KR101420053B1 - Ldh층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자 및 이와 결합된 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 LDH층(Layered Double Hydroxides)을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자에 관한 것이고, 이러한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자를 이용한 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 LDH층(Layered Double Hydroxides)을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자에 관한 것이고, 이러한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자를 이용한 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지에 관한 것이다.
우리 주변에는 무한한 기계적 에너지(바람, 파도, 미세 진동 등)와 무한한 태양 에너지가 존재한다. 이러한 에너지들은 미래의 차세대 녹색 에너지로서 현재 주목을 받고 있다.
기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전 에너지 발전 소자가 개발되어 이미 아스팔트에서 이용되고 있고(이스라엘의 경우), 건물 내장재 등에서도 향후 이용이 될 가능성이 높다.
태양전지의 경우 무한한 에너지원인 태양광을 이용하는 에너지 발생장치로 큰 주목을 받고 있지만, 단일 소자로서는 이론적인 에너지 변환 효율의 한계 및 시공간적 제약이 존재한다.
태양전지는 실험실 수준에서는 약 20 %, 양산효율은 17 ~ 18 %정도인 것으로 알려져 있으며, 이론적인 변환효율의 최대값은 약 28 %이다. 이러한 이론적인 한계는 다른 에너지 하베스팅 소자와의 융·복합화를 통해 단위 소자당 효율을 높임으로써 극복해낼 수 있을 것이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 태양전지와 압전소자의 융합 및 소자설계를 통하여 이러한 제약을 해결하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.
이와같이 서로 상이한 에너지 변환 메커니즘을 갖는 태양전지와 압전소자의 융·복합 및 소자 설계를 통해 공간적·시간적인 제약 없이 구동이 가능한 고효율의 태양전지 소자를 구현하고, 그에 대한 메커니즘을 규명하여 새로운 학문적 패러다임을 제시함으로써 에너지 분야의 비약적인 도약이 예상된다.
그러나, 태양 전지와 압전 소자의 융합에 있어서, 기존 압전소자의 경우 높은 저항으로 인해 높은 전압을 얻기 위한 직렬연결 타입의 구조가 어려다는 단점이 있었고, 일반적인 압전 발전소자에서 발생하는 교류전압을 직류전압으로 전환하기 위해 다이오드 연결이 필요한데 이 과정에서 전류 손실(current loss)이 발생한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 기존 기술의 문제점을 해결하고자 LDH층을 포함한 압전 에너지 발전 소자를 고안하였고, 이를 태양전지와 접목시켰다.
본 발명은 직류전압을 발생시키는 압전소자를 접목시켜서 다이오드가 필요없는 새로운 형태의 융합 소자 및 구조를 발명하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 우리 주변에 존재하는 빛·기계적(바람, 파도, 음파, 미세진동 등)·자기 에너지와 같은 다양한 형태의 에너지원을 효과적으로 이용하기 위해 서로 상이한 에너지 변환 특성을 갖는 다양한 소재의 융복합을 통해 전자기적·광학적·기계적 특성을 상호 보완적으로 사용하여 새로운 개념의 에너지 변환 현상을 관찰·규명하고 이를 기반으로 독창적이고 차별화된 에너지 소자를 구현하고자 함을 그 목적으로 한다.
또한, 태양전지와 압전 에너지 발전 소자를 융합시킴에 의해 태양 전지의 효율의 한계를 극복해 냄을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 태양전지 구조에 압전소자를 융합하게 되면, 풍압 등 무의미 하게 소모되는 기계적인 에너지에 의해 발생된 압전소자의 기전력에 의해 Voc가 증가하는 효과를 기대할 수 있고, Voc의 증가를 통해 태양전지의 이론적인 기대효율보다 더 높은 태양전지의 에너지 효율을 기대할 수 있게 된다. 이와 같이, 단순한 두 소자의 효율의 합이 아닌 상호 보완적인 에너지 하베스팅 기술이 본 발명에서 구현하고자 하는 융합형 에너지 하베스팅 기술이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자는, 일면에 알루미늄이 부착된 기판; 상기 알루미늄이 부착된 기판의 일면 상에 습식 성장된 산화아연 시트층; 상기 기판 및 상기 산화아연 시트층 사이의 LDH층; 상기 산화아연 시트층 위에 배치된 전극층; 상기 상부 전극층 위에 배치된 기판을 포함하고, 상기 LDH층은 발생된 전하를 저장하여 직류 형태의 전압을 생성하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 산화아연 시트층의 습식 성장은, 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)26H2O)와 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine, C6H12N4)을 탈이온화된 물(Deionized Water)에 용해시키거나 또는 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2 H2O), 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트 (Al(NO3)3 H2O)를 탈이온화된 물에 용해시켜 성장 용액을 준비하는 단계; 및 상기 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키는 단계에 의해 이루어진다.
