KR101039156B1 - 탄소나노튜브층을 포함하는 태양전지 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브층을 포함하는 태양전지를 제공한다. 탄소나노튜브층은 p형 반도체층과 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층의 전면 및 후면 중 적어도 한 면 상에 위치한다. 이에 따르면, 탄소나노튜브층의 도입에 의해 소자에 가해지는 전기장의 세기를 증가시켜 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.

Description

탄소나노튜브층을 포함하는 태양전지 {Solar cell including carbon nanotube layer}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 p-n 접합 반도체층의 전면 및 후면 중 적어도 한 면 상에 위치하는 탄소나노튜브층을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
최근 환경 문제와 고유가 문제에 직면하여 청정 대체에너지 개발에 대한 관심이 높아지면서 태양전지(solar cell 또는 photovoltaic cell)의 개발에도 많은 연구가 이루어지고 있다. 태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 이용하여 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 그 기본적인 구조는 도 1에 나타낸 바와 같다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(110)와 n형 반도체(120)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛(L)이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-)전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+)전하를 띤 정공이 발생하며, 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과라 하는데, p-n 접합부(115)에 형성되는 전기장에 의해 전자는 n형 반도체(120) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(110) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(120) 및 p형 반도체(110)와 접합된 전극(140, 130)으로 이동하게 되고, 이 전극(140, 130)들에 연결된 외부 회로(150)를 통해 전류가 흐르게 된다.
상기와 같은 원리를 가진 태양전지는 크게 실리콘 태양전지와 화합물 반도체태양전지로 분류할 수 있는데, 광전변환효율과 관련하여 그 효율이 높지 않아 많은 문제점들이 지적되어 왔다. 이에 실리콘 태양전지의 광전변환효율의 향상을 위하여 여러 가지 연구들이 행하여져 왔으며, 예를 들어, J. Non-crytal. Solids, 354, 19 (2008) Vacuum, 80, 1090 (2006); Science, 285, 692 (1999). 등 논문에서는, 요철구조 및 반사 방지막을 통하여 반사율을 줄이거나, 후면 전극의 열처리 조건 변화를 통해 소수 캐리어의 재결합을 저감하여 태양전지의 효율을 향상시키고자 하였다. 그러나, 전자-정공의 재결합, 재결합속도, 접촉저항 등에서 극복해야 할 문제점들로 인해 광전변환효율의 향상에 있어서는 주목할 만한 효율의 증가는 보이지 않고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 탄소나노튜브층의 도입에 의해 광전변환효율이 향상된 태양전지를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 p형 반도체층과 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층, 상기 p-n 접합 반도체층의 전면 또는 후면 상에 위치하는 탄소나노튜브층 및 상기 탄소나노튜브층이 위치하지 않는 반도체층의 표면 상에 위치하는 제1 전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.
상기 태양전지는 탄소나노튜브층 상에 위치하는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브층이 위치하는 반도체층의 표면은 요철 구조를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 p형 반도체층과 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층 및, 상기 p-n 접합 반도체층의 전면 및 후면 상에 위치하는 탄소나노튜브층을 포함하는 태양전지를 제공한다.
상기 태양전지는 p-n 접합 반도체층의 전면 및 후면 상에 위치하는 탄소나노튜브층 중 적어도 하나의 탄소나노튜브층 상에 위치하는 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 p-n 접합 반도체층의 전면 및 후면 중 적어도 한 면은 요철 구조를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, p-n 접합 반도체층의 표면에 탄소나노튜브층을 형성하여 소자에 가해지는 전기장의 세기를 증가시킬 수 있으므로 전자와 정공의 재결합율 내지 재결합속도를 감소시킬 수 있다. 또한, 탄소나노튜브층이 n형 반도체층 상에 위치하는 경우에는 새로운 p-n 접합 형성을 유도할 수도 있으므로 다중 여기자 생성(MEG) 효과를 얻을 수 있다. 또한, 탄소나노튜브층이 p형 반도체층 상에 위치하는 경우에는 탄소나노튜브층에 의한 후면 전계(BSF) 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서, 탄소나노튜브층의 도입에 의해 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 탄소나노튜브층이 p-n 접합 반도체층의 전면 상에 위치하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3은 탄소나노튜브층이 p-n 접합 반도체층의 후면 상에 위치하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 4는 플랫 구조(a) 또는 요철 구조(b)를 갖는 p-n 접합 반도체층의 표면 상에 위치하는 탄소나노튜브층을 나타낸 개략도이다.
