KR102159655B1 - Transparent Photovoltaic Device Comprising Titanium Oxide Layer - Google Patents

Transparent Photovoltaic Device Comprising Titanium Oxide Layer Download PDF

Info

Publication number
KR102159655B1
KR102159655B1 KR1020190068753A KR20190068753A KR102159655B1 KR 102159655 B1 KR102159655 B1 KR 102159655B1 KR 1020190068753 A KR1020190068753 A KR 1020190068753A KR 20190068753 A KR20190068753 A KR 20190068753A KR 102159655 B1 KR102159655 B1 KR 102159655B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
photovoltaic device
metal oxide
layer
titanium dioxide
present
Prior art date
Application number
KR1020190068753A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
준동 김
탄타이 엥게이언
Original Assignee
인천대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인천대학교 산학협력단 filed Critical 인천대학교 산학협력단
Priority to KR1020190068753A priority Critical patent/KR102159655B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102159655B1 publication Critical patent/KR102159655B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H01L31/022475—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers composed of indium tin oxide [ITO]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H01L31/0682—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells back-junction, i.e. rearside emitter, solar cells, e.g. interdigitated base-emitter regions back-junction cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

The present invention relates to a transparent photovoltaic element including a titanium dioxide layer and, more specifically, to a transparent photovoltaic element capable of exhibiting higher performance while maintaining transparency by including a titanium dioxide layer between a TCO layer and an n-metal oxide layer.

Description

이산화티타늄층을 포함하는 투명 광전지소자{Transparent Photovoltaic Device Comprising Titanium Oxide Layer}Transparent Photovoltaic Device Comprising Titanium Oxide Layer comprising a titanium dioxide layer

본 발명은 이산화티타늄층을 포함하는 투명 광전지소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 TCO층과 n-산화금속층 사이에 이산화티타늄층을 포함함으로써 투명도를 유지하면서도 더욱 높은 성능을 발휘할 수 있는 투명 광전지소자에 관한 것이다.The present invention relates to a transparent photovoltaic device comprising a titanium dioxide layer, and more particularly, to a transparent photovoltaic device capable of exhibiting higher performance while maintaining transparency by including a titanium dioxide layer between the TCO layer and the n-metal oxide layer. About.

햇빛은 자외선(UV)과 적외선(IR)과 같이 보이지 않는 에너지를 우리에게 제공한다. 투명 광전지(Transparent Photovoltaics, TPV)는 이와 같은 보이지 않는 UV 및/또는 IR광을 이용하여 전기를 생성할 수 있다. 투명 광전지는 투명 태양광 발전기, 광 검출기 및 광 메모리 등에 적용 가능한 중추적인 기능을 제공한다.Sunlight provides us with invisible energy like ultraviolet (UV) and infrared (IR). Transparent Photovoltaics (TPV) can generate electricity using such invisible UV and/or IR light. The transparent photovoltaic cell provides a pivotal function applicable to a transparent solar generator, a photo detector, and an optical memory.

자외선의 경우 안구 질환이나 피부암과 같은 생명체에 심각한 위험을 초래할 수 있다. 반면, 우리는 강한 자외선을 투명 광전지를 통해 전기에너지로 변환함으로써 이득을 얻을 수 있다. 창문 일체형 태양전지, 전자 디스플레이, 사물인터넷(Things of Internet) 등과 같은 에너지 절약 문제와 연관된 다양한 응용 분야에 대한 적용 가능성이 높기 때문에 투명 광전지에 대한 연구가 급속히 확대되었다. 초기에는 유기, 무기, 페로브스카이트 및 염료 재료를 포함한 다양한 재료로 투명 광전지를 개발하기 위한 노력을 기울였다. 투명 광전지의 가장 큰 특징은 투명하면서도 전기를 생산 가능하여 전자 장치, 차량 및 건물 등의 창문에 적용 가능하다는 점이다. 이는 투명 광전지가 사람이 눈으로 인식할 수 있는 가시광은 통과 시키지만 보이지 않는 UV 광선을 흡수하기 때문에 가능하다.Ultraviolet rays can pose a serious risk to life, such as eye disease or skin cancer. On the other hand, we can benefit by converting strong ultraviolet rays into electrical energy through a transparent photovoltaic cell. The research on transparent photovoltaic cells has rapidly expanded due to high applicability to various application fields related to energy saving problems such as window-integrated solar cells, electronic displays, and the Internet of Things (Things of Internet). Initially, efforts were made to develop transparent photovoltaic cells with a variety of materials including organic, inorganic, perovskite and dye materials. The biggest feature of a transparent photovoltaic cell is that it can generate electricity while being transparent, so it can be applied to windows of electronic devices, vehicles, and buildings. This is possible because a transparent photovoltaic cell passes visible light that can be recognized by the human eye, but absorbs invisible UV light.

한편, 투명 광전지의 경우 광 흡수를 조절하기 때문에 기존의 광전지 대비 전력 변환 효율(PCE)이 낮다. 따라서 투명 광전지의 전력 변환 효율의 한계를 극복하기 위한 높은 수준의 소자 구조에 대한 연구가 진행되고 있다. 투명 광전지의 투명성을 희생시키지 않으면서 성능을 향상시키기 위해 재료 선택 및 장치 구조 설계 측면에서 다양한 접근법이 연구되었다.On the other hand, in the case of a transparent photovoltaic cell, power conversion efficiency (PCE) is lower than that of a conventional photovoltaic cell because it controls light absorption. Therefore, research on a high-level device structure to overcome the limitation of power conversion efficiency of a transparent photovoltaic cell is in progress. Various approaches have been studied in terms of material selection and device structure design to improve performance without sacrificing the transparency of transparent photovoltaic cells.

광전지소자의 구성과 관련하여, 중간층의 삽입과 같은 표면 인터페이스 엔지니어링을 통해 광 생성 캐리어의 수송을 크게 상승시킬 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물(Cu2O, NiO, V2O5 MoO3), 유기 화합물(폴리(3,4-에틸렌옥시티오펜): 폴리(스티렌설포네이트), 폴리(스티렌설포네이트)) 및 2D 재료(MoS2, WS2, 그래핀) 등이 광전지 소자에서 계면 층으로 사용될 수 있다.With regard to the construction of photovoltaic devices, it is possible to greatly increase the transport of light-generating carriers through surface interface engineering such as the insertion of an intermediate layer. For example, metal oxides (Cu 2 O, NiO, V 2 O 5 MoO 3 ), organic compounds (poly(3,4-ethyleneoxythiophene): poly(styrenesulfonate), poly(styrenesulfonate)) And 2D materials (MoS 2 , WS 2 , graphene) and the like may be used as an interface layer in a photovoltaic device.

금속 산화물은 투명성을 유지하도록 가시광선의 통과를 보장하는 고 에너지 밴드 갭을 갖기 때문에 투명 광전지를 생성할 수 있는 유망한 후보이며, 이와 같은 금속 산화물을 사용한 투명 광전지는 전기 에너지 생성하기 위해 UV를 변환한다. 또한, 금속 산화물은 지구상에 풍부하고, 대규모 생산이 가능하며, 저비용이고 환경 안정성을 갖는 등의 장점을 갖는다. 금속 산화물 광전지에 대한 연구는 선행문헌에서 같이 다양한 연구자들의 노력을 통해 제시되었지만, 이와 같은 금속 산화물 광전지의 성능은 아직까지 실용적이지 않은 상황이다.Metal oxides are promising candidates for generating transparent photovoltaic cells because they have a high energy band gap that ensures the passage of visible light to maintain transparency, and transparent photovoltaic cells using such metal oxides convert UV to generate electrical energy. In addition, metal oxides are abundant on the planet, can be produced on a large scale, and have advantages such as low cost and environmental stability. Research on metal oxide photovoltaic cells has been suggested through the efforts of various researchers as in the prior literature, but the performance of such metal oxide photovoltaic cells is still not practical.

Figure 112019059528216-pat00001
Ruhle, S.; Anderson, A. Y.; Barad, H. N.; Kupfer, B.; Bouhadana, Y.; Rosh-Hodesh, E.; Zaban, A. All-Oxide Photovoltaics. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3 (24), 3755-3764. Yu, X.; Marks, T. J.; Facchetti, A. Metal Oxides for Optoelectronic Applications. Nat. Mater. 2016, 15 (4), 383-396.
Figure 112019059528216-pat00001
Ruhle, S.; Anderson, AY; Barad, HN; Kupfer, B.; Bouhadana, Y.; Rosh-Hodesh, E.; Zaban, A. All-Oxide Photovoltaics. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3 (24), 3755-3764. Yu, X.; Marks, TJ; Facchetti, A. Metal Oxides for Optoelectronic Applications. Nat. Mater. 2016, 15 (4), 383-396.

본 발명은 TCO층과 n-산화금속층 사이에 이산화티타늄층을 포함함으로써 투명도를 유지하면서도 더욱 높은 성능을 발휘할 수 있는 투명 광전지소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a transparent photovoltaic device capable of exhibiting higher performance while maintaining transparency by including a titanium dioxide layer between the TCO layer and the n-metal oxide layer.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 광전지소자로서, 기판; 상기 기판 위의 TCO층; 상기 TCO층 위의 이산화티타늄층; 상기 이산화티타늄층 위의 n-산화금속층; 상기 n-산화금속층 위의 p-산화금속층; 및 상기 p-산화금속층 위의 상부전극층; 을 포함하고, 상기 이산화티타늄층 및 상기 n-산화금속층은 n-n 동형 헤테로 구조를 형성하고, 상기 n-산화금속층 및 p-산화금속층은 헤테로 구조를 형성하고, 상기 광전지소자는, 500nm 내지 900nm 파장의 빛에 대해 40% 이상의 투과율을 갖는, 투명 광전지소자를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a photovoltaic device, comprising: a substrate; A TCO layer on the substrate; A titanium dioxide layer over the TCO layer; An n-metal oxide layer over the titanium dioxide layer; A p-metal oxide layer on the n-metal oxide layer; And an upper electrode layer on the p-metal oxide layer. Including, wherein the titanium dioxide layer and the n-metal oxide layer form an nn homogeneous hetero structure, the n-metal oxide layer and the p-metal oxide layer form a hetero structure, and the photovoltaic device has a wavelength of 500 nm to 900 nm. It provides a transparent photovoltaic device having a transmittance of 40% or more for light.

본 발명에서는, 상기 이산화티타늄층은, 상기 광전지소자에 후면전계(Back Surface Field)를 제공할 수 있다.In the present invention, the titanium dioxide layer may provide a back surface field to the photovoltaic device.

본 발명에서는, 상기 이산화티타늄층은 5 내지 20nm의 두께를 갖고, 상기 n-산화금속층은 100 내지 1000nm의 두께를 갖고, 상기 p-산화금속층은 50 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다.In the present invention, the titanium dioxide layer may have a thickness of 5 to 20 nm, the n-metal oxide layer may have a thickness of 100 to 1000 nm, and the p-metal oxide layer may have a thickness of 50 to 500 nm.

