KR101571351B1 - 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 (a) 결정질 n형 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 결정질 n형 실리콘 기판 상에 SiO2 절연층을 형성하는 단계; (c) 상기 절연층 상에 패터닝된 마스크를 이용하여 패터닝된 전극을 형성하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 상부전극이 패터닝되지 않은 SiO2 절연층을 식각하는, 상기 상부전극이 패터닝되지 않은 영역의 결정질 n형 실리콘 기판을 노출시키는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에 의하여 노출된 실리콘 기판 및 전면전극의 상부에 p형 도핑된 그래핀을 전사하여, 그래핀-실리콘 pn 접합을 유도하는 단계;를 포함하는, 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법과 이에 의하여 제조되는 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지를 개시한다.
Description
본 발명은 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지에 관한 것이다.
최근 에너지 및 환경에 대한 관심이 고조되고 있는 시점에서 태양에너지는 무한한 청정에너지원으로 각광을 받고 있다. 또한, 전 세계 태양전지의 기술 개발은 변환효율의 향상과 발전단가를 낮추는 연구가 병행해서 진행되고 있다. 그리고, 발전단가는 시장의 규모나 생산 기술에 의존하는 경향이 크고 변환효율은 새로운 구조, 재료, 공정, 이론 등의 발전에 의존하는 경향이 크다.
기존의 초고효율 단결정 실리콘 태양전지(1세대)는 최고 24%의 높은 변환 효율이 보고되었으며, 보통 10~18%의 비교적 높은 효율을 보이고 있지만, 이러한 초고효율 태양전지는 공정이 30 단계 이상이며, 고가의 장비와 고비용 제조공정을 사용하고 있어 산업적 적용이 사실상 어려운 상태이다. 이후, 박막형 태양전지 (2세대), 화합물 반도체 태양전지, 염료 감응형 태양전지, 유기박막태양전지 (3세대) 등 다양한 저가형 태양전지 기술이 개발 및 연구 되고 있지만 5~13%정도의 낮은 변환 효율을 보이고 있다.
최근 태양전지 분야의 기술이 급격히 발전함에 따라 이러한 변환효율의 한계성에 대한 인식이 명확해지면서 여러 가지 해결 방안이 제시되고 있는데, 주로 한계 기술을 극복하기 위한 중요한 기술들이 나노 기술과 밀접한 관련이 있으며, 차세대 에너지 문제를 해결하기 위한 대안으로서 나노기술을 이용한 태양전지의 연구개발이 추진되고 있다. 나노구조를 이용한 태양전지를 제작하면 공정적인 부분의 가격인하 및 고온까지의 광범위한 범위에서 효율 증가를 가져 올 수 있어서 차세대 태양광 소자로써 연구의 가치가 매우 크다. 실리콘계 단결정 및 다결정질 실리콘 태양전지는 가장 널리 쓰이고 있으며 가격 대비 효율 향상을 위한 연구가 많이 진행되어 왔고 현재도 진행 중이다. 태양전지는 광전변환을 이용하는 소자로써 효율 향상을 위해서는 최대한 많은 빛을 흡수시킬 수 있는 것이 핵심이다. 실리콘은 굴절률이 상대적으로 크므로 입사된 빛의 20~30%는 전하를 생성시키지 못하고 다시 반사된다.
한편, 그래핀은 카본 원자가 동평면의 공유 σ-본드에 구조적으로 의존하는, sp2 벌집형 격자로 배열되는 2차원, 반-금속의, 원자적으로 얇은 필름이다. 그래핀은 Si/SiO2 필름 스택 위에 그래파이트 결정을 미세역학적으로 박리함으로써, A.K. Geim, K.S. Novoselov 및 그 동료들에 의해 University of Manchester에서 2004년에 처음으로 성공적으로 분리되었다. 그래핀을 적용한 연구의 주목할만한 돌파구가 마련되었다. 그래핀은 또한 비-산화 환경에서 화학적으로 안정하고, 기계적으로 강성이 높다. 전자적 수송 성질이 마이크로일렉트로닉스 분야에 종래에 사용되던 물질에 비해 훨씬 우수한 것으로 판명되었다. 따라서, 그래핀은 후기-CMOS 응용예용 물질로 가장 촉망되는 후보 중 하나다.
