KR102457929B1 - 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 실리콘 태양전지 상에 페로브스카이트 태양전지를 적층하여 접합시킨 모놀리식(monolithic) 텐덤 태양전지와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 동종접합(homojuction) 실리콘 태양전지로 구현되는 템덤 태양전지에 있어서, 제1 패시베이션 패턴을 도입하여 제1 패시베이션 패턴 하부의 에미터층의 일부가 노출되도록 함으로써, 제2 전극을 형성하기 위한 고온 소성시 제1 패시베이션 패턴에 의해 에미터층이 보호되어 에미터층의 표면 결함을 감소시켜 페로브스카이트 태양전지의 특성 열화 문제를 개선할 수 있다.

Description

텐덤 태양전지 및 그 제조 방법{TANDEM SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 실리콘 태양전지 상에 페로브스카이트 태양전지를 적층하여 접합시킨 모놀리식(monolithic) 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
결정질 실리콘(crystalline silicon; c-Si) 태양전지는 대표적인 단일접합(single juction) 태양전지로서 수십년 동안 태양전지 시장을 지배해왔다.
그러나 결정질 실리콘의 밴드갭은 Shockley-Queisser 한계를 고려할 때 거의 이상적임에도 불구하고, 실리콘 기반의 태양전지의 광전 변환 효율을 Auger 재조합에 따라 약 30% 수준으로 제한되고 있는 실정이다.
즉, 종래의 결정질 실리콘 태양전지의 광전 효율은 밴드갭보다 훨씬 높은 에너지를 갖는 광자가 입사될 때 발생하는 열화 손실(thermalization loss)과 밴드갭보다 낮은 에너지를 갖는 포톤의 투과 손실로 인해 낮은 한계치를 갖는다.
여기서, 열화 손실이란 태양전지로 흡수된 광의 초과 에너지가 격자 진동의 양자 형태인 포톤으로 전환되지 못하고 열에너지로 손실되는 것을 말하며, 투과 손실이란 밴드갭보다 낮은 에너지를 갖는 광자가 전자를 충분히 여기시키지 못함에 따른 손실을 의미한다.
단일접합 태양전지에 있어서 열화 손실을 줄이려면 적절한 크기의 밴드갭이 필요함과 동시에 낮은 에너지의 포톤이 기여할 수 있도록 하기 위해서는 밴드갭이 낮아야 하므로 서로 간에 트레이드-오프(trade-off) 관계가 성립된다.
이러한 트레이드-오프 관계는 단일접합 태양전지로는 해결하기 곤란하기 때문에, 최근에는 텐덤 태양전지(tandem solar cell 또는 double-juction solar cell)와 같이 다양한 에너지 밴드갭을 갖는 재료들을 이용함으로써 넓은 스펙트럼 영역의 광에너지를 효과적으로 이용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
이러한 시도의 일환으로 서로 다른 밴드갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 연결하여 하나의 태양전지를 구성하는 텐덤 태양전지가 제안된 바 있다.
일반적으로 텐덤 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 먼저 입사광을 받도록 상부에 위치하며, 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 하부에 위치한다.
이에 따라, 텐덤 태양전지는 상부에서 단파장 영역의 광을 흡수하고 하부에서 장파장 영역의 광을 흡수함으로써 문턱 파장(threshold wavelength)을 장파장 쪽으로 이동시킬 수 있으며, 결과적으로 전체 흡수파장 영역을 넓게 이용할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 전체 흡수파장 영역을 두 대역으로 나누어 이용함으로써 전자-정공 생성시 열 손실의 감소를 기대할 수 있다.
이러한 텐덤 태양전지는 단일접합 태양전지의 접합 형태와 전극이 구비되는 위치에 따라 크게 2-단자(two-terminal) 텐덤 태양전지와 4-단자(four-terminal) 텐덤 태양전지로 분류될 수 있다.
구체적으로, 2-단자 텐덤 태양전지는 두 서브 태양전지가 터널 접합되며, 텐덤 태양전지의 상부 및 하부에 각각 전극이 구비된 구조를 가지며, 4-단자 텐덤 태양전지는 두 서브 태양전지가 서로 이격된 상태로 존재하며, 각각의 서브 태양전지의 상부 및 하부에 전극이 구비된 구조를 가진다.
4-단자 텐덤 태양전지의 경우 각 서브 태양전지가 별개의 기판을 필요로 하며, 2-단자 텐덤 태양전지에 비해 상대적으로 많은 투명 전도성 접합을 필요로 하기 때문에 저항이 높으며, 광학 손실이 필연적으로 발생하기 때문에 2-단자 텐덤 태양전지가 차세대 태양전지로서 주목받고 있다.
도 1은 일반적인 2-단자 텐덤 태양전지를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 접합층을 매개로 하여 터널 접합된다.
다양한 종류의 2-단자 텐덤 태양전지 중 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 페로브스카이트 태양전지로 사용하고, 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 결정질 실리콘 태양전지로 사용한 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지가 30% 이상의 광전 효율을 달성할 수 있는 유력한 후보로 주목받고 있다.
페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지에 있어서 페로브스카이트 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지 상에 접합층을 형성한 후 접합층 상에 증착하게 된다.
도면으로 상세히 나타내지는 않았지만, 일반적인 텐덤 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지의 후면에 후면 금속전극이 배치되고, 페로브스카이트 태양전지의 전면에 전면 금속전극이 배치된다.
이때, 후면 금속전극 및 전면 금속전극은 유리 프릿이 첨가된 전극 페이스트를 각각 도포한 후, 700℃ 이상의 고온에서 소성하여 제조하고 있다.
즉, 일반적인 텐덤 태양전지의 경우, 페로브스카이트 태양전지를 형성한 이후에 유리 프릿이 첨가된 전극 페이스트를 각각 도포한 후, 700℃ 이상의 고온에서 소성하여 후면 금속전극 및 전면 금속전극을 동시에 형성하고 있다.
이 결과, 일반적인 텐덤 태양전지에서는 페로브스카이트 태양전지를 결정질 실리콘 태양전지와 접합시킨 이후에 후면 금속전극 및 전면 금속전극을 형성하기 때문에 페로브스카이트 태양전지가 700℃ 이상의 고온에 그대로 노출되는데 기인하여 페로브스카이트 태양전지의 특성이 열화되는 문제가 있었다.
