KR101295199B1 - 태양전지 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

태양전지 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지 소자는, 광투과성을 가진 기판; 전도성과 광투과성을 갖는 재질로 이루어지고, 나노 스케일의 나뭇가지 형상을 갖는 다수의 나노 가지 구조체를 포함하여 상기 기판 상에 형성되는 제1전극; 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 제1전극 상에 형성되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 재질로 이루어지는 제2전극;을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의하면, 제1전극이 입사광을 효과적으로 확산 및 산란시키는 다수의 나노 가지 구조체를 포함함으로써 광활성층을 통과하는 광 경로를 증가시켜 광활성층에 흡수되는 빛의 양을 제고함으로써 태양전지 소자의 효율을 향상시킬 수 있고, 광활성층이 제1전극의 나노 가지 구조체를 내포하는 형태로 제1전극의 전극체 상면에 형성되므로, 광활성층 내부에서 생성된 전하가 신속하게 제1전극의 나노 가지 구조체로 이동될 수 있으므로 태양전지 소자의 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 다수의 나노 가지 구조체를 전자선 증착 방법으로써 증착시켜 성장 형성함으로써 제조 단가를 절감하고 제조 시간도 줄일 수 있으며 대면적의 태양전지 소자도 용이하게 제조할 수 있다.

Description

태양전지 소자 및 그 제조방법 {SOLAR CELL DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 태양전지 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광활성층에 흡수되는 빛의 양을 제고하고 전극에 대한 전하의 이동을 용이하게 함으로써 태양전지 소자의 효율을 향상시킬 수 있고, 이러한 고효율의 태양전지 소자를 대면적으로 저렴하고 신속하게 제조할 수 있는 태양전지 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양 에너지는 석유와 같은 화석연료가 심한 환경오염을 야기하고 그 매장량도 점점 줄어들면서 고갈됨에 따라 환경오염 우려가 없으면서도 무한에 가까운 에너지원으로서 각광받고 있다.
이러한 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자를 태양전지 소자라 일컫는데, 일반적인 태양전지 소자는 전도성을 갖는 재질로 각각 이루어지는 한 쌍의 전극 사이에 전자도너와 전자억셉터를 가진 광활성층이 형성된 구조를 갖는다.
상기 태양전지 소자는, 광활성층에 빛이 입사됨에 따라 전자도너와 전자억셉터에 의해 광활성층 내부에서 전자와 정공의 전하들이 발생하고 이 전하들이 한 쌍의 전극으로 각각 이동함에 따라 한 쌍의 전극 간에 전위차가 발생하는 광전효과를 통해 빛 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
이와 같은 태양전지 소자는 전기 에너지를 발생하는 최소 단위이고, 태양전지 모듈은 복수의 태양전지 소자로 구성되며 전기 에너지를 꺼낼 수 있는 최소 단위이다. 그리고 태양전지 어레이는 설치 작업이나 유지보수 작업의 용이성을 위해 물리적으로 복수의 태양전지 모듈이 배치 구성되는 단위이다.
이 같은 태양전지 소자는 광활성층이 더 많은 빛을 흡수하여 더 많은 전하들이 광활성층 내부에서 발생되고, 이러한 전하들이 전극으로 더욱 신속하게 이동할수록 그 효율은 더 향상될 수 있다.
현재 태양전지 소자 구조의 주류를 이루고 있는 박막 형태로 각각 구비되는 기판, 제1전극, 광활성층 및 제2전극이 순서대로 적층된 2차원 박막의 적층구조는, 그 제조가 간단하다는 장점이 있으나, 광활성층에 흡수되는 빛의 양이 적고 전하들이 신속하게 이동할 수 있는 구조가 아니므로 효율이 낮은 문제점이 있다.
이러한 낮은 효율을 향상시키기 위해 빛이 입사될 때에 기판의 표면 등에서 반사로 손실되는 빛의 양을 줄이기 위해, 기판의 표면 등에 나노 스케일의 구조체를 형성하는 연구 등이 활발히 진행되고 있다.
