KR101132273B1 - Hybrid solar cell and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
하이브리드 태양전지 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 개시의 일 실시 예로서, 서로 대향하는 두 전극 사이에 N형 실리콘 계 나노 구조체 및 P형 유기반도체가 혼합된 층 또는 P형 실리콘 계 나노 구조체 및 N형 유기반도체가 혼합된 층을 적어도 한 층 이상 포함하고 있는 하이브리드 태양전지가 제공된다.A hybrid solar cell and a method of manufacturing the same are disclosed. In one embodiment of the present disclosure, at least one layer of a mixture of an N-type silicon-based nanostructure and a P-type organic semiconductor or a layer of a mixture of a P-type silicon-based nanostructure and an N-type organic semiconductor between two opposite electrodes A hybrid solar cell including the above is provided.
Description
본 개시는 대체로 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 구조체를 포함하는 하이브리드 태양전지에 관한 것이다.The present disclosure relates generally to solar cells, and more particularly, to hybrid solar cells including nanostructures.
고분자 물질을 이용하여 태양광을 전기로 변환시키는 유기태양전지에 관한 연구는 최근 고유가 및 신 재생에너지에 대한 관심으로 인해 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 고분자 태양전지의 종래 기술에 대한 리뷰가 문헌(M. D. McGehee, et al., Chem. Mater. 2004, 16, 4533-4542) 에 자세히 나와 있다. 문헌에 따르면 고분자 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 최초의 단층 고분자 태양전지에서부터 시작하여, 다층, 벌크 이종접합에 이르기 까지 개발되었고, 현재 P3HT/PCBM 재료를 이용한 불규칙구조의 벌크 이종접합(Disordered bulk heterojunction)에 의한 최고효율이 6%정도까지 보고되고 있다. 유기반도체로 제작한 유기태양전지의 경우 효율은 높지 않으나, 그 제작 공정이 단순하여 저비용으로 태양전지를 만들 수 있다는 장점이 있다. 한편 Si을 비롯한 무기물계 태양전지의 경우 효율은 높으나, 제작 공정이 복잡하고 장비설치비가 높아 태양전지의 저비용화가 쉽지 않다는 단점이 있어, 이러한 두 가지 재료들의 특징을 상호 보완하기 위해, 즉 유기반도체 재료의 낮은 전하이동도 및 전기전도도를 무기물 재질로 개선하고, 제작 공정을 단순화시키며 유연기판에도 적용 가능하도록 하기 위해 무기물계 나노 구조체와 유기반도체 재료를 혼합한 하이브리드 형태의 태양전지에 대한 연구가 진행되고 있으나, 아직까지 광전변환 효율이 낮은 실정이다. 또한 최근에는 실리콘 재료와의 혼합을 통한 하이브리드 태양전지에 대한 연구도 보고되고 있으나(C-Y Liu, et al., Nano Lett., 2009, 9, 449-452), 그 효율이 낮고 실리콘 나노 구조체를 제작하기가 용이하지 않은 단점이 있었다.Research on organic solar cells that convert sunlight into electricity using polymer materials has been steadily increasing due to the interest in high oil prices and renewable energy. A review of the prior art of such polymer solar cells is described in detail in MD McGehee, et al., Chem. Mater. 2004, 16, 4533-4542. According to the literature, it was developed from the first single-layer polymer solar cell to improve the efficiency of polymer solar cell, multi-layer, bulk heterojunction, and now disordered bulk heterojunction using P3HT / PCBM material. ) Is reported to be up to 6%. In the case of an organic solar cell made of an organic semiconductor, the efficiency is not high, but the manufacturing process is simple, and there is an advantage that the solar cell can be made at low cost. On the other hand, the inorganic solar cell including Si has high efficiency, but the manufacturing process is complicated and the equipment installation cost is high, which makes it difficult to reduce the cost of the solar cell. In order to complement the characteristics of these two materials, that is, the organic semiconductor material In order to improve the low charge mobility and electrical conductivity of the inorganic material, simplify the manufacturing process, and apply it to the flexible substrate, research on the hybrid type solar cell in which the inorganic nanostructure and the organic semiconductor material are mixed is conducted. However, the photoelectric conversion efficiency is still low. Recently, research on hybrid solar cells through mixing with silicon materials has been reported (CY Liu, et al., Nano Lett., 2009, 9, 449-452), but the efficiency is low and silicon nanostructures are fabricated. There was a drawback that was not easy to do.
