KR20100039371A - 분산된 동축 광기전 디바이스 - Google Patents

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KR20100039371A
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크르지츠토프 켐파
마이클 노튼
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솔라스타, 인코포레이티드
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Abstract

광기전 디바이스는 복수의 광기전 전지을 포함한다. 상기 복수의 광기전 전지의 각 광기전 전지는, 제 1 전극과, 적어도 하나의 인접 광기전 전지와 공유되는 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하고 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉하는 광기전 물질을 포함한다. 하나의 광기전 전지로부터 인접한 광기전 전지 방향으로 상기 제 2 전극의 두께는 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이보다 작고, 인접한 광기전 전지의 제 1 전극 사이의 간격은 입사 복사선의 최대 파장보다 작다.

Description

분산된 동축 광기전 디바이스{DISTRIBUTED COAX PHOTOVOLTAIC DEVICE}
관련 특허 출원에 대한 상호 참조
본 특허 출원은 2007년 7월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 60/929,578호의 이점을 청구하고, 상기 특허는 본 명세서에 참조로 모두 포함되어 있다.
본 발명은, 일반적으로 광기전 또는 태양 전지 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다중 밴드 갭을 포함하거나 다중 엑시톤 효과(multiple exciton effect)를 나타내는 광기전 물질을 포함하는 광기전 전지(photovoltaic cell)에 관한 것이다.
미국 공개 특허 제 2004/0118451호는 매우 효과적으로 벌크 다접합 PV 디바이스를 개시한다. 상기 PV 디바이스는 반도체 물질에 2개 이상의 p-n 접합 전지를 포함한다. 상기 다접합 전지는 각각 1.85/1.43/0.7eV의 밴드 갭을 갖는 GaInP/GaAs/Ge로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 각 전지는 각 전지별로 다른 밴드 갭을 제공하는 각 전지에서 In 대 Ga의 다른 비율을 가지는 InGaN 물질에 p-n 접합을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 복수의 광기전 전지를 포함하는 광기전 디바이스를 제공한다. 상기 복수의 광기전 전지의 각 광기전 전지는 제 1 전극, 적어도 하나의 인접 광기전 전지와 공유하는 제 2 전극, 및 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이에 위치하고 상기 제 1 및 제 2 전극들과 전기적으로 접속되어 있는 광기전 물질을 포함한다. 하나의 광기전 전지로부터 인접한 광기전 전지로의 방향의 상기 제 2 전극의 두께는 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이 미만이며, 인접한 광기전 전지들의 제 1 전극들 사이의 간격은 입사 복사선의 최대 파장 미만이다.
본 발명은, 다중 밴드 갭을 포함하거나 다중 엑시톤 효과를 나타내는 광기전 물질을 포함하는 광기전 전지를 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 PV 전지의 개략 3차원도.
도 2a, 도 2d 내지 도 2g는, 본 발명의 일 실시예에 따른 PV 장치들의 개략 측단면도로서, 도 2b는 광학적 투과 기판에 형성된 복수의 나노로드의 조사 현미경 화상이다. 도 2c는 상기 복수의 나노로드로 덮힌 기판이 광학적으로 투명한 것과 같이 광학적으로 투과성이고 컴퓨터 터미널상의 밑줄 친 웹페이지는 상기 기판을 통해 알아볼 수 있음을 보여주는 사진.
도 3a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 PV 디바이스를 형성하는 멀티챔버 장치의 개략 상부도.
도 3b 내지 3f는, 도 3a의 장치에서 PV 디바이스를 형성하는 방법의 단계의 측단면도.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광기전 전지(1)를 나타낸다. 상기 전지(1)는 제 1 또는 내부 전극(3), 제 2 또는 외부 전극(5), 및 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이에 위치하고 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 접속된 광기전(PV) 물질(7)을 포함한다. 상기 제 1 전극(3)으로부터 상기 제 2 전극(5) 방향(예를 들어, 도 1의 좌측에서 우측)의 상기 광기전 물질의 폭(9)은 100nm 이하인 200nm 정도, 바람직하게는 10 ~ 20nm이다. 상기 광기전 물질의 폭에 거의 수직 방향(예를 들어, 도 1의 수직 방향)의 상기 광기전 물질의 높이(11)은 2 ~ 30 마이크론인 최소 1 마이크론, 예를 들어, 10 마이크론이다. “거의 수직”이라는 용어는, 상단보다 더 넓거나 더 좁은 하단을 가지는 중공의 원뿔형 PV 물질에 대해 1 ~ 45도 수직으로부터 벗어나는 방향뿐만 아니라, 중공의 원통형 PV 물질(7)에 대한 정직각 방향을 포함한다. 다른 적절한 PV 물질 면적이 사용될 수 있다.
