KR20080105030A - 나노구조 기반 광전자 장치 - Google Patents

Abstract

비결정질(noncrystalline), 비-탄화수소(non-hydrocarbon) 장벽층 상 또는 내로 임의의 형상의 미리 형성한 나노결정(nanocrystal)의 삽입에 기초를 두고 있는 재료 구조물(materials structure)이 소개된다. 이러한 구조의 실시예는, 다층으로 될 수 있는 갖가지 장벽층 및 접촉(contact)을 포함한다. 이 구조가 검출기나 태양 전지(solar cell)로서 이용되는 경우는, 흡수 공정 중에 나노결정 내에 생성된 하전 캐리어(charged carrier)의 수송이 양자 역학적 터널링(quantum mechanical tunneling)을 통해 전자 접촉에 대해 열전자 방출 또는 확산을 일으킨다. 이러한 구조의 한가지 실시예로서는, 빌트인 바이어스(built-in bias)가 다른 접촉 재료 및 장벽층을 이용해서 수립되는 태양광 장치(photovoltaic device)가 있다. 이 구조도 또한 변조기 또는 방출기로서 사용될 수 있다. 본 발명은 적층되거나 인접한 접촉 영역을 공유하는 많은 구조로 이루어져도 좋은데, 개별의 광은 특정 주파수 또는 주파수군에서 광을 흡수, 방출 또는 변조하도록 동조되어 있다.

Description

나노구조 기반 광전자 장치 {NANOSTRUCTURES-BASED OPTOELECTRONICS DEVICE}

본 발명은 광전자 분야의 것이다. 특히, 본 발명은 무기계 나노구조(inorganic-based nanostructures)의 활성 영역으로의 통합에 기초한 태양광 태양 전지(photovoltaic solar cell)와 같은 장치를 제공한다. 여기서, 활성 영역은 단결정 나노구조가 미리 제조되어 무기계 비정질 호스트 재료로 퇴적되어 있다. 한 실시예에서는, 양자 역학적 터널링(quantum mechanical tunneling) 공정이 나노구조와 주위의 층 사이에서 하전 캐리어를 이동시킨다.

전형적으로, 광전자 장치는 무기 반도체(inorganic semiconductor, 無機半導體)의 단결정 활성 영역으로 구성되어 있다. 예컨대, AlGaAs, InAlGaAs 및 InGaNP와 같은 GaAs 및 GaN 화합물 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물은 광을 발생시키기 위해 사용됨과 더불어 광 검출기로서 사용되고, 반면에 실리콘과 같은 재료는 광 검출기로서 사용됨과 더불어 태양 에너지 컨버터로서 사용된다. 활성 영역의 본질은 단결정이기 때문에, 주위 영역도 격자 정합된 단결정 기판을 포함하는 재료의 격자 정합된 집합(set)을 필요로 하는 단결정이어야 한다. 이 공정은 값이 많이 들고 제한적이 다. 단결정이기 때문에, 격자 정합된 기판 및 특별히 설계되어 조립된 결정 성장 장치는 값이 많이 든다. 재료 결합이 선택되어야 하기 때문에, 특정의 장치에 대해 최적화되고 게다가 격자 정합되는 것은 제한적이다. 특히, 태양광 태양 전지는 햇빛을 전력으로 변환하는 광전자 장치이다. 전형적으로 이와 같이 형성되는 것은 많은 광전자 장치와 유사하다. 단결정, 다결정, 또는 비정질 재료의 박층이 기판 상에 퇴적된다. 전형적으로 빌트인 전압 전위는 n 및 p형 불순물이 도프된 영역간의 접합(junction)을 이용해서 만들어진다. 기판 상으로 조명되는 햇빛은 흡수되어 전자와 정공을 생성한다. 하전 캐리어는 그 구조를 통해 전기 접촉으로 확산되어 외부 부하 임피던스로 전류를 공급한다. 이들 장치는 이용되는 재료 및 그 재료의 단결정 본질과 중요하게 관련이 있는 효율을 가진다. 종래기술의 평균 효율은, 비정질 실리콘(Si) 기반의 장치에 대해 6% 범위, 다결정 실리콘 장치에 대해 15%, 단결정 실리콘 장치에 대해 25%, 다중접합(multijunction; 종속접속) AlGaAs-GaAs-Ge 장치에 대해 30% 이상의 범위로 되어 있다. 불행하게도, 효율이 증가됨에 따라 제조비용이 증가되어, 이 전력 발생 장치를 다른 전력 발생원에 필적하게 하는 것은 곤란하다.

본 발명의 목적은, 저가의 광전자 장치를 제조하는 것이다.

또, 본 발명의 목적은, 저가의 태양 에너지 변환장치를 제조하는 것이다.

더욱이, 본 발명의 목적은, 저가의 발광장치를 제조하는 것이다.

미리 형성한 나노결정이 광 검출기, 광 방출기 및 에너지 변환장치로서 이용하기 위한 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료와 접촉되어 있다.

