KR101431817B1 - Double device merged tandem solar cell and its production method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이중 소자 융합형 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 반도체 나노와이어를 이용한 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a dual element fused tandem solar cell and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a dual element fused tandem solar cell using a semiconductor nanowire and a manufacturing method thereof.
세계적으로 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위해, 환경에 악영향을 끼치지 않으면서도 고갈될 염려도 없는 새로운 에너지원인 대체에너지 및 청정에너지에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행 중이다.In order to reduce reliance on fossil fuels worldwide, research and development on alternative energy and clean energy, which are new energy sources that do not cause exhaustion without adversely affecting the environment, are actively under way.
한때, 원자력발전이 현실성 있는 대체에너지로 개발되어 높은 기여도를 보이기도 하였지만, 불안정성과 사고로 인한 심각한 피해 등의 문제가 제기됨으로써, 점차 이에 대한 의존도를 줄이는 추세이며, 그 대신 청정의 무한한 에너지원이라는 측면에서 태양 전지(solar cell)를 이용한 태양에너지를 전기적으로 변환하는 발전이 현실적으로 활용할 수 있는 방안으로 더욱 각광받고 있다.At one time, nuclear power was developed as a viable alternative energy and showed a high contribution, but it is gradually decreasing its reliance on it due to instability and serious damage caused by accidents, The solar power generation system that converts solar energy into electricity using solar cells is becoming more popular as a practical application.
태양 전지는 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 반도체 소자로서, p형 반도체와 n형 반도체의 접합 형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 유사하며, 현재 양산되고 있는 대부분의 태양 전지는 실리콘계 태양 전지로서, 반도체 기판으로서 실리콘(Si)을 사용하는데, 이 실리콘은 간접 밴드 사이의 천이 반도체(Indirect interband transition semiconductor)로서, 실리콘의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛만이 전자-정공쌍을 발생시킬 수 있는 단점이 있다.A solar cell is a semiconductor device that converts solar energy directly into electrical energy. It has a form of p-type semiconductor and n-type semiconductor, and its basic structure is similar to a diode. Most of solar cells, (Si) is used as a semiconductor substrate. This silicon is an indirect interband transition semiconductor between indirect bands. It is a disadvantage that only light having an energy of a bandgap or more of silicon can generate electron-hole pairs .
또한, 실리콘을 이용한 태양 전지는 실리콘의 밴드갭 이하의 에너지를 갖는 빛은 전자-정공 쌍을 발생시키지 못하고 열 에너지 등의 형태로 손실되어 광의 흡수율이 낮은 문제점이 있어서 실리콘계 태양전지는 태양 전지 내부로 입사되는 빛 중 30% 이상을 기판인 실리콘 웨이퍼 표면에서 반사시키므로 태양 전지의 효율이 저하된다.In addition, in a solar cell using silicon, light having an energy lower than the bandgap of silicon can not generate electron-hole pairs and is lost in the form of heat energy, so that the absorption rate of light is low. More than 30% of the incident light is reflected on the surface of the silicon wafer as the substrate, thereby reducing the efficiency of the solar cell.
이와 대비하여 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 이용한 태양 전지는 다양한 밴드갭(bandgap)을 가지므로 이러한 특성을 이용하여 각각 흡수하는 파장 대역을 달리하는 화합물 셀(cell)을 구성하고, 각각의 셀을 터널 접합(tunnel junction)으로 결합한 텐덤(tandem) 구조를 이용하여 실리콘 태양 전지보다 높은 에너지 변환 효율을 달성하고 있다.In contrast, a solar cell using a III-V compound has various bandgaps. Therefore, a compound cell having a different wavelength band to be absorbed is constructed using these characteristics, and each cell is connected to a tunnel junction tunnel junctions to achieve higher energy conversion efficiency than silicon solar cells.
예를 들면, 등록특허 제1149768호에 개시된 Ⅲ-Ⅴ 화합물을 이용한 텐덤 구조의 태양 전지의 제조 방법을 들 수 있다.For example, a method for producing a solar cell of a tandem structure using the III-V compound disclosed in Japanese Patent No. 1149768 can be mentioned.