그러나 이와 같은 연구 방향은, 태양전지 소자 내부로 입사되는 광량의 감소를 막는 소극적인 형태로서, 동일한 광량 조건 하에서 광활성층에 흡수되는 빛의 양을 향상시키거나, 전극에 대한 전하들의 이동을 촉진하는 적극적인 형태가 아니므로, 태양전지 소자의 효율을 크게 제고하지 못하는 한계가 있다.
또한, 종래에는 이러한 나노 스케일의 구조체를 형성하기 위해 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition) 방식을 주로 이용하는데, 이 화학기상증착 방식은 화학물질을 포함하는 가스를 고열로 가열하거나 이 가스에 고에너지인 플라즈마를 인가해야 하므로 높은 증착 온도가 요구되어 제조 단가가 높고 장시간이 소요되며 대면적(大面積)으로 증착하기도 어려운 단점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 입사광이 광활성층을 통과하는 광 경로를 증가시킬 수 있고, 광활성층 내부에서 생성된 전하를 제1전극으로 신속하게 받아들일 수 있으며, 이러한 고효율의 태양전지 소자를 저렴하고 신속하면서도 대면적으로도 용이하게 제조할 수 있는 태양전지 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 태양전지 소자는, 광투과성을 가진 기판; 전도성과 광투과성을 갖는 재질로 이루어지고, 나뭇가지 형상을 갖는 다수의 나노 가지 구조체를 포함하여 상기 기판 상에 형성되는 제1전극; 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 제1전극 상에 형성되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 재질로 이루어지는 제2전극;을 포함하여 이루어진다.
상기 제1전극은, 상기 기판 상에 소정의 두께의 막 형상으로 구비되는 전극체를 더 포함하되, 상기 다수의 나노 가지 구조체는 상기 전극체의 상면에 각각 형성될 수 있다.
상기 전극체는, 상기 다수의 나노 가지 구조체와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 광활성층은, 상기 나노 가지 구조체를 내포하는 형태로 구비될 수 있다.
상기 광활성층은, 상기 나노 가지 구조체를 내포하는 형태로 상기 전극체 상에 형성될 수 있다.
상기 제1전극은, 인듐 주석 산화물(ITO)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 기판은, 유리, 실리콘, 사파이어 및 금속으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 박판 재질로 이루어질 수 있다.
상기 광활성층은, 블록 공중합체, 실리콘, 실리콘-게르마늄계 화합물, 구리-인듐-게르마늄계 화합물 중 어느 하나를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 소자 제조방법은, 전도성과 광투과성을 갖는 재질로 이루어지고, 나뭇가지 형상을 갖는 다수의 나노 가지 구조체를 포함하는 제1전극을 광투과성을 가진 기판 상에 형성하는 단계; 상기 제1전극 상에 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 재질의 제2전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 제1전극을 형성하는 단계는, 전도성과 광투과성을 갖는 재질로써 소정의 두께의 막 형상으로 이루어지는 전극체를 상기 기판 상에 형성하는 단계; 및 상기 다수의 나노 가지 구조체를 상기 전극체의 상면에 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 다수의 나노 가지 구조체를 형성하는 단계는, 상기 다수의 나노 가지 구조체를 상기 전극체의 상면에 전자선 증착 방식으로 형성하는 단계일 수 있다.
상기 다수의 나노 가지 구조체를 형성하는 단계는, 상기 다수의 나노 가지 구조체를 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 방법을 통해 상기 전극체의 상면에서 성장시켜 형성하는 단계일 수 있다.
상기 제1전극을 형성하는 단계는, 전도성과 광투과성을 갖는 재질로써 소정의 두께의 막 형상으로 이루어지는 전극체를 상기 기판 상에 형성하는 단계 및 상기 다수의 나노 가지 구조체를 상기 전극체의 상면에 형성하는 단계를 포함하며, 상기 광활성층을 형성하는 단계는, 상기 광활성층이 상기 나노 가지 구조체를 내포하는 형태로 상기 광활성층을 상기 전극체의 상면에 형성하는 단계일 수 있다.
