KR20130084218A - 나노구조체 및 이를 구현하는 광전지 - Google Patents

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빈센트 에벨사이저
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큐1 나노시스템즈, 인크.
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Abstract

나노구조체 및 광전지 구조체가 개시된다. 나노구조체를 생성하는 방법도 또한 제시된다.

Description

나노구조체 및 이를 구현하는 광전지{NANOSTRUCTURE AND PHOTOVOLTAIC CELL IMPLEMENTING SAME}
본 발명은 일반적으로 나노기술에 관한 것이며, 더 구체적으로는 나노-스케일 구조체 및 상기 구조체의 제조방법에 관한 것이다.
태양광 에너지를 이용하여 이를 전기 에너지로 변환시키는 태양광 패널은 잘 알려져 있다. 통상적인 태양광 전기 시스템은 하기 구성요소: 태양광 패널, 충전 제어기, 인버터 및 종종 배터리를 포함한다. 종종 광전지(photovoltaic)(PV) 모듈로 지칭되는 통상적인 태양광 패널은, 유리 커버 및 압출 알루미늄 케이싱으로 구성된 보호 패키징 내에 주위 밀폐된 하나 이상의 상호연결 PV 전지로 구성된다.
PV 전지는 태양광의 존재하에 전기를 발생시킬 수 있는 p-n 접합 다이오드일 수 있다. 이는 종종 주기율표의 13 족(III 족) 또는 15 족(V 족)의 원소로 도핑된 결정성 실리콘(예를 들어 다결정 실리콘)으로 제조된다. 상기 도펀트 원자들이 실리콘에 추가되는 경우, 이들은 결정성 격자 내에서 실리콘 원자를 대체하고, 원래 거기 있었던 실리콘 원자와 거의 동일한 방식으로 이웃 실리콘 원자와 결합한다. 하지만, 상기 도펀트는 실리콘 원자와 동일한 수의 원자가 전자를 갖지 않으므로, 여분의 전자 또는 "정공"이 결정 격자 내에 존재하게 된다. 실리콘의 밴드갭 에너지와 적어도 동일한 에너지를 전달하는 광자를 흡수하면, 전자는 자유롭게 된다. 전자 및 정공은 고형 실리콘 재료 내에서 주위를 자유롭게 이동하여 실리콘을 도전성으로 만든다. 흡수 작용이 p-n 접합에 가까워질수록, 전기-정공 쌍의 이동도가 더 커진다.
실리콘의 밴드갭 에너지보다 더 적은 에너지를 갖는 광자가 결정성 구조에 부딪힐 경우, 전자 및 정공은 동원되지 않는다. 광자의 에너지가 전자 및 정공에 의해 흡수되는 대신에, 광자에 의해 전달되는 에너지의 양과 밴드갭 에너지 간의 차이가 열로 변환된다.
태양광 에너지를 전력으로 변환하는 아이디어는 대단히 매력적이지만, 통상적인 태양광 패널은, 효율이 일반적으로 15% 범위에 불과하고 고가의 실리콘 웨이퍼 제조공정 및 재료를 이용하여 제조되므로 사용이 제한된다. 이러한 저효율은 전극들과 p-n 접합 간의 상대적으로 먼 거리뿐만 아니라 부분적으로는 현재 PV 전지의 평면 구성에 기인한다. 저효율은, 특정량의 전기를 얻기 위해서는 더 크고 무거운 어레이가 필요하며 이는 태양광 패널의 가격을 상승시키고 대규모 구조체로 사용이 제한됨을 의미한다.
태양 전지를 위한 가장 흔한 재료는 실리콘이다. 결정성 실리콘에는 세 부류가 있다: 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 및 리본 실리콘. 단결정 또는 모노결정 웨이퍼로 제조된 태양 전지는 셋 중에 가장 높은, 약 20%의 효율을 갖는다. 불행하게도, 단결정 전지는 고가이며 둥글어서 완벽하게 모듈을 타일링(tile)하지 않는다. 다결정 실리콘은 캐스트 잉곳(cast ingots)으로 제조된다. 이는 대형 도가니(crucible)를 용융 실리콘으로 채우고 이를 조심스럽게 냉각 및 고형화함으로써 제조된다. 다결정 실리콘은 단결정보다 덜 비싸지만 공정 조건에 따라 효율이 약 10-14%밖에 안 되어서 재료 내에 결함을 야기한다. 리본 실리콘은 PV 급 실리콘의 마지막 주요 부류이다. 그것은 용융 실리콘으로부터 편평하고 얇은 필름을 뽑아냄으로써 형성되며 다결정 구조를 갖는다. 실리콘 리본의 11-13%의 효율 범위는 또한 더 많은 결함으로 인해 단결정 실리콘보다 낮다. 대부분의 상기 기술은 두께가 약 300 ㎛인 웨이퍼를 기초로 한다. PV 전지가 제조된 다음 함께 납땜되어 모듈을 형성한다.
개발중인 다른 기술은 다중접합 태양 전지이며, 이는 실제 사용시 18.5% 미만의 효율을 전달할 것으로 기대된다. 다중접합 전지를 제조하기 위한 공정 및 재료는 대단히 고가이다. 이들 전지는 복수의 갈륨/인듐/비소화물 층을 필요로 한다. 가장 최상으로 여겨지는 것은 육중-접합 전지이다. 현재의 다중접합 전지는 대규모 적용시에 경제적으로 제조할 수 없다.
PV 전지의 유망한 가능수단 및 다른 기술은 나노기술이다. 하지만, 나노기술을 구현하는 데 있어서 하나의 문제점은 미세 도전체는 이후의 공정 조건 또는 최종 제품에서의 사용 조건은커녕 자체의 형성조차 견뎌내지 못할 수도 있다는 것이다. 예를 들어, 나노도전체를 형성하는 금속은 연질이어서 추가 층 적용시 굽힘 또는 파열에 취약하게 될 수 있다.
또한, 지금까지는 균일한 크기 및/또는 간격의 구조를 갖는 나노어레이를 생성하는 것이 어렵거나 심지어는 불가능한 것으로 입증되었다.
따라서, 암시된 바와 같이, PV 전지 및 다른 전기적 구조체를 생산하기 위해 사용가능한 기술은, 구조체 자체의 순전한 취약성에 의해서뿐만 아니라 공정 한계에 의해 어느 정도 제한된다.
따라서, 종횡비가 높고 산업에서 실제 사용시 충분히 견딜 수 있는 나노구조체를 생성할 수 있다면 바람직할 것이다.
효율이 평균 효율보다 높으며 일부 실시예에서는 약 30%보다 높은 태양 전지를 제조할 수 있다면 또한 바람직할 것이다.
도 1은 향상된 효율을 갖는 태양광 패널을 구현하기 위해 사용될 수 있는 예시적 태양광 브러쉬(brush)의 투시도.
도 2는 태양광 브러쉬의 측면 단면도.
도 3a 및 3b는 층구조를 갖는 태양광 브러쉬의 실시예의 단면도.
도 3c는 필터로서 박막 평면 장치를 이용한 태양광 브러쉬 실시예의 단면도.
도 4는 일 실시예에 따른 브리슬(bristles)의 상부를 도시하는 태양광 브러쉬의 상면도.
도 5a-5h는 일 실시예에 따른 태양광 브러쉬의 예시적 제조방법을 도시.
도 6a-6h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 브러쉬의 예시적 제조방법을 도시.
도 7은 일 실시예에 따른 광전지 어레이 및 리드 프레임을 도시.
도 8은 일 실시예에 따른 방법을 도시.
도 9는 치수-제어 공정의 단계를 요약한 플로우챠트.
도 10a-10i는 일 실시예에 따른 유기 나노케이블 제조를 위한 카본 재킷 공정을 도시.
도 11a-11e는 일 실시예에 따른 절연체 식각 공정을 도시.
도 12는 일 실시예에 따라 보호용 광학 케이싱 내에 캡슐화된 태양광 브러시를 도시.
도 13은 일 실시예에 따른 평면 태양 전지의 잠재적 발전량을 도시하는 그래프.
하기 서술은 본 발명을 실시하기 위해 현재 고려되는 최적 실시예이다. 본 서술은 본 발명의 일반적인 원리를 예시할 목적으로 이루어지며 본 출원에 청구된 발명의 사상을 제한하려는 것은 아니다. 또한, 본 출원에 서술된 특정 특징은 다른 서술된 특징들과 각각 및 임의의 다양한 가능한 조합 및 치환으로 조합하여 사용될 수 있다.
본 출원에서 구체적으로 다르게 정의되지 않은 한, 모든 용어는, 당업자에 의해 이해되는 의미 및/또는 사전, 논문 등에 정의된 바와 같은 의미뿐만 아니라 명세서로부터 암시되는 의미를 포함하여 가능한 가장 넓게 해석될 것이다.
또한 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용된 바와 같이 단수 형태인 "a", "an" 및 "the"는 다르게 명시되지 않은 한 복수의 대상물을 포함하는 것도 주목되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시예는 본 출원에서 태양 전지의 맥락에서 서술된다. 하지만, 본 출원에서 제공된 특정 응용은 단지 예시적 응용이며, 본 발명의 다양한 실시예의 나노케이블 배열은 본 출원에 개시된 응용 또는 실시예로 제한되지 않는것으로 이해되어야 한다.
본 개시는 또한 박막 태양 전지의 나노 어레이에 관한 것이다. 박막 시스템을 이용하여 구축된 태양광 모듈은, 보다 작은 상호연결된 나노-스케일 태양 전지들의 어레이보다 단일의 보다 큰 단일 평면 박막 태양 전지를 사용하는 경향이 있다. 전체 모듈은 개별 전지를 마킹하기 위해 레이저 스크라이브(laser scribe)를 사용할 수 있다. 나노 시스템은 현재 기술의 박막과 상이하게 처리될 수 있다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 네 개의 주요 박막 재료 시스템 종류는 비정질 실리콘(A-Si), 구리 인듐 셀렌화물(CuInSe2, 통상 CIS로 지칭), 구리 인듐 갈륨 셀렌화물(CuInxGa1 - xSex, 통상 CIGS로 지칭) 및 CdTe/CdS이다. A-Si 필름은 통상적으로 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PE-CVD)을 이용하여 제조된다.
용어 "나노케이블"은 하나의 치수(예를 들어 직경 또는 폭)가 나노 또는 마이크로 스케일 또는 크기이고 다른 치수는 더 큰, 잠재적으로는 훨씬 더 큰 임의의 길쭉한 물체(elongated body)를 나타낸다. "나노구조체"는 하나 이상의 나노케이블을 포함할 수 있다. 나노케이블은, 하나 이상의 재료층에 의해 횡적으로 둘러싸진 코어 로드(core rod) 또는 와이어로서, 하나 이상의 재료층으로 충진된(filled) 나노튜브로서, 한 재료의 단일 구조체 등으로서, 상이한 재료로 제조될 수 있다. 나노케이블은 또한 나노튜브, 나노로드(nanorod), 나노와이어, 충진된 나노튜브 및 브리슬로도 지칭된다. 각 경우의 나노케이블의 기능적 요소는 두 개의 (또는 그 이상의) 재료 사이의 계면이다. 다양한 다른 구성 및 성장 모드에서, 상이한 재료, 교호 재료 또는 상이한 두께의 재료의 연속층을 성막하여 내포형(nested) 층 나노케이블을 형성할 수 있다.
용어 "광전지 활성 p-n 접합" 은 전기를 발생시키기에 적절한 p-층 및 n-층 두께를 갖는 임의의 p-n 접합을 의미한다.
도 1은 향상된 효율을 갖는 태양 전지를 구현하기 위해 사용될 수 있는 예시적 태양광 브러쉬(10)의 투시도이다. 도시한 바와 같이, 태양광 브러쉬(10)는 기판(12), 제1 도전층(14), 절연층(16), 제2 도전층(18) 및 복수의 브리슬(20)을 포함한다. 브리슬(20)은 특정 실시예에서 원통형으로 도시되었지만, 원뿔형, 직사각형, 돔형, 또는 분기형 브리슬, 길쭉한 계란형, 길쭉한 직사각형, 길쭉한 다각형 등 과 같은 더 복잡한 기하학적 구조를 포함하지만 이에 제한되지는 않은 임의의 다른 형태일 수 있다. 각각의 브리슬(20)은 중심을 통과하여 연장된 나노케이블, 및 나노 또는 마이크로 케이블 주위의 반도체층을 포함한다. 나노 또는 마이크로 케이블은 PV 코팅에 비해 상대적으로 얇을 수 있다. 이 경우, 브리슬은 약간 반사성일 수 있으나 대부분은 투명할 수 있다. 전지의 전체에 걸쳐 광을 분포시키는 것을 도울 회절도 또한 있을 수 있다. 이와 달리, 브리슬은 광전지 코팅에 비해 상대적으로 매우 두꺼울 수 있으며; 즉, 브리슬은 마이크로 스케일이고 코팅은 나노 스케일일 수 있다. 이 경우, 여전히 회절 및 반사에 의해 광이 장치의 전체에 걸쳐 분포된다. 브리슬은 기판으로부터 수직으로 돌출될 수 있거나 여러 각도로 돌출될 수 있다. 여러 각도로 돌출된 브리슬은 태양이 바로 머리 위에 있을 때 태양에 노출된 반도체 재료의 양을 증가시키고 내부 반사를 향상시킬 수 있다.
브리슬 각도는, 예를 들어 전기도금함으로써 재료가 그 안에 형성될 수 있는 경사진 개구(tilted apertures)를 갖는 템플릿을 수득하기 위해 중합체 멤브레인을 가열하고 비대칭 드래그(drag)를 형성함으로써 생성될 수 있다. 열원, 드래그원 및 선택적 냉각원을 가짐으로써 템플릿을 변형시킬 수 있다. 일례는, 냉각 블럭 또는 냉각 에어 또는 냉각수를 이용하여 기판을 냉각시키면서 중합체 멤브레인의 가열된 상부를 스크레이핑(scraping)하는 닥터 블레이드(doctor blade)일 것이다. 닥터 블레이드를 대체하기 위해 가열된 에어 나이프를 사용할 수 있다. 이는 또한 한 롤(roll)은 냉각되어 느린 속도로 이동하고 다른 롤은 가열되어 약간 더 빠른 속도로 이동하는 두 개의 접촉 롤을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 경사진 표면상에 씨딩(seeding) 공정/기상(vapor) 공정을 사용하여 여러 각도의 나노와이어 어레이를 성장시킬 수 있다. 비대칭 기공 멤브레인을 이용하여 다양한 형태를 수득할 수 있다. 어레이로부터 전기를 빼내는 것을 돕기 위해 하나 이상의 전기 전도성 스트립(33)이 어레이 또는 그의 일부를 가로질러 연장할 수 있으며, 이로써 브러쉬의 전반적인 효율을 향상시킬 수 있다. 효율 이득은 더 큰 어레이에서 더 현저하다. 상기 스트립(33)은 최소량의 광을 차단하기 위해서 바람직하게는 매우 얇다.
도 2는 금속 나노케이블을 갖는 태양광 브러쉬(10)의 측면 단면도이다. 도시한 바와 같이, 각 브리슬(20)은 그의 코어를 통해 연장된 나노케이블(22)을 포함한다. 나노케이블(22)은 통상적으로 금속 도전체이며, 절연층(16)을 통해 연장되어 제1 도전층(14)과 전기적으로 연결된다. 충분한 두께의 p-형 반도체층(24)이 나노케이블(22)을 감싸고, 충분한 두께의 n-형 반도체층(26)이 p-형 반도체층(24)상에 코팅되어 각 브리슬(20) 내에 광전지 활성 p-n 접합을 생성한다. 브리슬(20) 및 절연층(16) 상에 도전체를 성막하여 제2 도전층(18)을 형성한다. 도시한 바와 같이, 제2 도전층은 브리슬(20) 상부 상에 존재할 수 있다. 하지만, 제2 도전층(18)은 임의의 원하는 구성을 포함할 수 있다. 다른 접근법으로서, 제2 도전층(18)은 다수의, 및 이상적으로는 모든 브리슬 위에 가로놓인다. 예를 들어, 도 6h의 상부 도전층(58)을 참조할 수 있다. 도전층(18)은 전지의 작은 영역에서의 단락(short)이 PV 전지의 이웃하는 부분에 영향을 미치지 않도록 분할될 수 있다. 영역들은 함께 버싱된(bussed) 장치의 양호한 부분들만으로 개별적으로 테스트될 수 있다. 에너지가 어레이의 한 부분에는 전달되고 다른 부분에는 전달되지 않을 수 있도록, 도전층(18)의 분할 영역도 또한 도금전에 버싱될 수 있다. 분할 영역의 스위치를 켜고 끔으로써, 두 개 이상의 상이한 재료가 어레이의 상이한 부분 상에 도금될 수 있다. 분할은, 개별 행들뿐만 아니라, 당업자에게 알려진 패터닝 기술을 이용하여 바스켓 직조형 설계로 두 개의 브리슬마다 하나씩의 버스, 또는 임의의 다른 가능한 브리슬 분기를 버싱할 수 있다. 바스켓 직조 설계 내에 임의의 수의 전기도금된 재료가 존재할 수 있고, 더 나아가 브리슬은 스펙트럼의 일부에 특히 적합한 PV 두께 또는 재료 종류에 최적화될 수 있다.
도전성 기재로부터 후방 콘택을 변경시키는 것에 추가하여, 브리슬 자체도 또한 향상된 후방 콘택으로서 작용할 수 있는 재료를 이용하여 변경될 수 있다. 이러한 재료는 Sn, An, Cu, C, Sb, Au, Te 중합체, 금속 산화물, Si, SiO2, S, NiO, Ni2O5, NiS2, Zn, Sb2Te3, Ni, NiTe2, Si, SiO2, Cu, Ag, Au, Mo, Al 및 Te/C 또는 그의 조합을 포함한다. Ni 및 Cu의 합금을 이용하여 나노 또는 마이크로 케이블의 전기화학 증착(electrochemical deposition, ECD)을 수행할 수 있다. 합금은 열 활성화 단계 도중에 Cu의 확산을 최소화할 수 있다. 또한 확산 배리어(barrier)로서 합금 나노 또는 마이크로 케이블 상부 상에 Te 박층을 ECD 코팅할 수 있다. 니켈은 10% HCl 용액을 이용하여 식각될 수 있다. 그 클린(clean) 층에, CuSO4 용액을 도포하고 열처리하여 도금 전에 나노 또는 마이크로 로드에 Cu가 확산되도록 한다. 도금된 조성물을 변경시키는 데 영향을 미치기 위해 마이크로로드 표면에 SiO2와 같은 다양한 차수의 산화물이 또한 추가될 수 있다.
추가의 접근법에서, 얇은 금속 산화물층이 형성되거나 금속 콘택, 예를 들어 Ni층 상에 잔류되도록 하여, 하부 금속 콘택 전자 후방 배리어 높이 및 덮여있는 PV 재료에 대한 확산 배리어를 생성할 수 있다. 일반적으로, 산화물층은 어레이의 적절한 작동을 위해 지나치게 많은 전기 저항을 생성함으로써 성능에 불리하게 영향을 미칠 것으로 예상될 것이다. 놀랍게도 그리고 통상적인 지식과는 반대로, 상기와 같은 산화물층이 실험에서 형성되었으며 어레이의 전기적 성능에 지나치게 불리한 영향을 야기하지는 않는다는 것을 발견하였다. 실험에서, 산소에의 노출로 인해 Ni 하부 콘택 상에 NixOy의 박층이 형성되었다. 그 위에 CdTe 층이 형성되었다. 놀랍게도, 어레이는 잘 작동하였다. 또한, NixOy 층이 유리하게도 CdTe 층으로의 Ni 확산을 방지하였다는 것이 발견되었다. 따라서, 일부 실시예에서, 하부 콘택 및 PV 재료 사이에 금속 산화물층을 형성할 수 있다. 이러한 금속 산화물층은, 바람직하게는 가열하면서(예를 들어 > 100℃) 산소-함유 환경(예를 들어 공기, 오존 풍부 대기 등)에의 하부 콘택 노출; 배럴 애싱(barrel ashing) 등에 의해 형성할 수 있다.
광자 흡수 작용이 p-n 접합에 더 가까워질수록 상기 작용이 사용가능한 전기를 생성할 공산이 더 클 것이다. 나노브러쉬의 경우, 광자가 선형 통로를 통해 계속될 수 있어서 전지의 반대편 상의 재료와 접촉할 수 있고 이로 인해 각 나노브리슬에서 이중 통과가 달성되므로, 반사성 후방 콘택층이 요구되지 않는다. 도 2에서, 5개의 원통형 쉘(shell) 태양광 브러쉬 PV 전지가 도시되어 있다. 따라서, 광자가 쉘의 중심을 약간 벗어나 통과하면, 상기 브러쉬 설계에서 10개의 p-형 층(태양광 작용이 일어나는 층)에 상당하는 수의 층과 접촉하게 될 가능성이 있다. p-층 도전체가 충분히 작으면 대부분의 광자는 5개의 보다 두꺼운 층을 통과할 것이다. 실제 경우에, cm2 당 수백만 개의 브리슬을 포함하는 태양광 브러쉬는 사용가능한 모든 광자 에너지의 100% 효율에 효과적으로 접근할 것이다. 임의의 특정 이론에 제한됨이 없이, 기존에는 사용불가능한 것으로 간주되었던 일부 광은 반사된 광이 추가 효과를 갖는 흐름 내에서 전자를 여기시킬 수 있어서, 밴드갭 미만의 에너지를 갖는 두 개의 광자를 추가함으로써 PV 재료로부터 전자를 방출하는 추가 효과를 낼 수 있다.
