Study on the Ge-based Solar Cells and Application of Ge-on-Si Substrates to the Structures

Abstract

The III-V multi-junction solar cells which consist of GaInP, GaAs and Ge sub-cells in general were grown on the Ge substrate because of considering their lattice constants and bandgap energies. In this work, the Ge-based multi-junction solar cell structures were investigated for the integration with a Ge-on-Si (GOS) substrate. The replacement of Ge substrates with GOS substrates has a number of potential advantages in terms of weight, mechanical strength, and thermal properties. In addition, significant cost saving is possible due to the availability of large-area Si substrates. The GOS substrate is expected to take advantage of the benefits of both Ge and Si in the multi-junction solar cell structure. A fully relaxed Ge was grown on 6 Si substrates by a two-step method in an ultrahigh vacuum chemical vapor deposition chamber. The GaInP and GaAs were grown subsequently on the GOS substrates by metal organic chemical vapor deposition for the formation of p-n junction in the Ge layer and GaAs/Ge tandem solar cell, respectively. During the growth of GaInP and GaAs on Ge, the structural defects, such as anti-phase boundaries (APBs) and defects due to the lattice mismatch, were observed on the growth surface. The APBs originated from the material incompatibility between zincblende and diamond structure could be suppressed by off-axis Si or Ge substrates. In addition, the In and Ga ratio in GaInP and GaAs were controlled precisely to obtain high quality III-V layers with flat surface morphology. The optical properties of GaInP on Ge and GOS substrates were studied by using photoluminescence (PL) and cathodoluminescence. Similar to spontaneously ordered GaInP on Ge or GaAs substrate, two peaks were observed dominantly around 1.74 and 1.85 eV at 19 K; however, no satellite peaks were observed in selected area diffraction pattern, implying that there was no ordering in GaInP and GaAs grown on the GOS substrate. Based on the temperature-dependent PL analysis, the peak at 1.74 eV was attributed to the donor-acceptor transition due to the amphoteric characteristic of Si and/or Ge from dopant and/or substrate. The anomalous temperature dependence of the 1.85 eV peak was also attributed to the interaction of donor level with the conduction band of GaInP. In addition, deep level transitions around 1.5 eV were observed through the whole measurement temperature range and possible origins were discussed to explain the deep level transitions in the GaInP. Finally, the GaAs/Ge double junction solar cell structure was grown and fabricated on both Ge and GOS substrates. The GaAs and Ge solar cells were integrated monolithically by tunnel diode and the voltage gain due to the electrical connection in series was observed in the double junction solar cell on the Ge substrate. The same epitaxial structures were also applied to the GOS substrate. The open-circuit voltage (Voc) and short-circuit current density of the solar cell on the GOS substrate were 0.8 V and 23.67 mA/cm2, respectively. The conversion efficiency of the solar cell was recorded 10.7% under AM 1.5G condition. In comparison to the solar cell on the Ge substrate, low conversion efficiency in the solar cell on the GOS substrate was attributed to the low Voc and fill factor originated from high threading dislocation density in Ge and band offset at the interface of Ge and Si, respectively.

