KR101069066B1 - 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법 - Google Patents
알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성 기판제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유리기판상에 RF메그네트론 스퍼터링법에 의해서 산화아연 시드층을 형성하는 단계와, 상기 산화아연 시드층 상에 수열법으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 형성하는 단계와, 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 수산화나트륨 수용액에 침적처리하는 단계를 포함하여 구성되는 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성 기판제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유리기판상에 RF메그네트론 스퍼터링법에 의해서 산화아연 시드층을 형성하는 단계와, 상기 산화아연 시드층 상에 수열법으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 형성하는 단계와, 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 수산화나트륨 수용액에 침적처리하는 단계를 포함하여 구성되는 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법에 관한 것이다.
근래 천연자원의 고갈과 지구 온난화와 같은 현상들이 큰 사회적인 문제가 되면서 태양에너지 이용에 대한 관심이 높아지고 있으며, 태양에너지를 효율적으로, 경제적으로 이용하는 하나의 방편으로 투명전도성 산화물 박막을 응용하여 태양전지의 효율을 높이려는 많은 방법이 제시되고 있다.
투명전도성 산화물(TCO : Transparent conductive oxide) 박막은 박막태양전지에서 투명 유리기판상에 투명전도성 산화물 박막이 증착된 투명전도성기판의 원소재로 사용되는 것으로서, "ITO(Indium tin oxide)"이라 호칭되는 주석이 도핑된 산화인듐(In₂O₃:Sn) 박막, 불소가 도핑된 산화주석(SnO₂:F) 박막, 및 알루미늄이 도핑된 산화아연(Zno:Al) 박막 등이 이용되고 있다.
그동안 투명전도성 산화물 박막으로 주로 값비싼 불소가 도핑된 산화주석(SnO₂:F) 또는 ITO가 사용되어 왔으나, 최근에는 Sn 및 In 자원의 고갈현상과 박막태양전지의 가격 실용화의 필요성이 높아짐에 따라 산화아연(Zno)계 재료에 대한 관심이 날로 커지고 있으며, 특히 알루미늄이 도핑된 산화아연(Zno:Al) 박막은 높은 케리어 이동도와 농도로 인하여 비저항이 낮고, 높은 확산광과 낮은 반사율로 광투과도가 양호하여 기존에 투과전도성기판에 사용되는 불소가 도핑된 산화주석(SnO₂:F) 또는 ITO 박막에 상응하나, 가격이 싸고 고온이나 플라즈마 환경에서 산화나 환원반응에 강한 특성이 있어 투명전도성기판에 적용이 유망하다.
또한, 나노기술 및 소자에 관심이 높아지면서 산화아연(Zno) 나노 구조에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 산화아연(Zno)의 나노구조를 제조함으로써 큰 Aspect ratio에 따라 좀더 손쉬운 나노공정이 가능하게 되고, 저차원 양자효과에 따른 효율 증가와 다양한 분야의 나노소자에 대한 응용성을 기대할 수 있다.
따라서 알루미늄이 도핑된 산화아연(Zno:Al) 박막으로 불소가 도핑된 산화주석(SnO₂:F) 또는 ITO 박막을 대체하기 위해서는 알루미늄이 도핑된 산화아연(Zno:Al) 박막을 나노구조로 형성하는 비용이 적게 들고, 실용적인 제조방법이 요구되는 실정이다.
본 발명은 실리콘 태양전지 투명전도성기판의 불소가 도핑된 산화주석(SnO₂:F) 또는 ITO 박막을 대체하기 위한 것으로, 유리기판상에 알루미늄이 도핑된 산화아연(Zno:Al) 박막을 나노로드 구조로 형성함으로써 비용이 적게 들고, 불소가 도핑된 산화주석(SnO₂:F) 박막을 가진 투명전도성기판과 변환효율에서 동등한 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지 투명전도성기판 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 유리기판상에 RF메그네트론 스퍼터링법에 의해서 산화아연 시드층을 형성하는 단계와, 상기 산화아연 시드층 상에 수열법으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 형성하는 단계와, 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 수산화나트륨 수용액에 침적처리하는 단계를 포함하여 구성되는 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법을 제공한다.
