KR20140092521A - 흡광 물질 및 상기 흡광 물질을 포함하는 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

에너지 밴드 갭이 0.8eV 이하로 제어가능하고 0.8eV에서 흡광 계수(absorption coefficient)가 2.1x105 cm-1보다 큰 흡광 물질 및 상기 흡광 물질을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.

Description

흡광 물질 및 상기 흡광 물질을 포함하는 태양 전지{LIGHT ABSORBING MATERIAL AND SOLAR CELL INCLUDING THE SAME}
흡광 물질 및 상기 흡광 물질을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 광 활성층에서 태양 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
태양 전지는 많은 전기 에너지를 생산하기 위해서, 태양 전지로 입사되는 광을 효과적으로 흡수하고, 흡수된 빛에 의해 생성된 전하를 효과적으로 수집하는 것이 중요하다. 또한 박형 태양 전지를 구현하기 위하여 두께를 줄이는 것 또한 중요하다.
일 구현예는 광 흡수를 높이고 박형 태양전지를 구현할 수 있는 흡광 물질을 제공한다.
다른 구현예는 상기 흡광 물질을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 에너지 밴드 갭이 0.8eV 이상이면서 0.8eV에서 흡광 계수(absorption coefficient)가 2.1x105 cm-1보다 큰 흡광 물질을 제공한다.
상기 흡광 물질은 RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 흡광 물질은 약 2nm 내지 500nm의 입자 반경을 가지는 반도체 결정일 수 있고, 상기 흡광 물질의 에너지 밴드 갭은 입자 반경에 따라 변할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하는 광 활성층을 포함하고, 상기 광 활성층은 에너지 밴드 갭이 약 0.8eV 이상이고 0.8eV 에서 흡광 계수가 약 2.1x105 cm-1보다 큰 흡광 물질을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
상기 흡광 물질은 RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 흡광 물질은 약 2nm 내지 500nm의 입자 반경을 가지는 반도체 나노 결정일 수 있다.
상기 태양 전지는 상기 제1 전극과 상기 광 활성층 사이 및 상기 제2 전극과 상기 광 활성층 사이 중 적어도 하나에 위치하는 보조층을 더 포함할 수 있다.
상기 광 활성층은 적어도 두 개의 광 활성층이 적층된 탠덤 구조일 수 있다.
상기 광 활성층은 입자 반경이 상이한 상기 흡광 물질을 포함하는 제1 광 활성층과 제2 광 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 활성층은 제1 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 광 활성층은 상기 제1 입자 반경보다 큰 제2 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있으며, 상기 제1 광 활성층은 상기 제2 광 활성층보다 단파장 영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 태양 전지는 상기 제1 광 활성층과 상기 제2 광 활성층 사이에 위치하는 중간연결층을 더 포함할 수 있다.
상기 광 활성층은 입자 반경이 상이한 상기 흡광 물질을 포함하는 제1 광 활성층, 제2 광 활성층 및 제3 광 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 활성층은 약 2.1eV 내지 2.5eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 광 활성층은 약 1.2eV 내지 1.6eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있고, 상기 제3 광 활성층은 약 0.8eV 내지 1.0eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 활성층은 제1 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 광 활성층은 상기 제1 입자 반경보다 큰 제2 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있고, 상기 제1 광 활성층은 상기 제2 입자 반경보다 큰 제3 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있고, 상기 제1 광 활성층, 상기 제2 광 활성층 및 상기 제3 광 활성층은 각각 단파장 영역, 중간 파장 영역 및 장파장 영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 제1 입자 반경은 약 2nm 내지 20nm이고 상기 제2 입자 반경은 약 3nm 내지 50nm이고 상기 제3 입자 반경은 약 6nm 내지 300nm일 수 있다.
상기 단파장 영역은 약 590nm 이하이고 상기 중간 파장 영역은 약 591nm 내지 1033nm이고 상기 장파장 영역은 약 1034nm 내지 약 2066nm 일 수 있다.
