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KR20130086930A - 쇼트키 접합 태양 전지의 전자 게이트 증가 - Google Patents

쇼트키 접합 태양 전지의 전자 게이트 증가 Download PDF

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Publication number
KR20130086930A
KR20130086930A KR1020127027287A KR20127027287A KR20130086930A KR 20130086930 A KR20130086930 A KR 20130086930A KR 1020127027287 A KR1020127027287 A KR 1020127027287A KR 20127027287 A KR20127027287 A KR 20127027287A KR 20130086930 A KR20130086930 A KR 20130086930A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
solar cell
mesh
semiconductor
grid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
KR1020127027287A
Other languages
English (en)
Inventor
앤드류 가브리엘 린즐러
푸자 와드와
징 궈
설경선
Original Assignee
유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 인크. filed Critical 유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 인크.
Publication of KR20130086930A publication Critical patent/KR20130086930A/ko
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/20—Electrodes
    • H10F77/206—Electrodes for devices having potential barriers
    • H10F77/211—Electrodes for devices having potential barriers for photovoltaic cells
    • H10F77/215—Geometries of grid contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
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Abstract

쇼트키 접합 태양 전지에 대한 다양한 시스템 및 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 태양 전지는 반도체층 상에 형성된 메시층 및 메시층 상에 형성된 이온층을 포함한다. 이온층은 메시층을 통해 침투하고 반도체층에 직접 접촉한다. 다른 실시예에서, 태양 전지는 반도체층 상에 형성된 제1 메시층, 제1 메시층에 결합되어 있는 제1 금속 배선층, 게이트 전압에 의해 제1 금속 배선층에 결합되어 있는 제2 고표면적 전기 전도성 전극, 및 제1 메시층 및 제2 고표면적 전기 전도성 전극과 전기적 통신을 하고 있는 이온층을 포함한다. 다른 실시예에서, 태양 전지는 반도체층 상에 형성된 그리드 층 및 그리드 층 및 반도체층과 전기적 통신을 하고 있는 이온층을 포함한다.

Description

쇼트키 접합 태양 전지의 전자 게이트 증가{ELECTRONIC GATE ENHANCEMENT OF SCHOTTKY JUNCTION SOLAR CELLS}
관련 출원의 상호 참조
이 출원은 2010년 4월 27일자로 출원된, 발명의 명칭이 "쇼트키 접합 태양 전지의 전자 게이트 증가(ELECTRONIC GATE ENHANCEMENT OF SCHOTTKY JUNCTION SOLAR CELLS)"인 동시 계류 중인 미국 가특허 출원 제61/328,417호(참조 문헌으로서 그 전체 내용이 본 명세서에 포함됨)를 기초로 우선권을 주장한다.
연방 후원 연구에 관한 선언서
본 발명은 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해 수여된 ECCS-0824157 협정 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 일정한 권리를 가진다.
본 발명은 태양 전지에 관한 것이다.
태양광을 에너지로 변환시키는 태양 전지가 유용하다. 본 개시 내용은 물질 특성의 함수일 뿐만 아니라 전자 게이팅(electronic gating)에 의해 수정될 수도 있는 내부 전위(built-in potential)를 갖는 나노튜브 필름-반도체 접합을 포함하는 태양 전지를 기술하고 있다. 그에 부가하여, 전자 게이팅은 나노튜브 필름과 반도체 사이의 접합부에서의 계면 쌍극자(interface dipole)를 수정하여, 접합부에 걸친 전하 수송에 대한 장벽을 감소시킬 수 있다. 게다가, 전자 게이팅은 공핍층에 걸친 전기장에 기여하여, 전하가 그 영역 밖으로 스위프하는 효율을 향상시킬 수 있고, 이는 전력 발생 능력을 더욱 증가시킨다.
본 개시 내용의 많은 측면이 이하의 도면을 참조하면 더 잘 이해될 수 있다. 도면 내의 구성요소가 꼭 축척대로 되어 있는 것은 아니며, 그 대신에 본 개시 내용의 원리를 명확하게 설명하는 것에 중점을 두고 있다. 게다가, 도면에서, 유사한 참조 번호는 몇개의 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 가리킨다.
도 1은 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른 태양 전지의 일례의 그래픽 표현을 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2b는 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른, 도 1의 태양 전지에 포함된 금속 및 반도체의 에너지 준위를 나타낸 에너지 대역 다이어그램의 일례를 나타낸 도면.
도 3은 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른, 도 1의 태양 전지의 일 실시예에 대한 시뮬레이션된 전류 밀도 대 전압(J-V) 특성의 일례의 그래프를 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른, 조명되는 동안 도 1의 태양 전지의 일 실시예에서 측정된 J-V 특성의 일례의 그래프를 나타낸 도면.
도 6은 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른 태양 전지의 다른 일례의 그래픽 표현을 나타낸 도면.
도 7a는 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른 태양 전지의 다른 일례의 그래픽 표현을 나타낸 도면.
도 7b는 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른 도 7a의 태양 전지의 그리드 층(grid layer)의 사진을 나타낸 도면.
도 8은 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른, 이온 전도체층(ionic conductor layer)을 갖지 않는 도 1의 태양 전지의 실시예 및 이온 전도체층을 갖지 않는 도 7a의 태양 전지의 실시예에 대해 어두운 동안 및 조명되는 동안의 J-V 특성의 일례의 그래프를 나타낸 도면.
도 9는 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른, 이온 전도체층을 갖지 않는 및 이온 전도체층을 갖는 도 7a의 태양 전지의 일 실시예의 J-V 특성의 일례의 그래프를 나타낸 도면.
도 10a는 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른, 도 7a의 태양 전지의 일 실시예의 실험적 J-V 특성의 일례의 그래프를 나타낸 도면.
도 10b는 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른 도 7a의 태양 전지의 시뮬레이션 파라미터 및 기하학적 구조의 그래픽 표현을 나타낸 도면.
도 10c 내지 도 10h는 본 개시 내용의 다양한 실시예에 따른, 도 7a의 태양 전지의 공핍층에 나타나는 전기장의 일례를 나타낸 그래픽 표현을 나타낸 도면.
도 1은, 그 중에서도 특히, 태양 전지(100a)로 표시된, 태양 전지(100)의 비제한적인 실시예의 사시도이다. 태양 전지(100a)는 본 명세서에 기술된 다양한 실시예의 기능을 설명하는 데 도움이 된다. 상업적 응용에 더욱 유용한 태양 전지(100)의 실시예에 대해 이하에서 상세히 기술한다. 태양 전지(100a)는 배면 접점층(101) 및 반도체층(102)을 포함한다. 태양 전지(100a)는 반도체층(102) 상에 절연층(103)을 추가로 포함한다. 제1 금속 배선층(104a)으로 둘러싸여 있는 반도체층(102)을 노출시키기 위해 절연층(103)의 일부분이 에칭된다. 제1 메시층(106a)이 반도체층(102) 및 제1 금속 배선층(104a)과 접촉하도록, 제1 메시층(106a)이 에칭된 부분 상에 배치된다. 제1 메시층(106a)은 태양 방사 스펙트럼의 상당 부분에 대해 투명한 전기 전도성의 다공성 메시층이다.
태양 전지(100a)는 절연층(103) 상에 제2 금속 배선층(104b)을 추가로 포함한다. 제2 메시층(106b)은 제2 금속 배선층(104b)과 접촉한다. 그렇지만, 태양 전지(100)의 다른 실시예에서, 절연층(103), 제2 금속 배선층(104b) 및 제2 메시층(106b)이 포함되어 있지 않다.
메시층(106a, 106b)은 서로 전기적으로 절연되어 있다. 제1 금속 배선층(104a)은 제1 메시층(106a)에 대한 접점을 형성하고, 제2 금속 배선층(104b)은 제2 메시층(106b)에 대한 접점을 형성한다. 또한, 제1 메시층(106a)은 반도체층(102)과 접촉하는 반면, 제2 메시층(106b)은 절연층(103)에 의해 반도체층(102)으로부터 분리되어 있다. 제1 메시층(106a) 및 제1 금속 배선층(104a)은 모여서 접합부 전극을 형성한다. 이와 유사하게, 제2 메시층(106b) 및 제2 금속 배선층(104b)은 모여서 게이트 전극을 형성한다.
도 1에 도시된 태양 전지(100a)에서, 제1 메시층(106a) 및 제2 메시층(106b)은 대략적으로 동일한 크기이고, 따라서 비슷한 표면적을 가진다. 그렇지만, 다른 실시예에서, 제1 메시층(106a) 및 제2 메시층(106b)이 상이한 형상일 수 있지만, 유사한 표면적을 가질 수 있다. 또한, 제2 메시층(106b)이 포함되어 있지 않은 태양 전지(100)의 실시예에서, 접합부 전극 및 원격 게이트 전극이 대략적으로 동일한 표면적을 가진다.
이온 전도체층(108)은 하기의 층들 각각의 적어도 일부분을 덮고 있다: 제1 메시층(106a), 제2 메시층(106b), 제1 금속 배선층(104a), 제2 금속 배선층(104b), 및 절연층(103). 이온 전도체층(108)은 또한 제1 메시층(106a)을 통해 아래로 침투하고 또한 반도체층(102)과 직접 접촉한다. 제1 금속 배선층(104a) 및 제2 금속 배선층(104b)은 전압원(120)에 의해 게이트 전압 VG으로 바이어스된다.