도 5는 탄소나노튜브층이 p-n 접합 반도체층의 전면 및 후면 상에 위치하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 탄소나노튜브층을 포함하지 않는 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 7은 비교예 1에 따라 제조된 탄소나노튜브층을 포함하지 않는 실리콘 태양전지의 광전변환효율을 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 10는 각각 제조예 1 내지 3에 따라 제조된 탄소나노튜브층을 포함하는 실리콘 태양전지의 광전변환효율을 나타낸 그래프이다.
도 11 및 도 12는 각각 제조예 4 및 제조예 5에 따라 제조된 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 13은 비교예 2에 따라 제조된 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 14는 제조예 4, 제조예 5 및 비교예 2에 따라 제조된 실리콘 태양전지의 광전변화효율을 나타낸 그래프이다.
도 15는 제조예 6에 따라 제조된 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 16은 제조예 6에 따라 제조된 실리콘 태양전지의 광전변환효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 p형 반도체층과 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층, 상기 p-n 접합 반도체층의 전면 또는 후면 상에 위치하는 탄소나노튜브층, 상기 탄소나노튜브층이 위치하지 않는 반도체층의 표면 상에 위치하는 제1 전극 및 상기 탄소나노튜브층 상에 위치하는 제2 전극을 포함한다. 다만, 상기 탄소나노튜브층 상에 위치하는 제2 전극은 생략될 수 있다.
또한, 상기 태양전지는 상기 탄소나노튜브층이 위치하는 반도체층의 표면에 요철 구조를 가질 수 있다.
도 2는 탄소나노튜브층이 p-n 접합 반도체층의 전면 상에 위치하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양전지는 p형 반도체층(110)과 n형 반도체층(120)을 포함하는 p-n 접합 반도체층(100), 상기 p-n 접합 반도체층(100)의 전면(122)(즉, n형 반도체층의 표면) 상에 위치하는 탄소나노튜브층(220), 상기 p-n 접합 반도체층(100)의 후면(112) 상에 위치하는 후면 전극(130) 및 상기 탄소나노튜브층(220) 상에 위치하는 전면 전극(140)을 포함한다. 다만, 상기 전면 전극(140)은 생략될 수 있다.
도 3은 탄소나노튜브층이 p-n 접합 반도체층의 후면 상에 위치하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양전지는 p형 반도체층(110)과 n형 반도체층(120)을 포함하는 p-n 접합 반도체층(100), 상기 p-n 접합 반도체층(100)의 후면(112)(즉, p형 반도체층의 표면) 상에 위치하는 탄소나노튜브층(210), 상기 p-n 접합 반도체층(100)의 전면(122) 상에 위치하는 전면 전극(140) 및 상기 탄소나노튜브층(210) 상에 위치하는 후면 전극(130)을 포함한다. 다만, 상기 후면 전극(130)은 생략될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 p-n 접합 반도체층(100)은 p형 반도체층(110)과 n형 반도체층(120)의 p-n 접합(115)이 형성된 층으로서, 빛을 받아 광기전력효과에 의해 전류를 발생시키는 역할을 한다. 상기 p형 반도체층(110)은 예를 들어, B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있는 실리콘층일 수 있으며, 상기 n형 반도체층(120)은 예를 들어, P, As, Sb 등의 5족 원소들이 도핑되어 있는 실리콘층일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 반도체층(110, 120)을 실리콘층으로 형성하는 경우, p-n 접합 반도체층(100)은 p형 실리콘 기판에 5족 원소의 n형 도펀트(dopant)를 도포한 후 열처리하여 n형 도펀트를 p형 실리콘 기판으로 확산시킴으로써 형성할 수 있다. 한편, 플라즈마를 이용한 이온도핑에 의하거나, n형 실리콘 기판 상에 p형 이미터 실리콘층을 적층하여 형성할 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 p-n 접합 반도체층(100)의 전면(122) 또는 후면(112) 상에 위치하는 탄소나노튜브층(220, 210)의 두께는 특별히 제한되지는 않지만, 태양광이 입사되는 전면(122) 상에 위치하는 탄소나노튜브층(220)의 경우, 바람직하게는 약 200nm 이하의 두께로 형성할 수 있다. 이는 p-n 접합 반도체층(100)의 전면(122) 상에 위치하는 탄소나노튜브층(220)의 두께가 200nm를 초과하는 경우, 태양광이 p-n 접합 반도체층(100) 내로 들어오는 것을 일정 부분 차단할 수 있기 때문이다. 상기 탄소나노튜브층(220, 210)을 형성하는 탄소나노튜브는 특별히 제한되는 것은 아니며, 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 등 당업계에서 공지된 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브층(220, 210)은 스프레이(spray)법, 페이스트(paste)를 이용한 스크린 프린팅(screen printing)법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 탄소나노튜브층(220, 210)은 스프레이법을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 스프레이법은 탄소나노튜브를 에탄올 등의 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하고, 그 분산용액을 p-n 접합 반도체층(100) 상에 분무한 후, 후속 공정으로 간단한 열처리(예를 들어, 80℃ 정도에서의 열처리)를 통해 용이하게 탄소나노튜브층(220, 210)을 형성할 수 있는 이점이 있다.
