KR101079214B1

KR101079214B1 - 태양전지 구조

Info

Publication number: KR101079214B1
Application number: KR1020090028024A
Authority: KR
Inventors: 김옥률; 김옥민; 이근식
Original assignee: 주식회사 펨빅스
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2011-11-03
Also published as: KR20100109660A

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 전하 생성층을 포함하는 태양전지 구조에 관한 것으로서, 구체적으로는 p형 또는 n형 탄소나노튜브로 구성된 전하생성층과 상기 전하생성층의 일면에 전자 분리층, 전극층, 광흡수층(반사방지층)으로 구성되고, 상기 전하 생성층의 다른 일면에 정공 분리층, 패시베이션층(반사방지층), 전극층을 형성하는 태양전지 구조와, 상기 전하생성층을 이루고 있는 탄소나노튜브의 크기를 조절하여 양자구속효과가 발휘되는 태양전지 구조와, 에너지 밴드갭이 다른 복수개의 전하생성층을 구비하여 양자구속효과가 발휘되는 태양전지 구조를 함께 제공한다.

태양전지, p형 탄소나노튜브, n형 탄소나노튜브, 탄소나노튜브 전하생성층, 양자구속, 양자우물, 양자점

Description

태양전지 구조{Solar cell structure}

본 발명은 p형 또는 n형 탄소나노튜브(carbon nanotube, 이하 'CNT')층 만으로 구성된 전하(electric charges)생성층을 포함하는 태양전지 구조에 관한 것으로서, 구체적으로는 1) p형 또는 n형 CNT층이 태양광을 흡수하여 전하를 생성할 수 있는 전하생성층을 이루고, 2) 상기 전하생성층 상하부에서 전하 분리 및 수집이 이루어지고, 3) 양자구속효과(quantum confinement effect)가 발휘되는 CNT 전하 생성층을 형성하여 변환효율을 향상시킬 수 있고, 4) 양자구속효과가 발휘되는 상기 전하 생성층을 에너지 밴드갭(band gap)이 다른 복수개의 층을 형성하여 변환효율을 더 향상시킬 수 있는 태양전지 구조에 관한 것이다.

CNT는 여러 가지 우수한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있기 때문에 이를 이용한 다양한 태양전지 개발이 진행되고 있다. 특히, 많은 연구자들이 CNT를 태양전지의 각 구성요소에 적용하고자 노력하고 있다. 즉, CNT를 태양전지에 1) 전극 기능, 2) 표면 반사방지 흡수 기능, 3) 불순물(dopant) 기능, 4) 첨가재 기능, 5) 정 공(hole)을 운반하는 기능 등에 적용하여 태양전지의 변환효율 및 기능을 향상시키는 데 주안점을 두고 있다.

CNT를 태양전지의 각 구성요소에 적용한 종래의 태양전지는 다음과 같다.

1. CNT가 전극(electrode) 기능을 하는 태양전지

이는 전극 기능을 하는 CNT 전극을 포함하는 태양전지로서;

(1) 대한민국 특허등록 제0649743호("CNT를 포함하는 태양전지 및 그 제조방법")는 CIS계 박막 태양전지의 기판상에 형성된 배면전극에 CNT를 플라즈마 화학기상증착(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법으로 성장시켜 전극으로 이용함으로써 변환효율을 더 향상시키려는 기술로 기재되어 있다.

(2) 대한민국 특허등록 제0783766호("탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이에 의한 염료감응형 태양전지")는 염료감응형 태양전지의 상대전극을 탄소나노튜브에 TiO₂를 충진제로서 첨가하여 탄소나노튜브의 상대밀도를 향상시켜 효율이 향상되는 전극을 제공하도록 하는 기술로 기재되어 있다. 상기 탄소나노튜브 상대전극은 TiO₂ 입자를 포함하는 충진제로 이루어진 페이스트(paste) 상태의 조성물을 이용하여 스크린 프린팅, 스프레이(spray)법, 스핀코팅(spin coating)법 등으로 코팅한 후 70~350℃의 온도에서 소성시켜 완성한 것이다.

