KR101393092B1 - Ⅲ-ⅴ group compound solar cell and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 배면 전극층; 상기 배면 전극층 상에 형성되는 나노선 성장층; 상기 나노선 성장층 상에 형성되는 광전 변환층; 및 상기 광전 변환층 상에 형성되는 투명 전극층;을 포함하며, 상기 광전 변환층은 상기 나노선 성장층 위에 형성되는 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(nano wire: NW), 및 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선 위에 이어져서 형성되는 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지는 적층이 가능하여 넓은 밴드 갭 범위를 갖고, 고성능 및 고효율을 나타낼 수 있으며, 경제적이다.The III-V compound solar cell of the present invention comprises a substrate; A back electrode layer formed on the substrate; A nanowire growth layer formed on the back electrode layer; A photoelectric conversion layer formed on the nanowire growth layer; And a transparent electrode layer formed on the photoelectric conversion layer, wherein the photoelectric conversion layer includes an n-type III-V compound nano wire (NW) formed on the nanowire growth layer, and a n-type III Lt; RTI ID = 0.0 > III-V < / RTI > The III-V compound solar cell can be laminated, has a wide band gap range, can exhibit high performance and high efficiency, and is economical.
Description
본 발명은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 저가의 기판 및 나노선(nano wire) 구조의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 사용함으로써, 적층이 가능하여 넓은 밴드 갭 범위를 갖고, 고성능 및 고효율을 나타낼 수 있으며, 경제적인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a III-V compound solar cell and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention uses a III-V group compound of a low-cost substrate and a nano wire structure to enable stacking, has a wide bandgap range, exhibits high performance and high efficiency, -V compound solar cell and a manufacturing method thereof.
최근 지구의 환경 문제와 화석 에너지의 고갈, 원자력 발전의 폐기물 처리 및 신규 발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신 재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양광 발전에 대한 연구 개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.In recent years, interest in renewable energy has been increasing due to environmental problems of the earth, depletion of fossil energy, waste treatment of nuclear power generation, and selection of location for new power plant construction. Among them, research on photovoltaic power generation Development is progressing actively both domestically and internationally.
태양전지(solar cell)는 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 반도체 소자로서, p형 반도체와 n형 반도체의 접합 형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 유사하다.A solar cell is a semiconductor device that converts solar energy directly into electric energy. It has a form of p-type semiconductor and n-type semiconductor, and its basic structure is similar to a diode.
전기적 성질이 서로 다른 p형의 반도체와 n형의 반도체를 접합시킨 구조를 갖는 태양전지에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자-정공쌍(electron hole pair)이 생겨나고, 전자와 정공이 이동하여 n형 반도체 층과 p형 반도체 층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(Photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다.When sunlight is irradiated onto a solar cell having a structure in which p-type and n-type semiconductors having different electrical properties are bonded to each other, an electron-hole pair is generated by light energy, and electrons and holes move An electromotive force is generated by a photovoltaic effect in which a current flows across the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, and a current flows to a load connected to the outside.
상세하게는, 외부에서 빛이 태양전지에 입사되었을 때 p형 반도체의 가전도대(valence band) 전자(electron)는 입사된 광에너지에 의해 전도대(conduction band)로 여기되고, 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공쌍을 생성하게 되며, 생성된 전자-정공 쌍 중 전자는 p-n 접합부 사이에 존재하는 전기장(electricfield)에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다.In detail, when light is incident on the solar cell from the outside, the electron band of the p-type semiconductor is excited to the conduction band by the incident light energy, Type semiconductor, and electrons among the generated electron-hole pairs are transferred to the n-type semiconductor by an electric field existing between the pn junctions to supply current to the outside .
한편, 현재 양산되고 있는 대부분의 태양전지는 실리콘계 태양전지로서, 반도체 기판으로서 실리콘(Si)을 사용하는데, 이 실리콘은 간접 밴드 사이의 천이 반도체(Indirect interband transition semiconductor)로서, 실리콘의 밴드갭 보다 큰 에너지를 갖는 빛을 흡수할 경우, 전자-정공쌍 생성 외에 열손실을 많이 발생시킬 수 있는 단점이 있다.On the other hand, most of the solar cells currently in mass production are silicon solar cells, which use silicon (Si) as a semiconductor substrate, which is an indirect interband transition semiconductor, which is larger than the bandgap of silicon When light having energy is absorbed, there is a disadvantage that heat loss can be generated in addition to electron-hole pair generation.
또한, 실리콘을 이용한 태양전지는 실리콘의 밴드갭 이하의 에너지를 갖는 빛은 전자-정공 쌍을 발생시키지 못하고 열에너지 등의 형태로 손실되어 광의 흡수율이 낮으며, 태양전지 내부로 입사되는 빛 중 30% 이상을 기판인 실리콘 웨이퍼 표면에서 반사시키므로 태양전지의 효율이 저하된다.In addition, in a solar cell using silicon, light having energy lower than the bandgap of silicon can not generate electron-hole pairs and is lost in the form of heat energy, so that the absorption rate of light is low, and 30% Is reflected on the surface of the silicon wafer as the substrate, and the efficiency of the solar cell is lowered.
이에 비하여, Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 이용한 태양전지는 다양한 밴드갭(bandgap)을 가지므로 이러한 특성을 이용하여 각각 흡수하는 파장 대역을 달리하는 화합물 셀(cell)을 구성하고, 각각의 셀을 터널 접합(tunnel junction)으로 결합한 적층(tandem) 구조를 이용하여 실리콘 태양전지보다 높은 에너지 변환 효율을 달성하고 있다.In contrast, a solar cell using a group III-V compound has a variety of bandgaps, so that a compound cell having a different wavelength band to be absorbed by each of the solar cells is constructed using these characteristics, (tandem) structure, which is coupled with a tunnel junction, achieves higher energy conversion efficiency than a silicon solar cell.
통상적으로, Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 이용한 태양전지는 수광 면적을 넓히기 위하여, Ge 또는 GaAs와 같은 기판을 사용하고 있으나, Ge 또는 GaAs 기판은 값이 비싸기 때문에 제조 비용이 증가하는 단점이 있다. 또한, 박막 형태로 제조할 경우, 고가의 소스(Ⅲ-Ⅴ족 화합물)가 과량 사용되므로 제조 비용이 증가한다. 따라서, Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 이용한 태양전지는 특수한 고성능 및 고효율을 요구하는 분야에만 적용되어 왔으며, 동일 전력 대비 제조 비용을 낮추기 위해 저가의 렌즈를 통한 집광을 수행하고 있는 실정이다.Generally, a solar cell using a group III-V compound uses a substrate such as Ge or GaAs to increase the light-receiving area, but the manufacturing cost is increased because a Ge or GaAs substrate is expensive. In addition, when the thin film is manufactured, an expensive source (III-V group compound) is used in an excessive amount, which increases manufacturing cost. Therefore, a solar cell using a group III-V compound has been applied only to fields requiring special high performance and high efficiency. In order to lower the manufacturing cost compared to the same power, a condensing operation is performed through a low cost lens.
