KR102611340B1 - 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 제공되는 하부 투명 전극; 상기 하부 투명 전극 상에 제공되는 상부 투명 전극; 및 상기 하부 투명 전극 및 상기 상부 투명 전극 사이에 개재되는 광 흡수층을 포함하되, 상기 광 흡수층은 페로브스카이트 물질을 포함하고, 상기 하부 투명 전극 및 상기 상부 투명 전극 중 적어도 하나는 순차로 적층된 제1 컬러 구현층, 중간층 및 제2 컬러 구현층을 포함하되, 상기 제1 컬러 구현층 및 상기 제2 컬러 구현층은 도핑된 불순물을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중층의 투명전극을 포함하는 페로브스카이트 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로써, 광전 효과를 이용하여 전력을 생성한다. 그 중, 페로브스카이트 태양전지는 제조 비용이 저렴하고 습식 공정으로 박막 제작이 가능하며 기존의 태양전지에 비해 우수한 광전 변환 효율을 가져 각광받고 있다.
현재 태양전지는 주로 결정질 실리콘 기반의 태양전지가 주를 이루고 있으며, 도심의 건물에 집적하여 전기 발전하는 태양전지인 BIPV 기술이 활발히 연구 개발되고 있다. BIPV는 미관을 해치지 않으면서도 충분히 높은 발전량을 확보하는 것이 매우 중요하며, 미적인 효과를 만족시키기 위하여 다양한 색상 구현이 가능해야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 다양한 색 구현이 가능한 페로브스카이트 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 제공되는 하부 투명 전극; 상기 하부 투명 전극 상에 제공되는 상부 투명 전극; 및 상기 하부 투명 전극 및 상기 상부 투명 전극 사이에 개재되는 광 흡수층을 포함하되, 상기 광 흡수층은 페로브스카이트 물질을 포함하고, 상기 하부 투명 전극 및 상기 상부 투명 전극 중 적어도 하나는 순차로 적층된 제1 컬러 구현층, 중간층 및 제2 컬러 구현층을 포함하되, 상기 제1 컬러 구현층 및 상기 제2 컬러 구현층은 도펀트를 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 중간층은 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 텅스텐(W) 니켈(Ni) 및/또는 티타늄 질화물(TiN)을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 도펀트는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 란탄족 원소, 및/또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 금속 산화물은 ZnO, TiO2, SnO2, In2O3, ITO, ATO(antimony Tin Oxide), WOx, 및/또는 MoOx를 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 중간층의 두께는 1nm 이상 15nm 이하일 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 하부 투명 전극 및 상기 상부 투명 전극 각각의 두께는 10 nm 이상 200 nm 이하일 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 광 흡수층은 불투명할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제1 컬러 구현층의 굴절률은 상기 제2 컬러 구현층의 굴절률과 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법은 기판 상에 하부 투명 전극을 형성하는 것; 및 상기 하부 투명 전극 상에 광 흡수층을 형성하는 것을 포함하되, 상기 하부 투명 전극을 형성하는 것은 상기 기판 상에 제1 컬러 구현층, 중간층, 및 제2 컬러 구현층을 차례로 형성하는 것을 포함하고, 상기 제1 컬러 구현층을 형성하는 것은 제1 서브사이클(subcycle)을 n회 수행하는 것 및 제2서브사이클을 m회 수행하는 것을 포함하되, 상기 제1 서브사이클은 상기 기판이 준비되는 챔버 내에 제1 전구체를 공급하는 것; 제1 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하여, 제1 퍼지 공정을 수행하는 것; 제1 반응 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 것; 및 제2 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하여, 제 2 퍼지 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 n은 1 이상 10 이하의 자연수이고, 상기 m은 1 이상 100 이하의 자연수일 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제2 서브사이클은 상기 챔버 내에 제2전구체를 공급하는 것; 제3 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하여, 제 3 퍼지 공정을 수행하는 것; 제2 반응 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 것; 및 제4 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하여, 제 4 퍼지 공정을 수행하는 것을 포함하되, 상기 제2 전구체는 상기 제1 전구체와 다른 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제1 컬러 구현층 