KR101036453B1 - ｐ-ｉ-ｎ 나노선을 이용한 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 넓은 파장 영역대의 태양광을 광 손실 없이 효율적으로 흡수하여 광발전시킬 수 있으며, 공정이 간단한고 공정비용이 저렴한 p-i-n 나노선을 이용한 태양전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 p-i-n 나노선을 이용한 태양전지는 반도체층과 광기전력층을 구비한다. 광기전력층은 반도체층의 상방으로 길게 뻗은 형상으로 형성되며 진성(intrinsic) 반도체 물질로 이루어진 코어(core)-나노선(nanowire)과, 코어-나노선의 외부를 감싸도록 형성되며 반도체 물질로 이루어진 셀(shell)-나노선으로 이루어진 반도체 구조물을 구비한다. 반도체층을 이루는 반도체 물질은 n-형(n-type)이고, 셀-나노선을 이루는 반도체 물질은 p-형(p-type)이거나, 반도체층을 이루는 반도체 물질은 p-형이고, 셀-나노선을 이루는 반도체 물질은 n-형이다.

Description

ｐ-ｉ-ｎ 나노선을 이용한 태양전지{Solar cell utilizing p-i-n nanowire}
본 발명은 고효율 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 p-i-n 나노선을 이용한 태양전지에 관한 것이다.
최근 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신 재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양광발전에 대한 연구개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.
태양전지는 입사광으로부터 광 에너지를 입사받아 광기전력에 의해 전기 에너지로 변환시키는 광학 소자로서, 크게 광발전 효율을 높이기 위한 연구와 제조단가를 낮추기 위한 연구가 진행되고 있다. 광발젼 효율을 높이기 위해서, 장파장과 단파장의 태양광을 효율적으로 흡수하는 턴뎀(tandem)형 태양전지가 널리 연구되고 있다. 그리고 제조단가를 낮추기 위해, 기존의 실리콘 기반의 태양전지에서 유기물-무기물 복합재료가 널리 연구되고 있다.
넓은 파장 영역대의 태양광을 효율적으로 흡수하기 위한 턴뎀형 태양전지는 단일 에너지 밴드갭을 갖는 태양전지의 광발전 효율 한계치를 극복할 수는 있으나, 적층된 다층 구조라는 소자 특성 상 태양광이 박막을 투과하면서 광발전 효율의 손실이 발생하게 된다. 그 중 가장 큰 손실은 이종 접합된 박막 사이의 터널 접합 부분에서 발생하는 격자 부정합에 의한 결함과 박막 자체의 결정 결함에 의한 손실이다. 특히, 광전변환층이 태양전지 하부에 형성되면, 투과된 광 에너지의 양이 적어지므로 광발전 효율은 급격히 감소하게 된다. 또한, 광손실을 감소시키기 위해서는 결정성이 좋은 양질의 반도체 박막을 다층으로 적층시켜야 하므로, 공정 단가가 높고 공정 시간이 많이 소요되는 에피택셜(epitaxial) 증착법을 이용해야 한다. 이러한 이유로 넓은 파장 영역대의 태양광을 효율적으로 흡수하기 위해서는 제조 단가가 증가하며, 광발전 효율의 한계가 발생한다.
턴뎀형 태양전지의 제조 단가를 낮추기 위해 유기물-무기물 복합재료를 이용한 태양전지에 대해서도 연구되고 있다. 그러나 유기물-무기물 복합재료를 이용한 턴뎀형 태양전지는 값싼 유기물 재료를 이용할 수는 있으나, 적층된 박막 사이에서 발생하는 광손실 뿐만 아니라, 유기물 박막 자체 결함과 유기물과 무기물 박막 사이의 결함 등에 의해 광발전 효율이 급격히 감소하는 문제점이 있다.
