KR20240010127A - Silicon solar cells containing carbon nanotubes doped with natural acids and their manufacturing methods - Google Patents

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KR20240010127A
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한지예
남정석
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성균관대학교산학협력단
경신홀딩스(주)
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는 생물학적으로 생성할 수 있는 유기산을 사용함으로서 화합물 합성과정에서 발생하는 환경오염을 방지하고, 유독성 물질을 생성하지 않으므로 인체에 무해하고 자연산의 낮은 반응성, 반사 방지, 패시베이션 효과에 의해 전기적 성능이 우수할 수 있다.One embodiment of the present invention provides a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid and a method for manufacturing the same. According to one embodiment of the present invention, a silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid prevents environmental pollution occurring during the compound synthesis process and does not generate toxic substances by using organic acids that can be produced biologically. Therefore, it is harmless to the human body and has excellent electrical performance due to the low reactivity, anti-reflection, and passivation effects of natural products.

Description

자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법{Silicon solar cells containing carbon nanotubes doped with natural acids and their manufacturing methods}Silicon solar cells containing carbon nanotubes doped with natural acids and their manufacturing methods}

본 발명은 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a silicon solar cell and a manufacturing method thereof, and more specifically, to a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid and a manufacturing method thereof.

최근 석유, 석탄, 천연가스 등과 같은 기존 화석 연료의 고갈과 환경오염, 지구 온난화에 따라 이들 자원을 대체할 에너지에 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지(Solar Cell)는 에너지 자원이 영구적이고 환경오염이 없어 관심을 받고 있다.Recently, due to the depletion of existing fossil fuels such as oil, coal, and natural gas, environmental pollution, and global warming, interest in energy that can replace these resources is increasing. Among them, solar cells are attracting attention because they are a permanent energy source and do not cause environmental pollution.

태양전지는 반도체 p-n접합의 특성을 이용하여 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 디바이스로서 미래의 중요한 에너지원으로 인식되고 있다. 이중에 주로 지상용 태양전지는 박막형 태양전지들이 사용되고 있는데, 그 종류로는 CuInSe2계 태양전지, 비정질 Si 태양전지, 그리고 CdTe 태양전지등이 있다.Solar cells are devices that convert solar light energy into electrical energy using the characteristics of semiconductor pn junctions, and are recognized as an important energy source of the future. Among these, thin-film solar cells are mainly used as ground-based solar cells, and types include CuInSe 2 -based solar cells, amorphous Si solar cells, and CdTe solar cells.

한편 종래의 태양전지용 웨이퍼는 실리콘 단결정 봉인 잉곳(ingot)을 잘라 세정 후 그대로 출하되므로 표면에 많은 손상(damage) 및 결함(defect)이 존재하고, 태양전지 제조 시 결함제거공정을 수행해도 완벽하게 결함을 제거하는 데는 한계가 있었다.Meanwhile, conventional wafers for solar cells are shipped as is after cutting and cleaning a silicon single-crystal sealing ingot, so there is a lot of damage and defects on the surface, and even if the defect removal process is performed during solar cell manufacturing, the defects are completely intact. There were limits to removing .

탄소나노튜브 (Carbon Nanotube, CNT)는 우수한 기계적, 전기적, 열적 및 광학적 특성으로 인해, 투명전극, 투명트랜지스터, 투명센서 등과 같은 투명하고 유연한 차세대 전자소자로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Due to Carbon Nanotube (CNT)'s excellent mechanical, electrical, thermal and optical properties, research is being actively conducted for its application in transparent and flexible next-generation electronic devices such as transparent electrodes, transparent transistors, and transparent sensors.

이때, 상기 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube, CNT)의 전기적 성능을 향상하게 시키기 위해서 도핑 (Doping) 과정이 필요하다. At this time, a doping process is necessary to improve the electrical performance of the carbon nanotube (CNT).

이러한 도핑 과정에는 주로 질산 (Nitric acid)이나 트리플릭산 (Triflic acid, TFMS)를 이용하고 있는데, 이 두 가지 무기산은 높은 반응성과 유독성을 가지고 있어 다루기 어렵고 환경문제를 일으키는 문제가 있다.This doping process mainly uses nitric acid or triflic acid (TFMS), but these two inorganic acids are highly reactive and toxic, making them difficult to handle and causing environmental problems.

종래에 이용되는 무기산들은 pKa가 음의 값을 가지는 강산으로 매우 반응성이 높아 유독성 및 부식성이 높으므로, 태양전지의 안정성에 부적합한 문제가 있다.Conventionally used inorganic acids are strong acids with negative pKa values and are highly reactive, making them highly toxic and corrosive, making them unsuitable for the stability of solar cells.

또한, 고 비용의 화학적 합성과정에서 사용하는 독성 유기용매 및 부수적인 부산물들에 의한 환경오염을 발생시키므로, 이들의 무기산을 대체하기 위해 많은 시도가 있었으나 이 또한 비효율적이거나 부적절한 문제가 있다.In addition, since environmental pollution is caused by toxic organic solvents and incidental by-products used in the expensive chemical synthesis process, many attempts have been made to replace these inorganic acids, but these also have problems of being inefficient or inappropriate.

따라서, 인체에 무해하고 환경문제를 일으키지 않으며 전기적 성능이 향상된 태양전지를 제조하기 위한 여전히 많은 도전 과제가 남아 있다.Therefore, many challenges still remain to manufacture solar cells that are harmless to the human body, do not cause environmental problems, and have improved electrical performance.

대한민국 공개특허공보 제 2013-0109308 호Republic of Korea Patent Publication No. 2013-0109308

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자연의 생명체가 합성하는 자연산을 탄소나노튜브의 도핑 과정에 이용한 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid, which is characterized by using natural acid synthesized by natural living organisms in the doping process of carbon nanotubes, and a method for manufacturing the same.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid.

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는, A silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with the natural acid according to an embodiment of the present invention,

후면전극층;rear electrode layer;

상기 후면전극층 상부에 위치되어 n형 실리콘으로 구성된 실리콘층;및A silicon layer made of n-type silicon located on top of the back electrode layer; And

상기 실리콘층 상에 자연산으로 도핑되되, 탄소나노튜브로 구성된 전극층을 포함할 수 있다.The silicon layer is doped with natural acid and may include an electrode layer made of carbon nanotubes.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 후면전극층은 백금, 티타늄, 은, 니켈, 주석 또는 아연 금속으로 구성될 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, the back electrode layer may be made of platinum, titanium, silver, nickel, tin, or zinc metal.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘층은 두께가 100μm 내지 500 μm 일 수 있다. Additionally, according to one embodiment of the present invention, the silicon layer may have a thickness of 100 μm to 500 μm.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브층에서, 상기 자연산은 포름산, 아세트산, 젖산 또는 시트르산으로 구성될 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, in the carbon nanotube layer, the natural acid may be composed of formic acid, acetic acid, lactic acid, or citric acid.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브층에서, 상기 자연산은 p형 도펀트일 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, in the carbon nanotube layer, the natural acid may be a p-type dopant.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브층에서, 상기 자연산의 농도는 5%(w/w) 내지 50%(w/w)일 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, in the carbon nanotube layer, the concentration of the natural acid may be 5% (w/w) to 50% (w/w).

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브층에서, 상기 자연산의 반사율은 5% 내지 30% 이하 일 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, in the carbon nanotube layer, the reflectance of the natural acid may be 5% to 30% or less.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid.