및 제2 컬러 구현층은 도펀트를 포함하는 금속 산화물층이고, 상기 중간층은 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 텅스텐(W) 니켈(Ni) 및/또는 티타늄 질화물(TiN)을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 광 흡수층은 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제2 컬러 구현층을 형성하는 것은 상기 중간층 상에 상기 제1 서브사이클(subcycle)을 x회 및 상기 제2 서브사이클을 y회 수행하는 것을 포함하되, 상기 n 은 상기 x와 다르고, 상기 m은 상기 y와는 다를 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 광 흡수층 상에 상부 투명 전극을 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 상부 투명 전극을 형성하는 것은 상기 광 흡수층 상에 제3 컬러 구현층, 중간층, 및 제4 컬러 구현층을 차례로 형성하는 것을 포함하고, 상기 제3 컬러 구현층을 형성하는 것은 상기 광 흡수층 상에 상기 제1 서브 사이클을 a회 및 상기 제2 서브 사이클을 b회 수행하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제4 컬러 구현층을 형성하는 것은 상기 중간층 상에 상기 제1 서브사이클(subcycle)을 c회 및 상기 제2 서브사이클을 d회 수행하는 것을 포함하되,
상기 a 은 상기 c와 다르고, 상기 b은 상기 d와는 다를 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제2 서브 사이클을 수행하는 횟수(m)에 대한 상기 제1 서브 사이클을 수행하는 횟수(n)의 비가 증가할수록, 상기 하부 투명 전극의 굴절률이 감소하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 태양전지는 차례로 적층된 제1 색상 구현층, 중간층, 제2 색상 구현층을 포함하는 투명 전극을 포함할 수 있다. 제1 색상 구현층 및 제2 색상 구현층이 함유하는 도핑된 불순물의 양을 조절하여 제1 색상 구현층 및 제2 색상 구현층 각각의 굴절률을 조절할 수 있다. 또한, 상기 중간층의 두께 및 물질을 조절하여 태양전지에서 반사된 태양광의 명도 및 채도를 조절할 수 있다. 이에 따라, 다양한 색상을 구현할 수 있는 태양전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 컬러 구현층의 형성을 위한 공정의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 투명 전극의 굴절률의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 컬러 구현층의 형성을 위한 공정의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 투명 전극의 굴절률의 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 페로브스카이트 태양전지(1)는 기판(100), 하부 투명 전극(200), 전자/정공 수송층(300), 흡수층(400) 및 상부 투명 전극(500)을 포함할 수 있다. 하부 투명 전극(200)은 제1 컬러 구현층(210), 중간층(220), 및 제2 컬러 구현층(230)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 투명 기판일 수 있다. 일 예로, 기판(100)은 투명한 유리 또는 투명한 고분자 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 유리, 사파이어, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리에테르 술폰(polyether sulfone, PES), 또는 아크릴 소재일 수 있다. 기판(100)은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함할 수 있다. 외부로부터 상기 제1 면(100a)을 향해 태양광이 입사될 수 있다.
하부 투명 전극(200)이 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 제공될 수 있다. 하부 투명 전극(200)은 차례로 적층된 제1 컬러 구현층(210), 중간층(220), 및 제2 컬러 구현층(230)을 포함하는 다중층 구조일 수 있다. 하부 투명 전극(200)의 두께(H1)는 ~ 이상 ~ 이하일 수 있다. 하부 투명 전극(200)에 광전 효과에 의해 발생한 전자 또는 정공이 흐를 수 있다.
제1 컬러 구현층(210)은 투명한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 컬러 구현층(210)은 금속 산화물 및 도핑된 불순물을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 금속 산화물은 ZnO, TiO2, SnO2, In2O3, ITO, ATO(antimony Tin Oxide), WOx, 및/또는 MoOx를 포함할 수 있다. 상기 도핑된 불순물은 예를 들어, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 란탄족 원소, 및/또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 그러나, 제1 컬러 구현층(210)을 구성하는 물질은 이에 한정되지 않을 수 있다. 제1 컬러 구현층(210)은 도핑된 불순물을 포함하여, 보다 낮은 저항을 가질 수 있다. 이에 따라, 하부 투명 전극(200)의 전기적 전도성이 향상될 수 있다.
