KR20150024010A - 반도체 나노 입자를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
반도체 나노 입자를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20150024010A KR20150024010A KR20130100883A KR20130100883A KR20150024010A KR 20150024010 A KR20150024010 A KR 20150024010A KR 20130100883 A KR20130100883 A KR 20130100883A KR 20130100883 A KR20130100883 A KR 20130100883A KR 20150024010 A KR20150024010 A KR 20150024010A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode layer
- layer
- semiconductor
- solar cell
- electrode
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 166
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 63
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 7
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 7
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 2
- -1 Si 3 N 4 Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 176
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- PDZKZMQQDCHTNF-UHFFFAOYSA-M copper(1+);thiocyanate Chemical compound [Cu+].[S-]C#N PDZKZMQQDCHTNF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910021423 nanocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000005118 spray pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005987 sulfurization reaction Methods 0.000 description 1
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 제 1 전극층; 제 2 전극층; 상기 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 개재되어 전극층을 상호 절연시키는 절연층(dielectric layer); 및 상기 절연층을 관통한 상태로 포함되어 있는 반도체 나노 입자들로서, 상기 반도체 나노 입자들의 적어도 일부는 일측이 제 1 전극층에 접속되어 있고 대향측이 제 2 전극층에 접속되어 있는 반도체 나노 입자들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 나노 입자를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어, 직면한 에너지 문제를 해결하기 위하여, 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지원에 대한 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히, 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되고 있다.
이들 중에서, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 광전 소자인 태양전지는 기타 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로, 1983년 Se 태양 전지가 개발된 이후 많은 각광을 받고 있다.
이러한 태양전지는 구성 성분에 따라 실리콘 태양전지, 박막형 화합물 태양전지, 적층형 태양전지 등으로 분류될 수 있으나, 그 구동 원리는 하기와 같이 유사하다.
도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지(10)는 서로 마주하는 전극(11, 13) 사이에 p형 반도체층(15)과 n형 반도체층(17)으로 구성된 p-n 접합 반도체층의 구조로 이루어져 있다.
이러한 태양전지(10)의 전극들(11, 13)에 발광부로서 전구를 연결하고 태양전지(10)를 태양광 등의 광원에 노출하면, n형 반도체층(17)과 p형 반도체층(15)을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생한다.
이와 같이, 광기전력 효과에 의해 발생된 기전력으로 태양전지(10)에 전기적으로 접속된 전구가 점등될 수 있다
이 때, 상기 태양전지를 이루는 구성요소들의 물질에 따라 전극과 반도체층은 상호 역할을 함께 수행할 수도 있으며, 이 경우, 그 구조는 더욱 간단해질 수 있음은 물론이다.
그러나, 상기와 같이, 전극 또는 반도체층을 형성하기 위해서는 스퍼터링(sputtering), 하이브리드 스퍼터링(hybrid sputtering), 펄스 레이저(pulse laser) 증착법, 분무 열분해법, 전착/열 황화(thermal sulfurization), E-빔(E-beam) Cu/Zn/Sn/열 황화, 및 졸-겔(sol-gel)의 방법, 전기증착법(electrodeposition), 및 최근, 비진공 하에서 전구체 물질을 도포한 후 이를 열처리 하는 잉크 코팅 방법 등을 이용하여야 하는데, 이 경우 복잡한 공정과 제조 원료의 필요로 인한 고가의 제조비용으로 대량생산에 적합하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 상기 문제점들을 해결하고, 보다 저렴하고 간단한 공정으로 제조되는 태양전지에 대한 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전극층들 사이에 얇은 절연층을 형성하고, 상기 절연층을 반도체 나노 입자들로 관통시켜 접합(junction)을 형성하는 경우, 보다 간단한 공정으로 태양전지를 제조할 수 있어, 제조 비용 및 제조 공정상의 효율성이 향상됨을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 태양전지는,
제 1 전극층;
제 2 전극층;
상기 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 개재되는 절연층(dielectric layer); 및
상기 절연층을 관통한 상태로 포함되어 있는 반도체 나노 입자들로서, 상기 반도체 나노 입자들의 적어도 일부는 일측이 제 1 전극층에 접속되어 있고 대향측이 제 2 전극층에 접속되어 있는 반도체 나노 입자들;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 반도체 나노 입자들은, n형(n-type) 반도체, 또는 p형(p-type) 반도체, 또는 i형(i-type) 반도체로 이루어질 수 있다.
n형 반도체는 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지는 반도체를, p형 반도체는 작은 전자밀도와 큰 정공밀도를 갖는 반도체를, i형 반도체는 거의 동등한 전자밀도와 정공밀도를 갖는 진성(intrinsic) 반도체를 의미한다.