이러한 본 발명의 태양전지 소자 및 그 제조방법에 의하면, 제1전극이 기판을 통해 입사된 빛을 효과적으로 확산 및 산란시키는 다수의 나노 가지 구조체를 포함함으로써 입사광이 광활성층을 통과하는 광 경로를 증가시켜 광활성층에 흡수되는 빛의 양을 제고함으로써 광활성층에서 더 많은 전하들이 발생하게 하여 태양전지 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 기판 상에 박막 형상의 전극체를 안정적으로 먼저 형성하고, 이 전극체의 상면에 다수의 나노 가지 구조체를 형성함으로써, 다수의 나노 가지 구조체를 포함하더라도 안정적인 구조를 갖는 제1전극을 구성할 수 있다. 그리고 제1전극을 이루는 전극체와 다수의 나노 가지 구조체를 동일한 재질로 형성함으로써, 제1전극의 안정성을 더 향상시킬 수 있고, 제1전극에 대한 제조 공정이 단순화될 수 있다.
게다가, 광활성층이 제1전극의 나노 가지 구조체를 내포하는 형태로 제1전극의 전극체 상면에 형성되므로, 광활성층 내부에서 생성된 전하들이 광활성층 내측으로 위치한 다수의 나노 가지 구조체를 통해 신속하게 제1전극으로 이동할 수 있어 태양전지 소자의 효율을 더욱 제고할 수 있다.
뿐만 아니라, 이러한 다수의 나노 가지 구조체를 종래의 화학기상증착 방식에 비해 높은 증착 온도가 요구되지 않는 전자선 증착 방법으로서 전극체의 상면에 증착시켜 성장 형성함으로써, 제조 단가를 절감하고 제조 시간도 줄일 수 있으며 대면적의 태양전지 소자도 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자의 구조를 보여주는 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자 제조방법을 보여주는 순서도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자 제조방법에 있어서, 유리 재질의 기판 상에 전자선 증착 방식을 이용해 제1전극의 다수의 나노 가지 구조체를 대면적으로 증착 성장시켜 형성한 사진,
도 4a와 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자 제조방법에 있어서, 다수의 나노 가지 구조체가 시간 경과에 따라 전자선 증착 방식을 통해 전극체의 상면으로부터 성장 형성되는 상태를 평면과 측면에서 각각 바라본 주사 전자 현미경 사진,
도 5a와 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자 제조방법에 있어서, 나노 가지 구조체의 성장 메커니즘 설명을 위한 투과 전자 현미경 사진과 EDS(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)를 이용한 조성 분석표, 및 인듐 주석 산화물의 상평형도,
도 6은 나노 가지 구조체의 성장 방향을 확인할 수 있는 나노 가지 구조체 및 그 가지의 접합 부분에 대한 투과 전자 현미경 사진,
도 7a와 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자 제조방법에 있어서, 전극체 상면에 대한 증착 시간을 달리하여 성장한 다수의 나노 가지 구조체의 투과율 그래프 및 광산란 정도를 각각 보여주는 사진,
도 8a와 도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자 제조방법에 의해 다수의 나노 가지 구조체의 증착 시간을 달리하여 형성된 태양전지 소자 각각에 대한 소자 효율을 보여주는 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, '당업자'라 한다)가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 그 범위가 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 태양전지 소자 및 그 제조방법은, 빛 에너지를 변환하여 전기 에너지를 발생하는 최소 단위인 태양전지 소자에 있어서 광활성층에 대한 빛 흡수량을 제고하고 광활성층 내부에서 발생된 전하들이 신속하게 전극으로 이동할 수 있게 하여 그 효율을 크게 향상시킨 태양전지 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자의 구성 및 작용효과를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자는 기판(100), 전극체(210)와 다수의 나노 가지 구조체(220)를 포함하는 제1전극(200), 광활성층(300) 및 제2전극(400)을 포함하여 이루어진다.
상기 기판(100)은 입사된 빛이 광활성층(300)에 도달할 수 있도록 광투과성을 갖는 재질로 이루어져 제1전극(200), 광활성층(300) 및 제2전극(400)이 형성되는 공간을 제공한다.
이러한 기판(100)은 비금속인 유리, 실리콘, 사파이어 등과 금속인 스테인리스 스틸, 텅스텐 등에서 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어지는 박판 재질로 형성될 수 있다.
