KR100983232B1 - 3차원 멀티-졍션 광전지 소자 - Google Patents
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Abstract
광전지 소자가 제공된다. 광전지 소자는 제 1 에너지 흡수 표면 및 제 1 에너지 흡수 표면과 비평행 방식으로 배향된 제 2 에너지 흡수 표면을 포함한다. 광전지 소자는 제 1 에너지 흡수 표면 및 제 2 에너지 흡수 표면과 실질적으로 수직인 제 3 에너지 흡수 표면을 포함한다. 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 각각은 광자들로부터의 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성된다. 광자들은 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 중 하나 이상의 에너지 흡수 표면에 충돌할 수 있다. 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면은 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 중 2개 이상의 에너지 흡수 표면 사이에서 광자들이 바운딩되게 하는 방식으로 배향된다.
Description
본 출원은 미국적 기업으로 미국을 제외한 모든 지정국에 대한 출원인인 조지아 테크 리서치 코페레이션 및 미국 지정국에 대해서만 출원인인 미국 국적의 레디, 윌리엄 주드손의 이름으로 PCT 국제 특허 출원으로 2006년 2월 28일자로 출원되었으며, 2005년 3월 1일자로 출원된 미국 가출원 번호 60/657,486호 및 2005년 3월 18일자로 출원된 미국 가출원 번호 60/663,389호의 우선권을 청구하며, 상기 문헌들은 본 명세서에서 참조된다.
광전 태양 전지들은 태양의 무제한 에너지를 탭핑한다. 이러한 무제한 에너지 소스 탭핑(tapping)은 세계적인 다수의 에너지 문제에 대한 해결책이 될 수 있다. 예를 들어, 광전지는 광으로부터의 에너지를 흡수하고 흡수된 에너지를 전류로 변환시킨다. 도 1에 도시된 것처럼, 종래의(예를 들어, 평면형) 단일-졍션 태양 전지(100)에서, 태양(110)으로부터의 광자(105)는 단일 인스턴스(single instance)로 p/n-졍션(115)을 충돌한다. 이러한 충돌은 p/n-졍션(115)에 하나의 전자-정공 쌍을 생성한다. 그러나 도 1에 도시된 것처럼, 흡수되지 않은 광자(120)가 대기 또는 공간으로 반사된다.
종래의 단일 태양 전지는 통상적으로 직경이 약 6 인치인 작은 웨이퍼이다. 이러한 태양 전지는 먼저 모듈 및 큰 광전지 어레이로 배열되어 특정한 전력 조건을 충족시킬 수 있도록 12 제곱미터를 커버할 수 있다.
따라서, 종래의 전술은 단일 충돌 인스턴스로 태양 전지를 충돌하는 광자들로부터 에너지를 흡수하는 것이다. 다음 이러한 단일 충돌로부터의 에너지는 태양 전지에 의해 전류로 변환된다. 이는 종래의 전술은 입수가능한 소량의 에너지만을 흡수하기 때문에 때로 문제를 야기시킨다. 예를 들어, 종래의 전술은 대기 또는 공간으로 흡수되지 않은 에너지를 반사시킨다.
3차원 멀티-졍션 광전지 소자가 제공된다. 본 설명은 하기 실시예에서 보다 상세히 개시되는 간단한 형태의 개념 설명을 제공하기 위한 것이다. 본 설명은 청구 대상의 실질적 특성 또는 주요 특성을 확인하고자 하는 것은 아니다. 본 설명은 청구 대상의 범주를 제한하기 위해 사용되는 것도 아니다.
일 실시예에 따라, 광전지 소자는 제 1 에너지 흡수 부재를 포함할 수 있으며, 제 1 에너지 흡수 부재는 제 1 에너지 흡수 부재에 충돌하는 광자로부터의 에너지를 제 1 전류로 변환시키도록 구성된다. 또한, 광전지 소자는 비평행 방식으로 제 1 에너지 흡수 부재에 따라 배향되는 제 2 에너지 흡수 부재를 포함할 수 있다. 제 2 에너지 흡수 부재는 제 2 에너지 흡수 부재에 충돌하는 광자로부터의 에너지를 제 2 전류로 변환시키도록 구성된다. 제 2 에너지 흡수 부재에 대한 광자 충돌은 광자가 제 1 에너지 흡수 부재에 충돌된 이후도 충돌될 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 광전지 소자는 제 1 에너지 흡수 표면 및 실질적으로 제 1 에너지 흡수 표면과 평행한 제 2 에너지 흡수 표면을 포함할 수 있다. 또한 광전지 소자는 제 1 에너지 흡수 표면 및 제 2 에너지 흡수 표면과 실질적으로 수직인 제 3 에너지 흡수 표면을 포함할 수 있다. 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 각각은 광자들로부터의 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성될 수 있다. 광자들은 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 중 하나 이상의 에너지 흡수 표면을 충돌할 수 있다. 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면은 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 중 2개 이상의 에너지 흡수 표면 사이에서 광자들이 바운딩되게 하는 방식으로 배향될 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 광전지 소자를 제공하는 방법은 제 3 에너지 흡수 표면을 포함하는 기판을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 방법은 기판상에 제 1 탄소 나노튜브를 제공하는 단계 및 기판상에 제 2 탄소 나노튜브를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 제 1 탄소 나노튜브를 제 1 에너지 흡수 표면으로 코팅하는 단계 및 제 2 탄소 나노튜브를 제 2 에너지 흡수 표면으로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 각각은 광자들로부터의 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성된다. 광자들은 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 중 하나 이상의 에너지 흡수 표면을 충돌할 수 있다. 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면은 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 중 2개 이상의 에너지 흡수 표면 사이에서 광자들이 바운딩되게 하는 방식으로 배향될 수 있다.
