KR102322321B1 - 레이디얼 p-n 접합 나노와이어 태양전지 - Google Patents

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Abstract

기판에 고정된 적어도 하나의 나노와이어 구조를 포함하는 광전 소자로서, 적어도 하나의 나노와이어 구조 각각은: 상기 기판에 고정된 근위단부 및 상기 기판으로부터 연장된 원위단부를 갖는 고농도로 도핑된 p형 코어; 및 상기 p형 코어를 둘러싸는 n형 쉘을 포함한다.

Description

레이디얼 P-N 접합 나노와이어 태양전지 {RADIAL P-N JUNCTION NANOWIRE SOLAR CELLS}
본 발명은 광전 소자에 관한 것으로, 특히 높은 태양전지 효율성을 위한 레이디얼 p-n 접합들(radial p-n junctions)을 가지고 있는 나노와이어 태양전지에 관한 것이다.
광전 소자들은 전형적으로 평면형 박막 구조(planar thin-film structure)를 사용하는데, 네거티브적으로 도핑된(n형) 물질은 포지티브적으로 도핑된(p형) 물질 위에 적층되거나 혹은 포지티브적으로 도핑된(p형) 물질이 네거티브적으로 도핑된(n형) 물질 위에 적층된다. 이러한 평면형 광전 소자들에서, 빛 흡수 층은 빛 흡수 물질의 밴드갭 에너지보다 더 큰 에너지를 가지고 효과적으로 충돌하는 포톤들(impinging photons)을 흡수할 만큼 충분히 두꺼울 필요가 있다. 그렇지만, 평면형 구조 내의 빛 흡수 층이 더 두껍게 만들어 질 때, 빛 흡수 층의 두께가 소수 캐리어들의 확산 길이보다 더 클 수 있기 때문에 이것은 빛에 의해 생성된 캐리어들(photo-generated carriers)의 효과적인 수집을 손상시킨다. 따라서 전형적인 평면형 광전 소자들의 디자인은 효과적인 빛 흡수와 캐리어 수집의 효율성을 위해 빛 흡수 층의 두께 사이에서 타협하게 되고, 이로 인해 이러한 소자들의 효율성에 제약을 두게 된다.
예를 들어, 전형적인 박막 GaAs 태양전지들은 그것의 밴드갭 에너지보다 더 높은 에너지를 가지고 효과적으로 포톤을 흡수하기 위해 수 마이크론 두께의 빛 흡수 층을 요구하지만, 소수 캐리어들의 확산 길이가 일반적으로 단지 수백 나노미터이기 때문에, 빛에 의해 생성된 캐리어들의 많은 수가 수집될 수 없다.
광전 소자들 내의 평면형 p-n 접합들을 사용하기 보다는, 레이디얼 p-n 접합들이 연구되고 있다. 이러한 구조들에서, 긴 중앙 p형 코어는 기판으로부터 연장되고 n형 쉘은 코어 주변에 감싸여 있다. 대안적인 배치로서, 코어가 n형 물질로 형성되고, 쉘이 p형 물질로 형성된다. 이 구조를 이용할 때, 두 개의 광에 의해 생성된 캐리어 타입들 중 하나가 코어의 길이를 따라 빛 흡수에 직각으로 쉘 내에 수집된다. 평면형 p-n 접합들에서와는 달리, 빛 흡수를 향상시키기 위해 코어의 길이를 증가시키는 것은 캐리어들이 수집되기 전에 움직일 필요가 있는 거리를 증가시키지는 않고, 따라서 빛 흡수에 있어서의 교환 및 전형적인 평면형 소자들에서 발견되는 캐리어 수집으로 이어지지 않는다.
기판들로부터 확장되는 나노와이어의 제조에 있어서의 최근의 발전들은 레이디얼 p-n 접합 광전 소자들을 생산하는 것을 가능하게 만들었다. 그렇지만, 이 레이디얼 p-n 접합들로 얻어지는 효율성들은 원-썬(one-sun) AM1.5G 태양 스펙트럼 조명 하에서 10% 미만의 태양전지 효율성을 얻으면서, 실질적으로는 상응하는 평면형 소자들보다 낮았다.
더 높은 태양전지 효율성은 태양 패널의 평방미터당 수집되는 더 많은 태양 에너지를 가져오고, 더 작은 흔적과 잠재적으로 더 저렴한 설치로 이어지면서, 단일 접합 광전 소자들이 가능한 약 33.5%의 쇼클리-퀘이서 한계(Shockley-Queisser limit)에 가까운 태양전지 효율성을 획득하거나 심지어는 그 한계를 넘어서는 것이 바람직하다.
일실시예에서, 본 발명은 기판에 고정된 적어도 하나의 나노와이어 구조를 포함하는 광전 소자로서, 상기 적어도 하나의 나노와이어 구조 각각은 상기 기판에 고정된 근위단부(proximal end) 및 상기 기판으로부터 연장된 원위단부(distal end)를 갖는 고농도로 도핑된(heavily doped) p형 코어 및 상기 p형 코어를 둘러싸는 n형 쉘을 포함하는, 광전 소자를 제공한다.
p형 코어들과 n형 쉘을 가지고 있는 나노와이어들은 평면형 광전 소자들과 비교할 때 향상된 캐리어 수집을 가능하게 하고, 그것은 잠재적으로 향상된 태양전지 효율을 가져온다. 평면형 광전 소자들에서는 p형 도핑 증가와 함께 태양전지 효율성이 낮아지는 반면에, 고농도로 도핑된 p형 층 나노와이어 코어는 태양전지 효율성에 있어서 실질적 향상으로 이어진다는 것이 발견되어져 왔다.
일부 예시적 실시예들에서 p형 코어 및 n형 쉘은 III-V 화합물이다.
일부 예시적 실시예에서, p형 코어는 GaAs로 형성되고 n형 쉘은 AlxGa1-xAs로 형성된다. GaAs의 화합물들은 약 1.4eV의 밴드갭 에너지가 쇼클리-퀘이서 모델과 부합하면서 높은 태양전지 효율성을 가능하게 하기 때문에 특별히 광전 소자들에 적합하다.
일부 예시적인 실시예에서, x(Al 몰 분율)는 0.2보다 작거나 같은 값을 갖는다. 0.2의 Al 몰 분율은 나노와이어 코어와 쉘 간의 계면에서의 표면 재결합과 컨덕션 밴드 내의 에너지 장벽을 최소화할 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서, p형 코어는 의사-페르미 준위 에너지 스플릿팅(quasi-Fermi level energy splitting)을 최대화하는 것, 나노와이어 구조의 빌트인 전기장(built-in electric field)을 최대화하는 것, 나노와이어 구조의 흡수 스펙트럼을 확장하는 것 및 상기 코어 내에 내측으로의 태양광의 회절 및 반사 중 하나 이상을 최대화 하는 것 중 적어도 하나가 되도록 충분히 고농도로 도핑되어 있다. 코어 내에 내측으로의 태양광의 회절 및/또는 반사를 최대화하는 것은 광학적 반사를 줄이고, 광학적 가둠(optical confinement)을 강화할 수 있을 뿐만 아니라 포톤 리사이클링(photon recycling)을 최대화할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에서, p형 코어의 도핑 밀도는 1018 cm-3 초과이고 바람직하게는 1019 cm-3이다.
일부 예시적인 실시예들에서, n형 쉘은 저농도로 도핑된다. 저농도로 도핑된 n형 나노와이어 쉘은 캐리어-캐리어 스캐터링(carrier-carrier scattering)에 기인하는 캐리어 손실을 최소화할 수 있고, 이에 의해 캐리어 수집 효율과 태양 에너지 전환 효율을 최대화한다. 더욱이, 저농도로 도핑된 n형 쉘은 쉘 내의 캐리어 재결합을 최소화하기 위해 쉘 내의 공핍 영역(depletion region)을 최대화할 수 있고, 따라서 캐리어 수집 효율과 태양 에너지 전환 효율을 최대화한다.
일부 예시적 실시예에서, n형 쉘의 도핑 밀도는 1017 cm-3 미만이고, 바람직하게는 약 1016 cm-3 이다.
일부 예시적 실시예들에서 p형 코어의 도핑 밀도는 1016 cm-3 보다 크거나 같고, 1018 cm-3 미만이다.
일부 예시적 실시예들에서, n형 쉘은 n형 쉘 내의 캐리어 재결합을 최소할 만큼 충분히 얇다. 더욱이, 얇은 저농도로 도핑된 쉘은 높은 에너지 혹은 열전자들(hot electrons)의 수집을 가능하게 할 수 있고, 따라서 매우 높은 태양 에너지 전환 효율을 달성하는 것을 가능하게 만들어 준다.
일부 예시적 실시예들에서, n형 쉘은 20nm과 50nm 사이, 바람직하게는 40nm의 두께를 갖는다.
일부 예시적 실시예들에서, p형 코어의 직경은 유입 태양 스펙트럼(incoming solar spectrum)과 나노와이어의 광학적 전파 모드들(optical propagation modes) 사이의 스펙트럼 오버랩을 최대화할 만큼 충분히 크다. p형 코어의 직경은 또한 캐리어 수집과 유입 태양 스펙트럼과 나노와이어의 광학적 전파들 모드 사이의 스펙트럼 오버랩의 양 간의 양호한 균형을 달성할만큼 충분히 클 수 있다.
일부 예시적 실시예들에서, p형 코어의 직경은 300nm보다 크고, 바람직하게는 400nm이다.
일부 예시적 실시예들에서, 나노와이어의 길이는 유입 태양 스펙트럼의 심침투 스펙트럼 요소들(deep-penetrating spectral components)을 흡수할 만큼 충분히 크다. 나노와이어의 길이는 심각한 홀 파일업(hole pile-up)의 유해한 영향을 피하도록 제한될 수 있다.
일부 예시적 실시예들에서, 나노와이어의 길이는 5㎛와 7㎛ 사이이고, 바람직하게는 6㎛이다.
일부 예시적 실시예들에서, 기판은 실리콘을 포함한다.
일부 예시적 실시예들에서, 기판은 그라파이트화 층(그래핀이나 수정된 그래핀과 같은)을 포함한다. 그라파이트화 층들은 높은 전도성이 있어서, 태양 에너지 전환 효율성을 향상시키고 캐리어 손실을 최소화할 수 있다.
일부 예시적 실시예들에서, 나노와이어의 원위단부는 반사방지 코팅을 포함한다.
일부 예시적 실시예들에서, 적어도 하나의 나노와이어 구조들 각각은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 코팅된다.
일부 예시적 실시예들에서, 평면형 TCO 컨택이 적어도 하나의 나노와이어 구조 상에 놓여 있다.
일부 예시적 실시예들에서, 평면형 TCO 컨택과 적어도 하나의 나노와이어 구조 사이에 절연 고분자가 배치된다.
일부 예시적 실시예들에서, p형 코어는 300nm보다 큰(바람직하게는 400nm) 반경을 가지고 있고 1018 cm-3 보다 큰(바람직하게는 1019 cm-3) 도핑 밀도를 갖는 GaAs로 형성되고, n형 쉘은 50nm보다 작은(바람직하게는 40nm) 두께를 가지고, 1017 cm-3 보다 적은(바람직하게는 1016 cm-3) 도핑 밀도를 갖는 Al0.2Ga0.8As로 형성되고, 나노와이어 구조는 5㎛ 와 7㎛사이, 바람직하게는 약 6㎛의 길이를 갖는다. 물질 변수들과 나노와이어 크기의 조합은 20% 이상, 바람직하게는 30% 이상의 높은 태양전지 효율을 가져온다.
다른 실시예에서, 본 발명은 기판 상에서 성장된 적어도 하나의 나노와이어를 포함하는 광전 소자 제조 방법을 제공하고, 상기 방법은 기판에 고정된 근위단부 및 상기 기판으로부터 연장된 원위단부를 갖는 고농도로 도핑된 p형 코어와, 상기 p형 코어를 둘러싸는 n형 쉘을 포함하는 나노와이어를 성장시키는 것을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 위의 실시예에서 기술된 광전 소자들을 복수개 포함하는 태양 전지를 제공하는데, 복수의 광전 소자들은 8% 이상, 바람직하게는 20% 이상, 보다 바람직하게는 50과 55% 사이의 패킹 퍼센트를 갖는 어레이로 배열된다. 태양 전지 내에 밀집하게 패킹된 광전 소자들을 어레이로 배열함으로써, 빛 포집은 향상되고, 그로 인해 태양전지 효율을 증가시킨다.