도 1은 본 발명의 장치의 구조의 출발점의 밑그림(sketch)을 나타낸다.

도 2는 도 1의 단계 후의 구조의 단계의 밑그림을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 가장 바람직한 장치의 밑그림을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 바람직한 장치의 밑그림을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 바람직한 장치의 밑그림을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 바람직한 장치의 밑그림을 나타낸다.

도 7은 나노결정으로 입사되는 광이 없는 본 발명의 가장 바람직한 장치의 밴드 다이어그램(band diagram)의 밑그림을 나타낸다.

도 8은 나노결정으로 입사되는 광이 없는 본 발명의 가장 바람직한 장치의 밴드 다이어그램의 밑그림을 나타낸다.

도 9는 본 발명의 바람직한 장치의 밴드 다이어그램의 밑그림을 나타낸다.

도 10은 본 발명의 바람직한 장치의 밴드 다이어그램의 밑그림을 나타낸다.

도 11은 본 발명의 바람직한 장치의 밴드 다이어그램의 밑그림을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 장치에 대한 구조 공정의 출발점을 나타낸다. 기판(10)은 퇴적된 임의의 도전성 층(12)을 가지고, 이 층(12)의 상면에는 장벽 재료의 층(14)이 퇴적되어 있다. 기판은 유리, 중합 재료(polymeric material) 등과 같은 광에 투명한 재료이어도 좋고, 또는 스테인레스강이나 이 기술분야에서 알려져 있는 것과 같은 임의의 다른 저가의 재료 등의 투명하지 않은 기판이어도 좋다. 기판이 도전성 기판(an electrically conducting substrate)인 경우는, 도전성 층(12)이 생략된다. 층(12)의 도전성 재료는, 본 발명의 몇몇 실시예에 대해서는 ITO(Indium tin oxide)와 같은 광에 투명한 재료이어도 좋고, 또는 알루미늄의 금속층과 같은 투명하지 않은 재료이어도 좋다. 층(14)의 장벽 재료는 비결정질, 비-탄화수소 재료이어도 좋다. 이 명세서의 목적을 위해, 비결정질 재료는 비정질 재료 또는 숏 레인지 오더링(short range ordering)만을 갖는 원자로 이루어진 재료로서 정의되는데, 여기서 숏 레인지 오더(short range order: 짧은 거리 질서)는 표면에 인가될 수 있는 나노결정의 가장 큰 치수(dimension)보다 훨씬 적은 치수에 걸쳐 있다(후술하기로 함). 층(14)의 장벽 재료는 동종이어도 좋고, 또는 다른 재료의 혼합이어도 좋으며, 그 안에 함유된 나노입자의 대부분과 동종의 재료이어도 좋은데, 여기서 나노입자는 나노결정의 가장 큰 치수와 비교해서 작은 치수를 갖는다. 탄화수소 재료는 충분한 수의 탄화수소(C-H) 결합을 갖는 재료로서 정의되는데, 여기서 탄화수소 결합의 존재는 재료의 특성에 상당히 영향을 미친다. 이 명세서의 목적을 위해, C-H 결합을 갖는 탄화수소 재료는 C-F, C-Cl, C-Br로 치환되고, C-I 결합은 탄화수소 재료로서 정의된다.

층(14)은 증착, 스퍼터링, 스핀 코팅, 또는 얇은 층을 퇴적하는 기술분야에 서 알려진 바와 같은 임의의 다른 방법에 의해 층(12) 상에 퇴적되어도 좋다. 도 2는 층(14) 상에 퇴적된 미리 형성한 나노결정(20)의 층(20)을 갖는 도 1의 장치를 나타낸다. 이 명세서의 목적을 위해, 나노결정은 결정질 재료로 형성되는데, 여기서 결정질 재료의 원자는 나노결정의 물리적인 치수의 롱 레인지 오더(long range order: 긴 거리 질서)를 갖는다. 나노결정은 원형, 타원형 또는 모든 공간적인 치수가 비교가능한 불규칙한 형상을 가져도 좋고, 혹은 하나의 공간적인 치수가 다른 두 개의 공간적인 치수보다 훨씬 짧은 판 형상의 것이어도 좋으며, 혹은 하나의 공간적인 치수가 다른 두 개의 공간적인 치수보다 훨씬 긴 봉 형상의 것이어도 좋다.

