KR20140075116A - 광 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

광 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 하이브리드 발전기는, 복수의 나노와이어를 포함하는 태양전지와, 상기 태양전지 상에 마련되는 것으로 상기 나노와이어들 사이에 마련되는 압전 나노구조체를 포함하는 압전 발전기를 구비한다.

Description

광 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 제조방법{Hybrid generator using photovoltaic generation and piezoelectric generation and method of manufacturing the same}
발전기에 관한 것으로, 상세하게는 광 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에는 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 기술이 이슈화로 떠오르고 있다. 이러한 에너지를 하베스팅 하는 소자들은 주변 환경에 존재하는 진동이나 인간의 움직임으로 발생되는 기계적 에너지나 또는 태양광 에너지 등을 전기 에너지로 변환하여 추출할 수 있는 새로운 친환경 에너지 발전소자라 할 수 있다. 그리고, 최근에는 나노기술의 발달로 인해 주변 환경으로부터 전기 에너지를 하베스팅할 수 있는 나노 발전시스템에 대한 연구도 진행되고 있다.
광 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 제조방법을 제공한다.
일 측면에 있어서,
제1 전극;
상기 제1 전극의 일면 상에 마련되는 것으로, 복수의 제1 나노와이어를 포함하는 제1 반도체층;
상기 제1 나노와이어들이 형성된 제1 반도체층 상에 마련되어 p-n 접합(p-n junction)을 형성하는 제2 반도체층;
상기 제2 반도체층 상에 마련되는 제2 전극;
상기 제2 전극 상에 마련되는 제1 압전체층; 및
상기 제1 압전체층 상에 마련되는 제3 전극;을 포함하는 하이브리드 발전기가 제공된다.
상기 제1 압전체층은 상기 제1 나노와이어들 사이의 공간을 채우도록 마련된 제1 압전 나노구조체를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 반도체층은 각각 p형 및 n형 반도체층이 되거나 또는 각각 n형 및 p형 반도체층이 될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 반도체층은 예를 들면, Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점(Quantum Dot) 또는 유기 반도체 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 압전체층은 PVDF(polyvinylidene fluoride), ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT를 포함할 수 있다.
상기 제2 및 제3 전극은 예를 들면, ITO(Indium Tin Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), 금속 박막, 그래핀(graphene), 나노튜브(nanotube) 또는 도전성 폴리머 등과 같은 투명한 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 제3 전극은 투명하고 유연한 기판 상에 마련될 수 있다.
상기 하이브리드 발전기는, 상기 제1 전극의 타면 상에 마련되는 제2 압전체층; 및 상기 제2 압전체층 상에 마련되는 제4 전극;을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 하이브리드 발전기는, 상기 제1 전극의 타면 상에 마련되는 것으로, 복수의 제2 나노와이어를 포함하는 제3 반도체층; 상기 제2 나노와이어들이 형성된 제3 반도체층 상에 마련되어 p-n 접합을 형성하는 제4 반도체층; 상기 제4 반도체층 상에 마련되는 제4 전극; 상기 제4 전극 상에 마련되는 제2 압전체층; 및 상기 제2 압전체층 상에 마련되는 제5 전극;을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 상기 제2 압전체층은 상기 제2 나노와이어들 사이의 공간을 채우도록 마련된 제2 압전 나노구조체를 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
복수의 제1 나노와이어를 포함하는 제1 태양전지; 및
상기 제1 태양전지의 일면 상에 마련되는 것으로, 상기 제1 나노와이어들 사이에 마련되는 제1 압전 나노구조체를 포함하는 제1 압전 발전기;를 구비하는 하이브리드 발전기가 제공된다.
상기 하이브리드 발전기는, 상기 제1 태양전지의 타면 상에 마련되는 것으로, 제2 압전체층을 포함하는 제2 압전 발전기를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 하이브리드 발전기는, 상기 제1 태양전지의 타면 상에 마련되는 것으로, 복수의 제2 나노와이어를 포함하는 제2 태양전지; 및 상기 제2 태양전지 상에 마련되는 것으로, 상기 제2 나노와이어들 사이에 마련되는 제2 압전 나노구조체를 포함하는 제2 압전 발전기;를 더 포함할 수 도 있다.
다른 측면에 있어서,
반도체 기판의 상면에 식각 마스크를 마련하는 단계;
상기 식각 마스크를 이용하여 상기 반도체 기판을 소정 깊이로 식각함으로써 복수의 나노와이어를 포함하는 제1 반도체층을 형성하는 단계;
상기 나노와이어들이 형성된 제1 반도체층의 상면에 p-n 접합을 위한 제2 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제1 반도체층의 하면 및 상기 제2 반도체층의 상면에 각각 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계;
상기 제2 전극 상에 압전체층을 형성하는 단계; 및
상기 압전체층 상에 제3 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 하이브리드 발전기의 제조방법이 제공된다.
