KR20080044181A - 구배된 하이브리드 비정질 규소 나노와이어 태양광 전지 - Google Patents

구배된 하이브리드 비정질 규소 나노와이어 태양광 전지 Download PDF

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KR20080044181A
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루카스 트사칼락코스
제임스 네일 존슨
벤카테산 마니반난
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

일부 실시양태에서, 본 발명은 신장된(elongated) 반도체 나노구조체, 및 두께 방향으로 실질적으로 진성인 것으로부터 실질적으로 전도성으로 되는 도핑 농도의 연속적 구배를 갖는 비정질 반도체 단일 층을 포함하는, 조성 구배를 갖는 하이브리드 나노구조체-기반 광전지 소자(photovoltaic device)에 관한 것이다. 다른 실시양태에서, 본 발명은 이러한 광전지 소자의 제조 방법, 뿐만 아니라 이런 소자를 이용하는 제품(예컨대 태양광 전지 모듈)에 관한 것이다.

Description

구배된 하이브리드 비정질 규소 나노와이어 태양광 전지{GRADED HYBRID AMORPHOUS SILICON NANOWIRE SOLAR CELLS}
본 발명은 일반적으로 광전지 소자에 관한 것이고, 구체적으로 신장된 규소 나노구조체를 능동(active) 구성요소로서 소자 내에 포함하는 광전지 소자에 관한 것이다.
현재, 규소(Si)는 태양광 전지(이런 태양광 전지는 태양광을 전기로 전환하는데 사용된다)의 제조에서 가장 일반적으로 사용되는 물질이다. 단일 및 다중 접합(junction) p-n 태양광 전지가 이와 같은 목적으로 사용되지만, 어느 것도 제조 및 이런 기술의 이용에 관련된 비용을 크게 감소시키기에는 충분하지 않다. 결과적으로, 통상적인 전기 공급원과의 경쟁으로 의해 이런 태양광 전지 기술이 널리 사용되지 못하였다.
현존하는 태양광 전지에서의 1차적 손실 과정은 광-여기된 전자가 급속하게 에너지를 손실하는 경우에 일어나는데, 이는 음자(phonon)로서 알려진, 격자 진동 과의 상호작용에 의한 과량의 밴드갭을 가지게 되어, 재조합의 증가를 가져올 수 있다. 이러한 손실은 단독적으로 표준 전지의 전환 효율을 약 44%로 한정한다. 또한, 포인트 결함(침입형(interstitial) 불순물), 금속 클러스터, 라인 결함(전위(dislocation)), 평면형 결함(적층 결점) 및/또는 그레인 경계(grain boundary)와 관련되어 반도체 결정에서 포획 상태로 된 광-생성된 전자 및 정공의 재조합이 상기 효율을 더욱 감소시킨다. 적합한 성질을 갖는 다른 물질, 특히 긴 확산 길이의 광-생성된 캐리어를 사용함으로써 효율에서의 이러한 추가적 감소를 극복할 수 있지만, 이러한 기술은 여전히 보다 통상적인 전기 공급원과 동등한 비용을 가져오지는 못하고 있다. 사용된 물질의 밴드갭보다 낮은 에너지를 갖는 광을 반도체가 흡수하지 않을 것이라는 사실에 의해 추가의 손실이 발생된다. 모든 광전지 손실을 고려하는 경우, 쇼클레이와 퀘이서는, 단일 접합 전지의 성능이 1.3 전자 볼트(eV)의 밴드갭을 갖는 최적 전지에서 단지 30 퍼센트 초과의 효율로 한정된다는 것을 보여 줄 수 있었다(문헌[Shockley and Queisser, "Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cell," J. Appl. Phys., 1961, 32(3), pp. 510-519]). 보다 최근의 계산에 의하면 단일 접합 전지에서의 이런 "한계 효율(limit efficiency)"은 29 퍼센트로 보고되었다(문헌[Kerr et al., "Lifetime and efficiency of limits of crystalline silicon solar cells," Proc. 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002, pp. 438-441]).
나노구조체
규소 나노와이어는 p-n 접합 다이오드 어레이에서 설명되었다(문헌[Peng et al., "Fabrication of large-Area Silicon Nanowire p-n Junction Diode Arrays," Adv. Mater., 2004, vol. 16, pp. 73-76]). 그러나, 상기 어레이는 광전지 소자에서 사용하도록 구조화되지 못하였으며, 또한 상기 문헌은 상기 어레이가 태양광 전지의 효율을 어떻게 증가시키는지에 대해 제시하지 못하였다.
규소 나노구조체는 태양광 전지 소자에서 설명되었다(문헌[Ji et al., "Silicon Nanostructures by Metal Induced Growth(MIG) for Solar Cell Emitters," Proc. IEEE, 2002, pp. 1314-1317]). 이러한 소자에서, Si 나노와이어는 니켈(Ni) 예비-층(pre-layer)으로 Si를 스퍼터링함에 의해 미세결정 Si 박막에 삽입되게 형성될 수 있고, 이때 니켈 예비층의 두께가 Si 나노와이어가 상기 막 내부에서 성장하는가 또는 아닌가를 결정한다. 그러나, 상기 나노와이어는 능동 광전지(PV) 구성요소는 아니며, 이들은 단지 반사방지 성능으로 기능할 뿐이다.
나노구조체가 능동 PV 구성요소인, 규소 나노구조체를 포함하는 태양광 전지는 2005년 3월 16일에 출원된, 공동-양도되었으며 동시계류 중인 미국 특허 출원 제 11/081,967 호에서 설명되어졌다. 상기 출원에서, 전하 분리 접합이 나노구조체 자체 내에 많이 함유되어 있어서, 일반적으로 상기 나노구조체를 합성하는 동안 도핑 변화를 필요로 한다.
표면 및 계면 결함
구조적 불완전성 또는 불순물 원자에 기인한 결함(defect) 상태가 단결정질 반도체의 표면 상에 및 벌크 내에 존재할 수 있다. 또한, 다결정질 반도체 물질은 많은 수의 벌크 및 표면 결함 상태를 포함하는 그레인 경계를 갖는 랜덤-배향(randomly-oriented) 결정 그레인으로 이루어진다. 전하 캐리어들이 결함 사이트에서 재조합될 수 있고, 따라서 전류 캐리어로서 손실되기 때문에, 전형적으로 결함은 전자 소자 및/또는 광전자 소자(예컨대, 태양광 전지)의 작동 또는 성능에 악영향을 준다. 따라서, 단결정질 또는 다결정질 반도체 기판의 표면은 표면 결함의 부정적 효과를 최소화시키기 위해 소자 제조 공정 동안 종종 페시베이션(passivation)된다. 표면 페시베이션의 한 방법은 단결정질 또는 다결정질 반도체 기판 상에 진성(비도핑된) 비정질 반도체 물질의 층을 형성함에 의한다. 이는 기판 표면에서의 전하 캐리어들의 재조합을 감소시키고, 소자의 성능을 개선시킨다.
