KR20130093209A - Solar cell using core-shell nano-wire - Google Patents

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KR20130093209A
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우성호
류홍근
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

PURPOSE: A solar cell using a core-shell nanowire is provided to obtain high efficiency by forming an electrode after a previously manufactured core-shell nanowire is laminated on a substrate in parallel. CONSTITUTION: A first electrode (20) is laminated on a substrate (10). A core-shell nanowire (30) is horizontally laminated on the first electrode. The core-shell nanowire includes a core part (31) and a shell part (33) to surround the core part. The core part of the core-shell nanowire is formed with an n-type semiconductor. The shell part of the core-shell nanowire is formed with a p-type semiconductor. A second electrode (40) is connected to the core part of the core-shell nanowire on both ends of the core-shell nanowire.

Description

코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지{SOLAR CELL USING CORE-SHELL NANO-WIRE}Solar cell using core-shell nanowires {SOLAR CELL USING CORE-SHELL NANO-WIRE}

본 발명은 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 넓은 표면적에 의한 광흡수 증가, 엑시톤(exciton) 분리 및 생성된 전하의 추출 용이 등과 같은 코어-쉘 나노와이어의 장점은 그대로 유지하면서, 종래의 기판 수직형 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지에 비해 용이하게 제작될 수 있을 뿐만 아니라 기판의 종류에 관계없이 모두 적용될 수 있도록 한 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell using a core-shell nanowire, and more particularly, the advantages of the core-shell nanowire, such as increased light absorption by a large surface area, exciton separation, and easy extraction of generated charges, are described. The present invention relates to a solar cell using a core-shell nanowire, which can be easily manufactured as compared with a solar cell using a conventional substrate vertical core-shell nanowire, and can be applied regardless of the type of substrate. will be.

최근 치솟는 유가 상승과 화석에너지의 고갈로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있는데, 그 중에서도 태양에너지를 이용한 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Recently, interest in renewable energy is increasing due to rising oil prices and depletion of fossil energy. Among them, research on solar cells using solar energy is being actively conducted.

태양전지는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기고분자 태양전지 및 하이브리드 태양전지 등으로 구분된다. Solar cell is a device that converts light energy into electrical energy by using photovoltaic effect, and depending on the material of the solar cell, silicon solar cell, thin film solar cell, dye-sensitized solar cell, organic polymer solar cell and hybrid solar cell And the like.

최근 이러한 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 유기 또는 무기반도체 재질의 나노와이어를 이용하는 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 특히 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지의 경우에는 태양광을 흡수하여 코어-쉘 계면에서 형성된 엑시톤의 분리 및 분리된 전하의 전극부로의 이동이 용이하며, 넓은 표면적으로 인해 광 흡수가 증가되어 고효율의 태양전지를 제작할 수 있다는 장점이 있다.Recently, researches on solar cells using nanowires made of organic or inorganic semiconductor materials have been actively conducted to improve the efficiency of such solar cells. In particular, in the case of solar cells using core-shell nanowires, the solar cell absorbs solar cores. The excitons formed at the shell interface are easily separated and moved to the electrode portions of the separated charges, and the light absorption is increased due to the large surface area, thereby producing a highly efficient solar cell.

종래의 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지의 일 예로, 한국 특허등록 제 10-0809248호(2008.02.25. 등록)에는 기판; 상기 기판 상면으로부터 수직으로 연장된 다수의 제 1 도전형 반도체 나노선 코어와, 상기 제 1 도전형 반도체 나노선 코어의 표면을 따라 형성되어 상기 제 1 도전형 반도체 나노선 코어를 도포하는 제 2 도전형 반도체 나노선 쉬스를 가지는 다수의 이종구조 반도체 나노선; 상기 나노선들 사이를 메우는 절연체 충전물; 및 상기 나노선 상에 형성되어 상기 나노선 쉬스에 전기적으로 연결된 제 1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자가 공개되어 있다.As an example of a solar cell using a conventional core-shell nanowire, Korean Patent Registration No. 10-0809248 (registered on February 25, 2008) includes a substrate; A plurality of first conductivity type semiconductor nanowire cores extending perpendicularly from the upper surface of the substrate, and a second conductivity formed along the surface of the first conductivity type semiconductor nanowire core to apply the first conductivity type semiconductor nanowire core; A plurality of heterostructure semiconductor nanowires having a type semiconductor nanowire sheath; An insulator filler filling the nanowires; And a first electrode formed on the nanowire and electrically connected to the nanowire sheath.

