KR102280819B1 - 파장변환 광대역 광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파장변환 광대역 광소자 및 이의 제조방법 에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 태양광이 입사되는 기판층과 상기 기판층의 일면에 위치하는 제1 전극체와 상기 제1 전극체의 일면에 위치하며, 상기 기판층을 통과한 태양광이 흡수되는 광흡수층과 상기 광흡수층의 일면에 위치하는 제2 전극체와 그리고 상기 제1 전극체와 상기 기판층의 사이에 위치하며, 상기 기판층을 통과하는 상기 태양전지의 파장 중 기설정된 범위의 파장범위의 빛을 상향변환시키는 상향변환형광체층을 포함하는 파장변환 광대역 광소자를 제공한다.

Description

파장변환 광대역 광소자 및 이의 제조방법{Wavelength Conversion Broadband Optical Element and Manufacturing Method Therof}
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 광흡수 효율을 향상시켜 광소자의 효율을 향상시키는 파장변환 광대역 광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근 심각한 환경오염문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 이러한 차세대 환경 에너지 중 태양전지 기술이 개발되고 있다.
태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한하며, 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 에너지 문제를 해결할 수 있는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.
태양전지의 이론적 효율을 제한하는 주요문제는 다음과 같다. 입사 태양광 스펙트럼과 태양전지의 흡수스펙트럼의 불일치에 있다. 태양광은 적외선부터 자외선까지 †œ은 파장 범위를 가지고 있다. 반면, 태양전지는 일반적으로 가시광의 일부분만을 흡수하고 광전변환한다. 따라서, 태양광 중 자외선에 해당하는 빛은 태양전지에 흡수되지 않고 투과하여손실되고, 적외선에 해당하는 빛은 열로 손실된다. 예를 들면, 실리콘 소재의 태양전지의 경우 이론적 효율이 약 30%이며, 열적 손실이 약 33%이고, 투과 손실이 약 20%이다.
도 1은 종래의 일반적인 광소자의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1을 참고하면, 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 광흡수층에 흡수되는 빛의 파장 범위를 높여야 한다. 그러나 종래의 태양전지는 빛의 입사각에 따른 투과도의 차이, 적외선 파장 영역의 빛이 광전변화 효율에 기여하지 못하는 문제점이 있다.
도 2는 도 1의 광소자의 외부양자효율을 예를 보여주는 그래프이고, 도 3은 태양광 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 도 2 및 도 3을 참고하면, 태양전지에 흡수되는 빛의 파장 범위 중 800nm 이상의 빛의 파장은 잘 흡수되지 못하여 전지의 효율이 떨어지는 것을 볼 수 있다.
한편, 스펙트럼 불일치에 의한 손실을 최소화하여 태양전지 효율을 향상하고자 하는 연구가 제시되고 있다. 특히，태양광을 흡수하여 태양전지 흡수 영역으로 변환하는 파장변환제의 사용이 많은 관심을 받고 있다. 즉, 태양전지에 있어서 이론적 효율을 넘어서기 위하여 태양광을 변환하는 기술이 제시되고 있다.
