KR101286552B1 - 반사전극 및 광전소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드 또는 박막 광전소자와 같이 광전소자에 구비될 수 있는 반사전극에 관한 것으로, 광전소자의 광흡수층 또는 활성층으로 사용되는 반도체층과 전기적으로 연결되는 복수의 도전성물질층; 및 상기 복수의 도전성물질층 중 이웃한 두 개의 도전성물질층 사이에 각각 배치되는 적어도 하나의 금속막을 포함하는 반사전극을 제공한다. 여기서, 상기 복수의 도전성물질층은 상기 반도체층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 도전성물질로 형성되고, 상기 복수의 도전성물질층 중 상기 반도체층과 직접 접촉하는 하나의 도전성물질층은 상기 반도체층과의 접촉저항이 금속보다 낮은 도전성물질로 형성된다.

Description

반사전극 및 광전소자{REFLECT ELECTRODE and PHOTOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 광전소자에 구비될 수 있도록 도전성 및 반사성을 갖는 반사전극 및 상기 반사전극을 구비하는 광전소자에 관한 것이다.
광전소자는, p-n 접합으로 이루어진 반도체소자의 일종으로, 광을 방출하는 발광층을 포함하는 발광 다이오드 또는 광을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 광흡수층을 포함하는 태양전지 등이 있다. 이때, 광전소자는 광 방출량 또는 광 흡수량과 같은 소자특성을 향상시키기 위하여, 광 방출경로 또는 광 흡수경로에 대향하는 면에 반사성을 갖는 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)를 포함하는 단일금속 또는 합금으로 형성되는 반사층을 포함하는 것이 일반적이다.
광전소자 중 태양전지는 p-n접합으로 이루어진 광흡수층을 포함하고, 태양광에 의해 발생된 광전효과(Photoelectric effect)를 이용하여, 태양광에너지를 전기에너지로 변환한다. 광전효과는, 반도체물질 내의 전자가 광에너지에 의해 들뜬 상태가 되어, 전자-정공쌍(electron hole pairs)이 발생되고, 이때의 전자와 정공이 내부 전기장에 의해 각자 반대방향으로 이동함으로써, 광기전력이 발생되는 현상이다. 이러한 태양전지로는 광흡수층의 재료에 따라 결정질 실리콘의 태양전지와 비정질 실리콘의 박막 태양전지 등이 있으며, 그 외에, 화합물 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기박막 태양전지 등이 있다.
그 중, 결정질 실리콘의 태양전지는 결정질 실리콘 전체를 태양광 흡수기판으로 형성된다. 그리고, 수백㎛의 두께를 갖는 광흡수층을 포함하여 이루어져서, 넓은 파장영역의 광을 흡수할 수 있으므로, 최대 약 20%정도의 변환효율을 갖는다. 여기서, 변환효율은 입사된 광에너지의 양에 대응하여 방출한 전기에너지의 양에 해당되는 비율을 의미한다.
이에 반해, 박막 태양전지는 실리콘보다 저렴하고 면적이 넓은 유리, 금속판, 플라스틱 등으로 이루어진 기판에 수㎛의 두께를 갖는 박막 형태로 증착된 반도체물질로 형성되는 광흡수층을 포함한다. 이와 같이, 박막 태양전지는 대량생산에 용이한 장점이 있는 반면, 수㎛의 두께를 갖는 광흡수층이 장파장영역의 광 대부분을 투과시키므로, 결정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 변환효율을 갖는 단점이 있다.
일반적으로, 박막 태양전지는 광에너지를 흡수하여 광 반응 캐리어를 생성하는 광흡수층 및 광흡수층의 양면에 각각 접촉하여 전기적으로 연결되어 광 반응 캐리어가 인가되는 제1 전극과 제2 전극을 포함하여 이루어진다.
제1 전극은 투과성 및 도전성을 갖는 물질로 이루어져서, 광흡수층에 입사되는 광(이하, "입사광"으로 지칭함)을 투과하고, 광흡수층에서 생성된 정공(또는 전자)이 인가된다.
그리고, 얇은 두께로 형성되는 광흡수층이 장파장영역의 광 대부분을 투과함에 따라, 광흡수층의 광 포획율이 낮아지는 것을 보완하기 위하여, 박막 태양전지는 광흡수층과 제2 전극 사이에 형성되어 광흡수층을 통과한 광을 광흡수층 측으로 반사하는 반사층을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 반사층은 높은 반사성을 갖는 것으로 알려진 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)를 포함하는 금속으로 형성될 수 있다.
제2 전극은, 도전성을 갖는 물질로 이루어져서, 광흡수층과 전기적으로 연결되어 광흡수층에서 생성된 전자(또는 정공)가 인가된다. 이때, 반사층이 도전성을 갖는 금속으로 이루어진 경우, 제2 전극은 반사층과 일체로 형성될 수 있고, 또는 제2 전극은 반사층과 접촉하여 광흡수층과 전기적으로 연결될 수 있다.