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 제조방법은, A method for manufacturing a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with the natural acid according to an embodiment of the present invention,

n형 실리콘 기판으로 구성된 실리콘층의 후면에 후면전극층을 형성하는 단계; Forming a back electrode layer on the back of a silicon layer composed of an n-type silicon substrate;

상기 실리콘층 전면에 탄소나노튜브로 구성된 전극층을 형성하는 단계;및forming an electrode layer made of carbon nanotubes on the entire surface of the silicon layer; and

상기 탄소나노튜브로 구성된 전극층 상에 자연산을 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.It may include doping natural acid onto the electrode layer composed of carbon nanotubes.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 후면전극층은 백금, 티타늄, 은, 니켈, 주석 또는 아연 금속으로 구성될 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, the back electrode layer may be made of platinum, titanium, silver, nickel, tin, or zinc metal.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 자연산은 포름산, 아세트산, 젖산 또는 시트르산으로 구성될 수 있다. Additionally, according to one embodiment of the present invention, the natural acid may be composed of formic acid, acetic acid, lactic acid, or citric acid.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 자연산은 p형 도펀트일 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, the natural acid may be a p-type dopant.

본 발명의 일 실시 예에 따른 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는 생물학적으로 생성할 수 있는 유기산을 사용함으로서 화합물 합성과정에서 발생하는 환경오염을 일으키는 요소들을 모두 제거할 수 있다.A silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid according to an embodiment of the present invention can remove all elements that cause environmental pollution generated during the compound synthesis process by using organic acids that can be produced biologically.

또한, 무기산들과 다르게 유독성 물질을 생성하지 않고, 낮은 반응성과 높은 비점(Boiling point)으로 인해 표면에 잔류하여 반사방지(Anti-reflection) 효과를 지님과 동시에 카르복실산으로 인한 페시베이션 효과로 광에너지적 이득을 추가적으로 부여할 수 있는 효과가 있다.In addition, unlike inorganic acids, it does not produce toxic substances, and due to its low reactivity and high boiling point, it remains on the surface and has an anti-reflection effect. At the same time, it retains light due to the passivation effect caused by carboxylic acid. It has the effect of providing additional energy benefits.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도1은 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지를 도시한 모식도이다.
도2는 저농도 및 고농도 자연산이 도핑된 CNT의 Raman spectroscopy결과이다.
도3은 젖산과 질산의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도4는 자연산 도핑된 CNT의 시간에 따른 저항값 변화율을 나타내는 그래프이다.
도5는 자연산 도핑된 CNT의 반사율(Reflectance) 그래프이다.
도6은 자연산의 최적 두께를 도출하기 위한 유한차분시간구역 시뮬레이션 결과이다.
도7은 Si wafer 또는 KBr pellet 기판 위에 자연산(a.아세트산, b.젖산)을 도핑한 경우 측정한 FTIR 그래프 이다.
도8은 Si wafer 또는 KBr pellet 기판 위에 자연산(c.포름산, d. 시트르산)을 도핑한 경우 측정한 FTIR 그래프 이다.
도9는 각 자연산(a.아세트산, b.포름산, c.시트르산, d.젖산)또는 bare Si 기판의 QSSPC 그래프이다.
Figure 1 is a schematic diagram showing a silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid.
Figure 2 shows the Raman spectroscopy results of CNTs doped with low and high concentrations of natural acid.
Figure 3 is a graph showing the results of XPS analysis of lactic acid and nitric acid.
Figure 4 is a graph showing the rate of change in resistance value of naturally doped CNTs over time.
Figure 5 is a reflectance graph of naturally doped CNT.
Figure 6 is the result of a finite difference time domain simulation to derive the optimal thickness of natural product.
Figure 7 is a FTIR graph measured when natural acids (a. acetic acid, b. lactic acid) were doped on a Si wafer or KBr pellet substrate.
Figure 8 is a FTIR graph measured when natural acids (c. formic acid, d. citric acid) were doped on a Si wafer or KBr pellet substrate.
Figure 9 is a QSSPC graph of each natural acid (a. acetic acid, b. formic acid, c. citric acid, d. lactic acid) or bare Si substrate.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, combined)" with another part, this means not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "Includes cases where it is. In addition, when a part is said to “include” a certain component, this does not mean that other components are excluded, but that other components can be added, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

본 발명의 일 실시 예에 따른 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지를 설명한다.A silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid according to an embodiment of the present invention will be described.

도1은 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지를 도시한 모식도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing a silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는, Referring to Figure 1, a silicon solar cell including doped carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention,

후면전극층(100); 상기 후면전극층 상부에 위치되어 n형 실리콘으로 구성된 실리콘층(200); 및 상기 실리콘층(200) 상에 자연산(400)으로 도핑되되, 탄소나노튜브로 구성된 전극층(300)을 포함할 수 있다.Back electrode layer (100); A silicon layer 200 made of n-type silicon located on the back electrode layer; and an electrode layer 300 doped with natural acid 400 on the silicon layer 200 and made of carbon nanotubes.

또한, 본 발명은 상기 실리콘층 상에 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브로 구성된 전극층 상에 전면 전극들이 이격되어 배치되어 전면 전극층(금, 은, 구리, 백금, 타이타늄)을 더 포함할 수 있다. In addition, the present invention may further include a front electrode layer (gold, silver, copper, platinum, titanium) in which front electrodes are disposed spaced apart on an electrode layer composed of carbon nanotubes doped with natural acid on the silicon layer.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는 후면전극층(100)을 포함할 수 있다.A silicon solar cell containing doped carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention may include a back electrode layer 100.

이때, 상기 후면전극층(100)은 백금, 티타늄, 은, 니켈, 주석 또는 아연 금속으로 구성될 수 있으나, 상술한 금속에 한정되지 않는다.At this time, the back electrode layer 100 may be made of platinum, titanium, silver, nickel, tin, or zinc metal, but is not limited to the metals mentioned above.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는 실리콘층(200)을 포함할 수 있다.A silicon solar cell including doped carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention may include a silicon layer 200.

상기 실리콘층(200)은 n형 실리콘으로 구성될 수 있다.The silicon layer 200 may be composed of n-type silicon.

상기 n형 실리콘은 13, 14, 15족 주기 원소에서 선택된 1종을 포함할 수 있으며, 상술한 예에 한정 되지 않고 n-형 반도체 물질이면 족하다.The n-type silicon may contain one type selected from periodic elements of groups 13, 14, and 15, and is not limited to the above-mentioned examples, and any n-type semiconductor material is sufficient.

이때, 상기 실리콘층(200)의 두께는 100μm 내지 500μm 일 수 있으며, 상기 두께를 100μm 내지 500μm 로 한 이유는 공정상 가장 높은 효율을 보이는 두께이기 때문이다.At this time, the thickness of the silicon layer 200 may be 100 μm to 500 μm, and the reason for setting the thickness to 100 μm to 500 μm is because it is the thickness that shows the highest efficiency in the process.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는 전극층(300,400)을 포함할 수 있다.A silicon solar cell including doped carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention may include electrode layers 300 and 400.

탄소나노튜브는 그래핀을 말아놓은 형태로, 속이 빈 튜브형태이다. 말리는 방향 및 벽 개수에 따라 전기적인 특성이 달라지며 반도체 혹은 금속성의 성질을 주기적으로 갖는다. 상기 탄소나노튜브는 기계적, 전기적, 열적 특성이 뛰어나 응용할 수 있는 분야가 많고, 열 화학 기상 증착법에 의해 합성될 수 있다.Carbon nanotubes are rolled graphene and are in the form of hollow tubes. Electrical characteristics vary depending on the direction in which it is rolled and the number of walls, and it periodically exhibits semiconductor or metallic properties. The carbon nanotubes have excellent mechanical, electrical, and thermal properties, so they can be applied in many fields, and can be synthesized by thermal chemical vapor deposition.

