JP2024513065A - ペロブスカイト太陽電池及びこれを含むタンデム太陽電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、基板、透明電極、正孔伝達層、ペロブスカイト光吸収層、電子伝達層及び金属電極を含むペロブスカイト太陽電池において、前記電子伝達層は、下部から上部に行くほど前記電子伝達層を構成する各元素の化学的結合状態が漸進的に変わる差等薄膜であることを特徴とするペロブスカイト太陽電池及びこれを含むタンデム太陽電池に関する。【選択図】図２
Description
本発明は、ペロブスカイト太陽電池及びこれを含むタンデム太陽電池に関し、より詳細には、原子蒸着法を活用して改善された電子伝達層を含むペロブスカイト太陽電池及びこれを含むタンデム太陽電池に関する。
太陽電池は、太陽光エネルギーを電気に変換する集合体であって、次世代エネルギーとして注目され、長い期間研究されており、シリコン、ＣＩＧＳ及びペロブスカイトなどの様々な物質をベースにして高い光電効率が報告されている。近年商業化され、最も多く使用されている太陽電池は、シリコンベースの太陽電池であって、太陽電池市場の９０％以上を占めている。
シリコン太陽電池に結晶質シリコン太陽電池及び非結晶質シリコン太陽電池が含まれていると、結晶質の場合は、製造単価が高いという短所があるが、エネルギー効率が高いので広く商用化されている。その一方で、非結晶質の場合は、工程技術が難しく、且つ装備依存度が高く、何よりも効率が低いので、現在はほとんど開発されていない状況である。シリコン太陽電池を１世代として分類すると、近年、環境にやさしい未来の有望アイテムとして世界的に活発に研究されている３世代太陽電池の代表走者として、ペロブスカイトベースの太陽電池がある。
ペロブスカイト太陽電池は、無機物と有機物との結合によって形成されたペロブスカイト結晶構造を有する素材を活用する。ペロブスカイトは、不導体・半導体・導体性質と共に、超伝導現象まで示す非常に特別な構造を有する。
このような有・無機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池は、製造費用が低く、溶液工程で薄膜の製作が可能であるので、近年、次世代薄膜太陽電池として脚光を浴びている。図１に示したように、従来のペロブスカイト太陽電池は、基板（Ｇｌａｓｓ）、透明電極（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ａｎｏｄｅ）、正孔伝達層（ＨＴＬ）、光吸収層（Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）、電子伝達層（ＥＴＬ）、及び金属電極（Ｍｅｔａｌ ｃａｔｈｏｄｅ）が順次積層された構造からなる。ここで、透明電極としては、仕事関数が低いＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）又はＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が使用され、金属電極としては、高い仕事関数を有するＡｕ又はＡｇなどが使用される。
ペロブスカイトベースの太陽電池は、研究が開始されてから１０年目に速い速度で効率が増加しており、高い光電効率が報告されている。しかし、上記のような単一接合（ｓｉｎｇｌｅ－ｊｕｃｔｉｏｎ）太陽電池の場合、限定された波長領域の太陽エネルギーのみを吸収することができ、バンドギャップ以下の太陽エネルギーでは劣化損失が発生し、Ｓ－Ｑ限界効率以上の高い効率を得ることができない。
このような単一接合のペロブスカイトベースの太陽電池の短所を補完するために、多接合タンデム太陽電池に対する研究が継続されている。多接合タンデム太陽電池は、大きいバンドギャップを有する上部セル（Ｃｅｌｌ）が低い波長帯の太陽エネルギーを吸収し、低いバンドギャップを有する下部セルが高い波長帯の太陽エネルギーを吸収するので、損失を減少させ、広い波長帯の太陽エネルギーを運用することができ、単一接合で得られない３０％以上の高効率を得ることができる。
特に、ペロブスカイト・シリコンタンデム太陽電池は、それぞれ小さいバンドギャップと大きいバンドギャップを有し、光の運用に有利であるので研究が活発に進められている。
上述したペロブスカイト太陽電池又はペロブスカイト・シリコン太陽電池における問題の一つは、共通的に含んでいるペロブスカイト太陽電池の電子伝達層に関するものである。電子伝達層を形成するＳｎＯ結合薄膜などの薄膜は、ｐ型半導体特性を有し、電子移動抵抗が高いので、太陽電池のＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）値が低く、よって、エネルギー変換効率が低下するという問題を有していた。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、改善された電子伝達層を形成し、太陽電池のＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）値及びエネルギー変換効率を向上できるペロブスカイト太陽電池及びこれを含むタンデム太陽電池を提供することを目的とする。
上記のような課題を解決するための手段として、本発明は、透明電極、正孔伝達層、ペロブスカイト光吸収層、電子伝達層及び金属電極を含むペロブスカイト太陽電池において、前記電子伝達層は、下部から上部に行くほど前記電子伝達層を構成する各元素の化学的結合状態が漸進的に変わる差等（ｇｒａｄｅｄ）薄膜であることを特徴とするペロブスカイト太陽電池を提供する。
前記透明電極は前記基板の上部に位置し、前記正孔伝達層は透明電極の上部に位置し、前記ペロブスカイト光吸収層は正孔伝達層の上部に位置し、前記電子伝達層は前記ペロブスカイト光吸収層の上部に位置し、前記金属電極は前記電子伝達層の上部に位置することを特徴とすることができる。
前記差等薄膜は、ＳｎＯｘ、ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘのうちいずれか一つからなり、前記差等薄膜を構成するそれぞれのＳｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｗ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＣｅに化学的に結合される酸素の個数は、下部薄膜から上部薄膜に漸進的に変化することを特徴とすることができる。
前記差等薄膜は、ＳｎＯからなる下部薄膜からＳｎＯ２からなる上部薄膜に漸進的に変化する薄膜であることを特徴とすることができる。
