KR20120055921A - 광전소자 및 그를 포함하는 광전모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 광전변황효율이 향상될 수 있는 광전소자 및 그를 포함하는 광전모듈에 관한 것으로, 투과성을 갖는 기판; 상기 기판 상에 투과성과 도전성을 갖도록 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되고, 서로 다른 파장영역의 광을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 복수의 광흡수층과, 복수의 광흡수층 중 이웃한 두 개의 광흡수층 사이의 계면에 나노크기를 갖는 금속입자의 박막으로 형성되는 계면층을 포함하는 광전층; 및 상기 광전층 상에 형성되고 도전성을 갖는 제2 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

광전소자 및 그를 포함하는 광전모듈{PHOTOELECTRIC ELEMENT AND PHOTOELECTRIC MODULE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 광전소자 및 그를 포함하는 광전모듈에 관한 것이다.
광전소자는, p-n 접합으로 이루어진 반도체소자의 일종으로, 전기에너지를 광에너지로 변환하는 발광 다이오드와, 광을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 태양전지 등을 포함한다. 이 중, 태양전지는, 높은 가격의 문제점 및 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화의 원인이 되는 문제점이 있는 것으로 지적되는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 대체하기 위한 친환경 재생에너지 중 하나로 지목되고 있다.
일반적으로, 태양전지는, 밴드갭에너지 이상의 광에너지를 흡수하여 전자가 들뜬 상태가 되어, 전자-정공쌍(electron hole pairs)이 발생되고, 이때 전자와 정공이 서로 반대방향으로 이동함에 따라 광기전력이 발생되는 광전효과를 이용하여, 광에너지를 전기에너지로 변환한다.
이러한 태양전지는 광에너지를 전기에너지로 변환하는 광전층을 형성하는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, CdTe 태양전지(CdTe: Cadmium Telluride, 카드뮴, 텔루라이드 화합물), CIGS/CIS 태양전지(CIGS: Copper-Indium-Gallum-Selenide, 구리-인듐-갈륨-셀레늄 화합물, CIS: Copper-Indium-Selenide), 염료감응 태양전지로 구분된다. 이 중 CIGS/CIS 태양전지는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물/구리, 인듐, 셀레늄 화합물로 광전층을 형성한 것으로, 최근 공급 부족에 따라 가격이 급등한 인듐을 포함하고 있어 생산원가에 의해 수율이 감소되는 문제점이 있다. CdTe 태양전지는 카드뮴, 텔루라이드 화합물로 광전층을 형성한 것으로, 희소 원료이면서 공해를 유발하는 카드뮴을 포함하고 있어 대량생산에 용이하지 않고 공해성을 갖는 문제점이 있다. 염료감응 태양전지는 나노스케일의 입자 표면에 결합된 염료(DYE) 및 전해질(electrolyte)을 이용하여 광전층을 형성한 것이다. 그리고, 실리콘 태양전지는, 실리콘 태양전지는 실리콘 반도체(Silicon Semiconductor)로 광전층을 형성한 것으로, 용이하게 취득될 수 있고 인체유해성이 없는 실리콘을 기반으로 하고 있어, 차세대 태양전지로 각광받고 있다.
예를 들어, 1세대 실리콘 태양전지는 결정질의 실리콘을 이용하여 광전층을 형성한 구조를 갖는다. 즉, 1세대 실리콘 태양전지는, 수백 ㎛의 두께로 형성된 광전층을 포함하여, 넓은 파장영역의 광을 흡수할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 현재까지 개발된 태양전지 중 가장 높은 광전변환 효율을 나타내는 것으로 알려져 있어, 가장 일반적으로 사용되는 태양전지이다. 그러나, 1세대 실리콘 태양전지는 고가의 웨이퍼(wafer)를 이용하여 제조되기 때문에, 제조비용이 높은 단점이 있다. 반면, 2세대 태양전지인 박막 태양전지는, 고가의 웨이퍼 대신, 저가의 유리, 금속판 또는 플라스틱 등으로 이루어진 기판에 수㎛ 두께의 박막 형태의 광전층을 형성한 구조를 가짐으로써, 제조비용이 절감될 수 있는 장점이 있다. 그러나, 박막 태양전지는 비정질실리콘(a-Si: amorphous Silicon)으로 형성되는 광전층을 포함하여, 광전층 내에 존재하는 많은 양의 결함에 의해, 광전변환 효율이 1세대 실리콘 태양전지보다 낮다는 단점이 있다.
