KR101237282B1 - 핫 전자 기반의 금속-반도체 나노다이오드 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 핫 전자 기반의 고효율 금속-반도체 나노다이오드 태양전지는 빛을 전기로 전환하는 활성 층과 생성된 전자를 수집하는 반도체 층 및 절연체 층, 제 1전극, 제 2전극으로 구성되어 있다. 제 1전극은 활성 층과 접해 있고, 제 2전극은 반도체 층과 접해 있다. 활성 층은 Au,Pt,Ag 등의 금속을 사용하며, 이 활성 층과 반도체 층의 접합은 광 에너지를 전기에너지로 전환시키는 쇼트키장벽을 만든다.
Description
본 발명은 핫 전자를 이용한 태양전지에 관한 것으로, 기존의 태양전지와는 다른 원리로 태양에너지를 전기에너지로 전환하는 새로운 유형의 태양전지에 관한 것이다.
에너지와 환경 문제가 이슈화되면서 대체에너지원에 대한 요구가 끊임없이 제기 되어 왔고, 이러한 요구 속에 태양전지는 하나의 대체에너지로서 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다. 현재 상용화되고 있는 태양전지는 일반적으로 실리콘 기반의 PN접합을 원리로 하고 있다. 이러한 태양전지에 빛을 비추면 전자와 정공이 발생하고, 이러한 전하는 PN접합사이에 생성된 전위차에 의해 각각의 전극으로 분리되어 전류가 흐르게 된다.
상용화 되고 있는 태양전지의 효율은 약 11%이다. 이러한 효율은 고 순도의 실리콘과 공정기술의 개발을 통해 향상될 수 있지만, 제조비용 역시 증가하게 된다. 또한 현재 실리콘의 수요가 급증하면서 에너지당 제조비용이 증가하고 있다. 따라서, 최근에 광에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 차세대 태양전지에 대한 다양한 연구와 개발이 이루어지고 있다.
즉 무한한 에너지원인 태양광으로부터 전기를 생산하는 태양전지 기술은 다양한 신재생 에너지 기술 중에서도 가장 각광을 받는 분야이며, 특히 태양광 발전 원가를 획기적으로 낮출 수 있는 기술개발이 핵심이 되고 있다.
현재 상용화된 태양전지는 결정/비결정 실리콘 또는 다양한 합금을 기반으로 하는 태양전지가 주류를 이루고 있다. 그러나 생산단가 및 설비의 고비용, 합금에 사용되는 금속의 희귀성, 그리고 제조과정의 독성 화합물 배출 및 고에너지를 소모하는 등의 문제점이 있다. 반면에 유기물을 기반으로 하는 태양전지는 상기에서 언급한 문제점을 최소화할 뿐만 아니라 저비용으로 대면적화가 가능하고, 유연하다는 장점 때문에 각국의 연구개발이 집중 되고 있다.
특히 그라첼 등에 의해 제안된 염료감응 태양전지는 염료 분자가 흡착된 다공성의 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체전극과 백금이나 탄소가 코팅된 상대 전극, 그리고 상기 반도체 전극과 상대 전극과의 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다(미국 특허공보 제4,927,721호 및 동 제5,350,644호). 이 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 유기화합물을 사용할 뿐만 아니라 제조 공정이 공기 중에서도 가능하기 때문에 제조 원가가 저렴하다. 또한 빛의 투과가 우수한 다공성의 나노입자 이산화티탄을 전극으로 사용하기 때문에 투명한 태양전지를 제조할 수 있어서 건물의 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하며, 염료의 태양광 흡수영역을 자유로이 조절할 수 있으므로, 특히 실내의 백색광을 이용한 소자의 제작이 가능하다는 이점이 있다. 그러나 아직까지 광전변환 효율이 낮고 고가의 염료 가격 때문에 실제 적용에는 제한이 있는 상황이다.
