KR101059072B1 - 그라핀을 이용하는 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따르는 태양 전지는 양극 전극, 상기 양극 전극과 이격되어 배치되는 음극 전극, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이에 배치되는 그라핀층 및 반도체층 및 상기 그라핀층 및 상기 반도체층의 계면에 위치하며 입사되는 광에 반응하여 전자 또는 홀을 발생시키는 광반응층을 포함한다. 상기 그라핀층은 적어도 하나 이상의 그라핀 단위층을 포함하고, 상기 그라핀층 및 상기 반도체층 간의 일함수 차이에 근거하여 상기 그라핀 층을 구성하는 그라핀 단위층의 개수가 조절된다.
Description
본 출원은 대체로 태양 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그라핀을 이용하는 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 문제 등으로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 점증하고 있다. 이중에서, 태양광발전은 무공해 및 무한대의 에너지원이므로 이에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
태양광발전을 이루는 기본단위인 태양전지는 태양광에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 반도체소자이다. 구체적으로, n형 반도체와 p형 반도체의 접합형태를 가지는 PN 다이오드 구조와 동일하다. 외부에서 빛이 태양에너지의 밴드갭 에너지 이상의 빛에너지를 가지고 태양전지에 입사되었을 때, 전자들은 상기 빛에너지를 수렴하여 전자들은 가전자대(valence band)로부터 전도대(conduction band)로 여기된다. 상기 전자들의 여기과정에서 가전자대(valence band)에서 홀(hole)이 생성된다. p형 반도체에서 여기된 전자는 n형 반도체 방향으로 이동하고, n형 반도체에서 생성된 홀은 p형 반도체 방향으로 이동함으로써 상기 PN 다이오드 구조 양단에 전압차가 생기고, 이때 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 전지로서 동작하게 된다.
상술한 태양 전지 제조 기술의 개발 방향은 주로 신뢰성 및 에너지 변환효율 향상 등에 있으며, 이러한 태양광전지의 효율을 나타내는 주요 변수로는 개방 회로 전압(open-circuit voltage, Voc), 단락 회로 전류(short-circuit current, Jsc) 및 필 팩터(fill factor, FF) 등이 있다. 상기 개방 회로 전압은 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이며, 상기 단락 회로 전류는 회로가 단락된 상태, 즉 외부 저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향의 전류 밀도이다. 상기 필 팩터는 최대 전력점에서의 전류 밀도와 전압 값의 곱을 상기 개방 회로 전압과 상기 단락 회로 전류의 곱으로 나눈 값이다.
상술한 주요 변수는 상기 태양 전지의 구조를 설계하는데 필수적으로 고려해야 할 사항이다. 따라서, 상기 태양 전지의 효율과 관련하여 상기 주요 변수를 제어하는 방법은 계속적으로 연구되어 지고 있다.
본 출원이 이루고자 하는 기술적 과제는 그라핀을 이용하는 태양 전지에 있어서, 소정의 개방 회로 전압을 갖도록 설계된 태양 전지의 구조를 제공하는 것이다.
본 출원이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 그라핀을 이용하는 태양 전지에 있어서, 소정의 개방 회로 전압을 갖는 태양 전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 일 측면에 따른 태양 전지가 개시된다. 상기 태양 전지는 양극 전극, 상기 양극 전극과 이격되어 배치되는 음극 전극, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이에 배치되는 그라핀층 및 반도체층 및 상기 그라핀층 및 상기 반도체층의 계면에 위치하며 입사되는 광에 반응하여 전자 또는 홀을 발생시키는 광반응층을 포함한다. 상기 그라핀층은 적어도 하나 이상의 그라핀 단위층을 포함하고, 상기 그라핀층 및 상기 반도체층 간의 일함수 차이에 근거하여 상기 그라핀 층을 구성하는 그라핀 단위층의 개수가 조절된다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 다른 측면에 따른 태양 전지의 제조 방법이 개시된다. 상기 태양 전지의 제조 방법에 있어서, 먼저 반도체층을 준비한다. 상기 반도체층 상에 그라핀층을 형성한다. 상기 그라핀층이 형성된 반도체층의 양단에 양극 전극 및 음극 전극을 형성한다. 상기 반도체층 상에 상기 그라핀층을 형성하는 과정은 예비 기판 상에 그라파이트화 촉매를 제공하는 과정, 상기 그라파이트화 촉매를 이용하는 화학 기상 증착법에 의해 상기 예비 기판 상에 그라핀층을 형성하는 과정, 상기 형성된 그라핀층을 상기 예비 기판으로부터 박리하는 과정 및 상기 박리된 그라핀층을 상기 반도체층 상으로 전사하는 과정을 포함한다.상기 반도체층 상에 형성되는 상기 그라핀층을 구성하는 그라핀 단위층의 개수는 상기 반도체층과의 일함수 차이에 근거하여 조절된다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 또 다른 측면에 따른 태양 전지의 제조 방법이 개시된다. 상기 태양 전지의 제조 방법에 있어서, 먼저 소정의 일함수를 가지는 반도체층을 선정한다. 상기 반도체층과 접합하는 그라핀층의 그라핀 단위층의 개수를 결정한다. 상기 선정된 반도체층 및 상기 결정된 개수의 그라핀 단위층을 구비하는 광 반응층을 형성한다. 상기 그라핀층의 일함수는 상기 그라핀층을 구성하는 그라핀 단위층의 개수가 증가할수록 증가하며, 상기 반도체층과 상기 그라핀층 간의 일함수차에 근거하여 개방 회로 전압의 크기가 조절된다.