본 발명에서는, 상기 상부전극층은 은나노와이어(AgNWs)를 스핀코팅 하여 생성될 수 있다.In the present invention, the upper electrode layer may be formed by spin coating silver nanowires (AgNWs).

본 발명에서는, 청구항 1에 있어서, 상기 이산화티타늄층은, 리액티브 DC스퍼터링을 수행하여 티타늄 타겟을 증착 시켜 생성될 수 있다.In the present invention, according to claim 1, the titanium dioxide layer may be formed by depositing a titanium target by performing reactive DC sputtering.

본 발명에서는, 상기 n-산화금속층은 산화아연(ZnO)을 포함하고, 상기 p-산화금속층은 산화니켈(NiO)을 포함할 수 있다.In the present invention, the n-metal oxide layer may include zinc oxide (ZnO), and the p-metal oxide layer may include nickel oxide (NiO).

본 발명에서는, 상기 n-산화금속층(400)은, RF스퍼터링을 수행하여 산화금속 타겟을 증착 시켜 생성되고, 상기 p-산화금속층(500)은, 리액티브 DC스퍼터링을 수행하여 금속 타겟을 증착 시켜 생성될 수 있다.In the present invention, the n-metal oxide layer 400 is generated by depositing a metal oxide target by performing RF sputtering, and the p-metal oxide layer 500 is formed by performing reactive DC sputtering to deposit a metal target. Can be created.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 산화물로 구성된 광전지소자를 제조함으로써 낮은 가격으로 광전소자를 제조할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by manufacturing a photovoltaic device composed of a metal oxide, it is possible to exhibit the effect of manufacturing a photoelectric device at a low price.

본 발명의 일 실시예에 따르면 광전지소자의 투명도를 유지하면서도 광전지소자의 성능을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, an effect of improving the performance of a photovoltaic device may be exhibited while maintaining the transparency of the photovoltaic device.

본 발명의 일 실시예에 따르면 이산화티타늄층이 후면 전계를 형성하여 광전지소자에서의 캐리어수명을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the titanium dioxide layer forms a rear electric field, thereby improving carrier life in a photovoltaic device.

본 발명의 일 실시예에 따르면 이산화티타늄층을 포함하여 광전지소자의 암전류를 억제하고 높은 전력 변환 효율을 보이는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to exhibit an effect of suppressing a dark current of a photovoltaic device including a titanium dioxide layer and exhibiting high power conversion efficiency.

본 발명의 일 실시예에 따르면 광전지소자의 광전압, 신호 대 잡음비 및 감광도를 높이는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to increase the photovoltaic voltage, signal-to-noise ratio, and photosensitivity of a photovoltaic device.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 층상구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 제조장비를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 층상구조의 층상구조에 따른 동작을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 FESEM 단면 형태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 XRD 패턴을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 은나노와이어(AgNWs)을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자와 일반적인 광전지소자의 투과율 및 흡광도를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 사진을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 Mott-Schottky 특성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 주파수에 따른 도너 농도를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 주파수에 따른 플랫밴드 전위를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 전류-전압 특성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 광도에 따른 광전압을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 신호 대 잡음비를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 감광도를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 Mott-Schottky 분석 결과를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 광응답 특성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 과도응답에 대한 광전압을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 파장에 따른 광전압을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 파장에 따른 입사 광전 변환 효율을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 파장에 따른 소수캐리어 수명을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시하는 도면이다.1 is a diagram schematically showing a layered structure of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically showing an equipment for manufacturing a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram schematically showing an operation according to the layered structure of the layered structure of the photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram schematically showing a cross-sectional view of an FESEM of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram schematically showing an XRD pattern of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram schematically showing silver nanowires (AgNWs) according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram schematically illustrating transmittance and absorbance of a photovoltaic device and a general photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a photo of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram schematically showing Mott-Schottky characteristics of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram schematically showing a donor concentration according to a frequency of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram schematically showing a flat band potential according to a frequency of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram schematically showing a band diagram of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram schematically showing a band diagram of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
14 is a diagram schematically showing current-voltage characteristics of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram schematically showing a photovoltaic voltage according to the luminous intensity of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
16 is a diagram schematically showing a signal-to-noise ratio of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
17 is a diagram schematically showing photosensitivity of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
18 is a diagram schematically illustrating a result of Mott-Schottky analysis of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
19 is a diagram schematically showing a photoresponse characteristic of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
20 is a diagram schematically showing a photovoltaic voltage for a transient response of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
21 is a diagram schematically illustrating a photovoltaic voltage according to a wavelength of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
22 is a diagram schematically showing incident photoelectric conversion efficiency according to a wavelength of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
23 is a diagram schematically showing a life span of a minority carrier according to a wavelength of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
24 is a diagram schematically illustrating an energy band diagram of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

이하에서는, 다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.In the following, various embodiments and/or aspects are now disclosed with reference to the drawings. In the following description, for illustrative purposes, a number of specific details are disclosed to aid in an overall understanding of one or more aspects. However, it will also be appreciated by those of ordinary skill in the art that this aspect(s) may be practiced without these specific details. The following description and the annexed drawings set forth in detail certain illustrative aspects of one or more aspects. However, these aspects are exemplary and some of the various methods in the principles of the various aspects may be used, and the descriptions described are intended to include all such aspects and their equivalents.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.As used herein, “an embodiment,” “example,” “aspect,” “example,” and the like may not be construed as having any aspect or design described as being better or advantageous than other aspects or designs. .

더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다. In addition, the term “or” is intended to mean an inclusive “or” rather than an exclusive “or”. That is, unless specified otherwise or is not clear from the context, "X employs A or B" is intended to mean one of the natural inclusive substitutions. That is, X uses A; X uses B; Or, when X uses both A and B, “X uses A or B” can be applied to either of these cases. In addition, the term "and/or" as used herein should be understood to refer to and include all possible combinations of one or more of the listed related items.

또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In addition, the terms "comprising" and/or "comprising" mean that the corresponding feature and/or element is present, but excludes the presence or addition of one or more other features, elements, and/or groups thereof. It should be understood as not.

또한, 본 명세서에서 명백하게 다른 내용을 지시하지 않는 “한”과, “상기”와 같은 단수 표현들은 복수 표현들을 포함한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.In addition, it will be understood that singular expressions such as “han” and “above”, which do not clearly indicate otherwise, include plural expressions.

또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 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. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.In addition, terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element. The term and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

또한, 본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In addition, terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 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 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, in the embodiments of the present invention, unless otherwise defined, all terms used herein including technical or scientific terms are commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. It has the same meaning as. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the embodiments of the present invention, an ideal or excessively formal meaning Is not interpreted as.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 층상구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.1 is a diagram schematically showing a layered structure of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자는 기판(100); 상기 기판 위의 TCO층(200); 상기 TCO층(200) 위의 이산화티타늄층(300); 상기 이산화티타늄층 위의 n-산화금속층(400); 상기 n-산화금속층(400) 위의 p-산화금속층(500); 및 상기 p-산화금속층(500) 위의 상부전극층(600); 을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 n-산화금속층(400) 및 p-산화금속층(500)은 헤테로 구조를 형성하여 상기 광전지소자에서 광반응이 일어날 수 있도록 한다.Referring to Figure 1, a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention includes a substrate 100; A TCO layer 200 on the substrate; A titanium dioxide layer 300 on the TCO layer 200; An n-metal oxide layer 400 on the titanium dioxide layer; A p-metal oxide layer 500 on the n-metal oxide layer 400; And an upper electrode layer 600 on the p-metal oxide layer 500. It may include. At this time, the n-metal oxide layer 400 and the p-metal oxide layer 500 form a heterostructure so that a photoreaction can occur in the photovoltaic device.

본 발명의 일 실시예에서 상기 기판(100)은 유리기판이고, 상기 TCO층(200)은 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)를 포함하고, 상기 n-산화금속층(400)은 산화아연(ZnO)을 포함하고, 상기 p-산화금속층(500)은 산화니켈(NiO)을 포함하고, 상기 상부전극층(600)은 은나노와이어(AgNWs)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 이산화티타늄(300)층 및 상기 n-산화금속층(400)은 n-n 동형 헤테로 구조를 형성하고, 상기 광전지소자에 후면전계(Back Surface Field)를 제공하여 상기 광전지소자의 성능을 향상시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, the substrate 100 is a glass substrate, the TCO layer 200 includes Fluorine doped Tin Oxide (FTO), and the n-metal oxide layer 400 includes zinc oxide (ZnO). In addition, the p-metal oxide layer 500 may include nickel oxide (NiO), and the upper electrode layer 600 may include silver nanowires (AgNWs). In an embodiment of the present invention, the titanium dioxide (300) layer and the n-metal oxide layer (400) form an nn homogeneous heterostructure, and provide a back surface field to the photovoltaic device. Can improve performance.

본 발명의 일 실시예에서 상기 이산화티타늄층(300)은 5 내지 20nm의 두께를 갖고, 상기 n-산화금속층(400)은 100 내지 1000nm의 두께를 갖고, 상기 p-산화금속층(500)은 50 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 n-산화금속층(400)은 100 내지 500nm의 두께를 갖고, 상기 p-산화금속층(500)은 50 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다. 이와 같은 두께를 가짐으로써 상기 이산화티타늄층(300), 상기 n-산화금속층(400) 및 상기 p-산화금속층(500)은 투명도를 유지하면서도 광반응을 유도하여 광전지소자로서 동작할 수 있도록 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the titanium dioxide layer 300 has a thickness of 5 to 20 nm, the n-metal oxide layer 400 has a thickness of 100 to 1000 nm, and the p-metal oxide layer 500 is 50 It may have a thickness of to 500nm. More preferably, the n-metal oxide layer 400 may have a thickness of 100 to 500 nm, and the p-metal oxide layer 500 may have a thickness of 50 to 200 nm. By having such a thickness, the titanium dioxide layer 300, the n-metal oxide layer 400, and the p-metal oxide layer 500 can operate as a photovoltaic device by inducing a photoreaction while maintaining transparency. have.

본 발명의 일 실시예에서 상기 이산화티타늄층은 리액티브 DC스퍼터링을 수행하여 티타늄 타겟을 증착 시켜 생성되고, 상기 n-산화금속층(400)은 RF스퍼터링을 수행하여 산화금속 타겟을 증착 시켜 생성되고, 상기 p-산화금속층(500)은 리액티브 DC스퍼터링을 수행하여 금속 타겟을 증착 시켜 생성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the titanium dioxide layer is generated by depositing a titanium target by performing reactive DC sputtering, and the n-metal oxide layer 400 is generated by depositing a metal oxide target by performing RF sputtering, The p-metal oxide layer 500 may be generated by performing reactive DC sputtering to deposit a metal target.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 제조장비를 개략적으로 도시하는 도면이다.2 is a diagram schematically showing an equipment for manufacturing a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서는 공동 스퍼터링 장치를 이용하여 이산화티타늄층(300), n-산화금속층(400) 및 p-산화금속층(500)을 기판 상에 성장시킨다. In the present invention, a titanium dioxide layer 300, an n-metal oxide layer 400, and a p-metal oxide layer 500 are grown on a substrate using a cavity sputtering device.

