KR102156113B1 - method to determine lateral collection length of charge carriers - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법은 광흡수층; 상기 광흡수층 상부에 위치하는 금속전극;을 포함하는 대상 태양전지를 이용하며, 상기 대상 태양전지에 광을 조사하여 광전류를 측정하는 단계; 및 상기 광전류를 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리를 도출하는 단계;를 포함한다. 본 발명에 의한 측정방법은 비교적 간단하면서도 높은 정확도로 전하 운반자 수평 포집거리를 측정할 수 있는 장점이 있다. The method for measuring the horizontal collection distance of a charge carrier according to the present invention comprises: a light absorption layer; Measuring a photocurrent by using a target solar cell including a metal electrode positioned on the light absorbing layer, and irradiating light to the target solar cell; And deriving a horizontal collection distance of a charge carrier by using the photocurrent. The measuring method according to the present invention has the advantage of being able to measure the horizontal collection distance of a charge carrier with relatively simple and high accuracy.
Description
본 발명은 태양전지에서 전하 운반자 수평 포집 거리를 용이하게 측정하기 위한 측정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a measuring method for easily measuring the horizontal collection distance of charge carriers in a solar cell.
태양전지에서 수광측에 구비되는 투명 전극으로, 인듐주석산화물(ITO), ZnO:Al, SnO2 같은 광투과도가 높고 낮은 면저항을 갖는 전도성 금속산화물들이 사용되고 있다. 그러나, 이들 전도성 금속산화물 기반 투명전극의 낮은 기계적 특성 및 높은 공정 비용등을 극복하기 위해, 최근 금속산화물 투명 전극을 은 나노와이어나 탄소 나노튜브, 금속 메쉬등과 같은 네트워크 기반 투명 전극으로 대체하고자 하는 연구가 활발히 수행되고 있다. As a transparent electrode provided on the light-receiving side of a solar cell, conductive metal oxides having high light transmittance and low sheet resistance such as indium tin oxide (ITO), ZnO:Al, and SnO 2 are used. However, in order to overcome the low mechanical properties and high process cost of these conductive metal oxide-based transparent electrodes, recent metal oxide transparent electrodes are being replaced with network-based transparent electrodes such as silver nanowires, carbon nanotubes, and metal meshes. Research is actively being conducted.
도 1에 도시한 일 예와 같이, 금속산화물 기반 투명전극과 네트워크 기반 투명 전극간의 광 전하 수집 경로는 서로 상이하다. 금속산화물 기반 투명전극((TCO film)의 경우 전하 이동경로를 도시한 도 1(a)와 같이, 태양 전지에서 전하 운반자는 수직으로 이동하여 금속산화물 기반 투명전극(도 1(a)의 path 1)에 도달하고, 금속산화물 기반 투명전극을 따라 외부 회로(도 1(a)의 path 2)에 연결된 금속 그리드(metal grid)로 수평 이동한다. 반면, 네트워크 기반 투명전극(Network-TCE)의 경우 전하 이동경로를 도시한 도 1(b)와 같이, 광 생성 된 전하 운반자는 태양전지의 전면에 도달 할 때까지 수직으로 이동(도 1(b)의 path 1a)한 다음, 수평(횡) 방향(도 1(b)의 path 1b)으로 이동하여 네트워크에 도달한 후, 네트워크를 따라 외부 회로에 연결된 금속 그리드(metal grid)로 이동(도 1(b)의 path 2)한다. As shown in the example shown in FIG. 1, photo-charge collection paths between the metal oxide-based transparent electrode and the network-based transparent electrode are different from each other. In the case of a metal oxide-based transparent electrode ((TCO film), as shown in FIG. 1(a) showing the charge transfer path, in a solar cell, the charge carrier moves vertically and the metal oxide-based transparent electrode (
도 1에 도시한 바와 같이, 금속산화물 기반 투명전극과 달리 네트워크 기반 투명전극의 경우 전하 운반자가 전극에 수집되기 위해서는 전하 운반자의 추가 수평(횡) 이동(도 1(b)의 path 1b)이 요구된다.As shown in FIG. 1, in the case of a network-based transparent electrode, unlike a metal oxide-based transparent electrode, an additional horizontal (lateral) movement of the charge carrier (
이에, 네트워크 기반 투명전극이 생성된 전하 운반자의 손실 없이 효과적으로 광전류를 수집하기 위해서는, 전하 운반자가 전극에 수집되기 위해 이동하여야 하는 수평 이동 거리(즉 메쉬전극의 빈공간의 크기)가 전하 운반자의 포집거리보다 짧아야 한다. Therefore, in order for the network-based transparent electrode to effectively collect photocurrent without loss of the generated charge carriers, the horizontal movement distance that the charge carriers must move to collect in the electrode (that is, the size of the empty space of the mesh electrode) is the capture of the charge carriers. Should be shorter than the distance.
네트워크 기반 투명전극을 사용하고자 하는 경우, 손실 없이 광전류를 수집하기 위해서는 전하 운반자의 수평 포집 거리를 고려하여 네트워크 기반 투명전극을 설계하여야 한다. When a network-based transparent electrode is to be used, in order to collect photocurrent without loss, a network-based transparent electrode must be designed in consideration of the horizontal collection distance of the charge carrier.
그러나, 전하 운반자의 수평 포집 거리를 직접적으로 측정할 수 있는 방법은 거의 알려진 바 없으며, 다만 소수 전하 운반자의 확산거리의 측정을 위하여, 미국 등록특허공보 9400306호에서는 확산거리의 측정을 위하여 외부양자효율(EQE, external quantum efficiency)을 이용하여 전하 운반자 확산거리를 측정하는 방법에 대해 개시되어 있다. 그러나, 이러한 방법을 이용하는 경우, 전하 운반자 확산거리가 박막의 흡수층의 두께보다 클 경우 오차가 발생하고, 외부 양자효율의 측정 자체가 정밀한 장비를 필요로 하여 간편한 측정이 어려운 문제점이 있으며, 확산거리를 고려하여 포집거리를 미루어 유추할 수 있으나, 직접적인 전하 운반자 수평 포집 거리를 산출할 수는 없는 한계가 있다. However, little is known how to directly measure the horizontal collection distance of charge carriers. However, for measuring the diffusion distance of minority charge carriers, U.S. Patent No. 9400306 discloses external quantum efficiency for measuring the diffusion distance. A method of measuring the diffusion distance of a charge carrier using (EQE, external quantum efficiency) is disclosed. However, in the case of using this method, if the diffusion distance of the charge carrier is larger than the thickness of the absorbing layer of the thin film, an error occurs, and the measurement of the external quantum efficiency itself requires precise equipment, making it difficult to easily measure the diffusion distance. Considering the collection distance can be inferred, but there is a limitation in that it cannot directly calculate the horizontal collection distance of the charge carrier.
이에, 전하 운반자의 손실 없이 효과적으로 광전류를 수집할 수 있는 네트워크 기반 투명 전극을 구현하기 위해서는 보다 간편한 방법으로, 높은 신뢰성으로 태양전지의 전하 운반자 수평 포집 거리를 측정하는 방법의 개발이 필요하다.Accordingly, in order to implement a network-based transparent electrode that can effectively collect photocurrent without loss of charge carriers, it is necessary to develop a method for measuring the horizontal collection distance of charge carriers of a solar cell with high reliability as a simpler method.
본 발명의 목적은 광을 조사하여 광전류를 측정하는 간단한 방법으로 전하 운반자 수평 포집 거리를 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method capable of measuring the horizontal collection distance of a charge carrier by a simple method of measuring a photocurrent by irradiating light.
본 발명의 다른 목적은 설계된 수집효율과 설계된 광투과율을 가져, 효과적으로 광전류를 수집할 수 있는 네트워크 기반 투명 전극의 설계 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a design method of a network-based transparent electrode capable of effectively collecting a photocurrent by having a designed collection efficiency and a designed light transmittance.
본 발명에 따른 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법은 광흡수층; 광흡수층 상부에 위치하는 금속전극;을 포함하는 대상 태양전지를 이용하며, 대상 태양전지에 광을 조사하여 광전류를 측정하는 단계; 및 광전류를 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리를 도출하는 단계;를 포함한다.The method for measuring the horizontal collection distance of a charge carrier according to the present invention comprises: a light absorption layer; Measuring a photocurrent by using a target solar cell including a metal electrode positioned on the light absorbing layer, and irradiating light to the target solar cell; And deriving a horizontal collection distance of a charge carrier by using the photocurrent.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 광흡수층에 대한 대상 태양전지에 조사되는 광의 흡수 깊이는 150nm 이내일 수 있다. In the measurement method according to an embodiment of the present invention, the absorption depth of light irradiated to the target solar cell for the light absorption layer may be within 150 nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 대상 태양전지에 조사되는 광은 단색(monochromatic) 광일 수 있다. In the measurement method according to an embodiment of the present invention, light irradiated to a target solar cell may be monochromatic light.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 광전류는 대상 태양전지에 백색광을 조사한 후, 단색광을 조사하여 얻어지는 전류일 수 있다. In the measurement method according to an embodiment of the present invention, the photocurrent may be a current obtained by irradiating a target solar cell with white light and then irradiating monochromatic light.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 금속 전극은 원판, 타원형판 또는 다각판 형상일 수 있다.In the measuring method according to an embodiment of the present invention, the metal electrode may be in the shape of a disk, an elliptical plate, or a polygonal plate.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에서, 금속 전극의 반경에 따른 광전류 값을 기반으로, 하기 식 1을 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리를 산출할 수 있다.In the measurement method according to an embodiment of the present invention, based on the photocurrent value according to the radius of the metal electrode, the horizontal collection distance of the charge carrier may be calculated using
(식 1)(Equation 1)
식 1에서 ip는 측정되는 광전류, Jg는 광전류 밀도, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, r은 금속 전극의 반경이다.In
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에서, 광전류 측정 단계는 금속 전극의 반경을 달리하여 광전류를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. In the measuring method according to an embodiment of the present invention, the measuring of photocurrent may include measuring the photocurrent by varying the radius of the metal electrode.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 전하 운반자 수평 포집 거리는 하기 식 2에 의해 도출될 수 있다. In the measurement method according to an embodiment of the present invention, the horizontal collection distance of the charge carrier may be derived by
(식 2)(Equation 2)
관계식 2에서, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, h는 프랑크 상수, c는 광속, λ는 조사되는 광의 파장, ip는 측정된 광전류, I0는 조사되는 광의 강도, Lperi는 금속 전극의 둘레 길이, e는 전자의 전하, Rf는 대상 태양전지의 광 반사율이다.In
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에서, 대상 태양전지는 광흡수층과 금속 전극 사이에 위치하여, 광흡수층과 접하여 위치하는 버퍼층;을 더 포함할 수 있다.In the measurement method according to an embodiment of the present invention, the target solar cell may further include a buffer layer positioned between the light absorbing layer and the metal electrode and positioned in contact with the light absorbing layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 대상 태양전지에 조사되는 광은 버퍼층의 에너지 밴드갭에 해당하는 파장의 광보다 장파장일 수 있다. In the measurement method according to an embodiment of the present invention, light irradiated to the target solar cell may have a longer wavelength than light having a wavelength corresponding to the energy band gap of the buffer layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 대상 태양전지에 조사되는 광은 550 내지 700nm 파장 대역의 광일 수 있다. In the measurement method according to an embodiment of the present invention, light irradiated to a target solar cell may be light in a wavelength band of 550 to 700 nm.