따라서 제조단가를 낮춤과 동시에 광손실에 의해 광발전 효율이 급격히 감소하지 않는 새로운 개념의 태양전지의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 넓은 파장 영역대의 태양광을 광 손실 없이 효율적으로 흡수하여 광발전시킬 수 있으며, 공정이 간단한고 공정비용이 저렴한 p-i-n 나노선을 이용한 태양전지를 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 p-i-n 나노선을 이용한 태양전지는 반도체 물질로 이루어진 반도체층; 및 상기 반도체층의 상방으로 길게 뻗은 형상으로 형성되며 진성(intrinsic) 반도체 물질로 이루어진 코어(core)-나노선(nanowire)과, 상기 코어-나노선의 외부를 감싸도록 형성되며 반도체 물질로 이루어진 셀(shell)-나노선으로 이루어진 반도체 구조물을 구비한 광기전력층;을 포함하며, 상기 반도체층을 이루는 반도체 물질은 n-형(n-type)이고, 상기 셀-나노선을 이루는 반도체 물질은 p-형(p-type)이거나, 상기 반도체층을 이루는 반도체 물질은 p-형이고, 상기 셀-나노선을 이루는 반도체 물질은 n-형이다.
본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 상기 광기전력층은 상기 반도체층 상에 상기 반도체 구조물의 측면부를 둘러싸도록 형성되며, 전도성 고분자로 이루어진 유기물 구조물을 더 구비할 수 있으며, 상기 유기물 구조물은 내부에 분산되어 있는 나노입자 및 나노입자가 부착된 탄소나노튜브 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 p-i-n 구조로 수직 성장된 나노선을 광기전력층으로 이용하므로, 광을 효율적으로 흡수할 수 있는 단면적을 넓어진다. 그리고 공핍 영역에서의 전계가 커지므로, 전자와 정공의 이동이 향상되고, 전자와 정공이 재결합되는 비율이 감소되어 광발전 효율이 증가하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 태양전지는 저렴한 무기물과 유기물을 이용하므로, 제조단가를 낮출 수 있으며, 공정이 간단하게 된다. 그리고 서로 다른 파장대역을 흡수하는 반도체 구조물과 유기물 구조물을 기판과 수직 병렬구조로 형성시켜, 넓은 파장 영역대의 태양광을 손실 없이 흡수하여 광발전 효율이 증가하게 된다. 또한, p-i-n 나노선은 입사된 태양광을 외부로 반사시키지 않고 모아두는 역할을 하여 별도의 텍스쳐링이 불필요하게 된다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 p-i-n 나노선을 이용한 태양전지의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지(100)는 하부전극(110), 반도체층(120), 광기전력층(130) 및 상부전극(140)을 구비한다.
하부전극(110)은 전도성 물질로 이루어진다.
반도체층(120)은 하부전극(110) 상에 형성되며, 반도체 물질로 이루어진다. n-형(n-type) 또는 p-형(p-type) 반도체 물질이 반도체층(120)을 이룬다. 반도체층(120)은 반도체 기판이 이용될 수 있으며, 이때 반도체 기판은 무기물 또는 유기물로 이루어질 수 있다. 반도체 기판을 이루는 무기물은 Si, Ge, GaAs, GaN, GaP, InAs, InP, InSb, CdSe, CdTe, ZnS, Al2O3, SiC, 글래스(glass) 및 쿼쯔(quartz) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 그리고 반도체 기판을 이루는 유기물은 PVP, PMMA, PS, PI 및 PET 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 반도체 기판에 n-형 도펀트(dopant) 또는 p-형 도펀트가 하이 도핑(high doping)된 경우, 반도체 기판은 전극의 역할도 수행할 수 있다. 이 경우 하부전극(110)은 형성되지 않을 수 있다.
광기전력층(130)은 반도체층(120) 상에 형성되며, 반도체 구조물(133)과 유기물 구조물(136)을 구비한다.
반도체 구조물은(133)은 반도체층(120) 상에 형성되며, 코어(core)-나노선(nanowire)(131)과 셀(shell)-나노선(132)을 구비한다. 코어-나노선(131)은 반도체층(120)의 상방으로 길게 뻗은 형상으로 형성되며, 진성(intrinsic) 반도체 물질로 이루어진다. 코어-나노선(131)을 이루는 반도체 물질은 Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In2Se3, In2Te3, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi2S3, Cu2S, MoSe2, WSe2, SiOx, TiO2, Cu2O, CuO, GaN 및 ZnO 중에서 선택된 1종일 수 있다. 코어-나노선(131)은 양극산화법에 의해 형성된 양극산화 알루미나(anodic aluminium oxide, AAO) 나노 템플레이트를 이용하여 반도체층(120) 상에 수직 성장시킨 것일 수 있다. 그리고 코어-나노선(131)은 금속 촉매를 이용하여 반도체층(120) 상에 수직 성장시킨 것일 수 있다.
