KR101420905B1 - 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 의한 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지는 복수개의 필러들(pillars)을 포함하는 기판의 각 필러 사이가 연결되도록 서로 얽힌 구조로 형성되는 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 광전변환층으로 사용하여 광전변환을 위한 별도의 구성이 필요치 않고, 넓은 표면적을 가져 광흡수에 유리하며, 다양한 직경을 가지는 탄소나노튜브가 3차원 네트워크 형태로 구성되어 넓은 파장대의 광흡수를 통해 광전변환 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지의 제조방법은 양극 및 음극 전면을 덮으며, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 완전히 감싸도록 유전막을 형성하고, 유전막을 사이에 두고 상기 양극과 음극의 일측에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함함으로써 누설전류를 방지하고, 스플릿 게이트(split gate) 구조의 전극 형태를 채용하여 전기적으로 유도된 p-n 접합을 형성하는 태양전지를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 표면적을 가지는 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 태양전지의 광전변환층으로 사용하는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)는 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서, 탄소 6개로 구성된 육각형들이 서로 연결되어 튜브 형태을 이루고 있는 나노 소재이다. 이러한 탄소나노튜브는 직경 및 감긴 형태에 따라 금속 또는 반도체의 성질을 나타내며, 종래의 소재에 비해 매우 뛰어난 기계적, 열적, 전기적 특성을 가지고 있어 이에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나, 탄소나노튜브는 키랄성(chirarity) 및 구조적 다양성에 기인한 비재현성으로 인해 이를 응용하는 데 제약이 있었던 바, 이를 해결하기 위하여 탄소나노튜브를 네트워크 형태로 제조하는 기술이 등장하였다.
상기 탄소나노튜브 네트워크는 고효율 저비용으로 제조 및 재생산이 가능하며, 탄소나노튜브가 가지는 특성 중 하나인 탄도 전자-수송(ballistic electron-transport) 현상을 통해 전자의 이동 통로로서도 매우 이상적으로 기능할 수 있음이 밝혀져 박막 트랜지스터, 다이오드, 전계 방출 장치, 나노센서 및 투명 전도성 전극 등에 응용이 가능하다.
한편, 상기와 같은 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지에 관한 기술이 대한민국 공개특허 제10-2010-0122000호에 개시되어 있다. 이 기술은 실리콘 전극 및 이와 대향되는 대향전극을 가지고, 상기 실리콘 전극에서 서로 인접하고 있는 나노 로드들 사이 또는 나노 홀의 내부에 병렬적으로 수평성장되어 띄워진 탄소나노튜브 3차원 네트워크를 포함하는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-1062906호에는 p형 또는 n형으로 도핑된 탄소나노튜브가 서로 얽혀 있는 네트워크를 구비하는 제1 도전형 박막층, 이와 반대의 도전형을 가지도록 도핑되는 제2 도전형 박막층을 접촉시켜 p-n 이종접합을 이용하는 탄소나노튜브 네트워크에 기반한 태양전지에 대한 기술이 개시되어 있다.
그러나, 전자에서 탄소나노튜브 네트워크의 표면에는 별도의 광전변환 물질이 부착되며, 탄소나노튜브 네트워크는 전하의 이동도를 증가시키고, 전자-정공의 재결합을 억제하여 전하가 좀 더 효율적으로 전극으로 이동할 수 있도록 돕는 보조적인 역할을 수행하는 데 그치고 있었다. 또한, 후자에서 탄소나노튜브 네트워크는 태양광을 받아 정공-전자 쌍을 생성하기 위하여 p형층 또는 n형층으로 사용될 수 있었으나, p-n 이종접합 형성을 위하여 이와는 별개로 반대의 도전형을 가지는 반도체 박막층이 필수적으로 요구되는 제약이 있었다.