또한, 한국 특허등록 제 10-1039208호(2011.05.25. 등록)에는 기판 상에 서 있고 제 1 도전형 반도체 코어와 이를 둘러싸는 제 2 도전형 반도체 쉘을 구비하는 다수의 반도체 막대들, 상기 각 반도체 막대는 차례로 적층된 조성이 다른 복수의 화합물 박막들을 구비하되 상기 화합물 박막들의 중앙부들은 상기 제 1 도전형 반도체 코어를 형성하고 상기 화합물 박막들의 단부들은 상기 제 2 도전형 반도체 쉘을 형성하여, 상기 각 반도체 막대는 상기 제 1 도전형 반도체 코어와 상기 제 2 도전형 반도체 쉘 사이에 형성된 밴드갭이 서로 다른 다층의 p-n 접합들을 구비하고; 상기 제 1 도전형 반도체 코어에 전기적으로 연결된 제 1 전극; 및 상기 제 2 도전형 반도체 쉘에 전기적으로 연결된 제 2 전극을 포함하는 태양전지가 공개되어 있다.In addition, Korean Patent Registration No. 10-1039208 (registered May 25, 2011) includes a plurality of semiconductor rods, each of which has a first conductive semiconductor core and a second conductive semiconductor shell surrounding the same. The semiconductor rod may include a plurality of compound thin films having different compositions, which are sequentially stacked, wherein central portions of the compound thin films form the first conductive semiconductor core and ends of the compound thin films form the second conductive semiconductor shell. Each semiconductor rod has multiple pn junctions having different bandgaps formed between the first conductive semiconductor core and the second conductive semiconductor shell; A first electrode electrically connected to the first conductivity type semiconductor core; And a second electrode electrically connected to the second conductive semiconductor shell.

또한, 한국 특허등록 제 10-0988206호(2010.10.11. 등록)에는 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 정공 수송층; 상기 정공 수송층 상에 형성되며, 코어-쉘 구조 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브로 이루어진 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 상부 전극을 포함하는 태양전지가 공개되어 있다.In addition, Korean Patent Registration No. 10-0988206 (registered on October 11, 2010) includes a substrate; A lower electrode formed on the substrate; A hole transport layer formed on the lower electrode; An active layer formed on the hole transport layer and made of carbon nanotubes to which core-shell structured nanoparticles are attached; And a top electrode formed on the active layer is disclosed.

또한, 한국 특허등록 제 10-1012089호(2011.01.25. 등록)에는 기판, 양극, 활성층 및 음극이 순차적으로 적층되고, 상기 활성층으로서, p형 유기 고분자, n형 유기 분자 및 반도체 양자점을 유기용매에 첨가하여 제조된 유-무기 혼합용액의 코팅층으로부터 가열에 의해 얻어진 일체형 코어/쉘 구조의 p-i-n 형태의 고분자-양자점 복합체 박막을 포함하는 태양전지 소자가 공개되어 있다.In addition, Korean Patent Registration No. 10-1012089 (registered on Jan. 25, 2011) sequentially stacks a substrate, an anode, an active layer, and a cathode. As the active layer, p-type organic polymers, n-type organic molecules, and semiconductor quantum dots are organic solvents. Disclosed is a solar cell device comprising a pin-shaped polymer-quantum dot composite thin film having an integral core / shell structure obtained by heating from a coating layer of an organic-inorganic mixed solution prepared by adding to the present invention.

전술한 바와 같은 종래의 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지는, 모두 코어-쉘 나노와이어가 기판에 수직방향으로 정렬되는 구조를 갖는데, 코어-쉘 나노와이어의 수직방향 정렬을 위해서는 사용가능한 기판의 종류도 한정적일 수 밖에 없고, 템플레이트이용 방식, 화학기상증착, 플라즈마에칭, 화학적 에칭 등과 같은 복잡한 공정이 수반되어야 하므로 제조단가가 상승하는 단점이 있었다. The solar cells using the conventional core-shell nanowires as described above all have a structure in which the core-shell nanowires are vertically aligned with the substrate, which can be used for vertical alignment of the core-shell nanowires. There is also a limited number, and the manufacturing cost is increased because a complex process such as template using method, chemical vapor deposition, plasma etching, chemical etching and the like must be accompanied.

또한 기판에 수직으로 정렬된 나노와이어의 경우에는 쉘층을 형성하기 위해 원자층증착, 스핀코팅, 이온주입 등의 공정이 필수적이며, 특히 나노와이어 사이의 좁은 간격으로 인해 균일한 쉘층 형성이 어려운 문제점이 있었다.In addition, in the case of nanowires vertically aligned with a substrate, processes such as atomic layer deposition, spin coating, and ion implantation are essential to form a shell layer. Particularly, a narrow shell space between nanowires makes it difficult to form a uniform shell layer. there was.

본 발명의 목적은, 넓은 표면적에 의한 광흡수 증가, 엑시톤 분리 및 생성된 전하의 추출 용이 등과 같은 코어-쉘 나노와이어의 장점은 그대로 유지하면서, 종래의 기판 수직형 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지에 비해 용이하게 제작될 수 있을 뿐만 아니라 기판의 종류에 관계없이 모두 적용될 수 있도록 한 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an embodiment using a conventional substrate vertical core-shell nanowire while maintaining the advantages of core-shell nanowires such as increased light absorption by a large surface area, exciton separation, and easy extraction of generated charges. The present invention provides a solar cell using a core-shell nanowire that can be easily manufactured as compared to a battery and can be applied to any type of substrate.