여기서, 상기 n형(n-type) 반도체는, 예를 들어, 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같은 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 이용하여 형성한 n형 실리콘박막, TiO2 또는 ZnO일 수 있으나, 전자밀도가 높은 물질이라면 한정되지 아니한다.
상기 p형(p-type) 반도체는, 예를 들어, 실리콘을 포함한 원료 가스에 붕소, 칼륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 이용하여 형성한 p형 실리콘박막, 실리콘카바이드(SiC), MoOx, CuSCN, CI(G)S, CZTS 또는 CdTe일 수 있으나, 정공밀도가 높은 물질이라면 한정되지 아니한다.
상기 i형(i-type) 반도체는, 예를 들어, 비정질 실리콘 박막(a-Si:H), 미세결정질 실리콘 박막(Micro-Crystalline Silicon, mc-Si:H) 및 나노결정질 실리콘 박막(Nano-Crystalline Silicon, nc-Si:H) 중에서 선택된 하나일 수 있으나, 거의 동등한 전자밀도와 정공밀도를 갖는 물질이라면 한정되지 아니한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 반도체 나노 입자들은 상기와 같은 물질로 이루어짐에 따라, 기존의 하나의 반도체층의 역할을 대신할 수 있고, 따라서, 상기 반도체 나노 입자들을 포함하는 태양전지의 작동이 가능하다.
이 때, 상기 반도체 나노 입자들이 하나의 반도체층으로의 역할을 대신하기 위해서는, 나노 입자들을 기준으로 윗부분의 전극층과 아랫부분의 전극층이 격리된 상태로 나노 입자들을 통해서만 연결되어야 한다.
이를 위해서, 나노 입자들을 필요로 하는 층에 절연층을 먼저 형성시킨 후, 그 위에 나노 입자들을 뿌리고, 압력을 인가하여 나노 입자들이 절연층을 관통하게 함으로써 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층에 접속시키는 바, 상세하게는 이들 중에서 50% 이상이 제 1 전극층 및 제 2 전극층에 접속되어 있을 수 있고, 더욱 상세하게는 80% 이상이 접속되어 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극층과 제 2 전극층은 금속 또는 반도체로 이루어진 하나 이상의 층(layer)을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 전극층과 제 2 전극층은 금속 또는 반도체로 이루어진 단층일 수도 있지만, 여러 조합의 다층일 수도 있다
예를 들어, 제 1 전극층 및 제 2 전극층은 모두 단층으로 금속층 또는 반도체층일 수 있고, 제 1 전극층 및 제 2 전극층의 적어도 하나는 다층으로 금속층-반도체층, 금속층-금속층, 반도체층-반도체층 등의 조합으로 이루어질 수도 있으나, 그 층의 개수와 그 조합은 한정되지 아니한다.
이 때, 상기 금속은 알루미늄(Al), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중에서 적어도 하나는 전극층과 반도체 나노 입자들의 접속 부위에서 p-n 접합 또는 p-i-n 접합을 형성하도록, n형(n-type) 반도체, p형(p-type) 반도체, 및 i형(i-type) 반도체로 이루어진 군에서 선택되는 반도체 층(layer)을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 반도체 나노 입자들이 n형(n-type) 반도체, 또는 p형(p-type) 반도체, 또는 i형(i-type) 반도체로 이루어질 수 있는 바, 더욱 효과적으로 광기전력 효과를 발휘할 수 있기 위해서 p-n 접합 또는 p-i-n 접합이 형성되어야 하므로, 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 적어도 하나는 전극층과 반도체 나노 입자들의 접속 부위에서 상기 반도체 입자와는 다른 형태에서 n형(n-type) 반도체, p형(p-type) 반도체, 및 i형(i-type) 반도체로 이루어진 군에서 선택되는 반도체 층(layer)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 반도체 나노 입자들이 n형(n-type) 반도체인 경우, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 적어도 하나는 p형(p-type) 반도체 층을 가지거나, 또는 p형(p-type) 반도체 층 및 i형(i-type) 반도체 층을 가질 수 있다. 또한, 반도체 나노 입자들이 p형(p-type) 반도체인 경우, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 적어도 하나는 n형(n-type) 반도체 층을 가지거나, 또는 n형(p-type) 반도체 층 및 i형(i-type) 반도체 층을 가질 수 있다. 또한, 반도체 나노 입자들이 i형(i-type) 반도체인 경우, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층은 n형(p-type) 반도체 층 및 p형(p-type) 반도체 층을 가질 수 있다.