특허문헌 : 한국공개특허문헌 10-2015-0006926
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자, 입사되는 태양광 중 적외선 파장 영역의 빛을 가시광선 파장 영역으로 변환 흡수하여, 양자효율을 향상시켜 광소자의 효율을 향상시킬 수 있는 파장변환 광대역 광소자 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 파장변환 광대역 광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른, 파장변환 광대역 광소자는, 태양광이 입사되는 기판층과 상기 기판층의 일면에 위치하는 제1 전극체와 상기 제1 전극체의 일면에 위치하며, 상기 기판층을 통과한 태양광이 흡수되는 광흡수층과 상기 광흡수층의 일면에 위치하는 제2 전극체와 그리고 상기 제1 전극체와 상기 기판층의 사이에 위치하며, 상기 기판층을 통과하는 상기 태양전지의 파장 중 기설정된 범위의 파장범위의 빛을 상향변환시키는 상향변환형광체층을 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상향변환형광체층 일면에는 상기 기판층과 상기 광흡수층이 배치되는 제1방향으로 돌출된 형상으로 형성되는 나노 구조체가 복수개 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 나노 구조체는 상기 기판층 중 태양광이 입사되는 상기 기판층 면에 더 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 나노 구조체는 각각의 이격거리가 서로 일정한 간격을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 나노 구조체는 각각의 이격거리가 서로 다른 간격을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상향변환형광체층을 이루는 형광체는 상기 기판층을 통과하는 광 중 적외선 영역의 파장 빛을 흡수하여, 가시광선 파장 영역의 빛으로 변환시키는 물질로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 형광체는 산화물 형광체를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극체는 상기 상향변환형광체층의 일면에 위치하는 투명 전극층과 상기 투명 전극층과 상기 광흡수층 사이에 위치하는 전자 수송층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 파장변환 광대역 광소자는 태양광이 입사되는 기판층과 상기 기판층의 일면에 위치하는 제1 전극체와 상기 제1 전극체의 일면에 위치하며, 상기 기판층을 통과한 태양광이 흡수되는 광흡수층과 상기 광흡수층의 일면에 위치하는 제2 전극체와 그리고 상기 제1 전극체와 상기 기판층의 사이에 위치하며, 상기 기판층을 통과하는 상기 태양전지의 파장 중 기설정된 범위의 파장범위의 빛을 상향변환시키는 상향변환형광체층을 포함하고, 상기 기판층의 일면 또는 양면에는 상기 기판층과 상기 광흡수층이 배치되는 제1방향으로 돌출된 형상으로 형성되는 나노 구조체가 복수개 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 나노 구조체는 각각의 이격거리가 서로 일정한 간격을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 나노 구조체는 각각의 이격거리가 서로 다른 간격을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상향변환형광체층을 이루는 형광체는 상기 기판층을 통과하는 광 중 적외선 영역의 파장 빛을 흡수하여, 가시광선 파장 영역의 빛으로 변환시키는 물질로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 형광체는 산화물 형광체를 포함할 수 있다.
본 발명은 파장변환 광대역 광소자를 제조하는 방법를 제공한다. 본 발명의 파장변환 광대역 광소자 제조 방법은 태양광이 입사되는 기판층을 형성하는 단계와 상기 기판층에 상향변환형광체층을 형성하는 단계와 상기 상향변환형광체층의 일면에 제1 전극체를 형성하는 단계와 상기 제1 전극체의 일면에 위치하도록 광흡수층을 형성하는 단계와 상기 광흡수층의 일면에 위치하도록 제2 전극체를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 기판층에 상기 상향변환형광체층을 형성 시 유기용매에 분산된 상향변환형광체를 코팅하여 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판층에 상기 상향변환형광체층을 형성하기 전에 상기 기판 일면 또는 양면에 나노 구조체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 나노구조체 형성 시 상기 기판상에 금속 박막을 형성 후 상기 박막을 기설정된 온도 이상으로 열처리 공정을 수행하여 나노 구조를 형성하여 나노 구초체를 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 나노 구조에서 나노 구조체 형성 시 드라이 에칭(Dry Etching) 법을 이용해 나노 구조체를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 파장변환 광대역 광소자에 상향변환형광체층을 제공하여 흡수되는 파장 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여, 양자효율이 우수한 가시광선 파장영역의 빛으로 변환하여 사용해 광소자의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 태양광의 특정 영역대의 파장을 변환시키는 상향변환형광체층 주변에 나노 크기를 가지는 나노 구조체를 제공하여, 입사되는 광의 양을 극대화 시켜 광소자의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 기판층의 상하부에 나노 구조체를 제공하며, 일면에 상향변환형광체층을 제공하여, 입사되는 광의 선형적인 굴절률 변화로 광소자의 전파장영역 표면 반사율을 감소시켜 광소자의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 일반적인 광소자의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 광소자의 외부양자효율을 예를 보여주는 그래프이다.
도 3은 태양광 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장변환 광소자의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 5 내지 도 7은 도 4의 다른 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 4의 나노 구조체의 실시 예를 각각 보여주는 도면이다.
도 9는 기판층의 일면 또는 양면에 나노 구조체를 제공하는 경우 기판의 투과도 및 광 입사각에 따른 투과도 결과를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명을 사용 시 특정 광파장 영역의 광변환 메커니즘을 보여주는 개략도 이다.