(3) 대한민국 특허등록 제0834475호("탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응 형 태양전지 모듈 및 그 제조방법")는 단위 염료감응형 태양전지를 복수개로 병렬 또는 직렬로 연결하고 전자의 포집 및 이동을 위해 그리드 전극 및 연결전극을 형성시켜, 탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 모듈 및 그 제조방법을 제시하였다. 여기서, 탄소나노튜브층을 제조하기 위한 탄소나노튜브 페이스트(paste)는 탄소나노튜브와 카본 또는 금속계 첨가제, CMC 또는 PVDF와 같은 고분자 결합제를 볼밀, 고에너지밀, 초음파, 그라인더, V-mixer를 포함하는 기계적 또는 기계화학적 방법에 의해 혼합하여 제조된다.

2. CNT가 표면 반사방지 기능을 하는 태양전지

이는 표면 반사방지 기능을 하는 CNT 반사방지층을 포함하는 태양전지로서;

(1) 대한민국 공개특허 제10-2009-0002947호("탄소나노튜브층을 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 및 그 제조방법")는 결정질 실리콘 태양전지에 있어서 종래의 텍스처링(texturing) 방법에 의하여 표면반사율을 감소시키는 대신 결정질 실리콘 기판의 전면에 탄소나노튜브를 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 성장시켜 표면반사율을 감소시키는 기술로 기재되어있다.

3. CNT가 불순물(dopant)의 기능을 하는 태양전지

이는 도너(donor) 또는 억셉터(acceptor) 기능의 CNT 불순물을 포함하는 태양전지로서;

(1) PCT/US2006/040206("carbon nanotube use in solar cell applications", WO 2008/051205 A2)는 주변에 하나의 자유전자를 제공하고, 자신은 (+)이온으로 대전되는 도너(donor) 또는 한 개의 전자를 제공받아 자신은 (-)으로 대전된 이온이 되고, 그 주변에 빈자리(정공, hole)를 남기는 억셉터(acceptor)의 불순물 기능을 하는 탄소나노튜브가 포함된 태양전지를 제시하였다.

4. CNT가 변환효율을 향상시키는 첨가재 기능을 하는 태양전지

이는 변환효율을 향상시키는 기능을 하는 CNT 첨가재를 포함하는 태양전지로서;

(1) 대한민국 공개특허 제10-2007-0070797호("탄소나노튜브를 이용한 반도체 전극, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 태양전지")는 염료감응형 태양전지에서 반도체 전극은 염료입자가 흡착되어 있는 금속산화물층의 표면에 부착기를 갖는 탄소나노튜브가 부착되어 반도체 전극에서의 역반응이 차단되어 광전류밀도를 증가시켜 광전효율을 향상시키려는 기술로 기재되어있다.

5. CNT를 실리콘 웨이퍼와 이종 접합하여 정공(hole)을 분리하는 기능을 포함하는 태양전지

상기 종래의 태양전지는 CNT가 정공분리 기능을 하는 CNT 정공분리층을 포함하는 태양전지로서;

Jinquan Wei et al.의 논문("Double-walled carbon nanotube solar cells", Nano letters, 2007, 7(8), 2317-2321) 및 PCT/CN2007/003863("Carbon nanotube film based solar cell and fabricating method thereof, WO 2008/086709 A1)에서 n형 실리콘 웨이퍼 위에 p형 CNT(double-walled CNT)를 화학기상증착법(CVD)으로 성장시켜 p-n 이종접합(hetero junction)을 통하여 상기 실리콘 웨이퍼층에서 전자(electron)가 수집되고, 상기 CNT층에서 정공(hole)이 수집되고, 동시에 CNT층 자체가 전극의 역할을 하는 태양전지와 상기 실리콘 웨이퍼 배면에 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 Ti/Pd/Ag 전극층을 형성한 태양전지를 소개하였다.