본 발명은 상술한 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법을 이용한 투명 전극의 설계 방법을 포함한다.The present invention includes a method for designing a transparent electrode using the method for measuring the horizontal collection distance of a charge carrier.
본 발명에 따른 투명 전극의 설계 방법은 상술한 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법으로 전하 운반자 수평 포집 거리를 산출하는 단계; 네트워크 기반 투명 전극의 수평 포집 효율 및 광 투과율을 설정하는 단계; 및 하기 식 3을 이용하여, 설정된 광 투과율과 수평 포집 효율을 만족하는 네트워크 기반 투명 전극의 빈 공간 크기를 산출하는 단계;를 포함한다.The method of designing a transparent electrode according to the present invention includes: calculating a horizontal charge carrier collection distance by the method for measuring a horizontal charge carrier collection distance; Setting horizontal collection efficiency and light transmittance of the network-based transparent electrode; And calculating the empty space size of the network-based transparent electrode that satisfies the set light transmittance and horizontal collection efficiency using Equation 3 below.
(식 3)(Equation 3)
식 3에서 ηl은 수평 포집 효율, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, L은 네트워크 기반 투명 전극의 빈 공간 크기이다.In Equation 3, η l is the horizontal collection efficiency, Llc is the horizontal collection distance of the charge carrier, and L is the size of the empty space of the network-based transparent electrode.
본 발명은 상술한 투명 전극의 설계 방법에 따라 설계된 박막 태양전지용 투명전극을 포함한다.The present invention includes a transparent electrode for a thin film solar cell designed according to the method for designing the transparent electrode described above.
본 발명은 광을 조사하고 광전류를 측정하는 극히 간단하고 용이한 방법을 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리를 측정할 수 있는 장점이 있으며, 나아가 인가되는 광의 세기에 관계없이 높은 정확도로 전하 운반자 수평 포집 거리를 측정할 수 있다. 또한, 본 발명은 전하 운반자 수평 포집 거리를 이용하여 설계된 수평 포집 효율과 설계된 광투과율을 갖는 네트워크 기반 투명 전극을 설계할 수 있는 장점이 있다. The present invention has the advantage of measuring the horizontal collection distance of the charge carrier by using an extremely simple and easy method of irradiating light and measuring the photocurrent, and furthermore, the horizontal collection distance of the charge carrier with high accuracy regardless of the intensity of the applied light. Can be measured. In addition, the present invention has the advantage of designing a network-based transparent electrode having a designed horizontal collection efficiency and a designed light transmittance using the horizontal collection distance of the charge carrier.
도 1은 금속산화물 기반 투명 전극이 구비된 태양전지(도 1(a))와 네트워크 기반 투명 전극이 구비된 태양전지(도 1(b))에서의 광 생성 전하 운반자의 수집 경로(이동 경로)를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 방법에 사용되는 일 대상 태양전지의 단면도(도 2(a)) 및 상부 조감도(도 1(b)))를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 방법에 사용되는 일 대상 태양전지의 광전류를 측정 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극 설계 방법에서, 설정된 광투과율에서 수평 수집 효율과 전도성 네트워크 기반 투명전극을 형성하는 은 나노와이어의 직경 및 전도성 네트워크의 빈 공간 크기를 도시한 도면이다. 1 is a collection path (movement path) of photo-generated charge carriers in a solar cell equipped with a metal oxide-based transparent electrode (Fig. 1(a)) and a solar cell equipped with a network-based transparent electrode (Fig. 1(b)) It is a diagram showing.
2 is a cross-sectional view (FIG. 2(a)) and a top bird's-eye view (FIG. 1(b))) of a solar cell used in a measuring method according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating measurement of a photocurrent of a target solar cell used in a measurement method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a diameter of a silver nanowire forming a transparent electrode based on a conductive network and a horizontal collection efficiency at a set light transmittance in a method of designing a transparent electrode according to an embodiment of the present invention, and a blank space size of a conductive network .
이하 본 발명에 따른 태양전지의 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법에 대해 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, a method of measuring a horizontal collection distance of a charge carrier of a solar cell according to the present invention will be described in detail. At this time, unless there are other definitions in the technical and scientific terms used, they have the meanings commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which this invention belongs, and unnecessarily obscure the subject matter of the present invention in the following description. Description of possible known functions and configurations will be omitted.
본 발명은 태양전지에서 전하 운반자 수평 포집 거리 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 전하 운반자 수평 포집 거리는 전하 운반자 확산 거리에 상응하며, 이에 따라, 본 발명은 태양전지에서 전하 운반자 확산 거리 측정 방법을 포함할 수 있다. The present invention relates to a method for measuring the horizontal collection distance of charge carriers in a solar cell. In the present invention, the horizontal charge carrier collection distance corresponds to the charge carrier diffusion distance, and accordingly, the present invention may include a method of measuring the charge carrier diffusion distance in a solar cell.
본 발명의 일 실시예에 의한 전하 운반자 수평 포집거리 측정방법에서, 대상 태양전지는 전하 운반자 수평 포집거리의 측정을 위해 사용되는 태양전지를 의미할 수 있으며, 이와 함께, 전하 운반자 수평 포집거리를 측정하고자 하는 태양전지를 의미할 수 있다. 대상 태양전지는 광흡수층의 물질이 결정질 또는 비정질 실리콘인 실리콘 태양전지, 광흡수층의 물질이 화합물 반도체인 화합물 반도체 태양전지 또는 광흡수층의 물질이 유기 반도체 물질인 유기 태양전지일 수 있다. 이때, 화합물 반도체 태양전지는 III-V족 화합물 반도체 태양전지, II-III-VI족 화합물 반도체 태양전지 또는 II-VI족 화합물 반도체 태양전지를 포함할 수 있다. III-V족 화합물 반도체 태양전지는 GaAs 또는 InGaP 태양전지를 포함할 수 있고, II-III-VI족 화합물 반도체 태양전지는 CIS(Cu-In-S,Se) 또는 CIGS(Cu-In,Ga-S,Se) 태양전지를 포함할 수 있으며, II-VI족 태양전지는 CdTe 태양전지를 포함할 수 있다.In the method of measuring the horizontal collection distance of a charge carrier according to an embodiment of the present invention, the target solar cell may mean a solar cell used for measuring the horizontal collection distance of the charge carrier, and together with this, the horizontal collection distance of the charge carrier is measured. It can mean the solar cell you want to do. The target solar cell may be a silicon solar cell in which the material of the light absorption layer is crystalline or amorphous silicon, a compound semiconductor solar cell in which the material of the light absorption layer is a compound semiconductor, or an organic solar cell in which the material of the light absorption layer is an organic semiconductor material. In this case, the compound semiconductor solar cell may include a group III-V compound semiconductor solar cell, a group II-III-VI compound semiconductor solar cell, or a group II-VI compound semiconductor solar cell. Group III-V compound semiconductor solar cells may include GaAs or InGaP solar cells, and II-III-VI compound semiconductor solar cells are CIS (Cu-In-S, Se) or CIGS (Cu-In, Ga- S,Se) may include a solar cell, and the II-VI group solar cell may include a CdTe solar cell.
본 발명에 따른 전하 운반자 수평 포집 거리 측정 방법은 광흡수층; 광흡수층 상부에 위치하는 금속전극;을 포함하는 대상 태양전지를 이용하며, 대상 태양전지에 광을 조사하여 광전류를 측정하는 단계; 및 광전류를 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리를 도출하는 단계;를 포함한다.The method for measuring the horizontal collection distance of a charge carrier according to the present invention comprises: a light absorption layer; Measuring a photocurrent by using a target solar cell including a metal electrode positioned on the light absorbing layer, and irradiating light to the target solar cell; And deriving a horizontal collection distance of a charge carrier by using the photocurrent.
본 발명은 측정 대상이 되는 대상 태양전지에 광을 조사하여 전류를 측정하는 극히 간단하고 용이한 방법으로 전하 운반자(소수 운반자)의 수평 포집거리, 즉, 전하 운반자의 확산거리를 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다. The present invention is an extremely simple and easy method of measuring the current by irradiating light to a target solar cell to be measured. The horizontal collection distance of charge carriers (small number of carriers), that is, the diffusion distance of the charge carriers can be accurately measured. There is an advantage.
