KR102675537B1 - 태양 전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기판; 상기 기판 상의 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 개재된 적어도 하나의 반도체 막; 및 상기 제1 전극과 상기 반도체 막 사이에 개재되어, 이들을 서로 전기적으로 연결하는 제1 연결막을 포함한다. 상기 제1 연결막은, 상기 제1 전극의 상면으로부터 상기 반도체 막의 바닥면까지 수직하게 연장되는 복수개의 이차원 막들을 포함하고, 상기 이차원 막들은 금속 화합물을 포함한다.

Description

태양 전지 및 그의 제조 방법{Solar cell and method for manufacturing the same}
본 발명은 태양 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 태양 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
이차원 소재는, 인접하는 층들이 반데르발스 힘으로 결합되어 있어, 층층이 박리되는 특성을 가진다. 이차원 소재의 각각의 층들은, 인접한 층과 반데르발스 인력으로만 결합하므로 캐리어 들의 산란이 일어나지 않아 빠른 전하 이동도를 가지는 것으로 알려져 있다. 이는 층간에 공유결합 또는 금속결합을 유지하고 있는 일반적인 박막 형태의 화합물들과는 구별되는 특성이다. 따라서 빠른 전하 이동도를 갖는 이차원 소재를 활용한 트랜지스터에 관한 연구 개발이 이루어지고 있다.
광전 변환 효과를 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전은 무공해 에너지를 얻는 수단으로서 널리 이용되고 있다. 그리고 태양 전지의 광전 변환 효율의 향상에 수반하여, 개인 주택에서도 다수의 태양 전지 모듈을 이용하는 태양광 발전 시스템이 설치되고 있다. 태양 전지는 p-n 또는 p-i-n 접합을 갖는 반도체 막을 포함하며, 반도체 막에 입사된 빛을 이용하여 전류를 발생시킨다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 효율이 향상된 태양 전지를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 효율이 향상된 태양 전지를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 개념에 따른, 태양 전지는, 기판; 상기 기판 상의 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 개재된 반도체 막; 및 상기 제1 전극과 상기 반도체 막 사이에 개재되어, 이들을 서로 전기적으로 연결하는 제1 연결막을 포함할 수 있다. 상기 제1 연결막은, 상기 제1 전극의 상면으로부터 상기 반도체 막의 바닥면까지 수직하게 연장되는 복수개의 이차원 막들을 포함하고, 상기 이차원 막들은 금속 화합물을 포함할 수 있다. 상기 연결막은 광전변환 현상이 일어나는 반도체 막에 포함되지 않는다.
본 발명의 다른 개념에 따른, 태양 전지의 제조 방법은, 기판 상에 제1 전극을 형성하는 것; 상기 제1 전극 상에 칼코겐화 반응을 수행하여, 연결막을 형성하는 것; 및 상기 연결막 상에, 반도체 막 및 제2 전극을 순차적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 연결막을 형성하는 것은, 상기 제1 전극 상의 금속과 칼코겐 전구체가 반응하여, 수직적으로 배향된 복수개의 이차원 막들을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지는, 수직적으로 배향된 이차원 막들을 이용하여 상대적으로 큰 션트(병렬) 저항을 가질 수 있다. 이로써 누설 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 나아가 본 발명에 따른 태양 전지는 저조도 조건에서 우수한 효율을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 어느 하나의 셀을 확대한 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 나타낸 것으로, 도 2의 A-A'선에 따른 단면도들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 나타낸 것으로, 도 2의 A-A'선에 따른 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 것으로, 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 어느 하나의 셀을 확대한 사시도이다. 도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 기판(SU) 상에 복수개의 셀들(CE)이 제공될 수 있다. 복수개의 셀들(CE)은 서로 연결되어 본 발명에 따른 태양 전지를 구성할 수 있다. 셀들(CE)은 제2 방향(D2)으로 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다. 셀들(CE)은 제1 방향(D1)으로 배열될 수 있다. 복수개의 셀들(CE)은 직렬 또는 병렬로 서로 연결될 수 있다. 일 예로, 기판(SU)은 실리콘 산화막, 스테인레스 스틸, 플라스틱, 또는 유리를 포함할 수 있다.
