KR20200105194A - 형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 효율을 향상시키고, 태양광 발전 시스템의 비용 절감을 유도할 수 있는 형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다. 이는 투명전극으로서 태양광을 높은 투과율로 입사시키고, 소자의 접촉저항을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 투명전극 내에 400nm 이하 자외선에서만 여기되어 400~800nm 가시광선 대역에서 발광하는 나노형광체를 포함함으로써 태양전지가 흡수할 수 있는 광흡수량을 증가시켜 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 나노형광체 함유 투명절연물질을 코팅하는 종래에 비해 공정 수를 감소시켜 재료 및 공정 비용을 감소시킬 수 있기 때문에 태양광 발전 시스템의 비용 절감을 유도할 수 있다.
Description
본 발명은 형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지의 효율을 향상시키고, 태양광 발전 시스템의 비용 절감을 유도할 수 있는 형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료를 이용한 화력발전에 의한 환경오염, 비용 문제, 원전의 위험성 및 사회간접비용 부담 문제 등으로 태양광 발전, 풍력발전, 지열발전, 조력발전 등의 신재생에너지 요구가 증가되고 있다.
이중 태양광 발전은 신재생에너지 중 가장 쉽게 이용할 수 있는 발전 중 하나로써, 태양광 발전을 위한 태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한하며, 반영구적으로 사용할 수 있어, 에너지 문제를 해결할 수 있는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.
태양전지는 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용하여 광 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자이다. 이러한 태양전지는, 구성하는 물질에 따라, 실리콘 기반 태양전지 또는 박막형 태양전지 등을 포함하는 무기 태양전지(inorganic solar cell), 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell) 및 유기 태양전지(organic solar cell)로 크게 구분된다.
허나, 태양전지의 상용화를 위해서는, 입사되는 태양광을 전기 에너지로 변환시키는 광전변환 효율의 향상이 매우 중요한 과제이며, 이러한 광전변환 효율을 향상시키기 위해 여러 연구가 수행되고 있다.
이러한 태양전지는 태양광 중 5% 내외 수준을 차지하는 자외선을 거의 흡수하지 못하고 있으며, 이를 흡수하여 태양전지 효율을 증진시키는 방안으로 자외선을 흡수하여 흡수가 가능한 가시광선으로 변환시키는 기술 개발이 이루어지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 투명전극에 함유된 형광체에 의해 자외선 파장 대역의 광을 여기한 후 가시광선으로 변환하여 흡수함으로써 태양전지의 효율을 증진시킬 수 있는 형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 태양전지는 p형 반도체층과 상기 p형 반도체층 상에 형성된 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층 및 상기 n형 반도체층 상에 형성된 투명전극층을 포함하고, 상기 투명전극층은 입사되는 빛의 파장을 변환시키는 나노형광체를 포함한다.
상기 나노형광체는 400nm 이하의 자외선에서 여기되어 400 내지 800nm 가시광선 대역에서 발광될 수 있다.
상기 나노형광체는 100nm 이하의 두께를 갖을 수 있다.
상기 나노형광체는 ZnO:Pr, Zn2SiO4:Eu3+,Tb, Zn2SiO4:Ce,Li, SrTiO3:Pr,Al, Ca1 -xSrxTiO3:Pr(0.3<x<0.7) 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 ZnO:Pr 물질에서 상기 Pr은 전체에 대해 0.9mol% 내지 1mol%의 범위를 갖을 수 있다.
상기 SrTiO3:Pr,Al 물질에서 상기 Pr은 전체에 대해 0.2mol% 내지 0.25mol%의 범위를 갖을 수 있다.
상기 투명전극층은 n형 도핑된 ZnO:Al 물질로 형성될 수 있다.
상기 n형 도핑된 ZnO:Al 물질에서 Al은 1at% 내지 2at%의 범위를 갖을 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 태양전지의 제조방법은 400nm 이하의 자외선에서 여기되어 400 내지 800nm 가시광선 대역에서 발광하는 나노형광체를 형성하는 단계, 상기 나노형광체가 함유되도록 투명전극층을 형성하는 단계 및 상기 투명전극층을 p형 반도체층과 상기 p형 반도체층 상에 형성된 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층 상에 형성하는 단계를 포함한다.
