WO2012057506A2 - 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

태양전지 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2012057506A2
WO2012057506A2 PCT/KR2011/007995 KR2011007995W WO2012057506A2 WO 2012057506 A2 WO2012057506 A2 WO 2012057506A2 KR 2011007995 W KR2011007995 W KR 2011007995W WO 2012057506 A2 WO2012057506 A2 WO 2012057506A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
carbon structure
solar cell
layer
structure layer
thin film
Prior art date
Application number
PCT/KR2011/007995
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2012057506A3 (ko
Inventor
이규철
허재혁
김용진
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to US13/881,470 priority Critical patent/US9324888B2/en
Publication of WO2012057506A2 publication Critical patent/WO2012057506A2/ko
Publication of WO2012057506A3 publication Critical patent/WO2012057506A3/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0236—Special surface textures
    • H01L31/02366—Special surface textures of the substrate or of a layer on the substrate, e.g. textured ITO/glass substrate or superstrate, textured polymer layer on glass substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H01L31/035227—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures the quantum structure being quantum wires, or nanorods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/03529—Shape of the potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/07—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the Schottky type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/073—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising only AIIBVI compound semiconductors, e.g. CdS/CdTe solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0735—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising only AIIIBV compound semiconductors, e.g. GaAs/AlGaAs or InP/GaInAs solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/075—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PIN type, e.g. amorphous silicon PIN solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1892—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof methods involving the use of temporary, removable substrates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/543—Solar cells from Group II-VI materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

Definitions

  • the present application relates to a solar cell in which a thin film including a microstructure is formed on a carbon structure layer.
  • solar cells are expected to be an energy source that can solve future energy problems due to the low pollution, infinite resources and semi-permanent lifespan.
  • Solar cells are used as devices that convert sunlight into electricity.
  • the thin film solar cell is relatively inferior in cost, efficiency, etc. compared with the conventional technology, it is not yet widely utilized, and the range in which the thin film solar cell technology is utilized is largely limited.
  • a typical factor that limits efficiency in solar cells is structural defects inside the material. Photo-induced carriers, electrons and holes generated in solar cells are captured at point defects, dislocations, stacking faults, and grain boundaries inside the solar cell.
  • the thin film solar cell efficiency is limited by the process of trapping and recombining the photocharges. Therefore, in the material without such structural defects, the diffusion distance of the photocharge may be increased, thereby improving the efficiency of the solar cell.
  • the present application is to provide a solar cell comprising a carbon structure layer. More specifically, it is to provide a solar cell in which a thin film including a microstructure is formed on the carbon structure layer.
  • an aspect of the present application provides a solar cell including a carbon structure layer, a microstructure formed on the carbon structure layer, and a thin film layer formed covering the microstructure.
  • the manufacturing of a solar cell comprising the steps of preparing a carbon structure layer, growing a microstructure on the carbon structure layer, and covering the microstructure with a thin film forming material to form a thin film layer Provide a method.
  • the present application provides a high efficiency solar cell having excellent electrical and optical properties using a carbon structure layer. More specifically, the microstructure has excellent crystallinity, excellent electrical and optical properties, and can be used as a seed layer to easily grow a high quality thin film on the carbon structure layer.
  • the carbon structure of the solar cell can be used not only as a substrate but also as an electrode, and can be easily transferred onto an inexpensive substrate, thereby lowering the manufacturing cost of the solar cell.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell according to one embodiment of the present application.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a perspective view of a solar cell according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a solar cell including various microstructures according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a view showing a transfer process of the solar cell according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a charge separation junction of a solar cell according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a solar cell in which electrodes are formed at various locations according to an embodiment of the present disclosure.
  • graphene refers to a graphene in which a plurality of carbon atoms are covalently linked to each other to form a polycyclic aromatic molecule, forming a layer or sheet form.
  • the carbon atoms form a 6-membered ring as the basic repeating unit, but may further include a 5-membered ring and / or a 7-membered ring.
  • the graphene appears as a single layer of covalently bonded carbon atoms (usually sp 2 bonds).
  • the graphene may have a variety of structures, such a structure may vary depending on the content of 5-membered and / or 7-membered rings that may be included in the graphene.
  • the graphene may be formed of a single layer of graphene as described above, but they may be stacked with each other to form a plurality of layers. In general, the side ends of the graphene may be saturated with hydrogen atoms.
  • the physical / chemical properties of the solar cell are remarkably improved by using the carbon structure layer, more specifically, the graphene layer. This is because of the following properties of graphene.
  • graphene has very good electrical conductivity. Therefore, graphene itself may be used as an electrode, and even if a separate electrode is installed on graphene, the contact resistance is small. When graphene itself is used as an electrode, the structure is simpler than when a separate electrode is installed, thereby saving process cost and time. In addition, graphene has excellent chemical and mechanical stability, especially flexibility and ductility. And graphene can be manufactured transparently.
  • the carbon structure layer A fine structure formed on the carbon structure layer; And a thin film layer covering the microstructure.
  • the solar cell may further include a first electrode layer formed on the thin film layer, but is not limited thereto.
  • the solar cell may further include a second electrode layer formed on the surface of the carbon structure layer, but is not limited thereto.
  • the first electrode layer and / or the second electrode layer may be used as an electrically conductive material, as long as those skilled in the art can commonly use the electrode.
  • the electrode layer is a transparent conductive oxide (TCO), a conductive polymer such as metal, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), aluminum zinc oxide (AZO), indium zinc tin oxide (IZTO), and the like.
  • Graphene or graphite may be used.
  • the metal may be Ag, Au, Ni, Ti, Cr, or the like.
  • the carbon structure layer may include graphene or graphite, but is not limited thereto.
  • the graphene may be a single layer or a plurality of layers, but is not limited thereto.
  • the substrate may be further included under the carbon structure layer, but is not limited thereto.
  • the carbon structure layer may include one that is easily separated from the substrate and can be easily transferred onto the target substrate, but is not limited thereto.
  • the substrate may be any material, such as metal, glass, resin, and the like.
  • silicon, silicon carbide, gallium arsenide, spinel, indium phosphide, gallium phosphide, aluminum phosphide, gallium nitride, indium nitride, aluminum nitride, zinc oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, sapphire , Quartz, or pyrex may be used, but is not limited to these materials.
  • the carbon structure layer may be an electrode of the solar cell, but is not limited thereto. In one embodiment, the carbon structure layer may play a role of a substrate simultaneously with the role of the electrode of the solar cell.
  • the microstructure may be a function of a seed layer in which the thin film is grown, but is not limited thereto.
  • a portion of the carbon structure layer may have damage, and the microstructure may be formed on the damage of the carbon structure layer, but is not limited thereto.
  • the thin film layer may be one or a plurality of layers, but is not limited thereto.
  • the charge separation junction, which the thin film layer includes may be formed at an interface between the microstructure and the thin film layer or at each interface of the plurality of thin film layers.
  • the microstructures may include, but are not limited to, those selected from the group consisting of microrods, microneedles, microtubes, microwalls, and combinations thereof.
  • the cross-sectional shape of the microstructure may be a polygon, an ellipse, a half moon, a crescent moon, a flower shape such as a circle, a triangle, a rectangle, a pentagon, a hexagon, a pentagon, an octagon, a rectangle, a decagon, a tetragon, a rhombus, and a parallelogram.
