[논문]이차원 반도체 소재를 이용한 투명 태양전지 특성에 관한 연구

좌태헌; 현철민; 김민식; 이혁주; 안지훈

doi:10.5695/jkise.2016.49.2.186

이차원 반도체 소재를 이용한 투명 태양전지 특성에 관한 연구
Transparent Photovoltaic Device using Two-dimensional Transition-metal Dichalcogenides 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.49 no.2, 2016년, pp.186 - 190

좌태헌 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 현철민 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 김민식 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 이혁주 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 안지훈 (한국해양대학교 전자소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we fabricated the transparent photovoltaic device using 2-dimensional transition-metal dichalcogenides and investigated the transparency and photovoltaic characteristics. P-n heterojunction was formed by mechanical exfoliation and aligned transfer method on the transparent sheet using n-type $MoS_2$ and p-type $WSe_2$. Our transparent photovoltaic device exhibited the open-circuit voltage of ~ 0.15 V and the short-circuit current of 0.48 nA under illumination of white light.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 이차원 전이금속 칼코게나이드 화합물이 투명하다는 장점, 그리고 가시광 영역의 빛을 흡수할 수 있다는 장점에 착안하여 가시광 영역의 빛을 광발전에 사용할 수 있는 투명 태양전지를 제작하고 그 응용 가능성을 확인하는 연구를 진행하였다.

제안 방법

이차원 결정구조를 갖는 반도체 소재의 투명 태양전지 응용 가능성을 확인하기 위해 n-type의 MoS₂flake와 p-type의 WSe₂ flake를 이용하여 p-n heterojunction 소자를 투명 시트지 상에 구현하고 특성을 살펴보았다. 제작 된 투명 태양전지는 육안으로 매우 투명해 보였고 실제 투과도 측정 시 가시광 영역에서 약 50%의 광 투과도를 갖는 것으로 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 그림 1과 같은 과정을 통해 이차원 소재를 이용한 투명 태양전지를 제작하였다. Si wafer 상에 SiO₂가 300 nm 두께로 성장 된 기판을사용하였으며 태양전지를 제작하기 위한 이차원 전이금속화합물(transition metal dichalcogenide, TMD) 소재로, 가장 대표적인 n-type 물질인 MoS₂와 ptype 물질인 WSe₂를 사용하였다. 먼저 스카치 테이프 박리법(scotch tape for exfoliation)을 사용하여 bulk 형태의 MoS₂와 WSe₂ 소재로부터 flake 형태의 MoS₂와 WSe₂ 층을 박리한 뒤 이를 각각의 SiO₂기판에 전사시켰다.

데이터처리

의 두께를 확인하였고 optical microscope (OM)이용하여 소자 제작과정을 확인하였다. 제작 된 소자의 photovoltaic 특성을 확인하기 위하여 백색광원 조사 여부에 따른 I-V characteristic을 분석하였다.

성능/효과

flake를 이용하여 p-n heterojunction 소자를 투명 시트지 상에 구현하고 특성을 살펴보았다. 제작 된 투명 태양전지는 육안으로 매우 투명해 보였고 실제 투과도 측정 시 가시광 영역에서 약 50%의 광 투과도를 갖는 것으로 확인하였다. 태양전지 특성을 확인하기 위하여 백색광 조사 유무에 따른 전류-전압 관계를 측정해 본 결과 약 0.
제작 된 투명 태양전지는 육안으로 매우 투명해 보였고 실제 투과도 측정 시 가시광 영역에서 약 50%의 광 투과도를 갖는 것으로 확인하였다. 태양전지 특성을 확인하기 위하여 백색광 조사 유무에 따른 전류-전압 관계를 측정해 본 결과 약 0.15 V의 개방전압과 약 0.48 nA의 단락전류 값을 갖는 태양전지로 작동함을 확인하여 이차원 소재를 이용한 투명 태양전지의 가능성을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전이금속 칼코게나이드 화합물에는 어떤 것들이 있는가?	따라서 전이금속 칼코게나이드 화합물을 매우 얇게 형성시키면 투명하고 유연성을 갖기 때문에 최근 유연, 투명 소자로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[13-15]. 특히 n-type 반도체 특성을 갖는 대표적인 이차원 소재인 MoS2와 p-type 반도체 특성을 갖는 대표적인 이차원 소재인 WSe2의 bandgap이 약 1.2 ~ 1.
	유연성을 갖는 전자소자 또는 광전 소자는 어디에서 응용이 가능한가?	최근 투명성, 유연성을 갖는 전자소자 또는 광전 소자는 portable, wearable, implantable 소자에 응용 가능성 때문에 많은 관심과 연구가 진행되고 있다[1-4]. 특히 투명성을 갖는 태양전지의 경우 건물 외관에 부착되거나 발광 소자에 부착되어 버려지는 광 에너지를 이용하여 전력을 발생시키는 energy harvesting device로 응용 될 수 있는 가능성이 있어서 산화물 반도체[5]나 고분자 반도체 소재[6], 또는 nano-wire [7]등을 이용하여 투명 태양전지를 제작하는 연구가 진행되었다.
	기전력을 발생시키는 태양전지의 기본 원리는?	특히 투명성을 갖는 태양전지의 경우 건물 외관에 부착되거나 발광 소자에 부착되어 버려지는 광 에너지를 이용하여 전력을 발생시키는 energy harvesting device로 응용 될 수 있는 가능성이 있어서 산화물 반도체[5]나 고분자 반도체 소재[6], 또는 nano-wire [7]등을 이용하여 투명 태양전지를 제작하는 연구가 진행되었다. 하지만, photon을 흡수하여 electron-hole pair를 형성시켜 기전력을 발생 시키는 태양전지의 기본 원리 때문에 투명한 태양전지는 가시광 영역의 빛을 발전에 사용하기가 어려워 대부분의 연구 결과는 자외선이나 적외선 영역에서 동작하는 태양전지를 제작하는데 집중되었다. 한편 이차원 결정구조를 갖는 전이금속 칼코게나이드 화합물(transition-metal dichalcogenides)은 in-plane 방향으로는 강한 공유결합을 하고 있지만 out-of-plain 방향으로는 매우 약한 van der Waals 결합을 하고 있기 때문에 원자층 레벨의 매우 얇은 수준으로 떼어나거나 합성하기 용이하다[8-9].

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