차세대 태양전지로 각광 받고 있는 InAs/GaAs 양자점 태양전지 (quantum dot solar cell, QDSC)는 활성층 영역에 InAs 양자점을 삽입하여 근적외선 영역의 태양광을 흡수하여 태양전지의 효율 향상을 위한 목적으로 도입 되어 현재까지 많은 연구들이 진행 되어 왔다. 그러나, 격자 부정합을 이용하여 자발-형성된 (self-assembled) InAs/GaAs 양자점에서 발생 되는 결함 (defect) 또는 어긋나기 (dislocation)로 인해 누설 전류를 발생하여 태양전지의 효율을 저하 시키고 있다. 이러한 문제들을 극복하여 고효율 태양전지로 거듭나기 위해서는 양자점 태양전지의 효율을 저하시키는 요소들에 대한 정확한 분석이 필요하다.
본 연구에서는 분자선 박막 성장장치 (molecular beam epitaxy)를 이용하여 양자점 태양전지를 성장하였으며, 통상적인 소자 공정을 거쳐 양자점 태양전지를 제작하였다. InAs/GaAs 양자점 태양전지의 효율을 저하시키는 요소들을 면밀하게 조사하기 위해 구조적, 광학적 및 전기적 특성을 평가하였다.
양자점을 p+-n-n+ 접합으로 이루어진 GaAs 단일 접합 태양전지에 도입 하기 이전에 저온 성장된 n-GaAs 덮개층에 대한 영향을 조사하였다. 최적화된 GaAs 에피층의 성장 온도 (580 °C)에 비해 상대적으로 낮은 온도 (470 °C)에서 성장된 n-GaAs 박막층이 도입된 결과, 태양전지의 효율 (η)이 약 3 % 감소하였다. 이는 상대적으로 낮은 온도에서 성장된 n-GaAs 박막층에서 형성된 결함으로 인해 운반자 포획 및 트랩 과정이 발생하여 태양전지의 효율이 감소된 것으로 사료된다. 본 연구에서는 양자점 크기와 양자점 성장 모드에 따른 영향을 조사하였다.
양자점 크기에 따른 태양전지에 미치는 영향을 p-n 접합 전기장의 세기 (Fpn)와 SC의 효율과의 상관 관계를 분석하였다. 양자점이 2.0 ML 일 때, 태양전지의 효율이 최대값을 나타내었으며 (η = 21.17 %), 이때 전기장의 세기는 최소값을 나타내었다 (Fpn = 113 kV/cm). 이는 양자점에서 추가적으로 발생 되는 광-생성 운반자들로 인한 효율 증가와 전기장 가리기 효과의 증대로 분석하였다. 양자점 크기에 따른 추가적인 운반자 발생과 포획 및 트랩 과정으로 인한 운반자 소멸 과정간의 균형이 태양전지의 효율에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다.
양자점 성장 모드에 따른 영향을 조사하기 위해 기본적으로 성장하는 SK-양자점과 준원자층 (submonolayer, SML) 양자점을 각각 GaAs 단일 접합 태양전지에 삽입하였다. SML-양자점의 크기는 상대적으로 SK-양자점 보다 작은 크기 (~ 5 nm)로 성장 되었음을 확인하였으며, 이로 인해 SML-양자점은 SK-양자점 보다 낮은 열적 활성화 에너지를 (66 meV) 나타내어 운반자 수집 효율이 상대적으로 높을 수 있음을 분석하였다. 이로 인해 SML-양자점의 태양광 흡수 효율이 근적외선 영역에서 다소 낮지만 SML-양자점 태양전지의 효율은 SK-양자점 태양전지에 비해 약 12.58 % 향상 되었다. 이는 SML-양자점이 SK-양자점 보다 적은 결함 밀도를 가지며 작은 크기로 인한 운반자 수집 효율이 증가했기 때문이다.
본 연구결과를 바탕으로 양자점 태양전지가 고효율 태양전지로 거듭나기 위해서는 트랩 및 포획 과정으로 인한 운반자 소멸 과정을 고려 되어야 할 것으로 판단된다. 운반자 트랩 과정은 주로 결함 준위에서 일어나는데 저온에서 성장된 GaAs 덮개층에서 발생 되는 결함과 InAs/GaAs 양자점이 형성 되면서 발생 되는 변형으로 유발된 결함이 주된 원인으로 사료된다. 운반자 포획은 주로 양자점의 크기에 의존하는 양자점 준위에서 일어나는데 양자점의 크기가 증가함에 따라 양자화된 에너지 준위가 낮아짐으로 운반자 포획이 발생할 확률이 높아진다. 앞으로의 양자점 태양전지의 연구는 운반자 손실을 감소시키기 위해 양자점 재료와 성장 방법 등에서 문제를 해결하는데 집중되어야 할 것으로 사료된다.