염료감응 태양전지의 광전변환 효율을 증가시키기 위해서는 우선적으로 태양광의 흡수량을 증가시켜 전자의 생성량을 늘려야한다. 태양광의 흡수량은 흡착된 염료의 양에 비례하므로 태양광의 흡수량을 증가시키기 위해서는 염료의 흡착량을 증가시켜야 하고, 단위면적당 염료의 흡착량을 늘이기 위해서는 산화물 반도체의 입자를 나노미터 수준의 크기로 제조하여 산화물 반도체의 표면적을 넓혀야 한다. 그러나 산화물 반도체 미립자를 포함하는 다공질 막에 흡착된 염료분자는 염료분자 사이의 뭉침 때문에 여기상태의 염료가 상호작용에 의하여 광전자의 생산능력을 감소시켜서 결과적으로 광흡수량은 증가하나 태양전지의 효율을 감소시키는 것으로 알려져 있다(Jonathan R. Mann, Michael K. Gannon, Thomas C. Fitzgibbons, Michael R. Detty, and David F. Watson, J. Phys. Chem. C, 2008, 112 (34), 13057. Zhong-Sheng Wang, Yan Cui, Yasufumi Dan-oh, Chiaki Kasada, Akira Shinpo, and Kohjiro Hara, J. Phys. Chem. C, 2007, 111 (19), 7224). 또한 태양광의 흡수량을 높이기 위해 백금전극의 반사율을 높이거나, 수 마이크로 크기의 반도체 산화물 광산란 입자를 섞어서 제조하는 방법 등이 제시되고 있으나 이러한 방법으로 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키기에는 한계가 있다.
본 발명은 핫 전자를 이용한 금속-반도체 나노다이오드로 저비용과 고효율의 태양전지를 제공함을 목적으로 한다.
종래의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 핫 전자 기반의 금속-반도체 나노다이오드 태양전지를 제공한다.
상기 핫 전자는 상기 금속의 박막 표면에 발생한 후, 쇼트키(Schottky) 에너지 장벽을 넘어 검출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는 상기 금속은 Pt, Au 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는 상기 반도체는 티타늄디옥사이드(TiO2), 세리움옥사이드(CeO2), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘카바이트(SiC), 카드뮴셀레나이드(CdSe), 갈륨포스페이트(GaP) 및 갈륨나이트나이드(GaN)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
보다 구체적으로는 본 발명의 핫 전자 기반의 고효율 금속-반도체 나노다이오드 태양전지는 빛을 전기로 전환하는 활성 층과 생성된 전자를 수집하는 반도체 층 및 절연체 층, 제 1전극, 제 2전극으로 구성되어 있다. 활성 층과 반도체 층 접합부에는 광 에너지가 전기에너지로 전환되는 쇼트키장벽이 형성된다.
빛이 나노다이오드의 활성 층에 입사되면 빛의 흡수로 인한 광에너지의 전달에 의해서 1~3eV의 에너지를 가지는 핫 전자가 생성된다. 이 핫 전자는 쇼트키장벽을 뛰어 넘어 반도체 층으로 이동해 갈 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있다. 이러한 원리로 광 에너지는 전기 에너지로 전환될 수 있다.
반도체층 위에 절연체층이 증착된다. 이 절연체 층은 활성 층과 접한 제 1전극의 원활한 역할을 위해 사용되어지는 층으로 제 1전극과 반도체 층의 직접적인 접촉을 방지하는 역할을 한다. 순차적으로 활성 층과 제 1전극과 제 2전극이 증착된다. 활성 층에서 생성된 핫전자가 반도체 층으로 넘어가기 위해서 활성 층의 두께는 수 나노미터(nanometer)에서 수십 나노미터로 전자의 평균 자유 행로(mean free path)에 상응하는 정도가 된다.
활성 층의 다른 예로 금속 활성층의 구조를 나노구조체로 변형시킨 다음, 이 활성층 위에 제2반도체 층을 증착한다. 이러한 금속 나노구조물은 표면 플라즈몬을 이용한 광의 흡수를 증가시키는 역할을 한다.
활성 층의 또 다른 예로 활성층 위에 TiO2 particles이나 염료를 증착한다. 염료의 역할은 광의 흡수를 증가시키는 역할을 한다. TiO2 particles의 역할은 다른 에너지 영역의 광을 흡수하는 역할을 하며 이러한 과정을 통해서 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 핫전자의 생성을 이용한 태양전지 소자 제작을 발명의 핵심내용으로 하고 있다. 이러한 새로운 원리를 이용하는 나노다이오드 태양전지는 활성층의 간단한 공정을 통해 입사되는 빛의 손실을 최소화하여 효과적으로 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 넓은 영역의 빛을 흡수하여 고효율을 얻을 수 있다.
가시광선의 흡수 도중 광에너지의 전달에 의해서 1~3 eV의 에너지를 가지는 핫전자가 생성된다. 금속-산화물 박막으로 이루어진 나노다이오드를 이용하여 이러한 핫전자의 검출이 가능하다. 본 특허는 이러한 핫전자을 이용하여 태양에너지의 전기에너지로의 저장을 주요 내용으로 한다. 이러한 핫전자의 이해와 측정은 에너지 손실과정의 원자적 규모에서의 이해를 바탕으로한 태양전지의 개발이라는 점에서 중요성을 지닌다. 표면 플라즈몬 혹은 염료 등을 이용한 에너지 전환율을 높이는 나노 복합체 하이브리드 태양전지의 개발도 포함한다.