본 출원에 따르면, 태양 전지의 개방 회로 전압은 반도체층과 그라핀층 간의 일함수차에 따라 변화한다. 상기 그라핀층을 구성하는 그라핀 단위층의 개수를 조절함으로써 상기 그라핀층의 일함수를 변화시킬 수 있다. 이로서, 상기 태양 전지의 개방 회로 전압을 용이하게 조절할 수 있다.
본 출원에 따르면, 광 반응층으로서 반도체층과 그라핀층을 적층하여 형성할 수 있으며, 이때, 상기 그라핀층을 구성하는 그라핀 단위층의 개수를 조절함으로써 소정의 개방 회로 전압을 가지는 태양 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 본 출원의 다른 실시 예에 따르는 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 출원의 또 다른 실시 예에 따르는 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 그라핀층의 성분 및 미세 구조를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 전기적 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 광방출 전자 스펙트럼(photoemission electron spectrum) 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 그라핀층의 성분을 분석한 그래프이다.
도 2는 본 출원의 다른 실시 예에 따르는 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 출원의 또 다른 실시 예에 따르는 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 그라핀층의 성분 및 미세 구조를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 전기적 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 광방출 전자 스펙트럼(photoemission electron spectrum) 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 그라핀층의 성분을 분석한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상의 동일 부호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다”또는 “가지다” 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
본 명세서에서 사용되는 ‘그라핀층’이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그라핀이 시트 형태의 층을 가지는 것을 의미한다. 상기 공유 결합으로 연결된 상기 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 이루며, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 상기 그라핀층은 일 예로서, sp2 결합과 같이 서로 공유 결합된 탄소원자들의 단일층 형태뿐만 아니라, 상기 그라핀 내에 포함될 수 있는 5원환/7원환의 함량에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 ‘그라핀층’은 상기 그라핀 시트 하나로 이루어지는 상기 그라핀 단일층 또는 이들이 여러 개 서로 적층되어 형성하는 복수층을 의미하며, 약 100 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 통상 상기 그라핀의 측면 말단부는 수소원자로 포화될 수 있다. 상기 그라핀층은 적어도 하나의 그라핀 단위층을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 기술하는 ‘그라핀 단위층’은 상기 그라핀 단일층을 의미한다.
본 명세서에서 기술하는 반도체층이 ‘n형 또는 p형의 전도특성’을 갖는다는 개념은 소정의 처리를 통해 순수한 그라핀 시트층이 n형 또는 p형의 특성을 갖도록 반도체층이 도핑된 것을 의미한다. 본 명세서에서는 상기 도핑 처리에 대하여 상술하지는 않으나, 종래에 알려진 이온 주입법 또는 확산법 등 다양한 도핑 기술이 적용될 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 태양전지의 ‘개방 회로 전압(open circuit voltage’ 란, 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따른 태양 전지를 개략적으로 설명하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 태양 전지(100)는 양극 전극(110), 양극 전극(110)과 이격되어 배치되는 음극 전극(140), 양극 전극(110) 및 음극 전극(140) 사이에 배치되는 반도체층(120) 및 그라핀층(130), 반도체층(120) 및 그라핀층(130)의 계면에 위치하며 입사되는 광에 반응하여 전자 또는 홀을 발생시키는 광반응층(미도시)을 포함한다.
그라핀층(130)은 적어도 하나 이상의 그라핀 단위층을 포함한다. 상기 그라핀 층을 구성하는 그라핀 단위층의 개수는 그라핀층(130) 및 반도체층(120) 간의 일함수 차이에 근거하여 조절된다.
도시한 태양 전지(100)에 있어서, 양극 전극(110)은 상기 광반응층에서 발생한 상기 홀을 반도체층(120)을 경유하여 수집하는 기능을 한다. 양극 전극(110)은 반도체층(120)과 저항성 접합(ohmic contact)을 형성하는 공지의 전도성 물질로 이루어 질 수 있다.
음극 전극(140)은 상기 광반응층에서 발생한 상기 전자를 그라핀(130)층을 경유하여 수집하는 기능을 한다. 음극 전극(140)은 그라핀층(130)과 저항성 접합을 형성하는 공지의 전도성 물질로 이루어 질 수 있다.
상술한 양극 전극(110)과 음극 전극(140)이라는 용어는 상기 광반응층에서 발생하는 전자 또는 홀을 각각 수집하는 기능에 따라 임의로 분류한 것이므로, 다른 몇몇 실시예들에 있어서, 그라핀층(130)과 접하는 전극이 홀을 수집하는 경우 양극 전극이 될 수도 있으며, 반도체층(120)과 접하는 전극이 전자를 수집하는 경우 음극 전극이 될 수도 있다.
