KR20100093627A - 탄소나노튜브 네트워크에 기반한 박막형 태양전지 - Google Patents

탄소나노튜브 네트워크에 기반한 박막형 태양전지 Download PDF

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Abstract

기판, 상기 기판 위에 배치된 도핑된 탄소나노튜브의 네트워크를 구비한 제1 도전형 박막 층, 상기 제1 도전형 박막 층과 p-n 접합을 이루는 제2 도전형 반도체 박막 층, 상기 제1 도전형 박막 층의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 및 상기 제2 도전형 반도체 박막 층의 적어도 일부에 형성된 제2 전극을 포함하는 박막형 태양전지가 제공된다.

Description

탄소나노튜브 네트워크에 기반한 박막형 태양전지{Thin film solar cell based on carbon nanotube network}
본 명세서에 개시된 기술은 탄소나노튜브 네트워크에 기반한 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브의 넓은 표면적을 이용하여 정공/전자의 수집이 향상된 고효율 박막형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
최근 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해이자 무한 에너지원인 태양광발전에 대한 연구개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다. 현재 상용화되어 시판되고 있는 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지 등으로 에너지변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 18%, 다결정 실리콘 태양전지 15%, 비정질 실리콘 태양전지 10% 정도이다. 태양전지 제조기술 개발은 주로 신뢰성 및 에너지변환효율 향상, 저가화에 중점을 두고 기술개발을 추진하고 있으며, 태양광발전시스템의 설치비용 중 태양전지가 약 40% 이상을 차지하고 있어 태양전지의 저가화는 태양광발전의 핵심기술이라고 할 수 있다. 저가의 태양전지로는 이미 염료감응형 태양전지(셀효율 11%) 유기태양전지(일명 플라스틱태양전지, 효율 5% 이하) 등이 있었으나 상업화하기에는 효율이 너무 낮고 결정적으로는 장기 안정성이 검증되지 않았다. 따라서 단기간에 사용되는 제품에는 틈새시장으로 사용 가능하더라도 발전용에는 아직 먼 이야기라고 할 수 있다.
실리콘(Si) 태양전지의 경우 성능이 우수하지만 가격이 매우 비싼 것이 흠이다. 최근 높은 제조단가와 대면적화가 불가능한 실리콘 기판을 사용하는 벌크형 실리콘 태양전지 대신 박막형 실리콘 태양전지가 주목받고 있다. 박막형 태양전지란 전기를 발생시키기 위한 활성층으로 실리콘 웨이퍼 대신에 유리 등의 기판 위에 박막을 증착한 것으로, 태양전지 제작에 필요한 반도체 재료의 양을 줄일 수 있어서 저가로 대면적의 태양전지 모듈을 제작할 수 있다. 박막형 태양전지에는 비정질 실리콘 태양전지 및 미세결정 실리콘 태양전지가 있으며 비정질 실리콘 태양전지의 특징은 광흡수계수가 결정질 실리콘 태양전지의 10배 이상 높기 때문에 0.5∼1.0 ㎛ 정도의 실리콘 막으로도 충분히 제조가 가능하여 기판 소재비가 결정계 태양전지에 비해 1% 이하이다. 결점은 광전변환 효율이 낮고 빛의 조사에 의한 광열화 현상이 나타나는 문제가 있다. 미세결정 실리콘은 비정질과 단결정 실리콘의 경계물질로 비정질 실리콘에 비해 결정성이 우수하기 때문에 높은 이동도를 갖고 비정질 박막에서 발생하는 열화현상을 막을 수 있는 장점이 있다. 하지만 비정질 실리콘에 비해서 빛 흡수율이 낮기 때문에 박막의 두께가 두꺼워져야 한다는 단점이 있다.
한편, 최근 염료감응형 태양전지 분야에서 탄소나노튜브를 전극 재료로 사용 하여 전지효율을 높이고자 하는 시도가 있다. 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)는 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 sp2 결합의 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터(nm = 10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. 전기전도도 및 열전도율이 뛰어나고 기계적인 성질이 우수한 장점이 있다.