대부분의 전자 및/또는 광전자 소자는 접합의 형성을 필요로 한다. 예컨대, 하나의 도전성 유형의 물질이 반대 도전성 유형의 물질과 접촉되게 놓여져 헤테로접합을 형성한다. 도전성 유형에서의 변화 및/또는 밴드 갭에서의 변형에 기인한, 헤테로접합에서의 급격한 밴드 벤딩(band bending)은 전하 캐리어 재조합을 일으키는 고밀도의 계면 상태를 초래한다. 또한, 소자 제조 공정 동안 가공 단계들 사이에서의 중단은 불순물 원자 및/또는 가오염물(spurious contaminant)이 다층 구조체의 계면에 포획되게 할 수 있다. 이러한 결함은 소자 성능을 저하시키는 전하 캐리어 재조합에 대한 사이트로서 작용할 수 있다. 따라서, 별개의 층들 사이의 계면을 제거한 소자 디자인이 매우 유용할 것이다.
1993년에, 산요 일렉트릭 캄파니는 플라즈마-침착된 진성 a-Si:H 층을 합체시켜 기판 표면에 요구되는 패시베이션을 제공하였다. 개별-도핑된 a-Si:H 층은 진성 층의 상부 상에 침착되어 헤테로접합을 형성한다. 이런 구조체를 "HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)"라 부른다. 상기 진성 층 두께는 250Å 미만이고, 최적 두께는 40 내지 50 Å범위이다. 미국 특허 제 5,213,628 호 및 제 5,648,675 호, 뿐만 아니라 미국 특허출원 공보 제 20020069911 A1 호를 참조할 것.
a-Si/금속 기판 p-i-n 박막 태양광 전지의 p- 및 i-층 사이에 위치된 구배 조성의 p-형 a-SiC:H 층의 효과에 대한 실험적 연구가 실시되었다(문헌[K. S. Lim, et al., A novel structure, high conversion efficiency p-SiC/graded p-SiC/i-Si/n-Si/ metal substrate-type amorphous silicon solar cell, J. Appl. Phys. 56(2), 15 Jul. 1984]). 그 결과는, 통상의 a-Si/금속 기판 p-i-n 소자에 대해, 보다 짧은 파장에서의 수집 효율에서의 눈에 띄는 증가를 비롯하여, 증가된 Voc 및 Isc 값을 보였다. 청색 응답에서의 관찰된 개선은 계면 재조합에서의 감소에 기인한다. 또한, a-Si:H기반 p-i-n 박막 태양광 전지의 p- 및 i- 층들 사이에 위치된 구배된 밴드갭 층의 효과에 대한 컴퓨터 분석은, 구배된 밴드갭 층의 사용에 의해 계면 상태의 수가 감소되고, 이들 소자의 전환 효율이 25% 초과하여 증가될 수 있음을 보여준다(문헌[P. Chatterjee, A computer analysis of the effect of a wide-band-gap emitter layer on the performance of a-Si:H-based heterojunction solar cells, J. Appl. Phys. 79(9), 1 May 1996]).
가변성 밴드갭 물질로 형성된 i-형 반도체 흡수층을 갖는 p-i-n 박막 태양광 전지(여기서, 상기 i-층은 p-형 반도체 층과 n-형 반도체 층 사이에 위치됨)가 제시되었다. 미국 특허 제 5,252,142 호 참조. 가변성 밴드갭 i-층 흡수층은 개선된 광전지 전환 효율을 제공한다.
최근, 기판 표면, 및 기판 표면 상에 배치된 구배 조성의 코팅을 포함하는 복합품이 제시되었다. 미국 특허출원 공보 제 20040046497 A1 호 참조. 상기 코팅 물질은 조성이, 기판을 통한 산소, 수증기 및 기타 화학 종의 투과 속도를 감소시켜 확산 장벽을 제공하여 화학적으로 민감한 소자 또는 물질들을 보호하도록 두께 방향으로 실질적으로 연속적으로 변한다.
본 발명의 실시양태는 일반적으로 조성 구배를 갖는 하이브리드 광전지 나노구조체-기반 소자, 상기 소자의 제조 방법 및 상기 소자를 포함하는 시스템 및 제품에 관한 것이다.
일부 실시양태에서, 전술된 나노구조체-기반 소자는 반도체, 금속 또는 유리 기판 상의 하나의 도전성 유형의 반도체 나노와이어 (또는 다른 적절한 신장된 나노구조체) 막; 및 두께 방향으로의 조성 구배가 상기 기판/나노와이어 막과의 계면에서 실질적으로 진성인 것으로부터 반대면에서 실질적으로 도전성이 되는 비정질 반도체 층으로 이루어진다. 상기 비정질 반도체 층이 상기 기판/나노와이어 막의 도전성 유형에 대해 반대 도전성 유형으로 조성 구배가 되는 경우 헤테로접합이 형성된다.
일부 실시양태에서, 본 발명은, (a) 기판 상에 배치된, 제 1 형 도핑을 갖는 복수 개의 신장된 반도체 나노구조체(나노와이어가 이의 한 종(species)이다); 및 (b) 상기 신장된 반도체 나노구조체 상에 등각으로 배치되는 반도체 물질의 단일 비정질 층을 포함하는 광전지 소자(photovoltaic device)에 관한 것으로서, 상기 반도체 물질의 비정질 층은 상기 비정질 층과 상기 신장된 반도체 나노구조체와의 사이에 계면을 가지며, 상기 비정질 층은 상기 계면에서 실질적으로 진성인 것으로부터 상기 비정질 층의 반대면에서 실질적으로 전도성으로 되는 구배 조성을 갖고, 상기 비정질 층의 구배 조성은 제 2 형 도핑에 의해 제공된다. 일반적으로, 이런 조성 구배를 갖는 비정질 층은 편재된 상태의 연속적 변형을 갖는 밴드 갭을 제공한다. 일부 실시양태에서, 투명 도전성 물질(TCM)의 층이 상기 비정질 층 상에 침착된다. 또한, 전형적으로 상부 및 하부 접촉부가 상기 소자를 외부 회로에 연결시키도록 작동가능하게 제공되며, 여기서, 상기 하부 전극은 전형적으로(그러나 항상은 아님) 상기 기판에 집적된다(integrated).
전형적으로, 전술된 조성 구배는 상기 비정질 반도체 층의 제조 중에 도핑 수준을 조정함에 의해 성취된다. 구배된 비정질 층은 등각 방식으로 반도체 나노구조체/기판 표면 상에 배치되며, 이때 조성 구배를 갖는 단일 층이 사용된다{하이브리드 소자를 형성하기 위해 별개의 개별적 층들의 조합을 사용하며, 이들중 어떠한 것도 나노와이어(또는 기타 나노구조 변형체) 막 능동 층이 아닌 종래 기술의 방법과는 대조적임}.
