KR20180133528A - 광 흡수층 및 광 흡수층을 포함하는 광기전 디바이스 - Google Patents

광 흡수층 및 광 흡수층을 포함하는 광기전 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광기전 디바이스용 광 흡수층 (1a) 으로서, 도핑된 반도체 재료의 복수의 그레인들 (2) 및 상기 그레인들과 물리적으로 접촉하는 전하 전도 재료로 만들어진 전하 전도체 (3) 를 포함하는, 광기전 디바이스용 광 흡수층 (1a) 에 관한 것이다. 그레인들은 복수의 접합들 (4) 이 그레인들과 전하 전도체 사이에 형성되도록 전하 전도체 (3) 로 부분적으로 피복된다. 본 발명은 또한 광 흡수층 (1a) 을 포함하는 광기전 디바이스에 관한 것이다.

Description

광 흡수층 및 광 흡수층을 포함하는 광기전 디바이스
본 발명은 태양 전지와 같은 광 흡수층을 포함하는 광기전 디바이스의 분야에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 광기전 디바이스용 광 흡수층에 관한 것이다.
광기전 디바이스는 광기전 효과를 나타내는 반도체 재료들을 사용하여 광을 전기를 변환한다.
통상적인 광기전 시스템은 전력을 생산하는 다수의 태양 전지들을 각각 포함하는 태양 패널들을 채용한다. 태양 전지 또는 광기전 디바이스는 태양광을 전기로 직접 변환하는 디바이스이다. 태양 전지의 표면에 입사된 광은 전력을 생산한다. 태양 전지는 광 흡수층을 갖는다. 광자의 에너지가 광 흡수층 내 재료의 밴드 갭 이상이면, 광자가 재료에 의해 흡수되어 광 여기된 전자가 발생된다. 전면 표면은 베이스와는 다른 방식으로 도핑되어, PN 접합을 생성한다. 조명 하에서, 광자가 흡수되어, PN 접합에서 분리되는 전자-정공 쌍을 생성한다. 태양 전지의 후면측 상에서 금속판이 베이스로부터 과잉 전하 캐리어를 수집하고, 전면측 상에서 금속 와이어는 이미터로부터 과잉 전하 캐리어를 수집한다.
실리콘은 태양 전지에서 가장 보편적으로 사용되는 반도체 재료이다. 실리콘은, 예를 들어, 화학적으로 안정하고 광을 흡수할 수 있는 능력이 높기 때문에 높은 효율을 제공하는 등 여러 장점이 있다. 표준 실리콘 태양 전지는 도핑된 실리콘의 얇은 웨이퍼로부터 제조된다. 실리콘 웨이퍼의 단점은 비싸다는 것이다.
실리콘 웨이퍼의 전면 표면은 베이스와는 다른 방식으로 도핑되어, PN 접합을 생성한다. 태양 전지를 생산하는 동안, 도핑된 실리콘 웨이퍼들의 다수의 샘플들은 실리콘 잉곳으로부터 절단되거나 또는 소잉되야 하고, 그 다음 실리콘 웨이퍼들의 샘플들이 태양 전지에 전기적으로 조립된다. 실리콘 잉곳은 극도로 높은 순도를 가져야하고 소잉 (sawing) 은 시간이 많이 들고 상당한 양의 재료 낭비를 낳기 때문에, 그러한 태양 전지의 생산은 비싸다.
전통적인 태양 전지의 후면측 상에서 금속판이 베이스로부터 과잉 전하 캐리어를 수집하고, 전면측 상에서 금속 그리드 및 금속 와이어는 이미터로부터 과잉 전하 캐리어를 수집한다. 따라서, 종래의 실리콘 태양 전지들은 전면측 콘택트식 이미터를 갖는다. 태양 전지의 전면측 상에 전류 수집 그리드 및 와이어를 사용하는데 따른 문제점은 양호한 전류 수집과 광 수확 (light harvesting) 사이에 트레이드 오프 (trade-off) 가 있다는 것이다. 금속 와이어들의 크기를 증가시킴으로써, 전도가 증가되고 전류 수집이 향상된다. 그러나, 금속 그리드 및 와이어의 크기를 증가시킴으로써 더 많은 태양 수확 면적이 음영지게 되어, 태양 전지의 효율의 감소로 이어진다.
이 문제에 대한 알려진 해결책은 후면 콘택트 태양 전지이다. US 2014166095 A1은 후면 콘택트 후면 접합 실리콘 태양 전지를 제조하는 방법을 기술하고 있다. 후면 콘택트 태양 전지는 전면측 콘택트 이미터를 태양 전지의 후면측으로 이동시킴으로써보다 보다 높은 효율을 달성한다. 보다 높은 효율성은 태양 전지의 전면측에서 감소된 음영으로부터 비롯된다. 후면 콘택트 태양 전지들의 여러 구성들이 존재한다. 예를 들어, 후면 콘택트 후면 접합 (BC-BJ) 실리콘 태양 전지들에서, 이미터 영역과 모든 와이어링이 태양 전지의 후면측 상에 배치되어 그 결과 태양 전지의 전면측으로부터 임의의 음영 컴포넌트들을 효과적으로 제거한다. 그러나, 이러한 BC-BJ 실리콘 태양 전지의 생산은 복잡할 뿐만 아니라 비용이 많이 든다.
WO 2013/149787 A1에는 후면 콘택트를 갖는 염료 감응형 태양 전지가 개시되어 있다. 태양 전지는 다공성 절연 층, 다공성 절연 층의 상단에 형성된 다공성 전도성 금속층을 포함하는 작업 전극, 및 태양에 면하도록 다공성 전도성 금속층의 상단에 배열된 흡착된 염료를 함유하는 광 흡수층을 포함한다. 광 흡수층은 TiO2 입자들의 표면 상에 광 흡착 염료 분자에 의해 염색된 TiO2 금속 산화물 입자들을 포함한다. 염료 감응형 태양 전지는 다공성 절연 층의 반대측에 배치된 전도 층을 포함하는 카운터 전극을 더 포함한다. 전해질이 작업 전극과 카운터 전극 사이에 채워진다. 이 태양 전지의 장점은 제조가 용이하고 빠르며, 따라서 제조하기에 비용 효율적이라는 것이다. 실리콘 태양 전지에 비해 이 유형의 태양 전지의 단점은 염료 분자들이 실리콘보다 광을 흡수할 수 있는 능력이 낮기 때문에 최대 효율이 낮다는 것이다.
염료 감응형 태양 전지의 추가 개발에서, 염료가 주입된 TiO2 층에 대한 대체물로서 페로브스카이트를 사용함으로써 전지들의 효율이 증대되었다. WO2014/184379 에는 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층을 갖는 염료 감응형 태양 전지가 개시되어 있다. 페로브스카이트를 사용하는 이점은 더 높은 태양 전지 효율에 도달할 수 있다는 것이다. 그러나, 페로브스카이트 태양 전지는 여러 단점이 있는데, 예를 들면, 제조가 어렵고, 값 비싸며, 불안정하고, 환경적으로 위험하다.
태양 전지의 비용을 줄이기 위해, 고체 실리콘 웨이퍼들 대신에 실리콘 그레인 (silicon grain) 들을 사용하는 것이 제안되었다.
US4357400 에는 산화환원 전해질 내에 도핑된 실리콘 입자를 갖는 태양 전지가 개시되어 있다. 태양 전지는 기판의 일측에 2개의 전도 층들이 인터리빙된 절연 기판을 포함한다. 일 유형의 도핑의 개별 반도체 입자들이 전도 층들 중 하나 상에 배치되고 반대 유형의 도핑의 반도체 입자들이 다른 전도 층 상에 배치된다. 모두는 산화환원 전해질에 함침되고 캡슐화된다. 산화환원 전해질은 입자들과 접촉하여, 반도체 입자들에 충돌하는 광자들에 응답하여 2개의 전도 층들을 가로질러 전압 전위가 생성된다. 전도 층들은 예를 들어 알루미늄의 얇은 층들이다. 전도 층들은 스퍼터링되고 예를 들어 서로 맞물린 핑거 (interdigitated finger) 를 갖는 패턴으로 기판 상에 에칭된다. 반도체 입자들은 실크 스크리닝에 의해 도포 (apply) 되고 전도체의 표면에 접착될 수 있다. 이 태양 전지의 단점은 제조 공정이 복잡하고 시간이 많이 든다는 것이다. 따라서, 그 태양 전지는 제조하기에 비싸다.
CN20151101264 는 실리콘 웨이퍼 및 전면 및 후면 콘택트들을 갖는 전통적인 태양 전지를 기술한다. 충전율 (fill factor) 및 변환 효율을 향상시키기 위해, 발광성 다공성 실리콘 입자들이 태양 전지의 실리콘 웨이퍼의 표면 상에 스핀 코팅된다. 실리콘 그레인들은 HF 및 에탄올 용액에서 전기화학적 에칭에 의해 제조된 후 2-200nm 입경으로 분쇄된다. 이러한 유형의 태양 전지의 단점은 실리콘 그레인들이 실리콘 웨이퍼에 부착되어 크고 방대한 실리콘 구조체를 만든다는 것이다.
US2011/0000537 에는 수소화 비정질 실리콘, 비-실리콘계 엘리먼트 및 그 수소화 비정질 실리콘계 재료에 임베딩된 결정질 실리콘 그레인들을 포함하는 광 흡수층을 갖는 태양 전지가 기재되어 있다.
JP2004087546 에는 Si 입자들을 함유하는 조성물을 사용하여 실리콘 막을 형성하는 방법이 기재되어 있다. Si 입자들은 실리콘 잉곳을 파쇄하고 부분들을 적당한 크기로 밀링하여 형성된다. 입자들을 세정하여 실리콘 산화물을 제거하고 분산매와 혼합한다. 조성물을 유리 기판 상에 도포한 후, 기판을 열처리하고 실리콘 막을 얻는다.
제조 비용을 줄이기 위한 목적으로 유기 재료를 사용하여 광기전 디바이스들을 제조하는 것이 알려져 있다. 유기 재료는 무기 반도체 재료와 접촉하고, 이에 의해 전자와 정공이 분리되는 이종 접합이 만들어진다.
단결정질 n 형 실리콘 (n-Si) 과 고 전도성 중합체 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스티렌 설포네이트) (PEDOT : PSS) 을 결합한 하이브리드 무기-유기 태양 전지의 사용은 2015 년 8 월 17 일에 공개되었고 Sara Jackle, Matthias Mattiza, Martin Liebhaber, Gerald Bronstrup, Mathias Rommel, Klaus Lips, 및 Silke Christiansen 에 의해 작성된 Scientific 보고서의 “Junction formation and current transport mechanisms in hybrid n-Si/PEDOT:PSS solar cells” 이라는 제목의 논문에 기재되어 있다. 그 논문에는 In/Ga 공정 후면 콘택트 (eutectic back contact) 에 라미네이트된 n 형 Si 웨이퍼 및 Au 그리드 전면 콘택트와 함께 그 웨이퍼 상부의 PEDOT : PSS 층에 대해 기재되어 있다.