기판(12)은 도전성 재료 또는 (도전성 재료로 코팅된) 비도전성 재료일 수 있고, 경질 또는 가요성(flexible)일 수 있다. 예를 들어, 기판(12)은 유리, 도핑된 실리콘, 다이아몬드, 금속, 중합체, 세라믹 또는 다양한 복합 재료일 수 있다. 가요성이 요구되는 경우에 얇은 금속 호일 또는 특정 중합체를 사용할 수 있다. 가요성 재료는 공정 중에 정확한 치수 및 편평함을 갖는 구조체에 이를 진공 부착함으로써 처리될 수 있다. 나노케이블의 구조적 완전성은 재료 선택에 따라 달라질 것이다. 깨지기 쉽거나 용이하게 변형가능한 브리슬의 경우, 경질 또는 반-경질 표면에 부착된다면 가요성 기판 재료를 사용할 수 있다. 몰딩된 표면/가요성 멤브레인은, 비행기 부품, 자동차 지붕, 다른 선박 또는 휴대용 장치의 표면과 같은 공기역학적 표면을 위해 PV 전지가 요구될 경우 특히 도움이 될 수 있다. 적절하게는, 얇은 금속이 또한 사용되고 반연속적인 릴투릴(reel to reel) 도금을 이용하여 도금될 수 있다. 이러한 시스템에서 디그리스(degrease), 양극 전해연마, 음극 전해연마, 댄서 롤러(dancer roller)를 통하여 반연속적이 된 전기화학 증착, 린스 및 건조 작업들이 이 경우 모두 실행가능하다. 이러한 시스템의 한 장점은 윈도우 블라인드와 유사한 반가요성 매트의 형성이다.
또한, 상기와 같은 어레이의 연속성에 의해, 적어도 원하는 전력 출력, 및 대부분의 경우 요구되는 것보다 더 많은 전력 출력을 달성하기 위해 다수의 모듈 어레이를 제공하는 현재의 접근법보다는, 특정 요구를 만족시키도록 어레이의 전력 출력을 맞추는 것이 가능해진다. 이러한 접근법은, 원하는 전력 출력을 제공하는 크기로 어레이의 절단, 원하는 특정 변수에 맞춰진 특성을 갖는 어레이의 형성 등과 같은 임의의 수의 기술에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 소비자가 20kW 출력을 요구한다고 가정한다. 어레이의 각 1-인치 밴드가 5kW를 제공한다면 4 인치 영역이 제공될 것이다.
각각의 브리슬(20)은 별개의 나노스케일 PV 전지이다. 단일 "xy" 평면 표면만 광에 노출되는 통상적인 평판 PV 전지 설계에 비교하여, 태양광 브러쉬(10)는 "xyz" 또는 3차원 표면을 포함한다. 따라서, 주어진 부피에서, 태양광 브러쉬(10)는 통상적인 PV 전지의 "xy" 표면적보다 수 배 내지 수십 배(또는 그 이상) 클 수 있는 유용한 표면적을 갖는다. 태양광 브리슬(20) 사이의 면적은 브러쉬가 대다수의 광자에 흡착되도록 할 만큼 충분히 넓을 수 있다. 또한, 브리슬은 부분적으로 투명할 만큼 충분히 얇을 수 있다. 이 유효 투명성 및 브리슬 간격은 일출부터 일몰까지 발생하는 유효 에너지 발생량을 증가시킬 것이지만 평판 PV 전지는 태양이 PV 표면 위에 일직선으로 있을 때 최적으로 작동한다. 태양광 브러쉬로부터의 유효 에너지 발생량이 통상적인 PV 전지 기술보다 수 배 더 높을 것으로 기대되므로, 발생되는 킬로와트당 중량은 수 배 낮을 것이다. PV 재료의 두께는 브리슬의 높이 및 간격만큼이나 중요하다. 재료가 충분히 얇다면, 전자-정공 재결합은 전지 효율에 대한 손상을 최소화하고, 단일 접합 전지의 29% 이론 효율 이상의 15%까지의 이득이 가능해진다. 이로 인해 충전 전자 장치(핸드폰, 컴퓨터, PDA 등)와 같은 소형 애플리케이션(application)에서의 사용, 산업 및 농업 발전용 경량 옥상 에너지와 같은 중간 스케일 애플리케이션에서의 사용, 및 운송수단(자동차, 항공기, 바지선)용 경량 에너지원과 같은 대형 애플리케이션에서의 사용이 가능해질 것이다. 전지 효율은 또한 낮은 광 조건에서 발전이 향상될 수 있도록 할 것이다. 넓은 범위의 스펙트럼 흡수는 또한 야간에 적외선광으로부터 전력을 발생시킬 수 있다.
나노 또는 마이크로 케이블 구조체를 사용하는 또 다른 장점은 각 나노케이블과 관련된 p-n 접합이, 보다 선명한 접합을 형성하는 매끄러운 계면을 갖는다는 것이다. 스케일이 증가함에 따라 거칠기(roughness)(예를 들어 평균평방근(rms-root mean square)으로 측정)가 증가하므로 평활도(smoothness)는 나노스케일에서 향상된다.
도면에서 브리슬(20)의 축은 어레이 면에 대해 법선(수직)으로 향해 있지만, 브리슬의 축은 약간(법선으로부터 몇도) 또는 확연하게(예를 들어 40-89도) 경사질 수 있다. 경사진 구성이 바람직할 수 있는 하나의 이유는 광이 어레이에 대해 법선 방향으로 이동할 때 광의 어레이로의 가로막힘 없는 침투를 감소시킨다는 것이다. 브리슬의 상부 직경 또는 폭이 하부 직경 또는 폭보다 작도록, 예를 들어 원추형(conical) 또는 원추대형(frusto-conical) 프로파일, 피라미드형(pyramidal) 또는 피라미드대형(frusto-pyramidal) 프로파일 등으로 성형되도록 브리슬의 프로파일 형태를 제어하여, 하부를 태양 또는 다른 광원의 평행광(collimated light)에 노출시킴으로써 의사 경사(pseudo tilting) 또한 달성될 수 있다. 따라서, 브리슬 축은 기판에 대해 수직 방향일 수 있지만, 보다 넓은 하부로 인해 브리슬의 평행광으로의 노출이 증가된다.
도 3a는 층구조를 갖는 태양광 브러쉬(10)의 투시도이다. 도 3a의 구조는 각 층이 기판(12a,12b), 제1 도전층(미도시), 절연층(미도시), 제2 도전층(미도시) 및 브리슬(20a,20b)을 포함하는 층 A 및 층 B를 포함한다. 층구조에서, 한 층 또는 양층 모두의 기판(12a,12b), 제1 도전층, 절연층 및 제2 도전층은, 광이 층 A 및/또는 B 사이를 이동할 수 있도록 적어도 반투명일 수 있다. 태양광 브러쉬(10)가 층구조일 경우, 브리슬(20)은 동일한 효율을 얻기 위해 단일층 구조에서와 같이 조밀하게 배열될 필요는 없다. 층구조는 조밀하게 배열된 브리슬(20)을 갖는 단일층 구조보다 간단한, 따라서 덜 비싼 장비를 이용하여 제조할 수 있다. 도 3a에 도시된 실시예는 대략 동일한 브리슬 높이를 갖는 두 개의 층을 포함하지만, 층 브러쉬 구조가 이로 제한되는 것은 아니다. 층 브러쉬 구조를 갖는 태양 전지는 원하는 효율 및 전력을 발생시키기 위해 원하는 만큼 많은 층을 포함할 수 있다.
또한 고- 및 저- 밴드갭 재료, 및 스펙트럼 선택에 따라 조정된 반도체 두께를 이용하여 광전지 효율을 증가시키기 위해 층 브러쉬 구조를 사용할 수 있다. 고 밴드갭 재료는 상부 광전지 브러쉬를 코팅하기 위해 사용되고, 저 밴드갭 재료는 하부 광전지 브러쉬를 코팅하기 위해 사용될 수 있다. 상부 재료는 고-에너지 광을 전기로 변환시키고 많은 열을 방출시킬 것이다. 하부 재료는 저-에너지 광을 변환시킬 수 있다. 이는 하부 부러쉬 A의 효율 및 수명 모두를 증가시킬 것이다.
층구조는 동일한 재료 또는 동일한 공정에 의해 제조될 필요가 없다. 예를 들어, 상부 브러쉬는 도전성/투명 실리콘 코어 및 포토리소그래피 및 화학기상 증착에 의해 제조된 실리콘 기판을 이용하여 제조될 수 있었고, 하부 브러쉬는 유기 염료 기술로 제조될 수 있다. 이러한 방식으로, 저-밴드갭 광은 상부층을 용이하게 통과하여 유기 나노케이블 기재에 도달할 수 있다. 기재는 양극산화처리된(anodized) 알루미늄 템플릿, 카본 나노재킷 및 습식 중합체 공정에 의해 제조될 수 있다. 층들은 동일한 치수 및/또는 조성을 가지거나/가지지 않을 수 있다. 설계가 두 가지 종류의 광전지로 제한될 필요는 없다. 각 전지가, 광이 하부의 전지에 도달하기에 적합한 투명도를 갖기만 한다면, 다수의 광전지 재료와 함께 다수의 전지가 포함될 수 있다.
도 3b는 두 개 층에서 브러쉬 평균 높이가 상이한 다른 층구조의 측면도이다. 도 3b의 실시예는 두 개의 층간에 구조적인 차이가 있을 수 있음을 도시한다.
도 3c는 원하는 경우 브러쉬층 상에 필터로서 투명한 박막 평면 장치가 또한 이용될 수 있음을 도시한다.
전류를 도전시켜 추가 효율 이득이 달성될 수 있도록 금과 같은 최소 반사성 금속이 n- 및 p-층과 함께 층구조를 이룰 수 있다.
현재 기술보다 우수한 하나의 장점은 전술한 바와 같이, 주어진 재료에 대한 최대 효율을 달성할 수 있다는 것이다. 상이한 밴드갭(전자를 여기시키는 데 필요한 에너지)을 갖는 재료로 층구조를 형성함으로써 다른 잠재적인 장점을 달성할 수 있다. 이 아이디어는 브리슬의 끝부분에 GaAs(최대 효율 ~20%, 밴드갭 ~1.4 eV) 또는 CdTe(최대 효율 ~30%, 밴드갭 ~1.6 eV)와 같은 고 밴드갭 재료를 포함하고 브리슬의 더 아래 부분에 더 낮은 CIS 또는 CIGS 형 PV 재료(최대 효율 ~24%, 밴드갭 ~0.8 eV)와 같은 감소된 밴드갭 재료를 포함하는 것이다. 저 에너지를 갖는 광자는 고 밴드갭 재료와 반응하지 않지만 더 깊은 투과 깊이에서 브리슬 더 아래 부분의 저 밴드갭 재료와 반응할 수 있게 될 것이다. 이는 나노케이블 상에 CIS 재료를 CVD한 다음, 나노케이블의 상부 금속 코어까지 식각하고, 이후 나노케이블 상부 상에 촉매 성장시킴으로써 달성될 수 있으며, 케이블은 CdTe/CdS를 전기도금함으로써 마무리될 것이다. 태양광 브러쉬 PV 전지 설계는 또한 다중 접합 전지일 수 있으며, 이를 위한 우수한 구성이다. 다중접합 전지는, 서로의 상부 상에 적층된 상이한 재료의 층들을 성막함으로써 용이하게 달성될 수 있다. 이러한 성막법은 다양할 수 있으며 오늘날 당업계에서 일반적으로 사용되는 임의의 방법을 포함한다.
가요성 나노기공 기판은 금속 성막용 기판(12)으로서 사용될 수 있다. 기판(12)은 얇은 도전성 시트 상에 적용되거나 구축된 멤브레인일 수 있으며, 임의의 원하는 형태로 제조될 수 있다. 멤브레인 기공 내에 금속 성막 후, 브리슬(20)이 형성된다. 다른 PV 테입 및 필름은 XY 가요성 및 강도를 갖는 반면, 이들은 제한되며 다른 기술로는 경질 또는 가요성의 오래 지속되는 태양 전지의 XYZ 설계를 할 수 없다. 태양광 브러쉬의 다양한 기하학적 구조로 인해 PV 전지가 고정된 위치로부터의 태양광 노출을 위해 최적화될 수 있고, 최적의 심미적 어필, 및 운송수단 애플리케이션에 있어서 최소한의 공기역학적 드래그가 가능하다. 반사성 기판과 결합된 특정 기하학적 구조는 결합된 PV 필름 및 태양광 집광기를 효율적으로 제조할 수 있다.
태양광 브러쉬(10)을 위해 사용될 수 있는 많은 재료 조합이 있다. 한 구성은 Si 박막을 사용하는 것이다. 다른 구성은 CdTe/CdS (CdTe/CdS/SnO2/인듐 주석 산화물(ITO)/유리), GaAs/GaInP, CuInGaSe2, Cu(InxGa1 -x)(S,Se)2, CuIn1 - xGaxSe1 - ySy, CGSe/CdS, CuInxGa1 - xTe2/n-InSe, CdS/CIGS 계면, ZnS/CIGS, Cu2S-CdS, CuInS2 또는 CuxS, CuInS2 및 CuIn5S8의 혼합물, Cu(In,Ga)Se2/CdS, CIS/In2Se3, InN, CIS/In2Se3, ZnSxSe1-x, GaInP/GaAs, GaInP/GaAs/Ge, GaAs/CIS, a-Si/CIGS(a-Si는 비정질 Si/수소 합금), FeS2, Cu2O, ITO/a-CNx(Al 쇼트키 박막 질화탄소 태양 전지)를 포함하며, MoS2 기반 태양 전지 또는 보다 일반적으로는: Ni 및 Cu 첨가제층을 포함하는 MX2 (M = Mo, W; X = S, Se) 박막도 또한 사용될 수 있다. Al2O3 층은 CuInGaSe2 형 PV 전지에 확산 배리어로서 사용될 수 있다. 제조 단계는, 다결정 성막물의 통합체가단결정 재료를 형성하게 하거나, 구조적 통합성 및 재료의 규칙성 또는 기하학 구조를 향상시키도록 하기 위해 고온에서의 열 어닐링을 포함할 수 있다. 이와 달리, 층의 단결정 성장은 중간 온도에서의 층의 저속 성장으로 촉진되어야 한다. 단결정 성막물은 최적의 전자 수송 및 광자-흡수를 위해 중요하다.
임의의 층에서 다양한 재료의 성막은 화학기상 증착, 플라즈마 강화 화학기상 증착, 용액상 증착, 전기화학 증착, 전기 화학적으로 유도된 졸-겔 증착, 전기화학 원자층 에피택시, 무전해 증착(electroless deposition), e-빔 증발, 전기영동 또는 원심분리를 이용한 졸-겔법, 전자빔 리소그래피, 주사탐침(scanned probe) 리소그래피, 압력 분무(pressure injections), 중합 및 전기-중합, 열분해(pyrolytic decomposition), 기상 전송 증착(vapor transport deposition), 성분 공증착(co-deposition)을 포함한 스퍼터링, 근접 승화법(closed space sublimation), 열증발, 스핀코팅 및 스프레이법 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 나노케이블은 또한 화학 기상 증착에 의해 촉매 사이트로부터 성장될 수 있고, 기판 등으로부터 습식 또는 건식 식각될 수 있다. 추가의 선택적인 프로세싱 처리는 션트 저항(Rshunt)을 증가시키기 위한 아닐린 처리; 액상의, 기상의, 및 개회로 전압(Voltage open circuit, Voc)을 향상시키기 위한 도금조 또는 다른 통상의 방법을 이용하여 공증착된 CdCl2 추가; 등을 포함할 수 있다. Voc는 산출된 전압 전위의 상단부를 정의하므로 높을수록 좋다.
PV 전지를 설계할 때, 고려사항중의 하나는 광자속(photon flux)이다. 주어진 지점에서 대기를 통과하게 하는 광자의 수는 이들을 수용하는 PV 전지의 변경에상관없이 상대적으로 일정하게 유지된다. PV 전지의 적절한 기하학적 구조를 결정할 때, 갭의 면적과 브리슬 상부의 면적을 계산함으로써 시작하는 것이 편리하다.
도 4는 브리슬(20)의 상부를 도시하는 태양광 브러쉬(10)의 상면도이다. 브리슬(20)이 규칙적으로 배열된 것으로 도시되었지만, 이러한 배열은 애플리케이션에 맞추기 위해 변경될 수 있다. 브리슬(20)의 상부는, D는 브리슬 직경이고 ρ는 케이블 밀도(케이블 수/단위 면적)인 π(D/2)2ρ로서 계산된 결합 면적 Atop 을 갖는다. PV 전지의 총면적(Atotal)은 WxL이다. 이어서 브리슬 간의 갭의 면적은 하기 식을 이용하여 계산될 수 있다:
Atotal = Atop + Agap
동일한 계산시, 주어진 케이블 밀도에서의 간격이 주어진 기하학적 구조에서 실행가능한지를 결정하는 것이 유용하다. 나노케이블(22)의 직경(Dnanocable)이 50 nm일 때, PV 브리슬 최소 직경 D는 약 220 nm이다. Dnanocable이 150 nm일때, PV 브리슬 최소 광학 두께는 약 320 nm이다. 브리슬(20)의 물리적 직경이 나노케이블(22)의 직경보다 100-500 nm 더 클 것이지만, 이러한 숫자는 외부 쉘이 투명하므로 광학 직경 계산에 사용되어야 한다. 광학 직경은 태양광 효율을 계산하기 위해 사용되며, 물리적 직경은 공정 한계를 결정하기 위해 사용된다.
나노케이블의 하나의 바람직한 밀도(ρ) 범위는 트랙 에칭 멤브레인(track etched membrane)을 사용할 경우:
ρ=106 - 109 기공/cm2 = 1010 - 1013 기공/m2
이다. 금속 산화물 템플릿을 사용할 경우 밀도 범위는:
ρ=1012 - 1015 기공/m2
으로 이동한다.
저밀도의 경우, 10-10 m2 당 1 케이블 또는 10-5 x 10-5 m2의 중심에 1 케이블이 존재하여, 케이블 중심 간의 분리거리가 10-5 m 또는 10000 nm 이다. 그 수에서, 중심축(나노케이블(22)의 길이를 통과하여 연장되는)으로부터 n-층까지의 브리슬 직경을 감한다. 간격은 케이블보다 작지 않을 수 있으며 바람직하게는 더 크므로, 비현실적인 물리적 간격을 수반하는 경우는 표 1의 계산에서 제외된다. 광학 간격 S는 하기에 의해 주어진다:
S = 케이블 분리거리(중심점에서 중심점) - 브리슬 직경(반투명 재료)
광학 간격을 결정한 후에, 브리슬 사이의 면적(Agap)뿐만 아니라 PV 브리슬 상부 면적(Atop)을 결정한다. 표 1은 대다수의 평면 표면적이 브리슬 상부가 아닌 PV 전지의 갭 내에 놓여짐을 도시한다. 하지만, 상당한 수준의 상부 표면적을 갖는 설계 포인트가 존재한다.
Figure pct00001
평면 면적 및 면적당 질량은 후방 반사를 결정하기 위해 중요하다. 평면 전지에 있어서, 반사는 광이 흡수되어 전기를 발생시키는 기회를 갖기 전에 PV 전지 외부로 많은 양의 광을 바운스시킨다(bounces). 하지만, 후방 반사는 광을 전지의 후방에서 바운스시켜, 전지에게 광의 동일한 흐름으로부터 광자를 흡수할 두 번의 기회를 줌으로써 평면 전지에 유리할 수 있다. 하지만, 후방 반사가 평면 전지에서의 흡수 작용의 수를 증가시키는 반면, 단위 부피당 발생되는 열의 양도 증가시킨다. 태양광 브러쉬(10)의 경우, 브리슬 상부에 부딪히는 광자의 일부만이 PV 전지에서 멀어지도록 반사할 수 있다.
태양광 브러쉬(10)를 사용하는 많은 경우에, 96% 초과의 광이 Agap으로 떨어진다. 갭으로 떨어진 광에는 몇 가지 일들이 발생한다 : (a) 광이 흡수되고, (b) 광은 브리슬을 통해 다음의 가장 인접한 브리슬로 직선으로 계속되고/되거나(도 2에 도시한 바와 같이), (c) 광이 입사각과 동일한 반사각으로 태양광 브러쉬로 하향 반사된다. 각각의 경우에, 갭으로부터의 광이 브리슬로 계속된다. 대다수의 광은 흡수되거나, 브러쉬를 통해 직선으로 계속된다. 후방 반사는 재료 종류뿐만 아니라 재료 두께의 함수이다. 태양광 브러쉬가 수백만 개의 얇은 브리슬로 제조되므로, 이들은 거의 "투명"하게 된다. 따라서, θ=90°(θ는 PV 전지 기판의 평면에 대한 태양 각도로 정의된다)를 제외한 모든 경우에, 후방 반사는 최소이다. 96% 이상의 광이 갭 내에 떨어지고 각 브리슬의 투명도가 90%라고 가정하면 후방 반사는 최대 0.04%이다.