동작을 설명하면, 태양 전지(100)는 전원이다. 반도체층(102)의 표면이 태양 방사로 조사될 때, 도 1에 예시된 태양 전지(100a)는 전력을 발생한다. 구체적으로는, 이온 전도체층(108) 및 제1 메시층(106a)을 통과하는 태양 방사(hv)는 제1 금속 배선층(104a) 상에 전하를 축적시키고 배면 접점층(101) 상에 반대 전하를 축적시킨다. 조명 하에서, 어떤 저항성 부하도 제1 금속 배선층(104a) 및 배면 접점층(101)에 전기적으로 연결되어 있지 않을 때 제1 금속 배선층(104a)과 배면 접점층(101) 사이의 전위차는 개방 회로 전압 VOC라고 한다.
전력을 소비할 수 있는 저항성 부하가 제1 금속 배선층(104a) 및 배면 접점층(101)에 전기적으로 연결되어 있을 때, 부하를 통해 전류가 흐를 것이다. 부하를 통해 전류가 흐르면, 제1 금속 배선층(104a) 및 배면 접점층(101) 사이의 전압이 감소될 것이다. 부하 양단의 전압과 부하를 통해 흐르는 전류의 곱이 부하에 의해 소산되는 전력이고, 또한 태양 전지(100a)에 의해 발생되는 전력이다. 태양 전지(100a)의 일정한 조명에 대해, 부하 저항이 변함에 따른, 부하를 통한 전류 대 부하 양단의 전압의 그래프는 태양 전지(100a)의 성능을 특징지우는 성능 지수의 추출을 가능하게 해준다. 다른 대안으로서, 소스미터(sourcemeter)는, 전류를 측정하는 동안, 제1 금속 배선층(104a)과 배면 접점층(101) 사이에 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 전류 대 인가된 바이어스 전압의 그래프도 역시 태양 전지(100a)의 성능을 특징지우는 성능 지수의 추출을 가능하게 해준다.
도 1의 실시예에서 태양 전지(100a)의 구조 및 전력 발생 능력에 대해 기술하였으며, 태양 전지(100a)의 층들에 포함될 수 있는 다양한 물질에 대해 기술할 것이다. 반도체층(102)은 다음과 같은 반도체 물질들 중 하나 이상을 포함한다: Si, Ge, 및/또는 GaAs, CdS, ZnO, CdSe, TiO2. 반도체 물질이 도핑되고, 일부 실시예에서, 반도체 물질은 n-형 Si이다.
배면 접점층(101)은 반도체층(102)과 저저항 오옴 접촉을 형성하는 하나 이상의 금속 및/또는 그 합금을 포함한다. 반도체층(102)이 약하게 도핑된 n-Si를 포함할 때, 배면 접점층(101)은, 예를 들어, 티타늄, 알루미늄, 및/또는 공융 인듐 갈륨(indium gallium eutectic)을 포함할 수 있다. 다른 대안으로서, 반도체층(102)의 배면측[즉, 배면 접점층(101)과 접촉하는 반도체층(102)의 측면]은 강하게 도핑될 수 있고, 이 경우에 대부분의 금속이 적당한 저저항 접점을 형성할 것이다.
도 1에 도시된 태양 전지(100a) 등의 절연층(103)을 포함하는 실시예에서, 절연층(103)은 이산화규소(SiO2) 등의 절연 물질을 포함할 수 있다.. 더욱 상세히 논의할 것인 바와 같이, 일부 실시예는 절연층(103)을 포함하지 않는다.
이와 유사하게, 도 1에 예시된 태양 전지(100a)의 제1 금속 배선층(104a) 및 제2 금속 배선층(104b)은 다음과 같은 전도성 물질 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 크롬(Cr), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 인듐 주석 산화물(ITO). 그렇지만, 이하에서 더욱 상세히 논의할 것인 바와 같이, 태양 전지(100)의 일부 실시예는 금속 배선층(104a, 104b)을 포함하지 않는다.
제1 메시층(106a)[제2 메시층(106b)을 포함하는 실시예에서는 제2 메시층(106b)]은 다음과 같은 물질들 중 하나 이상을 포함한다: 단일 벽 탄소 나노튜브, 이중 벽 탄소 나노튜브, 다중-벽 탄소 나노튜브, 그래핀, 반도체 나노와이어, 금속 나노와이어, 금속 그리드 또는 반도체 그리드. 물질에 상관없이, 반도체층(102)과 접촉하고 있는 제1 메시층(106a)은, 태양 방사의 대부분이 반도체층(102)의 표면에 도달하도록, 태양 방사에 충분히 투명하다. 게다가, 제1 메시층(106a)은 약 300 Ohms/sq 이하의 면저항으로 전기 전도성이다. 그에 부가하여, 제1 메시층(106a)은 반도체층(102)의 표면 및 반도체층(102)의 표면과 접촉하는 제1 메시층(106a)의 부분 둘 다에 대한 이온 전도체층(108)의 접근을 가능하게 해주기 위해 충분히 다공성이다.
예를 들어, 도 1에 예시된 태양 전지(100a)의 실시예에서, 제1 메시층(106a) 및 제2 메시층(106b) 각각은 나노튜브 네트워크를 포함한다. 제1 메시층(106a) 및 제2 메시층(106b)이 나노튜브 네트워크를 포함하기 때문에, 제1 메시층(106a) 및 제2 메시층(106b)이 다공성이고 투명하다. 나노튜브는 낮은 상태 밀도 및 높은 전도성을 가진다. 전자 억셉터 또는 전자 도너를 사용하여 도핑함으로써 나노튜브의 페르미 준위도 역시 조정될 수 있다. 이온 결합을 형성하기 위해 탄소가 전자를 주거나 전자를 받는 것이 에너지적으로 바람직할 수 있다. 그에 따라, 일부 실시예에서, 제1 메시층(106a) 및/또는 제2 메시층(106b)은 브롬, 염화티오닐, 또는 질산 등의 전자 억셉터를 사용하여 p-도핑되어 있다. 게다가, 제1 메시층(106a) 및/또는 제2 메시층(106b)이 대체로 1/3은 금속이고 나머지 2/3는 반도체일 수 있지만, 반도체 나노튜브의 도핑에 의해, 유효하게 모두가 금속인 것으로 간주될 정도로 전도성으로 된다.
이온 전도체층(108)은 이온 전도성 물질을 포함한다. 이 이온 전도성 물질은 높은 이온 전도도(ionic conductivity)를 가지며, 태양 방사 스펙트럼의 상당한 부분에 대해 투명하다. 예를 들어, 이온 전도성 물질은 이온 액체, 전해질 용액, 또는 고체 전해질일 수 있다. 일부 실시예에서, 이온 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트라이플루오로메틸설포닐)이미드(EMI-BTI)이다. 게이트 전압(120)에 의해 인가되는 전압은, 이온 전도성 물질의 특성의 전기-화학적 변경을 피하기 위해, 이온 전도성 물질의 환원-산화(산화-환원) 전위 미만인 채로 있다.
도 1에 예시된 태양 전지(100a)를 참조하면, 정상 상태에서, 게이트 전압(120)에 의해 금속 배선층(104a, 104b)에 인가되는 전압은 메시층(106a, 106b)에 반대 부호의 전하를 주입할 것이다. 예를 들어, 제2 메시층(106b)을 마이너스로 하면서 제1 메시층(106a)과 제2 메시층(106b) 사이에 0.5V가 인가되는 경우, 제1 메시층(106a)에 있는 나노튜브로부터 전자가 회수[제1 메시층(106a)을 플러스로 대전된 채로 둠]될 것인 반면, 제2 메시층(106b)은 전자를 주입받아 제2 메시층(106b)을 마이너스로 대전되게 할 것이다. 이온 전도체층(108)이 없는 경우, 이 구성의 커패시턴스는 꽤 작으며, 따라서 많지 않는 전자가 제1 메시층(106a)로부터 제거되어 제2 메시층(106b)에 놓여질 수 있다.
제1 메시층(106a) 상의 남아 있는 전자에 대한 제1 메시층(106a) 상의 유도된 양전하의 쿨롱 인력(Coulombic attraction)이 너무 강해, 이 전압에서는 전원 공급 장치에 의해 더 이상 전자가 제거될 수 없다. 그렇지만, 이온 전도체층(108)이 존재할 때, 커패시턴스가 더욱 크게 되고, 따라서 이 동일한 전압에서 훨씬 더 많은 전하가 제1 메시층(106a)으로부터 제거되어 제2 메시층(106b)에 놓여질 수 있다. 이것이 일어나는 이유는, 제1 메시층(106a) 상에 남아 있는 초기 양전하에 응답하여, 이온 전도체층(108)으로부터의 음이온이 나노튜브의 표면으로 이동하기 때문이다. 이들 음이온은 그의 남아 있는 전자에 대한 나노튜브 상의 양전하의 쿨롱 인력을 보상하여, 전원 공급 장치가 이 동일한 전압에서 제1 메시층(106a)으로부터 더 많은 전자를 회수할 수 있게 해준다. 제2 메시층(106b) 상의 음전하 쪽으로 끌려간 양이온도 이와 유사하게 더 많은 전자가 그 층에 있는 나노튜브에 주입될 수 있게 해준다. 이온 전도성 물질의 존재는 따라서 메시층(106a, 106b)에 있는 나노튜브의 전자 수(electronic population)의 상당한 변화를 가능하게 해준다. 전하 수송 도펀트가 이와 유사하게 나노튜브의 전자 수를 변화시키기 때문에, 이것은 나노튜브의 전자 도핑으로 생각될 수 있다. 그의 전자 수의 변화는 메시층(106a, 106b)의 페르미 준위를 변경시킨다. 나노튜브 상의 전하는 이온 전도체층(108)으로부터 온 것이 아니라 전원 공급 장치(120)로부터 온 것이지만, 이온 전도체층(108)은 전하가 메시층(106a, 106b)에 축적될 수 있게 해준다. 따라서, 도 1에 예시된 태양 전지(100a)의 실시예는 나노튜브층의 페르미 준위를 전자적으로 변경시킬 수 있는 장치이다.
