KR20120114974A - 인듐 도핑된 산화아연 나노로드 박막층을 포함하는 태양전지용 전극 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인듐 도핑된 산화아연 나노로드 박막층을 포함하는 태양전지용 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 광흡수도를 높이고 제조원가를 낮출 수 있는, 인듐(In) 도핑된 ZnO(ZnO:In) 나노로드가 기판에 수직으로 정렬된 박막층을 포함하는 태양전지용 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 인듐 도핑된 산화아연 나노로드 박막층을 포함하는 태양전지용 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 광흡수도를 높이고 제조원가를 낮출 수 있는, 인듐(In) 도핑된 ZnO(ZnO:In) 나노로드가 기판에 수직으로 정렬된 박막층을 포함하는 태양전지용 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 태양전지 산업에 가장 널리 쓰이는 결정질 실리콘 태양전지는, 비정질 실리콘 태양전지에 비하여, 전지의 효율 및 신뢰성이 양호하나, 제조 단가가 높고 고가의 FTO(fluorine doped tin oxide) 유리를 기판 및 광학창으로 사용한다는 단점이 있다.
태양전지 제조비용의 상당한 부분을 차지하고 있는 FTO 박막은 투명하고 전기전도도가 양호하다는 장점이 있다. 반면에, FTO 박막은 가시광선 영역의 광투과성이 낮고, 원재료 비용과 제조단가가 비싸다.
TCO(transparent conductive oxide) 박막 중 ITO(indium tin oxide)는 주원료인 In과 Sn의 가격 상승, In의 확산으로 인한 소자 열화, 수소 플라즈마 하에서의 In과 Sn의 높은 환원성, 및 그에 따라 수반되는 소자의 불안전성 등의 문제점을 가진다.
이에 비하여 ZnO 박막은 우르차이트(wurtzite) 구조의 직접 밴드갭을 갖고, 밴드갭 에너지와 엑시톤(exiton) 결합에너지가 상온에서 각각 3.37 eV와 60 meV로서, 종래의 Blue/UV LED 또는 LD 재료와 같이 큰 밴드갭을 가지고 있다. ZnO 박막의 엑시톤 결합에너지는 종래의 GaN과 비교하여 3배 정도 크기 때문에, 단파장 영역에서 효과적으로 발광하는 LED 소재로서 주목을 받고 있다.
ZnO 박막은 무독성이며, 산과 알칼리용액에 안정성이 좋고, 낮은 비저항과 광반사율 및 높은 투과도로 인하여 투명전도성 산화물 박막으로도 응용성이 높고, 수열법을 통한 저비용으로 박막제작이 가능하다.
고효율의 태양전지 개발에는 주로 갈륨비소계와 단결정 실리콘계 물질을 사용하고 있지만 이들로 이루어진 태양전지는 매우 고가이기 때문에 범용적인 용도로는 사용이 거의 불가능하며 대부분 특수목적에 이용되고 있다. 보다 범용적인 목적에 부합하기 위해서는 저가의 태양전지 개발이 필요하게 된다.
실리콘 물질을 이용할 경우 고가인 단결정 대신 저가인 다결정 및 비정질 실리콘 태양전지에 관심을 가지고 연구 개발이 진행되고 있다. 태양전지의 소재별 시장 현황을 살펴 보았을 때 결정질 실리콘 태양전지가 약 90%로 태양전지시장의 대부분을 차지하고 있다. 효율 측면에서 보면 단결정 실리콘이 약 15%의 전환효율을 가지며, 다결정과 비정질 실리콘 경우는 각각 12%, 6%로서, 가격과 효율을 고려하였을 때, 다결정 실리콘 태양전지가 현재로선 가장 적합하여 전체 시장에 가장 많은 43%를 다결정 실리콘 태양전지가 차지하고 있다. 이들 결정질 실리콘 태양전지는 그 효율과 신뢰성이 입증되었으나 실리콘 웨이퍼의 수급과 그 제조 비용 면에서 아직도 높은 편이다.