전술한 본 발명의 목적은, 기판과, 상기 기판 상에 적층되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 상에 수평으로 평행하게 적층되고 코어부의 둘레에 쉘부가 둘러싸여지는 p-n 접합 반도체 구조체로 형성되는 코어-쉘 나노와이어와, 상기 코어-쉘 나노와이어의 양단부에서 코어-쉘 나노와이어의 코어부에 접속되는 제 2 전극을 포함하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지를 제공함에 의해 달성된다.An object of the present invention described above is a core formed of a substrate, a first electrode stacked on the substrate, and a pn-junction semiconductor structure which is stacked horizontally and parallel on the first electrode and surrounded by a shell portion around the core portion. It is achieved by providing a solar cell using a core-shell nanowire comprising a shell nanowire and a second electrode connected to the core portion of the core-shell nanowire at both ends of the core-shell nanowire.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 코어-쉘 나노와이어의 코어부는 n형 반도체로 형성되고 상기 코어-쉘 나노와이어의 쉘부는 p형 반도체로 형성된다.According to a preferred feature of the present invention, the core portion of the core-shell nanowire is formed of an n-type semiconductor and the shell portion of the core-shell nanowire is formed of a p-type semiconductor.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 코어-쉘 나노와이어의 코어부는 p형 반도체로 형성되고 상기 코어-쉘 나노와이어의 쉘부는 n형 반도체로 형성된다.According to a preferred feature of the invention, the core portion of the core-shell nanowire is formed of a p-type semiconductor and the shell portion of the core-shell nanowire is formed of an n-type semiconductor.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 코어-쉘 나노와이어의 코어부와 쉘부 사이에는 절연층이 개재된다.According to a preferred feature of the present invention, an insulating layer is interposed between the core portion and the shell portion of the core-shell nanowire.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 코어-쉘 나노와이어를 형성하는 p-n 접합 반도체 구조체는, Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In2Se3, In2Te3, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi2S3, Cu2S, MoSe2, WSe2, SiOx, TiO2, Cu2O, CuO, GaN 및 ZnO 중에서 선택된 1종 이상으로 형성된다.According to a preferred feature of the present invention, the pn junction semiconductor structure forming the core-shell nanowires, Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In 2 Se 3 , In 2 Te 3 , CdS, CdSe, CdTe , ZnSe, ZnTe, Bi 2 S 3 , Cu 2 S, MoSe 2 , WSe 2 , SiOx, TiO 2 , Cu 2 O, CuO, GaN and ZnO.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 코어-쉘 나노와이어를 형성하는 p-n 접합 반도체 구조체는, 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리포스파젠(polyphosphazene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리설퍼니트라이드(poly(sulfur nitride)), 폴리페닐렌비닐렌(poly(p-phenylenevinylene)) 및 폴리비닐카바졸(poly(N-vinylcarbazole)) 중에서 선택된 1종 이상의 전도성고분자로 형성된다.According to a preferred feature of the present invention, the pn junction semiconductor structure forming the core-shell nanowires, poly (ethylene oxide), polyphosphazene (polyphosphazene), polyaniline (polyaniline), polypyrrole (polypyrrole), Polythiophene, polyphenylene, polyacetylene, polysulfurnitride, poly (p-phenylenevinylene) and polyvinylcarbazole It is formed of one or more conductive polymers selected from (poly (N-vinylcarbazole)).

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 코어-쉘 나노와이어를 형성하는 p-n 접합 반도체 구조체는, 그래핀(graphene), 풀러렌(fullerene), 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브 묶음(bundle) 중에서 선택된 1종 이상으로 형성된다.According to a preferred feature of the present invention, the pn junction semiconductor structure forming the core-shell nanowires, graphene (fullerene), single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes And carbon nanotube bundles.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 코어-쉘 나노와이어의 쉘부의 단부측은 제거되어 상기 제 2 전극이 상기 코어-쉘 나노와이어의 코어부에 접속된다.According to a preferred feature of the invention, the end side of the shell portion of the core-shell nanowire is removed so that the second electrode is connected to the core portion of the core-shell nanowire.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 반도체 나노와이어는 1층 또는 다층으로 적층형성된다.According to a preferred feature of the invention, the semiconductor nanowires are laminated in one layer or multiple layers.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 제 1 전극과 상기 코어-쉘 나노와이어 사이에 개재되고 상기 코어-쉘 나노와이어의 안착을 위해 상기 코어-쉘 나노와이어의 측면을 둘러싸는 버퍼층을 더 포함한다.According to a preferred feature of the invention, further comprising a buffer layer interposed between the first electrode and the core-shell nanowires and surrounding the side of the core-shell nanowires for seating the core-shell nanowires.

본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지에 의하면, 미리 제조된 코어-쉘 나노와이어를 기판에 평행하게 적층한 후 전극을 형성하면 되므로 기판의 종류에 상관없이 손쉽게 고효율의 태양전지를 제조할 수 있는 탁월한 효과가 있다. According to the solar cell using the core-shell nanowires according to the present invention, since the electrode is formed after stacking the core-shell nanowires prepared in parallel to the substrate, a highly efficient solar cell can be easily produced regardless of the type of the substrate. There is an excellent effect that can be done.

또한 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지에 의하면, 코어-쉘 나노와이어가 적용됨에 따라 넓은 표면적에 의한 광흡수 증가, 엑시톤 분리 및 생성된 전하의 추출용이 등과 같은 코어-쉘 나노와이어의 장점이 그대로 제공될 수 있는 탁월한 효과가 있다.In addition, according to the solar cell using the core-shell nanowires according to the present invention, as the core-shell nanowires are applied, core-shell nanowires such as increased light absorption due to a large surface area, exciton separation and extraction of generated charges, etc. The advantages of this can be provided as it is, has an excellent effect.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지에 의하면, 코어-쉘 나노와이어가 기판에 일정간격으로 평행하게 정렬됨에 따라 포토닉크리스탈 효과에 의한 광흡수 증가효과까지 부가적으로 제공될 수 있는 탁월한 효과가 있다. In addition, according to the solar cell using the core-shell nanowires according to the present invention, as the core-shell nanowires are arranged in parallel to the substrate at a predetermined interval, the light absorption increase effect by the photonic crystal effect is additionally provided. There is an excellent effect that can be.