그런데, 반사층은, 넓은 파장영역의 광이 소정의 반사율 이상으로 반사하기 위하여, 비교적 두꺼운 두께를 갖고 광흡수층과 넓은 면적으로 접촉하도록 형성되므로, 광흡수층과 반사층 사이에 높은 접촉저항이 발생된다. 그러므로, 반사층이 도전성을 갖는 물질로 형성되더라도, 제2 전극이 반사층과 일체로 형성되는 경우 또는 반사층과 접촉하여 광흡수층과 전기적으로 연결되는 경우에, 광흡수층에서 생성된 광 반응 캐리어 중 많은 양이 제2 전극으로 인가되기 전에 광흡수층과 반사층 사이의 경계면에서 소실되어, 태양전지의 변환효율이 저하될 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 제2 전극은 반사층에 형성되는 콘택홀을 통해 광흡수층과 직접 접촉하여, 광흡수층과 전기적으로 연결될 수 있다. 그러나, 콘택홀을 통해 제2 전극과 광흡수층이 서로 직접 접촉하더라도, 제2 전극과 광흡수층은 콘택홀에 해당하는 비교적 작은 면적으로 접촉하므로, 제2 전극과 광흡수층 사이의 전류밀도가 넓고 균일하게 형성될 수 없다.
이상과 같이, 종래의 박막 태양전지는 광흡수층이 입사된 광뿐만 아니라 반사층에 의해 반사된 광을 흡수하여 광 반응 캐리어를 생성할 수 있는 반면, 반사층과 광흡수층 사이의 높은 접촉저항에 의해 광 반응 캐리어가 소실되어 변환효율의 향상에 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명은 광흡수층 또는 발광층으로 사용하는 반도체층을 통과한 광을 반도체층 측으로 반사하고, 금속과 반도체층 사이의 접촉저항보다 낮은 반도체층과의 접촉저항을 갖는 반사전극을 제공하기 위한 것이다. 그리고, 본 발명은 상기 반사전극을 포함하여, 반사전극과 광흡수층 사이에서 광 반응 캐리어가 손실되는 것이 감소될 수 있고 전류밀도가 넓고 고르게 형성될 수 있어, 광에너지를 전기에너지로 변환하는 효율이 향상될 수 있는 광전소자를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 광전소자의 광흡수층 또는 활성층으로 사용되는 반도체층과 전기적으로 연결되는 복수의 도전성물질층; 및 상기 복수의 도전성물질층 중 이웃한 두 개의 도전성물질층 사이에 각각 배치되는 적어도 하나의 금속막을 포함하는 반사전극을 제공한다. 여기서, 상기 복수의 도전성물질층은 상기 반도체층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 도전성물질로 형성되고, 상기 복수의 도전성물질층 중 상기 반도체층과 직접 접촉하는 하나의 도전성물질층은 상기 반도체층과의 접촉저항이 금속보다 낮은 도전성물질로 형성된다.
그리고, 본 발명은, 광을 투과하는 기판; 상기 기판의 일면에 형성되고, 상기 광을 투과하는 투과전극; 상기 투과전극 상에 형성되고, 상기 투과전극을 통해 입사되는 광을 흡수하여 광 반응 캐리어를 생성하는 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 형성되고, 상기 광흡수층을 통과한 광을 상기 광흡수층 측으로 반사하는 반사전극을 포함하는 광전소자를 제공한다. 여기서, 상기 반사전극은, 상기 광흡수층과 접촉하여 전기적으로 연결되는 복수의 도전성물질층 및 상기 복수의 도전성물질층 중 이웃한 두 개의 도전성물질층 사이에 배치되는 적어도 하나의 금속막을 포함한다. 그리고, 상기 복수의 도전성물질층 각각은 상기 광흡수층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 도전성물질로 이루어지고, 상기 복수의 도전성물질층 중 상기 광흡수층과 직접 접촉하는 하나의 도전성물질층과 상기 광흡수층 사이의 접촉저항은 금속과 상기 광흡수층 사이의 접촉저항보다 낮다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 반사전극은 광전소자의 광흡수층 또는 활성층으로 사용되는 반도체층과 전기적으로 연결되는 복수의 도전성물질층 및 상기 복수의 도전성물질층 중 이웃한 두 개의 도전성물질층 사이에 각각 배치되는 적어도 하나의 금속막을 포함하여 이루어진다. 이러한 반사전극은 복수의 도전성물질층과 적어도 하나의 금속막 각각의 경계면에서 굴절률이 급격히 변동하는 것을 이용하여 광을 반사하여, 광을 파장영역별로 선택적으로 반사할 수 있다. 그리고, 반도체층과 직접 접촉하는 하나의 도전성물질층은 반도체층과의 접촉저항이 반도체층과 금속 사이의 접촉저항보다 낮은 도전성물질로 형성되어, 반사전극은 반도체층과 넓은 면적으로 접촉하여 형성될 수 있으므로, 반도체층과 반사전극 사이의 전류밀도가 넓고 균일하게 형성될 수 있고, 반도체층과 반사전극 사이에서 소실되는 캐리어의 양도 감소될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광전소자는, 광흡수층과 전기적으로 연결되는 복수의 도전성물질층 및 상기 복수의 도전성물질층 중 이웃한 두 개의 도전성물질층 사이에 각각 배치되는 적어도 하나의 금속막을 포함하여 구성되는 반사전극을 포함한다. 이러한 광전소자는, 광흡수층을 통과한 광, 특히 장파장영역의 광이 반사전극에 의해 반사되어 광흡수층으로 재입사됨에 따라, 광 포집율이 향상될 수 있고, 광흡수층과 반사전극 사이에 전류밀도가 넓고 균일하게 형성될 수 있으며, 광흡수층과 반사전극 사이에서 광 반응 캐리어가 소실되는 것을 줄일 수 있어서, 광에너지를 전기에너지로 변환하는 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반사전극의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 반사전극의 일 예시 및 그의 반사특성을 모의실험한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사전극의 단면도이다.