상기 나노형광체를 형성하는 단계는, 상기 나노형광체 입자 표면에 투명절연물질을 코팅하는 단계를 더 포함한다.
상기 나노형광체는 ZnO:Pr, Zn2SiO4:Eu3+,Tb, Zn2SiO4:Ce,Li, SrTiO3:Pr,Al, Ca1 -xSrxTiO3:Pr(0.3<x<0.7) 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 SrTiO3:Pr,Al 물질에서 상기 Pr은 전체에 대해 0.2mol% 내지 0.25mol%의 범위를 갖을 수 있다.
상기 투명전극층은 n형 도핑된 ZnO:Al 물질로 형성될 수 있다.
상기 n형 도핑된 ZnO:Al 물질에서 Al은 1at% 내지 2at%의 범위를 갖을 수 있다.
상기 p-n 접합 반도체층 상에 상기 투명전극층을 형성하는 단계에서, 상기 투명전극층은 상기 p-n 접합 반도체층 상에 스핀 코팅을 통해 100nm 이하의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 투명전극 내에 400nm 이하 자외선에서만 여기되어 400~800nm 가시광선 대역에서 발광하는 나노형광체를 포함함으로써 태양전지가 흡수할 수 있는 광흡수량을 증가시켜 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 나노형광체 함유 투명절연물질을 코팅하는 종래에 비해 공정 수를 감소시켜 재료 및 공정 비용을 감소시킬 수 있기 때문에 태양광 발전 시스템의 비용 절감을 유도할 수 있다.
더 나아가, 나노형광체를 함유한 투명전극은 투과율이 높고, 전기비저항이 낮은 투명한 전극을 사용함으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 나노형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 투명전극층에 대해 Al 도핑량에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 투명전극층에 대해 Al 도핑량에 따른 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 나노형광체별 여기, 발광 스팩트럼을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 나노형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지와 나노형광체를 함유하지 않은 태양전지의 전류-전압 특성을 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 투명전극층에 대해 Al 도핑량에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 투명전극층에 대해 Al 도핑량에 따른 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 나노형광체별 여기, 발광 스팩트럼을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 나노형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지와 나노형광체를 함유하지 않은 태양전지의 전류-전압 특성을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 나노형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 나노형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지는 p형 반도체층(110)과 n형 반도체층(120)을 포함하는 p-n 접합 반도체층(100), 상기 p-n 접합 반도체층(100)의 전면(즉, n형 반도체층의 표면) 상에 위치하는 투명전극층(200)을 포함한다.
상기 p-n 접합 반도체층(100)은 p형 반도체층(110)과 n형 반도체층(120)의 p-n 접합이 형성된 층으로서, 빛을 받아 광기전력효과에 의해 전류를 발생시키는 역할을 한다. 상기 p형 반도체층(110)은 예를 들어, B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있는 실리콘층일 수 있으며, 상기 n형 반도체층(120)은 예를 들어, P, As, Sb 등의 5족 원소들이 도핑되어 있는 실리콘층일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 반도체층을 실리콘층으로 형성하는 경우, p-n 접합 반도체층(100)은 p형 실리콘 기판에 5족 원소의 n형 도펀트(dopant)를 도포한 후 열처리하여 n형 도펀트를 p형 실리콘 기판으로 확산시킴으로써 형성할 수 있다. 한편, 플라즈마를 이용한 이온도핑에 의하거나, n형 실리콘 기판 상에 p형 이미터 실리콘층을 적층하여 형성할 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 p-n 접합 반도체층(100) 상에는 투명전극층(200)이 형성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 투명전극층(200)은 n형 반도체층(120) 상에 형성될 수 있다. 여기서, 투명전극층(200)은 나노형광체(210)를 포함할 수 있다.
투명전극층(200)은 태양광 중 자외선과 태양광 및 상기 나노형광체(210)로부터 입사되는 가시광선을 투과시켜 하부에 위치한 p-n 접합 반도체층(100)에 입사시키는 창(window)으로써의 기능과 태양전지로부터 발생한 전류를 소자 외부로 큰 저항 없이 이송시키는 전극(electrode)으로 기능을 수행할 수 있다.