상기 발명은 실리콘 기판 기반의 Ⅲ-Ⅴ화합물 태양 전지의 제조 방법으로서, a) 표면을 에칭한 후 유기금속화학증착 반응관에서 미리 설정된 임의의 온도로 가열하여 자연 산화막을 제거한 결정성을 갖는 실리콘 기판을 제공하는 단계; b) 상기 a) 단계에서 제공된 실리콘 기판상에 Ⅲ-Ⅴ화합물의 시드층을 형성한 후 그 위에 금속재의 전극 및 유전체 층을 증착시키고, 상기 증착된 전극 및 유전체 층을 패터닝 한 후 상기 유기금속화학증착 반응관의 온도, 압력 가스량을 조절하여 상기 Ⅲ-Ⅴ화합물을 막대 형상의 태양 전지셀로 성장시키는 단계; 및 c) 상기 b) 단계에서의 패터닝에 따라 수직형 막대로 선택적으로 성장한 Ⅲ-Ⅴ화합물의 태양 전지셀 외부에 시트저항이 감소되도록 투명 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.The present invention relates to a method of manufacturing a III-V compound solar cell based on a silicon substrate, comprising the steps of: a) etching a surface of a silicon substrate having crystallinity by removing a native oxide film by heating at a predetermined temperature preset in an organometallic chemical vapor deposition reaction tube; ; b) forming a seed layer of a III-V compound on the silicon substrate provided in the step a), depositing a metal electrode and a dielectric layer thereon, patterning the deposited electrode and the dielectric layer, Growing the III-V compound into a rod-shaped solar cell by controlling the temperature and pressure of the deposition reaction tube; And c) forming a transparent electrode such that the sheet resistance of the III-V compound grown selectively as a vertical bar according to the patterning in the step b) is reduced outside the solar cell.
상기 발명에 의하여 제조된 Ⅲ-Ⅴ화합물 태양 전지는 높은 광전 변환 효율을 가지지만 셀 가격이 높은 단점이 있다.The III-V compound solar cell produced according to the present invention has a high photoelectric conversion efficiency but has a high cell cost.
한편, 또 다른 방식으로 무정형(amorphous) 실리콘 기반의 태양 전지를 둘 수 있다.Alternatively, an amorphous silicon-based solar cell can be provided.
상기 태양 전지는 전지 자체의 가격은 저렴하지만 광전 변환 효율이 낮은 단점이 있다.The solar cell has a disadvantage in that the price of the battery itself is low but the photoelectric conversion efficiency is low.
따라서, 높은 광전 변환 효율과 낮은 가격을 제공하는 새로운 형태의 텐덤 태양 전지가 필요한 실정이다.
Therefore, there is a need for a new type of tandem solar cell that provides high photoelectric conversion efficiency and low cost.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 높은 광전 변환 효율과 낮은 가격의 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a tandem solar cell having a high photoelectric conversion efficiency and a low cost.
또한 높은 광전 변환 효율과 낮은 가격의 이중 소자 융합형 탠덤 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a dual element-type tandem solar cell having high photoelectric conversion efficiency and low cost.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지에 있어서, 나노와이어 태양 전지; 상기 나노와이어 태양 전지 상단에 형성되는 터널 정션의 정션층; 및 상기 터널 정션 상단에 형성되는 염료 감응형 태양 전지가 배치되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a dual element fused tandem solar cell comprising: a nanowire solar cell; A junction layer of a tunnel junction formed on top of the nanowire solar cell; And a dye-sensitized solar cell formed on top of the tunnel junction.
바람직하게는, 상기 나노와이어 태양 전지는: 실리콘 기판; 상기 기판 이면에 형성되는 이면 전극; 상기 기판 상면에 수직으로 형성되는 다수의 나노와이어; 상기 기판 상면에 나노와이어가 형성되지 않은 부분에, 상기 나노와이어가 노출되도록 형성되는 고분자층; 및 상기 나노와이어 끝단들이 전기적으로 연결되게 형성되는 제1 TCO층을 포함하며, 상기 제1 TCO층이 상기 정션층 하부에 접합하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the nanowire solar cell comprises: a silicon substrate; A back electrode formed on a back surface of the substrate; A plurality of nanowires vertically formed on the upper surface of the substrate; A polymer layer formed on the upper surface of the substrate so that the nanowires are exposed at a portion where nanowires are not formed; And a first TCO layer formed such that the ends of the nanowires are electrically connected to each other, wherein the first TCO layer is bonded to the lower portion of the junction layer.
더욱 바람직하게는, 상기 고분자층은 PS(polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate) 및 BCB(benzocyclobutene) 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.More preferably, the polymer layer is at least one selected from the group consisting of polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), and benzocyclobutene (BCB).
더욱 바람직하게는, 상기 기판은 p형 반도체이고, 상기 나노와이어는 n형 반도체인 것을 특징으로 한다.More preferably, the substrate is a p-type semiconductor, and the nanowire is an n-type semiconductor.