따라서, 셀만으로도 저비용뿐만 아니라 대면적화를 통한 고효율화를 달성할 수 있는 방안으로, 박막 형태의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 사용하는 태양전지에 비하여, 상대적으로 적은 양의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 사용하고, 저가의 기판(유리(glass) 기판, 유연성(flexible) 기판 등) 상에 태양전지(또는 수광소자(photo detector))를 형성할 수 있는 기술이 필요하다.
Therefore, a relatively small amount of a group III-V compound is used in comparison with a solar cell using a group III-V compound in the form of a thin film, as a method of achieving high efficiency through large-scale as well as low- There is a need for a technique capable of forming a solar cell (or a photo detector) on a low-cost substrate (a glass substrate, a flexible substrate, etc.).
본 발명의 목적은 적층이 가능하여 넓은 밴드 갭 범위를 가지며, 고성능 및 고효율을 나타낼 수 있는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a III-V compound solar cell capable of being laminated and having a wide band gap range, exhibiting high performance and high efficiency, and a method for manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 저가의 기판 및 박막 형태에 비해 적은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 사용하는 경제적인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide an economical III-V compound solar cell using less III-V compounds compared to inexpensive substrates and thin films, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 하나의 관점은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지에 관한 것이다. 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 배면 전극층; 상기 배면 전극층 상에 형성되는 나노선 성장층; 상기 나노선 전극층 상에 형성되는 광전 변환층; 및 상기 광전 변환층 상에 형성되는 투명 전극층;을 포함하며, 상기 광전 변환층은 상기 나노선 성장층 위에 형성되는 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(nano wire: NW), 및 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선 위에 이어져서 형성되는 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 포함하는 것을 특징으로 한다.One aspect of the present invention relates to a group III-V compound solar cell. The III-V compound solar cell comprises a substrate; A back electrode layer formed on the substrate; A nanowire growth layer formed on the back electrode layer; A photoelectric conversion layer formed on the nanowire electrode layer; And a transparent electrode layer formed on the photoelectric conversion layer, wherein the photoelectric conversion layer includes an n-type III-V compound nano wire (NW) formed on the nanowire growth layer, and a n-type III Lt; RTI ID = 0.0 > III-V < / RTI >
구체예에서, 상기 나노선 성장층은 상기 배면 전극 층 위에 전도성 화합물을 증착시킨 전도성 화합물층, 및 상기 전도성 화합물층 위에 형성되는 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 및 팔라듐(Pd)을 1종 이상 포함하는 금속 촉매로 이루어진 촉매 입자층을 포함할 수 있다.In one embodiment, the nanowire growth layer comprises a conductive compound layer on which the conductive compound is deposited on the back electrode layer, and a conductive compound layer on the conductive compound layer, wherein the conductive compound layer is formed of gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), and palladium (Pd) And a catalyst particle layer made of a metal catalyst containing at least one metal catalyst.
구체예에서, 상기 전도성 화합물은 산화아연(ZnO), 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연, ITO, 그래핀, 및 탄소나노튜브를 1종 이상 포함하는 것일 수 있다.In an embodiment, the conductive compound may include one or more of zinc oxide (ZnO), zinc oxide doped with aluminum (Al), ITO, graphene, and carbon nanotubes.
구체예에서, 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선은 상기 촉매 입자층의 촉매 입자와 상기 전도성 화합물층 사이에 형성될 수 있다.In an embodiment, the n-type III-V compound nanowire may be formed between the catalytic particles of the catalytic particle layer and the conductive compound layer.
구체예에서, 상기 투명 전극층은 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선의 상단과 연결되도록 상기 광전 변화층 위에 전도성 화합물을 증착시킨 것일 수 있다.In an embodiment, the transparent electrode layer may be formed by depositing a conductive compound on the photoelectric conversion layer so as to be connected to the upper end of the p-type III-V compound nano-wire.
구체예에서, 상기 광전 변환층은 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선 및 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 둘러싸는 유전체를 더욱 포함할 수 있다.In an embodiment, the photoelectric conversion layer may further include a dielectric surrounding the n-type III-V compound nanowire and the p-type III-V compound nanowire.
구체예에서, 상기 기판은 유리 또는 유연성 기판일 수 있다.In an embodiment, the substrate may be a glass or a flexible substrate.
구체예에서, 상기 배면 전극층은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 및 구리(Cu)를 1종 이상 포함하는 금속으로 이루어질 수 있다.In an embodiment, the back electrode layer may be formed of a metal including at least one of molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel (Ni), and copper (Cu)
구체예에서, 상기 n 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선은 각각 n 및 p형 InxyGa(1-x)yAl1-yAszP1-z(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1), InGaAs, 또는 이들의 조합으로부터 형성될 수 있다.In an embodiment, the n and p type III-V compound nanowires are n and p type In xy Ga (1-x) y Al 1 -y As z P 1 -z (0 ? X? y? 1, 0? z? 1), InGaAs, or a combination thereof.
구체예에서, 상기 n 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선은 직경이 1 내지 100 nm이고, 길이가 1 내지 20 ㎛일 수 있다.In an embodiment, the n and p-type III-V compound nanowires may have a diameter of 1 to 100 nm and a length of 1 to 20 m.
구체예에서, 상기 광전 변환층의 에너지 밴드갭 범위는 0.3 내지 2.1 eV일 수 있다.In an embodiment, the energy band gap range of the photoelectric conversion layer may be 0.3 to 2.1 eV.
구체예에서, 상기 광전 변환층 및 상기 투명 전극층으로 이루어지는 단위가 두 번 이상 반복되어 적층되고, 상기 단위가 적층되는 투명 전극층 상에는 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 및 팔라듐(Pd)을 1종 이상 포함하는 금속 촉매로 이루어진 촉매 입자층이 더욱 적층되며, 적층되는 광전 변환층은 상기 기판으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 클 수 있다.In a specific example, the unit including the photoelectric conversion layer and the transparent electrode layer is repeatedly laminated two or more times, and the transparent electrode layer on which the unit is laminated is formed of a metal such as gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag) Pd), and the energy bandgap of the stacked photoelectric conversion layer may become larger as the distance from the substrate increases.
