KR20140112654A - 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
한 실시예에 따른 태양 전지는, 제1 전극, 상기 제1 전극과 떨어져 있는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광흡수층을 포함하며, 상기 광흡수층은 제1 양자점층, 제2 양자점층 및 제3 양자점층을 포함하고, 상기 제1 양자점층은 상기 제1 전극과 접촉하고, 상기 제3 양자점층은 상기 제2 전극과 접촉하고, 상기 제2 양자점층은 상기 제1 양자점층과 상기 제3 양자점층 사이에 위치하고, 상기 제1 및 제3 양자점층은 각각 리간드로 둘러싸이지 않는 제1 및 제3 양자점을 포함하며, 상기 제2 양자점층은 제2 양자점과 상기 제2 양자점을 둘러싸는 제1 리간드를 포함한다.
Description
태양 전지에 관한 것이다.
현재 인류가 사용하는 주요 에너지원은 석탄 및 석유와 같은 화석 연료이다. 그러나 화석 연료가 점점 고갈되어 가고 있을 뿐 아니라 지구 온난화나 환경 오염과 같은 문제가 야기되고 있다. 화석 연료를 대체하기 위한 대체 에너지원으로서 태양광, 조력, 풍력, 지열 등을 이용하여 환경 오염 없이 에너지를 생산하는 방법이 제안되었다.
이 중 태양광을 전기로 변환하는 태양 전지 기술 분야에서는 태양광을 전기로 효율적으로 변환하기 위해 다양한 소재 및 소자가 개발되고 있다. 그러나 태양 전지의 효율은 아직까지 원하는 수준에 미치지 못하고 있다.
발전 효율이 높은 태양 전지를 제공하고자 한다.
한 실시예에 따른 태양 전지는, 제1 전극, 상기 제1 전극과 떨어져 있는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광흡수층을 포함하며, 상기 광흡수층은 제1 양자점층, 제2 양자점층 및 제3 양자점층을 포함하고, 상기 제1 양자점층은 상기 제1 전극과 접촉하고, 상기 제3 양자점층은 상기 제2 전극과 접촉하고, 상기 제2 양자점층은 상기 제1 양자점층과 상기 제3 양자점층 사이에 위치하고, 상기 제1 및 제3 양자점층은 각각 리간드로 둘러싸이지 않는 제1 및 제3 양자점을 포함하며, 상기 제2 양자점층은 제2 양자점과 상기 제2 양자점을 둘러싸는 제1 리간드를 포함한다.
상기 제1 리간드의 두께는 3 nm 내지 6 nm일 수 있다.
상기 제1 및 제3 양자점의 크기는 상기 제2 양자점의 크기에 상기 제1 리간드의 약 절반 두께를 합한 것과 동일할 수 있다.
상기 광흡수층은 상기 제2 양자점층과 상기 제3 양자점층의 사이에 위치하는 제4 양자점층을 더 포함하며, 상기 제4 양자점층은 제4 양자점과 상기 제4 양자점을 둘러싸는 제2 리간드를 포함할 수 있다.
상기 제1 리간드와 상기 제2 리간드의 두께는 서로 다를 수 있다.
상기 제1 리간드의 두께는 3 nm 내지 6 nm이고, 상기 제2 리간드의 두께는 3 nm 이하일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 양자점은 CoSb3, SnTe, LaSb, CeN 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 리간드는 MgO, TiOx, TiON, EDT(ethanedithiol), BDT(benzenedithiol), MPA(mercaptopropionic acid) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 태양 전지는 발전 효율을 높일 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 태양광의 복사 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 태양광의 복사 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계 없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1을 참고하여 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 한 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(100)는 차례로 위치하는 제1 전극(또는 하부 전극)(120), 광흡수층(light absorption layer)(140) 및 제2 전극(또는 상부 전극)(160)을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등 수사는 설명하는 순서를 나타내는 것으로서, 동일한 구성 요소를 나타내는 것이라 할지라도 상세한 설명과 청구범위에서의 설명 순서에 따라 다른 수사가 사용될 수 있다.
제1 전극(120)은 투명한 도전 물질, 예를 들면, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide) 등을 포함할 수 있다. 제1 전극(120)은 기판(도시하지 않음) 위에 위치할 수 있다.
제2 전극(160)은 광흡수층(140) 위에 위치하며, 저항이 낮은 도전체, 예를 들면, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube), 그래핀(graphene), ITO, FTO(fluorine-doped tin oxide) 등을 포함할 수 있다.
광흡수층(140)은 제1 전극(120)과 제2 전극(160)의 사이에 위치하며, 광자를 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 광흡수층(140)은 제1 양자점층(quantum dot layer)(142), 제2 양자점층(144) 및 제3 양자점층(146)을 포함한다.