대한민국 특허 공개번호 제2006-0033158호는 종래의 값비싼 백금 대신 저가이며 넓은 표면적을 가진 탄소나노튜브를 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 이용하면 태양전지의 효율성을 높일 수 있고 자체의 전기전도성으로 인해 절연성 기판도 사용할 수 있음을 개시하고 있다. 또한 대한민국 특허 공개번호 제2007-0078530호는 수직정렬된 탄소나노튜브로 구성된 태양전지용 전극을 제공하여 전극의 표면거칠기를 증가시켜 태양전지의 효율을 크게 개선시키고자 한다.
따라서, 비용이 저렴하면서도 빛 흡수율이 높으며 광전변환 효율이 높은 박막형 태양전지 개발의 필요성이 대두된다.
일 실시예에 따르면, 기판, 상기 기판 위에 배치된 도핑된 탄소나노튜브의 네트워크를 구비한 제1 도전형 박막 층, 상기 제1 도전형 박막 층과 p-n 접합을 이루는 제2 도전형 반도체 박막 층, 상기 제1 도전형 박막 층의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 및 상기 제2 도전형 반도체 박막 층의 적어도 일부에 형성된 제2 전극을 포함하는 박막형 태양전지가 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 기판을 제공하는 단계, 상기 기판 위에 도핑된 탄소나노튜브의 분산액을 도포하여 탄소나노튜브 네트워크를 구비한 제1 도전형 박막 층을 형성하는 단계, 상기 제1 도전형 박막 층과 반대 도전형의 제2 도전형 반도체 박막 층을 상기 제1 도전형 박막 층 위에 증착하여 p-n 이종접합구조를 형성하는 단계, 상기 제1 도전형 박막 층의 적어도 일부에 제1 전극을 형성하는 단계, 및 상기 제2 도전형 반도체 박막 층의 적어도 일부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법이 제공된다.
이하, 본 명세서에 개시된 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 요부(subject matter)의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고 및 도면에 기재되 는 구성요소들은 다양하게 다른 구성으로 배열되고, 치환되고, 결합되고, 도안될 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 예상되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
일 구성요소 또는 일 층이 다른 구성요소 또는 다른 층 “의 위에” 또는 “에 연결”이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소 또는 상기 일 층이 상기 다른 구성요소 또는 다른 층의 바로 위에 형성 또는 바로 연결되는 경우는 물론, 이들 사이에 하나 이상의 구성요소 또는 층이 개재되는 경우도 포함할 수 있다.
도 1은 박막형 태양전지의 일 실시예를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 박막형 태양전지는 기판(100), 제1 전극(130), 제2 전극(140) 및 기판(100)과 제2 전극(140) 사이에 개재되어 p-n 접합을 이루는 제1 도전형 박막 층(110)과 제2 도전형 반도체 박막 층(120)을 포함한다.
박막형 태양전지에 사용될 수 있는 기판(100)의 종류는 제한되지 않으며, 태양전지의 적층구조에 따라 달라질 수 있지만 금속, 유리, 플라스틱, 또는 실리콘 웨이퍼 등이 될 수 있고 몇몇 실시예의 경우 투광성 재질이 사용될 수도 있다.
기판(100) 위에는 태양광을 받아 정공-전자쌍을 생성하기 위한 p-n 이종접합구조의 반도체 층이 위치한다. 상기 p-n 이종접합구조는 도핑된 탄소나노튜브의 네트워크를 구비한 제1 도전형 박막 층(110)과 제2 도전형 반도체 박막 층(120)이 결합되어 이루어진다.
도시한 바와 같이, 기판(100) 위에는 제1 도전형 박막 층(110)이 배치되어 있다. 제1 도전형 박막 층(110)은 p형 또는 n형으로 도핑된 탄소나노튜브의 네트워 크를 구비할 수 있다.
