KR101474280B1 - Stacked semiconductor-metal-semiconductor nanodiode and solar cell using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1반도체층 위에 금속이 적층되고, 상기 금속 위에 제2반도체층이 적층된 구조를 갖는 적층형 금속-반도체 나노다이오드 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것으로, 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드는 두 개의 반도체층을 금속의 양방향에 적층함으로써 다향방에서 오는 광에너지 및 상이한 크기의 광에너지를 효과적으로 흡수할 수 있어 에너지의 손실을 최소화하고 에너지 전환효율의 증폭을 가져올 수 있다. 따라서 본 발명은 적층형 금속-반도체 나노다이오드로 광에너지의 손실을 최소화하고 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 고효율의 태양전지를 제공할 수 있다.The present invention relates to a stacked metal-semiconductor nano-diode having a structure in which a metal is stacked on a first semiconductor layer and a second semiconductor layer is stacked on the metal, and a solar cell including the stacked metal-semiconductor nano- By stacking two semiconductor layers on both sides of a metal, diodes can effectively absorb light energy from different directions and light powers of different sizes, thereby minimizing loss of energy and amplifying energy conversion efficiency. Therefore, the present invention can provide a highly efficient solar cell capable of minimizing loss of light energy and improving photoelectric conversion efficiency with a stacked metal-semiconductor nano-diode.
Description
본 발명은 적층형 금속-반도체 나노다이오드 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것으로, 광에너지의 손실을 최소화하고 에너지 전환효율을 증폭시킬 수 있는 나노다이오드 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a stacked metal-semiconductor nanodiode and a solar cell using the same, and more particularly, to a nanodiode capable of minimizing the loss of light energy and amplifying energy conversion efficiency, and a solar cell using the same.
에너지와 환경 문제가 이슈화되면서 대체에너지원에 대한 요구가 끊임없이 제기 되어 왔고, 이러한 요구 속에 태양전지는 하나의 대체에너지로서 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다. 현재 상용화되고 있는 태양전지는 일반적으로 실리콘 기반의 PN접합을 원리로 하고 있다. 이러한 태양전지에 빛을 비추면 전자와 정공이 발생하고, 이러한 전하는 PN접합사이에 생성된 전위차에 의해 각각의 전극으로 분리되어 전류가 흐르게 된다. As energy and environmental problems have become issues, demand for alternative energy sources has been constantly being raised. In this demand, solar cells have been researched and developed as an alternative energy source. Solar cells, which are currently being commercialized, are generally based on silicon-based PN junctions. When the light is irradiated on the solar cell, electrons and holes are generated, and these charges are separated into the respective electrodes by the potential difference generated between the PN junctions, and current flows.
상용화되고 있는 태양전지의 효율은 약 11%이다. 이러한 효율은 고 순도의 실리콘과 공정기술의 개발을 통해 향상될 수 있지만, 제조비용 역시 증가하게 된다. 또한 현재 실리콘의 수요가 급증하면서 에너지당 제조비용이 증가하고 있다. 따라서, 최근에 광에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 차세대 태양전지에 대한 다양한 연구와 개발이 이루어지고 있다.The efficiency of commercial solar cells is about 11%. This efficiency can be improved through the development of high purity silicon and process technology, but also increases manufacturing costs. In addition, the demand for silicon is rapidly increasing, and manufacturing cost per energy is increasing. Accordingly, various researches and developments have been made on the next generation solar cells that can convert light energy into electric energy.
즉 무한한 에너지원인 태양광으로부터 전기를 생산하는 태양전지 기술은 다양한 신재생 에너지 기술 중에서도 가장 각광을 받는 분야이며, 특히 태양광 발전 원가를 획기적으로 낮출 수 있는 기술개발이 핵심이 되고 있다.In other words, solar cell technology that produces electricity from sunlight, which is an infinite energy source, is one of the most popular among various renewable energy technologies. Especially, technology development that can drastically lower the cost of solar power generation is becoming a key.
현재 상용화된 태양전지는 결정/비결정 실리콘 또는 다양한 합금을 기반으로 하는 태양전지가 주류를 이루고 있다. 그러나 생산단가 및 설비의 고비용, 합금에 사용되는 금속의 희귀성, 그리고 제조과정의 독성 화합물 배출 및 고에너지를 소모하는 등의 문제점이 있다. 반면에 유기물을 기반으로 하는 태양전지는 상기에서 언급한 문제점을 최소화할 뿐만 아니라 저비용으로 대면적화가 가능하고, 유연하다는 장점 때문에 각국의 연구개발이 집중되고 있다.Current commercialized solar cells are mainly crystalline / amorphous silicon or solar cells based on various alloys. However, there are problems such as a high production cost and high cost of equipment, a rarity of metal used in alloys, and toxic compound discharge and high energy consumption in the manufacturing process. On the other hand, solar cells based on organic materials minimize the above-mentioned problems, and can be made into a large-sized and low-cost large-sized solar cell.
