KR20130006871A - 광전소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
광전소자 및 그 제조방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 광전소자는 그래핀을 포함하는 광활성층을 구비할 수 있다. 상기 광활성층 상에 전극 구조체가 구비될 수 있다. 상기 전극 구조체는 서로 이격된 제1 및 제2 전극 부재를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 부재는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 부재는 상기 광활성층과 다른 일함수를 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 부재 중 하나는 상기 광활성층을 정공으로 도핑시키는 제1 물질을 포함할 수 있고, 다른 하나는 상기 광활성층을 전자로 도핑시키는 제2 물질을 포함할 수 있다.
Description
광전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광전소자(Photoelectic device)는 가시광선, 적외선, 자외선 등의 빛에 대한 반응으로 전기적 신호를 발생하는 소자이다. 광전소자는 투과 또는 반사된 빛의 변화에 의해 물체 또는 부호화된(encoded) 데이터를 감지하는 시스템에 사용될 수 있다. 전압을 발생시킬 수 있는 광전소자는 전력을 생산하는 전지(태양전지)로 사용될 수 있다.
광전소자 중에서 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지는 친환경적이고 에너지 공급원이 무한할 뿐만 아니라 수명이 길기 때문에, 대체 에너지원으로 주목받고 있다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 태양전지는 실리콘(Si)을 기반으로 하는 태양전지이다. 대표적인 Si 기반 태양전지인 단결정 Si 전지는 제1 세대 태양전지로서 오늘날 사용되는 태양전지의 85% 정도가 이에 해당된다. 단결정 Si 전지는 단결정 Si 기판 내에 서로 접합된 p형 도전영역과 n형 도전영역을 갖고, 상기 p형 도전영역과 상기 n형 도전영역은 도선으로 연결되어 있다. 외부에서 입사되는 빛에 의해 상기 p형 도전영역에서 전자가 여기되고(excite), 여기된 전자는 상기 n형 도전영역으로 이동한 후, 상기 도선을 통해 흐를 수 있다. 그러나 이러한 단결정 Si 전지는 흡수할 수 있는 빛의 파장이 제한적이고, 에너지 변환 효율이 낮은 단점이 있다.
에너지 변환 효율(즉, 광전 변환 효율)을 높일 수 있는 광전소자를 제공한다. 상기 광전소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 그래핀(graphene)을 포함하는 광활성층; 및 상기 광활성층에 연결된 전극 구조체;를 구비하는 광전소자가 제공된다.
상기 광활성층은 그래핀층일 수 있다.
상기 전극 구조체는 상기 광활성층 상에 구비된 제1 및 제2 전극 부재를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 부재는 상기 광활성층과 다른 일함수(work function)를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 부재는 서로 다른 일함수를 가질 수 있다.
상기 제1 전극 부재는 상기 광활성층을 정공으로 도핑시키는 제1 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 전극 부재는 상기 광활성층을 전자로 도핑시키는 제2 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 부재는 상기 광활성층의 페르미 레벨(Fermi level)을 낮추는 제1 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 전극 부재는 상기 광활성층의 페르미 레벨을 높이는 제2 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 부재는 복수의 제1 라인패턴을 포함할 수 있고, 상기 제2 전극 부재는 복수의 제2 라인패턴을 포함할 수 있으며, 상기 제1 라인패턴과 상기 제2 라인패턴은 교대로 배치될 수 있다.
상기 제1 전극 부재는 상기 복수의 제1 라인패턴의 일단을 연결하는 제1 연결부를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 전극 부재는 상기 복수의 제2 라인패턴의 일단을 연결하는 제2 연결부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 연결부와 제2 연결부 사이에 상기 복수의 제1 라인패턴과 복수의 제2 라인패턴이 구비될 수 있다.
상기 제1 라인패턴과 상기 제2 라인패턴 사이의 간격은 수백 나노미터(nm) 이하일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 부재 사이의 간격은 수백 나노미터(nm) 이하일 수 있다.
상기 광활성층과 상기 전극 구조체는 하나의 단위 구조를 구성할 수 있고, 상기 단위 구조가 여러 번 적층될 수 있다.
상기 광전소자는 플렉서블(flexible) 소자일 수 있다.
상기 광전소자는 태양전지일 수 있다.
상기 광전소자는 광센서일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광활성층; 및 상기 광활성층의 제1면에 구비된 제1 및 제2 전극;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극은 서로 다른 물질로 형성된 광전소자가 제공된다.
상기 제1 및 제2 전극은 상기 광활성층과 다른 일함수를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 서로 다른 일함수를 가질 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 광활성층을 정공으로 도핑시키는 제1 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 전극은 상기 광활성층을 전자로 도핑시키는 제2 물질을 포함할 수 있다.
상기 광전소자는 태양전지일 수 있다.
상기 광전소자는 광센서일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 그래핀을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 전극 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 광전소자의 제조방법이 제공된다.