셀-나노선(132)은 코어-나노선(131)의 외부를 감싸도록 형성되며, 반도체 물질로 이루어진다. 셀-나노선(132)을 이루는 반도체 물질은 Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In2Se3, In2Te3, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi2S3, Cu2S, MoSe2, WSe2, SiOx, TiO2, Cu2O, CuO, GaN 및 ZnO 중에서 선택된 1종일 수 있다. 반도체층(120), 코어-나노선(131) 및 셀-나노선(132)이 p-i-n 접합 구조를 이루기 위해, 반도체층(120)이 n-형인 경우 셀-나노선(132)을 이루는 반도체 물질은 p-형인 것이 이용되고, 반도체층(120)이 p-형인 경우 셀-나노선(132)을 이루는 반도체 물질은 n-형인 것이 이용된다.
이와 같은 형태로, p-i-n 접합 구조를 이용하면, 진성 반도체 물질로 이루어진 코어-나노선(131)의 길이만큼이 공핍 영역(depletion region)이 되어, 공핍 영역이 넓어지고, 공핍 영역에서의 전계(electric field)가 커지게 된다. 공핍 영역이 넓어지면, 태양광을 흡수할 수 있는 면적이 증가되어, 광발전 효율을 증가시킬 수 있다. 그리고 공핍 영역에서의 전계가 커지게 되면, 태양광에 의해 생성된 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 재결합(recombination)되는 비율을 감소시켜, 광발전 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서 상술한 형태의 p-i-n 접합 구조를 광발전에 이용하게 되면, 광발전 효율을 현저히 증가시킬 수 있게 된다.
유기물 구조물(136)은 반도체층(120) 상에 형성되며, 전도성 고분자(134)와 나노입자(135)를 구비한다. 전도성 고분자(134)는 반도체 구조물(133)의 측면부를 둘러싸도록 형성되며, p-형 전도성 고분자 또는 n-형 전도성 고분자로 이루어질 수 있다. 그리고 전도성 고분자(134)는 poly(ethylene oxide), polyphosphazene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly(p-phenylene), polyacetylene, poly(sulfur nitride), poly(p-phenylenevinylene) 및 poly(N-vinyl-carbazole) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
나노입자(135)는 전도성 고분자(134)의 내부에 분산되어 있다. 나노입자(135)는 Al2O3, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택된 1종으로 이루어질 수 있다.
그리고 나노입자(135)의 밴드갭(bandgap)은 코어-나노선(131)을 이루는 진성 반도체 물질의 밴드갭보다 클 수 있다. 이로부터 나노입자(135)는 단파장의 태양광을 흡수하고, 코어-나노선(131)을 구비한 반도체 구조물(133)은 장파장의 태양광을 흡수할 수 있어, 넓은 파장 대역의 태양광을 흡수할 수 있게 된다. 그러나 넓은 파장 영역대의 태양광을 흡수하는 일반적인 박막 적층형 턴뎀(tandem) 태양전지와 달리 본 실시예서와 같이 반도체 구조물(133)과 유기물 구조물(136)이 수직 구조를 갖고 일정하게 배열되면, 박막을 투과하면서 발생되는 광손실이 거의 발생하지 않게 된다. 그리고 일정한 간격으로 수직 배열된 반도체 구조물(133)은 한 번 입사된 태양광을 외부로 전반사시키지 않고 광기전력층(130) 내부에 가두는 일종의 텍스쳐링(texturing) 역할도 동시에 수행하므로, 별도의 텍스쳐링 공정이 필요 없게 된다. 그리고 반도체 구조물(133)과 유기물 구조물(136)이 수직 구조를 갖고 배열되므로 태양광을 흡수하는 표면적이 증가하여, 광발전 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
이상에서, 전도성 고분자(134) 내부에 나노입자(135)가 분산되어 있는 유기물 구조물(136)에 대해서 도시하고 설명하였으나, 유기물 구조물(136)은 나노입자(135) 대신에 나노입자가 부착된 탄소나노튜브(carbon nanotube)가 분산된 전도성 고분자(134)를 구비할 수도 있다. 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 및 탄소나노튜브 묶음(bundle) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다. 그리고 탄소나노튜브에 부착된 나노입자는 Al2O3, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택된 1종으로 이루어질 수 있다. 또한, 탄소나노튜브에 부착된 나노입자도 코어-나노선(131)을 이루는 진성 반도체 물질의 밴드갭보다 클 수 있으며, 효과는 상술한 바와 유사하다.
