InAs/GaAs 양자점 태양전지(Quantum Dot Solar Cell)는 p-i-n GaAs 모체에 자발 형성된(self-assembled) InAs 양자점 층이 삽입된 구조이며, Molecular Beam Epitaxy (MBE) 방법으로 성장된 것이다. Photoreflectance (PR) 분광법을 이용하여 InAs/GaAs QDSC의 광학적 특성을 조사하였으며, 이를 위해 GaAs p-n 접합 구조에 대한 선행연구를 먼저 수행하였다. 실험은 633 nm He-Ne 레이저를 이용하여 여기광 세기(excitation light intensity)와 온도에 따른 PR 측정과 전류-전압 특성을 비교하는 방법으로 수행되었다.
이 연구는 다섯 개의 연관된 세부주제로 구성되어 있으며, 각 주제의 초점은 GaAs p-n 접합에서 전기장과 광기전효과(photovoltaic effect)의 관계, GaAs p+-i-n+ 구조에서 Franz-Keldysh oscillations (FKOs) 분석, GaAs p-i-n 태양전지에서 low-temperature-growth GaAs(LT-GaAs; 최적 성장온도인 580 ℃보다 낮은 470 ℃에서 성장)의 영향, InAs/GaAs QDSC에서 QD의 운반자 포획 및 재결합(carrier capturing and recombination) 특성과 Al0.3Ga0.7As 퍼텐셜 장벽 효과 등이다.
첫째, GaAs p+-n-n+ 구조의 태양전지에서 접합 계면의 전기장과 광기전력(photovoltage)을 여기광 세기에 따른 PR 측정을 통해 조사하였으며, 이 광전류에 대한 ideality factor (n-factor)가 전류-전압 측정 결과에 부합함을 보였다.
둘째, GaAs p+-i-n+ 구조에서 doped-GaAs와 undoped-GaAs에서 기인하는 두 PR신호의 중첩이 세 가지 FKO 분석방법을 통해 관측되었다. 이는 높은 도핑농도(2×1018 cm-3)의 GaAs에서 광학적 전이가 undoped-GaAs와 구분되기 때문이다. 또한 undoped-GaAs의 균일한 전기장과 비교했을 때, doped-GaAs에서 space charge region의 전기장은 불균일하고 표면에서 깊이에 따라 세기가 다르게 분포하므로 빠르게 감쇠하는(fast-damping) FKO 선모양을 나타내기 때문이다.
셋째, LT-GaAs 시료(GaAs p-i-n 태양전지)에서 여기광 세기에 따른 PR 및 전류-전압 특성을 조사하였다. doped-GaAs 영역 접합 전기장이 여기광 세기 증가에 따라 비교적 완만하게 감소하였으며, 광전류에 대한 n-factor는 PR 측정으로 2.25, 개방전압(open circuit voltage, Voc) 측정으로 2.47의 결과를 얻었다. 633 nm 파장의 여기광 세기에 대한 photo-responsivity가 높은 여기광 세기 영역에서 감소하였는데, 이는 LT-GaAs에서 운반자 포획과 격자결함 산란(defect scattering)에 기인하는 것으로 분석되었다.
넷째, InAs/GaAs QDSC에서 접합 전기장을 PR 측정으로 조사하였으며, 앞서 언급한 선행연구의 결과와 비교하였다. 전자와 정공이 InAs QD layer에 포획되어 재결합함으로써 QD가 재결함 중심(recombination center) 역할을 하는 것으로 분석되었다.
다섯째, InAs/GaAs QDSC에서 Al0.3Ga0.7As 퍼텐셜 장벽 두께에 따라 FKO 특성을 조사하였다. 1.5 eV 이상 에너지 영역에서 비정상적(abnormal) FKO가 관측되었으며, 이는 GaAs spacer layer와 Al0.3Ga0.7As 퍼텐셜 장벽 사이에서 quasi-bound states와 연관된 것으로 보인다.