KR101435458B1 - 나노로드를 이용한 태양전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본원은, 제 1 기재 상에 형성된 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층; 상기 나노로드층 상에 형성된 제 2 극성 반도체층; 상기 제 2 극성 반도체층 상에 형성된 초격자층; 상기 초격자층 상에 형성된 제 1 극성 반도체층; 및 상기 제 1 극성 반도체층 상에 형성된 제 2 기재를 포함하는, 나노로드를 이용한 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본원은 나노로드를 이용한 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체의 접합인 p-n 구조를 이루거나, 도핑이 되지 않은 진성반도체(intrinsic semiconductor, i형 반도체)의 p-i-n 접합 구조를 이루어 외부에서 입사되는 광에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 주는 소자이다.
최근 나노구조, 특히 기재상에 성장된 반도체의 나노로드는 평면적 구조에 비해 접합 면적이 넓기 때문에 기존의 박막형 태양전지에 비해 광변환 효율이 클 수 있다는 가능성으로 나노로드 반도체를 이용한 태양전지 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
기존 나노로드 반도체를 이용하는 방법으로는 기재 상에 n형 나노로드 반도체를 성장한 후 나노로드 반도체 박막 상에 투명한 i형 또는 p형 반도체 박막층을 적층하여 접합을 한 후 반도체 박막층 상에 투명전극을 적층하는 구조가 대부분이다.
하지만 나노로드 반도체를 이용하여 태양전지를 제작할 때 나노로드 반도체와 이종접합하는 반도체를 박막으로 성장하기가 쉽지 않고, 나노로드 반도체 박막과 이종접합하는 반도체 박막의 표면이 거칠어서 투명전극을 성장하는 것 또한 쉽지 않다는 어려움이 있다.
한편, 대한민국 공개특허 제 10-2011-0080591 호의 "나노와이어를 이용한 태양전지 및 그 제조방법"에서는 복수개의 나노와이어를 포함하는 태양전지에 대해 기재하고 있고, 상기 나노와이어는 p형 또는 n형을 가지고 있으나, 상기 나노와이어가 p-n접합을 갖기 위해 사용되는 물질층 전체가 상기 나노와이어를 완전히 도포하고 있으며, 따라서 나노로드 상에 반도체 층을 형성하는 것이 용이하지 않으며, 또한 투명 전극을 상기 반도체 상에 형성하는데 어려움이 있다.
본원은, 나노로드층 및 반도체층이 p-n 접합을 이루는 반도체 나노로드를 이용한 태양전지 및 그의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면에 따른 태양전지는 하기를 포함할 수 있다:
제 1 기재 상에 형성된 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층; 상기 나노로드층 상에 형성된 제 2 극성 반도체층; 상기 제 2 극성 반도체층 상에 형성된 초격자층; 상기 초격자층 상에 형성된 제 1 극성 반도체층; 및 상기 제 1 극성 반도체층 상에 형성된 제 2 기재.
본원의 제 2 측면에 따른 태양전지는 하기를 포함할 수 있다:
제 1 기재 상에 형성된 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층; 상기 나노로드층 상에 형성된 제 1 극성 반도체층; 상기 제 1 극성 반도체층 상에 형성된 초격자층; 상기 초격자층 상에 형성된 제 2 극성 반도체층; 및 상기 제 2 극성 반도체층 상에 형성된 제 2 기재.
본원의 제 3 측면에 따른 태양전지의 제조 방법은 하기를 포함할 수 있다:
제 1 기재 상에 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층을 형성하는 단계;
제 2 기재 상에 제 1 극성 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제 1 극성 반도체층 상에 다층 구조를 가지는 초격자층을 형성하는 단계;
상기 초격자층 상에 제 2 극성 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 극성 반도체층을 상기 제 1 기재 상에 형성된 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 상기 나노로드층의 상부에 접촉하고 고정시키는 단계.