상부전극(140)은 광기전력층(130) 상에 형성되며, 전도성 물질로 이루어진다. 상부전극(140)은 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 구조물(133)의 상면 전부와 유기물 구조물(136)의 상면 일부가 함께 덮이도록 형성될 수 있다. 상부전극(140) 은 더 많은 태양광이 광기전력층(130) 내부로 입사되도록, 투과성을 갖는 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 이를 위해, 상부전극(140)은 그라핀(graphene), 탄소나노튜브, ITO(indium tin oxide), Al-doped ZnO(AZO), Ga-doped ZnO(GZO), In-doped ZnO(IZO), Au, Pt 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 광발전 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2는 반도체층(120)은 n-형이고, 셀-나노선(132)은 p-형이며, 유기물 구조물(136)에 구비된 나노입자(135)의 밴드갭이 코어-나노선(132)을 이루는 진성 반도체 물질의 밴드갭보다 큰 경우를 나타낸 개념도이다. 나노입자(135)의 가전자대(valence band)의 에너지 준위를 Ev , 1으로 나타내었고, 전도대(conduction band)의 에너지 준위를 Ec , 1으로 나타내었으며, 밴드갭을 Eg , 1으로 나타내었다. 그리고 코어-나노선(131)의 가전자대의 에너지 준위를 Ev ,2로 나타내었고, 전도대의 에너지 준위를 Ec ,2로 나타내었다.
도 2를 참조하면, 태양전지(100)에 입사되는 태양광의 대부분은 근자외선 영역의 단파장 태양광과 가시광선 영역의 장파장 태양광이다. 태양광이 태양전지(100)에 입사되면, 단파장의 태양광은 도 2의 P1로 나타낸 바와 같이 나노입자(135)에 흡수된다. 나노입자(135)가 단파장의 태양광을 흡수하게 되면 나노입자(135)의 가전자대의 전자가 여기되어 전자-정공쌍을 생성하게 된다. 이때 형성된 전자와 정공은 각각 전극으로 이동하여 전력을 생산한다. 이때, 정공은 전도성 고분자(134)를 통해 전극으로 이동하나, 유기물에서의 전자의 이동도는 무기물에서의 전자의 이동도에 비해 현저히 작으므로, 나노입자(135)에서 생성된 전자는 반도체 구조물(133)으로 이동한 후, 반도체 구조물(133)을 통해 전극으로 이동하게 된다.
즉, 도 2의 S1로 나타낸 바와 같이, 전자(●)는 반도체 구조물(133)과 반도체층(120)을 통해 하부전극(110)으로 이동하고 정공(○)은 전도성 고분자(134)를 통해 상부전극(140)으로 이동하여 전력을 생산하게 된다.
그리고 여기된 전자 중 일부는 전극(110, 140)으로 이동하여 전력 생산에 기여하지 못하고, 도 2의 R1로 나타낸 바와 같이 완화(relaxation) 작용으로 에너지를 잃고 전도대의 에지(edge)로 이동하게 된다. 전도대의 에지로 이동한 전자는 이후, 도 2의 R2로 나타낸 바와 같이 가전자대의 정공과 재결합하여 나노입자(135)의 밴드갭(Eg,1)에 해당하는 에너지(전이 에너지(transition energy))를 가진 광자(photon)을 생성하게 된다.
