KR101068646B1 - 쇼트키 접합 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 광효율을 향상시킬 수 있도록 기판과, 나노 소재를 포함하는 나노소재 반도체층과, 상기 나노소재 반도체층으로부터 정공을 전달 받으며 상기 나노소재 반도체층의 일함수보다 더 큰 일함수를 갖는 제1 전극, 및 상기 나노소재 반도체층으로부터 전자를 전달 받으며, 나노소재 반도체층의 일함수보다 더 작은 일함수를 갖는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 교대로 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법은 기판 준비 단계와, 상기 기판 상에 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나의 전극을 형성하고 형성된 전극을 패터닝하며, 패턴된 전극 사이에 다른 전극을 형성하는 전극 형성 단계와, 상기 기판 상에 나노소재 반도체층을 형성하는 나노소재 반도체층 형성 단계를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 나노소재 반도체층보다 일함수가 더 큰 물질로 이루어지며, 상기 제2 전극은 상기 나노소재 반도체층보다 일함수가 더 작은 물질로 이루어진다.
쇼트키 접합 태양 전지, 나노 소재, 쇼트키, 오믹
Description
본 발명은 쇼트키 접합 태양 전지에 관한 것으로서 보다 상세하게는 나노소재 반도체층과 전극이 쇼트키 접합된 쇼트키 접합 태양 전지에 관한 것이다.
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양 전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경 친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 증가하고 있다.
특히 고유가와 화석연료 부존의 제한성은 재생에너지에 대한 이용을 증대시킬 것으로 보이며, 이중에 이동이 간편하고 휴대할 수 있는 태양 전지의 의존성은 더욱 커질 것으로 예측된다.
일반적인 태양 전지는 PN 접합형 태양 전지로 이루어지는 바, P형 반도체와 N형 반도체를 접합하면, 페르미 준위의 차이에 따라 평형상태에서는 한번 접합을 통하여 고정 전하만 존재하는 공핍영역(depletion region)이 발생하게 된다.
그러나 포톤 에너지를 가진 빛이 입사하면 전자와 정공이 발생하게 되며 전계의 영향으로 전자는 N형 반도체의 중성영역으로 정공은 P형 반도체의 중성영역으로 이동하여 축적됨에 따라 기전력이 발생하고, 외부회로로 전기에너지를 이송할 수 있게 된다.
기존의 태양 전지는 실리콘 결정질 웨이퍼를 이용한 1세대 태양 전지와 실리콘 및 CdTe, CIGS 등의 박막을 이용한 2세대 태양 전지로 이루어지며, 시장의 95% 이상을 차지하고 있다.
한편, 쇼트키 접합(schottky junction)이라 함은 금속과 반도체의 접합으로서, 금속과 반도체 사이에 공핍층이 형성되어 전압을 인가하면 한방향으로만 전류가 흐르게 된다.
본 발명은 반도체성을 갖는 나노 소재와 금속을 쇼트키 접합하여 제작이 간단하고 광효율이 우수한 쇼트키 접합 태양 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 판 형상의 기판과, 나노 소재를 포함하는 나노소재 반도체층과, 상기 나노소재 반도체층으로부터 정공을 전달 받으며 상기 나노소재 반도체층의 일함수보다 더 큰 일함수를 갖는 제1 전극, 및 상기 나노소재 반도체층으로부터 전자를 전달 받으며, 나노소재 반도체층의 일함수보다 더 작은 일함수를 갖는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 교대로 배치된다.
상기 나노소재 반도체층은 나노 와이어, 나노 파티클, 또는 나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 제1 전극, 및 상기 제2 전극은 베이스와 상기 베이스에서 돌출된 복 수개의 돌기를 포함하고, 상기 제1 전극의 돌기 사이에 상기 제2 전극의 돌기가 끼워질 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 기판과 상기 나노소재 반도체층 사이에 배치될 수 있으며, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극과 상기 기판 사이에는 절연층이 형성될 수 있다. 또한, 상기 절연층은 복수개의 미세 돌기가 형성된 반사 방지막일 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 나노소재 반도체층 위에 배치될 수 있으며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 제1 반도체층과 상기 기판 사이, 및 상기 기판 상에 배치될 수도 있다.