前記電子伝達層と前記ペロブスカイト光吸収層との間にＰＣＢＭやＣ６０からなるフラーレン系列の電子輸送層をさらに含むことを特徴とすることができる。
また、本発明は、シリコン太陽電池と、前記シリコン太陽電池の上部に位置するペロブスカイト太陽電池とを含むタンデム太陽電池において、前記ペロブスカイト太陽電池は、第１透明電極、正孔伝達層、ペロブスカイト光吸収層、電子伝達層、第２透明電極、及び金属電極を含み、前記電子伝達層は、下部から上部に行くほど前記電子伝達層を構成する各元素の化学的結合状態が漸進的に変わる差等薄膜であることを特徴とするタンデム太陽電池を提供する。
前記第１透明電極は前記シリコン太陽電池の上部に位置し、前記正孔伝達層は第１透明電極の上部に位置し、前記ペロブスカイト光吸収層は前記正孔伝達層の上部に位置し、前記電子伝達層は前記ペロブスカイト光吸収層の上部に位置し、前記第２透明電極は前記電子伝達層の上部に位置し、前記金属電極は前記第２透明電極の上部に位置することを特徴とすることができる。
前記差等薄膜は、ＳｎＯｘ、ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘのうちいずれか一つからなり、前記差等薄膜を構成するそれぞれのＳｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｗ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＣｅに化学的に結合される酸素の個数は、下部薄膜から上部薄膜に漸進的に変化することを特徴とすることができる。
前記差等薄膜は、ＳｎＯからなる下部薄膜からＳｎＯ２からなる上部薄膜に漸進的に変化する薄膜であることを特徴とすることができる。
前記電子伝達層と前記ペロブスカイト光吸収層との間にＰＣＢＭやＣ６０からなるフラーレン系列の電子輸送層をさらに含むことを特徴とすることができる。
本発明の実施例に係るペロブスカイト太陽電池及びこれを含むタンデム太陽電池の場合、ペロブスカイト太陽電池の電子伝達層が、下部から上部に行くほどＳｎＯからＳｎＯ２に漸進的に変化する差等薄膜で形成されることによって、ＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）値及びエネルギー変換効率が著しく向上するという効果がある。
以下で、添付の図面を参照して各実施例を詳細に説明する。しかし、各実施例は多様に変更され得るので、特許出願の権利範囲がこのような各実施例によって制限又は限定されることはない。各実施例に対する全ての変更、均等物及び代替物は、権利範囲に含まれるものと理解しなければならない。
実施例で使用した用語は、説明の目的で使用されたものに過ぎなく、限定しようとする意図で解釈してはならない。単数の表現は、文脈上、明らかに異なる意味を有さない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」又は「有する」などの用語は、明細書上に記載の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするものであって、一つ又はそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらの組み合わせの存在又は付加可能性を予め排除するものではないと理解しなければならない。
異なる方式で定義されない限り、技術的又は科学的な用語を含めて、ここで使用される全ての用語は、実施例の属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有している。一般的に使用される事前に定義されている各用語は、関連技術の文脈上の意味と一致する意味を有するものと解釈しなければならなく、本出願で明らかに定義しない限り、理想的又は過度に形式的な意味で解釈しない。
また、添付の図面を参照して説明するにおいて、図面符号とは関係なく、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、これに対する重複する説明は省略する。実施例を説明するにおいて、関連した公知技術に対する具体的な説明が実施例の要旨を不要に不明瞭にし得ると判断される場合、それについての詳細な説明は省略する。
構成要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）又は層が他の要素又は層「上に（ｏｎ）」、「に連結された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、又は「に結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」ものとして示すとき、これは、他の構成要素又は層に直接存在したり、連結又は結合されたり、又は干渉構成要素又は層（ｉｎｔｅｒｖｅｎｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｌａｙｅｒ）が存在し得るものと理解され得る。
以下、本発明のペロブスカイト太陽電池及びこれを含むタンデム太陽電池に対して、実施例及び図面を参照して具体的に説明する。しかし、本発明がこのような実施例及び図面に制限されることはない。
ペロブスカイト太陽電池
図２は、本発明の一実施例に係るペロブスカイト太陽電池１の一実施例を示した図である。
図２に示したように、本発明の一実施例に係るペロブスカイト太陽電池１は、基板１１と、基板１１の上部に位置する第１透明電極１２と、第１透明電極１２の上部に位置する正孔伝達層１３と、正孔伝達層１３の上部に位置するペロブスカイト光吸収層１４と、ペロブスカイト光吸収層１４の上部に位置するフラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）系列の電子輸送層１５と、電子輸送層１５の上部に位置する電子伝達層１６と、電子伝達層１６の上部に位置する第２透明電極１７と、第２透明電極１７の上部に位置する金属電極１８とを含み、電子伝達層１６は、下部から上部に行くほど前記電子伝達層を構成する各元素の化学的結合状態が漸進的に変わる差等薄膜からなることを特徴とする。
図２に示した本発明の一実施例に係るペロブスカイト太陽電池１は、一般的なペロブスカイト太陽電池の４つの構造、すなわち、メゾスコピック正構造（ｎ－ｉ－ｐ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ）、平板型正構造（ｎ－ｉ－ｐ ｐｌａｎａｒ）、平板型逆構造（ｐ－ｉ－ｎ ｐｌａｎａｒ）、及びメゾスコピック逆構造（ｐ－ｉ－ｎ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ）のうち平板型逆構造（ｐ－ｉ－ｎ ｐｌａｎａｒ）に関するものである。