US2012/0285521 은, 무기 반도체 층이 유기 층과 라미네이트되고 금속 애노드 그리드가 유기 층의 상단에 배치되고 캐소드 층이 Si 층 아래에 배치되는 광기전 디바이스를 기술한다. 예를 들어, 반도체 층은 실리콘 웨이퍼로 만들어지고, 유기 층은 예를 들어, PEDOT : PSS로 만들어진다. 이 광기전 디바이스의 단점은 금속 애노드 그리드가 유기 층의 상단에 배치하고, 따라서 태양 수확 영역의 일부를 음영지게 하여 태양 전지의 효율 감소로 이어진다는 것이다.
본 발명의 목적은 위에 언급된 문제점들을 적어도 부분적으로 극복하고 개선된 광기전 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 이러한 목적은 청구항 1 에 정의된 바와 같은 광기전 디바이스용 광 흡수 층에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 광 흡수층은 도핑된 반도체 재료의 복수의 그레인들, 및 전하 전도 재료로 만들어진 전하 전도체를 포함하고, 그 전하 전도체는 그레인들과 전하 전도체 사이에 복수의 접합 (junction) 들이 형성되도록 그레인들을 부분적으로 피복한다.
접합은 광 여기된 전자와 정공의 분리를 제공할 수 있는 그레인과 전하 전도체 사이의 계면이다. 그레인들은 접합을 형성하기 위해 전하 전도체와 전기적 및 물리적으로 접촉한다. 반도체 재료 및 전하 전도 재료의 유형에 따라, 접합들은 동종 접합 (homojunction) 또는 이종 접합 (heterojunction) 일 수 있다.
동종 접합은 유사한 반도체 재료 사이의 계면이다. 이들 재료들은 동일한 밴드 갭을 갖지만 전형적으로 상이한 도핑을 갖는다. 예를 들어, 동종 접합은 n 도핑된 반도체와 p 도핑된 반도체 사이의 계면, 소위 PN 접합에서 일어난다.
이종 접합은 금속, 절연, 고속 이온 전도체 및 반도체 재료들의 결정질 및 비정질 구조들을 포함하여, 임의의 2개의 고체 상태 재료들간의 계면이다. 2개의 고체 상태 재료들은 2개의 무기 재료들의 조합 또는 2개의 유기 재료들의 조합 또는 하나의 무기 재료와 하나의 유기 재료의 조합으로 만들어질 수 있다.
본 발명에 따른 광 흡수층은 생산하기 저렴하고, 환경 친화적이며, 높은 변환 효율을 갖는다.
본 명세서에서 사용된 전하 전도체는 정공 전도 재료 또는 전자 전도 재료로 만들어진다. 정공 전도 재료에서, 대다수 (majority) 의 전하 캐리어는 정공이고, 전자 전도 재료에서 대다수의 전하 캐리어는 전자이다. 정공 전도 재료는, 주로 정공의 수송을 허용하고 주로 전자의 수송을 방지하는 재료이다. 전자 전도 재료는, 주로 전자의 수송을 허용하고 주로 정공의 수송을 방지하는 재료이다.
이상적인 전하 전도체는 그레인과 함께 접합을 형성할 수 있고, 여기서 형성된 접합은 광 생성된 전자 및 정공을 분리할 수 있다. 이상적인 전하 전도체는 하나의 유형의 전하 캐리어만을 수용 및 전도하며 다른 유형의 전하 캐리어를 차단한다. 예를 들어, 전하 전도체가 이상적인 정공 전도체인 경우, 전하 전도체는 정공만을 전도하고, 전자가 정공 전도체에 들어가는 것을 차단한다. 전하 전도체가 이상적인 전자 전도체인 경우, 전하 전도체는 전자만을 전도하고, 정공이 전자 전도체에 들어가는 것을 차단할 것이다.
전하 전도체는 여러 목적으로 사용된다. 주요 목적은 전자와 정공이 분리될 수 있는 접합을 제공하는 것이다. 제 2 목적은 하나의 유형의 전하 캐리어를 접합으로부터 전도하는 것이다. 제 3 목적은 그레인들을 기계적으로 서로 결합시키고 그레인들을 제 1 전도 층에 기계적으로 결합시켜 기계적으로 견고한 광 흡수층을 형성하는 것이다.
그레인들은 전도 기판에 부착될 수 있다. 적합하게는 그레인들이 전도 층에 부착된다. 그레인 표면의 부분이 전도 기판 또는 전도 층과 물리적으로 접촉하기 때문에, 전하 전도체는 그레인의 전체 표면 영역을 부분적으로만 피복할 수 있다. 그레인들의 나머지 자유 (free) 표면 영역들은 복수의 접합들이 그레인과 전하 전도체 사이에 형성되도록 전하 전도체로 피복되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광 흡수층의 재료는 전통적 실리콘 태양 전지의 광 흡수 층에 비해 현저히 저렴한데, 비싼 웨이퍼 대신 반도체 그레인들을 포함하는 분말로 만들어질 수 있기 때문이고, 필요한 반도체 재료의 양은 전통적인 반도체 태양 전지를 위한 것보다 작기 때문이다. 적합하게는, 반도체 재료는 실리콘이다. 그러나, CdTe, CIGS, CIS, GaAs 또는 페로브스카이트와 같은 다른 반도체 재료도 사용될 수 있다.
광 흡수층의 재료는 또한 염료 감응형 태양 전지의 광 흡수층보다 저렴한데, 실리콘과 같은 저렴한 반도체가 더 비싼 염료 분자들 대신에 광 흡수체로서 사용될 수 있기 때문이다.
광 흡수층이, 입사광을 향해 다수의 엔젤 (angels) 들을 나타낼 그레인들을 포함한다는 사실 때문에, 광기전 디바이스의 효율은, 평면 실리콘 웨이퍼의 경우에 그러한 것처럼, 층에 대한 광의 입사각에 결정적으로 의존하지 않는다. 따라서, 광학 손실은 평면 실리콘 웨이퍼에 비해 감소된다.
그레인들로 인해, 광 흡수층의 표면은 웨이퍼가 사용되는 경우에 비해 더 거칠어진다. 평면 실리콘 웨이퍼와 비교할 때, 그레인들의 더 거친 표면은 반사광이 흡수될 가능성을 증가시키며, 이는 표면에서의 반사로 인한 효율 손실을 감소시킨다. 따라서, 전통적인 실리콘 태양 전지의 표면 상에 종종 사용되는 반사 방지 코팅의 필요성이 감소되거나 또는 더 이상 필요하지 않게 된다.
광 흡수층은 환경 친화적인 재료에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 그레인들은 실리콘으로 만들어질 수 있으며, 이것은 높은 변환 효율을 갖는 환경 친화적이고 안정한 재료이다. 전하 전도체 재료는 예를 들어, 중합체와 같은 유기 재료를 포함할 수 있거나 또는 무기성 또는 금속-유기성일 수 있다.
본 발명에 따른 광 흡수층은 웨이퍼 또는 박막과 같은 전통적인 실리콘 광 흡수층에 비해 제조가 현저히 용이하다. 광 흡수층은 예를 들어 그레인들을 포함하는 잉크를 표면, 예를 들어 전도 표면 상에 성막 (depositing) 시킴으로써 제조될 수 있다. 잉크는 표면 상의 임의의 적합한 패턴으로 성막될 수 있다. 그 다음, 전하 전도체 재료는 그레인들의 자유 표면 상에 성막된다.
적절하게는, 전하 전도체는 그레인들의 자유 표면 상에 그리고 그레인들 사이의 빈 공간에 배치된다. 전하 전도 재료는 일정한 고유 기계적 안정성을 가지기 때문에, 전하 전도 재료는 그레인들 사이의 접착제로서 작용하여,광 흡수층을 안정화시킨다. 또한, 전하 전도체는 또한 그레인들 및 제 1 전도 층을 함께 접착하여, 그레인들 및 제 1 전도 층의 기계적 접착을 향상시킨다. 이 실시형태는 광 흡수층의 물리적 강도 및 제 1 전도 층에 대한 그레인의 접착을 향상시킨다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 전하 전도체가, 대부분의 그레인들이 그레인의 표면의 주된 부분 (major part) 을 피복하는 전하 전도 층으로 피복되도록, 그레인들 상에 배치된다. 전하 전도 층은 위에서 정의된 바와 같은 전하 전도 재료로 만들어진 층이다
전하 전도체가 그레인들 상에 배치되어 이에 의해 전하 전도체가 복수의 전하 전도 층들을 형성하고, 각각의 전하 전도 층은 단일 그레인 또는 여러 인접 그레인들의 자유 표면을 피복한다. 전하 전도 층이 너무 두꺼우면, 전도 층은 광의 일부가 그레인에 도달하는 것을 방지하는 광 흡수 필터로서 작용할 것이다. 바람직하게는, 전하 전도 층은 10 nm 와 200 nm 사이의 두께를 갖는다. 보다 바람직하게는, 전하 전도 층은 50nm 와 100nm 사이의 두께, 그리고 더욱 더 바람직하게는 70nm 와 90nm 사이의 두께를 갖는다. 이러한 얇은 층들은 대부분의 광이 전하 전도 층을 관통하여 그레인에 도달할 수 있게 할 것이다.
바람직하게는, 그레인의 전체 자유 표면, 즉 기판/전도 층과 접촉하지 않는 표면은 전하 전도체에 의해 피복될 것이다. 자유 표면의 전하 전도체의 커버리지 (coverage) 는 프로세스 파라미터들 또는 전하 전도체 재료 특성의 변동으로 인해 커버리지에서 약간의 디스럽션 (disruption) 을 포함할 수도 있다. 또한, 자유 표면의 전체 커버리지를 방지하는 그레인들의 지오메트리들로 인해 커버리지가 또한 방해 (disrupt) 될 수도 있다. 전하 전도체는 또한 작은 그레인/입자를 포함할 수도 있고, 그레인/입자 사이의 공간은 그레인들의 커버리지에서 디스럽션을 일으킬 수도 있다. 커버리지에서의 디스럽션은 전지의 효율을 감소시킬 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 그레인들의 각각은 광에 면하는 상부 표면을 갖고, 상부 표면은 전하 전도체로 피복된다. 바람직하게는, 그레인들의 층은 기판의 대부분의 표면을 피복한다. 기판 상의 그레인들의 분포는 그레인들 사이의 얇은 갭 또는 인접한 그레인들의 오버래핑을 초래할 수도 있다.
전하 전도체는 그레인들의 표면의 적어도 50 %, 그리고 보다 바람직하게는 적어도 70 %, 그리고 가장 바람직하게는 그레인들의 표면의 적어도 80 % 를 피복한다. 정공-도체에 의해 피복되는 그레인들의 면적이 더 클수록 변환 효율이 더 높다, 즉, 입사광의 더 많은 부분이 전기로 변환된다. 이상적으로, 전하 전도체는 각 그레인의 자유 가용 표면 전체를 피복한다.