따라서, 투명전극층(200)은 밴드갭이 3.0eV 이상의 높은 산화물 반도체로서 400~800nm의 가시광선 대역으로 투과율이 높고, 전기비저항이 낮은 물질이 이용될 수 있다.
일예로, 투명전극층(200)의 물질로는 n-도핑된 산화물 반도체 물질로 형성되되, 바람직하게는 자연적인 산소 공공(oxygen vacancy)에 의한 산화아연(ZnO)에 소량의 알루미늄(Al)이 도핑된 n-ZnO:Al 물질로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 투명전극층에 대해 Al 도핑량에 따른 투과율을 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 투명전극층에 대해 Al 도핑량에 따른 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
여기서, 도 2는 투명전극층(200)의 n-ZnO:Al 농도에 있어서 Al의 도핑을 하지 않았을 때, Al의 도핑량을 1at.%, 2at.%로 했을 때 각각의 투과율을 나타내고, 도 3은 Al의 각각의 도핑량에 따른 비저항, 캐리어 농도 및 캐리어 이동도를 나타낸다.
투명전극층(200)의 n-ZnO:Al의 물질에 있어서 Al의 도핑량을 1at.% 내지 2at.%로 했을 때 도 2 및 도 3에서와 같이 투과율, 비저항 캐리어 농도 및 캐리어 이동도에 있어서 효과적임을 확인할 수 있으며, 바람직하게는 Al의 도핑량을 2at.%로 했을 때 태양전지용 투명전극에 가장 효과적임을 확인할 수 있다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 투명전극층(200)은 파장 변환이 가능한 나노형광체(210)를 포함할 수 있다. 나노형광체(210)는 단파장인 자외선(UV)을 장파장인 가시광선으로 변환시키는 하향 변환(down-conversion) 또는 적외선(IR)을 가시광선으로 변환시키는 상향 변환(up-conversion)일 수 있다. 즉, 상기 나노형광체(210)는 자외선 또는 가시광선 파장 대역의 광을 흡수하거나, 적외선 파장 대역의 광을 흡수한 후, 상기 p-n 접합 반도체층(100)으로 가시광선 파장 영역의 광을 방출할 수 있다.
일예로, 하향 변환의 경우 400nm 이하의 파장 대역의 광을 흡수하고, 이를 여기하여 400nm ~ 800nm의 파장 대역의 광을 상기 p-n 접합 반도체층(100)으로 방출할 수 있다. 또한, 상향 변환의 경우 900nm ~ 1200nm의 파장 대역의 광을 흡수하고, 이를 여기하여 400nm ~ 800nm의 파장 대역의 광을 상기 p-n 접합 반도체층(100)으로 방출할 수 있다.
따라서, 상기 p-n 접합 반도체층(100)은 가장 흡수가 잘 되는 400nm ~ 800nm의 파장 대역의 광을 보다 많이 흡수할 수 있으므로, 태양전지가 흡수할 수 있는 광흡수량을 증가시켜 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이러한 형광체 중 본 발명의 태양전지의 경우 상기한 햐향 변환 형광체가 적용될 수 있다. 즉, 일반적인 태양전지는 태양광 중 5% 내외 수준을 차지하는 자외선을 거의 흡수하지 못한다. 따라서, 흡수하지 못하는 400nm 이하의 파장 대역을 갖는 자외선을 하향 변환 형광체를 이용하여 여기한 후, 400nm ~ 800nm의 가시광선대역에서 발광하도록 하여 p-n 접합부에서 생성되는 엑시톤(exiton)의 양을 증가시켜 전지 내부를 흐르는 전류 밀도를 향상시킴으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 형광체(210)는 태양전지 소자 표면의 코팅층의 두께보다 얇아야 하기 때문에 입경이 100nm 이하의 나노 수준의 나노형광체(210)를 갖는다.
또한, 파장 변환이 가능한 나노형광체(210)는 상기 투명전극층(200) 내에 함유되도록 형성될 수 있다.
