KR102086809B1 - 고굴절 계수의 투명전극층이 삽입된 탠덤 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고굴절 계수의 투명전극층이 삽입된 탠덤 태양전지에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 박막태양전지를 포함하는 상부 태양전지층; 결정질 실리콘 태양전지를 포함하는 하부 태양전지층; 및 상부 태양전지층과 하부 태양전지층 사이에 형성되는 투명전극 삽입층을 포함하고, 투명전극 삽입층은 하부 태양전지층의 광활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고굴절 계수의 투명전극층이 삽입된 탠덤 태양전지 {Tandem solar cells with transparent conducting electrode with high refractive index}
본 발명은 고굴절 계수의 투명전극층이 삽입된 탠덤 태양전지에 관한 것으로, 상세하게는 상부 태양전지층과 하부 태양전지층의 사이에 삽입되어 광반사도를 조절할 수 있는 투명전극 삽입층을 포함하는 탠덤 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 광흡수층으로 어떠한 물질을 사용하는가에 따라 다양하게 분류된다. 광흡수층으로 주로 실리콘을 사용하는 태양전지가 주를 이루고 있으나, 최근 효율이 높은 캘코지나이드(chalcogenide)계열의 물질을 광흡수층으로 사용하는 캘코지나이드계 태양전지의 연구가 각광을 받고 있다.
통상적으로 Cu(In1-x, Gax)(Se,S)2 (CGS)로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체를 광활성층으로 사용하는 박막태양전지의 제조 방법은 크게 두 가지로 나뉜다.
하나는 전극층 위에 구성 금속 원소인 Cu, In, 및 Ga을 금속 상태로 먼저 증착한 후, 셀레늄이나 황을 함유한 가스 분위기에서 열처리하여 원하는 조성의 S, Se계 캘코지나이드 화합물을 만드는 것이다. 때에 따라서는 Cu, In, 및 Ga을 순수한 금속상태로 증착하기 보다는 일부 원소가 셀레나이드나 황화물인 형태로 증착하기도 하며, 그 후에 셀레늄이나 황을 함유한 가스 분위기에서 열처리하여 만들기도 한다. 열처리 전에 금속층이나 일부가 셀레나이드나 황화물인 형태로 준비하는 방법으로는 증발법을 사용할 수도 있고 스퍼터링 방법을 사용할 수도 있다. 이와 같이 첫 번째 방식은 먼저 구성 금속 원소로 이루어진 금속층이나 일부가 셀레나이드나 황화물인 층을 먼저 형성하고 그 후에 열처리를 하므로 이러한 제조 방법은 통상 이단계공정(two-step process)으로 명명되고 있다.
두 번째 방법은 증발(evaporation)법을 사용하는 것으로서 셀레늄(Se)을 증발시키면서 금속 성분인 Cu, In, 및 Ga을 증발시켜 원하는 조성의 셀레나이드 화합물을 제조하는 것이다. 물론 목적에 따라 금속 성분을 증발하는 순서나 양 등을 다양하게 변화시키는 것이 가능하다.
상기와 같은 방법으로 제조 될 수 있는 Cu(In1-x, Gax)(Se,S)2 (CGS)로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체의 박막태양전지는 높은 광흡수율과 우수한 반도체 특성으로 인해 높은 광전변환 효율의 달성이 가능해서(CGS 광전변환효율 22.6% 달성-독일 ZSW) 차세대 저가 고효율 태양전지로 기대되고 있다.
CGS 박막은 단단한 유리기판뿐만 아니라 금속기판 또는 폴리머기판 위에서도 성장 가능하여, 플렉서블 태양전지로 개발 할 수 있다. 그 외 CGS 박막태양전지는 Ga/(In+Ga) 비 또는 Se/(Se+S) 비의 변화를 통해 밴드갭을 자유롭게 변화시킬 수 있어서, 태양광 또는 외부광원의 광 스펙트럼에 대응한 광흡수층 소재 설계에 유리하다. 특히, Se계 태양전지는 In/(In+Ga) 비에 따라 밴드갭을 1.0에서 1.7eV까지 바꿀 수 있다. CGS 박막태양전지는 현재는 1.1-1.2 eV 밴드갭 대역에서 가장 높은 광전변환효율 성능을 보이지만, 이론적으로 가장 높은 광전변환효율이 가능한 1.4-1.5 eV 밴드갭에 해당하는 조성에서 더 높은 성능 구현이 가능할 뿐만 아니라, 두 개의 접합을 가지는(two-junction) 탠덤태양전지의 상부셀에 적합한 1.7 eV 밴드갭 소재를 활용한 탠덤태양전지 활용도 가능하다.
또한, 최근에는 결정질 Si 태양전지의 효율 향상이 한계에 도달함에 따라, 결정질 Si 태양전지를 하부 태양전지로, S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체의 박막태양전지를 상부 태양전지로 구성한 하이브리드 탠덤 태양전지에 대한 관심도 고조되고 있다. 상기 언급한 바와 같이 CGS 광활성층은 조성조절을 통한 밴드갭 변화가 용이하기 때문에, 1.7 eV 부근의 높은 밴드갭을 갖는 S, Se계 캘코지나이드계 태양전지를 상부 태양전지로, 1.12 eV 밴드갭을 갖는 결정질 실리콘 태양전지를 하부 태양전지로 하는 탠덤형 태양전지 구현이 가능하다. 결정질 Si 태양전지는 가격경쟁력이 우수한 샌드위치형 셀구조(하부전극/Si/상부전극)를 채택하여 selective contact 기술, 전/후면 패시베이션 기술 적용을 통해 광전변환효율을 23-24% 수준으로 향상시켜왔으나, 광전변환효율 25%를 돌파하기 위해서는 전면 및 후면전극을 한 면에 모두 배치한 IBC 기술 또는 비정질 Si 박막 페시베이션 기술을 적용한 HIT 기술과 같은 복잡하고 고비용의 공정기술 적용이 필요한 상태이다. 기존 샌드위치 셀구조 위에 고밴드갭 CGS 박막과 투명전극 순차적으로 적층하기만 하면 되는 상기 하이브리드 탠덤 태양전지는, 가격경쟁력이 우수하고 30% 이상의 고효율이 가능할 뿐만 아니라 기존 Si 산업생태계를 그대로 활용할 수 있다는 측면에서 우수한 기술이다.