제2 컬러 구현층(230)은 투명한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 제2 컬러 구현층(230)은 제1 컬러 구현층(210)과 동일하거나 또는 상이한 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 컬러 구현층(210)은 ZnO, TiO2, SnO2, In2O3, ITO, ATO(antimony Tin Oxide), WOx, 및/또는 MoOx를 포함할 수 있다. 제1 컬러 구현층(210)은 도핑된 불순물을 포함할 수 있다. 상기 도핑된 불순물은 예를 들어, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 란탄족 원소, 및/또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 그러나, 제2 컬러 구현층(230)을 구성하는 물질은 이에 한정되지 않을 수 있다. 제2 컬러 구현층(230)은 도핑된 불순물을 포함하여, 보다 낮은 저항을 가질 수 있다. 이에 따라, 하부 투명 전극(200)의 전기적 전도성이 향상될 수 있다. 또한 제2 컬러 구현층(230)은 제1 전자/정공 수송층(310)의 역할을 대신할 수 있다. 이 경우 별도의 전자/정공 수송층이 없어도 되어 구조가 보다 단순해지면서도 효율은 향상될 수 있다.
제1 컬러 구현층(210) 및 제2 컬러 구현층(230) 각각은 도핑된 불순물의 함유량에 따라 그 굴절률이 달라질 수 있다. 이에 따라, 하부 투명 전극(200)의 굴절률 및 태양광 반사율이 달라질 수 있다.
중간층(220)이 제1 컬러 구현층(210) 및 제2 컬러 구현층(230) 사이에 개재될 수 있다. 중간층(220)은 금속 박막층 또는 금속 질화물 박막층일 수 있다. 중간층(220)은 금속 물질, 일 예로, 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 텅스텐(W) 및/또는 니켈(Ni)을 포함할 수 있다. 중간층(220)은 금속 물질을 포함하여 하부 투명 전극(200)의 전기적 전도성을 향상시킬 수 있다. 다른 예로, 중간층(220)은 금속 질화물, 예를 들어, 티타늄 질화물(TiN)을 포함할 수 있다. 중간층(220)은 태양광을 투과시킬 수 있는 소정의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 중간층(220)의 두께(H2)는 1 nm 이상 15 nm 이하일 수 있다. 중간층(220)의 두께 및 물질에 따라, 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 반사광의 명도 및 채도가 달라질 수 있다. 이에 따라, 중간층(220)의 두께 및 물질의 종류를 달리하여 다양한 색상을 구현하는 페로브스카이트 태양전지가 제공될 수 있다.
전자/정공 수송층(300)이 하부 투명 전극(200) 상에 제공될 수 있다. 전자/정공 수송층(300)은 제1 및 제2 전자/정공 수송층(310,330)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 하부 투명 전극(200)의 상면 상에 제1 전자/정공 수송층(310)이 제공될 수 있다. 제1 전자/정공 수송층(310)은 하부 투명 전극(200)의 제2 컬러 구현층(230)과 직접 접촉할 수 있다. 제1 전자/정공 수송층(310)은 전자 또는 정공을 이동시킬 수 있는 에너지 밴드를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 제1 전자/정공 수송층(310)은 고분자 물질, 단분자 물질 또는 금속 산화물 등을 포함할 수 있다. 일 예로, 전자 수송층(120)은 TiO2, 풀러렌 유도체(ex. PCBM) 또는 PEDOT:PSS를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 전자/정공 수송층(310) 상에 제2 전자/정공 수송층(330)이 제공될 수 있다. 제2 전자/정공 수송층(330)은 제1 전자/정공 수송층(310)과 동일한 물질 또는 상이한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 전자/정공 수송층(330)은 고분자 물질, 단분자 물질 또는 금속 산화물 등을 포함할 수 있다. 일 예로, 전자 수송층(120)은 TiO2, 풀러렌 유도체(ex. PCBM) 또는 PEDOT:PSS를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
광 흡수층(400)이 제1 전자/정공 수송층(310) 및 제2 전자/정공 수송층(330) 사이에 개재될 수 있다. 광 흡수층(400)은 태양광을 흡수할 수 있다. 광 흡수층(400)은 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 광 흡수층(130)은 유무기 복합 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 광 흡수층(400)의 페로브스카이트 물질은 AMX3 화학식의 결정 구조를 가질 수 있다. 일 예로, A는 유기 양이온 물질을 포함하고, M은 금속 양이온 물질을 포함하며 X는 할로겐 음이온 물질을 포함할 수 있으나 광 흡수층(130)을 구성하는 물질은 이에 한정되지 않는다.