투과된 광의 깊이 및 면적도 또한 계산된다. 이는 광이 PV 브러쉬를 통해 얼마나 균일하게 분산될 수 있는지에 대한 측정이다. 광의 투과도는 하기 식에 의해 좌우된다:
Tpen = 투과 두께 = S tanθ
두께 또는 브리슬 높이는 최대 투과도와 관련있다. 많은 경우의 광 흐름에서의 평균 투과도는 약 θ/2일 것이다. 하지만, θ가 90°에 접근하면 전지의 하부는 이론적으로 광으로 넘칠 수 있다. 하지만 실제로는 광이 브리슬 기하학적 구조의 불규칙성에 의해 영향을 받고 브리슬을 경미하게 틸팅(tilting)함으로써 광이 제거될 수 있으므로 이러한 범람 효과는 최소이거나 존재하지 않는다.
표 2는 Tpen을 브리슬 전체 높이인 T로 나눔으로써 첫 번째 통과시 광이 얼마나 깊게 투과하는지 및 어떤 부분 면적이 사용되는지를 나타낸다. 이는 초기 광이 얼마나 많이 희석되는지(diluted)를 측정하는 것이다. 광이 더 많이 희석될수록 전지의 최대 온도가 더 낮아지거나 열점(hot spot)이 더 적어져서 전반적인 효율이 향상된다.
Figure pct00002
PV 전지 기판의 평면에 대한 태양 각도 함수로서의 100㎛ 전지의 투과율은 단순히 10배 더 낮다. 투과%는 중요한 설계 기준이다. 투명 케이블에 있어서, 10% 투과율이면 광은 PV 케이블을 통해 10회 정도만 통과할 것이며, 광자는 브리슬당 2회 p-n 접합을 통과할 수 있으므로 평균 광자는 p-n 접합을 20 회까지 통과할 것이다. 광 흐름의 적절한 흡수 기회를 확보하기 위해서는 낮의 대부분 동안 20% 미만을 목표로 하는 설계 기준을 설정하는 것이 아마도 최적이다. θ가 90°일 때 tanθ가 ∞가 되어, 일시적으로 투과율이 100%가 된다. 하지만, 최적화는 현장 테스트 결과의 함수일 것이다.
PV 총 흡수 면적은 브리슬(20)의 측면이 상부보다 훨씬 더 크다. Acell은 하기로 주어지는 PV 브러쉬가 이용할 수 있는 표면적이다:
Acell = T(π)(Dρ/2)
상기에서 T는 케이블의 높이, D는 PV 브리슬의 광학 직경, ρ는 단위 면적당 브리슬의 수이다. 대부분의 광흡수는 한번에 전지의 절반에 비치는 태양으로부터 유래할 것으로 추정되므로 그 양은 2로 나눈다. 또한 산란광으로부터도 유의한 흡수 작용이 있을 것이지만, 대다수의 광자는 태양으로부터 직접 오는 것이다. 표 3은 일부 Acell 계산을 요약하며, 보다 조밀한 전지 간격 및 브리슬 높이에 따라 PV 전지 표면적이 급속히 증가함을 보여준다. "전지 간격"은 한 브리슬의 중심부터 이웃하는 브리슬의 중심까지 측정된다.
Figure pct00003
하기 식에 의해 나타낸 바와 같이, 투과 면적은 투과 깊이에 비례한다:
Apen = 광에 의해 초기 투과된 면적 = Tpen(π)(Dρ)
상기에서 Agap>>Atop이며, 광 희석도는 하기 식에 의해 나타낸다:
Apen = Tpen/T*Atotal
Apen 및 Agap으로부터(표 1), 전지 내에서 발생하는 광 희석량을 나타내는 계산을 수행할 수 있다. 광 희석은 태양광 흡수 작용을 위한 기회 및 균일한 가열을 위해 중요하다. 열점이 존재하는 곳은 어디서나 변환 효율이 급격히 하락한다. 열점을 생성하는 경향이 있는 집중광이 존재하는 곳은 어디서나, 광자 수에 대한 흡수 작용 기회의 비는 감소한다.
Figure pct00004
본 발명자들은 놀랍게도 입자 크기가 작은 박막을 사용한 일부 실시예에서 현저히 향상된 성능을 나타냄을 발견하였다. 정확한 메커니즘이 완전히 이해되지는 않지만, 그리고 임의의 특정 이론에 결부되기를 원하지 않으면서, 본 발명자들은 실험실 관찰 및 모델링에 기반하여 하기 가설을 제공한다. 이러한 실시예는 양자 구속(quantum confinement)을 이용하는 것으로 여겨진다. 특히, 일부 실시예의 구성은 양자 구속을 제어된 공정이 되도록 한다. 양자 구속의 정확한 속성은 완전히 이해되지 않지만, 그리고 임의의 특정 이론에 결부되기를 원하지 않으면서, 광전 메커니즘의 행태는 양자 구속이 발생할 때 강화된다. 예를 들어, 광자당 하나 초과의 전자가 수득될 수 있다. 또한, 더 강력한 전자가 수득될 수 있다. 각 현상은 차례대로 하기에서 논의될 것이다.
본 출원에서 개시된 일부 실시예에서 뿐만 아니라 전통적인 태양 전지에서, 하나의 광자가 전지로 들어가고, 하나의 전자가 전지 외부로 나온다(정상인 상황에서, 벌크 재료에서). 또한, 양자 구속의 정확한 속성은 완전히 이해되지 않지만, 그리고 임의의 특정 이론에 결부되는 것을 원하지 않으면서, 본 발명자들은 놀랍게도, 양자 구속 범위 내에서 매우 작은 피쳐(feature) 크기를 사용한 나노구조체의 특정 구성에 있어서, 하나의 광자 입력당 하나 초과의 전자 출력이 잠재적으로 수득될 수 있음을 발견하였다.
추가로, 본 발명자들은 놀랍게도 적어도 부분적으로 본 출원에서 "청색 이동" 현상으로 지칭되는 것에 의해 더 강력한 전자가 수득될 수 있음을 발견하였다. 특히, 곧 명백해지겠지만, 입자 크기 및 필름 두께를 조정함으로써, PV 전지가 출력을 증가시키기 위해 청색, 보라색 및 근자외선(near UV) 범위의 고 에너지 및 단파장 광자를 이용할 수 있게 될 수 있다. 전통적인 시스템에서는, 하나의 광자가 PV 전지로 들어가고 하나의 전자가 나온다. 전자는 해당 전력의 밴드갭이라 지칭되는 특정 전력을 갖는다. 다시 한번, 임의의 특정 이론에 결부되는 것을 원하지 않으면서, 본 출원에 서술된 나노구조체의 특정 피쳐에 의해, 청색, 보라색 및 근자외선 파장의 단파장, 고에너지 광이 PV 재료의 핵을 둘러싸고 있는 고에너지 전자에 도달할 수 있게 되는 것으로 여겨진다. 광 파장 및 청색 이동 현상에 관한 다양한 실시예의 조정가능성에 의해서는 약 2.1 eV의 전력 출력이 가능하다고 여겨지는 반면, 표준 "적색 영역"에 의해서는 약 1.45 eV만이 가능하다고 여겨진다. 즉, 전통적인 벌크 재료로는, 하나의 밴드갭, 즉 하나의 가용 원자가 전자만 있어서 어떠한 색상의 광이 들어오더라도 임의의 초과 에너지는 열로 변환된다. 따라서, 해당 밴드갭과 거의 완전히 일치한 적색 광자가 들어오면, 그의 에너지 대부분이 사용될 것이다. 실질적으로 더 많은 에너지를 갖는 단파장 고에너지 광자가 들어오면, 그것은 여전히 전자의 방출을 야기하겠지만 에너지 손실이 있을 것이고; 즉, 청색 광자가 갖는 임의의 초과 에너지가 열로 변환될 것이다. 보다 얇은 필름 및 보다 작은 입자는, 고에너지 광자가 원자가 쉘(valence shell)의 보다 깊은 곳으로 도달하여 고에너지를 갖는 핵에 보다 가까운 전자를 방출시키도록 함으로써, 상기 에너지를 가용할 수 있도록 만드는 양자 구속을 생성해 낸다. 고에너지 광자는 또한 각각 저에너지이며 이들의 합이 고에너지 광자의 입력 에너지와 더 가깝게 일치하게 될 두 개의 전자의 방출을 야기할 수 있다. 따라서, 일부 실시예는, 장치가 광 내에 위치될 때 장치에 연관되는 하나 이상의 광자에 대해, 광전지 나노구조체의 어레이에 연관되는 광자당 하나 초과의 전자를 생성하는 능력에 의해 특징지어진다.
양자 구속을 이용하는 실시예는 일반적으로 약 100 nm 미만의, 바람직하게는 약 1 nm 내지 약 60 nm의 범위의 작은 평균 입자 크기를 갖는 박막을 이용한다. 특히 바람직한 실시예는 그 위에 소-입자 박막의 PV 재료를 갖는 전기 전도성 나노케이블을 포함한다. 본 출원에 개시된 구성의 박막은 더 많은 변환 효과(작용) 및 양자 효과를 얻었다. 평균 입자 크기 및 필름 두께가 작을수록 양자 구속이 더 양호하며, 이로 인해 별도의 에너지 수준(보다 큰 평균 입자 크기를 사용하여 발생하는 단일의 벌크 밴드갭 에너지 수준 대비)에 접근하는 것이 가능하다. 모델링에 기반하여, 본 발명자들은 놀랍게도, 표준적인 하나의 광자가 들어가고 하나의 전자가 나오는 것과는 달리, 본 발명의 실시예는 광자가 복수의 전자를 방출시킬 수 있는 약 7-20회의 바운스 또는 통과(나노구조체에서 나노구조체까지의 핀볼링 (pinballing))를 할 수 있음을 발견하였다. 잠재적인 변환 작용의 수가 증가하므로, 매우 얇은 광전지 재료 층을 사용하는 것이 가능하다. 이는 에너지 변환 및 비용 저감 모두에 있어서 상기와 같은 접근법의 또 다른 장점이다. 또한, 더 작은 입자 크기에 의해 청색광 및 자외선이 고에너지 수준의 전자에 도달하거나 복수의 저에너지 전자를 방출시킬 수 있다. 추가로, 작은 입자는 CdTe 필름의 벌크 격자 구조를 파괴하여, 더 작은 입자 내에 포함된 작은 격자 구조로 인해 재결합 효과를 사실상 제거하는 별개의 소 원자군의 구속을 야기할 수도 있다. 이로 인해 전자가 실질적으로 더 작은 격자 구조를 통과하여 입계까지 이동하게 되며, 이후 입계에서는, 전류를 생성하는 금속 로드(rod) 구조까지 입계를 통해 용이하게 전도된다. 다수의 입계의 존재는 과거에는 평면의 두꺼운 PV 재료에서 불리한 측면으로 고려되어 왔지만, 자료가 시사하는 바에 따르면 본 출원에 개시된 구조 및 더 많은 입계를 이용하여, 장치는 실제로 전자의 유동 속도를 증가시켜 또다시 높은 전류 및 상당히 더 적은 재결합의 결과를 얻을 수 있다.
평균 입자 크기가 작은 박막을, 본 출원에 참조로 원용된 미국 특허 제 7,847,180호; 미국 특허출원 제11/466,416호; 및 미국 특허출원공개 제US-2010-0319759-A1호에 서술되고 내재된 실시예뿐만 아니라, 본 출원에 개시된 임의의 실시예 및 그의 다수의 치환에서 이용할 수 있다. 잘 알려진 양자 효과가 평면 실시예에서 발생할 것인지 여부는 현재로서는 알려져 있지 않지만, 이러한 실시예가 배제되는 것은 아니다. 필름이 너무 얇아서 광자가 들어왔을 때 바운스되어 나가기만 하고 흡수되지는 않을 수 있기 때문에 평면 필름이 잘 알려진 양자 효과를 제공하지 않을 수도 있다. 이와 상관없이, 나노케이블 상에 층을 형성함으로써 스트레스 경감, 더 적은 수의 결함, 증가된 흡수 및 다중 광자 바운스에 기인한 양자 효과 등과 같은 몇 가지 장점을 제공한다. 또한, 나노케이블에서 접합은 도전성 코어에 훨씬 가까우므로 나노케이블 상의 구조는 평면 기판에 비해서 재결합도 감소시킨다. 보다 낮은 재결합율은 일 실시예에 따른 전지의 성능에 매우 중요할 수 있는데, 이는, 낮은 재결합율에 의해, 전자들이 재결합하고 이에 따라 전지가 열로 에너지를 잃는 것의 발생 빈도가 낮아져서 장치가 고성능에 필요한 전압 및 전류 수준을 유지할 수 있기 때문이다. 또한, 나노케이블-기반 구조는 반사도를 증가시키고, 이는 광자가 나노로드 사이를 바운스하기 때문에 광자가 PV 작용을 발생시키는 기회를 증가시킨다.
모든 필름, 및/또는 나노케이블 상에 형성된 박막의 바람직한 박막 두께(예를 들어 성막 두께)는 약 1000 nm 미만이다(여기서 "약 X nm"은 "X nm ± 10%"를 의미한다). 예시적 실시예는 박막 두께가 약 100 내지 약 500 nm의 범위이고, 더 바람직하게는 약 100 내지 약 300 nm의 범위이다. 적어도 하나 이상의 PV 층의 바람직한 평균 입자 크기는 약 100 nm 미만이고, 바람직하게는 약 1 nm와 약 60 nm 사이이고, 더욱 바람직하게는 약 5 nm 내지 약 60 nm 등이다.
필름 두께 대 입자 크기의 비는 광의 특정 파장을 포획하도록 조정될 수 있다. 또한, 일부 접근법은 광의 다중 스펙트럼을 포획하기 위해 입경의 혼합을 사용한다. 예를 들어, 보다 큰 입자는 광의 장파장을 포획하기 위해 사용될 수 있는 반면, 보다 작은 입자는 고에너지/단파장 광자를 포획하여 고에너지 작용을 생성하기 위해 사용된다.
필름은 하기 서술된 바와 같은 다양한 방법에 의해 작은 입자 크기를 갖도록 형성될 수 있다. 특히 바람직한 방법은 제어된 온도 및 도금조의 음파 처리를 이용한 펄스 및/또는 역펄스 전기도금을 포함한다. 층 내에 임의의 PV 재료를 사용할 수 있다.
임의의 특정 이론에 결부되기를 원하지 않으면서, 본 발명의 다양한 실시예에 이용된 박막 구조체의 현저하게 높은 전류 결과를 설명하기 위한 또 다른 가능한 효과는, "공핍 영역"("depletion region")으로 당업계에 공지된 반도체 접합 메커니즘에 관련된 것이다. 일부 실시예에서 공핍 영역은 필름이 얇아서 장치의 p-형 및 n-형 PV 필름 전체 두께를 가로질러 연장되는 것으로 여겨진다. 이는 장치의 일부 실시예가 표준 두께의 필름 흡수체 PV 장치로서가 아니라 "MOS" 또는 금속 산화물 반도체로서 행동하는 것으로 여겨지는 것을 의미한다. 유사한 이론이 [V.G. Karpov et. al. at the University of Toledo]의 연구를 통해 이전에 보고되었다. 지금에야, 본 출원에 개시된 바와 같은 본 발명자들에 의한 발견 이후에 상기 이론은 본 실시예의 실질적으로 높은 성능을 설명하는 것을 지원할 수 있는 잠재적 메커니즘으로서 고려될 수 있다.
임의의 특정한 이론에 결부되는 것을 원하지 않으면서, 상기 MOS-형 성능의 존재는 현재 서술된 나노구조체 장치의 다양한 실시예의 우수한 성능에 대한 또 다른 설명일 수 있다. CdS 층은 얇고 PV 흡수체층은 얇아지므로 둘 모두 완전히 공핍되게 된다. 실제로 이러한 현상은 하기와 같이 서술될 수 있다: p-n 접합을 가로질러 공핍 영역이 즉각적으로 형성된다. 접합이 열평형 상태 또는 안정한 상태일 때 가장 용이하게 서술된다: 두 경우 모두에서 시스템의 특성은 시간적으로 변화하지 않고; 이들은 역학적 평형상태일 수 있다.
전자 및 정공은 개념적으로는, 잉크가 균일하게 분포될 때까지 물에 확산하는 것처럼, 전자 및 정공 농도가 낮은 영역으로 확산한다. 정의에 의하면, n-형 반도체는 p-형 영역에 비해 과량의 자유 전자를 포함하며, p-형은 n-형 영역에 비해 과량의 정공을 포함한다. 따라서, 반도체의 n-도핑 및 p-도핑 부분이 함께 배치되어 접합을 형성할 때, 전자는 p-측으로 이동하고 정공은 n-측으로 이동한다. n-측으로부터 p-측으로의 전자의 출발은 n-측에 양의 도너 이온을 뒤에 남기고, 유사하게 정공은 p-측에 음의 억셉터 이온을 남긴다. 이동에 이어, 주입된 전자는 p-측상의 정공과 접촉하게 되고 재결합에 의해 제거된다. n-측상의 주입된 정공에 대해서도 유사하다. 최종 결과는, 주입된 전자 및 정공은 사라져서, 이동성 캐리어가 없는 영역(공핍 영역이라 부름) 내의 계면에 인접하여 하전 이온을 남긴다. 보상되지 않은 이온은 n-측에서 양이고 p-측에서 음이다. 이는 전하 캐리어의 지속적인 교환에 대한 대항력을 제공하는 전기장을 생성한다. 전기장이 정공 및 전자의 추가 이동을 막을 정도로 충분할 경우, 공핍 영역은 그의 평형 범위에 도달한다. 공핍 영역을 가로지르는 전기장의 통합은 소위 빌트-인(built-in) 전압(접합 전압 또는 배리어 전압 또는 접촉 전위로도 알려짐)을 결정한다.
순방향 바이어스(이 경우 광자의 존재)(n에 대해 양인 p)는 공핍 영역을 좁히고 캐리어 주입을 위해 배리어를 낮춘다. 전류의 확산 성분은 크게 증가하고 드리프트(drift) 성분은 감소한다. 이 경우, 최종 전류는 대부분 pn 접합의 n-측 상에 있다. 캐리어 밀도가 커서(예를 들어, 이 경우 광자에 의해 유도된 전압인 바이어스 전압을 인가함으로써 기하급수적으로 변화한다), 접합이 도전성이 되게 하고 순방향 전류가 크게 된다. 전류의 수학적 기재는 쇼클리 다이오드 식(Shockley diode equation)에 의해 제공된다.
하지만, 본 발명 장치의 흡수체 및 윈도우층을 포함하는 완전히 공핍된 p 및 n 재료를 이용한 실시예에서, 한낱 실내광의 광자를 포함하여 임의의 광자의 존재에 의해, 놀랍게도, 평면 구조체에 대해 요구되는 바와 같이 그의 고유 두께로 인해 완전히 공핍되지 않는 흡수체층 내에 사용된 더 두꺼운 필름을 갖는 평면 태양 전지보다 훨씬 더 큰 전류 전도 작용이 발생할 것이다.
다시 한번 임의의 특정 이론에 결부되는 것을 원하지 않으면서, 다양한 실시예가 생성하는 현저하게 높은 전류를 설명할 수 있는 다른 가능성은 "의사 양자 효과"("pseudo-quantum effect")이다. 본질적으로, 본 발명자들은 두께가 30 Å 이하인 필름 또는 점(dots) 내에서 양자 구속 효과가 발생할 수 있음을 입증하는, 양자점 분야에서 이론화된 것과 유사한 메커니즘에 대한 이론을 제시한다. 일부 실시예의 경우에, 실제로 상기 수치보다 더 두껍지만 평면 박막 전지와 비교하여 실질적으로 덜 두꺼운 필름을 포함할 수 있는 나노구조체는, 나노로드에 인접한 상기 30Å 층 내에서 변환 작용이 발생한다면 국지화된 양자 구속 효과를 나타낼 수 있는 것으로 여겨진다. 이는 자유 전자가 도전성 코어에 도달하는 거리가 전술한 양자 구속 경계 이내임을 의미할 것이다. 유례없이, 이것이 나노구조체의 다양한 실시예가 태양광 유속(flux)에 제공하는 실질적으로 더 큰 표면적 프리젠테이션(presentation)과 결합되는 경우, 훨씬 더 많은 전류가 가능함이 입증되었다.
전술된 수직 나노구조체와 조합된 박막층을 포함하는 PV 전지의 이론 효율 한계는 약 65%-70%로 추정된다.
요약하자면, 본 발명의 일부 실시예는 하나의 광자가 들어오고 하나 초과의 전자가 나가고/나가거나 하나의 광자가 들어오고 더 강력한 전자가 나가는 놀랍고 예기치 못한 현상을 나타낸다.
도 6a-6h는 하나의 광자가 들어오고 하나 초과의 광자가 나가고/나가거나; 하나의 광자가 들어오고 더 강력한 전자가 나가는 현상을 나타내는 태양광 브러쉬와 같은 광전지 구조체를 준비하는 예시적 방법을 도시한다. 다양한 층 및 단계가 개시되었지만, 이는 예로서만 개시되었으며 실제 실시예에서는 더 많거나 적은 단계 및/또는 층이 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
도 6a와 관련하여, 기판(42)이 제공된다. 기판은 실리콘, 유리, 금속(예를 들어 Al, Ni,스테인레스 스틸), 붕소, 인산염, 실리카 유리, 폴리실리콘(예를 들어 비-단결정성 실리콘) 재료 등과 같은 임의의 적합한 재료로 구성될 수 있다. 제조 용이성을 위해서, 바람직한 기판은 반도체 또는 평판 산업에서 사용되는 통상적인 제조 장비를 이용하여 제조되는 특성을 갖는다. 예를 들어, 예시적인 기판은 200 mm 실리콘 웨이퍼, 300 mm 웨이퍼, 450 mm, 가요성 기판, 임의의 세대 및/또는 크기(현대 평판 TV에서 흔히 사용되는 2세대 내지 11세대 평판 유리와 같은) 등의 평판 디스플레이를 위해 사용된 기판을 포함한다.