고 굴절 계수의 투명전극층이 삽입된 탠덤 태양전지에 있어서, S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체의 박막태양전지를 탠덤형 태양전지의 상부 태양전지로 적용하고자 하면, 하부 Si 셀로 빛의 투과가 가능하도록 상부에 형성되는 모든 전극이 투명해야 한다. CGS로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체의 박막태양전지는 일반적으로 기판 위에 Mo 후면전극이 먼저 형성되고, 그 위에 S, Se계 캘코지나이드계 광활성층, 그리고 그 위에 버퍼층(CdS, Zn(S, O), ZnSnO, ZnMgO)과 고저항 투명윈도우층(ZnO 등)과 투명전극(AZO, BZO, ITO 등)을 포함하는 상부투명전극 부위가 차례로 형성된다. 이를 탠덤 태양전지로 적용하기 위해서는 광 투과가 불가능한 Mo 금속 후면전극을 실리콘 밴드갭 에너지와 상부 S, Se계 캘코지나이드 화합물의 밴드갭 에너지 사이에 있는 근적외선 영역과 가시광 영역의 파장 영역에서 투명성을 담보할 수 있는 투명전도성 전극으로 대체되어야 한다. 또한, 결정질 실리콘이 광활성층으로 사용되는 하부 태양전지와 CGS로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드계 박막을 광활성층으로 사용하는 상부 태양전지 사이에 투명전극층을 사용하게 될 때, 사용된 투명전극층의 광학 특성이 하부의 실리콘과 많은 차이가 나게 되면 계면에서 광의 반사가 커지게 되어 실리콘 내부로 전달되는 빛의 양이 줄어들게 되며, 이는 하부 태양전지의 광전류의 저하를 초래하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고 굴절 계수의 투명전극층이 삽입된 탠덤 태양전지에 있어서, 상부 태양전지와 하부 태양전지 사이에 삽입되는 투명전극층의 광학적인 굴절 계수를 조절하여, 하부 태양전지의 광활성층으로 전달되는 빛의 손실을 줄이고, 하부 태양전지의 광전류 손실을 억제할 수 있는 투명 도전성 산화물 소재를 적용한 탠덤 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고 본 발명은, 투명전극으로서 화학적으로 안정한 투명 도전성 산화물 소재를 적용한 박막태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 후면전극으로 적용된 투명 도전성 산화물 소재 자체가 변화되어 후면전극으로서의 기능을 할 수 없게 되는 것을 방지하는 박막태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 박막태양전지를 포함하는 상부 태양전지층; 결정질 실리콘 태양전지를 포함하는 하부 태양전지층; 및 상부 태양전지층과 하부 태양전지층 사이에 형성되는 투명전극 삽입층을 포함하고, 투명전극 삽입층은 하부 태양전지층의 광활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는, 탠덤 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 태양전지층은 상부 투명전극층; 버퍼층; S, Se 칼코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층을 포함하고, 투명전극 삽입층을 하부 전극층으로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광활성층은 투명전극 삽입층의 바로 위에 형성 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명전극 삽입층은 타이타늄(Ti) 또는 지르코늄(Zr)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명전극 삽입층은 Nb, Ta 또는 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속 불순물이 도핑된 투명 도전성 산화물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명전극 삽입층은, 하부 태양전지층의 광활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층; 및 하부 태양전지층의 광활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 작은 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제2 투명 도전성 산화물층을 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명전극 삽입층은, 제1 투명 도전성 산화물층 및 제2 투명 도전성 산화물층이 번갈아 적층되어 적어도 두개의 층을 가지는 다층 구조로 형성 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 투명 도전성 산화물층은 In계, Sn계 또는 Zn계 산화물로 구성되는 투명 도전성 산화물층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 도전성 산화물의 비저항은 1Ωcm 보다 낮을(0초과) 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 도전성 산화물층의 두께는 1nm 이상 1000nm 이하 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하부 태양전지층은 결정질 실리콘을 광활성으로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 태양전지의 광활성층은 밴드갭 에너지가 1.5 eV 보다 클 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 태양전지층의 광활성층은 Cu(In1-xGax)(Se,S)(0<x<1)일 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 투명 기판; S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층; 및 투명 기판과 광활성층 사이에 형성되고, 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함하는, 박막태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후면전극은 타이타늄(Ti) 또는 지르코늄(Zr)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 도전성 산화물은 Nb, Ta 또는 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속 불순물이 도핑 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후면전극은, 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층; 및 광학적 굴절 계수가 1.8보다 작은 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제2 투명 도전성 산화물층을 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후면전극이 제1 투명 도전성 산화물층 및 제2 투명 도전성 산화물층으로 구성되는 경우가, 후면전극이 제2 투명 도전성 산화물층으로만 구성되는 경우보다, 상대적으로 투명 기판을 통과하여 광활성층으로 흡수되는 빛의 양이 증가할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 투명 도전성 산화물층은 In계, Sn계 또는 Zn계 산화물로 구성되는 투명 도전성 산화물층 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 태양전지와 하부 태양전지 사이에 삽입되는 투명전극층의 광학적인 굴절 계수를 조절하여, 하부 태양전지의 광활성층으로 전달되는 빛의 손실을 줄이고, 하부 태양전지의 광전류 손실을 억제 할 수 있는 투명 도전성 산화물 소재를 적용할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 투명전극으로서 화학적으로 안정한 투명 도전성 산화물 소재를 적용할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후면전극으로 적용된 투명 도전성 산화물 소재 자체가 변화되어 후면전극으로서의 기능을 할 수 없게 되는 것을 방지하는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, 180 ㎛두께의 결정질 실리콘을 광활성층으로 하는 하부 태양전지 위에 CGS 박막을 광활성층으로 하는 상부 태양전지를 적용한 경우, (a) 상부와 하부 태양전지사이에 투명전극층을 삽입하지 않았을 때, (b) 상부와 하부 태양전지사이에 투명전극층을 삽입하였을 때 CGS 박막층 및 결정질 실리콘층의 광 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, 180 ㎛두께의 결정질 실리콘을 광활성층으로 하는 하부 태양전지 위에 CGS 박막을 광활성층으로 하는 상부 태양전지를 적용한 경우, (a) 상부와 하부 태양전지 사이에 투명전극층을 삽입하지 않았을 때, (b) 상부와 하부 태양전지 사이에 투명전극층을 삽입하였을 때, CGS 박막층 및 결정질 실리콘층의 광 반사 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른, CIGS 박막, 결정질 실리콘 및 ITO 박막의 굴절 계수를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, (a) 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막을 적용한 경우, (b) 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 적용하였을 경우의 상부 태양전지에서 하부 태양전지의 광활성층으로 빛이 전달 되는 상태를 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, 상부 및 하부의 광활성층인 CIGS층 및 결정질 실리콘층, 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막의 굴절 계수를 나타낸 것이다.