상기 태양 전지는 상기 제1 광 활성층과 상기 제2 광 활성층 사이 및 상기 제2 광 활성층과 상기 제3 광 활성층 사이 중 적어도 하나에 위치하는 중간연결층을 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하고 약 2nm 내지 500nm의 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함하는 광 활성층을 포함하고, 상기 흡광 물질은 RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS에서 선택된 적어도 하나의 반도체 나노 결정을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
상기 광 활성층은 입자 반경이 상이한 상기 흡광 물질을 포함하는 제1 광 활성층, 제2 광 활성층 및 제3 광 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 활성층은 약 2nm 내지 20nm의 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 광 활성층은 약 3nm 내지 50nm의 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있고, 상기 제3 광 활성층은 약 6nm 내지 300nm의 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함할 수 있다.
높은 광 흡수율을 가진 흡광 물질을 제공함으로써 단일 셀의 태양 전지 또는 탠덤 구조의 태양전지에서 광 흡수율을 높여 효율을 개선하고 박형 태양 전지를 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 2는 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 3은 또 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 4는 합성예에서 얻어진 SnTe 나노결정을 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 일 구현예에 따른 흡광 물질에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 흡광 물질은 에너지 밴드 갭이 약 0.8eV 이상이고 0.8eV에서 흡광 계수(absorption coefficient)가 약 2.1x105 cm-1보다 큰 물질이다.
상기 흡광 물질은 예컨대 I 내지 VI 주기의 원소들을 조합하여 합성된 이원소성 화합물(binary compound) 또는 삼원소성 화합물(ternary compound)일 수 있으며, 예컨대 IA족과 VA족의 화합물, VIIB족과IVA족의 화합물, VIII족과 VA족의 화합물, VIII족과 VIA족의 화합물, IIIA족과 VIA족의 화합물, IVB족과 VIA족의 화합물, 란탄족 화합물 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 흡광 물질은 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 입자 반경을 가지는 반도체 나노 결정일 수 있고, 예컨대 양자점(quantum dot)일 수 있다. 상기 흡광 물질은 재료 및 크기에 따라 에너지 밴드 갭을 조절할 수 있으며, 예컨대 입자 반경이 작을수록 에너지 밴드 갭이 커지고 입자 반경이 클수록 에너지 밴드 갭이 작아질 수 있다.
상기 흡광 물질은 벌크 수준의 흡광 물질, 예컨대 벌크 수준의 반도체 결정 중 0.8eV보다 작은 에너지 밴드 갭을 가지는 물질을 선택하고 그 중에서 약 2nm 내지 500nm의 입자 반경 내에서 0.8 eV 이상의 에너지 밴드 갭을 구현할 수 있는 물질을 선택할 수 있다.
상기 흡광 물질은 예컨대 RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS에서 선택된 적어도 하나의 반도체 나노 결정을 포함할 수 있다.
상기 흡광 물질은 예컨대 약 2nm 내지 500nm의 입자 반경을 가질 수 있으며, 상기 입자 반경의 범위 내에서 약 0.8eV 이상의 원하는 에너지 밴드 갭과 흡수 파장 영역을 가지도록 선택할 수 있다.
표 1은 벌크 수준의 반도체 결정의 에너지 밴드 갭(Eg), 흡광 계수 및 소정의 에너지 밴드 갭에 대응하는 평균 입자 반경을 보여준다.