ただし、図２に示したペロブスカイト太陽電池１の構造は、一つの実施例に過ぎないので、これに限定されることはなく、これと異なる構造又はこれと異なる積層順序や異なる構成からなる変形したペロブスカイト太陽電池に対しても、本発明の実施例に係る差等薄膜からなる電子伝達層の構成が同一に適用され得ることは当然である。
前記基板１１は、ボロシリケート（ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ）ガラス、石英（ｑｕａｒｔｚ）ガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）であってもよいが、これに限定されない。
前記第１透明電極１２は、透光性を有する導電性素材で形成されてもよく、本発明の実施例によると、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ；ｉｎｄｉｕｍ－ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）であってもよい。ただし、これに限定されるものではなく、透光性を有する導電性素材は、例えば、透明伝導性酸化物、炭素質伝導性素材及び金属性素材などを含むことができる。透明伝導性酸化物としては、例えば、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）、ＺｎＯなどが使用されてもよい。炭素質伝導性素材としては、例えば、グラフェン又はカーボンナノチューブなどが使用されてもよく、金属性素材としては、例えば、金属（Ａｇ）ナノワイヤ、Ａｕ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｍｇ／Ｍｏ／Ｔｉなどの多層構造の金属薄膜が使用されてもよい。本明細書において、「透明」という用語は、光を一定の程度以上透過し得るものを言い、必ずしも完全な透明を意味するものとは解釈しない。以上説明した各物質は、必ずしも上で説明した各実施例に限定されるものではなく、多様な材質で形成可能であり、その構造も単層又は多層などに多様に変形可能である。
前記正孔伝達層１３は、タングステンオキサイド（ＷＯｘ）、モリブデンオキサイド（ＭｏＯｘ）、バナジウムオキサイド（Ｖ２Ｏ５）、ニッケルオキサイド（ＮｉＯｘ）及びこれらの混合物から選ばれる金属酸化物のうち少なくともいずれか一つを含むことができる。また、前記正孔伝達層１３は、単分子正孔輸送物質及び高分子正孔輸送物質からなる群から選ばれる少なくともいずれか一つを含み得るが、これに限定されることなく、当該業界で使用される物質であれば限定なく使用することができる。例えば、前記単分子正孔輸送物質としては、ｓｐｉｒｏ－ＭｅＯＴＡＤ［２，２’ ，７，７’－テトラキス（Ｎ，Ｎ－ｐ－ジメトキシ－フェニルアミノ）－９，９’－スピロビフルオレン］を使用することができ、前記高分子正孔輸送物質としては、Ｐ３ＨＴ［ポリ（３－ヘキシルチオフェン）］、ＰＴＡＡ（ポリトリアリールアミン）、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）又はポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を使用できるが、これに制限されない。
また、前記正孔伝達層１３には、ドーピング物質がさらに含まれてもよく、前記ドーピング物質としては、Ｌｉ系列ドーパント、Ｃｏ系列ドーパント、Ｃｕ系列ドーパント、Ｃｓ系列ドーパント及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれるドーパントを使用できるが、これに制限されない。
前記正孔伝達層１３は、第１透明電極１２上に正孔伝達層用前駆体溶液を塗布し、これを乾燥させることによって形成され得る。
前記ペロブスカイト光吸収層１４は、ＡＢＸ３（ここで、Ａは、１価の有機アンモニウム陽イオン又は金属陽イオンを意味し、Ｂは、２価の金属陽イオンを意味し、Ｘは、ハロゲン陰イオンを意味する。）で表される物質を含む。
一つ又は多数の実施例において、前記ペロブスカイト光吸収層１４は、前記Ａがメチルアンモニウム（ＣＨ３ＮＨ３
＋）又はエチルアンモニウム（ＣＨ３ＣＨ２ＮＨ３
＋）を示し、ＢがＰｂ又はＳｎを示し、ＸがＩ、Ｂｒ又はＣｌを示す、前記と同様の化学式を有するペロブスカイトを含み得るが、これに制限されるものではなく、２種以上が混合されて使用されてもよい。
ペロブスカイト化合物としては、例えば、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩｘＣｌ３－ｘ、ＭＡＰｂＩ３、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、（ＣＨ３ＮＨ３）（ＨＣ（ＮＨ２）２）１－ｙＰｂＣｌｘＢｒ３－ｘなどが使用されてもよい（０≦ｘ、ｙ≦１）。また、ＡＢＸ３のＡにＣｓが一部ドーピングされた化合物も使用され得る。
ペロブスカイトは、吸収係数が大きく（ｓｔｒｏｎｇ ｓｏｌａｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）、低い非発光キャリア再結合率（ｌｏｗ ｎｏｎ－ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｒａｔｅ）の特徴を有しており、キャリア移動度が大きく、非発光キャリア再結合を誘発する欠陥がバンドギャップ内に又は深い準位（ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ）に形成されないという特性によって変換効率を増加させるものと知られている。
前記電子輸送層１５は、前記ペロブスカイト光吸収層１４の上部に位置し、ＰＣＢＭやＣ６０からなるフラーレン系列で形成されてもよい。ただし、これは、必須的なものではなく、選択的には、図２に示した本発明の実施例において、このような電子輸送層１５を含まずペロブスカイト光吸収層１４の直上部に上部電子伝達層１６が形成されてもよい。
ペロブスカイト光吸収層１４上に電子伝達層１６がＴｉＯｘやＺｎＯｘなどで形成される場合、電子伝達層１６がペロブスカイト光吸収層１４と直接当接すると、ペロブスカイトを分解するという問題がある。