상기 태양전지는 CNT층 자체만으로 전하생성층을 구성하지 못하고, 실리콘 웨이퍼와 박막 CNT층을 결합하여 전하생성층을 형성할 수 있어서, 전하생성층이 이중의 재료로 구성되므로 박막 또는 결정질 실리콘 태양전지의 이중 성격을 띠고 있다. 또한, 전하생성층을 형성하기 위하여 실리콘 잉곳(ingot)을 슬라이스 형태의 기판으로 제조하고, 그 위에 탄소나노튜브 박막을 CVD방법으로 성장시켜 제조하므로, 박막의 태양전지를 만들 수 없다는 단점과 이종재료로 전하생성층을 만들기 때문에 재료가 이중으로 소요되는 단점이 있다.

단적으로 말하자면, 종래의 실리콘 태양전지와 같이 실리콘 웨이퍼만으로 전하생성을 해도 충분하다고 할 수 있지만, 위 기술은 전술한 「CNT가 전극(electrode) 기능을 하는 태양전지」에서 보이는 바와 같이 탄소나노튜브층을 두어 전극의 역할을 할 수 있는 기능이 부가된 것으로 볼 수 있다.

본 발명은 1) p형 또는 n형 CNT층만으로 전하생성층을 형성할 수 있고, 2) 상기 CNT층만으로 이루어진 전하생성층 상하부에서 전하 분리 및 수집이 가능하고, 3) 양자구속효과가 발휘되는 CNT 전하생성층을 형성하여 변환효율을 향상시킬 수 있고, 4) 양자구속효과가 발휘되는 상기 전하생성층을 에너지 밴드갭(band gap)이 다른 복수개의 층을 형성하여 변환효율을 더 향상시킬 수 있는 태양전지 구조체를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명에 따른 태양전지 구조는 CNT만으로 이루어진 전하생성층을 포함하는 것으로서, 종래의 벌크(bulk)형 결정질 실리콘 태양전지, 박막형 비정질, 다결정 실리콘 태양전지 등에서의 실리콘 전하생성층과, 화합물 반도체 벌크(bulk)형 GaAs, InP 태양전지 및 CuInSe₂, CdTe 박막 태양전지에서의 전하생성층을 CNT 전하생성층으로 대체할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 양자구속효과가 발휘되는 CNT 전하생성층을 형성하여 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있도록 하며, 양자구속효과가 발휘되는 상기 전하생성층을 에너지 밴드갭(band gap)이 다른 복수개의 층으로 형성하여 변환효율을 더 향상시킬 수 있도록 한다.

위와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

1. p형 또는 n형 CNT만으로 이루어진 전하생성층이 구비된 태양전지 제작이 가능하다.

2. 양자구속효과가 발휘되는 CNT 전하생성층을 형성하여 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있는 CNT 태양전지 제작이 가능하다.

3. 양자구속효과가 발휘되는 CNT 전하생성층을 에너지 밴드갭(band gap)이 다른 복수개의 층으로 형성하여 변환효율을 더 향상시킬 수 있는 적층형 CNT 태양전지 제작이 가능하다.

본 발명은 n형 CNT 또는 p형 CNT만으로 이루어져 있으며, 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 전하생성층; 상기 전하생성층의 상층에 형성되어 있으며, Ⅴ족 물질이 도핑되어 상기 전하생성층에서 생성된 전자를 유인하는 전자분리층; 상기 전자분리층의 상층에 형성되어 있으며, 상기 전자분리층에 유인된 전자를 수집하는 전자수집 전극층; 상기 전하생성층의 하층에 형성되어 있으며, Ⅲ족 물질이 도핑되어 상기 전하생성층에서 생성된 정공을 유인하는 정공분리층; 및 상기 전하생성층의 하층에 형성되어 있으며, 상기 정공분리층에 유인된 정공을 수집하는 정공수집 전극층; 을 포함하여 구성된 태양전지 구조를 제공한다.

