KR20110120543A - 양자점을 이용한 형광공명에너지전달-기반 태양전지 - Google Patents

양자점을 이용한 형광공명에너지전달-기반 태양전지 Download PDF

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전대우
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Abstract

본 발명에 의한 태양전지는 제 2 도전형 반도체층과 상부 전극 사이에 위치한 양자점을 포함하여 광흡수층으로 형광공명에너지 전달을 일어나도록 함으로써 하나의 물질계를 이용하여 종래에 흡수가 용이하지 않았던 파장대역 에너지도 전기에너지로 전환시키는데 활용할 수 있다.

Description

양자점을 이용한 형광공명에너지전달-기반 태양전지{Fluorescence Resonance Energy Transfer-based Solar Cell Using Quantum Dots}
본 발명은 양자점을 이용한 형광공명에너지전달(fluorescence resonance energy transfer; FRET) 기반 태양 전지(solar cell)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 양자점을 이용한 FRET 현상을 결합시킴으로써 향상된 태양전지 효율을 달성할 수 있는 FRET-기반 태양전지에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell)는 태양 광 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자의 일종으로서 p-형의 반도체와 n-형의 반도체의 접합(junction) 구조를 갖고 있으며, 그 기본구조는 다이오드와 동일하다고 할 수 있다.
태양전지의 작동원리를 간단히 설명하면, 외부로부터 광이 태양전지에 입사됨에 따라 p-형 반도체의 가전자대(Valence band) 전자가 입사된 광 에너지에 의하여 전도대(Conduction Band)로 여기되는데, 이와 같이 여기된 전자는 p-형 반도체 내부에 한 쌍(pair)의 전자-정공을 생성하게 된다. 이러한 전자-정공 쌍 중 전자는 p-n 접합 사이에 존재하는 전기장에 의하여 n-형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다. 이때, p-형 반도체 및 n-형 반도체를 서로 결합시켜 접합을 만들면 n-형 반도체에 존재하는 과잉의 전자는 p-형 반도체로 확산하는 한편, p-형 반도체에 존재하는 과잉의 정공은 n-형 반도체로 확산하게 되며, 확산된 전자-정공의 빈자리는 양이온 및 음이온을 각각 띄게 된다. 이때, 접합 부근에서 배터리와 유사하게 양이온에서 음이온으로 전압이 발생하게 된다.
이와 관련하여, 실리콘계 태양전지, 특히 비정질 실리콘(a-Si) 박막 태양전지의 경우, 박막의 전하 확산 거리(diffusion length)가 단결정이나 다결정 실리콘 기판에 비하여 낮기 때문에 전술한 p-n 접합 구조로만 제조될 경우, 광에 의하여 생성된 전자-정공 쌍의 광 수집 효율이 낮게 된다. 따라서, 불순물이 첨가되지 않은(intrinsic) 광 흡수층을 p-형 실리콘층과 n-형 실리콘층 사이에 삽입한 p-i-n 구조로 제작되는 것이 통상적이다.
이처럼, 태양전지의 효율을 높이기 위하여는 최대한 많은 광을 흡수 또는 포획(trap)하는 것이 중요하다. 굴절율이 높은 실리콘계 태양전지의 경우, 입사된 광의 약 20 내지 30%가 전하를 생성시키지 못하고 다시 반사된다. 이처럼, 광 반사를 감소시키기 위한 방안으로서 반사방지 코팅, 표면 텍스쳐링 기술 등이 알려져 있다. 반사방지 코팅의 경우, 표면 반사를 감소시키기 위하여 표면에 투명하고 굴절율이 반도체와 공기 사이의 값을 갖는 박막을 형성한 것으로서, 이러한 반사방지막을 단층으로 구성할 경우, 통상 약 10%로 반사율을 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
한편, 최근에는 태양전지의 출력 향상을 위하여 전기로 변환되지 않는 태양광의 스펙트럼 부분을 반사하고, 그 이외의 대역에 상당하는 광을 흡수하도록 구성된 기술도 알려져 있다. 예를 들면, 국내특허번호 제682928호는 양자점의 흡수와 발광 효과를 이용하여 특정 에너지 이상의 빛을 차단해주는 컷오프 필터의 기능과 고에너지의 광을 저에너지로 전환시키는 기능을 동시에 수행할 수 있도록 컷오프 필터용 양자점 박막을 구비하는 기술을 개시하고 있다. 또한, 밴드갭이 조절된 흡수층을 갖는 셀을 복수로 삽입하여 구성한 다층 셀 태양전지 기술 역시 알려져 있다.
