KR101520804B1 - 광대역 파장 흡수 및 에너지변환을 이용한 고효율 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이종 접합 양자점과 쇼트키 접합 태양 전지를 이용한 태양 전지를 제공한다. 이 태양 전지는 제1 도전형의 반도체층 및 제1 도전형의 반도체층 상에 형성된 금속층을 포함하는 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지, 및 반도체층 상에 배치되고, 코어(core) 및 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점을 포함한다. 상기 이종 접합 양자점은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지에 전달한다.
Description
본 발명의 태양전지에 관한 것으로, 더 구체적으로 양자 우물 구조를 가진 양자점 및 쇼트키 접합을 이용한 태양전지에 관한 것이다.
태양광 발전 시스템에 있어서, 태양전지 모듈 가격이 차지하는 비중이 크다. 한편, 태양광 발전 시스템을 설치할 때 드는 설치비용, 설치에 필요한 땅값, 유지 관리비 등 태양 전지 모듈 이외의 비용은 태양 전지의 총 면적에 비례한다. 따라서, 태양전지의 효율 증가는 태양광 발전 시스템의 제조 단가를 낮추는 효과 및 발전 단가를 낮출 수 있다. 따라서, 고효율의 태양전지가 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 이종 접합 양자점과 쇼트키 접합 태양 전지를 이용하여 고효율 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 이종 접합 양자점과 MIS 태양 전지를 이용하여 고효율 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 제1 도전형의 반도체층 및 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 형성된 금속층을 포함하는 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지; 및 상기 반도체층 상에 배치되고, 코어(core) 및 상기 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점을 포함한다. 상기 이종 접합 양자점은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지에 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코어는 II-VI 족 화합물 또는 III-V 족 화합물을 포함하고, 상기 셀은 적어도 한 쌍의 상기 코어를 감싸는 베리어층 및 상기 베이어층을 감싸는 양자우물층을 포함하고, 상기 베리어층의 밴드갭은 상기 코어 및 양자우물층의 밴드갭보다 크고, 상기 양자우물층의 밴드갭은 상기 코어의 밴드갭보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 셀은 상기 코어를 감싸는 제1 베리어층; 상기 제1 베리어층을 감싸는 제1 양자우물층; 상기 제1 양자우물층을 감싸는 제2 베리어층;및 상기 제2 베리어층을 감싸는 제2 양자우물층을 포함하고, 상기 제2 양자우물층의 밴드갭은 상기 제1 양자우물층의 밴드갭보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코어는 PbS이고, 상기 제1 베리어층 및 제2 베리어층은 ZnS이고, 상기 제1 양자우물층은 CdSe이고, 상기 제2 양자우물층은 CdS일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 양자점을 감싸는 보호막을 더 포함하고, 상기 제1 태양 전지의 밴드갭은 상기 코어의 밴드갭보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제1 도전형의 반도체층 및 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 형성된 금속층을 포함하는 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지; 및 상기 금속층 상에 배치되고, 코어(core) 및 상기 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점을 포함한다. 상기 이종 접합 양자점은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지에 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제1 도전형의 반도체층, 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 형성된 절연층, 및 상기 절연층 상에 형성된 금속층을 포함하는 MIS 태양전지; 및 상기 절연층 상에 배치되고, 코어(core) 및 상기 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점을 포함하고, 상기 이종 접합 양자점은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 MIS 태양전지에 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코어는 II-VI 족 화합물 또는 III-V 족 화합물을 포함하고, 상기 셀은 적어도 한 쌍의 상기 코어를 감싸는 베리어층 및 상기 베이어층을 감싸는 양자우물층을 포함하고, 상기 베리어층의 밴드갭은 상기 코어 및 양자우물층의 밴드갭보다 크고, 상기 양자우물층의 밴드갭은 상기 코어의 밴드갭보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 셀은 상기 코어를 감싸는 제1 베리어층; 상기 제1 베리어층을 감싸는 제1 양자우물층; 상기 제1 양자우물층을 감싸는 제2 베리어층;및 상기 제2 베리어층을 감싸는 제2 양자우물층을 포함하고, 상기 제2 양자우물층의 밴드갭은 상기 제1 양자우물층의 밴드갭보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코어는 PbS이고, 상기 제1 베리어층 및 제2 베리어층은 ZnS이고, 상기 제1 양자우물층은 CdSe이고, 상기 제2 양자우물층은 CdS일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 양자점을 감싸는 보호막을 더 포함하고, 상기 제1 태양 전지의 밴드갭은 상기 코어의 밴드갭보다 작을 수 있다.