즉, 투명전극층(200) 전구체로서의 기본 액상 코팅 물질에 자외선 여기형 나노형광체(210)를 일정량 함유시킨 액상 코팅 물질을 제조하고, 액상 코팅 물질을 스핀 코팅, 침지 코팅, CBD(chemical bath deposition) 코팅 등을 이용하여 일정 두께로 코팅하여 열처리를 수행함으로써 투명전극 물질 사이에 자외선 여기형 나노형광체(210)가 분산되어 분포되도록 할 수 있다. 이러한 투명전극층(200)은 높은 광투과율과 낮은 전기비저항을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 나노형광체(210)는 내화학적 신뢰성 확보를 위해 입자 표면에 투명절연물질이 코팅될 수 있다. 일예로, 코팅 두께는 수 내지 수십nm로 형성될 수 있으며, 코팅 방식은 SiO2의 경우 TEOS 용액에서 나노형광체(210)를 넣고 교반하여 코팅 후 열처리를 수행함으로써 코팅될 수 있다.
따라서, 종래의 방식인 형광체(210) 함유 투명절연물질을 별도로 코팅하는 방식에 비해 공정 수를 감소시킬 수 있기 때문에 공정에 소요되는 비용을 감소시킬 수 있고, 수율 향상에 따른 제반 비용 절감을 유도할 수 있는 장점이 있다.
나노형광체(210)를 형성하는 물질로는 400nm 이하의 파장 대역을 갖는 자외선 영역에서 여기되어 400nm 이상의 파장 대역 중 일반적인 태양전지가 흡수할 수 있는 400nm ~ 800nm의 가시광선 파장 대역에서 발광하는 물질로 형성될 수 있으며, 일예로, ZnO:Pr, Zn2SiO4:Eu3 +,Tb, Zn2SiO4:Ce,Li, SrTiO3:Pr,Al, Ca1 -xSrxTiO3:Pr(0.3<x<0.7)의 물질 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 나노형광체별 여기, 발광 스팩트럼을 나타낸 그래프이다.
우선, 도 4는 본 발명에 따른 나노형광체(210)중 SrTiO3:Pr,Al 나노형광체(210)의 여기 스펙트럼을 나타낸다. 또한, 도 5는 SrTiO3:Pr,Al 나노형광체(210)에 있어서 Pr 함량별 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5에서와 같이, 투명전극층(200)에 함유된 나노형광체(210)를 SrTiO3:Pr,Al로 사용했을 때 400nm 이하의 파장 대역에서 여기 됨을 확인할 수 있으며, 파장 대역 중에서도 359nm 파장에서 가장 큰 여기가 발생됨을 확인할 수 있다. 또한, Pr의 함량을 0.15%, 0.2%, 0.25%, 0.3%로 변화하여 SrTiO3:Pr,Al의 발광 정도를 측정했을 때, 도 5의 그래프에서와 같이 Pr의 함량이 전체에 대해 0.2mol% 내지 0.25mol%의 범위에서 가장 큰 발광이 발생됨을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 나노형광체 중 Ca1 - xSrxTiO3:Pr(0.3<x<0.7)의 나노형광체에 따른 여기 스펙트럼과 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6의 그래프에서 같이, 나노형광체(210)로 Ca1 - xSrxTiO3:Pr(0.3<x<0.7)를 사용했을 때 300nm ~ 400nm의 파장 대역에서 여기 됨을 확인할 수 있으며, 600nm ~ 700nm의 파장 대역에서 발광이 발생됨을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 Ca0 . 65Sr0 . 35TiO3의 나노형광체(210)를 CaTiO3, Ca0 . 41Sr0 . 35Ba0 . 24TiO3, SiTiO3, BaTiO3 의 나노형광체(210)들과 여기, 발광 스펙트럼을 비교했을 때, 본 발명에 따른 Ca0.65Sr0.35TiO3의 나노형광체(210)가 300nm ~ 400nm의 파장 대역에서 다른 나노형광체 물질에 비해 가장 큰 여기가 발생되고, 600nm ~ 700nm의 파장 대역에서 가장 높은 발광이 발생됨을 확인할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 나노형광체 중 Zn2SiO4:Tb3 +, Zn2SiO4:Eu3 +의 나노형광체에 따른 각각의 여기, 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8에서와 같이, 두 물질 모두 400nm 이하의 파장 대역에서 여기가 발생되며, 400nm 이상의 파장 대역에서 발광이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 나노형광체 중 Zn2SiO4:Ce,Li의 발광 스펙트럼 그래프와 Zn2SiO4:Ce의 여기, 발광 스펙트럼에 대한 그래프를 나타낸다.
