KR101593398B1 - Booster of solar cell - Google Patents

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KR101593398B1 KR1020150037541A KR20150037541A KR101593398B1 KR 101593398 B1 KR101593398 B1 KR 101593398B1 KR 1020150037541 A KR1020150037541 A KR 1020150037541A KR 20150037541 A KR20150037541 A KR 20150037541A KR 101593398 B1 KR101593398 B1 KR 101593398B1
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Abstract

태양 전지 부스터가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 부스터는, 반도체 물질로 이루어진 흡수층과, 상기 흡수층 상에 적층된 제1 그래핀층과, 상기 제1 그래핀층 상에 적층된 절연층과, 상기 절연층 상에 적층된 제2 그래핀층을 포함하는 태양 전지; 및 상기 제1 및 제2 그래핀층에 각각 양단이 연결되는 직류 전원을 포함하되, 상기 절연층에 의해 상기 제1 및 제2 그래핀층 사이에 전압만 가해진다.A solar cell booster is provided. A solar cell booster according to an embodiment of the present invention includes an absorption layer made of a semiconductor material, a first graphene layer stacked on the absorption layer, an insulating layer stacked on the first graphene layer, A solar cell comprising a stacked second graphene layer; And a DC power supply having its both ends connected to the first and second graphene layers, wherein only a voltage is applied between the first and second graphene layers by the insulating layer.

Description

태양 전지 부스터{BOOSTER OF SOLAR CELL}Solar cell booster {BOOSTER OF SOLAR CELL}

본 발명은 태양 전지 부스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡수체와 일함수 차이가 큰 금속을 사용하여 빛의 차단을 최소화하고, 그래핀을 투과전극으로 활용하여 효율을 극대화한 태양 전지 부스터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solar cell booster, and more particularly, to a solar cell booster using metal having a large work function difference from an absorber to minimize light interruption and maximizing efficiency by utilizing graphene as a transparent electrode .

탄소 원자 한 층의 2차원 물질인 그래핀은 발견된 이래 여러 가지 새롭고 우수한 물성으로 인하여 많은 주목을 받고 있다. 특히, 2010년 노벨 물리학상이 단원자층 그래핀을 최초로 분리한 가임과 노보셀로프 두 사람에서 수여됨으로써 전 세계의 연구자들뿐만 아니라 일반인들의 많은 관심을 끌고 있다.Since the discovery of graphene, a two-dimensional material of carbon atoms, has attracted much attention due to its many new and excellent properties. In particular, the Nobel Prize for Physics in 2010 has been awarded to two Nobel Prize winners who have separated the unit graphene for the first time and attract a great deal of interest from researchers worldwide as well as the general public.

그래핀은 단일의 원자층으로 구성된 매우 얇은 결정체로써, 이미 잘 알려진 그래핀의 특성을 이용한 응용 기술에 대한 많은 연구가 다양한 분야에서 이루어지고 있다. 그래핀은 지금까지 알려진 물질 중에 가장 얇으면서도, 전기나 열을 가장 잘 전도할 수 있을 뿐 아니라 가장 강하면서도 유연한 물질이다. Graphene is a very thin crystal composed of a single atomic layer, and many studies have been done in various fields about the application technology using the characteristics of already known graphene. Graphene is the thinnest of all known materials, yet it is the strongest and most flexible material, as well as the best able to conduct electricity and heat.

이 같은 그래핀의 우수한 특성을 활용하여, 구조 재료로 사용되거나, Si 전자 소자를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그래핀은 플렉서블 디스플레이와 터치 패널 등 차세대 디스플레이 분야와 태양 전지 등의 에너지 산업분야, 스마트 윈도우, RFID 등 다양한 전자 산업 분야에서 신소재로 활용도가 확대되고 있다.Utilizing such excellent properties of graphene, it is expected to be used as a structural material or to replace a Si electronic device. GRAPHIN is being used as a new material in next generation display fields such as flexible display and touch panel, energy industry such as solar cell, smart window, RFID and various electronic industries.

최근에는 친환경 에너지에 대한 관심의 증대로 수력 발전, 풍력 발전 및 태양광 발전이 각광을 받고 있으며, 그 중에서도 태양 에너지를 이용한 태양광 발전에 대한 연구가 매우 활발하다. 이 태양광 발전의 대표 예로서, 반도체를 사용한 태양 전지를 들 수 있다. 이러한 태양 전지는 빛을 쪼이면 전자가 생성되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자이다.In recent years, hydroelectric power generation, wind power generation, and solar power generation have been attracting attention due to increased interest in environmentally friendly energy. Among them, researches on solar power generation using solar energy are very active. As a typical example of this solar power generation, there is a solar cell using a semiconductor. Such a solar cell is a device that converts light energy into electrical energy using a photovoltaic effect generated by electrons when the light is irradiated.

이러한 반도체 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는, 태양 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있는 적당한 크기의 에너지 밴드갭을 가진 흡수체와, 빛의 흡수로 생성된 전자와 홀을 효율적으로 분리할 수 있는 빌트인 전압(builtin voltage)과, 전자와 홀의 빠른 이동 등이 중요한 요소가 된다. In order to increase the efficiency of such a semiconductor solar cell, an absorber having an energy band gap of an appropriate size capable of efficiently absorbing solar energy and a built-in voltage capable of efficiently separating electrons and holes generated by absorption of light voltage, and fast movement of electrons and holes are important factors.

그런데, 태양 전지 구성을 위하여 필요로 하는 요소들이 빛이 흡수체에 도달하는데 장애 요인으로 작용할 수 있다. 즉, 태양 전지의 효율을 높이기 위해, 빛이 흡수층에 도달하는데 장애 요인이 되는 것을 최소화할 필요가 있다.However, the elements required for solar cell construction can interfere with light reaching the absorber. That is, in order to increase the efficiency of the solar cell, it is necessary to minimize the obstacle that light reaches the absorption layer.

일본공개특허 제2011-108883호Japanese Laid-Open Patent No. 2011-108883

태양 전지에서, 빛이 흡수체에 입사하여 광 흡수로 생성된 전자와 홀을 분리하기 적당한 영역에서 빛이 도달하고, 가능한 모든 빛이 흡수되어야 높은 효율을 얻을 수 있다. 즉, 빛의 흡수는 빛의 이동 거리에 지수함수적으로 증가하므로, 이 영역이 넓을수록 흡수된 빛이 전류로 될 확률은 증가하게 된다. 그러므로, 태양 전지에 효율적인 전극 구조를 이용하여 높은 빌트인 전압(builtin voltage)이 형성되게 하고, 거의 모든 빛이 빌트인 전압(builtin voltage)이 가해지는 영역에서 흡수되고, 광전자(photoelectron)와 광홀(photohole)을 효율적으로 분리하여 이동하도록 소자의 구조를 구성해야 한다. 여기에서, 빌트인 전압(builtin voltage)은 내부에 자발적으로 형성된 전압을 의미한다.In a solar cell, light is incident on an absorber, light arrives in an appropriate region for separating holes and electrons generated by light absorption, and all possible light is absorbed to obtain high efficiency. That is, the absorption of light increases exponentially with the travel distance of light, so that the wider the area, the greater the probability that the absorbed light will become current. Therefore, a solar cell is constructed using an efficient electrode structure to form a high builtin voltage, almost all the light is absorbed in a region where a builtin voltage is applied, and photoelectron and photohole are absorbed. It is necessary to configure the structure of the device so as to efficiently separate and move the device. Here, the builtin voltage means a voltage spontaneously formed in the inside.