일반적으로, 박막 태양전지를 포함한 대부분의 광전소자는, 복수의 반도체층으로 형성되어, 전기에너지를 광에너지로 변환하거나 또는 광에너지를 전기에너지로 변환하는 광전층과, 광전층을 사이에 두고 서로 대향하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하여 이루어진다.
특히, 태양전지의 광전층은, 되도록 넓은 파장영역의 광을 흡수하기 위하여, 서로 다른 파장영역의 광을 흡수하는 복수의 광흡수층 및 복수의 광흡수층 사이의 계면에 배치되는 계면층을 포함한다. 여기서, 계면층은, 복수의 광흡수층 중 이웃한 두 개의 광흡수층 사이에 트랩사이트(trap site)를 형성함으로써, 이웃한 두 개의 광흡수층 중 하나에서 생성된 전자와 다른 하나에서 생성된 정공이 두 개의 광흡수층 사이의 계면에서 원활하게 상쇄(recombination)되도록 하기 위한 것이다.
그런데, 종래기술에 따르면, 계면층은 투과성을 갖는 실리콘산화물(SiOx)로 선택되는 것이 일반적인데, 이때, 실리콘산화물(SiOx)의 산소가 반도체층으로 확산되어, 반도체층의 에너지준위를 변동시켜서, 소자의 신뢰도가 낮아질 수 있는 문제점 및 절연성을 갖는 실리콘산화물(SiOx)이 수 ㎚ 이상의 두께로 형성될 경우, 광흡수층 사이의 저항이 높아져서, 오히려 전자와 정공의 이동속도가 저하되어, 소자의 광전효율(여기서, "광전효율"은 외부에서 입사된 광이 전하로 축적되는 비율을 의미함)이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 본 발명은, 투과성 및 도전성을 갖는 물질로 이루어진 계면층을 포함하여, 소자의 신뢰도 및 광전효율이 향상될 수 있는 광전변환효율이 향상될 수 있는 광전소자 및 그를 포함하는 광전모듈을 제공한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 투과성을 갖는 기판; 상기 기판 상에 투과성과 도전성을 갖도록 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되고, 서로 다른 파장영역의 광을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 복수의 광흡수층과, 복수의 광흡수층 중 이웃한 두 개의 광흡수층 사이의 계면에 나노크기를 갖는 금속입자의 박막으로 형성되는 계면층을 포함하는 광전층; 및 상기 광전층 상에 형성되고 도전성을 갖는 제2 전극을 포함하여 이루어지는 광전소자를 제공한다.
그리고, 본 발명은, 직렬연결되는 복수의 광전소자를 포함하여 이루어지는 광전모듈을 제공한다. 여기서, 상기 복수의 광전소자 각각은, 투과성을 갖는 기판; 상기 기판 상에 투과성과 도전성을 갖도록 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되고, 서로 다른 파장영역의 광을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 복수의 광흡수층과, 복수의 광흡수층 중 이웃한 두 개의 광흡수층 사이의 계면에 나노크기를 갖는 금속입자의 박막으로 형성되는 계면층을 포함하는 광전층; 및 상기 광전층 상에 형성되고 도전성을 갖는 제2 전극을 포함하여 이루어진다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 광전소자 및 그를 포함하는 광전모듈은, 서로 다른 파장영역의 광을 흡수하는 복수의 광흡수층 사이의 계면에, 나노크기를 갖는 금속입자의 박막으로 형성되는 계면층을 포함함으로써, 트랩 어시스트 터널링(Trap Assist Tunnel) 효과에 의해, 광흡수층 사이의 계면에서 전자와 정공의 상쇄가 원할하게 이루어질 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 계면층은, 종래기술과 같이 산화물로 이루어지지 않으므로, 산소의 확산으로 인해 반도체층의 에너지준위가 변동되는 것이 방지되어, 소자의 신뢰도가 향상될 수 있다. 또한, 금속입자의 표면플라즈몬 효과에 의해 광투과율이 저하되지 않고, 광흡수층에 입사되는 광이 산란되어, 광흡수층의 광흡수율이 증가될 수 있으므로, 광전변환효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 단면도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 복수의 광흡수층 각각에 의해 흡수되는 광의 파장영역을 나타낸 것이다.
