KR101670286B1 - 양자점 광활성층 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 기판 상부에, 비정질 실리콘화합물층;과 도전형불순물을 함유하며, 화학양론비 기준 과잉의 실리콘을 함유하는 실리콘 과잉 화합물층;을 교번 적층하여 복합적층층을 형성하는 단계; 및 복합적층층을 열처리하여 실리콘화합물인 매질 내에 다수개의 실리콘 양자점을 형성하는 단계;를 포함하되, 최소 한 번 이상은 실리콘 과잉 화합물층 대신 도전형불순물이 함유된 비정질 실리콘층이 형성되는 양자점 광활성층의 제조방법과 이로부터 제조된 양자점 광활성층에 관한 것이다.

Description

양자점 광활성층 및 이의 제조방법 {Quantum-dot photoactive-layer and method for manufacture thereof}
본 발명은 양자점 광활성층 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지용 또는 발광 다이오드용 실리콘 양자점 광활성층 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지 산업은 제조단가와 효율을 고려하여 1세대, 2세대, 3세대로 구분한다. 1세대 태양전지는 지난 수십 년간 발전되어 온 결정질 실리콘 태양전지로 현재 전 태양전지의 80% 이상을 차지하고 있다. 2세대 태양전지는 효율은 비교적 높지만 제조단가가 비싼 실리콘 태양전지의 단점을 보완하기 위한 태양전지로 비정질 실리콘, 화합물 및 유기 박막 등의 박막 태양전지를 의미하며, 3세대 태양전지는 저비용으로 고효율을 얻기 위한 태양전지로 나노구조 및 양자점(quantum-dot; QD)을 활용한 신개념 태양전지를 의미한다.
1세대 태양전지인 실리콘 태양전지는 이미 기술적 한계에 도달되어 있어 현재는 주로 2세대 박막태양전지 연구 개발이 활발히 진행되고 있으나 조속한 태양전지 그리드패리티 도달을 위해서는 저비용 고효율의 3세대 태양전지의 개발이 요구된다.
3세대 태양전지의 핵심인 양자점 형성을 위한 종래의 일반적인 기술로는 실리콘산화막(SiO2) 증착시 실리콘의 양을 정확한 조성을 나타내는 SiO2를 형성하는데 필요한 양보다 많이 첨가함으로써 열처리 과정에서 실리콘이 석출되도록 하여 양자점을 형성하는 방법이 있다.
그러나, 상기 종래방법은 양자점을 형성하는 과정에서 충분한 스루풋(throughput)을 얻으면서 전류가 흐르는 채널에서부터 비교적 동일한 거리에 양자점을 형성할 수 있는 장점이 있는 반면, 상기 거리가 비교적 멀어 양자점의 밀도가 다소 낮으며, 양자점의 크기와 공간분포가 균일하지 않다는 단점이 따른다.
이에 따라, 향상된 양자점 밀도를 가지며, 양자점의 크기 및 공간 분포가 균일한 양자점 광활성층의 개발이 필요한 실정이다.
양자점 제조 방법에 대한 유사 문헌으로는 한국 공개특허공보 제10-2012-0058840호가 제시되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0058840호 (2012.06.08.)
본 발명은 실리콘 양자점의 밀도를 증가시킴으로써 직렬저항을 낮추어, 광전 효율 및 발광 효율이 증가된 양자점 광활성층의 제조방법 및 이로부터 제조된 양자점 광활성층을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 기판 상부에, 비정질 실리콘화합물층;과 도전형불순물을 함유하며, 실리콘 화합물 화학양론비 기준 과잉의 실리콘을 함유하는 실리콘 과잉 화합물층;을 교번 적층하여 복합적층층을 형성하는 단계; 및 복합적층층을 열처리하여 실리콘화합물인 매질 내에 다수개의 실리콘 양자점을 형성하는 단계;를 포함하되, 최소 한 번 이상은 실리콘 과잉 화합물층 대신 도전형불순물이 함유된 비정질 실리콘층이 형성되는 양자점 광활성층의 제조방법과 이로부터 제조된 양자점 광활성층에 관한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 양태는 상기 양자점 광활성층; 광활성층 하부에 위치하며, 광활성층에 함유된 도전형불순물에 대해 상보적 불순물이 함유된 실리콘 기판; 광활성층 상부에 형성된 상부전극; 및 실리콘 기판 하부에 형성된 하부전극;을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 양태는 상기 양자점 광활성층; 광활성층 하부에 위치하며, 광활성층에 함유된 도전형불순물에 대해 상보적 불순물이 함유된 실리콘층; 광활성층 상부에 형성된 상부전극; 및 실리콘층 하부에 형성된 하부전극;을 포함하는 발광다이오드에 관한 것이다.