높은 빌트인 전압(builtin voltage)을 형성하기 위해서는 일함수가 크게 다른 흡수체(p-n junction solar cell), 흡수체와 일함수가 매우 큰 도체(Schottky junction solar cell)를 활용하면 된다. 이들 태양 전지의 경우, builtin voltage는 계면에서 형성됨으로, 빛이 흡수체의 표면이 아니라, 흡수체 간의 계면 또는 흡수체와 도체의 계면에서 흡수되어야 높은 효율의 태양 전지를 기대할 수 있다. 따라서, p-n junction solar cell의 경우, 빛이 입사하는 면은 에너지 밴드갭이 빛의 에너지보다 큰 물질을 이용한다. 그리고, Schottky junction solar cell의 경우, 높은 일함수를 큰 도체가 빛의 진행 경로에 놓이게 되면, 빛을 차단하게 되므로, 태양 전지는 금속이 태양 전지를 뒤덮은 면적비가 클수록 태양 전지의 효율을 급격히 감소하게 된다. In order to form a high built-in voltage, an absorber (p-n junction solar cell), a absorber and a Schottky junction solar cell having a very large work function may be used. In the case of these solar cells, since the builtin voltage is formed at the interface, a high efficiency solar cell can be expected when light is absorbed not at the surface of the absorber but at the interface between the absorber and the absorber or the interface between the absorber and the conductor. Therefore, in the case of a p-n junction solar cell, a material on which light is incident has a material whose energy band gap is larger than light energy. In the Schottky junction solar cell, when a conductor with a high work function is placed in the path of light, the light is blocked. Therefore, as the area ratio of the metal covering the solar cell increases, the efficiency of the solar cell decreases sharply do.

이를 극복하기 위해, 투명 전극을 이용하거나 매우 좁은 금속전극 띠를 활용하여 빛의 차단 효율을 감소시킬 수 있다. 투명 전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 물질이 사용될 수 있으나, 인듐 시장 가격의 불안정으로 인한 대체 물질을 필요로 한다. 특히, 휘어지기 쉬운 플렉서블 태양 전지 개발에는 깨지기 쉬운 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 물질은 적합하지 않다. 또한, 좁은 전극띠를 이용할 경우, 광전자와 광홀이 전극 주변에서 생성될 때 큰 문제가 되지 않지만, 전극으로부터 멀리 생성된 광전자와 광홀은 전류에 공헌하지 못하고, 다시 재결합하여 열에너지로 방출되어 손실된다.In order to overcome this, it is possible to reduce the light blocking efficiency by using a transparent electrode or by using a very narrow metal electrode strip. Materials such as ITO (Indium Tin Oxide) can be used as the transparent electrode, but they require an alternative material due to instability of the indium market price. In particular, materials such as indium tin oxide (ITO), which are fragile, are not suitable for the development of flexible flexible solar cells. In addition, when a narrow electrode band is used, photoelectrons and photo holes generated far from the electrode are not a big problem when the photoelectrons and the photohole are generated around the electrode, but the photoelectrons and the photohole generated far away from the electrode do not contribute to the current and are recombined again to be released as heat energy and lost.

그리하여, 높은 빌트인 전압(builtin voltage)을 얻기 위해, 흡수체와 일함수의 차이가 큰 금속을 사용하고, 특히 매우 좁은 금속 전극을 필요로 하나, 이러한 방법만으로 고효율 태양 전지를 개발할 경우에는 금속 전극에 의한 빛의 차단 효과를 피할 수 없어 고효율을 기대하기 어려운 점이 있다.Therefore, in order to obtain a high built-in voltage, a metal having a large difference in work function from the absorber is used, and in particular, a very narrow metal electrode is required. However, when a high efficiency solar cell is developed by such a method, The blocking effect of light can not be avoided and it is difficult to expect high efficiency.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 흡수체와 일함수 차이가 큰 금속을 사용하되, 빛의 차단을 최소화하고 자발적으로 생성된 빌트인 전압(builtin voltage)을 빛의 흡수로 생성된 광전자과 광홀이 모두 감지하여 광전자와 광홀의 분리가 쉽게 이루어지고 전극으로 빠른 이동을 할 수 있는 태양 전지 부스터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a light emitting device that uses a metal having a large work function difference from that of an absorber, and minimizes light interruption and generates a builtin voltage spontaneously generated by a photo- And to provide a solar cell booster which can easily separate photoelectrons and optical holes and can move fast to the electrodes.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 흡수층에 적층된 절연층과 그래핀층은 빛의 반사를 최소화할 수 있도록 두께를 조정하여 효율을 극대화할 수 있는 태양 전지 부스터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a solar cell booster which can maximize efficiency by adjusting the thickness of the insulating layer and the graphene layer stacked on the absorption layer so as to minimize light reflection.

그리고, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 높은 Schottky junction barrier를 얻기 위하여, 금속 대신에 그래핀 자체를 활용하여 빌트인 전압(builtin voltage)을 증가시킬 수 있는 태양 전지 부스터를 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a solar cell booster which can increase the built-in voltage by utilizing graphene itself instead of metal to obtain a high Schottky junction barrier.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 부스터는, 반도체 물질로 이루어진 흡수층과, 상기 흡수층 상에 적층된 제1 그래핀층과, 상기 제1 그래핀층 상에 적층된 절연층과, 상기 절연층 상에 적층된 제2 그래핀층을 포함하는 태양 전지; 및 상기 제1 및 제2 그래핀층에 각각 양단이 연결되는 직류 전원을 포함하되, 상기 절연층에 의해 상기 제1 및 제2 그래핀층 사이에 전압만 가해지는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a solar cell booster comprising an absorption layer made of a semiconductor material, a first graphene layer stacked on the absorption layer, an insulating layer stacked on the first graphene layer, And a second graphene layer stacked on the insulating layer; And a direct current power source having both ends connected to the first and second graphene layers, wherein only a voltage is applied between the first and second graphene layers by the insulating layer.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.

본 발명에 따르면, 빛의 차단을 최소화하고 자발적으로 생성된 빌트인 전압(builtin voltage)을 빛의 흡수로 생성된 광전자과 광홀이 모두 감지하여 광전자와 광홀의 분리가 쉽게 이루어지고 전극으로 빠른 이동을 함으로써, 고효율의 태양 전지를 구현할 수 있다.According to the present invention, both photoelectrons generated by absorption of light and a photohole generated by a built-in voltage generated spontaneously by minimizing light interruption are easily separated, and photoelectrons and optical holes can be easily separated, A high efficiency solar cell can be realized.