선택적 접착층(44)이 기판(42)상에 형성된다. 접착층은 후면 콘택(back plane contact)을 기판에 접착시키는 것을 돕는다. 접착층을 위해 임의의 적절한 재료를 사용할 수 있다. 하나의 접근법으로서, 대략 100 내지 약 500 Å, 바람직하게는 약 500 Å 내지 약 1500 Å의 열 산화물층이 스퍼터링, 플라즈마기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD) 또는 열 드라이 또는 증기 산화(steam oxidation) 등에 의해 기판에 적용된다. 접착층(44)의 표면은 거기에 접착되는 후면 콘택의 접착을 향상시키기 위해 예를 들어 아르곤 스퍼터링 또는 임의의 적절한 불활성 가스를 사용한 RIE 스퍼터링을 통해 조면화할 수 있다. 바람직하게는, 총 두께의 약 15 내지 약 20%가 조면화에 의해 변화한다.
도 6b와 관련하여, 후면 콘택(46)이 기판에 추가된다. 후면 콘택(46)은 단층 또는 적층일 수 있다. 후면 콘택을 위해 임의의 적절한 재료 또는 재료 세트가 사용될 수 있다. 예시적 재료에는 Sn, An, Cu, C, Sb, Au, Ag, Ni, Zn 등이 포함된다. 합금도 또한 사용될 수 있다.
후면 콘택(46)의 형성을 위한 하나의 접근법으로서, 약 150 Å 내지 약 400 Å의 질화 티타늄을 접착층(44) 상에, 바람직하게는 진공 파괴 없이, 즉, 산화물 계면이 형성되지 않도록 동일한 진공 시스템 내에서 스퍼터링한다. 약 1000 내지 약 5000 Å의 알루미늄 구리 합금(99.5/0.5)을 스퍼터링에 의해 추가한다. 알루미늄 합금의 산화를 방지하기 위해 선택적인 캡층, 예를 들어 티타늄 텅스텐의 캡층을 추가할 수 있다. 캡층의 예시적 두께는 약 50 내지 약 250 Å 이다. 이어서, 약 500 내지 약 2000 Å의 니켈 바나듐(93/7)을 구조체 상에 스퍼터링하고, 이와 달리 동일한 비율의 니켈 실리콘을 사용하거나, 다른 적절한 역 강자성(counter ferromagnetic) 재료를 사용할 수 있다. 바나듐/실리콘 첨가제 등은 자기장으로 구속된 스퍼터 증착시 니켈의 강자성 특성에 맞대응함으로써 필름의 편평도 및 균일도에 도움이 되는 효과를 갖는다.
도 6c 및 6d와 관련하여, 통상적인 기술을 이용하여 후면 콘택(46) 상에 마스크(48)를 형성한다. 마스크는 포토레지스트, 폴리이미드, 중합체, 및 산화 규소 또는 질화 규소와 같은 하드 마스크 등과 같은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다.
포토레지스트를 적용하기 전에, 구조체 상에 선택적 절연층(47)을 성막할 수 있다. 하나의 접근법으로서, 약 500 내지 약 1500 Å의 플라즈마 강화 CVD(Plasma Enhanced CVD) 절연체를 적용한다. 산화물은 테트라 에틸 오르소 실리케이트(TEOS), SiO2, SiN 또는 산질화물(oxy-nitride)과 같은 임의의 적절한 플라즈마 강화 산화물일 수 있다. 절연층의 적용은 제조 용이성, 및 층의 고밀도 및 균일도 때문에 바람직하게는 PECVD를 사용하여 수행된다. 또한, CVD는 추가 열단계를 요구하지 않으며, 즉, 성막 온도가 낮을 수 있다. 박리 가능성, 및 후면 콘택 금속 필름 적층의 알루미늄 합금 부분에서의 힐록(hillocks)의 발생 때문에 하부의 금속 적층을 가열하는 것은 통상적으로 바람직하지 않다.
다른 접근법으로서, 후면 콘택과 마스크 사이에 절연층을 형성하지 않는다. 이로 인해, 어레이 구조체의 개방 영역이 PV 재료를 수용하여 PV 장치의 활성 영역 부분이 될 수 있다.
절연층이 형성되거나 형성되지 않거나 관계없이, 통상적인 기술을 이용하여 표준 포지티브 또는 네거티브 포토레지스트를 성막할 수 있다. 레지스트는 도 6d에 도시된 바와 같이, 표준 기술을 이용하여 처리(예를 들어 감광 및 패터닝)되어 비아(50) 영역을 갖는 마스크(48)를 형성한다. 포토리소그래피 공정에 의해, 이후 형성된 나노케이블과 나노케이블 자체의 치수 사이의 간격을 정의하는 마스크를 형성하여 나노케이블 어레이의 모든 치수에 대한 완벽한 제어를 제공할 수 있다. 또한, 나노케이블의 종횡비(높이 대 직경)는 비아의 직경 및 포토레지스트의 두께를 설정함으로써 제어될 수 있다. 따라서, 적절한 간격, 직경 및 높이를 선택함으로써, 잠재적으로 최소량의 재료를 사용하여 최적의 전력 출력을 제공하도록 최종 장치가 최적화될 수 있다.
절연층(47)이 존재하는 경우, 비아(50)는 예를 들어 불화 산소 플라즈마 식각과 같은 식각에 의해 절연층을 통과하여 연장되어 도전성 하층을 노출시킬 수 있다.
비아 하부의 노출된 도전성 하층은 접착력을 향상시키기 위해 스퍼터링될 수 있다. 또한, 비아를 친수성으로 만들기 위해 산소 플라즈마를 적용할 수 있으며, 이는 비아 하부에 적절한 습윤성 및 적절한 액체 충진이 되도록 도움으로써 도금 단계를 돕는다. 도전성 하층이 예를 들어 산소 플라즈마 처리, 공기 노출 등에 기인하여 산화되는 경우, 예를 들어 단기간의 시간 동안 희석 HCl 용액을 인가함으로써 산 식각(acid etch)을 수행할 수 있다.
도 6e와 관련하여, 비아를 도전성 코어 재료로 충진하여 나노케이블(52)을 형성한다. 예시적인 도전성 코어 재료는 이에 제한되지 않지만, Ni, Cu, Al, Zn, Mo 등, 및 리스트에 있고/있거나 리스트에 없는 다른 재료와 임의의 상기 금속과의 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시적 도전성 코어 재료는 NiCu, NiPt, NiBi, NiSb, NiAl 및 다른 Ni 기반 합금; Mo 및 그의 합금; Al 및 그의 합금; 등을 포함한다. 추가의 실시예에서, 나노케이블은 임의의 적절한 금속 및/또는 그의 합금으로 형성된 순수 금속 코어를 포함할 수 있다.
필요에 따라 대체로서 전기화학 증착(ECD), 저압 CVD 및/또는 스퍼터링의 조합을 사용할 수 있긴 하지만, 바람직하게는 나노케이블은 전기화학 증착을 통해 형성된다. 바람직하게는, 과잉도금된(overplated) 재료는 마스크 상부 위로 흘러서 서로 연결되는 경향이 있으므로, 나노케이블은 마스크 상부를 넘어 연장되지 않는다. 나노케이블의 종횡비는 도금 정도에 의해 설정될 수 있다.
나노케이블 직경은 약 50 ㎛부터 약 0.35 ㎛까지 변화할 수 있으며, 그의 축길이는 통상적으로 약 100 ㎛부터 약 1 ㎛까지 변화할 수 있지만, 제조용이성, 재료 제한, 이전에 논의된 다양한 재료 시스템을 이용한 추가의 치수 경계 테스트에 기반한 시스템의 전기적 반응 등을 포함하는 각종 요인에 따라 더 크거나 작을 수 있다.
다른 실시예에서, 비아 충진은 다중-재료일 수 있으며, 각 재료는 자체의 장점을 가질 수 있다. 실시예를 효과적으로 수행할 수 있도록 할 수 있는 기술 중의 하나는, 매우 균일하고 전체 기판에 걸쳐 낮은 저항률을 갖는 전술된 금속 적층을 갖는 후면 콘택이다. 이러한 구성에 의해 적절한 전류 밀도가 웨이퍼에 걸쳐 균일하게 적용될 수 있고, 따라서 나노케이블의 성장 속도가 모두 균일하고 동등하다. 이러한 이유로, 후면 금속 콘택, 유동 저항률(flow resistivity) 및 균일도가 공정에 중요하다.
도 6f와 관련하여, 마스크를 제거한다. 예를 들어, 통상적인 기술을 사용하여, 예를 들어 아세톤 또는 알콜; 오존수; NMP, TMAH 또는 듀폰 EKC162와 같은 상표등록 화학물질; 또는 포토레지스트의 청결한 제거를 위해 특수 설계된 AZ 400과 같은 유기 용매를 적용함으로써, 포토레지스트를 제거할 수 있다. 상기 레지스트를 벗겨낸 후에, 구조체를 더 청결하게 하기 위해 두 번째 세정을 수행할 수 있다. 일부 접근법에서, 알콜, 예를 들어 이소프로필 알콜, 메탄올 등을 사용할 수 있다. 다른 접근법으로서, 당업계에 공지된 종류의 산성 세정제를 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 후방 콘택층(back contact layer)(후면 콘택(46)과 혼동되지 않아야 함)을 나노케이블(52) 상부에 형성할 수 있으며, 일부 접근법에서는, 바로 위에 형성할 수 있다. 이러한 후방 콘택은 도전성 코어(나노케이블)와 그에 가장 가까운 PV 재료의 층 사이에 계면을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서 후방 콘택은, 장치의 Voc를 향상시키고 필름들의 서로 간의 접착력을 강화하기 위해 계면의 페르미 준위 및 밴드벤딩(bandbending)을 조정하는 것을 도울 수 있다.
전기 저항이 매우 낮은 후방 콘택을 구성하는 것이 일반적으로 바람직하며, 이로 인해 매우 일관된 나노케이블을 형성하는 것이 가능해지고, 차례대로 나노케이블 상에 매우 일관된 필름을 형성하는 것이 가능해진다. 특히, 후방 콘택의 매우 낮은 전기 저항은, 위에 가로놓인 층들을 형성하는 이후의 전기화학 증착 공정이 균일하게 되도록 한다. 후방 콘택의 저항이 더 높을 경우, 결과로 형성된 나노구조체가 그다지 균일하지 않으며, 차례대로 그리 균일하지 않은 필름이 형성되는 결과를 초래한다. 필름이 균일하지 않을 경우, 전지 성능이 저하되고, 더 많은 결함 또는 다른 다양한 문제를 포함할 수 있다. 따라서, 나노구조체는 더 일관될수록 더 좋다.
주어진 재료의 전기적 일함수 특성을 일치시키는 것을 돕기 위해 성능 및 밴드 벤딩 특성을 강화하고자 특수 설계된 후방 콘택은 당업계에 잘 알려진 다양한 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 후방 콘택층은 본 출원에서 제시된 것과 같은 임의의 다양한 금속 및 금속 합금으로부터 형성될 수 있다. 이러한 재료는 Sn, An, Cu, C, Sb, Au, Pd, Bi, Te 중합체, 금속 산화물, Si, SiO2, S, NiO, Ni2O5, NiS2, Zn, Sb2Te3, Ni, NiTe2, Si, SiO2, Cu, Ag, Mo, Al, Te/C, 질소 도핑된 ZnTe 또는 그의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 출원에서 제시된 것들을 포함하는 임의의 적절한 성막법을 이용하여, CuTe, SbTe, Zn/Te, Sb, Cu, Pd, Au, Ag, Bi, 그들의 합금 또는 적층된 층들은 층층이 분리되어 또는 복합체 형태로 성막될 수 있다. 후방 콘택은, 두께가 더 크거나 작을 수 있지만, 명목상 약 1 Å 내지 약 100 Å 범위의 성막 두께로 성막될 수 있다. 이러한 후방 콘택 형성에 대한 접근법은 Voc를 향상시키고 후방 콘택 전자 배리어 높이를 낮춘다.
PV 층들(54,56)과 같은 추가층들이 구조체에 추가된다. 도 6g 참조. 예시적인 PV 층은 이에 제한되지는 않으나, II-VI p- 또는 n-형 재료, III-V p- 또는 n-형 재료 등을 포함한다. 특히 바람직한 재료는 CdTe, 황화 카드뮴, 비소화 갈륨, 구리 인듐 갈륨 셀레늄, 비정질 실리콘 등을 포함한다. 추가의 실시예에서, 하나 이상의 층들은 CdTe/ZnTe, 비정질 탄화규소 a-Si1 - xCx:H, 마이크로 비정질 실리콘, Hg1CdxTex, 질화 갈륨 등을 포함할 수 있다. 추가의 실시예는 Voc 및/또는 캐리어 수명을 향상시키기 위해 오염되거나 도펀트 함량이 낮은 CdTe를 포함할 수 있다. 이러한 오염원 및/또는 도펀트는 PV 장치 및/또는 반도체에 보통 사용되는 공지된 임의의 호환가능한 고 도전성 금속을 포함할 수 있다. 하나 이상의 PV(또는 다른) 층들(54,56)이 층들의 적층, 재료의 혼합물 등을 포함할 수 있음을 주목해야 한다. 또한, 층들(54,56)은 동일한 기본 성분 또는 기본 성분의 조합, 또는 상이한 기본 성분(들)을 포함할 수 있다.
광전지 장치는 p-형 및 n-형 재료 사이에 정류 접합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, PV 층들(54,56)은 헤테로접합을 형성할 수 있다. 한 접근법에서, II-VI 화합물을 포함하는 반도체층 및 III-V 화합물을 포함하는 다른 반도체층 사이에 헤테로접합이 형성된다. 일부 접근법에서 III-V 화합물은 화학식 XY 를 갖는 재료일 수 있으며, 상기에서 X는 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 탈륨을 포함하는 그룹으로부터 선택되고, Y는 질소, 인, 비소, 안티몬 및 비스무트를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일부 접근법에서 III-V 화합물은 예를 들어 질화 갈륨일 수 있다. 질화 갈륨은 질화 갈륨 알루미늄일 수 있다. 두 번째 반도체층은 II-VI 화합물 또는 그의 합금을 포함할 수 있다. II-VI 화합물은 화학식이 X'Y'인 재료일 수 있으며, 상기에서 X'는 아연, 카드뮴 및 수은을 포함하는 그룹으로부터 선택되며, Y'는 산소, 황, 셀레늄, 텔루륨 및 폴로늄을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. II-VI 화합물은 예를 들어 텔루르화 카드뮴일 수 있다.
일 실시예는 III-V 및 II-VI 화합물 반도체 간 접합의 정류 특성을 강화하는 계면층을 추가로 포함할 수 있다. 특히, 계면층은 II-VI 화합물 및 III-V 화합물 간의 정류 헤테로접합과 같은 정류 접합을 강화시킬 수 있다. 계면층은 산화물 또는 그의 도핑된 조성물을 포함할 수 있다. 산화물은 예를 들어 산화 아연일 수 있다. 산화물은 산화 수은일 수 있다. 산화물은 산화 주석일 수 있다. 산화물은 도핑된 산화 주석일 수 있다. 도핑된 산화 주석은 아연-도핑된 산화 주석일 수 있다. 도핑된 산화 주석은 카드뮴-도핑된 산화 주석일 수 있다. 산화물은 도핑된 산화 아연일 수 있다. 산화물은 예를 들어 산화 카드뮴 아연, 산화 구리, 산화철, 산화 마그네슘, 산화 니켈, 산화 팔라듐, 산화은, 산화 스트론튬, 산화 티타늄, 산화 바나듐일 수 있다. 한 접근법에서, 계면층은 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 배치되어 III-V 및 II-VI 화합물 반도체 사이에 정류 접합을 형성할 수 있다. 다른 접근법에서, 계면층은 어느 한쪽의 반도체층 상에 또는 양쪽 모두의 반도체층 상에 배치될 수 있다. 반도체층은 예를 들어 CdTe를 포함할 수 있다. 고 일함수 재료를 사용함으로써 반도체층과 금속 콘택 간, 또는 반도체층과 다른 반도체층 간에 저저항 정공 수송이 달성될 수 있다.
헤테로접합을 포함하는 광전지 장치의 예시적 제조방법은 기판상에 III-V 화합물 반도체를 포함하는 제1 반도체층을 성막하고 제1 반도체층과 후방 금속 콘택 사이에 II-VI 화합물 반도체를 포함하는 제2 반도체층을 성막하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 추가로 III-V 및 II-VI 화합물 반도체 간의 정류 접합을 강화하기 위해 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 계면층을 성막하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 한 접근법에서, SnO2, SiO2, SnO2:Cd, SnO2:Zn 또는 CdZnO2와 같은 도핑된 또는 비도핑된 투명 산화물을 포함할 수 있는 고저항 버퍼층으로 n-형층을 덮을 수 있다. 본 출원에 서술된 성막법을 사용할 수 있다. 다양한 실시예에서 사용될 수 있으며 헤테로접합을 갖는 PV 구조체를 형성하기 위한 추가의 방법 및 재료가 본 출원에 참조로 원용된 미국 특허출원공개 제US-2009-0211637-A1호(출원인: Eaglesham)에 더 상세히 기재된다.
바람직하게는, 광이 통과할 수 있도록 바깥쪽 PV 층이 투명 또는 반투명이다.
바람직하게는, PV 층은 상기 및/또는 하기에 논의된 바와 같은 두께 및 평균 입자 크기/크기 분포를 갖는다.
PV 층을 형성하기 위한 예시적 방법은 화학적 용액 증착(chemical bath deposition), 전기화학 증착, CVD, 원자층 증착(ALD), 스퍼터링 등을 포함한다. 또한, 층들은 별도로 도핑될 수 있으며, 도핑된/비도핑된 층 등을 포함할 수 있다. 도핑은 다양한 가스 또는 화학 전구체의 주입과 함께 확산뿐만 아니라 트위스트 및 틸트 기술을 이용한 이온 주입을 포함할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 각각의 PV 층은 전기화학 증착에 의해 형성된다. 도금은 다양한 온도, 예를 들어 약 30 내지 약 90 ℃에서 수행될 수 있다. 도금 조(plating bath)는 원하는 조성을 제공하기에 적절하도록 선택할 수 있다. 예를 들어, 약 70 ℃ 미만의 조 온도에서 p-형 CdTe를 도금함으로써 적어도 하나의 PV 층을 형성할 수 있다. 한 접근법에서 CdTe 도금을 위해 조는 하기 구성성분을 포함할 수 있다:
Te 10 ppm - 500 ppm
Cd 10000 ppm - 500000 ppm
Cl 50 ppm - 1000 ppm
황산염 몰농도 0.001 - 1.0 mM(millimolar) 황산 농도
임의의 PV 층을 도금하기 위한 전기화학 증착 공정은 바람직하게는 다양한 듀티 사이클(duty cycle)에서의 펄스 도금을 포함한다. 듀티 사이클은 양 작용(온 및 오프)의 처음부터 끝까지의 전체 지속시간이다. 한 접근법은 높은 "온" 타임(예를 들어, 약 90% 보다 큰 온, 약 10% 미만인 오프; 약 95%보다 큰 온, 약 5% 미만인 오프 등과 같은, 약 70%보다 큰 온, 약 30% 미만인 오프)을 갖는 길거나 짧은 듀티 사이클을 사용하는 반면, 다른 접근법은 온 타임이 약 30%와 약 70% 사이인 길거나 짧은 듀티 사이클을 이용하고, 한편 또 다른 접근법은 더 짧은 온 타임을 사용할 수 있다. 일반적으로, 다른 도금 변수와 조합하여 원하는 평균 입자 크기를 제공하는 듀티 사이클 지속시간 및 "온" 타임을 사용하는 것이 바람직하다.
70% 이하의 온 타임을 갖는 듀티 사이클을 이용하여 보다 작은 입자 크기를 갖는 층을 형성할 수 있다고 여겨진다. 따라서, 다른 접근법은 더 짧은 "온" 타임(예를 들어, 약 90%보다 큰 오프, 약 10% 미만인 온; 약 95%보다 큰 오프, 약 5% 미만인 온 등과 같은, 약 70%보다 큰 오프, 약 30% 미만인 온)을 갖는 길거나 짧은 듀티 사이클을 이용한다. 다시 한번, 다른 도금 변수와 조합하여 원하는 평균 입자 크기를 제공하는 듀티 사이클 지속시간 및 "온" 타임을 사용하는 것이 바람직하다.
다른 접근법으로서, 역펄스 도금을 사용할 수 있다. 역펄스 도금은 펄스 도금과 유사하지만 전압을 주기적으로 반대(음의) 방향으로 스윕(sweep)하여, 성막 재료의 주기적인 제어된 디플레이팅(deplating)을 야기한다. 예를 들어 성막 주기의 총합이 디플레이팅 주기의 총합보다 더 길게 만듦으로써, 제거된 것보다 더 많은 재료가 성막되도록 변수가 설정되어야 한다.
역펄스 도금(라미네이트 도금(laminate plating)으로도 알려짐)을 포함하는 펄스 도금에 의해 성막된 재료의 핵생성 제어가 가능하다. 한 접근법에서, 성막 재료의 평균 입자 크기의 바람직한 범위는 약 1 내지 약 100 nm일 것이다.