본 발명의 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법에 따르면 비용이 적게 들면서, 불소가 도핑된 산화주석(SnO₂:F)박막을 가진 투명전도성기판과 변환효율에서 동등한 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지 투명전도성기판이 제조될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법을 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법에 의해서 제조되는 투명전도성기판을 나타내는 개략도.
도 3(a) 내지 3(e)는 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 표면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진.
도 4(a) 내지 4(e)는 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 단면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진.
도 5는 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 엑스레이 회절 페턴을 나타내는 그래프.
도 6은 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 포토 루미니슨스(Photo Luminescence) 스펙트라를 나타내는 그래프.
도 7(a) 내지 도 7(e)는 상기 수산화나트륨용액의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S30)에서 처리한 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 표면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진.
도 8(a) 내지 도 8(e)는 상기 수산화나트륨용액의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S30)에서 처리한 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 단면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진.
도 9는 프리커서 농도를 0.06M한 경우에 수열법으로 유리기판상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도의 수산화나트륨 수용액에 침적처리한 상태의 엑스레이 회절 페턴을 나타내는 그래프.
도 10은 프리커서 농도를 0.06M한 경우에 수열법으로 유리기판상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도의 수산화나트륨 수용액에 침적처리한 상태의 포토 루미니슨스 스펙트라를 나타내는 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법에 의해서 제조되는 투명전도성기판을 이용하여 제작된 p-i-n a-Si:H 태양전지를 나타내는 개략 구조도.
도 12는 본 발명의 투명전도성 기판을 적용한 태양전지(20)와 비교태양전지의 전류-전압특성을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법에 의해서 제조되는 투명전도성기판을 나타내는 개략도.
도 3(a) 내지 3(e)는 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 표면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진.
도 4(a) 내지 4(e)는 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 단면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진.
도 5는 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 엑스레이 회절 페턴을 나타내는 그래프.
도 6은 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 포토 루미니슨스(Photo Luminescence) 스펙트라를 나타내는 그래프.
도 7(a) 내지 도 7(e)는 상기 수산화나트륨용액의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S30)에서 처리한 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 표면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진.
도 8(a) 내지 도 8(e)는 상기 수산화나트륨용액의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 본 발명의 단계(S30)에서 처리한 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 단면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진.
도 9는 프리커서 농도를 0.06M한 경우에 수열법으로 유리기판상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도의 수산화나트륨 수용액에 침적처리한 상태의 엑스레이 회절 페턴을 나타내는 그래프.
도 10은 프리커서 농도를 0.06M한 경우에 수열법으로 유리기판상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막을 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도의 수산화나트륨 수용액에 침적처리한 상태의 포토 루미니슨스 스펙트라를 나타내는 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법에 의해서 제조되는 투명전도성기판을 이용하여 제작된 p-i-n a-Si:H 태양전지를 나타내는 개략 구조도.
도 12는 본 발명의 투명전도성 기판을 적용한 태양전지(20)와 비교태양전지의 전류-전압특성을 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법을 나타내는 순서도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법에 의해서 제조되는 투명전도성기판을 나타내는 개략도이다.
본 발명에 따른 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판(10) 제조방법은 유리기판(11)상에 RF메그네트론 스퍼터링법(RF-magnetron sputtering)에 의해서 산화아연 시드층(12)을 형성하는 단계(S10)와, 상기 산화아연 시드층(12) 상에 수열법으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 형성하는 단계(S20)와, 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 수산화나트륨 수용액에 침적처리하는 단계(S30)를 포함하여 구성된다.
유리기판(11)상에 RF메그네트론 스퍼터링법(RF-magnetron sputtering)에 의해서 산화아연 시드층(12)을 형성하는 단계(S10)에서, 유리기판(11)은 통상의 태양전지에서 사용되는 것이 이용될 수 있으며, 일정의 크기로 절단하여 초음파세척기에서 아세톤, 메탄올, 에탄올과 증류수로 세척하고 공기 중에서 건조한다.
산화아연 시드층(12)은 RF메그네트론 스퍼터링법(RF-magnetron sputtering)에 의해서 스퍼터링 챔버에 로딩된 유리기판(11)상에 증착된다.
이때, 타겟은 순도 90 %내지 99.99% 산화아연이 사용된다.