앞서 언급한 바와 같이, 게이트 전압(120)에 의해 인가된 전압은 이온 전도체층(108)의 이온 전도성 물질의 환원-산화(산화-환원) 전위 미만인 채로 있고, 따라서 정상 상태에서(전하 재구성이 안정화되면) 어떤 전류도 흐르지 않는다. 이것은, 정상 동작(steady operation) 하에서, 인가된 게이트 전압이 전력을 소비하지도 공급하지도 않는다는 것을 의미한다. 환언하면, 전력이 전류와 전압의 곱이기 때문에, 전력이 소비되지 않는데, 그 이유는 전류가 흐르지 않기 때문이다. 도 1에 예시된 태양 전지(100a)의 실시예는 약 11%의 전력 변환 효율을 가진다.
태양 전지(100a)를 비롯한 태양 전지(100)의 다양한 실시예는 금속-반도체 접합부를 포함한다. 예를 들어, 제1 메시층(106a) 및 반도체층(102)은 금속-반도체 접합부를 형성한다. 도 2a 및 도 2b는 금속 및 반도체가 접촉하게 되기 이전(도 2a) 및 그 이후(도 2b)의 금속 및 반도체의 에너지 준위를 보여주는 에너지 대역 다이어그램이다. 도 2a 및 도 2b는 반도체의 표면에 존재하거나 유발되는 (당분간) 표면 상태를 무시한 간략화된 그림이다. 금속 및 반도체에서의 페르미 준위는 그의 평균 최고의 채워진 고립된 전자 에너지 상태를 특징지운다.
일함수 Φ는 전자를 페르미 준위로부터 물질에서 멀리 떨어진 진공으로 가져가는 데 필요한 에너지에 대응한다. 도시된 경우는 금속의 일함수가
Figure pct00001
인 반도체의 일함수에 대한 일함수 ΦM를 갖는 경우이다. 이것은 도 1에 예시된 태양 전지(100a)의 제1 메시층(106a)과 반도체층(102) 사이의 접합부에 관련되어 있으며, 여기서 제1 메시층(106a)은 금속의 역할을 맡고 있고 반도체층(102)은 n-Si를 포함한다.
제1 메시층(106a)의 나노튜브 및 n-Si가 접촉하게 될 때, 열역학적 평형은 이들의 페르미 준위를 정렬시킨다. 이것은 n-Si로부터 제1 메시층(106a)으로의 전자의 수송에 의해 달성된다. 이 평형의 결과가 도 2b에 나타내어져 있다. 전자가 n-Si 전도대로부터 이송된 결과, 접합부에 자유 캐리어를 갖지 않는[즉, 전도대에 전자가 없거나 가전자대에 정공(전자의 부존재)이 없음] 사실상 진성인 Si의 영역이 얻어진다. 이 사실상 진성인 영역은 공핍폭(depletion width)이라고 하는 특성 길이를 갖는 공핍 영역이라고 한다. 공핍 영역의 폭은 부분적으로 반도체층(102)에서의 반도체 물질의 도핑 밀도에 의존한다.
이 공핍층의 영역에서의 전자의 부가의 위치 에너지가 계면 근방에서 n-Si에서의 대역 구부러짐(band bending)에 반영되어 있다. 에너지적으로, n-Si의 벌크에 있는 자유 전자는 전도대 최저점 바로 위에 좁은 스트립을 차지하고 있다. 2개의 물질의 접촉이 이루어진 후에, n-Si에서의 구부러진 전도대는 n-Si의 전도대에 있는 전자가 n-Si로부터 제1 메시층(106a)으로 가기 위해 극복해야만 하는 에너지 장벽(구부러진 대역의 오른쪽에 있는 회색 영역)을 반영한다. 이 장벽의 대략적인 높이는 내부 전위 Vbi라고 하고, (표면 상태가 없는 경우의) 내부 전위의 크기는
Figure pct00002
에 의해 주어진다. 나노튜브로부터 n-Si로 가는 전자에 대한 장벽은 쇼트키 장벽이라고 하고, 대략적으로 n-Si에서의 원래의 전도대 최저점과 나노튜브의 페르미 준위 사이의 차이다. 2개의 물질의 접합은 쇼트키 접합라고 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 도 1에 예시된 실시예에서, 제1 메시층(106a)은 반도체층(102)과 접촉한다. 제1 메시층(106a)과 반도체층(102)의 접합은 쇼트키 접합(200)(즉, 금속-반도체 접합)을 형성한다. 도 2a 및 도 2b는 게이트 전압(120)에 의해 인가되는 전압이 없는 경우의 쇼트키 접합(200)의 에너지 준위를 나타내는 에너지 대역 다이어그램이다.
광자가 반도체에 입사될 때, 광자 에너지가 반도체의 대역 간극 에너지를 초과하면, 광자가 흡수될 수 있고, 이 에너지는 전자를 반도체의 가전자대로부터 그의 전도대로 승격시킨다(가전자대에 정공을 남긴다). 다른 현상이 없는 경우, 전자는 궁극적으로 다시 가전자대로 쇠퇴하여, 전자가 정공과 재결합하고, 에너지가 방사 또는 격자 진동(열)으로 소산된다. 그렇지만, 광자가 나노튜브/n-Si 쇼트키 접합(200)의 공핍 영역 내에서 흡수되는 경우, 또는 광자에 의해 공핍 영역 밖에 발생된 전자-정공 쌍이 이 영역 내로 확산할 수 있는 경우, 대역 구부러짐은 전자를 쇼트키 접합(200)으로부터 벌크 n-Si 쪽으로 스위프시키는 기전력을 제공하는 반면, 가전자대에 있는 정공은 접합의 나노튜브 쪽으로 스위프된다. 이러한 방식으로, 대역 구부러짐으로 인해 생기는 내부 전위는 장치에 전원을 공급하여 태양 전지(100)를 생성한다. 얻어진 장치는 나노튜브/n-Si 쇼트키 접합(200) 태양 전지(100)이다. 이러한 태양 전지(100)의 보고된 전력 변환 효율은 약 7%이다.
도 1에 예시된 태양 전지(100a)가, 도시된 바와 같이, 광(hv)에 노출될 때 광자가 제1 메시층(106a)을 통해 투과되고 반도체층(102)에 있는 하부 공핍 영역 내에서 흡수된다. 이 흡수는 내부 전위 Vbi에 의해 반대 방향으로 밀려나는 전자-정공 쌍을 발생한다. 정공은 제1 메시층(106a)에서 추출되고, 전자는 반도체층(102)에서 추출된다.
조명이 없는 경우(즉, 어두운 곳에서), 전압이 쇼트키 접합(200)에 인가될 때, 쇼트키 접합(200)은 다이오드로서 거동한다. 예를 들어, 쇼트키 접합(200)이 순방향 바이어스될 때[즉, 양전하가 제1 메시층(106a)에 인가되고 음전하가 반도체층(102)에 인가될 때], 전원 공급 장치로부터 반도체층(102)에 인가된 음전하는 처음에 구부러졌던 대역을 상승시켜 편다. 대역이 편평한 대역 조건에 다가감에 따라, 쇼트키 접합(200)을 통한 수송에 대한 장벽이 감소되고, 순방향 전류가 흐르기 시작할 수 있고, 순방향 바이어스 전압의 추가적인 증가에 따라 지수적으로 증가한다. 쇼트키 접합(200)에 역방향 바이어스 전압이 인가될 때[즉, 음전하가 제1 메시층(106a)에 인가되고 양전하가 반도체층(102)에 인가될 때], 공핍 영역으로부터 회수된 추가의 전자는 공핍 영역 폭을 증가시키는 역할을 하고, 대역 구부러짐의 양을 증가시키며, 수송에 대한 장벽을 증가시킴으로써 단지 아주 적은 전류만이 역방향으로 흐를 수 있게 된다.
태양 전지(100)의 성능 지수가 표준의 조도(illumination intensity)로 태양 스펙트럼에 노출된 태양 전지(100)의 전류 밀도-전압 그래프로부터 추출될 수 있다. 도 3은 쇼트키 접합(200)을 포함하는 태양 전지(100)의 실시예에 대한 시뮬레이션된 전류 밀도 대 전압(J-V) 도표의 그래프(300)이다. x-축에 나타낸 전압은 조명된 태양 전지(100)에 인가되는 바이어스 전압 VB이고, 전류 밀도는 얻어진 전류를 태양 전지(100)의 조명된 접합부의 면적으로 나눈 것이다. 태양 전지(100)에 대한 전류 밀도-전압 관계의 Prince 모델은 직렬 및 분로 저항을 포함한다. 통상적으로 얻어진 값에 대해, 분로 저항은 J-V 특성에 무시할 정도의 영향을 미치는 반면, 직렬 저항(RS)은 심각한 영향을 미친다. 도 3은 상이한 직렬 저항 RS = 0 ohms-cm2, RS = 20 ohms-cm2, 및 RS = 40 ohms-cm2을 가지는 3개의 곡선의 J-V 특성을 나타낸 것이다. RS = 0 ohms-cm2은 이상적인 경우로 생각될 수 있으며 최대 전력을 산출하고, 여기서 전력(즉, P=IV)은 도 3의 제4 사분면(IV)에 있는 박스의 면적으로 나타내어져 있다. 상이한 곡선과 연관된 박스의 상대 면적은 태양 전지(100)의 성능에 대한 직렬 저항의 유해한 효과를 나타낸다.