본 발명에서는, FTO 유리 대신에 제조공정이 단순하고 경제적인 ZnO:In 나노로드 타입 박막을 유리 기판 위에 증착하고 박막 표면을 식각하여 광학창으로 사용함으로써 태양전지의 제조원가를 낮추고 광흡수도를 높혀 태양전지의 효율 개선하였다.
또한, 본 발명에 따르면, In이 도핑된 ZnO(ZnO:In) 로드 타입 나노구조 박막을 FTO 박막 대신 이용하여 광투과성을 향상시키며, ZnO:In박막 표면을 식각하여 재반사를 방지할 수 있다. 이러한 광투과성, 광흡수도 및 재반사 방지를 통하여 태양전지의 효율과 가격 경쟁력을 동시에 개선시킬 수 있다.
본 발명의 기본적인 목적은 인듐(In) 도핑된 ZnO(ZnO:In) 나노로드가 기판에 수직으로 정렬된 박막층을 포함하는 태양전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 (i) 유리 기판의 표면을 스퍼터링하는 단계; (ii) 상기 스퍼터링된 유리 기판상에 ZnO:In 나노로드를 형성시키는 단계; 및 (iii) 상기 ZnO:In 나노로드의 말단을 식각하는 단계를 포함하는, 태양전지용 전극 제조 방법을 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 기본적인 목적인 태양전지용 전극은 인듐(In) 도핑된 ZnO(ZnO:In) 나노로드(nanorod)가 기판에 수직으로 정렬된 박막층을 포함한다.
상기 나노로드의 길이는 0.5 μm 내지 2.0 μm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 나노로드의 직경은 50 nm 내지 200 nm인 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 나노로드의 종횡비(aspect ratio)는 5.0 내지 25.0인 것이 바람직하다.
상기 나노로드에 도핑된 인듐(In)의 양은 0.1 wt% 내지 0.5 wt%인 것이 바람직하다.
전술한 본 발명의 또 다른 목적인 태양전지용 전극 제조 방법은 (i) 유리 기판의 표면을 스퍼터링하는 단계; (ii) 상기 스퍼터링된 유리 기판상에 ZnO:In 나노로드를 형성시키는 단계; 및 (iii) 상기 ZnO:In 나노로드의 말단을 식각하는 단계를 포함한다.
상기 유리 기판은 스퍼터링 전에 어닐링(annealing)된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 (i)단계는 RF 마그네트론 스퍼터를 사용하여 수행될 수 있다.
상기 (ii)단계는 수열법에 의해 수행될 수 있다. 상기 수열법(hydrothermal method)이란, 당업계에 알려져 있는 기술로서, 고온 및 고압의 용액으로부터 결정을 얻는 방법을 말한다.
본 발명에 따른 방법의 (ii)단계의 수열법에서, 전구체로서 ZNH(Zn(NO3)2?6H2O)와 HMT(C12H6N4)를 사용하는 것이 바람직하고, 도펀트로서 INN(In(NO3)3?nH2O))를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (iii)단계는 NaOH 용액을 사용하여 수행할 수 있다. 상기 식각을 통하여 빛의 재반사를 방지할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 ZNH(Zn(NO3)2?6H2O)와 HMT(C12H6N4)의 농도 또는 몰비율을 달리함으로써 제조되는 나노로드의 크기를 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지용 전극은, FTO 박막을 사용하는 경우보다 제조원가가 낮다. 또한, ZnO:In 나노로드 박막은 무독성이며, 산과 알칼리에 안정하고, 낮은 비저항과 광반사율 및 높은 투과도를 보여 준다.
도 1은 본 발명의 태양전지용 전극에 대한 일 실시태양을 보여 주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 80℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 FE-SEM 사진이다(INN의 농도가 왼쪽부터 차례로 0.004M, 0.006 M, 0.008 M 및 0.01 M이다).
도 3은 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 80℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 XRD 패턴을 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 4는 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 80℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 PL 스펙트럼을 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 5는 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 80℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 EDX 이미지를 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 6은 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 90℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 FE-SEM 사진이다(INN의 농도가 왼쪽부터 차례로 0.004M, 0.006 M, 0.008 M 및 0.01 M이다).