도 3은, 도 1에 도시된 광전층의 불연속적인 에너지준위(energy level)을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자에 있어서, 각 파장영역에 대응한 광투과율을, 비교군과 비교하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 소자출력을, 비교군과 비교하여 나타낸 것이다.
도 6은 도 1에 도시된 광전소자를 포함하는 광전모듈을 나타낸 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자 및 그를 포함하는 광전모듈에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 내지 도 5를 참고로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 단면도이다. 도 2는, 도 1에 도시된 복수의 광흡수층 각각에 의해 흡수되는 광의 파장영역을 나타낸 것이고, 도 3은, 도 1에 도시된 광전층의 불연속적인 에너지준위(energy level)을 나타낸 것이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자에 있어서, 각 파장영역에 대응한 광투과율을, 비교군과 비교하여 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 소자출력을, 비교군과 비교하여 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자(100)는, 투과성을 갖는 기판(110), 기판(110) 상에 투과성과 도전성을 갖도록 형성되는 제1 전극(120), 투과전극(120) 상에 형성되고, 기판(110)과 투과전극(120)을 통해 입사된 광(LIGHT)을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하고, 생성된 전자와 정공이 서로 다른 방향으로 이동하여 내부에 기전력이 발생되는 광전층(130) 및 광전층(130) 상에 형성되는 제2 전극(140)을 포함하여 이루어진다. 이때, 광전층(130)은, 서로 다른 파장영역의 광을 흡수하는 복수의 광흡수층(131, 132) 및 복수의 광흡수층(131, 132)의 계면에 나노크기를 갖는 금속입자의 박막으로 형성되는 계면층(133)을 포함하여 이루어진다. (여기서, "상부" 또는 "~ 상에"는 도 1에서 하부 또는 하측으로 도시됨)
기판(110)은, 광(LIGHT)이 투과될 수 있는 투명한 유리 또는 플라스틱과 같이, 투과성 및 절연성을 갖는 물질로 선택된다. 또한, 광전소자(100)가 플렉서블(flexible) 장치인 경우, 기판(110)은 투과성 뿐만 아니라 유연성을 갖도록 형성될 수 있다.
제1 전극(120)은 광(LIGHT)이 투과될 수 있고, 광전층(130)에서 생성된 정공 또는 전자의 이동경로가 될 수 있도록, 투과성 및 도전성을 갖는 물질로 형성된다. 특히, 제1 전극(120)은, 투명도전성물질로 선택되고, 전기전도도를 고려하여 불순물이 첨가될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(130)은 SnO2, ZnO, In2O3, TiO2 중 어느 하나의 금속산화물 또는 이들 금속산화물에 F, Sn, Al, Fe, Ga, Nb 중 적어도 하나가 도핑된 물질으로 이루어질 수 있다. 그리고, 도 1에 구체적으로 도시되어 있지 않으나, 제1 전극(120)은, 광전층에 입사되는 광을 산란하여 광경로가 증가되도록 하기 위한 요철 형태의 상면을 가질 수 있다. 또한, 제1 전극은 광전층(130)으로 입사되는 광을 투과하도록 형성되므로, 이하에서 "투과전극"으로도 지칭한다.