각각의 셀들(CE)은 순차적으로 적층된 제1 전극(EL1), 연결막(CL), 한 층 이상의 반도체 막(SL), 및 제2 전극(EL2)을 포함할 수 있다. 연결막(CL)은 제1 전극(EL1)과 반도체 막(SL) 사이에 개재되어, 이들을 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
반도체 막(SL)은 제1 반도체 막(SL1), 제2 반도체 막(SL2) 및 제3 반도체 막(SL3)을 포함할 수 있다. 제2 반도체 막(SL2)은 제1 및 제3 반도체 막들(SL1, SL3) 사이에 개재될 수 있다. 제1 반도체 막(SL1)은 연결막(CL)과 접촉할 수 있다. 다시 말하면, 제1 반도체 막(SL1)의 바닥면은 연결막(CL)의 상면과 접촉할 수 있다.
제1 반도체 막(SL1)은 제1 도전형을 가질 수 있고, 제3 반도체 막(SL3)은 제1 도전형과 다른 제2 도전형(예를 들어, P 형)을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 도전형은 N 형일 수 있고, 제2 도전형은 P 형일 수 있다. 다른 예로, 제1 도전형은 P 형일 수 있고, 제2 도전형은 N 형일 수 있다. 제2 반도체 막(SL2)은 진성 반도체일 수 있다. 제2 반도체 막(SL2)은 광흡수층으로 기능할 수 있다. 제2 반도체 막(SL2)의 두께는 제1 반도체 막(SL1)의 두께보다 클 수 있다. 제2 반도체 막(SL2)의 두께는 제3 반도체 막(SL3)의 두께보다 클 수 있다. 제2 반도체 막(SL2)의 두께는 100nm 내지 3,000nm일 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 반도체 막(SL2)의 두께는 100nm 내지 400nm 일 수 있다. 일 예로, 제1 내지 제3 반도체 막들(SL1, SL2, SL3)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, 실리콘 옥사이드, 또는 실리콘 카바이드를 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 반도체 막들(SL1, SL2, SL3)은 비정질이거나 미세 결정질일 수 있다.
제3 반도체 막(SL3)의 상면 상에 제2 전극(EL2)이 제공될 수 있다. 일 예로, 제2 전극(EL2)은 인듐아연 산화물(IZO), 인듐주석 산화물(ITO), 인듐갈륨 산화물(IGO), 인듐아연갈륨 산화물(IGZO), 티타늄아연 산화물 (IZO), 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다른 예로, 제2 전극(EL2)은 W, Mo, Ti, Ag, Cu, Al, Ni, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3을 다시 참조하여, 제1 전극(EL1) 및 연결막(CL)에 대해 보다 상세히 설명한다. 연결막(CL)은 복수개의 이차원 막들(NS)을 포함할 수 있다. 이차원 막들(NS)의 결정면 방향은 기판(SU)의 상면에 대하여 수직한 방향(즉, 제3 방향(D3))으로 배향(oriented)될 수 있다. 이차원 막들(NS)은 제1 전극(EL1)의 상면으로부터 제1 반도체 막(SL1)의 바닥면까지 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 평면적 관점에서, 이차원 막들(NS)은 무작위하게 배열될 수 있다. 즉, 이차원 막들(NS)은 기판(SU)에 대해 수직배향을 갖되, 제1 이차원 막은 제1 방향(D1)으로 연장되고, 제2 이차원 막은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제1 방향(D1)과 제2 방향(D2)은 서로 교차할 수 있다.
각각의 이차원 막들(NS)은 금속 칼코게나이드(metal chalcogenide)를 포함할 수 있다. 각각의 이차원 막들(NS)은 전이금속 칼코게나이드(transition metal chalcogenide)를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 각각의 이차원 막들(NS)은 MXy (일 예로, y는 1, 2 또는 3인 정수)의 화학식으로 표현되는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 상기 화학식에서, M은 금속 또는 전이금속 원자이고, 예를 들어, W, Mo, Ti, V, Zn, Hf 또는 Zr을 포함할 수 있다. X는 칼코겐 원자이고, 예를 들어, S, Se, O 또는 Te를 포함할 수 있다. 각각의 이차원 막들(NS)은 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ReS2, ReSe2, TiS2, TiSe2, TiTe2, VO2, VS2, VSe2, ZnO, ZnS2, ZnSe2, HfS2, HfSe2, WO3, 및 MoO3로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
이차원 막들(NS)은 반도체 특성을 가질 수 있다. 이차원 막들(NS)은 제1 반도체 막(SL1)과 동일한 제1 도전형을 갖는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 반도체 막(SL1)이 N 형을 가질 경우, 이차원 막들(NS)은 N 형의 MoS2, MoSe2, WS2, ZnS2, ZnSe2, HfS2, HfSe2, ReSe2, 또는 ReS2를 포함할 수 있다. 다른 예로, 제1 반도체 막(SL1)이 P 형을 가질 경우, 이차원 막들(NS)은 P 형의 WSe2, Graphene oxide 또는 VO2를 포함할 수 있다. 다른 예로 이차원 막들(NS)은 도체 특성을 가질 수 있다. 즉, 도체인 이차원 막들(NS)의 밴드갭 에너지는 실질적으로 0 eV 일 수 있다. 밴드갭 에너지가 0 eV인 이차원 소재로는 TiS2, TiSe2, VS2, 또는 VSe2 등이 포함될 수 있다.