Eg (eV) mh me 흡광계수 평균 입자반경(R, nm)
@0.8eV @1.4eV @2.3eV
RhSb3 0.80 0.10 0.01 857449.6 255.00 15.26 9.65
Li3P 0.72 0.08 0.09 576982.9 16.39 5.62 3.69
MnSi 0.80 0.07 0.13 564831.9 18.00 5.82 3.68
Cu3SbS4 0.74 0.03 0.15 479351.6 24.66 7.44 4.84
ZnSnSb2 0.40 0.04 0.02 459458.5 13.26 8.39 6.09
CsBi2 0.55 0.28 0.03 451441.9 12.19 6.61 4.61
Cu2SnSe3 0.66 0.08 0.11 421915.0 11.80 5.13 3.45
TlSe 0.57 0.54 0.10 388266.3 6.92 3.64 2.52
PtS 0.80 0.23 0.12 335633.7 13.00 4.42 2.79
CoSb3 0.63 0.03 0.28 318297.9 14.56 6.84 4.65
SmSb 0.59 0.36 0.05 310753.7 10.43 5.31 3.65
PrSb 0.66 0.08 0.14 304400.2 11.20 4.87 3.27
SnTe 0.50 0.01 0.01 275044.3 21.77 12.57 8.89
CoO 0.73 0.07 0.17 260792.6 16.69 5.39 3.52
LaSb 0.80 0.02 0.04 245626.9 31.00 10.75 6.80
Cu3SbSe4 0.31 0.40 0.02 242635.0 10.81 7.25 5.36
CeN 0.70 0.23 0.01 229900.6 39.03 14.75 9.76
여기서 벌크 수준의 반도체 결정은 약 1㎛ 이상의 입자반경을 가지는 반도체 결정을 말한다.
표 1 및 하기 관계식 1을 사용하여, 원하는 에너지 밴드 갭을 가지도록 상기 흡광 물질의 입자 반경(R)을 선택할 수 있다.
[관계식]
Figure pat00001
상기 관계식 1에서, E는 반도체 나노 결정의 에너지 밴드 갭이고, Eg는 벌크 수준의 반도체 결정의 에너지 밴드 갭이고, R은 입자 반경이고, me* 및 mh*는 반도체 나노결정의 유효 질량이다.
상기 흡광 물질은 다양한 방법으로 합성될 수 있으며, 예컨대 용해합성법(solution-phase synthesis)으로 합성될 수 있다.
일 예로, 상기 나열된 흡광 물질 중 SnTe를 용해합성법으로 합성하는 경우, Sn의 소스(source)로서 비스[비스트리메틸실릴]아미노]틴(II)(bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II))을 사용하고 텔루르(Te)의 소스로서 트리옥틸포스핀 텔루라이드(trioctylphosphine telluride)를 사용할 수 있으며, 이들을 올레일아민(oleylamine)에 공급하여 성장시킬 수 있다. 상기 흡광 물질은 반응 조건에 따라 다양한 입자 크기로 성장될 수 있으며, 예컨대 소스의 공급 온도(injection temperature), 성장 온도(growth temperature) 및 상기 올레일아민의 농도 등에 의해 입자 크기를 제어할 수 있다. 상기 소스의 공급 온도 및 성장 온도는 다른 반응 조건에 따라 달라질 수 있으나, 예컨대 약 90℃ 내지 150℃에서 수행될 수 있다.
이와 같이 반응 조건을 제어함으로써, 원하는 에너지 밴드 갭과 흡수 파장 영역을 가지도록 입자 크기를 조절할 수 있다.
이하 상기 흡광 물질을 적용한 일 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 태양 전지는 서로 마주하는 제1 전극(10)과 제2 전극(20), 그리고 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 광 활성층(30)을 포함한다.
기판(도시하지 않음)은 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20) 측에 위치할 수 있으며, 투광성 물질로 만들어질 수 있다. 상기 투광성 물질은 예컨대 유리와 같은 무기 물질 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질을 포함할 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)일 수 있다. 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있고, 상기 투광 전극 측으로 빛이 들어올 수 있다. 상기 투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 도핑된 산화아연 (indium doped ZnO, IZO), 산화주석(SnO2), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminum doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO, GZO)과 같은 도전성 산화물, 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT) 또는 그래핀(graphene)과 같은 도전성 탄소복합체 따위의 투명 도전체로 만들어질 수 있다. 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나는 불투명 전극일 수 있고, 상기 불투광 전극은 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 리튬(Li) 등의 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.
광 활성층(30)은 소정 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있는 흡광 물질을 포함하며, 상기 흡광 물질은 에너지 밴드 갭이 약 0.8eV 이상이고 약 0.8eV 에서 흡광 계수가 2.1x105 cm-1보다 큰 흡광 물질일 수 있다.