상기 제1 전극은 전자에 대하여 상기 나노소재 반도체층에 쇼트키 접합되고, 상기 제2 전극은 전자에 대하여 상기 나노소재 반도체층에 오믹 접합될 수 있으며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 절연물질이 삽입될 수 있다.
상기 쇼트키 접합 태양 전지의 최상면에는 나노 돌기가 형성된 반사방지막이 배치될 수 있으며, 상기 제1 전극은 상기 나노소재 반도체층의 일면에 접하도록 배치되며, 상기 제2 전극은 상기 나노소재 반도체층의 타면에 접하도록 배치되고, 상기 제1 전극 사이의 상하 방향 공간에 상기 제2 전극이 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 판 형상의 기판과, 나노 소재를 포함하는 나노소재 반도체층과, 상기 나노소재 반도체층으로부터 정공을 전달 받으며 상기 나노소재 반도체층에 쇼트키 접합된 제1 전극, 및 상기 나노소재 반도체층으로부터 전자를 전달 받으며 상기 나노소재 반도체층에 오믹 접합된 제2 전극을 포함하고, 상기 나노소재 반도체층은 상기 제1 전극 보다 일함수가 더 작고, 상기 제2 전극보다 일함수가 더 큰 물질로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 제1 전극 사이에 제2 전극이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법은 기판 준비 단계와, 상기 기판 상에 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나의 전극을 형성하고 형성된 전극을 패터닝하며, 패턴된 전극 사이에 다른 전극을 형성하는 전극 형성 단계와, 상기 기판 상에 나노소재 반도체층을 형성하는 나노소재 반도체층 형성 단계를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 나노소재 반도체층보다 일함수가 더 큰 물질로 이루어지며, 상기 제2 전극은 상기 나노소재 반도체층보다 일함수가 더 작은 물질로 이루어진다.
상기 기판 상에 전극을 형성한 이후에 상기 나노소재 반도체층을 상기 전극 위에 형성할 수 있으며, 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 절연층 형성 단계를 더 포함하고, 상기 기판 상에 상기 절연층을 형성한 이후에 상기 절연층 위에 상기 전극을 형성할 수 있다.
또한, 상기 기판 상에 상기 나노소재 반도체층을 형성한 이후에 상기 나노소재 반도체층 위에 상기 전극을 형성할 수 있으며, 상기 나노소재 반도체층 형성 단계는 상기 나노소재 반도체층의 일함수를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노소재 반도체층 형성 단계는 상기 전극을 향하는 상기 나노소재 반도체층의 표면에 형성된 산화층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 나노소재 반도체층은 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅, 유전영동 배열, 필름 부착으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 쇼트키 접합 태양 전지는 나노소재 반도체층과 금속 전극이 쇼트키 접합하여 구성되므로 얇은 두께로 반도체층을 형성하는 것이 가능하며, 별도의 도핑 공정 없이도, 나노소재를 이용하여 용이하게 쇼트키 접합 태양 전지를 구성할 수 있다.
또한, 나노소재 반도체층을 대면적으로 형성하는 것이 가능하므로 보다 용이하게 대면적의 쇼트키 접합 태양 전지를 제조할 수 있으며, 전극이 교대로 배치되므로 광효율이 향상된다.
또한, 나노소재 반도체층은 표면은 거칠기가 크고, 표면에는 미세한 나노 돌기들이 형성되어 있는 바, 이러한 나노소재 반도체층 자체가 반사 방지막 역할을 하므로 광효율이 향상된다.
본 기재에 있어서 "나노 크기를 갖는 물질" 또는 "나노 소재", "나노 돌기"라 함은 직경, 두께, 폭, 길이, 피치 등 물질을 이루는 어느 한 부분의 크기가 나노 크기로 이루어진 것을 말한다.
또한 본 기재에 있어서 "~상에"라 함은 대상부재의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력방향을 기준으로 상부에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 본 기재에 있어서 교대로 배치된다 함은 반드시 두 개의 부재가 동일 한 평면 상에서 교대로 배치되는 것뿐만 아니라 상하 방향으로 이격되어 교대로 배치된 것을 포함한다.