본 개시의 일 측면은 서로 대향하는 두 전극 사이에 N형 실리콘 계 나노 구조체 및 P형 유기반도체가 혼합된 층 또는 P형 실리콘 계 나노 구조체 및 N형 유기반도체가 혼합된 층을 적어도 한 층 이상 포함하고 있는 하이브리드 태양전지를 제공한다. An aspect of the present disclosure includes at least one layer containing a mixture of an N-type silicon-based nanostructure and a P-type organic semiconductor or a layer in which a P-type silicon-based nanostructure and an N-type organic semiconductor are mixed between two opposite electrodes. To provide a hybrid solar cell.
본 개시의 다른 측면은 서로 대향하는 두 전극 사이에 N형 유기 반도체 층, P형 실리콘 계 나노 구조체 및 P형 유기반도체가 혼합된 층을 각각 적어도 한 층 이상 포함하고 있는 하이브리드 태양전지를 제공한다.Another aspect of the present disclosure provides a hybrid solar cell including at least one layer each of which an N-type organic semiconductor layer, a P-type silicon-based nanostructure, and a P-type organic semiconductor are mixed between two opposite electrodes.
본 개시의 또 다른 측면은 서로 대향하는 두 전극 사이에 P형 유기 반도체 층, N형 실리콘 계 나노 구조체 및 N형 유기반도체가 혼합된 층을 각각 적어도 한 층 이상 포함하고 있는 하이브리드 태양전지를 제공한다. Another aspect of the present disclosure provides a hybrid solar cell including at least one layer of a mixture of a P-type organic semiconductor layer, an N-type silicon-based nanostructure, and an N-type organic semiconductor between two opposite electrodes. .
본 개시의 또 다른 측면은 실리콘 기판을 에칭용액 및 전기장치를 이용하여 전기화학적으로 에칭하는 과정, 상기 기판에서 나노 구조체를 분리하고 알코올에 분산하는 과정 및 상기 나노 구조체와 유기 반도체를 용매에 분산시켜 혼합하는 과정을 포함하는 하이브리드 태양전지 제조 방법을 제공한다.Another aspect of the present disclosure is to electrochemically etch a silicon substrate using an etching solution and an electrical device, to separate the nanostructure from the substrate and to disperse in alcohol and to disperse the nanostructure and the organic semiconductor in a solvent It provides a hybrid solar cell manufacturing method comprising the process of mixing.
본 개시의 또 다른 측면은 실리콘 기판을 금속 나노 입자를 촉매로 하여 불산(HF) 용액에서 무전해 에칭하는 과정, 상기 기판에서 나노 구조체를 분리하고 알코올에 분산하는 과정 및 상기 나노 구조체와 유기 반도체를 용매에 분산시켜 혼합하는 과정(S203)을 포함하는 하이브리드 태양전지 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present disclosure, a process of electrolessly etching a silicon substrate in a hydrofluoric acid (HF) solution using metal nanoparticles as a catalyst, separating the nanostructure from the substrate and dispersing it in alcohol, and the nanostructure and the organic semiconductor It provides a hybrid solar cell manufacturing method comprising the step of dispersing and mixing in a solvent (S203).
이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항 들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments disclosed herein will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Unless otherwise indicated in the text, like reference numerals in the drawings indicate like elements. The illustrative embodiments described above in the detailed description, drawings, and claims are not meant to be limiting, other embodiments may be utilized, and other changes may be made without departing from the spirit or scope of the technology disclosed herein. Those skilled in the art may arrange, configure, combine, and designate the components of the present disclosure, that is, the components generally described herein and described in the figures, in a variety of different configurations, all of which are expressly devised and It will be readily understood that they form part. In order to clearly express various layers (or layers), regions, and shapes in the drawings, the width, length, thickness, or shape of the components may be exaggerated.
일 구성요소가 다른 구성요소 "을(과) 연결" 이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적 인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.When one component is referred to as "connecting" to another component, it may include the case in which the one component is directly connected to the other component, as well as an additional component interposed therebetween. Can be.
일 구성요소가 다른 구성요소 "에 배치" 이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 배치되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.When one component is referred to as "positioning to" another component, it may include a case in which one component is directly disposed on the other component, as well as a case where additional components are interposed therebetween.