본 발명의 일시예에 따른 다른 물질로 이루어진 반도체 이종접합 구조를 가진 콜로이달(Colloidal) 반도체 양자점의 합성은 복잡한 성장 장비나 어려운 공정을 하지 않는다. 따라서, 반도체 양자점의 합성은 저렴하게 수행될 수 있다. 상기 양자점은 밴드갭의 큰 차이를 가진 이종접합구조를 포함한다. 따라서, 상기 양자점은 광대역 파장의 빛을 용이하게 흡수할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 자외선에서 적외선에 이르는 광대역파장의 빛을 흡수하고, 하나의 광자로 두 개 이상의 전자-정공 쌍을 형성하고, 전자-정공 쌍을 효율적으로 전류로 변환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 경제적인 제작비용, 공정의 용이성과 고효율 태양에너지 변환 등과 같은 장점으로 우수한 녹색 에너지자원으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 설명하는 도면이다.
도 2a는 도 1의 이종 접합 양자점을 설명하는 도면이다.
도 2b는 도 2a의 이종 접합 양자점의 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지를 설명하는 도면이다.
도 2a는 도 1의 이종 접합 양자점을 설명하는 도면이다.
도 2b는 도 2a의 이종 접합 양자점의 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지를 설명하는 도면이다.
쇼트키(Schottky) 접합 태양전지는 벌크형 태양전지에 비하여 구조가 간단하고 제작이 용이하며 넓은 면적에 적용할 수 있다는 장점으로 인하여 많은 연구가 진행되었다. 하지만 실리콘과 금속의 계면 트랩(interface trap)에 의하여 역방향 전류가 증가할 수 있다.
쇼트키 접합 태양전지의 문제점인 낮은 개방 전압(Voc)를 증가시키기 위하여 반도체와 금속 사이에 박막의 절연체를 형성하는 금속-절연체-반도체 (MIS) 구조의 연구가 지속적으로 진행되어 오고 있다. 금속과 반도체 계면에 박막의 절연체가 형성되면, 절연체를 통하여 터널링 현상이 일어나게 되며, 실리콘 계면에서는 절연체로 인하여 패시베이션(passivation) 효과가 나타나 역방향 전류가 감소하게 되며 상대적으로 개방 전압(Voc)은 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양자점을 이용한 고효율 쇼트키 태양전지 또는 양자점을 이용한 고효율 금속-절연체-반도체 (MIS) 태양전지가 제공된다.
광대역 파장을 흡수하고 태양광 흡수효율이 높은 양자점과 쇼트키 태양전지를 결합한 하이브리드형 태양전지는 제조기술이 단순하고 저가로 제작될 수 있고 고효율의 태양전지를 제공할 수 있다.
메탈-반도체(metal-semiconductor,MS), 메탈-절연체-반도체(metal-insulator-semiconductor,MIS)구조로 이루어진 태양전지 상에 양자점이 도포된다. 상기 양자점에서 흡수한 태양광을 포스터 공명 에너지 전달 과정을 이용하여 쇼트키 태양전지의 활성층으로 운반자를 전달한다. 이에 따라, 광전류를 증가시켜 태양전지 효율이 극대화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 태양광 발전을 위한 개별소자로 활용될 수 있고, 소규모 단위 발전에 매우 유용할 것으로 기대된다.