구체적으로, 내부에 기판(9)이 장착되며 내벽에 접지전압을 공급받는 챔버(1), 챔버(1) 내부에 위치하며 외부로부터 전압(5)을 공급받는 스퍼터 건(3), 스퍼터 건(3) 상부 면에 위치한 자석(2), 스퍼터 건(3) 하부 면에 위치한 타겟물질(4), 상기 타겟물질(4)을 부착 지지하는 건 벽(6), 상기 기판(9)을 가열하는 가열부(10), 및 상기 챔버(1) 내부의 기체를 외부로 배출하는 펌프부(미도시)를 포함한다.Specifically, the substrate 9 is mounted inside the chamber 1 receiving a ground voltage to the inner wall, the sputter gun 3 located inside the chamber 1 and receiving the voltage 5 from the outside, the sputter gun ( 3) Magnet (2) located on the upper surface, target material (4) located on the lower surface of the sputter gun (3), the key wall (6) for attaching and supporting the target material (4), heating the substrate (9) It includes a heating unit 10 and a pump unit (not shown) for discharging the gas inside the chamber 1 to the outside.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 광전지소자의 제조설비의 동작에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, the operation of the photovoltaic device manufacturing facility of the present invention having the above configuration will be described.

먼저, 챔버(1) 내부에는 아르곤 가스 등을 포함하는 희가스가 주입된다. 이 후, 주입된 아르곤 가스는, 스퍼터 건(3)에 인가된 전압(5)에 의해 기체 방전을 일으킴으로써, 아르곤 가스 플라즈마(7)로 변환된다. 이때, 챔버(1) 내부 즉, 타겟물질(4)과 웨이퍼(9) 사이의 공간에는 스퍼터 건(3) 상부 면에 위치한 자석(2)에 의해 자계가 형성되어 있다.First, a rare gas including argon gas or the like is injected into the chamber 1. After that, the injected argon gas is converted to the argon gas plasma 7 by causing gas discharge by the voltage 5 applied to the sputter gun 3. In this case, a magnetic field is formed in the chamber 1, that is, in the space between the target material 4 and the wafer 9 by the magnet 2 located on the upper surface of the sputter gun 3.

기체 방전에 의해 생성된 아르곤 가스 플라즈마(7)는, 챔버(1) 내부에 형성되어 있는 자계의 경로를 따라 타겟물질(4) 쪽으로 이동함으로써, 건 벽(6) 상에 고정된 타겟물질(4)의 표면과 물리적으로 충돌한다. The argon gas plasma 7 generated by the gas discharge moves toward the target material 4 along the path of the magnetic field formed inside the chamber 1, thereby fixing the target material 4 on the key wall 6. ) Physically collide with the surface.

그에 따라, 타겟물질(4)의 표면으로부터는 증착 물질(8)이 방출되고, 이러한 증착 물질(8)은, 챔버(1) 하부 면에 위치한 웨이퍼(9) 표면에 증착 되어 웨이퍼(9) 상에 박막을 형성한다.Accordingly, the deposition material 8 is released from the surface of the target material 4, and the deposition material 8 is deposited on the surface of the wafer 9 located on the lower surface of the chamber 1 To form a thin film.

도 2에 도시된 광전지소자 제조설비를 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 제조방법은 세척한 기판(9에 상응)에 FTO를 코팅하는 기판준비공정, 챔버(1) 내에 티타늄(Ti)을 포함하는 제1타겟물질(4)과 처리해야 할 기판(9에 상응)을 배치하고, 챔버(1) 내에 희가스를 도입하고, 상기 제1타겟물질에 전력을 인가하여 스퍼터링에 의하여 상기 기판의 표면에 이산화티타늄층을 성장시키는 제1스퍼터링공정, 챔버(1) 내에 산화아연(ZnO)을 포함하는 제2타겟물질(4)과 상기 제1스퍼터링공정을 거친 기판(9에 상응)을 배치하고, 챔버(1) 내에 희가스를 도입하고, 상기 제2타겟물질에 전력을 인가하여 스퍼터링에 의하여 상기 기판의 표면에 n-산화금속층을 성장시키는 제2스퍼터링공정 및 챔버(1) 내에 니켈(Ni)을 포함하는 제3타겟물질(4)과 상기 제2스퍼터링공정을 거친 기판(9에 상응)을 배치하고, 챔버(1) 내에 희가스를 도입하고, 상기 제3타겟물질에 전력을 인가하여 스퍼터링에 의하여 상기 기판의 표면에 p-산화금속층을 성장시키는 제3스퍼터링공정을 포함한다.A method of manufacturing a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention using the photovoltaic device manufacturing facility shown in FIG. 2 is a substrate preparation process of coating FTO on a cleaned substrate (corresponding to 9), and titanium (Ti) in the chamber 1 ), a first target material 4 and a substrate to be processed (corresponding to 9) are disposed, a rare gas is introduced into the chamber 1, power is applied to the first target material, and the substrate is sputtered. A first sputtering process for growing a titanium dioxide layer on the surface of the chamber 1, a second target material 4 containing zinc oxide (ZnO) and a substrate (corresponding to 9) subjected to the first sputtering process are placed in the chamber 1 Then, a second sputtering process in which a rare gas is introduced into the chamber 1, and power is applied to the second target material to grow an n-metal oxide layer on the surface of the substrate by sputtering, and nickel (Ni) in the chamber 1 ) A third target material 4 and a substrate (corresponding to 9) that has undergone the second sputtering process are disposed, a rare gas is introduced into the chamber 1, and power is applied to the third target material for sputtering. And a third sputtering process of growing a p-metal oxide layer on the surface of the substrate.

여기서, 본 발명에서는, 상기 기판(9)의 하면에는 가열부(10)가 배치되어, 상기 스퍼터링공정 중 또는 공정 후에 기설정된 온도범위로 상기 기판을 가열할 수 있다.Here, in the present invention, the heating unit 10 is disposed on the lower surface of the substrate 9 to heat the substrate to a predetermined temperature range during or after the sputtering process.

또한, 장착된 상기 기판(9)은 회전 가능하여 예비스퍼터링(pre-sputtering) 동안 상기 기판(9)의 회전을 통해 박막의 균일도를 유지하도록 할 수 있다.In addition, the mounted substrate 9 is rotatable, so that the uniformity of the thin film can be maintained through rotation of the substrate 9 during pre-sputtering.

이와 같은 방식으로 단일 공정으로 기판(9) 상에 이산화티타늄층, n-산화금속층 및 p-산화금속층을 갖는 층상구조를 안정적으로 형성시킬 수 있다.In this way, a layered structure having a titanium dioxide layer, an n-metal oxide layer, and a p-metal oxide layer can be stably formed on the substrate 9 by a single process.

바람직하게는, 상기 제1스퍼터링공정은 리액티브 DC스퍼터링공정에 해당하고, 상기 제1타겟물질(4)에는 전력이 인가되고, 상기 제1타겟물질(4)의 상기 기판 측의 반대측에 자기장을 형성시킬 수 있는 자석부재를 배치한다.Preferably, the first sputtering process corresponds to a reactive DC sputtering process, power is applied to the first target material 4, and a magnetic field is applied to the opposite side of the substrate side of the first target material 4 Arrange a magnet member that can be formed.

더욱 바람직하게는 상기 제1스퍼터링공정에서 상기 제1타겟물질(4)에 인가되는 DC 전력은 250~350W 범위에 해당한다. 이와 같은 전력 범위에서 상기 이산화티타늄층의 성장을 안정적으로 도모할 수 있다.More preferably, the DC power applied to the first target material 4 in the first sputtering process corresponds to a range of 250 to 350W. In this power range, the titanium dioxide layer can be stably grown.

또한 바람직하게는, 상기 제2스퍼터링공정은 RF 스퍼터링공정에 해당하고, 상기 제2타겟물질(4)에는 고주파 전력이 인가되고, 상기 제2타겟물질(4)의 상기 기판 측의 반대측에 자기장을 형성시킬 수 있는 자석부재를 배치한다.In addition, preferably, the second sputtering process corresponds to an RF sputtering process, a high frequency power is applied to the second target material 4, and a magnetic field is applied to the opposite side of the substrate side of the second target material 4 Arrange a magnet member that can be formed.

더욱 바람직하게는 상기 제2스퍼터링공정에서 상기 제2타겟물질(4)에 인가되는 RF 전력은 250~350W 범위에 해당한다. 이와 같은 전력 범위에서 상기 n-산화금속층의 성장을 안정적으로 도모할 수 있다.More preferably, the RF power applied to the second target material 4 in the second sputtering process corresponds to a range of 250 to 350W. In this power range, the n-metal oxide layer can be stably grown.

또한 바람직하게는, 상기 제3스퍼터링공정은 리액티브 DC스퍼터링공정에 해당하고, 상기 제3타겟물질(4)에는 전력이 인가되고, 상기 제3타겟물질(4)의 상기 기판 측의 반대측에 자기장을 형성시킬 수 있는 자석부재를 배치한다.In addition, preferably, the third sputtering process corresponds to a reactive DC sputtering process, power is applied to the third target material 4, and a magnetic field is applied to the opposite side of the substrate side of the third target material 4 Arrange a magnet member capable of forming a.

더욱 바람직하게는 상기 제3스퍼터링공정에서 상기 제3타겟물질(4)에 인가되는 DC 전력은 20~100W 범위에 해당한다. 이와 같은 전력 범위에서 상기 p-산화금속층의 성장을 안정적으로 도모할 수 있다.More preferably, the DC power applied to the third target material 4 in the third sputtering process corresponds to a range of 20 to 100W. In this power range, the growth of the p-metal oxide layer can be stably achieved.

바람직하게는, 상기 제1스퍼터링공정 중에 상기 챔버내의 압력은 3 ~ 10 mTorr 범위로 유지된다. 이와 같은 챔버내의 압력 범위를 유지함으로써 보다 안정적으로 이산화티타늄층을 상기 기판 상에 형성 및 성장시킬 수 있다. 이 때, 상기 챔버에는 유속 40 내지 60sccm의 아르곤 가스 및 유속 2 내지 5sccm의 산소 환경을 조성할 수 있다. 바람직하게는 상기 아르곤 가스 및 상기 산소의 유속 비율이 18:1 내지 22:1인 환경을 조성하여 리액티브 스퍼터링이 일어나도록 할 수 있다. 또한, 상기 제1스퍼터링공정은 450 내지 550℃의 증착온도에서 수행될 수 있다.Preferably, during the first sputtering process, the pressure in the chamber is maintained in the range of 3 to 10 mTorr. By maintaining such a pressure range in the chamber, a titanium dioxide layer can be more stably formed and grown on the substrate. In this case, an argon gas having a flow rate of 40 to 60 sccm and an oxygen environment having a flow rate of 2 to 5 sccm may be created in the chamber. Preferably, it is possible to create an environment in which the flow rate ratio of the argon gas and the oxygen is 18:1 to 22:1 so that reactive sputtering occurs. In addition, the first sputtering process may be performed at a deposition temperature of 450 to 550°C.

