KR20090120474A - 고온 캐리어 냉각이 감소된 광전지 셀 - Google Patents

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Abstract

광전지 셀은, 제 1 전극과, 제 1 전극과 접촉하여 위치한 제 1 나노입자층과, 제 2 전극과, 제 2 전극과 접촉하여 위치한 제 2 나노입자층과, 제 1 나노입자층과 제 2 나노입자층 사이에 제 1 및 제 2 나노입자층과 접촉하여 위치하는 박형 필름 광전지 재료를 포함한다.
광전지 셀, 제 1 전극, 제 1 나노입자층, 제 2 전극, 제 2 나노입자층, 광전지 재료

Description

고온 캐리어 냉각이 감소된 광전지 셀{PHOTOVOLTAIC CELL WITH REDUCED HOT-CARRIER COOLING}
본 출원은, 2007년 2월 12일자로 출원된 미국 가출원 번호 제 60/900,709호의 이점을 청구하고, 상기 출원은 그 전체 기재 내용이 명세서에 참조로 포함되어 있다.
본 발명은, 일반적으로 광전지 또는 태양 전지에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 나노입자층 및/또는 나노결정 광전지 재료 필름을 포함하는 광전지 셀(photovoltaic cell)에 관한 것이다.
종래 고온 캐리어 광전지(PV) 셀(또한 고온 캐리어 태양 전지이라고도 공지되어 있음)에서, 전극과 PV 재료 사이의 인터페이스에서의 전자-전자 상호작용은 PV 셀의 고온 전자의 바람직하지 않은 냉각과 이에 대응하는 PC 셀 에너지 집중 효율의 손실을 야기한다.
본 발명의 실시예는, 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 접촉하여 위치한 제 1 나노입자층과, 제 2 전극과, 제 2 전극과 접촉하여 위치한 제 2 나노입자층과, 제 1 나노입자층과 제 2 나노입자층 사이에 상기 제 1 및 제 2 나노입자층과 접촉하여 위치하는 광전지 재료를 포함한다.
도 1a 및 1b는, 본 발명의 실시예에 따른 PV 셀의 개략 3차원 도면.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 PV 셀 어레이의 개략 3차원 도면.
도 3a는, 본 발명의 실시예에 따른 PV 셀 어레이를 형성하기 위한 다중 챔버 장치의 개략 평면도.
도 3b 내지 3g는, 도 3a의 장치의 PV 셀 어레이를 형성하는 방법에서 단계들의 측단면도.
도 4a는, 통합 다중 레벨 PV 셀 어레이의 개략 측단면도.
도 4b는, 어레이의 개략 회로도.
도 5는, CdTe 양자 도트(QD) 나노입자로 균일하게 코팅된 탄소 나노튜브(CNT)의 전도 전자 현미경(TEM) 화상.
도 1a 및 1b는, 각각 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 광전지 셀(1A, 1B)을 도시한다. 두 셀(1A, 1B)은 제 1 또는 내부 전극(3)과, 제 2 또는 외부 전극(5)과, 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 광전지(PV) 재료(7)를 포함한다. 도 1b에 도시된 셀(1B)에서, PV 재료(7)는 또한 전극(3, 5)과 전기 접촉한다. 제 1 전극(3)으로부터 제 2 전극(5)까지의 방향(즉, 도 1a 및 1b에서 좌측에서 우측 방향)으로 광전지 재료(7)의 폭(9)은 100nm 이하와 같이 대략 200nm 미만, 바람직하게는 10 내지 20nm이다. 광전지 재료의 폭에 실질적으로 수직 방향으로(즉, 도 1a 및 1b 의 수직 방향으로) 광전지 재료의 높이(11)는 2 내지 30 미크론과 같이 적어도 1 미크론이고, 예를 들어 10 미크론이다. 용어 "실질적으로 직각"은 중공 실린더형 PV 재료(7)의 정확한 직각 방향뿐만 아니라, 상부보다 넓은 또는 좁은 기부를 갖는 중공 원추형 PV 재료에서, 1 내지 45도만큼 직각에서 벗어난 방향도 포함한다. 다른 적절한 PV 재료 치수가 사용될 수도 있다.
PV 재료(7)의 폭(9)은 PV 셀(1A, 1B)에 입사하게 될 입사 태양 복사선에 실질적으로 수직 방향으로 뻗는 것이 바람직하다. 도 1a 및 1b에서, 입사 태양 복사선(즉, 태양광)은 수평폭(9) 방향에 대해 85 내지 95도와 같이 약 70 내지 110도의 각도로 PV 재료(7)에 충돌하도록 의도된다. 폭(9)은 바람직하게는 전극(들)으로의 광전지 재료의 광발생 전하 캐리어 비행 시간 동안 포논(phonon)의 발생을 실질적으로 방지하도록 충분히 얇다. 즉, PV 재료(7)의 폭(9)은 전극(들)(3)에 충분한 전하 캐리어를 운반하고/하거나 상당수의 포논이 생성되기 전에 충분히 얇아야만 한다. 따라서, 입사 태양 복사선의 입사 광자가 PV 재료에 의해 흡수되어 캐리어(전자, 정공 및/또는 여기자)를 충전시키도록 변환될 때, 충분한 양의 포논이 발생되기 전에 전하 캐리어가 각각의 전극(들)(3, 5)에 도달할 수 있다(입사 복사선을 광발생 전류를 제공하는 전하 캐리어 대신에 열로 변환한다). 예를 들어, 40 내지 80%와 같이 적어도 40%, 예를 들어 40 내지 100%의 입사 광자가 각각의 전극에 도달하는 광발생 전하 캐리어로 변환되어, 포논 발생(즉, 가열) 대신에 광발생 전류를 생성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 1a 및 1b에 도시된 약 10nm 내지 약 20nm의 폭(9)은 충분한 수의 포논의 발생을 방지하기 위해 충분히 작은 것으로 추 정된다. 바람직하게는, 폭(9)은 캐리어 재조합 및/또는 스캐터링(scattering)에 의한 (전자 및/또는 정공과 같은) 캐리어 에너지 손실을 실질적으로 방지하기 위해 충분히 작다. 예를 들어, 비정질 실리콘에서, 이러한 폭은 약 200nm 미만이다. 폭은 다른 재료에서는 달라질 수 있다.