상기 전극 구조체를 형성하는 단계는 상기 광활성층 상에 제1 전극 부재를 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 상기 제1 전극 부재와 이격된 제2 전극 부재를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 부재는 서로 다른 물질로 형성할 수 있다.
상기 제1 전극 부재는 상기 광활성층을 정공으로 도핑시키는 제1 물질로 형성할 수 있고, 상기 제2 전극 부재는 상기 광활성층을 전자로 도핑시키는 제2 물질로 형성할 수 있다.
상기 제1 전극 부재는 복수의 제1 라인패턴을 포함하도록 형성할 수 있고, 사익 제2 전극 부재는 복수의 제2 라인패턴을 포함하도록 형성할 수 있으며, 상기 제1 라인패턴과 상기 제2 라인패턴은 교대로 배치되도록 형성할 수 있다.
높은 에너지 변환 효율(즉, 광전 변환 효율)을 갖는 광전소자를 구현할 수 있다. 비교적 간단한 공정으로 고효율의 광전소자를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 광전류 발생 메커니즘(즉, 광전 변환 메커니즘)을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 3의 광활성층의 평면 구조 및 상기 광활성층의 영역별 디락 포인트(Dirac point) 에너지 레벨(EDirac)을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 3의 광전소자의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광전소자에 사용될 수 있는 다양한 금속의 일함수(WM)와 그래핀의 일함수(WG)의 차이(WM-WG) 및 상기 금속들에 의한 그래핀의 페르미 레벨 변화량(ΔEF)을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블(flexible) 광전소자를 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전소자를 보여주는 단면도이다.
도 9a 내지 도 9i는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 제조방법을 보여주는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10, 100 : 기판 20, 200～203 : 광활성층
30, 300～303 : 제1 전극 300A : 제1 연결부
310 : 제1 도전물질층 40, 400～403 : 제2 전극
400A : 제2 연결부 410 : 제2 도전물질층
501～503 : 전극 구조체 A1, A2 : 경계부
H1, H2 : 개구부 IL1～IL3 : 절연층
PR1, PR2 : 감광층 U1～U3 : 단위 소자
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 광전류 발생 메커니즘(즉, 광전 변환 메커니즘)을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 3의 광활성층의 평면 구조 및 상기 광활성층의 영역별 디락 포인트(Dirac point) 에너지 레벨(EDirac)을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 3의 광전소자의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광전소자에 사용될 수 있는 다양한 금속의 일함수(WM)와 그래핀의 일함수(WG)의 차이(WM-WG) 및 상기 금속들에 의한 그래핀의 페르미 레벨 변화량(ΔEF)을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블(flexible) 광전소자를 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전소자를 보여주는 단면도이다.
도 9a 내지 도 9i는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 제조방법을 보여주는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10, 100 : 기판 20, 200～203 : 광활성층
30, 300～303 : 제1 전극 300A : 제1 연결부
310 : 제1 도전물질층 40, 400～403 : 제2 전극
400A : 제2 연결부 410 : 제2 도전물질층
501～503 : 전극 구조체 A1, A2 : 경계부
H1, H2 : 개구부 IL1～IL3 : 절연층
PR1, PR2 : 감광층 U1～U3 : 단위 소자
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 광활성층(photoactive layer)(20)이 구비될 수 있다. 기판(10)은 플렉서블(flexible) 기판일 수 있으나, 그렇지 않을 수도 있다. 예컨대, 기판(10)은 플라스틱 기판과 같은 플렉서블 기판일 수 있으나, 그 밖에 다른 기판, 예컨대, 유리 기판이나 실리콘 기판 등 통상의 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 기판(10)은 불투명하거나 투명할 수 있다. 광활성층(20)은 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다. 예컨대, 광활성층(20)은 그래핀층(graphene layer)일 수 있다. 이때, 상기 그래핀층은 하나의 그래핀으로 구성된 단층 그래핀(single layer graphene)이거나, 복수의 그래핀(예컨대, 2～10개 정도의 그래핀)이 겹쳐진 구조를 가질 수 있다.
그래핀은 탄소 원자들로 이루어진 육방정계(hexagonal) 단층 구조물로서, 높은 전하 이동도(mobility) 및 낮은 비저항을 가질 수 있다. 또한 그래핀은 디락 포인트(Dirac point)를 기준으로 그 외측으로 에너지 밴드갭이 선형적으로(linearly) 변화되는 밴드 구조를 갖기 때문에, 넓은 파장 범위의 빛을 흡수할 수 있다. 예컨대, 그래핀은 가시광선 영역에서 적외선 영역까지 넓은 범위의 빛을 흡수할 수 있다. 따라서 그래핀을 광활성층(20)에 적용하면, 광자(photon) 흡수량 및 흡수 효율을 증가시킬 수 있다. 또한 그래핀을 광활성층(20)에 적용함으로써, 광활성층(20)을 매우 얇은 두께로(수 nm 이하, 예컨대, 1nm 이하) 형성할 수 있고, 광활성층(20)의 전하 이동도를 약 2.0×105 ㎠/Vs 이상으로 높일 수 있다. 기존 태양전지(광전소자)의 경우, 광흡수층(활성층)의 두께가 상당히 두껍고(～2㎛), 흡수할 수 있는 광 파장의 범위가 좁으며, 광흡수층(활성층)이 전하 이동도는 1.5×103 ㎠/Vs 정도로 낮은 편이다. 이러한 기존의 태양전지(광전소자)와 비교하면, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는 우수한 광학적/전기적 특성을 가질 수 있다.