또한 바람직하게는, 상기 제2스퍼터링공정 중에 상기 챔버내의 압력은 3 ~ 10 mTorr 범위로 유지된다. 이와 같은 챔버내의 압력 범위를 유지함으로써 보다 안정적으로 n-산화금속층을 상기 기판 상에 형성 및 성장시킬 수 있다. 이 때, 상기 챔버에는 유속 40 내지 60sccm의 아르곤 가스 환경을 조성할 수 있다.Also preferably, the pressure in the chamber during the second sputtering process is maintained in the range of 3 to 10 mTorr. By maintaining such a pressure range in the chamber, an n-metal oxide layer can be more stably formed and grown on the substrate. In this case, an argon gas environment having a flow rate of 40 to 60 sccm may be created in the chamber.

또한 바람직하게는, 상기 제3스퍼터링공정 중에 상기 챔버내의 압력은 5 ~ 15 mTorr 범위로 유지된다. 이와 같은 챔버내의 압력 범위를 유지함으로써 보다 안정적으로 p-산화금속층을 상기 기판 상에 형성 및 성장시킬 수 있다. 이 때, 상기 챔버에는 유속 40 내지 60sccm의 아르곤 가스 및 유속 4 내지 6sccm의 산소 환경을 조성할 수 있다. 바람직하게는 상기 아르곤 가스 및 상기 산소의 유속 비율이 9:1 내지 11:1인 환경을 조성하여 리액티브 스퍼터링이 일어나도록 할 수 있다.Also preferably, the pressure in the chamber during the third sputtering process is maintained in the range of 5 to 15 mTorr. By maintaining such a pressure range in the chamber, a p-metal oxide layer can be more stably formed and grown on the substrate. In this case, an argon gas having a flow rate of 40 to 60 sccm and an oxygen environment having a flow rate of 4 to 6 sccm may be created in the chamber. Preferably, an environment in which the flow rate ratio of the argon gas and the oxygen is 9:1 to 11:1 may be created to allow reactive sputtering to occur.

본 발명에서는 전술한 바와 같이 챔버 내에 티타늄을 포함하는 제1타겟물질과 처리해야 할 기판을 배치하고, 챔버 내에 희가스를 도입하고, 상기 제1타겟물질에 전력을 인가하여 스퍼터링에 의하여 상기 기판의 표면에 이산화티타늄층을 성장시키는 제1스퍼터링공정에 의하여 제조되는 이산화티타늄층, 챔버 내에 산화아연을 포함하는 제2타겟물질과 상기 제1스퍼터링공정을 거친 기판을 배치하고, 챔버 내에 희가스를 도입하고, 상기 제2타겟물질에 전력을 인가하여 스퍼터링에 의하여 상기 기판의 표면에 n-산화금속층을 성장시키는 제2스퍼터링공정에 의하여 제조되는 n-산화금속층 및 챔버 내에 금속을 포함하는 제3타겟물질과 상기 제2스퍼터링공정을 거친 기판을 배치하고, 챔버 내에 희가스를 도입하고, 상기 제3타겟물질에 전력을 인가하여 스퍼터링에 의하여 상기 기판의 표면에 p-산화금속층을 성장시키는 제3스퍼터링공정에 의하여 제조되는 p-산화금속층을 포함하는 광전지소자를 제조할 수 있다.In the present invention, as described above, a first target material containing titanium and a substrate to be processed are disposed in the chamber, a rare gas is introduced into the chamber, and electric power is applied to the first target material, and the surface of the substrate is sputtered. A titanium dioxide layer produced by a first sputtering process for growing a titanium dioxide layer on, a second target material containing zinc oxide in the chamber, and a substrate subjected to the first sputtering process are disposed, and a rare gas is introduced into the chamber, The n-metal oxide layer produced by a second sputtering process of applying power to the second target material to grow an n-metal oxide layer on the surface of the substrate by sputtering, and a third target material including metal in the chamber, and the Manufactured by a third sputtering process in which a substrate subjected to the second sputtering process is disposed, a rare gas is introduced into the chamber, and power is applied to the third target material to grow a p-metal oxide layer on the surface of the substrate by sputtering. It is possible to manufacture a photovoltaic device comprising a p-metal oxide layer.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 상부전극층(500)은 은나노와이어(AgNWs)를 스핀코팅 하여 생성될 수 있다. 이와 같이 스핀코팅 된 은나노와이어는 투명도를 저하시키지 않으면서 광전지소자의 상부 전극으로 동작할 수 있고, 광전지소자의 물리적 손상을 방지할 수 있는 견고함을 더할 수 있다. 스핀코팅을 통해 상부전극층(500)이 생성된 상기 광전지소자는 고온건조 될 수 있다. 상기 광전지소자는 바람직하게는 90 내지 110℃에서 50 내지 100초동안 건조될 수 있다.In addition, in an embodiment of the present invention, the upper electrode layer 500 may be formed by spin coating silver nanowires (AgNWs). The spin-coated silver nanowires can operate as an upper electrode of a photovoltaic device without deteriorating transparency, and add robustness that can prevent physical damage to the photovoltaic device. The photovoltaic device in which the upper electrode layer 500 is formed through spin coating may be dried at high temperature. The photovoltaic device may be preferably dried at 90 to 110° C. for 50 to 100 seconds.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 특성에 대해 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자는 종래의 광전지소자에 비해 이산화티타늄(TiO2)층을 포함하는 점에서 차이가 있다. 이하에서는 이산화티타늄층을 포함하지 않는 종래의 광전지소자 및 본 발명에 따른 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자의 특성을 비교하면서 광전지소자의 특성에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, characteristics of the photovoltaic device according to an embodiment of the present invention will be described. A photovoltaic device according to an embodiment of the present invention is different from a conventional photovoltaic device in that it includes a titanium dioxide (TiO 2 ) layer. Hereinafter, characteristics of a photovoltaic device will be described while comparing the characteristics of a conventional photovoltaic device not including a titanium dioxide layer and a photovoltaic device including the titanium dioxide layer according to the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 층상구조의 층상구조에 따른 동작을 개략적으로 도시하는 도면이다.3 is a diagram schematically showing an operation according to the layered structure of the layered structure of the photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FTO/TiO2/ZnO/NiO/AgNW의 구조를 갖는 광전지소자를 도시한다. 이 구조에서, n-ZnO층은 광 활성 층이고, p-NiO층은 헤테로 접합의 형성을 위한 파트너 층이다. 이산화티타늄(TiO2)층은 ZnO/FTO 계면에서의 전하 수송을 엔지니어링 함으로써 디바이스 성능을 향상시키기 위해 삽입된다. 이와 같은 금속산화물의 넓은 밴드 갭(3.2eV 이상)은 가시광선-적외선에 대해 투과가 가능하도록 한다. 따라서 투명한 유리 기판을 사용한 금속 산화물 접합의 설계는 가시광선은 통과시키지만 태양광으로부터 전력을 생산하기 위해 자외선을 흡수하는 고 밴드 갭 광전지소자로 동작할 수 있다. 이와 같은 소자는 투명한 태양광 발전기로 동작할 수 있다.3 shows a photovoltaic device having a structure of FTO/TiO 2 /ZnO/NiO/AgNW according to an embodiment of the present invention. In this structure, the n-ZnO layer is a photoactive layer, and the p-NiO layer is a partner layer for the formation of a heterojunction. A layer of titanium dioxide (TiO 2 ) is inserted to improve device performance by engineering charge transport at the ZnO/FTO interface. Such a wide band gap (3.2 eV or more) of the metal oxide makes it possible to transmit visible light to infrared light. Therefore, the design of a metal oxide junction using a transparent glass substrate can act as a high-band gap photovoltaic device that allows visible light to pass through, but absorbs ultraviolet light to generate power from sunlight. Such devices can operate as transparent solar generators.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 FESEM 단면 형태를 개략적으로 도시하는 도면이다.4 is a diagram schematically showing a cross-sectional view of an FESEM of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따라 AgNW/NiO/ZnO/TiO2/FTO를 포함하는 광전지소자의 FESEM 단면이 도시되어 있다. ZnO층 및 NiO층의 두께는 각각 470nm 및 200nm이다. 도 4를 참조하면 TiO2 침착에 의해 FTO 형태가 명확히 관찰되었다4 is a FESEM cross-section of a photovoltaic device including AgNW/NiO/ZnO/TiO 2 /FTO according to an embodiment of the present invention. The thickness of the ZnO layer and the NiO layer is 470 nm and 200 nm, respectively. Referring to FIG. 4, the FTO form was clearly observed by TiO 2 deposition.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 XRD 패턴을 개략적으로 도시하는 도면이다.5 is a diagram schematically showing an XRD pattern of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따라 Si 웨이퍼 상에 반응성 스퍼터링으로 성장한 TiO2층의 XRD 패턴을 확인할 수 있다. 관측된 본 발명의 일 실시예에 따른 TiO2층의 XRD 패턴의 피크는 Anatase TiO2(COD-9008214)의 표준 패턴과 잘 일치하고 52.4º 및 55.1º의 피크는 Si 기판에 의한 피크이다. 생성된 Anatase TiO2는 a = 3.784ÅA, b = 3.784ÅA, c = 9.515ÅA의 격자 파라미터를 갖는 정방 결정 시스템을 가지며, 특이 성장 방향은 (011) 평면에 있다.Referring to FIG. 5, an XRD pattern of a TiO 2 layer grown by reactive sputtering on a Si wafer according to an embodiment of the present invention can be confirmed. The observed peaks of the XRD pattern of the TiO 2 layer according to an embodiment of the present invention are well matched with the standard pattern of Anatase TiO 2 (COD-9008214), and the peaks of 52.4º and 55.1º are peaks due to the Si substrate. The resulting Anatase TiO 2 has a tetragonal crystal system with lattice parameters of a = 3.784ÅA, b = 3.784ÅA, c = 9.515ÅA, and the specific growth direction is in the (011) plane.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 은나노와이어(AgNWs)을 개략적으로 도시하는 도면이다.6 is a diagram schematically showing silver nanowires (AgNWs) according to an embodiment of the present invention.