각각의 이차원 막들(NS)은, 구성 원자간 강한 결합력을 가지는 단일 층 구조(monolayer)를 가질 수 있다. 또는 각각의 이차원 막들(NS)은, 상기 단일 층들이 여러 층 겹쳐있는 구조를 가질 수 있다. 여기서, 인접하는 단일 층들은 매우 약한 반데르발스 인력으로 서로 결합되어 있을 수 있다. 다시 말하면, 이차원 막(NS)은 위에서 설명한 이차원 구조를 가지는 막을 통칭할 수 있다. 일 예로, 이차원 막(NS)은 금속 칼코게나이드 또는 전이금속 칼코게나이드의 단일 층 구조를 가질 수 있다. 여기서 단일 층(monolayer)이라 함은 금속 디칼코게나이드를 일 예로 할 때 MX2 의 화학식을 가지는 하나의 층을 의미한다.
도 3을 다시 참조하면, 서로 인접하는 이차원 막들(NS)은 반데르발스 힘에 의해 서로 결합될 수 있다. 일 예로, 제1 이차원 막(NS)과 이와 제1 방향(D1)으로 인접하는 제2 이차원 막(NS)은, 제1 방향(D1)과 평행한 반데르발스 힘에 의해 서로 결합될 수 있다. 이차원 막들(NS)은 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 일 예로, 어느 하나의 이차원 막(NS)은 제1 높이(H1)를 가질 수 있고, 다른 하나의 이차원 막(NS)은 제2 높이(H2)를 가질 수 있다. 이때, 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)는 서로 다를 수 있다.
이차원 막들(NS)은 서로 동일한 물질을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 이차원 막들(NS)은 서로 동일한 조성을 가질 수 있다. 이차원 막들(NS)은 단결정 구조 또는 다결정 구조를 가질 수 있다. 이차원 막들(NS) 각각은, 제3 방향(D3)으로 배향된 결정 구조를 가질 수 이다. 이차원 막들(NS)은 서로 동일한 결정 구조를 가지거나, 서로 다른 결정 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 상기 결정 구조는 육방정계 격자 구조, 입방구조, 3각 기둥 격자 구조, 사방정계 격자 구조, 및 변형 팔방정계(단사정계) 격자 구조를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 제1 전극(EL1)은, 이차원 막들(NS)의 금속과 동일한 금속을 포함할 수 있다. 이차원 막들(NS)이 MXy의 금속 화합물을 포함할 때, 제1 전극(EL1)은 M의 금속을 포함할 수 있다. 일 예로, 이차원 막들(NS)이 MoS2를 포함할 때, 제1 전극(EL1)은 Mo를 포함할 수 있다. 이는 연결막(CL) 형성 시, 제1 전극(EL1)이 연결막(CL)의 시드층의 역할을 수행하기 때문이다. 제조 방법에서 온도와 시간을 조절함으로써 금속과 금속화합물의 상대적인 두께를 조절할 수 있다.
다른 실시예로, 제1 전극(EL1)은, 이차원 막들(NS)을 구성하는 금속과 다른 금속을 포함할 수 있다. 제1 전극(EL1)은 투명한 전도체일 수 있다. 구체적으로, 제1 전극(EL1)은 투명 전도막(transparent conducting layer)을 포함할 수 있다. 투명 전도막은 ITO(Indium tin oxide), SnO(Tin oxide), FTO(F-doped tin oxide), ZnO(Zinc oxide), TiO2(Titanium dioxide), GZO(Ga-doped zinc oxide), 또는 AZO (Al-doped zinc oxide)를 포함할 수 있다. 제1 전극(EL1)이 투명 전도막을 포함하는 투명 전극일 경우, 제2 전극(EL2) 역시 투명 전도막을 포함하는 투명 전극으로 형성될 수 있다.