도 1의 (a) 내지 (c)는 본 개시의 실시 예들로서 하이브리드 태양전지를 나타내는 도면이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 하이브리드 태양전지는 기판(100), 투명 전극(110), 버퍼층(120), 실리콘 나노 구조체 및 유기반도체가 혼합된 혼합물층(130A), 상부 전극(140)을 포함한다. 기판(100)은 일 예로 유리, 플라스틱, 금속 호일(Metal foil)일 수 있다. 기판(100) 위에 투명 전극(110)이 배치될 수 있다. 투명 전극(110)은 일 예로 ITO(Indium tin oxide) 또는 FTO(Fluoride tin oxide)일 수 있다. 투명 전극(110) 위에 버퍼층(120)이 형성될 수 있다. 버퍼층(120)은 정공의 이동이 용이한 재질로 되어있다. 버퍼층(120)은 일 예로 PEDOT/PSS 일 수 있다. 버퍼층(120) 위에 실리콘 계 나노 구조체 및 유기 반도체가 혼합된 혼합물층(130A)이 적층될 수 있다. 실리콘 계 나노 구조체가 N형이면 유기 반도체는 P형이 되고, 실리콘 계 나노 구조체가 P형이면 유기 반도체는 N형이 된다. 혼합물층(130A)은 서로 대향하는 두 전극(110, 140) 사이에 적어도 한 층 이상 포함될 수 있다. 혼합물층(130A) 위에 상부 전극(140)이 배치될 수 있다. 상부 전극(140)은 일 예로 알루미늄(Al)층 위에 불화리튬(LiF)이 적층된 구조일 수 있다. 도 1의 (b)를 참조하면, 하이브리드 태양전지는 기판(100), 투명 전극(110), 버퍼층(120), 실리콘 나노 구조체 및 유기 반도체가 혼합된 혼합물층(130B), 유기 반도체층(135A), 상부 전 극(140)을 포함한다. 버퍼층(120) 위에 P형 실리콘 나노 구조체 및 P형 유기 반도체가 혼합된 혼합물층(130B) 및 N형 유기 반도체층(135A)이 적층될 수 있다. 또는 도 1의 (c)처럼 버퍼층(120) 위에 P형 유기 반도체층(135B) 및 N형 실리콘 나노 구조체 및 N형 유기 반도체가 혼합된 혼합물층(130C)이 적층될 수도 있다. 혼합물층(130B, 130C) 및 유기반도체층(135A, 135B)은 서로 대향하는 두 전극(110, 140) 사이에 각각 적어도 한 층 이상 포함될 수 있다. 하이브리드 태양전지의 최상부에 상부전극(140)이 배치될 수 있다. 도 1의 (a) 내지 (c)에 있어서, 나노 구조체는 일 예로 나노 와이어, 나노 로드, 나노 입자, 나노 리본 및 이들의 혼합으로 이루어진 군 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 실리콘 계 나노 구조체는 일 예로 Si, SiC 또는 SiGe로 된 웨이퍼로부터 제조될 수 있다. 1 (a) to (c) is a view showing a hybrid solar cell as embodiments of the present disclosure. Referring to FIG. 1A, a hybrid solar cell includes a
도 2는 본 개시의 일 실시 예로서 하이브리드 태양전지를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, S200에서 실리콘 웨이퍼의 전기화학적으로 에칭하고자 하는 영역에 대해 통상의 반도체 포토레지스터(이하 ‘PR’이라 함) 패터닝을 실시한다. 일반적으로 Si3N4 버퍼층과 PR이 입혀진 실리콘 웨이퍼 표면을 사각형 또는 원형의 어레이가 형성된 마스크를 통해 노광시키고, 현상 및 건조를 통해 PR패턴을 형성한 후 드라이 에칭을 통해 최종적으로 Si3N4을 패터닝하고 PR을 제거한다. 이후 실리콘 웨이퍼를 KOH용액에 담가서 사각형 또는 원형 패턴의 표면으로부터 실리콘 웨이퍼 내부로 역피라미드 형상의 에치 핏(etch pit)을 형성시키는 패터닝을 한다. 그 후 실리콘 웨이퍼를 묽은 인산액(diluted H3PO4)에 담가서 Si3N4 패턴층을 제거한다. 그 후 실리콘 웨이퍼를 피라나(Piranha) 용액과 묽은 불산(HF) 용액에 담가서 표면의 오염물질을 제거한 후, 실리콘 웨이퍼 후면에 Al 또는 Au로 된 금속 전극층을 형성한다. S210에서 에치 핏이 형성된 실리콘 웨이퍼를 불산 용액 속에서 정전압 전류장치와 연결하여 일정한 전류밀도를 가하는 전기화학적 에칭 방법으로 실리콘 웨이퍼의 깊이 방향으로 에칭하여 기판에 수직한 실리콘 나노 구조체를 형성한다. 실리콘 나노 구조체는 일 예로 나노 와이어, 나노 로드 및 나노 리본으로 이루어진 군 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 실리콘 나노 구조체가 형성된 실리콘 웨이퍼를 초순수로 세정 후 건조 시킨다. S220에서 기판에 수직하게 형성된 실리콘 나노 구조체를 칼이나 유리, SUS판 등을 이용하여 기계적으로 분리한 후, 알코올 용매에 초음파를 이용하여 분산시킨다. 도 3은 실리콘 웨이퍼에서 분리한 실리콘 나노 와이어를 나타내는 도면이다. 도 2를 재 참조하면, S230에서 알코올 용매를 제거하고, 남은 실리콘 나노 구조체를 건조시킨 후, 유기 반도체 재료를 녹일 수 있는 용매에 재 분산 시킨다. 이 때 용매로는 일 예로 모노클로로벤젠, 디클로로벤젠, 톨루엔, 클로로포름 또는 이 들의 혼합용매를 사용할 수 있다. N형 또는 P형 유기 반도체 재료 역시 상기 용매에 녹인 후, 실리콘 나노 구조체 및 유기 반도체 재료를 혼합하기 위해 각각의 용액을 소정의 무게 비로 섞는다. 다음 섞은 용액을 초음파 등을 이용해 분산시키고 약 40℃의 핫플레이트 위에서 12시간 이상 교반한다. 이 때 실리콘 나노 구조체의 분산안정성을 위해 올레익산, n-헥실싸이올, n-옥틸싸이올 등과 같은 분산제를 소량 추가할 수 있다. S240에서 하이브리드 태양전지 소자 제작은 기존 유기 태양전지 소자 제작 과정과 동일하게 진행된다. 먼저 투명 전극이 형성된 기판을 아세톤, 알코올, 물 또는 이들의 혼합 용액에 담근 후 초음파 세정을 실시하고 건조한다. 기판은 일 예로 유리, 플라스틱, SUS로 될 수 있다. 건조된 기판 상에 UV오존 또는 플라즈마를 이용하여 표면처리를 실시한다. 기판 위에 PEDOT:PSS로 되었거나 또는 정공 이동에 용이한 재질로 된 버퍼층을 스핀코팅, 스크린 프린팅, 닥터블레이딩, 잉크젯 또는 진공 증착 등의 방식으로 형성한다. 그 위에 실리콘 나노 구조체와 유기 반도체 재료의 혼합물로 된 혼합물층을 형성한다. 혼합물층은 버퍼층 위에 도포 또는 프린팅 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층과 혼합물층은 여러 가지 방식으로 적층될 수 있으며 상술한 방식으로 한정되는 것은 아니다. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hybrid solar cell as one embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 2, a conventional semiconductor photoresist (hereinafter, referred to as “PR”) patterning is performed on a region to be electrochemically etched of a silicon wafer in S200. Generally, the Si 3 N 4 buffer layer and PR coated silicon wafer surface are exposed through a mask in which a rectangular or circular array is formed, a PR pattern is formed through development and drying, and finally Si 3 N 4 is formed through dry etching. Pattern and remove PR. The silicon wafer is then immersed in KOH solution and patterned to form an inverse pyramid etch pit from the surface of the square or circular pattern into the silicon wafer. The silicon wafer is then immersed in dilute phosphoric acid (diluted H 3 PO 4 ) to remove the Si 3 N 4 pattern layer. The silicon wafer is then immersed in a Piranha solution and dilute hydrofluoric acid (HF) solution to remove contaminants on the surface, and then a metal electrode layer of Al or Au is formed on the back of the silicon wafer. In S210, the silicon wafer on which the etch fit is formed is etched in the depth direction of the silicon wafer by an electrochemical etching method of applying a constant current density by connecting a constant current device in a hydrofluoric acid solution to form a silicon nanostructure perpendicular to the substrate. The silicon nanostructure may be, for example, any one selected from the group consisting of nanowires, nanorods, and nanoribbons. The silicon wafer on which the silicon nanostructure is formed is washed with ultrapure water and dried. In S220, the silicon nanostructure vertically formed on the substrate is mechanically separated using a knife, glass, SUS plate, or the like, and then dispersed in an alcohol solvent using ultrasonic waves. 3 is a diagram illustrating silicon nanowires separated from a silicon wafer. Referring to FIG. 2 again, the alcohol solvent is removed in S230, the remaining silicon nanostructures are dried, and the organic semiconductor material is redispersed in a solvent capable of dissolving. In this case, for example, monochlorobenzene, dichlorobenzene, toluene, chloroform, or a mixed solvent thereof may be used as the solvent. N-type or P-type organic semiconductor materials are also dissolved in the solvent, and then the respective solutions are mixed in a predetermined weight ratio to mix the silicon nanostructure and the organic semiconductor material. Next, the mixed solution is dispersed using ultrasonic waves or the like and stirred for about 12 hours on a hot plate at about 40 ° C. In this case, a small amount of a dispersant such as oleic acid, n-hexyl thiol, n-octyl thiol, etc. may be added for dispersion stability of the silicon nanostructure. In S240, the hybrid solar cell device is manufactured in the same manner as the existing organic solar cell device. First, the substrate on which the transparent electrode is formed is immersed in acetone, alcohol, water or a mixed solution thereof, and then ultrasonically cleaned and dried. The substrate may be, for example, glass, plastic, or SUS. Surface treatment is performed on the dried substrate using UV ozone or plasma. A buffer layer made of PEDOT: PSS or a material which is easy to move holes is formed on the substrate by spin coating, screen printing, doctor blading, ink jet or vacuum deposition. On it, a mixture layer of a mixture of silicon nanostructures and organic semiconductor materials is formed. The mixture layer may be formed using a coating or printing method on the buffer layer. The buffer layer and the mixture layer may be stacked in various ways and are not limited to the above-described manner.
형성된 혼합물층 위에 최종적으로 전자를 효과적으로 수집하기 위해 일함수가 낮은 전극층을 형성한다. 이와 같은 전극층의 재료로서 일반적으로 알칼리 금속, 나트륨-칼륨 합금, 마그네슘-은 혼합물, 알루미늄-리튬 합금, 알루미늄-리튬 플루오르 혼합물을 사용할 수 있다. 전극층은 일 예로 진공증착법을 통해 형성할 수 있다. 유기 반도체 재료는 동작 중에 수분과 산소에 의해 열화가 될 수 있으므로, 유기 반도체를 포함하는 층을 대기로부터 차단시킬 필요가 있다. 따라서 유기 반도체가 포함된 층에 보호막을 입히는 패시베이션(passivation) 공정 또는 실링 공정을 이용할 수 있다. 패시베이션 공정은 산소가스, 오존가스, 산소 플라즈마 가스, 수소 가스, 불소화 수소, 브롬화 수소, 인화수소 및 이들의 혼합으로 구성된 군 중에서 선택되는 하나를 이용하여 이루어 질 수 있다.On the mixture layer formed, an electrode layer having a low work function is formed to effectively collect electrons. As a material of such an electrode layer, an alkali metal, sodium-potassium alloy, magnesium-silver mixture, aluminum-lithium alloy, aluminum-lithium fluorine mixture can be generally used. The electrode layer may be formed by, for example, a vacuum deposition method. Since the organic semiconductor material may be degraded by moisture and oxygen during operation, it is necessary to shield the layer containing the organic semiconductor from the atmosphere. Therefore, a passivation process or a sealing process for applying a protective film to the layer containing the organic semiconductor can be used. The passivation process may be performed using one selected from the group consisting of oxygen gas, ozone gas, oxygen plasma gas, hydrogen gas, hydrogen fluoride, hydrogen bromide, hydrogen phosphide, and mixtures thereof.