광활성층(20) 상에 서로 이격된 제1 및 제2 전극(30, 40)이 구비될 수 있다. 제1 전극(30)과 제2 전극(40)은 소정의 도선(미도시)으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 전극(30, 40)은 서로 다른 물질(금속 또는 금속성 물질)로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극(30, 40)의 일함수(work function)는 서로 다를 수 있다. 또한 제1 및 제2 전극(30, 40)의 일함수는 광활성층(20)의 일함수와 다를 수 있다. 제1 및 제2 전극(30, 40) 중 어느 하나, 예컨대, 제1 전극(30)은 광활성층(20)을 정공으로 도핑시키는 제1 물질(금속 또는 금속성 물질)로 형성될 수 있고, 제1 및 제2 전극(30, 40) 중 다른 하나, 예컨대, 제2 전극(40)은 광활성층(20)을 전자로 도핑시키는 제2 물질(금속 또는 금속성 물질)로 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 및 제2 전극(30, 40) 중 어느 하나, 예컨대, 제1 전극(30)은 광활성층(20)의 페르미 레벨(Fermi level)(EF)을 낮추는 제1 물질(금속 또는 금속성 물질)로 형성될 수 있고, 제1 및 제2 전극(30, 40) 중 다른 하나, 예컨대, 제2 전극(40)은 광활성층(20)의 페르미 레벨(EF)을 높이는 물질로 형성될 수 있다.
제1 전극(30)에 의해 그에 접촉된 광활성층(20) 부분이 정공으로(p형으로) 도핑되고, 제2 전극(40)에 의해 그에 접촉된 광활성층(20) 부분이 전자로(n형으로) 도핑되면, 그에 따라, 광활성층(20) 내에 전기 포텐셜(electric potential) 차이가 발생하고, 결과적으로, 내부 전계(internal electric field)가 발생할 수 있다. 광활성층(20)에서 광자 흡수(photon absorption)에 의해 발생된 엑시톤(exciton), 즉, 전자-정공 쌍(electron-hole pair)은 상기 내부 전계(internal electric field)에 의해 전자와 정공으로 용이하게 분리될 수 있다. 분리된 전자는 제2 전극(40)으로 이동하고 분리된 정공은 제1 전극(30)으로 이동하여 광전류(photocurrent)가 발생할 수 있다.
상기 내부 전계(internal electric field)는 제1 전극(30)과 접촉된 광활성층(20) 부분과 그에 인접한 광활성층(20)의 중앙부 사이의 경계부(이하, 제1 경계부)(A1) 및 제2 전극(40)과 접촉된 광활성층(20) 부분과 그에 인접한 광활성층(20)의 중앙부 사이의 경계부(이하, 제2 경계부)(A2)에서 발생할 수 있다. 제1 및 제2 경계부(A1, A2)는, 예컨대, 100～200nm 정도의 폭을 가질 수 있다. 이러한 경계부(A1, A2)에서 내부 전계에 의해 전자-정공 쌍이 분리되고, 분리된 전자와 정공이 전극(30, 40)으로 이동할 수 있다. 제1 및 제2 경계부(A1, A2) 사이의 광활성층(20) 부분에서는 전자와 정공이 재결합(recombination) 하기 때문에, 이 부분은 광전류 형성에 큰 기여를 하지 못할 수 있다. 따라서 제1 및 제2 경계부(A1, A2) 사이의 광활성층(20) 부분의 폭을 줄이고, 경계부(A1, A2)의 폭 및 밀도를 높이는 것이 광전류 발생 및 효율 향상에 유리할 수 있다. 이와 관련해서, 제1 및 제2 전극(30, 40) 사이의 간격을 수백 nm 이하, 예컨대, 약 500nm 이하에서 결정할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극(30, 40) 각각을 여러 개 구비시킴으로써, 광전류를 유발하는 영역(상기 경계부)의 수를 증가시킬 수 있다. 이에 대해서는, 추후에 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 광전류 발생 메커니즘(즉, 광전 변환 메커니즘)을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 도 1의 광활성층(20)의 평면도를 포함한다. 광활성층(20)의 제1 영역(20a)은 제1 전극(30)이 형성된 영역이고, 제2 영역(20b)은 제2 전극(40)이 형성된 영역이며, 제3 영역(20c)은 제1 영역(20a)과 제2 영역(20b) 사이의 영역이다. 또한 도 2에는 광활성층(20)의 제1 내지 제3 영역(20a～20c)의 디락 포인트(Dirac point) 에너지 레벨(EDirac)이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 광활성층(20)의 제1 영역(20a)의 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac)은 제3 영역(20c)의 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac)보다 높을 수 있다. 이는 제1 영역(20a)이 제1 전극(30)에 의해 p형으로 도핑됨에 따라, 제1 영역(20a)의 페르미 레벨(Fermi level)이 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac) 아래로 이동한 결과일 수 있다. 한편, 광활성층(20)의 제2 영역(20b)의 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac)은 제3 영역(20c)의 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac)보다 낮을 수 있다. 