특히 그라첼 등에 의해 제안된 염료감응 태양전지는 염료 분자가 흡착된 다공성의 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체전극과 백금이나 탄소가 코팅된 상대 전극, 그리고 상기 반도체 전극과 상대 전극과의 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다(미국 특허공보 제4,927,721호 및 동 제5,350,644호). 이 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 유기화합물을 사용할 뿐만 아니라 제조 공정이 공기 중에서도 가능하기 때문에 제조 원가가 저렴하다. 또한 빛의 투과가 우수한 다공성의 나노입자 이산화티탄을 전극으로 사용하기 때문에 투명한 태양전지를 제조할 수 있어서 건물의 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하며, 염료의 태양광 흡수영역을 자유로이 조절할 수 있으므로, 특히 실내의 백색광을 이용한 소자의 제작이 가능하다는 이점이 있다. 그러나 아직까지 광전변환 효율이 낮고 고가의 염료 가격 때문에 실제 적용에는 제한이 있는 상황이다.In particular, the dye-sensitized solar cell proposed by Gratel et al. Includes a semiconductor electrode made of porous nano-particle titanium dioxide (TiO 2 ) on which dye molecules are adsorbed, a counter electrode coated with platinum or carbon, (U.S. Patent Nos. 4,927,721 and 5,350,644). This dye-sensitized solar cell uses organic compounds as compared with conventional silicon solar cells, and its production cost is low because it can be produced in air. In addition, since the porous nanoparticle titanium dioxide which is excellent in light transmission is used as the electrode, the transparent solar cell can be manufactured, so that it can be applied to the outer window glass of the building or the glass greenhouse, and the solar absorption region of the dye can be freely controlled It is possible to manufacture a device using white light, especially indoor. However, due to the low photoelectric conversion efficiency and high price of dyes, practical application is limited.
염료감응 태양전지의 광전변환 효율을 증가시키기 위해서는 우선적으로 태양광의 흡수량을 증가시켜 전자의 생성량을 늘려야한다. 태양광의 흡수량은 흡착된 염료의 양에 비례하므로 태양광의 흡수량을 증가시키기 위해서는 염료의 흡착량을 증가시켜야 하고, 단위면적당 염료의 흡착량을 늘이기 위해서는 산화물 반도체의 입자를 나노미터 수준의 크기로 제조하여 산화물 반도체의 표면적을 넓혀야 한다. 그러나 산화물 반도체 미립자를 포함하는 다공질 막에 흡착된 염료분자는 염료분자 사이의 뭉침 때문에 여기상태의 염료가 상호작용에 의하여 광전자의 생산능력을 감소시켜서 결과적으로 광흡수량은 증가하나 태양전지의 효율을 감소시키는 것으로 알려져 있다(Jonathan R. Mann, Michael K. Gannon, Thomas C. Fitzgibbons, Michael R. Detty, and David F. Watson, J. Phys. Chem. C, 2008, 112 (34), 13057. Zhong-Sheng Wang, Yan Cui, Yasufumi Dan-oh, Chiaki Kasada, Akira Shinpo, and Kohjiro Hara, J. Phys. Chem. C, 2007, 111 (19), 7224). 또한 태양광의 흡수량을 높이기 위해 백금전극의 반사율을 높이거나, 수 마이크로 크기의 반도체 산화물 광산란 입자를 섞어서 제조하는 방법 등이 제시되고 있으나 이러한 방법으로 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키기에는 한계가 있다.In order to increase the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell, it is necessary to increase the absorption amount of sunlight and increase the amount of electrons generated. Since the absorption of sunlight is proportional to the amount of dye adsorbed, it is necessary to increase the adsorption amount of the dye in order to increase the amount of absorption of sunlight. In order to increase the adsorption amount of dye per unit area, oxide semiconductor particles are manufactured to have a nanometer- The surface area of the oxide semiconductor must be widened. However, the dye molecules adsorbed on the porous film containing the oxide semiconductor particulates have a problem in that due to the aggregation between the dye molecules, excited dyes decrease the production capacity of photoelectrons due to their interaction and consequently increase the light absorption amount, (Jonathan R. Mann, Michael K. Gannon, Thomas C. Fitzgibbons, Michael R. Detty, and David F. Watson, J. Phys.Chem.C, 2008, 112 (34), 13057. Zhong- Sheng Wang, Yan Cui, Yasufumi Dan-oh, Chiaki Kasada, Akira Shinpo, and Kohjiro Hara, J.Phys.Chem.C, 2007, 111 (19), 7224). In order to increase the absorption of solar light, a method of increasing the reflectance of the platinum electrode or mixing the semiconductor oxide light scattering particles of several micrometers has been proposed. However, there is a limit to improve the photoelectric conversion efficiency of the solar cell by this method.
본 발명은 적층형 금속-반도체 나노다이오드로 광에너지의 손실을 최소화하고 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 고효율의 태양전지를 제공함을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a highly efficient solar cell capable of minimizing loss of light energy and improving photoelectric conversion efficiency with a stacked metal-semiconductor nano-diode.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제1반도체층 위에 금속이 적층되고, 상기 금속 위에 제2반도체층이 적층된 구조를 갖는 적층형 금속-반도체 나노다이오드를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a stacked metal-semiconductor nano-diode having a structure in which a metal is stacked on a first semiconductor layer and a second semiconductor layer is stacked on the metal.