도 4는 도전성물질층과 금속막이 적층된 구조의 예시 및 그의 반사특성을 모의실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광전소자를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광전소자의 구동예를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전소자를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 반사전극 및 광전소자에 대하여, 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 반사전극에 대해, 첨부한 도 1 내지 도 4를 참고하여, 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반사전극의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 반사전극의 일 예시 및 그의 반사특성을 모의실험한 결과를 나타낸 것이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사전극의 단면도이다. 또한, 도 4는 도전성물질층과 금속막이 적층된 구조의 예시 및 그의 반사특성을 모의실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 반사전극은, 광을 흡수하여 광 반응 캐리어를 생성하는 광흡수층 또는 외부로부터 주입된 주입캐리어가 재결합하여 광을 방출하는 활성층으로 사용되는 반도체층과 접촉하여 전기적으로 연결되고, 반도체층에 주입캐리어를 인가하거나 상기 반도체층의 광 반응 캐리어가 인가되며, 광 방출량 또는 광 흡수량이 향상되도록 반도체층을 통과한 광을 반도체층 측으로 반사한다. 이러한 반사전극은 반도체층과 접촉하여 전기적으로 연결되는 복수의 도전성물질층 및 복수의 도전성물질층 중 이웃한 두 개의 도전성물질층 사이에 각각 배치되는 적어도 하나의 금속막을 포함하여 이루어진다. 즉, 반사전극은 복수의 도전성물질층과 적어도 하나의 금속막이 교번하여 적층되는 구조로 형성된다.
복수의 도전성물질층 각각은 광흡수층으로 광이 반사될 수 있도록, 광흡수층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 도전성물질로 형성된다. 특히, 복수의 도전성물질층 중 반도체층과 직접 접촉하는 하나의 도전성물질층은 반도체층과의 접촉저항이 금속과 반도체층 사이의 접촉저항보다 낮은 도전성물질로 형성된다. 이러한 복수의 도전성물질층 각각은 ITO, FTO, GZO, ZnO, ZnS, GaN, InP, Si, Si를 포함하는 합금, Ge 중 하나로 형성된다. 그리고, 복수의 도전성물질층 각각은, 반사전극의 두께를 고려하여, 500㎚ 이하의 두께로 형성된다. 이와 같이, 반사전극 중 하나의 도전성물질층과 반도체층 사이의 접촉저항은, 금속으로 이루어진 종래의 금속층과 반도체층 사이의 접촉저항보다 낮으므로, 반사전극은 반도체층과 넓은 면적으로 접촉하여 형성될 수 있고, 이에 반사전극과 반도체층 사이의 전류밀도는 넓고 균일하게 발생될 수 있으며, 반사전극과 반도체층 사이에서 광 반응 캐리어 또는 주입캐리어가 손실되는 것이 감소될 수 있다.
적어도 하나의 금속막 각각은 두 개의 이웃한 도전성물질층 사이에 끼워져서 배치되고, 반사성을 갖는 금속으로 형성된다. 즉, 적어도 하나의 금속막 각각은 Au, Ag, Cu, Al, Pt 중 하나의 단일금속 또는 적어도 하나를 포함하는 합금으로 형성된다.
이와 같이, 반사전극은, 복수의 도전성물질층과 적어도 하나의 금속막이 교번하여 적층되는 구조를 가짐으로써, 반도체층과 도전성물질층 사이의 경계면 및 도전성물질층과 금속막 사이의 경계면에서, 굴절률이 급격히 변동하여, 반도체층을 통과한 광은 반사전극의 경계면을 경유하는 동안 적어도 일부가 반도체층 측으로 반사된다.
그리고, 적어도 하나의 금속막 각각은 복수의 도전성물질층보다 얇은 두께로 형성된다. 즉, 얇은 두께로 각각 형성되는 적어도 하나의 금속막은 반사전극의 도전성에 영향을 미치지 않으므로, 금속막에 의해 반사전극과 반도체층 사이의 전류밀도가 저하되는 것이 방지되고, 반사전극과 반도체층 사이에서 광 반응 캐리어 또는 주입캐리어가 손실되는 것이 방지되며, 반사전극의 전체 두께가 두꺼워지는 것이 방지될 수 있다.