상기 제1전극(200)은 전도성을 갖는 재질로 이루어져 광활성층(300)이 빛을 흡수함에 따라 광활성층(300)의 내부에서 발생하는 전하들 중에서 전자 또는 정공을 받아들이며, 기판(100)을 통해 입사된 빛이 광활성층(300)에 도달할 수 있도록 기판(100)과 마찬가지로 광투과성을 갖는 재질로 이루어진다.
이렇게 전도성과 광투과성을 갖는 재질 중 하나로서 상기 제1전극(200)은 인듐 주석 산화물(ITO; Indium Tin Oxide)로 이루어질 수 있으나, 그 재질이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 제1전극(200)은 기판(100) 상에 소정의 두께의 막 형상으로 구비되는 전극체(210) 및 다수의 가지(221)가 형성된 나노 스케일의 나뭇가지 형상(수지상)을 가지며 전극체(210)의 상면에 형성되는 다수의 나노 가지 구조체(220)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 전극체(210)는 기판(100)의 상면에 안정적으로 형성되어 다수의 나노 가지 구조체(220)가 형성되는 공간을 제공하며, 광활성층(300) 내부로부터 다수의 나노 가지 구조체(220)를 통해 받아들여지는 전하들을 안정적으로 이동시키는 통로 역할을 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전극체(210)는 박막 형상으로 구현되었으나, 그 형상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전극체(210)는 기판(100) 상에 일종의 메쉬 형상으로 구현될 수도 있다.
또한, 이러한 전극체(210)는 본 발명에 따른 태양전지 소자의 제1전극(200)을 형성하는데 있어서 필수적인 구성요소가 아님을 밝혀둔다. 다시 말해, 기판(100) 상에 다수의 나노 가지 구조체(220)가 바로 형성되어 제1전극(200)을 이룰 수도 있는 것이다.
다수의 나노 가지 구조체(220)는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100)과 전극체(210)를 통과해 입사되는 빛을 확산 및 산란시킴으로써 입사광의 광활성층(300) 내부 경로를 증가시켜 광활성층(300)의 광 흡수율을 향상시킴과 동시에, 광활성층(300) 내부로 연장 구비됨으로써 광활성층(300) 내부에서 발생한 전하들의 이동 경로를 단축시켜 전하들이 신속하게 제1전극(200)으로 이동할 수 있게 하는 역할을 한다.
이러한 다수의 나노 가지 구조체(220)는 전도성을 갖는 재질로 이루어져 전극체(210)에 직접 연결되어 전극체(210)와 함께 제1전극(200)을 형성하는 구성요소이므로, 전하들이 나노 가지 구조체(220)로 이동된 것은 곧 전하들이 제1전극(200)으로의 이동을 완료한 것이기 때문에 전하들의 이동 시간이 크게 단축될 수 있다.
또한, 도 1에서는 나노 가지 구조체(220)와 전극체(210)의 접합 부분에서 빛의 확산 및 산란이 일어나는 것만 도시되었으나, 광활성층(300) 내부로 입사된 빛이 가지(221)의 측부로 입사되어 확산 및 산란되는 경우 등, 나노 가지 구조체(220)의 형상에 기인하는 다양한 경우에 있어서 빛의 확산 및 산란이 수없이 일어나게 된다.
이와 같은 나노 가지 구조체(220)는 전술된 바와 같이, 나노 스케일의 나뭇가지 형상으로 구비되는데, 여기서 나노 스케일이라 함은 1000㎚ 이내의 크기를 갖는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 나노 가지 구조체(220)는 그 직경이 수십 ㎚이며, 그 길이는 1000㎚ 정도로 형성될 수 있으나 그 크기가 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 다수의 나노 가지 구조체(220)는 전극체(210)의 상면에 전자선 증착 방식으로 형성되며, 보다 구체적으로는 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 방법을 통해 전극체(210)의 상면에 성장 형성되는 것이 바람직하다.
