KR20150006943A - 나노 솔라 셀 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 솔라 셀은, 기판 상에 형성된 복수의 수직형 나노 와이어 구조체를 구비하는 것으로서, 상기 나노 와이어 구조체는, 상기 기판 상에서 성장된 수직형 나노와이어의 형태를 갖는 제1 도전형 반도체; 상기 제1 도전형 반도체의 축 방향으로 성장된 다중 양자우물 구조 층; 상기 다중 양자우물 구조 층 내에 형성되는 것으로서, 드롭렛 형태를 갖는 양자점; 상기 나노 와이어 구조체의 표면에 형성되는 것으로서, 드롭렛 형태를 갖는 나노 메탈; 및 상기 다중 양자우물 구조 층의 상단으로부터 성장되는 제2 도전형 반도체를 포함한다.
본 발명에 따르면, 나노 솔라 셀의 광 흡수에 이용되는 표면적이 증가되고, 내부 양자효율의 증가 및 반사율의 억제 등이 실현됨으로써 솔라 셀의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

나노 솔라 셀 및 그 제조방법{Nano solar cell and method for manufacturing the same}
본 발명은 나노 솔라 셀 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 양자우물 구조 내에서 전자와 홀의 생성률을 높이고 외부에서 입사되는 빛을 표면 플라즈몬 효과를 통해 효과적으로 전달할 수 있는 구조를 가져 보다 높은 에너지 효율을 나타내는 나노 솔라 셀 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전 세계 각 국에서는 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위해, 환경에 악영향을 끼치지 않으면서도 고갈될 염려도 없는 새로운 에너지원인 대체에너지 및 청정에너지에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행 중이다.
한때, 원자력발전이 현실성 있는 대체에너지로 개발되어 높은 기여도를 보이기도 하였지만, 불안정성과 사고로 인한 심각한 피해 등의 문제가 제기됨으로써, 점차 이에 대한 의존도를 줄이는 추세이며, 그 대신 청정의 무한한 에너지원이라는 측면에서 태양에너지를 현실적으로 활용할 수 있는 방안이 더욱 각광받고 있다.
이러한 태양에너지를 활용할 수 있는 방법 중 하나로서, 솔라 셀(Solar cell)의 연구/개발이 활발히 진행되고 있는데, 솔라 셀의 개발에 있어서 가장 큰 관심사 중 하나는 입사되는 태양광을 얼마나 효율적으로 흡수하여 이를 우리가 필요로 하는 에너지로 활용할 수 있는가 하는 부분이다.
그러나, 태양광의 흡수 과정에서 적지 않은 양이 반사 등에 의해 소실될 수 밖에 없므로 에너지 효율을 일정 수준 이상 올리는 것은 결코 용이한 것이 아니며, 이를 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명은 상술한 기술적 요구를 충족시키기 위해 창안된 것으로서, 나노 와이어 형태의 솔라 셀을 구현함에 있어서 광 흡수 면적의 증가, 내부 양자효율의 증가 및 반사율의 억제 등을 통해 광 흡수 효율을 증가시키는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 위에서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 요구를 충족시키기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 솔라 셀은, 기판 상에 형성된 복수의 수직형 나노 와이어 구조체를 구비하는 것으로서, 상기 나노 와이어 구조체는, 상기 기판 상에서 성장된 수직형 나노와이어의 형태를 갖는 제1 도전형 반도체; 상기 제1 도전형 반도체의 축 방향으로 성장된 다중 양자우물 구조 층; 상기 다중 양자우물 구조 층 내에 형성되는 것으로서, 드롭렛 형태를 갖는 양자점; 상기 나노 와이어 구조체의 표면에 형성되는 것으로서, 드롭렛 형태를 갖는 나노 메탈; 및 상기 다중 양자우물 구조 층의 상단으로부터 성장되는 제2 도전형 반도체를 포함한다.
상기 기판은 Si로 이루어질 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체는, n-타입 GaN으로 이루어질 수 있다.