도 1은 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지의 개략적 구조도이다.
도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 절단한 단면도이다.1 is a schematic structural diagram of a solar cell using a core-shell nanowire according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which are intended to describe in detail enough to be easily carried out by those skilled in the art to which the present invention pertains. This does not mean that the technical spirit and scope of the present invention is limited.

본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지(1)는, 코어-쉘 나노와이어의 장점은 그대로 유지하면서, 종래의 기판 수직형 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지에 비해 용이하게 제작될 수 있을 뿐만 아니라 기판의 종류에 관계없이 모두 적용될 수 있도록 하기 위한 것으로, 도 1 및 도 2에 도시되는 바와 같이, 기판(10)과, 기판(10) 상에 적층되는 제 1 전극(20)과, 제 1 전극(20) 상에 수평으로 평행하게 적층되고 코어부(31)의 둘레에 쉘부(33)가 둘러싸여지는 p-n 접합 반도체 구조체로 형성되는 코어-쉘 나노와이어(30)와, 코어-쉘 나노와이어(30)의 양단부에서 코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)에 접속되는 제 2 전극(40)을 포함한다.The solar cell 1 using the core-shell nanowire according to the present invention, while maintaining the advantages of the core-shell nanowire, can be easily manufactured compared to the solar cell using a conventional substrate vertical core-shell nanowire. In addition to being able to be applied regardless of the type of substrate, as shown in FIGS. 1 and 2, the substrate 10, the first electrode 20 stacked on the substrate 10, and A core-shell nanowire 30 formed of a pn junction semiconductor structure stacked horizontally and parallel on the first electrode 20 and surrounded by a shell portion 33 around the core portion 31, and a core-shell. A second electrode 40 is connected to the core 31 of the core-shell nanowire 30 at both ends of the nanowire 30.

여기서, 기판(10)은, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지(1)의 베이스층을 형성하는 것으로, 투명재질의 광투과성 기판으로 형성되는 것이 바람직하다,Here, the substrate 10 is to form a base layer of the solar cell 1 using the core-shell nanowire according to the present invention, it is preferable that the substrate 10 is formed of a transparent substrate,

기판(10)은 광투과성을 가지기만 한다면 그 재질에 특별히 한정되지 않으므로, 석영 및 유리와 같은 투명한 무기기판으로 형성될 수도 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET; polyethylene terephalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN; polyethylene naphthalate), 폴리에틸렌설폰(PES; polyethylene sulfone), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 등과 같은 투명 플라스틱 기판으로 형성될 수도 있다. 기판(10)은 또한 플렉서블한 재질로도 형성될 수 있다.The substrate 10 may be formed of a transparent inorganic substrate such as quartz and glass as long as it has a light transmittance, and may be formed of a transparent inorganic substrate such as quartz and glass, and polyethylene terephalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN; polyethylene). It may be formed of a transparent plastic substrate such as naphthalate, polyethylene sulfone (PES), polycarbonate, polystyrene, polypropylene, or the like. The substrate 10 may also be formed of a flexible material.

전술한 기판(10) 상에는 제 1 전극(20)이 적층되는데, 이 제 1 전극(20)은 코어-쉘 나노와이어(30)의 광기전력 효과에 따라 발생되는 정공 또는 전하를 용이하게 수송하기 위한 것으로, 투명한 전도성 물질이 증착되어 형성되는 투명전도층으로 형성되는 것이 바람직하다.The first electrode 20 is stacked on the substrate 10 described above. The first electrode 20 is used to easily transport holes or charges generated by the photovoltaic effect of the core-shell nanowire 30. It is preferable that the transparent conductive material is formed of a transparent conductive layer formed by depositing.

투명한 전도성 물질의 예로는 징크옥사이드(zinc oxide, ZnO), 틴옥사이드(tin oxide, SnO) 또는 인듐틴옥사이드(indium tin oxide, ITO) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 징크옥사이드에는 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 또는 붕소(B)가 도핑될 수 있고, 상기 틴옥사이드에는 불소(F)가 도핑될 수 있다.Examples of the transparent conductive material may include zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO), or indium tin oxide (ITO). In addition, the zinc oxide may be doped with gallium (Ga), aluminum (Al) or boron (B), and the tin oxide may be doped with fluorine (F).

제 1 전극(20)은 화학기상증착(CVD: chemical vapor deposition) 공정 또는 스퍼터링(sputtering) 공정을 포함하는 물리 기상 증착(PVD: physical vapor deposition) 공정 등에 의해 형성될 수 있으며, 그 외 박막을 증착하는 다른 여러 공정 등에 의해서도 형성될 수 있다.The first electrode 20 may be formed by a physical vapor deposition (PVD) process including a chemical vapor deposition (CVD) process or a sputtering process, and deposits other thin films. It can also be formed by other various processes.

