KR101271158B1 - ＺｎＯ 나노선을 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

나노선를 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 및 이의 제조방법을 개시한다. 상기 나노선를 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조 방법은 나노선 솔라셀을 형성하는 제1단계, 나노선 제너레이터를 형성하는 제2단계 및 상기 나노 제너레이터와 상기 나노선 솔라셀을 결합하는 제3단계를 포함한다.

Description

ＺｎＯ 나노선을 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조 방법{flag Type Hybrid Solar-cell manufacture method using ZnO Nano-wire}
본 발명은 나노선 기반 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지의 단위면적당 셀의 유효면적을 크게하고, 입사된 태양광을 보다 효율적으로 산란시킬 수 있는 산화아연 나노선를 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 태양광의 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다.
광흡수층으로 실리콘을 사용하는 태양전지는 실리콘 상(Phase)에 따라 단결정(single crystalline) 실리콘, 다결정(polycrystalline) 실리콘, 비정질(amorphous) 실리콘 태양전지로 분류된다. 이외에도 CdTe나 CIS(CuInSe2)의 화합물 박막 태양전지, 연료감응 태양전지, 유기 태양전지 등이 있다.
일반적인 태양전지는 투명전극으로 산화아연(ZnO) 박막을 사용하는데, 산화아연 박막은 스퍼터링(Sputtering), 상압 화학기상증착법(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition: APCVD), 저압 화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD), 유기금속 화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)을 이용하여 기판에 증착된다. 이때, 텍스처링과 전기전도도 개선을 위해 고온에서 증착하는 것이 일반적이다.
따라서 기판이 대면적화됨에 따라 기판이 휘는 문제가 발생할 수 있고, 다결정 산화아연이 기판에 증착되므로 박막 실리콘과의 접합시, 옴 접합(Ohmic contact)이 어려운 단점이 있다. 이로 인해 태양전지의 효율이 감소될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존의 나노선를 이용한 솔라셀에서 생성되는 기전력을 보다 극대화시킬 수 있으며, 또한 태양의 일조량에 상관없이 일정한 기전력을 생성할 수 있는 나노선를 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 태양이 없는 밤에도 바람의 따른 나노선의 진동을 통해 에너지를 생성할 수 있는 나노선을 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 미의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 나노선을 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조방법은 나노선 솔라셀을 형성하는 제1단계, 나노선 제너레이터를 형성하는 제2단계 및 상기 나노선 제너레이터와 상기 나노선 솔라셀을 결합하는 제3단계를 포함한다.
상기 제1단계는 플렉서블(flexible) 기판을 제공하는 a)단계 및 상기 기판 상에 전극 및 씨드 박막을 형성한 후, 상기 씨드 박막 상에 나노선을 성장시키는 b)단계, 상기 나노선 위에 P-type 반도체를 증착시키는 c)단계, 상기 P-type 반도체 위에 전극을 증착하는 d)단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계는 플렉서블(flexible) 기판을 제공하는 e)단계, 상기 기판 상에 전극 및 씨드 박막을 형성하여, 상기 씨드 박막 상에 나노선를 성장시키는 f)단계인 것을 특징으로 한다.
상기 씨드 박막은 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 물질을 포함하는 박막인 것을 특징으로 한다.
상기 전도성 박막은 금(Au)을 함유하는 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 나노선는 산화아연(ZnO) 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 나노선 기반 솔라셀은 기존 박막 솔라셀에 비해 굉장히 넓은 표면적을 갖는다. 이는 빛을 받아 전자 전공쌍을 생성할 수 있는 면적이 넓어졌다는 것과 또한 이 전자전공을 분리할 수 있는 계면을 극대화시킬 수 있어, 종래 보다 더 많은 기전력을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존 박막 솔라셀의 경우 태양의 각도에 따라 크게 영향을 받았다. 왜냐하면 태양은 동쪽으로 떠서 서쪽으로 지는데 솔라셀은 태양이 정 가운데 오는 정오쯤 가장 큰 에너지를 창출한다. 하지만 본 발명은 태양이 동쪽에 있든 서쪽에 있든 한 가운데 있든 어느 각도에서도 영향받지 않는다.