또한, 본 기재에서 사이에 위치한다 함은 반드시 하나의 부재가 다른 부재들 사이에 삽입되는 것을 뜻하는 것은 아니며, 상하 방향으로 이격되어 부재가 위치하는 공간의 상하 방향 사이에 위치하는 것을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 기판(12)과 기판(12) 상에 형성된 제1 전극(13), 제1 전극(13) 사이에 끼워진 제2 전극(14) 및 전극들(13, 14) 상에 형성된 나노소재 반도체층(15)을 포함한다.
본 실시예에 따른 기판(12)은 불투명 기판으로 이루질 수 있으며, 광투과성 기판으로 이루어질 수도 있다. 기판(12)이 광투과성 기판으로 이루어질 경우, 기판(12)은 석영 및 유리와 같은 투명 무기 재료로 이루어질 수 있으며, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET; polyethylene terephalate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN; polyethylene naphthalate), 폴리에틸렌 설폰(PES; polyethylene sulfone), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 등의 투명 폴리머로 이루어질 수도 있다. 플렉서블 기판을 이용할 경우 유연성 있는 쇼트키 접합 태양 전지를 제조할 수도 있다.
나노소재 반도체층(15)은 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 파티클을 포함하는 나노 소재로 이루어진다. 이 때 나노 파티클은 양자점을 포함할 수 있다.
나노소재 반도체층(15)은 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 스프레이 코팅(spray coating), 드롭 캐스팅(drop casting), 유전영동 배열(dielectrophoretic method), 필름 부착 등의 방법으로 형성될 수 있다.
이와 같은 방법에 의하면 대면적의 나노소재 반도체층(15)을 용이하게 형성할 수 있으며, 이에 따라 대면적의 쇼트키 접합 태양 전지를 용이하게 제작할 수 있다. 빛이 입사하면 나노소재 반도체층(15)에서 자유 전자와 정공을 분리된다.
나노소재 반도체층(15)은 일함수가 조절될 수 있는데, 일함수의 의 조절 방법으로는 암모니아(NH3), 산소 등의 가스를 이용하는 방식과, 칼륨(K), 브롬(Br) 등의 기능 분자와 반응 및 열처리하는 방식, 폴리머(PEI) 물질과의 연결 체인을 이용하는 방식, 및 알루미늄 등과 같은 금속을 도핑하는 방법 등이 적용될 수 있다.
제1 전극(13)은 나노소재 반도체층(15)을 이루는 물질보다 더 큰 일함수를 갖는 소재로 이루어지는 바, 이에 따라 제1 전극(13)과 나노소재 반도체층(15)은 전자에 대하여 쇼트키 접합(schottky junction)을 이룬다. 또한, 제1 전극(13)은 기판(12)과 나노소재 반도체층(15) 사이에 형성되며, 베이스(13a)와 베이스(13a)에서 제2 전극(14)을 향하여 돌출된 돌기(13b)를 갖는다. 돌기(13b)는 베이스(13a)에서 타측 방향으로 이어져 형성되며, 대략 사각막대 형상을 갖는다, 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 삼각막대 형상 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
제2 전극(14)은 나노소재 반도체층(15)을 이루는 물질보다 더 작은 일함수를 갖는 소재로 이루어지는 바, 이에 따라 제2 전극(14)과 나노소재 반도체층(15)은 전자에 대하여 오믹 접합(ohmic junction)을 이룬다. 또한, 제1 전극(13)은 정공에 대하여 나노소재 반도체층에 오믹 접합되고, 제2 전극(14)은 정공에 대하여 나노소재 반도체층에 쇼트키 접합된다.
다만, 본 기재에서 특별한 언급이 없는 한, 쇼트키 접합 또는 오믹 접합이라 함은 전자에 대한 것을 의미한다.