이와 같이 생성된 광자는 도 2의 P3으로 나타낸 바와 같이 반도체 구조물(133)에 흡수된다. 그리고 나노입자(135)의 밴드갭(Eg ,1)에 해당하는 에너지보다 작아 나노입자(135)에 흡수되지 못한 장파장의 태양광은 도 2의 P2로 나타낸 바와 같이 반도체 구조물(133)에 흡수된다. 도 2의 P2, P3의 형태로 반도체 구조물(133)에 흡수된 태양광 또는 광자는 반도체 구조물(133)에 구비된 코어-나노선(131)의 가전자대의 전자를 여기시켜 전자-정공쌍을 생성하게 된다. 이와 같이 생성된 전자-정공쌍은 도 2의 S2로 나타낸 바와 같이, 전자(●)는 반도체층(120)을 통해 하부전극(110)으로 이동하고 정공(○)은 상부전극(140)으로 이동하여 전력을 생산하게 된다.
결과적으로, 나노입자(135)의 밴드갭이 코어-나노선(131)을 이루는 반도체 물질의 밴드갭보다 큰 경우, 단파장의 태양광은 나노입자(135)를 통해 흡수되어 광발전에 이용되며, 장파장의 태양광은 반도체 구조물(133)과 반도체층(120)의 p-i-n 접합을 통해 광발전에 이용된다. 따라서 넓은 파장 영역대의 태양광을 모두 광발전에 이용할 수 있으므로, 광발전 효율이 증가하게 된다. 그리고 진성 반도체에 해당하는 코어-나노선(131)이 공핍 영역이 넓어지고, 공핍 영역에서의 전계가 커짐에 따라 광발전 효율이 증가하게 된다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명에 따른 태양전지를 제조하는 방법은 우선, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 반도체 기판(320)의 하부에 하부전극(310)을 형성한다. 반도체 기판(320)은 n-형(n-type) 또는 p-형(p-type)이다. 반도체 기판(320)은 무기물 또는 유기물로 이루어질 수 있다. 반도체 기판(320)을 이루는 무기물은 Si, Ge, GaAs, GaN, GaP, InAs, InP, InSb, CdSe, CdTe, ZnS, Al2O3, SiC, 글래스(glass) 및 쿼쯔(quartz) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 그리고 반도체 기판(320)을 이루는 유기물은 PVP, PMMA, PS, PI 및 PET 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 반도체 기판(320)에 n-형 도펀트(dopant) 또는 p-형 도펀트가 하이 도핑(high doping)된 경우, 반도체 기판은 전극의 역할도 수행할 수 있다. 이 경우 하부전극(310)은 형성되지 않을 수 있다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(320) 상에 진성 반도체 물질로 이루어진 복수의 코어-나노선(331)을 일정 간격으로 이격되게 형성한다. 코어 나노선(331)을 형성하기 전에 반도체 기판(320)에 형성된 자연 산화막을 불산(HF)을 이용하여 제거한다. 코어-나노선(131)을 이루는 반도체 물질은 Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In2Se3, In2Te3, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi2S3, Cu2S, MoSe2, WSe2, SiOx, TiO2, Cu2O, CuO, GaN 및 ZnO 중에서 선택된 1종일 수 있다. 코어-나노선(131)을 형성하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데, 본 실시예에서는 양극산화법에 의해 형성된 양극산화 알루미나(anodic aluminium oxide, AAO) 나노 템플레이트를 이용하는 방법과 금속 촉매를 이용하는 방법을 통해 형성하였다. 양극산화법에 의해 형성된 양극산화 알루미나 나노템플레이트를 이용하여 코어-나노선(131)을 형성하는 방법을 도 4 내지 도 6에 나타내었고, 금속 촉매를 이용하여 코어-나노선(131)을 형성하는 방법을 도 7 내지 도 9에 나타내었다.
도 4(a) 내지 도 4(f)는 본 발명에 따른 태양전지를 제조함에 있어, 양극산화 알루미나 나노 템플레이트를 이용하여 코어-나노선을 제조하는 방법을 나타내는 도면들이다.