바람직하게는, 상기 염료 감응형 태양 전지는: 유리층; 상기 유리층 하단에 형성되는 제2 TCO층; 상기 제2 TCO층 하단에 형성되는 광흡수층; 및 상기 광흡수층의 입자를 코팅하는 염료를 포함하고, 상기 광흡수층은 전해질을 더 포함하며, 상기 광습수층의 하단이 상기 정션층에 접합하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the dye-sensitized solar cell comprises: a glass layer; A second TCO layer formed at the lower end of the glass layer; A light absorption layer formed at the lower end of the second TCO layer; And a dye coating the particles of the light absorbing layer, wherein the light absorbing layer further comprises an electrolyte, and the lower end of the light moisture absorbing layer is bonded to the junction layer.
더욱 바람직하게는, 상기 광흡수층의 성분은 TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2, Y2O3-ZrO2, CuO, Cu2O, Ta2O5, PZT(Pb(Zr,Ti)O3), Nb2O5, Fe3O4, Fe2O3 및 GeO2 에서 선택된 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 나노 분말인 것을 특징으로 한다.More preferably, the component of the light absorbing layer is selected from the group consisting of TiO 2, SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2, CuO, Cu 2 O, Ta 2 O 5 , PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ), Nb 2 O 5 , Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3, and GeO 2 .
또한 본 발명은 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지의 제조 방법에 있어서, 나노와이어가 형성된 실리콘 기판에 고분자층을 형성하는 고분자층 코팅 단계; 상기 기판 이면에 이면 전극을 형성하는 전극 형성 단계; 상기 기판 상면에 형성된 고분자층을 나노와이어가 돌출 형성되도록 고분자층을 에칭하는 고분자층 에칭 단계; 상기 나노와이어 끝단을 서로 전기적 연결을 위한 TCO층을 형성하는 제1 TCO층 증착 단계; 상기 제1 TCO 층 상단에 터널 정션을 위한 정션층 형성 단계; 별도로 구비된 유리층 하단에 TCO 층을 형성하는 제2 TCO층 증착 단계; 상기 제2 TCO층 하단에 광흡수용 나노분말을 이용하여 광흡수층을 형성하는 광흡수층 형성 단계; 상기 광흡수층의 분만 표면에 염료를 코팅하는 염료 코팅 단계; 상기 나노와이어 끝단에 형성된 정션층 상단에 상기 유리층 하단에 형성된 광흡수층을 접합하는 접합 단계; 및 상기 광흡수층에 전해질을 주입하는 전해질 주입 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a method of manufacturing a dual element fused tandem solar cell, comprising: a polymer layer coating step of forming a polymer layer on a silicon substrate on which nanowires are formed; An electrode forming step of forming a back electrode on a back surface of the substrate; A polymer layer etching step of etching the polymer layer so that the polymer layer formed on the upper surface of the substrate is protruded from the nanowire; A first TCO layer deposition step of forming a TCO layer for electrical connection of the nanowire ends to each other; Forming a junction layer on the top of the first TCO layer for tunnel junction; A second TCO layer deposition step of forming a TCO layer at the bottom of the separately provided glass layer; A light absorbing layer forming step of forming a light absorbing layer using a light absorbing nano powder at the lower end of the second TCO layer; A dye coating step of coating the dye on the surface of the light absorbing layer; A bonding step of bonding a light absorbing layer formed on a lower end of the glass layer to an upper end of a junction layer formed at an end of the nanowire; And an electrolyte injecting step of injecting an electrolyte into the light absorbing layer.
바람직하게는, 상기 실리콘 기판은 p형이며, 상기 나노와이어는 n형인 것을 특징으로 한다.Preferably, the silicon substrate is p-type and the nanowire is n-type.
바람직하게는, 상기 고분자층은 PS(polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate) 및 BCB(benzocyclobutene) 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.Preferably, the polymer layer is at least one selected from the group consisting of polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), and benzocyclobutene (BCB).
바람직하게는, 상기 광흡수층의 성분은 TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2, Y2O3-ZrO2, CuO, Cu2O, Ta2O5, PZT(Pb(Zr,Ti)O3), Nb2O5, Fe3O4, Fe2O3 및 GeO2 에서 선택된 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 나노 분말인 것을 특징으로 한다.
Preferably, the component of the light absorbing layer is selected from the group consisting of TiO 2, SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2, CuO, Cu 2 O, Ta 2 O 5 , PZT (Pb ) O 3 ), Nb 2 O 5 , Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3, and GeO 2 .
본 발명에 따른 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지 및 그 제조 방법은 나노와이어 태양 전지를 하부에 형성하고, 상기 나노와이어 태양 전지 상부에 염료감응형 태양 전지를 융합하여 구성되는 것으로, 낮은 가격으로 제조가 가능한 효과가 있으며, 더불어 이중 소자에 의한 높은 광전 변환 효율을 나타내는 효과가 있다.