한편, 성장 용액을 준비하는 단계에서, pH 조절을 위해 NaOH 및 HNO3를 이용할 수 있다.
일면에 알루미늄이 부착된 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키는 단계는 1기압, 95℃에서 3시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
기판은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 전극은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 니켈 (Ni), 니켈-금 합금 (NiAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 티타늄-금 합금(TiAu), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 불소 함유 산화주석(FTO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지는, 일면에 알루미늄이 부착된 기판; 상기 알루미늄이 부착된 기판의 일면 상에 습식 성장된 산화아연 시트층; 상기 기판 및 상기 산화아연 시트층 사이의 LDH층; 상기 산화아연 시트층 위에 배치된 전극층; 상기 전극층 상에 배치된 광활성층을 포함하고, 상기 LDH층은 발생된 전하를 저장하여 직류 형태의 전압을 생성하여 태양전지의 기전력이 증가되는 것을 특징으로 한다.
이 경우 광활성층 상에 태양전지 상부 전극층 및 윈도우층을 추가로 포함할 수 있다.
한편, 산화아연 시트층 위에 배치된 전극층 상에 압전 에너지 발전 소자를 위한 별도의 기판이 배치되고, 별도의 기판 상에 태양전지 하부 전극층이 배치될 수도 있다.
광활성층은, p형 반도체; 버퍼층; 및 n형 반도체층의 박막이 순서대로 적층되어 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지는, 기판; 상기 기판 상의 전극층; 상기 전극층 상의 산화아연 시트층; 상기 산화아연 시트층 상의 LDH층; 상기 LDH층 상의 알루미늄 전극층; 상기 전극층 상에 배치된 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 배치된 태양전지 상부 전극층 및 윈도우층을 포함하고, 상기 LDH층은 발생된 전하를 저장하여 직류 형태의 전압을 생성하여 태양전지의 기전력이 증가되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2a-2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자가 외부의 힘을 받을 때 내부 구조의 변화의 모습을 도시한다.
도 3a는 기판 위에 산화아연 나노시트가 성장된 개략적인 모습이고, 도 3b는 이렇게 성장된 산화아연 나노시트의 실제 표면 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지에서 기대되는 효율의 증가 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 전압 그래프를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 구조의 모식도이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2a-2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자가 외부의 힘을 받을 때 내부 구조의 변화의 모습을 도시한다.
도 3a는 기판 위에 산화아연 나노시트가 성장된 개략적인 모습이고, 도 3b는 이렇게 성장된 산화아연 나노시트의 실제 표면 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지에서 기대되는 효율의 증가 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 전압 그래프를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 구조의 모식도이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자의 구조를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층(Layered Double Hydroxides)을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자는 도 1에서 도시된 것처럼, 기판(10); 알루미늄 전극층(20); LDH층(30); 압전 물질층(40); 전극층(50); 기판(60)의 순서로 적층되어 있다.
기판(10)은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
사용되는 전극의 경우 하부 전극층인 전극층(20)은 알루미늄을 이용하였다. 이때 기판에 알루미늄 호일을 증착 또는 부착시키게 된다. 이 경우 알루미늄을 기판에 부착한 후, 추후 이러한 알루미늄이 부착된 기판에서 압전 물질층인 산화아연 시트층을 습식 성장시키게 된다. 이러한 산화아연 시트층은 나노 시트의 형태로 습식 성장된다.
이후 알루미늄이 부착된 기판에 압전 물질층(40)으로써 산화아연 시트층을 성장시키게 된다. 습식 성장은, 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)26H2O)와 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine, C6H12N4)을 탈이온화된 물(Deionized Water)에 용해시키거나 또는 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2 ·6H2O), 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트 (Al(NO3)3 ·9H2O)를 탈이온화된 물에 용해시켜 성장 용액을 준비하고, 플라스틱 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키게 된다.
한편, 이 경우 pH를 조절하기 위해서 NaOH 및 HNO3를 이용한다.
예를 들어, Zn(NO3)26H2O 1.86g과 C6H12N4 0.87g을 DI-water 250mL에 용해시켜 성장 용액을 준비하였고, 미리 준비되어 있는 알루미늄 호일이 일면에 부착된 기판을 성장 용액에 넣어서 1기압, 95℃에서 3시간 동안 성장시켰다.
도 3a는 기판 위에 산화아연 나노시트가 성장된 개략적인 모습이고, 도 3b는 이렇게 성장된 산화아연 나노시트의 실제 표면 이미지이다.
한편, 이 경우에 하부 알루미늄 전극층과 ZnO 압전 물질층 사이에는 LDH 층(30)이 위치하게 된다.
LDH층(30)은 ZnAl:LDH 라고 표현될 수 있으며, 도 1에서 보는 것처럼 Zn와 Al이 각각 양이온화되어 (+)를 띠고 가운데 (-)층은 NO3 -이온이 위치하게 된다. LDH층은 Al 위에 ZnO 시트층을 성장시키는 과정에서 발생되며, ZnO를 만들기 위해 사용되는 Zinc nitrate hexahydrate [Zn(NO3)26·H2O, 0.025 M]가 Al과 반응하여 생기게 된다.
한편, 산화아연 시트층 상에는 상부 전극인 전극층(50); 및 전극층 위의 기판(60)이 순서대로 위치한다.
기판(60)은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 한편, 전극층(50)은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 니켈 (Ni), 니켈-금 합금(NiAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 티타늄-금 합금(TiAu), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 불소 함유 산화주석(FTO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 (graphene) 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
도 1과 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층(Layered Double Hydroxides)을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자는, LDH층(30)이 압전 물질인 ZnO에서 발생되는 전하를 저장하고, 이를 직류 형태의 전압으로 생성할 수 있도록 한다.
기존의 압전 소자의 경우에는, 높은 저항으로 인해 높은 전압을 얻기 위한 직렬 연결 타입의 구조가 어려웠고, 따라서 압전 발전 소자에서 발생하는 교류 전압을 직류 전압으로 전환하기 위해 다이오드의 연결을 하였으며, 이 경우에서 전류 손실(current loss)가 발생되는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 LDH층을 통해 이러한 문제점을 해결하였다.
즉, 산화아연을 나노 시트 형태로 만들어 적용한 결과 LDH 층에 의해 다이오드를 연결하지 않아도 DC형태의 전압이 발생하게 되고, 이는 다이오드 연결로 인해 생기는 저항 증가 문제를 해결하였다.
도 2a-2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자가 외부의 힘을 받을 때 내부 구조의 변화의 모습을 도시한다.
LDH층이란 Layered double hydroxides의 준말로 몇몇 2배위의 금속 양이온이 3배위의 이온으로 대체되어 가운데에는 음전하층이 있고 위 아래로 양전하층이 있어 전체적으로 중성을 띠는 층을 의미한다. 도 2a에서 보는 것처럼 Zn과 Al이 각각 2배위의 금속양이온과 3배위의 금속 양이온 역할을 하게 된다.
도 2b에서와 같이 외부에서 힘(push)이 인가되면, ZnO 나노시트에서 발생된 전압은 LDH층에 전하들을 저장하는 전압으로 작용하고, 따라서 LDH층은 커패시터(capacitor)의 역할을 수행하게 되는 것이다. LDH 층에 있는 (+) 전하들이 ZnO에서 나온 자유 전자들과 만나서 컴펜세이트(compensate)되며, 그 결과 ZnO 나노시트와 LDH 층 사이에는 (-) 전하들이 남아있게 된다. 이러한 현상은 LDH 층이 있는 전극 쪽에서만 발생하게 되므로, 남아있는 (-) 전하들에 의해 발생되는 전압이 직류 형태의 전압을 만들어내게 되는 것이다.
이하에서는 이러한 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자를 태양전지와 결합시켜 태양전지의 효율을 증가시키는 융합 에너지 발전 소자에 대해 설명하도록 하겠다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4에서 보는 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지는, 압전 에너지 발전 소자와 태양 전지가 결합된 모습을 갖는다. 도 4에서 압전 에너지 발전 소자는 도 1의 압전 에너지 발전 소자가 뒤집어진 형태를 태양 전지와 결합된 형태를 갖고 있다.
압전 에너지 발전 소자 부분은 기판(110); 알루미늄 전극층(120); LDH층(130); 압전 물질층(140); 전극층(150); 기판(160)으로 이루어져 있고, 이에 대해서는 위에서 이미 설명을 하였으므로 여기서는 생략하도록 하겠다.
태양전지는 전극층(210); 광활성층(220)을 포함하고, 선택적으로 전극층(230); 및 윈도우층(240)을 포함한다. 태양 전지의 전극층(210)은 압전 에너지 발전 소자의 전극(120)과 연결되고, 따라서 이에 의해 태양 전지와 압전 에너지 발전 소자가 직류 전압 형태로 융합이 되어, 태양 전지의 출력이 증가할 수 있다.
이 경우에 압전 에너지 발전 소자의 전극층(120)이 태양 전지의 하부 전극층 역할도 동시에 수행할 수 있으며, 만일 이러한 경우라면 압전 에너지 발전 소자의 기판층(110) 및 태양 전지의 전극층(210)은 생략된다. 이는 도 5에서 확인할 수 있다.
한편 도 4에서는 태양 전지의 하부 기판층이 생략되었으나, 태양 전지를 위한 별도의 기판이 존재할 수도 있다. 이 경우에는 태양전지 기판 상에 하부 전극층이 별도로 배치되고, 이러한 하부 전극층은 압전 소자의 전극층과 전기적으로 연결되어 융합 발전 소자를 형성한다.
광활성층(220)은 CIGS 태양전지를 이용할 경우, p형 반도체(222); 버퍼층(224); 및 n형 반도체층(226)의 박막이 순서대로 적층된다.
p형 반도체층(222)은 광흡수층으로 CIGS 박막이며, 버퍼층(224)은 p형 반도체인 CIGS 박막과 n형 반도체인 ZnO 박막(n형 반도체층)이 pn 접합을 형성할 때 버퍼 층으로 이용되며, 대표적인 것으로는 CdS가 있다.
n형 반도체층(226)은 ZnO가 많이 이용된다. 이러한 ZnO는 n형 반도체의 역할을 함과 동시에 상부 전극 및 윈도우층의 역할을 동시에 할 수도 있다.
이러한 광활성층 위에는 전극층(230) 및 윈도우층(240)이 선택적으로 존재할 수 있다.
이러한 방식으로 본 발명에서는 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 태양 전지를 결합시켰고, 이에 의해 LDH층이 발생된 전하를 저장하여 직류 형태의 전압을 생성하므로 태양전지의 기전력이 증가되는 효과를 얻게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지에서 기대되는 효율의 증가 그래프를 도시하고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지의 전압 그래프를 도시한다.
도 6에서 보는 것처럼 태양 전지와 압전 소자가 결합됨에 따라 압전 소자의 기전력에 의해 Voc가 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 Voc의 증가를 통해 태양 전지의 이론적인 기대효율보다 더 높은 태양 전지의 에너지 효율을 기대할 수 있게 된다.