그 이유는 이러한 전자선 증착 방식은 종래의 화학기상증착 방식에 비해 높은 증착 온도가 요구되지 않으므로 제조 단가를 절감하고 제조 시간도 줄일 수 있으며 대면적의 전극체(210)에도 다수의 나노 가지 구조체(220)를 용이하게 형성할 수 있기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1전극(200)을 형성하는 전극체(210)와 다수의 나노 가지 구조체(220)는 동일한 인듐 주석 산화물로 이루어지게 구현되었으나, 그 구현 방식이 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 전극체(210)는 별도의 전도성 금속 재질로 형성되고, 다수의 나노 가지 구조체(220)는 전극체(210)의 상면에 인듐 주석 산화물로 구비될 수도 있으며, 다수의 나노 가지 구조체(220)도 다른 전도성, 광투과성 재질로 이루어질 수도 있다.
그리고 도 1은 개략도로서 전극체(210)의 상면에 형성되는 나노 가지 구조체(220)의 형상은 도 1에 도시된 바에 의해 한정되는 것은 아니다. 즉, 전극체(210)의 상면에 대해 기울어지게 형성될 수도 있고, 인접한 다른 나노 가지 구조체(220)와 그 가지(221)가 서로 맞닿거나 겹치게 형성될 수도 있다.
상기 광활성층(300)은 빛을 흡수하여 전자와 정공을 발생할 수 있도록 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 다수의 나노 가지 구조체(220)를 내포하는 형태로 전극체(210)의 상면에 형성된다.
상기 제2전극(400)은 제1전극(200)과 함께 광활성층(300) 내부에서 발생한 전하들을 받아들여 전위차를 발생하도록 광활성층(300) 상에 형성된다.
이를 위해, 상기 제2전극(400)은 전도성을 갖는 재질로 이루어지며, 광활성층(300)으로 입사한 빛 중에서 광활성층(300)에 흡수되지 않은 빛을 반사하여 광 경로를 더 늘리기 위해 반사율이 높은 재질로 이루어질 수도 있다.
이하, 도 2 내지 도 8b를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자 제조방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 상술한 바와 같은 기판(100) 상에 제1전극(200)의 전극체(210)를 형성한다(s100). 그 다음, 전극체(210)의 상면에 전자선 증착 방식을 통해 다수의 나노 가지 구조체(220)를 형성한다(s200).
도 3은 이렇게 기판(100) 상에 전극체(210)와 다수의 나노 가지 구조체(220)로 이루어지는 제1전극(200)을 인듐 주석 산화물로써 전자선 증착 방식을 통해 대면적으로 형성한 상태를 보여주는 사진이다.
도 4a와 도 4b는 증착 시간의 경과에 따라 전극체(210)의 상면에 다수의 나노 가지 구조체(220)가 성장하는 단계를 보여주는 주사 전자 현미경 사진이다. 나노 가지 구조체(220)는 그 형성 초기에는 나노 입자 형태를 띠고 있다가, 생성된 나노 입자를 기초로 시간 경과에 따라 수직에 가까운 방향으로 성장하여 막대 형상을 이루며, 막대 형상을 이루어 감과 동시에 그 측부로 다수의 가지(221)가 함께 성장 형성되어 복잡한 나뭇가지 형상을 갖게 되면서 나노 구조의 밀도가 증가하는 것을 알 수 있다.
도 5a와 도 5b는 나노 가지 구조체(220)의 성장 매커니즘을 보여주는 투과 전자 현미경 사진과 EDS(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)를 이용한 조성 분석표, 및 인듐 주석 산화물의 상평형도이다.
점차 성장 형성되는 나노 가지 구조체(220)는 헤드부(220-1)와 바디부(220-2)로 구분될 수 있는데, 도 5a의 그래프에서 위에 도시된 헤드부(220-1)는 산소의 농도가 낮은 것으로 보아 인듐 주석의 금속 합금 형태를 이루고 있으며, 해당 그래프의 아래에 도시된 바디부(220-2)는 산소 농도가 높은 것으로 보아 인듐 주석 산화물을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다.
여기서 인듐 주석의 금속 합금 형태를 이루는 헤드부(220-1)는 산화되어 인듐 주석 산화물이 형성되는 데 있어 일종의 촉매의 역할을 수행한다. 즉, 전자선에 의해 증발된 반응물 기체는 헤드부(220-1)에 녹아들어 감에 따라 과포화상태에 도달하게 되고, 과포화된 반응물이 액체 상태를 거쳐 고체 상태로 용출되면서 한쪽 방향으로 성장하게 되는 것이다.