또한, 도금 변수를 변경함으로써, 다양한 평균 입자 크기를 갖는 층들을 수득할 수 있다. 예를 들어, 평균 입자 크기가 층 성막 두께에 따라 변화하는 점진적(graded) 층이 형성될 수 있다. 또한, 다양한 크기의 입자가 동시에 형성될 수 있다. 본 출원에 제시된 기술을 이용하여, 모두가 대략 균일한 크기는 아니며; 범위에 걸쳐 변화하는 보다 작고 보다 큰 다수의 입자를 수득할 수 있음을 실험결과가 나타내었다. 따라서, 예를 들어 상기 층은 40 nm 입자, 70 nm 입자, 100 nm 입자 및 그 사이의 크기 입자를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 음파처리 또는 도금조에 음파를 인가하는 것을 도금 도중에 적용할 수 있으며, 펄스 도금과 조합하여 사용할 수 있다. 본 발명자들은 음파처리가 도금된 재료의 입자 크기를 감소시키는 것을 돕는다고 여긴다. 바람직한 음파처리 기술은, 일부 선택된 주파수에서, 주파수 사이의 스테핑(stepping)으로, 또는 주파수 범위에 걸친 스위핑(sweeping)으로 도금조에 초음파 또는 메가소닉파(megasonic waves)를 사용한다. 특히 바람직한 주파수는 KHz 또는 MHz 범위이다.
전술한 바와 같이, 본 출원에 제시된 기술을 이용하여 평균 입자 크기를 감소시킬 수 있으며, 이는 층의 성능 향상을 돕는 것으로 여겨진다.
추가로, 본 발명자들은 또한 음파처리의 결과로서 도금된 재료 내에서 유리한 밴드갭 이동이 발생할 수 있다고 여긴다. 임의의 특정 이론과 결부되기를 바라지 않으면서, 음파처리는 전기도금 필름의 전기적 지반(constituency)을 어떤 방식으로 변화시키며, 차례대로, 층이 PV 전지로서 사용되는 경우 고에너지 전자가 자유롭게 된다고 여겨진다. 따라서, 음파처리의 결과로서 밴드갭 에너지의 유리한 이동이 기대된다. 실험 관찰로부터, 기술 그 자체로서 음파처리는, 입자 크기를 감소시키는 것을 도울 수 있으며, 대략 동일한 크기의 입자를 포함하지만 음파처리 없이 형성된 다른 동일한 층보다 더 높은 밴드갭을 갖는 입자를 실제로 제공할 수 있다는 가설이 성립된다. 이러한 놀라운 결과가 PV 전지의 전력 출력을 현저히 강화시킬 것이라고 여겨진다.
본 발명자들은 또한 놀랍게도, p-형 CdTe가 도금될 수 있음을 발견하였다. 하지만 이전에는 성막된 p-형 CdTe는 도금될 수 없는 것으로 생각되었다. 오히려, 이전의 한 방법은 n-형 CdTe를 도금한 다음 열처리를 이용하여 n-형 CdTe를 p-형 CdTe로 변환시켰다. 하지만, 이러한 열처리는, 결정 구조를 재편하기 위해 열 에너지를 인가할 경우 입자가 더 크게 성장하는 경향이 있으므로 입자 크기를 증가시킨다. 본 발명의 한 실시예에서, p-형 CdTe는 저온에서 도금된다. 또한, 생성된 p-형 CdTe는 유리하게 평균 입자 크기가 작다.
본 발명의 실시예는 성능을 최대화하기 위해 조정될 수 있다. 예를 들어, 각 PV 필름의 입자 크기 및 두께는 최고의 성능을 제공하기 위해 협력하도록(work in concert) 선택될 수 있다. 예시적 입경이 전술되었다. 바람직한 PV 단일 필름 두께 범위는 약 10 nm와 약 1000 nm 사이이며, 예를 들어 약 50 내지 약 500 nm 등 이지만, 일부 실시예에서 더 크거나 작을 수 있다. 따라서 두 개의 PV 층은 누적 두께가 약 20 nm와 약 2000 nm 사이일 수 있지만, 일부 실시예에서 더 크거나 작을 수 있다.
본 출원에 개시된 브리슬 또한 양자 구속 측면에서 장점을 제공한다. 특히, 겉보기(apparent) 필름 두께, 더 작은 평균 입자 크기 및 다양한 층들의 굴절률이 함께 작용하여 양자 구속 효과를 생성하는 것으로 여겨진다. 광은 광원 등과 같은 인자에 따라 다양한 각도로 브리슬에 들어간다. 광에 대한 브리슬의 프리젠테이션(presentation) 각도는 광자가 통과하여 이동하는 필름의 겉보기 두께를 결정한다. 즉, 입사광에 대한 어레이의 방향이 일차 "겉보기 필름 두께"를 생성한다. 예를 들어, 브리슬의 종축에 대해 작은 각도로 입사하는 광은, 종축에 대해 수직으로 입사하는 광보다 겉보기 층간 거리가 더 크다. 겉보기 필름 두께는 전지 효율에 영향을 미친다. 예를 들어, 브리슬의 축이 입사광에 대해 평행 및 수직 사이의 어딘가를 향할 때 최대 효율이 달성되는 것으로 여겨진다. 따라서, 광원에 대한 브리슬의 초기 방향은 성능을 최대화하는 겉보기 필름 두께를 제공하도록 선택될 수 있다.
또한, 반사 및/또는 굴절이 다양한 층의 계면에서 발생하여, 브리슬 내부에서의 한 번의 광자 반사 및/또는 굴절에 기반한 또 다른 겉보기 필름 두께가 산출된다. 반사 및/또는 굴절은 특정 반사 및/또는 굴절률를 갖는 재료를 선택함으로써 조정될 수 있다. 따라서, 상이한 각도 또는 상이한 프리젠테이션에서 반사가 있을 때마다 광에 대한 겉보기 필름 두께가 상이해진다. 겉보기 두께가 달라질 때마다 광의 파장에 기반한 조정 효과가 있다. 따라서, 필름 두께와 관련하여, 상이한 각도로 입사하는 광자의 양자 구속 및 에너지 변환이 경미하게 상이하다. 이는 입자 크기와는 별도인 것으로 보인다. 본 발명자들은 PV 필름이 얇고 입사광이 보라색과 같은 고 주파수, 고에너지 파장을 포함하는 경우, 광은 얇은 PV 층으로 압축되어 양자 효과를 산출한다고 여긴다. 더 두꺼운 필름을 사용하는 영역 또는 실시예에서, 조정 인자는 적색광에 대해 더 효과적일 수 있다. 따라서, 프리젠테이션 각도, 재료 선택, 필름 두께 및 작은 입자 크기의 조합은 보다 넓은 광 스펙트럼을 포획하고, 이를 가능한 한 효과적으로 사용하기 위한 시스템으로서 작용한다. 브리슬 구조체 및 브리슬 사이에서 발생하는 반사 없이는, 이러한 효과의 관찰을 기대할 수 없다.
본 발명자들은 또한 θ 회전 또는 주어진 광원 위치에 대한 기판 면에서의 어레이 회전에 기반한 한 실시예에 따른 브리슬 어레이의 전력 출력에 있어서 놀라운 변화를 관찰하였다. 특히, 어레이가 회전할 때 관찰 가능한 피크 전력 출력을 포함하여, 어레이의 전력 출력은 어레이가 회전할 때 증가 및 감소한다. 임의의 이론에 결부되기를 바라지 않으면서, 나노로드의 독특한 브러쉬 구성 및 그의 특성이 이러한 현상을 일으키는 것으로 여겨진다. 따라서, 본 발명의 실시예를 이용하는 자는 전력 출력을 최대화하기 위해 θ 회전, 및 광원 위치에 대한 초기 프리젠테이션 각도의 조합을 선택할 수 있다.
한 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 각각 도전성 나노케이블 및 나노케이블 상부의 PV 층을 포함하는 광전지 나노구조체 어레이를 조정하는 방법(80)은, 어레이의 관측가능한 전력 출력을 증가시키기 위해 그의 기판 면에서 광전지 나노구조체 어레이를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 작동단계(82)를 참조. 한 접근법으로서, 어느 위치가 더 나은 또는 더 높은 전력 출력을 제공하는지를 결정하기 위해 어레이를 하나의 또는 양쪽 모두의 방향으로 회전시킬 수 있다. 이러한 회전은 낮시간 동안의 미리 지정된 시간에 주기적, 지속적 등으로 수행될 수 있다. 다른 접근법으로서, 회전 시간 및 정도가 미리 결정되고, 예를 들어 인스톨러(installer)에 의해 설정되고 적절한 시간에 자동적으로 적용된다. 일부 실시예에서, 광원 위치에 대한 어레이의 프리젠테이션 각도는 또한 어레이의 관측가능한 전력 출력을 추가로 증가시키기 위해 조정될 수 있다. 작동단계(84) 참조. 회전 및/또는 각도 조정을 수행하기 위해 전자장치 및 엑츄에이터(actuater)/모터와 같은 공지된 장치를 사용할 수 있다.
전술한 내용은 또한 방사상 구조의 속성, 및 존재하는 상이한 필름에 대해서도 이야기한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 각 필름은 또한 굴절률를 갖는다. 광이 브리슬 어레이에 입사할 때, 광은 각각의 이들 필름 계면에서 반사 및/또는 굴절되고, 이로 인해 광에 대해 상이한 굴절률을 나타낸다. 따라서, 광은 경로를 변경하고 광전지 두께 필름 그 자체에 대한 그의 겉보기 프리젠테이션을 변경할 수밖에 없게 된다. 유사하게, 광은 브리슬 외부로 바운싱(bouncing)한 다음 내부로 다시 바운싱할 수 있다. 특정 이론에 결부되기를 바라지 않으면서, 광의 프리젠테이션 및 방향의 변화, 및 각 계면에서의 각 필름의 굴절률 값은 바운싱 및 상이한 프리젠테이션의 증폭에 상응하며, 따라서, 필름의 겉보기 두께가 상이한 것으로 보여지므로 상이한 파장의 광이 상이하게 반응하도록 한다. 즉, 광자의 굴절률이 변화하기 때문에 필름 두께는 변화하지 않지만, 겉보기 두께는 변화한다.
또한, 일부 실시예에서 나노로드 구성은 나노로드의 상부로 들어오는 광을 포획하는 "광파이프(lightpipe)"를 생성하는 다중 반사 작용을 발생시킨다. 광파이프 효과에 의해 나노로드에 광이 포획되는 경향은 효율을 증가시킨다.
따라서, 적층 필름을 갖는 나노로드 구조체는, 광을 상이하게 굴절 및/또는 반사시키는 상이한 굴절률 값이 가능하도록 하고 각각의 파장의 광에서 광자가 포획되고 그들의 포텐셜에서 사용되도록 하는 것으로 보이며, 즉, 고에너지 광자로부터의 변환 작용이 저에너지 광자에서의 변환 작용보다 더 높은 출력 전압을 생성한다. 이러한 현상은, 주어진 특정 표면적에 대한 더 큰 전류 및 전압이 장치 외부에서 달성되었으므로, 본 발명자들에 의해 간접적으로 관찰되었다. 정확한 메커니즘이 알려지지는 않았지만, 전술한 내용은 이러한 놀라운 현상을 적어도 부분적으로 설명하는 것으로 여겨진다. 일부 실시예에서, 발명자들은 cm2(평면)당 48 mA의 출력을 관찰하였다. 상기 양의 20 배까지 가능한 것으로 여겨진다.
도 6g와 관련하여, 이 실시예에서 n-형 PV 재료(56)는 p-형 PV 재료(54) 상에 형성된다. 접착 재료는 존재하지 않는다. 하지만, 접합을 향상시키기 위해 계면 변경을 수행할 수 있다. 이러한 계면 변경은 p-형 층 식각, p-형 층 세정 및/또는 다양한 열 확산 활성화 단계 수행을 포함할 수 있다. 열 확산 공정은 전기적 콘택을 향상시키기 위해 접합 계면 경계를 가로질러 재료의 확산을 촉진한다. 식각은 카드뮴을 고갈시켜 계면에서 더 많은 텔루륨 사이트가 존재하도록 한다. 예를 들어 황화 카드뮴이 위에 가로놓인 n-층으로서 사용되면, 황은 개방된 텔루륨 결합 사이트로 끌어당기는 경향이 있고 인접한 층으로 추가로 몰리게 될 것이다.
일부 실시예에서 p-형 또는 n-형 층의 입자 경계를 패시베이션하는 처리가 적용될 수 있다. 이는 또한 전기적 성능을 향상시킨다. 한 접근법으로서, PV 재료의 하나 이상의 염화물이 층에 적용된다. 예를 들어, CdCl2, TeCl4 등이 사용될 수 있다. 또한, 상이한 재료를 사용한 연속적 또는 동시 처리가 적용될 수 있다. 처리법은 근접 승화법(close space sublimation), 직접 도포 등을 포함한다.
도 6h와 관련하여, 상부 도전층(58)을 구조체 상에 적용하며, 이는 결과적으로 통상적인 방법으로 전력 리드에 연결될 수 있다. 상부 도전층은 임의의 적절한 도전성 필름, 바람직하게는 투명 또는 반투명한 도전성 필름일 수 있다. 예시적 재료는 도펀트를 포함하는 산화 아연, 산화 인듐 주석 등과 같은 금속 산화물; 투명 도전성 산화물(TCO); Cd2SnO4; 등을 포함한다. 상부 도전층은 어레이의 내구성을 향상시키기 위해 보다 얇은 컨포멀(conformal) 층 등으로서 전체 필름(full film)(도시된 바와 같이)으로 적용될 수 있다. 버퍼층도 또한 포함될 수 있다. 예를 들어, Zn2SnO4, TiO2 등이 TCO 버퍼층으로서 추가될 수 있다.
또 다른 접근법으로서, ALD, CVD 등과 같은 임의의 적절한 기술을 이용하여 전기 전도성이 없거나 거의 없는 비도핑 층을 도포한다. 이어서 비도핑 층은 B, Al, Zn, Ga 등과 같은 도전성 재료로 도핑된다. 한 접근법으로서, 질량 흐름 제어(mass flow control) 또는 버블러(bubbler)를 통해 주입된 전구체 화학물질로서 CVD 공정 도중에 도펀트를 적용할 수 있다. 이어서 화학 기상 증착 공정 중에 진공 시스템의 자유 화학작용(free chemistry)에 의해 도펀트가 필름으로 통합될 것이다. 이러한 CVD는 약 400 ℃ 미만, 바람직하게는 약 200 ℃ 미만의 온도에서 수행될 수 있다.
하나의 특히 바람직한 접근법으로서, 도핑된 산화 아연층을 상부 도전층으로서 사용한다. 저온 성막된 산화 아연은 확산 그레이트(grate) 또는 반사 배리어로서 작용하는 표면 결정 조도 및 수직 결정 방향을 갖는다. 이들은, 광자가 반사성 표면과 상호작용을 하고자 하고 도전성 사이트를 향해 입자 경계를 통한 깔때기 이동(funnel)을 하는 경향이 있으므로, 입자 경계 사이의 광자를 채널링하는 것(channel)을 돕는다. 따라서, 도핑된 산화 아연은 PV 층을 향한 광자의 우선적인 채널링과 함께, 채널링뿐만 아니라 반사체를 제공한다.
추가의 접근법은 상부 도전층을 위해, 붕소 도핑된 산화 아연, 불소 도핑된 산화 아연, 갈륨 도핑된 산화 아연 및 알루미늄 도핑된 산화 아연과 같은 도핑된 투명 도전성 산화물을 사용한다. 또한, 산화 인듐 주석 등과 같은 다른 종류의 도전성 산화물을 사용할 수 있다. 투명 도전성층은 또한 재료의 속성, 그의 성막 특성, 형성 방법 및 온도에 의해, 또는 식각, 또는 필름의 반사 방지성 및 광 포획 특성을 추가로 강화하기 위한 다른 화학적 처리와 같은 이차 처리에 의해 추가로 질감처리(textured)될 수 있다. 이러한 이차 방법은 나노로드 구조체의 광 포획 및 광자 포착 효율을 총체적으로 추가로 강화할 것으로 기대된다.
도핑층이 사용되는 경우, 비도핑층이 상부 투명 도전층 및 PV 층 사이에 존재할 수 있다. 이러한 비도핑층은 도핑층과 동일한 산화물일 수 있지만, 바람직하게는 어떤 도펀트도 함유하지 않으며 따라서 실질적으로 덜 도전성일 것이다.
추가의 접근법에서, 플라즈마-강화 질화 규소 또는 이산화 규소의 하전층과 같은 패시베이션층이 상부 투명 도전층과 PV 층 사이에 존재한다. 이러한 추가의 표면 필름은 n-형 PV 층과 투명 도전성 산화물층 사이의 계면을 패시베이션하기 위한 하전 상태를 제공한다.
일부 접근법에서, PV 재료가 브리슬 사이의 면상에 존재한다. 다른 접근법에서, PV 재료는 나노로드 상에만 존재한다. 로드 사이에 광전지 재료가 존재하는 경우 그 표면적에 의해 광이 포착될 수 있다. 광이 포착되므로, 전지의 출력이 증가한다.
나노로드 구조가 자연적인 스트레스 경감 양상을 가짐이 또한 언급되어야 한다. 따라서, 더 적은 제조결함 및 최소한의 박리작용을 기대할 것이다.
본 발명의 한 실시예는 빌트인 인버터를 포함한다. 예를 들어, 에너지를 직류(DC)에서 교류(AC)로 변환시키는 전자장치가 장치상에 구축될 수 있다. (최신 기술 PV 장치는 추후에 완성된 모듈에 납땜되는 별도의 장치인 인버터를 일반적으로 포함한다). 인버터를 생성하기 위해 표준 CMOS 공정(예를 들어 마스킹, 주입, 확산, 성막 등)을 사용할 수 있다. 한 접근법으로서, 전술된 실리콘을 불활성인 채로 사용하기보다는 실리콘을 활성화하여 인버터를 형성한다. 따라서, 각 웨이퍼는 자체 인버터 또는 인버터 세트를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 태양광 집열 전지의 매 cm2당, 전체 웨이퍼 자체가 이제 인버터가 되도록, 실리콘에 구축된 상응하는 인버터 구조가 존재한다. 상기 웨이퍼로부터 나오는 전력은 AC로서 통과할 것이다.
일부 실시예에서 구조체의 전면으로부터 전기를 수집하는 것을 돕기 위해 전방 버싱(bussing)을 사용할 수 있다. 또한, 후방 도전체에 대한 콘택 지점이 또한 제공될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 전방 콘택 및 후방 콘택 모두가 웨이퍼의 전면(front)상에 접근가능하다. 또한, 웨이퍼 어레이에서 다양한 웨이퍼를 연결하기 위해 리드 프레임을 사용할 수 있다. 리드 프레임은 모듈 안에 놓이고, 후방 콘택 및 전방 콘택 모두로부터 전기를 전도하기 위해 적절한 지점에서 웨이퍼 전면상의 콘택과 접촉되거나 연결되는 금속의 스탬핑된(stamped) 부분일 수 있다.
한 접근법으로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 전방 콘택(70) 및 후방 콘택(72)은 전압 강하를 최소화하기 위해 전류 흐름의 방사상 거리를 최소화하도록 사분면으로 배열된다. 일부 실시예에서 후방 콘택 자체는 구조체의 후방에서 매우 낮은 저항을 갖는 연속 금속층이며, 예를 들어 웨이퍼의 후방 전체가 도전성 면이다. 따라서, 후방 콘택에 홀이 식각될 수 있다. 리드 프레임(74)이 홀 내에 삽입될 수 있다. 웨이퍼 전면(front) 상에서, 전면 버스(buss)가 웨이퍼상의 적절한 콘택에 결합된다. 리드 프레임의 두 번째 도전성 부분은 이들에 연결될 수 있다.
리드 프레임은 웨이퍼 어레이를 함께 연결시킬 수 있다. 리드 프레임의 끝부분들(tips)은 임의의 전기 전도성 재료, 예를 들어 Al, Cu 등으로 구성될 수 있다. 끝부분들은 천연 금속일 수 있으며, 리드 프레임의 다른 영역은 이들의 절연을 위해 수지에 담궈질 수 있다. 복수의 웨이퍼 세트를 함께 연결시키기 위해 리드 프레임의 에지 버스 배열 및 중심 버스 배열을 사용할 수 있고, 리드 프레임은 전력 출력 콘택을 형성하기 위해 모두 함께 결합될 수 있다.
한 실시예에서, 브리슬 어레이는 가요성 금속성 기판에 연결된다. 한 접근법에서, 나노케이블은 상술한 것과 유사한 희생 마스크 내에 형성된다. 예를 들어 도 6e 및 관련 기재 참조. 하지만, 이를 제거하는 대신, 비아홀 하부에 산화 니켈(또는 다른 일부 재료)의 박층이 존재하여, 하부의 형성 기판으로부터 나노케이블이 추후에 분리될 수 있게 한다. 나노케이블은 비아 안으로 도금되어 그 홀 밖으로 어느 두께 또는 깊이까지 채워지도록 한다. 과도 충진된 것은 함께 성장하여 나노로드를 상호연결하는 층을 형성한다. 포토레지스트가 용해되어, 가요성 금속 기판(과다도금된 재료)에 의해 함께 연결된 나노케이블을 남긴다. 도금 전에 상기 홀의 하부의 산화 금속 박층으로 인해 하부 기판으로부터 나노케이블이 분리될 수 있다. 도치시키면, 생성된 구조체는 프리 스탠딩(free standing) 고형 코어 금속 나노로드의 가요성 어레이이다. 어레이 상에 PV 및 다른 층의 추가와 같은 추가의 공정이 수행될 수 있다. 하지만, 기판은 가요성 및 금속성이다. 이로 인해, 예를 들어 본 출원에 개시된 임의의 기술 및/또는 당업계에 공지된 다른 기술을 이용하여 가요성 PV 어레이와 같은 것의 제조가 가능하다.