그레인들의 평균 크기는 적절하게는 1 ㎛ 와 300 ㎛ 사이이다. 바람직하게는, 그레인의 평균 크기는 10 ㎛ 와 80 ㎛ 사이이고, 가장 바람직하게는 그레인의 평균 크기는 20 와 50 ㎛ 사이이다. 광 흡수층의 두께는 그레인들의 크기에 의존한다. 실리콘 웨이퍼는 전형적으로 약 150 내지 200 ㎛이다. 본 발명에 따른 광 흡수층은 전통적인 반도체 태양 전지의 광 흡수층보다 더 얇고 더 유연하게 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 광 흡수층은, 예를 들어, 20 과 50 ㎛ 사이 크기의 그레인들이 사용되는 경우, 약 40 내지 80 ㎛ 로 만들어질 수 있다. 그레인들이 너무 작으면, 광을 흡수할 수 있는 능력이 저하된다. 그레인들이 너무 크면 그레인/전하 전도체 계면들까지의 거리 때문에 효율이 떨어질 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 그레인들은 도핑된 실리콘으로 만들어진다. 실리콘은 광기전 디바이스에 사용하기에 적합한 재료인데, 왜냐하면 그것은 저렴하고 안정하며 광을 흡수할 수 있는 능력이 높기 때문이며, 이는 광 흡수층의 고효율에 이른다. 실리콘은 다결정 그레인들 또는 불순물의 정도가 낮은 결정질, 순수 태양 등급 유형일 수 있다. 실리콘은 높은 도핑 농도로 N 형 도핑되거나 또는 p 형 도핑될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 그레인들은 주로 {111} 평면들이 그레인들의 표면에 노출된다. 전하 전도체는 그레인들의 {111} 피라미드 평면들과 접촉한다. 이 실시형태는 광 트래핑 (light trapping) 을 유발하는데, 이는 광이 표면들에서 여러번 반사되고, 그로 인해 그레인들의 광 흡수가 증가된다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 전하 전도체는 전도 중합체이다. 적합하게는, 전하 전도체는 PEDOT:PSS 라 불리는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리 (스티렌 설포네이트) 이다. PEDOT : PSS 는 전도성이 높은 정공 전도 중합체이다. 전하 전도체는 또한 무기 재료 또는 금속-유기 재료로 만들어질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전하 전도체는 PEDOT:PSS 로 만들어지고 그레인들은 도핑된 실리콘으로 만들어진다. 도핑된 실리콘은 p 도핑되거나 또는 n 도핑될 수 있다. 그러나, PEDOT는 정공 전도체이기 때문에 PEDOT 와 함께 n 도핑된 실리콘이 바람직할 수 있다. PEDOT : PSS 는 실리콘과 함께 잘 작동하며 함께 이들은 높은 광 대 전기 에너지 변환 효율을 달성할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 전하 전도체 재료는 무기 재료 또는 금속-유기 재료들을 포함한다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 전하 전도체는 그레인들과는 상이한 도핑 유형의 반도체 재료로 만들어진 입자들을 포함한다. 따라서, 광 여기된 전자와 정공이 분리되는 복수의 접합들이 그레인과 입자 사이의 계면에 형성된다. 예를 들어, 접합들은 PN 접합이다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 이 목적은 청구항 12 에 정의된 광기전 디바이스에 의해 달성된다.
광기전 디바이스는 전술한 설명에 따른 광 흡수층을 포함하며, 그 광 흡수층은 도핑된 반도체 재료의 복수의 그레인들, 및 그레인들과 전하 전도체 사이에 복수의 접합들이 형성되도록 그레인들을 부분적으로 피복하는 전하 전도체를 포함한다.
본 발명에 따른 광기전 디바이스는 광 흡수층에 대해 전술한 것과 동일한 장점을 갖는다. 따라서, 광기전 디바이스를 위한 제조 비용이 감소되고, 광학 및 반사 손실이 더 적기 때문에 광기전 디바이스의 최대 효율이 증가되고, 반사 방지 코팅의 필요성이 감소되거나 또는 더 이상 필요하지 않게 된다. 본 발명에 따른 광기전 디바이스는 제조가 용이하고 얇고 유연하게 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 광기전 디바이스는 반도체 재료의 그레인들을 포함하는 광 흡수층을 포함한다. 그레인들은, 그레인들이 더 저렵하고, 취급이 더 용이하고, 적용이 더 용이하고 그레인들을 갖는 층이 더 유연하다는 점에서 웨이퍼들 또는 성막된 박막들에 비해 여러 장점이 있다. 그레인들을 포함하는 광 흡수층을 갖는 태양 전지에서, 각각의 그레인은 "미니" 태양 전지로서 작용할 것이다. 그레인은 부피와 관련하여 큰 표면적을 가지므로, 전하 운반 재료와 반도체 사이에 넓은 접촉 면적을 허용한다. 그레인들의 크기는 태양 광 대 전기 에너지 변환 효율에 대해 최적화될 수 있다. 따라서, 광기전 디바이스를 설계할 때 더 적은 반도체 재료를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 그레인들은 반도체 표면들을 다양한 방향에서 자세를 취하게 하므로, 광 입사각에 대한 의존성을 줄여 광학 및 반사 손실을 감소시킨다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 그 디바이스는 제 1 전도 층을 포함하고, 광 흡수층이 제 1 전도 층 상에 배치되어, 그레인들이 제 1 전도 층과 전기적 및 물리적으로 접촉하게 한다. 제 1 전도 층은 접합으로부터 광 여기된 전자를 수집하고 그 전자를 광기전 디바이스 외부의 외부 회로로 수송한다. 그레인들이 제 1 전도 층과 물리적 및 전기적으로 직접 접촉한다는 사실 때문에, 전자가 수집되기 전에 전자가 이동해야하는 거리가 짧고, 이에 따라 전자 및 정공이 수집되기 전에 전자와 정공의 재결합 가능성이 낮다. 따라서, 전통적인 광기전체와 비교하여 본 발명의 이 실시 형태에 따른 광기전 디바이스의 장점은, 전자가 수집되기 전에 이동하는 거리가 더 짧기 때문에 광 흡수층에서의 전기 저항 손실이 더 적다는 것이다. 이 실시 형태에 따른 제 1 전도 층에 의해 전하 캐리어가 수집되기 까지의 거리는 전형적으로 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터의 범위인 반면에, 전통적인 실리콘 웨이퍼 태양 전지에서 전자가 전면측 집전체에 도달하기까지 통상적으로 수천 마이크로미터, 즉 수 밀리미터 이동할 필요가 있거나 또는 후면측 집전체에 도달하기까지 수백 마이크로미터 이동할 필요가 있다.
그레인들은 전자 또는 정공과 같은 전하 캐리어를 추출하기 위해 제 1 전도 층 상에 직접 성막될 수 있다. 그레인들의 성막은 인쇄 등과 같은 간단한 공정으로 이루어질 수 있다. 그레인들의 상단에, 정공 또는 전자를 운반하기 위한 전하 전도 재료로 만들어진 전하 전도체가 광 흡수층을 형성하기 위해 도포된다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 전하 전도체는 전도 중합체이다. 중합체는 그레인들 사이의 접착제 역할을 할 수 있는 능력이 있고 그에 의해 광 흡수층의 기계적 안정성을 향상시킨다. 또한, 전도 중합체는 또한 그레인들 및 제 1 전도 층을 함께 접착하여, 그레인들 및 제 1 전도 층의 기계적 접착을 향상시킨다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 그레인들의 각각의 그레인의 표면의 일부는 제 1 전도 층과 물리적 및 전기적으로 접촉하고, 그레인들의 각각의 그레인의 나머지 자유 표면의 우세한 부분 (predominant part) 이 전하 전도체로 피복된다. 각각의 그레인은 상부 부분이 전하 전도체로 피복되고, 하부 부분은 제 1 전도 층과 물리적 및 전기적으로 접촉한다. 전기적 단락을 피하기 위해, 제 1 전도 층과 전기적으로 접촉하는 그레인들의 하부 부분이 전하 전도체와 낮은 오믹 접합을 형성하지 않는 것이 중요하다. 전하 전도체와 그레인의 하부 부분 사이의 전기 저항이 너무 낮으면, 단락으로 인한 손실이 너무 높아질 것이다. 따라서, 제 1 전도층과 전기적으로 접촉하는 그레인 표면의 부분은 전하 전도체로 피복되어서는 안된다. 바람직하게는, 그레인의 나머지 표면은 높은 변환 효율을 달성하기 위해 전하 전도체로 피복된다. 이상적으로, 전하 전도체는 그레인의 나머지 자유 표면 전체를 피복한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 디바이스는 제 1 전도 층으로부터 전기적으로 절연된 제 2 전도 층을 포함한다. 전하 전도체는 제 2 전도 층에 전기적으로 연결되고 제 1 전도 층으로부터 전기적으로 절연된다. 전하 전도체는 제 2 전도 층에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 접속될 수 있다. 바람직하게는, 광기전 디바이스는 제 1 과 제 2 전도 층들을 전기적으로 절연시키기 위해 제 1 과 제 2 전도 층들 사이에 배치된 절연 층을 포함하고, 제 1 및 제 2 전도 층들은 절연 층의 반대 측들 상에 배열된다. 광 흡수층은 제 1 전도 층 상에 배치된다. 따라서, 제 1 전도 층, 제 2 전도 층 및 절연 층은 광 흡수층의 후면 측에 배치된다. 이 실시 형태의 이점은, 후면 콘택트를 갖는다는 것이다. 태양에 면하는 광 흡수층의 전면 측에 집전 그리드 및 와이어를 사용하는 대신에, 광 흡수층의 후면 측에 제 1 및 제 2 전도 층들이 배열된다. 따라서, 광 흡수층을 음영지게 하는 것이 없고, 증가된 효율이 달성된다. 이 실시 형태의 또 다른 이점은 제 1 전도 층이 절연 층과 광 흡수층 사이에 배열된다는 것이다. 따라서, 디바이스의 전도 층들은 투명할 필요가 없으며, 높은 전도성의 재료로 만들어질 수 있어, 전류 처리 능력을 증가시키고 디바이스의 고효율을 보장한다. 본 발명의 실시 형태에 따르면, 제 1 콘택트는 제 1 전도 층에 전기적으로 연결되고, 제 2 콘택트는 전기적으로 제 2 전도 층에 연결된다. 따라서, 제 1 콘택트는 광 흡수층의 도핑된 반도체 재료에 전기적으로 연결되고, 제 2 콘택트는 전하 전도체에 전기적으로 연결된다. 제 1 및 제 2 콘택트는 전면 측 대신에, 디바이스의 에지 상에 배치될 수 있다. 따라서, 광 흡수층을 음영지게 하는 것이 없고, 증가된 효율이 달성된다.