  • it may have a variety of geometric shapes, such as complex shapes, such as star-shaped, straight and curved trenches, but is not limited thereto.
  • the microstructure may be formed of at least one of a metal and a semiconductor, but is not limited thereto.
  • the metal is Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb, may be selected from the group consisting of oxides of the above metals and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the semiconductor may include an oxide, a nitride, a carbide, a III-V or II-VI compound, or a silicon-based semiconductor, but is not limited thereto.
  • the microstructure may be silicon, zinc oxide, zinc oxide, magnesium oxide, cadmium oxide, zinc magnesium cadmium, zinc beryllium oxide, zinc magnesium beryllium, zinc manganese oxide, magnesium magnesium oxide, gallium nitride, aluminum aluminide, It may include, but is not limited to, at least one element selected from the group consisting of gallium aluminum nitride and indium gallium nitride.
  • the thin film layer may be formed of at least one of a metal and a semiconductor, but is not limited thereto.
  • the metal is Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb, may be selected from the group consisting of oxides of the above metals and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the semiconductor may include an oxide, a nitride, a carbide, a III-V or II-VI compound, or a silicon-based semiconductor, but is not limited thereto.
  • a method of manufacturing a solar cell includes preparing a carbon structure layer; Growing a microstructure on the carbon structure layer; And covering the microstructure with a thin film forming material to form a thin film layer.
  • the thin film layer may include a charge separation junction, but is not limited thereto.
  • the method may further include forming a first electrode layer on the thin film layer, but is not limited thereto.
  • the method may further include forming a second electrode layer on the surface of the carbon structure layer, but is not limited thereto.
  • preparing the carbon structure layer may include forming the carbon structure layer on a substrate, but is not limited thereto. In one embodiment, preparing the carbon structure layer may include transferring a carbon structure layer formed on the substrate onto a target substrate.
  • the growing of the microstructures on the carbon structure layer may include forming damage on the carbon structure layer and forming the microstructures on the damage side, but is not limited thereto. It doesn't happen.
  • the damage may be formed by one of a method selected from the group consisting of a gas plasma, an ion beam, an electron beam, a proton beam, a neutron beam, and a combination thereof.
  • the forming of the damage may include forming a mask layer on the carbon structure layer; Patterning the mask layer to form a plurality of openings; And generating damage to the carbon structure layer through the openings, but is not limited thereto.
  • patterning the mask layer to form a plurality of openings may use one or more of electron beam lithography, photolithography, laser interference lithography, nanoimprint, and templates.
  • the microstructure may be a position controlled, but is not limited thereto.
  • the method of manufacturing a solar cell of the present application includes preparing a carbon structure layer 10 (S1); Forming a fine structure (30) on the carbon structure layer (S2); And forming the thin film layer 20 including the charge separation junction by covering the microstructure with a thin film forming material (S3).
  • the carbon structure layer may include graphene or graphite.
  • a carbon structure layer 10 for example, a carbon structure layer is prepared (S1).
  • the carbon structure layer may exist only as the carbon structure layer, or the carbon structure layer may be stacked on another substrate.
  • a carbon structure layer may be formed on the substrate by using chemical vapor deposition.
  • the chemical vapor deposition method may be used without particular limitation as long as it is commonly used in the art for the formation of a carbon structure layer, for example, thermal chemical vapor deposition (T-CVD), rapid heat treatment chemical vapor phase Rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), inductively coupled enhanced chemical vapor deposition (ICPCVD), organic metal chemical vapor deposition (metal organic) Chemical vapor deposition (MOCVD), low pressurized chemical vapor deposition (LPCVD), or atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) may be used, but is not limited thereto.
  • the graphene may be formed by mechanical peeling or chemical peeling from graphite or graphite.
  • the microstructure 30 is grown (S2) on the carbon structure layer.
  • the surface of the carbon structure layer for example, graphene, is very chemically stable and very poor in reactivity, making it difficult to grow a uniform thin film on the graphene layer.
  • to form a microstructure on the carbon structure layer and to use the microstructure as a kind of seed (seed) to grow a thin film.
  • a plurality of microstructures are installed at any point on the carbon structure layer.
  • the microstructures are micro- or nano-scale structures, and are not particularly limited in size or shape.
  • the microstructure is formed by growing on the carbon structure layer. This does not necessarily mean that the angle formed by the microstructures with the carbon structure layer is 90 degrees, and only the portion where the microstructures come into contact with the carbon structure layer is stacked on the plate surface of the carbon structure layer. bottom-up).
  • the above-mentioned bottom-up method has a very low dislocation density despite the difference of material constants (lattice constant, thermal expansion coefficient, etc.) with the substrate, It can be made with better crystallinity than the top-down method. As a result, the electrical properties are improved, which is advantageous for the production of high efficiency solar cells.
  • damage may be formed on the carbon structure layer, and the microstructure may be formed on the damage.
  • the damage forming method may be used without limitation as long as it is commonly used in the art as a method of artificially damaging the carbon structure layer, for example, gas plasma, ion beam, electron beam, proton beam, neutron beam And damage can be formed by a method consisting of a combination thereof.
  • the damage serves to allow nucleation and growth to occur on the carbon structure layer.
  • the method of adjusting the position of the damage it is possible to adjust the position and density of the microstructure without using a mask layer to be described later.
  • the chemical vapor deposition method may be used without particular limitation as long as it is commonly used in the art for the formation of a carbon structure layer, for example, thermal chemical vapor deposition (T-CVD), Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition (RTCVD), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Inductively Coupled Enhanced Chemical Vapor Deposition (ICPCVD), Organometallic Chemical Vapor Deposition Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), low pressur chemical vapor deposition (LPCVD), catalyst-free MOCVD, or atmospheric pressure chemical vapor deposition APCVD), etc., but is not limited thereto.
  • T-CVD thermal chemical vapor deposition
  • RTCVD Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition
  • PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • ICPCVD Inductively Coupled Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • MOCVD Organometallic Chemical Vapor Deposition Metal organic chemical vapor deposition
  • LPCVD low pressur chemical vapor de
  • the position of the damage may be controlled to grow the microstructures only on the damage, thereby controlling the position of the microstructures on the carbon structure layer.
  • a mask layer having one or more openings on the carbon structure layer By forming the opening 110 in the mask layer 100, electron beam lithography, photolithography, nanoimprint, nanosphere, AAO (anodized aluminum oxide), laser interference lithography , Template or block copolymer may be used.
  • the position may be controlled by forming damage through the formed opening and growing the microstructure only on the damage side.
  • a process of removing the mask layer after growing the microstructure 30 may be further included. However, the mask layer is not necessarily removed, and the mask layer may be left as a kind of insulating layer.
  • the position and density of the microstructures have been controlled by patterning and / or damaging damage, but it is not necessary to carry out such a method.
  • the thin film layer 20 is formed by covering the microstructure on the graphene layer with a thin film forming material.
  • the thin film layer 20 is formed to cover the microstructure 30. That is, the microstructure 30 and the thin film layer 20 are provided such that the microstructure 30 is inserted into the thin film layer 20.
  • the thin film layer 20 is preferably made of a material similar to the microstructure 30, the crystal structure and lattice constant for matching with the microstructure 30.
  • the thin film layer may be a metal or a semiconductor.