일부 실시양태에서, 본 발명은 (a) 제 1 형 도핑을 갖는 복수 개의 신장된 반도체 나노구조체를 기판 상에 제공하는 단계; 및 (b) 상기 신장된 반도체 나노구조체 상에 계면을 형성하도록 반도체 물질의 비정질 층을 등각으로 침착시키는 단계를 포함하는 광전지 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 이때 상기 비정질 층은 상기 계면에서 실질적으로 진성인 것으로부터 상기 비정질 층의 반대면에서 실질적으로 전도성으로 되는 조성 구배를 갖고, 상기 비정질 층의 구배 조성은 제 2 형 도핑에 의해 제공된다.
일부 실시양태에서, 본 발명은 광전지 소자 또는 태양광 전지(모듈 또는 태양광 패널 형태)의 어셈블리, 및 빌딩 지붕에 있어서의 상기 어셈블리의 용도에 관 한 것으로, 이런 어셈블리는 인버터를 통해 전기 그리드에 접속될 수 있다.
상기의 설명은 이하의 본 발명의 상세한 설명이 보다 잘 이해될 수 있도록 하기 위해 본 발명의 특징들을 보다 넓게 개략적으로 설명한 것이다. 본 발명의 청구범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적 특징 및 장점이 이후에 기재될 것이다.
결론적으로, 용이한 제조 공정 및 보다 전통적인 전기 공급원과 동등한 효율을 제공하는 상기 PV 기술의 임의의 변형법, 특히 나노크기 물질을 혼입시키는 변형법이 특히 이런 변형법이 표면 및 계면 결함을 감소시키는 경우 매우 유용할 것이다.
일부 실시양태에서, 본 발명은 규소(Si) 나노와이어(또는 반도체 물질의 신장된 나노구조체) 및 상기 나노와이어 상에 등각으로 배치되며 조성 구배를 갖는 비정질 층을 포함하는 광전지(PV) 소자에 관한 것이다. 일반적으로, 상기 비정질 층은 상기 나노와이어와 동일하거나 유사한 벌크 조성으로 되어 있지만, 나노와이어는 균일하게 도핑되어 있는 반면, 상기 비정질 층은 상기 나노와이어/비정질 층 계면에서 실질적으로 진성인 것으로부터 상기 층의 반대 면상에서 실질적으로 도전성으로 층의 두께 방향으로 변하는(양적 관점에서) 도핑(전하-분리 접합을 이루기 위한 반대 유형의 도핑)을 갖는다.
이하의 설명에서, 본 발명의 실시양태에 대해 완전히 이해하기 위해 구체적인 양, 크기 등과 같은 구체적인 세부사항이 개시된다. 그러나, 본 발명은 이런 구체적인 세부사항 없이 실시할 수도 있다는 것이 당업자에게는 자명할 것이다. 많은 경우, 이런 고려내용과 관련된 세부사항은, 이러한 것이 본 발명의 완전한 이해를 얻는데 필수적이지 않고 당업자의 기술 범위 내에 있으므로 생략되어진다.
일반적으로 도면과 관련하여, 이러한 도면은 본 발명의 특정 실시양태를 기술하기 위한 것이고, 본 발명이 이에 한정되도록 의도되지는 않음을 이해할 것이다.
본원에서 사용된 용어의 대부분은 당업자가 인식하고 있을 것이지만, 그럼에도 불구하고 다음의 정의가 본 발명의 이해를 돕기 위해 개시된다. 그러나, 명시적으로 정의되지 않는 경우, 용어들은 현재 당업자에게 받아들여지는 의미를 채택하는 것으로 해석되어야 함을 이해할 것이다.
본원에서 정의된 "광전지 소자(photovoltaic device)"는 하나 이상의 광다이오드를 포함하며, 기전력(e.m.f.)을 생성하기 위해 광전지 효과를 이용하는 소자이다. 문헌[Penguin Dictionary of Electronics, Third Edition, V. Illingworth, Ed., Penguin Books, London, 1998]을 참조할 것. 이런 소자의 예는 "태양광 전지(solar cell)"로서, 태양광 전지는 태양으로부터의 낮 시간의 광조사에 대해 최적화되어진 스펙트럼 반응을 갖는 광다이오드이다.
본원에서 정의된 "나노크기(nanoscale)"는 일반적으로 1 ㎛ 미만의 치수를 의미한다.
본원에서 정의된 "나노구조체"는 일반적으로 둘 이상의 치수에서 나노크기인 구조체를 의미한다.
본원에서 정의된 "신장된 나노구조체(elongated nanostructure)"는 둘 이상의 치수에서 나노크기인 나노구조체를 가리킨다. 이런 신장된 나노구조체의 예는 나노와이어, 나노막대, 나노튜브 등을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
일반적으로, 본원에서 정의된 "나노와이어"는 전형적으로 둘 이상의 치수에서 마이크론 미만(< 1 ㎛)이고, 대부분 원통형 형상을 갖는 신장된 나노구조체이다.
본원에서 정의된 "등각(conformal)"은 코팅되는 구조체의 형상에 거의 맞는(즉, 합치되는) 코팅에 관한 것이다. 그러나, 이 용어는, 적어도 일부 실시양태에서는, 코팅된 구조체들 사이의 빈 공간을 실질적으로 충전할 수 있는 것으로 광의적으로 해석되어야 된다.
본원에서 정의된 "반도체 물질"은 일반적으로 금속과 절연체 사이의 중간적인 도전성을 갖는 물질로서, 이런 물질은 원자가 밴드(valence band)와 전도 밴드(conduction band) 사이에 에너지 갭 또는 "밴드갭"을 갖는다. 전형적으로 반도체 물질이 순수하고 비도핑된 상태에 있을 때, 상기 반도체 물질은 "진성(intrinsic)"인 것으로 칭해진다.
본원에서 정의된 "p-도핑(p-doping)"은 진성 반도체 물질의 도전성을 증가시키고 원자가 밴드로 페르미 준위를 이동시켜 접합이 형성될 수 있게 하는데 효과적 인 정공을 도입하는 불순물을 갖는 반도체 물질의 도핑을 의미한다. 이런 p-도핑의 예는 소량의 붕소(B)를 규소(Si)에 첨가하는 것이다.
본원에서 정의된 "n-도핑(n-doping)"은 진성 반도체 물질의 도전성을 증가시키고 전도 밴드로 페르미 준위를 이동시켜 접합이 형성될 수 있게 하는데 효과적인 전자를 도입하는 불순물을 갖는 반도체 물질의 도핑을 의미한다. 이런 n-도핑의 예는 소량의 인(P)을 규소(Si)에 첨가하는 것이다.
본원에서 정의된 "전하 분리 접합(charge separating junction)"은 전자 및 정공의 분리를 가능케 하는 상이한 유형(예: 상이한 도판트 및/또는 벌크 조성)의 물질들 사이의 경계를 포함한다.
본원에서 정의되고 광전지 소자와 관련되는 "헤테로접합"은 상이한 밴드갭을 갖는 두 개의 상이한 반도체 물질의 접촉을 통해 이루어진 전하 분리 접합이다.
