KR101998586B1 - 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 구리 기판의 상면에 그래핀을 형성하는 단계; 상기 그래핀 상면에 고분자층을 증착하는 단계; 상기 증착 이후, 상기 구리 기판을 제거하는 단계; 패턴화된 실리콘 기판의 상부에, 상기 고분자층이 증착된 그래핀을 적층하는 단계; 상기 그래핀을 적층하는 단계 이후, 상기 그래핀 상면에 증착된 고분자층을 제거하는 단계; 및 상기 고분자층을 제거한 이후, 상기 그래핀 상부에 전면 전극을, 상기 실리콘 기판의 하부에 후면 전극을 형성하는 단계;에 따라 제조되어 종래의 태양전지에 비해 우수한 효율을 갖는 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쇼트키 접합 태양전지의 성능 향상을 위하여 구리 기판과 고분자 지지층을 제거하는 방법에 따라 제조되고 도핑된 그래핀 및 반사방지막층을 포함하는 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 p-n 접합 다이오드에 빛을 쪼이면 전자가 생성되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자로 정의할 수 있다. 태양전지는 접합 다이오드로 사용되는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, I-III-VI족 또는 III-V족 화합물로 대표되는 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지로 나뉜다.
그 중에서도 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지는 종래의 p-n 접합형 태양전지와 비교하여 상대적으로 간단한 디바이스 구조를 가지고 있다는 장점을 갖는다. 또한, 새로운 화학적 도핑 방법의 적용, 반사방지 코팅 및 계면성 산화물층 제어와 같은 다양한 변형을 통하여, 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지는 15%가 넘는 동력 변환 효율을 달성했다.
그러나 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지는 s 형태를 보이는 전류 밀도-전압 특성을 보인다. 여기서 s 형태의 전류 밀도-전압 특성은 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지의 충전율에 대한 성능 저하를 의미한다.
또한, 종래의 쇼트키 접합 태양전지는 금속으로 이루어진 전극으로 인하여 빛의 흡수 및 반사로 인한 디바이스 성능이 제한되는 문제점을 갖는다.
한국등록특허 제10-1306450호는 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 실시예에 따른 태양전지는 모듈은 지지기판 상에 순차적으로 배치되는 후면 전극층, 광 흡수층 및 전면 전극층을 포함하는 태양전지 패널; 상기 태양전지 패널 상에 배치되며, 다수개의 반사방지입자들을 포함하는 고분자층; 상기 고분자층 상에 배치되는 상부 패널을 포함하는 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, 그래핀, SiO2 및 Si를 포함하는 실리콘 기판, 후면 전극, 전면 전극 및 반사방지막을 포함하는 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지를 제공할 수 있다.
구체적으로, 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지의 성능을 향상시키기 위하여 그래핀을 지지하기 위한 구리 기판 및 고분자층을 제거하는 방법 및 반사방지막을 형성하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 쇼트키 접합 태양전지 제조 방법은 구리 기판의 상면에 그래핀을 형성하는 단계; 상기 그래핀 상면에 고분자층을 증착하는 단계; 상기 증착 이후, 상기 구리 기판을 제거하는 단계; 패턴화된 실리콘 기판의 상부에, 상기 고분자층이 증착된 그래핀을 적층하는 단계; 상기 그래핀을 적층하는 단계 이후, 상기 그래핀 상면에 증착된 고분자층을 제거하는 단계; 및 상기 고분자층을 제거한 이후, 상기 그래핀 상부에 전면 전극을, 상기 실리콘 기판의 하부에 후면 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 그래핀을 형성하는 단계는, 화학기상증착(CVD) 챔버 내에서 상기 구리 기판을 어닐링하는 단계; 메탄가스와 수소가스를 포함하는 혼합가스 분위기에서, 상기 어닐링한 구리 기판의 상면에 그래핀을 성장시키는 단계; 및 상기 그래핀의 성장이 종결된 이후, 상기 CVD 챔버 내부의 온도를 20 내지 30℃로 냉각시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 증착하는 단계에서, 상기 고분자층은 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol), PVA) 또는 로진(Rosin)으로 이루어질 수 있다.
상기 구리 기판을 제거하는 단계는, 과황산 암모늄((NH4)2S2O8, APS) 용액으로 상기 구리 기판을 에칭하여 구리 기판을 제거하는 단계일 수 있다.
상기 고분자층을 제거하는 단계는, 아르곤가스와 수소가스를 포함하는 혼합 가스 분위기에서 상기 실리콘 기판을 열처리하여 고분자층을 제거하는 단계일 수 있다.
상기 고분자층을 제거하는 단계는, 아르곤가스와 수소가스를 포함하는 혼합 가스 분위기에서 상기 실리콘 기판을 열처리하여 고분자를 제거하는 단계일 수 있다.
상기 후면 전극은 갈륨 및 인듐을 포함하는 페이스트, 은, 티타늄-금 다중층 또는 티타늄-납-은 다중층으로 이루어질 수 있다.
상기 전면 전극은 은 페이스트, 은 와이어, ITO(Indium Tin Oxide), 금-티타늄 다중층, 금-크롬 다중층 또는 금으로 이루어질 수 있다.
상기 후면 전극 및 전면 전극이 형성된 이후, 스핀 코팅 공정을 이용하여 5 내지 15mM의 삼염화금(AuCl3)을 포함하는 니트로메탄을 상기 그래핀에 도핑하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 전면 전극 및 후면 전극이 형성된 이후, 스핀 코팅 공정을 이용하여 5 내지 15mM의 삼염화금(AuCl3)을 포함하는 니트로메탄을 상기 그래핀에 도핑하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 전면 전극 및 후면 전극이 형성된 이후, 상기 전면 전극의 상부에 반사방지막을 코팅하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 전면 전극 및 후면 전극이 형성된 이후, 상기 전면 전극의 상부에 반사방지막을 코팅하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 반사방지막을 코팅하는 단계는, 스핀 코팅 공정을 통하여 1.5 내지 3%의 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate), PMMA)를 포함하는 아니솔(anisole)을 상기 전면 전극의 상부에 코팅하는 단계일 수 있다.
본 발명에 따른 쇼트키 접합 태양전지는 본 발명에 따른 쇼트키 접합 태양전지 제조 방법에 의해 제조되며, 패턴화된 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 상부에 형성된 그래핀; 상기 실리콘 기판의 후부면에 형성된 후면 전극; 및 상기 그래핀의 상부면에 형성된 전면 전극;을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 기판은 이산화규소(-SiO2) 층을 포함하는 n-형 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있다.
상기 후면 전극은 갈륨 및 인듐을 포함하는 페이스트, 은, 티타늄-금 다중층 또는 티타늄-납-은 다중층으로 이루어질 수 있다.
상기 전면 전극은 은 페이스트, 은 와이어, ITO(Indium Tin Oxide), 금-티타늄 다중층, 금-크롬 다중층 또는 금으로 이루어질 수 있다.