  • the metal is Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co , Cr, B, N, Sb, may be selected from the group consisting of oxides of the above metals and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the semiconductor may include an oxide, a nitride, a carbide, a III-V or II-VI compound, or a silicon-based semiconductor, but is not limited thereto.
  • the n-type semiconductor layer is made of a semiconductor material doped with n-type impurities. Silicon, germanium, selenium, tellurium, or carbon may be used as the n-type impurity, and indium nitride, gallium nitride, aluminum nitride, gallium nitride, or indium gallium nitride may be used as the semiconductor material. It doesn't happen.
  • the p-type semiconductor layer is made of a semiconductor material doped with p-type impurities.
  • the P-type impurity may include a silicon semiconductor consisting of a Group 5 element and a p-type impurity.
  • the carbon structure layer may include only the carbon structure layer 10 or may further include a substrate 40 formed under the carbon structure layer.
  • a substrate is not necessarily required, and in this case, the carbon structure layer itself may serve as a substrate without having a separate substrate.
  • the microstructure 30 may include (a) fine rods, (b) fine needles, (c) fine tubes, and (d) fine walls.
  • a solar cell including a carbon structure layer can be easily transferred onto a desired target substrate.
  • the carbon structure layer is (a) a plurality of layers or (b) a single layer
  • the carbon structure layer is separated from the substrate 40 on which the carbon structure layer 10 is formed. 50), for example, can be transferred to a flexible and deformable polymer substrate, a transparent substrate, a metallic substrate having excellent thermal conductivity, and the like.
  • only one carbon structure layer of the plurality of carbon structure layers is separated and transferred onto the target substrate.
  • the plurality of carbon structure layers may be separated and transferred onto the target substrate.
  • at least one carbon structure layer has a layered structure, which can be easily separated from the substrate on which the carbon structure layer is formed, transferred onto an inexpensive target substrate, and used for manufacturing a solar cell.
  • the carbon structure layer has a plurality of layers, all of the plurality of layers or only a part of the plurality of layers may be separated and transferred onto another target substrate.
  • the carbon structure layer for example graphene
  • the carbon structure layer and the structures above it may be separated from the underlying substrate, and the separated carbon structure layer and the structures above it may be transferred to another target substrate.
  • the carbon structure layer and the substrate can be separated only by mechanical force, which is called mechanical lift-off.
  • the present application forms a solar cell including a carbon structure layer on a relatively inexpensive substrate, or after forming a solar cell including a carbon structure layer on a silicon substrate by the above-mentioned method, By transferring the solar cell including the carbon structure layer onto a low-cost substrate, the manufacturing price of the solar cell can be lowered.
  • the charge separation junction may appear in various ways depending on the nature of the microstructure or thin film layer.
  • the charge separation junction may be variously configured such as a semiconductor p-n junction, a semiconductor p-i-n junction, and a metal / semiconductor junction, but is not limited thereto.
  • the solar cell of the present disclosure has a thin film layer including a microstructure, and the thin film layer includes a plurality of layers, for example, a first thin film layer 21 and a second thin film layer 22. ) Is further laminated.
  • a charge separation junction 70 may be formed at the interface between the first thin film layer and the second thin film layer.
  • the first thin film layer may be an n-type or p-type semiconductor
  • the second thin film layer may be a p-type or n-type semiconductor, but is not limited thereto. More preferably, the first thin film layer may be an n-type semiconductor, and the second thin film layer may be a p-type semiconductor.
  • the n-type semiconductor layer may be made of a semiconductor material doped with n-type impurities, and silicon, germanium, selenium, tellurium, or carbon may be used as the n-type impurities, and indium nitride or gallium nitride may be used as the semiconductor material.
  • Aluminum nitride, gallium aluminum nitride, or indium gallium nitride may be used, but is not limited to these materials.
  • the p-type semiconductor layer may be made of a semiconductor material doped with p-type impurities, magnesium, zinc or beryllium may be used as the p-type impurities, indium nitride, gallium nitride, aluminum nitride as a semiconductor material Gallium aluminum nitride, or indium gallium nitride may be used, but is not limited to these materials.
  • the thin film layer of the solar cell of the present application may form a plurality of layers, and in this case, the charge separation junction may also be configured in plurality.
  • the thin film layer may include a first thin film layer 21, a second thin film layer 22, and a third thin film layer 23, wherein the charge separation junction is the first thin film layer 21. And an interface between the second thin film layer 22 and an interface between the second thin film layer 22 and the third thin film layer 23.
  • the first thin film layer 21 including the microstructure may not be a semiconductor layer.
  • the second thin film layer 22 may be an n-type or p-type semiconductor
  • the third thin film layer 23 may be a p-type or n-type semiconductor, but is not limited thereto. More preferably, the second thin film layer 22 may be an n-type semiconductor, and the third thin film layer 23 may be a p-type semiconductor.
  • a charge separation junction 70 is formed at an interface between the microstructure 30 and the thin film layer 20 compliantly deposited on the microstructure.
  • the microstructure may be an n-type or p-type semiconductor
  • the first thin film layer may be a p-type or n-type semiconductor.
  • Electrons are generated from the n-type first thin film layer by sunlight, and the electrons are formed under the first thin film layer and move to the carbon structure layer that functions as an electrode.
  • the carbon structure layer is suppressed point defects, dislocations, stacking faults, grain boundaries and the like compared to the materials used as electrodes of the conventional solar cell As a structurally low defect material, it is possible to facilitate the diffusion of photocharges, and as a result, the efficiency of the solar cell can be improved.
  • first electrode layer 80 and the second electrode layer 90 are conductive materials, and any one can be used without limitation as long as those skilled in the art can use the electrode.
  • the location of the first electrode layer and / or the second electrode layer is not particularly limited, but more preferably at least one of the first electrode layer and the second electrode layer may be connected to the carbon structure layer.
  • the carbon structure layer may function as an electrode itself, and in this case, the solar cell may be manufactured using only one of the first electrode layer and the second electrode layer.
  • the first electrode layer 80 is formed on the thin film layer, and the second electrode layer is formed on the lower or upper portion of the substrate 10.
  • the second electrode layer may be formed on the entirety of one side of the carbon structure layer as shown in FIGS. 8A and 8B, but the second electrode layer may be formed on a portion of one side of the carbon structure layer. have.
  • the second electrode layer 90 is formed in contact with the carbon structure layer 10
  • the second electrode layer 90 is not in contact with the carbon structure layer 10 n
  • It may be formed to be in contact with the thin film layer 20 which is a type semiconductor layer.
  • the thin film layer 20 may be formed to have a step, and the second electrode layer 90 may be located on an end portion where the thin film layer 20 is not formed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본원은, 탄소구조체층과, 상기 탄소구조체층 상에 형성되어 있는 미세 구조물과, 상기 미세 구조물을 덮어 형성되며, 전하분리접합부를 포함하는 박막층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

태양전지 및 그 제조 방법
본원은 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 포함하는 박막이 형성되어 있는, 태양전지에 관한 것이다.
최근 심각한 환경 오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서 태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반 영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 태양광을 전기로 전환시키는 소자로 이용된다. 하지만, 박막 태양 전지는 종래의 기술에 비해서 비용, 효율 등에 있어서 상대적으로 경쟁력이 떨어지기 때문에, 아직 널리 활용되지 않고 있으며, 박막 태양 전지 기술이 활용되고 있는 범위는 크게 한정되어 있다.