상기 PV 물질(7)의 폭(9)은 상기 PV 전지(1) 상에서 입사될 입사 태양 복사선에 거의 수직 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 도 1에서, 상기 입사 태양 복사선(예를 들어, 태양광)은 수평폭(9) 방향에 대해 85 내지 95와 같은 70 내지 110도 정도의 각도로 상기 PV 물질(7)에 부딪치도록 한다. 상기 폭(9)은 상기 전극(들)에 상기 광기전 물질에 광생성 전하 캐리어 비행 시간 동안 포논 생성을 실질적으로 막기 위해 충분히 얇은 것이 바람직하다. 다시 말해, 상기 PV 물질(7)의 폭(9)은 상당히 많은 포논들이 생성되기 전에 전극(들)(3) 및/또는 (5)로 충분한 전하 캐리어들을 전달할 정도로 충분히 얇아야 한다. 따라서, 상기 입사 태양 복사선의 입사 광자들은 상기 PV 물질에 의해 흡수되며 전하 캐리어들(전자/정공 또는 엑시톤)로 변환하는 경우에, 상기 전하 캐리어들은 상당한 양의 포논들이 생성되기 전에(상기 입사 복사선을 광생성 전류를 제공하는 전기 전하 캐리어 대신 열을 변환하는) 상기 각각의 전극(들)(3,5)에 도달한다. 예를 들어, 상기 입사 광자의 40 ~ 100%와 같은 최소 40%는 각 전극에 도달하고 생성되는 포논들(예를 들어, 열) 대신에 광생성된 전류를 생성하는 광생성 전하 캐리어들로 변환되는 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 예에 대한 10nm ~ 20nm 정도의 폭(9)은 상당히 많은 포논들의 생성을 막기에 충분히 작은 것으로 추정된다.
상기 광기전 물질(7)의 높이(11)는 상기 입사 태양 복사선의 입사 광자들의 90 ~ 100%과 같은 최소 90%를 전하 캐리어들로 변경하기에 충분히 두껍도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 PV 물질(7)의 높이(11)는 모든 태양 복사선을 모으기에 충분히 두꺼워야 한다. 상기 높이(11)는 상기 폭(9)보다 적어도 100배(1,000 ~ 10,000배와 같이)와 같이 적어도 10배 이상인 것이 바람직하지만, 반드시 그렇지는 않다.
상기 제 1 전극(3)은 나노화이버, 나노튜브 또는 나노와이어와 같은 전기 전도성 나노로드를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(3)은 금속성 멀티 벽으로 둘러싸인 카본 나노튜브와 같은 전기적 전도성 카본 나노튜브, 몰리브덴, 구리, 니켈, 금, 도는 팔라듐 나노와이어, 또는 흑연 섹션을 가지는 카본 섬유 물질의 나노스케일 로프를 포함하는 나노화이버를 포함한다. 상기 나노로드는 30 ~ 150nm과 같은 2 ~ 200nm, 예를 들어, 50nm의 직경 및 10 ~ 30 마이크론과 같은 1 ~ 100 마이크론의 높이를 가진 원통형을 가질 수 있다. 원한다면, 상기 제 1 전극(3)은 또한 전도성 중합체 물질로부터 형성될 수 있다. 또는, 상기 나노로드는 상기 전극(3)을 형성하기 위해서 전기적 전도성 셸로 덮힌 전기 절연 물질을 포함한다. 예를 들어, 도 2a에 대해 아래 더욱 상세히 설명된 바와 같이, 전기적 도전층은 기판 위에 형성되어, 상기 전극(3)을 형성하도록 상기 나노로드 주위의 도전 셸을 형성한다.
상기 광기전 물질(7)은 도 1에 도시된 바와 같이 적어도 상기 나노로드 전극(3)의 하부를 감싼다. 상기 광기전 물질(7)은 반도체 나노결정, 비결정질 또는 나노클리스탈 실리콘과 같은 벌크 무기 반도체 물질, 또는 III-V족 물질과 같은 복합 반도체 물질, 중합체 광활성 물질, 유기 분자 광활성 물질, 또는 생물학적 광활성 물질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광기전 물질(7)은 실리콘 나노결정과 같은 반도체 나노결정(양자점으로도 알려진)을 포함할 수 있다. 또는, 상기 나노결정은 태양 복사선에 의한 방사에 응답하여 다중 엑시톤 효과(캐리어 증배 효과로도 알려짐)를 나타내는 최대 태양 복사선 에너지보다 상당히 작은 밴드 갭을 가질 수 있다. 이런 나노결정은 (예를 들어, 2.34eV 최대 태양 복사선 에너지 보다 최소 2.9배 작은) 0.1 ~ 0.8eV와 같은 0.8eV 이하의 값을 갖는 밴드 갭을 가질 수 있다. 이런 나노결정 물질의 예로써, Ge, SiGe, PbSe, PbTe, SnTe, SnSe, Bi2Te3, Sb2Te3, PbS, Bi2Se3, InAs, 또는 InSb와 이들 3성분의 혼합물과 4성분의 혼합물을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 나노결정은 20 ~ 30nm와 같은 10 ~ 100nm의 평균 직경을 갖는다. 상기 나노결정은 충분히 커서 그것의 밴드 갭은 크기보다는 오히려 그것의 물질 구성에 의해 결정된다(예를 들어, 밴드 갭은 크기보다는 물질의 성질이다). 상기 나노결정은 2개 조의 다른 나노결정 물질 구성을 포함할 수 있다.
상기 나노결정은 서로 물리적 또는 터널링 접촉되어 상기 내부 전극(3)으로부터 상기 외부 전극(5)로 전하 캐리어용 통로를 제공한다. 상기 PV 물질(7)은 광학적으로 투명한 중합체 매트릭스(예를 들어, EVA 또는 태양 전지에 사용되는 기타 중합체 캡슐 물질) 또는 유리, 산화 실리콘 등과 같은 광학적으로 투명한 무기 산화 매트릭스 물질과 같은 광학적으로 투명한 매트릭스 물질로 캡슐화된 나노결정을 포함할 수 있다. 매트릭스에서 나노결정 사이의 작은 거리는 인접한 나노결정 사이의 직접적인 캐리어 전달이 없는 캐리어 터널링을 보장한다. 또는, 상기 매트릭스는 생략될 수 있으며, 나노결정은 조밀하게 패킹된 나노결정 바디를 포함할 수 있다.