상기 쇼트키 접합 태양전지는 상기 전면 전극 위에 코팅된 반사방지막을 더 포함할 수 있다.,
상기 반사방지막은 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate), PMMA), 이산화티타늄(TiO2), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 산화몰리브덴(MoO3)을 포함하며, 상기 쇼트키 접합 태양전지의 상부에 코팅된 반사방지막의 두께는 85 내지 100nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 그래핀이 형성되는 구리 기판을 제거할 때, 화학적 잔류물을 최소화할 수 있는 구리 기판 제거방법을 이용함으로써 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 그래핀을 지지하고 있는 고분자층을 제거할 때, 그래핀의 정공 도핑의 효율을 향상시키면서, 제거된 후 그래핀에 남아있는 고분자층의 잔류물을 최소화할 수 있는 고분자층 제거방법을 이용하여 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지에 반사방지막을 형성시킴으로써, 태양전지의 동력 변환 효율(PCE)을 향상시킬 수 있다.
도 1은 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 제조 과정에 따른 결과물을 나타내는 모식도이다.
도 3은 아세톤을 통한 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), PMMA) 제거 방법으로 제조된 도핑되지 않은 태양전지 및 열처리를 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 도핑되지 않은 태양전지에 대하여 전류밀도-전압(J-V) 측정을 나타내는 그래프이다.
도 4는 아세톤을 통한 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), PMMA) 제거 방법으로 제조된 도핑된 태양전지 및 열처리를 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 도핑된 태양전지에 대하여 J-V 측정을 나타낸 그래프이다.
도 5는 라만 분광학을 통하여 그래핀의 특성을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 그래핀에 대하여 라만 맵핑 분석을 나타내는 그래프 및 이미지이다.
도 7은 구리 기판 제거 방법 및 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), PMMA) 제거 방법에 따라 제조된 태양전지의 특성을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 반사방지막을 포함하는 태양전지의 성능을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 제조 과정에 따른 결과물을 나타내는 모식도이다.
도 3은 아세톤을 통한 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), PMMA) 제거 방법으로 제조된 도핑되지 않은 태양전지 및 열처리를 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 도핑되지 않은 태양전지에 대하여 전류밀도-전압(J-V) 측정을 나타내는 그래프이다.
도 4는 아세톤을 통한 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), PMMA) 제거 방법으로 제조된 도핑된 태양전지 및 열처리를 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 도핑된 태양전지에 대하여 J-V 측정을 나타낸 그래프이다.
도 5는 라만 분광학을 통하여 그래핀의 특성을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 그래핀에 대하여 라만 맵핑 분석을 나타내는 그래프 및 이미지이다.
도 7은 구리 기판 제거 방법 및 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), PMMA) 제거 방법에 따라 제조된 태양전지의 특성을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 반사방지막을 포함하는 태양전지의 성능을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 및 이의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 제조 과정에 따른 결과물을 나타내는 모식도이다.
이하 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 제조 방법은 구리 기판의 상면에 그래핀을 형성하는 단계(110), 상기 그래핀 상면에 고분자층을 증착하는 단계(120), 상기 증착 이후, 상기 구리 기판을 제거하는 단계(130), 패턴화된 실리콘 기판의 상부에, 상기 고분자층이 증착된 그래핀을 적층하는 단계(140), 상기 그래핀을 적층하는 단계 이후, 상기 그래핀 상면에 증착된 고분자층을 제거하는 단계(150) 및 상기 고분자층을 제거한 이후, 상기 그래핀 상부에 전면 전극을, 상기 실리콘 기판의 하부에 후면 전극을 형성하는 단계(160)를 포함할 수 있다.
그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지는 저압 화학적 기상증착(LPCVD) 공정을 통하여 제조될 수 있다.
구리 기판의 상면에 그래핀을 형성하는 단계(110)에서 그래핀(252)이 성장되는 구리 기판의 두께는 25㎛ 이하일 수 있다. 구리 기판은 촉매성 금속 성장 기판으로써 이용된다.
또한, 구리 기판의 상면에 성장되는 그래핀(252)은 단층 그래핀일 수 있다.
구리 기판의 상면에 그래핀을 형성하는 단계(110)는 CVD 챔버 안에서 이루어질 수 있다. 구체적으로 구리 기판을 CVD 챔버 내부에 위치시킨 후, 기설정된 온도 및 시간동안 H2 분위기 내에서 어닐링(annealing)시킨다. 구리 기판을 어닐링시키는 단계가 끝난 후, CVD 챔버 내부에 H2 및 CH4를 포함하는 혼합가스를 주입하면서, CVD 챔버 내부를 기설정된 온도 및 시간동안 유지시킴으로써 어닐링된 구리 기판의 상면에 그래핀(252)을 성장시킨다.
여기서 혼합가스를 이루고 있는 H2 및 CH4의 혼합 비율은 H2가 1 일때, CH4는 2 내지 3일 수 있다.
구체적으로 H2가 10sccm일때, CH4를 30sccm으로 혼합시키는 것이 바람직할 수 있다. 그래핀 성장이 끝난 후, CVD 챔버 내부의 온도를 20 내지 30℃로 급속 냉각시킬 수 있다.
구리 기판의 상면에 그래핀을 형성하는 단계(110)가 끝난 후, 구리 기판에 형성된 그래핀(252)의 상면에 고분자층을 증착(120)할 수 있다.
그래핀(252)의 상면에 증착된 고분자층은 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol), PVA) 또는 로진(Rosin) 등 형성, 제어 및 제거가 용이한 고분자로 이루어질 수 있으며, 구리 기판의 상면에 형성된 그래핀(252)을 지지할 수 있는 지지층으로써의 역할을 수행할 수 있다.
구리 기판, 그래핀(252) 및 고분자층을 포함하는 스택(220)은 과황산암모늄((NH4)2S2O8, APS) 용액(221)으로 에칭될 수 있다. 구리 기판, 그래핀(252) 및 고분자층을 포함하는 스택(220)을 APS 용액(221)에 침지시킴으로써 아래 화학식에 의하여 구리 기판이 제거(130)될 수 있다.
S2O8 2- + Cu→ 2SO4 2- + Cu2+
APS 용액(221)의 농도는 0.1 내지 0.2mM일 수 있다. 기설정된 농도의 APS 용액(221)에 구리 기판, 그래핀(252) 및 고분자층을 포함하는 스택(220)을 3 내지 5시간 동안 침지하여 구리 기판을 제거한다. APS 용액(221)에 구리 기판, 그래핀(252) 및 고분자층을 포함하는 스택(220)을 침지시키는 시간이 3시간 미만인 경우, 구리 기판이 완벽하게 제거되지 않을 수 있다.
기설정된 시간만큼 구리 기판을 에칭시킨 이후, 그래핀(252) 및 고분자층을 포함하는 스택을 정제수에 5 내지 15분 동안 침지하여 구리 기판이 제거된 스택에 남아있는 잔여물 및 APS 용액을 제거하는 단계를 여러 회 반복할 수 있다.