광기전 디바이스의 제 1 및 제 2 전도 층들은 외부 회로에 접속될 수 있고 절연 층의 양측 상에 형성될 수 있고, 광 흡수층의 후면 측에 배치될 수 있다. 제 1 전도 층 및 절연 층은 전하 운반 재료가 구조체를 관통하여 제 2 전도 층과 접속될 수 있는 정도로 다공성으로 만들어질 수 있다. 정공 및 전자의 단락 및 재결합을 배제하기 위해, 제 1 전도 층은 전하 전도 재료로부터 격리되어야 한다. 그레인들은 전하 전도체를 통해 그리고 가능하게는 디바이스의 다른 층들을 통해 제 2 전도 층에 간접적으로 전기적으로 접속된다. 따라서 광 흡수층에서의 각각의 그레인은 직접 또는 간접적으로 제 1 및 제 2 전도 층들에 접속되어 광기전 전기 회로를 형성한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 제 1 전도 층은 금속을 포함하고, 그레인과 제 1 전도 층 사이의 물리적 접촉의 구역은 금속 실리사이드, 예를 들어 TiSi2 또는 금속-실리콘 합금, 예를 들어 Al-Si 합금으로 이루어진다. 합금 또는 실리사이드는 광기전 디바이스의 제조 중에 그레인과 제 1 전도 층 사이의 경계에 형성된다. 금속 실리콘 합금 또는 금속 실리사이드는 우수한 전기 전도성을 갖는다. 물리적 접촉 구역, 즉 그레인과 제 1 전도 층 사이의 경계는 금속-실리콘 합금 또는 금속 실리사이드를 포함한다는 사실로 인해, 그레인과 전도 층 사이의 전기적 접촉이 향상된다. 따라서, 광기전 디바이스의 효율이 증가된다. 예를 들어, 그레인들이 실리콘으로 만들어지고, 제 1 전도 층이 티타늄을 포함하면, 그레인과 제 1 전도 층 사이의 물리적 접촉의 구역은 광기전 디바이스 제조 후에 티타늄 실리사이드를 포함한다. 전도 층이 알루미늄을 포함하면, 알루미늄 실리콘 합금이 광기전 디바이스의 제조 중에 그레인과 제 1 전도 층 사이의 경계에 형성된다. 알루미늄 실리콘 합금은 또한 우수한 전기 전도성을 갖는다. 또한 티타늄 또는 알루미늄 외의 다른 금속이 제 1 전도 층에 사용될 수 있다.
티타늄 실리사이드는 여러 변형들, 예를 들어, TiSi2, TiSi, Ti5Si4, Ti5Si3, Ti3Si 로 존재할 수 있다. 본 발명의 실시 형태에 따르면, 그레인과 제 1 전도 층 사이의 경계는 TiSi2를 포함한다. TiSi2 는 C49- TiSi2 와 C54- TiSi2 의 두 가지 변형들로 존재한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 전하 전도체는 그레인의 표면으로부터 제 2 전도 층으로 전하 전도 재료의 복수의 연속 경로를 형성하는 방식으로 성막된다. 전하 전도체는 제 1 전도 층 및 절연 층을 관통하여 경로를 형성한다. 전하 전도체는 그레인의 표면으로부터 아래로 제 2 전도체 층까지 줄곧 전하 전도 재료의 연속 경로를 형성하여 접합들에서 생성된 정공/전자가 제 2 전도 층으로 이동하고 제 2 전도 층에서 전자와 재결합될 수 있게 한다. 전하 전도체는 그레인 상의 전하 전도체의 층을 상기 제 2 전도 층에 전기적으로 연결된 제 2 콘택트와 전기적으로 접속시킨다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 제 1 전도 층은 다공성이며, 전하 전도체는 제 1 전도 층을 통해 연장된다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 제 1 전도 층과 제 2 전도 층 사이의 절연 층은 다공성이며, 전하 전도체는 절연 층을 통해 연장한다. 절연 층은 다공성 절연 기판을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 다공성 절연 기판은 유리 마이크로섬유 또는 세라믹 마이크로섬유로 만들어진다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 제 1 전도 층 및 절연 층은 다공성이며, 전하 전도체는 제 1 전도 층의 기공에 그리고 다공성 절연 층의 기공 내에 수용되어, 전하 전도 경로가 광 흡수층과 제 2 콘택트 사이에 형성된다. 전하 전도 경로는 위에서 정의된 바와 같은 전하 전도 재료로 만들어진 경로이며, 이 경로는 전하, 즉 전자 또는 정공의 수송을 허용한다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 제 1 전도 층은 제 1 전도 층으로부터 전하 전도체를 전기적으로 절연하도록 배열된 절연 산화물을 포함한다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 제 1 전도 층은 그레인들과 전기적 및 기계적으로 접촉하는 전도성 입자들을 포함한다. 전도성 입자들은 서로 물리적 및 전기적으로 접촉한다. 그레인들은 전도 입자들에 본딩된다. 적합하게는, 그레인들은 실리콘으로 만들어지고, 전도 입자들은 금속을 포함하고, 입자들과 그레인들 사이의 경계는 금속 실리콘 합금 또는 금속 실리사이드를 포함한다. 따라서, 그레인들과 입자들 사이의 전기적 접촉이 향상된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 금속 입자들은 절연 산화물로 적어도 부분적으로 피복된다. 그레인과 접촉하지 않는 금속 입자의 표면의 부분은 산화물로 피복되어 있는 것이 바람직하다. 산화물은 입자들 상에 보호 및 전기 절연 층을 제공하고, 이는 전자 또는 정공이 전도 층과 전하 전도체 사이에서 전달되는 것을 방지하여, 전도 층과 전하 전도체 사이의 단락을 방지한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 금속 입자는 티타늄 또는 이의 합금으로 만들어진다. 티타늄은 부식에 견딜 수 있는 능력과 실리콘에 우수한 전기적 접촉을 형성할 수 있기 때문에 전도 층에 사용하기에 적합한 재료이다. 바람직하게는, 금속 입자의 표면의 적어도 일부는 티타늄 실리사이드로 피복된다. 티타늄 실리사이드는 우수한 전기 전도성을 갖는다. 그레인과 제 1 전도 층 사이의 경계는 티타늄 실리사이드를 포함한다는 사실로 인해, 그레인과 전도 층 사이의 전기적 접촉이 향상된다. 티타늄 실리사이드는 광기전 디바이스의 제조 중에 그레인과 제 1 전도 층 사이의 경계에 형성된다. 적합하게, 금속 입자는 티타늄을 포함하고, 그레인과 접촉하지 않는 금속 입자의 표면의 부분은 티타늄 산화물로 피복된다. 티타늄 산화물은 티타늄 입자 상에 보호 산화물 층을 제공하고, 이는 제 1 전도 층과 전하 전도체 사이의 단락을 방지한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 금속 입자는 알루미늄 또는 이의 합금으로 만들어진다. 적합하게, 금속 입자는 알루미늄을 포함하고, 그레인과 접촉하지 않는 금속 입자의 표면의 부분은 알루미늄 산화물 등의 산화물로 피복된다. 산화물의 표면 층은 전하 전도체와 알루미늄 사이의 단락을 방지할만큼 두꺼워야한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 제 2 전도체는, 전하 전도체에 그리고 제 2 전도 층에 전기적으로 접속되고 제 1 전도 층으로부터 전기적으로 절연된 낮은 저항 접속 부위 (connection site) 를 포함한다. 접속 부위는 제 2 전도 층과 전하 전도체 사이의 계면에 배치된다. 접속 부위는 제 2 전도체와 전하 전도체 사이의 접합을 가로 질러 전자 및 정공에 대해 낮은 저항 경로를 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 접속 부위는 은으로 만들어진다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 제 2 전도 층은 다공성이며, 전하 전도체는 제 2 전도 층을 관통한다. 적합하게, 제 2 전도 층은 금속 입자를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 제 2 전도 층의 금속 입자는 티타늄 또는 이의 합금으로 만들어진다.
본 발명은 이제 본 발명의 상이한 실시형태들의 설명과 첨부된 도면들을 참조하여 더 면밀하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 광 흡수층의 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 광기전 디바이스의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 광기전 디바이스의 부분의 확대도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 광기전 디바이스의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 광 흡수층의 예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 광기전 디바이스의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 광 흡수층 (1a) 의 개략도를 도시한다. 광 흡수층 (1a) 은 도핑된 반도체 재료로 만들어진 복수의 그레인들 (2) 및 그레인들 (2) 과 물리적 및 전기적으로 접촉하는 전기 전하 전도체 (3) 를 포함한다. 접합 (4) 이 전하 전도체 (3) 와 그레인들 (2) 사이의 접촉 영역에 형성된다. 그레인들 (2) 은 복수의 접합들 (4) 이 그레인들과 전하 전도체 사이에 형성되도록 전하 전도체 (3) 로 부분적으로 피복된다. 바람직하게는, 그레인들 (2) 의 표면의 적어도 50 % 가 전하 전도체로 피복된다.
그레인들 (2) 의 반도체 재료는 광자를 흡수할 수 있는 능력이 있으며, 이는 전자를 원자가 전자대에서 전도대로 여기시키고, 이로써 반도체 재료에 전자-정공 쌍을 만든다. 적합하게는, 반도체 재료는 실리콘이다. 그러나, CdTe, CIGS, CIS, GaAs 또는 페로브스카이트와 같은 다른 반도체 재료도 사용될 수 있다. 바람직하게는, 그레인들의 평균 크기는 1 ㎛ 와 300 ㎛ 사이이고, 통상적으로 그레인들 (2) 의 평균 크기는 20 ㎛ 와 100 ㎛ 사이이다.
전하 전도체 (3) 는 고체, 즉 액체가 아닌, 재료로 만들어지며, 정공 전도체 또는 전자 전도체일 수 있다. 그레인들이 n 도핑되는 경우, 전하 전도체 (3) 는 바람직하게는 정공 전도체이고, 그레인들이 p 도핑되는 경우, 전하 전도체 (3) 는 전자 전도체인 것이 바람직하다. 전하 전도체 (3) 는 전하 전도 재료, 예를 들어 실리콘과 같은 도핑된 반도체 재료 또는 전도 중합체와 같은 유기 전도 재료로 만들어진다. 전도성이 충분한 여러 투명, 전도성 중합체를 이 목적으로 사용할 수도 있다. 실리콘 그레인들과 조합하여 사용되기에 적합한 정공 전도 중합체의 예는 폴리 (3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT : PSS) 이다. PEDOT : PSS 는 2개의 이오노머의 중합체 혼합물이다. 전하 전도체 (3) 에 적합한 재료의 다른 예들은 폴리아닐린, P3HT 및 Spiro-OMeTAD 이다. 중합체 전도체가 사용되는 경우, 전하 전도체는 중합체 또는 중합체들의 혼합물로 만들어진 복수의 입자들을 포함한다. 전하 전도체의 입자들은 그레인들의 표면을 부분적으로 피복한다. 접합들 (4) 은 광 여기된 전자 및 정공 쌍의 분리를 제공할 수 있는 능력을 갖는다. 그레인들 및 전하 전도체의 재료에 따라, 접합은 p-n 접합과 같은 동종 접합 또는 이종 접합이다.