태양전지에서 효율이 한정되는 대표적인 요인은 물질 내부의 구조적인 결함이다. 태양전지에서 생성된 광전하 (photo-induced carrier, electron and hole)가 태양전지 내부의 점결함(point defect), 선결함(dislocation), 적층 결함 (stacking fault), 및 그레인 경계 (grain boundary)등에서 포획되고(trapped) 광전하의 재결합(recombination)되는 과정에 의해 상기 박막 태양 전지 효율은 제한된다. 따라서, 이런 구조적인 결함이 없는 물질에서는 광전하의 확산거리가 길어져 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있을 것이다.
이에, 상기 언급한 문제점을 해결할 수 있는 고효율의 태양전지로서, 간단한 제조 방법에 의해 저렴하고, 다양한 성질을 가지는 대면적의 기판 상에 형성된 고효율의 태양전지가 필요한 실정이다.
이에, 본원은 탄소구조체층을 포함하는 태양전지를 제공하고자 한다. 보다 구체적으로, 상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 포함하는 박막이 형성되어 있는 태양전지를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본원의 일 측면은, 탄소구조체층과, 상기 탄소구조체층 상에 형성되어 있는 미세 구조물과, 상기 미세 구조물을 덮어 형성되는 박막층을 포함하는 태양전지를 제공한다.
본원의 다른 측면은, 탄소구조체층을 준비하는 단계와, 상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 성장시키는 단계와, 박막 형성 물질로 상기 미세 구조물을 덮어 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
본원은 탄소구조체층을 사용하여 전기적 성질 및 광학적 성질이 우수한 고효율의 태양전지를 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 미세 구조물은 우수한 결정성을 가지고, 전기적 성질 및 광학적 성질이 우수할 뿐만 아니라, 이를 씨드층으로 사용하여, 탄소구조체층 상에 고품질의 박막을 용이하게 성장시킬 수 있다.
또한 상기 태양전지의 탄소구조체는 기판인 동시에 전극으로 사용이 가능할 뿐만 아니라, 가격이 저렴한 기판 상으로 쉽게 전사할 수 있어 태양전지의 제조 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3은 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 투시도이다.
도 5는 본원의 일 구현예에 따른 다양한 미세 구조물을 포함하는 태양전지의 단면도이다.
도 6는 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 전사과정을 나타내는 그림이다.
도 7은 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 전하분리접합부를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본원의 일 구현예에 따른 다양한 위치에 전극이 형성되어 있는 태양전지의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 "그래핀(graphene)" 이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 층 또는 시트 형태를 형성한 것으로서, 상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 상기 그래핀은 서로 공유 결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그래핀은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 상기 그래핀은 상술한 바와 같은 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 통상 상기 그래핀의 측면 말단부는 수소원자로 포화될 수 있다.
본원에서는 탄소구조체층, 보다 구체적으로 그래핀층을 이용함으로써 태양전지의 물리적/화학적 성질이 비약적으로 향상된다. 이는 그래핀의 다음과 같은 성질 때문이다.
우선, 그래핀은 전기 전도도가 매우 우수하다. 따라서, 그래핀 자체를 전극으로 이용하여도 되며, 그래핀에 별도의 전극을 설치하더라도 접촉 저항이 작다. 그래핀 자체를 전극으로 이용할 경우, 별도의 전극을 설치하는 경우에 비해 구조가 간단하여, 공정 비용과 시간이 절약된다. 또한, 그래핀은 화학적, 기계적 안정성이 뛰어나며, 특히 가요성과 연성을 지닌다. 그리고, 그래핀은 투명하게 제조가능하다.
본원의 일 측면에 따른 태양전지는, 탄소구조체층; 상기 탄소구조체층 상에 형성되어 있는 미세 구조물; 및 상기 미세 구조물을 덮어 형성되는 박막층: 을 포함한다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 태양전지는 상기 박막층 상에 형성된 제 1 전극층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 태양전지는 상기 탄소구조체층의 표면 상에 형성된 제 2 전극층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 전극층 및/또는 상기 제 2 전극층은 도전성을 지닌 재료로서 당업자가 통상적으로 전극으로 사용할 수 있는 것이라면, 제한없이 사용가능하다. 상기 전극층의 비제한적인 예시로는 금속, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminum zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide) 등의 투명전도성산화물(TCO), 도전성 폴리머, 그래핀 또는 그래파이트 등이 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 금속은 Ag, Au, Ni, Ti, Cr 등일 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층은 그래핀(graphene), 또는 그래파이트(graphite)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 단층 또는 복수층일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층 하부에 기판을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층은 상기 기판과 쉽게 분리되어 목적 기판 상으로 쉽게 전사할 수 있는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 기판은 금속, 유리, 수지 등의 어떠한 재료도 가능하다. 예컨대, 상기 기판의 재료로서, 실리콘, 실리콘카바이드, 비소화갈륨, 스피넬, 인화인듐, 인화갈륨, 인화알루미늄, 질화갈륨, 질화인듐, 질화알루미늄, 산화아연, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화티타늄, 사파이어, 쿼츠, 또는 파이렉스를 사용할 수 있으나, 이러한 재료로 한정되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층은 상기 태양전지의 전극일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층은 상기 태양전지의 전극의 역할과 동시 기판의 역할을 수행할 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 미세 구조물은 상기 박막이 성장하는 씨드층으로 작용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층의 일 부분은 데미지(damage)가 형성되어 있으며, 상기 탄소구조층의 데미지 상에 상기 미세 구조물이 형성되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 박막층은 한 개 또는 복수개의 층인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 박막층이 포함하고 있는, 전하분리접합부는 상기 미세 구조물과 상기 박막층의 계면 또는 상기 복수개의 박막층의 각각의 계면에 형성되어 있는 것일 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 미세 구조물은 미세 막대, 미세 바늘, 미세 튜브, 미세 벽 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 미세 구조물의 단면 모양은 원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형, 십각형, 사디리꼴, 마름모 및 평행사변형 등과 같은 다각형, 타원, 반달, 초생달, 꽃모양 및 별모양 등과 같은 복합 도형, 직선형 및 곡선형 도랑(trench) 형태 등 다양한 기하학적 형태를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 미세 구조물은 금속 또는 반도체 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에서, 상기 금속은 Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb, 상기 각 금속의 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일 구현예에서, 상기 반도체는 산화물, 질화물, 카바이드, Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물, 또는 실리콘 계열의 반도체로 이루어진 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 보다 구체적으로, 상기 미세 구조물은 실리콘, 산화아연, 산화아연마그네슘, 산화아연카드뮴, 산화아연마그네슘카드뮴, 산화아연베릴륨, 산화아연마그네슘베릴륨, 산화아연망간, 산화아연마그네슘망간, 질화갈륨, 잘화알루미늄, 질화갈륨알루미늄, 및 질화인듐갈륨으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 박막층은 금속 또는 반도체 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에서, 상기 금속은 Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb, 상기 각 금속의 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일 구현예에서, 상기 반도체는 산화물, 질화물, 카바이드, Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물, 또는 실리콘 계열의 반도체로 이루어진 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 다른 측면에 따른 태양전지의 제조 방법은 탄소구조체층을 준비하는 단계; 상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 성장시키는 단계; 및 박막 형성 물질로 상기 미세 구조물을 덮어 박막층을 형성하는 단계: 를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 박막층은 전하분리접합부를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 박막층 상에 제 1 전극층을 형성하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층의 표면 상에 제 2 전극층을 형성하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층을 준비하는 단계는 기판 상에 상기 탄소구조체층을 형성하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층을 준비하는 단계는 상기 기판 상에 형성되어 있는 탄소구조체층을 목적 기판 상으로 전사하는 것을 포함할 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 성장시키는 단계는, 상기 탄소구조체층 상에 데미지를 형성하고, 상기 데미지 상측에 상기 미세 구조물을 형성하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨데, 상기 데미지는 가스 플라즈마, 이온빔, 전자빔, 양성자빔, 중성자빔 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법 중 하나에 의해 형성될 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 데미지를 형성하는 것은, 상기 탄소구조체층 상에 마스크층을 형성하는 단계; 상기 마스크층을 패터닝하여 복수개의 개구부를 형성하는 단계; 및 상기 개구부를 통해 상기 탄소구조체층에 데미지를 생성하는 단계: 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 마스크층을 패터닝하여 복수개의 개구부를 형성하는 단계는 전자빔 리소그래피, 포토리소그래피, 레이저 간섭 리소그래피, 나노임프린트, 및 탬플릿 중 하나 이상의 방법을 이용할 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 미세 구조물은 위치가 제어되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 도면을 참조하여, 본원의 태양전지 및 상기 태양전지의 제조방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본원의 태양전지의 제조 방법은 탄소구조체층(10)을 준비하는 단계(S1); 상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물(30)을 형성시키는 단계(S2); 및 박막 형성 물질로 상기 미세 구조물을 덮어, 전하분리접합부를 포함하는 박막층(20)을 형성하는 단계(S3): 를 포함한다. 상기 탄소구조체층은 그래핀(graphene), 또는 그래파이트(graphite) 를 포함할 수 있다. 이하, 본원의 태양전지의 제조 방법의 일 구현예로써, 탄소구조체층을 포함하는 태양전지에 대해 보다 구체적으로 언급한다.
먼저, 탄소구조체층(10), 예를 들어, 탄소구조체층을 준비(S1)한다. 탄소구조체층은 탄소구조체층만으로 존재하거나, 다른 기판 상에 상기 탄소구조체층가 적층되어 있는 것일 수 있다.
일 구현예로, 상기 기판 상에 화학기상증착법을 사용하여 탄소구조체층을 형성할 수 있다. 상기 화학기상증착법은 당업계에서 탄소구조체층의 형성을 위해 통상적으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition; T-CVD), 급속 열처리 화학기상증착법(rapid thermal chemical vapor deposition; RTCVD), 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 유도전류플라즈마 화학기상증착법(inductively coupled enhanced chemical vapor deposition; ICPCVD), 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 저압화학증기증착(low pressur chemical vapor deposition; LPCVD), 또는 상압화학증기증착(atmospheric pressure chemical vapor deposition; APCVD) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 탄소구조체층을 형성하는 다른 구현예로, 흑연, 또는 그래파이트로부터 기계적 박리 또는 화학적 박리에 의해 그래핀을 형성할 수 있다.
이어서, 상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물(30)을 성장(S2)시킨다. 탄소구조체층, 예를 들어, 그래핀의 표면은 화학적으로 매우 안정하고 반응성이 매우 떨어져, 상기 그래핀층 상에 균일한 박막의 성장이 매우 어렵다. 본원에서는 상기와 같은 문제를 해결하고자, 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 형성하고, 상기 미세 구조물을 일종의 씨드(seed)로 사용하여 박막을 성장시키고자 한다.
미세 구조물은 탄소구조체층 상의 임의의 지점에서 복수개 설치된다. 상기 미세 구조물은 마이크로(micro) 또는 나노(nano) 스케일의 구조물로서, 그 크기 또는 형상에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 또한, 상기 미세 구조물은 상기 탄소구조체층 상에 성장하여 형성된다. 이는 상기 미세 구조물이 상기 탄소구조체층과 이루는 각도가 반드시 90도 라는 것은 아니며, 단지 상기 미세 구조물이 상기 탄소구조체층과 접하는 부분을 시점으로 하여, 상기 탄소구조체층의 판면에 대해 상방으로 쌓아가기(bottom-up) 방법으로 형성된다는 것을 의미한다.
미세 구조물을 형성하는 방법에 있어서, 상기 언급한 쌓아가기(bottom-up) 방법은 기판과의 물질 상수(격자 상수, 열팽창 계수 등) 차이에도 불구하고 매우 낮은 전위 밀도를 가지므로, 식각 공정에 기반한 탑-다운(top-down) 방법보다 우수한 결정질로 성잘할 수 있으며, 그 결과 전기적 성질이 향상되어 고효율의 태양전지 제조에 유리하다.
탄소구조체층 상에 미세 구조물을 형성하기 위한 일 구현예로, 상기 탄소구조체층 상에 데미지를 형성하고, 상기 데미지 상에 상기 미세 구조물을 형성할 수 있다. 상기 데미지를 형성하는 방법은, 탄소구조체층 상에 인위적으로 데미지를 주는 방법으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 가스 플라즈마, 이온빔, 전자빔, 양성자빔, 중성자빔 및 이들의 조합으로 이루어진 방법에 의해 데미지를 형성할 수 있다. 상기 데미지는 상기 탄소구조체층 상에 핵생성(nucleation)과 성장이 일어날 수 있도록 해주는 역할을 한다. 상기 언급한 방법 중, 데미지의 위치를 조절할 수 있는 방법이라면 후술하는 마스크층을 사용하지 않고도 미세 구조체의 위치 및 밀도 조절이 가능하다.
상기 데미지가 형성된 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 성장시키는 방법으로는, 유기금속 화학증착법을 포함하는 화학기상증착법, 스퍼터링(sputtering), 열 또는 전자빔 증발법(thermal or electron beamevaporation), 펄스레이저 증착법(pulse laser deposition) 등과 같은 물리적 성장 방법뿐만 아니라 금과 같은 금속촉매를 이용하는 기상 이송법(vapor-phase transport process) 등을 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 화학기상증착법은 당업계에서 탄소구조체층의 형성을 위해 통상적으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition; T-CVD), 급속 열처리 화학기상증착법(rapid thermal chemical vapor deposition; RTCVD), 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 유도전류플라즈마 화학기상증착법(inductively coupled enhanced chemical vapor deposition; ICPCVD), 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 저압화학증기증착(low pressur chemical vapor deposition; LPCVD), 무촉매 유기금속 화학기상증착법(catalyst-free MOCVD), 또는 상압화학증기증착(atmospheric pressure chemical vapor deposition; APCVD) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 화학기상증착법 중 무촉매 유기금속 화학기상증착법(catalyst-free MOCVD)을 사용할 경우, 촉매를 사용하지 않음으로 인해 촉매에 의한 오염을 방지할 수 있으며, 전기적, 광학적 성능이 우수한 미세 구조물의 제조가 가능하다.
상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물의 성장 시, 상기 데미지의 위치를 조절하여, 상기 데미지 상에만 미세 구조물을 성장시킴으로써, 상기 상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물의 위치를 제어할 수 있다.