실리콘계 태양전지의 경우, 결정질 실리콘은 약 1.1 eV, 그리고 비정질의 실리콘은 약 1.7 eV의 밴드갭을 갖고 있는 바, 이론적으로 해당 에너지 대역 이상의 광을 흡수할 수 있다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘의 밴드갭보다 높은 에너지 대역의 광, 특히 450 nm 근처부터 빛의 흡수가 밴드갭 대역 부근의 광에 비하여 급격히 저하되는 현상이 야기된다. 이와 관련하여, 상술한 컷오프 필터 또는 다층 셀 구조를 채택하는 종래기술은 이와 같이 흡수가 용이하지 않은 파장대역의 에너지를 전기에너지로 전환시키는데 있어서 개념적으로나 기술적으로 근본적인 한계를 갖고 있다.
따라서, 종래기술과는 차별화된 개념에 기초하면서도 구체적으로 실현 가능한 새로운 기술적 돌파구가 요구되고 있는 실정이다.
상술한 종래기술의 한계를 극복하고자, 본 발명자들은 양자점을 이용한 FRET 현상을 기반으로 하는 신규의 태양전지를 개발하게 되었다.
본 발명은 양자점에 의한 FRET 현상을 태양전지에 적용하여 광 흡수가 용이하지 않은 파장대역의 에너지를 흡수할 수 있는 태양전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나의 양상은 기판 상에 하부 전극층; 제 1 도전형 반도체층; 광흡수층; 제 2 도전형 반도체층 및 상부 전극을 구비하는 태양전지로서, 상기 태양전지는 상기 제 2 도전형 반도체층과 상부 전극 사이에 위치한 양자점을 포함하고, 상기 양자점은 태양광을 흡수하여 상기 광흡수층으로 형광공명에너지 전달을 일으키는 태양전지에 관계한다.
다른 양상에서 본 발명은 기판 상에 하부 전극층; 제 1 도전형 반도체층; 광흡수층; 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 2 도전형 반도체층 상에 양자점을 형성시키는 단계 ; 및 상기 양자점이 형성된 제 2 도전형 반도체층 상에 상부전극층을 형성시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법에 관계한다.
본 발명에 따른 양자점을 이용한 FRET-기반 태양전지는 제 2 도전형 반도체층과 상부 전극 사이에 위치한 양자점을 포함하여 광흡수층으로 형광공명에너지 전달을 일어나도록 함으로써 하나의 물질계를 이용하여 종래에 흡수가 용이하지 않았던 파장대역 에너지도 전기에너지로 전환시키는데 활용할 수 있다는 점에서 기술적 의의가 있다.
도 1은 결정질 및 비결정질(어모퍼스) 실리콘계 태양전지에 대한 태양전지의 감도를 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 양자점을 이용한 FRET-기반 태양전지의 단면도이다.
도 3은 양자점(도너)과 실리콘계 흡수층(광흡수층; 어셉터) 간에 일어나는 FRET 원리를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 양자점을 이용한 FRET-기반 태양전지를 제조하는 공정을 순차적으로 도시하는 도면이다.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.
본 명세서에 있어서, "상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수 있다.
이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 “사이에”라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 양자점을 이용한 FRET-기반 태양전지의 단면도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 구체예에 따른 태양전지(100)는 기판(10) 상에 하부 전극층(20), 제 1 도전형 반도체층(30), 광흡수층(40), 제 2 도전형 반도체층(50) 및 상부 전극층(70)을 구비한다. 상기 태양전지는 상기 제 2 도전형 반도체층(50)과 상부 전극층(70) 사이에 위치한 양자점(60)을 포함하고, 상기 양자점은 태양광을 흡수하여 상기 광흡수층으로 형광공명에너지 전달을 일으키는 것을 특징으로 한다.