그레인들 (2) 은 본질적으로 광 흡수층에 고르게 분포되고, 전하 전도체 (3) 는 그레인들 상에 그리고 그레인들 사이의 공간에 위치한다. 그레인들 (2) 의 크기 및 형상은 다양할 수도 있다. 광 흡수층 (1a) 이 층 (8) 에 도포된다. 예를 들어, 층 (8) 은 전도 층이다. 그레인들 (2) 은 층 (8) 과 물리적 그리고 전기적으로 접촉한다. 그레인들의 하부 부분은 층 (8) 내로 돌출할 수도 있다.
도 3에 도시된 예에서, 전하 전도체 (3) 는 유기 전도체이다. 전하 전도체는 그레인들 (2) 의 표면 상에 배치되어 복수의 전하 전도 층들 (6) 이 그레인들 상에 형성된다. 따라서, 그레인 (2) 들의 각각의 그레인의 표면은 전하 전도 층 (6) 으로 부분적으로 피복된다. 바람직하게는, 전하 전도 층 (6) 은 10 nm 와 200 nm 사이의 두께를 갖는다. 전형적으로는, 전하 전도 층 (6) 은 50 nm 와 100 nm 사이의 두께를 갖는다. 전하 전도체 (3) 는 그레인들이 유기 전하 전도체에 의해 서로 본딩되도록 그레인들 사이에 배치된다. 따라서, 전하 전도체는 광 흡수층의 기계적 강도를 증가시킨다. 그레인들의 각각은 입사광에 면하는 상부 표면 및 입사광으로부터 먼쪽으로 면하는 하부 표면을 갖는다. 이 실시 형태에서, 그레인들의 상부 표면은 전하 전도체 (3) 로 전체적으로 또는 적어도 부분적으로 피복되고, 하부 표면은, 광 흡수층의 일부가 아닌 전도 층 (8) 과 전기적으로 접촉할 수 있게 하기 위해 전하 전도체가 없다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 광기전 디바이스 (10) 의 단면을 개략적으로 도시한다. 이 실시 형태에서, 광기전 디바이스 (10) 는 태양 전지이다. 도 3은 광기전 디바이스 (10) 의 부분의 확대도를 도시한다. 광기전 디바이스 (10) 는 도 1에 도시된 바와 같이 그레인들 (2) 및 전하 전도체 (3) 를 포함하는 광 흡수층 (1a), 그 광 흡수층 (1a) 의 그레인들 (2) 과 전기적으로 접촉하는 제 1 전도 층 (16), 그 전하 전도체 (3) 에 전기적으로 연결된 제 2 전도 층 (18), 및 그 제 1 및 제 2 전도 층을 전기적으로 절연시키기 위하여, 제 1 과 제 2 전도 층들 (16, 18) 사이에 배치된 절연 층 (20) 을 포함한다. 광 흡수층 (1a) 은 광기전 디바이스의 상단 측에 배치된다. 상단 측은 태양광이 그레인들 (2) 에 부딪혀 광 여기된 전자를 생성할 수 있도록 태양에 면해야 한다. 제 1 전도 층 (16) 은 광 흡수층 (1a) 으로부터 광 생성 전자를 추출하는 후면 콘택트의 역할을 한다. 광 흡수층 (1a) 은 제 1 전도 층 상에 배치된다. 따라서, 여기된 전자 및/또는 정공이 수집될 때까지 이동할 필요가 있는 거리가 짧다. 제 1 콘택트 (12) 는 제 1 전도 층 (16) 에 전기적으로 접속되고, 제 2 콘택트 (14) 는 제 2 전도 층 (18) 에 전기적으로 접속된다. 콘택트들 (12, 14) 사이에는 부하 (L) 가 접속된다. 제 1 및 제 2 전도 층들 (16, 18) 은 적합하게 금속 또는 금속 합금, 예를 들어, 티타늄, 또는 알루미늄 또는 이들의 합금으로 만들어진 금속층들이다.
디바이스 (10) 는 광 흡수층 (1a) 과 제 2 전도 층 (18) 사이에 배치되어 전하, 즉 정공 또는 전자가 광 흡수층 (1a) 으로부터 제 2 전도 층 (18) 으로 이동할 수 있게 하는 전하 전도 재료의 복수의 전하 전도 경로 (22) 를 더 포함한다. 전도 경로 (22) 는 그레인들 상의 전하 전도 층 (6) 과 동일한 재료로 만들어지는 것이 적합하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 이 실시 형태에서, 전하 전도체 (3) 는 전도 경로 (22) 뿐만 아니라 그레인들 상에 층 (6) 을 형성한다. 전도 경로 (22) 는 제 1 전도 층 (16) 및 절연 층 (20) 을 관통한다. 적합하게는, 제 1 및 제 2 전도 층 (16,18) 및 절연 층 (20) 은 전하 전도체가 전도 층 및 절연 층 (20)을 관통하여 경로 (22) 를 형성할 수 있게 하기 위해 다공성이다. 전하 전도체 (3) 는 제 1 및 제 2 전도 층 (16, 18) 의 기공 및 절연 층 (20) 의 기공 내에 수용될 수 있다.
절연 층 (20) 은 다공성 절연 기판을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 다공성 절연 기판은 유리 마이크로섬유 또는 세라믹 마이크로섬유로 만들어진다. 제 1 전도 층 (16) 은 다공성 절연 기판의 상부 측에 배치되고, 제 2 전도 층 (18) 은 다공성 절연 기판의 하부 측에 배치된다. 광 흡수층 (1a) 은 제 1 전도 층 (16) 상에 배치된다.
도 3은 광 흡수층 (1a) 및 제 1 전도 층 (16) 의 확대 부분을 도시한다. 이 실시 형태에서, 제 1 전도 층 (16) 은 전도 재료로 만들어진 복수의 전도 입자들 (24) 을 포함한다. 전도 입자들 (24) 은 적합하게 금속 또는 금속 합금, 예를 들어, 티타늄 또는 알루미늄 또는 이들의 합금으로 만들어진 금속 입자들이다. 제 1 전도 층의 전도성 입자들 (24) 은 서로 물리적 및 전기적으로 접촉한다. 그레인들 (2) 은 제 1 전도 층의 전도 입자들 (24) 중 일부와 물리적 및 전기적으로 접촉한다. 바람직하게는, 그레인들 (2) 은 그레인들과 제 1 전도 층 (16) 의 입자들 (24) 사이에 충분한 접촉 영역을 제공하기 위해 100 ㎛ 미만의 크기를 갖는다. 그레인들 (2) 은 광기전 디바이스로부터 먼쪽으로 면하는 상부 부분 및 제 1 전도성 층의 전도 입자들 (24) 와 물리적으로 접촉하는 하부 부분을 갖는다. 그레인들 (2) 의 상부 부분은 전하 전도체 (3) 의 전도 층 (6) 으로 피복된다.
그레인들은 바람직하게는 도핑된 실리콘으로 만들어지며, 제 1 전도 층의 실리콘 그레인들 (2) 과 전도 입자들 (24) 사이의 물리적 접촉의 구역은 그레인들 (2) 과 입자들 (24) 사이에 양호한 전기적 접촉을 제공하기 위해 금속-실리콘 합금 또는 금속 실리사이드의 층 (26) 으로 이루어진다. 예를 들어, 그레인들 (2) 은 실리콘 (Si) 으로 만들어지고 전도 입자들 (24) 는 티타늄 (Ti) 으로 만들어지거나, 또는 적어도 부분적으로 티타늄을 포함하고, 그레인들 (2) 과 입자들 (24) 사이의 경계는 티타늄 실리사이드의 층 (26) 을 포함하고, 이는 Si 와 Ti 사이에 양호한 전기적 접촉을 제공한다.
제 1 전도 층 (16) 은 서로 본딩된 복수의 전도 입자들 (24) 에 의해 형성된다는 사실 때문에, 입자들 사이에 공동이 형성된다. 따라서, 제 1 전도 층 (16) 은 전하 전도체 (3) 가 제 1 전도 층을 통해 연장되어 복수의 전하 전도 경로 (22) 를 형성할 수 있게 한다. 전하 전도체 (3) 는 제 1 전도 층 (16) 내의 전도 입자들 (24) 사이에 형성된 공동들 중 일부에 수용된다.
제 1 전도 층 (16) 과 전하 전도체 (3) 의 전도 경로 (22) 사이의 전기적 접촉을 피하기 위해, 전도 입자들 (24) 은 절연 재료, 예를 들어 절연 산화물의 절연 층 (28) 으로 적어도 부분적으로 피복된다. 바람직하게는, 그레인들 (2) 과 또는 층 내 다른 전도 입자들 (24) 과 접촉하지 않는 전도 입자들 (24) 의 표면의 부분은 절연 층 (28) 으로 피복된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전하 전도체 (3) 의 전하 전도 경로 (22) 는 입자들 (24) 상의 절연 층 (28) 과 접촉한다. 절연 금속 산화물의 층은 예를 들어, 디바이스 (10) 의 제조 동안 전도 입자들 (24) 을 산화시킴으로써 형성된다. 금속 산화물의 절연 층 (28) 은 입자들 상에 보호 및 전기 절연 층을 제공하고, 이는 전하가 제 1 전도 층 (16) 과 전하 전도체 (3) 사이에서 전달되는 것을 방지하고, 이에 의해 제 1 전도 층 (16) 과 전하 전도체 (3) 사이의 단락을 방지한다. 예를 들어, 전도 입자들은 티타늄을 포함하고, 그레인과 접촉하지 않는 티타늄 입자들의 표면의 부분은 티타늄 산화물 (TiO2) 로 피복된다. 예를 들어, 전도 입자들은 알루미늄을 포함하고, 그레인과 접촉하지 않는 전도 입자들의 표면의 부분은 알루미늄 산화물 (Al2O3) 로 피복된다.