제2 전극(14)은 제1 전극(13)과 동일하게 기판(12)과 나노소재 반도체층(15) 사이에 형성되며, 베이스(14a)와 베이스(14a)에서 돌출된 돌기(14b)를 갖는다. 제2 전극(14)의 돌기(14b)는 제1 전극(13)의 돌기(13b) 사이에 끼워지며, 이에 따라 제1 전극(13)과 제2 전극(14)이 교대로 배치된다. 이때, 제1 전극과 제2 전극 사이에는 갭이 형성된다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 나노소재 반도체층(15)이 실리콘 나노 와이어로 이루어지고, 제1 전극(13)이 백금(Pt), 제2 전극(14)이 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다. 이 때, 실리콘 나노 와이어의 일함수(ΦSi)는 4.6eV이고, 백금 의 일함수(ΦPt)는 5.12eV이며, 알루미늄의 일함수(ΦAl)는 4.06eV이다. 또한, 실리콘의 전자친화도(x)는 4.05eV이다.
이와 같이 제1 전극(13)이 전자에 대하여 쇼트키 접합으로 나노소재 반도체층(15)에 접합되고, 제2 전극(14)이 전자에 대하여 오믹 접합으로 나노소재 반도체층(15)에 접합되면, 전자는 나노소재 반도체층(15)에서 제1 전극(13)으로 이동하며, 제2 전극(14)으로는 전자가 유입된다. 그러나 이 반대방향으로는 전자가 이동할 수 없어 정류작용을 하게 된다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 사진이다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 알루미늄 전극과 백금 전극이 교대로 배치되며, 알루미늄 전극과 백금 전극은 간격을 두고 이격 배치된다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지의 전류 전압 선도를 나타내는 바, 도 12에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 전류 전압 선도는 빛이 없는 암실 상태에서 명확하게 정류작용을 하는 것을 알 수 있으며, 빛이 있는 명실 상태에서는 발전을 수행하는 것을 알 수 있다.
본 실시예와 같이 제1 전극(13)과 제2 전극(14)이 동일한 평면에서 교대로 배치되면 나노소재 반도체층(15)에 제1 전극(13)과 제2 전극(14)이 교대로 접촉하므로 나노소재 반도체층(15)에서 발생된 전자 및 전공을 보다 효율적으로 포집하여 광효율이 향상된다.
본 실시예와 같이 제1 전극(13)과 제2 전극(14)이 교대로 배치된 구조는 반도체층이 나노소재로 이루어진 경우 더욱 현저한 효과를 나타내는 바, 한 면에만 전극이 형성되므로 종래에 비하여 두께가 더욱 얇고 투명한 태양 전지를 구성하여 자동차의 유리, 아파트 창문 등에 부착 형성함으로써 실생활에 사용되는 모든 종류의 투명 구조물을 태양 전지로 구성할 수도 있다.
나노소재 반도체층(15)의 두께가 두꺼운 경우 전자 및 정공의 이동거리가 길어져 전자 전공 재결합이 발생하여 광효율이 저하될 수 있으나, 본 실시예와 같이 나노소재 반도체층(15)와 전극(13, 14)의 쇼트키 접합으로 공핍층이 형성되고, 제1 전극(13)과 제2 전극(14)이 교대로 배치되면 전자 및 정공의 이동 거리가 짧아져 광효율이 더욱 향상된다.
또한, 쇼트키 접합만으로 공핍층이 형성되므로 나노소재 반도체층을 별도의 물질로 도핑하지 아니하고도 효율적인 발전을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 전극(13, 14)과 기판(12) 사이에 절연층(16)이 형성된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이 제1 전극(13)과 제2 전극(14)은 동일한 평면 상에 형성되고, 전극들(13, 14)과 기판(12) 사이에는 절연층(16)이 형성된다. 절연 층(16)은 SiOx, SiNx 등의 절연 계수가 크고 투명한 재질로 이루어지며, 표면에 복수 개의 나도 돌기(미도시)가 형성되어 반사 방지막으로서의 역할을 한다.
이와 같이 절연층(16)이 형성되면 전극(13, 14)과 기판(12) 사이의 전기적인 분리를 통해서 전압 특성이 향상된다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 전극의 위치를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 전극(23) 및 제2 전극(24)은 교대로 배치되며, 제1 전극(23) 및 제2 전극(24)은 나노소재 반도체층(15) 위에 형성된다. 제1 전극(23)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 큰 소재로 이루어지며, 제2 전극(24)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 작은 소재로 이루어진다.
