KR102567895B1 - 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지 - Google Patents
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Abstract
분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지가 개시된다. 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지는, 투명 기판, 투명 기판 상부에 배열되며, 입사하는 태양광이 투과되는 투명창이 상부에 형성된 복수의 미세기둥(micro-pillar), 복수의 미세기둥 사이의 투명 기판의 상부면 및 미세기둥의 측면에 형성되며, 입사하는 태양광의 흡수를 통해 발전하는 광전변환부, 3차원 투명 태양전지의 양단에 형성되며, 발전을 통해 생성된 전류를 외부의 부하로 공급하는 전면전극 버스바 및 후면전극 버스바가 각각 상부에 형성된 전면전극패드 구조체 및 후면전극패드 구조체, 전면전극 버스바와 연결되는 전면전극 그리드가 상부에 형성되며, 일정 수의 미세기둥의 배열 사이 마다 형성되는 복수의 그리드 리지(Grid Ridge) 및 그리드 리지 사이의 미세기둥의 배열 사이 마다 전면전극 그리드와 평행하게 형성되는 복수의 마이크로 전극 그리드를 포함한다.
Description
본 발명은 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지에 관한 것이다.
하이브리드 융합형 태양전지는 건축물에 적용 또는 집적되는 건물일체형 태양전지(BIPV: Building Integrated Photo-Voltaics), 자동차(automobile)에 결합, 독립적인 운영이 중요한 센서 등에 결합되는 사물인터넷(Internet of Things; IOT) 소자의 무선 독립 에너지원 등으로 용도가 확장되고 있다. 태양전지는 본질 상 모든 입사광 출력을 최대한 전력으로 변환하도록 제작되는 소자이다. 즉, 태양전지 소자는 입사되는 모든 태양광을 가장 효율적으로 흡수해야 하기 때문에, 소자의 광투과율이 최소화되는 것이 바람직하다. 한편, 태양의 흑체복사는 가시광 파장영역에서 광출력이 가장 최고점을 보인다. 그래서, 태양전지는 최고 광전력변환효율을 가지기 위하여 입사되는 가시광이 가능한 최대한으로 흡수되어 전력변환에 사용되기 때문에, 불투명하게 된다. 그러므로, 태양전지의 가시광 투명성을 확보하기 위해서는 필연적으로, 태양전지의 광전력변환효율의 큰 손실을 감수해야만 한다. 이러한 특징 때문에, 태양전지의 하이브리드 융합에 많은 제약이 따르고 활용성이 떨어지게 된다. 즉, 가시광을 투과하는 특성을 갖는 소자의 개발이 요구되고 있는 반면에, 현재는 태양전지에 사용되는 광흡수층 소재(유기, 무기 등)들은 모두 가시광을 흡수할 수 있기 때문에, 태양전지의 투명성과 고효율이 동시에 만족될 수 없다. 따라서, 이와 같은 두 상반된 특성을 만족하기 위한 기하학적인 소자 구조를 가지는 태양전지가 필요하다.
이론적으로, 태양전지는 광흡수체의 광전효과 원리를 이용한다. 즉, 광흡수체가 밴드갭에너지(Eg) 이상의 광에너지를 갖는 광자(photon)를 흡수하여 여기됨(excitation)으로써, 한 쌍의 광전자와 정공을 생성한다. 그래서, 태양전지가 생산하는 전력은 태양광의 세기, 반도체의 밴드갭에너지(Eg), 광흡수율(photo-absorption coefficients), 광흡수 유효 면적 등에 비례한다. 즉, 광흡수체는 차단광 파장(cut-off wavelength)이 클수록(또는, 밴드갭이 작을수록), 셀의 수광 면적이 클수록 많은 광자를 흡수할 수 있으므로, 전력이 많이 생산되고, 이로써 단위면적당 생성되는 전력의 광전변환효율이 커진다.
그리고, 어떤 물체(물질)가 투명하다는 것은, 그 물체를 투과한 빛이 사람의 눈에 입사되는 것을 말한다. 사람의 눈이 식별하는 가시광의 파장대역은 0.38~0.78 μm이다. 이 가시광 파장대역은 태양 흑체복사에 대한 볼츠만 분포의 가운데에 위치하고 있으며, 세기(intensity)가 가장 큰 영역을 차지하고 있다. 그렇기 때문에, 가시광의 흡수는 태양전지의 광전변환효율(PCE: power conversion efficiency)에 가장 큰 영향을 미친다. 그래서, 단순히 가시광이 투과되도록 제작된 투명 태양전지는 가시광을 투과시키고 눈에 보이지 않는 태양 광세기가 작은 자외선(Ultra-Violet)과 적외선(Infra-Red)만을 흡수하여 광전변환을 할 수밖에 없기 때문에, 광전변환효율이 낮아지는 것을 피할 수 없다.