광 흡수층(400)은 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍(electron-hole pair)을 발생시킬 수 있다.(광전 효과) 광 흡수층(400)으로부터 발생한 전자는 제1 및 제2 전자/정공 수송층(310, 330) 중 어느 하나로 이동하고, 광 흡수층(400)으로부터 발생한 정공은 제1 및 제2 전자/정공 수송층(310, 330) 중 다른 하나로 이동할 수 있다. 페로브스카이트 물질은 높은 광흡수 계수를 가져 광 흡수력이 뛰어나며 낮은 엑시톤(exciton) 결합에너지로 인해 낮은 에너지로도 전자-정공 쌍 생성이 가능하다. 또한, 전자 및 정공의 확산거리가 길어 태양전지의 효율성이 증가할 수 있다.
상부 투명 전극(500)이 제2 전자/정공 수송층(330) 상에 제공될 수 있다. 상부 투명 전극(500)은 단일층일 수 있다. 상부 투명 전극(500)은 제1 컬러 구현층(210) 또는 제2 컬러 구현층(230)과 동일하거나 상이한 물질을 포함할 수 있다. 투명 전극(500)은 투명한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상부 투명 전극(500)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일 예로, 상부 투명 전극(500)은 ZnO, TiO2, SnO2, In2O3, ITO, ATO(antimony Tin Oxide), WOx, 및/또는 MoOx를 포함할 수 있다. 상부 투명 전극(500)은 도핑된 불순물을 더 포함할 수 있다. 상기 도핑된 불순물은 예를 들어, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 란탄족 원소, 및/또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 그러나, 상부 투명 전극(500)을 구성하는 물질은 이에 한정되지 않을 수 있다. 상부 투명 전극(500)을 통해 태양광이 외부로부터 광 흡수층(400)을 향해 입사될 수 있으며, 상부 투명 전극(500)에 광전 효과에 의해 발생한 전자 또는 정공이 흐를 수 있다. 또한 제3 컬러 구현층(510)은 제2 전자/정공 수송층(330)의 역할을 대신할 수 있으며, 이 경우 별도의 전자/정공 수송층이 없어도 되어 구조가 보다 단순해지면서도 효율은 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하부 투명 전극(200)은 제1 및 제2 컬러 구현층(210, 230) 및 중간층(220)을 포함하는 다중층일 수 있고, 상부 투명 전극(500)은 단일층일 수 있다. 제1 및 제2 컬러 구현층(210, 230)의 도핑된 불순물의 함유량에 따라 하부 투명 전극(200)의 굴절률이 달라질 수 있고, 중간층(220)의 두께 및 물질의 종류에 따라 하부 투명 전극(200)에서 반사된 태양광의 명도 및 채도가 달라질 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다. 앞서 도 1을 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지(2)는 기판(100), 하부 투명 전극(200), 전자/정공 수송층(300), 흡수층(400) 및 상부 투명 전극(500)을 포함할 수 있다. 기판(100), 전자/정공 수송층(300), 및 흡수층(400)은 도 1을 참조하여 설명한 내용과 실질적으로 동일할 수 있다.
