KR102600452B1 - 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명은 텐덤 태양전지에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 터널 접합 기술에 의한 누설전류를 억제하고 우수한 온도 특성 및 광전 변환 효율을 가지는 텐덤 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 결정질 실리콘 기판; 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하는 터널층; 상기 터널층 상에 위치하는 제2 도전형층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지를 통해, 높은 전류 밀도를 가지는 실리콘 태양전지를 단일 태양전지 또는 텐덤 태양전지의 하부 태양전지로 사용함으로써, 태양광의 흡수를 억제함과 동시에 광투과도를 증가시키고 누설 전류를 억제함으로써 태양전지의 광전 변환 효율을 극대화 할 수 있다.

Description

태양전지{SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 터널 접합 구조에 의한 누설전류를 억제하고 우수한 온도 특성 및 광전 변환 효율을 가지는 태양전지에 관한 것이다.
결정질 실리콘(crystalline silicon; c-Si) 태양전지는 대표적인 단일접합(single junction) 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.
종래의 텐덤 태양전지의 하부 태양전지로 사용되는 결정질 실리콘 태양전지는 높은 광전 변환 효율을 가지는 것으로 알려진 이종접합(hetero-junction with intrinsic thin layer) 실리콘 태양전지가 주로 사용된다.
상기 이종접합 실리콘 태양전지는 단결정 실리콘 기판의 전/후면 상에 매우 얇은 층의 n형 또는 p형의 도전형 비정질 실리콘층(n-a-Si 또는 p-a-Si)과 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si)으로 이루어진다. 이러한 이종접합 구조는 a-Si 층의 높은 밴드갭과 a-Si층과 결정질 Si 기판의 양호한 계면 특성으로 인해 광전 변환효율이 우수한 것으로 알려져 있다.
그러나 상기 이종접합 실리콘 태양전지를 사용한 텐덤 태양전지는 도핑층, 다시 말하면 상기 n형 또는 p형의 도전형 비정질 실리콘층(n-a-Si 또는 p-a-Si)에 의해 태양광의 흡수가 과도하게 발생하게 되어 광 투과도가 저하되는 문제가 있다.
이에 더하여 상기 이종접합 실리콘 태양전지는 다른 실리콘 태양전지에 비해 단락 전류밀도(Jsc)가 낮은 문제점이 있다. 이는 이종접합 실리콘 태양전지의 낮은 광투과도로 인해 광전류 수집이 제한을 받는 것뿐만 아니라 비정질 실리콘층 내의 내부 양자 효율이 낮기 때문인 것으로 알려져 있다.
본 발명은 단일 태양전지 및 텐덤 태양전지에 있어서, 실리콘 태양전지에 터널 접합(junction) 구조를 적용함으로써 광투과도를 향상시켜 단일 태양전지 및 텐덤 태양전지의 효율을 극대화하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서의 태양전지는, 실리콘 태양전지의 하부 면에는 터널 접합(junction)뿐만 아니라 이종 접합(hetero-junction) 구조를 적용함으로써, 외부의 태양광 또는 상부 태양전지를 투과한 중파장 및 장파장의 태양광을 실리콘 태양전지의 광흡수층에서 모두 도달 및 흡수하게 하여 태양전지의 효율 극대화와 더불어 공정 자유도를 증가시키는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지 상에 위치하며 제1 태양전지의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가지는 제2 태양전지;를 포함하며, 상기 제1 태양전지는, 결정질 실리콘 기판; 상기 결정질 실리콘 기판의 제1면에 위치하고 도펀트(dopant)로 도핑(dodopin)된 실리콘으로 이루어진 제1 도전형층; 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하는 터널층; 상기 터널층 상에 위치하는 금속 화합물로 이루어진 제2 도전형층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 결정질 실리콘 기판; 상기 결정질 실리콘 기판의 제1면에 위치하고 도펀트(dopant)로 도핑(dodopin)된 실리콘으로 이루어진 제1 도전형층; 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하는 터널층; 상기 터널층 상에 위치하는 금속 화합물로 이루어진 제2 도전형층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이의 중간층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 결정질 실리콘 기판의 제1면에 위치하는 터널층 또는 헤테로 접합층을 추가로 포함하고, 상기 제1면에 위치하는 터널층 또는 헤테로 접합층은 각각 실리콘 산화물층 또는 진성 비정질 실리콘층;인 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 도전형층은 비정질(amorphous) 실리콘, 미결정(microcrystalline) 실리콘, 다결정(polycrystalline) 실리콘 중 어느 하나인 것;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하는 터널층의 두께는 1 내지 2㎚인 것;을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 터널층 상에 위치하는 제2 도전형층의 두께는 1 내지 100㎚인 것;을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속 화합물은 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
또는, 상기 금속 화합물은 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 태양전지는, 제2 도전형 전하 수송층; 상기 제2 도전형 전하 수송층 상에 위치하는 페로브스카이트 흡수층; 상기 페로브스카이트 흡수층 상에 위치하는 제1 도전형 전하 수송층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
이때, 상기 제1 도전형 전하 수송층은 전자 전도성 유기물 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고; 상기 제2 도전형 전하 수송층은 정공 전도성 유기물 층, 정공 전도성 금속 산화물 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
또는, 상기 제1 도전형 전하 수송층은 정공 전도성 유기물 층, 정공 전도성 금속 산화물 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고; 상기 전자 전도성 유기물 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;을 특징으로 하는 태양전지가 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 단일 태양전지 또는 텐덤 태양전지에서 하부 태양전지로 사용되는, 결정질 실리콘 태양전지에서 터널 접합 구조를 도입함으로써 태양광의 흡수를 억제하여 광투과도를 증가시켜 광전 변환효율을 달성할 수 있다.