우선, 도 9의 Zn2SiO4:Ce,Li 나노형광체(210)의 발광 스펙트럼 그래프에서와 같이, 400nm 이상의 파장 대역에서 발광이 발생되는 것을 확인할 수 있으며, 도 10의 Zn2SiO4:Ce 나노형광체(210)의 여기 발광 스펙트럼 그래프에서와 같이, 400nm 이하의 파장 대역에서 여기가 발생되고, 400nm 이상의 파장 대역에서 발광이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 나노형광체 중 ZnO:Pr의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 11의 발광 스펙트럼에서와 같이, 400nm ~ 800nm의 파장 대역에서 발광이 발생되는 것을 확인할 수 있다. 또한, Pr의 함량이 전체에 대해 0.9mol% 내지 1mol%의 범위에서 높은 발광이 발생되는 것을 확인할 수 있으며, 바람직하게는 Pr의 함량이 전체에 대해 1mol%에서 가장 높은 발광이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
제조예
나노형광체 제조
스트론튬 아세테이트(Sr(CH3COO)2), 티타늄 이소프로폭사이드(TTIP), 프라세오디뮴 아세틸아세토네이트 수화물(Pr(acac)3·2O), 알루미늄 이소프로폭사이드(AIP)를 SrTiO3:0.2mol.%Pr,1mol.%Al 구성비로 칭량하고 글리콜(glycol)계 용매(EG, PG, TMG, Et-OH 등)에 용해시켜 수열합성기에서 200~300℃ 온도대역에서 2시간 이상 수열합성을 수행한다. 그 후 합성된 물질을 에탄올로 세정하고 건조시켜 SrTiO3:Pr,Al의 나노형광체(210)를 합성한다.
투명전극 제조
산화아연(ZnO) 합성 액상 물질로서 이소프로판올(i-PrOH)에 아연 아세테이트 이수화물(Zn(CH3COO)2·2H2O)을 비율대로 넣어 용해시키고 추가로 에탄올아민(monoethanolamine)을 일정량 추가하여 투명한 졸(sol) 상태가 되도록 교반하여 제조한다. 별도로 알루미늄 도핑을 위한 알루미늄 도핑 용액 제조를 위해 알루미늄클로라이드 육수화물(AlCl3·6H2O)을 에탄올에 녹여서 용액을 제조한다. 알루미늄 2 at.% 도핑을 위해서 산화아연(ZnO) 합성 액상 물질에 알루미늄 도핑 용액을 일정량 넣어서 교반하여 ZnO:Al 전구체 액상물질을 제조한다. 제조된 액상물질에 일정량의 자외선 여기 적색 발광 SrTiO3:Pr,Al 나노형광체(210)를 넣고 교반한 나노형광체(210) 함유형 투명전극 코팅 액상 물질을 제조한다.
태양전지에 나노형광체 함유형 투명전극 제조
GaAs 기판에 순차적으로 p-n 접합 GaAs층과 InGaP 터널접합, p-n 접합 InGaP층이 형성된 GaAs/InGaP 이중 접합 구조의 칩 상부에 제조된 SrTiO3:Pr,Al 나노형광체(210) 함유형 ZnO:Al 투명전극층(200) 구현용 액상코팅물질을 스핀 코팅을 통해 두께 100nm 내외 수준으로 코팅한 후 Ar 분위기에서 400℃, 1시간 열처리를 시행하여 투명전극을 제조하고, 태양전지 구동을 위해 Au 전극을 진공증착방식으로 제조한다.