광전지 재료(7)의 높이(11)는 바람직하게는 입사 태양 복사선의 입자 광자의 90 내지 95%와 같이 적어도 90%, 예를 들어 90 내지 100%를 전하 캐리어로 변환시키도록 충분히 두껍다. 따라서, PV 재료(7)의 높이(11)는 바람직하게는 태양 복사의 대부분을 수집하기 위해(즉, 광자의 대부분을 광발생된 전하 캐리어로 변환하기 위해), 그리고 입사 태양 복사선의 0 내지 5%와 같이 10% 이하가 PV 셀의 저부에 도달하거나 이를 빠져나가도록(예를 들어, PV 셀의 아래의 기판에 도달하도록) 충분히 두껍다. 높이(11)는 바람직하게는 50nm 내지 2000nm, 보다 바람직하게는 400nm 내지 1000nm의 파장 범위의 포논의 90 내지 100%와 같이 적어도 90%를 광전적으로 흡수하도록 충분히 크다. 높이(11)는 반도체 재료의 가장 큰 광자 투과 깊이보다 큰 것이 바람직하다. 이러한 높이는 비정질 실리콘에 대해 약 1 미크론 이상이다. 높이는 다른 재료에서는 이와 다를 수 있다. 높이(11)는 높이(9)보다 적어도 10배, 예를 들어 적어도 100배, 예를 들어 1000 내지 10,000배 더 클 수 있다.
제 1 전극(3)은 나노섬유, 나노튜브 또는 나노와이어와 같은 전기 전도성 나노로드를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제 1 전극(3)은 금속 다중벽 탄소 나노튜브와 같은 전기 전도성 탄소 나노튜브; 또는 몰리브덴, 구리, 니켈, 금과 같은 원소 또는 합금 나노와이어; 또는 그래파이트 섹션을 갖는 탄소 섬유 재료의 나 노스케일 로프를 포함하는 팔라듐 나노와이어 또는 나노섬유를 포함할 수 있다. 나노로드는 30 내지 150nm와 같이 2 내지 200nm의, 예를 들어 50nm의 직경을 갖고 10 내지 30 미크론과 같이 1 내지 100 미크론의 높이를 갖는 원통 형상을 가질 수 있다. 바람직하다면, 제 1 전극(3)은 또한 전도성 중합체 재료로 형성될 수 있다. 대안적으로, 나노로드는 전극(3)을 형성하기 위해 전기 전도성 쉘로 커버된 중합체 재료와 같이 전기 절연성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 층은 전극(3)을 형성하기 위해 나노로드 둘레에 전도성 쉘을 형성하도록 기판 상에 형성될 수 있다. 플라스틱 나노로드와 같은 중합체 나노로드는 기판의 일 표면에서 나노로드를 형성하기 위해 금형 내에서 중합체 기판을 성형함으로써 형성될 수 있거나 또는 나노로드를 형성하기 위해 기판의 일 표면을 스탬핑 가공함으로써 형성될 수 있다.
광전지 재료(7)는 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 나노로드 전극(3)의 적어도 하부를 둘러싼다. PV 재료(7)는 태양광의 조사에 반응하여 전압을 생성할 수 있는 임의의 적절한 박형 필름 반도체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, PV 재료는 Ge, SiGe, PbSe, PbTe, SnTe, SnSe, Bi2Te3, Sb2Te3, PbS, Bi2Se3, GaAs, InAs, InSb, CdTe, CdS 또는 CdSe인 실리콘(비정질 실리콘 포함), 게르마늄 또는 화합물 반도체뿐만 아니라 이들의 3원 및 4원 조합과 같은 벌크 박형 필름의 비정질 단결정 또는 다결정 무기 반도체 재료를 포함할 수 있다. 이는 또한 양자 도트와 같은 반도체 나노입자의 층일 수 있다. PV 재료 필름(7)은 동일하거나 다른 반도체 재료 의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, PV 재료 필름(7)은 pn 접합을 형성하기 위해 대향 전도성 타입(즉, p 및 n) 도펀트(dopant)로 도핑된 두 개의 상이한 타입의 전도성층을 포함할 수 있다. 이는 pn 정합형 PV 셀을 형성한다. 바람직하다면, 진성 반도체 영역이 p-i-n형 PV 셀을 형성하기 위해 P 형식과 n 형식 영역 사이에 위치될 수 있다. 대안적으로, PV 재료 필름(7)은 이질접합(heterojunction)을 형성하도록 동일하거나 상이한 전도성을 갖는 2층의 다른 반도체 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로, PV 재료 필름(7)은 쇼트키(Schottky) 접합형 PV 셀(즉, PV 재료가 pn 접합을 필수적으로 이용하지 않고 전극과 쇼트키 접합을 형성하는 PV 셀)을 형성하도록 단일층의 재료를 포함할 수 있다.