본 발명이 제공하는 태양전지 구조가 전하생성층, 전자분리층, 정공분리층, 전자수집 전극층 및 정공수집 전극층으로 이루어진 점은 종래의 태양전지와 같다. [도 1]에 도시된 바와 같이 상기 전자수집 전극층의 상층에는 광흡수층을, 상기 정공수집 전극층의 하층에는 패시베이션층을 추가로 구비토록 할 수 있다. 다만, 본 발명은 전하생성층을 CNT만으로 구성한 점에 특징이 있으며, 전하생성층을 구성하는 CNT의 길이조절과 전하생성층의 두께 조절을 통해 양자구속효과를 구현함으로써 태양전지의 효율을 높일 수 있다.

상기 전하생성층에서 양자구속효과를 발생시키기 위해서는 전하생성층을 구성하는 CNT의 길이를 1~100㎚로 한정하는 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로는 위 범위 내의 CNT를 적용하여 상기 전하생성층을 양자우물구조 또는 양자점구조로 구성하거나 상기 전하생성층을 복층으로 구성할 수 있다. 이하에서는 첨부된 도면에 도시된 구체적 실시예와 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

Ⅰ. 제1실시예 - CNT 전하생성층이 포함된 태양전지 구조

[도 1]에 도시된 태양전지 구조의 제1실시예는 n형 또는 p형 CNT만으로 이루어진 전하생성층; 을 중심으로, 상방순차적으로 전자분리층; 전자수집 전극층; 반사방지층(광흡수층); 이 구비되고, 하방순차적으로 정공분리층; 전하수집 전극층; 반사방지층(패시베이션층); 이 구비된 것이다.

상기 태양전지 구조를 이루는 각 층은 각 층의 코팅 조성물에 해당되는 물질로 코팅하여 제조할 수 있다. 상기 코팅공정은 1) 기존의 콜드스프레이법, 에어로졸 증착법 등의 분사증착 방법을 이용하거나, 2) 화학기상증착법(CVD), 스퍼터링(sputtering)법, 전기영동법을 이용하거나, 3) 파우더 페이스트(paste)를 이용한 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅(screen printing), 임프린팅 방법 등을 적용하여 실시 할 수 있고, 특히, 4) 본 발명의 발명자들이 개발하여 특허출원(출원번호 2008- 0072119호)한 "고상파우더 연속 증착장치 및 고상파우더 연속 증착방법"을 활용할 수 도 있다. 이는 후술할 제2실시예 내지 제3실시예에도 해당되는 사항이다.

이하에서는 상기 태양전지 구조를 각 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.

1. 전하생성층

일반적으로 태양전지는 빛에너지를 흡수하여 전기에너지의 근원인 전하(전자, 정공)를 생성하고, 이렇게 생성된 전하는 음극성 전자와 양극성 정공으로 분리되어, 외부전극으로 전자와 정공을 수집하여 전기를 얻는 원리를 이용한 것이다. 종래의 태양전지에서는 반도체 성질을 가지는 실리콘 및 CdTe, CuInSe₂ 등의 화합물 반도체가 태양전지의 핵심 구성요소인 전하생성층을 이루고 있었다.

한편, CNT는 금속성(metallic property), 부분금속성(semi-metallic property), 반도체성(semiconducting property)의 3가지 종류가 있는데, 키랄성(chirality)이 없는 암체어(amchair)의 CNT는 밴드갭(band gap)이 영(zero)인 금속성의 CNT이며, 키랄성 정도에 따라 밴드갭을 갖는 부분금속성과 반도체성으로 나뉘게 된다. 여기서, 반도체성을 띠는 CNT중 단일벽(single wall) CNT는 주로 p형 반도체 성질을 띠고, 이중벽(double wall) CNT는 p형 및 n형 반도체 성질을 띠는 이극성(ambipolar)으로 알려져 있다.