구체적으로, 종래 전하 운반자 확산거리의 측정방법은 외부양자효율(EQE, external quantum efficiency)을 이용하여 측정하는 것이 통상적이었다. 그러나, 외부양자효율의 측정은 고도로 전문적인 측정장비를 이용하여야 하므로 측정에 어려움이 있으며, 또한 이러한 외부 양자효율을 이용하여 전하 운반자 확산거리를 측정하는 경우, 조사되는 빛의 세기가 0.1 내지 1 mW/cm2으로, 실제 태양전지 동작조건과 매우 상이하며, 측정되는 전하 운반자 확산거리의 길이가 박막의 두께보다 클 경우, 측정값의 오차가 발생하는 문제가 있으며, 외부양자효율 변화가 큰 파장대에서만 측정이 가능한 문제점이 있다. Specifically, the conventional method of measuring the diffusion distance of charge carriers has been conventionally measured using an external quantum efficiency (EQE). However, it is difficult to measure the external quantum efficiency because it requires the use of highly specialized measuring equipment. In addition, when measuring the charge carrier diffusion distance using this external quantum efficiency, the intensity of the irradiated light is 0.1 to 1 mW. /cm 2, which is very different from the actual operating conditions of the solar cell, and if the length of the measured charge carrier diffusion distance is greater than the thickness of the thin film, there is a problem that an error of the measured value occurs, and only in the wavelength band where the external quantum efficiency change is large. There is a problem that can be measured.
그러나, 본 발명의 방법을 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리(확산거리)를 측정하는 경우, 외부양자효율의 측정을 필요로 하지 않으며, 대상 태양전지에 광을 조사하고 전류를 측정하는 간단한 방법으로 높은 정확도로 전하 운반자 확산거리를 측정할 수 있는 장점이 있다.However, when measuring the horizontal collection distance (diffusion distance) of the charge carrier using the method of the present invention, it is not necessary to measure the external quantum efficiency, and a simple method of irradiating light to the target solar cell and measuring the current is high. It has the advantage of being able to measure the charge carrier diffusion distance with accuracy.
대상 태양전지에 조사되는 광은 광을 흡수하여 광전자와 광정공을 생성하는 광흡수층에 대한 조사되는 광의 흡수 깊이는 150nm, 보다 좋게는 100nm 이내인 것이 좋다. 즉, 광흡수층에서 광의 흡수 깊이가 150nm, 보다 좋게는 100nm 이내인 광이 조사되는 것이 좋다. 대상 태양전지에 조사되는 광의 흡수 깊이는 광이 흡수되기 전에 얼마나 깊숙이 광이 흡수체로 침투하는지를 의미하며, 동일한 광흡수체(광흡수층 물질)라도 광의 파장에 따라 흡수 깊이가 달라진다. 알려진 바와 같이, 흡수 깊이는 흡수 계수의 역수(α-1)로 주어지며, 조사되는 광의 강도가 약 36%(1/e)로 감소되는 거리를 의미한다. The absorption depth of the irradiated light to the light absorbing layer that absorbs the light irradiated to the target solar cell and generates photoelectrons and photoholes is preferably within 150nm, more preferably within 100nm. That is, it is preferable that light having an absorption depth of 150 nm, more preferably within 100 nm, is irradiated in the light absorption layer. The absorption depth of light irradiated to the target solar cell means how deeply the light penetrates into the absorber before the light is absorbed, and the absorption depth varies according to the wavelength of light even with the same light absorber (light absorbing layer material). As is known, the absorption depth is given by the reciprocal of the absorption coefficient (α -1 ), and means the distance at which the intensity of irradiated light is reduced to about 36% (1/e).
조사되는 광의 흡수 깊이가 150nm, 보다 좋게는 100nm 이내인 경우, 광흡수층의 내부가 아닌 얇은 표면 영역(수광면측의 표면영역)에 국한되어 광전하가 생성될 수 있다. 이러한 흡수 깊이에서, 광 전하 캐리어의 수직(광흡수층의 두께 방향) 이동은 무시될 수 있으며 광 전하 캐리어의 수평(광흡수층의 표면에 평행한 방향)이동에 의한 금속 전극으로의 수집에 의해 광 전류가 생성될 수 있다. When the absorption depth of the irradiated light is 150 nm, more preferably within 100 nm, the photocharge may be generated by being limited to a thin surface area (surface area on the light-receiving surface side) not inside the light absorption layer. At this absorption depth, the vertical (thickness direction of the light-absorbing layer) movement of the photo-charge carriers can be neglected and photocurrent by collection of the photo-charge carriers into the metal electrode by horizontal (direction parallel to the surface of the light-absorbing layer) movement. Can be created.
또한, 조사되는 광은 단색광인 것이 좋다. 조사되는 광이 단색광인 경우 보다 얇은 광흡수층 표면 영역에 국한되어 광전하를 생성할 수 있어 유리하며, 또한, 전류밀도를 산출할 수 있어 유리하다. 이때, 광 스펙트럼(광 강도-파장 스펙트럼)에서 단색광의 반치폭(FWHM)은 100nm, 구체적으로 50nm이하일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. In addition, it is preferable that the irradiated light is monochromatic light. When the irradiated light is monochromatic light, it is advantageous because it is limited to a thinner surface area of the light absorbing layer to generate photocharges, and it is also advantageous because the current density can be calculated. In this case, the half-width (FWHM) of the monochromatic light in the optical spectrum (light intensity-wavelength spectrum) may be 100 nm, specifically 50 nm or less, but is not limited thereto.
본 발명의 측정 방법에서, 조사되는 광의 강도에 따라 산출되는 전하 운반자 수평거리의 정확도가 달라지지 않음에 따라, 대상 태양전지에 조사되는 광의 강도는 광전류 측정에 적절한 강도이면 무방하다. 실질적인 일 예로, 조사되는 강의 강도는 10 내지 200W/m2 수준일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. In the measuring method of the present invention, since the accuracy of the horizontal distance of the charge carrier calculated according to the intensity of the irradiated light does not vary, the intensity of the light irradiated to the target solar cell may be an intensity suitable for photocurrent measurement. As a practical example, the strength of the irradiated steel may be 10 to 200W/m 2 , but is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 광전류는 대상 태양전지에 백색광을 조사한 후, 백색광의 조사를 멈추고 단색광을 조사하여 얻어지는 전류일 수 있다.In the measurement method according to an embodiment of the present invention, the photocurrent may be a current obtained by irradiating white light to a target solar cell, stopping the irradiation of white light, and irradiating monochromatic light.
대상 태양전지에 백색광이 조사되는 경우, 고에너지 포톤에 의해 광전자-정공 쌍이 생성될 수 있으며, 이러한 광전하들은 광흡수층 계면에 존재하는 결함을 중화시킬 수 있다. 이러한 결함 중화 작용에 의해 대상 태양전지에 백색광을 조사하는 경우 점진적인 광전류의 증가가 발생하며 일정 시간 후 광전류가 일정한 값으로 포화되는 경향을 나타낸다. When the target solar cell is irradiated with white light, photoelectron-hole pairs may be generated by high-energy photons, and these photocharges may neutralize defects present at the interface of the light absorption layer. When the target solar cell is irradiated with white light due to such defect neutralization, a gradual increase in photocurrent occurs, and the photocurrent tends to saturate to a certain value after a certain time.
태양전지가 정상적으로 동작하는 조건은 광흡수층 계면에 존재하는 결함이 중화된 상태임에 따라, 상술한 바와 같이, 백색광 조사 후 단색광을 조사하여 전하 운반자의 수평 포집거리 측정에 사용되는 광전류(수평 광전류)를 측정함으로써, 실 태양전지 동작 조건에서의 수평 포집거리를 보다 정확하게 산출할 수 있어 유리하다. As the conditions under which the solar cell operates normally is a state in which defects present at the interface of the light absorption layer are neutralized, as described above, photocurrent (horizontal photocurrent) used for measuring the horizontal collection distance of the charge carrier by irradiating monochromatic light after irradiation with white light. By measuring, it is advantageous to more accurately calculate the horizontal collection distance under actual solar cell operating conditions.
조사되는 백색광의 강도는 태양전지의 일반적인 동작시 조사되는 태양광의 강도를 고려하여 이와 유사한 정도면 무방하다. 일 예로, 조사되는 백색광의 강도는 0.8 내지 1.2 sun일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The intensity of the irradiated white light may be similar to the intensity in consideration of the intensity of the irradiated sunlight during normal operation of the solar cell. For example, the intensity of white light irradiated may be 0.8 to 1.2 sun, but is not limited thereto.
금속 전극은 금속 전극측에서 광흡수층쪽으로 상부 조감한 투사 이미지(projection image) 상 금속 전극이 광흡수층을 모두 덮지 않고 일부만을 덮는 판 형상이면 어떠한 형상이든 무방하다. 구체적인 일 예로, 금속 전극은 원판, 타원형판 또는 다각(삼각 내지 십이각)판 형상일 수 있다. 이때, 금속 전극이 원형이 아닌 경우, 금속 전극의 크기나 반지름은 동일 면적의 원으로 환산한 경우의 크기나 반지름을 의미할 수 있음은 물론이다.The metal electrode may have any shape as long as the metal electrode does not cover all of the light absorbing layer, but only partially, on a projection image viewed from the metal electrode side toward the light absorbing layer. As a specific example, the metal electrode may be in the shape of a disk, an elliptical plate, or a polygonal (triangle to dodecagonal) plate. In this case, when the metal electrode is not circular, it goes without saying that the size or radius of the metal electrode may mean the size or radius when converted to a circle having the same area.
후술하는 바와 같이, 금속 전극이 수 마이크로미터 오더의 매우 작은 크기라도 금속 전극의 크기를 변경시켜 금속 전극의 크기에 따라 광전류를 측정함으로써 수평 포집 거리를 측정할 수 있음에 따라, 안정적인 전류 이동이 담보되는 한 금속 전극의 크기는 크게 제한되지 않는다. As described later, even if the metal electrode has a very small size in the order of several micrometers, the horizontal collection distance can be measured by measuring the photocurrent according to the size of the metal electrode by changing the size of the metal electrode, thereby ensuring stable current movement. As far as possible, the size of the metal electrode is not largely limited.
다만, 후술하는 바와 같이, 금속 전극 형성의 용이성 및 단일한 광조사와 광전류 측정에 의해 수평 포집 거리를 산출하고자 하는 경우, 금속 전극의 반지름은 100 ㎛ 이상, 구체적으로 금속전극의 반지름이 100 내지 3000 ㎛, 보다 구체적으로 500 내지 3000㎛ 이상인 것이 유리하다. However, as will be described later, in the case of calculating the horizontal collection distance by measuring the ease of formation of the metal electrode and single light irradiation and photocurrent measurement, the radius of the metal electrode is 100 μm or more, specifically, the radius of the metal electrode is 100 to 3000. It is advantageous that the µm, more specifically 500 to 3000 µm or more.