제1 전극(23) 및 제2 전극(24)은 빛이 전극들을 통과할 수 있도록 1nm 내지 30nm의 두께를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 이에 따라 빛은 제1 전극(23) 및 제2 전극(24)을 통과하여 나노소재 반도체층(15)으로 입사하며, 나노소재 반도체층(15)에서는 입사된 빛으로 전자와 정공 쌍을 분리할 수 있다.
한편, 제1 전극(23) 및 제2 전극(24)은 금속 이외에도 빛이 통과할 수 있는 탄소나노튜브 등의 나노소재로 이루어질 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면 도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 전극의 위치를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 전극(25)은 나노소재 반도체층(15)과 기판(12) 사이에 위치하며, 제2 전극(26)은 나노소재 반도체층(15)의 위에 위치한다. 또한, 제1 전극(25)은 일정한 간격으로 이격 배치되며, 제2 전극(26)은 제1 전극(25)이 이격된 공간의 상부에 위치한다. 이 때, 제1 전극(25)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 큰 소재로 이루어지며, 제2 전극(26)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 작은 소재로 이루어진다.
본 실시예에 따르면, 제1 전극(25)으로 정공이 이동하는 방향과, 제2 전극(26)으로 전자가 이동하는 방향이 상하방향 뿐만 아니라, 좌우방향으로도 반대로 이루어지므로, 전자와 정공이 동일한 방향으로 이동하다가 재결합되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 전극의 위치를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제2 전극(28)은 나노소재 반도체층(15)과 기판(12) 사이에 위치하며, 제1 전극(27)은 나노소재 반도체층(15)의 위에 위치한다. 또한, 제1 전극(27)은 일정한 간격으로 이격 배치되며, 제2 전극(28)은 제1 전극(27)이 이격된 공간의 하부에 위치한다. 이 때, 제1 전극(27)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 큰 소재로 이루어지며, 제2 전극(28)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 작은 소재로 이루어진다.
본 실시예에 따르면, 제1 전극(27)으로 정공이 이동하는 방향과, 제2 전극으로 전자가 이동하는 방향이 상하방향 뿐만 아니라, 좌우방향으로도 반대로 이루어지므로, 전자와 정공이 동일한 방향으로 이동하다가 재결합되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 전극의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 전극(31)은 나노소재 반도체층(15)과 기판(12) 사이 및 나노소재 반도체층(15)의 위에 위치하며, 제2 전극(32)도 나노소재 반도체층(15)과 기판(12) 사이 및 나노소재 반도체층(15)의 위에 위치한다. 즉, 제1 전극(31) 및 제2 전극(32)은 나노소재 반도체층(15)의 양면과 접하도록 배치된다.
제1 전극(31)은 일정한 간격으로 이격 배치되며, 제2 전극(32)은 제1 전극(31) 사이에 위치한다. 또한, 제1 전극(31)의 위에는 제2 전극(32)이 위치하고, 제2 전극(32)의 위에는 제1 전극(31)이 위치하여 상하의 전극은 엇갈리게 배치된다.
이 때, 제1 전극(31)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 큰 소재로 이루어지며, 제2 전극(32)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 작은 소재로 이루어진다.
본 실시예에 따르면, 나노소재 반도체층(15)의 양면에 제1 전극(31)과 제2 전극(32)이 모두 형성됨으로써 분리된 전자 및 정공을 보다 가까운 거리로 전극까지 이동시킬 수 있어, 광효율이 향상된다. 또한, 상하 방향으로 전극(31, 32)이 엇갈리게 배치됨으로써 전자 및 정공의 이동이 더욱 원활하게 된다.
특히 나노 튜브, 나노 와이어와 같이 길게 이어진 나노소재로 이루어진 나노소재 반도체층(15)의 경우, 나노 튜브 또는 나노 와이어가 두께 방향으로 이어지지 아니할 수 있는 바, 본 실시예와 같이 전극을 교대로 형성하면, 나노 와이어 등에 복수 개의 전극(31, 32)이 교대로 연결되어 보다 용이하게 전자 및 정공을 포집할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 전극 사이에 절연물질이 삽입된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 전극(13)과 제2 전극(14) 사이에는 전기적인 절연을 위한 절연물질(19)이 삽입된다. 절연물질(19)은 SiO2 등 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 제1 전극(13)과 제2 전극(14) 사이의 갭에 위치한다.
