빛의 적어도 일부가 반도체에 의해 흡수되고 흡수된 빛이 가전자대로부터 전도대까지 전자를 촉진하는 단계를 포함한다. 본 방법은 기울기 방향에서 서로 이격되고 공간 전하 영역 내부 또는 영역에 인접한 반도체와 접촉하는 한 쌍의 전극들에서 전류를 수집하는 단계를 더 포함한다. 가장 바람직하게, 수집 단계 동안, 전극들은 공간 전하 영역 내부의 반도체와 접촉한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 태양 전지는 제1 면과 제2 면 및 제1 면과 제2 면 사이의 두께를 가진 반도체 요소를 포함한다. 바이어싱 에이전트는 제1 면의 제1 부분에만 놓여져서 반도체 요소에서 밴드 벤딩을 생성한다. 제1 전극은 제1 부분으로부터 분리된 제1 면의 제2 부분에 겹쳐져서 접촉된다. 본 발명의 이러한 측면에 있어서, 제1 전극은 바이어싱 에이전트와 직접 전도성 접촉을 하지 않는다. 본 발명의 이러한 측면에 따른 태양 전지는 제1 면으로부터 이격된 위치의 반도체 요소와 접촉하는 제2 전극을 포함한다.
도 1은 외부 회로에 연결된 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 개략적 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 태양 전지를 각각 나타내는 개략적 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적 평면도이다.
도 5는 도 4의 5-5선을 따른 개략적 단면도이다.
도 6은 도 5와 유사한 개략적 단면도로서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 전면(12), 후면(14), 및 이러한 면들 사이에서 연장하는 두께 방향을 가진 반도체 요소(10)를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같고, 업계에서 일반적으로 이해되는 바와 같이, 고체의 면들 사이에서 연장하는 두께 방향은 2면들 사이의 가장 짧은 선의 방향이다. 도 1에서와 같이, 2면들이 서로 평행한 경우, 두께 방향은 면들에 직교하는 방향이다. 서술된 실시예에 있어서, 두께 방향은 도 1에서 화살표 T에 의해 표시된 수평 방향이다. 반도체 요소(10)는 하나 또는 그 이상의 추가적 반도체 또는 기재층들(16)(17)(18)을 가진 단일체일 수 있다. 본 실시예에 있어서, 추가적 층들은 전기 에너지의 생성 역할을 하는 반도체 본체(10)의 영역으로부터 이격되고, 따라서, 추가적 층들은 실질적으로 그 어떤 구성들 및 그 어떤 전도성 형태일 수 있다. 예를 들어, 추가적 층들은 전기적으로 절연된 층(17) 및 반도체 요소(10)보다 더 작은 밴드갭을 가진 반도체로부터 형성된 층들(16)(18)을 포함할 수 있다. 층들(16)(18)은 반대되는 전도성 형태일 수 있으므로, 참조부호 21과 23으로 개략적으로 묘사된 전극들을 가진 종래의 p-n 접합 전지를 정의할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 반도체 요소(10)는 단일 전도성 형태를 가진 반도체 물질 전체로 구성된다. 설명된 실시예에 있어서, 전도성 형태는 n-타입이다. 반도체는 예를 들어, 갈륨, 인듐 및 알루미늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 그룹 III 요소 및 질소, 인, 비소, 및 안티몬으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 그룹 V 요소를 포함하는 것과 같이, III-V 그룹 반도체와 같은 그 어떤 반도체일 수 있다. 대안적으로, 반도체 물질은 카드뮴, 아연, 및 수은으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 그룹 II 금속 및 산소, 황, 셀레늄, 및 텔루륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 그룹 VI을 포함하는 II-VI 반도체일 수 있다. 또한, 반도체는 실리콘 또는 실리콘 카바이드와 같은 그룹 IV 반도체일 수 있다. 반도체는 도핑되지 않을 수 있고, 정상 반도체의 하나 또는 그 이상의 도판트의 부가에 의해 의도적으로 도핑될 수 있고, 또는 예를 들어 크리스탈 격자 공극에 의한 의도하지 않은 도핑일 수 있다. 예를 들어, 질화갈륨은 통상의 에피텍시얼 성장 공정에서 n-타입 반도체에 비의도적인 도핑으로 형성될 수도 있다. 도판트 및 반도체의 다른 입자들 그 자체는 일반적인 것일 수 있다.
도 1에 있어서, 추가적 층들(16)(17)(18)은 반도체의 전자적 상태에 영향을 미치지 않는다. 외부 영향에 의해 방해받지 않는 물질의 성질은 본 명세서에서 물질의 "정상" 성질을 나타낸다. 물질은 전도대와 가전자대를 가진다. 전도대의 정상 에너지 준위는 EC로 나타내고, 가전자대의 정상 에너지 준위는 EV로 나타낸다. 도시된 바와 같은 n-타입 반도체에 있어서, 정상 페르미 전위 EFS는 전도대 준위 EC 아래이다.
바이어싱 물질층(26)은 반도체 요소(10)의 전면(12)에 놓여진다. 이 실시예에 있어서, 바이어싱 물질(26)은 박층으로서 도포되므로, 바이어싱 물질은 반도체에 의해 흡수되는 파장의 빛에 투명하다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "투명"이라는 용어는 관심있는 파장의 빛의 실질적인 부분이 요소를 통해 전달되는 그러한 요소를 의미한다. 완전한 투명도 즉, 100% 전달은 필요하지 않다. 본 실시예와 같이, 반도체 요소(10)가 n-타입인 경우, 바이어싱 물질(26)은 반도체의 정상 페르미 준위(EFS)보다 낮은 정상 페르미 준위(EFM)를 가진다. 다시 말하면, 바이어싱 물질의 일함수(Φm)는 정상 상태의 반도체의 일함수보다 더 크다. 물질의 일함수는 물질의 페르미 준위로부터 진공으로 전자를 이동시키는데 필요한 에너지이다. 금속의 일함수 역시 금속의 "전자 친화도"를 말한다. 특정의 예에 있어서, 바이어싱 물질(26)은 전기적으로 전도성 금속이다. 예를 들어, 반도체 요소(10)가 대략 4.2 전자볼트("eV")의 일함수를 가진 1017의 n 도핑된 황화카드뮴과 같은 II-VI 반도체인 경우, 바이어싱 물질(26)은 대략 4.78 eV의 일함수를 가진 금(gold)과 같은 금속일 수 있다. 이 실시예에 있어서, 바이어싱 물질층(26)은 충분히 투명한 금속 박층이다. 금속은 전도성이므로, 바이어싱 에이전트는 제1 전극으로서 기능한다.