특히, 적어도 하나의 금속막 각각은, 2㎚ 이상의 두께로 형성되어 금속막과 도전성물질층 사이의 경계면에서 광이 반사될 수 있도록 하고, 50㎚ 이하의 두께로 형성되어 반도체층을 통과한 광 중 일부 파장영역에 해당되는 광이 선택적으로 반사될 수 있도록 한다. 이에 따라, 반사전극은 2㎚ 이상 및 50㎚ 이하의 두께로 각각 형성되는 적어도 하나의 금속막을 포함하여, 각 경계면에 대응하는 일부 파장영역의 광을 반사하고, 나머지 파장영역의 광을 투과하는 특성을 갖는다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반사전극은, 복수의 도전성물질층과 적어도 하나의 적층막 각각의 경계면에서 굴절률이 급격히 변동함을 이용하여, 반도체층을 통과하여 반사전극에 도달한 광(이하, "투과광"으로 지칭함)을 반도체층 측으로 반사한다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 반사전극에 있어서, 투과광의 양에 대한 반사되는 광의 양의 비율(이하, "반사율"로 지칭함)은 적어도 하나의 금속막의 두께에 대응하여 결정된다. 다만, 복수의 도전성물질층과 적어도 하나의 적층막 각각의 재료에 따라, 반사전극의 반사율과 적어도 하나의 금속막의 두께는 비례하는 형태를 갖지 않을 수 있다. 그리고, 반사전극에 의해 소정의 반사율 이상으로 반사되는 광(이하, "반사광"으로 지칭함)의 파장영역은 교차하여 적층되는 복수의 도전성물질층과 적어도 하나의 금속막의 총 개수에 대응한다. 예를 들어, 반사전극이 많은 개수의 층으로 형성될수록, 경계면의 개수가 늘어나서, 반사광의 파장영역이 좁아질 수 있다. 다만, 이는 예시일 뿐이며, 복수의 도전성물질층 및 적어도 하나의 금속막 각각의 재료 및 두께에 따라, 반사광의 파장영역과 반사전극을 구성하는 층의 개수는 비례하는 형태를 갖지 않을 수 있다. 즉, 반사전극이 갖는 반사율 또는 반사전극에 의한 반사광의 파장영역은, 복수의 도전성물질층 및 적어도 하나의 금속막 각각의 재료 또는 두께에 따라 랜덤(random)하게 나타나므로, 도전성물질층 및 금속막의 재료 또는 두께는 반사전극의 용도에 따라 실험을 통해 결정될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 반사전극(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 광전소자의 광흡수층 또는 발광층으로 사용되는 반도체층(200)과 직접 접촉하여 전기적으로 연결되는 제1 도전성물질층(110), 제1 도전성물질층(110)과 접촉하여 전기적으로 연결되는 금속막(120) 및 금속막(120)과 접촉하여 전기적으로 연결되는 제2 도전성물질층(130)으로 이루어질 수 있다. 이때, 제1 및 제2 도전성물질층(110, 130)은 반도체층(200)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 도전성물질로 이루어지고, 특히, 제1 도전성물질층(110)은 반도체층(200)과의 접촉저항이 금속과 반도체층(200) 사이의 접촉저항보다 낮은 도전성물질로 이루어진다. 예를들어, 제1 및 제2 도전성물질층(110, 130)은 ITO, FTO, GZO, ZnO, ZnS, GaN, InP, Si, Si를 포함하는 합금, Ge 중 하나로 형성될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 도전성물질층(110, 130)은 반사전극의 전체두께를 고려하여 500㎚ 이하의 두께를 갖고, 금속막(120)보다 두껍게 형성된다.
즉, 금속막(120)은 제1 도전성물질층(110) 또는 제2 도전성물질층(130)보다 얇은 두께로 형성된다. 특히, 반사전극이 소정의 반사율 및 선택적으로 광을 반사하는 특성을 갖도록, 금속막(120)은 2㎚ 이상 및 50㎚ 미만의 두께를 갖도록 형성된다. 이러한 금속막(120)은 반사성을 갖는 금속으로 형성되는데, 예를 들어 Au, Ag, Cu, Al, Pt 중 하나의 단일 금속 또는 적어도 하나를 포함하는 합금으로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 반사전극(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체층(200)과 제1 도전성물질층(110) 사이의 경계면, 제1 도전성물질층(110)과 금속막(120) 사이의 경계면 및 금속막(120)과 제2 도전성물질층(130) 사이의 경계면 각각에서, 투과광(LT) 중 일부 파장영역의 광(LR)을 반사하고, 나머지 파장영역의 광을 투과한다.
예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반사전극(100)이 150㎚ 두께의 ZnO(110, 제1 도전성물질층), 20㎚ 두께의 Ag(120, 금속막) 및 150㎚ 두께의 ZnO(130, 제2 도전성물질층)이 순차적으로 적층된 구조인 경우, 각 파장영역에 대응하는 반사율을 시뮬레이션한 결과, 도 2b에서 비교적 굵은 실선으로 도시한 바와 같이, 약 620㎚ ~ 약 950㎚의 파장영역에 대응하는 반사율이 80% 이상으로 나타났다. 참고로, 도 2b에서, 비교적 얇은 실선은 도 2a에 도시한 반사전극(100)의 투과율을 나타낸다.