도 6은 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, 상부 태양전지 및 하부 태양전지 사이에 투명전극 삽입층을 배치시킨 탠덤 태양전지의 모식도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 비교예 및 실시예 1에 따른, 탠덤 구조의 투명전극 삽입층으로 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 동일한 두께로 적용하였을 때의 반사 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 비교예 및 실시예 1에 따른, 탠덤 구조의 투명전극 삽입층으로 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막의 두께 변화에 따라 얻어지는 반사에 의한 광전류 및 하부 태양전지의 광활성층인 결정질 실리콘에서 흡수되는 광전류를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 비교예 및 실시예 2, 실시예 3에 따른, 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO)층과 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO박막을 교대로 적층하여 제조한 투명전극 삽입층의 반사 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 비교예 및 실시예 2, 실시예 3에 따른, 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO)층과 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO박막을 교대로 적층하여 제조한 투명전극 삽입층을 탠덤 태양전지에 적용 후 하부 태양전지의 광활성층인 결정질 실리콘에서 흡수된 광전류를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 비교예 및 제 3 실시예에 따른, 투명한 기판 위에 후면전극을 배치시킨 모식도를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 비교예 및 실시예 4에 따른, ITO 박막 위에 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 보호층으로 적용하여 태양전지를 제조하고, (a) ITO박막의 두께가 200nm일 때 보호층의 두께에 따른 후면에서의 반사 스펙트럼, (b) ITO박막의 두께가 500nm일 때 보호층의 두께에 따른 후면에서의 반사 스펙트럼 및 (c) 반사 스펙트럼으로부터 얻어지는 색좌표를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 실시예 4에 따른, (a) 반사 스펙트럼 변화에 따른 반사 광전류의 변화, (b) 광활성층으로 흡수되는 빛에 의한 광전류의 변화를 나타낸 것이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
투명전극으로 가장 널리 사용되는 소재는 금속 산화물이다. 대표적인 투명 도전성 산화물(TCO, transparent conducting oxide) 소재로는 이원계(binary) 산화물로서 불순물이 도핑 된 인듐 산화물 (In2O3), 주석 산화물(SnO2) 그리고 아연산화물(ZnO), 카드뮴 산화물(CdO), 티타늄 산화물 등이 있으며, 이외에도 다양한 산화물의 조합을 이용한 아연산화물과 주석산화물의 혼합물(ZnO-SnO2), 인듐 산화물과 아연 산화물의 혼합물(In2O3-ZnO) 등 다양한 종류가 있다. 이들 중, 낮은 비저항과 우수한 광 투과성으로 인하여 가정 널리 사용되어 왔던 산화물은 Sn이 도핑된 In2O3 (ITO: Indium tin oxide)이며, 이 외에도 SnO2에 F(FTO)이나 Sb(ATO) 등의 불순물을 도핑한 산화 주석계 소재와, 그리고 최근에는 ZnO에 Al(AZO), Ga(GZO), B(BZO) 등의 불순물을 도핑한 산화아연계 소재도 널리 사용되고 있다.
S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체의 박막태양전지를 탠덤형 태양전지의 상부 태양전지로 적용하고자 하면, 하부 Si 셀로 빛의 투과가 가능하도록 상부에 형성되는 모든 전극이 투명해야 한다. 하지만 기존의 S,Se 계 캘코지나이드 화합물 반도체의 박막태양전지는 광 투과가 불가능한 Mo 금속 후면전극으로 가지고 있어, 상부 태양전지에서 하부 태양전지로 광이 투과 될 수가 없다. 따라서 실리콘 밴드갭 에너지와 상부 S, Se계 캘코지나이드 화합물의 밴드갭 에너지 사이에 있는 근적외선 영역과 가시광 영역의 파장 영역에서 투명성을 담보할 수 있는 투명전도성 전극으로 후면전극이 대체되어야 한다.