도 1에 있어서, 반도체 요소 및 관련 구조는 개방-회로, 암(dark) 조건에 도시된다. 이 조건에서, 빛이 반도체에 비치지 않고 반도체를 통해 전류도 흐르지 않는다. 금속과 반도체의 일함수들은 공통 페르미 준위(FE)에 의해 대표되는 준위에서 평형하게 된다. 금속과 반도체의 예시된 경우에, 평형 페르미 준위(FE)는 금속의 정상 페르미 준위(FM)와 실질적으로 동일하다. 다시 말하면, 반도체의 페르미 준위는 평형 페르미 준위(FE)로 떨어진다. 이것을 발생시키기 위해, 전면(12)에 인접한 반도체로부터 바이어싱 에이전트로 전자들이 전달된다. 이것은 "공간 전하 영역"으로서 명명되고, 전자들에서 열화된 전면(12)에 인접한 "열화 영역"으로도 명명되는 반도체의 영역을 통해 반도체를 남겨두게 되므로, 양전하로 하전되고, 바이어싱 에이전트를 음전하로 하전되게 한다. 바이어싱 에이전트의 전하는 극도로 얇은 영역, 특히, 수 옹스트롱(Angstroms) 두께의, 반도체의 전면(12)에 접하는 "델타 전하 영역"(미도시)으로 명명된 영역에 집중된다. 전면에 인접한 반도체의 전도대의 전자는 바이어싱 에이전트의 음전하에 의해 추방당한다. 전면으로부터 점차적으로 간격이 증가하면, 바이어싱 에이전트와 전자 사이를 간섭하는 점차적으로 더 커지는 양전하 반도체의 양에 의해 추방이 감소된다. 다시 말해서, 반도체의 공간 전하 영역 내부에는 전기장이 있다. 공간 전하 영역 내부의 반도체의 전도대에 있는 그 어떤 전자는 전기장에 의해 부여된 추가적 전위 에너지를 가지므로, 공간 전하 영역 외측의 전도대에 있는 전자보다 더 높은 에너지 준위를 가진다. 이것은 커브(20)의 상향 벤딩에 의해 표시된다. 반도체의 밴드갭은 고정된 양이기 때문에, 가전자대의 에너지 준위 역시 커브(22)의 상향 벤딩에 의해 표시되는 바와 같이, 공간 전하 영역에서 증가된다. "밴드 벤딩(band bending)"이라는 용어는 공간 전하 영역 내부의 에너지 준위의 왜곡을 설명하는데 통상적으로 사용된다. 이러한 커브들의 상향 벤딩의 규모는 반도체(10) 및 바이어싱 에이전트(26)의 정상 페르미 준위들 사이의 차이와 동일하다. 이러한 차이는 금속-반도체 접합의 "내장 전압(built in voltage)"("VBI")으로 명명된다. 전기장의 강도는 커브(20)의 기울기에 의해 표시되고, 도 1의 라인 28에 의해 표시된 바와 같이, 공간 전하 영역의 경계에서 영(zero)으로 점차적으로 감소된다. 개방 회로, 암 조건에서 공간 전하 영역의 두께(tSC)는 반도체의 캐리어 집중뿐만 아니라 내장 전압(VBI) 및 유전 상수에 의존한다. 이러한 상황하에서 두께(tSC)는 당업자에 의해 용이하게 계산될 수 있다. 예시적 방식으로, 다양한 내장 전압에서 다양한 캐리어 집중으로 도핑된 황화카드뮴을 위한 적절한 값의 두께(tSC)는 아래의 Table 1에 도시되어 있다. 최대 전기장(EMAX) 역시 Table 1에 도시된다.
CdS n doping level 1013 1015 1017 1019
VBI 0.25 V
Thickness of space charge region tSC 4900 A 4900 A 490 A 49 A
EMAX (V/cm) 1.0×103 1.0×104 1.0×105 1.0×106
VBI 0.5V
Thickness of space charge region tSC 70000 A 7000 A 700 A 70 A
EMAX (V/cm) 1.46×103 1.46×104 1.46×105 1.46×106
VBI 1.0
Thickness of space charge region tSC 98000 A 9800 A 980 A 98 A
EMAX (V/cm) 2.0×103 2.0×104 2.0×105 2.0×106
본 실시예에 따른 태양 전지는 제2 전극(30)을 포함한다. 제2 전극(30)은 전면(12)으로부터 이격되고 두께 방향에서 제1 전극(26)으로부터 이격된다. 다시 말해서, 전극들(26)(30)은 서로 접촉되지 않고, 두께 방향에서 이러한 전극들 사이의는 영(zero)이 아닌 간격(d2)이 존재한다. 반도체 요소(10)의 영역은 이러한 전극들 사이에 배치된다. 두께 방향에서 전면(12)과 제2 전극(30) 사이의 간격(d2)은 개방-회로, 암 조건들 하에서의 공간 전하 영역의 두께(tSC)보다 더 작다. 다시 말해서, 제2 전극은 개방-회로, 암 조건하의 공간 전하 영역 내부에서 반도체와 접촉한다. 따라서, 2개의 전극들(26)(30) 모두는 반도체 요소(10)의 공간 전하 영역과 접촉한다. 본 실시예에 있어서, 전극(30)은 층들(16)(18)에 의해 형성된 추가적 전지를 통과할 수 있는 저-에너지 광자들에 투명하다. 실제적으로, 전극(30)은 박막의 금속 또는 서로 이격된 다수의 불투명 도체들을 포함할 수 있으므로, 빛은 도체들 사이의 공간들을 통해 전달될 수 있다. 도 1의 실시예에 있어서, 제2 전극(30)은 반도체와 옴 접촉되는 것으로 간주된다. 따라서, 예시적인 목적으로, 전극(30)은 눈에 띄는 밴드 벤딩 또는 그렇지 않으면 공간 전하 영역 내부에서 전도대들의 구성에 눈에 띄는 영향을 미치지 않는 것으로 간주된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 바이어싱 물질(26)과 반도체 사이의 접합(12)으로부터 제2 전극까지의 두께 방향에 전위 기울기가 있다. 다시 말해서, 본 실시예의 기울기의 방향은 두께 방향과 동일하다. 스위치(31)와 부하(33)를 포함하는 도 1에 도시된 전기 회로(29)는 전극들(26)(30) 사이에 연결될 수 있다.