또한 상기 터널 구조 적용을 통해 패시베이션 베리어층을 형성하여 누설 전류를 억제함으로써 전류가 거의 손실 없이 태양 전지 밖으로 수집되어 광전 변환 효율의 향상을 도모할 수 있다.
특히 실리콘 태양전지의 제2면에 터널 실리콘 산화물과 함께 제2 도전형층을 형성함으로써 계면에서의 패시베이션 기능을 강화시킬 수 있을 뿐만 아니라 더 나아가 기존의 이종접합 태양전지에서 필수적인 도핑된 실리콘 층을 배제할 수 있어 단락 전류밀도(Jsc)를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에서의 단일 태양전지 및 텐덤 태양전지는, 실리콘 태양전지의 제1면에 터널 정션 구조 이외에도 기존의 이종접합(hetero-junction) 구조를 적용함으로써, 외부의 태양광 또는 상부 태양전지를 투과하는 중파장 및 장파장의 태양광을 하부 실리콘 태양전지의 광흡수층에 모두 도달하게 하여 텐덤 태양전지의 효율을 보다 극대화할 수 있다.
더 나아가 실리콘 태양전지에 다양한 접합(junction)을 적용함으로써 공정 자유도를 향상시켜 생산성을 향상시킬 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 13은 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. 본 발명에서의 제2 태양전지는 제1 태양전지 상에 위치하면서 제1 태양전지의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가지는 태양전지는 모두 적용이 가능하다.
한편 이와는 달리 본 발명에서의 태양전지가 단일 태양전지일 경우, 본 발명에서의 단일 태양전지는 상기 제1 태양전지(110)의 구체적인 일 실시예인 실리콘 태양전지인 것이 바람직하다.
결국 본 발명에서의 텐덤 태양전지는 본 발명의 단일 태양전지의 모든 구성요소를 그대로 포함하므로, 이하에서는 본 발명의 텐덤 태양전지를 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명에서의 하나의 실시예로서의 제1 태양전지(110)는, 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지 상에 위치하며 제1 태양전지의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가지는 제2 태양전지;를 포함하며, 상기 제1 태양전지는, 결정질 실리콘 기판(111); 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하는 터널층(112-1); 상기 터널층 상에 위치하는 제2 도전형층(112-2); 상기 결정질 실리콘 기판의 제1면에 위치하는 터널층(113-1); 상기 제1면 상의 터널층(113-1) 상에 위치하는 도핑(doping)된 제1 도전형층(113-2); 상기 제1 도전형층(113-2) 상에 존재하는 제1 전극(140);을 포함한다.
이때, 상기 제1 태양전지(110)의 제2면 상에 위치하는 제2 도전형층(112-2)과 상기 제2 태양전지(120)의 제1 도전형 전하 수송층(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 제1면에) 텍스쳐를 형성할 수 있다.
먼저 본 발명에서의 결정질 실리콘 기판의 제1면 및/또는 제2면에 위치하는 터널 접합(junction)을 형성하는 터널층(112-1, 113-1)들은 SiO2로 대표되는 터널 실리콘 산화물로 이루어 진다.
상기 터널 실리콘 산화물은 전자 및 정공에 대해 일종의 배리어(barrier)로 작용하여, 소수 캐리어(minority carrier)가 통과되지 않도록 하고, 터널층들(112-1, 113-1)에 인접한 부분에서 축적된 후에 일정 이상의 에너지를 가지는 다수 캐리어(majority carrier)만이 터널 실리콘 산화물들(112-1, 113-1)을 각각 통과할 수 있도록 한다. 이때, 일정 이상의 에너지를 가지는 다수 캐리어는 터널링 효과에 의하여 쉽게 상기 터널층(112-1, 113-1)을 통과할 수 있다.
여기서, 터널링 효과를 충분하게 구현할 수 있도록 상기 터널 실리콘 산화물로 이루어진 터널층들(112-1, 113-1)의 두께는 1 내지 2㎚인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 터널 실리콘 산화물의 두께가 1㎚보다 얇으면, 상기 터널 실리콘 산화물이 지나치게 얇은 두께로 인해 소수 캐리어를 차단하는 역할을 수행하기 어려워진다. 반면에, 상기 터널 실리콘 산화물의 두께가 2㎚보다 두꺼우면, 지나치게 두꺼운 두께로 인해 상기 터널 실리콘 산화물이 다수 캐리어가 통과할 수 없게 되어 터널링이라는 본연의 기능을 수행하기 어려워진다.