特に、ＺｎＯの場合、熱処理などによってＺｎＯ／ペロブスカイト界面でＺｎＯによってメチルアンモニウム陽イオンの脱プロトン化が進められ、メチルアンモニウムがメチルアミンに変わる。メチルアミンは、沸点が非常に低いので、常温でも容易に気体になる。これによって、メチルアンモニウムが損失し、ペロブスカイトが分解されるという問題がある。
本発明の実施例によると、電子伝達層１６とペロブスカイト光吸収層１４との間に前記ＰＣＢＭやＣ６０からなるフラーレン系列の電子輸送層１５が形成されることによって、ＴｉＯｘやＺｎＯｘなどからなる電子伝達層がペロブスカイト光吸収層に接触することによって生じるペロブスカイトの分解を防止することができる。
前記電子伝達層１６は、前記電子輸送層１５の上部に位置し、前記ペロブスカイト光吸収層で生成された電子を前記第２透明電極に伝達する。
本発明の一実施例によると、図２に示したように、前記電子伝達層１６は、ＳｎＯｘからなる薄膜であって、ＳｎＯからなる下部薄膜からＳｎＯ２からなる上部薄膜に漸進的に変化する差等薄膜からなってもよい。
このような本発明の一実施例に係るＳｎＯｘからなる差等薄膜は、１５０℃以下の低温で原子蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）によって形成されてもよい。
図３は、本発明の一実施例に係るＳｎＯｘからなる差等薄膜を形成するＡＬＤ工程のフローチャートである。
図３に示したように、まず、差等薄膜を構成するスズ（Ｓｎ）のソースになる前駆体ガスを注入し、これを表面に吸着させる（Ｓ１）。前記スズ（Ｓｎ）のソースは、ＴＤＭＡＳｎ、ＴＥＭＡＳｎ、Ｓｎ（ｄｍａｍｐ）２、及びＳｎＣｌ４のうちいずれか一つになってもよい。本発明の実施例では、スズ（Ｓｎ）のソースとしてＴＤＭＡＳｎを使用する。
その次に、残留物質を除去するためのパージ（ｐｕｒｇｅ）段階を実施する（Ｓ２）。
その次に、差等薄膜を構成する反応物として酸素（Ｏ）のソースを注入する（Ｓ３）。酸素（Ｏ）のソースは、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、Ｏ３、及びＯ２のうちいずれか一つになってもよい。本発明の実施例では、酸素（Ｏ）のソースとしてＨ２Ｏを使用する。
その次に、残留物質を除去するためのパージ段階を実施する（Ｓ４）。
本発明の実施例に係るＡＬＤ工程では、前記Ｓ１乃至Ｓ４段階を一つのサイクルとし、このサイクルを繰り返す。
このようなサイクルを繰り返すと、電子伝達層１６の最下部では、概してＳｎＯのみが形成されるが、上側に行くほどＳｎＯに対するＳｎＯ２の比率が漸進的に上昇し、電子伝達層１６の最上部では実質的にＳｎＯ２のみが形成される。
このとき、前記ＳｎＯからなる下部薄膜からＳｎＯ２からなる上部薄膜に漸進的に変化する差等薄膜を形成するために重要なものは、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量である。
スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を確保できない場合は、差等薄膜が形成されず、ＳｎＯのみからなる薄膜が形成され、電子移動抵抗が高いので太陽電池のＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）値が低く、よって、エネルギー変換効率が低下するという問題がある。そこで、本発明では、ＴＤＭＡＳｎ流量を３０ｓｃｃｍ以上に限定しようとする。
本発明の実施例によると、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を３０ｓｃｃｍ～９０ｓｃｃｍにした場合、表面にＳｎＯからなる下部薄膜からＳｎＯ２からなる上部薄膜に漸進的に変化する差等ＳｎＯｘ薄膜が形成され得る。このとき、酸素（Ｏ）のソースであるＨ２Ｏの流量は１０ｓｃｃｍ～１００ｓｃｃｍで、工程温度は８０℃である。
本発明の実施例に係る電子伝達層に上述した差等ＳｎＯｘ薄膜が形成されたかどうかは、ＸＰＳ（Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｈｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）表面分析装備を通じて確認することができた。
ＸＰＳ表面分析装備は、サンプルにＸ線を入射し、サンプルの表面から放出される光電子の運動エネルギー及び強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を測定することによって、サンプルの成分及び結合特性などを測定する装備である。
一方、上述したＳｎＯｘの差等薄膜からなる上部電子伝達層１６は、本発明の一実施例に過ぎなく、本発明の差等薄膜は、ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘのうちいずれか一つによっても形成され得る。
すなわち、ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘの差等薄膜の場合にも、ＳｎＯｘ差等薄膜と同様に、それぞれのＴｉ、Ｚｎ、Ｗ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＣｅに化学的に結合される酸素の個数が相対的に少ない所定の下部薄膜から、化学的に結合される酸素の個数が相対的に多い所定の上部薄膜に漸進的に変化する。
ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘの差等薄膜の場合にも、図３に示した低温原子蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）によって形成され得る。
このとき、それぞれのＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘを構成する反応物のソースの流量及び工程温度などはＳｎＯｘと異なり得るが、それぞれのＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘで酸素（Ｏ）と結合される反応物の流量が所定流量以上になると、ＡＬＤ工程時に下部薄膜から上部薄膜に漸進的に変化する差等ＳｎＯｘ薄膜が形成され得ることは同様である。