도 1은 본 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, 180 ㎛두께의 결정질 실리콘을 광활성층으로 하는 하부 태양전지 위에 CGS 박막을 광활성층으로 하는 상부 태양전지를 적용한 경우, (a) 상부와 하부 태양전지사이에 투명전극층을 삽입하였을 때, (b) 상부와 하부 태양전지사이에 투명전극층을 삽입하지 않았을 때 CGS 박막층 및 결정질 실리콘층의 광 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, 180 ㎛두께의 결정질 실리콘을 광활성층으로 하는 하부 태양전지 위에 CGS 박막을 광활성층으로 하는 상부 태양전지를 적용한 경우, (a) 상부와 하부 태양전지사이에 투명전극층을 삽입하였을 때, (b) 상부와 하부 태양전지사이에 투명전극층을 삽입하지 않았을 때 CGS 박막층 및 결정질 실리콘층의 광 반사 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 1(a)는 상부 태양전지와 하부 태양전지 사이에 120 nm 두께의 ITO 박막을 사용한 경우이고, 도 1(b)는 투명전극이 사용되지 않은 경우, 즉 ITO 박막의 두께가 0인 경우이다. 두 경우 모두 상부 태양전지는 광활성층으로 1500 nm 두께의 CGS 박막을 사용하고, 그 위에 50 nm 두께의 CdS 버퍼층, 그 위에는 윈도우층으로 80 nm 두께의 ZnO 박막을, 그리고 그 상부에는 투명전극층으로 500nm 두께의 AZO(Al이 도핑된 ZnO) 박막을 사용하였다. 도 1에서 확인할 수 있듯이 상부 태양전지 광활성층의 밴드갭 에너지는 약 1.67eV 정도로 740nm 이하의 파장은 CGS 박막에서 흡수가 이루어지고, 그보다 큰 파장은 거의 흡수되지 않고 실리콘으로 흡수되는 것으로 나타났다. 또한, 실리콘에 흡수되는 광량은 투명전극층을 삽인한 (a)의 경우가 투명전극층을 삽입하지 않은 (b)에 비하여 훨씬 작게 나타났다. 이는 탠덤 구조의 태양전지에서는 상부 태양전지와 하부 태양전지를 연결하는 투명전극층을 사용하는 것이 필수적인데, 투명전극을 사용하였을 경우, 실리콘에 도달하는 장파장 영역에서 하부 태양전지인 실리콘으로 흡수되는 광량이 현격하게 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 2의 (a) 및 (b)는 앞의 흡수 스펙트럼에서 보았듯이, CGS 광활성층의 밴드갭보다 큰 에너지를 가지는 파장인 740 nm 보작 작은 파장 대역에서는 반사도가 거의 같은데, 이는 광활성층이 충분히 두꺼워 광활성층의 하단에 어떤 물질이 와도 차이가 없기 때문이다. 그러나 CGS 광활성층의 밴드갭보다 작은 에너지를 가지는 장파장 대역에서는 반사도가 현저한 차이를 보이는 것을 관찰할 수 있다. 이로부터, 도 1의 (a)와 (b) 두 구조에서 관찰된 장파장 대역에서의 실리콘에 흡수된 광량의 차이는 주로 반사의 차이에 의한 것임을 알 수 있다.
상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 탠덤 구조의 태양전지는 상부 태양전지와 하부 태양전지를 이어주는 투명전극 삽입층이 필요하나, 하부 태양전지로 전달되어 흡수되어야 할 많은 양의 광량을 투명전극 삽입층에서 반사시킴으로써 하부 태양전지에서 흡수되어야 할 광량이 저하되는 결과를 야기하게 된다. 이는 도 3에 보인 바와 같이 결정질 실리콘과 적용된 투명전극인 ITO 박막의 굴절률 차가 크기 때문이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른, CGS 박막, 결정질 실리콘 및 ITO 박막의 굴절 계수를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, (a) 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막을 적용한 경우, (b) 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 적용하였을 경우의 상부 태양전지에서 하부 태양전지의 광활성층으로 빛이 전달 되는 상태를 도시한 모식도이다.
도 3을 살펴보면, 실리콘에 도달하는 파장대역인 740 nm 이상의 파장에서 결정질 실리콘층의 굴절률은 3.5~3.8로 큰 값을 유지한다. CGS의 경우 이보다 조금 작은 2.7~3.0을 유지하는 것을 볼 수 있다. 반면에 ITO 박막의 경우, 굴절률은 파장이 증가함에 따라 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있으며, 그 값도 파장 740 nm 부근에서 1.55에서 1100 nm 대에 이르면 0.92 정도로 감소하여 실리콘과의 굴절률 차이가 더욱 큰 것을 확인 할 수 있다.
또한, 도핑되지 않은 상태에서의 In2O3나 ZnO 박막의 굴절계수는 보통 1.8~2.0 부근의 값을 가진다. 그러나 통상 투명전극으로 사용하기 위해서는 낮은 비저항을 얻어야 하는데, 이를 위해서 통상 불순물을 도핑 시키거나 산화 정도를 제어하여 박막 내에 자유전자의 농도를 높이게 된다. 자유전자의 농도가 높아지게 되면 도 3에서 보인 ITO 박막의 굴절계수와 같이 파장이 증가함에 따라 굴절계수가 급격하게 감소하는 분산관계(dispersion relation)를 특징적으로 나타내게 된다.
투명전극으로 많이 사용되는 불순물이 도핑된 In2O3계와 ZnO계 소재에서는, 상기와 같이 자유전자의 농도에 의하여 파장증가에 따라 굴절계수가 급격히 감소하는 분산관계가 관찰된다. 이런 분산관계로 인하여 결정질 실리콘과의 굴절계수 격차가 더욱 벌어지게 되고, 이로 인하여 실리콘과 투명전극 사이의 계면에서 빛의 반사가 증가하는 결과를 초래한다. 이러한 계면 반사의 증가는 하부 태양전지의 광활성층인 실리콘으로 들어가는 빛의 양을 줄어들게 한다.