도 2는 다소간 균일하게 층(14)을 덮는 많은 나노결정을 나타내지만, 본 발명의 바람직한 실시예의 몇몇 실시예에서는 한 군(group)에서 하나 또는 소수의 나노결정이 필요하게 된다. 본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는, 다수의 나노결정이 필요하다. 여기서 다수는 10,000 이상으로서 정의되고, 본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는 층(14)이 나노결정의 적어도 하나의 층으로 전체적으로 덮여 있는데, 여기서 기판(10)은 cm 또는 미터의 치수를 갖는다. 나노입자는 도 2에서 나타낸 바와 같이 층(14)의 표면으로 스스로 인가되어도 좋고, 혹은 그들이 다른 재료와 혼합되어 층(14)의 표면으로 인가되어도 좋으며, 혹은 층(14) 및 층(20)이 층(12) 상에 공동 퇴적되어도 좋다. 나노결정과 혼합되는 재료는 층(12)의 재료와 동일하거나, 다른 장벽 재료여도 좋다. 나노결정은 반도체의 나노결정질인 것이 바람직하고, GaAs, AlGaAs, GaInAlAs, GaN 등의 Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 재료 또는 기본적인 반도체인 것이 가장 바람직하다. 장벽 재료는, 도체 재료와 층(20)의 미리 형성한 무기 나노결정 사이에 적어도 하나의 형태의 캐리어를 전송하는 것에 반대하여 전위 에너지 장벽이 존재하는 재료로서 정의된다. 바람직한 장벽 재료는 산소와 질소이고, 특히 실리콘이다. 그들의 화학적 안정성의 질을 위해 티타늄, 스칸듐, 루테늄 등과 같은 다른 금속의 산소도 또한 예상되고 있다. 다른 장벽 재료로 혼합되는 이들 재료의 나노입자도 또한 예상되고 있다.

도 3은 나노결정층의 꼭대기에 퇴적된 2개의 추가적인 층(30, 32)을 나타낸다. 층(30)은 층(14)과 동일한 재료로 될 수 있는 장벽 재료 또는 다른 장벽 재료이다. 층(32)은 투명한 재료로 될 수 있거나 될 수 없는 도전성 층이다. 기판 재료 및 층(12)이 투명하면, 층(32)은 도전체와 기밀 밀봉(hermetic seal)의 양쪽에 알맞은 알루미늄과 같은 금속재료여도 좋다.

도 4는 안정화층(passivation layer) 및 확산장벽층과 같이 각종 목적을 위해 재료(40, 42, 44, 46)의 임의의 추가적인 층이 도입되어 있는 본 발명의 장치의 확대도이다.

도 3의 구조는, 층(20)의 나노결정과 물리적으로 접촉하고 있는 장벽층(14, 34)과 물리적으로 접촉하고 있는 도전성 층(12, 32)을 나타낸다. 본 발명에서는, 전기적인 접촉이 유지되는 한 이들 층 사이의 물리적인 접촉은 필요치 않다. 여러 층의 전위가 다른 층의 전위에 의해 적어도 일부분에서 결정될 때, 전기적인 접촉이 유지된다. 예컨대, 전류가 다른 재료의 층에 의해 분리된 2개의 도전성 층 사이에서 흐르거나, 또는 전하 캐리어가 하나의 층으로부터 다음 층으로 확산, 터널링, 전기장이나 열전자 방출(field or thermionic emission), 또는 이 기술분야에 서 알려진 것과 같은 다른 수단이나 그러한 수단의 임의의 조합에 의해 여행할 수 있다. 가장 바람직한 전하 캐리어 이동은 터널링에 의한 것이다. 캐리어의 전송의 바람직한 방법은 전자의 전기장 방출과 정공의 확산의 결합에 의한 것이다.

도 5는 다른 형상의 나노결정(51) 또는 다른 재료로부터 형성한 층(20)의 밑그림(sketch)을 나타낸다.

도 6은 도 2의 발명이 차례로 적층될 수 있음을 나타낸다. 도전성 층(64, 66), 장벽층(62, 68) 및 나노결정(62)의 층(60)이 이미 형성한 장치 위에 퇴적되어 있다. 도 6에서는, 층(30)이 나노결정층(20, 60)에 대한 장벽층으로서 기능하기 때문에, 층(66, 68)은 선택적이다.

도 7은 태양 조명 없이 도 3의 본 발명의 가장 바람직한 장치의 개략적인 밴드 다이어그램을 나타낸다. 파선은 페르미 준위(Fermi level: Ef)를 나타낸다. 컴포넌트 층은 나노결정 또는 양자점(quantom dot: QD) 층(20), 층(14, 30)을 나타내는 2개의 장벽층(B1, B2) 및 층(12, 32)을 나타내는 2개의 접촉층(C1, C2)을 포함하고 있다. 장벽 전도대(Ec) 및 가전자대(Ev)는 일함수가 다르기 때문에 붙여진 이름으로, 여기서 일함수는 진공 레벨(Evac)과 Ef 사이의 거리로서 정의된다. E'vac는 접촉 전의 진공레벨을 나타내고, C2는 그 구조의 나머지 부분과 일치한다. 일함수의 차는 Ec와 Ev의 경사(slope)를 초래한다.