단층 그래핀(SLG)은 밴드갭이 없는 반금속이다. 그 결과, 활성 채널로 단층 그래핀을 이용한 트랜지스터는 불량한 Ion/Ioff를 나타내고(일반적으로 ~10), 오프 전환될 수 없다. 이는 로직 응용예에 대해 마이크로일렉트로닉스에 그래핀 이용을 방해하는 주된 제한 요인 중 하나다. 이 문제를 해결하기 위해, 단층 그래핀에 밴드갭이 요구될 수 있다. 단층 그래핀에 밴드갭 오픈을 유도하기 위해 다수의 기법이 추구되고 있다 - 예를 들어, 단층 그래핀이 수 nm-폭 리본에 맞추어질 때, 양자 한정-유도 밴드갭이 나타난다(K. Nakada et al., Phys. Rev. B 54, 17954 (1996)).
복층 그래핀을 이용함으로써 라디칼적으로 다른 기법이 추구될 수 있다(E. McCann, Phys Rev B 74, (2006)). 수직으로 적층되고 pi-본드를 통해 상호작용하는 2개의 단층 그래핀으로 구성되는 복층 그래핀은, 제로 밴드갭 특성을 단층 그래핀과 공유하고, 따라서, 역시 반금속이다. 그러나, 적층된 2개의 층의 반전 대칭(inversion symmetry)이 복층 그래핀 평면에 수직으로 인가되는 외부 전기장의 이용에 의해 파괴될 경우, 복층 그래핀에 밴드갭이 나타날 수 있다. 그 후 복층 그래핀은 인가된 전기장의 세기에 좌우되는 밴드갭을 갖는 반도체가 된다. 유도될 수 있는 밴드갭의 최대값은 층간 결합 에너지에만 의존한다.
특히, 흡착질에 의한 복층 그래핀의 밴드갭 오픈에 있어서, 복층 그래핀의 상부층은 원자 또는 분자의 물리흡착에 의해 도핑된다. 엄격한 2차원 물질이지만, 그래핀은 표면과 직접 접촉하는 흡착질 및 다른 분자에 매우 민감하다. 이 성질은 그래핀의 전자적 성질을 맞춤화시키는데 이용될 수 있다. 문헌에서는 금속 및 흡착원자(J. H. Chen et al. Nat Phys 4, 377 (2008))로부터 유기 화합물(C. Coletti et al., Phys Rev B 81, (2010)), 무기 염(D. B. Farmer et al., Appl Phys Lett 94, (2009)), 및 가스(A. Ghosh, J. Exp. Nanosci. 4, 313 (2009))에 이르는 흡착 화학종의 다양한 예에 대해 보고하고 있다. 이러한 화학종 각각은 그래핀과 흡착질 사이에서 전기음성도의 차이에 따라, 그래핀 내에 n- 또는 p-타입 도핑을 제공할 수 있다.
이에 본 발명에서는, 상기와 같은 기술에 착안하여 p-타입 도핑된 그래핀과 실리콘의 이종접합에 의하여 고효율을 구현할 수 있는, 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지를 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
(a) 결정질 n형 실리콘 기판을 준비하는 단계;
(b) 상기 결정질 n형 실리콘 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
(c) 상기 절연층 상에 패터닝된 마스크를 이용하여 패터닝된 전극을 형성하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에서 전극이 패터닝되지 않은 절연층을 식각하는, 상기 상부전극이 패터닝되지 않은 영역의 결정질 n형 실리콘 기판을 노출시키는 단계; 및
(e) 상기 (d) 단계에 의하여 노출된 실리콘 기판 및 전극의 상부에 p형 도핑된 그래핀을 전사하여, 그래핀-실리콘 pn 접합을 유도하는 단계;를 포함하는, 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계는, 상기 절연층 상에 패터닝된 마스크를 접촉한 후 열 증착법을 이용하여 전극물질 패턴을 증착하여 패터닝된 전극을 형성하는 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는 상기 전극물질은 Al, Pt, Au, Cu 및 Ag 중에서 선택되는 하나 이상이다.