본 발명에 따른 양자점 광활성층의 제조 방법은 실리콘 양자점의 밀도를 향상시킬 수 있으며, 광활성층 하부에 위치한 실리콘 기판과 양자점 간의 거리를 감소시켜, 이에 따라 직렬저항을 감소시킬 수 있다.
또한, 직렬저항이 감소함에 따라 태양전지에 사용될 경우에는 광전 효율을 향상시킬 수 있고, 발광다이오드에 사용될 경우에는 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 양자점 광활성층의 제조 방법을 도시한 공정도이며,
도 2는 본 발명의 다른 일 예에 따른 양자점 광활성층의 제조 방법을 도시한 공정도이며,
도 3은 본 발명의 또 다른 일 예에 따른 양자점 광활성층의 제조 방법을 도시한 공정도이며,
도 4는 a)실시예 1, b)실시예 2 및 c)비교예 1에 따른 양자점 광활성층의 투과 전자 현미경(TEM; transmission electron microscope) 이미지이며,
도 5는 제조예 1, 제조예 2 및 비교제조예 1에 따른 태양전지의 IV 곡선(Current density-Voltage curve)이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 광활성층(130) 내에 실리콘 양자점(131)의 밀도가 향상된 양자점 광활성층의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 양자점(131)의 밀도를 향상시킴으로써 직렬저항을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 태양전지에 사용될 경우에는 광전 효율을 향상시킬 수 있고, 발광다이오드에 사용될 경우에는 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 양자점 광활성층의 제조 방법을 도시한 공정도로, 도 1에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(110) 상부에 복합적층층(120)을 형성한 후, 이를 열처리함으로써 실리콘 양자점(131)이 실리콘화합물인 매질(132)에 함입된 양자점 광활성층(130)을 제조할 수 있다.
복합적층층(120)은 도 2에 도시한 바와 같이, 비정질 실리콘화합물층(121), 도전형불순물을 함유하며, 화학양론비 기준 과잉의 실리콘을 함유하는 실리콘 과잉 화합물층(122), 및 도전형불순물이 함유된 비정질 실리콘층(123)으로 구성될 수 있다. 구체적인 일 예로, 비정질 실리콘화합물층(121)은 비정질 실리콘질화물, 비정질 실리콘산화물, 비정질 실리콘탄화물 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 실리콘 과잉 화합물층은 실리콘 과잉 질화물, 실리콘 과잉 산화물, 실리콘 과잉 탄화물 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 비정질 실리콘화합물층(121)과 실리콘 과잉 화합물층(122)은 각 층을 형성하는 구성 원소가 서로 상이하거나 동일할 수 있으며, 바람직하게는 동일한 것이 좋다. 즉, 비정질 실리콘화합물층(121)이 비정질 실리콘산화물인 경우, 실리콘 과잉 화합물층(122) 역시 실리콘 과잉 산화물인 것이 좋으며, 비정질 실리콘화합물층(121)이 비정질 실리콘질화물인 경우, 실리콘 과잉 화합물층(122) 역시 실리콘 과잉 질화물인 것이 좋으며, 비정질 실리콘화합물층(121)이 비정질 실리콘탄화물인 경우, 실리콘 과잉 화합물층(122) 역시 실리콘 과잉 탄화물인 것이 좋다. 이때, 화학양론비 기준 과잉의 실리콘을 함유하는 실리콘 과잉 화합물이란, SiOX, Si3NY 및/또는 SiCz의 화학식을 가진 실리콘 화합물에서 X가 0.5 < X < 2이며, Y가 1 < Y < 4이며, Z가 0.1 < Z < 1인 화합물을 일컫는 것일 수 있다.