구체예에서, 상기 투명 전극층 위에, 유전체층, 나노선 성장층, 광전 변환층, 및 투명 전극층으로 이루어지는 단위가 한 번 이상 반복되어 더욱 적층되며, 적층되는 광전 변환층은 상기 기판으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 클 수 있다.In an embodiment, the unit including the dielectric layer, the nanowire growth layer, the photoelectric conversion layer, and the transparent electrode layer is repeatedly laminated on the transparent electrode layer one or more times on the transparent electrode layer. As the photoelectric conversion layer is further away from the substrate, The gap may be large.
본 발명의 다른 관점은 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은 배면 전극층이 형성된 기판 위에 나노선 성장층을 형성하는 단계; 상기 나노선 성장층 위에 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(nano wire: NW)을 형성하고 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선 위에 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 형성하여 광전 변환층을 형성하는 단계; 및 상기 광전 변환층 위에 투명 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Another aspect of the present invention relates to a method for producing the III-V compound solar cell. The method includes forming a nanowire growth layer on a substrate having a back electrode layer formed thereon; Growing an n-type III-V compound on the nanowire growth layer to form an n-type III-V compound nano wire and forming a p-type III-V compound on the n-type III- Group compound to form a p-type III-V compound nanowire to form a photoelectric conversion layer; And forming a transparent electrode layer on the photoelectric conversion layer.
구체예에서, 상기 나노선 성장층을 형성하는 단계는 상기 배면 전극층 위에 전도성 화합물을 증착시키는 단계, 및 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 및 팔라듐(Pd)을 1종 이상 포함하는 금속 촉매로 이루어진 촉매 입자층을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of forming the nanowire growth layer includes depositing a conductive compound on the back electrode layer, depositing at least one of gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), and palladium (Pd) And forming a catalytic particle layer made of a metal catalyst containing the metal catalyst.
구체예에서, 상기 광전 변환층을 형성하는 단계는 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 감싸도록 유전체를 증착시키는 단계, 및 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 감싸도록 유전체를 증착시키는 단계를 더욱 포함할 수 있다.In an embodiment, the step of forming the photoelectric conversion layer comprises depositing a dielectric to surround the n-type III-V compound nanowire, and depositing a dielectric to surround the p-type III-V compound nanowire Step < / RTI >
구체예에서, 상기 투명 전극층을 형성하는 단계는 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선의 상단과 연결되도록 상기 광전 변화층 위에 전도성 화합물을 증착시키는 단계일 수 있다.In an embodiment, the step of forming the transparent electrode layer may include the step of depositing a conductive compound on the photo-conversion layer so as to be connected to the top of the p-type III-V compound nano-wire.
구체예에서, 상기 광전 변환층을 형성하는 단계 및 상기 투명 전극층을 형성하는 단계를 두 번 이상 반복하여, 상기 광전 변환층 및 상기 투명 전극층으로 이루어지는 단위가 적층되도록 할 수 있다.In a specific example, the step of forming the photoelectric conversion layer and the step of forming the transparent electrode layer may be repeated two or more times so that the unit including the photoelectric conversion layer and the transparent electrode layer may be laminated.
구체예에서, 상기 광전 변환층 및 상기 투명 전극층으로 이루어지는 단위가 적층되는 투명 전극층 상에는 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 및 팔라듐(Pd)을 1종 이상 포함하는 금속 촉매로 이루어진 촉매 입자층이 더욱 적층될 수 있다.In a specific example, a metal catalyst containing at least one of gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), and palladium (Pd) is formed on a transparent electrode layer in which the unit including the photoelectric conversion layer and the transparent electrode layer are laminated The catalyst particle layer made may be further laminated.
구체예에서, 상기 투명 전극층 상에 유전체를 증착시켜 유전체층을 형성하는 단계, 및 상기 나노선 성장층을 형성하는 단계, 상기 광전 변환층을 형성하는 단계 및 상기 투명 전극층을 형성하는 단계를 한 번 이상 반복하여, 유전체층, 나노선 성장층, 광전 변환층, 및 투명 전극층으로 이루어지는 단위가 더욱 적층될 수 있다.
In one embodiment, a dielectric layer is formed on the transparent electrode layer to form a dielectric layer, and the step of forming the nanowire growth layer, the step of forming the photoelectric conversion layer, and the step of forming the transparent electrode layer may be repeated one or more times Repeatedly, a unit composed of a dielectric layer, a nanowire growth layer, a photoelectric conversion layer, and a transparent electrode layer can be further stacked.
본 발명은 광전 변환층에 나노선(nano wire) 구조의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 사용함으로써, 적층이 가능하여 넓은 밴드 갭 범위를 갖고, 고성능 및 고효율을 나타낼 수 있으며, 저가의 기판 및 박막 형태에 비해 적은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 사용하는 경제적인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지(solar cell) 및 그 제조방법을 제공하는 발명의 효과를 갖는다. 특히, 본 발명에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 적층형 나노선 구조는 수광소자(photo detector)로도 유용하다.
The present invention uses a III-V group compound having a nano wire structure in the photoelectric conversion layer to enable lamination, has a wide band gap range, can exhibit high performance and high efficiency, V group compound solar cell using a small amount of III-V group compound and a method for producing the same. In particular, the stacked nanowire structure of the III-V compound solar cell according to the present invention is also useful as a photo detector.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 단면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각 층별 전극이 분리된 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진.
도 5는 태양광 스펙트럼 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 격자상수 및 에너지 밴드갭을 나타낸 그래프.1 is a cross-sectional view of a III-V compound solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a stacked III-V compound solar cell according to another embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a stacked III-V compound solar cell according to another embodiment of the present invention in which electrodes for each layer are separated.