광전층(130)은, 앞서 언급한 바와 같이, 복수의 광흡수층(131, 132) 및 복수의 광흡수층(131, 132) 사이의 계면에 나노크기의 금속입자로 형성되는 계면층(133)을 포함하여 이루어지고, 전체적으로 수 ㎛ 내지 500㎛ 두께의 박막으로 형성된다. 이러한 광전층(130)에 대해서는, 이하에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
제2 전극(140)은, 도전성을 갖는 물질로 형성되는데, 제1 전극(120)과 같이, 투명도전성물질로 형성될 수도 있고, 금속(metal)과 같이 도전성 및 반사성을 갖는 물질로 형성될 수도 있다. 이때, 제2 전극(140)이 제1 전극(120)과 같이 투명도전성물질로 형성되는 경우, 도 1에서 상세히 도시되어 있지 않으나, 광전소자(100)는 제2 전극(140) 상에 반사성을 갖는 금속으로 형성되어 광전층(130)을 투과한 광을 다시 광전층(130)으로 반사하여, 광전층(130)을 투과한 광이 다시 광전층(130)에 의해 흡수될 수 있도록 기회를 발생시키는 반사층을 더 포함할 수 있다. 또한, 반사층을 더 포함하지 않더라도, 광전층(130)과 제2 전극(140) 사이의 굴절율 차이를 이용하여, 광전층(130)을 투과한 광이 다시 광전층(130)으로 반사될 수도 있다. 더불어, 제2 전극(140)은 그 자체의 반사성 또는 별도의 반사층에 의해 광을 반사하도록 형성되므로, 이하에서 "반사전극"으로도 지칭한다.
이어서, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 광전층(130)에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광전층(130)은, p-형 반도체와 n-형 반도체가 접합된 구조(이하, "p-n 접합"으로 지칭함) 또는 p-형 반도체와 n-형 반도체 사이에 i-형 반도체가 끼워진 구조(이하, "p-i-n 접합"으로 지칭함)로 각각 이루어지고, 서로 직렬연결되는 복수의 광흡수층(131, 132) 및 복수의 광흡수층(131, 132) 사이의 계면에 형성되는 계면층(133)을 포함한다.
도 1에서, 광전층(130)은 두 개의 광흡수층(131, 132)과 그 사이에 배치되는 하나의 계면층(133)으로 이루어진 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 실시예는 이에 국한되지 않으며, 광전층(130)은, 셋 이상의 광흡수층 및 이웃한 광흡수층 사이의 계면에 배치되는 둘 이상의 계면층을 포함하여 이루어지는 것도 가능하다. 즉, 광전층(130)은, 도 1에 도시된 바와 같이, p-i-n 접합으로 이루어진 복수의 광흡수층(131, 132)이 적층된 형태("텐덤(tandem) 구조"로도 지칭함)로 이루어질 수 있고, 또는 별도로 도시되어 있지 않으나, 세 개의 광흡수층이 적층된 형태("트리플(triple)구조"로도 지칭함)로 이루어질 수 있다. 이때, 광전층(130)은, 더 많은 개수의 광흡수층을 포함할수록, 더 넓은 파장영역의 광을 흡수할 수 있어, 광전층(130)에 의해 흡수되는 광의 양이 증가할 수 있으므로, 광전변환효율이 향상될 수 있다. 특히, 광전층(130)이, 하나의 광흡수층이 아닌, 복수의 광흡수층을 포함하여 구성되면, 흡수된 광에너지가 열에너지로 변환되는 비율을 줄일 수 있어, 광전변환효율이 향상될 수 있다.
복수의 광흡수층(131, 132) 각각은, 비정질 실리콘(a-Si), 비정질 실리콘-게르마늄(a-Si:Ge) 및 마이크로 크리스탈 실리콘(micro c-Si) 중 하나로 선택되는 반도체층의 적층으로 이루어진다. 이때, 복수의 광흡수층(131, 132)은 서로 다른 파장영역의 광을 흡수하도록, 서로 다른 밴드갭을 갖는 재료 또는 구조로 형성된다.