이에 본 발명의 제1 목적은 넓은 표면적을 가지는 3차원 탄소나노튜브 네트워크 자체를 광전변환층으로 사용하여 그 구조 및 광전변환 효율이 개선된 태양전지를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 3차원 탄소나노튜브 네트워크 광전변환층을 포함하고, 스플릿 게이트(split gate) 구조의 전극 형태를 채용하여 전기적으로 유도된 p-n 접합을 형성할 수 있도록 제조되는 태양전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수개의 필러들(pillars)을 포함하는 기판, 상기 각 필러 사이가 연결되도록 서로 얽힌 구조로 형성되는 3차원 탄소나노튜브 네트워크, 상기 기판의 일측에 형성되는 양극 및 상기 기판의 타측에 형성되는 음극, 상기 양극 및 음극의 전면을 덮으며, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 완전히 감싸도록 형성되는 유전막, 상기 유전막을 사이에 두고 상기 양극의 일측에 배치되는 제1 전극 및 상기 유전막을 사이에 두고 상기 음극의 일측에 배치되는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판을 식각하여 복수개의 필러들을 형성하는 단계, 상기 복수개의 각 필러들 사이가 연결되도록 탄소나노튜브를 3차원 네트워크 형태로 성장시키는 단계, 상기 복수개의 필러들이 형성된 기판의 일측에 양극을 형성하고, 타측에 음극을 형성하는 단계, 상기 양극 및 음극 전면을 덮으며, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 완전히 감싸도록 유전막을 형성하는 단계, 상기 유전막을 사이에 두고 상기 양극의 일측에 제1 전극을 형성하고, 상기 음극의 일측에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 태양전지는 3차원 탄소나노튜브 네트워크 자체를 광전변환층으로 사용하여 광전변환을 위한 별도의 구성이 필요치 않고, 넓은 표면적을 가져 광흡수에 유리하며, 다양한 직경을 가지는 탄소나노튜브가 3차원 네트워크 형태로 구성되어 넓은 파장대의 광흡수를 통해 광전변환 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 태양전지의 제조방법은 스플릿 게이트(split gate) 구조의 전극 형태를 채용하여 전기적으로 유도된 p-n 접합을 형성함으로써 간단하고 용이하게 3차원 탄소나노튜브 네트워크 자체를 광전변환층으로 활용하는 태양전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 탄소나노튜브 네트워크 소자의 개략도이다.
도 2a는 도 1의 소자에 빛을 조사한 상태와 조사하지 않은 상태에서 측정한 전압-전류 곡선이다.
도 2b는 도 1의 소자의 전압에 따른 광전류 측정 곡선이다.
도 3은 도 1의 소자의 빛의 온/오프(on/off)에 따른 전류의 변화를 나타내는 곡선이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지의 제조 공정도들이다.
도 6a 및 도 6b는 복수개의 Si 필러들(pillars) 사이에 형성된 3차원 탄소나노튜브 네트워크 구조를 나타내는 SEM 이미지들이다.
도 7a 및 도 7b는 3차원 탄소나노튜브 네트워크와 Si 필러에 ALD법으로 HfO2 유전막을 증착한 SEM 이미지들이다.
도 8a 내지 도 8e는 3차원 탄소나노튜브 네트워크의 표면 개질을 위한 UV-오존처리 시간에 따른 HfO2 유전막의 증착 SEM 이미지들이다.
도 2a는 도 1의 소자에 빛을 조사한 상태와 조사하지 않은 상태에서 측정한 전압-전류 곡선이다.
도 2b는 도 1의 소자의 전압에 따른 광전류 측정 곡선이다.
도 3은 도 1의 소자의 빛의 온/오프(on/off)에 따른 전류의 변화를 나타내는 곡선이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지의 제조 공정도들이다.
도 6a 및 도 6b는 복수개의 Si 필러들(pillars) 사이에 형성된 3차원 탄소나노튜브 네트워크 구조를 나타내는 SEM 이미지들이다.
도 7a 및 도 7b는 3차원 탄소나노튜브 네트워크와 Si 필러에 ALD법으로 HfO2 유전막을 증착한 SEM 이미지들이다.
도 8a 내지 도 8e는 3차원 탄소나노튜브 네트워크의 표면 개질을 위한 UV-오존처리 시간에 따른 HfO2 유전막의 증착 SEM 이미지들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층들 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 구성요소에 대해 유사한 참조부호를 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 탄소나노튜브 네트워크 소자의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 3차원 탄소나노튜브 네트워크에 태양광을 조사하는 경우 광전류가 발생하는지 여부를 실험하기 위하여 소자를 제작하였다. 상기 소자는 복수개의 필러들(pillars, 10a)을 포함하는 기판(10), 상기 기판(10) 상에 형성되는 절연막(20), 상기 각 필러(10a) 사이가 연결되도록 서로 얽힌 구조로 형성되는 3차원 탄소나노튜브 네트워크(30), 상기 기판(10)의 양 측에 형성되는 소스(40) 및 드레인(50), 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 완전히 감싸도록 형성되는 유전막(60)을 포함한다.