금속전극은 광 불투과성이며, 전도성을 가지는 금속인 경우 제한없이 이용 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일 예로, 금속전극은 Al, Zn, Ti, Hf, Mg, Cu, Zr, Ca, Li, Sr, Ba, Sc, Y, Nb, Cr, Fe, Ru, Co, Rh, V, Ir, Ni, Pd, Pt, Ag, Cd, B, Ga, Mo, W, Mn, In, Ge, Sn, Sb 및 Bi에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. The metal electrode is light opaque and can be used without limitation if it is a metal having conductivity. As a specific and non-limiting example, the metal electrode is Al, Zn, Ti, Hf, Mg, Cu, Zr, Ca, Li, Sr, Ba, Sc, Y, Nb, Cr, Fe, Ru, Co, Rh, V , Ir, Ni, Pd, Pt, Ag, Cd, B, Ga, Mo, W, Mn, In, Ge, Sn, Sb, and may include one or more selected from Bi.
이하, 광흡수층과 전극(수광면에 위치하는 수광전극) 사이에 다른 이종 물질의 층인 버퍼층이 구비되는 화합물 반도체 태양전지 및 명확한 이해를 위해 금속 전극이 원판 형상인 경우를 기반으로 본 발명을 상술한다. 그러나, 광흡수층과 전극 사이 이종 물질의 층이 구비되는 경우, 후술하는 광조사 조건이 보다 유리할 뿐, 후술하는 바와 동일 내지 유사한 방법으로 전하 운반자 수평 포집거리의 측정이 이루어질 수 있음에 따라, 본 발명에서 대상 태양전지가 화합물 반도체 태양전지로 제한되는 것은 아니다. 또한, 금속 전극이 원판 형상이 아닌 경우에도 원판의 둘레 길이 대신 금속 전극의 둘레 길이에 의해 동일하게 전하 운반자 수평 포집 거리가 산출됨에 따라, 본 발명에서 금속 전극의 형상이 원판 형상으로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail based on a compound semiconductor solar cell in which a buffer layer, which is a layer of another heterogeneous material, is provided between the light absorbing layer and the electrode (light receiving electrode located on the light-receiving surface), and the metal electrode has a disk shape for clear understanding. . However, when a layer of heterogeneous material between the light absorbing layer and the electrode is provided, the light irradiation conditions described later are more advantageous, and as the horizontal collection distance of the charge carrier can be measured in the same or similar method as described below, the present invention The target solar cell in is not limited to compound semiconductor solar cells. In addition, even if the metal electrode is not in the shape of a disk, the shape of the metal electrode is not limited to the shape of a disk in the present invention, as the charge carrier horizontal collection distance is calculated equally by the circumference of the metal electrode instead of the circumference of the disk. .
구체적으로, 대상 태양전지에 조사되는 광은 버퍼층의 에너지 밴드갭에 해당하는 파장의 광보다 장파장일 수 있다. 일 예로, 버퍼층의 밴드갭 에너지가 Eg1(eV)인 경우, Eg1(eV)에 해당하는 파장 λ1=hc/Eg1(h=프랑크 상수, c 광속)=1240(eV·nm)/Eg1(eV)이며, 조사되는 광의 파장인 λ2는 λ1보다 장파장인 것이 좋다. 즉, λ1 < λ2인 것이 좋다. 이러한 조건의 광 조사는 버퍼층에 의해 전하 캐리어가 생성되는 것을 원천적으로 방지할 수 있어 유리하다. Specifically, light irradiated to the target solar cell may have a longer wavelength than light having a wavelength corresponding to the energy band gap of the buffer layer. For example, when the band gap energy of the buffer layer is Eg1 (eV), the wavelength corresponding to Eg1 (eV) λ1 = hc/Eg1 (h = Frank's constant, c luminous flux) = 1240 (eV·nm)/Eg1 (eV) And, λ2, which is the wavelength of irradiated light, is preferably a longer wavelength than λ1. That is, it is preferable that λ1 <λ2. Light irradiation under these conditions is advantageous because it can fundamentally prevent the generation of charge carriers by the buffer layer.
화합물 반도체인 광흡수층; 광흡수층 상에 위치하는 버퍼층; 및 버퍼층 상에 위치하는 금속전극;을 포함하는 대상 태양전지의 경우, 상술한 광조사 조건과 함께, 버퍼층에서 흡수되지 않는 파장의 광이 조사되는 것이 좋다.A light absorption layer that is a compound semiconductor; A buffer layer positioned on the light absorption layer; In the case of a target solar cell including; and a metal electrode positioned on the buffer layer, it is preferable that light having a wavelength not absorbed by the buffer layer is irradiated together with the above-described light irradiation conditions.
구체적으로, 대상 태양전지에 조사되는 광은 버퍼층의 에너지 밴드갭에 해당하는 파장의 광보다 장파장일 수 있다. 일 예로, 버퍼층의 밴드갭 에너지가 Eg1(eV)인 경우, Eg1(eV)에 해당하는 파장 λ1=hc/Eg1(h=프랑크 상수, c 광속)=1240(eV·nm)/Eg1(eV)이며, 조사되는 광의 파장인 λ2는 λ1보다 장파장인 것이 좋다. 즉, λ1 < λ2인 것이 좋다. 이러한 조건의 광 조사는 버퍼층에 의해 전하 캐리어가 생성되는 것을 원천적으로 방지할 수 있어 유리하다. Specifically, light irradiated to the target solar cell may have a longer wavelength than light having a wavelength corresponding to the energy band gap of the buffer layer. For example, when the bandgap energy of the buffer layer is Eg1 (eV), the wavelength corresponding to Eg1 (eV) λ1 = hc/Eg1 (h = Frank's constant, c luminous flux) = 1240 (eV·nm)/Eg1 (eV) And, λ2, which is the wavelength of irradiated light, is preferably a longer wavelength than λ1. That is, it is preferable that λ1 <λ2. Light irradiation under these conditions is advantageous because it can fundamentally prevent the generation of charge carriers by the buffer layer.
버퍼층에 의한 광흡수가 방지되며 광흡수 깊이가 150nm, 보다 좋게는 100nm 이내인 조사광의 실질적인 일 예로, 대상 태양전지가 화합물 반도체 태양전지인 경우, 조사되는 광의 파장은 550 내지 700nm, 구체적으로는 550 내지 650nm일 수 있으나, 본 발명이 이러한 구체 파장 조건에 한정되는 것은 아니다. Light absorption by the buffer layer is prevented and a practical example of irradiation light having a light absorption depth of 150 nm, more preferably within 100 nm.When the target solar cell is a compound semiconductor solar cell, the wavelength of the irradiated light is 550 to 700 nm, specifically 550 To 650nm, but the present invention is not limited to these specific wavelength conditions.
또한, 버퍼층이 구비되는 대상 태양전지에서 전하 캐리어 수평 포집 거리를 측정하고자 하는 경우, 대상 태양전지에 백색광이 조사된 후, 단색광이 조사되는 것이 매우 유리하다. 이는, 고에너지 포톤은 버퍼층에서 광전자-정공 쌍을 생성하고, 이러한 광전하들은 광흡수층과 버퍼층의 계면 뿐만 아니라 버퍼층에 존재하는 결함을 중화시킬 수 있다. 이에, 백색광 조사에 의해 전하 캐리어 수평 포집 거리 측정 시 버퍼층 자체와 계면 각각에 존재하는 결함에 의한 영향을 매우 효과적으로 배제할 수 있어 유리하다.In addition, when measuring the horizontal charge carrier collection distance in the target solar cell provided with the buffer layer, it is very advantageous to irradiate the target solar cell with white light and then monochromatic light. In this way, high energy photons generate photoelectron-hole pairs in the buffer layer, and these photocharges can neutralize defects present in the buffer layer as well as the interface between the light absorption layer and the buffer layer. Accordingly, when measuring the horizontal charge carrier collection distance by irradiation with white light, the effect of defects present at the buffer layer itself and the interface can be very effectively excluded, which is advantageous.
도 2는 전하 운반자의 수평 포집거리 측정에 사용되는 대상 태양전지의 일 예를 도시한 도면으로, 단면도(도 2(a)) 및 상부 조감도(도 2(b))를 도시한 도면이다. 이때, 도 2에서 검은색 점은 광에 의해 생성된 광 전하 캐리어를 의미한다. FIG. 2 is a diagram showing an example of a target solar cell used for measuring a horizontal collection distance of a charge carrier, and is a cross-sectional view (FIG. 2(a)) and an upper bird's-eye view (FIG. 2(b)). In this case, the black dots in FIG. 2 denote photo-charge carriers generated by light.
도 2에 도시한 일 예와 같이, 대상 태양전지는 하부 전극(100), 광흡수층(200), 버퍼층(300) 및 원판 형상의 금속전극(400)을 포함할 수 있으며, 광흡수층(200)과 버퍼층(300), 및 버퍼층(300)과 금속전극(400, 반경=r)은 서로 접하여 위치할 수 있다. 2, the target solar cell may include a
도 2에서 측정되는 광전류(ip)는 하기 식 4로 나타낼 수 있다.The photocurrent (i p ) measured in FIG. 2 can be represented by Equation 4 below.
(식 4)(Equation 4)
식 4에서 ip는 도 2(a)에 도시한 바와 같이, 광 조사에 의해 측정되는 광전류이며, dig는 도 2(b)에 도시한 바와 같이 일 반경이 R이며 폭이 dR인 링 영역에서 광에 의해 생성된 전류를 의미하며, ηR은 하기 식 5에 따른다.In Equation 4, i p is a photocurrent measured by light irradiation, as shown in Fig. 2(a), and di g is a ring area with a radius of R and a width of dR as shown in Fig. 2(b). It means the current generated by light in, and η R is according to Equation 5 below.