실시예에 따른 하이브리드 발전기는 태양전지와 압전 발전기가 복합된 구조를 가지고 있다. 상기 태양전지는 복수의 나노와이어를 포함함으로써 p-n 접합 면적을 증대시킬 수 있고, 외부로부터 유입된 빛의 반사율도 낮출 수 있으므로, 태양전지의 효율이 향상될 수 있다. 그리고, 상기 압전 발전기는 압전 나노구조체를 포함함으로써 진동 등과 같은 외부의 기계적인 힘에 의한 변형을 증대시킬 수 있으므로, 압전 발전기의 효율이 향상될 수 있다. 따라서, 주변 환경에 존재하는 태양광 에너지 및 기계적 에너지로부터 보다 효율적으로 전기에너지를 수확할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 도 1에 도시된 하이브리드 발전기의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a은 100dB 사운드 스피커를 구동하였을 때, 도 1에 도시된 하이브리드 발전기의 압전 발전기에서 나오는 출력 전압을 도시한 것이다.
도 7b는 초퍼(chopper)로 빛의 온-오프를 변조(modulation)했을 때, 도 1에 도시된 하이브리드 발전기의 태양전지에서 나오는 출력 전압을 도시한 것이다.
도 7c는 100dB 사운드 스피커를 구동하고 초퍼(chopper)로 빛의 온-오프를 변조(modulation)했을 때, 도 1에 도시된 하이브리드 발전기에서 나오는 출력 전압을 도시한 것이다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기를 도시한 단면도이다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기(100)를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 발전기(100)는 태양전지(110)와, 상기 태양전지(110) 상에 마련되는 압전 발전기(120)를 포함한다. 상기 태양전지(110)는 제1 전극(111)과, 상기 제1 전극(111) 상에 마련되는 제1 반도체층(113)과, 상기 제1 반도체층(113) 상에 마련되는 제2 반도체층(115)과, 상기 제2 반도체층(115) 상에 마련되는 제2 전극(150)을 포함한다. 그리고, 상기 압전 발전기(120)는 상기 제2 전극(150)과, 상기 제2 전극(150) 상에 마련되는 압전체층(123)과, 상기 압전체층 상에 마련되는 제3 전극(121)을 포함한다. 여기서, 상기 제2 전극(150)은 태양전지(110)의 상부 전극인 동시에 압전 발전기(120)의 하부 전극이 될 수 있다.
상기 제1 전극(111)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(111)은 예를 들면, 금속, 도전성 폴리머, 그래핀(graphene), 나노튜브(nanotube), ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ZTO(Zinc Tin Oxide) 등을 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반도체층(113)은 제1 전극(111) 상에 마련되며, 복수의 나노와이어(113a)를 포함한다. 상기 나노와이어들(113a)은 제1 전극(111)에 대해 수직 또는 경사지게 마련되어 제1 반도체층(113)의 상부를 형성한다. 상기 제1 반도체층(113)은 p형 반도체층 또는 n형 반도체층이 될 수 있다. 이러한 제1 반도체층(113)은 예를 들면, Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점(Quantum Dot) 또는 유기 반도체 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적인 예로서, 제1 반도체층(113)은 실리콘, GaN 또는 GaAs 등을 포함할 수 있다. 상기 나노와이어들(113a)의 직경은 예를 들면 대략 100nm ~ 500nm 정도가 될 수 있으며, 상기 나노와이어들(113a)의 높이는 대략 500nm ~ 3㎛ 정도가 될 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것으로, 이외에도 나노와이어들(113a)의 직경 및 높이는 다양하게 변형될 수 있다. 그리고, 상기 나노와이어들(113a) 사이의 간격은 대략 100nm ~ 800nm 정도가 될 수 있지만, 이는 예시적인 것으로, 나노와이어들(113a) 사이의 간격도 다양하게 변형될 수 있다.
제1 반도체층(113) 상에는 제2 반도체층(115)이 마련되어 있다. 상기 제2 반도체층(115)은 나노와이어들(113a)이 형성된 제1 반도체층(113)의 상면 상에 마련되어 제1 반도체층(113)과의 사이에 p-n 접합을 형성한다. 제2 반도체층(115)은 n형 또는 p형 반도체층이 될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 반도체층(113)이 p형 반도체층인 경우에는 제2 반도체층(115)은 n형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제1 반도체층(113)이 p형 반도체층인 경우에는 제2 반도체층(115)은 n형 반도체층이 될 수 있다. 이러한 제2 반도체층(115)은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점(Quantum Dot) 또는 유기 반도체 등을 포함할 수 있다.