도 6에 도시 된 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 FESEM 토포그래피는 스핀 코팅을 통해 네트워크를 균등하게 형성한 은 나노 와이어(AgNWs)를 나타낸다. AgNWs 잉크를 한 번 스핀코팅 시키면 약 10 Ω/□의 낮은 면 저항을 갖는 우수한 투명 전극으로서 동작 가능한 상부전극층을 생성할 수 있다.The FESEM topography of the optoelectronic device according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 6 shows silver nanowires (AgNWs) uniformly formed through spin coating. If AgNWs ink is spin-coated once, an upper electrode layer capable of operating as an excellent transparent electrode having a low surface resistance of about 10 Ω/□ can be produced.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자와 일반적인 광전지소자의 투과율 및 흡광도를 개략적으로 도시하는 도면이다.7 is a diagram schematically illustrating transmittance and absorbance of a photovoltaic device and a general photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자 (FTO/TiO2/ZnO/NiO/AgNW)와 종래의 광전지소자(FTO/ZnO/NiO/AgNW)의 투과율 및 흡수 스펙트럼을 도시한다. 두 광전지소자 모두 가시광선 및 IR 범위에서 50% 이상의 우수한 투과율과 UV에서의 높은 흡수율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.7 shows the transmittance and absorption spectrum of a photovoltaic device (FTO/TiO2/ZnO/NiO/AgNW) and a conventional photovoltaic device (FTO/ZnO/NiO/AgNW) including a titanium dioxide layer according to an embodiment of the present invention. Shows. It can be seen that both photovoltaic devices exhibit excellent transmittance of 50% or more in the visible and IR range and high absorption in UV.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 사진을 도시하는 도면이다.8 is a view showing a photo of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자의 사진이다. 도 8에 도시된 바와 같이 이산화티타늄층을 삽입하여도 광전지소자의 투명도에 거의 영향을 주지 안음을 확인할 수 있다. 다만 이와 같은 투명도를 확보하기 위하여 바람직하게는 상기 이산화티타늄층은 5 내지 20nm의 두께를 갖는다.8 is a photograph of a photovoltaic device including a titanium dioxide layer according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, it can be seen that even if the titanium dioxide layer is inserted, the transparency of the photovoltaic device is hardly affected. However, in order to secure such transparency, preferably, the titanium dioxide layer has a thickness of 5 to 20 nm.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 Mott-Schottky 특성을 개략적으로 도시하는 도면이다.9 is a diagram schematically showing Mott-Schottky characteristics of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자를 설계하기 위하여 Mott-Schottky 특성을 사용하여 ZnO 및 TiO2 박막의 에너지 밴드 구조를 분석하였다. 도 9는 1kHz에서 측정 한 ZnO 및 TiO2 층의 Mott-Schottky 플롯을 나타낸다. 도 9에 나타난 결과는 수소 기준 전극(Reversible Hydrogen Electrode, 이하 RHE) 대비 0V 내지 1.5V 사이 및 100Hz에서 50kHz까지의 주파수에서 포텐셜 스윕으로 수행되었다. Mott-Schottky 분석에 따르면, 표면 영역의 플랫 밴드 전위(V FB )와 캐리어 농도는 방정식

Figure 112019059528216-pat00002
을 사용하여 (A/Csc)2 대 V 플롯의 선형 피트 플롯을 외삽하여 얻을 수 있다. 여기서 C SC 는 전해질과 n-타입 박막층 계면의 공간 전하 커패시턴스이고, q는 전자 전하, ε는 박막층의 유전 상수, ε o 는 진공 유전율, N D 는 도너 농도, A는 박막층 및 전해질 계면의 접촉면적, V는 인가된 전위, kT/q는 열 전압 25.9mV이다. Mott-Schottky 플롯에서 선형 피팅 플롯의 잠재적 절편으로부터 얻은 VFB는 전해질(0.1M Na2SO4)의 pH가 8.5일 때 ZnO층에서 RHE 대비 약 0.25V이고, TiO2층에서 RHE 대비 0.4V이다. 또한 Mott-Schottky 플롯의 기울기가 양수로 나타나는 것은 ZnO 및 TiO2 필름이 n-타입 특성을 가짐을 나타낸다. 기울기에 의해 ZnO층에서 약 5×1017cm-3, TiO2층에서 약 3×1019cm-3의 ND 값을 도출하였다. TiO2층의 ND 값은 필름의 축퇴 특성을 나타낸다.In order to design a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention, energy band structures of ZnO and TiO 2 thin films were analyzed using Mott-Schottky characteristics. 9 shows a Mott-Schottky plot of 2 layers of ZnO and TiO measured at 1 kHz. The results shown in FIG. 9 were performed with a potential sweep at a frequency between 0V and 1.5V and from 100Hz to 50kHz compared to a Reversible Hydrogen Electrode (RHE). According to the Mott-Schottky analysis, the flat band potential ( V FB ) and carrier concentration in the surface area are the equations
Figure 112019059528216-pat00002
Can be obtained by extrapolating the linear fit plot of the (A/C sc ) 2 versus V plot. Where C SC is the space charge capacitance between the electrolyte and the n-type thin film layer interface, q is the electron charge, ε is the dielectric constant of the thin film layer, ε o is the vacuum dielectric constant, N D is the donor concentration, and A is the contact area between the thin film layer and the electrolyte interface. , V is the applied potential, and kT/q is the column voltage 25.9mV. The V FB obtained from the potential intercept of the linear fit plot in the Mott-Schottky plot is about 0.25 V versus RHE in the ZnO layer and 0.4 V versus RHE in the TiO 2 layer when the pH of the electrolyte (0.1 M Na 2 SO 4 ) is 8.5. . Also, the positive slope of the Mott-Schottky plot indicates that the ZnO and TiO 2 films have n-type properties. N D values of about 5×10 17 cm -3 in the ZnO layer and about 3×10 19 cm -3 in the TiO 2 layer were derived by the gradient. The N D value of the TiO 2 layer indicates the degenerate property of the film.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 주파수에 따른 도너 농도를 개략적으로 도시하는 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 주파수에 따른 플랫밴드 전위를 개략적으로 도시하는 도면이다.10 is a diagram schematically showing a donor concentration according to a frequency of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a schematic diagram of a flat band potential according to a frequency of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention. It is a drawing shown.

상기 Mott-Schottky 특성 결과에 기초하여 100Hz에서 50kHz 범위의 주파수에 대한 도너 농도(N D ) 및 플랫밴드 전위(V FB ) 값을 예측하였다. 도 10 및 도 11에는 N D 및 V FB 값을 각각 주파수에 대한 함수로 나타낸 결과가 도시되어 있다. 100Hz에서 2kHz 범위의 주파수에서 거의 일정한 N D 와 V FB 값을 확인할 수 있고, ZnO 및 TiO2의 에너지 밴드 에지를 계산하기 위해 낮은 주파수에서 얻은 N D 와 V FB 값을 사용하였다. RHE 준위가 진공 준위에 비해 -4.2eV에 위치하기 때문에 ZnO의 페르미 준위(E F )는 -4.45eV로 추정되며, TiO2의 페르미 준위는 진공 준위 기준 약 4.6eV로 추정된다. 또한,

Figure 112019059528216-pat00003
, 및
Figure 112019059528216-pat00004
의 관계식으로부터 전도밴드 최소값 E C 를 구할 수 있다. 여기서 N C 는 전도밴드에서의 유효 상태 밀도이고, m e * 는 전자의 유효 질량이다. 이와 같이 예측된 ZnO 및 TiO2의 E C - E F 값은 각각 0.13eV 및 28meV이었다.Based on the result of the Mott-Schottky characteristic, the donor concentration ( N D ) and the flat band potential ( V FB ) values for frequencies ranging from 100 Hz to 50 kHz were predicted. 10 and 11 show the results of representing the values of N D and V FB as a function of frequency, respectively. Almost constant N D and V FB values can be found at frequencies ranging from 100 Hz to 2 kHz, and N D and V FB values obtained at low frequencies are used to calculate the energy band edges of ZnO and TiO 2 . Since the RHE level is located at -4.2 eV compared to the vacuum level, the Fermi level ( E F ) of ZnO is estimated to be -4.45 eV, and the Fermi level of TiO 2 is estimated to be about 4.6 eV based on the vacuum level. In addition,
Figure 112019059528216-pat00003
, And
Figure 112019059528216-pat00004
The minimum conduction band E C can be obtained from the relation of Where N C is the effective density of state in the conduction band, and m e * is the effective mass of the electron. The predicted E C - E F values of ZnO and TiO 2 were 0.13 eV and 28 meV, respectively.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시하는 도면이다.12 is a diagram schematically showing a band diagram of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자에 포함되는 ZnO 및 TiO2의 에너지 밴드 에지가 도시되어 있다. 이와 같은 에너지 밴드 다이어그램에서는 ZnO의 E C 에서 TiO2의 E C 로의 전자 전달 및 n-n 동형 헤테로 접합에 의한 공간 전하 영역의 형성이 묘사된다12 shows energy band edges of ZnO and TiO 2 included in the photovoltaic device according to an embodiment of the present invention. Energy band diagrams like this depict the electron transfer of ZnO from E C to TiO 2 to E C and the formation of space charge regions by nn homoheterojunctions.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시하는 도면이다.13 is a diagram schematically showing a band diagram of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 13에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자의 특성을 파악하기 위하여 광전지소자의 밴드 다이어그램을 도시하였다. 도 13의 (a)는 광전지소자의 전체적인 밴드 다이어그램이고, 도 13의 (b)는 이산화티타늄층 인근에서의 밴드 다이어그램을 확대한 도면이다. 광전지소자의 특성을 명확히 파악하기 위하여 이산화티타늄층이 없는 종래의 광전지소자의 밴드 다이어그램을 함께 도시하였다. 도 13을 참조하면 이산화티타늄층의 삽입에 의해 ZnO층에 전자를 받아들이는 계면 에너지 상태가 제공될 뿐만 아니라, 후면 접촉에서 정공이 수용되지 않도록 하는 후면전계를 제공하고, 전체적으로 향상된 내부 전위를 제공함을 확인할 수 있다.13 shows a band diagram of a photovoltaic device to understand the characteristics of a photovoltaic device including a titanium dioxide layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 13A is an overall band diagram of the photovoltaic device, and FIG. 13B is an enlarged view of the band diagram in the vicinity of the titanium dioxide layer. In order to clearly understand the characteristics of the photovoltaic device, a band diagram of a conventional photovoltaic device without a titanium dioxide layer is shown together. Referring to FIG. 13, the interfacial energy state for accepting electrons in the ZnO layer is provided by the insertion of the titanium dioxide layer, as well as providing a rear electric field that prevents holes from being received at the rear contact, and providing an overall improved internal potential. I can confirm.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 전류-전압 특성을 개략적으로 도시하는 도면이다.14 is a diagram schematically showing current-voltage characteristics of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자(FTO/TiO2/ZnO/NiO/AgNW) 및 종래의 광전지소자(FTO/ZnO/NiO/AgNW)의 광전지 및 광전 특성을 보여줍니다. 어두운 조건과 광 조건에서 소자의 전기적 특성은 주로 전류-전압(I-V) 특성에 의해 나타나는데, 이와 같은 광전지소자의 I-V 특성이 도 14의 (a)에 세미 로그 스케일로 도시되어있다. 도 14의 (a)를 참조하면 ZnO/NiO를 포함하는 광전지소자에서 이산화티타늄층을 삽입한 효과를 확인할 수 있다. 특히, 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자에서 암전류(J dark ) 값이 상당히 감소한 것을 확인할 수 있다. 제로 바이어스에서 본 발명의 광전지소자의 암전류는 이산화티타늄층이 없는 광전지소자(FTO/ZnO/NiO/AgNW)의 암전류 5.49nA 보다 20배 낮은 0.22nA이다. 또한 이상계수, 정류비 및 신호 대 잡음비(SNR)와 같은 다이오드 특성에 대한 TiO2 층의 영향을 조사하였다. 이상계수 n은 공식