(식 5)(Equation 5)
식 5에서 R은 도 2(b)에 도시한 임의의 링 영역에서 링의 반경이며, r은 금속 전극의 반경이며, Llc는 수평 포집 거리이다. 이에, R-r은 링 영역에서 생성된 전하 운반자의 수평 이동 거리에 상응한다. In Equation 5, R is the radius of the ring in the arbitrary ring region shown in Fig. 2(b), r is the radius of the metal electrode, and L lc is the horizontal collection distance. Accordingly, Rr corresponds to the horizontal movement distance of the charge carriers generated in the ring region.
dig를 전류 밀도(Jg)로 나타내면, dig=Jg2πRdR임에 따라, 이와 식 5를 식 4에 대입하고 금속 반경인 r에서 무한대 범위로 적분을 수행하면 식 1이 도출될 수 있다.If di g is expressed as the current density (J g ), as di g =J g 2πRdR,
(식 1)(Equation 1)
식 1에서 ip는 측정되는 광전류, Jg는 광전류 밀도, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, r은 금속 전극의 반경이다.In
이에, 서로 상이한 반경을 갖는 둘 이상의 금속 전극에서 광전류를 측정하는 단순한 방법으로, 전하 운반자 수평 포집 거리(Llc)를 산출할 수 있다.Accordingly, as a simple method of measuring the photocurrent in two or more metal electrodes having different radii from each other, the charge carrier horizontal collection distance (L lc ) can be calculated.
식 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 측정방법은 금속전극의 크기, 광전류 및 전류밀도만을 이용하여 전하 운반자 수평 포집거리를 측정할 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점에 의해 외부 양자효율을 이용한 확산거리 측정 시 발생할 수 있는 오차 발생을 예방하며, 인가되는 빛의 세기에 관계없이 간단한 방법으로 전하 운반자 수평 포집거리를 측정할 수 있는 장점이 있다. As can be seen from
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따라, 식 1을 이용하여 전하 운반자 포집거리를 산출하는 경우, 금속 전극의 반지름을 달리하여 광전류를 여러번 측정함으로써, 광전류 밀도에 대한 어떠한 정보 없이도 전하 운반자 수평 포집 거리(Llc)를 산출할 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 전하 운반자 수평 포집거리 측정방법은 광전류 및 금속전극의 반지름만으로 전하 운반자 수평 포집거리를 도출할 수 있는 장점이 있다. Furthermore, according to an embodiment of the present invention, when calculating the charge carrier collection
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 방법은 서로 상이한 크기(반경)를 갖는 금속전극이 구비된 둘 이상의 대상 태양전지 또는 일 버퍼층 상 서로 상이한 크기(반경)를 갖는 금속전극이 이격 형성된 대상 태양전지를 이용하여, 대상 태양전지에 광을 조사하여 금속전극의 크기(반경)별로 광전류를 측정하는 단계; 및 서로 상이한 크기를 갖는 금속전극에서 측정된 광전류 값을 기반으로, 식 1을 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.Accordingly, the measurement method according to an embodiment of the present invention is a target solar cell provided with metal electrodes having different sizes (radius) or a target solar cell in which metal electrodes having different sizes (radius) are separated from each other on one buffer layer. Measuring a photocurrent for each size (radius) of a metal electrode by irradiating light to a target solar cell using a cell; And calculating the charge carrier horizontal collection
(식 1)(Equation 1)
식 1에서 ip는 측정되는 광전류, Jg는 광전류 밀도, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, r은 금속 전극의 반경이다.In
이때, 대상 태양전지가 일 버퍼층 상 서로 상이한 크기(반경)를 갖는 금속전극이 이격 형성된 태양전지인 경우, 서로 상이한 크기를 갖는 둘 이상의 금속전극은 다른 금속전극에 의해 일 금속전극의 전기적 특성(일 예로 수집되는 광전류)이 영향을 받지 않을 수 있는 거리로 이격된 상태일 수 있음은 물론이다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 인접하는 두 금속전극간의 거리는 수 내지 수십 센티미터 오더일 수 있다. At this time, in the case where the target solar cell is a solar cell in which metal electrodes having different sizes (radius) are separated from each other on one buffer layer, two or more metal electrodes having different sizes are formed by different metal electrodes. It goes without saying that, for example, the collected photocurrent) may be in a state separated by a distance that may not be affected. As a specific and non-limiting example, the distance between two adjacent metal electrodes may be in the order of several to tens of centimeters.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 운반자 수평 포집거리 측정방법에서, 금속전극의 반지름이 100 ㎛ 이상인 경우, 식 1의 Llc<<r임에 따라, 전하 운반자 수평 포집거리는 식 6로 도출될 수 있다. 즉, 금속전극의 반지름이 100 ㎛ 이상인 경우, 전하 운반자 수평 포집거리는 식 6로 도출될 수 있다. In addition, in the method for measuring the horizontal collection distance of a charge carrier according to an embodiment of the present invention, when the radius of the metal electrode is 100 µm or more, according to L lc << r in
(식 6)(Equation 6)
이때, 식 6에서 Lperi는 금속 전극의 둘레 길이이다. At this time, in Equation 6, L peri is the circumferential length of the metal electrode.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 전하 운반자 수평 포집거리 측정방법에서 금속전극의 크기가 100 ㎛ 이상으로, 일정 수준 이상 큰 경우 y축을 광전류로 하고, x축을 금속전극의 반지름으로 한 1차 함수의 기울기를 이용하여, 전하 운반자 확산거리를 측정할 수 있는 장점이 있다. That is, in the method of measuring the horizontal collection distance of the charge carrier according to an embodiment of the present invention, when the size of the metal electrode is 100 µm or more, and when the size of the metal electrode is larger than a certain level, the y-axis is the photocurrent, and the x-axis is the radius of the metal electrode. There is an advantage of being able to measure the charge carrier diffusion distance by using the slope of.
태양전지에 조사되는 광이 단색광인 경우, 전류밀도(Jg)는 하기 식 7에 따른다.When the light irradiated to the solar cell is monochromatic light, the current density (J g ) is according to Equation 7 below.
(식 7)(Equation 7)
식 7에서, Jg는 전류밀도, e는 전자 전하, Iab는 광흡수층에 흡수되는 광의 강도, h는 프랑크 상수, c는 광속, λ는 조사되는 광의 파장이다. In Equation 7, J g is the current density, e is the electron charge, I ab is the intensity of light absorbed by the light absorbing layer, h is the Frank's constant, c is the luminous flux, and λ is the wavelength of the irradiated light.
광흡수층에 흡수되는 광의 강도인 Iab는 식 8에 따름에 따라, 식 6은 하기 식 2로 도출될 수 있다. According to Equation 8, the intensity of light absorbed by the light absorption layer I ab , Equation 6 can be derived from
(식 8)(Equation 8)
식 8에서 Iab는 광흡수층에 흡수되는 광의 강도, I0는 대상 태양전지에 조사되는 광의 강도, Rf는 대상 태양전지의 광 반사율, 즉, 대상 태양전지에서 금속전극이 형성된 측인 수광면에서의 광반사율이다.In Equation 8, I ab is the intensity of light absorbed by the light absorbing layer, I 0 is the intensity of light irradiated to the target solar cell, and R f is the light reflectance of the target solar cell, that is, on the light-receiving surface on the side where the metal electrode is formed in the target solar cell. Is the light reflectance of
(식 2)(Equation 2)
식 2에서, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, h는 프랑크 상수, c는 광속, λ는 조사되는 광의 파장, ip는 측정된 광전류, I0는 조사되는 광의 강도, Lperi는 금속 전극의 둘레 길이, e는 전자의 전하, Rf는 대상 태양전지의 광 반사율이다.In
식 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 측정방법은 금속전극의 크기와 광전류만을 이용하여 전하 운반자 수평 포집거리를 측정할 수 있는 장점이 있으며, 단일한 크기의 금속 전극이 구비된 대상 태양전지에 광을 조사하여 단지 1회로 광전류를 측정하는 단순하고 간단한 측정에 의해 전하 운반자 수평 포집거리를 측정할 수 있는 장점이 있다. As can be seen from
화합물 반도체 태양전지인 경우, 광흡수층은 구리 및 12족 내지 14족에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소의 칼코젠화합물일 수 있다. 구체적으로, 화합물 반도체는 구리-인듐-칼코젠 화합물, 구리-인듐-갈륨-칼코젠 화합물 또는 구리-아연-주석-칼코젠 화합물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 화합물 반도체는 CIS(Cu-In-Se 또는 Cu-In-S), CIGS(Cu-In-Ga-Se 또는 Cu-In-Ga-S), CIGSS(Cu-In-Ga-Se-S), CZTS(Cu-Zn-Sn-Se 또는 Cu-Zn-Sn-S) 또는 CZTSS(Cu-Zn-Sn-Se-S)일 수 있다. 보다 더 구체적으로, 화합물 반도체는 CuInxGa1-xSe2(0<x<1인 실수), CuInxGa1-xS2(0<x<1인 실수), CuInxGa1-x(SeyS1-y)2(0<x<1인 실수, 0<y<1인 실수), Cu2ZnxSn1-xSe4(0<x<1인 실수), Cu2ZnxSn1-xS4(0<x<1인 실수) 또는 Cu2ZnxSn1-x(SeyS1-y)4(0<x<1인 실수, 0<y<1인 실수)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상적인 화합물 반도체 기반 태양전지에서 사용되는 광흡수층으로 칼코젠화합물이면 족하다.In the case of a compound semiconductor solar cell, the light absorbing layer may be a chalcogen compound of copper and one or more elements selected from groups 12 to 14. Specifically, the compound semiconductor may include a copper-indium-chalcogen compound, a copper-indium-gallium-chalcogen compound, or a copper-zinc-tin-chalcogen compound. More specifically, the compound semiconductor is CIS (Cu-In-Se or Cu-In-S), CIGS (Cu-In-Ga-Se or Cu-In-Ga-S), CIGSS (Cu-In-Ga-Se -S), CZTS (Cu-Zn-Sn-Se or Cu-Zn-Sn-S) or CZTSS (Cu-Zn-Sn-Se-S). More specifically, the compound semiconductor is CuIn x Ga 1-x Se 2 (
광흡수층의 두께는 통상적인 화합물 반도체 태양전지에서 사용되는 두께이면 족하며, 구체적이고 비 한정적인 일 예로, 1 내지 5μm를 들 수 있으나, 본 발명이 광흡수층의 두께에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. The thickness of the light absorbing layer is sufficient as long as it is used in a conventional compound semiconductor solar cell, and a specific and non-limiting example may be 1 to 5 μm, but the present invention cannot be limited by the thickness of the light absorbing layer. to be.