상기 금속은 광흡수층으로 사용되어 표면플라즈몬의 생성을 통해 핫 전자(hot electron)의 생성을 증폭시키며, 상기 핫 전자는 금속의 박막 표면에서 발생한 후 쇼트키(Schottky) 에너지 장벽을 넘어 검출되는 것을 특징으로 한다.The metal is used as a light absorbing layer to amplify the generation of hot electrons through the generation of surface plasmons. The hot electrons are generated on the thin film surface of the metal and then detected beyond the Schottky energy barrier .
상기 금속은 박막금속, 금속나노구조물, 금속나노섬 및 금속나노선으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The metal may be any one selected from the group consisting of a thin film metal, a metal nanostructure, a metal nano-island, and a metal nanowire.
바람직하게는 상기 금속은 금(Au), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.Preferably, the metal is one selected from the group consisting of gold (Au), aluminum (Al), silver (Ag), and copper (Cu).
상기 금속에 양자점 및 유기염료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 증착시키는 표면처리를 할 수 있다.The metal may be subjected to a surface treatment for depositing at least one selected from the group consisting of quantum dots and organic dyes.
상기 제1 및 제2 반도체층은 각각 산화물 반도체, 4족 반도체 및 화합물 반도체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다. The first and second semiconductor layers are each selected from the group consisting of an oxide semiconductor, a quaternary semiconductor, and a compound semiconductor.
바람직하게는 상기 제1 및 제2 반도체층은 각각 티타늄디옥사이드(TiO2), 세리움옥사이드(CeO2), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘카바이트(SiC), 카드뮴셀레나이드(CdSe), 갈륨포스페이트(GaP) 및 갈륨나이트나이드(GaN)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the first and second semiconductor layers are formed of a material selected from the group consisting of TiO 2 , CeO 2 , ZnO, Si, Ge, SiC, And may be any one selected from the group consisting of cadmium selenide (CdSe), gallium phosphate (GaP), and gallium nitride (GaN).
또한, 본 발명은 상기 적층형 금속-반도체 나노다이오드를 포함하는 태양전지를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide a solar cell including the stacked metal-semiconductor nanodiode.
상기 태양전지는 제1반도체층 위에 금속이 적층되고, 상기 금속 위에 제2반도체층이 적층된 구조를 갖는 적층형 금속-반도체 나노다이오드와 제1,2전극층으로 구성되며, 상기 제1전극층은 상기 제1반도체층과 접착되는 투명전극이거나 또는 옴접합이 형성되어 있는 상기 제1반도체층 자체이고, 상기 제2전극층은 상기 금속 자체이거나 상기 금속과 연결되어 있는 전극이며, 상기 금속은 광흡수층으로 사용되어 표면플라즈몬의 생성을 통해 핫 전자(hot electron)의 생성을 증폭시킬뿐만 아니라 동시에 전극으로의 역할도 함께 수행하는 것을 특징으로 한다.The solar cell includes a stacked metal-semiconductor nano-diode having a structure in which a metal is stacked on a first semiconductor layer, and a second semiconductor layer is stacked on the metal, and first and second electrode layers, 1 is a transparent electrode adhered to one semiconductor layer or the first semiconductor layer itself in which an ohmic contact is formed and the second electrode layer is the metal itself or an electrode connected to the metal and the metal is used as a light absorbing layer Not only amplifies the generation of hot electrons through the generation of surface plasmon, but also functions as an electrode at the same time.
금속과 제1 및 제2 반도체층의 접합부에는 광에너지가 전기에너지로 전환되는 쇼트키 장벽이 형성된다.A Schottky barrier in which light energy is converted to electrical energy is formed at the junction between the metal and the first and second semiconductor layers.
빛이 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드의 금속에 입사되면 빛의 흡수로 인한 광에너지의 전달에 의해 1~3eV의 에너지를 가지는 핫 전자가 생성된다. 이 핫 전자는 쇼트키 장벽을 뛰어 넘어 제1 및 제2 반도체층으로 이동해 갈 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있다. 이러한 원리로 광에너지가 전기에너지로 전환될 수 있다. When light is incident on the metal of the multi-layered metal-semiconductor nanodiode of the present invention, hot electrons having an energy of 1 to 3 eV are generated by the transmission of light energy due to absorption of light. The hot electrons have sufficient energy to move beyond the Schottky barrier to the first and second semiconductor layers. This principle can convert light energy into electrical energy.
본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드는 금속이 핫 전자의 생성을 증폭시키는 역할과 전극의 역할을 동시에 수행하는 새로운 개념의 나노다이오드이다. 또한 이러한 나노다이오드로 구성된 태양전지는 상기 금속을 중심으로 양 방향에 두 개의 반도체층을 적층함으로써 다방향에서 오는 광에너지 및 상이한 크기의 광에너지를 효과적으로 흡수할 수 있어 에너지의 손실을 최소화하고 에너지 전환효율을 증폭시킬 수 있다.The stacked metal-semiconductor nanodiode of the present invention is a new concept of a nano-diode that simultaneously performs the role of metal to amplify the generation of hot electrons and the role of electrode. In addition, a solar cell composed of such a nanodiode can effectively absorb light energy coming from multiple directions and light energy of different sizes by stacking two semiconductor layers in both directions around the metal, thereby minimizing loss of energy, The efficiency can be amplified.