본원의 제 4 측면에 따른 태양전지의 제조 방법은 하기를 포함할 수 있다:
제 1 기재 상에 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층을 형성하는 단계;
제 2 기재 상에 제 2 극성 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제 2 극성 반도체층 상에 다층 구조를 가지는 초격자층을 형성하는 단계;
상기 초격자층 상에 제 1 극성 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 극성 반도체층을 상기 제 1 기재 상에 형성된 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 상기 나노로드층의 상부에 접촉하고 고정시키는 단계.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 접촉 방식의 제작 방법이 간단하여 저비용 고효율의 태양전지 제조할 수 있다. 또한, 나노로드층과 초격자층 구조의 특성으로 인하여 태양전지로 투과된 빛이 나노로드층에서 산란 및 흡수되고 초격자층에서도 흡수되어 광흡수율을 증가시키고, 반도체층과 접촉된 나노로드층에 의해 전하의 확산계수를 높여 전기적, 광학적 특성을 향상된, 고효율의 태양전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 제조공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본원의 다른 구현예에 따른 태양전지의 제조공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 제조공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본원의 다른 구현예에 따른 태양전지의 제조공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
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. 본원 명세서 전체에서 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. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "제 1 극성" 및 "제 2 극성" 각각은 "n형" 또는 "p형"을 의미할 수 있으며, 전형적으로는 상호 반대되는 도전 특성을 갖는다. 또한, "제 1 극성 반도체층" 및 "제 2 극성 반도체층" 각각은 "n형 반도체층" 또는 "p형 반도체층"을 의미할 수 있다.
본원의 제 1 측면에 따른 태양전지는 하기를 포함할 수 있다:
제 1 기재 상에 형성된 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층; 상기 나노로드층 상에 형성된 제 2 극성 반도체층; 상기 제 2 극성 반도체층 상에 형성된 초격자층; 상기 초격자층 상에 형성된 제 1 극성 반도체층; 및 상기 제 1 극성 반도체층 상에 형성된 제 2 기재.
본원의 제 2 측면에 따른 태양전지는 하기를 포함할 수 있다:
제 1 기재 상에 형성된 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층; 상기 나노로드층 상에 형성된 제 1 극성 반도체층; 상기 제 1 극성 반도체층 상에 형성된 초격자층; 상기 초격자층 상에 형성된 제 2 극성 반도체층; 및 상기 제 2 극성 반도체층 상에 형성된 제 2 기재.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 극성은 n형이고, 상기 제 2 극성은 p형인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 극성은 p형이고, 상기 제 2 극성은 n형인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체 물질은 GaN, AlN, InP, InS, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, AlxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xAs (0<x<1), ZnxCd1-xS (0<x<1) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 기재는 투명 또는 불투명한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 기재, 상기 제 1 극성 반도체층, 상기 초격자층, 및 상기 제 2 극성 반도체층이 투명할 경우, 상기 제 1 기재는 투명하거나 투명하지 않을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 기재, 상기 제 1 극성 반도체층, 상기 초격자층, 및 상기 제 2 극성 반도체층이 투명하지 않을 경우, 상기 제 1 기재는 투명한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 ZnO 나노로드들은 단결정 반도체일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 ZnO 나노로드들은 상기 제 1 기재에 대해 수직 배향 또는 임의의 방향의 각도로 성장된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 ZnO 나노로드들은 각각 직경이 약 10 nm 내지 약 1,000 nm 이고, 길이가 약 0.3 ㎛ 내지 약 300 ㎛인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 ZnO 나노로드층은 기상 수송 증착(Vapor Phase Transport process), 유기금속 화학 기상 증착(Metal-Organic source Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 스퍼터링(Sputtering), 열 또는 전자빔 증발(Thermal or Electron Beam Evaporation), 펄스 레이저 증착(Pulse Laser Deposition), 전해 증착(Chemical Electrolysis Deposition) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 초격자층은 GaN, AlN, InP, InS, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, AlxGa1 - xN (0<x<1), InxGa1 - xN (0<x<1), InxGa1 - xAs (0<x<1), ZnxCd1-xS (0<x<1) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 초격자층은 각각의 두께가 약 0.8 nm내지 약 3 nm인 초격자층을 하나 이상 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 기재는 Si, Ge, GaN, AlN, GaP, InP, GaAs, SiC, SiO2/Si, Al2O3, LiAlO3, MgO, 유리, 석영(quartz), 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 기재는 Si, Ge, GaN, AlN, GaP, InP, GaAs, SiC, SiO2/Si, Al2O3, LiAlO3, MgO, 유리, 석영(quartz), 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 3 측면에 따른 태양전지의 제조 방법은 하기를 포함할 수 있다:
제 1 기재 상에 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층을 형성하는 단계;
제 2 기재 상에 제 1 극성 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제 1 극성 반도체층 상에 다층 구조를 가지는 초격자층을 형성하는 단계;
상기 초격자층 상에 제 2 극성 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 극성 반도체층을 상기 제 1 기재 상에 형성된 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 상기 나노로드층의 상부에 접촉하고 고정시키는 단계.
본원의 제 4 측면에 따른 태양전지의 제조 방법은 하기를 포함할 수 있다:
제 1 기재 상에 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층을 형성하는 단계;
제 2 기재 상에 제 2 극성 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제 2 극성 반도체층 상에 다층 구조를 가지는 초격자층을 형성하는 단계;
상기 초격자층 상에 제 1 극성 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 극성 반도체층을 상기 제 1 기재 상에 형성된 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 상기 나노로드층의 상부에 접촉하고 고정시키는 단계.
이하, 본원에 대하여 도면을 참조하여 구현예와 실시예를 이용하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본원에 이러한 구현예와 실시예에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 단면을 나타낸 도면이고, 도 2a 내지 도 2f는 본원의 일 구현예에 따른 태양전지의 제조공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 1 및 도 2a 내지 도 2f를 참고로 하여 본원의 일 구현예에 따른 태양전지 및 상기 태양전지의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본원의 일 구현예에 따른 태양전지는 제 1 기재(10) 상에 형성된 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층(20), 상기 나노로드층(20) 상에 형성된 제 2 극성 반도체층(40), 상기 제 2 극성 반도체층(40) 상에 형성된 초격자층(50), 상기 초격자층(50) 상에 형성된 제 1 극성 반도체층(60), 및 상기 제 1 극성 반도체층(60) 상에 형성된 제 2 기재(70)를 포함할 수 있다. 상기 제 2 극성 반도체층(40)은 상기 나노로드층(20)의 상부와 접촉(contact)되어 형성되는 접촉층(30)을 포함할 수 있다.
먼저, 도 2a 에 도시된 바와 같이, 제 1 기재(10) 상에 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층(20)을 형성할 수 있다.
상기 제 1 기재(10)는 통상적인 다양한 기재가 이용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 기재는 Si, Ge, GaN, AlN, GaP, InP, GaAs, SiC, SiO2/Si, Al2O3, LiAlO3, MgO, 유리, 석영(quartz), 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 기재(10)는 투명하거나 불투명할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 기재(70), 상기 제 1 극성 반도체층(60), 상기 초격자층(50), 및 상기 제 2 극성 반도체층(40)이 투명할 경우, 상기 제 1 기재(10)는 투명하거나 투명하지 않을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 기재(70), 상기 제 1 극성 반도체층(60), 상기 초격자층(50), 및 상기 제 2 극성 반도체층(40)이 투명하지 않을 경우, 상기 제 1 기재(10)는 투명한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원 명세서에 있어, "투명"이란 빛을 투과할 수 있다는 의미이며, 반드시 무색 투명 및 100% 의 광 투과율을 의미하는 것은 아니다. 본원 명세서에 있어, "불투명"이란 빛을 투과할 수 없다는 의미이며, 반드시 빛의 투과율이 0%임을 의미하는 것은 아니다.
상기 제 1 기재(10) 상에는 투명전극층(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 투명전극층은 예를 들어, 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide; ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide; FTO), 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide; ATO), ZnO:Zn, ZnO:Ga, 그래핀(Graphene) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 기재(10)는 준비된 기재의 식각(etching) 및 도펀트의 제거를 위한 전처리 공정을 추가 포함할 수 있다. 상기 전처리 공정을 통해 최종산물인 태양전지의 일차적 표면개선을 통한 광 흡수율 향상 및 그 외 전자 수집에 악영향을 줄 수 있는 요인들을 제거할 수 있게 된다.
상기 ZnO 나노로드들은 단결정 반도체일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 ZnO 나노로드들은 상기 투명전극 상에 형성될 수 있다.
상기 나노로드층은 기상 수송 증착(Vapor Phase Transport process), 유기금속 화학 기상 증착(Metal-Organic source Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 스퍼터링(Sputtering), 열 또는 전자빔 증발(Thermal or Electron Beam Evaporation), 펄스 레이저 증착(Pulse Laser Deposition; PLD), 전해 증착(Chemical Electrolysis Deposition) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 ZnO 나노로드들은 상기 제 1 기재(10)에 대해 90°로 수직 배향하는 것이 바람직할 수 있으나, 임의의 방향으로 배향하는 것도 가능할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노로드층은 인위적으로도 배열을 조절할 수도 있지만 자기조립에 의해 배열되는 형상을 그대로 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 나노로드층(20)의 나노로드는 길이가 전하 운반자의 확산 거리 보다 길어야 하므로 길이가 약 0.3 ㎛ 내지 약 300 ㎛일 수 있으며, 나노로드층(20)의 반도체 나노로드는 직경이 증가하면 결정성이 떨어지는 경향이 있으므로 직경이 약 10 nm 내지 약 1,000 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 2 기재(70) 상에 제 1 극성 반도체층(60)을 형성할 수 있다.
