KR102099184B1 - 물결 구조를 이용한 고효율 태양전지 - Google Patents

물결 구조를 이용한 고효율 태양전지 Download PDF

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Abstract

후면 금속 전극층 및 상기 후면 금속 전극층의 상부면에 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층, 전면 금속 전극층 및 유전체 보호층이 순차적으로 적층되고, 물결 패턴의 공동 구조를 구비한 태양 전지가 제공된다.

Description

물결 구조를 이용한 고효율 태양전지{HIGH POWER CONVERSION EFFICIENCY SOLAR CELL BASED ON THE SPATIAL CORRUGATION}
태양 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광 흡수 효율이 높고, 전자와 정공 간의 재결합의 증가 없이 분리된 전자 정공 수집 특성을 제공할 수 있는 태양 전지 예를 들면 유기 태양 전지, 무기 태양 전지, 퀀텀닷 태양 전지, 유기-무기 하이브리드 태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지 등에 관한 것이다.
태양 전지는 화석 연료의 고갈과 그에 따른 에너지원 가격 상승, 이산화탄소 배출에 대한 규제와 그에 따른 탄소 배출권 시장의 확대, 지구 온난화 등의 환경 문제를 해결해 줄 청정 대체 에너지원으로 주목을 받고 있다. 하지만, 태양 전지의 경우 효율에 있어, 증가 폭이 침체를 격고 있어 기존의 광 흡수 및 전자, 정공 수집 특성을 크게 증가시킬 수 있는 구조가 필요하다. 특히, 유기 태양 전지의 경우 유기 광 흡수 물질의 낮은 전하 이동도로 인하여, 광 활성층의 두께는 수백 nm 이하로 제한이 될 수밖에 없고 따라서 태양광을 충분히 흡수하지 못한다. 태양 전지의 표면적을 넓게 하는 방법이 고려될 수 있으나 공간상 제약, 제조 비용이 증가할 수밖에 없으며, 수평 방향의 단위 표면적 당 광 흡수 효율을 높이는데 한계가 있다.
이에 태양 전지 구성 물질에 관계없이 전반에 걸쳐 전자-정공 재결합 증가 없이 광 흡수를 높일 수 있는 금속 구조 및 금속 입자 등을 이용한 새로운 광 흡수 기술 및 태양전지 구조가 필요하다.
본 발명의 배경 기술은 한국공개특허 제10-2017-0113193호 등에 기술되어 있다.
태양 전지 중 광 활성층에서 흡수하는 가시광선 대역 내에서의 광 흡수 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하는 것이다.
태양 전지 중 광 손실이 강하게 일어나는 단파장 및 중간 파장 영역의 광 에너지 흡수 효율을 높이고 광 전하를 발생시켜 광 흡수 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하는 것이다.
광 전환 효율의 손실 없이 생성된 광 전하를 이동 및 전송 가능하게 하여 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하는 것이다.
나노 구조 및 입자에 의한 전기적 손실을 막을 수 있는, 균일하고, 방해 없는 전자-홀 전송 경로 및 흡수를 제공할 수 있는 태양 전지를 제공하는 것이다.
유기 태양 전지에 적용하여, 13% 이상의 효율을 제공하는 것이다.
태양 전지는 후면 금속 전극층 및 상기 후면 금속 전극층의 상부면에 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층, 전면 금속 전극층 및 유전체 보호층이 순차적으로 적층되고, 물결 패턴의 공동 구조를 구비할 수 있다.
태양 전지 중 광 활성층에서 흡수하는 가시광선 대역 내에서의 광 흡수 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하였다.
태양 전지 중 광 손실이 강하게 일어나는 단파장 및 중간 파장 영역의 광 에너지 흡수 효율을 높이고 광 전하를 발생시켜 광 흡수 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하였다.
광 전환 효율의 손실 없이 생성된 광 전하를 이동 및 전송 가능하게 하여 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하였다.
나노 구조 및 입자에 의한 전기적 손실을 막을 수 있는, 균일하고, 방해 없는 전자-홀 전송 경로 및 흡수를 제공할 수 있는 태양 전지를 제공하였다.
유기 태양 전지에 적용하여, 13% 이상의 효율을 제공하였다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 일부 구조를 도시한 단면도이다. 도 1a에서 (A)는 태양 전지의 일부 구조를 도시한 단면도이고, (B)는 (A)에서 후면 금속 전극층의 일부를 확대한 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 태양 전지의 광 활성층 두께 50 nm 내지 300nm에 있어서 광 활성층 내에서의 광 흡수율의 수치 해석적 계산 결과를 나타낸 도면이다.