또는, 상기 PV 물질은 비결정 또는 나노결정 실리콘과 같은 벌크 무기 반도체 층과 같은 기타 PV 활성 물질, 복합 반도체 물질, 광기전 중합체(반도체 중합체), 염료와 같은 유기 광기전 분자 물질, 또는 생물학적 반도체 물질과 같은 생물학적 광기전 물질을 포함할 수 있다. 광기전은 태양 복사선에 의한 방사에 응답하여 전하 캐리어(예를 들어, 전류)를 생성하는 능력을 의미한다. 유기 중합체 물질은 폴리페닐린 비닐렌, 구리 프탈로시아닌(청색 또는 녹색 유기 안료) 또는 카본 플러린을 포함할 수 있다. 생물학적 물질은 프로테인, 료도딘, 또는 DNA(예를 들어, 참고를 위해 본서에 포함된 Appl. Phys. Lett. 78, 3541(2001)에 개시된 데옥시구아노신)을 포함한다. 상기 PV 물질(7)은 또한 나노결정 및 벌크 반도체 층의 혼합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 PV 물질은 i) 벌크 반도체 층(두껍게 도핑된, p 타입 비결정형 또는 폴리크리스탈 실리콘 층), ii) 반도체 나노결정 층(진성 실리콘 또는 기타 나노결정 필름), iii) 벌크 반도체 층(두껍게 도핑된 n 타입 비결정 또는 폴리크리스탈 실리콘 층)을 포함하는 3층의 필름을 포함하여 벌크 p 타입 및 n 타입 층 사이에 위치한 나노결정 고유의 층으로 p-i-n 타입 PV 전지를 형성할 수 있다. 이런 층은 상기 내부 전극(3)으로부터 상기 외부 전극(5)의 방향으로 순서대로 배열된다. 상기 나노결정 층은 다층방식 또는 기타 방식{예를 들어, 다층방식의 일반적인 설명을 위해, 참조를 위해 본 서에 포함된 N. Malikova, 등에 의해 저술된 Langmuir 18 (9) (2002) 3694 참조}에 의해 만들어진 실리콘 나노결정을 포함할 수 있다. 이런 구성은 약 1V(Si 갭)의 최대 내부 전계를 제공하여 단락을 감소시키거나 제거한다. 상기 벌크 실리콘 층은 약 5 ~ 10nm의 두께를 가질 수 있으며 상기 나노결정 층은 약 20 ~ 30nm의 두께를 가질 수 있다. 벌크/나노결정/벌크 p-i-n PV 전지는 도 1 및 도 2에 도시된 동축 구성과 다른 구성을 가질 수 있으며 수직이 아닌 수평으로 위치할 수 있다. 또한, 실리콘과 다른 벌크 반도체 물질 또한 사용될 수 있다.
상기 PV 물질(7)은 전체적으로 하나의 전도성 타입의 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 이것은 쇼트키 접합 타입 PV 전지(1)를 형성한다. 다른 구성에서는, p-n 또는 p-i-n 타입 PV 전지(1)가 형성된다. 상기 p-n 또는 p-i-n 타입 PV 전지에서, 상기 PV 물질은 p-n 또는 p-i-n 접합을 포함한다. 예를 들어, 상기 PV 물질(7)은 반대 전도성 타입의 반도체 박막들 사이에 위치한 진성 반도체 물질을 포함하여 상기 p-i-n 타입 PV 전지를 형성할 수 있다. 상기 p-i-n PV 전지에서, 제 1 p 또는 n 타입 반도체 박막은 상기 내부 전극(3) 주위에 형성된다. 그러면, 고유 영역을 포함하는 나노결정 또는 벌크 반도체는 상기 제 1 반도체 박막 주위에 형성된다. 그러면, 상기 제 1 반도체 박막에 반대되는 전도성 타입의 제 2 n 또는 p 타입 반도체 박막이 상기 나노결정 고유 영역 주위에 형성된다. 각 반도체 박막은 약 5 ~ 20nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제 2 전극(5)은 상기 광기전 물질(7)을 감싸서 도 1에 도시된 소위 나노동축을 형성한다. 상기 전극(5)은 전도성 중합체 또는 구리, 니켈, 알루미늄 또는 합금과 같은 기초 금속 또는 금속 합금과 같은 어느 적당한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 또는, 상기 전극(5)은 인듐 주석 산화물 또는 알루미늄 아연 산화물과 같은 투명 전도성 산화물(TCO)과 같은 광학적 투과성 및 전기적 전도성 물질을 포함할 수 있다.