The dual element fused tandem solar cell and the method of manufacturing the same according to the present invention are formed by forming a nanowire solar cell on the bottom and fusing a dye-sensitized solar cell on top of the nanowire solar cell. There is an effect that is possible, and also a high photoelectric conversion efficiency by a dual device is exhibited.
도 1은 본 발명에 따른 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지의 구조도이며,
도 2는 도 1을 제조하기 위한 제조 방법의 절차도이며,
도 3은 도 2의 고분자층 코팅 단계의 모식도이며,
도 4는 도 2의 이면 전극 형성 단계의 모식도이며,
도 5는 도 2의 고분자층 에칭 단계의 모식도이며,
도 6은 도 2의 제1 TCO층 증착 단계의 모식도이며,
도 7은 도 2의 정션층 형성 단계의 모식도이며,
도 8은 도 2의 제2 TCO층 증착 단계의 모식도이며,
도 9는 도 2의 TiO2층 형성 단계의 모식도이며,
도 10은 도 2의 염료 코팅 단계의 모식도이며,
도 11은 도 2의 접합 단계의 모식도이며,
도 12는 도 2의 전해질 주입 단계의 모식도이며,
도 13은 도 1 태양 전지의 전류-전압 특성 곡선이다.1 is a structural view of a dual element fused tandem solar cell according to the present invention,
Fig. 2 is a flow chart of the manufacturing method for manufacturing Fig. 1,
FIG. 3 is a schematic view of the polymer layer coating step of FIG. 2,
4 is a schematic view of the back electrode formation step of FIG. 2,
FIG. 5 is a schematic view of the polymer layer etching step of FIG. 2,
Figure 6 is a schematic diagram of the first TCO layer deposition step of Figure 2,
FIG. 7 is a schematic view of the junction layer forming step of FIG. 2,
Figure 8 is a schematic diagram of the second TCO layer deposition step of Figure 2,
FIG. 9 is a schematic diagram of the TiO 2 layer forming step of FIG. 2,
10 is a schematic view of the dye coating step of FIG. 2,
11 is a schematic view of the bonding step of Fig. 2,
FIG. 12 is a schematic view of the electrolyte injection step of FIG. 2,
13 is a current-voltage characteristic curve of the solar cell of Fig.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지(100)는 도 1에 도시된 바와 같은 나노와이어 태양 전지(10, nonowire solar cell:NW-SC) 상단에 염료 감응형 태양 전지(40, dye-sensitized solar cell: DSSC)가 접합부(20)에 의하여 상기 나노와이어 태양 전지(10)와 융합되어 구성되는 것을 특징으로 한다.The dual element fused tandem
먼저 상기 나노와이어 태양 전지(10)는 p형 실리콘 재질의 기판(11)을 포함하며, 상기 기판(11) 하단에는 외부로 전기적 연결을 위한 이면 전극(12, back-side contact)이 형성된다.First, the nanowire
상기 기판(11)은 필요한 경우 다른 재질로 치환 가능하다.The
그리고 상기 기판(11) 상단에는 나노와이어(13)가 형성되며, 상기 나노와이어(13)는 n형 반도체 특성의 재질로 구성되며, 상기 재질은 제한되지 않는다.A
상기 기판(11) 상에 나노와이어(13)의 형성은 어떠한 방법으로 구성하더라도 무방하다.The
그리고 상기 기판(11) 중 나노와이어(13)가 형성되지 않은 부분에는 고분자층(14)이 형성되어 나노와이어(13)를 고정하여 소자 단락을 방지한다.A
상기 고분자층(14)은 고분자 물질로 이루어지며, 바람직하게는 PS(polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate), BCB(benzocyclobutene) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며, BCB로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.The
상기 나노와이어(13)의 끝단에는 제1 TCO층(15)이 형성되어 모든 나노와이어(13)가 전기적으로 연결된다.A
한편, 상기 염료 감응형 태양 전지(40)는 상단에 유리층(41)이 형성된다. 상기 유리층(41)은 다른 투명의 절연 재질로 치환 가능하다.In the dye-sensitized
상기 유리층(41)의 하단에는 제2 TCO층(42)이 형성되어 외부로 전기적 연결 기능을 부여한다.A
상기 제2 TCO층(42) 하단에는 전하수송층인 TiO2층(43)이 형성되며, 상기 TiO2층(43)의 각 TiO2입자 표면에는 코팅된 염료(44)를 포함한다.A TiO 2 layer 43 as a charge transport layer is formed on the lower end of the
상기 TiO2층(43)은 필요한 경우 SiO2, Al2O3, ZrO2, Y2O3-ZrO2, CuO, Cu2O, Ta2O5, PZT(Pb(Zr,Ti)O3), Nb2O5, Fe3O4, Fe2O3 및 GeO2 에서 선택된 어느 하나 이상으로 구성할 수 있다.The TiO 2 layer 43 is, if necessary, SiO 2, Al 2 O 3, ZrO 2, Y 2 O 3 -ZrO 2, CuO, Cu 2 O, Ta 2
상기 TiO2층(43)은 TiO2나노 입자를 도포한 후 열처리 하여 형성한다.The TiO 2 layer 43 is formed by applying TiO 2 nanoparticles and then heat-treating the TiO 2 nanoparticles.