본 발명은 동종접합(homojuction) 실리콘 태양전지로 구현되는 텐덤 태양전지에 있어서, 제1 패시베이션 패턴을 도입하여 제1 패시베이션 패턴 하부의 에미터층의 일부가 노출되도록 함으로써, 제2 전극을 형성하기 위한 고온 소성시 제1 패시베이션 패턴에 의해 에미터층이 보호되어 에미터층의 표면 결함을 감소시켜 페로브스카이트 태양전지의 특성 열화 문제를 개선할 수 있는 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제1 패시베이션 패턴의 도입으로 에미터층 및 제1 패시베이션 패턴 상부에 적층되는 접합층이 에미터층의 일부와 직접적으로 접합되는 것에 의해 실리콘 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 전기적 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이에 더불어, 본 발명은 결정질 실리콘 기판의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나 이상에 배치된 텍스처링 패턴을 갖는 텍스처 구조를 갖도록 설계함에 따라, 접합층과 실리콘 태양전지의 경계면에서의 반사율을 줄일 수 있음과 더불어, 실리콘 태양전지에서 장파장 광의 이용률을 향상시킬 수 있는 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 결정질 실리콘 기판의 제1 면에 배치된 에미터층과, 상기 에미터층 상에 배치되며, 상기 에미터층의 일부가 노출되는 개구부를 갖도록 패터닝된 제1 패시베이션 패턴을 포함하는 실리콘 태양전지; 페로브스카이트 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지; 상기 실리콘 태양전지의 제1 패시베이션 패턴 상과, 상기 개구부를 통해 노출되는 상기 에미터층 상에 배치되고, 투명 전도성 재료로 이루어지며, 상기 실리콘 태양전지와 상기 페로브스카이트 태양전지를 접합하는 접합층; 상기 페로브스카이트 태양전지 상에 배치되며 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극; 및 상기 결정질 실리콘 기판의 제2 면에 배치되며 유리 프릿을 포함하는 제2 전극;을 포함하는 텐덤형 태양전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 결정질 실리콘 기판의 제1 면에 에미터층을 형성하는 단계; 상기 에미터층 상에 제1 패시베이션층을 형성하는 단계; 상기 결정질 실리콘 기판의 제2 면에 제2패시베이션층을 형성하는 단계; 상기 제2패시베이션층 상에 제2 전극을 형성하고, 상기 제2패시베이션층을 관통하여 상기 실리콘 기판의 제2면에 콘택시키는 단계; 상기 제1 패시베이션층의 일부를 식각하여, 상기 에미터층의 일부를 노출시키는 개구부를 형성하는 단계; 상기 개구부를 통해 노출되는 에미터층 및 제1 패시베이션 상에 접합층을 형성하는 단계; 상기 접합층 상에 페로브스카이트 흡수층을 가지는 페로브스카이트 태양전지를 형성하는 단계; 및 상기 페로브스카이트 태양전지 상에 제1 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 텐덤 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 에미터층의 상부에 일정한 간격으로 이격 배치되도록 설계된 제1 패시베이션 패턴을 도입하여 제1 패시베이션 패턴 하부의 에미터층의 일부가 노출되도록 하였다.
이 결과, 본 발명에 따른 텐덤 태양전지는 제2 전극을 형성하기 위한 고온 소성시 제1 패시베이션 패턴에 의해 에미터층이 보호되어 에미터층의 표면 결함을 감소시킬 수 있으므로 페로브스카이트 태양전지의 특성 열화 문제를 개선할 수 있게 된다.
이에 더불어, 본 발명에 따른 텐덤 태양전지는 제1 패시베이션 패턴의 도입으로 에미터층 및 제1 패시베이션 패턴 상부에 적층되는 접합층이 에미터층의 일부와 직접적으로 접합되는 것에 의해 실리콘 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 전기적 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 텐덤 태양전지 제조 방법은 제2 전극과 제1 전극을 동시에 형성하는 것이 아니라 페로브스카이트 태양전지를 형성하기 이전에, 700℃ 이상의 고온 소성 공정으로 제2 전극을 형성하고, 페로브스카이트 태양전지를 형성한 후에는 200℃ 이하의 저온 소성 공정으로 제1 전극을 형성하는 이원화 방식으로 실시되기 때문에 페로브스카이트 태양전지가 700℃ 이상의 고온 소성 공정에 노출될 염려가 없게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 텐덤 태양전지 제조 방법은 페로브스카이트 태양전지가 제1 전극을 형성하기 위한 200℃ 이하의 저온 소성 공정에만 노출될 뿐, 제2 전극을 형성하기 위한 700℃ 이상의 고온 소성 공정에는 노출될 염려가 없으므로 페로브스카이트 태양전지가 고온 소성에 의해 열화되는 문제를 미연에 방지할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 텐덤 태양전지를 개략적으로 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지를 나타낸 단면도.
도 3은 도 2의 페로브스카이트 태양전지를 세부적으로 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 텐덤 태양전지를 나타낸 단면도.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
이하, 본원에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 텐덤 태양전지와 이를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
[텐덤 태양전지]
제1 실시예
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지를 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2의 페로브스카이트 태양전지를 세부적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지(100)는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지(120)와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 실리콘 태양전지(110)가 접합층(130)을 매개로 하여 직접적으로 터널 접합된 2-단자 텐덤 태양전지의 구조를 갖는다.
이에 따라, 텐덤 태양전지(100)로 입사된 광 중 단파장 영역의 광은 상부에 배치된 페로브스카이트 태양전지(120)에 흡수되어 전하를 생성하며, 페로브스카이트 태양전지(120)를 투과하는 장파장 영역의 광은 하부에 배치된 실리콘 태양전지(110)에 흡수되어 전하를 생성하게 된다.
상술한 구조를 갖는 텐덤 태양전지(100)는 상부에 배치된 페로브스카이트 태양전지(120)에서 단파장 영역의 광을 흡수하여 발전하고, 하부에 배치된 실리콘 태양전지(110)에서 장파장 영역의 광을 흡수하여 발전함으로써 문턱 파장(threshold wavelength)을 장파장 쪽으로 이동시킬 수 있으며, 결과적으로 전체 태양전지가 흡수하는 파장대를 넓힐 수 있다는 이점이 있다.
전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 템덤 태양전지(100)는 실리콘 태양전지(110), 페로브스카이트 태양전지(120), 접합층(130), 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)을 포함한다.