또는, 상기 나노로드(3)의 상부는 광기전 물질(7)의 상단 위에서 연장되며 상기 광기전 전지(1)용 광학 안테나(3A)를 형성한다. 다만, 도 2a를 참고로, 아래 상세히 설명된 바와 같이, 상기 안테나는 생략되는 것이 바람직하다. “상단”이라는 용어는 상기 PV 전지가 형성되는 상기 기판으로부터 먼 PV 물질(7)의 측면을 의미한다. 그리하여, 상기 나노로드 전극(3)의 높이는 상기 PV 물질(7)의 높이(11) 이상일 수 있다. 상기 안테나(3A)가 존재하면, 상기 안테나(3A)의 높이는 상기 나노로드(3)의 직경보다 3배 더 클 수 있다. 상기 안테나(3A)의 높이는 상기 입사 태양 복사선에 일치할 수 있으며 상기 입사 태양 복사선의 최대 파장의 1/2 정수배(예를 들어, 안테나 높이=(n/2)×530nm, 여기서, n은 정수)를 포함할 수 있다.
대안 실시예에서, 상기 안테나(3A)는 나노혼 집광기에 의해 보충되거나 교체될 수 있다. 이 실시예에서, 상기 외부 전극(5)은 PV 물질(7)의 높이(11) 이상으로 연장되고, 상기 태양 복사선을 집광하기 위해 대략 뒤집힌 원뿔형 모양이 된다.
다른 대안 실시예에서, 상기 PV 전지(1)는 나노 동축과 다른 모양을 가진다. 예를 들어, 상기 PV 물질(7) 및/또는 상기 외부 전극(5)은 상기 내부 전극(3) 주위의 길의 일부만을 연장시킬 수 있다. 또한, 상기 전극(3) 및 상기 전극(5)은 판형 전극들을 포함할 수 있으며 상기 PV 물질(7)은 상기 전극(3) 및 상기 전극(5) 사이에서 얇고 높은 판형 물질을 포함할 수 있다.
도 2a는 일련의 PV 전지(1)와 같은 복수의 PV 전지(1)를 포함하는 PV 디바이스(21)를 나타낸다. 명확한 설명을 위해, 4개의 전지(1)만이 나타나지만, 상기 디바이스(21)는 4개 이상의 전지들을 포함할 수 있다. 상기 디바이스(21)에서, 하나의 광기전 전지(1)에서 인접 광기전 전지(1)로의 방향(예를 들어, 도 2a에서 좌측에서 우측)의 상기 제 2 전극(5)의 두께는 인접 광기전 전지들(1)의 제 1 전극들(3) 사이의 간격이 상기 입사 태양 복사선 최대 파장(예를 들어, 약 550nm) 미만과 같은 입사 복사선 최대 파장 미만인 경우 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이 미만이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 각 광기전 전지(1)은 상기 광기전 디바이스(21)의 기판(15)에 수직으로 형성된 축을 갖는 나노 동축을 포함한다. 각 광기전 전지의 제 2 전극(5)은 상기 광기전 전지(1) 사이의 공간을 메우고, 각 광기전 전지의 광기전 물질(7)과 전기적으로 접촉한 공통 전극을 포함한다.
도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에서, PV 장치(21)는 각각의 광기전 전지에 광기전 물질을 형성하고 인접한 광기전 전지 사이의 공간 내의 기판 상에 위치되는 연속 광기전 물질 층(7)을 포함한다. 인접한 광기전 전지(1) 사이의 광기전 물질 층(7) 상부의 공간은 공통 전극(5)으로 채워진다. 전극(5)은 광기전 물질 층(7)과 전기적으로 접촉된다. 그러므로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 나노동축 전지(1) 사이의 공통 전극(5)(각 전지(1)의 외부전극 기능을 함)의 두께는, 전극 물질의 내측으로의 광학 표면 깊이(optical skin depth), 즉 델타보다 작고, 이웃하는 동축 전지 사이의 중앙에서 중앙까지의 간격은 입사 태양복사선(또는 다른 종류의 복사선)의 파장, 즉 람다보다 작다. 상기 장치(21)는 횡전자기 모드에서 전달되는 다중 코어 동축 및/또는 과밀 나노동축 매체로 볼 수 있고, 여기서 동축간 도체는 표면 깊이보다 얇다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 2 전극 재료의 광학 표면 깊이 델타는 입사 복사선의 최대 파장 람다보다 작다. 본 실시예에서, 도 2d에 도시된 제 2 전극(5)은 알루미늄, 구리, 또는 이들의 합금과 같이 태양복사선을 투과시키지 않는 불투명 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이는 약 10 내지 20nm이다. 공통 전극(5)이 광학적으로 비투과성이고 PV 물질(7)가 공통 전극(5) 상부에서 노출되지 않는다면, 상기 장치(21)는 유리, 석영, 플라스틱 등과 같은 광학적 투과성 기판(15) 상에 형성된다. 장치(21)의 기판(15) 측은 태양과 같은 복사원을 향해 위치되고, 복사선(13)은 기판(15)을 통해 PV 물질(7)로 입사된다. 또한, 광학적 투과성 및 전기적 전도성 층(6)은 불필요한 반사를 줄이기 위해 PV 물질(7)와 공통 전극(5) 사이에 형성될 수 있다. 전도성 층(6)은, 예를 들어 ITO 또는 AZO와 같은 산화금속층, 또는 5 내지 15nm 두께의 Cr 또는 Ti 층과 같은 매우 얇은 금속 또는 합금 층을 포함할 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는 상기 층(6)을 생략할 수도 있다. 마찬가지로, 상기 층(6)은 도 2a에 도시된, 광학적 투과성 공통 전극(5)를 포함하는 장치(21)에 추가될 수도 있다.