우선, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 기판(410) 상에 두께가 수백 ㎛, 예컨대 100 ㎛인 Al 박막(420)을 열증착을 통해 형성한다. 그리고 1차 양극산화를 위해 Al 박막(420)이 증착된 기판(410)을 양극에 연결하고, 백금 또는 탄소 전극을 음극으 로 하여, 두 전극에 수십 V, 예컨대 35 ~ 55 V의 전압을 인가하면서 황산(H2SO4) 또는 옥살산(H2C2O4)으로 된 전해질 용액에서 수 시간, 예컨대 4 ~ 8 시간 동안 양극산화를 진행한다. 전압의 세기를 조절함에 따라 최종적으로 형성되는 다공성 알루미나의 구멍의 지름을 조절할 수 있고, 전해질 용액의 온도는 10℃ 이하일 수 있다. 1차 양극산화를 마친 Al 박막(421)은 도 4(b)에 도시된 바와 같이 표면에 다공성 알루미나(422)가 형성된다. 그러나 1차 양극산화로 형성된 다공성 알루미나(422)는 모양이 불규칙하고 높이가 일정하지 않아 본 발명에 이용하기 적절치 않다.
불규칙한 모양의 다공성 알루미나(422)를 제거하기 위해 기판(410)을 인산과 크롬산을 혼합한 용액에 수 시간 동안 담근다. 예컨대, 0.4 M의 인산과 0.2 M의 크롬산을 혼합한 60℃의 용액에 기판(410)을 1 ~ 3 시간 동안 담가 다공성 알루미나(422)를 제거한다. 다공성 알루미나(422)가 제거된 Al 박막(421)은 도 4(c)에 도시된 바와 같이 다공성 알루미나에 있던 자리에 낮은 높이의 매우 규칙적인 요철이 남게 된다.
단계 1차 양극산화와 동일하게 기판(410)을 전극에 연결한 후, 1차 양극산화와 동일한 조건에서 수 분 동안 2차 양극산화를 진행한다. 예컨대, 1차 양극산화와 동일한 전압과 전해질 용액에서 5 ~ 10분 동안 2차 양극산화를 실시한다. 이 과정에서 도 4(d)와 같이 일정한 높이를 가진 다공성 알루미나(430)가 형성된다. 제2차 양극산화 시간을 조절하여 형성되는 다공성 알루미나(430)의 높이를 조절할 수 있 다.
2차 양극산화를 통해 성장한 다공성 알루미나(430)는 도 5의 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)상에서 보는 바와 같이 평면 상에 균일하게 분포하며, 도 6의 원자힘 현미경(atomic force microscopy, AFM)상에서 보는 바와 같이 일정한 높이로 형성됨을 확인할 수 있다.
양극산화법에 의해 형성된 양극산화 알루미나는 높이가 일정하고 매우 규칙적으로 요철이 형성되어 있기 때문에 나노 템플레이트로 사용할 수 있다. 또한, 공정 조건에 따라 다공성 알루미나의 구멍의 크기, 간격 및 높이를 용이하게 조절할 수 있어 본 발명에 이용되기에 적합하다.
그리도 도 4(e)에 도시된 바와 같이 다공성 알루미나(430)의 사이에 기판(410)이 노출된 부분에 진성 반도체 물질(440)을 형성한 후, 도 4(f)에 도시된 바와 같이 다공성 알루미나(430)를 제거하면, 진성 반도체 물질로 이루어진 나노선(440)을 기판(410) 상에 형성할 수 있게 된다.
도 7(a) 내지 도 7(c)는 본 발명에 따른 태양전지를 제조함에 있어, 금속 촉매를 이용하여 코어-나노선을 제조하는 방법을 나타내는 도면들이다.
우선, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(710) 상에 금속 촉매 나노점(720)을 형성한다. 금속 촉매는 금(Au)이 이용될 수 있다. 금속 촉매 나노점(720)은 두 가지 방법으로 형성할 수 있다. 첫 번째 방법은 10 ~ 30 nm 크기의 금속 촉매 입자가 분산된 콜로이드 용액을 기판(710) 상에 코팅한 후, 600 ~ 800 ℃ 정도의 온도에서 열처리하는 방법이다. 두 번째 방법은 1 ~ 2 nm 두께의 금속을 열 증착법(thermal evaporation)으로 기판(710) 상에 증착한 후, 600 ~ 800 ℃ 정도의 온도에서 열처리하는 방법이다. 이와 같은 방법을 이용하여 금속 촉매 나노점(720)이 기판(710) 상에 균일하게 형성된다.