전술한 제 1 전극(20) 상에는 코어-쉘 나노와이어(30)가 수평으로 평행하게 적층되는데, 이 코어-쉘 나노와이어(30)는 빛에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 광기전력층에 해당하는 것으로, 코어부(31)의 둘레에 쉘부(33)가 둘러싸여지는 p-n 접합 반도체 구조체로 형성된다.The core-shell nanowires 30 are horizontally stacked on the first electrode 20 as described above. The core-shell nanowires 30 correspond to a photovoltaic layer for converting light energy into electrical energy. It is formed of a pn junction semiconductor structure in which the shell portion 33 is surrounded around the core portion 31.

이를 위해 코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)가 n형 반도체로 형성될 경우 코어-쉘 나노와이어(30)의 쉘부(33)는 p형 반도체로 형성되고, 코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)가 p형 반도체로 형성될 경우 코어-쉘 나노와이어의 쉘부는 n형 반도체로 형성된다.To this end, when the core part 31 of the core-shell nanowire 30 is formed of an n-type semiconductor, the shell part 33 of the core-shell nanowire 30 is formed of a p-type semiconductor, and the core-shell nanowire When the core portion 31 of the 30 is formed of a p-type semiconductor, the shell portion of the core-shell nanowire is formed of an n-type semiconductor.

코어-쉘 나노와이어(30)는 무기반도체 또는 유기반도체 등을 이용하여 제조할 수 있고, 및 무기반도체 및 유기반도체의 혼합(하이브리드 구조)로도 제조 가능하다.The core-shell nanowire 30 can be manufactured using an inorganic semiconductor or an organic semiconductor, and can also be manufactured by mixing (hybrid structure) an inorganic semiconductor and an organic semiconductor.

코어-쉘 나노와이어(30)를 형성하는 p-n 접합 반도체 구조체는, Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In2Se3, In2Te3, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi2S3, Cu2S, MoSe2, WSe2, SiOx, TiO2, Cu2O, CuO, GaN 및 ZnO 중에서 선택된 1종 이상으로 형성될 수도있고, 실시예에 따라서는 코어-쉘 나노와이어를 형성하는 p-n 접합 반도체 구조체는, 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리포스파젠(polyphosphazene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리설퍼니트라이드(poly(sulfur nitride)), 폴리페닐렌비닐렌(poly(p-phenylenevinylene)) 및 폴리비닐카바졸(poly(N-vinylcarbazole)) 중에서 선택된 1종 이상의 전도성고분자로 형성될 수도 있으며, 실시예에 따라서는 그래핀(graphene), 풀러렌(fulerene), 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브 묶음(bundle) 중에서 선택된 1종 이상으로 형성될 수도 있다.The pn junction semiconductor structure forming the core-shell nanowire 30 may be Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In 2 Se 3 , In 2 Te 3 , CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi It may be formed of at least one selected from 2 S 3 , Cu 2 S, MoSe 2 , WSe 2 , SiOx, TiO 2 , Cu 2 O, CuO, GaN, and ZnO, and according to an embodiment, a core-shell nanowire may be formed. The pn junction semiconductor structure to be formed is polyethylene oxide, polyphosphazene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyphenylene, polyphenylene At least one conductive polymer selected from acetylene, polysulfur nitride, poly (p-phenylenevinylene) and poly (N-vinylcarbazole) In some embodiments, graphene, fullerene, single-walled carbon nanotubes, and double-walled coals may be formed. It may also be formed of one or more selected from sonanotubes, multi-walled carbon nanotubes and carbon nanotube bundles.

또한 코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)와 쉘부(33) 사이에는 절연층(도시되지 않음이 개재될 수 있는데, 이 경우에 코어-쉘 나노와이어(30)는 전체적으로 p-i-n 반도체 구조체로 형성된다.In addition, an insulating layer (not shown) may be interposed between the core part 31 and the shell part 33 of the core-shell nanowire 30, in which case the core-shell nanowire 30 is a pin semiconductor structure as a whole. Is formed.

전술한 반도체 나노와이어(30)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 전극(20) 상에 1층으로만 적층될 수도 있고, 실시예에 따라서는 제 1 전극(20) 상에 다층으로 적층형성될 수도 있다. 후자의 경우에는 반도체 나노와이어(30)의 양단은 증대된 높이를 가지는 제 2 전극(40)에 지지되어 일정간격으로 이격되고 반도체 나노와이어(30) 사이에는 제 1 전극(20)과 동일 재질이 충전되는 것이 바람직하다.The semiconductor nanowires 30 described above may be stacked in one layer only on the first electrode 20 as shown in FIGS. 1 and 2, and in some embodiments, the multilayered nanowires 30 may be multilayered on the first electrode 20. It may also be laminated. In the latter case, both ends of the semiconductor nanowire 30 are supported by the second electrode 40 having an increased height and spaced at regular intervals, and the same material as that of the first electrode 20 is provided between the semiconductor nanowires 30. It is preferred to be filled.