광흡수층 상부에 구비되는 버퍼층은 광흡수층과 빌트인 포텐셜(p-n 정션, 공핍층)을 형성하여, 선택적이며 자발적으로 광 전자가 광흡수층으로부터 버퍼층으로 이동할 수 있으며, 광흡수층을 이루는 화합물 반도체의 격자 상수와 유사한 격자 상수를 가져 고품질의 계면을 형성할 수 있는 물질이면 사용 가능하다. 구체적인 일 예로, 화합물 반도체가 구리 및 12족 내지 14족에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소의 칼코젠화합물인 경우, 버퍼층은 종래의 화합물 반도체 태양전지에서 버퍼층으로 사용되는 버퍼 물질을 포함할 수 있다. The buffer layer provided on the light absorption layer forms a light absorption layer and a built-in potential (pn junction, depletion layer), so that photoelectrons can selectively and spontaneously move from the light absorption layer to the buffer layer, and the lattice constant of the compound semiconductor forming the light absorption layer Any material that has a similar lattice constant and can form a high-quality interface can be used. As a specific example, when the compound semiconductor is a chalcogen compound of one or two or more selected elements from copper and groups 12 to 14, the buffer layer may include a buffer material used as a buffer layer in a conventional compound semiconductor solar cell.
상세하게, 버퍼층은 n형 도펀트로 도핑되거나, n형 도펀트로 도핑되지 않은, ZnS, CdS, ZnxCd1-xS(0<x<1인 실수), In2S3, SnS2, CdSe 및 ZnSe에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하, n형 도펀트로 도핑된 경우를 익스트린직(extrinsic)으로 칭하며, 도펀트로 도핑되지 않은 경우를 인트린직(intrinsic)으로 칭한다. 보다 상세하게, 버퍼층은 익스트린직 ZnS, 익스트린직 CdS, 익스트린직 ZnxCd1-xS(0<x<1인 실수), 익스트린직 In2S3, 익스트린직SnS2, 익스트린직 CdSe, 익스트린직 ZnSe, 인트린직 ZnS, 인트린직 CdS, 인트린직 ZnxCd1-xS(0<x<1인 실수), 인트린직 In2S3, 인트린직SnS2, 인트린직 CdSe 및 인트린직 ZnSe에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. Specifically, the buffer layer is doped with an n-type dopant or not doped with an n-type dopant, ZnS, CdS, Zn x Cd 1-x S (real number of 0<x<1), In 2 S 3 , SnS 2 , CdSe And one or two or more materials selected from ZnSe, but are not limited thereto. Hereinafter, a case doped with an n-type dopant is referred to as extrinsic, and a case not doped with a dopant is referred to as intrinsic. In more detail, the buffer layer is Extrinsic ZnS, Extrinsic CdS, Extrinsic Zn x Cd 1-x S (real number of 0<x<1), Extrinsic In 2 S 3 , Extrinsic SnS 2 , Extrinsic CdSe, Extrinsic ZnSe, Intrinsic ZnS, Intrinsic CdS, Intrinsic Zn x Cd 1-x S (0<x<1), Intrinsic In 2 S 3 , Intrinsic SnS 2 , Ste One or two or more of linzic CdSe and intrinsic ZnSe may be selected.
이때, 버퍼층이 n형 도펀트를 함유하는 경우(익스트린직 반도체 물질을 함유하는 경우), 이는 버퍼층의 적어도 일부 영역이 n형 도펀트로 도핑된 것을 의미한다. 버퍼층이 n형 도펀트로 도핑된 경우, 버퍼층의 광흡수층과 접하는 면으로부터 그 대향면으로의 방향인 두께 방향으로 n형 도펀트의 농도가 변화될 수 있다. 상세하게, 버퍼층은 광흡수층과 접하는 면으로부터 그 대향면으로의 방향인 두께 방향으로 n형 도펀트의 농도가 연속적 또는 불연속적으로 증가할 수 있다. 이때, 불연속적 증가는, n형 도펀트로 미 도핑된 인트린직 영역 상부에 n형 도펀트로 도핑된 익스트린직 영역이 위치하는 구조 또한 포함하며, 익스트린직 영역의 n형 도펀트의 도핑 프로파일(두께 방향으로의 도핑 프로파일)이 연속적 또는 불연속적으로 증가할 수 있음은 물론이다. 인트린직 영역은 인트린직 ZnS, 인트린직 CdS, 인트린직 ZnxCd1-xS(0<x<1인 실수), 인트린직 In2S3, 인트린직SnS2, 인트린직 CdSe 및 인트린직 ZnSe에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 포함할 수 있으며, 익스트린직 영역은 익스트린직 ZnS, 익스트린직 CdS, 익스트린직 ZnxCd1-xS(0<x<1인 실수), 익스트린직 In2S3, 익스트린직SnS2, 익스트린직 CdSe 및 익스트린직 ZnSe에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 포함할 수 있다. 이때, 버퍼층이 인트린직 영역과 익스트린직 영역이 두께 방향으로 순차적으로 형성된 구조이거나, n형 도펀트가 두께 방향으로(광흡수층에서 전면 전극 방향으로) 연속적 또는 불연속적으로 증가하는 프로파일을 가질 수 있다. 이때 n형 도펀트는 Al, Ga, B, Sn, Sb, F, Cl, Mn, Co, Ni, Fe, Ti, Mo, Nb, P, O, In, Cr 및 Zn에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소, 보다 구체적으로 Ga, Al, B In, F, Cr 및 Zn에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소를 들 수 있다. In this case, when the buffer layer contains an n-type dopant (when it contains an extrinsic semiconductor material), this means that at least a portion of the buffer layer is doped with an n-type dopant. When the buffer layer is doped with an n-type dopant, the concentration of the n-type dopant may be changed in a thickness direction that is a direction from a surface in contact with the light absorbing layer of the buffer layer toward the opposite surface. In detail, the concentration of the n-type dopant may continuously or discontinuously increase in the thickness direction of the buffer layer in a direction from a surface in contact with the light absorbing layer to an opposite surface thereof. In this case, the discontinuous increase also includes a structure in which an extrinsic region doped with an n-type dopant is located above an intrinsic region not doped with an n-type dopant, and the doping profile of the n-type dopant in the extrinsic region (thickness It goes without saying that the doping profile in the direction) may increase continuously or discontinuously. Intrinsic ZnS, Intrinsic CdS, Intrinsic Zn x Cd 1-x S (0<x<1), Intrinsic In 2 S 3 , Intrinsic SnS 2 , Intrinsic CdSe and Intrinsic ZnSe It may contain one or more materials selected from, and the extrinsic region is Extrinsic ZnS, Extrinsic CdS, Extrinsic Zn x Cd 1-x S (real number where 0<x<1), Extrinsic It may include one or more materials selected from direct In 2 S 3 , Extrinsic SnS 2 , Extrinsic CdSe and Extrinsic ZnSe. In this case, the buffer layer may have a structure in which the intrinsic region and the extrinsic region are sequentially formed in the thickness direction, or the n-type dopant may have a profile that continuously or discontinuously increases in the thickness direction (from the light absorbing layer to the front electrode). . At this time, the n-type dopant is an element selected from one or two or more of Al, Ga, B, Sn, Sb, F, Cl, Mn, Co, Ni, Fe, Ti, Mo, Nb, P, O, In, Cr, and Zn , More specifically, one or more elements selected from Ga, Al, B In, F, Cr, and Zn may be mentioned.
버퍼층이 n형 도펀트를 함유하며, n형 도펀트가 버퍼층의 두께 방향으로 연속적 또는 불연속적으로 증가하는 농도 프로파일을 가짐으로써, 광흡수층과 버퍼층 간에 안정적이고 넓은 공핍층이 형성될 수 있어 효과적으로 광전자를 분리 및 이동시킬 수 있다. Since the buffer layer contains an n-type dopant and the n-type dopant has a concentration profile that continuously or discontinuously increases in the thickness direction of the buffer layer, a stable and wide depletion layer can be formed between the light absorbing layer and the buffer layer, thereby effectively separating photoelectrons. And can be moved.
버퍼층의 두께는 통상적인 화합물 반도체 태양전지에서 사용되는 두께이면 족하며, 구체적이고 비 한정적인 일 예로, 10 내지 100nm를 들 수 있으나, 본 발명이 버퍼층의 두께에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.The thickness of the buffer layer is sufficient as long as it is the thickness used in a conventional compound semiconductor solar cell, and a specific and non-limiting example may be 10 to 100 nm, but it is a matter of course that the present invention cannot be limited by the thickness of the buffer layer.
대상 태양전지는 광흡수층의 하부에 형성된 후면전극 및 후면전극의 하부에 형성된 기재를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The target solar cell may further include a rear electrode formed under the light absorption layer and a substrate formed under the rear electrode, but is not limited thereto.
기재(는 지지체의 역할을 수행할 수 있으며, 리지드 기재 또는 플렉시블 기재를 포함할 수 있다. 리지드 기재의 구체적인 일 예로 소다라임 유리를 포함하는 유리 기재, 알루미나와 같은 세라믹 기재, 스테인레스 스틸, 구리와 같은 금속 기재를 들 수 있다. 플렉시블 기재의 구체적인 일 예로, 폴리이미드와 같은 고분자 기재, 스테인레스 스틸 포일과 같은 금속 포일(metal foil)등을 들 수 있으나 본 발명이 기재의 물질에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. Substrate (can serve as a support, and may include a rigid substrate or a flexible substrate. A specific example of a rigid substrate is a glass substrate including soda lime glass, a ceramic substrate such as alumina, stainless steel, and copper. As a specific example of the flexible substrate, a polymer substrate such as polyimide, a metal foil such as stainless steel foil, etc. may be mentioned, but the present invention cannot be limited by the material of the substrate. Of course.