또한, 도 4를 통해 알 수 있듯이 빛이 진행하는 측면에서 고려할 때, 두 개의 서로 다른 물질로 굴절률의 차이가 존재하면 계면에서 반사가 일어나게 되는데, 이때 굴절률의 차이가 커지면 진행하는 빛이 더 큰 저항을 느끼게 되어 빛의 반사가 크게 된다. 이렇게 계면에서 빛의 반사가 크게 되면 자연적으로 실리콘 내부로 진행하는 빛의 양은 줄어들게 되어 하부 태양전지의 광전류가 줄어드는 결과를 초래하게 된다. 이것은 상부 태양전지와 하부 태양전지에서 만들어지는 전류의 양을 유사하게 맞추어야 하는 탠덤 태양전지에서는, 결국 광 전류의 저하를 의미하며 이는 곧 탠덤 태양전지의 효율저하를 의미한다.
본 발명은 상기의 고찰을 바탕으로 하여 안출된 것으로서, 투명전극층의 소재를 굴절계수가 높은 투명전극 소재로 대체함으로써 실리콘과 투명전극층의 광학 굴절계수의 차이를 줄여, 반사되는 빛의 양을 줄이고 광활성층으로 전달되는 빛의 양을 늘리는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 박막태양전지를 포함하는 상부 태양전지층; 결정질 실리콘 태양전지를 포함하는 하부 태양전지층; 및 상부 태양전지층과 하부 태양전지층 사이에 형성되는 투명전극 삽입층을 포함하고, 투명전극 삽입층은 하부 태양전지층의 광활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는, 탠덤 태양전지에 대하여 제공한다.
도 5는 본 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, 상부 및 하부의 광활성층인 CIGS층 및 결정질 실리콘층, 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막의 굴절 계수를 나타낸 것이다.
불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막의 굴절계수는 2.25~2.4 정도의 높은 굴절 계수를 가지고 있어 ITO 박막에 비하여 월등히 높은 것을 알 수 있다. 또한 이 박막의 자유전하농도는 1.82 x1021 cm-3 정도로 매우 높은 편이지만, ITO와는 달리 파장 증가에 따라 굴절 계수의 감소도 지극히 작은 분산관계를 보이는 것을 알 수 있다.
도 6은 발명의 비교예 및 여러 실시예에 따른, 상부 태양전지 및 하부 태양전지 사이에 투명전극 삽입층을 배치시킨 탠덤 태양전지의 모식도를 나타낸다.
먼저, 도 6의 (a)는 탠덤 태양전지의 전체적인 모식도로, 상부 태양전지(100) 및 하부 태양전지(300)로 구성되어 있고, 상부 태양전지 및 하부 태양전지 사이에 투명전극 삽입층(200)이 존재 할 수 있다.
더욱 상세하게는, 도 6(b) 및 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 상부 태양전지층(100)은 상부 투명전극층(110), 버퍼층(120) 및 S, Se 칼코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층(130)을 포함할 수 있다.
또한, 상부 투명전극층(110)은 고저항 투명 윈도우층으로서, ZnO, AZO, BZO, ITO 등을 포함할 수 있으며, 버퍼층(120)으로 CdS, Zn(S, O), ZnSnO, ZnMgO 등이 포함될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상부 태양전지층(100)의 광활성층(130)은 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체를 사용할 수 있다. 이를테면, 광활성층(130)은 CGS로 대표되는 S, Se계 캘코지나이드 화합물 반도체를 사용할 수 있고, 광활성층(130)은 Cu(In1-x, Gax)(Se,S)2(O<x<1)일 수 있다. 광활성층(130)은 밴드갭 에너지가 1.5 eV 보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 태양전지층(100)의 광활성층(130)은 투명전극 삽입층(200)의 바로 위에 형성 될 수 있다.
하부 태양전지층(300)의 광활성층(310)은 투면전극 삽입층(200)의 하부에 형성될 수 있다. 또한, 하부 태양전지의 광활성층(310)은 실리콘을 포함할 수 있고, 바람직하게는 결정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.
도 6(b)에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 투명전극 삽입층(200: 210)을 하부 전극층으로 포함할 수 있다. 투명전극 삽입층(200)은 하부 태양전지층(300)의 광활성층(310)의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함할 수 있다.
하부 태양전지층(300)의 광활성층(310)의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재로는, 타이타늄(Ti) 또는 지르코늄(Zr)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 적용할 수 있다. 또한, 투명전극 삽입층(200: 210)은 Nb, Ta 또는 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속 불순물이 도핑된 투명 도전성 산화물을 사용할 수 있다. 즉, 도 6(b)의 실시예는 기존의 In계 산화물, Sn계 산화물 또는 Zn계 산화물로 구성된 투명 도전성 산화물층(220)을 포함하지 않는다.다음으로, 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 투명전극 삽입층(200: 210, 220)을 하부 전극층으로 포함할 수 있다. 투명전극 삽입층(200: 210, 220)은 하부 태양전지층(300)의 광활성층(310)의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층(210), 및 하부 태양전지층(300)의 광활성층(310)의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 작은 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제2 투명 도전성 산화물층(220)을 포함할 수 있다.
투명전극 삽입층(200: 210, 220)은, 제1 투명 도전성 산화물층(210) 및 제2 투명 도전성 산화물층(220)이 번갈아 적층되어 적어도 두개의 층을 가지는 다층 구조로 형성 될 수 있다.
다시 말해, 투명전극 삽입층(200: 210, 220)은 제1 투명 도전성 산화물층(210) 및 제2 투명 도전성 산화물층(220)으로 이루어지는 이층 구조, 제1 투명 도전성 산화물층(210), 제2 투명 도전성 산화물층(220) 및 제1 투명 도전성 산화물(210)층으로 이루어지는 삼층 구조로 이루어 질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 투명 도전성 산화물층(220)은 In계, Sn계 또는 Zn계 산화물로 구성되는 투명 도전성 산화물층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 제2 투명 도전성 산화물층(220)은 반드시 이에 제한되지는 않고, 통상적으로 연구되거나 개발되는 금속나노와이어, 카본나노튜브 또는 그래핀 등이 분산되거나 혼합된 투명도전성 전극일 수도 있으며, 산화물/금속/산화물 등으로 다층 형태로 구성된 투명도전성 전극일 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명전극 삽입층(200)의 비저항은 1Ωcm 보다 낮을(0초과) 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명전극 삽입층(220)의 두께는 1nm 이상 1000nm 이하 일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예.