이와 같이, p-n 접합 반도체층(100) 상에 탄소나노튜브층(220, 210)을 형성하는 경우, 소자에 가해지는 전기장의 세기를 증가시킬 수 있으므로 전자와 정공의 재결합율 내지 재결합속도를 감소시켜 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소나노튜브는 대체로 p형 반도체의 성격을 가지므로, 탄소나노튜브층이 n형 반도체층 상에 위치하는 경우에는 새로운 p-n 접합 형성을 유도할 수도 있으므로 다중 여기자 생성(multiple exciton generation, MEG) 효과를 얻을 수 있다. 또한, 탄소나노튜브층이 p형 반도체층 상에 위치하는 경우에는 탄소나노튜브층 자체로도 후면 전계(back surface field, BSF) 효과를 얻을 수 있으므로, 후면 전극(특히, Al 전극)의 증착과 고온 열처리에 의한 후면 전계 형성과정(후술함)을 생략할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브층(220, 210)이 위치하는 p-n 접합 반도체층(100)의 표면은 요철 구조를 가질 수 있다.
도 4는 플랫 구조(a) 또는 요철 구조(b)를 갖는 p-n 접합 반도체층(100)의 표면 상에 위치하는 탄소나노튜브층을 나타낸 개략도이다.
도 4를 참조하면, p-n 접합 반도체층(100) 표면 상에 요철 구조(b)를 형성함으로써, 수광면에서의 광흡수율 증가 이외에, p-n 접합면에 대하여 수직 방향에 가깝게 배열되는 탄소나노튜브(200)의 양을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 도 4에 도시된 등전위면(E)에서 알 수 있는 바와 같이 소자에 가해지는 전기장의 세기를 더욱 증가시킬 수 있으므로 광전변환효율 향상에 기여할 수 있다. 상기 요철 구조를 형성하기 위한 텍스쳐링(texturing) 공정은 특별히 제한되는 것은 아니며, 염기 또는 산 용액을 이용한 습식식각이나, 플라즈마를 이용한 건식식각을 이용할 수 있다.
한편, 상기 요철 구조를 형성하지 않는 경우에는 상기 탄소나노튜브층(220, 210)을 형성한 후, 탄소나노튜브층(220, 210)을 접착성 테이프로 붙였다가 분리하는 테이핑(tapping)법 또는 탄소나노튜브층(220, 210)을 러빙 롤러 등으로 마찰시키는 러빙(rubbing)법 등을 이용하여 탄소나노튜브층(220, 210)에 포함된 탄소나노튜브의 수직 방향성을 증가시킬 수도 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 전면 전극(140)은 Au, Ag, Pd/Ag, Ti/Au 등의 금속을 포함할 수 있다. 상기 전면 전극(140)은, 예를 들어, Ag 또는 Au를 포함하는 전극 형성용 페이스트를 소정의 패턴에 따라 도포한 후 열처리하여 형성하거나, 패턴이 형성된 크롬 마스크를 사용하여 상기 전면 전극으로 사용할 수 있는 금속, 일 예로, Ti/Au를 스퍼터링법에 의해 증착함으로써 형성할 수 있다. 다만, p-n 접합 반도체층(100)의 전면(122) 상에 탄소나노튜브층(220)이 위치하는 경우, 상기 전면 전극(140)은 생략될 수도 있으며, 이 경우 우수한 광투과성 및 전기 전도성을 갖는 탄소나노튜브층(220)이 전면 전극(140)의 역할을 대신할 수 있다.