상기 다중 양자우물 구조는, 교호적으로 형성되는 베리어 층 및 웰 층을 포함할 수 있다.
상기 베리어 층은, GaN으로 이루어질 수 있다.
상기 웰 층은, InGaN으로 이루어질 수 있다.
상기 양자점은, InN으로 이루어질 수 있다.
상기 나노 메탈은, Ag, Ni, Au, Pt, Cu 및 Fe을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체는, P-타입 GaN으로 이루어질 수 있다.
상기 나노 솔라 셀은, 상기 제2 도전형 반도체가 외부로 노출되도록 상기 복수의 나노 와이어 구조체 사이에 형성된 공간을 충진하는 충진재를 더 포함할 수 있다.
상기 충진재는, 폴리이미드 재질로 이루어질 수 있다.
상기 나노 솔라 셀은, 상기 제2 도전형 반도체에 접합되는 투명 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 투명 전극은, ITO로 이루어질 수 있다.
상기 나노 솔라 셀은, 상기 투명 전극에 접합되는 제1 금속 콘택트; 및 상기 기판의 하면에 접합되는 제2 금속 콘택트를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 콘택트 및 제2 금속 콘택트는, Au 또는 Ni 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 상술한 기술적 요구를 충족시키기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 솔라 셀의 제조방법은, 기판 상에 적어도 하나의 수직형 나노 와이어 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 것으로서, 상기 수직형 나노 와이어 구조체를 형성하는 단계는, (a) 상기 기판 상에 수직형 나노와이어의 형태를 갖는 제1 도전형 반도체를 성장시키는 단계; (b) 상기 제1 도전형 반도체의 축 방향으로 다중 양자우물 구조 층을 성장시키는 단계; (c) 상기 다중 양자우물 구조 층 내에 드롭렛 형태의 양자점을 형성시키는 단계; (d) 상기 나노 와이어 구조체의 표면에 드롭렛 형태의 나노 메탈을 형성시키는 단계; 및 (e) 상기 다중 양자우물 구조 층의 상단으로부터 제2 도전형 반도체를 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 (b)단계는, (b1) 750℃ 내지 980℃의 온도 및 350torr 내지 760torr의 압력 하에서 Ga의 소스인 TMGa와 N의 소스인 NH3를 번갈아 공급하여 GaN 베리어 층을 성장시키는 단계; 및 (b2) 650℃ 내지 850℃의 온도 및 350torr 내지 760torr의 압력 하에서 In의 소스인 TMIn, Ga의 소스인 TMGa, 및 N의 소스인 NH3를 번갈아 공급하여 InGaN 웰 층을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (c)단계는, 상기 (b)단계의 진행 중간에 650℃ 내지 850℃의 온도 및 350torr 내지 760torr의 압력 하에서 In의 소스인 TMIn, 및 N의 소스인 NH3를 공급하되, TMIn 을 공급하는 경우 NH3의 공급을 중단하고, NH3를 공급하는 경우에는 TMIn의 공급을 중단하는 방식으로 이루어질 수 있다.
상기 (d)단계는, 상기 나노 와이어 구조체의 표면에 상기 나노 메탈을 증착시킨 후 어닐링 하는 단계일 수 있다.
상기 (e)단계는, 800℃ 내지 1000℃의 온도 및 300torr 내지 760torr의 압력 하에서 Ga의 소스인 TMGa와 N의 소스인 NH3를 동시에 공급하여 상기 다중 양자우물 구조 층의 상단으로부터 P-타입 GaN 층을 성장시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 나노 솔라 셀의 제조방법은, 상기 복수의 나노 와이어 구조체 사이에 형성된 공간에 수지 성분으로 이루어진 충진재를 충진시키는 단계; 및 상기 충진재의 상부를 통해 상기 제2 도전형 반도체가 노출되도록 상기 충진재를 에칭하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 나노 솔라 셀의 제조방법은, 상기 제2 도전형 반도체에 투명 전극을 접합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노 솔라 셀의 제조방법은, 상기 투명 전극에 제1 금속 콘택트를 접합시키는 단계; 및 상기 기판의 하면에 제2 금속 콘택트를 접합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 나노 솔라 셀의 광 흡수에 이용되는 표면적이 증가되고, 내부 양자효율의 증가 및 반사율의 억제 등이 실현됨으로써 솔라 셀의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 솔라 셀을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 기판 상에서 제1 도전형 반도체를 성장시키는 공정을 나타내는 도면이다.