또한, 실리콘 과잉 화합물층 및 비정질 실리콘층에 함유되는 도전형불순물은 동일한 도전형불순물인 것이 바람직하며, 정공을 생성하는 p형 불순물 또는 전자를 생성하는 n형 불순물일 수 있다. 구체적으로 예를 들면, p형 불순물은 B, Al 등일 수 있으며, n형 불순물은 P, As 등일 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 양자점 광활성층의 제조방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(110) 상부에, 비정질 실리콘화합물층(121);과 도전형불순물을 함유하며, 화학양론비 기준 과잉의 실리콘을 함유하는 실리콘 과잉 화합물층(122);을 교번 적층하여 복합적층층(120)을 형성하는 단계; 및 복합적층층(120)을 열처리하여 실리콘화합물인 매질(132) 내에 다수개의 실리콘 양자점(131)을 형성하는 단계;를 포함하되, 최소 한 번 이상은 실리콘 과잉 화합물층(122) 대신 도전형불순물이 함유된 비정질 실리콘층(123)을 형성함으로써 수행될 수 있다.
즉, 단순히 비정질 실리콘화합물층(121)과 실리콘 과잉 화합물층(122)을 교번 적층하는 것이 아닌, 비정질 실리콘층(123)을 실리콘 과잉 화합물층(122) 대신 삽입함으로써, 실리콘 과잉 화합물층(122)의 과잉 실리콘이 실리콘 기판(110)으로 확산되어 기판의 실리콘과 서로 뭉쳐지는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 열처리 후 양자점 광활성층(130) 내에 실리콘 양자점(131)이 계획한 구역에 위치하도록 할 수 있으며, 그 구역에 균일하게 분포하도록 할 수 있다.
구체적인 일 예로, 도 2에 도시한 바와 같이, 복합적층층(120)의 최하부층은 비정질 실리콘화합물층(121)일 수 있으며, 최상부층은 실리콘 과잉 화합물층(122) 또는 비정질 실리콘화합물층(121)일 수 있다. 이때, 복합적층층(120)의 최하부층인 비정질 실리콘화합물층(121)의 상부와 접하도록 비정질 실리콘층(123)이 형성될 수 있다. 이와 같이 형성함으로써 실리콘 기판(110)쪽으로 실리콘 과잉 화합물층(122)의 과잉 실리콘이 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이에 따라 열처리 후, 실리콘 기판(110)의 최상부 경계면에서부터 실리콘 양자점(131)까지의 최단 거리를 줄여 실리콘 양자점(131)의 밀도를 향상시킬 수 있으며, 태양전지의 광전 효율의 최대화 또는 발광 소자의 발광 효율의 최대화 측면에서 바람직하다.