3-5족 화합물 반도체를 이용한 태양전지는 최근 30% 이상의 높은 광 변환 효율로 인해 지상용 태양 발전시스템 개발 분야에서 주목을 받고 있다. 태양전지 제작에 사용되는 p-type Ge은 GaAs와 GaInP 성장을 위한 기판의 역할 뿐만 아니라, 화합물 반도체 물질이 성장되는 과정에서 5족 원소의 확산으로 p-n 접합을 형성하여 Ge 태양전지로 작동한다. 한편, 무게, 기계적 강도와 열전도도의 측면에서 Si 기판은 Ge에 비해 장점이 있다. 아울러, 대면적 Si 기판을 사용할 수 있기 때문에 상대적으로 높은 태양전지 제작 비용을 낮추는 효과도 기대할 수 있다. 하지만, Ge과 달리 Si은 GaAs, GaInP에 비해 격자상수가 작기 때문에 Si 기판위에 GaAs, GaInP를 직접 성장하게 될 경우, 높은 밀도의 결함 생성을 피할 수 없다. Si 기판의 장점을 취하며 고효율 태양전지를 제작하기 위해, 이번 실험에서 우리는 Si 기판위에 성장된 Ge 에피층(Ge-on-Si substrate, GOS 기판) 위에 GaAs 태양전지를 제작하였다. GOS 기판을 이용하기에 앞서, Ge 기판을 이용하여 태양전지 구조를 연구하였다. 태양전지 동작을 위한 Ge p-n 접합의 형성을 위해 p-type Ge 기판위에 GaInP를 성장하였다. 성장 조건의 최적화를 위해 성장 온도, TMGa와 TMIn의 비율, V/III 비율을 조절하며 GaInP를 성장하였으며, 그 결과 RMS 1.6nm의 GaInP를 Ge 기판위에 성장할 수 있었다. HRXRD를 이용한 조성 분석 결과, 성장된 GaInP는 45%의 Ga과 55%의 In으로 구성된 것을 확인할 수 있었으며, GaInP 성장온도를 고려했을 때 이 조성에서 GaInP와 Ge의 격자상수가 일치하는 것으로 연구되었다. 같은 GaInP 성장 조건을 GOS 기판에도 적용하였다. GOS 기판을 제작하기 위한 Si 기판은 Si(001) on-axis 기판과 [111]로 4도, 6도 틸트된 off-axis 기판을 사용하였다. 일반적으로 3-5족 물질을 4족 기판위에 성장하는 경우 zincblende 구조와 diamond 구조의 차이로 인해 antiphase boundary (APB)라는 결함이 성장된 에피층에 발생한다. 이 결함은 성장된 에피층의 광학적, 전기적 특성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. Si(001) 기판을 이용한 GOS 기판의 경우, 그 위에 성장된 GaInP의 표면에 여러 개의 domain이 존재 하였으며 cathodoluminescence (CL)을 이용한 광학적 특성 평가 결과 domain들의 경계가 어둡게 관찰되었다. 또한, 2-beam 조건을 이용한 TEM 분석 결과 각각의 조건에서 domain간의 명암이 반전이 일어나는 것으로 관찰되었다. 이 결과들은 on-axis Si(001) 기판을 이용한 GOS 기판의 경우 성장된 GaInP에 APB가 존재한다는 것을 보여준다. 반면, off-axis Si 기판을 이용한 GOS 기판의 경우, 위와는 반대로 APB가 억제된 표면형상이 관찰되었으며, 광학적 특성 평가에서도 현격한 차이를 보여, 태양전지 활용을 위해 적합하다고 판단되었다. 성장된 GaInP의 광학적 특성을 photoluminescence (PL)과 CL을 이용하여 분석하였다. 지금까지 연구된 GaInP의 PL 결과는 GaInP의 자발적인 ordering에 의한 energy bandgap의fluctuation을 특징으로 하고 있으며, 그로 인한 다수의 peak관찰 및 비정상적인 온도 의존성을 주로 보고하고 있다. 그리고 이와 같이 자발적인 ordering 구조를 갖는 GaInP의 경우 selective area diffraction pattern (SADP) 결과 1/2(111) 지점에서 위성 peak을 갖는 것으로 알려져 있다. 앞서 언급된 성장 조건으로 GaInP를 off-axis Si 기판을 이용한 GOS 기판 위에 성장한 후 광학적 특성을 PL로 분석하였다. 