제 2 전도 층 (18) 은 또한 전도 입자들을 포함할 수도 있다. 제 2 전도 층 (18) 의 전도 입자들은 적합하게 금속 또는 금속 합금, 예를 들어, 티타늄, 알루미늄 또는 이들의 합금으로 만들어진 금속 입자들이다. 이 예에서, 제 2 전도 층 (18) 의 전도 입자들 (미도시) 은 알루미늄으로 만들어지고, 알루미늄 입자들은 절연 층으로 피복되지 않고, 따라서 전하 전도체는 제 2 전도 층 (18) 의 입자들과 전기적으로 접촉할 수 있게 된다. 전도 층들 (16, 18) 의 전도 입자들이 소결되어 전도 층을 형성한다. 전도 층들 (16, 18) 의 각각에서 전도 입자들은 서로 전기적으로 접촉하여 전도 층을 형성한다. 그러나, 전하 전도체 (3) 를 수용하기 위해 전도 입자들 사이의 공간이 또한 존재한다. 광 흡수층의 그레인들 (2) 상의 접합들 (4) 은 제 2 전도 층 (18) 내의 전도 입자들과 전기적으로 접촉하는 전하 전도 재료의 경로들 (22) 과 전기적으로 접촉한다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 광기전 디바이스 (30) 의 부분의 단면을 개략적으로 도시한다. 광기전 디바이스 (30) 는 태양 전지이다. 도 4에서, 동일하고 대응하는 부분들은 도 1 내지 도 3에서와 동일한 참조 번호로 표시된다. 도 4는 디바이스의 아키텍처의 매우 단순화된 개략도이다. 이 예에서, 그레인들 (2) 은 n 도핑된 실리콘으로 만들어지고, 제 1 및 제 2 전도 층들은 티타늄으로 만들어진 전도 입자들 (24, 25) 을 포함하고, 전하 전도체 (3) 는 정공 전도 중합체이다. 이 예에서, 정공 전도 중합체는 PEDOT : PSS이며, 이하에서 PEDOT 로 표기된다. PEDOT는 정공 전도체이며, 제 2 전도 층 (18) 에 정공을 수송한다. n 도핑된 실리콘 그레인들은 전자 전도체이며 전자를 제 1 전도 층으로 수송한다. 다음으로, 제 1 전도 층은 외부 전자 회로를 통해 제 2 전도 층으로 전자를 수송한다. 그레인들 (2) 은, 예를 들어, 결정질 실리콘으로 만들어진다. 실리콘 그레인들은 주로 {111} 평면들이 표면에 노출될 수도 있다. 다수의 실리콘 그레인들 (2) 및 다수의 티타늄 전도 입자들 (24, 25) 을 보여주는 대신에, 전도 층들 (16, 18) 의 각각에서 2개의 실리콘 그레인들 (2) 및 2개의 티타늄 전도 입자들 (24, 25) 만이 보여져 있다. 실제 태양 전지는 광 흡수층에서 서로 옆에 놓여있는 수천 또는 심지어 수백만개의 그레인들 (2) 을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 그러나 2개의 그레인들은 태양 전지의 아키텍처와 작동 원리를 시연하는데 필요한 최소 개수이다.
광기전 디바이스 (30) 는 다공성 절연 기판 형태의 절연 층 (20), 절연 층의 일측 상에 배치된 제 1 전도 층 (16), 절연 층의 반대측 상에 배치된 제 2 전도 층 (18), 및 제 1 전도 층 (16) 상에 배치되고 제 1 전도 층과 전기적으로 접촉하는 광 흡수 층 (1a) 을 포함한다. 전도 층들 (16, 18) 은 외부 전기 부하 (32) 에 접속된다. 제 1 및 제 2 전도 층들 (16, 18) 은 절연 층 (20) 에 의해 물리적 및 전기적으로 분리된다. 광 흡수층 (1a) 의 실리콘 그레인들 (2) 과 제 1 전도 층 (16) 의 티타늄 전도 입자들 (24) 사이에는 티타늄 실리사이드 (TiSi2) 의 층 (26) 이 형성된다. 광 흡수층 (1a) 의 실리콘 그레인들 (2) 은 티타늄 입자들에 본딩되어 있다. 제 1 전도 층 (16) 내의 티타늄 전도 입자들 (24) 은 서로 물리적 및 전기적으로 접촉하고, 제 2 전도 층 (18) 내의 티타늄 전도 입자들 (25) 은 서로 물리적 및 전기적으로 접촉한다.
전도 층들 (16, 18) 내의 티타늄 입자들은 절연 티타늄 산화물 (TiO2) 의 절연 층들 (28) 에 의해 부분적으로 피복된다. 그레인들 (2) 과 또는 층 내 다른 전도 입자들 (24) 과 접촉하는 티타늄 전도 입자들 (24) 의 표면의 부분은 티타늄 산화물로 피복되지 않는다. 광 흡수층 (1a) 과 제 1 전도 층 (16) 사이의 구역 (38) 은 티타늄 산화물 (TiO2) 및 실리콘 산화물 (SiO2) 을 포함한다.
광기전 디바이스 (30) 는 제 2 전도 층 (18) 에 전기적으로 연결되고 제 1 전도 층으로부터 전기적으로 절연된 접속 부위 (34) 를 포함한다는 점에서 도 2에 도시된 광기전 디바이스 (10) 와는 상이하다. 접속 부위 (34) 는 금속층을 포함할 수도 있다. 이 예에서, 접속 부위 (34) 는 은 (Ag) 으로 만들어진 층을 포함한다. 은을 사용하는 것이 적합한데, 왜냐하면 이것은 티타늄 및 PEDOT 양자 모두와 양호한 전기적 접촉을 제공하기 때문이다. 은을 사용하는 또 다른 장점은 은이 티타늄 입자들과 접속 부위 (34) 사이의 접촉 영역에서 제 2 전도 층 (18) 의 티타늄 입자 (25) 상에 산화물의 형성을 방지한다는 것이다. 대신에, 제 2 전도 층 (18) 의 티타늄 입자들 (25) 와 접속 부위 (34) 사이에 티타늄 은 (AgTi) 의 층 (36) 이 형성된다. 따라서 PEDOT는 은과 양호한 낮은 오믹 접촉을 형성할 수 있고 은은 AgTi 를 통해 티타늄과 양호한 낮은 오믹 접촉을 형성할 수 있다. 결과적으로, PEDOT는 은 및 AgTi 를 통해 간접적으로 티타늄과 접촉할 수 있다. 접속 부위에는 다른 재료, 예를 들어 흑연 또는 비정질 탄소와 같은 탄소계 재료가 사용될 수도 있다.
전하 전도체 (3) 는 광 흡수층 (1a) 의 그레인들 (2) 과 물리적 및 전기적으로 접촉하게 배치된다. 또한, 전하 전도체 (3) 는 제 2 전도 층 (18) 에 전기적으로 연결되는 접속 부위 (34) 와 전기적으로 접촉하게 배열된다. 이 실시 형태에서, 전하 전도체 (3) 는 전도 입자들 (24, 25) 상의 절연 층 (28) 에 의해 제 1 및 제 2 전도 층들 (16, 18) 로부터 전기적으로 절연된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전하 전도체 (3) 는 그레인들 (2) 의 주요 부분 (main part) 을 피복하고, 제 1 전도 층 (16), 절연 층 (20), 및 제 2 전도 층 (18) 을 통해 연장한다. 전하 전도체 (3) 는 제 1 및 제 2 전도 층 내의 입자들 상의 산화물 층 (28) 과 접촉한다. 전하 전도체 (3) 는 절연 산화물 (28) 에 의해 전도 입자들 (24, 25) 로부터, 그리고 이에 따라 제 1 및 제 2 전도 층으로부터 전기적으로 절연된다. 전하 전도체 (3) 는 접속 부위 (34) 와 물리적 및 전기적으로 접촉한다. 전하 전도체 (3) 는 간접적으로, 접속 부위 (34) 를 통해 티타늄 입자들 (25) 과 물리적 및 전기적으로 접촉한다. 따라서, 접속 부위는 확실히 전하 전도체가 제 2 전도 층의 티타늄 입자들 (25) 에 정공을 전달할 수 있도록 하는 목적으로 사용된다. 광기전 디바이스는 또한 케이싱 또는 광기전 디바이스를 둘러싸는 다른 수단을 포함할 수도 있다.
이하에서, 도 4에 개시된 태양 전지가 어떻게 작동하는지에 대해 단계별로 설명한다:
단계 1. 광자는 그레인들 (2) 내부에 여기된 전자-정공 쌍을 만든다. 이 예에서, 전하 전도체 (3) 는 PEDOT이고, 그레인들 (2) 은 실리콘으로 만들어지고, 계면 (40) 은 PEDOT-실리콘 계면이다.
단계 2. 그 다음, 여기된 전자는 그레인 (2) 을 통해 그리고 금속 실리콘 계면의 구역 (26) 을 가로 질러 이동하고 전도 입자들 (24) 내로 들어간다. 이 예에서, 입자 (24) 는 Ti 입자이고, 층 (26) 은 TiSi2를 포함한다. 따라서, 전자는 Si-TiSi2-Ti 계면을 통과한다. 반면에, 여기된 정공은 계면 (40) 을 가로 질러 전하 전도체 (3) 의 층내로 이동한다.
단계 3. 다음으로, 전도 입자 (24) 에서의 전자는 이웃한 입자들 (24) 로 전달된 다음에, 외부 전기 부하 (32) 를 통해 외부 전기 회로에서 수집될 수 있다. 그 동안 정공은 아래로 접속 부위 (34) 의 낮은 오믹 은 층까지 줄곧 전하 전도체 (3) 의 전하 전도 경로 (22) 내부에서 이동한다.
단계 4. 외부 전기 부하 (32) 를 통과한 후에, 전자는 제 2 전도 층 (18) 으로 전달된다. 그 다음, 전자는 Ti-TiAg-Ag 층 (36) 으로 전달된다. 전하 전도체 (3) 에서의 정공은 접속 부위 (34) 의 은 층으로 전달되고 접속 부위 (34) 에서 전자와 재결합한다.
6개 중요한 계면들이 도 4 에 개시된 예에서 식별될 수 있다:
1. 전하 전도체-그레인 계면
그레인들 (2) 과 전하 전도체 (3) 사이의 계면 (40) 에서 전자 및 정공의 효율적인 전하 분리를 달성하여 높은 광전류 및 높은 광 전압의 발생을 가능하게 하기 위해서는 그레인들 (2) 은 본질적으로 산화물 프리 (oxide free) 이어야 한다. 그레인들 상의 산화물 층의 두께는 효과적인 전하 분리를 얻기 위해 단지 수 나노미터 두께 또는 심지어 더 얇아야 한다. 본 실시형태에서, 그레인들 (2) 은 도핑된 실리콘으로 만들어지고, 전하 전도체 (3) 는 PEDOT 으로 만들어지며, 따라서 계면 (40) 은 PEDOT-Si 계면이다. 실리콘은 PEDOT-Si 계면에서 전자 및 정공의 효율적인 전하 분리를 달성하기 위해 Si 표면 상에 본질적으로 산화물 프리, 즉 SiO2 가 전혀 없거나 거의 없어야 한다.
2. 전도 입자 - 그레인들
그레인들 (2) 과 제 1 전도 층의 전도 입자들 (24) 사이에는 금속 실리사이드의 층 (26) 이 형성된다. 금속 실리사이드는 전자들이 그레인들로부터 전도 입자들로 전달될 때 저항 손실을 최소화할 만큼의 충분히 높은 전도성을 가져야 한다. 이 실시 형태에서, 전도 입자들은 티타늄 (Ti) 으로 만들어지고, 따라서 실리콘 그레인과 티타늄 입자 사이의 층 (26) 은 티타늄 실리사이드 (TiSi2) 로 이루어진다.