도 1은 종래의 투명 태양전지의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 투명 태양전지는 투명성을 확보하기 위하여, 입사광이 태양전지의 입사면에 흡수되지 않고 투과할 수 있는 구멍을 구비함으로써, 입사광의 유효 투과 면적을 확보하는 방법이 적용되었다.
도 1의 투명 태양전지는 다음과 같이 제작될 수 있다. 먼저, 광흡수체로 사용되는 단결정 p형 실리콘 웨이퍼(111) 위에 n형 불순물 도핑을 통하여 n형 에미터층(112)을 형성한다. 여기서, n형 에미터층(112)은 내부의 p형 반도체 흡수층 또는 웨이퍼(111)와 pn 접합 다이오드를 형성한다. 다음으로, 내부의 pn 접합 다이오드 층을 보호하도록, n형 에미터층(112) 위에 SiNx 피막층(passivation layer)(113)을 형성한다. 형성된 SiNx 피막층(113)의 일부 영역에서, 내부의 n형 에미터층(112)과 금속(예, Ag) 전극이 전기적인 옴성 접촉(Ohmic contact)을 하도록 구성하여 n형 전면전극을 형성한다. 다음으로, p형 실리콘 웨이퍼(111) 바닥면에 금속 박막을 형성함으로써, p형 후면전극(121)을 형성한다.
다음으로, 광 투과성을 확보하기 위하여, 태양전지에 입사되는 태양광이 투과할 수 있도록, 일정한 직경의 광투과구멍(114)을 건식식각방법으로 균일한 어레이 배열에 맞추어 형성한다. 그래서, 입사광의 투과율은 태양전지 유효 면적 대비 광투과구멍(114)의 어레이 총 면적의 비율로 결정될 수 있다.
태양광(101, 102)이 태양전지 표면에 수직 입사할 때 광투과구멍(114)으로 입사할 경우, 흡수없이 100% 투과(103)할 수 있다. 반면에, 태양광(101, 102)이 광투과구멍(114)들 사이에 입사할 경우, 태양전지에 흡수되어 전력을 생산하게 된다. 이때, 투명 태양전지는 표면에만 태양전지 소자층(115)이 형성되어 있기 때문에, 광투과구멍(114) 어레이 총 면적이 커지면, 유효 태양광 흡수면적이 줄어들게 되어 결과적으로, 태양전지의 광전변환효율은 투과율이 증가할수록 감소한다.
도 2는 종래의 3차원 태양전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 태양전지를 구성하는 미세기둥(micro-pillar)(214)은 광흡수체인 p형 반도체 기판(211)의 재료인 Si 웨이퍼의 에칭을 통하여 제작된다.
도 2의 3차원 태양전지의 개략적인 구조는 다음과 같다. 3차원 구조체이면서 광흡수체를 이루는 p형 반도체 기판(211)과 p형 흡수체(211) 위에 n형 불순물 도핑을 통하여 n형 에미터층(212)이 형성된다. 이를 통해, n형 에미터층(212)은 내부의 p형 반도체 기판 또는 흡수체(211)와 pn 접합 다이오드를 형성한다. 다음으로, n형 에미터층(212) 위에 SiNx 피막층 (passivation layer)(213)이 형성되어 내부의 pn 접합 다이오드 층을 보호한다. 형성된 SiNx 피막층(213)의 일부 영역에서, 내부의 n형 에미터층(212)과 금속(예, Ag) 전극이 전기적인 옴성 접촉(Ohmic contact)을 하도록 구성되어 n형 전면전극이 형성된다. 다음으로, p형 반도체 기판(211) 바닥면에 금속 박막을 형성함으로써, p형 후면전극(221)을 형성한다.
이와 같이 구성되는 결정형 실리콘(또는 게르마늄) 광흡수 반도체 기반의 3차원 태양전지는, 수직으로 입사하는 태양광(201)에 의하여 태양전지 표면에서 발전할 뿐만 아니라, 경사각도로 입사하는 태양광(202)에 의해서도 효과적인 광전변환을 수행할 수 있다. 즉, 경사각도로 입사하는 태양광(202)은 어레이를 이루는 미세기둥(214)들 사이를 지나면서 흡수될 수 있기 때문에, 광흡수율이 낮은 Si(또는 Ge)의 광포획 특성이 크게 향상될 수 있다. 이와 같은 구조는, 표면에 텍스쳐링 구조가 없어도 작은 광흡수율을 갖는 Si(또는 Ge)의 낮은 광흡수에 의한 광전변환효율 감소를 상쇄하게 하는 장점을 제공할 수 있다.