본 발명에서는 기존의 실리콘 PN 접합소자와는 다른 개념의 솔라셀 소자의 개발을 이루었으며, 본 발명의 나노다이오드에서 빛의 흡수에 의해 핫전자가 검출이 되고, 이러한 핫전자가 새로운 에너지원으로 사용될 수 있으므로 태양전지의 효율향상에 유리한 효과가 있다고 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 나노다이오드의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1b은 본 발명의 나노다이오드의 구조를 보다 구체적으로 나타낸 것이다. Pt 금속 박막과 결합되는 반도체 타이타늄 산화물(Ti-oxide) 또는 갈륨 나이트라이드(Ga-nitride)이다.
도 2는 빛의 에너지를 바꾸어 주면서 Pt/TiO2에서 측정한 광전류의 효율을 나타낸 그래프이다. 반도체(TiO2)의 밴드갭 보다 낮은 영역에서 검출된 전류는 파울러법칙을 따른다. 밴드갭보다 높은 에너지에서는 빛이 반도체에 흡수되면서 생성된 전자와 홀들로 더 큰 전류값을 보여주게 된다.
도 3은 Pt/Si 나노다이오드의 사진 및 Quantum efficiency 측정값을 나타낸 것이다.
도 1b은 본 발명의 나노다이오드의 구조를 보다 구체적으로 나타낸 것이다. Pt 금속 박막과 결합되는 반도체 타이타늄 산화물(Ti-oxide) 또는 갈륨 나이트라이드(Ga-nitride)이다.
도 2는 빛의 에너지를 바꾸어 주면서 Pt/TiO2에서 측정한 광전류의 효율을 나타낸 그래프이다. 반도체(TiO2)의 밴드갭 보다 낮은 영역에서 검출된 전류는 파울러법칙을 따른다. 밴드갭보다 높은 에너지에서는 빛이 반도체에 흡수되면서 생성된 전자와 홀들로 더 큰 전류값을 보여주게 된다.
도 3은 Pt/Si 나노다이오드의 사진 및 Quantum efficiency 측정값을 나타낸 것이다.
본 발명은 핫 전자 기반의 금속-반도체 나노다이오드 태양전지에 관한 것이다.
상기 핫 전자는 상기 금속의 박막 표면에 발생한 후, 쇼트키(Schottky) 에너지 장벽을 넘어 검출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는 상기 금속은 Pt, Au 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는 상기 반도체는 티타늄디옥사이드(TiO2), 세리움옥사이드(CeO2), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘카바이트(SiC), 카드뮴셀레나이드(CdSe), 갈륨포스페이트(GaP) 및 갈륨나이트나이드(GaN)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 핫전자의 생성을 이용한 태양전지 소자 제작을 주요 내용으로 하고 있다. 가시광선의 흡수 도중 광에너지의 전달에 의해서 1~3 eV의 에너지를 가지는 핫전자가 생성된다. 금속-산화물 박막으로 이루어진 나노다이오드를 이용하여 이러한 핫전자의 검출이 가능하다. 본 특허는 이러한 핫전자을 이용하여 태양에너지의 전기에너지로의 저장을 주요 내용으로 한다. 이러한 핫전자의 이해와 측정은 에너지 손실과정의 원자적 규모에서의 이해를 바탕으로 한 태양전지의 개발이라는 점에서 중요성을 지닌다. 표면 플라즈몬 혹은 염료 등을 이용한 에너지 전환율을 높이는 나노 복합체 하이브리드 태양전지의 개발도 포함한다.
다이오드(diode)란 전자현상을 이용하는 2단자 소자를 말한다. 반도체 다이오드는 주로 점접촉 다이오드를 의미하는데, 제2차 세계대전 이후에 급격히 발전되어 각 방면에서 많이 응용되고 있다. 그 외의 다이오드에는 접합 다이오드, 본드형 다이오드 등이 있다.
본 발명의 나노다이오드(nano diode)는 얇은 Pt 금속 박막과 반도체 (타이타늄 산화물 또는 갈륨 나이트라이드)로 이루어지며, 핫전자가 금속박막의 표면에 발생한 후 Schottky 에너지 장벽을 넘고 검출되어진다는 개념이다(도 1a 및 도 1b 참조).
