KR101473327B1 - Hybrid thin film solar cell, and the preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 기판, 투명전극층, p형 실리콘층, i형(intrinsic) 실리콘층, 플러렌 유도체 층, 및 금속전극층이 순차적으로 적층된 하이브리드 박막 태양전지를 제공한다. 본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지는 종래의 실리콘 태양전지에서 n-형 반도체로서 사용되었던 n-형 실리콘층을 플러렌 유도체로 대체한 것으로, 상기 플러렌 유도체가 n-형 반도체로서 사용됨에 따라 홀과 전자의 재결합을 방지하는 배리어층 역할을 수행하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 나아가, 종래의 n-형 실리콘층의 형성시에는 PH3와 같은 유해가스가 사용되었던 것과 비교하여 용액공정을 통해 플러렌 유도층을 형성시킬 수 있어 유해가스 사용에 따른 위험성을 방지할 수 있다.The present invention relates to a hybrid thin film solar cell and a method of manufacturing the hybrid thin film solar cell. More particularly, the present invention relates to a hybrid thin film solar cell comprising a substrate, a transparent electrode layer, a p-type silicon layer, an i-type intrinsic silicon layer, a fullerene derivative layer, Provide solar cells. The hybrid thin film solar cell according to the present invention replaces an n-type silicon layer used as an n-type semiconductor in a conventional silicon solar cell with a fullerene derivative. As the fullerene derivative is used as an n-type semiconductor, So that the photoelectric conversion efficiency can be improved. Further, in the formation of the conventional n-type silicon layer, the fullerene-inducing layer can be formed through the solution process as compared with the case where the harmful gas such as PH 3 is used, and the risk of using the harmful gas can be prevented.
Description
본 발명은 하이브리드 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘 박막 태양전지로 플러렌 유도체를 도입시킨 하이브리드 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a hybrid thin film solar cell and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a hybrid thin film solar cell into which a fullerene derivative is introduced by a silicon thin film solar cell and a method for manufacturing the same.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.Recently, serious environmental pollution problem and depletion of fossil energy are increasing importance for next generation clean energy development. Among them, solar cells are devices that convert solar energy directly into electrical energy, and are expected to be an energy source that can solve future energy problems because it has fewer pollution, has endless resources, and has a semi-permanent lifetime.
특히, 태양전지는 거의 무한한 에너지원인 태양을 에너지원으로 하고, 발전 과정에서 공해 물질을 거의 생성하지 않으며, 수명이 20년 이상으로 매우 길다는 장점과 더불어, 관련 산업분야로의 파급 효과가 크다는 장점으로 인해 매우 주목받고 있으며, 그로 인해 많은 국가에서 태양전지를 차세대 주요산업으로 육성하고 있다.
In particular, solar cells have the advantage of having almost no infinite energy source as the energy source, generating almost no pollutants during the generation process, having a very long life span of more than 20 years, , Which is why many countries are developing solar cells into next-generation major industries.
한편, 현재 태양전지의 90% 이상은 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 기반으로 하여 제조되고 있으며, 이외에 박막형 실리콘 기반의 태양전지가 소규모로 제조되고 있다. 하지만, 현재 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼를 기반으로 한 이른바 벌크(bulk)형 실리콘 태양전지는 필요한 원재료 양이 최소 150 ㎛ 두께 이상이므로, 원가의 많은 부분을 재료비, 즉 실리콘 원재료가 차지하고 있으며, 원재료의 공급이 급격히 늘어나는 수요를 따라가지 못해 원가를 낮출 수 있는 가능성이 용이하지 않은 실정이다.At present, more than 90% of the solar cells are manufactured based on single crystal or polycrystalline silicon wafers (Si wafers), and thin-film silicon-based solar cells are being manufactured in a small scale. However, bulk silicon solar cells based on single crystal or polycrystalline silicon wafers now require a large amount of raw materials to be at least 150 μm thick, so that a large portion of the cost is occupied by the material cost, ie, the silicon raw material, and the raw material supply It is not easy to lower the cost by failing to keep up with the rapidly growing demand.
반면, 박막형 실리콘 태양전지는 그 두께가 2 ㎛ 이내이므로 벌크형 실리콘 태양전지에 비해 원재료의 사용량이 매우 적어 재료비를 비약적으로 낮출 수 있다. 따라서 제조 단가 면에서 실리콘 태양전지와 비교하여 경제적인 장점이 있다.On the other hand, since the thickness of the thin film silicon solar cell is less than 2 μm, the amount of the raw material to be used is much lower than that of the bulk silicon solar cell, so that the material cost can be drastically reduced. Therefore, it has an economic advantage in comparison with a silicon solar cell in manufacturing cost.
하지만, 박막형 실리콘 태양전지는 벌크형 실리콘 태양전지에 비해 같은 면적 대비 발전 성능이 절반 정도로 매우 낮다. 즉, 일반적으로 태양전지의 효율을 표현할 때는 100 ㎽/㎠의 광량에서 얻을 수 있는 전력의 크기를 %로 나타내는데, 벌크형 실리콘 태양전지의 효율은 12% 내지 20%를 나타낼 수 있으나, 박막형 실리콘 태양전지의 효율은 이보다 상대적으로 낮은 효율을 나타내고 있다.
However, the thin film silicon solar cell has a very low power generation performance compared to the bulk silicon solar cell. In other words, when expressing the efficiency of a solar cell, the power level obtained at a light amount of 100 mW /
한편, 실리콘 태양전지의 효율을 감소시키는 요소로는 저항성분, 재결합 및 광학적 손실을 들 수 있으며, 실리콘 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 실리콘 태양전지 구조의 적당한 설계에 의하여 각 손실성분들은 최소화해야 한다. On the other hand, the factors that reduce the efficiency of the silicon solar cell include resistance component, recombination and optical loss. In order to improve the efficiency of the silicon solar cell, each loss component should be minimized by proper design of the silicon solar cell structure .
이때, 상기 광학적인 손실은 실리콘 표면에서 빛의 반사에 의한 손실로 빛 포획이 가능한 텍스처링(Texturing) 및 반사를 방지하는 AR(Anti-Reflection) 코팅을 이용하여 개선할 수 있다. At this time, the optical loss can be improved by using AR (Anti-Reflection) coating that prevents texturing and reflection that can capture light due to loss of light due to reflection of light on the silicon surface.
아울러, 저항에 따른 손실은 전극 물질의 전기전도도를 향상시킴으로서 전극자체의 저항으로 인한 손실을 최소화할 수 있다.In addition, the loss due to the resistance improves the electrical conductivity of the electrode material, thereby minimizing the loss due to the resistance of the electrode itself.
나아가, 실리콘 태양전지에 있어서 홀과 전자의 재결합으로 인한 손실을 방지하기 위한 방법들은 여러 해결방안들에 대한 연구가 진행되고 있으며, Further, methods for preventing the loss due to recombination of holes and electrons in a silicon solar cell are being researched,
일례로 대한민국 공개특허 제10-2004-0042209호에서는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등을 포함하는 절연층을 구비시켜 홀과 전자의 재결합을 방지하는 방법이 개시된 바 있다.
For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2004-0042209 discloses a method of preventing the recombination of holes and electrons by providing an insulating layer containing silicon oxide, silicon nitride, or the like.