일반적으로 터널 접합은 다양한 물질로 형성할 수 있다. 일 예로, 진성 비정질 실리콘 반도체를 포함할 수 있다. 이 경우 터널 접합막과 반도체 기판(110)이 동일한 반도체 물질을 포함하여 유사한 특성을 가지기 때문에 반도체 기판(110)의 표면 특성을 좀더 효과적으로 향상할 수 있다. 이에 의하여 패시베이션 특성을 크게 향상할 수 있다.
그러나 본 발명에서는 상기 패시베이션 및 터널링 특성과 함께 광투과도를 향상시키기 위해 광투과도가 높은 실리콘 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 기판인 실리콘과의 계면에서의 특성, 다시 말하면 적합성(compatibility)과 밴드갭 특성 및 공정의 용이성 등을 감안하면 SiO2로 대표되는 실리콘 산화물이 보다 바람직하다.
다음으로, 상기 제2면에 위치하는 터널 실리콘 산화물(112-1) 상에는 제2 도전형층(112-2)이 형성된다.
본 발명에서의 제2 도전형층(112-2)은 결정질 실리콘 기판(111)의 도전형과 동일하거나 또는 반대 타입의 도전형을 가질 수 있다.
예를 들어, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 도전형층(112-2)은 p형의 정공 수송층으로 작용할 수 있는 제2 도전형층이 될 수 있다. 또한 이와는 반대로, 결정질 실리콘 기판(111)이 p형 단결정 실리콘 기판인 경우, 본 발명에서의 제2 도전형층(112-2)은 n형의 전자 수송층으로 작용할 수 있는 제2 도전형층이 된다.
만약 기판이 n형이고 상기 제2 도전형층(112-2)이 기판과 반대 극성인 p형 전하 선택성을 가지면, 상기 제2 도전형층(112-2)은 에미터와 동일한 역할을 수행하게 된다. 이 때 제1면이 태양광 입사면이고 제2면이 그 반대면이면, 상기 제2 도전형층(112-2)은 전면 에미터층이 된다.
이와는 달리, 본 발명에서는 제2 도전형층(112-2)과 결정질 실리콘 기판(111)이 동일 타입의 도전형을 가질 수도 있다.
예를 들어, 만약 기판이 n형이고 상기 제2 도전형층(112-2)이 기판과 동일 극성인 n형 전하 선택성을 가지면, 상기 제2 도전형층(112-2)은 전계층과 동일한 역할을 수행하게 된다. 이 때 제1면이 태양광 입사면이고 제2면이 그 반대면이면, 상기 제2 도전형층(112-2)은 전면 전계층이 된다.
여기서 p형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 금속 화합물로는 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들은 모두 선택적으로 정공의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
한편 n형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 산화물로는 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들은 모두 선택적으로 전자의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
본 발명에서의 상기 결정질 실리콘 기판의 제2 면에 위치하는 제2 도전형층(112-2)은 그 두께가 1 내지 100㎚인 것이 바람직하다.
제2 도전형층(112-2)의 두께가 100㎚보다 두꺼운 경우, 제2 도전형층(112-2)이 에미터층으로 작용할 때에는 재결합(recombination)되어 사라지는 전자-정공의 양이 증가하여 그 결과 양자 효율(quantum efficiency)이 감소함으로써 전류가 줄어들게 된다. 한편 제2 도전형층(112-2)이 전계층으로 작용할 때에는 전기장이 줄어들게 되어 개방전압(Voc)이 감소하게 되는 경향이 발생한다.
반면 제2 도전형층(112-2)의 두께가 1 ㎚보다 얇은 경우, 지나치게 얇은 제2 도전형층(112-2)의 두께 때문에 전기장이 줄어들게 되어 개방전압(Voc)이 감소하게 되거나 전하 가속 기능을 담보하기 어렵다는 문제가 있다.
이와 같이 결정질 실리콘 기판(111)의 제2면에 터널 접합(junction) 구조를 형성하면, 기존의 이종 접합(hetero-junction) 구조 대비, 기능층에서의 광투과토가 증가하고 터널 베리어에 의한 누설 전류를 억제할 수 있게 된다.
또한 계면에서의 패시베이션(passivation) 기능도 강화될 뿐만 아니라 도핑을 추가로 실시할 필요가 없게 되어, 그 결과 광흡수도를 저하시켜 단락 전류밀도(Js)를 높일 수 있게 된다.
이와 같은 터널 접합 구조의 기능 내지는 효과는 종국적으로 본 발명의 텐덤 태양전지의 광전 변환효율을 향상시키게 된다.
다음으로, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1면 상에 위치하는 터널 실리콘 산화물(113-1) 상에는 제1 도전형층(113-2)가 위치한다.
상기 제1 도전형층(113-2)의 도판트로는 p형 도펀트(dopant) 또는 n형 도펀트가 사용될 수 있다. p형 도펀트로는 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소를 들 수 있고, n형 도펀트로는 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소를 들 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 도펀트가 사용될 수 있다.
본 발명에서 제1 도전형층(113-2)은 비정질 실리콘(a-Si), 미결정 실리콘(micro-crystalline), 다결정 실리콘(poly-silicone), 비정질 실리콘 산화물(a-SiOx), 비정질 실리콘 탄화물(a-SiCx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 제1 도전형층(113-2)에 적용되는 비정질 실리콘(a-Si), 미결정 실리콘(micro-crystalline), 다결정 실리콘(poly-silicone), 비정질 실리콘 산화물(a-SiOx), 비정질 실리콘 탄화물(a-SiCx)은 n형 또는 p형 도펀트로 도핑될 수 있다.