본 발명은 입사 태양광의 가시광을 투과시키는 투명성을 가지면서도, 높은 광전변환효율을 유지하는 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지는, 투명 기판, 상기 투명 기판 상부에 배열되며, 입사하는 태양광이 투과되는 투명창이 상부에 형성된 복수의 미세기둥(micro-pillar), 상기 복수의 미세기둥 사이의 상기 투명 기판의 상부면 및 상기 미세기둥의 측면에 형성되며, 상기 입사하는 태양광의 흡수를 통해 발전하는 광전변환부, 상기 3차원 투명 태양전지의 양단에 형성되며, 상기 발전을 통해 생성된 전류를 외부의 부하로 공급하는 전면전극 버스바 및 후면전극 버스바가 각각 상부에 형성된 전면전극패드 구조체 및 후면전극패드 구조체, 상기 전면전극 버스바와 연결되는 전면전극 그리드가 상부에 형성되며, 일정 수의 미세기둥의 배열 사이 마다 형성되는 복수의 그리드 리지(Grid Ridge) 및 상기 그리드 리지 사이의 미세기둥의 배열 사이 마다 상기 전면전극 그리드와 평행하게 형성되는 복수의 마이크로 전극 그리드를 포함한다.
상기 광전변환부는 순차적으로 적층되는 투명 후면전극층, 전자수송층, 광흡수층, 정공수송층, 버퍼층 및 투명 전면전극층을 포함하되, 상기 투명창은 상기 복수의 미세기둥 상부에 적층된 상기 광흡수층이 제거되어 형성된다.
상기 전면전극 버스바, 상기 그리드 리지 및 상기 마이크로 전극 그리드는 투명 전면전극층과 전기적으로 연결되고, 상기 후면전극 버스바는 상기 투명 후면전극층과 전기적으로 연결된다.
상기 투명 기판, 상기 전면전극패드 구조체, 상기 그리드 리지, 상기 후면전극패드 구조체 및 상기 복수의 미세기둥이 하나의 3차원 구조체로 일괄 형성되고, 상기 형성된 3차원 구조체의 표면에 순차적으로, 상기 투명 후면전극층, 상기 전자수송층, 상기 광흡수층, 상기 정공수송층, 상기 버퍼층 및 상기 투명 전면전극층이 적층된다.
상기 3차원 투명 태양전지는, 상기 투명 기판의 하부에 형성되며, 상기 투명창을 통해 입사된 상기 태양광 중 가시광을 제외한 광을 반사 또는 굴절시켜 상기 광전변환부로 되먹임(feedback)하는 광반사막을 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지가 개시된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지는, 투명 기판, 상기 투명 기판에 음각으로 형성되어 배열되며, 입사하는 태양광이 투과되는 투명창이 바닥면에 형성된 복수의 미세우물(basin), 상기 복수의 미세우물 사이의 상기 투명 기판의 상부면 및 상기 미세우물의 내벽에 형성되며, 상기 입사하는 태양광의 흡수를 통해 발전하는 광전변환부, 상기 3차원 투명 태양전지의 양단에 형성되며, 상기 발전을 통해 생성된 전류를 외부의 부하로 공급하는 전면전극 버스바 및 후면전극 버스바, 상기 전면전극 버스바와 연결되며, 일정 수의 미세우물의 배열 사이 마다 형성되는 복수의 전면전극 그리드 및 상기 전면전극 그리드 사이의 미세우물의 배열 사이 마다 상기 전면전극 그리드와 평행하게 형성되는 복수의 마이크로 전극 그리드를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지는, 입사 태양광의 가시광을 투과시키는 투명성을 가지면서도, 높은 광전변환효율을 유지할 수 있다.
도 1은 종래의 투명 태양전지의 단면 구조를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 3차원 태양전지의 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 전면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 제작 예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지를 입체적으로 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 구조의 예를 나타낸 도면.
도 7은 도 3에 표시된 AA'직선에 의한 단면도.
도 8은 도 3에 표시된 BB'직선에 의한 단면도.
도 9는 도 3에 표시된 CC'직선에 의한 단면도.
도 10은 도 3에 표시된 DD'직선에 의한 단면도.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지를 입체적으로 나타낸 도면.
