터널 다이오드층이 구비된 적층형 태양전지{A Tandem Solar Cell Having Tunnel Diode Layer}

본 발명은 적층형 태양전지에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 적층형 태양전지의 상부 셀과 하부셀 사이에 터널 다이오드층을 형성시켜 태양전지의 변환효율을 향상시키는 터널다이오드 층이 구비된 적층형 태양전지에 대한 것이다.

도 1은 종래의 Ge기판을 사용하는 적층형 태양전지를 예시한 단면도이다.

태양전지(10)는 상하 양단에는 금속전극층(11,21)이 형성되어 있고, 하부전극층의 상부에는 Ge 기판(13)이 형성되어 있고, 그 기판(13)의 상부에 n-type GaAs층(15)이 형성되고, 그 상부에는 각각 p-type GaAs 층(17)과 p-type GaAlAs층(19)이 각각 순차 적층된다.

또한 상부전극층(11) 바로 아래의 p-type GaAlAs 층(19)은 태양으로부터 복사선이 입사되는 윈도우의 역할을 수행하기 때문에, p-type GaAlAs 층(19)의 상면 대부분은 상부전극층(11)이 제거된 부분 사이로 노출되어 있는 구성을 가진다.

이와 같은 구성의 GaAs/Ge 태양전지(10)는 종래 GaAs 기판을 Ge로 대체하여 그 위에 GaAs 태양전지를 구성시킨 이종접합 화합물 반도체 태양전지의 하나이다.

Ge는 물성이 GaAs와 비슷하여 주기율표 상에서도 ₃₁ Ga, ₃₂ Ge, ₃₃ As으로 서로 인접하여 있고 격자 상수가 Ge가 a=0.565754nm, GaAs가 a=0.565325nm로 그 차이가 0.076% 에 불과하여, 이종접합 형성시에 발생하는 접합부의 균열 또는 물리적인 뒤틀림이 거의 없다.

그리고, Ge는 열팽창계수가 GaAs와 비슷하여 대기권 밖 노출시에 일어나는 높은 복사열(최대 200℃가량 추정)로 인한 열화에도 강한 특성을 갖는다.

특히 Ge는 기계적인 강도가 커서 종래의 GaAs로 형성된 직경 2인치 기판의 경우는 그 두께가 400㎛이상 되어야 하나, Ge 기판의 경우는 200㎛ 가량으로도 충분하여 넓은 면적의 태양전지의 제작도 가능하다.

따라서, 단위무게당 출력도 GaAs 단체 태양전지(monolitic cell)는 27%에 한정되지만 GaAs/Ge 태양전지(10)는 변환효율을 30% 향상시킬 수 있는 가능성이 있다.

그러나, 상기와 같은 구성을 가지는 종래의 적층형 태양전지에 의하는 경우에는 다음과 같은 문제점이 있어 왔다.

상술한 바와 같이 종래의 GaAs/Ge 태양전지(10)는 이론적으로는 GaAs 단체 태양전지에 비하여 변환효율을 30% 향상시킬 수 있는 가능성이 있음에도 불구하고, GaAs 태양전지를 Ge 기판 상에 형성시키는 과정에서 열확산 현상 때문에 접합부의 결함밀도가 높아지는 문제가 있어 실제의 변환효율은 현저히 감소하는 문제가 있다.

이와 같이 접합부의 결함밀도가 높아짐에 의해 GaAs층에서 형성된 전류가 Ge기판(13)으로 전달되는 과정에서 많은 캐리어의 손실이 생기므로, 실제 GaAs/Ge 태양전지(tandem cell)(10)는 오히려 GaAs 단체 태양전지보다 효율이 감소하는 현상이 발생하게 된다.

본 발명의 목적은, 터널다이오드층을 구비하여 이종 접합부에서의 전류 감소를 방지할 수 있는 터널 다이오드 층이 구비된 적층형 태양전지를 구현하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 터널 다이오드 층을 구비한 적층형 태양전지는, 상면에 빛이 입사되는 윈도우층이 구비된 GaAlAs 상부셀과; 상기GaAlAs 상부셀에서 발생한 캐리어가 하부로 이동되는 층인 GaAs 하부셀과; 상기 GaAlAs 상부셀과 GaAs 하부셀 사이에 설치되는 터널다이오드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 터널 다이오드는 상층과 하층 두개의 GaAs 층으로 형성되며, 상층에는 Na가 도핑되고, 하층에는 Nd가 도핑된 것을 특징으로 한다.