또는, 본 발명의 실시예에 따른 반사전극(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 광전소자의 광흡수층 또는 발광층으로 사용되는 반도체층(200)과 직접 접촉하여 전기적으로 연결되는 제1 도전성물질층(110), 제1 도전성물질층(110)과 접촉하여 전기적으로 연결되는 제1 금속막(120), 제1 금속막(120)과 접촉하여 전기적으로 연결되는 제2 도전성물질층(130), 제2 도전성물질층(130)과 접촉하여 전기적으로 연결되는 제2 금속막(140) 및 제2 금속막(140)과 접촉하여 전기적으로 연결되는 제3 도전성물질층(150)으로 이루어질 수 있다. 이때, 제1, 제2 및 제3 도전성물질층(110, 130, 150)은 반도체층(200)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 도전성물질로 이루어지고, 특히, 제1 도전성물질층(110)은 반도체층(200)과의 접촉저항이 금속과 반도체층(200) 사이의 접촉저항보다 낮은 도전성물질로 이루어진다. 예를들어, 제1, 제2 및 제3 도전성물질층(110, 130, 150)은 ITO, FTO, GZO, ZnO, ZnS, GaN, InP, Si, Si를 포함하는 합금, Ge 중 하나의 도전성물질로 형성될 수 있다. 그리고, 제1, 제2 및 제3 도전성물질층(110, 130, 150)은, 반사전극의 전체두께를 고려하여, 500㎚ 이하의 두께로 형성된다.
제1 및 제2 금속막(120, 140)은 반사성을 갖는 금속으로 형성된다. 예를 들어, 제1 및 제2 금속막(120, 140)은 Au, Ag, Cu, Al, Pt 중 하나의 단일 금속 또는 적어도 하나를 포함하는 합금으로 형성될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 금속막(120, 140)은 제1, 제2 및 제3 도전성물질층(110, 130, 150)보다 얇게 형성된다. 특히, 제1 및 제2 금속막(120, 140)은 2㎚ 이상 및 50㎚ 미만의 두께를 갖도록 형성되어, 반사전극이 소정의 반사율 및 선택적으로 광을 반사하는 특성을 갖도록 한다.
이와 같이 구성된 반사전극(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체층(200)과 제1 도전성물질층(110) 사이의 경계면, 제1 도전성물질층(110)과 제1 금속막(120) 사이의 경계면, 제1 금속막(120)과 제2 도전성물질층(130) 사이의 경계면, 제2 도전성물질층(130)과 제2 금속막(140) 사이의 경계면 및 제2 금속막(140)과 제3 도전성물질층(150) 사이의 경계면 각각에서, 투과광(LT) 중 일부 파장영역의 광(LR)을 반사하고, 나머지 파장영역의 광을 투과한다.
한편, 앞서 도 1에서도 언급한 바와 같이, 반사전극(100)의 반사율 및 반사전극(100)에 의한 반사광의 파장영역은, 제1 도전성물질층(110), 제1 금속막(120), 제2 도전성물질층(130), 제2 금속막(140) 및 제3 도전성물질층(150) 각각의 두께 및 재료에 따라 랜덤(random)하게 나타난다. 이에 따라, 제1 도전성물질층(110), 제1 금속막(120), 제2 도전성물질층(130), 제2 금속막(140) 및 제3 도전성물질층(150) 각각의 두께 및 재료는 반사전극의 용도에 따라 실험을 통해 결정되어야 할 것이다.
예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이, 110㎚ 두께의 ZnS와 10㎚ 두께의 Ag가 적층된 구조와, 도 4c에 도시된 바와 같이, 110㎚ 두께의 ZnS와 27㎚ 두께의 Ag와 115㎚ 두께의 ZnS와 10㎚ 두께의 Ag가 순차적으로 적층된 구조를 비교하면, 도 4b와 도 4d에 각각 도시된 바와 같이 서로 다른 반사특성을 갖는다. 즉, 도 4a의 구조에 있어서 ZnS 상부로부터 투과광이 진행하는 경우, 도 4b에 도시된 바와 같이, 0.6이상의 반사율에 대응하는 파장영역은 약650㎚ ~ 약1000㎚의 파장영역이고, 최대 반사율이 약 0.7인 것으로 나타났다. 반면, 도 4c의 구조에 있어서, 110㎚ 두께의 ZnS 상부로부터 투과광이 진행하는 경우, 도 4d에 도시된 바와 같이, 0.6이상의 반사율에 대응하는 파장영역은 약400㎚ 이하의 일부 파장영역 및 약500㎚ ~ 약900㎚의 파장영역이고, 최대 반사율이 약 0.9인 것으로 나타났다. 이러한 시뮬레이션 결과로부터, 도전성물질층과 금속막이 각각 ZnS와 Ag로 이루어진 반사전극에 있어서, 도전성물질층과 금속막의 총 개수가 많을수록 최대 반사율이 높아지고, 0.6 이상의 반사율에 대응하는 파장영역이 좁아지면서 좌우방향으로 이동(shift)됨을 예측할 수 있다. 다만, 도 4a 내지 도 4d는 ZnS와 Ag로 이루어진 구조에 대해 반사특성을 모의실험한 결과를 나타낸 것일 뿐이며, 다른 재료로 이루어진 구조에서는 도 4b와 도 4d와 다른 결과가 도출될 것이다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반사전극(100)은 복수의 도전성물질층(110, 130, 150)과 적어도 하나의 금속막(120, 140)이 교번하여 적층되는 구조를 갖고, 복수의 도전성물질층(110, 130, 150)과 적어도 하나의 금속막(120, 140) 각각의 경계면에서 굴절률이 급격히 변동함에 따라, 이에 대응하는 파장영역의 광을 선택적으로 반사한다. 이에 따라, 종래의 반사층과 달리, 얇은 두께로 형성되더라도, 선택적으로 일부 파장영역의 광을 소정의 반사율 이상으로 반사하는 특성을 갖는다. 그러므로, 본 발명의 실시예에 따른 반사전극(100)은 적용될 광전소자에 요구되는 스펙에 따라, 복수의 도전성물질층(110, 130, 150)과 적어도 하나의 금속막(120, 140) 각각의 재료 및 두께를 조절하여 설계될 수 있으므로, 다양한 광전소자에 광범위하게 적용될 수 있다.