지금까지의 설명 및 하기 설명은 일례를 제공하며 이는 단지 예시적인 것이다. 따라서, 지금까지의 설명 및 하기 설명은 제한되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 것 이외의 특성 또는 변형이 제공될 수 있다. 예를 들어, 실시예들은 상세한 설명의 다양한 특성 조합 및 하위-조합을 설명할 수 있다.
본 명세서의 일부를 구성하도록 개시된 첨부되는 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 나타낸다.
도 1은 광전지 소자의 블록도.
도 2는 3차원 광전지 소자의 블록도.
도 3은 리소그래피방식으로 패터닝된 웨이퍼 상에 성장된 3차원적으로 배열된 탄소 나노튜브(CNT) 타워의 어레이를 나타내는 도면.
도 4는 3차원 멀티-졍션 광전지 소자를 나타내는 도면.
도 5는 3차원 멀티-졍션 광전지 소자를 나타내는 도면.
도 6은 광 흡수를 나타내는 그래프.
도 7은 광 흡수를 나타내는 또 다른 그래프.
하기 설명은 첨부되는 도면을 참조로 한다. 가능한 도면 및 하기 설명에서는 동일한 또는 유사한 부재를 인용할 때 동일한 참조 부호를 사용했다. 본 발명의 실시예들이 개시되지만, 변형, 변조, 개조 및 다른 구현예도 가능하다. 예를 들어, 도면에 도시된 부재들에 대한 치환, 부가 또는 변형이 가능하며 본 명세서에 개시된 방법들은 개시된 방법들에 대해 치환, 순서재배열, 또는 부가 단계들에 의해 변형될 수 있다. 따라서, 하기 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신, 본 발명에 적합한 범주는 첨부되는 청구항들에 의해 제한된다.
광전 태양 전지들은 태양의 무제한 에너지를 탭핑한다. 이러한 무제한 에너지 소스의 탭핑은 세계적인 다수의 에너지 문제에 대한 해결책이 될 수 있다. 예를 들어, 광전지는 광으로부터의 에너지를 흡수하고 흡수된 에너지를 전류로 변환시킨다. 본 발명의 실시예를 구성하는 멀티-졍션 광전지 소자는 50%를 초과하는 효율을 논증하는 탄소 나노튜브(CNT) 기반 광전지를 포함할 수 있다. 앞서 언급된 광전지는 예를 들어 광전지 표면의 나노구조 토포그래피로 인해 작은 "풋프린트(footprint)"를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예를 구성하는 광전지 소자는 경량으로, 론치 매스(launch mass)가 비용을 발생시키는 주요 원인인 스페이스 애플리케이션(space application)에 대해 매우 유용할 수 있다.
본 발명을 구성하는 실시예는 3차원 광전지 소자를 포함할 수 있다. 광전지 소자는 제 1 에너지 흡수 부재를 포함하며, 상기 제 1 에너지 흡수 부재는 제 1 에너지 흡수 부재를 충돌하는 광자로부터의 에너지를 제 1 전류로 변환시키도록 구성된다. 또한, 광전지 소자는 제 1 에너지 흡수 부재에 따라 비평행 방식으로 배향되는 제 2 에너지 흡수 부재를 포함할 수 있다. 제 2 에너지 흡수 부재는 제 2 에너지 흡수 부재를 충돌하는 광자로부터의 에너지를 제 2 전류로 변환시키도록 구성될 수 있다. 제 2 에너지 흡수 부재에 대한 광자 충돌은 제 1 에너지 흡수 부재에 광자가 충돌된 이후 이루어질 수 있다.