통상적인 태양전지의 광전 변환 방법은 흡수되는 광자의 에너지에는 무관하고 오직 흡수된 광자의 수에 비례하여 전자-정공 쌍을 생성한다. 따라서, 높은 에너지를 가진 광자의 남는 에너지는 열로 손실되어 비효율적이다.
태양전지 기술은 1세대 단일 접합 구조에서 2세대 탠덤(tandem)형 다중접합 구조로 변화하고 있다. 2세대 탠덤(tandem)형 다중접합 구조는 광대역 파장 흡수를 이용한 고효율 태양전지 기술이다.
최근의 다중 엑시톤 발생(multiple exciton generation;MEG) 태양전지는 높은 에너지의 광자를 흡수하여 1 개의 전자-정공 쌍을 형성하고, 여기 상태에서 생성된 전자와 정공이 낮은 에너지 상태로 천이하면서 다른 1 개의 전자-정공 쌍을 생성하여 2 개 이상의 전자-정공 쌍을 생성할 수 있다.
고효율 태양전지는 자외선에서 적외선에 이르는 광대역 파장의 빛을 흡수하는 것, 2) 하나의 광자로 두 개 이상의 전자-정공 쌍을 형성하는 것, 3) 생성된 전자-정공 쌍을 효율적으로 전류로 변환하는 것을 요구한다. 이종접합 양자점을 이용한 태양전지는 위의 조건을 만족한다.
화학적 합성으로 만들어지는 콜로이달(colloidal) 반도체 양자점은 경제성, 용이성, 응용성 측면에서 월등한 소재로 인정되어 많은 분야에서 응용되고 산업화되고 있다. 또한 콜로이달(Colloidal) 반도체 양자점은 복잡한 성장 장비나 어려운 공정 없이도 다른 물질로 이루어진 반도체 이종접합 구조를 저렴하게 합성할 수 있다. 이 이종 접합 구조는 하나의 양자점에 밴드갭이 많이 차이나는 물질을 합성하여 형성된다. 이에 따라, 이종접합 구조의 양자점은 광대역 파장의 빛을 용이하게 흡수할 수 있다. 이 양자점은 태양광을 흡수하여 복수의 전자-정공 쌍을 형성하고, 이 전자-전공 쌍은 비복사 공명 전달(non-radiative resonant transfer) 과정을 통하여 태양 전지에 전달된다. 따라서, 상기 태양 전지는 효율적으로 동작할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 설명하는 도면이다.
도 2a는 도 1의 이종 접합 양자점을 설명하는 도면이다.
도 2b는 도 2a의 이종 접합 양자점의 밴드 다이어그램이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b을 참조하면, 태양전지(300)는 제1 도전형의 반도체층(332) 및 상기 제1 도전형의 반도체층(332) 상에 형성된 금속층(337)을 포함하는 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지(330), 및 상기 반도체층(330) 상에 배치되고, 코어(core) 및 상기 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점(202)을 포함한다. 상기 이종 접합 양자점(202)은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)에 전달한다.
상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)는 메탈-반도체(metal-semiconductor,MS) 구조의 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지일 수 있다. 상기 제1 도전형은 N형 또는 P형일 수 있다. 상기 금속층(337)은 알루미늄, 타이타늄과 같은 도전성 물질일 수 있다. 상기 반도체층(332)의 일면은 태양광에 노출될 수 있고, 상기 반도체층(332)의 타면은 금속 전극으로 증착될 수 있다. 상기 태양광이 노출되는 상기 반도체층(332)의 일면 상에는 상기 금속층(337)이 증착될 수 있다. 상기 금속층(337)과 상기 반도체층(332)은 쇼트키(Schottky) 접합을 형성할 수 있다.