다음으로, 실리콘 전구체(precursor)인 사일렌(SiH4)을 30 ~ 60 분간 금속 촉매 나노점(720)이 형성되어 있는 기판(710) 상에 공급한다. 그러면, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 기판(710)과 금속 촉매 나노점(720) 사이에 금속의 촉매 작용에 의해 진성 실리콘으로 이루어진 나노선(730)이 형성된다.
원하는 길이의 나노선(730)이 형성된 후, 나노선(730)의 상부에 존재하는 금속 촉매를 식각용액(etchant)으로 식각하면, 진성 반도체 물질로 이루어진 나노선(730)을 기판(710) 상에 형성할 수 있게 된다. 이러한 방법으로 형성된 코어-나노선의 SEM 사진들을 도 8 및 도 9에 나타내었다.
다시 도 3으로 돌아가서, 도 3c에 도시된 바와 같이 코어-나노선(331)의 외부를 감싸도록 셀-나노선(332)을 형성한다. 셀-나노선(332)을 이루는 반도체 물질은 Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In2Se3, In2Te3, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi2S3, Cu2S, MoSe2, WSe2, SiOx, TiO2, Cu2O, CuO, GaN 및 ZnO 중에서 선택된 1종일 수 있다. 셀-나노선(332)은 화학기상증착법(chemical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition) 등을 이용하여 형성할 수 있으며, 원료가스 공급시 도펀트를 함께 공급하여, p-형 또는 n-형 셀-나노선(332)을 형성한다. 예컨대, 500 ~ 550 ℃에서 p-형 도펀트인 디보레인(B2H6)을 사일렌(SiH4)과 함께 코어-나노 선(331)이 형성되어 있는 반도체 기판(320) 상에 공급하면, p-형 실리콘 셀-나노선을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 코어-나노선(331)과 셀-나노선(332)로 이루어진 반도체 구조물(333) 사이의 빈 공간에 나노입자(335)가 분산되어 있는 전도성 고분자(334)를 스핀코팅법으로 형성하여 광기전력층(330)을 형성한다. 전도성 고분자(334)는 poly(ethylene oxide), polyphosphazene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly(p-phenylene), polyacetylene, poly(sulfur nitride), poly(p-phenylenevinylene) 및 poly(N-vinyl-carbazole) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다. 그리고 나노입자(335)는 Al2O3, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택된 1종으로 이루어질 수 있다.
그리고 도 3e에 도시된 바와 같이, 반도체 구조물(333)의 상면이 노출되도록, 전도성 고분자(334)와 나노입자(335)로 이루어진 유기물 구조물(336)의 표면 일부를 제거한다. 이는 반도체 구조물(333)에서 상부전극(340)으로 이동하는 정공과 같은 초과 캐리어(excess carrier)가 전도성 고분자(334)를 거치지 않고 직접 상부전극(340)으로 이동할 수 있게 하기 위함이다. 이로써 초과 캐리어들의 이동도가 감소하는 것이 방지되어 광발전 효율이 증가된다. 유기물 구조물(336)의 제거는 애싱(ashing) 공정을 이용한다.
다음으로, 도 3f에 도시된 바와 같이, 광기전력층(330) 상에 상부전극(340)을 형성한다. 상부전극(340)은 더 많은 태양광이 광기전력층(330) 내부로 입사되도록, 투과성을 갖는 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 이를 위해, 상부전극(370)은 그라핀(graphene), 탄소나노튜브, ITO(indium tin oxide), Al-doped ZnO(AZO), Ga-doped ZnO(GZO), In-doped ZnO(IZO), Au, Pt 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다. 그리고 상부전극(340)은 도 3f에 도시된 바와 같이 반도체 구조물(333)의 상면 전부와 유기물 구조물(336)의 상면 일부가 함께 덮이도록 패터닝될 수 있다.