상기 탄소구조체층 상의 미세 구조물의 위치를 제어하는 방법으로, 상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 성장시키기 전에, 상기 탄소구조체층 상에 하나 이상의 개구부를 가지는 마스크층을 증착하여, 상기 미세 구조물의 위치를 제어할 수 있다(도 2a 내지 도 2f 참조). 상기 마스크층(100)에 개구부(110)를 형성하는 방법으로, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography), 포토리소그래피(photolithography), 나노임프린트(nanoimprint), nanosphere, AAO(anodized aluminum oxide), 레이저 간섭 리소그래피, 탬플릿 또는 블록 공중합체 고분자(block copolymer) 등을 사용할 수 있다. 상기 언급한 방법을 이용하여 상기 마스크층 상에 규칙적인 패터닝(개구부)을 형성 후, 상기 형성된 개구부를 통하여 데미지를 형성하고 상기 데미지 상측에만 상기 미세 구조물을 성장시키는 방법으로 위치를 제어할 수 있다. 마스크층(100)을 사용하는 경우, 미세 구조물(30)을 성장시킨 후에 마스크층을 제거하는 공정을 추가 포함할 수 있다. 다만 상기 마스크층의 제거가 반드시 필요한 것은 아니며, 상기 마스크층을 일종의 절연층으로 잔존시키는 것도 가능하다.
한편, 지금까지는 패터닝 및/또는 데미지를 주어 데미지의 생성을 통해 미세 구조물의 위치 및 밀도 조절을 행하였으나, 반드시 이러한 방법을 행할 필요가 있는 것은 아니다. 예컨대, 온도 및 압력 등의 공정 조건을 적절히 선택함으로써 탄소구조체층 상에 직접 미세 구조물을 성장시키는 것도 가능하다.
마지막으로, 박막 형성 물질로 상기 그래핀층 상의 미세 구조물을 덮어 박막층(20)을 형성한다. 상기 박막층(20)은 미세 구조물(30)을 피복하도록 형성된다. 즉, 박막층(20) 내에 미세 구조물(30)이 인입되어 있는 형태가 되도록, 미세 구조물(30) 및 박막층(20)이 마련된다. 또한, 상기 박막층(20)은 미세 구조물(30)과의 정합을 위해 결정구조 및 격자상수가 상기 미세 구조물(30)과 유사한 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 박막층은 금속 또는 반도체일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속은 Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb, 상기 각 금속의 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한 상기 반도체는 산화물, 질화물, 카바이드, Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물, 또는 실리콘 계열의 반도체로 이루어진 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 n 형 반도체층은 n 형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 제조된다. n 형 불순물로는 실리콘, 게르마늄, 셀레늄, 텔루르, 또는 탄소가 사용될 수 있으며, 반도체 물질로는 질화 인듐, 질화갈륨, 질화알루미늄, 질화갈륨알루미늄, 또는 질화인듐갈륨이 사용될 수 있으나, 이러한 재료로 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 p 형 반도체층은 p 형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 제조된다. P 형 불순물로는 마그네슘, 아연 또는 베릴륨이 사용될 수 있으며, 반도체 물질로는 질화 인듐, 질화갈륨, 질화알루미늄, 질화갈륨알루미늄, 또는 질화인듐갈륨이 사용될 수 있으나, 이러한 재료로 한정되는 것은 아니다. 상기 박막층의 비제한적인 예시로, n 형 불순물로는 5족 원소, p 형 불순물로는 3족 원소로 이루어진 실리콘 반도체를 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4는 상기와 같은 방법에 의해 형성된 탄소구조체층 상의 박막층의 단면 및 투시도를 나타낸다. 도 3에서와 같이 상기 탄소구조체층은 탄소구조체층(10) 만으로 존재하거나, 추가로 상기 탄소구조체층 하부에 기판(40)이 형성되어 있는 것을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 탄소구조체층이 충분한 기계적 강도를 갖는 경우 기판이 반드시 필요한 것은 아니며, 이 경우 별도의 기판을 두지 않고 탄소구조체층 자체가 기판의 역할을 하게 할 수도 있다.
도 5는 다양한 형태의 미세 구조물(30)을 포함하는 박막층을 포함하는 태양전지의 단면을 나타낸 그림이다. 도 5를 참조하면, 상기 미세 구조물(30)로 (a) 미세 막대, (b) 미세 바늘, (c) 미세 튜브, (d) 미세 벽을 사용할 수 있다.
도 6을 참조하면, 탄소구조체층을 포함하는 태양전지는 원하는 목적 기판상으로 용이하게 전사할 수 있다. 일 구현예로, 상기 탄소구조체층이 (a) 복수층 또는 (b) 단층인 경우, 상기 탄소구조체층(10)이 형성되어 있는 기판(40)으로부터 상기 탄소구조체층을 분리하여, 목적기판(50), 예를 들어, 유연하고 변형 가능한 고분자 기판, 투명한 기판, 열전도성이 우수한 금속성 기판 등에 전사할 수 있다.
도 6a에는 복수개의 탄소구조체층 중 하나의 탄소구조체층만을 분리하여 목적기판 상으로 전사하였으나, 복수개의 탄소구조체층을 분리하여 목적기판 상으로 전사하는 것도 가능하다. 특히 한층 이상의 탄소구조체층은 층상 구조를 가지고 있어, 상기 탄소구조체층이 형성되어 있는 기판으로부터 쉽게 분리하여 가격이 저렴한 목적기판 상으로 전사하여 태양전지의 제조에 사용될 수 있다. 또한 상기 탄소구조체층이 복수층인 경우, 상기 복수층 전부 또는 상기 복수층의 일부만을 분리하여, 다른 목적기판 상으로 전사할 수 있다.
전술한 바와 같이, 탄소구조체층, 예를 들어, 그래핀은 기판으로부터 분리되어 전이되기 쉽다. 즉, 탄소구조체층 및 그 상측의 구조물들은 하부의 기판과 분리될 수 있으며, 이 분리된 탄소구조체층 및 그 상측의 구조물들은 다른 목적 기판에 전이될 수 있다. 탄소구조체층과 기판은 역학적 힘만으로도 분리될 수 있으며, 이를 역학적 리프트오프(mechanical lift-off)라 한다.
일반적으로 널리 쓰이는 실리콘 태양전지는 실리콘 기판 상에서 제조되는데, 상기 실리콘 기판은 일반 플라스틱 기판에 비해 비싸고, 상기 기판으로부터 상기 실리콘 태양전지의 분리 및 전사도 용이하지 않은 단점이 있다. 이에 본원은, 상대적으로 가격이 저렴한 기판 상에 탄소구조체층을 포함하는 태양전지를 형성하거나, 상기 언급한 방법으로 실리콘 기판 상에 탄소구조체층을 포함하는 태양전지를 형성한 후, 상기 실리콘 기판으로부터 상기 탄소구조체층을 포함하는 태양전지를 가격이 저렴한 기판 상에 전사함으로써, 태양전지의 제조 가격을 낮출 수 있다.
도 7은 태양전지의 전하분리접합부를 나타낸 단면도이다. 상기 전하분리접합부는 상기 미세 구조물 또는 박막층의 성질에 따라 다양하게 나타날 수 있다. 예를 들어, 상기 전하분리접합부는 반도체 p-n 접합부, 반도체 p-i-n 접합부, 금속/반도체 접합부와 같이 다양하게 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예로서, 도 7a 를 참조하면, 본원의 태양전지는 미세 구조물을 포함하는 박막층이 형성되어 있으며, 상기 박막층은 복수개의 층, 예를 들어, 제 1 박막층(21)과 제 2 박막층(22)이 추가 적층되어 있다. 이 경우, 상기 제 1 박막층과 상기 제 2 박막층 계면에 전하분리접합부(70)가 형성될 수 있다. 전하분리접합부의 한 예시로, 상기 제 1 박막층은 n 형 또는 p 형 반도체이고, 상기 제 2 박막층은 p 형 또는 n 형 반도체일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 보다 바람직하게는 상기 제 1 박막층은 n 형 반도체이고, 상기 제 2 박막층은 p 형 반도체일 수 있다.
상기 n 형 반도체층은 n형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 제조될 수 있으며, 상기 n 형 불순물로는 실리콘, 게르마늄, 셀레늄, 텔루르, 또는 탄소가 사용될 수 있으며, 반도체 물질로는 질화인듐, 질화갈륨, 질화알루미늄, 질화갈륨알루미늄, 또는 질화인듐갈륨이 사용될 수 있으나, 이러한 재료로 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 p 형 반도체층은 p 형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 제조될 수 있으며, 상기 p 형 불순물로는 마그네슘, 아연 또는 베릴륨이 사용될 수 있으며, 반도체 물질로는 질화인듐, 질화갈륨, 질화알루미늄, 질화갈륨알루미늄, 또는 질화인듐갈륨이 사용될 수 있으나, 이러한 재료로 한정되는 것은 아니다.
도 7b 를 참조하면, 본원의 태양전지의 박막층은 복수개의 층을 형성할 수 있으며, 이 경우, 전하분리접합부 역시 복수개로 구성될 수 있다. 도 7c 를 참조하면 상기 박막층은, 제 1 박막층(21), 제 2 박막층(22), 및 제 3 박막층(23)으로 구성될 수 있으며, 이 때, 전하분리접합부는 상기 제 1 박막층(21)과 상기 제 2 박막층(22)의 계면 및 상기 제 2 박막층(22)과 상기 제 3 박막층(23)의 계면에 형성될 수 있다. 다른 구현예로 도 7c를 참조하면, 상기 미세 구조물을 포함하는 제 1 박막층(21)은 반도체층이 아닐 수 있다. 이 경우 상기 제 2 박막층(22)은 n 형 또는 p 형 반도체이고, 상기 제 3 박막층(23)은 p 형 또는 n 형 반도체일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 보다 바람직하게는 상기 제 2 박막층(22)은 n 형 반도체이고, 상기 제 3 박막층(23)은 p 형 반도체일 수 있다. 또 다른 구현예로 도 7d를 참조하면, 본원의 태양전지는 미세 구조물(30)과 미세 구조물에 순응적으로 증착된 박막층(20)의 계면에 전하분리접합부(70)가 형성된다. 이 경우, 상기 미세 구조물은 n 형 또는 p 형 반도체이고, 상기 제 1 박막층은 p 형 또는 n 형 반도체 일 수 있다. 상기 전하분리접합부가 상기 미세 구조물과 상기 제 1 박막층 계면에 형성되는 경우, 박막과 박막 계면에 전하분리접합부가 형성되는 경우보다 전하분리접합부를 이루는 표면적이 넓어지게 되고, 그에 따라 태양전지의 효율도 증가하게 된다.
태양광에 의해 상기 n 형 제 1 박막층으로부터 전자가 발생하고, 상기 전자는 상기 제 1 박막층 하부에 형성되어 있으며, 전극의 기능을 하는 탄소구조체층으로 이동한다. 이 때, 상기 탄소구조체층은 기존의 태양전지의 전극으로 사용되던 물질에 비하여 점결함(point defect), 선결함(dislocation), 적층 결함 (stacking fault), 및 그레인 경계 (grain boundary)등이 억제된 구조적으로 결함이 적은 물질로서, 광전하의 확산을 용이하게 하고, 그 결과 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8은 제 1 전극층(80) 및 제 2 전극층(90)의 위치를 나타내는 태양전지의 단면도이다. 상기 제 1 전극층 및/또는 상기 제 2 전극층은 상기에 언급한 바와 같이 도전성을 지닌 재료로서, 당업자가 통상적으로 전극으로 사용할 수 있는 것이라면 제한 없이 사용가능하다.
상기 제 1 전극층 및/또는 상기 제 2 전극층의 위치는 크게 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 탄소구조체층과 연결되어 있는 것일 수 있다. 다만, 도 8d 에서와 같이, 상기 탄소구조체층은 그 자체로 전극의 기능을 할 수 있는 바, 이 경우는 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 어느 한 전극 만으로도 태양전지를 제조할 수 있다.
도 8a 및 도 8b 를 참조하면, 제 1 전극층(80)은 박막층 상에 형성되어 있고, 상기 제 2 전극층은 상기 기판(10)의 하부 또는 상부에 형성되어 있다.
도 8c를 참조하면, 제 2 전극층은 도 8a 및 도 8b 와 같이 탄소구조체층의 일 측면의 전체에 형성되어 있을 수 있으나, 상기 제 2 전극층은 탄소구조체층의 일 측면의 일부에 형성되어 있을 수 있다. 한편, 지금까지의 실시예에서는 모두 제 2 전극층(90)이 탄소구조체층(10)과 접하여 형성되는 것으로 설명하였으나, 상기 제 2 전극층(90)이 상기 탄소구조체층(10)과 접하지 않고 n 형 반도체층인 박막층(20)과 접하도록 형성되는 것도 가능하다. 예컨대, 도 8c에 도시된 바와 같이, 박막층(20)이 단차를 가지도록 형성되고, 제 2 전극층(90)이 박막층(20)이 형성되어 있지 않은 단부 상에 위치하는 것도 가능하다.
상기에서는 본원의 바람직한 구현예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 탄소구조체층;
    상기 탄소구조체층 상에 형성되어 있는 미세 구조물; 및
    상기 미세 구조물을 덮어 형성되며, 전하분리접합부를 포함하는 박막층:
    을 포함하는, 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막층 상에 형성된 제 1 전극층을 추가 포함하는, 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소구조체층의 표면 상에 형성된 제 2 전극층을 추가 포함하는, 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소구조체층은 그래핀(graphene) 또는 그래파이트(graphite)를 포함하는 것인, 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막층은 한 개 또는 복수개의 층인 것인, 태양전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전하분리접합부는 상기 미세 구조물과 상기 박막층의 계면 또는 상기 복수개의 박막층의 각각의 계면에 형성되어 있는 것인, 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 구조물은 상기 탄소구조체층에 형성된 데미지(damage)로부터 상측으로 성장된 것인, 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 구조물은 미세 막대, 미세 바늘, 미세 튜브, 미세 벽 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는, 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 구조물은 금속 또는 반도체 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것인, 태양전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막층은 금속 또는 반도체 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것인, 태양전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소구조체층은 상기 태양전지의 전극인 것인, 태양전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소구조체층 하부에 기판을 추가 포함하는, 태양전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄소구조체층과 상기 기판은 분리가능한 것인, 태양전지.