탄소나노튜브는 기계적, 전기적 성질이 매우 우수하고, 수 나노미터 직경에 수 마이크로미터 길이를 가질 수 있으며, 이러한 탄소나노튜브들이 서로 얽혀 있어 그물과 같은 구조를 형성하고 있다. 탄소나노튜브의 종류는 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 예를 들어 탄소나노튜브는 아크방전법 등으로 합성될 수 있으며, 직경이 0.8 내지 1.5nm정도, 길이는 1㎛ 내지 20㎛ 정도의 단일벽 탄소나노튜브일 수 있다.제1 도전형 박막 층(110)의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만 7nm~ 내지 300 nm일 수 있다. 상기 두께 미만이면 네트워크가 완전히 형성되지 않아서 수집된 정공 또는 전자의 이동이 제한될 수 있고, 상기 두께를 초과하면 투과도가 낮아져 빛의 흡수 손실을 보일 수 있다.
제2 도전형 반도체 박막 층(120)은 제1 도전형 박막 층(110)과 반대 도전형을 가지며 제1 도전형 반도체 박막 층(110)과 접합하여 p-n 이종접합구조를 이룬다. 예를 들어, 제1 도전형 박막 층(110)이 p형 탄소나노튜브를 포함할 경우, 제2 도전형 반도체 층(120)은 n형 도핑된 실리콘(Si)이나 n형 특성을 갖는 티타늄 산화물, 주석 산화물, 인듐 산화물, 또는 알루미늄, 보론, 갈륨 중 적어도 하나의 원소가 주입된 아연 산화물 등의 반도체를 단독 또는 조합하여 사용될 수 있다. 한편, 제1 도전형 박막 층(110)이 n형 탄소나노튜브를 포함할 경우, 제2 도전형 반도체 층(120)은 p형 도핑된 실리콘이나 p형 특성을 갖는 구리 산화물, 갈륨 구리 산화물, 또는 나트륨, 칼륨, 리튬 중 적어도 하나의 원소가 주입된 니켈 구리 산화물 등의 반도체를 단독 또는 조합하여 사용될 수 있다.
제2 도전형 반도체 박막 층(120)은 제1 도전형 박막 층(110)과 접합하여 형성되며, 제2 도전형 반도체 박막 층(120)이 나노스케일을 가진 개별 탄소나노튜브의 넓은 표면적을 따라 고루 증착됨으로써, p-n 이종접합 면적이 크게 증대될 수 있다. 따라서 전자 및 정공의 수집 효율이 크게 증가되어 태양전지의 효율이 매우 높아질 수 있다.
제2 도전형 반도체 박막 층(120)의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만 1um 내지 5um 일 수 있다. 상기 두께 미만이면 빛의 흡수가 충분히 이루어지지 않으며, 상기 두께를 초과하면 재료의 낭비와 두께 방향의 전자/정공의 손실이 일어날 가능성이 커질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2 도전형 반도체 박막 층(120)은 광열화 현상이 없는 미세결정 실리콘 박막 층일 수 있다.
제2 도전형 반도체 박막 층(120)이 실리콘으로 이루어질 경우 도펀트의 도핑농도는 특별히 제한되지 않지만, 1015cm-3 내지 1022cm-3 인 것이 바람직하며, 1017cm-3 내지 1020cm-3 인 것이 더욱 바람직하다. 상기 도핑농도가 하한보다 낮으면 개방전압이 감소하고 도핑농도가 상한보다 높으면 불순물이 많아져 생성된 전자-정공쌍이 재결합하기 쉬워지는 문제가 있다.
제2 전극(140)은 기판(100)에 대향되어 설치되며, 제2 도전형 반도체 박막 층(120)의 적어도 일부에 오믹 접촉될 수 있다. 대개 Au, Ag, Cu, Fe, Co, Ni, Al, Ta, W, Ti, Pt, Pd, TiN 등과 같은 금속으로 이루어지나 태양전지의 구조에 따라 태양광이 투과될 수 있도록 투명 도전성 산화막으로 이루어질 수 있다.
제1 전극(130)도 제2 전극(140)과 같이 다양한 종류의 금속으로부터 선택되는 재질로 이루어질 수 있으며, 제1 도전형 박막 층(110)의 적어도 일부에 오믹 접촉될 수 있다.
일 실시예에 따르면 제1 전극(130)은 이하 도 2에 도시된 바와 같이 핑거 그리드(finger grid) 형태를 가질 수 있다.