반도체층(120)은 n형 또는 p형의 전도 특성을 가지도록 도핑될 수 있으며, 일 예로서, 이온 주입법, 확산법 등의 공지의 도핑법이 적용될 수 있다. 반도체층(120)은 전자 또는 홀을 전도성 캐리어로서 구비할 수 있다. 반도체층(120)은 일 예로서, 실리콘(Si), 유기반도체 재료, 갈륨비소(GaAs), 카드늄-텔륨(CdTe), 구리인듐셀레늄(CuInSe2), 황화카드뮴(CdS) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 유기반도체 재료는 유기전계발광소자, 유기태양전지, 유기박막 트랜지스터 소자 등을 포함하는 유기반도체 소자에서 사용되는 소정의 밴드갭 에너지를 가지는 공지의 재료이다. 즉, 상기 유기반도체 재료는 일정한 밴드갭 에너지를 가짐으로써, 후술하는 그라핀층(130)과 접합할 때 계면에서 일정한 일함수 차이를 발생시킬 수 있다. 상기 n형 또는 p형의 도핑을 발생시키는 도펀트는 공지의 유기물 또는 무기물이 적용될 수 있다.
그라핀층(130)이 반도체층(120) 상에 배치된다. 그라핀층(130)은 적어도 하나 이상의 그라핀 단위층을 포함할 수 있다. 그리핀층(130)은 약 20,000 내지 50,000 cm2/Vs의 전하 이동도를 가질 수 있으며, 실질적으로 동일한 홀과 전자의 이동도를 가질 수 있다.
반도체층(120) 및 그라핀층(130)이 배치될 때, 반도체층(120) 및 그라핀층(130)의 계면에는 광반응층이 형성될 수 있다. 상기 광반응층은 외부로부터 입사되는 광에 반응하여 전자 또는 홀을 발생시킬 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 반도체층(120) 및 그라핀층(130)은 계면에서 일함수 차이에 의하여, 쇼트키 접합부를 형성할 수 있으며, 상기 쇼트키 접합부가 상기 광반응층으로 작용할 수 있다.
본 출원의 발명자는 상기 그라핀 단위층의 갯수가 증가할수록 그라핀층(130)의 일함수는 증가한다는 사실을 발견하였다. 태양 전지의 개방 회로 전압(open circuit voltage, Voc) 설계에 있어서, 상기 개방 회로 전압은 반도체층(120) 및 그라핀층(130)의 일함수 차이가 커질 수록 증가한다. 발명자는 상기 개방 회로 전압의 크기를 조절하기 위해, 그라핀층(130)의 일함수를 조절하는 방법을 고안하였다. 즉, 상기 그라핀 단위층의 갯수를 조절함으로써, 그라핀층(130)의 일함수를 조절할 수 있다. 그라핀층(130)의 일함수를 조절함에 따라 그라핀층(130)과 반도체층(120)사이의 일함수 차이를 조절할 수 있게 되고, 이를 통하여, 상기 개방 회로 전압의 크기를 조절할 수 있다.
상술한 그라핀층(130)의 일함수를 조절하는 방법은 다양한 수준의 일함수를 갖는 다양한 종류의 반도체층(130)과 그라핀층(130)을 접합시킴으로써, 다양한 수준의 개방 회로 전압을 갖는 태양 전지를 설계할 수 있는 장점이 있게 된다.
다른 몇몇 실시예들에 의하면, 그라핀층(130)은 방향족 유기물, 금속산화물, 금속불소화물, 금속염소화물, 금속탄산염, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 도펀트로 이용하여 n형 또는 p형의 전도특성을 갖도록 도핑될 수 있다. 상기 방향족 유기물은 상기 그라핀 시트와 π-π 적층 상호 작용(stacking interaction)이 가능한 방향족 고리 화합물이며, 상기 방향족 고리화합물은 상기 그라핀 시트와 반응하는 전자 주개 작용기(electron donor group) 또는 전자 끌게 작용기(electron withdrawing group)를 포함하는 유기물일 수 있다. 상기 유기물은 일 예로서, 1,5-나프탈렌디아민, 테트라소디움1,3,6,8-피렌테트라솔포닉애시드, 9,10-디메틸안트라센, 9,10-디브로모안트라센, 바이오로겐(Viologen), NADH 또는 이들의 2 이상의 조합을 포함할 수 있다. 또한 그라핀 시트층과 π-π 적층 상호 작용을 하는 상기 방향족 화합물은 6원환, 5원환, 7원환 등의 방향족 환이 상호 연결된 시스템(annulated system)을 포함한다.