상기 제 2 기재(70)는 광투과가 용이하도록 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 상기 제 2 기재(70)는 예를 들어, 사파이어(sapphire), 석영(quartz) 및 유리와 같은 투명 무기 기재일 수 있으며, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephalate; PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리에틸렌 설폰(polyethylene sulfone; PES), 폴리카보네이트(poly carbonate; PC), 폴리스티렌(poly styrene; PS), 폴리프로필렌(poly propylene; PP) 등의 투명 플라스틱 기재가 사용될 수 있다. 또한, 플렉서블 기재를 이용할 경우 유연성 있는 태양전지를 제조할 수도 있다.
상기 제 1 극성 반도체층(60), 그리고 후술하는 초격자층(50) 및 제 2 극성 반도체층(40)은 본원에 대한 분야의 당업자라면 공지된 물질로부터 알 수 있는 것이면 충분할 것이고 특별히 한정되지 않는다.
상기 제 1 극성 반도체층(60)은 반도체 물질(III-V, II-VI 등)에 n형 도펀트가 첨가된 것이 적용될 수 있다. 상기 반도체 물질은 예를 들어, GaN, AlN, InP, InS, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, AlxGa1 - xN (0<x<1), InxGa1 - xN (0<x<1), InxGa1 - xAs (0<x<1), ZnxCd1 - xS (0<x<1) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1 극성 반도체층(60)은 질화물 화합물 반도체에 n형 도펀트가 첨가된 것이 적용될 수 있다. 상기 질화물 화합물 반도체는 질소원자(N)가 포함된 화합물 반도체 물질로서 예를 들어, GaN, AlN, InN (0<x<1), InxGa1 - xN (0<x<1) 또는 AlxGa1 - xN (0<x<1)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 n형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te 등이 적용될 수 있으며, n형 반도체의 경우 도핑 농도는 1 X 1016 내지 9 X 1020/cm3 범위일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 극성 반도체층(60)은 기상 증착(vapor-phase deposition) 방법을 이용하여 제 1 극성 반도체층(60)은 약 0.5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 범위의 두께로 형성될 수 있는데, 상기 기상 증착 방법은, 예를 들어, 유기금속 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소기상에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 급속 열 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학 기상 증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학 기상 증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD) 및 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 방법을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 극성 반도체층(60) 상에 다층 구조를 가지는 초격자층(50)을 형성할 수 있다.
상기 초격자층(50)은 예를 들어, GaN, AlN, InP, InS, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, AlxGa1 - xN (0<x<1), InxGa1 - xN (0<x<1), InxGa1 - xAs (0<x<1), ZnxCd1 - xS (0<x<1) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한 되는 것은 아니다.
상기 초격자층(50)은 초격자(super lattice) 구조를 가지며, 반드시 다층의 초격자층이 아니라 단층으로 형성할 수도 있다. 또한 상기 초격자층(50)은 약 2개 층 내지 약 50개 층으로 형성될 수 있으며, 상기 초격자층(50)은 각각의 두께가 약 0.8 nm내지 약 3 nm인 다수의 층으로 형성될 수 있다. 이들 초격자층(50)의 전체 적층 두께는 제한되지 않지만, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 500 nm 일 수 있다. 이러한 상기 초격자층이 p형 반도체층의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 초격자층(50)은 상기 제 2 극성 반도체층(40)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정하지 않으며, 다층의 초격자층(50)은 상기 제 2 극성 반도체층(40)의 구성물질과 동일하지 않은 성분으로 구성되는 층을 포함할 수도 있다. 상기 초격자층(50) 및 상기 제 2 극성 반도체층(40)을 동일한 성분으로 형성하면, 결정성이 향상되고 전자 이동도의 증가에 따른 작동 전압이 감소될 수 있어 태양전지의 전기적 특성이 향상될 수 있다.