  14. 탄소구조체층을 준비하는 단계;
    상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 성장시키는 단계; 및
    박막 형성 물질로 상기 미세 구조물을 덮어 박막층을 형성하는 단계:
    를 포함하는, 태양전지의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 박막층 상에 제 1 전극층을 형성하는 단계를 추가 포함하는, 태양전지의 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄소구조체층의 표면 상에 제 2 전극층을 형성하는 단계를 추가 포함하는, 태양전지의 제조 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄소구조체층을 준비하는 단계는, 기판 상에 상기 탄소구조체층을 형성하는 것인, 태양전지의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 탄소구조체층을 준비하는 단계는, 상기 기판 상에 형성되어 있는 탄소구조체층을 목적 기판 상으로 전사하는 것을 포함하는, 태양전지의 제조 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄소구조체층 상에 미세 구조물을 성장시키는 단계는,
    상기 탄소구조체층 상에 데미지를 형성하고, 상기 데미지 상측에 상기 미세 구조물을 형성하는 것인, 태양전지의 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 데미지는, 가스 플라즈마, 이온빔, 전자빔, 양성자빔, 중성자빔 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법 중 하나에 의해 형성되는 것인, 태양전지의 제조 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 데미지를 형성하는 것은,
    상기 탄소구조체층 상에 마스크층을 형성하는 단계;
    상기 마스크층을 패터닝하여 복수개의 개구부를 형성하는 단계; 및
    상기 개구부를 통해 상기 탄소구조체층에 데미지를 생성하는 단계:
    를 포함하는 것인, 태양전지의 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 마스크층을 패터닝하여 복수개의 개구부를 형성하는 단계는 전자빔 리소그래피, 포토리소그래피, 레이저 간섭 리소그래피, 나노임프린트, 및 탬플릿 중 하나 이상의 방법을 이용하는 것인, 태양전지의 제조 방법.
PCT/KR2011/007995 2010-10-25 2011-10-25 태양전지 및 그 제조 방법 WO2012057506A2 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/881,470 US9324888B2 (en) 2010-10-25 2011-10-25 Solar cell and method for manufacturing same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100103911A KR101100414B1 (ko) 2010-10-25 2010-10-25 태양전지 및 그 제조 방법
KR10-2010-0103911 2010-10-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2012057506A2 true WO2012057506A2 (ko) 2012-05-03
WO2012057506A3 WO2012057506A3 (ko) 2012-07-26

Family

ID=45507173

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2011/007995 WO2012057506A2 (ko) 2010-10-25 2011-10-25 태양전지 및 그 제조 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9324888B2 (ko)
KR (1) KR101100414B1 (ko)
WO (1) WO2012057506A2 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10266963B2 (en) * 2013-03-08 2019-04-23 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Growth of crystalline materials on two-dimensional inert materials
KR102176581B1 (ko) * 2013-11-07 2020-11-09 삼성전자주식회사 나노 구조체 및 이를 포함하는 광학 소자
KR101683127B1 (ko) * 2015-02-17 2016-12-06 국방과학연구소 그래핀을 완충층으로 사용한 게르마늄 단결정 박막의 제조 방법
US10930803B2 (en) * 2015-07-29 2021-02-23 Stephen J. Fonash Solar cell reflector / back electrode structure
US10480719B2 (en) * 2016-08-16 2019-11-19 King Abdullah University Of Science And Technology Ultrabroad linewidth orange-emitting nanowires LED for high CRI laser-based white lighting and gigahertz communications
KR102006074B1 (ko) 2017-10-24 2019-07-31 경희대학교 산학협력단 나노와이어 어레이를 포함하는 태양 전지 및 이의 제조 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100809248B1 (ko) * 2007-03-14 2008-02-29 삼성전기주식회사 반도체 이종구조 나노선을 이용한 광기전력 소자 및 그제조방법
JP2010028092A (ja) * 2008-07-16 2010-02-04 Honda Motor Co Ltd ナノワイヤ太陽電池及びその製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080081605A (ko) * 2007-03-06 2008-09-10 삼성전자주식회사 절연 모기판에 얼라인 마크를 형성하는 단계를 포함하는액정 표시 장치의 제조 방법
US20100012190A1 (en) * 2008-07-16 2010-01-21 Hajime Goto Nanowire photovoltaic cells and manufacture method thereof
US10164135B2 (en) * 2009-08-07 2018-12-25 Guardian Glass, LLC Electronic device including graphene-based layer(s), and/or method or making the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100809248B1 (ko) * 2007-03-14 2008-02-29 삼성전기주식회사 반도체 이종구조 나노선을 이용한 광기전력 소자 및 그제조방법
JP2010028092A (ja) * 2008-07-16 2010-02-04 Honda Motor Co Ltd ナノワイヤ太陽電池及びその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TOMAS DUFAUX ET AL.: 'Photocurrent Distribution in Graphene-CdS Nanowire Devices' SMALL JOURNAL vol. 6, no. 16, 03 August 2010, pages 1868 - 1872 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR101100414B1 (ko) 2011-12-30
US9324888B2 (en) 2016-04-26
US20130213463A1 (en) 2013-08-22
WO2012057506A3 (ko) 2012-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012057504A2 (ko) 태양전지 및 그 제조 방법
CN101132028B (zh) 单个共形结纳米线光伏器件
US8747942B2 (en) Carbon nanotube-based solar cells
WO2012057506A2 (ko) 태양전지 및 그 제조 방법
AU2007254673B2 (en) Nanowall solar cells and optoelectronic devices
WO2012047068A2 (ko) 발광소자 및 그 제조방법
US20120006390A1 (en) Nano-wire solar cell or detector
US20090050204A1 (en) Photovoltaic device using nanostructured material
CN108336154A (zh) 晶体硅太阳能电池及其制备方法
WO2012047069A2 (ko) 발광소자 및 그 제조방법
US9064991B2 (en) Photovoltaic devices with enhanced efficiencies using high-aspect ratio nanostructures
US20090217972A1 (en) Techniques for Enhancing Efficiency of Photovoltaic Devices Using High-Aspect-Ratio Nanostructures
CN103594542A (zh) 光伏器件和形成光伏器件的方法
US20130174896A1 (en) Tandem solar cell using a silicon microwire array and amorphous silicon photovoltaic layer
EP2253021B1 (en) Photovoltaic devices with high-aspect-ratio nanostructures
KR101542249B1 (ko) 기판의 재사용이 가능한 태양 전지
WO2019107718A1 (ko) 플렉서블 이중접합 태양전지
WO2012124856A1 (ko) 질화물 반도체 기반의 태양전지 및 그 제조방법
JP2015179695A (ja) 半導体素子の製造方法、半導体素子および透明導電膜
Zhang et al. Fabrication of two types of ordered InP nanowire arrays on a single anodic aluminum oxide template and its application in solar cells
JP2015510681A (ja) 半径方向接合型半導体ナノ構造体を低温で製造する方法、半径方向接合型デバイス、及び半径方向接合型ナノ構造体を含む太陽電池
CN1747130A (zh) 基于金属诱导结晶工艺的新型Si基Ge量子点结构制备方法
CN115663055A (zh) 一种氧化镓日盲紫外探测器及其制备方法
CN117049469A (zh) 一种纳米线模板制备方法以及纳米线模板
Rajpudasaini et al. Low-Cost, High Efficiency, Silicon Based Photovoltaic Devices

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11836598

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

NENP Non-entry into the national phase in:

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13881470

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11836598

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2