또한 바람직하게는 상기 (e) 단계에서 p형 도핑된 그래핀은 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN(헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴) 및 F4-TCNQ(테트라플루오로-테트라시아노-퀴노디메탄) 중 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
상기 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지를 제공한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 방법에 의하면 그래핀의 우수한 전기이동도 및 반-금속 특성에 의하여 이종 접합이 용이할 뿐만 아니라, p형 도핑된 그래핀을 이용함으로써 실리콘 기판과의 일함수 차이를 증가시켜 전하이동도를 향상시킴에 따라 태양전지의 고효율화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 구조의 단면을 모식화하여 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
먼저, 본 발명은 상기 광전변환효율을 높이면서 경제성을 향상시킨 저비용 고효율 실리콘계 태양전지에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지는, (a) 결정질 n형 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 결정질 n형 실리콘 기판 상에 SiO2 절연층을 형성하는 단계; (c) 상기 절연층 상에 패터닝된 마스크를 이용하여 패터닝된 전극을 형성하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 상부전극이 패터닝되지 않은 SiO2 절연층을 식각하는, 상기 상부전극이 패터닝되지 않은 영역의 결정질 n형 실리콘 기판을 노출시키는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에 의하여 노출된 실리콘 기판 및 전면전극의 상부에 p형 도핑된 그래핀을 전사하여, 그래핀-실리콘 pn 접합을 유도하는 단계;를 포함하여 제조된다.
이하 단계를 나누어 자세히 설명한다.
먼저 (a) 단계는, 실리콘 기판을 준비하는 단계로, 결정질(crystal) n형 실리콘 기판으로서, 단결정 또는 다결정 중 어느 것이라도 무방하다.
다음으로 (b) 단계는, 절연층을 형성하는 단계로, 상기 결정질 n형 실리콘 기판 상에 p-n 결함을 최소화시킬 수 있는 물질로서, 구체적으로 SiO2, SiC, SiNx, 진성 비정질 실리콘(Intrinsic a-Si:H) 중 선택되는 하나 이상으로 형성하도록 한다.
다음으로 (c) 단계는 상기 절연층 상에 패터닝된 전극을 형성하는 단계로, 구체적으로 상기 절연층 위로 섀도우 마스크를 접촉하고 열 증착법을 통해 전극물질 패턴을 증착하여 패터닝된 전극을 형성한다. 이 때, 상기 전극물질로는 전기전도도가 우수한 금속, 예컨대, Al, Pt, Au, Cu 및 Ag 중 하나 이상을 이용하여 형성하도록 한다.
다음으로 (d) 단계는 상기 (c) 단계에서 전극이 패터닝되지 않은 절연층을 식각하는 단계로, 구체적으로 상기 전극이 패터닝되지 않은 영역에 형성된 절연층을 습식 식각함으로써 n형 실리콘 기판이 노출된다.
다음으로 (e) 단게는 상기 노출된 실리콘 기판 및 전극의 상부에 p형 도핑된 그래핀을 전사하는 단계로, 노출된 n형 실리콘 기판 상에 전사된 p형 도핑된 그래핀이 전사됨으로써 도핑 및 확산에 의하여 p-n 접합이 유도되고, 이 때, 상기 p형 도핑되 그래핀의 일함수(work function)가 증가됨으로써 전극으로의 전하 운반자의 이동을 원활하게 하여, 그래핀-n형 실리콘 나노구조의 이종 접합을 더욱 용이하게 하여 고효율의 태양전지를 제조할 수 있게 되는 것이다.