도 1c는 비교예 1에 따른 태양 전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1d는 비교예 1에 따른 태양 전지의 광 활성층 두께 50nm 내지 300nm에서 광 활성층 내에서의 광 흡수율의 수치 해석적 계산 결과를 나타낸 도면이다.
도 1e는 실시예와 비교예 1 각각에서, 광학적 흡수가 최적화되는 광 활성층 두께 120nm, 두께 100nm에서 광 흡수도 및 파장에 따른 광 흡수 증가를 나타낸 도면이다.
도 1f는 비교예 2에 따른 태양 전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1g는 실시예와 비교예 2 각각에서, 광학적 흡수가 최적화되는 광 활성층 두께 120nm에서 광 흡수도 증가를 나타낸 도면이다.
도 1h는 실시예와 비교예 2의 전압에 따른 전류 곡선도를 나타낸 도면이다
도 2는 본 발명의 광학적 흡수 증가를 해석하기 위하여 물결 패턴을 구비한 태양 전지의 광 활성층 내부에서의 엑시톤 생성율 분포도(Gopt)이다. 도 2a는 TM 편광하, 도 2b는 TE 편광하에서의 입사 파장 450nm 광에 의한 엑시톤 생성율 분포도(Gopt)이다.
도 3은 실시예와 비교예 1의 태양 전지에 대하여, 각각 광학적 흡수가 최적화되는 광 활성층 두께 120nm, 두께 100nm에서 수치 해석적 계산에 따른 입사 광전 변환 효율(도 3a) 및 전압에 따른 전류 곡선(도 3b)을 각각 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 전기적 손실 저하를 막고, 균일하고, 방해없는 전자-홀 전송 경로 및 흡수를 제공하는 특성을 해석하기 위하여 물결 패턴을 구비한 태양 전지의 광 활성층 내부에서의 전자 및 정공 전류 밀도(색 분포) 및 전류 흐름(화살표) 도면이다.
도 4a는 TM 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 4b는 TM 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 4c는 TM 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0.7V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 4d는 TM 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0.7V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표) 도면이다.
도 5a는 TE 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 5b는 TE 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 5c는 TE 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0.7V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 5d는 TE 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0.7V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표) 도면이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 이러한 실시예는 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며, 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서 "상에~"는 도면을 기준으로 설명한 것이며, 직접 접촉하여 형성되거나 접촉하지 않고 다른 것이 개재되어 형성된 것도 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 따른 태양 전지는 후면 금속 전극층, 후면 금속 전극층 상에 정공 수송층이 적층되고, 정공 수송층 상에 광 활성층이 적층되고, 광 활성층 상에 전자 수송층이 적층되고, 전자 수송층 상에 전면 금속 전극층이 적층되고, 전면 금속 전극층 상에 유전체 보호층이 적층되고, 태양 전지의 수광면 중 적어도 일 부분에 물결 패턴의 공동(cavity) 구조를 구비할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 태양 전지는 태양 전지 중 광 활성층에서 흡수하는 가시광선 대역 내에서의 광 흡수 효율을 높일 수 있다. 특히, 본 발명의 발명자는 종전 평면 형상으로 된 태양 전지에서 물결 패턴의 공동 구조를 도입하는 것만으로도 종래 광 손실이 강하게 일어났었던 단파장 및 중간 파장 영역 예를 들면 파장 300nm 내지 800nm의 전체 파장에서 광 흡수율을 85% 이상으로 확보할 수 있고, 이를 통해 태양 전지의 효율을 12% 이상, 바람직하게는 13% 이상으로 높일 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다. 또한, 광 전환 효율의 손실 없이 생성된 광 전하를 이동 및 전송 가능하게 하여 효율을 높일 수 있다. 물결 패턴이 아닌 삼각형 등의 다각형 패턴으로 볼록하게 형성된 경우에는 단파장 및 중간 파장에서의 광학적 손실과, 균일하지 않는 전자-홀 전송 및 흡수 문제점이 있었다.
상기 "물결 패턴"은 평면이 아닌 비 평면을 적어도 포함하는 것을 의미한다.