상기 금속산화물, 상기 금속불소화물, 상기 금속염소화물 또는 상기 금속탄산염 중 어느 하나는 Mo, W, Ni, Rb, Na, Li, K, Ru, Cs, Cu, Re, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Mn, Fe, Co, Zn, Y, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Si, As, Se, Eu, Sm, Th, Ac, Ce, Pr, Zr 또는 이들의 2 이상의 금속 원자의 조합에서 선택될 수 있다. 일 예로서, 상기 금속산화물, 상기 금속탄화물 또는 상기 금속할로겐화물은 LiF, CsF, NaCl, AuCl, MoO3, MoO2, WO3, V2O5, Nb2O5, ReO3, Rb2CO3, Cs2CO3, Li2CO3, Na2CO3, ZrO2, Li2O, Na2O, RbO2, BeO, CaO, SrO, BaO, SiO2, TiO, TiO2, Ti2O3, V2O3, V2O4, Mn3O4, MnO, Mn2O3, MnO2, FeO, Fe3O4, ZnO2, MgO, SnO2, In2O3, CrO3, CuO, Cu2O, HfO2, Fe2O3, CoO, Co3O4, NiO, NiO2, CeO2, Y2O3, NbO, NbO2, MoO2, MoO3, RuO2, Rh2O3, PdO, AgO, Ag2O, CdO, Ta2O5, TaO3, TaO2, ReO3, OsO4, IrO2, PtO2, Au2O3, HgO, Ga2O3, GeO2, SnO, PbO2, PbO, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, Bi2O3, As2O3, As2O5, SeO2, Eu2O3, ZrSiO4, RbTiO3, RbSeO3, FeLiO2, FeMoO4, FeO3Ti, Fe2O4Zn, Fe2O5Ti, Fe5O12Y3, Fe12O19Sr, NiFeO4, Nb2O5Pb, NbO6Mn, MoO4Pb, MoO4Sr, MoO4Zn, AgOV, AgO4Re, Ag2CrO4, Ag2O, Ag2O4W, CdO3Zr, Ga5G3O12, TiReO4, PbSeO3, PbTiO3, PbZrO3, Bi2O7Ti2, Ce2O12W3 또는 이들의 2 이상의 조합에서 선택될 수 있다.
상기 알칼리 금속은 일 예로서, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr 또는 이들의 2 이상의 조합에서 선택될 수 있다. 상기 알칼리 토금속은 일 예로서, 메탈은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 또는 이들의 2 이상의 조합에서 선택될 수 있다. 상술한 바와 같이, 그라핀층(130)은 도핑됨으로써, 양극 전극 또는 음극 전극과 접합할 때 저항성 접촉을 이루도록 조절될 수 있다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 태양 전지의 제조 방법에 있어서, 210 블록에서 반도체층을 준비한다. 상기 반도체층은 n형 또는 p형의 전도 특성을 가지도록 도핑될 수 있으며, 일 예로서, 이온 주입법, 확산법 등의 공지의 도핑법이 적용될 수 있다. 상기 반도체층은 전자 또는 홀을 전도성 캐리어로서 구비할 수 있다. 상기 반도체층은 일 예로서, 실리콘(Si), 유기반도체 재료, 갈륨비소(GaAs), 카드늄-텔륨(CdTe), 구리인듐셀레늄(CuInSe2), 황화카드뮴(CdS) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 유기반도체 재료는 유기전계발광소자, 유기태양전지, 유기박막 트랜지스터 소자 등을 포함하는 유기반도체 소자에서 사용되는 소정의 밴드갭 에너지를 가지는 공지의 재료이다. 즉, 상기 유기반도체 재료는 일정한 밴드갭 에너지를 가짐으로써, 후술하는 그라핀층과 접합할 때 계면에서 일정한 일함수 차이를 발생시킬 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 반도체층은 상기의 물질로 이루어지는 기판 상에 형성될 수 있다.
220 블록을 참조하면, 상기 반도체층 상에 그라핀층을 형성한다. 상기 그라핀층은 적어도 하나 이상의 그라핀 단위층을 포함하도록 형성할 수 있다. 상기 그라핀 단위층의 개수가 증가할 수록 상기 형성된 그라핀층의 일함수는 증가할 수 있다. 상기 반도체층 상에 상기 그라핀층을 형성하는 방법은 이하에서 자세히 상술하도록 한다.
230 블록을 참조하면, 상기 그라핀층이 형성된 상기 반도체층의 양단에 양극 전극 및 음극 전극을 형성한다. 상기 그라핀층 및 상기 반도체층이 접촉하면, 양쪽의 일함수 차이에 의하여 광반응층을 형성할 수 있다. 상기 광반응층은 입사하는 광에 반응하여 전자 또는 홀을 생성할 수 있다. 상기 양극 전극은 상기 광반응층에서 생성된 홀을 수집하는 역할을 수행하며, 상기 음극 전극은 상기 광반응층에서 생성된 전자를 수집하는 역할을 수행한다. 상기 양극 전극 또는 상기 음극 전극은 전도성 물질로 이루어질 수 있으며, 패터닝된 국부적인 영역에 형성될 수 있다. 상기 양극 전극 또는 상기 음극 전극은 금속과 같은 전도성 물질을 증착하고 이를 리소그래피 및 식각법과 같은 패터닝 방법을 적용하여 형성하거나, 상기 반도체층 내부에 국부적인 도핑에 의해 우물(well)을 형성하는 방법을 적용하여 형성할 수 있다.