또한 상기 p형 도핑된 그래핀은, 그래핀의 상부 표면에 흡착질이 흡착됨으로써 그래핀 내 p형 도핑이 제공되는 복층그래핀으로써, 상기 p형 도펀트는 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN(헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴) 및 F4-TCNQ(테트라플루오로-테트라시아노-퀴노디메탄) 중 적어도 1종이다. 바람직하게는 상기 p형 도핑된 그래핀은 F4-TCNQ(테트라플루오로-테트라시아노-퀴노디메탄)을 포함하는 것으로서, F4-TCNQ의 도핑에 의하여 그래핀과 F4-TCNQ가 상호작용함으로써 그래핀으로부터 분자까지 부분전하가 야기되어, 밴드갭이 나타낼 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명의 방법에 따라 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지를 제조하게 되는바, 본 발명의 다른 측면에 따르면 상기 방법으로 제조되는 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지가 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 구조의 단면을 모식화하여 나타낸 것으로서, 이를 참고하면 본 발명은 Al(back gate)층, N-타입 실리콘 기판층, SiO2 절연층, Au 전극층, p-도핑된 그래핀층(그래핀 및 F4-TCNQ( tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane))으로 구성된다.
이러한 본 발명의 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지는, 그래핀의 뛰어난 전기이동도(~3,000-10,000 cm2/Vs) 특성과 Semi-metallic 특성에 의하여 이종접합이 용이하고, 특히 상기 그래핀에 있어서 p형 도핑된 복층 그래핀을 이용함으로써 p형 도핑과 함께 동시에 일함수를 증가(4.0ev -> 5.2 eV)시킴으로써 그래핀과 n형 실리콘 기판(4.25 eV)과의 일함수 차이로 인하여 전하의 농도차가 발생함으로써 전극으로의 전하이동도가 향상될 수 있게 되어, 광전효율을 향상시킬 수 있게 된다.
Claims (5)
- (a) 결정질 n형 실리콘 기판을 준비하는 단계;
(b) 상기 결정질 n형 실리콘 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
(c) 상기 절연층 상에 패터닝된 마스크를 이용하여 패터닝된 전극을 형성하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에서 전극이 패터닝되지 않은 절연층을 식각하는, 상기 전극이 패터닝되지 않은 영역의 결정질 n형 실리콘 기판을 노출시키는 단계; 및
(e) 상기 (d) 단계에 의하여 노출된 실리콘 기판 및 전극의 상부에 p형 도핑된 그래핀을 전사하여, 그래핀-실리콘 pn 접합을 유도하는 단계;를 포함하는, 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계는, 상기 절연층 상에 패터닝된 마스크를 접촉한 후 열 증착법을 이용하여 전극물질 패턴을 증착하여 패터닝된 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는, 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 전극물질은 Al, Pt, Au, Cu 및 Ag 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (e) 단계에서 p형 도핑된 그래핀은 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN(헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴) 및 F4-TCNQ(테트라플루오로-테트라시아노-퀴노디메탄) 중 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는, 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 실리콘-그래핀 이종접합 태양전지.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106374002A (zh) * | 2016-11-28 | 2017-02-01 | 常熟理工学院 | 环形深层绝缘结构的石墨烯硅基太阳能电池及其制备方法 |
| CN106449791A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-02-22 | 中国科学院微电子研究所 | 一种石墨烯/砷化镓太阳电池的制备方法 |
| CN106920847A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-07-04 | 山东大学 | 一种顶栅石墨烯场效应晶体管及其制备方法 |
| CN108878268A (zh) * | 2018-07-11 | 2018-11-23 | 山东傲天环保科技有限公司 | 一种镶嵌式石墨烯pn结的制造方法 |
| CN110510689A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-11-29 | 山东科技大学 | 一种多级结构的光热海水淡化材料及其制备方法和用途 |
| CN110729380A (zh) * | 2019-10-23 | 2020-01-24 | 电子科技大学 | 一种基于石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法 |
-
2015
- 2015-02-05 KR KR1020150017856A patent/KR101571351B1/ko active IP Right Grant
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