이에 본 발명자들은 상기한 바와 같은 홀과 전자의 재결합으로 인한 실리콘 태양전지의 효율 저하를 해결하기 위한 방법을 연구하던 중, 종래의 n-형 실리콘층을 플러렌 유도체로 대체하는 경우, 홀의 이동을 차단하는 배리어(barrier)층 역할을 수행하여 홀과 전자의 재결합을 방지할 수 있음을 발견하고, 본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지를 개발하였다.
Accordingly, the present inventors have studied a method for solving the efficiency deterioration of a silicon solar cell due to the recombination of holes and electrons as described above. When replacing the conventional n-type silicon layer with a fullerene derivative, It is possible to prevent the recombination of holes and electrons, and a hybrid thin film solar cell according to the present invention has been developed.
본 발명의 목적은 하이브리드 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
It is an object of the present invention to provide a hybrid thin film solar cell and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,
기판, 투명전극층, p형 실리콘층, i형(intrinsic) 실리콘층, 플러렌 유도체 층, 및 금속전극층이 순차적으로 적층된 하이브리드 박막 태양전지를 제공한다.
There is provided a hybrid thin film solar cell in which a substrate, a transparent electrode layer, a p-type silicon layer, an i-type (intrinsic) silicon layer, a fullerene derivative layer, and a metal electrode layer are sequentially laminated.
또한, 본 발명은In addition,
금속전극층, 플러렌 유도체 층, i형(intrinsic) 실리콘층, p형 실리콘층, 및 투명전극층이 순차적으로 적층된 하이브리드 박막 태양전지를 제공한다.
There is provided a hybrid thin film solar cell comprising a metal electrode layer, a fullerene derivative layer, an i-type (intrinsic) silicon layer, a p-type silicon layer, and a transparent electrode layer sequentially laminated.
나아가, 본 발명은Further,
기판상에 투명전극층을 코팅하는 단계(단계 1);Coating a transparent electrode layer on the substrate (step 1);
상기 투명전극층 상부에 p형 실리콘층, i형 실리콘층 및 플러렌 유도체층을 순차적으로 형성시키는 단계(단계 2); 및Sequentially forming a p-type silicon layer, an i-type silicon layer and a fullerene derivative layer on the transparent electrode layer (step 2); And
상기 단계 2에서 적층된 플러렌 유도체층 상부에 금속전극을 형성시키는 단계(단계 3)를 포함하는 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
And forming a metal electrode on the layer of the fullerene derivative layer stacked in the step 2 (step 3).
더욱 나아가, 본 발명은Further,
금속전극층 상에 플러렌 유도체층, i형 실리콘층, 및 p형 실리콘층을 순차적으로 형성시키는 단계(단계 1); 및Sequentially forming a fullerene derivative layer, an i-type silicon layer, and a p-type silicon layer on the metal electrode layer (step 1); And
상기 단계 1에서 적층된 n형 실리콘층 상부에 투명전극층을 형성시키는 단계(단계 2)를 포함하는 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
And forming a transparent electrode layer on the n-type silicon layer stacked in the step 1 (step 2).
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지는 종래의 실리콘 태양전지에서 n-형 반도체로서 사용되었던 n-형 실리콘층을 플러렌 유도체로 대체한 것으로, 상기 플러렌 유도체가 n-형 반도체로서 사용됨에 따라 홀과 전자의 재결합을 방지하는 배리어층 역할을 수행하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. The hybrid thin film solar cell according to the present invention replaces an n-type silicon layer used as an n-type semiconductor in a conventional silicon solar cell with a fullerene derivative. As the fullerene derivative is used as an n-type semiconductor, So that the photoelectric conversion efficiency can be improved.
나아가, 종래의 n-형 실리콘층의 형성시에는 PH3와 같은 유해가스가 사용되었던 것과 비교하여 용액공정을 통해 플러렌 유도층을 형성시킬 수 있어 유해가스 사용에 따른 위험성을 방지할 수 있다.
Further, in the formation of the conventional n-type silicon layer, the fullerene-inducing layer can be formed through the solution process as compared with the case where the harmful gas such as PH 3 is used, and the risk of using the harmful gas can be prevented.
도 1은 본 발명의 하이브리드 박막 태양전지에서 n-형 반도체로서 사용되는 플러렌 유도체 중 PCBM의 구조를 나타낸 그림이고;
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지의 일례를 나타낸 그림이고;
도 3은 종래의 실리콘 태양전지와 본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지의 에너지 밴드를 도시한 그림이고;
도 4는 본 발명에 따라 제조된 하이브리드 박막 태양전지의 단면을 투과전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 본 발명에 따라 제조된 하이브리드 박막 태양전지의 단면을 에너지 분산형 X-선 분석기(Energy dispersive X-ray analyzer)으로 관찰한 사진이고;
도 6은 본 발명에 따라 제조된 하이브리드 박막 태양전지를 2차 이온 질량 분광계(SIMS, secondary ion mass spectrometer)로 분석한 그래프이고;
도 7은 본 발명에 따라 제조된 하이브리드 박막 태양전지의 전압-전류 곡선을 도시한 그래프이고;
도 8은 본 발명에 따라 제조된 하이브리드 박막 태양전지와 종래의 실리콘 태양전지의 전기적 특성을 비교한 그래프이다.1 is a view showing the structure of PCBM among fullerene derivatives used as an n-type semiconductor in a hybrid thin film solar cell of the present invention;
2 is a view illustrating an example of a hybrid thin-film solar cell according to the present invention;
3 is a view showing energy bands of a conventional silicon solar cell and a hybrid thin-film solar cell according to the present invention;
4 is a photograph of a cross-section of a hybrid thin-film solar cell manufactured according to the present invention with a transmission electron microscope;
FIG. 5 is a photograph of a cross-section of a hybrid thin-film solar cell manufactured according to the present invention with an energy dispersive X-ray analyzer; FIG.
FIG. 6 is a graph of a hybrid thin film solar cell fabricated according to the present invention analyzed by a secondary ion mass spectrometer (SIMS);
7 is a graph showing a voltage-current curve of a hybrid thin-film solar cell manufactured according to the present invention;
8 is a graph comparing electric characteristics of a hybrid thin film solar cell manufactured according to the present invention and a conventional silicon solar cell.
본 발명은 The present invention
기판, 투명전극층, p형 실리콘층, i형(intrinsic) 실리콘층, 플러렌 유도체 층, 및 금속전극층이 순차적으로 적층된 하이브리드 박막 태양전지를 제공한다.
There is provided a hybrid thin film solar cell in which a substrate, a transparent electrode layer, a p-type silicon layer, an i-type (intrinsic) silicon layer, a fullerene derivative layer, and a metal electrode layer are sequentially laminated.
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지를 상세히 설명한다.
Hereinafter, the hybrid thin-film solar cell according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지는 종래의 실리콘 태양전지에 있어서, n-형 반도체로 사용되었던 n-형 실리콘층을 플러렌 유도체로 대체한 것으로 상기 플러렌은 다이아몬드, 흑연과 같은 탄소 동소체의 일종으로서, 강도가 우수하고, 고온 고압에 강한 특성이 있다. 아울러, 내부가 텅 빈 구조를 나타내어 전도체로서 사용될 수 있는 특성이 있다. The hybrid thin film solar cell according to the present invention replaces an n-type silicon layer used as an n-type semiconductor with a fullerene derivative in a conventional silicon solar cell. The fullerene is a kind of carbon isotopes such as diamond and graphite, It has excellent strength, and is resistant to high temperature and high pressure. In addition, there is a characteristic that the inside shows a hollow structure and can be used as a conductor.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지는 상기한 바와 같은 플러렌 유도체를 n-형 반도체로서 포함하며, 이를 통해 종래의 실리콘 태양전지와 비교하여 더욱 우수한 광전변환효율을 나타낼 수 있다.