스퍼터링 챔버의 베이스 압력은 10-5 내지 10-7Torr를 유지한 후에 아르곤과 산소를 유속비 1 : 1로 챔버내로 유입하여 챔버내의 작업압을 0.5 내지 2 mTorr를 유지한다.
RF파워는 40 내지 60W로 하고, 5 내지 10분 동안 증착을 한다.
그리고 산화아연 시드층(12)이 증착된 유리기판(11)은 스퍼터링 챔버 내에서 300 내지 500℃로 8 내지 15분 동안 열처리한다.
상기 산화아연 시드층(12) 상에 수열법(Hydrothermal Method)으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 형성하는 단계(S20)에서는 먼저 핵사메틸렌 테트라민(hexamethylene tetramine)과 징크 니트로젠 하이드라이드[Zn(No₃)₂ㆍ6H₂o]을 동일의 일정한 농도로 혼합하고, 도핑물질인 테트라메틸렌 알루미늄(tetramethylene aluminum)이 첨가하여 프리커서(precursor)인 혼합 수용액을 테프론 비이커에서 만든다.
다음에 상기 테프론 비이커 내부의 혼합수용액에 전단계(S10)에서 제작된 산화아연 시드층(12)이 증착된 유리기판(11)을 침적하여 상기 테프론 비이커를 전기오븐에 장입하고 80 내지 120℃에서 4 내지 6시간 동안 수열법으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 성장시킨다. 이후에 에탄올로 세척한다.
상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 수산화나트륨 수용액에 침적처리하는 단계(S30)에서 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 홀더에 고정하여 일정 농도의 수산화나트륨 수용액이 내부에 담아진 테프론 비이커에 일정시간 침적처리한 후에 증류수와 에탄올로 세척한다.
이 단계(S30)는 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 길이/ 단면 비(aspect ratio)를 증가시키기고 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 표면을 에칭하기 위한 단계이다.
(
실시예
)
이하에서 본 발명의 실시예와 실시예에 대한 분석결과를 나타내어 본 발명의 내용을 더욱 상세하게 설명한다.
유리기판(11)상에 RF메그네트론 스퍼터링법(RF-magnetron sputtering)에 의해서 산화아연 시드층(12)을 형성하는 단계(S10)의 실시예로서,
코닝사 유리(제품 코드번호; 7059)를 2.5 x 2.5 x 0.1cm 크기로 다이아몬드 칼로 절단하여 사용될 유리기판(10)을 제작하고 이것을 초음파세척기에서 아세톤, 메탄올, 에탄올과 증류수로 각각 10분씩 세척하고 공기 중에서 건조하였다.
산화아연 시드층(12)은 RF메그네트론 스퍼터링법(RF-magnetron sputtering)에 의해서 스퍼터링 챔버에 로딩된 유리기판(11)상에 증착하였다.
이때, 타겟은 순도 99.99% 산화아연이 사용되었고,
스퍼터링 챔버의 베이스 압력은 10-6Torr를 유지한 후에 아르곤과 산소를 유속비 1 : 1로 챔버내로 유입하여 챔버내의 작업압을 1 mTorr를 유지하였다.
RF파워는 60W로 하고, 200℃에서 5 분 동안 증착을 하여 산화아연 시드층(12)을 40㎚ 두께로 형성하였다.
그리고 산화아연 시드층(12)이 증착된 유리기판(11)은 스퍼터링 챔버 내에서 400℃로 10분 동안 열처리하였다.
상기 산화아연 시드층(12) 상에 수열법으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 형성하는 단계(S20)의 실시예로서,
핵사메틸렌 테트라민(hexamethylene tetramine)과 징크 니트로젠 하이드라이드[Zn(No₃)₂ㆍ6H₂o]을 동일한 몰비율로 혼합하고, 도핑물질인 테트라메틸렌 알루미늄(tetramethylene aluminum)이 첨가된 혼합 수용액 50ml를 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도로 하여서 테프론 비이커에서 프리커서(precursor)를 만든다.
다음에 상기 테프론 비이커 내부의 프리커서에 전단계(S10)에서 제작된 산화아연 시드층(12)이 증착된 유리기판(11)을 침적하여 상기 테프론 비이커를 전기오븐에 장입하고 95℃에서 5시간 동안 수열법으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 성장시킨다. 이후에 에탄올로 5분간 세척하여 공기 중에서 건조하였다.