종래에는 구리를 포함하는 촉매성 금속 성장 기판을 제거하는 방법으로, 염화 제2철(FeCl3) 용액을 통한 에칭 방법이 이용되었다. 그러나 염화 제2철을 이용한 구리 기판 제거 방법은 구리 기판을 제거하고 난 뒤 스택에 잔류하는 화학적 잔류물이 많은 문제가 있다. 종래의 방법에 따라 에칭된 스택의 표면에는 잔류물인 Fe 이온이 존재하며, 잔류물을 포함하는 그래핀을 기반으로 제조된 태양전지의 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따라 APS 용액(221)으로 에칭된 스택에는 에칭 반응 후 잔류하는 화학적 또는 금속성 잔류물의 양이 종래의 방법에 비해 현저히 적으며, 이를 기반으로 제조된 태양전지의 효율이 향상되는 효과가 있다.
에칭을 통해 구리 기판을 제거한 후, 상면에 고분자층이 증착된 그래핀을 패턴화된 실리콘 기판의 상부에 적층(140)할 수 있다.
즉, 패턴화된 실리콘 기판의 상부에 상기 구리 기판이 제거되고, 상면에 고분자층이 증착된 그래핀을 적층하는 단계(140)를 통하여 실리콘 기판, 그래핀(252) 및 PMMA를 포함하는 스택(230)을 제조할 수 있다.
여기서 실리콘 기판은 SiO2 층(253)을 포함하는 n-형 실리콘 웨이퍼(254)로 이루어질 수 있다. 또한, 실리콘 기판은 포토리소그래프에 의하여 패턴화되고, 습식-에칭에 의하여 광활성 디바이스 영역의 범위가 규정된다.
구체적으로 300nm의 SiO2 층(253)을 가진 n-형 실리콘 웨이퍼(1 내지 10 Ωcm)(254)를 포토리소그래피를 통하여 패턴화시키고, 광활성 디바이스 영역의 범위를 규정하기 위하여 산화물을 습식 에칭시킴으로써 실리콘 기판을 제조할 수 있다.
실리콘 기판, 그래핀(252) 및 PMMA를 포함하는 스택(230)에서, 그래핀의 상면에 증착된 고분자층은 그래핀을 지지하기 위한 지지층으로써의 역할이 끝난다. 따라서, 패턴화된 실리콘 기판의 상부에 상기 구리 기판이 제거되고, 상면에 고분자층이 증착된 그래핀을 적층하는 단계(140) 이후, 실리콘 기판, 그래핀(252) 및 PMMA를 포함하는 스택(230)에서 제거된다. 실리콘 기판, 그래핀(252) 및 PMMA를 포함하는 스택(230)을 열처리하면 고분자층을 제거(150)할 수 있다.
구체적으로 아르곤(Ar)가스와 수소(H2)가스를 포함하는 혼합 가스 분위기 내에서 400℃로 실리콘 기판, 그래핀(252) 및 PMMA를 포함하는 스택(230)을 가열함으로써 고분자층을 제거(150)할 수 있다. 상기 그래핀을 적층하는 단계 이후, 고분자층을 제거하는 단계(150)에서 열처리하기 위해 이용되는 혼합 가스는 아르곤가스와 수소가스를 동일한 비율로 포함할 수 있다.
구체적으로, 실리콘 기판, 그래핀(252) 및 PMMA를 포함하는 스택(230)을 챔버 내부에 위치시키고, 아르곤가스(300sccm) 및 수소가스(300sccm)를 주입하면서 챔버 내부의 온도를 상승시킨다. 챔버 내부의 온도는 20 내지 30분에 걸쳐 20 내지 30℃에서 400℃까지 상승될 수 있다. 챔버 내부의 온도가 400℃에 도달되면, 챔버 내부의 온도를 2시간 이상 유지시킴으로써 실리콘 기판, 그래핀(252) 및 PMMA를 포함하는 스택(230)을 열처리한다. 실리콘 기판, 그래핀(252) 및 PMMA를 포함하는 스택(230)이 열처리되는 시간이 2시간 미만일 경우, 고분자층이 완벽하게 제거되지 않는 문제가 있다.
종래에 지지층의 역할을 하는 PMMA를 제거하기 위한 방법으로 아세톤 또는 클로로포름과 같은 유기 용매를 통한 반응이 이용되었다. 그러나 유기 용매를 통한 PMMA 제거 방법에 비하여 본 발명의 일 실시예에 따른 PMMA 제거 방법을 통하여 태양전지를 제조하는 것이 태양전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
구체적으로, PMMA를 제거하기 위하여 스택을 열처리하는 동안, PMMA 제거뿐만 아니라 도핑 효과 등으로 인하여 그래핀의 물리적 특성에 효과를 미치기 때문이다.
실리콘 기판, 그래핀(252) 및 PMMA를 포함하는 스택(230)에서 고분자층을 제거한 이후, 실리콘 기판의 상부에 전면 전극을, 상기 실리콘 기판의 하부에 후면 전극을 형성(160)할 수 있다.
그래핀의 상부에 형성된 전면 전극(251)은 Ag 페이스트, Ag 와이어, ITO, 다중층, 다중층 또는 Au로 이루어질 수 있다. 실리콘 기판의 하부에 형성된 후면 전극(255)은 Ga 및 In을 포함하는 페이스트, Ag, Ti-Au 또는 Ti-Pd-Ag 등의 금속물질로 이루어질 수 있다.
실리콘 기판, 그래핀, 후면 전극 및 전면 전극을 포함하는 디바이스(250)를 스핀 코팅 공정을 이용하여 삼염화금(AuCl3)으로 코팅시킬 수 있다.
코팅된 AuCl3는 그래핀에 도핑되며, 도핑된 그래핀을 포함하는 태양전지의 효율은 향상된다. 그래핀에 도핑되는 AuCl3는 니트로메탄에 포함된 5 내지 15mM의 AuCl3 형태로, 스핀 코팅 공정을 통하여 디바이스(250)의 표면에 코팅될 수 있다. 여기서 AuCl3을 코팅시키기 위한 스핀 코팅 공정은 2000 내지 4000 rpm으로 30 내지 60초 동안 이루어짐이 바람직할 수 있다. 스핀 코팅 속도가 2000rpm 미만일 경우, Au나노 파티클이 뭉치게 되어 투과도가 저하되는 문제가 발생한다. 반대로 스핀 코팅 속도가 4000rpm 초과일 경우, Au나노파티클이 분산되어 그래핀의 도핑을 통한 면저항 및 일함수가 충분히 변화되지 못할 수 있다. 그러나 2500rpm 이상의 속도에서는 박막 두께가 일정한 형태를 보여 이를 포함하는 태양전지의 성능 저하 문제는 발생하지 않는다.
5mM 미만의 농도인 AuCl3 용액을 그래핀 위에 도포하는 경우, 그래핀이 충분히 도핑되지 않아 면저항 및 일함수가 충분히 변화되지 못한다.
즉, 충분히 도핑되지 않은 그래핀을 포함하는 접합 태양전지에 광자가 입사되어 태양전지가 작동할 경우, 전자 정공의 분리 및 수집의 효율이 감소된다. 반대로 15mM를 초과한 농도의 AuCl3 용액을 그래핀에 도핑한 경우, 면저항 일함수의 변화는 거의 없으나 투과도가 점차 감소된다. 따라서 태양전지로 입사되는 광량이 줄어들어 이를 포함하는 태양전지의 효율이 감소된다.