도 5는 GaN 결정의 격자 구조를 통해 제1 도전형 반도체의 성장 방향을 나타내는 도면이다.
도 6은 제1 도전형 반도체 상에서 다중 양자우물 구조 층을 성장시키는 공정을 나타내는 도면이다.
도 7은 다중 양자우물 구조 층 내에 양자점을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 8은 나노 와이어 구조체의 표면에 나노 메탈을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 9는 다중 양자우물 구조 층 상에서 제2 도전형 반도체를 성장시키는 공정을 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 다중 양자우물 구조 층이 성장된 나노 와이어 구조체의 구조를 나타내는 TEM 분석 사진이다.
도 12는 충진재, 투명 전극 및 금속 콘텍트를 형성함으로써 도 1에 도시된 나노 솔라 셀을 완성하는 공정을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 솔라 셀(100)의 개략적인 구조를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 솔라 셀을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 솔라 셀(100)는 기판(10), 기판(10) 상에 형성되는 복수의 나노 와이어 구조체(20), 복수의 나노 와이어 구조체(20) 사이에 형성되는 공간을 채우는 충진재(30), 충진재(30)의 외측으로 노출되는 나노 와이어 구조체(20)에 접합되는 투명 전극(40), 투명 전극(40)에 접합되는 제1 금속 콘텍트(50) 및 기판(10)의 하면에 접합되는 제2 금속 콘텍트(60)를 포함한다. 한편, 상기 나노 솔라 셀(100)는, 나노 와이어 구조체(20)의 제2 도전형 반도체(23, 도 9 참조)와 기판(10) 사이의 접촉을 방지하기 위해 기판(10)과 나노 와이어 구조체(20) 사이에 형성되는 접촉 방지 층(10a)을 더 포함할 수도 있다.
여기서, 상기 나노 와이어 구조체(20)는, 후술할 바와 같이 제1 도전형 반도체(21), 내부에는 양자점(Q)이 형성되고 표면 상에는 나노 메탈(N)이 형성된 다중 양자우물 구조 층(multi quantum well layer)(22), 및 제2 도전형 반도체(23)를 포함하는 하나의 구조체를 의미한다.
상기 나노 솔라 셀(100)의 구체적인 구조에 대해서는 그 제조공정에 대한 설명과 함께 이하 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하여 나노 와이어 구조체(20)의 기초 골격을 이루는 제1 도전형 반도체(21, 도 4 참조)를 성장시키는 공정에 대해서 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 4는 기판 상에서 제1 도전형 반도체를 성장시키는 공정을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 제1 도전형 반도체(21)를 성장시키는 공정은, 금속 촉매 층(F)을 형성시키는 단계(a1), 나노 드롭렛(D, nano droplet)을 형성시키는 단계(a2) 및 제1 도전형 반도체(21)를 성장시키는 단계(a3)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 a1단계는, 예를 들어 GaN으로 이루어지는 나노와이어를 기판(10) 상에서 대략 수직한 방향으로 성장 시키기 위해 금속 촉매법을 이용하고자 하는 경우에 요구되는 준비단계이다. 금속 촉매법의 촉매 금속으로는 Au, Ni, Ag, Pt, Cu, Fe 등 다양한 금속이 이용될 수 있으며, 본 발명에서는 예를 들어 Au를 촉매 금속으로 이용할 수 있다. 이러한 촉매 금속은 DC 스퍼터링에 의해 기판 상에 증착됨으로써 하나의 촉매 금속 층(F)을 이룰 수 있다. 여기서, 이용되는 기판(10)은 Si 기판이 사용될 수 있으며, 결정의 성장 방향과 관련해서는 (111), (100), (110), (112) 등 다양한 기판이 이용될 수 있다.