또한 상판, 하판을 모두 투명한 플렉서블 기판을 사용함으로서 더 많은 빛을 받아 전자 정공쌍을 생성할 수 있다.
즉, 본 발명은 압전 특성이 있는 ZnO 나노선의 진동을 배가 시킬수 있도록 깃발형태의 솔라셀로 형성됨으로 해가 뜨고 바람이 부는 곳이면 어디든 사용이 가능하고 제작도 간단하여, 제작 후 꽂아만 놓으면 쉽게 친환경적인 그린에너지를 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 깃발형 태양 전지를 나타낸 예시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 깃발형 하이브리드 솔라셀의 단면도를 나타낸 예시도이다.
도 3a 내지 도 3d는 나노선 솔라셀의 형성단계를 나타낸 순서도이다.
도 4a 내지 도 4b는 도 2에 도시된 나노선 제너레이터의 형성단계를 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조 방법을 설명하기 위한 플로우 챠트이다.
도 6은 도 5의 제1단계를 보다 상세하게 나타낸 플로우 챠트이다.
도 7은 도 5의 제2단계를 보다 상세하게 나타낸 플로우 차트이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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. 또한, 명세서에 기재된 "~부","~기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 깃발형 태양 전지를 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 깃발형 태양 전지(100)는 복수 개의 솔라셀(110)들을 포함한다. 상기 복수 개의 나노선 솔라셀들 각각은(110) 나노 제너레이터와 상하 대칭적으로 결합되어 접속된다.
상기 복수 개의 솔라셀들과 상기 복수 개의 나노 제너레이터들 각각의 기판은 플렉서블 기판으로 형성되며, 상기 플렉서블 기판 상에는 복수 개의 나노선들이 형성된다.
따라서, 깃발형 하이브리드 태양전지(100)는 상판과 하판이 모두 유동적으로 움직일 수 있으므로 바람이 잘 부는 곳에 깃발형태로 꽂아 놓으면 깃발처럼 빠르게 펄럭이며 압전 특성이 있는 나노선을 진동시켜 에너지를 발생시킨다.
또한, 상기 태양 전지의 상판과 하판 모두 투명한 플렉서블 기판임으로 더 많은 빛을 받아 전자,정공 쌍을 생성할 수 있게 된다. 이는 태양의 각도에 영향을 받지 않는 것을 의미할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 깃발형 하이브리드 솔라셀의 단면도를 나타낸 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 깃발형 하이브리드 솔라셀 각각은(110) 나노선 솔라셀(200) 및 나노선 제너레이터(300)를 구비한다.
상기 나노선 솔라셀(300)은 실리콘 기판 또는 플렉서블 기판(10), 투명전극박막(20), 씨드 박막(30), 복수의 나노선들(35), p-type 반도체(40) 및 전도성 박막(50)을 포함한다.
상기 나노선 제너레이터(300)은 실리콘 기판 또는 플렉서블 기판(11), 투명전극박막(21), 씨드 박막(31), 복수의 나노선(32)들을 포함한다.
상기 씨드 박막(30,31)은 기판(10,11) 위에 형성되는 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막(AZO)일 수 있으며, 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착될 수 있다.
상기 씨드 박막(30,31)은 산화아연 나노선의 두께 및 수직 성장을 제어하기 위해 100℃ 내지 400℃로 열처리 될 수 있다.
상기 복수의 나노선들(32,35)은 상기 씨드 박막(30,31) 위에 형성되고, 상기 나노선 솔라셀의 투명 전극 역할을 하는 것으로, 증류수에 몰농도가 같은 질산 아연 수화물(zinc nitrate hydrate)과 헥사메틸렌테트라민(HMT; hexamethylenetetramine)을 혼합한 수용액 내에서 성장된다.
상기 복수의 나노선(32,35)들은 고종횡비가 크기 때문에 빛이 입사되는 표면적으로 최대화시키는 텍스처링 또는 요철 기능을 한다.