본 발명이 제공하는 태양전지 구조는 전하생성층을 p형 또는 n형 CNT만으로 구성한 점에 특징이 있다. 즉, 본 발명에서의 전하생성층은 CNT 코팅층으로서, 태양광이 흡수되어 전하생성층에 의해 생성된 전자와 정공이 p-n접합에 도달하면 이들은 내부 전계에 의해 접합을 가로질러 반대편으로 휩쓸려 내려간다. 전자는 후술할 전자분리층(n+층)의 양이온들에 끌려서 이동하고, 이동 후에는 상기 전자분리층의 접촉 전극에 수집되어 부하에 전류를 흐르게 한다. 반대로 정공의 경우 하기 정공분리층(p+층)의 하부 전극으로 이동 수집된다.

이 때, 상기 정공분리층(p+층)과 전자분리층(n+층)이 서로 연결되어 있는 경우 빛에 의해 생성된 캐리어 또는 광생성 전류는 외부 회로에 전력을 공급하게 된다. 빛에 의해 생성된 캐리어의 수집 그 자체만으로는 전력을 생산할 수 없고, 전력을 생산하기 위해서는 전류뿐만 아니라, 전압도 발생되어야 한다. 그런데 태양전지 내에서는 광기전력 효과(photovoltaic effect)라 알려진 과정에 의해 전압이 발생된다. 여기서, 광기전력 효과란 p-n접합에 빛을 조사시킬 때 전자-정공의 쌍이 생성되고 분리되면 p형 영역에는 전자가 과다하게 많아지고 다른 n형 영역에는 홀(hole)이 많이 모이게 됨으로써 접합 양단에 두 전극을 서로 띄어 개방(open)하면 광기전력(또는 전위차)이 발생하는 현상이다.

2. 전하분리층(전자분리층 및 정공분리층)

전하분리층은 상기 전하생성층의 상하면에 구비되는 층으로서 전자분리층과 정공분리층으로 구분된다. 상기 전자분리층과 정공분리층은 서로 반대되는 위치에 배치되어야 한다. 도 1에는 전하생성층의 상면에 전자분리층이 형성되어 있고, 전하생성층의 하면에 정공분리층이 형성되어 있다. 다만, 본 발명에서의 상하 개념은 상대적이므로 전하생성층을 중심으로 반대 방향이라는 것으로 이해하면 되고, 절대적인 상하 개념과는 무관함을 미리 밝혀둔다. 전자분리층과 정공분리층 각각에 대한 자세한 내용은 다음과 같다.

(1) 전자분리층(n+층)

본 발명에 따른 전자분리층(n+층)은 도펀트(dopant) Ⅴ족 파우더를 코팅하여 생성된 층으로서, 상기 도펀트(dopant) V족 불순물은 인(P), 비소(As) 등을 사용할 수 있고, 주기율 15족인 인(P)과 같은 n형 도펀트가 도핑되면 n+층을 형성하며, p-n 접합으로 n+층으로 전자가 이동하여 전도성 파우더로 코팅된 전극에 수집되어 부하에 전류를 흐르게 하여, 상기 p+층과 n+층과 접촉하고 있는 전극이 개방되어 광기전력이 발생하게 된다.

(2) 정공분리층(p+층)

본 발명에 따른 정공 분리층(p+층)은 도펀트(dopant) Ⅲ족 물질을 도핑하여 생성된 층으로서, 상기 도펀트(dopant) 족 파우더는 붕소(B), 알루미늄(Al) 등을 사용할 수 있다. 주기율표상 13족 원소인 붕소와 같은 p형 도펀트가 도핑되면 p+층을 형성하며, 이는 p+ 영역의 전자가 외부로 이동하여 재결합하게 되는 것을 방지하는 역할을 한다. 그 결과 누설전류를 줄이고, 좋은 저항성 접촉을 만들어 주어 태양전지의 개방전압(open-circuit)과 충실도(fill factor)를 향상시켜 종래의 후면전계(back surface field)와 같은 역할을 한다.