상기 탄소나노튜브는 부반응이 거의 발생되지 않고, 산소 조건에 부식되지 않아 태양전지의 광전 변환 효율이 유지되도록 할 수 있다.The carbon nanotubes rarely cause side reactions and do not corrode under oxygen conditions, allowing the photoelectric conversion efficiency of the solar cell to be maintained.

본 발명은 상기 탄소나노튜브층 상에 상기 자연산(400)으로서 포름산, 아세트산, 젖산 또는 시트르산을 코팅하여 도핑할 수 있다.In the present invention, the carbon nanotube layer can be doped by coating formic acid, acetic acid, lactic acid, or citric acid as the natural acid 400.

이때, 상기 자연산은 바이오 합성 과정을 통해서 생물체가 합성하는 산성 물질을 지칭할 수 있다.At this time, the natural acid may refer to an acidic substance synthesized by living organisms through a biosynthesis process.

이때, 자연산은 고 비점 특성을 가지고 있으며, 상기 고 비점 특성은 생물체가 합성하는 산성 물질 중에서 알코올, 아민, 설퍼릭산 (sulfuric acid) 계열의 작용기와 해당 작용기의 유도체를 가짐으로써 수소결합이 유도됨에 따라 증가되는 특성을 의미할 수 있다.At this time, natural acids have a high boiling point characteristic, and the high boiling point characteristic is caused by hydrogen bonding being induced by having functional groups of the alcohol, amine, and sulfuric acid series and derivatives of the corresponding functional groups among acidic substances synthesized by living organisms. It may mean an increasing characteristic.

또한, 자연산은 패시베이션(Passivation) 특성을 가지고 있으며, 상기 패시베이션 특성은 생물체가 합성하는 산성 물질 중에서 알코올, 아민, 설퍼릭산, 카르복실산, 아마이드 계열의 작용기와 해당 작용기의 유도체가 결정 표면의 결함에 착물을 이루는 특성을 의미할 수 있다.In addition, natural acids have passivation properties, and the passivation properties are due to the fact that among acidic substances synthesized by living organisms, alcohol, amine, sulfuric acid, carboxylic acid, and amide series functional groups and derivatives of the corresponding functional groups are capable of preventing defects on the crystal surface. It may refer to the characteristic of forming a complex.

이때, 상기 자연산의 도핑 과정은 자연산을 탄소나노튜브에 직, 간접적으로 접촉시켜 전기 특성을 향상시키는 모든 과정을 지칭할 수 있으며, 본 발명에서는 탄소나노튜브에 자연산을 코팅하는 방식을 적용하였다.At this time, the doping process of the natural acid can refer to any process that improves electrical properties by directly or indirectly contacting the natural acid with carbon nanotubes. In the present invention, a method of coating natural acid on carbon nanotubes was applied.

이때, 상기 자연산(400)은 p형 도펀트의 역할을 할 수 있으며, 상기 p형 도펀트는 진성 반도체에 첨가되는 불순물 첨가제로서 conduction band에 electron을 생성하지 않고 valance band에 hole을 생성되도록 하여 p형 반도체를 형성할 수 있도록 한다.At this time, the natural acid 400 can serve as a p-type dopant, and the p-type dopant is an impurity additive added to the intrinsic semiconductor and does not generate electrons in the conduction band but creates holes in the valance band, thereby forming a p-type semiconductor. so that it can be formed.

본 발명에서 사용된 유기산(포름산, 아세트산, 젖산 또는 시트르산)은 동식물계에서 얻을 수 있으며, 유기산은 무기산보다 금속과의 반응성이 낮지만 이로 인해 금속을 손상시키지 않고 비교적 안전한 도핑 효과를 끌어낼 수 있다.The organic acids (formic acid, acetic acid, lactic acid, or citric acid) used in the present invention can be obtained from the animal and plant kingdom, and although organic acids have lower reactivity with metals than inorganic acids, they can achieve a relatively safe doping effect without damaging the metal.

또한, 유기산을 사용하는 경우 동,식물계에서 생물학적으로 생성할 수 있기 때문에 질산 또는 트리플릭산과 같은 무기산의 사용으로 인한 종래기술의 문제인 화합물의 합성과정에서 발생하는 환경오염 및 강산으로 인한 유독성, 부식성으로 인한 문제들을 모두 제거할 수 있다.In addition, when using organic acids, since they can be produced biologically in the animal and plant systems, the use of inorganic acids such as nitric acid or triflic acid can cause environmental pollution occurring during the synthesis of compounds, which is a problem in the prior art, and toxicity and corrosiveness due to strong acids. All problems caused by it can be eliminated.

즉, 상기 자연산은 탄소나노튜브를 도핑시킬 수 있는 pKa값을 지님과 동시에 종래에 사용되던 무기산들과 다르게 유독성 물질을 생성하지 않는 효과가 있다.In other words, the natural acid has a pKa value capable of doping carbon nanotubes and at the same time has the effect of not producing toxic substances, unlike conventionally used inorganic acids.

또한, 자연산의 낮은 반응성과 높은 비점(Boiling point)으로 인해 상기 자연산이 탄소나노튜브 표면에 잔류하는 경우, 반사방지(Anti-reflection) 효과를 나타낼 수 있고, 카르복실산에 의한 페시베이션 효과에 의해 결함을 제어할 수 있으므로 광전 효율이 증가하는 광에너지적 이득이 있을 수 있다.In addition, due to the low reactivity and high boiling point of natural acid, when the natural acid remains on the surface of the carbon nanotube, it can exhibit an anti-reflection effect, and due to the passivation effect by carboxylic acid. Since defects can be controlled, there can be an optical energy gain that increases photoelectric efficiency.

예를 들어, 본 발명은 탄소나노튜브층을 형성하는 방법으로 SWNT(단일벽탄소나노튜브, Single walled nanotube) 필름을 3mm × 3mm 크기의 n형 실리콘으로 구성된 실리콘층과 주변 전극에 건식 전사하는 단계; 상기 SWNT 필름 상에 자연산을 스핀 코팅 방식으로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.For example, the present invention is a method of forming a carbon nanotube layer, which involves dry transferring a SWNT (single walled nanotube) film to a silicon layer made of n-type silicon with a size of 3 mm × 3 mm and a peripheral electrode. ; It may include coating a natural acid on the SWNT film using a spin coating method.

본 발명에서 탄소나노튜브상에 도핑되는 자연산은 증류수에 희석하여 사용될 수 있으며 이때, 상기 자연산의 농도는 5%(w/w) 내지 50%(w/w)일 수 있다.In the present invention, the natural acid doped onto carbon nanotubes can be used by diluting it in distilled water, and the concentration of the natural acid may be 5% (w/w) to 50% (w/w).

이때, 상기 자연산의 농도가 5%(w/w) 내지 50%(w/w)인 이유는 5%(w/w)농도보다 낮은 경우 도핑효과가 보이지 않는 문제가 있을 수 있고, 50%(w/w)농도보다 높은 경우 유기산들에 의한 전기적 특성 저하 문제가 있을 수 있기 때문이다.At this time, the reason why the concentration of the natural acid is 5% (w/w) to 50% (w/w) is that there may be a problem that the doping effect is not visible when the concentration is lower than 5% (w/w), and 50% (w/w) This is because if the concentration is higher than the w/w) concentration, there may be a problem of deterioration of electrical properties due to organic acids.