상기 양자점(60)은 광흡수층(40)과 FRET 현상에 의한 에너지 전달을 일으킬 수 있는 거리, 구체적으로 약 10 nm 이내의 거리에 위치한다. 상술한 구체예에 따른 태양전지는 종래에 결정질 실리콘 전체를 태양광 흡수기판으로 사용하는 초기 태양전지와 구별되는 박막 태양전지의 구성을 갖는다.
본 발명은 양자점(도너)과 태양전지 내 광흡수층(어셉터) 사이의 FRET 현상을 이용한다.
양자점은 나노 사이즈의 결정으로서, 광학적으로 넓은 흡수 스펙트럼, 좁은 발광 밴드, 우수한 여기 계수, 광표백(photo bleaching)에 대한 우수한 안정성, 사이즈에 따른 스펙트럼 변화(즉, 사이즈 변화에 따라 다른 파장의 빛을 방출하는 특성) 등과 같은 특유의 광학 특성을 갖고 있다.
이와 같이, 양자점의 넓은 흡수 스펙트럼 및 좁은 방출 스펙트럼으로 인하여 FRET 현상을 기반으로 하는 기술 분야(예를 들면, 바이오센서 또는 진단 시스템 내에서 도너(donor) 또는 어셉터(acceptor))로서 이용되고 있다.
FRET 현상은 2가지 형광 물질의 상호작용을 이용한 것으로, 1964년 F에 의하여 처음 소개되었다. FRET 현상은 장거리 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의하여 하나의 여기된 형광분자(발색단)에서 다른 형광분자(발색단)로 비발광 또는 비복사 과정을 통해 에너지가 전이되는 물리적인 현상이다. 이때 에너지를 주는 분자를 “도너 또는 공여체(Donor)”라 하고, 에너지를 받는 분자를 “어셉터 또는 수용체(Acceptor)”라고 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 특정 파장대의 빛을 방출하는 도너(양자점)와 도너로부터 방출되는 에너지와 공명을 일으켜 에너지를 흡수할 수 있는 어셉터(광흡수층)가 소정의 거리 이내로 근접하면, 외부에서 도너를 여기시키기 위하여 조사된 빛 에너지가 도너로부터 어셉터로 비복사 전달된다. 그 결과, 도너(양자점)로부터 에너지를 전달받은 어셉터(광흡수층)는 전달받은 에너지에 의하여 전자가 여기된다.
이와 관련하여, FRET 현상은 도너와 어셉터간의 거리가 통상 약 10nm 이내일 때 일어나며, 도너의 방출 스펙트럼과 어셉터의 흡수 스펙트럼이 겹칠수록 잘 일어나는 특징을 갖는다.
본 발명에서와 같이 FRET 현상을 이용하여 태양전지를 구성할 경우, 태양광으로부터 용이하게 흡수되지 못한 파장대의 광을 양자점이 흡수하여 어셉터인 광흡수층(구체적으로, 실리콘계 흡수층)으로 에너지를 전달함으로써 흡수율이 낮은 파장대 영역을 보완할 수 있다.
즉, 상기 양자점은 양자점이 갖는 밴드갭 이상의 빛 에너지를 흡수하여 그에 해당하는 에너지를 흡수층에 전달하게 되고, 그 에너지에 의해 흡수층에서 전자의 여기가 일어나며, 그 여기된 전자에 의해 전기에너지를 만들 수 있다.
본 발명에서는 상기 양자점을 이용하여 가시광 영역에서의 흡수율을 높일 수 있는데, 좀 더 자세하게는 비정질 실리콘 흡수층이 경우 500 nm 이하의 빛에 대해 흡수율이 감소하는 경향이 있으며, 양자점을 이용하여 450 - 500 nm 사이의 태양광 빛에 대한 흡수율을 증가시켜주는 효과를 얻을 수 있고, 결정질 실리콘의 경우 가시광 영역에서 흡수율이 저하되는 경향이 있어 양자점을 이용하여 가시광 영역에서의 태양광 흡수율을 높여주는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서는 상기 양자점 사이즈를 조절하여 태양광 흡수율을 높일 수 있으며, 바람직하게는 상기 양자점 사이즈를 1nm 내지 10nm, 더욱 바람직하게는 1nm 에서 8nm로 조절할 수 있다.