제1 전극(EL1)은 제1 두께(T1)를 가질 수 있고, 연결막(CL)은 제2 두께(T2)를 가질 수 있다. 제1 두께(T1)는 5 nm 내지 900 nm일 수 있다. 보다 자세하게 제1 두께(T1)는 5 nm 내지 100 nm일 수 있다. 제2 두께(T2)는 15 nm 내지 100nm일 수 있다. 보다 자세하게 제2 두께(T2)는 15 nm 내지 30 nm 일 수 있다. 일 예로, 제1 두께(T1)는 제2 두께(T2)보다 작을 수 있다. 다른 예로, 제1 두께(T1)는 제2 두께(T2)보다 클 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는, 수직적으로 배향된 이차원 막들(NS)로 이루어진 연결막(CL)을 포함할 수 있다. 연결막(CL)의 이차원 막들(NS)을 통해 제1 전극(EL1)과 반도체 막(SL) 사이에서 전류가 흐를 수 있다. 이차원 막들(NS)은 제1 전극(EL1)의 상면으로부터 반도체 막(SL)의 바닥면까지 제3 방향(D3)으로 연장되므로, 전류는 이차원 막들(NS)을 통해 제3 방향(D3)으로 원활하게 흐를 수 있다.
태양 전지는 일반적으로 저조도 환경(즉, 광의 세기가 낮은 환경)에서 사용해야 하는 경우가 많다. 일반적으로 저조도 조건에서 태양 전지의 효율은 크게 감소한다. 저조도에서 효율이 감소하는 이유는, 광전하의 생성량이 적은 저조도 조건에서, 누설 전류의 영향이 커지기 때문에 태양 전지의 효율이 크게 감소될 수 있다. 누설 전류는 션트 저항(shunt resistance)과 연관된다. 션트 저항이 크면 누설 전류가 작아지고, 반대로 션트 저항이 작으면 누설 전류가 커진다.
이차원 막들(NS)은 수평적으로 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 이차원 막들(NS)은 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다 (도 3 참조). 이격이란, 단순한 물리적인 인력으로만 결합되어 있어 쉽게 분리될 수 있는 상태를 말한다. 이와 같이 반데르발스 결합력으로 결합하고 있는 층들간에는 전하의 흐름이 저해된다. 따라서 연결막(CL)을 흐르는 전류는, 기판(SU)의 상면에 평행한 방향(예를 들어, 제1 방향(D1) 또는 제2 방향(D2))으로 흐르기 어렵다. 다시 말하면, 연결막(CL)은 상대적으로 큰 션트 저항을 가질 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 태양 전지는 누설 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 본 발명에 따른 태양 전지는 저조도 조건에서 우수한 효율을 제공할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 나타낸 것으로, 도 2의 A-A'선에 따른 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 기판(SU) 상에 제1 전극(EL1)이 형성될 수 있다. 제1 전극(EL1)은 제3 두께(T3)로 형성될 수 있다. 제1 전극(EL1)은 금속 M을 포함할 수 있다. 예를 들어, M은 W, Mo, Ti, V, Zn, Hf 또는 Zr을 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 전극(EL1) 상에 연결막(CL)이 형성될 수 있다. 연결막(CL)은 제1 전극(EL1)의 일부를 칼코겐화하는 반응(chalcogenization reaction)을 이용하여 형성될 수 있다. 또는, 연결막(CL)은 제1 전극(EL1) 위에 형성된 금속층을 칼코겐화(chalcogenization reaction)하여 형성될 수 있다.
칼코겐화 반응은 제1 전극(EL1)의 상면 상 또는 제1 전극(EL1) 위에 증착된 금속층 의상면에 칼코겐 X의 전구체를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, X는 S, Se, O 또는 Te를 포함할 수 있다. 칼코겐화 반응은 300℃ 내지 1000℃의 온도 하에서 수행될 수 있다. 보다 자세하게 칼코겐화 반응은 300℃ 내지 530℃의 온도 하에서 수행될 수 있다.
제1 전극(EL1)의 금속 M과 상기 전구체의 칼코겐 X가 반응하여, 복수개의 이차원 막들(NS)이 형성될 수 있다. 이차원 막들(NS)은 제1 전극(EL1)의 상면으로부터 수직한 방향(즉, 제3 방향(D3))으로 성장될 수 있다.