상기 TiO2층(43)에는 전해질이 추가로 포함되어 태양 전지의 기능을 부여한다.The TiO 2 layer 43 further includes an electrolyte to impart the function of a solar cell.
상기 염료 감응형 태양 전지(40)와 상기 나노와이어 태양 전지(10)는 접합부(20)에 의하여 서로 융합되며, 상기 접합부(20)는 제1 TCO층(15) 상단에 형성되는 터널 정션용 정션층(21)으로 구현되며, 상기 정션층(21)은 제1 TCO층(15)과 TiO2층(43)을 연결하는 구성이며, 백금(Pt)으로 구성되는 것이 바람직하다.The dye-sensitized
상기와 같은 구성에 의하여 나노와이어 태양 전지(10)와 염료 감응형 태양 전지(40)의 템덤 구조가 완성된다.The structure of the nanowire
다음은 본 발명에 따른 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지의 제조 방법에 관하여 단계별로 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a dual element fused tandem solar cell according to the present invention will be described step by step.
본 발명에 따른 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지의 제조 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 고분자층 코팅 단계(S1), 이면 전극 형성 단계(S2), 고분자층 에칭 단계(S3), 제1 TCO층 증착 단계(S4), 정션층 형성 단계(S5), 제2 TCO층 증착 단계(S6), 전하수송층 형성 단계(S7), 염료 코팅 단계(S8), 접합 단계(S9) 및 전해질 주입 단계(S10)를 포함하여 구성된다.2, the method for fabricating a dual element fused tandem solar cell according to the present invention includes a polymer layer coating step S1, a back electrode forming step S2, a polymer layer etching step S3, a first TCO The second TCO layer deposition step S6, the charge transport layer formation step S7, the dye coating step S8, the bonding step S9, and the electrolyte injection step S7, S10).
(1) 고분자층 코팅 단계(S1)(1) Polymer layer coating step (S1)
먼저 도 3에 도시된 바와 같이, p형 반도체 기판(11) 상에 n형 반도체로 이루어진 나노와이어(13)가 형성된 기판(11) 상단에 고분자층(14)을 코팅한다.3, a
상기 고분자층(14)은 BCB가 바람직하며, 스핀 코팅 방식으로 코팅 후 200℃에서 2시간 열처리하여 고분자층(14)을 형성한다.The
(2) 이면 전극 형성 단계(S2)(2) back electrode formation step S2
상기 고분자층(14)이 형성된 기판(11)의 하면에는 도 4에 도시된 바와 같이 이면 전극(12)을 이-빔 이베포레이션(e-beam evaporation) 진공 증착을 통하여 형성하는데 이면 전극은 Ti/Au로 각각 20, 300nm 두께로 형성한다.As shown in FIG. 4, the
(3) 고분자층 에칭 단계(S3)(3) Polymer layer etching step (S3)
이면 전극(12)까지 형성한 기판(11)에는 고분자층(14)이 나노와이어(13) 를 완전히 덮어 형성되어 있으므로, 나노와이어(13) 상단이 고분자층(14)에 돌출 형성되도록 RIE(reactive ion etching) 공정을 통하여 에칭을 수행한다. 상기 고분자층 에칭 단계(S3)가 수행된 후에 기판(11)은 도 5에 도시된 바와 같이, 각 나노와이어(13)가 고분자층(14)에 돌출된다.Since the
(4) 제1 TCO층 증착 단계(S4)(4) the first TCO layer deposition step (S4)
상기 고분자층 에칭 단계(S3) 후에 상기 고분자층(14) 상단에 제1TCO층(15) 형성을 위하여 TCO 증착 공정을 수행하며, 상기 단계(S4)가 수행된 후에 기판(11)은 도 6에 도시된 바와 같이 각 나노와이어(13)의 상단에 상기 제1TCO층(15)에 의하여 전기적으로 연결된다.A TCO deposition process is performed for forming the
(5) 정션층 형성 단계(S5)(5) Junction layer formation step (S5)
상기 제1 TCO층 증착 단계(S4) 수행 후에는 상기 제1TCO층(15) 상단에 Pt 정션층 형성하는 단계로 Pt 전구체로는 H2PtCl6를 2-propanol에 녹여 10 mM의 Pt 전구체 용액을 제조한 후, 상기 S4 공정에서 준비된 나노와이어 태양전지 위에 스핀코팅 방식으로 도포한 후, 400℃에서 10분간 열처리하여 Pt성분의 정션층(21)을 형성하며, 상기 단계(S5) 후에는 도 6에 도시된 바와 같이 나노와이어 태양 전지(10) 소자가 완성된다.After performing the first TCO layer deposition step (S4), a Pt junction layer is formed on the top of the first TCO layer (15). H 2 PtCl 6 is dissolved in 2-propanol as a Pt precursor to prepare a 10 mM Pt precursor solution The nanowire solar cell prepared in the step S4 is applied by a spin coating method and then heat treated at 400 DEG C for 10 minutes to form a
(6) 제2 TCO층 증착 단계(S6)(6) Second TCO layer deposition step (S6)
제2 TCO층 증착 단계(S6)는 염료 감응형 태양 전지(40)를 제조하기 위한 단계로 도 7에 도시된 바와 같이, 먼저 유리층(41) 하단에 TCO 증착 공정을 통하여 제2 TCO층(42)을 형성한다.The second TCO layer deposition step S6 is a step for manufacturing the dye-sensitized
(7) 전하수송층 형성 단계(S7)(7) Formation of charge transport layer (S7)
상기 단계(S6)에서 형성된 제2 TCO층(42) 하단에 광여기된 전하가 적극에 도달하기 위한 전한수송층 역할을 하는 전하수송층 형성 단계(S7)가 수행된다. At the lower end of the
상기 유리층(41) 하단에 형성된 제2 TCO층(42) 하단에 전하수송층 나노 입자(여기서는 TiO2를 사용) 페이스트를 독터 블레이드(doctor blade)로 도포한 후 550℃ 고온 열처리 공정을 통하여 도 8에 도시된 바와 같이 전하수송층인 TiO2층(43)을 형성한다.The charge transport layer nanoparticles (here, TiO 2 ) paste was applied to the lower end of the
상기 TiO2층(43)은 전하수송효율을 높이기 위한 구성으로 필요한 경우 SiO2, Al2O3, ZrO2, Y2O3-ZrO2, CuO, Cu2O, Ta2O5, PZT(Pb(Zr,Ti)O3), Nb2O5, Fe3O4, Fe2O3 및 GeO2 에서 선택된 어느 하나 이상으로 구성할 수 있다.The TiO 2 layer 43 has a structure for increasing charge transport efficiency, SiO 2, Al 2 O 3, ZrO 2, Y 2 O 3 -ZrO 2, CuO, Cu 2 O, Ta 2
(8) 염료 코팅 단계(S8)(8) Dye coating step (S8)
상기 TiO2층(43)까지 형성된 유리층(41)은 마지막으로 TiO2 입자 표면에 광흡수체인 염료를 코팅하는데 사용되는 염료로는 30 mM 농도의 N719 용액에 18시간 담궈 염료를 흡착시킨 후 꺼내어 에탄올로 세척하여 도 9에 도시된 바와 같이, 염료 감응형 태양 전지(40) 소자를 완성한다.The
(9) 접합 단계(S9)(9) Bonding step (S9)
상기 단계를 통하여 제조된 나노와이어 태양 전지(10)와 염료 감응형 태양 전지(40)는 surlyn을 두 태양전지 테두리에 도포 후, 130℃에서 90초간 열처리하여 접합함으로써 도 10에 도시된 바와 같이 텐덤형 태양 전지를 제조한다.As shown in FIG. 10, the nanowire
(10) 전해질 주입 단계(S10)(10) Electrolyte injection step (S10)
마지막으로 염료 감응형 태양 전지의 완전한 구동을 위하여 상기 TiO2층에 전해질을 주입하는데 사용되는 전해질 조성은 0.5M 4-tert-butylpyridine, 0.6M 1-butyl-3-methylimidazolium iodide(BMII), 0.03M I2, 0.1M guanidinium thiocyanate, 용매는 acetonitrile과 valeronitrile (부피비 85:15) 사용하여 최종적으로 도 11에 도시된 탠덤형 태양 전지를 완성한다.Finally, for the complete drive of the dye-sensitized solar cell, the electrolyte composition used to inject the electrolyte into the TiO 2 layer was 0.5M 4-tert-butylpyridine, 0.6M 1-butyl-3-methylimidazolium iodide (BMII) 2 , 0.1 M guanidinium thiocyanate, and acetonitrile and valeronitrile (volume ratio 85: 15) as solvents. Finally, the tandem type solar cell shown in FIG. 11 is completed.
여기서 S1 내지 S5는 나노와이어 태양 전지(10)를 제조하기 위한 단계들이며, S6 내지 S8은 염료 감응형 태양 전지(40)를 제조하기 위한 단계들이므로, 서로 독립적으로 수행될 수 있어 S6 내지 S8을 먼저 수행하고 이후 S1 내지 S5를 수행하더라도 동일한 제조 방법에 해당한다.Here, steps S1 to S5 are steps for manufacturing the nanowire
또한 마지막 전해질 주입 단계(S10)는 S8 단계 이후에 바로 수행될 수도 있다.
Also, the last electrolyte injection step S10 may be performed immediately after step S8.
한편, 도 12에는 나노와이어 태양 전지(10)(NWSC), 염료 감응형 태양 전지(40)(DSSC), 본 발명에 따른 템덤 태양 전지(100)(NWSC/DSSC Tandem Cell)들의 1-sun 및 air mass(AM) 1.5 조건 하에서의 전류-전압 특성 곡선이 도시되어 있다.12 shows the 1-sun of NWSC solar cell 10 (NWSC), dye-sensitized solar cell 40 (DSSC), and Temmolar
상기 곡선에서 텐덤형 태양 전지(100)의 전류-전압 특성 곡선에서 전류는 템덤형 태양 전지를 구성하는 하부 셀 중에서 낮은 전류값을 가지게 되고, 전압은 두 하부 셀의 합의 값을 가진다.In the curved line, the current in the current-voltage characteristic curve of the tandem
즉, 템덤 태양 전지(100)는 DSSC의 전류값을 가지나, 전압은 DSSC와 NWSC의 합과 일치함을 알 수 있다.In other words, it can be seen that the Tememak
이러한 점으로부터, 두 셀이 유기적으로 잘 결합되었고, 특히 두 소자 사이에 존재하는 정션층(21)이 잘 작동함을 알 수 있다.From this point, it can be seen that the two cells are well coupled organically, and the
또한 나노와이어 태양 전지(10)의 광전 변환 효율은 7.7%, 염료 감응형 태양 전지(40)는 9.28% 그리고 템덤 태양 전지(100)는 11.67%로 높은 효율을 나타낸다.In addition, the photoelectric conversion efficiency of the nanowire
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, And all of the various forms of embodiments that can be practiced without departing from the technical spirit.
10: 나노와이어 태양 전지 11: 기판
12: 이면 전극 13: 나노와이어
14: 고분자층 15: 제1 TCO층
20: 접합부 21:정션층
40: 염료 감응형 태양 전지 41: 유리층
42: 제2 TCO층 43: TiO2층
44: 염료 100: 이중 소자 융합형 템덤 태양 전지
S1: 고분자층 코팅 단계 S2: 이면 전극 형성 단계
S3: 고분자층 에칭 단계 S4: 제1 TCO층 증착 단계
S5: 정션층 형성 단계 S6: 제2 TCO층 증착 단계
S7: 전하수송층 형성 단계 S8: 염료 코팅 단계
S9: 접합 단계 S10: 전해질 주입 단계10: nanowire solar cell 11: substrate
12: back electrode 13: nanowire
14: polymer layer 15: first TCO layer
20: junction 21: junction layer
40: dye-sensitized solar cell 41: glass layer
42: second TCO layer 43: TiO 2 layer
44: Dye 100: Dual element fusion type Temem solar cell
S1: Polymer layer coating step S2: Back electrode forming step
S3: polymer layer etching step S4: first TCO layer deposition step
S5: Junction layer formation step S6: Second TCO layer deposition step
S7: Formation of charge transport layer S8: Dye coating step
S9: Bonding Step S10: Electrolyte Injection Step
Claims (10)
나노와이어 태양 전지;
상기 나노와이어 태양 전지 상단에 형성되는 터널 정션의 정션층; 및
상기 터널 정션 상단에 형성되는 염료 감응형 태양 전지가 배치되는 것을 특징으로 하는 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지.
In a dual element fused tandem solar cell,
Nanowire solar cells;
A junction layer of a tunnel junction formed on top of the nanowire solar cell; And
And a dye-sensitized solar cell formed on an upper portion of the tunnel junction.
실리콘 기판;
상기 기판 이면에 형성되는 이면 전극;
상기 기판 상면에 수직으로 형성되는 다수의 나노와이어;
상기 기판 상면에 나노와이어가 형성되지 않은 부분에, 상기 나노와이어가 노출되도록 형성되는 고분자층; 및
상기 나노와이어 끝단들이 전기적으로 연결되게 형성되는 제1 TCO층을 포함하며,
상기 제1 TCO층이 상기 정션층 하부에 접합하는 것을 특징으로 하는 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지.
The nanowire solar cell of claim 1, wherein the nanowire solar cell comprises:
A silicon substrate;
A back electrode formed on a back surface of the substrate;
A plurality of nanowires vertically formed on the upper surface of the substrate;
A polymer layer formed on the upper surface of the substrate so that the nanowires are exposed at a portion where nanowires are not formed; And
And a first TCO layer formed such that the ends of the nanowires are electrically connected to each other,
And the first TCO layer is bonded to the lower portion of the junction layer.
The dual element fused tandem solar cell according to claim 2, wherein the polymer layer is at least one selected from the group consisting of polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), and benzocyclobutene (BCB).
The dual element fused tandem solar cell according to claim 3, wherein the substrate is a p-type semiconductor, and the nanowire is an n-type semiconductor.
유리층;
상기 유리층 하단에 형성되는 제2 TCO층;
상기 제2 TCO층 하단에 형성되는 나노입자 기반의 전하수송층; 및
상기 전하수송층의 입자 표면에 코팅된 광흡수 염료를 포함하고,
상기 전하수송층은 전해질을 더 포함하며, 상기 전하수송층의 하단이 상기 정션층에 접합하는 것을 특징으로 하는 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지.
The dye-sensitized solar cell of claim 1,
Glass layer;
A second TCO layer formed at the lower end of the glass layer;
A nanoparticle-based charge transport layer formed at the bottom of the second TCO layer; And
And a light absorbing dye coated on the particle surface of the charge transport layer,
Wherein the charge transport layer further comprises an electrolyte, and the lower end of the charge transport layer is bonded to the junction layer.
[7] The charge transport layer according to claim 5, wherein the charge transport layer is made of a material selected from the group consisting of TiO 2, SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2, CuO, Cu 2 O, Ta 2 O 5 , PZT (Pb TiO 3 ), Nb 2 O 5 , Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3, and GeO 2 .
나노와이어가 형성된 실리콘 기판에 고분자층을 형성하는 고분자층 코팅 단계;
상기 기판 이면에 이면 전극을 형성하는 전극 형성 단계;
상기 기판 상면에 형성된 고분자층을 나노와이어가 돌출 형성되도록 고분자층을 에칭하는 고분자층 에칭 단계;
상기 나노와이어 끝단을 서로 전기적 연결을 위한 TCO층을 형성하는 제1 TCO층 증착 단계;
상기 제1 TCO 층 상단에 터널 정션을 위한 정션층 형성 단계;
별도로 구비된 유리층 하단에 TCO 층을 형성하는 제2 TCO층 증착 단계;
상기 제2 TCO층 하단에 광흡수용 나노분말을 이용하여 전하수송층을 형성하는 전하수송층 형성 단계;
상기 전하수송층의 나노입자 표면에 광흡수 역할을 수행하는 염료를 코팅하는 염료 코팅 단계;
상기 나노와이어 끝단에 형성된 정션층 상단에 상기 유리층 하단에 형성된 전하수송층을 접합하는 접합 단계; 및
상기 전하수송층에 전해질을 주입하는 전해질 주입 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지의 제조 방법.
A method of manufacturing a dual element fused tandem solar cell,
A polymer layer coating step of forming a polymer layer on a silicon substrate on which nanowires are formed;
An electrode forming step of forming a back electrode on a back surface of the substrate;
A polymer layer etching step of etching the polymer layer so that the polymer layer formed on the upper surface of the substrate is protruded from the nanowire;
A first TCO layer deposition step of forming a TCO layer for electrical connection of the nanowire ends to each other;
Forming a junction layer on the top of the first TCO layer for tunnel junction;
A second TCO layer deposition step of forming a TCO layer at the bottom of the separately provided glass layer;
A charge transport layer formation step of forming a charge transport layer using a light absorption nano powder at the lower end of the second TCO layer;
A dye coating step of coating a surface of nanoparticles of the charge transport layer with a dye acting as a light absorbing agent;
A bonding step of bonding a charge transport layer formed on the lower end of the glass layer to an upper end of the junction layer formed at the end of the nanowire; And
And injecting an electrolyte into the charge transport layer. The method of manufacturing a dual element fused tandem solar cell according to claim 1,
The method according to claim 7, wherein the silicon substrate is a p-type and the nanowire is an n-type.
[Claim 7] The method according to claim 7, wherein the polymer layer is at least one selected from the group consisting of polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), and benzocyclobutene (BCB).
The system according to claim 7, components of the charge transport layer is a TiO 2, SiO 2, Al 2 O 3, ZrO 2, Y 2 O 3 -ZrO 2, CuO, Cu 2 O, Ta 2 O 5, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ), Nb 2 O 5 , Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3, and GeO 2. The method of manufacturing a dual element fused tandem solar cell according to claim 1,
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