상기 흡광 물질은 예컨대 I 내지 VI 주기의 원소들을 조합하여 합성된 이원소성 화합물 또는 삼원소성 화합물일 수 있으며, 예컨대 IA족과 VA족의 화합물, VIIB족과IVA족의 화합물, VIII족과 VA족의 화합물, VIII족과 VIA족의 화합물, IIIA족과 VIA족의 화합물, IVB족과 VIA족의 화합물, 란탄족 화합물 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 흡광 물질은 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 입자 반경을 가지는 반도체 나노 결정일 수 있고, 양자점일 수 있다. 상기 흡광 물질은 재료 및 크기에 따라 에너지 밴드 갭을 조절할 수 있으며, 예컨대 입자 반경이 작을수록 에너지 밴드 갭은 커지고 입자 반경이 클수록 에너지 밴드 갭은 작아질 수 있다.
상기 흡광 물질은 벌크 수준의 흡광 물질, 예컨대 벌크 수준의 반도체 결정 중 0.8eV 보다 작은 에너지 밴드 갭을 가지는 물질을 선택하고 그 중에서 약 2nm 내지 500nm의 입자 반경 내에서 0.8 eV 이상의 에너지 밴드 갭을 구현할 수 있는 물질을 선택할 수 있다.
상기 흡광 물질은 예컨대 RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS 에서 선택된 적어도 하나의 반도체 나노 결정을 포함할 수 있다.
상기 흡광 물질은 예컨대 약 2nm 내지 500nm의 입자 반경을 가질 수 있으며, 상기 입자 반경의 범위 내에서 원하는 에너지 밴드 갭과 흡수 파장 영역을 가지도록 선택할 수 있다. 예컨대 광 활성층(30)은 약 1.3eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함함으로써 단일 셀(single cell)의 이론적 효율에 가까운 효율을 낼 수 있다. 따라서 광 활성층(30)의 흡광 계수를 높여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
한편 상기와 같이 광 활성층(30)의 흡광 계수를 높임으로써 광 활성층(30)의 두께를 얇게 형성할 수 있다. 이에 따라 광 활성층(30)은 약 1nm 내지 100nm의 두께만으로 기존의 태양 전지와 동일한 광량을 흡수할 수 있으므로, 박형 태양 전지를 구현할 수 있다.
제1 전극(10)과 광 활성층(30) 사이 및 제2 전극(20)과 광 활성층(30) 사이에는 각각 보조층(15, 25)이 위치할 수 있다. 보조층(15, 25)은 제1 전극(10)과 광 활성층(30) 사이 및 제2 전극(20)과 광 활성층(30) 사이의 전하 이동성을 높일 수 있다. 보조층(15, 25)은 예컨대 전자 주입층, 전자 전달층, 정공 주입층, 정공 전달층, 정공 차단층에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 보조층(15, 25) 중 어느 하나는 생략될 수 있으며, 경우에 따라 둘 다 생략될 수 있다.
광 활성층(30)은 적어도 두 층이 적층되어 있는 탠덤 구조(tandem structure)일 수 있다.
탠덤 구조의 태양 전지의 일 예로 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2는 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 2를 참고하면, 본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 마찬가지로 서로 마주하는 제1 전극(50)과 제2 전극(60), 그리고 제1 전극(50)과 제2 전극(60) 사이에 위치하는 광 활성층(70)을 포함한다. 광 활성층(70)은 에너지 밴드 갭이 약 0.8eV 이상이고 약 0.8eV 에서 흡광 계수가 2.1x105 cm-1보다 큰 흡광 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS 에서 선택된 적어도 하나의 반도체 나노결정을 포함할 수 있다.
그러나 전술한 구현예와 달리, 광 활성층(70)은 서로 다른 입자 크기를 가지는 흡광 물질을 포함하는 제1 광 활성층(70a)과 제2 광 활성층(70b)을 포함한다. 즉 제1 광 활성층(70a)은 제1 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있고 제2 광 활성층(70b)은 제1 입자 반경보다 큰 제2 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있으며, 이 때 제1 광 활성층(70a)은 제2 광 활성층(70b)보다 단파장 영역의 광을 흡수할 수 있다. 예컨대 제1 광 활성층(70a)은 약 3nm 내지 13nm의 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있고 제2 광 활성층(70b)은 약 4nm 내지 28nm의 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있으며, 이때 제1 광 활성층(70a)은 약 826nm 이하 영역의 광을 흡수할 수 있고 제2 광 활성층(70b)은 약 827nm 내지 1771nm 영역의 광을 흡수할 수 있다.