또한, 흡수층에 적층된 절연층과 그래핀층은 빛의 반사를 최소화할 수 있도록 두께를 조정하여 태양 전지의 효율을 극대화할 수 있다.In addition, the insulating layer and the graphene layer stacked on the absorption layer can maximize the efficiency of the solar cell by adjusting the thickness so as to minimize reflection of light.

그리고, 금속 대신에 그래핀 자체를 활용하여 빌트인 전압(builtin voltage)을 증가시켜 높은 Schottky junction barrier를 얻을 수 있다.Instead of metal, graphene itself can be used to increase the builtin voltage to obtain a high Schottky junction barrier.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 도 1의 태양 전지를 A-A에서 바라본 상면도이다.
도 3은 도 1의 태양 전지에서 Schottky junction 형성에 의한 포텐셜의 분포를 도시한 도면이다.
도 4a는 빛의 유무에 따른 Igs vs Vgs 커브를 도시한 그래프이다.
도 4b는 빛의 유무에 따른 Ids vs Vgs 커브를 도시한 그래프이다.
도 4c는 여러 Vgs에 대한 Ids vs Vds 커브를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 순서도이다.
도 7은 도 6의 태양 전지의 제조 방법에서 각 단계를 도시한 제1 도면이다.
도 8은 도 6의 태양 전지의 제조 방법에서 각 단계를 도시한 제2 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제1 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제2 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 부스터의 단면도이다.
도 12a는 흡수층이 p형일 경우에 태양 전지 부스터의 구조를 도시한 도면이다.
도 12b는 도 12a에서의 에너지 밴드 구조를 도시한 도면이다.
도 13a는 흡수층이 n형일 경우에 태양 전지 부스터의 구조를 도시한 도면이다.
도 13b는 도 13a에서의 에너지 밴드 구조를 도시한 도면이다.
1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a top view of the solar cell of FIG. 1 viewed from AA.
FIG. 3 is a graph showing a potential distribution due to Schottky junction formation in the solar cell of FIG. 1; FIG.
4A is a graph showing Igs vs Vgs curves according to presence or absence of light.
4B is a graph showing Ids vs Vgs curves depending on the presence or absence of light.
4c is a graph showing Ids vs Vds curves for various Vgs.
5 is a cross-sectional view of a solar cell according to another embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention.
7 is a first drawing showing each step in the method of manufacturing the solar cell of FIG.
8 is a second drawing showing each step in the method of manufacturing the solar cell of Fig.
9 is a first sectional view of a solar cell according to another embodiment of the present invention.
10 is a second sectional view of a solar cell according to another embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view of a solar cell booster according to an embodiment of the present invention.
12A is a diagram showing the structure of a solar cell booster in the case where the absorption layer is p-type.
FIG. 12B is a diagram showing the energy band structure in FIG. 12A. FIG.
13A is a diagram showing the structure of a solar cell booster in the case where the absorption layer is n-type.
Fig. 13B is a diagram showing the energy band structure in Fig. 13A.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다. 또한, 도 2는 도 1의 태양 전지를 A-A에서 바라본 상면도이다.1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention. 2 is a top view of the solar cell of FIG. 1 as seen from A-A.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는, 빛에너지를 흡수하는 흡수층(10), 흡수층(10) 상에 형성되며, 복수의 관통홀(22)을 포함하는 절연층(20), 및 절연층(20) 상에 형성되는 그래핀층(40)을 포함하되, 절연층(20)의 관통홀(22)에 금속(30)이 증착된다. 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 흡수층(10)과 일함수(work function) 차이가 큰 금속(30)을 사용하되, 금속 띠 대신에 작은 면적을 가진 패턴된 금속(30)을 활용하게 된다. 또한, 흡수층(10) 표면이 절연층(20)으로 덮여 있고, 절연층(20)에 패턴된 관통홀(22)을 형성하여 금속(30)을 증착하며, 이러한 금속(30)은 흡수층(10)과 Schottky junction을 형성한다. 그리고, 화학적으로 안정성을 보이는 그래핀층(40)은 투과 전극의 역할을 수행한다.1 and 2, a solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes an absorption layer 10 for absorbing light energy, a plurality of through holes 22 formed on the absorption layer 10, A metal 30 is deposited on the through hole 22 of the insulating layer 20 including the insulating layer 20 and the graphene layer 40 formed on the insulating layer 20. The solar cell according to an embodiment of the present invention uses a metal 30 having a large work function difference from the absorption layer 10 and utilizes a patterned metal 30 having a small area instead of a metal band . The surface of the absorbing layer 10 is covered with an insulating layer 20 and a patterned through hole 22 is formed in the insulating layer 20 to deposit the metal 30. The metal 30 is absorbed by the absorbing layer 10 ) And a Schottky junction. The graphene layer 40, which is chemically stable, functions as a transparent electrode.

흡수층(10)은 빛의 흡수를 위하여, 빛에너지보다 작은 에너지 밴드갭을 가지는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리하여, 흡수층(10)은 n형(n-type) 반도체 또는 p형(p-type) 반도체 중 적어도 하나일 수 있다. 이러한 흡수층(10)은 표면에서 빛의 반사가 적어야 한다. 대부분의 빛은 자발적으로 형성된 빌트인 전압(builtin voltage)이 가해지는 영역에서 흡수될 때, 빛이 전류로 전환되는 효율이 매우 높게 된다. 또한, 높은 전류 시 저항 손실(Ohmic loss)와 같은 여러 가지 손실이 최소화된다. 따라서, 흡수층(10)의 에너지 밴드갭 및 빛의 흡수 계수, 전자와 홀의 이동도, 에너지 준위의 위치 및 빛에 대한 굴절율 등이 고려되어야 한다. The absorption layer 10 may be made of a semiconductor material having an energy band gap smaller than that of light energy for absorption of light. Thus, the absorption layer 10 may be at least one of an n-type semiconductor or a p-type semiconductor. This absorbent layer 10 should have little light reflection at its surface. When most of the light is absorbed in the region where the spontaneous built-in voltage is applied, the efficiency of light to current conversion becomes very high. In addition, various losses such as ohmic losses are minimized at high currents. Therefore, the energy band gap and the absorption coefficient of light of the absorption layer 10, the mobility of electrons and holes, the position of the energy level, and the refractive index for light should be considered.

흡수층(10)으로 사용될 수 있는 반도체 물질 중, GaAs 반도체 결정체가 가장 효율적인 것으로 알려져 있으나, 이에만 제한되지 않음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 예를 들어, Si 반도체 결정체도 흡수층(10)으로 사용될 수 있다. 이들 단결정 반도체 외에도, 다결정 및 비정질 반도체 재료들도 흡수층(10)으로 고려될 수 있다. 유기물 반도체 흡수체로 이루어진 태양 전지의 효율은 무기물 반도체 흡수체로 이루어진 태양 전지보다 다소 낮으나, 유기물 반도체 흡수체는 플렉서블하고, 다양한 크기의 에너지 밴드갭을 가지고 있다. 다만, 유기물 반도체의 전도성, 즉 전하 운반자의 이동도가 낮아 높은 효율을 달성하는데 어려움도 있다. 그러므로, 비정질 및 유기물 반도체를 흡수층(10)으로 사용할 경우, 광전자와 광홀을 효과적으로 추출하기 위해, 흡수층(10)이 매우 얇아야 하고, 태양 전지를 직렬로 적층하는 구조가 바람직하다. 태양 전지의 직렬 적층 구조에 대해서는 후술하여 살펴 보도록 한다.Of the semiconductor materials that can be used as the absorber layer 10, GaAs semiconductor crystals are known to be most efficient, but will be apparent to those skilled in the art. For example, a Si semiconductor crystal can also be used as the absorber layer 10. In addition to these monocrystalline semiconductors, polycrystalline and amorphous semiconductor materials may also be considered as the absorber layer 10. The efficiency of a solar cell made of an organic semiconductor absorber is somewhat lower than that of a solar cell made of an inorganic semiconductor absorber, but the organic semiconductor absorber is flexible and has an energy band gap of various sizes. However, conductivity of the organic semiconductor, that is, mobility of the charge carrier is low, and thus it is difficult to achieve high efficiency. Therefore, when the amorphous and organic semiconductor are used as the absorption layer 10, the absorption layer 10 must be very thin in order to effectively extract the photoelectrons and the photo holes, and a structure in which solar cells are laminated in series is preferable. The series lamination structure of the solar cells will be described later.

절연층(20)은 빛에너지보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 부도체 물질로 이루어질 수 있다. 절연층(20)으로 무기물, 산화물, 유기물 유전체 등 부도체 성질을 가진 모든 물질이 이용될 수 있다. 빛의 굴절률이 흡수층(10)보다 작은 것이 빛의 반사를 줄이기 위해 적합하다. 절연층(20)은 금속(30)이 증착되는 관통홀(22)을 포함하는데, 이러한 관통홀은 마스크와 PR(포토레지스트)을 이용하여 식각하여 형성될 수 있다. 관통홀(22)에 금속(30)이 증착되므로, 고효율의 태양 전지를 구현하기 위해, 절연층(20)은 관통홀(22)의 깊이가 1~10 μm 사이로 형성되고, 관통홀(22)의 최소 단면 길이가 1~10 mm 사이로 형성되고, 관통홀(22) 간의 간격이 1~10cm 사이로 형성될 수 있다. 도 2에 패턴된 금속(30)의 구조가 도시되어 있다. 이때, 절연층(20)의 두께, 즉 관통홀의 깊이가 1~10 μm 사이로 형성되는 경우, 단층으로 이루어진 흡수층(10)은 10~100 μm 사이로 형성될 수 있다. 또한, 관통홀(22)은 원형, 타원형, 사각형 등 여러 가지 형상으로 형성될 수 있다. 관통홀(22)이 여러 가지 형상으로 형성되더라도, 가장 짧은 단면 길이, 즉 최소 단면 길이는 1~10 mm 사이일 수 있다. 물론, 절연층(20)에 형성되는 관통홀의 크기 및 관통홀 간의 간격은 다른 사이즈로 형성될 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.The insulating layer 20 may be formed of an insulator material having an energy band gap larger than light energy. As the insulating layer 20, any material having an insulator property such as an inorganic material, an oxide, or an organic dielectric material may be used. The refractive index of light is smaller than that of the absorbing layer 10, which is suitable for reducing reflection of light. The insulating layer 20 includes a through hole 22 through which a metal 30 is deposited, and the through hole may be formed by etching using a mask and PR (photoresist). The insulating layer 20 is formed so that the depth of the through hole 22 is in the range of 1 to 10 μm and the through hole 22 is formed in the depth direction of the through hole 22. In order to realize a high efficiency solar cell, Sectional length of 1 to 10 mm and a distance between the through holes 22 of 1 to 10 cm. The structure of the patterned metal 30 is shown in Fig. At this time, when the thickness of the insulating layer 20, that is, the depth of the through hole is formed to be between 1 and 10 μm, the single-layer absorbent layer 10 may be formed to have a thickness of 10 to 100 μm. The through holes 22 may be formed in various shapes such as a circle, an ellipse, and a square. Although the through-holes 22 are formed in various shapes, the shortest cross-sectional length, that is, the minimum cross-sectional length may be between 1 and 10 mm. Of course, those skilled in the art will appreciate that the size of the through-holes formed in the insulating layer 20 and the spacing between the through-holes may be formed in different sizes.

금속(30)은 식각된 관통홀(22)에 마스크 등을 이용하여 증착될 수 있다. 금속(30)이 관통홀(22)에 증착됨으로써, 흡수층(10)과 Schottky junction을 형성하게 된다. Schottky junction을 형성하도록, 금속(30)은 흡수층(10)과 일함수의 차이가 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 흡수층(10)이 n형 반도체인 경우, 높은 일함수를 가진 Au, Ag, Cu 등을 사용할 수 있다. 또한, 흡수층(10)이 p형 반도체인 경우, 낮은 일함수를 가진 Al, In, Ti, MgAg, 알칼리 금속 등을 사용할 수 있다. Schottky junction 태양 전지의 경우, 금속(30)이 뒤덮은 면적비가 클수록 태양 전지의 효율이 급격히 감소하므로, 관통홀(22)에 증착된 금속 패턴이 흡수층(10)의 표면을 차지하는 비율이 1% 이내로 조정하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 금속(30)이 빛의 진행에 방해하는 정도를 무시할 수 있어, 빛의 흡수율을 최대로 할 수 있다. 빛으로 생성된 광전자와 광홀을 효율적으로 구현하기 위해서는 높은 전도도를 필요로 한다. 관통홀(22)의 깊이가 1~10 μm 사이로 형성할 수 있으므로, 금속(30)에 의한 전기저항은 매우 적다. 그러나, 이들 금속(30)으로 이루어진 전극으로부터 전달된 전류를 외부로 전달하기 위해서는 추가 전극이 필요하며, 이를 그래핀으로 대체할 수 있다.The metal 30 may be deposited on the etched through-hole 22 using a mask or the like. The metal 30 is deposited on the through-hole 22 to form a Schottky junction with the absorption layer 10. In order to form a Schottky junction, it is preferable that the metal 30 has a large work function difference from the absorption layer 10. For example, when the absorption layer 10 is an n-type semiconductor, Au, Ag, Cu or the like having a high work function can be used. When the absorption layer 10 is a p-type semiconductor, Al, In, Ti, MgAg, an alkali metal or the like having a low work function can be used. In the Schottky junction solar cell, as the area ratio of the metal 30 is increased, the efficiency of the solar cell drastically decreases, so that the ratio of the metal pattern deposited on the through hole 22 to the surface of the absorption layer 10 is adjusted to be within 1% . In this case, the degree to which the metal 30 interferes with the progress of the light can be ignored, and the light absorption rate can be maximized. High conductivity is required to efficiently implement optoelectronic and optical holes generated by light. Since the depth of the through hole 22 can be formed to be between 1 and 10 μm, the electrical resistance by the metal 30 is very small. However, an additional electrode is required to transfer the current delivered from the electrode made of these metals 30 to the outside, and this can be replaced with graphene.