또한, 본 발명에서 자연산의 반사율을 5% 내지 30% 이하 일 수 있으며, 상기 반사율이 5% 내지 30% 이하이므로 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는 광집속 효과에 의한 성능향상을 도출될 수 있다.In addition, in the present invention, the reflectance of natural acid may be 5% to 30% or less, and since the reflectance is 5% to 30% or less, silicon solar cells containing carbon nanotubes doped with natural acid improve performance by the light focusing effect. can be derived.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는 전면전극층을 더 포함할 수 있다.Additionally, a silicon solar cell including doped carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention may further include a front electrode layer.

상기 전면전극층은 백금, 티타늄, 은, 니켈, 주석 또는 아연 금속으로 구성될 수 있으며, 상술한 금속에 한정되지 않을 수 있다.The front electrode layer may be made of platinum, titanium, silver, nickel, tin, or zinc metal, but may not be limited to the metals mentioned above.

이때, 상기 전면전극층은 상기 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브로 구성된 전극층과 전기적으로 연결될 수 있다.At this time, the front electrode layer may be electrically connected to the electrode layer composed of carbon nanotubes doped with natural acid.

본 발명의 일 실시 예에 따른 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지는 p형 도펀트로서 자연산을 사용하여 낮은 pKa 값을 나타내므로, 종래에 사용되던 무기산들과 다르게 유독성 물질을 생성하지 않고, 낮은 반응성과 높은 비점으로 인해 표면에 잔류하여 반사 방지(anti-reflection)할 수 있으며, 카르복실산으로 인한 패시베이션 효과로 결함을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.A silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid according to an embodiment of the present invention uses natural acid as a p-type dopant and has a low pKa value, so unlike conventionally used inorganic acids, it does not generate toxic substances. However, due to its low reactivity and high boiling point, it can remain on the surface to prevent reflection, and has the effect of reducing defects through the passivation effect due to carboxylic acid.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘 태양전지는 자연산을 사용하여 기존의 무기산을 사용한 경우보다 높은 광전효율로서 10.3% 효율을 나타내는 효과가 있다.Therefore, the silicon solar cell according to an embodiment of the present invention uses natural acid, which has the effect of showing a higher photoelectric efficiency of 10.3% than when using existing inorganic acid.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 제조방법을 설명한다.A method for manufacturing a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid according to another embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 제조방법은, A method for manufacturing a silicon solar cell including doped carbon nanotubes according to another embodiment of the present invention,

n형 실리콘 기판으로 구성된 실리콘층의 후면에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 실리콘층 전면에 탄소나노튜브로 구성된 전극층을 형성하는 단계;및 상기 탄소나노튜브로 구성된 전극층 상에 자연산을 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.Forming a back electrode layer on the back of a silicon layer composed of an n-type silicon substrate; It may include forming an electrode layer made of carbon nanotubes on the entire surface of the silicon layer; and doping natural acid on the electrode layer made of carbon nanotubes.

첫째 단계에서, n형 실리콘 기판으로 구성된 실리콘층의 후면에 후면전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the first step, it may include forming a back electrode layer on the back of a silicon layer composed of an n-type silicon substrate.

상기 후면 전극층은 N2건(gun)으로 건조한 후, Ti (10 nm)/Pt (55 nm)로 구성되도록 스퍼터링 공정을 수행하여 형성할 수 있다.The back electrode layer can be formed by drying with an N 2 gun and then performing a sputtering process to make it composed of Ti (10 nm)/Pt (55 nm).

둘째 단계에서, 상기 실리콘층 전면에 탄소나노튜브로 구성된 전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the second step, it may include forming an electrode layer made of carbon nanotubes on the entire surface of the silicon layer.

상기 탄소나노튜브층을 형성하기 위하여 탄소나노튜브 필름을 제작할 수 있다.To form the carbon nanotube layer, a carbon nanotube film can be produced.

이때, 상기 탄소나노튜브 필름은 일산화탄소(CO) 분위기에서 페로센 증기 분해를 기반으로 하는 에어로졸(부유 촉매) CVD 방법으로 합성될 수 있다.At this time, the carbon nanotube film can be synthesized by an aerosol (suspended catalyst) CVD method based on ferrocene vapor decomposition in a carbon monoxide (CO) atmosphere.

상기 탄소나노튜브 필름을 제조하는 방법은 촉매 전구체와 페로센 분말이 채워진 카트리지에 실온의 CO를 통과시켜 기화시키는 단계, 그런 다음 페로센 증기를 포함하는 흐름을 수냉식 프로브를 통해 세라믹 튜브 반응기의 고온 영역으로 도입하고 추가 CO와 혼합하는 단계; SWNT의 안정적인 성장을 얻기 위해 제어된 양의 CO2를 CO 탄소와 혼합하는 단계; 니트로셀룰로오스 또는 은 멤브레인 필터(Millipore Corp., USA; HAWP, 0.45μm 기공 직경)를 통해 흐름을 여과하여 탄소나노튜브를 반응기 하류에서 직접 수집하는 단계를 포함할 수 있다. The method of producing the carbon nanotube film includes vaporizing CO at room temperature by passing it through a cartridge filled with a catalyst precursor and ferrocene powder, and then introducing a flow containing ferrocene vapor into the high temperature region of the ceramic tube reactor through a water-cooled probe. and mixing with additional CO; mixing a controlled amount of CO 2 with CO carbon to obtain stable growth of SWNTs; This may include collecting carbon nanotubes directly downstream of the reactor by filtering the flow through a nitrocellulose or silver membrane filter (Millipore Corp., USA; HAWP, 0.45 μm pore diameter).

본 발명은 상술한 과정에 의해 제조된 탄소나노튜브 필름을 상기 실리콘층 전면에 건식-전사방법을 수행하여 코팅할 수 있다. In the present invention, the carbon nanotube film produced by the above-described process can be coated on the entire surface of the silicon layer by performing a dry-transfer method.

상술한 탄소나노튜브 필름을 코팅하는 방법은 일 실시 예이며, 용액을 이용한 스프레이 코팅과 스핀 코팅 방법을 적용할 수 있다. The method of coating the carbon nanotube film described above is an example, and spray coating and spin coating methods using a solution can be applied.

이때, 상기 탄소나노튜브 필름은 20nm 내지 50nm두께로 코팅될 수 있다At this time, the carbon nanotube film may be coated to a thickness of 20 nm to 50 nm.

셋째 단계에서, 상기 탄소나노튜브로 구성된 전극층 상에 자연산을 도핑하는 단계를 포함 할 수 있다.In the third step, it may include doping natural acid onto the electrode layer composed of carbon nanotubes.

이때, 상기 자연산은 포름산, 아세트산, 젖산 또는 시트르산으로 구성될 수 있다.At this time, the natural acid may be composed of formic acid, acetic acid, lactic acid, or citric acid.

상기 자연산의 농도는 5%(w/w) 내지 50%(w/w)일 수 있다.The concentration of the natural acid may be 5% (w/w) to 50% (w/w).

이때, 상기 자연산의 농도가 5%(w/w) 내지 50%(w/w)인 이유는 5%(w/w)농도보다 낮은 경우 도핑 효과가 보이지 않는 문제가 있을 수 있고, 50%(w/w)농도보다 높은 경우 유기산들에 의한 전기적 특성 저하 문제가 있을 수 있기 때문이다.At this time, the reason why the concentration of the natural acid is 5% (w/w) to 50% (w/w) is that there may be a problem that the doping effect is not visible when the concentration is lower than 5% (w/w), and 50% (w/w) This is because if the concentration is higher than the w/w) concentration, there may be a problem of deterioration of electrical properties due to organic acids.

상기 자연산을 탄소나노튜브층에 도핑하기 위해서 자연산 용액을 제조하는 단계; 상기 자연산 용액을 탄소나노튜브층 상에 코팅하는 단계를 수행할 수 있다.Preparing a natural acid solution to dope the natural acid into the carbon nanotube layer; The step of coating the natural acid solution on the carbon nanotube layer may be performed.