도 5a-5h는 금속 기판 및 CdTe 및 CdS의 브리슬을 포함하는 태양광 브러쉬(10)의 예시적 제조방법을 도시한다. 도 5a에 도시한 바와 같이, 초순수(예를 들어 18 MΩ) 및 에탄올을 교호 방식으로 이용한 음파처리에 의해 기판을 제조한다. 예를 들어, 금속 기판은 초순수를 이용하여 10분 동안 음파처리된 다음, 순수 에탄올로 10 분 동안 음파처리될 수 있고, 이러한 물-에탄올 세정 사이클을 2회 이상 반복할 수 있다. 원할 경우, 사이클을 3 회 이상 또는 미만으로 수행할 수 있으며/있거나, 초기 세제-물, 산-물 세정 또는 NaOH/NaCN/세제 전기연마 공정을 추가할 수 있다. 적절한 세정의 종류 및 양은 기판(12) 세정을 무엇을 이용하여 시작할 것인지 및 기판(12)이 제조되는 재료의 종류의 함수일 것이다.
기판(12)은 도전성 재료(예를 들어 금속) 또는 도전층이 코팅된 비도전성 재료(예를 들어 유리 또는 중합체)일 수 있다.
도 5b는 PV 전지 내에서 p-층 도전체로서 작용하는 제1 도전층(14)으로 코팅된 기판(12)을 도시한다. 제1 도전층(14)은 이에 제한되지는 않지만 금, 구리, 니켈, 몰리브덴, 철, 알루미늄, 도핑된 실리콘 및 은을 포함하는, 당업자에 의해 적절한 것으로 여겨지는 임의의 잘 알려진 도전성 재료일 수 있다. 한 실시예에서, 실온에서 5 x 10-6 mbar 이하의 압력으로 전자빔 성막기를 이용하여 0.2Å/s로 유리 기판상에 500 nm의 금층을 성막한다. 다른 실시예에서, 50 mM H2SO4에 용해된 Na3AuSO3 또는 구리염을 이용한 무전해 도금을 이용한다. 기판(12)의 금속화 후에, 제1 도전층(14)의 표면을 초순수(예를 들어 1분간)로 헹구고, 에탄올로 헹구고, 질소로 건조시킨다.
도 5c는 브리슬(20)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 템플릿(30)을 도시한다. 템플릿(30)은 도전성 기재상에 구성될 수 있는 멤브레인 또는 다공성 구조체일 수 있다. 멤브레인(30)의 선택은 제조되는 PV 전지의 상세사항에 따라 달라진다. 상이한 p/n 조합은 상이한 두께 필요조건을 가지며 따라서 상이한 케이블 크기 필요조건을 갖는다. 200 nm Ni와 같은 얇은 도전성 재료를 먼저 성막한 다음, 200 nm SiO2 또는 Si3N4와 같은 절연층을 성막하고, 대략 3-20 ㎛의 폴리이미드 또는 포토레지스트 중합체를 스핀 코팅하여, 얇은 금속성 또는 산화물 하드 마스크 및 또 다른 포토레지스트 상에 선택적으로 층형성(layering)을 함으로써, 멤브레인을 형성할 수 있다. 이와 달리, 템플릿은 엠보싱 가능한 재료를 이용하여 제조될 수 있다. 이와 달리, 임의의 수의 기하학적 구조의 홀이 생성되도록, 구조화된 기판내에 중합체를 채우고 기판으로부터 중합체를 제거함으로써 템플릿을 제조할 수 있다. SiO2를 CVD를 통해 얇은 멤브레인에 도포하고, 양 층을 통해 홀을 생성하는 엠보싱 장치를 멤브레인이 통과하는 경우와 같이, 재료를 완전히 통과하기 위해 엠보싱이 사용될 수 있지만, 엠보싱 이후에 산화물을 일소하여 중합체 홀의 기하학적 구조를 향상시키는 식각 단계가 선택적으로 뒤따를 수 있다. 항상은 아니지만 통상 가열되는 나노 또는 마이크로 엠보싱 장치가 엠보싱을 생성시킨다. 첫째, 포토리소그래피를 이용하여 통상 35 nm 내지 수 마이크로미터인 홀을 갖도록 하드 마스크를 패터닝한 다음, 딥 식각(deep etching)을 실시한다. 부산물 흐름이 비아에서 떠나도록 하기 위해 식각시 펄스를 가한다. 비아가 형성되는 동안 상부 포토레지스트를 제거한다. 절연층에 비아가 형성된 후에, 절연체를 통한 식각 이전에 아마도 불화 중합체인 중합체 코팅을 비아에 추가할 수 있다. 절연체 비아가 식각된 후에, 도전체상의 산화물은 제거되어야 한다. 산화물을 제거하기 위해서 니켈과 같은 금속에 대해 HCl 용액 또는 100:1 HF 또는 반응성 H+가 사용되어야 한다. 전기화학 증착 전에 환경 관리 또는 침수가 수행되어야 한다. 모든 경우에서, 전기화학적으로 증착된 나노 또는 마이크로 케이블의 접합력이 양호하기 위해서는 표면의 산화물 수준이 최소인 것이 중요하다. 전기화학 증착 전에, 멤브레인(30)을 침수시키고 5분간 음파처리함으로써 기공에서 기포를 제거하였다. 전지가 서로 영향을 미치는 경우 한 영역 내에서의 결함을 피하도록 전지 상에 분리된 영역을 형성하기 위해, 후방 콘택에 식각, 스크라이빙, 레이저 제거 등이 수행될 수 있다. 도금을 위해 임의의 수의 행이 분리될 수 있도록 별도의 열들을 버스(buss)시키거나 금속 및 절연체 성막과 조합시킬 수 있다. 한 행의 CdTe 및 한 행의 CIS 형 제품을 제조할 수 있다. 추가로, 바스켓 직조형 성막에 의해 두 개마다 하나씩의 브리슬이 교대로 다른 두께 및 조성을 갖는 어레이를 제조할 수 있다. 이어서 F:SnO와 같은 투명 도전성 산화물이 도포된다. 브리슬의 기저부가 확대되고 높은 종횡비의 스퍼터링 및 CVD와 같은 성막 기술이 가능하도록 하는 충분한 곡률을 제공하도록 하기 위해 식각을 수행할 수 있다. 광전지를 활성화할 수 있을 정도로 충분히 투명 도전성 산화물(TCO) 도포가 뜨겁도록, 액체 투명 도전성 산화물(TCO)도 또한 존재한다. 이와 달리, 10X 기술에 의해 제조된 멤브레인과 같이 중합체가 그 위에 분무된 금속성 포스트(post)를 갖는 실린더를 사용하여 멤브레인을 연속적으로 형성할 수 있다. 다른 대체 기술은 종이 및 기저귀 제조업자에 의해 이용된 것과 같은 통상적인 엠보싱 기술을 이용하여 두꺼운 폴리프로필렌 필름을 엠보싱하는 것일 것이다. 멤브레인이 충분히 두꺼울 경우, 기판을 냉각하면서 상부를 가열한 다음, 고무 롤러(squeegee), 닥터 블레이드(doctor blade), 에어 나이프 등을 통해 힘을 가하여 멤브레인 내의 기공이 틸트되도록 하는 것이 가능하다.
이와 달리, 10X 기술에 의해 형성된 멤브레인과 같이, 중합체가 그 위에 분무된 금속성 포스트를 갖는 실린더를 이용하여 멤브레인을 연속적으로 형성할 수 있다. 또 다른 대체기술은 통상적인 엠보싱 기술을 이용하여 두꺼운 폴리 프로필렌 필름을 엠보싱하는 것일 것이다.
멤브레인(30)의 선택은 제조되는 PV 전지의 상세사항에 따라 달라진다. 상이한 p/n 조합은 상이한 두께 필요조건을 가지며, 따라서 상이한 케이블 크기 필요조건을 갖는다. 전기화학 증착 전에, 멤브레인(30)을 세정하고 멤브레인(30)을 메탄올에 침지하고 5분간 음파처리함으로써 기공으로부터 기포를 제거한다.
도 5d는 제1 도전층(14)으로 코팅된 기판(12)에 연결된 멤브레인(30)을 도시한다. 멤브레인(30)을 도전성 기판(12) 또는 금속화된 비도전성 기판(12)에 연결하는 수많은 방법이 있다. 예를 들어, 멤브레인을 표면에 고정시키기 위해 도전성 접착제(glue)로서 TiO2 용액을 사용할 수 있다. 이와 달리, 라디오닉스 실버 컨덕티브 페인트®(Radionics Silver Conductive Paint®)를 사용하여 멤브레인을 고정시킬 수 있다. 일부 기판은 접착력을 요구하지 않는다. 멤브레인은 표면 콘택이 양호하다면 기판의 상부 상에 단순히 배치된다. 이와 달리, 멤브레인은 초음파 용접을 이용하여 클램프로 표면에 부착되거나, 표면과 멤브레인을 지그로 조립함으로써 표면에 부착될 수 있다.
일부 접근법에서, 산화물 제거시와 같이 절연체 필름을 통한 최종 식각이 여전히 요구될 수 있다.
템플릿 형성 후에, 임의의 수의 용액을 사용하여 나노 또는 마이크로 케이블을 형성할 수 있다. 니켈은 MEMS 장치에서 광범위하게 사용되며, 많은 PV 장치에 있어서 후방 콘택으로서 호환가능하다. 템플릿에 적절한 광범위한 상업용 니켈조(nickel baths)가 있다. 일반적으로 정밀한 브리슬을 위해 정전위 성막이 선호되지만, 정전류 성막에 대해서도 공정이 용이하게 수행될 수 있다.
한 접근법으로서, 마이크로 또는 나노 케이블이 형성된 후, 배럴 애셔(barrel asher)를 이용하여 중합체를 애싱하여 제거(ashed away)하거나, 유사한 플라즈마 및 습식 식각하여 잔류물을 제거한다. 도금하기 전에, 양질의 후방 콘택을 생성하기 위해 나노 또는 마이크로 브리슬상에서 산화물 제거 공정을 반복한다. 산성 CdTe 도금은, 약 1.75의 pH에서 Te 농도의 약 100 배인 TeO2 및 CdSO4로부터의 포화 Te로 수행된다. 조를 청결하게 하고 어떤 오염원도 조에 들어오지 못하도록 주의를 기울여야 한다. 60 ℃와 90 ℃ 사이의 조 온도, 다른 접근법에서는 약 70 ℃ 미만, 예를 들어 약 35 ℃ 내지 약 69 ℃인 조 온도에서는 어디서나 CdTe의 정전위 성막이 수행될 수 있다. p 형 CdTe를 경미하게 전달하기 위해 포텐시오스타트(potentiostats)를 0.3 과 0.8 V 사이로 용이하게 조정할 수 있다.
CdTe 성막 후에, 물 또는 메탄올 내에서 약 1%인 CdCl2를 CdTe 두께 및 CdCl2 처리의 농도에 따라 100 내지 500 ℃로 30초 내지 45분간 표면에 접촉하여 또는 표면 가까이에서 가열한다. CdTe 성막에 이어서, 65 내지 80 ℃에서 공지된 티오요소 또는 티오황산염 조를 이용하여 전기화학적 또는 침지 CdS 도금을 수행한다. 최종적으로 산화 인듐 주석 또는 불화 산화 주석 코팅을 전지에 적용하고 전지의 제조를 완성한다. 이어서 스파이어사(Spire Corporation)에 의해 제조된 것과 같은 전통적인 장비를 이용하여 전지를 라미네이트 시킬 수 있다.
표면에 EVA, 고무 또는 그의 조합을 적용하기에 충분한 여유가 있는 비도전성 내열성 시트 상에 전지가 제조될 수 있다. 이어서 상대적 투명성, 내충격성을 갖고, 습기 침투, 물리적 충격, 극한 온도와 같은 환경적 손상을 견딜 수 있도록 시트를 가열 밀봉할 수 있다.
도 5e는 멤브레인(30) 및 기판(12)상에 금속(32)을 성막하는 것을 도시한다. 예시적 도금 공정에서, 메탄올 대 물의 몰비가 1:1인 용매에 용해된 0.07M 트리플루오로 아세트산 및 0.26M SnCl2에 5 내지 45분간 침지시킴으로써, Sn 증감제를 멤브레인(30)에 적용한다. 멤브레인을 메탄올로 헹군다. Sn2 +이 기공벽 및 멤브레인의 외부 표면에 부착된다. 이어서, 멤브레인을 0.029M 암모니아성 AgNO3 수용액에 5분간 침지시킨다. 이는 Sn2 +가 Sn4 +로 산화되고 Ag+가 원소성분 Ag로 환원되는 산화환원 반응을 야기한다. 일부 산화은도 또한 발생한다.
기공벽 및 멤브레인(30)은 별도의 나노미터 스케일의 Ag 입자로 코팅되게 된다. 멤브레인을 에탄올로 헹구고 물에 침지시킨다. 이어서 멤브레인을 ~0 ℃의 온도를 갖는 7.9 mM Na3Au(SO3)2/0.127M Na2SO3/0.625 M 포름알데히드 용액에 침지시킨다. 멤브레인 내에서 나노케이블이 완전히 형성되는 시간인 10 내지 24 시간(시간은 기공 크기에 따라 달라짐) 동안 금 도금을 계속한다.
멤브레인 내에 재료를 성막하는 다른 방법은 전기분해 또는 원심분리 졸-겔법, 전기화학적 원자층 에피택시, 화학기상 증착법, 스퍼터링, E-빔 증착, 열증착, 전자빔 리소그래피 및 주사 탐침 리소그래피의 이용을 수반한다. 이와 달리, 나노케이블에 강도를 부여하거나 n-층 도전체에의 더 나은 전기적 연결을 부여하기 위해 용액에 공지된 첨가제를 용해시킬 수 있다. 바람직하게는, 금속이 멤브레인, 기판의 모든 노출된 영역을 커버하고 기공을 채운다. 금 도금 이후에, 멤브레인을 물에 적시고 3시간의 기간에 걸쳐 4회 헹구고 25% 질산에 12시간 동안 침지시켜 잔류 Sn 또는 Ag를 제거한다. 최종적으로, 멤브레인을 물로 헹구고 공기 건조시킨다. 증발 금속 증착도 또한 도 5b에 도시된 것과 동일한 방법으로 수행될 수 있다.
이와 달리, 멤브레인을 홀로 무전해 도금 용액에 위치시킬 수 있다. 상부, 하부, 측부 및 기공이 금속화된다. 멤브레인(30)을 상술한 바와 같이 금속화된 기판(12)에 접착시킬 수 있다.
원할 경우, 멤브레인(30) 상에 보호 커버를 형성하기 위해 원자층 에피택시를 사용할 수 있다. 원자층 에피택시는 전기화학 에피택시에 대한 대안으로서 사용될 수 있다.
도 5f는 기판(12)에 부착된 도전성 케이블(나노와이어)(32)를 남긴 채 멤브레인(30)을 제거하는 것을 도시한다. 멤브레인 제거는 가장 흔하게는 용매 추출에 의해 수행된다. 종종 부분 멤브레인 제거가 바람직하다. 층구조 멤브레인은 균일한 부분 용해가 더 용이하게 달성되도록 한다. 일반적으로, 중합체 또는 포토레지스트 멤브레인을 제거하기 위해 애싱, RIE 또는 용매 세척을 사용한다.
도 5f에 도시한 바와 같이, 멤브레인(30)은 용매 또는 제거 기술이 중합체 또는 포토레지스트에 대해서는 높은 선택성을 갖지만 절연층은 이후에 온전하게 남기도록 속성이 이원적일 수 있다. 이와 달리, 멤브레인이 완전히 용해되고, 스핀 코팅, CVD 등과 같은 임의의 적절한 방법을 이용하여 절연층이 성막될 수 있다.
절연층(16)은 n-층 및 p-층으로부터의 전류가 단락하는 것을 방지할 수 있다. 절연층은 또한 PV 재료가 나노케이블에 성막되는 것을 제한할 수 있다. 절연은 이웃하는 것에 영향을 미치는 한 케이블의 결함의 영향을 제거하므로, 전기도금과 같은 공정이 실행가능해진다. 또한, 결함을 제거하기 위해 나노케이블의 직경이 핀홀 직경보다 상당히 작도록 나노케이블의 특유의 직경을 감소시킴으로써 결함이 최소화된다.
전기도금은 장비 가격이 낮고, 원하는 영역에 추가하여 챔버를 통해 재료를 성막하는 스퍼터링 및 CVD와 같은 다른 공정에 비해 상대적으로 재료 보존이 양호하므로 바람직한 공정이다. 디클로로메탄에 대한 다양한 노출 시간을 이용하고 주사 전자 현미경을 이용하여 멤브레인 두께를 변화시킴으로써 두께를 용이하게 결정할 수 있다.
모든 멤브레인(30)이 제거되면, 과량의 재료가 소비된다. 절연층(16)을 형성하기 위해 보다 얇은 절연 재료 또는 멤브레인(30)이 제조된 재료 이외의 재료를 원할 경우, 상기 공정을 사용할 수 있다. 이 경우에, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 이용하여 약 1 ㎛의 두께로 기판(12)상에 원하는 재료를 스핀 코팅할 수 있다. PMMA는 멤브레인 접착제 및/또는 절연체로서 작용할 수 있다. PV 전지에 적용될 수 있는 임의의 절연 재료는 중합체, 이산화 규소 또는 적용중 적절히 치수 제어가 될 수 있는 임의의 절연체와 같은 것이 있다. PC 멤브레인을 PMMA 상부에 위치시키고 약 1 시간 동안 약 100 ℃에서 베이킹할 수 있다.
일부 실시예에서, 절연층은 완전히 제거된다. p 및 n 층이 적절히 생성되는 한, 도전층과의 직접적인 접촉이 가능하다.
다른 실시예에서, 멤브레인의 부착 후에 절연층 내에 홀이 생성된다. 예를 들어, 나노케이블(32)이 제1 도전층(14)과 연결되도록 절연층(16)을 통해 구멍을 뚫기 위해, 산소를 이용한 반응성 이온 식각(RIE) 및/또는 습식 식각을 사용할 수 있다.
다른 실시예에서, 이 경우 절연층(16)인 하부층 내의 기공을 식각하기 위한 마스킹층으로서 멤브레인이 실제 사용될 수 있다.
도 5g는 p-형 반도체층(34)의 성막을 예시한다. 예를 들어 p-형 반도체가 CdTe인 경우, 95C로 순환시키고 72C로 냉각시킴으로써 50 mM H2SO4 + 1 mM CdSO4 + 0.1 mM TeO2 용액을 이용하여 전기화학 증착이 수행된다. 참조 전극은 Ag/AgCl/3 M NaCl일 수 있고 카운터 전극은 금 와이어일 수 있다. 질소 건조를 이용하여 성막 단계들 사이에 초순수(예를 들어 18MΩ) 린스를 수행한다. 나노케이블로의 Cd 확산을 방지하기 위해 Te 박층이 성막될 수 있다. 90℃에서 pH 1.6인 0.5M CdSO4 및 2.4 x 10-4 M TeO2 수용액으로부터 전기화학 전지 내에 CdTe 층이 성막될 경우, 화학양론적 필름에 대한 최적의 성막 전위는 도금되는 표면에 따라 변화하지만 통상적으로는 300과 900 mV 사이이다. CdTe는 또한 암모니아 용액에서 성막되는 것이 공지되어 있다. 브리슬 표면상의 Te 성막은 PV 장치 코어로의 Cd 확산을 제거할 수 있다. CdTe 층은 또한 ECALE(전기화학 원자층 에피택시), ALD(화학기상증착 시스템 내의 원자층 성막) 또는 졸-겔에 의해 성막될 수 있다. CVD 관련 방법과 같은 비-전기도금 공정이 사용될 경우, 절연층을 노출시키고 나노구조체 간을 분리시키도록 구조체의 기저부에서 p-형 층(24)을 제거하기 위해 식각이 사용될 수 있다.
도 5g는 또한 n-형 반도체층(36)의 성막을 도시한다. n-층 반도체가 CdS인 경우, CdS 성막은 약 40-70 ℃의 온도로 가열된 1.5 mM SC(NH2)2, 1.5 mM Cd SO4, 및 2 mM NH4OH에서 수행된다. 이러한 조건하에서, 4.5분 노출시킴으로써 약 30 nm의 CdS 층이 형성될 것이다. CdS 층은 또한 ECALE(전기화학 원자층 에피택시), ALD(화학기상증착 시스템 내의 원자층 증착) 또는 졸-겔에 의해 증착될 수 있다. 다시 한번, CVD 관련 방법과 같은 비-전기도금 공정이 사용될 경우, 절연층을 노출시키고 나노구조체 간을 분리시키도록 구조체의 기저부에서 p-형 층(24)을 제거하기 위해 식각이 사용될 수 있다.
