KR102169011B1 - 이산화티타늄 나노튜브를 갖는 태양전지 및 이를 이용한 수소 및 전기 발생장치 - Google Patents

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Abstract

TiO2 나노튜브를 갖는 태양전지 및 이를 이용한 수소 및 전기 발생장치를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양전지에 있어서, 반도체층, 상기 반도체층의 상부에 형성되는 전면전극, 상기 반도체층의 상부에 형성되고, 상기 반도체층이 식각되지 않도록 하는 식각정지층, 상기 반도체층의 하부에 형성되는 후면전극 및 상기 식각정지층 상에 형성되는 TiO2 나노튜브층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.

Description

이산화티타늄 나노튜브를 갖는 태양전지 및 이를 이용한 수소 및 전기 발생장치{Solar cell with Titanium Dioxide Nanotubes and Apparatus for Generating Hydrogen and Electricity Using the Same}
본 발명은 양극산화법에 의해 제조된 TiO2(또는, '이산화티타늄') 나노튜브를 갖는 태양전지 및 이를 이용한 수소 발생장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
도 1은 종래의 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
태양전지(100)는 반도체층(110)에 입사된 빛으로 전자와 정공의 pn 접합을 유도하여, 광 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 빛이 입사됨에 따라, 반도체층(110) 내부에서는 전자(Electron)와 정공(Hole)의 쌍이 생성되며, pn 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고, 정공은 p형 반도체로 이동한다.
태양전지(100)의 효율을 높이기 위해서는 반도체층(110)의 표면에서 반사되는 빛의 손실을 최소화하여, 활성층(미도시)으로 도달하는 광전자(Photon)의 수를 증가시키는 것이 매우 중요하다. 이에 따라, 반도체층(110)은 상면에 무반사 코팅층(Anti-reflective Coating, 미도시)을 포함함으로써, 종래의 태양전지(100)가 갖는 문제점을 극복할 수 있다.
여기서, 무반사 코팅층(미도시)은 반도체층(110) 표면에서 반사되는 빛을 현저히 감소시킬 수 있으며, 결과적으로, 태양전지(100)의 광전 효과를 증가시킨다.
최근들어, 무반사 코팅층(미도시)은 반도체층(110) 상에 증착된 Ti(또는, '타이타늄')을 양극산화하는 방법에 의해 제조될 수 있는데, Ti를 양극산화하여 무반사 코팅층(미도시)을 형성하는 과정에서 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다.
Ti가 산화되면서 반도체층(110)의 표면까지 식각되거나 손상될 수 있으며, 원치않는 반도체층(110)의 산화, 식각 또는 손상은 태양전지(100)의 효율 저하를 야기한다.
한편, 물을 분해시켜 수소 에너지를 제조하는 방법으로는, 물의 전기 분해를 이용한 방법, 탄화수소에 고온의 수증기를 반응시키는 증기 개질 방법 및 광촉매를 이용한 광화학적 방법 등이 있다.
물의 전기 분해를 이용한 수소 에너지 제조 방법은 물에 전기 에너지를 공급하여 수소와 산소로 분해시키는 방법이다. 이러한 방법은 전기에너지 공급을 위한 전력소비 및 생산비가 많이 들기 때문에, 경제성이 떨어진다.
증기 개질을 이용한 방법은 탄화수소를 수증기와 반응시켜 수소를 제조하는 방법으로써, 자원고갈이 예상되는 화석 연료에 의존하게 되므로, 그 사용이 제한적이며, 공정 과정 중에 발생되는 다량의 CO2는 환경오염을 유발시키는 원인이 된다.
마지막으로, 광촉매를 이용한 수소 제조 방법은 광촉매 전극에 빛을 조사했을 때, 발생하는 전자와 정공을 활용함으로써 수소와 산소를 제조하는 방법이나, 현재, 기초 연구 단계에 머물러 있기 때문에, 그 효율이 매우 떨어지는 단점이 있다.
따라서, 환경오염을 줄이고, 저가의 생산비로 보다 많은 양의 수소 에너지를 제조할 수 있는 방법을 모색해야 한다.
본 발명의 일 실시예는, TiO2 나노튜브를 안정적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 양극산화를 이용하여 TiO2 나노튜브를 갖는 태양전지를 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, TiO2 나노튜브를 갖는 태양전지를 이용하여 수소를 발생시키는 장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 태양전지에 있어서, 반도체층, 상기 반도체층의 상부에 형성되는 전면전극, 상기 반도체층의 상부에 형성되고, 상기 반도체층이 식각되지 않도록 하는 식각정지층, 상기 반도체층의 하부에 형성되는 후면전극 및 상기 식각정지층 상에 형성되는 TiO2 나노튜브층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 반도체층은, 3-5족 반도체 화합물, 실리콘(Si) 또는 CIGS 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 식각정지층은, 상기 반도체층 상에 BiVO4, SrTiO3 및 TiO2중 어느 하나를 증착시켜 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 TiO2 나노튜브층은, Ti 박막층을 양극산화하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 Ti 박막층은, 상기 식각정지층 상에 Ti를 증착시켜 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 반도체층을 준비하는 반도체층 준비과정, 상기 반도체층 상에 기 설정된 두께로 BiVO4, SrTiO3 및 TiO2중 어느 하나를 증착시키는 식각정지층 형성과정, 상기 식각정지층 상에 기 설정된 두께로 Ti를 증착시키는 Ti 박막층 형성과정 및 상기 Ti 박막층을 양극산화시켜, TiO2 나노튜브층을 형성시키는 TiO2 나노튜브층 형성과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 식각정지층 형성과정은, 전자 빔 증착방식 또는 스퍼터링 증착방식 중 어느 하나에 의해 상기 반도체층 상에 BiVO4, SrTiO3 및 TiO2중 어느 하나가 증착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 TiO2 나노튜브층 형성과정은, 상기 Ti 박막층을 갖는 태양전지를 전해액이 구비된 반응조에 침지시켜 양극산화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 TiO2 나노튜브층 형성과정은, 양극산화된 Ti 박막층을 기 설정된 시간 동안 기 설정된 온도로 열처리하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 내부에 빈 공간을 구비하는 반응조, 상기 반응조에 배치되어 있는 식각정지층을 포함하는 태양전지 및 복수 개의 와이어 형태의 백금이 서로 교차되어 망(網) 형태의 구조물로 구성되어, 상기 태양전지의 전극과 연결되어 있는 백금 망을 포함하는 것을 특징으로하는 수소 발생장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 반응조는, 전해액을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 백금 망은, 전극 도선에 의해 상기 태양전지와 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 태양전지는, 전자를 상기 백금 망으로 방출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 태양전지는, 정공을 전해액으로 방출하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 태양전지 표면에 식각정지층을 형성시킴으로써, TiO2 나노튜브를 안정적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 양극산화를 이용하여 제조된 TiO2 나노튜브를 갖는 태양전지에 의해, 태양전지의 표면에서 반사되는 빛의 반사량이 최소화됨으로써, 태양전지의 광전효과를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, TiO2 나노튜브를 갖는 태양전지를 백금(Pt)으로 제조된 망(網) 형태의 구조물과 연결시킴으로써, 전기 및 태양열 이외에도 수소를 생산할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각정지층이 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 박막층이 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 박막층을 양극산화하여 TiO2 나노튜브층을 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 박막층의 양극산화 시간에 대한 태양전지의 반사율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiO2 나노튜브층을 전자 현미경으로 확대한 사진을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생장치를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
태양전지(200)는 반도체층(210), 전면전극(220), 후면전극(225), 식각정지층(230) 및 TiO2 나노튜브층(240)을 포함한다.
태양전지(200)는 태양광의 광자(Photon)를 전기로 변환시키는 pn 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다.
보다 구체적으로 설명하면, 반도체층(210)은 n형 반도체층(212), p형 반도체층(214) 및 pn 접합층(216)을 포함한다.
n형 반도체층(210)은 빛에 의해 전자(Electron)를 생성한다. n형 반도체층(212)은 n형 물질로 도핑(Doping)된 3-5족 화합물 반도체로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 실리콘(Si) 및 CIGS(구리 인듐 갈륨 셀렌화물)와 같은 재질로 구성될 수도 있다.
p형 반도체층(214)은 빛에 의해 정공(Hole)을 생성한다. 마찬가지로, p형 반도체층(214)은 p형 물질로 도핑된 3-5족 화합물 반도체로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 실리콘(Si) 및 CIGS(구리 인듐 갈륨 셀렌화물)와 같은 재질로 구성될 수도 있다.
n형 반도체층(212) 및 p형 반도체층(214)에서 각각 전자 및 정공이 생성됨에 따라, pn 접합층(216)에서는 전기장이 발생한다. pn 접합층(216)에서 발생된 전기장에 의해, n형 반도체층(212)의 전자는 전면전극(220)으로 이동하게 되며, p형 반도체층(214)의 정공은 후면전극(225)으로 이동하게 된다. 이에 따라, 전면전극(220)과 후면전극(225) 사이에 전위치가 발생함으로써, 광전효과를 유도한다.
전면전극(220)은 n형 반도체층(212)의 상부면에 배치되며, n형 반도체층(212)으로부터 생성된 전자는 전면전극(220)으로 이동한다. 전면전극(220)의 상부에는 후술할 식각정지층(230) 및 TiO2 나노튜브층(240)이 형성되기 때문에, 전면전극(220)은 기 설정된 패턴을 갖는 형태로 구성될 수 있다. 전면전극(220)은 금속과 같은 도전성 물질로 구성될 수 있으며, 투명한 재질의 ITO 전극으로 구현될 수도 있다.
후면전극(225)은 p형 반도체층(214)의 하부면에 형성되며, p형 반도체층(214)에서 생성된 정공은 후면전극(225)으로 이동한다. 후면전극(225)은 p형 반도체층(214)과 밀착 접촉될 수 있는 판 형태의 구조로 구현될 수 있다. 후면전극(225)은 금속과 같은 도전성 물질로 구성될 수 있다.
TiO2 나노튜브층(240)이 Ti 박막층(미도시)의 양극산화에 의해 제조될 때, 식각정지층(230)은 양극산화 과정 상에서 반도체층(210)의 표면이 산화, 식각 또는 손상되지 않도록 반도체층(210)을 보호한다. 식각정지층(230)이 반도체층(210) 표면을 보호함에 따라, 태양전지(200)의 광전효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
식각정지층(230)은 BiVO4(비스무트 바나데이트), SrTiO3(스트론튬 티탄산염) 및 TiO2중 어느 하나로 구성될 수 있으며, BiVO4, SrTiO3 및 TiO2중 어느 하나의 물질은 반도체층(210)의 상면에 증착되어 형성된다. 식각정지층(230)이 형성되는 과정에 대해서는 도 3을 참조하여 후술하도록 한다.
TiO2 나노튜브층(240)은 태양전지(200) 표면에서 반사되는 빛의 반사율을 저감시키는 무반사 코팅층의 역할을 수행한다. TiO2 나노튜브층(240)은 식각정지층(230)의 표면에 Ti 박막층(미도시)을 증착시킨 후, 이를 양극산화시킴으로써 제조된다. 이와 같이, TiO2 나노튜브층(240)이 Ti 박막층(미도시)을 양극산화시켜 제조됨에 따라, Ti 박막층(미도시)에 굴곡이나 흠결이 있더라도 TiO2 나노튜브층(240)은 밀도 높게 형성될 수 있다. 이에 따라, 태양전지(200)의 반사율은 더욱 낮아지고, 광전효과는 증가하게 된다. TiO2 나노튜브층(240)이 제조되는 과정에 대해서는 도 4 내지 도 5를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각정지층이 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 3(a)는 식각정지층이 형성되는 과정을 도시한 단면도이며, 도 3(b)는 평면도이다.
식각정지층(230)을 반도체층(210)의 상면에 형성하기 위해, 반도체층(210)의 상면은 BOE(Buffered Oxide Etchant) 세정액에 의해 세정되며, 반도체층(210)에 남아 있는 BOE 세정액은 DI(Deionized) Water에 의해 제거된다. 세정이 완료되면, 반도체층(210)의 상면은 N2 가스에 의해 건조된다. 이로써, 반도체층(210)의 상면에 부착된 불순물 및 산화물이 제거될 수 있도록 한다. 반도체층(210)의 상면에 부착된 불순물 및 산화물은 시트르산(Critic Acid)을 포함하는 수용액에 침지됨에 따라 용해될 수도 있다.
불순물 및 산화물이 제거된 반도체층(210)의 상면에는 식각정지층(230)이 형성된다. 상술한 바와 같이, 식각정지층(230)은 BiVO4, SrTiO3 및 TiO2중 어느 하나로 구성될 수 있다. 식각정지층(230)을 형성하는 방법으로는 전자 빔(Electron Beam) 증착방식 또는 스퍼터링(Sputtering) 증착방식이 있으며, 식각정지층(230)은 둘 중 어느 하나의 방법에 의해 제조될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 전자 빔 방식은 이온화된 BiVO4, SrTiO3 및 TiO2중 어느 하나를 고진공 상태에서 반도체층(210) 표면으로 조사하는 방법이며, 스퍼터링 방식은 이온화된 BiVO4, SrTiO3 및 TiO2중 어느 하나를 진공상태에서 금속원과 같은 충돌체에 출동시킨 후, 튀어나온 입자를 반도체층(210)의 상면에 증착시키는 방법이다. 이때, 반도체층(210)의 상면에 형성된 식각정지층(230)의 두께는 약 100㎚ 내외로 구성될 수 있다.
후속 공정에서 식각정지층(230)의 상면에는 TiO2 나노튜브층(240)이 형성되는데, 상술한 바와 같이, TiO2 나노튜브층(240)은 Ti 박막층(미도시)을 양극산화시킴으로써 제조된다. Ti 박막층(미도시)이 양극산화되는 과정에서, Ti 박막층(미도시)의 하부에 위치한 반도체층(210)이 원치않게 식각되거나 손상될 수 있는데, 여기서, 식각정지층(230)은 양극산화에 의해 반도체층(210)이 산화, 식각 또는 손상되지 않도록 반도체층(210)을 보호하는 역할을 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 박막층이 형성되는 과정을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 박막층을 양극산화하여 TiO2 나노튜브층을 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4(a)는 Ti 박막층이 형성되는 과정을 도시한 단면도이고, 도 4(b)는 평면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, Ti 박막층(235)은 TiO2 나노튜브층(240)을 형성하기 위한 층으로서, 식각정지층(230)의 상면에 형성된다. Ti 박막층(235)은 전자 빔에 의해 식각정지층(230)의 상면에 Ti가 증착된 형태로 형성되며, 이때, Ti 박막층(235)의 두께는 약 500㎚ 내외로 구성될 수 있다.
도 5(a)는 Ti 박막층을 양극산화하여 TiO2 나노튜브층을 제조하는 과정을 도시한 단면도이고, 도 5(b)는 평면도이다.
도 5를 참조하면, TiO2 나노튜브층(240)은 Ti 박막층(235)이 양극산화됨에 따라 제조된다. Ti 박막층(235)이 양극산화되는 과정은 다음과 같다. Ti 박막층(235)을 갖는 태양전지(200)는 전해액을 구비한 반응조(미도시)에 침지되며, Ti 박막층(235)은 양(+)극과 연결된다. 양(+)극에 전류가 흐르게 되면, Ti 박막층(235)에서는 산화반응이 발생하며, 이에 따라, TiO2 나노튜브층(240)이 형성된다.
보다 구체적으로 설명하면, 농도 0.3M(Mole, 몰) 수준의 불화암모늄(NH4F), 0.1M 수준의 인산(H3PO4) 및 물(H2O)을 혼합한 1L의 에틸렌글리콜계 전해액이 제조되면, Ti 박막층(235)을 갖는 태양전지(200)는 약 250mL의 전해액이 구비된 반응조(미도시)에 태양전지(200)의 기판(미도시)이 약 1.5㎝ 정도 잠기도록 침지된다. 여기서, 반응조(미도시)는 유리 재질로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, PV, 아크릴 및 테프론 등의 재질로 구성될 수도 있다.
태양전지(200)가 적정 pH를 갖는 전해액이 담긴 반응조에 침지되면, 양(+)극에는 Ti 박막층(235)이 연결되고, 음(-)극에는 태양전지(200)의 기판(미도시)이 연결된다. 이때, 전극 간의 간격은 약 3㎝ 정도로 구성될 수 있으며, 유효 전류밀도를 고려하여 양(+)극의 길이는 음(-)극의 길이보다 길게 구성될 수 있다.
전극에 기 설정된 값의 전류가 인가되면, 양(+)극과 연결된 Ti 박막층(235)에서는 산화반응이 발생하며, 양극산화에 의해 Ti는 TiO2로 산화된다.
양극산화가 완료된 태양전지(200)는 DI Water를 이용하여 5~10분간 세정된 후, 건조된다. 그리고 태양전지(200)는 기 설정된 온도의 노(爐, Furance)에서 일정 시간 동안 열처리된 후, 상온에서 냉각된다. 이에 따라, 냉각이 완료된 태양전지(200)의 상부에는 TiO2 나노튜브층(240)이 형성된다.
Ti 박막층(235)이 양극산화되는 시간에 따라 태양전지(200) 표면에서 반사되는 태양광의 반사율은 상이한데, Ti 박막층(235)이 양극산화되는 시간이 길어질수록, TiO2 나노튜브층(240)은 더 넓은 범위의 태양광 스펙트럼을 무반사한다. 이에 대해서는 도 6을 참조하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 박막층의 양극산화 시간에 대한 태양전지의 반사율을 도시한 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, Ti 박막층(235)을 15분 정도 양극산화하였을 때, 800㎚의 파장대역을 갖는 태양광에 대한 태양전지(200)의 반사율은 약 25%를 나타낸다. Ti 박막층(235)이 양극산화되는 시간이 증가함에 따라 반사율은 감소하며, 특히, Ti 박막층(235)이 120분 정도 양극산화되어 TiO2 나노튜브층(240)이 제조됨에 따라, 태양전지(200)는 800㎚대의 파장대역을 갖는 태양광을 거의 반사시키지 않는다.
한편, Ti 박막층(235)이 양극산화되는 시간이 길어짐에 따라, Ti 박막층(235)의 하부에 위치한 반도체층(210) 표면에 가해지는 손상은 더욱 증가할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지(200)는 반도체층(210)의 상면에 식각정지층(230)을 포함함으로써, Ti 박막층(235)이 양극산화되는 시간이 길어져도, 반도체층(210)의 표면이 산화, 식각 또는 손상되는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 이는, 태양전지(200)의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
다시, 도 5를 참조하면, 배경기술에서 언급했듯이, TiO2 나노튜브층(240)은 태양전지(200)로 입사되는 태양광의 반사율을 저하시키는 무반사 코팅층과 같은 역할을 수행한다. TiO2 나노튜브층(240)의 하부에는 TiO2로 구성된 식각정지층(230)이 형성될 수 있는데, TiO2 나노튜브층(240)과 식각정지층(230)이 동일한 재질로 구성됨에 따라, 태양광의 반사를 방지하는 TiO2 나노튜브층(240)의 표면적이 증가된다. TiO2 나노튜브층(240)의 표면적 증가는 태양광이 반사되는 것을 더욱 효과적으로 방지하며, 태양전지(200)의 효율을 증대시킨다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiO2 나노튜브층을 전자 현미경으로 확대한 사진을 도시한 도면이다.
도 7(a)는 TiO2 나노튜브층(240)의 단면을 도시한 도면이고, 도 7(b)는 TiO2 나노튜브층(240)의 상면을 도시한 도면이다. TiO2 나노튜브층(240)은 기공이 형성된 불완전한 구(球) 모양으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 외부 환경 조건 또는 양극산화 시의 시험 조건 등에 따라 TiO2 나노튜브층(240)의 형태는 달라질 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생장치를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 수소 발생장치(800)는 태양전지(200), 백금 망(810), 전극 도선(820), 반응조(830) 및 전해액(835)을 포함한다.
태양전지(200)는 태양광의 입사에 의해 pn 접합면을 갖는 반도체층(210)내에서 전자와 정공의 이동이 발생하게 되며, 이에 따라, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 태양전지(200)는 태양광에 의해 발열되어 온도가 상승하는데, 이때 발생하는 열을 이용하여 열 에너지로도 사용할 수 있다. 이와 같이, 태양전지(200)는 전기 에너지뿐만 아니라 열 에너지를 생산할 수 있으며, 나아가, 별도의 장치와 결합시켜 수소 에너지를 생산하도록 구현될 수 있다.
태양전지(200)는 산화 및 환원 반응을 촉진시키는 촉매제의 성질을 갖는 백금 망(810)과 결합됨으로써 수소를 발생시킬 수 있다. 태양전지(200)는 전극 도선(820)에 의해 백금 망(810)과 연결된 채로 반응조(830) 내의 전해액(835)에 침지된다. 이때, 전해액(835)은 물(H2O)을 포함한다.
태양전지(200)가 광을 입사시켜 흡수함으로써 반도체층(210)에서는 전자(e-)와 정공(h+)이 생성되며, 전자(e-)는 백금 망(810)으로 이동하고, 정공(h+)은 전해액(835)으로 이동한다. 정공(h+)은 전해액(835)의 물(H2O)과 반응하여 산화됨으로써, 다음과 같이, 산소를 발생시킨다.
2H2O(l) + 4h+ → 4H+(ion) + O2(g)
이와 동시에, 수소이온(H+)은 광전극에서 전해액(835)을 거쳐 백금 망(810)의 음극으로 이동하며, 광흡수에 의해 백금 망(810)으로 이동한 전자(e-)는 백금 망(810)의 음극 표면에서 반응하여 환원됨으로써, 다음과 같이, 수소를 발생시킨다.
4H+(ion) + 4e- → 2H2(g)
백금 망(810)은 태양전지(200)와 결합되어 수소를 환원시킨다. 상술한 바와 같이, 백금 망(810)으로 이동된 전자(e-)에 의해 전해액(835) 내의 수소이온(H+)이 환원됨으로써, 수소가스(H2)가 발생한다. 백금 망(810)은 복수 개의 와이어 형태의 백금(pt)이 서로 교차되는 그물(Net) 형태의 구조로 구현될 수 있는데, 이는, 백금 망(810)의 기공률을 증가시켜 전해액(835)이 백금 망(810)을 잘 통과할 수 있도록 함으로써 환원 반응을 촉진시키는 효과가 있다.
전극 도선(820)은 태양전지(200)의 양(+)극과 백금 망(810)의 음(-)극을 연결시키며, 산화 및 환원 반응에 의해 발생하는 가스에 의한 손상을 방지하기 위해, 고무 또는 테프론으로 코팅되어 있는 재질로 구성될 수 있다.
반응조(830)는 전해액(835)을 포함하고 있으며, 수소 발생장치(800)의 산화 및 환원 반응이 일어나는 공간이다. 반응조(830)는 투명한 성질을 갖는 유리 또는 플라스틱의 재질로 구성될 수 있다.
전해액(835)은 전해질이 물(H2O)에 녹아 이온(Ion) 형태로 쪼개져 전류가 흐르는 액체상태의 물질로서, 태양전지(200)에서 빠져나간 전자(e-)의 빈공간은 전해액(835) 내의 전해질 이온에 의해 보충된다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 종래의 태양전지
110: 반도체층
120: 전면전극
125: 후면전극
200: 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지
210: 반도체층
212: n형 반도체층
214: p형 반도체층
216: pn 접합층
220: 전면전극
225: 후면전극
230: 식각정지층
240: TiO2 나노튜브층
800: 수소 발생장치
810: 백금 망
820: 전극 도선
830: 반응조
835: 전해액

Claims (14)

  1. 태양전지에 있어서,
    반도체층;
    상기 반도체층의 상부에 형성되는 전면전극;
    상기 반도체층의 상부 내 상기 전면전극이 형성된 이외의 부분에 형성되어, 상기 반도체층이 식각되지 않도록 하는 식각정지층;
    상기 반도체층의 하부에 형성되는 후면전극; 및
    상기 식각정지층 상에 형성되어, 태양전지로 입사하는 태양광의 반사율을 저하시키는 TiO2 나노튜브층을 포함하며,
    상기 TiO2 나노튜브층은 상기 식각 정지층 상에 형성되는 Ti 박막층이 양극 산화되어 형성되며,
    상기 식각 정지층은 상기 TiO2 나노튜브층과 동일한 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층은,
    3-5족 반도체 화합물, 실리콘(Si) 또는 CIGS 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 TiO2 나노튜브층은,
    Ti 박막층을 양극산화하여 제조하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 Ti 박막층은,
    상기 식각정지층 상에 Ti를 증착시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 내부에 빈 공간을 구비하는 반응조;
    제1항, 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항의 태양전지; 및
    복수 개의 와이어 형태의 백금이 서로 교차되어 망(網) 형태의 구조물로 구성되어, 상기 태양전지의 전극과 연결되어 있는 백금 망
    을 포함하는 것을 특징으로하는 수소 발생장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반응조는,
    전해액을 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 백금 망은,
    전극 도선에 의해 상기 태양전지와 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 태양전지는,
    전자를 상기 백금 망으로 방출하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 태양전지는,
    정공을 전해액으로 방출하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
KR1020180171332A 2018-12-27 2018-12-27 이산화티타늄 나노튜브를 갖는 태양전지 및 이를 이용한 수소 및 전기 발생장치 KR102169011B1 (ko)

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