도 11은 상향변환형광체층과 나노 구조체를 상세하게 보여주는 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.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장변환 광소자의 구조를 보여주는 개략도이다.
파장변환 광대역 광소자(10)는 기판층(100), 상향변환형광체층(200), 제1 전극체(300), 광흡수층(400) 그리고 제2 전극체(500)를 포함한다.
기판층(100)의 일면에는 태양광이 입사될 수 있다. 기판층(100)은 파장변환 광대역 광소자(10)의 다른 층을 지지하기 위해 제공될 수 있다. 기판층(100)은 필요에 따라 제거 될 수 있다. 기판층(100)의 일면에는 상향변환형광체층(200)이 제공될 수 있다. 기판층(100)은 부도체 기판으로 제공될 수 있다. 일 예로, 기판층(100)은 유리기판, 소다석회유리 기판 또는 세라믹 기판으로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 기판층(100)은 유연필름기판으로 제공될 수 있다.
상향변환형광체층(200)은 기판층(100)의 일면으로 흡수되는 빛의 파장 영역중 기설정된 범위의 파장을 상변환시킬 수 있다. 일 예로 상향변환형광체층(200)은 적외선 영역의 빛의 파장 범위를 흡수하여 가시광선 영역의 파장으로 변환시킬 수 있다.
일 예로, 상향변환형광체층(200)은 800nm 이상의 파장의 빛을 흡수하여 약 400 ~ 800nm 파장의 가시광선 영역 대의 빛의 파장으로 변환시킬 수 있다. 바람직하게는 상형변환형광체층은 흡수 파장 영역은 800nm 이상이며, 발광파장영역은 600 내지 650 nm 사이인 형광체 물질로 제공될 수 있다. 일 예로. 상향변환형광체층(200)을 이루는 형광체는 TiO2 또는 ZrO2 중 선택된 하나의 호스트에 Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+, Pr3+, Dy3+ 또는 Eu3+ 중 선택된 하나를 도핑 하여 제조된 산화물 형광체가 제공될 수 있다. 이와는 달리, 상술한 기능을 수행하는 형광체제라면 산화물 형광체에 한정되지 않고 제한 없이 제공될 수 있다.
상향변환형광체층(200)은 기판층(100)의 일면에 위치할 수 있다. 일 예로, 상향변환형광체층(200)은 기판층(100)의 일면 중 빛이 입사되는 면의 반대면에 위치할 수 있다.
본 발명의 파장변환 광대역 광소자(10)는 상향변환형광체층(200)을 제공하여 적외선 영역의 빛을 양자효율이 우수한 가시광선 파장 영역의 빛으로 변환시켜 파장변환 광대역 광소자(10)의 효율을 향상시킬 수 있다. 상향변환형광체층(200)을 통해서 변환된 빛은 후술하는 광흡수층(400)에 서 흡수된다.
제1 전극체(300)는 상향형광변환층(200)의 일면에 형성될 수 있다. 제1 전극체(300)는 파장변환 광대역 광소자(10)를 이루는 p-n 극 중 n 전극을 형성한다.
제1 전극체(300)는 투명전극층(310)과 전자 수송층(330)을 포함할 수 있다.
제1 전극체(300)는 공지의 태양전지의 구성과 유사하며 이하 자세한 설명은 생략한다.
광흡수층(400)은 제1 전극체(300) 및 제2 전극체(500)의 사이에 위치할 수 있다. 광흡수층(400)은 입사되는 태양광이 상향변환형광체층(200)을 통과하여 상변환된 빛이 흡수시킬 수 있다.
광흡수층(400)은 페로브스카이트(ABX3 / A: CnH2n+1 의 알킬기 및 무기물 중 선택된 하나 이상의 물질, B: Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, Ce 중 선택된 하나 이상의 물질, X: 할로겐 물질 중)소재 가 사용될 수 있다.
광흡수층(400)은 500 내지 800nm 파장대영의 광을 많이 흡수할 수 있다. 광흡수층(400)은 전술한 상향변환형광체층(200)에서 변환되어 발광된 파장 대역의 빛을 흡수할 수 있다. 이를 통해 파장변환 광대역 광소자(10)의 효율을 향상시킬 수 있다.
제2 전극체(500)는 광흡수층(400)의 일면에 위치할 수 있다. 제2 전극체(500)는 제1 전극체(300)가 위치한 반대쪽에 위치할 수 있다.
제2 전극체(500)는 파장변환 광대역 광소자(10)를 이루는 p-n 극 중 p 전극을 형성한다.
일 예로, 제2 전극체(500)는 정공 수송층(510) 및 금속 전극층(530)을 포함할 수 있다.
제2 전극체(500)의 구성은 공지의 태양 전지의 구성과 유사하며, 이하 자세한 설명은 생략한다.
도 5 내지 도 7은 도 4의 다른 실시 예를 보여주는 도면이고, 도 8은 도 4의 나노 구조체의 실시 예를 각각 보여주는 도면이다.
도 5 내지 도 8을 참고하면, 도 5의 파장변황 광대역 광소자(20)는 도 4의 파장변환 광대역 광소자(10)의 구성과 유사하나, 기판층(100)과 상향변환형광체층(200) 사이에 나노 구조체(600)를 더 포함한다.
나노 구조체(600)는 제1방향으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 나노 구조체(600)는 복수개가 제공될 수 있다. 여기서 제1방향이란 기판층(100)과 광흡수층(400)이 배치되는 방향을 제1방향으로 정의한다.
나노 구조체(600)는 상향변환형광체층(200)을 향하는 방향으로 뾰족한 모양의 기둥형상으로 제공될 수 있다. 도 8과 같이 복수개의 나노 구조체(600)는 각각의 이격거리가 서로 일정한 간격을 가질 수 있다. 이와는 달리, 복수 개의 나노 구조체(600)는 각각의 이격거리가 서로 다른 간격을 가질 수 있다.
이하, 복수개의 나노 구조체(600)가 서로 일정한 간격을 가지는 구조를 주기적 나노 구조체(600)라 정의하며, 나노 구초제가 서로 다른 간격을 가지는 구조를 비주기적 나노 구조체(600)라 정의한다.
도 6의 파장변환 광대역 광소자(30)와 같이, 나노 구조체(600)는 기판층(100)의 양면에 형성될 수도 있다. 주기적 또는 비주기적 나노 구조체(600)를 형성하여, 광대역 무반사 효과를 가질 수 있다.
일 예로, 기판층(100)에 입사되는 광의 경우 주기적 또는 비주기적 나노 구조체(600)를 형성하여 반사되는 빛의 반사를 줄게 할 수 있다.
또한, 기판층(100)과 상향변환형광체층(200)에 형성된 주기적 또는 비주기적 나노 구조체(600)를 형성하여, 상향변환형광체층(200)에 들어오는 광의 양을 극대화시킬 수 있다. 또한, 선형적인 굴절률 변화로 광소자의 전파장영역의 표면 반사율을 감소시켜 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 것과 달리, 도 7의 파장변환 광대역 광소자 (40)와 같이 기판층(100)의 일면 중 상향변환형광체층(200)의 마주보는 기판층(100)에만 형성될수도 있다.
도 9는 기판층의 일면 또는 양면에 나노 구조체를 제공하는 경우 광 입사각에 따른 투과도 결과를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 9을 참고하면, 기판층(100)의 양표면에 주기적 또는 비주기적 나노 구조체(600)를 형성하여 상변환 효율을 증가시키는 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명을 사용 시 특정 광파장 영역의 광변환 효율을 보여주는 그래프이다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따르면, 적외선 파장 영역인 800nm 이상의 파장을 가시광선 영역의 파장의 빛으로 변환 시켜 광흡수층(400)에 흡수되는 광 흡수 효율을 향상키셔 파장변환 광대역 광소자(10)의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 11은 상향변환형광체층과 나노 구조체를 상세하게 보여주는 도면이다.
도 11을 참고하면, 상향변환형광체층(200)의 일면에 형성된 주기적 또는 비주기적 나노 구조체(600)를 형성 시 나노 구조체(600)의 빈 공간으로 상향변환형광체층(200)이 형광체가 공간을 차지할 수 있다. 이를 통해서 파장 변환 및 광 소자 표면 반사율 감소 효과를 볼 수 있으며, 이를 통해서 광전 변환효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 파장변환 광대역 광소자의 제조 방법에 대해서 설명한다.
파장변환 광대역 광소자 제조 방법은 기판층, 상향변환형광체층, 제1 전극체층, 광흡수층 그리고 제2 전극체층을 형성하여 제조할 수 있다.
기판층은 태양광이 입사되는 층일 수 있다. 기판은 리지드(Rigid) 기판 또는 플렉서블(Flexble) 기판이 사용 가능하다. 일 예로, 리지드 기판으로서 유리기판을 사용할 수 있다. 일 예로, 플렉서블 기판은 폴리머 소재의 기판을 사용할 수 있다. 일 실시 예로, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI) 중 하나를 사용할 수 있다.
상향변환형광체층은 기판층의 일면에 형성될 수 있다. 일 예로, 상향변환형광체층은 유기용매에 분산된 후 스핀 코팅(Spin-coating) 및 드롭 캐스팅(Drop-casting) 방법으로 기판 위에 코팅될 수 있다. 일 예로, 유기 용매는 Toluene가 사용될 수 있다. 이와는 달리, 다른 유기용매도 사용 가능하며 상술한 예로 한정되지 않는다. 이 후, 유기 용매는 열처리 공정을 이용하여 제거할 수 있다. 일 예로, 열처리 공정은 핫 플레이트(Hot-plate)를 이용한 열처리 공정일 수 있다. 이와는 달리, 다른 열처리 공정에 의해서 사용할 수 있다.
기판층에 상향변환형광체층을 형성하기 전에 나노 구조체를 기판의 일면 또는 양면에 형성할 수 있다.
나노 구조체는 기판 위에 금속 박막을 형성할 수 있다. 일 예로, 금속 박막은 3~10nm 두께로 형성할 수 있다.
금속 박막형성 방법은 스퍼터링 및 전자빔증착법을 사용할 수 있다. 금속 박막을 형성 후 기설정된 온도로 열처리 공정을 가할 수 있다. 열처리 공정 후 나노 사이즈 입자로 변경할 수 있다. 일 예로, 기설정된 온도는 200도 이상일 수 있다. 상술한 예와는 달리, 나노 입자의 크기는 증착된 박막의 두께 조절 및 열처리 온도에 따라 제어가 가능하며 상술한 예로 한정되지 않는다.
일 예로, 금속은 은 일 수 있다. 이와는 달리, 다른 금속을 사용 가능하며 상술한 예로 한정되지 않는다.
나노 입자 형성 후 나노 구조체를 형성 할 수 있다. 일 예로, 나노 구조체는
에치 마스크(Etch Mask)로 이용하여 드라이 에칭(Dry etching)법을 이용하여 나노 구조체를 형성할 수 있다. 드라이 에칭후 잔류하는 금속 나노 입자를 제거할 수 있다. 금속 입자 제거는 산성 용액에 제작된 샘플을 1~5분 정도 담구어 제작 할 수 있다. 일 예로, 산성 용액은 질산 용액(HNO3) 일 수 있다. 이 후 세정 공정을 통해서 최종 제작할 수 있다.
상술한 예와는 달리, 셀프 마스크 에칭(Self-masked Etching) 방법을 이용하여 나노 구조체를 형성할 수 있다. 셀프 마스크 에칭 방법은 Reactive Ion Dry Etching(RIE) 공정 시 사용되는 가스(CF4 및 O2)를 에치 마스크로 사용하는 방법이다. 상술한 방법은 기판 위 별도의 에치 마스크를 사용하지 않고 RIE 공정 실행할 수 있는 방법이다. 이러한 공정은 가스량, 압력, 파워 조절을 통해 최적화 구조 제어가 가능할 수 있다.
상향변환형광체층 및 나노 구조체를 형성 수 제1 전극체를 형성할 수 있다. 제1 전극체의 구성의 일 예로, 투명 전극층 및 전자 전달층을 형성할 수 있다.