실리콘 태양전지(110)는 동종접합(homojuction) 결정질 실리콘 태양전지로 구현될 수 있다. 구체적으로, 실리콘 태양전지(110)는 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면에 배치된 에미터층(112)을 갖는다. 또한, 실리콘 태양전지(110)는 결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면에 배치된 후면 전계층(113)을 더 가질 수 있다. 즉, 실리콘 태양전지(110)는 실리콘 기판(111) 및 에미터층(112)이 차례로 적층된 2층 구조를 가질 수 있다. 또한, 실리콘 태양전지(110)는 후면 전계층(113), 실리콘 기판(111) 및 에미터층(112)이 차례로 적층되는 3층 구조를 가질 수도 있다.
여기서, 에미터층(112)으로는 결정질 실리콘 기판(111)과 상이한 도전형을 갖는 불순물 도핑층이 사용되고, 후면 전계층(113)으로는 결정질 실리콘 기판(111)과 동일한 도전형을 갖는 불순물 도핑층이 사용됨으로써 동종접합 결정질 실리콘 태양전지(110)를 구현할 수 있다.
예를 들어, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 에미터층(112)은 p형 불순물로 도핑된 반도체층이 이용되고, 후면 전계층(113)은 n형 불순물로 도핑된 반도체층이 이용된다. 이때, 후면 전계층(113)은 결정질 실리콘 기판(111)에 도핑된 p형 불순물의 농도보다 더 고농도로 도핑된 p+형 반도체층일 수 있다.
또한, 결정질 실리콘 기판(111)으로는 n형 단결정 실리콘 기판 대신 p형 단결정 실리콘 기판 또는 결정질 실리콘 태양전지에 통상적으로 사용되는 다른 결정질 실리콘 기판을 사용해도 무방하다. 마찬가지로, 에미터층(112)과 후면 전계층(113) 역시 결정질 실리콘 기판(111)의 도전형에 따라 적절한 도전형을 갖는 불순물로 도핑되도록 설계될 수 있다.
여기서, 실리콘 태양전지(110)의 결정질 실리콘 기판(111)은 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나 이상에 배치된 텍스처링 패턴을 갖는 텍스처 구조를 갖는다.
이와 같이, 결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면에 텍스처 구조를 도입하고, 결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면 상에 순차적으로 배치되는 후면 전계층(113) 및 제2 패시베이션층(160)도 텍스처 구조를 갖게 된다. 또한, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면에 텍스처 구조를 도입함에 따라 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면 상에 순차적으로 구비되는 에미터층(112), 제1 패시베이션 패턴(114), 접합층(130) 및 페로브스카이트 태양전지(120)도 텍스처 구조를 갖게 된다.
이에 따라, 텐덤 태양전지(100)로 입사되는 장파장의 광은 사선 방향으로 페로브스카이트 태양전지(120)를 투과하여 실리콘 태양전지(110)로 입사됨에 따라 접합층(130)과 실리콘 태양전지(110)의 경계면에서의 반사율을 줄일 수 있다. 이에 더불어, 실리콘 태양전지(110) 내에서의 장파장 광의 이동 경로가 사선 방향으로 됨에 따라 광 경로가 증가할 수 있으며, 이를 통해 실리콘 태양전지(110)에서 장파장 광의 이용률을 향상시킬 수 있게 된다.
이러한 실리콘 태양전지(110)는 에미터층(112) 상에 배치되며, 에미터층(112)의 일부가 노출되는 개구부(G)를 갖도록 패터닝된 제1 패시베이션 패턴(114)을 더 갖는다.
이러한 제1 패시베이션 패턴(114)의 재질로는, 결정질 실리콘 기판(111)의 결함을 줄일 수 있는 수소를 포함하는 SiNx:H가 일반적으로 이용될 수 있으나, 수소를 포함하는 다른 절연막을 사용하는 것도 가능하며, SiOx, SiNx, SiOxNy, Al2O3, SiCx 등에서 선택된 1종 이상의 다른 막과 다층구조로 적용할 수도 있다.
이때, 제1 패시베이션 패턴(114)은 장파장 광의 반사율을 감소시키기 위해 그 두께를 최대한 얇게 형성해야 한다. 이를 위해, 제1 패시베이션 패턴(114)은 10 ~ 100nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1 패시베이션 패턴(114)의 두께가 10nm 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 제2 전극(150)의 형성 과정시 에미터층(112)을 안정적으로 보호하지 못하여 에미터층(112)에 표면 결함을 생성시킬 우려가 있다. 반대로, 제1 패시베이션 패턴(114)의 두께가 100nm를 초과할 경우에는 장파장 광의 반사율을 감소시키는 문제를 야기할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
페로브스카이트 태양전지(120)는 페로브스카이트 흡수층(122)을 갖는다. 또한, 페로브스카이트 태양전지(120)는 전자전달층(121) 및 전공전달층(123)을 더 포함한다.
이때, 전자전달층(121)은 페로브스카이트 흡수층(122) 하부에 배치될 수 있고, 전공전달층(123)은 페로브스카이트 흡수층(122) 상부에 배치될 수 있다. 이때, 전자전달층(121)과 정공전달층(123)의 위치는 필요에 따라 서로 바뀔 수 있다.
전자전달층(121)은 금속 산화물이 이용될 수 있다. 전자전달층(121)을 구성하는 금속 산화물의 비제한적인 예로는 Ti 산화물, Zn 산화물, In 산화물, Sn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Mo 산화물, Mg 산화물, Zr 산화물, Sr 산화물, Yr 산화물, La 산화물, V 산화물, Al 산화물, Y 산화물, Sc 산화물, Sm 산화물, Ga 산화물, In 산화물 및 SrTi 산화물 등이 있다. 보다 바람직하게, 전자전달층(121)은 ZnO, TiO2, SnO2, WO3 및 TiSrO3로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 산화물이 이용될 수 있다.
또한, 전자전달층(121) 상에는 전자전달층(121)과 동일 또는 상이한 금속 산화물을 포함하는 메조다공성층(125)이 더 구비될 수 있다. 메조다공성층(125)은 페로브스카이트 흡수층(122)에서 발생한 정공-전자쌍이 전자 또는 정공으로 분해된 후, 특히 전자가 후술하는 접합층(130)으로 전달되는 것을 용이하게 도와주는 역할을 한다. 또한, 광학적으로 산란 구조를 형성함으로써 광경로를 증가시켜주는 역할을 동시에 수행한다.