제1 광 활성층(70a)과 제2 광 활성층(70b) 사이에는 중간연결층(interconnection layer)(75)이 개재되어 있다.
중간연결층(75)은 제1 광 활성층(70a)의 전하들과 제2 광 활성층(70b)의 전하들의 재결합 센터(recombination center)가 될 수 있다. 중간연결층(75)은 예컨대 PEDOT:PSS과 같은 도전성 중합체, 금속, 금속 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 복수층일 수 있다. 상기 금속 산화물은 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 이리듐(Ir), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 또는 이들 조합의 산화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(50)과 제1 광 활성층(70a) 사이, 제2 전극(60)과 제2 광 활성층(70b) 사이, 제1 광 활성층(70a)과 중간연결층(75) 사이 및 제2 광 활성층(70b)과 중간연결층(75) 사이에는 각각 보조층(71, 72, 73, 74)이 위치할 수 있다. 보조층(71, 72, 73, 74)은 제1 전극(50)과 제1 광 활성층(70a) 사이, 제2 전극(60)과 제2 광 활성층(70b) 사이, 제1 광 활성층(70a)과 중간연결층(75) 사이 및 제2 광 활성층(70b)과 중간연결층(75) 사이의 전하 이동성을 높일 수 있다. 보조층(71, 72, 73, 74)은 예컨대 전자 주입층, 전자 전달층, 정공 주입층, 정공 전달층, 정공 차단층에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 보조층(71, 72, 73, 74) 중 적어도 하나는 생략될 수 있으며, 경우에 따라 모두 생략될 수 있다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 두 개의 광 활성층을 포함함으로써 흡광 파장 영역을 넓혀 광 흡수율을 높일 수 있다. 예컨대 제1 전극(50)이 태양 광을 받는 수광면인 경우, 제1 광 활성층(70a)은 단파장 영역의 빛을 흡수하고 제2 광 활성층(70b)은 장파장 영역의 빛을 흡수할 수 있다.
탠덤 구조의 태양 전지의 다른 예로 도 3을 참고하여 설명한다.
도 3은 또 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 마찬가지로 서로 마주하는 제1 전극(100)과 제2 전극(200), 그리고 제1 전극(100)과 제2 전극(200) 사이에 위치하는 광 활성층(300)을 포함한다. 광 활성층(300)은 에너지 밴드 갭이 약 0.8eV 이상이고 약 0.8eV 에서 흡광 계수가 2.1x105 cm-1보다 큰 흡광 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS에서 선택된 적어도 하나의 반도체 나노 결정을 포함할 수 있다.
그러나 전술한 구현예와 달리, 광 활성층(300)은 서로 다른 입자 크기를 가지는 흡광 물질을 포함하는 제1 광 활성층(300a), 제2 광 활성층(300b) 및 제3 광 활성층(300c)을 포함한다. 즉 제1 광 활성층(300a)은 제1 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있고 제2 광 활성층(300b)은 제1 입자 반경보다 큰 제2 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있고 제3 광 활성층(300c)은 제2 입자 반경보다 큰 제3 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있다. 이때 제1 입자 반경, 제2 입자 반경 및 제3 입자 반경은 제1 광 활성층(300a), 제2 광 활성층(300b) 및 제3 광 활성층(300c)에서 각각 흡수하는 광의 에너지 밴드 갭 및 파장 영역을 고려하여 결정될 수 있다.
예컨대 제1 광 활성층(300a)은 약 2.1eV 내지 2.5eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있고, 제2 광 활성층(300b)은 약 1.2eV 내지 1.6eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있고, 제3 광 활성층(300c)은 약 0.8eV 내지 1.0eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함할 수 있다.