前記第２透明電極１７は、本発明の実施例によると、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）であってもよい。ただし、これに限定されるものではなく、前記第２透明電極１７は、酸化亜鉛（ＡＺＯ；Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ－ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ；ＺｎＯ：Ａｌ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ；ｉｎｄｉｕｍ－ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、フッ素含有酸化スズ（ＦＴＯ：Ｆｌｕｏｒｉｎｅ－ｄｏｐｅｄ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）などの前記第１透明電極と同じ素材で形成されてもよい。
本発明の実施例では、第２透明電極１７とペロブスカイト光吸収層１４との間に電子伝達層１６及び電子輸送層１５が存在し、これらがバッファー層としての役割をするので、ペロブスカイト光吸収層１４にスパッター方式で蒸着し、ＩＺＯからなる第２透明電極１７を形成したとしてもペロブスカイト光吸収層１４が保護され得る。
前記金属電極１８は、外部と電気的に連結される部分であって、パターン化された銀（Ａg）薄膜を蒸着させることによって形成され得る。
ペロブスカイト太陽電池を含むタンデム太陽電池
図４は、本発明の一実施例に係るペロブスカイト太陽電池を含むタンデム太陽電池２の一実施例を示す。
図４に一実施例として示したように、本発明の一実施例に係るペロブスカイト太陽電池を含むタンデム太陽電池は、シリコン太陽電池（下部セル）２０と、シリコン太陽電池上に形成されるペロブスカイト太陽電池（上部セル）３０とを含むことができ、シリコン太陽電池２０とペロブスカイト太陽電池３０との間には、両者を接合させながら電気的に連結する接合層（図示せず）が備えられてもよい。このような接合層は、ペロブスカイト太陽電池３０を透過する長波長の光が、透過損失をすることなく下部に配置されたシリコン太陽電池２０に入射され得るように、透明伝導性酸化物（ＴＣＯ）、炭素質伝導性素材、金属性素材又は伝導性高分子を用いて具現され得る。
一つ又は多数の実施例において、前記タンデム太陽電池２は、接合層溶液を前記シリコン太陽電池２０の上部にスピンコーティングする段階と、前記スピンコーティングされた透明接合層溶液の表面に前記ペロブスカイト太陽電池３０を接着させ、ＵＶ処理又は熱処理をして硬化させることによって製造され得る。ただし、これは、一つの実施例に過ぎないので、周知の他の方法によってタンデム太陽電池を製造可能であることは当然である。
前記シリコン太陽電池２０は、バンドギャップが１．０ｅＶ～１．２ｅＶ付近であるシリコン太陽電池であってもよい。前記基板上に配置された金属又は金属合金の裏面電極２１と、前記裏面電極上に配置されたシリコン半導体層２２とを含むことができる。
前記裏面電極（ｂａｃｋ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）２１は、外部への電気的連結のために基板（図示せず）上に形成されてもよい。一つ又は多数の実施例において、前記裏面電極は、Ｅ－ビーム真空蒸着（ｅ－ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を通じて形成されてもよく、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｕなどで形成されてもよい。
前記シリコン半導体層２２は、ｐ型シリコン半導体層、及び前記ｐ型シリコン半導体層上に配置されたｎ型シリコン半導体層を含むことができる。
前記ペロブスカイト太陽電池３０は、第１透明電極３１、正孔伝達層３２、ペロブスカイト光吸収層３３、電子輸送層３４、電子伝達層３５、第２透明電極３６、及び金属電極３７を含むことができる。
図４に一実施例として示したように、前記第１透明電極３１は前記シリコン太陽電池２０の上部に形成され、前記正孔伝達層３２は第１透明電極３１の上部に形成され、前記ペロブスカイト光吸収層３３は前記正孔伝達層３２の上部に形成され、前記電子輸送層３４は前記ペロブスカイト光吸収層３３の上部に形成され、前記電子伝達層３５はフラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）系列の前記電子輸送層３４の上部に形成され、前記第２透明電極３６は前記電子伝達層３５の上部に形成され、前記金属電極３７は前記第２透明電極３６の上部に形成されてもよい。
前記第１透明電極３１は、透光性を有する導電性素材で形成されてもよく、本発明の実施例によると、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ；ｉｎｄｉｕｍ－ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）であってもよい。ただし、これに限定されるものではなく、透光性を有する導電性素材は、例えば、透明伝導性酸化物、炭素質伝導性素材及び金属性素材などを含むことができる。透明伝導性酸化物としては、例えば、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）、ＺｎＯなどが使用されてもよい。炭素質伝導性素材としては、例えば、グラフェン又はカーボンナノチューブなどが使用されてもよく、金属性素材としては、例えば、金属（Ａｇ）ナノワイヤ、Ａｕ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｍｇ／Ｍｏ／Ｔｉなどの多層構造の金属薄膜が使用されてもよい。本明細書において、「透明」という用語は、光を一定程度以上透過し得るものを言い、必ずしも完全な透明を意味するものとは解釈しない。以上で説明した各物質は、必ずしも上で説明した各実施例に限定されるものではなく、多様な材質で形成可能であり、その構造も単層又は多層などに多様に変形可能である。
前記正孔伝達層３２は、タングステンオキサイド（ＷＯｘ）、モリブデンオキサイド（ＭｏＯｘ）、バナジウムオキサイド（Ｖ２Ｏ５）、ニッケルオキサイド（ＮｉＯｘ）及びこれらの混合物から選ばれる金属酸化物のうち少なくともいずれか一つを含むことができる。また、前記正孔伝達層３２は、単分子正孔輸送物質及び高分子正孔輸送物質からなる群から選ばれる少なくともいずれか一つを含み得るが、これに限定されなく、当該業界で使用される物質であれば限定なく使用することができる。例えば、前記単分子正孔輸送物質としては、ｓｐｉｒｏ－ＭｅＯＴＡＤ［２，２’ ，７，７’－テトラキス（Ｎ，Ｎ－ｐ－ジメトキシ－フェニルアミノ）－９，９’－スピロビフルオレン］を使用することができ、前記高分子正孔輸送物質としては、Ｐ３ＨＴ［ポリ（３－ヘキシルチオフェン）］、ＰＴＡＡ（ポリトリアリールアミン）、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）又はポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を使用できるが、これに制限されない。
また、前記正孔伝達層３２には、ドーピング物質がさらに含まれてもよく、前記ドーピング物質としては、Ｌｉ系列ドーパント、Ｃｏ系列ドーパント、Ｃｕ系列ドーパント、Ｃｓ系列ドーパント及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれるドーパントを使用できるが、これに制限されない。
前記正孔伝達層３２は、第１透明電極３１上に正孔伝達層用前駆体溶液を塗布し、これを乾燥させることによって形成され得る。
前記ペロブスカイト光吸収層３３は、ＡＢＸ３（ここで、Ａは、１価の有機アンモニウム陽イオン又は金属陽イオンを意味し、Ｂは、２価の金属陽イオンを意味し、Ｘは、ハロゲン陰イオンを意味する。）で表される物質を含む。
一つ又は多数の実施例において、前記ペロブスカイト光吸収層３３は、前記Ａがメチルアンモニウム（ＣＨ３ＮＨ３
＋）又はエチルアンモニウム（ＣＨ３ＣＨ２ＮＨ３
＋）を示し、ＢがＰｂ又はＳｎを示し、ＸがＩ、Ｂｒ又はＣｌを示す、前記と同様の化学式を有するペロブスカイトを含み得るが、これに制限されるものではなく、２種以上が混合されて使用されてもよい。
ペロブスカイト化合物としては、例えば、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩｘＣｌ３－ｘ、ＭＡＰｂＩ３、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、（ＣＨ３ＮＨ３）（ＨＣ（ＮＨ２）２）１－ｙＰｂＣｌｘＢｒ３－ｘなどが使用されてもよい（０≦ｘ、ｙ≦１）。また、ＡＢＸ３のＡにＣｓが一部ドーピングされた化合物も使用され得る。
前記電子輸送層３４は、前記ペロブスカイト光吸収層３３の上部に位置し、ＰＣＢＭやＣ６０からなるフラーレン系列で形成されてもよい。ただし、これは、必須的なものではなく、選択的には、このような電子輸送層３４を含まずペロブスカイト光吸収層３３の直上部に上部電子伝達層が形成されてもよい。
前記電子輸送層３４は、電子伝達層３５がＴｉＯｘやＺｎＯｘなどからなる場合、電子伝達層３５とペロブスカイト光吸収層３３との間に位置し、電子伝達層がペロブスカイト光吸収層に直接接触できないようにし、その結果、ＴｉＯｘやＺｎＯｘなどによってペロブスカイトが分解されることを防止することができる。
前記電子伝達層３５は、前記電子輸送層３４の上部に位置し、前記ペロブスカイト光吸収層３３で生成された電子を前記第２透明電極３６に伝達する。
本発明の一実施例によると、図２に示したように、前記電子伝達層３５は、ＳｎＯｘからなる薄膜であって、ＳｎＯからなる下部薄膜からＳｎＯ２からなる上部薄膜に漸進的に変化する差等薄膜からなってもよい。
このような本発明の一実施例に係るＳｎＯｘからなる差等薄膜は、図３に示したＡＬＤ工程によって形成されてもよい。
前記ＳｎＯからなる下部薄膜からＳｎＯ２からなる上部薄膜に漸進的に変化する差等薄膜を形成するために、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を３０ｓｃｃｍ～９０ｓｃｃｍにし、酸素（Ｏ）のソースであるＨ２Ｏの流量は１０ｓｃｃｍ～１００ｓｃｃｍにし、工程温度を８０℃にすることができる。
前記ＳｎＯｘの差等薄膜からなる上部電子伝達層は、本発明の一実施例に過ぎなく、本発明の差等薄膜は、ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘのうちいずれか一つによっても形成され得る。
すなわち、ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘの差等薄膜の場合にも、ＳｎＯｘ差等薄膜と同様に、それぞれのＴｉ、Ｚｎ、Ｗ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＣｅに化学的に結合される酸素の個数が相対的に少ない所定の下部薄膜から、化学的に結合される酸素の個数が相対的に多い所定の上部薄膜に漸進的に変化する。
ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘの差等薄膜の場合にも、図３に示した原子蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）によって形成され得る。
このとき、それぞれのＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘを構成する反応物のソースの流量及び工程温度などはＳｎＯｘの場合と異なり得るが、それぞれのＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘで酸素（Ｏ）と結合される反応物の流量が所定流量以上になると、ＡＬＤ工程時に下部薄膜から上部薄膜に漸進的に変化する差等ＳｎＯｘ薄膜が形成され得ることは同様である。
前記第２透明電極３６は、本発明の実施例によると、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）であってもよい。ただし、これに限定されるものではなく、前記第２透明電極３６は、酸化亜鉛（ＡＺＯ；Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ－ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ；ＺｎＯ：Ａｌ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ；ｉｎｄｉｕｍ－ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、フッ素含有酸化スズ（ＦＴＯ：Ｆｌｕｏｒｉｎｅ－ｄｏｐｅｄ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）などの前記第１透明電極３１と同じ素材で形成されてもよい。
本発明の実施例に係るタンデム太陽電池の構造では、第２透明電極３６が必須的である。すなわち、図４に示したタンデム太陽電池２の上部から下部に太陽光が照射される場合、太陽光の透過のために金属電極３７が格子パターンで形成されなければならないので、格子パターンの間に空のスペースが生じることになり、下側のペロブスカイト光吸収層３３で生成され、この空のスペースに到逹する各電子が、側面移動を通じて金属電極３７に移動できるようにするためには第２透明電極３６が必要である。