이는 제2 영역(20b)이 제2 전극(40)에 의해 n형으로 도핑됨에 따라, 제2 영역(20b)의 페르미 레벨(Fermi level)이 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac) 위쪽으로 이동한 결과일 수 있다. 제1 영역(20a)의 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac)과 제3 영역(20c)의 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac)의 차이는 전기 포텐셜(electric potential) 차이이고, 이는 내부 전계를 유발할 수 있다. 이와 유사하게, 제2 영역(20b)의 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac)과 제3 영역(20c)의 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac)의 차이는 내부 전계를 유발할 수 있다. 상기 내부 전계는 주로 제1 및 제2 경계부(A1, A2)에서 발생할 수 있다. 여기서 제1 및 제2 경계부(A1, A2)는 도 1에서 설명한 제1 및 제2 경계부(A1, A2)에 대응될 수 있다. 광활성층(20)에서 광자 흡수(photon absorption)에 의해 발생된 엑시톤(exciton), 즉, 전자-정공 쌍(electron-hole pair)은 제1 및 제2 경계부(A1, A2)에서 내부 전계에 의해 전자(-)와 정공(+)으로 용이하게 분리될 수 있다. 분리된 전자(-)는 제2 전극(40)으로 이동하고 분리된 정공(+)은 제1 전극(30)으로 이동하여 광전류(photocurrent)가 발생할 수 있다. 한편, 제1 및 제2 경계부(A1, A2) 사이의 제3 영역(20c)에서는 전자(-)와 정공(+)이 재결합(recombination) 될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 도 1에서 제1 및 제2 전극(30, 40) 각각은 복수 개 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 제1 전극(30)과 복수의 제2 전극(40)은 교대로 배치될 수 있다. 그 일례가 도 3에 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 상에 그래핀을 포함하는 광활성층(200)이 구비될 수 있고, 광활성층(200) 상에 복수의 제1 전극(300)과 복수의 제2 전극(400)이 구비될 수 있다. 제1 전극(300)과 제2 전극(400)은 교대로 배치될 수 있다. 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이의 간격은 수백 nm 이하, 예컨대, 약 500nm 이하일 수 있다. 이와 같이, 복수의 제1 및 제2 전극(300, 400)을 구비시키고, 이들을 좁은 간격으로 배치시키면, 광전류가 발생되는 영역(즉, 점선 원으로 표시한 영역)의 수가 증가하고, 광전류 발생에 실질적으로 기여하지 않는 영역이 줄어들기 때문에, 광전 변환 효율이 크게 증가될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는 복수의 전극(300, 400)이 수평 방향으로 배열되는 수평 접합 구조(horizontal junction structure)를 갖기 때문에, 수평 방향으로 전극의 콘택 수를 증가시킴으로써, 광전류 발생량 및 효율을 크게 증가시킬 수 있다. 이는 수직 접합 구조(vertical junction structure)를 갖는 기존의 태양전지(광전소자)에서는 기대할 수 없는 효과이다.
도 4는 도 3의 광활성층(200)의 평면 구조 및 광활성층(200)의 영역별 디락 포인트(Dirac point) 에너지 레벨(EDirac)을 보여주는 도면이다. 도 4에서 광활성층(200)의 제1 영역(200a)들은 제1 전극(300)이 형성된 영역을 나타내고, 광활성층(200)의 제2 영역(200b)들은 제2 전극(400)이 형성된 영역을 나타낸다. 도 4의 광활성층(200)의 영역별 디락 포인트 에너지 레벨(EDirac)은 도 2의 그것과 유사하므로, 도 4에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 5는 도 3의 광전소자의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 5를 참조하면, 기판(100) 상에 그래핀을 포함하는 광활성층(200)이 구비되고, 광활성층(200) 상에 복수의 제1 전극(300)과 복수의 제2 전극(400)이 구비될 수 있다. 제1 전극(300)과 제2 전극(400)은 라인 형상을 가질 수 있고, 교대로 배치될 수 있다. 복수의 제1 전극(300)의 일단을 연결하는 제1 연결부(300A)가 더 구비될 수 있고, 복수의 제2 전극(400)의 일단을 연결하는 제2 연결부(400A)가 더 구비될 수 있다. 제1 연결부(300A)와 제2 연결부(400A) 사이에 복수의 제1 및 제2 전극(300, 400)이 구비될 수 있다. 복수의 제1 전극(300)과 제1 연결부(300A)가 '제1 전극 부재'를 구성한다고 할 수 있고, 복수의 제2 전극(400)과 제2 연결부(400A)가 '제2 전극 부재'를 구성한다고 할 수 있다. 상기 제1 전극 부재와 상기 제2 전극 부재를 합쳐서 '전극 구조체'라고 할 수 있다. 도 5에 도시한 평면 구조는 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 제1 전극(300)과 제2 전극(400)은 곧게 뻗은 라인 형상을 갖지 않고, 굴곡진 형상을 가질 수도 있다. 또한 연결부(300A, 400A)의 형상도 다양하게 변형될 수 있다.