다른 실시예에서, 본 발명은 기판에 고정된 적어도 하나의 나노와이어 구조를 포함하는 광전 소자를 제공하는데, 상기 적어도 하나의 나노와이어 구조 각각은 상기 적어도 하나의 나노와이어 구조들 상에 있는 평면형 TCO 컨택 - 상기 평면형 TCO 컨택과 적어도 하나의 나노와이어 구조들 사이에 절연 고분자가 배치됨; 상기 기판에 고정된 근위단부(proximal end) 및 상기 기판으로부터 연장된 원위단부(distal end)를 갖는 p형 코어; 및 상기 p형 코어를 둘러싸는 n형 쉘을 포함한다.
본 제안된 접근 예들은 첨부한 도면들을 참조하여 이제 상세히 설명될 것이다.
도 1은 기판 상의 싱글 코어-쉘 나노와이어 태양전지의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 기판 상의 코어-쉘 나노와이어들의 어레이로부터 만들어진 태양전지들을 도시하는 개략적인 도면들이다.
도 3은 나노와이어의 최적의 변수들을 결정하기 위해 사용되는 컴퓨터적 방법을 도시하는 3층 슬라브(slab)를 나타낸다.
도 4는 p형 나노와이어 코어 도핑 밀도들에 대한 단락(short-circuit) 조건에서의 에너지 밴드 다이어그램들을 나타낸다.
도 5는 p형 코어 도핑의 밀도의 함수로서 단락 전류 밀도 및 개방회로(open-circuit) 전압을 나타내는 그래프이다.
도 6은 p형 나노와이어 코어 도핑 밀도들의 범위에 대한 단락 조건에서의 전기장 프로파일을 나타낸다.
도 7은 n형 나노와이어 쉘 도핑 밀도들에 대한 단락 조건에서의 에너지 밴드 다이어그램들을 나타낸다.
도 8은 n형 나노와이어 쉘 도핑의 밀도의 함수로서 단락 전류 밀도 및 개방회로 전압을 나타내는 그래프이다.
도 9는 n형 나노와이어 쉘 도핑 밀도들의 범위에 대한 단락 조건에서의 전기장 프로파일을 보여준다.
도 10은 p형 나노와이어 코어 도핑 밀도와 n형 나노와이어 쉘 도핑 밀도의 함수로서 나노와이어의 태양전지 효율을 나타내는 차트이다.
도 11은 Al 나노와이어 쉘 몰 분율들의 범위에 대한 단락 조건에서의 에너지 밴드 다이어그램들이다.
도 12는 Al 나노와이어 쉘 몰 분율들의 범위에 대한 단락 조건에서의 전기장 프로파일을 나타낸다.
도 13은 Al 나노와이어 쉘 몰 분율의 함수로서 단락 전류 밀도와 개방-회로 전압을 나타내는 그래프이다.
도 14는 Al 나노와이어 쉘 몰 분율의 함수로서 태양전지 효율을 나타내는 그래프이다.
도 15는 나노와이어 길이들의 범위에 대한 p형 코어 나노와이어 직경의 함수로서 태양전지 효율을 나타내는 그래프이다.
도 16은 나노와이어 길이들의 함수로서 태양전지 효율을 나타내는 그래프이다.
도 17은 나노와이어 길이들의 범위에 대한 나노와이어 길이를 따라 홀 전류 밀도들의 프로파일을 나타낸다.
도 18은 서로 다른 TCO 컨택 타입들과 함께 쉘 두께의 함수로서 태양전지 효율을 나타내는 그래프이다.
도 19는 최적의 조건에서 서로 다른 TCO 컨택 타입들을 가진 나노와이어들의 J-V 특성(유효 전류 밀도와 전압과의 관계)을 나타내는 그래프이다.
도 20은 이상적인 이론적 조건들에서 서로 다른 TCO 컨택 타입들을 가진 나노와이어들의 J-V 특성을 나타내는 그래프이다.
도 21은 최적의 조건에서 서로 다른 TCO 컨택 타입들에 대한 에너지 밴드 다이어그램들을 나타낸다.
도 22는 최적의 조건들에서 서로 다른 TCO 컨택 타입들을 가진 나노와이어들 프로파일의 캐리어 밀도를 나타낸다.
도 23은 최적의 조건에서 서로 다른 TCO 컨택 타입들을 가진 나노와이어들 프로파일의 재결합율을 나타낸다. .
도 24는 나노와이어 어레이의 태양 전지 효율이 어떻게 어레이의 나노와이어 패킹 퍼센트에 의해 영향을 받는지를 나타내는 그래프이다.
도 25는 입사의 태양광 천정각들(solar ray zenith angles) 범위에 대한 J-V 특성, 태양전지 효율, 개방-회로 전압 및 나노와이어 배열의 필 팩터(fill factor)를 나타내는 그래프이다.
도 26은 입사의 태양광 방위각들(solar ray azimuth angles) 범위에 대한 J-V 특성, 태양전지 효율, 개방-회로 전압 및 나노와이어 배열의 필 팩터를 나타내는 그래프이다.
이제 나노와이어 구조 예의 단면을 나타내는 도 1을 참조할 것이다. p형 코어(120)는 촉매가 없거나 촉매의 도움을 받는 과정을 통해 기판(110) 상에 성장될 수 있거나, 예를 들어, 혹은 원위단부가 기판(110)으로부터 연장되는 동안에 원위단부 기판(110)에 확실히 고정되도록 하는 다른 방법들에 의해 제조될 수 있다. p형 코어는, 약 1.4eV의 그것의 밴드갭 에너지는 그것이 쇼클리-퀘이서 모델(Shockley-Queisser model)에서 최대 태양전지 효율을 달성하기에 적당하도록 만들어 주기 때문에, GaAs(gallium arsenide)와 같은 III-V 화합물이 될 수 있다. 기판(110)은 캐리어가 p형 코어로부터 흘러가는 것을 가능하게 하기위해 p형 기판일 수 있다.
기판(110)은 p형 실리콘 혹은 어떤 다른 반도체일 수 있다. 기판(110)은 그라파이트화 층과 같은 높은 전기 전도성 층을 포함할 수 있다. 기판은 위에 얇은 그라파이트화 층이나 혹은 유리와 같은 절연 층의 상부에 그라파이트화 층을 가진 실리콘 베이스와 같은 층들의 조합을 포함할 수 있다. 능숙한 사람에게는 생성된 전하 캐리어들의 전송이 가능하면서, 어떤 기판의 선택이 코어-쉘 나노와이어가 기판으로부터 성장되고 고정되게 남아있도록 해주기에 적절한 것인지가 분명할 것이다.
n형 쉘(130)은 p형 코어(120) 주변에 형성된다. n형 쉘은 또한 촉매가 없거나 혹은 촉매의 도움을 받은 과정을 이용해서 혹은 다른 방법에 의해 p형 코어 주위에 자라날 수 있다. n형 쉘은 AlxGa1 - xAs와 같은 III-V 화합물일 수 있고, 여기서 'x'는 Al 몰 분율이다.
n형 쉘(130)은 쉘(130)과 기판(110) 사이에 절연 층을 갖는 것에 의해 기판(110)으로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 이 절연층은 예를 들면 SiO2 일 수 있고, 성장하는 p형 코어와 n형 쉘에 앞서 기판 상에 배치될 수 있다.
n형 쉘 130에 전기적 컨택을 형성하기위해, 소자는 컨포멀 컨택 혹은 투면 전도성 화합물(TCO)(150) 혹은 위에 증착된 그라파이트화 층으로 만들어진 평면형 탑 컨택을 가질 수 있다.
전기적 부하를 소자에 연결하기 위해, 메탈 커택들은 소자의 탑(160)과 바텀(170)에 증착될 수 있고, 그리하여 탑 메탈 컨택(160)은 TCO 층(150) 혹은 그라파이트화 층과 접촉하고, 따라서 n형 쉘과 접촉할 수 있고, 바텀 메탈 컨택(170)은 p형 기판 (110)과 접촉하고, 따라서 p형 코어(120)와 접촉한다.
도 2a는 기판(210) 상에 배열된 다양한 나노와이어의 개략도이다. 하나의 나노와이어는 기판(210)으로부터 멀리 확장되는 그것의 중심에 p형 코어(220)를 가지고, 그것 주위의 n형 쉘(230)을 가진 p형 코어(220)를 가지고, 그리고 TCO 층(250) 내에 코팅된 전체 나노와이어를 가진 채로 그 내부를 보여주기 위해 도시되어 있다. 도 2는 기판(210)과 n형 쉘(230) 사이에 SiO2와 같은 절연층(240)이 있을 수 있다는 것을 보여준다. 바텀 컨택(270)은 전기적 부하(280)의 양극 단자에 연결되는 반면에, 탑 메탈 컨택(260)은 전기적 부하(280)의 음극단자에 연결된다.
전형적으로 AM1.5G 태양 스펙트럼을 가지고 있는 광(290)이 나노와이어 배열 상에 입사될 때, 캐리어들이 나노와이어의 각각에서 생성되고 전류가 전기적 부하(280)를 통해 흐른다.
도 2b는 도 2a에 도시된 실시예의 대안적인 실시예의 개략도를 나타낸다. 도 2a와 유사하게, 하나의 나노와이어는 기판(210)으로부터 멀리 확장되는 그것의 중심에 있는 p형 코어(220)와 그것 주위의 n형 쉘(230)을 가진 p형 코어를 가지고 있는 것의 내부를 보여주기 위해 도시되어 있다. 기판(210)과 n형 쉘(230) 사이에, SiO2와 같은 절연층(240)이 있을 수 있고, 바텀 컨택(270)은 기판(210) 아래 배치된다. 도2a는 각각의 개별적인 나노와이어 구조를 코팅하는 컨포멀 TCO 층을 도시하는 반면, 도 2b에 도시된 실시예는 나노와이어의 배열을 덮고 있는 평면형 TCO 컨택(256)을 가지고 있고, 탑 메탈 컨택(260)은 평면형 TCO 컨택(256)과 연결되어 있다. 평면형 TCO 컨택(256)은 투명 층, 바람직하게는 절연 고분자(255)에 의해 지지될 수 있는데, 실질적으로 나노와이어 구조들의 각각을 둘러싸고, 최대 태양빛 흡수와 포톤 리사이클링을 위해 효과적으로 나노와이어의 태양광을 집중시키고 제한해서 태양 에너지 전환 효율성을 최대화하기 위해 나노와이어 구조들 사이의 갭을 채운다.
일부 실시예에서, 나노와이어는 원통형의 코어와 그 주위의 원통형의 쉘을 가진 실질적으로 원통형이다. 나노와이어는 근위단부에서 기판과 컨택하고, 원위단부에서의 다른 면이 기판으로부터 멀리 확장되어 가는, 육각형과 같은 n측 다각형의 베이스를 가진 실질적으로 프리즘모양일 수 있다. 다른 실시 예에서, 나노와이어는 기판 주변 근위단부에 베이스를 가지고, 기판으로부터 먼 원위단부에 최고점을 가진 실질적으로 원뿔형이다. 일부 실시예들에서 n형 쉘과 TCO 혹은 그라파이트화 층 사이에 있는 고농도로 n-도핑된 캡이 있다.
레이디엘 p-n 접합에 관련된 물리학은 확립된 평면형 p-n 접합 광전소자의 그것과는 다르다. 따라서 효과적인 레이디얼 p-n 접합을 설계할 때, 잘 알려진 가정인, 평면형 p-n 접합들과 관련된 설계 고려사항과 전제들이 최대의 태양전지 효율성을 성취하기 위해 시도될 필요가 있다. 따라서, 새로운 레이디얼 p-n 접합의 장치 물리학을 연구할 때, 새로운 컴퓨터적인 방법들과 고려사항들이 만들어져야 한다.
p-n 접합 소자에서, 소수 캐리어 전송은 그것이 다수 캐리어 전송을 통제할 수 있기 때문에 중요한 고려사항일 수 있다. 따라서, 레이디얼 p-n 접합을 설계할 때, 바람직한 전압-전류 특성들을 얻기 위해 소수 캐리어들의 전송에 주의가 기울어져야 한다.