본 발명을 구성하는 다른 실시예는 광전지 소자를 포함할 수 있다. 상기 소자는 제 1 에너지 흡수 표면 및 제 1 에너지 흡수 표면과 실질적으로 평행한 제 2 에너지 흡수 표면을 포함할 수 있다. 광전지 소자는 제 1 에너지 흡수 표면 및 제 2 에너지 흡수 표면과 실질적으로 수직인 제 3 에너지 흡수 표면을 포함할 수 있다. 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 각각은 광자들로부터의 에너지를 전기적 에너지로 변환시키도록 구성될 수 있다. 광자들은 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 중 하나 이상의 에너지 흡수 표면을 충돌할 수 있다. 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면은 제 1 에너지 흡수 표면, 제 2 에너지 흡수 표면, 및 제 3 에너지 흡수 표면 중 2개 이상의 에너지 흡수 표면 사이에서 광자들이 바운딩되게 하는 방식으로 배향될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예를 구성하는 광전지 소자(200)의 블록도이다. 도 2에 도시된 것처럼, 촉매 금속 사이트(205)(예를 들어, Fe)는 산화된 층(215)을 가지는 실리콘 기판(210)에 증착될 수 있다. 예를 들어 백만개의 CNT로 이루어진 CNT 타워(220)는 촉매 금속 사이트(205) 상부에서 성장된다. CNT 타워(220)는 광전지 소자(200)에 대한 후방 콘택으로 작용할 수 있다. 다른 말로, CNT 타워(220)는 광전지 소자(200)에 의해 생성된 전류에 대한 전기적 도체로서 작용할 수 있다. 제 1 광활성 물질(225)과 제 2 광활성 물질(230)의 순차적 증착은 예를 들어, p/n- 졍션을 형성할 수 있다. p/n-졍션은 에너지 흡수 부재를 충돌하는 광자로부터의 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성된 에너지 흡수 부재 또는 층을 포함할 수 있다. 투명한 전도성 산화물(TCO)(235)은 광전지 소자(200)에 대한 상부 콘택으로 작용할 수 있다. 광전지 소자(200)는 로드(240)에 전기 에너지를 공급할 수 있다. 하기에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라, 에너지 흡수층은 예를 들어, 카드뮴 텔루라이드(CdTe/CdS)를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예들은 CdTe로 제한되는 것은 아니며 다른 물질이 사용될 수 있다. 종래의 시스템(예를 들어, 단일-졍션 태양 전지(100))에서, 광자는 단일 인스턴스로 p/n-졍션을 충돌하며 한 쌍의 전자-정공을 생성한다. 다음, 임의의 흡수되지 않은 광자는 대기 또는 공간으로 반사된다. 그러나 본 발명의 실시예에 따라, 다수의 광자가 광전지 소자(200)에 충돌하여 보다 많은 광자 에너지의 흡수가 허용되며 "광 포획(light trapping)" 효과를 이용하여 변환 효율을 개선시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 리소그래피방식으로 패터닝된 실리콘(Si) 웨이퍼(310) 상에 성장된 3차원으로 배열된 CNT 타워(305)의 어레이(300)를 나타내는 도면이다. 도전성 CNT 어레이(300)는 예를 들어, p/n-졍션을 형성하기 위해 적절한 광자 흡수 밴드 갭 물질(예를 들어, CdTe/CdS)로 코팅될 수 있다. 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 전도성 산화물이 광자 흡수 밴드 갭 물질 위에 투명한 상부 콘택으로서 증착될 수 있다. 도 3은 정사각형의 CNT 타워(305)를 나타내지만, 본 발명이 실시예는 상기 형상으로 제한되지 않으며, 임의의 다른 형상을 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 또 다른 3차원으로 배열된 어레이(미도시)는 3차원으로 배열된 어레이(300)의 릴리프(relief)를 포함할 수 있다. CNT는 예를 들어, 도 3에 성장된 위치에 성장되기보다, 도 3에 도시된 타워들 사이에 도시된 공간에 성장될 수 있다. 3차원으로 배열된 어레이(300)의 릴리프는 하기 도 5를 참조로 개시되는 멀티-졍션 광전지 소자(500)와 유사할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 나노스케일 토포그래피 방식으로 인해, CNT-기반 광전지 소자는 종래의 태양 전지와 비교할 때 등가의 풋프린트에 대해 보다 큰 크기의 표면적으로 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 3의 기판 지지 어레이(300)의 각각의 제곱 센티미터에 대해 40,000 스퀘어 CNT 타워가 있을 수 있다. CNT 타워가 약 300㎛ 높이로 기판상에서 성장될(예를 들어, 약 15분의 CNT 성장 시간) 경우, p/n-졍션 표면적은 예를 들어 약 20cm2이 된다. 다른 말로, 본 발명의 실시예에 따라, 전자-정공 쌍을 생성하는 표면적에서 2,000%의 증가(1m2=10,000cm2)는 "풋프린트"에서의 실제 증가 없이 구현될 수 있다. 표면적의 일부만이 입사 광자에 대해 이용될 수 있지만, 일반 반사가 일어나면, 예를 들어, 타워의 "후방" p/n-졍션은 앞서 개시된 것처럼 다수의 광자 충돌(즉, "광 포획")이 가능하게 이용될 수 있다.