도 6은 나노 가지 구조체(220) 및 그 가지(221)의 접합 부분에 대한 투과 전자 현미경 사진으로서, 나노 가지 구조체(220)가 0.506㎚의 면간 거리를 갖는 [100] 방향으로 성장한 것을 확인할 수 있고, 왼쪽 작은 박스 안의 회절 패턴을 통해 단결정의 인듐 주석 산화물이 형성된 것을 확인할 수 있다.
그리고 나노 가지 구조체(220)의 가지(221)는 [100] 방향과 거의 수직을 이루는 [010] 방향으로 성장한 것을 확인할 수 있고, 오른쪽 작은 박스 안의 형상과 같이 다수의 가지(221)들은 짧게 뻗어 나온 형태의 나노 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 7a는 전극체(210) 상면에 대한 증착 시간을 달리하여 성장한 다수의 나노 가지 구조체(220)의 투과율 그래프이다. 나노 가지 구조체(220)가 형성되지 않은 경우(Bare)와 나노 가지 구조체(220)가 각각 3, 6, 10분 동안 증착 형성된 경우 모두 가시광 영역에서 80% 이상의 높은 투과율을 보이는 것을 알 수 있다.
또한 도 7b는 증착 시간을 달리한 각 경우의 나노 가지 구조체(220)에 의한 광산란 정도를 보여주는 사진이다. 나노 가지 구조체(220)가 형성되지 않은 경우(Bare)에는 확산, 산란되는 빛이 없지만, 나노 가지 구조체(220)의 증착 형성 시간이 길어짐에 따라 더 많은 빛이 더 큰 각도로 확산, 산란되는 것을 확인할 수 있다.
이후, 상술한 바와 같은 전극체(210)와 다수의 나노 가지 구조체(220)로 이루어지는 제1전극(200) 상에 광활성층(300)을 형성한다(s300). 보다 바람직하게는 제1전극(200)의 다수의 나노 가지 구조체(220)를 내포하는 형태로 전극체(210)의 상면에 광활성층(300)을 형성한다.
그 후, 상기 광활성층(300) 상에 제2전극을 형성하여 태양전지 소자의 제조를 완료한다(s400).
도 8a와 도 8b는 다수의 나노 가지 구조체(220)의 증착 형성 시간을 달리하여 제조된 태양전지 소자 각각에 대한 소자 효율을 보여주는 그래프이다. 나노 가지 구조체(220)를 형성하지 않고 제조된 태양전지 소자(Bare)의 경우보다 나노 가지 구조체(220)를 그 증착 형성 시간을 6분까지 길게 형성할수록 소자 효율이 향상된 것을 확인할 수 있다.
특히, 6분의 증착 형성 시간으로 나노 가지 구조체(220)를 형성하여 제조된 태양전지 소자의 경우 나노 가지 구조체(220)를 형성하지 않고 제조된 태양전지 소자의 경우보다 약 20% 가량 소자 효율이 향상되는 것으로 나타났다.
또한, 도 8b에서 10분의 증착 형성 시간으로 형성된 나노 가지 구조체(220)에서는 효율 증가 범위가 일부 감소하는 것으로 나타났다.