상기 자연산의 카르복실산 작용기(-COOH)는 패시베이션 효과(passivation effect)에 의해 실리콘 표면의 트랩(Trap) 준위를 메워줄 수 있다.The natural acid carboxylic acid functional group (-COOH) can fill the trap level on the silicon surface through a passivation effect.

상기 트랩(Trap) 준위가 채워진 실리콘 표면은 캐리어 안정성이 향상되어 광전 효율이 증가될 수 있다.The silicon surface filled with the trap level can improve photoelectric efficiency by improving carrier stability.

이때, 상기 자연산이 도핑된 탄소나노튜브층 상에 상부전극들이 이격하여 배치되도록 전면전극층을 형성하는 단계를 더 포함 할 수 있다.At this time, the step of forming a front electrode layer so that the upper electrodes are spaced apart from each other on the carbon nanotube layer doped with the natural acid may be further included.

이때, 상기 전면전극층은 백금, 티타늄, 은, 니켈, 주석 또는 아연 금속으로 구성될 수 있다.At this time, the front electrode layer may be made of platinum, titanium, silver, nickel, tin, or zinc metal.

예를 들어, 상기 전면전극층을 형성하는 방법으로 Ti(10nm)/Pt(55nm)의 전면 전극을 3mm × 3mm 물리적 마스크 어레이가 있는 기판의 전면에 스퍼터링 공정을 수행하여 형성할 수 있다.For example, as a method of forming the front electrode layer, a Ti (10 nm)/Pt (55 nm) front electrode can be formed by performing a sputtering process on the front surface of a substrate with a 3 mm × 3 mm physical mask array.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 제조방법은 기존의 p형 실리콘 웨이퍼를 대체할 수 있으므로 저비용성, 용이성, 친환경성을 만족할 수 있다.Therefore, the method for manufacturing a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid according to an embodiment of the present invention can replace existing p-type silicon wafers and thus satisfy low cost, ease of use, and eco-friendliness.

제조예1: 포름산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조Preparation Example 1: Preparation of a silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with formic acid

먼저, n-type Si 기판을 RCA1(H2O:NH4OH:H2O2=5:1:1)으로 70°C에서 30분 동안 열처리하여 기판 표면의 먼지와 유기물을 제거하였다.First, the n-type Si substrate was heat treated with RCA1 (H 2 O:NH 4 OH:H 2 O 2 =5:1:1) at 70°C for 30 minutes to remove dust and organic matter on the substrate surface.

다음으로, n-type Si 기판의 양면에 있는 SiO2 층을 약 95°C에서 20분 동안 5m NaOH로 제거하였다.Next, the SiO 2 layer on both sides of the n-type Si substrate was removed with 5 m NaOH for 20 minutes at approximately 95°C.

다음으로, 상기 SiO2층이 에칭된 기판을 NaOH 용액에서 꺼내고 RCA2(H2O:NH4OH:H2O2=5:1:1)로 3초 동안 빠르게 세척한 다음 증류수로 헹구었다.Next, the substrate on which the SiO 2 layer was etched was taken out of the NaOH solution, quickly washed with RCA2 (H 2 O:NH 4 OH:H 2 O 2 =5:1:1) for 3 seconds, and then rinsed with distilled water.

다음으로, N2 건(gun)에 의해 건조된 후, Ti(10nm)/Pt(55nm)의 후면 전극을 기판의 후면에 스퍼터링하였다. Next, after drying with an N 2 gun, a back electrode of Ti (10 nm)/Pt (55 nm) was sputtered on the back side of the substrate.

다음으로, 물리적 마스크를 제거한 후 SWNT 필름을 기판의 상부 표면에 건식-전사 방법을 사용하여 전사하였다.Next, after removing the physical mask, the SWNT film was transferred to the upper surface of the substrate using a dry-transfer method.

다음으로, 상기 SWNT필름과 기판과의 접촉성능을 개선하기 위해 전사된 필름상에 에탄올을 떨어뜨렸다.Next, ethanol was dropped on the transferred film to improve the contact performance between the SWNT film and the substrate.

다음으로, 자연산으로서 포름산5~50ml을 100ml 증류수로 희석하였다.Next, 5 to 50 ml of formic acid as a natural acid was diluted with 100 ml of distilled water.

다음으로, 희석한 포름산 용액을 SWNT-Si 태양전지의 SWNT 필름 상에 5000rpm에서 60초 동안 스핀 코팅하였다.Next, the diluted formic acid solution was spin-coated on the SWNT film of the SWNT-Si solar cell at 5000 rpm for 60 seconds.

제조예2: 아세트산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조Preparation Example 2: Preparation of a silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with acetic acid

먼저, n-type Si 기판을 RCA1(H2O:NH4OH:H2O2=5:1:1)으로 70°C에서 30분 동안 열처리하여 기판 표면의 먼지와 유기물을 제거하였다.First, the n-type Si substrate was heat treated with RCA1 (H 2 O:NH 4 OH:H 2 O 2 =5:1:1) at 70°C for 30 minutes to remove dust and organic matter on the substrate surface.

다음으로, n-type Si 기판의 양면에 있는 SiO2 층을 약 95°C에서 20분 동안 5m NaOH로 제거하였다.Next, the SiO2 layer on both sides of the n-type Si substrate was removed with 5 m NaOH for 20 min at approximately 95°C.

다음으로, 상기 SiO2층이 에칭된 기판을 NaOH 용액에서 꺼내고 RCA2(H2O:HCl:H2O2=5:1:1)로 3초 동안 빠르게 세척한 다음 증류수로 헹구었다.Next, the substrate on which the SiO 2 layer was etched was taken out of the NaOH solution, quickly washed with RCA2 (H 2 O:HCl:H 2 O 2 =5:1:1) for 3 seconds, and then rinsed with distilled water.

다음으로, N2 건(gun)에 의해 건조된 후, Ti(10nm)/Pt(55nm)의 후면 전극을 기판의 후면에 스퍼터링하였다. Next, after drying with an N 2 gun, a back electrode of Ti (10 nm)/Pt (55 nm) was sputtered on the back side of the substrate.

다음으로, 물리적 마스크를 제거한 후 SWNT 필름을 기판의 상부 표면에 건식-전사 방법을 사용하여 전사하였다.Next, after removing the physical mask, the SWNT film was transferred to the upper surface of the substrate using a dry-transfer method.

다음으로, 상기 SWNT필름과 기판과의 접촉성능을 개선하기 위해 전사된 필름상에 에탄올을 떨어뜨렸다.Next, ethanol was dropped on the transferred film to improve the contact performance between the SWNT film and the substrate.

다음으로, 자연산으로서 아세트산 5~50ml을 100ml 증류수로 희석하였다.Next, 5 to 50 ml of acetic acid as a natural acid was diluted with 100 ml of distilled water.

다음으로, 희석한 아세트산 용액을 SWNT-Si 태양전지의 SWNT 필름 상에 5000rpm에서 60초 동안 스핀 코팅하였다.Next, the diluted acetic acid solution was spin-coated on the SWNT film of the SWNT-Si solar cell at 5000 rpm for 60 seconds.

제조예3: 젖산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조Preparation Example 3: Preparation of a silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with lactic acid

먼저, n-type Si 기판을 RCA1(H2O:NH4OH:H2O2=5:1:1)으로 70°C에서 30분 동안 열처리하여 기판 표면의 먼지와 유기물을 제거하였다.First, the n-type Si substrate was heat treated with RCA1 (H 2 O:NH 4 OH:H 2 O 2 =5:1:1) at 70°C for 30 minutes to remove dust and organic matter on the substrate surface.