Figure 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of n-type III-V compound nanowires formed according to one embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the lattice constants and energy bandgaps of the solar spectrum and III-V compounds.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 단면도(개략도)이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지는 기판(10). 상기 기판(10) 상에 형성되는 배면 전극층(20), 상기 배면 전극층(20) 상에 형성되는 나노선 성장층(30), 상기 나노선 성장층(30) 상에 형성되는 광전 변환층(40), 및 상기 광전 변환층(40)상에 형성되는 투명 전극층(50)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
1 is a cross-sectional view (schematic) of a III-V compound solar cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a III-V compound solar cell according to the present invention is a
본 발명에 사용되는 기판(10)으로는 통상의 태양전지용 기판을 사용할 수 있으며, 비용 절감을 위하여, 유리 또는 유연성 기판을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 유연성 기판으로는 광 투과성을 가지며, 고온에서 적용 가능한 플라스틱 등 절연 물질이 사용될 수 있다. 상기 기판(10)의 두께는 예를 들면, 10 내지 300 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
As the
본 발명에 사용되는 배면 전극층(20)은 상기 기판(10) 위에 형성되는 것으로서, 본 발명의 태양전지는 400 내지 650℃의 고온에서 제조되므로, 고온에서 견딜 수 있는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 배면 전극층(20)은 예를 들면, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등의 금속을 1종 이상 증착시켜 형성할 수 있고, 바람직하게는 몰리브덴을 증착시켜 형성할 수 있다. 상기 배면 전극층(20)은 전극으로서 비저항이 낮으며, 상기 기판(10)에의 점착성이 뛰어나 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않는 것이 바람직하다. 상기 배면 전극층(20)의 두께는 예를 들면, 1 내지 100 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
The
본 발명에 사용되는 나노선 성장층(30)은 상기 배면 전극 층(20) 위에 전도성 화합물을 증착시킨 전도성 화합물층 및 상기 전도성 화합물층 위에 형성되는 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 팔라듐(Pd) 등의 금속 촉매 1종 이상, 바람직하게는 금 촉매로 이루어진 촉매 입자층을 포함하는 것으로서, 촉매를 이용한 나노선(nano wire: NW) 성장방법을 사용하여, 상기 촉매 입자 밑에서 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42) 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)을 성장시킬 수 있는 것이다. 여기서, 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42)은 상기 촉매 입자층의 촉매 입자와 상기 전도성 화합물층 사이에서 형성(성장)될 수 있고, 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42)은 상기 촉매 입자층의 촉매 입자와 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42) 상단 사이에 형성될 수 있다.The
상기 전도성 화합물로는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물과 낮은 오믹저항을 갖는, 산화아연(ZnO), 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연, ITO, 그래핀(Graphine), 탄소나노튜브(Carbon nano tube) 등을 1종 이상 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 산화아연(ZnO), 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연 및 이들의 조합을 사용할 수 있다.Examples of the conductive compound include a group III-V compound and zinc oxide (ZnO) doped with aluminum (Al), ITO, graphine, carbon nano tube, and the like having low ohmic resistance (ZnO), zinc (O) doped with aluminum (Al), or a combination thereof may be used.
상기 촉매 입자층의 촉매 입자 직경은 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 40 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 30 nm일 수 있다. 상기 범위에서, Ⅲ-Ⅴ족 화합물이 상대적으로 낮은 녹는점을 갖는 상기 촉매 입자와 전도성 화합물층(또는 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42)) 사이로 주입되어 측면 성장에 영향받지 않고, 수직으로 성장하는 n형 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42, 44)을 얻을 수 있다.The catalyst particle diameter of the catalyst particle layer may be 1 to 100 nm, preferably 5 to 40 nm, more preferably 10 to 30 nm. In this range, the group III-V compound is injected between the catalyst particles having a relatively low melting point and the conductive compound layer (or the n-type III-V compound nanowire 42) Growing n-type and p-type III-
상기 나노선 성장층(30)의 두께는 예를 들면, 1 내지 20 ㎛, 바람직하게는 2 내지 10 ㎛이다. 상기 범위에서, 나노선(42, 44) 길이에 대한 광전변환의 효율이 우수하다.
The thickness of the
본 발명에 사용되는 광전 변환층(40)은 상기 나노선 성장층(30) 위에서 상기 금속 촉매(촉매 입자) 밑에 형성되는 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42), 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42) 위에 이어져 금속 촉매(촉매 입자) 밑에서 형성되는 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 광전 변환층(40)은 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42) 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)을 감싸는 유전체(40에서, 42 및 44를 제외한 나머지)를 포함할 수 있다.The
상기 광전 변환층(40)은 나노선(nano wire) 구조의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 사용하므로, 박막 형태에 비해 사용되는 소스(Ⅲ-Ⅴ족 화합물)량을 약 1/10 가량 줄일 수 있고, 기존의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선 구조는 단일 접합만 가능한 구조이나, 본 발명의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선 구조는 적층이 가능한 구조이다. 또한, 박막 형태의 경우, 기판으로 사용되는 GaAs와 격자구조가 비슷하여야 하므로, 에너지 밴드갭 폭이 1.3 내지 1.9 eV 정도인 광전 변환층만 형성 가능했으나, 본 발명에 따른 나노선 구조의 경우, GaAs와 격자구조가 비슷한 물질뿐만 아니라 그보다 격자구조가 큰 물질도 측면 변형(strain)이 자유로운 1차원 성장으로 결정 구조 형성이 가능하므로, 에너지 밴드갭 폭을 0.3 내지 2.1 eV로 넓힐 수 있는 장점이 있다.Since the
상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42) 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)은 각각 n 및 p형 InxyGa(1-x)yAl1- yAszP1 -z(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1), InGaAs, 또는 이들의 조합, 바람직하게는 각각 n-InGaAs 및 p-InGaAs로부터 형성될 수 있다. 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42) 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)은 p-n 접합을 형성하며, 태양광이 입사되면 기전력(광기전력: photovoltage)을 발생시킬 수 있는 것이다. 상기 n 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42, 44)의 직경은 각각 1 내지 100nm, 바람직하게는 5 내지 40 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 30 nm이고, 길이는 각각 1 내지 20 ㎛, 바람직하게는 2 내지 15 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 내지 10 ㎛이다. 상기 범위에서, 측면 변형(strain)이 자유로운 1차원 성장으로 결정 구조 형성(나노선 형성)이 가능하며, 나노선(42, 44) 길이에 대한 광전변환의 효율이 우수하다.The n-type III-
상기 유전체는 상기 n 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42, 44)을 부동태화(passivation)시키고, 각 전극층과 분리되어 접촉될 수 있도록, 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42) 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)을 감싸도록 증착시키는 것이다. 상기 유전체로는 예를 들면, 고온에서도 성장이 가능한 물질인 SiO2, SiNx 등의 유전체를 사용할 수 있다.The dielectric is formed by passivating the n and p-type III-
상기 광전 변환층(40)의 두께는 2 내지 40 ㎛, 바람직하게는 4 내지 30 ㎛, 더욱 바람직하게는 6 내지 20 ㎛이다. 상기 범위에서, 측면 변형(strain)이 자유로운 1차원 성장으로 결정 구조 형성(나노선 형성)이 가능하며, 나노선(42, 44) 길이에 대한 광전변환의 효율이 우수하다. 또한, 상기 광전 변환층(40)의 에너지 밴드갭 범위는 0.3 내지 2.1 eV일 수 있다.