아래의 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 전극으로 사용될 수 있는 다양한 금속의 일함수(WM), 상기 금속과 접촉된 그래핀의 일함수(WGM) 등을 정리한 것이다.
| Ni | Co | Pd | Al | Ag | Cu | Au | Pt | |
| WM (eV) | 5.47 | 5.44 | 5.67 | 4.22 | 4.92 | 5.22 | 5.54 | 6.13 |
| WGM (eV) | 3.66 | 3.78 | 4.03 | 4.04 | 4.24 | 4.40 | 4.74 | 4.87 |
| WM-WG (eV) | 0.99 | 0.96 | 1.19 | -0.26 | 0.44 | 0.74 | 1.06 | 1.65 |
| WGM-WG (eV) | -0.82 | -0.70 | -0.45 | -0.44 | -0.24 | -0.08 | 0.26 | 0.39 |
표 1에서 WG는 그래핀 본래의 일함수로서, 그 값은 4.48 eV 정도이다. 따라서, WM-WG는 금속의 일함수(WM)에서 그래핀 본래의 일함수(WG)를 뺀 값이고, WGM-WG는 금속과 접촉된 그래핀의 일함수(WGM)에서 그래핀 본래의 일함수(WG)를 뺀 값이다. 상기 WGM-WG 값은 금속에 의한 그래핀의 페르미 레벨(EF) 변화량, 즉, ΔEF와 유사할 수 있다. 상기 WGM-WG 값 또는 ΔEF가 음수인 경우, 해당 금속에 의해 그래핀의 페르미 레벨(EF)이 높아졌다는 것을 의미한다. 이 경우, 해당 금속에 의해 그래핀이 n형으로 도핑될 수 있다. 반면, 상기 WGM-WG 값 또는 ΔEF가 양수인 경우, 해당 금속에 의해 그래핀의 페르미 레벨(EF)이 낮아졌다는 것을 의미한다. 이 경우, 해당 금속에 의해 그래핀이 p형으로 도핑될 수 있다. 그러므로, 상기 WGM-WG 값이 음수인 Ni, Co, Pd, Al, Ag, Cu 는 그래핀을 n형으로 도핑시키는 역할을 할 수 있고, 상기 WGM-WG 값이 양수인 Au, Pt 는 그래핀을 p형으로 도핑시키는 역할을 할 수 있다. 따라서 Au, Pt 는 도 1 및 도 2의 제1 전극(30) 물질로 사용될 수 있고, Ni, Co, Pd, Al, Ag, Cu 는 도 1 및 도 2의 제2 전극(40) 물질로 사용될 수 있다.
도 6은 다양한 금속의 일함수(WM)와 그래핀의 일함수(WG)의 차이(WM-WG) 및 상기 금속들에 의한 그래핀의 페르미 레벨 변화량(ΔEF)을 보여주는 그래프이다. 또한 도 6은 상기 금속들과 접촉된 그래핀의 일함수(WGM)에서 그래핀 본래의 일함수(WG)를 뺀 값, 즉, WGM-WG 값도 포함한다.
도 6을 참조하면, Al, Ag 및 Cu 의 경우, 페르미 레벨 변화량(ΔEF)이 음의 값을 갖고, Au 및 Pt 의 경우, 페르미 레벨 변화량(ΔEF)이 양의 값을 갖는다. Pt에 의한 ΔEF는 약 0.4 eV 이고, Al에 의한 ΔEF는 약 -0.6 eV 이다. 따라서, Pt를 제1 전극(30)으로 적용하고, Al을 제2 전극(40)으로 적용하면, 그래핀으로 형성된 광활성층(20)의 내부 전위장벽(built-in potential)은 1.0 eV 정도일 수 있다. 이는 기존의 태양전지에서 발생되는 내부 전위장벽(built-in potential)(～0.6 eV)보다 두 배 가까이 높은 값이다. 따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 높은 내부 전위장벽(built-in potential)을 유발하여, 열린 회로 전압(open-circuit voltage)(Voc) 및 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
부가해서, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자를 이용하면, 매우 높은 단락 회로 전류(short-circuit current)(Jsc)를 얻을 수 있다. 이는 광활성층(20)을 구성하는 그래핀의 전하 이동도가 매우 높고, 흡수 가능한 광 파장 범위가 넓기 때문이다. 또한, 광활성층(20)의 두께가 얇고 좁은 영역에서 광을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있기 때문에, 상기 단락 회로 전류(Jsc)의 밀도를 높일 수 있다. 실제로, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 단락 회로 전류(Jsc)를 측정한 결과, 그 값은 약 800 mA/㎠ 정도로 높았다. 상기 단락 회로 전류(Jsc) 측정에 사용된 광전소자에서 광활성층(20)은 그래핀층이었고, 전극(30, 40)으로는 ITO(indium tin oxide)와 Pd를 사용하였다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 광전소자의 단락 회로 전류(Jsc) 및 열린 회로 전압(Voc)을 증가시킬 수 있기 때문에, 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있고, 높은 최대 전력(Pmax)을 얻을 수 있다.