본 실시예와 같이 제1 전극(13)과 제2 전극(14) 사이에 절연물질(19)을 삽입하면 제1 전극(13)과 제2 전극(14)이 단락되는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제7 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 9을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 반사방지막이 설치된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지는 나노소재 반도체층(15)의 위에 배치된 반사 방지막(43)과 나노소재 반도체층(15)의 아래에 배치된 반사 방지막(42)을 포함한다. 반사 방지막들(42, 43)에는 복수 개의 나노 돌기가 형성되며, 나노 돌기들은 빛의 입사각을 감소시켜서 빛이 표면에서 반사되는 것을 최소화한다. 본 실시예와 같이 반사 방지막들(42, 43)이 설치되면 외부에서 실내로 유입되는 광 및 실내에서 외부로 유출되는 광을 용이하게 통과시킬 수 있으며, 이에 따라 광효율이 더욱 향상된다.
이하에서는 도 1을 참조하여 위에서 설명한 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법에 대해서 살펴본다.
쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법은 기판(12) 준비 단계와, 기판(12) 상에 제1 전극(13) 또는 제2 전극(14) 중 어느 하나의 전극을 형성하고 형성된 전극을 패터닝하며, 패턴된 전극 사이에 다른 전극을 형성하는 전극 형성 단계와, 기판(12) 상에 나노소재 반도체층(15)을 형성하는 나노소재 반도체층 형성 단계를 포함한다.
여기서 제1 전극(13)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 큰 물질로 이루어지며, 제2 전극(14)은 나노소재 반도체층(15)보다 일함수가 더 작은 물질로 이루어진다.
전극 형성 단계는 나노소재 반도체층(15) 형성 단계 이전에 실시될 수 있으며, 나노소재 반도체층(15) 형성 단계 이후에 실시될 수도 있다. 따라서 기판(12) 상에 전극들(13, 14)을 형성한 이후에 나노소재 반도체층(15)을 전극들(13. 14) 위에 형성할 수 있으며, 기판(12) 상에 나노소재 반도체층(15)을 형성한 이후에 나노소재 반도체층(15) 위에 전극들(13, 14)을 형성할 수도 있다.
또한, 태양 전지의 제조 방법은 절연층 형성 단계를 더 포함할 수 있으며, 기판(12) 상에 절연층(16)을 형성하고, 절연층 상에 나노소재 반도체층(15)을 형성할 수 있다.
나노소재 반도체층(15)은 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅, 유전영동 배열, 필름 부착 등으로 형성될 수 있다. 나노소재 반도체층 형성 단계는 나노소재 반도체층(15)의 일함수를 조절하는 단계를 더 포함한다. 이 때 일함수는 P 형 물질 또는 N형 물질을 도핑하여 조절할 수 있으며, 암모니아(NH3), 산소 등의 가스를 이용하는 방식과, 칼륨(K), 브롬(Br) 등의 기능 분자와 반응 및 열처리하는 방식, 폴리머(PEI) 물질과의 연결 체인을 이용하는 방식 등이 적용될 수 있다.