상기 초격자층(50)은 도펀트가 도핑되지 않은 언도프층(undoped layer)일 수 있으며, 또는 상기 제 2 극성 반도체층(40)의 도핑농도의 오차범위 10% 이내로 도핑될 수 있다. 상기 초격자층(50)은 초격자로 이루어진 다층구조를 가지므로 도핑되지 않은 층과 제 2 극성 반도체층(40)의 p형 도펀트의 도핑농도 수준 이하에서 동일한 수준에 이르기까지 도핑되는 다양한 도핑 농도를 가질 수 있다. 이때, '도핑되지 않은' 또는 '언도프'의 용어는 고의적으로 도펀트를 도핑하지 않는 상태를 나타내고 상기 상태는 예를 들어 인접한 질화물 반도체층으로부터 확산에 의하여 혼입되는 도펀트도 본원은 도핑되지 않은 것으로 한다.
따라서, 초격자 구조의 초격자층(50)의 다층 구조 중 일부 층의 최대 도핑농도는 초격자층의 도펀트 도핑 농도 수준과 같거나 작을 수 있다. 상기 초격자층(50)의 다층구조는 상기 도핑 농도 수준에 따라 도핑농도가 약 0%인 층부터 제 2 극성 반도체층(40)의 도핑농도 ±10%로 도핑된 층에 이르기까지 순차로 도핑농도 기울기를 가지면서 적층될 수 있다. 또는 도핑농도가 서로 다르게 랜덤하게 교번하여 적층될 수 있다.
상기 다층의 초격자층(50)은 p형 도펀트의 도핑농도가 층마다 서로 상이할 수 있어 서로 도핑 농도 수준이 다른 반도체 물질들이 접하게 됨으로써 발생되는 밴드 에너지 차이에 의한 포텐셜 우물구조를 가질 수 있으며, 이로 인해 높은 전자 이동도를 가질 수 있어 전체적으로 전기적 특성이 개선될 수 있다.
상기 초격자층(50)은 사용되는 반도체층의 종류에 따라 밴드갭 에너지를 작게는 약 0.8 eV 부터 크게는 약 3.4 eV 이상까지 조절할 수 있어서 밴드갭 에너지에 해당되는 에너지 이상의 광에너지대를 흡수하는 역할을 한다.
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 초격자층(50) 상에 제 2 극성 반도체층(40)을 형성할 수 있다.
상기 제 2 극성 반도체층(40)은 반도체 물질(III-V, II-VI 등)에 p형 도펀트가 첨가된 것이 적용될 수 있다. 상기 반도체 물질은 예를 들어, GaN, AlN, InP, InS, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, AlxGa1 - xN (0<x<1), InxGa1 - xN (0<x<1), InxGa1 - xAs (0<x<1), ZnxCd1 - xS (0<x<1) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 극성 반도체층(40)은 질화물 화합물 반도체에 p형 도펀트가 첨가된 것이 적용될 수 있다. 상기 질화물 화합물 반도체는 예를 들어, GaN, AlN, InN, InxGa1 - xN (0<x<1) 또는 AlxGa1 - xN (0<x<1)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 p형 도펀트로서 Be, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 적용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. p형 도핑된 반도체의 경우 도핑 농도가 약 1 X 1017 내지 약 9 X 1020/cm3범위일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 도 2 e에 도시된 바와 같이, 제 2 기재(70) 상에 순차적으로 적층된 제 1 극성 반도체층(60), 초격자층(50) 및 제 2 극성 반도체층(40)을 상기 제 2 극성 반도체층(40)이 하부로 가도록 뒤집어 앞서 도 2a 에서 기재 상에 형성하였던 나노로드층(20)의 상부에 상기 제 2 극성 반도체층(40)을 접촉하고 고정시킬 수 있다.
이때, 상기 제 2 극성 반도체층(40)은 상기 제 1 극성의 나노로드들을 포함하는 나노로드층(20)의 상부와 접촉(contact)되어 접촉층(30)을 형성할 수 있다.
상기 나노로드층(20) 상에 상기 제 2 극성 반도체층(40), 초격자층(50), 제 1 극성 반도체층(60) 및 제 2 기재(70)를 고정하는 것은 상기 투명 기재(70)의 상면에 약 0.05 N/cm2내지 약 8 N/cm2의 압력을 가하여 고정할 수 있으며, 상기 투명 기재(70)의 상면에 압력을 가한 상태에서 상기 제 2 극성 반도체층(40)의 측면, 상기 기재(10)의 측면을 이어주는 에폭시를 부착할 수도 있다.