AuCl3를 이용한 도핑은 그래핀의 면저항을 낮출 수 있으며, 면저항이 낮아진 그래핀을 포함하는 태양전지의 전력 변환 효율(PCE)을 향상시키는 효과가 있다.
그래핀을 도핑시킬 수 있는 방법으로는 TFSA(bis(trifluoromethanesulfonyl)amide), TFMS(trifluoromethanesulfonic acid) 등 고분자를 이용한 도핑, HNO3, H2SO4 vapor 등 산을 이용한 도핑이 이용될 수 있다.
제조된 디바이스(250) 또는 AuCl3로 도핑된 디바이스의 상부에 반사방지막을 코팅할 수 있다.
반사방지막은 그래핀 및 실리콘의 굴절률인 3.4와 공기의 굴절률인 1을 고려하여 굴절률이 약 1.8인 물질이 이용될 수 있다. 일예로, 반사방지막은 PMMA, TiO2, PDMS 또는 MoO3 등으로 이루어질 수 있다.
구체적으로 반사방지막은 아니솔(anisole)에 포함된 1.5 내지 3%의 PMMA로 제조됨이 바람직할 수 있다. 구체적으로 스핀 코팅 공정을 통하여 디바이스(250)의 상부에 PMMA를 코팅시킴으로써 반사방지막을 형성시킬 수 있다. PMMA의 농도가 1.5% 미만인 경우, 스핀 코팅 공정의 속도를 낮추어 반사방지막을 형성시켜야 효과적인 반사방지막의 두께를 형성할 수 있다. 그러나 낮은 속도에서 반사방지막을 코팅시키는 경우, 반사방지막을 균일한 두께로 형성시키는데에 어려움이 있다. 반대로, PMMA의 농도가 3% 초과인 경우, PMMA의 점성이 크다. 점성이 큰 PMMA를 디바이스(250)의 상부에 코팅시키면, 코팅되는 PMMA의 양이 많기 때문에 스핀 코팅 속도를 5000rpm 이상으로 높여도 반사방지에 최적화된 두께를 형성시키기 어려운 문제점이 있다.
디바이스(250)의 상부에 형성된 반사방지막의 두께는 85 내지 100nm이며, 반사방지막의 두께에 따라 스핀 코팅 공정의 기설정 속도 및 시간이 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 코팅되는 반사방지막은 1000 내지 4000rpm에서 30 내지 60초 동안 이루어지는 스핀 코팅 공정을 통해 제조될 수 있다. 구체적으로 2000rpm의 속도로 제조됨이 바람직할 수 있다.
실시예1. APS 용액에 의해 구리 기판이 제거된 디바이스
태양전지를 이루고 있는 디바이스는 저압 화학적 기상증착(LPCVD) 공정으로 제조될 수 있으며, 25㎛ 두께의 구리 기판을 CVD 챔버 내부에 로딩하고, H2(10 sccm) 분위기에서 1000℃에서 30분 동안 어닐링시킨다. CVD 챔버 내부의 온도가 20 내지 30℃에서 1000℃까지 도달되는데 소요되는 시간은 40 내지 60분 일 수 있다. 챔버 내부의 온도가 빠르게 상승되면 구리 기판에 열충격 등으로 인한 구조적 결함이 발생될 수 있다. 반대로 챔버 내부의 온도가 느리게 상승되면 긴 시간이 소요되어 대량 생산 시 비효율적인 문제가 있다. 구리 기판을 어닐링하는 동안 챔버 내부는 저진공(10-4 torr)으로 형성될 수 있다. 구리 기판을 어닐링하는 단계가 끝난 후, CVD 챔버 내부에 H2(10 sccm) 및 CH4(20 내지 30 sccm)를 포함하는 혼합 가스를 주입하며 CVD 챔버 내부를 1000℃의 온도로 30분 동안 유지시켜 구리 기판의 상면에 단층 그래핀을 성장시킨다.
그래핀 성장 단계가 끝난 후, CVD 챔버 내부의 온도를 20 내지 30℃로 급냉시킨다.
이후, 성장된 그래핀의 상면에 PMMA를 증착시키고, 그래핀이 성장된 구리 기판을 APS 용액을 이용하여 제거한다.
촉매성 금속 성장 기판인 구리 기판을 제거하기 위하여 APS 용액을 이용하는 방법이 이용될 수 있다. APS 용액으로 구리 기판이 제거되는 반응은 반응식 S2O8 2- + Cu→ 2SO4 2- + Cu2+ 에 따라 이루어진다.
구리 기판을 제거한 후, 상면에 PMMA를 포함하는 그래핀을 실리콘 기판의 상부에 적층시키고, PMMA를 제거한다.
비교예1. 염화 제2철 용액에 의해 구리 기판이 제거된 디바이스
태양전지를 이루고 있는 디바이스는 저압 화학적 기상증착(LPCVD) 공정으로 제조될 수 있으며, 25㎛ 두께의 구리 기판을 CVD 챔버 내부에 로딩하고, H2(10 sccm) 분위기에서 1000℃에서 30분 동안 어닐링시킨다. CVD 챔버 내부의 온도가 20 내지 30℃에서 1000℃까지 도달되는데 소요되는 시간은 40 내지 60분 일 수 있다. 챔버 내부의 온도가 빠르게 상승되면 구리 기판에 열충격 등으로 인한 구조적 결함이 발생될 수 있다. 반대로 챔버 내부의 온도가 느리게 상승되면 긴 시간이 소요되어 대량 생산 시 비효율적인 문제가 있다. 구리 기판을 어닐링하는 동안 챔버 내부는 저진공(10-4 torr)으로 형성될 수 있다. 구리 기판을 어닐링하는 단계가 끝난 후, CVD 챔버 내부에 H2(10 sccm) 및 CH4(20 내지 30 sccm)를 포함하는 혼합 가스를 주입하며 CVD 챔버 내부를 1000℃의 온도로 30분 동안 유지시켜 구리 기판의 상면에 단층 그래핀을 성장시킨다.
그래핀 성장 단계가 끝난 후, CVD 챔버 내부의 온도를 20 내지 30℃로 급냉시킨다.
이후, 성장된 그래핀의 상면에 PMMA를 증착시키고, 그래핀이 성장된 구리 기판을 염화 제2철 용액을 이용하여 제거한다.
염화 제2철 용액을 이용하여 촉매성 금속 성장 기판인 구리 기판을 제거하는 방법은 반응식 2Fe3+ + Cu→ 2Fe2+ + Cu2+ 에 의하여 구리 기판이 제거된다.
구리 기판을 제거한 후, 상면에 PMMA를 포함하는 그래핀을 실리콘 기판의 상부에 적층시키고, PMMA를 제거한다.
염화 제2철(FeCl3) 용액에 의하여 구리 기판이 제거되는 방법은 APS 용액에 의하여 구리 기판이 제거되는 방법에 비하여 화학적 또는 금속성 잔류물이 더 많다.