상기와 같이, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중에서 적어도 하나가 반도체 층을 포함하는 경우, 입사되는 태양광을 투과시키기 용이하도록 하기 위해 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide: TCO)로 이루어진 반도체 층(layer)을 포함할 수 있다.
상기 투명 도전성 산화물은, 예를 들어, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플로린-도핑 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등을 들 수 있으나, 태양광이 투과할 수 있는 물질이라면 한정되지 아니한다.
한편, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중에서 적어도 하나가 금속층을 포함하는 경우, 특히, 제 1 전극층 및 제 2 전극층 모두 금속층을 포함하는 경우에는, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 적어도 하나는 입사되는 태양광을 투과시키기 위해, 20 나노미터 이상 내지 60 나노미터 이하의 두께를 갖는 금속 층(layer)을 포함할 수 있다.
상기 두께 범위를 벗어나 20 나노미터 미만의 경우, 제조가 어렵고, 60 나노미터를 초과하는 경우, 상기 금속층으로의 태양광을 투과시키는 구성에서, 태양광의 투과가 이루어지지 아니하므로 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 절연층은, 본 발명과 같은 구성이 가능하도록 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 개재되어 제 1 전극층과 제 2 전극층을 절연시키는 역할을 수행하며, 예를 들어, SiO2, Si3N4, SiOxNy(1.0≤x≤5.0, 1.0≤y≤5.0), 및 Al2O3로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 반도체 나노 입자들의 입경은 20 나노미터 이상 내지 2 마이크로미터 이하일 수 있고, 상기 절연층의 두께는 상기 반도체 나노 입자들의 적어도 일부에서 일측이 제 1 전극층에 접속되어 있고 대향측이 제 2 전극층에 접속되도록, 반도체 나노 입자의 입경보다 작은 범위에서 10 나노미터 이상 내지 100 나노미터 이하일 수 있다.
상기 반도체 나노 입자들의 입경이 상기 범위를 벗어나 2 마이크로미터를 초과하는 경우, 나노 입자들의 윗부분 전극층의 거칠기(roughness)가 증가되어 전극을 따라 흐르는 저항 성분이 증가되는 바 효율이 현저히 저하되고, 20 나노미터 미만인 경우, 미세한 핀홀(pin-hole)을 차단시키기 위한 제조가 어려울 뿐만 아니라, 상기 반도체 나노 입자가 물리적으로 절연층을 관통하기 위해서는 절연층의 두께 또한 얇아질 수 밖에 없는 바, 절연층의 형성도 어려워 바람직하지 않다.
본 발명은 또한, 상기 태양전지를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 태양전지의 제조방법은,
(i) 제 1 전극층을 형성하는 과정;
(ii) 제 1 전극층 상에 절연층(dielectric layer)을 형성하는 과정;
(iii) 절연층 상에 반도체 나노 입자들을 부가하고 가압하는 과정; 및
(iv) 반도체 나노 입자들이 부가 및 가압된 절연층 상에 제 2 전극층을 형성하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층은 스퍼터링(sputtering), 열증착(thermal evaporation), 이온빔 밀링(ion-beam milling) 및 e-beam 증착(e-beam evaporation)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법에 의해 형성될 수 있고, 상기 절연층은 스퍼터링(sputtering), 플라즈마 화학기상증착(PCVD), 및 원자층 증착(ALD)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 반도체 나노 입자들은 별도의 용매에 분산하여 코팅하는 형태가 아니라, 분말의 형태로 산포되어 부가되는 바, 별도의 코팅 용액의 제조나 열처리 없이 직접 제 1 전극층 및 제 2 전극층과 접속되는 반도체 층의 역할을 수행할 수 있다.