상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)는 상기 이종 접합 양자점(202)으로부터 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 에너지를 전달받는다. 상기 코어(210)의 전자-정공 쌍은 FRET 상호 작용을 통하여 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)에 에너지를 전달할 수 있다. 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)는 비복사 공명 전달(non-radiative resonant transfer) 과정을 통하여 에너지를 획득하여 전자-정공 쌍을 형성할 수 있다. 따라서, 태양광을 직접 받지 않고 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지의 전류가 흐를 수 있다. 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지의 상기 반도체층(332)의 밴드갭은 상기 코어(210)의 밴드갭보다 작을 수 있다.
상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)는 차례로 적층된 하부 전극(331), 제1 도전형의 반도체층(332), 및 금속층(337)을 포함할 수 있다. 상기 하부 전극(331)은 상기 반도체층(332)과 오옴익 콘택할 수 있다. 상기 금속층(337)은 상기 반도체층(332)과 쇼트키(Schottky) 접합할 수 있다. 상기 반도체층(332)은 실리콘, 게르마늄, 또는 실리콘 카바이트(SiC)일 수 있다. 상기 반도체층(332)는 제1 도전형으로 도핑될 수 있다. 제1 도전형은 n형 또는 P형일 수 있다.
상기 금속층(337)의 형상은 와셔 형상 또는 빗(comb) 형상일 수 있다. 상기 금속층(337)이 배치되지 않은 영역에는 상기 이종 접합 양자점들(202)이 배치된다. 이종 접합 양자점들(202)은 비복사 공명 전달을 통하여 전자-전공 쌍을 상기 반도체층(332)에 전달할 수 있다. 이에 따라, 상기 전자-전공 쌍은 쇼트키(Schottky) 접합 영역으로 제공될 수 있다.
상기 이종 접합 양자점(202)은 상기 코어(210) 및 상기 코어(210)를 감싸는 셀(220)을 포함할 수 있다. 상기 코어(210)는 II-VI 족 화합물 또는 III-V 족 화합물을 포함할 수 있다. 상기 셀(220)은 적어도 한 쌍의 상기 코어(210)를 감싸는 베리어층(221,223) 및 상기 베이어층(221,223)을 감싸는 양자우물층(222,224)을 포함할 수 있다. 상기 베리어층(221,223)의 밴드갭은 상기 코어(210)의 밴드갭 및 양자우물층(222,224)의 밴드갭보다 크고, 상기 양자우물층(222,224)의 밴드갭은 상기 코어(210)의 밴드갭보다 클 수 있다.
상기 셀(220)은 상기 코어(210)를 감싸는 제1 베리어층(221), 상기 제1 베리어층(221)을 감싸는 제1 양자우물층(222), 상기 제1 양자우물층(222)을 감싸는 제2 베리어층(223), 및 상기 제2 베리어층(223)을 감싸는 제2 양자우물층(224)을 포함할 수 있다. 상기 제2 양자우물층(224)의 밴드갭은 상기 제1 양자우물층(222)의 밴드갭보다 클 수 있다.
구체적으로, 상기 코어(210)는 PbS이고, 상기 제1 베리어층(221) 및 제2 베리어층(223)은 ZnS이고, 상기 제1 양자우물층(222)은 CdSe이고, 상기 제2 양자우물층(224)은 CdS일 수 있다. 이 경우, 태양광의 자외선(UV) 성분 또는 파란색 성분은 상기 제2 양자우물층(224)에 흡수되어 가전자대(Valence Band;VB)에 정공(hole)을 형성하고, 전도대(Conduction Band;CV)에 전자를 형성할 수 있다(A1). 이어서, 상기 전자는 터널링을 통하여 상기 제2 베리어층(223), 제1 양자우물층(222), 및 제1 베리어층(221)을 통과하여 상기 코어(210)에 도달할 수 있다(A2). 또한, 상기 코어(210)에 도달한 전자는 중간 에너지 상태로 천이(transition)할 수 있다. 상기 천이는 상기 코어에 전자- 정공 쌍을 형성할 수 있다(A4). 또한, 상기 제2 양자우물층(224)의 상기 가전자대에 있던 정공은 터널링을 통하여 상기 제2 베리어층(223), 제1 양자우물층(222), 및 제1 베리어층(221)을 통과하여 상기 코어(210)에 도달할 수 있다(A5). 또한, 상기 코어(210)의 중간 에너지 상태에 있던 전자는 낮은 에너지 상태로 천이할 수 있다(A6). 상기 낮은 에너지 상태로 천이하는 전자는 상기 코어에 전자- 정공 쌍을 형성할 수 있다(A7).