작동에 있어서, 빛은 투명 바이어싱 물질(26)을 통과하여 반도체로 들어간다. 빛은 전면(12)과 이론적 경계(36) 사이의 반도체의 영역 내부로 흡수된다. 전면(12)으로부터 깊이(X)에서 빛의 세기(IX)는 다음 방정식으로 주어진다.
IX = I0e-αX
여기서, I0는 전면에서 빛의 세기이고, α는 반도체에 영향을 미치는 빛을 위한 반도체의 흡수 계수이다. 본 명세서에 명시적으로 달리 표현되지 않는 한, α값은 반도체의 밴드갭보다 더 큰 에너지를 가진 태양광선의 일부분을 위한 평균값으로 간주되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 흡수 영역의 두께(tA)는 α-1과 동일한 깊이(x)와 동일한 것으로 간주된다. 이러한 깊이에서, IX/I0는 α-1 또는 대략 0.37이다. 다시 말해서, tA는 들어오는 광자들의 대략 63%가 흡수된 깊이(x)이다. 이러한 두께(tA)는 공간 전하 영역의 두께(tSC)보다 더 크거나 작을 수 있지만, tA는 tSC보다 작은 것이 바람직하다. 예시적인 방식에서, 황화카드뮴은 대략 4000옹스크롱 두께의 흡수 영역을 제공한다.
빛의 광자의 흡수는 가전자대로부터 전도대까지 전자를 촉진한다. 따라서, 빛의 흡수는 반도체의 캐리어 집중을 증가시킨다. 광자 에너지의 결과로서 형성된 추가적 캐리어들은 공간 전하 영역 내부의 전기적 전위 기울기에 의해 가속화된다. 따라서, 전자들은 전면으로부터 떨어져서 제2 전극을 향해 이동하는 한편, 정공들은 전면(12)과 바이어싱 물질 및 전극(26)을 향해 이동한다. 전자들은 제2 전극(30)으로 넘어가기 때문에, 제2 전극은 바이어싱 에이전트와 제1 전극(26)에 대해 음전하로 하전된다. 소수의 캐리어들(정공, n-타입 반도체에 도시됨)의 수의 증가는 암 조건들하에서 존재하는 소수 캐리어들의 작은 수에 대해 특히 현저하다. 소수 캐리어들의 누적은 공간 전하 영역의 두께를 감소시키는 경향이 있다. 이것은 도 1의 경계(28')에 의해 개략적으로 표시된다. 바람직하게, 제2 전극(30)은 도 1에 도시된 바와 같이, 공간 전하 영역의 감소된 두께 내부에 배치된다. 예를 들어, 지구적 사용을 의도하는 태양 전지에 있어서, 전지가 하나의 태양 조명에 종속될 때 제2 전극은 공간 전하 영역의 두께 내부에 남아 있는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "태양(sun)"이라는 용어는 1,000 W/m2의 세기 및 지구에 영향을 주는 태양 에너지의 스펙트럼에 상응하는 스펙트럼을 가진 빛을 의미한다. 이러한 스펙트럼은 AM 1.5 스펙트럼을 의미한다. 외부 회로(30)에 전류가 흐르지 않는, 개방-회로하에서 전극들 사이의 전위차의 규모는 반도체의 밴드갭보다 더 작을 것이다. 스위치(31)가 폐쇄되면, 전자들은 제2 전극(30)으로부터 제1 전극(이 경우, 바이어싱 물질(26))까지 외부 회로를 통해 이동하여 정공들과 결합할 것이다. 반도체 내부의 내부 전류 유동은 광전류로서 명명되고, 도 1에서, 화살표 IPHOTO로 표시된다.
공간 전하 영역 내부에 존재하는 전기장은 캐리어들 특히, 전자들을 상대적으로 높은 속도로 가속화시킨다. 또한, 전극들의 상대적으로 가까운 간격은 캐리어들에 의해 이동할 간격을 최소화한다. 이것은 요소(10)를 구성하는 반도체가 직접 반도체이고 광자 흡수 공정이 직접 흡수 공정인 경우 특히 중요하다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "직접 전이(direct transition)"라는 용어는 광자가 다른 입자 또는 파동과의 상호 작용 또는 그 생성을 필요로 하지 않는 가전자대로부터 전도대까지의 전자의 양자 전이(quantum transition)에 흡수되는 공정을 의미한다. 그러한 직접 전이 공정은 "포논(phonon)" 즉, 반도체 물질 내부의 진동 파동과의 상호 작용에 일반적으로 관련된 간접 전이 공정과 대비되어야만 한다. "직접 반도체"라는 용어는 직접 전이 공정에서 광자를 흡수할 수 있는 반도체를 의미한다. 직접 전이 공정이 2개의 입자들 또는 파동들, 즉 광자와 전자만의 상호 작용과 관련되기 때문에, 영향을 미치는 광자가 밴드갭과 적어도 동일한 에너지를 가지는 경우 흡수 공정이 발생할 것이다. 따라서, 직접 반도체는 매우 유용한 흡수제로서 기능한다. 그러나, 전도대로부터 가전자대로 전자가 떨어지는, 반대 전이(reverse transition)는 "캐리어 재조합(recombination)"으로 명명되고, 직접 반도체에서 일어날 것이다. 다시 말해서, 캐리어 재조합은 간접 반도체보다 직접 반도체에서 훨씬 더 빨리 발생한다. 도 1에 도시된 전지의 전극들 사이의 영역 내부에서 캐리어는 반대 방향으로 더 신속히 이동하기 때문에, 그리고 전극들 사이의 간격이 작기 때문에, 실질적인 수의 캐리어들이 전극들에 도달하는 충분한 시간동안 살아남아서 실질적인 전류가 태양 전지에 의해 생성될 수 있다.