하부 투명 전극(200)이 기판(100)의 제1 면(100a) 상에 제공될 수 있다. 하부 투명 전극(200)은 단일층일 수 있다. 하부 투명 전극(200)은 도 1에서 설명한 제1 컬러 구현층(210) 또는 제2 컬러 구현층(230)과 동일하거나 상이한 물질을 포함할 수 있다. 하부 투명 전극(200)은 투명한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 하부 투명 전극(200)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일 예로, 하부 투명 전극(200)은 ZnO, TiO2, SnO2, In2O3, ITO, ATO(antimony Tin Oxide), WOx, 및/또는 MoOx를 포함할 수 있다. 하부 투명 전극(200)은 도핑된 불순물을 더 포함할 수 있다. 상기 도핑된 불순물은 예를 들어, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 란탄족 원소, 및/또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 그러나, 하부 투명 전극(200)을 구성하는 물질은 이에 한정되지 않을 수 있다.
상부 투명 전극(500)이 제2 전자/정공 수송층(330) 상에 제공될 수 있다. 상부 투명 전극(500)은 차례로 적층된 제1 컬러 구현층(510), 중간층(520), 및 제2 컬러 구현층(530)을 포함하는 다중층 구조일 수 있다. 상부 투명 전극(200)의 두께(H3)는 10 nm 이상 100 nm 이하일 수 있다. 상부 투명 전극(500)에 광전 효과에 의해 발생한 전자 또는 정공이 흐를 수 있다.
상부 투명 전극(500)의 제1 컬러 구현층(510)은 도 1에서 설명한 하부 투명 전극(200)의 제1 컬러 구현층(210)과 실질적으로 동일할 수 있다. 상부 투명 전극(500)의 중간층(520)은 도 1에서 설명한 하부 투명 전극(200)의 중간층(220)과 실질적으로 동일할 수 있다. 상부 투명 전극(500)의 제2 컬러 구현층(530)은 도 1에서 설명한 하부 투명 전극(200)의 제2 컬러 구현층(230)과 실질적으로 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 투명 전극(500)은 제1 및 제2 컬러 구현층(510, 530) 및 중간층(520)을 포함하는 다중층일 수 있고, 하부 투명 전극(200)은 단일층일 수 있다. 제1 및 제2 컬러 구현층(510, 530)의 도핑된 불순물의 함유량에 따라 상부 투명 전극(500)의 굴절률이 달라질 수 있고, 중간층(520)의 두께 및 물질의 종류에 따라 상부 투명 전극(500)에서 반사된 태양광의 명도 및 채도가 달라질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다. 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지(2)는 기판(100), 하부 투명 전극(200), 전자/정공 수송층(300), 흡수층(400) 및 상부 투명 전극(500)을 포함할 수 있다. 기판(100), 하부 투명 전극(200), 전자/정공 수송층(300), 및 흡수층(400)은 도 1을 참조하여 설명한 내용과 실질적으로 동일할 수 있고, 상부 투명 전극(500)은 도 2를 참조하여 설명한 상부 투명 전극(500)과 실질적으로 동일할 수 있다. 하부 투명 전극(200)의 두께(H4)는 10 nm 이상 200 nm 이하일 수 있고, 상부 투명 전극(500)의 두께(H5)는 10 nm 이상 200 nm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 투명 전극(500)은 제1 및 제2 컬러 구현층(510, 530) 및 중간층(520)을 포함하는 다중층일 수 있고, 하부 투명 전극(200)도 제1 및 제2 컬러 구현층(210, 230) 및 중간층(220)을 포함하는 다중층일 수 있다. 상부 투명 전극(500)의 제1 및 제2 컬러 구현층(510, 530)의 도핑된 불순물의 함유량에 따라 상부 투명 전극(500)의 굴절률이 달라질 수 있고, 하부 투명 전극(200)의 제1 및 제2 컬러 구현층(210, 230)의 도핑된 불순물의 함유량에 따라 하부 투명 전극(200)의 굴절률이 달라질 수 있다. 상부 투명 전극(500) 및 하부 투명 전극(200) 각각의 굴절률은 서로 다를 수 있고, 독립적으로 조절될 수 있다. 일 예로, 상부 투명 전극(500)의 중간층(520)의 두께 및 물질의 종류를 달리하여 상부 투명 전극(500)에서 반사된 태양광의 명도 및 채도를 조절할 수 있고, 하부 투명 전극(200)의 중간층(220)의 두께 및 물질의 종류를 달리하여 하부 투명 전극(200)에서 반사된 태양광의 명도 및 채도를 조절할 수 있다. 다른 예로, 하부 투명 전극(200)의 제2 컬러 구현층(230) 및 상부 투명 전극(500)의 제2 컬러 구현층(520) 각각의 두께 및 굴절률을 달리하여 반사된 태양광의 명도 및 채도를 조절할 수 있다. 또 다른 예로, 하부 투명 전극(200)의 제1 컬러 구현층(210) 및 상부 투명 전극(500)의 제1 컬러 구현층(510) 각각의 두께 및 굴절률을 달리하여 반사된 태양광의 명도 및 채도를 조절할 수 있다. 상부 투명 전극(200) 및 하부 투명 전극(500) 각각에서 반사된 빛은 서로 간섭되어, 다양한 색상을 구현할 수 있는 페로브스카이트 태양전지가 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 컬러 구현층의 형성을 위한 공정의 개념도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 투명 전극의 굴절률의 변화를 나타낸 그래프이다. 이하, 도 4 및 도 5를 도 1과 함께 참고하여 설명한다.