도 3(a), 도 3(b), 도 3(c), 도 3(d), 도 3(e)는 상기 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 이 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 표면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진이다.
도 4(a), 도 4(b), 도 4(c), 도 4(d), 도 4(e)는 상기 프리커서의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 이 단계(S20)에서 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 단면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진이다.
상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 수산화나트륨 수용액에 침적처리하는 단계(S30)의 실시예로서,
상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 aspect ratio를 증가시키기고 나노로드 기판표면을 에칭하기 위하여 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M과 0.10M의 농도의 수산화나트륨용액 50ml가 들어 있는 테프론 비이커에 전 단계(S20)에서 프리커서 농도가 0.06M인 경우에 성장된 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13) 시편을 올려놓은 홀더를 고정하여 일정시간 침적하여 처리한 후 증류수와 에탄올로 각각 5분간 세척하여 공기 중에 건조하였다.
도 7(a), 도 7(b), 도 7(c), 도 7(d), 도 7(e)는 수산화나트륨용액의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 이 단계(S30)에서 처리한 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 표면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진이다.
그리고 도 8(a), 도 8(b), 도 8(c), 도 8(d), 도 8(e)는 수산화나트륨용액의 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M 농도인 경우에 이 단계(S30)에서 처리한 유리기판(11)상에 성장된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)의 단면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 사진이다.
(알루미늄이
도핑된
산화아연 나노로드 박막의 특성분석)
특성분석을 위하여 표면 조직과 단면 구조는 FE- SEM (S-4800 , HITACHI /HORIBA/GATAN)을 사용하여 조사하였고, 결정 특성 조사는 HR-XRD (X' PERT-MRD, Philips)를 이용하였다. 그리고 광학적 특성을 조사하기 위하여 상온의 He-Cd laser (325 nm)가 부착된 포토 루미니슨스 spectra를 사용하였고, 전기적 특성은 4-point-prove법을 이용하여 측정하였다.
1. 프리커서 농도의 영향
1) 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막 조직 및 결정성
도 3(a) 내지 도 3(e)를 참조하면 본 발명의 실시예에 따라 형성된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드(이하 "나노로드" 이라 함) 박막의 표면은 잘 발달된 육각형의 모양이 C축 방향으로 우선 성장하고 있음을 알 수 있다. 프리커서 농도가 증가함에 따라 육각형 나노로드 지름이 크게 증가 하고 있고, 나노로드 단면의 밀도 역시 증가하며 나노로드가 균일하게 성장하고 있음을 알 수 있다. 도 4(a) 내지 도 4(e)를 참조하면 프리커서 농도가 0.02M과 0.04M일 때는 나노로드의 길이와 지름이 균일하게 나타나고 있으며, 농도가 증가함에 따라 길이가 증가하고 균일하게 성장하고 있음을 알 수 있다.
도 5는 프리커서 농도 변화에 따른 나노로드의 엑스레이 회절(XRD) 페턴을 나타내는 그래프이며, 이를 참조하면 프리커서 농도가 0.06M일 때가 XRD강도가 확연히 높게 나타난다. 이는 0.06M에서의 나노로드의 결정성이 가장 우수하여 광특성이 개선될 것으로 예측된다.
표 1은 프리커서 몰 농도에 따라 성장된 나노로드의 길이, 지름과 aspect ratio를 표시한 것으로 이를 참조하면 프리커서 농도가 0.06M 일 때, aspect ratio가 14.4로 가장 좋은 결과를 얻었다.
| 프리커서 몰 농도 | 나노로드 지름(nm) | 나노로드 길이(nm) | Aspect ratio | |
| 0.02 M | 108 | 0.59 | 5.4 | |
| 0.04 M | 105 | 0.66 | 6.2 | |
| 0.06 M | 95 | 1.37 | 14.4 | |
| 0.08 M | 171 | 1.83 | 10.7 | |
| 0.1 M | 251 | 2.12 | 8.4 | |
2) 나노로드 박막 광학 및 전기적 특성
도 6는 프리커서 농도 변화에 따른 나노로드의 포토 루미니슨스 스펙트라를 나타내는 그래프이며, 이를 참조하면 aspect ratio가 우수하고 결정성이 양호한 프리커서 농도 0.06M 일 때 나노로드의 광학적 성질이 우수함을 보여주고 있다. ZnO의 exitonic transitions에 기인하는 near UV가 우세한 픽이 관찰되었으며, 가시영역에서 약한 defect-related emissions 픽이 관찰 되었다. 강하고 좁은 near UV픽과 약한 yellow-band emission은 낮은 defect 밀도와 좋은 광학 특성 때문에 나타난다.
2. 수산화나트륨 용액농도의 영향
1) 나노로드의 박막 조직 및 결정성
도 7(a) 내지 도 7(e)와 도 8(a) 내지 도 8(e)은 프리커서 농도를 0.06M로 한 경우에 형성된 나노로드를 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M인 수산화나트륨의 용액에 첨적 처리한 나노로드들의 표면과 단면의 FE-SEM 이미지를 나타낸 사진이며, 도 7(a) 내지 도 7(e)를 참조하면 수산화나트륨용액 처리한 나노로드의 지름은 처리전의 95~251nm 크기에서 처리 후 수산화나트륨농도가 증가함에 약 42~65nm로 크게 감소하였다.
그리고 도 8(a) 내지 도 8(e)를 참조하면 수산화나트륨용액 처리로 나노로드들의 길이가 수산화나트륨용액 농도가 증가함에 따라 약간씩 감소함을 보여준다. 나노로드들의 길이는 0.1M에서 710nm로 가장 길었고, 0.02M에서 160nm로 가장 짧았다.
도 9는 프리커서 농도를 0.06M로 한 경우에 형성된 나노로드를 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M인 수산화나트륨의 용액에 첨적 처리한 나노로드들의 XRD 패턴을 나타낸 그래프이며, 이를 참조하면 XRD 강도가 수산화나트륨 0.04M, 0.08M과 0.1M에서 높게 나타났다.
표 2는 프리커서 농도를 0.06M로 한 경우에 형성된 나노로드를 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M인 수산화나트륨의 용액에 첨적 처리한 나노로드들의 지름, 길이, aspect ratio를 나타내고 있다. aspect ratio는 나노로드들의 급격한 지름감소로 인하여 2~3배 증가하였으며, 수산화나트륨용액 0.04M에 침적처리 하였을 때, aspect ratio가 14.5로 가장 우수하였다.
| 수산화나트륨용액 농도 | 나노로드 지름(nm) | 나노로드 길이(㎛) | Aspect ratio |
| 0.02 M | 46.9 | 0.16 | 5.8 |
| 0.04 M | 42.9 | 0.59 | 14.5 |
| 0.06 M | 65.1 | 0.57 | 11.4 |
| 0.08 M | 46.4 | 0.63 | 13.5 |
| 0.1 M | 62.7 | 0.71 | 11.3 |
2)나노로드 박막 광학 및 전기적 특성
도 10은 프리커서 농도를 0.06M로 한 경우에 형성된 나노로드를 농도가 각각 0.02M, 0.04M, 0.06M, 0.08M, 0.1M인 수산화나트륨의 용액에 첨적 처리한 나노로드 박막의 포토 루미니슨스 spectra를 보여준다. 모든 시료에서 수산화나트륨처리로 인해 포토 루미니슨스 강도가 2~3배 정도 강화되었다. 나노로드박막의 특성은 수산화나트륨 농도가 0.08M까지 증가함에 따라 포토 루미니슨스특성이 크게 증가하는 점으로 볼 때 수산화나트륨처리로 인해 박막의 투과성이 개선될 것으로 예측된다.
(태양전지에
적용예
)
도 11은 본 발명에 따른 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법에 의해서 제조되는 투명전도성기판(이하 "본 발명의 투명전도성기판"이라 함)을 이용하여 제작된 p-i-n a-Si:H 태양전지를 나타내는 개략 구조도이다. 이를 참조하면 본 발명의 투명전도성기판(10)을 유리기판(11)이 하방으로, 나노로드 박막(13)이 상방으로 향하도록 배치하고, 상기 나노로드 박막(13) 상의 일측에 PECVD(Plazma- enhanced chemical vapor deposition)법을 이용하여 p- a-Si:H층(21)과 i- a-Si:H층(22)과 n- a-Si:H층(23)과 상부알루미늄전극(24)을 하부로부터 순서대로 증착하였으며, 상기 나노로드 박막(13) 상의 타측에 하부알루미늄전극(25)을 스퍼터링법으로 증착하여 본 발명의 투명전도성 기판을 적용한 태양전지(20)을 제작하였다.
그리고 비교분석을 위해서 본 발명의 투명전도성기판(10) 대신에 불소가 도핑된 산화주석(SnO₂:F, 아사이사 U-100 TCO) 박막을 가진 투명전도성기판을 이용하고 다른 구성은 본 발명의 투명전도성 기판을 적용한 태양전지(20)과 동일한 구성의 비교태양전지를 제작하였다.
도 12는 본 발명의 투명전도성 기판을 적용한 태양전지(20)와 비교태양전지의 전류-전압특성을 나타낸 그래프이며, 이를 참조하면 본 발명의 투명전도성 기판을 적용한 태양전지(20)와 비교태양전지의 단락회로 전류밀도는 각각 16.0과 14.3mA/cm2 이었고, 개방회로 전압은 각각 0.75와 0.77V로써 큰 차이가 없었으며 전환효율은 각각 7.8과 7.6으로 역시 차이가 거의 없었다.
10 ; 태양전지의 투명전도성기판 11 ; 유리기판
12 ; 산화아연 시드층 13 ; 산화아연 나노로드 박막
20 ; 태양전지 21 ; p- a-Si:H층
22 ; i- a-Si:H층 23 ; n- a-Si:H층
24 ; 상부알루미늄전극 25 ; 하부알루미늄전극
12 ; 산화아연 시드층 13 ; 산화아연 나노로드 박막
20 ; 태양전지 21 ; p- a-Si:H층
22 ; i- a-Si:H층 23 ; n- a-Si:H층
24 ; 상부알루미늄전극 25 ; 하부알루미늄전극
Claims (9)
- 유리기판(11)상에 RF메그네트론 스퍼터링법(RF-magnetron sputtering)에 의해서 산화아연 시드층(12)을 형성하는 단계(S10)와, 상기 산화아연 시드층(12) 상에 수열법으로 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 형성하는 단계(S20)와, 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 수산화나트륨 수용액에 침적처리하는 단계(S30)를 포함하여 구성된 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 RF메그네트론 스퍼터링법(RF-magnetron sputtering)은
타겟은 순도 90 %내지 99.99% 산화아연이고, 스퍼터링 챔버의 베이스 압력은 10-5 내지 10-7Torr이며, 챔버내의 작업압은 0.5 내지 2 mTorr이며, RF파워는 40 내지 60W이며, 증착시간은 5 내지 10분인 것을 특징으로 하는 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법. - 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수열법은 먼저 핵사메틸렌 테트라민(hexamethylene tetramine)과 징크 니트로젠 하이드라이드[Zn(No₃)₂ㆍ6H₂o]을 동일의 일정한 농도로 혼합하고, 도핑물질인 테트라메틸렌 알루미늄(tetramethylene aluminum)이 첨가하여 프리커서(precursor)인 혼합 수용액을 테프론 비이커에서 만들고,
다음에 상기 테프론 비이커 내부의 혼합수용액에 상기 전단계(S10)에서 제작된 산화아연 시드층(12)이 증착된 유리기판(11)을 침적하여 상기 테프론 비이커를 전기오븐에 장입하고 80 내지 120℃에서 4 내지 6시간 동안 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 박막(13)을 성장시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 일정농도는 0.02M 내지 0.1M인 것인 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 일정농도는 0.06M인 것인 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수산화나트륨 수용액의 농도는 0.02M 내지 0.1M인 것인 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 수산화나트륨 수용액의 농도는 0.02M 내지 0.1M인 것인 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 수산화나트륨 수용액의 농도는 0.02M 내지 0.1M인 것인 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 수산화나트륨 수용액의 농도는 0.02M 내지 0.1M인 것인 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법.
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| KR1020100038129A KR101069066B1 (ko) | 2010-04-23 | 2010-04-23 | 알루미늄이 도핑된 산화아연 나노로드 기반 실리콘 태양전지의 투명전도성기판 제조방법 |
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