대조적으로, 쇼트키 다이오드(schottky diode)"로 명명된 종래의 구조에 있어서, 제2 전극은 공간 전하 영역의 훨씬 외측에 위치하는 반도체와 접촉한다. 광자 흡수에 의해 생성된 캐리어들은 공간 전하 영역과 관련된 전기장에 종속되지 않는 반도체의 큰 영역을 통해 확산하게 될 것이다. 따라서, 캐리어들은 전극들에 도달하기 전에 지연된 체류 시간을 견디게 된다. 태양 전지와 같은 직접 반도체로부터 형성된 그러한 스토키 다이오드를 사용하는 시도는 광범위한 캐리어 재조합이라는 고통을 받게 되어 증가된 출력 전류를 생성한다.
도 1에서 반도체 요소(10)에 통합된 태양 전지는 p-n 접합을 통합하지 않는다. 따라서, 이 전지는 광범위한 반도체로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, p-타입 에서 만들기 어려운 반도체들이 사용될 수 있다. 특정의 반도체들은 의도적으로 부가된 도판트가 없는 경우에도 n-타입 도핑을 나타낼 수 있다. 그러한 반도체들이 사용될 경우, 반도체 요소(10)에 통합된 전지는 그 어떤 의도적 도핑 없이 제조될 수 있다.
요소(10)에서 반도체의 밴드갭보다 더 작은 에너지를 가진 광자는 흡수되지 않고 반도체를 통과하고 투명 전극들(20)(21)을 통과함으로써, 그들은 층들(16)(18)에 의해 구성된 부가적 태양 전지에 도달한다. 이러한 전지는 이러한 광자들을 흡수하여 전극들(21)(23) 사이의 전위를 생성한다. 이러한 전극들은 그 어떤 구성의 추가적 외부 회로(미도시)에 연결될 수 있다. 그러한 회로의 하나의 예에 있어서, 부가적 층들(16)(18)과 관련된 전극들은 반도체 요소(10)와 관련된 전극들(26)에 직렬로 연결된다. 따라서, 장치는, 단-파장 빛이 흡수되어 요소(10)를 포함하는 전방 전지에서 전력으로 변환되고 장-파장 빛이 층들(16)(18)과 통합된 후방 전지에서 파워로 변환되는, 전체로서 복합 전지로 기능한다. 다른 실시예에 있어서, 층들(16)(18)에 의해 구성된 부가적 전지는 생략될 수 있고, 제2 전극(30)은 반사성(reflective)일 수 있다. 그러한 배치에 있어서, 제2 전극은 그 어떤 비흡수 빛을 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간으로 다시 리디렉션시킨다. 반사된 빛은 반도체 요소(10)의 밴드갭보다 더 큰 에너지를 가진 일부 광자들을 포함할 것이다. 이러한 광자들은 그들이 제1 전극(26)을 향해 뒤쪽으로 이동할 때 적어도 부분적으로 흡수될 것이다. 다른 변형예에 있어서, 층들(16)(18)에 의해 형성된 부가적 전지가 도 1에 도시된 바와 같이 제공되지만, 제2 전극(30)은 선택적으로 반사성 구조로서 형성된다. 구조는 고-에너지 광자들을 제1 전극(26)을 향해서 뒤로 반사시키지만, 저-에너지 광자들에 대해 투명하다. 이러한 배치의 변형예에 있어서, 후방 전지는 투명 전극들과 통합될 수 있고, 저-밴드갭 반도체들로부터 형성된 하나 또는 그 이상의 부가적 전지들은 후방 전지 뒤에 배치될 수 있으므로, 부가적 전지들은 여전히 더 낮은 파장에서 광을 흡수한다. 다른 변형예에 있어서, 반도체 본체는 요소(10)의 전면에서 하나 또는 그 이상의 부가적 전지들을 포함할 수 있고, 부가적 전지들은 요소(10)의 물질보다 더 큰 밴드갭을 가진 반도체들로부터 형성되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지는 도 1을 참조하여 전술한 전지와 유사하다. 그러나, 본 실시예에 있어서, 전체 반도체 용소는 제1 전극과 바이어싱 물질(126) 사이에 배치된 반도체 물질의 층 및 제2 전극(130)으로만 구성된다. 이 실시예에 있어서, 전체 반도체 요소는 공간 전하 영역의 정상 두께보다 더 작은 두께를 가진다. 여기서 다시, 전들 모두는 공간 전하 영역과 접촉한다. 본 실시예에 있어서, 제2 전극(130)은 금속층(131)과 반도체 요소(110)와 접촉하는 고농도 도핑 반도체 물질의 박층(111)을 포함한다. 도시된 특정의 예에 있어서, 반도체(110)는 다시 n-타입이고 층(111)은 소위, n+ 타입으로서 명명되는 것이다. 층(111)은 반도체 본체(110)의 나머지로서, 동일한 전도성 타입 즉, n-타입이지만, 어느 점에서는 금속과 같이 작용하는 높은 캐리어 집중을 가진다. 그러한 층은 반도체 본체(110)와 제2 전극(130)의 금속층 사이의 전도를 촉진시킬 수 있다. 제2 전극(130)에 도달하는 실질적인 수의 전자들은 제2 전극에서 전자들의 높은 집중을 유지하는데 도움을 준다. 제2 전극에서 전자들의 집중이 충분히 높으면, 도핑에 의해 형성된 n+ 층이 불필요할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지로서, 반도체 본체(210)가 p-타입 반도체로부터 전체적으로 형성되는 점을 제외하고는, 도 1 및 도 2의 그것들과 유사하다. 이 경우에, 바이어싱 층(226)은 반도체(210)의 그것보다 더 높은 프레미 준위 및 반도체의 그것보다 더 낮은 일 함수를 가진 물질로부터 형성된다. 본 실시예에 있어서, 바이어싱 물질은 반도체에서 밴드 벤딩을 생성한다. 여기서, 다시, 바이어싱 물질(226)과 제2 전극 사이의 두께 방향에서 간격 또는 거리는 공간 전하 영역의 두께보다 더 작기 때문에 제2 전극(230)은 공간 전하 영역 내부에 배치된다. 이러한 전지의 작동은 전류의 방향이 반대되는 것을 제외하고는, 전술한 것과 실질적으로 유사하다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전지가 도시된다. 전지는 반도체 요소의 제1 표면(312)에 놓여지는 다수의 전극 요소들(301)을 통합하는 제1 전극을 포함하고, 하나의 그러한 요소가 도 5에 도시되어 있다. 개별적 전극 요소들은 도 4에서 개략적으로 나타낸 와이어링 트레이스(wiring traces)(303)에 의해 서로 전기가 통하도록 연결된다. 와이어링 트레이스는 실제로 얇은 것이 바람직하므로 와이어링 트레이스는 제1 표면(312)의 최대 필요 영역만 덮는다.