제1 및 제3 양자점층(142, 146)은 나노 입자 또는 양자점(152, 156)만을 포함하며, 제1 양자점층(142)은 제1 전극(120)과 접하고, 제3 양자점층(146)은 제2 전극(160)과 접한다. 제2 양자점층(144)은 나노 입자 또는 양자점(154)과 양자점(154)을 둘러싸는 리간드(ligand)(155)를 포함하며, 제1 양자점층(142)과 제3 양자점층(146) 사이에 위치한다. 리간드(155)는 양자점(154) 사이의 간격을 유지하고 양자점(152, 154, 156)을 고정시키는 역할을 할 수 있다.
이와 같은 구조에서는 리간드(155)가 전자의 이동 또는 도약(hopping)을 방해할 수 있으며, 이에 따라 제2 양자점층(144)의 양자점(154)에서 발생한 전자가 제2 양자점층(144) 내에서 이동할 확률보다 제1 또는 제3 양자점층(142, 146)으로 이동할 확률이 높다. 따라서 수직 방향으로의 전자의 흐름이 원활하게 이루어져 태양 전지(100)의 효율을 높일 수 있다.
리간드(155)의 두께는 약 3 nm 내지 약 6 nm일 수 있다. 리간드(155)의 두께가 약 6 nm 이상인 경우, 빛을 받은 양자점(154)에서 생성된 전자가 리간드(155) 바깥으로 도약하기 어려울 수 있다. 리간드(155)의 두께가 약 3 nm 이하인 경우, 빛을 받은 양자점(154)에서 생성된 전자가 제2 양자점층(144) 내에서 이동할 수 있으며 이에 따라 효율이 떨어질 수 있다.
제1 및 제3 양자점층(142, 146)의 양자점(152, 156)의 크기는 제2 양자점층(144)의 양자점(154)의 크기에 리간드(155)의 약 절반 두께를 합한 것과 실질적으로 동일할 수 있으며, 이와 같이 하면 양자점 구조의 균일도를 높일 수 있다. 제1 및 제3 양자점층(142, 146)의 양자점(152, 156)의 크기를 이보다 크게 하면 양자점(152, 156)끼리 서로 접촉할 가능성이 높아질 수 있다.
한 실시예에 따르면, 각각의 양자점층(142, 144, 146) 내에서의 양자점(152, 154, 156)의 크기는 실질적으로 동일할 수 있다.
양자점(152, 154, 156)은 흡수 계수가 높은 물질, 예를 들면 CoSb3, SnTe, LaSb, CeN, MnSi 등을 포함할 수 있다. 리간드(155)는 도전성 절연층, 예를 들면 도전성 산화물이나 도전성 질화물을 포함할 수 있는데, 구체적인 예로는 MgO, TiOx, TiON 등을 들 수 있다. 리간드는 또한 EDT(ethanedithiol), BDT(benzenedithiol), MPA(mercaptopropionic acid) 등을 포함할 수 있다. 그러나 양자점(152, 154, 156)과 리간드(155)의 물질은 이에 한정되지 않는다.
도 2를 참고하여 다른 실시예에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(200)는 차례로 위치하는 제1 전극(또는 하부 전극)(220), 광흡수층(240) 및 제2 전극(또는 상부 전극)(260)을 포함한다.
제1 전극(220)은 투명한 도전 물질, 예를 들면, ITO, IZO 등을 포함할 수 있다. 제1 전극(220)은 기판(도시하지 않음) 위에 위치할 수 있다.
제2 전극(260)은 광흡수층(240) 위에 위치하며, 저항이 낮은 금속, 예를 들면, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 탄소나노튜브, 그래핀, ITO, FTO 등을 포함할 수 있다.
광흡수층(240)은 제1 전극(220)과 제2 전극(260)의 사이에 위치하며, 광자를 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 광흡수층(240)은 제1 양자점층(242), 제2 양자점층(244), 제3 양자점층(246) 및 제4 양자점층(248)을 포함한다.
제1 및 제4 양자점층(242, 248)은 나노 입자 또는 양자점(252, 258)만을 포함하며, 제1 양자점층(242)은 제1 전극(220)과 접하고, 제4 양자점층(248)은 제2 전극(260)과 접한다. 제2 및 제3 양자점층(244, 246)은 나노 입자 또는 양자점(254, 256)과 양자점(254)을 둘러싸는 리간드(ligand)(255, 257)를 포함하며, 제2 양자점층(244)은 제1 양자점층(242) 위에, 제3 양자점층(246)은 제4 양자점층(248) 아래에 위치한다.