예를들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 광흡수층(131, 132) 중 제1 전극(120)에 인접하게 배치되는 제1 광흡수층(131)은 약 400㎚ 내지 약 600㎚ 파장영역의 광에 대응하여 0.6 이상의 광효율(quantum efficiency)을 나타내는 비정질실리콘(a-Si: amorphous Silicon)으로 형성되고, 복수의 광흡수층(131, 132) 중 제2 전극(140)에 인접하게 배치되는 제2 광흡수층(132)은 약 700㎚ 내지 약 800㎚ 파장영역의 광에 대응하여 0.6 이상의 광효율(quantum efficiency)을 나타내는 마이크로결정질 실리콘(uc-Si: micro crystalline Silicon)으로 형성된다. 특히, 더욱 효율적으로 장파장영역의 광이 흡수될 수 있도록, 밴드갭이 작은 광흡수층은 광이 입사되는 면, 즉 기판(110)에서 가장 멀리 이격되어 배치될 수 있다.
한편, 복수의 광흡수층(131, 132) 각각은, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 페르미준위의 평형을 이루는 p-i-n 접합으로 이루어진다. 이때, 제1 전극(120)은 광전층(130)으로부터 정공(h)이 이송되는 전극이고, 제2 전극(140)은 광전층(130)으로부터 전자(e-)가 이송되는 전극인 것으로 가정하면, 제1 광흡수층(131)에서 생성된 정공(h)은 제1 전극(120)으로 이송되고, 제2 광흡수층(132)에서 생성된 전자(e-)는 제2 전극(140)으로 이송된다. 그리고, 제1 광흡수층(131)에서 생성된 전자(e-)와, 제2 광흡수층(132)에서 생성된 정공(h)은, 각각 제2 전극(140)과 제1 전극(120)으로 이송되는 것이 아니라, 제1 광흡수층(131)과 제2 광흡수층(132) 사이의 계면에서 상쇄된다. 만약, 제1 광흡수층(131)과 제2 광흡수층(132) 사이의 계면에서, 전자(e-)와 정공(h)의 상쇄가 원활하게 이루어지지 않을 경우, 제1 광흡수층(131)과 제2 광흡수층(132) 사이의 계면에 전하(여기서, "전하"는 정공(h)과 전자(e-)에 의해 각각 운송되는 양전하와 음전하를 통칭함)들이 쌓이고, 이로 인해 각 광흡수층(131, 132) 내부의 기전력이 약해짐으로써, 광전변환효율이 저하되는 원인이 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따르면, 광전층(130)은, 복수의 광흡수층(131, 132) 사이의 계면에 나노크기를 갖는 금속입자의 박막으로 형성되는 계면층(133)을 포함한다.
이때, 계면층(133)은, 도전성을 갖는 금속입자의 박막으로 형성되어, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 제1 광흡수층(131)과 제2 광흡수층(132) 사이의 계면에 n-형 반도체의 에너지 준위 또는 p-형 반도체의 에너지 준위와 다른 새로운 에너지레벨을 발생시킨다. 이와 같이 계면층(133)에 의해 발생된 새로운 에너지레벨은, 트랩 어시스트 터널링(Trap Assist Tunnel) 원리에 따라, 제1 광흡수층(131)과 제2 광흡수층(132) 사이의 계면으로 이송된 전자(e-)의 이동이 용이해지도록 함으로써, 제1 광흡수층(131)과 제2 광흡수층(132) 사이의 계면에서 전자(e-)와 정공(h)의 상쇄를 촉진한다. 이때, 계면층(133)이 4.8eV 이상의 일함수를 갖는 물질로 선택되면, 새로운 에너지레벨을 발생시킬 수 있어, 트랩 어시스트 터널링(Trap Assist Tunnel) 효과가 충분히 발휘될 수 있다. 예를 들어, 계면층(133)은, Ag, Au, Pt, Ni 중에서 선택될 수 있다.