바이어싱 에이전트(326)는 반도체 요소의 제1 표면(312)에 놓여진다. 바이어싱 에이전트(326)은 본 실시예에서 "그러한 표면의 제1 부분"으로서 명명되는 제1 면의 큰 부분을 덮는 것이 바람직하다. 대조적으로, 전극 요소들(301)은 제1 표면(312)의 더 작은 부분은 제2 부분을 덮는 것 바람직하다. 다시 말해서, 전극 요소들(301)은 바이어싱 에이전트가 존재하지 않는 제1 표면(312)의 영역들에 제공된다. 각각의 전극 요소는 금속층들과 같이 하나 또는 그 이상의 전기 전도성 층들을 포함하는 것이 바람직하다. 도시된 특정의 실시예에 있어서, 각각의 전극 요소(301)는 제1 표면과 접촉하는 제1 금속층(305)과 제2 금속층(307)을 포함한다. 다른 변형예에 있어서, 하나의 금속층만 또는 2개 이상의 금속층들이 사용될 수 ㅇ있다. 전기적 부도체(309)가 각각의 전극 요소(301)를 둘러싸기 때문에, 전극 요소들, 그래서 전체로서 제1 전극은 바이어싱 에이전트(326)와 직접 전도성 접촉을 하지 않는다. 와이어링 트레이스(303)(도 4) 역시는 바이어싱 요소로부터 절연된다. 바이어싱 에이전트(326)는 투명한 것이 바람직하지만, 도체 또는 고농도 도핑 반도체 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 반도체(310)가 n-타입이면, 바이어싱 에이전트(326)는 박층의 p+ 타입 반도체(327)를 포함할 수 있고, 선택적으로 p+ 타입 반도체(327)와 이러한 요소들의 격자 매칭을 향상시키는 표면(312)을 구획하는 반도체 요소 사이의 전이층(329)을 포함할 수 있다. 바이어싱 에이전트는 전지를 통과하는 전도 경로의 일부를 형성하지 않고, 반도체 요소(310)의 부분이 아니다. 따라서, 여기서 다시, 전극들 사이에 배치된 반도체 요소(310)는 전체적으로 n-타입 반도체를 구비한다. p+ 에이전트에 의한 와이드-밴드갭 n-타입 반도체의 바이어싱은 다량의 밴드 벤딩 및 큰 내장 전압을 생성할 수 있다. 이것은 전이층에 의해 야기되는 내장 전압의 그 어떤 감소를 완화시킬 수 있다.
설명된 전지는 저항성 부하와 같은 외부 부하(331)에 연결된다. 작동에서, 도 5에서 화살표 hγ로서 표시된 바와 같이, 빛은 바이어싱 에이전트를 통해 반도체 본체로 들어간다. 그러나, 전극 요소들(301)과 정렬된 본체의 영역들은 실질적으로 조명되지 않고 남아 있다. 따라서, 이러한 영역들은 광생성된 캐리어들을 가지지 않을 것이고 바이어싱 에이전트와 정렬된 영역들보다 훨씬 더 낮은 전도성을 가질 것이다.
전극 요소들로부터 멀리 떨어진 반도체의 영역들에 있어서, 전지는 전술한 실시예들과 매우 유사하게 동작한다. 따라서, 화살표 IPHOTO에 의해 표시된 광전류는 제2 전극(330)과 제1 표면(312) 사이의 두께 방향으로 흐른다. 제1 표면(312)에서 캐리어 집중이 충분히 높으면, 전극 요소들(301)로부터 멀리 떨어진 전지의 영역의 광전류 역시 제1 표면(312)을 따라 전극 요소들을 향해 두께 방향을 가로지르는 방향으로 흐르므로, 광전류는 전극 요소들ㅇㄹ 통과하고 외부 부하(331)를 통과하여 제2 전극(330)으로 다시 흘러들어갈 것이다.
부하(331)를 가로지르는 전압 차이는 제1 전극과 제2 전극의 전극 요소들(301) 사이의 외부 바이어스 전압으로서 나타난다. 이러한 외부 바이어스는 밴드 벤딩의 효과에 대응하는 경향이 있다. 다시 말해서, 부하에 의해 부과되는 외부 바이어스는 바이어싱 에이전트에 의해 부과되는 공간 전하 영역 내부의 전기장에 대응한다. 예를 들어, 커브(320)는 외부 바이어스 전압이 없는 반도체의 전도대를 개략적으로 나타내는 한편, 커브(321)는 외부 바이어스 전압에서 전도대를 개략적으로 나타낸다. 그 효과는 반도체를 통한 캐리어를 구동하는 필드를 감소시키고 따라서 광전류를 감소시키는 경향이 있다. 부가적으로, 외부 바이어스 전압은 도 5에서 화살표 IDARK로서 표시된 광전류에 반대되는 전류를 생성하는 경향이 있다. 이것은 전지에서 흐르는 순수 전류를 감소시킨다.
그러나, 외부 바이어스 전압은 전극 요소들(301)과 제2 전극(330) 사이에 인가되기 때문에, 이러한 효과들은 전극 요소들과 정렬된 반도체 본체의 영역들에서 기본적으로 발생될 것이다. 이러한 영역들은 전지의 상대적으로 작은 부분을 구성한다. 반도체의 이러한 영역들이 실질적으로 조명되지 않고 매우 낮은 캐리어 집중을 가지기 때문에, IDARK는 전체 전면을 덮는 제1 전극을 가진 비교할 만한 전지에서 보다 더 작아질 것이다. 또한, 전극 요소들로부터 떨어져 있는 반도체의 이러한 영역들은 반도체 내부의 전기장에서 더 적은 바이어스-관련 감소를 경험할 것이다. 이러한 요인들은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은 전지의 성능을 향상시키는 것으로 믿어진다.