The thickness of the
본 발명에 사용되는 투명 전극층(50)은 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)의 상단과 연결되도록 상기 광전 변화층(40) 위에 전도성 화합물을 증착시킨 것이며, 태양전지 전면의 투명 전극으로서, 광투과율 및 전기 전도성이 우수한 것이다.The
상기 전도성 화합물로는 상기 전도성 화합물층에 사용된 전도성 화합물이 사용될 수 있으며, 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 화합물과 낮은 오믹저항을 갖는, 산화아연(ZnO), 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연, ITO, 그래핀(Graphine), 탄소나노튜브(Carbon nano tube) 등을 1종 이상 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 산화아연(ZnO), 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연 및 이들의 조합을 사용할 수 있다. 특히, 상기 산화아연은 에너지 밴드갭이 약 3.37 eV이고, 80% 이상의 높은 광투과도를 가지고, 알루미늄 등으로 도핑하여 10-4 Ω·cm 이하의 낮은 저항값을 얻을 수 있다. 또한, 필요에 따라, 붕소 원자(B)로 도핑하여 단락전류를 증가시킬 수도 있다. 상기 투명 전극층(50)의 두께는 예를 들면, 바람직하게는 1 내지 20 ㎛, 바람직하게는 2 내지 10 ㎛이다. 상기 범위에서, 전도성 및 투명도가 우수할 수 있다.
As the conductive compound, a conductive compound used in the conductive compound layer may be used. For example, zinc oxide (ZnO), aluminum (Al) -doped zinc oxide having low ohmic resistance and Group III- (ZnO), zinc (O) doped with aluminum (Al), and a combination thereof, may be used in combination with a metal oxide such as ITO, graphine, carbon nanotube, Can be used. Particularly, the zinc oxide has an energy band gap of about 3.37 eV, has a high light transmittance of 80% or more, and can be doped with aluminum or the like to obtain a low resistance value of 10 -4 Ω · cm or less. Further, if necessary, it may be doped with a boron atom (B) to increase the shortcircuit current. The thickness of the
본 발명의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지에는 도 1에 도시된 바와 같이, 태양전지 표면에서의 전류를 수집하기 위한 전극 패드(60)가 상기 배면 전극층(20) 및 투명 전극층(50) 위에 형성될 수 있다. 상기 전극 패드(60)는 예를 들면, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 이들의 조합 등을 정해진 패턴으로 증착시켜 제조할 수 있다.
As shown in FIG. 1, an
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 단면도(개략도)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지는 상기 광전 변환층(40) 및 상기 투명 전극층(50)으로 이루어지는 단위가 두 번 이상, 바람직하게는 3 내지 15번, 더욱 바람직하게는 4 내지 8번 반복되어 적층되고(도 2는 상기 단위가 5번 적층된 실시예), 상기 단위가 적층되는 투명 전극층(50, 50a, 50b, 50c) 상에는 상기 촉매 입자층이 더욱 적층되며, 광전 변환층(40, 40a, 40b, 40c, 40d)은 상기 기판으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 큰 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지일 수 있다. 본 발명의 태양전지는 상기 촉매 입자층을 시드(seed)로 하여, III족 화합물과 V족 화합물의 비율을 조절함으로써, 각 광전 변환층(40, 40a, 40b, 40c, 40d)의 에너지 밴드갭을 조절할 수 있고, 기판으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 큰 나노선을 적층하여, 상기 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지를 형성할 수 있다.2 is a cross-sectional view (schematic diagram) of a stacked III-V compound solar cell according to another embodiment of the present invention. 2, a group III-V compound solar cell according to the present invention is characterized in that the unit consisting of the
여기서, 상기 적층형 태양전지는 상기 단위 중간에 위치하는 투명 전극층(50, 50a, 50b, 50c)을 경계로 하부의 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44, 44a, 44b, 44c)과 상부의 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42a, 42b, 42c, 42d)이 고농도로 존재하여, 투명 전극층(50, 50a, 50b, 50c)을 통하여 터널링이 이루어지는 것이다. 즉, 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지에서, 상기 투명 전극층(50, 50a, 50b, 50c)은 터널졍션(tunnel junction)의 역할을 하며, 전극 패드(60)는 상기 배면 전극층(20) 및 최상부의 투명 전극층(50d) 위에 형성될 수 있다. 또한, 상기 광전 변환층(40, 40a, 40b, 40c, 40d)의 에너지 밴드갭은 예를 들면, 각각 0.7 eV(40), 1.0 eV(40a), 1.2 eV(40b), 1.4 eV(40c) 및 1.8 eV(40d)일 수 있다.
The stacked type solar cell has p-type III-
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 각 층별 전극이 분리된 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 단면도(개략도)이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지는 상기 투명 전극층(50) 위에, 유전체층(70a, 70b, 70c, 70d), 나노선 성장층(30a, 30b, 30c, 30d), 광전 변환층(40a, 40b, 40c, 40d), 및 투명 전극층(50a, 50b, 50c, 50d)으로 이루어지는 단위가 한 번 이상 반복되어 더욱 적층되며(도 3은 상기 단위가 4번 적층된 실시예), 적층되는 광전 변환층(40, 40a, 40b, 40c, 40d)은 상기 기판으로부터 멀어질수록 에너지 밴드갭이 각 층별 전극이 분리된 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지일 수 있다.FIG. 3 is a cross-sectional view (schematic diagram) of a stacked III-V compound solar cell in which electrodes for each layer are separated according to another embodiment of the present invention. 3, the III-V compound solar cell according to the present invention includes
여기서, 상기 각 층별 전극이 분리된 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지는 광전 변환층(40, 40a, 40b, 40c, 40d)을 포함하는 각 단위(층)가 유전체층(70a, 70b, 70c, 70d)에 의해 전기적으로 차단되어 있는 구조이며, 전극 패드(60)는 상기 배면 전극층(20) 및 각각의 투명 전극층(50, 50a, 50b, 50c, 50d) 위에 형성된다. 상기 태양전지로부터 생성된 전원은 각 단위별로 얻어진 전원을 더해서 얻어진다. 상기 광전 변환층(40, 40a, 40b, 40c, 40d)의 에너지 밴드갭은 예를 들면, 각각 0.7 eV(40), 1.0 eV(40a), 1.2 eV(40b), 1.4 eV(40c) 및 1.8 eV(40d)일 수 있고, 상기 유전체층(70a, 70b, 70c, 70d)의 두께는 예를 들면, 0.01 내지 2 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
In the stacked III-V compound solar cell in which the electrodes for each layer are separated, each unit (layer) including the photoelectric conversion layers 40, 40a, 40b, 40c and 40d is formed of
본 발명에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지는 태양전지의 용도 외에도 수광소자 등의 반도체 소자로도 사용이 가능하다. 예를 들어, 상기 각 층별 전극이 분리된 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지가 수광소자로 사용될 경우, 각 단위(층)별로 신호를 얻을 수 있다.
The III-V compound solar cell according to the present invention can be used not only as a solar cell but also as a semiconductor element such as a light receiving element. For example, when a stacked III-V compound solar cell in which the electrodes for each layer are separated is used as a light receiving element, signals can be obtained for each unit (layer).