본원에서 정의된 "능동 PV 구성요소(active PV element)"는 전하 분리 접합을 이루게 하는 기능을 하는 PV 소자의 구성요소이다.
본원에서 정의된 "p-n 광전지 소자"는 p-도핑된 반도체 및 n-도핑된 반도체의 접촉을 통해 이루어진 전하 분리 접합을 포함하는 하나 이상의 광다이오드를 포함하는 소자이다.
본원에서 정의된 "p-i-n 광전지 소자"는, p-형(주로 정공 전도)으로 도핑된 하나의 층, 비도핑된(즉, 진성인) 하나의 층, 및 n-형(주로 전자 전도)으로 도핑된 다른 하나의 층을 갖는 세 가지 물질의 스택이다.
본원에서 정의되며 본원에 기재된 PV 소자의 등각 비정질 층과 관련되는 "조 성 구배를 갖는" 또는 "조성 구배된(compositionally graded)"은, 벌크 반도체 물질이, 신장된 나노구조체(제 1 형 도핑, 예컨대 p-도핑을 갖는)와의 계면에서 실질적으로 진성이고 상기 층의 두께 방향으로 점진적으로 보다 많이 도핑되어(제 2 형 도판트로 도핑, 예컨대 n-도핑됨) 반대면 상에서 상기 층이 존재하는 PV 소자에서 전하 분리 접합이 이루어지기에 충분한 도핑 수준을 상기 층이 갖도록, 상기 층의 두께 방향으로 변하는 도판트 농도를 포함함을 의미한다. 본원에서 정의되며 본원에 기재된 PV 소자와 관련되는 "조성 구배를 갖는 또는 조성 구배를 갖는 하이브리드(compositionally graded hybrid)"는 조성 구배된 비정질 층이 아래에 있는 규소 나노구조체 또는 나노와이어와 결합되어 형성된다.
본원에서 정의된 "태양광 전지"는 본질적으로 태양광 조사로부터의 에너지 전환에 최적화된 광전지 소자이다.
본원에서 정의된 "나노템플레이트"는 나노크기 치수를 갖는 공극 또는 컬럼의 어레이를 포함하는 무기 또는 유기 막이다.
소자
도 1에서, 일부 실시양태에서 본 발명은 (a) 기판(102) 상에 배치된, 제 1 형 도핑을 갖는 복수 개의 신장된 반도체 나노구조체(101); 및 (b) 상기 신장된 반도체 나노구조체 상에 등각으로 배치되는 반도체 물질의 비정질 층(103)을 포함하는 광전지 소자(photovoltaic device)에 관한 것으로서, 상기 반도체 물질의 비정질 층은 상기 비정질 층과 상기 신장된 반도체 나노구조체 사이에 계면을 가지며, 상기 비정질 층은 상기 계면에서 실질적으로 진성인 것으로부터 상기 비정질 층의 반대면에서 실질적으로 전도성으로 되는 조성 구배를 갖고, 상기 비정질 층의 구배 조성은 제 2 형 도핑에 의해 제공된다. 이런 실시양태에서, 조성 구배를 갖는 비정질 층은 편재된 상태의 연속적 변형을 갖는 밴드 갭을 제공하고, 상기 비정질 층이 반도체 나노와이어의 도전성 유형과 반대 도전성 유형으로 된 조성 구배를 갖는 경우 헤테로접합이 형성된다. 일부 이런 실시양태에서, 투명 도전성 물질(TCM)(104)의 층이 상기 비정질 층(103) 상에 침착된다. 또한, 전형적으로 상부 접촉부(105) 및 하부 접촉부가 상기 소자를 외부 회로에 연결시키도록 작동가능하게 제공되고, 여기서 상기 하부 전극은 전형적으로(항상은 아님) 상기 기판에 집적된다(후술됨).
신장된 반도체 나노구조체(101)는 본 발명의 실시양태에 따른 PV 소자를 제공하기에 적합한 임의의 물질로 이루어질 수 있다. 적합한 물질은 규소(Si), SiGe, 갈륨 아르세나이드(GaAs), 갈륨 포스파이드(GaP), 인듐 포스파이드(InP), GaInP, 게르마늄(Ge), GaInAs, 알루미늄 갈륨 아르세나이드(AlGaAs), 산화 아연(ZnO), 질화 갈륨(GaN), 질화 알루미늄(AlN), 질화 인듐(InN), 질화 붕소(BN), 셀레늄(Se), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), Cd-O-Te, Cd-Mn-O-Te, ZnTe, Zn-O-Te, Zn-Mn-O-Te, MnTe, Mn-O-Te, 구리 산화물, 탄소, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Se 및 유사한 조성물, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
나노구조체(101)는 전형적으로 약 100 nm 내지 약 100 ㎛의 범위의 길이 및 약 5 nm 내지 약 1 ㎛의 범위의 폭을 갖는다. 일부 실시양태에서, 상기 나노구조체는 실질적으로 수직 배향으로(즉, 기판의 평면에 대해) 기판 상에 구조화되어, 상기 나노구조체의 대부분이 45°보다 큰 각을 형성한다. 다른 실시양태에서, 상기 나노구조체는 매우 랜덤한 방식으로 기판 상에 배치된다.
일부 실시양태에서, 상기 소자는 기판 상에 존재하거나 상기 기판에 집적되는 나노다공성 템플레이트를 추가로 포함하고, 나노다공성 템플레이트로부터 신장된 반도체 나노구조체가 생성된다. 이는 종종 상기 나노구조체가 상기 템플레이트에서 성장되는 경우이다. 도 3에서, 일부 실시양태에서, 적층된 기판(102)은 기판 지지체(102a) 상에 존재하는 나노다공성 템플레이트(102c) 및/또는 도전 층(102b)을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 다공성 나노템플레이트(102c)는 애노드화된(anodized) 산화 알루미늄(AAO), 이산화 규소(SiO2), 질화 붕소(BN), 질화 규소(Si3N4) 등으로 구성된 군으로부터 선택되는 물질을 포함한다. 일부 실시양태에서, 다공성 나노템플레이트(102c)는 약 0.1㎛ 내지 약 100㎛의 두께(또는 평균 두께)를 가지며, 약 1nm 내지 약 1㎛의 공극 직경(또는 평균 직경)을 갖고, 약 105/cm2 내지 약 1011/cm2의 공극 밀도를 갖는다.
이러한 소자의 일부 실시양태에서, 신장된 반도체 나노구조체는 p-도핑되지만, 이들은 또한 n-도핑될 수도 있다. 그러나, 소자 내의 전하 분리 접합을 생성시키기 위해서는, 나노구조체의 도핑이 비정질 층의 구배 도핑의 반대 도핑이어야 한다.