도 5h는 PV 회로를 완성하는 제2 도전층(18)의 성막을 도시한다. 제2 도전층(18)은 원자층 에피택시를 이용하여 추가될 수 있다. 이러한 성막은 나노케이블을 접촉시키지 않고 제2 도전층을 n-도전체의 기저부에 연결한다. 이와 달리, 무전해 금속의 박층은, 금속이 적절한 투명도를 유지할 정도로 충분히 얇게 남아 있는 한, 도 5b에 도시된 공정에서와 같이 코팅될 수 있다. 또 다른 대안은 회로를 완성하기 위해 나노케이블의 외부에 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 폴리[2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-p-페닐렌-비닐렌](MEH-PPV), 폴리(페닐렌 비닐렌)(PPV), 및 폴리아닐린과 같은 투명 도전성 중합체를 적용하는 것이다. 중합체는 또한 추가의 구조적 지지를 제공할 수 있다. PV 회로는 나노스케일로 구축되므로, 중합체 투과가 모험적일 수 있다. 이러한 이유로, 보다 묽은 용액이 바람직할 수 있다. 하지만, PV 전지의 상부 표면을 노출시킴으로써 적절한 도전성을 제공할 것이다. 바람직한 중합체는 광 및 산소 안정성 중합체이다. 전기적 콘택을 형성하기 위해 수많은 상이한 도전성 중합체가 유용하며 이는 본 출원에 전체가 참조로 원용된 문헌 [T.A. Skatherin, Handbook of Conductive Polymers I]에 기재되어 있다.
추가로, 본 출원에 참조로 원용된 US2004/0025933에 도시된 바와 같이 n-층을 위한 전기적 콘택을 형성하기 위해 겔 전해질이 사용될 수 있다. 전해질 용액은 폴리(4-비닐피리니딘), 폴리(2-비닐피리니딘), 폴리에틸렌 산화물, 폴리우레탄, 폴리아미드 및 리튬염의 조합일 수 있다. 염은 몇 가지만 예를 들자면, 요오드화 리튬, 브롬화 리튬, 과염소산 리튬, 티오시안산 리튬, 트리플루오로메틸 술폰산 리튬 및 헥사플루오로인산 리튬일 수 있다.
도 5a 내지 5h는 태양광 브러쉬(10)를 제조하는 예시적 방법을 도시하지만, 수많은 적절한 변형 공정이 있다. 예를 들어, 유기 광전지 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, PV 전지는 스위스 취리히 연방공과대(Swiss Federal Institute of Technology)에서 개발된 마이클 그라첼 박사(Dr. Michael Gratzel) 및 동료의 기술을 기반으로 제조될 수 있다. 나노브리슬의 금속성 코어는 Ti, Zr, Sn, W, NB, Ta 및 Tb를 기반으로 한 금속 산화물로 제조될 수 있다. 이어서 케이블을 크산틴, 시아닌, 메르코시아닌 및 프탈로시아닌과 같은 유기염료 및 피롤로 코팅할 수 있다. 이들 화합물 다수가 코나카사(Konarka Corporation)에 의해 테스트되었으며 특허출원 제US 2004/0025934호에 도시된 바와 같이 저온 소결을 위해 개발되었다. 다행히도, 나노케이블은 소결 우려를 제거하고 나노브러쉬 표면상에 유기 화합물이 용이하게 적용되고 효과적으로 사용되도록 한다.
또한, PV 브러쉬를 형성하기 위해 마이크로기공을 갖는 임의의 멤브레인을 기판(12)에 적용할 수 있다. 또한, 화학 기상 증착, 플라즈마 기상 증착, 금속 유기 기상 증착, 전기화학 증착(전기화학 에피택시, 언더-포텐셜 증착(under-potential deposition)), 액상 에피택시, 분자빔 에피택시, 핫월 에피택시(hot wall epitaxy), 스퍼터링, E-빔 및 열 증착, 무전해 증착, 화학조 증착, 졸 겔 및 용액법, 기상-액상 고체법, 음향화학법(sonochemistry methods) 및 마이크로웨이브법 등과 같은 임의의 금속 성막이 나노기공과 함께 작용해야 한다.
특정 금속 산화물의 나노다공성 구조는 도 5a-5h에 도시된 방법 대신에 또는 변형으로서 금속 양극산화 공정을 이용하여 수득할 수 있다. 여러 시스템 중에서, 규칙적인 나노기공 구조를 형성하기 위해 Al, Ti 및 투명 도전성 산화물을 양극 산화시킬 수 있다.
한 실험에서, 산화 주석을 양극산화처리하였다. 전기 성막 전에, 도전층으로서 작용하도록 알루미늄 양극 산화된(AAO) 멤브레인의 한쪽에 얇은 Au 필름을 스퍼터링시킨다. 트리시트르산 나트륨 25 g/L 및 이염화 주석 7 g/L을 포함하는 전해질 내에서 1시간 동안 0.75 mA/cm2의 정전류 밀도에서 AAO 멤브레인의 기공에 Sn 의 전기 성막을 수행하였다. AAO 멤브레인 내에 삽입된(embedded) Sn을 0.2M 붕산에서 10V로 양극산화처리하였으며, 0.5 M NaOH(aq)에 의해 상기 붕산의 pH 값을 8.6으로 조정하였다. 전류 밀도가 거의 0으로 낮아질 때까지 양극산화처리를 진행하였다. 이어서 0.5 M NaOH(aq)을 이용한 습식 식각을 통해 AAO 멤브레인을 제거하여, 나노다공성 산화 주석 나노로드의 어레이가 남겨졌다. 최종적으로, 대기 중에서 3시간 동안 500 ℃로 샘플을 소성하였다.
표면적을 증가시키기 위해 브리슬(20)을 성형할 수 있다. 예를 들어, 브리슬(20)은 나노케이블 내에 "가지(branches)" 또는 홀을 포함할 수 있다. 홀은 직전에 서술한 바와 같이 Cd/Au 합금을 성막하고 양극산화처리함으로써 형성할 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 금속 강화 공정 단계를 요약한 플로우챠트이다. 첫째, 기판 표면상에 도전성 재료를 성막함으로써 기판을 금속화한다(단계 112). 멤브레인(템플릿)을 금속화된 기판상에 형성하고, 멤브레인은 양극산화처리된, 원하는 크기 및 형태의 기공을 갖는다(단계 114). 하나 이상의 중합체층을 성막하고 경화한다(단계 116). 템플릿 상부 및 기공의 기저부와 같은 수평 표면상의 중합체층을 반응성 이온 식각에 의해 제거한다(단계 118). 기공을 금 또는 구리와 같은 코어 금속으로 채운다(단계 120). 이어서, 중합체층을 용해시키고(단계 122) 멤브레인을 용매 추출에 의해 제거한다(단계 124).
도 10a-10i는 카본 재킷 공정을 이용하여 유기 나노케이블을 형성할 수 있음을 도시한다. 도 10a는 표면상에 도전층(132)이 성막된 기판(130)을 도시한다. 원하는 형태 및 크기의 기공(135)을 갖는 금속 산화물 멤브레인(134)을 형성한다(도 10b). 도 10c에 도시한 바와 같이, 카본 나노튜브(136)을 기공(135)의 내벽 상에 형성하고, 기공(135)의 잔류 코어 부분을 채우기 위해 이산화 티타늄(138)을 사용한다(도 10d). 도시한 바와 같이, 이산화 티타늄(138)이 기공(135)을 채우고 "오버플로우(overflow)"하여 카본 나노튜브(136) 및 금속 산화물 멤브레인(134) 위에 캡(139)을 형성한다. 도 10e에서, 예를 들어 농축 H2SO4 식각과 같은 임의의 적절한 식각법에 의해 이산화 티타늄(138)의 캡(139)을 제거한다.
이산화 티타늄 캡(139)을 제거하고, 약 600 ℃에서 공기에 노출시킴으로써 카본 나노튜브(136)를 태워 없애어(burned off)(도 10f), 이산화 티타늄 코어(138)와 금속 산화물 멤브레인(134) 사이에 갭(140)을 형성한다. 이어서 유기 그라첼(Gratzel) 염료(142)를 성막하여 갭(140)을 채워서 유기 캡(141)을 형성한다(도 10g). 도전체로서, 그라첼 염료(142)와 함께 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 폴리[2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-p-페닐렌-비닐렌](MEH-PPV), 폴리(페닐렌 비닐렌)(PPV), 및 폴리아닐린과 같은 중합체, 또는 문헌 [Handbook of Conductive Polymers I]로부터의 다른 적절한 임의의 중합체를 사용할 수 있다. 유기 그라첼 염료(142)는 잉크젯 프린터를 이용하여 분무될 수 있으며, 윤전 그라비어(rotogravure) 공정으로 도포되고, 닥터 블레이드 등을 사용하여 분무 및 와이핑될(wiped) 수 있다. 가장 적절한 적용은 최소한의 유기 캡(141)을 남기는 것이다. 이러한 예비 제거에 이어서, 유기 캡(141)은 식각되거나(예를 들어 RIE를 이용하여) 용매 세정을 이용하여 제거되어 제거 공정을 완성할 수 있다(도 10h). 이어서, 예를 들어 이산화 티타늄보다 금속 산화물을 우선적으로 제거하는 주의 깊게 선택된 식각제(예를 들어 NaOH)를 이용하여 습식 식각함으로써, 금속 산화물 멤브레인(134)을 제거한다(도 10i). 일부 실시예에서, 금속 산화물 멤브레인(134)은 제거가 필요하지 않도록 투명하게 제조된다.
도 11a는 도전체(180)상에 성막된 절연체(181)를 도시한다. 절연체는 금속 산화물, 이산화 규소 또는 중합체와 같은 임의의 절연 재료일 수 있다. 절연체는 CVD를 통해 도포되거나 또는 스퍼터링될 수 있다. 이는 또한 도전체(180)상에 성막된 금속으로부터 양극산화되어 성장될 수 있다. 도 11b는 도전체(180)까지 연속되는 기공을 형성하기 위한 절연체의 습식 또는 건식 식각 방법을 도시한다. 도 11c는 이어서 도전체가 본 출원에 포함된 전기 도금 또는 무전해 성막법을 통해 성막될 수 있음을 도시한다. 도 11d는 도전체가 부분적으로 식각됨을 도시한다. 이산화 규소의 경우에, 식각을 위해 KOH 용액을 사용할 수 있고, 중합체의 경우에, 디클로로메탄을 사용할 수 있다. 도 11e는 p-도전체(180), 절연체(181), p-층(182), n-층(183) 및 TCO(184)를 갖는 완성된 나노케이블을 도시한다.
도 12는 다양한 환경 요소로부터의 보호를 위한 광학 케이싱(40) 내에 캡슐화된(encapsulated) 태양광 브러쉬(10)을 도시한다. 광학 케이싱(40)은 또한 투명 중합체로 제조될 수 있다. 광학 케이싱(40)은 광은 들어올 수 있지만 흙 및 습기 오염을 최소화하는 도전성 산화물 필름으로 제조될 수 있다. 이러한 적용을 위한 통상적인 재료에는 Sn 도핑 Sn2O2, Sn 도핑 In2O3 , ZnSnO3, B 도핑 ZnO, F 도핑 In2O3, F 도핑 SnO2, F 도핑 Cd2SnO4, F 도핑 ZnO, TiN, Ag, Cd2SnO4, Ge 도핑 In2O3, Ge 도핑 SnO2, Ge 도핑 Zn2SnO4, ZnO/CdS, ZnO/ZnSe(CdTe 및 CuInSe2 용), ZnO/InxSey(CdTe 및 CuInSe2 용), SnO2/유리, ZnO/CdS, Cd2SnO4/Zn2SnO4, Zn(Se, OH), Zn(Se,O) 및 Cd2SnO4/Zn2SnO4가 포함된다. 추가적인 도전성을 위해 추가의 도전성 소형 와이어 또는 금속 스트립 또는 금속화된 유리의 얇은 밴드를 추가할 수 있다. 반사는 감소시키지만 적절한 전기 전도에는 충분하도록 금속이 최소화되어야 한다. 용이하게 식별되고 교체될 수 있는 전지와 호환가능한 형태의 모듈을 생성하는 경우와 마찬가지로, 저-철분 유리(low-iron glass) 및 압출 알루미늄의 전통적인 케이싱을 또한 사용할 수 있다. 상술한 바와 같이, 통상적인 PV 전지에 비해 태양광 브러쉬(10)는 수많은 장점이 있다. 태양광 브러쉬(10)는 높은 열안정성을 입증한다. 평균 입자 크기(예를 들어 Cu)의 감소에 따라 선형 열팽창 계수가 증가하는, 나노입자와는 달리, Cu 나노와이어는 벌크 Cu의 열팽창 계수보다 더 작은 열팽창 계수를 나타낸다. 높은 열 안정성은 나노구조체의 입자 경계 구조 및 높은 종횡비와 관련 있다. 열 팽창 수축에 기인한 균열 스트레스 가능성이 더 높을 대형 시트를 갖는 것과 대조적으로 데이지 체인 연결(daisy chain connections)은 또한 칩 크기를 최소화한 다음 이들을 연결함으로써 잠재적인 열팽창/수축 문제를 방지할 수 있다. 전지들 간의 데이지 체인은 또한 PV 브러쉬 어레이에 가요성을 추가할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 전지는, 공정 도중 필름의 튼튼한 캐리어가 되면서 조립을 가속화하는 이중 목적에 기여하는 특수한 연동(interlocking) 메커니즘을 가질 수 있다.
상기 방법은 도전성 시트 상에서의 도전체의 성장을 서술하기 때문에, 현재의 PV 전지 제조에 피해를 주는 고장률이 크게 개선되어 추가의 비용/효율 장점을 제공할 것이다.
PV 브러쉬의 추가의 장점은 반도체층을 통과해 도전층까지 전자의 확산 거리가 통상적인 PV 전지보다 짧아서, PV 전지의 내부 저항을 감소시켜 추가의 전력 발생 효율을 제공한다는 것이다. PV 브리슬은 얇으므로, 평면 전지에 요구되는 재료의 적은 양을 사용한다. 도전성 코어에 다양한 유기 및 무기 반도체를 적용할 수 있으며 전력 발생 및 안정성을 위해 두께가 용이하게 최적화될 수 있다.
태양광 패널 이외에, 나노전자 조립체는 또한 광학 칩에서의 광 발생을 위해 사용될 수도 있다. 광학 칩은 널리 반도체 칩의 대체품으로 생각된다. 반도체 칩은 회로와 그 옆부분 사이의 전기장 효과에 의해 제한되는 반면, 광학 칩은 광이 방해받지 않고 이동할 수 있는 좁은 통로를 포함할 수 있다. 고유한 색 속성을 갖는 마이크로 광원이 광학 칩 기술에 필수적일 수 있다. 나노전기 조립체는 또한 그러한 칩을 위한 나노광원으로서 사용될 수도 있다. 추가로, 나노다이오드는 울트라 샤프 비디오 모니터용 평판 스크린 디스플레이에 사용될 수 있다. 또한, 나노다이오드는 에너지 고효율 조명에 사용될 수 있다.
PV 브러쉬는 멤브레인 제조 기술 또는 포토리소래피 e-빔, 저밀도 레이어드 미케니컬 스코링(layered mechanical scoring), 나노다공성 템플릿법(nanoporous templated), 전기 도금 및 전기 아킹(arcing)을 포함하는 유연한 제조 옵션을 갖는다. 이러한 제조 방법들은 최대 태양광 효율, 최대 공기역학 효율, 최대 심미적 매력 또는 상술한 속성의 조합을 갖는 기하학적 구조로 전지가 성형되고 경화되도록 하는 다양한 멤브레인/나노다공성 매체 상에 사용될 수 있다. 가요성 유닛은 또한 소형 경질 유닛들 사이의 데이지 체인 연결에 의해 또는 가요성 기판의 사용으로부터 달성될 수 있다. 고온에서는, 고르지 않은 열팽창에 의해 균열 및 마모가 발생할 수도 있다. 이 PV 전지의 각 구성요소는, 열팽창을 최소화하도록 크기가 정해질 수 있고 PV 어레이들 사이의 가요성 팽창 결합 도전성 연결을 이용하여 추가로 최적화될 수 있기 때문에, 고온 열화가 완화된다. 또한, 통상적인 평판 유닛과 비교하여 태양광 브러쉬의 보다 큰 표면적은 PV 태양 전지하에서 발생된 열을 감소시킬 것이고 이에 따라 원하지 않는 열 축적을 현저하게 감소시킬 수 있다. 추가의 장점 하나는 마이크로 도전체가 종종 고온에서 저항을 감소시켜서; 보다 높은 작동 온도에서 통상적인 PV 전지보다 PV 브러쉬가 에너지를 더 효율적으로 전달할 수 있다는 점이다.
최종적으로, 열을 포획하고 방출하기 위해 기하학적 구조를 사용할 수 있다. 열이 특정 지점 이상의 에너지에 유해한 것으로 판단되면, 유닛이 통풍구(vents)를 갖도록 설계될 수 있다. 하지만, 나노케이블의 성능은 대형 스케일의 와이어와는 상이할 수 있음을 주목해야 한다. 대형 스케일 와이어/케이블은 고온에서 전기적 흐름에 대해 보다 높은 저항을 갖는 반면, 나노스케일 구조체에서는 입자 경계를 통한 향상된 흐름으로 인해 에너지 흐름이 향상될 수 있다.
전력 발생량은 1일당 평균 전력의 함수이다. 웹페이지가 www.solarexpert.com/Pvinsolation.html인 Go Solar® Company에 따르면 캘리포니아 여러 도시의 정중 태양시에서는, 6.18 kW/(day*m2)이다. 평균적으로, 태양광 에너지는, 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy laboratory) 조사결과에 의해 공개적으로 이용가능하게 된 데이타를 근거로 1일당 약 6 시간 동안 얻어진다. 분포는 통상적으로 하기 분포를 갖는 가우시안 곡선으로 주어진다:
Figure pct00005
평균 μ= 6 시간, 표준 편차 σ= 1시간, 및 평균 하루 동안의 통합 전력이 6.18 kwh/m2 라고 추정할 경우 최대 에너지가 산출된다. x=μ인 경우 최대 이론 발전량은 약 4.933 kWhr/m2 이다. 층구조(layering), p-n 접합 근처에서 각각의 태양광 작용을 갖는 것의 중요성 및 감소된 열점(hot spots)에 관한 EU 연구에 기반하여, CdTe 시스템은 그의 이론 효율 한계에 접근할 수 있다. 효율은 단일층 시스템을 이용하면 30%만큼 수득되며 높은 밴드갭 시스템과 낮은 밴드갭 시스템(이전에 논의됨)을 결합하면 잠재적으로 더 높을 수 있다. 분포는 도 13에 도시되어 있다.
전력 계산은 하기와 같이 계산된다:
P = 캘리포니아 도시의 평균치로부터 6.18 kWh/(m2 x d)
PBrush = P x E x O
따라서, 상기에서 CdTe/CdS PV 전지에 대해 E = 29 (29% 효율)이고 O = 방향이득(orientation gain) 1.44(44% 이득율)이고, PBrush = 2.60 kWhr/(m2 x d) (캘리포니아의 보통 도시에서의 평균 하루)이다.
하지만, 태양 방향 조정이 있다 하더라도 거의 요구되지 않으므로 브러쉬는 약 44.8%의 효율 이득을 얻을 수 있음이 주목되어야 한다. 태양광 브러쉬(10)의 방향은 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 평면 PV 모듈은 좋지못한 방향으로부터는 44%까지의 전력 손실이 있고 종종 "태양 콤파스(solar compass)"를 이용하여 방향변경시킬 필요가 있다. 독특한 설계로 인해, 태양광 브러쉬(10)는 방향변경이 요구되지 않는다.
PV 장치를 통한 전기적 전류가 충분히 높을 경우, 발생된 열전력(thermoelectric power)(예를 들어 증기 터빈형 발전) 또는 가정용 온수 시스템에 모두 사용될 수 있는 냉각 시스템도 또한 가능할 수 있다.
태양으로부터의 광의 대부분은 대기중에서 산란된다. 태양광 브러쉬(10)를 이용한 산란광 수집은 더 높은 에너지 생성으로 이어져야 한다. 다중-접합 태양 전지로부터의 추가 에너지 이득은, 현재 가능한 것으로 여겨지는 효율을 두 배로 증가시킬 수 있다.
태양광 브러쉬(10)는 주어진 재료에 대해 아마도 최대 이론 효율에 접근할 것이다. 브러쉬는 거의 투명하게 제조될 수 있으므로, 대부분의 광은 전지를 통하여 계속 이동한다. 실제로는, 브러쉬는 ∞의 두께인 것으로 보일 것이다. 브리슬은 안정된 태양광 흡수를 위해 충분한 두께로만 설계될 수 있으므로, 각 흡수 작용은 p-n 접합 인근에서 발생할 것이다. p-n 접합 인근에서의 흡수 작용 발생은 전지 효율을 증가시킨다. 전지 효율을 향상시키기 위한 다른 비결은 국부적 가열을 감소시키는 것이다. 태양광 흡수가 일어날 때마다, 에너지의 일부는 전자를 방출하고 에너지의 일부는 전지를 가열시킨다. 가열은 전지의 효율을 감소시킨다. 전지가 후방 반사에 의존할 경우, 이들은 또한 주어진 면적에 대한 열부하를 배가한다. 태양은 하늘을 가로질러 이동하므로, 투과 각도가 변화하고 태양광 흐름의 궤도가 변화하여, 광자가 충돌할 더 많은 양의 "새로운(fresh)" 재료가 존재한다. 태양광 브러쉬(10)를 이용하여, 층 두께의 제어를 통해 p-n 접합 근처에서 더 많은 흡수 작용이 발생하게 될 수 있으며, 광 흐름은 더 많은 양의 PV 재료를 통과할 것이다. 다중 접합 재료는 장래에 최대 효율에의 비결이 될 것으로 여겨진다. 표 5 는 몇 가지 재료에 대한 효율 잠재력, 밴드갭 및 필드 효율을 도시한다.