상기 전도성 박막은 금(Au)을 함유하는 물질로 형성될 수 있다.
이하는, 상기 나노선 솔라셀(200)과 상기 나노선 제너레이터(300)의 동작을 간단히 설명하도록 한다.
본 발명 깃발형 하이브리드 솔라셀은 낮에는 나노선 솔라셀 플렉서블 기판을 통해 태양광을 흡수하여 기전력이 생성되며, 밤에는 나노선 제너레이터의 나노선들을 통해 바람에 따른 나노선들의 미세진동으로 기전력을 생성하게 된다.
먼저, 나노선 솔라셀(200)과 나노선 제너레이터(300)에 형성되 나노선들이 형성된 패턴은 격자 패턴으로 형성되므로 서로가 덮는 패턴으로 결합시킬 수 있다.
상기 나노선 솔라셀(200)의 전도성 박막(50)에는 (+) 배선이 연결되며, 상기 배선을 통해 상기 나노선 제너레이터(300) 및 상기 나노선 솔라셀(200) 내의 나노선 상부에서 축적된 정공들이 빠져나가게 된다.
상기 투명전극박막(20,21)에는 (-) 배선이 연결되며, 상기 (-) 배선을 통해 상기 나노선 제너레이터(300) 및 상기 나노선 솔라셀(200) 내에 형성된 전하들이 빠져나가게 된다.
따라서, 외부의 충격으로 인해 상기 솔라셀들 각각에 형성된 나노선들의 진동에 따라 생성된 전자, 정공 쌍이 생성되며, 보다 효율적으로 전자, 정공을 분리할 수가 있다. 또한, 전자, 정공을 생성할 수 있는 면적이 넓어졌다는 것과 이는 전자와 정공을 분리할 수 있는 계면을 극대화시킬 수 있게 된다.
이하에서는 상기 복수 개의 솔라셀 및 상기 나노 제너레이터의 제조 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 3a 내지 도 3d는 나노선 솔라셀의 형성단계를 나타낸 순차도이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 나노선 솔라셀은 a)단계 내지 d)단계를 포함한다.
a)단계(S11)는 플렉서블(flexible) 기판을 제공하는 단계일 수 있다.
b)단계(S12)는 상기 기판 상에 씨드 박막을 형성하여, 상기 씨드 박막 상에 나노선를 성장시키는 단계일 수 있다. 상기 씨드 박막은 알루미늄이 도핑된 산화아연 물질로 형성되는 박막일 수 있으며, 바람직하게는 50 nm 이하의 두께로 증착될 수있다.
상기 c)단계(S13)는 상기 나노선 표면에 p-type 반도체를 증착시키는 단계일 수 있다.
상기 d)단계(S14)는 상기 p-type 반도체 상에 전극박막을 형성하는 단계일 수 있다.
도 4a 내지 도 4b는 도 2에 도시된 나노선 제너레이터의 형성 단계를 나타낸 예시도이다.
도 4a 내지 도 4b를 참조하면, 상기 나노선 제너레이터(300)는 e)단계 내지 f)단계로 형성될 수 있다.
상기 e)단계(S21)는 플렉서블(flexible) 기판(11)을 제공하는 단계일 수 있다.
상기 f)단계(S22)는 상기 플렉서블(flexible) 기판(11) 상에 씨드 박막을 형성한 후, 상기 씨드 박막 상에 나노선을 성장시키는 단계일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조방법을 설명하기 위한 플로우 챠트이며, 도 6은 도 5의 제1단계를 보다 상세하게 나타낸 플로우 챠트이며, 도 7은 도 5의 제2단계를 보다 상세하게 나타낸 플로우 차트이다.
도 5를 참조하면, 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조방법은 제1단계(S10) 내지 제3단계(S30)를 포함한다.
상기 제1단계(S10)는 나노선 솔라셀을 형성하는 단계이며, 상기 제2단계(S20)는 나노선 제너레이터를 형성하는 단계이며, 상기 제3단계(S30)는 상기 나노선 제너레이터와 상기 나노선 솔라셀을 결합하는 단계일 수 있다.