유기 반도체 재료가 또한 PV 재료(7)로 사용될 수 있다. 유기 재료의 예는 광활성 중합체(반전도성 중합체를 포함함), 염료와 같은 유기 광활성 분자 재료, 또는 생물학적 반도체 재료와 같은 생물학적 광활성 재료를 포함한다. 광활성은 태양 복사선에 의해 조사됨에 따라 전하 캐리어(즉, 전류)를 발생시킬 수 있는 능력을 의미한다. 유기 및 중합체 재료는 폴리페닐렌 비닐렌, 구리 프탈로시아닌(청색 또는 녹색 유기 안료) 또는 탄소 풀러린을 포함한다. 생물학적 재료는 단백질, 로도닌(rhodonine) 또는 DNA(예를 들어, 참조로서 본원에 결합된 Appl. Phys. Lett. 78, 3541(2001)에 개시된 디옥시구아노신)을 포함한다.
제 2 전극(5)은 소위 나노콕스(nanocoax)를 형성하도록 광전지 재료(7)를 둘러싼다. 전극(5)은 전도성 중합체 또는 구리, 니켈, 알루미늄 및 이들의 합금과 같은 원소 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전극(5)은 인듐 주석 산화물, 알루미늄 아연 산화물 또는 인듐 아연 산화물과 같이, 투명 전도성 산화물(TCO)과 같은 광 투과성이고 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다.
PV 셀(1A, 1B)은 전극(3)이 내부 또는 코어 실린더를 포함하는 동심 실린더를 갖는 소위 나노콕스형이고, PV 재료(7)는 전극(3) 둘레의 중간 중공 실린더를 포함하고, 전극(5)은 PV 재료(7) 둘레의 외부 중공 실린더를 포함한다. 전술한 바와 같이, 반도체 박형 필름 PV 재료의 폭(9)은 바람직하게는 각각의 도전체 내로 깊게 여기된 전하 캐리어(즉, 전자 및 정공)와 원자가 전자대(valence band)가 전극에 도달하기 전에 밴드 에지에서 냉각되지 않도록 하기 위해 10 내지 20nm의 차수이다. 나노콕스는 10 내지 20nm 폭을 갖는 PV 재료가 동작할 수 있는 주파수 컷-오프없이 서브파장 전달 라인을 포함한다.
나노로드(3)의 상부는 광전지 재료(7)의 상부 위로 연장하고 광전지 셀(1A, 1B)용의 광학 안테나(3A)를 형성하는 것이 바람직하지만 반드시 필요하지는 않다. "상부"라는 용어는, PV 셀이 형성되는 기판으로부터 말단으로 PV 재료(7) 측면을 의미한다. 따라서, 나노로드 전극(3)의 높이는 바람직하게는 PV 재료(7)의 높이(11)보다 높다. 바람직하게는, 안테나(3A)의 높이는 나노로드(3)의 직경보다 3배 더 크다. 안테나(3A)의 높이는 입사 태양 복사선에 매치될 수 있고, 입사 태양 복사선의 피크 파장의 1/2의 정수배(integral multiple){즉, 안테나 높이=(n/2)×530nm, 여기서 n은 정수}를 포함할 수 있다. 안테나(3A)는 태양 복사선의 수집을 돕는다. 바람직하게는, 안테나(3A)에 의해 입사 태양 복사선의 90 내지 100%와 같이 90% 이상이 수집된다.
대안적인 실시예에서, 안테나(3A)는 나노혼(nanohorn) 광 수집기가 추가되거나 이로 대체된다. 이러한 실시예에서, 외부 전극(5)은 PV 재료(7)의 높이(11) 위로 연장하고, 태양 복사선을 수집하기 위해 대략 뒤집어진 원추형의 형상을 갖는다.
다른 대안적인 실시예에서, PV 셀(1A)은 나노콕스 이외의 형상을 갖는다. 예를 들어, PV 재료(7) 및/또는 외부 전극(5)은 내부 전극(3) 둘레의 부분만이 연장할 수 있다. 또한, 전극(3, 5)은 플레이트형 전극을 포함할 수 있고, PV 재료(7)는 전극(3, 5) 사이의 얇고 긴 플레이트 형상의 재료를 포함할 수 있다. 또한, PV 셀(1A)은 전술한 것과 상이한 폭(9) 및/또는 높이(11)를 가질 수 있다.