이 때, 상기 기판(10)으로 백게이트(back gate)로서의 역할을 수행할 수 있는 Si 기판을 사용하고, 상기 Si 기판 상에 형성되는 절연막(20) 및 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 완전히 감싸도록 형성되는 유전막(60)으로서 HFO2를 사용하였다. 또한, 소스(40) 및 드레인(50)으로는 Cr을 300nm 두께로 형성하였다.
도 2a는 도 1의 소자에 빛을 조사한 상태와 조사하지 않은 상태에서 측정한 전압-전류 곡선이다.
도 2b는 도 1의 소자의 전압에 따른 광전류 측정 곡선이다.
도 1의 소자에서 광전류가 발생하는지 여부를 확인하기 위해 반도체 특성분석 시스템(Semiconductor Characterization System, Keithley 4200-SCS)을 이용하여 측정하였다. 빛을 조사하지 않은 상태에서 -1V ∼ 1V 범위의 드레인 전압(Vd)을 인가하고, 전류(Id . dark)를 측정하였다. 한편, 집광형 솔라시뮬레이터를 이용하여 50sun의 빛을 조사한 후, -1V ∼ 1V 범위의 드레인 전압(Vd)을 인가하여 전류(Id . light)를 측정하고, 광전류(Iphoto)를 추출하였다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 빛을 조사하는 경우 μA 수준의 광전류가 발생함을 확인할 수 있다. 이는 3차원 네트워크를 구성하는 각 탄소나노튜브가 일정 직경 이하의 값을 가지는 경우, 밴드갭이 형성되어 p-n 접합의 반도체 특성이 나타나 전자-정공 쌍(electron-hole pair)들이 생성되기 때문인 것으로 풀이된다. 상기와 같이 광전류를 발생시키는 탄소나노튜브의 직경은 5nm 내지 20nm인 것이 바람직하다. 이를 통해 3차원 탄소나노튜브 네트워크는 그 자체만으로 광전류를 발생시켜 태양전지의 광전 변환층으로 채용할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 다양한 직경 크기를 가지는 탄소나노튜브가 네트워크 구조로 형성되어 보다 넓은 파장대의 광을 흡수할 수 있는 이점이 있다.
도 3은 도 1의 소자의 빛의 온/오프(on/off)에 따른 전류의 변화를 나타내는 곡선이다.
도 3을 참조하면, 도 1의 소자에 드레인 전압을 10mV로 일정하게 인가하고, 빛의 온/오프를 반복하는 경우 이에 따라 전류가 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 일정한 직경을 가지는 탄소나노튜브로 구성된 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 소자는 태양전지 등의 광전 소자로 응용될 수 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지는 복수개의 필러들(pillars, 100a)을 포함하는 기판(100), 상기 각 필러(100a) 사이가 연결되도록 서로 얽힌 구조로 형성되는 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200), 상기 기판(100)의 양 측에 형성되는 양극(300) 및 음극(400), 상기 양극(300) 및 음극(400) 전면을 덮으며, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)를 완전히 감싸도록 형성되는 유전막(500), 상기 유전막(500)을 사이에 두고 상기 양극(300)에 인접하게 배치되는 제1 전극(600a), 상기 유전막(500)을 사이에 두고 상기 음극(400)에 인접하게 배치되는 제2 전극(600b)을 포함한다.
상기 태양전지에 태양광이 조사되는 경우, 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair)들이 생성된다. 이 때, 제1 전극(600a)에 (-)전압을 인가하고, 제2 전극(600b)에 (+)전압을 인가하는 경우 상기 전자-정공 쌍들은 얽히고 설킨 형태로 각 필러(100a)들을 연결하고 있는 상기 탄소나노튜브의 네트워크(200)를 따라 분리되어 정공은 (-) 전압을 인가한 제1 전극(600a) 쪽으로, 전자는 (+) 전압을 인가한 제2 전극(600b)쪽으로 각각 끌려가며, 양극(300)에서 상기 끌려온 정공을 수집하고, 음극(400)에서 상기 끌려온 전자를 수집한다.