제1 전극(EL1)의 제3 두께(T3)가 충분히 두꺼울 경우, 이차원 막들(NS)이 제3 방향(D3)으로 성장될 수 있다. 일 예로, 제3 두께(T3)는 5nm 내지 1,000nm일 수 있다.
이차원 막들(NS)이 형성되는 동안 제1 전극(EL1)의 두께가 줄어들어, 제1 전극(EL1)은 제1 두께(T1)를 가질 수 있다. 제1 두께(T1)는 제3 두께(T3)보다 작을 수 있다. 연결막(CL)은 제2 두께(T2)로 형성될 수 있다. 칼코겐화 반응의 공정 온도와 반응 시간이 증가할수록, 연결막(CL)의 제2 두께(T2)는 증가할 수 있다. 다시 말하면, 칼코겐화 반응의 공정 온도와 반응 시간이 증가할수록, 이차원 막들(NS)의 높이(즉, 도 3의 H1 및 H2)가 증가할 수 있다. 칼코겐화 반응의 공정 온도와 반응 시간을 조절함으로써, 연결막(CL)의 두께(T2)를 조절할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 연결막(CL) 상에 반도체막(SL)이 형성될 수 있다. 반도체막(SL)을 형성하는 것은, 연결막(CL) 상에 제1 반도체 막(SL1), 제2 반도체 막(SL2) 및 제3 반도체 막(SL3)을 순차적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 반도체막(SL) 상에 제2 전극(EL2)을 형성할 수 있다. 제1 전극(EL1), 연결막(CL), 반도체 막(SL) 및 제2 전극(EL2)을 포함하는 적층 구조체를 패터닝하여, 복수개의 셀들(CE)을 형성할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 나타낸 것으로, 도 2의 A-A'선에 따른 단면도들이다. 본 실시예에서는, 앞서 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 6을 참조하면, 기판(SU) 상에 제1 전극(EL1)이 형성될 수 있다. 제1 전극(EL1)은 제1 두께(T1)로 형성될 수 있다. 제1 전극(EL1)은 투명 전도막을 포함할 수 있다.
제1 전극(EL1) 상에 금속층(ML)이 형성될 수 있다. 금속층(ML)은 금속 M을 포함할 수 있다. 예를 들어, M은 W, Mo, Ti, V, Zn, Hf 또는 Zr을 포함할 수 있다. 금속층(ML)은 제4 두께(T4)를 가질 수 있다. 제4 두께(T4)는 5 nm 내지 100 nm일 수 있다. 보다 자세하게 제4 두께(T4)는 5 nm 내지 10 nm일 수 있다.
도 7을 참조하면, 금속층(ML)으로부터 연결막(CL)이 형성될 수 있다. 다시 말하면, 금속층(ML)이 연결막(CL)으로 변환될 수 있다. 금속층(ML)으로부터 연결막(CL)이 형성됨으로써, 연결막(CL)은 제1 전극(EL1) 상에 위치할 수 있다. 연결막(CL)은 금속층(ML)을 전구체층으로하는 칼코겐화 반응(chalcogenization reaction)을 이용하여 형성될 수 있다. 칼코겐화 반응은 금속층(ML)이 일부 또는 모두 반응할 때까지 수행될 수 있다. 칼코겐화 반응은, S, Se, O 또는 Te를 포함하는 칼코겐 전구체를 금속층(ML) 상에 제공함으로써 수행될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 연결막(CL) 상에 반도체막(SL)이 형성될 수 있다. 반도체막(SL) 상에 제2 전극(EL2)을 형성할 수 있다. 일 예로, 제2 전극(EL2) 역시 투명 전도막을 포함할 수 있다. 제1 전극(EL1), 연결막(CL), 반도체 막(SL) 및 제2 전극(EL2)을 포함하는 적층 구조체를 패터닝하여, 복수개의 셀들(CE)을 형성할 수 있다.
제1 전극(EL1)과 제2 전극(EL2)을 투명전도성 산화물을 포함하는 투명전극으로 구성하면 태양광의 일부를 투과하는 연결막을 포함한 투명 태양전지를 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 것으로, 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이다. 본 실시예에서는, 앞서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 1, 도 2 및 도 8을 참조하면, 연결막(CL)은 제1 영역(RG1) 및 제2 영역(RG2)을 포함할 수 있다. 제1 영역(RG1)은 수직하게 배향된 이차원 막들(NS)을 포함할 수 있고, 제2 영역(RG2)은 수평적으로 배향된 이차원 막들(NS)을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 영역(RG1)의 이차원 막들(NS)은 제1 전극(EL1)의 상면으로부터 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 제2 영역(RG2)의 이차원 막들(NS)은 제1 전극(EL1)의 상면과 평행한 방향인 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 제2 영역(RG2)의 이차원 막들(NS)은 제3 방향(D3)으로 적층될 수 있다.