전술한 코어-쉘 나노와이어(30)의 양단부에는 제 2 전극(40)이 접속되는데, 이 제 2 전극(40)은 코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)에 접속되어 코어-쉘 나노와이어(30)의 광기전력 효과에 따라 발생되는 전하 또는 정공을 용이하게 수송하기 위한 것으로, 투명한 전도성 물질이 증착되어 형성되는 투명전도층으로 형성되는 것이 바람직하다.The second electrode 40 is connected to both ends of the core-shell nanowire 30 described above, and the second electrode 40 is connected to the core portion 31 of the core-shell nanowire 30 to be connected to the core-. In order to easily transport charges or holes generated by the photovoltaic effect of the shell nanowires 30, the shell nanowires 30 may be formed of a transparent conductive layer formed by depositing a transparent conductive material.

투명한 전도성 물질의 예로는 징크옥사이드(zinc oxide, ZnO), 틴옥사이드(tin oxide, SnO) 또는 인듐틴옥사이드(indium tin oxide, ITO) 등을 들 수 있다.Examples of the transparent conductive material may include zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO), or indium tin oxide (ITO).

제 2 전극(40)이 코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)에 용이하게 접속될 수 있도록 코어-쉘 나노와이어(30)의 쉘부(35)의 단부측은 제거되어 코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)가 노출되도록 형성되는데, 이러한 쉘부(35)의 단부측은 제거를 위해서는 화학적 또는 물리적 에칭법이 적용된다.The end side of the shell portion 35 of the core-shell nanowire 30 is removed so that the second electrode 40 can be easily connected to the core portion 31 of the core-shell nanowire 30 to remove the core-shell nano. The core part 31 of the wire 30 is formed to be exposed. The end side of the shell part 35 is chemically or physically etched for removal.

전술한 제 1 전극(20)과 코어-쉘 나노와이어(30) 사이에는 버퍼층(50)이 개재되는 것이 바람직한데, 이 버퍼층(50)은 제 1 전극(20)과 코어-쉘 나노와이어(30)의 계면안전성 및 접착성을 향상시키기 위해 적용되는 것으로, 예를 들어 PEDOT:PSS(poly(3,4,-ethylene dioxythiophene)) 등과 같은 재질로 적층형성되며 특히 코어-쉘 나노와이어(30)의 안착을 위해 코어-쉘 나노와이어(30)의 측면을 둘러싸도록 코어-쉘 나노와이어(30)의 적층부분에 반원형 홈이 형성되는 것이 바람직하다.Preferably, a buffer layer 50 is interposed between the first electrode 20 and the core-shell nanowire 30. The buffer layer 50 includes the first electrode 20 and the core-shell nanowire 30. It is applied to improve the interfacial safety and adhesion of the), for example, PEDOT: PSS (poly (3,4, -ethylene dioxythiophene)) and the like is laminated to a material, in particular of the core-shell nanowire (30) Semi-circular grooves are preferably formed in the stacked portion of the core-shell nanowires 30 so as to surround the sides of the core-shell nanowires 30 for seating.

이하, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지(1)의 제조과정을 예를 들어 설명하면 다음과 같다:Hereinafter, the manufacturing process of the solar cell 1 using the core-shell nanowires according to the present invention will be described by way of example.

코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)를 n형 반도체로 제조하고 코어-쉘 나노와이어(30)의 쉘부(33)를 p형 반도체로 제조한다. 실시예에 따라서는 이와 반대구조로 코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)를 p형 반도체로 제조하고 코어-쉘 나노와이어(30)의 쉘부(33)를 n형 반도체로 제조할 수도 있다. 또한 코어-쉘 나노와이어(30)의 코어부(31)와 쉘부(33) 사이에는 절연층이 개재되어 전체적으로 p-i-n 반도체 구조체로도 제조될 수 있다. 제조된 코어-쉘 나노와이어(30)를 일정크기로 분류한 후 나노와이어보다 밀도가 작은 용매에 분산시킨 후, 랑뮤어-블로젯(Langmuir-Blodgett)장치 등을 사용하여 정렬한 다음, 제 1 전극(20)이 형성된 인듐틴옥사이드(ITO; Indium Tin Oxide) 재질의 기판(10) 상에 전사시킨다. 이 때 제 1 전극(20)과 코어-쉘 나노와이어(30)의 계면 및 접착성을 향상시키기 위해 예를 들어 PEDOT:PSS(poly(3,4,-ethylene dioxythiophene)) 재질의 버퍼층(50)을 먼저 제 1 전극(20) 상에 형성할 수도 있다. 이 때 버퍼층(50)은 코어-쉘 나노와이어(30)의 측면을 둘러싸는 것이 바람직하다. 정렬된 코어-쉘 나노와이어(30)의 양단부의 쉘부(33)을 제거하기 위해 마스크를 형성한 후 화학적 또는 물리적 에칭법으로 쉘부(33)을 제거한 후 코어부(31)가 노출되도록 한다. 코어-쉘 나노와이어(30)의 측면에 전극마스크를 통해 제 2 전극(40)을 형성하면 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지(1)의 제조가 완료된다.The core portion 31 of the core-shell nanowire 30 is made of n-type semiconductor, and the shell portion 33 of the core-shell nanowire 30 is made of p-type semiconductor. In some embodiments, the core part 31 of the core-shell nanowire 30 may be made of a p-type semiconductor, and the shell part 33 of the core-shell nanowire 30 may be made of an n-type semiconductor. It may be. In addition, an insulating layer may be interposed between the core part 31 and the shell part 33 of the core-shell nanowire 30 to be manufactured as a p-i-n semiconductor structure as a whole. The prepared core-shell nanowires 30 are sorted to a certain size and then dispersed in a solvent having a density less than that of the nanowires, and then aligned using a Langmuir-Blodgett apparatus, and the like. The electrode 20 is transferred onto the substrate 10 made of indium tin oxide (ITO). In this case, in order to improve the interface and adhesion between the first electrode 20 and the core-shell nanowire 30, for example, a buffer layer 50 made of PEDOT: PSS (poly (3,4, -ethylene dioxythiophene)) material May be first formed on the first electrode 20. At this time, the buffer layer 50 preferably surrounds the side surface of the core-shell nanowire 30. A mask is formed to remove the shell portions 33 at both ends of the aligned core-shell nanowires 30, and then the core portions 31 are exposed after the shell portions 33 are removed by chemical or physical etching. When the second electrode 40 is formed on the side of the core-shell nanowire 30 through an electrode mask, the manufacturing of the solar cell 1 using the core-shell nanowire according to the present invention is completed.