그리고, 반사전극(100) 중에서 반도체층(200)과 직접 접촉하는 하나의 도전성물질층(110)은 반도체층(200)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖고, 반도체층(200)과의 접촉저항이 금속과 반도체층(200) 사이의 접촉저항보다 낮은 도전성물질로 이루어진다. 이에 따라, 반사전극(100)은, 금속으로 이루어진 종래의 반사층과 달리, 반도체층(200)과 넓은 면적으로 접촉하여 형성될 수 있어, 반도체층(200)과의 전류밀도가 넓고 균일하게 형성될 수 있고, 반도체층(200)에서 생성된 광 반응 캐리어 또는 반도체층(200)에 주입될 주입캐리어가 손실되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 반사전극(100) 중에서 적어도 하나의 금속막(120, 140) 각각은 복수의 도전성물질층(110, 130, 150)에 의해 둘러싸여 있으므로, 적어도 하나의 금속막(120, 140)의 산화속도는 도전성물질층(110, 130, 150)에 의해 느려져서, 광전소자의 수명이 향상될 수 있다.
다음, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자를 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는, 이상에서 설명한 복수의 도전성물질층과 적어도 하나의 금속막이 교차적층된 구조를 갖는 반사전극을 포함한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광전소자를 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 광전소자의 구동예를 나타낸 단면도이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전소자를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 광전소자(300)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 광을 투과하는 기판(310), 기판(310)의 일면 상에 형성되고 광을 투과하는 투과전극(320), 투과전극(320) 상에 형성되고, 기판(310)과 투과전극(320)을 통해 입사되는 광(이하, "입사광"으로 지칭함)을 흡수하여 광 반응 캐리어를 생성하는 반도체층(200, 이하 "광흡수층"으로 지칭함), 광흡수층(200) 상에 형성되고, 광흡수층(200)을 통과한 광을 광흡수층(200) 측으로 반사하는 반사전극(100)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 투과전극(320)은 광흡수층(200)의 일면과 접촉하여 전기적으로 연결되어, 광흡수층(200)에서 생성된 광 반응 캐리어가 인가된다. 그리고, 반사전극(100)은 광흡수층(200)의 다른 일면과 접촉하여 전기적으로 연결되어, 광흡수층(200)에서 생성된 광 반응 캐리어가 인가된다. 이때, 반사전극(100)은 광흡수층(200)과 접촉하여 전기적으로 연결되는 복수의 도전성물질층(110, 130) 및 이웃한 두 개의 도전성물질층(110, 130) 사이에 배치되는 적어도 하나의 금속막(120)을 포함한다. 그리고, 복수의 도전성물질층(110, 130) 각각은 광흡수층(200)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 도전성물질로 이루어지고, 복수의 도전성물질층(110, 130) 중 광흡수층(200)과 직접 접촉하는 하나의 도전성물질층(110)은 광흡수층(200)과의 접촉저항이 금속과 광흡수층(200) 사이의 접촉저항보다 낮은 도전성물질로 이루어지며, 적어도 하나의 금속막(120) 각각은 복수의 도전성물질층(110, 130)보다 얇은 두께로 형성된다.
기판(310)은 유리, 플라스틱 또는 유연한(flexible) 스테인레스(stainless: SUS)와 같이, 투과성을 갖는 물질로 형성된다.
투과전극(320)은 투과성 및 도전성을 갖는 물질로 형성된다. 예를 들어, 제1 전극(320)은 SnO2, ZnO, In2O3, TiO2 중 어느 하나의 금속산화물 또는 이들 금속산화물에 F, Sn, Al, Fe, Ga, Nb 중 적어도 하나가 도핑된 물질으로 이루어진다. 또는, 투과전극(320)은 적어도 하나의 금속산화물과 적어도 하나의 금속막이 교차로 적층된 구조를 갖고, 특정 파장영역의 광을 선택적으로 투과하도록 형성될 수도 있다.
광흡수층(200)은 p-형 반도체와 n-형 반도체가 접합된 구조(이하, "p-n 접합"으로 지칭함) 또는 p-형 반도체, i-형 반도체 및 n-형 반도체가 접합된 구조(이하, "p-i-n 접합"으로 지칭함)를 하나 이상 포함하고, 수 ㎛ 내지 500㎛ 두께의 박막으로 형성된다. 일반적으로, 광흡수층(200)은 적어도 하나의 p-i-n 접합으로 형성된다. 즉, 광흡수층(200)은 하나의 p-i-n 접합으로 이루어진 형태("싱글(single) 구조"로도 지칭함), 두 개의 p-i-n 접합이 적층된 형태("텐덤(tandem) 구조"로도 지칭함) 또는 세 개의 p-i-n 접합이 적층된 형태("트리플(triple)구조"로도 지칭함)으로 형성될 수 있다. 싱글구조의 광흡수층(200)은 단파장영역의 광만을 흡수할 수 있는 제약을 가지고 있어, 광 포획양이 낮은 단점이 있다. 이에 반해, 텐덤구조의 광흡수층(200)은 단파장영역의 광을 흡수하는 제1 p-i-n 접합과 장파장영역의 광을 흡수하는 제2 p-i-n 접합을 포함하여, 싱글구조보다 광 포획양이 높다. 그리고, 트리플구조의 광흡수층(200)은 단파장영역의 광을 흡수하는 제1 p-i-n 접합 및 장파장영역의 광을 흡수하는 제2, 제3 p-i-n 접합을 포함하여, 싱글구조 또는 텐덤구조보다 광 포획량이 높다. 이때, 제1 p-i-n 접합은 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어지고, 제2, 제3 p-i-n접합은 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge) 또는 마이크로 크리스탈 실리콘(micro c-Si)으로 이루어질 수 있다.
반사전극(100)은, 앞서 도 1 내지 도 4에서 설명한 바와 같이, 복수의 도전성물질층(110, 130)과 적어도 하나의 금속막(120)이 교번하여 적층된 구조를 갖고, 수 ㎛ 내지 500㎛의 두께로 형성된다. 이때, 복수의 도전성물질층(110, 130) 각각은 ITO, FTO, GZO, ZnO, ZnS, GaN, InP, Si, Si를 포함하는 합금, Ge 중 하나로 형성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 금속막(120)은 반사성을 갖는 금속으로 각각 이루어지는데, 예를 들어 Au, Ag, Cu, Al, Pt 중 하나의 단일금속 또는 적어도 하나를 포함하는 합금으로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 제1 실시예의 광전소자(300)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(310) 및 투과전극(320)을 통해 광이 입사되고, 입사광에 의해 광학적 밴드갭(band gap) 이상의 에너지가 인가되면, 광흡수층(200)의 i-형 반도체층(미도시)에서 광 반응 캐리어(carrier, 210)가 발생되고, 광 반응 캐리어(210) 중 전자는 n-형 반도체층(미도시)으로 이동하고, 정공은 p-형 반도체층(미도시)으로 이동함으로써, 광흡수층(200)의 내부에 광기전력이 발생됨으로써, 광에너지를 전기에너지로 변환한다. 이때, 광흡수층(200)에 흡수되지 않고, 광흡수층(200)을 통과한 투과광(LT)은 반사전극(100)에 의해 반사되어, 광흡수층(200)에 다시 입사된다. 이에, 광흡수층(200)은 반사전극(100)에 의해 반사된 반사광(LR)을 흡수하여, 반사광(LR)에 의해 광 반응 캐리어가 발생된다. 그러므로, 반사전극(100)에 의해 광흡수층(200)의 광 포획율이 높아져서, 광전소자(300)가 광에너지를 전기에너지로 변환하는 효율(즉, "변환효율"에 해당됨)이 향상될 수 있다.
다음, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전소자(300')는, 도 7에 도시된 바와 같이, 광을 투과하는 기판(310), 기판(310)의 일면 상에 요철패턴으로 형성되어, 광을 투과 및 산란하는 투과전극(321), 투과전극(321) 상에 형성되고, 기판(310)과 투과전극(320)을 통해 입사되는 광을 흡수하여 광 반응 캐리어를 생성하는 광흡수층(200), 광흡수층(200) 상에 형성되고, 광흡수층(200)을 통과한 광을 광흡수층(200) 측으로 반사하는 반사전극(100')을 포함하여 이루어진다. 여기서, 투과전극(321), 광흡수층(200) 및 반사전극(100)은 기판(310) 상에 순차적으로 적층되어 형성된다. 그러므로, 투과전극(321) 상부에 적층되는 광흡수층(200)과 반사전극(100)은, 투과전극(321)의 요철패턴으로 인해, 자연스럽게 투과전극(321)보다 작은 요철을 포함하는 패턴으로 형성된다. 이에 따라, 기판(310)을 통과한 광은 투과전극(321)에 의해 산란되는 상태로 광흡수층(200)에 입사되고, 광흡수층(200)을 통과한 광(투과광)의 적어도 일부는 요철패턴을 갖는 반사전극(100')에 의해 광흡수층(200)을 향해 산란 및 반사된다. 이와 같이, 투과광 또는 반사광이 요철패턴을 갖는 투과전극(321) 및 반사전극(100')에 의해 산란되면, 광 경로가 증가되어, 광흡수층(200)의 광 포획 기회가 증가하게 되므로, 광 포획율이 높아져서, 광전소자(300')의 변환효율이 향상될 수 있다.