도 1a의 (A), (B)를 참조하면, 태양 전지를 구성하는 후면 금속 전극층(10)을 두께 방향에서 보았을 때, 오목부(100)가 형성되고, 오목부(100)와 바로 인접하여 볼록부(200)가 형성되고, 오목부(100)과 볼록부(200)가 서로 교대로 계속하여 형성되어 있다. 이와 같이 후면 금속 전극층(10)에 형성되는 오목부(100)와 볼록부(200)가 교대로 계속하여 형성되며, 후면 금속 전극층(10) 상에 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), 전면 금속 전극층(50), 유전체 보호층(60)이 순차적으로 형성됨으로써 태양 전지의 수광면 중 적어도 일 부분에 물결 패턴의 공동 구조를 구비할 수 있다.
도 1a의 (A), (B)에서는 후면 금속 전극층(10)에 형성된 오목부(100)와 볼록부(200)에 의하여 태양 전지의 수광면에 물결 패턴의 공동 구조가 형성되는 것을 도시하였다. 하지만, 후면 금속 전극층(10)이 아니라 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), 전면 금속 전극층(50), 유전체 보호층(60) 중 1종 이상에 상술한 오목부(100)와 볼록부(200)가 구비됨으로써 물결 패턴의 공동 구조가 구비되는 경우도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
본 발명의 태양 전지는 광 활성층을 구성하는 물질에 따라 유기 태양 전지, 무기 태양 전지, 퀀텀닷 태양 전지, 유기-무기 하이브리드 태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지 등이 될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
도 1a을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 설명한다.
도 1a의 (A)를 참고하면, 태양 전지는 후면 금속 전극층(10), 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), 전면 금속 전극층(50), 유전체 보호층(60)이 순차적으로 적층되고, 후면 금속 전극층(10), 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), 전면 금속 전극층(50), 유전체 보호층(60) 전체는 물결 패턴으로 공동 구조를 형성할 수 있다. 태양 전지의 후면 금속 전극층(10)면에서 물결 패턴이 적어도 일 부분 포함될 수 있다.
도 1a의 (A)를 참고하면, 후면 금속 전극층(10), 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), 전면 금속 전극층(50), 유전체 보호층(60) 전체가 물결 패턴으로 공동 구조를 형성하는 경우를 나타내었으나, 후면 금속 전극층(10), 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), 전면 금속 전극층(50), 유전체 보호층(60) 중 적어도 하나 이상 바람직하게는 광 활성층(30)이 물결 패턴으로 공동 구조를 형성하는 경우도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
도 1a의 (B)를 참고하면, 물결 패턴은 후면 금속 전극층(10)에 구비된 오목부(100)와 볼록부(200)로부터 형성될 수 있다.
오목부(100)는 태양 전지의 최저면 즉 후면 금속 전극층의 하부면을 향하여 돌출되어 있는 곡선부를 의미할 수 있다. 오목부(100)는 오목부의 최저 정점(B)을 기준으로 대칭형 또는 비대칭형이 될 수 있다. 도 1a의 (B)는 오목부(100)가 대칭형인 곡선부를 나타낸 것이다.
볼록부(200)는 태양 전지의 최저면 즉 후면 금속 전극층으로부터 돌출되어 있는 곡선부를 의미할 수 있다. 볼록부(200)는 볼록부의 최고 정점(T)을 기준으로 대칭형 또는 비대칭형이 될 수 있다. 도 1a의 (B)는 볼록부(200)가 대칭형인 곡선부를 나타낸 것이다.
볼록부(200)의 높이(A)는 오목부(100)의 높이(A') 대비 동일하거나 다를 수 있다. 볼록부(200)의 높이(A)는 1000nm 내지 2500nm, 바람직하게는 1000nm 내지 1500nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광 흡수 효율이 개선될 수 있다. 오목부(200)의 높이(A')는 1000nm 내지 2500nm, 바람직하게는 1000nm 내지 1500nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광 흡수 효율이 개선될 수 있다. 상기 볼록부의 높이(A)는 오목부와 볼록부 간의 변곡점을 포함하는 볼록부의 폭으로부터 볼록부의 최고 정점(T)까지의 길이로 정의한다. 상기 오목부의 높이(A')는 오목부와 볼록부 간의 변곡점을 포함하는 오목부의 폭으로부터 오목부의 최저 정점(B)까지의 길이로 정의한다.