본 발명에서는 기존의 실리콘 p-n 접합소자와는 다른 개념의 솔라셀 소자의 개발을 목표로 하였으며, 본 발명의 나노다이오드에서 빛의 흡수에 의해 핫전자가 검출이 되고, 이러한 핫전자가 새로운 에너지원으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
광 에너지를 전기에너지로 전환시켜주는 활성 층, 생성된 전자를 수집하는 반도체 층, 전극과 반도체 층을 절연시켜주는 절연체 층과 제 1전극, 제 2전극을 볼 수 있다. 또한 넓은 파장의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 제 2반도체 층과 염료 층이 포함될 수 있다(도 1a 및 도 1b 참조).
절연체 층은 반도체 층에 200nm의 두께로 증착된다. 전극과 반도체 층 사이의 확실한 절연을 위해 충분한 두께의 절연물질이 증착된다. 예를 들어 SiO2물질이 사용될 수 있다.
활성 층은 절연체 층과 반도체층 위에 동시에 형성된다. 활성 층의 두께는 전자의 mean free path를 고려하여 박막으로 증착된다. 활성 층을 통해 입사된 광은 금속인 활성 층과 반도체 층 사이에 형성된 광 에너지를 빛에너지로 전환시켜주는 쇼트키 장벽을 통해 전기에너지로 전환된다. 활성 층은 Au, Al, Pt, Ag 등의 금속이 사용될 수 있고 반도체 층은 TiO2, CeO2, ZnO 등의 산화물 반도체, Si, Ge, SiC 등의 4족 반도체 또한 CdSe, GaP, GaN 등의 화합물 반도체물질이 사용될 수 있다.
제 1전극은 절연체 층 위에 증착된다. 절연체층 위에 활성 층이 증착되어 있고 제 1전극은 이 활성 층과 연결되어야 한다. 제 1전극은 전기전도도가 우수한 Au를 사용할 수 있다.
제 2전극은 반도체 층과 직접적으로 연결된다. 활성 층과는 거리를 두어 증착을 한다. 제 2전극은 반도체 층에 수집된 전자들을 효과적으로 load로 보내기 위해 반도체 층과의 낮은 저항을 유지한다. 제 2전극과 반도체층사이의 낮은 저항을 위해 반도체 층과 제 2전극에 쓰이는 금속의 일함수를 고려하여 제 2전극에 사용될 수 있는 금속이 선택된다. TiO2의 경우에는 Ti가 사용될 수 있고 Si의 경우에는 Au가 사용될 수 있다.
제 2반도체 층과 염료 층은 우수한 광 에너지 전환 효율을 얻기 위해 활성 층 위에 형성된다. 활성 층이 continuous island가 되면 빛이 입사했을 때 플라스몬 효과를 얻을 수 있다. 플라스몬 효과는 island 모양의 비활성 금속표면에 빛이 입사 되었을 때 나타나는 현상으로 가시광선영역의 빛을 더욱 효과적으로 흡수할 수 있는 특징이 있다. 또한 p-wave light은 s-wave light 보다 최대 3배정도 더 많이 흡수 되는 현상을 보인다. 이러한 효과를 극대화하기 위해 continuous island의 활성 층에 제 2반도체 층을 형성한다.
이 제 2반도체 층은 다른 범위의 빛을 효과적으로 흡수할 수도 있다. 이의 예로 TiO2의 밴드 갭은 3.2 eV이고 TiO2가 제 2반도체 층으로 사용 되었을 경우, 이는 UV를 효과적으로 흡수할 수 있는 제 2반도체 층으로 역할을 한다.
활성층 위에 염료 층의 형성은 광에 더욱 민감하게 만들고 이에 따라 보다 효과적으로 광을 흡수 할 수 있도록 한다. 염료가 활성 층에 증착되었을 때 염료에 의해서 보다 많은 빛을 흡수하여 활성 층은 핫 전자의 생성을 더욱 용이하게 만들게 되고, 높은 효율을 얻을 수 있게 된다. 염료의 예로는 Merbromin이나 Rhodamine G 또는 6G가 사용될 수 있다.
도 2는 나노다이오드 (Pt/TiO2)에서 빛의 에너지 파장을 바꾸면서 측정한 광전류의 크기를 보여주는바, 이를 뒷받침하고 있다.
보다 구체적으로는 빛의 에너지를 바꾸어 주면서 Pt/TiO2에서 측정한 광전류의 효율을 나타낸 도 2의 그래프에서 보는 바와 같이, 반도체(TiO2)의 밴드갭 보다 낮은 영역에서 검출된 전류는 파울러법칙(광전류와 빛의 에너지사이의 관계)을 따른다. 밴드갭보다 높은 에너지에서는 빛이 반도체에 흡수되면서 생성된 전자와 홀들로 더 큰 전류값을 보여주게 된다.
TiO2의 에너지 밴드갭이 약 3.0-3.2 eV이므로 그림에서 보여준 3.0 eV보다 낮은 저에너지에서 얻은 광전류는 반도체의 빛의 흡수에서 얻어진 전류가 아니라 금속이 빛을 흡수하여 생성시킨 핫전자의 흐름에 의해서 생긴 신호라고 말할 수 있다.
도 3은 본 발명자가 제작한 Pt/Si 혹은 Au/Si 나노다이오드는 고효율 태양전지의 가능성을 보여준다(도 3 참조).
나아가 본발명자는 표면 플라즈몬 혹은 염료 등을 이용하여 에너지 전환율을 높이는 나노 복합체 하이브리드 태양전지의 개발에 관한 연구는 진행할 예정이다.
현재 상용화 되고 있는 태양전지의 대부분은 실리콘 태양전지이며, 많은 나라에서 이미 대량 생산을 하고 있는 실정이다. 이러한 추세 속에서 실리콘의 가격은 급증하고 있으며, 에너지 당 제조비용 역시 증가하고 있다. 이러한 점을 해결하기 위해 다양한 태양전지가 연구되고 있고 그 중에 하나는 염료 감응 형 태양전지이다. 하지만 아직 상용화될 정도의 효율을 보이고 있지 못하며, 환경 영향적인 내구성 역시 해결되어야 할 시급한 문제이다.
핫 전자 기반의 금속 반도체 나노다이오드 태양전지는 공정상의 비용이 실리콘기반의 태양전지에 비해 낮은 편이다. 또한 실리콘기반의 태양전지의 경우, 효율을 높이기 위해서는 고 순도의 실리콘과 새로운 공정개발이 필요하다. 하지만 이는 태양전지의 제조비용을 급증시키는 원인이 된다.
이에 첫째, 핫 전자 기반의 금속 반도체 태양전지는 활성 층에 대한 간단한 공정을 통해 빛에 대한 우수한 흡수를 바탕으로 고효율을 얻을 수 있다는 점; 둘째, 환경적 내구성 역시 매우 우수하다는 점; 셋째, 환경적으로 안정한 금속을 활성 층으로 사용하기 때문에 시간에 따른 효율감소가 매우 적다는 점에 비추어 산업상이용가능성이 매우 우수하다고 할 것이다.
Claims (4)
- 핫 전자 기반의 나노다이오드를 포함하는 태양전지에 있어서,
(i)상기 나노다이오드는 티타늄디옥사이드(TiO2) 반도체 층 위에 백금(Pt) 활성층이 형성된 것으로; (ii)티타늄디옥사이드(TiO2) 위에 백금(Pt)은 반도체층(TiO2)위에 형성된 절연층(silicon nitride) 상부의 일측에 증착된 금(Au)과 연결되어 전극(schottky electrode)이 형성되고, 티타늄디옥사이드(TiO2) 반도체 층 아래에 증착된 티타늄(Ti)과 바로 아래 일부분에 증착된 금(Au)과의 연결을 통해 상기의 티타늄디옥사이드(TiO2) 반도체 층과 또 다른 전극(ohmic electrode)이 형성되는 결합 구성을 포함하는 것을 특징으로 하고; (iii)상기 핫 전자가 상기 백금(Pt) 금속의 박막 표면에 발생한 후 티타늄디옥사이드(TiO2) 반도체 층 위에 백금(Pt) 활성층의 형성으로 인해 접촉면에 생성되는 쇼트키(Schottky) 에너지 장벽을 넘어 검출되는 것을 특징으로 하는; 태양전지.
- 핫 전자 기반의 나노다이오드를 포함하는 태양전지에 있어서,
(i)상기 나노다이오드는 갈륨나이트나이드(GaN) 위에 백금(Pt)이 형성된 것으로; (ii)갈륨나이트나이드(GaN) 위에 절연층이 구비되고, 상기 절연층 위의 백금(Pt)과 증착된 금(Au)의 연결로 전극(ohmic electrode)을 형성하고 갈륨나이트나이드(GaN) 일부의 위와 알루미늄(Al)과 티타늄(Ti)의 순차적인 증착과 금(Au)의 연결로 다른 전극(schottky electrode)이 형성되는 결합 구성을 포함하는 것을 특징으로 하고; (iii) 상기 핫 전자는 상기 백금(Pt) 금속의 박막 표면에 발생한 후 쇼트키(Schottky) 에너지 장벽을 넘어 검출되는 것을 특징으로 하는; 태양전지. - 삭제
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