Figure 112019059528216-pat00005
에 의해 계산되고, 다이오드 정류비는 ±0.7V에서의 암전류의 비율을 나타내며, 제로 바이어스에서 광전류에 대한 암전류의 비율에 의해 신호 대 잡음비SNR을 도출할 수 있다. 이들 파라미터는 하기 표 1에 요약되어 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자와 종래의 광전지소자의 파라미터를 비교하면 이산화티타늄층의 삽입으로 인해 광전지소자의 성능이 향상되었음을 확인할 수 있다.14 is a photovoltaic device and photoelectric properties of a photovoltaic device (FTO/TiO2/ZnO/NiO/AgNW) and a conventional photovoltaic device (FTO/ZnO/NiO/AgNW) including a titanium dioxide layer according to an embodiment of the present invention. Shows. Electrical characteristics of the device in dark and light conditions are mainly represented by current-voltage (IV) characteristics, and the IV characteristics of such a photovoltaic device are shown in a semi-log scale in FIG. 14A. Referring to FIG. 14A, the effect of inserting a titanium dioxide layer in a photovoltaic device including ZnO/NiO can be confirmed. In particular, it can be seen that the dark current ( J dark ) value is significantly reduced in the photovoltaic device including the titanium dioxide layer. At zero bias, the dark current of the photovoltaic device of the present invention is 0.22nA, which is 20 times lower than the dark current of 5.49nA of a photovoltaic device (FTO/ZnO/NiO/AgNW) without a titanium dioxide layer. In addition, the effect of the TiO 2 layer on diode characteristics such as ideal coefficient, rectification ratio and signal-to-noise ratio (SNR) was investigated. The ideal coefficient n is the formula
Figure 112019059528216-pat00005
And the diode rectification ratio represents the ratio of the dark current at ±0.7V, and the signal-to-noise ratio SNR can be derived by the ratio of the dark current to the photocurrent at zero bias. These parameters are summarized in Table 1 below, and when comparing the parameters of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention and a conventional photovoltaic device, it can be seen that the performance of the photovoltaic device is improved due to the insertion of a titanium dioxide layer.

광전지소자Photovoltaic device nn VFB(V)V FB (V) Iphoto/Idark I photo /I dark Vphoto(V)V photo (V) D(Jones)D(Jones) 이산화티타늄층 미포함Without titanium dioxide layer 2.12.1 0.60.6 2.56×104 2.56×10 4 0.440.44 2.57×1011 2.57×10 11 이산화티타늄층 포함Including titanium dioxide layer 2.62.6 0.90.9 5.44×105 5.44×10 5 0.540.54 1.11×1012 1.11×10 12

n은 다이오드 이상계수, VFB는 플랫밴드 전위, Vphoto는 광전압, D는 감광도를 나타낸다.n is the diode anomaly coefficient, V FB is the flat band potential, V photo is the photovoltage, and D is the photosensitivity.

도 14의 (b)를 참조하면 이산화티타늄층이 투명 광전지소자의 성능 향상에 미치는 역할을 확인할 수 있다. 도 14의 (b)를 참조하면 UV광 조사(l=390 nm, 강도 8mW/cm2) 하에서 이산화티타늄층의 삽입으로 인해 개방 회로 전압(V OC )이 0.37V에서 0.58V로, 그리고 충전률(Fill Factor, FF)가 36.6%에서 42.19%로 향상되었음을 확인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자는 이산화티타늄층의 역할에 의해 매우 높은 6.1%의 전력 변환 효율을 나타낸다. 하기 표 2는 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자 및 이산화티타늄층을 포함하지 않는 광전지소자의 광전지 성능 파라미터를 비교한 것이다. 표 2를 참조하면 이산화티타늄층의 삽입에 의해 전력 변환 효율이 198% 향상되었고, 약 79.5%의 입사 광전 변환 효율(Incident Photon to Charge carrier Efficiency, IPCE)을 보인다.Referring to FIG. 14B, it can be seen the role of the titanium dioxide layer in improving the performance of the transparent photovoltaic device. Referring to Figure 14 (b), due to the insertion of the titanium dioxide layer under UV light irradiation (l = 390 nm, intensity 8 mW/cm 2 ), the open circuit voltage ( V OC ) is 0.37 V to 0.58 V , and the charging rate It can be seen that (Fill Factor, FF ) improved from 36.6% to 42.19%. The photovoltaic device according to an embodiment of the present invention exhibits a very high power conversion efficiency of 6.1% due to the role of the titanium dioxide layer. Table 2 below compares the photovoltaic performance parameters of a photovoltaic device including a titanium dioxide layer and a photovoltaic device not including a titanium dioxide layer. Referring to Table 2, power conversion efficiency was improved by 198% by the insertion of the titanium dioxide layer, and incident photon to charge carrier efficiency (IPCE) of about 79.5% was shown.

광전지소자Photovoltaic device VOC(V)V OC (V) JSC(mA/cm2)J SC (mA/cm 2 ) FF(%)FF(%) Efficiency(%)Efficiency(%) IPCE(%)IPCE(%) 이산화티타늄층 미포함Without titanium dioxide layer 0.360.36 1.871.87 36.636.6 3.093.09 74.6074.60 이산화티타늄층 포함Including titanium dioxide layer 0.580.58 2.002.00 42.242.2 6.126.12 79.4879.48

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 광도에 따른 광전압을 개략적으로 도시하는 도면이다.15 is a diagram schematically showing a photovoltaic voltage according to the luminous intensity of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

이산화티타늄층의 전하 수송 성능을 확인하기 위하여 도 15와 같이 UV광의 강도를 변화시켜가며 입사광도에 대한 광전압의 변화를 파악하였다. 도 15를 참조하면 이산화티타늄층이 삽입된 광전지소자의 광전압이 이산화티타늄층이 없는 광전지소자에 비해 현저히 향상되었음을 확인할 수 있다. 특히 광전지소자는 0.1mW/cm2의 낮은 광도에 대해서도 약 0.3V의 매우 높은 광전압을 나타냈는데, 이는 이산화티타늄층을 갖는 광전지소자가 로우 레벨 주입 조건 하에서도 높은 광 전압을 제공한다는 것을 의미한다.In order to check the charge transport performance of the titanium dioxide layer, as shown in FIG. 15, the change of the photo voltage with respect to the incident light intensity was observed while changing the intensity of the UV light. Referring to FIG. 15, it can be seen that the photovoltaic voltage of the photovoltaic device in which the titanium dioxide layer is inserted is significantly improved compared to the photovoltaic device without the titanium dioxide layer. In particular, the photovoltaic device exhibited a very high photovoltage of about 0.3V even at a low luminous intensity of 0.1mW/cm 2 , which means that the photovoltaic device having a titanium dioxide layer provides a high photovoltaic voltage even under low-level injection conditions. .

광전지소자의 개방회로전압(V OC )은

Figure 112019059528216-pat00006
와 같은 식에 의해 도출될 수 있다. 이처럼 개방회로전압은 암전류를 감소시킴으로써 향상시킬 수 있다. 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자 및 포함하지 않는 광전지소자에서 다이오드 이상계수(n) 및 광전류(J photo )의 변화가 그리 크지 않기 때문에, 개방회로전압(V OC )은 암전류(J dark )에 높은 의존성을 나타낸다. 두 광전지소자의 광전압을 정밀하게 비교하기 위한 개방회로전압(V OC )과 입사광광도의 관계가 도 15에 도시되어 있다. 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자가 UV광도 0.1mW/cm2에서 15mW/cm2까지의 전 범위에서 더 높은 광전압을 보이는 것을 확인할 수 있다. The open circuit voltage ( V OC ) of the photovoltaic device is
Figure 112019059528216-pat00006
It can be derived by an equation such as As such, the open circuit voltage can be improved by reducing the dark current. Since in photovoltaic device The photovoltaic device that does not contain, and which includes a titanium dioxide layer with a change in the diode ideality factor (n) and the photocurrent (J photo) not so large, the open circuit voltage (V OC) is high in the dark current (J dark) Shows dependence. The relationship between the open circuit voltage V OC and the incident light intensity for precisely comparing the photo voltages of the two photovoltaic devices is shown in FIG. 15. It can be seen that the photovoltaic device including the titanium dioxide layer exhibits a higher photovoltaic voltage over the entire range of UV light intensity from 0.1mW/cm 2 to 15mW/cm 2 .

특히, 저 광도 UV광에서 종래의 광전지소자에 비해 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자에서 우세가 더 강하게 나타난다. 더 낮은 광도에서 더 큰 광전압의 차이가 나타나는 것은 암전류가 자유 캐리어 농도에 영향을 미치는 것을 의미하고, 이는 준-페르미 레벨의 분할을 야기한다.In particular, the dominance is stronger in a photovoltaic device including a titanium dioxide layer compared to a conventional photovoltaic device in low-luminosity UV light. The appearance of a larger photovoltage difference at lower luminosity means that the dark current has an effect on the free carrier concentration, which leads to the division of the quasi-Fermi level.

도 16 및 도 17은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 신호 대 잡음비 및 감광도를 개략적으로 도시하는 도면이다.16 and 17 are diagrams schematically showing a signal-to-noise ratio and photosensitivity of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention, respectively.

또한, 암전류(J dark )를 낮추는 것은 광전자소자의 광 감지 특성에도 영향을 미친다. 감광도(D)와 신호 대 잡음비(SNR)로서의 I photo / I dark 의 비율은 광 검출기의 품질을 평가하기 위한 성능 지수이다.In addition, lowering the dark current ( J dark ) affects the photo-sensing characteristics of the optoelectronic device. The ratio of I photo / I dark as sensitivity ( D ) and signal-to-noise ratio (SNR) is a figure of merit for evaluating the quality of the photodetector.

도 16에는 역방향 바이어스에 대한 신호 대 잡음비(SNR)를 개략적으로 도시한다. 도 16을 참조하면 암전류 감소가 신호 대 잡음비에 대한 영향을 확인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자는 광범위한 바이어스에서 종래의 광전지소자에 비해 높은 SNR값을 나타낸다. 특히, 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자는 13mW/cm2의 UV광도조건의 제로 바이어스에서 5×105 이상의 SNR값을 나타낸다. Figure 16 schematically shows the signal-to-noise ratio (SNR) for reverse bias. Referring to FIG. 16, it can be seen that the dark current reduction has an effect on the signal-to-noise ratio. A photovoltaic device including a titanium dioxide layer according to an embodiment of the present invention exhibits a higher SNR value compared to a conventional photovoltaic device under a wide bias. In particular, a photovoltaic device including a titanium dioxide layer exhibits an SNR value of 5×10 5 or more at zero bias under the UV light condition of 13 mW/cm 2 .