어두운 곳에 있는 태양 전지의 경우, 인가된 순방향 바이어스 전압이 내부 전위 Vbi를 상쇄시킬 때, 순방향-전자 전류가 상당하게 된다. 도 2를 참조하면, 이러한 조건 하에서, 반도체층(102)에서의 에너지 대역이 순방향 터널링 및 열이온 전류(thermionic current) - 순방향-전자 전류(forward-electron current)라고 함 - 를 가능하게 해줄 정도로 충분히 상승되고 편평하게 된다. 태양 전지(100)가 조명될 때, J-V 곡선은 그에 부가하여 역전파하는 광-전자 전류(photo-electron current)를 포함한다. 도 3을 참조하면, 순전류(net current)가 0인 전압은 순방향 다이오드 전류가 반대 반향으로 흐르는 광전류와 같을 때의 인가된 바이어스 전압에 대응한다. 순방향 전류가 대역의 편평화를 필요로 하기 때문에, 광캐리어 분리를 위한 기전력이 구부러진 대역에 의해 제공되는 동안, 이 이들 전류가 같을 때의 전압(즉, 개방 회로 전압, VOC)(편평한 대역 조건에 가까움)이 내부 전위의 감도가 좋은 측정을 제공한다.
도 4는 태양 전지(100)가 조명되고 있는 동안 게이트 전압 VG에 대한 다양한 바이어스에서 도 1에 예시된 태양 전지(100)의 실시예에서 측정된 전류 밀도 대 전압(J-V)의 그래프(400)이다. 게이트 전압 VG에 대한 다양한 바이어스가 도 4에서 표 삽화(410)로 나타내어져 있다. x-축에 나타낸 전압은 태양 전지(100) 바이어스 전압 VB이다. 도 4에 알 수 있는 바와 같이, 게이트 전압 VG에 의해 인가된 전압이 플러스일 때, 태양 전지(100)의 성능이 열화되고, 태양 전지 바이어스 전압 VB가 약 0 V(즉, 개방 회로 전압 VOC)에 가깝거나 약 0 V일 때, "킹크(kink)"(에너지 갭 특징)(430)의 돌출의 증가가 일어난다. 이와 달리, 게이트 전압 VG에 의해 인가되는 마이너스 전압은 태양 전지(100)의 성능을 향상시키고 "킹크"(430)의 돌출을 감소시킨다. 도 5는 태양 전지 바이어스 전압 VB의 보다 좁은 범위에 걸쳐서를 제외하고는, 도 4에 제시된 전류 밀도 대 전압(J-V)의 그래프이다. 그에 따라, 도 5는 본질적으로 도 4에 예시된 개방 회로 전압 VOC의 확대도이다.
이하의 표 1은 상이한 게이트 전압에서 도 4 및 도 5의 그래프(400)에 나타낸 J-V 곡선으로부터 추출되는 다양한 태양 전지(100a) 특성을 나타내고 있다. 이들 다양한 성능 지수를 계산하는 식이 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있기 때문에, 간략함을 위해 여기서 그 식에 대한 설명은 생략한다.
도 4 및 도 5의 게이팅된 J-V 곡선으로부터의 태양 전지 특성
Figure pct00003
도 4 및 도 5에 예시된 개방 회로 전압 VOC의 변화는 도 4의 대역 다이어그램 삽화(420)에 나타낸 내부 전위 Vbi의 변화와 일치한다. 대역 다이어그램 삽화(420)에 나타낸 바와 같이, 마이너스 게이트 전압은 제1 메시층(106a)으로부터 전자를 회수하고, 제1 메시층(106a)의 페르미 준위를 반도체층(102)에 대한 진공 준위로부터 추가적으로 천이시킨다. 페르미 준위 평형의 결과, 더 큰 내부 전위 Vbi가 그에 대응하여 더 큰 개방 회로 전압 VOC에 반영된다.
게이트 전압 VG가 변할 때의 내부 전압 Vbi의 변화에 부가하여, 직렬 저항 RS도 역시 변한다. 구체적으로는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 게이트 전압 VG가 증가함에 따라 직렬 저항 RS가 증가하고, 이는 보다 높은 전류에서의 다양한 곡선의 보다 낮은 기울기로 나타내어져 있다. 이온 전도체층(108)에 의해 야기된 제1 메시층(106a)의 전해질-유발 변화(electrolyte-induced change)로 인해 직렬 저항의 이 변화가 일어난다. 측정된 태양 전지(100a)의 실시예는 1/3이 금속 나노튜브이고 나머지 2/3이 반도체 나노튜브인 제1 메시층(106a)을 포함한다. 그에 따라, 제1 메시층(106a)에 있는 나노튜브의 페르미 준위가 게이트 전압 VG에 의해 나노튜브의 대역 갭 내로(또는 그 밖으로) 밀려날 때 직렬 저항의 변화가 일어나고, 반도체 나노튜브에서의 컨덕턴스를 효과적으로 오프(또는 온)시키며, 이는 제1 메시층(106a)의 저항을 변화시킴으로써, 게이트 전압 VG의 변화에 따른 다양한 곡선의 "선형" 영역에서의 수정된 기울기를 설명해준다.
내부 전압(built-in voltage) Vbi의 천이나 수정된 직렬 저항 RS 어느 것도 VOC 근방에서의 도 4의 저전류 "킹크"(430) 및 게이트 전압 VG의 증가에 따른 킹크의 돌출의 증가를 설명하지 못한다. 그렇지만, 이 "킹크"(430)는 각각의 층이 서로 접촉하고 있는 그 각자의 표면에서의 제1 메시층(106a) 및 반도체층(102)의 거동으로 설명될 수 있다. 이하의 단락에서 논의하게 될, 금속-반도체 접합의 쇼트키 장벽 모델은 이 "킹크"(430)에 대한 근본적인 이해를 제공하는 데 유용하다.
쇼트키 접합(200)(전술함)의 Schottky-Mott 모델에 따르면, 내부 전위 Vbi는 하기의 식에 따라 금속 및 반도체의 접촉전 페르미 준위의 차이에만 의존한다:
Figure pct00004
. 이 모델은 표면 상태가 무시될 수 있는 경우에만 적용가능하다. 쇼트키 접합(200)의 Bardeen 모델에 따르면, 금속-반도체 접합에서, 그의 표면에서 벌크 반도체 물질이 끝나는 것은 표면 상태를 야기한다. 연속체로서 취급할 때, 이들 상태는 그 자신의 에너지 의존적 상태 밀도를 가지며, 그 밀도의 에너지 분포는 관여된 특정의 결정면(crystal face), 표면 원자 재구성(surface atomic reconstruction), 결함 및 불순물에 의존한다. 반도체 물질의 벌크가 그 자신의 표면과 열역학적 평형에 있어야만 하기 때문에, 금속이 반도체 표면과 접촉하기 이전이라도, 표면과 벌크 사이의 전하의 공간 분포 자체가 진성 대역 구부러짐(intrinsic band bending) 및 연관된 공핍층을 야기할 수 있다.
표면 상태가 최고의 채워진 표면 상태 근방에서 고밀도의 대역을 가지는 경우, 금속-반도체 접합에서의 접촉하는 금속의 페르미 준위에서의 열역학적 평형이 표면 상태의 고밀도 대역과 교환된 전자를 통해 일어난다. 그에 따라, 금속-반도체 접촉이 일어날 시에 대역 구부러짐의 변화가 비교적 거의 없고, 쇼트키 장벽이 금속-반도체 접합에서의 금속의 일함수에 독립적이며, 그에 따라 반도체에 접촉된 금속에 상관없이 쇼트키 장벽 높이 및 내부 전위 Vbi를 사실상 "고정"시킨다.