페로브스카이트 흡수층(122)은 페로브스카이트 구조를 가지는 화합물을 포함하는 광 활성층으로서, 페로브스카이트 구조는 AMX3 (여기서, A는 1가의 유기 암모늄 양이온 또는 금속 양이온; M은 2가의 금속 금속 양이온; X는 할로겐 음이온을 의미한다)으로 표시될 수 있다. 페로브스카이트 구조를 가지는 화합물의 비제한적인 예로는 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbIxCl3 -x, CH3NH3PbIxBr3 -x, CH3NH3PbClxBr3 -x, HC(NH2)2PbI3, HC(NH2)2PbIxCl3 -x, HC(NH2)2PbIxBr3 -x, HC(NH2)2PbClxBr3 -x, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbI3, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1- yPbIxCl3 -x, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1- yPbIxBr3 -x, 또는 (CH3NH3)(HC(NH2)2)1- yPbClxBr3 -x 등이 있다(0<=x,y<=1). AMX3의 A에 일부 Cs이 도핑되는 경우도 포함할 수 있다.
정공전달층(123)은 전도성 고분자로 구현될 수 있다. 즉, 전도성 고분자로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 스파이로-미오타드(Spiro-MeOTAD) 또는 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA) 등이 사용될 수 있다. 이때, 정공전달층(123)은 필요에 따라 n형 또는 p형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
접합층(130)은 실리콘 태양전지(110)의 제1 패시베이션 패턴(114)과, 개구부(G)를 통해 노출되는 에미터층(112) 상에 배치되어, 실리콘 태양전지(110)와 페로브스카이트 태양전지(120)를 접합시키는 역할을 한다. 이에 따라, 페로브스카이트 태양전지(120)는 접합층(130)을 매개로 실리콘 태양전지(110)와 전기적으로 연결된다.
만일, 에미터층(112)의 상부 전면을 덮는 제1 패시베이션층(미도시)을 설계하게 되면, 제1 패시베이션층에 의해 에미터층(112)의 전면이 차폐되는데 기인하여 에미터층(112)과 접합층(130) 및 페로브스카이트 태양전지(120)가 전기적으로 접합되지 못하는 문제를 야기할 수 있다. 또한, 에미터층(112) 상에 제1 패시베이션 패턴(114)을 배치하는 것 없이 접합층(130) 및 페로브스카이트 태양전지(120)를 직접 형성할 경우에는 에미터층(112)의 표면 결함 때문에 실리콘 태양전지(110)와 접합되는 페로브스카이트 태양전지(120)의 특성이 열화되는 문제를 야기한다.
이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 에미터층(112)의 상부에 일정한 간격으로 이격 배치되도록 설계된 제1 패시베이션 패턴(114)을 도입하여 제1 패시베이션 패턴(114) 하부의 에미터층(112)의 일부가 노출되도록 하였다. 이 결과, 본 발명에서는 제2 전극(150)을 형성하기 위한 고온 소성시 제1 패시베이션 패턴(114)에 의해 에미터층(112)이 보호되어 에미터층(112)의 표면 결함을 감소시킬 수 있으므로 페로브스카이트 태양전지(120)의 특성 열화 문제를 개선할 수 있게 된다. 이에 더불어, 에미터층(112) 및 제1 패시베이션 패턴(114) 상부에 적층되는 접합층(130)이 에미터층(112)의 일부와 직접적으로 접합되는 것에 의해 실리콘 태양전지(110)와 페로브스카이트 태양전지(120)의 전기적 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 접합층(130)은 실리콘 태양전지(110)와 페로브스카이트 태양전지(120)를 전기적으로 연결한다. 또한, 접합층(130)은 페로브스카이트 태양전지(120)를 투과하는 장파장의 광을 투과 손실 없이 하부에 배치된 실리콘 태양전지(110)로 입사될 수 있도록 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 또는 전도성 고분자를 사용하여 구현될 수 있다. 또한, 접합층(150)에 n형 또는 p형 물질을 도핑하여 사용할 수 있다.
이때, 투명 전도성 산화물로는 ITO (Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide), GITO (Gallium Indium Tin Oxide), GIO (Gallium Indium Oxide), GZO (Gallium Zinc Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), FTO (Fluorine Tin Oxide) 또는 ZnO 등이 사용될 수 있다. 탄소질 전도성 소재로는 그래핀 또는 카본나노튜브 등이 사용될 수 있으며, 금속성 소재로는 금속(Ag) 나노 와이어, Au/Ag/Cu/Mg/Mo/Ti와 같은 다층 구조의 금속 박막이 사용될 수 있다. 전도성 고분자로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 스파이로-미오타드(Spiro-MeOTAD) 또는 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA) 등이 사용될 수 있다.
또한, 접합층(130)은 서로 다른 굴절률을 가지는 실리콘층을 복수회 교대 적층시킨 복층 구조로 구현될 수도 있다. 이때, 복층 구조는 저굴절률층과 고굴절률층이 교대 적층된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 접합층(130)을 기준으로 단파장의 광은 페로브스카이트 태양전지(120)측으로 반사시키고, 장파장의 광은 실리콘 태양전지(110) 측으로 투과시킬 수 있다. 이를 통해, 페로브스카이트/실리콘 텐덤 태양전지(100)의 선택적인 광 포집이 가능하도록 할 수 있다.
여기서, 저굴절률층과 고굴절률층이 교대 적층된 구조를 투명 전도성 산화물층 또는 n+형 실리콘층의 상부 또는 하부에 마련함으로써 상술한 광의 선택적인 반사 및 투과를 구현할 수 있다.
제1 전극(140)은 페로브스카이트 태양전지(120) 상에 배치된다. 이때, 제1 전극(140)은 페로브스카이트 태양전지(120) 상에 그리드 형태로 직접 배치될 수 있다. 즉, 제1 전극(140)은 투명 전극층(142) 없이 페로브스카이트 태양전지(120) 상에 직접 배치된 그리드 전극층(144)만으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 제1 전극(140)은 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 200℃ 이하의 저온에서 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 이러한 제1 전극 페이스트는 소성관통용 무기 첨가물을 포함할 수 있으나, 필요에 따라 생략될 수도 있다.
또한, 제1 전극(140)은 페로브스카이트 태양전지(120) 상에 배치된 투명 전극층(142)과, 투명 전극층(142) 상에 배치된 그리드 전극층(144)을 포함할 수 있다.