상기 기판(100)은 SiO2 또는 Si 기판일 수 있으며, 상기 기판(100) 상에 형성되는 복수개의 필러들(100a)은 탄소나노튜브가 얽히고 설킨 3차원 네트워크 구조로 성장되는 지지대 역할을 수행한다. 따라서, 상기 기판(100)이 Si 기판인 경우, 기판(100) 상에 전기적 절연을 위한 절연막을 형성하여야 한다.
상기 각 필러 사이가 연결되도록 서로 얽힌 구조로 형성되는 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)는 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브로 구성될 수 있다. 또한, 3차원 네트워크를 구성하는 각 탄소나노튜브는 일정 직경 이하의 값을 가져야 하는 바, 이는 탄소나노튜브의 특성상 그 직경에 따라 금속 또는 반도체의 성질이 나타남에 기인한다. 따라서, 밴드갭을 형성하여 p-n 접합의 반도체 특성이 나타나 전자-정공 쌍(electron-hole pair)들이 생성되기 위한 탄소나노튜브의 직경은 5nm 내지 20nm의 범위 내인 것이 바람직하다.
상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)는 광전변환층의 역할 뿐 아니라 각 필러들을 연결하는 브릿지(bridge) 역할을 수행한다. 즉, 5nm 내지 20nm의 범위에서 다양한 직경을 가지는 탄소나노튜브들을 포함하는 3차원 네트워크 구조에 태양광이 조사되는 경우 생성되는 전자-정공 쌍(electron-hole pair)들은 얽히고 설킨 형태로 각 필러들을 연결하고 있는 상기 탄소나노튜브의 네트워크를 따라 분리되어 전자는 음극으로, 정공은 양극으로 전달된다.
상기와 같이 각 필러들에 얽히고 설킨 형태로 성장되는 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)는 넓은 표면적을 가져 광을 흡수하는 면적이 넓어지며, 5nm 내지 20nm의 범위에서 다양한 직경을 가져 밴드갭이 각기 다르게 형성되므로, 광을 흡수하는 파장대가 넓어지는 이점이 있다.
상기 기판(100)의 양측에 형성되는 양극(300) 및 음극(400)은 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)에서 발생한 정공 및 전자를 수집하는 역할을 수행한다. 즉, 상기 양극(300)은 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)에서 발생한 정공을 수집하는 애노드(anode)의 역할을 수행하며, 상기 음극(400)은 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)에서 발생한 전자를 수집하는 캐소드(cathode)의 역할을 수행한다.
예컨대, 상기 양극(300) 및 음극(400)은 Al, Au, Cu, Cr, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 전극일 수 있으며, ITO 또는 도핑된 ZnO 등의 투명 전도성 산화물(TCO)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상적으로 태양전지의 양극 또는 음극으로 사용되는 물질들을 포함할 수 있다.
상기 유전막(500)은 양극 및 음극 전면을 덮으며, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)를 완전히 감싸도록 형성된다. 상기 유전막(500)은 전계를 형성하고, 누설전류를 방지하는 역할을 수행하므로, 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)를 전체적으로 감싸도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 유전막(500)은 양극(300) 및 음극(400)과 제1 전극(600a) 및 제2 전극(600b)을 전기적으로 절연하는 절연막으로서의 역할도 수행하므로, 양극(300) 및 음극(400)의 전면을 덮도록 컨포말(confomal)하게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극(600a)과 제2 전극(600b)은 기판(100)의 양측에 형성된 양극(300) 및 음극(400)과의 관계에서, 유전막(500)을 사이에 두고 상기 양극(300)의 일측에 제1 전극(600a)이 배치되고, 상기 음극(400)의 일측에 제2 전극(600b)이 배치된다.
