KR101652402B1 - 나노와이어 구조의 태양전지 및 제조방법 - Google Patents

나노와이어 구조의 태양전지 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

나노와이어 구조의 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 나노와이어 구조의 태양전지는, 하부전극 상에 수직으로 형성되며, 상기 하부전극에 전기적으로 연결되며, 제1불순물로 도핑된 복수의 나노와이어와, 상기 나노와이어들의 외주를 감싸며 제2불순물로 도핑되어 상기 나노와이어와 p-n접합을 형성하는 코팅층과, 상기 코팅층 상에 형성된 투명전극을 구비한다. 상기 하부전극 상에는 상기 나노와이어가 형성되는 홀이 형성된 산화막 템플레이트가 배치된다. 상기 템플레이트는 상기 코팅층이 상기 하부전극과 접촉하는 것을 방지한다.

Description

나노와이어 구조의 태양전지 및 제조방법{Solar cell having nanowire structure and method of fabricating the same}
나노와이어 구조가 포함된 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료를 대체하는 에너지의 원천으로서, 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지에 대해 다양한 연구가 많은 주목을 받고 있다.
태양전지는 실리콘을 이용한 태양전지가 폭넓게 사용되고 있다. 실리콘 태양전지는 결정 실리콘을 사용하는 경우 광전효율이 23% 정도 까지 높으나, 폴리실리콘을 이용하고 상용화된 태양전지는 대략 15% 수준이다.
태양전지의 광전효율은 p-n 접합물질 이외에도 흡수파장, 표면 광흡수 특성, 전극의 저항등에 따라 달라질 수 있다.
최근에는 태양전지의 광전효율을 증대시키기 위하여 태양전지를 나노와이어와 같은 나노구조로 형성함으로써 밴드갭을 제어하는 연구나 나노구조의 물리적 특성을 이용하는 연구가 시도되고 있다.
본 발명의 실시예들은 나노와이어 구조의 태양전지 및 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 태양전지는:
하부전극;
상기 하부전극 상에서 수직으로 형성되며, 상기 하부전극에 전기적으로 연결되며, 제1불순물로 도핑된 복수의 나노와이어;
상기 나노와이어들의 외주를 감싸며 상기 제1불순물과 반대의 극성인 제2불순물로 도핑되어 상기 나노와이어와 p-n접합을 형성하는 코팅층;
상기 코팅층 상에 형성된; 및
상기 하부전극 상에서 상기 나노와이어가 형성되는 홀이 형성된 산화막 템플레이트;를 구비하며,
상기 템플레이트는 상기 코팅층이 상기 하부전극과 접촉하는 것을 방지한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 투명전극으로부터 상기 코팅층 사이에 형성된 공간을 채우도록 상기 나노와이어와 나란하게 연장된 수직전극부;를 구비한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 투명전극과 상기 수직전극부는 동일한 물질로 형성된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 코팅층은 상기 나노와이어들 사이를 채운다.
상기 나노와이어들은 50nm ~ 1㎛의 직경과 1 ~ 20㎛ 길이를 가진다.
상기 나노와이어 및 상기 코팅층은 실리콘에 불순물이 도핑되어 있다.
상기 템플레이트는 알루미나로 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 알루미늄 멤브레인을 양극산화하여 상면에 수직으로 형성된 복수의 홀이 형성된 알루미늄 템플레이트를 형성하는 단계;
상기 홀의 바닥에 촉매금속을 형성하는 단계;
상기 촉매금속으로부터 제1불순물로 도핑된 나노와이어를 성장시켜서 상기 나노와이어가 상기 멤브레인 상으로 형성하는 단계;
상기 템플레이트를 열처리하여 상기 촉매금속을 열이동시켜서 상기 나노와이어를 결정화하는 단계;
상기 템플레이트의 상부를 제거하는 단계;
상기 노출된 나노와이어 상으로 상기 제1불순물과 극성이 다른 제2불순물로 도핑된 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 코팅층 상으로 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 나노와이어 및 상기 코팅층은 p-n 접합층을 형성한다.
상기 나노와이어 형성단계는 SiCl4 용액을 실리콘 전구체로 사용하는 단계일 수 있다.
