KR101222940B1 - 전기장 향상 효과에 의하여 개선된 광전환 효율을 나타내는 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본원은, 두 개의 전극 사이에 형성된 광활성층을 포함하는 박막 태양전지에 있어서, 상기 두 개의 전극 중 적어도 하나에 전계 방출 효과를 갖는 나노구조물을 포함하는 전계방출층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지에 관한 것으로서, 이러한 전계방출층이 형성된 전극을 포함함으로써 빛에 의하여 광활성층으로부터 발생된 전자와 정공을 각 전극으로 효과적으로 전달시킴으로써 태양전지의 광전환 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

전기장 향상 효과에 의하여 개선된 광전환 효율을 나타내는 태양전지{SOLAR CELLS SHOWING IMPROVED LIGHT CONVERSION EFFICIENCY BY ELECTRIC FIELD ENHANCEMENT EFFECTS}
본원은, 두 개의 전극 사이에 형성된 광활성층을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 두 개의 전극 중 적어도 하나에 전계 방출 효과를 갖는 나노구조물(nanostructure)을 포함하는 전계방출층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 빛에 의하여 전자와 정공을 발생시키고 이들을 음극과 양극 양쪽으로 분리 이동시켜 기전력과 전류를 얻는 장치이다. 전자의 이동은 양극단에 걸리는 전압에 비례하게 되며 내부 저항에 반비례하게 된다. 빛에 의한 기전력을 발생시키려고 전통적으로 실리콘을 중심으로 p-n형 무기 반도체로 이루어진 태양전지가 높은 효율을 보여주었다. 그러나 실리콘 태양전지가 시장을 대폭 확대하는 가운데서도 그 경제성 제고가 한계에 다다름에 따라 이를 개선할 많은 시도가 현재 진행되고 있다. 그 중 대표적으로 실리콘 박막을 이용한 태양전지와 CdTe, CuInSe와 Cu(In,Ga)Se 등으로 형성된 화합물 태양전지가 기술적으로 많은 진보를 보이고 있다. 또한, 유기 고분자를 이용한 유기태양전지와 염료를 이용한 염료감응 태양전지, 양자점을 이용한 태양전지 등으로 기술이 발전하여 태양전지의 경제성을 개선해 나가고 있다.
태양전지가 실리콘 p-n 접합형에서 박막의 다층 구조로 진행됨에 따라 태양전지의 효율이 계면의 특성에 많은 영향을 받게 된다. 특별히 계면의 수가 증가할수록 내부 저항이 크게 증가하게 되고 태양전지의 효율이 떨어지게 된다. 이를 개선하기 위하여 막간의 계면을 잘 배치함으로 내부 저항을 감소시키는 노력을 기울이고 있다. 내부 저항의 감소는 광전류의 증가로 나타나며 효율이 증가하게 된다. 광전류를 증가시키기 위한 또 다른 방법으로는 계면 간의 전압을 증가시키는 방법을 사용한다. 이를 위하여, 태양전지에 사용되는 반도체들의 전도대(conduction band)와 가전자대(valance band)의 에너지 위치를 조절하여 최대점을 가지도록 노력하고 있으나 에너지 차이가 너무 크면 효율이 또한 나빠지는 점 때문에 무제한 에너지 차이를 키우기는 어렵다.
본원의 발명자들은, 태양전지에 있어서 전자와 정공의 전달을 효과적으로 달성하기 위하여, 전계 방출 효과가 큰 물질의 나노구조물을 포함하는 전계방출층을 전극에 배치함으로써 상기 전계방출층에 의하여 전기장 향상 효과가 발생되어 태양전지의 광전류가 증가시킬 수 있는 기술을 개발하여 본원을 완성하였다.
이에, 본원은, 두 개의 전극 사이에 형성된 광활성층을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 두 개의 전극 중 적어도 하나에 전계 방출 효과를 갖는 나노구조물을 포함하는 전계방출층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공하고자 한다. 이러한 전계방출층이 형성된 전극을 포함함으로써 빛에 의하여 광활성층으로부터 발생된 전자와 정공을 각 전극으로 효과적으로 전달시킴으로써 태양전지의 광전류를 증가시켜 광전환 효율을 향상시킬 수 있다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 일 측면은, 상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 상기 두 전극 사이에 형성되는 광활성층; 및 상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 형성되며, 나노구조물(nanostructure)을 포함하는 전계방출층:을 포함하는, 태양전지를 제공한다.
본원에 일 구현예에 따른 상기 태양전지는 적어도 하나의 전극에 나노구조물을 포함하는 전계방출층이 형성되어 있어, 이러한 나노구조물을 포함하는 전계방출층에 의한 전계 방출 효과에 의하여 기본적으로 상기 전계방출층에서의 전기장을 증가시키고 이러한 전기장의 증가로 인해 빛에 의해 형성된 전자 및 정공이 효과적으로 전극까지 도달함으로써 태양전지의 광전환 효율을 향상시킬 수 있다. 이와 함께, 탄소나노튜브 등과 같이 전도성을 갖는 나노구조물을 포함하는 전계방출층은 상기 전도성에 의한 면저항의 감소와 상기 전도성 나노구조물의 일함수(work function)와 전극 및, 예를 들어, n-형 물질의 전도대(conduction band)의 에너지 배열에 따른 전자전달의 효과 증대 등이 합하여져 태양전지의 광전환 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 태양전지에 대한 단면도이고,
도 2 및 도 3은 본원의 일 실시예에 따른 화합물 반도체 태양전지에 관한 전자 현미경 사진 및 전계 방출 효과에 대한 그래프이고,
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지에 관한 전자 현미경 사진 및 전계 방출 효과에 대한 그래프이고,
도 5 및 도 6은 본원의 일 실시예에 따른 양자점 감응 태양전지에 관한 전자 현미경 사진 및 전계 방출 효과에 대한 그래프이고 (스케일 바 = 3 ㎛),
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 광전기화학 태양전지에 관한 전자 현미경 사진 및 전계 방출 효과에 대한 그래프이고,
도 8은 본원의 일 구현예에 따른 분자레벨 태양전지에 관한 도면이고,
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 CuInGaSe 화합물 태양전지에 관한 전자 현미경 사진이고,
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 유무기 복합 태양전지에 관한 전자 현미경 사진이다.