본 발명의 구체예에 있어서, 양자점은 단일 타입의 물질 또는 다른 타입 물질의 코어 및 쉘(또는 캡)로 이루어질 수 있다.
양자점은 표면적 대 부피 비율이 대단히 커서 구성 원자들의 대부분이 표면에 노출되므로 원자 또는 분자 궤도가 완전히 결합되지 않는 형태로 남게 되고 이는 양자점에 의하여 방출되는 에너지를 감소시키는 결함 부위로 작용할 수 있다. 이 때문에 보다 넓은 띠 간격을 갖는 다른 반도체의 쉘(shell)을 코어(core)표면에 성장시켜 전자 절연효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 쉘은 여기된 코어에 의하여 방출되는 광을 안정화하고 강화시키는 역할을 하며, 바람직하게는 코어보다 높은 밴드 갭을 갖도록 하여 코어를 부동태화(passivation)함으로써 양자점의 여기가 코어로 한정되도록 하고 산화로부터 보호할 뿐만 아니라, Cd/Se이 주변 용액 내로 용출(leeching)되는 것을 방지할 수 있다(이러한 전자적 에너지 상태를 갖는 구조를 “타입-1 구조”라 함).
또한, 양자점의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니며, 구, 로드, 와이어, 피라미드, 입방체 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 구 형상을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 구체예에 있어서, 양자점은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물(예를 들면, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, 또는 이들의 조합물), Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물(예를 들면, GaAs, InGaAs, InP, InAs, 또는 이들의 조합물) 또는 Ⅳ족 반도체 화합물(예를 들면, Ge 또는 Si)일 수 있다. 보다 바람직하게는, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물로서 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe 또는 CdSeTe을, 그리고 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물로서 InP, GaP 또는 InAs를 사용할 수 있다. CdSe(코어)/ZnS(쉘)의 코어/쉘 구조를 갖는 양자점이 바람직하다.
양자점은 공지된 방법, 예를 들면 미국특허번호 제6,207,392호 등에 개시된 방법에 의하여 제조될 수 있다. 대표적인 CdSe 양자점의 예시적인 합성과정을 간략하게 설명하면, Se 전구체(Se의 착화합물, 산화물, 금속 등; 통상 트리옥틸포스핀 셀레나이드(trioctylphosphine selenide) 또는 트리부틸포스핀 셀레나이드(tributylphosphine selenide)를 Cd 전구체(Cd의 착화합물, 산화물, 금속 등; 통상 디메틸 카드뮴(dimethyl cadmium) 또는 카드뮴 오레이트(cadmium oleate))와 배위 리간드(트리옥틸포스핀 옥사이드(trioctylphosphine oxide)와 같은 탄소수 5 내지 20의 알킬포스핀 또는 헥사데실아민(hexadecylamine)과 같은 탄소수 5 내지 20의 알킬아민)를 함유한 뜨거운 용액(예를 들면, 약 300℃)에 천천히 주입하면 CdSe 나노결정 코어가 생성된다. 배위 리간드는 성장하는 결정의 표면에 있는 금속이온에 결합하여 용액 중에서 결정을 안정화시키고 성장속도를 조절하는 역할을 한다. 양자점이 원하는 사이즈에 도달하면 온도를 실온으로 낮추어 성장을 중지시킨다.
또한, 쉘, 예를 들면 ZnS 쉘의 경우, 당업계에서 알려진 방식에 따라 상기 코어의 표면에 성장시킬 수 있는 바, 양자점의 쉘 형성 방법은, 예를 들면, 미국특허출원번호 제08/969,302호 등에 예시되어 있다. 쉘 형성 과정 중 코어의 흡수 스펙트럼을 모니터링하면서 반응 혼합물의 온도를 조절함으로써 높은 방출 양자 효율 및 좁은 사이즈 분포를 갖는 쉘을 형성하는 것이 바람직하다.