도 1은 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드의 에너지 밴드 다이아그램에 관한 것으로, 금속과 각각의 반도체층 사이에서 광에너지의 크기에 따른 효율적인 에너지 전환 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드의 금속 위에 적층된 반도체층의 구조(왼쪽) 및 금속 표면에 반도체층이 적층됨으로써 P-wave의 빛이 더욱 효율적으로 흡수되는 현상(오른쪽)을 나타낸 것이다.
도 4A 및 4B는 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드를 포함하는 태양전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 5A는 Au/TiO2 나노다이오드를 200℃에서 한 시간 열처리 한 후 TiO2를 적층하고 측정된 광전류, 도 5B는 IPCE 결과를 나타낸 것이고, 도 5C는 Au/TiO2 나노다이오드 위에 은 나노선을 증착하고 다시 TiO2를 적층한 후 측정된 광전류이며, 도 5D는 IPCE 결과를 나타낸 것이다. 1 shows a stacked metal-semiconductor nano-diode of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an energy band diagram of a multi-layered metal-semiconductor nano-diode according to the present invention, showing an efficient energy conversion process according to the size of light energy between a metal and each semiconductor layer.
FIG. 3 is a view showing a structure (left) of a semiconductor layer stacked on a metal of a stacked metal-semiconductor nano-diode of the present invention and a phenomenon in which light of a P-wave is more efficiently absorbed will be.
4A and 4B are schematic diagrams of a solar cell including the stacked metal-semiconductor nanodiode of the present invention.
Figure 5A depicts the Au / TiO 2 nano-diodes and then one hours heat treatment at 200 ℃ stacked the TiO 2 and the measuring photocurrent, Fig. 5B is IPCE results, Figure 5C is a Au / TiO 2 nano-diode on the nanowire FIG. 5D shows the result of IPCE. FIG. 5D shows the measured photocurrent after deposition of TiO 2 and deposition. FIG.
본 발명은 제1반도체층 위에 금속이 적층되고, 상기 금속 위에 제2반도체층이 적층된 구조를 갖는 적층형 금속-반도체 나노다이오드 및 상기 적층형 금속-반도체 나노다이오드를 포함하는 태양전지를 제공하고자 한다.The present invention provides a stacked metal-semiconductor nano-diode having a structure in which a metal is stacked on a first semiconductor layer and a second semiconductor layer is stacked on the metal, and a solar cell including the stacked metal-semiconductor nano-diode.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명자는 기존의 실리콘 p-n 접합소자와는 다른 개념의 솔라셀 소자의 개발을 목표로 하였으며, 본 발명의 나노다이오드에서 빛의 흡수에 의해 핫 전자가 검출이 되고, 이러한 핫전자가 새로운 에너지원으로 사용될 수 있음을 확인하였다. The present inventors aim at the development of a solar cell device having a different concept from the conventional silicon pn junction device. In the nanodiode of the present invention, hot electrons are detected by absorption of light, and such hot electrons are used as a new energy source Can be used.
그러나 본 발명자에 의해 종래부터 연구중인 핫 전자 기반 금속-반도체 나노다이오드가 다방향이거나 상이한 크기의 에너지를 흡수하지 못하여 에너지 손실이 많음을 발견하고 이를 최소화하고자 노력하던 중, 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드에 의할 때 금속 표면에서 핫 전자의 생성이 극대화되고 동시에 다른 밴드갭을 가진 반도체들의 적층을 통해 에너지 손실을 최소화할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
However, the present inventors have found that hot electron based metal-semiconductor nano-diodes, which are being studied by the present inventors in the past, can not absorb energy in a multi-direction or a different size and thus have a large energy loss. It has been found that the generation of hot electrons at the metal surface is maximized at the time of the nanodiode and at the same time the energy loss can be minimized through the lamination of semiconductors having different band gaps.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드의 구조를 나타낸 도면으로, 상기 본 발명의 나노다이오드(100)는 제1반도체층(101) 위에 금속(102)이 적층되고, 상기 금속(102) 위에 제2반도체층(103)이 적층된 구조를 갖는다.In the nano-
즉 본 발명의 나노다이오드는 금속(102)을 중심으로 양 측으로 반도체층(101,103)이 각각 적층되어 있는 것을 특징으로 한다. That is, the nanodiode of the present invention is characterized in that the semiconductor layers 101 and 103 are laminated on both sides of the
상기 금속(102)은 광흡수층 역할을 하여, 빛이 상기 금속(102)에 입사되면 빛의 흡수로 인한 광에너지의 전달에 의해 핫 전자가 생성되는데, 상기 핫 전자는 금속(102) 표면에서 1~3 eV의 에너지를 갖는 여기된 전자를 말한다. When the light is incident on the
상기 제1 및 제2 반도체층(101,103)은 금속(102)에서 생성된 핫 전자를 수집하는 역할을 한다. 즉, 상기 금속(102)과 반도체층(101,103)의 접합부에는 일함수 차로 인해 에너지 장벽이 형성되는데 이 에너지 장벽을 쇼트키 장벽이라고 하며, 상기 쇼트키 장벽을 넘는 핫전자는 반도체층을 통해 수집될 수 있다. The first and second semiconductor layers 101 and 103 collect hot electrons generated from the
다음으로, 도 3은 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드의 금속 위에 적층된 반도체층의 구조(왼쪽) 및 금속 표면에 반도체층이 적층됨으로써 P-wave의 빛이 더욱 효율적으로 흡수되는 현상(오른쪽)을 나타낸 것이다. Next, FIG. 3 is a view showing a structure (left side) of a semiconductor layer stacked on a metal of a stacked metal-semiconductor nano-diode of the present invention and a phenomenon in which light of a P-wave is more efficiently absorbed ).