시스템의 페르미 준위는, 시스템 전체의 에너지 레벨이 일정하고 전자 점유의 확률이 1/2인 에너지로서 정의되는 평형 상태(equilibrium)로 정의된다. 페르미 준위와 진공레벨의 차로서 정의되는 일함수는 전형적으로는 다른 재료에 대해서 는 다르다. 여기에서, 처음에는 두 접촉(contact)의 일함수가 서로 다르도록 함으로써, 전도대(Ec)와 가전자대(Ev)를 경사지게 설계하고 있다. 이것은, 이 상태에 관하여 QD 전도상태의 각각의 측면의 Ec의 높이의 중요한 차이를 만든다.

이 장치의 실시예의 고유의 특징은, 수송(transport)의 터널링 본질이다. 비정질층을 통한 확산에 의해 수송되는 QD에서 전하 캐리어가 발생되면, 소수 캐리어 확산 길이가 짧아질 가능성이 있기 때문에, 수송 특성이 비정질 Si 장치에서와 같이 최적으로 되지 않는다. 그렇지만, 전하 캐리어 양자가 장벽을 통해 역학적으로 터널링되면, 장벽 결함에 관련된 문제를 제외하고 평균 확산 길이는 문제로 되지 않는다. QD 가전자 및 전도 상태 사이의 에너지차가 그로 조명되는 광자(photon)의 에너지와 같고, 가전자 상태가 충만한 사이에 전도 상태가 비어 있으면, 광자가 QD에 의해 흡수될 가능성이 있어, 충만한 가전자 상태로부터의 전자가 정공을 떠나 전도 상태로 여기될 수 있다. 이 전자는 가전자 상태로 거꾸로 풀어질 수 있고, 자연 방출 방사 수명(spontaneous emission rediative lifetime)이라 불리는 특성 시간에 정공과 재결합되거나, 또는 비방사 수명(nonradiative lifetime)에 의해 결함이나 광자를 통해 비방사적으로 풀어진다. 그렇지만, 본 발명의 장치에서는, 상기의 공정 중의 어느 것이 발생하기 전에 전자는 장벽 영역을 통해 도체 내로 터널링한다. 동시에, QD 가전자 상태에서 만들어진 정공은 다른 장벽층을 통해 다른 접촉으로 반대방향으로 터널링한다. 따라서, 특징적인 터널링 시간은 방사 및 비방사 수명보다 더 짧아야 한다. Ec 및 Ev의 높이가 QD의 각각의 측면에서 다르기 때문에, 전자는 B1을 통해 C1으로 우선적으로 터널링되고, 반면에 정공은 B2를 통해 C2로 우선적으로 터널링된다.

상기의 이러한 단순한 평형 상태도에서는, 최소 조명 및 부하 없음에 의해 캐리어가 C1(C2)으로부터 B1(B2)을 통해 QD로 앞뒤로 터널링될 것이다. 그렇지만, 적절한 조명 및 로딩(loading: 부하 인가) 하에, 전자는 한 측면에 부전하를 확립하는 반면에 정공은 다른 측면에 정전하를 확립함으로써, 시스템이 평형 상태로 되지 않게 되고, 따라서 단일의 페르미 준위에 의해 나타낼 수 있다. C1 측의 페르미 준위는 상승하는(즉 더 부(負)로 되는) 반면, C2 측의 페르미 준위는 떨어지게 된다. 이것이 도 8에 나타내어져 있다.

터널링 전류는 처음에는 장벽 높이 및 폭의 지수함수에 의존한다. 따라서, 장벽 높이 및 폭에 관련된 함수의 작은 차이는 터널링 전류의 큰 차이로 된다. 두 처리는 터널링 전류가 거꾸로 평형 상태로 되도록 하여 전압을 클램프한다. 먼저, 접촉으로의 주입된 캐리어 플럭스가 증가함에 따라 의사 페르미 준위(quasi Fermi level)에서의 차이가 계속해서 증가한다. 의사 페르미 준위가 QD 레벨에 도달할 때, QD 상태로의 전류가 평형을 유지한다. 또한, 증가하는 전류에 의해 의사 페르미 준위차가 증가함에 따라 전기장(electric field)은 더 보상되고, 장벽 밴드는 더 평탄하게 되어 터널링 전류가 감소된다. 이들 공정 중의 어느 하나는 밴드 틸팅(band tilting)의 양(두 접촉의 일함수의 차) 대 QD 상태와 의사 페르미 준위의 차에 의존해서 조절된다. 밴드 틸팅 공정이 전압을 제한하면, 역터널링 전류가 증가함에 따라 증가된 전압에 의해 전류의 슬로우 리덕션(slow reduction: 느린 감소)을 초래할 것이다. 그렇지만, QD 속박 상태(confined state)에 따른 의사 페르 미 준위의 정렬이 QD 흡수로부터의 전류를 제어하는 경우에는, 임계전압이 도달함에 따라 스티프 리덕션(steep reduction: 급한 감소)으로 될 것이다. QD에 따른 의사 페르미 준위 정렬에 의해 제한되는 후자의 공정은, 결국 가장 큰 I*V 프로덕트(product, 積)(즉 전력), 중요한 설계 파라미터를 넘겨줄 것이다. 최종적으로, 정공 및 전자 터널링 전류는 서로 의존한다. 이상적인 QD 구조에서는, 가전자 상태가 비어 있으면(정공 점유) 흡수가 일어날 수 없고, 전도 상태에서 이미 전자가 있으면 흡수가 일어날 수 없기 때문에, 그들은 동일해야 한다. 정공 및 전자는 시스템이 그 초기 상태로 복귀하기 전에 접촉으로 터널링되어야 한다. 흡수가 양자선(quantum wire)이나 양자우물(quantum well)에서 발생하더라도, 이산 QD 상태 대신 상태의 밴드에 의해, 전자 및 정공의 터널링은 회로를 통해 평형 상태로 될 것이다. 이것은 필수적인 것은 아니고, 그 장치는 전자 및 정공 양쪽의 터널링을 위해 최적화되지 않을 수도 있다. 전형적으로, 정공 상태는 (도 8에서와 같은) 전자 상태보다 더 약하게 속박된다. 이 상태로부터의 캐리어 수송은 아마도 장벽의 꼭대기에 걸친 확산, 약하게 속박된 터널링 또는 양 처리의 몇몇 조합으로부터의 것일 것이다. 상식은 아니지만, 상기의 처리가 전도 상태에서 발생하거나, 또는 설계 파라미터로서 사용될 수 있는 것일 수도 있다.