한편, 제2 실시예에 따른 광전소자(300')는, 투과전극(321), 광흡수층(200) 및 반사전극(100)이 요철패턴을 갖는다는 점을 제외하고는 제1 실시예에 따른 광전소자(300)과 동일하므로, 이하에서 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는, 광흡수층(200)과의 접촉저항이 낮고 얇은 두께로 형성될 수 있으며 선택적으로 광을 반사하는 반사전극(100, 100')을 포함함에 따라, 박막소자로 형성될 수 있고, 광에너지를 전기에너지로 변환하는 효율이 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
100: 반사전극 200: 반도체층, 광흡수층
110: 제1 도전성물질층 120: 금속막
130: 제2 도전성물질층
320: 투과전극

Claims (15)

  1. 광전소자의 광흡수층 또는 활성층으로 사용되는 반도체층과 전기적으로 연결되는 반사전극에 있어서,
    상기 반도체층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 도전성물질로 형성되는 복수의 도전성물질층; 및
    상기 복수의 도전성물질층 중 이웃한 두 개의 도전성물질층 사이에 각각 형성되는 적어도 하나의 금속막을 포함하고,
    상기 복수의 도전성물질층 중 상기 반도체층과 직접 접촉하는 하나의 도전성물질층은 상기 반도체층과의 접촉저항이 상기 금속막과 상기 반도체층 사이의 접촉저항보다 낮은 도전성물질로 형성되며,
    상기 적어도 하나의 금속막 각각은 Au, Ag, Cu, Al 및 Pt 중 어느 하나의 단일금속 또는 어느 둘 이상의 합금으로, 상기 복수의 도전성물질층보다 얇은 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반사전극.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속막 각각은, 2㎚ 이상 및 50㎚ 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반사전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 도전성물질층과 상기 적어도 하나의 적층막 각각의 경계면을 이용하여, 상기 반도체층을 통과한 광을 상기 반도체층 측으로 반사하고,
    상기 적어도 하나의 금속막의 두께에 대응하는 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 반사전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 도전성물질층과 상기 적어도 하나의 적층막 각각의 경계면을 이용하여, 상기 반도체층을 통과한 광을 상기 반도체층 측으로 반사하고,
    상기 복수의 도전성물질층과 상기 적어도 하나의 금속막이 교차 적층된 총 개수에 대응하는 파장영역의 광을 소정의 반사율 이상으로 반사하는 것을 특징으로 하는 반사전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 도전성물질층 각각은 ITO, FTO, GZO, ZnO, ZnS, GaN, InP, Si, Si를 포함하는 합금 및 Ge 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 반사전극.
  7. 삭제
  8. 광을 투과하는 기판;
    상기 기판의 일면에 형성되고, 상기 광을 투과하는 투과전극;
    상기 투과전극 상에 형성되고, 상기 투과전극을 통해 입사되는 광을 흡수하여 광 반응 캐리어를 생성하는 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 상에 상기 광흡수층과 전기적으로 연결되도록 형성되고, 상기 광흡수층을 통과한 광을 상기 광흡수층 측으로 반사하는 반사전극을 포함하고,
    상기 반사전극은,
    상기 광흡수층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 도전성물질로 형성되는 복수의 도전성물질층; 및
    상기 복수의 도전성물질층 중 이웃한 두 개의 도전성물질층 사이에 형성되는 적어도 하나의 금속막을 포함하며,
    상기 복수의 도전성물질층 중 상기 광흡수층과 직접 접촉하는 하나의 도전성물질층은 상기 광흡수층과의 접촉저항이 상기 금속막과 상기 광흡수층 사이의 접촉저항보다 낮은 도전성물질로 형성되고,
    상기 적어도 하나의 금속막 각각은 Au, Ag, Cu, Al 및 Pt 중 어느 하나의 단일금속 또는 어느 둘 이상의 합금으로, 상기 복수의 도전성물질층보다 얇은 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속막 각각은, 2㎚ 이상 및 50㎚ 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 반사전극은 상기 적어도 하나의 금속막의 두께에 대응하는 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 반사전극은, 상기 복수의 도전성물질층과 상기 적어도 하나의 금속막이 교차 적층된 총 개수에 대응하는 파장영역의 광을 소정의 반사율 이상으로 반사하는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 투과전극은 상기 기판을 투과하여 광흡수층으로 입사되는 광을 산란하도록, 요철패턴으로 형성되고,
    상기 반사전극은, 상기 투과전극의 요철패턴으로 인한 소정의 패턴을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 도전성물질층 각각은 ITO, FTO, GZO, ZnO, ZnS, GaN, InP, Si, Si를 포함하는 합금 및 Ge 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  15. 삭제
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