이때, 투명 전극층(142)은 페로브스카이트 태양전지(120)의 상면 전체에 형성되어, 페로브스카이트 태양전지(120)에서 생성된 전하를 포집하는 역할을 한다. 이러한 투명 전극층(142)은 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다. 즉, 투명 전도성 소재로는, 접합층(130)의 투명 전도성 소재와 동일한 것이 이용될 수 있다.
그리드 전극층(144)은 투명 전극층(142) 상에 배치되며, 투명 전극층(142) 중 일부 영역에 배치된다.
제2 전극(150)은 결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면에 배치된다. 이때, 실리콘 결정질 기판(111)의 제2 면에는 제2 패시베이션층(160)이 더 배치될 수 있으나, 이는 반드시 배치해야 하는 것은 아니며, 필요에 따라 생략될 수도 있다. 이러한 제2 패시베이션층(160)은 SiOx, SiNx, SiOxNy, Al2O3, SiCx 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
여기서, 제2 전극(150)은 제2 패시베이션층(160)을 관통해 후면 전계층(113)과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제2 전극(150)은 제2 패시베이션층(160)의 하부에 유리 프릿 및 소성관통용 무기 첨가물을 포함하는 제2 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 700℃ 이상의 고온에서 소성하는 것에 의해, 제2 패시베이션층(160)을 관통하여 후면 전계층(113)의 하면에 전기적으로 접지되게 된다.
이때, 소성관통용 무기 첨가물은 소성 온도에서 소정의 막을 소성관통할 수 있는 성분을 말한다. 즉, 소성관통이란 소성시 제2 패시베이션층(160)을 이루는 성분과의 화학반응에 의하여 제2 패시베이션층(160)을 관통하는 것을 의미한다.
이를 위해, 소성관통용 무기 첨가물은 질화물, 산화물 또는 이들의 조합보다 산화력이 큰 금속 및 이들의 산화물에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 이에 따라, 고온 소성에 의해 질화물, 산화물 또는 이들의 조합은 산화되고, 무기 첨가물은 환원됨으로써 제2 패시베이션층(160)을 관통할 수 있게 된다.
이를 위해, 소성관통용 무기 첨가물로는 주석(Sn), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 납(Pb), 비스무트(Bi), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 바나듐(V), 망간(Mn), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 및 이들의 산화물에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이러한 제2 전극(150)은 제2 패시베이션층(160)의 하면 일부 영역에 배치되며, 후면 패시베이션층(160)을 관통하여 후면 전계층(113)에 전기적으로 접지된다.
이에 따라, 실리콘 태양전지(110)에서 생성된 전하는 제2 전극(150)에서 포집된다. 이때, 제2 전극(150)은 제2 패시베이션층(160)의 하면에 전면적으로 배치시키는 것이 아니라, 제2 패시베이션층(160)의 하면 중 일부 영역에만 선택적으로 배치시킴으로써, 실리콘 태양전지(110)의 하면으로부터 태양광이 입사될 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다.
이때, 제2 전극(150)은 제2 패시베이션층(160)의 하면 전체 면적 중 1 ~ 30%를 점유하도록 배치되는 것이 바람직하다. 제2 전극(150)의 점유 면적이 1% 미만인 경우에는 제2 전극(150)에 의한 실리콘 태양전지(110)에서 생성된 전하의 포집 효과가 부족할 우려가 있다. 반대로, 제2 전극(150)의 점유 면적이 30%를 초과할 경우에는 제2 전극(150)에 의한 점유 면적이 지나치게 넓어 실리콘 태양전지(110)의 후면으로부터 입사되는 광의 이용률이 저하될 우려가 있다.
이때, 본 발명에서는 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)을 동시에 형성하는 것이 아니라, 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 이용하여 200℃ 이하의 저온 소성으로 제1 전극(140)을 형성하는 공정과, 700℃ 이상의 고온 소성 공정으로 제2 전극(150)을 형성하는 공정을 이원화하여 진행하였다.
특히, 고온 소성 공정으로 제조되는 제2 전극(150)을 먼저 형성하고 나서, 페로브스카이트 태양전지(120) 및 제1 전극(140)을 차례로 형성하였다. 이 결과, 페로브스카이트 태양전지(120)가 제1 전극(140)을 형성하기 위한 200℃ 이하의 저온 소성 공정에만 노출될 뿐, 제2 전극(150)을 형성하기 위한 700℃ 이상의 고온 소성 공정에는 노출될 염려가 없으므로 페로브스카이트 태양전지(120)가 고온 소성에 의해 열화되는 문제를 미연에 방지할 수 있게 된다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지는 에미터층의 상부에 일정한 간격으로 이격 배치되도록 설계된 제1 패시베이션 패턴을 도입하여 제1 패시베이션 패턴 하부의 에미터층의 일부가 노출되도록 하였다.
이 결과, 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지는 제2 전극을 형성하기 위한 고온 소성시 제1 패시베이션 패턴에 의해 에미터층이 보호되어 에미터층의 표면 결함을 감소시킬 수 있으므로 페로브스카이트 태양전지의 특성 열화 문제를 개선할 수 있게 된다.
이에 더불어, 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지는 제1 패시베이션 패턴의 도입으로 에미터층 및 제1 패시베이션 패턴 상부에 적층되는 접합층이 에미터층의 일부와 직접적으로 접합되는 것에 의해 실리콘 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 전기적 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지는 결정질 실리콘 기판의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나 이상에 배치된 텍스처링 패턴을 갖는 텍스처 구조를 갖도록 설계함에 따라, 접합층과 실리콘 태양전지의 경계면에서의 반사율을 줄일 수 있음과 더불어, 실리콘 태양전지에서 장파장 광의 이용률을 향상시킬 수 있게 된다.
제 2 실시예
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 텐덤 태양전지를 나타낸 단면도이다
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 텐덤 태양전지(200)는, 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지(도 2의 100)와 달리, 제1 및 제2 전극(240, 250) 구조에서 차이를 나타낸다.
제1 전극(240)은 페로브스카이트 태양전지(220) 상에 배치되며, 요철 구조를 갖는 투명 전극층(242)과, 투명 전극층(242) 상에 배치된 제1 그리드 전극층(244)과, 제1 그리드 전극층(244) 상에 배치된 제1 금속 와이어(246)를 포함한다.
여기서, 제1 금속 와이어(246)는 원통형 또는 타원형의 단면 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1 금속 와이어(246)를 향해 수직으로 입사되는 광을 산란시켜 텐덤 태양전지(200)로 재입사될 확률을 증가시킬 수 있다.
제2 전극(250)은 후면 전계층(213)과 접촉하는 제2 그리드 전극층(252)과, 제2 그리드 전극층(252) 하부에 적층된 제2 금속 와이어(254)를 포함한다. 여기서, 제2 금속 와이어(254)는 원통형 또는 타원형의 단면 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 결정질 실리콘 태양전지(210)의 하부로부터 재입사되는 광을 사선 방향으로 반사시켜 입사되도록 함으로써 광 경로를 증가시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 텐덤 태양전지(200)는, 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지(도 2의 100)와 달리, 제1 전극(240)의 투명 전극층(242)을 요철 구조로 형성함에 따라, 결정질 실리콘 기판(211)의 하면에만 텍스처링 패턴을 갖는 텍스처 구조를 도입하였다.
이와 같이, 결정질 실리콘 태양전지(210)의 상면에 텍스처 구조를 도입하지 않더라도 페로브스카이트 태양전지(220)를 투과하는 장파장의 광은 투명 전극층(242)에 의해 사선 방향으로 굴절되어 실리콘 태양전지(210)를 향해 입사됨에 따라 접합층(230)과 실리콘 태양전지(210)의 경계면에서 반사되는 것을 감소시킬 수 있게 된다.
이때, 투명 전극층(242)에 구비된 요철 패턴이 투명 전극층(242)과 일체형으로 설계된 것을 나타내었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 요철 패턴은 투명 전극층(242)과 별개의 층으로서 구비될 수도 있다.
이와 같이, 요철 패턴 구조를 갖는 투명 전극층(242)에 의해 텐덤 태양전지(200)를 향해 수직으로 입사되는 광이 굴절되어 페로브스카이트 태양전지(220) 및 결정질 실리콘 태양전지(210)를 향해 사선 방향으로 입사될 수 있다. 이에 따라, 페로브스카이트 태양전지(220) 및 결정질 실리콘 태양전지(210)를 통과하는 입사광의 경로가 증가하게 되며, 결과적으로 각 태양전지에서의 광 흡수율이 향상될 수 있다.
전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 텐덤 태양전지는 제1 전극의 투명 전극층을 요철 구조로 형성함에 따라, 결정질 실리콘 기판(211)의 하면에만 텍스처링 패턴을 갖는 텍스처 구조를 갖도록 설계된다.
이 결과, 본 발명의 제2 실시예에 따른 텐덤 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지의 상면에 텍스처 구조를 도입하지 않더라도 페로브스카이트 태양전지를 투과하는 장파장의 광이 투명 전극층에 의해 사선 방향으로 굴절되어 실리콘 태양전지를 향해 입사됨에 따라 접합층과 실리콘 태양전지의 경계면에서 반사되는 것을 감소시켜 광 흡수율을 증가시킬 수 있게 된다.
[텐덤 태양전지의 제조 방법]
도 5 내지 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면 및 제2 면을 평탄화한 후, 제1 및 제2 면 중 적어도 하나 이상을 텍스처링하여 텍스처링 패턴을 형성한다.
이때, 결정질 실리콘 기판(111)의 텍스처 구조 도입은 습식화학 에칭법, 건식화학 에칭법, 전기화학 에칭법, 기계적 에칭법 중 어느 하나의 방법이 이용될 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 일 예로, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나 이상을 염기성 수용액 내에서 식각하여 텍스쳐 구조를 도입할 수 있다.
다음으로, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면에 에미터층(112)을 형성한다. 이러한 에미터층(112)을 형성한 후에는, 결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면에 후면 전계층(113)을 더 형성할 수 있다.
이때, 에미터층(112)과 후면 전계층(113)은 임플란트 공정을 통해 형성될 수 있다. 에미터층(112)은 불순물로서 붕소(boron)가 도핑되고, 후면 전계층(113)은 불순물로서 인(phosphorous)이 도핑된다. 임플란트 공정에 의해 에미터층(112)과 후면 전계층(113)을 형성할 경우, 불순물의 활성화를 위해 700 ~ 1,200℃의 열처리를 수반하는 것이 바람직하다. 또한, 임플란트 공정 대신 BBr3 또는 POCl3 등을 사용하는 고온 확산 공정을 통해 에미터층(112)과 후면 전계층(113)을 형성하는 것도 가능하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 에미터층(112) 상에 제1 패시베이션층(115)을 형성한다. 이때, 제1 패시베이션층(115)을 형성한 후, 후면 전계층(113) 상에 제2 패시베이션층(160)을 더 형성할 수 있다. 이와 달리, 제2 패시베이션층(160)은 제1 패시베이션층(115)과 동시에 형성될 수도 있다.
이때, 제1 및 제2 패시베이션층(115, 160)은 서로 상이한 두께를 가질 수 있다. 여기서, 제1 패시베이션층(115)의 재질로는, 결정질 실리콘 기판(111)의 결함을 줄일 수 있는 수소를 포함하는 SiNx:H가 일반적으로 이용될 수 있으나, 수소를 포함하는 다른 절연막을 사용하는 것도 가능하며, SiOx, SiNx, SiOxNy, Al2O3, SiCx 등에서 선택된 1종 이상의 다른 막과 다층구조로 적용할 수도 있다. 그리고, 제2 패시베이션층(160)은 SiOx, SiNx, SiOxNy, Al2O3, SiCx 등에서 선택된 1종 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.
특히, 제1 패시베이션층(115)은 장파장 광의 반사율을 감소시키기 위해 그 두께를 최대한 얇게 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제1 패시베이션층(115)은 10 ~ 100nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도 7에 도시된 바와 같이, 결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면에 제2 전극(150)을 형성한다.
즉, 제2 전극(150)은 제2 패시베이션층(160) 상에 제2 전극 페이스트를 스크린 프린팅법으로 인쇄하고, 제2 온도를 갖는 열처리에 의해 제2 패시베이션층(160)을 관통하여 후면 전계층(113)에 연결될 수 있다.
이때, 제2 전극 페이스트는 Ag 페이스트 및 Ag-Al 페이스트 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 제2 전극 페이스트는 유리 프릿 및 소성관통용 무기 첨가물을 포함하며, 제2 온도는 700℃ 이상, 보다 구체적으로는 700 ~ 1100℃일 수 있다.
소성관통용 무기 첨가물은 소성 온도에서 소정의 막을 소성관통할 수 있는 성분을 말한다. 즉, 소성관통이란 소성시 제2 패시베이션층(160)을 이루는 성분과의 화학반응에 의하여 제2 패시베이션층(160)을 관통하는 것을 의미한다.
이를 위해, 소성관통용 무기 첨가물은 질화물, 산화물 또는 이들의 조합보다 산화력이 큰 금속 및 이들의 산화물에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 이에 따라, 고온 소성에 의해 질화물, 산화물 또는 이들의 조합은 산화되고, 무기 첨가물은 환원됨으로써 제2 패시베이션층(160)을 관통할 수 있게 된다.
이를 위해, 소성관통용 무기 첨가물로는 주석(Sn), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 납(Pb), 비스무트(Bi), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 바나듐(V), 망간(Mn), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 및 이들의 산화물에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이러한 제2 전극(150)은 제2 패시베이션층(160)의 하면에 전면적으로 배치시키는 것이 아니라, 제2 패시베이션층(160)의 하면 중 일부 영역에만 선택적으로 배치시킴으로써, 실리콘 태양전지(110)의 하면으로부터 태양광이 입사될 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다. 특히, 제2 전극(150)은 제2 패시베이션층(160)의 하면 전체 면적 중 1 ~ 30%를 점유하도록 배치되는 것이 바람직하다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 패시베이션층(도 7의 115)의 일부를 식각하여, 에미터층(112)의 일부를 노출시키는 개구부(G)를 갖도록 패터닝된 제1 패시베이션 패턴(114)을 갖는 실리콘 태양전지(110)를 형성한다.
이때, 식각은 건식식각을 이용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로, 레이저를 이용한 식각 공정은 제1 패시베이션층의 일부에만 레이저를 조사해 제거하는 것에 의해, 일정한 간격으로 개구부(G)가 배치되는 제1 패시베이션 패턴(114)이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 패시베이션 패턴(114)은 스트라이프 형태, 격자 형태 및 홀 형태 중 어느 하나의 형태를 갖는 개구부(G)가 일정간격으로 배치된 구조를 가질 수 있다.
이때, 본 발명에서는 에미터층(112)의 상부 전체를 덮는 제1 패시베이션층으로 보호한 상태에서 제2 전극(150)을 형성하기 때문에 제2 전극(150)을 형성하기 위한 고온 소성시 제1 패시베이션층에 의해 에미터층(112)을 안정적으로 보호하는 것이 가능하여 에미터층(112)의 표면에 결함이 발생할 염려가 없으므로 페로브스카이트 태양전지(도 9의 120)의 특성이 열화되는 문제를 개선할 수 있다.
이에 더불어, 제2 전극(150)을 형성하기 위한 고온 소성 후에는 에미터층(112)의 일부가 노출되도록 제1 패시베이션층의 일부만을 선택적으로 식각하여 제1 패시베이션 패턴(114)을 형성함으로써, 에미터층(112) 및 제1 패시베이션 패턴(114) 상부에 적층되는 접합층(도 9의 130)이 에미터층(112)의 일부와 직접적으로 접합되는 것에 의해 실리콘 태양전지(110)와 페로브스카이트 태양전지의 전기적 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 개구부(G)를 통해 노출되는 에미터층(112) 및 제1 패시베이션 패턴(114) 상에 접합층(130)을 형성한다.
이때, 접합층(130)의 재질로는 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 또는 전도성 고분자가 이용될 수 있다. 또한, 접합층에 n형 또는 p형 물질을 도핑하여 사용할 수 있다.
이때, 접합층(130)으로 ITO (Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide) 등의 투명 전도성 산화물을 사용할 경우, 접합층(130)은 스퍼터링을 통해 증착될 수 있다. 또한, 접합층(130)으로 투명 전도성 산화물 대신 n형 비정질 실리콘층을 PECVD로 증착시켜 사용하는 것도 가능하다.
다음으로, 접합층(130) 상에 페로브스카이트 흡수층을 갖는 페로브스카이트 태양전지(120)를 형성한다.
도 3 및 도 9에 도시된 바와 같이, 페로브스카이트 태양전지 형성 단계는 접합층(130) 상에 전자전달층(121)을 형성하는 과정과, 전자전달층(121) 상에 페로브스카이트 흡수층(122)을 형성하는 과정과, 페로브스카이트 흡수층(122) 상에 정공전달층(123)을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 전자전달층 형성 과정과 페로브스카이트 흡수층 형성 과정 사이에, 메조다공성층을 형성하는 과정이 더 포함될 수 있다. 전자전달층(121)과 메조다공성층(125)은 동일한 금속 산화물로 형성될 수 있다.
예를 들어, 전자전달층(121)은 5 ~ 100nm의 두께, 메조다공성층(125)은 500nm 이하의 두께를 갖는 TiO2 층으로 형성될 수 있다. 메조다공성층(125)의 전면에는 페로브스카이트 흡수층(122)이 형성되며, 페로브스카이트 흡수층(122)은 메조다공성층(125) 내의 메조다공을 채운 후 100 ~ 500nm의 두께로 형성될 수 있다. 페로브스카이트 흡수층(122)의 상부에는 전도성 고분자를 사용하여 정공전달층(123)을 5 ~ 100nm의 두께로 형성할 수 있다.
페로브스카이트 태양전지(120)를 구성하는 각 층들은 예를 들어, 물리적 증착법, 화학적 증착법 또는 인쇄법 등을 통해 형성될 수 있다. 여기서, 인쇄법은 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅 및 슬롯-다이 코팅 등을 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 페로브스카이트 태양전지(120) 상에 제1 전극(140)을 형성한다.
이때, 제1 전극(140)은 페로브스카이트 태양전지(120) 상에 배치된 투명 전극층(142)과, 투명 전극층(142) 상에 배치된 그리드 전극층(144)을 포함할 수 있다.
이때, 투명 전극층(142)은 페로브스카이트 태양전지(120)의 상면 전체에 형성되어, 페로브스카이트 태양전지(120)에서 생성된 전하를 포집하는 역할을 한다. 이러한 투명 전극층(142)은 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다. 즉, 투명 전도성 소재로는, 접합층(130)의 투명 전도성 소재와 동일한 것이 이용될 수 있다.
그리드 전극층(144)은 투명 전극층(142) 상에 배치되며, 투명 전극층(142) 중 일부 영역에 배치된다.
이때, 제1 전극(140)은 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제1 온도에서 저온 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 여기서, 이러한 제1 전극 페이스트는 금속 입자와 저온소성용 바인더인 유기물이 포함되어 있을 수 있으며, 제1 전극 페이스트에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 특히, 제1 온도는 200℃ 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200℃일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 제2 전극(150)과 제1 전극(140)이 동시에 형성되는 것이 아니라, 페로브스카이트 태양전지(120)를 형성하기 이전에, 700℃ 이상의 고온 소성 공정으로 제2 전극(150)을 형성하고, 페로브스카이트 태양전지(120)를 형성한 후에는 200℃ 이하의 저온 소성 공정으로 제1 전극(140)을 형성하는 이원화 방식으로 실시되기 때문에 페로브스카이트 태양전지(120)가 700℃ 이상의 고온 소성 공정에 노출될 염려가 없게 된다.
이 결과, 페로브스카이트 태양전지(120)가 제1 전극(140)을 형성하기 위한 200℃ 이하의 저온 소성 공정에만 노출될 뿐, 제2 전극(150)을 형성하기 위한 700℃ 이상의 고온 소성 공정에는 노출될 염려가 없으므로 페로브스카이트 태양전지(120)가 고온 소성에 의해 열화되는 문제를 미연에 방지할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 새로운 구조의 제1 패시베이션 패턴(114)을 사용함에 따라 결정질 실리콘 기판(111)의 표면 상에 있는 결함을 줄일 수 있어 소자의 특성이 향상된다.
전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지 제조 방법은 제2 전극과 제1 전극을 동시에 형성하는 것이 아니라 페로브스카이트 태양전지를 형성하기 이전에, 700℃ 이상의 고온 소성 공정으로 제2 전극을 형성하고, 페로브스카이트 태양전지를 형성한 후에는 200℃ 이하의 저온 소성 공정으로 제1 전극을 형성하는 이원화 방식으로 실시되기 때문에 페로브스카이트 태양전지가 700℃ 이상의 고온 소성 공정에 노출될 염려가 없게 된다.
이 결과, 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지 제조 방법은 페로브스카이트 태양전지가 제1 전극을 형성하기 위한 200℃ 이하의 저온 소성 공정에만 노출될 뿐, 제2 전극을 형성하기 위한 700℃ 이상의 고온 소성 공정에는 노출될 염려가 없으므로 페로브스카이트 태양전지가 고온 소성에 의해 열화되는 문제를 미연에 방지할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (19)

  1. 결정질 실리콘 기판의 제1 면에 배치된 에미터층과, 상기 에미터층 상에 배치되며, 상기 에미터층의 일부가 노출되는 개구부를 갖도록 패터닝되고 수소를 포함하는 제1 패시베이션 패턴을 포함하는 실리콘 태양전지;
    페로브스카이트 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지;
    상기 실리콘 태양전지의 제1 패시베이션 패턴 상과, 상기 개구부를 통해 노출되는 상기 에미터층 상에 배치되고, 투명 전도성 재료로 이루어지며, 상기 실리콘 태양전지와 상기 페로브스카이트 태양전지를 접합하고 투명 전도성 산화물(TCO)로 이루어진 접합층;
    상기 페로브스카이트 태양전지 상에 배치되며 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극; 및
    상기 결정질 실리콘 기판의 제2 면에 배치되며 유리 프릿을 포함하는 제2 전극;
    을 포함하는 텐덤 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 태양전지는
    상기 결정질 실리콘 기판의 제2 면에 배치된 후면 전계층을 더 포함하는 텐덤 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 태양전지는
    전자전달층 및 전공전달층을 더 포함하는 텐덤 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은
    상기 페로브스카이트 태양전지 상에 배치된 투명 전극층과,
    상기 투명 전극층 상에 배치된 그리드 전극층을 포함하는 텐덤 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 투명 전극층은
    요철 구조를 포함하는 텐덤 태양전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판의 제2 면에 배치된 제2 패시베이션층을 더 포함하는 텐덤 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 전극은
    상기 제2 패시베이션층을 관통해 상기 후면 전계층과 전기적으로 연결된 텐덤 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패시베이션 패턴은
    10 ~ 100nm의 두께를 가지는 텐덤 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 소성관통용 무기 첨가물을 포함하는 텐덤 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판은
    제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나 이상에 배치된 텍스처링 패턴을 가지는 텐덤 태양전지.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 태양전지는,
    상기 전자전달층과 페로브스카이트 흡수층 사이에 배치된 메조다공성층을 더 포함하는 텐덤 태양전지.
  12. 결정질 실리콘 기판의 제1 면에 에미터층을 형성하는 단계;
    상기 에미터층 상에 수소를 포함하는 제1 패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 결정질 실리콘 기판의 제2 면에 제2패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 제2패시베이션층 상에 제2 전극을 형성하고, 상기 제2패시베이션층을 관통하여 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 콘택시키는 단계;
    상기 제1 패시베이션층의 일부를 식각하여, 상기 에미터층의 일부를 노출시키는 개구부를 형성하는 단계;
    상기 개구부를 통해 노출되는 에미터층 및 제1 패시베이션 상에 접합층을 형성하는 단계;
    상기 접합층 상에 페로브스카이트 흡수층을 가지는 페로브스카이트 태양전지를 형성하는 단계; 및
    상기 페로브스카이트 태양전지 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제2 패시베이션층 상에 도포되어 제1 온도를 갖는 열처리에 의해 상기 제2 패시베이션층을 관통하여 상기 결정질 실리콘 기판의 제2 면에 배치된 후면 전계층에 연결되는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 에미터층의 형성 단계 이전에,
    상기 결정질 실리콘 기판의 제1 면 및 제2 면을 평탄화한 후, 상기 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나 이상을 텍스처링하여 텍스처링 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 패시베이션층은
    10 ~ 100nm의 두께로 형성하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제2 전극의 열처리 온도는 700 이상이고,
    상기 제1 전극의 열처리 온도는 200 이하인 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제2 전극은 유리 프릿 및 소성관통용 무기 첨가물을 포함하는 전극 페이스트를 이용하고,
    상기 제1 전극은 유리 프릿을 포함하지 않는 전극 페이스트를 이용하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 태양전지 형성 단계는,
    상기 접합층 상에 전자전달층을 형성하는 단계;
    상기 전자전달층 상에 상기 페로브스카이트 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 페로브스카이트 흡수층 상에 정공전달층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
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CN106058054A (zh) * 2016-07-13 2016-10-26 苏州协鑫集成科技工业应用研究院有限公司 叠层太阳能电池及其制备方法

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