KR101089587B1 - 적층형 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이종의 태양 전지를 구비하는 적층형 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 적층형 태양 전지는 하부 전극 상에 위치하는 상기 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체인 무기 태양 전지; 상기 무기 태양 전지 상에 위치하는 중간 전극; 및 상기 중간 전극 상에 위치하고, 상기 중간 전극을 대향하는 면 상에 상부 전극을 구비하는 유기 태양 전지를 포함한다.

Description

적층형 태양 전지 및 이의 제조 방법{Tandem solar cell and method for fabricating the same}
본 발명은 적층형 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종의 태양 전지를 구비하는 적층형 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
21세기에 들어온 지금 유가 급등, 화석연료의 고갈 위기, 이산화탄소 배출 규제 등으로 인하여 에너지 고갈에 대한 위기의식은 더욱 커져가고 있어, 태양전지와 같은 무공해 친환경 대체 에너지의 필요성이 더욱 부각되고 있다.
일반적으로 태양전지는 무한정한 태양 빛을 반도체가 흡수하여 광기전효과에 의해 전기로 변환시키는 기술이며 무상으로 이용할 수 있고 친환경적이기 때문에 주목받는 기술이다.
한편, 일반적인 태양 전지는 파장이 짧은 광의 복사에너지를 흡수하므로, 장파장의 광은 사용하지 못하였다.
이를 해결하기 위하여 다양한 파장대별로 광의 복사에너지를 흡수할 수 있는 태양 전지의 개발이 필요한 실정이다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 광전 효과가 우수하며, 저렴한 비용으로 제조가 가능한 이종의 태양 전지를 구비하는 적층형 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 적층형 태양 전지는 하부 전극 상에 위치하는 상기 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체인 무기 태양 전지; 상기 무기 태양 전지 상에 위치하는 중간 전극; 및 상기 중간 전극 상에 위치하고, 상기 중간 전극을 대향하는 면 상에 상부 전극을 구비하는 유기 태양 전지를 포함한다.
상기 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층은 메타모픽 InGaP, InGaAs 및 InGaN으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층일 수 있다.
상기 중간 전극은 금속 나노 입자를 포함하며, 바람직하게는 상기 중간 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 인듐(In) 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 적어도 하나의 나노 입자를 포함할 수 있다.
상기 중간 전극은 그리드 패턴 형상일 수 있다.
상기 유기 태양 전지는 상기 상부 전극의 중간 전극 방향 면 상에 배치되고, 금속 산화물 입자 및 상기 금속 산화물 입자에 흡착된 광감응성 흡착제를 포함하는 금속 산화물층; 및 상기 금속 산화물층의 무기 태양 전지 방향의 면에 접하는 전해질층;을 포함할 수 있다.
상기 전해질층은 할로겐계 산화-환원쌍을 포함하는 액체, 고체 및 준고체 중 어느 하나 상태의 전해질을 포함한다.
상기 무기 태양 전지는 상기 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 위치하는 상기 p형 화합물 반도체층; 및 상기 p형 화합물 반도체 상의 상기 n형 화합물 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 유기 태양 전지는 상기 중간 전극 및 상부 전극 사이에 위치하는 전자 주게 유기물과, 전자 받게 유기물을 함유하는 광활성층을 포함할 수 있다.
상기 광활성층은 P3HT(poly-3-hexylthiophene), MDMO-PPV(poly[2-methyl,5-(3',7'-dimethyloc tyloxy)]-1,4-phenylenevinylene 및 MEH-PPV(poly[2-methoxy,5-(2-ethyl-hexyloxy)1,4 phenylenevinylene]으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 전자 주게 물질; 및 C60 유도체의 혼합물인 전자 받게 물질을 포함할 수 있다.
상기 무기 태양 전지는 상기 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 위치하는 상기 n형 화합물 반도체층; 및 상기 n형 화합물 반도체 상의 상기 n형 화합물 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 광활성층 및 상부 전극 사이에 위치하는 정공 전달층을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 적층형 태양 전지의 제조 방법은 하부 전극 상에 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층을 형성하여 무기 태양 전지를 형성하는 단계; 상기 무기 태양 전지 상에 중간 전극을 형성하는 단계; 및 상기 중간 전극을 대향하는 면 상에 상부 전극을 구비하는 유기 태양 전지를 상기 중간 전극 상에 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 중간 전극을 형성하는 단계는 금속 나노 입자를 포함하는 콜로이드 용액을 그리드 패턴(grid pattern)으로 인쇄하는 단계; 및 인쇄된 콜로이드 용액을 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 무기 태양 전지를 형성하는 단계는 하부 전극 상에 메타모픽 결정 성장을 통하여 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층에서 기판을 제거하는 단계; 및 상기 기판이 제거된 상기 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층을 이종의 기판과 접합하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 유기 태양 전지를 형성하는 단계는 상기 상부 전극 상에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및 상기 정공 전달층 상에 광활성층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 유기 태양 전지를 형성하는 단계는 상기 상부 전극 상에 금속산화물층을 형성하는 단계; 상기 금속산화물층이 상기 무기 태양 전지과 이격되도록 위치시키는 단계; 및 상기 이격 공간에 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 광전 효과가 우수하며, 저렴한 비용으로 제조가 가능한 이종의 태양 전지를 구비하는 적층형 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 태양 전지를 설명하기 위한 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지를 설명하기 위한 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지를 설명하기 위한 단면도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 6은 본 발명의 적층형 태양 전지에서 사용되는 물질에 대한 입사 광전 변환 요율을 설명하기 위한 도면.
본 발명의 특징 및 작용들은 첨부도면을 참조하여 이하에서 설명되는 실시예들을 통해 명백하게 드러나게 될 것이다.
첨부된 도면과 연관하여 이하에서 개시되는 상세한 설명은 발명의 바람직한 실시예들을 설명할 의도로서 행해진 것이고, 발명이 실행될 수 있는 형태들만을 나타내는 것은 아니다. 본 발명의 사상이나 범위에 포함된 동일한 또한 등가의 기능들이 다른 실시예들에 의해서도 달성될 수 있음을 주지해야 한다. 또한, 도면에 개시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대한 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다. 그리고, 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 태양 전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 태양 전지는 무기 태양 전지(130), 유기 태양 전지(110) 및 상기 무기 태양 전지(130) 및 유기 태양 전지(110) 사이의 중간 전극(120)을 포함한다.
상기 무기 태양 전지(130)은 화합물 반도체 태양 전지일 수 있으며, 특히, 이종 기판을 사용할 수 있는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 태양 전지일 수 있다.
이러한 무기 태양 전지(130)은 p형 화합물 반도체층(132) 및 과, 상기 p형 화합물 반도체층(132) 상의 n형 화합물 반도체층(131)을 포함한다. 이때, 상기 p형 화합물 반도체층(132) 및 n형 화합물 반도체층(131)는 메타모픽 InGaP, InGaAs 및 InGaN으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층 또는 GaAs 기반의 화합물 반도체층이며, p-n 접합을 이룬다.
한편, 상기에서는 상기 p형 화합물 반도체층(132) 상에 n형 화합물 반도체층(131)이 배치되는 것을 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 상기 n형 화합물 반도체층(131) 상의 p형 화합물 반도체층(132)이 배치될 수도 있다.
상기 p형 화합물 반도체층(132)의 하부에는 하부 전극(133)을 포함하는 하부 기판(134)이 마련되며, 상기 하부 전극(133)이 상기 p형 화합물 반도체층(132)과 접합되어 있다.
이때, 상기 하부 전극(133)은 투명한 도전성 재질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 FTO(fluorine doped tin oxide), ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO, AZO(Al-doped Zinc Oxide), SnO2 및 Mo으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 하부 기판(134)은 투명 또는 불투명한 재질로 이루어지는 것이 가능하다. 이때, 상기 하부 기판(134)은 투명한 재질로 이루어지는 경우에는 투명 유리 또는 투명한 고분자 필름으로 이루어질 수 있다. 상기 투명한 고분자 필름은 PET, PEN, PP 및 PI으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 중간 전극(120)은 유기 태양 전지(110) 및 무기 태양 전지(130)의 경계면에서 에너지 장벽 증가의 원인이 되는 공핍층의 생성 및 확산을 방지한다. 즉, 대향전극(120)은 유기 태양 전지(110) 및 무기 태양 전지(130) 사이에서 전자 및 정공의 터널링 이동이 쉽게 일어날 수 있도록 하여 적층형 태양 전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
이러한 중간 전극(120)은 금속 나노 입자일 수 있으며, 바람직하게는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 인듐(In) 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 나노 입자일 수 있다. 이는 상기 중간 전극(120)이 형성된 영역의 면적에 비하여 상기 중간 전극(120) 및 n형 화합물 반도체층(231)이 접하는 면적이 작을수록 공핍층 발생이 최소화되기 때문이다.
그리고, 상기 중간 전극(120)은 그리드 패턴(grid pattern)으로 형성될 수 있다. 그리드 패턴 형상의 중간 전극(120)은 금속 나노 입자가 포함된 콜로이드 용액을 그리드 패턴(grid pattern)으로 인쇄한 다음, 열처리하여 형성할 수 있다. 또한, 그리드 패턴으로 개방된 영역이 형성된 마스크 패턴을 이용하여 기계적/화학적 증착법을 이용하여 그리드 패턴 형상의 중간 전극(120)을 형성할 수도 있다.
이때, 상기 중간 전극(120)이 형성되지 않은 영역에서는 유기 태양 전지(110) 및 무기 태양 전지(130)의 접촉이 발생하여, 공핍층이 형성될 수 있다. 따라서, 유기 태양 전지(110) 및 무기 태양 전지(130)이 접합된 부분에서는 전하 이동의 장벽으로 작용하는 공핍층으로 인해 전하의 이동에 제약이 있다. 그러나, 대부분의 전하는 상기 중간 전극(120)을 통하여 이동하므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 태양 전지의 소자 특성에는 영향이 없다.
또한, 상기 중간 전극(120)은 광투과 가능한 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
상기 유기 태양 전지(110)은 염료 감응형 태양 전지 또는 유기 태양 전지로 구성될 수 있다.
이러한 유기 태양 전지(110)은 무기 태양 전지(130) 방향을 기준으로 하여 상부 기판(111)과, 상기 상부 기판(111) 상의 상부 전극(112)과, 외부에서 조사되는 광에 의하여 전자 및 정공을 생성하는 층을 포함한다.
상기 전자 및 정공을 생성하는 층은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 상부 전극(112) 상의 전자 받게층(113) 및 전자 주게층(114)을 포함할 수 있으며, 또한, 전자 받게 및 전자 주게 특성을 모두 가지는 하나의 층으로 이루어질 수도 있다.
상기 전자 및 정공을 생성하는 층이 전자 받게층(113) 및 전자 주게층(114)을 포함하는 경우에는 상기 전자 주게층(114)이 상기 중간 전극(120)을 향하도록 하여 무기 태양 전지(130)과 전기적으로 연결된다.
상기 상부 기판(111)은 투명 유리 또는 투명한 고분자 필름으로 이루어질 수 있다. 상기 투명한 고분자 필름은 PET, PEN, PP 및 PI으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 상부 전극(112)은 상기 하부 전극(133)에 비하여 일함수가 낮은 금속 재질일 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 전극(112)는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 인듐(In) 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
한편, 상기에서는 상부 전극(112)가 하부 전극(133)에 비하여 일함수가 낮은 금속 재질인 것을 예를 들어 설명하였으나, 본 발명에서는 이를 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 n형 화합물 반도체층(131) 상의 p형 화합물 반도체층(132)이 위치하는 경우에는 하부 전극(133)이 상부 전극(112)에 비하여 일함수가 낮은 금속 재질일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지를 설명하기 위한 단면도이며, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 2 및 도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 태양 전지와 유사하다. 다만, 유기 태양 전지(210)이 염료감응형 태양 전지이다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지의 제조 방법을 통하여 상세히 설명한다.
우선, 도 3a와 같이, 무기 태양 전지(230)을 형성한다. 상기 무기 태양 전지(230)의 형성을 보다 상세히 설명하면, 우선, 기판 상에 메타모픽(Metamorphic) 결정 성장을 통하여 p형 화합물 반도체층(232)을 형성하고, 상기 p형 화합물 반도체층(232) 상에 n형 화합물 반도체층(231)을 형성하여 p-n 접합 구조를 형성한다. 그런 다음, ELO(Epitaxial lift-off)법을 이용하여 상기 기판으로부터 상기의 p-n 접합 구조를 분리한다. 상기 기판을 분리한 후에는, 하부 전극(233)이 형성된 하부 기판(234)의 하부 전극(233)과 p형 화합물 반도체층(232)을 접합하여 무기 태양 전지(230)을 형성한다.
상기 무기 태양 전지(230)을 형성한 다음, 상기 n형 반도체층(231) 상에 중간 전극(220)을 형성한다.
한편, 본 발명에서는 무기 태양 전지(230)을 형성한 후, 중간 전극(220)을 형성하는 방법을 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 n형 반도체층(231) 상에 중간 전극(220)을 미리 형성하고, 기판을 분리한 다음, 하부 전극(233)과 접합하는 순서로 진행될 수도 있다.
상기 중간 전극(220)을 형성한 후, 도 3b와 같이, 상부 기판(211) 상에 상부 전극(212)을 형성하고, 상기 상부 전극(212) 상에 금속산화물층(213)을 형성하여 유기 태양 전지(210)의 일부를 형성한다.
이때, 상기 금속산화물층(213)은 기재 입자(213a)와, 상기 기재 입자(213a)에 흡착, 코팅된 광감응성 흡착제(213b)을 포함한다.
상기 기재 입자(213a)는 Ti, Zr, Sr, Zn, V, W, Sn, Al, Mg 및 Ga으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물 또는 이들의 복합산화물로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2) 및 텅스텐 산화물(WO3)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 광감응성 흡착제(213b)는 가시광선 및 적외선, 자외선을 흡수할 수 있는 염료일 수 있다. 상기 염료는 루테늄(Ru) 착물일 수 있으며, 상기 루테늄 착물은 N3, N719, N749일 수 있다. 염료의 흡착방법은 일반적인 염료감응 태양전지에서 사용되는 방법이 이용될 수 있다. 한편, 본 발명에서는 염료의 물질 종류를 한정하는 것은 아니며, 일반적인 염료감응형 태양 전지에서 사용될 수 있는 염료이면 만족할 것이다.
또한, 상기 광감응성 흡착제(213b)는 염료 이외에 전하 분리기능을 갖고 광감응 작용을 하는 물질일 수도 있다. 예를 들면, 상기 광감응성 흡착제(213b)는 크산틴계 색소(로다민 B, 로즈벤갈, 에오신 등), 시아닌계 색소, 염기성 유기염료(티오신, 메틸렌블루, 카브리블루 등), 포피린계 화합물(아연 포피린, 마그네슘 포피린, 망간 포피린, 코발트 포피린, 철 포피린 등), 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, 무기 염료인 CdSe 등을 사용할 수 있으며, 이들을 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기의 금속 산화물 또는 복합산화물로 이루어지는 기재 입자(213a)에 광감응성 흡착제(213b)를 흡착시킨 물질을 스크린 프린팅(screen printing), 닥터 블레이드(doctor blade), 스핀-코팅(spin-coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 및 스프레이 코팅(spray coating) 중 어느 하나의 방법을 통하여 도포하여 2㎛ 내지 15㎛의 두께로 형성된다. 이는 상기 금속산화물층(213)은 금속산화물로 이루어지는 기재 입자(213a)에 광감응성 흡착제(213b)가 흡착, 코팅된 형태이므로, 두께가 15㎛를 초과하는 경우에는 직렬저항이 크게 되며, 직렬저항의 증가는 변화효율의 감소가 발생할 수 있기 때문이다. 즉, 태양 전지의 광전 변환효율 저하를 방지하기 위함이다.
그리고, 상기 기재 입자(213a)에 광감응성 흡착제(213b)를 흡착시킨 물질의 입자 크기는 10㎚ 내지 25㎚일 수 있다.
상기 유기 태양 전지(210)의 일부를 형성한 후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 무기 태양 전지(230)의 테두리 상에 봉지제(215)를 형성한다. 이때, 상기 봉지제(215)는 에폭시 계열 및 실리콘 계열으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 열가소성 고분자막으로 이루어질 수 있으며, 30㎛ 내지 60 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 봉지제(215)를 형성한 후, 도 3a에 도시된 구조, 즉 유기 태양 전지(210)의 일부를 무기 태양 전지(230)과 합착한다. 이때, 상기 금속산화물층(213)은 상기 봉지제(215)에 의하여 형성되는 내부 공간에 상기 무기 태양 전지(230)과 일정 간격 이격되도록 삽입된다. 또한, 합착시에는 80℃ 이상의 고온을 가하여 상기 금속산화물층(213) 및 무기 태양 전지(230) 사이의 이격공간이 밀봉되도록 한다.
그런 다음, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 금속산화물층(213) 및 무기 태양 전지(230) 사이의 이격공간에 미리 형성된 전해질 투입구(도면상에는 미도시)를 통해 전해질을 주입하여 전해질층(214)를 형성하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지를 제조한다.
이때, 상기 전해질층(214)은 상기 금속산화물층(213)에 침윤되어 전자를 제공하는 역할을 하는 전해질이면 사용이 가능하다. 바람직하게는 상기 전해질층(214)은 할로겐계 산화-환원쌍을 포함하는 액체, 고체, 또는 준고체 전해질일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 전해질층(214)는 할로겐 분자 및 할로겐 염, 또는 하이드로퀴논 및 퀴논으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 전해질층(214)은 요오드 분자(I2) 및 요오드(I-) 염, 브롬 분자(Br2) 및 브롬(Br-) 염으로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지는 하기와 같이 작동한다.
우선, 외부로부터 빛이 상부 기판(211)을 통해 내부로 입사되면, 상기 상부 셀(210)의 염료분자가 착제된 금속산화물층(213)의 금속산화물 입자들간의 계면에서, 상기 하부 셀(230)의 n형 화합물 반도체층(231) 및 p형 화합물 반도체층(232)의 계면에서 각각 전자 및 정공이 생성된다.
상기 상부 셀(210)에서 전자는 상기 상부 기판(211)으로부터 상기 하부 기판(234)까지 연결된 외부 회로를 돌아서 상기 하부 셀(230)의 p형 화합물 반도체층(232)의 정공으로 이동된다.
상기 광감응성 흡착제(231b)가 흡착된 금속 또는 복합 산화물인 기재 입자(231a)로 이루어지는 금속산화물층(203)에서 전자 전이의 결과로 산화된 광감응성 흡착제(231b)는 전해질층(214) 내의 할로겐 이온의 산화-환원 작용(3X- → X3 - +2e-)에 의하여 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 할로겐 이온(X3 -)은 상기 중간 전극(220)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지의 작동과정이 완성된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지를 설명하기 위한 단면도이며, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 4 및 도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 태양 전지와 유사하다. 다만, 유기 태양 전지(310)이 유기 반도체 태양 전지이며, 무기 태양 전지(330)에서 n형 화합물 반도체층(332) 상에 p형 화합물 반도체층(331)이 형성된 구조만이 다를 뿐이다.
이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지의 제조 방법을 통하여 상세히 설명한다.
우선, 도 5a와 같이, 무기 태양 전지(330)을 형성한다. 상기 무기 태양 전지(330)의 형성 방법은 하기와 같다. 기판 상에 메타모픽(Metamorphic) 결정 성장을 통하여 n형 화합물 반도체층(332)을 형성하고, 상기 n형 화합물 반도체층(332) 상에 p형 화합물 반도체층(331)을 형성하고, 상기 기판을 분리한다. 그런 다음, 하부 전극(333)이 형성된 하부 기판(334)의 하부 전극(333)과 n형 화합물 반도체층(332)을 접합하여 무기 태양 전지(330)을 형성한다.
상기 무기 태양 전지(330)을 형성한 다음, 상기 p형 반도체층(331) 상에 중간 전극(320)을 형성한다.
상기 중간 전극(320)을 형성한 후, 도 5b에 도시된 바와 같이, 유기 태양 전지(310)을 형성한다.
상기 유기 태양 전지(310)은 우선, 상부 기판(311) 상에 상기 하부 전극에 비하여 일함수가 높은 재질로 이루어지는 상부 전극(312)을 형성하고, 상기 상부 전극(312) 상에 정공 전달층(313)을 형성한다. 이때, 상기 상부 전극(312)는 투명한 도전성 재질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 ITO 및 AZO으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 정공 전달층(313)은 폴리아닐린계, 폴리피롤계, 폴리페닐렌 비닐렌계, 폴리파라 페닐렌계, 폴리플루오렌계, 폴리아세틸렌계, 폴리피리딘계, 폴리알킬티오펜계, 폴리에틸렌다이옥실티오펜계 및 이들의 혼합물으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이러한 정공 전달층(313)은 기존에 알려진 유기물의 코팅법이 모두 적용될 수 있으므로, 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 정공 전달층(313)을 형성한 후, 상기 정공 전달층(313) 상에 광활성층(314)을 형성한다. 이러한 광활성층(314)은 상기 상부 전극(312)과 일함수가 낮은 대향전극(320) 사이에 빛을 받아 전자와 홀을 형성하고 전달시키는 유기물 반도체 물질의 블렌딩으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 광활성층(314)은 우수한 전자 받게 특성을 가지는 물질과, 빛의 흡수와 엑시톤 형성을 위한 우수한 전자 주게 특성을 가지는 물질의 블렌딩으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 광활성층(314)은 가장 성능이 좋은 전자 받게 물질로 알려져 있으며 용액공정이 가능하도록 변형된 C60의 유도체인 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)과, 빛의 흡수와 엑시톤(exciton) 형성과정을 겪는 전자 주게 물질로서 P3HT(poly-3-hexylthiophene), MDMO-PPV(poly[2-methyl,5-(3',7'-dimethyloc tyloxy)]-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV(poly[2-methoxy,5-(2-ethyl-hexyloxy)1,4 phenylenevinylene]등과 함께 블렌딩 용액을 형성하여 상기 정공 전달층(313) 상부에 도포한다. 상기 블렌딩 용액의 도포 방법은 스핀-코팅(spin-coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating), 롤투롤(roll-to-roll) 프린팅 중 어느 하나의 방법을 사용하여 수행할 수 있다.
상기 유기 태양 전지(310)을 형성한 후, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 유기 태양 전지(310)의 광활성층(314) 및 무기 태양 전지(330)의 n형 화합물 반도체층(331)은 서로 대향하도록 배치하고, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 유기 태양 전지(310) 및 무기 태양 전지(330)을 중간 전극(320)을 통하여 전기적으로 연결되도록 한다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 유기 태양 전지(310) 및 무기 태양 전지(330)을 각각 별도로 제조하는 방법을 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 무기 태양 전지(330)을 형성하고, 중간 전극(320)을 형성한 후, 상기 광활성층(314), 정공 전달층(313) 및 상부 전극(312)를 순차 적층하여 유기 태양 전지(310)을 형성하는 방법 또한 가능하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지는 하기와 같이 작동한다.
우선, 외부로부터 빛이 상부 기판(311)으로 조사되면, 빛은 유기 태양 전지(310)의 광활성층(314)로 조사되어 파이 결합 내에 있는 전자는 여기 상태로 전이되고, 여기된 전자와 전자가 여기된 자리에 발생하는 정공이 쿨롱 힘에 의하여 서로 쌍을 이루는 엑시톤(exciton)을 생성한다. 생성된 엑시톤은 분리되어, 전자는 일함수가 낮은 하부 전극(333) 방향으로 이동하고, 정공은 정공 전달층(313)을 통하여 상대적으로 일함수가 높은 상부 전극(312) 방향으로 이동한다.
상기 유기 태양 전지(310)의 광활성층(314)에서 발생하여 하부 전극(333)으로 이동하는 전자는 중간 전극(320)을 통하여 p형 화합물 반도체층(331)으로 이동한다.
상기 무기 태양 전지(330)의 n형 반도체층에서 생성되는 전자는 상기 상부 전극(312) 및 하부 전극(333)을 연결하는 외부 회로(도면상에는 미도시)를 통하여 전자 부족 상태에 있는 광활성층(314)으로 이동하여 본 발명의 또다른 실시예에 따른 적층형 태양 전지의 작동이 완료된다.
도 6은 본 발명의 적층형 태양 전지에서 사용되는 물질에 대한 입사 광전 변환 요율을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 무기 태양 전지에는 GaAs 기반의 화합물 반도체 태양 전지를 적용하고, 유기 태양 전지에는 유기 태양 전지(P5, P3HT-PCBM) 또는 염료 감응형 태양 전지(N719, N749)를 적용하면, 다양한 파장 범위의 광을 흡수하여 태양 전지의 에너지 효율을 높일 수 있음을 알 수 있다.
즉, 화합물 반도체 태양 전지가 적용된 무기 태양 전지에서는 장파장의 광을 흡수하여 광전 변환을 하며, 유기 태양 전지 또는 염료감응형 태양 전지가 적용된 유기 태양 전지에서는 단파장의 광을 흡수하여 광전 변환하여, 에너지 효율이 높은 태양 전지의 제조가 가능하다.
110, 210, 310; 유기 태양 전지 111, 211, 311; 상부 기판
112, 212, 312; 상부 전극 113; 전자 받게층
114; 전자 주게층 120, 220, 320; 중간 전극
130, 230, 330; 무기 태양 전지 131, 231, 332; n형 화합물 반도체층
132, 232, 331; p형 화합물 반도체층
133, 233, 333; 하부 전극 134, 234, 334; 하부 기판
213; 금속산화물층 214; 전해질층
215; 봉지제 313; 정공전달층
314; 광활성층

Claims (17)

  1. 하부 전극 상에 위치하는 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 화합물 반도체인 무기 태양 전지;
    상기 무기 태양 전지 상에 위치하는 중간 전극; 및
    상기 중간 전극 상에 위치하고, 상기 중간 전극을 대향하는 면 상에 상부 전극을 구비하는 유기 태양 전지를 포함하는 적층형 태양 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층은 메타모픽 InGaP, InGaAs 및 InGaN으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층인 적층형 태양 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 중간 전극은 금속 나노 입자를 포함하는 적층형 태양 전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 중간 전극은 그리드 패턴 형상인 적층형 태양 전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 중간 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 인듐(In) 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 적어도 하나의 나노 입자를 포함하는 적층형 태양 전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 태양 전지는
    상기 상부 전극의 중간 전극 방향 면 상에 배치되고, 금속 산화물 입자 및 상기 금속 산화물 입자에 흡착된 광감응성 흡착제를 포함하는 금속 산화물층; 및
    상기 금속 산화물층의 무기 태양 전지 방향의 면에 접하는 전해질층;을 포함하는 적층형 태양 전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전해질층은 할로겐계 산화-환원쌍을 포함하는 액체, 고체 및 준고체 중 어느 하나 상태의 전해질을 포함하는 적층형 태양 전지.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 무기 태양 전지는
    상기 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 위치하는 상기 p형 화합물 반도체층; 및
    상기 p형 화합물 반도체 상의 상기 n형 화합물 반도체층을 포함하는 적층형 태양 전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 태양 전지는 상기 중간 전극 및 상부 전극 사이에 위치하는 전자 주게 유기물과, 전자 받게 유기물을 함유하는 광활성층을 포함하는 적층형 태양 전지.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 광활성층은
    P3HT(poly-3-hexylthiophene), MDMO-PPV(poly[2-methyl,5-(3',7'-dimethyloc tyloxy)]-1,4-phenylenevinylene 및 MEH-PPV(poly[2-methoxy,5-(2-ethyl-hexyloxy)1,4 phenylenevinylene]으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 전자 주게 물질; 및
    C60 유도체의 혼합물인 전자 받게 물질을 포함하는 적층형 태양 전지.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 무기 태양 전지는
    상기 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 위치하는 상기 p형 화합물 반도체층; 및
    상기 p형 화합물 반도체 상의 상기 n형 화합물 반도체층을 포함하는 적층형 태양 전지.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 광활성층 및 상부 전극 사이에 위치하는 정공 전달층을 더 포함하는 적층형 태양 전지.
  13. 하부 전극 상에 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층을 형성하여 무기 태양 전지를 형성하는 단계;
    상기 무기 태양 전지 상에 중간 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 중간 전극을 대향하는 면 상에 상부 전극을 구비하는 유기 태양 전지를 상기 중간 전극 상에 형성하는 단계;를 포함하는 적층형 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 중간 전극을 형성하는 단계는
    금속 나노 입자를 포함하는 콜로이드 용액을 그리드 패턴(grid pattern)으로 인쇄하는 단계; 및
    인쇄된 콜로이드 용액을 열처리하는 단계;를 포함하는 적층형 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 무기 태양 전지를 형성하는 단계는
    하부 전극 상에 메타모픽 결정 성장을 통하여 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층에서 기판을 제거하는 단계; 및
    상기 기판이 제거된 상기 p형 화합물 반도체층 및 n형 화합물 반도체층을 이종의 기판과 접합하는 단계;를 포함하는 적층형 태양 전지의 제조 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 유기 태양 전지를 형성하는 단계는
    상기 상부 전극 상에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및
    상기 정공 전달층 상에 광활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 적층형 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 유기 태양 전지를 형성하는 단계는
    상기 상부 전극 상에 금속산화물층을 형성하는 단계;
    상기 금속산화물층이 상기 무기 태양 전지와 이격되도록 위치시키는 단계; 및
    상기 이격 공간에 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계;를 포함하는 적층형 태양 전지의 제조 방법.
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