물결 패턴에서 주기(P)는 4000nm 내지 10000nm, 바람직하게는 8000nm 내지 9000nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광 흡수 효율이 강하게 개선될 수 있다. 상기 주기는 볼록부의 최고 정점(T)와 상기 볼록부 바로 다음의 볼록부의 최고 정점(T) 간의 거리로 정의한다.
볼록부(200)의 최대폭은 오목부(100)의 최대폭 대비 동일하거나 다를 수 있다. 볼록부(200)의 최대폭은 2000nm 내지 5000nm, 바람직하게는 4000nm 내지 4500nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광 흡수 효율이 개선될 수 있다. 오목부(100)의 최대폭은 2000nm 내지 5000nm, 바람직하게는 4000nm 내지 4500nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광 흡수 효율이 개선될 수 있다.
볼록부(200)의 최대폭은 주기(P)의 1/3 내지 2/3, 바람직하게는 주기(P)의 1/2가 될 수 있다. 오목부(200)의 최대폭은 주기(P)의 1/3 내지 2/3, 바람직하게는 주기(P)의 1/2가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광 흡수 효율이 개선될 수 있다.
볼록부(200)는 종횡비(최대폭에 대한 높이(A)의 비)는 1/4 내지 5/8, 바람직하게는 4/7이 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지에서 물결 패턴의 도입이 용이하고, 광 흡수 효율을 높일 수 있다.
오목부(100)는 종횡비(최대폭에 대한 높이(A)의 비)는 1/4 내지 5/8, 바람직하게는 4/7이 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지에서 물결 패턴의 도입이 용이하고, 광 흡수 효율을 높일 수 있다.
물결 패턴의 공동 구조는 자체 조립(self-assembly), PDMS(폴리디메틸실록산)-몰딩, 연신 PDMS 시트(stretching PDMS sheets), 또는 기계적 이완 PDMS (mechanical release PDMS) 등으로 제작이 가능하며, 이외에도 다양한 방법으로 제작할 수 있다. 예를 들면, mechanical release PDMS 방법을 이용하는 경우, poly(ethylene glycol diacrylate)(p(EGDA))을 PDMS 기판 위에 증착하고, 물결의 진행 방향으로 압력을 가한다. 이후 진공 하에서 40℃로 가열하여 물결 모양의 공동 구조를 제조할 수 있다. 이와 같은 물결 모양의 공동 구조 위에 금속 증착을 통해 후면 금속 전극측을 형성한다. 그 후 Spin-coating의 방법으로 순차로 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층을 적층하고, 이후 금속 증착을 통해 전면 금속층을, 유전체 증착 또는 spin-coating을 통해 유전체 보호층을 형성하여 태양전지를 제작한다.
이하, 태양 전지의 각 층에 대해 설명한다.
후면 금속 전극층, 전면 금속 전극층 중 하나는 음극이고, 다른 하나는 양극일 수 있다. 일 구체예에서, 후면 금속 전극층은 양극이고, 전면 금속 전극층은 음극일 수 있다.
후면 금속 전극층, 전면 금속 전극층 중 하나는 산화인듐주석, 산화인듐아연, 산화인듐갈륨아연, 산화인듐주석아연, 갈륨도핑 산화아연, 알루미늄도핑 산화아연, 불소도핑 산화주석, 산화아연주석, 산화인듐갈륨, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중 하나 이상을 포함하는 금속 산화물 투명 전극; 전도성 고분자, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브 등을 포함하는 유기 투명 전극; 금속이 결합된 탄소나노튜브와 같은 유기-무기 결합 투명 전극 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
후면 금속 전극층, 전면 금속 전극층 중 나머지 하나는 금속 전극층으로 금속은 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr) 등의 금속 입자; 또는 상기 금속원소를 포함하는 전구체, 예를 들면 질산은(AgNO3), Cu(HAFC)2 (Cu(hexafluoroacetylacetonate)2,), Cu(HAFC)(1,5-Cyclooctanediene), Cu(HAFC)(1,5-Dimethylcyclooctanediene), Cu(HAFC)(4-Methyl-1-pentene), Cu(HAFC)(Vinylcyclohexane), Cu(HAFC)(DMB), Cu(TMHD)2(Cu (tetramethylheptanedionate)2), DMAH(dimethylaluminum hydride), TMEDA(tetramethylethylenediamine), DMEAA(dimethylethylamine alane, NMe2Et·AlH3), TMA(trimethylaluminum), TEA(triethylaluminum), TBA(triisobutylaluminum), TDMAT(tetra(dimethylamino)titanium), TDEAT(tetra(dimethylamino)titanium) 등 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
후면 금속 전극층(10)의 두께는 100nm 내지 3000nm, 바람직하게는 100nm 내지 1000nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 기계적 강도를 높일 수 있다.
전면 금속 전극층(50)의 두께는 5nm 내지 20nm, 바람직하게는 10nm 내지 15nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 광 흡수율을 극대화하며, 기계적 강도를 높일 수 있다.
정공 수송층(20), 전자 수송층(40)은 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 바나디움(V), 리튬(Li), 텅스텐(W), 아연(Zn) 또는 구리(Cu)의 산화물, 예를 들면 MoO3, NiOx, V2O5, LiF, WO3, ZnO, CuOx 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 정공 수송층, 전자 수송층은 bilayered fulleropyrrolidinium iodide(FPI)-polyethyleneimine(FPI-PEIE)를 포함할 수 있다.
정공 수송층(20), 전자 수송층(40)의 두께는 각각 4nm 내지 15nm, 바람직하게는 6nm 내지 10nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 전기적 전송도를 보장하며, 전자 및 정공 흡수를 높일 수 있다.
광 활성층(30)의 두께는 태양 전지의 광 흡수율 및 최종 효율을 제어할 수 있는 파라미터이다. 광 활성층의 두께는 50nm 내지 300nm, 바람직하게는 50nm 내지 200nm, 가장 바람직하게는 100nm 내지 120nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 광 흡수율과 최종 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
광 활성층은 유기 광 활성층, 무기 광 활성층 중 1종 이상으로 구성될 수 있다.
무기 광 활성층은 무정형 실리콘, 폴리 실리콘, 결정형 실리콘, 구리 인듐 갈륨 셀레나이드 중 1종 이상을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
유기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 일 구체예에서, 유기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머를 1:0.1 내지 1:5의 중량비, 바람직하게는 1:0.3 내지 1:3의 중량비, 더 바람직하게는 1:0.5 내지 1:2의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 중량비 범위에서, 최적의 광흡수 효과가 있을 수 있다.
p-타입 폴리머는 poly-3-hexylthiophene(P3HT), poly-3-octylthiophene(P3OT), poly-p-phenylenevinylene(PPV), poly(2-methoxy, 5-(2-ethyle-hexyloxy)-1, 4-phenylenevinylene(MEH-PPV), poly(2-methyl, 5-(3', 7'-dimethyloctyloxy))-1, 4-phenylenevinylene(MDMO-PPV), poly(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo(1,2-b:4,5-b‘) dithiophene-co -3-fluorothieno (3, 4-b)thiophene-2-carboxylate(PTB7-Th) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
n-타입 폴리머는 (6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM), (6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(C70-PCBM), fullerene(C60), (6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester(ThCBM), 탄소나노튜브, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
광 활성층은 퀀텀닷, 페로브스카이트 물질 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
유전체 보호층(60)은 태양 전지의 산화 방지를 위한 것으로, TeO2 , TiO2, polyacrylic acid(PAA), polymethyl methacrylate(PMMA) 및 poly(allylamine hydrochloride(PAH) 중 하나 이상으로 형성된 코팅층을 포함할 수 있다.
유전체 보호층(60)의 두께는 30nm 내지 100nm, 바람직하게는 40nm 내지 60nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 기계적 강도를 높일 수 있다.
도 1a은 전면 금속 전극층의 상부면에는 유전체 보호층이 형성된 경우를 도시한 것이나, 유전체 보호층과 동일한 기능을 구현할 수 있다면 유전체 보호층 이외에 다른 층을 구비하거나 유전체 보호층을 생략할 수도 있다.
이하, 본 발명을 실시예, 비교예 1, 비교예 2에 의해 보다 상세히 설명한다.
실시예
후면 금속 전극층으로 은층, 정공 수송층으로 MoO3, 광 활성층으로 PTB7-Th:PC71BM, 전자 수송층으로 FPI-PEIE, 전면 금속 전극층으로 은층, 유전체 보호층으로 TeO2을 사용하고, 도 1a의 단면 형상을 갖는 태양 전지 모형을 제조하였다. 상기 구조에서, 주기(P)는 8400nm, 오목부와 불록부의 각각의 높이(A, A')는 1200nm이고, 오목부와 볼록부의 최대 폭은 각각 주기의 1/2이다.