이와 같은 방법으로 태양전지를 제조하게 되면, 저렴한 무기물과 유기물로 태양전지를 제조하는 것이 가능하고, 공정 방법이 간단하고, 공정 단가가 적게 소요될 뿐 아니라, 대면적의 태양전지를 제조하는 데에 적합하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 광발전 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4(a) 내지 도 4(f)는 본 발명에 따른 태양전지를 제조함에 있어, 양극산화 알루미나 나노 템플레이트를 이용하여 코어-나노선을 제조하는 방법을 나타내는 도면들이다.
도 5는 도 4의 방법으로 제조된 양극산화 알루미나 나노 템플레이트의 SEM(scanning electron microscopy) 사진이다.
도 6은 도 4의 방법으로 제조된 양극산화 알루미나 나노 템플레이트의 AFM(atomic force microscopy) 사진이다.
도 7(a) 내지 도 7(c)는 본 발명에 따른 태양전지를 제조함에 있어, 금속 촉매를 이용하여 코어-나노선을 제조하는 방법을 나타내는 도면들이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 방법으로 제조된 코어-나노선의 SEM 사진들이다.

Claims (17)

  1. 반도체 물질로 이루어진 반도체층; 및
    상기 반도체층의 상방으로 길게 뻗은 형상으로 형성되며 진성(intrinsic) 반도체 물질로 이루어진 코어(core)-나노선(nanowire)과, 상기 코어-나노선의 외부를 감싸도록 형성되며 반도체 물질로 이루어진 셀(shell)-나노선으로 이루어진 반도체 구조물을 구비한 광기전력층;을 포함하며,
    상기 반도체층을 이루는 반도체 물질은 n-형(n-type)이고, 상기 셀-나노선을 이루는 반도체 물질은 p-형(p-type)이거나,
    상기 반도체층을 이루는 반도체 물질은 p-형이고, 상기 셀-나노선을 이루는 반도체 물질은 n-형인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광기전력층은 상기 반도체층 상에 상기 반도체 구조물의 측면부를 둘러싸도록 형성된 전도성 고분자를 포함하는 유기물 구조물을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 poly(ethylene oxide), polyphosphazene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly(p-phenylene), polyacetylene, poly(sulfur nitride), poly(p-phenylenevinylene) 및 poly(N-vinyl-carbazole) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유기물 구조물은 상기 전도성 고분자 내부에 분산되어 있는 나노입자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유기물 구조물은 상기 전도성 고분자 내에 분산되어 있는 나노입자가 부착된 탄소나노튜브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브 묶음(bundle) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노입자는 Al2O3, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노입자의 밴드갭은 상기 진성 반도체 물질의 밴드갭보다 더 큰 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층은 반도체 기판이며,
    상기 반도체 기판은 무기물 또는 유기물로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반도체 기판을 이루는 무기물은 Si, Ge, GaAs, GaN, GaP, InAs, InP, InSb, CdSe, CdTe, ZnS, Al2O3, SiC, 글래스(glass) 및 쿼쯔(quartz) 중에서 선택된 1종 이상이고,
    상기 반도체 기판을 이루는 유기물은 PVP, PMMA, PS, PI 및 PET 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코어-나노선 및 셀-나노선을 이루는 반도체 물질은 Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In2Se3, In2Te3, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi2S3, Cu2S, MoSe2, WSe2, SiOx, TiO2, Cu2O, CuO, GaN 및 ZnO 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 반도체층의 하부에 형성되어 있는 하부전극; 및
    상기 광기전력층 상에 형성되어 있는 상부전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 상부전극은 상기 반도체 구조물의 상면 전부와 상기 유기물 구조물의 상면 일부가 함께 덮이도록 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 상부전극은 투과성을 갖는 전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 그라핀(graphene), 탄소나노튜브, ITO(indium tin oxide), Al-doped ZnO(AZO), Ga-doped ZnO(GZO), In-doped ZnO(IZO), Au, Pt 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 코어-나노선은 양극산화법에 의해 형성된 양극산화 알루미나(Anodic Aluminium oxide, AAO) 나노 템플레이트를 이용하여 상기 반도체층 상에 수직 성장시킨 것을 특징으로 하는 태양전지.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 코어-나노선은 금속 촉매를 이용하여 상기 반도체층 상에 수직 성장시킨 것을 특징으로 하는 태양전지.
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