초기의 장치를 향상시키고 전압이 밴드 틸트 평탄화 대신 의사 페르미 준위의 증가에 의해 제한되도록 하는 몇 가지 방법이 있다. 기생적인 (반대) 방향으로의 공동 터널링(co-tunneling)이 최소화되는 것을 필요로 한다. 캐리어 중 하나의 터널링을 제한하는 장벽 폭 중 하나의 증가는 필요한 차별적인 터널링을 일으키게 되지만, 이것은 그 방향의 터널링으로부터 다른 캐리어 형태(전자 또는 정공)를 축소시키지 않는 방식으로 행해져야 한다. 예컨대, 도 9는 도 7에서의 B2의 폭이 증가하면 틸트가 제거되는 경우에도 그 방향에서의 전자 터널링을 감소시킬 수 있음을 나타내고 있다. 그렇지만, 정공 상태가 약하게 속박되어 있기 때문에 실질적으로는 정공 터널링을 감소시키지 않게 된다. 정공 상태가 초기에 이 방식으로 설계되어 있지 않은 경우는, 정공 터널링은 축소되려고 한다. 다른 어프로치(approach)는, B2의 전자에 대한 장벽 높이가 B2의 정공장벽 높이를 증가시킴과 동시에 축소시키도록 도 10에서 묘사된 바와 같이 장벽 B1과 B2의 일함수가 다르게 만드는 것이다.

도 9에서는, 장벽 폭은 다르고 하나의 장벽은 다른 재료에 관하여 특유의 일함수를 가진다. 도 10에서는, 일함수는 모두 동일하지만 장벽 폭 및 높이가 다르다.

태양광 태양 전지를 최적화하는 것은 많은 설계 태양(design aspect)을 수반하지만, 여기에서는 (i) 햇빛 흡수의 최적화, 및 (ii) 그 흡수로부터 유도되는 전력의 최적화의 2가지에만 촛점을 맞추기로 한다. 태양 흡수의 최적화는 특수한 에너지 분배에 따른 광자의 흡수의 최적화이다. 지상의 태양 입사는 대기흡수(atmospheric absorption)에 의해 변형된 서멀 바디(thermal body: 열전사 몸체)의 통상의 방사 분포에 의해 지배된다. 결과적인 분포는 자연적으로 3개 또는 4개의 영역으로 분해된다. 이상적으로는, 장벽 사이에 위치될 때 이들 영역에 집중된 흡수 영역을 갖는 나노결정을 선택할 것이다. 여기서는, 접지상태(ground-state) 흡수가 나노결정의 일반적인 재료, 나노결정의 사이즈, 및 또한 어느 정도는 태양 전지 내의 나노결정을 둘러싸는 장벽 높이에 의해 지배되는 설계 선택이 있을 수 있다. 지상의 태양 스펙트럼의 영역을 커버하는 나노결정 흡수 분포를 원하기 때문에 반드시 좁은 나노결정 사이즈 분포를 탐색하지 않는다. 지구의 표면에 도달하는 햇빛의 광자 플럭스 대 광자 에너지 곡선에는 명백한 피크(peak)가 있다. 이 데이터로부터, 태양으로부터 도입되는 지구의 표면의 광자의 대부분은 약 750meV의 에너지를 가짐을 알 수 있다. 이 에너지는 1.65㎛의 파장에 대응한다. 시스템에 가장 큰 에너지를 부여하는 광자의 스펙트럼 범위는 2.5eV에 대응하는 500nm 근방이다. 다음으로 가장 큰 에너지 부여는 2eV에 대응하는 626nm에 중심을 둔 파장영역으로부터이다. 광자 변환이 아니라 큰 에너지 변환을 얻는 것에 흥미가 있기 때문에, 2.5eV 및 2eV 광자, 및 더 작은 정도로는 3.3eV, 1.67 및 1.45eV 광자를 포획하도록 시스템을 설계하지 않으면 안된다. 1.45eV에서의 광자 플럭스가 2.5eV에서의 광자 플럭스의 대략 2배이기 때문에, 에너지 출력이 떨어지더라도 이들 낮은 에너지에서 나노결정을 더 추가하지 않으면 안된다.