감광도(Detectivity, D)는

Figure 112019059528216-pat00007
의 관계식을 통해 도출할 수 있다. 여기서 R은 응답도(
Figure 112019059528216-pat00008
)이다. 이와 같은 관계는 암전류의 감소가 광 검출기의 감광도 향상에 기여한다는 것을 제시합니다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자 및 종래의 광전지소자의 UV광도에 대한 감광도(D)를 도시한다. 종래의 광전자소자에 비해 이산화티타늄층을 포함하는 광전자소자의 감광도가 329.3% 정도 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.The sensitivity ( D ) is
Figure 112019059528216-pat00007
It can be derived through the relational expression of Where R is the response (
Figure 112019059528216-pat00008
)to be. This relationship suggests that the reduction of the dark current contributes to the improvement of the sensitivity of the photodetector. FIG. 17 shows photosensitivity ( D ) of a photovoltaic device including a titanium dioxide layer and a conventional photovoltaic device according to an embodiment of the present invention. It can be seen that the photosensitivity of the optoelectronic device including the titanium dioxide layer is significantly improved by 329.3% compared to the conventional optoelectronic device.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 Mott-Schottky 분석 결과를 개략적으로 도시하는 도면이다.18 is a diagram schematically showing a result of Mott-Schottky analysis of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 개선 된 성능, 특히 광 전압의 증가 및 암전류의 감소를 확인하기 위해 광전지소자의 Mott-Schottky 측정을 수행하였다. 도 18에는 1kHz의 주파수에서 측정된 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자 및 종래의 광전지소자의 Mott-Schottky 플롯이 도시되어 있다. 도 18을 참조하면 종래의 광전지소자의 ZnO/NiO에 대한 플랫 밴드 전위는 0.6V이었으나, 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자에서는 0.9V로 크게 향상되었음을 확인할 수 있다. 이와 결과는 이산화티타늄층이 후면 접촉(ZnO/FTO)에 삽입됨으로써 내부 전위 향상에 중요한 역할을 수행함을 보여준다.The Mott-Schottky measurement of the photovoltaic device was performed to confirm the improved performance of the photovoltaic device according to an embodiment of the present invention, in particular, an increase in photovoltaic voltage and a decrease in dark current. 18 shows a photovoltaic device including a titanium dioxide layer measured at a frequency of 1 kHz and a Mott-Schottky plot of a conventional photovoltaic device. Referring to FIG. 18, it can be seen that the flat band potential of the conventional photovoltaic device for ZnO/NiO was 0.6V, but the photovoltaic device including the titanium dioxide layer was greatly improved to 0.9V. These results show that the titanium dioxide layer plays an important role in improving the internal potential by being inserted into the back contact (ZnO/FTO).

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 광응답 특성을 개략적으로 도시하는 도면이다.19 is a diagram schematically showing a photoresponse characteristic of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

다양한 파장의 빛에 대한 과도 응답을 통해 광전자소자의 특성을 파악할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화티타늄층을 포함하는 광전자소자 및 종래의 광전자소자에 대한 스펙트럼 특성을 관찰하였다. 도 19에는 50mV/s의 포지티브 스캔 속도로 410nm 파장의 펄스 조명 하에서의 I-V 플롯을 도시하였다. 도 19를 참조하면 광전지소자의 암전류 및 광전압과 같은 성능에 이산화티타늄층이 미치는 영향을 확인할 수 있다.The characteristics of optoelectronic devices can be grasped through transient responses to light of various wavelengths. Spectral characteristics of an optoelectronic device including a titanium dioxide layer and a conventional optoelectronic device according to an embodiment of the present invention were observed. 19 shows an I-V plot under pulsed illumination at a wavelength of 410 nm with a positive scan rate of 50 mV/s. Referring to FIG. 19, the effect of the titanium dioxide layer on the performance of the photovoltaic device such as dark current and photovoltage can be confirmed.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 과도응답에 대한 광전압을 개략적으로 도시하는 도면이다.20 is a diagram schematically showing a photovoltaic voltage for a transient response of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화티타늄층을 포함하는 광전자소자 및 종래의 광전자소자의 광전압의 과도응답 프로파일을 도시한다. 도 20을 참조하면 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자에서 광전압이 향상되었으며 연장된 감쇠 특성을 확인할 수 있다. 광전압 감쇠 프로파일 및

Figure 112019059528216-pat00009
의 관계식에 기초하여 소수캐리어 수명(τ)을 도출할 수 있다. 여기서
Figure 112019059528216-pat00010
는 열 전압(Thermal Voltage, 약 25.85mV)이고
Figure 112019059528216-pat00011
는 도 20에서 파선으로 강조 표시된 감쇠 프로파일의 기울기이다.20 is a diagram illustrating a photovoltaic transient response profile of an optoelectronic device including a titanium dioxide layer and a conventional optoelectronic device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 20, in the photovoltaic device including the titanium dioxide layer, the photovoltaic voltage is improved and extended attenuation characteristics can be confirmed. Photovoltage attenuation profile and
Figure 112019059528216-pat00009
The minority carrier lifetime (τ) can be derived based on the relation of. here
Figure 112019059528216-pat00010
Is the thermal voltage (about 25.85mV) and
Figure 112019059528216-pat00011
Is the slope of the attenuation profile highlighted by a broken line in FIG. 20.

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 파장에 따른 광전압을 개략적으로 도시하는 도면이다.21 is a diagram schematically illustrating a photovoltaic voltage according to a wavelength of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 21에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자 및 종래의 광전지소자의 파장에 따른 광전압을 도시한다. 도 21을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자는 320nm에서 최대 700nm의 파장에 대해 광전압을 나타낸다. 이와 같은 광대역 광응답은 ZnO/NiO 헤테로구조에서 밴드-밴드, 엑시톤 및 밴드 내 여기를 포함한 다양한 광전 공정이 일어남을 보여 준다. 또한 도 21을 참조하면 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자의 스펙트럼 범위가 종래의 광전지소자에 비해 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.21 illustrates a photovoltaic device including a titanium dioxide layer according to an embodiment of the present invention and a photovoltaic voltage according to a wavelength of a conventional photovoltaic device. Referring to FIG. 21, a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention exhibits a photovoltaic voltage for a wavelength ranging from 320 nm to 700 nm. This broadband photoresponse shows that in the ZnO/NiO heterostructure, various photoelectric processes, including band-band, excitons, and in-band excitation, take place. Also, referring to FIG. 21, it can be seen that the spectral range of the photovoltaic device including the titanium dioxide layer is significantly improved compared to the conventional photovoltaic device.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 파장에 따른 입사 광전 변환 효율을 개략적으로 도시하는 도면이다.22 is a diagram schematically showing incident photoelectric conversion efficiency according to a wavelength of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 22에 도시된 입사 광전 변환 효율(IPCE)은 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자 및 포함하지 않는 광전지소자 성능에서 5% 이내의 오차를 보여 높은 일치도를 보인다. 390nm 파장의 광자에 대한 약 72%의 IPCE 값이 엑시톤 형성에 해당하고, 가시광 파장의 광자에 대한 2% 이내의 IPCE 값이 밴드 내 여기에 해당 함을 알 수 있다.The incident photoelectric conversion efficiency (IPCE) shown in FIG. 22 shows an error of less than 5% in the performance of a photovoltaic device including a titanium dioxide layer and a photovoltaic device not including the titanium dioxide layer, showing high degree of agreement. It can be seen that an IPCE value of about 72% for a photon at a wavelength of 390 nm corresponds to exciton formation, and an IPCE value within 2% for a photon at a visible wavelength corresponds to excitation in the band.

도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 파장에 따른 소수캐리어 수명을 개략적으로 도시하는 도면이다.23 is a diagram schematically showing a minority carrier lifetime according to a wavelength of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자에서는 다양한 파장의 빛이 서로 다른 위치에서 장치 내에서 흡수되고, 이로 인해 다양한 에너지를 갖는 자유 전하를 발생시킨다. 특히 n-산화금속층(ZnO)에서 다양한 에너지를 갖는 소수캐리어인 정공은 다양한 수명을 가지게 된다. 도 23을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 소수캐리어의 수명은 파장에 따라 0.2ms에서 22ms까지 다양하게 나타난다. 이 때, 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자에서는 모든 파장에서 종래의 광전지소자에 비해 소수캐리어의 수명이 2 배로 향상되었다. 이와 같은 결과는 본 발명의 일 실시예에 따라 이산화티타늄층을 포함하는 광전지소자는 320nm에서 750nm까지의 광대역 파장에서 우수한 성능을 보임을 나타낸다.In the photovoltaic device according to an embodiment of the present invention, light of various wavelengths is absorbed in the device at different locations, thereby generating free charges having various energies. In particular, holes, which are minority carriers having various energies in the n-metal oxide layer (ZnO), have various lifetimes. Referring to FIG. 23, the lifespan of the minority carrier of the photovoltaic device according to an embodiment of the present invention varies from 0.2 ms to 22 ms depending on the wavelength. At this time, in the photovoltaic device including the titanium dioxide layer, the lifespan of the minority carrier was doubled compared to the conventional photovoltaic device at all wavelengths. These results indicate that a photovoltaic device including a titanium dioxide layer according to an embodiment of the present invention exhibits excellent performance at a broadband wavelength ranging from 320 nm to 750 nm.

도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지소자의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시하는 도면이다.24 is a diagram schematically showing an energy band diagram of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

도 24에 도시된 바와 같이 광전지소자에 이산화티타늄층을 삽입함으로써 후면 전계(Back Surface Field, BSF)를 형성할 수 있고, 이는 캐리어 수명을 향상시키는 중요한 역할을 하므로, 캐리어의 확산 길이를 향상시키게 된다.As shown in FIG. 24, by inserting a titanium dioxide layer into the photovoltaic device, a back surface field (BSF) can be formed, which plays an important role in improving the carrier life, thus improving the diffusion length of the carrier. .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 산화물로 구성된 광전지소자를 제조함으로써 낮은 가격으로 광전소자를 제조할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by manufacturing a photovoltaic device composed of a metal oxide, an effect of manufacturing a photoelectric device at a low price may be exhibited.

본 발명의 일 실시예에 따르면 광전지소자의 투명도를 유지하면서도 광전지소자의 성능을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to exhibit an effect of improving the performance of a photovoltaic device while maintaining the transparency of the photovoltaic device.

본 발명의 일 실시예에 따르면 이산화티타늄층이 후면 전계를 형성하여 광전지소자에서의 캐리어수명을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the titanium dioxide layer forms a rear electric field, thereby improving carrier life in a photovoltaic device.