일부의 이러한 소자 실시양태에서, 비정질 층(103)은 규소, GaAs, GaP, InP, GaInP, Ge, SiGe, GaInAs, AlGaAs, ZnO, GaN, AlN, InN, BN, Se, CdSe, CdTe, CdS, Cd-O-Te, Cd-Mn-O-Te, ZnTe, Zn-O-Te, Zn-Mn-O-Te, MnTe, Mn-O-Te, 구리 산화물, 탄소, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Se 및 이들과 유사한 조성물, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 반도체 물질을 포함한다. 전형적으로, 상기 비정질 층은 20Å 내지 200Å 범위의 상대 두께를 포함한다.
전술되고 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 비정질 층(103)은 두께(A) 방향으로 조성 구배(도판트 농도의 관점에서)되는데, 이때 도판트 농도는 전형적으로 나노구조체(101) 및 표면(102) 부근에서 거의 0으로부터 해서 층의 반대 면에서 전하 분리 접합을 이루게 하는데 충분한 양으로 증가한다. 전형적으로, 이런 도핑은 n-도판트(예, N, P, As 등)를 포함하는 n-도핑이지만, 다르게는 이런 도핑은 나노구조체(101)가 n-도핑되는 경우 p-도핑일 수 있다.
투명 도전성 물질의 층을 사용하는 소자 실시양태에서, 상기 투명 도전성 물질은 투명 도전성 산화물(TCO)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 투명 도전성 산화물은 인듐-주석-산화물(ITO)이다. 다른 일부 실시양태에서, 상기 투명 도전성 산화물은 도핑된 ZnO이다. 전형적으로, 상기 투명 도전성 물질은 약 0.05㎛ 내지 약 1㎛의 두께를 갖는다.
일부 실시양태에서, 상기 기판은 하부 접촉부를 제공한다. 일부 또는 다른 실시양태에서, 투명 도전성 물질의 층은 상부 접촉부를 제공한다. 목적하는 용도 에 따라, 상기 소자는 상부 및/또는 하부 조명을 위해 구조화될 수 있다.
소자 제조
일부 실시양태에서, 본 발명은 전술된 조성 구배를 갖는 하이브리드 나노구조체-기반 광전지 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 (단계 501) 제 1 형 도핑을 갖는 복수 개의 신장된 반도체 나노구조체를 기판 상에 제공하는 단계; 및 (단계 502) 계면을 형성하도록 반도체 물질의 비정질 층을 상기 신장된 반도체 나노구조체 상에 등각으로 침착시키는 단계(여기서, 상기 비정질 층은 상기 계면에서 실질적으로 진성인 것으로부터 상기 비정질 층의 반대면에서 실질적으로 전도성으로 되는 구배 조성을 갖고, 상기 비정질 층의 구배 조성은 제 2 형 도핑에 의해 제공된다); (단계 503) 상기 비정질 층 상에 도전성 투명 물질을 층으로서 침착시키는 단계; 및 (단계 504) 상기 소자를 외부 회로에 연결시키도록 작동가능한 상부 및 하부 접촉부를 형성하는 단계를 포함한다.
전술된 방법의 일부 실시양태에서, 상기 신장된 나노구조체는 화학 증착(CVD), 금속-유기 화학 증착(MOCVD), 플라즈마-증진 화학 증착(PECVD), 고온 와이어 화학 증착(HWCVD), 원자 층 침착(atomic layer deposition), 전기화학적 침작, 용액 화학적 침착 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 방법을 이용하여 상기 나노구조체를 성장시킴에 의해 제공된다. 일부 실시양태에서, 상기 신장된 나노구조체는 금속 나노입자로부터 이들을 촉매적으로 성장시킴에 의해 제공되며, 이때 상기 금속 나노입자는 나노다공성 템플레이트에 존재할 수 있으며, 금(Au), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 철(Fe)로 구성된 군으로부터 선택되는 금속을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 신장된 나노구조체를 성장시키기 위해, 2005년 5월 27일 출원되고 공동 양도된 미국 특허 출원 제 11/141,613 호에 기술된 바와 같이, 나노다공성 템플레이트가 사용된다.
전술된 방법의 일부 실시양태에서, 상기 비정질 층을 등각으로 침착시키는 단계는 CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, 스퍼터링 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 기법을 이용하여 실시된다. 일부 실시양태에서, 상기 비정질 층은 침착 시에 도판트 종으로 분해되는 도판트 전구체로 도핑시킴에 의해 조성 구배되고, 상기 도핑은 비정질 층이 침착됨에 따라 도판트 전구체 농도를 점진적으로 증가시킴에 의해 침착 공정 동안 구배 방식(graded manner)으로 제공된다. 적합한 도판트 전구체는 B2H6, B(CH3)3, PH3 등을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
태양광 패널
일부 실시양태에서, 본 발명은 하나 이상의 조성 구배를 갖는 하이브리드 나노와이어-기반 광전지 소자를 포함하는 태양광 패널로서, 상기 태양광 패널은 주변 대기 환경으로부터 상기 소자를 격리시키며, 전력 생산을 가능케 한다.
장점
전통적(종래 기술) 하이브리드 광전지 소자는 하나의 도전성 유형의 반도체 기판, 및 상기 기판과 접촉되게 위치되어 헤테로접합을 형성하는 반대 도전성 유형의 비정질 반도체 층으로 구성된다. 상기 기판은 n-형 또는 p-형 단결정질 또는 다결정질 반도체 물질일 수 있다.
전술된 전통적 하이브리드 PV 소자와는 대조적으로, 조성 구배를 갖는 하이브리드 광전지 나노구조체-기반 소자는, 반도체, 금속 또는 유리 기판 상에 하나의 도전성 유형의 반도체 나노와이어(또는 나노구조체 변형체) 막(또는 어레이); 및 두께 방향으로 상기 기판의 계면에서 실질적으로 진성인 것으로부터 반대 면에서 실질적으로 전도성으로 되는 조성 구배를 갖는 비정질 반도체 층을 전형적으로 포함한다. 비정질 반도체 층이 상기 기판의 도전성 유형과 반대의 도전성 유형으로 조성면에서 구배되는 경우에 헤테로접합이 형성된다. 조성 구배화는 비정질 반도체 층의 제조 공정 동안 도핑 수준을 조정함에 의해 성취된다. 구배되는 비정질 적층(layering)은 등각 방식으로 반도체 나노와이어/기판 표면 상에 일반적으로 배치된다. 조성 구배된 단일 층의 사용은 본원에 기재된 방식을 산요 일렉트릭 캄파니에 의해 이용된 기법(배경기술 부분 참조)과 구별되게 함을 유념할 것이며, 산요 일렉트릭 캄파니의 기법은 하이브리드 소자를 형성하기 위해 구별되는 별개의 층들의 조합을 이용하되, 이들 중 어느 것도 나노와이어 막 능동 층(즉, 나노와이어를 능동 PV 구성요소로서 사용하는 것)에 관한 것은 없다.