도 2는 각각의 셀(1)의 안테나(3A)가 라인(13)으로 개략적으로 도시된 입사 태양 복사선을 수집하는 나노콕스 PV 셀(1) 어레이를 도시한다. 도 2, 3B, 3D 및 3G에 도시된 바와 같이, 나노로드 내부 전극(3)은 스틸 또는 알루미늄 기판과 같은 전도성 기판(15)에 직접 형성될 수 있다. 이러한 경우, 기판은 전극(3)과 PV 셀(1)이 직렬로 접속하는 전기 접점 중 하나로서 작용한다. 전도성 기판(15)에서, 실리콘 산화물 또는 알루미늄 산화물와 같은 선택적인 전기 절연층(17)이 도 3e에 도시된 바와 같이 기판(15)으로부터 전극(5)을 전기적으로 절연시키기 위해 기판(15)과 각 외부 전극(5) 사이에 위치될 수 있다. 절연층(17)은 또한 도 2에 도시된 바와 같이 인접한 PV 셀(1)의 인접한 전극(5)들 사이의 공간을 충전할 수 있다. 대안적으로, PV 재료(7)가 도 3f에 도시된 바와 같이 기판(15)의 표면을 커버하면, 절연층(17)은 생략될 수 있다. 다른 대체 구성에서, 도 3g에 도시된 바와 같이, PV 셀 사이의 전체 측방향 공간은 모든 전극(5)을 직렬로 연결하는 것이 바람직하면 전극(5) 재료로 충전될 수 있다. 이러한 구성에서, 전극(5) 재료는 PV 셀 사이의 공간에서 기판 상에 위치한 PV 재료(7) 위에 위치될 수 있다. 바람직하다면, 절연층(17)은 전체적으로 생략될 수 있거나 또는 도 3g에 도시된 바와 같이 PV 재료의 아래에 위치한 박층을 포함할 수 있다. 하나의 전기 접점(간결하게 하기 위해 도시 안함)은 외부 전극(5)에 만들어지고, 개별 전기 접점은 기판(15)을 통해 내부 전극에 연결된다. 대안적으로, 절연 기판(15)은 전도성 기판 대신에 사용될 수 있고, 개별 전기 접점은 PV 셀의 아래의 각각의 내부 전극(3)에 제공될 수 있다. 이러한 구성에서, 도 3g에 도시된 절연층(17)은 전기 전도성층으로 대체될 수 있다. 전기 전도성층(17)은 내부 전극(3)의 기부와 접촉할 수 있거나 또는 (특히 내부 나노로드가 절연 재료로 제조되면) 각각의 전체 내부 전극(3)을 커버할 수 있다. 기판(15)이 유리, 수정 또는 플라스틱과 같은 광학적으로 투명한 재료를 포함하면, 나노와이어 또는 나노튜브 안테나는 PV 셀로부터 기판의 대향측에 형성될 수 있다. 투명 기판 구성에서, PV 셀은 기판(15)을 통해 태양 복사선으로 조사될 수 있다. 인듐 주석 산화물, 알루미늄 아연 산화물, 인듐 아연 산화물 또는 다른 투명 전도성 금속 산화물과 같은 전기 전도성이고 광 투과성층(17)은 내부 전극(3)에 대한 저부 접점으로서 기능하도록 투명 절연 기판의 표면에 형성될 수 있다. 이러한 전도성 투명층(17)은 내부 전극(3)의 기부와 접촉할 수 있거나 또는 전체 내부 전극(3)을 커버할 수 있다. 따라서, 기판(15)은 가요성 또는 강성이고, 전도성 또는 절연성이고, 광에 대해 투명 또는 불투명일 수 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 절연성이고 광학적으로 투명한 캡슐화 및/또는 반사방지층(19)이 PV 셀 상에 형성될 수 있다. 안테나(3A)는 하나 이상의 캡슐층(들)(19)을 캡슐화할 수 있다. 캡슐화층(들)(19)은 PV 장치에서 캡슐화층으로 일반적으로 사용되는 EVA 또는 다른 중합체와 같은 투명 중합체층 및/또는 실리콘 산화물 또는 다른 유리층과 같은 무기층을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에서, PV 셀은 전극과 박형 필름 반도체 PV 재료(7) 사이의 적어도 하나의 나노입자층을 포함한다. 바람직하게는, 개별 나노입자층이 PV 재료 필름(7)과 각각의 전극(3, 5) 사이에 위치한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 내부 나노입자층(4)은 내부 전극(3)과 접촉하여 위치되고, 외부 나노입자층(6)은 외부 전극(5)과 접촉하여 위치한다. 박형 필름 광전지 재료(7)는 내부 및 외부 나노입자층(4, 6) 사이에 이들과 접촉하여 위치한다. 특히, 내부 나노입자층(4)은 적어도 나노로드 전극(3)의 하부를 둘러싸고, 광전지 재료 필름(7)은 내부 나노입자층(4)을 둘러싸고, 외부 나노입자층(6)은 광전지 재료 필름(7)을 둘러싸고, 외부 전극(5)은 나노콕스를 형성하기 위해 외부 나노입자층(6)을 둘러싼다. 따라서, 나노입자층(4, 6)은 PV 재료 필름(7)과 각각의 전극(3, 5) 사이의 인터페이스에 위치한다.
층(4, 6)의 나노입자는 10 내지 20nm와 같이 2 내지 100nm의 평균 직경을 가질 것이다. 바람직하게는, 나노입자는 실리콘, 게르마늄 또는 다른 화합물 반도체 양자 도트와 같은 반도체 나노 결정 또는 양자 도트를 포함한다. 그러나, 다른 재료의 나노입자가 그 대신에 사용될 수 있다. 나노입자층(4, 6)은, 2 내지 30nm와 같이 예를 들어 5 내지 20nm를 포함하는 200nm 미만의 폭을 갖는다. 예를 들어, 층(4, 6)은 광전지 재료 필름(7)으로부터 각각의 전극(3, 5)으로 나노입자층을 통해 공명 전하 캐리어 터널링(tunneling)을 허용하도록, 하나 내지 두 개의 나노입자 단일층과 같은 3개 미만의 나노입자 단일층의 폭을 가질 수 있다. 나노입자층(4, 6)은 전극에 의한 고온 캐리어 냉각을 방지하거나 감소시킨다. 달리 말하면, 나노입자층(4, 6)은 전극과 PV 재료 사이의 인터페이스에 걸쳐 전자-전자 상호작용을 방지하거나 감소시킨다. 냉각의 방지 또는 감소는 열 발생을 감소시키고, PV 셀 효율을 증가시킨다.