평면형(즉, 1차원) 태양 전지에 대해, 태양으로부터의 광자가 수직으로 p/n-졍션에 충돌할 때 성능을 최대화될 수 있다. 법선을 벗어난 각도에서, 코사인(cosine)이란 용어는 p/n-졍션에 대한 최적의 광자 입사 각도 보다 작은 것으로 간주되어 이용될 수 있다. 일부 시스템은 태양 전지 표면에 대한 태양 광의 직교 배열을 유지하기 위해 복잡한 기계적 시스템을 이용한다. 본 발명의 실시예에 따라, CNT-기반 구조물은 이러한 종래의 개념들을 따르지 않을 수 있다. 예를 들어, 직교 배열은 광자 바운딩 양을 최소화시키고 광 포획을 감소시킬 수 있다. 스침각(glancing angle)에서 오프-축 광자 충돌은 광자가 p/n-졍션에 대한 다수의 바운딩을 경험하게 할 수 있다. 결과적으로, 흡수 가능성이 증가되어, 변환 효율이 증가될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 멀티-졍션 광전지 소자(400)를 나타내는 도면이다. 예를 들어, 멀티-졍션 소자는 하부 셀(405)로서 역할을 하는 평면형 소자 및 상부 셀로서의 역할을 하는 p/n-코팅 CNT 어레이(410)를 포함할 수 있다. CNT 어레이(410)에서의 CNT 타워는 하부 셀(405)과 CNT 어레이(410) 사이에서 공통 단자로서의 역할을 한다. 멀티-졍션 광전지 소자(400)는 "광-포획" 효과를 강화시키며, 이는 하부 셀이 CNT 어레이(410)로부터의 임의의 "바운딩된" 광자를 흡수하는 큰 가능성을 갖기 때문이다. 또한 종래의 시스템에서 불투명한 버스-바로 커버되는 태양 전지의 일부(예를 들어, 평면 면적의 약 8%)는 광활성적으로 예를 들어, 증가된 p/n-졍션 표면적을 통해 전력 발생을 증가시킬 수 있다.
도 5는 3차원 멀티-졍션 광전지 소자(500)를 나타내는 도면이다. 3차원 멀티-졍션 광전지 소자(500)는 도 2에 도시된 광전지 소자(200)와 유사하다. 그러나 도 5에 도시된 것처럼, Si층(210)은 CNT 타워(220) 사이에서 바운딩되는 광자가 충돌하도록 노출된다. 다른 말로, 광자는 전기 에너지를 생성하기 위한 CNT 타 워(220) 상의 제 1 에너지 흡수 표면(예를 들어, 제 1 졍션)과 전기 에너지를 생성하기 위한 Si층(210) 상의 제 2 에너지 흡수 표면(예를 들어, 제 2 졍션)을 충돌할 수 있다. 예를 들어, 광자는 한 쌍의 전자-정공을 생성하기 위해 하나의 CNT 타워(220) 상에 단일 인스턴스로 p/n-졍션을 충돌할 수 있다. 다음, 임의의 흡수되지 않은 광자는 반사되어 결국은 Si층(210)을 충돌할 수 있다. Si층(210) 및 CNT 타워(220)는 상이한 밴드 갭 값을 가질 수 있다. 예를 들어, CNT 타워(220)는 CdTe를 포함할 수 있고 Si층(210)은 Si를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 제 1 에너지 흡수 표면(예를 들어, 제 1 졍션) 및 제 2 에너지 흡수 표면(예를 들어, 제 2 졍션)은 상이한 광자 에너지로 "조절(tuned)" 될 수 있다. 예를 들어, 에너지 흡수 표면 상에 전자를 생성하기 위해 광자는 일정한 에너지 레벨을 가져야 한다. 다른 말로, 에너지 흡수 표면은 밴드 갭을 갖는다. 에너지 흡수 표면의 밴드 갭 이상의 에너지 레벨을 가지는 광자 충돌로 전자가 생성된다. 에너지 흡수 표면의 밴드 갭 이하의 에너지 레벨을 가지는 광자 충돌은 전자를 생성하지 않는다. CdTe는 1.53 전자 볼트(eV)의 밴드 갭을 갖는다. 1.53 eV 이상의 에너지를 가지는 임의의 광자는 CdTe 에너지 흡수 표면에서 전자를 여기시킬 수 있고 여기된 전자를 전도시킬 수 있다. 한편 실리콘은 약 1.1eV의 낮은 밴드 갭을 가질 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼, 광자는 제 1 밴드 갭 값을 가지는 제 1 에너지 흡수 표면을 포함하는 CNT 타워(220)에 먼저 충돌할 수 있다. 다음 광자는 제 2 에너지 밴드 갭 값을 가지는 제 2 에너지 흡수 표면을 포함하는 Si층(210)을 충돌할 수 있 다. 제 2 밴드 갭 값은 제 1 밴드 갭 값보다 크다. 작은 밴드 갭 값을 가지는 물질들은 보다 고가이며 구성이 어렵다. 결과적으로, 멀티-졍션 광전지 소자는 광자가 제 1 에너지 흡수 표면을 먼저 충돌한 다음 반사된 광자가 제 1 에너지 흡수 표면 보다 낮은 밴드 갭을 가지는 제 2 에너지 흡수 표면에 충돌하도록 구성될 수 있다. 이런 방식으로, 멀티-졍션 광전지 소자는 제 1 에너지 흡수 표면으로 작용하는 물질을 제조하는데 있어 보다 적은 비용으로 쉽게 이용할 수 있다. 