평면형 p-n 접합 태양 전지들과 다르게, 레이디얼 p-n 접합 나노와이어 태양전지들의 경계들은 본질적으로 3차원이다. 따라서, 비록 더 컴퓨터적으로 비싸더라도, 제안된 솔루션에 사용된 모델에서, 레이디얼 p-n 접합 나노와이어 태양 전지는 레이디얼 경계 조건들과 같은 경계 조건들이 정의된 곳에서 3차원으로 만들어진다. 전통적인 접근들은 시뮬레이션의 컴퓨터적인 복잡성을 줄이기 위해 전형적으로 2차원의 시뮬레이션을 사용해 왔으나, 그런 단순화에 포함된 오류들이 3차원 분석을 보장할 만큼 충분히 크다고 결정되어 왔다.
p-n 접합들의 특성을 시뮬레이팅할 때 컴퓨터적인 요구사항들이 핵심 관심사이기 때문에, 그리고 3차원 모델을 사용하는 것이 컴퓨터적인 비용을 상당히 증가시키기 때문에, 관리 가능한 범주 내에서 요구되는 컴퓨터적인 자원들을 유지하기 위해 컴퓨터적인 효율성이 다른 곳에서 발견될 필요가 있다. 따라서 제안된 솔루션에서, 유한요소법(finite-element method)과 트랜스퍼-매트릭스 방법들(transfer-matrix methods)이 레이디얼 p-n 접합들의 전기적 및 광학적 특성들을 시뮬레이트하기 위해 사용된다. 보다 상세하게는, 복합 웨이브 임피던스 접근이 소자 내의 광학적 전송을 시뮬레이션하기 위해 사용된다. 그리고 Poisson의 방정식과 캐리어 지속 방정식들이(carrier continuity equations) 전기적 전송을 결정하기 위해 해결되어 진다.
실행된 계산에서, GaAs/AlxGa1 - xAs 코어-쉘 나노와이어 구조가 사용된다. 그렇지만, 그 기술에 능숙한 사람에게는 어떻게 III-V 화합물과 같은 p형/n형 코어-쉘 구조를 위한 계산을 적용할 지, 그리고 어떻게 이 시뮬레이션들의 결과들이 다른 물질 선택들에 적용될 수 있는지가 분명해야 한다.
100nm의 코어 직경을 가정함으로써, 100nm의 쉘 두께와 3㎛의 나노와이어 길이가 높은 컴퓨터적인 효율로 이어지고, 그래서 이런 변수들이 처음에 변화되지 않은 곳에서, 그것들은 무엇이 실질적으로 세우는데 실행할 수 있는지와 비슷하기 때문에 이 시뮬레이션을 위해 사용된다.
시뮬레이션의 컴퓨터적인 효율성을 향상시키기 위해, 여러개 보다는 단지 하나의 나노와이어 구조만을 시뮬레이트하는 것이 유리할 것이다. 많은 것 대신 개별적인 나노와이어들만을 고려함으로써 고려되지 않을 수 있는 효과는 빛 포집/ 집중/ 한정 효과들일 것이고, 그것들은 어쨌든 계산된 태양전지 효율성을 감소시킬 것이다. 반대로, 빛 포집/ 집중/ 한정 효과들이 계산된 태양전지 효율성을 더 향상시킬 수도 있다.
컴퓨터적인 요구사항들과 현실적인 결과들 사이의 적절한 타협을 확보하기 위해, 복합 웨이브-임피던스 접근이 하나의 레이디얼 p-n 접합 GaAs/AlxGa1 - xAs 코어-쉘 나노와이어 태양 전지를 통한 태양광의 전파를 시뮬레이트 하기 위해 사용된다. 이 접근은 트랜스퍼-매트릭스 방법과 유한요소 방법을 사용하면서 효과적으로 전자기-웨이브들의 전파를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 그 접근은 전파 매체를 세부적인 요소들로 구별하는 것, 각 요소를 위한 트랜스퍼-매트릭스를 만드는 것, 유한요소 방법을 사용해서 전송-매트릭스들을 해결하는 것을 포함한다.
도 3은 하나의 예로서, 3개의 층 슬라브(310,320 및 330)를 사용한 복합 웨이브-임피던스 접근을 도시한다. 이 예에서, 두 광파, Ψ1 및 Ψ2, 반대 방향으로 삼층 슬라브(310,320 및 330)을 통해 전파하는 것이 고려되어 진다. 광파 Ψ1는 윗첨자 '+' 표시와 화살표 352로 나타내지는 앞으로 이동하는 요소 Ψ1 +(351)을 가지고 있다. 광파 Ψ1는 또한 윗첨자 '-' 및 화살표 342로 나타내지는 뒤로 이동하는 요소 Ψ1 -(341)을 가지고 있다. 각 광파가 다른 슬라브 nx -1(310), nx(320) 및 nx+1(330)을 통과할 때, 그것이 통과하는 층은 아래첨자 표시로 나타내진다. 예를 들어, 요소 Ψ2 + x+ 1는 가장 오른쪽 층 nx +1(330) 내에서 Ψ2의 앞으로 이동하는 요소이다.
중심 층 nx(320) , Ψ1 + x 및 Ψ2 + x 내에서 앞으로 이동하는 광파들은 다음과 같이 나타내진다:
Figure 112016024580909-pct00001
여기서, ξx,x+ 1는 중앙 층 nx(320)과 오른쪽의 층 nx +1(330) 사이의 인터페이스에 대한 트랜스퍼-매트릭스이다.
중앙 층 nx(320), Ψ1 - x 및 Ψ2 - x 내에서 뒤로 이동하거나 혹은 반사된 광파들은 다음과 같이 나타내진다:
Figure 112016024580909-pct00002
여기서 ξx(l)는 중앙 층 nx(320)을 위한 전파 트랜스퍼-매트릭스이다. 전파 트랜스퍼-매트릭스 ξx(l) 과 인터페이셜 트랜스퍼-매트릭스 ξx,x+1은 다음과 같이 나타내진다:
Figure 112016024580909-pct00003
여기서 nx는 층 x를 위한 복합 굴절률이고, θx는 층 x에 대한 굴절각이고, l는 주어진 층에서 전파 거리이며, λ는 입사광의 파장이고, Zx(Zx +1)는 층 x(x+1)에 대한 복합 웨이브-임피던스이다. TE(transverse electric) 웨이브에 있어서, Zx에 대한 수학적 표현은 nxcos(θx)이고, TM(tranverse-magetic) 웨이브에 있어서는 nx÷cos(θx)로 표현된다. 층 nx(320)에서 공간적 강도(spatial intensity)
Figure 112016024580909-pct00004
는 다음에 의해 주어진다:
Figure 112016024580909-pct00005
여기서 Z0는 자유 공간의 복합 웨이브-임피던스이다.
레이디얼 p-n 접합 GaAs/AlxGa1 - xAs 코어 쉘 나노와이어 태양전지들의 특성을 시뮬레이트하기 위해, 광학적 시뮬레이션은 소자의 전기적인 특성을 결정하기 위해 전기적 시뮬레이션과 결합된다. 캐리어 전송 시뮬레이션은 특정 현상을 설명하기 위한 주체적인 모델들을 사용해서 Poisson 방정식(Poisson equation)과 충전된 캐리어 지속 방정식들(charged carrier continuity equations)을 해결함으로써 수행될 수 있다.
시뮬레이션으로부터 사실적인 결과를 얻기 위해, 물질들의 물리적 변수들이 가능한 정확하고 그런 물리적 변수들의 값들에 영향을 미치는 현상들이 필요한 만큼 설명되는 것을 확실히 하기 위해 특별한 주의가 기울여질 수 있다.
예를 들어, 도핑 레벨에 있어서의 변화 때문에 GaAs 밴드갭 주변의 광학적 흡수에 있어서의 변화의 크기는 전통적으로 흡수 피크의 크기에 비해 작게 관찰되어져 왔ㅇ으며, 따라서 전통적인 접근들은 이 효과를 무시해 왔을 수 있다. 그렇지만 광학적 생성에 대한 영향은 사실상 레이디얼 p-n 접합들에 있어서 중요한 것으로 발견되어 왔다. 위의 현상들이 무시될 때 전통적인 접근들이 태양 에너지 전환 효율성에 있어서 약 60%의 평가저하를 가졌다는 것이 발견되었다. 따라서 제안된 솔루션에서 사용된 시뮬레이션에서, 물질들의 복합 굴절률과 캐리어 전송과 연관된 변수들은 높은 정확성을 가지고 나타내어 진다.
사용된 물질들의 광학적 흡수 계수 α는 다음의 관계를 통해 복합 굴절률로부터 결정된다:
Figure 112016024580909-pct00006
여기서
Figure 112016024580909-pct00007
은 복합 굴절률의 가상의 부분이다. α를 가지고 알려진, 광학적 생성은 다음 방정식을 가지고 계산될 수 있다:
Figure 112016024580909-pct00008
여기서, ηi는 내부 양자 효율이고, h는 Planck의 상수이고, υ는 입사광의 주파수이다. 각각의 포톤이 전자-홀 쌍을 생성할 것이라고 가정할 때, ηi의 값은 1로 받아들여 질 수 있다.
계산하기 위한 다른 변수들은 GaAs (μGaAs), AlxGa1 - xAs (μAlGaAs) 및 Si(μSi) 에서의 도핑-의존적인 캐리어 모빌리티을 포함하고, 이런 변수들은 다음의 실험적인 모델을 사용해서 결정할 수 있다:
Figure 112016024580909-pct00009
여기서, NA,D는 도핑 밀도이고, μmin, μmax, μ0, μ1, γm, β, N0, Pc, Cr 및 Cs는 물질-특정적인 모델 변수들이다. 방사 재결합(radiative recombination)을 통한 포토-생성 캐리어들의 손실로서, 오거 재결합(Auger recombination), 쇼클리-리드-홀 재결합(Shockley-Read-Hall recombination) 및 표면 재결합이 태양전지들의 태양 에너지 전환 효율성에 중요 영향을 가질 수 있고, 이런 과정들의 일부 혹은 전체가 다음의 수학적 모델들을 사용하는 것으로 간주될 수 있다. 방사 재결합 비율, Rradiative은 다음의 방정식을 사용하여 결정된다:
Figure 112016024580909-pct00010
여기서, Cradiative는 방사 계수이고, 그리고 n, p, 그리고 ni 은 각각 전자 밀도, 홀 밀도 그리고 유효 내부 전자 밀도이다. 오거 재결합 비율(Auger recombination rate), RAuger은 다음 방정식에 의해 획득될 수 있다:
Figure 112016024580909-pct00011
여기서, Cn _Auger 및 Cp _Auger 은 각각 전자와 홀에 대한 오거 재결합 계수이다. 쇼클리-리드-홀 재결합 비율, RSRH 는 다음으로부터 결정될 수 있다:
Figure 112016024580909-pct00012
여기서, τp 및 τn은 각각 홀과 전자 라이프 타임이다. 이 홀과 전자 라이프 타임은 도핑 밀도와 캐리어 라이프타임 사이의 뒤따르는 샤페터 관계(Scharfetter relation)를 이용하여 결정될 수 있다:
Figure 112016024580909-pct00013
여기서, NA,D은 도핑 밀도이고, Nref는 레퍼런스 도핑 밀도이다. 표면 재결합 비율 Rsurface은 다음을 사용해서 계산될 수 있다:
Figure 112016024580909-pct00014

여기서, sp 및 sn은 각각 홀들과 전자들에 대한 표면 재결합 속도들이다. 마지막으로, 트랩-어시스트된 오거 재결합 비율, RTAA은 다음의 방정식을 사용해 계산될 수 있다:
Figure 112016024580909-pct00015
여기서 Cp TAA and Cn TAA 는 각각 홀들과 전자들에 대한 트랩-어시스트된 오거 재결합 계수들(Auger recombination coefficients)이다.
위에 언급된 변수들은 시뮬레이션을 수행할 때 흥미로울 수 있는 변수들의 예들이다. 그렇지만, 능숙한 사람은 포함시키는 것을 알게 될, 반도체 소자 문헌과 그 분야 내의 근본적인 방정식들에서 쉽게 이용가능할 언급되지 않은 다른 몇가지 변수들이 있다.
위의 접근에 바탕을 둔 시뮬레이션을 수행할 때, 레이디얼 p-n 접합들에서 도핑레벨, 물질 구성 및 나노와이어 구조와 같은 변수들에 대한 밴드 구조, 전기장 분포 및 캐리어 재결합의 의존성은 향상된 태양전지 효율을 갖는 변수들의 조합을 찾기 위해 결정될 수 있다.
p형 코어의 도핑 밀도의 효과는 n형 쉘 도핑 밀도를 일정하게 유지하면서 p형 도핑 밀도들의 범위에 대한 에너지 밴드 다이어그램에 있어서의 변화들을 측정함으로써 결정될 수 있다.
도 4는 p형 코어 도핑 밀도들의 범위에 대한 단락(short-circuit) 조건에서의 에너지 밴드 다이어그램들을 시뮬레이팅한 결과를 나타낸다. 도 4에 나타난 예 시 시뮬레이션들에서, p형 코어는 GaAs, n형 쉘은 Al0 .2Ga0 .8As이고, p형 도핑 밀도들의 범위는 1016cm-3 과 1020cm-3 사이이다.
1016cm-3의 p형 도핑 밀도에 대한 에너지 밴드 다이어그램은 410에 도시되어 있다. x축은 p형 코어의 중심(x=0㎛으로 표시된)으로부터의 수평 거리를 나타내고 y축은 밴드들의 에너지 레벨(eV)을 나타낸다. -0.05㎛에서의 수직선(411)은 n형 쉘과 p형 코어간의 경계를 나타내고, +0.05㎛에서의 라인도 마찬가지이다.
실선 412는 레이디얼 p-n 접합의 프로파일을 따라 컨덕션 밴드(conduction band) Ec를 나타낸다. 유사하게 선 422, 432, 442 및 452는 각각 1017cm-3, 1018cm-3, 1019cm-3 및 1020cm-3의 p형 코어 도핑 밀도들에 대한 컨덕션 밴드들을 나타낸다. 다른 실선 415는 레이디얼 p-n 접합의 프로파일을 따라 밸런스 밴드(valence band) Ev를 나타내고, 선 425, 435, 445 및 455는 각각 1017cm-3, 1018cm-3, 1019cm-3 및 1020cm-3의 p형 코어 도핑 밀도들에 대한 밸런스 밴드들을 나타낸다.
의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅은 그래프 410에 나타나 있고, 점선 413은 전자들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지(EF -e)를 나타내고, 점선 414는 홀들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지(EF -h)를 나타낸다. 전자들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지는 또한 각각 1017cm-3, 1018cm-3, 1019cm-3 및 1020cm-3의 p형 코어 도핑 밀도들에 대한 선 423, 433, 443 및 453으로 보여지고, 홀들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지는 각각 1017cm-3, 1018cm-3, 1019cm-3 및 1020cm- 3 의 p형 코어 도핑 밀도들에 대한 선 424, 434, 444 및 454로 보여진다.
NA=1016cm-3 (410) 및 NA=1017cm-3 (420)에 대한 의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅은 413과 414, 그리고 423과 424의 프로파일 의해 보여지듯이 상대적으로 일정하게 남아있다. 그렇지만, NA=1018cm- 3 의 증가된 p형 코어 도핑 밀도를 보여주는 밴드 다이어그램 430에서, 밴드 다이어그램 420에서의 의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅 423과 424에 비해, 433과 434에 보여지듯이 의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅에 있어서 큰 단계 변화가 있다. 단계-변화는 p형 코어 밀도가 1019cm-3 (440) 및 1020cm-3 (450)로 증가될 때 유지된다. 따라서 p형 GaAs 코어의 도핑 밀도가 1017cm-3 보다 높을 때, 이런 물질 변수들에 대하여, 개방 회로 전압이 현저히 증가할 것을 기대하는 것이 합리적일 것이다.
고농도로 도핑된 p형 GaAs 코어는 또한 그것이 태양광을 보통 축(normal axis)을 향해(즉, 코어에서 내측으로) 회절시키기 때문에 유리하고 반사방지 코팅이 없는 평면형 p-n 접합 GaAs 태양 전지와 비교할 때 광학적 반사 손실에 있어 10% 감소를 가져올 수 있고, 동시에 포톤 리사이클링을 향상시킨다.
도 5는 p형 코어 도핑의 밀도의 함수로서 단락 전류 밀도와 개방-회로 전압의 그래프를 나타내고, p형 코어 도핑 밀도를 1017cm-3 이상으로 증가시킬 때 0.383V에서 0.889V로 개방-회로 전압 510에 있어서의 큰 증가를 나타낸다. 유사하게 p형 코어 도핑에서의 동일한 증가로부터 단락 전류 밀도 520의 큰 증가가 있다.
평면형 p-n 접합들에 관한 공통된 일반적 지식의 교육을 고려할 때, 도핑 수준들에 있어서의 변화 때문에 GaAs 밴드 갭 주변의 광학적 흡수에 있어서의 변화의 강도가 흡수 피크의 강도에 비해 일반적으로 매우 작기 때문에, 이 결과는 놀랍다. 예를 들어, 3차원 모델을 사용하여 계산을 수행하고 캐리어 전송과 빛 전파와 관련된 변수들의 정확성을 유지하기 위해 각별히 주의를 기울이는 것에 의해, 개방-회로 전압과 단락 전류 밀도를 향상시키기 위해 p형 코어 도핑을 증가시킨 결과가 발견되었다.
도 6은 p형 코어 도핑 밀도들의 범위에 대한 단락 조건들에서의 전기장 프로파일을 나타낸다. 그래프 601은 p형 코어 도핑 밀도들이 1016cm-3(610)과 1017cm-3(620)일 때의 전기장 프로필을 나타낸다. 1016cm-3(610)에서 1017cm-3(620)로의 도핑 밀도의 증가는 전기장 프로필에서 상대적으로 작은 변화를 가져온다. 반면, 그래프 602는 1018cm-3(630)와 그 이상의 p형 도핑 레벨에 대한 전기장 프로필을 보여준다. 그래프 601과 602를 비교할 때 각각 1018cm-3, 1019cm-3 및 1020cm- 3 의 p형 도핑 밀도들에 대한 실질적으로 더 강하고 잘-분포된 전기장 프로파일 630, 640 및 650에 의해 보여지듯이, p형 도핑이 1017cm3 이상으로 증가할 때 전기장이 크게 증가한다는 것을 나타낸다. 이 결과는 1017cm3 이상으로의 p형 도핑 밀도를 증가시키는 것이 더 높은 캐리어 수집 효율의 결과로서 단락 전류에 있어서의 큰 증가로 이어진다.
1018cm-3 보다 높은 p형 코어 도핑 밀도들에 대하여, 고농도로 도핑될 때 흡수 스펙트럼이 확장되도록 야기하는 p형 코어의 밴드갭 수축(band-gap shrinkage) 때문에 단락 전류 밀도는 미미하게 증가한다.
위의 결과로부터 나노와이어 구조의 p형 코어를 고농도로 도핑하는 것은 증가된 의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅과 레이디얼 p-n 접합에 있어 더 강하고 잘 분포된 전기장으로 이어질 수 있다. 이것은 고농도로 도핑된 p형 코어들에 대하여 개방 회로 전압과 단락 전류가 실질적으로 증가하는 것을 야기시키고, 이로 인해 더 높은 태양전지 효율로 이어지는 것이 발견되었다.
"고농도로 도핑된" 이라는 용어는 이 분야에 잘 알려진 용어이고 일반적으로 도펀트 원자들의 수가 만개 원자당 하나 혹은 그 이상의 차수일 때 사용된다. 고농도로 도핑된 물질의 도핑 밀도는 물질에 따라 변할 수 있는데, p형 GaAs는 1018cm-3에서 고농도로 도핑된 것으로 간주될 수 있는 반면, p형 실리콘에 있어 이것은 1020cm-3에서로 더 높은 수 있다. 이 시뮬레이션에서 선택된 물질 변수들에 대하여, 1017cm-3 이상의 p형 코어 도핑 밀도는 높은 태양전지 효율로 이어질 것이다.
다른 예에서, 400nm 직경의 GaAs 코어, 1016cm- 3 의 n형 도핑 밀도를 가진 50nm 두께의 Al0 .2Ga0 .8As 쉘 3㎛ 길이의 나노와이어의 특성에 대해 분석이 실행되었다. 이 예에서, p형 도핑 밀도는 증가되고, 증가하는 p형 도핑을 가진 GaAs 흡수 스펙트럼의 장파장 단(long-wavelength end)이 넓어질 때, 단락 전류 밀도는 2x1017cm-3 와 4x1017cm-3의 코어 도핑 밀도 사이에서 급격하게 증가하는 것이 발견되었다. 단락 전류 밀도는 p형 도핑에서의 추가의 증가들에 대해 흡수 스펙트럼이 넓어지는 것을 멈출 때, 결국 3x10-18cm- 3 에서 포화된다.
p형 도핑 밀도를 증가시키는 것은 또한 내부 전기장을 증가시키고, 그로 인해 코어와 쉘에 있어서의 공핍 영역의 폭을 변화시키고, 빌트인 전동력(built-in electromotive force)이 그에 맞춰 변하도록 야기시킨다. 따라서 1018cm-3 이상의 코어 도핑 밀도에 있어서, 코어에 있어서의 공핍 영역은 더 좁아지는 반면에, 캐리어 확산이 멈출 때 쉘에 있어서의 공핍 영역을 넓히는 것이 멈출 수 있다. 따라서, 심지어 내부 전기장이 증가할 때 조차도, 1018cm-13 이상의 코어 도핑 밀도에 있어서의 빌트인 전동력은 대략 일정하게 남을 수 있고 일정한 1018cm-3 이상의 코어 도핑 밀도에 대한 개방-회로 전압으로 이어질 수 있다.
또 다른 예에서, 컨포멀 측벽 TCO 컨택을 가진 나노와이어에 있어 코어 도핑 밀도를 변화시키기 보다는(도 2a에서와 같이), 평면형 TCO 컨택을 가진 나노와이어에 있어 코어 도핑 밀도들을 변화시킬 때(도 2b에서와 같이) 시뮬레이션이 수행될 수 있다. 수행된 시뮬레이션 예에서, 평면형 TCO 컨택을 가진 나노와이어 구조는 400nm 직경의 GaAs 코어와 1016cm- 3 의 n형 도핑 밀도를 가진 500nm 두께 Al0 .2Ga0 .8As 쉘을 갖는다. 평면형 TCO 컨택을 갖는 나노와이어는 컨포멀 컨택을 가진 등가의 나노와이어에 비해 훨씬높은 단락 전류 밀도와 개방-회로 전압을 가질 수 있다. 이것은 평면형 컨택은 컨포멀 컨택에서와 같은 밴드-벤딩(band-bending)의 동일 양에서 손해를 받지 않을 것이기 때문이고, 따라서 수집되지 않은 캐리어들의 감소된 증가가 있을 것이고, 더 큰 전동력을 초래할 것이다. 그렇지만, 약 7x1016cm-3 이상의 p형 도핑 밀도들에서 평면형 컨택 실시예는 캐리어 애버란시 효과들(carrier avalanche effects)를 경험할 수 있고, 그로 인해 수집되지 않은 캐리어들을 초래하고 약 1.6x1017cm3 의 코어 도핑 밀도에서 접합 파괴로 이어진다.
위에 제공된 시뮬레이션 예에서, 컨포멀 컨택을 갖는 나노와이어는 6x 1018cm-3 의 코어 도핑 밀도에서 10.3%의 최대 태양 전지 효율에 도달할 수 있는 반면에, 평면형 TCO 컨택을 갖는 나노와이어는 7x1016cm- 13 의 코어 도핑 밀도에서 10.5%의 최대 태양 전지 효율에 도달할 수 있다.
도 7은 n형 쉘 도핑 밀도들의 범위에 대한 단락 조건들에 있어 에너지 밴드 다이어그램을 시물레이팅 한 결과를 나타낸다. 도 7에 제시된 시뮬레이션 예에서, n형 쉘은 Al0 .2Ga0 .8As, p형 코어는 GaAs이고, p형 도핑 밀도는 1019cm-3으로 고정되고 n형 쉘 도핑 밀도들의 범위는 1016cm-3 와 1019cm-3 사이 범위이다.
1016cm- 3 의 n형 쉘 도핑 밀도에 대한 에너지 밴드 다이어그램은 710에 보여진다. 실선 711은 레이디얼 p-n 접합의 프로파일을 따라 컨덕션 밴드 Ec 를 나타낸다. 유사하게 선 721, 731 및 741은 각각 1017cm-3, 1018cm-3 및 1019cm-3의 n형 쉘 도핑 밀도들에 대한 컨덕션 밴드들을 나타낸다. 다른 실선 714는 레이디얼 p-n 접합의 프로파일을 따라 밸런스 밴드 Ev 를 나타내고, 선 724, 734 및 744는 각각 1017cm-3, 1018cm-3 및 1019cm-3의 n형 쉘 도핑 밀도들에 대한 밸런스 밴드들을 나타낸다.
의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅은 그래프 710에 나타내어 지고, 점선 712가 전자들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지(EF -e)를 나타내고 점선 713이 홀들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지(EF -h)를 나타낸다. 전자들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지는 또한 각각 1017cm-3, 1018cm-3 및 1019cm-3의 n형 쉘 도핑 밀도들에 대한 선 722, 732 및 742로서 또한 보여진다. 그리고 홀들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지는 각각 1017cm-3, 1018cm-3 및 1019cm-3의 n형 쉘 도핑 밀도들에 대한 선 723, 733 및 743으로 보여진다.
4개의 차트 710, 720, 730 및 740에 도시된 바와 같이, n형 쉘 도핑 밀도를 1016cm-3에서 1020cm-3로 증가시킬 때, 개방-회로 전압이 쉘에서의 n형 도핑 밀도에 대한 잠재적으로 낮은 의존을 나타내면서, p형 코어와 n형 쉘 사이의 의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅은 상대적으로 일정하다.
도 8은 n형 쉘 도핑 밀도의 함수로서 단락 전류 밀도 820과 개방-회로 전압 810의 그래프를 나타내고, n형 도핑 밀도가 그 범위에 걸쳐 증가될 때 개방-회로 전압 810에서 제한된 변화를 나타낸다. 사실, 1018cm-3 이상의 n형 도핑 밀도에서, 개방-회로 전압 810이 p형 코어와 n형 쉘 사이의 감소된 의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅의 결과로 점진적으로 떨어지기 시작했다는 것과 전기장에서의 증가가 공핍 폭에 있어서의 감소와 비슷하지 않다는 것이 주목할 만하다.
도 9는 n형 도핑 밀도들의 범위에 대한 단락 조건에 있어 전기장 프로파일을 나타낸다. 그래프 901은 n형 도핑 밀도들이 1016cm-3(910)와 1017cm-3(920)일 때 전기장 프로파일을 나타낸다. 이러한 도핑 밀도들에 대하여, 공핍 폭은 상대적으로 넓은 것으로 보여진다.
그래프 902는 1018cm-3(930)과 1019cm-3(940)의 더 높은 n형 쉘 도핑 밀도들을 위한 전기장 프로파일을 나타낸다. 그래프 901의 전기장들에 비해, 전기장은 더 크지만 공핍 폭은 상당히 줄어든다. 결과적으로, 개방-회로 전압은 단지 미약하게 줄어든다. 도핑 밀도를 증가를 동반한 전기장에서의 증가는 공핍 폭에서의 감소와 비슷하지 않기 때문에, 1018cm-3(930)에서 1019cm-3(940)로 도핑 밀도를 증가시키는 것은 공핍 폭을 감소시키고, 개방-회로 전압이 약간 떨어지도록 야기시킨다.
도 9에 도시된 전기장 플랏은 p형 코어 증가에 있어서의 공핍 폭은 n형 쉘 도핑 밀도를 증가와 함께 증가하는 반면 n형 쉘에 있어서의 공핍 폭이 감소한다는 것을 나타낸다. n형 공핍 폭에 있어서의 이러한 감소는 그러므로 단락 전류에 있어서의 감소로 이어질 것이다. 도 8의 선 820에서 보여지듯이, n형 쉘에서의 공핍 폭이 좁아질 때 쉘에서의 캐리어-캐리어 스캐터링 때문에 캐리어 재결합이 증가할 때, 단락 전류 밀도는 n형 쉘 도핑 밀도의 증가와 함께 감소한다.
도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 시뮬레이션들의 예로부터, n형 쉘이 저농도로, 예를 들어, Al0 .2Ga0 .8As에 대해 1016cm-3로, 도핑되어야 한다는 것을 확실히 하는 것이 유리할 것이다. "저농도로 도핑된"이라는 용어는 본 기술 분야에서 잘 알려진 용어이고, 전형적으로 도펀트 원소들이 1억 원자당 한 개 혹은 더 적은 차수일 때 사용된다.
도 10은 코어(1020)의 p형 도핑 밀도와 쉘(1010)의 n형 도핑 밀도 두 가지 모두의 함수로서 나노와이어에 대한 태양 전지 효율을 나타내는 차트이다. 이 차트는 위에 나타낸 발견들을 요약하고 전형적으로 더 높은 p형 코어 도핑 밀도들과 더 낮은 n형 쉘 도핑 밀도들이 바람직하다는 것을 나타낸다. 특히, p형 코어 도핑 밀도는 1017cm-3보다 커야만 하고 보다 바람직하게는 적어도 1018cm-3 이어야 하고 심지어 약 1019 cm-3 은 보다 바람직하다. n형 쉘 도핑 밀도는 낮어야 하고 높은 태양 전지 효율을 달성하기 위해서 바람직하게는 1017cm-3이어야 하고 약 1016 cm-3인 것이 보다 바람직하다.
위에 도시된 예시 시뮬레이션에서 바람직한 p형 코어의 범위와 높은 태양전지 효율을 달성하기 위한 n형 쉘 도핑 밀도에 걸쳐, n형 쉘은 약 30~40nm보다 휠씬 두꺼워서는 안 되는데, 그렇지 않으면 캐리어-캐리어 스캐터링이 증가하기 시작하기 때문이다. 따라서, 저농도로 도프된 n형 쉘은 줄어든 캐리어 재결합/ 쉘 내에서의 캐리어-캐리어 스캐더링을 통하여 캐리어 수집 효율을 최대화하기 위해 가능한 얇아야 하고, 약 ~30-40nm 보다 실질적으로 두꺼워서는 안된다. 따라서 n형 쉘은 사용되는 물질 변수에 따라서, 바람직하게는 60nm 보다 작아야 하고, 더 바람직하게는 50nm 이하, 보다 바람직하게는 약 30-40nm이다.
나노와이어 구조가 p형 GaAs 코어이고 n형 AlxGa1 - xAs 쉘이 사용된 것에서, AlxGa1-xAs의 몰 분율은 태양전지의 태양전지 효율에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 n형 코어와 n형 쉘 도핑 밀도가 각각 1019cm-3과 1016cm-3로 유지될 때, 시뮬레이션들은 Al 몰 분율의 범위에 걸쳐 실행될 수 있다.
도 11은 x=0.1에서부터 x=0.9일 때까지 Al 몰 분율의 범위에 걸쳐 단락 조건에서의 에너지 밴드 다이어그램들을 나타낸다. 실선 1100의 클러스터는 Al 몰 분율의 범위에 걸친 컨덕션 밴드들을 나타내는데, 그곳의 최저선은 x=0.1의 최저 Al 몰 분율에 대응하고 최고선 1109는 x=0.9의 최고 Al 몰 분율에 대응한다. 1101과 1109 사이의 실선들은 Al 몰 분율의 이러한 극한치들 사이의 컨덕션 밴드들에서 점진적 변화를 나타낸다. 컨덕션 밴드 1100은 ±0.05㎛에서 헤테로 접합에서, 더 높은 Al 몰 분율에 대하여 컨덕션 밴드 에너지 장벽이 증가한다는 것을 나타낸다.
실선 1130의 클러스터는 Al 몰 분율의 범위에 걸쳐 밸런스 밴드들을 나타내는데, 그곳에서 최고선 1131는 x=0.1의 최저 Al 몰 분율에 대응하고, 최저선 1139는 x=0.9의 최고 Al 몰 분율에 대응한다.
점선 1110의 클러스터는 전자들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지(EF -e)를 나타내는데, 여기서 최저선 1111은 x=0.1의 최저 Al 몰 분율을 가지고 최고선 1119는 x=0.9의 최고 몰 분율을 갖는다. 이 다이어그램은 또한 점선 1120의 클러스터로 나타내지는 홀들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지(EF -h)를 보여주는데, 여기서 최고선 1121는 x=0.1의 최저 Al 몰 분율에 대응하고 최저선 1129는 x=0.9의 최고 Al 몰 분율에 대응한다. 두 클러스터들 1110과 1120은 의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅이 Al 몰 분율과 함께 어떻게 증가하는지를 나타내고, 캐리어 수집은 증가하는 Al 몰 분율과 함께 악화되고, 따라서 전기장과 개방-회로 전압에 있어 증가하지만 단락 전류에 있어서는 감소한다.
도 12는 나노와이어 쉘에서 Al 몰 분율의 범위에 걸쳐 단락 조건에 있어서의 전기장 프로파일 나타낸다. 도시된 실선의 클러스터 중, 최저선 1201은 x=0.1의 최저 Al 몰 분율에 대한 전기장 프로파일에 대응하고, 최고선 1209는 x=0.9의 최고 Al 몰 분율에 대한 전기장 프로파일에 대응한다. 실선 1204는 x=0.4의 Al 몰 분율의 전기장 프로파일에 대응하지만, 1201과 1209 사이의 실선들이 이 Al 몰 분율의 극단들 사이의 전기장에서의 점진적 변화를 나타내기 때문에, 이 그래프는 또한 x=0.4의 Al 몰 분율 이상에서, Al 몰 분율에서의 추가의 증가가 전기장에서의 제한된 변화로 이어진다.
전기장 프로파일들 1201에서 1209는 증가된 Al 몰 분율이 일반적으로 더 높은 전기장으로 이어진다는 것을 나타내지만, 그것은 또한 x=0.4인 Al 몰 분율 1204 이상에서, 전기장에서의 증가는 포화 때문에 제한된다는 것도 보여준다. 이 포화는 간접적 밴드갭이 되기 위해 Al x Ga1 - x As에서 최저 컨덕션 밴드가 Γ에서 X-포인트(여기서 Γ 및 X-포인트는 브릴루인 영역(Brillouin zone)의 임계점들이다)로 갈 때이고, 그 이후의 증가하는 x와 함께 매우 서서히 변화한다.
도 13은 Al 몰 분율의 함수로서 단락 전류 밀도와 개방-회로 전압을 나타내는 그래프이고, x=0.4 이상일 때 Al 분율로부터 도 12에서 관찰되는 포화의 영향을 도시한다. 개방-회로 전압 1310은 x=0에서 x=0.4로 크게 증가하는 것으로 보여지지만, x=0.4 이상일 때 포화는 개방-회로 전압에서의 증가없음으로 제한되는 결과를 초래한다.
더욱이, 단락 전류 밀도 선 1320은 Al 몰 분율을 증가시키는 것이 도 11에서 도시된 헤테로 접합에서 컨덕션 밴드 에너지 장벽에서의 증가 때문에 단락 전류 밀도에 부정적 영향을 미친다.
도 14는 Al 몰 분율의 함수로서 태양전지 효율 1410을 나타내는 그래프이고, 도 11에서 도 13까지에서 관찰되는 결과의 연합된 영향을 도시한다. 비록 단락 전류 밀도는 Al 몰 분율과 함께 감소하지만, 태양전지 효율 1410은 Al 몰 분율이 증가할 때 전기장에서의 증가에 의해 대응되고, 포화가 이 효과를 감소시키기 전에 x=0.2에서 피크를 초래한다. 따라서 x=0.2의 Al 몰 분율보다 높을 때, 태양전지 효율은 감소하는 것으로 보여진다.
위의 시뮬레이션 결과는 Al 몰 분율이 낮게 유지되는 것이 이로울 수 있고, x=0.3 이하일 때가 바람직하고, x=0.1과 x=0.3 사이일 때가 보다 바람직하며 x가 0.2인 것이 더욱 바람직하다는 것을 나타낸다.
각각의 나노와이어의 사이즈는 태양전지 효율에 영향을 미칠 수 있고 따라서 서로 다른 코어 직경들, 쉘 두께 및 나노와이어 길이를 시뮬레이팅 하는 것이 유리할 수 있다. 도 15는 나노와이어 길이들의 범위에 대한 p형 코어 직경의 함수로서 태양 전지 효율을 나타내는 그래프이다. 도 15에 도시된 시뮬레이션들에서, p형 코어와 n형 쉘 도핑 밀도들은 각각 일정하게 4x1019cm-3 및 4x1016cm- 3 로 유지되고, 쉘 두께와 Al 몰 분율은 각각 50nm 및 x=0.2로 고정되어 있다.
실선 1510은 어떻게 1㎛의 길이와 50nm과 500nm 사이의 p형 코어 직경을 갖는 나노와이어 구조의 태양전지 효율이 변화하는지를 나타낸다. 선 1520과 1530은 유사하게 p형 코어 직경들의 범위에 걸쳐서 그렇지만 2㎛ 및 3㎛의 길이와 함께 태양전지 효율에 있어서의 변화들을 나타낸다. 1㎛ 나노와이어 1510에 대하여, 태양전지 효율성의 첫번째 피크는 200nm 직경에서 발견된다. 두번째의 더 큰 최고치는 400nm의 코어 직경에서 발견된다. 2㎛ 나노와이어 1520에 대하여, 태양전지 효율은 일반적으로 250nm까지의 코어 직경과 함께 증가했고, 거기서 400nm에서 코어 직경이 피크까지 상승하기 시작한다. 유사하게, 3㎛에 대하여, 태양전지 효율은 300nm에서 500nm사이의 상당한 피크로 상승하기 전에, 250nm까지 코어 직경과 함께 미비하게 상승한다. 이 시뮬레이션 결과들은 코어 직경이 250nm과 500nm 사이에 있는 것이 유리할 수 있으며, 300nm과 450nm 사이에 있는 것이 더 바람직하고, 약 400nm가 더욱 바람직하는 것을 나타낸다.
위의 시뮬레이션으로부터 결정된 400nm의 최적 코어 직경은 레이디얼 p-n 접합의 광학적 모드들 사이의 스펙트럼 오버랩의 결과일 수 있고 캐리어 수집의 정도 뿐 아니라 AM1.5G 태양 스펙트럼이 최고치 일 때, 그것에 의해 캐리어 수집 효율 뿐만 아니라 최적의 흡수와 캐리어 재생산을 만들어 낸다.
도 15는 나노와이어 길이와 태양전지 효율 간의 관계를 보여주면서, 또한 나노와이어 길이를 1㎛서 3㎛로 증가시키는 것이 태양전지 효율에서의 증가를 초래한다는 것을 보여준다. 적절한 나노와이어 길이들을 사용하는 것은 고농도로 도핑된 p형 코어들이 밴드갭 축소의 결과로서 흡수 밴드폭을 넓혀왔기 때문에, 나노와이어의 광학적 모드들과 오버랩되는 AM 1.5G 태양 스펙트럼의 스펙트럼 요소들이 레이디얼 p-n 접합을 위한 최적 태양전지 효율을 생산하기 위해 최대한 흡수되는 것을 가능하게 해 준다. 최적의 나노와이어 길이를 결정하기 위해, p형 코어 도핑 밀도, n형 쉘 도핑 밀도, 쉘 두께, Al 몰 분율 및 코어 직경을 일정하게 각각 4x1019cm-3, 4x1016 cm-3, 50nm, x=0.2, 및 400nm로 유지하면서 시뮬레이션이 수행될 수 있다.
도 16은 1㎛와 30㎛ 사이의 나노와이어 길이들의 함수로서의 태양전지 효율을 나타내는 그래프이고, 또한 컨포멀 TCO 컨택과 평면형 TCO 컨택을 사용하는 것 간의 차이점을 도시한다. 섹션 1611과 1631은 나노와이어 길이를 1㎛에서 6㎛로 증가시키는 것이 심침투 AM1.5G 태양 스펙트럼 요소들의 증가된 광학적 흡수의 결과로서 태양전지 효율에서의 급속한 증가를 가져온다. 그렇지만, 과잉의 비방사 캐리어 재결합을 야기시키는 p형 코어에서의 극심한 홀 파일업들 때문에 나노와이어 길이 6㎛와 7㎛ 사이에는 도시된 태양전지 효율에 있어서의 상당한 하락이 있다.
7㎛에서 17㎛로의 나노와이어 길이에 있어서의 다음의 증가(1612 및 1632)는 17㎛에서 두 번째 극심한 홀 파일업이 있을 때까지 태양전지 효율에 있어서 유사한 증가를 가져온다. 이 사이클은 나노와이어를 통해 축 방향으로 침투할 때 p형 코어의 흡수 밴드 내에서 AM1.5G 태양 스펙트럼 요소들의 강도가 약해지는 것으로서, 라인 1613과 1633의 더 낮은 경사에 의해 도시된 것처럼, 태양전지 효율에 있어서의 증가의 점진적인 감소 비율과 함께 자신을 반복하는 것으로 보여진다. 증가하는 나노와이어 길이와 함께 태양전지 효율에서의 증가 비율은 나노와이어 길이가 흡수 밴드 내에서 모든 AM1.5G 태양 스펙트럼 요소들을 완전히 흡수하는 길이보다 상당히 더 길 때, 결국 음의 값이 된다.
도 16은 또한 컨포멀 측벽 TCO 컨택(도 2a의 250 참조)과 평면형 TCO 컨택(도 2b의 256 참조)과 함께 나노와이어 구조들 사이의 태양전지 효율에 있어서의 차이를 도시한다. 그래프는 평면형 TCO 컨택을 가진 태양전지들이 나노와이어가 1㎛에서 2㎛의 길이인 경우를 제외하고는 컨포멀 TCO 컨택을 가진 것들보다 더 높은 태양전지 효율성을 가지고 있다는 것을 보여준다.
평면형 TCO 컨택을 위한 나노와이어 길이 증가와 함께 태양전지 효율에서의 증가 경우들은 컨포멀 측벽 TCO 컨택 경우들의 그것보다 더 가파르다. 평면형 TCO 컨택들에 있어서, 6㎛ 길이 나노와이어에 대한 태양 전지 효율은 6㎛에서의 컨포멀 TCO 컨택의 13.7%의 효율에 비하여 약 14.1%에서 최고에 이른다. 6㎛에서 7㎛로 길이를 증가시키는 것은 각각 컨포멀 및 평면형 컨택들에 있어서 9.7%과 9.5%로 태양에너지 효율성에 있어서의 감소를 초래한다.
평면형 TCO 컨택들은 TCO 컨택이 컨포멀 측벽 TCO 컨택이 하는 것처럼 캐리어 운동/전송 및 포톤 리사이클링 효율을 제한하는 심각한 밴드-벤딩 효과로 손해보지 않기 때문에 컨포멀 측벽 TCO 컨택보다 더 잘 수행한다.
더 높은 에너지 전자들의 더 짧은 수명에 기인하여 고에너지 포톤들에 의해 생산되는 전자들이 컨포멀 측벽 TCO 컨택의 경우만큼 효과적으로 수집될 수 없기 때문에 더 낮은 나노와이어 길이(1㎛ and 2㎛)에서 태양전지 효율성은 평면형 TCO 컨택들의 경우가 더 낮다. 이런 더 짧은 길이들에서, 평면형 TCO 컨택들은 컨포멀 TCO 컨택들을 갖는 태양 전지들보다 더 낮은 유효 전류 밀도를 갖는다.
비록 평면형 TCO 컨택이 컨포멀 TCO 컨택을 가진 태양전지들 보다 약간 더 높은 개방-회로 전압으로 이어지더라도, 고에너지 포톤들에 의해 생성되는 전자들의 손실을 보상하기에는 충분하지 않다. 평면형 TCO 컨택을 가진 태양 전지들에서 약간 더 높은 개방-회로 전압은 코어 및 쉘에서의 현저히 높은 방사, 오거(Auger), 및 SRH 재결합 비율들 그리고 (코어와 쉘에 있어서의) 더 높은 방사 재결합 비율과 코어에서의 전자 의사-페르미-레벨 에너지가 평면형 TCO 컨택들을 가진 태양 전지에서의 증가하도록 야기시키는 (코어에서의) 오거(Auger) 재결합 비율 때문이다.
도 16에서 관찰되는 극심한 홀 파일업은 5㎛(1705), 6㎛(1706), 7㎛(1707) 및 8㎛(1708)의 나노와이어 길이들에 대한 홀 전류 밀도들의 축의 프로파일을 나타내는 도 17에 도시된다. 5㎛ 선(1705)과 6㎛ 선(1706)로부터의 변화는 나노와이어 길이에 있어서의 증가와 홀 전류 밀도에 있어서의 증가로 이끌어진 더 긴 길이로 부터의 심각한 홀 파일업의 사인(sign)은 없다는 것을 보여준다. 그렇지만, 6㎛ 선(1706)과 7㎛ 선(1707)로부터의 변화는 축방향 프로파일에 의해 보여지는 바와 같이, 나노와이어의 전체 길이를 통하여 전파하는 효과들을 가진 홀 파일업을 나타내면서, 전류 밀도에 있어서 큰 감소를 보여준다.
7㎛(1707)에서 8㎛(1708)로의 나노와이어 길이의 추가의 증가는 나노와이어가 낮은 흡수 계수를 가진 AM1.5G 태양 스펙트럼 요소들의 흡수를 통해 포토-생성된 캐리어 수를 높이면서 홀 전류 밀도에 있어서의 증가를 보여준다. 이런 추가적인 포토-생성된 홀들은 p형 기판으로부터 1㎛ 내에서 생성되기 때문에, 이 홀들은 p형 코어에서 p형 기판으로, 하부 컨택으로부터 평형 상태에서 홀 전류 밀로의 증가로 이어지는 외부 회로로 쓸려가고 따라서 심각한 홀 파일업에 기여하지는 않는다. 추가적인 포토-생성된 전자들은 외부 회로로의 상부 컨택으로부터 흘러나와서, p형 코어에서 n형 쉘로 빠르게 이동한다.
위의 시뮬레이션 결과들로부터, 나노와이어의 길이를 특정 값까지 제한하는 것이 유리할 수 있다. 특히 p형 코어 길이를 심각한 홀 파일업 이전에 가장 긴 로컬 길이들을 나타내는 시뮬레이션들에서 결정된 피크들 중 하나에 제한하는 것이 좋다. 나노와이어 길이는 5㎛에서 7㎛까지 그리고 15㎛에서 17㎛까지 범위들 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 5㎛에서 6㎛까지와 15㎛에서 16㎛까지 중 하나에서 선택되고, 보다 바람직하게는 6㎛ 및 16㎛ 중 하나로부터 선택되고, 더욱 더 바람직하게는 6㎛이다.
도 18은 태양 전지 효율에 대한 쉘 두께의 영향을 도시한 것이다. 선 1820은 평면형 TCO 컨택이 사용될 때 관계를 보여주는 반면에, 선 1810은 컨포멀 TCO 컨택을 가진 셀들에 대한 쉘 두께와 태양전지 효율 사이의 관계를 보여준다. 선 1810과 선 1820은 더 얇은 쉘들이 더 높은 태양에너지 효율을 가져온다는 것을 보여주지만, 결국 나노와이어의 광학적 모드가 누설될 때 결국 하락하게 된다. 이 누설은 쉘들이 효과적으로 나노와이어에 빛은 제한하기에 너무 얇기 때문일 수 있고, 최상의 포인트로부터 벗어나는 광학적 모드를 초래한다. GaAs/Al0 .2Ga0 .8As 코어-쉘 나노와이어의 광학적 모드는 쉘 두께가 30nm일 때 불안정하게 되고, 태양전지 효율은 30nm보다 더 얇은 쉘들에 의해 가파르게 하락한다. 따라서, 컨포멀 측벽 혹은 평면형 TCO 컨택을 가진 레이디얼 p-n 접합 GaAs/Al0 .2Ga0 .8As 코어-쉘 나노와이어 태양 전지들에 대한 가장 얇은 쉘은 약 40nm이 될 수 있다.
20nm이나 혹은 그 이하의 쉘 두께에서, 평면형 TCO 컨택(1820)을 가진 태양전지의 태양전지 효율성은 코어로부터 재발산된 포톤들이 쉘에 어떤 전자-홀 쌍을 생성하지 않고 광학적으로 누설되는 쉘을 통과하기 때문에 컨포멀 측벽 TCO 컨택(1810)을 가진 태양전지의 그것 아래로 떨어진다. 결과적으로, 평면 TCO 컨택(GaAs/Al0 .2Ga0 .8As 계면에서 컨덕션-밴드 에너지 장벽이 상당히 더 높아지는)을 가지고 있는 태양 전지 내에서의 전류 밀도는 쉘 두께가 20nm일 때, 컨포멀 측벽 TCO 컨택을 가진 태양전지의 그것보다 낮고, 이것은 더 낮은 태양전지 효율성으로 이어진다.
컨포멀 측벽 컨택을 가진 6㎛ 길이 나노와이어의 다른 예에서, 6x1018cm- 3 의 p형 도핑을 가진 400nm 직경 GaAs 코어와 3x1016cm- 3 의 n형 도핑 밀도를 가진 Al0 .2Ga0 .8As 쉘이 시뮬레이트된다. 나노와이어의 태양 전지 효율은 쉘이 더 얇게 만들어 질 때 증가하고, 더 얇은 쉘에서 약 11%로 급격히 떨어지기 전에 40nm 두께에서 14.4%의 태양 효율성 피크에 도달한다. 평면형 컨택을 가진 6㎛ 길이 나노와이어의 다른 예에서, 7x1016cm- 3 의 p형 도핑을 가진 400nm 직경 GaAs 코어와 1016cm3 의 n형 도핑 밀도를 가진 Al0 .2Ga0 .8As 쉘이 시뮬레이트된다. 여기서 쉘은 48nm보다 얇아질 때 완전히 이온화되고, 따라서 이 예에서의 가장 높은 태양전지 효율성은 쉘이 48nm 두께일 때 14.4%이다.
도 19는 6㎛ 길이 나노와이어, 400nm 직경 GaAs 코어(NA=4x1019cm-3), 40nm 두께 Al0 .2Ga0 .8As 쉘(ND=4x1018cm-3)을 가지고, 컨포멀 TCO 컨택(선 1910으로 나타내지는) 혹은 평면형 TCO 컨택(선 1920으로 나타내지는) 둘 중 하나를 가진 유효 J-V 특성들(유효 전류 밀도와 전압의 관계)을 도시한다. 컨포멀 TCO 컨택을 가진 나노와이어가 약 43.7 mA/cm2 의 유효 단락 전류 밀도와 약 0.94V의 개방-회로 전압을 보여주는 반면에, 평면형 TCO 컨택을 가진 나노와이어는 약 45.1 mA/cm2의 유효 단락 전류 밀도와 약 1.03V의 개방-회로 전압을 보여준다.