도 4는 본 개시의 다른 실시 예로서 하이브리드 태양전지를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, S300에서 실리콘 웨이퍼를 초순수와 아세톤에 차례로 담근 후 초음파를 이용하여 약 10분 ~ 약 15분 간 세정한다. 실리콘 웨이퍼 표면의 자연산화막을 제거하기 위해 초음파 세정이 끝난 실리콘 웨이퍼를 BOE(Buffered Oxide Etchant)액에 약 1분간 담근 후 초순수로 세정하고 질소를 불어 건조시킨다. S310에서 세정된 실리콘 웨이퍼를 귀금속 나노 입자를 촉매로 하여 HF용액에 담가 무전해 방식으로 화학적 에칭을 실시한다. 귀금속 나노 입자는 일 예로 Ag, Au 또는 이들을 포함한 화합물을 녹인 용액에 실리콘 웨이퍼를 담금으로써 생성된다. 귀금속 나노 입자를 촉매로 하여 HF용액과 실리콘의 산화환원반응에 의해 나노 입자가 형성된 실리콘 웨이퍼의 하부에 에칭이 일어난다. 약 20분 간의 에칭이 완료된 후 질산을 포함하는 용액에 실리콘 웨이퍼를 담가 나노 입자를 제거하고 초순수로 세정한 후 웨이퍼를 건조하면 기판에 수직한 실리콘 나노 구조체가 형성된다. S320에서 기판에 수직하게 형성된 실리콘 나노 구조체를 도 2의 S220과 동일한 방법으로 분리한 후, 알코올 용매에 초음파를 이용하여 분산시킨다. 도 5의 (a)는 실리콘 기판을 무전해 에칭하여 형성된 실리콘 나노 와이어를 나타내고 도 5의 (b)는 실리콘 기판으로부터 분리된 실리콘 나노 와이어를 나타내는 도면이다. 도 4를 재 참조하면, S330 및 S340은 도 2의 S230 및 S240과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hybrid solar cell as another embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 4, the silicon wafer is sequentially dipped in ultrapure water and acetone in S300 and then cleaned for about 10 minutes to about 15 minutes using ultrasonic waves. In order to remove the natural oxide film on the silicon wafer surface, the silicon wafer, which has been ultrasonically cleaned, is immersed in BOE (Buffered Oxide Etchant) solution for about 1 minute, washed with ultrapure water, and blown with nitrogen to dry. The silicon wafer cleaned in S310 is immersed in HF solution using noble metal nanoparticles as a catalyst and chemically etched in an electroless manner. Precious metal nanoparticles are produced, for example, by immersing a silicon wafer in a solution in which Ag, Au or a compound containing them is dissolved. Etching occurs on the lower part of the silicon wafer in which the nanoparticles are formed by redox reaction of HF solution and silicon using the noble metal nanoparticles as a catalyst. After about 20 minutes of etching, the silicon wafer is immersed in a solution containing nitric acid to remove nanoparticles, washed with ultrapure water, and dried to form a silicon nanostructure perpendicular to the substrate. In S320, the silicon nanostructures formed perpendicular to the substrate are separated in the same manner as in S220 of FIG. 2, and then dispersed in an alcohol solvent using ultrasonic waves. FIG. 5A illustrates silicon nanowires formed by electroless etching of a silicon substrate, and FIG. 5B illustrates silicon nanowires separated from a silicon substrate. Referring again to FIG. 4, since S330 and S340 are substantially the same as S230 and S240 of FIG. 2, a detailed description thereof will be omitted.
실리콘 웨이퍼를 전기화학적으로 에칭하여 실리콘 나노 입자를 형성하고 이를 이용하여 하이브리드 태양전지를 제작하는 방법은 도 3의 S300처럼 패터닝이 없는 실리콘 기판을 세정하고 도 2의 S210처럼 실리콘 웨이퍼를 전기화학적으로 에칭하 되 전이영역-다공성 실리콘이 생성되는 전류밀도와 실리콘이 연마(polishing)되는 전류밀도 사이의 전류밀도 영역-에 해당하는 펄스 파형의 전류를 약 130ms에서 약 10초 동안 인가함으로써 실리콘 웨이퍼에 실리콘 나노 입자를 형성할 수 있으며, 도 2의 S220 내지 S240과 동일한 과정을 거쳐 하이브리드 태양전지를 제조할 수 있다. The method of forming silicon nanoparticles by electrochemically etching a silicon wafer and fabricating a hybrid solar cell using the same is performed by cleaning a silicon substrate without patterning as in S300 of FIG. 3 and electrochemically etching the silicon wafer as in S210 of FIG. 2. However, by applying a current of a pulse waveform corresponding to a transition region—a current density region in which porous silicon is produced and a current density in which silicon is polished—for about 10 ms to about 10 seconds, the silicon nanoparticles are applied to the silicon wafer. Particles may be formed, and hybrid solar cells may be manufactured by the same process as S220 to S240 of FIG. 2.