제 1 에너지 흡수 표면에서 전자를 생성하지 않는 광자는 반사된 광자 에너지의 장점을 취하기 위해 낮은 밴드 갭을 가지는 제 2 에너지 흡수 표면으로 반사될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 광전지 소자(500) 상의 다중 광자 충돌은 보다 많은 광자 에너지 흡수를 허용하며 다중 졍션에서 "광 포획" 효과를 이용하는 변환 효율을 개선시킬 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, CdTe는 본 발명의 실시예에 따라 광전지 소자에서 이용될 수 있도록 선택된 p-형 물질(예를 들어, Eg=1.53eV)로 작용할 수 있다. 분자형 빔 에피택셜(MBE)은 다결정성 CdTe의 층을 증착하는데 이용될 수 있다. 광자포획 및 캐리어 추출을 위한 최적의 층 두께로는 2 내지 4 ㎛가 포함된다. 앞서 개시된 CNT 타워는 벽을 따라 약 4㎛ 두께의 CdTe 코팅(표면적의 벌크가 포함됨) 및 타워의 "루프(roof)"에서 10㎛ 두께를 가질 수 있다. 이러한 차는 증발 소스 물질과 MBE 챔버의 기판 사이의 물리적 배열로 인한 것일 수 있다. 오프셋 각도에서 샘플의 회전과 같은 기술은 측벽과 상부 표면 사이의 두께 균일성을 개선시킬 수 있다. 두께 감소(예를 들어, 2㎛)는 MBE에서의 시간 감소로 달성될 수 있다.
CdS(Eg=2.5eV)는 n-형 물질로 작용할 수 있다. 이는 화학적 배스 증착(CBD) 또는 MBE를 통해 적용될 수 있다. 두 가지 기술은 경제적으로 실행가능한 기술로의 잠재적 삽입에 대한 장점 및 단점을 갖는다. CdS 코팅의 이상적인 두께는 50 내지 150nm일 수 있다. CdSe(Eg=1.7eV)는 광활성 물질로 사용될 수도 있다. CdSe를 CNT를 적용하는 기술은 OH, 오베린, 플로드 오브 뉴시티, 인크.에 의해 상업적으로 개발 상태에 있는 솔루션-기반 기술일 수 있다. CdSe는 멀티-졍션 소자를 위해 사용될 수 있으며, 이 경우 CdSe 코팅 CNT는 버스-바 상에서 성장된 상부 셀로서 작용하며 하부 셀은 폴리실리콘 셀(Eg=1.1eV)일 수 있다. CdSe와 Si 사이의 밴드갭 페어링(pairing)은 멀티-졍션 소자에서 효과적일 수 있다. 또한, 앞서 개시된 것처럼, 인듐 주석 산화물(ITO)이 본 발명의 실시예에 따른 광전지 소자에 적용될 수 있다. 예를 들어, ITO는 투명한 상부 콘택을 형성하는데 이용될 수 있다. 3-D 어레이 구조물 상에 ITO를 증착하기 위한 증발 및 솔루션-기반 기술이 이용될 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광전지 소자의 높은 광자 흡수 능력을 나타낸다. 도 6 및 도 7에 도시된 것처럼, 반사율 측정은 앞서 개시된 것처럼 다양하게 코팅된 소자들에 대해 얻어질 수 있다. 도 6에 도시된 것처럼, Si 셀은 상당한 반사를 나타내어 광자들의 낭비를 허용한다. 도 7에 도시된 것처럼, 스케일 확대는 본 발명의 실시예에 따라 광전지 소자로부터의 반사율이 1.5% 미만인 것을 나타내며 이는 앞서 개시된 광 포획을 논증한다.
본 발명에 따라, CNT 타워 형상은 최적화될 수 있다. 예를 들어, 사각형 구조는 최적의 반사율 및 광 포획에 대해 이상적이지 않을 수 있다. 다중-절단 면(multi-faceted) CNT 타워(즉, 별 형상)는 큰 표면적을 가질 수 있고 개선된 광 포획 능력을 제공할 수 있다. 또한, CNT 실린더형 타워는 p/n-형 물질 내에서의 내부 스트레스 감소 및 균일성을 허용할 수 있다. 이러한 스트레스로는 전자-정공 쌍에 대한 재결합 센터로서 작용하는 변위(dislocation) 및 광전지 소자 효율 경감이 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, p/n-형 층들이 최적화될 수 있다. 예를 들어, 임의의 광활성 물질을 이용하여, 광자 흡수 및 전자-정공 캐리어 추출 모두를 최대화시킴으로써 성능 이득이 구현될 수 있다. CdTe는 p-형 물질로서 사용될 수 있고 CdS는 n-형 물질로서 사용될 수 있다. 이득 제한 및 CdTe 구조물의 어닐링은 부적절한 전자-정공 재결합을 방지하는데 있어 중요하다. CdTe 이득 제한에 대한 기본 프로세스중 하나는 CdCl2 처리 및 열적 어닐링을 통해 이루어진다. 이러한 화합물은 CdS 분야에 대한 CBD 프로세스에 사용될 수 있다. 또한, 헥사고날 CNT 구조물은 CdTe에 대한 육방 밀집(HCP) 구조의 우선적 성장을 조장할 수 있다.