다음으로, n-type Si 기판의 양면에 있는 SiO2 층을 약 95°C에서 20분 동안 5m NaOH로 제거하였다.Next, the SiO2 layer on both sides of the n-type Si substrate was removed with 5 m NaOH for 20 min at approximately 95°C.

다음으로, 상기 SiO2층이 에칭된 기판을 NaOH 용액에서 꺼내고 RCA2(H2O:HCl:H2O2=5:1:1)로 3초 동안 빠르게 세척한 다음 증류수로 헹구었다.Next, the substrate on which the SiO 2 layer was etched was taken out of the NaOH solution, quickly washed with RCA2 (H 2 O:HCl:H 2 O 2 =5:1:1) for 3 seconds, and then rinsed with distilled water.

다음으로, N2 건(gun)에 의해 건조된 후, Ti(10nm)/Pt(55nm)의 후면 전극을 기판의 후면에 스퍼터링하였다. Next, after drying with an N 2 gun, a back electrode of Ti (10 nm)/Pt (55 nm) was sputtered on the back side of the substrate.

다음으로, 물리적 마스크를 제거한 후 SWNT 필름을 기판의 상부 표면에 건식-전사 방법을 사용하여 전사하였다.Next, after removing the physical mask, the SWNT film was transferred to the upper surface of the substrate using a dry-transfer method.

다음으로, 상기 SWNT필름과 기판과의 접촉 성능을 개선하기 위해 전사된 필름 상에 에탄올을 떨어뜨렸다.Next, ethanol was dropped on the transferred film to improve the contact performance between the SWNT film and the substrate.

다음으로, 자연산으로서 젖산 5~50ml을 100ml 증류수로 희석하였다.Next, 5 to 50 ml of lactic acid as a natural acid was diluted with 100 ml of distilled water.

다음으로, 희석한 젖산 용액을 SWNT-Si 태양전지의 SWNT 필름 상에 5000rpm에서 60초 동안 스핀 코팅하였다.Next, the diluted lactic acid solution was spin-coated on the SWNT film of the SWNT-Si solar cell at 5000 rpm for 60 seconds.

제조예4: 시트르산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조Preparation Example 4: Preparation of a silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with citric acid

먼저, n-type Si 기판을 RCA1(H2O:NH4OH:H2O2=5:1:1)으로 70°C에서 30분 동안 열처리하여 기판 표면의 먼지와 유기물을 제거하였다.First, the n-type Si substrate was heat treated with RCA1 (H 2 O:NH 4 OH:H 2 O 2 =5:1:1) at 70°C for 30 minutes to remove dust and organic matter on the substrate surface.

다음으로, n-type Si 기판의 양면에 있는 SiO2 층을 약 95°C에서 20분 동안 5m NaOH로 제거하였다.Next, the SiO2 layer on both sides of the n-type Si substrate was removed with 5 m NaOH for 20 min at approximately 95°C.

다음으로, 상기 SiO2층이 에칭된 기판을 NaOH 용액에서 꺼내고 RCA2(H2O:HCl:H2O2=5:1:1)로 3초 동안 빠르게 세척한 다음 증류수로 헹구었다.Next, the substrate on which the SiO2 layer was etched was taken out of the NaOH solution, quickly washed with RCA2 (H 2 O:HCl:H 2 O 2 =5:1:1) for 3 seconds, and then rinsed with distilled water.

다음으로, N2 건(gun)에 의해 건조된 후, Ti(10nm)/Pt(55nm)의 후면 전극을 기판의 후면에 스퍼터링하였다.Next, after drying with an N 2 gun, a back electrode of Ti (10 nm)/Pt (55 nm) was sputtered on the back side of the substrate.

다음으로, 물리적 마스크를 제거한 후 SWNT 필름을 기판의 상부 표면에 건식-전사 방법을 사용하여 전사하였다.Next, after removing the physical mask, the SWNT film was transferred to the upper surface of the substrate using a dry-transfer method.

다음으로, 상기 SWNT필름과 기판과의 접촉 성능을 개선하기 위해 전사된 필름 상에 에탄올을 떨어뜨렸다.Next, ethanol was dropped on the transferred film to improve the contact performance between the SWNT film and the substrate.

다음으로, 자연산으로서 시트르산 5~50ml을 100ml 증류수로 희석하였다.Next, 5 to 50 ml of citric acid as a natural acid was diluted with 100 ml of distilled water.

다음으로, 희석한 시트르산 용액을 SWNT-Si 태양전지의 SWNT 필름 상에 5000rpm에서 60초 동안 스핀 코팅하였다.Next, the diluted citric acid solution was spin-coated on the SWNT film of the SWNT-Si solar cell at 5000 rpm for 60 seconds.

실험예1: 자연산들의 CNT 도핑 정도 확인 실험Experimental Example 1: Experiment to confirm the degree of CNT doping of natural products

도2는 저농도 및 고농도 자연산이 도핑된 CNT의 Raman spectroscopy결과이다.Figure 2 shows the Raman spectroscopy results of CNTs doped with low and high concentrations of natural acid.

도2는 CNT필름 상에 (a) 젖산, (b) 포름산, (c) 시트르산을 도포한 경우 측정된 G 스펙트럼 및 CNT필름 상에 (d) 젖산, (e) 포름산, (f) 시트르산을 도포한 경우 측정된 2D band 스펙트럼을 나타낸다.Figure 2 shows the G spectrum measured when (a) lactic acid, (b) formic acid, and (c) citric acid were applied to the CNT film and (d) lactic acid, (e) formic acid, and (f) citric acid were applied to the CNT film. In one case, it shows the measured 2D band spectrum.

상기 도2에서 G band의 경우 전도성 정도의 차이를, 2D band의 경우 p-도핑 효과의 정도를 나타낼 수 있다. In FIG. 2, the difference in conductivity can be shown in the case of the G band, and the degree of p-doping effect can be shown in the case of the 2D band.

상기 도2를 참조하면, 젖산이 도핑된 CNT필름(도2a)과 포름산이 도핑된 CNT 필름(도2b) 및 시트르산이 도핑된 CNT필름(도2c)의 라만 G band는 Blue shift된 것으로 보아 젖산, 포름산 및 시트르산 모두에서 p-type도핑 된 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 2, the Raman G bands of the lactic acid-doped CNT film (FIG. 2a), formic acid-doped CNT film (FIG. 2b), and citric acid-doped CNT film (FIG. 2c) are blue shifted, indicating that the Raman G bands are blue-shifted to lactic acid. , it can be confirmed that both formic acid and citric acid are p-type doped.

또한, 젖산이 도핑된 CNT필름(도2c)과 포름산이 도핑된 CNT 필름(도2d) 및 시트르산이 도핑된 CNT필름(도2e)의 라만 2D band는 Blue shift된 것으로 보아 젖산, 포름산 및 시트르산 모두에서 p-type도핑 된 인 것을 확인 할 수 있다.In addition, the Raman 2D bands of the lactic acid-doped CNT film (Figure 2c), formic acid-doped CNT film (Figure 2d), and citric acid-doped CNT film (Figure 2e) were blue shifted, indicating that lactic acid, formic acid, and citric acid were all You can confirm that it is p-type doped.

이때, 젖산은 수소결합이 큰 네트워크를 통해 CNT를 조밀화하고 얇고 균일한 코팅을 형성하는 경향으로 인해 반사 방지 효과를 유도할 수 있다.At this time, lactic acid can induce an antireflection effect due to its tendency to densify CNTs through a network with large hydrogen bonds and form a thin and uniform coating.

이때, 시트르산은 높은 농도에 비해 낮은 농도일 때, G band, 2D band 그래프가 덜 Blue shift 된 것으로 보아 시트르산 농도가 높은 경우 도핑 효과가 우수한 것을 확인 할 수 있다.At this time, it can be confirmed that the doping effect is excellent when the citric acid concentration is high, as the G band and 2D band graphs are less blue shifted when the citric acid concentration is low compared to the high concentration.

반면에, 젖산과 포름산은 고농도와 저농도 모두에서 충분히 강한 도핑 효과를 나타낸 것을 확인 할 수 있다.On the other hand, it can be confirmed that lactic acid and formic acid showed a sufficiently strong doping effect at both high and low concentrations.

따라서, 본 발명의 자연산으로서 바람직하게는 젖산 또는 포름산을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 젖산을 사용하는 것이 바람직하다. Therefore, it is preferable to use lactic acid or formic acid as the natural acid in the present invention, and more preferably lactic acid.

도3은 젖산과 질산의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the results of XPS analysis of lactic acid and nitric acid.

더 낮은 결합 에너지로 이동하는 XPS의 탄소와 산소 피크는 페르미 준위가 원자가 밴드에 가까워지고 있음을 나타낼 수 있다.Carbon and oxygen peaks in XPS shifting to lower binding energies may indicate that the Fermi level is approaching the valence band.

따라서, 도 3(a)를 참조하면 그래프의 값이 일반 CNT 전극의 284.2 eV에서 낮아지는 것으로 보아 p-doping인 것을 확인 할 수 있다. 또한, 도3(b)를 참조하면, 그래프의 값이 도핑에 의해 생성되는 C=O peak의 portion이 증가하는 것으로 보아 p-doping인 것을 확인 할 수 있다.Therefore, referring to Figure 3(a), it can be confirmed that p-doping is observed as the value of the graph decreases from 284.2 eV of the general CNT electrode. Additionally, referring to Figure 3(b), it can be confirmed that the value of the graph is p-doping as the portion of the C=O peak generated by doping increases.

실험예2: 자연산들의 도핑 안정성 확인 실험Experimental Example 2: Experiment to confirm doping stability of natural products

도4는 자연산 도핑된 CNT의 시간에 따른 저항값 변화율을 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the rate of change in resistance value of naturally doped CNTs over time.

상기 도4를 참조하면, 저항값 변화율이 25%에서 변화하지 않는 것으로 보아 도핑 내구성 관점에서 젖산이 도핑된 CNT 필름은 포름산이 도핑된 CNT 필름보다 훨씬 더 큰 안정성을 나타내는 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the resistance value change rate does not change at 25%, so that the lactic acid-doped CNT film shows much greater stability than the formic acid-doped CNT film from the doping durability perspective.

상기 젖산의 안정도가 더 큰 이유는 젖산은 카르복실기에서 전자를 끌어당기는 부착된 수산기로 인해 약한 도핑 효과를 나타내어 짝염기를 불안정화시키는 특성이 있는데, 도핑 내구성 관점에서 젖산이 도핑된 CNT 필름은 포름산이 도핑된 CNT 필름보다 훨씬 더 큰 안정성을 보이므로 젖산의 안정성이 더 우수하다The reason why the stability of lactic acid is greater is that lactic acid exhibits a weak doping effect due to the attached hydroxyl group that attracts electrons from the carboxyl group, which has the property of destabilizing the conjugate base. From the viewpoint of doping durability, the lactic acid-doped CNT film is better than the formic acid-doped CNT film. It shows much greater stability than CNT film, so the stability of lactic acid is superior.

따라서, 본 발명의 자연산으로서 젖산, 포름산, 시트르산, 아세트산 중에 바람직하게는 젖산 또는 포름산을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 젖산을 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, among lactic acid, formic acid, citric acid, and acetic acid, it is preferable to use lactic acid or formic acid as a natural acid in the present invention, and more preferably, lactic acid is used.

실험예3: 자연산들의 반사방지 효과 확인 실험 및 자연산의 최적 두께 확인 실험Experimental Example 3: Experiment to confirm the anti-reflection effect of natural products and experiment to confirm the optimal thickness of natural products

도5는 자연산 도핑된 CNT의 반사율(Reflectance) 그래프이다.Figure 5 is a reflectance graph of naturally doped CNT.

구체적으로, 도5는 자연산이 도핑된 CNT 를 포함하는 실리콘 태양전지의 반사 방지 효과에 따른 반사율(Reflectance%) 측정 그래프이다.Specifically, Figure 5 is a graph measuring reflectance (Reflectance%) according to the anti-reflection effect of a silicon solar cell containing CNT doped with natural acid.

상기 도5(a)를 참조하면, 젖산이 도핑된 CNT 필름을 포함하는 실리콘 태양전지는 반사율(Reflectance%)이 감소했다가 증가하는 반면, 도5(b)를 참조하면, 포름산이 적용된 CNT 필름은 반사율이 증가한 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 5(a), the reflectance (Reflectance%) of the silicon solar cell including the CNT film doped with lactic acid decreases and then increases, while referring to Figure 5(b), the CNT film to which formic acid is applied. It can be seen that the reflectance has increased.

따라서, 상기 도5를 통해서 젖산, 포름산으로 구성된 자연산은 반사율이 증가하므로 반사방지 효과는 젖산이 더 우수한 것을 확인 할 수 있다.Therefore, through Figure 5, it can be seen that natural acids consisting of lactic acid and formic acid increase the reflectance, so lactic acid has a better anti-reflection effect.

이때, 고농축 젖산이 도핑된 탄소나노튜브 필름이 저농축 젖산이 도핑된 탄소나노튜브 필름보다 더 큰 반사 방지 효과를 나타낼 수 있다.At this time, a carbon nanotube film doped with highly concentrated lactic acid may exhibit a greater antireflection effect than a carbon nanotube film doped with low concentrated lactic acid.

상기 도6을 참조하면, 유한차분시간구역(FDTD, Finite-Difference Time-Domain) 시뮬레이션으로 Si/CNT/젖산 모델링한 결과 최적의 두께를 도출하였다. 그 결과, 50~100nm 정도가 최상의 반사방지효과를 나타내는 것으로 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, the optimal thickness was derived as a result of Si/CNT/lactic acid modeling using finite-difference time-domain (FDTD) simulation. As a result, it can be confirmed that 50 to 100 nm shows the best anti-reflection effect.

실험예4: 자연산들의 패시베이션 효과 확인 실험Experimental Example 4: Experiment to confirm the passivation effect of natural products

도7은 Si wafer 또는 KBr pellet 기판 위에 자연산(a.아세트산, b.젖산)을 도핑한 경우 측정한 FTIR 그래프이다.Figure 7 is a FTIR graph measured when natural acids (a. acetic acid, b. lactic acid) were doped on a Si wafer or KBr pellet substrate.

도7(a,b,c)를 참조하면, 아세트산이 도핑된 실리콘 웨이퍼의 O-H peak소실과 C-O, C=O, C-H의 peak 이동으로 아세트산의 패시베이션 효과를 확인 할 수 있다.Referring to Figure 7 (a, b, c), the passivation effect of acetic acid can be confirmed by the disappearance of the O-H peak of the acetic acid-doped silicon wafer and the shift of the peaks of C-O, C=O, and C-H.

또한, 도7(d,e,f)를 참조하면, 젖산이 도핑된 실리콘 웨이퍼의 O-H peak감소와 C-O, C=O, C-H의 peak 이동으로 젖산의 패시베이션 효과를 확인 할 수 있다.In addition, referring to Figure 7 (d, e, f), the passivation effect of lactic acid can be confirmed by the reduction of the O-H peak of the silicon wafer doped with lactic acid and the shift of the peaks of C-O, C=O, and C-H.

이때, 상기 젖산에 있는 카르복실기에 있는 비공유 전자쌍은 Si 결함에 루이스 배위를 형성하여 결함을 제어할 수 있으므로, 실리콘 태양전지의 광전효율을 향상시킬 수 있다.At this time, the lone pair of electrons in the carboxyl group in the lactic acid forms a Lewis coordination at the Si defect and can control the defect, thereby improving the photoelectric efficiency of the silicon solar cell.

도8은 Si wafer 또는 KBr pellet 기판 위에 자연산(c.포름산, d. 시트르산)을 도핑한 경우 측정한 FTIR 그래프이다.Figure 8 is a FTIR graph measured when natural acids (c. formic acid, d. citric acid) were doped on a Si wafer or KBr pellet substrate.

도8(a,b,c)를 참조하면, 포름산이 도핑된 실리콘 웨이퍼의 O-H peak감소와 C-O, C=O, C-H의 peak 이동으로 포름산의 패시베이션 효과를 확인 할 수 있다.Referring to Figure 8 (a, b, c), the passivation effect of formic acid can be confirmed by the reduction of the O-H peak of the formic acid-doped silicon wafer and the shift of the peaks of C-O, C=O, and C-H.

또한, 도8(d,e,f)를 참조하면, 시트르산이 도핑된 실리콘 웨이퍼의 O-H peak감소와 C-O, C=O, C-H의 peak 이동으로 젖산의 패시베이션 효과를 확인 할 수 있다.In addition, referring to Figure 8 (d, e, f), the passivation effect of lactic acid can be confirmed by the reduction of the O-H peak of the citric acid-doped silicon wafer and the shift of the peaks of C-O, C=O, and C-H.

실험예5: 자연산들의 전하 캐리어(Carrier) 수명 향상 확인 실험Experimental Example 5: Experiment to confirm the improvement of charge carrier lifespan of natural products

도9는 각 자연산(a.아세트산, b.포름산, c.시트르산, d.젖산)또는 bare Si 기판의 QSSPC 그래프이다.Figure 9 is a QSSPC graph of each natural acid (a. acetic acid, b. formic acid, c. citric acid, d. lactic acid) or bare Si substrate.

QSSPC(quasi-steady-state photo-conductance)는 강한 광 펄스를 반도체 기체에 조사하여, 반도체 기체 중에 전자 및 홀 등의 광 유기 캐리어를 발생시키고, 이 발생된 광 유기 캐리어의 시간 감쇠율을 측정하는 방법이다. 이 방법은, 간편하기 때문에 널리 사용되고 있다.QSSPC (quasi-steady-state photo-conductance) is a method of irradiating a strong light pulse to a semiconductor gas, generating photo-organic carriers such as electrons and holes in the semiconductor gas, and measuring the time decay rate of the generated photo-organic carriers. am. This method is widely used because it is simple.

상기 QSSPC 측정을 통해 얻은 lifetime과 케리어 밀도(carrier density)간의 상관관계를 확인 할 결과, 도 9(b) 포름산, 도 9(c)의 시트르산은 도9(e)의 순수한 실리콘기판에 비해 그래프 값이 비슷하거나 약간 상승한 것으로 보아 페시베이션 특성이 크지 않은 것을 확인 할 수 있다.As a result of confirming the correlation between lifetime and carrier density obtained through the QSSPC measurement, formic acid in Figure 9(b) and citric acid in Figure 9(c) have graph values compared to the pure silicon substrate in Figure 9(e). Considering that this is similar or slightly increased, it can be seen that the passivation characteristics are not significant.

도9(a)의 아세트산, 도9(d)의 젖산은 도9(e)의 순수한 실리콘기판에 비해 그래프 값이 크게 상승한 것으로 보아 페시베이션 특성이 좋은 것을 확인 할 수 있다.It can be confirmed that the acetic acid in Figure 9(a) and the lactic acid in Figure 9(d) have good passivation characteristics as the graph values have increased significantly compared to the pure silicon substrate in Figure 9(e).

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as unitary may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the patent claims described below, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

100: 후면전극층
200: 실리콘층
300: 전극층
400: 자연산
100: back electrode layer
200: Silicon layer
300: electrode layer
400: natural product

Claims (11)

후면전극층;
상기 후면전극층 상부에 위치되어 n형 실리콘으로 구성된 실리콘층;및
상기 실리콘층 상에 자연산으로 도핑되되, 탄소나노튜브로 구성된 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지.
rear electrode layer;
A silicon layer made of n-type silicon located on top of the back electrode layer; And
A silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid on the silicon layer and comprising an electrode layer made of carbon nanotubes.
제1항에 있어서,
상기 후면전극층은 백금, 티타늄, 은, 니켈, 주석 또는 아연 금속으로 구성된 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지.
According to paragraph 1,
A silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid, wherein the rear electrode layer is composed of platinum, titanium, silver, nickel, tin, or zinc metal.
제1항에 있어서,
상기 실리콘층은 두께가 100μm 내지 500μm 인 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지.
According to paragraph 1,
A silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid, wherein the silicon layer has a thickness of 100 μm to 500 μm.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브층에서,
상기 자연산은 포름산, 아세트산, 젖산 또는 시트르산으로 구성된 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지.
According to paragraph 1,
In the carbon nanotube layer,
A silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with a natural acid, wherein the natural acid consists of formic acid, acetic acid, lactic acid, or citric acid.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브층에서,
상기 자연산은 p형 도펀트인 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지.
According to paragraph 1,
In the carbon nanotube layer,
A silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid, wherein the natural acid is a p-type dopant.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브층에서,
상기 자연산의 농도는 5%(w/w) 내지 50%(w/w)인 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지.
According to paragraph 1,
In the carbon nanotube layer,
A silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid, wherein the concentration of the natural acid is 5% (w/w) to 50% (w/w).
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브층에서,
상기 자연산의 반사율은 5% 내지 30% 이하 인 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지.
According to paragraph 1,
In the carbon nanotube layer,
A silicon solar cell containing carbon nanotubes doped with natural acid, characterized in that the reflectance of the natural acid is 5% to 30% or less.
n형 실리콘 기판으로 구성된 실리콘층의 후면에 후면전극층을 형성하는 단계;
상기 실리콘층 전면에 탄소나노튜브로 구성된 전극층을 형성하는 단계;및
상기 탄소나노튜브로 구성된 전극층 상에 자연산을 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 제조방법.
Forming a back electrode layer on the back of a silicon layer composed of an n-type silicon substrate;
forming an electrode layer made of carbon nanotubes on the entire surface of the silicon layer; and
A method of manufacturing a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid, comprising the step of doping natural acid on the electrode layer composed of carbon nanotubes.
제8항에 있어서,
상기 후면전극층은 백금, 티타늄, 은, 니켈, 주석 또는 아연 금속으로 구성된 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 제조방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid, wherein the back electrode layer is composed of platinum, titanium, silver, nickel, tin, or zinc metal.
제8항에 있어서,
상기 자연산은 포름산, 아세트산, 젖산 또는 시트르산으로 구성된 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 제조방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with a natural acid, wherein the natural acid consists of formic acid, acetic acid, lactic acid, or citric acid.
제8항에 있어서,
상기 자연산은 p형 도펀트인 것을 특징으로 하는 자연산으로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 실리콘 태양전지 제조방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a silicon solar cell including carbon nanotubes doped with natural acid, wherein the natural acid is a p-type dopant.
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