상기 제1 전극(600a)과 제2 전극(600b)은 일종의 게이트(gate) 전극으로서의 역할을 수행한다. 예컨대, 상기 유전막(500)을 사이에 두고 상기 양극(300)의 일측에 배치되는 제1 전극(600a)은 (-)전압을 걸어줌으로써 광조사를 통해 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)에서 형성되어 분리된 전자-정공 쌍 중 정공을 상기 양극(300)으로 수집하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 유전막(500)을 사이에 두고 상기 음극(400)의 일측에 배치되는 제2 전극(600b)은 (+)전압을 걸어줌으로써 광조사를 통해 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)에서 형성되어 분리된 전자-정공 쌍 중 전자를 상기 음극(400)으로 수집하는 역할을 수행한다.
따라서, 본 발명에 의한 태양전지는 3차원 탄소나노튜브 네트워크 자체를 광전변환층으로 사용하여 광전변환을 위한 별도의 구성이 필요치 않고, 넓은 표면적을 가져 광흡수에 유리하며, 다양한 직경을 가지는 탄소나노튜브가 3차원 네트워크 형태로 구성되어 넓은 파장대의 광흡수를 통해 광전변환 효율을 극대화할 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지의 제조 공정도들이다.
도 5a를 참조하면, 기판(100)을 에칭하여 상기 기판(100) 상에 복수개의 필러들(100a)을 형성한다. 상기 기판(100)은 SiO2 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(100)은 Si 기판일 수 있다. 이 때, 상기 기판(100)이 Si 기판인 경우, 전기적 절연을 위한 산화막(미도시)을 형성하는 공정을 추가로 수행해야 한다. 상기 산화막은 원자층 증착 공정(ALD) 또는 플라즈마 화학기상증착 공정(PECVD)을 통해 형성될 수 있다. 이중에서도, 유전막(500)을 형성하는 원자층이 표면 물질을 둘러싸고 수직과 수평방향으로 일정하게 성장하여 반응 원료들이 표면에서만 반응하는 특성을 가지는 원자층 증착 공정을 이용하는 것이 컨포멀한 증착을 위하여 보다 바람직하다. 상기 기판(100)을 에칭하는 방법은 통상의 포토리소그래피법과 보쉬 공정(bosch process)을 이용할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 복수개의 각 필러들(100a) 사이가 연결되도록 탄소나노튜브(200)를 3차원 네트워크 형태로 형성한다. 이는 상기 복수개의 필러들(100a)을 포함하는 기판(100) 상에 액상침지법을 이용하여 촉매금속 입자를 도입한 후, 탄소 소스 기체를 공급함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 촉매금속 입자는 Fe일 수 있으며, 탄소 소스 기체를 공급하는 단계는 화학기상증착(CVD)법을 통해 수행될 수 있다. 이 때, Si 기판을 사용하는 경우에는 화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브 성장시 Fe가 함께 소결되는 것을 방지하기 위해 소결 방지제 역할을 수행할 수 있는 Mo를 Fe와 함께 사용할 수 있다. 상기 탄소 소스 기체는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 벤젠, 헥산, 에탄올, 메탄올 및 프로판올로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
이를 통해 형성되는 3차원 네트워크 구조의 탄소나노튜브(200)는 태양광을 흡수하는 경우 전자-정공 쌍을 생성할 수 있기 위하여 그 직경이 5nm 내지 20nm의 범위를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 6a 및 도 6b는 복수개의 Si 필러들(pillars) 사이에 형성된 3차원 탄소나노튜브 네트워크 구조를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 탄소나노튜브는 복수개의 필러들 사이에서 얽히고 설킨 3차원 네트워크 구조로 형성됨을 확인할 수 있다. 이로써 넓은 표면적을 가져 광흡수에 유리하므로, 보다 많은 수의 전자-정공 쌍을 생성할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)는 각 필러들(100a)을 연결하는 브릿지(bridge) 역할을 수행하여 3차원 네트워크 구조에 태양광이 조사되는 경우 생성되는 전자-정공 쌍(electron-hole pair)들은 얽히고 설킨 형태로 각 필러들(100a)을 연결하고 있는 상기 탄소나노튜브의 네트워크를 따라 분리되어 각각 양극(300) 또는 음극(400)으로 전달된다.