상기 후면 전극(130)은 예를 들어, Cu, W, Fe, Al, C, Ag, Ni, Ti 및 TiN로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다. 일 예로서, 상기 p-n 접합 반도체층(100)을 p-n 접합 실리콘층으로 형성하는 경우, 바람직하게는 상기 후면 전극(130)은 알루미늄 전극을 사용할 수 있다. 상기 알루미늄 전극은 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합이 잘 되기 때문이다. 또한, 알루미늄 전극은 3가 원소로서 고온 열처리 과정을 통해 p형 실리콘층과의 접합면에서 P+층, 즉 후면 전계(Back Surface Field, BSF, 미도시)를 형성할 수 있다. 상기 후면 전계는 p-n 접합 실리콘층 내부에서 태양광에 의해 여기된 전자가 후면으로 이동하여 재결합하게 되는 것을 방지함으로써, 누설전류를 줄이고 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 후면 전극(130)은 알루미늄 등과 같은 금속을 포함한 전극 형성용 페이스트를 소정 패턴에 따라 도포한 후 열처리하여 형성할 수 있다. 다만, p-n 접합 반도체층(100)의 후면(112) 상에 탄소나노튜브층(210)이 형성되는 경우, 상기 후면 전극(130)은 생략될 수도 있으며, 이 경우 상술한 바와 같이 탄소나노튜브층(210) 자체로도 후면 전계의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지는 p형 반도체층과 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층, 상기 p-n 접합 반도체층의 전면 및 후면 상에 위치하는 탄소나노튜브층, 및 상기 전면 및 후면 상에 위치하는 탄소나노튜브층 상에 위치하는 전극을 포함한다. 다만, 상기 탄소나노튜브층 상에 위치하는 전극 중 적어도 하나의 전극은 생략될 수 있다.
또한, 상기 태양전지는 상기 p-n 접합 반도체층의 전면 및 후면 중 적어도 한 면에 요철 구조를 가질 수 있다.
도 5는 탄소나노튜브층이 p-n 접합 반도체층의 전면 및 후면 상에 위치하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 5을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양전지는 p형 반도체층(110)과 n형 반도체층(120)을 포함하는 p-n 접합 반도체층(100), 상기 p-n 접합 반도체층(100)의 전면(122) 및 후면(112) 상에 위치하는 탄소나노튜브층(220, 210), 및 상기 탄소나노튜브층(220, 210) 상에 위치하는 전면 전극(140) 및 후면 전극(130)을 포함한다. 다만, 상기 탄소나노튜브층(220, 210) 상에 위치하는 전면 전극(140) 및 후면 전극(130) 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.
도 5에 도시된 태양전지의 각 구성 및 그 제조방법은, 탄소나노튜브층(220, 210)이 p-n 접합 반도체층(100)의 전면(122) 및 후면(112) 상에 모두 형성된다는 것을 제외하면, 상기 도 2 및 도 3을 참조하며 설명한 바와 동일하다.
또한, 상기 p-n 접합 반도체층(100)의 전면(122) 및 후면(112) 중 적어도 한 면은 요철 구조를 가질 수 있으며, 이러한 요철 구조와 관련하여서는 상기 도 4를 참조하며 설명한 실시예를 참고하기로 한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1>
시판되는 p형 실리콘 웨이퍼(제조사: 실트론, 비저항: 1 ~ 5 Ωcm, 두께: 500 ± 5 ㎛, 도핑 밀도: 4.5 x 1016 ion/cm3, 배향성: 100)를 표준 RCA 세정 공정을 사용하여 세척하였다. 상기 표준 RCA 세정 공정으로는 SC1(Standard Clean-1)과 SC2(Standard Clean-2) 공정이 있는데, 먼저 SC1 공정(NH4OH : H2O2 : DI-water = 1 : 1 : 5의 세정액으로 70℃에서 5분 동안)을 수행하여 실시콘 웨이퍼 상의 금속과 유기 잔재물을 제거한 후, SC2 공정(HCl : H2O2 : DI-water = 1 : 1 : 5의 세정액으로 70℃에서 5분 동안)을 수행하여 실리콘 웨이퍼 상의 금속을 제거하였다. 이후, 상기 p형 실리콘 웨이퍼에 WET 클리닝 공정을 수행하였는데, SPM(surfuric acid peroxide mixture 또는 piraha solution) 처리와 HF 처리를 수행하였다.
다음으로, p-n 접합을 형성하기 위한 POCl3 확산 공정(950℃의 온도에서 예비 증착 시간(predeposition time)은 10 분 동안, 이후 30 분 동안)을 수행하였다 (상기 확산 공정에 의해 실리콘 웨이퍼의 표면 저항은 20 ~ 200Ω/sq에서 40Ω/sq로, 도핑 밀도는 ~2 x 1019 ion/cm3 로 되었다).