본원의 일 측면은, 상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 상기 두 전극 사이에 형성되는 광활성층; 및 상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 형성되며, 나노구조물(nanostructure)을 포함하는 전계방출층:을 포함하는, 태양전지를 제공한다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 나노구조물은 나노로드, 나노선 또는 나노튜브일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예들에 있어서, 상기 전계방출층은, 예를 들어, 금속, 유기물, 무기물, 유기금속화합물, 유무기 복합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 나노구조물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전계방출층은 산화물 나노튜브, 산화물 나노막대, 칼코지나이드, 금속 나노튜브, 금속 나노막대, 탄소나노튜브, 탄소나노막대, 탄소나노섬유, 그래핀, 식각된 실리콘, 실리콘 나노튜브, 실리콘나노선, 유기금속화합물 나노튜브, 유기금속화합물 나노막대, 유기금속화합물 나노선, 유기물 나노튜브, 유기물 나노막대, 유기물 나노선, 유기-무기 혼성 나노튜브, 유기-무기 혼성 나노튜브 나노막대, 유기-무기 혼성 나노튜브 나노선, 및 이들의 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 나노구조물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예들에 있어서, 상기 태양전지는 박막 태양전지일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예들에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 투명 전극은 당업계에서 태양전지 제조 시 사용되는 것이면 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 투명전극은 투명 기판 상에 형성된 것일 수 있다. 상기 투명 기판은, 예를 들어, 유리기판 또는 플라스틱 기판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 투명 전극은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 투명 전극이 음극(전자 수용)인 경우 인듐 주석 산화물(Indium Tin oxide, ITO), 불소-도핑된 주석 산화물(F-doped Tin oxide, FTO), 아연 산화물(Zinc oxide, ZnO), 안티몬-도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin oxide, ATO), 인-도핑된 주석 산화물(Phosphorus-doped Tin oxide, PTO), 안티몬-도핑된 아연 산화물(Antimony-doped Zinc oxide, AZO), 인듐-도핑된 아연 산화물(Indium-doped Zinc oxide, IZO) 등의 다양한 전도성 산화물, 칼코지나이드 화합물 등을 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 투명 전극이 상기 음극의 상대 전극인 경우 ITO, FTO, ZnO, IZO, ATO, AZO 등의 다양한 전도성 산화물, 칼코지나이드 화합물 등과 같은 투명한 도전성 물질을 포함하여 형성될 수 있으며, 또는 상기 투명한 도전성 물질 상에 형성된 Pd, Ag, Pt 등과 같은 금속층을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예들에 있어서, 상기 전계방출층은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 음극으로서 작용하는 전극과 상기 광활성층 사이에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예들에 있어서, 상기 전계방출층은 스프레이 코팅법, 함침법, 분무법, 액상 성장법, 또는 기상 성장법에 의하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예들에 있어서, 상기 전계방출층은 접합제를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 태양전지는 당업계에 알려진 모든 형태의 태양전지일 수 있다. 즉, 상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극, 및 상기 두 전극 사이에 형성되는 광활성층을 포함하는 태양전지로서, 상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 형성되며, 나노구조물을 포함하는 전계방출층을 포함하는 상기 태양전지는, 상기 광활성층으로서 당업계에 알려지거나 앞으로 개발될 어떠한 물질, 형태 등을 갖는 것일 수 있다. 이러한 광활성층 형성하는 물질, 형태 등에 따라 상기 태양전지는, 예를 들어, 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 실리콘 태양전지, 양자점 태양전지, 분자레벨 태양전지, 유기태양전지, 또는, 유무기 복합 태양전지 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 다양한 태양전지들에 있어서 상기 전계방출층을 제외한 나머지 부분들의 구성 요소들, 재료들, 및 제조 방법은 당업계에 알려진 것들을 제한 없이 사용할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 태양전지는, 하기를 포함하는 화합물 반도체 태양전지일 수 있다:
상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 두 전극 사이에 형성되며 상기 두 전극 사이에 형성되며 한 개 이상의 화합물 반도체층을 포함하는 광활성층; 및
상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 형성되며, 나노구조물을 포함하는 전계방출층.
비제한적 예로서, 상기 광활성층은 상이한 도전성을 갖는 두 개 이상의 화합물 반도체층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
비제한적 예로서, 상기 광활성층은 하나 이상의 n-형 화합물 반도체층, 하나 이상의 p-형 화합물 반도체층, 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 n-형 화합물 반도체층 및 상기 p-형 화합물 반도체층은 당업계에 알려진 화합물 반도체를 하나 이상 포함하여 형성될 수 있다.