도 5c를 참조하면, 복수개의 필러들(100a)이 형성된 기판(100)의 양 측에 양극(300) 및 음극(400)을 배치한다. 즉, 상기 기판(100)의 일측에 양극(300)을 형성하고, 타측에 음극(400)을 형성한다. 상기 양극(300)은 낮은 저항을 가지는 전도성 물질로서, 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)에서 발생한 정공을 수집하는 애노드(anode)의 역할을 수행한다. 또한, 상기 음극(400)은 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)에서 발생한 전자를 수집하는 캐소드(cathode)의 역할을 수행한다.
예컨대, 상기 양극(300) 및 음극(400)은 Al, Au, Cu, Cr, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 전극일 수 있으며, ITO 또는 도핑된 ZnO 등의 투명 전도성 산화물(TCO)일 수 있으며, 열기상 증착, 전자빔 증착, RF 스퍼터링 또는 마그네트론 스퍼터링법 등을 통해 형성될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 양극(300) 및 음극(400) 전면을 덮으며, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)를 완전히 감싸도록 유전막(500)을 형성한다. 상기 유전막(500)은 전계를 형성하고, 누설전류를 방지하는 역할을 수행하므로, 3차원 탄소나노튜브 네트워크(200)를 전체적으로 감싸도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 유전막(500)은 양극(300) 및 음극(400)과 제1 전극(600a) 및 제2 전극(600b)을 전기적으로 절연하는 절연막으로서의 역할도 수행하므로, 양극(300) 및 음극(400)의 전면을 덮도록 컨포말(confomal)하게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 유전막(500)은 원자층 증착 공정(ALD) 또는 플라즈마 화학기상증착 공정(PECVD)을 통해 형성될 수 있다. 이중에서도, 유전막(500)을 형성하는 원자층이 표면 물질을 둘러싸고 수직과 수평방향으로 일정하게 성장하여 반응 원료들이 표면에서만 반응하는 특성을 가지는 원자층 증착 공정을 이용하는 것이 컨포멀한 증착을 위하여 보다 바람직하다. 또한, 스퍼터링법을 추가로 더 수행하여 양극(300) 및 음극(400) 상에 증착되는 유전막(500)의 균일성을 보다 우수하게 할 수 있다.
상기 유전막(500)은 하이-K 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 하이-K 물질은 HfO2, ZrO2, Al2O3 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7a 및 도 7b는 3차원 탄소나노튜브 네트워크와 Si 필러에 ALD법으로 HfO2 유전막을 증착한 SEM 이미지이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, ALD법을 통하여 3차원 탄소나노튜브 네트워크의 표면에 HfO2 유전막이 증착되는 경우, 불균일한 아일랜드(island) 성장이 일어나는 것을 확인할 수 있는 반면, Si 필러 상에는 균일하게 유전막이 증착되는 것을 확인할 수 있다. 이는 탄소나노튜브와 Si의 표면 에너지 차이에 의한 것으로 풀이된다. 누설전류의 차단을 위해서 유전막은 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 완전히 감싸도록 균일하게 증착되어야 하는 바, 상기 유전막 형성 공정 전에 탄소나노튜브의 표면을 개질하는 공정이 선행되는 것이 바람직함을 알 수 있다. 예컨대, 상기 표면 개질 공정은 UV-오존처리 또는 산소 플라즈마 처리를 통해 수행될 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 3차원 탄소나노튜브 네트워크의 표면 개질을 위한 UV-오존처리 시간에 따른 HfO2 유전막의 증착 SEM 이미지이다.
도 8a 내지 도 8e를 참조하면, 도 8a는 UV-오존처리를 수행하지 않은 경우의 SEM 이미지이며, 도 8b 내지 도 8e는 UV-오존처리를 수행한 경우의 SEM 이미지이다. 도 8b는 30초, 도 8c는 1분, 도 8d는 3분, 도 8e는 5분간 UV-오존처리를 수행하였다.
UV-오존처리를 수행하지 않은 경우와, 30초, 1분간 UV-오존처리를 수행한 경우, 정도는 다소 차이가 있으나, HfO2 유전막이 아일랜드(island) 성장함을 확인할 수 있으며, 3분 이후부터는 균일하게 유전막이 형성됨을 확인할 수 있다. 따라서, 3차원 탄소나노튜브의 표면 개질을 위한 UV-오존처리 시간은 3분 내지 5분인 것이 바람직하다.