본 발명의 일 실시예에 따르면 이산화티타늄층을 포함하여 광전지소자의 암전류를 억제하고 높은 전력 변환 효율을 보이는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to exhibit an effect of suppressing a dark current of a photovoltaic device including a titanium dioxide layer and exhibiting high power conversion efficiency.

본 발명의 일 실시예에 따르면 광전지소자의 광전압, 신호 대 잡음비 및 감광도를 높이는 효과를 발휘할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to increase the photovoltaic voltage, signal-to-noise ratio, and photosensitivity of a photovoltaic device.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 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.The description of the presented embodiments is provided to enable any person skilled in the art to use or implement the present invention. Various modifications to these embodiments will be apparent to those of ordinary skill in the art, and the general principles defined herein can be applied to other embodiments without departing from the scope of the present invention. Thus, the present invention is not to be limited to the embodiments presented herein, but is to be construed in the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.

Claims (7)

광전지소자로서,
기판;
상기 기판 위의 TCO층;
상기 TCO층 위의 이산화티타늄층;
상기 이산화티타늄층 위의 n-산화금속층;
상기 n-산화금속층 위의 p-산화금속층; 및
상기 p-산화금속층 위의 상부전극층; 을 포함하고,
상기 이산화티타늄층 및 상기 n-산화금속층은 n-n 동형 헤테로 구조를 형성하고,
상기 n-산화금속층 및 p-산화금속층은 헤테로 구조를 형성하고,
상기 광전지소자는,
500nm 내지 900nm 파장의 빛에 대해 40% 이상의 투과율을 갖는, 투명 광전지소자.
As a photovoltaic device,
Board;
A TCO layer on the substrate;
A titanium dioxide layer over the TCO layer;
An n-metal oxide layer over the titanium dioxide layer;
A p-metal oxide layer on the n-metal oxide layer; And
An upper electrode layer over the p-metal oxide layer; Including,
The titanium dioxide layer and the n-metal oxide layer form an nn homogeneous hetero structure,
The n-metal oxide layer and p-metal oxide layer form a heterostructure,
The photovoltaic device,
A transparent photovoltaic device having a transmittance of 40% or more for light having a wavelength of 500 nm to 900 nm.
 청구항 1에 있어서,
상기 이산화티타늄층은,
상기 광전지소자에 후면전계(Back Surface Field)를 제공하는, 투명 광전지소자.
The method according to claim 1,
The titanium dioxide layer,
A transparent photovoltaic device that provides a back surface field to the photovoltaic device.
 청구항 1에 있어서,
상기 이산화티타늄층은 5 내지 20nm의 두께를 갖고,
상기 n-산화금속층은 100 내지 1000nm의 두께를 갖고,
상기 p-산화금속층은 50 내지 500nm의 두께를 갖는, 투명 광전지소자.
The method according to claim 1,
The titanium dioxide layer has a thickness of 5 to 20 nm,
The n-metal oxide layer has a thickness of 100 to 1000 nm,
The p-metal oxide layer has a thickness of 50 to 500 nm, a transparent photovoltaic device.
 청구항 1에 있어서,
상기 상부전극층은,
은나노와이어(AgNWs)를 스핀코팅 하여 생성되는, 투명 광전지소자.
The method according to claim 1,
The upper electrode layer,
A transparent photovoltaic device produced by spin coating silver nanowires (AgNWs).
 청구항 1에 있어서,
상기 이산화티타늄층은,
리액티브 DC스퍼터링을 수행하여 티타늄 타겟을 증착 시켜 생성되는, 투명 광전지소자.
The method according to claim 1,
The titanium dioxide layer,
A transparent photovoltaic device produced by depositing a titanium target by performing reactive DC sputtering.
 청구항 1에 있어서,
상기 n-산화금속층은 산화아연(ZnO)을 포함하고,
상기 p-산화금속층은 산화니켈(NiO)을 포함하는, 투명 광전지소자.
The method according to claim 1,
The n-metal oxide layer includes zinc oxide (ZnO),
The p-metal oxide layer comprises nickel oxide (NiO), a transparent photovoltaic device.
 청구항 6에 있어서,
상기 n-산화금속층은,
RF스퍼터링을 수행하여 산화아연(ZnO) 타겟을 증착 시켜 생성되고,
상기 p-산화금속층은,
리액티브 DC스퍼터링을 수행하여 니켈(Ni) 타겟을 증착 시켜 생성되는, 투명 광전지소자.
The method of claim 6,
The n-metal oxide layer,
It is generated by performing RF sputtering to deposit a zinc oxide (ZnO) target,
The p-metal oxide layer,
A transparent photovoltaic device produced by depositing a nickel (Ni) target by performing reactive DC sputtering.
KR1020190068753A 2019-06-11 2019-06-11 Transparent Photovoltaic Device Comprising Titanium Oxide Layer KR102159655B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190068753A KR102159655B1 (en) 2019-06-11 2019-06-11 Transparent Photovoltaic Device Comprising Titanium Oxide Layer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190068753A KR102159655B1 (en) 2019-06-11 2019-06-11 Transparent Photovoltaic Device Comprising Titanium Oxide Layer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102159655B1 true KR102159655B1 (en) 2020-09-24

Family

ID=72706458

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190068753A KR102159655B1 (en) 2019-06-11 2019-06-11 Transparent Photovoltaic Device Comprising Titanium Oxide Layer

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102159655B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230060263A (en) * 2021-10-27 2023-05-04 인천대학교 산학협력단 A Transparent photovoltaic memory for neuromorphic device and their manufacturing methods
KR20230060262A (en) * 2021-10-27 2023-05-04 인천대학교 산학협력단 Transparent solar cells with adjusted thickness of light transmission layer and their manufacturing methods
KR20230063656A (en) * 2021-11-02 2023-05-09 주식회사 솔라라이트 Artificial skin with thermoreceptor function and nociceptor memory properties and their manufacturing methods

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101503557B1 (en) * 2007-09-25 2015-03-17 퍼스트 솔라, 인코포레이티드 Photovoltaic devices including an interfacial layer
KR20180096872A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 재단법인대구경북과학기술원 Composition for light absorbing layer, solar cell comprising the same and its manufacturing method
KR101935840B1 (en) * 2017-12-29 2019-01-07 인천대학교 산학협력단 Photoelectric Element and Method for fabricating the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101503557B1 (en) * 2007-09-25 2015-03-17 퍼스트 솔라, 인코포레이티드 Photovoltaic devices including an interfacial layer
KR20180096872A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 재단법인대구경북과학기술원 Composition for light absorbing layer, solar cell comprising the same and its manufacturing method
KR101935840B1 (en) * 2017-12-29 2019-01-07 인천대학교 산학협력단 Photoelectric Element and Method for fabricating the same

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R
uhle, S.; Anderson, A. Y.; Barad, H. N.; Kupfer, B.; Bouhadana, Y.; Rosh-Hodesh, E.; Zaban, A. All-Oxide Photovoltaics. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3 (24), 3755-3764.
Yu, X.; Marks, T. J.; Facchetti, A. Metal Oxides for Optoelectronic Applications. Nat. Mater. 2016, 15 (4), 383-396.

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230060263A (en) * 2021-10-27 2023-05-04 인천대학교 산학협력단 A Transparent photovoltaic memory for neuromorphic device and their manufacturing methods
KR20230060262A (en) * 2021-10-27 2023-05-04 인천대학교 산학협력단 Transparent solar cells with adjusted thickness of light transmission layer and their manufacturing methods
KR102567699B1 (en) * 2021-10-27 2023-08-16 인천대학교 산학협력단 A Transparent photovoltaic memory for neuromorphic device and their manufacturing methods
KR102634851B1 (en) * 2021-10-27 2024-02-06 인천대학교 산학협력단 Transparent solar cells with adjusted thickness of light transmission layer and their manufacturing methods
KR20230063656A (en) * 2021-11-02 2023-05-09 주식회사 솔라라이트 Artificial skin with thermoreceptor function and nociceptor memory properties and their manufacturing methods
KR102642414B1 (en) 2021-11-02 2024-02-29 주식회사 솔라라이트 Artificial skin with thermoreceptor function and nociceptor memory properties and their manufacturing methods

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hu et al. Atomic layer deposition of TiO2 for a high-efficiency hole-blocking layer in hole-conductor-free perovskite solar cells processed in ambient air
Jeong et al. Evaluation of external quantum efficiency of a 12.35% tandem solar cell comprising dye-sensitized and CIGS solar cells
KR102159655B1 (en) Transparent Photovoltaic Device Comprising Titanium Oxide Layer
Cavas et al. Preparation and characterization of dye sensitized solar cell based on nanostructured Fe2O3
Jiang et al. Efficient hole-conductor-free printable mesoscopic perovskite solar cells based on SnO2 compact layer
Kumar et al. Effect of TiO2 layer thickness of TiO2/NiO transparent photovoltaics
Wu et al. Improved performance of perovskite photodetectors based on a solution-processed CH3NH3PbI3/SnO2 heterojunction
Lin et al. Nanophotonic perovskite solar cell architecture with a three-dimensional TiO 2 nanodendrite scaffold for light trapping and electron collection
Zhao et al. A sintering-free, nanocrystalline tin oxide electron selective layer for organometal perovskite solar cells
Chiang et al. Bifacial transparent solid-state dye-sensitized solar cell with sputtered indium-tin-oxide counter electrode
Liu et al. Efficient All‐Perovskite Tandem Solar Cells with Low‐Optical‐Loss Carbazolyl Interconnecting Layers
Aftab et al. Quantum junction solar cells: Development and prospects
Wu et al. Sub-100° C solution processed amorphous titania nanowire thin films for high-performance perovskite solar cells
JP2008277422A (en) Laminated photoelectric converter
KR101906712B1 (en) Composition for light absorbing layer, solar cell comprising the same and its manufacturing method
Amaechi et al. Roselle Plant Pigments As Natural Photosensitizers For Dye Sensitized Solar Cells: the Effect of Tin Oxide Blocking Layer on the Photoelectric Properties.
Passoni et al. Multi-layered hierarchical nanostructures for transparent monolithic dye-sensitized solar cell architectures
Alabdan et al. Usage of CuO in dye-sensitized solar cells and CuO-based dyesensitized solar cells: A review
Chatterjee et al. Effect of Photoanodes on the Performance of Dye-Sensitized Solar Cells.
Magliano et al. Semitransparent Perovskite Solar Cells with Ultrathin Protective Buffer Layers
Patel et al. A study of the optical properties of wide bandgap oxides for a transparent photovoltaics platform
Semikina et al. ZnO thin films obtained by atomic layer deposition as a material for photovoltaics
KR102214979B1 (en) Photovoltaic Device with Cu-Cu2O Layer
Zheng et al. Enhancing the photocurrent response of cesium bismuth iodide perovskite using a CuO nanocones array as the hole collecting layer
KR102493413B1 (en) Transparent Solar Cells and Manufacturing Method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant