JP5908077B2 - 太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池モジュール及びその製造方法に関するものであり、より詳しくは、太陽電池モジュールを構成する個別セルの電荷輸送層をその隣のセルと交番に配置し、電極をセル間連結部として使用して構造及び性能が改善された太陽電池モジュール及びその製造方法に関するものである。
一般に、太陽光発電に使用される太陽電池は電池容量などの要求特性に応じて多数の太陽電池セル（Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）がパッケージ内に配列されたモジュール形態で製作される。
図１は、従来の太陽電池モジュールを示す概略図である。
図１を参照すると、太陽電池モジュールは上部基板１０及び下部基板３０、前記上部基板１０と下部基板３０との間で金属リボン２３によって直列又は並列連結される多数の太陽電池セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ、上部基板１０と下部基板３０との間の空間を埋める充填物２７を含む構造を有する。
前記のようなモジュールは個別的に太陽電気セルを製造してからそれらをそれぞれ直列又は並列連結する方式と、対面的に製造されたセルをパターニングして各セルを構成し、それを直列又は並列連結する方式などを介して形成される。
この際、太陽電池セル間の直列連結は低い伝導度を有する薄膜状の導線で発生する電圧降下を最小化するための連結方式として活用されている。
しかし、現在までの太陽電池モジュールは個別セル間の直列連結のために配線用の面積を別途に必要とし、そのため全体モジュールの光電変換効率を低下させる問題点があった。また、前記のように必要な配線用の面積を最小化するために個別セルの面積を増加させて連結数を減少させる場合、全体モジュールの電流が増加しながら電圧が減少することによる抵抗損失（Ｉ２Ｒ）によって電力損失画が増加する問題点があった。
一方、太陽電池モジュールを構成する多数の太陽電池セルは、各太陽電池を構成する光活性層の物質に応じて無機太陽電池（ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）、染料感応太陽電池（ｄｙｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）及び有機太陽電池（ｏｒｇａｎｉｃ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）で大きく区分される。
その中でも、有機太陽電池の光活性層は電子ドナー（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｏｎｏｒ：Ｄ）及び電子アクセプター（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｃｃｅｐｔｏｒ：Ａ）のバルクへテロ接合（Ｂｕｌｋ ｈｅｔｅｒｏ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造で形成されている。有機太陽電池に光を照射すると光が吸収されて光活性層で励起状態の電子−正孔対、即ち、励起子（ｅｘｃｉｔｏｎ）が形成され、前記励起子は任意の方向に拡散しＤ−Ａ界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）に当たると電子と正孔とで分離される。また、前記光活性層の上下部には電荷輸送層、即ち、電子輸送層（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ，ＥＴＬ）及び正孔輸送層（Ｈｏｌｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ，ＨＴＬ）が位置し、前記電子輸送層は分離された電子を捕獲して負極（ｃａｔｈｏｄｅ）に伝達する機能を行い、正孔輸送層は分離された正孔を捕獲して正極（ａｎｏｄｅ）に伝達する機能を行う。前記のように、正極及び負極に集められた電荷が光電流を形成する。
よって、前記光活性層で生成される電子と正孔は前記光活性層の上下部に位置する電荷輸送層の配置構造に応じて輸送方向が決定され、それを介して光電流の方向又は解放電圧の極を変化させる特性を有する。
よって、本発明の第１目的は太陽電池モジュールを構成する各セルの電荷輸送層をその隣のセルと交番に配置し、光活性層を各セルを貫通するように一体に形成し、電極をセル間連結部として使用して構造及び性能が改善された太陽電池モジュールを提供することにある。
また、本発明の第２目的は、太陽電池モジュールを構成する個別セルを一度に製造する太陽電池モジュールの製造方法を提供することにある。
前記第１目的を達成するための本発明は、基板と、前記基板の上に配置された第１電極と、前記第１電極の上で互いに隣り合いながら交番に配置される第１正孔輸送層及び第１電子輸送層を含む第１電荷輸送層と、前記第１電荷輸送層の上に配置された光活性層と、前記光活性層の上で互いに隣り合いながら交番に配置される第２正孔輸送層及び第２電子輸送層を含む第２電荷輸送層と、前記第２電荷輸送層の上に配置された第２電極と、を含み、前記第１電荷輸送層と前記第２電荷輸送層の配置によって多数個の第１太陽電池セル及び多数個の第２太陽電池セルで区分され、前記第１太陽電池セルは、前記第１電極、前記第１電荷輸送層の第１正孔輸送層、前記光活性層、前記第２電荷輸送層の第２電子輸送層を含み、前記第２太陽電池セルは、前記第１電極、前記第１電荷輸送層の第１電子輸送層、前記光活性層、前記第２電荷輸送層の第２正孔輸送層を含み、前記第１太陽電池セルと前記第２太陽電池セルは互いに隣り合いながら交互に配置され、前記第１太陽電池セル及び第２太陽電池セルは前記第１電極又は第２電極を介して隣り合うセルと連結され、前記第１太陽電池セル及び第２太陽電池セルの光活性層、第１電荷輸送層及び第２電荷輸送層は各セルを貫通するように一体に形成されることを特徴とする。
また、前記第２目的を達成するための本発明は、基板の上に離隔配置された多数個の第１電極を含む第１電極部を形成するステップと、前記第１電極部の上に第１正孔輸送層と第１電子輸送層が互いに隣り合いながら交番に配置することで第１電荷輸送部を一体に形成するステップと、前記第１電荷輸送部の上に光活性層を一体に形成するステップと、前記光活性層の上に第２電子輸送層と第２正孔輸送層が互いに隣り合いながら交番に配置することで第２電荷輸送部を一体に形成するステップと、前記第２電荷輸送部の上に離隔配置された多数個の第２電極を含む第２電極部を形成するステップと、を含み、前記それぞれの第１電極の上に互いに隣り合う一対の第１正孔輸送層と第１電子輸送層が互いに接するように形成され、前記それぞれの第２電極の下部に互いに隣り合う一対の第２正孔輸送層と第２電子輸送層が互いに接するように形成されることを特徴とする。
本発明による太陽電池モジュールは、前記モジュールを構成する個別セルが直列連結されて電流を低くし電圧を高めるだけでなく、前記個別セルを直列に連結するための追加的な空間を必要としないため高い光電変換効率と低い電力損失を同時に獲得することができる効果がある。
また、本発明による太陽電池モジュールの製造方法は、モジュールを構成する個別セルの光活性層を別途のパターニング工程なしに一体にコーティング又は蒸着方法を介して一度に製造することができ、個別セルを構成する電荷輸送層及び電極の配置構造を変化することだけでモジュールの総電圧又は電流の方向及び大きさを制御してコスト節減及び多様な性能を有するモジュールの製造を製造することができる効果がある。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい一実施例を詳細に説明する。しかし、本発明は以下に説明する実施例に限らずに他の形で具体化されてもよい。むしろここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底で完全なものになるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするために提供されるものである。図面において、層及び領域の厚さは明確性のために誇張されている。明細書全体において、同じ参照番号は同じ構成要素を示す。
本発明は多様な変更を加えることができ、様々な形態を有することができるため、特定の実施例を図面に例示して本文で詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に対して限定するためではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むと理解すべきである。各図面を説明するに当たって、構成要素に対しては類似した参照符号を使用した。
別途に定義されない限り、技術的であるか科学的な用語を含めてここで使用される全ての用語は本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されることと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されているような用語は関連技術の文脈上で有する意味と一致する意味を有すると解釈すべきであり、本出願で明白に定義しない限り理想的であるか過度に形式的な意味で解釈されない。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。
図２は、本発明の実施例による太陽電池モジュールの構造を示す斜視図である。
図２を参照すると、本発明の一実施例による太陽電池モジュールは基板１０の上に第１電極２０、第１電荷輸送層３０、光活性層４０、第２電荷輸送層５０及び第２電極６０が順次に積層されたセルを含む。この際、前記第１電荷輸送層３０又は第２電荷輸送層５０は第１電極２０又は第２電極６０を構成する物質の種類に応じて省略されてもよい。
前記個別セルは電荷輸送層３０，５０の配置によって第１セル又は第２セルの形態を有し、第１電極２０又は第２電極６０を介してその隣のセルと連結されている。
前記第１電極２０を介して連結されたセルの１セット（ｓｅｔ）を第１サブセルと定義し、前記第２電極６０を介して連結されたセルの１セットを第２サブセルと定義する。即ち、前記太陽電池モジュールを構成するサブセルは連結部の役割をする電極の種類に応じて前記２つのタイプ（ｔｙｐｅ）を有する。
第１サブセルと第２サブセルはそれぞれ電極２０，６０を介して連結された第１セルと第２セルを含み、隣り合う第１サブセルと第２サブセルは第１セル又は第２セルを共有することで互いに連結されて太陽電池モジュールを構成する。この際、必要に応じて電流をマッチング（ｍａｔｃｈｉｎｇ）するために各サブセルを構成する第１セル又は第２セルの幅を調節してもよい。
前記基板１０はガラス、石英（ｑｕａｒｔｚ）、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＣのうちから選択された透明無機物基板又はＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈｌａｔｅ）、ＰＥＳ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ）、ＰＳ（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＩ（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ＰＥＮ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）及びＰＡＲ（ｐｏｌｙａｒｙｌａｔｅ）のうちから選択された透明有機物基板であってもよい。
前記基板１０の上に形成される第１電極２０は前記第１電極２０の上に配置される電荷輸送層３０の種類に応じて負極又は正極の役割をする。例えば、前記第１電極２０の上に電荷輸送層３０として正孔輸送層が配置される場合には前記第１電極２０は光活性層４０で発生した正孔を収集する正極の役割をし、前記第１電極２０の上に電荷輸送層３０として電子輸送層が配置される場合には前記第１電極２０は光活性層４０で発生した電子を収集する負極の役割をする。
前記第１電極２０は隣のセルを連結する役割をするため、第１セルと第２セルは単一の第１電極２０を含んでもよい。
前記第１電極２０は光を透過させるために透明性を有する物質であることが好ましい。そして、前記第１電極２０は炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフィンなどの炭素同素体、ＩＴＯ，ドッピングされたＺｎＯ，ＭｇＯなどのような透明性伝導性酸化物（ＴＣＯ）で構成される。また、ポリアセチレン（ｐｏｌｙａｃｅｔｙｌｅｎｅ）、ポリアニリン（ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ）、ポリチオフェン（ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ポリピロール（ｐｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅ）などのような伝送性高分子物質を使用してもよく、これらの物質の伝導性を改善するために蒸着又はインクでプリントされた金属グリッド配線が追加されてもよい。
前記第１電極２０の上に形成される第１電荷輸送層３０は、光活性層４０から分離された電子又は正孔を捕獲して第１電極２０に輸送する機能を行う。
前記第１電荷輸送層３０は、第１正孔輸送層３０ａ又は第１電子輸送層３０ｂであってもよい。即ち、前記太陽電池モジュールを構成する個別セルは隣り合うセル間の前記第１電荷輸送層３０を交番に具備する。例えば、第１セルが第１電荷輸送層３０として第１正孔輸送層３０ａを具備する場合、隣り合う第２セルは第１電荷輸送層３０ａとして第１電子輸送層３０ｂを具備する。
前記第１正孔輸送層３０ａはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホネート））、ポリチオフェニレンビニレン（ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ）、ポリビニルカルバゾール（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃａｒｂａｚｏｌｅ）、ポリパラフェニレンビニレン（ｐｏｌｙ−ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ）及びそれらの誘導体であってもよいがそれに限ることはなく、前記第１正孔輸送層３０ａと接する第１電極２０の仕事関数を増加させる多様な形態の有機物が使用される。また、ｐ−タイプでドッピングされた金属酸化物半導体であるモリブデンオキサイド、バナジウムオキサイド又はタングステンオキサイドなどが使用されてもよい。
前記第１電子輸送層３０ｂはフラーレン（Ｃ６０，Ｃ７０，Ｃ８０）又はフラーレン誘導体であるＰＣＢＭ（［６，６］−ｐｈｅｎｙｌ−Ｃ６１ ｂｕｔｙｒｉｃ ａｃｉｄ ｍｅｔｈｙｌ ｅｓｔｅｒ）（ＰＣＢＭ（Ｃ６０）、ＰＣＢＭ（Ｃ７０），ＰＣＢＭ（Ｃ８０））であってもよいがそれに限ることはなく、前記第１正孔輸送層３０ａと接する第１電極２０の仕事関数を減少させる多様な形態の有機物が使用される。また、ｎ−タイプでドッピングされた金属酸化物半導体であるチタンオキサイド（ＴｉＯｘ）又は亜鉛オキサイド（ＺｎＯ）などが使用されてもよい。
前記第１電荷輸送層３０の上に形成される光活性層４０は太陽電池に照射された光を吸収して励起状態の電子−正孔対、即ち、励起子を形成する役割をする。
前記光活性層４０は個別セルを貫通するように一体に形成される。即ち、個別セルは一体に連結された一つの光活性層を含む形態を有する。よって、個別セル間を連結する光活性層貫通物質及び電極を別途に要求しない利点がある。
前記光活性層４０は電子ドナー物質と電子アクセプター物質のバルクへテロ接合構造又は二重層（ｂｉｌａｙｅｒ）構造であってもよい。
前記電子ドナー物質は光を吸収する有機物を含む。例えば、前記電子ドナー物質は、ポリ−３−ヘキシルチオフェン［Ｐｏｌｙ−３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ，Ｐ３ＨＴ］、ポリ−３−ポリ−３−オクチルチオフェン［Ｐｏｌｙ−３−ｏｃｔｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ，Ｐ３ＯＴ］、ポリパラフェニレンビニレン［ｐｏｌｙ−ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ，ＰＰＶ］、ポリ（ジオクチルフルオレン）［Ｐｏｌｙ（９，９’−ｄｉｏｃｔｙｌｆｌｕｏｒｅｎｅ）］、ポリ（２−メトキシ，５−（２−エチル−へキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）［ｐｏｌｙ（２−ｍｅｔｈｏｘｙ，５−（２−ｅｔｈｙｌｅ−ｈｅｘｙｌｏｘｙ）−１，４−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ），ＭＥＨ−ＰＰＶ］又はポリ（２−メチル，５−（３’，７’−ジメチルオクチルオキシ））−１，４−フェニレンビニレン［ｐｏｌｙ（２−ｍｅｔｈｙｌ，５−（３’，７’−ｄｉｍｅｔｈｙｌｏｃｔｙｌｏｘｙ））−１，４−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ，ＭＤＭＯ−ＰＰＶ］などとそれらの変形物を含む共役高分子又はＣｕＰｃ，ＺｎＰｃなどを含む有機単分子を使用してもよい。
また、前記電子アクセプター物質はフラーレン（Ｃ６０，Ｃ７０，Ｃ８０）又はフラーレン誘導体であるＰＣＢＭ（［６，６］−ｐｈｅｎｙｌ−Ｃ６１ ｂｕｔｙｒｉｃ ａｃｉｄ ｍｅｔｈｙｌ ｅｓｔｅｒ）（ＰＣＢＭ（Ｃ６０）、ＰＣＢＭ（Ｃ７０），ＰＣＢＭ（Ｃ８０））、炭素ナノチューブ又はグラフィンを含む有機物であってもよく、ＺｎＯ，ＴｉＯ２，ＳｎＯ２などの金属酸化物を含む無機物であってもよい。しかし、それに限ることはなく、光活性化された電子ドナー物質から電子を伝達され得る多様な物質を使用してもよい。
前記光活性層４０の上に形成される第２電荷輸送層５０は、前記光活性層４０から分離された電子又は正孔を捕獲して第２電極６０に輸送する機能を行う。
前記第２電荷輸送層５０は、第２正孔輸送層５０ａ又は第２電子輸送層５０ｂであってもよい。即ち、前記太陽電池モジュールを構成する個別セルは隣り合うセル間の前記第２電荷輸送層５０を交番に具備する。例えば、第１セルが第２電荷輸送層５０として第２正孔輸送層５０ａを具備する場合、隣り合う第２セルは第２電荷輸送層５０として第２電子輸送層５０ｂを具備してもよい。
また、個別セルは上述した第１電荷輸送層３０との関係で相互反対する配置構造を有する。即ち、光活性層４０を介在して第１正孔輸送層３０ａと第２電子輸送層５０ｂが相互対向し、第１電子輸送層３０ｂと第２正孔輸送層５０ａが相互対向する。この際、前記第２正孔輸送層５０ａは第１正孔輸送層３０ａと同じ物質を使用してもよく、前記第２電子輸送層５０ｂは第１電子輸送層３０ｂと同じ物質を使用してもよい。
前記第２電荷輸送層５０の上に形成される第２電極６０は、前記第２電荷輸送層５０の種類に応じて負極又は正極の役割をする。例えば、前記第２電荷輸送層５０が正孔輸送層である場合には前記第１電極６０は光活性層４０で発生した正孔を収集する正極の役割をし、前記第２電荷輸送層５０が電子輸送層である場合には前記第２電極６０は光活性層４０で発生した電子を収集する負極の役割をする。
前記第２電極６０は隣のセルを連結する役割をするため、第１セルと第２セルは単一の第２電極２０を含んでもよい。
前記第２電極層６０は、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｗ，Ｎｉ，Ｚｎ又はＴｉ及びそれらの合金のうちから選択されるいずれか一つの金属電極であってもよい。また、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどのような伝送性高分子物質を使用してもよい。
前記第１電極２９と第２電極６０は逆に使用されてもよい。例えば、第１電極２０として金属電極が配置されてもよく、この際に第２電極６０として透明性を有する伝導膜が配置される場合には上部で受光する太陽電池として動作してもよい。
本発明による太陽電池モジュールは第１電極及び第２電極両方で伝導性高分子を使用可能であるが、それは正孔輸送層を介して輸送された正孔が隣のセルを連結する前記第１電極又は第２電極に沿って電子輸送層の境界面まで容易に移動してから電子と結合する太陽電池の直列連結条件を満足することに起因する。
図３ａは、本発明の一実施例による太陽電池モジュールを構成する第１セルを示す断面図である。
図３ｂは、本発明の一実施例による太陽電池モジュールを構成する第２セルを示す断面図である。
図３ａ及び図３ｂを参照すると、本発明の一実施例による太陽電池モジュールを構成する第１セルは、基板１０、第１電極２０、第１正孔輸送層３０ａ、光活性層４０、第２電子輸送層５０ｂ及び第２電極６０を含む。よって、第１セルの場合、第１電極２０の上に第１正孔輸送層３０ａを具備するため前記第１電極２０は光活性層４０で発生した正孔を収集する正極の役割をし、前記第２電極６０の下部に第２電子輸送層５０ｂを具備するため前記第２電極６０は光活性層４０で発生した電子を収集する負極の役割をする。
また、前記第２セルは基板１０、第１電極２０、第１電子輸送層３０ｂ、光活性層４０、第２正孔輸送層５０ｂ及び第２電極６０を含む。よって、第２セルの場合、第１電極２０の上に第１電子輸送層３０ｂを具備するため前記第１電極２０は光活性層４０で発生した電子を収集する負極の役割をし、前記第２電極６０は光活性層４０で発生した正孔を収集する正極の役割をする。
本発明による太陽電池モジュールは前記第１セルと第２セルが隣り合って繰り返される形態で構成される。前記第１セルと第２セルの配置位置に応じてモジュールの光電流方向及び解放電圧の極を変化させることができる。また、必要に応じて電流をマッチングするために第１セル又は第２セルの幅を調節してもよい。
図４ａは、本発明の一実施例による太陽電池モジュールを構成する第１サブセルを示す断面図である。
図４ｂは、本発明の一実施例による太陽電池モジュールを構成する第２サブセルを示す断面図である。
図４ａ及び図４ｂを参照すると、太陽電池モジュールを構成する個別セルは電荷輸送層３０，５０の配置によって第１セル又は第２セルの形態を有し、第１電極２０又は第２電極６０を介してその隣のセルと連結される。前記第１電極２０を介して連結されたセルの１セットを第１サブセルと定義し、前記第２電極６０を介して連結されたセルの１セットを第２サブセルと定義する。即ち、前記太陽電池モジュールを構成するサブセルは単一の第１電極２０を含む第１サブセルと、単一の第２電極６０を含む第２サブセルの２つのタイプを有する。
前記第１サブセルは基板１０の上に第１電極２０、第１正孔輸送層３０ａと第１電子輸送層３０ｂが隣り合って配置された第１電荷輸送層３０、光活性層４０、第２電子輸送層５０ｂと第２正孔輸送層５０ａが隣り合って配置された第２電荷輸送層５０及び第２電極６０を含む。即ち、第１サブセルは第１セル−第２セルが順番に結合された構造を有し、前記第１セルと第２セルは第１電極を共有し、第２電極は隣り合う他のセルと共有する形態を有する。
前記第２サブセルは基板１０の上に第１電極２０、第１電子輸送層３０ｂと第１正孔輸送層３０ａが隣り合って配置された第１電荷輸送層３０、光活性層４０、第２正孔輸送層５０ａと第２電子輸送層５０ｂが隣り合って配置された第２電荷輸送層５０及び第２電極６０を含む。即ち、第２サブセルは第２セル−第１セルが順番に結合された構造を有し、前記第１セルと第２セルは第２電極を共有し、第１電極は隣り合う他のセルと共有する形態を有する。
上述したように、第１サブセルと第２サブセルはそれぞれ第１電極２０又は第２電極６０を介して連結された第１セルと第２セルを含み、前記電極２０，６０は個別セルを連結する連結部の役割をする。これは正孔輸送層を介して輸送された正孔が前記電極２０，６０に沿って電子輸送層の境界面まで容易に移動してから電子と結合する直列連結条件を満足するため、正極と負極両方で伝導性高分子を使用することができる利点を提供する。
前記第１サブセルと第２サブセルは繰り返し配置され、隣り合う第１サブセルと第２サブセルは第１セル又は第２セルを共有することで互いに連結されて太陽電池モジュールを構成する。よって、前記前記第１サブセルと第２サブセルの配置位置に応じてモジュールの光電流方向及び解放電圧の極を変化させることができる。又は、必要に応じて電流をマッチングするために各サブセルを構成する第１セル又は第２セルの幅を調節してもよい。
前記第１サブセルと第２サブセルは繰り返し配置され、隣り合う第１サブセルと第２サブセルは第１セル又は第２セルを共有することで互いに連結されて太陽電池モジュールを構成する。よって、前記前記第１サブセルと第２サブセルの配置位置に応じてモジュールの光電流方向及び解放電圧の極を変化させることができる。又は、必要に応じて電流をマッチングするために各サブセルを構成する第１セル又は第２セルの幅を調節してもよい。
図５は、本発明の一実施例による太陽電池モジュールの製造方法を示す工程図である。
図５を参照すると、基板１００上に第１電極部２００を形成する。前記基板は透明無機物基板又は透明有機物基板であってもよい。前記第１電極部２００は各セルを構成する多数個の第１電極２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄで構成され、前記多数個の第１電極２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄは一つの電極を製造してからスクライビング（ｓｃｒｉｂｉｎｇ）して形成する。本発明では４つの電極を図示しているがそれに限ることはなく、必要に応じてその個数と長さを変更してもよい。それを介して一定距離が離隔されるように並んで配列される多数個の第１電極２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄを含む第１電極部２００が形成される。
前記基板１００の上に形成される前記第１電極部２００は光を透過させるために透明性を有する物質であることが好ましい。よって、前記第１電極部２００は炭素同素体、透明伝導性酸化物（ＴＣＯ）で構成されてもよい。また、前記第１電極部２００は伝導性高分子物質を使用してもよい。
次に、前記第１電極部２００の上に前記第１電荷輸送部３００を形成する。前記第１電荷輸送部３００は第１正孔輸送層３００ａ及び第１電子輸送層３００ｂを含み、前記２種類の電荷輸送層を交番に形成する。よって、前記第１正孔輸送層３００ａ及び第１電子輸送層３００ｂは隣り合うように配置される。即ち、前記第１電荷輸送部３００は第１正孔輸送層３００ａ−第１電子輸送層３００ｂ−第１正孔輸送層３００ａ−第１電子輸送層３００ｂ−…の順を有するように繰り返し形成されるか、第１電子輸送層３００ｂ−第１正孔輸送層３００ａ−１電子輸送層３００ｂ−第１正孔輸送層３００ａ−…の順を有するように繰り返し形成されてもよい。
この際、前記第１正孔輸送層３００ａ／第１電子輸送層３００ｂの１セットは一つの第１電極と接するように形成され、これは第１サブセルを構成する。前記のように一つの電極の上に形成された第１正孔輸送層３００ａ及び第１電子輸送層３００ｂの１セットは同じ電位に位置するため、これらの２つの電荷輸送層の側面接触が可能で電力が損失される面積を最小化することができる利点がある。
前記第１電荷輸送部３００はスロットダイプリンティング、スクリーンプリンティング、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又はオフセットプリンティングのような溶液工程（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）を必要に応じて適切に選択して行ってもよく、マスクを活用した蒸着のような工程を行ってもよい。
前記第１電荷輸送部３００の上に光活性層４００を形成する。この際、前記光活性層４００は個別セルを貫通するように一体に形成される。それを介して個別セルに含まれた光活性層４００は一度に形成される。よって、別途のパターニング工程を要求しないため工程の単純化を図ることができる利点がある。
前記光活性層４００は電子ドナー物質と電子アクセプター物質のバルクへテロ接合構造又は二重層構造であってもよい。
前記光活性層４００を形成する際にスロットダイプリンティング、スクリーンプリンティング、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、オフセットプリンティング、ドクターブレードコーティング、ナイフエッジコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティングなどのコーティング又はプリンティング工程を必要に応じて適切に選択して行ってもよく、蒸着のような工程を行ってもよい。
前記光活性層４００の上には第２電荷輸送部５００を形成する。前記第２電荷輸送層５００は第２電子輸送層５００ｂ及び第２正孔輸送層５００ａを含み、前記２種類の電荷輸送層を交番に形成する。よって、第２電子輸送層５００ｂ及び第２正孔輸送層５００ａは隣り合うように配置される。この際、前記は位置構造は上述した第１電荷輸送部３００の配置構造と逆になるように形成する。即ち、光活性層４００を介在して第１正孔輸送層３００ａと第２電子輸送層５００ｂが相互対向するように、第１電子輸送層３００ｂと第２正孔輸送層５００ａが相互対向するように形成する。
前記第２電荷輸送部５００はスロットダイプリンティング、スクリーンプリンティング、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又はオフセットプリンティングのような溶液工程を必要に応じて適切に選択して行ってもよく、マスクを活用した蒸着のような工程を行ってもよい。
前記第２電荷輸送部５００の上に第２電極部６００を形成する。前記第２電極部５００は多数個の第２電極６００ａ，６００ｂ，６００ｃ，６００ｄで構成され、前記多数個の第２電極６００ａ，６００ｂ，６００ｃ，６００ｄは一つの電極を製造してからスクライビングして形成する。それを介して一定距離が離隔されるように並んで配列される多数個の第２電極６００ａ，６００ｂ，６００ｃ，６００ｄを含む第２電極部６００が形成される。
この際、一つの前記第２電極は前記第２正孔輸送層５００ａ／第２電子輸送層５００ｂの１セットと接するように形成され、これは第２サブセルを構成する。前記のように一つの電極の上に形成された第２正孔輸送層５００ａ／第２電子輸送層５００ｂの１セットは同じ電位に位置するため、これらの２つの電荷輸送層の側面接触が可能で電力が損失される面積を最小化することができる利点がある。
また、前記第２電極部６００は前記第１電極部２００と所定間隔を置いて相互対向するように形成され、前記間隔は第１電荷輸送部３００又は第２電荷輸送部５００を構成する層の幅（ｗｉｄｔｈ）に当たる。即ち、サブセルを構成する一つのセルを第１電極２００ａと第２電極６００ａが共有する形態となる。それを介して第１電極部２００及び第２電極部６００がモジュールを構成する各セルを直列連結する役割を行うようになり、各セルを連結するための別途の配線面積を必要としない利点がある。
前記第２電極部６００は金属、合金又は伝導性高分子物質を含み、熱蒸着（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を介して形成してもよい。また、前記第２電極部６００を金属電極で形成する場合、金属をインク形態で製造してスクリーンプリンティング、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、オフセットプリンティングなどの溶液工程を介して形成してもよい。前記溶液工程は大面積の製造が可能であるため、製造工程の単価を下げる利点がある。
上述したように、本発明による太陽電池モジュールの製造方法はモジュールを構成する個別セルを一度に製造することができる。
図６ａは、本発明の一実施例による太陽電池モジュールを構成する第１サブセルのＪ−Ｖカーブを示す図である。
図６ｂは、本発明の一実施例による太陽電池モジュールを構成する第２サブセルのＪ−Ｖカーブを示す図である。
Ｊ−Ｖカーブを測定するために太陽電池モジュールのサンプルを製造したが、前記サンプルはガラス基板の上に熱蒸着してＩＴＯ透明電極を形成し、前記ＩＴＯ透明電極の上に正孔輸送層としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜層を、電子輸送層としてＴｉＯｘ薄膜層を交番に配置して第１電荷輸送部を形成した。前記第１電荷輸送部はドクターブレードを利用したテープキャスティングを介して形成した。前記第１電荷輸送部の上に光活性層としてＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭをスピンコーティングして形成し、前記光活性層の上に正孔輸送部としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜層を配置した。この際、前記ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜層はドクターブレードを利用したテープキャスティングを介して形成した。次に、熱蒸着を介してＡｌ電極を形成した。Ａｌ電極は仕事関数が低くてそれ自体で負極として使用可能であるため、第２電荷輸送部の場合、別途に電子輸送層であるＴｉＯｘ薄膜層を配置しなかった。
よって、前記過程を介して製造されたモジュールはガラス基板−ＩＴＯ透明電極−ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層−Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ層−Ａｌ電極で構成された第１セルと、ガラス基板−ＩＴＯ透明電極−ＴｉＯｘ層−Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ層−ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層−Ａｌ電極で構成された第２セルを含み、前記第１セルと第２セルの配置順番によって第１セル／第２セル又は第２セル／第１セルで構成される第１サブセルと第２サブセルを含む。
図６ａ及び図６ｂを参照すると、第１サブセルでＡｌ電極−ＩＴＯ電極区間、ＩＴＯ電極−Ａｌ電極区間、Ａｌ電極−Ａｌ電極区間での電圧及び電流密度を測定し、第２サブセルでＩＴＯ電極−Ａｌ電極区間、Ａｌ電極−ＩＴＯ電極区間、ＩＴＯ電極−ＩＴＯ電極区間での電圧及び電流密度を測定した。この際、比較のために各サブセルが動作しない状態をｄａｒｋで図示した。測定結果、Ａｌ電極−ＩＴＯ電極区間、ＩＴＯ電極−Ａｌ電極区間、ＩＴＯ電極−Ａｌ電極区間、Ａｌ電極−ＩＴＯ電極区間での開放回路電圧（Ｖｏｃ）は約０．６Ｖの値を有し、Ａｌ電極−Ａｌ電極区間、ＩＴＯ電極−ＩＴＯ電極区間での開放回路電圧は約１．２Ｖの値を有して約２倍であることが確認された。それを介し、本発明の一実施例による太陽電池モジュールでモジュールを構成する各セルは隣のセルと電極を介して直列連結されていることが分かる。
上述したように本発明による太陽電池モジュールは、前記モジュールを構成する個別セルが電極を介して直列連結されて電流を低くし電圧を高めるだけでなく、前記個別セルを直列に連結するための追加的な空間を必要としないため高い光電変換効率と低い電力損失を同時に獲得することができる。
Claims (16)
- 基板と、
前記基板の上に配置された第１電極と、
前記第１電極の上で互いに隣り合いながら交番に配置される第１正孔輸送層及び第１電子輸送層を含む第１電荷輸送層と、
前記第１電荷輸送層の上に配置された光活性層と、
前記光活性層の上で互いに隣り合いながら交番に配置される第２正孔輸送層及び第２電子輸送層を含む第２電荷輸送層と、
前記第２電荷輸送層の上に配置された第２電極と、を含み、
前記第１電荷輸送層と前記第２電荷輸送層の配置によって多数個の第１太陽電池セル及び多数個の第２太陽電池セルで区分され、
前記第１太陽電池セルは、前記第１電極、前記第１電荷輸送層の第１正孔輸送層、前記光活性層、前記第２電荷輸送層の第２電子輸送層を含み、
前記第２太陽電池セルは、前記第１電極、前記第１電荷輸送層の第１電子輸送層、前記光活性層、前記第２電荷輸送層の第２正孔輸送層を含み、
前記第１太陽電池セルと前記第２太陽電池セルは互いに隣り合いながら交互に配置され、
前記第１太陽電池セル及び第２太陽電池セルは前記第１電極又は第２電極を介して隣り合うセルと連結され、前記第１太陽電池セル及び第２太陽電池セルの光活性層、第１電荷輸送層及び第２電荷輸送層は各セルを貫通するように一体に形成される
太陽電池モジュール。 - 前記第１正孔輸送層及び前記第２正孔輸送層は前記第１電極の仕事関数を増加させる有機物を含み、
前記第１電子輸送層及び前記第２電子輸送層は前記第２電極の仕事関数を減少させる有機物を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記隣り合う第１太陽電池セルと第２太陽電池セルの第１電極及び第２電極のうちいずれか一つは一体に形成されて前記セル間を連結する
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。 - 前記第１正孔輸送層及び前記第２正孔輸送層は、ｐ−タイプでドーピングされた金属酸化物半導体を含む
ことを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。 - 前記第１電子輸送層及び前記第２電子輸送層は、ｎ−タイプでドーピングされた金属酸化物半導体を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。 - 前記第１電極は、前記第１電荷輸送層の種類に応じて正極又は負極として動作する
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。 - 前記光活性層は、電子ドナー物質と電子アクセプター物質のバルクへテロ接合構造である
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。 - 前記電子ドナー物質は、共役高分子又は有機単分子を含む
ことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池モジュール。 - 前記電子アクセプター物質は、炭素同素体又は金属酸化物を含む
ことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池モジュール。 - 前記第２電極は、前記第２電荷輸送層の種類に応じて正極又は負極として動作する
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。 - 前記第１電極又は前記第２電極は伝導性高分子を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。 - 基板の上に離隔配置された多数個の第１電極を含む第１電極部を形成するステップと、
前記第１電極部の上に第１正孔輸送層と第１電子輸送層が互いに隣り合いながら交番に配置することで第１電荷輸送部を一体に形成するステップと、
前記第１電荷輸送部の上に光活性層を一体に形成するステップと、
前記光活性層の上に第２電子輸送層と第２正孔輸送層が互いに隣り合いながら交番に配置することで第２電荷輸送部を一体に形成するステップと、
前記第２電荷輸送部の上に離隔配置された多数個の第２電極を含む第２電極部を形成するステップと、を含み、
前記それぞれの第１電極の上に互いに隣り合う一対の第１正孔輸送層と第１電子輸送層が互いに接するように形成され、前記それぞれの第２電極の下部に互いに隣り合う一対の第２正孔輸送層と第２電子輸送層が互いに接するように形成される
太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記光活性層は、スロットダイプリンティング、スクリーンプリンティング、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、オフセットプリンティング、ドクターブレードコーティング、ナイフエッジコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティングのうちから選択されるいずれか一つの方法で形成されるか、又は蒸着によって形成される
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記第１電荷輸送部と第２電荷輸送部は、前記光活性層を介在して互いに異なる電荷を有する輸送層が対向するように形成される
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記第１電極部又は第２電極部は、スロットダイプリンティング、スクリーンプリンティング、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、オフセットプリンティング、熱蒸着及びスパッタリングのうちから選択されるいずれか一つで形成される
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記第１電荷輸送部と前記第２電荷輸送部は、スロットダイプリンティング、スクリーンプリンティング、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、オフセットプリンティングのうちから選択されるいずれか一つの方法で形成されるか、マスクを利用した蒸着で形成される
ことを特徴とする請求項１３に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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