실시예 1.
투명전극 삽입층으로 타이타늄(Ti)을 주성분으로 하는 투명 도전성 산화물, 구체적으로는 Nb이 도핑된 TiO2(TNO) 박막을 제조하였다. 그 후 제조된 Nb가 도핑된 TiO2(TNO) 박막을 Cu-Ga-S 박막을 광활성층으로 하는 상부 태양전지 및 결정질 실리콘을 광활성층으로 하는 하부 태양전지의 사이에 적용하여 탠덤 태양전지를 제조하였다.
실시예 2.
투명 도전성 산화물층으로 Nb이 도핑된 TiO2(TNO) 박막위에 ITO 박막을 적층하여 투명전극 삽입층을 제조하였으며, 실시예 1과 같은 방법으로 탠덤 태양전지를 제조하였다.
실시예 3.
투명 도전성 산화물층으로 Nb이 도핑된 TiO2(TNO) 박막위에 ITO 박막을 적층하고 그 위에 다시 한번 Nb이 도핑된 TiO2(TNO) 박막을 적층하여 투명전극 삽입층을 제조하였으며, 실시예 1과 같은 방법으로 탠덤 태양전지를 제조하였다.
실시예 4.
글라스 기판 위에 ITO 박막을 증착 후, 그 위에 Nb이 도핑된 TiO2(TNO) 박막을 제조하였다. 그리고 그 상부에 CIGS 광활성층, CdS 버퍼층, intrinsic ZnO 박막과 Al이 도핑된 ZnO(AZO)을 상부 투명전극으로 순차적으로 적층하여 박막태양전지를 제조하였다.
비교예 1.
투명전극 삽입층으로 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO박막을 이용하여 탠덤 태양전지를 제조하였다.
도 7은 본 발명의 비교예 및 실시예 1에 따른, 탠덤 구조의 투명전극 삽입층으로 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 동일한 두께로 적용하였을 때의 반사 스펙트럼을 나타낸 것이다.
불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 사용하였을 때 ITO 박막을 동일한 두께로 사용하였을 때보다 상부 태양전지의 광활성층 밴드갭보다 작은 에너지를 가지는 빛의 파장 영역에서 반사도가 현저하게 줄어든 것을 확인 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 비교예 및 실시예 1에 따른, 탠덤 구조의 투명전극 삽입층으로 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO 박막과 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막의 두께 변화에 따라 얻어지는 (a) 반사에 의한 광전류 및 (b) 하부 태양전지의 광활성층인 결정질 실리콘에서 흡수되는 광전류를 나타낸 것이다.
광전류는 반사도와 결정질 실리콘 광활성층에 흡수되는 흡수 스펙트럼에 One sun 조건인 AM1.5 태양광 스펙트럼을 상정하여 얻어지는 광 전류를 적용하여 파장 700 nm ~ 1200 nm 대역에서 합산한 것이다. 도 8 (a) 및 (b)의 결과로부터 ITO 박막의 두께가 증가함에 따라 반사에 의한 광전류 양이 점차 증가하는 것을 볼 수 있으며, 상대적으로 결정질 실리콘에 흡수되는 광전류 양은 감소하는 것을 볼 수 있다. 즉 반사에 의하여 증가되는 광전류는 하부 태양전지의 관점에서는 광전류의 손실이라는 것을 알 수 있다.
반면에 ITO 박막을 굴절 계수가 큰 TNO 박막을 사용한 경우, TNO 박막의 두께 변화에 따른 반사되는 광전류와 결정질 실리콘에서 흡수되는 광전류의 변화가 극히 작은 것을 확인 할 수 있다.
따라서, 도 7 및 도 8로부터 상부 태양전지와 하부 태양전지 사이에 삽입되는 투명전극층의 소재를 굴절 계수의 값이 크고 분산관계가 급격하지 않은 소재로 대체되면 상부 태양전지 광활성층의 밴드갭보다 작은 에너지를 가지는 파장에서의 반사 손실을 줄임으로써 하부 태양전지로 흡수되는 광전류를 향상시킬 수 있음을 확인 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 비교예 및 실시예 2, 실시예 3에 따른, 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO)층과 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO박막을 교대로 적층하여 제조한 투명전극 삽입층의 반사 스펙트럼을 나타낸 것이다.
또한, 도 10은 본 발명의 비교예 및 실시예 2, 실시예 3에 따른, 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO)층과 기존의 투명 도전성 산화물인 ITO박막을 교대로 적층하여 제조한 투명전극 삽입층을 탠덤 태양전지에 적용 후 하부 태양전지의 광활성층인 결정질 실리콘에서 흡수된 광전류를 나타낸 것이다.
도 9(a)에는 투명전극 삽입층으로 120 nm 두께의 TNO 박막을 하부 태양전지 광활성층인 결정질 실리콘 위에 놓고 그 위에 40 nm 두께의 ITO층을 더하여 이층 구조의 투명전극층을 삽입한 것이고, 도 9(b)는 도 9(a)의 이층 구조에 다시 100 nm 두께의 TNO층을 더하여 삼층 구조로 제조한 투명전극 삽입층의 반사 스펙트럼을 120 nm 두께의 TNO 단일층을 삽입한 경우의 반사 스펙트럼과 비교하여 나타내었다. TNO 단일층을 사용하였을 때보다 이층 및 삼층으로 적층하였을 때 반사 스펙트럼이 저하하는 것을 확인할 수 있다. 이는 굴절계수가 서로 다른 층을 조합함으로써 저반사코팅을 한 효과와 유사한 효과를 가지는 것을 확인 할 수 있다.