태양 흡수로부터 유도되는 전력의 최적화도 또한 태양 전지 재료 선택에 관련되어 있다. 구체적으로는, 접촉 및 장벽 재료의 일함수, 및 속박된 나노결정 상태의 위치는 장치 성능에 강한 영향을 미칠 것이다. 재료 선택을 위한 큰 파라미터 공간이 있다. 마지막 섹션(section)으로부터, 간단한 태양 전지의 예에서는, 두 접촉층의 일함수차는 전류방향을 수립하는 초기의 터널링 처리와 얻어질 수 있는 총 전압의 양쪽에 대해 치명적이다. 그렇지만, 두 장벽의 두께를 동조하고, 장 벽 중 하나에 대해 유리한 나노결정 일함수를 가려내거나, 또는 전자의 장벽이 후자의 장벽과 다른 높이(에너지 높이)를 갖게 함으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

제조에 관련된 재료 문제

이 태양 전지의 임계적으로 중요한 태양(aspect)은, 높은 처리능력, 낮은 가격의 제조공정의 개발이다. 일례로서는, 유리 또는 얇은 금속 기판 상으로의 층의 스퍼터링이 있다. 그렇지만, 모든 재료가 스퍼터링될 수는 없고, 보다 구체적으로는 모든 재료가 비교적 낮은 온도에서 스퍼터링될 수는 없으며, 더 구체적으로는 모든 재료가 스퍼터링을 통해 함께 우물(well)을 퇴적하지는 않는다. 층간의 화학적인 반응, 층간의 접합부(junction)에서의 결합 및 층 내의 점결함도 모두 고려하지 않으면 안된다. 경계부 및 점결함 상태를 축소하기를 원하는 경우에는 상승된 온도가 바람직할 수 있다. 온도는 2가지 문제(issue)에 의해 클램프된다. 하나는 종종 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체군으로부터 만들어지는 콜로이드 나노결정 재료이다. 이들 재료는 일반적으로 열화없이 400℃에 이르기까지의 온도에 견딜 수 있다. 부가적으로, 높은 처리능력, 낮은 가격의 처리를 위해, 통상은 상승된 온도가 바람직하지 않다. 이 장치는 재료 선택을 무리하게 발생시킬 수 있는 에너지 밴드 오프셋의 아주 특정의 집합(set)을 요구한다. 화학적인 문제(chemical issue)도 또한 분명히 역할을 할 것이다. 예컨대, 거의 완벽한 실리콘-이산화실리콘(실리카) 경계(silicon-silicon dioxide(silica) interface)는 극소 전자공학 산 업(microelectronics industry)의 기초 중의 하나이고, 가장 큰 경계는 재반응하거나 높은 표면상태 밀도를 갖는다. 분명히 중요하게 될 수 있는 문제는 나노결정 재료의 분사(spraying)이다. 나노결정 재료는 용매(solvent) 내에 저장되어도 좋다. 용매는 다른 재료로 호환될 것 같지는 않은 바, 이로써 퇴적 전에 제거되어야 한다. 게다가, 나노결정의 장벽층으로의 퇴적이 갖는 문제가 있다. 나노결정 밀도가 지나치게 크면, 나노결정의 응집(clumping)이 발생할 것이고, 더 이상 나노결정이 큰 밴드갭을 갖는 재료 내에서 격리될 수 없다는 장치 특성을 감소시킬 것이다. 또한, 이러한 응집은 나노결정이 집적(aggregation)을 축소시키기 위해 적절한 표면 코팅을 포함하고 있지 않은 경우에는 퇴적 공정을 통해 발생할 수도 있다. 스퍼터링은 가시 거리 공정(line-of-sight process)이다. 따라서, 나노결정은 이 나노결정 바로 아래의 영역을 가로막아 쓸모 없는 공간으로 되게 할 것이다. 이들 극히 작은 공간은 나노결정이 장벽 영역의 꼭대기에 단단하게 위치하기 때문에 발생하는 것이고, 나노결정은 그 영역 내에 매립되어 있으면 바람직하다. 이 기능을 담당하기 위해 중간층이 삽입될 수 있다. 이것이 도면에 설명되어 있다. 분리된 논점은, 나노결정과 그 주위의 영역 사이에서 발생할 수 있는 미소 규모의 결함이다. 가로막는 문제와 마찬가지로, 적절한 표면 안정화를 위해 나노결정 주위에 안정화 층(passivating layer)을 삽입하는 것이 바람직하다. 안정화 층은 이상적으로는 나노결정을 둘러싸서 본래의 경계를 제공하지만, 반드시 가로막는 것을 축소시킬 필요는 없다. 따라서, 가로막는 것을 축소하기 위한 것과 안정화에 도움울 주기 위한 2세트의 층간 막(interlayer)이 필요하게 된다.