상기 기판(15)이 비전도체인 경우, 도 2a에 도시된 바와 같이, 인접한 광기전 전지(1) 사이의 공간 내의 기판(15)과 광기전 물질 층(7) 사이에 선택적인 도전층(17)이 위치된다. 도전층(17)은 각각의 나노로드 전극(3)에 접촉하고, 각 나노로드 전극(3)에 대한 전기적 접촉 및 출력부로서의 기능을 한다. 도전성 층(17)은 광학적 투과성을 가질 수 있고 박막 구리 또는 구리 합금층, 또는 ITO 또는 AZO와 같은 도전성 투명 산화물을 포함할 수 있다. 또는, 도전층(17)은 크롬 또는 티타늄 층과 같이, 100 ~ 500nm, 예를 들면, 200 ~ 300nm의 두께를 갖는 광학적 비투과성 금속 또는 금속 합금층을 포함할 수 있다.
필요한 경우, 상기 나노로드는 도전층(17) 상에 직접 형성될 수 있고, 또는 상기 나노로드가 기판(15) 상에 형성되고 도전층(17)이 나노로드를 감쌀 수 있다. 나노로드 자체가 전기적 도전성을 갖는 경우, 도전층(17) 또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 각각의 절연 나노 로드 코어 주위에 전극(3)의 도전성 셸 부분을 형성하도록 각 광기전 전지 내에서 각각의 나노로드와 광기전 물질 층 사이에 위치된다.
다른 실시예에서, 제 2 전극(5) 물질의 광학 표면 깊이, 델타는 입사 복사선의 최대 파장 람다보다 크다. 이 경우, 상기 제 2 전극은 ITO 또는 AZO와 같이 광학적 투과성 및 전기적 도전성을 갖는 금속 산화물을 포함한다. 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이는 700nm보다 크다. 본 실시예에서, 장치(21)는 광학적 비투과성 기판(15)(즉, 불투명 기판) 상에 형성될 수 있다. 기판(15) 물질은 전기적 도전성을 갖는 것이 바람직하지만 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 기판(15)은 알루미늄, 스테인리스 스틸, 또는 기타 금속 기판과 같은 금속을 포함한다. 도전성 기판(15)은 전극(3)과 전기적으로 접촉하고 전극(3)에 대한 공통 전기 접촉부로서의 기능을 한다. 이러한 경우, 도 2e에 도시된 바와 같이, 소위 "대칭 분산 동축"을 형성하기 위해 도전층(17)을 생략할 수도 있다. 그러나, 경우에 따라, 도전층(17)을 본 실시예의 장치(21)에 첨가할 수도 있다. 이때, 장치(21)는 제 2 전극(5) 측이 태양과 같은 복사원을 향한 상태로 위치되고, 복사선(13)은 기판(15) 측의 반대측으로부터 PV 물질(7)로 입사한다. 필요에 따라서는, 도 2f에 도시된 바와 같이, 소위 “비대칭 분산 동축"을 형성하기 위해 나노로드 전극(3) 사이의 전체 공간을 PV 물질(7)로 채우고 투명 전극(5)을 PV 물질(7)와 전극(3) 상부에 위치시킬 수 있다. 도 2g에 도시된 또 다른 구성에 있어, 광학적 투과성 공통 전극(5)과 같은 공통 전극(5)은 PV 전지(1) 사이의 전체 공간을 채우지 않는다. 이러한 구성에 있어, 상기 공통 전극은 인접한 전지(1) 사이에 홈(23)을 포함한다. 홈(23)의 폭(도 2g의 좌우방향)은 0.001에서 1 마이크론 사이의 범위에 있다. 홈(23)은 유리, 중합체 등과 같은 광학적 투과성 절연 필러 물질(25)로 채워질 수 있다. 물론, 필요에 따라서는 도 2a에 도시된 바와 같이 상기 홈을 생략할 수도 있다.
경우에 따라, 전지(1) 상에 하나 이상의 절연성을 가지며, 광학적 투명 캡슐형 및/또는 반사방지성 층을 형성할 수 있다. 상기 캡슐형 층은 EVA와 같은 투명 중합체 층 또는 PV 장치의 캡슐형 층으로 일반적으로 사용되는 기타 중합체, 및/또는 규소 산화물과 같은 무기물 층, 또는 기타 유리 층을 포함할 수 있다.
특정 이론에 구속되지 않고 상기한 바와 같이, 장치(21)가 수평 전자기 모드 전송 라인으로서 기능하는 다중코어 동축인 경우, 외부 복사선과의 결합은 단일코어 동축을 통한 것보다 훨씬 더 쉬워진다. 특정 이론에 구속되지 않으면, 상기 다중코어 동축은 플라스틱 안테나 효과와 유사한 효과를 제공한다. 도 2b 및 2c는 상기 비제한 이론을 실험적으로 지지한다. 도 2b에 도시된 광학적으로 두꺼운 나노로드(탄소 나노튜브) 사이의 파장 이하(subswavelength) 간격에도 불구하고, 나노로드를 통해 많은 양의 빛이 전달되고, 이때 도 2c에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 단말상의 웹페이지를 나노로드를 통해 볼 수 있다. 상기 많은 양의 전달은 PV 물질이 나노튜브 주위에 증착될 때 PV 물질에 의해 캡쳐될 수 있는 매체로 빛이 입사되는 것을 의미한다. 따라서, 장치(21)에서 안테나(3A)를 생략할 수 있고, 불투명 금속 기판(15)을 사용할 수 있는데, 이는 태양 복사선이 장치(21)의 상부로 입사할 수 있기 때문이다.