제1 도전형층(113-2)의 도전형은 앞서의 결정질 실리콘 기판(111)과 제2 도전형층(112-2)의 도전형에 따라 결정된다. 보다 구체적으로 제1 도전형층(113-2)의 도전형은 제2 도전형층(112-2)의 도전형과 반대 타입을 가진다.
예를 들어, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형이고 제2 도전형층(112-2)이 기판과 동일한 n형일 때, 제1 도전형층(113-2)은 p형을 가지며 이 경우 제1 도전형층(113-2)은 에미터층의 기능을 수행하게 된다. 반면, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형이고 제2 도전형층(112-2)이 기판과 반대 타입인 p형일 때, 제1 도전형층(113-2)은 n형을 가지며, 이 경우 제1 도전형층(113-2)은 전계층의 기능을 수행하게 된다.
다만, 본 발명에서는 결정질 실리콘 기판(111)이 n형의 도전형을 가지면서 제1면 상의 제2 도전형층(112-2)이 전계층으로, 그리고 제1 도전형층(113-2)이 에미터층의 기능을 수행하는 것이 보다 바람직하다. 왜냐하면 일반적으로 n형의 기판에서 전하 이동자(carrier)의 수명이 길며, 더 나아가 대표적인 p형 도펀트인 붕소(B)의 도핑이 비교적 고온 공정이어서 태양 전지의 다른 기능층의 열화를 막기 위해 에미터층이 후면에 위치하는 것이 보다 바람직하기 때문이다. 또한 에미터층이 후면에 위치할 경우 최적의 pn 정션을 형성할 수 있도록 에미터층의 두께를 자유롭게 증가시킬 수도 있고 도핑의 농도 또한 자유롭게 증가시킬 수 있다는 장점도 있다. 그러나 본 발명의 제2 도전형층(112-2) 및 제1 도전형층(113-2)이 이에 반드시 한정되는 것은 아님을 다시 한번 명확히 밝히는 바이다.
한편, 본 발명에서의 제1 도전형층(113-2)으로 동종접합(homojuction)의 다결정(polycrystalline) 실리콘층이 사용될 수도 있다. 구체적으로 상기 제2 도전형층(112-2)과 상이한 도전형을 갖는 불순물이 도핑층으로 사용된 동종접합 결정질 실리콘층이 위치할 수도 있다. 이 경우 필요에 따라 패시베이션 및 터널층으로 사용된 터널층(113-1)은 포함시키지 않을 수 있다.
이와 같이 형성된 제1 도전형층(113-2) 다음으로 제1 전극(140)이 위치한다. 상기 제1 전극(140)은 선택적으로 먼저 제1 도전형층(113-2)의 후면에 위치하는 투명전극층(115)을 포함한다. 투명전극층 재료로써는 ITO (Indium Tin Oxide), ICO(Indium Cerium 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 도전형층)113-2) 위에 바로 그리드 전극(116)이 위치할 수도 있다. 그러나 상기 제1 도전형층(113-2)은 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 제2 도전형 전하 수송층(121); 상기 제2 도전형 전하 수송층 위에 위치하는 페로브스카이트 흡수층(122); 상기 페로브스카이트 흡수층(122) 위에 위치하는 제1 도전형 전하 수송층(123); 및 상기 제1 도전형 전하 수송층(123) 위에 위치하는 제2 전극(130);을 포함한다.
상기 제1 도전형 전하 수송층(123) 및 제2 도전형 전하 수송층(121)의 구체적인 일례로써, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제1 도전형 전하 수송층(123)은 n형의 전자 수송층이고 제2 도전형 전하 수송층(121)은 p형의 정공 수송층일 수 있다. 이와 같은 배치는 제1 태양전지(110)의 제2 도전형층(112-2)이 기판과 동일한 n형의 전계층이고, 제1 도전형층(113-2)은 p형을 가지며 에미터층의 기능을 수행하는 경우이다.
이와는 반대의 예로써, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제1 도전형 전하 수송층(123)은 p형의 정공 수송층이고 제2 도전형 전하 수송층(121)은 n형의 전자 수송층일 수 있다. 이와 같은 배치는 제1 태양전지(110)의 제2 도전형층(112-2)이 기판과 반대 타입의 p형의 에미터층이고, 제1 도전형층(113-2)은 n형을 가지며 전계층의 기능을 수행하는 경우이다.
또한 본 발명에서의 텐덤 태양전지에서는, 제1 태양전지(110)의 결정질 실리콘 기판(111)의 도전형으로 p형 단결정 실리콘 기판도 가능하다. 이 경우에도 결정질 실리콘 기판(111)과 제2 도전형층(112-2), 그리고 제1 도전형층(113-2)의 도전형에 따라 제1 도전형 전하 수송층(123) 및 제2 도전형 전하 수송층(121)의 도전형이 결정됨은 자명한 사항이다.
본 발명에서 적용 가능한 전자 수송층은 전자 전도성 유기물층, 전자 전도성 무기물층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층으로 형성될 수 있다.