또한 예컨대 제1 광 활성층(300a), 제2 광 활성층(300b) 및 제3 광 활성층(300c)은 각각 단파장 영역, 중간 파장 영역 및 장파장 영역의 광을 흡수할 수 있으며, 상기 단파장 영역은 약 590nm 이하이고 상기 중간 파장 영역은 약 591nm 내지 1033nm이고 상기 장파장 영역은 약 1034nm 내지 2066nm 일 수 있다.
상기 에너지 밴드 갭 및 흡수 파장 영역을 고려할 때, 상기 제1 입자 반경은 약 2nm 내지 20nm이고 상기 제2 입자 반경은 약 3nm 내지 50nm이고 상기 제3 입자 반경은 약 6nm 내지 300nm일 수 있으나, 구체적으로는 흡광 물질의 종류에 따라 상이할 수 있다.
예컨대 상기 표 1을 참고할 때, 광 활성층(300)이 RhSb3 반도체 결정을 포함하는 경우, 제1 광 활성층(300a), 제2 광 활성층(300b) 및 제3 광 활성층(300c)은 약 9.65nm, 약 15.26nm 및 약 255.00nm의 평균 입자반경을 가지는 RhSb3 반도체 나노 결정을 각각 포함함으로써 제1 광 활성층(300a), 제2 광 활성층(300b) 및 제3 광 활성층(300c)의 에너지 밴드 갭이 각각 약 2.3eV, 약 1.4eV 및 약 0.8eV 로 제어될 수 있고, 이에 따라 제1 광 활성층(300a), 제2 광 활성층(300b) 및 제3 광 활성층(300c)은 약 590nm 이하의 단파장 영역, 약 591nm 내지 1033nm의 중간 파장 영역 및 약 1034nm 내지 2066nm의 장파장 영역의 빛을 각각 흡수하여 약 8.6x105 cm-1 이상의 높은 흡광 계수를 달성할 수 있다.
한편 상기와 같이 광 활성층(300)의 흡광 계수를 높임으로써 광 활성층(300)의 두께를 얇게 형성할 수 있다. 이에 따라 광 활성층(300)은 약 1nm 내지 100nm의 두께만으로 기존의 태양 전지와 동일한 광량을 흡수할 수 있으므로, 박형 태양 전지를 구현할 수 있다.
제1 광 활성층(300a)과 제2 광 활성층(300b) 사이 및 제2 광 활성층(300b)과 제3 광 활성층(300c) 사이에는 각각 중간연결층(170, 270)이 개재되어 있다. 중간연결층(170)은 제1 광 활성층(300a)의 전하들과 제2 광 활성층(300b)의 전하들의 재결합 센터가 될 수 있고, 중간연결층(270)은 제2 광 활성층(300b)의 전하들과 제3 광 활성층(300c)의 전하들의 재결합 센터가 될 수 있다. 중간연결층(170, 270)은 예컨대 PEDOT:PSS와 같은 도전성 중합체, 금속, 금속 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 복수층일 수 있다. 상기 금속 산화물은 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 이리듐(Ir), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 또는 이들 조합의 산화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(100)과 제1 광 활성층(300a) 사이, 제1 광 활성층(300a)과 중간연결층(170) 사이, 중간연결층(170)과 제2 광 활성층(300b) 사이, 제2 광 활성층(300b)과 중간연결층(270) 사이, 중간연결층(270)과 제3 광 활성층(300c) 사이 및 제3 광 활성층(300c)과 제2 전극(200) 사이에는 각각 보조층(150, 160, 180, 280, 260, 250)이 위치할 수 있다. 보조층(150, 160, 180, 280, 260, 250)은 제1 전극(100)과 제1 광 활성층(300a) 사이, 제1 광 활성층(300a)과 중간연결층(170) 사이, 중간연결층(170)과 제2 광 활성층(300b) 사이, 제2 광 활성층(300b)과 중간연결층(270) 사이, 중간연결층(270)과 제3 광 활성층(300c) 사이 및 제3 광 활성층(300c)과 제2 전극(200) 사이의 전하 이동성을 높일 수 있다. 보조층(150, 160, 180, 280, 260, 250)은 예컨대 전자 주입층, 전자 전달층, 정공 주입층, 정공 전달층, 정공 차단층에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 보조층(150, 160, 180, 280, 260, 250) 중 적어도 하나는 생략될 수 있으며, 경우에 따라 모두 생략될 수 있다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 세 개의 광 활성층을 포함함으로써 흡광 파장 영역을 넓혀 광 흡수율을 높일 수 있다. 예컨대 제1 전극(100)이 태양 광을 받는 수광면인 경우, 제1 광 활성층(300a)은 단파장 영역의 빛을 흡수하고 제2 광 활성층(300b)은 중간 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있고 제3 광 활성층(300c)은 장파장 영역의 빛을 흡수할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
합성예
SnTe 나노결정의 합성
트리옥틸포스핀 25ml에 텔루르(Te) 분말 2.325mg을 공급하고 260℃에서 3시간 동안 용해하여 텔루르(Te) 용액을 준비한다. 이어서 100ml의 플라스크에 진공 건조된 올레일아민(oleylamine) 14ml를 주입하고 100℃에서 1시간 동안 탈기 및 진공 건조한다. 이어서 상기 플라스크에 상기 텔루르 용액 1ml을 공급하여 텔루르 소스를 준비한다.
또한 1-옥타데켄(1-octadecene) 6ml에 비스[비스(트리메틸실릴)아미노]틴(II)(bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II)) 0.16ml(0.4mmol)을 공급하고 90℃에서 1시간 동안 용해하여 주석(Sn) 소스를 준비한다. 이어서 상기 텔루르 소스를 180℃로 승온한 후 상기 주석 소스 6.16ml를 공급하고 격렬하게 교반하고 약 120 내지 150℃로 냉각한 후 1분 30초 후 급속 냉각하여 반응을 종료한다.
이어서 여기에 올레산(oleic acid) 3ml를 첨가하고 클로로포름/아세톤 혼합용매(1:1)를 공급한 후 원심분리에 의해 생성물을 분리한다. 분리된 생성물을 클로로포름에 분산시키고 아세톤으로 침전시켜 정제하여 SnTe 입자를 얻는다. 상기 SnTe 입자를 무극성 용매에 녹여 안정한 콜로이드 용액을 준비한다.
SnTe 나노결정 초격자(superlattice)의 준비
유리 바이알(glass vial)에 상기 콜로이드 용액을 넣고 그 안에 기판을 놓아둔다. 유리 바이알을 저압 챔버에서 60-70도 기울여 놓는다. 이어서 콜로이드 용액을 감압 하에서 약 50℃에서 용매를 제거하여 정렬된 초격자(ordered superlattice)를 형성한다.
SnTe 나노결정 초격자의 확인
합성예에서 얻어진 SnTe 나노결정을 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 확인한다.
도 4는 합성예에서 얻어진 SnTe 나노결정을 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 4를 참고하면, 합성예에서 얻어진 SnTe 나노결정은 약 7.5nm, 약 10nm 및 약 10.4nm의 크기를 가지는 것을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10, 50, 100: 제1 전극
20, 60, 200: 제2 전극
30, 70, 300: 광 활성층
15, 25, 71, 72, 73, 74, 150, 160, 180, 250, 260, 280: 보조층
75, 170, 270: 중간연결층

Claims (20)

  1. 에너지 밴드 갭이 0.8eV 이상이고 0.8eV에서 흡광 계수(absorption coefficient)가 2.1x105 cm-1보다 큰 흡광 물질.
  2. 제1항에서,
    RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS 에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 흡광 물질.
  3. 제1항에서,
    상기 흡광 물질은 2nm 내지 500nm의 입자 반경을 가지는 반도체 나노결정이고,
    상기 흡광 물질의 에너지 밴드 갭은 입자 반경에 따라 변하는 흡광 물질.
  4. 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하는 광 활성층
    을 포함하고,
    상기 광 활성층은 에너지 밴드 갭이 0.8eV 이상이고 0.8eV에서 흡광 계수가 2.1x105 cm-1보다 큰 흡광 물질을 포함하는 태양 전지.
  5. 제4항에서,
    상기 흡광 물질은 RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS 에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 태양 전지.
  6. 제4항에서,
    상기 흡광 물질은 2nm 내지 500nm의 입자 반경을 가지는 반도체 나노 결정인 태양 전지.
  7. 제4항에서,
    상기 제1 전극과 상기 광 활성층 사이 및 상기 제2 전극과 상기 광 활성층 사이 중 적어도 하나에 위치하는 보조층을 더 포함하는 태양 전지.
  8. 제4항에서,
    상기 광 활성층은 적어도 두 개의 광 활성층이 적층된 탠덤 구조인 태양 전지.
  9. 제8항에서,
    상기 광 활성층은 입자 반경이 상이한 상기 흡광 물질을 포함하는 제1 광 활성층과 제2 광 활성층을 포함하는 태양 전지.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 광 활성층은 제1 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하고,
    상기 제2 광 활성층은 상기 제1 입자 반경보다 큰 제2 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하며,
    상기 제1 광 활성층은 상기 제2 광 활성층보다 단파장 영역의 광을 흡수하는 태양 전지.
  11. 제9항에서,
    상기 제1 광 활성층과 상기 제2 광 활성층 사이에 위치하는 중간연결층을 더 포함하는 태양 전지.
  12. 제8항에서,
    상기 광 활성층은 입자 반경이 상이한 상기 흡광 물질을 포함하는 제1 광 활성층, 제2 광 활성층 및 제3 광 활성층을 포함하는 태양 전지.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 광 활성층은 2.1eV 내지 2.5eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하고,
    상기 제2 광 활성층은 1.2eV 내지 1.6eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하고,
    상기 제3 광 활성층은 0.8eV 내지 1.0eV의 에너지 밴드 갭을 나타내는 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하는
    태양 전지.
  14. 제12항에서,
    상기 제1 광 활성층은 제1 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하고,
    상기 제2 광 활성층은 상기 제1 입자 반경보다 큰 제2 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하고,
    상기 제1 광 활성층은 상기 제2 입자 반경보다 큰 제3 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하고,
    상기 제1 광 활성층, 상기 제2 광 활성층 및 상기 제3 광 활성층은 각각 단파장 영역, 중간 파장 영역 및 장파장 영역의 광을 흡수하는 태양 전지.
  15. 제13항 또는 제14항에서,
    상기 제1 입자 반경은 2nm 내지 20nm이고 상기 제2 입자 반경은 3nm 내지 50nm이고 상기 제3 입자 반경은 6nm 내지 300nm인 태양 전지.
  16. 제14항에서,
    상기 단파장 영역은 590nm이하이고 상기 중간 파장 영역은 591nm 내지 1033nm이고 상기 장파장 영역은 1034nm 내지 2066nm인 태양 전지.
  17. 제12항에서,
    상기 제1 광 활성층과 상기 제2 광 활성층 사이 및 상기 제2 광 활성층과 상기 제3 광 활성층 사이 중 적어도 하나에 위치하는 중간연결층을 더 포함하는 태양 전지.
  18. 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하고 2nm 내지 500nm의 입자 반경을 가지는 흡광 물질을 포함하는 광 활성층
    을 포함하고,
    상기 흡광 물질은 RhSb3, CeN, SnTe, LaSb, CoSb3, ZnSnSb2, CsBi2, Cu3SbSe4, MnSi, Cu2SnSe3, Cu3SbS4, SmSb, CoO, Li3P, TlSe, PrSb 및 PtS 에서 선택된 적어도 하나의 반도체 나노결정을 포함하는 태양 전지.
  19. 제18항에서,
    상기 광 활성층은 입자 반경이 상이한 상기 흡광 물질을 포함하는 제1 광 활성층, 제2 광 활성층 및 제3 광 활성층을 포함하는 태양 전지.
  20. 제18항에서,
    상기 제1 광 활성층은 2nm 내지 20nm의 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하고,
    상기 제2 광 활성층은 3nm 내지 50nm의 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하고,
    상기 제3 광 활성층은 6nm 내지 300nm의 입자 반경을 가지는 상기 흡광 물질을 포함하는 태양 전지.
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