그리고, 계면층(133)에 의한 제2 광흡수층(132)의 광흡수율 저하를 방지하기 위하여, 계면층(133)은 제2 광흡수층(132)으로 입사되는 광을 투과할 수 있도록 마련되어져야 한다. 이에, 본 발명의 실시예에 따르면, 계면층(133)은, 나노크기의 금속입자로 이루어져서, 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)에 의해 광을 효과적으로 산란시킴으로써, 투과성을 갖는다. 여기서, 표면 플라즈몬은, 금속에 도달되는 광에 의해 금속 표면에 파동이 형성되어, 금속입자가 진동되면서 입사되는 광을 산란시키는, 간섭현상을 의미한다. 특히, 금속입자의 종류에 따라, 이러한 표면 플라즈몬에 의해, 적색에 해당하는 장파장영역의 광의 포획율이 10배 이상 향상될 수도 있다. 특히, 계면층(133)을 형성하는 금속입자들은, 표면 플라즈몬에 의해 진동되어, 광이 산란될 수 있을 정도의 크기로 형성된다. 예를들어, 금속입자의 직경은 1㎚ 이상 및 100㎚ 이하일 수 있다.
이와 같이, 나노크기의 금속입자로 형성되는 계면층(133)은, 표면 플라즈몬 현상에 의해, 금속산화물로 형성된 계면층을 포함하는 종래기술과 유사한 광투과율을 가질 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따라, 50㎚ 크기의 Ag금속입자가 도포된 기판을 대조군(여기서, "대조군"은 투명도전성산화물이 도포된 기판에 해당됨)과 비교해보면, 도 4에 도시된 바와 같이, 약 500㎚ 초과의 파장영역에서, 본 발명의 실시예와 대조군은 유사한 투과율을 갖는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 4에서 적색으로 도시된 바와 같이, 투명도전성산화물이 도포된 기판(대조군)은, 400㎚ 이상의 파장영역에서 약 90% 이상의 투과율을 갖는다. 그에 반해, 도 4에서 흑색으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예로써, 50㎚ 크기의 Ag금속입자가 도포된 기판은, 대조군과 마찬가지로, 500㎚ 초과의 파장영역에서 약 90% 이상의 투과율을 갖는다. 그런데, 도 2에 도시된 바와 같이, 계면층(133)을 투과한 광을 흡수하는 제2 광흡수층(132)은 500㎚ 이상의 장파장영역의 광을 흡수하기 때문에, 계면층(133)이 단파장영역의 광을 낮은 투과율로 투과하더라도, 제2 광흡수층(132)의 광투과율이 영향받지 않는다. 즉, 제2 광흡수층(132)의 광흡수율은, 계면층(133)에서의 장파장영역의 광의 투과율에만 영향받을 뿐이므로, 나노크기의 금속입자로 형성된 계면층(133)의 광투과율에 의해, 제2 광흡수층(132)의 광흡수율이 저하되지 않을 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는, 나노크기를 갖는 금속입자의 박막으로 형성되어, 산화물을 포함하지 않으면서도, 투과성을 갖는 계면층(133)을 포함함으로써, 복수의 광흡수층(131, 132) 간의 계면에서 전자(e-)와 정공(h)이 원활하게 상쇄될 수 있으면서도, 산화물의 산소 확산에 따른 반도체층의 에너지준위 변동이 방지되고, 표면플라즈몬 현상에 의해 제2 광흡수층(132)에 입사되는 장파장영역의 광이 산란되어 광경로가 증가됨에 따라 제2 광흡수층(132)의 광흡수율이 증가될 수 있어, 소자의 광전변환효율이 향상될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 50㎚의 Ag입자로 형성되는 계면층(133)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자(도 5에서 흑색으로 도시함)의 소자출력은, 대조군(여기서, "대조군"은 투명도전성산화물이 도포된 기판에 해당되고, 도 5에서 적색으로 도시함)보다 큰 것으로 도출되었다.
다음, 본 발명의 실시예에 따른 광전모듈에 대해, 첨부한 도 6을 참고하여, 상세히 설명한다.
