KR102638380B1 - 태양전지 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하부 셀(100); 상기 하부 셀 상에 배치된 기능층(200); 및 상기 기능층 상에 배치된 상부셀(300); 을 포함하고, 상기 상부셀은 상기 기능층 상면에 배치된 상부 제1전하수송층(310), 상부 제1전하수송층 상면에 배치된 절연층(320), 상기 절연층 상면에 배치된 전극(330), 상기 전극 상면에 배치된 상부 제2전하수송층(340), 상기 전극 상면에서 상기 상부 제2전하수송층과 이웃하게 배치된 상부 전극(350), 상기 상부 제2전하수송층 상에 배치되는 상부 흡수층(360), 및 상기 절연층, 전극, 상부 제2전하수송층을 관통하는 복수의 관통부를 포함하고, 상기 상부 흡수층의 하면 중 일부는 상기 관통부를 통해 상기 상부 제1전하수송층에 맞닿는 태양전지 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 개시한다.
Description
본 발명은 태양전지 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 상부셀의 전극, 전자 전달층, 정공 전달층을 후면에 배치하되 효과적인 전하 수집 및 션트 발생 방지를 위해 육각형 모양의 구멍이 포함된 면 전극 구조 사용 및 전자/정공 전달층 사이에 절연체를 삽입한 상태로 하부셀의 상층부와 연결하는 것을 그 특징으로 하는 태양전지 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
세계적으로 지구온난화 문제가 심화되고 있다. 이를 극복하기 위해 2015년 세계는 지구의 평균 기온 상승을 2도 이내보다 낮은 수준으로 유지하기로 하는 파리기후변화협약을 체결하였다. 따라서, 지구온난화를 막기 위해 기존의 화석에너지의 사용을 줄이고 이를 대체할 수 있는 신재생에너지 개발이 필수적이다.
신재생에너지는 기존의 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 태양에너지, 지열 에너지, 해양 에너지, 바이오 에너지 등이 있다.
이 중 태양에너지, 태양광은 오염이 없고, 무한하며 지구 어느 곳에서도 이용이 가능하다는 장점이 있다. 태양전지는 이를 활용하기 위해 개발되었으며, 광기전력 효과를 이용하여 태양으로부터 생성된 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다.
유기, 무기, 유무기 하이브리드를 이용한 다양한 태양전지가 개발되었으나, 아직까지 전체 전력 생산량 중 태양전지를 이용하여 발전된 전력의 사용은 낮은 수준이다. 이는 태양전지의 발전단가가 화석 연료를 사용해 생산한 일반 전력비용에 비해 높기 때문이다. 태양전지 효율은 태양전지의 발전단가를 결정하는 중요인자로, 가격 경쟁력을 높이기 위해서는 태양전지 효율 향상이 중요하다.
최근 26% 이상의 실리콘 태양전지 개발에 성공하며 꾸준한 성장을 보이고 있으나, 현재 구조의 실리콘 태양전지를 이용하여 구현 가능한 이론적 효율은 29.4%로 효율 향상의 한계가 있다.
결정질 실리콘 태양전지뿐만 아니라, 페로브스카이트, CIGS, α-Si, GaAs, CdTe등을 광흡수층으로 상용하는 단일전합 태양전지들의 관전변환효율 또한 연구 개발을 통하여, 단일접합 태양전지의 이론효율한계에 접근하고 있다.
따라서 단일접합 태양전지의 이론효율 한계 극복을 위하여, 두 종류 이상의 태양전지를 물리적, 전기적으로 연결하여 구동하게 하는 다중접합 태양전지 개발을 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
일 예로, 페로브스카이트 태양전지와 실리콘 태양전지를 활용하여 이중접합 태양전지를 제작할 경우 이론적으로 약 46%까지의 광전변환 효율을 달성할 수 있을 것으로 예상되고 있다.
다중접합 태양전지 기술발전이 발전하여 기존 공정단가 수준에서 큰 효율 상승을 이룰 수 있게 된다면 태양전지 가격 경쟁력을 크게 높여줄 수 있다.
다중 접합 태양전지는 상부셀과 하부셀이 전기적으로 직렬로 연결되기 때문에, 상부셀과 하부셀에 생성되는 전류의 양을 최대화하고 동일한 양의 전류를 생산하는 것이 중요하다.