상기 나노와이어의 결정화 단계는 상기 템플레이트를 350-450 ℃로 열처리하되 상부 온도가 하부 온도 보다 50-100 ℃ 높게 유지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 나노와이어를 포함하는 p-n 접합층을 구비함으로써 p-n 접합면적이 증가하며, 캐리어 이동거리의 감소로 광전효율이 증가한다. 또한, 전기화학적 방법으로 실리콘으로 된 코어-쉘 구조의 p-n 광전영역을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조의 태양전지를 설명하는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1의 구조의 태양전지의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노와이어 구조의 태양전지를 설명하는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 구조의 태양전지 및 제조방법을 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조의 태양전지(100)를 설명하는 단면도이다.
알루미늄 멤브레인(110) 상에 알루미늄 템플레이트(120)가 형성되어 있다. 알루미늄 템플레이트(120)는 알루미늄 멤브레인(110)의 양극산화에 의해서 위쪽으로부터 개방된 홀들(122)이 형성된다. 홀들(122)은 대략 50 nm ~ 1 ㎛ 직경으로 형성되며, 대략 1 ~ 10 ㎛ 길이로 형성된다. 홀들(122)의 직경은 양극산화에 사용되는 전해질, 양극산화 시간, 인가 전압에 따라서 조절될 수 있다. 알루미늄 멤브레인(110)은 다른 전극물질로 대체될 수도 있다.
각 홀들(122)에는 나노와이어(130)가 성장되어 있다. 나노와이어(130)는 홀(122)의 직경과 같은 직경을 가질수 있으며, 대략 템플레이트(120) 보다 높게 성장되어 있다. 나노와이어(130)는 대략 1㎛ ~ 20㎛ 높이를 가진다. 나노와이어(130)는 결정질 실리콘으로 이루어진다. 나노와이어(130)는 n형 불순물, 예컨대, 인(P), 비소(As)로 도핑된다.
템플레이트(120)로부터 돌출된 나노와이어(130)의 주위에는 p형 불순물, 예컨대 붕소(B)로 도핑된 실리콘 물질로 이루어진 코팅층(140)이 형성된다. 나노와이어(130)와 코팅층(140)은 p-n 접합층을 형성한다. 코팅층(140)은 나노와이어(130)의 주위를 감싸는 형태로 코팅층(140)과 함께 코어-쉘 구조를 형성할 수 있다.
나노와이어(130) 및 코팅층(140)은 실리콘 이외의 물질로도 형성될 수 있다. 예컨대, ZnO, TiO2, Ⅲ-Ⅴ족 반도체로 형성될 수도 있다.
코팅층(140) 상에는 투명전극(150)이 형성된다. 투명전극(150)은 코팅층(140) 사이를 채우도록 연장된 수직전극부(160)를 구비할 수 있다. 템플레이트(120)는 코팅층(140)이 멤브레인(110)과 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 투명전극(150)은 잘알려진 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 불소주석 산화물(fluorine tin oxide: FTO), ATO 등을 사용할 수 있다.
나노와이어(130)의 하단은 멤브레인(110)과 전기적으로 연결된다. 멤브레인(110) 대신에 다른 전극이 설치될 수 있으며, 추가적으로 멤브레인(110) 하부에 하부전극을 더 형성할 수도 있다.
일 실시예에 따른 태양전지(100)는 p-n 접합층의 면적이 증가되며, 나노와이어(130)와 코팅층(140) 사이에서의 광산란이 증가할 수 있으며, 또한 캐리어의 이동경로가 짧아져서 광전효율이 향상될 수 있다.
또한, 알루미늄 플레이트의 크기에 맞게 태양전지가 형성되므로, 대면적 태양전지의 생산이 용이하다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1의 구조의 태양전지의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 2a를 참조하면, 소정 두께의 알루미늄 멤브레인(210)을 준비한다. 멤브레인(210)의 측면 및 하면을 절연층(미도시)으로 커버한 상태에서 상면을 노출시킨다. 이어서, 양극산화를 위해서 옥살산을 사용한다. 옥살산에 의해서 노출된 멤브레인(210)의 표면으로부터 복수의 홀(222)이 대략 수직으로 형성된다. 홀(222)의 직경은 전해질의 종류, 양극산화 시간 및 인가 전압에 따라 달라질 수 있다. 이들 변수들을 조절하면 대략 50 nm - 1 ㎛ 직경의 홀(222)을 어레이 형태로 형성할 수 있다. 알루미늄 멤브레인(210)의 상부가 양극산화된 부분은 알루미나로 이루어지며, 알루미나 템플레이트(220)로 칭한다.
이어서, 홀(222)의 하부에 실리콘 나노와이어(230)의 성장을 위한 금속촉매를 전기화학 증착공정을 사용하여 형성한다. 금속촉매는 Au 또는 Cu 일 수 있다. Au 촉매인 경우, AuCl3를 포함하는 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide을 사용하여 홀(222)의 하부에 Au 촉매(224)를 형성한다.