이 때, 상기 반도체 나노 입자들이 절연층 아래의 제 1 전극층에 접속되기 위해서는 절연층을 관통하여야 하는데, 이는 상기 과정(iii)의 가압시 강성을 갖는 반도체 나노 입자들이 절연층을 관통함으로써 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 상기와 같은 구조를 가질 수 있다면, 그 종류에 한정되지 아니하고, 결정계 태양전지, 또는 박막계 태양전지일 수 있으며, 상세하게는 무기 박막계 태양전지일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지는, 전극층들 사이에 개재되는 절연층과, 상기 절연층을 관통하여 전극층들에 접속되는 반도체 나노 입자들을 이용하여 접합(junction)을 형성함으로써, 보다 간단한 공정으로 태양전지를 제조할 수 있어, 제조 비용 및 제조 공정상의 효율성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다;
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다;
도 4는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다;
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다;
도 4는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 실시예에 대해 상술하지만, 이는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 4는 본 발명에 따른 가능한 태양전지의 구조를 모식적으로 도시한 것이다.
도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지(100, 200, 300)는 크게 제 1 전극층(110, 210, 310), 제 2 전극층(120, 220, 320), 제 1 전극층(110, 210, 310) 및 제 2 전극층(120, 220, 320) 사이에 개재되는 절연층(130, 230, 330), 및 반도체 나노 입자들(140, 240, 340)로 구성되어 있다.
이 때, 반도체 나노 입자들(140, 240, 340)의 입경은 절연층(130, 230, 330)의 두께보다 커서, 반도체 나노 입자들(140, 240, 340)의 적어도 일부는 절연층(130, 230, 330)을 관통한 상태로 일측이 제 1 전극층(110, 210, 310)에 접속되어 있고, 대향측이 제 2 전극층(120, 220, 320)에 접속되어 있다.
이러한 반도체 나노 입자들(140, 240, 340)은 n형(n-type) 반도체, 또는 p형(p-type) 반도체, 또는 i형(i-type) 반도체로 이루어져 하나의 반도체층의 역할을 대신할 수 있고, 따라서, 상기 반도체 나노 입자들(140, 240, 340)을 포함하는 태양전지(100, 200, 300)의 작동이 가능하다.
한편, 제 1 전극층(110, 210, 310)과 제 2 전극층(120, 220, 320)은 금속 또는 반도체로 이루어진 하나 이상의 층(layer)을 포함할 수도 있는 바, 단층일 수도, 여러 조합의 다층일 수도 있다
하나의 예로서, 도 2를 참조하면, 제 1 전극층(110)과 제 2 전극층(120)은 금속 또는 반도체로 이루어진 단층으로 이루어져 있다. 이 경우, 제 1 전극층(110)과 제 2 전극층(120)은 전자를 받아들이고 내보내는 집전 역할과 함께 반도체 나노 입자들(140)과의 캐리어 농도 구배를 형성하는 역할도 수행한다.
또 다른 예로서, 도 3을 참조하면, 제 1 전극층(210)은 단층이고, 제 2 전극층(220)은 다층이며, 이 때, 제 2 전극층(220)은 금속층-반도체층, 금속층-금속층, 반도체층-반도체층 등의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 조합 중에서, 더욱 효과적으로 광기전력 효과를 발휘할 수 있게 제 2 전극층(220)과 반도체 나노 입자들(240)의 접속 부위에서 p-n 접합 또는 p-i-n 접합을 형성하도록, 제 2 전극층(220)의 반도체 나노 입자들과 접속되는 접속층(221)은 n형(n-type) 반도체, p형(p-type) 반도체, 및 i형(i-type) 반도체로 이루어진 군에서 선택되는 반도체 층(layer)인 것이 바람직하다.