전자 전도성 유기물은 통상의 태양전지에서 n형 반도체로 사용되는 유기물일 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 전자 전도성 유기물은 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체 (Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
전자전도성 무기물은 통상의 양자점 기반 태양전지 또는 염료 감응형 태양전지에서, 전자 전달을 위해 통상적으로 사용되는 금속산화물일 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 금속산화물은 Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산 화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물 및 SrTi산화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 들 수 있으며, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite)를 들 수 있다.
한편 실리콘(Si)을 포함하는 층으로 이루어진 전자 수송층은, 보다 구체적으로, 비정질 실리콘(n-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(n-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(n-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(n-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(n-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(n-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(n-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(n-uc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(n-uc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(n-uc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(n-uc-SiN), 마이크로결정 실리콘 게르마늄(n-uc-SiGe) 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 재료로 이루어진다.
본 발명에서 적용 가능한 정공 수송층은 정공 전도성 유기물층, 정공 전도성 금속 산화물 또는 실리콘(Si)을 포함한 층으로 형성될 수 있다.
정공 전도성 유기물은 통상의 염료 감응형 태양전지 또는 유기 태양전지에서 정공 수송을 위해 통상적으로 사용되는 유기 정공전달물질이면 사용 가능하다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 전자 전도성 유기물은 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), ZnPC(zinc phthalocyanine), CuPC(copper phthalocyanine), TiOPC(titanium oxide phthalocyanine), Spiro-MeOTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxyphenylamino)- 9,9'-spirobifluorene), F16CuPC(copper(II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro- 29H,31H-phthalocyanine), SubPc(boron subphthalocyanine chloride) 및 N3(cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'- bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-ruthenium(II))중에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
한편 금속 산화물은 Ni 산화물, Mo 산화물, V 산화물 등이 있다. 이때, 정공 수송층(123)은 필요에 따라 n형 또는 p형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서의 실리콘(Si)을 포함하는 정공 수송층은, 보다 구체적으로, 비정질 실리콘(p-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(p-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(p-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(p-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(p-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(p-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(p-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(p-uc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(p-uc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(p-uc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(p-uc-SiN), 마이크로결정 실리콘 게르마늄(p-uc-SiGe) 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 재료로 이루어진다.
본 발명에서의 제2 태양전지(120)는 제2 도전형 전하 수송층(121)과 제1 도전형 전하 수송층(123) 사이에 위치하는 페로브스카이트 흡수층(122)을 포함한다.
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.
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(δ)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 상기 제2 도전형 전하 수송층(121)과 다른 도전형을 가지는 제1 도전형 전하 수송층(123)이 위치한다.
다음으로 본 발명에서의 제1 도전형 전하 수송층(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.
한편 본 발명에서의 다른 하나의 실시예로서의 제1 태양전지(110)는, 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지 상에 위치하며 제1 태양전지의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가지는 제2 태양전지;를 포함하며, 상기 제1 태양전지는, 결정질 실리콘 기판(111); 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하는 터널층(112-1); 상기 터널층 상에 위치하는 제2 도전형층(112-2); 상기 결정질 실리콘 기판의 제1면에 위치하는 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(113-1); 상기 제1면 상의 진성 비정질 실리콘(i-a-Si:H)을 포함하는 헤테로 접합층(113-1) 상에 위치하는 제1 도전형층(113-2); 상기 제1 도전형층(113-2) 상에 존재하는 제1 전극(140);을 포함한다.
상기 다른 하나의 실시예의 태양전지를 앞에서의 태양전지와 대비하면, 제1 태양전지의 제1면 상의 접합 구조에만 차이점이 있다. 따라서 이하에서는 상기 다른 하나의 실시예의 태양전지에서의 헤테로 접합(hetero-junction)에 대해서만 추가적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서의 태양전지의 헤테로 접합은, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1면 상에 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(113-1)과 그 위에 도핑(diping)된 제1 도전형층(113-2)을 위치시킴으로써 구현될 수 있다.
먼저 본 발명에서의 비정질 실리콘 층은 1.1 eV 정도의 에너지 밴드갭을 가지는 결정질 실리콘 층 대비, 0.6~0.7 eV 정도 에너지 밴드갭이 큰 물질이고 이에 더하여 증착 과정시 매우 얇게 형성할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같은 비정질 실리콘층의 장점은 결국 단파장 영역에서의 광흡수 손실을 최소화하여 광이용률을 증가시킬 수 있으며, 높은 개방전압과 전계 효과를 가져갈 수 있다.
또한, 일반적으로 밴드 갭이 서로 다른 이종접합의 경우, 서로 다른 물질 간의 격자불일치(lattice mismatch)가 발생할 가능성이 매우 높다. 하지만 비정질 실리콘층을 사용하게 되면, 비정질은 결정질과 달리 결정격자가 규칙성이 없이 이루어져 있으므로 격자불일치가 발생하지 않는다.
따라서 본 발명에서와 같이 결정질 실리콘 기판 위에 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(113-1)을 위치시키면, 실리콘 기판 표면의 재결합을 효과적으로 감소시킬 수 있다는 장점도 있다.