도 7은 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 90℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 XRD 패턴을 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 8은 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 90℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 PL 스펙트럼을 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 9는 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 90℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 EDX 이미지를 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 2는 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 80℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 FE-SEM 사진이다(INN의 농도가 왼쪽부터 차례로 0.004M, 0.006 M, 0.008 M 및 0.01 M이다).
도 3은 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 80℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 XRD 패턴을 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 4는 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 80℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 PL 스펙트럼을 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 5는 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 80℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 EDX 이미지를 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 6은 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 90℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 FE-SEM 사진이다(INN의 농도가 왼쪽부터 차례로 0.004M, 0.006 M, 0.008 M 및 0.01 M이다).
도 7은 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 90℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 XRD 패턴을 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 8은 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 90℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 PL 스펙트럼을 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
도 9는 본 발명의 실시예 1에서, 반응 온도가 90℃인 경우에 합성된 ZnO:In 나노로드층에 대한 EDX 이미지를 보여 준다(INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
이하, 본 발명을 첨부된 실시예 및 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 그러나 첨부된 실시예 및 도면은 본 발명의 구체적인 실시태양을 예시할 뿐, 본 발명의 권리범위를 이에 한정하려는 의도는 아니다.
실시예
1.
ZnO
:
In
나노로드
구조 박막전극 제조
코닝 유리(7059)를 기판으로 선택하고, 아세톤, 메탄올 및 에탄올을 사용하여 초음파 세척하였다. 이후 세척된 기판을 공기 중에서 건조하였다. 상기 건조된 기판을 산소 분위기 하에서 10분간 400℃에서 어닐링(annealing)하였다.
RF 마그네트론 스퍼터(radiofrequency magnetron sputter)를 사용하여 상기 어닐링된 기판 상에 시드층(seedlayer)을 형성시켰다. 상기 시드층은, ZnO(99.99%)를 타겟으로하여, 200℃, 60W(RF 전력), Ar:O2의 비가 2:1, 작동 압력 약 10-5 Torr에서 5분간 40 nm의 두께로 형성시켰다.
수열법을 사용하여 상기 기판 상에 ZnO:In 육각 나노로드(hexagonal nanorod)를 형성시켰다. 구체적으로는, 전구체로서 ZNH(Zn(NO3)2?6H2O)와 HMT(C12H6N4)의 혼합용액을 제조(ZNH와 HMT의 몰비율을 달리함, 표 1 내지 표 4 참조)하고, 상기 시드층 생성 기판을 상기 혼합용액에 담가서, 80℃에서 4시간 동안, 그리고 90℃에서 4시간 동안 각각 반응시킨 후, NaOH 용액으로 생성된 ZnO:In 나노로드 박막 표면을 식각하였다. 이후 탈이온수로 세척한 후 공기 중에서 건조시켰다. 이때 도펀트(dopant)로서 INN(In(NO3)3?nH2O))를 사용하였다. 이로써 상기 기판 상에 ZnO:In 육각 나노로드 층을 생성시켰다.
수열법에 의한 ZnO:In 나노로드 합성시 반응 온도가 80℃인 경우에는 다음 표 1과 같은 결과를 얻었다. 형성된 ZnO:In 나노로드는 도 2에 나타나 있다(도 2에서, INN의 농도가 왼쪽부터 차례로 0.004M, 0.006 M, 0.008 M 및 0.01 M이다).
| INN의 몰농도(M) | 반응물 농도: 0.06 M ZNT, 0.06 M HMT 및 0.04 M NaOH | ||
| 직경(nm) | 길이(μm) | 종횡비(aspect ratio) | |
| 0.004 | 80.1 | 0.80 | 10.01 |
| 0.006 | 87.7 | 0.96 | 10.94 |
| 0.008 | 108.1 | 0.95 | 8.79 |
| 0.01 | 1840 | - | - |
도 3, 도 4 및 도 5는 반응 온도 80℃인 경우의 In 도핑된 ZnO 나노로드의 XRD 패턴, PL 스펙트럼 및 EDX 이미지를 각각 보여 준다(도 3, 도 4 및 도 5에서 INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
또한, 다른 INN 농도에서 ZnO:In 나노로드에 도핑된 In의 양은 다음 표 2와 같다.