도 2는 핑거 그리드 형태의 전극을 구비한 박막형 태양전지의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 2의 (a)는 분해사시도이고 도 2의 (b)는 단면도 및 평면도이다. 도 2의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 박막형 태양전지는 탄소나노튜브 네트워크와 실리콘 층의 이종접합 구조체가 유리 기판과 알루미늄 전극 사이에 개재되는데, 탄소나노튜브와 접촉하는 금(Au) 전극이 핑거 그리드 형태로 되어 있다. 핑거 그리드 전극은 통상적인 반도체 공정, 예를 들어 리프트-오프 공정을 통해 금속을 증착하여 형성할 수 있다. 핑거 그리드 전극은 태양광을 최대한 가리지 않으면서도 발생된 캐리어의 수송이 원활하도록 할 수 있다.
도 3은 박막형 태양전지의 일 실시예로서 superstrate 형을 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 투광성 기판(300) 위에 p형 탄소나노튜브 네트워크 층(310), n형 실리콘 박막 층(320)이 차례로 적층되어 있으며, 실리콘 박막 층(320)의 반대쪽에는 Al 전극(340)이 후면전극으로 위치하게 된다. 또한 p형 탄소나노튜브 네트워크 층(310)의 적어도 일부에 금속 전극(330)이 형성되어 있으며, 전면에 있는 투광성 기판(300)을 통해 빛을 받아들이게 되는 구조이다.
도 4는 박막형 태양전지의 일 실시예로서 투명 전도성 산화막을 전면 전극으로 구비한 substrate 형을 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 기판(400) 위에 p형 탄소나노튜브 네트워크 층(410), n형 실리콘 박막(420)이 차례로 적층되어 있으며, 최상부에 전도성 산화막으로 이루어진 투명 전극(440)이 있어서 이를 통해 빛을 받아들임과 동시에 전면 전극 역할을 하게 된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 투광성 기판(300) 또는 투명 전극(440)을 통해 빛이 들어오면 이 때 생성된 정공-전자쌍에서 분리된 정공이 금속 전극(330, 430)으로 이동 수집되고 전자는 전극(340, 440) 쪽으로 이동 수집된다. 결국 양 전극(340, 440) 사이에 태양전지 외부의 도선을 통해 부하(350, 450)를 걸어주면 전류가 흐르게 된다.
이하, 박막형 태양전지 제조방법의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 박막형 태양전지의 제조방법의 각 단계를 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)로부터, 먼저 기판(100)이 제공된다. 기판(100)은 황산과수(H2SO4/H2O2) 등을 이용하여 표면의 오염물질이 세정된 것이 바람직하다.
도 5의 (b)로부터, 도핑된 탄소나노튜브의 분산액을 기판(100) 위에 도포하여 탄소나노튜브 네트워크를 구비한 제1 도전형 박막 층(110)을 형성한다. 상술한 바와 같이, 탄소나노튜브를 p-n 접합구조를 만들기 위한 반도체 층으로 사용하기 위해서 탄소나노튜브가 p형 또는 n형으로 도핑될 수 있다. 대개 탄소나노튜브가 공기 중에 노출될 경우 산소분자들이 탄소나노튜브의 표면에 물리적인 흡착을 하게 되고 이때 탄소나노튜브의 전자가 전기음성도가 높은 표면 산소분자로 이동하게 된다. 이 경우 탄소나노튜브는 p형 반도체가 될 수 있다. 도핑농도를 보다 높이기 위해 탄소나노튜브 표면에 할로겐 원소를 부착시킬 수 있다. 예를 들어 정제된 단일벽 탄소나노튜브를 SOCl2(Thionyl chloride)에 넣고 24시간 저어 Cl 관능화하거나, 탄소나노튜브를 고온에서 성장시키는 과정에서 보론 가스를 같이 주입하여 탄소와의 화학적 결합을 통해 p형으로 만들 수 있다.
n형 도핑의 경우, 탄소나노튜브와 칼륨 또는 루비듐을 챔버에 넣은 후 약 섭씨 120도의 열을 가해주면 알카리 금속이 기화되면서 CNT에 흡착되어 n형의 반도체 특성을 갖는다. p형과 마찬가지로 탄소나노튜브의 고온 성장과정에 질소 가스를 주입하면 화학적으로 안정한 n형 탄소나노튜브를 만들 수 있다.