본 발명에 따른 실리콘 양자점(131)의 밀도가 향상된 양자점 광활성층의 구체적인 일 예를 도 4에 도시하여 나타내었다. 도 4는 실시예 1(도 4의 a), 실시예 2(도 4의 b), 및 비교예 1(도 4의 c)에 따른 양자점 광활성층의 TEM 이미지로, 상세하게, 실시예 1은 도 2에 도시된 바와 같은 비정질 실리콘층(123)이 한 층 삽입된 복합적층층(120)을 열처리하여 제조된 양자점 광활성층(130)의 TEM 이미지이며, 실시예 2는 도 3에 도시된 바와 같은 비정질 실리콘층(123)이 두 층 삽입된 복합적층층(120)을 열처리하여 제조된 양자점 광활성층(130)의 TEM 이미지이며, 비교예 1은 비정질 실리콘층(123)이 삽입되지 않은 복합적층층을 열처리하여 제조된 양자점 광활성층의 TEM 이미지이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘층(123)을 삽입한 도 4의 a(실시예 1) 및 b(실시예 2)가 비정질 실리콘층(123)을 삽입하지 않은 도 4의 c(비교예 1)에 비하여 실리콘 양자점(131)의 밀도가 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 4의 a 및 b의 경우, 실리콘 기판(110)의 최상부 경계면으로부터 각각 4.2 ㎚ 및 3.6 ㎚ 떨어진 지점에서 실리콘 양자점(131)이 최초 형성(시간이 아닌 거리에 의한 순서)되어, 보다 높은 밀도로 실리콘 양자점(131)이 형성됨을 확인할 수 있으나, 도 4의 c의 경우, 실리콘 기판(110)의 최상부 경계면으로부터 7.2 ㎚ 떨어진 지점에서 실리콘 양자점(131)이 최초 형성되어, 본 발명에 비하여 실리콘 기판(110)의 최상부 경계면 근처에서 보다 낮은 밀도를 보임을 확인할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 복합적층층(120) 내에 하나 또는 다수개의 층으로 비정질 실리콘층(123)이 형성될 수 있으며, 복합적층층(120)의 비정질 실리콘화합물층(121), 실리콘 과잉 화합물층(122) 및 비정질 실리콘층(123)은 하기 관계식 1 및 2를 만족할 수 있다.
[관계식 1]
NB ≥ NC ≥ 1
[관계식 2]
NC = NA - NB
관계식 1 및 2에서, NA는 복합적층층 내의 비정질 실리콘화합물층의 개수이며, NB는 복합적층층 내의 실리콘 과잉 화합물층의 개수이며, NC는 복합적층층 내의 비정질 실리콘층의 개수이다. 상세하게, 복합적층층 내 각 층의 개수는 양자점 광활성층의 응용 분야에 따라 달라질 수 있으며, 비 한정적인 일 구체예로, 태양전지용으로 사용할 경우, NA는 2 ~ 2500 개 일 수 있으며, 바람직하게는 25 내지 500개 일 수 있다. 또 다른 비 한정적인 일 구체예로, 발광 다이오드용으로 사용할 경우, NA는 2 ~ 2500 개 일 수 있으며, 바람직하게는 25 내지 500개 일 수 있다.
이처럼, 관계식 1을 만족하도록 비정질 실리콘층(123)을 복합적층층(120) 내에 삽입함으로써, 앞서 설명한 바와 같이, 비정질 실리콘화합물층(121)이 다른 층으로 확산되어 서로 뭉쳐지는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있으며, 열처리 후, 실리콘 양자점(131)이 계획된 구역에, 균일한 크기를 가지며, 균일하게 분포하도록 할 수 있다. 특히, 하나 또는 다수개의 비정질 실리콘층(123) 중 최소 하나의 층은 복합적층층(120)의 최하부층인 비정질 실리콘화합물층(121)의 상부와 접하도록 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 실리콘 기판(110)쪽으로 실리콘 과잉 화합물층(122)의 과잉 실리콘이 확산되는 것을 효과적으로 방지하여, 실리콘 양자점(131)의 밀도를 증가시킬 수 있다.
아울러, 두 개 이상의 비정질 실리콘층(123)이 삽입될 경우, 비정질 실리콘층(123)은 연달아 2회 이상 교번 적층되는 것은 좋지 않을 수 있다. 즉, 복합적층층(120)은 한 층의 비정질 실리콘화합물층(121) 및 한 층의 비정질 실리콘층(122)으로 구성된 2중 적층층이 2회 이상 연달아 반복 형성되지 않은 것일 수 있다. 2중적층층이 2회 이상 연달아 반복 형성되는 경우, 비정질 실리콘층(123)이 서로 뭉칠 확률이 높아져 실리콘 양자점(131)의 분포가 매우 불균일해질 수 있어 좋지 않을 수 있다.
또한, 일 예에 따른 비정질 실리콘화합물층(121), 실리콘 과잉 화합물층(122) 및 비정질 실리콘층(123)은 하기 관계식 3 및 4를 만족하도록 증착된 것일 수 있다.