前記金属電極３７は、外部と電気的に連結される部分であって、太陽光が透過し得るように格子パターン（ｇｒｉｄ）に銀（Ａg）薄膜を蒸着させることによって形成され得る。
差等薄膜からなる本発明の電子伝達層の効果
以下では、上述したペロブスカイト太陽電池及びこれを備えたタンデム太陽電池に使用される本発明の実施例に係る差等薄膜の効果について説明する。
図５は、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を２０ｓｃｃｍにしながら薄膜を形成した場合と、３０ｓｃｃｍにしながら薄膜を形成した場合のＸＰＳ分析結果を示しており、図６は、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を２０ｓｃｃｍにしながら電子伝達層を形成することによってペロブスカイト太陽電池を製造した場合と、３０ｓｃｃｍにしながら薄膜を形成することによってペロブスカイト太陽電池を製造した場合におけるＦＦ及びエネルギー変換効率を示している。
図５のＡに示した薄膜は、ＩＴＯ透明電極上にスズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を２０ｓｃｃｍにし、酸素（Ｏ）のソースであるＨ２Ｏの流量は３０ｓｃｃｍにし、工程温度を８０℃にし、図３に示した原子蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）によって薄膜を形成したものであって、図５のＢに示した薄膜は、図５のＡと同一の実験条件下でスズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量のみを３０ｓｃｃｍにし、原子蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）によって薄膜を形成したものである。
ＸＰＳ（Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析装備は、試料にＸ線を入射し、光電効果によって放出される光電子の運動エネルギー及び強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を測定することによって、材料の成分及び結合特性を測定する表面分析装備である。
図５のＸＰＳ分析グラフに示したように、図５のＡの薄膜の場合、ピーク（ｐｅａｋ）値を示す一つの結合エネルギー（Ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ）が４８６．６ｅＶであって、ＳｎＯの単一層構造で形成されており、本発明で説明する差等薄膜が形成されていないことが分かる。
一方、図５のＢの薄膜の場合、ＸＰＳ分析グラフを見ると、ピーク値を示す結合エネルギーが、下部から上部に行くほど４８６．６ｅＶ（ＳｎＯ）から４８７．２ｅＶ（ＳｎＯ２）に漸進的に変化していることが分かる。
図５のＢの薄膜の場合、最下部層は、実質的にＳｎＯでのみ形成されているが、上部に行くほどＳｎＯに比べてＳｎＯ２の比率が増加しながら、最上部層は実質的にＳｎＯ２でのみ形成されている。すなわち、図５のＢの場合、本発明で説明する差等薄膜が形成されたことが分かる。
図６のＡは、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を２０ｓｃｃｍにし、原子蒸着法によって図５のＡのような単一ＳｎＯ薄膜（差等薄膜ではない薄膜）で電子伝達層を形成し、ペロブスカイト太陽電池を製造した場合を示し、これに対して実験した結果、ＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）値は６１．９６％で、エネルギー変換効率は１１．６９％であることが確認された。
図６のＢは、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を３０ｓｃｃｍにし、原子蒸着法によって図５のＢのような差等薄膜で電子伝達層を形成し、ペロブスカイト太陽電池を製造した場合を示し、これに対して実験した結果、ＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）値は７３．８８％で、エネルギー変換効率は１４．３９％であることが確認された。
すなわち、本発明の実施例によって、下部から上部に行くほどＳｎＯからＳｎＯ２に漸進的に変化する差等薄膜で電子伝達層を形成し、ペロブスカイト太陽電池を製造した場合の方が、ＳｎＯ単一薄膜で電子伝達層を形成した場合に比べてＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）及びエネルギー変換効率が著しく高いことが分かる。
図７は、追加的にスズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を２０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ、６０ｓｃｃｍ、及び９０ｓｃｃｍに変更しながら薄膜を形成した場合のＸＰＳ分析結果を比較して示しており、図８は、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を２０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ、６０ｓｃｃｍ、及び９０ｓｃｃｍに変更しながら電子伝達層を形成することによってペロブスカイト太陽電池を製造した場合における、ＦＦ及びエネルギー変換効率を比較して示している。
図７に示したそれぞれの薄膜は、ＩＴＯ透明電極上にスズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量のみを２０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ、６０ｓｃｃｍ、及び９０ｓｃｃｍに変更し、他の実験条件は同一にし（すなわち、酸素のソースであるＨ２Ｏの流量は３０ｓｃｃｍにし、工程温度を８０℃にし）、図３に示した原子蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）によって薄膜を形成したものである。