이미 상술한 바와 같이, 본 발명의 나노다이오드(100)는 금속(102)과 제1반도체층(101) 및 제2반도체층(103)으로 이루어지며, 금속(102)의 표면에서 발생한 핫 전자가 쇼트키 에너지 장벽을 넘어 각각의 반도체층으로 수집될 수 있다. The
상기 금속(102)의 두께는 특별히 한정된 것은 아니나, 수 나노미터 (nanometer)에서 수십 나노미터로 핫 전자의 평균 자유 행로 (mean free path)에 상응하는 정도를 택할 수 있는데, 본 발명은 일례로 금속의 두께를 핫 전자의 검출을 용이하게 하기 위해 10 nm로 증착할 수 있다. Although the thickness of the
본 발명의 금속(102)은 continuous island가 되면 빛이 입사했을 때 플라즈몬 효과를 얻을 수 있는데, 플라스몬 효과는 island 모양의 비활성 금속표면에 빛이 입사되었을 때 나타나는 현상으로 가시광선 영역의 빛을 더욱 효과적으로 흡수할 수 있는 특징이 있다. 또한 p-wave light은 s-wave light 보다 최대 3배 정도 더 많이 흡수되는 현상을 보인다. The
상기 금속(102)은 특별히 한정된 것은 아니나, 바람직하게는 금(Au), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속을 포함할 수 있다.The
상기 금속(102)은 표면 플라즈몬 효과를 강하게 생성하는 금속으로, 일례로 금속 중 백금(Pt)의 경우 표면 플라즈몬 생성이 약하여 핫 전자를 증폭시키는 효과가 약하나, 본 발명의 금속인 금(Au), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 구리(Cu)는 증폭효과가 강할 수 있다. The
또한, 표면 플라즈몬 공명은 금속의 종류나 크기, 모양에 따라 광흡수 파장을 조절할 수 있는 장점이 있다. 상기 금속의 크기, 모양 등을 조절하여 얻어진 나노구조물, 나노섬 및 나노선은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광흡수를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 금속(102)의 일례로, 박막금속의 표면에 나노구조물, 금속나노섬 및 금속나노선으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 증착시킴으로 표면플라즈몬 공명을 강화시킬 수 있다. In addition, surface plasmon resonance has the advantage of controlling the optical absorption wavelength depending on the kind, size, and shape of the metal. Nanostructures, nano-islands and nanowires obtained by controlling the size, shape and the like of the metal can act to increase light absorption by surface plasmon resonance. Accordingly, as an example of the
선택적으로, 상기 금속(102)에는 양자점 및 유기염료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 증착시킬 수 있다. Alternatively, the
상기 양자점과 염료는 표면 플라즈몬 공명과의 조합을 통해 넓은 파장의 광에너지를 흡수할 수 있는데, 상기 금속(102) 위에 염료층의 형성은 광에 더욱 민감하게 만들고 이에 따라 보다 효과적으로 광을 흡수할 수 있도록 할 수 있다. 염료가 금속(102)에 증착되었을 때 염료에 의해서 보다 많은 빛을 흡수하여 금속구조물의 핫 전자의 생성을 더욱 용이하게 만들게 되고, 높은 효율을 얻을 수 있다. The quantum dots and dyes can absorb a wide wavelength of light energy through combination with surface plasmon resonance. The formation of a dye layer on the
상기 염료는 그 종류에 있어서 특별히 한정된 것은 아니며, 일례로 메르브로민(Merbromin)이나 로다민(Rhodamine) G 또는 6G가 사용될 수 있다. 상기 양자점은 그 종류에 있어서 특별히 한정된 것은 아니며, 일례로 CdSe, Si, CdTe, CdS 양자점 등이 사용될 수 있다. The dye is not particularly limited in its kind, and for example, Merbromin or Rhodamine G or 6G may be used. The quantum dot is not particularly limited in its kind, and for example, CdSe, Si, CdTe, and CdS quantum dots can be used.