| INN 몰농도(M) | 무게% | 원자%(atomic %) |
| 0.004 | 0.41 | 0.17 |
| 0.006 | 0.37 | 0.15 |
| 0.008 | 0 | 0 |
| 0.01 | 0.23 | 0.09 |
수열법에 의한 ZnO:In 나노로드 합성시 반응 온도가 90℃인 경우에는 다음 표 1과 같은 결과를 얻었다. 형성된 ZnO:In 나노로드는 도 6에 나타나 있다(도 6에서, INN의 농도가 왼쪽부터 차례로 0.004M, 0.006 M, 0.008 M 및 0.01 M이다).
| INN의 몰농도(M) | 반응물 농도: 0.06 M ZNT, 0.06 M HMT 및 0.04 M NaOH | ||
| 직경(nm) | 길이(μm) | 종횡비(aspect ratio) | |
| 0.004 | 52.2 | 1.24 | 23.7 |
| 0.006 | 73.5 | 1.37 | 18.6 |
| 0.008 | 94.3 | 1.45 | 15.3 |
| 0.01 | 101.2 | 1.53 | 15.1 |
도 6, 도 7 및 도 8은 반응 온도 90℃인 경우의 In 도핑된 ZnO 나노로드의 XRD 패턴, PL 스펙트럼 및 EDX 이미지를 각각 보여 준다(도 6, 도 7 및 도 8에서 INN의 농도가 각각 (a) 0.004M, (b) 0.006 M, (c) 0.008 M 및 (d) 0.01 M).
또한, 다른 INN 농도에서 ZnO:In 나노로드에 도핑된 In의 양은 다음 표 4와 같다.
| INN 몰농도(M) | 무게% | 원자%(atomic %) |
| 0.004 | 0 | 0 |
| 0.006 | 0.48 | 0.21 |
| 0.008 | 0.45 | 0.19 |
| 0.01 | 0.37 | 0.16 |
Claims (13)
- 인듐(In) 도핑된 ZnO(ZnO:In) 나노로드가 기판에 수직으로 정렬된 박막층을 포함하는 태양전지용 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 나노로드의 길이는 0.5 μm 내지 2.0 μm인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 나노로드의 직경은 50 nm 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 나노로드의 종횡비는 5.0 내지 25.0인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 나노로드에 도핑된 In의 양은 0.1 wt% 내지 0.5 wt%인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극.
- (i) 유리 기판의 표면을 스퍼터링하는 단계;
(ii) 상기 스퍼터링된 유리 기판상에 ZnO:In 나노로드를 형성시키는 단계; 및
(iii) 상기 ZnO:In 나노로드의 말단을 식각하는 단계를 포함하는, 태양전지용 전극 제조 방법. - 제6항에 있어서, 상기 유리 기판은 어닐링된 것임을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 (i)단계는 RF 마그네트론 스퍼터를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 (ii)단계는 수열법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 수열법에서 전구체로서 ZNH(Zn(NO3)2?6H2O)와 HMT(C12H6N4)를 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 수열법에서 도펀트로서 INN(In(NO3)3?nH2O))를 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 (iii)단계는 NaOH 용액을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 ZNH(Zn(NO3)2?6H2O)와 HMT(C12H6N4)의 농도 또는 몰비율을 달리하여 상기 나노로드의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조 방법.
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| KR1020110032845A KR101304643B1 (ko) | 2011-04-08 | 2011-04-08 | 인듐 도핑된 산화아연 나노로드 박막층을 포함하는 태양전지용 전극 및 이의 제조 방법 |
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Publications (2)
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| KR1020110032845A KR101304643B1 (ko) | 2011-04-08 | 2011-04-08 | 인듐 도핑된 산화아연 나노로드 박막층을 포함하는 태양전지용 전극 및 이의 제조 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101293665B1 (ko) * | 2013-01-03 | 2013-08-13 | 이준 | 산화아연 나노 구조체 유리 및 이를 이용한 태양전지 모듈 및 이들의 제조 방법 |
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| KR20110060412A (ko) * | 2009-11-30 | 2011-06-08 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
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2011
- 2011-04-08 KR KR1020110032845A patent/KR101304643B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR101304643B1 (ko) | 2013-09-05 |
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