본 발명에서의 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(113-1)은 수소화된 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이는, 수소화(hydrogenation) 반응에 의해, 비정질 실리콘 내에 수소가 들어가서 비정질 실리콘의 미결합 상태(dangling bond)와 에너지 밴드 갭 내의 국부화된(localized) 에너지 상태를 감소시킬 수 있기 때문이다.
다만 수소화된 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)을 사용하는 경우 후속 공정온도는 250℃ 이하, 보다 바람직하게는 200℃ 이하로 제한된다. 이는 공정온도가 200℃ 보다 높은 경우, 비정질 실리콘 내부의 수소결합이 파괴되기 때문이다.
다음으로 상기 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(113-1) 상에 제1 도전형층(113-2)을 위치시킨다. 상기 제1 도전형층은 앞서 본 발명의 하나의 실시예인 터널 실리콘 산화물(113-1) 상에 위치하는 제1 도전형층(113-2)과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
텐덤 태양전지의 제조 방법
도 3 내지 13은 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 제1면과 제2 면에 각각 터널층(112-1, 113-1)을 형성한다. 이때, 상기 터널층들(112-1, 113-1)은 상기 결정질 실리콘 기판(111)의 제2면에만 먼저 형성된 후 제1면에 그 다음 형성될 수도 있다. 또는 상기 터널층들(112-1, 113-1)은 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면과 제2 면에 동시에 형성될 수도 있다.
상기 상기 터널층들(112-1, 113-1)은 통상적으로 사용되는 PECVD법에 의해서도 증착될 수 있다. 특히, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1면과 제2면에 순차적으로 형성되는 경우 PECVD법 또는 열산화(thermal oxidation)법이 사용 가능하다.
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.
반면, 열산화(thermal oxidation)법은 고온에서 실리콘을 제어된 분위기 하에서 노출시켜 그 결과 고온 SiO2 산화물층을 형성하는 방법이다. 통상 800~1,200℃의 고온에, 분위기는 산화제로써 수증기 또는 분자상태의 산소를 사용하며, 각각 습식 또는 건식 산화라고도 한다. 통상적으로 열산화법은 고온의 노(furnace)에 실리콘 기판을 boat에 수용하여 열처리함으로써 수행되므로, 생산성이 매우 높은 장점이 있다. 특히 습식 산화가 건식 산화 대비 보다 바람직하다. 이는 습식 산화가 건식 산화 대비 두꺼운 산화막 형성에 보다 유리하고, 더 나아가 산화막 성장 속도도 더 높기 때문이다.
본 발명에서는 PECVD법을 개선하고, 더 나아가 터널층들(112-1, 113-1)은 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면과 제2 면에 동시에 형성시키기 위해 ALD(atomic layer deposition)법을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
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.
일례로써, 터널층들(112-1, 113-1)로써 SiO2는 다음과 같은 과정에 의해 ALD법으로 증착되었다.
먼저 실리콘 전구체로써 tris(dimethylamino)silane(TDMAS), (N, N-dimethylamino)trimethylsilane, tetrakis(dimethylamino)silane 등이 사용될 수 있으나, 가장 효과적인 전구체로는 tris(dimethylamino)silane(TDMAS)가 보다 바람직하였다. 다음으로 산화제로는 H2O, H2O2, 그리고 오존(ozone) 등이 이론적으로 가능하지만, H2O로는 tris(dimethylamino)silane(TDMAS)에 의해 생성된 표면 SiH 화학종의 제거가 용이하지 않으므로, 오존(ozone)이 가장 바람직하였다.
ALD 증착 온도는 150~550℃의 온도 범위가 사용되었다. 특히 증착 온도는 성막 속도와 직접적인 비례관계가 있으며, 증착 온도가 증가할수록 성막 속도는 증가하는 것으로 측정되었다. 본 발명에서 적용된 터널층들(112-1, 113-1)의 두께인 1~2㎚를 얻기 위해서는 대략 20~40회의 ALD 사이클(cycle)만으로도 충분한 두께를 확보할 수 있었다.
터널층들(112-1, 113-1)을 형성한 후에는, 결정질 실리콘 기판(111)의 제2면 쪽 터널층(112-1) 상에 제2 도전형층(112-2)이 형성된다(도 6).
본 발명에서의 결정질 실리콘 기판(111) 상에 형성되는 제2 도전형층(112-2)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 도전형층(112-2)은 p형의 제2 도전형층이다. 유사한 방식으로, 결정질 실리콘 기판(111)이 p형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 도전형층(112-2)은 n형의 제2 도전형층이 된다.
이와는 반대로, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 도전형층(112-2)도 n형의 제2 도전형층이 될 수도 있다.
여기서 p형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 산화물로는 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들은 모두 선택적으로 정공의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
한편 n형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 산화물로는 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들은 모두 선택적으로 전자의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
보다 구체적인 하나의 실시예로써, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형인 경우, 본 발명에서는 n형의 금속 화합물로 TiO2 성분의 금속 화합물을 ALD법을 이용하여 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 화합물을 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 p형의 금속 화합물로 MoOx 성분의 금속 화합물을 ALD법을 이용하여 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 화합물을 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 도 7에서와 같이, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1면 상의 터널층(113-1) 상에 위치하는 도핑(diping)된 실리콘층(113-2)이 형성된다.