도 1을 다시 참조하면, 기판(100)의 제1 면(100a) 상에 하부 투명 전극(200)을 형성할 수 있다. 하부 투명 전극(200)을 형성하는 것은 제1 컬러 구현층(210), 중간층(220), 제2 컬러 구현층(230)을 차례로 형성하는 것을 포함할 수 있다.
구체적으로, 챔버(미도시) 내에 기판(100)이 준비될 수 있다. 기판(100)의 제1 면(100a) 상에 제1 컬러 구현층(210)이 형성될 수 있다. 제1 컬러 구현층(210)을 형성하는 것은 예를 들어, 원자층 증착법(ALD)일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 제1 컬러 구현층(210)을 형성하는 것은 기판(100)의 제1 면(100a) 상에 제1 서브사이클(subcycle, S1)을 n회 수행하는 것 및 제2 서브사이클(S2)을 m회 수행하는 것을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하면, 상기 제1 서브사이클(S1)을 수행하는 것은 챔버 내에 제1 전구체를 공급하는 것, 제1 불활성 가스를 공급하는 것, 제1 반응 가스를 공급하는 것 및 제1 불활성 가스를 다시 공급하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 반응 가스는 산소, 황, 또는 질소일 수 있고, 상기 제1 전구체와 상기 제1 반응 가스가 반응하여 금속 산화물, 금속 황화물 또는 금속 질화물이 생성될 수 있다. 상기 제1 서브사이클(S1)은 n회 연속하여 수행될 수 있고, 상기 n은 1 이상 10 이하의 자연수일 수 있다.
상기 제1 서브사이클(S1)을 n회 수행한 후, 제2 서브사이클(S2)을 m회 수행할 수 있다. 제2 서브사이클(S2)을 수행하는 것은 제2 전구체를 공급하는 것, 제2 불활성 가스를 공급하는 것, 제2 반응 가스를 공급하는 것 및 제2 불활성 가스를 다시 공급하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 반응 가스는 산소, 황, 또는 질소일 수 있고, 상기 제2 전구체는 제1 전구체와 상이할 수 있다. 상기 제2 전구체와 상기 제2 반응 가스가 반응하여 불순물이 제1 컬러 구현층(210)에 도핑될 수 있다. 상기 제2 서브사이클(S2)은 m회 연속하여 수행될 수 있고, 상기 m은 1 이상 100 이하의 자연수일 수 있다. 이에 따라, 제1 컬러 구현층(210)이 기판(100) 상에 형성될 수 있다.
상기 제2 서브사이클(m)을 복수 회 반복하여 제1 컬러 구현층(210)이 함유하는 불순물량을 조절할 수 있다. 상기 불순물의 양에 따라, 하부 투명 전극(200)의 굴절률이 달라질 수 있다. 도 5를 참조하면, 상기 제2 서브사이클(S2)을 수행한 횟수(m)에 대한 상기 제1 서브사이클(S1)을 수행한 횟수(n)에 대한 비(n/m)에 따라 하부 투명 전극(200)의 굴절률(Refractive index)가 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 서브사이클(S2)을 수행한 횟수(m)에 대한 상기 제1 서브사이클(S1)을 수행한 횟수(n)에 대한 비(n/m)가 커질수록 하부 투명 전극(200)의 굴절률(Refractive index)이 감소할 수 있다.
상기 제1 컬러 구현층(210) 상에 중간층(220)을 형성할 수 있다. 중간층(220)을 형성하는 것은 스퍼터링(Sputtering) 방식의 증착 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 컬러 구현층(210) 상에 금속 물질을 증착하여 중간층(220)을 형성할 수 있다. 상기 금속 물질은 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 텅스텐(W) 및/또는 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.
상기 중간층(220) 상에 제2 컬러 구현층(230)을 형성할 수 있다. 제2 컬러 구현층(230)의 형성은 상기 제1 컬러 구현층(210)의 형성과 동일할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 서브사이클을 x회 수행하고, 제2 서브사이클을 y회 수행할 수 있다. 이때, 상기 n은 상기 x와 다를수 있고, 상기 m은 상기 y와 다를 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 제2 컬러 구현층(230) 상에 제1 전자/정공 수송층(310), 광 흡수층(400), 및 제2 전자/정공 수송층(330)이 순차적으로 형성될 수 있다. 제1 전자/정공 수송층(310), 광 흡수층(400), 및 제2 전자/정공 수송층(330) 각각은 스퍼터링 또는 증발과 같은 진공 증착 또는 습식 공정 방법을 통해 형성될 수 있다.
상기 제2 전자/정공 수송층(330) 상에 상부 투명 전극(500)을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 상부 투명 전극(500)은 스퍼터링 또는 증발과 같은 진공 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 상부 투명 전극(500)은 상기 하부 투명 전극(200)의 형성과 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(400) 상에 제1 컬러 구현층(510), 중간층(520), 및 제2 컬러 구현층(530)을 차례로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제1 컬러 구현층(510)을 형성하는 것은 상기 광 흡수층(400) 상에 상기 제1 서브 사이클을 a회 및 상기 제2 서브 사이클을 b회 수행하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 상기 a는 상기 x 및 n과 다를 수 있고, 상기 b는 상기 y 및 m과 다를 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 제2 컬러 구현층(530)을 형성하는 것은 상기 광 흡수층(400) 상에 상기 제1 서브 사이클을 c회 및 상기 제2 서브 사이클을 d회 수행하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 상기 c는 상기 a와 다를 수 있고, 상기 d는 상기 b와 다를 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 이에 따라 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지가 제조될 수 있다.
제1 컬러 구현층(210) 및 제2 컬러 구현층(230)을 형성하는 단계에서, 제1 서브사이클(S1)을 수행하는 횟수(n) 및 제2 서브사이클(S2)을 수행하는 횟수(m)의 비를 조절하여 하부 투명 전극(200)의 굴절률를 조절할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (17)
- 기판;
상기 기판 상에 제공되는 하부 투명 전극;
상기 하부 투명 전극 상에 제공되는 상부 투명 전극; 및
상기 하부 투명 전극 및 상기 상부 투명 전극 사이에 개재되는 광 흡수층을 포함하되,
상기 광 흡수층은 페로브스카이트 물질을 포함하고,
상기 하부 투명 전극 및 상기 상부 투명 전극 중 적어도 하나는 순차로 적층된 제1 컬러 구현층, 중간층 및 제2 컬러 구현층을 포함하되,
상기 제1 컬러 구현층 및 상기 제2 컬러 구현층은 도펀트를 포함하는 금속 산화물층이고,
상기 제1 컬러 구현층은 제1 서브사이클(subcycle)을 n회 수행하고 제2 서브사이클을 m회 수행하여 형성되고,
상기 제2 컬러 구현층은 상기 중간층 상에 상기 제1 서브사이클을 x회 수행하고 제2 서브사이클을 y회 수행하여 형성되며,
상기 n은 상기 x와 다르고, 상기 m은 상기 y와 다른 페로브스카이트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 중간층은 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 텅스텐(W) 니켈(Ni) 및/또는 티타늄 질화물(TiN)을 포함하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 도펀트는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 란탄족 원소, 및/또는 티타늄(Ti)을 포함하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 ZnO, TiO2, SnO2, In2O3, ITO, ATO(antimony Tin Oxide), WOx, 및/또는 MoOx를 포함하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 중간층의 두께는 1 nm 이상 15 nm 이하인 페로브스카이트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 하부 투명 전극 및 상기 상부 투명 전극 각각의 두께는 10 nm 이상 200 nm 이하인 페로브스카이트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 광 흡수층은 불투명한 페로브스카이트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 컬러 구현층의 굴절률은 상기 제2 컬러 구현층의 굴절률과 동일한 페로브스카이트 태양전지.