도 12는 도 11의 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 단면도.
도 2는 종래의 3차원 태양전지의 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 전면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 제작 예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지를 입체적으로 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 구조의 예를 나타낸 도면.
도 7은 도 3에 표시된 AA'직선에 의한 단면도.
도 8은 도 3에 표시된 BB'직선에 의한 단면도.
도 9는 도 3에 표시된 CC'직선에 의한 단면도.
도 10은 도 3에 표시된 DD'직선에 의한 단면도.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지를 입체적으로 나타낸 도면.
도 12는 도 11의 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 단면도.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 전면을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 제작 예를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지를 입체적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 구조의 예를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 3에 표시된 AA'직선에 의한 단면도이고, 도 8은 도 3에 표시된 BB'직선에 의한 단면도이고, 도 9는 도 3에 표시된 CC'직선에 의한 단면도이고, 도 10은 도 3에 표시된 DD'직선에 의한 단면도이다. 이하, 도 3 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지에 대하여 설명하기로 한다.
우선, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지는 기본적으로, 투명 기판(521) 및 투명 기판(521) 상부에 일정 간격으로 배열된 복수의 미세기둥(micro-pillar)(314)를 포함하여 구성될 수 있다.
투명 기판(521) 및 미세기둥(314)은 유리와 같은 투명 재질로 형성될 수 있다.
미세기둥(314) 상부에는, 입사하는 태양광이 투과(501)되는 투명창(315)이 형성된다. 그리고, 광흡수(502)를 통해 발전하는 광전변환부는 미세기둥(314)들 사이의 투명 기판(521)의 상부면(316) 및 미세기둥(314)의 측면에 형성될 수 있다. 그래서, 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 가시광 투과율은, 투명 태양전지의 전면적 대비 복수의 미세기둥(314)의 투명창(315) 총면적의 비율로 결정될 수 있다.
그리고, 3차원 투명 태양전지 상에는 일정 간격으로 즉, 일정 수의 미세기둥(314)의 배열 사이 마다 그리드 리지(Grid Ridge)(312)가 형성된다. 그리드 리지(312)의 상부에는 전면전극 그리드(311)가 형성된다. 이와 같은 그리드 리지(312)의 전면전극 그리드(311)가 광전변환부에서 생성된 광전류를 포집함으로써, 전하의 산란 및 재결합에 의한 광전류 손실이 최소화될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 그리드 리지(312) 사이의 미세기둥(314)의 배열 사이 마다 그리드 리지(312)의 전면전극 그리드(311)와 평행한 복수의 마이크로 전극 그리드(511)가 형성된다. 즉, 마이크로 전극 그리드(511)가 그리드 리지(312)가 형성된 위치 외에, 미세기둥(314)의 배열 사이 마다 형성됨으로써, 광전변환부에서 생성된 전하의 이동 거리가 감소하여 광전변환부에서 생성된 광전류가 보다 용이하게 포집될 수 있다. 이를 통해, 광전류 손실이 보다 더 최소화될 수 있다.
그리고, 3차원 투명 태양전지의 양단에는 각각 생성된 광전류를 외부의 부하로 공급하기 위한 전면전극패드 구조체(319) 및 후면전극패드 구조체(318)가 형성된다. 전면전극패드 구조체(319) 및 후면전극패드 구조체(318) 각각의 상부에는 전면전극 버스바(313) 및 후면전극 버스바(317)가 형성되어 양극 및 음극의 전극이 형성될 수 있다.
이때, 그리드 리지(312)의 전면전극 그리드(311) 및 복수의 마이크로 전극 그리드(511)는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 전면전극 버스바(313)와 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, MEMS 공정인 미세 임프린팅 공정을 이용하여 투명 기판(521), 전면전극패드 구조체(319), 그리드 리지(312) 및 복수의 미세기둥(314)이 하나의 3차원 구조체로 일괄 형성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 형성된 3차원 구조체의 표면에, 박막증착법을 이용하여 광흡수(502)를 통해 발전하는 광전변환부가 형성될 수 있다.
미세기둥(314) 상부의 투명창(315)에는 광전변환부가 존재하지 않으므로, 투명창(315)에 수직으로 입사하는 태양광은 흡수(502)되지 않고 투과(501)될 수 있다. 한편, 미세기둥(314)들 사이로 입사하는 태양광은 형성된 광전변환부로 흡수(502)된다.
전술한 바와 같이, 투과율은, 3차원 투명 태양전지의 전면적 대비 복수의 미세기둥(314)의 투명창(315) 총면적의 비율로 결정될 수 있다. 도 5를 참조하면, 투명창(315)의 면적은 미세기둥(314)의 반복 주기(p)와 간격(g)에 의하여 결정(l2=(p-g)2)된다. 그러므로, 투과율의 상승은 입사 태양광에 수직하는 태양전지 수평면(316)의 감소를 의미한다. 이 경우, 유효한 광흡수면적이 감소하게 되는데, 이를 보상하기 위하여 미세기둥(315)의 높이(d)를 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 투과 태양광(501) 중 가시광을 제외한 광(자외선 및 적외선 등)을 반사, 굴절시켜 광전변환부로 되먹임(feedback)하는 광반사막(522)이 투명 기판(521)의 하부에 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지는, 소다라임 글래스(soda-lime glass) 기판(710), 소다라임 글래스 기판(710) 상부에 적층되는 후면 ITO(Indium Tin Oxide) 투명전극층(711), 후면 ITO 투명전극층(711) 상부에 적층되는 전자수송층(712), 전자수송층(712) 상부에 적층되는 페로브스카이트(PVK: perovskite) 광흡수층(713), 페로브스카이트 광흡수층(713) 상부에 적층되는 정공수송층(714), 정공수송층(714) 상부에 적층되며 후공정시 하부의 페로브스카이트 광흡수층(713)을 보호하는 버퍼층(715), 버퍼층(715) 상부에 적층되는 전면 ITO 투명전극층(716), 생성된 전하를 외부의 부하로 전달하기 위하여 전면 ITO 투명전극층(716)에 접촉되어 형성되는 P형 금속전극 그리드(717) 및 후면 ITO 투명전극층(711)에 접촉되어 형성되는 N형 금속전극 그리드(718)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 후면 ITO 투명전극층(711)은 약 400nm 두께로 형성될 수 있고, 전자수송층(714)은 20nm 이하의 SnOx 소재로 형성될 수 있고, 페로브스카이트 광흡수층(713)은 유기 페로브스카이트 소재 또는 무기 페로브스카이트 소재로 형성될 수 있고, 정공수송층(714)은 20nm 이하의 P3HT 소재로 형성될 수 있고, 버퍼층(715)은 30nm 이하의 MoO3 소재로 형성될 수 있고, 전면 ITO 투명전극층(716)은 약 150nm 두께로 형성될 수 있다.
그리고, 3차원 투명 태양전지의 중앙에는, 광 투과 목적을 달성하기 위한 투명창(705)이 형성된다. 그래서, 3차원 투명 태양전지로 입사(701)되는 태양광은 투명창(705)을 통해 투과(702)되어 페로브스카이트 광흡수층(713)를 거치지 않고, 무손실 상태로 3차원 투명 태양전지를 통과할 수 있다.
한편, 투명창(705) 이외의 3차원 투명 태양전지로 입사(701)되는 태양광은 페로브스카이트 광흡수층(713)에 흡수되고, 이에 따라 도 6에 도시된 바와 같이, 전하(정공 및 전자: h1, h2, h3, h4, e1, e2)가 생성된다. 그리고, 생성된 전하는 정공수송층(714) 및 전자수송층(712)에 의하여 분리 이동된다. 즉, 도 6을 참조하면, 정공 h1 ~ h4는 정공수송층(714)을 통해 전면 ITO 투명전극층(716)에 도달하고, 수직방향으로 이동하여 P형 금속전극 그리드(717)에 포집될 수 있다. 그리고, 전자 e1, e2는 전자수송층(712)을 통해 후면 ITO 투명전극층(711)에 도달하고, 수평방향으로 이동하여 N형 금속전극 그리드(718)에 포집될 수 있다.
정공수송층(714) 및 전자수송층(712)은 저항이 높아 이동거리가 긴 전하는 소멸되기 때문에, 광전류 생산을 방해할 수 있다. 그래서, 전면 ITO 투명전극층(716) 및 후면 ITO 투명전극층(711)에서 손실이 최소화된 전하이동을 만들기 위해서는, 20 Ω/□ 이하의 최대한 낮은 면저항을 갖는 ITO 투명전극이 사용되어야 한다. 특히, 태양전지의 직렬 접촉저항을 최소화하고 효율적인 전하 포집을 위하여, P형 금속전극 그리드(717) 및 N형 금속전극 그리드(718)가 적용되는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 금속전극 그리드(717, 718)는 입사광(701)을 반사시켜 광 투과율을 감소시키고 입사광(701)의 손실을 유발하기 때문에, 그 면적을 최소화하여 손실을 낮추고, 전술한 마이크로 전극 그리드(511)와 같이 분산형 마이크로 그리드 구조를 활용하는 것이 바람직할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 구조에 대하여 도 7 내지 도 10에 도시된 단면도를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 그리드 리지(312) 및 그리드 리지(312)와 이웃하는 미세기둥(314)을 포함하는 3차원 투명 태양전지의 단면을 나타내고, 도 8은 후면전극패드 구조체(318) 및 후면전극패드 구조체(318)와 이웃하는 미세기둥(314)을 포함하는 3차원 투명 태양전지의 단면을 나타내고, 도 9는 전면전극패드 구조체(319) 및 전면전극패드 구조체(319)와 이웃하는 미세기둥(314)을 포함하는 3차원 투명 태양전지의 단면을 나타내고, 도 10은 미세기둥(314) 및 미세기둥(314) 사이에 배치된 마이크로 전극 그리드(511)를 포함하는 3차원 투명 태양전지의 단면을 나타낸다.
우선, 전술한 바와 같이, 투명 기판(521), 전면전극패드 구조체(319), 그리드 리지(312), 후면전극패드 구조체(318) 및 복수의 미세기둥(314)은 하나의 3차원 구조체로 일괄 형성될 수 있다.
그리고, 일체로 형성된 3차원 구조체의 표면에 순차적으로, 투명 후면전극층 및 전자수송층(601), 광흡수층(602), 정공수송층 및 버퍼층(603) 및 투명 전면전극층(604)이 적층될 수 있다.
여기서, 광흡수층(602)은 입사하는 태양광의 모든 파장의 광을 흡수한다. 그래서, 3차원 구조체의 표면에 순차적 적층 중에, 미세기둥(314)의 상부에 적층된 광흡수층(602)을 제거함으로써, 미세기둥(314) 상부에 입사되는 태양광이 투과되는 투명창(315)이 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 그리드 리지(312)의 상부에 적층된 투명 전면전극층(604) 상부에 전면전극 그리드(311)가 형성될 수 있다. 이를 통해, 투명 전면전극층(604)과 전면전극 그리드(311)가 전기적으로 연결될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 광흡수층(602)이 제거되어 투명창(315)이 형성될 때, 후면전극패드 구조체(318)에 적층된 투명 후면전극층(601)이 드러나도록, 후면전극패드 구조체(318)에 적층된 투명 후면전극층(601)을 제외한 나머지 층이 제거된다. 그리고, 후면전극패드 구조체(318)에 적층된 투명 후면전극층(601) 상부에 후면전극 버스바(317)가 형성될 수 있다. 이를 통해, 투명 후면전극층(601)과 후면전극 버스바(317)가 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 투명 후면전극층(601) 상부에 금(Au) 또는 은(Ag)과 같은 금속의 증착을 통해 후면전극 버스바(317)가 형성됨으로써, 3차원 투명 태양전지의 N형의 전극(음극)이 형성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 전면전극패드 구조체(319)의 상부에 적층된 투명 전면전극층(604) 상부에 전면전극 버스바(313)가 형성될 수 있다. 이를 통해, 투명 전면전극층(604)과 전면전극 버스바(313)가 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 투명 전면전극층(604) 상부에 금(Au) 또는 은(Ag)과 같은 금속의 증착을 통해 전면전극 버스바(313)가 형성됨으로써, 투명 태양전지의 P형의 전극(양극)이 형성될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 미세기둥(314) 사이의 투명 기판(521)의 상부면(316)에 적층된 투명 전면전극층(604) 상부에 마이크로 전극 그리드(511)가 형성될 수 있다. 이를 통해, 투명 전면전극층(604)과 마이크로 전극 그리드(511)가 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같이 형성된 마이크로 전극 그리드(511)는 그리드 리지(312)가 형성된 위치 외에, 미세기둥(314)의 배열 사이 마다 형성될 수 있으며, 전면전극 그리드(311)처럼 전면전극 버스바(313)와 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 70% 이상의 높은 가시광 투과율을 확보하기 위해서는, 미세기둥(314)의 폭(DA)은 600~800㎛이 적절하고, 미세기둥(314) 사이에 형성되는 광전변환부의 폭(GA)은 50~200㎛이 적절할 수 있다. 그리고, 금속성의 마이크로 전극 그리드(511)에 의한 입사광의 반사 손실을 줄이기 위해서, 그 폭이 광전변환부의 폭(GA)의 약 1/10이 되도록 제작되는 것이 바람직할 수 있다. 그래서, 마이크로 전극 그리드(511)의 폭은 5~20㎛ 정도가 될 수 있다.
다시, 도 7를 참조하면, 투명창(315)으로 입사하는 태양광은 모든 파장 대역의 광이 투과(501)되어 광흡수가 일어나지 않으므로, 3차원 투명 태양전지의 순손실이 될 수 있다. 이러한 순손실을 보상하기 위하여, 미리 설정된 목표 투과율에 따라 미세기둥(314)의 높이(d)가 조절됨으로써, 미세기둥(314)들 사이의 투명 기판(521)의 상부면(316) 및 미세기둥(314)의 측면에 형성된 광전변환부의 태양광 흡수 유효면적이 조정될 수 있다.
그리고, 투명창(315)을 투과(501)하는 태양광 중 눈에 보이지 않는 자외선(UV) 및 적외선(IR)은 가시광 투과율에 영향을 주지 않는다. 그래서, 가시광을 제외한 광을 광전력변환에 활용하기 위하여, 투명 기판(521)의 하부에 광반사막(522)이 형성되어, 반사 및 굴절된 반사 태양광(503)이 입사면 쪽의 광흡수층(602)으로 되먹임(feedback)될 수 있다. 이는, 자외선 및 적외선의 흡수를 위한 산란 및 광경로를 증대하는 효과를 발생시켜 광전변환효율의 증가에 기여를 할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지를 입체적으로 나타낸 도면이고, 도 12는 도 11의 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 단면도이다.
우선, 도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지는, 도 3 내지 도 10을 통해 전술한 3차원 투명 태양전지의 미세기둥(314) 대신에, 미세우물(basin)(810)이 투명 기판(521)에 음각으로 형성되어 배열될 수 있다.
도 3 내지 도 10을 통해 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 투명 태양전지의 미세기둥(314)은 양각으로 제작되기 때문에, 투명창(315)이 미세기둥(314)의 상부면에 형성되고, 주 태양전지 표면(316)이 미세기둥(314) 사이의 바닥면에 형성될 수 있다.
반면에, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 투명 태양전지의 미세우물(810)은 미세기둥(314)의 역상(image reversal)으로 형성되기 때문에, 투명창(811)이 미세우물(810)의 바닥면에 형성되고, 주 태양전지 표면(316)이 미세우물(810) 사이의 상부면에 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 투명 태양전지는, 미세우물(810)을 제외한 전체 영역이 동일한 평면을 이루고 있으므로, 도 3 내지 도 10을 통해 전술한 본 발명의 실시예에 따른 3차원 투명 태양전지의 그리드 리지(312), 전면전극패드 구조체(319) 및 후면전극패드 구조체(318)가 형성될 필요가 없다.
그래서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 투명 태양전지는, 마이크로 전극 그리드(511)가 미세기둥(314) 배열 사이의 바닥면에 형성되는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 투명 태양전지에 비하여 상대적으로 용이하게 구현될 수 있다.
한편, 도 12는 미세우물(810) 및 미세우물(810) 사이에 배치된 마이크로 전극 그리드(511)를 포함하는 3차원 투명 태양전지의 단면을 나타낸다.
도 12에 도시된 바와 같이, 미세우물(810) 사이의 투명 기판(521)의 상부면(316)에 적층된 투명 전면전극층(604) 상부에, 마이크로 전극 그리드(511)가 형성될 수 있다. 이를 통해, 투명 전면전극층(604)과 마이크로 전극 그리드(511)가 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같은 마이크로 전극 그리드(511)는 전면전극 그리드(311)가 형성된 위치 외에, 미세우물(810)의 배열 사이 마다 형성될 수 있으며, 전면전극 그리드(311)처럼 전면전극 버스바(313)와 전기적으로 연결될 수 있다.
광흡수(502)를 통해 발전하는 광전변환부는 미세우물(810)들 사이의 투명 기판(521)의 상부면(316) 및 미세우물(810)의 내벽에 형성될 수 있다. 그래서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지의 가시광 투과율은, 3차원 투명 태양전지의 전면적 대비 복수의 미세우물(810)의 투명창(811) 총면적의 비율로 결정될 수 있다.
예를 들어, 70% 이상의 높은 가시광 투과율을 확보하기 위해서는, 미세우물(810)의 폭(GB)은 600~800㎛이 적절하고, 미세우물(810)의 사이에 형성되는 광전변환부의 폭(DB)은 50~200㎛이 적절할 수 있다. 그리고, 금속성의 마이크로 전극 그리드(511)에 의한 입사광의 반사 손실을 줄이기 위해서, 그 폭이 광전변환부의 폭(DB)의 약 1/10이 되도록 제작되는 것이 바람직할 수 있다. 그래서, 마이크로 전극 그리드(511)의 폭은 5~20㎛ 정도가 될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
311: 전면전극 그리드
312: 그리드 리지(Grid Ridge)
313: 전면전극 버스바
314: 미세기둥
317: 후면전극 버스바
318: 후면전극패드 구조체
319: 전면전극패드 구조체
511: 마이크로 전극 그리드
521: 투명 기판
312: 그리드 리지(Grid Ridge)
313: 전면전극 버스바
314: 미세기둥
317: 후면전극 버스바
318: 후면전극패드 구조체
319: 전면전극패드 구조체
511: 마이크로 전극 그리드
521: 투명 기판
Claims (6)
- 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지에 있어서,
투명 기판;
상기 투명 기판 상부에 배열되며, 입사하는 태양광이 투과되는 투명창이 상부에 형성된 복수의 미세기둥(micro-pillar);
상기 복수의 미세기둥 사이의 상기 투명 기판의 상부면 및 상기 미세기둥의 측면에 형성되며, 상기 입사하는 태양광의 흡수를 통해 발전하는 광전변환부;
상기 3차원 투명 태양전지의 양단에 형성되며, 상기 발전을 통해 생성된 전류를 외부의 부하로 공급하는 전면전극 버스바 및 후면전극 버스바가 각각 상부에 형성된 전면전극패드 구조체 및 후면전극패드 구조체;
상기 전면전극 버스바와 연결되는 전면전극 그리드가 상부에 형성되며, 일정 수의 미세기둥의 배열 사이 마다 형성되는 복수의 그리드 리지(Grid Ridge); 및
상기 그리드 리지 사이의 미세기둥의 배열 사이 마다 상기 전면전극 그리드와 평행하게 형성되는 복수의 마이크로 전극 그리드를 포함하는 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 광전변환부는 순차적으로 적층되는 투명 후면전극층, 전자수송층, 광흡수층, 정공수송층, 버퍼층 및 투명 전면전극층을 포함하되,
상기 투명창은 상기 복수의 미세기둥 상부에 적층된 상기 광흡수층이 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지.
- 제2항에 있어서,
상기 전면전극 버스바, 상기 그리드 리지 및 상기 마이크로 전극 그리드는 투명 전면전극층과 전기적으로 연결되고,
상기 후면전극 버스바는 상기 투명 후면전극층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지.
- 제2항에 있어서,
상기 투명 기판, 상기 전면전극패드 구조체, 상기 그리드 리지, 상기 후면전극패드 구조체 및 상기 복수의 미세기둥이 하나의 3차원 구조체로 일괄 형성되고,
상기 형성된 3차원 구조체의 표면에 순차적으로, 상기 투명 후면전극층, 상기 전자수송층, 상기 광흡수층, 상기 정공수송층, 상기 버퍼층 및 상기 투명 전면전극층이 적층되는 것을 특징으로 하는 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 3차원 투명 태양전지는,
상기 투명 기판의 하부에 형성되며, 상기 투명창을 통해 입사된 상기 태양광 중 가시광을 제외한 광을 반사 또는 굴절시켜 상기 광전변환부로 되먹임(feedback)하는 광반사막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지.
- 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지에 있어서,
투명 기판;
상기 투명 기판에 음각으로 형성되어 배열되며, 입사하는 태양광이 투과되는 투명창이 바닥면에 형성된 복수의 미세우물(basin);
상기 복수의 미세우물 사이의 상기 투명 기판의 상부면 및 상기 미세우물의 내벽에 형성되며, 상기 입사하는 태양광의 흡수를 통해 발전하는 광전변환부;
상기 3차원 투명 태양전지의 양단에 형성되며, 상기 발전을 통해 생성된 전류를 외부의 부하로 공급하는 전면전극 버스바 및 후면전극 버스바;
상기 전면전극 버스바와 연결되며, 일정 수의 미세우물의 배열 사이 마다 형성되는 복수의 전면전극 그리드; 및
상기 전면전극 그리드 사이의 미세우물의 배열 사이 마다 상기 전면전극 그리드와 평행하게 형성되는 복수의 마이크로 전극 그리드를 포함하는 분산 마이크로 전극 그리드를 갖는 3차원 투명 태양전지.
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