디바이스에 잔류하는 화학적 또는 금속성 잔류물이 많을 경우, 최종적으로 제조된 태양전지의 개방전압(open circuit voltage, VOC) 및 충전율(fill factor, FF)을 저하시키고, 이에 따라 태양전지의 PCE가 낮아지는 문제를 발생시킨다.
실시예2. 열처리를 통하여 고분자층을 제거하는 방법으로 제조된 태양전지
태양전지를 이루고 있는 디바이스는 저압 화학적 기상증착(LPCVD) 공정으로 제조될 수 있으며, 25㎛ 두께의 구리 기판을 CVD 챔버 내부에 로딩하고, H2(10 sccm) 분위기에서 1000℃에서 30분 동안 어닐링시킨다. CVD 챔버 내부의 온도가 20 내지 30℃에서 1000℃까지 도달되는데 소요되는 시간은 40 내지 60분 일 수 있다. 챔버 내부의 온도가 빠르게 상승되면 구리 기판에 열충격 등으로 인한 구조적 결함이 발생될 수 있다. 반대로 챔버 내부의 온도가 느리게 상승되면 긴 시간이 소요되어 대량 생산 시 비효율적인 문제가 있다. 구리 기판을 어닐링하는 동안 챔버 내부는 저진공(10-4 torr)으로 형성될 수 있다. 구리 기판을 어닐링하는 단계가 끝난 후, CVD 챔버 내부에 H2(10 sccm) 및 CH4(20 내지 30 sccm)를 포함하는 혼합 가스를 주입하며 CVD 챔버 내부를 1000℃의 온도로 30분 동안 유지시켜 구리 기판의 상면에 단층 그래핀을 성장시킨다.
그래핀 성장 단계가 끝난 후, CVD 챔버 내부의 온도를 20 내지 30℃로 급냉시킨다.
이후, 성장된 그래핀의 상면에 PMMA를 증착시키고, 그래핀이 성장된 구리 기판을 APS 용액을 이용하여 제거한다.
촉매성 금속 성장 기판인 구리 기판을 제거하는 방법은 APS 용액을 이용한 에칭 공정으로 이루어지며, 반응식 S2O8 2- + Cu→ 2SO4 2- + Cu2+ 에 따라 구리 기판이 제거된다.
구리 기판을 제거한 후, 상면에 PMMA를 포함하는 그래핀을 실리콘 기판의 상부에 적층시키고, PMMA를 제거한다.
PMMA 제거는 Ar(300sccm) 및 H2(300sccm)을 포함하는 혼합 가스 분위기에서 400℃로 가열하는 방법으로 이루어진다. 여기서 가열은 열처리 또는 어닐링 공정일 수 있다.
PMMA가 제거된 실리콘 기판 및 그래핀을 포함하는 스택의 전면 및 후면에 전극을 마련한다. 여기서 전면 전극은 Ag 페이스트를 포함하고, 후면 전극은 Ga 및 In으로 이루어진 합금을 포함한다. 구체적으로 Ga 및 In으로 이루어진 합금은 공융 혼합물(eutecitc)임이 바람직할 수 있다.
전면 및 후면 전극, 실리콘 기판 및 그래핀을 포함하는 디바이스의 상부는 2500rpm 속도의 스핀 코팅 공정을 통하여 AuCl3로 코팅될 수 있다. AuCl3을 디바이스의 상부에 코팅시킴으로써 디바이스를 이루고 있는 그래핀을 p-형 도핑시킬 수 있다.
도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스의 상부에 2000rpm 속도의 스핀 코팅 공정을 통하여 반사방지막을 형성시킬 수 있다. 디바이스의 상부에 코팅된 반사방지막은 PMMA를 포함할 수 있다.
비교예2. 아세톤을 통하여 고분자층을 제거하는 방법으로 제조된 태양전지
태양전지를 이루고 있는 디바이스는 저압 화학적 기상증착(LPCVD) 공정으로 제조될 수 있으며, 25㎛ 두께의 구리 기판을 CVD 챔버 내부에 로딩하고, H2(10 sccm) 분위기에서 1000℃에서 30분 동안 어닐링시킨다. CVD 챔버 내부의 온도가 20 내지 30℃에서 1000℃까지 도달되는데 소요되는 시간은 40 내지 60분 일 수 있다. 챔버 내부의 온도가 빠르게 상승되면 구리 기판에 열충격 등으로 인한 구조적 결함이 발생될 수 있다. 반대로 챔버 내부의 온도가 느리게 상승되면 긴 시간이 소요되어 대량 생산 시 비효율적인 문제가 있다. 구리 기판을 어닐링하는 동안 챔버 내부는 저진공(10-4 torr)으로 형성될 수 있다. 구리 기판을 어닐링하는 단계가 끝난 후, CVD 챔버 내부에 H2(10 sccm) 및 CH4(20 내지 30 sccm)를 포함하는 혼합 가스를 주입하며 CVD 챔버 내부를 1000℃의 온도로 30분 동안 유지시켜 구리 기판의 상면에 단층 그래핀을 성장시킨다.
그래핀 성장 단계가 끝난 후, CVD 챔버 내부의 온도를 20 내지 30℃로 급냉시킨다.
이후, 성장된 그래핀의 상면에 PMMA를 증착시키고, 그래핀이 성장된 구리 기판을 APS 용액을 이용하여 제거한다.
촉매성 금속 성장 기판인 구리 기판을 제거하는 방법은 APS 용액을 이용한 에칭 공정으로 이루어지며, 반응식 S2O8 2- + Cu→ 2SO4 2- + Cu2+ 에 따라 구리 기판이 제거된다.
구리 기판을 제거한 후, 상면에 PMMA를 포함하는 그래핀을 실리콘 기판의 상부에 적층시키고, PMMA를 제거한다.
PMMA 제거는 아세톤을 이용한 에칭 공정으로 이루어진다.
PMMA가 제거된 실리콘 기판 및 그래핀을 포함하는 스택의 전면 및 후면에 전극을 마련한다. 여기서 전면 전극은 Ag 페이스트를 포함하고, 후면 전극은 Ga 및 In으로 이루어진 합금을 포함한다. 구체적으로 Ga 및 In으로 이루어진 합금은 공융 혼합물(eutecitc)임이 바람직할 수 있다.
전면 및 후면 전극, 실리콘 기판 및 그래핀을 포함하는 디바이스의 상부는 2500rpm 속도의 스핀 코팅 공정을 통하여 AuCl3가 코팅될 수 있다. AuCl3을 디바이스의 상부에 코팅시킴으로써 디바이스를 이루고 있는 그래핀을 p-형 도핑시킬 수 있다.
도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스의 상부에 2000rpm 속도의 스핀 코팅 공정을 통하여 반사방지막을 형성시킬 수 있다. 디바이스의 상부에 코팅된 반사방지막은 PMMA를 포함할 수 있다.
도 3은 아세톤을 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 도핑되지 않은 태양전지 및 열처리를 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 도핑되지 않은 태양전지에 대하여 J-V 측정을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지에 대한 J-V 측정은 100mW㎝-2의 가상 AM1.5G 조명 조건에서 이루어진다.