본 발명의 다른 관점은 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 제조방법은 배면 전극층(20)이 형성된 기판(10) 위에 나노선 성장층(30)을 형성하는 단계; 상기 나노선 성장층(30) 위에 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42, nano wire: NW)을 형성하고 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42) 위에 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)을 형성하여 광전 변환층(40)을 형성하는 단계; 및 상기 광전 변환층(40) 위에 투명 전극층(50)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Another aspect of the present invention relates to a method for producing the III-V compound solar cell. A method for fabricating a III-V compound solar cell according to the present invention comprises the steps of: forming a nanowire growth layer (30) on a substrate (10) on which a back electrode layer (20) is formed; An n-type III-V compound is grown on the
또한, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 제조방법은 상기 배면 전극층(20) 및 투명 전극층(50) 위에, 예를 들면, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 이들의 조합 등을 정해진 패턴으로 증착시켜 전극 패드(60)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
The method for manufacturing a III-V compound solar cell may further include depositing aluminum (Al), nickel (Ni), a combination thereof, and the like in a predetermined pattern on the
상기 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 나노선 성장층(30)을 형성하는 단계는 상기 배면 전극층(20) 위에 상기 전도성 화합물을 증착시키는 단계, 및 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 및 팔라듐(Pd)을 1종 이상 포함하는 금속 촉매로 이루어진 촉매 입자층을 형성시키는 단계를 포함하는 것일 수 있다.The step of forming the
상기 전도성 화합물의 증착은 통상의 증착 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 증착 온도 25 내지 200℃, 바람직하게는 30 내지 100℃, 증착 시간 1 내지 120분, 바람직하게는 5 내지 30분의 조건에서 증착시킬 수 있다. 상기 범위에서, 양질의 박막(전도성 화합물층)이 형성될 수 있다.The conductive compound may be deposited by a conventional deposition method, for example, at a deposition temperature of 25 to 200 DEG C, preferably 30 to 100 DEG C, a deposition time of 1 to 120 minutes, preferably 5 to 30 minutes Lt; / RTI > Within this range, a good thin film (conductive compound layer) can be formed.
상기 촉매 입자층의 형성 단계는 예를 들면, 상기 배면 전극층(20) 위에 상기 금속 촉매의 콜로이드 용액을 도포한 후, 질소 건(N2 gun)으로 예를 들면, 10 내지 60초 동안 불어주어 입자층을 형성하는 것일 수 있으나, 입자층을 형성할 수 있는 방법이면 제한되지 않는다.
The catalyst particle layer may be formed by, for example, applying a colloidal solution of the metal catalyst on the
구체예에서, 상기 투명 전극층을 형성하는 단계는 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선의 상단과 연결되도록 상기 광전 변화층 위에 전도성 화합물을 증착시키는 단계일 수 있다.In an embodiment, the step of forming the transparent electrode layer may include the step of depositing a conductive compound on the photo-conversion layer so as to be connected to the top of the p-type III-V compound nano-wire.
상기 광전 변환층(30)을 형성하는 단계에서, 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 성장은 통상의 금속 촉매를 이용한 성장(증착) 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 유기금속화학증착기(metalorganic chemical vapor deposition: MOCVD)를 사용하여, 증착 온도 350 내지 650℃, 바람직하게는 400 내지 600℃, 증착 시간 0.1 내지 30분, 바람직하게는 0.5 내지 10분의 조건에서, n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 분말을 투입하여, 상기 나노선 성장층(30) 위에서 상기 금속 촉매 입자 밑에 나노선(42)을 성장(증착)시킬 수 있다. 상기 범위에서, 변형(strain)이 자유로운 1차원 성장으로 결정 구조 형성에 유리하며, 충분한 직경 및 길이의 나노선(42)을 얻을 수 있다.In the step of forming the
상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42)은 n형 도펀트(dopant)에 의해 도핑된 것일 수 있으며, 상기 도핑은 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42)의 형성 시, n형 도펀트(dopant)인 실리콘(Si), 텔루륨(Te), 셀렌(Se) 소스 가스 등을 상기 나노선(42)을 성장시킬 때 같이 넣어 주거나, 상기 나노선(42)이 성장된 후, 상기 소스 가스를 확산(diffusion)시키는 방식에 의해서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The n-type III-
또한, 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물도 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 성장 방법과 동일한 방법을 사용하여 성장시킬 수 있으며, 예를 들면, 유기금속화학증착기(metalorganic chemical vapor deposition: MOCVD)를 사용하여, 증착 온도 350 내지 650℃, 바람직하게는 400 내지 600℃, 증착 시간 0.1 내지 30분, 바람직하게는 0.5 내지 10분의 조건에서, 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42) 위에 이어지도록, 상기 금속 촉매 입자 밑에 나노선(44)을 성장시킬 수 있다. 상기 범위에서, 변형(strain)이 자유로운 1차원 성장으로 결정 구조 형성에 유리하며, 충분한 직경 및 길이의 나노선(44)을 얻을 수 있다.The p-type III-V compound may also be grown using the same method as the n-type III-V compound growth method, for example, by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) Type III-
상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)은 p형 도펀트(dopant)에 의해 도핑된 것일 수 있으며, 상기 도핑은 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)의 형성 시, p형 도펀트(dopant)인 카본(C), 아연(Zn) 소스 가스 등을 상기 나노선(44)을 성장시킬 때 같이 넣어 주거나, 상기 나노선(44)이 성장된 후, 상기 소스 가스를 확산(diffusion)시키는 방식에 의해서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The p-type III-
상기 광전 변환층(30)을 형성하는 단계는 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42)을 감싸도록 유전체를 증착시키는 단계, 및 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(44)을 감싸도록 유전체를 증착시키는 단계를 더욱 포함시켜, 상기 n 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42, 44)을 부동태화(passivation)시키고, 각 전극층과 분리되어 접촉되도록 할 수 있다. 또한, 상기 n형 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42, 44)을 감싸도록 유전체를 증착시키는 단계 후, 상기 n형 및 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42, 44)의 상단을 노출시키기 위해, 형성된 유전체층의 상부를 에칭하여 제거(예를 들면, 약 0.1 ㎛ 두께의 유전체층을 제거)하는 단계를 더욱 포함할 수도 있다.The step of forming the
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 유전체의 증착은 통상의 증착 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면, SiO2, SiNx 등의 유전체를 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법 등을 사용하여, 증착 온도 25 내지 350℃, 바람직하게는 30 내지 300℃, 증착 시간 1 내지 120분, 바람직하게는 5 내지 30분의 조건에서 증착시킬 수 있다. 상기 범위에서, 광전 변환층(30)의 물성에 영향을 주지 않고, 유전체를 증착시킬 수 있다.
