KR102280224B1 - 열전 게이트 태양전지 - Google Patents

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Abstract

열전 게이트 태양전지를 제공한다. 본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지는 기판(10), 상기 기판(10) 상에 형성되는 열전 소자(20), 상기 열전 소자(20) 상에 형성되는 광흡수층(30), 상기 광흡수층(30) 상에 형성되며, 상기 광흡수층(30)과 P-N 접합을 형성하는 버퍼층(40), 상기 버퍼층(40) 상에 형성되는 제1 전극층(50) 및 상기 열전 소자(20)와 상기 광흡수층(30) 사이에 형성되며, 다수의 관통 기둥(61a, 61b, 61c)을 갖는 제2 전극층(60)을 포함할 수 있다.

Description

열전 게이트 태양전지{Thermoelectric-Gated Solar Cells}
본 출원은 열전소자와 태양전지를 결합하여 태양전지의 광전류추출을 향상 시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
박막태양전지 기술은 실리콘 태양전지기술 대비 제조공정이 용이하여 발전단가를 낮출 수 있는 차세대 에너지 기술로서 활발히 연구되고 있다.
이 중, P-N 접합형 박막태양전지의 경우 P-N 접합면에 형성된 확산전위구배(built-in potential)에 의하여 광전하(photocarrier)의 추출이 이루어진다. 추출에 있어, 반도체 내의 다수 캐리어(majority carrier)들은 이러한 전위구배 및 확산(diffusion)에 의한 추출이 용이한 반면 소수 캐리어(minority carrier)들은 확산전위구배영역에 재결합(recombination) 손실 없이 도달하여야만 추출이 가능하다. 하지만 일반적으로 다결정질 반도체 박막의 소수 캐리어 확산거리(diffusion length)는 매우 짧기 때문에, P-N 접합면과 멀어질수록 소수 캐리어의 추출이 힘들어져 광발전 효율 손실을 유발하게 된다. 특히 침투 깊이(penetration depth)가 깊은 근적외선(near-infrared > 700 nm wavelength) 영역의 빛은 P-N 접합면과 멀리 떨어진 지점에서도 흡수되어 광전하를 형성하게 되는데, 이렇게 형성된 소수 캐리어들은 P-N 접합면으로 이동하는 과정에서 재결합으로 손실될 가능성이 높다. 따라서 박막 태양전지의 근적외선 영역에서의 발전효율은 실리콘 태양전지와 비교하여 현저히 떨어지는 문제점을 가지고 있었다.
이를 해결하기 위해, 광흡수층의 결함(defect) 및 전하농도(carrier concentration) 조절을 통해 소수 캐리어의 확산거리를 증가시키는 연구가 진행되어 왔다. 더불어 P-N 접합면과 멀리 떨어진 지점에서도 소수 캐리어가 재결합 손실되지 않고 추출되도록 하기 위하여, 전위구배를 통해 추출을 유도할 수 있는 후면전계(back surface field) 형성 기술도 활발히 연구되고 있는 실정이다.
제시된 광전류추출 향상 기술들은 광흡수층 자체의 특성을 개선하는 접근법으로서 의미가 있지만, 광흡수층의 특성이 태양전지 성능에 직접적 영향을 주는 만큼 다양한 광전기적 요소들을 고려해야 하는 복잡한 방식이어서 한계점이 존재하였다.
한국등록특허 제10-1418321호는 열전 태양전지 복합모듈을 제시하나, 이는 태양전지와 열전소자의 단순적층으로 태양전지를 통과한 적외선이 열전소자에서 독립적인 발전을 이룰 수 있는 구조를 제시한다. 하지만, 일반적으로 mW/cm2의 발전량을 갖는 태양전지에 비해 열전소자의 발전량은 μW/cm2 수준이므로 열전소자로 인한 발전 이득은 매우 적다.
한국등록특허 제10-1039208호는 태양전지-열전소자 통합 모듈에 관한 것으로, 태양전지와 열전소자를 병렬로 연결하여 광전류의 이득을 얻기 위한 구조를 제시한다. 태양전지와 열전소자를 병렬로 배열하는 경우 두 소자 중 발전 전압이 작은 쪽에 맞춰지기 때문에, 전압 손실을 최소화하기 위해서는 열전소자의 발전 전압을 태양전지의 발전 전압과 비슷하게 유지해야 한다. 이를 위해, 약 수천개의 열전소자쌍(P-N pair)을 직렬연결해야 하는데, 이는 저항을 매우 증가시켜 열전소자에 흐르는 전류를 μA/cm2 수준으로 제한하게 된다. 실리콘 태양전지 및 박막 태양전지의 광전류는 mA/cm2 수준이기 때문에 태양전지와 열전소자의 결합으로 인한 광전류 이득은 미미한 수준이다.
이렇듯, 선행기술에서는 추가된 열전소자의 독립적인 발전으로 인한 이득을 얻고자 하였으나, 이는 태양전지 자체의 성능을 높이지 못할 뿐만 아니라 열전소자로 인한 추가적 이득이 매우 작은 문제점이 있었다.
한국등록특허 제10-1418321호(2014.07.16.) 한국등록특허 제10-1039208호(2011.05.30.)
본 출원은 상기한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 보다 구체적으로 박막태양전지와 열전박막층의 결합을 통해 박막태양전지에서 문제가 되고 있는 근적외선 영역의 광발전효율 열화특성이 개선된 구조를 제안하고자 한다.
특히, 태양 에너지의 50% 가량을 차지하는 적외선 영역대의 에너지가 태양전지에서 활용되지 못했었던 종래 기술의 단점을 해결하기 위해, 광흡수층을 포함한 종래의 태양전지 구조를 그대로 유지하면서, 외부 전계 효과에 의해 태양전지 효율을 향상시키는 구조를 제안하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 출원의 일 실시예는, 기판(10), 상기 기판(10) 상에 형성되는 열전 소자(20), 상기 열전 소자(20) 상에 형성되는 광흡수층(30), 상기 광흡수층(30) 상에 형성되며, 상기 광흡수층(30)과 P-N 접합을 형성하는 버퍼층(40), 상기 버퍼층(40) 상에 형성되는 제1 전극층(50) 및 상기 열전 소자(20)와 상기 광흡수층(30) 사이에 형성되며, 다수의 관통 기둥(61a, 61b, 61c)을 갖는 제2 전극층(60)을 포함하는, 열전 게이트 태양전지를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 열전 소자(20)는, 상기 기판(10) 상에 형성되며 서로에 대해 소정 간격 이격되는 다수의 전극(21a, 21b)을 포함하는 제3 전극층(21), 상기 제3 전극층(21)의 다수의 전극(21a, 21b) 각각에 형성되는 반도체 기둥(22), 상기 반도체 기둥(22) 상에 형성되는 제4 전극층(23), 상기 제4 전극층(23) 상에 형성되는 제1 절연층(24), 상기 제1 절연층(24) 상에 형성되는 제5 전극층(25) 및 상기 제5 전극층(25) 상에 형성되는 제2 절연층(26)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반도체 기둥(22)은, P형 반도체 기둥(22a) 및 N형 반도체 기둥(22b)을 포함하며, 상기 P형 반도체 기둥(22a) 및 상기 N형 반도체 기둥(22b)은 서로에 대해 소정 간격 이격되면서 상기 제3 전극층(21) 상에 교차 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 전극층(21)에 포함된 다수의 전극(21a, 21b)은 서로에 대해 소정 간격 이격되면서 상기 기판(10) 상에 형성되며, 상기 제4 전극층(23)에 포함된 다수의 전극(23a, 23b)은 서로에 대해 소정 간격 이격되면서 상기 반도체 기둥(22) 상에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 전극층(21)에 포함된 다수의 전극(21a, 21b)과 상기 제4 전극층(23)에 포함된 다수의 전극(23a, 23b)은 좌우 방향으로 일부 중첩되면서 배열될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기판(10)과 상기 제1 절연층(24) 사이의 빈 공간에는 제3 절연층(27)이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극층(50)은 가시광선 및 적외선 영역대의 파장을 투과시키는 재질로 이루어지고, 상기 제 2 전극층(60)은 적외선 영역대의 파장을 투과시키는 재질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 전극층(21), 상기 제4 전극층(23) 및 상기 제5 전극층(25)은 적외선 영역대의 파장을 흡수하는 재질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다수의 관통 기둥(61a, 61b, 61c)은 격자 배열을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광흡수층(30)과 상기 버퍼층((40)은 각각 P형 반도체 또는 N형 반도체이되, 서로에 대해 반대 극성을 갖는 반도체일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다수의 관통 기둥(61a, 61b, 61c)의 형상은 원 기둥, 타원 기둥 및 다각 기둥을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다수의 관통 기둥(61a, 61b, 61c)의 직경은 10nm 내지 10μm이고, 상기 격자 배열에서 어느 하나의 격자와, 상기 어느 하나의 격자와 인접한 격자 사이의 간격은 10nm 내지 10μm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 절연층(24)의 열전도성은 상기 제2 절연층(26)의 열전도성보다 높을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 전극층(21) 상에 형성되는 상기 P형 반도체 기둥(22a) 및 상기 N형 반도체 기둥은(22b) PbTe, alkali-doped PbTe, Bi2Te3, AgSbSe2, AgSbTe2, AgPbxSbTex+18, SiGe, BiCuSe, Cu1 .8S, Cu2S, Cu2Se, Cu2Se:I, Cu2Se:Al, SnS, SnSe, PbS 및 PbSe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
상기한 본 출원은 종래의 박막태양전지의 제조 공정을 그대로 유지하면서도 열전소자로부터 가해지는 외부 전계 효과에 의해 박막태양전지의 광전기적 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 태양광의 50% 가량을 차지하나, 종래의 태양전지에서 이용되지 못하였던 적외선 영역대의 태양광까지도 발전에 이용하여 보다 효율적이다.
또한, 열전소자를 독립적인 발전원으로 이용하는 것이 아닌, 태양전지에 전계를 형성하는 용도로 사용하기 때문에, P-N 접합쌍 증가에 따른 직렬저항의 증가로 인해 전류가 감소함으로써 그만큼 발전량이 감소하는 문제점이 해결된다.
또한, 건물 외부에 설치되는 태양전지모듈의 특성상 태양광의 적외선 영역대의 파장으로 인한 온도 상승이 불가피한데, 이를 태양전지 광흡수층의 후면전계형성에 활용할 수 있어 비용 경제적이다.
또한, 기존 태양전지와 비교하였을 때, 적외선 영역대의 태양광까지 발전에 이용되어 최대 20%의 발전 효율 향상을 이룰 수 있다.
또한, 기존 태양전지에서 활용되지 않았던 적외선 영역대의 태양광까지 발전에 이용되어 온실효과가 감소되는 효과를 누릴 수 있다.
도 1은 종래의 박막 태양전지 구조를 설명하기 위한 도면으로서, 박막 태양전지 내의 파장별 침투 깊이를 보이는 도면이다.
도 2는 도 1의 박막 태양전지에 빛이 입사하였을 때의 에너지 밴드 구조를 보이는 도면이다.
도 3은 종래의 다른 박막 태양전지 구조를 설명하기 위한 도면으로서, 박막 태양전지 내의 파장별 침투 깊이를 보이는 도면이다.
도 4는 도 3의 박막 태양전지에 빛이 입사하였을 때의 에너지 밴드 구조를 보이는 도면이다.
도 5는 본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 6은 본 출원의 다른 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 7은 본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지의 제2 전극층을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 5의 열전 게이트 태양전지를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 5의 열전 게이트 태양전지에 빛이 입사하지 않았을 때의 에너지 밴드 구조를 보이는 도면이다.
도 10은 도 5의 열전 게이트 태양전지에 빛이 입사하였을 때의 에너지 밴드 구조를 보이는 도면이다.
도 11은 도 8의 열전 게이트 태양전지의 열전소자에 1쌍의 P형 반도체 기둥 및 N형 반도체 기둥을 포함하는 실시예를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 8의 열전 게이트 태양전지의 열전소자에 2쌍의 P형 반도체 기둥 및 N형 반도체 기둥을 포함하는 실시예를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 8의 열전 게이트 태양전지의 열전소자에 n쌍의 P형 반도체 기둥 및 N형 반도체 기둥을 포함하는 실시예를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지의 제2 전극층을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 열전 소자 상에 단일층의 Polystyrene 구형 입자를 형성한 모습을 나타낸 도면이다.
도 16은 도 15의 Polystyrene 구형 입자 및 이 위에 형성된 제2 전극층을 에칭하고 난 후 다수의 관통 기둥이 형성된 제2 전극층을 나타낸 도면이다.
도 17은 다양한 Polystyrene 구형 입자의 크기를 적용하였을 때 형성되는 제2 전극층을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1 내지 4를 참조하여 종래의 박막 태양전지를 구체적으로 설명한다.
도 1은 종래의 박막 태양전지 구조를 설명하기 위한 도면으로서, 박막 태양전지 내의 파장별 침투 깊이를 보이는 도면이고, 도 2는 도 1의 박막 태양전지에 빛이 입사하였을 때의 에너지 밴드 구조를 보이는 도면이며, 도 3은 종래의 다른 박막 태양전지 구조를 설명하기 위한 도면으로서, 박막 태양전지 내의 파장별 침투 깊이를 보이는 도면이고, 도 4는 도 3의 박막 태양전지에 빛이 입사하였을 때의 에너지 밴드 구조를 보이는 도면이다.
도 1의 박막 태양전지는 기판(1) 위에 후면전극(제2 전극층(2))을 증착하고, 제2 전극층(2) 위에 광흡수층(3) 및 버퍼층(4)을 성막하여 광흡수층(3)과 버퍼층(4)의 P-N 접합면(P-N junction)을 형성한 뒤, 전면전극(제1 전극층(5))을 증착하는 구조이다.
빛이 제1 전극층(5)부터 입사되는 전면 입사의 경우 제1 전극층(5)은 빛이 투과될 수 있도록 투명한 재질로 이루어질 수 있고, 빛이 제2 전극층(2)부터 입사되는 후면 입사의 경우 제2 전극층(2)은 빛이 투과될 수 있도록 투명한 재질로 이루어질 수 있다.
버퍼층(4)과 광흡수층(3)은 각각 P-N 혹은 N-P 구조의 junction을 이룰 수 있으며, 도 1에서는 광흡수층이 P형 반도체, 버퍼층이 N형 반도체로, 그리고 전면 입사의 경우로 상정하고 후술하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 가시광선은 적외선에 대비하여 물질 내 침투깊이가 짧아 광흡수층(3)과 버퍼층(4)의 P-N 접합면 부근에서 주로 흡수가 이루어진다. 이러한 광흡수에 의해 형성된 전자-정공 쌍(electron-hole pair)은 확산전위구배에 의하여 쉽게 분리되어 전자는 제1 전극층(5)으로 정공은 제2 전극층(2)으로 각각 추출이 가능하다.
반면, 물질 내 침투깊이가 깊은 적외선은 광흡수층(3)의 제2 전극층(2) 부근까지 도달하여 흡수될 수 있고, 이렇게 제2 전극층(2) 부근에서 형성된 전자-정공 쌍은 확산전위구배영역에 도달하기 전에 재결합 혹은 광흡수층(3) 내의 물질결함에 의해 손실될 가능성이 크다. 도 2는 도 1에 도시된 태양전지의 에너지 밴드 구조를 보여주는데, 제2 전극층(2) 부근에서 형성된 소수 캐리어(여기서는, 전자)가 확산전위구배영역에 도달하기 전에 손실되는 것을 보여준다. 따라서 전자 및 정공의 확산거리가 100-300
Figure 112019104475410-pat00001
수준으로 매우 큰 결정질 실리콘 태양전지와 대비하여, 박막 태양전지의 광발전 효율은 파장이 길어질수록 점점 떨어지는 문제를 보이고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 제2 전극층(2)에 강한 전계형성층(6)을 삽입하여 광전하 추출을 향상하는 연구가 시도되어 왔다. 예를 들어 전술한 P형 반도체 광흡수층(3)의 경우 제2 전극층(2)과 광흡수층(3) 사이에 강한 P도핑(P++)층을 삽입하면 후면전계 형성이 가능하다. 도 4는 도 3에 도시된 소자의 에너지 밴드 구조를 보여주는데, 후면전계형성에 의해 제2 전극층(2) 부근에서 형성된 광전자의 추출이 용이한 모습을 보여준다.
도 3 및 4에 도시된 후면전계형성기술은 삽입이 용이한 저온 공정 기반의 박막태양전지의 경우에는 적용이 가능할 수 있지만, 캘코지나이드 태양전지와 같은 고온 공정의 박막태양전지 제조공정에서는 전계형성층의 삽입이 박막의 결정성장 및 조성구배에 큰 영향을 주기 때문에 전계형성은 가능할 수 있으나 태양전지의 성능 자체를 열화시킬 수 있는 요소가 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 출원에서는 태양전지의 제조공정에 영향을 주지 않으면서도 후면전계형성이 가능한 기술을 제안한다.
도 5는 본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지는 기판(10), 열전소자(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40), 제1 전극층(50) 및 제2 전극층(60)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 열전소자(20)가 설치되는 베이스 부분으로, 단단한 재질의 기판 또는 유연성 재질의 기판이 사용될 수 있으며, 단단한 재질의 경우 유리 플레이트, 석영 플레이트, 실리콘 플레이트, 합성수지 플레이트, 금속 플레이트 등을 포함할 수 있으며, 유연성 재질의 경우 금속 또는 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 스테인리스강 또는 폴리이미드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
열전소자(20)는 양 말단에 온도 차가 형성되면, 그에 따라 전위 차가 발생하는 부분으로, 적외선 영역대의 태양광에 의해 본 발명의 광흡수층(30), 버퍼층(40) 및 제1 전극층(50)을 포함하는 태양전지에 전계를 인가하는 부분이다. 자세한 설명은 후술하기로 한다.
광흡수층(30)은 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하고, 전자와 정공을 각각 다른 전극으로 전달하여 전류를 흐르게 하는 역할을 수행한다. 광흡수층(30)은 전구체층을 형성한 후 이를 황화 또는 셀렌화 처리하여 형성될 수 있으며, 전구체층은 Cu, Zn, Sn, CuS, ZnS, SnS, ZnSe, SnSe, CuSSe, ZnSSe 및 SnSSe 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질이 스퍼터링법, 동시증발증착법, CVD법, 유기금속화학기상증착법, 근접승화법, 스프레이 피롤리시스, 화학 스프레이법, 스크린프린팅법, 비진공 액상성막법, CBD법, VTD법 및 전착법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
버퍼층(40)은 광흡수층(30)과 P-N junction을 형성하며, CdS, ZnS, Zn(O,S), 및 CdZnS으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질이 진공공정, 열 증착공정 및 화학적 용액 성장법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
제1 전극층(50)은 태양전지의 표면에서 전류 수집을 위한 기능을 수행하며, 일 예로 Mo, Cu, Al, Ni, W, Co, Ti 및 Au로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 재질로 형성될 수 있다.
제2 전극층(60)은 태양전지의 후면에서 전류 수집을 위한 기능을 수행하며, 제1 전극층(50)의 재질과 동일한 재질로 형성될 수 있다.
본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지는 기본적으로, 도 1에 전술된 박막 태양전지 구조와 유사하되, 기판(10)과 제2 전극층(60) 사이에 적층된 열전소자(20)를 더 포함하고, 제2 전극층(60)이 패터닝되어 있다는 점에서 차이를 보인다. 즉, 기판(10) 위에 열전소자(20)가 적층되고, 열전소자(20) 위에 태양전지가 적층된 구조이다.
도 6은 본 출원의 다른 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 5의 열전 게이트 태양전지의 반전된(inverted) 구조로서, 기판(10) 위에 태양전지를 적층하고, 태양전지 위에 열전소자(20)를 적층한 구조이다.
후술되는 열전 게이트 태양전지에서는, 도 5의 구조를 기반으로 설명하나, 같은 원리가 도 6의 구조에도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 도 7 내지 10을 참조하여 본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지를 보다 상세히 설명한다.
도 7은 본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지의 제2 전극층(60)을 설명하기 위한 도면으로서, (a) 사시도 (b) 평면도를 나타낸 도면이다.
제2 전극층(60)은 열전소자(20)와 광흡수층(30) 사이에 위치되는 부분이다. 종방향으로 관통 형성되는 다수의 관통 기둥(61; 61a, 61b, 61c)이 형성되며, 다수의 관통 기둥(61)은 일 예로 원 기둥일 수 있으나, 타원 기둥, 다각 기둥 중 어느 하나일 수도 있다.
관통 기둥(61)이 형성된 부분은 비어 있는 공간에 해당되는데, 광흡수층(30)은 관통 기둥(61) 상측뿐만 아니라, 관통 기둥(61)이 형성된 공간까지 형성된다.
다수의 관통 기둥(61)은 바둑판 모양의 격자 배열로 정렬될 수 있으며, 관통 기둥(61)의 직경은 10nm 내지 10μm일 수 있다. 또한, 상기 격자 배열에서 어느 하나의 격자를 이루는 관통 기둥(61a)과, 이에 인접하며 다른 하나의 격자를 이루는 관통 기둥(61b)의 간격은 10nm 내지 10μm일 수 있다. 또한, 제2 전극층(60)의 높이는 관통 구멍(61)으로 인한 면 저항(sheet resistance, Ohm/sq.)이 20 Ohm/sq.이 초과되지 않는 높이일 수 있다.
도 8을 참조하여 본 출원의 실시예에 따른 열전 게이트 태양전지의 열전소자(20)를 보다 상세히 설명한다. 도 8은 도 5의 열전 게이트 태양전지를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 열전소자(20)는 기판(10) 위에 적층되는 제3 전극층(21), 반도체 기둥(22), 제4 전극층(23), 제1 절연층(24), 제5 전극층(25), 제2 절연층(26) 및 제3 절연층(27)을 포함할 수 있다.
제3 전극층(21)은 기판(10) 위에 적층되는 층으로서, 다수의 전극(21a, 21b, 22c, 22d)으로 이루어질 수 있으며, 각각의 전극은 좌우 방향으로 소정 간격 이격되며 배치될 수 있다.
제3 전극층(21)의 양 말단에 위치한 전극(21a, 21d) 중 어느 하나의 전극(21a)은 접지되고, 다른 하나의 전극(21d)는 후술되는 제5 전극층(25)과 전기적으로 연결될 수 있다. 전기적 연결 방식으로 와이어 방식이 이용될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로가 전기적으로 연결될 수 있는 방식이면 어느 것이든 적용될 수 있다고 할 것이다. 제3 전극층(21)이 제5 전극층(25)과 전기적으로 연결됨에 따라, 열전소자(20)에 의해 형성된 전압이 제3 전극층(21)을 통해 태양전지 내에 전계를 인가할 수 있게 된다. 자세한 구동원리는 후술한다.
제3 전극층(21)의 전극(21a, 21b, 21c, 21d) 위에는 다수의 반도체 기둥(22)이 적층될 수 있다. 여기서, 반도체 기둥(22)은 P형 반도체 기둥(22a) 및 N형 반도체 기둥(22b)을 포함하며, P형 반도체 기둥(22a)와 N형 반도체 기둥(22b)이 좌우 방향으로 교차 배열되면서 전극(21a, 21b, 22c, 22d) 위에 적층될 수 있다.
여기서, 반도체 기둥(22)은 PbTe, alkali-doped PbTe, Bi2Te3, AgSbSe2, AgSbTe2, AgPbxSbTex+18, SiGe, BiCuSe, Cu1 .8S, Cu2S, Cu2Se, Cu2Se:I, Cu2Se:Al, SnS, SnSe, PbS 및 PbSe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 1쌍의 P형 반도체 기둥(22a)과 N형 반도체 기둥(22b)은 하나의 전극(22b) 상의 좌우 말단에 각각 위치될 수 있으며, 달리 말하면 제3 전극층(21)의 다수의 전극(21a, 21b, 22c, 22d) 상에는 1쌍의 P형 반도체 기둥(22a)과 N형 반도체 기둥(22b)만이 적층되는 것이 바람직하다.
반도체 기둥(22) 위에는 제4 전극층(23)이 적층될 수 있다. 제4 전극층(23) 역시 제3 전극층(21)과 마찬가지로 다수의 전극(23a, 23b, 23c)으로 이루어질 수 있으며, 각각의 전극은 좌우 방향으로 소정 간격 이격되며 배치될 수 있다.
제4 전극층(23)의 다수의 전극(23a, 23b, 23c)은 제3 전극층(21)의 다수의 전극(21a, 21b, 22c, 22d)과 교차 배열될 수 있으며, 보다 구체적으로 좌우 방향으로 일부만이 중첩되면서 교차 배열되는 구조를 가질 수 있다.
즉, 제4 전극층(23)의 전극(23a, 23b, 23c) 중 어느 하나의 전극(23a)과, 제3 전극층(21)의 전극(21a, 21b, 21c, 21d) 중 어느 하나의 전극(21b)과 N형 반도체 기둥(22b)만을 동시에 공유하며, 다른 P형 반도체 기둥(22a)은 동시에 공유하지 않도록 배치될 수 있는 것이다.
전술한 제3 전극층(21)의 전극(21a, 21b, 21c, 21d)은 좌우 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되고, 반도체 기둥(22) 또한 좌우 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되며, 제4 전극층(23)의 전극(23a, 23b, 23c) 역시 좌우 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는데, 서로 소정 간격 이격되어 배치된 곳은 빈 공간에 해당된다. 상기 빈 공간에는 제3 절연층(27)이 구비되어 각 구성 요소 간의 절연 기능을 담당하게 된다.
제4 전극층(23) 상에는 제1 절연층(24), 제5 전극층(25) 및 제2 절연층(26)이 순차 적층될 수 있다.
제3 전극층(21), 제4 전극층(23) 및 제5 전극층(25)은 제1 전극층(50) 및 제2 전극층(60)과 동일한 재질로 형성될 수 있다.
또한, 제1 절연층(24)은 제3 절연층(27)과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 제1 절연층(24)의 표면은 그 아래 반도체 기둥들로 인한 굴곡에 영향을 받지 않도록 평탄화 된 것이 바람직하다. 이는 제5 전극층(25) 및 그 위에 형성되는 태양전지가 안정적으로 구동되기 위함이다. 또한 제1 절연층(24)은 제4 전극층(23)에 의한 전계효과가 제5 전극층(25)에 영향을 주지 않기 위하여 유전율이 낮은 물질, 즉, SiO2 박막과 같은 산화물계열이나 유전율이 낮으면서도 스핀코팅이 용이한 폴리머 계열의 ABS(plastic), polyimide, polyamide, polycarbonate, polypropylene, polystyrene, 혹은 Teflon 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 더불어 전계효과를 방지하는 방안으로 제1 절연층(24)의 두께를 500 nm 이상으로 할 수 있다.
제1 절연층(24)과 제3 절연층(27)은 동일한 물질로 형성될 수 있으면서도, 제1 절연층(24)의 표면을 평탄화하기 위해서 스핀코팅 방식을 사용할 수 있다. 이때, 도포된 절연층이 그 아래에 위치한 P형 및 N형 및 반도체 기둥 사이를 채울뿐 아니라 제4 전극층(23) 상에 500 nm 이상의 충분한 두께가 형성될 수 있도록, 스핀코팅 용액의 농도, rpm, 그리고 코팅 시간이 정해질 수 있다.
도 8을 다시 참조하면, 개별 P형 반도체 기둥(22a) 및 N형 반도체 기둥(22b)의 쌍은 서로 직렬로 연결되어 있고, 양 말단 중 어느 하나는 접지되며, 다른 하나는 제5 전극층(25)과 전기적으로 연결된다. 도 8에는 3쌍의 P형 반도체 기둥(22a) 및 N형 반도체 기둥(22b)이 도시되나, 이에 제한되지 않고 3개 미만 또는 3개 초과의 개수를 가질 수 있음은 물론이다.
도 9는 도 5의 열전 게이트 태양전지에 빛이 입사하지 않았을 때의 에너지 밴드 구조를 보이는 도면이다. 도 5의 Line 1을 따라 전도대 최소값(Conduction band minimum, Ec)이 도시되어 있다.
열전 게이트 태양전지에 빛이 입사되지 않아, 열전소자에 의해 전계가 형성되지 않은 모습을 보여주고 있다.
도 10은 도 5의 열전 게이트 태양전지에 빛이 입사하였을 때의 에너지 밴드 구조를 보이는 도면이다.
통상적인 태양전지는 1100nm 이하의 파장의 빛을 흡수하여 광발전을 하게 된다. 가시광선에 해당하는 400~700nm 파장 영역의 빛은 주로 P-N 접합층 부근에서 흡수되고, 이렇게 형성된 광전하는 확산전위구배에 의해 추출된다.
반면, 근적외선에 해당하는 700~1100nm 파장 영역의 빛은 가시광선보다 침투깊이가 깊어, 박막 깊숙히 투과하기 때문에, P-N 접합층 주변뿐만 아니라 박막 안쪽 후면전극 부근에서도 광흡수가 이루어지는데, 이 때 후면전극 부근에서 생성된 광전하들은 상당부분이 확산전위구배영역에 도달하기 전 재결합 및 물질 결함으로 인해 손실되게 된다.
한편, 1100nm 이상의 단파장 적외선(short-wavelength infrared, SWR) 및 3000nm 이상의 중파장 적외선(middle-wavelength infrared, MWIR) 영역은 광흡수층 에너지 밴드갭보다 에너지가 작아 태양전지를 통과하여 본 출원의 열전 게이트 태양전지의 열전소자의 표면에 도달하게 된다. 이러한 SWR 및 MWIR은 도 8에 도시된 제5 전극층(25) 및 제1 절연층(24)에서 대부분 흡수되어 열전소자의 상면(윗면)의 온도를 상승시키게 된다(즉, 열전소자의 상면을 hot side로 만듦). 이 때, 열전소자의 상면과 하면의 온도차에 의해 열전 전압(VTE)이 형성되는데, 이로 인하여 제5 전극층(25)의 전기적 위치에너지는 빛이 입사하지 않았을 경우와 비교했을 때, qVTE만큼 높아지게 된다(도 10).
도 10에는 도 5의 Line 1을 따라 전도대 최소값(Conduction band minimum, Ec)이 도시되어 있다. 전술한 열전효과에 의해 제5 전극층(25)의 전기적 위치에너지(electronic potential)가 높아지는 경우, 관통 구멍(61)을 통과하는 전도대최소값(EC)도 동반 상승하게 되며, 이는 도 10에 도시된 바와 같이 제2 전극층(60) 부근에 전계를 형성하게 된다. 이렇게 후면 전계 형성으로 인해 장파장 영역에서 태양 전지 깊숙한 부분에서 광전하가 추출되더라도 열전소자의 표면에 위치한 전자의 에너지가 높아져 광흡수층 내의 전자의 추출이 용이해진다.
도 11 내지 13은 본 출원의 실시예에 따른 열전소자의 P-N 접합쌍이 각각 1개, 2개, n개일 때의 구조를 보여주는 도면이다. 전술한 바와 같이, 열전소자를 이용하여 독립적인 발전을 할 경우에는 P-N 접합쌍의 개수와 열전 발전량(power)이 단순 비례하지 않게 된다. 이는 P-N 접합쌍이 증가할수록 VTE는 증가하지만 직렬저항도 증가하여 그만큼 전류가 감소하기 때문이다.
반면, 본 출원의 실시예에 따른 열전소자는 독립적인 발전원으로 활용되지 않고 태양전지에 전계를 가하는 용도로 쓰이기 때문에, 열전소자 내의 전류수준과 상관없이 최대한 많은 VTE를 형성하는 것이 강한 전게 형성에 유리하게 된다.
따라서, 본 출원에서 제시하는 전계형성으로 인한 광전류 추출향상 효과를 얻기 위해서는 열전소자에 의해 형성되는 전계인 VTE가 최소 태양전지의 광흡수층 밴드W(EG)과 비슷한 수준을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 열전소자가 VTE≥EG의 조건을 만족하는 P-N 접합쌍의 개수를 가지는 것이 바람직하다.
이하에서는, 도 14 내지 17을 참조하여 제2 전극층(60)의 패턴을 제조하는 과정에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
제2 전극층(60)의 패턴은 콜로이달 리소그래피 혹은 포토리소그래피에 의해 형성될 수 있다.
도 14를 참조하여 콜로이달 리소그래피 공정을 상세히 설명한다. 도 14(b)와 같이 열전소자 상에 Langmuir-Blodgett 방식을 이용하여 단일층의 구형 입자(b)를 형성한다. 입자(b)의 재질은 실리카 혹은 polystyrene 입자일 수 있으며 표면에 기능성 리간드가 달려있을 수 있다. 입자(b)의 크기는 10nm 내지 10μm일 수 있다. 이후 단일층 입자(b) 상에 제2 전극층(60)을 증착한다. 이때 단일층 입자(b)는 일종의 마스크 역할을 하게 된다. 이후 단일층 입자(b) 및 그 위에 증착된 제2 전극층(60)을 화학적 에칭 혹은 물리적 탈착 방식으로 제거한다. 에칭방식은 polystyrene 입자의 경우에 이용될 수 있으며, polystyrene을 녹일 수 있고 제2 전극층(60)은 녹이지 않는 용매를 이용할 수 있다. 도 14(d)는 구형 입자(b)가 제거된 후 남겨진 제2 전극층(60)을 도식적으로 보여주며, 도 15 및 도 16은 각각 polystyrene 단일층 입자(b)를 활용한 ITO 전극 패턴 형성 예를 보여준다. 도 17은 polystyrene의 입자 크기에 따라 형성될 수 있는 다양한 크기의 ITO 관통 기둥(61)을 보여준다.
상기한 본 출원에 따르면, 종래의 박막태양전지의 제조 공정을 그대로 유지하면서도 열전소자로부터 가해지는 외부 전계 효과에 의해 박막태양전지의 광전기적 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 태양광의 50% 가량을 차지하나, 종래의 태양전지에서 이용되지 못하였던 적외선 영역대의 태양광까지도 발전에 이용하여 보다 효율적이다.
또한, 열전소자를 독립적인 발전원으로 이용하는 것이 아닌, 태양전지에 전계를 형성하는 용도로 사용하기 때문에, P-N 접합쌍 증가에 따른 직렬저항의 증가로 인해 전류가 감소함으로써 그만큼 발전량이 감소하는 문제점이 해결된다.
또한, 건물 외부에 설치되는 태양전지모듈의 특성상 태양광의 적외선 영역대의 파장으로 인한 온도 상승이 불가피한데, 이를 태양전지 광흡수층의 후면전계형성에 활용할 수 있어 비용 경제적이다.
또한, 기존 태양전지와 비교하였을 때, 적외선 영역대의 태양광까지 발전에 이용되어 최대 20%의 발전 효율 향상을 이룰 수 있다.
또한, 기존 태양전지에서 활용되지 않았던 적외선 영역대의 태양광까지 발전에 이용되어 온실효과가 감소되는 효과를 누릴 수 있다.
10: 기판
20: 열전소자
21: 제3 전극층
21a, 21b: 전극
22: 반도체 기둥
22a: P형 반도체 기둥
22b: N형 반도체 기둥
23: 제4 전극층
23a, 23b: 전극
24: 제1 절연층
25: 제5 전극층
26: 제2 절연층
27: 제3 절연층
30: 광흡수층
40: 버퍼층
50: 제1 전극층
60: 제2 전극층
61; 61a, 61b, 61c: 관통 기둥
Ec: 전도대 최소값(Conduction band minimum)
Ev: 가전자대 최대값(Valence band maximum)
EF: 페르미 에너지 준위(Fermi energy level)

Claims (15)

  1. 기판(10);
    상기 기판(10) 상에 형성되는 열전 소자(20);
    상기 열전 소자(20) 상에 형성되는 광흡수층(30);
    상기 광흡수층(30) 상에 형성되며, 상기 광흡수층(30)과 P-N 접합을 형성하는 버퍼층(40);
    상기 버퍼층(40) 상에 형성되는 제1 전극층(50); 및
    상기 열전 소자(20)와 상기 광흡수층(30) 사이에 형성되며, 다수의 관통 기둥(61a, 61b, 61c)을 갖는 제2 전극층(60);을 포함하고,
    상기 열전 소자(20)는,
    상기 기판(10) 상에 형성되며 서로에 대해 소정 간격 이격되는 다수의 전극(21a, 21b)을 포함하는 제3 전극층(21);
    상기 제3 전극층(21)의 다수의 전극(21a, 21b) 각각에 형성되는 반도체 기둥(22);
    상기 반도체 기둥(22) 상에 형성되는 제4 전극층(23);
    상기 제4 전극층(23) 상에 형성되는 제1 절연층(24);
    상기 제1 절연층(24) 상에 형성되는 제5 전극층(25); 및
    상기 제5 전극층(25) 상에 형성되는 제2 절연층(26);을 포함하며,
    상기 제3 전극층(21)의 일단에 위치한 전극은 접지되고, 타단에 위치한 전극은 상기 제5 전극층(25)과 전기적으로 연결되는,
    열전 게이트 태양전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기둥(22)은,
    P형 반도체 기둥(22a) 및 N형 반도체 기둥(22b)을 포함하며,
    상기 P형 반도체 기둥(22a) 및 상기 N형 반도체 기둥(22b)은 서로에 대해 소정 간격 이격되면서 상기 제3 전극층(21) 상에 교차 형성되는,
    열전 게이트 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 전극층(21)에 포함된 다수의 전극(21a, 21b)은 서로에 대해 소정 간격 이격되면서 상기 기판(10) 상에 형성되며,
    상기 제4 전극층(23)에 포함된 다수의 전극(23a, 23b)은 서로에 대해 소정 간격 이격되면서 상기 반도체 기둥(22) 상에 형성되는,
    열전 게이트 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 전극층(21)에 포함된 다수의 전극(21a, 21b)과 상기 제4 전극층(23)에 포함된 다수의 전극(23a, 23b)은 좌우 방향으로 일부 중첩되면서 배열되는,
    열전 게이트 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판(10)과 상기 제1 절연층(24) 사이의 빈 공간에는 제3 절연층(27)이 형성되는,
    열전 게이트 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극층(50)은 가시광선 및 적외선 영역대의 파장을 투과시키는 재질로 이루어지고,
    상기 제2 전극층(60)은 적외선 영역대의 파장을 투과시키는 재질로 이루어진,
    열전 게이트 태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 전극층(21), 상기 제4 전극층(23) 및 상기 제5 전극층(25)은 적외선 영역대의 파장을 흡수하는 재질로 이루어진,
    열전 게이트 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 관통 기둥(61a, 61b, 61c)은 격자 배열을 갖는,
    열전 게이트 태양전지.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 광흡수층(30)과 상기 버퍼층(40)은 각각 P형 반도체 또는 N형 반도체이되, 서로에 대해 반대 극성을 갖는 반도체인,
    열전 게이트 태양전지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 다수의 관통 기둥(61a, 61b, 61c)의 형상은 원 기둥, 타원 기둥 및 다각 기둥을 포함하는,
    열전 게이트 태양전지.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 다수의 관통 기둥(61a, 61b, 61c)의 직경은 10nm 내지 10μm이고,
    상기 격자 배열에서 어느 하나의 격자와, 상기 어느 하나의 격자와 인접한 격자 사이의 간격은 10nm 내지 10μm인,
    열전 게이트 태양전지.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 절연층(24)의 열전도성은 상기 제2 절연층(26)의 열전도성보다 높은,
    열전 게이트 태양전지.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 제3 전극층(21) 상에 형성되는 상기 P형 반도체 기둥(22a) 및 상기 N형 반도체 기둥(22b)은 PbTe, alkali-doped PbTe, Bi2Te3, AgSbSe2, AgSbTe2, AgPbxSbTex+18, SiGe, BiCuSe, Cu1.8S, Cu2S, Cu2Se, Cu2Se:I, Cu2Se:Al, SnS, SnSe, PbS 및 PbSe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어진,
    열전 게이트 태양전지.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230062083A (ko) 2021-10-29 2023-05-09 고려대학교 산학협력단 태양전지, 열전소자 및 인터페이스층을 이용한 에너지 하베스팅 시스템
KR20230062707A (ko) 2021-10-29 2023-05-09 고려대학교 산학협력단 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101418321B1 (ko) * 2013-03-12 2014-07-16 한국에너지기술연구원 열전 태양전지 복합 모듈 및 이를 이용한 전력 발전방법
KR101778723B1 (ko) * 2016-11-17 2017-09-25 한국에너지기술연구원 Ｃｉｇｓ계 태양전지 셀의 제조방법 및 cigs계 태양전지 셀

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100795374B1 (ko) * 2006-06-08 2008-01-17 한국과학기술연구원 가열 냉각용 및 발전용 박막형 열전모듈 제조방법
KR100980211B1 (ko) * 2008-10-16 2010-09-03 한양대학교 산학협력단 태양 에너지를 이용한 발전장치
KR101039208B1 (ko) 2008-12-10 2011-06-03 한양대학교 산학협력단 반도체 막대를 구비하는 태양 전지, 이의 제조방법, 및 태양 전지 - 열전 소자 통합 모듈

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101418321B1 (ko) * 2013-03-12 2014-07-16 한국에너지기술연구원 열전 태양전지 복합 모듈 및 이를 이용한 전력 발전방법
KR101778723B1 (ko) * 2016-11-17 2017-09-25 한국에너지기술연구원 Ｃｉｇｓ계 태양전지 셀의 제조방법 및 cigs계 태양전지 셀

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230062083A (ko) 2021-10-29 2023-05-09 고려대학교 산학협력단 태양전지, 열전소자 및 인터페이스층을 이용한 에너지 하베스팅 시스템
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