그래핀층(40)은 다층 또는 단일층 모두 가능하나, 단일층으로 이루어진 그래핀층(40)이 적절하다. 그래핀층(40)의 수가 증가함에 따라 빛의 투과도가 감소하나, 전기 전도도는 증가한다. 즉, 태양 전지에서 발생하는 전류 밀도에 따라 변경될 수 있으나, 통상의 태양 전지에서 발생하는 전류 밀도가 수십 mA/cm2 정도이므로, 단일층을 활용하는 것이 가능하다. 단일 원자층으로 구성된 그래핀의 특성으로 인해, 그래핀은 매우 작은 힘에 의해서도 쉽게 휘어지거나 펼쳐지는 성질과, 그 휘어지는 정도가 수 nm 정도에서부터 가능하다. 또한, 그래핀과 다른 물질을 이중층 이상의 다층 구조로 적층한 경우, 그래핀의 형상 구조를 자유자재로 조절할 수 있다. 그리고, 그래핀은 물체의 표면과 그래핀 사이에 작용하는 반데르발스 힘(van der Waals force)에 의해 쉽게 물체의 표면에 증착할 수 있다. 그리하여, 전기 전도와 빛의 투과도가 매우 높으며, 화학적으로 안정성을 보이는 그래핀은 투과 전극으로 매우 적합하다. 통상의 투명 전극을 활용해도 되나, 그래핀은 높은 빛의 파장 영역에서 빛의 반사율이 낮고 투과율이 높아 일반적인 투명 전극보다 우수하다. 또한, 그래핀은 플렉서블한 태양 전지에 적용하기에도 용이하다.The graphene layer 40 may be either a multilayer or a single layer, but a graphene layer 40 of a single layer is suitable. As the number of graphene layers 40 increases, the transmittance of light decreases, but the electrical conductivity increases. That is, it can be changed according to the current density generated in the solar cell, but since a current density generated in an ordinary solar cell is about tens mA / cm 2, it is possible to utilize a single layer. Due to the nature of the graphene composed of a single atomic layer, graphene can be easily bent or unfolded even by very small forces, and its warpage can be from several nm. Further, when the graphene and other materials are laminated in a multi-layered structure of more than two layers, the shape structure of the graphene can be freely controlled. And graphene can be easily deposited on the surface of an object by the van der Waals force acting between the surface of the object and graphene. Thus, graphene, which has high electrical conduction and light transmittance and is chemically stable, is very suitable as a transparent electrode. Although a normal transparent electrode may be used, graphene is superior to a general transparent electrode because of low light reflectance and high transmittance in a high light wavelength region. Graphene is also easy to apply to flexible solar cells.

도 3은 도 1의 태양 전지에서 Schottky junction 형성에 의한 포텐셜의 분포를 도시한 도면이다. 또한, 도 4a는 빛의 유무에 따른 Igs vs Vgs 커브를 도시한 그래프이며, 도 4b는 빛의 유무에 따른 Ids vs Vgs 커브를 도시한 그래프이고, 도 4c는 여러 Vgs에 대한 Ids vs Vds 커브를 도시한 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing a potential distribution due to Schottky junction formation in the solar cell of FIG. 1; FIG. 4B is a graph showing Ids vs Vgs curves depending on the presence or absence of light, and FIG. 4C is a graph showing Ids vs Vds curves for various Vgs. FIG. 4A is a graph showing Igs vs Vgs curves according to presence or absence of light, FIG.

도 3에서, A 지점은 Schottky Contact가 이루어지고, B 지점은 Ohmic Contact가 이루어진다. 그래핀층(40)이 없을 시 Schottky junction 형성에 의한 효과는 전극 준위에만 형성되나, 그래핀층(40)이 있을 시 포텐셜(potential)의 분포는 전면에 형성됨으로써, 전자와 홀의 분리를 유도하여 광전류 수집 효율을 극대화할 수 있다. 그래핀의 역할은 크게 빛의 흡수로 생성된 광전자와 광홀을 모으는 전극, 빛의 투과를 돕는 역할, 흡수층(10) 표면에 생성된 전자와 홀에 금속(30)과 흡수층(10)에 형성된 builtin voltage를 전달하여 분리시키는 기능, 그리고, 부도체로 이루어진 절연층(20) 및 금속(30)을 보호하는 diffusion barrieer로 활용된다. 도 4a 내지 도 4c에 전류에 따른 전압 여러 그래프가 도시되어 있으며, 빛이 비춰졌을 때(ON) 전류로 변환된다.3, a point A is a Schottky contact, and a point B is an Ohmic contact. In the absence of the graphene layer 40, the Schottky junction effect is formed only on the electrode level, but when the graphene layer 40 is present, the potential distribution is formed on the entire surface, Efficiency can be maximized. The role of graphene is largely divided into a photoelectron generated by the absorption of light and an electrode collecting the photohole, a role of assisting the transmission of light, a metal 30 formed on the surface of the absorption layer 10 and a builtin and a diffusion barriers for protecting the insulating layer 20 and the metal 30 made of non-conductive materials. FIGS. 4A to 4C show various graphs of voltages according to currents, and are converted into ON currents when the light is illuminated.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a solar cell according to another embodiment of the present invention.

전술한 바와 같이, 유기물 및 전하 운반자의 이동도가 매우 낮은 흡수층(10)이 사용될 경우, 태양 전지는 적층 구조로 직렬 연결된 구조가 적합하다. 도 5에 도시한 바와 같이, 흡수층(10), 절연층(20), 그래핀층(40) 위에, 차례대로 흡수층(10), 절연층(20), 그래핀층(40)을 순차적으로 적층함으로써, 태양 전지의 효율을 높일 수 있다. 여기에서, 빛의 흡수로 발생한 광전자와 광홀이 모두 전류로 전환될 수 있는 영역에서만 빛이 흡수되도록 흡수층(10)의 두께를 얇게 하며, 이 층에서 흡수되지 않은 빛은 다음 층들에서 흡수가 일어나게 하여 빛의 흡수율 및 전류 발생 효율, 즉 에너지 변환율을 증가시킬 수 있다. 이때, 흡수층(10)의 두께를 마이크로미터 이내(~μm)로 조절하여 적층 구조를 형성하는 것이 바람직하다.As described above, when the absorption layer 10 having a very low mobility of the organic substance and the charge carrier is used, a structure in which solar cells are connected in series in a laminated structure is suitable. 5, the absorption layer 10, the insulating layer 20 and the graphene layer 40 are successively laminated on the absorption layer 10, the insulating layer 20 and the graphene layer 40 in order, The efficiency of the solar cell can be increased. Here, the thickness of the absorption layer 10 is reduced so that light is absorbed only in a region where both the photoelectrons generated by absorption of light and the photohole can be converted into current, and the light not absorbed in this layer is absorbed in the following layers The absorption rate of light and the current generation efficiency, that is, the energy conversion rate can be increased. At this time, it is preferable to form the laminated structure by controlling the thickness of the absorbing layer 10 to within micrometers (~ m).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 순서도이다. 또한, 도 7은 도 6의 태양 전지의 제조 방법에서 각 단계를 도시한 제1 도면이며, 도 8은 도 6의 태양 전지의 제조 방법에서 각 단계를 도시한 제2 도면이다.6 is a flowchart of a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 is a first drawing showing each step in the manufacturing method of the solar cell of FIG. 6, and FIG. 8 is a second drawing showing each step of the manufacturing method of the solar cell of FIG.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 빛에너지를 흡수하는 반도체 물질로 이루어진 흡수층(10)을 형성하고(S10), 상기 흡수층(10) 상에 부도체 물질로 이루어진 절연층(20)을 형성하고(S10), 상기 절연층(20)을 식각하여 복수의 관통홀(22)을 형성하고(S10), 상기 복수의 관통홀(22)에 각각 금속(30)을 증착하고(S10), 상기 절연층(20) 상에 그래핀층(40)을 형성한다(S10).Referring to FIG. 6, a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention includes forming an absorbing layer 10 made of a semiconductor material that absorbs light energy (S10) A plurality of through holes 22 are formed by etching the insulating layer 20 to form a plurality of through holes 22 and a plurality of through holes 22 are formed in the plurality of through holes 22, (S10), and a graphene layer 40 is formed on the insulating layer 20 (S10).