The hybrid thin-film solar cell according to the present invention includes the above-described fullerene derivative as an n-type semiconductor, and can exhibit a better photoelectric conversion efficiency as compared with a conventional silicon solar cell.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지에 있어서, 플러렌 유도체의 일례로서 사용될 수 있는 PCBM은 도 1에 나타낸 바와 같이 구형의 형태이며, 상기 PCBM은 n-형 반도체로의 역할을 수행하여 전자만을 통과시키게 된다. 즉, 도 2의 그림에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지는 종래의 n-형 실리콘이 구비되었던 자리로 플러렌 유도체(PCBM)이 구비된다. In the hybrid thin-film solar cell according to the present invention, the PCBM that can be used as an example of the fullerene derivative is a spherical shape as shown in FIG. 1, and the PCBM serves as an n-type semiconductor, . That is, as shown in FIG. 2, the hybrid thin-film solar cell according to the present invention is provided with a fullerene derivative (PCBM) in place of a conventional n-type silicon.
한편, 상기 PCBM은 종래의 n-형 반도체와 비교하여 홀의 이동을 차단하는 배리어층(barrier layer) 역할을 수행할 수 있다. 즉, 도 3의 그림을 통해 나타낸 바와 같이, 종래의 실리콘 태양전지에 있어서, i형(intrinsic) 실리콘층과, n-형 실리콘층이 접촉하는 경우에는 i-형 실리콘과 n-형 실리콘의 전도대 에너지 준위 차이가 0.1 eV에 불과한 것을 알 수 있다. 반면, PCBM의 경우 i-형 실리콘과의 전도대 에너지 준위 차이가 0.3 eV로 더욱 커지는 것을 알 수 있으며, 이와 같이 전도대의 에너지 준위 차이가 커짐에 따라 PCBM이 홀의 이동을 차단하는 배리어층(barrier layer) 역할을 하며, 이는 궁극적으로 상부 금속전극에서의 전자와 재결의 재결합 정도를 감소시킬 수 있어 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.Meanwhile, the PCBM can function as a barrier layer for blocking the movement of the holes compared to the conventional n-type semiconductor. That is, as shown in FIG. 3, in the conventional silicon solar cell, when the i-type (intrinsic) silicon layer and the n-type silicon layer are in contact with each other, The difference in energy level is only 0.1 eV. On the other hand, it can be seen that the difference of the conduction band energy level with the i-type silicon becomes larger by 0.3 eV in the case of PCBM, and as the energy level difference of the conduction band becomes larger, the barrier layer, Which ultimately reduces the degree of recombination of electrons and recombination in the upper metal electrode, thereby improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.
또한, 종래의 n-형 실리콘은 PH3와 같은 유해가스를 이용하여 형성됨에 따라 상기 가스로 인한 위험성이 있었다. 그러나, 상기 PCBM은 PH3와 같은 유해가스를 사용하지 않고도 용액공정을 통해 쉽게 형성시킬 수 있어 공정의 편의성 및 위험성 해소 효과가 있다.In addition, since the conventional n-type silicon is formed using harmful gas such as PH 3 , there is a danger due to the gas. However, the PCBM can be easily formed through a solution process without using a harmful gas such as PH 3 , so that convenience and risk of the process can be solved.
나아가, PCBM과 같은 플러렌 유도체는 역 암전류 밀도(reverse dark-saturation current density)를 감소시킬 수 있어 더욱 향상된 계면 접촉(interfacial contact)을 달성할 수 있다.
Furthermore, fullerene derivatives such as PCBM can reduce reverse dark-saturation current density and achieve more improved interfacial contact.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지에 있어서, n-형 반도체로서 사용되는 상기 플러렌 유도체는 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC61BM, PC71BM, Bis-PCBM, IC60MA, IC70MA, IC60BA, IC70BA, BC60MA, BC70MA 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 PCBM을 플러렌 유도체로서 사용할 수 있으나, 상기 플러렌 유도체가 이에 제한되는 것은 아니다.
In the hybrid thin-film solar cell according to the present invention, the fullerene derivative used as the n-type semiconductor is PCBM ([6,6] -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester), PC 61 BM, PC 71 BM, Bis -CDBM, IC 60 MA, IC 70 MA, IC 60 BA, IC 70 BA, BC 60 MA, BC 70 MA and the like can be used. Preferably, PCBM can be used as the fullerene derivative. It is not.
한편, 본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지에 있어서, 상기 플러렌 유도체층의 두께는 10 내지 50 nm인 것이 바람직하다.Meanwhile, in the hybrid thin-film solar cell according to the present invention, the thickness of the fullerene derivative layer is preferably 10 to 50 nm.
만약, 상기 플러렌 유도체층의 두께가 10 nm 미만인 경우에는 n-형 반도체로서 역할을 하지 못하여 태양전지 내에서 내부 확산 전위(Built-in potential)이 충분히 걸리지 못하는 문제가 있으며, 플러렌 유도체층의 두께가 50 nm를 초과하는 경우에는 계면저항이 증가하는 문제가 있다.
If the thickness of the fullerene derivative layer is less than 10 nm, it can not act as an n-type semiconductor, and the built-in potential can not be sufficiently applied in the solar cell. If it exceeds 50 nm, there is a problem that the interface resistance increases.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지에 있어서, 상기 기판은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱 기판을 사용할 수 있으며, 상기 플라스틱으로는 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드 (PI), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG),폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀폴리머(COP), 사이클로올레핀코폴리머(COC), 디시클로펜타디엔폴리머(DCPD), 시클로펜타디엔폴리머(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 등을 사용할 수 있다. 그러나, 상기 플라스틱 기판이 이에 제한되는 것은 아니며, 실리콘 태양전지의 기판으로서 사용될 수 있는 모든 플라스틱 기판을 사용할 수 있다.
In the hybrid thin film solar cell according to the present invention, the substrate may be a transparent glass or a transparent plastic substrate. Examples of the plastic include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene sulfone (PES), polyethylene naphthalate ), Polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide (PI), ethylene vinyl acetate (EVA), amorphous polyethylene terephthalate (APET), polypropylene terephthalate (PPT), polyethylene terephthalate (COC), dicyclopentadiene polymer (DCPD), cyclohexylene dimethylene terephthalate (PCTG), modified triacetylcellulose (TAC), cycloolefin polymer (COP), cycloolefin copolymer (CPD), polyarylate (PAR), polyetherimide (PEI), polydimethylsiloxane (PDMS), and the like can be used. However, the plastic substrate is not limited thereto, and any plastic substrate that can be used as a substrate of a silicon solar cell can be used.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지에 있어서, 상기 투명전극은 AZO(Aluminium Zinc Oxide), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(Aluminium Tin Oxide, ATO), 불소함유 산화주석( Fluorine-doped Tin Oxide, FTO), 은 나노와이어, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 그러나, 상기 투명전극이 이에 제한되는 것은 아니며, 실리콘 태양전지의 투명전극으로서 사용될 수 있는 모든 투명전극물질을 사용할 수 있다.
In the hybrid thin-film solar cell according to the present invention, the transparent electrode may be formed of at least one of AlO, Fluorine-doped tin oxide (FTO), silver nanowires, graphene, carbon nanotubes, and the like can be used. However, the transparent electrode is not limited thereto, and any transparent electrode material that can be used as a transparent electrode of a silicon solar cell can be used.
상기 p형 실리콘층은 실리콘에 붕소(B)와 같은 3B족 원소가 도핑된 p형 실리콘으로서, 물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD) 등을 통해 형성될 수 있다.The p-type silicon layer may be formed of p-type silicon doped with a Group 3B element such as boron (B) in silicon through physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD) or the like.
아울러, 상기 p형 실리콘층은 실리콘(Si) 외에도 SiH4, SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC 등을 사용하여 B2H6와 같은 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어 상기 p형 실리콘층은 SiH4와 수소 가스 및 B2H6를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통해 형성될 수 있다.
The p-type silicon layer may be formed by doping impurities such as B 2 H 6 by using SiH 4 , SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC or the like in addition to silicon have. That is, for example, the p-type silicon layer may be formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using SiH 4 , hydrogen gas, and B 2 H 6 .
상기 i형 실리콘층은 광흡수층으로서 상기 p형 실리콘층 상에 위치한다. 이때, 상기 i형 실리콘층은 Si를 포함하며, Si 외에도 SiH4, SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC 등을 수소 가스와 함께 사용함으로서 i형 실리콘층이 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어, SiH4와 수소 가스를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통해 형성될 수 있다.
The i-type silicon layer is positioned on the p-type silicon layer as a light absorbing layer. At this time, the i-type silicon layer includes Si, and SiH 4 , SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC, etc. are used together with hydrogen gas in addition to Si to form an i- . That is, it can be formed through plasma chemical vapor deposition (PECVD) using, for example, SiH 4 and hydrogen gas.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지에 있어서, 상기 금속전극층은 상기 플러렌 유도체층 상부에 구비되며, 상기 금속전극층으로는 일함수가 낮은 Al, Ca, Ag, Zn, Cr 등의 금속들을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄, 또는 LiF/Al을 금속전극으로서 사용할 수 있으나, 상기 금속전극이 이에 제한되는 것은 아니다.
In the hybrid thin-film solar cell according to the present invention, the metal electrode layer may be formed on the fullerene derivative layer, and metals such as Al, Ca, Ag, Zn, and Cr may be used as the metal electrode layer. Preferably, aluminum or LiF / Al can be used as the metal electrode, but the metal electrode is not limited thereto.
또한, 본 발명은 In addition,
금속전극층, 플러렌 유도체 층, i형(intrinsic) 실리콘층, p형 실리콘층, 및 투명전극층이 순차적으로 적층된 하이브리드 박막 태양전지를 제공한다.
There is provided a hybrid thin film solar cell comprising a metal electrode layer, a fullerene derivative layer, an i-type (intrinsic) silicon layer, a p-type silicon layer, and a transparent electrode layer sequentially laminated.
상기 하이브리드 박막 태양전지는 금속전극층이 금속전극으로서의 역할뿐만 아니라 금속기판으로서 사용되고 있는 것으로, 그 구조가 상이한 것을 제외하고는 전술한 하이브리드 박막 태양전지와 그 구성이 동일하며, 이에 따라 각 구성에 대한 설명 역시 전술한 내용들과 동일하기 때문에 이에 대한 설명은 생략한다.
The hybrid thin film solar cell has the same structure as that of the above-described hybrid thin film solar cell except that the metal electrode layer is used as a metal electrode as well as a metal substrate and its structure is different. And therefore, the description thereof is omitted.
나아가, 본 발명은Further,
기판상에 투명전극층을 코팅하는 단계(단계 1);Coating a transparent electrode layer on the substrate (step 1);
상기 투명전극층 상부에 p형 실리콘층, i형 실리콘층 및 플러렌 유도체층을 순차적으로 형성시키는 단계(단계 2); 및Sequentially forming a p-type silicon layer, an i-type silicon layer and a fullerene derivative layer on the transparent electrode layer (step 2); And
상기 단계 2에서 적층된 플러렌 유도체층 상부에 금속전극을 형성시키는 단계(단계 3)를 포함하는 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
And forming a metal electrode on the layer of the fullerene derivative layer stacked in the step 2 (step 3).
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a hybrid thin-film solar cell according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판상에 투명전극층을 코팅하는 단계이다.In the method of manufacturing a hybrid thin-film solar cell according to the present invention,
이때, 상기 기판으로는 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱 기판을 사용할 수 있으며, 상기 플라스틱으로는 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드 (PI), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG),폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀폴리머(COP), 사이클로올레핀코폴리머(COC), 디시클로펜타디엔폴리머(DCPD), 시클로펜타디엔폴리머(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 등을 사용할 수 있다. 그러나, 상기 플라스틱 기판이 이에 제한되는 것은 아니며, 실리콘 태양전지의 기판으로서 사용될 수 있는 모든 플라스틱 기판을 사용할 수 있다.
As the substrate, a transparent glass or a transparent plastic substrate may be used. Examples of the plastic include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene sulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC) (PMMA), polyimide (PI), ethylene vinyl acetate (EVA), amorphous polyethylene terephthalate (APET), polypropylene terephthalate (PPT), polyethylene terephthalate glycerol (PETG), polycyclohexyl (COD), cyclopentadiene polymer (DCPD), cyclopentadiene polymer (CPD), poly (ethylene terephthalate) copolymer, (PAR), polyetherimide (PEI), polydimethylsiloxane (PDMS), and the like can be used. However, the plastic substrate is not limited thereto, and any plastic substrate that can be used as a substrate of a silicon solar cell can be used.
또한, 상기 단계 1에 있어서, 투명전극은 AZO(Aluminium Zinc Oxide), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(Aluminium Tin Oxide, ATO), 불소함유 산화주석( Fluorine-doped Tin Oxide, FTO), 은 나노와이어, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 그러나, 상기 투명전극이 이에 제한되는 것은 아니며, 실리콘 태양전지의 투명전극으로서 사용될 수 있는 모든 투명전극물질을 사용할 수 있다.In the
상기 투명전극은 화학기상증착 등의 증착공정을 통해 기판상에 형성될 수 있으며, 상기 화학기상증착 외에도 투명전극을 기판상에 형성시킬 수 있는 공지된 방법들을 적절히 선택하여 투명전극을 기판상에 형성시킬 수 있다.
The transparent electrode may be formed on a substrate through a vapor deposition process such as chemical vapor deposition. In addition to the chemical vapor deposition, a known method of forming a transparent electrode on a substrate may be appropriately selected to form a transparent electrode on a substrate .
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 투명전극층 상부에 p형 실리콘층, i형 실리콘층 및 플러렌 유도체층을 순차적으로 형성시키는 단계이다.In the method of manufacturing a hybrid thin-film solar cell according to the present invention,
상기 단계 2의 p형 실리콘층, i형 실리콘층은 종래의 실리콘 박막 태양전지와 동일한 공정으로 형성될 수 있다.The p-type silicon layer and the i-type silicon layer in the
예를 들어, 상기 p형 실리콘층은 실리콘에 붕소(B)와 같은 3B족 원소가 도핑된 p형 실리콘으로서, 물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD) 등을 통해 형성될 수 있다.For example, the p-type silicon layer may be formed of p-type silicon doped with a Group 3B element such as boron (B) through physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD) or the like.