또한, 도 10은 투명전극층의 적층이 증가할수록 ITO만 사용하였을 때보다 하부 태양전지의 광활성층인 결정질 실리콘층에서 흡수되는 광전류의 값이 커지는 것을 확인 할 수 있다. 이는 굴절 계수가 큰 TNO 박막과 굴절 계수가 작은 ITO 박막을 조합함으로써 더 향상된 광 전류를 얻을 수 있는 것을 확인 할 수 있다.
도 11은 본 발명의 비교예 및 제 3 실시예에 따른, 투명한 기판 위에 후면전극을 배치시킨 모식도를 나타낸다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 투명 기판; S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층; 및 투명 기판과 광활성층 사이에 형성되고, 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함하는, 박막태양전지를 제공한다. 이는 상술한 실시예 4에 대응한다.
도 11을 참조하면, 박막태양전지는 투명 기판(10), 투명 도전성 산화물(20), 광활성층(30)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 투명한 재질로서, 글래스 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 글래스 이외에도 플라스틱, 폴리머와 같은 광투과율이 높은 재질의 기판을 사용할 수 있다.
후면전극(20)은 투명 도전성 산화물을 포함하며 투명 기판(10) 상에 형성될 수 있다.
먼저, 도 11(a)에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 박막태양전지(1')는 투명 기판(10') 위에 기존의 In계 산화물, Sn계 산화물 또는 Zn계 산화물로 구성된 투명 도전성 산화물층(20')이 형성되어 있다.
다음으로, 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 박막태양전지(1)의 후면 전극(20)은 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함할 수 있다.
광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재로는, 타이타늄(Ti) 또는 지르코늄(Zr)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 적용할 수 있다. 또한, 후면전극(20)은 Nb, Ta 또는 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속 불순물이 도핑된 투명 도전성 산화물을 사용할 수 있다. 즉, 도 11(b)의 실시예는 기존의 In계 산화물, Sn계 산화물 또는 Zn계 산화물로 구성된 투명 도전성 산화물층(20')을 포함하지 않는다.
다음으로, 도 11(c)에 도시된 바와 같이, 후면전극(20)은 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층(21), 및 광학적 굴절 계수가 1.8보다 작은 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제2 투명 도전성 산화물층(22)을 포함할 수 있다.
일 예로, 후면전극(20)은, 상부에 배치되고 타이타늄(Ti)을 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층(21) 및 하부에 배치되고 적어도 타이타늄(Ti)을 포함하지 않는 제2 투명 도전성 산화물층(22)을 포함할 수 있다. 제2 투명 도전성 산화물층(22)은 In계, Sn계 또는 Zn계 산화물로 구성되는 투명 도전성 산화물층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 타이타늄(Ti)을 주성분으로 하는 산화물인 투명 도전성 산화물층(21)은 보호층으로 사용될 수 있다. 도 11(c)의 기존 투명 도전성 산화물층(22)은 반드시 투명 도전성 산화물일 필요는 없다. 즉 통상적으로 연구되거나 개발되는 금속나노와이어, 카본나노튜브 또는 그래핀 등이 분산되거나 혼합된 투명도전성 전극일 수도 있으며, 산화물/금속/산화물 등으로 다층 형태로 구성된 투명도전성 전극일 수도 있다.
도 12는 본 발명의 비교예 및 실시예 4에 따른, ITO 박막 위에 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막을 보호층으로 적용하여 태양전지를 제조하고 (a) ITO박막의 두께가 200nm일 때 보호층의 두께에 따른 후면에서의 반사 스펙트럼, (b) ITO박막의 두께가 500nm일 때 보호층의 두께에 따른 후면에서의 반사 스펙트럼 및 (c)반사 스펙트럼으로부터 얻어지는 색좌표를 나타낸 것이다.
도 12의 (a) 및 (b)를 통하여 보호층의 두께에 따라 전혀 다른 반사 스펙트럼이 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 ITO와 보호층의 불순물이 도핑 된 TiO2(TNO) 박막의 굴절계수가 달라, 두께의 조합에 의하여 다양한 스펙트럼을 보이는 것으로 나타났다.
도 12의 (c)는 스펙트럼으로부터 얻어진 색좌표를 나타낸 것으로 색좌표계는 인간의 반대색론에 바탕을 두고 정의된 CIE L*a*b* 좌표계를 사용하여 나타낸 것이다. L*값은 밝기를 나타내는 것으로 휘도로서 0이면 검정을 100이면 흰색을 나타낸다. 또한, a* 값은 빨강과 초록의 치우침 정도를 나타내는데, 음수이면 초록색 방향으로, 양수이면 빨강 내지 보라색 방향으로 치우친 색을 나타낸다. b* 값은 노랑과 파랑의 치우침 정도를 나타내는데, 음수이면 파란색 방향으로, 양수이면 노란색 방향으로 치우친 색이다.
기존 투명 도전성 산화물 소재를 그대로 사용하면서 불순물이 도핑된 투명 도전성 산화물 보호층의 두께를 달리하면 다양한 색상의 후면 반사색을 얻을 수 있다는 것을 보여주는 결과이며, S, Se계 캘코지나이드계 광활성층을 가지는 박막태양전지가 건축용 BIPV 창호용으로 적용될 시 내부에서 바라보는 색상의 심미감을 조절할 수 있는 장점을 제공한다는 것을 보여준다. 또한 L*값은 모든 박막에서 43이하의 값을 나타내었는데, 이는 반사 스펙트럼을 통해서 확인 할 수 있듯이 반사도가 낮은 관계로 색상의 톤은 변화하지만 전체적으로 어두운 톤의 색상을 나타내는 것을 확인 할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, (a) 반사 스펙트럼 변화에 따른 반사 광전류의 변화, (b) 광활성층으로 흡수되는 빛에 의한 광전류의 변화를 나타낸 것이다.