상기 도핑된 탄소나노튜브를 진공 여과한 후 이후의 도포 공정을 위해 1,2-디클로로벤젠과 같은 용매에 도핑된 탄소나노튜브를 분산시킨다. 상기 도핑된 탄소나노튜브 분산액을 사용한 도포의 방법으로 딥코팅, 스핀코팅, 스프레이코팅 등 다양한 공지의 방법을 사용할 수 있다.
도 5의 (c)로부터, 제1 도전형 박막 층(110)이 도포된 기판(100) 위에 제 1 도전형 박막 층(110)과 반대인 도전형을 갖는 제2 도전형 반도체 박막 층(120)을 제1 도전형 박막 층(110) 위에 증착하여 p-n 이종접합구조를 형성한다. 제2 도전형 반도체 박막 층(120)의 일례로 실리콘 박막 층을 증착할 경우, 비정질 실리콘 박막 또는 미세결정 실리콘 박막의 형태로 증착할 수 있으며, 전자의 경우 캐리어 수명시간과 확산거리가 짧고, 높은 전압과 빛, 열에 대한 안정성이 떨어질 수 있으므로 미세결정 실리콘 박막을 직접 성장시키는 것이 바람직하다.
미세결정 실리콘 박막의 직접 성장방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 플라즈마화학증착(PECVD)을 이용하거나, 실리콘 박막 증착과 수소 플라즈마 처리과정을 연속적으로 반복하는 layer-by-layer 증착법, 고온으로 가열된 필라멘트로 실란(SiH4)을 분해하는 열선 화학기상증착법(HWCVD)에 의해서 증착이 가능하다. 기타 플라즈마를 이용해 실리콘 박막을 얻기 위해 할로우 캐소드(hollow cathode), 유도결합 플라즈마(ICP), 전자사이클로트론 공명(ECR), 초고주파(VHF) 등의 플라즈마 시스템 등을 사용할 수 있다.
원하는 크기의 제2 도전형 반도체 박막 층(120)을 기판(100) 위에 증착하기 위해 필요시 섀도우 마스크를 이용할 수 있다.
제1 도전형 박막 층(110)을 이루는 탄소나노튜브가 p형으로 도핑되었을 경우 제2 도전형 반도체 박막 층(120)으로서 n형으로 도핑되어야 한다. 제2 도전형 반도체 박막 층(120)은 미세결정 실리콘 박막 층일 수 있다. 상기 미세결정 실리콘 박막 층을 n형으로 도핑하는 방법으로서, 도핑 소스가 SiH4인 경우, n형을 만들기 위해서 포스핀 (PH3)가스를 일정량 넣어주는 기상증착을 이용할 수 있다. 또는 실란을 POCl2등의 액체가 채워진 버블러를 통하여 고온기판으로의 확산시키면서 실란을 증 착시킬 수 있다. 다르게는 실리콘 박막의 증착 후 높은 에너지를 이용해서 기판에 n형 도펀트 물질을 강제 주입시킨 후 고온에서 열처리를 하는 이온 임플란테이션 기법 등을 사용할 수 있다.
한편, 미세결정 실리콘을 증착하기 위해 일반적인 기상증착법을 사용할 경우 낮은 연화온도를 갖는 저렴한 유리 또는 플라스틱 재질의 투명기판이 사용될 수 없는 문제가 있다. 따라서 후술할 저온증착기술을 도입하면 보다 저가의 기판을 사용할 수 있어서, 대면적의 제막 및 대폭적인 비용절감이 가능하다.