제2 영역(RG2)은 이차원 막들(NS)이 수평적으로 배향되었기 때문에, 제2 영역(RG2) 내에서 전류는 기판(SU)의 상면에 평행한 방향으로 흐를 수 있다. 일 예로, 제2 영역(RG2)은 제1 영역(RG1)에 의해 둘러싸일 수 있다. 제2 영역(RG2)을 둘러싸는 제1 영역(RG1)이 전류가 수평적으로 흐르는 것을 막을 수 있다. 결과적으로, 본 실시예에 따른 태양 전지는 누설 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 사시도이다. 본 실시예에서는, 앞서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 9을 참조하면, 각각의 셀들(CE)은 순차적으로 적층된 제1 전극(EL1), 제1 연결막(CL1), 반도체 막(SL), 제2 연결막(CL2) 및 제2 전극(EL2)을 포함할 수 있다. 제1 연결막(CL1)은 제1 전극(EL1)과 제1 반도체 막(SL1) 사이에 개재되어, 이들을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 제2 연결막(CL2)은 제2 전극(EL2)과 제3 반도체 막(SL3) 사이에 개재되어, 이들을 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
제1 연결막(CL1)은 제1 반도체 막(SL1)과 동일한 제1 도전형을 갖는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 제2 연결막(CL2)은 제3 반도체 막(SL3)과 동일한 제2 도전형을 갖는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 제1 연결막(CL1)은 전도체인 금속화합물을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 연결막들(CL1, CL2) 각각은 수직하게 배향된 복수개의 이차원 막들을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 연결막들(CL1, CL2)의 이차원 막들에 관한 구체적인 설명은 앞서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 것과 동일할 수 있다. 일 예로, 제2 연결막(CL2)의 이차원 막들은 제3 반도체 막(SL3)의 상면으로부터 상기 제2 전극(EL2)의 바닥면까지 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다.
제2 전극(EL2)은, 제2 연결막(CL2)의 금속과 동일한 금속을 포함할 수 있다. 제2 연결막(CL2)이 MXy의 금속 화합물을 포함할 때, 제2 전극(EL2)은 M의 금속을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 연결막(CL2)이 WSe2 이차원 막들을 포함할 때, 제2 전극(EL2)은 W를 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 태양 전지를 나타낸 사시도이다. 본 실시예에서는, 앞서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 10을 참조하면, 각각의 셀들(CE)은 순차적으로 적층된 제1 전극(EL1), 연결막(CL), 제1 반도체 막(SL1), 제2 반도체 막(SL2), 및 제2 전극(EL2)을 포함할 수 있다.
제1 반도체 막(SL1)은 광흡수층일 수 있다. 제1 반도체 막(SL1)은 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 반도체 막(SL1)은 CuInGaSe(CIGS), CuInSe(CIS), 또는 CdTe를 포함할 수 있다. 제2 반도체 막(SL2)은 제1 반도체 막(SL1)과 다른 도전형을 가진 반도체 막일 수 있다. 제2 반도체 막(SL2)은 화합물 반도체, 예를 들어, CdS, ZnO, ZnS 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 연결막(CL)은 수직적으로 배향된 이차원 막들(NS)을 포함할 수 있다. 이차원 막들(NS)은 제1 전극(EL1)의 상면으로부터 제1 반도체 막(SL1)의 바닥면까지 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 이차원 막들(NS)을 통해 제1 전극(EL1)과 제1 반도체 막(SL1)이 전기적으로 연결될 수 있다. 연결막(CL)의 이차원 막들(NS)은 제1 전극(EL1)과 제1 반도체 막(SL1) 사이의 전류의 누설을 방지할 수 있다.