MBE의 사용은 균일한 상부 및 측벽 두께를 생성하는데 있어 가시선(line-of-sight) 제한을 가질 수 있다. 회전 및 약간 각진 기판 홀더의 구현은 증발된 물질의 보다 균일한 커버리지를 허용한다. 또한, CdTe 박막 두께 최적화는 평면형 구조에 대한 계산을 기초로 한다. 본 발명의 실시예들은 CdTe에 대한 상이한 최적화 두께를 가져 광자 흡수 및 캐리어 추출의 최대화를 허용한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 예를 들어 도핑된-Si, InGaP, GaAs, GaN, CdSe, CIGS 및 CIS와 같이 다른 p/n-형 물질들이 사용될 수 있다. 앞서 언급된 p/n형 물질은 예시적인 것으로, 다른 것들이 사용될 수도 있다. 다른 p/n 물질의 사용은 외부 스페이스 애플리케이션에 이용될 수 있으며, 박막에 대한 방사 작용은 시간에 따라 성능을 악화시킬 수 있는 결함을 생성한다. 또한, 본 발명에 따라, 소정의 CNT는 반도체성일 수 있기 때문에, p/n-형 물질은 완전히 소거될 수 있고 CNT 어레이 자체는 광자 흡수 밴드 갭 물질 및 캐리어 전도 물질 모두로서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 광전지 소자의 상부 콘택이 최적화될 수 있다. 예를 들어, TCO로서 작용하는 ITO 상부 콘택이 최적화될 수 있다. 이러한 콘택은 재결합이 발생하기 이전에 캐리어를 추출할 수 있도록 하부에 놓인 광전지 층으로 높은 도전성을 제공할 수 있다. 또한, 매우 낮은 직렬 저항 및 높은 광학적 투과도는 전하 캐리어 전송 또는 광자 흡수에 대한 약간의 방해를 제공하기 위해 요구될 수 있다. 다른 상부 콘택 물질이 사용될 수도 있다. 예를 들어, CdSe가 광활성 종으로 사용되는 경우, SnO와 쌍을 이룰 수 있다. 이러한 조합은 간략화된 층형성 및 CdSe 전도 밴드 에지와 SnO 페르미 레벨의 정렬로 야기되는 보다 효율적인 구조를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 광전지 소자의 하부 콘택이 최적화될 수 있다. 하부 콘택은 CNT 타워에 의해 형성될 수 있다. 하부 콘택 저항 손실은 효율성을 경감시킬 수 있다. 이러한 콘택 손실은 밴드 갭 물질과 CNT 사이 또는 CNT와 기판 상의 금속성 회로 콘택 사이에서 있을 수 있다. 본 발명의 실시예들은 이러한 손 실을 최소화시킬 수 있다.
CNT 타워는 상부에 놓인 광활성 물질로부터 캐리어를 추출하기 위해 높은 효율성의 "탄도성(ballistic)" 전도를 제공할 수 있는 100% "암-체어(arm-chair)" 단일 벽 탄소 나노튜브(SWNT)로 구성될 수 있다. 체어식(chairal) 제어 획득은 어려울 수 있고, 암 체어의 통계적 블렌드, "지그재그", 및 가변 밴드 갭을 갖는 다른 반도체성 CNT가 생성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 예를 들어, 이러한 작용은 각각의 타워를 형성하도록 평행하게 배열된 다수의(수 밀리언) CNT를 이용함으로써 해결될 수 있다. 다양한 평행한 도전 경로는 반도체성 CNT로부터 야기될 수 있는 손실을 완화시킬 수 있다.
또한, 반도체성 CNT의 밴드 갭은 광자 흡수가 허용되도록 조절되어 p/n-형 층들에 대한 대체물로서 작용할 수 있다. 제조의 경제적 측면에서 볼 때, p/n-형 층형성의 프로세스 소거는 보다 경제적인 설계 및 제조 프로세스를 허용한다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따라, 나노튜브 패턴의 주기가 입사 광의 공명 주파수로 조절된다면, 광결정이 생성될 수 있다. 결과적으로, 광자의 파형 특성이 이용될 수 있다. 따라서, 흡수 및 광 포획이 보다 개선될 수 있다.