도 3에 나타난 바와 같이, 종래의 태양전지 제조 방법인 임의의 화학적 도핑이 이루어지지 않고, 아세톤을 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 태양전지에 대한 J-V 특징은 전형적으로 나타나는 낮은 19.5%의 FF와 저하된 0.8%의 PCE를 가진 s자 형태의 거동을 나타낸다. 열처리를 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 태양전지는 33.4%의 FF와 2.8%의 PCE를 나타내어 종래의 방법에 따라 제조된 태양전지에 비하여 효율이 향상되었음을 확인할 수 있다. 또한, J-V 측정을 나타내는 그래프에서 종래의 방법에 따라 제조된 태양전지가 나타내는 s자 형태의 거동에서 정상적인 j자 형태의 거동으로 변화되었다.
도 4는 아세톤을 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 도핑된 태양전지 및 열처리를 통한 PMMA 제거 방법으로 제조된 도핑된 태양전지에 대하여 J-V 측정을 나타낸 그래프이다.
아세톤을 통한 PMMA 제거 방법으로 제조되고, AuCl3로 도핑된 태양전지는 5.5%의 PCE를 보이고, J-V 측정을 나타내는 그래프에서도 j자 형태의 거동을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한, 열처리를 통한 PMMA 제거 방법으로 제조되고, AuCl3로 도핑된 태양전지는 아세톤을 통한 PMMA 제거 방법으로 제조되고, AuCl3로 도핑된 태양전지 보다 더 높은 9.5%의 PCE를 나타낸다.
즉, 그래핀 도핑 효과는 열처리를 통하여 PMMA를 제거하는 방법으로 제조된 태양전지에서 더 우수하게 나타남을 알 수 있다.
도 5는 라만 분광학을 통하여 그래핀의 특성을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
아세톤 또는 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스를 이루고 있는 그래핀에 대한 라만 스펙트럼(510)에 따르면, 1589cm-1 및 2680cm-1 또는 1605cm-1 및 2687cm-1에서 나타난 피크들을 확인할 수 있다.
그래핀에 대한 G 밴드 또는 2D 밴드 모드에 따른 라만 스펙트럼(520)은 각각 sp2 탄소의 평면내 진동 및 스태킹 순서를 나타낸다.
두 경우 모두, sp2 도메인의 결함 정도를 나타내는, 1350cm-1에서 나타난 D 피크가 관찰된다.
그래핀에 대한 G 밴드 또는 2D 밴드 모드에 따른 라만 스펙트럼(520)과 같이, 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스를 구성하는 그래핀의 피크들은 아세톤으로 PMMA가 제거된 디바이스를 구성하는 그래핀이 나타내는 피크들로부터 각각 16cm-1 및 7cm-1만큼 상향 이동되었다.
도핑되지 않은 그래핀의 전형적인 라만 피크는 D, G 및 2D 밴드에 대해 각각 1350cm-1, 1580cm-1 및 2700cm-1에서 나타나고 상기에서 관찰된 피크의 위치는 전체적인 청색 이동이 기판에 의한 그래핀 상의 압축 스트레스로 인한 것이 아니라 그래핀의 정공(hole) 도핑으로 인한 것이라는 것이 설명된다.
또한, 2D와 G 밴드의 세기 비율(I2D/IG)은 그래핀의 도핑 수준의 정도를 나타낸다.
도핑-유도된 전자 또는 정공은 광 여기로부터 생성된 전자-정공 쌍의 산란을 유발시킨다. 여기서, 아세톤 또는 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스를 구성하는 그래핀의 각각 2.1 및 1.2에 해당하는 I 2D /I G 값을 통하여 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스에 더 많은 정공 도핑이 존재하는 것을 나타낸다.
즉, 아세톤 보다 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스를 구성하는 그래핀에서 더 많은 정공 도핑이 발생한다.
그래핀의 도핑은 전형적으로 분자 흡착 및 이를 통한 전하 전달에 의해 발생된다. 열처리 프로세스를 통하여 그래핀 상의 H2O 및 O2와 같은 기존의 분자를 제거함으로써 열처리 후에 공기 중에서 흡착물-유도된 정공 도핑에 대하여 보다 적절한 환경을 제공한다.
도 6은 그래핀에 대하여 라만 맵핑 분석을 나타내는 그래프 및 이미지이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀에 대하여 라만 맵핑 분석을 추가로 수행함으로써 아세톤 또는 열처리로 PMMA를 제거한 디바이스를 구성하는 그래핀 시트 사이의 균일성 및 상대적인 도핑 수준 정도를 분석한다.
도 6에 나타난 바와 같이, 각각 이동된 G 밴드에 대한 맵핑 결과는 다른 접촉들로부터 발생된 라만 피크의 억제를 나타낸다. 이를 통하여 균일성을 나타내는 아세톤으로 PMMA가 제거된 디바이스에서 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스로의 청색 이동을 확인할 수 있다.
그래핀이 실리콘과 접촉될 때, 쇼트키 접합은 각각의 상대적인 에너지 밴드 구조에 따라 형성되고, 광생성된 전하 캐리어는 그래핀 및 실리콘 이질접합부에서 발달된 빌트인 필드에 의해 분리된다. 쇼트키 장벽 높이(
B )가 그래핀의 일함수(
G )와 규소의 전자 친화성(x) 사이의 차이로부터 
B = 
G - x 로써 얻어지기 때문에, 그래핀의 일함수를 증가시키는 것은 쇼트키 장벽 높이의 증가를 유도한다. 이는 광생성된 전하 캐리어의 분리를 증대된 빌트인 필드로 인해 더 효과적으로 촉진시킬 수 있다. 또한, 그래핀의 더 높은 일함수는 실리콘으로부터 그래핀 전극까지의 정공 수송을 더 효과적으로 만든다.
이 외에도, 그래핀의 도핑은 완성된 디바이스의 직렬 저항을 감소시키는 그래핀의 전기 전도성을 개선시킨다.
더 많은 정공-도핑된 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스를 구성하는 그래핀은 아세톤으로 PMMA가 제거된 디바이스를 구성하는 그래핀보다 낮은 시트 저항을 갖는다. 구체적으로 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스를 구성하는 그래핀은 384±18Ωsq-1이고, 아세톤으로 PMMA가 제거된 디바이스를 구성하는 그래핀은 479±24Ωsq-1이다.
또한, 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스를 구성하는 그래핀에 AuCl3 도핑이 추가로 이루어질 때, 시트 저항은 129±9Ωsq-1로 감소된다.
도 7은 구리 기판 제거 방법 및 PMMA 제거 방법에 따라 제조된 태양전지의 특성을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
아세톤으로 PMMA가 제거된 디바이스는 구리 기판을 제거하는 방법과 관계없이 s자 형태의 J-V 특징(712)을 나타낸다.
열처리로 PMMA가 제거된 디바이스는 구리 기판을 제거하는 방법과 관계없이 j자 형태의 J-V 특징(714)을 나타낸다.