본 발명의 다른 실시예에서, 각각의 나노입자층(4, 6)은 상이한 평균 직경 및/또는 상이한 성분 중 적어도 하나를 갖는 적어도 2 세트의 나노입자를 포함한다. 예를 들어, 나노입자층(4)은 제 1 세트의 대직경의 나노입자와, 제 2 세트의 소직경의 나노입자를 포함할 수 있다. 대안적으로, 제 1 세트는 실리콘 나노입자를 포함할 수 있고, 제 2 세트는 게르마늄 나노입자를 포함할 수 있다. 각각의 나노입자 세트는 전극에 의한 고온 캐리어의 냉각을 방지하거나 감소시키도록 주문 제작된다. 3개 내지 10개의 세트와 같이 2개 이상의 나노입자의 세트가 있을 수 있다. 나노 입자의 세트는 나노입자층(4, 6)에서 서로 상호 혼합될 수 있다. 대안적으로, 각각의 나노입자 세트는 각각의 나노입자층(4, 6)에서 박형(즉, 1 내지 2 단일층 두께) 개별 서브층을 포함할 수 있다.
도 1b에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 광전지 재료(7)는 나노결정 박형 필름 반도체 광전지 재료를 포함한다. 달리 말하면, PV 재료(7)는 나노결정 그 레인 구조를 갖는, 실리콘, 게르마늄 또는 화합물 반도체 재료와 같은 박형 필름의 벌크 반도체 재료를 포함한다. 따라서, 필름은 예를 들어 5 내지 20nm이고 100nm 이하와 같은 300nm 이하의 평균 그레인 크기를 갖는다. 이러한 실시예에서, PV 재료 필름(7)이 내부 및 외부 전극(3, 5) 사이에 위치하고 이들과 전기 접촉하도록 나노입자층(4, 6)은 생략 가능하다. 나노결정 박형 필름은 비정질 필름을 증착하는데 사용하는 온도보다 약간 높지만 폴리실리콘 필름과 같은 큰 그레인의 다결정 필름을 증착하기 위해 사용되는 온도보다 낮은 온도에서 LPCVD 또는 PECVD와 같은 화학 기상 증착에 의해 증착될 수 있다. 또한, 나노결정 그레인 구조는 전극에 의한 고온 캐리어의 냉각을 감소시키고 전극에서 공명 전하 캐리어 터널링을 허용하는 것으로 생각된다.
도 3a는 PV 셀을 제조하기 위한 다중챔버 장치(100)를 도시하고, 도 3b 내지 3G는 본 발명의 다른 실시예에 따라, PV 셀(1A, 1B)을 제조하는 방법에서의 단계들을 도시한다. 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, PV 셀은 하나의 스풀 또는 릴로부터 풀려져서(즉, 권취 해제) 테이크업 스풀 또는 릴에 취해지는 연속 알루미늄, 스틸 웹 또는 스트립과 같은 이동하는 전도성 기판(15) 상에 형성될 수 있다. 기판(15)은 다중챔버 증착 장치의 몇 개의 증착 스테이션 또는 챔버를 통과한다. 대안적으로, 고정식의 개별 기판(즉, 연속 웹 또는 스트립이 아닌 직사각형 기판)이 사용될 수 있다.
우선, 도 3c에 도시된 바와 같이, 철, 코발트, 금 또는 다른 금속 나노입자와 같은 나노로드 촉매 입자(21)가 챔버 또는 스테이션(101)에서 기판에 증착된다. 촉매 입자는 습식 전기화학법 또는 임의의 다른 공지된 금속 촉매 입자 증착 방법에 의해 증착될 수 있다. 촉매 금속 및 입자 크기는 형성되는 나노로드 전극(3)의 형식(즉, 탄소 나노튜브, 나노와이어 등)에 기초하여 선택된다.
도 3d에 도시된 제 2 단계에서, 나노로드 전극(3)은 촉매 입자와 나노로드 형식에 따라, 팁 또는 기부 성장에 의해 나노입자 촉매 지점에서 챔버 또는 스테이션(103) 내에서 대안적으로 성장한다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 나노로드는 저압에서 PECVD에 의해 성장될 수 있고, 금속 나노와이어는 MOCVD에 의해 성장될 수 있다. 나노로드 전극(3)은 기판(15)의 표면에 직각으로 형성된다. 대안적으로, 나노로드는 전술한 바와 같이, 성형 또는 스탬핑 가공에 의해 형성될 수 있다.
도 3e에 도시된 제 3 단계에서, 선택적인 절연층(17)이 챔버 또는 스테이션(105) 내에서 나노로드 전극(3)의 둘레에서 기판(15)의 노출면에 형성된다. 절연층(17)은 공기 또는 산소 대기에서 노출된 금속 기판 표면의 저온 열 산화에 의해 또는 CVD, 스퍼터링, 스핀-온 유리 증착법 등과 같이 실리콘 산화물과 같은 절연층의 증착에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 선택층(17)은 스퍼터링, 도금 등에 의해 형성된 금속 또는 전도성 금속 산화물층과 같은 전기 전도성 층을 포함할 수 있다.