이하에서는 상기 220블록에서의 상기 반도체층 상에 그라핀층을 형성하는 방법을 설명하기로 한다. 먼저, 221 블록을 참조하면, 예비 기판을 준비하고, 상기 예비 기판 상에 그라파이트화 촉매를 제공한다. 상기 예비 기판은 일 예로서, 실리콘 산화물로 이루어지거나, 또는 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물층이 증착된 기판일 수 있다. 상기 그라파이트화 촉매는 일 예로서, Ni, Cu, Co, Pt, Au, Cr, Mg, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr 또는 이들의 2이상의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 그라파이트화 촉매는 일 예로서, 스퍼터링 등과 같은 증착 방법에 의해 예비 기판 상에 박막 또는 필름의 형태로 형성될 수 있다.
222 블록에서, 화학기상증착법에 의해 그라핀층을 형성한다. 상기 그라파이트화 촉매가 제공된 예비 기판 상에, 메탄 가스를 포함하는 반응 가스를 도입한다. 일 실시 예에 따르면, 상기 반응 가스는 메탄 가스 및 수소 가스를 포함할 수 있다. 상기 화학기상증착법은 상기 반응 가스를 포함하는 불활성 또는 환원성 분위기내에서 상기 그라파이트화 촉매와 함께 진행될 수 있다. 상기 그라파이트화 촉매는 상기 반응 가스 내에 존재하는 탄소 성분들이 서로 결합하여 무정형의 카본 구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행할 수 있다. 상기 화학기상증착법이 수행되는 동안, 상기 예비 기판에 1000℃ 이상의 고온 열처리를 수행함으로써 탄소 이외의 휘발성 성분을 제거할 수 있다. 이로서, 탄소 성분만의 무정형의 카본 구조를 만들 수 있다. 상온으로 온도를 냉각시키는 과정에서 6각형의 관상 구조인 그라핀의 형태로 재배열하여 상기 그라핀층을 형성하게 된다. 상기 그라핀층은 적어도 하나 이상의 그라핀 단위층을 포함할 수 있다.
223 블록에서, 상기 그라핀층을 상기 예비 기판으로부터 박리한다. 일 실시 예에 따르면, 먼저, 상기 형성된 그라핀층 상에 PDMS와 같은 폴리머 층을 스핀 코팅(spin coating) 하여 접착시킨다. 그리고, PDMS가 적층된 상기 그라핀층을 화학적 식각을 통해 상기 예비 기판으로부터 박리한다. 상기 박리하는 공정을 진행할 때, 부가적으로, 상기 예비 기판과 상기 그라핀층 계면에 잔존하는 상기 그라파이트화 촉매를 제거할 수 있다. 일 예로서, 그라파이트화 촉매로서, 니켈 박막 또는 구리 박막이 적용되는 경우, 상기 예비 기판을 염화철 수용액에 담금으로써 상기 니켈 박막 또는 상기 구리 박막을 식각할 수 있다.
224 블록에서, 상기 박리된 그라핀층을 상기 기판으로 전사한다. 일 실시 예에 의하면, 상기 PDMS가 적층된 상기 박리된 그라핀층을 상기 반도체층이 형성된 기판 상에 전사한다. 상기 전사 공정이 완료된 후에, 그라핀 시트 위에 남아있는 PDMS는 아세톤 용매에 담금으로써 제거할 수 있다. 이로서, 상기 반도체 상에 상기 그라핀층을 형성할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 그라핀층은 하나의 그라핀 단위층 단위로 전사될 수 있다. 따라서, 복수의 그라핀 단위층을 가지는 상기 그라핀층은 복수의 전사 과정을 수행함으로써 형성될 수 있다.
몇몇 실시 예들에 의하면, 224 블록의 공정이 완료된 후에 진공 열처리를 수행할 수 있다. 상기 진공 열처리를 수행함으로써, 상기 그라핀층 내부의 불순물을 제거할 수 있다. 상기 진공 열처리는 일 예로서, 진공 분위기의 노(furnace)에서 약 500℃ 에서 약 12 시간 정도의 열 부담(thermal budget)을 갖도록 진행할 수 있다.
도 3은 본 출원의 또 다른 실시 예에 따르는 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 먼저 310 블록에서 소정의 일함수를 가지는 반도체층을 선정한다. 상기 반도체층은 일 예로서, 실리콘(Si), 유기반도체 재료, 갈륨비소(GaAs), 카드늄-텔륨(CdTe), 구리인듐셀레늄(CuInSe2), 황화카드뮴(CdS) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 유기반도체 재료는 유기전계발광소자, 유기태양전지, 유기박막 트랜지스터 소자 등을 포함하는 유기반도체 소자에서 사용되는 소정의 밴드갭 에너지를 가지는 공지의 재료이다. 즉, 상기 유기반도체 재료는 일정한 밴드갭 에너지를 가짐으로써, 후술하는 그라핀층과 접합할 때 계면에서 일정한 일함수 차이를 발생시킬 수 있다.
320 블록에서, 상기 반도체층과 접합하는 그라핀층의 그라핀 단위층의 개수를 결정한다. 본 출원의 발명자는 상기 그라핀 단위층의 개수가 증가할수록 상기 그라핀층의 일함수가 증가함을 발견하였다.
330 블록에서, 상기 선정된 반도체층 및 상기 결정된 개수의 그라핀 단위층을 적층하여 광반응층을 형성한다.
본 출원의 일 실시 예에 있어서, 태양 전지의 개방 회로 전압 설계할 때, 상기 개방 회로 전압은 상기 반도체층 및 상기 그라핀층간의 일함수 차이가 커질수록 증가한다. 본 출원의 발명자는 상기 개방 회로 전압의 크기를 조절하기 위해, 상기 그라핀층의 일함수를 조절하는 방법을 고안하였다. 즉, 상기 그라핀 단위층의 갯수를 조절함으로써, 상기 그라핀층의 일함수를 조절할 수 있다. 상기 그라핀층의 일함수를 조절함에 따라 상기 그라핀층과 상기 반도체층사이의 일함수 차이를 조절할 수 있게 되고, 이를 통하여, 상기 개방 회로 전압의 크기를 조절할 수 있다.
본 출원의 일 실시 예에 따르면, 상기 그라핀층의 일함수를 조절하는 방법은 다양한 수준의 일함수를 갖는 다양한 종류의 반도체층과 상기 그라핀층을 접합시킴으로써, 다양한 수준의 개방 회로 전압을 갖는 태양 전지를 설계할 수 있는 장점이 있게 된다.
이하에서는 본 출원의 기술 사상을 보다 구체적으로 이해할 수 있는 구체적인 실시예를 소개한다. 다만, 아래의 실시예에 본 출원의 기술 사상이 이에 한정되는 것이 아니고, 본 출원의 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하다.
실시예
1. 태양 전지의 제조
먼저, P형으로 도핑된 실리콘 기판을 준비한다. 도핑 공정은 붕소(Boron)를 2 ×1015 /cm2 로 주입함으로써 홀을 전도성 캐리어로서 가지도록 하였다. 상기 P형으로 도핑된 실리콘 기판은 12×12 mm2의 면적을 가진다. 상기 P형으로 도핑된 실리콘 기판 상에 그라핀 층을 형성하였다. 상기 그라핀층은 상술한 바와 같은 전사 과정을 수행함으로써 상기 실리콘 기판 상에 10×10 mm2의 면적을 가지도록 형성하였다. 상기 그라핀층은 하나의 그라핀 단위층 별로 전사과정을 수행함으로써, 적어도 하나 이상의 그라핀 단위층을 가지도록 형성하였다.
본 실시예에서는 상기 그라핀층이 각각 1 내지 4 그라핀 단위층을 갖는 시편으로 실험군을 나누었으며, 각각의 실험군에 대하여, 세부적으로 분류하여 500℃ 2시간 동안 진공 열처리를 선택적으로 진행하였다.
상기 형성된 그라핀층 상에 알루미늄층 패턴을 음극 전극으로 형성하였다. 상기 알루미늄층 패턴은 3000Å의 두께 및 2×2 mm2의 면적를 가지도록 형성하였다.
이로서, P형 실리콘 기판 및 상기 그라핀 층의 접합에 의해 광반응층이 형성된 태양 전지를 완성하였다.
실험예
상기 형성된 각 실험군에 대하여, 라만 스펙트럼 분석을 실시하여 성분 분석을 실시하고, 투과전자현미경을 통하여 미세 구조를 관찰하였다.
상기 형성된 각 실험군에 대하여 태양 전지로서 기능할 때의 전류-전압 특성을 평가하였다. 각각의 태양 전지에 제공되는 빛은 100mW AM 1.5G 조사 조건하에서 진행되었다.
상기 각 실험군에서의 일함수 변화를 측정하기 위하여, 광방출 전자 스펙트럼(photoemission electron spectrum) 측정법을 수행하여 2차 컷-오프(secondary Cut-off) 에너지를 측정하였다. 1 그라핀 단위층 내지 4 그라핀 단위층을 가지는 시편의 실험군에 대하여 21.2 eV의 자외선 에너지 원을 이용하여 -5 V를 인가할때 방출되는 상기 2차 컷-오프 에너지를 측정하였다.
상기 각 실험군에서의 그라핀층의 성분 분석을 위하여 싱크로트론(synchrotron) 방사원을 이용하여 350 eV에서의 탄소 1s 스펙트럼을 측정하였다.
고찰
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 그라핀층의 성분 및 미세 구조를 나타내는 그래프이다. 그래프에 있어서, “ML”은 그라핀 단위층을 의미하며, 1 그라핀 단위층으로부터 4 그라핀 단위층의 시편에 대하여 라만 스펙트럼 및 미세 구조 분석이 이루어졌다. 상술한 진공 열처리는 이루어지지 않았다.
도 4를 참조하면, 그라핀 단위층의 개수가 증가할 수록 G 및 2D로 표기되는 그라핀층의 피크가 증가하고 있는 것을 관찰할 수 있으며, 이들 2D/G 간의 강도 (intensity) 비율도 실질적으로 변화하지 않는 모습을 보여주고 있다. 이를 통하여, 상기 그라핀층은 내부의 그라핀 단위층이 복층으로 적층된 상태로 존재하는 것을 알 수 있다.
투과 전자 현미경 사진에 의해서도, 경계선을 기준으로 우측 편의 그라핀층이 결함이나 오염없이 양호한 미세구조를 보여줌을 관찰할 수 있다.
도 5는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 전기적 특성을 나타내는 도면이다. 도 5의 (a)는 상술한 실시예에 따르는 태양 전지를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3의 (b)는 1 그라핀 단위층 내지 4 그라핀 단위층인 그라핀층에 대하여 진공 열처리를 수행하지 않는 경우의 태양 전지의 전류-전압 그래프이며, 도 3의 (c)는 1 그라핀 단위층 내지 4 그라핀 단위층인 그라핀층에 대하여 진공 열처리를 수행한 경우의 태양 전지의 전류-전압 그래프이다. 도 3의 (b) 및 (c)에서, 전류 밀도(current density)가 제로(0)인 X축 절편이 개방 회로 전압에 해당된다. 상기 개방 회로 전압은 전위차를 의미하므로, 대체로 1 그라핀 단위층으로부터 4 그라핀 단위층으로 갈수록 상기 개방 회로 전압은 낮아진다. 구체적으로 도 3의 (b)에서, 1 그라핀 단위층 내지 4 그라핀 단위층의 개방 회로 전압은 각각 -110mV, -190mV, -50mV 및 -3mV를 나타냈으며, 도 3의 (c)에서, 1 그라핀 단위층 내지 4 그라핀 단위층의 개방 회로 전압은 각각 -120mV, -50mV, -30mV 및 -5mV를 나타냈다. 도 3의 (c)에서 1 그라핀 단위층보다 2 그라핀 단위층의 개방 회로 전압이 높은 것은 그라핀층 내부의 불순물 또는 결함이 진공 열처리에 의해 제거되거나 치유되지 않았기 때문으로 판단된다.
도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 광방출 전자 스펙트럼(photoemission electron spectrum) 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6의 (a)는 진공 열처리를 수행하지 않은 경우이며, (b)는 진공 열처리를 수행한 경우의 결과이다. (c)는 상기 측정 결과를 토대로 완성한 상기 그라핀층과 상기 P형으로 도핑된 실리콘 기판 사이의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 6의 (a) 및 (b)에 있어서, 상기 2차 컷-오프 에너지의 변화는 직접적으로 상기 그라핀층과 상기 P형 실리콘 기판 사이의 일함수 차이에 관련된다. 이에 근거하여 그래프 내에 도시한 일함수 차이 그래프를 참조하면, 대체로 1 그라핀 단위층 내지 4 그라핀 단위층으로 갈수록 일함수 차이가 감소함을 확인할 수 있다. 이와 같은 경향은 도 5의 개방 회로 전압 변화 경향과도 일치함을 확인할 수 있다.
이와 같이, 도 6의 (a) 및 (b)의 결과를 고찰하면, 상기 그라핀층과 상기 P형으로 도핑된 실리콘 기판 사이의 계면은 쇼트키 접합을 이루고 있음을 알 수 있으며, 상기 그라핀 단위층의 개수가 증가할수록 일함수 차이가 감소하는 경향을 도 6의 (c)에서 모식도로 확인할 수 있다.
도 7은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 태양 전지의 그라핀층의 성분을 분석한 그래프이다. 도 7은 싱크로트론 방사원을 이용하여 350 eV에서의 탄소 1s 스펙트럼을 측정한 결과이다. 도 7에서, 파란색 영역으로 도시된 부분은 탄소 1s 스펙트럼에서 분석된 1 그라핀 단위층에 해당되는 영역이다. 검은색 영역으로 도시된 부분은 탄소 1s 스펙트럼에서 분석된 그라핀 벌크에 해당되는 영역이다. 그외 C, C1 및 C2에 해당하는 붉은색 영역, 보라색 영역 및 연두색 영역은 불순물 또는 오염물을 지적하는 영역이다.
도 7을 참조하면, 본 탄소 1s 스펙트럼 분석을 통해서는 1 그라핀 단위층에서 불순물 또는 오염물이 관찰되었으며, 진공 열처리를 통하여 상당량 제거되는 모습을 보여 준다. 2 그라핀 단위층의 실험군부터 4 그라핀 단위층의 실험군에서, 그라핀 벌크에 해당되는 영역이 관찰되며, 3 그라핀 단위층 이상에서는 1 그라핀 단위층에 해당하는 영역은 거의 사라진 것을 관찰할 수 있다.
100: 태양 전지, 110: 양극전극, 120: 반도체층, 130: 그라핀층, 140: 음극전극.