제2 반도체층(115) 상에는 제2 전극(150)이 마련되어 있다. 상기 제2 전극(150)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 제2 전극(150)은 예를 들면 ITO, ZTO, 금속 박막, 그래핀, 나노튜브 또는 도전성 폴리머 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 제2 전극(150)은 예를 들면 대략 100nm ~ 300nm 정도의 두께를 가질 수 있다. 그리고, 제2 전극(150) 상에는 압전체층(123)이 마련되어 있다. 상기 압전체층(123)은 나노와이어들(113a) 사이의 공간을 채우도록 제2 전극(150) 상에 마련될 수 있다. 이에 따라, 압전체층(123)은 나노와이어들(113a) 사이에 마련된 압전 나노구조체(123a)를 포함할 수 있다. 이러한 압전 나노구조체(123a)는 압전체층(123)의 하부를 형성한다. 상기 압전체층(123)은 예를 들면 PVDF(polyvinylidene fluoride) 등과 같은 압전 폴리머를 포함할 수 있다. 또한, 상기 압전체층(123)은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT(lead zirconate titanate) 등을 포함할 수 있으며, 이외에도 다양한 압전 물질을 포함할 수 있다. 이러한 압전체층(123)은 예를 들면 대략 1㎛ ~ 5㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
압전체층(123) 상에는 제3 전극(121)이 마련되어 있다. 제3 전극(121)은 제2 전극(150)과 마찬가지로, 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제3 전극(121)은 예를 들면 ITO, ZTO, 금속 박막, 그래핀, 나노튜브 또는 도전성 폴리머 등을 포함할 수 있다. 또한, 제3 전극(121)은 투명하고 유연한 기판(124) 상에 마련될 수도 있다. 이러한 기판(124)은 외부의 진동을 잘 흡수하기 위한 것으로, 예를 들면 PET(polyethylene terephthalate) 또는 PES(polyether sulfone) 등과 같은 플라스틱 재질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 하이브리드 발전기(100)는 태양전지(110)와 압전 발전기(120)가 복합된 구조를 가지고 있다. 여기서, 태양전지(110)는 복수의 나노와이어(113a)를 포함함으로써 p-n 접합 면적을 증대시킬 수 있고, 외부로부터 유입된 빛의 반사율도 낮출 수 있으므로, 태양전지(110)의 효율이 향상될 수 있다. 또한, 압전 발전기(120)는 나노와이어들(113a) 사이를 채우는 압전 나노구조체(123a)를 포함함으로써 진동 등에 의한 변형을 증대시킬 수 있으므로, 압전 발전기(120)의 효율이 향상될 수 있다. 따라서, 주변 환경에 존재하는 태양광 에너지 및 기계적 에너지로부터 효율적으로 전기에너지를 수확할 수 있다.
도 2 내지 도 6은 도 1에 도시된 하이브리드 발전기(100)의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(113')을 준비한다. 여기서, 반도체 기판(113')은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점(Quantum Dot) 또는 유기 반도체 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 반도체 기판(113')은 실리콘, GaN 또는 GaAs 등을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 반도체 기판(113')은 p형 또는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 반도체 기판(113')으로 p형 불순물이 도핑된 폴리 실리콘 기판이 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 반도체 기판(113')의 상면에 식각마스크(140)를 형성한다. 상기 반도체 기판(113')이 실리콘 기판인 경우, 상기 식각마스크(140)는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 식각마스크(140)는 예를 들면, 다음과 같은 방법을 형성될 수 있다. 먼저, 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(113')의 상면을 열산화시켜 실리콘 산화물층을 형성한다. 이어서, 상기 실리콘 산화물층을 어닐링하게 되면 응집(aggregation)에 의해 반도체 기판(113')의 상면에 실리콘 산화물로 이루어진 식각마스크(140)가 소정 형태로 형성될 수 있다. 한편, 상기 식각마스크(140)는 어닐링 공정 대신에 포토리소그라피 공정 및 식각 공정으로 이루어진 패터닝 공정에 의해 형성될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 식각마스크(140)를 통해 노출된 반도체 기판(113')을 소정 깊이로 식각한다. 상기 반도체 기판(113')은 대략 대략 500nm ~ 3㎛ 정도의 깊이로 식각될 수 있다. 이러한 반도체 기판(113')의 식각은 건식 식각, 예를 들면 플라즈마 식각을 통해 수행될 수 있다. 이에 따라, 복수의 나노와이어(113a)를 포함하는 제1 반도체층(113)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 나노와이어들(113a)은 제1 반도체층(113)의 상부를 형성할 수 있다. 상기 나노와이어들(113a)의 직경은 대략 100nm ~ 500nm 정도가 될 수 있으며, 상기 나노와이어들(113a)의 높이는 대략 500nm ~ 3㎛ 정도가 될 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것으로, 이외에도 상기 나노와이어들(113a)의 직경 및 높이는 다양하게 변형될 수 있다. 그리고, 상기 나노와이어들(113a) 사이의 간격은 대략 100nm ~ 800nm 정도가 될 수 있지만, 이러한 나노와이어들(113a) 사이의 간격도 다양하게 변형될 수 있다. 제1 반도체층(113)은 p형 또는 n형 반도체층이 될 수 있다. 이어서, 나노와이어들(113a)의 상면에 남아 있는 식각마스크(140)를 제거한다.