본 개시의 하이브리드 태양전지는 실리콘 계 나노 구조체 및 유기반도체가 혼합된 혼합물층을 포함하여 광전변환효율이 우수한 하이브리드 태양전지를 얻을 수 있다. 또한 본 개시의 하이브리드 태양전지 제조방법은 전기화학적 에칭 또는 무전해 화학 에칭에 의해 실리콘 계 나노 구조체를 형성하므로 기존의 하이브리드 태양전지의 무기물 나노 구조체 제작에 필요한 값비싼 장비나 복잡한 공정이 필요 없고 나노 구조체의 크기 또는 형상을 쉽게 조절할 수 있다. 또한 도핑된 웨이퍼를 이용하여 나노 구조체를 제작하므로 전기적 특성 향상을 위하여 나노 구조체 제조 후 별도의 도핑 공정이 필요 없는 장점이 있다. 즉 유기 반도체 재료와 혼합 시 효율이 가장 우수한 도핑 수준, 나노 구조체의 형상, 크기 등을 조절할 수 있다. 또한 본 개시의 하이브리드 태양전지 제조방법은 대부분의 공정이 용액 상에서 진행되므로 저렴하고 효율이 높은 태양전지를 제공하며, 플렉시블 기판 상에서도 형성이 가능하므로 가볍고 구부릴 수 있는 유연한 태양전지를 제작할 수 있다. The hybrid solar cell of the present disclosure may include a hybrid layer in which a silicon-based nanostructure and an organic semiconductor are mixed to obtain a hybrid solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency. In addition, the method of manufacturing a hybrid solar cell of the present disclosure forms a silicon-based nanostructure by electrochemical etching or electroless chemical etching, and thus does not require expensive equipment or complicated processes required for fabricating an inorganic nanostructure of a conventional hybrid solar cell. The size or shape of the can be easily adjusted. In addition, since the nanostructures are manufactured using the doped wafer, there is an advantage that a separate doping process is not required after the nanostructures are manufactured to improve electrical properties. In other words, it is possible to control the doping level, the shape and size of the nanostructure, which have the highest efficiency when mixed with the organic semiconductor material. In addition, the hybrid solar cell manufacturing method of the present disclosure provides a solar cell inexpensive and highly efficient because most of the process proceeds in a solution, and can be formed on a flexible substrate, thereby manufacturing a flexible and flexible solar cell.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 개시된 기술을 다양한 실시 예를 들어 상세히 기술하였지만, 본 개시된 기술이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 개시된 기술의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 개시된 기술을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 개시된 기술의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 개시된 기술의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.As described above, the present disclosure has been described in detail with reference to various embodiments, but a person having ordinary knowledge in the art to which the present disclosure pertains may understand the spirit and scope of the present disclosure as defined in the appended claims. Various modifications may be made to the disclosed technology without departing from it. Therefore, changes in the future embodiments of the disclosed technology will not be able to escape the technology of the disclosed technology.
도 1의 (a) 내지 (c)는 본 개시의 실시 예들로서 하이브리드 태양전지를 나타내는 도면이다.1 (a) to (c) is a view showing a hybrid solar cell as embodiments of the present disclosure.
도 2는 본 개시의 일 실시 예로서 하이브리드 태양전지를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hybrid solar cell as one embodiment of the present disclosure.
도 3은 실리콘 웨이퍼에서 분리한 실리콘 나노 와이어를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating silicon nanowires separated from a silicon wafer.
도 4는 본 개시의 다른 실시 예로서 하이브리드 태양전지를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hybrid solar cell as another embodiment of the present disclosure.
도 5의 (a)는 실리콘 기판을 무전해 에칭하여 형성된 실리콘 나노 와이어를 나타내고, 도 5의 (b)는 실리콘 기판으로부터 분리된 실리콘 나노 와이어를 나타내는 도면이다.FIG. 5A illustrates a silicon nanowire formed by electrolessly etching a silicon substrate, and FIG. 5B illustrates a silicon nanowire separated from the silicon substrate.
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