Claims (14)
- 양극 전극;
상기 양극 전극과 이격되어 배치되는 음극 전극;
상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이에 배치되는 그라핀층 및 반도체층; 및
상기 그라핀층 및 상기 반도체층의 계면에 위치하며 입사되는 광에 반응하여 전자 또는 홀을 발생시키는 광반응층을 포함하되,
상기 그라핀층은 적어도 하나 이상의 그라핀 단위층을 포함하고,
상기 그라핀층 및 상기 반도체층 간의 일함수 차이에 근거하여 상기 그라핀 층을 구성하는 상기 그라핀 단위층의 개수가 조절되는
태양 전지. - 제1 항에 있어서,
상기 그라핀 단위층의 갯수가 증가할수록 상기 그라핀층의 일함수는 증가하는 태양 전지. - 제1 항에 있어서,
상기 반도체층은 n형 또는 p형의 전도특성을 가지는 태양 전지. - 제1 항에 있어서,
상기 그라핀층이 무기물 및 유기물로 도핑되어 n형 또는 p형의 전도특성을 가지는 태양 전지. - 제3 항에 있어서,
상기 반도체층은 실리콘(Si), 유기반도체 재료, 갈륨비소(GaAs), 카드늄-텔륨(CdTe), 구리인듐셀레늄(CuInSe2) 및 황화카드뮴(CdS)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 태양 전지. - 제1 항에 있어서,
상기 그라핀 단위층과 상기 반도체 층이 쇼트키 접합을 형성할 때,
태양 전지의 개방 회로 전압은 그라핀 단위층의 개수에 의하여 조절되는
태양 전지. - 태양 전지의 제조 방법에 있어서,
반도체층을 준비하는 과정;
상기 반도체층 상에 그라핀층을 형성하는 과정; 및
상기 그라핀층이 형성된 상기 반도체층의 양단에 양극 전극 및 음극 전극을 형성하는 과정을 포함하되,
상기 반도체층 상에 상기 그라핀층을 형성하는 과정은
(a) 예비 기판 상에 그라파이트화 촉매를 제공하는 과정;
(b) 상기 그라파이트화 촉매를 이용하는 화학 기상 증착법에 의해 상기 예비 기판 상에 그라핀층을 형성하는 과정;
(c) 상기 형성된 그라핀층을 상기 예비 기판으로부터 박리하는 과정; 및
(d) 상기 박리된 그라핀층을 상기 반도체층 상으로 전사하는 과정을 포함하되,
상기 반도체층 상에 형성되는 상기 그라핀층을 구성하는 그라핀 단위층의 개수은 상기 반도체층과의 일함수 차이에 근거하여 조절되는
태양 전지의 제조 방법. - 제7 항에 있어서,
(d) 과정 후에, 진공 열처리를 수행함으로써, 상기 그라핀층의 불순물을 제거하는 태양 전지의 제조 방법. - 제7 항에 있어서,
상기 그라핀 단위층의 갯수가 증가할수록 상기 그라핀층의 일함수는 증가하는 태양 전지의 제조 방법. - 제7 항에 있어서,
상기 반도체층을 준비하는 과정은 상기 반도체층이 n형 또는 p형의 전도특성을 가지도록 도핑하는 과정을 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제7 항에 있어서,
상기 반도체층은 실리콘(Si), 유기반도체 재료, 갈륨비소(GaAs), 카드늄-텔륨(CdTe), 구리인듐셀레늄(CuInSe2) 및 황화카드뮴(CdS)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 소정의 일함수를 가지는 반도체층을 선정하는 과정;
상기 반도체층과 접합하는 그라핀층의 그라핀 단위층의 개수를 결정하는 과정; 및
상기 선정된 반도체층 및 상기 결정된 개수의 상기 그라핀 단위층을 적층하여 광반응층을 형성하는 과정을 포함하되,
상기 그라핀층의 일함수는 상기 그라핀층을 구성하는 상기 그라핀 단위층의 개수가 증가할수록 증가하며, 상기 반도체층과 상기 그라핀층 간의 일함수차에 근거하여 개방 회로 전압의 크기가 조절되는
태양 전지의 제조 방법. - 제12 항에 있어서,
상기 반도체층은 n형 또는 p형의 전도특성을 가지는 태양 전지의 제조 방법. - 제13 항에 있어서,
상기 반도체층은 실리콘(Si), 유기반도체 재료, 갈륨비소(GaAs), 카드늄-텔륨(CdTe), 구리인듐셀레늄(CuInSe2) 및 황화카드뮴(CdS)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR101300790B1 (ko) | 2012-04-16 | 2013-08-29 | 고려대학교 산학협력단 | 확산방지층을 가지는 ＣｄＴｅ 박막 태양전지 및 이의 제조방법 |
| CN104600147A (zh) * | 2015-01-16 | 2015-05-06 | 浙江大学 | 一种石墨烯/碲化镉太阳电池及其制备方法 |
| CN108231922A (zh) * | 2018-01-12 | 2018-06-29 | 莆田市超维二维科技发展有限公司 | 一种新型石墨烯光伏电池 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010114386A (ja) | 2008-11-10 | 2010-05-20 | Toyota Motor Corp | 光電変換素子 |
-
2010
- 2010-07-09 KR KR1020100066149A patent/KR101059072B1/ko not_active IP Right Cessation
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