도 3f에 도시된 제 4 단계에서, 나노입자층(4), PV 재료(7) 및 나노입자층(6)은 챔버 또는 스테이션(107) 내에서 나노로드 전극(3) 상과 그 둘레 및 절연층(17) 상에 형성된다. 도 5는 CdTe 나노입자로 균일하게 코팅된 탄소 나노튜브(CNT)의 대표적인 TEM 화상을 도시한다.
나노입자층(4, 6)을 형성하는 하나의 방법은 상업적인 반도체 나노입자 또는 양자 도트를 개별적으로 형성하거나 획득하는 단계를 포함한다. 반도체 나노입자는 내부 나노입자층(4)을 형성하기 위해 나노로드형 내부 전극(3)의 적어도 하부에 부착된다. 예를 들어, 나노입자는 절연층(17)과 전극(3) 상에서 용액 또는 현탁액으로부터 제공될 수 있다. 바람직하다면, 탄소 나노튜브와 같은 나노로드 전극(3)은 반 데르 발스 인력 또는 공유 결합을 이용하여 나노결정에 바인딩하는 반응성 그룹과 같은 반족(moieties)으로 화학적으로 기능을 가질 수 있다. 광전지 재료 필름(7)은 CVD와 같은 임의의 적절한 방법에 의해 증착된다. 제 2 나노입자층(6)은 층(4)과 유사한 방식으로 필름(7) 둘레에 형성된다.
대안적으로, 도 1b의 나노결정 PV 재료 필름(7)이 사용되면, 필름은 비정질과 다결정 성장 온도 사이의 온도 범위에서 CVD에 의해 형성될 수 있다.
도 3g에 도시된 제 5 단계에서, 외부 전극(5)이 챔버 또는 스테이션(109)에서 광전지 재료(7)[또는 존재한다면 외부 나노입자층(6)] 둘레에 형성된다. 외부 전극(5)은 어닐링 단계 이후의 Ni 또는 Cu 무전해 도금 또는 전해 도금과 같은 습식 화학 방법에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 전극(5)은 스퍼터링 또는 증발과 같은 PVD에 의해 형성될 수 있다. 외부 전극(5)과 PV 재료(7)는 화학 기계적 폴리싱에 의해 연마될 수 있고, 그리고/또는 안테나(3A)를 형성하기 위해 PV 셀의 상부 표면을 편평화하고 나노로드(3)의 상부를 노출시키도록 다시 대안적으로 에칭될 수 있다. 바람직하게는, 부가의 절연층이 PV 셀 사이에 형성될 수 있다. 캡슐화층(19)은 PV 셀 어레이를 완성하도록 안테나(3A) 상에 형성된다.
도 4a는 기판(15) 상에 형성된 PV 셀의 다중레벨 어레이를 도시한다. 이러한 어레이에서, 하부 레벨의 각각의 PV 셀(1A)은 위에 놓여진 상부 레벨의 PV 셀(1B)을 갖는 내부 나노로드 형상의 전극(3)을 공유한다. 달리 말하면, 전극(3)은 적어도 두 개의 PV 셀(1A, 1B)을 통해 수직으로(즉, 기판 표면에 대해 직각으로) 연장한다. 그러나, 어레이의 하부 및 상부 레벨의 셀은 외부 전극(5A, 5B)으로부터 이격된 개별 PV 재료(7A, 7B)와, 개별 전기 출력부(U1, U2)를 포함한다. 상이한 형식(즉, 상이한 나노결정 크기, 밴드 갭 및/또는 조성)의 PV 재료는 상부 어레이 레벨의 셀(1A)보다는 하부 어레이 레벨의 셀(1A)에 제공될 수 있다. 절연층(21)은 상부 및 하부 PV 셀 레벨 사이에 위치한다. 내부 전극(3)은 이러한 층(21)을 통해 연장한다. 두 개의 레벨이 도시되었지만, 3개 이상의 장치 레벨이 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(3)은 안테나를 형성하기 위해 상부 PV 셀(1B) 상에서 연장할 수 있다. 도 4b는 도 4a의 어레이의 개략 회로를 도시한다.
PV 셀(1A, 1B)을 동작시키는 방법은 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 방향으로 전파되는 입사 태양 복사선(13)에 셀을 노출시키는 단계와, 노출 단계에 따라 PV 셀로부터 전류를 생성하는 단계를 포함한다. 전술한 바와 같이, 복사 방향(13)에 실질적으로 수직 방향으로 내부 전극(3)과 외부 전극(5) 사이에서 PV 재료(7)의 폭(9)은, 전극 중 적어도 하나의 전극에 광전지 재료에서 광발생된 전하 캐리어 비행 시간 동안 포논 생성을 실질적으로 방지하고/하거나 전하 캐리어 재조합 및 스캐터링에 의한 전하 캐리어 에너지 손실을 실질적으로 방지하기 위해 충분히 얇다. 복사선(13) 방향에 실질적으로 평행한 방향에서 PV 재료(7)의 높이(11)는, 90 내지 95%와 같이 적어도 90%, 예를 들어 90 내지 100%의 입사 태양 복사선의 입사 광자를, 전자와 정공(여기자를 포함함)과 같은 전하 캐리어로 변환시키고/시키거나, 50 내지 2000nm, 바람직하게는 400 내지 1000nm의 파장 범위에서 적어도 90%, 예를 들어 90 내지 100%의 광자를 광전지적으로 흡수하기 위해 충분히 두껍다. 도 1a의 나노입자층(들)(4, 6)이 존재하면, 광전지 재료(7)로부터 각각의 전극(들)(3, 5)으로 나노입자층(들)(4, 6)을 통해 공명 전하 캐리어 터널링이 발생하는 반면, 나노입자층(들)은 전극에 의한 고온 캐리어의 냉각을 방지 또는 감소시키는 것이 바람직하다.