도 7에서 보는 것처럼, Voc의 증가 효과는 태양 전지의 기전력 그래프 상에서 압전 에너지 발전 소자에 의해 순간적으로 Voc가 증가함에 의해 나타나며, 이에 의해 태양 전지의 기전력이 커지게 되어 효율이 높아지는 것이다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (11)
- 일면에 알루미늄이 부착된 기판;
상기 알루미늄이 부착된 기판의 일면 상에 습식 성장된 산화아연 시트층;
상기 알루미늄이 부착된 기판 및 상기 산화아연 시트층 사이의 LDH층;
상기 산화아연 시트층 위에 배치된 전극층;
상기 전극층 위에 배치된 기판을 포함하고,
상기 LDH층은 발생된 전하를 저장하여 직류 형태의 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는,
LDH층(Layered Double Hydroxides)을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 산화아연 시트층의 습식 성장은,
징크 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)26H2O)와 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine, C6H12N4)을 탈이온화된 물(Deionized Water)에 용해시키거나 또는 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2 H2O), 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트 (Al(NO3)3 H2O)를 탈이온화된 물에 용해시켜 성장 용액을 준비하는 단계; 및
상기 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키는 단계에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자.
- 제 2 항에 있어서,
상기 성장 용액을 준비하는 단계에서, pH 조절을 위해 NaOH 및 HNO3를 이용하는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자.
- 제 2 항에 있어서,
상기 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키는 단계는 1기압, 95℃에서 3시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알루미늄이 부착된 기판 및 상기 전극층 위에 배치된 기판은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나 이상으로 이루어지고,
상기 전극층은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 니켈 (Ni), 니켈-금 합금 (NiAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 티타늄-금 합금(TiAu), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 불소 함유 산화주석(FTO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자.
- 일면에 알루미늄이 부착된 기판;
상기 알루미늄이 부착된 기판의 일면 상에 습식 성장된 산화아연 시트층;
상기 기판 및 상기 산화아연 시트층 사이의 LDH층;
상기 산화아연 시트층 위에 배치된 전극층;
상기 전극층 상에 배치된 광활성층을 포함하고,
상기 LDH층은 발생된 전하를 저장하여 직류 형태의 전압을 생성하여 태양전지의 기전력이 증가되는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지.
- 제 6 항에 있어서,
상기 광활성층 상에 태양전지 상부 전극층 및 윈도우층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지.
- 제 6 항에 있어서,
상기 산화아연 시트층 위에 배치된 전극층 상에 압전 에너지 발전 소자를 위한 별도의 기판이 배치되고,
상기 별도의 기판 상에 태양전지 하부 전극층이 배치되는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지.
- 제 8 항에 있어서,
상기 알루미늄이 부착된 기판 및 상기 별도의 기판은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지.
- 제 6 항에 있어서,
상기 광활성층은,
p형 반도체; 버퍼층; 및 n형 반도체층의 박막이 순서대로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지.
- 기판;
상기 기판 상의 전극층;
상기 전극층 상의 산화아연 시트층;
상기 산화아연 시트층 상의 LDH층;
상기 LDH층 상의 알루미늄 전극층;
상기 알루미늄 전극층 상에 배치된 광활성층; 및
상기 광활성층 상에 배치된 태양전지 상부 전극층 및 윈도우층을 포함하고,
상기 LDH층은 발생된 전하를 저장하여 직류 형태의 전압을 생성하여 태양전지의 기전력이 증가되는 것을 특징으로 하는,
LDH층을 포함한 직류 전압형 압전 에너지 발전 소자와 결합된 태양 전지.
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|---|---|---|---|---|
| KR101725333B1 (ko) | 2016-05-23 | 2017-04-10 | 충남대학교산학협력단 | 층상이중수산화물을 이용한 압전 에너지 하베스팅 소자 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20050122308A (ko) * | 2004-06-24 | 2005-12-29 | 김용성 | 산화아연 박막의 제조방법 |
| KR100997774B1 (ko) | 2010-03-17 | 2010-12-01 | 이진용 | 필름형 압전소자를 포함하는 태양광 발전장치 |
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|---|---|---|---|---|
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| KR100997774B1 (ko) | 2010-03-17 | 2010-12-01 | 이진용 | 필름형 압전소자를 포함하는 태양광 발전장치 |
| KR20120020423A (ko) * | 2010-08-30 | 2012-03-08 | 삼성전자주식회사 | 태양 전지 및 압전 나노 구조물을 이용한 물 분해 소자 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101725333B1 (ko) | 2016-05-23 | 2017-04-10 | 충남대학교산학협력단 | 층상이중수산화물을 이용한 압전 에너지 하베스팅 소자 |
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