[관계식 3]
0.5 ≤ A ≤ B
[관계식 4]
0.1 ≤ C < B
상기 관계식 3 및 4에서, A는 비정질 실리콘화합물층의 두께(㎚)이며, B는 실리콘 과잉 화합물층의 두께(㎚)이며, C는 비정질 실리콘층의 두께(㎚)이다. 단, B는 1~5 ㎚일 수 있으며, 보다 좋게는 1.5~3 ㎚일 수 있다.
관계식 3 및 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 예에 따른 복합적층층(120)에 있어, 비정질 실리콘화합물층(121)은 실리콘 과잉 화합물층(122)과 동일한 두께를 가지거나 더 얇게 적층될 수 있으며, 비정질 실리콘층(123)은 실리콘 과잉 화합물층(122)에 비하여 더 얇게 적층될 수 있다. 이처럼 비정질 실리콘층(123)을 실리콘 과잉 화합물층(122)에 비하여 얇게 적층함으로써 비정질 실리콘층(123)이 서로 뭉치는 것을 방지할 수 있다.
이때, 비정질 실리콘화합물층(121), 실리콘 과잉 화합물층(122), 및 비정질 실리콘층(123)으로 구성되는 복합적층층(120)은 각각 통상의 반도체 공정에서 박막 형성에 사용되는 증착 공정을 통해 형성될 수 있으며, 예를 들어, 서로 독립적으로 화학적 증착, 물리적 증착, 물리-화학적 증착, 플라즈마 증착, 원자층 증착 또는 열 기화 증착을 이용하여 증착된 것일 수 있다.
앞서 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 예에 따른 복합적층층(120)은 비정질 실리콘화합물층(121)과 실리콘 과잉 화합물층(122)을 교번 적층하되, 최소 한 번, 좋게는 2번 이상은 실리콘 과잉 화합물층(122) 대신 비정질 실리콘층(123)이 적층된 구조를 가지며, 이와 같은 복합적층층(120)의 두께는 최종 용도, 비정질 실리콘화합물층(121), 실리콘 과잉 화합물층(122) 및 비정질 실리콘층(123)의 적층수, 및 비정질 실리콘층의 삽입수에 따라 달라질 수 있으나, 비 한정적인 일 구체예로, 10~1000 ㎚일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 복합적층층(120)의 준비가 완료되면 열처리를 통해 실리콘 양자점(131)이 실리콘화합물인 매질(132)에 함입된 양자점 광활성층(130)을 제조할 수 있다. 열처리는 매질의 종류, 복합적층층 내의 화합물의 종류, 제조하고자 하는 양자점의 크기 및 밀도에 따라 결정되어야한다. 상기 실리콘 양자점(131)의 제조시, 열처리 온도가 너무 낮아지는 경우, 물질 이동이 어려워 실리콘 양자점(131) 형상을 얻기 어려우며, 열처리 온도가 너무 높아지는 경우, 실리콘 양자점의 크기가 매우 불균일해질 위험 및 양자구속효과(Quantum confinement effect)가 미미한 조립 입자가 생성될 위험이 있다. 구체적인 온도 조건에 대하여 예를 들면, 700~1200℃의 온도에서 5~120분간 수행될 수 있으며, 보다 좋게는 1000~1150℃의 온도에서 20~80분간 열처리가 수행되는 것이 바람직할 수 있다. 이 범위 내에서 열처리를 수행하는 것이 균일한 크기의 실리콘 양자점(131)을 형성함에 있어 보다 효과적일 수 있다. 아울러, 본 발명의 일 예에 따른 열처리는, 질소(N2), 아르곤(Ar), 네온(Ne), 헬륨(He) 등의 비활성 기체 분위기 하에서 수행되는 것이 바람직하다.
이때, 매질인 실리콘화합물은 복합적층층(120)의 비정질 실리콘화합물층(121) 및 실리콘 과잉 화합물층(122)으로 어떤 화합물을 사용했느냐에 따라 달라지며, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘탄화물 또는 이들의 혼합물일 수 있다.이와 같이 제조된 양자점 광활성층을 포함하는 태양전지의 성능을 확인하기 위하여 태양전지의 전기적 특성을 측정하였으며, 도 5에 도시된 바와 같은 IV 곡선을 얻을 수 있었다. 상세하게, 전기적 특성의 측정 방법은 국제표준시험조건(STC)으로 실시하였으며, 입사조도 100 mW/㎠, 태양전지 온도 25℃, 대기질량(AM) 1.5의 동일한 조건 하에 실시하였다.