그래핀이 도핑되지 않은 경우, 종래의 방법인 FeCl3 용액으로 구리 기판이 제거된 디바이스의 PCE는 본 발명의 일 실시예에 따른 APS 용액으로 구리 기판이 제거된 디바이스의 PCE에 비하여 더 높다.
구체적으로 아세톤으로 PMMA를 제거한 경우(712), FeCl3 용액으로 구리 기판을 제거한 디바이스는 1.1%의 PCE를 보이고, APS 용액으로 구리 기판을 제거한 디바이스는 0.8%의 PCE를 보인다.
또한, 열처리로 PMMA를 제거한 경우(714), FeCl3 용액으로 구리 기판을 제거한 디바이스는 3.9%의 PCE를 보이고, APS 용액으로 구리 기판을 제거한 디바이스는 2.8%의 PCE를 보인다.
AuCl3으로 도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스의 경우, 구리 기판을 제거하는 방법 및 PMMA를 제거하는 방법에 따라 제조된 모든 디바이스들의 성능이 향상됨을 확인할 수 있다(722, 724).
그러나 FeCl3 용액에 의한 구리 기판 제거 및 아세톤으로 PMMA가 제거되며, 도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스에서는 여전히 s자 형태의 J-V 특성을 나타낸다.
도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스에서, APS 용액을 이용한 디바이스는 FeCl3 용액을 이용한 디바이스에 비하여 향상된 성능을 나타낸다.
가장 우수한 디바이스의 성능은 9.5%의 PCE이며, 이 디바이스는 APS 용액을 통한 구리 기판 제거, 열처리를 통한 PMMA 제거 및 도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스이다.
그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지에서 반사방지막을 추가로 적용하여 디바이스의 성능을 향상시킬 수 있다. 여기서, 반사방지막으로써 PMMA를 이용할 수 있다. 550nm의 파장에서의 다음의 관계: n = (n Si n air)1/2(n Si = 약 3.4, n air = 약 1.0)에 따라 PMMA가 갖는 굴절률은 n = 1.5이다. 이에 따라, PMMA는 적절한 반사방지막으로 이용될 수 있고, 반사방지막의 최적화된 굴절률은 n = 1.8이다.
반사방지막으로 이용되는 PMMA는 550nm의 파장에서 광 반사율을 40%에서 10% 이하로 감소시킨다.
도 8은 반사방지막을 포함하는 태양전지의 성능을 측정한 결과를 나타내는 그래프(810, 820)이다.
태양전지를 제조하는데 있어서, APS 용액을 통한 에칭 및 열처리로 제조된 디바이스를 포함하는 태양전지에 비하여 같은 공정으로 제조된 도핑된 그래핀으로 이루어진 디바이스를 포함하는 태양전지의 효율이 향상된다. 또한, 도핑된 그래핀으로만 이루어진 디바이스에 비하여 반사방지막을 더 포함하는 태양전지의 효율은 더욱 향상된다.
또한, 반사방지막을 포함하는 태양전지는 반사방지막을 포함하지 않은 태양전지에 비하여 외부 양자 효율(External quantumefficiency, EQE)이 더욱 우수하다.
구체적으로 APS 용액 및 열처리 공정으로 제조되며 반사방지막을 포함하는 디바이스는 최대 12.5%의 PCE를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 종래의 방법에 따라 제조된 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지에 비하여 우수한 성능을 갖는 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지를 제조할 수 있다.
실리콘 기판과 그래핀의 통합 프로세스는 우수한 태양전지의 성능을 얻는데 필수적이며 적합한 쇼트키 접합 계면을 형성하는 데 중요한 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 그래핀 도핑, 반사방지막 형성, PMMA 및 구리 제거 공정에 따라, 최저 0.8%의 PCE와 최대 12.5%의 PCE를 나타내는 태양전지를 제조할 수 있다. 즉, 태양전지를 제조하는 각 공정은 우수한 성능의 태양전지를 제조하는데 중요한 요인임을 알 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
210: 구리 기판 및 그래핀을 포함하는 스택
220: 과황산암모늄((NH4)2S2O8, APS) 용액에 침지된 구리 기판, 그래핀 및 고분자층을 포함하는 스택
221: 과황산암모늄 용액
230: 실리콘 기판 위에 적층된 그래핀 및 고분자층을 포함하는 스택
240: 실리콘 기판 및 그래핀을 포함하는 스택
250: 디바이스
251: 전면 전극
252: 그래핀
253: 이산화규소(SiO2) 층
254: n-형 실리콘 웨이퍼
255: 후면 전극
510, 520: 아세톤 또는 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스를 이루고 있는 그래핀에 대한 라만 스펙트럼
610, 620: 아세톤 및 열처리된 그래핀에 대한 G 밴드의 라만 스펙트럼
612: 1589cm-1 부근에서 아세톤 처리된 그래핀에 대한 라만 맵핑 이미지
614: 1589cm-1 부근에서 열처리된 그래핀에 대한 라만 맵핑 이미지
622: 1605cm-1 부근에서 아세톤 처리된 그래핀에 대한 라만 맵핑 이미지
624: 1605cm-1 부근에서 열처리된 그래핀에 대한 라만 맵핑 이미지
712: FeCl3 용액 또는 APS 용액으로 구리 기판이 제거되고, 아세톤으로 PMMA가 제거된 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
714: FeCl3 용액 또는 APS 용액으로 구리 기판이 제거되고, 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
722: FeCl3 용액 또는 APS 용액으로 구리 기판이 제거되고, 아세톤으로 PMMA가 제거되고, 도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
724: FeCl3 용액 또는 APS 용액으로 구리 기판이 제거되고, 열처리로 PMMA가 제거되고, 도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
810: APS 용액으로 에칭된 디바이스, APS 용액을 통한 에칭 및 AuCl3-도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스, APS 용액을 통한 에칭, AuCl3-도핑된 그래핀 및 반사방지막을 포함하는 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
820: 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지를 구성하는 반사방지막의 유무에 따른 외부 양자 효율(External quantumefficiency, EQE) 측정 그래프
220: 과황산암모늄((NH4)2S2O8, APS) 용액에 침지된 구리 기판, 그래핀 및 고분자층을 포함하는 스택
221: 과황산암모늄 용액
230: 실리콘 기판 위에 적층된 그래핀 및 고분자층을 포함하는 스택
240: 실리콘 기판 및 그래핀을 포함하는 스택
250: 디바이스
251: 전면 전극
252: 그래핀
253: 이산화규소(SiO2) 층
254: n-형 실리콘 웨이퍼
255: 후면 전극
510, 520: 아세톤 또는 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스를 이루고 있는 그래핀에 대한 라만 스펙트럼
610, 620: 아세톤 및 열처리된 그래핀에 대한 G 밴드의 라만 스펙트럼
612: 1589cm-1 부근에서 아세톤 처리된 그래핀에 대한 라만 맵핑 이미지
614: 1589cm-1 부근에서 열처리된 그래핀에 대한 라만 맵핑 이미지
622: 1605cm-1 부근에서 아세톤 처리된 그래핀에 대한 라만 맵핑 이미지
624: 1605cm-1 부근에서 열처리된 그래핀에 대한 라만 맵핑 이미지
712: FeCl3 용액 또는 APS 용액으로 구리 기판이 제거되고, 아세톤으로 PMMA가 제거된 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
714: FeCl3 용액 또는 APS 용액으로 구리 기판이 제거되고, 열처리로 PMMA가 제거된 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