택일적으로, 양자점은 유체(예를 들면, 톨루엔 또는 헥산과 같은 유기 용매) 내에 응집하거나 침전하지 않고 분산된 상태로 존재하는 콜로이드 상태(예를 들면, 약 40 내지 50 mg/40 ml)에서 사용되는 것이 바람직한데, 이를 콜로이드 양자점(CQD)이라고 하며, 필요한 경우에는 희석하여 사용할 수 있다. 상술한 콜로이드 양자점은 직접 제조될 수 있지만, 현재 시판 중인 제품을 사용할 수도 있다(예를 들면, QDsolution사의 CS501).
상기 기판(10)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 기판, 바람직하게는 광투과율이 우수한 투명 기판으로서, 투명 절연성 재질, 예를 들면 석영 기판, 유리 기판(소다석회 유리, 일반 유리, 강화 유리 등의 재질), 투명 플라스틱 기판(폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 설폰, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등과 같은 고분자 재질) 등을 사용할 수 있다. 또한, 실리콘 기판, 사파이어 기판, 금속 기판(예를 들면, 금속판(metal plate) 또는 금속박(metal foil)) 등을 사용할 수 있다. 이때, 기판의 두께는 특별히 한정되는 것이 아니며, 사용되는 기판 재질, 도전형 반도체의 특성(예를 들면, 다결정, 마이크로 결정 또는 비정질 실리콘) 등을 고려하여 적절한 치수를 선정할 수 있다.
상기 하부 전극층(20) 및 상부 전극층(70)으로는 ZnO, Ni, Al, Ti, Ag, Au, Co, Sb, Pd, Cu, TiN, WN 등을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 경우에 따라서는 이들의 적층막일 수도 있다. 상기 하부 전극층(102) 및 상부 전극층(106)은 서로 같은 재질일 수도 있고 다른 재질일 수도 있다. 경우에 따라서는 투명 전도성 재질, 예를 들면 TCO(transparent conductive oxide; TCO)를 사용할 수도 있는 바, 이러한 TCO 재질로는 산화인듐주석(indium tin oxide), 산화인듐아연(indium zinc oxide), 산화갈륨아연(gallium zinc oxide), 산화알루미늄 아연(aluminum zinc oxide) 또는 이들의 조합을 예시할 수 있다.
상기 하부 및 상부 전극층(20, 70)은 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition), PECVD, ALD(atomic layer deposition), 스퍼터링(sputtering), 전자빔증착(electron-beam evaporation) 등에 의하여 형성될 수 있으며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 하부 전극층(20)은 그 위에 형성되는 제1 도전형 반도체층의 도전 특성에 따라, n-형 전극 또는 p-형 전극으로 부를 수 있다. 상기 상부 전극층(70)도 이와 유사하게 p-형 전극 또는 n-형 전극으로 부를 수 있다.
상기 구체예에 있어서, 제1 도전형 반도체층(30) 및 제2 도전형 반도체층(50)은 각각 "n-형 반도체층" 또는 "p-형 반도체층"을 의미할 수 있으며, 전형적으로는 상호 반대되는 도전 특성을 갖고 있어 태양전지 구조 내 광흡수층에 의하여 입사광이 흡수되면 광전효과를 유발할 수 있는 접합 구조를 형성한다. 예를 들면, 상기 p-형 반도체는 IV족 진성(무첨가) 반도체에 III 족 성분(붕소 등)이 도핑된 것일 수 있는 한편, 상기 n-형 반도체는 IV족 진성 반도체에 V 족 성분(인, 비소, 안티몬 등)이 도핑된 것일 수 있다. 이때, p-형 및 n-형 반도체 내 불순물 이온 농도 범위는, 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면 약 1019 내지 1021/㎤ 범위일 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(30)의 두께는 예를 들면 각각 약 5 내지 700 nm 및 약 10 내지 500 nm, 보다 전형적으로는 각각 약 15 내지 600 nm 및 약 20 내지 400 nm 범위일 수 있다. 상기 수치범위는 예시적인 의미로서 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 상술한 2가지 도전형 반도체로 이루어진 층에 있어서, 광의 입사면 측에 가깝게 p-형 도전형 반도체층을 위치시키는 것이 바람직한바, 이는 입사광에 의하여 생성된 전자와 정공의 드리프트 이동도(drift mobility) 차이를 고려한 것이다. 즉, 정공의 드리프트 이동도가 전자에 비하여 낮기 때문에 입사광에 의한 캐리어의 수집 효율을 높이기 위하여는 캐리어 다수가 p-i 계면에서 생성되도록 하여 정공의 이동거리를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 제2 도전형 반도체층을 p-형 반도체로 구성하고, 입사광이 이러한 p-형 반도체 층을 통하여 광흡수층으로 입사되도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 제2 도전형 반도체층(50)은 높은 광투과도(높은 밴드갭) 및 전기전도도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 제 2 도전형 반도체층(50)의 두께는 상기 양자점과 상기 광흡수층이 형광공명에너지 전달을 일으키는 거리에 있도록 1 ~ 10 nm 인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(30, 50)의 재질로서, 전형적으로는 실리콘계, 보다 전형적으로는 결정질 또는 비정질의 실리콘계 재질이 바람직하게 사용될 수 있다. 이하에서는 실리콘계 박막 태양전지 구성을 중심으로 설명하기로 하나, 이는 예시적인 의미로 이해되어야 한다.