본 발명은 금속(102)을 중심으로 두 개의 반도체층(101, 103)이 적층된 구조일 수 있는데, 상기 적층되는 반도체층(101, 103) 구조는 다방향 및 다양한 파장대의 광에너지의 흡수를 도울 뿐만 아니라 금속(102)의 표면 플라즈몬 공명의 이용을 더욱 효율적으로 만들 수 있다. The present invention can be a structure in which two
상기 반도체층(101, 103)의 반도체는 특별히 한정된 것은 아니나, 바람직하게는 산화물 반도체, 4족 반도체 및 화합물 반도체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 포함할 수 있다.The semiconductors of the semiconductor layers 101 and 103 are not particularly limited, but may include any one selected from the group consisting of an oxide semiconductor, a quaternary semiconductor, and a compound semiconductor.
일례로, 상기 반도체층(101, 103)을 이루는 반도체로 TiO2, CeO2, ZnO 등의 산화물 반도체, Si, Ge, SiC 등의 4족 반도체, 또는 CdSe, GaP, GaN 등의 화합물 반도체물질이 사용될 수 있다. For example, an oxide semiconductor such as TiO 2 , CeO 2 , or ZnO, a quaternary semiconductor such as Si, Ge, or SiC, or a compound semiconductor material such as CdSe, GaP, or GaN may be used as the semiconductor constituting the semiconductor layers 101 and 103 Can be used.
상기 제1반도체층(101)과 제2반도체층(103)의 밴드갭은 동일할 수도 있으며 상이한 것일 수도 있다. The band gap between the
상기 제1반도체층(101)과 제2반도체층(103)의 밴드갭이 동일할 경우, 본 발명의 나노다이오드(100)는 여러 방향으로 들어오는 빛을 흡수할 수 있어 광에너지의 손실을 최소화하여 에너지전환 효율을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. 종래에 본 발명자에 의해 제작된 하나의 반도체층과 금속으로 이루어진 나노다이오드의 경우 다양한 방향에서 들어오는 빛을 흡수하지 못하여 광에너지의 손실을 야기할 수 있었으나, 본 발명과 같이 두 개의 반도체층(101, 103)으로 구성될 경우 상기 문제점을 해결할 수 있다. When the band gap between the
금속(102)을 중심으로 반도체층(101,103)과의 접합부에는 쇼트키 장벽이 형성될 수 있는데, 금속(102)의 일함수와 반도체층을 형성하는 물질의 전자친화도의 차이를 통해 쇼트키 장벽의 높이가 결정될 수 있다. 따라서, 상기 제1반도체층(101)과 제2반도체층(103)의 밴드갭을 달리할 경우, 두 개의 쇼트키 장벽의 높이는 각각 다르기 때문에 높은 에너지의 핫 전자와 상대적으로 낮은 에너지의 핫 전자 모두를 효율적으로 수집할 수 있다. 금속(102)에서 각각의 반도체층(101,103)의 쇼트키 장벽을 넘어간 핫 전자들은 반도체층 내의 에너지 장벽으로 인해 비가역적으로 전극으로 수집된다. A Schottky barrier may be formed at the junction between the
즉, 본 발명의 나노다이오드 구조에서 제1반도체층(101)과 제2반도체층(103)의 밴드갭을 바꿈으로써 다양한 에너지대의 광을 흡수하는 부분이 가능할 수 있다.In other words, the band gap between the
상기한 내용은 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드의 에너지 밴드 다이아그램을 나타낸 도 2를 참작하면 보다 명확히 알 수 있다. 도 2에는 제1반도체층(101)과 제2반도체층(103)의 밴드갭을 달리할 경우를 표현하였다.The above description can be more clearly understood with reference to FIG. 2 showing the energy band diagram of the stacked metal-semiconductor nanodiode of the present invention. In FIG. 2, the band gap between the
밴드갭이 상이한 본 발명의 일례로, 상기 제1반도체층(101)은 밴드갭이 상대적으로 높은 TiO2 또는 GaN으로 구성되고, 상기 제2반도체층(103)은 밴드갭이 상대적으로 낮은 Si 또는 Ge으로 구성될 수 있다. 상기와 같이 서로 다른 높이의 쇼트키 장벽들과 반도체층의 각기 다른 밴드갭들을 통해 매우 넓은 파장의 광에너지를 흡수할 수 있으므로, 본 발명의 나노다이오드(100)는 전체적인 광에너지 전환 효율이 증폭될 수 있는 것이다.
In an example of the present invention having different band gaps, the
또한, 본 발명은 상기 적층형 금속-반도체 나노다이오드(100)을 포함하는 태양전지를 제공한다. 이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 태양전지를 상세히 설명하기로 한다.The present invention also provides a solar cell including the stacked metal-semiconductor nano-diode (100). Hereinafter, the solar cell of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
종래의 PN 접합을 이용한 실리콘 태양전지, 염료 감응형 또는 유기 태양전지 등의 경우 광흡수층이 별도로 존재하고 금속은 빛의 평균 자유 행로를 증가시켜 광흡수층에서 빛의 흡수를 향상시키는 역할을 한데 반해, 본 발명에서는 금속이 직접적으로 표면 플라즈몬 현상에 의해 효율적인 광흡수층 역할을 할 수 있으며, 상기 금속에서 산란된 빛은 금속과 접합되어 있는 반도체층에서 다시 흡수되어 고효율의 태양전지를 제공할 수 있다. In the case of a silicon solar cell, a dye-sensitized solar cell or an organic solar cell using a conventional PN junction, a light absorbing layer exists separately and the metal increases the average free path of light to improve light absorption in the light absorbing layer, In the present invention, the metal may directly serve as an efficient light absorbing layer by surface plasmon phenomenon, and the light scattered in the metal may be absorbed again in the semiconductor layer bonded to the metal to provide a highly efficient solar cell.