본 발명의 소정 실시예들에 대해 개시되었지만, 다른 실시예들이 존재할 수 있다. 또한, 개시된 방법의 단계들은 본 발명을 벗어나지 않고 순서 재배열 단계 및/또는 단계의 삽입 또는 삭제를 포함하여, 임의의 방식으로 변형될 수 있다. 본 명세서는 예시적인 것으로, 본 발명의 범주는 하기 특허청구범위에서 한정된다. 또한, 본 명세서는 구조적 특성 및/또는 방법적인 동작에 대해 특정되어 개시되었 지만, 특허청구범위는 앞서 개시된 특성 또는 동작으로 제한되지 않는다. 또한, 상기 개시된 특정한 특성 및 동작은 본 발명의 실시예들의 예로서 개시된 것이다.
Claims (34)
- 제 1 에너지 흡수 부재 ; 및상기 제 1 에너지 흡수 부재와 비평행 방식으로 배향된 제 2 에너지 흡수 부재를 포함하며, 상기 제 1 에너지 흡수 부재는 상기 제 1 에너지 흡수 부재에 충돌하는 광자로부터의 에너지를 제 1 전류로 변환시키도록 구성되며,상기 제 2 에너지 흡수 부재는 상기 제 2 에너지 흡수 부재에 충돌하는 상기 광자로부터의 에너지를 제 2 전류로 변환시키도록 구성되며,상기 광자가 상기 제 1 에너지 흡수 부재에 충돌한 이후, 상기 광자는 상기 제 2 에너지 흡수 부재에 충돌하는, 광전지 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수 부재 및 상기 제 2 에너지 흡수 부재는 상이한 밴드 갭 값들을 가지는, 광전지 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수 부재는 카드뮴 텔루라이드(CdTe)를 포함하는, 광전지 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 에너지 흡수 부재는 실리콘(Si)을 포함하는, 광전지 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수 부재는 상기 제 1 에너지 흡수 부재에 구조물을 제공하도록 구성된 탄소 나노튜브를 포함하는, 광전지 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수 부재는 상기 제 1 전류를 위한 도체를 제공하도록 구성된 탄소 나노튜브를 포함하는, 광전지 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수 부재 및 상기 제 2 에너지 흡수 부재는 수직인, 광전지 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수 부재가 평탄한 제 1 표면을 포함하거나 또는 상기 제 2 에너지 흡수 부재가 평탄한 제 2 표면을 포함하거나, 또는 상기 제 1 에너지 흡수 부재가 평탄한 제 1 표면을 포함하고 상기 제 2 에너지 흡수 부재가 평탄한 제 2 표면을 포함하는, 광전지 소자.
- 제 1 항에 있어서,제 3 에너지 흡수 부재를 더 포함하며,상기 제 3 에너지 흡수 부재는 상기 제 3 에너지 흡수 부재에 충돌하는 상기 광자로부터의 에너지를 제 3 전류로 변환시키도록 구성되며, 상기 제 3 에너지 흡수 부재는 상기 제 1 에너지 흡수 부재와 평행하며 상기 제 2 에너지 흡수 부재와 수직이며,상기 제 1 에너지 흡수 부재, 상기 제 2 에너지 흡수 부재, 및 상기 제 3 에너지 흡수 부재는 상기 제 1 에너지 흡수 부재, 상기 제 2 에너지 흡수 부재, 및 상기 제 3 에너지 흡수 부재 사이에서 상기 광자가 바운딩되게 하는 방식으로 배향되는, 광전지 소자.
- 제 1 에너지 흡수층;상기 제 1 에너지 흡수층과 평행한 제 2 에너지 흡수층; 및상기 제 1 에너지 흡수층 및 상기 제 2 에너지 흡수층과 수직인 제 3 에너지 흡수층을 포함하며, 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층 각각은 광자들로부터의 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성되며,상기 광자들은 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층 중 하나 이상의 에너지 흡수층에 충돌하며,상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층은 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층 중 2개 이상의 에너지 흡수층들 사이에서 상기 광자들이 바운딩되게 하는 방식으로 배향되는, 광전지 소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층 및 상기 제 2 에너지 흡수층은 상기 제 3 에너지 흡수층과 상이한 밴드 갭 값을 가지는, 광전지 소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층 및 상기 제 2 에너지 흡수층은 카드뮴 텔루라이드(CdTe)를 포함하는, 광전지 소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 3 에너지 흡수층은 실리콘(Si)을 포함하는, 광전지 소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층은 상기 전기 에너지에 대한 도체를 제공하도록 구성된 탄소 나노튜브를 포함하는, 광전지 소자.
- 제 3 에너지 흡수층을 포함하는 기판을 제공하는 단계;상기 기판상에 제 1 탄소 나노튜브를 제공하는 단계;상기 기판상에 제 2 탄소 나노튜브를 제공하는 단계;상기 제 1 탄소 나노튜브를 제 1 에너지 흡수층으로 코팅하는 단계; 및상기 제 2 탄소 나노튜브를 제 2 에너지 흡수층으로 코팅하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 상기 제 3 에너지 흡수층 각각은 광자들로부터의 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성되며,상기 광자들은 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 상기 제 3 에너지 흡수층 중 하나 이상의 에너지 흡수층에 충돌하며,상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 상기 제 3 에너지 흡수층은 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 상기 제 3 에너지 흡수층 중 2개 이상의 에너지 흡수층들 사이에서 상기 광자들이 바운딩되게 하는 방식으로 배향되는, 광전지 소자 제공 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층 및 상기 제 2 에너지 흡수층은 상기 제 3 에너지 흡수층과 상이한 밴드 갭 값을 가지는, 광전지 소자 제공 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층 및 상기 제 2 에너지 흡수층은 카드뮴 텔루라이드(CdTe)를 포함하는, 광전지 소자 제공 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 3 에너지 흡수층은 실리콘(Si)을 포함하는, 광전지 소자 제공 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 탄소 나노튜브는 상기 전기 에너지에 대한 도체를 제공하도록 구성되는, 광전지 소자 제공 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 탄소 나노 튜브 및 상기 제 2 탄소 나노 튜브는 수직인, 광전지 소자 제공 방법.
- 제 1 탄소 나노튜브;상기 제 1 탄소 나노튜브 상에 코팅되는 제 1 에너지 흡수층 ― 상기 제 1 에너지 흡수층은 상기 제 1 에너지 흡수층에 충돌하는 광자로부터의 에너지를 제 1 전류로 변환시키도록 구성됨 ― ;제 2 탄소 나노튜브 ; 및상기 제 2 탄소 나노튜브 상에 코팅되는 제 2 에너지 흡수층을 포함하며, 상기 제 2 에너지 흡수층은 상기 제 1 에너지 흡수층과 비평행 방식으로 배향되며,상기 제 2 에너지 흡수층은 상기 제 2 에너지 흡수층에 충돌하는 광자로부터의 에너지를 제 2 전류로 변환시키도록 구성되며, 상기 광자는 상기 제 1 에너지 흡수층에 충돌한 이후 상기 제 2 에너지 흡수층에 충돌하는, 광전지 소자.
- 제 21 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층과 상기 제 2 에너지 흡수층은 상이한 밴드 갭 값들을 가지는, 광전지 소자.
- 제 21 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층은 카드뮴 텔루라이드(CdTe)를 포함하는, 광전지 소자.
- 제 21 항에 있어서,상기 제 2 에너지 흡수층은 실리콘(Si)을 포함하는, 광전지 소자.
- 제 21 항에 있어서,상기 탄소 나노튜브는 상기 제 1 에너지 흡수층에 구조물을 제공하도록 구성되는, 광전지 소자.
- 제 21 항에 있어서,상기 탄소 나노튜브는 상기 제 1 전류에 대한 도체를 제공하도록 구성되는, 광전지 소자.
- 제 21 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층과 상기 제 2 에너지 흡수층은 수직인, 광전지 소자.
- 제 21 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층이 평탄한 제 1 표면을 포함하거나 또는 상기 제 2 에너지 흡수층이 평탄한 제 2 표면을 포함하거나, 또는 상기 제 1 에너지 흡수층이 평탄한 제 1 표면을 포함하고 상기 제 2 에너지 흡수층이 평탄한 제 2 표면을 포함하는, 광전지 소자.
- 제 21 항에 있어서,제 3 에너지 흡수층을 더 포함하며,상기 제 3 에너지 흡수층은 상기 제 3 에너지 흡수층에 충돌하는 광자로부터의 에너지를 제 3 전류로 변환시키도록 구성되며, 상기 제 3 에너지 흡수층은 상기 제 1 에너지 흡수층과 평행하며 상기 제 2 에너지 흡수 부재와 수직이며,상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층은 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층 사이에서 상기 광자가 바운딩되게 하는 방식으로 배향되는, 광전지 소자.
- 제 1 탄소 나노튜브 상에 코팅되는 제 1 에너지 흡수층;상기 제 1 에너지 흡수층과 평행한 제 2 에너지 흡수층;상기 제 1 에너지 흡수층 및 상기 제 2 에너지 흡수층과 수직인 제 3 에너지 흡수층을 포함하며, 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층 각각은 광자들로부터의 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성되며, 상기 광자들은 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층 중 하나 이상의 에너지 흡수층에 충돌하며, 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층은 상기 제 1 에너지 흡수층, 상기 제 2 에너지 흡수층, 및 상기 제 3 에너지 흡수층 중 2개 이상의 에너지 흡수층들 사이에서 상기 광자들이 바운딩되게 하는 방식으로 배향되는, 광전지 소자.
- 제 30 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층 및 상기 제 2 에너지 흡수층은 상기 제 3 에너지 흡수층과 상이한 밴드 갭 값을 가지는, 광전지 소자.
- 제 30 항에 있어서,상기 제 1 에너지 흡수층 및 상기 제 2 에너지 흡수층은 카드뮴 텔루라이드(CdTe)를 포함하는, 광전지 소자.
- 제 30 항에 있어서,상기 제 3 에너지 흡수층은 실리콘(Si)을 포함하는, 광전지 소자.
- 제 30 항에 있어서,상기 제 1 탄소 나노튜브는 상기 전기 에너지에 대한 도체를 제공하도록 구성되는, 광전지 소자.
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