도 6은 도 1에 도시된 광전소자를 포함하는 광전모듈을 나타낸 단면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전모듈(200)은, 기판(110) 상에 형성되는 투과전극(120)과, 광전층(130)을 사이에 두고 투과전극(120)에 대향하여 형성되는 반사전극(140)이 연결되는 형태로, 복수의 광전소자(100)가 직렬 연결되어 형성된다. 그리고, 양 끝에 배치되는 두 광전소자(①, ②) 각각의 반사전극(140)은 외부로드(Load)와 연결되어, 하나는 광전모듈의 애노드가 되고, 다른 하나는 광전모듈의 캐소드가 된다. 여기서, 직렬연결되는 복수의 광전소자(100) 각각은, 기판(110), 기판(110) 상에 투과성을 갖도록 형성되는 투과전극(120), 투과전극(120)에 대향하는 반사전극(140) 및 투과전극(120)과 반사전극(140) 사이에 형성되고, 제1 파장영역의 광을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 제1 광흡수층(131), 제1 광흡수층(131) 아래에 적층되어, 제1 파장영역의 광과 다른 제2 파장영역의 광을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 제2 광흡수층(132), 제1 광흡수층(131)과 제2 광흡수층(132) 사이의 계면에 나노크기의 금속입자로 형성되어, 전자의 이동을 용이하게 하는 트랩 어시스트 터널링 효과를 유발하는 계면층(133)을 포함하여 이루어지는 광전층(130)을 포함하여 형성되는 것은, 앞서 설명한 바와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자(100) 및 그를 포함하는 광전모듈(200)은, 표면플라즈몬 효과를 이용하여 광을 투과하는 나노크기의 금속입자를 이용하여, p-n접합 또는 p-i-n접합으로 각각 이루어진 복수의 광흡수층(131, 132) 사이의 계면에, 계면층(133)을 형성함으로써, 종래기술과 달리 산소의 확산을 초래하지 않아 소자의 신뢰도가 향상될 수 있으면서도, 계면층(133) 형성으로 인한 광흡수층(132)의 광흡수율 저하가 유발되지 않고, 오히려, 계면층(133)이 광을 산란하여, 광흡수층(132)의 광흡수율이 증대될 수 있어, 광전변환효율이 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
100: 광전소자 110: 기판
120: 제1 전극 130: 광전층
131: 제1 광흡수층 132: 제2 광흡수층
133: 계면층 140: 제2 전극

Claims (8)

  1. 투과성을 갖는 기판;
    상기 기판 상에 투과성과 도전성을 갖도록 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되고, 서로 다른 파장영역의 광을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 복수의 광흡수층과, 복수의 광흡수층 중 이웃한 두 개의 광흡수층 사이의 계면에 나노크기를 갖는 금속입자의 박막으로 형성되는 계면층을 포함하는 광전층; 및
    상기 광전층 상에 형성되고 도전성을 갖는 제2 전극을 포함하여 이루어지는 광전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속입자는 Ag, Au, Pt, Ni 중에서 선택되는 광전소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속입자는 1㎚ 이상 및 100㎚ 이하의 직경을 갖는 광전소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광전층은, 계면층을 사이에 두고 제1 광흡수층과 제2 광흡수층이 적층되는 구조를 갖는 광전소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 광흡수층은, 상기 제1 전극에 인접하고, 약 600㎚ 이하의 파장영역의 광을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 비정질실리콘으로 형성되며,
    상기 제2 광흡수층은, 상기 제2 전극에 인접하고, 약 600㎚ 이상의 파장영역의 광을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 마이크로결정질 실리콘으로 형성되는 광전소자.
  6. 직렬연결되는 복수의 광전소자를 포함하여 이루어지고,
    상기 복수의 광전소자 각각은,
    투과성을 갖는 기판;
    상기 기판 상에 투과성과 도전성을 갖도록 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되고, 서로 다른 파장영역의 광을 흡수하여 전자-정공쌍을 생성하는 복수의 광흡수층과, 복수의 광흡수층 중 이웃한 두 개의 광흡수층 사이의 계면에 나노크기를 갖는 금속입자의 박막으로 형성되는 계면층을 포함하는 광전층; 및
    상기 광전층 상에 형성되고 도전성을 갖는 제2 전극을 포함하여 이루어지는 광전모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속입자는 Ag, Au, Pt, Ni 중에서 선택되는 광전모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 금속입자는 1㎚ 이상 및 100㎚ 이하의 직경을 갖는 광전모듈.
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