광흡수층(40)은 태양광을 받아 전자-정공 쌍을 생성하여 전류를 발생시키는 영역으로서, 진성(intrinsic) 또는 무첨가 반도체 층, 즉 진성 결정질 또는 비정질 실리콘 층일 수 있다. 이때, 광흡수층의 두께는, 약 50 내지 5,000 nm, 보다 전형적으로 약 100 내지 3,000 nm 범위일 수 있는 바, 상기 수치 범위는 예시적인 의미로 제공된다. 다만, 비정질 실리콘계인 경우에는 1,000 nm 이하로 정하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 및 상기 광흡수층은 전형적으로 SiH4 및 H2 혼합 가스를 이용한 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)법에 의하여 형성되는 것이 바람직하다. 도전형 반도체층의 경우에는 도핑 가스가 더 포함될 수 있는 바, PH3 가스(n-형 반도체층) 또는 B2H6 가스(p-형 반도체층)를 예시할 수 있다.
이때, 다른 성막 조건이 고정된 하에서, H2 가스 분량이 전체 가스에서 차지하는 정도를 조절함으로써 폴리 결정, 마이크로 결정 또는 비정질을 갖는 실리콘으로 이루어지는 층을 형성할 수 있다. 이외에도 광-CVD, 열선 CVD, VHF(very high frequency)-PECVD 등과 같은 다양한 증착 방식 역시 가능하다.
상기 양자점(60)이 위치된 상부 전극층(70)의 재질과 형성방법에 대해서는 앞에서 상술한 내용을 참고할 수 있다.
상기 단계 수행 후, 선택적으로 반사방지막을 상부전극 상에 추가 형성할 수 있다. 반사방지막은 상층에서 반사된 빛과 하층에서 반사된 빛이 서로 상쇄간섭을 일으키도록 하며, 기본적으로 원하는 파장대역에서 광투과도가 높고 굴절율이 태양전지에 사용되는 재질과 비교하여 반사율이 최소가 되도록 하는 값을 갖는 재질로 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 재질로서, SiO2, CeO2, Si3N4, Al2O3 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있으며, 단층 또는 복층으로 구성할 수 있다. 바람직하게는 SiO2, Si3N4 또는 Al2O3 재질일 수 있다.
상기 반사방지막은 스프레이, 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 디핑, CVD(특히, PECVD), 진공증착 등의 방식으로 제조될 수 있다. 특히, 반사율을 더욱 감소시키기 위하여는 복층으로 구성할 수 있는 바, 실리콘 표면에서의 전하 재결합을 줄이기 위하여 약 30 nm 이하의 얇은 산화막을 형성한 다음, SiO2/Si3N4 층을 코팅할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 양자점을 이용한 FRET-기반 태양전지를 제조하는 공정을 순차적으로 도시하는 도면이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 먼저 태양전지의 기판(10) 상에 하부 전극층(20), 제1 도전형 반도체층(30), 광 흡수층(40) 및 제2 도전형 반도체층(105)의 순으로 형성된 구조가 제공된다.