상기 제 1 극성 반도체층(60), 제 2 극성 반도체층(40), 및 초격자층(50)에 사용된 반도체층이 가시광 에너지보다 넓은 에너지갭의 반도체이어서 투명할 경우, 제 2 기재(70)는 투명할 수 있으며, 상기 제 1 기재(10)는 투명할 수도 있으며 투명하지 않을 수도 있다.
이와 반대로 상기 제 1 극성 반도체층(60), 제 2 극성 반도체층(40), 및 초격자층(50)에 사용된 반도체층이 가시광 에너지보다 낮은 에너지 갭의 반도체이어서 투명하지 않을 경우, 제 2 기재(70)는 투명하거나 투명하지 않아도 되지만, 제 1 기재(10)는 반드시 투명해서 광에너지를 투과해야 한다.
또한, 본원의 일 구현예에 따른 태양전지는 투명전극층(미도시)과 상기 제 1 극성 반도체층(60)의 각각 한 지점에 금속 오믹(ohmic) 접합층(미도시)을 추가 형성할 수 있다.
도 2f에 도시된 바와 같이, 제조된 본원의 일 구현예에 따른 태양전지는 상기 투명한 제 2 기재(70)로부터 입사되는 광이 제 1 극성 반도체층(60)을 지나 초격자층(50)에 의하여 1차 광흡수가 일어나고, 초격자층(50) 및 제 2 극성 반도체층(40)을 지나 자체 배열된 나노로드층(20)이 반사 또는 산란시킴으로써 초격자층으로의 제 2차 흡수가 발생해서 내부 양자 효율 향상 효과에 기여할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 태양전지는 도 2a 내지 도 2f에 도시된 바와 같이, 제 1 기재(10) 상에 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층(20)을 형성한 후, 제 2 기재(70) 상에 순차적으로 적층된 제 1 극성 반도체층(60), 초격자층(50) 및 제 2 극성 반도체층(40)을 상기 제 2 극성 반도체층(40)이 하부로 가도록 뒤집어 기재 상에 형성하였던 상기 나노로드층(20)의 상부에 상기 제 2 극성 반도체층(40)을 접촉하고 고정시켜 제조할 수도 있지만, 본원의 다른 구현예에 따른 태양전지는 도 3a 내지 도 3f에 도시된 바와 같이, 제 1 기재(10) 상에 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층(20)을 형성한 후, 제 2 기재(70) 상에 순차적으로 제 2 극성 반도체층(40), 초격자층(50), 및 제 1 극성 반도체(60)층을 적층시킨 후 제 1 극성 나노로드층(20)과 제 1 극성 반도체(60)층을 접촉시켜서 만들 수도 있다. 이 경우, 제 1 극성끼리 접촉된 접촉면은 초격자층에서 형성된 전하가 더욱 원활히 확산되는 역할을 하여 광효율과 발생되는 기전력이 더욱 증가될 수 있다.
상기와 같은 구조를 이룬 태양전지는 초격자층(50)에서 광에너지를 흡수하게 되고, 흡수된 광에너지는 전자와 정공과 같은 전하를 발생시킨다. 발생된 전하는 반도체층을 따라서 확산되는데 제 1 극성 나노로드층과 접촉된 반도체층의 경계면에서 전하가 효과적으로 축적되어 높은 기전력을 발생하게 된다. 이 점이 초격자층 만을 이용하는 일반적인 LED 구조와 다른 점이다.
일반적인 LED는 제 1 극성의 반도체층, 초격자층 및 제 2 극성의 반도체층으로 구성되는데, 이러한 구조를 태양전지로 이용할 경우 초격자층에서 광에너지가 흡수되고 이어서 발생된 전하가 각 반도체층을 따라 확산되지만 전극으로 흐르기만 해서 기전력이 발생 되지 않거나 극히 낮은 양의 전압이 발생된다.