도 1b의 나노결정 PV 재료(7)가 존재하면, 나노결정 광전지는 전극에 의한 고온 캐리어의 냉각을 방지 또는 감소시킨다.
본 발명의 전술한 설명은 도시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 본 발명은 개시된 것과 동일한 것으로만 제한되도록 의도하지 않으며, 전술한 기술의 견지에서 변경 및 변경이 가능하고, 또는 본 발명의 실시로부터 얻어질 수 있다. 상세한 설명은 본 발명의 원리와 그 실용적인 응용을 설명하기 위해 선택되었다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구의 범위 및 그 등가물에 의해서 한정되도록 의도된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 일반적으로 광전지 또는 태양 전지를 제공하고, 보다 구체적으로는 나노입자층 및/또는 나노결정 광전지 재료 필름을 포함하는 광전지 셀을 제공하는데 사용된다.

Claims (23)

  1. 광전지 셀(photovoltaic cell)로서,
    제 1 전극과,
    상기 제 1 전극과 접촉하여 위치한 제 1 나노입자층과,
    제 2 전극과,
    상기 제 2 전극과 접촉하여 위치한 제 2 나노입자층과,
    상기 제 1 나노입자층과 제 2 나노입자층 사이에 상기 제 1 및 제 2 나노입자층과 접촉하여 위치하는 광전지 재료를
    포함하는, 광전지 셀.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광전지 재료는 박형 필름 또는 나노입자 재료를 포함하고,
    상기 제 1 전극으로부터 제 2 전극 방향으로 광전지 재료의 폭은 약 200nm 미만이고,
    상기 광전지 재료의 폭에 실질적으로 수직 방향으로 상기 광전지 재료의 높이는 적어도 1 미크론인, 광전지 셀.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 광전지 재료의 폭은 10 내지 20nm이고,
    상기 광전지 재료의 높이는 적어도 2 내지 30 미크론인, 광전지 셀.
  4. 제 1항에 있어서, 입사 태양 복사선의 의도된 방향에 대해 실질적으로 수직 방향에서 광전지 재료의 폭은, 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극에 상기 광전지 재료에서 광발생된 전하 캐리어 비행 시간 동안 포논 생성을 실질적으로 방지하거나, 전하 캐리어 재조합 및 스캐터링에 의한 전하 캐리어 에너지 손실을 실질적으로 방지하기 위해 충분히 얇고,
    입사 태양 복사선의 의도된 방향에 대해 실질적으로 평행한 방향에서 광전지 재료의 높이는, 입사 태양 복사선에서 입사 광자의 적어도 90%를 전하 캐리어로 변환하거나, 또는 50 내지 2000nm의 파장 범위에서 적어도 90%의 광자를 광전지적으로 흡수하기 위해 충분히 두꺼운, 광전지 셀.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 나노로드(nanorod)를 포함하고,
    상기 제 1 나노입자층은 상기 나노로드의 적어도 하부를 둘러싸고,
    상기 광전지 재료는 상기 제 1 나노입자층을 둘러싸고,
    상기 제 2 나노입자층은 상기 광전지 재료를 둘러싸고,
    상기 제 2 전극은 나노콕스(nanocoax)를 형성하도록 상기 제 2 나노입자층을 둘러싸는, 광전지 셀.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 나노로드는 탄소 나노튜브 또는 전기 전도성 나노와 이어를 포함하는, 광전지 셀.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 나노로드의 상부는 상기 광전지 재료 위로 연장하고, 상기 광전지 셀용의 광학 안테나를 형성하는, 광전지 셀.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 광전지 재료는 반도체 박형 필름을 포함하고, 상기 제 1 나노입자층은 상기 광전지 재료로부터 상기 제 1 전극으로 상기 제 1 나노입자층을 통해 공명 전하 캐리어 터널링을 허용하도록 3개 미만의 단일층의 폭을 갖는 반도체 나노입자층을 포함하는, 광전지 셀.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 나노입자층은 상이한 평균 직경 또는 상이한 조성 중 적어도 하나를 갖는 적어도 두 개의 나노입자 세트를 포함하는, 광전지 셀.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 광전지 재료는 실리콘을 포함하고, 상기 제 1 나노입자층의 나노입자는 실리콘 또는 게르마늄 양자 도트를 포함하는, 광전지 셀.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 나노입자층은 전극에 의한 고온 캐리어의 냉각을 방지하거나 감소시키는, 광전지 셀.
  12. 광전지 셀로서,
    제 1 전극과,
    제 2 전극과,
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기 접촉하도록 위치하는 나노결정 박형 필름 반도체 광전지 재료를
    포함하고,
    상기 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로의 방향에서 광전지 재료의 폭은 약 200nm 미만이고,
    상기 광전지 재료의 폭에 실질적으로 수직 방향으로 광전지 재료의 높이는 적어도 1 미크론인, 광전지 셀.