도 1 및 도 3에서 기판(10, 100)이 플렉서블(flexible) 할 경우, 광전소자는 플렉서블(flexible) 할 수 있다. 그래핀으로 구성된 광활성층(20, 200)은 플렉서블(flexible)한 특성을 가질 수 있고, 전극들(30, 40, 300, 400)도 플렉서블(flexible) 할 수 있으므로, 기판(10, 100)이 플렉서블(flexible) 할 경우, 광전소자는 플렉서블(flexible) 할 수 있다. 예컨대, 도 3의 광전소자가 플렉서블(flexible) 소자인 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 휘어질 수 있다. 플렉서블한 광전소자는 다양한 플렉서블 장치에 유용하게 적용될 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 광전소자가 반드시 플렉서블(flexible) 해야 하는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는 플렉서블(flexible) 하지 않을 수도 있다.
도 1 및 도 3의 광전소자는 단위 소자일 수 있고, 이러한 단위 소자가 여러 번 적층될 수 있다. 그 일례가 도 8에 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 기판(100) 상에 제1 단위 소자(U1)가 구비될 수 있다. 제1 단위 소자(U1)는 광활성층(201) 및 전극 구조체(501)를 포함할 수 있다. 전극 구조체(501)는 교대로 배치된 복수의 제1 전극(301) 및 복수의 제2 전극(401)을 포함할 수 있다. 광활성층(201)과 제1 및 제2 전극(301, 401)은 각각 도 3의 광활성층(200)과 제1 및 제2 전극(300, 400)에 대응될 수 있다. 제1 단위 소자(U1)를 덮는 제1 절연층(IL1)이 구비될 수 있다. 제1 절연층(IL1) 상에 제2 단위 소자(U2)가 구비될 수 있다. 제2 단위 소자(U2)는 실질적으로 제1 단위 소자(U1)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 단위 소자(U2)는 광활성층(202) 및 전극 구조체(502)를 포함할 수 있다. 전극 구조체(502)는 교대로 배치된 복수의 제1 전극(302) 및 복수의 제2 전극(402)을 포함할 수 있다. 광활성층(202) 및 전극 구조체(502)는 각각 제1 단위 소자(U1)의 광활성층(201) 및 전극 구조체(501)와 동일하거나 유사할 수 있다. 제2 단위 소자(U2)를 덮는 제2 절연층(IL2)이 구비될 수 있다. 제2 절연층(IL2) 상에 제3 단위 소자(U3)가 구비될 수 있다. 제3 단위 소자(U3)는 광활성층(203) 및 전극 구조체(503)를 포함할 수 있다. 광활성층(203) 및 전극 구조체(503)는 각각 제1 단위 소자(U1)의 광활성층(201) 및 전극 구조체(501)와 동일하거나 유사할 수 있다. 제3 단위 소자(U3)를 덮는 제3 절연층(IL3)이 구비될 수 있다. 제3 절연층(IL3) 상에 별도의 단위 소자 및 절연층이 1회 이상 교대로 더 적층될 수 있다.
도 8의 구조와 같이 복수의 단위 소자(U1～U3)를 적층하여 광전소자를 구성할 경우, 여러 개의 광활성층(201～203)으로 광을 흡수할 수 있으므로, 광자 흡수 및 광전 변환 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는 태양전지일 수 있다. 이 경우, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는 수평 접합 구조(horizontal junction structure)를 갖는 그래핀 기반의 박막 태양전지(graphene-based thin film solar cell)라 할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는 태양전지가 아닌 그 밖에 다른 용도로 사용될 수도 있다. 예컨대, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는 투과 또는 반사된 빛의 변화에 의해 물체 또는 부호화된(encoded) 데이터를 감지하는 광센서(photosensor)로 사용될 수 있다. 광에 의해 유발되는 광전류를 이용하는 모든 소자 분야에 본 발명의 실시예에 따른 광전소자를 적용할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 제조방법을 설명한다.
도 9a 내지 도 9i는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 제조방법을 보여주는 사시도이다.
도 9a를 참조하면, 기판(100) 상에 광활성층(200)을 형성할 수 있다. 기판(100)은 플렉서블(flexible) 기판일 수 있으나, 그렇지 않을 수도 있다. 예컨대, 기판(100)은 플라스틱 기판과 같은 플렉서블 기판일 수 있으나, 그 밖에 다른 기판, 예컨대, 유리 기판이나 실리콘 기판 등 통상의 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 광활성층(200)은 그래핀(graphene)을 포함하도록 형성할 수 있다. 예컨대, 광활성층(200)은 그래핀층(graphene layer)일 수 있다. 상기 그래핀층은 하나의 그래핀으로 구성된 단층 그래핀(single layer graphene)이거나, 복수의 그래핀(예컨대, 2～10개 정도의 그래핀)이 겹쳐진 구조를 가질 수 있다. 광활성층(200)을 그래핀층으로 형성하는 경우, 전이법(transfer method)을 사용할 수 있다. 즉, 다른 기판에서 형성된 그래핀층을 도 9a의 기판(100)으로 이전(transfer) 시킴으로써 광활성층(200)을 형성할 수 있다. 또는, 기판(100) 상에 CVD(chemical vapor deposition) 법으로 그래핀층을 직접 성장시켜, 광활성층(200)을 형성할 수도 있다.
도 9b를 참조하면, 기판(100) 상에 광활성층(200)을 덮는 제1 감광층(PR1)을 형성할 수 있다.
도 9c를 참조하면, 노광 및 현상 공정을 통해 제1 감광층(PR1)을 소정 형태로 패터닝하여 광활성층(200)의 일부를 노출시키는 제1 개구부(H1)를 형성할 수 있다. 이때, 제1 개구부(H1)의 형상은 도 5에서 설명한 '제1 전극 부재'의 형상, 즉, 복수의 제1 전극(300)과 제1 연결부(300A)를 합한 형상과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 9d를 참조하면, 제1 개구부(H1)를 메우면서 제1 감광층(PR1)을 덮는 제1 도전물질층(310)을 형성할 수 있다. 제1 도전물질층(310)의 물질은 도 1의 제1 전극(30) 물질에 대응될 수 있다. 제1 도전물질층(310) 형성을 위해, 예컨대, 열증발 증착법(thermal evaporation method)을 사용할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 상기 열증발 증착법 이외에 다른 방법으로 제1 도전물질층(310)을 형성할 수도 있다.
다음, 제1 감광층(PR1) 및 그 위에 형성된 제1 도전물질층(310)을 제거할 수 있다. 그 결과, 도 9e에 도시된 바와 같이, 도 9d의 제1 개구부(H1)에 대응하는 형상을 갖는 제1 도전물질층(310)이 잔류될 수 있다. 이하에서는, 잔류된 제1 도전물질층(310)을 제1 전극 부재(310)라 한다.
도 9f를 참조하면, 기판(100) 상에 광활성층(200) 및 제1 전극 부재(310)를 덮는 제2 감광층(PR2)을 형성할 수 있다.
도 9g를 참조하면, 노광 및 현상 공정을 통해 제2 감광층(PR2)을 소정 형태로 패터닝하여 광활성층(200)의 일부를 노출시키는 제2 개구부(H2)를 형성할 수 있다. 이때 제2 개구부(H2)의 형상은 도 5에서 설명한 '제2 전극 부재'의 형상, 즉, 복수의 제2 전극(400)과 제2 연결부(400A)를 합한 형상과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 9h를 참조하면, 제2 개구부(H2)를 메우면서 제2 감광층(PR2)을 덮는 제2 도전물질층(410)을 형성할 수 있다. 제2 도전물질층(410)은 도 9d의 제1 도전물질층(310)과 다른 물질로 형성할 수 있다. 제2 도전물질층(410)의 물질은 도 1의 제2 전극(40) 물질에 대응될 수 있다. 제2 도전물질층(410)의 형성방법은 도 9d의 제1 도전물질층(310)의 형성방법과 동일하거나 유사할 수 있다.
다음, 제2 감광층(PR2) 및 그 위에 형성된 제2 도전물질층(410)을 제거할 수 있다. 그 결과, 도 9i에 도시된 바와 같이, 도 9h의 제2 개구부(H2)에 대응하는 형상을 갖는 제2 도전물질층(410)이 잔류될 수 있다. 이하에서는, 잔류된 제2 도전물질층(410)을 제2 전극 부재(410)라 한다. 제1 및 제2 전극 부재(310, 410)는 각각 도 5에서 설명한 제1 및 제2 전극 부재에 대응될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 비교적 간단한 방법으로 광활성층(200) 상에 구비된 전극 구조체(310+410)를 포함하는 광전소자를 제조할 수 있다. 여기서 설명한 제조방법은 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 전극 부재(310, 410)의 형태는 다양하게 변형될 수 있고, 광활성층(200)과 전극 구조체(310+410)를 여러 번 반복 적층하여 도 8과 같은 구조를 제조할 수도 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 5, 도 7 및 도 8의 광전소자의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 도 1의 제1 및 제2 전극(30, 40) 중 적어도 하나를 금속이 아닌 도전성 산화물로 형성하거나, 그 밖에 다른 도전성 물질로 형성할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 광활성층(20)을 그래핀이 아닌 다른 물질로 형성하거나, 그래핀 및 다른 물질을 포함하도록 구성할 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 아울러 도 9a 내지 도 9i의 제조방법도 다양하게 변형시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 당업자라면 본 발명의 사상(idea)은 광전소자가 아닌 그 밖의 다른 소자에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
Claims (24)
- 그래핀(graphene)을 포함하는 광활성층; 및
상기 광활성층에 연결된 전극 구조체;를 구비하는 광전소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광활성층은 그래핀층인 광전소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 전극 구조체는 상기 광활성층 상에 구비된 제1 및 제2 전극 부재를 포함하는 광전소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극 부재는 상기 광활성층과 다른 일함수(work function)를 갖는 광전소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극 부재는 서로 다른 일함수를 갖는 광전소자. - 제 3 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극 부재는 상기 광활성층을 정공으로 도핑시키는 제1 물질을 포함하고,
상기 제2 전극 부재는 상기 광활성층을 전자로 도핑시키는 제2 물질을 포함하는 광전소자. - 제 3 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극 부재는 상기 광활성층의 페르미 레벨(Fermi level)을 낮추는 제1 물질을 포함하고,
상기 제2 전극 부재는 상기 광활성층의 페르미 레벨을 높이는 제2 물질을 포함하는 광전소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 제1 전극 부재는 복수의 제1 라인패턴을 포함하고,
상기 제2 전극 부재는 복수의 제2 라인패턴을 포함하며,
상기 제1 라인패턴과 상기 제2 라인패턴은 교대로 배치된 광전소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 제1 전극 부재는 상기 복수의 제1 라인패턴의 일단을 연결하는 제1 연결부를 더 포함하고,
상기 제2 전극 부재는 상기 복수의 제2 라인패턴의 일단을 연결하는 제2 연결부를 더 포함하며,
상기 제1 연결부와 제2 연결부 사이에 상기 복수의 제1 라인패턴과 복수의 제2 라인패턴이 구비된 광전소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 제1 라인패턴과 상기 제2 라인패턴 사이의 간격은 수백 나노미터(nm) 이하인 광전소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극 부재 사이의 간격은 수백 나노미터(nm) 이하인 광전소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광활성층과 상기 전극 구조체는 하나의 단위 구조를 구성하고,
상기 단위 구조가 복수 개 적층된 광전소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전소자는 플렉서블(flexible) 소자인 광전소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전소자는 태양전지인 광전소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전소자는 광센서인 광전소자. - 광활성층; 및
상기 광활성층의 제1면에 구비된 제1 및 제2 전극;을 포함하고,
상기 제1 및 제2 전극은 서로 다른 물질로 형성된 광전소자. - 제 16 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극은 상기 광활성층과 다른 일함수를 갖는 광전소자. - 제 16 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극은 서로 다른 일함수를 갖는 광전소자. - 제 16 내지 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극은 상기 광활성층을 정공으로 도핑시키는 제1 물질을 포함하고,
상기 제2 전극은 상기 광활성층을 전자로 도핑시키는 제2 물질을 포함하는 광전소자. - 기판 상에 그래핀을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 및
상기 광활성층 상에 전극 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 광전소자의 제조방법. - 제 20 항에 있어서, 상기 전극 구조체를 형성하는 단계는,
상기 광활성층 상에 제1 전극 부재를 형성하는 단계; 및
상기 광활성층 상에 상기 제1 전극 부재와 이격된 제2 전극 부재를 형성하는 단계;를 포함하는 광전소자의 제조방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극 부재는 서로 다른 물질로 형성하는 광전소자의 제조방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 제1 전극 부재는 상기 광활성층을 정공으로 도핑시키는 제1 물질로 형성하고,
상기 제2 전극 부재는 상기 광활성층을 전자로 도핑시키는 제2 물질로 형성하는 광전소자의 제조방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 제1 전극 부재는 복수의 제1 라인패턴을 포함하도록 형성하고,
사익 제2 전극 부재는 복수의 제2 라인패턴을 포함하도록 형성하며,
상기 제1 라인패턴과 상기 제2 라인패턴은 교대로 배치되도록 형성하는 광전소자의 제조방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110061802A KR20130006871A (ko) | 2011-06-24 | 2011-06-24 | 광전소자 및 그 제조방법 |
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| KR1020110061802A KR20130006871A (ko) | 2011-06-24 | 2011-06-24 | 광전소자 및 그 제조방법 |
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|---|---|
| KR20130006871A true KR20130006871A (ko) | 2013-01-18 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130006871A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103117317A (zh) * | 2013-01-31 | 2013-05-22 | 电子科技大学 | 一种硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件及其制备方法 |
| CN106653892A (zh) * | 2015-11-03 | 2017-05-10 | 中国科学院物理研究所 | 一种光伏装置以及一种产生光伏效应的方法 |
-
2011
- 2011-06-24 KR KR1020110061802A patent/KR20130006871A/ko not_active Application Discontinuation
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