도 7에서, 흡수층(10)을 형성하는 경우(a), 흡수층(10)의 두께가 100 μm 이하로 형성될 수 있다. 또한, 절연층(20)을 형성하는 경우(b), 절연층(20)의 두께가 10 μm 이하로 형성될 수 있다. 그리고, 관통홀(22)을 형성하는 경우(c), 포토레지스트와 마스크를 사용하여 절연층(20)을 식각할 수 있고, 금속(30)을 증착하는 경우(d), 마스크를 사용하여 증착할 수 있다. 이때, 흡수층(10) 및 절연층(20)의 두께가 다르게 형성될 수 있음은 물론이다.7, when the absorbing layer 10 is formed (a), the thickness of the absorbing layer 10 may be 100 μm or less. When the insulating layer 20 is formed (b), the thickness of the insulating layer 20 may be 10 m or less. In the case of forming the through hole 22, the insulating layer 20 can be etched using the photoresist and the mask. In the case of depositing the metal 30, can do. In this case, the thicknesses of the absorbing layer 10 and the insulating layer 20 may be different.

도 8에서, 흡수층(10), 절연층(20), 관통홀(22)에 증착된 금속(30), 그래핀층(40)의 구조는 직렬 연결된 적층 구조로 형성될 수도 있다(f). 즉, 도 6의 각 단계가 순차적으로 적어도 1회 반복하여 적층 구조를 형성할 수 있다. 이러한 경우, 흡수층(10)이 적어도 2개층 이상이므로, 흡수층(10)의 두께가 10 μm 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 절연층(20)의 두께가 10 μm 이하로 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 절연층(20)의 두께가 10 μm 정도로 형성되는 경우, 흡수층(10)의 두께가 1 μm 이하로 형성될 수 있다.8, the structure of the absorption layer 10, the insulating layer 20, the metal 30 deposited on the through hole 22, and the graphene layer 40 may be formed in a series-connected laminated structure (f). That is, each step of FIG. 6 may be repeated at least once in order to form a laminated structure. In this case, since the absorbent layer 10 is at least two layers or more, it is preferable that the thickness of the absorbent layer 10 is 10 m or less. Further, the thickness of the insulating layer 20 may be formed to be 10 占 퐉 or less. More preferably, when the thickness of the insulating layer 20 is about 10 mu m, the thickness of the absorbing layer 10 can be formed to be 1 mu m or less.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제1 단면도이다. 또한, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제2 단면도이다.9 is a first sectional view of a solar cell according to another embodiment of the present invention. 10 is a second sectional view of a solar cell according to another embodiment of the present invention.

전술한 방법에서는 절연층(20)에 패턴된 금속(30) 전극으로 높은 Schottky junction barrier를 얻고, 높은 빛의 투과율을 얻으며, 그래핀층(400을 이용하여 전자와 홀이 효율적으로 분리되어 전류로 변환되도록 하였다, 도 9 및 도 10에 도시한 태양 전지에서는, 패턴된 전극을 사용하는 대신에, 빛의 흡수체와 높은 일함수의 차이를 가지는 금속(30)을 직접 흡수층(10) 상에 증착하고, 이 증착된 금속(30) 면에 그래핀층(40)을 증착하고, 흡수층(10) 하면에도 그래핀층(40)을 증착한다. 이때, 그래핀층(40)의 두께는 빛의 스킨 깊이(skin depth)보다 매우 낮도록 증착하여 대부분의 빛이 통과하게 한다. 또한, 금속(30) 층의 두께도 빛의 스킨 깊이(skin depth)보다 얇게 증착하여 높은 빛의 투과도를 유지한다. 따라서, 금속(30) 층에 의한 전기 전도도가 감소되나, 그래핀층(40)을 증착하여 빛의 투과도에 영향을 주지 않고, 전기 전도도를 향상시킨다.In the above method, a high Schottky junction barrier is obtained as a patterned metal (30) electrode in the insulating layer 20, a high light transmittance is obtained, and electrons and holes are efficiently separated and converted into current In the solar cell shown in Figs. 9 and 10, instead of using the patterned electrode, the metal 30 having a high work function difference from the light absorber is directly deposited on the absorber layer 10, A graphene layer 40 is deposited on the surface of the deposited metal 30 and a graphene layer 40 is also deposited on the bottom surface of the absorbent layer 10. The thickness of the graphene layer 40 is determined by the skin depth The thickness of the metal layer 30 is also thinner than the skin depth of the light to maintain a high transmittance of light. ) Layer is reduced, but the graphene layer 40 is deposited Without affecting the transmission of light and improve the electrical conductivity.

흡수층(10)의 전면에 걸쳐 높은 빌트인 전압(builtin voltage)이 나타나도록 하기 위해서는 percolation limit보다 두껍게 금속(30)을 증착하는 것이 바람직하나, 얇게 금속(30)을 증착하는 경우에는 그래핀에 의해 낮은 전기 전도도가 보강된다. 즉, 금속(30) 층의 두께가 percolation limit 이하이거나, 또는 성장 방법이 금속(30) 면을 완전히 wetting 하지 않은 경우에 전기 전도도는 현격하게 낮아지게 되나, 이는 그래핀에 의해 보강된다.It is preferable to deposit the metal 30 thicker than the percolation limit in order to cause a high builtin voltage to appear over the entire surface of the absorbent layer 10. In the case of depositing the thin metal 30, Electrical conductivity is reinforced. That is, if the thickness of the metal 30 layer is below the percolation limit, or if the growth method does not completely wet the metal 30 surface, the electrical conductivity is significantly lowered, but this is reinforced by graphene.