도 3a는 PV 전지를 제조하기 위한 다중 챔버 장치(100)를 도시하고 도 3b 내지 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 PV 전지의 제조방법의 여러 단계를 설명하고 있다. 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, PV 전지(1)는 연속 알루미늄, 또는 스풀 또는 릴로부터 되감겨(즉, 풀려) 테이크-업 스풀 또는 릴에 감긴 금속 망 또는 스트립과 같은 이동 도전성 기판(15) 상에 형성될 수 있다. 기판(15)은 다중 챔버 증착 장치의 여러 개의 증착 스테이션 또는 챔버를 통과한다. 또는, 정지 분리 기판(즉, 연속적인 망이나 스트립이 아닌 사각형 기판)을 이용할 수도 있다. 전기적 절연 기판 또한 이용될 수 있다.
우선, 도 3c에 도시된 바와 같이, 철, 코발트, 금, 또는 기타 금속 나노입자와 같은 나노로드 촉매 입자(21)가 챔버 또는 스테이션(101) 내의 기판(15) 상에 증착된다. 상기 촉매 입자는 습식 전기화학 또는 기타 공지의 금속 촉매 입자 증착법에 의해 증착될 수 있다. 상기 촉매 금속 및 입자 크기는 형성할 나노로드 전극(3)(즉, 탄소 나노튜브, 나노와이어 등)의 종류에 따라 선택된다.
도 3d에 도시된 제 2 단계에서, 나로로드 전극(3)은 촉매 입자 및 나노로드 종류에 따라 상단 또는 하단 성장에 의해 나노입자 촉매 위치에 있는 챔버 또는 스테이션(103)에서 선택적으로 성장한다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 나노로드는 저진공 상태의 PECVD에 의해 성장할 수 있고, 금속 나노와이어는 MOCVD에 의해 성장할 수 있다. 나노로드 전극(3)은 기판(15) 표면에 수직하게 형성된다.
도 3e에 도시된 제 3단계에서, PV 물질(7)은 챔버 또는 스테이션(107) 내의 나노로드 전극(3) 상 및 그 주위에 형성된다. PV 물질(7)를 증착하기 위해 여러가지 다른 방법을 이용할 수도 있다.
상기 PV 물질을 형성하기 위한 한 방법은 적절한 증착기술을 이용하여 20nm보다 작은 9nm의 폭을 갖는, Si, Ge, 또는 PbSe 막과 같은, 연속 반도체 막을 나노로드 형상의 내부 전극(3) 주위에 증착하는 단계를 포함한다. 나노로드(3)의 나노크기 표면의 곡률로 인해 상기 막은 나노결정 또는 양자도트를 포함할 수 있다.
PV 물질을 형성하는 또 다른 방법은 상용 반도체 나노결정을 따로 형성하거나 획득하여 미리 제조된 반도체 나노결정을 제공하는 단계를 포함한다. 그러면, 상기 반도체 나노결정은 나노결정로 구성된 광기전 물질을 형성하기 위해 나노로드 형상의 내부 전극(3)의 적어도 하부에 부착된다. 예를 들면, 나노결정은 나노결정 용액 또는 현탁액으로부터 기판(15) 및 전극(3) 상에 제공될 수 있다. 필요에 따라, 탄소 나노튜브와 같은 나노로드 전극(3)은 반데르발스 인력 또는 공동접착을 이용하여 나노결정에 접착되는 반응기와 같은 성분으로 화학적으로 기능화된다.
PV 물질을 형성하는 또 다른 방법은 미리 제조된 나노결정을 제공하여 EVA 또는 기타 매트릭스와 같은 광학적으로 투명한 중합체 매트릭스 내에 반도체 나노결정을 위치시키는 단계를 포함한다. 반도체 나노결정을 포함하는 상기 중합체 매트릭스는, 상기 중합체 매트릭스 내의 나노결정로 구성되는 복합 광기전 물질을 형성하도록 기판(15) 상에 그리고 나노로드 형상의 내부 전극(3) 주위에 증착된다.
상기 PV 물질을 형성하는 다른 방법은 유리층과 같은 제 1 투명 산화물 층을 상기 기판(15) 위에 그리고 나노로드 형태의 내부 전극(3)의 저부에 증착하는 단계를 포함한다. 상기 유리층은 스퍼터링, CVD 또는 스핀-온 코팅에 의해 증착될 수 있다. 이후, 상기 반도체 나노결정이 상기 투명 산화물에 증착된다. 상기 나노결정은 상기 투명 산화물상에 CVD에 의해 현장 형상될 수 있거나 기제조된 나노결정은 액체 또는 현탁액으로부터 상기 산화물 상에 증착된다. 그러면 제 2 투명 산화층은 상기 증착된 반도체 나노결정 위에 증착되어 투명 산화물 매트릭스의 나노결정으로 구성된 복합 PV 물질을 형성한다. 상기 증착 단계는 원하는 두께가 얻어질 때까지 여러 번 반복된다.