도 5e를 참조하면, 기판(100)의 양측에 형성된 양극(300) 및 음극(400)과의 관계에서, 유전막(500)을 사이에 두고 상기 양극(300)의 일측에 제1 전극(600a)을 배치하고, 상기 음극(400)의 일측에 제2 전극(600b)을 배치한다. 상기 제1 전극(600a)과 제2 전극(600b)은 일종의 게이트(gate) 전극으로서의 역할을 수행한다.
예컨대, 상기 제1 전극(600a) 및 제2 전극(600b)은 Al, Au, Cu, Cr, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 전극일 수 있으며, ITO 또는 도핑된 ZnO 등의 투명 전도성 산화물(TCO)일 수 있으며, 열기상 증착, 전자빔 증착, RF 스퍼터링 또는 마그네트론 스퍼터링법 등을 통해 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 태양전지의 제조방법은 스플릿 게이트(split gate) 구조의 전극 형태를 채용하여 전기적으로 유도된 p-n 접합을 형성함으로써 간단하고 용이하게 3차원 탄소나노튜브 네트워크 자체를 광전변환층으로 활용하는 태양전지를 제조할 수 있다.
100: 기판 100a: 필러
200: 3차원 탄소나노튜브 네트워크 300: 양극
400: 음극 500: 유전막
600a: 제1 전극 600b: 제2 전극
200: 3차원 탄소나노튜브 네트워크 300: 양극
400: 음극 500: 유전막
600a: 제1 전극 600b: 제2 전극
Claims (11)
- 복수개의 필러들(pillars)이 이격 배치된 기판;
서로 얽힌 구조로 형성되어, 상기 각 필러 사이들 사이를 연결하고, 광전변환 역할을 수행하는 3차원 탄소나노튜브 네트워크;
상기 기판의 일단에 형성되는 양극 및 상기 기판의 타단에 형성되는 음극;
상기 양극 및 음극의 전면을 덮으며, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 완전히 감싸도록 형성되는 유전막;
상기 유전막을 사이에 두고 상기 양극과 인접하게 배치되는 제1 전극; 및
상기 유전막을 사이에 두고 상기 음극과 인접하게 배치되는 제2 전극을 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 SiO2 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 구성하는 각 탄소나노튜브의 직경은 5nm 내지 20nm인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극에는 (-) 전압을 인가하고, 상기 제2 전극에는 (+) 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 기판을 식각하여 복수개의 필러들을 형성하는 단계;
상기 복수개의 각 필러들 사이가 연결되도록 광전변환 역할을 수행하는 탄소나노튜브를 3차원 네트워크 형태로 성장시키는 단계;
상기 복수개의 필러들이 형성된 기판의 일단에 양극을 형성하고, 타단에 음극을 형성하는 단계;
상기 양극 및 음극 전면을 덮으며, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 완전히 감싸도록 유전막을 형성하는 단계;
상기 유전막을 사이에 두고, 상기 양극에 인접하도록 제1 전극을 형성하고 상기 음극에 인접하도록 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 양극 및 음극 전면을 덮으며, 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 완전히 감싸도록 유전막을 형성하는 단계 이전에 상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크의 표면을 개질하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 3차원 탄소나노튜브 네트워크의 표면을 개질하는 단계는 UV-오존처리를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 유전막을 형성하는 단계는 원자층 증착 공정(ALD)을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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2011
- 2011-11-10 KR KR1020110117103A patent/KR101420905B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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| KR20100093627A (ko) * | 2009-02-17 | 2010-08-26 | 서울대학교산학협력단 | 탄소나노튜브 네트워크에 기반한 박막형 태양전지 |
| KR101062906B1 (ko) | 2009-02-17 | 2011-09-06 | 서울대학교산학협력단 | 탄소나노튜브 네트워크에 기반한 박막형 태양전지 |
| KR20100122000A (ko) * | 2009-05-11 | 2010-11-19 | 한양대학교 산학협력단 | 3차원 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 태양전지 및 그 제조방법 |
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|---|---|
| KR20130051767A (ko) | 2013-05-21 |
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