a-Si/금속 기판 p-i-n(양성-진성-음성) 박막 태양광 전지의 p 및 i 층들 사이에 위치된, 구배 조성된 a-SiC:H 층의 효과를 조사한 실험 연구가 문헌[J. Appl. Phys. 56(2), 15 Jul. 1984 (K.S. Lim et al., A novel structure, high conversion efficiency p-SiC/graded p-SiC/i-Sn/n-Si/ metal substrate-type amorphous silicon solar cell)]에 공개되었다. 결과는, 통상의 a-Si/금속 기판 p-i-n 소자에 대해서 증가된 Voc 및 Isc, 특히 보다 짧은 파장에서의 수집 효율에서 눈에 띄는 증가를 보였다. 청색 응답에서 관찰된 개선은 계면 재조합에서의 감소에 기인한다. p-i-n a-Si 박막 태양광 전지의 p 및 i 층들 사이에 위치된, 구배된 밴드갭 층의 효과를 조사한 컴퓨터 분석이 문헌[P. Chatterjee, A computer analysis of the effect of a wide-band-gap emitter layer on the performance of a-Si:H-based heterojunction solar cells, J. Appl. Phys. 79(9), 1 May 1996]에 공개되었다. 이 연구는, 구배된 밴드갭 층의 사용에 의해 계면 상태의 수가 감소되었고, 이들 소자의 전환 효율이 25%를 초과하여 증가됨이 밝혀졌음을 기술하였다.
전술된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 본 발명의 소자는 하나의 표면 영역에서 진성 성질을 갖고 반대 표면 영역에서 도전 성질을 갖는 조성 구배된 단일 반도체 층을 포함한다. 구배된 층은, 흡수층으로서 기능하는 기판 상에 성장된 반도체 나노와이어로 구성된 박막과 전극 역할을 하는 투명 도전성 코팅 사이에 형성된다. 이런 단일 층은 다음과 같은 중요한 특성을 동시에 제공한다: (1) 나노와이어 표면의 페시베이션, (2) 다층 구조체에서 본질적인 여분의 계면의 제거, 및 (3) p-n 접합의 근접성에 의한 나노와이어에서 생성된 전하의 효과적 분리. 단일 층을 사용하여 이러한 두 가지 특성을 조합시킴에 의해 캐리어 재조합을 최소화하는 독특한 디자인을 수득하므로, 하이브리드 광전지 소자 성능을 최대화할 수 있다.
본원의 배경 부분에 기재된 표면 페시베이션 문제와 관련하여, 일부 실시양태에서, 실질적으로 진성 영역이 등각 방식으로 나노와이어 박막 표면과 접촉되도록 조성 구배된 단일 층이 제조된다(전술된 내용 참조). 이는 필요한 표면 페시베이션을 제공하므로, 전하 캐리어 재조합을 감소시킨다.
전술된 계면 재조합 문제와 관련하여(본원의 배경 부분 참조), 조성 구배된 단일 층의 사용은, 전하 캐리어 재조합이 일어날 수 있는, 다층 디자인에서의 층들 사이의 계면(들)을 제거한다. 계면 재조합은 대부분 두 가지 효과에 기인한다. 첫째는 구조적인 것이다: 헤테로접합(예: p/i 또는 n/i 접합)에서의 급격한 밴드 벤딩(band bending)은 전하 캐리어 재조합을 일으키는 고밀도의 계면 상태를 초래한다. 단일 층에서의 도판트 농도의 구배화는 에너지 밴드 갭에서의 편재된 상태의 연속적 변형을 제공한다. 밴드 갭에서의 편재된 에너지 상태의 점진적 전이는 급격한 밴드 벤딩을 제거하고, 전하 캐리어 재조합을 감소시킨다. 둘째는 공정면에서이다: 공정 단계들 사이에서의 소자 제조의 중단은 불순물 원자 및/또는 가오염물이 다층 구조체의 계면에 포획될 수 있게 한다. 이러한 결함은 소자 성능을 저하시키는 전하 캐리어 재조합에 대한 사이트로서 작용할 수 있다. 단일의 구배된(도판트 농도의 관점에서) 층의 연속적 형성은 일련의 공정에서의 불연속성을 제거하므로, 다층 디자인의 계면(들)을 제거하고, 전하 캐리어 재조합을 감소시킨다.
다음의 실시예는 본 발명의 특정 실시양태를 예시하기 위한 것이다. 다음의 실시예에 개시된 방법은 단지 본 발명의 예시적 실시양태만을 보여주는 것이라는 것을 당업자는 이해할 것이다. 그러나, 당업자는 본 개시내용의 견지에서, 기재된 구체적인 실시양태에 많은 변화가 가해질 수 있으며, 본 발명의 진의 및 범주로부터 벗어남이 없이 유사한 결과를 여전히 수득할 수 있음을 이해할 것이다.
실시예 1
이 실시예는 본 발명의 일부 실시양태에 따른, 조성 구배를 갖는 하이브리드 나노와이어 광전지 소자의 제조 공정 단계들을 설명하는 것이다.
플라즈마 반응 챔버(예: 플라즈마 증진 화학 증착 시스템) 내에 유리, 금속 또는 반도체 기판 상에 하나의 도전성 유형의 규소 나노와이어 막을 위치시킨다. 진공 펌프에 의해 상기 챔버로부터 대기 가스를 제거한다. 가공할 기판을 120 내지240℃로 예열한다. 조성 구배된 층의 침착 이전에 수소 플라즈마 표면 제조 단계를 실시한다. 상기 챔버로 H2를 50 내지 500 sccm(표준 cm3/분)의 유속으로 도입한다. 200 내지 800 mTorr 범위의 일정 가공 압력을 유지하기 위해 쓰로틀(throttle) 밸브를 사용한다. 6 내지 50 mW/cm2 범위의 전력 밀도를 갖는 교류 전력(alternating frequency input power)을, 상기 플라즈마를 발화 및 유지시키기 위해 인가한다. 인가되는 입력 전력은 100 kHz 내지 2.45 GHz일 수 있다. 수소 플라즈마 표면 제조 시간은 1 내지 60초이다.
수소 플라즈마 제조 단계(임의적 단계)의 말기에, 실레인(SiH4)을 10 내지 60 sccm의 유속으로 가공 챔버로 도입한다. 이는 조성 구배된 단일의 비정질 반도체 층의 침착을 개시할 것이다. 상기 플라즈마에 도판트 전구체가 포함되어 있지 않기 때문에, 초기에는 비정질 층의 조성은 진성(비도핑됨)이고, 따라서 반도체 기판의 표면을 페시베이션시키는 역할을 한다. 침착 공정이 진행됨에 따라, 후속적으로 도판트 전구체를 플라즈마 혼합물에 첨가한다. 도판트 전구체의 예는 B2H6, B(CH3)3 및 PH3이다. 이들은 순수한 형태이거나, 아르곤, 수소 또는 헬륨과 같은 캐리어 가스로 희석될 수 있다. 전구체의 유속은 조성면에서 구배되는 층의 침착 과정에 걸쳐 증가된다. 이런 증가하는 도판트 전구체의 흐름은 (침착되는) 단일 비정질 층에 있어서 도핑 농도의 구배를 형성한다. 구배 층 침착 공정의 마지막 단계에서, 플라즈마 중의 도판트 전구체의 농도는 실질적으로 도핑된 비정질 반도체 성질을 성취되도록 한다.
하나의 실시양태에서, p-형 규소 나노와이어 막을 흡수 층으로서 사용한다. 수소 플라즈마 표면 제조 후에, 조성면에서 구배되는 비정질 반도체 단일 층의 침착을 개시한다. 초기에 기판 표면을 패시베이션시키는 역할을 하는 진성(비도핑된) 물질 성질의 형성을 위해 순수한 수소 및 실레인의 혼합물을 사용할 수 있다. 이어서, 인-함유 전구체를 상기 플라즈마에 서서히 증가시키며 도입한다. 인이 n-형 도판트로서 작용하기 때문에, 비정질 물질은 n-형 전기적 성질을 갖기 시작한다. 이런 공정은 실질적으로 도전성 물질 성질이 성취될 때까지 인-함유 전구체의 유량을 증가시키면서 진행한다. 결과적으로, 두께 방향으로 연속적으로 변하는 인 농도를 포함하는 조성 구배를 갖는 층이 수득된다. 상기 구배된 층의 최적 두께는 ≤200Å이다. 일부 실시양태에서, 상기 층은 조성 구배를 갖는 하이브리드 소자의 전방 구조 부를 형성할 것이다. 다른 실시양태에서, 상기 층은 (광원에 대한 소자의 배향에 따라) 조성 구배를 갖는 하이브리드 소자의 후방 구조 부를 형성할 것이다.
조성 구배된 층 상에 전극을 형성하기 위해 투명 도전성 산화물(TCO) 코팅을 침착시킨다. 이러한 코팅은 예컨대 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 산화 아연(ZnO)일 수 있다. 두께를 비롯한 TCO의 특성은 이런 층이 반사방지(antireflective; AR) 코팅으로서 역할을 하도록 선택될 수 있다. 상기 상부 및 하부 (전방 및 후방) 전극 상에 소자에 의해 발생된 전류를 전달하기 위해 금속 접촉부(예: Al, Ag 등)를 형성한다.
실시예 2
이 실시예는 본 발명의 일부 실시양태에 따른, 광전지 소자(100)(또는 이의 변형체)가 적용가능한 용도에 대한 예시적 제품을 설명하기 위한 것이다.
그리드-연결 발전을 위해 집의 지붕 위에 전형적으로 복수 개의 광전지 소자(100)를 함유하는 광전지 모듈을 설치한다. 상기 모듈을, 기능적이고 미관적 품질을 얻을 수 있는 여러 가지 방법에 의해 설치한다. 현재 표준 주거용 태양광 전지 모듈의 경우와 같이, 상기 모듈은 저장되거나 이익을 위해 전력 회사로 되팔 수 있는 전력을 제공한다. 상기 태양광 전지는 표준 크기로 절단되고, 모듈 프레 임에 설치되고, 표준 솔더계 상호연결 스킴(solder-based interconnect scheme)을 사용하여 직렬로 연결될 수 있고, 일부 경우 바이패스 다이오드(bypass diode)와 함께 사용되어 그늘 효과(shading effect)를 최소화시킬 수 있다. 나노와이어가 투명 물질 상에서 성장된 경우, 완전 유리 기판이 직접적으로 프레임 모듈에 사용되거나, 프레임이 필요하지 않는 모듈로서 유리가 적층되어 사용될 수 있다. 이 경우, 전방 및 후면 접촉을 위해 전형적으로 당업계에 공지된 레이저 스크라이빙(scribing) 기법을 이용하여 태양광 전지 단편을 직렬로 상호연결시킬 수 있다.
변형
전술된 많은 실시양태에서 Si 나노와이어가 사용되어졌지만, 이들은 단지 반도체-기반 신장된 나노구조체의 큰 부류의 대표적인 것일 뿐이다. 따라서, 당업자에게 주지된 바와 같이, 전술된 실시양태들 중 많은 수는 규소 외의 물질을 포함하는 신장된 나노구조체를 포함하도록 변형될 수 있다. 이런 변형 실시양태는 (규소와는) 상이한 상응하게 조성 구배된 비정질 층을 가질 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 비정질 층의 등각 성질에 대한 변형을 보여준다. 이 실시양태에서, 비정질 층(403)은 나노튜브들(101) 사이의 공극을 실질적으로 충전한다. 임의적으로, 비정질 층(403) 상에 투명 도전성 물질의 층(404)이 상부 및 하부 전극(미도시됨)으로서 침착될 수 있다.
요약
일부 실시양태에서, 본 발명은 신장된 반도체 나노구조체, 및 두께 방향으로 실질적으로 진성인 것으로부터 실질적으로 전도성으로 되는 도핑 농도의 연속적 구배를 갖는 비정질 반도체 단일 층을 포함하는, 조성 구배를 갖는 하이브리드 나노구조체-기반 광전지 소자(photovoltaic device)에 관한 것이다. 다른 실시양태에서, 본 발명은 이러한 광전지 소자의 제조 방법, 뿐만 아니라 이런 소자를 이용하는 제품(예컨대 태양광 전지 모듈)에 관한 것이다.
일부 전술된 실시양태에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명은 연속적 조성 구배를 갖는 단일 반도체 층의 용도를 제공하되, 하나의 표면 영역 부근에서의 상기 층의 진성 성질이 반도체기판의 페시베이션을 제공하고, 반대 표면 영역 부근에서의 상기 층의 도전 성질이 전자 또는 광전자 소자를 형성하는데 필요한 전기적 성질을 제공한다. 일부 실시양태에서, 본 발명은 전하 캐리어 재조합이 일어날 수 있는, 진성 비정질 층과 도전성 비정질 층 사이에 존재하는 계면의 제거를 제공한다. 일부 실시양태에서, 본 발명은 소자 제조 중에 형성되며 전하 캐리어 재조합을 초래하는, 진성 비정질 층과 도전성 비정질 층 사이의 계면에서의 불순물 원자 및/또는 가오염물의 제거를 제공한다. 일부 실시양태에서, 본 발명은 조성 구배된 단일의 비정질 층의 에너지 밴드 갭에서의 편재된 에너지 상태의 구배화를 제공하되, 이는 상이한 밴드 갭 및/또는 도전성 유형을 갖는 층들 사이의 계면(들)에서 전하 캐리어 재조합을 일으키는 편재된 에너지 상태에서의 불연속성을 제거한다. 일부 실시양태에서, 본 발명은 조성 구배된 단일 층의 제조를 위한 일 단계 플라즈마 침착 공정의 용도를 제공한다.
전술된 실시양태에서 기술된 구조, 기능 및 작동 중 어떤 것은 본 발명을 실시하는데 필수적이지 않으며, 단지 예시적 실시양태(들)의 완전한 이해를 위해 본 명세서에 포함된 것이다. 또한, 상기에서 참고로 인용된 특허 및 문헌들에 개시된 구체적인 구조, 기능 및 작동은 본 발명과 연관되어 실시될 수 있지만, 이들은 본 발명의 실시에 필수적이지는 않다는 것을 이해하여야 할 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 진의 및 범주로부터 실제적으로 벗어남이 없이, 구체적으로 기술된 것과 달리 실시될 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명 및 이의 장점을 보다 완전하게 이해하기 위해, 첨부된 도면과 관련된 다음의 설명을 참고로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 규소(Si) 나노와이어(또는 다른 신장된 반도체 나노구조체)를 포함하는 조성 구배를 갖는 하이브리드 광전지(PV) 나노와이어-기반(nanowire-based) 전지를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 한 실시양태에 따라서 등각(conformal) 층이 조성면에서 구배를 갖게 하는 방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 한 실시양태에 따라서 기판이 적층된 영역을 포함하는, 기판(102) 상의 변형을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 하나의 또는 다른 실시양태에 따른, 도 1에 도시된 등각 코팅 상의 변형을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 신장된 나노구조체 및 조성 구배된 비정질 층을 포함하는 광전지 소자를 형성하는 방법을 단계적으로 요약한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 광전지 소자
101 신장된 반도체 나노구조체
102 적층된 기판
102a 기판 지지체
102b 도전성 층
102c 나노다공성 템플레이트
103 반도체 물질의 비정질 층
104 투명 도전성 물질(TCM)
105 접촉부
400
403 비정질 층
404 투명 도전성 물질(TCM)

Claims (24)

  1. (a) 기판 상에 배치된, 제 1 형 도핑을 갖는 복수 개의 신장된 반도체 나노구조체; 및
    (b) 상기 신장된 반도체 나노구조체 상에 등각으로 배치되는 반도체 물질의 비정질 층
    을 포함하는 광전지 소자(photovoltaic device)로서,
    상기 반도체 물질의 비정질 층은 상기 비정질 층과 상기 신장된 반도체 나노구조체와의 사이에 계면을 가지며,
    상기 비정질 층은 상기 계면에서 실질적으로 진성(intrinsic)인 것으로부터 상기 비정질 층의 반대면에서 실질적으로 전도성으로 되는 조성 구배를 갖고,
    상기 비정질 층의 구배 조성은 제 2 형 도핑에 의해 제공되는, 광전지 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성 구배를 갖는 비정질 층이 편재된 상태(localized state)의 연속적 변형을 갖는 밴드 갭을 제공하는, 광전지 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 층 상에 층으로서 배치되는 투명 도전성 물질을 추가로 포함하는, 광전지 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    소자를 외부 회로에 연결시키도록 작동가능한 상부 및 하부 접촉부를 추가로 포함하는, 광전지 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 존재하거나 상기 기판에 집적되는 나노다공성 템플레이트를 추가로 포함하고, 상기 나노다공성 템플레이트로부터 신장된 반도체 나노구조체가 생성되는, 광전지 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 신장된 반도체 나노구조체가 규소(Si), SiGe, 갈륨 아르세나이드(GaAs), 갈륨 포스파이드(GaP), 인듐 포스파이드(InP), GaInP, 게르마늄(Ge), GaInAs, 알루미늄 갈륨 아르세나이드(AlGaAs), 산화 아연(ZnO), 질화 갈륨(GaN), 질화 알루미늄(AlN), 질화 인듐(InN), 질화 붕소(BN), 셀레늄(Se), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), Cd-O-Te, Cd-Mn-O-Te, ZnTe, Zn-O-Te, Zn-Mn-O-Te, MnTe, Mn-O-Te, 구리 산화물, 탄소, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Se 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 광전지 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 신장된 반도체 나노구조체가 100 nm 내지 100㎛의 범위의 길이 및 5 nm 내지 1㎛의 범위의 폭을 갖는, 광전지 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 신장된 반도체 나노구조체가 p-도핑된(p-doped) 것인, 광전지 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 층이 규소, GaAs, GaP, InP, GaInP, Ge, SiGe, GaInAs, AlGaAs, ZnO, GaN, AlN, InN, BN, Se, CdSe, CdTe, CdS, Cd-O-Te, Cd-Mn-O-Te, ZnTe, Zn-O-Te, Zn-Mn-O-Te, MnTe, Mn-O-Te, 구리 산화물, 탄소, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Se 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 광전지 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 층이 20Å 내지 200Å 범위의 상대 두께를 포함하는, 광전지 소자.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 투명 도전성 물질이 ITO, ZnO 및 ZnAlO로 구성된 군으로부터 선택되며, 상기 투명 도전성 물질의 층이 약 0.05㎛ 내지 약 1㎛의 두께를 갖는, 광전지 소자.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판이 하부 전극을 포함하는, 광전지 소자.
  13. (a) 제 1 형 도핑을 갖는 복수 개의 신장된 반도체 나노구조체를 기판 상에 제공하는 단계; 및
    (b) 상기 신장된 반도체 나노구조체 상에 계면을 형성하도록 반도체 물질의 비정질 층을 등각으로(conformally) 침착시키는 단계
    를 포함하는 광전지 소자의 제조 방법으로서,
    상기 비정질 층은 상기 계면에서 실질적으로 진성인 것으로부터 상기 비정질 층의 반대면에서 실질적으로 전도성으로 되는 구배 조성을 갖고,
    상기 비정질 층의 구배 조성은 제 2 형 도핑에 의해 제공되는, 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 비정질 층 상에 도전성 투명 물질을 침착시키는 단계를 추가로 포함하는, 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    소자를 외부 회로에 연결하도록 작동되는 상부 및 하부 접촉부를 제조하는 단계를 추가로 포함하는, 제조 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 신장된 나노구조체가 CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, 원자 층 침착(atomic layer deposition), 전기화학적 침작, 용액 화학적 침착 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 방법을 이용하여 상기 나노구조체를 성장시킴에 의해 제공되는, 제조 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 신장된 나노구조체가 금속 나노입자로부터 상기 나노구조체를 촉매적으로(catalytically) 성장시킴에 의해 제공되는, 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자가 나노다공성 템플레이트에 존재하는, 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자가 금(Au), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 철(Fe)로 구성된 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는, 제조 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 비정질 층을 등각으로 침착시키는 단계가 CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, 스퍼터링 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 기법을 이용하여 실시되는, 제조 방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 비정질 층이, 침착 시에 도판트 종으로 분해되는 도판트 전구체로 도핑시킴에 의해 조성 구배되고, 상기 도핑은 비정질 층이 침착될 때 도판트 전구체 농도를 점진적으로 증가시킴에 의해 침착 공정 동안 구배 방식(graded manner)으로 제공되는, 제조 방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 하부 접촉부가 상기 기판에 의해 제공되는, 제조 방법.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 상부 접촉부가 도전성 투명 물질의 층에 의해 제공되는, 제조 방법.
  24. 제 1 항의 광전지 소자 하나 이상을 포함하는 태양광 패널(solar panel)로서,
    주변 대기 환경으로부터 상기 소자를 격리시키며, 전력 생산을 가능케 하는 태양광 패널.
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