도 3f에 도시된 제 4 단계에서, 상기 외부 전극(5)은 챔버 또는 스테이션(109)의 광기전 물질(7) 주위에 형성된다. 상기 외부 전극(5)은 Ni 또는 Cu 무전해 도금 또는 어닐링 단계 이후의 전해도금과 같은 습식 화학 방식에 의해 형성될 수 있다. 또는, 상기 전극(5)이 투명 전도성 산화물을 포함하는 경우, 스퍼터링 또는 증발과 같은 PVD에 의해 형성될 수 있다. 상기 외부 전극(5) 및 상기 PV 물질(7)은 화학기계 연마에 의해 연마되고/연마되거나 선택적으로 다시 식각하여 상기 PV 전지(1)의 상면을 평탄화시키고 상기 나노로드(3) 및/또는 상기 PV 물질(7)의 상부를 노출시킬 수 있다.
상기 PV 전지(1)를 포함하는 디바이스(21)를 운용하는 방법은 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 전지(1)를 상단에서 하단의 일방향으로 전파되는 입사 태양 복사선(13)에 노출시키는 단계 및 상기 노출 단계에 응답하여 상기 PV 전지로부터 전류를 생성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 상기 나노결정 PV 물질은 상기 캐리어 증배 효과의 하위 집합인 다중 증배 엑시톤 효과를 나타낼 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 복사선(13)의 방향에 거의 수직 방향인 상기 내부 전극(3) 및 상기 외부 전극(5) 사이의 PV 물질(7)의 폭(9)은 상기 전극들 중 적어도 하나로 상기 광기전 물질의 광생성 전하 캐리어 비행 시간 동안에 포논 생성을 실질적으로 막기에 충분히 얇다. 상기 복사선(13)의 방향에 거의 평행한 방향의 상기 PV 물질(7)의 높이(11)는 상기 입사 태양 복사선내 입사 광자의 90-100%와 같은 최소 90%를 엑시톤과 같은 전하 캐리어로 변환할 정도로 충분히 두껍다.
상술한 설명은 도시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 개시된 정확한 형태에 철저하거나 또는 본 발명을 그 형태에 한정하지 않으며, 개량 및 변형은 상기 지침에 따라 가능하며 본 발명의 실례로부터 얻을 수 있다. 본 발명의 원리 및 그것의 실제 응용을 설명하기 위해 본 설명이 선택되었다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 정의된다.
1: 광기전 전지, 3: 제 1 또는 내부 전극, 5: 제 2 또는 외부 전극, 7: 광기전(PV) 물질, 13: 복사선, 15: 기판, 17: 도전층, 21: PV 디바이스

Claims (27)

  1. 복수의 광기전 전지들을 포함하는 광기전 디바이스에 있어서,
    상기 복수의 광기전 전지의 각각의 광기전 전지는,
    제 1 전극과,
    적어도 하나의 인접 광기전 전지와 공유되는 제 2 전극과,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 전기적으로 접촉한 광기전 물질을
    포함하고,
    하나의 광기전 전지로부터 인접한 광기전 전지 방향에서 상기 제 2 전극의 두께는, 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이보다 얇고,
    인접한 광기전 전지의 제 1 전극 사이의 간격은, 입사 복사선의 최대 파장 미만인, 광기전 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 전극으로부터 상기 제 2 전극 방향으로 상기 광기전 물질의 폭은 약 200nm 미만이고, 상기 광기전 물질의 폭에 실질적으로 수직 방향에서 상기 광기전 물질의 높이는 적어도 1 마이크론인, 광기전 디바이스.
  3. 제 2항에 있어서, 입사 태양 복사선의 의도한 방향에 실질적으로 수직 방향으로 상기 광기전 물질의 폭은, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 하나에 상기 광기전 물질 내 광생성 전하 캐리어 비행 시간 동안 포논(phonon) 생성을 실질적으로 막을 정도로 충분히 얇고, 입사 태양 복사선의 의도한 방향에 실질적으로 평행한 방향에서 상기 광기전 물질의 높이는, 상기 입사 태양 복사선 내 입사 광자의 적어도 90%를 전하 캐리어로 변환할 정도로 충분히 두꺼운, 광기전 디바이스.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 광기전 물질의 폭은 10 내지 20nm이고,
    상기 광기전 물질의 높이는 적어도 2 내지 30 마이크론인, 광기전 디바이스.
  5. 제 1항에 있어서, 각각의 광기전 전지에서,
    상기 제 1 전극은 나노로드를 포함하고,
    상기 광기전 물질은 상기 나노로드를 둘러싸며,
    상기 제 2 전극은 상기 광기전 물질을 둘러싸서 나노동축(nanocoax)을 형성하는, 광기전 디바이스.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 나노로드는 나노튜브, 나노화이버, 또는 나노와이어를 포함하고,
    각각의 광기전 전지는 상기 광기전 디바이스의 기판에 그 축이 수직으로 배향된 나노동축을 포함하며,
    각각의 광기전 전지의 제 2 전극은 상기 광기전 전지 사이의 공간을 채우고 각 광기전 전지의 광기전 물질과 전기적으로 접촉되는 공통 전극을 포함하는, 광기전 디바이스.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 디바이스는 각각의 광기전 전지에서 상기 광기전 물질을 형성하고 인접한 광기전 전지 사이의 공간에서 상기 기판 위에 위치하는 연속적인 광기전 물질 층을 포함하는, 광기전 디바이스.