다층 PV 전지 층

지금까지는 단일 층의 나노결정과 그 관련된 장벽 및 접촉에 대해서만 설명했다. 특정의 흡수 파장을 증가시키기 위한 여분의 나노결정 흡수와 태양 스펙트럼을 적절히 커버하기 위한 다른 스펙트럼 영역에서의 다른 나노결정 흡수에 많은 층을 필요로 한다. 이들 층은 인접한 층에서 정공과 전자가 반대방향으로 여행하여 접촉을 공유하도록 층을 플리핑(flipping)함으로써 간단히 접속될 수 있다. 이러한 계획을 나타낸 밴드 다이어그램이 도 12에 도시되어 있다. 개념적으로는 간단하지만, 여분의 처리 스텝은 모든 짝수 및 홀수 접촉층이 결합하도록 발생해야 한다. 더욱이, 그 군의 모든 나노결정 상태가 동일한 파장에서 흡수해야 하는지를 판단해야 한다. Vsc가 가장 낮은 나노결정 에너지에서 클램프할 것 같다. 따라서, 다른 컬러 흡수층이 함께 결합되면, 몇몇 전력변환이 희생될 것이다. 그렇지만, 다른 컬러 흡수 나노결정층이 분리되어 있으면, 정교한 접착 계획이 이용되지 않으면 안된다.

태양 전지와 같은 장치의 이용에 더하여, 본 발명은 검출기를 포함하여 광을 흡수하는 몇 가지 다른 전자장치를 제공한다. 또한 제공되는 것은, 광을 방출 및 변조하는 장치이다.

상기의 개시내용을 고려하여 본 발명의 많은 변형 및 변경이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명은 첨부되는 청구의 범위의 범위 내에서 구체적으로 설명되어 있는 것과 달리 실시되어도 좋다.

Claims (36)

1. 다수의 미리 형성한 무기 나노결정과,

   적어도 하나의 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료 및,

   상기 장벽 재료와 전기적으로 접촉하고 있는 적어도 하나의 도전성 재료를 구비하되,

   상기 다수의 미리 형성한 무기 나노결정이 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료와 전기적으로 접촉하고 있고, 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료와 상기 다수의 미리 형성한 무기 나노결정 사이에 적어도 하나의 형태의 캐리어를 전송하는 것에 반대하여 전위 에너지 장벽이 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 다수의 미리 형성한 무기 나노결정이 제1 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료의 꼭대기의 제1층 내에 형성되어 이 제1 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료의 제2층과 전기적으로 접촉하고 있으며, 상기 제2층이 제1 도전성 재료의 제3층과 전기적으로 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 제2 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료의 제4층이 상기 다수의 미리 형성한 무기 나노결정의 제1층의 꼭대기에 형성되어 이 다수의 미리 형성한 무기 나노결정의 제1층과 전기적으로 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 제2의 도전성 재료의 제5층이 상기 제4층의 꼭대기에 형성되어 있고, 이 제5층이 상기 제4층과 전기적으로 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 청구항 4에 있어서, 도전성 재료의 제3층 및 제5층의 적어도 하나가 전자기 방사의 적어도 하나의 주파수에 투명하고, 적어도 하나의 주파수가 자외선부터 적외선 영역에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 청구항 5에 있어서, 나노결정층이 적어도 하나의 파장에 중심이 있는 광을 흡수하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 청구항 6에 있어서, 전자기 방사의 적어도 하나의 주파수가 투명한 도전성 재료를 통과하여 미리 형성한 나노결정에 흡수되어 상기 제3층과 제5층 사이에서 전류흐름을 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 제3층과 제5층 사이의 전류흐름의 방향이, 다른 일함수의 전기 접촉영역에 의해 형성되는 빌트인 전위에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 청구항 7에 있어서, 상기 제3층과 제5층 사이의 전류흐름의 방향이, 상기 제2층과 제4층의 재료의 다른 전자 친화력에 의해 형성되는 빌트인 전위에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 청구항 7에 있어서, 상기 나노결정층이 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료에 의해 분리된 나노결정의 층에 의해 형성되는 화합물층인 것을 특징으로 하는 장치.
11. 청구항 6에 있어서, 흡수되는 파장의 분포가 상기 나노결정의 사이즈, 형상 및 재료의 적어도 하나에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 청구항 4에 있어서, 적어도 하나의 추가적인 재료층이 제2층 및 제3층과 제4층 및 제5층으로 이루어진 쌍들 중의 적어도 하나 사이에 존재하고, 상기 추가적인 재료층이 그 층들 사이의 전기적인 접촉을 촉진하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료가 다른 조성을 갖는 다수의 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
14. 청구항 5에 있어서, 상기 다수의 무기 나노결정으로 수송된 캐리어가 재결합되어 전자기 방사를 일으키는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 청구항 1에 있어서, 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료가 질소 또는 산소를 함유한 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
16. 청구항 1에 있어서, 상기 나노결정이 반도체 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
17. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 도전성 수송 재료가 ITO(indium tin oxide)로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
18. 청구항 1에 있어서, 하나 이상의 재료층이 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료와 상기 나노결정 사이에 삽입되어 있고, 상기 하나 이상의 재료층이 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료와 상기 나노결정 사이의 전기적 접촉을 촉진하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 청구항 1에 있어서, 하나 이상의 재료층이 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료와 상기 나노결정 사이에 삽입되어 있고, 상기 하나 이상의 재료층이 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료와 상기 나노결정 사이의 전기적 접촉을 촉진하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 적어도 하나의 미리 형성한 무기 나노결정과,