상기 상층의 Na는 1.0 ×10 ¹⁹ 내지 1.0 ×10 ²⁰ /cm ³ 의 농도로 도핑되는 것을 특징으로 한다.

상기 하층에 Nd는 1.0 ×10 ¹⁹ 내지 1.0 ×10 ²⁰ /cm ³ 의 농도로 도핑되는 것을 특징으로 한다.

상기 터널 다이오드의 공핍층의 두께는 90내지 200Å의 범위인 것을 특징으로 한다.

상기 GaAs 하부셀은 Ge 기판의 상부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 Ge 기판은 200 내지 400㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 적층형 태양전지의 변환효율은 18 내지 20 %인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의하여 적층형 태양전지의 상부셀과 하부셀의 사이에 터널다이오드층을 형성하여 태양전지의 변환효율을 높이는 것이 가능하게 된다.

도 2는 본 실시예의 터널 다이오드 층이 구비된 적층형 태양전지를 예시한 사시도이고, 도 3은 본 실시예의 태양전지의 예시 에너지밴드 다이어그램이다. 도 4와 도 5는 각각 터널다이오드 층의 도핑농도 및 두께에 따른 변환효율을 예시한 도표와 그래프이다

도 2의 본 실시예에 의한 적층형 태양전지(30)는, 상면에 빛이 입사되는 윈도우층이 구비된 GaAlAs 상부셀(40)과, 상기 GaAlAs 상부셀에서 발생한 캐리어가 하부로 이동되는 층인 GaAs 하부셀(50)과, 상기 GaAlAs 상부셀과 GaAs 하부셀 사이에 설치되는 터널다이오드(60)를 포함하여 구성된다.

본 실시예의 GaAlAs 상부셀(40)의 최상층에는 p ⁺ -type GaAlAs(Zn) 윈도우층(41)이 구비되고, 그 하부에는 p-type GaAlAs(Zn) 에미터 층(43), p-type GaAlAs(Zn) 베이스 층(45)이 각각 순차 설치된다. 그리고, p ⁺ -type GaAlAs(Zn)윈도우층(41)의 상면에는 태양 복사선이 윈도우층(41)을 통해 반사되는 것을 방지하는 반사방지막(47)이 형성된다.

상부셀(40) 상층에는 상부전극층(49)이 형성된다. 그리고 본 실시예의 p ⁺ -type GaAlAs(Zn) 윈도우층(41)은 복사선의 흡수효율을 높일 수 있도록, 상부 전극층(49)이 제거된 부분을 통해 거의 대부분이 상방으로 노출된다.

본 실시예에서는 GaAs 하부셀(50)의 하단에는 Ge 기판((51)이 일정두께로 설치되며, Ge 기판(51)의 하면에는 하부전극층(53)이 형성된다. 본 실시예의 Ge 기판(51)은 n-type 도판트가 도핑되어 있는 층으로 상부층들에서 발생된 캐리어를 하부전극층(53)으로 전달시키는 역할을 하게 된다.

본 실시예의 Ge 기판(51)은 기계적인 강도가 크기 때문에 2인치의 직경의 Ge기판(51)을 사용하는 경우는 대략 200 내지 400㎛의 범위의 두께로 형성된다.

본 실시예의 GaAs 하부셀(50)은 n-type Ge기판(51)의 상부에 n-type GaAs(Se) 버퍼층(55)이 형성되며, 그 상부에는 n-type GaAlAs(Se) Back Suface Field 층(57)이 형성된다. 그리고 그 상부에는 n-type GaAs(Se) 베이스층(58)과 p-type GaAs(Zn) 에미터 층(59)이 순차 형성된다.

본 실시예의 터널다이오드 층(60)은 고농도 도판트가 도핑된 상부층(61)과 하부층(63)을 포함한다. 본 실시예의 터널다이오드 층(60)의 상부층(61)에는 n형 도판트인 Se(Na)가 도핑되고 하부층(63))에는 p형 도판트인 Zn(Nd)가 각각 도핑된다. 본 실시예의 Na와 Nd의 도핑농도는 대략 1.0 ×10 ¹⁹ 내지 1.0 ×10 ²⁰ /cm ³ 의 범위의 농도로 각각 도핑되어진다.

그리고, 본 실시예의 터널다이오드 층(60)의 접합 두께는 90 내지 200Å의 범위로 매우 얇게 나타나며, 상부의 컨덕션밴드와 하부의 균형밴드 사이에 전도전류가 흐르게 된다.

다음은 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예의 적층형 태양전지의 작용을 설명한다.

본 실시예의 터널다이오드 층(60)을 구비한 적층형 태양전지(30)의 경우는, 도 3에 도시된 바와 같이 캐리어인 전자가 P ⁺ 위치에서 N ⁺ 위치까지 이동하여 컨덕션밴드에서 밸런스밴드로 이동하므로, 에너지 밴드 갭의 차이를 비교할 때 단위셀의 경우보다 본 실시예의 에너지 흡수비율이 높아지게 된다.

즉, 광자(photon)가 윈도우층(41)을 지나 에미터층과 베이스층을 통과하고, 그 다음의 에미터층과 베이스층까지의 통과 과정에서 광자에 의해 발생된 캐리어인 전자가 재결합 또는 반사되는데, 본 실시예에서는 상하의 베이스층(45)과 에미터층(59) 사이에 터널다이오드 층(60)을 설치하여 이와 같은 현상을 방지하게 된다.

본 실시예의 터널다이오드 상부층(61)은 GaAlAs 상부셀(40)의 하부에 존재하여 하부의 층들에 대하여 윈도우층처럼 행동한다. 그리고, 터널다이오드 층(60)은 상부셀(40)에 대해서는 백서피스 필드(back surface field)처럼 작용하고 하부셀(50)이 대해서는 프론트 서피스 필드(front surface field)처럼 작용하게 된다.

Ge 기판(51) 상부에 형성되는 GaAs 층의 형성과정에서 접합부위에는 도핑수준의 차이에 의한 열확산현상이 발생하여 접합부위에는 결함밀도가 높아지게 된다. 이와 같이 결함밀도가 높아지는 부분에는 캐리어가 밀집된다. 본 실시예의 적층형 태양전지에는 터널다이이도 층을 형성하여, 상부셀에서 형성된 전자를 하방으로 끌어당김으로 상부에서의 재결합 및 소멸 되는 것을 방지한다.

당 구조에서 터널다이오드 층(60)을 설치하지 않은 경우에는 18% 미만의 에너지 전환효율을 나타낸다. 하지만, 같은 조건에서 본 실시 예와 같이 터널다이오드 층을 형성시킨 경우에는, 1.0 ×10 ²⁰ /cm ³ 의 농도로 도판트가 도핑되고 접합층의 각 두께가 90Å일 때, 에너지 변환효율이 18.5%로 나타났다. 또한 터널다이오드 층(60)에 1.9 ×10 ¹⁹ /cm ³ 의 농도로 도판트가 각각 도핑되고 접합층의 각 두께가 200Å으로 하는 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 에너지 변환효율이 19.5%로 각각 높게 나타남을 알 수 있다.

이와 같이 터널다이오드 층(60)을 형성시키는 것에 의해 에너지 변환효율을 증가시키는 것이 가능하고, 터널다이오드 층(60)에 도핑되는 도판트의 농도와 공핍층의 두께를 달리 조절하는 것에 의해 에너지 변환효율을 변화시키는 것이 가능하며, 최대의 변환효율을 갖는 태양전지(30)의 제작이 가능하게 된다.

본 발명의 권리범위는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 정해지며, 특허 청구범위에 기재된 사항과 동일성 범위에서 당업자가 행한 다양한 변형과 개작을 포함함은 자명하다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의하여, Ge 기판을 사용하는 경우의 열확산 현상에 의한 결함층에서 캐리어의 재결합이나 캐리어의 반사등이 일어나서, 에너지 변화효율이 감소하는 것을 방지할 수 있어, 에너지 변환효율이 향상시킨 태양전지의 제작이 가능해지게 된다.

또한, 도판트의 농도나 공핍층의 두께를 달리하는 것에 의하여, 에너지 변화효율이 다른 태양전지의 제작이 가능해지고, 두 가지 변화요소를 조절하는 것에 의해 최대의 에너지 변환효율을 가지는 태양전지의 제작이 가능해지게 된다.

도 1은 종래의 적층형 태양전지를 예시한 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 터널 다이오드 층이 구비된 적층형 태양전지의 바람직한 실시예의 구성을 예시한 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예의 태양전지의 예시 에너지밴드 다이어그램.

도 4는 본 발명의 실시예의 태양전지에서 터널다이오드 층의 도핑농도 및 두께에 따른 변환효율을 예시한 도표.

도 5는 본 발명의 실시예의 태양전지에서 터널다이오드 층의 도핑농도 및 두께에 따른 변환효율을 예시한 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

30.........적층형 태양전지 40.........GaAlAs 상부셀

49.........상부전극층 50.........GaAs 하부셀

51.........Ge 기판 53.........하부전극층

60.........터널다이오드 층