금속(30) 층은 도 9와 같이 연속적인 면을 가질 수도 있고, 도 10과 같이 불연속적인 면을 가질 수도 있다. 즉, percolation limit보다 큰 값의 두께를 가지거나 또는 작은 값을 가지게 할 수 있다. 도 9에서, 금속(30) 층의 두께가 빛의 스킨 깊이(skin depth)보다 얇지만 금속(30)의 일함수를 이용하여 높은 빌트인 전압(builtin voltage)을 형성하고, 그래핀을 이용한 높은 전도도를 형성하고, 빛의 투과도를 유지할 수 있다. 도 10에서, 금속(30) 층의 두께가 매우 얇도록 하여 불연속적인 면을 형성하거나, 또는 금속 나노입자(nano particle)를 증착하여 불연속적인 면을 형성할 수 있다. 따라서, 빌트인 전압(builtin voltage)은 금속(30)과 흡수층(10)에 의해 형성되고, 그래핀층(40)에 의해 전기 전도도가 향상된다. 특히, 불연속적인 금속(30) 층으로 인하여 플라즈몬 효과(Plasmon effect)가 발생하고, 이로 인하여 빛의 흡수가 증폭된다. 즉, 불연속적인 금속 박막은 빛의 반사를 줄이고, 빛의 흡수를 강화하는 블라즈몬 생성을 촉진하여, 높은 효율을 가진 태양 전지를 구현할 수 있다. 그러므로, 나노 입자(nano particle)를 이용하여 이를 극대화할 수 있다. 여기에서, 절연층(20)을 증착할 필요가 없으므로, 공정이 더욱 간단해지며, 플라즈몬 효과와 그래핀으로 인한 반사율이 최소화되는 장점이 있다. The metal layer 30 may have a continuous surface as shown in Fig. 9, or may have a discontinuous surface as shown in Fig. That is, it may have a thickness greater than the percolation limit or have a smaller value. 9, the thickness of the metal 30 layer is thinner than the skin depth of light, but uses a work function of the metal 30 to form a high builtin voltage and a high conductivity using graphene And the light transmittance can be maintained. In FIG. 10, the thickness of the metal layer 30 may be very thin to form a discontinuous surface, or metal nano particles may be deposited to form a discontinuous surface. Thus, the builtin voltage is formed by the metal 30 and the absorption layer 10, and the electrical conductivity is improved by the graphene layer 40. [ In particular, a discontinuous metal (30) layer causes a plasmon effect, thereby amplifying the absorption of light. That is, the discontinuous metal thin film can reduce the reflection of light and promote the generation of bluzzons that enhance the absorption of light, thereby realizing a solar cell with high efficiency. Therefore, it can be maximized by using nano particles. Here, since there is no need to deposit the insulating layer 20, the process becomes simpler, and the plasmon effect and the reflectance due to graphene are minimized.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 부스터의 단면도이다.11 is a cross-sectional view of a solar cell booster according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 부스터는, 반도체 물질로 이루어진 흡수층(10)과, 상기 흡수층(10) 상에 적층된 제1 그래핀층(40)과, 상기 제1 그래핀층(40) 상에 적층된 절연층(20)과, 상기 절연층(20) 상에 적층된 제2 그래핀층(40)을 포함하는 태양 전지 및 상기 제1 및 제2 그래핀층(40)에 각각 양단이 연결되는 직류 전원(50)을 포함한다. 이때, 절연층(20)에 의해 상기 제1 및 제2 그래핀층(40) 사이에 전압만 가해진다. 즉, 제1 및 제2 그래핀층(40) 사이에는 전류가 흐르지 않게 된다.11, a solar cell booster according to an embodiment of the present invention includes an absorbing layer 10 made of a semiconductor material, a first graphene layer 40 laminated on the absorbing layer 10, A solar cell including the insulating layer 20 stacked on the graphene layer 40 and the second graphene layer 40 stacked on the insulating layer 20 and the first and second graphene layers 40, And a DC power source 50 connected at both ends thereof. At this time, only the voltage is applied between the first and second graphene layers 40 by the insulating layer 20. That is, no current flows between the first and second graphene layers 40.

이러한 태양 전지 부스터를 통해, 높은 Schottky junction barrier를 얻기 위하여, 금속 대신에 그래핀 자체를 활용하게 된다. 그래핀의 일함수는 보통의 크기를 가지고 있지만, 그 일함수는 화학적으로나 전기적으로 조절이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 부스터에서 일함수를 전기적으로 조절하여, 태양 전지의 빌트인 전압(builtin voltage)을 증가시키는 것이다. 그래핀의 일함수를 조절하기 위하여 그래핀이 직접 흡수층(10)에 접촉하고 그래핀 위에 유전체 또는 전해질 중 적어도 하나로 이루어진 절연층(20)을 올리고, 다시 그 위에 그래핀을 증착하고, 이러한 구조에서 두 그래핀 사이에 전압을 가하는 것이다. 이때, 제1 및 제2 그래핀층(40) 사이에 전압만 가해지고, 전류는 흐르지 않아야 하므로, 절연층(20)의 두께는 누설 전류(leakage current)가 흐르지 않도록 충분히 두꺼워야 파워 손실이 적게 된다. 그리고, 충분한 페르미 준위의 이동이 유도되어야 하므로, 유전 상수가 매우 큰 유전체를 사용하거나 또는 고농도의 전기화학적으로 안정된 전해질을 사용하는 것이 바람직하다.Through this solar cell booster, graphene itself is used instead of metal to obtain a high Schottky junction barrier. The graphene work function has a normal size, but its work function is chemically and electrically adjustable. In the solar cell booster according to the embodiment of the present invention, the work function is electrically controlled to increase the built-in voltage of the solar cell. In order to control the work function of graphene, graphene directly contacts the absorbing layer 10, and an insulating layer 20 made of at least one of dielectric or electrolyte is raised on the graphene, and then graphenes are deposited thereon, Applying a voltage between the two graphenes. At this time, since only a voltage is applied between the first and second graphene layers 40 and no current flows, the thickness of the insulating layer 20 must be sufficiently thick so as to prevent a leakage current from flowing, . Since sufficient Fermi level movement must be induced, it is preferable to use a dielectric material having a very high dielectric constant or to use a high concentration of electrochemically stable electrolyte.

도 12a는 흡수층이 p형일 경우에 태양 전지 부스터의 구조를 도시한 도면이며, 도 12b는 도 12a에서의 에너지 밴드 구조를 도시한 도면이다. 또한, 도 13a는 흡수층이 n형일 경우에 태양 전지 부스터의 구조를 도시한 도면이며, 도 13b는 도 13a에서의 에너지 밴드 구조를 도시한 도면이다.Fig. 12A is a diagram showing the structure of a solar cell booster when the absorption layer is p-type, and Fig. 12B is a diagram showing the energy band structure in Fig. 12A. 13A is a diagram showing the structure of a solar cell booster when the absorption layer is n-type, and FIG. 13B is a diagram showing the energy band structure in FIG. 13A.

흡수층(10)은 n형 반도체 또는 p형 반도체 중 적어도 하나인데, 흡수층(10)에 따라 직류 전원(50)이 그래핀층(40)에 연결되는 극성이 다르게 된다.The absorption layer 10 is at least one of an n-type semiconductor and a p-type semiconductor. The polarity of the DC power source 50 connected to the graphene layer 40 is different according to the absorption layer 10.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 직류 전원(52)은 흡수층이 p형 반도체(12)인 경우, 제1 그래핀층에 양극이 연결되고, 제2 그래핀층에 음극이 연결된다. 이로써, 그래핀의 페르미 준위가 조절된다.
즉, 두 개의 그래핀의 전압을 인가하면, 마치 축전지의 역할을 하게 된다. 이로써 양극에 연결된 그래핀은 양으로 대전되고, 음극에 연결된 그래핀은 음으로 대전되며, 이에 따라 그래핀의 페르미 준위가 이동하게 된다. 이는 이차원 구조를 가진 그래핀의 특성에 기인한다.
이에 대한 에너지 밴드 구조가 도 12b에 도시되어 있다. 그래핀과 p형 반도체(12) 사이에 Schottky junction이 형성되며, builtin voltage는 직류 전원(52)의 전압과 절연층(20)의 유전 상수 및 두께에 의해 결정된다.
음극에 연결된 그래핀은 음으로 대전되고, 그 결과 그래핀의 페르미 준위는 위로 움직이게 된다. 즉, 그래핀의 페르미 준위는 반도체의 전도 밴드에 가까이 접근하고, 반면 반도체의 페르미 준위는 반도체의 발렌스 밴드에 가까이 있게 되며, 둘 사이의 페르미 준위 차이로 금속형인 그래핀과 반도체 사이에 Schottky junction이 형성된다.
이로 인하여, 반도체의 에너지 밴드 고주에서 밴드 밴딩이 일어나고, built in potential이 형성된다.
특히 그래핀의 페르미 준위는 가해진 전압과 두 그래핀 사이의 유전체의 유전상수에 따라 전하 충전량이 변하게 되어, 그래핀의 페르미 준위를 자유 자재로 변경할 수 있게 된다.
12A and 12B, in the case where the absorption layer is the p-type semiconductor 12, the DC power source 52 is connected to the first graphene layer with the anode and the cathode to the second graphene layer. As a result, the Fermi level of graphene is controlled.
That is, when the voltage of two graphenes is applied, it acts as a battery. As a result, the graphene connected to the anode is positively charged, and the graphene connected to the cathode is negatively charged, thereby causing the Fermi level of the graphene to move. This is due to the nature of graphene with a two-dimensional structure.
The energy band structure for this is shown in Fig. 12B. A Schottky junction is formed between the graphene and the p-type semiconductor 12, and the builtin voltage is determined by the voltage of the DC power source 52 and the dielectric constant and thickness of the insulating layer 20. [
The graphene connected to the cathode is negatively charged, and as a result, the Fermi level of the graphene moves upward. That is, the Fermi level of graphene approaches the conduction band of the semiconductor, while the Fermi level of the semiconductor is close to the valence band of the semiconductor, and the Schottky junction between the graphene and the semiconductor, .
As a result, band bending occurs in the energy band of the semiconductor and a built-in potential is formed.
In particular, the Fermi level of graphene changes the charge amount according to the applied voltage and the dielectric constant of the dielectric between the two grapins, so that the Fermi level of the graphene can be freely changed.

또한, 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 직류 전원(54)은 흡수층이 n형 반도체(14)인 경우, 제1 그래핀층에 음극이 연결되고, 제2 그래핀층에 양극이 연결된다. 이로써, 그래핀의 페르미 준위가 조절된다. 이에 대한 에너지 밴드 구조가 도 13b에 도시되어 있다. 그래핀과 n형 반도체(14) 사이에 Schottky junction이 형성되며, builtin voltage는 직류 전원(54)의 전압과 절연층(20)의 유전 상수 및 두께에 의해 결정된다.
여기서, n형 반도체인 경우는 앞서 설명한 p형 반도체인 경우와 반대로 이용하면 된다.
13A and 13B, when the absorbing layer is the n-type semiconductor 14, the DC power source 54 is connected to the cathode of the first graphene layer and to the anode of the second graphene layer. As a result, the Fermi level of graphene is controlled. The energy band structure for this is shown in Fig. 13B. Schottky junctions are formed between the graphene and the n-type semiconductor 14, and the builtin voltage is determined by the voltage of the DC power supply 54 and the dielectric constant and thickness of the insulating layer 20.
Here, in the case of an n-type semiconductor, it may be used in reverse to the case of the above-described p-type semiconductor.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 부스터를 통해, 금속을 이용하지 않고 그래핀을 이용하여, builtin voltage를 능동적으로(active) 조절할 수 있다.Therefore, through the solar cell booster according to the embodiment of the present invention, the builtin voltage can be actively controlled using graphene without using a metal.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

10: 흡수층
20: 절연층
30: 금속
40: 그래핀층
10: Absorption layer
20: Insulation layer
30: Metal
40: graphene layer

Claims (5)

반도체 물질로 이루어진 흡수층과, 상기 흡수층 상에 적층된 제1 그래핀층과, 상기 제1 그래핀층 상에 적층된 절연층과, 상기 절연층 상에 적층된 제2 그래핀층을 포함하는 태양 전지; 및
상기 제1 및 제2 그래핀층에 각각 양단이 연결되는 직류 전원을 포함하되,
상기 절연층에 의해 상기 제1 및 제2 그래핀층 사이에 전압만 가해지는, 태양 전지 부스터.
1. A solar cell comprising: an absorbing layer made of a semiconductor material; a first graphene layer stacked on the absorbing layer; an insulating layer stacked on the first graphene layer; and a second graphene layer stacked on the insulating layer; And
And a DC power supply having both ends connected to the first and second graphene layers,
Wherein only a voltage is applied between the first and second graphene layers by the insulating layer.
제 1항에 있어서,
상기 흡수층은, n형 반도체 또는 p형 반도체 중 적어도 하나인, 태양 전지 부스터.
The method according to claim 1,
Wherein the absorption layer is at least one of an n-type semiconductor and a p-type semiconductor.
제 2항에 있어서,
상기 직류 전원은, 상기 흡수층이 p형 반도체인 경우, 상기 제1 그래핀층에 양극이 연결되고, 상기 제2 그래핀층에 음극이 연결되는, 태양 전지 부스터.
3. The method of claim 2,
Wherein the direct current power source has a positive electrode connected to the first graphene layer and a negative electrode connected to the second graphene layer when the absorbing layer is a p-type semiconductor.
제 2항에 있어서,
상기 직류 전원은, 상기 흡수층이 n형 반도체인 경우, 상기 제1 그래핀층에 음극이 연결되고, 상기 제2 그래핀층에 양극이 연결되는, 태양 전지 부스터.
3. The method of claim 2,
Wherein the direct current power source has a negative electrode connected to the first graphene layer and a positive electrode connected to the second graphene layer when the absorbing layer is an n-type semiconductor.
제 1항에 있어서,
상기 절연층은, 유전체 인, 태양 전지 부스터.
The method according to claim 1,
Wherein the insulating layer is a dielectric.
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