상기 촉매 금속 층(F)의 증착 두께는 대략 1nm 내지 100nm(증착 시간: 대략 10초 내지 1000초)로 다양하게 형성될 수 있다. 이러한 촉매 금속 층(F)의 증착 시간에 따른 두께는 이후에 성장되는 나노 드롭렛(D)의 크기를 결정하게 되고, 이렇게 결정된 나노 드롭렛(D)의 크기는 제1 도전형 반도체(21)의 직경에 큰 영향을 미치게 된다.
도 3을 참조하면, 상기 a2 단계는, 제1 도전형 반도체(21)의 성장을 위한 시드(seed)를 형성시키는 어닐링(annealing) 단계이다. 이 단계에서는, 촉매 금속 층(F)을 어닐링 함으로써 대략 반구 형상의 나노 드롭렛(D)을 형성하게 되고, 어닐링의 온도 조건(대략 300℃ 내지 800℃)에 따라 드롭렛(D)의 크기가 결정된다. 상기 드롭렛(D)의 사이즈를 조절하기 위해 수소 분위기 하에서 대략 650℃의 온도를 대략 10분간 유지하였을 경우, 촉매 금속 층(F)의 두께에 비례하여 드롭렛(D)의 직경이 증가하게 된다. 즉, 이러한 조건을 유지할 때, 상기 촉매 금속 층(F)의 두께가 각각 1nm, 5nm, 10nm, 20nm, 30nm 인 경우 드롭렛(D)의 직경은 각각 10nm, 50nm, 100nm, 200nm, 300nm로 형성된다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체(21)를 성장시키기 이전에 기판(10) 상에 NH3와 SiH4를 흘려줌으로써 Si 표면에 SiNx 로 이루어지는 접촉 방지 층(10a)을 더 형성할 수도 있다. 이러한 접촉 방지 층(10a)은, 기판(10)과 추후에 성장되는 제2 도전형 반도체(23) 사이의 접촉을 방지하는 것으로서, 대략 500℃ 내지 900℃의 온도 및 200torr 내지 600torr 의 압력 하에서 약 10분 내지 60분 동안 성장되어 대략 100nm의 두께를 가질 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 상기 기판(10)과 제1 도전형 반도체(21)는 n-타입 도전형 반도체의 성질을 가지며, 후술할 제2 도전형 반도체(23)는 P-타입 도전형 반도체의 성질을 갖는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 상기 a3 단계는, a2 단계에서 형성된 나노 드롭렛(D)을 시드로 하여 기판(10)과 대략 수직한 방향으로 제1 도전형 반도체(21)를 성장시키는 단계이다. 여기서, 상기 제1 도전형 반도체(21)는 n-타입 GaN으로 이루어진 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 상기 나노 드롭렛(D)의 성장 단계에 의해 조절된 드롭렛의 사이즈에 따라 두께가 일정하고 성장 길이가 비슷한 수직성을 가진 적어도 하나의 GaN 나노 와이어(21)가 성장될 수 있다.
여기서, n-타입 GaN을 형성하기 위해, SiH4를 이용하여 제1 도전형 반도체(21)의 성장 동안에 Si를 주입할 수 있다. 이 때의 성장 조건은, 온도는 대략 800℃ 내지 1000℃이고, 압력은 대략 300torr 내지 600torr 이다. 성장된 제1 도전형 반도체(21)의 두께는 촉매 금속 필름(F)의 두께에 의해 컨트롤 되는 나노 드롭렛(D)의 크기에 의존하게 되고, 그 길이는 성장 시간에 비례하여 증가하게 된다.
한편, 상기 제1 도전형 반도체(21)는, 기판(10)에 대략 수직한 방향, 즉 GaN 결정에 있어서 c-plane 방향(도 5 참조)을 따라 성장함으로써 수직형 나노 와이어 형태를 가질 수 있다.