특히 코어-쉘 나노와이어(30)는 이온주입 등의 도핑을 통해 p형 반도체/N형 반도체를 형성하는 동종접합방식(homo junction type), 용액공정에 의해 예를 들어 ZnO/CuO를 형성하는 헤테로정션방식(hetero junction type), 용액공정에 의해 P3HT/풀러렌(fullerene)의 유기물을 형성하는 방식, P3HT/ZnO를 형성하는 하이브리드 방식 등 다양한 방식으로 제조될 수 있다.In particular, the core-shell nanowire 30 is a homo junction type in which a p-type semiconductor / N-type semiconductor is formed through doping such as ion implantation, and a hetero, for example, ZnO / CuO is formed by a solution process. Heterojunction method (hetero junction type), a method of forming a P3HT / fullerene organic material by a solution process, can be produced in a variety of ways, such as a hybrid method of forming P3HT / ZnO.

예를 들어 P3HT/풀러렌(fullerene)의 이종접합방식의 코어-쉘 나노와이어(30)를 제조하는 방법으로는, 풀러렌 분말(fullerene powder)을 예를 들어 m-크실렌(m-xylene)과 같은 용매에 과량으로 녹인 후, 유리기판 상에 떨어뜨리고 서서히 증발시키거나, 풀러렌(fullerene) 용액에 알코올류를 넣고 섞은 후 일정시간이 경과한 다음 풀러렌 나노와이어의 침전이 발생되면 풀러렌 나노와이어를 원심분리기를 통해 직경이 작은 나노와이어를 분리 후 건조시킨 다음, 다시 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol)에 분산시킨 후, P3HT를 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene)에 녹인 용매에 풀러렌 나노와이어 분산액을 첨가시켜 풀러렌 나노와이어 표면에 P3HT의 침전이 생성되어 쉘부(33)를 형성하는 방법이 사용된다.For example, as a method for producing the hetero-junction core-shell nanowire 30 of P3HT / fullerene, fullerene powder is a solvent such as m-xylene, for example. After dissolving in excess, drop on glass substrate and evaporate slowly, or add alcohol to fullerene solution and mix, and after a certain time and precipitate fullerene nanowires, centrifuge the fullerene nanowires. After separating and drying the nanowires having a smaller diameter, and then dispersing them in isopropyl alcohol, the fullerene nanowire dispersion solution was dissolved in a solvent in which P3HT was dissolved in 1,2-dichlorobenzene. A method of forming the shell portion 33 by the addition of precipitates of P3HT on the surface of the fullerene nanowires is used.

따라서, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지(1)의 경우에는, 미리 제조된 코어-쉘 나노와이어(30)를 제 1 전극(20)이 적층된 기판(10)에 평행하게 적층한 후 제 2 전극(40)을 형성하면 되므로 기판의 종류에 상관없이 손쉽게 고효율의 태양전지를 제조할 수 있으며, 특히 코어-쉘 나노와이어(30)가 적용됨에 따라 넓은 표면적에 의한 광흡수증가, 엑시톤 분리 및 생성된 전하의 추출용이 등과 같은 코어-쉘 나노와이어(30)의 장점이 그대로 제공될 수 있다. Therefore, in the case of the solar cell 1 using the core-shell nanowire according to the present invention, the pre-fabricated core-shell nanowire 30 is parallel to the substrate 10 on which the first electrode 20 is stacked. Since the second electrode 40 is formed after lamination, a high efficiency solar cell can be easily manufactured regardless of the type of substrate. In particular, as the core-shell nanowire 30 is applied, light absorption increases due to a large surface area. The advantages of the core-shell nanowires 30, such as exciton separation and ease of extraction of the generated charge, can be provided as is.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지(1)의 경우에는, 코어-쉘 나노와이어(30)를 제 1 전극(20)이 적층된 기판(10)에에 일정간격으로 평행하게 정렬됨에 따라 포토닉크리스탈 효과에 의한 광흡수 증가효과까지 부가적으로 제공될 수 있다.In addition, in the case of the solar cell 1 using the core-shell nanowire according to the present invention, the core-shell nanowire 30 is parallel to the substrate 10 on which the first electrode 20 is laminated at a predetermined interval. In this way, the light absorption increase effect by the photonic crystal effect may be additionally provided.

1 : 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지
10 : 기판
20 : 제 1 전극
30 : 코어-쉘 나노와이어
31 : 코어부
33 : 쉘부
40 : 제 2 전극
50 : 버퍼층1: solar cell using core-shell nanowires according to the present invention
10: substrate
20: first electrode
30: core-shell nanowire
31: core part
33: shell portion
40: second electrode
50: buffer layer

Claims (10)

기판;
상기 기판 상에 적층되는 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 수평으로 평행하게 적층되고 코어부의 둘레에 쉘부가 둘러싸여지는 p-n 접합 반도체 구조체로 형성되는 코어-쉘 나노와이어; 및
상기 코어-쉘 나노와이어의 양단부에서 코어-쉘 나노와이어의 코어부에 접속되는 제 2 전극을 포함하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지.Board;
A first electrode stacked on the substrate;
A core-shell nanowire formed of a pn junction semiconductor structure stacked horizontally and parallel on the first electrode and surrounded by a shell portion around the core portion; And
A solar cell using a core-shell nanowire comprising a second electrode connected to a core portion of a core-shell nanowire at both ends of the core-shell nanowire. 제 1항에 있어서,
상기 코어-쉘 나노와이어의 코어부는 n형 반도체로 형성되고 상기 코어-쉘 나노와이어의 쉘부는 p형 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지.The method of claim 1,
The core part of the core-shell nanowires is formed of an n-type semiconductor and the shell part of the core-shell nanowires is formed of a p-type semiconductor solar cell using a core-shell nanowires. 제 1항에 있어서,
상기 코어-쉘 나노와이어의 코어부는 p형 반도체로 형성되고 상기 코어-쉘 나노와이어의 쉘부는 n형 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지.The method of claim 1,
The core part of the core-shell nanowire is formed of a p-type semiconductor and the shell part of the core-shell nanowire is formed of an n-type semiconductor solar cell using a core-shell nanowire. 제 1항에 있어서,
상기 코어-쉘 나노와이어의 코어부와 쉘부 사이에는 절연층이 개재되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지.The method of claim 1,
A solar cell using a core-shell nanowire, characterized in that an insulating layer is interposed between the core portion and the shell portion of the core-shell nanowire. 제 1항에 있어서,
상기 코어-쉘 나노와이어를 형성하는 p-n 접합 반도체 구조체는, Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In2Se3, In2Te3, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi2S3, Cu2S, MoSe2, WSe2, SiOx, TiO2, Cu2O, CuO, GaN 및 ZnO 중에서 선택된 1종 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지.The method of claim 1,
The pn junction semiconductor structure forming the core-shell nanowire is Si, Ge, GaAs, GaP, AlSb, InP, In 2 Se 3 , In 2 Te 3 , CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi 2 S 3 , Cu 2 S, MoSe 2 , WSe 2 , SiOx, TiO 2 , Cu 2 O, CuO, GaN and ZnO is a solar cell using a core-shell nanowire, characterized in that formed from at least one. 제 1항에 있어서,
상기 코어-쉘 나노와이어를 형성하는 p-n 접합 반도체 구조체는, 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리포스파젠(polyphosphazene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리설퍼니트라이드(poly(sulfur nitride)), 폴리페닐렌비닐렌(poly(p-phenylenevinylene)) 및 폴리비닐카바졸(poly(N-vinylcarbazole)) 중에서 선택된 1종 이상의 전도성고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지. The method of claim 1,
The pn junction semiconductor structure forming the core-shell nanowires may be formed of polyethylene oxide, polyphosphazene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polythiophene. Phenylene, polyacetylene, polysulfurnitride, poly (p-phenylenevinylene) and polyvinylcarbazole (poly (N-vinylcarbazole)) Solar cell using a core-shell nanowire, characterized in that formed of at least one conductive polymer selected from. 제 1항에 있어서,
상기 코어-쉘 나노와이어를 형성하는 p-n 접합 반도체 구조체는, 그래핀(graphene), 풀러렌(fullerene), 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브 묶음(bundle) 중에서 선택된 1종 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지.The method of claim 1,
The pn junction semiconductor structure forming the core-shell nanowires may include graphene, fullerene, single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and bundles of carbon nanotubes. Solar cell using a core-shell nanowire, characterized in that formed in at least one selected from. 제 1항에 있어서,
상기 코어-쉘 나노와이어의 쉘부의 단부측은 제거되어 상기 제 2 전극이 상기 코어-쉘 나노와이어의 코어부에 접속되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지.The method of claim 1,
The end side of the shell portion of the core-shell nanowire is removed so that the second electrode is connected to the core portion of the core-shell nanowire. 제 1항에 있어서,
상기 반도체 나노와이어는 1층 또는 다층으로 적층형성되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지.The method of claim 1,
The semiconductor nanowire is a solar cell using a core-shell nanowire, characterized in that formed in one layer or multilayered. 제 1항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 코어-쉘 나노와이어 사이에 개재되고 상기 코어-쉘 나노와이어의 안착을 위해 상기 코어-쉘 나노와이어의 측면을 둘러싸는 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노와이어를 이용한 태양전지.The method of claim 1,
A core-shell nanowire further comprising a buffer layer interposed between the first electrode and the core-shell nanowire and surrounding a side surface of the core-shell nanowire for settlement of the core-shell nanowire. Solar cell using.
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