저온증착기술을 보다 상세히 설명하자면, HWCVD 챔버 내부의 분위기를 에칭가스(에칭성질을 갖고 있으면 어떠한 가스 종류에도 제한되지 않으며, 예를 들어 염화수소(HCl)가 포함된 가스가 될 수 있다)를 사용해서 에칭가스 분위기로 만들어준다. 이때 고온의 필라멘트에 의해 실란(SiH4)과 수소가 분해되는데, 고온지역에서는 핵 생성이 일어나면서 입자가 석출되면서 높은 온도로 결정성을 갖게 된 나노입자를 증착 원료로 이용할 수 있다. 따라서 저온지역(기판이 있는 지역)으로 결정성을 갖는 입자만 이동해 오기 때문에 높은 결정성의 박막을 유지할 수 있다. 그러면 저온지역에 비정질 실리콘이 석출되지 않게 할 수 있기 때문에 비정질 상태의 입자들은 증착시 관여하지 않게 된다.
따라서 상술한 저온증착기술에 따르면 SiH4와 같은 Si를 포함한 가스들이 고온에서 분해되기 때문에 자연활성화가 되어서 기판에 증착되기 때문에 기존의 방법과 같이 비정질막을 증착한 후 별도의 열처리를 하는 과정이 필요하지 않다는 장점 이 있다.
도 5의 (d) 및 (e)로부터, 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)을 제1 도전형 박막 층(110)과 제2 도전형 반도체 박막 층(120)에 각각 접합함으로써 박막형 태양전지를 제조할 수 있다(도 5의 (d)). 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)은 예를 들면, 통상의 리프트-오프 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 전극(130)은 제1 도전형 박막 층(120)을 기판(100) 위에 증착하기 전에 핑거 그리드 형태로 기판(100) 위에 먼저 형성할 수도 있다.
도 6은 박막형 태양전지 내의 이종접합구조를 이루는 p형 CNT 층/n형 Si 층을 나타낸 SEM 단면사진이다.
도 6을 참조하면, 이종접합구조는 유리 기판(600) 위에 p형 CNT 층(610) 및 n형 실리콘 층(620)이 접합된 형태이며, 유리 기판(600) 위에 딥코팅법으로 CNT를 도포하여 p형 CNT 층(610)을 형성하고 HW-CVD로 n형 실리콘 층(620)을 증착하여 제조한 것이다. 유리 기판(600) 위에 약 50nm 두께의 얇은 p형 CNT 층(610)이 있고 그 위에 약 1㎛ 크기의 n형 실리콘 층(620)이 있다. 가운데 구불구불한 실처럼 보이는 것은 SEM 분석을 위한 시편 절단시 빠져나온 CNT의 일부이다.
도 7은 공기중에 산소 분자가 흡착된 p형 탄소나노튜브에 n형 실리콘을 접합 시킨 후 측정한 암흑 전류-전압곡선(dark I-V curve)이다. 도 7로부터, 이 곡선이 정류(rectifying)현상을 잘 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 이는 탄소나노튜브와 실리콘의 접합이 이종 다이오드를 형성하고 있다는 것을 의미하며, 이 접합에 태양광이 도달하면 전자-정공쌍이 만들어져 태양전지로써의 역할을 할 수 있게 된다.
상술한 바에 따르면 도핑된 탄소나노튜브를 기판 위에 여러 가지 방법으로 코팅을 하여 네트워크를 형성시키고 그 위에 상기 탄소나노튜브와 반대 도전형의 결정질이 좋은 실리콘을 박막 형태로 증착함으로써 탄소나노튜브/실리콘 이종접합을 만들 수 있다. 이러한 이종접합구조를 태양전지의 응용분야에 이용하면 나노크기의 탄소나노튜브의 넓은 면적에 기인하여 정공/전자의 수집이 향상될 수 있으므로 태양전지 효율이 크게 개선될 수 있다. 또한 이종접합구조의 형성시 저온증착기술을 사용하면 기판의 다변화가 가능해져 태양전지의 저가화를 실현시킬 수 있다.
이상에서 개시된 기술의 실시예들에 대해 상세히 기술하였지만, 해당 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 개시된 기술의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 개시된 기술을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 박막형 태양전지의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 2는 핑거 그리드 형태의 전극을 구비한 박막형 태양전지의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 2의 (a)는 분해사시도이고 도 2의 (b)는 단면도 및 평면도이다.
도 3은 박막형 태양전지의 일 실시예로서 superstrate 형을 나타낸 단면도이다.
도 4는 박막형 태양전지의 일 실시예로서 투명 전도성 산화막을 전면 전극으로 구비한 substrate 형을 나타낸 단면도이다.