도 2b를 참조하면, 실리콘 전구체인 SiCl4를 포함하는 용액을 사용하여 전기화학적 증착법을 사용하여 실리콘 나노와이어(230)를 형성한다. 이때, 형성되는 실리콘은 비정질 실리콘이다. 실리콘을 n-도핑하기 위해서, 인(P) 또는 비소(As) 불순물을 도핑할 수 있으며, 전구체로서 PCl5 또는 AsCl5 용액을 사용할 수 있다. P 나 As 의 양은 Si의 0.1% 정도 사용되면, 결정화 후에 highly doped Si 나노와이어(230)가 된다. 실리콘 나노와이어(230)의 길이는 대략 1-10 ㎛ 로 형성할 수 있다. 실리콘 나노와이어(230)는 알루미나 템플레이트(220) 밖으로 성장되어도 되며, 또는 템플레이트(220) 높이 보다 낮게 형성되어도 된다. 도 2b에서는 실리콘 나노와이어(230)의 길이가 템플레이트(220)와 같은 것으로 도시하였다.
도 2c를 참조하면, 템플레이트(220)를 대략 350-450 ℃로 가열하되 상부가 하부 보다 대략 50-100℃ 온도차이를 유지하면, Au 촉매(224)가 비정질 실리콘을 따라서 서서히 위로 상승하면서 비정질 실리콘은 결정질 실리콘으로 변환된다. 이러한 Au 촉매(224)의 이동은 온도 구배(temperature gradient)에 따른 열이동(thermomigration)이라 한다.
도 2d를 참조하면, Au 촉매(224)를 선택적으로 식각한다. 그리고, 알루미나 템플레이트(220) 상부를 식각하고 일부, 예컨대 수 nm ~ 1 ㎛ 높이의 템플레이트(220)를 남긴다.
한편, Au 촉매(224)는 식각하지 않을 수도 있다.
도 2e를 참조하면, 템플레이트(220)로부터 노출된 실리콘 나노와이어(230)의 표면에 실리콘 코팅층(240)을 형성한다. 실리콘 코팅층(240) 형성은 일반적인 증착공정을 사용하거나, 전기도금 방법을 사용할 수 있다. 실리콘 코팅층(240)은 실리콘 나노와이어(230)와 다른 불순물을 도핑하여 형성한다. 예컨대, 붕소(B)를 도핑한다. 결과로서, n-도핑 실리콘 나노와이어(230)의 외주면에 p-도핑 실리콘 코팅층(240)이 형성되며, 이들은 p-n 접합층을 형성한다.
상기 실시예에서는 실리콘 나노와이어(230)가 n-도핑되고, 실리콘 코팅층(240)이 p-도핑되었으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 실리콘 나노와이어(230)가 p-도핑되고, 실리콘 코팅층(240)이 n-도핑될 수도 있다. 실리콘 나노와이어(230) 및 시리콘 코팅층(240)은 코어-쉘 구조를 형성한다.
도 2f를 참조하면, 코팅층(240) 상으로 투명전극(250)물질을 형성하되, 코팅층(240) 사이의 공간도 채운다. 결과로서, 코팅층(240) 사이의 수직전극부(260)와 코팅층(240) 상의 투명전극(250)이 형성된다. 투명전극(250)물질은 ITO, FTO, ATO 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 방법으로 형성된 태양전지 구조는 도 1과 같게 된다.
수직전극부(260)와 투명전극(250)은 동일한 물질로 형성되어 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 수직전극부(260)는 보다 더 열적 흐름이 좋은 물질을 사용하고 그 위에 투명전극(250)을 형성할 수도 있다.
한편, 알루미늄 멤브레인(210)은 일부 영역이 산화된 영역도 있을 수 있으므로 전도성이 떨어질 수도 있다. 따라서, 알루미늄 멤브레인(210)의 하부에 하부전극을 더 형성할 수도 있다. 또한, 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 도전성이 떨어지는 알루미늄 멤브레인(210)을 제거하면서, 다른 전극을 그 위에 형성할 수도 있다. 알루미늄 멤브레인(210) 제거공정에서, 알루미나 템플레이트(220)의 하부를 함께 제거할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노와이어 구조의 태양전지의 구조를 설명하는 단면도이다.