이는, 증착 형성 시간이 길어지면서 나타나는 길고 불균일한 나노 가지 구조체(220)가 소자의 전류 누설을 유도할 수 있기 때문에 나타나는 현상이므로, 최적화된 증착 형성 시간의 확보가 필요하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 다수의 나노 가지 구조체(220)는 전자선 증착 방식, 보다 구체적으로는 VLS 방법을 이용한 전자선 증착 방식으로 형성되었으나, 그 형성 방식이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1전극(200) 상에 광활성층(300)을 형성할 때에 다수의 나노 가지 구조체(220)가 내포되게 형성하는 것은 선택적으로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 소자 및 그 제조방법에 의하면, 제1전극(200)이 입사광을 효과적으로 확산 및 산란시키는 다수의 나노 가지 구조체(220)를 포함함으로써 광활성층(300)을 통과하는 광 경로를 증가시켜 광활성층(300)에 흡수되는 빛의 양을 제고함으로써 태양전지 소자의 효율을 향상시킬 수 있고, 광활성층(300)이 제1전극(200)의 나노 가지 구조체(220)를 내포하는 형태로 제1전극(200)의 전극체(210) 상면에 형성되므로, 광활성층(300) 내부에서 생성된 전하가 신속하게 제1전극(200)의 나노 가지 구조체(220)로 이동될 수 있으므로 태양전지 소자의 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 다수의 나노 가지 구조체(220)를 전자선 증착 방법으로써 증착시켜 성장 형성함으로써 제조 단가를 절감하고 제조 시간도 줄일 수 있으며 대면적의 태양전지 소자도 용이하게 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부되어 있는 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
＊ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 기판 200 : 제1전극
210 : 전극체 220 : 나노 가지 구조체
220-1 : 헤드부 220-2 : 바디부
221 : 가지 300 : 광활성층
400 : 제2전극

Claims (13)

  1. 광투과성을 가진 기판;
    전도성과 광투과성을 갖는 재질로 이루어지고, 나뭇가지 형상을 갖는 다수의 나노 가지 구조체를 포함하여 상기 기판 상에 형성되는 제1전극;
    전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 제1전극 상에 형성되는 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 재질로 이루어지는 제2전극;
    을 포함하며,
    상기 광활성층은, 상기 나노 가지 구조체를 내포하는 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은,
    상기 기판 상에 소정의 두께의 막 형상으로 구비되는 전극체를 더 포함하되,
    상기 다수의 나노 가지 구조체는 상기 전극체의 상면에 각각 형성되며,
    상기 광활성층은,
    상기 나노 가지 구조체를 내포하는 형태로 상기 전극체 상에 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전극체는,
    상기 다수의 나노 가지 구조체와 동일한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1전극은,
    인듐 주석 산화물(ITO)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은,
    유리, 실리콘, 사파이어 및 금속으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 박판 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층은,
    블록 공중합체, 실리콘, 실리콘-게르마늄계 화합물, 구리-인듐-게르마늄계 화합물 중 어느 하나를 포함하는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  9. 전도성과 광투과성을 갖는 재질로 이루어지고, 나노 스케일의 나뭇가지 형상을 갖는 다수의 나노 가지 구조체를 포함하는 제1전극을 광투과성을 가진 기판 상에 형성하는 단계;
    상기 제1전극 상에 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 재질의 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1전극을 형성하는 단계는,
    전도성과 광투과성을 갖는 재질로써 소정의 두께의 막 형상으로 이루어지는 전극체를 상기 기판 상에 형성하는 단계; 및
    상기 다수의 나노 가지 구조체를 상기 전극체의 상면에 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 다수의 나노 가지 구조체를 형성하는 단계는, 상기 다수의 나노 가지 구조체를 상기 전극체의 상면에 전자선 증착 방식으로 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 소자 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 전도성과 광투과성을 갖는 재질로 이루어지고, 나노 스케일의 나뭇가지 형상을 갖는 다수의 나노 가지 구조체를 포함하는 제1전극을 광투과성을 가진 기판 상에 형성하는 단계;
    상기 제1전극 상에 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 재질의 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1전극을 형성하는 단계는,
    전도성과 광투과성을 갖는 재질로써 소정의 두께의 막 형상으로 이루어지는 전극체를 상기 기판 상에 형성하는 단계; 및
    상기 다수의 나노 가지 구조체를 상기 전극체의 상면에 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 다수의 나노 가지 구조체를 형성하는 단계는, 상기 다수의 나노 가지 구조체를 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 방법을 통해 상기 전극체의 상면에서 성장시켜 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 소자 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1전극을 형성하는 단계는, 전도성과 광투과성을 갖는 재질로써 소정의 두께의 막 형상으로 이루어지는 전극체를 상기 기판 상에 형성하는 단계 및 상기 다수의 나노 가지 구조체를 상기 전극체의 상면에 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 광활성층을 형성하는 단계는,
    상기 광활성층이 상기 나노 가지 구조체를 내포하는 형태로 상기 광활성층을 상기 전극체의 상면에 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 소자 제조방법.
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