도 5는, 앞서 도 4에서 설명한 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1로부터 제조된 태양전지의 IV 곡선으로, 제조예 1은 실시예 1의 양자점 광활성층이 구비된 태양전지이며, 제조예 2는 실시예 2의 양자점 광활성층이 구비된 태양전지이며, 비교제조예 1은 비교예 1의 양자점 광활성층이 구비된 태양전지이다. 이때, 실시예 1, 실시예2 및 비교예 1이 도 4에서 언급된 것과 동일함은 물론이다.
또한, 도 5로부터 하기 표 1에 기재된 바와 같은 개방전압(Voc: open-circuit voltage), 단락전류밀도(Jsc:short-circuit current density), 충진계수(FF: Fill Factor), 에너지 전환 효율(PCE(η): Power Conversion Efficiency), 병렬저항(Rsh: shunt resistance) 및 직렬저항(Rs: series resistance) 등을 얻을 수 있었다. 각 용어의 의미는 통상적으로 사용되는 것과 동일하며, 이를 도출하기 위해 사용되는 계산식도 통상적인 방법과 동일한 바, 자세한 설명은 생략한다.
제조예 1 제조예 2 비교제조예 1
Voc (㎷) 532 535 521
Jsc (㎃/㎠) 30.0 30.2 29.7
FF (%) 55.5 64.4 47.6
PCE (%) 8.85 10.41 7.36
Rsh (ohm) 4420.373 5334.218 1897.281
Rs (ohm) 46.421 22.945 60.776
상기 표 1에 기재된 바와 같이, 제조예 1 및 제조예 2의 태양전지가 비교제조예 1 대비 단락전류밀도와 개방전압이 모두 증가되었으며, 전체적인 에너지 전환 효율이 더 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는, 복합적층층 내에 비정질 실리콘층을 삽입함으로써 양자점 광활성층 내에 실리콘 양자점의 밀도가 증가했기 때문으로 판단된다.
또한, 본 발명의 또 다른 양태는 상술한 양자점 광활성층이 구비된 태양전지에 관한 것이다. 상세하게, 본 발명의 일 예에 따른 태양전지는 상기 양자점 광활성층; 상기 광활성층 하부에 위치하며, 상기 광활성층에 함유된 도전형불순물에 대해 상보적 불순물이 함유된 실리콘 기판; 상기 광활성층 상부에 형성된 상부전극; 및 상기 실리콘 기판 하부에 형성된 하부전극;을 포함할 수 있다.
상기 양자점 광활성층에 함유된 도전형 불순물이 p형인 경우, 상기 실리콘 기판은 n형 불순물을 함유하는 기판이며, 반대로, 양자점 광활성층에 함유된 도전형 불순물이 n형인 경우, 상기 실리콘 기판은 p형 불순물을 함유하는 기판일 수 있다.
상기 상부전극은 투명전극막 및 상기 투명전극막 상부의 금속 패드의 구조를 갖는 것이 바람직하며, 상기 투명전극막은 상기 양자점 광활성층 표면 전 영역 상부에 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 상부전극 및 상기 하부전극은 도전성 금속 페이스트를 이용한 스크린 프린팅, 스텐실 프린팅 등의 통상의 프린팅 방법 또는 PVD/CVD, 열증착, 스퍼터링, 전자빔(E-beam) 등을 이용한 증착을 이용하여 제조된다.