3. 전하 전도체 - 금속 실리사이드 - 산화물
단락을 피하기 위해, 전하 전도체 (3), 금속 실리사이드 층 (26) 과 절연 산화물 층 (28) 사이에 절연 층 (38) 이 있어야 한다. 이 실시 형태에서, 절연 층 (38) 은 티타늄 산화물 (TiO2) 과 실리콘 산화물 (SiO2) 로 이루어진다. TiO2-SiO2 층 (38) 은 PEDOT 와 TiSi2 사이의 양호한 전기적 절연을 달성할 만큼 충분히 두꺼워야 한다. TiO2-SiO2 층 (38) 이 너무 얇으면, PEDOT와 TiSi2 사이의 단락이 발생하여 결과적으로 광전류 및 광 전압이 낮아진다.
4. 전하 전도체-전도 입자들
전하 전도체 (3) 와 제 1 및 제 2 전도 층의 전도 입자들 (24, 25) 사이의 절연을 달성하기 위해, 전도 입자들은 절연 산화물 층 (28) 으로 피복된다. 이 실시 형태에서, 절연 산화물 층 (28) 은 TiO2 와 같은 티타늄 산화물로 이루어진다. 티타늄 산화물 층 (28) 은 PEDOT 와 티타늄 사이의 충분한 전기적 절연을 달성하기 위해 충분히 두꺼워야 한다. 티타늄 산화물 층이 너무 얇으면, PEDOT 와 티타늄 사이의 단락 때문에 광 전압 및 광전류가 낮아질 것이다.
5. 접속 부위 - 전도 입자들
제 2 전도 층의 전도 입자들 (25) 와 접속 부위 (34) 사이에는, 전도 층 (36) 이 있다. 이 실시 형태에서, 전도 층 (36) 은 티타늄 은 (TiAg) 으로 이루어진다. 전도 층 (36) 은 제 2 전도 층의 전도 입자들 (25) 과 접속 부위 (34) 사이에, 예를 들어, 은 (Ag) 과 티타늄 (Ti) 사이에, 양호한 낮은 오믹 전기 접촉을 제공할만큼 충분히 두꺼워야 한다.
6. 접속 부위 - 전하 전도체
전하 전도체 (3) 는 계면 (42) 에서 접속 부위 (34) 와 접촉한다. 전하 전도체 (3), 이 실시 형태에서 PEDOT 는 최대 광전류를 달성하기 위해 저항 손실을 피하기에 충분하게 접속 부위 (34) 의 은을 피복해야 한다.
이하에서, 본 발명에 따른 광기전 디바이스의 제조 방법의 일례를 설명한다.
단계 1: 다공성 절연 기판의 일측 상에 제 1 다공성 전도 층을 형성하는 단계. 이는 예를 들어, 다공성 절연 기판의 일측 상에 전도성 입자를 포함하는 잉크로 인쇄함으로써 이루어진다. 다공성 절연 기판은, 예를 들어, 다공성 유리 마이크로섬유계 기판이다.
예를 들어, 10 ㎛ 크기의 TiH2 입자들과 테르피네올과 혼합하여 제 1 잉크를 제조한다. 잉크는 10 마이크로미터보다 작은 직경을 갖는 TiH2 입자를 포함한다. 이어서, 제 1 잉크는 다공성 유리 마이크로섬유계 기판 상에 인쇄된다. 인쇄된 층은 제 1 다공성 전도 층을 형성할 것이다. 적합하게는, 전도성 입자들은 너무 커서 다공성 절연 기판을 관통할 수 없다.
단계 2: 다공성 절연 기판의 반대 측 상에 제 2 다공성 전도 층을 형성하는 단계. 이는 예를 들어, 다공성 절연 기판의 반대 측 상에 전도성 입자들을 포함하는 잉크로 인쇄함으로써 이루어진다. 적합하게는, 전도성 입자들은 너무 커서 다공성 절연 기판을 관통할 수 없다.
예를 들어, TiH2 를 테르피네올과 혼합하여 제 2 잉크를 제조한다. 잉크는 10 마이크로미터보다 작은 직경을 갖는 TiH2 입자를 포함한다. 그 다음, 제 2 전도 층을 성막하기 위한 잉크를 제조하기 위해, 여과된 잉크는 은 도금된 전도성 입자들과 혼합된다. 이어서, 제 2 잉크가 다공성 절연 기판의 반대 측 상에 인쇄된다. 제 2 인쇄된 층은 제 2 전도 층을 형성할 것이다.
단계 3: 광 흡수층을 형성하기 위해 도핑된 반도체 재료로 만들어진 그레인들의 층으로 제 1 다공성 전도 층을 코팅하는 단계. 이는, 예를 들어, 도핑된 실리콘과 같은 도핑된 반도체 재료의 그레인들의 분말을 포함하는 잉크를 제 1 전도 층 상에 인쇄함으로써 행해진다. 대안적으로, 도핑된 실리콘과 같은 도핑된 반도체 재료의 그레인들의 분말이 제 1 전도 층 상에 분무될 수 있다. 적합한 분무 기술은 예를 들어 전기 분무 또는 정전 분무이다. 실리콘 입자들은 제 1 전도 층 상에 성막되기 전에 별도의 단계에서 에칭될 수도 있다. 실리콘 입자들의 에칭은, 예를 들어, 등방성 에칭 용액 또는 이방성 에칭 용액을 이용하여 수행될 수 있다. 실리콘 입자들의 등방성 에칭은 실리콘 표면으로부터 불순물을 제거하는데 사용될 수 있다. 실리콘 입자들의 이방성 에칭은 피라미드형 실리콘 표면이 실리콘에 의한 유효 광 흡수를 증가시킬 수 있는 피라미드형 에치 핏 (etch pit) 에 사용될 수 있다.
단계 4: 그레인들의 일부가 제 1 다공성 전도 층으로 돌출하도록 그레인들의 층에 압력을 가하는 단계. 예를 들어, 멤브레인 프레스를 사용하거나 롤러 프레스를 사용하여 압력을 그레인들의 상단에 가할 수 있다. 단계 4 는 선택적이다.
단계 5: 그레인들이 제 1 다공성 전도 층으로 소결될 때까지 진공하에 태양 전지를 열처리하는 단계. 그레인들의 층 및 다공성 전도 층은 진공 소결되어 제 1 전도 층 상에 그레인들의 다공성 층을 형성한다. 소결 동안, 그레인들은 제 1 전도 층의 전도 입자들에 본딩되어 이들 사이에 기계적 및 전기적 접촉을 달성한다. 또한, 진공 소결 동안 전도 입자들은 함께 소결되어 전도 입자들 사이에 기계적 및 전기적 접촉을 갖는 제 1 전도 층을 형성한다. 바람직하게는, 기판, 제 1 및 제 2 전도 층 및 그레인들의 어셈블리는 적어도 2 시간 동안 550 ℃ 보다 높은 온도로 진공에서 열처리된다. 예를 들어, 그 인쇄된 기판은 650 ℃ 에서 진공 소결되었고 그 후에 실온으로 냉각하게 두었다. 소결 동안 압력은 0.0001 mbar 보다 낮다. 진공에서 열처리하는 동안, 그레인들의 실리콘과 입자들의 티타늄이 반응하고 그레인들과 입자들 사이의 경계에서 티타늄 실리사이드를 형성한다. 따라서, 티타늄 실리사이드의 층들이 그레인들과 제 1 전도 층의 입자들 사이에 형성되고, 이는 그레인들과 입자들 사이의 전기 접촉을 향상시킨다.
단계 6: 제 1 다공성 전도 층의 가용 표면이 산화될 때까지 공기 중에서 태양 전지를 열처리하는 단계. 다음 단계에서, 태양 전지는 공기 중에서 열처리되어 제 1 과 제 2 전도 층의 전도 입자들 상에 전기 절연 산화물 층을 얻는다. 실리콘 입자들의 표면은 공기 중 열처리 중에 산화된다.
단계 7: 실리콘 입자들 상의 실리콘 산화물 층을 제거하는 단계. 다음 단계에서, 실리콘 입자들의 표면을 불화 수소로 처리하여 실리콘 입자들 상의 실리콘 산화물을 제거한다. 실리콘 입자들의 표면은 물 중 HF 용액의 형태로 불화 수소에 노출될 수 있다. 대안적으로, 실리콘 입자들의 HF 처리는 실리콘 입자들의 표면을 기체상태 HF에 노출시킴으로써 수행될 수 있다. HF 처리는 실리콘 입자들의 표면으로부터 실리콘 산화물을 제거하는 효과를 갖는다.
단계 8: PEDOT : PSS 의 성막 단계. 다음 단계에서, PEDOT:PSS 는 실리콘 입자들의 표면 상에 그리고 제 1 전도 층의 기공 내부에 그리고 절연 기판의 기공 내부에 그리고 제 2 전도 층의 기공 내부에 성막된다. PEDOT : PSS 는 예를 들어 PEDOT : PSS를 함유하는 수계 용액으로부터 성막될 수 있다. PEDOT : PSS 용액은 PEDOT : PSS 의 용액에 제 1 및 제 2 전도 층 및 실리콘 그레인들을 갖는 기판을 침지시켜 성막될 수 있다. 대안적으로, PEDOT : PSS 성막은 여러 단계로 수행될 수 있다. 예를 들어, PEDOT : PSS 용액을 먼저 실리콘 그레인들 상에 분무한 다음, 용매를 건조시켜 실리콘 그레인들의 표면에 건조 고체 PEDOT : PSS 층을 산출할 수 있다. 제 2 단계에서, 제 2 전도 층은 PEDOT : PSS 의 용액으로 분무된다. 실리콘 그레인들 상의 PEDOT : PSS의 박층을 달성하기 위한 적절한 분무 기술은 예를 들어 초음파 분무이다.
본 발명에 따른 광기전 디바이스는 반도체 입자들의 그레인들을 포함하고 따라서 웨이퍼들의 제조 및 취급 또는 취성 재료의 박막들의 빌드업 (build-up) 이 회피된다. 그와 같은 그레인들은 더 저렴한 재료이고 산업적 생산에서 취급이 더 용이하다. 그레인들은 인쇄 또는 유사한 방법으로 용이하게 도포될 수 있다. 그레인들의 표면 상의 가능한 결함은 전지의 효율에 국부적인 영향만을 미칠 것이다. 따라서, 이 광기전 디바이스는 종래 기술의 광기전 디바이스들보다 저렴하다. 실리콘과 같은 높은 변환 효율을 갖는 환경 친화적이고 안정한 재료가 광 흡수층에서의 그레인들로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 광기전 디바이스는 얇고 유연하게 제조될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 광 흡수층 (1b) 의 예를 도시한다. 광 흡수층 (1b) 은 제 1 유형의 도핑의 반도체 재료로 만들어진 복수의 그레인들 (2), 및 제 2 유형의 도핑의 반도체 재료로 만들어진 복수의 입자들 (52) 을 포함하는 전하 전도체 (3) 를 포함한다. 반도체 입자들 (52) 의 평균 크기는 그레인들 (2) 의 평균 크기보다 작아 반도체 입자들이 그레인들 (2) 사이에 형성된 공간에 수용될 수 있게 한다. 예를 들어, 그레인들 (2) 의 평균 크기는 1 mm 미만이고, 반도체 입자들 (52) 의 평균 크기는 이들이 그레인들 (2) 사이에 형성된 공간에 수용될 수 있게 하기 위해 0.1 mm 미만인 것이 바람직하다.