이 때, 도핑(diping)된 실리콘층(113-2)의 도전형은 결정질 실리콘 기판(111)의 제1면 상에 위치하는 제2 도전형층(112-2)의 도전형과 반대 타입의 도전형을 가진다.
일례로써, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제2 도전형층(112-2)은 p형의 제2 도전형층이며, 제1 도전형층은 n형의 도전형을 가진다. 반대의 방식으로, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판이면서 제2 도전형층(112-2)이 p형인 경우, 제1 도전형층은 p형의 도전형을 가지게 된다.
구체적으로 PECVD 공정을 이용하여, SiH4, Si2H6, SiHCl3 및 SiH2Cl2로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스와 H2 가스, 그리고 도펀트(dopant) 가스로서 B2H6 또는 PH3 가스를 반응물로 이용한다. 이 때 PECVD 공정의 온도 및 압력 조건은 이종 접합(hetero-junction) 구조를 위한 비정질 진성 실리콘 층의 PECVD 조건과 동일하다고 할 수 있다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1면에 투명전극층(115)과 그리드 전극(116)을 포함하는 제 전극(140)을 형성한다.
만일 이종접합 실리콘 태양전지인 경우, 비정질 실리콘 내부의 수소결합 파괴를 방지하기 위해 제1 전극(140)(보다 자세하게는 그리드 전극(116))의 공정온도는 (보다 자세하게는 그리드 전극(126))의 공정온도와 같이 250℃ 이하로 제한된다.
이와는 달리 본 발명의 하나의 실시예와 같이 터널접합 구조를 가지는 경우에는, 비정질 실리콘 내부의 수소결합 파괴 문제는 고려하지 않아도 된다. 다만, 본 발명에서도 결정질 실리콘 기판(111)의 제1면 상에 제1 도전형층(113-2)이 존재하고 상기 제1 도전형층 내의 도펀트들은 공정온도가 올라갈수록 다른 층으로 확산되기 쉽다는 특성이 있다. 따라서 본 발명에서의 제1 전극(140)의 형성을 위한 공정온도는 350℃ 이하, 더 바람직하게는 250℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
제1 전극(140)은 상기 제1 도전형층(113-2) 상에 먼저 투명전극층(115)을 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 스퍼터링을 통해 증착될 수 있다.
상기 투명전극층(115)을 형성한 후, 그리드 전극(116)을 형성한다. 물론, 상기 투명전극층(115)을 형성하지 않고 제1 도전형층(113-2) 상에 바로 그리드 전극(116)를 형성할 수도 있으나, 비정질 실리콘은 금속 그리드를 통해 캐리어(carrier)를 모으기에는 상대적으로 캐리어(carrier) 이동도가 낮으므로 투명전극층(115)을 형성하는 것이 보다 바람직하다.
이 때 그리드 전극(116)은 투명전극층(115) 상에 제1 전극 페이스트를 스크린 프린팅법으로 인쇄하고, 제1 온도를 갖는 열처리에 의해 형성된다.
제1 전극(그리드 전극(116))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 250℃ 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200℃일 수 있다.
다음으로 상기 결정질 실리콘 태양전지(110) 상에는 중간층(114)으로 투명한 전도성 재료가 증착된다(도 9). 본 발명에서는 일반적으로 널리 알려진 스퍼터링법, 보다 구체적으로 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 상기 기판 상에 중간층(114)을 형성한다. 본 발명에서는 중간층(114)을 형성하기 위해 AZO(Aluminum doped Zinc Oxide) 또는 FTO(Fluorine Tin Oxide)를 사용하였으나, 반드시 상기 재료로 한정되는 것은 아니다. 이외에도 각종 투명 전도성 산화물, 금속성 소재 및 전도성 고분자 등도 이용될 수 있다.
상기 중간층(114) 상에는 제2 도전형 전하 수송층(121)이 형성된다(도 10). 앞서 살펴본 바와 같이, 제1 태양전지(110)의 구조 및 제2 도전형층(112-2) 및 제1 도전형층(113-2)의 도전형에 따라 p형의 정공 수송층 또는 n형의 전자 수송층이 될 수 있다.
상기 제2 도전형 전하 수송층(121)이 전자 수송층인 경우, 본 발명에서의 전자 수송층의 구체적인 하나의 실시예로써 C60을 종래의 용액법을 사용하여 제조하였다.
본 발명에서 말하는 종래의 용액 공정은 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅 및 슬롯-다이 코팅 등의 공정을 말한다.
구체적인 하나의 실시예로써, 먼저 C60을 포함하는 플러렌 유도체를 용매에 녹인 후, 스핀 코팅법을 이용하여 10~30초간 스핀 코팅한 후, 상온에서 1~3시간 유지하여 전자 수송층을 형성하였다.
한편, 본 발명에서는 필요에 따라 선택적으로, 상기 전자전달층 상에 버퍼층을 추가로 형성할 수도 있다. 본 발명에서의 상기 버퍼층은 TiOx, ZnO, SnO2, CdS, PCBM, C60 중 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 한다. 이때 금속 산화물인 TiOx를 버퍼층으로 이용할 경우에는 PECVD법과 같은 비교적 저온 공정을 통해 증착할 수 있다.
이와는 달리 제2 도전형 전하 수송층(121)이 p형의 정공 수송층인 경우, 본 발명에서는 상기 p형의 정공 수송층 재료로 Spiro-OMeTAD를 종래의 용액법을 이용하여 제조하였다.
구체적인 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 수송층을 형성하였다.
상기 제2 도전형 전하 수송층(121) 상에는, 도 11에서 도시된 바와 같이, 페로브스카이트 흡수층(122)이 형성된다.
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.
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 제2 도전형 전하 전달층(121) 상에 FA1- xCsxPbBryI3 -y (단, 여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 3 이다) 성분의 페로브스카이트 흡수층(122)을 형성하였다.
본 발명에서는 먼저 상기 제2 도전형 전하 수송층(121) 상에 무기물 층을 코팅하였다. 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 코팅하였다. 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 수행하였다. 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 12에서와 같이, 상기 페로브스카이트 흡수층(122) 위에는 제1 도전형 전하 수송층(123)을 형성한다.
앞서 설명한 바와 같이, 만일 상기 제2 도전형 전하 수송층(121)이 n형의 전자 수송층인 경우 상기 제1 도전형 전하 수송층(123)으로는 p형의 정공 수송층이 형성되며, 이와는 반대로 상기 제2 도전형 전하 수송층(121)이 p형의 정공 수송층인 경우 상기 제1 도전형 전하 수송층(123)은 n형의 전자 수송층이 된다.
이와 같이 상기 제1 도전형 전하 전달층(123)을 형성한 후에, 본 발명에서는 제2 전극(130)을 위한 투명전극(125)를 형성한다(도 13).
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 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 ~ 200℃일 수 있다. 이는 열에 취약한 페로브스카이트 흡수층(122)를 후속 고온 공정으로부터 보호하기 위함이다.
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 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (12)

  1. 제1 태양전지;
    상기 제1 태양전지 상에 위치하며 제1 태양전지의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가지는 제2 태양전지;
    를 포함하며, 상기 제1 태양전지는,
    결정질 실리콘 기판;
    상기 결정질 실리콘 기판의 제1면 및 제2면에 위치하며 실리콘 산화물로 이루어지는 터널층;
    상기 제1면에 위치한 상기 터널층 상에 위치하고 도펀트(dopant)로 도핑(doping)된 실리콘으로 이루어진 제1 도전형층;
    상기 제2면에 위치한 상기 터널층 상에 위치하고 금속 화합물로 이루어진 제2 도전형층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 결정질 실리콘 기판;
    상기 결정질 실리콘 기판의 제1면 및 제2면에 위치하며 실리콘 산화물로 이루어지는 터널층;
    상기 제1면에 위치한 상기 터널층 상에 위치하고 도펀트(dopant)로 도핑(doping)된 실리콘으로 이루어진 제1 도전형층;
    상기 제2면에 위치한 상기 터널층 상에 위치하는 금속 화합물로 이루어진 제2 도전형층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이의 중간층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 도전형층은 비정질(amorphous) 실리콘, 미결정(microcrystalline) 실리콘, 다결정(polycrystalline) 실리콘 중 어느 하나인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판의 제2면에 위치하는 터널층의 두께는 1 내지 2㎚인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 터널층 상에 위치하는 제2 도전형층의 두께는 1 내지 100㎚인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 화합물은 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 화합물은 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 태양전지는, 제2 도전형 전하전달층;
    상기 제2 도전형 전하전달층 상에 위치하는 페로브스카이트 흡수층;
    상기 페로브스카이트 흡수층 상에 위치하는 제1 도전형 전하전달층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 도전형 전하 전달층은 전자 전도성 유기물 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고;
    상기 제2 도전형 전하 전달층은 정공 전도성 유기물 층, 정공 전도성 금속 산화물 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 도전형 전하 전달층은 정공 전도성 유기물 층, 정공 전도성 금속 산화물 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이고;
    상기 제2 도전형 전하 전달층은 전자 전도성 유기물 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102372914B1 (ko) * 2019-12-06 2022-03-11 충남대학교산학협력단 실리콘 페로브스카이트 이중접합 태양전지의 제조 방법
KR20210112160A (ko) * 2020-03-04 2021-09-14 엘지전자 주식회사 태양 전지 및 이의 제조 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016198898A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Oxford Photovoltaics Limited Multijunction photovoltaic device
US20170073480A1 (en) 2014-05-12 2017-03-16 Ar Use of a fine aqueous polymer dipersion for the impregnation of natural fibres
KR101768907B1 (ko) * 2016-09-27 2017-08-18 충남대학교산학협력단 태양 전지 제조 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170073480A1 (en) 2014-05-12 2017-03-16 Ar Use of a fine aqueous polymer dipersion for the impregnation of natural fibres
WO2016198898A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Oxford Photovoltaics Limited Multijunction photovoltaic device
KR101768907B1 (ko) * 2016-09-27 2017-08-18 충남대학교산학협력단 태양 전지 제조 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XINBO YANG 등, 'High-Performance TiO2-Based Electron-Selective Contacts for Crystalline Silicon Solar Cells', ADVANCED MATERIALS, 2016.07.27, Volume 28, Issue 28, 페이지 5891-5897*

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