図７のＸＰＳ分析グラフに示したように、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を２０ｓｃｃｍにした場合を除いて、３０ｓｃｃｍ、６０ｓｃｃｍ、及び９０ｓｃｃｍにした全ての場合において、ピーク値を示す結合エネルギーが、下部から上部に行くほど漸進的にＳｎＯを示す値からＳｎＯ２を示す値に変化していることが分かる。
したがって、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量が３０ｓｃｃｍ以上である場合（すなわち、３０ｓｃｃｍ、６０ｓｃｃｍ、及び９０ｓｃｃｍである場合）、下部から上部に行くほどＳｎＯからＳｎＯ２に漸進的に変化する差等薄膜が形成されることが分かる。
図８に示したように、スズ（Ｓｎ）のソースであるＴＤＭＡＳｎの流量を２０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ、６０ｓｃｃｍ、及び９０ｓｃｃｍに変更し、他の条件は図７と同一にし（すなわち、酸素のソースであるＨ２Ｏの流量は３０ｓｃｃｍにし、工程温度を８０℃にし）、原子蒸着法によって差等薄膜からなる電子伝達層を形成し、ペロブスカイト太陽電池を製造した場合の実験データを示している。
図８に示したように、本発明の実施例に係る差等薄膜で電子伝達層が形成される場合（すなわち、ＴＤＭＡＳｎの流量が２０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ、６０ｓｃｃｍ、及び９０ｓｃｃｍである場合）、ＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）値が６６．４６％～７３．８８％で、エネルギー変換効率は１２．９２％～１４．３９％であって、そうでない場合（ＴＤＭＡＳｎの流量が２０ｓｃｃｍである場合）に比べて遥かに高いことが分かる。
上述した本発明の説明は、例示のためのものであって、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須的な特徴を変更せずとも、他の具体的な形態に容易に変形可能であることを理解できるだろう。そのため、以上で記述した各実施例は、全ての面で例示的なものであって、限定的なものではないと理解しなければならない。例えば、単一型で説明されている各構成要素は、分散されて実施されてもよく、同様に、分散されたものと説明されている各構成要素も結合された形態で実施され得る。
本発明の範囲は、後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、そして、その均等概念から導出される全ての変更又は変形した形態は、本発明の範囲に含まれるものと解釈しなければならない。
本発明は、ペロブスカイト太陽電池の製造分野に利用可能である。
Claims (10)
- 透明電極、正孔伝達層、ペロブスカイト光吸収層、電子伝達層及び金属電極を含むペロブスカイト太陽電池において、
前記電子伝達層は、下部から上部に行くほど前記電子伝達層を構成する各元素の化学的結合状態が漸進的に変わる差等薄膜であることを特徴とするペロブスカイト太陽電池。 - 前記正孔伝達層は前記透明電極の上部に位置し、
前記ペロブスカイト光吸収層は前記正孔伝達層の上部に位置し、
前記電子伝達層は前記ペロブスカイト光吸収層の上部に位置し、
前記金属電極は前記電子伝達層の上部に位置することを特徴とする、請求項１に記載のペロブスカイト太陽電池。 - 前記差等薄膜は、ＳｎＯｘ、ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘのうちいずれか一つからなり、
前記差等薄膜を構成するそれぞれのＳｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｗ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＣｅに化学的に結合される酸素の個数は、下部薄膜から上部薄膜に漸進的に変化することを特徴とする、請求項１又は２に記載のペロブスカイト太陽電池。 - 前記差等薄膜は、ＳｎＯからなる下部薄膜からＳｎＯ２からなる上部薄膜に漸進的に変化する薄膜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のペロブスカイト太陽電池。
- 前記電子伝達層と前記ペロブスカイト光吸収層との間にＰＣＢＭやＣ６０からなるフラーレン系列の電子輸送層をさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のペロブスカイト太陽電池。
- シリコン太陽電池と、前記シリコン太陽電池の上部に位置するペロブスカイト太陽電池と、を含むタンデム太陽電池において、
前記ペロブスカイト太陽電池は、第１透明電極、正孔伝達層、ペロブスカイト光吸収層、電子伝達層、第２透明電極、及び金属電極を含み、
前記電子伝達層は、下部から上部に行くほど前記電子伝達層を構成する各元素の化学的結合状態が漸進的に変わる差等薄膜であることを特徴とするタンデム太陽電池。 - 前記第１透明電極は前記シリコン太陽電池の上部に位置し、
前記正孔伝達層は前記第１透明電極の上部に位置し、
前記ペロブスカイト光吸収層は前記正孔伝達層の上部に位置し、
前記電子伝達層は前記ペロブスカイト光吸収層の上部に位置し、
前記第２透明電極は前記電子伝達層の上部に位置し、
前記金属電極は前記第２透明電極の上部に位置することを特徴とする、請求項６に記載のタンデム太陽電池。 - 前記差等薄膜は、ＳｎＯｘ、ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ、ＷＯｘ、ＮｂＯｘ、ＩｎＯｘ、及びＣｅＯｘのうちいずれか一つからなり、
前記差等薄膜を構成するそれぞれのＳｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｗ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＣｅに化学的に結合される酸素の個数は、下部薄膜から上部薄膜に漸進的に変化することを特徴とする、請求項６又は７に記載のタンデム太陽電池。 - 前記差等薄膜は、ＳｎＯからなる下部薄膜からＳｎＯ２からなる上部薄膜に漸進的に変化する薄膜であることを特徴とする、請求項６又は７に記載のタンデム太陽電池。
- 前記電子伝達層と前記ペロブスカイト光吸収層との間にＰＣＢＭやＣ６０からなるフラーレン系列の電子輸送層をさらに含むことを特徴とする、請求項６又は７に記載のタンデム太陽電池。
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