알루미늄 멤브레인(310) 상에 알루미늄 템플레이트(320)가 형성되어 있다. 알루미늄 템플레이트(320)는 알루미늄 멤브레인(310)의 양극산화에 의해서 위쪽으로부터 개방된 홀들(322)이 형성된다. 홀들(322)은 대략 50 nm ~ 1 ㎛ 직경으로 형성되며, 대략 1 ~ 10 ㎛ 길이로 형성된다. 홀들(322)의 직경은 양극산화에 사용되는 전해질, 양극산화 시간, 인가 전압에 따라서 조절될 수 있다. 알루미늄 멤브레인(310)은 다른 전극물질로 대체될 수도 있다.
각 홀들(322)에는 나노와이어(330)가 성장되어 있다. 나노와이어(330)는 홀(322)의 직경과 같은 직경을 가질수 있으며, 대략 템플레이트(320) 보다 높게 성장되어 있다. 나노와이어(330)는 대략 1㎛ ~ 20㎛ 높이를 가진다. 나노와이어(330)는 결정질 실리콘으로 이루어진다. 나노와이어(330)는 n형 불순물, 예컨대, 인(P), 비소(As)로 도핑된다.
템플레이트(320)로부터 돌출된 나노와이어(330)의 주위에는 p형 불순물, 예컨대 붕소(B)로 도핑된 실리콘 물질로 이루어진 코팅층(340)으로 채워져 있다. 나노와이어(330)와 코팅층(340)은 p-n 접합층을 형성한다. 코팅층(340)은 나노와이어(330)의 주위를 감싸는 형태로 코팅층(340)과 함께 코어-쉘 구조를 형성할 수 있다.
코팅층(340) 상에는 투명전극(350)이 형성된다. 템플레이트(320)는 코팅층(340)이 멤브레인(310)과 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 투명전극(350)은 잘알려진 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 불소주석 산화물(fluorine tin oxide: FTO), ATO 등을 사용할 수 있다.
나노와이어(330)의 하단은 멤브레인(310)과 전기적으로 연결된다. 멤브레인(310) 대신에 다른 전극이 설치될 수 있으며, 추가적으로 멤브레인(310) 하부에 하부전극을 더 형성할 수도 있다.
도 3의 태양전지는 상술한 제조방법의 도 2d에서 나노와이어(230) 사이를 코팅층으로 채운후, 그 위에 투명전극을 형성하여 제조할 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 나노와이어 구조를 이용함으로써 p-n 접합층의 면적이 증가하며 캐리어의 이동경로가 짧아져서 광전효율이 증가된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 실리콘을 광전변화물질로 사용하므로 제조비용을 줄일 수 있으며, 대면적 태양전지를 제조할 수 있다. 또한, 전기화학적 방법으로 실리콘으로 된 코어-쉘 구조의 p-n 광전영역을 용이하게 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 알루미늄 멤브레인을 양극산화하여 상면에 수직으로 형성된 복수의 홀이 형성된 알루미늄 템플레이트를 형성하는 단계;
    상기 홀의 바닥에 촉매금속을 형성하는 단계;
    상기 촉매금속으로부터 제1불순물로 도핑된 나노와이어를 성장시켜서 상기 나노와이어가 상기 멤브레인 상으로 형성하는 단계;
    상기 템플레이트를 350-450 ℃로 열처리하여 상기 템플레이트의 상부 온도가 그 하부 온도 보다 50-100 ℃ 높게 유지하도록 열처리하여 상기 촉매금속을 열이동시켜서 상기 나노와이어를 결정화하는 단계;
    상기 템플레이트의 상부를 제거하는 단계;
    상기 노출된 나노와이어 상으로 상기 제1불순물과 극성이 다른 제2불순물로 도핑된 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 코팅층 상으로 투명전극층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 나노와이어 및 상기 코팅층은 p-n 접합층을 형성하는 태양전지 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 50nm ~ 1㎛의 직경과 1-20㎛ 길이를 가지는 태양전지 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 나노와이어 및 상기 코팅층은 실리콘으로 이루어진 태양전지 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 나노와이어 형성단계는 SiCl4 용액을 실리콘 전구체로 사용하는 전기화학적 증착법을 이용하는 태양전지 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 코팅층 형성단계는 상기 나노와이어 사이를 채우는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 투명전극층 형성단계는, 상기 코팅층 상으로 투명전극물질을 도포하여 상기 코팅층 사이로 수직전극부를 더 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 나노와이어의 결정화 단계는 상기 나노와이어 상부로 이동된 촉매금속을 에칭하여 제거하는 단계를 더 포함하는 태양전지 제조방법.
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