이종접합 구조 양자점(202)에 흡수된 빛 중에 UV 및 파란색 파장을 갖는 광자(photon)은 하나 당 두 개 이상의 전자-정공 쌍을 형성할 수 있다. 즉, 이종접합 구조 양자점은 MEG(Multiple Exciton Generation)을 수행할 수 있다.
태양광의 녹색 성분은 제1 양자 우물층(222)에 흡수되어 전자-정공 쌍을 형성한다(B1). 상기 전자는 터널링을 통하여 상기 제1 베리어층(221)을 통과하여 상기 코어(210)의 중간 에너지 상태에 도달할 수 있다(B2). 상기 중간 에너지 상태의 전자는 낮은 에너지 상태로 천이할 수 있다(B3). 상기 천이는 상기 코어(210)에 전자-정공 쌍을 형성할 수 있다(B5). 또한, 상기 제1 양자우물층(222)의 정공은 터널링을 통하여 상기 제1 베리어층(221)을 통과하여 상기 코어(210)에 도달할 수 있다.
적색을 포함한 1 μm이하의 적외선 대역의 광자는 상기 코어(210)에서 전자-전공 쌍을 형성할 수 있다. 한편, 1 μm 이상의 적외선 대역의 광자는 이종접합 구조 양자점에서 흡수되지 않고, 제1 태양 전지에 직접조사될 수 있다. 이 경우, 제1 태양 전지는 II-VI 화합물, III-V 화합물 및 IV 족 반도체 및 유기물일 수 있다. 제1 태양 전지는 1 μm 이상의 적외선 대역의 광자를 흡수할 수 있다.
상기 이종 접합 양자점(202)은 복수의 양자 우물 구조(quantum well structure)를 가질 수 있다. 즉, 상기 양자 우물 구조는 서로 다른 영역에서 각각 UV, 파란색, 녹색을 흡수할 수 있다. 또한 상기 코어는 적색을 포함한 1 μm 이하의 적외선을 흡수할 수 있다. 상기 이종 접합 양자점(202)은 태양광의 거의 모든 파장에 대하여 전자-정공 쌍을 형성할 수 있다. 또한, 상기 이종 접합 양자점(202)은 UV, 파란색 및/또는 녹색에 대하여 2 개 이상의 전자- 정공 쌍을 형성할 수 있다.
상기 이종 접합 양자점(202)에 의하여 형성된 전자- 정공 쌍은 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)에 에너지를 전달할 수 있다. 이에 따라, 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)의 광전 변환 효율은 증가될 수 있다. 상기 이종 접합 양자점은 PbS/ZnS/CdSe/ZnS/CdS 구조일 수 있다. 따라서 상기 이종 접합 양자점은 양자점-양자우물 (QD-QW)구조로 합성되어, 자외선 (300 nm)에서 적외선 (1000 nm) 영역에 이르는 태양광을 흡수할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지의 광전 변환 효율은 기존의 태양전지에 비하여 50 퍼센트 정도 증가할 수 있다.
보호막(203)은 상기 양자점(202)을 감쌀 수 있다. 상기 보호막(202)은 이미 가공된 양자점들을 상기 제1 태양 전지(330) 상에 도포하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 보호막(203)은 trioctylphosphine(TOP) 또는 trioctylphosphine oxide(TOPO)일 수 있다.