도 13(a)로부터 단순히 기존 투명도전상산화물인 ITO 박막만을 사용한 경우(0 nm)에 비하여 일정 두께의 TNO 보호층을 같이 사용하면 반사되어 손실로 가는 전류의 양은 줄어든다는 것을 확인 할 수 있는데, 이는 후면에서의 반사를 줄여 관찰자의 눈부심을 방지하는 효과도 있음을 알 수 있다. 또한 도 12(b)에 보인 바와 같이 반사도가 줄어듦에 따라 광활성층으로 빛이 흡수되어 발생하는 전류의 양은 상대적으로 늘어나는 것을 알 수 있다. 이 결과는 후면에 투명전극을 사용하며 S, Se계 캘코지나이드계 광활성층을 가지는 박막태양전지에 있어서 후면에서 광활성층으로 들어가는 빛의 양을 늘리는 효과를 제공하여 후면 발전량을 향상시킨다는 장점이 있음을 알 수 있다.
위와 같이, 본 발명은, 상부 태양전지와 하부 태양전지 사이에 삽입되는 투명전극층의 광학적인 굴절 계수를 조절하여, 하부 태양전지의 광활성층으로 전달되는 빛의 손실을 줄이고, 하부 태양전지의 광전류 손실을 억제 할 수 있는 투명 도전성 산화물 소재를 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 투명전극으로서 화학적으로 안정한 투명 도전성 산화물 소재를 적용할 수 있는 효과가 있으며, 후면전극으로 적용된 투명 도전성 산화물 소재 자체가 변화되어 후면전극으로서의 기능을 할 수 없게 되는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
10, 10': 투명 기판
20, 20': 후면 전극
100: 상부 태양전지층
110: 상부 태양전지의 상부 투명전극층
120: 버퍼층
130: 상부 태양전지의 광활성층
200: 투명전극 삽입층
21, 210: 타이타늄(Ti)을 포함하는 투명 도전성 산화물소재로 구성된 박막층
22, 220: 타이타늄(Ti)을 포함하지 않는 투명 도전성 산화물 소재로 구성된 박막층
300: 하부 태양전지층
310: 하부 태양전지의 광활성층

Claims (19)

  1. S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 박막태양전지를 포함하는 상부 태양전지층;
    결정질 실리콘 태양전지를 포함하는 하부 태양전지층; 및
    상부 태양전지층과 하부 태양전지층 사이에 형성되는 투명전극 삽입층
    을 포함하고,
    투명전극 삽입층은 하부 태양전지층의 광활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하고,
    광활성층은 투명전극 삽입층의 바로 위에 형성되어, 투명전극 삽입층이 상부 태양전지층의 하부 전극층으로 기능하며,
    하부 태양전지층은 결정질 실리콘을 광활성층으로 포함하고,
    투명전극 삽입층은, 하부 태양전지층의 광활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층; 및 하부 태양전지층의 광활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 파장 영역에서 광학적 굴절 계수가 1.8보다 작은 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제2 투명 도전성 산화물층을 포함하되, 제1 투명 도전성 산화물층 및 제2 투명 도전성 산화물층이 번갈아 적층되어 적어도 두개의 층을 가지는 다층 구조로 형성되며,
    제1 투명 도전성 산화물층은 Nb, Ta 또는 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속 불순물이 도핑된 타이타늄(Ti) 또는 지르코늄(Zr)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함하고,
    제2 투명 도전성 산화물층은 In계, Sn계 또는 Zn계 산화물로 구성되는 투명 도전성 산화물층 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 탠덤 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상부 태양전지층은
    상부 투명전극층;
    버퍼층;
    S, Se 칼코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층을 포함하고, 투명전극 삽입층을 하부 전극층으로 포함하는, 탠덤 태양전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    투명 도전성 산화물의 비저항은 1Ωcm 보다 낮은(0초과), 탠덤 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    투명 도전성 산화물층의 두께는 1nm 이상 1000nm 이하인,
    탠덤 태양전지.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상부 태양전지의 광활성층은 밴드갭 에너지가 1.5 eV 보다 큰, 탠덤 태양전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상부 태양전지층의 광활성층은 Cu(In1-xGax)(Se,S)(0<x<1)인, 탠덤 태양전지.
  14. 투명 기판;
    S, Se 캘코지나이드(Chalcogenide)계 소재를 포함하는 광활성층; 및
    투명 기판과 광활성층 사이에 형성되는 후면전극
    을 포함하고,
    후면전극은 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하며,
    후면전극은, 광학적 굴절 계수가 1.8보다 큰 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제1 투명 도전성 산화물층; 및 광학적 굴절 계수가 1.8보다 작은 투명 도전성 산화물 소재를 포함하는 제2 투명 도전성 산화물층을 포함하되, 제1 투명 도전성 산화물층 및 제2 투명 도전성 산화물층이 번갈아 적층되어 적어도 두개의 층을 가지는 다층 구조로 형성되며,
    제1 투명 도전성 산화물층은 Nb, Ta 또는 Cr 중 적어도 어느 하나의 금속 불순물이 도핑된 타이타늄(Ti) 또는 지르코늄(Zr)을 포함하는 투명 도전성 산화물을 포함하고,
    제2 투명 도전성 산화물층은 In계, Sn계 또는 Zn계 산화물로 구성되는 투명 도전성 산화물층 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 박막태양전지.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제14항에 있어서
    후면전극이 제1 투명 도전성 산화물층 및 제2 투명 도전성 산화물층으로 구성되는 경우가, 후면전극이 제2 투명 도전성 산화물층으로만 구성되는 경우보다, 상대적으로 투명 기판을 통과하여 광활성층으로 흡수되는 빛의 양이 증가하는, 박막태양전지.
  19. 삭제
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