제1 전극체 형성 후 제1 전극체의 일면에 위치하도록 광흡수층을 형성할 수 있다.
광흡수층 형성 후 광흡수층의 일면에 제2 전극체를 형성할 수 있다.
일 예로, 제2 전극체는 정공 전달층과 전극을 포함할 수 있다.
투명 전극층의 전극 소재로는 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine doped Tin Oxide)를 사용할 수 있다. 일 예로. 투명전극층은 스퍼터링, 전자빔증착, 열증착법, 전해도금 등을 이용하여 증착하여 형성할 수 있다.
상술한 전자 전달층, 광흡수층, 정공전달층 그리고 전극은 공지의 다른 구성과 유사하며 자세한 설명은 생략한다.
다만, 전극은 제2 전극으로 작용할 수 있다. 전극의 소재는 금속일 수 있다. 일 예로, 금속은 Pt, Au, Cu, Ti, Al 및 Ag 중 선택 된 하나의 물질을 사용할 수 있다. 일 예로 금속은 스크린 인쇄, 스퍼터링, 전자빔증착, 열증착법 등을 이용하여 증착할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 파장변환 광대역 광소자에 상향변환형광체층을 제공하여 흡수되는 파장 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여 양자효율이 우수한 가시광선 파장영역의 빛으로 변환하여 사용해 광소자의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 태양광의 특정 영역대의 파장을 변환시키는 상향변환형광체층 주변에 나노 크기를 가지는 나노 구조체를 제공하여 입사되는 광의 양을 극대화 시켜 광소자의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 기판층의 상하부에 나노 구조체를 제공하며, 일면에 상향변환형광체층을 제공하여, 입사되는 광의 선형적인 굴절률 변화로 광소자의 전파장영역 표면 반사율을 감소시켜 광소자의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
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.
10 : 태양전지
100: 기판층
200: 상향변환형광체층
300: 제1 전극체
400: 광흡수층
500: 제2 전극체
600: 나노 구조체

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  14. 파장변환 광대역 광소자를 제조하는 방법에 있어서,
    태양광이 입사되는 기판층을 형성하는 단계;
    상기 기판층의 양면에 상기 기판층과 광흡수층이 배치되는 제1방향으로 돌출된 형상으로 형성되는 복수 개의 나노 구조체를 형성하는 단계;
    상기 기판층의 일면에 형성된 복수 개의 나노 구조체의 상부에 상향변환형광체층을 형성하는 단계;
    상기 상향변환형광체층의 일면에 제1 전극체를 형성하는 단계;
    상기 제1 전극체의 일면에 위치하도록 광흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광흡수층의 일면에 위치하도록 제2 전극체를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 기판층에 상기 상향변환형광체층을 형성 시, 유기용매에 분산된 상기 기판층을 통과하는 광 중 적외선 영역의 파장 빛을 흡수하여, 가시광선 파장 영역의 빛으로 변환시키는 물질로 이루어진 상향변환형광체를 코팅하여 형성하고,
    태양광이 입사되는 상기 기판층의 일면에 형성된 복수 개의 나노 구조체는 상기 기판층의 일면으로 입사되는 광에 대한 빛의 반사를 감소시키고,
    상기 기판층의 타면과 상향변환형광체층 사이에 형성된 복수 개의 나노 구조체는 상기 나노 구조체들 사이의 빈 공간으로 상기 상향변환형광체층의 형광체가 채워져 입사되는 광량을 증대시키고, 선형적인 굴절률 변화로 전파장 영역의 표면 반사율을 감소시키며,
    상기 나노 구조체는 상기 기판층 위에 3 내지 10nm의 두께를 갖는 금속 박막이 형성되고, 상기 금속 박막의 형성 후 200℃ 온도 이상에서 열처리되어 나노 사이즈 입자로 변경되고, 상기 나노 사이즈 입자는 에치 마스크(Etch Mask)를 이용하여 드라이 에칭(Dry Etching)되거나 별도의 에치 마스크 없이 CF4 및 O2를 이용한 RIE(Reactive Ion Dry Etching) 공정이 수행되어 형성되는 것인, 파장변환 광대역 광소자 제조 방법.
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