3. 전극층

본 발명에 따른 상기 전극층을 이루는 전도성 물질은 인듐주석산화물(ITO), 탄소나노튜브(CNT), 산화아연(ZnO) 등을 사용할 수 있다. 상기 전극층의 코팅은 종래의 핑거(finger)형태의 금속전극 형태와 달리 전체면적이 유효 입사면적이 되고, 종래의 매몰형 전극(buried contact)과 같이 투명 전극이 실리콘층과 직접적으로 전면 접촉하고 있어 저항손실을 줄일 수 있는 특징이 있다. 상기 전자분리층의 상층에 형성된 전극층은 상기 전하생성층에서 생성되어 상기 전자분리층에 유인된 전자가 축적되는 전자수집 전극층이고, 상기 정공분리층의 하층에 형성된 전극층은 상기 전하생성층에서 생성되어 상기 정공분리층에 유인된 정공이 축적되는 정공수집 전극층이다.

4. 광흡수층과 패시베이션층

광흡수층은 상기 전자수집 전극층의 상층에, 패시베이션층은 상기 정공수집 전극층의 하층에 구비될 수 있다. 상기 광흡수층과 패시베이션층은 상층에서 반사된 빛과 하층에서 반사된 빛이 서로 상쇄간섭을 일으키도록 함으로써 태양전지 표면에서의 빛 반사를 줄이고, 특정한 파장영역의 선택성을 증가시키기 위한 것으로서, Al₂O₃, MgF₂, MgO, SiN, SiO₂, TiO₂, Si 등 적절한 굴절률의 것을 사용하고, 광의 파장 및 두께에 따라 최소 반사가 일어나는 굴절률에 해당되는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

Ⅱ. 제2실시예 - 양자구속효과가 발생하는 전하생성층이 포함된 태양전지 구조

본 발명은 상기 제1실시예에서 전하생성층을 이루고 있는 CNT의 입자크기 및 층두께를 조절함으로써 발생하는 양자구속효과(quantum confinement effect)를 이용하여 변환효율이 더 향상되는 CNT 태양전지 구조체를 함께 제공한다.([도 2] 참조)

상기 양자구속효과 발생을 위해서는 1) 상기 전하생성층은 1~100㎚ 길이의 CNT 입자로 형성하고, 2) 상기 전하생성층은 CNT 입자의 길이차를 기준으로 3개층으로 구분되는 구조로 형성되되, 가운데층을 구성하는 CNT 입자의 길이가 상하층을 구성하는 CNT 입자의 길이보다 상대적으로 긴 것을 적용하거나, 3) 상기 전하생성층은 상부에서 하부로 갈수록 CNT 입자의 길이가 점차적으로 길어지도록 구성할 수 있다. 이하에서는 탄소나노튜브 입자의 길이가 1~100㎚ 범위에 있는 것을 전제로 서술한다.

(1) 양자우물구조

본 발명은, 상기 전하생성층이 CNT의 길이차를 기준으로 3개층으로 구분되는 구조로 형성되되 가운데층 CNT의 길이가 상하층 CNT의 길이보다 상대적으로 길어 양자구속효과가 발생되는 것을 특징으로 하는 태양전지 구조와 상기 가운데층의 두께가 엑시톤(exiton)의 보어반경(Bohr radius) 보다 작게 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지 구조를 함께 제공한다.

모든 무기결정은 밴드갭과 같은 본래의 고유한 특성을 갖고 있지만 결정의 크기가 1~100nm로 작아짐에 따라서 그 특성이 변화하게 된다. 특히, 유기금속화학 증착법(MOCVD, Metal Organic Chemical Vapor Deposition)과 같은 기술을 이용하여 수나노미터 수준의 양자우물(quantum well)을 기판 위에 형성시킬 수 있는데, 양자우물은 밴드갭이 서로 다른 두 개의 물질을 샌드위치 형태로 구성한 것으로 주로 밴드갭이 작은 물질을 밴드갭이 큰 물질 사이에 끼운 형태로 만들게 된다. 가운데 적층되는 물질의 두께는 대략 수 나노미터 수준으로, 이 두께가 여기된 전자와 홀이 형성하는 엑시톤(exiton)의 보어 반경(Bohr radius)보다 작게 되면 두께 방향으로 양자구속효과가 발생하여 밴드갭이 커지고 또한 양자우물 구조의 바깥쪽 부분에 있는 물질의 밴드갭이 더 크기 때문에 엑시톤은 가운데 반도체 층에 갇혀 높은 광자발광효율(photoluminescence efficiency)을 보이게 된다.