후면 금속 전극층, 정공 수송층, 전자 수송층, 전면 금속 전극층, 유전체 보호층의 두께는 각각 1000, 6, 10, 12, 50nm이다. 이때, 광 활성층의 두께는 50nm 내지 300nm로 변경하였으며, 최대 효율은 120nm 두께에서 얻었다.
비교예 1
후면 금속 전극층으로 은층, 정공 수송층으로 MoO3, 광 활성층으로 PTB7-Th:PC71BM, 전자 수송층으로 FPI-PEIE, 전면 금속 전극층으로 은층, 유전체 보호층으로 TeO2 을 사용하고 도 1c의 단면을 갖는 수광면이 평면인 태양 전지 모형을 제조하였다. 이때, 광 활성층의 두께는 50nm 내지 300nm로 변경하였다.
비교예 2
후면 금속 전극층으로 은층, 정공 수송층으로 MoO3, 광 활성층으로 PTB7-Th:PC71BM, 전자 수송층으로 FPI-PEIE, 전면 금속 전극층으로 은층, 유전체 보호층으로 TeO2 을 사용하고 도 1f의 단면을 갖는 갖는 태양 전지 모형을 제조하였다. 이때, 주기는 8400nm, 높이는 2400nm 로 고정하여 비교하였다. 도 1g를 통해 비교예 2는 단파장에서 광 흡수율이 고르게 나타나지 않음을 확인하였다. 또한 도 1h를 통해서, 전압에 따른 전류 곡선 또한 실시예에 비해서, 낮은 효율을 가짐을 확인하였다.
실험예
실시예와 비교예 1에서 제조한 태양 전지 모형에 대하여 광 활성층의 두께에 따른 광 흡수율의 수치 해석적 계산 결과를 각각 도 1b, 도 1d에 나타내었다. 도 1b를 참고하면, 광 활성층 두께 50nm 내지 300nm 전체 범위에서 모두 높은 광 흡수 효율을 나타내었음을 알 수 있고, 특히 120nm의 두께에서 높은 광 흡수 효율을 나타내었다. 반면에, 도 1d를 참조하면, 동일한 광 활성층 두께에서 도 1b 대비 낮은 광 흡수 효율을 나타내었음을 알 수 있다.
실시예와 비교예 1에서 제조한 태양 전지 모형에 대하여 태양 전지의 광 흡수 효율 성능을 도 1e에 나타내었다. 도 1e를 참조하면, 실시예에서의 물결 구조를 갖는 태양 전지의 광 흡수도와 비교예 1의 태양 전지의 광 흡수도를 비교해 보면, 실시예의 태양 전지의 경우 전체 광 흡수층의 흡수 파장 대역 300nm 내지 900nm에서 광 흡수 효율이 모두 1배 이상임을 알 수 있으며, 평균 85% 이상의 매우 높은 광 흡수효율 및 약 21.5%의 광 흡수 증가율을 가짐을 알 수 있다. 또한 도 1g,도 1h를 통해, 도 1f와 같이 주기 적인 격자를 가지는 태양전지에 비해, 광흡수율이 고르게 높고, 전압에 따른 전류 곡선 효율도 더 좋음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하여 제조된 물결 구조를 갖는 태양 전지는 종래의 한계로 여겨진 광 흡수 효율의 한계를 넘어 주어진 대역의 입사 태양광을 대부분 흡수할 수 있다. 이러한 장점을 통하여, 본 발명의 태양 전지는 상업화 및 고 효율화에 매우 유망하다는 것을 알 수 있다.
실시예의 여기된 평면 내(in-plane) 진행 플라즈몬 모드(propagation modes) 및 파브리-페롯 공동 플라즈몬 모드(Fabry-Perot cavity modes)가 혼합되며, 최적화된 물결 패턴을 갖는 태양 전지의 엑시톤(Exciton) 생성율 분포도(Gopt)를 도 2a, 도 2b에 나타내었다. 도 2a는 TM 편광 하, 도 2b는 TE 편광 하에서의 입사 파장 450nm 광에 의한 분포를 나타낸 것이다. 실시예의 태양 전지는 단파장 영역에서도 매우 강한 엑시톤이 생성되고, 이는 태양 전지의 효율에 많은 증가를 가져올 것을 예측할 수 있다.