이하, 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
기초 기재로서 두께 0.5 mm의 그래파이트 기재 상에 n형 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층을 성장하였다. ZnO 나노로드층의 ZnO 나노로드 길이는 1 ㎛ 내지 200 ㎛이였다. 사파이어 기재 상에 n형 반도체층으로서 n형 GaN 층을 5 ㎛ 두께로 단결정 성장하고, 상기 n형 GaN 층 상에 20 nm 두께의 GaN 층과 20 nm 두께의 InGaN 층을 각각 교대로 5층을 적층한 초격자층을 형성하였다. 이어서, 상기 초격자층 상에 p형 GaN 층을 0.5 ㎛ 두께로 성장하였다. 상기 n형 ZnO 나노로드층과 상기 p형 GaN 층을 접촉하여 도 1과 같은 구조의 태양전지를 완성하였다. 상기 p형 GaN 층 상에 은(Ag) 페이스트로 전극을 형성한 후 전위계를 연결하여 n형 ZnO가 성장된 그래파이트 기초 기재와 연결한 후 실외에서 태양광에 노출시켜 1.2 V의 기전력을 얻을 수 있었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 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.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 제 1 기재
20: 나노로드층
30: 접촉층
40: 제 2 극성 반도체층
50: 초격자층
60: 제 1 극성 반도체층
70: 제 2 기재
20: 나노로드층
30: 접촉층
40: 제 2 극성 반도체층
50: 초격자층
60: 제 1 극성 반도체층
70: 제 2 기재
Claims (16)
- 제 1 기재 상에 형성된 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층;
상기 나노로드층 상에 형성된 제 2 극성 반도체층;
상기 제 2 극성 반도체층 상에 형성된 초격자층;
상기 초격자층 상에 형성된 제 1 극성 반도체층; 및
상기 제 1 극성 반도체층 상에 형성된 제 2 기재
를 포함하는, 태양전지.
- 제 1 기재 상에 형성된 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층;
상기 나노로드층 상에 형성된 제 1 극성 반도체층;
상기 제 1 극성 반도체층 상에 형성된 초격자층;
상기 초격자층 상에 형성된 제 2 극성 반도체층; 및
상기 제 2 극성 반도체층 상에 형성된 제 2 기재
를 포함하는, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 극성은 n형이고, 상기 제 2 극성은 p형인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서
상기 제 1 극성은 p형이고, 상기 제 2 극성은 n형인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 반도체층은 GaN, AlN, InP, InS, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, AlxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xAs (0<x<1), ZnxCd1-xS (0<x<1) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 기재는 투명 또는 불투명한 것인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 ZnO 나노로드들은 단결정 반도체인 것인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 ZnO 나노로드들은 상기 제 1 기재에 대해 수직 배향 또는 임의의 방향의 각도로 성장된 것인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 ZnO 나노로드들은 각각 직경이 10 nm 내지 1,000 nm 이고 길이가 0.3 ㎛ 내지 300 ㎛인 것인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 나노로드층은 기상 수송 증착(Vapor Phase Transport process), 유기금속 화학 기상 증착(Metal-Organic source Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 스퍼터링(Sputtering), 열 또는 전자빔 증발(Thermal or Electron Beam Evaporation), 펄스 레이저 증착(Pulse Laser Deposition), 전해 증착(Chemical Electrolysis Deposition) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 형성되는 것인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 초격자층은 GaN, AlN, InP, InS, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, AlxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xAs (0<x<1), ZnxCd1-xS (0<x<1) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 초격자층은 각각의 두께가 0.8 nm내지 3 nm인 초격자층을 하나 이상 포함하는 것인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 기재는 Si, Ge, GaN, AlN, GaP, InP, GaAs, SiC, SiO2/Si, Al2O3, LiAlO3, MgO, 유리, 석영(quartz), 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 기재는 Si, Ge, GaN, AlN, GaP, InP, GaAs, SiC, SiO2/Si, Al2O3, LiAlO3, MgO, 유리, 석영(quartz), 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 태양전지.
- 제 1 기재 상에 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층을 형성하는 단계;
제 2 기재 상에 제 1 극성 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제 1 극성 반도체층 상에 다층 구조를 가지는 초격자층을 형성하는 단계;
상기 초격자층 상에 제 2 극성 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 극성 반도체층을 상기 제 1 기재 상에 형성된 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 상기 나노로드층의 상부에 접촉하고 고정시키는 단계
를 포함하는, 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 기재 상에 복수의 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 나노로드층을 형성하는 단계;
제 2 기재 상에 제 2 극성 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제 2 극성 반도체층 상에 다층 구조를 가지는 초격자층을 형성하는 단계;
상기 초격자층 상에 제 1 극성 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 극성 반도체층을 상기 제 1 기재 상에 형성된 제 1 극성 ZnO 나노로드들을 포함하는 상기 나노로드층의 상부에 접촉하고 고정시키는 단계
를 포함하는, 태양전지의 제조 방법.
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