도 12는 본 발명의 나노형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지와 나노형광체를 함유하지 않은 태양전지의 전류-전압 특성을 비교한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 나노형광체(210)를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지에 있어서, 투명전극층(200)은 ZnO:Al 물질로 형성하되, SrTiO3:Pr,Al 물질로 형성된 나노형광체(210)를 함유하도록 하였으며, 이러한 투명전극층(200)을 GaAs/InGaP로 형성된 이중 접합 태양전지에 상에 형성하였다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 태양전지를 나노형광체(210)를 함유하지 않은 태양전지와 비교하였을 때, 도 12의 그래프에서와 같이 본 발명에 따른 나노형광체(210)를 함유한 태양전지가 나노형광체(210)를 함유하지 않은 경우보다 단락전류밀도(Jsc)가 약 1.6% 상승함을 확인할 수 있으며, 이러한 단락전류밀도 상승에 의해 본 발명의 나노형광체(210)를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지의 발광효율이 약 1.2% 상승함을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노형광체(210)를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법은 투명전극으로서 태양광을 높은 투과율로 입사시키고, 소자의 접촉저항을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 투명전극 내에 400nm 이하 자외선에서만 여기되어 400~800nm 가시광선 대역에서 발광하는 나노형광체(210)를 포함함으로써 태양전지가 흡수할 수 있는 광흡수량을 증가시켜 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 나노형광체(210) 함유 투명절연물질을 코팅하는 종래에 비해 공정 수를 감소시켜 재료 및 공정 비용을 감소시킬 수 있기 때문에 태양광 발전 시스템의 비용 절감을 유도할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : p-n 접합 반도체층
110 : p형 반도체층
120 : n형 반도체층 200 : 투명전극층
210 : 나노형광체
120 : n형 반도체층 200 : 투명전극층
210 : 나노형광체
Claims (15)
- p형 반도체층과 상기 p형 반도체층 상에 형성된 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층; 및
상기 n형 반도체층 상에 형성된 투명전극층을 포함하고,
상기 투명전극층은 입사되는 빛의 파장을 변환시키는 나노형광체를 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 나노형광체는 400nm 이하의 자외선에서 여기되어 400 내지 800nm 가시광선 대역에서 발광하는 것인 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 나노형광체는 100nm 이하의 두께를 갖는 것인 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 나노형광체는 ZnO:Pr, Zn2SiO4:Eu3+,Tb, Zn2SiO4:Ce,Li, SrTiO3:Pr,Al, Ca1 -xSrxTiO3:Pr(0.3<x<0.7) 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성되는 것인 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 ZnO:Pr 물질에서 상기 Pr은 전체에 대해 0.9mol% 내지 1mol%의 범위를 갖는 것인 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 SrTiO3:Pr,Al 물질에서 상기 Pr은 전체에 대해 0.2mol% 내지 0.25mol%의 범위를 갖는 것인 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 투명전극층은 n형 도핑된 ZnO:Al 물질로 형성된 것인 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 n형 도핑된 ZnO:Al 물질에서 Al은 1at% 내지 2at%의 범위를 갖는 것인 태양전지. - 400nm 이하의 자외선에서 여기되어 400 내지 800nm 가시광선 대역에서 발광하는 나노형광체를 형성하는 단계;
상기 나노형광체가 함유되도록 투명전극층을 형성하는 단계; 및
상기 투명전극층을 p형 반도체층과 상기 p형 반도체층 상에 형성된 n형 반도체층을 포함하는 p-n 접합 반도체층 상에 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서, 상기 나노형광체를 형성하는 단계는,
상기 나노형광체 입자 표면에 투명절연물질을 코팅하는 단계를 더 포함하는 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 나노형광체는 ZnO:Pr, Zn2SiO4:Eu3+,Tb, Zn2SiO4:Ce,Li, SrTiO3:Pr,Al, Ca1 -xSrxTiO3:Pr(0.3<x<0.7) 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성되는 것인 태양전지 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 SrTiO3:Pr,Al 물질에서 상기 Pr은 전체에 대해 0.2mol% 내지 0.25mol%의 범위를 갖는 것인 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 투명전극층은 n형 도핑된 ZnO:Al 물질로 형성된 것인 태양전지 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 n형 도핑된 ZnO:Al 물질에서 Al은 1at% 내지 2at%의 범위를 갖는 것인 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서, 상기 p-n 접합 반도체층 상에 상기 투명전극층을 형성하는 단계에서,
상기 투명전극층은 상기 p-n 접합 반도체층 상에 스핀 코팅을 통해 100nm 이하의 두께를 갖도록 형성되는 것인 태양전지 제조방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |