KR102541127B1 - 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명은 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 하부 태양전지와 상부 태양전지의 단위 층의 재료를 설계하여 각 태양전지들 사이의 전류 매칭을 통해 텐덤 태양전지의 효율을 극대화한 텐덤 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지 상에 형성된 제2 태양전지;를 포함하며, 상기 제1 태양전지는, 결정질 실리콘 기판; 상기 결정질 실리콘 기판의 제1면에 형성되며 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층; 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하며 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지를 통해 높은 전류 밀도를 가지는 제1 태양전지를 텐덤 태양전지의 하부 태양전지로 사용함으로써, 태양전지들 사이의 전류 매칭을 통해 텐덤 태양전지의 전류 효율을 극대화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

텐덤 태양전지 및 그 제조 방법{TANDEM SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}
본 발명은 텐덤 태양전지 및 텐덤 태양전지의 제조 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 텐덤 태양전지를 이루는 상부 태양전지와 하부 태양전지의 전류 매칭(matching)을 통해 전류 효율을 극대화 한 텐덤 태양전지와 하부 태양전지의 제작 과정 중에 상부 태양전지의 일부 단위 층을 동시에 증착 할 수 있는 텐덤 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
결정질 실리콘(crystalline silicon; c-Si) 태양전지는 대표적인 단일접합(single juction) 태양전지로서 현재 상업적 태양전지로 널리 사용되고 있다.
그러나 결정질 실리콘 태양전지의 낮은 광전 변환 효율로 인해, 서로 다른 밴드 갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 연결하여 하나의 태양전지를 구성하는 텐덤 태양전지에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
도 1은 텐덤 태양전지 가운데, 일반적인 형태인 2-단자 텐덤 태양전지의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 중간층(터널 접합층, 접합층 또는 inter-layer 라고도 한다)을 매개로 하여 터널 접합된다.
이 중, 상대적으로 큰 밴드갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 페로브스카이트(perovskite) 태양전지로 사용하는 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지는 30% 이상의 높은 광전 효율을 달성할 수 있어 많은 주목을 받고 있다.
그러나 종래의 텐덤 태양전지는 텐덤 태양전지를 이루는 각 태양전지들의 전류 밀도가 상호 매칭되지 않아서, 텐덤 태양전지의 효율을 극대화하기 위해서는 각 태양전지에서 발생하는 전류 밀도를 일치시키는 것이 필요하다.
텐덤 태양전지에서의 전류 매칭을 위해 이전부터 많은 노력들이 시도되었다. 이러한 노력들 중의 하나로써, 하부 실리콘 태양전지에서 비정질 실리콘의 두께를 증가시키려는 시도가 있어 왔다. 그러나 비정질 실리콘의 두께가 증가하게 되면 광열화 특성(light-induced degradation)이 발생하여 안정화 효율이 감소하는 문제가 있다.
또 다른 시도로는 텐덤 태양전지에서 하부 태양전지와 상부 태양 전지 사이에 광 반사층을 적용하려는 것이었다. 이 경우 하부 실리콘 태양전지의 비정질 실리콘의 전류 밀도는 증가하지만, 광 반사층의 장파장 흡수로 인해 하부 실리콘 태양전지에서의 전류 밀도 감소 부작용이 더 커지게 된다. 그 결과 하부 실리콘 태양전지 전체적으로는 발생 전류 밀도가 오히려 감소하게 되는 문제가 있다.
본 발명은 텐덤 태양전지에 있어서, 하부 태양전지와 상부 태양전지의 단위 층의 재료를 설계하여 각 태양전지들 사이의 전류 매칭을 통해 텐덤 태양전지의 효율을 극대화하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서의 텐덤 태양전지의 제조 방법에서는, 하부 태양전지의 제작 과정 중에 상부 태양전지의 일부 단위 층을 동시에 증착하는 공정을 적용하여 생산성을 향상시킨 텐덤 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지 상에 위치하는 제2 태양전지;를 포함하며, 상기 제1 태양전지는, 결정질 실리콘 기판; 상기 결정질 실리콘 기판의 제1면에 위치하며 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층; 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하며 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이의 중간층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 태양전지는 페로브스카이트 태양전지인 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 상부 태양전지는, 상기 제2 태양전지는, 제1 도전형 전하전달층; 상기 제1 도전형 전하전달층 상에 위치하는 페로브스카이트 흡수층; 상기 페로브스카이트 흡수층 상에 위치하는 제2 도전형 전하전달층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
특히, 상기 제1 도전형 전하전달층은 상기 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물들을 포함하는 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
이 때, 상기 제1 금속 화합물은 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고; 상기 제2 금속 화합물은 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
특히, 상기 제2 도전형 전하 전달층은 Spiro-OMeTAD, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA), 펜타센(pentacene), 쿠마린 6(coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 금속 화합물은 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고; 상기 제2 금속 화합물은 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것; 을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
특히, 상기 제2 도전형 전하 전달층은 플러렌(C60), PCBM, P3HT, PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층, 상기 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층, 제1 도전형 전하 전달층 및 상기 제2 도전형 전하 전달층의 두께는 1 내지 100㎚인 것; 을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 결정질 실리콘 기판 상의 제2 면 상에 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합층을 형성하는 공정; 상기 제2 면 상에 중간층을 형성하는 공정; 상기 결정질 실리콘 기판 상의 제1 면 및 제2 면 상에 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 결정질 실리콘 기판 상의 제2 면 상에 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합층을 형성하는 공정은, 상기 결정질 실리콘 기판의 제1 면과 제2 면 상에 각각 상기 제2 금속 화합물을 포함하는 층을 동시에 형성하는 공정; 상기 기판의 제1 면에 형성된 상기 제2 금속 화합물을 포함하는 층을 제거하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법 이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 결정질 실리콘 기판 상의 제1 면 및 제2 면 상에 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정은, 상기 제1 면 및 제2 면 상에 상기 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층을 동시에 형성하는 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 결정질 실리콘 기판 상의 제1 면 및 제2 면 상에 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정은, 금속 소스를 주입하는 공정; N2를 포함하는 가스로 퍼지하는 공정; O3, N2O, O2, O2 플라즈마 및 라디칼 산화로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 반응가스를 주입하는 공정; N2를 포함하는 가스로 퍼지하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정 후에, 상기 제1 면 상의 상기 제1 금속 화합물층 상에 투명 전극층을 형성하는 공정; 상기 제2면 상의 상기 제1 금속 화합물층 상에 페로브스카이트 흡수층을 형성하는 공정; 상기 페로브스카이트 흡수층 상에 제2 도전형의 전하전달층을 형성하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 제2 금속 화합물은 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고; 상기 제1 금속 화합물은 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
특히, 상기 제2 도전형 전하 전달층은 Spiro-OMeTAD, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA), 펜타센(pentacene), 쿠마린 6(coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것; 을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제2 금속 화합물은 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고; 상기 제1 금속 화합물은 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
특히, 상기 제2 도전형 전하 전달층은 플러렌(C60), PCBM, P3HT, PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 결정질 실리콘 태양전지에서의 제1 금속 화합물층과 제2 금속 화합물층을 각각 금속 화합물을 포함하는 재료를 적용함으로써, 종래의 비정질 실리콘(a-Si)층의 낮은 흡광 효율을 개선한 높은 전류 밀도를 가지는 이종 접합(hetero junction) 결정질 실리콘 태양전지가 제공할 수 있다.
본 발명에서의 높은 전류 밀도를 가지는 결정질 실리콘 태양전지를 텐덤 태양전지의 하부 태양전지로 사용함으로써, 하부 태양전지와 상부 태양전지 사이의 전류 매칭을 통해 텐덤 태양전지의 전류 효율을 극대화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서의 텐덤 태양전지의 제조 방법에서는, 하부 태양전지의 금속 화합물층을 증착할 때 상부 태양전지에서의 금속 화합물층을 동시에 양면으로 증착할 수 있다. 보다 구체적으로 하부 태양전지에서의 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정과 상부 태양전지의 제1 도전형 전하 전달층을 형성하는 공정을 ALD(atomic layer deposition) 공정을 이용함으로써 기판의 양면에서 동시에 증착할 수 있게 된다.
이를 통해 본 발명의 제조 방법에 의해 텐덤 태양전지를 제조하게 되면, 제작 공정의 단순화를 통해 생산성이 비약적으로 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 텐덤 태양전지의 각각의 구성층을 제작하는 공정을 통합화 내지는 단순화함으로써 고가의 증착장비를 소요량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 단위 공정의 생략을 통해 단위 공정당 시간(리드 타임, lead time) 및 전체 공정 시간(택트 타임, tact time)을 감소시킬 수 있다.
더 나아가 매우 민감한 특성을 가지는 증착 공정의 일부를 생략할 수 있음으로써 텐덤 태양전지의 제조 공정의 안정성도 크게 개선시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 텐덤 태양전지를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 텐덤 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 텐덤 태양전지의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 5는 본 발명에서 사용된 ALD(atomic layer deposition) 공법에서의 가스 흐름 순서(gas flow step)을 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 텐덤 태양전지의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
이하, 본원에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 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.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.
텐덤 태양전지
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 텐덤 태양전지를 나타낸 단면도이다.
구체적으로 도 2는, 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 제2 태양전지(120)와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 제1 태양전지(110)가 중간층(114)(이하 "터널 접합층", "접합층", "inter-layer"라고도 한다)을 매개로 하여 직접적으로 터널 접합된 2-단자 탠덤 태양전지(100)의 구조를 도시한다.
이에 따라, 탠덤 태양전지(100)로 입사된 광 중 단파장 영역의 광은 제2 태양전지(120)에 흡수되어 전하를 생성하며, 제2 태양전지(120)를 투과하는 장파장 영역의 광은 제1 태양전지(110)에 흡수되어 전하를 생성하게 된다.
또한 제1 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 부가적인 이점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 텐덤 태양전지(100)는 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120)를 포함한다.
이 때, 상기 제1 태양전지는 실리콘 태양전지일 수 있으며, 상기 제1 태양전지 위의 제2 태양전지는 페로브스카이트 태양전지일 수 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 태양전지(110)의 제2 면 상에 위치하며 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층(113)과 상기 제2 태양전지(120)의 제1 도전형 전하 전달층(121) 사이에 전하 이동을 위하여 중간층(114)을 필요에 따라 삽입할 수도 있다. 이 경우 중간층(114)은 제2 태양전지(120)를 투과하는 장파장의 광을 투과 손실 없이 하부의 제1 태양전지(110)로 입사될 수 있도록 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 또는 금속성 소재를 사용하여 구현될 수 있다. 또한, 중간층(114)에 n형 또는 p형 물질을 도핑하여 사용할 수도 있다.
투명 전도성 산화물로는 ITO (Indium Tin Oxide), IWO(Indium Tungsten 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.
한편 단일접합 태양전지에서는 표면에서의 입사광의 반사율을 줄이고 태양전지로 입사된 광의 경로를 증가시키기 위해, 표면에 텍스쳐 구조를 도입하는 것이 일반적이다. 따라서 본 발명에서의 탠덤 태양전지(100)에서의 제1 태양전지가 결정질 실리콘 태양전지일 경우, 이 때 제1 태양전지(110)도 표면에(적어도 후면에) 텍스쳐를 형성할 수 있다.
본 발명에서의 제1 태양전지(110)는 결정질 실리콘 기판(111); 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하며 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층(112); 상기 결정질 실리콘 기판의 제1면에 형성되며 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층(113); 상기 제1 금속 화합물층(113) 상에 위치하는 제1 전극(140);을 포함한다.
본 발명에서의 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하며 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층(112)은 제1 도전형의 결정질 실리콘 기판(111)과 반대 타입을 가질 수 있다.
예를 들어, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 금속 화합물층(112)은 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층, 제1 금속 화합물층(113)은 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층이다. 또한 이와는 반대로, 결정질 실리콘 기판(111)이 p형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 금속 화합물층(112)은 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층, 제1 금속 화합물층(113)은 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층이 된다.
이와는 달리, 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층(112)과 결정질 실리콘 기판(111)이 동일 타입의 도전형을 가질 수도 있다.
만약 기판이 n형이고 상기 제1 도전형이 기판과 반대 극성인 P형 전하 선택성을 가지고 사기 제2 도전형이 기판과 동일 극성인 n형 전하 선택성을 가지면, 상기 제1 도전형의 제1 금속 화합물층은 에미터와 동일한 역할을 하며, 제2 도전형의 제2 금속 화합물층은 전계층의 역할을 수행하게 된다. 이 때 제1면이 태양광 입사면이고 제2면이 그 반대면이면, 상기 제1 금속 화합물층은 전면 에미터층이 되고, 상기 제2 금속 화합물층은 후면 전계층이 된다.
여기서 p형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 화합물로는 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들(주로 금속 산화물들)은 모두 선택적으로 정공의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
한편 n형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 화합물로는 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들(대부분 금속 산화물들)은 모두 선택적으로 전자의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
본 발명에서의 상기 결정질 실리콘 기판의 제2 면에 위치하며 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층(112)은 그 두께가 1 내지 100㎚인 것이 바람직하다.
제2 금속 화합물층(112)의 두께가 100㎚ 이상인 경우, 제2 금속 화합물층(112)에서 재결합(recombination)되어 사라지는 전자-정공의 양이 증가하여 그 결과 양자 효율(quantum efficiency)이 감소함으로써 전류가 줄어들게 된다. 반면 제2 금속 화합물층(112)의 두께가 1 ㎚ 이하인 경우, 제2 금속 화합물층(112)이 지나치게 얇아 제2 금속 화합물층(112)의 기능을 담보할 수 없을 뿐만 아니라 전기장이 줄어들게 되어 개방전압(Voc)이 감소하게 되는 경향이 발생한다.
한편, 상기 결정질 실리콘 기판의 제1 면에 위치하며 제1 도전형의 제1 금속 화합물층(113)도 그 두께가 1 내지 100㎚인 것이 바람직하다.
제1 금속 화합물층(113)의 두께가 100㎚ 이상인 경우, 전기장이 줄어들게 되어 개방전압(Voc)가 감소하게 되는 경향이 발생한다. 반면 제1 금속 화합물층(113)의 두께가 1 ㎚ 이하인 경우, 제1 금속 화합물층(113)의 전하 가속 기능의 수행을 담보하기 어렵다는 문제가 있다.
이와 같이 형성된 제1 금속 화합물층(113) 다음으로 제1 전극(140)이 위치한다. 상기 제1 전극(140)은 선택적으로 먼저 제1 금속 화합물층(113)의 후면에 위치하는 투명전극층(115)을 포함한다. 투명전극층 재료로써는 ITO (Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide) 등의 투명 전도성 산화물을 포함한다.
상기 투명전극층(115)이 위치한 후, 그 위에 그리드 전극(116)이 위치한다. 물론, 상기 투명전극층(115)을 형성하지 않고 제1 금속 화합물층(113) 위에 바로 그리드 전극(116)이 위치할 수도 있다. 그러나 상기 제1 금속 화합물은 금속 그리드를 통해 캐리어(carrier)를 모으기에는 상대적으로 캐리어(carrier) 이동도가 낮으므로 투명전극층(115)을 먼저 형성하는 것이 보다 바람직하다.
이 때, 상기 투명전극층(115)은 후술할 제2 태양전지에서의 투명전극층(125)과 두께가 상이할 수도 있다.
일반적으로 투명전극층은 태양광을 흡수하는 기능과 전하를 전기적 손실 없이 이송(transport)시키는 기능을 수행한다.
상기 제1 태양전지에서의 투명전극층(115)은 제2 태양전지에서의 투명전극층(125)와는 달리 전하를 이송시키는 기능이 보다 중요하다. 반면에 제2 태양전지에서의 투명전극층(125)는, 제1 태양전지에서의 투명전극층(115)과는 달리, 단파장의 태양광을 흡수하는 기능이 매우 중요하다.
따라서 제1 태양전지에서의 투명전극층(115)는 보다 우수한 전기적 수송을 위해 투명전극층(125) 대비 상대적으로 보다 두껍게 형성하는 것이 바람직하다. 반대로 제2 태양전지에서의 투명전극층(125)은 보다 우수한 광투과성을 위해 투명전극층(115) 대비 보다 얇게 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 상기 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)용 페이스트(paste)는 유리 프릿을 포함할 수도 또는 유리 프릿을 포함하지 않을 수도 있다.
먼저, 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)은 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제1 전극(140) 형성 온도에서 저온 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 이 경우 제1 전극 페이스트는 금속 입자와 저온소성용 바인더인 유기물이 포함되어 있을 수 있으며, 제1 전극 페이스트에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 이 때, 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)의 형성 온도는 250℃ 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200℃일 수 있다. 이와 같이 제1 전극(140)의 형성이 저온에서 이루어질 경우, 제1 전극(140)은 후술할 제2 전극(130)과 동일한 단계에서 형성될 수 있어, 공정 수를 줄임으로써 생산성 측면에서 보다 유리해 진다.
이와는 달리, 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)은 유리 프릿을 포함하는 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제1 전극(140) 형성 온도에서 고온 소성하는 것에 의해 제조될 수도 있다. 이 경우 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)용 페이스트는 금속 입자와 바인더와 같은 유기물뿐만 아니라 유리 프릿과 같은 용융을 위해 고온이 필요한 무기물 입자들도 포함된다. 이 때, 제1 전극(140) 형성 온도는, 후술할 제2 전극(130)의 형성 온도보다, 상대적으로 높기 때문에 제2 전극과는 별개의 공정에서 형성되게 된다.
본 발명에서의 텐덤 태양전지(100)는 제1 태양전지(110)뿐만 아니라 상부의 제2 태양전지(120)도 포함된다.
본 발명에서의 상부의 제2 태양전지(120)는 일례로, 먼저 하부 제1 태양전지 위에 위치하는 제1 도전형 전하 전달층(121); 상기 제1 도전형 전하 전달층 위에 위치하는 페로브스카이트 흡수층(122); 상기 페로브스카이트 흡수층(122) 위에 위치하는 제2 도전형 전하 전달층(123); 및 상기 제2 도전형 전하 전달층 위에 위치하는 제2 전극(130);을 포함한다.
구체적인 예로써, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 금속 화합물층(112)은 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층, 제1 금속 화합물층 (113)은 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층이다. 그리고 이 때 제2 태양전지(120)에서의 제1 도전형 전하 전달층(121)은 상기 제1 금속 산화물층(113)과 동일한 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층으로 이루어지며, 상기 페로브스카이트 흡수층(122) 위에 위치하는 제2 도전형 전하 전달층(123)은 p형의 정공 전달층(123)이 된다. 이러한 배치의 제2 태양전지는 페로브스카이트 태양전지가 되고, 그 중에서도 보통(normal)의 적층 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지에 해당한다.
반대의 예로써, 결정질 실리콘 기판(111)이 p형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 금속 산화물층(112)은 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층, 제1 금속 산화물층 (113)은 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층이다. 그리고 이 때 제2 태양전지(120)에서의 제1 도전형 전하 전달층(121)은 상기 제1 금속 산화물층 (113)과 동일한 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층으로 이루어지며, 상기 페로브스카이트 흡수층(122) 위에 위치하는 제2 도전형 전하 전달층(123)은 n형의 전자 전달층(123)이 된다. 이러한 배치의 제2 태양전지는 반전된(inverted)의 적층 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지에 해당한다.
한편, 본 발명의 텐덤 태양전지에서의 제1 도전형 전하 전달층(121)으로 사용되는 금속 화합물은, 앞서의 결정실 실리콘 태양 전지(110)에서 사용된 금속 화합물들이 그대로 사용된다.
예를 들어, 상기 제1 도전형 전하 전달층(121)이 n형의 전자 수송층인 경우 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 제1 금속 화합물이 사용된다. 또한, 상기 제1 도전형 전하 전달층(121)이 p형의 정공 수송층인 경우 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 제2 금속 화합물이 사용된다.
제1 도전형 전하 전달층(121) 상에는 페로브스카이트 흡수층(122)이 위치한다.
본 발명에서의 페로브스카이트 흡수층(122)은 현재 널리 사용되는 소위 말하는 MA(Methylamminium)계 또는 FA(Formamidinium)계 페로브스카이트 화합물 모두 사용 가능하다.
먼저 밴드 갭 특성 측면을 고려한다면, 약 1.55~1.6eV의 밴드 갭을 가지는 MA(Methylamminium)계의 대표적인 페로브스카이트 화합물인 MAPbI3이, 약 1.45eV의 밴드 갭을 가지는 FA(Formamidinium)계의 대표적인 페로브스카이트 화합물인 MAPbI3보다 밴드 갭이 크므로 단파장의 빛을 보다 잘 흡수할 수 있다는 장점이 있어 보다 유리하다.
그런데 FA계 페로브스카이트 화합물은 MA계 페로브스카이트 화합물 대비 고온 안정성이 우수하다는 특유의 장점도 있다. 이에 더하여 최근 들어, 상기 FA계 페로브스카이트 화합물에 Br을 도핑하게 되면 페로브스카이트 화합물의 밴드 갭이 증가됨이 확인되었다. 또한 Cs의 첨가는 원하지 않는 델타(δ)상 FA계 화합물의 생성을 억제할 수 있는 것이 확인되었다.
따라서 본 발명에서는 페로브스카이트 흡수층으로 FA(Formamidinium) 성분을 사용하는 경우에는, FA1- xCsxPbBryI3 -y가 보다 바람직하다(단, 여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 3 이다).
상기 FA계 페로브스카이트 흡수층인 FA1- xCsxPbBryI3 -y는 MA계 대비 고온 안정성이 보다 우수하다는 장점과 더불어, Cs 첨가로 인해 원하지 않는 델타(?)상 FA계 화합물의 생성을 억제할 수 있기 때문이다.
이에 더하여, Br의 첨가는 FA계 페로브스카이트 흡수층의 밴드 갭을 기존 MA계 페로브스카이트 흡수층의 밴드 갭과 유사한 정도로 크게 할 수 있기 때문이다. 밴드 갭 에너지가 높은 범위까지 증가하게 되면, 기존 실리콘 태양전지 대비, 단파장의 빛을 높은 밴드 갭을 가지는 페로브스카이트층이 흡수함으로써 광자 에너지와 밴드갭과의 차이로 생기는 열적 손실을 줄여 높은 전압을 발생시킬 수 있다. 그로 인해 종국적으로는 태양전지의 효율이 높아지게 된다.
상기 페로브스카이트 흡수층(122) 상에는 제2 도전형 전하 전달층(123)이 위치한다.
그런데 제2 도전형 전하 전달층(123)은, 제1 도전형 전하 전달층(121)과는 달리, 상기 제1 금속 화합물 또는 제2 금속 화합물뿐만 아니라 다른 유기물 등도 사용 가능하다.
예를 들어 상기 제1 도전형 전하 전달층(121)이 n형의 전자 수송층인 경우, 상기 제2 도전형 전하 전달층(123)으로는 p형의 정공 수송층인 경우 Spiro-OMeTAD, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA), 펜타센(pentacene), 쿠마린 6(coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이 사용된다.
반면 상기 제1 도전형 전하 전달층(121)이 p형의 정공 수송층인 경우, 상기 제2 도전형 전하 전달층(123)이 n형의 전자 수송층인 경우 플러렌(C60), PCBM, P3HT, PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것이 사용된다.
다음으로 본 발명에서의 제2 도전형 전하 전달층(123) 상에는 제2 전극(130)이 위치한다.
이때, 상기 제2 전극(130)은 먼저 투명 전극층(125)을 포함한다. 상기 투명 전극층(125)은 페로브스카이트 태양전지(120)의 상면 전체에 형성되어, 페로브스카이트 태양전지(120)에서 생성된 전하를 포집하는 역할을 한다. 이러한 투명 전극층(125)은 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다. 투명 전도성 소재로는, 중간층(114)의 투명 전도성 소재와 동일한 것이 이용될 수 있다.
다음으로 그리드 전극(126)이 투명 전극층(125) 상에 위치하며, 투명 전극층(125) 중 일부 영역에 배치된다.
제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 유리 프릿을 포함하지 않는 제2 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제1 온도에서 저온 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 여기서, 이러한 제2 전극 페이스트는 금속 입자와 저온소성용 바인더인 유기물이 포함되어 있을 수 있으며, 제2 전극 페이스트에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 특히, 제2 온도는 250 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200℃일 수 있다.
앞에서 살펴본 바와 같이, 상기 제1 전극의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극의 그리드 전극(126)은 제2 전극(130)을 형성할 때 동시에 형성될 수도 또는 제1 전극(140)을 형성한 후 제2 태양전지 형성 후 제2 전극(130)을 형성할 수도 있다. 만일 상기 제1 전극의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극의 그리드 전극(126)이 동시에 형성된다면, 이 때 상기 제1 전극(140) 및 상기 제2 전극(130)은 모두 250℃ 이하의 저온 소성 공정으로 형성된다.
텐덤 태양전지의 제조 방법
도 3 내지 12는 본 발명에서의 텐덤 태양전지의 제조 방법을 단계적으로 도시한 단면도 및 본 발명에서 사용된 ALD 공법에서의 가스 흐름 순서(gas flow step)을 도시한 것이다.
본 발명에서의 텐덤 태양전지를 제조하기 위해, 먼저 결정질 실리콘 태양전지를 준비한다.
보다 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 결정질 실리콘 기판(111)의 전면 및 후면을 평탄화한 후, 필요에 따라 전면 및 후면 중 적어도 하나 이상을 텍스처링하여 텍스처링 패턴을 형성한다.
이와는 달리, 평탄화된 평판한 결정질 실리콘 기판(111)을 사용할 수도 있다.
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.
구체적인 일 실시예로써, 먼저 본 발명에서는 (100)면을 따라 슬라이스한 두께 수십~수백 ㎛의 n형 실리콘 단결정 기판을 준비하였다. 다음으로 상온~150℃의 온도 범위에서 1~5 중량%의 수산화나트륨(NaOH) 수용액 또는 수산화칼륨(KOH) 수용액에 유기용제, 인산염, 반응 조절제 및/또는 계면활성제 등의 첨가제를 포함한 수용액을 이용하여 기판 표면을 식각하였다.
상기 유기용제는 2-메틸-2,4-펜탄디올(2-methyl-2,4-pentanediol), 프로필렌 글리콜(Propylene glycol), 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올(2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol), 1,3-부탄디올(1,3-butanediol), 1,4-부탄디올(1,4-butanediol), 1,6-헥산디올(1,6-hexanediol), 2,2-디메틸-1,3-프로판디올(2,2-dimethyl-1,3-propanediol), 하이드로퀴논(Hydroquinone), 1,4-사이클로헥산디올(1,4-cyclohexanediol), 및 N-메틸 프로필(N-methyl proline) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 인산염은 K3PO4 및 K2HPO4 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 식각을 통해 실리콘 단결정 기판에는 피라미드 형상의 요철을 가지는 텍스쳐가 형성되었다. 실리콘 단결정은 다이아몬드 큐빅 구조를 가지기 때문에 {111} 면이 가장 최밀면인 동시에 화학적으로도 안정한 면이다. 따라서 수산화나트륨 수용액에 대한 식각속도는 {111} 면이 가장 느리게 되어, 결과적으로 식각 후 실리콘 기판은 {111} 면을 따라 이방성 식각이 발생한다. 그 결과 실리콘 기판 상에는 깊이 0.1~10㎛ 수준의 텍스쳐가 전면에 균일하게 형성되었다.
다음으로, 도 4에서와 같이, 결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면에 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층(112)을 형성한다. 이때, 상기 제2 금속 화합물층(112)은 상기 결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면에만 형성될 수도, 또는 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면과 제2 면에 제2 금속 화합물층(112)이 동시에 형성된 후 후속 공정을 통해 제1 면에 형성된 제2 금속 화합물층(112')은 제거될 수도 있다.
상기 제2 금속 화합물층(112)은 통상적으로 사용되는 PECVD법에 의해서도 증착될 수 있지만, 본 발명에서는 ALD(atomic layer deposition)법을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
PECVD법은 비교적 낮은 공정온도에서도 성막이 가능하며 생산성이 높다는 장점으로 인해, 실리콘을 이용한 디바이스 분야에서 널리 사용되는 공정이다. 그러나 박막의 두께 균일성, 단차피복성(step coverage) 및 초기 가동시 상압으로 사용할 때의 오염 등의 문제점을 극복하기 위해 최근에는 저압 영역에서 CVD 공정을 많이 진행한다. 그런데 이와 같이 저압에서 공정을 진행하게 되면 증착 속도가 감소하게 되어 그 결과 생산성이 떨어지게 된다.
따라서 PECVD 법을 사용하면서 동시에 증착 속도를 높이기 위해서는 반응기체의 분압을 높이거나 공정 온도를 증가시켜야 한다. 그러나 반응기체의 분압을 높이는 것은 미반응 기체들 상호간의 반응을 유발하여 그 결과 원하는 않는 입자에 의한 오염을 발생시킬 수 있다. 또한 공정 온도를 증가시키는 것도 하지 막의 변형을 초래하므로 바람직하지 않다.
이에 반해 ALD법은 일반적으로 CVD법에 비해 생산성이 낮다는 단점은 있지만, 이러한 단점을 극복할 수 있을 정도로 우수한 장점을 많이 보유하고 있다.
ALD법은 원료 공급 주기 안에서 각 원료의 공급이 충분하면, 기판 표면의 형상에 관계없이 매 원료 공급 주기마다 모노 래이어(mono layer)의 일정 두께의 막을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, ALD 법은 소스 가스를 주입하여 기판에 흡착시키는 공정; 퍼지 가스로 잔류 가스 및 미반응 가스를 퍼지하는 공정; 반응 가스를 주입하여 증착하는 공정; 퍼지 가스로 잔류 가스 및 미반응 가스를 퍼지하는 공정;으로 이루어지는 사이클(cycle)을 이용하여, 기 설정된 두께로 박막이 형성될 때까지 모노 레이어의 증착을 반복하는 공법이다(도 5 참조).
따라서 ALD법에서의 막의 성장 속도는 시간이 아니라 원료 공급 주기의 수에만 비례하며, 원료 공급량, 유량 등의 공정 조건에는 크게 의존하지 않는다. 그 결과 ALD법은 다른 공법에 비해 얇은 막의 두께를 정밀하게 제어할 수 있다.
더군다나 ALD법에서는 원자층 단위로 흡착을 이용하여 성막을 진행하고 미반응 가스는 퍼지에 의해 제거되므로, 기판의 면적이 넓어도 균일한 두께의 두께의 막을 형성할 수 있어 대면적에도 적용이 가능하다.
또한 기상으로부터 기판에 증착되는 반응 원자층은 기판과의 흡착에 의해 기판과 결합되므로, 기판에 안정적으로 증착이 가능하다. 따라서 기판의 요철에 관계없이 심지어는 분말이나 다공성 물질에도 균일한 두께의 막이 형성된다는 장점이 있다.
본 발명에서 ALD법을 이용하는 또 다른 이유는 ALD법 고유의 증착 특성을 이용함으로써 ALD법이 가지는 낮은 증착속도를 개선시킬 수 있기 때문이다.
앞에서 설명한 바와 같이 ALD법에서는 소스 가스를 주입하여 기판에 흡착시키는 공정; 퍼지 가스로 잔류 가스 및 미반응 가스를 퍼지하는 공정; 반응 가스를 주입하여 증착하는 공정; 퍼지 가스로 잔류 가스 및 미반응 가스를 퍼지하는 공정;을 포함한다.
상기와 같은 ALD법에서는 증착 과정이 기판 표면에서의 기판과 소스 가스와의 흡착과, 기판 표면에서의 소스 가스와 반응 가스와의 반응에 의해서만 이루어진다. 따라서 기판의 한 면뿐만 아니라 양면에서도 증착이 가능하다.
특히 ALD 증착 장비 중 트래버링 웨이브(traveling wave) 방식의 반응기(reactor)에서는 기판의 척(chuck)의 설계변경을 통해 기판의 양쪽 평면 모두에서 증착이 보다 용이하게 가능해 진다.
본 발명에서의 결정질 실리콘 기판(111) 상에 형성되는 제2 금속 화합물층(112)은 실리콘 기판의 도전형과 반대 타입을 가질 수도 있고, 실리콘 기판의 도전형과 동일한 도전형을 가질 수도 있다.
일례로써, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 금속 화합물층(112)은 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층, 제1 금속 화합물층 (113)은 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층이다. 유사한 방식으로, 결정질 실리콘 기판(111)이 p형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 금속 화합물층(112)은 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층, 제1 금속 화합물층(113)은 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층이 된다.
이와는 반대로, 결정질 실리콘 기판(111)이 p형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 금속 산화물층(112)도 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층, 제1 금속 화합물층(113)은 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층이 될 수도 있다.
여기서 p형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 화합물로는 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들, 주로 금속 산화물들은 모두 선택적으로 정공의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
한편 n형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 화합물로는 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들, 대부분 금속 산화물들은 모두 선택적으로 전자의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
보다 구체적인 하나의 실시예로써, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형인 경우, 본 발명에서는 p형의 금속 화합물로 MoOx 성분의 금속 산화물을 증착하였다.
먼저 MoOx의 증착원으로는 (NtBu)2(NMe2)2Mo를 사용하였고, 50sccm의 유량(flow rate) 및 1초의 피딩 시간(feeding time)의 조건으로 금속 소스를 주입하였다. 다음으로 N2 가스로 500sccm의 유량(flow rate) 및 5초의 피딩 시간(feeding time)의 조건에서 퍼지하였다. 그 다음 반응 가스로는 오존(O3)을 이용하여, 50sccm의 유량(flow rate) 및 1초의 피딩 시간(feeding time)의 조건으로 반응시켜, MoOx 금속 산화물을 증착 시켰다. 그 다음 남아 있는 잔류 가스 및 비 반응 가스는 N2 가스로 500sccm의 유량(flow rate) 및 5초의 피딩 시간(feeding time)의 조건에서 퍼지시켰다. 이와 같은 펄스들을 기본 1 사이클(cycle)로 하고, 사이클 수를 조절함으로써 원하는 두께의 박막을 제조하였다.
또 다른 하나의 실시예로써, 본 발명에서의 결정질 실리콘 기판(111)이 p형인 경우, 본 발명에서는 n형의 금속 화합물로 TiO2 성분의 금속 산화물을 증착하였다.
먼저 TiO2의 증착원으로는 TTIP(titanium isopropoxide)를 사용하였고, 50sccm의 유량(flow rate) 및 1초의 피딩 시간(feeding time)의 조건으로 금속 소스를 주입하였다. 다음으로 N2 가스로 500sccm의 유량(flow rate) 및 5초의 피딩 시간(feeding time)의 조건에서 퍼지하였다. 그 다음 반응 가스로는 오존(O3)을 이용하여, 50sccm의 유량(flow rate) 및 1초의 피딩 시간(feeding time)의 조건으로 반응시켜, TiO2 금속 산화물을 증착 시켰다. 그 다음 남아 있는 잔류 가스 및 비 반응 가스는 N2 가스로 500sccm의 유량(flow rate) 및 5초의 피딩 시간(feeding time)의 조건에서 퍼지시켰다. 이와 같은 펄스들을 기본 1 사이클(cycle)로 하고, 사이클 수를 조절함으로써 원하는 두께의 박막을 제조하였다.
다음으로 상기 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층(112) 상에는 중간층(114)으로 투명한 전도성 재료가 증착된다(도 6).
본 발명에서는 일반적으로 널리 알려진 스퍼터링법, 보다 구체적으로 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 상기 기판 상에 투명전극 또는 중간층(114)을 형성하였다. 본 발명에서는 중간층(114)을 위해 FTO(Fluorine Tin Oxide) 또는 AZO(Aluminum doped Zinc Oxide)을 사용하였으나, 반드시 상기 재료로 한정되는 것은 아니다. 이외에도 각종 투명 전도성 산화물, 금속성 소재 및 전도성 고분자 등도 이용될 수 있다.
다음으로 도7에서와 같이, 상기 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면에 형성된 제2 금속 화합물층(112')은 식각을 통해 제거된다.
이 때 식각 방법으로는 습식 식각 또는 건식 식각이 모두 이용될 수 있다. 다만, 본 발명에서는 일 실시예로써 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)이 이용되었다.
보다 구체적으로, 본 발명에서의 반응성 이온 에칭은, 먼저 약 0.1 내지 0.5mTorr의 압력을 갖는 공정실에 기판을 위치시킨 후, SF6와 O2의 혼합 가스(SF6/O2) 또는 SF6와 O2 및 Cl2의 혼합 가스(SF6/Cl2/O2)인 식각 가스를 공정실에 주입한다. 그 다음, 기판 사이에 설치된 두 개의 전극(도시하지 않음)에 해당 크기의 전력을 인가하면, 원료 가스에 기초한 플라즈마 이온이 두 전극 사이의 공간에 생성되어, 생성된 플라즈마 이온에 의한 식각 동작, 즉 건식 식각 동작이 이루어지게 된다. 이때, 전극에 인가되는 전력의 크기는 약 3000W/㎡~6000W/㎡일 수 있다.
다음으로, 본 발명에서는 상기 결정질 실리콘 기판(111)의 하부와 상기 중간층(114)의 상부에 각각 제1 도전형을 가지는 제1 도전형 제1 금속 화합물층(113) 및 제1 도전형 전하 전달층(121)을 형성한다(도 8).
이 때, 상기 제1 금속 화합물층(113)과 제1 도전형 전하 전달층(121)은 동시에 형성될 수 있다. 이와 같이 두 개의 서로 다른 기능을 수행하는 단위 층을 동시에 형성하게 되면, 텐덤 태양전지의 각각의 단위 층을 제작하는 공정을 통합화 내지는 단순화 할 수 있게 된다. 그 결과 본 발명에서의 텐덤 태양전지의 제조방법은 고가의 증착장비를 소요량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 단위 공정의 생략을 통해 단위 공정당 시간(리드 타임, lead time) 및 전체 공정 시간(택트 타임, tact time)을 감소시키게 된다.
더 나아가 본 발명에서의 텐덤 태양전지의 제조 방법은 본질적으로 매우 민감한 특성을 가지고 있는 증착 공정의 일부를 생략함으로써 텐덤 태양전지의 제조 공정의 안정성도 크게 개선시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서의 상기 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층(113) 및 제1 도전형 전하 전달층(121)은 앞서 설명한 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층(112)과 반대 타입의 도전형을 가진다.
예를 들어, 제2 금속 화합물층(112)이 p형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제1 금속 화합물층 (113) 및 제1 도전형 전하 전달층(121)은 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층으로 이루어진다. 이와 같은 적층 구조는 보통(normal)의 페로브스카이트 태양전지에 해당한다.
이때, n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층은 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것이 바람직하다.
또한 이와는 반대로, 제2 금속 화합물층(112)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제1 금속 화합물층 (113) 및 제1 도전형 전하 전달층(121)은 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 금속 화합물층이 된다. 이와 같은 적층 구조는 반전된(inverted) 페로브스카이트 태양전지에 해당한다.
이때, p형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 금속화합물층은 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이 바람직하다.
본 발명에서는 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층(113) 및 제1 도전형 전하 전달층(121)을 동시에 형성하기 위해, 원자층 증착(ALD)법을 이용하였다. 이는 ALD법에서는 증착 과정이 기판에서의 기판과 소스 가스와의 흡착과, 기판에서의 소스 가스와 반응 가스와의 반응에 의해서만 이루어지므로, 이로 인해 기판의 한 면뿐만 아니라 양면에서도 증착이 가능하기 때문이다. 특히 ALD 증착 장비 중 트래버링 웨이브(traveling wave) 방식의 반응기(reactor)에서는 기판의 척(cuck)의 설계변경을 통해 기판의 양쪽 평면 모두에서 증착이 보다 용이하게 가능하게 된다.
본 발명에서의 제1 금속 화합물층(113) 및 제1 도전형 전하 전달층(121)의 구체적인 증착조건은, 앞에서 살펴본 제2 금속 화합물층(112)의 증착조건과 동일하므로, 이에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
다음으로 도 9에서와 같이, 본 발명에서는 제1 전극(140)의 투명 전극층(115)를 형성한다. 투명전극층 재료로 ITO (Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide) 등의 투명 전도성 산화물을 사용할 경우, 투명전극층(115)은 중간층(114)과 동일한 방법인 스퍼터링을 통해 증착될 수 있다.
물론, 상기 투명전극층(115)을 형성하지 않고 제2 금속 화합물층(113) 위에 바로 그리드 전극(116)를 형성할 수도 있으나, 제1 금속 화합물층(113)이 투명전극층(115)보다는 캐리어(carrier)의 이동도가 더 낮으므로, 캐리어 이동도 측면에서는 투명전극층(115)을 형성하는 편이 보다 바람직하다.
상기 투명전극층(115)을 형성한 후, 그리드 전극(116)을 형성한다. 만일 그리드 전극(116)이 금속 입자와 바인더와 같은 유기물뿐만 아니라 유리 프릿과 같은 용융을 위해 고온이 필요한 무기물 입자들도 포함하는 제1 전극 페이스트를 사용하여 제조된다면, 이 경우 그리드 전극(116)은 페로브스카이트 흡수층(122)가 형성되기 이전에 먼저 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 페로브스카이트 흡수층(122)이 고온에 취약하기 때문에, 페로브스카이트 흡수층(122)을 형성한 후 고온에서 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)을 형성하게 되면 미리 형성된 페로브스카이트 흡수층(122)이 열화되기 때문이다.
한편 이와는 반대로, 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)은 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제1 전극(140) 형성 온도에서 저온 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 다시 말하면 그리드 전극(116)용 페이스트는 금속 입자와 저온소성용 바인더인 유기물이 포함되어 있을 수 있으며, 그리드 전극(116)용 페이스트에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 이 때, 제1 전극(140) 형성 온도는 250℃ 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200℃일 수 있다.
이와 같이 제1 전극(140)의 형성이 저온에서 이루어질 경우에도, 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)은 후술할 제2 전극(130)보다 먼저 형성될 수도 있고, 제2 전극(130)과 동일한 단계에서 형성될 수 있다. 만일 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)이 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)과 같이 형성된다면 공정 수를 줄임으로써 생산성 측면에서 보다 유리해 진다.
본 발명의 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)은 인쇄법, 잉크제트법, 또는 PR(photo-resist)을 이용한 감광법 등을 이용하에 제조될 수 있다.
제1 전극(140)의 투명전극(115) 또는 그리드 전극(116)을 형성한 후, 본 발명에서는 상기 제1 도전형 전하 전달층(121) 상에 페로브스카이트 흡수층(122)를 형성한다(도 10).
본 발명에서의 페로브스카이트 흡수층(122)의 재료로써는 현재 널리 사용되는 소위 말하는 MA(Methylamminium)계 또는 FA(Formamidinium)계 페로브스카이트 화합물 모두 사용 가능하다. 또한 본 발명에서의 페로브스카이트 흡수층(122)의 형성 방법으로는 종래의 용액공정 이외에 박막 공정으로도 형성이 가능하다.
먼저, 본 발명에서 말하는 종래의 용액 공정은 페로브스카이트 흡수층을 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅 및 슬롯-다이 코팅 등의 공정을 말한다.
이와 같은 용액 공정은 용액의 도포 및 건조라는 극히 간단하고 용이하며 저가인 공정을 통해 광활성화층을 이루는 광흡수체를 형성할 수 있다는 장점이 있다. 이에 더하여, 도포된 용액의 건조에 의해 자발적으로 결정화가 이루어져 조대 결정립의 광흡수체 형성이 가능하며, 특히 전자와 정공 모두에 대한 전도도가 우수하다는 장점도 있다.
반면 용액공정은 용액 공정 고유의 특성상 페로브스카이트 흡수층(122) 하부의 텍스쳐 형상을 유지하면서 동시에 동일한 두께를 가지는 페로브스카이트 흡수층을 형성하기 어렵다. 따라서 이와 같은 두께 및 형상의 편차로 인해 텐덤 태양전지의 특성 저하가 발생할 가능성이 있다.
본 발명에서는 구체적인 실시예로써, 상기 제1 도전형 전하 전달층(121) 상에 다시 FA1- xCsxPbBryI3 -y (단, 여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 3 이다) 성분의 페로브스카이트 흡수층(122)을 형성하였다
본 발명에서는 먼저 상기 제1 도전형 전하 전달층(121) 상에 무기물 층을 코팅한다. 본 발명에서의 무기물 층은 PbI2를 사용하여 용액법으로 제조하였다. 먼저 4mmol의 PbI2 (Sigma-Aldrich, 99%)를 4㎖의 N,N-dimethylformamide(DMF)(Sigma-Aldrich, 99.8%)에서 용해시켜 PbI2 용액을 제조하였다. 그 다음 상기 PbI2 용액 40㎖를 스핀 코팅법을 이용하여, 상기 제1 도전형 전하 전달층(121)이 형성된 기판 위에 500~5,000 rpm의 속도로 30초 동안 회전시켜 무기물 층을 코팅하였다. 그 다음 상기 무기물 층이 코팅된 기판은 100℃에서 15분간 건조되었다.
다음으로 상기 무기물 층 상에 유기물 층을 코팅한다. 상기 유기물 층은 2-프로판올(Sigma-Aldrich, 99.5%)에서 0.01g/㎖ (CH(NH2)2)Br 용액을 이용하여 상기 무기물층 형성된 기판을 침지하였고, 그 다음 최대 3,000rpm에서 30초 동안 회전시킨 후 100℃에서 15분간 건조되었다.
한편 본 발명에서의 페로브스카이트 흡수층(122)은 상기 용액 공정 이외에도, 스퍼터링이나 전자빔 등을 이용한 물리적 기상 증착 또는 화학적 기상 증착에 의해 형성된다. 이 때, 상기 페로브스카이트 흡수층은 단일 단계(Single step) 증착 또는 순차적 단계(sequential step) 증착 어느 것으로도 형성될 수 있으나, 단일 단계로는 균일한 박막 형태 제조의 어려움으로 인해 순차적 단계가 보다 바람직하다.
상기와 같은 페로브스카이트 흡수층(122)을 형성한 후 이를 페로브스카이트 물질로 전환시키기 위해, 본 발명에서는 후열처리 공정을 수행한다. 상기 후열처리 공정은 상온~200℃의 온도 범위에서, 약 3시간 이내에서 수행된다. 후열처리 온도의 하한은 특별한 제한은 없으며, 200℃보다 높아질 경우 페로브스카이트 흡수층인 고분자 물질이 열적으로 퇴화될 수 있다. 또한 증착공정의 경우, 전구체 층끼리 반응하여 페로브스카이트 층을 형성하기 전에 각각의 전구체 층이 열분해 되거나 또는 열분해에 의한 조성 변화가 생길 수도 있다.
다음으로 도 11에서와 같이, 상기 페로브스카이트 흡수층(122) 위에는 제2 도전형 전하 전달층(123)을 형성한다.
앞서 설명한 바와 같이, 만일 상기 제1 도전형 전하 전달층(121)이 n형의 전자 수송층인 경우 상기 제2 도전형 전하 전달층(123)으로는 p형의 정공 수송층이 형성되며, 이와 같은 적층 구조는 보통(normal)의 적층 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지에 해당한다.
이와는 반대로, 만일 상기 제1 도전형 전하 전달층(121)이 p형의 정공 수송층인 경우 상기 제2 도전형 전하 전달층(123)으로는 n형의 전자 수송층이 형성되며, 이와 같은 적층 구조는 반전된(inverted) 적층 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지에 해당한다.
보통의 적층 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지에서, p형의 제2 도전형 전하 전달층(123)의 재료로는 대표적으로 Spiro-OMeTAD가 있다.
본 발명에서는 상기 p형의 제2 도전형 전하 전달층(123)을 형성하기 위한 일 실시예로써, 종래의 용액법을 이용하였다.
일 실시예로써, 상기 페로브스카이트 흡수층(122) 상에 1mL 무수 클로로벤젠(Aldrich, 99.8%) 중의 45.7mM 2,2’,7,7’-테트라키스(N,N-p-디메톡시페닐아민)-9,9’-스피로플루오렌(스피로-OMeTAD, Merck), 220mM 4-tert-부틸피리딘(TBP, Aldrich, 96%) 및 20mM 비스(트리플루오로메탄)설폰이미드 리튬염(LiClO4, Aldrich, 99.95%)으로 이루어진 정공수송 재료(HTM)를 코팅하여 정공 전달층을 형성하였다.
한편, 반전된 적층 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지에서, n형의 제2 도전형 전하 전달층(123)으로는 대표적으로 C60이 있다.
본 발명에서는 상기 n형의 제2 도전형 전하 전달층(123)을 형성하기 위한 일 실시예로써, 종래의 용액법을 이용하였다.
일 실시예로써 C60의 경우, C60을 포함하는 플러렌 유도체를 용매에 녹인 후, 스핀 코팅법을 이용하여 10~30초간 스핀 코팅한 후, 상온에서 1~3시간 유지하여 전자 전달층을 형성하였다.
이와 같이 상기 제2 도전형 전하 전달층(123)을 형성한 후에, 본 발명에서는 제2 전극(130)을 위한 전면 투명전극(125)를 형성한다(도 12).
이때, 투명 전극층(125)은 페로브스카이트 태양전지(120)의 상면 전체에 형성되어, 페로브스카이트 태양전지(120)에서 생성된 전하를 포집하는 역할을 한다. 이러한 투명 전극층(125)은 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다. 즉, 투명 전도성 소재로는, 중간층(114)의 투명 전도성 소재와 동일한 것이 이용될 수 있다.
이 때, 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 전면 투명전극층(125) 상에 배치되며, 투명전극층(125) 중 일부 영역에 배치된다.
제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제2 온도에서 저온 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 여기서, 이러한 제2 전극 페이스트는 금속 입자와 저온소성용 바인더인 유기물이 포함되어 있을 수 있으며, 제2 전극 페이스트에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 특히, 제2 온도는 250 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200일 수 있다.
앞에서 살펴본 바와 같이, 상기 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)을 형성할 때 동시에 형성될 수도 혹은 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)을 형성한 후 페로브스카이트 태양전지 형성 후 제2 전극(130)을 형성할 수도 있다. 한편 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)이 동시에 형성된다면, 상기 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 모두 250℃ 이하의 저온 소성 공정으로 형성된다.
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)

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  11. 제1 태양 전지 및 상기 제1 태양 전지 상에 위치하는 제2 태양 전지를 포함하는 탠덤 태양전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 제1 태양 전지는,
    결정질 실리콘 기판;
    상기 결정질 실리콘 기판의 제1면에 위치하며 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층; 및
    상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하며 제2 도전형을 가지는 제2 금속 화합물층;을 포함하고,
    상기 제2 태양 전지는,
    제1 도전형 전하전달층;
    상기 제1 도전형 전하전달층 상에 위치하는 페로브스카이트 흡수층;
    상기 페로브스카이트 흡수층 상에 위치하는 제2 도전형 전하 전달층;을 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 제2 면 상에 상기 제2 금속 화합물층을 형성하는 공정;
    상기 제2 면 상에 상기 제1 태양 전지와 상기 제2 태양 전지 사이에 제공되는 중간층을 형성하는 공정;
    상기 결정질 실리콘 기판의 제1 면과 제2 면 상에 각각 상기 제2 금속 화합물층을 동시에 형성하는 공정;
    상기 제1 면에 형성된 상기 제2 금속 화합물층을 제거하는 공정;
    상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 상기 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정;을 포함하고,
    상기 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정은,
    상기 중간층 상에 상기 제1 도전형 전하 전달층을 형성하는 공정과 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판 상의 제1 면 및 상기 제2 면 상에 제1 도전형을 가지는 상기 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정은,
    상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 상기 제1 도전형을 가지는 제1 금속 화합물층을 동시에 형성하는 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판 상의 제1 면 및 상기 제2 면 상에 제1 도전형을 가지는 상기 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정은,
    금속 소스를 주입하는 공정;
    N2를 포함하는 가스로 퍼지하는 공정;
    O3, N2O, O2, O2 플라즈마 및 라디칼 산화로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 반응가스를 주입하는 공정;
    N2를 포함하는 가스로 퍼지하는 공정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 금속 화합물층을 형성하는 공정 후에,
    상기 제1 면 상의 상기 제1 금속 화합물층 상에 투명 전극층을 형성하는 공정;
    상기 제2면 상의 상기 제1 금속 화합물층 상에 페로브스카이트 흡수층을 형성하는 공정;
    상기 페로브스카이트 흡수층 상에 제2 도전형의 전하전달층을 형성하는 공정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 금속 화합물은 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고;
    상기 제1 금속 화합물은 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 도전형 전하 전달층은 Spiro-OMeTAD, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA), 펜타센(pentacene), 쿠마린 6(coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 금속 화합물은 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고;
    상기 제1 금속 화합물은 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 도전형 전하 전달층은 플러렌(C60), PCBM, P3HT, PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018223134A1 (en) * 2017-06-02 2018-12-06 Alliance For Sustainable Energy, Llc Oxide layers and methods of making the same
KR102243514B1 (ko) * 2019-05-03 2021-04-22 울산과학기술원 광변환 필름을 포함하는 모노리식 텐덤 태양전지 및 이의 제조방법
KR102284040B1 (ko) 2019-11-28 2021-07-29 광운대학교 산학협력단 이종접합 실리콘 태양전지 및 이를 제조하는 방법
KR102359102B1 (ko) * 2019-11-29 2022-02-04 성균관대학교산학협력단 이종접합 구조의 태양전지 및 이의 제조 방법
WO2022097793A1 (ko) * 2020-11-09 2022-05-12 울산과학기술원 광변환 필름을 포함하는 모노리식 텐덤 태양전지 및 이의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160190377A1 (en) * 2013-08-06 2016-06-30 Newsouth Innovations Pty Limited A high efficiency stacked solar cell
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
WO2016198889A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Oxford Photovoltaics Limited Photovoltaic device
WO2017105248A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland Hybrid tandem solar cell

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2758556T3 (es) * 2010-05-21 2020-05-05 Asm Int Nv Celda solar y método de fabricación de la misma
KR101778128B1 (ko) * 2016-01-20 2017-09-13 엘지전자 주식회사 태양전지

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160190377A1 (en) * 2013-08-06 2016-06-30 Newsouth Innovations Pty Limited A high efficiency stacked solar cell
WO2016198889A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Oxford Photovoltaics Limited Photovoltaic device
WO2017105248A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland Hybrid tandem solar cell
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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