적합하게는, 그레인들 (2) 및 입자들 (52) 의 반도체 재료는 실리콘이고, 그레인들 (2) 및 입자들 (52) 은 상이한 유형의 도핑을 갖는 실리콘으로 만들어진다. 그러나, 다른 반도체 재료도 사용될 수 있다. 예를 들어, 그레인들 (2) 은 CdTe, CIGS, CIS 또는 GaAs 로 만들어질 수 있고, 반도체 입자들 (52) 은 CuSCN 또는 CuI 로 만들어질 수 있다. 그레인들 (2) 과 입자들 (52) 은 물리적 및 전기적으로 서로 접촉하여 그들 사이의 접촉 영역에 복수의 접합들이 형성된다. 그레인들 (2) 및 반도체 입자들 (52) 의 도핑 유형은 접합이 광 여기된 전자 및 정공의 분리를 제공할 수 있도록 한다. 그레인들 (2) 과 반도체 입자들 (52) 의 상이한 유형의 도핑 때문에, 그레인들 (2) 과 반도체 입자들 (52) 이 서로 접촉하는 영역에 "공핍 영역" (depletion region) 이 만들어진다. 전자-정공 쌍이 "공핍 영역" 에 도달하면, 전자와 정공이 분리된다. 제 1 및 제 2 유형의 도핑은 예를 들어 P 형 및 N 형이고, 그 접합은 PN 접합 또는 가능한 PIN 접합이다.
도 6 은 도 5에 도시된 바와 같이 그레인들 (2) 및 전하 전도체 (3) 를 포함하는 광 흡수층 (1b) 을 포함하는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 광기전 디바이스 (50) 의 단면을 개략적으로 도시한다. 광기전 디바이스 (50) 는 그레인들 (2) 과 전기적으로 접촉하는 전도 입자들 (24) 을 포함하는 제 1 전도 층 (16), 전하 전도체 (3) 의 반도체 입자들 (52) 에 전기적으로 연결된 전도 입자들 (25) 을 포함하는 제 2 전도 층 (18), 및 제 1 과 제 2 전도 층 사이에 배치된 절연 층 (20) 을 더 포함한다. 광기전 디바이스 (50) 는 제 1 전도 층에 전기적으로 접속된 제 1 콘택트 (12), 및 제 2 전도 층에 전기적으로 접속된 제 2 콘택트 (14) 를 더 포함한다.
디바이스 (50) 는 광 흡수층 (1b) 과 제 2 전도 층 (18) 사이에 배치된 전하 전도 재료의 복수의 전하 전도 경로 (22) 를 더 포함한다. 이 실시 형태에서, 전하 전도 경로 (22) 는 전하 전도 재료로 만들어진 복수의 반도체 입자들 (24) 을 포함한다. 예를 들어, 경로 (22) 내의 반도체 입자들은 도핑된 실리콘으로 만들어진다. 적절하게는, 경로 내의 반도체 입자들은 광 흡수층 내의 반도체 입자들 (52) 과 동일한 재료로 만들어진다. 전하 전도체 (3) 는 반도체 입자들 (52) 의 일부가 그레인들 (2) 을 부분적으로 피복하고 반도체 입자들 (52) 의 일부가 그레인들 (2) 의 표면으로부터 제 2 전도 층으로 전하 전도 재료의 복수의 연속 경로들 (22) 을 형성하도록 성막된다. 적절하게는, 제 1 및 제 2 전도 층, 및 절연 층 (20) 은 전하 전도체 (3) 의 반도체 입자들 (52) 이 전도 층 및 절연 층을 관통할 수 있게 하기 위해 다공성이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전하 전도체 (3) 의 반도체 입자들 (52) 은 제 1 및 제 2 전도 층들의 기공 내에 그리고 절연 층 (20) 의 기공 내에 수용된다. 전하 전도체의 반도체 입자들 (52) 은 서로 전기적으로 접촉하고 광 흡수층 내의 그레인들 (2) 과 전기적으로 접촉하여, 반도체 입자들 (52) 중 적어도 일부가 광 흡수층 (1b) 과 제 2 전도 층 사이의 반도체 네트워크를 형성하도록 한다.
본 발명은 개시된 실시 형태들에 한정되지 않는 것이 아니라 이하의 청구항들의 범위 내에서 변경 및 수정될 수도 있다. 예를 들어, 대안의 실시 형태에서, 그레인들은 전하 전도체에 임베딩될 수 있다. 광기전 디바이스의 아키텍처가 또한 달라질 수도 있다. 예를 들어, 절연 층 및/또는 제 2 전도 층은 다른 실시 형태들에서 생략될 수 있다. 본 발명에 따른 광 흡수층은 또한, 금속 애노드 그리드가 광 흡수층의 상부, 즉 전하 전도체 및 그레인들 상에 배치되는 전면 콘택트 광기전 디바이스에서도 사용될 수 있다. 또한, 제 2 전도 층은 금속 막의 형태로 비다공성일 수 있다.

Claims (22)

  1. 도핑된 반도체 재료와 물리적으로 접촉하는 전하 전도 재료로 만들어진 전하 전도체 (3) 를 포함하는 광기전 디바이스용 광 흡수층 (1a, 1b) 으로서,
    상기 광 흡수층은 상기 도핑된 반도체 재료의 복수의 그레인들 (2) 을 포함하고, 상기 그레인들은 상기 그레인들과 상기 전하 전도체 사이에 복수의 접합들 (4) 이 형성되도록 상기 전하 전도체 (3) 로 부분적으로 피복되는 것을 특징으로 하는 광 흡수층 (1a, 1b).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 그레인들 (2) 의 평균 크기는 1 ㎛ 와 300 ㎛ 사이, 바람직하게는 10 ㎛ 와 80 ㎛ 사이, 그리고 가장 바람직하게는 20 과 50 ㎛ 사이인, 광 흡수층 (1a, 1b).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 그레인들 (2) 은 도핑된 실리콘으로 만들어지는, 광 흡수층 (1a, 1b).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 그레인들 (2) 은 주로 {111} 평면들이 상기 그레인들의 표면에서 노출되는, 광 흡수층 (1a, 1b).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 전도체 (3) 는 상기 그레인들 (2) 사이에 배치되는, 광 흡수층 (1a, 1b).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 전도체 (3) 는, 상기 그레인들 대부분이 상기 그레인의 표면의 주된 부분을 피복하는 전하 전도 층 (6) 으로 피복되도록 상기 그레인들 (2) 상에 배치되는, 광 흡수층 (1a, 1b).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전하 전도 층 (6) 은 상기 그레인들 (2) 의 표면의 적어도 70 %, 그리고 바람직하게는 적어도 80 % 를 피복하는, 광 흡수층 (1a, 1b).
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전하 전도 층 (6) 은 10 ㎚ 과 200 ㎚ 사이, 그리고 바람직하게는 50 ㎚ 과 100 ㎚ 사이의 두께를 갖는, 광 흡수층 (1a, 1b).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그레인들 (2)의 표면의 부분은 전도 층 (16) 에 부착되고, 상기 그레인들의 나머지 자유 표면 영역은 상기 전하 전도체 (3) 로 피복되는, 광 흡수층 (1a, 1b).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 전도체 (3) 는 전도 중합체, 또는 무기 재료, 또는 금속 유기 재료 중 어느 것을 포함하는, 광 흡수층 (1a, 1b).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 전도체 (3) 는 PEDOT:PSS 를 포함하는, 광 흡수층 (1a, 1b).
  12. 도핑된 반도체 재료와 물리적으로 접촉하는 전하 전도 재료로 만들어진 전하 전도체 (3) 를 구비하는 광 흡수층 (1a, 1b) 을 포함하는 광기전 디바이스 (10; 30; 50) 로서,
    상기 광 흡수층은 상기 도핑된 반도체 재료의 복수의 그레인들 (2) 을 구비하고, 상기 그레인들 (2) 은 상기 그레인들과 상기 전하 전도체 사이에 복수의 접합들 (4) 이 형성되도록 상기 전하 전도체 (3) 로 부분적으로 피복되는 것을 특징으로 하는 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 디바이스는 제 1 전도 층 (16) 및 상기 제 1 전도 층 (16) 으로부터 전기적으로 절연된 제 2 전도 층 (18) 을 포함하며, 상기 광 흡수층은 상기 그레인들 (2) 이 상기 제 1 전도 층과 전기적 및 물리적으로 접촉하도록 상기 제 1 전도 층 (16) 상에 배치되고, 상기 전하 전도체 (3) 는 상기 제 2 전도 층 (18) 에 전기적으로 연결되고 상기 제 1 전도 층 (16) 으로부터 전기적으로 절연되는, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 그레인들 (2) 의 각각의 그레인의 표면의 일부는 상기 제 1 전도 층 (16) 과 물리적 및 전기적으로 접촉하고, 상기 그레인들의 각각의 그레인의 나머지 표면의 우세한 부분이 상기 전하 전도체 (3) 로 피복되는, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 제 1 과 제 2 전도 층들 (16, 18) 사이에 배열된 절연 층 (20) 을 포함하는, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 전도체 (3) 는 상기 그레인들 (2) 의 표면으로부터 상기 제 2 전도 층 (18) 으로 전하 전도 재료의 복수의 연속 경로들 (22) 을 형성하는 방식으로 성막되는, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전하 전도체 (3) 는 상기 제 1 전도 층 (16) 및 상기 절연 층 (20) 을 관통하여 상기 경로들 (22) 을 형성하는, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 전도 층 (16) 및 상기 절연 층 (20) 은 다공성이며, 상기 전하 전도체 (3) 는 상기 제 1 전도 층 (16) 의 기공 내에 그리고 상기 절연 층의 기공 내에 수용되어, 상기 전도 경로들이 상기 제 1 전도 층 (16) 및 상기 절연 층 (20) 을 통해 형성되는, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  19. 제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전도 층 (16) 은 상기 제 1 전도 층 (16) 으로부터 상기 전하 전도체 (3) 를 전기적으로 절연하도록 배열된 절연 산화물을 포함하는, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  20. 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전도 층 (16) 은 상기 그레인들 (2) 과 전기적으로 접촉하는 소결 금속 입자들 (24) 을 포함하는, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  21. 제 13 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그레인들 (2) 은 도핑된 실리콘으로 만들어지고, 상기 제 1 전도 층 (16) 은 금속 또는 금속 합금을 포함하고, 상기 그레인들 (2) 과 상기 제 1 전도 층 (16) 사이의 물리적 접촉의 구역은 금속 실리사이드 또는 금속-실리콘 합금의 층 (26) 으로 이루어지는, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
  22. 제 12 항에 있어서,
    상기 광 흡수층 (1a, 1b) 은 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 광 흡수층인, 광기전 디바이스 (10; 30; 50).
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