실시예 1
SiO2/Si 기판 상에 Mo 막을 100nm 두께로 증착하였다. Mo 막 상에 황화 반응(sulfurization reaction)을 수행하여, MoS2 막을 형성하였다. 황화 반응의 공정 온도는 약 350 - 500℃로 유지하였다. 반응 온도가 500℃ 일 때 MoS2 막은 15nm의 두께로 형성되었다. 형성된 MoS2 막에 대한 TEM 분석을 실시한 결과, MoS2 이차원 막들이 수직적으로 배향되어 있음을 확인하였다. MoS2 막 상에 10nm의 N 형의 Si 막, 300nm의 진성 Si 막, 및 10 nm의 P 형의 Si 막을 순차적으로 형성하였다. P 형의 Si 막 상에 ITO 투명 전극을 형성하였다.
실시예 2
황화 반응의 공정 온도를 약 700℃로 유지한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다. 이때, MoS2 막은 90 nm의 두께로 형성되었다.
실시예 3
SiO2/Si 기판 상에 Mo 막을 100nm 두께로 증착하였다. Mo 막 상에 셀렌화 반응(selenization reaction)을 수행하여, MoSe2 막을 형성하였다. 셀렌화 반응의 공정 온도는 약 350 - 500℃로 유지하였다. 반응 온도가 500℃ 일 때 MoSe2 막은 15nm의 두께로 형성되었다. 이후, 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
비교예 1
Mo 막 상에 MoS2 막을 형성하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다. 다시 말하면, 비교예 1에 다른 태양 전지는 실시예 1의 MoS2 막이 생략되었다.
실험예 1
실시예 1의 태양 전지와 비교예 1의 태양 전지에 대해 각각 open circuit voltage (VOC), short circuit current density (JSC), fill factor (FF), 효율, 션트 저항 및 직렬 저항을 측정하여 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다. 광의 세기는 100 mW/cm2로 조절하였다.
VOC
(V)		 JSC
(mA/cm2)		 FF
(%)		 효율
(%)		 Shunt 저항
(Ω)		 직렬저항
(Ω)
실시예 1 0.831 11.0 54.2 4.95 4600 81
비교예 1 0.789 10.42 40.1 3.30 1500 190
표 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1의 태양 전지에 비해 VOC, JSC, FF 및 효율이 모두 증가하였다. 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1의 태양 전지에 비해 션트 저항이 약 3배 증가하였고, 직렬 저항은 약 2/5로 감소하였다. 이로 인해 FF와 효율이 크게 증가하였다.
실험예 2
실시예 1의 태양 전지에 조사되는 광의 세기를 변화시켜, 그에 따른 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
광의 세기 VOC
(V)		 JSC
(mA/cm2)		 FF
(%)		 효율
(%)		 Shunt 저항
(Ω)
100 mW/cm2 0.831 11.0 54.2 4.95 4600
90 mW/cm2 0.829 9.98 54.9 5.05 4900
80 mW/cm2 0.828 8.86 55.6 5.10 5900
70 mW/cm2 0.827 7.87 56.3 5.24 6700
60 mW/cm2 0.824 6.77 57.0 5.30 8200
50 mW/cm2 0.822 5.65 58.0 5.39 9000
40 mW/cm2 0.818 4.50 58.8 5.41 12000
30 mW/cm2 0.812 3.37 59.7 5.45 14000
20 mW/cm2 0.804 2.33 60.3 5.65 18000
표 2를 참조하면, 광의 세기가 낮아질수록 션트 저항이 증가함을 확인할 수 있다. 특히, 광의 세기가 20 mW/cm2일 때, 션트 저항은 18000 Ω이며 효율은 5.65%로, 태양 전지의 전기적 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 저조도 조건에서 우수한 성능을 발휘함을 확인할 수 있다.
실험예 3
실시예 3의 태양 전지와 비교예 1의 태양 전지에 대해 각각 open circuit voltage (VOC), short circuit current density (JSC), fill factor (FF), 효율, 션트 저항 및 직렬 저항을 측정하여 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다. 광의 세기는 100 mW/cm2로 조절하였다.
VOC
(V)		 JSC
(mA/cm2)		 FF
(%)		 효율
(%)		 Shunt 저항
(Ω)		 직렬저항
(Ω)
실시예 3 0.777 11.61 62.7 5.65 5500 46
비교예 1 0.718 9.90 42.5 3.02 2900 170
표 3을 참조하면, 실시예 3에 따른 태양 전지는 비교예 1의 태양 전지에 비해 션트 저항은 증가하고 직렬 저항은 감소함을 확인할 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예로서, 투명기판 위에 투명한 제1전극 위에 Mo 금속을 증착하여 반응 온도가 500℃로 하여 20 nm의 MoSe2 층을 형성하여 26%의 투과율을 보이는 투명태양전지를 제조하였을 때 7 MW/cm2의 광조사 조건에서 션트 저항 32000 Ω과 7.7 %의 크게 개선된 효율을 얻을 수 있다.
상기 수 차례 제시된 이차원 소재인 금속화합물은 MaXb (a, b = 0을 제외한 양의 정수) (M: 금속; X: 칼코겐 원소)일 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 개재된 적어도 하나의 반도체 막;
    상기 제1 전극과 상기 반도체 막 사이에 개재되어, 이들을 서로 전기적으로 연결하는 제1 연결막; 및
    상기 반도체 막 및 상기 제2 전극 사이에 개재된 제2 연결막을 포함하되,
    상기 제1 연결막은, 상기 제1 전극의 상면으로부터 상기 반도체 막의 바닥면까지 수직하게 연장되는 복수개의 이차원 막들을 포함하고,
    상기 제2 연결막은, 상기 반도체 막의 상면으로부터 상기 제2 전극의 바닥면까지 수직하게 연장되는 복수개의 이차원 막들을 포함하며,
    상기 이차원 막들은 금속 화합물을 포함하는 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차원 막들 각각은, 이차원 단일 층(monolayer)이 복수개 겹쳐진 구조를 갖되, 인접하는 단일 층들 간에는 반데르발스 인력을 갖는 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은, 상기 이차원 막들의 금속과 동일한 금속을 포함하는 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 금속 M을 포함하고,
    상기 이차원 막들의 상기 금속 화합물은 MXy의 화학식을 가지며,
    상기 M은 W, Mo, Ti, V, Zn, Hf 또는 Zr를 포함하고,
    상기 X는 S, Se, O 또는 Te를 포함하며,
    상기 y는 1, 2 또는 3인 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이차원 막들은 상기 기판에 대해 수직적으로 배향되되,
    상기 이차원 막들 중 제1 이차원 막은 제1 방향으로 연장되고,
    상기 이차원 막들 중 제2 이차원 막은 제2 방향으로 연장되며,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 교차하는 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연결막은 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역의 상기 이차원 막들은 수직하게 배향되고,
    상기 제2 영역의 상기 이차원 막들은 수평적으로 배향되는 태양 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 막은, 제1 반도체 막 및 상기 제1 반도체 막 상의 제2 반도체 막을 포함하고,
    상기 제1 반도체 막은 제1 도전형을 가지며,
    상기 제2 반도체 막은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 갖고,
    상기 제1 연결막은 상기 제1 전극과 상기 제1 반도체 막 사이에 개재되며,
    상기 이차원 막들은 상기 제1 도전형을 갖는 태양 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체 막들 각각은, 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 또는 실리콘 카바이드, 실리콘 옥사이드막을 포함하는 태양 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 반도체 막은, CuInGaSe(CIGS), CuInSe(CIS), 또는 CdTe를 포함하고,
    상기 제2 반도체 막은 CdS, ZnS, 또는 ZnO를 포함하는 태양 전지.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극들 중 적어도 하나는 투명 전도막을 포함하는 태양 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 투명 전도막은 ZnO, InSnO 또는 SnO를 포함하는 태양 전지.
  13. 기판 상에 제1 전극을 형성하는 것;
    상기 제1 전극 상에 칼코겐화 반응을 수행하여, 연결막을 형성하는 것; 및
    상기 연결막 상에, 반도체 막 및 제2 전극을 순차적으로 형성하는 것을 포함하되,
    상기 연결막을 형성하는 것은, 상기 제1 전극 상의 금속과 칼코겐 전구체가 반응하여, 수직적으로 배향된 복수개의 이차원 막들을 형성하는 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이차원 막들의 적어도 일 영역은, 상기 제1 전극의 상면으로부터 수직하게 성장되는 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 이차원 막들 각각은, 단일 층들이 서로 반데르발스 인력으로 결합된 구조를 갖는 태양 전지의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 반도체 막을 형성하는 것은, 상기 연결막 상의 제1 반도체 막, 및 상기 제1 반도체 막 상의 제2 반도체 막을 형성하는 것을 포함하고,
    상기 제1 반도체 막은 제1 도전형을 가지며,
    상기 제2 반도체 막은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 갖고,
    상기 이차원 막들은 상기 제1 도전형을 갖는 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 칼코겐화 반응의 공정 온도를 조절하여, 상기 연결막의 두께를 조절하는 것을 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
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