도 6를 참조하면, 상기 제1단계(S10)는 a)단계(S11) 내지 d)단계(S14)를 포함한다.
상기 a)단계(S11)는 플렉서블(flexible) 기판을 제공하는 단계일 수 있으며, 상기 b)단계(S12)는 상기 기판 상에 씨드 박막을 형성한 후, 상기 씨드 박막 상에 나노선를 성장시키는 단계일 수 있으며, 상기 c)단계(S13)는 p-type 반도체를 증착시키는 단계일 수 있으며, 상기 d)단계(S14)는 상기 p-type 반도체 상에 전도성 박막을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 제2단계(S20)는 e)단계(S21) 내지 f)단계(S22)를 포함한다.
상기 e)단계(S21)는 플렉서블(flexible) 기판을 제공하는 단계일 수 있다.
상기 f)단계(S22)는 상기 기판 상에 씨드 박막을 형성한 후, 상기 씨드 박막 상에 나노선를 성장시키는 단계일 수 있다.
본 발명에 따르면 나노선 기반 솔라셀은 기존 박막 솔라셀에 비해 굉장히 넓은 표면적을 갖는다. 이는 빛을 받아 전자 전공쌍을 생성할 수 있는 면적이 넓어졌다는 것과 또한 이 전자전공을 분리할 수 있는 계면을 극대화시킬 수 있어, 종래 보다 더 많은 기전력을 얻을 수 있다.
또한, 기존 박막 솔라셀의 경우 태양의 각도에 따라 크게 영향을 받았다. 왜냐하면 태양은 동쪽으로 떠서 서쪽으로 지는데 솔라셀은 태양이 정 가운데 오는 정오쯤 가장 큰 에너지를 창출한다. 하지만 본 발명은 태양이 동쪽에 있든 서쪽에 있든 한 가운데 있든 어느 각도에서도 영향받지 않는다.
또한 상판, 하판을 모두 투명한 플렉서블 기판을 사용함으로서 더 많은 빛을 받아 전자 정공쌍을 생성할 수 있다.
즉, 본 발명은 압전 특성이 있는 ZnO 나노선의 진동을 배가 시킬수 있도록 깃발형태의 솔라셀로 형성됨으로 해가 뜨고 바람이 부는 곳이면 어디든 사용이 가능하고 제작도 간단하여 제작 후 꽂아만 놓으면 쉽게 친환경적인 그린에너지를 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10,11: 플렉서블 기판 20,21: 투명전도성박막
30,31: 씨드 박막 40: 제2투명전극 32,35: 나노선
100: 깃발형 태양전지

Claims (6)

  1. 나노선 솔라셀을 형성하는 제1단계;
    나노선 제너레이터를 형성하는 제2단계; 및
    상기 나노 제너레이터와 상기 나노선 솔라셀을 결합하는 제3단계를 포함하고,
    상기 제1단계는,
    제1 플렉서블(flexible) 기판을 제공하는 단계; 및
    상기 제1 플렉서블 기판 상에 씨드 박막을 형성한 후, 상기 씨드 박막 상에 나노선를 성장시키는 단계;
    상기 나노선 상에 p-type 반도체를 증착시키는 단계; 및
    상기 p-type 반도체 위에 전도성 박막을 형성하는 단계를 포함하는 나노선을 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계는,
    제2 플렉서블(flexible) 기판을 제공하는 단계;
    상기 제2 플렉서블 기판 상에 씨드 박막을 형성하여, 상기 씨드 박막 상에 나노선를 성장시키는 단계를 포함하는 나노선을 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 씨드 박막은,
    알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 물질을 포함하는 박막인 것을 특징으로 하는 나노선을 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 박막은,
    금(Au)을 함유하는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노선을 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조방법.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 나노선는,
    산화아연(ZnO) 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노선을 이용한 깃발형 하이브리드 솔라셀 제조방법.
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