아울러, 상기 p형 실리콘층은 실리콘(Si) 외에도 SiH4, SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC 등을 사용하여 B2H6와 같은 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어 상기 p형 실리콘층은 SiH4와 수소 가스 및 B2H6를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통해 형성될 수 있다.
The p-type silicon layer may be formed by doping impurities such as B 2 H 6 by using SiH 4 , SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC or the like in addition to silicon have. That is, for example, the p-type silicon layer may be formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using SiH 4 , hydrogen gas, and B 2 H 6 .
또한, 상기 i형 실리콘층은 광흡수층으로서 상기 p형 실리콘층 상에 위치한다. 이때, 상기 i형 실리콘층은 Si를 포함하며, Si 외에도 SiH4, SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC 등을 수소 가스와 함께 사용함으로서 i형 실리콘층이 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어, SiH4와 수소 가스를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통해 형성될 수 있다.
Further, the i-type silicon layer is located on the p-type silicon layer as a light absorbing layer. At this time, the i-type silicon layer includes Si, and SiH 4 , SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC, etc. are used together with hydrogen gas in addition to Si to form an i- . That is, it can be formed through plasma chemical vapor deposition (PECVD) using, for example, SiH 4 and hydrogen gas.
그러나, 상기 p형 실리콘층, i형 실리콘층의 제조가 상기 예시들에 의해 제한되는 것은 아니며, p형 실리콘층 및 i형 실리콘층을 형성시킬 수 있는 다양한 방법들을 적절히 선택하여 p형 실리콘층 및 i형 실리콘층을 형성시킬 수 있다.
However, the production of the p-type silicon layer and the i-type silicon layer is not limited to the above examples, and various methods capable of forming the p-type silicon layer and the i-type silicon layer may be appropriately selected to form the p- an i-type silicon layer can be formed.
한편, 상기 단계 2의 플러렌 유도체층은 종래의 실리콘 태양전지에 있어서, n-형 반도체로 사용되었던 n-형 실리콘층을 플러렌 유도체로 대체한 것으로, 상기 플러렌 유도체를 n-형 반도체로 포함함에 따라 종래의 실리콘 태양전지와 비교하여 더욱 우수한 광전변환효율을 나타내는 태양전지를 제조할 수 있다.Meanwhile, the fullerene derivative layer of
이때, n-형 반도체로서 단계 2에서 형성되는 상기 플러렌 유도체는 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC61BM, PC71BM, Bis-PCBM, IC60MA, IC70MA, IC60BA, IC70BA, BC60MA, BC70MA 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 PCBM을 플러렌 유도체로서 사용할 수 있으나, 상기 플러렌 유도체가 이에 제한되는 것은 아니다.
In this case, the fullerene derivative formed in
아울러, 상기 플러렌 유도체층은 용액공정을 통해 형성될 수 있다. In addition, the fullerene derivative layer may be formed through a solution process.
종래의 n-형 실리콘은 PH3와 같은 유해가스를 이용하여 형성됨에 따라 상기 유해가스로 인한 위험성이 있었다. 그러나, 상기 플러렌 유도체는 PH3와 같은 유해가스를 사용하지 않고도 플러렌 유도체가 분산된 분산액을 스핀코팅과 같은 용액공정을 통한 코팅이 가능하기 때문에 제조공정의 편의성 및 위험성 해소 효과가 있다.
Conventional n-type silicon is formed using noxious gas such as PH 3, and thus there is a risk due to the noxious gas. However, since the fullerene derivative can be coated by a solution process such as spin coating, the dispersion in which the fullerene derivative is dispersed can be coated without using a harmful gas such as PH 3 , thereby being convenient for the manufacturing process and solving the risk.
한편, 상기 플러렌 유도체층은 10 내지 50 nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 플러렌 유도체층의 두께가 10 nm 미만인 경우에는 n-형 반도체로서 역할을 하지 못하여 태양전지 내에서 내부 확산 전위(Built-in potential)이 충분히 걸리지 못하는 문제가 있으며, 플러렌 유도체층의 두께가 50 nm를 초과하는 경우에는 계면저항이 증가하는 문제가 있다.
Meanwhile, the fullerene derivative layer is preferably formed to a thickness of 10 to 50 nm. If the thickness of the fullerene derivative layer is less than 10 nm, it can not act as an n-type semiconductor, and the built-in potential can not be sufficiently applied in the solar cell. If it exceeds 50 nm, there is a problem that the interface resistance increases.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 적층된 플러렌 유도체층 상부에 금속전극을 형성시키는 단계이다.In the method for manufacturing a hybrid thin-film solar cell according to the present invention, the
이때, 상기 금속전극층으로는 일함수가 낮은 Al, Ca, Ag, Zn, Cr 등의 금속들을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄, 또는 LiF/Al을 금속전극으로서 사용할 수 있으나, 상기 금속전극이 이에 제한되는 것은 아니다.
As the metal electrode layer, metals such as Al, Ca, Ag, Zn, and Cr having low work function may be used. Preferably, aluminum or LiF / Al may be used as a metal electrode. But is not limited to.
나아가, 본 발명은Further,
금속전극층 상에 플러렌 유도체층, i형 실리콘층, 및 p형 실리콘층을 순차적으로 형성시키는 단계(단계 1); 및Sequentially forming a fullerene derivative layer, an i-type silicon layer, and a p-type silicon layer on the metal electrode layer (step 1); And
상기 단계 1에서 적층된 n형 실리콘층 상부에 투명전극층을 형성시키는 단계(단계 2)를 포함하는 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
And forming a transparent electrode layer on the n-type silicon layer stacked in the step 1 (step 2).
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a hybrid thin-film solar cell according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 1은 금속전극층 상에 플러렌 유도체층, i형 실리콘층, 및 p형 실리콘층을 순차적으로 형성시키는 단계이다.In the method of manufacturing a hybrid thin-film solar cell according to the present invention,
상기 단계 1에서는 금속전극층을 금속기판으로서 사용하여 금속전극층 상에 플러렌 유도체층, i형 실리콘층, 및 p형 실리콘층을 순차적으로 형성시킨다. In the
이때, 상기 금속전극층으로는 일함수가 낮은 Al, Ca, Ag, Zn, Cr 등의 금속들을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄, 또는 LiF/Al을 금속전극으로서 사용할 수 있으나, 상기 금속전극이 이에 제한되는 것은 아니다.
As the metal electrode layer, metals such as Al, Ca, Ag, Zn, and Cr having low work function may be used. Preferably, aluminum or LiF / Al may be used as a metal electrode. But is not limited to.
한편, 상기 단계 1의 p형 실리콘층, i형 실리콘층은 종래의 실리콘 박막 태양전지와 동일한 공정으로 형성될 수 있다.Meanwhile, the p-type silicon layer and the i-type silicon layer in the
예를 들어, 상기 p형 실리콘층은 실리콘에 붕소(B)와 같은 3B족 원소가 도핑된 p형 실리콘으로서, 물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD) 등을 통해 형성될 수 있다.For example, the p-type silicon layer may be formed of p-type silicon doped with a Group 3B element such as boron (B) through physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD) or the like.
아울러, 상기 p형 실리콘층은 실리콘(Si) 외에도 SiH4, SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC 등을 사용하여 B2H6와 같은 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어 상기 p형 실리콘층은 SiH4와 수소 가스 및 B2H6를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통해 형성될 수 있다.
The p-type silicon layer may be formed by doping impurities such as B 2 H 6 by using SiH 4 , SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC or the like in addition to silicon have. That is, for example, the p-type silicon layer may be formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using SiH 4 , hydrogen gas, and B 2 H 6 .
또한, 상기 i형 실리콘층은 광흡수층으로서 상기 p형 실리콘층 상에 위치한다. 이때, 상기 i형 실리콘층은 Si를 포함하며, Si 외에도 SiH4, SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC 등을 수소 가스와 함께 사용함으로서 i형 실리콘층이 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어, SiH4와 수소 가스를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통해 형성될 수 있다.
Further, the i-type silicon layer is located on the p-type silicon layer as a light absorbing layer. At this time, the i-type silicon layer includes Si, and SiH 4 , SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, SiGeC, etc. are used together with hydrogen gas in addition to Si to form an i- . That is, it can be formed through plasma chemical vapor deposition (PECVD) using, for example, SiH 4 and hydrogen gas.
그러나, 상기 p형 실리콘층, i형 실리콘층의 제조가 상기 예시들에 의해 제한되는 것은 아니며, p형 실리콘층 및 i형 실리콘층을 형성시킬 수 있는 다양한 방법들을 적절히 선택하여 p형 실리콘층 및 i형 실리콘층을 형성시킬 수 있다.
However, the production of the p-type silicon layer and the i-type silicon layer is not limited to the above examples, and various methods capable of forming the p-type silicon layer and the i-type silicon layer may be appropriately selected to form the p- an i-type silicon layer can be formed.
한편, 상기 단계 1의 플러렌 유도체층은 종래의 실리콘 태양전지에 있어서, n-형 반도체로 사용되었던 n-형 실리콘층을 플러렌 유도체로 대체한 것으로, 상기 플러렌 유도체를 n-형 반도체로 포함함에 따라 종래의 실리콘 태양전지와 비교하여 더욱 우수한 광전변환효율을 나타내는 태양전지를 제조할 수 있다.Meanwhile, the fullerene derivative layer of
이때, n-형 반도체로서 단계 1에서 형성되는 상기 플러렌 유도체는 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC61BM, PC71BM, Bis-PCBM, IC60MA, IC70MA, IC60BA, IC70BA, BC60MA, BC70MA 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 PCBM을 플러렌 유도체로서 사용할 수 있으나, 상기 플러렌 유도체가 이에 제한되는 것은 아니다.
In this case, the fullerene derivative formed in
아울러, 상기 플러렌 유도체층은 용액공정을 통해 형성될 수 있다. In addition, the fullerene derivative layer may be formed through a solution process.
종래의 n-형 실리콘은 PH3와 같은 유해가스를 이용하여 형성됨에 따라 상기 유해가스로 인한 위험성이 있었다. 그러나, 상기 플러렌 유도체는 PH3와 같은 유해가스를 사용하지 않고도 플러렌 유도체가 분산된 분산액을 스핀코팅과 같은 용액공정을 통한 코팅이 가능하기 때문에 제조공정의 편의성 및 위험성 해소 효과가 있다.
Conventional n-type silicon is formed using noxious gas such as PH 3, and thus there is a risk due to the noxious gas. However, since the fullerene derivative can be coated by a solution process such as spin coating, the dispersion in which the fullerene derivative is dispersed can be coated without using a harmful gas such as PH 3 , thereby being convenient for the manufacturing process and solving the risk.
한편, 상기 플러렌 유도체층은 10 내지 50 nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 플러렌 유도체층의 두께가 10 nm 미만인 경우에는 n-형 반도체로서 역할을 하지 못하여 태양전지 내에서 내부 확산 전위(Built-in potential)이 충분히 걸리지 못하는 문제가 있으며, 플러렌 유도체층의 두께가 50 nm를 초과하는 경우에는 계면저항이 증가하는 문제가 있다.
Meanwhile, the fullerene derivative layer is preferably formed to a thickness of 10 to 50 nm. If the thickness of the fullerene derivative layer is less than 10 nm, it can not act as an n-type semiconductor, and the built-in potential can not be sufficiently applied in the solar cell. If it exceeds 50 nm, there is a problem that the interface resistance increases.
본 발명에 따른 하이브리드 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 적층된 n형 실리콘층 상부에 투명전극층을 형성시키는 단계이다.In the method of manufacturing a hybrid thin-film solar cell according to the present invention,
상기 단계 2에 있어서, 투명전극은 AZO(Aluminium Zinc Oxide), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(Aluminium Tin Oxide, ATO), 불소함유 산화주석( Fluorine-doped Tin Oxide, FTO), 은 나노와이어, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 그러나, 상기 투명전극이 이에 제한되는 것은 아니며, 실리콘 태양전지의 투명전극으로서 사용될 수 있는 모든 투명전극물질을 사용할 수 있다.In the
상기 투명전극은 화학기상증착 등의 증착공정을 통해 기판상에 형성될 수 있으며, 상기 화학기상증착 외에도 투명전극을 기판상에 형성시킬 수 있는 공지된 방법들을 적절히 선택하여 투명전극을 기판상에 형성시킬 수 있다.
The transparent electrode may be formed on a substrate through a vapor deposition process such as chemical vapor deposition. In addition to the chemical vapor deposition, a known method of forming a transparent electrode on a substrate may be appropriately selected to form a transparent electrode on a substrate .
본 발명에 따른 상기 제조방법은 n-형 반도체로서 플러렌 유도체를 적용하여 하이브리드 태양전지를 제조하는 것으로서, 상기 플러렌 유도체가 홀 배리어 층로서 작용하여 홀과 전자의 재결합을 방지하여 광전변환효율이 향상된 태양전지를 제조할 수 있다. 아울러, 종래의 실리콘 박막 태양전지와 비교하여 n-형 반도체의 제조시 유해가스를 사용하지 않고 용액공정을 통해 플러렌 유도체층을 형성시킬 수 있어 유해가스로 인한 위험성을 해소할 수 있다.
The manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing a hybrid solar cell by applying a fullerene derivative as an n-type semiconductor, wherein the fullerene derivative acts as a hole barrier layer to prevent recombination of holes and electrons, A battery can be manufactured. Further, as compared with the conventional silicon thin film solar cell, the n-type semiconductor can be manufactured by forming a fullerene derivative layer through a solution process without using noxious gas, thereby eliminating the risk of harmful gas.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1> 하이브리드 박막 태양전지의 제조Example 1 Production of Hybrid Thin Film Solar Cell
단계 1 : 유리기판 상에 FTO 투명전극을 형성시켰다.
Step 1: An FTO transparent electrode was formed on a glass substrate.
단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 투명전극 상에 p형 실리콘층, i형 실리콘층 및 플러렌 유도체로서 PCBM층을 순차적으로 형성시켰다.Step 2: A p-type silicon layer, an i-type silicon layer and a PCBM layer as a fullerene derivative were sequentially formed on the transparent electrode formed in
이때, 상기 p형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 BH4를 불순물로서 공급하여 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 12 nm의 두께로 형성시켰다.At this time, the p-type silicon layer was formed to have a thickness of 12 nm by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas and supplying BH 4 as an impurity through a plasma-enhanced chemical vapor deposition process.
또한, 상기 i형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 450 nm의 두께로 형성시켰다.
In addition, the i-type silicon layer was formed to a thickness of 450 nm through a plasma-enhanced chemical vapor deposition process by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas.
아울러, 상기 PCBM층은 PCBM을 1중량%의 농도로 용매인 클로로벤젠에 분산시킨 후, 이를 스핀코팅하여 형성시켰으며, 형성된 PCBM층은 핫플레이트를 이용하여 글로브박스 내에서 150 ℃의 온도로 10분간 가열하여 건조시켰다.The PCBM layer was formed by dispersing PCBM in chlorobenzene as a solvent at a concentration of 1 wt% and then spin-coating the PCBM layer. The formed PCBM layer was heated in a glove box at a temperature of 150 ° C Heated for a minute to dry.
이때, 제조된 PCBM층의 두께는 약 10 내지 20 nm로 나타났다.
At this time, the thickness of the PCBM layer was about 10 to 20 nm.
단계 3 : 상기 단계 2에서 형성된 PCBM층 상에 금속전극으로서 LiF/Al을 열증착시켜 하이브리드 박막 태양전지를 제조하였다.
Step 3: LiF / Al was thermally deposited as a metal electrode on the PCBM layer formed in
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
단계 1 : 유리기판 상에 FTO 투명전극을 형성시켰다.
Step 1: An FTO transparent electrode was formed on a glass substrate.
단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 투명전극 상에 p형 실리콘층, i형 실리콘층 및 n형 실리콘층을 순차적으로 형성시켰다.Step 2: A p-type silicon layer, an i-type silicon layer and an n-type silicon layer were sequentially formed on the transparent electrode formed in
이때, 상기 p형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 BH4를 불순물로서 공급하여 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.At this time, the p-type silicon layer is formed by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas and supplying BH 4 as an impurity by plasma-enhanced chemical vapor deposition.
또한, 상기 i형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.Also, the i-type silicon layer was formed through a plasma-enhanced chemical vapor deposition process by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas.
나아가, 상기 n형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 PH3를 불순물로서 공급하여 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.
Further, the n-type silicon layer was formed by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas and supplying PH 3 as an impurity, through a plasma-enhanced chemical vapor deposition process.
단계 3 : 상기 단계 2에서 형성된 n형 실리콘층 상에 금속전극으로서 LiF/Al을 열증착시켜 실리콘 박막 태양전지를 제조하였다.
Step 3: LiF / Al was thermally deposited as a metal electrode on the n-type silicon layer formed in
<비교예 2>≪ Comparative Example 2 &
단계 1 : 유리기판 상에 FTO 투명전극을 형성시켰다.
Step 1: An FTO transparent electrode was formed on a glass substrate.
단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 투명전극 상에 p형 실리콘층 및 i형 실리콘층을 순차적으로 형성시켰다.Step 2: A p-type silicon layer and an i-type silicon layer are sequentially formed on the transparent electrode formed in the step 1).
이때, 상기 p형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 BH4를 불순물로서 공급하여 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.At this time, the p-type silicon layer is formed by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas and supplying BH 4 as an impurity by plasma-enhanced chemical vapor deposition.
또한, 상기 i형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.
Also, the i-type silicon layer was formed through a plasma-enhanced chemical vapor deposition process by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas.
단계 3 : 상기 단계 2에서 형성된 n형 실리콘층 상에 금속전극으로서 Al을 열증착시켜 실리콘 박막 태양전지를 제조하였다.
Step 3: Al was thermally deposited as a metal electrode on the n-type silicon layer formed in
<비교예 3>≪ Comparative Example 3 &
단계 1 : 유리기판 상에 FTO 투명전극을 형성시켰다.
Step 1: An FTO transparent electrode was formed on a glass substrate.
단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 투명전극 상에 p형 실리콘층 및 i형 실리콘층을 순차적으로 형성시켰다.Step 2: A p-type silicon layer and an i-type silicon layer are sequentially formed on the transparent electrode formed in the step 1).
이때, 상기 p형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 BH4를 불순물로서 공급하여 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.At this time, the p-type silicon layer is formed by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas and supplying BH 4 as an impurity by plasma-enhanced chemical vapor deposition.
또한, 상기 i형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.
Also, the i-type silicon layer was formed through a plasma-enhanced chemical vapor deposition process by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas.
단계 3 : 상기 단계 2에서 형성된 n형 실리콘층 상에 금속전극으로서 LiF/Al을 열증착시켜 실리콘 박막 태양전지를 제조하였다.
Step 3: LiF / Al was thermally deposited as a metal electrode on the n-type silicon layer formed in
<비교예 4>≪ Comparative Example 4 &
단계 1 : 유리기판 상에 FTO 투명전극을 형성시켰다.
Step 1: An FTO transparent electrode was formed on a glass substrate.
단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 투명전극 상에 p형 실리콘층, i형 실리콘층 및 n형 실리콘층을 순차적으로 형성시켰다.Step 2: A p-type silicon layer, an i-type silicon layer and an n-type silicon layer were sequentially formed on the transparent electrode formed in
이때, 상기 p형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 BH4를 불순물로서 공급하여 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.At this time, the p-type silicon layer is formed by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas and supplying BH 4 as an impurity by plasma-enhanced chemical vapor deposition.
또한, 상기 i형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.Also, the i-type silicon layer was formed through a plasma-enhanced chemical vapor deposition process by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas.
나아가, 상기 n형 실리콘층은 SiH4와 수소가스의 혼합가스를 공급하며 PH3를 불순물로서 공급하여 화학기상증착공정(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해 형성시켰다.
Further, the n-type silicon layer was formed by supplying a mixed gas of SiH 4 and hydrogen gas and supplying PH 3 as an impurity, through a plasma-enhanced chemical vapor deposition process.
단계 3 : 상기 단계 2에서 형성된 n형 실리콘층 상에 금속전극으로서 Al을 열증착시켜 실리콘 박막 태양전지를 제조하였다.
Step 3: Al was thermally deposited as a metal electrode on the n-type silicon layer formed in
<실험예 1> TEM/EDX 분석<Experimental Example 1> TEM / EDX analysis
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 태양전지의 단면을 관찰하기 위하여 에너지 분산형 X-선 분석기(Energy dispersive X-ray analyzer, EDX)가 결합된 투과전자현미경을 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.In order to observe the cross section of the solar cell manufactured in Example 1 and Comparative Example 1, analysis was performed using a transmission electron microscope combined with an energy dispersive X-ray analyzer (EDX) Are shown in Fig. 4 and Fig.
도 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 태양전지는 금속전극인 LiF/Al과 i형 실리콘층 사이에 n형 반도체로서 PCBM층이 존재하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, the solar cell manufactured in Example 1 has a PCBM layer as an n-type semiconductor between LiF / Al, which is a metal electrode, and an i-type silicon layer.
아울러, 도 5의 에너지 분산형 X-선 분석기 결과를 통해서도 실시예 1에서 제조된 태양전지는 금속전극인 LiF/Al과 i형 실리콘층 사이에 n형 반도체로서 PCBM(도면에서 C로 표기됨)층이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
The results of the energy dispersive X-ray analyzer of FIG. 5 also show that the solar cell manufactured in Example 1 has the PCBM (denoted by C in the figure) as an n-type semiconductor between the metal electrode LiF / Al and the i- Layer is present.
<실험예 2> 질량분광 분석Experimental Example 2 Mass spectrometry
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 태양전지의 깊이 프로파일(depth profile)을 관찰하기 위하여 2차 이온 질량 분광계(SIMS, secondary ion mass spectrometer)를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.The depth profile of the solar cell prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was analyzed using a secondary ion mass spectrometer (SIMS). The results are shown in FIG. 6 .
도 6에 나타낸 바와 같이, 비교예 1에서 제조된 태양전지는 탄소(C)에 해당하는 피크가 거의 검출되지 않는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 태양전지 내에 유기물로 이루어진 구성요소가 포함되지 않는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, it can be seen that the peak corresponding to carbon (C) is hardly detected in the solar cell manufactured in Comparative Example 1, .
반면, 실시예 1에서 제조된 태양전지는 탄소(C)에 해당하는 피크가 명확하게 검출되는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 실시예 1에서 제조된 태양전지에는 PCBM, 즉 유기물로 이루어진 n-형 반도체층이 포함되어 있음을 알 수 있다.
On the other hand, it can be seen that a peak corresponding to carbon (C) is clearly detected in the solar cell manufactured in Example 1. As a result, the solar cell produced in Example 1 has PCBM, that is, an n- Layer is included.
<실험예 3> 태양전지의 전압-전류곡선 분석<Experimental Example 3> Voltage-current curve analysis of a solar cell
상기 실시예 1과, 비교예 2 및 3에서 제조된 태양전지의 전압-전류곡선(빛이 조사되는 경우 및 조사되지 않는 경우)을 솔라 시뮬레이터를 이용하여 분석하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.The voltage-current curves (when light was irradiated and when not irradiated) of the solar cell prepared in Example 1 and Comparative Examples 2 and 3 were analyzed using a solar simulator, and the results are shown in FIG. 7 .
도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 빛이 조사되는 환경 하에서, 실시예 1의 태양전지는 비교예 2 및 3과 비교하여 더욱 높은 전류밀도 및 개방전압값을 나타내고 있음을 알 수 있다.As shown in Fig. 7 (a), it can be seen that the solar cell of Example 1 shows higher current density and open-circuit voltage as compared with Comparative Examples 2 and 3 under an environment in which light is irradiated.
또한, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 빛이 조사되지 않는 어두운 환경에서는 비교예 2 및 3의 태양전지는 암전류밀도(dark current density)가 비교적 높게 나오는 것을 알 수 있으나, 실시예 1의 태양전지는 상대적으로 가장 낮은 암전류밀도를 나타내고 있는 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 7 (b), the dark current density of the solar cells of Comparative Examples 2 and 3 was relatively high in a dark environment in which no light was irradiated, It can be seen that the solar cell has the lowest dark current density.
<실험예 4> 태양전지의 광전변환효율 및 외부양자효율 분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 4 Photoelectric Conversion Efficiency and External Quantum Efficiency of Solar Cells
상기 실시예 1에서 제조된 하이브리드 박막 태양전지와, 비교예 1 내지 4에서 제조된 종래의 실리콘 박막 태양전지의 광전변환효율을 솔라시뮬레이터 및 IPCE(incident-photon-to-current-conversion efficiency) 측정 장치를 이용하여 분석하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 8에 나타내었다.
The photoelectric conversion efficiencies of the hybrid thin film solar cell prepared in Example 1 and the conventional silicon thin film solar cell prepared in Comparative Examples 1 to 4 were measured with a solar simulator and an incident-photon-to-current- And the results are shown in Table 1 and FIG. 8, respectively.
factorFill
factor
(%)PCE
(%)
(cm2)R shunt
(cm 2 )
(cm2)R series
(cm 2 )
상기 표 1 및 도 8 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 하이브리드 박막 태양전지는 비교예 1 내지 4의 실리콘 박막 태양전지와 비교하여 더욱 우수한 광전변환효율(PCE)을 나타내고 있음을 알 수 있다.As shown in Table 1 and FIG. 8 (a), the hybrid thin-film solar cell manufactured in Example 1 exhibits a better photoelectric conversion efficiency (PCE) as compared with the silicon thin-film solar cell of Comparative Examples 1 to 4 .
아울러, 도 8 (b)에 나타낸 바와 같이, 외부양자효율 역시 종래의 실리콘 박막 태양전지와 비교하여 350 내지 600 nm의 파장범위에서 현저하게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 상기 외부양자효율 결과를 통해 본 발명에 따른 하이브리드 태양전지에서 플러렌 유도체층을 포함함에 따라 종래의 실리콘 박막 태양전지보다 더욱 향상된 계면접촉이 이루어지고 있음을 예측할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 8 (b), the external quantum efficiency is significantly improved in the wavelength range of 350 to 600 nm as compared with the conventional silicon thin film solar cell. As a result of the external quantum efficiency results, it can be predicted that the improved contact performance of the hybrid solar cell according to the present invention is improved as compared with the conventional silicon thin film solar cell by including the fullerene derivative layer.
Claims (12)
A hybrid thin film solar cell comprising a substrate, a transparent electrode layer, a p-type silicon layer, an i-type intrinsic silicon layer, a PCBM layer having a thickness of 10 to 20 nm, and a LiF / Al electrode layer sequentially laminated.
A LiF / Al electrode layer, a fullerene derivative layer having a thickness of 10 to 20 nm, an i-type (intrinsic) silicon layer, a p-type silicon layer and a transparent electrode layer sequentially laminated.
The hybrid thin-film solar cell according to claim 1, wherein the substrate is transparent glass or a transparent plastic substrate.
The transparent electrode layer according to claim 1 or 2, wherein the transparent electrode layer comprises at least one of aluminum-zinc oxide (AZO), indium-tin oxide (ITO), zinc oxide ), aluminum tin (ATO oxide; Aluminium-tin oxide; SnO 2 : Al), the fluorine-containing tin oxide (FTO: fluorine-doped tin oxide), comprises a nanowire, graphene (graphene), and carbon nanotubes Lt; RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
상기 n형 반도체층으로서 10 내지 20 nm 두께의 PCBM 층을 사용하고, 금속전극층으로서 LiF/Al 전극층을 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
A method for improving the photoelectric conversion efficiency of a thin film solar cell in which a substrate, a transparent electrode layer, a p-type silicon layer, an i-type (intrinsic) silicon layer, an n-type semiconductor layer and a metal electrode layer are stacked in this order,
Wherein a PCBM layer having a thickness of 10 to 20 nm is used as the n-type semiconductor layer, and a LiF / Al electrode layer is used as a metal electrode layer.
상기 n형 반도체층으로서 10 내지 20 nm 두께의 PCBM 층을 사용하고, 금속전극층으로서 LiF/Al 전극층을 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
A method for improving photoelectric conversion efficiency of a thin film solar cell in which a metal electrode layer, an n-type semiconductor layer, an i-type (intrinsic) silicon layer, a p-type silicon layer and a transparent electrode layer are laminated in this order,
Wherein a PCBM layer having a thickness of 10 to 20 nm is used as the n-type semiconductor layer, and a LiF / Al electrode layer is used as a metal electrode layer.
11. The method of claim 9 or 10, wherein the PCBM layer is formed by spin coating a PCBM solution having a concentration of 1 to 10% by weight.
12. The method of claim 11, wherein the PCBM layer is subjected to a heat treatment at a temperature of 100 to 200 DEG C after spin coating.
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