(2) 양자점구조

본 발명은, 상기 전하생성층이 상부에서 하부로 갈수록 CNT의 길이가 점차적으로 길어지도록 구성되어 양자구속효과가 발생되는 것을 특징으로 하는 태양전지 구조를 제공한다.

양자점(quantum dot)의 경우는 반도체 결정이 구의 형태를 띠는 영차원(zero-dimensional)의 경우로, 3차원의 전방향에 걸쳐 양자구속효과가 발생하는데 엑시톤이 양자점에 공간적으로 구속되어 전기적 광학특성이 크게 변화하고, 양자점의 크기에 따라 흡수되는 파장이 다르다. 즉, 양자점이 크기가 작으면 작을수록 자외선영역의 파장을 더 흡수하여 파란빛을 띠고, 양자점의 크기가 상대적으로 크면 적외선 영역의 파장을 더 흡수하여 붉은빛을 띠는 성질을 가지고 있다. 양자 점의 크기가 작을수록 짧은 파장의 빛을 흡수하여 밴드갭이 커지므로, 본 발명에서는 이러한 양자점의 특성을 이용하여 밴드갭이 큰 양자점(상대적으로 길이가 짧은 CNT)을 상위에 배치하고 밴드갭이 작은 양자점(상대적으로 길이가 긴 CNT)을 하위에 배치함으로써 양자구속효과가 발생되도록 하는 것이다.

본 발명에서 양자구속효과를 얻기 위한 CNT 양자점의 합성은 일반적으로 알려진 화학적 방법(예: gas-phase synthesis, pyrolysis 등)을 이용하거나, 본 발명의 발명자들이 개발하여 특허출원(출원번호 2008-0105104호)한 "탄소나노튜브 절단 분산 방법 및 장치"를 활용할 수도 있다.

한편, 양자구속효과를 가지는 CNT 전하생성층에서 CNT 입자 크기를 일정하게 하여 코팅하는 경우는 CNT 입자크기 분포가 일정하지 않을 경우(작은 입자와 큰 입자가 함께 분포할 때)보다 태양광 스펙트럼(spectrum)에서 자외선-가시광선-적외선 영역의 파장을 상대적으로 덜 흡수할 수 있다(종래의 결정질 실리콘 태양전지에서는 가시광선 영역의 파장은 잘 흡수할 수 있었으나, 적외선 및 자외선 영역의 파장은 잘 흡수하지 못하였기 때문에 태양광의 전영역의 파장을 받아들일 수 있는 태양전지보다 변환효율이 낮을 수밖에 없다).

따라서, 양자구속효과를 가지는 CNT 입자 크기의 분포가 다양할 때 태양광 스펙트럼의 파장을 전영역에 걸쳐 흡수할 수 있으므로, 본 발명에서는, p형 또는 n형 CNT의 입자크기를 일정하게 하여 CNT 전하생성층을 제작할 수 있는 것과 더불어, 입자크기를 다양하게 분포시켜 전하생성층을 제작할 수 있다.

Ⅲ. 제3실시예 - 양자구속효과가 발생하는 전하생성층이 밴드갭이 다른 복수 개의 층으로 구비된 태양전지 구조

본 발명은 상기 전하생성층이 복수층으로 적층되어 있되, 하부 전하생성층을 구성하는 CNT의 길이가 상부 전하생성층을 구성하는 CNT의 길이보다 상대적으로 긴 것을 적용하여 양자구속효과가 발생되는 것을 특징으로 하는 태양전지 구조를 함께 제공한다.