도 5는 박막형 태양전지의 제조방법의 각 단계를 나타낸 도면이다.
도 6은 박막형 태양전지 내의 이종접합구조를 이루는 p형 CNT 층/n형 Si 층을 나타낸 SEM 단면사진이다.
도 7은 공기중에 산소 분자가 흡착된 p형 탄소나노튜브에 n형 실리콘을 접합 시킨 후 측정한 암흑 전류-전압곡선(dark I-V curve)이다.

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 배치된 도핑된 탄소나노튜브의 네트워크를 구비한 제1 도전형 박막 층;
    상기 제1 도전형 박막 층과 p-n 접합을 이루는 제2 도전형 반도체 박막 층;
    상기 제1 도전형 박막 층의 적어도 일부에 형성된 제1 전극; 및
    상기 제2 도전형 반도체 박막 층의 적어도 일부에 형성된 제2 전극을 포함하는 박막형 태양전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 박막 층이 p형 탄소나노튜브를 포함할 경우, 상기 제2 도전형 반도체 층은 n형 도핑된 실리콘(Si), 티타늄 산화물, 주석 산화물, 인듐 산화물, 및 알루미늄, 보론, 갈륨 중 적어도 한 원소가 주입된 아연 산화물로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 반도체를 포함하는 박막형 태양전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 박막 층이 n형 탄소나노튜브를 포함할 경우, 상기 제2 도전형 반도체 층은 p형 도핑된 실리콘, 구리 산화물, 갈륨 구리 산화물, 및 나트륨, 칼륨, 리튬등 적어도 한 원소가 주입된 니켈 구리 산화물로 이루어진 군 중에서 선 택되는 1종 이상의 반도체를 포함하는 박막형 태양전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    제1 도전형 박막 층의 두께는 7nm 내지 300nm인 박막형 태양전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체 박막 층은 미세결정 실리콘 박막 층인 박막형 태양전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체 박막 층이 실리콘으로 이루어진 경우 도펀트의 도핑 농도는 1015cm-3 내지 1022cm-3인 박막형 태양전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체 박막 층의 두께는 1um 내지 5um인 박막형 태양전지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속 또는 투명 도전성 산화막으로 이루어진 박막형 태양전지.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 핑거 그리드(finger grid) 형태를 가지는 박막형 태양전지.
  10. 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 위에 도핑된 탄소나노튜브의 분산액을 도포하여 탄소나노튜브 네트워크를 구비한 제1 도전형 박막 층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 박막 층과 반대 도전형의 제2 도전형 반도체 박막 층을 상기 제1 도전형 박막 층 위에 증착하여 p-n 이종접합구조를 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 박막 층의 적어도 일부에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 도전형 반도체 박막 층의 적어도 일부에 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 도핑된 탄소나노튜브의 분산액의 도포는 딥코팅, 스핀코팅 또는 스프레이코팅 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 박막형 태양전지의 제조방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 박막 층이 p형 탄소나노튜브를 포함할 경우, 상기 제2 도전형 반도체 층은 n형 도핑된 실리콘(Si), 티타늄 산화물, 주석 산화물, 인듐 산화 물, 및 알루미늄, 보론, 갈륨 중 적어도 한 원소가 주입된 아연 산화물로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 반도체를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 박막 층이 n형 탄소나노튜브를 포함할 경우, 상기 제2 도전형 반도체 층은 p형 도핑된 실리콘, 구리 산화물, 갈륨 구리 산화물, 및 나트륨, 칼륨, 리튬 중 적어도 한 원소가 주입된 니켈 구리 산화물로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 반도체를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체 박막 층은 미세결정 실리콘 박막 층인 박막형 태양전지의 제조방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 미세결정 실리콘 박막 층의 증착은 에칭가스 고온의 필라멘트에 의해 실란(SiH4)과 수소를 분해시키는 저온증착기술에 의해 수행되는 박막형 태양전지의 제조방법.
  16. 제10 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 핑거 그리드(finger grid) 형태로 상기 기판 위에 형성되는 박막형 태양전지의 제조방법.
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