도 20은 광학적 반사 손실을 가지고 있지 않은 이상적인 경우에 대한 J-V 특성들을 보여줌으로써 광학적 반사 손실의 영향을 도시한 것이다. 그래프는 6㎛ 길이, 400nm 직경 GaAs 코어(NA=4x1019cm-3), 40nm Al0 .2Ga0 .8As 쉘(ND=4x1018cm-3)을 갖는 나노와이어를 가진 태양전지로 방향이 잡혀있다. 그래프는 제로 광학적 반사(2030)과 이론적 한계(2040)을 가진 평면형 TCO 컨택을 가진 셀의 J-V 특성들 뿐 아니라, 제로 광학적 반사(2010)과 이론적 한계(2020)을 가진 컨포멀 TCO 컨택을 가진 셀의 J-V 특성들을 보여준다. 이론적 한계는 캐리어 재결합도 광학적 반사 손실도 없는 경우로 고려되어 진다.
평면형 TCO 컨택과 제로 광학적 반사(2030)를 가진 셀에 대하여, 유효 단락 전류 밀도와 개방-회로 전압은 각각 약 83.6mA/cm2 와 1.05V이다. 이것은 나노와이어 광학적 모드들의 강한 광학적 제약 뿐 아니라 캐리어-캐리어 스캐터링 손실을 최소화하는 높은 전기장과 저농도로 도핑된 얇은 쉘에 의해 가능하게 만들어진 높은 에너지 혹은 뜨거운 전자를 수집하는 능력 때문이고, 이것은 고유적으로 높은 포톤-리사이클링과 캐리어 생성 비율을 발생시킨다. 이론적 한계(2040)에서 평면형 TCO 컨택을 가진 셀에 대하여, 유효 단락 전류 밀도와 개방-회로 전압은 각각 약 87.6mA/cm2 와 1.07 V이다.
도 21은 컨포멀 탑 컨택과 평면형 컨택을 가진 셀들에 대한 단락 조건에서의 에너지 밴드 다이어그램들을 시뮬레이팅한 결과들을 나타낸다. 도 21에 나타내어진 시뮬레이션 예에서, 나노와이어는 6㎛ 길이를 가지고, Al0 .2Ga0 .8As 쉘은 4x1016cm- 3 의 도핑 밀도와 50nm의 두께를 가지고, GaAs 코어는 4x1019cm- 3 의 도핑 밀도와 400nm의 직경을 가진다.
컨포멀 TCO 컨택을 가진 태양전지를 위한 에너지 밴드 다이어그램이 2101에 도시되어 있다. 선 2110은 레이디얼 p-n 접합의 프로파일을 따라 컨덕션 밴드 Ec를 나타내고, 선 2113은 레이디얼 p-n 접합의 프로파일을 따라 밸런스 밴드 Ev를 나타낸다. 의사 페르미 레벨 에너지 스플리팅은 전자에 대한 의사 페르마 레벨 에너지(EF -e)를 나타내는 선 2111과 홀들에 대한 의사 페르미 레벨 에너지(EF -h)를 나타내는 선 2112를 가진 그래프 2101에 나타내진다. 유사하게, 그래프 2102에서, 선 2120, 2121, 2122 그리고 2133은 각각 평면형 TCO 컨택을 가진 태양전지를 위한 Ec, EFe, EF -h 및 Ev를 보여준다.
그래프 2101과 2103에서 도시된 대로, GaAs/Al0 .2Ga0 .8As 계면에서 전도 에너지 장벽은 평면형 TCO 컨택을 가지고 상당히 더 높아지고, 컨포멀 TCO 컨택(2101)에서의 밴드 벤딩은 평면형 TCO 컨택(2102)를 가지고 상승된다. 나아가, 평면형 TCO 컨택을 가지고 쉘에서의 전자 의사-페르미-레벨 에너지는 상당히 더 높아지고 쉘에서의 홀 의사-페르미-준위 에너지의 딥(dip)은 아주 작다. 이런 특성들은 컨포멀 TCO 컨택을 가진 것들에 비해 평면형 TCO 컨택을 가진 태양 전지에서의 더 효과적인 캐리어 전송을 제시한다.
도 22는 어떻게 캐리어 밀도들이 컨포멀 TCO 컨택(그래프 2201)과 평면 TCO 컨택(그래프 2202)을 가진 태양전지들에 있어서 레이디얼 p-n 접합의 프로파일을 가로질러 변하는지를 나타낸다. 도 22에서 시뮬레이트된 나노와이어의 특성들은 도 21에 시뮬레이트된 나노와이어에서의 그것들과 같다. 선 2210과 2220은 각각 컨포멀과 평면형의 TCO 컨택을 가진 태양 전지들에 대한 프로파일을 가로질러 홀 밀도들을 나타내고, 선 2211과 2221은 각각 컨포멀과 평면형 TCO 컨택을 가진 태양 전지에 대한 프로파일을 가로질러 전자 밀도들을 나타낸다.
그래프 2201과 2202는 쉘에서의 홀 밀도들과 코어에서의 전자 밀도들이 컨포멀 TCO 컨택보다 평면형 TCO 컨택을 가진 경우 훨씬 더 높다는 것을 보여준다. 평면형 TCO 컨택을 가진 태양 전지에서의 GaAs/Al0 .2Ga0 .8As 계면에서의 더 높은 전도대 에너지 장벽은 코어에서의 전자 밀도를 증가시키고, 코어에서의 더 높은 재결합 비율을 가져오고 더 높은 포톤 리사이클링 효율을 발생시킨다.
도 23은 도 21과 도 22에서 시뮬레이트된 태양전지들과 동일한 특성들을 가지고 있는 컨포멀 및 평면형 TCO 컨택을 가지고 있는 태양 전지 프로파일을 따라 재결합 비율을 보여준다. 구체적으로 그래프 2301은 컨포멀(선 2311) 및 평면형(선 2310) TCO 컨택을 가지고 있는 태양전지에 있어서의 오거 재결합 비율을 나타내고, 인셋(inset) 2315는 -0.2㎛와 0㎛ 사이의 x-축 상의 값들에 대한 그래프 2301의 확대된 모습을 제공한다. 유사하게, 그래프 2302는 컨포멀(선 2321) 및 평면형(선 2320)의 TCO 컨택을 가지고 있는 태양 전지들의 방사 재결합 비율을 보여주는데, 그래프 2303은 컨포멀(2331) 및 평면형(선 2330) TCO 컨택을 가지고 있는 태양 전지들을 위한 쇼클리-리드-홀 재결합 비율을 보여주고, 인셋 2325과 2335 또한 제공된다.
그래프 2301, 2302 및 2303 각각에서, 캐리어 재결합 비율은 평면형 TCO 컨택을 가진 태양전지들에서 상당히 더 높은 것으로 보여질 수 있다.
코어에서의 더 높은 방사성 재결합은 평면형 TCO 컨택을 가진 태양전지에서의 코어로부터 재발산되는 포톤들의 흡수를 통한 쉘 내의 더 높은 홀 밀도로 이어지고 전자 전류에도 기여한다. 순차적으로 쉘에서의 더 높은 홀 밀도는 쉘에서의 더 높은 캐리어 재결합으로 이어지고, 그것에 의해 더 높은 방사성의 재결합 비율은 포톤 리사이클링을 늘린다.
(코어 및 쉘 모두에서) 더 높은 방사성의 그리고 (코어에서) 오거 재결합 비율의 결과로서, 코어에서의 전자 의사-페르마-레벨 에너지는 증가하고 평면형 TCO 컨택을 가진 태양 전지에서 더 높은 개방-회로 전압으로 이어진다.
비록 평면형 TCO 컨택을 가진 태양전지 내의 GaAs/Al0 .2Ga0 .8As 계면에 상당히 더 높은 컨덕션 밴드 에너지 장벽이 있기는 하지만, 2㎛보다 긴 나노와이어를 위한 효과적인 전류 밀도는 코어로부터 나온 재발산된 포톤들의 흡수의 결과로서 쉘 내의 더 나은 포톤 리사이클링 때문에, 컨포멀 측벽 TCO 컨택을 가진 태양전지들보다 여전히 더 높다. 이것은 비록 평면형 TCO 컨택을 가진 태양전지 내의 쉘 안의 캐리어 재결합 비율이 컨포멀 측벽 TCO 컨택을 가진 태양전지보다 높지만, 평면형 TCO 컨택을 가진 태양전지들의 캐리어 수집과 포톤 리사이클링 효율들은 컨포멀 측벽 TCO 컨택을 가진 태양전지들의 그것보다 더 높다.
이런 나노와이어들을 활용하는 광전 소자의 태양 전지 효율은 빛의 포집/ 집중/ 제한 효과들을 향상시키기 위해 나노와이어들의 패킹 비율을 최적화 함으로써 그리고 반사방지 코팅을 적용함으로써 반사를 줄임으로써 더 높은 태양 에너지 전환 효율에 도달할 수 있다.
배열된 나노와이어들의 패킹 비율을 최적화하기 위해, 추가의 시뮬레이션이 수행되었다. 도 24는 어떻게 나노와이어 어레이에서의 나노와이어들의 패킹 퍼센트가 태양 효율에 영향을 주는지를 보여준다. 도 24에 보여진 시뮬레이션에서, Si3N4(광학적 반사 손실을 최소화하기 위해 ZnO와 같은 TCO와 매칭되는 열 분산 능력과 굴절률 때문에 선택된)에 임베디드된 평면형 TCO 컨택을 가진 그리고 뒤에 나타내진 최적화된 특성들을 가진 헥사고날 나노와이어가 사용되었다. 나노와이어 패킹 퍼센트의 함수로서 빛 포집의 정도와 태양전지 특성들을 조사하기 위해 나노와이어 어레이에서의 피치 길이가 시뮬레이션들에서 변화된다.
도 24의 그래프는 태양전지 효율(2410)은 패킹 퍼센트와 함께 연속적으로 증가한다는 것을 보여준다. 그래프는 또한 어떻게 근접한 나노와이어들 사이의 면대면 간격(2420)이 패킹 퍼센트와 함께 변하는지를 보여준다. 제공된 예시 시뮬레이션에서 근접한 나노와이어들 사이의 면대면 간격이 약 160nm-174nm일 때, 태양광은 나노와이어 어레이에 강하게 가두어지고 최적의 태양 효율이 성취된다.
174nm 이하의 면대면 간격을 줄이는 것은 태양에너지 효율성이 포화되고 증가된 회절 손실의 결과로서 감소해서, 태양광이 나노와이어들 사이의 공간으로 들어가는 것을 막는다. 예시 시뮬레이션에서, 피치 길이가 너무 작아서 어떤 태양광도 나노와이어들 사이의 공간에 들어오게 할 수 없을 때, 태양 효율성은 38% 아래로 떨어진다.
심지어 8%와 같이 낮은 패킹 퍼센트에서도, 10%의 태양 전지 효율성을 가져오고, 그것은 코어-쉘 나노와이어 어레이들의 현재 보고된 태양 전지 효율에 비교할만 하다. 따라서, 패킹 퍼센트들은 8%보다 큰 것이 더 바람직하다. 패킹 퍼센트들은 20%보다 높은 것이 더 바람직하고, 증가된 회절 손실로 인해 태양 효율성이 하락하기 시작하는 시점에 가까우면 더욱 바람직하고, 이 예시에서는 53.9%이다.
도 24의 시뮬레이션은 25° 천정각과 0° 방위각에서의 AM1.5G 태양광을 위한 입사각을 가지고 수행된다. 천정각(2431)은 나노와이어(2430)와 수직의 z-축과 상대적인 각으로서 취해진다. 방위각(2432)는 입사 태양광과 헥사고날 나노와이어(2430)의 측면의 수직선 사이의 수평의 각으로 취해진다.