또한, 나노소재 반도체층 형성 단계는 산화층 제거 단계를 포함한다. 나노소재 반도체층(15)을 형성할 때, 표면이 산소와 반응하여 산화층이 형성될 수 있는데, 이러한 산화층은 전극과의 사이에서 저항을 증가시키는 원인이된다. 이러한 산화층을 제거하기 위해서, 후열처리 또는 화학처리 등의 방법을 사용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제7 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 10a는 제1 전극과 나노소재 반도체층의 일함수의 관계를 나타낸 도면이고, 도 10b는 제1 전극과 나노소재 반도체층의 일함수의 관계를 나타낸 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 쇼트키 접합 태양 전지를 도시한 사진이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 쇼트키 접합 태양 전지의 전류 전압 선도를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
12: 기판 13: 제1 전극
13a, 14a: 베이스 13b, 14b: 돌기
14: 제2 전극 15: 나노소재 반도체층
16: 절연층 19: 절연물질
42, 43: 반사 방지막
Claims (21)
- 판 형상의 기판;나노 소재를 포함하는 나노소재 반도체층;상기 나노소재 반도체층으로부터 정공을 전달 받으며, 상기 나노소재 반도체층의 일함수보다 큰 일함수를 갖는 제1 전극; 및상기 나노소재 반도체층으로부터 전자를 전달 받으며, 나노소재 반도체층의 일함수보다 작은 일함수를 갖는 제2 전극;을 포함하고,상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 교대로 배치된 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 나노소재 반도체층은 나노 와이어, 나노 파티클, 또는 나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질을 포함하는 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극, 및 상기 제2 전극은 베이스와 상기 베이스에서 돌출된 복 수개의 돌기를 포함하고, 상기 제1 전극의 돌기 사이에 상기 제2 전극의 돌기가 끼워진 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 기판과 상기 나노소재 반도체층 사이에 배치된 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극, 상기 제2 전극과 상기 기판 사이에는 투명한 재질로 이루어진 절연층이 형성된 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제5항에 있어서,상기 절연층은 복수개의 미세 돌기가 형성된 반사 방지막인 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 나노소재 반도체층 위에 배치된 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 제1 반도체층과 상기 기판 사이, 및 상기 기판 상에 배치된 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극은 전자에 대하여 상기 나노소재 반도체층에 쇼트키 접합되고, 상기 제2 전극은 전자에 대하여 상기 나노소재 반도체층에 오믹 접합된 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 투명한 소재로 이루어진 절연물질이 삽입된 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 쇼트키 접합 태양 전지의 최상면에는 나노 돌기가 형성된 반사방지막이 배치된 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제1 항에 있어서,상기 제1 전극은 상기 나노소재 반도체층의 일면에 접하도록 배치되며, 상기 제2 전극은 상기 나노소재 반도체층의 타면에 접하도록 배치되고, 상기 제1 전극 사이의 상하 방향 공간에 상기 제2 전극이 위치하는 쇼트키 접합 태양 전지.
- 판 형상의 기판;나노 소재를 포함하는 나노소재 반도체층;상기 나노소재 반도체층으로부터 정공을 전달 받으며 상기 나노소재 반도체층에 쇼트키 접합된 제1 전극; 및상기 나노소재 반도체층으로부터 전자를 전달 받으며 상기 나노소재 반도체층에 오믹 접합된 제2 전극;을 포함하는 쇼트키 접합 태양 전지.
- 제13 항에 있어서,상기 제1 전극 사이에 제2 전극이 위치하는 쇼트키 접합 태양 전지.
- 기판 준비 단계;상기 기판 상에 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나의 전극을 형성하고 형성된 전극을 패터닝하며, 패턴된 전극 사이에 다른 전극을 형성하는 전극 형성 단계;상기 기판 상에 나노소재 반도체층을 형성하는 나노소재 반도체층 형성 단계;를 포함하고,상기 제1 전극은 상기 나노소재 반도체층에 쇼트키 접합되고, 상기 제2 전극은 상기 나노소재 반도체층에 오믹 접합된 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 기판 상에 전극을 형성한 이후에 상기 나노소재 반도체층을 상기 전극 위에 형성하는 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 기판 상에 절연층을 형성하는 절연층 형성 단계를 더 포함하고, 상기 기판 상에 상기 절연층을 형성한 이후에 상기 절연층 위에 상기 전극을 형성하는 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 기판 상에 상기 나노소재 반도체층을 형성한 이후에 상기 나노소재 반도체층 위에 상기 전극을 형성하는 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 나노소재 반도체층 형성 단계는 상기 나노소재 반도체층의 일함수를 조절하는 단계를 더 포함하는 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 나노소재 반도체층 형성 단계는 상기 전극을 향하는 상기 나노소재 반도체층의 표면에 형성된 산화층을 제거하는 단계를 포함하는 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,상기 나노소재 반도체층은 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅, 유전영동 배열, 필름 부착으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 형성되는 쇼트키 접합 태양 전지의 제조 방법.
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