722: FeCl3 용액 또는 APS 용액으로 구리 기판이 제거되고, 아세톤으로 PMMA가 제거되고, 도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
724: FeCl3 용액 또는 APS 용액으로 구리 기판이 제거되고, 열처리로 PMMA가 제거되고, 도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
810: APS 용액으로 에칭된 디바이스, APS 용액을 통한 에칭 및 AuCl3-도핑된 그래핀을 포함하는 디바이스, APS 용액을 통한 에칭, AuCl3-도핑된 그래핀 및 반사방지막을 포함하는 디바이스에 대한 J-V 특징을 나타내는 그래프
820: 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지를 구성하는 반사방지막의 유무에 따른 외부 양자 효율(External quantumefficiency, EQE) 측정 그래프
Claims (19)
- 구리 기판의 상면에 그래핀을 형성하는 단계;
상기 그래핀 상면에 고분자층을 증착하는 단계;
상기 증착 이후 과황산 암모늄((NH4)2S2O8, APS) 용액으로 상기 구리기판을 에칭하고 난 이후, 상기 고분자층이 증착된 그래핀을 정제수에 침지하여, 상기 구리 기판을 제거하는 단계;
상기 구리기판을 제거한 이후, 패턴화된 실리콘 기판의 상부에, 상기 고분자층이 증착된 그래핀을 적층하는 단계;
상기 그래핀을 적층하는 단계 이후, 상기 그래핀 상면에 증착된 고분자층을 제거하는 단계;
상기 고분자층을 제거한 이후, 상기 그래핀 상부에 전면 전극을, 상기 실리콘 기판의 하부에 후면 전극을 형성하는 단계; 및
상기 전면 전극 및 후면 전극이 형성된 이후, 스핀 코팅 공정을 이용하여 삼염화금(AuCl3)을 포함하는 니트로메탄 또는 TFMS(trifluoromethanesulfonic acid)의 고분자를 상기 그래핀에 도핑하는 단계;
를 포함하는,
쇼트키 접합 태양전지 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 그래핀을 형성하는 단계는,
화학기상증착(CVD) 챔버 내에서 상기 구리 기판을 어닐링하는 단계;
메탄가스와 수소가스를 포함하는 혼합가스 분위기에서, 상기 어닐링한 구리 기판의 상면에 그래핀을 성장시키는 단계; 및
상기 그래핀의 성장이 종결된 이후, 상기 CVD 챔버 내부의 온도를 20 내지 30℃로 냉각시키는 단계;를 포함하는,
쇼트키 접합 태양전지 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 증착하는 단계에서, 상기 고분자층은 폴리메타크릴산 메틸(Poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol), PVA) 또는 로진(Rosin)으로 이루어진,
쇼트키 접합 태양전지 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 고분자층을 제거하는 단계는,
아르곤가스와 수소가스를 포함하는 혼합 가스 분위기에서 상기 실리콘 기판을 열처리하여 고분자층을 제거하는 단계인,
쇼트키 접합 태양전지 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 후면 전극은 갈륨 및 인듐을 포함하는 페이스트, 은, 티타늄-금 다중층 또는 티타늄-납-은 다중층으로 이루어진,
쇼트키 접합 태양전지 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전면 전극은 은 페이스트, 은 와이어, ITO(Indium Tin Oxide), 금-티타늄 다중층, 금-크롬 다중층 또는 금으로 이루어진,
쇼트키 접합 태양전지 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전면 전극 및 후면 전극이 형성된 이후, 상기 전면 전극의 상부에 반사방지막을 코팅하는 단계;를 더 포함하는,
쇼트키 접합 태양전지 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전면 전극 및 후면 전극이 형성된 이후, 상기 전면 전극의 상부에 반사방지막을 코팅하는 단계;를 더 포함하는,
쇼트키 접합 태양전지 제조 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 반사방지막을 코팅하는 단계는,
스핀 코팅 공정을 통하여 1.5 내지 3%의 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)를 포함하는 아니솔(anisole)을 상기 전면 전극의 상부에 코팅하는 단계인,
쇼트키 접합 태양전지 제조 방법. - 제1항의 제조 방법에 의해 제조되며,
패턴화된 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판의 상부에 형성된 그래핀;
상기 실리콘 기판의 후부면에 형성된 후면 전극; 및
상기 그래핀의 상부면에 형성된 전면 전극;을 포함하는,
쇼트키 접합 태양전지. - 제14항에 있어서,
상기 실리콘 기판은 이산화규소(SiO2) 층을 포함하는 n-형 실리콘 웨이퍼를 포함하는,
쇼트키 접합 태양전지. - 제14항에 있어서,
상기 후면 전극은 갈륨 및 인듐을 포함하는 페이스트, 은, 티타늄-금 다중층 또는 티타늄-납-은 다중층으로 이루어진,
쇼트키 접합 태양전지. - 제14항에 있어서,
상기 전면 전극은 은 페이스트, 은 와이어, ITO(Indium Tin Oxide), 금-티타늄 다중층, 금-크롬 다중층 또는 금으로 이루어진,
쇼트키 접합 태양전지. - 제14항에 있어서,
상기 쇼트키 접합 태양전지는 상기 전면 전극 위에 코팅된 반사방지막을 더 포함하는,
쇼트키 접합 태양전지. - 제18항에 있어서,
상기 반사방지막은 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 이산화티타늄(TiO2), 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 산화몰리브덴(MoO3)을 포함하며,
상기 쇼트키 접합 태양전지의 상부에 코팅된 반사방지막의 두께는 85 내지 100nm인,
쇼트키 접합 태양전지.
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| KR1020180022848A KR101998586B1 (ko) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | 그래핀 기반의 쇼트키 접합 태양전지 및 이의 제조 방법 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111063747A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-04-24 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种低成本欧姆接触电极的制备方法及太阳电池 |
| CN112885908A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 重庆神华薄膜太阳能科技有限公司 | 一种双面透光的柔性薄膜太阳能电池及其制备方法 |
| CN113387590A (zh) * | 2021-07-07 | 2021-09-14 | 天津市职业大学 | 一种石墨烯改性太阳能电池自清洁减反射玻璃及其制备方法 |
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| KR101530486B1 (ko) * | 2014-07-17 | 2015-06-30 | 한양대학교 산학협력단 | 다면체 돌출부 또는 다면체 오목부를 구비하는 반사방지 구조체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 태양전지 |
| KR101598779B1 (ko) * | 2014-10-21 | 2016-03-02 | 기초과학연구원 | 그래핀 핫 전자 나노 다이오드 |
| JP2016520032A (ja) * | 2013-05-08 | 2016-07-11 | マックス−プランク−ゲゼルシャフト ツア フェーデルンク デア ヴィッセンシャフテン エー．ファオ． | 電荷キャリア移動度が非常に高いグラフェン及びその製造方法 |
-
2018
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