본 발명의 태양전지는 적층형으로 소자를 만들고 다양한 에너지 흡수의 채널을 만듦으로써 에너지전환 효율의 증폭을 가져줄 수 있다.The solar cell of the present invention can bring about the amplification of the energy conversion efficiency by making a device in a laminated form and creating channels of various energy absorption.
즉, 본 발명의 태양전지는 제1반도체층 위에 금속이 적층되고, 상기 금속 위에 제2반도체층이 적층된 구조를 갖는 적층형 금속-반도체 나노다이오드(100)와 제1,2전극층으로 구성되며, 상기 제1전극층은 상기 제1반도체층과 접착되는 투명전극이거나 또는 옴접합이 형성되어 있는 상기 제1반도체층 자체이고, 상기 제2전극층은 상기 금속 자체이거나 상기 금속과 연결되어 있는 전극이며, 상기 금속은 광흡수층으로 사용되어 표면플라즈몬의 생성을 통해 핫 전자(hot electron)의 생성을 증폭시킬뿐만 아니라 동시에 전극으로의 역할도 함께 수행할 수 있다.That is, the solar cell of the present invention includes a stacked metal-semiconductor nano-
본 발명의 일례로, 상기 태양전지는 투명전극(200), 제1반도체층(101), 금속(102)및 제2반도체층(103)으로 구성된다. 즉, 상기 태양전지는 하부 기판으로 투명전극(200)을 두고, 상기 투명전극(200)상에 제1반도체층(101)이 형성되며, 상기 제1반도체층(101)상에 금속(102)이 형성되고, 상기 금속(102)상에 제2반도체층(103)이 형성된다. 전극으로는 상기 투명전극(200)이 제1전극층으로, 상기 금속(102)이 제2전극층으로 역할을 한다. 상기 금속(102)은 전극의 역할과 광에너지를 흡수하는 역할을 동시에 수행한다. In one example of the present invention, the solar cell is composed of a
또한 상기 제1반도체층(101)과 제2반도체층(103)은 서로 연결되어 있기 때문에 여기된 핫 전자들이 제1반도체층(103)에서 제2반도체층(101)으로 수집될 수 있다(도 4A 참조). In addition, since the
또한, 본 발명의 다른 일례로, 상기 태양전지는 유리기판(300), 제1반도체층(101), 금속(102) 및 제2반도체층(103)으로 구성된다. 즉, 상기 태양전지는 하부 기판으로 유리기판(300)을 두고, 상기 유리기판(300)상에 제1반도체층(101)이 형성되며, 상기 제1반도체층(101)상에 금속(102)이 형성되고, 상기 금속(102)상에 제2반도체층(103)이 형성된다. 전극으로는 자체에 옴접합이 형성되어 있는 상기 제1반도체층(101)이 제1전극층으로, 상기 금속(102)이 제2전극층으로 역할을 한다. 상기 금속(102)은 전극의 역할과 광에너지를 흡수하는 역할을 동시에 수행한다. 유리기판(300)은 빛을 입사시키는 역할을 한다.In addition, in another example of the present invention, the solar cell is composed of a
또한 상기 제1반도체층(101)과 제2반도체층(103)은 서로 연결되어 있기 때문에 여기된 핫 전자들이 제1반도체층(103)에서 제2반도체층(101)으로 수집될 수 있다(도 4B 참조).
In addition, since the
상기와 같이, 본 발명에서는 기존의 실리콘 PN 접합소자와는 다른 개념의 솔라셀 소자의 개발을 이루었으며, 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드에서 빛의 흡수에 의해 핫 전자가 검출이 되고, 이러한 핫 전자가 새로운 에너지원으로 사용될 수 있으므로 본 발명의 태양전지의 효율향상에 유리한 효과가 있다.
As described above, the present invention has developed a solar cell device having a different concept from the conventional silicon PN junction device, and hot electrons are detected by the absorption of light in the stacked metal-semiconductor nano-diode of the present invention. Since hot electrons can be used as a new energy source, there is an advantageous effect for improving the efficiency of the solar cell of the present invention.
이하, 하기 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.
<< 실시예Example >>
본 발명의 The 적층형Laminated type 금속-반도체 Metal-semiconductor 나노다이오드의Nano-diode 광전환Light conversion 효율 평가 Efficiency evaluation
본 발명자는 본 발명의 적층형 금속-반도체 나노다이오드의 광전환 효율을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 하였다.The present inventors The following experiment was conducted to evaluate the light conversion efficiency of the multi-layered metal-semiconductor nanodiode of the present invention.
먼저, 본 발명의 나노다이오드에 사용되는 금속인 은(Ag)은 Polyol method로 합성하였고, 반도체층에 사용되는 졸겔 TiO2는 C2H5OH 4.5 ml와 HNO3 10 ul, Ti(OC3H7)4 0.5 ml 를 혼합한 후에 sonication 30 분을 진행하여 합성하였다. First, the silver (Ag) used in the nanodiode of the present invention was synthesized by the polyol method. The sol-gel TiO 2 used in the semiconductor layer was prepared by mixing 4.5 ml of C 2 H 5 OH, 10 μl of HNO 3 , Ti (OC 3 H 7 ) 4 ( 0.5 ml) were mixed and sonication was performed for 30 minutes.
준비된 나노다이오드 위에 spay 증착 방법으로 은 나노선을 증착하였으며, 200℃로 한 시간 열처리한 후 Spin coater 장비로 졸겔 TiO2을 그 나노선 위에 증착하여 본 발명의 적층형 Ag/TiO2 나노다이오드를 제작하였다. 졸겔 TiO2의 증착 두께는 150 nm이었다.A silver nanowire was deposited on the prepared nanodiode by spay deposition method. The nanowire was annealed at 200 ° C. for one hour. Then, a sol-gel TiO 2 was deposited on the nanowire using a spin coater to fabricate the stacked Ag / TiO 2 nanodiode of the present invention . The deposition thickness of the sol-gel TiO 2 was 150 nm.
또한, 준비된 나노다이오드 위에 spay 증착 방법으로 은 나노선을 증착한 후 열처리하지 않고, Spin coater 장비로 졸겔 TiO2을 그 나노선 위에 증착하여 본 발명의 또 다른 적층형 Ag/TiO2 나노다이오드를 제작하였다.In addition, another silver / TiO 2 nanodiode of the present invention was fabricated by depositing sol-gel TiO 2 on the nanowire using a spin coater without depositing silver nanowire on the prepared nanodiode by spay deposition method .
상기에서 제조된 나노다이오드는 먼저 Keithley 2400을 통해 광전류를 측정하였으며 광전류의 측정을 위해 할로젠 램프를 사용하였다. 광전류 측정 후에 IPCE 장비를 통해 각 파장별 광전환 효율을 측정하였다. The nanodiode manufactured above was first measured for photocurrent through a Keithley 2400, and a halogen lamp was used for photocurrent measurement. After photocurrent measurement, the photoconversion efficiency of each wavelength was measured by IPCE equipment.
도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 적층형 Ag/TiO2 나노다이오드는 매우 우수한 광전환 효율을 나타낸다. As can be seen from FIG. 5, the stacked Ag / TiO 2 nanodiodes of the present invention exhibit excellent light conversion efficiency.
도 5A,5B는 200℃로 한 시간 열처리한 후 TiO2가 적층된 경우를 나타낸 것이다. 상기와 같이 한 층의 반도체층과 금속 구조 위에 또 한 층의 반도체층이 적층되면서 광전류가 약 3배 가량 증가된 결과를 확인할 수 있었고, IPCE결과를 통해서 TiO2가 증착됨에 따라 흡수되는 파장이 더 넓어지고 전체적으로 흡수가 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 광전류의 증가에 대한 이유가 된다. 5A and 5B show a case where TiO 2 is laminated after heat treatment at 200 ° C. for one hour. As a result, it was confirmed that the photocurrent was increased by about 3 times as the semiconductor layer and the semiconductor layer were stacked on the one-layer semiconductor layer and the metal structure, and the wavelength absorbed by the deposition of TiO 2 And it was confirmed that the absorption was improved as a whole. This is the reason for the increase of photocurrent.
도 5C,5D는 열처리를 하지 않은 본 발명의 나노다이오드에 대한 실험결과이다. 이 실험에서는 순수한 은 나노선의 효과를 알기 위해 열처리는 이루어지지 않았다. 이런 경우 광전류는 약 6배 정도의 증가를 보였으며, IPCE 결과를 보면 전 파장대에서 광전환 효율이 향상된 것을 알 수 있었다.5C and 5D are experimental results of the nanodiode of the present invention without heat treatment. In this experiment, heat treatment was not performed to find out the effect of pure silver nanowires. In this case, the photocurrent increased about 6 times, and IPCE results showed that the light conversion efficiency was improved at the entire wavelength range.
100: 적층형 금속-반도체 나노다이오드 101: 제1반도체층
102: 금속 103: 제2반도체층
200: 투명전극 300: 유리기판100: stacked metal-semiconductor nano-diode 101: first semiconductor layer
102: metal 103: second semiconductor layer
200: transparent electrode 300: glass substrate
Claims (11)
상기 금속은 전극의 역할과 동시에 광에너지를 흡수하는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체-금속-반도체 적층형 나노다이오드.A semiconductor-metal-semiconductor stacking type nano-diode having a structure in which a metal is stacked on a first semiconductor layer and a second semiconductor layer is stacked on the metal,
Wherein the metal acts as an electrode and simultaneously absorbs light energy.
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