[도 3]에 도시된 태양전지 구조의 제3실시예는 전하생성층을 복수개로 적층하여 에너지 전하생성층 간에 밴드갭 차이가 나도록 함으로써 양자구속효과가 발휘되도록 구성한 것이다. 물론 상기 전하생성층은 n형 또는 p형 CNT만으로 이루어진 전하생성층이며, 특히, 상기 전하생성층을 구성하는 CNT는 1~100㎚ 길이의 CNT 입자인 것을 특징으로 한다.

[도 3]은 기재 위에 패시베이션층, 정공수집 전극층, 정공분리층, 전하생성층, 전자분리층, 혼합 전극층(상부는 전자수집 전극층 하부는 정공수집 전극층으로 이루어진 전극층), 정공분리층, 전하생성층, 전자분리층, 전자수집 전극층 및 광흡수층이 차례로 적층된 예를 도시한 것이다. 이러한 구조에 의해 양자구속효과가 발현되도록 하기 위해서는 태양광이 흡수되는 상부 전하생성층의 CNT 입자 길이가 하부 전하생성층의 CNT 입자 길이보다 짧게 분포시켜 밴드갭이 E_g상부>E_g하부조건을 가지도록 해야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 CNT 전하 생성층을 포함하는 태양전지 구조체 제1실시예의 모식도이다.

도 2는 본 발명에 따른 CNT 양자구속효과를 발휘하는 전하 생성층을 포함하는 태양전지 구조체 제2실시예의 모식도이다.

도 3은 본 발명에 따른 CNT 양자구속효과를 발휘하는 에너지 밴드갭이 다른 복수개의 적층형 전하 생성층을 포함하는 태양전지 구조체 제3실시예의 모식도이다.

<발명의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 전하생성층

11 : 전자분리층(n+층) 12 : 정공분리층(p+층)

13a : 전자수집 전극층 13b : 정공수집 전극층
13a/13b : 상부는 전자수집 전극층 하부는 정공수집 전극층으로 이루어진 전극층
14 : 반사방지층(광흡수층)

15 : 반사방지층(패시베이션층) 16 : 기재

20 : 양자구속효과를 가지는 전하생성층

Claims

n형 CNT 또는 p형 CNT만으로 이루어져 있으며, 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 전하생성층;

상기 전하생성층의 상층에 형성되어 있으며, Ⅴ족 물질이 도핑되어 상기 전하생성층에서 생성된 전자를 유인하는 전자분리층;

상기 전자분리층의 상층에 형성되어 있으며, 상기 전자분리층에 유인된 전자를 수집하는 전자수집 전극층;

상기 전하생성층의 하층에 형성되어 있으며, Ⅲ족 물질이 도핑되어 상기 전하생성층에서 생성된 정공을 유인하는 정공분리층; 및

상기 전하생성층의 하층에 형성되어 있으며, 상기 정공분리층에 유인된 정공을 수집하는 정공수집 전극층; 을 포함하여 구성된 태양전지 구조.
제1항에서,

상기 전하생성층을 구성하는 CNT의 길이는 1~100㎚인 것을 특징으로 하는 태양전지 구조.
제2항에서,

상기 전하생성층은 CNT의 길이차를 기준으로 3개층으로 구분되는 구조로 형성되되, 가운데층 CNT의 길이가 상하층 CNT의 길이보다 상대적으로 길어 양자구속효과가 발생되는 것을 특징으로 하는 태양전지 구조.
제3항에서,

상기 가운데층의 두께가 엑시톤(exiton)의 보어반경(Bohr radius) 보다 작게 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지 구조.
제2항에서,

상기 전하생성층은 상부에서 하부로 갈수록 CNT의 길이가 점차적으로 길어지도록 구성되어 양자구속효과가 발생되는 것을 특징으로 하는 태양전지 구조.
제2항에서,

상기 전하생성층은 복수층으로 적층되되,

하부 전하생성층을 구성하는 CNT의 길이가 상부 전하생성층을 구성하는 CNT의 길이보다 상대적으로 긴 것을 적용하여 양자구속효과가 발생되는 것을 특징으로 하는 태양전지 구조.