그 결과 저온 PL 특성 및 관찰된 peak들의 온도 의존성이 다른 그룹의 결과와 마찬가지로 자발적 ordering된 GaInP의 특성과 유사하였다. 하지만, SADP에서는 위성 peak이 존재하지 않았으며, 이는 자발적인 ordering외에 다른 원인에 의해 유사한 PL 결과가 관찰될 수 있음을 의미하였다. 19 K의 저온에서 1.85 및 1.74 eV의 peak이 관찰되었는데, 두 peak의 온도 의존성 및 excitation power 의존성 등을 분석해 보았을 때, 1.74 peak은 donor-to-acceptor transition에 의한 것으로 생각된다. 또한, 1.85 peak의 경우, 저온에서는 donor-to-valence band transition으로 설명되며, 온도가 올라갈수록 donor level의 전송자가 conduction band로 여기 되어 band-to-band transition이 원인일 것으로 연구되었다. 한편, 두 peak이외에 낮은 강도로 1.5 eV 근처에서 관찰되는 peak이 존재하였다. 이 peak의 경우 그 강도가 GaInP의 두께에 따라 달라졌는데, 두께가 두꺼워 질수록 그 강도는 약해졌다. PL 측정에서 사용된 532 nm 파장의 laser와 GaInP의 흡수계수를 고려해 봤을 때, 이 현상은 1.5 peak의 원인이 GaInP 표면에서 떨어져 있기 때문으로 설명할 수 있었다. 이를 확인하기 위해 CL의 가속전압을 증가시키며 CL spectra를 측정하였다. 가속전압이 5에서 25 kV까지 증가할수록 이 peak의 강도가 증가하는 것으로 관찰되었으며, 이는 PL 결과를 뒷받침하는 것이었다. 또한, CL 측정 결과 1.5 eV의 peak은 하나의 peak이 아닌 두 peak으로 분리가 가능했으며, 이는 서로 다른 두 개의 원인에 의한 것으로 생각할 수 있었다. CL 및 TEM 관찰결과를 바탕으로 GaInP에서 관찰된 1.5 eV의 deep level emission은 각각 Ge 확산과 완전히 억제되지 않은 APB에 의한 것으로 생각된다. Ge 기판 및 GOS 기판을 이용하여 Ge 단일 및 GaAs/Ge 이중접합 태양전지를 제작하였다. 우선 Ge 기판을 이용하여 태양전지를 제작하였는데, Ge 기판위에 GaInP 성장과정에서 P 원자의 확산에 의해 n-p 접합을 Ge에 생성했다. 이러한 방법으로 측정된 Ge 태양전지의 효율은 5.6%이고 개방전압은 0.24 V로 측정되었다. 그리고 GaAs/Ge 이중접합 구조를 위해 GaAs 터널다이오드 구조가 Te 및 C을 도펀트로 사용하여 성장되었다. 그 위에 GaAs 태양전지가 성장되었으며, 약 23.6%의 변환효율과 1.18 V의 개방전압이 관찰되었다. 이는 GaAs 및 Ge 태양전지가 직렬로 연결 되었음을 의미하는 것으로 적층구조에 의한 효율증가를 확인할 수 있었다. Ge 기판을 이용하여 동작이 확인된 태양전지 구조를 GOS 기판 위에 성장하였다. 하지만, Ge 태양전지의 효율은 미미 하였으며, GaAs/Ge 이중접합 구조의 경우 약 11%의 변환효율과 0.8 V의 개방전압이 관찰되었다. 낮은 변환효율의 주요 원인은 관통전위에 따른 개방전압의 감소 때문인 것으로 연구되었다. Time-resolved PL을 이용한 전송자의 수명시간을 측정한 결과 Ge 기판에 성장된 구조에 비해 GOS는 약 1/10의 수명시간이 측정되었다. 따라서, 현재 수준에서 GOS 기판위에 제작된 태양전지의 개방전압을 증가시키기 위해서는 관통전위의 밀도를 감소시키는 것이 중요하다고 생각된다. 또한, 낮은 fill factor의 원인은 GOS 기판에서 Ge과 Si 계면의 band offset 때문으로 의심되며, 이를 실험으로 측정하였다. 두 물질의 band offset 차이에 의한 저항성분은 Si 기판의 도핑농도를 높이거나 후면 금속 증착 구조를 다르게 하여 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 이를 통해 Ge 태양전지의 동작 및 이중접합 구조에서 fill factor의 증가를 기대할 수 있을 것으로 예상된다.