상기 POCl3 확산 공정을 통하여 p-n 접합을 형성함으로써 수득되는 p-n 접합 실리콘 기판의 전면(n형 실리콘층의 표면) 상에 탄소나노튜브를 에탄올에 용해시킨 용액을 분무하여, 1 nm 내지 200 nm 두께로 탄소나노튜브층을 형성하였다. 이어서, p-n 접합 실리콘 기판의 전면 상에 형성된 탄소나노튜브층 상에 스퍼터링법을 이용하여 Ti/Au를 포함하는 전면 전극을 Ti는 50 nm 두께로, Au는 4 nm 두께로 형성하였다.
이후, 상기 p-n 접합 실리콘 기판의 후면(p형 실리콘층의 표면) 상에 스퍼터링법을 이용하여, Al을 포함하는 후면 전극을 200 nm 두께로 형성하였고, 할로겐 램프(halogen lamp)를 이용한 RTA 공정(850℃에서 수행)을 수행하여 BSF층을 형성하였다.
<제조예 2>
탄소나노튜브층을 p-n 접합 실리콘 기판의 후면(p형 실리콘층의 표면) 상에 형성하는 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 실리콘 태양전지를 제조하였다.
<제조예 3>
탄소나노튜브층을 p-n 접합 실리콘 기판의 양면(전면 및 후면) 상에 형성하는 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 실리콘 태양전지를 제조하였다.
<비교예 1>
탄소나노튜브층을 형성하지 않는 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 실리콘 태양전지를 제조하였다(도 6).
제조예 1 내지 3에 따라 제조된 탄소나노튜브층을 포함하는 실리콘 태양전지와 비교예 1에 따라 제조된 탄소나노튜브층을 포함하지 않은 실리콘 태양전지의 효율을 도 7 내지 도 10 및 하기 표 1에 나타내었다.
도 7 내지 도 10에서, 암전류(dark current)는 빛이 없는 상태에서 전류를 측정한 것이고, 빛을 조사한 상태에서의 전류(current on the light)는 제논 램프(Xe lamp)를 이용하여 자연광에 가까운 상태로 광원을 구성하여 측정한 것이다. 여기서, 상기 제논 램프의 빛의 세기는 4mW/cm2이고, AM(air mass)은 1.5인 상태이다.
비교예 1 제조예 1 제조예 2 제조예 3
전압(V) 0.46 0.47 0.47 0.47
전류밀도(mA/cm2) 35.1 87.1 39.9 109
충전인자(FF) 0.35 0.42 0.40 0.45
광전변환효율(Eff)(%) 5.25 15.56 8.24 20.53
도 7 내지 도 10 및 상기 표 1을 참조하면, 제조예 1(도 8), 제조예 2(도 9) 및 제조예 3(도 10)은 비교예 1(도 7)에 비하여 전류 밀도 및 광전변환효율이 크게 향상되었음을 알 수 있다.
따라서, p-n 접합 실리콘 기판의 전면 및 후면 중 적어도 한 면 상에 탄소나노튜브층을 도입하는 경우, 실리콘 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있으며, 특히 p-n 접합 실리콘 기판의 양면 상에 탄소나노튜브층을 도입하는 경우(제조예 3) 가장 높은 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
<제조예 4>
p형 실리콘 웨이퍼(비저항: 1 ~ 10 Ωcm, 두께: 500 ㎛, 도핑 밀도: 2.5 x 1015 ion/cm3, 배향성: 100)를 준비한 후, 웨이퍼 상의 자연 산화막 제거를 위하여 50% HF 용액에 10초 동안 담갔다 꺼냈다. 항온조에 4M KOH 용액과 아이소프로필알코올(isopropylalcohol, IPA)을 14:1의 부피비로 혼합한 식각액을 넣은 후, 상기 식각액에 웨이퍼를 투입하고 80℃에서 10분 동안 이방성 습식식각을 수행하여 p형 실리콘 웨이퍼의 표면에 요철 구조를 형성하였다.
이후, p-n 접합을 형성하기 위한 POCl3 확산 공정, p-n 접합 실리콘 기판의 표면 중 요철 구조가 형성된 전면(n형 실리콘층의 표면) 상에 탄소나노튜브층을 형성하는 공정, 전면 전극 및 후면 전극을 형성하는 공정을 제조예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
이로써, 요철 구조를 갖는 실리콘 기판의 전면(n형 실리콘층 표면) 상에 형성된 탄소나노튜브층을 포함하는 실리콘 태양전지를 제조하였다(도 11).