Schottky-Mott 모델 및 Bardeen 모델은 쇼트키 접합(200)에서 일어나는 정반대 것을 포함한다. 금속 일함수에 대한 어느 정도의 의존성을 허용하기 위해, 최근의 쇼트키 장벽 모델은 반도체 표면에서의 표면 상태 및 반도체와 접촉할 시에 이들 표면 상태 내로 수송되는 전하와 금속 사이에서 일어나는 부가의 계면 쌍극자의 착상을 포함한다. 계면 쌍극자는 금속과 반도체 사이의 화학 결합에 걸친 결합 분극(bond polarization) 및/또는 반도체에서의 표면 상태와 금속 사이의 에너지 평형에 의해 수송되는 전하와 연관되어 있을 수 있다. 이 계면 쌍극자는 얇은 것으로 가정되고, 쌍극자는 터널링 장벽 - 그의 효과가 쇼트키 장벽 높이 내에 포함되어 있음 - 으로서 기능한다. 금속-반도체 접합에 대한 최근의 고찰은 따라서, 쇼트키 장벽 높이에 기여하는 계면 쌍극자와 결합하여, 표면 상태와의 전하 교환에 의해 조정되는 내부 전위의 변조를 가능하게 해준다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, "킹크"(430)는 게이트-변조된 증가 및 제1 메시층(106a)과 반도체층(102)의 접합에서의 계면 쌍극자의 억압으로 인한 것이고, 이는 다시 접합에서의 내부 전압 Vbi 및 대역 구부러짐으로 피드백된다. 게이트 전압 VG에 결합된 전해질이 제1 메시층(106a)의 다공성으로 인해 제1 메시층(106a) 및 반도체층(102)의 표면에 직접 접근하기 때문에, 계면 쌍극자에 대한 게이트 전압 VG의 영향이 극적일 수 있다. 더 많은 플러스 게이트 전압 VG 바이어스에서, 계면 쌍극자가 증가되고 쇼트키 장벽 높이에 기여하여, 제1 사분면(I)에서의 감소된 순방향 전류로서 나타난다. 제4 사분면(IV)에서, 이 증가된 계면 쌍극자로 인한 부가의 터널링 장벽은 재결합 손실을 증가시키고, 감소된 전류 "킹크"(430)로서 나타난다. 이 장벽에 대한 추가의 기여는 나노튜브 사이에서 Si 표면과 직접 접촉하고 있는 이온 액체에 축적된 양전하로 인한 공핍층에 걸쳐 유도된 전계이다(내부 전위와 연관된 전계와 반대 방향으로 전계를 발생함). 마이너스 게이트 전압 VG 바이어스로 스위칭하는 것은 이들 경향을 반대로 만든다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 개방 회로 전압 VOC는 마이너스 게이트 전압 VG에 의해 0.55V에서 포화된다. 이 포화는 높은 표면 상태 밀도의 영역으로 인한 것일 수 있고, 일단 도달되면, 내부 전위 Vbi의 추가의 변화를 방지한다.
도 6은 태양 전지(100)의 비제한적인 실시예의 사시도이다. 태양 전지(100b)로 나타낸 도 6에 예시된 태양 전지(100)의 실시예는 태양 전지(100a)으로 나타낸 도 1에 예시된 실시예보다 상업적 응용에 더 유용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 도 6의 태양 전지(100b)는 이하에서 논의할 것인 바와 같이, 태양 전지(100a)와 유사하고, 태양 전지(100a)에 대해 앞서 논의한 다양한 물질이 또한 태양 전지(100b)에 포함될 수 있다.
태양 전지(100b)는 나노튜브를 포함하는 전기 전도성이고 광 투과성인 다공성 메시층(106a)과 쇼트키 접합(200)을 형성하는 반도체층(102)을 포함한다. 반도체층(102)은 태양 전지(100b)의 마이너스 단자가 되는 배면 접점층(101)을 가진다. 태양 방사에 노출될 태양 전지(100b)의 면에서, [본 명세서에서 핑거 전극(104a)라고도 하는 금속 핑거 전극의 형태로 패턴화되어 있는] 제1 금속 배선층(104a)은 제1 메시층(106a)의 나노튜브와 전기적으로 결합된다. 핑거 전극(104a) 사이의 간격은 부가의 이러한 핑거 전극(104a)이 반도체로부터 차단하는 유해한 양의 광과, 보다 적은 수의 이러한 핑거 전극(104a)이 사용될 때 얻어지는 전지 직렬 저항의 증가 사이의 절충에 의해 결정된다.
핑거 전극들(104a)은 이어서 모든 핑거 전극(104a)을 전기적으로 결합시키는 보다 두껍지만 보다 넓은 간격으로 있는 수직 금속 버스 바(130)에 의해 결합된다. 버스 바(130)의 간격은 다시 말하지만 부가의 이러한 버스 바(130)가 반도체층(102)의 표면으로부터 차단하는 유해한 양의 광과, 보다 적은 수의 이러한 버스 바(130)이 사용될 때 얻어지는 태양 전지(100b) 직렬 저항의 증가 사이의 절충에 의해 결정된다. 임의의 하나 이상의 금속 버스 바(130)가 태양 전지(100b)의 플러스 단자로 된다. 금속 핑거 전극(104a) 및 금속 버스 바(130)가, 제1 메시층(106a) 위에 있기보다는, 제1 메시층(106a)의 아래에 있을 수 있다. 금속 핑거 전극(104a) 및 버스 바(130)는 나노튜브에보다는 반도체층(102)의 표면에[또는 금속 핑거 전극(104a) 및 버스 바(130)의 아래에만 있을 수 있는 얇은 산화물층에] 더 잘 부착될 수 있으며, 이는 태양 전지(100b)의 무결성을 향상시킨다. 그 경우에, 제1 메시층(106a)은, 나노튜브의 유연성으로 인해, 여전히 나노튜브-반도체 접합을 형성하는 핑거 전극(104a) 근방에 있는 아래의 반도체층(102)의 표면과 정합할 것이다. 어느 경우든지[핑거 전극(104a) 및 버스 바(130) 위에 있는 나노튜브 또는 그 아래에 있는 나노튜브], 다공성 제1 메시층(106a)이 반도체층(102)의 표면까지 이온 전도체층(108)의 광 투과성이고 이온 전도성인 물질로 포화되어 있다.
역시 이온 전도체층(108)의 이온 전도성 물질로 포화되어 있는 고표면적 전극(136)이 들어 있는 캔(can)(134)이 반도체층(102)에 근접해 있지만 그의 표면의 "실면적"을 전혀 차지하지 않는다. 고표면적 전극(136)은 활성탄을 포함하는 다수의 물질, 또는, 예를 들어, 망간 산화물 또는 바나듐 산화물 또는 이들의 혼합물 및/또는 높은 반전지 커패시턴스(half cell capacitance)를 가지는 다른 이러한 물질 등의 수퍼커패시터에서 사용되는 유형의 의사용량성 전극(pseudocapacitive electrode)일 수 있다.
제1 메시층(106a)을 포화시키는 이온 전도체층(108)은 이온 전도성 브리지(132)를 통해 고표면적 전극(136)을 포화시키는 캔(134) 내의 이온 전도성 물질에 이온 결합되어 있다. 전원 공급 장치(120)는 태양 전지(100b)의 전력 변환 효율을 향상시키는 방향으로(고표면적 전극이 마이너스로 됨) 금속 버스 바(130)와 고표면적 전극(136) 사이에 약 0.75 V의 작은 게이트 전압을 제공한다. 게이트 전압을 제공하는 전원 공급 장치(120) 자체가 소형 태양 전지일 수 있다.
적어도 이상의 설명을 고려하면, 본 출원은 전자 게이팅(즉, 게이트 전압 VG를 변경하는 것)에 의해 조정될 수 있는 내부 전위 Vbi를 갖는 태양 전지(100)의 다양한 실시예에 대해 기술하고 있다. 그에 부가하여, 전자 게이팅은, 표면 상태를 부분적으로 비우고 그로써 Vbi를 증가시킴으로써, 제1 메시층(106a)과 반도체층(102) 사이의 계면에서의 계면 쌍극자를 수정할 수 있고, 이는 태양 전지(100) 성능을 향상시킬 수 있다. 그에 부가하여, 이온 게이팅은 이온 물질의 이온을 유도하여 이들을 반도체 표면에 배열시킨다. 게이팅의 적당한 부호에 대해, 이들 이온은 전하가 공핍층 밖으로 스위프하는 속도를 향상시키는 방향으로 공핍층에 걸친 전계에 기여할 수 있고, 그로써 태양 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
반도체 대역 갭 내에서 본질적으로 높은 표면 상태 밀도를 가지는 반도체의 경우, (적절한 부호의) 게이트 전압에 따른 Vbi의 증가는, 높은 표면 상태 밀도의 에너지에 도달되면, 포화될 수 있다. 메시층(106)과의 접촉이 이루어지기 이전 또는 이후에 반도체층(102)의 표면을 수정하는 것은, 부수적인 태양 전지 성능의 향상과 함께 (적절한 부호의 게이트 전압에 따른) Vbi의 추가적인 증가를 가능하게 해주기 위해, 표면 상태 밀도 분포를 수정할 수 있다. 이러한 수정은 기계적으로(예컨대, 마멸에 의해), 반도체 표면에 작용기를 부착시키는 것에 의해 화학적으로 또는 전기화학적으로, 또는 기상 증착(vapor phase deposition) 또는 용액상 증착(solution phase deposition)에 의해 표면에 화학종을 증착시키는 것에 의해 유도될 수 있다. 기상 증착의 경우에, 플라즈마 증강(plasma enhancement)이 유용할 수 있다.
그 다음에 도 7a를 참조하면, 그 중에서도 특히, 태양 전지(100c)로 표시된, 태양 전지(100)의 다른 비제한적인 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 태양 전지(100c)는 배면 접점층(101) 및 반도체층(102)을 포함한다. 태양 전지(100c)는 반도체층(102) 상에 절연층(103)을 추가로 포함한다. 제1 금속 배선층(104a)으로 둘러싸여 있는 반도체층(102)을 노출시키기 위해 절연층(103)의 일부분이 에칭된다. 도 1에 예시된 제1 메시층(106a)보다는, 그리드 층(706a)이 반도체층(102) 및 제1 금속 배선층(104a)과 접촉하도록, 그리드 층(706a)이 에칭된 부분 상에 배치된다. 그리드 층(706a)은 에칭된 부분을 통해 접근할 수 있는 반도체층(102)의 일부만을 덮고 있는 전기 전도성 그리드이다. 예를 들어, 그리드 층(706a)은 노출된 반도체층(102)의 약 50%, 노출된 반도체층(102)의 약 33%, 또는 노출된 반도체층(102)의 약 25%를 덮고 있을 수 있다. 잘 알 수 있는 바와 같이, 다른 비율 범위가 이용될 수 있다. 도 7a의 실시예가 직사각형 그리드 층(706a)을 예시하고 있지만, 잘 알 수 있는 바와 같이, 다른 기하학적 그리드가 이용될 수 있다.