In the manufacturing method of the present invention, the dielectric may be deposited by a conventional deposition method. For example, a dielectric material such as SiO 2 or SiNx may be deposited by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) At a temperature of 25 to 350 DEG C, preferably 30 to 300 DEG C, and a deposition time of 1 to 120 minutes, preferably 5 to 30 minutes. Within the above range, the dielectric material can be deposited without affecting the physical properties of the
본 발명의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 제조방법은 상기 광전 변환층(40)을 형성하는 단계 및 상기 투명 전극층(50)을 형성하는 단계를 두 번 이상 반복하여, 상기 광전 변환층(40) 및 상기 투명 전극층(50)으로 이루어지는 단위를 적층시킴으로써, 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지를 제조할 수 있다. 여기서, 상기 광전 변환층(40) 및 상기 투명 전극층(50)으로 이루어지는 단위가 적층되는 투명 전극층(50, 50a, 50b, 50c) 상에는 상기 촉매 입자층이 증착되어, 상기 촉매 입자 밑에서 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42a, 42b, 42c, 42d)을 성장시킬 수 있다.The method for fabricating a III-V compound solar cell according to the present invention is characterized in that the step of forming the
또한, 상기 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 제조방법은 상기 배면 전극층(20) 및 최상부의 투명 전극층(50d) 위에, 예를 들면, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 이들의 조합 등을 정해진 패턴으로 증착시켜 전극 패드(60)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
The method for fabricating a laminated III-V compound solar cell may further include the step of forming a layered III-V compound solar cell on the
또한, 본 발명의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 제조방법은 상기 투명 전극층(50) 상에 유전체를 증착시켜 유전체층(70a)을 형성하는 단계, 및 상기 나노선 성장층(30)을 형성하는 단계, 상기 광전 변환층(40)을 형성하는 단계 및 상기 투명 전극층(50)을 형성하는 단계를 한 번 이상 반복하여, 유전체층(70a, 70b, 70c, 70d), 나노선 성장층(30a, 30b, 30c, 30d), 광전 변환층(40a, 40b, 40c, 40d), 및 투명 전극층(50a, 50b, 50c, 50d)으로 이루어지는 단위를 더욱 적층시킴으로써, 각 층별 전극이 분리된 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지를 제조할 수 있다.The method for fabricating a III-V compound solar cell of the present invention includes the steps of forming a
또한, 상기 각 층별 전극이 분리된 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 제조방법은 상기 배면 전극층(20) 및 각각의 투명 전극층(50, 50a, 50b, 50c, 50d) 위에, 예를 들면, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 이들의 조합 등을 정해진 패턴으로 증착시켜 전극 패드(60)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
The method for manufacturing a laminated III-V compound solar cell in which the electrodes for each of the layers are separated is characterized in that the method for manufacturing a laminated III-V compound solar cell comprises the steps of: forming a metal layer on the
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로서, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but these examples are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the present invention.
실시예Example
실시예Example 1 One
본 발명의 일 실시예에 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 제조방법을 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.A method of manufacturing a III-V compound solar cell according to an embodiment of the present invention will be described in more detail as follows.
우선, 유리 또는 유연성 기판(10) 위에 몰리브덴(Mo) 등을 증착시켜 배면 전극층(20)을 형성한 후, 산화아연(ZnO) 또는 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연을 증착시켰다. 상기 결과물을 PLL(poly-L-lysine) 용액에 3분간 담그고, 탈이온수를 사용하여 세척한 후, 질소(N2)로 건조시켰다. 건조된 결과물 상부에 직경이 20 nm인 금(Au) 콜로이드 용액을 도포하고, 질소(N2) 건으로 30초간 불어주어 촉매 입자층을 형성시킨 다음, 유기금속화학증착기(metalorganic chemical vapor deposition: MOCVD)에 넣고 620℃에서 15분간 수소(H2)를 흘림으로써 표면오염을 제거하고 금 촉매 입자층이 형성된 나노선 성장층(Au/ZnO 합금)(30)을 형성하였다. 다음으로, 상기 증착기의 온도를 470℃로 내리고, 상기 금 촉매 입자 밑에 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로서, n-InGaAs를 2 ㎛ 이상 성장시켜, n-InGaAs 나노선(42, nanowire: NW)을 형성시켰다. 형성된 n-InGaAs 나노선(42)에 유전체로서 SiO2를 증착시키고, n-InGaAs 나노선(42) 위에 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로서, p-InGaAs를 증착(성장)시키기 위하여, BOE(Buffered Oxide Etchant) 또는 불화수소(HF) 용액으로 증착시킨 SiO2층을 약 0.1 ㎛ 가량 에칭한 다음, 470℃에서, SiO2층 위에 드러나 있는 n-InGaAs 나노선(42) 위에 이어지도록 상기 금 촉매 입자 밑에서, p-InGaAs를 2 ㎛ 이상 성장시켜 p-InGaAs 나노선(44)을 형성시켰다. 형성된 p-InGaAs 나노선(44)에 유전체로서 SiO2를 증착시켜 광전 변환층(40)을 형성한 후, 상기 p-InGaAs 나노선(44) 상단을 포함하도록, 상기와 같이, 증착시킨 SiO2층을 약 0.1 ㎛ 가량 에칭한 다음, 산화아연(ZnO) 또는 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연을 증착시켜 투명 전극층(50)을 형성하였다. 다음으로, 상기 배면 전극층(20) 및 투명 전극층(50) 위에, 알루미늄(Al)을 정해진 패턴으로 증착시켜 전극 패드(60)를 형성시키고, 도 1로 표시되는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지를 제조하였다. 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물(n-InGaAs) 나노선의 윗면 및 단면에 대한 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진을 촬영하여, 도 4에 나타내었다.
First, molybdenum (Mo) or the like is deposited on the glass or
실시예Example 2 2
본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 제조방법을 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.A method for manufacturing a stacked III-V compound solar cell according to another embodiment of the present invention will be described in more detail as follows.
상기 본 발명의 일 실시예 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 제조방법 중, 상기 광전 변환층(40)을 형성하는 단계와 상기 투명 전극층(50)을 형성하는 단계를 5번 반복하여, 광전 변환층(40a, 40b, 40c, 40d) 및 투명 전극층(50a, 50b, 50c, 50d)을 형성하였다. 여기서, 상기 투명 전극층(50, 50a, 50b, 50c) 상에는 상기 금 콜로이드 용액을 증착시켜, 금(Au) 위에 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(42a, 42b, 42c, 42d)이 성장되도록 하였다. 다음으로, 상기 배면 전극층(20) 및 최상부의 투명 전극층(50d) 위에, 알루미늄(Al)을 정해진 패턴으로 증착시켜 전극 패드(60)를 형성시키고, 도 2로 표시되는 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지를 제조하였다.