- 기판 상에 하부 투명 전극을 형성하는 것; 및
상기 하부 투명 전극 상에 광 흡수층을 형성하는 것을 포함하되,
상기 하부 투명 전극을 형성하는 것은 상기 기판 상에 제1 컬러 구현층, 중간층, 및 제2 컬러 구현층을 차례로 형성하는 것을 포함하고,
상기 제1 컬러 구현층을 형성하는 것은 제1 서브사이클(subcycle)을 n회 수행하는 것 및 제2서브사이클을 m회 수행하는 것을 포함하되,
상기 제1 서브사이클은:
상기 기판이 준비되는 챔버 내에 제1 전구체를 공급하는 것;
제1 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하여, 제 1 퍼지 공정을 수행하는 것;
제1 반응 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 것; 및
제2 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하여, 제 2 퍼지 공정을 수행하는 것을 포함하고,
상기 제2 컬러 구현층을 형성하는 것은 상기 중간층 상에 상기 제1 서브사이클(subcycle)을 x회 및 상기 제2 서브사이클을 y회 수행하는 것을 포함하며,
상기 n은 상기 x와 다르고, 상기 m은 상기 y와는 다른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제9 항에 있어서,
상기 n은 1 이상 10 이하의 자연수이고,
상기 m은 1 이상 100 이하의 자연수인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제9 항에 있어서,
상기 제2 서브사이클은:
상기 챔버 내에 제2전구체를 공급하는 것;
제3 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하여, 제 3 퍼지 공정을 수행하는 것;
제2 반응 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 것; 및
제4 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하여, 제 4 퍼지 공정을 수행하는 것을 포함하되,
상기 제2 전구체는 상기 제1 전구체와 다른 물질을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제9 항에 있어서,
상기 제1 컬러 구현층 및 제2 컬러 구현층은 도펀트를 포함하는 금속 산화물층이고,
상기 중간층은 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 텅스텐(W) 니켈(Ni) 및/또는 티타늄 질화물(TiN)을 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 광 흡수층은 페로브스카이트 물질을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 삭제
- 제9 항에 있어서,
상기 광 흡수층 상에 상부 투명 전극을 형성하는 것을 더 포함하되,
상기 상부 투명 전극을 형성하는 것은 상기 광 흡수층 상에 제3 컬러 구현층, 중간층, 및 제4 컬러 구현층을 차례로 형성하는 것을 포함하고,
상기 제3 컬러 구현층을 형성하는 것은 상기 광 흡수층 상에 상기 제1 서브 사이클을 a회 및 상기 제2 서브 사이클을 b회 수행하는 것을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,
상기 제4 컬러 구현층을 형성하는 것은 상기 중간층 상에 상기 제1 서브사이클(subcycle)을 c회 및 상기 제2 서브사이클을 d회 수행하는 것을 포함하되,
상기 a 은 상기 c와 다르고, 상기 b은 상기 d와는 다른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제9 항에 있어서,
상기 제2 서브 사이클을 수행하는 횟수(m)에 대한 상기 제1 서브 사이클을 수행하는 횟수(n)의 비가 증가할수록, 상기 하부 투명 전극의 굴절률이 감소하도록 구성되는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
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