후면전극은 높은 전기전도도를 가지며, 광흡수층의 화합물 반도체와 오믹 접합(ohmic contact)을 이룰 수 있으며, 칼코젠 분위기에서 안정한 물질이면 무방하며, 통상적인 화합물 반도체기반 태양전지에서 후면전극으로 사용되는 물질이면 족하다. 구체적인 후면전극의 일 예로, 몰리브덴(Mo)을 들 수 있으나, 본 발명이 후면전극(배면전극)의 물질에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. 후면전극의 두께는 통상적인 화합물 반도체기반 태양전지에서 사용되는 두께이면 족하며, 구체적이고 비 한정적인 일 예로, 0.5 내지 2μm를 들 수 있으나, 본 발명이 후면전극(배면전극)의 두께에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.The rear electrode has high electrical conductivity, can make ohmic contact with the compound semiconductor of the light absorbing layer, and any material that is stable in a chalcogen atmosphere can be used as a material used as a rear electrode in conventional compound semiconductor-based solar cells. This is enough. As an example of a specific rear electrode, molybdenum (Mo) may be mentioned, but it goes without saying that the present invention cannot be limited by the material of the rear electrode (back electrode). The thickness of the rear electrode is sufficient as long as it is used in a conventional compound semiconductor-based solar cell, and as a specific and non-limiting example, 0.5 to 2 μm may be mentioned, but the present invention is limited by the thickness of the rear electrode (back electrode). Of course it cannot be.
본 발명은 상술한 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법을 이용한 태양전지용 투명 전극, 구체적으로 태양전지용 네트워크 기반 투명 전극의 설계 방법을 포함한다. 네트워크 기반 투명 전극은 금속 메쉬형 투명 전극 또는 전도성 1차원 나노구조체 네트워크 기반 투명 전극을 의미할 수 있으며, 전도성 1차원 나노구조체 네트워크 기반 투명 전극은 전도성 1차원 나노구조체들이 서로 접점을 형성하며 연속적인 전류 이동 경로인 네트워크를 형성하는 투명 전극을 의미할 수 있다. 이때, 전도성 1차원 나노구조체는 탄소나노튜브, 은 나노와이어등과 같은 전도성 물질의 나노튜브나 나노와이어등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The present invention includes a method of designing a transparent electrode for a solar cell, specifically a network-based transparent electrode for a solar cell, using the method for measuring the horizontal collection distance of the charge carrier described above. The network-based transparent electrode may mean a metal mesh-type transparent electrode or a conductive one-dimensional nanostructure network-based transparent electrode, and a conductive one-dimensional nanostructure network-based transparent electrode is a continuous current as conductive one-dimensional nanostructures form contacts with each other. It may mean a transparent electrode forming a network that is a moving path. In this case, the conductive one-dimensional nanostructure may include nanotubes or nanowires made of conductive materials such as carbon nanotubes and silver nanowires, but is not limited thereto.
본 발명에 따른 투명전극의 설계 방법은 상술한 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법으로 전하 운반자 수평 포집 거리를 산출하는 단계; 네트워크 기반 투명 전극의 수평 포집 효율 및 광 투과율을 설정하는 단계; 및 하기 식 3을 이용하여 설정된 광 투과율과 수평 포집 효율을 만족하는 네트워크 기반 투명 전극의 빈 공간 크기를 산출하는 단계;를 포함한다.The method of designing a transparent electrode according to the present invention includes the steps of calculating a horizontal charge carrier collection distance by the method for measuring a horizontal charge carrier collection distance; Setting horizontal collection efficiency and light transmittance of the network-based transparent electrode; And calculating an empty space size of the network-based transparent electrode that satisfies the light transmittance and horizontal collection efficiency set using Equation 3 below.
이때, 네트워크 기반 투명 전극의 빈 공간 크기는, 금속 메쉬형 투명 전극의 경우 망의 크기를 의미할 수 있으며, 전도성 1차원 나노구조체 네트워크 기반 투명 전극의 경우 1차원 나노구조체들이 서로 접하며 형성되는 폐 곡선(최소 크기의 폐곡선 기준)을 기준하여 폐 곡선들을 동일 면적의 원들로 환산했을 때의 평균 크기(직경)을 의미할 수 있다. In this case, the size of the empty space of the network-based transparent electrode may mean the size of the network in the case of a metal mesh-type transparent electrode, and in the case of a conductive one-dimensional nanostructure network-based transparent electrode, a closed curve formed by contacting one-dimensional nanostructures with each other It can mean the average size (diameter) when the closed curves are converted into circles of the same area based on the (minimum closed curve standard).
(식 3) (Equation 3)
식 3에서 ηl은 수평 포집 효율, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, L은 네트워크 기반 투명 전극의 빈 공간 크기이다.In Equation 3, η l is the horizontal collection efficiency, L lc is the horizontal collection distance of the charge carrier, and L is the empty space size of the network-based transparent electrode.
나아가, 네트워크 기반 투명 전극이 금속 메쉬형 투명 전극인 경우, 하기 식 9를 이용하여 전도성 메쉬의 폭을 산출하는 단계가 더 수행될 수 있다. Further, when the network-based transparent electrode is a metal mesh type transparent electrode, the step of calculating the width of the conductive mesh using Equation 9 below may be further performed.
(식 9)(Equation 9)
식 9에서 D는 투명전극(네트워크 기반 투명전극)에서 전도성 메쉬의 폭이며, T는 투명전극의 광투과율이다.In Equation 9, D is the width of the conductive mesh in the transparent electrode (network-based transparent electrode), and T is the light transmittance of the transparent electrode.
본 발명에 따른 투명 전극의 설계 방법은, 태양전지의 구체 용도에 따라 적절히 수평 포집 효율과 투명전극의 광투과율을 설정하는 경우, 측정된 전하 운반자 수평 포집 거리만을 이용하여 설정된 수평 포집효율과 광투과율을 만족하는 투명 전극이 제조될 수 있는 투명 전극의 빈 공간 크기를 산출할 수 있는 장점이 있으며, 나아가, 전도성 메쉬의 폭 또한 산출할 수 있는 장점이 있다. The method of designing a transparent electrode according to the present invention is, when appropriately setting the horizontal collection efficiency and light transmittance of the transparent electrode according to the specific use of the solar cell, the horizontal collection efficiency and light transmittance set using only the measured charge carrier horizontal collection distance. There is an advantage of calculating the size of an empty space of a transparent electrode in which a transparent electrode satisfying can be manufactured, and further, there is an advantage of calculating the width of a conductive mesh.
이때, 투명 전극 형성을 위해 도포되는 전도성 1차원 나노구조체의 밀도를 제어함으로써 설계된 투명 전극의 빈 공간 크기를 갖는 전도성 1차원 나노구조체 네트워크 기반 투명 전극을 제조할 수 있음은 물론이다.At this time, it goes without saying that it is possible to manufacture a transparent electrode based on a conductive one-dimensional nanostructure network having a blank space size of the designed transparent electrode by controlling the density of the conductive one-dimensional nanostructure applied to form the transparent electrode.
도 3은 광 조사시 제조된 대상 태양전지의 광전류를 측정 도시한 도면이다. 상세하게, 대상 태양전지는 소다라임 유리판 상 Mo 후면전극에 동시증착(co-evaporation)을 이용하여 2000nm 두께의 CuInxGa1-xS2 광흡수층을 형성하고, 광흡수층상에 60nm 두께의 CdS 버퍼층을 형성한 후, 전자빔 증착법을 이용하여 반경이 1mm인 원판 형태로 Al/Ni 금속 전극을 형성하여 제조하였다.3 is a diagram showing the measurement of the photocurrent of a target solar cell manufactured during light irradiation. Specifically, the target solar cell forms a 2000 nm-thick CuIn x Ga 1-x S 2 light absorbing layer by using co-evaporation on the Mo rear electrode on a soda-lime glass plate, and 60 nm-thick CdS on the light absorbing layer. After forming the buffer layer, an Al/Ni metal electrode was formed in the form of a disk having a radius of 1 mm using an electron beam evaporation method.
광 조사는 중심파장이 600nm의 단색광(FHWM=50nm)을 이용하여 수행되었다. 600nm 단색광의 제조된 대상 태양전지의 광흡수층에서의 흡수 깊이는 100nm 이내였다. 조사되는 단색광의 강도는 66.2W/m2이었으며, 제조된 대상 태양전지에 대한 단색광(600nm)의 Rf는 0.09였다. 도 3의 광 조사시, 1sun 백색광을 600nm 밴드패스필터(FHWM=50nm)에 통과시켜 600nm 단색광을 생성 및 조사한 것이다.Light irradiation was performed using monochromatic light with a center wavelength of 600 nm (FHWM=50 nm). The absorption depth in the light absorption layer of the manufactured target solar cell of 600 nm monochromatic light was within 100 nm. The intensity of the irradiated monochromatic light was 66.2 W/m 2, and the R f of the monochromatic light (600 nm) for the manufactured target solar cell was 0.09. When the light of FIG. 3 is irradiated, a 600nm monochromatic light is generated and irradiated by passing 1sun white light through a 600nm bandpass filter (FHWM=50nm).
도 3의 광 전류는 600nm 단색광 조사 후, 백색광(1sun)을 조사하여 광전류가 포화될 때 백색광의 조사를 멈추고 다시 600nm 단색광을 조사하여 측정된 광전류이다. The photocurrent of FIG. 3 is a photocurrent measured by irradiating 600nm monochromatic light, then irradiating white light (1sun), stopping the irradiation of white light when the photocurrent is saturated, and irradiating 600nm monochromatic light again.
도 3에서 알 수 있듯이 600nm 단색광 조사에 6.7x10-7A 광전류가 측정되었으며, 600nm 단색광 조사를 멈추고, 백색광이 조사되는 즉시 광전류가 1.8x10-5A로 증가하였으며 백색광 조사가 계속됨에 따라 광전류가 점진적으로 증가하다, 15분의 백색광 조사 시점에서 광전류가 2.5x10-5A로 포화되는 것을 알 수 있다. 백색광 조사에 의한 광전류 포화가 이루어진 후, 다시 백색광의 조사를 멈추고 600nm 단색광을 조사하였으며, 백색광에 의해 결함 중성화가 이루어진 후에 측정된 600nm 단색광 조사에 의한 광전류는 4.8 x 10-6A이었다. Ip=4.8 x 10-6A, λ=600nm, Rf=0.09, I0=66.2W/m2, r=1mm의 값들을 식 2에 대입하여, 전하 운반자 수평 포집 거리를 산출한 결과, 전하 운반자 수평 포집 거리(Llc)는 26.2μm였다.As can be seen from FIG. 3, a photocurrent of 6.7x10 -7 A was measured in 600nm monochromatic light irradiation, and the photocurrent increased to 1.8x10 -5 A immediately after 600nm monochromatic light irradiation was stopped, and white light irradiation continued. It can be seen that the photocurrent is saturated to 2.5x10 -5 A at the time of 15 minutes of white light irradiation. After the photocurrent saturation was achieved by white light irradiation, the irradiation of white light was stopped again, and 600nm monochromatic light was irradiated. After the defect was neutralized by white light, the photocurrent by 600nm monochromatic irradiation was 4.8 x 10 -6 A. Substituting the values of I p =4.8 x 10 -6 A, λ=600nm, R f =0.09, I 0 =66.2W/m 2 and r=1mm into
도 4는 은 나노와이어 네트워크 기반 투명 전극을 설계 대상 전극으로, 산출된 전하 운반자 수평 포집 거리와 식 3 및 식 4를 이용하여, 광투과율을 90%로 설계한 후, 수평 포집 효율(ηl)과 은 나노와이어의 직경 및 네트워크 기반 투명 전극의 빈 공간 크기의 관계를 도시한 도면이다.4 shows a transparent electrode based on a silver nanowire network as a design target electrode, using the calculated charge carrier horizontal collection distance and Equations 3 and 4, designing a light transmittance of 90%, and then horizontal collection efficiency (η l ) And is a diagram showing the relationship between the diameter of the nanowire and the size of the empty space of the network-based transparent electrode.
도 4에서 알 수 있듯이, 네트워크 기반 투명 전극의 수평 포집 효율을 설정하는 경우, 설정된 수평 포집 효율과 설정된 투명도를 갖는 투명 전극이 제조되는 투명 전극의 빈 공간 크기나 은 나노와이어의 직경이 결정됨을 알 수 있다.As can be seen from FIG. 4, when setting the horizontal collection efficiency of the network-based transparent electrode, it is understood that the size of the empty space of the transparent electrode or the diameter of the silver nanowire in which the transparent electrode having the set horizontal collection efficiency and the set transparency is manufactured is determined. I can.
본 발명은 상술한 네트워크 기반 투명 전극의 설계 방법에 따라 설계된(제조된) 태양전지용 투명전극을 포함한다. The present invention includes a transparent electrode for a solar cell designed (manufactured) according to the method of designing a network-based transparent electrode described above.
본 발명은 상술한 네트워크 기반 투명 전극의 설계 방법에 따라 제조된 투명전극을 포함하는 태양전지를 포함한다. 이때, 투명 전극이 구비된 태양전지는 상술한 대상 태양전지에서, 금속 전극 대신 본 발명의 설계방법에 따라 설계 및 제조된 박막 태양전지용 투명전극이 구비된 것일 수 있다.The present invention includes a solar cell including a transparent electrode manufactured according to the method for designing a network-based transparent electrode described above. In this case, the solar cell provided with the transparent electrode may be one provided with a transparent electrode for a thin film solar cell designed and manufactured according to the design method of the present invention instead of a metal electrode in the target solar cell described above.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described by the specific matters and limited embodiments and drawings, but this is provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is Those of ordinary skill in the relevant field can make various modifications and variations from this description.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and all things that are equivalent or equivalent to the claims as well as the claims to be described later belong to the scope of the spirit of the present invention. .
Claims (14)
상기 광흡수층 상부에 위치하는 금속전극;
을 포함하는 대상 태양전지를 이용하며,
상기 대상 태양전지에 광을 조사하여 광전류를 측정하는 단계; 및
상기 광전류를 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리를 도출하는 단계;를 포함하며,
상기 금속전극의 반경에 따른 광전류 값을 기반으로, 하기 식 1을 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리를 산출하는 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법.
(식 1)
(식 1에서 ip는 측정되는 광전류, Jg는 광전류 밀도, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, r은 금속 전극의 반경이다)Light absorbing layer; And
A metal electrode positioned on the light absorbing layer;
Using the target solar cell including,
Measuring a photocurrent by irradiating light to the target solar cell; And
Including; deriving a charge carrier horizontal collection distance using the photocurrent,
Based on the photocurrent value according to the radius of the metal electrode, a charge carrier horizontal collection distance measurement method for calculating a charge carrier horizontal collection distance using Equation 1 below.
(Equation 1)
(In Equation 1, ip is the measured photocurrent, J g is the photocurrent density, L lc is the charge carrier horizontal collection distance, and r is the radius of the metal electrode)
상기 광흡수층 상부에 위치하며, 100 μm 이상의 반경을 갖는 금속전극;
을 포함하는 대상 태양전지를 이용하며,
상기 대상 태양전지에 광을 조사하여 광전류를 측정하는 단계; 및
상기 광전류를 이용하여 전하 운반자 수평 포집 거리를 도출하는 단계;를 포함하며,
상기 전하 운반자 수평 포집 거리는 하기 식 2에 의해 산출되는 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법.
(식 2)
(관계식 2에서, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, h는 프랑크 상수, c는 광속, λ는 조사되는 광의 파장, ip는 측정된 광전류, I0는 조사되는 광의 강도, Lperi는 금속 전극의 둘레 길이, e는 전자의 전하, Rf는 대상 태양전지의 광 반사율이다)Light absorbing layer; And
A metal electrode positioned on the light absorbing layer and having a radius of 100 μm or more;
Using the target solar cell including,
Measuring a photocurrent by irradiating light to the target solar cell; And
Including; deriving a charge carrier horizontal collection distance using the photocurrent,
The charge carrier horizontal collection distance is calculated by the following equation (2).
(Equation 2)
(In relational equation 2, L lc is the horizontal capture distance of the charge carrier, h is the Franck constant, c is the light flux, λ is the wavelength of the irradiated light, i p is the measured photocurrent, I 0 is the intensity of the irradiated light, and L peri is the metal electrode. Circumference length of, e is the charge of the electron, R f is the light reflectance of the target solar cell)
상기 대상 태양전지에 조사되는 광은 단색(monochromatic) 광인 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법. The method according to claim 1 or 2,
The light irradiated to the target solar cell is a monochromatic light, which is a method of measuring a horizontal collection distance of a charge carrier.
상기 광전류는 상기 대상 태양전지에 백색광을 조사한 후, 단색광을 조사하여 얻어지는 전류인 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법. The method according to claim 1 or 2,
The photocurrent is a current obtained by irradiating white light to the target solar cell and then irradiating monochromatic light.
상기 금속전극은 원판, 타원형판 또는 다각판 형상인 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법. The method according to claim 1 or 2,
The metal electrode is a method for measuring the horizontal collection distance of charge carriers in the shape of a disk, an elliptical plate, or a polygonal plate.
상기 금속전극의 반경을 달리하여 상기 광전류를 측정하는 단계가 수행되는 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법. The method of claim 1,
A method of measuring a horizontal collection distance of a charge carrier in which the step of measuring the photocurrent by varying the radius of the metal electrode is performed.
상기 대상 태양전지는 상기 광흡수층과 금속전극 사이에 위치하여, 상기 광흡수층과 접하여 위치하는 버퍼층;을 더 포함하는 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법. The method according to claim 1 or 2,
The target solar cell further comprises a buffer layer positioned between the light absorbing layer and the metal electrode, and positioned in contact with the light absorbing layer.
상기 대상 태양전지에 조사되는 광은 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭에 해당하는 파장의 광보다 장파장인 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법.The method of claim 9,
Light irradiated to the target solar cell has a longer wavelength than light having a wavelength corresponding to the energy band gap of the buffer layer.
상기 대상 태양전지에 조사되는 광은 550 내지 700nm 파장 대역의 광인 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법. The method of claim 9,
The light irradiated to the target solar cell is light in a wavelength band of 550 to 700 nm.
네트워크 기반 투명 전극의 수평 포집 효율 및 광 투과율을 설정하는 단계;
하기 식 3을 이용하여, 설정된 광 투과율과 수평 포집 효율을 만족하는, 네트워크 기반 투명 전극의 빈 공간 크기를 산출하는 단계;
를 포함하는 태양전지용 투명 전극의 설계 방법.
(식 3)
(식 3에서 ηl은 수평 포집 효율, Llc는 전하 운반자 수평 포집 거리, L은 네트워크 기반 투명 전극의 빈 공간 크기이다) The method of claim 1, 2, and 7 according to any one of the steps of calculating the horizontal collection distance of the charge carriers;
Setting horizontal collection efficiency and light transmittance of the network-based transparent electrode;
Calculating an empty space size of a network-based transparent electrode that satisfies a set light transmittance and a horizontal collection efficiency using Equation 3 below;
Design method of a transparent electrode for a solar cell comprising a.
(Equation 3)
(In Equation 3, η l is the horizontal collection efficiency, L lc is the horizontal collection distance of the charge carrier, and L is the empty space size of the network-based transparent electrode)
A transparent electrode for a thin film solar cell designed according to claim 12.
상기 광흡수층에 대한 상기 대상 태양전지에 조사되는 광의 흡수 깊이는 150nm 이내인 전하 운반자 수평 포집 거리 측정방법. The method according to claim 1 or 2,
A method of measuring a horizontal collection distance of a charge carrier in which the absorption depth of light irradiated to the target solar cell for the light absorption layer is within 150 nm.
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