    적어도 하나의 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료를 구비하되,

    상기 적어도 하나의 미리 형성한 무기 나노결정이 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료와 전기적으로 접촉하고 있고, 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료와 상기 적어도 하나의 미리 형성한 무기 나노결정 사이에 적어도 하나의 형태의 캐리어를 전송하는 것에 반대하여 전위 에너지 장벽이 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 청구항 20에 있어서, 상기 적어도 하나의 미리 형성한 무기 나노결정이 나노결정의 콜로이드 용액으로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 청구항 20에 있어서, 상기 적어도 하나의 미리 형성한 무기 나노결정 형상이 구형, 타원형, 봉, 선 및 판 형상으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 청구항 20에 있어서, 상기 적어도 하나의 미리 형성한 무기 나노결정의 에너지 상태가 적어도 하나의 치수의 양자 속박에 의해 부분적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 청구항 20에 있어서, 상기 적어도 하나의 무기 나노결정으로 입사되는 전자기 방사가 흡수되어 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 청구항 24에 있어서, 상기 장치가 태양 전지인 것을 특징으로 하는 장치.
26. 청구항 20에 있어서, 상기 적어도 하나의 무기 나노결정으로 입사되는 전자기 방사가 흡수되어 광 변조기를 만들어내는 것을 특징으로 하는 장치.
27. 청구항 20에 있어서, 상기 적어도 하나의 무기 나노결정으로 수송되는 캐리어가 재결합되어 전자기 방사를 일으키는 것을 특징으로 하는 장치.
28. 청구항 20에 있어서, 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료를 통해 수송되는 캐리어가 양자 터널링에 의해 적어도 부분적으로 수송되는 것을 특징으로 하는 장치.
29. 청구항 20에 있어서, 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료를 통해 수송되는 캐리어가 열전자 방사에 의해 적어도 부분적으로 수송되는 것을 특징으로 하는 장치.
30. 청구항 20에 있어서, 상기 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료를 통해 수송되는 캐리어가 확산에 의해 적어도 부분적으로 수송되는 것을 특징으로 하는 장치.
31. 청구항 20에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노결정이 반도체 재료 결정인 것을 특징으로 하는 장치.
32. 청구항 31에 있어서, 상기 반도체 재료가 Ⅲ-Ⅴ족 반도체인 것을 특징으로 하는 장치.
33. 기판과,

    상기 기판 상에 형성된 제1 도전성 재료의 제1층,

    상기 제1층 상에 형성된 제1 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료로 이루어진 제2층,

    상기 제2층 상에 형성된 다수의 미리 형성한 무기 나노결정으로 이루어진 제3층,

    상기 제3층 상에 형성된 제2 비결정질, 비-탄화수소 장벽 재료로 이루어진 제4층 및,

    상기 제4층 상에 형성된 제2 도전성 재료의 제5층을 구비하되,

    상기 장벽 재료와 상기 나노결정 사이에 캐리어를 전송하는 것에 반대하여 전위 에너지 장벽이 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
34. 청구항 33에 있어서, 상기 제1층 및 제5층의 적어도 하나가 전자기 방사의 적어도 하나의 주파수에 투명하고, 적어도 하나의 주파수가 자외선부터 적외선 영역에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
35. 청구항 34에 있어서, 상기 다수의 무기 나노결정으로 수송되는 캐리어가 재결합되어 상기 적어도 하나의 주파수의 전자기 방사를 일으키는 것을 특징으로 하는 장치.
36. 청구항 34에 있어서, 상기 전자기 방사가 상기 다수의 미리 형성한 무기 나노결정에 흡수되어 상기 제1층과 상기 제5층 사이에 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.

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