도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지는 예를 들어, 실리콘과 같은 간접 반도체로부터 형성된 반도체 요소(410)를 포함한다. 전지는 도 6에서 어느 하나만 도시된 다수의 전극 요소들(401)을 통합하는 제1 전극을 가진다. 전극 요소들(401)은 반도체 요소의 제1 표면(412) 위에서 서로 이격된다. 또한, 전지는 도 4 및 도 5를 참조하여 전술한 것들과 유사한 바이어싱 에이전트(426)와 부도체(409)를 포함한다. 이러한 전지에 있어서, 바이어싱 에이전트와 반도체 사이의 상호 작용은 개방-회로, 암 조건하에서 두께(tSC)를 가진 공간 전하 영역을 형성한다. 제2 전극(430)은 공간 전하 영역 외측의 위치에서 반도체와 접촉한다. 이 전지에서, 전면(412)과 제2 전극(430) 사이의 간격(d2)은 tSC보다 더 크다. 설명된 특정의 예는 n-타입 반도체와 통합된다. 공간 전하 영역의 경계(428)와 제2 전극(430) 사이의 영역에 있어서, 암 조건하의 전기장이 없다. 이것은 도 6에 개략적으로 도시된 전도대(EC)의 편평한 부분에 의해 표시된다. 작동에서, 공간 전하 영역에서 생성된 전자들은 공간 전하 영역의 전기장의 영향하의 경계(428)를 향해 통과한 후 경계(428)로부터 제2 전극(430)을 향해 확산된다. 반도체가 간접 반도체이기 때문에, 캐리어들은 전극에 도달할 충분한 수명을 가지게 될 것이다. 이 전지에 있어서, 전극 요소들로부터 절연된 바이어싱 에이전트(426)와 함께 이격된 전극 요소들(401)의 사용은 도 4 및 도 5를 참조하여 전술한 것들과 유사한 혜택을 제공한다.
전술한 요소들의 다양한 변형과 조합들이 채용될 수 있다. 예를 들어, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명된 실시예들에 있어서, 전극 요소들은 도시된 바와 같은 분리된 원형 요소들의 형태일 필요는 없다. 하나의 변형예에서, 전극 요소들은 서로 평행하고 연장하는 가늘고 긴 스트립 형태이고 스트립의 가늘고 긴 방향을 가로지르는 방향에서 서로로부터 이격된다. 가늘고 긴 스트립 전극 요소들을 포함하는 배치에 있어서, 와어링 트레이스(303)(도 4)가 생략될 수 있다. 개별 전극 요소들의 금속층은 스트립의 가늘고 긴 방향으로 연장함으로써, 통상의 도체로 전류를 운반하는 기능을 할 수 있다. 개별 전극 요소들을 전기적으로 연결하는 다른 구조들이 사용될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 고체층들로 묘사된 다양한 전극들은 복합 전극들로서 형성될 수 있고, 그 각각은 서로 이격 배치된 한 세트의 요소들을 포함한다. 이러한 요소들은 불투명할 수 있지만, 전체로서 복합 전극은 실질적으로 투명할 수 있다. 다른 변형예에 있어서, 빛은 반도체 요소의 후면을 통해 도 2 또는 도 3에서 설명된 것과 같은 전지 속으로 유도될 수 있다.
다른 변형예에 있어서, 반도체 요소는 바이어싱 에이전트에 놓여지는 반도체의 부가적 층들과 반도체의 제1 면을 포함하는 더 큰 반도체 본체의 부분으로서 형성된다. 이 배치에 있어서, 바이어싱 에이전트는 더 큰 반도체 본체 내부에 배치된다. 이 배치에서도, 바이어싱 에이전트는 반도체 요소의 면에 놓여진다.
전술한 실시예들에 있어서, 바이어싱 에이전트는 반도체 요소와 직접 접촉한다. 그러나, 바이어싱 에이전트는 종래의 MIS 접합에서 사용된 것과 같은 박층의 부도층에 의해 반도체 요소로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 그러한 절연층은 도 5에서 설명된 전이층(329)의 위치에 사용될 수 있다. 그러한 배치는 내장 전압(VBI)을 감소시키기 때문에 덜 바람직하다.
비록 본 명세서의 발명이 특정의 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이러한 실시예들은 본 발명의 원칙과 적용들을 예시하는 의도만 가지는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 예시적 실시예들에 대한 다양한 변형들이 가능하고 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 한 다른 배치들이 고안 가능함을 이해해야 한다.
10...반도체 요소
12...전면
16,17,18...기재층
20...커브
26...제1 전극
29...전기 회로
30...제2 전극
31...스위치
33...부하
36...경계

Claims (41)

  1. (a) 전면, 후면, 및 전면과 후면 사이의 두께 방향을 가지고, n-타입 반도체 전체 또는 p-타입 반도체 전체로 구성된 반도체 요소;
    (b) 전면과 후면 중 어느 하나 위에 놓여지고, 반도체 요소에서 밴드 벤딩(band bending)을 생성하여 반도체 요소 내부에 공간 전하 영역이 존재하고 공간 전하 영역에 걸쳐 두께 방향으로 단향성 전위 기울기가 있는 바이어싱 에이전트; 및
    (c) 두께 방향에서 서로 이격되고, 개방 회로 조건하에서 조명이 없을 때 각각 공간 전하 영역 내부에서 반도체 요소와 접촉되는 전방 전극과 후방 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전방 전극과 후방 전극은 암 조건하의 1 태양 조명(Sun illumination) 하의 공간 전하 영역 내부의 반도체 요소와 접촉하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    반도체 요소는 전방 전극과 후방 전극 사이에 배치된 반도체 물질층 형태인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  4. 청구항 2에 있어서,
    공간 전하 영역은 층의 전체 두께에 걸쳐 연장하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    반도체 요소는 직접 반도체인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    반도체 요소는 와이드 밴드갭 반도체인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  7. 청구항 5에 있어서,
    반도체 요소는 n-타입 반도체 전체로 구성된 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    반도체 요소는 비의도적으로 도핑된 n-타입 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  9. 청구항 7에 있어서,
    반도체 요소는 III-V 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  10. 청구항 5에 있어서,
    반도체 요소는 p-타입 반도체 전체로 구성되고, 바이어싱 에이전트는 반도체 요소의 정상 페르미 준위보다 더 높은 페르미 준위를 가진 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    반도체 요소는 II-VI 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  12. 청구항 1에 있어서,
    바이어싱 에이전트는 금속인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  13. 청구항 12에 있어서,
    전극들의 어느 하나는 바이어싱 에이전트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  14. 청구항 12에 있어서,
    금속은 투명한 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  15. 청구항 1에 있어서,
    전극들의 적어도 어느 하나는 반도체 요소와 접촉하는 고농도 도핑 반도체 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  16. 청구항 1에 있어서,
    바이어싱 에이전트는 전면과 후면의 어느 하나의 제1 부분에만 놓여지고, 전극들의 어느 하나는 전면과 후면의 어느 하나의 제2 부분과 접촉하지만 바이어싱 에이전트와 직접 전도성 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  17. 청구항 16에 있어서,
    바이어싱 에이전트는 투명한 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  18. (a) 반도체 요소의 공간 전하 영역을 통틀어 기울기 방향의 단향성 전위 기울기를 유지하는 단계;
    (b) (a) 단계 동안, 빛을 전하 공간으로 유도하여 빛의 적어도 일부를 반도체에 의해 흡수시키고 흡수된 빛이 가전자대로부터 전도대까지 전자들을 촉진시키는 단계; 및
    (c) 기울기 방향에서 서로 이격되고 공간 전하 영역 내부에서 또는 공간 전하 영역에 인접한 반도체와 접촉하는 한 쌍의 전극들에서 전류를 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생성 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 (c) 단계 동안, 전극들은 전하 공간 영역 내부의 반도체와 접촉하는 것을 특징으로 하는 전기 생성 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    전위 기울기를 유지하는 단계는 바이어싱 에이전트와 병치된 반도체를 유지시킴에 의해 수행되어 바이어싱 에이전트가 반도체에서 밴드 벤딩을 생성하는 것을 특징으로 하는 전기 생성 방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    반도체 요소의 공간 전하 영역 내부의 반도체는 p-타입 반도체 전체 또는 n-타입 반도체 전체로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 생성 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    공간 전하 영역 내부의 반도체는 n-타입 반도체 전체로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 생성 방법.
  23. 청구항 18 또는 청구항 19 또는 청구항 20에 있어서,
    빛은 직접 전이 공정의 반도체 의해 흡수되는 것을 특징으로 하는 전기 생성 방법.
  24. (a) 제1 면과 제2 면 및 제1 면과 제2 면 사이의 두께 방향을 가진 반도체 요소;
    (b) 제1 면의의 제1 부분에만 놓여지고, 반도체 요소에서 밴드 벤딩을 생성하는 바이어싱 에이전트;
    (c) 제 부분으로부터 이격된 제1 면의 제2 부분 위에 놓여져서 제2 부분에 접촉하고, 바이어싱 에이전트와 직접 전도성 접촉되지 않는 제1 전극; 및
    (d) 제1 면과 이격된 위치에서 반도체 요소와 접촉하는 제2 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  25. 청구항 24에 있어서,
    반도체 요소는 제1 면과 제2 전극 사이의 제1 영역을 가지고,
    제1 영역은 p-타입 전체 또는 n-타입 전체인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  26. 청구항 25에 있어서,
    제2 전극은 반도체 요소의 제2 면의 적어도 일부분 위에 놓여져서 상기 일부분과 접촉하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  27. 청구항 24에 있어서,
    제1 전극은 반도체 요소의 제1 면 위에서 서로 이격된 다수의 전극 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  28. 청구항 27에 있어서,
    각각의 전극 요소는 제1 면과 접촉하는 전기 전도성 물질 및 바이어싱 에이전트로부터 전도성 물질을 분리하는 유전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  29. 청구항 27에 있어서,
    바이어싱 에이전트는 투명하고, 각각의 전극 요소는 불투명 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  30. 청구항 24에 있어서,
    제2 전극은 반도체 요소와 옴(ohmic) 접촉하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  31. 청구항 30에 있어서,
    제2 전극은 반도체 요소와 접촉하는 고농도 도핑 반도체층 및 고농도 도핑 반도체층과 접촉하는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  32. 청구항 24에 있어서,
    바이어싱 에이전트는 반도체 요소의 제1 면과 접촉하는 투명한 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  33. 청구항 24에 있어서,
    바이어싱 에이전트는 반도체 요소의 제1 면 위에 놓여지는 투명한 고농도 도핑 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  34. 청구항 24에 있어서,
    반도체 요소는 n-타입 반도체이고 바이어싱 에이전트는 반도체 요소의 정상 페르미 준위보다 더 낮은 페르미 준위를 가지는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  35. 청구항 34에 있어서,
    반도체 요소는 III-V 반도체들, II-VI 반도체들 및 IV 반도체들로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  36. (a) 반도체의 정상 페르미 준위와 다른 페르미 준위를 가진 바이어싱 에이전트와 접촉하는 반도체의 제1 면의 제1 부분을 유지하고 제1 전극과 접촉하는 제1 면의 제2 부분을 유지하고 제1 접촉을 바이어싱 에이전트와 직접 전도성 접촉하지 않는 제1 접촉을 유지하는 단계;
    (b) (a) 단계 동안, 제1 면으로부터 떨어진 위치에서 반도체와 접촉하는 제2 접촉을 유지하는 단계;
    (c) (a) 단계와 (b) 단계 동안, 빛을 반도체에 유도함으로써, 빛의 적어도 일부분을 반도체에 의해 흡수시키고, 흡수된 빛이 가전자대로부터 전도대까지 전자들을 촉진하는 단계; 및
    (d) 전극들에서 결과적인 전류를 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생성 방법.
  37. 청구항 36에 있어서,
    전극들 사이의 부하를 통해 전류를 유도하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생성 방법.