  8. 제 7항에 있어서, 각 광기전 전지에서 각각의 나노로드와 상기 광기전 물질 층 사이에 위치하고, 인접한 광기전 전지 사이의 공간에서 상기 기판과 상기 광기전 물질 층 사이에 위치하는 전도성 층을 더 포함하는, 광기전 디바이스.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 광기전 디바이스는 인접한 광기전 전지 사이의 상기 광기전 물질 층 위의 공간을 채우고 상기 광기전 물질 층과 전기적으로 접촉되는 상기 제 2 공통 전극을 포함하는, 광기전 디바이스.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 광기전 물질은 반도체 나노결정을 포함하는, 광기전 디바이스.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 광기전 물질은 벌크 무기 반도체 물질을 포함하는, 광기전 디바이스.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 광기전 물질은 중합체 광활성 물질, 유기 분자 광활성 물질 또는 생물학적 광활성 물질을 포함하는, 광기전 디바이스.
  13. 제 1항에 있어서, 인접한 광기전 전지의 제 1 전극 사이의 간격은 550nm 미만인, 광기전 디바이스.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이는 상기 입사 복사선의 최대 파장 미만인, 광기전 디바이스.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제 2 전극은 태양 복사선이 투과하지 않는 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 광기전 디바이스.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이는 약 10nm 내지 20nm인, 광기전 디바이스.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 디바이스는 광학 투과성 기판에 형성되는, 광기전 디바이스.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이는 상기 입사 복사선의 최대 파장보다 큰, 광기전 디바이스.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 제 2 전극은 광학적으로 투과성이고 전기적으로 도전성인 금속 산화물을 포함하는, 광기전 디바이스.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이는 700nm를 초과하는, 광기전 디바이스.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 디바이스는 광학적으로 비투과성인 기판에 형성되는, 광기전 디바이스.
  22. 광기전 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    기판에 수직인 각 광기전 전지의 복수의 제 1 전극을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 전극 주위에 광기전 물질을 형성하는 단계와,
    제 2 공통 전극으로 광기전 물질 사이의 공간을 채워서, 상기 제 2 공통 전극이 각 광기전 전지의 광기전 물질을 둘러싸고 전기적으로 접촉되는 단계를
    포함하고,
    상기 제 1 전극으로부터 상기 제 2 전극 방향으로 상기 광기전 물질의 폭은 약 200nm 미만이고, 상기 광기전 물질의 폭에 실질적으로 수직 방향으로 상기 광기전 물질의 높이는 적어도 1 마이크론이며,
    각 광기전 전지의 제 2 공통 전극의 두께는 상기 제 2 공통 전극 물질의 광학 표면 깊이보다 작고,
    인접한 제 1 전극 사이의 간격은 입사 복사선의 최대 파장 미만인, 광기전 디바이스 제조 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 제 1 전극 주위에 광기전 물질을 형성하는 단계는 상기 제 1 전극 주위와 상기 기판 위에 연속적인 광기전 물질 층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 공통 전극으로 광기전 물질 사이의 공간을 채우는 단계는 상기 기판 위와, 상기 제 1 전극을 둘러싸는 상기 광기전 물질 층의 제 2 부분 사이에 위치하는 상기 광기전 물질 층의 제 1 부분 위에 상기 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 광기전 디바이스 제조 방법.
  24. 복수의 광기전 전지를 포함하는 광기전 디바이스를 동작하는 방법으로서,
    각각의 광기전 전지는,
    제 1 전극과,
    적어도 하나의 인접 광기전 전지와 공유되는 제 2 전극과,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하고 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉되는 광기전 물질을
    포함하고,
    각 광기전 전지의 제 2 전극의 두께는 상기 제 2 전극 물질의 광학 표면 깊이 미만이고,
    인접한 광기전 전지의 제 1 전극 사이의 간격은 입사 복사선의 최대 파장 미만이며,
    상기 방법은,
    상기 광기전 디바이스를 제 1 방향으로 전파되는 입사 태양 복사선에 노출시키는 단계와,
    상기 노출 단계에 응하여 각 광기전 전지로부터 전류를 생성하는 단계를
    포함하며,
    상기 제 1 방향에 실질적으로 수직인 제 2 방향으로 각 광기전 전지에서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 광기전 물질의 폭은, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 적어도 하나에 상기 광기전 물질에서 광생성 전하 캐리어 비행 시간 동안 포논 생성을 실질적으로 방지하는데 충분히 얇고,
    상기 제 1 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 상기 광기전 물질의 높이는 상기 입사 태양 복사선의 입사 광자의 적어도 90%를 전하 캐리어로 변환하는데 충분히 두꺼운, 광기전 디바이스 동작 방법.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 디바이스는 기생 광학 안테나 효과(parasitic optical antenna effect)를 나타내는, 광기전 디바이스 동작 방법.
  26. 광기전 전지로서,
    제 1 전극과,
    제 2 전극과,
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 광기전 물질을
    포함하고,
    상기 광기전 물질은 p-타입 벌크 반도체 층과 n-타입 벌크 반도체 층 사이에 위치하는 반도체 나노결정 층을 포함하는, 광기전 전지.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 나노결정 층은 약 20 ~ 30nm의 폭을 갖는 진성 실리콘 나노결정 층을 포함하고, 상기 p-타입과 n-타입 벌크 반도체 층은 각각 약 5 ~ 10nm의 폭을 갖는 두껍게 도핑된 비결정형 실리콘 층을 포함하는, 광기전 전지.
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