또한, 본 발명의 또 다른 양태는 상술한 양자점 광활성층이 구비된 발광다이오드에 관한 것이다. 상기 발광다이오드는 앞서 설명한 태양전지와 유사한 구조를 가지나, 발광다이오드의 상부전극은 금속 패드는 포함하지 않는 구조를 가진다. 상세하게, 상기 양자점 광활성층; 상기 광활성층 하부에 위치하며, 상기 광활성층에 함유된 도전형불순물에 대해 상보적 불순물이 함유된 실리콘층; 상기 광활성층 상부에 형성된 상부전극; 및 상기 실리콘층 하부에 형성된 하부전극;을 포함할 수 있다. 이때, 발광다이오드의 양자점 광활성층은 양자점 광발광층으로 사용될 수 있음은 물론이다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 발광다이오드는 양자점 광발광층; 상기 광발광층 하부에 위치하며, 상기 광발광층에 함유된 도전형불순물에 대해 상보적 불순물이 함유된 실리콘층; 상기 광발광층 상부에 형성된 상부전극; 및 상기 실리콘층 하부에 형성된 하부전극;을 포함할 수 있다.
상기 발광다이오드의 상부전극 및 하부전극은 전기소자에서 통상적으로 사용되는 전도성 금속 물질의 증착 또는 인쇄에 의해 형성되며, 상기 전도성 금속 물질의 일 예로, 금, 은, 알루미늄, 구리 등을 들 수 있다.
110: 실리콘 기판 120: 복합적층층
121: 비정질 실리콘화합물층 122: 실리콘 과잉 화합물층
123: 비정질 실리콘층 130: 양자점 광활성층
131: 실리콘 양자점 132: 매질

Claims (10)

  1. 실리콘 기판 상부에, 비정질 실리콘화합물층;과 도전형불순물을 함유하며, 화학양론비 기준 과잉의 실리콘을 함유하는 실리콘 과잉 화합물층;을 교번 적층하여 복합적층층을 형성하는 단계; 및
    상기 복합적층층을 열처리하여 실리콘화합물인 매질 내에 다수개의 실리콘 양자점을 형성하는 단계;를 포함하며,
    최소 한 번 이상은 상기 실리콘 과잉 화합물층 대신 도전형불순물이 함유된 비정질 실리콘층을 형성하되,
    상기 복합적층층의 최하부층은 비정질 실리콘화합물층으로 형성하고,
    상기 비정질 실리콘 화합물층의 상부에 상기 비정질 실리콘층을 형성하는 양자점 광활성층의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복합적층층의 최상부층은 실리콘 과잉 화합물층 또는 비정질 실리콘화합물층인 양자점 광활성층의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복합적층층의 비정질 실리콘화합물층, 실리콘 과잉 화합물층 및 비정질 실리콘층은 하기 관계식 1 및 2를 만족하는 양자점 광활성층의 제조방법.
    [관계식 1]
    NB ≥ NC ≥ 1
    [관계식 2]
    NC = NA - NB
    (상기 관계식 1 및 2에서, NA는 복합적층층 내의 비정질 실리콘화합물층의 개수이며, NB는 복합적층층 내의 실리콘 과잉 화합물층의 개수이며, NC는 복합적층층 내의 비정질 실리콘층의 개수이다.)
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복합적층층의 비정질 실리콘화합물층, 실리콘 과잉 화합물층 및 비정질 실리콘층은 하기 관계식 3 및 4를 만족하는 양자점 광활성층의 제조방법.
    [관계식 3]
    0.5 ≤ A ≤ B
    [관계식 4]
    0.1 ≤ C < B
    (상기 관계식 3 및 4에서, A는 비정질 실리콘화합물층의 두께(㎚)이며, B는 실리콘 과잉 화합물층의 두께(㎚)이며, C는 비정질 실리콘층의 두께(㎚)이다. 단, B는 1~5 ㎚이다.)
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘화합물층은 비정질 실리콘질화물, 비정질 실리콘산화물, 비정질 실리콘탄화물 또는 이들의 혼합물이며; 상기 실리콘 과잉 화합물층은 실리콘 과잉 질화물, 실리콘 과잉 산화물, 실리콘 과잉 탄화물 또는 이들의 혼합물인 양자점 광활성층의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리는 700~1200℃의 온도에서 5~120분간 수행되는 양자점 광활성층의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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