Figure pct00006
효율은 최대의 전력 증가를 나타내는 현재의 기술에 필적한다. 표 6은 캘리포니아주에서의 잠재적 에너지 효율 및 발전 능력을 도시한다.
Figure pct00007
브러쉬의 발전량 및 유효 면적은 태양광 집광기의 사용을 통해 상당히 증가될 수 있다. 태양광 집광기는 대면적의 광을 표면에 수직이 되도록 방향을 재설정하여, 브러쉬의 깊이에서 표면적을 이용할 수 있다. 90°에 가까운 광 각도만 상위 영역 쉘을 투과할 수 있다. 도 1에 도시된 투과 깊이는 tanθ를 곱한 브리슬 간의 이격 거리이다. θ가 90°에 접근할수록, tanθ는 ∞로 접근하여 요구되는 투과 수준이 달성된다. 태양 전지의 유효 면적은 투과 깊이를 브리슬 높이로 나누고 이를 면적으로 곱함으로써 계산된다. 일 실시예에서 고효율, 상위 영역의 태양전지의 전력 출력은 태양광 집광기를 이용하여 50과 285 kW/day/m2 사이이다. 출력 범위는, 본 출원에서 제시된 방법 및 구조보다 아마도 훨씬 더 비싼 공정을 이용하여 제조된 단일 실리콘 PV 어레이에 대해 지금까지 가장 잘 알려진 필드 결과를 근거로 한 최대 출력 0.94 kW/day/m2에 필적한다.
표 7은 8" 디스크 PV 전지의 발전량을 도시한다. 열 제목의 정의에 대해서는 상기 표 3을 참조한다. 본 발명의 다양한 실시예는 표 7에 도시된 것보다 양호한 성능을 가질 수 있다.
Figure pct00008
태양광 브러쉬(10)는 12"직경의 디스크로 제조될 수 있거나, 산화물 템플릿을 이용한 임의 치수의 필름으로부터 성장될 수 있다. 이들은 현존하는 포토리소그래피 및 스퍼터링 장비를 사용할 수 있다. 8" 직경 디스크를 사용할 경우, 0.97 내지 5.58 m2 평면 광전지에 상응하는 전력을 발생시킬 것이다. 태양광 집광기에서 완벽한 반사체가 사용되면, PV 전지 면적을 완전히 이용하기 위해서는 최소 디쉬(dish) 크기는 직경 1.1 m 내지 14.8 m의 범위일 것이다. 완벽한 반사체는 존재하지 않으므로, 에너지 일부는 흡수 및 오방향 반사로 손실될 것이다. 최대 에너지를 발생시키기 위해 2 내지 25 m 직경이 사용될 수 있다. 원할 경우 보다 작은 유닛을 제조할 수 있으며, 그 크기는 전력 요구사항 및 설치 위치의 함수이다. 8"디스크는 디스크 상의 재료의 최종 면적 및 두께에 따라 1.6 내지 24.42 kW/day를 발생시킬 수 있다. 시스템은 또한 바람직하게는, 기판 금속의 과도한 시스템 가열 없이 적절한 전류 전도가 가능하도록 크기가 정해진다.
작은 디스크 크기에 의해 세정이 용이하고 시간에 따른 효율 손실을 감소시킬 수 있을 것이다. 중심 디스크의 면적이 너무 작으므로, 대형 전지에는 비실용적인 방법으로 세정되기 위해 스냅으로 잠기고 풀리도록(snap in and out) 설계될 수 있다.
주어진 사양으로 성형된 다음 경화되는 가요성 또는 경질 기판상에 나노케이블을 형성하기 위한 광범위한 방법은 필름의 효율에 영향을 미친다.
3,000℃ 근방의 용융점을 갖는 TiN, ZrN 또는 HfN과 같은 하드 코팅이, 반사를 최소화하기 위한 특정 층을 위해 또는 나노케이블의 경도를 증가시키기 위한 강화 "재킷(jacket)"으로서 사용될 수 있다.
브러쉬의 기하학적 제어를 향상시킬 수 있는 하나의 유용한 기술은 브리슬 하부가 바깥쪽으로 커브지도록 템플릿의 하부를 과도 식각하는 것이다. 이로 인해 많은 TCO 성막 기술이 효율적이게 된다. 예시적인 TCO 성막 기술은 분무법, 딥핑(dipping), 스핀-온 도포 등을 포함한다. 이러한 기하학적 구조에 의해, 균일하고 연속적인 TCO 코팅을 유지하면서 브리슬이 더 높으면서도 서로 더 가깝게 배치되는 것이 가능하다.
TCO는 또한 가열된 액체 형태로 적용될 수 있다. 따라서, 한 실시예에서, 액체가 매우 뜨거우므로 TCO 성막 및 전지의 열 활성화를 한 단계에 조합한다. 즉, TCO로부터의 열이 PV 전지를 활성화한다.
열 활성화는 또한 레이저를 이용하여 수행될 수 있다. 이것의 한 장점은 낭비되는 에너지가 거의 없고 탄소 발자국(carbon footprint)이 최소화된다는 것이다. 종종 에너지의 대부분이 주위로 손실되는 오븐 내에서 모듈이 활성화된다. 다른 장점은 정확한 양의 에너지를 PV 전지에 적용할 수 있다는 것이다. 전지가 지나치게 많거나 지나치게 적은 에너지를 얻게 되면, 전지 성능이 감소된다. 최종적으로, 일부 나노케이블이 다른 것들보다 더 많은 에너지를 받도록 레이저에 펄스를 가할 수 있다. 이는 PV 어레이 내에서 활성화 요구조건이 상이한 복수의 재료가 발견될 때 특히 유용할 수 있다.
어레이는 전방 콘택층의 대부분에 대한 전류 부하를 감소시키기 위해, TCO 상에 도전체가 배치될 수 있는 보이드(voids)를 남기는 방법으로 패터닝될 수 있다. 보이드는 또한 모듈의 전압을 제어하기 위해 패터닝될 수 있다.
둘 다 2006년 8월 26일에 출원되었으며 본 출원에 참조로 원용된 미국 특허출원 제11/466,411호 및 제11/466,416호에 추가의 방법, 구성등 이 제시된다. 상기 출원들에 개시된 임의의 특징들은 본 출원의 다양한 실시예와 결합되어 사용될 수 있다.
다양한 실시예들이 상기와 같이 서술되었지만, 이들은 오직 예시로서 제시되었으며 제한이 아님을 이해해야 한다. 따라서, 바람직한 실시예의 폭 및 범위는 임의의 상술한 예시적 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라, 후술하는 청구항 및 그와 동등한 것들에 따라서만 정의되어야 한다.

Claims (92)

  1. 광전지 구조체로서,
    각각 도전성 나노케이블 및 상기 나노케이블 위에 광전지(PV) 층들을 포함하는 광전지 나노구조체들의 어레이
    를 포함하며,
    상기 PV 층들 중 적어도 하나의 평균 입자 크기는 약 100 nm 미만인 광전지 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 각각의 평균 입자 크기는 약 100 nm 미만인 광전지 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 각각의 평균 입자 크기는 약 1과 약 60 nm 사이인 광전지 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 각각의 성막 두께는 약 1000 nm 미만인 광전지 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 각각의 성막 두께는 약 500 nm 미만인 광전지 구조체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광전지 나노구조체들의 어레이는 브러쉬 구성으로 배열된 광전지 구조체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노케이블은 길쭉한(elongated) 광전지 구조체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 나노케이블은 실질적으로 균일한 주변부 및 종방향 길이를 갖는 광전지 구조체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들은 펄스 도금의 물리적 특성을 나타내는 광전지 구조체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들은 역펄스 도금(reverse pulse plating)의 물리적 특성을 나타내는 광전지 구조체.
  11. 제1항에서, 상기 어레이와 동일한 기판상에 형성된 전력 인버터를 추가로 포함하는 광전지 구조체.
  12. 제1항에서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나의 평균 입자 크기는 상기 PV 층들 중 적어도 하나의 성막 두께를 따라 걸쳐 변화하는 광전지 구조체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 광전지 나노구조체들의 어레이에 연관되는 광자당 하나 초과의 전자를 생성하는 능력에 의해 특징지어지는 광전지 구조체.
  14. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 중 하나는 도금된 p-형 CdTe인 광전지 구조체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 위에 상부 도전층을 추가로 포함하고, 상기 상부 도전층은 상기 상부 도전층의 전기 전도성을 증가시키는 도펀트를 포함하는 광전지 구조체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 상부 도전층은 상기 PV 층들에 가장 가까운 비도핑된 층을 포함하는 광전지 구조체.
  17. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 위에 상부 도전층을 추가로 포함하고, 상기 상부 도전층은 도핑된 도전성 산화물을 포함하는 광전지 구조체.
  18. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 위에 상부 도전층, 및 상기 상부 도전층과 그에 가장 가까운 상기 PV 층 사이에 패시베이션 층을 추가로 포함하는 광전지 구조체.
  19. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 II-VI p- 또는 n-형 재료 및 III-V p- 또는 n-형 재료로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 광전지 구조체.
  20. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 CdTe, 황화 카드뮴, 비소화 갈륨, 구리 인듐 갈륨 셀레늄 및 비정질 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 광전지 구조체.
  21. 제1항에 있어서, 상기 나노케이블은 금속성이고, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 비정질 실리콘을 포함하는 광전지 구조체.
  22. 제1항에 있어서, 상기 나노케이블은 니켈을 포함하고, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 비정질 실리콘을 포함하는 광전지 구조체.
  23. 가요성 광전지 구조체로서,
    각각 도전성 나노케이블 및 상기 나노케이블 위에 광전지(PV) 층들을 포함하는 광전지 나노구조체들의 어레이
    를 포함하고,
    상기 나노케이블들의 말단들은 과도금된 재료에 의해 함께 연결되는 가요성 광전지 구조체.
  24. 나노구조체를 형성하는 방법으로서,
    기판 위에 후면 콘택을 형성하는 단계;
    상기 후면 콘택 위에, 비아들(vias)을 포함하는 마스크를 형성하는 단계;
    상기 비아들을 통해 연장된 나노케이블들의 어레이를 형성하는 단계;
    상기 마스크를 제거하는 단계; 및
    상기 나노케이블들 위에 광전지(PV) 층들을 추가하는 단계
    를 포함하며,
    상기 PV 층들 중 적어도 하나의 평균 입자 크기는 약 100 nm 미만인 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 나노케이블은 길쭉한 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 각각의 평균 입자 크기는 약 100 nm 미만인 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 각각의 평균 입자 크기는 약 1과 약 60 nm 사이인 방법.
  28. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 각각의 성막 두께는 약 1000 nm 미만인 방법.
  29. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 각각의 성막 두께는 약 500 nm 미만인 방법.
  30. 제24항에 있어서, 상기 광전지 나노구조체들의 어레이는 브러쉬 구성으로 배열되는 방법.
  31. 제24항에 있어서, 상기 나노케이블은 길쭉한 방법.
  32. 제24항에 있어서, 상기 나노케이블은 실질적으로 균일한 주변부 및 종방향 길이를 갖는 방법.
  33. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 펄스 도금에 의해 형성되는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 펄스 도금의 듀티 사이클(duty cycle)은 약 70%보다 큰 온 타임(on time)을 갖는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 펄스 도금의 듀티 사이클은 약 90%보다 큰 온 타임을 갖는 방법.
  36. 제33항에 있어서, 상기 펄스 도금의 듀티 사이클은 약 70% 미만인 온 타임을 갖는 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 펄스 도금의 듀티 사이클은 약 30% 미만인 온 타임을 갖는 방법.
  38. 제33항에 있어서, 상기 펄스 도금의 듀티 사이클은 약 30%와 약 70% 사이인 온 타임을 갖는 방법.
  39. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 역펄스 도금에 의해 형성되는 방법.
  40. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 도금에 의해 형성되며,
    상기 도금 중 도금조(plating bath)를 음파처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  41. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 약 70 ℃ 미만의 조(bath) 온도에서 p-형 CdTe를 도금함으로써 형성되는 방법.
  42. 제24항에 있어서, 상기 기판상에 전력 인버터를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  43. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나의 평균 입자 크기는 상기 PV 층들 중 적어도 하나의 성막 두께를 따라 걸쳐 변화하는 방법.
  44. 제24항에 있어서, PV 층들을 위에 갖는 상기 나노케이블들의 어레이는 상기 광전지 나노구조체들의 어레이와 연관되는 광자당 하나 초과의 전자를 생성할 수 있는 방법.
  45. 제24항에 있어서, 상기 나노케이블들 위에 상기 PV 층들을 추가하는 상기 단계는 p-형 CdTe를 도금하는 단계를 포함하는 방법.
  46. 제24항에 있어서, n-형 PV 층이 p-형 PV 층 위에 형성되고,
    상기 n-형 층을 위에 형성하기 전에 상기 p-형 층을 세정하는 단계;
    상기 n-형 층을 위에 형성하기 전에 상기 p-형 층을 식각하는 단계; 및
    열확산 활성화 단계를 수행하는 단계
    중 적어도 하나를 추가로 포함하는 방법.
  47. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나의 PV 층의 입자 경계를 패시베이션하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 패시베이션 단계는 상기 PV 층들 중 상기 적어도 하나의 PV 층에 하나 이상의 염화물을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  49. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 위에 상부 도전층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  50. 제49항에 있어서, 상기 PV 층들 위에 상부 도전층을 형성하는 상기 단계는 층의 전기 전도성을 증가시키기 위해 도전성 재료로 층을 도핑하는 단계를 포함하는 방법.
  51. 제50항에 있어서, 상기 상부 도전층은 상기 PV 층들에 가장 가까운 비도핑된 층을 포함하는 방법.
  52. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 위에 상부 도전층, 및 상기 상부 도전층과 이에 가장 가까운 상기 PV 층 사이에 패시베이션 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  53. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 II-VI p- 또는 n-형 재료 및 III-V p- 또는 n-형 재료로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 방법.
  54. 제24항에 있어서, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 CdTe, 황화 카드뮴, 비소화 갈륨, 구리 인듐 갈륨 셀레늄 및 비정질 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 방법.
  55. 제24항에 있어서, 상기 나노케이블은 금속성이며, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 비정질 실리콘을 포함하는 방법.
  56. 제24항에 있어서, 상기 나노케이블은 니켈을 포함하고, 상기 PV 층들 중 적어도 하나는 비정질 실리콘을 포함하는 방법.
  57. 가요성 광전지 구조체를 형성하는 방법으로서,
    안에 비아홀들(via holes)을 갖는 마스크를 형성하는 단계;
    상기 비아홀들 내에 도전성 나노케이블들의 어레이를 형성하기 위한 도금 단계 - 상기 도금 단계는 상기 비아홀들로부터의 과다충진된 도금 재료가 상기 마스크 위에서 함께 성장할 때까지 수행됨 -;
    상기 마스크를 제거하는 단계;
    상기 나노케이블들 위에 광전지(PV) 층들을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  58. 각각 도전성 나노케이블 및 상기 나노케이블 위에 광전지(PV) 층들을 포함하는 광전지 나노구조체들의 어레이를 조정하는 방법으로서,
    상기 광전지 나노구조체들의 어레이의 관측가능한 전력 출력을 증가시키기 위해 그의 기판 면에서 상기 광전지 나노구조체들의 어레이를 회전시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  59. 제58항에 있어서, 상기 어레이의 관측가능한 전력 출력을 추가로 증가시키기 위해 광원 위치에 대한 상기 어레이의 프리젠테이션 각도를 조정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  60. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 사이에 헤테로접합이 형성되는 광전지 구조체.
  61. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들 사이에 정류 접합을 형성하는 계면층을 추가로 포함하는 광전지 구조체.
  62. 장치로서,
    기판으로부터 연장된 나노케이블들의 어레이;
    III-V 화합물 반도체를 포함하는 제1 반도체층 - 상기 제1 반도체층은 상기 나노케이블 위에 배치됨 -; 및
    II-VI 화합물 반도체를 포함하는 제2 반도체층 - 상기 제2 반도체층은 상기 나노케이블들 위에 배치되고 상기 제1 반도체층과 정류 접합을 형성함 -
    을 포함하는 장치.
  63. 제62항에 있어서, 상기 III-V 및 II-VI 화합물 반도체 사이의 상기 정류 접합을 강화하는 계면층을 추가로 포함하는 장치.
  64. 제62항에 있어서, 상기 II-VI 화합물은 텔루르화 카드뮴인 장치.
  65. 제62항에 있어서, 상기 III-V 화합물은 질화 갈륨인 장치.
  66. 제62항에 있어서, 상기 II-VI 화합물은 텔루르화 카드뮴의 합금인 장치.
  67. 제62항에 있어서, 상기 II-VI 화합물은 텔루르화 카드뮴의 도핑된 조성물인 장치.
  68. 제62항에 있어서, 상기 III-V 화합물은 질화 갈륨의 합금인 장치.
  69. 제62항에 있어서, 상기 III-V 화합물은 질화 갈륨의 도핑된 조성물인 장치.
  70. 제69항에 있어서, 상기 질화 갈륨은 질화 갈륨 알루미늄인 장치.
  71. 제62항에 있어서, 상기 계면층은 산화물을 포함하는 장치.
  72. 제71항에 있어서, 상기 산화물은 도핑된 산화 주석인 장치.
  73. 제72항에 있어서, 상기 도핑된 산화 주석은 아연-도핑된 산화 주석인 장치.
  74. 제72항에 있어서, 상기 도핑된 산화 주석은 카드뮴-도핑된 산화 주석인 장치.
  75. 제71항에 있어서, 상기 산화물은 도핑된 산화 아연인 장치.
  76. 제71항에 있어서, 상기 산화물은 산화 카드뮴 아연인 장치.
  77. 광전지 장치를 제조하는 방법으로서,
    III-V 화합물 반도체를 포함하는 제1 반도체층을 나노케이블들의 어레이 위에 성막하는 단계; 및
    II-VI 화합물 반도체를 포함하며, 상기 제1 반도체층과 정류 접합을 형성하는 제2 반도체층을 상기 나노케이블들의 어레이 위에 성막하는 단계
    를 포함하는 방법.
  78. 제77항에 있어서, 상기 III-V 및 II-VI 화합물 반도체 사이의 상기 정류 접합을 강화하기 위해 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 계면층을 성막하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  79. 제1항에 있어서, 상기 PV 층들의 공핍 영역은 상기 PV 층들의 전체 두께에 걸쳐 연장되는 광전지 구조체.
  80. 제1항에 있어서, 상기 나노구조체들의 상부 직경 또는 폭은 하부 직경 또는 폭보다 더 작은 광전지 구조체.
  81. 제62항에 있어서, 상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층의 공핍 영역이 상기 반도체층들의 전체 두께에 걸쳐 연장되는 장치.
  82. 제62항에 있어서, 상기 나노케이블들 및 반도체 층들을 포함하는 나노구조체들의 상부 직경 또는 폭은 하부 직경 또는 폭보다 더 작은 장치.
  83. 제1항에 있어서, 상기 도전성 나노케이블들과 그에 가장 가까운 상기 PV 층 사이에 계면을 형성하는 후방 콘택층을 추가로 포함하고, 상기 후방 콘택층은 상기 광전지 구조체의 Voc를 향상시키고 상기 도전성 나노케이블에 대한 상기 PV 층의 접착력을 강화하기 위해 상기 계면의 페르미 준위 및 밴드벤딩의 조정을 돕는 금속성 필름인 광전지 구조체.
  84. 제24항에 있어서, 상기 도전성 나노케이블들과 그에 가장 가까운 상기 PV 층 사이에 계면을 형성하기 위해 상기 나노케이블들 위에 후방 콘택층을 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 후방 콘택층은 상기 광전지 구조체의 Voc를 향상시키고 상기 도전성 나노케이블에 대한 상기 PV 층의 접착력을 강화하기 위해 상기 계면의 페르미 준위 및 밴드벤딩의 조정을 돕는 금속성 필름인 방법.
  85. 제1항에 있어서, 상기 광전지 구조체는 200 mm 실리콘 웨이퍼, 300 mm 실리콘 웨이퍼 및 450 mm 실리콘 웨이퍼로 구성된 그룹으로부터 선택된 기판상에 구축되는 광전지 구조체.
  86. 제1항에 있어서, 상기 광전지 구조체는 평판 패널 디스플레이 유리의 기판상에 구축되는 광전지 구조체.
  87. 제1항에 있어서, 상기 광전지 구조체는 가요성 기판상에 구축되는 광전지 구조체.
  88. 제1항에 있어서, 상기 광전지 구조체는 유리 기판상에 구축되는 광전지 구조체.
  89. 제24항에 있어서, 상기 광전지 구조체는 200 mm 실리콘 웨이퍼, 300 mm 실리콘 웨이퍼 및 450 mm 실리콘 웨이퍼로 구성된 그룹으로부터 선택된 기판상에 구축되는 방법.
  90. 제24항에 있어서, 상기 광전지 구조체는 평판 패널 디스플레이 유리의 기판상에 구축되는 방법.
  91. 제24항에 있어서, 상기 광전지 구조체는 가요성 기판상에 구축되는 방법.
  92. 제24항에 있어서, 상기 광전지 구조체는 유리 기판상에 구축되는 방법.
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