그리드 층(706a)[및 메시층(106b)]은 다음과 같은 물질들 중 하나 이상을 포함한다: 단일 벽 탄소 나노튜브, 이중 벽 탄소 나노튜브, 다중-벽 탄소 나노튜브, 그래핀, 반도체 나노와이어, 금속 나노와이어, 금속 그리드 또는 반도체 그리드. 물질에 상관없이, 반도체층(102)과 접촉하고 있는 그리드 층(706a)은, 그리드 층(706a)을 통과하는 태양 방사의 대부분이 반도체층(102)의 표면에 도달하도록, 태양 방사에 충분히 투명할 수 있다. 그리드 층(706a)은 또한 전기 전도성이다. 그에 부가하여, 그리드 층(706a)은 반도체층(102)의 표면 및 반도체층(102)의 표면과 접촉하는 그리드 층(706a)의 부분 둘 다에 대한 이온 전도체층(108)의 접근을 가능하게 해주기 위해 충분히 다공성일 수 있다.
태양 전지(100a)는 절연층(103) 상에 제2 금속 배선층(104b)을 추가로 포함한다. 메시층(106b)은 제2 금속 배선층(104b)과 접촉한다. 그리드 층(706a) 및 메시층(106b)은 서로 전기적으로 절연되어 있다. 제1 금속 배선층(104a)은 그리드 층(706a)에 대한 접점을 형성하고, 제2 금속 배선층(104b)은 메시층(106b)에 대한 접점을 형성한다. 또한, 그리드 층(706a)은 반도체층(102)과 접촉하는 반면, 메시층(106b)은 절연층(103)에 의해 반도체층(102)으로부터 분리되어 있다. 그리드 층(706a) 및 제1 금속 배선층(104a)은 모여서 접합부 전극을 형성한다. 이와 유사하게, 메시층(106b) 및 제2 금속 배선층(104b)은 모여서 게이트 전극을 형성한다.
도 7b는, 그리드 층(706a)이 반도체층(102) 및 제1 금속 배선층(104a)과 접촉하도록, 절연층(103)의 에칭된 부분 상에 배치된 그리드 층(706a)의 일례의 사진(700)이다. 예를 들어, 2 mm2 직사각형 윈도우를 갖는 금 접점층(104a)이 n-Si 웨이퍼(102) 상에 1 μm 두께의 산화물층(103)으로 증발되었다. 윈도우 내에서 아래로 베어 Si 층(bare Si layer)(102) 표면까지 산화물 절연층(103)을 에칭하기 위해 금 금속 배선층(104a)이 에칭 마스크로서 사용되었다. 45 nm 두께, 6 x 8 mm2 직사각형 면적의 얇은 다공성 단일 벽 탄소 나노튜브(single wall carbon nanotube, SWNT) 필름이 금과 접촉하고 있는 윈도우를 통해 전사되어, 노출된 n-Si 반도체층(102)과 접합을 형성한다. 이 SWNT 필름은, 도 7b에 도시된 그리드 패턴을 생성하기 위해, 표준의 포토리소그라피 및 산소 플라즈마에서의 에칭에 의해 정의되었다. 그리드 층(706a)의 선은 폭이 약 100 μm이고, 인접한 선 사이의 간격이 약 300 μm이다. 제2 금 금속 배선층(104b) 및 SWNT 메시층(106b)이 접합부 근방에서 산화물 절연층(103) 상에 증착되었다. 전해질이 첨가된 경우, 이 메시층(106b) 및 제2 금속 배선층(104b)은 모여서 게이트 전극을 형성한다.
도 8을 참조하면, 전해질이 없는 경우의[이온 전도체층(108)이 없는] 2개의 상이한 장치에 대한, 어두운 곳에서 및 조명 하에서의(AM1.5G, 100 mW/cm2) 전지 전류 밀도 대 전압(J-V) 특성을 나타낸 그래프(800)가 도시되어 있다. 제1 태양 전지 장치는 전체 윈도우에 걸쳐 제1 SWNT 메시층(106a)(도 1)을 이용하고, 제2 태양 전지 장치는 나노튜브 선을 갖는 Si 범위를 윈도우 면적의 약 27%로 제한하는 SWNT 그리드 층(706a)(도 7a)을 포함한다[곡선(806) 참조]. 나노튜브 필름/n-Si 접점은 "종래의" 금속-반도체 쇼트키 접합 태양 전지를 형성한다. 나노튜브를 갖는 n-Si의 페르미 준위 평형은 전자를 n-Si로부터 SWNT로 수송하여, 그리드 층(706a)에서의 나노튜브 근방에서 Si 반도체층(102)에 공핍층 및 대역 구부러짐을 발생한다. Si에 흡수된 광자는 내부 전위 Vbi에 의해 분리되어 있는 전자-정공 쌍을 발생하여, 태양 전지 장치로부터의 전력 발생을 가능하게 해준다. 약 1015 도너/cm3의 도핑 밀도에 대해, 이 공핍층은 나노튜브와의 접촉부로부터 Si 반도체층(102) 내로 1 μm 이하 뻗어 있다. 이 공핍층의 비교적 작은 범위가 주어진 경우, 그리드 층(706a)의 감소된 접합 면적은 감소된 단락 회로 광전류를 산출한다. 이러한 광전류의 감소는 감소된 접합 면적에 정비례하지 않는데, 그 이유는 고품질 단결정 규소가 긴 확산 거리(diffusion length)를 가지며, 이는 접합부로부터 멀리 떨어져 발생된 광전류가 접합부로 확산되어 광전류에 기여할 수 있게 해준다. 그럼에도 불구하고, 그리드 층(706a)을 포함하는 장치에서의 광전류가 제1 메시층(106a)을 장치의 광전류보다 2배 넘게 감소되고, 전체 윈도우 면적 정규화된 전력 변환 효율의 대응하는 감소를 가져온다.
1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트라이플루오로메틸설포닐)이미드(EMI-BTI) 이온 액체(IL) 전해질을 이온 전도체층(108)으로서 부가하는 것에 의해, 태양 전지 거동이 상당히 변한다. 도 9는, 게이트 전극이 전기적으로 부유되어 있는 상태에서, IL 전해질을 이온 전도체층(108)으로서 부가하기 이전과 그 이후의 그리드 SWNT 층(706a)(도 7a)을 이용하는 태양 전지 장치의 조명된 J-V 곡선을 비교하는 그래프(900)이다. 또한, SWNT-그리드 접합 전극에 대해 -0.75V가 게이트 전극에 인가되는 경우가 도 9에 도시되어 있다. IL 전해질의 단순한 부가(게이트가 부유되어 있거나 그렇지 않음)는 그리드 층(706a) 내의 나노튜브에 의해 n-Si의 감소된 면적 범위로 손실된 단락 회로 광전류를 복원하는 것 이상을 한다. 전해질은 그리드 층(706a)의 나노튜브 선 사이의 큰 갭에 걸쳐 Si 반도체층(102)에 그 자신의 공핍층(또는 반전층)을 유발시킨다.
나노튜브-전해질/n-Si 태양 전지(100c)는, 산화-환원 결합이 없고, (즉 진공 준위에 대해 -5.1 V에 중앙이 있는 Fc/Fc+에 대해) -2.6V에서 +2.0 V에 이르는 그의 아주 넓은 전기화학적 윈도우로 인해, 이온 전도체층(108)에 대해 EMI-BTI 전해질이 선택되었다는 점에서, 광화학적 전지와 구분된다. 따라서, EMI-BTI 전해질은 전하 수송에 참여하지 않는다. 그 대신에, Si 반도체층(102)에서의 전해질-유도 반전층으로 가는 광발생 정공이 반전층 내의 전기장에 의해 포획되고, 이들이 수집되는 나노튜브 그리드 선을 만날 때까지 그를 따라 확산한다. 표면에 정공을 축적시키는 전기장이 또한 전자를 몰아내기 때문에, 유해한 표면 재결합이 크게 회피된다.
이 상황은 소위 "격자" 금속-절연체-반도체(metal-insulator-semiconductor, MIS) 전지를 연상시키며, 이 경우 p-형 규소의 전면 상의 좁은 금속 선(Al 또는 Mg)이 넓은 간격으로 있는 금속 선 사이의 영역에 있는 p-Si 표면에 형성된 반전층에 의해 포획된 전자를 수집하였다. 이 장치에서의 반전층은 Si 층 상에 성장된 SiO 층에 포획된 양전하에 의해 유발되었다. 이 경우에, 게이트 전압은 n-Si의 표면에 인접하여 확실히 (게이트의 극성에 따라 어느 한 부호의) 전하를 유발시킬 수 있지만, 흥미롭게도 도 9의 그리드 층에서 보는 높은 단락 회로 전류(VBias = 0 V)가 이온 전도체층(108)으로서 이온 액체(IL) 전해질을 도입하면 즉각 일어난다. 이것은 IL 전해질의 단순한 도입 시에 음이온이 n-Si 표면에 축적된다는 것을 의미한다.
이러한 전하 분리가 고유의 정전기에 의해 설명될 수 있는지를 판정하기 위해, 본 시스템이 장치 시뮬레이션 패키지: Synopsys? TCAD Sentaurus를 사용하여 모델링되었다. 전해질의 효과를 시뮬레이션하기 위해, 프로그램이 유전체 코팅을 시뮬레이션할 수 있는 것은 전해질에 대한 대용물로서 사용하는 것이었다. 아주 높은 유전 상수(ε = 5000)를 갖는 유전체 코팅이 사용되었다, 즉 전해질의 이동 자유 이온(mobile free ion)이 극단적인 분극률을 가지는 구속 전하를 갖는 "유전체"층으로 대체된다(문헌에서 이용가능한 AC 유전 상수가 관련성이 없도록 전해질의 자유 전하는 그에 대한 실제 DC 유전 상수의 정의에서 배제된다). ε = 5000의 값은 전해질에서의 Debye층 특성 치수(<20 nm)에 대한 유전체층 특성 길이(약 100 μm)의 비로부터 나온다. 이 시뮬레이션은 전해질의 부가 시에 전기장을 발생하는 반전층이 형성된다는 것을 확인시켜 주었다. 도 10a는 그리드 층 태양 전지 장치(100c)(도 7a)에 대한 실험적 J-V 곡선의 그래프(100)를 나타낸 것이며, 여기서 전류 밀도는 전체 윈도우 면적에 대해 정규화되어 있다.
도 10b는 시뮬레이션 파라미터 및, 장축이 페이지에 수직인, 100 μm 폭의 SWNT 그리드 선을 통한 단면 절단에 대한 기하학적 구조(축척대로 되어 있지 않음)를 나타낸 것이다. SWNT 선은 일정한 일함수 ΦCNT = -4.9 eV(질산 세정된 SWNT에 부합함)의 단순 금속(simple metal)으로서 취급된다. 게이트 전극은 1 μm 두께의 SiO2 유전체(ε = 3.9) 상에 위치하는 금 선(gold line)(ΦAu = -5.1 eV)이다. SWNT 선에 인접하여, 전체 구조물을 코팅하고 있는 "전해질"(ε = 5000을 갖는 유전체)과 직접 접촉하고 있는 n-Si(1 x1015 cm-3 인(phosphorous) 도핑 밀도에 대해 ΦSi = -4.3 eV)와의 접합부가 SWNT 그리드 선 아래에 있다. 사용된 Neumann의 경계 조건은 도면의 좌측 및 우측에 거울면을 배치하고, 좌측에서의 반사를 포함하는 금 게이트 전극 선의 폭을 100 μm(SWNT 그리드 선과 동일한 면적)로 하고 우측에서의 반사를 포함하는 그 다음 SWNT 그리드 선까지의 간격을 300 μm로 한다.
도 10c, 도 10e 및 도 10g는 다음과 같은 게이트 전압에 대해 바이어스 전압 VBias = 0 V에서 SWNT/n-Si 접합 아래의 공핍층에 그리고 인접한 n-Si에 나타나는 전기장을 나타내는 그래픽 표현이다: VGate = -0.75, 0, +0.75 V (각각, 도 10c, 도 10e 및 도 10g의 1003c, 1003e, 및 1003g). 도 10d, 도 10f 및 도 10h는 동일한 게이트 전압에 대해 순방향 바이어스 전압 VBias = 0.3V에서 이것을 나타낸 그래픽 표현이다: (각각, 도 10d, 도 10f 및 도 10h의 1003d, 1003f, 및 1003h). 이들 결과는 이웃하는 SWNT 그리드 선 사이의 긴 300 μm 간격에 걸쳐 뻗어 있는 규소 표면에서의 전기장(1003)을 명확히 보여준다. 게다가, 이 시뮬레이션은, VGate가 -0.75에서 +0.75 V로 점진적으로 증가함에 따라, 이 전기장(1003)이 감소한다는 것을 보여주고(도 10c 내지 도 10h), 이는 도 10a에 도시된 바와 같이 VGate=+0.75V 및 VBias=0V에서의 보다 작은 측정 전류와 부합한다.
이 시뮬레이션은 전해질에 의해 발생된 반전층에 중점을 두고 있고, J-V 곡선의 다른 게이트 전기장 의존적인 특성을 모델링하려는 어떤 시도도 없었다. 따라서, 이 모델은, 예를 들어, SWNT 페르미 준위에서의 게이트-유도 천이(gate induced shift)를 포함하고 있지 않다. 이 모델은 또한 정전기와 관련없는 SWNT 필름에서의 저항 변화도 포함하고 있지 않다. 그럼에도 불구하고 이 모델은 SWNT/n-Si 접점의 근방에서 직접 공핍층을 훨씬 넘어 뻗어 있는 반전층의 존재를 포착하며, 따라서 IL 전해질의 부가 시에 증가된 포화 전류를 설명한다.
이 거동은 다음과 같이 정량적으로 이해될 수 있다. 나노튜브 그리드 층(706a) 및 n-Si 반도체층(102)이 처음으로 밀접하게 접촉할 때, n-Si에서의 전자의 자유 에너지(일함수: ΦSi = -4.3 eV)가 전자의 탄소 나노튜브로의 수송으로 인해 감소된다(일함수: ΦCNT = -4.9 eV). 추가적인 전하 교환을 방지하기 위해 전하 불균형으로 인한 쿨롱 복원력이 로컬 전위(내부 전위 Vbi)를 상승시킬 때 이러한 수송이 중단되어, 평형을 확립한다. 전해질 이온의 존재 시에, 수송된 전하를 보상하고 따라서 평형에 도달하기 전에 실질적으로 부가의 전하의 교환을 가능하게 해주기 위해 이온이 자유롭게 이동한다. 부가의 전자가 나노튜브를 둘러싸고 있는 전해질 양이온에 의해 보상되는 그리드 층(706a)의 나노튜브 그리드 선들 사이의 Si 영역으로부터 나노튜브로 수송되는 반면, n-Si 반전층에 남겨져 있는 양전하는 Si 층(102) 표면에 축적된 전해질 음이온에 의해 보상된다. 여기서의 전해질은 나노튜브와 n-Si 사이의 원래의 페르미 준위 오프셋에 의해 내부에서 또는 게이트 전기장에 의해 외부에서 제공되는 자연 전위(self potential)에 의해 전해질 커패시터에서와 거의 마찬가지로 시스템의 커패시턴스를 상승시키는 역할을 한다. 이 결과는 또한 게이트 전압의 증가에 따라 증가하는 에너지 갭(VOC 근방에서 관찰됨)과 같은 특징의 원인(들)을 더 고려하게 한다.
인가된 게이트 전기장으로 인한 이온 전도체층(108)의 전해질에서의 전하 재구성이 완료되면, 게이트 회로는 무시할 정도의 전류를 소모하고 따라서 무시할 정도의 전력을 소비한다. 따라서, 그리드 층(706a)의 나노튜브 그리드 선들 사이의 이 반전층의 게이트 전기장 증가는 에너지면에서의 불이익이 거의 없다. 실제로, 제1 메시층(106a)(도 1) 경우와 비교하여, 이는 이점을 가진다. Si 반도체층(102) 표면으로 수송되어 SWNT 메시층(106a)에 흡수되는 광자는 전력 발생에 기여하지 않는다. 규소 대역 갭미만의 광 에너지만을 투과시키는 광 경로에 필터를 배치함으로써 이것이 확인되었다. 나노튜브가 광 발생에 참여하는 경우, 약 0.6 eV의 대역 갭을 갖는 반도체 나노튜브가 얼마간의 광전류를 생성했어야만 하지만, 아무것도 관찰되지 않았다. 이들이 전력 발생에 기여하지 않기 때문에, 보다 얇은 나노튜브 필름은 광을 덜 흡수할 것이고, 규소로 더 많은 전력의 전달을 가능하게 해주며, 그로써 PCE를 향상시킨다. 그렇지만, 나노튜브 필름을 얇게 하는 것은 그의 저항을 비선형적으로 증가시켜, 유해한 직렬 저항을 유입시킨다. 액체 접합부를 사용하여 나노튜브 메시층(106a)에 의해 덮여야만 하는 Si 반도체층(102)의 면적을 감소시킬 수 있는 것은, 직렬 저항을 최소한으로 증가시키면서, 최적화된 간격의 그리드 패턴이 전체 흡수 손실을 최소화할 수 있고, PCE에서의 순이득을 가져온다는 것을 암시하였다. 이렇다는 것 밝혀졌다. SWNT 메시층(106a)은 VGate = -0.75 V에서 10.9%의 최상의 PCE를 달성하였다. 이 동일한 게이트 전압에서, 도 7a 및 도 7b에 도시된 기하학적 구조를 갖는 그리드 층(706a)은 도 1의 메시층(106a)보다 10%의 향상인 12%의 PCE를 달성한다.
연속적인 필름의 경우와 비교하여, 그리드 전지의 전해질/n-Si 접합에 도달하는 증가된 태양 광속은 보다 큰 단락 회로 전류 밀도로서 나타난다. 메시층(106a)에 대한 단락 회로 전류 밀도는 JSCM = 25.0 mA/cm2인 반면, 그리드 층(706a)에 대한 단락 회로 전류 밀도는 예상대로 더 큰 JSCG = 29.8 mA/cm2였다. 게다가, 그리드 층(706a)을 갖는 장치와 메시층(106a)을 갖는 장치(둘 다 IL 전해질로 코팅됨)의 단락 회로 전류에서의 유일한 차이점이 나노튜브에 의해 덮인 상대 면적으로 인한 흡수 손실에 있는 경우, 2가지 경우에서 규소 내에서 흡수되는 상대 태양 전력(relative solar power)만을 고려하여 2가지 경우에서 획득된 전류 밀도의 비를 준경험적으로 계산하는 것이 가능할 것이다. 후자는 태양 스펙트럼(300 nm - 1107 nm)의 관련 범위에 걸쳐 기록된, 유리(모든 경우에서 이온 액체 코팅됨) 상에서의 규소의 반사율, 규소 상의 나노튜브 필름의 반사율 및 나노튜브 필름의 투과율의 측정으로부터 결정될 수 있다. 측정된 전류 밀도의 비는 JSCG / JSCM = 29.8 mA / 25 mA = 1.19인 반면, 계산은 1.17을 산출하며, 이는 반사율 측정에서 나타나는 나노튜브를 통한 제2 수송의 무시 및 투과율 측정에서 일어나는 나노튜브 필름/이온 액체의 전면으로부터의 반사의 무시로부터 예상되는 조정가능한 파라미터 및 오차가 없는 경우에 우수한 합의점이다. 확실하게도, 이 효과에 대한 보정은 계산된 값을 상승시키고, 합의점을 추가적으로 향상시킨다.
격자 MIS 전지의 PCE가 17%를 초과할 수 있지만, 이들이 오히려 시간에 따라 급격하게 열화되는 것으로 밝혀졌다. 이 열화는 SiO 층 표면에서의 환경으로부터 축적된 전자로 인한 것이다. 이 전하가 (넓은 전극 간격을 가능하게 해주는 반전층을 발생하는 책임을 지고 있는) SiO 층에 포획된 양전하를 중화시키는 경향이 있기 때문에, 반전층의 크기가 감소되고, 태양 전지 성능을 열화시킨다. 본질적으로 중성이고 자발적 전하 분리(spontaneous charge separation)를 통해 반전층을 유도하는 전해질의 사용은 이 문제점을 제거할 수 있다. 도 9의 데이터에서 알 수 있는 바와 같이, 게이트가 전기적으로 부유하고 있는 상태에서도 전해질을 이온 전도체층(108)으로서 간단히 부가하는 것이 포화 광전류와 동일한 단락 회로 광전류를 발생하며, 이는 임의의 게이트 전기장이 인가되기 이전에도 반전층이 존재한다는 것을 암시한다. SWNT의 경우에, 전해질 부가 시에 갭과 같은 특징이 나타나는 것은 필 팩터(fill factor)를 감소시키며, 따라서 최대 전력 변환 효율을 달성하기 위해 게이트 전기장이 필요하다. 이러한 갭과 같은 특징은 종래의 금속 전극의 경우에서는 예상되지 않는다. 그 경우에, SiO 층이 이온 액체 전해질로 대체되어 있는 격자 MIS 쇼트키 접합 태양 전지는, 활성 게이팅을 필요로 하지 않고도, 이전의 열화 문제점에 대한 해결책을 제공할 수 있다(게이팅이 에너지 측면의 불이익을 거의 일으키지 않지만, 장치 복잡도를 증가시킴). 마지막으로, 이러한 태양 전지는 또한 그렇지 않았으면 그의 표면으로부터 반사될 광을 더 많이 포획하기 위해 Si 반도체층(102)의 텍스처링으로부터 이득을 볼 수 있다. 최근에, p-n 접합 Si 태양 전지에서의 나노홀의 어레이가 장치 성능을 향상시키는 것으로 입증되었다. 전해질 코팅된 태양 전지(100c)에서 그리드 층(706a)의 그리드 선 사이에 허용되는 큰 간격은 반전층 및 부가의 광 포획 둘 다의 상당한 이점이 나노홀을 전해질로 채움으로써 달성될 수 있다는 것을 나타낸다.
강조할 점은, 상기한 실시예가 본 개시 내용의 원리의 명확한 이해를 위해 기재된 구현의 가능한 일례에 불과하다는 것이다. 본 개시 내용의 사상 및 원리를 실질적으로 벗어나지 않고 상기한 실시예에 대해 많은 변형 및 수정이 행해질 수 있다. 모든 이러한 수정 및 변형이 본 명세서에서 본 개시 내용 및 본 출원의 범위 내에 포함되는 것으로 보아야 한다.
주목할 점은, 비, 농도, 양, 및 기타 수치 데이터가 본 명세서에서 범위 형식으로 표현되어 있을 수 있다는 것이다. 이러한 범위 형식이 편의상 그리고 간략함을 위해 사용되고, 범위의 한계로서 명백히 언급된 수치값을 포함하는 것은 물론, 각각의 수치값 및 하위 범위가 명백히 언급되어 있는 것처럼, 그 범위 내에 포함된 모든 개별 수치값 또는 하위 범위도 포함하는 것으로 유연하게 해석되어야 한다는 것을 알 것이다. 예시를 위해, "약 0.1% 내지 약 5%"의 농도 범위는 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%의 명백히 언급된 농도를 포함할 뿐만 아니라, 개별 농도(예컨대, 1 %, 2%, 3%, 및 4%) 및 하위 범위(예컨대, 0.5%, 1.1 %, 2.2%, 3.3%, 및 4.4%)도 표시된 범위 내에 포함하는 것으로 해석되어야만 한다. "약"이라는 용어는 수치값의 유효 숫자에 따른 종래의 반올림을 포함할 수 있다. 그에 부가하여, "약 'x' 내지 'y'"라는 문구는 "약 'x' 내지 약 'y'"를 포함한다.

Claims (20)

  1. 반도체층 상에 형성된 메시층(mesh layer) - 상기 메시층은 전기 전도성의 투명한 다공성 나노튜브 메시를 포함함 -; 및
    상기 메시층 상에 형성된 이온층(ionic layer) - 상기 이온층은 상기 다공성 나노튜브 메시를 통해 침투하고 상기 반도체층에 직접 접촉함 - 을 포함하는 태양 전지.
  2. 반도체층 상에 형성된 제1 메시층 - 상기 제1 메시층은 다공성 나노튜브 메시를 포함함 -;
    상기 제1 메시층에 결합되어 있는 제1 금속 배선층;
    게이트 전압에 의해 상기 제1 금속 배선층에 결합되어 있는 제2 고표면적(high surface area) 전기 전도성 전극; 및
    상기 제1 메시층 및 상기 제2 고표면적 전기 전도성 전극과 전기적 통신을 하고 있는 이온층을 포함하는 태양 전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 메시층과 상기 반도체층의 접합부의 내부 전위(built-in potential)가 상기 게이트 전압에 의해 인가된 전압에 민감한 것인 태양 전지.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 메시층과 상기 반도체층의 접합부의 계면 쌍극자(interface dipole)가 상기 게이트 전압에 의해 인가된 전압에 민감한 것인 태양 전지.
  5. 제2항에 있어서, 상기 게이트 전압이 복수의 태양 전지를 포함하는 것인 태양 전지.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1 금속 배선층이 제1 전극을 형성하고, 상기 제2 고표면적 전기 전도성 전극이 제2 전극을 형성하는 것인 태양 전지.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제1 금속 배선층이 절연층에 의해 상기 반도체층으로부터 절연되어 있는 것인 태양 전지.
  8. 제2항에 있어서, 상기 제1 금속 배선층이 상기 반도체층과 직접 접촉하는 것인 태양 전지.
  9. 제2항에 있어서, 상기 제1 메시층이 그래핀층(graphene layer)을 포함하는 것인 태양 전지.
  10. 제2항에 있어서, 상기 제1 메시층이 반도체 나노와이어(semiconducting nanowire)를 포함하는 것인 태양 전지.
  11. 제2항에 있어서, 상기 제1 메시층이 금속 나노와이어를 포함하는 것인 태양 전지.
  12. 제2항에 있어서, 상기 인가된 게이트 전압에 의해 부가의 성능 향상을 가능하게 해주는 표면 상태 밀도를 변경하도록 상기 반도체 표면이 개질된 것인 태양 전지.
  13. 제2항에 있어서, 상기 태양 전지의 직렬 저항이 상기 게이트 전압에 의해 인가된 전압에 민감한 것인 태양 전지.
  14. 제2항에 있어서, 상기 제1 메시층이 금속 그리드를 포함하는 것인 태양 전지.
  15. 제2항에 있어서, 상기 제1 메시층이 반도체 그리드를 포함하는 것인 태양 전지.
  16. 반도체층 상에 형성된 그리드 층;
    상기 그리드 층에 결합되어 있는 제1 금속 배선층; 및
    상기 그리드 층 및 상기 반도체층과 전기적 통신을 하고 있는 이온층을 포함하는 태양 전지.
  17. 제16항에 있어서, 상기 그리드 층이 전기 전도성의 나노튜브 그리드를 포함하는 것인 태양 전지.
  18. 제16항에 있어서, 상기 그리드 층이 전기 전도성의 금속 그리드를 포함하는 것인 태양 전지.
  19. 제16항에 있어서, 상기 반도체층과 상기 제1 금속 배선층 사이에 절연층을 추가로 포함하는 태양 전지.
  20. 제19항에 있어서, 상기 절연층 상에 형성된 메시층 - 상기 메시층은 상기 그리드 층으로부터 전기적으로 절연되어 있음 -; 및
    상기 메시층에 결합되어 있는 제2 금속 배선층을 추가로 포함하는 태양 전지.
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