In the method of manufacturing a III-V compound solar cell according to an embodiment of the present invention, the step of forming the
실시예Example 3 3
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각 층별 전극이 분리된 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 제조방법을 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.A method for manufacturing a stacked III-V compound solar cell in which electrodes for each layer are separated according to another embodiment of the present invention will be described in more detail as follows.
상기 본 발명의 일 실시예 따른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지의 제조방법에서, 상기 투명 전극층(50) 상에 유전체를 증착시켜 유전체층(70a)을 형성하고, 상기 나노선 성장층(30)을 형성하는 단계, 상기 광전 변환층(40)을 형성하는 단계 및 상기 투명 전극층(50)을 형성하는 단계를 4번 반복하여, 유전체층(70a, 70b, 70c, 70d), 나노선 성장층(30a, 30b, 30c, 30d), 광전 변환층(40a, 40b, 40c, 40d), 및 투명 전극층(50a, 50b, 50c, 50d)으로 이루어지는 단위를 더욱 적층시켰다. 다음으로, 상기 배면 전극층(20) 및 각각의 투명 전극층(50, 50a, 50b, 50c, 50d) 위에, 알루미늄(Al)을 정해진 패턴으로 증착시켜 전극 패드(60)를 형성시키고, 도 3으로 표시되는 각 층별 전극이 분리된 적층형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지를 제조하였다.
In the method of manufacturing a III-V compound solar cell according to an embodiment of the present invention, a dielectric is deposited on the
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
Claims (20)
상기 기판 상에 형성되는 배면 전극층;
상기 배면 전극층 상에 형성되는 나노선 성장층;
상기 나노선 성장층 상에 형성되는 광전 변환층; 및
상기 광전 변환층 상에 형성되는 투명 전극층;을 포함하며,
상기 광전 변환층은 상기 나노선 성장층 위에 형성되는 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(nano wire: NW), 및 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선 위에 이어져서 형성되는 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선과 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선 및 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 둘러싸는 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지.
Board;
A back electrode layer formed on the substrate;
A nanowire growth layer formed on the back electrode layer;
A photoelectric conversion layer formed on the nanowire growth layer; And
And a transparent electrode layer formed on the photoelectric conversion layer,
Wherein the photoelectric conversion layer comprises an n-type III-V compound nano wire (NW) formed on the nanowire growth layer, and a p-type III-V layer formed on the n-type III- Group III compound semiconductor nanowire and a dielectric surrounding the n-type III-V compound nanowire and the p-type III-V compound nanowire.
The nanowire growth layer according to claim 1, wherein the nanowire growth layer comprises a conductive compound layer formed by depositing a conductive compound on the back electrode layer, and a conductive compound layer formed on the conductive compound layer by using gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag) Lt; RTI ID = 0.0 > III-V < / RTI > compound solar cell.
3. The Group III-V compound according to claim 2, wherein the conductive compound comprises at least one of zinc oxide (ZnO), zinc oxide doped with aluminum (Al), ITO, graphene, Solar cells.
3. The III-V compound solar cell according to claim 2, wherein the n-type III-V compound nanowire is formed between the catalyst particles of the catalyst particle layer and the conductive compound layer.
The III-V compound solar cell according to claim 1, wherein the transparent electrode layer is formed by depositing a conductive compound on the photoelectric conversion layer so as to be connected to an upper end of the p-type III-V compound nanowire.
The III-V compound solar cell of claim 1, wherein the substrate is a glass or a flexible substrate.
The III-V compound solar cell according to claim 1, wherein the back electrode layer is made of a metal containing at least one of molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel (Ni), and copper (Cu) .
2. The compound according to claim 1, wherein the n and p-type III-V compound nanowires are n and p-type In xy Ga (1-x) y Al 1 -y As z P 1 -z 0? Y? 1, 0? Z? 1), InGaAs, or a combination thereof.
2. The III-V compound solar cell according to claim 1, wherein the n and p-type III-V compound nanowires have a diameter of 1 to 100 nm and a length of 1 to 20 m.
The III-V compound solar cell according to claim 1, wherein the energy band gap range of the photoelectric conversion layer is 0.3 to 2.1 eV.
The method according to claim 1, wherein the unit including the photoelectric conversion layer and the transparent electrode layer is repeated twice or more, and gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag) Wherein a catalyst particle layer made of a metal catalyst containing at least one palladium (Pd) is further laminated, and a photoelectric conversion layer stacked has a larger energy bandgap as it is away from the substrate.
3. The method according to claim 1, wherein a unit consisting of a dielectric layer, a nanowire growth layer, a photoelectric conversion layer, and a transparent electrode layer is repeated one or more times on the transparent electrode layer, and the photoelectric conversion layer Lt; RTI ID = 0.0 > III-V < / RTI > compound solar cell.
상기 나노선 성장층 위에 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선(nano wire: NW)을 형성하고 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선 위에 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 성장시켜 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 형성하여 광전 변환층을 형성하는 단계; 및
상기 광전 변환층 위에 투명 전극층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 광전 변환층을 형성하는 단계는 상기 n형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 감싸도록 유전체를 증착시키는 단계, 및 상기 p형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 나노선을 감싸도록 유전체를 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 제조방법.
Forming a nanowire growth layer on a substrate on which a back electrode layer is formed;
Growing an n-type III-V compound on the nanowire growth layer to form an n-type III-V compound nano wire and forming a p-type III-V compound on the n-type III- Group compound to form a p-type III-V compound nanowire to form a photoelectric conversion layer; And
And forming a transparent electrode layer on the photoelectric conversion layer,
The step of forming the photoelectric conversion layer includes depositing a dielectric to surround the n-type III-V compound nanowire, and depositing a dielectric to surround the p-type III-V compound nanowire Lt; RTI ID = 0.0 > III-V < / RTI > compound solar cell.
15. The method of claim 14, wherein forming the nanowire growth layer comprises: depositing a conductive compound on the back electrode layer; depositing gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), and palladium And forming a catalytic particle layer made of a metal catalyst containing at least one kind of metal catalyst.
15. The method of claim 14, wherein the step of forming the transparent electrode layer is a step of depositing a conductive compound on the photoelectric conversion layer so as to be connected to an upper end of the p-type III-V compound nanowire. ≪ / RTI >
15. The method according to claim 14, wherein the step of forming the photoelectric conversion layer and the step of forming the transparent electrode layer are repeated two or more times so that the unit comprising the photoelectric conversion layer and the transparent electrode layer is laminated. V compound solar cell.
The method according to claim 18, wherein a transparent electrode layer on which the unit consisting of the photoelectric conversion layer and the transparent electrode layer is laminated is formed of a metal containing at least one of gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), and palladium (Pd) Lt; RTI ID = 0.0 > III-V < / RTI > compound solar cell.
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