  38. 청구항 36에 있어서,
    제1 접촉과 정렬된 반도체의 영역 속으로 빛의 전달을 막는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  39. 청구항 38에 있어서,
    제1 접촉은 불투명하고 막는 단계는 제1 접촉에 의해 적어도 부분적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  40. 청구항 36에 있어서,
    직접 전이 공정에서 반도체가 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  41. 청구항 36에 있어서,
    간접 전이 공정에서 반도체가 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12074241B2 (en) 2019-10-02 2024-08-27 Columbus Photovoltaics LLC Direct semiconductor solar devices
JP2022182917A (ja) * 2021-05-26 2022-12-08 浩二 尊田 電界効果型両面受光太陽電池

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5543887A (en) * 1978-09-20 1980-03-27 Sanyo Electric Co Ltd Solar cell
JPS6384080A (ja) * 1986-09-26 1988-04-14 Canon Inc 光電変換装置
JPH03139886A (ja) * 1989-10-13 1991-06-14 American Teleph & Telegr Co <Att> 光学素子および半導体素子
JPH1140841A (ja) * 1997-07-16 1999-02-12 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 光センサ
JP2002252358A (ja) * 2001-02-21 2002-09-06 Kazuhiko Watanabe 半導体装置を利用した太陽電池
GB2384621A (en) * 2002-01-29 2003-07-30 Univ Sheffield Hallam II-VI and III-V thin film photovoltaic devices
US20070028957A1 (en) * 2003-10-09 2007-02-08 Hans-Joachim Lewerenz Photovoltaic solar cell...
JP2012114016A (ja) * 2010-11-26 2012-06-14 Panasonic Corp 光電気化学電池及びそれを用いたエネルギーシステム
JP2017143279A (ja) * 2012-02-17 2017-08-17 株式会社半導体エネルギー研究所 光電変換装置

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4317844A (en) * 1975-07-28 1982-03-02 Rca Corporation Semiconductor device having a body of amorphous silicon and method of making the same
JPS5450288A (en) * 1977-09-28 1979-04-20 Hokusan Kk Solar battery
US4477688A (en) * 1978-09-22 1984-10-16 The University Of Delaware Photovoltaic cells employing zinc phosphide
US4200473A (en) 1979-03-12 1980-04-29 Rca Corporation Amorphous silicon Schottky barrier solar cells incorporating a thin insulating layer and a thin doped layer
AU570309B2 (en) 1984-03-26 1988-03-10 Unisearch Limited Buried contact solar cell
KR100786855B1 (ko) 2001-08-24 2007-12-20 삼성에스디아이 주식회사 강유전체를 이용한 태양전지
US20070137698A1 (en) * 2002-02-27 2007-06-21 Wanlass Mark W Monolithic photovoltaic energy conversion device
JP4583025B2 (ja) * 2003-12-18 2010-11-17 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 ナノアレイ電極の製造方法およびそれを用いた光電変換素子
DE102007060108B4 (de) * 2007-12-13 2011-07-21 LEONHARD KURZ Stiftung & Co. KG, 90763 Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls
US20110146766A1 (en) * 2008-02-26 2011-06-23 Solar Cells Based On Quantum Dot Or Colloidal Nanocrystal Films Solar cells based on quantum dot or colloidal nanocrystal films
DE102009024807B3 (de) * 2009-06-02 2010-10-07 Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh Solarzelle mit benachbarten elektrisch isolierenden Passivierbereichen mit hoher Oberflächenladung gegensätzlicher Polarität und Herstellungsverfahren
DE102009030045B3 (de) * 2009-06-22 2011-01-05 Universität Leipzig Transparente gleichrichtende Metall-Metalloxid-Halbleiterkontaktstruktur und Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung
KR101003808B1 (ko) * 2010-04-06 2010-12-23 한국기계연구원 Ｐｎ접합 및 쇼트키 접합을 갖는 다중 태양 전지 및 이의 제조 방법
US9331217B2 (en) * 2010-04-27 2016-05-03 University Of Florida Research Foundation, Inc. Electronic gate enhancement of Schottky junction solar cells
US20120060918A1 (en) * 2010-08-16 2012-03-15 Spitzer Mark B Energy conversion device for photovoltaic cells
TW201229010A (en) 2010-12-13 2012-07-16 Du Pont Electroactive materials
US20120285517A1 (en) * 2011-05-09 2012-11-15 International Business Machines Corporation Schottky barrier solar cells with high and low work function metal contacts
US9024367B2 (en) * 2012-02-24 2015-05-05 The Regents Of The University Of California Field-effect P-N junction
TW201342640A (zh) * 2012-04-11 2013-10-16 Wen-Jeng Ho 分佈式ｐｎ接面金氧半（ｍｏｓ）結構矽太陽能電池
TWM514112U (zh) 2015-04-22 2015-12-11 Columbus Photovoltaics LLC 光伏電池

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5543887A (en) * 1978-09-20 1980-03-27 Sanyo Electric Co Ltd Solar cell
JPS6384080A (ja) * 1986-09-26 1988-04-14 Canon Inc 光電変換装置
JPH03139886A (ja) * 1989-10-13 1991-06-14 American Teleph & Telegr Co <Att> 光学素子および半導体素子
JPH1140841A (ja) * 1997-07-16 1999-02-12 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 光センサ
JP2002252358A (ja) * 2001-02-21 2002-09-06 Kazuhiko Watanabe 半導体装置を利用した太陽電池
GB2384621A (en) * 2002-01-29 2003-07-30 Univ Sheffield Hallam II-VI and III-V thin film photovoltaic devices
US20070028957A1 (en) * 2003-10-09 2007-02-08 Hans-Joachim Lewerenz Photovoltaic solar cell...
JP2012114016A (ja) * 2010-11-26 2012-06-14 Panasonic Corp 光電気化学電池及びそれを用いたエネルギーシステム
JP2017143279A (ja) * 2012-02-17 2017-08-17 株式会社半導体エネルギー研究所 光電変換装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Koeing e et al. New approach to a unipolar film schottky solar cell, 1998. 7. 공개 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102387737B1 (ko) 2022-04-15
ES2836852T3 (es) 2021-06-28
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JP6567539B2 (ja) 2019-08-28
EP3066696A1 (en) 2016-09-14
CN109273549A (zh) 2019-01-25
CN105874610A (zh) 2016-08-17
CN105874610B (zh) 2018-11-09
US10355157B2 (en) 2019-07-16
WO2015066587A1 (en) 2015-05-07
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AU2014341969B2 (en) 2019-07-25
JP2016535944A (ja) 2016-11-17
AU2014341969A1 (en) 2016-05-19

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