실시예와 비교예 1의 광 흡수가 각각 최적화된 광 활성층 두께 120nm, 100nm에서 입사 광전 변환 효율 및 전압에 따른 전류 곡선을 도 3a, 도 3b에 나타내었다. 실시예의 태양 전지는 광학적 흡수가 최적화된 광 활성층 두께 120nm에서 수치 해석적 계산에 따른 입사 광전 변환 효율 및 전압에 따른 전류 곡선을 통해 비교 대조군 대비, 전체 흡수 파장 대역 내에서 매우 높은 광전 변환 효율과 전류-전압 곡선 특성을 가진다. 실시예의 태양 전지는 단락 광전류 밀도(short-circuit photocurrent density; Jsc)가 22.46mA/cm2, 개방 전압(open-circuit voltage; Voc)가 819mV, FF(fill factor)가 0.706에서 photo-conversion efficiency(PCE)가 최대 13.0%로 나타났다. 즉, 본 발명의 태양 전지는 혼합된 플라즈모닉 모드의 강한 광 집속으로 인해, 광 흡수 효율이 매우 증가하고, 이러한 증가된 광 흡수가 물결 패턴으로 인해, 광전환 효율의 손실 없이, 생성된 광-전하를 이동, 전송하여 태양 전지의 최종 효율을 ~13%로 향상시켜 기존 한계 이상의 효율 구현이 가능하다.
실시예와 비교예 1에서 본 발명의 물결 패턴으로 인한, 증가된 광 흡수 및 광전 효율이 손실 없이, 생성된 광-전하를 이동, 전송 특성을 분석하였다. 도 4a는 TM 편광 하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0V의 정공 전류 밀도(색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 4b는 TM 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 4c는 TM 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0.7V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 4d는 TM 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0.7V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표) 도면이다. 도 5a는 TE 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 5b는 TE 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 5c는 TE 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0.7V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 도 5d는 TE 편광하, λ=560nm의 파장, 전압 = 0.7V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표) 도면이다. 이러한 도면을 통해, 본 발명의 태양 전지는 매우 균일하고, 강한 전자, 정공 전류 밀도 및 흐름이 형성이 되어, 흡수된 태양빛의 손실 없이 높은 효율의 구현이 가능하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (9)

  1. 후면 금속 전극층 및 상기 후면 금속 전극층의 상부면에 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층, 전면 금속 전극층 및 유전체 보호층이 순차적으로 적층되고,
    상기 후면 금속 전극층, 상기 정공 수송층, 상기 광 활성층, 상기 전자 수송층, 상기 전면 금속 전극층 및 상기 유전체 보호층 전체는 물결 패턴의 공동 구조를 가지며,
    상기 광 활성층은 유기 광 활성층, 무기 광 활성층, 유기-무기 하이브리드, 퀀텀닷, 페로브스카이트 중 1종 이상을 포함하고, 상기 유기 광 활성층은 p-타입 폴리머 : n-타입 폴리머를 1:0.1 내지 1:5의 중량비의 혼합물을 포함하고,
    상기 정공 수송층, 상기 전자 수송층은 각각 몰리브덴, 니켈, 바나디움, 리튬, 텅스텐, 아연 또는 구리의 산화물, bilayered fulleropyrrolidinium iodide(FPI)-polyethyleneimine(FPI-PEIE) 중 1종 이상을 포함하고,
    상기 유전체 보호층이 태양광의 입사면이고,
    상기 광 활성층은 두께가 120nm 내지 300nm이고,
    상기 물결 패턴은 오목부와 볼록부가 서로 교대로 형성된 것이고,
    상기 볼록부는 최대폭이 2000nm 내지 5000nm, 높이가 1000nm 내지 2500nm이고, 상기 볼록부의 최대폭에 대한 상기 볼록부의 높이의 비는 1/4 내지 5/8이고,
    상기 오목부는 최대폭이 2000nm 내지 5000nm, 높이가 1000nm 내지 2500nm이고, 상기 오목부의 최대폭에 대한 상기 오목부의 높이의 비는 1/4 내지 5/8이고,
    상기 물결 패턴은 주기가 4000nm 내지 10000nm이고,
    상기 오목부의 최대폭과 상기 볼록부의 최대폭은 각각 상기 물결 패턴의 주기의 1/3 내지 2/3인 것인, 태양 전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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