다른 예에서, 평면형 TCO 컨택, 7x1016cm-3의 p형 도핑을 가진 400nm 직경 GaAs 코어 및 1016cm- 3 의 n형 도핑 밀도를 가진 Al0 .2Ga0 .8As 쉘을 가진 6㎛ 길이의 나노와이어 상에 60°천정각과 0°방위각에서 AM1.5G 태양광에 대한 입사각을 가지고 시뮬레이션들이 수행된다. 이 예에서, 태양전지 효율은 증가하는 나노와이어 패킹 퍼센트와 함께 증가하지만, 회절 손실의 결과로서 나노와이어들 사이의 공간이 점점 커지는 회절 한계 상황 이하로 떨어질 때 크게 감소한다. 나노와이어들이 160nm 떨어지게 공간이 주어지고 패킹 퍼센트가 약 57.2%일 때, 33.4%의 피크 태양 전지 효율이 달성된다. 공간이 160nm보다 작을 때, 태양 전지 효율은 상당히 떨어진다.(150nm의 공간에서 23.9% 태양 효율까지)
나노와이어 어레이 태양 전지 상에 태양광의 입사각은 태양관의 포집에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 도 25는 53.9%의 패킹 퍼센트 및 0°의 방위각를 갖는 최적화된 나노와이어 어레이에서, 어떻게 태양광의 천정각이 단락 전류 밀도(2510), 태양 전지 효율(2520), 개방회로 전압(2530) 및 필 팩터(2540)에 영향을 미치는지 도시한다. 그래프는 높은 태양전지 효율을 얻기 위하여 천정각은 15°와 65° 이내가 되어야 한다는 것을 나타낸다. 15° 아래 및 75°위의 입사각에 대하여, 태양전지 효율은 각각 0°및 89°에서 급격히 떨어진다. 이는 15°에서 65°입사각 범위에 대하여 71 mA/cm2에서 80 mA/cm2 사이로부터 및 0° 및 89° 각각의 입사각에 대한 24.3 mA/cm2 및 10.1 mA/cm2 로 단락 전류 밀도를 감소시키는 더 높은 반사 손실의 결과이다. 개방회로 전압 및 필 팩터는 0° 및 89°사이의 입사각 범위를 통하여 상대적으로 일정하게 남아 있다.
나노와이어가 헥사고날 형상이기 때문에, 입사 태양광의 방위각은 나노와이어 태양 전지의 특성에 또한 영향을 미칠 것이다. 도 26은 53.9%의 패킹 퍼센트 및 25°의 천정각을 갖는 최적화된 나노와이어에서, 어떻게 태양광의 방위각이 단락 전류 밀도(2610), 태양전지 효율(2620), 개방회로 전압(2630) 및 필 팩터(2640)에 영향을 미치는지를 나타낸다.
태양이 헥사고날 나노와이어의 측면의 수직과 비슷할 때 0°의 방위각에서 단락 전류 밀도가 약 79.6 mA/cm2의 최대값으로 보여진다.전류 밀도는 60°에서 다른 최대값으로 증가하기 전에, 태양이 2개의 헥사고날 와이어들의 반대쪽 코너와 유사한 곳에서 방위각이 30°로 증가함에 따라 약 64.5 mA/cm2의 최저치로 점진적으로 떨어지는 것으로 보여진다. 방위각을 갖는 단락 회로 밀도에서의 이러한 변화의 결과로, 태양 전지 효율 또한 떨어지고 증가한다. 개방회로 전압 및 필 팩터는 방위각의 범위를 걸쳐 상대적으로 일정하게 남아 있다.
도 25 및 도 26에 도시된 시뮬레이션들은 최적화된 나노와이어 어레이 태양 전지가 넓은 천정각 범위에 걸쳐 및 전체 방위각에 걸쳐 높은 태양 전지 효율을 나타낸다는 것을 나타낸다.
다른 예에서, 천정각 및 방위각의 변화의 효과를 결정하기 위하여 평면형 TCO 컨택을 갖는 나노와이어에서 시뮬레이션이 수행되었다. 평면형 TCO 컨택을 갖는 태양전지에 대하여, 0°에서 10°까지의 천정각 범위에 걸쳐 광이 측면으로부터 나노와이어 상에 집중됨에 따라 단락 전류 밀도가 급격히 증가하였다. 10°에서 75°까지의 천정각의 범위에 걸쳐 단락 전류 밀도는 포화되고 평면형 TCO 컨택의 표면에서의 광학적 반사 손실, 광학적 반사 손실이 증가하는 결과에 따라 점진적으로 다른 양상으로 점진적으로 감소하고, 이는 광학적 반사 손실 및 나노와이어 측면에서의 조사 길이의 감소에 상응한다. 75° 이상의 천정각에 대하여 단락 전류 밀도는 평면형 TCO 컨택의 표면에서의 높은 광학적 반사 손실의 증가 및 나노와이어 측면의 짧은 조사 길이에 기인하여 급격히 감소한다.
개방회로 전압은 0°로부터 10°까지와 75°로부터 89°까지의 천정각에 대하여 약간 상향되어 근본적으로 일정하게 머무른다. 개방회로 전압의 약간의 변화는 수집되지 않은 캐리어들에 작은 변화에 기인하고, 이에 의해 빌티인 전동력을 미미하게 변화시킨다. 유사하게, 필 팩터 역시 0°로부터 10°까지 그리고 75°로부터 89°까지 범위의 천정각에 대하여 약간 증가하여 근본적으로 일정하게 머루른다.
도 25에 도시된 태양 전지 효율은 조사된 웨이퍼 표면에 기초하고, 태양전지 효율에 대한 더 나은 계산은 실제 흡수 영역에 기초하는 것일 것이다. 흡수-기반의 태양전지 효율은 1° 내지 30°의 천정각을 걸쳐 각각 2.5%에서 28.5%로 상당히 증가하며, 더 적은 태양이 나노와이어 측면에서 반사되기 때문에 이에 의해 나노와이어에 흡수되는 태양광의 양이 증가한다.
35°로부터 70°까지의 천정각에 대하여, 공기/셀 계면에서 광학적 반사 손실이 감소될 때 29.6% 및 31.8% 사이에서 흡수-기반의 태양 효율이 포화된다. 70°의 천정각을 넘어서면 공기/셀 계면에서의 현저히 큰 광학적 반사 손실에 기인하여 흡수 기반의 태양 효율이 급격히 감소한다. 그러므로, 174nm 정도의 나노와이어 간격을 갖지며 천정각 및 방위각이 각각 60° 및 0°인 이 예에서 흡수-기반의 최대 효율은 31.8%이다.
앞선 예와 비슷하게, 입사광의 방위각은 개방회로 전압 및 필 택터에 미미한 영향을 미치고, 각각 0.93V 및 0.73에서 거의 변화되지 않고 남아 있다. 단락 전류 밀도는 58.8mA/cm2의 최대값으로부터 30°에서 45mA/cm2의 최소값으로 점진적으로 감소된다. 그러므로, 방위각이 변화함에 따라 26%와 31.8% 사이에서 흡수-기반의 태양 효율이 떨어지고 증가한다.
하나의 예에서, 평면형 TCO 컨택을 가지고 다음의 변수들을 갖는 나노와이어 어레이를 갖는 나노와이어 구조에 대하여 33.4%의 태양전지 효율이 달성된다: 7x1016cm-3 농도를 갖는 400nm 직경의 p형 GaAs 코어, 1016cm-3의 도핑 밀도를 갖는 코어를 둘러싸는 50nm 두께의 n형 Al0 .2Ga0 .8As, 6㎛ 나노와이어 길이, 160nm의 면대면 간격, 57.2%의 패킹 퍼센트, 입사광의 0°방위각 및 입사광의 60°천정각. 이 태양전지 효율은, 단일 접합 평면형 박막 GaAs 태양 전지들의 가장 높은 전류로 달성되는 28~29%의 태양전지를 능가하는 것으로 , 단위 p-n 접합 GaAs 태양 전지들에 대하여 높고, 10% 미만의 효율을 갖는 전류 레이디어 p-n 접합 태양전지의 효율을 실질적으로 뛰어넘는다.
상기 변수들의 조합이 최적의 태양전지 효율로 이어지는 동안, 나타낸 개별 변수 범위들 각각은 태양전지 효율에서 그들 고유의 향상으로 이어진다. 정의된 서로 다른 변수들은 레이디얼 p-n 접합 태양 전지의 태양 전지 효율 향상을 위하여 함께 또는 분리되어 사용될 수 있다.
컴퓨터적인 시뮬레이션 방법들이 p-n 접합들의 특징을 결정하기 위해 존재하고, 복수의 놀랍고 유용한 결과들을 가져오는 시뮬레이션을 설계할 때 신규하고 진보적인 고려가 되어 왔다. 제안된 솔루션의 변수들을 정확하게 계산하기 위한 컴퓨터적 요구는 크고, 따라서 능숙한 사람들은 예를 들어, 어떤 예측들이 적절한지, 물리적 효과들이 모델에 포함되어야만 하는지, 사용하는 모델 시스템이 무엇인지 그리고 사용에 무엇이 얽혀있는지와 같은 구체적 선택을 하여야만 한다. 이러한 시스템들을 모델링하기 위한 이전의 시도들은 일정하지 않고 정확하지 않은 결과를 가져와서 주어진 큰 변수 공간에 대하여 잘못된 물림(mesh)과 같은 적절하지 못한 선택으로 주어졌다. 반도체 소자 물리 및 컴퓨터적 모델링에 광범위한 분야를 넘어, 제시된 솔루션의 일정하고 놀라운 결과가 발견되어진 평면형 박막 태양전지에서의 알려진 설계 경향과 결부된 예상들과 편견들을 극복하는 것은 단지 고려할만한 지식이다.
본 발명은 실시예들에 제시된 선택적 특징의 조합의 치환을 포함하는 것으로 이해되어야한다. 특히, 첨부된 종속항들에 규정된 특성을 제공할 수 있는 임의의 기타 관련 독립항와 함께 개시되는 것으로 이해되어야하고, 본 발명은 이들이 원칙적으로 의존하는 독립 청구항과 함께 이러한 종속적인 특성의 조합에 한정되지 않는다.

Claims (25)

  1. 기판에 고정된 적어도 하나의 나노와이어 구조를 포함하는 광전 소자로서,
    상기 적어도 하나의 나노와이어 구조 각각은:
    상기 기판에 고정된 근위단부(proximal end) 및 상기 기판으로부터 연장된 원위단부(distal end)를 갖는 고농도로 도핑된(heavily doped) p형 코어; 및
    레이디얼 p-n 접합을 형성하기 위해 상기 p형 코어를 둘러싸는 저농도로 도핑된 n형 쉘을 포함하고,
    상기 p형 코어는 GaAs로 형성되고, 상기 n형 쉘은 AlxGa1-xAs로 형성되되 x가 0.2 이하의 값을 가지며,
    상기 n형 쉘의 도핑 밀도가 1017 cm-3 미만인, 광전 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p형 코어의 도핑 밀도는 1018 cm-3 초과인, 광전 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 p형 코어의 도핑 밀도는 1016 cm-3 이상이고, 1018 cm-3 미만인, 광전 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 n형 쉘의 도핑 밀도는 1016 cm-3 인, 광전 소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 n형 쉘은 20nm 에서 50nm 사이의 두께를 갖는, 광전 소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 p형 코어의 직경은 300nm 초과인, 광전 소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나노와이어의 길이는 5㎛와 7㎛ 사이인, 광전 소자.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘을 포함하는, 광전 소자.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판은 그라파이트화 층(graphitic layer)을 포함하는, 광전 소자.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나노와이어의 원위단부는 반사방지 코팅을 포함하는, 광전 소자.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 나노와이어 구조 각각은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 코팅된, 광전 소자.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 나노와이어 구조 상에 평면형 TCO 컨택(planar TCO contact)을 더 포함하는, 광전 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 p형 코어는 300nm 초과의 반경을 가지며, 1018 cm-3 초과의 도핑 밀도를 갖는 GaAs로 형성되고, 상기 n형 쉘은 50nm 미만의 두께를 가지고, 1017 cm-3 미만의 도핑 밀도를 갖는 Al0.2Ga0.8As로 형성되고, 상기 나노와이어 구조는 5㎛ 초과의 길이를 갖는, 광전 소자.
  14. 기판 상에 성장된 적어도 하나의 나노와이어를 포함하는 광전 소자를 제조하는 방법으로서,
    상기 기판에 고정된 근위단부 및 상기 기판으로부터 연장된 원위단부를 갖는 고농도로 도핑된 p형 코어와, 상기 p형 코어를 둘러싸는 n형 쉘을 포함하는 나노와이어를 성장시키는 것을 포함하여, 제조된 광전 소자가 제1항 또는 제2항에 따른 광전 소자인, 방법.
  15. 제1항 또는 제2항의 광전 소자를 복수개 포함하는 태양 전지로서, 상기 복수개의 광전 소자가 8% 초과의 패킹 퍼센트를 갖는 어레이로 배열된, 태양 전지.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 나노와이어 구조들 상에 있는 평면형 TCO 컨택을 추가로 포함하고, 상기 평면형 TCO 컨택과 상기 적어도 하나의 나노와이어 구조 사이에 절연 고분자가 배치되는, 광전 소자.
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