다음은, 도 6을 참조하여 수직형 나노 와이어의 형태로 성장된 제1 도전형 반도체(21) 상에서 다중 양자우물 구조 층(22)을 성장시키는 공정에 대해서 설명하기로 한다.
도 6은 제1 도전형 반도체 상에서 다중 양자우물 구조 층을 성장시키는 공정을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 공정은 나노 솔라 셀(100)의 활성 층을 형성하는 공정으로서, 제1 도전형 반도체(21) 상에서 베리어 층(22a, barrier layer) 및 웰 층(22b, well layer)을 교대로 성장시켜 빛의 흡수를 위한 다중 양자우물 구조 층(22, multi quantum well layer)을 형성하는 단계이다.
상기 베리어 층(22a)은, 예를 들어 GaN 으로 이루어질 수 있다. 상기 베리어 층(22a)은, Ga의 소스에 해당하는 TMGa(Trimethylgallium)과 N의 소스에 해당하는 NH3를 펄스(pulse) 방법에 따라 번갈아 공급하되, 대략 750℃ 내지 980℃의 온도 및 350torr 내지 760torr의 압력 하에서 공급하는 저온 성장법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 웰 층(22b)은, 예를 들어 InGaN로 이루어질 수 있다. 상기 웰 층(22b)은, In의 소스에 해당하는 TMIn(Trimethylindium), Ga의 소스에 해당하는 TMGa 및 N의 소스인 NH3를 번갈아 공급하되, 대략 650℃ 내지 850℃의 온도 및 350torr 내지 760torr의 압력 하에서 공급하는 저온 성장법에 의해 형성될 수 있다.
상기 다중 양자우물 구조 층(22)은, 낮은 속도의 케리어 가스와 높은 압력 조건 하에서 성장됨으로써 나노 와이어, 즉 제1 도전형 반도체(21)의 성장방향(이하, 축 방향이라 칭하기로 함)과 일치하는 c-plane 방향으로 성장(도 5 참조)하며, 제1 도전형 반도체(21) 상단으로부터 균일한 두께로 성장될 수 있다.
다음은, 도 7을 참조하여 나노 와이어의 축 방향으로 성장되는 다중 양자 우물구조 층(22) 내에 양자점(quantum dot)(Q)을 형성시키는 공정에 대해 설명하기로 한다.
도 7은 다중 양자우물 구조 층 내에 양자점을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 공정은 다중 양자우물 구조 층(22, multi quantum well layer)을 성장시키는 공정의 중간에, 예를 들어 InN 으로 이루어지는 양자점을 형성하는 단계이다.
상기 양자점(Q)은 In의 소스에 해당하는 TMIn, 그리고 N의 소스에 해당하는 NH3를 펄스 방법에 따라 교대로 공급함으로써 형성될 수 있는데, 소스의 공급은 TMIn을 공급하는 동안에는 NH3의 공급을 중단하고, 반대로 NH3를 공급하는 동안에는 TMIn의 공급을 중단하는 방식(펄스 방식)으로 이루어질 수 있다. 이처럼, 소스를 번갈아 공급함으로써 박막 형태가 아닌 작은 드롭렛 형태의 양자점 형성을 유도할 수 있다.
상기 양자점(Q) 형성을 위해 소스를 번갈아 주입할 때, 각 소스의 주입 시간은 대략 10초 내지 60초 이며, 성장 시의 온도 조건은 대략 650℃ 내지 850℃이고, 압력 조건은 대략 350torr 내지 760torr 범위일 수 있다. 여기서 케리어 가스의 속도는 낮게 설정되며, 소스의 주입 시간은 양자점(Q)의 크기에 영향을 미친다.
이처럼, 상기 다중 양자우물 구조 층(22)과 양자점(Q)의 형성 공정을 교대로 반복하는 경우 양자점(Q)이 나노 와이어의 축 방향으로 성장된 다중 양자우물 구조 층(22) 내에 형성되고, 그 크기와 분포는 온도와 성장 시간에 비례하여 증가하게 된다. 또한, 상기 양자점(Q)의 사이즈는 10nm 내지 200nm로 다양하게 형성될 수 있다.
한편, 상기 다중 양자우물 구조 층(20) 내에 양자점(Q)을 삽입하여 그 성장이 끝난 후에, 온도를 900℃ 내지 1000℃까지 올려 나노 와이어 구조체(20)의 측면에 불규칙하게 형성될 수 있는 양자점을 제거하는 공정을 더 거칠 수도 있다.
이와 같이 상기 다중 양자우물 구조 층(22) 내에 형성된 양자점(Q)은, 전자와 홀의 생성률을 더욱 높여줌으로써 광 흡수 효율을 더욱 높여줄 수 있다.
다음은, 도 8을 참조하여 나노 와이어 구조체(20)의 표면에 드롭렛 형태의 나노 메탈(N)을 형성시키는 공정에 대해 설명하기로 한다.
도 8은 다중 양자우물 구조 층 상에 나노 메탈을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 공정은 다중 양자우물 구조 층(22)이 형성된 나노 와이어 구조체(20)의 표면에 전체적으로 드롭렛 형태의 나노 메탈(N)을 형성시키는 단계이다.
상기 나노 메탈(N)로 사용될 수 있는 금속은 Ag, Ni, Au, Pt, Cu, Fe 등으로 다양하다. 이러한 나노 메탈(N)의 증착 방법으로는 물리적인 증착 방법인 이온 스퍼터링(Ion sputtering)이나 화학적 방법인 금속 콜로이드를 이용하는 방법 등이 이용될 수 있다.
이온 스퍼터링을 이용하는 경우, 대략 2mA 내지 10mA의 전류로 10초 내지 90초 동안 증착을 수행함으로써 나노 메탈(N)의 사이즈를 조절할 수 있으며, 사이즈는 시간과 전류에 비례하여 증가하게 된다.
금속 콜로이드를 이용하는 경우, 나노 메탈(N)로 이용될 금속의 콜로이드를 다중 양자우물 구조 층(22) 상에 도포하거나 반대로 다중 양자우물 구조 층(22)이 형성된 나노 와이어 구조체(20)를 금속의 콜로이드에 담금으로써 표면에 나노 메탈(N)을 증착시킬 수 있다.
이 때, 다양한 방법에 의해 증착된 나노 메탈(N)을 어닐링 함으로써 나노 드롭렛 형태로 만든다. 이 때의 어닐링 시간과 온도에 따라서 나노 메탈(N)의 크기와 인접한 나노 메탈(N) 사이의 거리가 결정된다(예를 들어, 대략 400℃ 내지 650℃ 에서 약 1분 내지 10분 동안 어닐링 할 수 있음). 이와 같은 공정을 통해 형성된 나노 메탈(N)의 사이즈는 대략 1nm 내지 30nm 범위로 다양하게 형성될 수 있다.
상기 나노 와이어 구조체(20)의 표면에 이와 같이 형성된 드롭렛 형태의 나노 메탈(N)은 표면 플라즈몬 효과(surface Plasmon effect)를 통해 광 흡수의 효율성을 더욱 높여줄 수 있다.
다음은, 도 9를 참조하여 표면에 나노 메탈(N)이 형성된 다중 양자우물 구조 층(22) 상에 제2 도전형 반도체(23)를 성장시키는 공정에 대해서 설명하기로 한다.
도 9는 다중 양자우물 구조 층 상에서 제2 도전형 반도체를 성장시키는 공정을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 공정은 다중 양자우물 구조 층(22)의 표면에 전체적으로, 예를 들어 p-타입의 GaN 로 이루어지는 제2 도전형 반도체(23)를 성장시키는 단계이다. 이처럼, 상기 제2 도전형 반도체(23)로서 P-타입 GaN을 이용하고자 하는 경우, 다중 양자우물 구조 층(22) 상에서 GaN 층을 성장시키는 동안에 Cp2Mg를 이용하여 Mg를 주입 할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체(23)를 이루는 P-타입 GaN 층은, Ga의 소스에 해당하는 TMGa 및 N의 소스에 해당하는 NH3를 동시에 주입함으로써 다중 양자우물 구조 층(22)의 상단으로부터 대략 10분 내지 60분의 시간 동안 성장될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체(23)의 성장은, 나노 와이어 구조체(20)의 길이 방향, 즉 도 9를 기준으로 볼 때 윗쪽 방향으로 일어나며, 이 때의 성장 온도는 대략 800℃ 내지 1000℃이고 압력은 대략 300torr 내지 760torr 범위로 설정될 수 있다.
한편, 도 10 및 도 11을 참조하면, 수직형 나노 와이어 형태를 갖는 제1 도전형 반도체(21)의 상단으로부터 축 방향으로 다중 양자우물 구조 층(22)을 성장시킴으로써 얻어진 구조체에 대한 TEM 분석 사진이 나타나 있다.
다음은, 도 12를 참조하여 충진재(30), 투명 전극(40) 및 금속 콘텍트(50,60)를 형성하는 공정에 대해 설명하기로 한다.
도 12는 충진재, 투명 전극 및 금속 콘텍트를 형성함으로써 도 1에 도시된 나노 솔라 셀을 완성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 공정은 기판(10) 상에 형성된 복수의 나노 와이어 구조체(20) 사이에 형성된 공간에 폴리이미드와 같은 수지로 이루어진 충진재(30)를 충진시키는 단계, 에칭을 통해 제2 도전형 반도체(23)가 충진재(30)의 외부로 노출되도록 하는 단계, 노출된 제2 도전형 반도체(23)에 투명 전극투명 전극(40)을 접합시키는 단계, 및 투명 전극(40)에는 제1 금속 콘텍트(50)를 접합시키고 기판(10)의 하면에는 제2 금속 콘텍트(60)를 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 투명 전극(40)으로는, 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide) 재질이 이용될 수 있으며, 이러한 투명 전극(40)은 충진재(30)를 통해 노출된 제2 도전형 반도체(23) 상에서 스퍼터링에 의해 성장될 수 있다. 또한, 상기 금속 콘택트(50,60)는, 예를 들어 Au 또는 Ni 재질로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 솔라 셀(100,200)는, 다중 양자우물 구조의 성장 방향을 나노 와이어의 축 방향인 c-plane 방향으로 적용함으로써 광 흡수를 위한 표면적이 증가되어 우수한 에너지 효율을 가질 수 있다.
또한, 상기 나노 솔라 셀(100,200)는, 이러한 다중 양자우물 구조의 성장 방향을 채택함으로써 내부 양자효율이 증대되는 효과를 얻을 수 있고, 다중 양자우물 구조 내에 형성된 양자점을 구비함으로써 전자와 홀의 결합율을 더욱 높일 수 있을 뿐만 아니라, 나노 와이어 구조체의 표면에 형성된 나노 메탈을 구비함으로써 솔라 셀의 내부로 흡수되는 빛을 표면 플라즈몬 효과를 통해 더욱 효과적으로 전달함으로써 에너지 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100,200: 나노 솔라 셀
10: 기판 10a: 접촉 방지 층
20: 나노 와이어 구조체 21: 제1 도전형 반도체
22: 다중 양자우물 구조 층 22a: 베리어 층
22b: 웰 층 23: 제2 도전형 반도체
Q: 양자점 N: 나노 메탈
30: 충진재 40: 투명 전극
50: 제1 금속 콘텍트 60: 제2 금속 콘텍트

Claims (23)

  1. 기판 상에 형성된 복수의 수직형 나노 와이어 구조체를 구비하는 나노 솔라 셀에 있어서,
    상기 나노 와이어 구조체는,
    상기 기판 상에서 성장된 수직형 나노와이어의 형태를 갖는 제1 도전형 반도체;
    상기 제1 도전형 반도체의 축 방향으로 성장된 다중 양자우물 구조 층;
    상기 다중 양자우물 구조 층 내에 형성되는 것으로서, 드롭렛 형태를 갖는 양자점;
    상기 나노 와이어 구조체의 표면에 형성되는 것으로서, 드롭렛 형태를 갖는 나노 메탈; 및
    상기 다중 양자우물 구조 층의 상단으로부터 성장되는 제2 도전형 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 Si로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체는,
    n-타입 GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  4. 제1항에 있어서
    상기 다중 양자우물 구조는,
    교호적으로 형성되는 베리어 층 및 웰 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 베리어 층은,
    GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 웰 층은,
    InGaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양자점은,
    InN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나노 메탈은,
    Ag, Ni, Au, Pt, Cu 및 Fe을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체는,
    P-타입 GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체가 외부로 노출되도록 상기 복수의 나노 와이어 구조체 사이에 형성된 공간을 충진하는 충진재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 충진재는,
    폴리이미드 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체에 접합되는 투명 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 투명 전극은,
    ITO로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 투명 전극에 접합되는 제1 금속 콘택트; 및
    상기 기판의 하면에 접합되는 제2 금속 콘택트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 금속 콘택트 및 제2 금속 콘택트는,
    Au 또는 Ni 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀.
  16. 기판 상에 적어도 하나의 수직형 나노 와이어 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 나노 솔라 셀의 제조방법에 있어서,
    상기 수직형 나노 와이어 구조체를 형성하는 단계는,
    (a) 상기 기판 상에 수직형 나노와이어의 형태를 갖는 제1 도전형 반도체를 성장시키는 단계;
    (b) 상기 제1 도전형 반도체의 축 방향으로 다중 양자우물 구조 층을 성장시키는 단계;
    (c) 상기 다중 양자우물 구조 층 내에 드롭렛 형태의 양자점을 형성시키는 단계;
    (d) 상기 나노 와이어 구조체의 표면에 드롭렛 형태의 나노 메탈을 형성시키는 단계; 및
    (e) 상기 다중 양자우물 구조 층의 상단으로부터 제2 도전형 반도체를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    (b1) 750℃ 내지 980℃의 온도 및 350torr 내지 760torr의 압력 하에서 Ga의 소스인 TMGa와 N의 소스인 NH3를 번갈아 공급하여 GaN 베리어 층을 성장시키는 단계; 및
    (b2) 650℃ 내지 850℃의 온도 및 350torr 내지 760torr의 압력 하에서 In의 소스인 TMIn, Ga의 소스인 TMGa, 및 N의 소스인 NH3를 번갈아 공급하여 InGaN 웰 층을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 (b)단계의 진행 중간에 650℃ 내지 850℃의 온도 및 350torr 내지 760torr의 압력 하에서 In의 소스인 TMIn, 및 N의 소스인 NH3를 공급하되, TMIn 을 공급하는 경우 NH3의 공급을 중단하고, NH3를 공급하는 경우에는 TMIn의 공급을 중단하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀의 제조방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    상기 나노 와이어 구조체의 표면에 상기 나노 메탈을 증착시킨 후 어닐링 하는 단계인 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀의 제조방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 (e)단계는,
    800℃ 내지 1000℃의 온도 및 300torr 내지 760torr의 압력 하에서 Ga의 소스인 TMGa와 N의 소스인 NH3를 동시에 공급하여 상기 다중 양자우물 구조 층의 상단으로부터 P-타입 GaN 층을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀의 제조방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 나노 와이어 구조체 사이에 형성된 공간에 수지 성분으로 이루어진 충진재를 충진시키는 단계; 및
    상기 충진재의 상부를 통해 상기 제2 도전형 반도체가 노출되도록 상기 충진재를 에칭하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀의 제조방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체에 투명 전극을 접합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀의 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 투명 전극에 제1 금속 콘택트를 접합시키는 단계; 및
    상기 기판의 하면에 제2 금속 콘택트를 접합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 솔라 셀의 제조 방법.
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