도 5를 참조하면, 나노와이어들(113a)의 형성된 제1 반도체층(113)의 상면에 p-n 접합을 위한 제2 반도체층(115)을 형성한다. 여기서, 제2 반도체층(115)은 제1 반도체층(113)의 표면에 예를 들면, 도핑 공정이나 또는 어닐링 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 한편, 상기 제2 반도체층(115)은 제1 반도체층(113)의 상면에 소정 반도체 물질을 증착함으로써 형성될 수도 있다. 이러한 제2 반도체층(115)은 n형 또는 p형 반도체층이 될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 반도체층(113)이 p형 반도체층인 경우에는 제2 반도체층(115)은 n형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제1 반도체층(113)이 p형 반도체층인 경우에는 제2 반도체층(115)은 n형 반도체층이 될 수 있다. 이러한 제2 반도체층(115)은 예를 들면, Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점(Quantum Dot) 또는 유기 반도체 등을 포함할 수 있다.
제1 반도체층(113)의 하면 및 제2 반도체층(115)의 상면에 각각 제1 및 제2 전극(111,150)을 형성한다. 상기 제1 전극(111)은 제1 반도체층(113)의 하면에 도전성 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(111)은 금속, 도전성 폴리머, ITO, ZTO, 그래핀 또는 나노튜브 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 상기 제2 전극(150)은 제2 반도체층(115)의 상면에 투명한 도전성 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(150)은 예를 들면, ITO, ZTO, 금속 박막, 그래핀, 나노튜브 또는 도전성 폴리머 등을 포함할 수 있다. 이러한 제2 전극(150)은 예를 들면, 대략 100nm ~ 300nm 정도의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(150) 및 제2 반도체층(115)이 형성된 나노와이어들(113a) 사이는 나노 공간(113b)을 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2 전극(150) 상에 압전체층(123)을 형성한다. 여기서, 상기 압전체층(123)은 나노와이어들(113a)을 매립하도록 제2 전극(150) 상에 압전 물질을 도포함으로써 형성될 수 있다. 이에 따라, 나노와이어들(113a) 사이의 나노 공간(113b)이 압전 물질로 채워짐으로써 압전 나노구조체(123a)가 형성될 수 있다. 상기 압전체층(123)은 PVDF 등과 같은 압전 폴리머를 제2 전극(150) 상에 예를 들면, 스핀 코팅을 통해 도포함으로써 형성될 수 있다. 한편, 상기 압전체층(123)은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT 등을 포함할 수 있으며, 다른 다양한 압전 물질을 포함할 수 있다. 이러한 압전체층(123)은 예를 들면 대략 1㎛ ~ 5㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 압전체층(123) 상에 제3 전극(121)을 형성한다. 제3 전극(121)은 투명한 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제3 전극(121)은 ITO, ZTO, 금속 박막, 그래핀, 나노튜브 또는 도전성 폴리머 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제3 전극(121)은 예를 들면, PET 또는 PES 등을 포함하는 투명하고 유연한 기판(124) 상에 마련될 수 있다. 이러한 투명하고 유연한 기판(124) 상에 마련된 제3 전극(121)을 압전체층(123)의 상면에 부착할 수 있다.
도 7a은 100dB 사운드 스피커를 구동하였을 때, 도 1에 도시된 하이브리드 발전기(100)의 압전 발전기(120)에서 나오는 출력 전압을 도시한 것이다. 도 7b는 초퍼(chopper)로 빛의 온-오프를 변조(modulation)했을 때, 도 1에 도시된 하이브리드 발전기(100)의 태양전지(110)에서 나오는 출력 전압을 도시한 것이다. 도 7c는 100dB 사운드 스피커를 구동하고 초퍼(chopper)로 빛의 온-오프를 변조(modulation)했을 때, 도 1에 도시된 하이브리드 발전기(100)에서 나오는 출력 전압을 도시한 것이다. 도 7a 내지 도 7c에는 반도체 물질로서 폴리 실리콘을 사용하고, 투명 전극으로서 ITO 전극을 사용하였으며, 압전 물질로서 PVDF를 사용하여 제작된 하이브리드 발전기(100)에서 나온 결과를 도시한 것이다.
도 7a를 참조하면, 외부의 진동이 하이브리드 발전기(100)에 가해진 경우에 하이브리드 발전기(100)의 압전 발전기(120)로부터 전기에너지를 수확할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 7b를 참조하면, 태양광이 하이브리드 발전기(100)에 입사된 경우에 하이브리드 발전기(100)의 태양전지(110)로부터 전기에너지를 수확할 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 도 7c를 참조하면, 외부의 진동 및 태양광이 하이브리드 발전기(100)에 입력되면 압전 발전기(120) 및 태양전지(110)로부터 각각 발생되는 전기에너지들을 모두 수확할 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기(200)를 도시한 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 하이브리드 발전기(200)는 태양전지(210)와, 상기 태양전지(210)의 상부에 마련되는 제1 압전 발전기(220)와, 상기 태양전지(210)의 하부에 마련되는 제2 압전 발전기(230)를 포함한다. 상기 태양전지(210)는 제1 전극(211)과, 상기 제1 전극(211)의 상면에 마련되는 제1 반도체층(213)과, 상기 제1 반도체층(213)의 상면에 마련되는 제2 반도체층(215)과, 상기 제2 반도체층(215)의 상면에 마련되는 제2 전극(250)을 포함한다. 상기 제1 압전 발전기(220)는 상기 제2 전극(250)과, 제2 전극(250)의 상면에 마련되는 제1 압전체층(223)과, 상기 제1 압전체층(223)의 상면에 마련되는 제3 전극(221)을 포함한다. 여기서, 상기 제2 전극(250)은 태양전지(210)의 상부 전극인 동시에 제1 압전 발전기(220)의 하부 전극이 될 수 있다. 상기 제2 압전 발전기(230)는 상기 제1 전극(211)과, 상기 제1 전극(211)의 하면에 마련되는 제2 압전체층(233)과, 상기 제2 압전체층(233)의 하면에 마련되는 제4 전극(231)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 전극(211)은 태양전지(210)의 하부 전극인 동시에 제2 압전 발전기(230)의 상부 전극이 될 수 있다.
상기 제1 전극(211)은 예를 들면, 금속, 도전성 폴리머, 그래핀, 나노튜브, ITO 또는 ZTO 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 제1 전극(211)의 상면에 마련되는 제1 반도체층(213)은 복수의 나노와이어(213a)를 포함한다. 상기 나노와이어들(213a)은 제1 반도체층(213)의 상부를 형성한다. 상기 제1 반도체층(213)은 p형 반도체층 또는 n형 반도체층이 될 수 있다. 이러한 제1 반도체층(213)은 예를 들면, Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점 또는 유기 반도체 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 반도체층(213) 상에는 제2 반도체층(215)이 마련되어 있으며, 이러한 제2 반도체층(215)은 나노와이어들(213a)이 형성된 제1 반도체층(213)의 상면 상에 마련되어 p-n 접합을 형성한다. 제2 반도체층(215)은 n형 또는 p형 반도체층이 될 수 있다.
상기 제2 반도체층(215) 상에는 제2 전극(250)이 마련되어 있다. 상기 제2 전극(250)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제2 전극(250)은 예를 들면 ITO, ZTO, 금속 박막, 그래핀, 나노튜브 또는 도전성 폴리머 등을 포함할 수 있다. 상기 제2 전극(250) 상에는 압전체층(223)이 마련되어 있다. 상기 압전체층(233)은 나노와이어들(213a) 사이의 공간을 채우도록 제2 반도체층(215) 상에 마련될 수 있다. 상기 압전체층(223)은 나노와이어들(213a) 사이에 마련된 압전 나노구조체(223a)를 포함할 수 있다. 상기 압전체층(223)은 예를 들면 PVDF 등과 같은 압전 폴리머를, ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 압전체층(223) 상에는 제3 전극(221)이 마련되어 있다. 상기 제3 전극(221)은 제2 전극(250)과 마찬가지로, 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제3 전극(221)은 투명하고 유연한 제1 기판(224) 상에 마련될 수도 있다. 제1 기판(224)은 예를 들면 PET 또는 PES 등과 같은 플라스틱 재질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(211)의 하면에는 제2 압전체층(233)이 마련되어 있다. 상기 제2 압전체층(233)은 제1 압전체층(223)과 마찬가지로, 예를 들면 PVDF 등과 같은 압전 폴리머, ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT 등을 포함할 수 있다. 상기 제2 압전체층(233)의 하면에는 제4 전극(231)이 마련되어 있다. 상기 제4 전극(231)은 예를 들면, 금속, 도전성 폴리머, 그래핀, 나노튜브, ITO 또는 ZTO 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제4 전극(231)은 투명하고 유연한 제2 기판(234) 상에 마련될 수도 있다. 본 실시예에 따른 하이브리드 발전기(200)는 태양전지(210)와, 상기 태양전지(210)의 상부 및 하부에 마련된 제1 및 제2 압전 발전기(220,230)를 포함함으로써 보다 효율적으로 전기에너지를 수확할 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기(300)를 도시한 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 9를 참조하면, 하이브리드 발전기(300)는 제1 태양전지(310)와, 상기 제1 태양전지(310)의 상부에 마련되는 제1 압전 발전기(320)와, 상기 제1 태양전지(310)의 하부에 마련되는 제2 태양전지(330)와, 상기 제2 태양전지(330)의 하부에 마련되는 제2 압전 발전기(340)를 포함한다. 상기 제1 태양전지(310)는 제1 전극(311)과, 상기 제1 전극(311)의 상면에 마련되는 제1 반도체층(313)과, 상기 제1 반도체층(313)의 상면에 마련되는 제2 반도체층(315)과, 상기 제2 반도체층(315)의 상면에 마련되는 제2 전극(350)을 포함한다. 상기 제1 압전 발전기(320)는 상기 제2 전극(350)과, 제2 전극(350)의 상면에 마련되는 제1 압전체층(323)과, 제1 압전체층(323)의 상면에 마련되는 제3 전극(321)을 포함한다. 여기서, 상기 제2 전극(350)은 제1 태양전지(310)의 상부 전극인 동시에 제1 압전 발전기(320)의 하부 전극이 될 수 있다. 상기 제2 태양전지(330)는 상기 제1 전극(311)과, 제1 전극(311)의 하면에 마련되는 제3 반도체층(333)과, 상기 제3 반도체층(333)의 하면에 마련되는 제4 반도체층(335)과, 제4 반도체층(335)의 하면에 마련되는 제4 전극(360)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 전극(311)은 제1 태양전지(310)의 하부 전극인 동시에 제2 태양전지(330)의 상부 전극이 될 수 있다. 상기 제2 압전 발전기(340)는 상기 제4 전극(360)과, 상기 제4 전극(360)의 하면에 마련되는 제2 압전체층(343)과, 제2 압전체층(343)의 하면에 마련되는 제5 전극(341)을 포함한다. 여기서, 상기 제4 전극(360)은 제2 태양전지(330)의 하부 전극인 동시에 제2 압전 발전기(340)의 상부 전극이 될 수 있다.
상기 제1 전극(311)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 제1 반도체층(313)은 제1 전극(311)의 상면에 마련되며, 복수의 제1 나노와이어(313a)를 포함한다. 이러한 제1 반도체층(313)은 p형 반도체층 또는 n형 반도체층이 될 수 있다. 제1 반도체층(313)은 예를 들면, Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점 또는 유기 반도체 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반도체층(313) 상에는 제2 반도체층(315)이 마련되어 있다. 상기 제2 반도체층(315)은 제1 나노와이어들(313a)이 형성된 제1 반도체층(313)의 상면에 마련되어 p-n 접합을 형성한다. 이러한 제2 반도체층(315)은 n형 또는 p형 반도체층이 될 수 있다.
상기 제2 반도체층(315) 상에는 제2 전극(350)이 마련되어 있으며, 제2 전극(350)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제2 전극(350) 상에는 제1 압전체층(323)이 마련되어 있다. 이러한 제1 압전체층(323)은 제1 나노와이어들(313a) 사이에 마련된 제1 압전 나노구조체(323a)를 포함할 수 있다. 상기 제1 압전체층(323)은 예를 들면 PVDF 등과 같은 압전 폴리머, ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 압전체층(323) 상에는 제3 전극(321)이 마련되어 있다. 상기 제3 전극(321)은 제2 전극(350)과 마찬가지로, 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제3 전극(321)은 투명하고 유연한 제1 기판(324) 상에 마련될 수도 있다.
상기 제1 전극(311)의 하면에는 제3 반도체층(333)이 마련되어 있으며, 이러한 제3 반도체층(333)은 복수의 제2 나노와이어(333a)를 포함한다. 상기 제3 반도체층(333)은 p형 반도체층 또는 n형 반도체층이 될 수 있다. 제3 반도체층(333)은 예를 들면, Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점 또는 유기 반도체 등을 포함할 수 있다. 상기 제3 반도체층(333)의 하면에는 제4 반도체층(335)이 마련되어 있다. 상기 제4 반도체층(335)은 제2 나노와이어들(333a)이 형성된 제3 반도체층(333)의 하면에 마련되어 p-n 접합을 형성한다. 이러한 제4 반도체층(335)은 n형 또는 p형 반도체층이 될 수 있다.
상기 제4 반도체층(335)의 하면에는 제4 전극(360)이 마련되어 있다. 상기 제4 전극(360)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제4 전극(360)의 하면에는 제2 압전체층(343)이 마련되어 있다. 이러한 제2 압전체층(343)은 제2 나노와이어들(333a) 사이에 마련된 제2 압전 나노구조체(343a)를 포함할 수 있다. 상기 제2 압전체층(343)은 제1 압전체층(333)과 마찬가지로, 예를 들면 PVDF 등과 같은 압전 폴리머, ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT 등을 포함할 수 있다. 상기 제2 압전체층(343)의 하면에는 제5 전극(341)이 마련되어 있다. 상기 제5 전극(341)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있으며, 이러한 제5 전극(341)은 투명하고 유연한 제2 기판(344) 상에 마련될 수도 있다. 본 실시예에 따른 하이브리드 발전기(300)는 제1 및 제2 태양전지(310,330)와, 제1 및 제2 압전 발전기(320,340)를 포함함으로써 보다 효율적으로 전기에너지를 수확할 수 있다.
이상에서 예시적인 실시예들을 통하여 기술적 내용을 설명하였으나, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,200,300... 하이브리드 발전기 110,210... 태양전지
120... 압전 발전기 111,211,311... 제1 전극
113,213,313... 제1 반도체층 113a,213a... 나노와이어
113b... 나노공간 113'... 반도체 기판
115,215,315... 제2 반도체층 121,221,321... 제3 전극
123... 압전체층 123a,223a... 압전 나노구조체
124... 기판 140... 식각마스크
150,250,350... 제2 전극 220... 제1 압전 발전기
223,323... 제1 압전체층 224,324...제1 기판
230... 제2 압전 발전기 231,360... 제4 전극
233,343... 제2 압전체층 234,344... 제2 기판
310... 제1 태양전지 313a... 제1 나노와이어
320... 제1 압전 발전기 323a... 제1 압전 나노구조체
330... 제2 태양전지 333... 제3 반도체층
333a... 제2 나노와이어 335... 제4 반도체층
340... 제2 압전 발전기 341... 제5 전극
343a... 제2 압전 나노구조체

Claims (29)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극의 일면 상에 마련되는 것으로, 복수의 제1 나노와이어를 포함하는 제1 반도체층;
    상기 제1 나노와이어들이 형성된 제1 반도체층 상에 마련되어 p-n 접합(p-n junction)을 형성하는 제2 반도체층;
    상기 제2 반도체층 상에 마련되는 제2 전극;
    상기 제2 전극 상에 마련되는 제1 압전체층; 및
    상기 제1 압전체층 상에 마련되는 제3 전극;을 포함하는 하이브리드 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 압전체층은 상기 제1 나노와이어들 사이의 공간을 채우도록 마련된 제1 압전 나노구조체를 포함하는 하이브리드 발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체층은 각각 p형 및 n형 반도체층인 하이브리드 발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체층은 각각 n형 및 p형 반도체층인 하이브리드 발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체층은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점(Quantum Dot) 또는 유기 반도체를 포함하는 하이브리드 발전기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 압전체층은 PVDF(polyvinylidene fluoride), ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT를 포함하는 하이브리드 발전기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 전극은 투명한 도전성 물질을 포함하는 하이브리드 발전기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 전극은 ITO(Indium Tin Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), 금속 박막, 그래핀(graphene), 나노튜브(nanotube) 또는 도전성 폴리머를 포함하는 하이브리드 발전기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 전극은 투명하고 유연한 기판 상에 마련되는 하이브리드 발전기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 타면 상에 마련되는 제2 압전체층; 및
    상기 제2 압전체층 상에 마련되는 제4 전극;을 더 포함하는 하이브리드 발전기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 압전체층은 PVDF, ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT를 포함하는 하이브리드 발전기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제4 전극은 투명하고 유연한 기판 상에 마련되는 하이브리드 발전기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 타면 상에 마련되는 것으로, 복수의 제2 나노와이어를 포함하는 제3 반도체층;
    상기 제2 나노와이어들이 형성된 제3 반도체층 상에 마련되어 p-n 접합을 형성하는 제4 반도체층;
    상기 제4 반도체층 상에 마련되는 제4 전극;
    상기 제4 전극 상에 마련되는 제2 압전체층; 및
    상기 제2 압전체층 상에 마련되는 제5 전극;을 더 포함하는 하이브리드 발전기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 압전체층은 상기 제2 나노와이어들 사이의 공간을 채우도록 마련된 제2 압전 나노구조체를 포함하는 하이브리드 발전기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 압전체층은 PVDF, ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT를 포함하는 하이브리드 발전기.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제4 및 제5 전극은 투명한 도전성 물질을 포함하는 하이브리드 발전기.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제5 전극은 투명하고 유연한 기판 상에 마련되는 하이브리드 발전기.
  18. 복수의 제1 나노와이어를 포함하는 제1 태양전지; 및
    상기 제1 태양전지의 일면 상에 마련되는 것으로, 상기 제1 나노와이어들 사이에 마련되는 제1 압전 나노구조체를 포함하는 제1 압전 발전기;를 구비하는 하이브리드 발전기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 태양전지는 제1 전극과, 상기 제1 전극의 일면 상에 마련되는 것으로 상기 제1 나노와이어들을 포함하는 제1 반도체층과, 상기 제1 반도체층 상에 마련되어 p-n 접합을 형성하는 제2 반도체층과, 상기 제2 반도체층 상에 마련되는 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 압전 발전기는 상기 제2 전극과, 상기 제2 전극 상에 마련되는 것으로 상기 제1 압전 나노구조체를 포함하는 제1 압전체층과, 상기 제1 압전체층 상에 마련되는 제3 전극을 포함하는 하이브리드 발전기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 태양전지의 타면 상에 마련되는 것으로, 제2 압전체층을 포함하는 제2 압전 발전기를 더 포함하는 하이브리드 발전기.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제2 압전 발전기는 상기 제1 전극과, 상기 제1 전극의 타면 상에 마련되는 상기 제2 압전체층과, 상기 제2 압전체층 상에 마련되는 제4 전극을 포함하는 하이브리드 발전기.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 태양전지의 타면 상에 마련되는 것으로, 복수의 제2 나노와이어를 포함하는 제2 태양전지; 및
    상기 제2 태양전지 상에 마련되는 것으로, 상기 제2 나노와이어들 사이에 마련되는 제2 압전 나노구조체를 포함하는 제2 압전 발전기;를 더 포함하는 하이브리드 발전기.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제2 태양전지는 제1 전극과, 상기 제1 전극의 타면 상에 마련되는 것으로 상기 제2 나노와이어들을 포함하는 제3 반도체층과, 상기 제3 반도체층 상에 마련되어 p-n 접합을 형성하는 제4 반도체층과, 상기 제4 반도체층 상에 마련되는 제4 전극을 포함하고,
    상기 제2 압전 발전기는 상기 제4 전극과, 상기 제4 전극 상에 마련되는 것으로 상기 제2 압전 나노구조체를 포함하는 제2 압전체층과, 상기 제2 압전체층 상에 마련되는 제5 전극을 포함하는 하이브리드 발전기.
  24. 반도체 기판의 상면에 식각 마스크를 마련하는 단계;
    상기 식각 마스크를 이용하여 상기 반도체 기판을 소정 깊이로 식각함으로써 복수의 나노와이어를 포함하는 제1 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 나노와이어들이 형성된 제1 반도체층의 상면에 p-n 접합을 위한 제2 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 반도체층의 하면 및 상기 제2 반도체층의 상면에 각각 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 전극 상에 압전체층을 형성하는 단계; 및
    상기 압전체층 상에 제3 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 하이브리드 발전기의 제조방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 양자점(Quantum Dot) 또는 유기 반도체를 포함하는 하이브리드 발전기의 제조방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 압전체층은 상기 나노와이어들 사이의 공간을 채우도록 형성되는 하이브리드 발전기의 제조방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 압전체층은 PVDF, ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3 또는 PZT를 포함하는 하이브리드 발전기의 제조방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 전극은 투명한 도전성 물질을 포함하는 하이브리드 발전기의 제조방법.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 제3 전극은 투명하고 유연한 기판 상에 마련되는 하이브리드 발전기의 제조방법.
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KR20210029399A (ko) * 2019-09-06 2021-03-16 한국해양대학교 산학협력단 에너지 하베스팅용 광압 발전 장치

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