상기 양자점을 상기 쇼트키 태양전지에 모노레이어(monolayer)로 도포하기 위하여 LB 증착(Langmuir-Blodgett deposition) 기술 , LBL(layer by layer) 기술이 사용될 수 있다. 이종접합 양자점(202)은 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330) 상에 모노레이어(monolayer)로 도포될 수 있다. 이에 따라, 이종접합 양자점(202)은 광대역 파장을 흡수하고 MEG을 통하여 다수의 전자-정공쌍을 생성한다. 생성된 전자-정공쌍은 쇼트키 태양전지(330)에 FRET을 통하여 전달된다.
이종접합 양자점(202)이 도포되는 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)의 표면은 피라미드 등과 같은 형태일 수 있다. 이에 따라, 이종접합 양자점(202)이 도포되는 표면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양 전지(330)의 표면에서 반사 또는 산란되는 태양광은 재흡수되어 광효율이 증가될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략된다.
도 3을 참조하면, 태양전지(300a)는 제1 도전형의 반도체층(332) 및 상기 제1 도전형의 반도체층(332) 상에 형성된 금속층(337)을 포함하는 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지(330a), 및 상기 금속층(337) 상에 배치되고, 코어(core) 및 상기 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점(202)을 포함한다. 상기 이종 접합 양자점(202)은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지에 전달한다.
쇼트키(Schottky) 접합 태양전지(330a)는 제1 도전형의 반도체층(332) 및 상기 제1 도전형의 반도체층(332) 상에 형성된 금속층(337)을 포함한다. 상기 이종 접합 양자점(202)은 상기 금속층(337) 상에 배치된다. 상기 금속층의 두께는 수 nm 내지 수십 nm일 수 있다. 상기 이종 접합 양자점은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 반도체층에 전달할 수 있다. 상기 금속층 상에는 상부 전극(338)이 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(338)은 상기 금속층(337)과 동일한 물질일 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지를 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략된다.
도 4를 참조하면, 태양전지(300b)는 제1 도전형의 반도체층(332), 상기 제1 도전형의 반도체층(332) 상에 형성된 절연층(334), 및 상기 절연층(334) 상에 형성된 금속층(337)을 포함하는 MIS 태양전지(330b), 및 상기 절연층(334) 상에 배치되고, 코어(core) 및 상기 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점(202)을 포함한다.
상기 이종 접합 양자점(202)은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 MIS 태양전지(330b)에 전달할 수 있다.
상기 절연층(334)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 및 알루미늄 산화막 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 절연층(334)은 복층 구조를 가질 수 있다. 상기 절연층의 두께는 터널링을 제공할 수 있도록 수 nm 내지 수십 nm일 수 있다. 상기 반도체층(332), 상기 절연층(334), 및 상기 금속층(337)은 MIS 태양 전지를 구성할 수 있다. 상기 금속층(337)은 와셔 형태 또는 빗(comb) 형태일 수 있다.
상기 이종 접합 양자점(202)은 상기 절연층(334) 상에 배치될 수 있다. 상기 이종 접합 양자점(202)은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 반도체층(32)에 전달할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
330: 쇼트키 접합 태양 전지
331: 하부 전극
332: 반도체층
337: 금속층
202: 이종접합 양자점
331: 하부 전극
332: 반도체층
337: 금속층
202: 이종접합 양자점
Claims (11)
- 제1 도전형의 반도체층 및 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 형성된 금속층을 포함하는 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지; 및
상기 반도체층 상에 금속층이 형성되지 않는 영역에 배치되고, 코어(core) 및 상기 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점을 포함하고,
상기 이종 접합 양자점은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지에 전달하고,
상기 셀은:
상기 코어를 감싸는 제1 베리어층;
상기 제1 베리어층을 감싸는 제1 양자우물층;
상기 제1 양자우물층을 감싸는 제2 베리어층;및
상기 제2 베리어층을 감싸는 제2 양자우물층을 포함하고,
상기 제2 양자우물층의 밴드갭은 상기 제1 양자우물층의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 코어는 II-VI 족 화합물 또는 III-V 족 화합물을 포함하고,
상기 셀은 적어도 한 쌍의 상기 코어를 감싸는 베리어층 및 상기 베리어층을 감싸는 양자우물층을 포함하고,
상기 베리어층의 밴드갭은 상기 코어 및 양자우물층의 밴드갭보다 크고,
상기 양자우물층의 밴드갭은 상기 코어의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 코어는 PbS이고,
상기 제1 베리어층 및 제2 베리어층은 ZnS이고,
상기 제1 양자우물층은 CdSe이고,
상기 제2 양자우물층은 CdS인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1 항에 있어서,
상기 이종 접합 양자점을 감싸는 보호막을 더 포함하고,
상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지의 상기 반도체층의 밴드갭은 상기 코어의 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1 도전형의 반도체층 및 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 형성된 금속층을 포함하는 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지; 및
상기 금속층 상에 배치되고, 코어(core) 및 상기 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점을 포함하고,
상기 이종 접합 양자점은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 쇼트키(Schottky) 접합 태양전지에 전달하고,
상기 셀은:
상기 코어를 감싸는 제1 베리어층;
상기 제1 베리어층을 감싸는 제1 양자우물층;
상기 제1 양자우물층을 감싸는 제2 베리어층;및
상기 제2 베리어층을 감싸는 제2 양자우물층을 포함하고,
상기 제2 양자우물층의 밴드갭은 상기 제1 양자우물층의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1 도전형의 반도체층, 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 형성된 절연층, 및 상기 절연층 상에 형성된 금속층을 포함하는 MIS 태양전지; 및
상기 절연층 상에 금속층이 형성되지 않는 영역에 배치되고, 코어(core) 및 상기 코어를 감싸는 셀(shell)을 가지는 이종 접합 양자점을 포함하고,
상기 이종 접합 양자점은 태양광을 흡수하여 형성된 전자-전공 쌍을 포스터 공명 에너지 전달(Forster resonance energy transfer;FRET)을 통하여 상기 MIS 태양전지에 전달하고.
상기 셀은:
상기 코어를 감싸는 제1 베리어층;
상기 제1 베리어층을 감싸는 제1 양자우물층;
상기 제1 양자우물층을 감싸는 제2 베리어층;및
상기 제2 베리어층을 감싸는 제2 양자우물층을 포함하고,
상기 제2 양자우물층의 밴드갭은 상기 제1 양자우물층의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 코어는 II-VI 족 화합물 또는 III-V 족 화합물을 포함하고,
상기 셀은 적어도 한 쌍의 상기 코어를 감싸는 베리어층 및 상기 베리어층을 감싸는 양자우물층을 포함하고,
상기 베리어층의 밴드갭은 상기 코어 및 양자우물층의 밴드갭보다 크고,
상기 양자우물층의 밴드갭은 상기 코어의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지. - 삭제
- 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 코어는 PbS이고,
상기 제1 베리어층 및 제2 베리어층은 ZnS이고,
상기 제1 양자우물층은 CdSe이고,
상기 제2 양자우물층은 CdS인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제7 항에 있어서,
상기 이종 접합 양자점을 감싸는 보호막을 더 포함하고,
상기 MIS 태양전지의 상기 반도체층의 밴드갭은 상기 코어의 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 하는 태양전지.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101714904B1 (ko) | 2015-10-19 | 2017-03-09 | 경희대학교 산학협력단 | 실리카 나노입자-그래핀 양자점 하이브리드 구조를 이용한 광전자 소자 및 그 제조방법 |
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| JP2010021189A (ja) | 2008-07-08 | 2010-01-28 | Omron Corp | 光電デバイス |
| KR101003808B1 (ko) * | 2010-04-06 | 2010-12-23 | 한국기계연구원 | Ｐｎ접합 및 쇼트키 접합을 갖는 다중 태양 전지 및 이의 제조 방법 |
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- 2013-01-30 KR KR1020130010162A patent/KR101520804B1/ko active IP Right Grant
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