<제조예 5>
탄소나노튜브층을 요철 구조를 갖는 실리콘 p-n 접합 실리콘 기판의 전면(n형 실리콘층의 표면) 및 후면(p형 실리콘층의 표면) 상에 형성하는 것을 제외하고는, 제조예 4와 동일한 방법으로 실리콘 태양전지를 제조하였다(도 12).
<비교예 2>
탄소나노튜브층을 형성하지 않는 것을 제외하고는, 제조예 4와 동일한 방법으로 실리콘 태양전지를 제조하였다(도 13).
제조예 4 및 5에 따라 제조된 탄소나노튜브층을 포함하는 실리콘 태양전지와 비교예 2에 따라 제조된 탄소나노튜브층을 포함하지 않은 실리콘 태양전지의 효율을 도 14 및 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 2 제조예 4 제조예 5
전압(V) 0.48 0.51 0.53
전류밀도(mA/cm2) 49.01 74.43 105.44
충전인자(FF) 0.53 0.64 0.72
광전변환효율(Eff)(%) 9.29 15.13 22.73
도 14 및 상기 표 2를 참조하면, 제조예 4 및 제조예 5는 비교예 2에 비하여 전류 밀도 및 광전변환효율이 크게 향상되었음을 알 수 있다.
따라서, p-n 접합 실리콘 기판의 표면에 형성된 요철 구조에 의해 광흡수율을 높일 수 있는 이외에, 요철 구조 상에 탄소나노튜브층을 형성함으로써 광전변환효율을 더욱 높일 수 있음을 알 수 있다.
<제조예 6>
후면 전극을 형성하지 않은 것을 제외하고는, 제조예 5와 동일한 방법으로 실리콘 태양전지를 제조하였다(도 15).
제조예 6에 따라 제조된 탄소나노튜브층을 포함하되, 후면 전극을 포함하지 않는 실리콘 태양전지의 효율을 도 16 및 하기 표 3에 나타내었다.
제조예 6
전압(V) 0.51
전류밀도(mA/cm2) 86.21
충전인자(FF) 0.73
광전변환효율(Eff)(%) 20.45
도 16 및 상기 표 3을 참조하면, 제조예 6의 광전변환효율은 제조예 5의 광전변환효율에 약 90%에 가까운 값을 보여준다. 즉, p-n 접합 실리콘 기판의 후면(p형 실리콘층의 표면) 상에 탄소나노튜브층을 형성하는 경우, 후면 전극의 형성 공정과 후면 전계 형성을 위한 고온 열처리 공정(즉, RTA 공정)을 생략한 경우에도 높은 광전변환효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이는, 후면에 형성된 탄소나노튜브가 후면 전극의 역할을 수행하며, 탄소나노튜브층 자체로도 후면 전계 효과를 얻을 수 있기 때문인 것으로 보인다.
한편, 본 실험예에서는 후면 전극을 생략한 경우만을 예시하였으나, p-n 접합 실리콘 기판의 전면(n형 실리콘의 표면) 상에 탄소나노튜브층을 형성하는 경우, 우수한 광투과성 및 전기 전도성을 갖는 탄소나노튜브층이 전면 전극의 역할을 대신할 수 있으므로 별도의 전면 전극(금속 전극)을 형성하는 공정을 생략할 수 있을 것이다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
100: p-n 접합 반도체층 110: p형 반도체층
112: 후면 115: p-n 접합
120: n형 반도체층 122: 전면
125: 요철 구조 130: 후면 전극
140: 전면 전극 200: 탄소나노튜브
210, 220: 탄소나노튜브층

Claims (8)

  1. p형 반도체층과 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층;
    상기 p-n 접합 반도체층의 전면 내에 위치하는 요철구조;
    상기 요철구조 상에 위치하고 면내 전도성을 갖는 탄소나노튜브층; 및
    상기 p-n 접합 반도체층의 후면 상에 위치하는 후면 전극을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브층 상에 위치하는 전면 전극을 더 포함하는 태양전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. p형 반도체층과 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층을 제공하는 단계;
    상기 p-n 접합 반도체층의 전면 내에 요철구조를 형성하는 단계;
    상기 요철구조 상에 면내 전도성을 갖는 탄소나노튜브층을 형성하는 단계; 및
    상기 p-n 접합 반도체층의 후면 상에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브층은 스프레이(spray)법 또는 스크린 프린팅(screen printing)법을 이용하여 형성하는 태양전지 제조방법.
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