이 경우, 다양한 형태가 가능한데, 예를 들어, 반도체 나노 입자들(240)이 n형(n-type) 반도체인 경우, 접속층은 p형(p-type) 반도체이거나, i형(i-type) 반도체고, 반도체 나노 입자들(240)이 p형(p-type) 반도체인 경우, 접속층은 n형(p-type) 반도체거나, i형(i-type) 반도체며, 반도체 나노 입자들(240)이 i형(i-type) 반도체인 경우에는 접속층은 p형(p-type) 반도체이거나, n형(n-type) 반도체이다.
다만, 상기 구성에서, i형(i-type) 반도체는 n형(n-type) 반도체와 p형(p-type) 반도체 사이에 존재하여야 하므로, 제 1 전극층(210) 또는 제 2 전극층(220)의 표면층(222)은 전자를 받아들이고 내보내는 집전 역할과 함께 p형(p-type) 반도체 역할 또는 n형(n-type) 반도체 역할도 수행한다.
또 다른 예로서, 도 4를 참조하면, 제 1 전극층(310) 및 제 2 전극층(320)은 다층이며, 이 때, 제 2 전극층(220)은 금속층-반도체층, 금속층-금속층, 반도체층-반도체층 등의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 조합 중에서, 더욱 효과적으로 광기전력 효과를 발휘할 수 있게 제 1 전극층(310) 및/또는 제 2 전극층(320)이 반도체 나노 입자들(340)의 접속 부위에서 p-n 접합 또는 p-i-n 접합을 형성하도록, 제 1 전극층(310)의 반도체 나노 입자들과 접속되는 접속층(312) 및/또는 제 2 전극층(320)의 반도체 나노 입자들과 접속되는 접속층(321)은 n형(n-type) 반도체, p형(p-type) 반도체, 및 i형(i-type) 반도체로 이루어진 군에서 선택되는 반도체 층(layer)인 것이 바람직하다.
이 경우에도, 도 2에서와 같이, 다양한 형태가 가능한데, 예를 들어, 반도체 나노 입자들(340)이 n형(n-type) 반도체인 경우, 제 1 전극층(310)의 접속층(312) 또는 제 2 전극층(320)의 접속층(321)은 p형(p-type) 반도체이거나, i형(i-type) 반도체고, 반도체 나노 입자들(240)이 p형(p-type) 반도체인 경우, 제 1 전극층(310)의 접속층(312) 또는 제 2 전극층(320)의 접속층(321)은 n형(p-type) 반도체거나, i형(i-type) 반도체며, 반도체 나노 입자들(340)이 i형(i-type) 반도체인 경우에는, 제 1 전극층(310)의 접속층(312) 및 제 2 전극층(320)의 접속층(321) 중 하나는 p형(p-type) 반도체이고, 나머지 하나는 n형(n-type) 반도체이다.
다만, 이 경우 역시, 상기 구성에서 i형(i-type) 반도체는 n형(n-type) 반도체와 p형(p-type) 반도체 사이에 존재하여야 하므로, 제 1 전극층(310)의 표면층(311) 또는 제 2 전극층(320)의 표면층(322)은 전자를 받아들이고 내보내는 집전 역할과 함께 p형(p-type) 반도체 역할 또는 n형(n-type) 반도체 역할도 수행한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 세 가지 구성들에 대해 간단히 살펴보았지만, 본 발명은, 두 전극층 사이에 개재되는 절연층을 반도체 나노 입자들이 관통함으로써 제 1 전극층 및 제 2 전극층과 접속(contact)하여 접합(junction)을 이루는 데에 그 특징이 있는 바, 상기 조건을 만족하는 구성이라면 상기 구조에 한정되는 것은 아니하고 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (15)
- 제 1 전극층;
제 2 전극층;
상기 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 개재되어 전극층을 상호 절연시키는 절연층(dielectric layer); 및
상기 절연층을 관통한 상태로 포함되어 있는 반도체 나노 입자들로서, 상기 반도체 나노 입자들의 적어도 일부는 일측이 제 1 전극층에 접속되어 있고 대향측이 제 2 전극층에 접속되어 있는 반도체 나노 입자들;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 나노 입자들은, n형(n-type) 반도체, 또는 p형(p-type) 반도체, 또는 i형(i-type) 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극층과 제 2 전극층은 금속 또는 반도체로 이루어진 하나 이상의 층(layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 적어도 하나는 전극층과 반도체 나노 입자들의 접속 부위에서 p-n 접합 또는 p-i-n 접합을 형성하도록, n형(n-type) 반도체, p형(p-type) 반도체, 및 i형(i-type) 반도체로 이루어진 군에서 선택되는 반도체 층(layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 적어도 하나는 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide: TCO)로 이루어진 반도체 층(layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 적어도 하나는 20 나노미터 이상 내지 60 나노미터 이하의 두께를 갖는 금속으로 이루어진 금속 층(layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연층은 SiO2, Si3N4, SiOxNy(1.0≤x≤5.0, 1.0≤y≤5.0), 및 Al2O3로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 나노 입자들의 입경은 20 나노미터 이상 내지 2 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연층의 두께는 반도체 나노 입자의 입경보다 작은 범위에서 10 나노미터 이상 내지 100 나노미터 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 나노 입자들 중의 50% 이상은 되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 태양전지는 결정계 태양전지 또는 박막계 태양전지인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 따른 태양전지를 제조하는 방법으로서,