제2 양자점층(244)의 리간드(255)의 두께는 제3 양자점층(246)의 리간드(257)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 제2 양자점층(244)의 리간드(255)의 두께와 제3 양자점층(246)의 리간드(257)의 두께를 합한 값은 약 6 nm 미만일 수 있으며, 제3 양자점층(246)의 리간드(257)의 두께는 약 3 nm 내지 약 6 nm 이하일 수 있다.
이와 같은 구조에서는 제2 및 제3 양자점층(244, 246)에서 생성된 전자가 수직 방향으로 용이하게 이동할 수 있다.
이상의 실시예에서는 하나 또는 두 개의 양자점층을 포함하는 구조에 대하여 설명하였지만, 셋 이상의 양자점층을 포함할 수도 있으며, 이 경우 양자점만을 포함하는 층과 양자점과 리간드 둘 다를 포함하는 층을 번갈아 배치하거나, 리간드의 두께가 얇은 층과 두꺼운 층을 번갈아 배치할 수 있다.
한편, 양자점층의 수효는 입사광의 파장에 따라 다르게 정할 수 있는데 이에 대하여 도 3을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3은 태양광의 복사 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참고하면, 양자점층의 밴드갭(Eg1, Eg2, Eg3)이 약 2.3 eV이면 파장이 약 600 nm 이하인 빛을 흡수하고, 약 1.4 eV이면 파장이 약 890 nm 이하인 빛을 흡수하며, 약 0.8 eV이면 약 1550 nm 이하인 빛을 흡수할 수 있다. 도 3에서 EgSi는 규소의 밴드갭을 나타낸다.
양자점을 MnSi로 형성하는 경우, 약 2.3 eV의 밴드갭을 가지는 단파장의 경우에 약 3.94 nm의 두께이고, 약 1.4 eV의 밴드갭을 가지는 중간 파장의 경우에는 약 8.79 nm의 두께이며, 약 0.8 eV의 밴드갭을 가지는 중간 파장의 경우에는 약 17.70 nm의 두께로 할 수 있다.
따라서 약 2.3 eV의 밴드갭을 가지는 단파장의 경우에는 하나의 양자점층만으로도 충분하고, 약 1.4 eV의 밴드갭을 가지는 중간 파장의 경우에는 약 2개 층이며, 약 0.8 eV의 밴드갭을 가지는 중간 파장의 경우에는 약 4개층의 두께만으로도 충분하다.
이상에서 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
Claims (8)
- 제1 전극,
상기 제1 전극과 떨어져 있는 제2 전극, 그리고
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광흡수층
을 포함하며,
상기 광흡수층은 제1 양자점층, 제2 양자점층 및 제3 양자점층을 포함하고,
상기 제1 양자점층은 상기 제1 전극과 접촉하고,
상기 제3 양자점층은 상기 제2 전극과 접촉하고,
상기 제2 양자점층은 상기 제1 양자점층과 상기 제3 양자점층 사이에 위치하고,
상기 제1 및 제3 양자점층은 각각 리간드로 둘러싸이지 않는 제1 및 제3 양자점을 포함하며,
상기 제2 양자점층은 제2 양자점과 상기 제2 양자점을 둘러싸는 제1 리간드를 포함하는
태양 전지. - 제1항에서,
상기 제1 리간드의 두께는 3 nm 내지 6 nm인 태양 전지. - 제1항에서,
상기 제1 및 제3 양자점의 크기는 상기 제2 양자점의 크기에 상기 제1 리간드의 약 절반 두께를 합한 것과 동일한 태양 전지. - 제1항에서,
상기 광흡수층은 상기 제2 양자점층과 상기 제3 양자점층의 사이에 위치하는 제4 양자점층을 더 포함하며,
상기 제4 양자점층은 제4 양자점과 상기 제4 양자점을 둘러싸는 제2 리간드를 포함하는
태양 전지. - 제4항에서,
상기 제1 리간드와 상기 제2 리간드의 두께는 서로 다른 태양 전지. - 제5항에서,
상기 제1 리간드의 두께는 3 nm 내지 6 nm이고, 상기 제2 리간드의 두께는 3 nm 이하인 태양 전지. - 제1항에서,
상기 제1 내지 제3 양자점은 CoSb3, SnTe, LaSb, CeN 중 하나 이상을 포함하는 태양 전지. - 제1항에서,
상기 제1 리간드는 MgO, TiOx, TiON, EDT(ethanedithiol), BDT(benzenedithiol), MPA(mercaptopropionic acid) 중 하나 이상을 포함하는 태양 전지.
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