비제한적 예로서, 상기 n-형 화합물 반도체층은, Ti, Zn, Sn, Nb, W, Ta, In, V, Ni, Zr, Cu, Ga, Mo, Fe, Si, As, C 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물 또는 칼코지나이드 화합물로서 상기 p-형 화합물 반도체층보다 전도대(conduction band)의 위치가 낮은 화합물 반도체를 포함하거나; 또는, 유기물, 유기 고분자, 유무기 복합체 또는 유기금속화합물로서 상기 p-형 화합물 반도체층보다 전도대의 위치가 낮은 화합물 반도체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
비제한적 예로서, 상기 p-형 화합물 반도체층은, Ti, Zn, Sn, Nb, W, Ta, In, V, Ni, Zr, Cu, Ga, Mo, Fe, Si, As, C 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물 또는 칼코지나이드 화합물로서 상기 n-형 화합물 반도체층보다 가전자대(Valance band)의 위치가 높은 화합물 반도체를 포함하거나; 또는, 유기물, 유기 고분자, 유무기 복합체 또는 유기금속화합물로서 상기 n-형 화합물 반도체층보다 가전자대의 위치가 높은 화합물 반도체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
비제한적 예로서, 상기 화합물 반도체층들 사이에 하나 이상의 광흡수층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 추가되는 광흡수층은, 예를 들어, 유기물, 무기물, 유기금속화합물, 유기-무기 복합체, 및 이들의 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것으로서 최저 비점유 분자 궤도함수(Lowest Unoccupied Molecular Orbital = LUMO) 또는 전도대의 에너지 위치가 상기 p-형 반도체층의 전도대와 상기 n-형 반도체층의 전도대 사이에 위치하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 상기 태양전지는, 하기를 포함하는 실리콘 태양전지일 수 있다:
상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 두 전극 사이에 형성되며 n-형 실리콘층과 p-형 실리콘층을 포함하는 광활성층; 및
상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 형성되며, 나노구조물을 포함하는 전계방출층.
상기 실리콘 태양전지에 있어서 상기 전계방출층을 제외한 나머지 부분은 당업계에 알려진 실리콘 태양전지에 사용되는 것들을 제한 없이 채용할 수 있다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 태양전지는, 하기를 포함하는 염료감응 태양전지일 수 있다:
상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 두 전극 사이에 형성되며 염료가 흡착된 광활성층; 및
상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 형성되며, 나노구조물을 포함하는 전계방출층.
상기 염료감응 태양전지에 있어서 상기 전계방출층을 제외한 나머지 부분은 당업계에 알려진 염료감응 태양전지에 사용되는 것들을 제한 없이 채용할 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 태양전지는, 하기를 포함하는 양자점 태양전지일 수 있다:
상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 두 전극 사이에 형성되며 양자점을 포함하는 광활성층; 및
상기 광활성층을 향한 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 하나의 면에 형성되며, 나노구조물을 포함하는 전계방출층.
상기 양자점 태양전지에 있어서 상기 전계방출층을 제외한 나머지 부분은 당업계에 알려진 양자점 태양전지에 사용되는 것들을 제한 없이 채용할 수 있다.
비제한적 예로서, 상기 양자점은 직경이 1 nm 내지 10 nm이고, 그의 표면에 -OH, =O, -O-, -S-S-, -SH, -P=O, -P 및 -PH로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 작용기를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양자점은 주기율표의 2족, 12족, 13족 및 14족에서 선택된 제 1원소, 및 16족의 원소에서 선택된 제 2원소를 포함하는 화합물; 주기율표의 13족에서 선택된 제 1원소, 및 15족에서 선택된 제 2원소를 포함하는 화합물; 및, 주기율표의 14족에서 선택된 원소를 포함하는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양자점은 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 태양전지는, 하기를 포함하는 분자레벨 태양전지일 수 있다:
상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 두 전극 사이에 형성되며, 염료층 및 전자받게층을 포함하는 광활성층; 및
상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 형성되며, 나노구조물을 포함하는 전계방출층.
상기 분자레벨 태양전지에 있어서 상기 전계방출층을 제외한 나머지 부분은 당업계에 알려진 분자레벨 태양전지에 사용되는 것들을 제한 없이 채용할 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 태양전지는, 하기를 포함하는 유기태양전지일 수 있다:
상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 두 전극 사이에 형성되며, 전도성 고분자와 전자 받게를 포함하는 광활성층; 및
상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 형성되며, 나노구조물(nanostructure)을 포함하는 전계방출층.
상기 유기태양전지에 있어서 상기 전계방출층을 제외한 나머지 부분은 당업계에 알려진 유기태양전지에 사용되는 것들을 제한 없이 채용할 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 태양전지는, 하기를 포함하는 유무기 복합 태양전지일 수 있다:
상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 두 전극 사이에 형성되며, 무기 반도체층, n-형 전도성 고분자층 및 p-형 전도성 고분자층을 포함하는 광활성층; 및
상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 형성되며, 나노구조물을 포함하는 전계방출층.
상기 유무기 복합 태양전지에 있어서 상기 전계방출층을 제외한 나머지 부분은 당업계에 알려진 유무기 복합 태양전지에 사용되는 것들을 제한 없이 채용할 수 있다.
상기 본원의 일 구현예에 따른 태양전지는, 상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하고; 상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 나노구조물을 포함하는 전계방출층을 형성하는 것:을 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 나노구조물은 나노로드, 나노선 또는 나노튜브일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예들에 있어서, 상기 전계방출층은, 예를 들어, 금속, 유기물, 무기물, 유기금속화합물, 또는, 유무기 복합체를 포함하는 나노구조물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전계방출층은 산화물 나노튜브, 산화물 나노막대, 칼코지나이드, 금속 나노튜브, 금속 나노막대, 탄소나노튜브, 탄소나노막대, 탄소나노섬유, 그래핀, 식각된 실리콘, 실리콘 나노튜브, 실리콘나노선, 유기금속화합물 나노튜브, 유기금속화합물 나노막대, 유기금속화합물 나노선, 유기물 나노튜브, 유기물 나노막대, 유기물 나노선, 유기-무기 혼성 나노튜브, 유기-무기 혼성 나노튜브 나노막대, 유기-무기 혼성 나노튜브 나노선, 및 이들의 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 나노구조물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예들에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예들에 있어서, 상기 투명 전극은 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예들에 있어서, 상기 전계방출층은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 음극으로서 작용하는 전극과 상기 광활성층 사이에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예들에 있어서, 상기 전계방출층은 스프레이 코팅법, 함침법, 분무법, 액상 성장법, 또는 기상 성장법에 의하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 전계방출층은 접합제를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원이 일 구현예에 있어서, 상기 태양전지는, 음극으로서 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성되며, 나노구조물을 포함하는 전계방출층; 상기 전계방출층 상에 형성되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 배치되는, 상대 전극으로서 제 2 전극을 포함할 수 있다. 상기 광활성층과 상기 제 2 전극 사이에도 전계방출층이 배치될 수 있다.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 하나 이상은 투명전극일 수 있다. 이러한 투명 전극은 투명 기판 상에 형성된 것일 수 있다. 또한, 상기 상대전극으로서 제 2 전극에 Pt, Ag, Pd 등과 같은 금속층이 추가 형성될 수 있다.
상기 태양전지가 화합물 반도체 태양전지인 경우, 상기 광활성층은, 예를 들어, 하나 이상의 n-형 반도체층(130)과 하나 이상이 p-형 반도체층(150)이 적층된 것으로서, 상기 n-형 반도체층(130)은 상기 음극으로서 제 1 전극(110) 상에 형성된 전계방출층(120) 상에 배치되며 상기 p-형 반도체층(150)은 상기 n-형 반도체층(130) 상에 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 경우, 비제한적 예로서, 상기 n-형 반도체층(130)과 상기 p-형 반도체층(150) 사이에 광흡수층(140)이 추가로 배치될 수 있으며, 이에 의하여 태양광의 흡수 영역을 증가시킬 수 있다 (도 1 참조).
도 1을 참조하면, 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(160)은 각각 광전효과로 생성된 전자와 정공을 받아들이며 외부로 전달시키는 전극으로 둘 중의 하나 또는 모두 빛을 받아 통과시킬 수 있는 투명 전극을 포함한다. 상기 투명전극으로서는, 예를 들어, ITO, FTO, ZnO, ATO, PTO, AZO, IZO 등의 다양한 투명 전도성 산화물 및 칼코지나이드로부터 선택되는 물질을 사용할 수 있으며 그 물질의 종류에 상관없이 본원을 구현하는 데는 큰 차이가 없다. 경우에 따라서, 탄소나노튜브가 그 자체로서 전도성 투명 전극의 역할도 감당할 수 있으며 전극의 종류에 큰 영향을 받지 않는다.
상기 n-형 반도체층(130)과 상기 p-형 반도체층(150)의 적층으로 인하여 이들의 계면에 p-n 접합이 형성되어 p-n 접합 태양전지의 형태를 가질 수 있다. 필요에 따라, 빛을 흡수할 수 있는 광흡수층(140)을 상기 n-형 반도체층(130)과 상기 p-형 반도체층(150) 사이에 추가로 배치할 수 있다.
상기 n-형 반도체층(130)과 상기 p-형 반도체층(150)은 무기물, 유기물, 유기금속화합물, 유무기 복합체 또는 이들의 조합을 포함하는 화합물 반도체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
비제한적 예로서, 상기 n-형 화합물 반도체층은, Ti, Zn, Sn, Nb, W, Ta, In, V, Ni, Zr, Cu, Ga, Mo, Fe, Si, As, C 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물 또는 칼코지나이드 화합물로서 상기 p-형 화합물 반도체층보다 전도대(conduction band)의 위치가 낮은 화합물 반도체를 포함하거나; 또는, 유기물, 유기 고분자, 유무기 복합체 또는 유기금속화합물로서 상기 p-형 화합물 반도체층보다 전도대의 위치가 낮은 화합물 반도체를 포함하는 것일 수 있다.
비제한적 예로서, 상기 p-형 화합물 반도체층은, Ti, Zn, Sn, Nb, W, Ta, In, V, Ni, Zr, Cu, Ga, Mo, Fe, Si, As, C 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물 또는 칼코지나이드 화합물로서 상기 n-형 화합물 반도체층보다 가전자대의 위치가 높은 화합물 반도체를 포함하거나; 또는, 유기물, 유기 고분자, 유무기 복합체 또는 유기금속화합물로서 상기 n-형 화합물 반도체층보다 가전자대의 위치가 높은 화합물 반도체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 추가 광흡수층(140)은 유기물과 무기물, 유기금속화합물, 유기-무기 복합체와 혹은 이들의 하나 이상의 복합체로서 이루어진다. 상기 추가 광흡수층(140)의 비제한적 예로서, 티오펜, 아닐린, 아세틸렌 등 전도성 공액 고분자들, 또는 이들의 복합체를 들 수 있다. 상기 추가 광흡수층(140)은 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어, 태양광의 전영역을 효과적으로 흡수하기 위하여 파장 흡수영역이 서로 상이한 두 개 이상의 광흡수제를 다층 구조로서 형성시킬 수 있다.
상기 전계방출층(120)은 빛의 흡수에 의하여 상기 n-형 화합물 반도체층/(선택적인 광흡수층(140)/p-형 화합물 반도체에서 형성된 전자를 음극인 제 1 전극(110)으로 효과적으로 전달시키기 위하여 전기장을 향상시킬 수 있는 물질을 포함하는 나노구조물을 포함하여 형성될 수 있다. 이러한 나노구조물은 직경 대 길이 비율 (aspect ratio)이 큰 나노튜브, 나노막대, 나노선 등을 사용할 수 있다. 상기 전계방출층(120)에 사용되는 물질로서 유기, 무기, 유기금속화합물, 유무기 복합물질의 나노튜브, 나노 막대 또는 나노선들이 사용될 수 있고 이들은 그 사용 목적에 따라 단독으로 또는 한 개 이상의 물질 조합으로 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 전계방출층(120)은 산화물 나노튜브, 산화물 나노막대, 칼코지나이드, 금속 나노튜브, 금속 나노막대, 탄소나노튜브, 탄소나노막대, 탄소나노섬유, 그래핀, 식각된 실리콘, 실리콘 나노튜브, 실리콘나노선, 유기금속화합물 나노튜브, 유기금속화합물 나노막대, 유기금속화합물 나노선, 유기물 나노튜브, 유기물 나노막대, 유기물 나노선, 유기-무기 혼성 나노튜브, 유기-무기 혼성 나노튜브 나노막대, 유기-무기 혼성 나노튜브 나노선, 및 이들의 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 나노구조물을 포함하는 것일 수 있다.
비제한적 예로서, 상기 전계방출층(120)은 탄소계열 물질, 금속, 산화물, 칼코지나이드계열, 식각된 실리콘, 실리콘 나노튜브, 실리콘 나노선 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브가 효과적으로 사용될 수 있으며, 탄소나노튜브는 단일벽, 다중벽, 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나를 포함하여 선택되는 것일 수 있다. 경우에 따라, 첨가제를 이용하여 상기 전계방출층(120) 형성이 용이하게 수행될 수 있도록 할 수 있다. 상기 첨가제로서는 카복실메틸셀룰로오즈(CMC), TiO2 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 탄소나노튜브뿐 아니라 산화물 나노막대와 나노튜브, 유기금속화합물 나노튜브 및 나노막대, 나노선, 유기물 나노튜브 및 나노막대, 나노선, 유기-무기 혼성 나노튜브 및 나노막대, 나노선 등도 같은 목적으로 사용될 수 있다. 이들 위에 금속이나 MgO 같은 산화물이나 칼코지나이드 등을 추가로 더함에 따라 전계방출 효과를 증가시킬 수도 있다.
이러한 전기장 향상 물질들은 함침법, 분무법, 액상 성장법, 기상 성장법 등 다양한 방법으로 전극 표면에 용이하게 상기한 바와 같은 나노구조물 형태로 증착하여 상기 전계방출층(120)을 형성할 수 있으며, 그 방법에 따라 조금씩 전기장 증가 정도가 달라지기는 하나 대체적으로 큰 차이는 보이지 않는다. 상기 전계방출층(120)을 형성하는 나노구조물은 규칙적 또는 불규칙적으로 랜덤 하에 배열되어 있을 수 있다. 상기 나노구조물이 불규칙적으로 랜덤 하에 배열되어 있더라도 본원에 있어서 상기 전계방출 효과를 나타내는 데 차이가 없다.
또는, 상기 태양전지가 염료감응 태양전지인 경우, 예를 들어, 상기 광활성층은 염료가 흡착된 반도체층을 포함하는 것일 수 있으며, 전자 주게를 포함하는 전해질층, 또는 전해질액을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이 경우, 상기 염료가 흡착된 반도체층은 상기 제 1 전극(110) 상에 형성된 전계방출층(120) 상에 배치될 수 있다. 상기 염료감응 태양전지에 있어서 상기 전계방출층(120)을 제외한 나머지 부분들의 구성 요소들, 재료들, 및 제조 방법은 당업계에 알려진 것들을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 염료가 흡착된 반도체층은 상기 염료가 흡착된 다공성 TiO2 층과 같은 다공성 전이금속 산화물층일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 염료로는 염료감응 태양전지 제조 시 사용되는 염료로서 당업계에 알려진 염료를 하나 이상 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 염료로는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 또는 이들의 조합을 포함하는 금속 복합체로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 여기서, 루테늄은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할수 있어, 루테늄을 포함하는 염료가 많이 사용된다. 일례로, Ru(etc bpy)2(NCS)2·CH3CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기서 etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2로서 상기 다공성 TiO2 층과 같은 다공성 전이금속 산화물층 표면과 결합 가능한 반응기이다. 또한, 유기 색소 등을 포함하는 염료가 사용될 수도 있는데, 이러한 유기 색소로는 쿠마린(coumarin), 포르피린(porphyrin), 크산틴(xanthene), 리보플라빈(riboflavin), 트리페닐메탄(triphenylmethane) 등이 있다. 이들은 단독 또는 Ru 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또는, 상기 태양전지가 유무기 복합 태양전지인 경우, 상기 광활성층은, 예를 들어, 전도성 고분자와 무기 반도체를 배합하거나 각각의 층을 적층한 것을 사용할 수 있다. 이러한, 전도성 고분자와 무기 반도체는 당업계에서 유무기 복합 태양전지 제조 시 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 광활성층은, 전도성고분자와 C60를 배합하여 형성되는 벌크 이종 접합(bulk heterojunction)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 태양전지가 양자점 태양전지인 경우, 상기 광활성층은 양자점을 포함하는 것일 수 있다. 상기 양자점은 당업계에서 양자점 감응 태양전지 제조 시 사용하는 양자점으로 알려진 것들을 제한 없이 사용할 수 있다. 비제한적 예로서, 상기 양자점은 직경이 1 nm 내지 10 nm이고, 그의 표면에 -OH, =O, -O-, -S-S-, -SH, -P=O, -P 및 -PH로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 작용기를 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점은 주기율표의 2족, 12족, 13족 및 14족에서 선택된 제 1원소, 및 16족의 원소에서 선택된 제 2원소를 포함하는 화합물; 주기율표의 13족에서 선택된 제 1원소, 및 15족에서 선택된 제 2원소를 포함하는 화합물; 및, 주기율표의 14족에서 선택된 원소를 포함하는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점은 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기한 바와 같이, 상기 광활성층을 형성하는 빛을 흡수하는 물질에 상관없이 상기 전계방출층(120)에 의한 전계방출 효과에 의한 전기장의 증대는 당업계에 알려진 모든 태양전지에 있어서 똑같은 효과를 제공할 수 있으며 이에 따라 상기 전계방출층(120)을 포함하지 않는 경우보다 광전류를 증가시킬 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예를 구체적으로 예시하지만, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 1]
전기장 효과에 의한 화합물 반도체 태양전지
화합물 반도체 태양전지의 전기장 효과를 만들기 위해서, ITO 투명 전극이 형성된 전도성 투명 기판 상에 스프레이 코팅 방법을 사용하여 전도성 탄소나노튜브(Carbon nanotubes, CNTs)층을 형성하여 전계방출층을 형성하였다 (도 2a). 상기 탄소나노튜브층은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNTs)를 이용하여 형성되었다. 상기 탄소나노튜브층 위에 화학적 증착 방법(chemical bath deposition, CBD)을 이용하여 In2O3 (도 2b)와 In2S3 (도 2c) 반도체층을 각각 형성하였다. 이어, 상대 전극으로서 ITO 투명 전극이 형성된 전도성 투명 기판을 배치하고, 당업계에서 통상 사용되는 방법을 이용하여 화합물 반도체 태양전지를 완성하였다. 전도성 투명 기판에 탄소나노튜브층, In2O3층, In2S3층을 차례로 적층했을 경우 전기장 효과가 증대하는 것을 증명하기 위해 전계 방출 효과를 측정하였다 (도 3). 탄소나노튜브 층을 포함하는 전계방출층이 적층되어 있는 태양전지의 경우, 도 3과 같이 베타 값은 크기 증대 되었고 이 때문에 태양전지의 효율을 나타내는 광전변환 효과도 하기 표 1에서 보는 바와 같이 0.17%에서 0.26%로 약 50% 이상 향상되었다. 상기 태양전지 효율은 화합물 반도체 두께를 증가시킴으로 더욱 증가시킬 수 있다.
Figure 112011005489833-pat00001
[ 실시예 2]
전기장 효과에 의한 염료감응 태양전지
염료감응형 태양전지의 전기장 효과를 만들기 위해서 전계방출층으로서 전도성 탄소나노튜브층을 ITO 투명 전극이 형성되어 있는 전도성 기판 위에 스프레이 코팅 방법을 사용하여 형성하였다 (도 4a). 상기 형성된 탄소나노튜브층에 TiO2 박막을 스크린 프린팅(screen printing) 방법을 사용하여 형성하고 광감응 염료를 상기 TiO2 박막에 흡착시켰다 (도 4b). 상기 광감응 염료로서 유기금속화합물 (루테늄(RuL2(NCS)2): N3)를 사용하였다. 이어, ITO 투명 전극이 형성되어 있는 전도성 기판을 배치하고 전해질층을 형성하여 염료감응 태양전지를 완성하였다. 상기 기판 및 전해질은 당업계에 염료감응 태양전지 제조에 사용되는 것을 사용할 수 있다. 상기한 바와 같이 제조된 염료감응 태양전지는, 전기장 효과를 만들기 위한 전계방출층으로서 탄소나노튜브층이 없는 경우 6.94%의 효율을 보였으며, 전계방출층으로서 탄소나노튜브 층을 갖는 경우 7.17%의 효율을 보였다 (하기 표 2).
Figure 112011005489833-pat00002
[ 실시예 3]
전기장 효과에 의한 양자점 감응 태양전지
양자점 감응 태양전지 태양전지의 전기장 효과를 만들기 위해서, 역시 전도성 탄소나노튜브층을 ITO 투명 전극이 형성된 전도성 기판 위에 스프레이 코팅 방법을 사용하여 형성하여 전계방출층을 형성하였다 (도 5a). 상기 탄소나노튜브층 상에 스크린 프린팅 방법으로 TiO2 층을 형성하였고 (도 5b), 이어서, 화학적 증착방법을 이용하여 양자점을 형성하였다 (도 5c). 상기 양자점으로서 황화카드뮴(CdS) 양자점을 사용하였다. 상대전극으로서 ITO 투명 전극이 형성된 전도성 기판을 배치하였다. 상기 투명 전극 위에 양자점을 포함하는 전계방출층을 형성하여 양자점 태양전지를 만들었을 경우, 상기 도 3에서 설명한 전계방출 효과에 의하여 양자점 태양전지의 효율은 약 1.86%로 탄소나노튜브 층이 없을 때보다 50% 효율 향상되었다 (도 6).
[ 실시예 4]
전기장 효과에 의한 광전기화학 태양전지
ITO 투명 전극이 형성된 전도성 기판 상에 전계방출층으로서 상기 실시예들에서 기재된 바와 같이 탄소나노튜브층을 형성하고, 상기 탄소나노튜브층 상에 광활성층으로서 셀레늄화 카드뮴(CdSe)층을 형성하고 상대전극으으로서 ITO 투명 전극이 형성된 전도성 기판을 배치하여, 광전기화학 태양전지를 제조하였다. 상기 셀레늄화 카드뮴(CdSe) 층은 전기증착법 (Electrodeposition) 을 이용하여 형성되었다 (도 7a 및 도 7b 참조). 상기 탄소나노튜브, 셀레늄화 카드뮴을 차례로 적층했을 경우, 향상된 전기장 효과에 의해서 하기 표 3에서 보는 바와 같이 상기 태양전지의 효율이 2.28% (상기 탄소나노튜브층을 포함하지 않는 경우)에서 3.34%로 46%의 광전환 효율 증대 효과를 나타내었다 (하기 표 3).
Figure 112011005489833-pat00003
[ 실시예 5]
전기장 효과에 의한 분자레벨 태양전지
본 실시예는 분자레벨 태양전지이다. 상기 예에서는 분자레벨의 태양전지를 구현하기 위하여, 자기조립 박막(self-assembled monolayer) 방법을 사용하였으며, 빛을 흡수하는 감광성 물질로는 염료감응형 태양전지에서 사용되는 루테늄(RuL2(NCS)2) 유기금속화합물을 사용하였다. 도 8은 분자레벨의 태양전지를 구현을 나타내는 도면이다. 탄소나노튜브 위에 자기조립박막 방법에 의해 형성된 전자 받게와 감광성 물질은 향상된 전기장 효과에 의해서 약 2 배의 광전류가 증대되었다.
[ 실시예 6]
전기장 증가에 의한 CuInGaSe 화합물 태양전지에서의 전계방출 및 효율 증가
CuInGaSe (CIGS) 태양전지의 전기장 효과를 만들기 위해서, 전계방출층으로서 전도성 탄소나노튜브층을 전도성 기판 위에 스프레이 코팅 방법을 사용하여 형성하였으며 (도 9a), 상기 기판의 위에는 화학적 액상성장법에 의해 CdS층을 100 nm 형성하고(도 9b), 이 위에 전기화학적 방법으로 CIGS 박막을 형성하였다 (도 9c). 상대 전극으로 실리콘을 에칭하였고 (도 9d) 그에 따른 전압과 전류를 측정하였다 (하기 표 4). 탄소나노튜브가 n-형 반도체 밑에 존재할 경우 개폐전압이 낮아지고 특히 베타값이 4252에서 6166으로 45% 증가하는 값을 보인다. 이 막을 이용하여 금 전극을 상대전극으로 하여 태양전지 소자를 구성하여 효율을 측정한 값은 하기 표와 같다. 탄소나노튜브층이 없을 경우 8.53%의 효율을 나타내었는데 전계방출층으로서 탄소나노튜브층 존재 시에는 10.60%로 효율의 증대를 기록하였다.
Figure 112011005489833-pat00004
[ 실시예 7]
전기장 증가에 의한 유무기 복합 태양전지
복합태양전지의 전기장 효과를 만들기 위해서, 역시 전계방출층으로서 전도성 탄소나노튜브층을 ITO 투명전극이 형성된 전도성 기판 위에 스프레이 코팅 방법을 사용하여 형성하였으며 (도 10a), 상기 기판의 위에는 화학적 액상성장법에 의해 CdS층을 100 nm 형성하고(도 10b), 이 위에 아세틸렌계 전도성 고분자를 박막으로 도포하였다. 그 위에 p-형 반도체인 티오펜 계열의 고분자 막을 형성 시키고 금속 전극을 형성하여 태양전지 소자를 구성하였다. 효율을 측정한 값은 하기 표 5와 같다. 탄소나노튜브층이 없을 경우 1.24%의 효율을 나타내었는데, 전계방출층으로서 탄소나노튜브 존재 시에는 1.86%로 50%의 효율 증대를 보여준다. 이때 효율은 CdS 층의 두께에 비례하였다.
Figure 112011005489833-pat00005
이상, 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.
110 : 제 1 전극
120 : 전계방출층
130 : n-형 반도체층
140 : 광흡수층
150 : p-형 반도체층
160 : 제 2 전극

Claims (12)

  1. 상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
    상기 두 전극 사이에 형성되며, 전자 주게 및 전자 받게를 포함하는 광활성층; 및
    상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 코팅되어 형성되며, 불규칙적으로 배열되는 나노구조물(nanostructure)을 포함하여 전자 전달 효과를 증가시키는 전계방출층
    을 포함하며,
    상기 나노구조물은 나노로드, 나노선 또는 나노튜브를 포함하며,
    상기 전계방출층은 스프레이 코팅법, 함침법, 분무법, 액상 성장법, 또는 기상 성장법에 의하여 코팅되는 것인, 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전계방출층은 금속, 유기물, 무기물, 유기금속화합물, 유무기 복합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 나노구조물을 포함하는 것인, 태양전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전계방출층은 산화물 나노튜브, 산화물 나노막대, 칼코지나이드, 금속 나노튜브, 금속 나노막대, 탄소나노튜브, 탄소나노막대, 탄소나노섬유, 그래핀, 식각된 실리콘, 실리콘 나노튜브, 실리콘 나노선, 유기금속화합물 나노튜브, 유기금속화합물 나노막대, 유기금속화합물 나노선, 유기물 나노튜브, 유기물 나노막대, 유기물 나노선, 유기-무기 혼성 나노튜브, 유기-무기 혼성 나노튜브 나노막대, 유기-무기 혼성 나노튜브 나노선, 및 이들의 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 나노구조물을 포함하는 것인, 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극인, 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전계방출층은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 음극으로서 작용하는 전극과 상기 광활성층 사이에 형성되는 것인, 태양전지.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지는 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 실리콘 태양전지, 양자점 태양전지, 분자레벨 태양전지, 유기태양전지, 또는 유무기 복합 태양전지인, 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전계방출층은 접합제를 추가 포함하는 것인, 태양전지.
  10. 상호 대향되게 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
    상기 두 전극 사이에 형성되며 한 개 이상의 화합물 반도체 층을 포함하고 전자 주게 및 전자 받게를 포함하는 광활성층; 및
    상기 제 1 전극과 상기 광활성층 사이 및 상기 제 2 전극과 상기 광활성층 사이 중 적어도 하나에 코팅되어 형성되며, 불규칙적으로 배열되는 나노구조물(nanostructure)을 포함하여 전자 전달 효과를 증가시키는 전계방출층
    을 포함하며,
    상기 나노구조물은 나노로드, 나노선 또는 나노튜브를 포함하며,
    상기 전계방출층은 스프레이 코팅법, 함침법, 분무법, 액상 성장법, 또는 기상 성장법에 의하여 코팅되는 것인, 화합물 반도체 태양전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광활성층은 서로 상이한 도전성을 갖는 두 개 이상의 화합물 반도체 층을 포함하는 것인, 화합물 반도체 태양전지.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 광활성층은 하나 이상의 n-형 화합물 반도체층, 하나 이상의 p-형 화합물 반도체층, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 화합물 반도체 태양전지.
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Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201200714D0 (en) * 2012-01-16 2012-02-29 Bell Stephen W Apparatus for generating electricity from solar energy
KR101463154B1 (ko) * 2012-02-21 2014-11-20 한국과학기술원 금 나노 막대를 포함하는 유기 태양 전지 소자
CN102723212B (zh) * 2012-05-30 2015-05-06 天津大学 氧化铟锡纳米纤维/硫化镉量子点太阳能电池及其制备方法
US20140030843A1 (en) 2012-07-26 2014-01-30 International Business Machines Corporation Ohmic contact of thin film solar cell
KR20140064408A (ko) 2012-11-20 2014-05-28 삼성전자주식회사 유기 태양 전지 및 그 제조 방법
KR20150098647A (ko) * 2012-12-19 2015-08-28 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니 나노구조화된 휘스커 물품
KR101480490B1 (ko) * 2012-12-24 2015-01-13 주식회사 포스코 나노 구조를 갖는 유/무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법
KR101462866B1 (ko) * 2013-01-23 2014-12-05 성균관대학교산학협력단 태양전지 및 이의 제조방법
KR20140146998A (ko) 2013-06-17 2014-12-29 전영권 태양전지 및 그 제조방법
KR101662885B1 (ko) 2014-03-17 2016-10-07 전영권 태양전지 및 그 제조방법
KR101500669B1 (ko) * 2013-11-18 2015-03-09 한국기계연구원 양자점 태양전지의 제조방법
KR101465397B1 (ko) * 2014-05-20 2014-11-26 성균관대학교산학협력단 태양전지
KR101462867B1 (ko) * 2014-05-20 2014-12-05 성균관대학교산학협력단 태양전지의 제조방법
KR101462868B1 (ko) * 2014-05-20 2014-11-19 성균관대학교산학협력단 태양전지의 제조방법
KR101710936B1 (ko) 2014-09-12 2017-02-28 전영권 태양전지 및 그 제조방법
KR101673224B1 (ko) 2014-11-17 2016-11-16 전영권 태양전지 및 그 제조방법
KR20160065612A (ko) 2014-12-01 2016-06-09 전영권 태양전지 및 그 제조방법
KR20160099879A (ko) 2015-02-13 2016-08-23 전영권 태양전지용 유연성 기판의 제조방법과 태양전지
KR102066322B1 (ko) * 2015-12-07 2020-01-14 주식회사 엘지화학 유기태양전지 및 이의 제조방법
US10930809B2 (en) * 2016-06-04 2021-02-23 International Business Machines Corporation Photovoltaic devices with increased efficiency and methods for making the same
KR20160126947A (ko) 2016-10-21 2016-11-02 전영권 태양전지용 유연성 기판의 제조방법과 태양전지
KR20160130196A (ko) 2016-10-31 2016-11-10 전영권 태양전지 및 그 제조방법
KR20160130358A (ko) 2016-10-31 2016-11-11 전영권 기판 및 그 제조방법
US10510915B2 (en) 2017-01-26 2019-12-17 United Arab Emirates University Porous silicon nanowire photovoltaic cell
KR102162418B1 (ko) * 2019-06-24 2020-10-06 울산과학기술원 칼코게나이드 화합물 복합체 기반 태양광 흡수체 및 이의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004152787A (ja) 2002-10-28 2004-05-27 Sharp Corp 半導体素子及びその製造方法
KR20050087247A (ko) * 2004-02-26 2005-08-31 삼성에스디아이 주식회사 유기 태양전지 및 그 제조방법
WO2007098378A1 (en) * 2006-02-16 2007-08-30 Solexant Corp. Nanoparticle sensitized nanostructured solar cells
KR20080044183A (ko) * 2006-11-15 2008-05-20 제너럴 일렉트릭 캄파니 비정질-결정성 탠덤형 나노구조 태양전지

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8357849B2 (en) * 2004-09-22 2013-01-22 The Trustees Of Princeton University Organic photosensitive devices
US20080066802A1 (en) * 2006-03-23 2008-03-20 Solexant Corp. Photovoltaic device containing nanoparticle sensitized carbon nanotubes
WO2009107943A2 (ko) * 2008-02-28 2009-09-03 서울대학교산학협력단 마이크로렌즈를 이용한 태양전지 장치 및 그 제조 방법
KR100981685B1 (ko) * 2007-10-19 2010-09-10 재단법인서울대학교산학협력재단 마이크로렌즈를 이용한 태양전지 장치 및 그 제조 방법
WO2009058838A1 (en) * 2007-11-02 2009-05-07 Konarka Technologies, Inc. Organic photovoltaic cells
KR20090123739A (ko) * 2008-05-28 2009-12-02 광주과학기술원 유무기 태양전지 및 이의 제조 방법
US8519077B2 (en) * 2008-08-12 2013-08-27 The University Of Akron N-type conjugated compounds containing diborylene units, methods of making, and a device comprising the compound
US20110220191A1 (en) * 2008-09-09 2011-09-15 Vanguard Solar, Inc. Solar cells and photodetectors with semiconducting nanostructures

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004152787A (ja) 2002-10-28 2004-05-27 Sharp Corp 半導体素子及びその製造方法
KR20050087247A (ko) * 2004-02-26 2005-08-31 삼성에스디아이 주식회사 유기 태양전지 및 그 제조방법
WO2007098378A1 (en) * 2006-02-16 2007-08-30 Solexant Corp. Nanoparticle sensitized nanostructured solar cells
KR20080044183A (ko) * 2006-11-15 2008-05-20 제너럴 일렉트릭 캄파니 비정질-결정성 탠덤형 나노구조 태양전지

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