  13. 광전지 셀을 제조하는 방법으로서,
    제 1 전극을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 전극과 접촉하는 제 1 나노입자층을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 나노입자층과 접촉하는 반도체 광전지 재료를 형성하는 단계와,
    상기 광전지 재료와 접촉하는 제 2 나노입자층을 형성하는 단계와,
    상기 제 2 나노입자층과 접촉하는 제 2 전극을 형성하는 단계를
    포함하는, 광전지 셀의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    기판에 직각으로 상기 제 1 전극을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 전극의 적어도 하부 둘레에 제 1 나노입자층을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 나노입자층 둘레에 광전지 재료를 형성하는 단계와,
    상기 광전지 재료 둘레에 제 2 나노입자층을 형성하는 단계와,
    상기 제 2 나노입자층 둘레에 제 2 전극을 형성하는 단계를
    더 포함하는, 광전지 셀의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제 1 나노입자층을 형성하는 단계는, 반도체 나노입자를 제공한 후, 제공된 상기 반도체 나노입자를 나노로드 형상의 제 1 전극의 적어도 하부에 부착하는 단계를 포함하고, 상기 광전지 재료는 박형 필름 또는 나노입자 재료를 포함하는, 광전지 셀의 제조 방법.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극과, 광전지 재료는 이동하는 전도성 기판에 증착되는, 광전지 셀의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 기판에 광전지 셀의 어레이를 형성하는 단계를 더 포함하는, 광전지 셀의 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제 1 릴로부터 제 2 릴로 웹 형상의 전기 전도성 기판을 감는 단계와,
    상기 전도성 기판에 복수의 금속 촉매 입자를 형성하는 단계와,
    상기 금속 촉매 입자로부터 나노로드 형상의 복수의 제 1 전극을 성장시키는 단계와,
    상기 제 1 전극 사이에 기판 상에 절연층을 형성하는 단계를
    더 포함하는, 광전지 셀의 제조 방법.
  19. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 전극으로부터 제 2 전극까지의 방향으로 광전지 재료의 폭은 약 200nm 미만이고,
    상기 광전지 재료의 폭에 실질적으로 수직 방향으로 광전지 재료의 높이는 적어도 1 미크론인, 광전지 셀의 제조 방법.
  20. 광전지 셀의 조작 방법으로서,
    제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 접촉하여 위치한 제 1 나노입자층과, 제 2 전극과, 상기 제 2 전극과 접촉하여 위치한 제 2 나노입자층과, 상기 제 1 나노입자층과 제 2 나노입자층 사이에 상기 제 1 및 제 2 나노입자층과 접촉하여 위치한 광전지 재료를 포함하는 광전지 셀의 조작 방법에 있어서,
    제 1 방향으로 전파하는 입사 태양 복사선에 상기 광전지 셀을 노출시키는 단계와,
    상기 노출시키는 단계에 따라 상기 광전지 셀로부터 전류를 발생시켜서, 상기 광전지 재료로부터 제 1 전극으로 제 1 나노입자층을 통해 공명 전하 캐리어 터 널링을 발생시키고, 상기 제 1 나노입자층은 전극에 의한 고온 캐리어의 냉각을 방지하거나 감소시키는 단계를
    포함하는, 광전지 셀의 조작 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 광전지 재료는 박형 필름 또는 나노입자 재료를 포함하고,
    상기 제 1 방향에 실질적으로 직각인 제 2 방향에서 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 광전지 재료의 폭은, 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극에 광전지 재료에서 광발생된 전하 캐리어의 비행 시간 동안 포논 발생을 실질적으로 방지하거나, 또는 전하 캐리어의 재조합 및 스캐터링에 의한 전하 캐리어의 에너지 손실을 실질적으로 방지하는 것 중 적어도 하나를 위해 충분히 얇고,
    상기 제 1 방향에 대해 실질적으로 평행한 방향에서 광전지 재료의 높이는, 입사 태양 복사선에서 입사 광자의 적어도 90%를 전하 캐리어로 변환시키거나, 50 내지 2000nm의 파장 범위에서 광자의 적어도 90%를 광전지적으로 흡수하는 것 중 적어도 하나를 위해 충분히 두꺼운, 광전지 셀의 조작 방법.
  22. 광전지 셀의 조작 방법으로서,
    제 1 전극과, 제 2 전극과, 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 제 1 및 제 2 전극층과 전기 접촉하도록 위치하는 박형 필름 나노결정 반도체 광전지 재료를 포함하는 광전지 셀의 조작 방법에 있어서,
    제 1 방향으로 전파하는 입사 태양 복사선에 상기 광전지 셀을 노출시키는 단계와,
    나노결정 광전지가 전극에 의한 고온 캐리어의 냉각을 방지하거나 감소시키도록, 상기 노출 단계에 따라 상기 광전지 셀로부터 전류를 발생시키는 단계를
    포함하는, 광전지 셀의 조작 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 제 1 방향에 대해 실질적으로 직각인 제 2 방향에서 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 광전지 재료의 폭은, 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극에 상기 광전지 재료에서 광발생된 전하 캐리어 비행 시간 동안 포논 발생을 실질적으로 방지하거나, 전하 캐리어 재조합 및 스캐터링에 의한 전하 캐리어 에너지 손실을 실질적으로 방지하는 것 중 적어도 하나를 위해 충분히 얇고,
    제 1 방향에 실질적으로 평행한 방향에서 광전지 재료의 높이는, 입사 태양 복사선에서 입사 광자의 적어도 90%를 전하 캐리어로 변환시키거나, 50 내지 2000nm의 파장 범위에서 광자의 적어도 90%를 광전지적으로 흡수하는 것 중 적어도 하나를 위해 충분히 두꺼운, 광전지 셀의 조작 방법.
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