(i) 제 1 전극층을 형성하는 과정;
(ii) 제 1 전극층 상에 절연층(dielectric layer)을 형성하는 과정;
(iii) 절연층 상에 반도체 나노 입자들을 부가하고 가압하는 과정; 및
(iv) 반도체 나노 입자들이 부가 및 가압된 절연층 상에 제 2 전극층을 형성하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층은 스퍼터링(sputtering), 열증착(thermal evaporation), 이온빔 밀링(ion-beam milling) 및 e-beam 증착(e-beam evaporation)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 절연층은 스퍼터링(sputtering), 플라즈마 화학기상증착(PCVD), 및 원자층 증착(ALD)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 반도체 나노 입자들은 분말의 형태로 산포되어 부가되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130100883A KR20150024010A (ko) | 2013-08-26 | 2013-08-26 | 반도체 나노 입자를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130100883A KR20150024010A (ko) | 2013-08-26 | 2013-08-26 | 반도체 나노 입자를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150024010A true KR20150024010A (ko) | 2015-03-06 |
Family
ID=53020817
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR20130100883A KR20150024010A (ko) | 2013-08-26 | 2013-08-26 | 반도체 나노 입자를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20150024010A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101976673B1 (ko) * | 2017-12-19 | 2019-05-10 | 한국에너지기술연구원 | 실리콘 태양전지 |
-
2013
- 2013-08-26 KR KR20130100883A patent/KR20150024010A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101976673B1 (ko) * | 2017-12-19 | 2019-05-10 | 한국에너지기술연구원 | 실리콘 태양전지 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI402992B (zh) | 太陽能電池及其製造方法 | |
| US9691927B2 (en) | Solar cell apparatus and method of fabricating the same | |
| KR20130040358A (ko) | 태양전지 | |
| JP5624153B2 (ja) | 太陽電池及びその製造方法 | |
| KR101210046B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| JP2014503128A (ja) | 太陽電池及びその製造方法 | |
| KR20150024010A (ko) | 반도체 나노 입자를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101338549B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| US9287421B2 (en) | Solar cell module and method of fabricating the same | |
| JP2015046470A (ja) | 光電変換モジュール | |
| JP2013098190A (ja) | 光電変換装置 | |
| KR101765922B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101419805B1 (ko) | 박막형 태양전지용 후면 전극 및 이를 포함하는 박막형 태양전지 | |
| KR101601275B1 (ko) | 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 | |
| KR101349432B1 (ko) | 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 | |
| JP5988373B2 (ja) | 光電変換装置および光電変換装置の製造方法 | |
| JP2013077692A (ja) | 光電変換装置 | |
| KR101762958B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101189366B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101349525B1 (ko) | 태양광 발전장치 | |
| KR101081222B1 (ko) | 태양광 발전장치 | |
| JP2012156423A (ja) | 光電変換装置の製造方法 | |
| KR20130117159A (ko) | 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 | |
| WO2014017354A1 (ja) | 光電変換装置 | |
| JP2013149650A (ja) | 光電変換装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |