JP2018011058A - タンデム太陽電池、これを含むタンデム太陽電池モジュール及びこの製造方法 - Google Patents

タンデム太陽電池、これを含むタンデム太陽電池モジュール及びこの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、タンデム太陽電池に垂直に入射する光の反射率を下げると共に、光の入射方向を斜め方向に変化させることで、光の経路を増加できる構造を有するタンデム太陽電池及びこれを含むタンデム太陽電池モジュールを提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、タンデム太陽電池、これを含むタンデム太陽電池モジュール及びこの製造方法に関し、より具体的に、結晶シリコン太陽電池の前面にペロブスカイト太陽電池を積層して接合したモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）タンデム太陽電池とこれを製造する方法に関する。本発明によれば、結晶シリコン太陽電池とペロブスカイト太陽電池が接合層を介して接合された太陽電池の前面透明電極の前面にナノ電極構造体をパターン化することで、ナノ電極構造体を通じて太陽電池に入射する太陽光の経路を増加させて太陽光の利用率を向上させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、タンデム太陽電池、これを含むタンデム太陽電池モジュール及びこの製造方法に関し、より具体的には、結晶シリコン太陽電池の前面にペロブスカイト太陽電池を積層して接合したモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）タンデム太陽電池と、これをモジュール化したタンデム太陽電池モジュール、及びこれを製造する方法に関する。
結晶シリコン（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ；ｃ-Ｓｉ）太陽電池は、代表的な単一接合（ｓｉｎｇｌｅ ｊｕｃｔｉｏｎ）太陽電池であり、ここ数十年間太陽電池市場を支配してきた。
しかし、結晶シリコンのバンドギャップは、Ｓｈｏｃｋｌｅｙ-Ｑｕｅｉｓｓｅｒ限界を考慮するとき、ほとんど理想的であるにもかかわらず、シリコン基板太陽電池の光電変換効率をＡｕｇｅｒ再結合により約３０％の水準に制限されているのが実情である。
すなわち、従来の結晶シリコン太陽電池の光電効率は、バンドギャップよりもずっと高いエネルギーを有する光子が入射する際に発生する熱化損失（ｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）と、バンドギャップよりも低いエネルギーを有するフォトンの透過損失により低い限界値を有する。
ここで、熱化損失とは、太陽電池に吸収された光の超過エネルギーが格子振動の量子形態であるフォトンに転換せず、熱エネルギーとして失われることを言い、透過損失とは、バンドギャップよりも低いエネルギーを有する光子が電子を十分に励起できないことによる損失を意味する。
単一接合太陽電池において、熱化損失を減らすためには適切な大きさのバンドギャップが必要であると共に、低いエネルギーのフォトンが寄与できるようにするためにはバンドギャップが低い必要があるため、互いにトレードオフ（ｔｒａｄｅ-ｏｆｆ）の関係が成り立つ。
このようなトレードオフの関係は、単一接合太陽電池では解決が困難であるため、最近は、タンデム太陽電池（ｔａｎｄｅｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ又はｄｏｕｂｌｅ-ｊｕｃｔｉｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）のように、多様なエネルギーバンドギャップを有する材料を用いることで、広いスペクトル領域の光エネルギーを効果的に利用しようとする試みが行われている。
このような試みの一環として、異なるバンドギャップを有する吸収層を含む単一接合太陽電池を連結して、一つの太陽電池を構成するタンデム太陽電池が提案されたことがある。
一般的に、タンデム太陽電池は、比較的大きいバンドギャップを有する吸収層を含む単一接合太陽電池が先に入射光を受けるように前面に位置し、比較的バンドギャップの小さい吸収層を含む単一接合太陽電池が後面に位置する。
これにより、タンデム太陽電池は、前面で短波長領域の光を吸収して、後面で長波長領域の光を吸収することで、限界波長（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を長波長の方に移動することができ、結果的に全体の吸収波長の領域を広く利用することができるという利点がある。
また、全体の吸収波長の領域を二つの帯域に分けて利用することで、電子-正孔を生成する際に熱損失の減少を期待することができる。
このようなタンデム太陽電池は、単一接合太陽電池の接合形態及び電極の具備される位置によって、大きく２-端子（ｔｗｏ-ｔｅｒｍｉｎａｌ）タンデム太陽電池と４-端子（ｆｏｕｒ-ｔｅｒｍｉｎａｌ）タンデム太陽電池に分類される。
具体的には、２-端子タンデム太陽電池は、二つのサブ太陽電池がトンネル接合され、タンデム太陽電池の前面及び後面にそれぞれ電極が具備された構造を有し、４-端子タンデム太陽電池は、二つのサブ太陽電池が互いに離隔した状態で存在し、それぞれサブ太陽電池の前面及び後面に電極が具備された構造を有する。
４-端子タンデム太陽電池の場合、各サブ太陽電池が別の基板を必要とし、２-端子タンデム太陽電池に比べて比較的多くの透明導電性接合を必要とするため抵抗が高く、必然的に光学損失が生じるため、２-端子タンデム太陽電池が次世代太陽電池として注目されている。
図１は、一般的な２-端子タンデム太陽電池の断面を概略的に示したものである。
図１を参照すれば、太陽電池は、比較的大きいバンドギャップを有する吸収層を含む単一接合太陽電池と、比較的バンドギャップの小さい吸収層を含む単一接合太陽電池が接合層を介してトンネル接合される。
多様な種類の２-端子タンデム太陽電池のうち、比較的大きいバンドギャップを有する吸収層を含む単一接合太陽電池をペロブスカイト太陽電池として使用して、比較的バンドギャップの小さい吸収層を含む単一接合太陽電池を結晶シリコン太陽電池として使用したペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池が、３０％以上の光電効率を達成できる有力な候補として注目されている。
ペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池において、ペロブスカイト太陽電池は、結晶シリコン太陽電池の前面に接合層を形成した後、接合層の前面に蒸着することになる。
このとき、入射光の反射率を下げるために結晶シリコン基板の表面にテクスチャー構造を形成する場合、ペロブスカイト太陽電池（特に、結晶シリコン太陽電池と直接に接触する電子伝達層）が均一に蒸着されない問題がある。
よって、現在、ほとんどのペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池は、ペロブスカイト太陽電池が蒸着される結晶シリコン基板の表面を平坦化した後、ペロブスカイト太陽電池を蒸着した形態を取っている。
この場合、入射光の反射率が増加するだけでなく、後面に配置された結晶シリコンタンデム太陽電池で吸収される長波長光の経路が減少するため、結晶シリコンタンデム太陽電池における光吸収率が低下する問題がある。
また、前面に配置されたペロブスカイト太陽電池で選択的に吸収される短波長入射光が、ペロブスカイト吸収層で十分収集されないまま透過することによる透過損失の問題が生じるおそれがある。
これにより、本発明は、タンデム太陽電池に垂直に入射する光の反射率を下げると共に、光の入射方向を斜め方向に変化させることで、光の経路を増加できる構造を有するタンデム太陽電池及びこれを含むタンデム太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
また、本発明は、ペロブスカイト太陽電池と結晶シリコン太陽電池における選択的な光の収集が可能な構造を有する、及びこれを含むタンデム太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、両面受光型の同種または異種整合シリコン太陽電池を用いて光の効率及び実際の反転量を向上させた、及びこれを含むタンデム太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
また、本発明は、タンデム太陽電池の前面にパターン化されたナノ光学構造を導入することで、入射光の反射率を下げると共に光の経路を増加することができるタンデム太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
上述した技術的課題を解決するために本発明の一側面によれば、結晶シリコン太陽電池の前面に位置する接合層と、接合層の前面に位置するペロブスカイト太陽電池と、ペロブスカイト太陽電池の前面に位置する前面透明電極を含み、前面透明電極の前面にパターン化された透明電極構造体を含むタンデム太陽電池が提供される。
ここで、透明電極構造体は、凹凸パターン又はグリッドパターンを有するようにパターン化されることで、タンデム太陽電池に向けて垂直に入射する光の方向を斜め方向に変化させ、入射光の反射率を下げると共に光の経路を増加することが可能である。入射光の経路が増加することによって、ペロブスカイト太陽電池及び結晶シリコン太陽電池内の光吸収層を透過する光の経路が増加し、これにより光吸収率を向上させることができる。
ここで、ペロブスカイト太陽電池で生成された電荷を収集するための前面金属電極は、前面透明電極の前面のうち一部の領域に配置される。このとき、前面金属電極は、金属からなるパッド電極と電極ワイヤを含む。ここで、電極ワイヤは、本発明による複数のタンデム太陽電池（すなわち、複数のセル）を用いて太陽電池モジュールを構成する場合、隣り合うセルを電気的に連結するための導電体としての役割をする。このとき、電極ワイヤは、円筒形または楕円形の断面を有することで、電極ワイヤにより反射した入射光が太陽電池に向けて再び入射できるようにする。
また、結晶シリコン太陽電池で生成された電荷を収集するための後面金属電極は、後面透明電極の後面に全面的に具備されることなく、前面金属電極と同様、後面透明電極または後面パッシベーション層の後面の一部の領域に配置されることで、結晶シリコン太陽電池の吸収層に吸収されなかった長波長光が外部へ透過されるようにする。
このとき、後面金属電極は、後面透明電極または後面パッシベーション層の後面の一部の領域に配置されることで、タンデム太陽電池の前面のみならず後面から太陽光が入射できるように具現することができる。
本発明の他の側面によれば、結晶シリコン太陽電池の前面に位置する接合層と、前記接合層の前面に位置するペロブスカイト太陽電池と、前記ペロブスカイト太陽電池の前面に位置する前面透明電極と、前記前面透明電極の前面に位置し、パターン化された透明電極を含む透明電極構造体と、前記透明電極構造体の前面に位置する前面金属電極と、前記結晶シリコン太陽電池の後面に位置する後面金属電極を含む、複数のタンデム太陽電池を含む、タンデム太陽電池モジュールが提供される。
このとき、前記複数のタンデム太陽電池のうち、隣り合う二つのタンデム太陽電池の前面金属電極と後面金属電極は、電極ワイヤにより互いに電気的に連結され、前記複数のタンデム太陽電池の前面及び後面にギャップを有して位置する前面透明基板及び後面透明基板を含む。
本発明の他の側面によれば、結晶シリコン基板から結晶シリコン太陽電池を形成する段階と、結晶シリコン太陽電池の前面に接合層を形成する段階と、接合層の前面にペロブスカイト太陽電池を形成する段階と、ペロブスカイト太陽電池の前面に前面透明電極を形成する段階と、前面透明電極の前面に透明電極構造体をパターン化する段階を含むタンデム太陽電池の製造方法を提供することができる。
ここで、透明電極構造体は、前面透明電極を形成した後、前面透明電極の前面から所定の深さだけエッチングされ、凹凸パターン又はグリッドパターンを有するようにパターン化されるか、前面透明電極の前面に別の層として蒸着されてもよい。
本発明によれば、タンデム太陽電池の前面に配置される前面透明電極の前面にパターン化された透明電極構造体を配置することで、タンデム太陽電池の前面に向けて垂直に入射する光の入射角を変化させて、入射光の反射率を下げることが可能である。
特に、結晶シリコン太陽電池の前面にテクスチャー構造を導入しなくても、ペロブスカイト太陽電池を透過する長波長光は、斜め方向に結晶シリコン太陽電池に向けて入射することによって、接合層と結晶シリコン太陽電池の境界面において反射することを減らすことができる。
また、前面透明電極の前面にパターン化された透明電極構造体により、タンデム太陽電池に向けて垂直に入射する光が屈折して、ペロブスカイト太陽電池及び結晶シリコン太陽電池に向けて斜め方向に入射されてもよい。これにより、各太陽電池を通過する入射光の経路が増加することになり、結果的に各太陽電池における光吸収率が向上することができる。
また、本発明によれば、タンデム太陽電池のペロブスカイト太陽電池で生成された電荷を収集するための電極ワイヤが、円筒形または楕円形の断面を有することによって、電極ワイヤにより反射した入射光が太陽電池に向けて再び入射できるようにすることで効率性を向上させることができる。
ちなみに、後面金属電極が一部の領域に配置されることで、両面受光型のタンデム太陽電池を具現することが可能であり、これによってタンデム太陽電池の効率性をさらに向上させることができる。
一般的なタンデム太陽電池の断面を概略的に示した図である。 本発明の一実施例によるタンデム太陽電池の断面を示した図である。 図２に示されたタンデム太陽電池に適用された透明電極構造体の他の実施例を示した図である。 図２に示されたタンデム太陽電池に適用された透明電極構造体の他の実施例を示した図である。 図２に示されたタンデム太陽電池内で短波長光を吸収する経路を概略的に示した図である。 図２に示されたタンデム太陽電池内で短波長光を吸収する経路を概略的に示した図である。 図２に示されたタンデム太陽電池内で長波長光を吸収する経路を概略的に示した図である。 図２に示されたタンデム太陽電池内で長波長光を吸収する経路を概略的に示した図である。 本発明の他の実施例によるタンデム太陽電池の断面を示した図である。 図９に示されたタンデム太陽電池に適用された透明電極構造体の他の実施例を示した図である。 図９に示されたタンデム太陽電池に適用された透明電極構造体の他の実施例を示した図である。 図２に示されたタンデム太陽電池の製造手順を示した図である。 図９に示されたタンデム太陽電池の製造手順を示した図である。 本発明によるタンデム太陽電池がモジュール化された形態を概略的に示した図である。
以下、本願に添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施例によるタンデム太陽電池とこれを製造する方法を詳しく説明する。
本発明は、以下に開示される実施例に限ることはなく、異なる多様な形態に具現することができ、但し、本実施例は、本発明の開示を完全なものにして、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。
［タンデム太陽電池］
以下に説明されるタンデム太陽電池は、通常,太陽光（又は入射光）がタンデム太陽電池の前面のみに受光されるものではなく、タンデム太陽電池の前面及び後面からすべて受光できる両面受光型のタンデム太陽電池であると仮定する。
第１実施例
図２は、本発明の第１実施例によるタンデム太陽電池の断面を示したものである。
図２を参照すれば、本発明の第１実施例によるタンデム太陽電池は、比較的大きいバンドギャップを有する吸収層を含むペロブスカイト太陽電池１３０と、比較的バンドギャップの小さい吸収層を含む結晶シリコン太陽電池１１０が、接合層１２０を介して直接にトンネル接合された２-端子タンデム太陽電池（以下、「ペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池」という。）の構造を有する。
これにより、タンデム太陽電池に入射した光のうち、短波長領域の光は、前面に配置されたペロブスカイト太陽電池１３０に吸収されて電荷を生成して、ペロブスカイト太陽電池を透過する長波長領域の光は、後面に配置された結晶シリコン太陽電池１１０に吸収されて電荷を生成する。
上述した構造を有するタンデム太陽電池は、前面に配置されたペロブスカイト太陽電池１３０で短波長領域の光を吸収して発電し、後面に配置された結晶シリコン太陽電池１１０で長波長領域の光を吸収して発電することで、限界波長（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｈ）を長波長の方に移動することができ、結果的に全体太陽電池が吸収する波長帯を広げるという利点がある。
但し、２-端子タンデム太陽電池の場合、接合層１２０を介して結晶シリコン太陽電池１１０の前面にペロブスカイト太陽電池１３０が直接にトンネル接合されるため、結晶シリコン太陽電池１１０の前面の構造によってペロブスカイト太陽電池１３０の特性が影響を受けることがある。
単一接合太陽電池で表面における入射光の反射率を下げて、太陽電池に入射した光の経路を増加するために表面にテクスチャー構造を導入することが一般的である。
但し、ペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池の場合、結晶シリコンタンデム太陽電池の前面にテクスチャー構造が導入された場合は、結晶シリコンタンデム太陽電池の前面にペロブスカイト太陽電池を均一に蒸着させにくいという問題がある。これにより、今まで知られたほとんどのペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池は、平らなウエハーの前面に具現するしかないという限界があった。
この場合、特にペロブスカイト太陽電池を透過して、結晶シリコン太陽電池に向けて垂直に入射する長波長領域の光が、接合層と結晶シリコン太陽電池の界面において反射する確率が増加するという問題がある。また、反射せずに結晶シリコン太陽電池を透過するとしても、斜めに入射する場合より長波長光の経路が短いため、長波長光の吸収率を向上させにくいという問題がある。
上述した従来のペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池の問題を解消するために、本発明の第１実施例によるタンデム太陽電池において、結晶シリコン太陽電池１１０は、後面にのみ選択的なテクスチャー構造を導入することを特徴とする。
第１実施例による結晶シリコン太陽電池１１０は、ヘテロ接合（ｈｅｔｅｒｏｊｕｃｔｉｏｎ）結晶シリコン太陽電池に具現されてもよい。
具体的には、第１実施例による結晶シリコン太陽電池１１０は、結晶シリコン基板１１１、結晶シリコン基板１１１の前面に位置する前面ｉ型アモルファスシリコン層１１２、及び前面ｉ型アモルファスシリコン層の前面に位置する第１の導電型アモルファスシリコン層１１４を含む。結晶シリコン基板１１１の前面は、ペロブスカイト太陽電池１３０を透過した長波長領域の光が最初に結晶シリコン太陽電池１１０に入射する部分である。
また、結晶シリコン基板１１１の後面には、後面ｉ型アモルファスシリコン層１１３と後面ｉ型アモルファスシリコン層１１３の後面に位置する第２の導電型アモルファスシリコン層１１５を含む。
ここで、結晶シリコン基板１１１がｎ型単結晶シリコン基板である場合は、第１の導電型アモルファスシリコン層１１４は、ｐ型アモルファスシリコン層であることが望ましい。つまり、長波長領域の光が最初に結晶シリコン太陽電池１１０へ入射することによって、受光量が比較的高い前面におけるキャリア移動度を向上させるために、ｎ型単結晶シリコン基板の前面にｐ型アモルファスシリコン層を位置させて逆接合（ｐ-ｎ接合）を構成することが望ましく、これによりキャリアの収集効率を向上させることができる。この場合、第２の導電型アモルファスシリコン層１１５は、裏面電界効果を得るためｎ型アモルファスシリコン層を用いる。
また、結晶シリコン基板１１１として、ｎ型単結晶シリコン基板に代えてｐ型単結晶シリコン基板又は結晶シリコン太陽電池１１０に通常用いられる他の結晶シリコン基板を用いても構わない。同様に、第１の導電型アモルファスシリコン層１１４と第２の導電型アモルファスシリコン層１１５も、結晶シリコン基板１１１の導電型によって適切な導電型を有するように設計されてもよい。
結晶シリコン太陽電池１１０で生成された電荷は、後面透明電極１４０で収集されて、後面透明電極１４０と外部端子の間の連結は、後面金属電極１８０を介して行われる。
後面透明電極１４０は、多様な透明導電性素材として具現されてもよい。
後面透明電極１４０を具現するための透明導電性素材としては、透明導電性酸化物、炭素質導電性素材、金属性素材及び導電性高分子等がある。
透明導電性酸化物としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＣＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｃｅｒｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＷＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺＩＴＯ（Ｚｉｎｃ Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺＩＯ（Ｚｉｎｃ Ｉｎｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、ＺＴＯ（Ｚｉｎｃ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＧＩＴＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＧＩＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｉｎｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）又はＺｎＯ等が用いられる。炭素質導電性素材としては、グラフィン又はカーボンナノチューブ等が用いられるし、金属性素材としては、金属（Ａｇ）ナノワイヤ、Ａｕ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｍｇ／Ｍｏ／Ｔｉのような多層構造の金属薄膜が用いられる。導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ-３，４-エチレンジオキシチオフェン-ポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ-ＰＳＳ）、ポリ［ビス（４-フェニル）（２，４，６-トリメチルフェニル）アミン］（ＰＴＡＡ）、スピロ-ミオタード（Ｓｐｉｒｏ-ＭｅＯＴＡＤ）又はポリアニリン-カンファースルホン酸（ＰＡＮＩ-ＣＳＡ）等が用いられる。
ここで、後面金属電極１８０は、図２に示されたように、後面透明電極１４０の後面に全面的に具備されることなく、後面透明電極１４０の後面のうち一部の領域に具備されることで、結晶シリコン太陽電池１１０の後面から太陽光が入射することができる。
このとき、後面金属電極１８０は、後面透明電極１４０の後面の全体面積のうち、１％ないし３０％を占めるように配置されることが望ましい。後面金属電極１８０の占有面積が１％未満である場合は、後面金属電極１８０による結晶シリコン太陽電池１１０で生成された電荷の収集効果が足りないおそれがある反面、後面金属電極１８０の占有面積が３０％を超える場合は、後面金属電極１８０による占有面積が広すぎて、結晶シリコン太陽電池１１０の後面から入射する光の利用率が低下するおそれがある。
後面金属電極１８０は、後面透明電極１４０の後面のうち、一部の領域と接触して後面に電荷を収集するグリッド電極１８１を含む。また、追加的にグリッド電極構造と電気的に連結されるパッド電極１８３が接触するように具備されてもよい。パッド電極１８２は、モジュールを構成する際に、隣り合うタンデム太陽電池（セル）を電気的に連結するために電極ワイヤ１８３が具備されて、一つのセルのパッド電極１８３の後面に連結された電極ワイヤ１８３は、隣り合うセルのパッド電極１７２に連結された電極ワイヤ１７３と一体に具備される。
ここで、電極ワイヤ１８３は、円筒形または楕円形の断面を有するワイヤ状であることが望ましい。これにより、結晶シリコン太陽電池１１０の後面から入射する光を斜め方向に反射して入射させることで、光の経路を増加することができるという利点がある。
ちなみに、結晶シリコン基板１１１の後面にテクスチャー構造を導入して、結晶シリコン基板１１１の後面に順に具備されるシリコン層１１３、１１５と後面透明電極１４０もテクスチャー構造にしたがって形成されるようにすることで、結晶シリコン太陽電池１１０の後面を通じて、垂直に入射する光の経路を斜め方向に変更することができる。つまり、結晶シリコン太陽電池１１０の後面に導入したテクスチャー構造による光散乱効果を通じて、結晶シリコン太陽電池１１０の後面から入射する光の経路を増加させるという利点がある。
結晶シリコン基板１１１の前面は、後面と違って、テクスチャー構造を導入せず平らにすることで、シリコン太陽電池１１０の前面にペロブスカイト太陽電池１３０を形成する際に、ペロブスカイト太陽電池１３０に欠陥が生じることを防ぐことができる。
次に、結晶シリコン太陽電池１１０の第１の導電型アモルファスシリコン層１１４の前面には、結晶シリコン太陽電池１１０とペロブスカイト太陽電池１３０をトンネル接合して電気的に連結するための接合層１２０が位置する。
接合層１２０は、結晶シリコン太陽電池１１０とペロブスカイト太陽電池１３０を電気的に連結すると共に、ペロブスカイト太陽電池１３０を透過する長波長光を、透過損失なしに後面に配置された結晶シリコン太陽電池１１０へ入射できるように、後面透明電極１４０と同様、透明導電性酸化物、炭素質導電性素材、金属性素材又は導電性高分子を用いて具現することができる。また、接合層１２０にｎ型又はｐ型の物質をドーピングして用いることができる。例えば、接合層１２０として、透明電極に代えてｎ型又はｐ型のアモルファスシリコン層を適用することも可能である。
また、他の変形例によれば、接合層１２０は、異なる屈折率を有するシリコン層を複数回交互に積層させた複層構造に具現されてもよい。このとき、複層構造は、低屈折率層と高屈折率層が交互に積層された構造を有することができる。これにより、接合層１２０を基準として短波長光は、ペロブスカイト太陽電池１３０側に反射して、長波長光は、結晶シリコン太陽電池１１０側に透過することができる。これによって、ペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池の選択的な光の収集を可能にすることができる。
ここで、低屈折率層と高屈折率層が交互に積層された構造を透明導電性酸化物層又はｎ＋型シリコン層の前面または後面に設けることで、上述した光の選択的な反射及び透過を具現することができる。
接合層１２０の前面にはペロブスカイト太陽電池１３０が位置する。
ペロブスカイト太陽電池１３０は、接合層１２０の前面に位置する電子伝達層１３１、電子伝達層の前面に位置するペロブスカイト吸収層１３２、及びペロブスカイト吸収層の前面に位置する正孔伝達層１３３を含む。ここで、電子伝達層１３１と正孔伝達層１３３の位置は、必要に応じて入れ替えてもよい。
接合層１２０の前面に位置する電子伝達層１３１は、金属酸化物を含むことができる。電子伝達層１３１を構成する金属酸化物の非制限的な例としては、Ｔｉ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｗ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｓｒ酸化物、Ｙｒ酸化物、Ｌａ酸化物、Ｖ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｙ酸化物、Ｓｃ酸化物、Ｓｍ酸化物、Ｇａ酸化物、Ｉｎ酸化物及びＳｒＴｉ酸化物等がある。望ましくは、電子伝達層１３１は、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＷＯ３及びＴｉＳｒＯ３から選択される少なくとも１種の金属酸化物を含むことができる。
また、電子伝達層１３１の前面には電子伝達層１３１と同一又は異なる金属酸化物を含むメソポーラス層１３１ａがさらに具備されてもよい。
ここで、メソポーラス層１３１ａは、ペロブスカイト吸収層１３２で発生した正孔-電子対が電子又は正孔に分解された後、特に電子が接合層１２０に容易に伝達されるようにする。また、メソポーラス層１３１ａに形成されたメソポーラス構造は、これを透過する光が散乱されるようにすることで、光の経路を追加的に増加する役割を行うことができる。
接合層１２０の前面に位置するペロブスカイト吸収層１３２は、ペロブスカイト構造を有する化合物を含む光活性層であって、ペロブスカイト構造は、ＡＭＸ３（ここで、Ａは１価の有機アンモニウムカチイオン又は金属カチイオン；Ｍは２価の金属カチイオン；Ｘはハロゲンアニイオンを意味する）で表示することができる。ペロブスカイト構造を有する化合物の非制限的な例としては、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩｘＣｌ３-ｘ、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩｘＢｒ３-ｘ、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＣｌｘＢｒ３-ｘ、ＨＣ（ＮＨ２）２ＰｂＩ３、ＨＣ（ＮＨ２）２ＰｂＩｘＣｌ３-ｘ、ＨＣ（ＮＨ２）２ＰｂＩｘＢｒ３-ｘ、ＨＣ（ＮＨ２）２ＰｂＣｌｘＢｒ３-ｘ、（ＣＨ３ＮＨ３）（ＨＣ（ＮＨ２）２）１-ｙＰｂＩ３、（ＣＨ３ＮＨ３）（ＨＣ（ＮＨ２）２）１-ｙＰｂＩｘＣｌ３-ｘ、（ＣＨ３ＮＨ３）（ＨＣ（ＮＨ２）２）１-ｙＰｂＩｘＢｒ３-ｘ、又は（ＣＨ３ＮＨ３）（ＨＣ（ＮＨ２）２）１-ｙＰｂＣｌｘＢｒ３-ｘ等がある（０≦ｘ、ｙ≦１）。また、ＡＭＸ３のＡにＣｓが一部ドーピングされた化学物も用いられる。
このとき、ペロブスカイト吸収層１３２は、電子の伝達効果を向上させるためにメソポーラス層１３１ａのメソポーラスを満たすと共に、メソポーラス層１３１ａの前面に所定の高さだけ積層されることが望ましい。
ペロブスカイト吸収層１３２の前面に位置する正孔伝達層１３３は、後面透明電極１４０の素材として言及された導電性高分子に具現されてもよい。正孔伝達層１３３は、必要に応じてｎ型又はｐ型のドポントをさらに含むことができる。
上述した構造を有するペロブスカイト太陽電池１３０で生成された電荷は、前面透明電極１５０で収集されて、前面透明電極１５０と外部端子の間の連結は、前面金属電極１７０を介して行われる。
前面透明電極１５０は、後面透明電極１４０と同様、多様な透明導電性素材として具現されてもよい。
ここで、本発明の実施例によるタンデム太陽電池は、垂直に入射する光の反射率を下げると共に、光の入射方向を斜め方向に変化させて、タンデム太陽電池を通過する光の経路を増加させるために、前面透明電極１５０の前面にナノサイズにパターン化された透明電極構造体１６０をさらに含む。このとき、透明電極構造体１６０は、グリッド又はメッシュパターンのような格子状パターンを有してもよい。
すなわち、前面透明電極１５０の前面にパターン化された透明電極構造体１６０を配置することで、タンデム太陽電池に向けて垂直に入射する光の入射角を変化させて、入射光の反射率を下げることが可能である。
特に、結晶シリコン太陽電池１１０の前面にテクスチャー構造を導入しなくても、ペロブスカイト太陽電池１３０を透過する長波長光は、透明電極構造体１６０により斜め方向に屈折して、結晶シリコン太陽電池１１０に向けて入射することで、接合層１２０と結晶シリコン太陽電池１１０の境界面において反射することを減らすことができる。
また、パターン化された透明電極構造体１６０により、タンデム太陽電池に向けて垂直に入射する光が屈折して、ペロブスカイト太陽電池１３０及び結晶シリコン太陽電池１１０に向けて斜め方向に入射することができる。これにより、各太陽電池を通過する入射光の経路が増加することになり、結果的に各太陽電池における光吸収率が向上することができる。
このような透明電極構造体１６０は、前面透明電極１５０と同様、多様な透明導電性素材として具現することができ、前面透明電極１５０と別の層として具備されるか前面透明電極１５０と一体型として具備されてもよい。
例えば、図２を参照すれば、前面透明電極１５０と透明電極構造体１６０は、別の層として具備されるものの、透明電極構造体１６０は、ナノサイズの構造物を有するかグリッド又はメッシュパターンにパターン化されることで、一部の領域で前面透明電極１５０を露出させる。
他の変形例による図３を参照すれば、前面透明電極１５０と透明電極構造体１６０は、別の層として具備されるものの、透明電極構造体１６０は、凹凸パターンにパターン化されてもよい。
他の変形例による図４を参照すれば、前面透明電極１５０と透明電極構造体１６０は一体型として具備することができ、この場合、透明電極を蒸着した後、前面から所定の深さだけパターニングすることで、透明電極構造体１６０を形成することができる。
上述した多様な変形例によって、前面透明電極１５０及び透明電極構造体１６０を具備することで、タンデム太陽電池の光の収集効果をさらに向上させることができる。
前面金属電極１７０は、前面透明電極１５０の前面のうち一部の領域に具備される。前面金属電極１７０は、前面透明電極１５０の前面のうち、一部の領域と接触するグリッド電極１７１を含む。また、追加的に前面透明電極１５０の前面に電荷を収集するためのグリッド電極構造が形成されて、グリッド電極構造の前面のうち一部の領域、例えば前記グリッド電極と連結されるか交差する方向に形成されたパッド電極１７２を具備することもできる。パッド電極１７２は、複数のセルのモジュールを連結する際に、隣り合うタンデム太陽電池（セル）を電気的に連結するために電極ワイヤ１７３が具備されて、一つのセルのパッド電極の前面に連結された電極ワイヤ１７３は、隣り合うセルのパッド電極の後面に連結された電極ワイヤ１８３と一体に具備される。ここで、パッド電極１７２、１８２と電極ワイヤ１７３、１８３は、導電性ペースト等を利用してソルダー接合されてもよい。
ここで、電極ワイヤ１７３は、円筒形または楕円形の断面を有するワイヤ状であることが望ましい。これにより、電極ワイヤ１７３に向けて垂直に入射する光を散乱して、タンデム太陽電池に再び入射する確率を増加させることができる。
図５及び図６は、図２に示されたタンデム太陽電池内で短波長光を吸収する経路を概略的に示したものであり、図７及び図８は、図２に示されたタンデム太陽電池内で長波長光を吸収する経路を概略的に示したものである。
図５ないし図８を参照すれば、図２に示されたペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池の後面には封止材又はガス等で満たされたギャップ１９５を介して透明基板１９０が具備されて、前面には封止材又はガス等で満たされたギャップ２０５を介して透明基板２００が具備されてもよい。ここで、透明基板１９０、２００としては、ガラス基板又は透明ポリマー基板等が用いられる。
図５は、タンデム太陽電池内のペロブスカイト太陽電池１３０でタンデム太陽電池の前面から入射した短波長光が吸収される多様な経路を示したものである。
まず、第１光の経路（１）は、透明電極構造体１６０により短波長光が屈折して、斜め方向にペロブスカイト吸収層１３２に入射する光の経路である。つまり、ペロブスカイト太陽電池１３０の前面にパターン化された透明電極構造体１６０を導入することで、ペロブスカイト太陽電池１３０に向けて垂直に入射する光の経路を斜め方向に変更することで反射防止効果を得ると共に、増加した光の経路によりペロブスカイト吸収層１３２内における短波長光の利用率を向上させることができる。
第２光の経路（２）と第３光の経路（３）は、円筒形または楕円形の断面を有するワイヤ状の金属ワイヤが連結された前面金属電極１７０により短波長光が反射する経路を示したものである。
ここで、第２光の経路（２）は、前面金属電極１７０の前面に向けて垂直に入射した光が、電極ワイヤの曲率を持つ面に反射して、透明基板２００に向けて斜め方向に入射する光の経路である。透明基板２００に向けて斜め方向に入射した光は、再び反射してペロブスカイト太陽電池１３０に向けて斜め方向に入射することができる。
これにより、前面金属電極１７０に向けて垂直に入射する光を多様な方向に散乱して、ペロブスカイト太陽電池１３０に再び入射する確率を増加させることができる。
第３光の経路（３）は、電極ワイヤの側面に向けて垂直に入射する光が反射して、ペロブスカイト太陽電池１３０に向けて斜め方向に入射する光の経路である。これによって、反射防止効果を得ると共に、増加した光の経路によりペロブスカイト吸収層１３２内における短波長光の利用率を向上させることができる。
第４光の経路（４）は、接合層１２０により反射して、ペロブスカイト吸収層１３２に再び入射する光の経路である。このために接合層１２０は、短波長光は、ペロブスカイト吸収層１３２に反射させるものの、長波長光は、結晶シリコン太陽電池１１０側に透過できるように、異なる屈折率を有する複層構造を有することが望ましい。
図６は、タンデム太陽電池内のペロブスカイト太陽電池１３０でタンデム太陽電池の後面から入射した短波長光が吸収される多様な経路を示したものである。
まず、第１光の経路（１）は、結晶シリコン太陽電池１１０の後面に導入されたテクスチャー構造により短波長光が屈折されて、斜め方向にペロブスカイト太陽電池１３０に入射する光の経路である。つまり、結晶シリコン太陽電池１１０の後面にテクスチャー構造を導入することで、タンデム太陽電池の後面から垂直に入射する短波長光の経路を斜め方向に変更することで反射防止効果を得ると共に、光の経路を増加させてペロブスカイト太陽電池１３０内で短波長光の利用率を向上させることができる。
第２光の経路（２）と第３光の経路（３）は、円筒形または楕円形の断面を有するワイヤ状の金属ワイヤに連結される後面金属電極１８０により短波長光が反射する経路を示したものである。
ここで、第２光の経路（２）は、後面金属電極１８０に向けて垂直に入射した光が、パッド電極１８１に接合された電極ワイヤの曲率を持つ面に反射して、透明基板１９０に向けて斜め方向に入射する光の経路である。透明基板１９０に向けて斜め方向に入射した光は、再び反射してペロブスカイト太陽電池１３０に向けて斜め方向に入射することができる。
これにより、後面金属電極１８０を向いて垂直に入射する光を多様な方向に散乱して、ペロブスカイト太陽電池１３０に再び入射する確率を増加させることができる。
第３光の経路（３）は、電極ワイヤの側面に向けて垂直に入射する光が反射して、ペロブスカイト太陽電池１３０に向けて斜め方向に入射する光の経路である。これによって、反射防止効果を得ると共に、増加した光の経路によりペロブスカイト吸収層１３２内における短波長光の利用率を向上させることができる。
図７は、タンデム太陽電池内の結晶シリコン太陽電池１１０でタンデム太陽電池の前面から入射した長波長光が吸収される多様な経路を示したものである。
まず、第１光の経路（１）は、透明電極構造体１６０により長波長光が屈折して、斜め方向に結晶シリコン太陽電池１１０に入射する光の経路である。つまり、ペロブスカイト太陽電池１３０の前面にパターン化された透明電極構造体１６０を導入することで、タンデム太陽電池に向けて垂直に入射する長波長光の経路を斜め方向に変更することで反射防止効果を得ると共に、光の経路を増加させて結晶シリコン太陽電池１１０内で長波長光の利用率を向上させることができる。
第２光の経路（２）と第３光の経路（３）は、テクスチャー構造が導入された後面透明電極１４０と後面透明電極１４０の後面に配置された透明基板１９０により長波長光が反射する経路を示したものである。
まず、第２光の経路（２）にしたがい長波長光が後面透明電極１４０に到逹する場合、一部の光が反射して結晶シリコン太陽電池１１０に再び入射する。一方、後面透明電極１４０を透過した光は、透明基板１９０により再び斜め方向に反射して、結晶シリコン太陽電池１１０に再び入射し、このような光の経路は第３光の経路（３）に該当する。
第３光の経路（３）のように、後面透明電極１４０を透過する光が後面に放出されるようにするために後面金属電極１８０は、後面透明電極１４０の後面のうち一部の領域のみに具備される。これにより、結晶シリコン太陽電池１１０で吸収されなかった長波長光は、第３光の経路（３）にしたがい後面に放出されることができ、後面に放出された光は、透明基板１９０により反射して結晶シリコン太陽電池１１０に再び入射することができるところ、長波長光の利用率を向上させることができる。
第４光の経路（４）は、前面金属電極１７０の前面に向けて垂直に入射した光が、電極ワイヤの曲率を持つ面に反射して透明基板２００に向けて斜め方向に入射する光の経路である。透明基板２００に向けて斜め方向に入射した光は、再び反射してタンデム太陽電池に向けて斜め方向に入射することができ、ペロブスカイト太陽電池１３０を透過して結晶シリコン太陽電池１１０に到逹することができる。
すなわち、第４光の経路（４）によると、電極ワイヤ１７３に向けて垂直に入射する光を多様な方向で散乱して、結晶シリコン太陽電池１１０に再び入射する確率を増加させることができる。
図８は、タンデム太陽電池内の結晶シリコン太陽電池１１０で、タンデム太陽電池の後面から入射した長波長光が吸収される多様な経路を示したものである。
まず、第１光の経路（１）は、結晶シリコン太陽電池１１０の後面に導入されたテクスチャー構造により長波長光が屈折して、斜め方向に結晶シリコン太陽電池１１０に入射する光の経路である。つまり、結晶シリコン太陽電池１１０の後面にテクスチャー構造を導入することで、タンデム太陽電池の後面から垂直に入射する長波長光の経路を斜め方向に変更することで、反射防止効果を得ると共に光の経路を増加させて、結晶シリコン太陽電池１１０内で長波長光の利用率を向上させることができる。
第２光の経路（２）と第３光の経路（３）は、円筒形または楕円形の断面を有する電極ワイヤが接合した形態の後面金属電極１８０により長波長光が反射する経路を示したものである。
ここで、第２光の経路（２）は、後面金属電極１８０に向けて垂直に入射した光が電極ワイヤの曲率を持つ面に反射して、透明基板１９０に向けて斜め方向に入射する光の経路である。透明基板１９０に向けて斜め方向に入射した光は、再び反射して結晶シリコン太陽電池１１０に向けて斜め方向に入射することができる。
また、第３光の経路（３）は、電極ワイヤの側面に向けて垂直に入射する光が反射して、結晶シリコン太陽電池１１０に向けて斜め方向に入射する光の経路である。
第２実施例
図９は、本発明の第２実施例によるタンデム太陽電池の断面を示したものである。
第２実施例による結晶シリコン太陽電池２１０は、同種接合（ｈｏｍｏｊｕｃｔｉｏｎ）結晶シリコン太陽電池に具現されてもよい。
具体的には、第２実施例による結晶シリコン太陽電池２１０は、結晶シリコン基板２１１、結晶シリコン基板２１１の前面に位置するエミッタ層２１２、及び結晶シリコン基板２１１の後面に位置する後面電界層２１３を含む。結晶シリコン基板２１１の前面は、ペロブスカイト太陽電池２３０を透過した長波長領域の光が最初に結晶シリコン太陽電池２１０に入射する部分である。
ここで、エミッタ層２１２としては結晶シリコン基板と異なる導電型を有する不純物ドーピング層が用いられ、後面電界層２１３としては結晶シリコン基板と同じ導電型を有する不純物ドーピング層が用いられることで、同種接合結晶シリコン太陽電池を具現することができる。
例えば、結晶シリコン基板２１１がｎ型単結晶シリコン基板である場合、エミッタ層２１２は、ｐ型不純物でドーピングされた半導体層であり、後面電界層２１３は、ｎ型不純物でドーピングされた半導体層である。このとき、後面電界層２１３は、結晶シリコン基板２１１にドーピングされたｐ型不純物の濃度よりさらに高濃度にドーピングされたｐ＋型半導体層であってもよい。
また、結晶シリコン基板２１１として、ｎ型単結晶シリコン基板に代えてｐ型単結晶シリコン基板又は結晶シリコン太陽電池２１０に通常使用される他の結晶シリコン基板を用いても構わない。同様、エミッタ層２１２と後面電界層２１３も、結晶シリコン基板２１１の導電型によって適切な導電型を有する不純物でドーピングされるように設計されてもよい。
また、エミッタ層２１２の前面と後面電界層２１３の後面にはそれぞれ前面パッシベーション層２２１と後面パッシベーション層２４０が配置される。特に、前面パッシベーション層２２１は、エミッタ層２１２の前面の欠陥をカバーすると共に、接合層２２０を介するトンネル接合のための導電性を確保するために配置されてもよい。
前面パッシベーション層２２１及び後面パッシベーション層２４０は、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化物（ＳｉｘＮｙ）及びシリコン酸化窒化物（ＳｉＯｘＮｙ）から選択される少なくとも一つの誘電体物質からなってもよい。
結晶シリコン太陽電池２１０で生成された電荷は、後面金属電極２８０で収集される。このとき、後面金属電極２８０は、後面パッシベーション層２４０の後面の一部の領域に位置するものの、後面パッシベーション層２４０を貫通して後面電界層２１３の後面に接触する。
ここで、後面金属電極２８０は、図９に示されたように、後面パッシベーション層２４０の後面に全面的に具備されることはなく、後面パッシベーション層２４０の後面のうち一部の領域に具備されることで、結晶シリコン太陽電池２１０の後面から太陽光が入射することができる。
このとき、後面金属電極２８０は、後面パッシベーション層２４０の後面の全体面積のうち１％ないし３０％を占めるように配置されることが望ましい。後面金属電極２８０の占有面積が１％未満である場合は、後面金属電極２８０による結晶シリコン太陽電池２１０で生成された電荷の収集効果が足りないおそれがある反面、後面金属電極２８０の占有面積が３０％を超える場合は、後面金属電極２８０による占有面積が広すぎて、結晶シリコン太陽電池２１０の後面から入射する光の利用率が低下するおそれがある。
後面金属電極２８０は、後面電界層２１３の後面に電荷を収集するためのグリッド電極２８１と前記グリッド電極に連結されるパッド電極を含めて形成されて、グリッド電極構造の後面のうち一部の領域にパッド電極２８２が接触するように具備されてもよい。パッド電極２８２上には隣り合うタンデム太陽電池（セル）を電気的に連結するために、電極ワイヤ２８３がソルダリングにより接合されて、一つのセルのパッド電極２８１の後面に連結された電極ワイヤ２８３は、隣り合うセルのパッド電極２７２の前面に連結された電極ワイヤ２７３と一体に具備される。ここで、電極ワイヤ２８３は、円筒形または楕円形の断面を有するワイヤ状であることが望ましい。
ちなみに、結晶シリコン基板２１１の後面にテクスチャー構造を導入して、結晶シリコン基板２１１の後面に順に具備される後面電界層２１３と後面パッシベーション層２４０もテクスチャー構造にしたがって形成させることで、結晶シリコン太陽電池２１０の後面を通じて垂直に入射する光の経路を斜め方向に変更することができる。つまり、結晶シリコン太陽電池２１０の後面に導入されたテクスチャー構造による光散乱効果を通じて、結晶シリコン太陽電池２１０の後面から入射する光の経路を増加させるという利点がある。
結晶シリコン基板２１１の前面は、後面と違って、テクスチャー構造を導入せず平らにすることで、シリコン太陽電池２１０の前面にペロブスカイト太陽電池２３０を形成する際に、ペロブスカイト太陽電池２３０に欠陥が生じることを防ぐことができる。
次に、結晶シリコン太陽電池２１０のエミッタ層２１２の前面には、結晶シリコン太陽電池２１０とペロブスカイト太陽電池２３０をトンネル接合して電気的に連結するための接合層２２０が位置する。
このとき、接合層２２０は、ｎ＋型結晶シリコン層とｐ＋型結晶シリコン層を少なくとも１回交互に積層した複層構造に具現されてもよい。
接合層２２０の前面には、ペロブスカイト太陽電池２３０が位置する。ペロブスカイト太陽電池２３０は、接合層２２０の前面に位置する電子伝達層２３１、電子伝達層の前面に位置するペロブスカイト吸収層２３２、及びペロブスカイト吸収層の前面に位置する正孔伝達層２３３を含む。また、電子伝達層２３１の前面には電子伝達層２３１と同一又は異なる金属酸化物を含むメソポーラス層２３１ａがさらに具備されてもよい。
上述した構造を有するペロブスカイト太陽電池２３０で生成された電荷は、前面透明電極２５０で収集されて、前面透明電極２５０と外部端子の間の連結は前面金属電極２７０を介して行われる。前面透明電極２５０を具現するための透明導電性素材としては透明導電性酸化物、炭素質導電性素材、金属性素材及び導電性高分子等がある
ここで、本発明の実施例によるタンデム太陽電池は、垂直に入射する光の反射率を下げると共に、光の入射方向を斜め方向に変化させて、タンデム太陽電池を通過する光の経路を増加させるために、前面透明電極２５０の前面にナノサイズの構造物を有するか、グリッド又はメッシュパターンのような格子状パターンを有するようにパターン化された透明電極構造体２６０をさらに含む。
すなわち、前面透明電極２５０の前面にパターン化された透明電極構造体２６０を配置することで、タンデム太陽電池に向けて垂直に入射する光の入射角を変化させて入射光の反射率を下げることが可能である。
このような透明電極構造体２６０は、図９及び図１０に示されたように、前面透明電極２５０と透明電極構造体２６０は別の層として具備されるものの、透明電極構造体２６０はグリッド、メッシュ又は凹凸パターンでパターン化されることで、一部の領域で前面透明電極２５０を露出することができる。また、図１１に示されたように、前面透明電極２５０と透明電極構造体２６０は、一体型として具備されてもよいし、この場合、透明電極を蒸着した後、前面から所定の深さだけパターニングすることで、透明電極構造体２６０を形成することができる。
前面金属電極２７０は、前面透明電極２５０の前面のうち一部の領域に具備される。前面金属電極２７０は、前面透明電極２５０の前面のうち一部の領域と接触するパッド電極２７２を含む。また、追加的に前面透明電極２５０の前面に電荷を収集するためのグリッド電極２７１構造が形成されて、グリッド電極構造の前面のうち一部の領域にパッド電極２７２が接触するように具備されてもよい。パッド電極２７２の前面には隣り合うタンデム太陽電池（セル）を電気的に連結するために電極ワイヤ２７３がソルダリングにより接合されて、一つのセルのパッド電極２７２の前面に連結された電極ワイヤ２７３は、隣り合うセルのパッド電極２８２の後面に連結された電極ワイヤ２８３と一体に具備される。
ここで、電極ワイヤ２７３は、円筒形または楕円形の断面を有するワイヤ状であることが望ましい。これにより、電極ワイヤ２７３に向けて垂直に入射する光を散乱して、タンデム太陽電池に再び入射する確率を増加させることができる。
［タンデム太陽電池の製造方法］
図１２は、図２に示されたタンデム太陽電池の製造手順を示したものであり、図１３は、図９に示されたタンデム太陽電池の製造手順を示したものである。
結晶シリコン太陽電池の準備段階
図１２及び図１３の（ａ）は、結晶シリコン太陽電池を具現するための結晶シリコン基板１１１、２１１を準備する段階であり、（ｂ）は、結晶シリコン基板１１１、２１１から結晶シリコン太陽電池１１０、２１０を完成する段階である。
図１２の（ａ）を参照すれば、結晶シリコン基板１１１の前面及び後面にそれぞれｉ型アモルファスシリコン層と導電型アモルファスシリコン層を形成する前に、結晶シリコン基板１１１の前面を化学的に平坦化して、後面にテクスチャー構造を導入する。
また、図１３の（ａ）を参照すれば、結晶シリコン基板２１１の前面及び後面にそれぞれエミッタ層と後面電界層を形成する前に、結晶シリコン基板２１１の前面を化学的に平坦化して、後面にテクスチャー構造を導入する。
図１２の（ａ）及び図１３の（ａ）による結晶シリコン基板の平坦化及びテクスチャー構造の導入は、湿式化学エッチング法、乾式化学エッチング法、電気化学エッチング法、機械的エッチング法のうちいずれかの方法であり、必ずしもこれに限られることではない。例えば、結晶シリコン基板の前面及び後面を塩基性水溶液内でエッチングして（湿式化学エッチング法）、両面にテクスチャー構造を導入した後、シリコン基板の前面に対する選択的エッチングを通じて、前面は平坦で、後面にテクスチャー構造の導入されたシリコン基板を得ることができる。シリコン基板の前面に対する選択的エッチングは、後面にパッシベーション層を形成した後にエッチングを行うか、シリコン基板の前面のみにエッチング液を噴射することで行うことができる。
結晶シリコン基板１１１、２１１の後面にテクスチャー構造を導入することで、結晶シリコン基板１１１、２１１の後面から順に形成される各層は、結晶シリコン基板１１１、２１１の後面に導入されたテクスチャー構造に対応するテクスチャー構造を有することができる。一方、結晶シリコン基板１１１、２１１の前面は平坦化工程を経たため、結晶シリコン基板１１１、２１１の前面から順に形成される各層は平らに形成されてもよい。但し、必要な場合は、結晶シリコン基板１１１、２１１の前面に形成される複数の層のうち、任意の層をエッチングして凹凸を導入する等のようなパターン化工程をさらに含むことができる。
次に、図１２の（ｂ）を参照すれば、結晶シリコン基板１１１の前面及び後面にそれぞれ前面ｉ型アモルファスシリコン層１１２と後面ｉ型アモルファスシリコン層１１３を形成した後、前面ｉ型アモルファスシリコン層１１２の前面に第１の導電型アモルファスシリコン層１１４を形成して、後面ｉ型アモルファスシリコン層１１３の後面に第２の導電型アモルファスシリコン層１１５を形成する。
ここで、ｉ型アモルファスシリコン層、第１の導電型アモルファスシリコン層及び第２の導電型アモルファスシリコン層は、知られた多様な方法で蒸着することができ、代表的な蒸着方法として化学気相蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）がある。ここで、化学気相蒸着法としては常圧ＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマＣＶＤ、高温ＣＶＤ、低温ＣＶＤ等がある。このとき、ｉ型アモルファスシリコン層は、２〜１０ｎｍ厚さで蒸着されてもよいし、第１の導電型アモルファスシリコン層及び第２の導電型アモルファスシリコン層は、１０〜８０ｎｍ厚さで蒸着されてもよい。
図１３の（ｂ）を参照すれば、結晶シリコン基板２１１の前面及び後面にそれぞれエミッタ層２１２と後面電界層２１３を形成する。
エミッタ層２１２と後面電界層２１３は、インプラント工程を通じて形成することができ、このとき、エミッタ層２１２は不純物として硼素（ｂｏｒｏｎ）を、後面電界層２１３は不純物として燐（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ）をドーピングする。インプラント工程により、エミッタ層２１２と後面電界層２１３を形成する場合は、不純物の活性化のために７００〜１、２００℃の熱処理を伴うことが望ましい。また、インプラント工程に代えてＢＢｒ３又はＰＯＣｌ３等を用いる高温拡散工程を通じてエミッタ層２１２と後面電界層２１３を形成することも可能である。
図１２の（ｃ）を参照すれば、結晶シリコン太陽電池１１０の後面に後面透明電極１４０を形成して、前面に接合層１２０を形成する。
接合層１２０と後面透明電極１４０は、多様な透明導電性素材で形成されてもよい。接合層１２０及び後面透明電極１４０を形成するための透明導電性素材としては透明導電性酸化物、炭素質導電性素材、金属性素材及び導電性高分子等がある。
例えば、接合層１２０及び後面透明電極１４０を形成するための透明導電性素材としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＣＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｃｅｒｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）又はＩＷＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｏｘｉｄｅ）のような透明導電性酸化物を用いる場合は、接合層１２０と後面透明電極１４０は、スパッタリングを通じて蒸着されてもよい。また、接合層１２０として透明導電性酸化物に代えてｎ型アモルファスシリコン層をＰＥＣＶＤで蒸着して用いることも可能である。
図１３の（ｃ）を参照すれば、結晶シリコン太陽電池２１０の後面に後面パッシベーション層２４０を形成して、前面に接合層２２０を形成する。
このとき、接合層２２０を形成する前にエミッタ層２１２の表面欠陥を減らして、トンネル接合のための導電性を確保するためにエミッタ層２１２の前面に０．５〜１０ｎｍ厚さのパッシベーション層２２１を形成した後、接合層２２０を形成することができる。例えば、パッシベーション層はＳｉＯｘからなり、湿式工程、オゾン処理又はＰＥＣＶＤによって形成されてもよい。次に、パッシベーション層の前面に５０〜５００ｎｍ厚さのｐ＋型結晶シリコン層とｎ＋型結晶シリコン層を順に蒸着して接合層２２０を形成することができる。後面パッシベーション層２４０は、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化物（ＳｉｘＮｙ）又はシリコン酸化窒化物（ＳｉＯｘＮｙ）をＰＥＣＶＤで蒸着して形成することができる。
図１３の（ｄ）を参照すれば、後面パッシベーション層２４０を貫通するパッド電極２８１が形成される。パッド電極２８１はＡｇ、Ａｌ又はＡｇ-Ａｌペーストを、スクリーンプリンティングを通じて後面パッシベーション層２４０の後面にパターニングした後、乾燥させて熱処理することで形成されてもよい。熱処理を通じてパターニングされたパッド電極２８１は、後面電界層２１３とコンタクトを形成することができる。
次に、図１２の（ｄ）及び（ｅ）と図１３の（ｅ）を参照すれば、接合層１２０、２２０の前面にペロブスカイト太陽電池１３０、２３０を形成する。
まず、接合層１２０、２２０の前面に電子伝達層１３１、２３１を形成した後、電子伝達層１３１、２３１の前面にメソポーラス層１３１ａ、２３１ａを形成する。このとき、電子伝達層１３１、２３１とメソポーラス層１３１ａ、２３１ａは、同じ金属酸化物で形成されてもよい。
例えば、電子伝達層１３１、２３１は５〜１００ｎｍ厚さ、メソポーラス層１３１ａ、２３１ａは５００ｎｍ以下の厚さを有するＴｉＯ２層で形成されてもよい。メソポーラス層１３１ａ、２３１ａの前面にはペロブスカイト吸収層１３２、２３２が形成されて、ペロブスカイト吸収層１３２、２３２は、メソポーラス層１３１ａ、２３１ａ内のメソポーラスを満たした後、１００〜５００ｎｍ厚さだけ形成されてもよい。ペロブスカイト吸収層１３２、２３２の前面には、導電性高分子を用いて正孔伝達層１３３、２３３を５〜１００ｎｍ厚さで形成することができる。
ペロブスカイト太陽電池１３０、２３０を構成する各層は、例えば物理的蒸着法、化学的蒸着法又は印刷法等を通じて形成することができる。ここで、印刷法はインクジェットプリンティング、グラビアプリンティング、スプレーコーティング、ドクターブレード、バーコーティング、グラビアコーティング、ブラシペインティング、及びスロットダイコーティング等を含む。
次に、図１２及び図１３の（ｆ）を参照すれば、接合層１２０、２２０を介してトンネル接合された結晶シリコン太陽電池１１０、２１０とペロブスカイト太陽電池１３０、２３０が準備された後、ペロブスカイト太陽電池１３０、２３０の前面に前面透明電極１５０、２５０と透明電極構造体１６０、２６０が形成される。
ここで、前面透明電極１５０、２５０と透明電極構造体１６０、２６０は、透明電極が適用された他の層と同様、多様な透明導電性素材を用いて形成することができる。また、前面透明電極１５０、２５０と透明電極構造体１６０、２６０は、互いに同一又は異なる透明導電性素材で形成されてもよい。
例えば、前面透明電極１５０、２５０を形成するための透明導電性素材として、 ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のような透明導電性酸化物を用いる場合、前面透明電極１５０、２５０は、スパッタリングを通じて蒸着されてもよい。
前面透明電極１５０、２５０の前面に透明電極構造体１６０、２６０をパターン化する方法は、透明電極構造体１６０、２６０のパターン形態及び工程数等を考慮して適切に選択することができる。
例えば、図２及び図９に示された透明電極構造体１６０、２６０は、前面透明電極１５０、２５０と透明電極構造体１６０、２６０をスパッターにより別の層として蒸着した後、一つの層状に蒸着された透明電極構造体１６０、２６０にナノサイズの構造物を導入するか、グリッド又はメッシュパターンのような格子状パターンが形成されるようにエッチング（湿式又は乾式）することで形成することができる。このとき、透明電極構造体１６０、２６０がエッチングされた領域で前面透明電極１５０、２５０が露出するようにできる。他の例によれば、前面透明電極１５０の前面にナノスフェア溶液を適正量塗布した後、超音波等のようなエネルギーを印加することによる自家組立誘導方式を通じて、グリッド又はメッシュパターンを有するように透明電極構造体１６０、２６０を形成することができる。
図３及び図１０に示された透明電極構造体１６０、２６０は、透明電極構造体１６０のエッチング度合いを調節することで、凹凸パターンを有するように形成される。図４及び図１１に示された透明電極構造体１６０、２６０は、前面透明電極１５０、２６０と一体型に具備される。すなわち、前面透明電極１５０、２５０を蒸着した後、所定の深さだけエッチングすることで、前面透明電極１５０、２５０の前面にパターン化された透明電極構造体１６０、２６０を導入することができる。
上記開示された方法は、いずれもシリコン基板の前面を平坦化してペロブスカイト層及び透明電極を形成する場合について記述したが、シリコン基板の前面部の表面を微細にエッチングして、その上にペロブスカイト太陽電池層を形成し、その模様が透明電極にまで転写される方式で製作することも可能である。
次に、図１２の（ｇ）を参照すれば、前面透明電極１５０の前面に前面金属電極１７０を形成して、後面透明電極１４０の後面に後面金属電極１８０を形成する。特に、後面金属電極１８０は、結晶シリコン太陽電池１１０で吸収されなかった長波長光が後面に放出されるように、後面透明電極１４０の後面のうち一部の領域にのみ形成することが望ましい。
ここで、前面金属電極１７０と後面金属電極１８０は、グリッド電極１７１、１８１を含み、パッド電極（未図示）を選択的に含むことができる。グリッド電極１７１、１８１とパッド電極（パッド電極）を含む前面金属電極１７０と後面金属電極１８０は、それぞれ前面透明電極１５０と後面透明電極１４０に接触するようにＡｇ、Ａｌ又はＡｇ-Ａｌペーストをスクリーンプリンティング（印刷）した後、１００〜１５０℃で熱処理することで形成されてもよい。
図１３の（ｇ）を参照すれば、図１２の（ｇ）と同じ方式で前面透明電極２５０の前面に前面金属電極２７０を形成する。
［タンデム太陽電池モジュール］
図１４は、本発明によるタンデム太陽電池（セル）が直列に連結された形態を概略的に示したものである。各々の太陽電池セルは、出力を高めると共に太陽電池セルを水分又は外部の衝撃から保護するために複数のセルを電気的に連結して包装するモジュール化段階を経ることになる。
これにより、本発明の他の側面によれば、本願に開示されたタンデム太陽電池は、導電体を用いて隣り合う二つのタンデム太陽電池を直列に連結することでモジュール化することができる。
図１４を参照すれば、隣り合う二つのタンデム太陽電池Ｃ１、Ｃ２は、電極ワイヤ１７３、１８３により互いに連結される。このとき、隣り合う二つのタンデム太陽電池は、マルチワイヤタブ（ｍｕｌｔｉ ｗｉｒｅ ｔａｂｂｉｎｇ）方式により互いに連結されてもよい。
例えば、電極ワイヤ１７３、２７３の一方は、任意のタンデム太陽電池Ｃ１の前面に位置するパッド電極１７２、２７２にソルダリングされて、電極ワイヤ１７３、２８３の他方は、他のタンデム太陽電池Ｃ２の後面に位置するパッド電極１８２、２８２にソルダリングされる。
隣り合う二つのタンデム太陽電池を直列に連結するための導電体として、ソルダー材料（Ｐｂ、Ｓｎ、ＳｎＩｎ、ＳｎＢｉ、ＳｎＰｂ、Ｓｎ、ＳｎＣｕＡｇ、ＳｎＣｕ）がコーティングされたＣｕ、Ａｇ、Ｎｉ又はＡｌ材質の電極ワイヤが用いられる。電極ワイヤ１７３、１８３は、ソルダリング等のような多様な方法を通じてパッド電極１７２、１８２上に付着することができる。
このとき、電極ワイヤ１７３、１８３は、円筒形または楕円形の断面を有するワイヤ状であることが望ましい。これにより、電極ワイヤ１７３、１８３に向けて垂直に入射する光を散乱して、タンデム太陽電池に再び入射する確率を増加させて光電変換効率を向上させることができる。
ちなみに、図５に示されたように、複数のセルが電気的に連結されたタンデム太陽電池モジュールの前面及び後面には、それぞれギャップ１９５、２０５を有して前面透明基板１９０及び後面透明基板２００が接合されてもよい。このとき、ギャップ１９５、２０５は、シーラントのような封止材が満たされた封止層であってもよい。また、他の例によれば、タンデム太陽電池と前面透明基板１９０及び後面透明基板２００の間のギャップ１９５、２０５に封止材が満たされず、空気等のようなガスが満たされた空気層の存在するモジュールが提供されてもよい。
ここで、前面透明基板１９０及び後面透明基板２００としては、ガラス基板又は透明ポリマー基板等が用いられる。このとき、タンデム太陽電池モジュールの角部分は、封止材と異なるシーリング部材を用いて封止されてもよい。
以上のように、本発明について例示した図面を参照して説明したが、本明細書に開示された実施例と図面により本発明が限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で通常の技術者により多様な変形がなされることは自明である。さらに、上記本発明の実施例を説明しながら本発明の構成による作用効果を明示的に記載して説明しなかったとしても、当該構成により予測できる効果も認められるべきである。

Claims (19)

  1. 結晶シリコン太陽電池の前面に位置する接合層と、
    前記接合層の前面に位置するペロブスカイト太陽電池と、
    前記ペロブスカイト太陽電池の前面に位置する前面透明電極と、
    前記前面透明電極の前面に位置し、パターン化された透明電極を含む透明電極構造体とを含む、タンデム太陽電池。
  2. 前記透明電極構造体は、ナノ構造物、凹凸パターン又はグリッドパターンを有する、請求項１に記載のタンデム太陽電池。
  3. 前記前面透明電極と前記透明電極構造体は一体型に具備される、請求項１に記載のタンデム太陽電池。
  4. 前記結晶シリコン太陽電池は、
    後面にテクスチャー構造を有する結晶シリコン基板と、
    前記結晶シリコン基板の前面及び後面にそれぞれ位置する前面ｉ型アモルファスシリコン層及び後面ｉ型アモルファスシリコン層と、
    前記前面ｉ型アモルファスシリコン層の前面に位置する第１の導電型アモルファスシリコン層と、
    前記後面ｉ型アモルファスシリコン層の後面に位置する第２の導電型アモルファスシリコン層と
    を含む、請求項１に記載のタンデム太陽電池。
  5. 前記第２の導電型アモルファスシリコン層は、後面透明電極の前面に位置する、請求項４に記載のタンデム太陽電池。
  6. 前記後面透明電極の後面の一部の領域に後面金属電極が位置する、請求項５に記載のタンデム太陽電池。
  7. 前記結晶シリコン太陽電池は、
    後面にテクスチャー構造を有する結晶シリコン基板と、
    前記結晶シリコン基板の前面に位置するエミッタ層と、
    前記結晶シリコン基板の後面に位置する後面電界層とを含む、請求項１に記載のタンデム太陽電池。
  8. 前記エミッタ層は、前記結晶シリコン基板と異なる導電型を有する不純物ドーピング層であり、前記後面電界層は、前記結晶シリコン基板と同じ導電型を有する不純物ドーピング層である、請求項７に記載のタンデム太陽電池。
  9. 前記後面電界層は、後面パッシベーション層の前面に位置する、請求項７に記載のタンデム太陽電池。
  10. 前記後面パッシベーション層の後面の一部の領域に後面金属電極が位置し、
    前記後面金属電極は、前記後面パッシベーション層を貫通して前記後面電界層の後面に接触する、請求項９に記載のタンデム太陽電池。
  11. 前記ペロブスカイト太陽電池は、
    前記接合層の前面に位置する電子伝達層と、
    前記電子伝達層の前面に位置するペロブスカイト吸収層と、
    前記ペロブスカイト吸収層の前面に位置する正孔伝達層とを含む、請求項１に記載のタンデム太陽電池。
  12. 前記電子伝達層の前面にメソポーラス層をさらに含む、請求項１１に記載のタンデム太陽電池。
  13. 結晶シリコン太陽電池の前面に位置する接合層と、
    前記接合層の前面に位置するペロブスカイト太陽電池と、
    前記ペロブスカイト太陽電池の前面に位置する前面透明電極と、
    前記前面透明電極の前面に位置して、パターン化された透明電極を含む透明電極構造体と、
    前記透明電極構造体の前面に位置する前面金属電極と、
    前記結晶シリコン太陽電池の後面に位置する後面金属電極とを含む複数のタンデム太陽電池を含み、
    前記複数のタンデム太陽電池のうち、隣り合う二つのタンデム太陽電池の前面金属電極と後面金属電極は、電極ワイヤにより互いに電気的に連結され、
    前記複数のタンデム太陽電池の前面及び後面にギャップを有して位置する前面透明基板及び後面透明基板を含む、タンデム太陽電池モジュール。
  14. 前記複数のタンデム太陽電池の前面と前記前面透明基板の間、又は前記複数のタンデム太陽電池の後面と前記後面透明基板の間に封止材が満たされた、請求項１３に記載のタンデム太陽電池モジュール。
  15. 前記複数のタンデム太陽電池の前面と前記前面透明基板の間、又は前記複数のタンデム太陽電池の後面と前記後面透明基板の間にガスが満たされた空気層が存在する、請求項１３に記載のタンデム太陽電池モジュール。
  16. 前記タンデム太陽電池モジュールの両側面は、封止材により封止された、請求項１３に記載のタンデム太陽電池モジュール。
  17. 結晶シリコン基板から結晶シリコン太陽電池を形成する段階と、
    前記結晶シリコン太陽電池の前面に接合層を形成する段階と、
    前記接合層の前面にペロブスカイト太陽電池を形成する段階と、
    前記ペロブスカイト太陽電池の前面に前面透明電極を形成する段階と、
    前記前面透明電極の前面に透明電極構造体をパターン化する段階とを含む、タンデム太陽電池の製造方法。
  18. 前記透明電極構造体は、凹凸パターン又はグリッドパターンを有するようにパターン化される、請求項１７に記載のタンデム太陽電池の製造方法。
  19. 前記前面透明電極をエッチングして前記透明電極構造体を形成する、請求項１７に記載のタンデム太陽電池の製造方法。
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