그 다음, 도 4b에 도시된 바와 같이, 양자점(60)을 상기 제2 도전형 반도체층(50) 층상에 위치 또는 부착시키는 단계가 수행된다.
그 다음, 도 4b에 도시된 바와 같이, 양자점(60)을 상기 제2 도전형 반도체층(50) 층상에 위치 또는 부착시키는 단계가 수행된다.
이를 위하여, 양자점 콜로이드를 사용하여 도포 또는 코팅하는 것이 바람직하다. 예를 들면, (i) 양자점 콜로이드를 드롭렛(droplet) 방식으로 시편 상에 떨어뜨린 후 건조(전형적으로, 약 50 내지 300℃의 건조 온도)시키거나, 택일적으로, (ii) 양자점 콜로이드를 사용하여 스핀 코팅한다. 또는, ⅲ) 양자점 콜로이드를 사용하여 딥코팅 방법으로 기판에 흡착시키고 양자점이 흡착된 기판을 용액 밖으로 빼내어서 용매를 증발시키면 흡착된 양자점이 기판 위에 자발적으로 균일하게 배열되는 성질(Self-Assembly)을 나타내는데 이로써 균일하게 배열되는 양자점을 형성할 수 있게 된다.
이어서, 도 4c와 같이, 상기 양자점이 형성된 제 2 도전형 반도체층(50) 상에 상부전극층(70)을 형성시킨다.
여기서, 상기 상부전극층(70)은 제 2도전형 반도체층(50)상에 배열된 양자점을 함유하는 구조로 형성될 수 있다. 상기 양자점들 사이의 빈 공간상으로 상부 전극층이 충진되어 적층되므로 상기 상부 전극층에 상기 양자점들이 임베디드(embeded) 형태로 위치할 수 있다.
상기 상부 전극층(70)은 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition), PECVD, ALD(atomic layer deposition), 스퍼터링(sputtering), 전자빔증착(electron-beam evaporation) 등에 의하여 형성될 수 있으며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
10 : 기판 20 : 하부전극층
30 : 제 1 도전형 반도체층 40 : 광흡수층
50 : 제 2 도전형 반도체층 60 : 양자점
70 : 상부전극층

Claims (13)

  1. 기판 상에 하부 전극층; 제 1 도전형 반도체층; 광흡수층; 제 2 도전형 반도체층 및 상부 전극을 구비하는 태양전지로서, 상기 태양전지는 상기 제 2 도전형 반도체층과 상부 전극 사이에 위치한 양자점을 포함하고, 상기 양자점은 태양광을 흡수하여 상기 광흡수층으로 형광공명에너지 전달을 일으키는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양자점과 상기 광흡수층이 형광공명에너지 전달을 일으키는 거리에 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양자점과 상기 광흡수층 간의 거리가 10 nm 이내인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제 2 도전형 반도체층의 두께가 1 ~ 10 nm 이내인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 양자점은 CdSe(코어)/ZnS(쉘)의 코어/쉘 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 양자점의 사이즈는 1 내지 10 nm 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 양자점은 태양광의 파장 중 가시광 영역의 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제 1 도전형 반도체층 및 제 2 도전형 반도체층은 각각 n-형 또는 p-형 반도체로서 상호 반대되는 도전 특성을 갖는 결정질 또는 비정질의 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제 8항에 있어서,상기 제1 도전형 반도체층은 n-형 비정질 실리콘 재질이고, 상기 제 2 도전형 반도체층은 p-형 비정질 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광흡수층은 진성(intrinsic)의 결정질 또는 비정질 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. 기판 상에 하부 전극층; 제 1 도전형 반도체층; 광흡수층; 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 도전형 반도체층 상에 양자점을 형성시키는 단계 ; 및
    상기 양자점이 형성된 제 2 도전형 반도체층 상에 상부전극층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 양자점을 형성시키는 단계는 콜로이드 양자점 용액을 상기 기판 상에 도포한 후 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 상기 양자점이 태양광을 흡수하여 상기 광흡수층으로 형광공명에너지 전달할 수 있도록 상기 제 2 도전형 반도체층의 두께를 1 ~ 10 nm 이내로 조절하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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