현재까지 존재하는 연구들은 다중접합 태양전지의 전류를 매칭해주기 위하여, 상부셀의 밴드갭을 조절해 주거나, 다중접합 태양전지 구성요소들의 두께를 조절하거나, 반사방지막을 삽입하거나, 광회절을 발생시키는 층을 삽입하는 등의 방안이 연구되고 있다.
그러나 현재 개발되고 있는 다중접합 태양전지들의 구조의 경우, 광을 흡수하고 전류를 생성하는 광흡수층 외에도, 전자 전달층, 전공 전달층, 중간층, 투명 전극, 스퍼터 데미지 방지층, 재결합층 등이 다중접합 태양전지 구동을 위하여 수직적으로 존재하고 있기 때문에 기생흡수에 의한 광손실이 존재한다.
위 문제점들을 해결하고 다중접합 태양전지의 광전류 및 광전변환 효율을 극대화하기 위해 상부셀에 후면전극 구조를 도입하는 방안이 연구되고 있으나, 상부셀에 적용되는 후면전극 구조는 미세 패터닝 기술이 수반되기 때문에, 기존 문헌처럼 선형으로 제작할 시 전자/정공 전달층 및 전극의 단선이 발생할 가능성이 크다.
또한, 후면전극 구조를 같은 평면 상에 제작할 시 전자/정공 전달층 및 전극 간의 직접적인 접촉으로 인한 전기적 션트가 발생할 가능성이 크고, 이에 따라 다중접합 태양전지에 후면전극 구조를 도입할 시 단선의 영향을 덜 받으며 전하 수집에 효과적이고 전기적 션트의 발생을 방지할 수 있는 중간전극형 다중접합 태양전지의 구조 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 다중접합 태양전지를 제작함에 있어 상부셀의 한 쪽 전극을 최상단면이 아닌 상부셀과 하부셀의 사이에 중간전극 형태로 위치시킴으로써 상부셀의 광 흡수를 최대화할 수 있고, 광흡수층이 아닌 태양전지의 다른 구성 층들이 빛을 흡수하는 기생흡수를 최소화할 수 있고, 상부셀의 광투과를 최대화하여 후면 태양전지의 광흡수를 최대화 할 수 있으며, 상부셀과 하부셀의 광전류 매칭을 최적화 및 최대화 할 수 있는 태양전지 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 효과적인 전하 수집을 위해 육각형이 규칙적으로 배열 및 제거된 면 전극을 사용하여 공정 중 발생할 수 있는 전자/정공 전달층 및 전극 단선의 영향을 최소화할 수 있고, 추가적으로 상부셀의 두 후면 전극 사이에 절연막을 삽입하여 같은 평면 상에 위치시키지 않음으로써 둘 간에 발생할 수 있는 전기적 션트를 방지할 수 있는 태양전지 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다중접합 태양전지의 광전류 뿐만 아니라 개방전압까지 최대화하여 광전변환효율을 최대화 할 수 있다. 또한 상부셀의 한 전극을 상부셀의 최상단면이 아닌, 상부셀과 하부셀의 사이에 위치시킴으로써, 단일 태양전지들을 전기적으로 상호 연결해야 하는 모듈 공정에 필수적인 200~300°C의 고온에 상부셀을 노출시키지 않고 다중접합 태양전지 모듈을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명은 다중접합 태양전지의 광전류 및 광전변환효율을 최대화할 수 있고, 태양전지 한편의 전극을 상부셀의 최상단면이 아닌, 전극 구조를 변경함으로써, 단일 태양전지들을 전기적으로 상호 연결해야 하는 모듈 공정에 필수적인 200~300°C의 고온에 상부셀을 노출시키지 않고 다중접합 태양전지 모듈을 제작할 수 있는 태양전지 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 하부 셀; 상기 하부 셀 상에 배치된 기능층; 및 상기 기능층 상에 배치된 상부셀; 을 포함하고, 상기 상부셀은 상기 기능층 상면에 배치된 상부 제1전하수송층, 상부 제1전하수송층 상면에 배치된 절연층, 상기 절연층 상면에 배치된 전극, 상기 전극 상면에 배치된 상부 제2전하수송층, 상기 전극 상면에서 상기 상부 제2전하수송층과 이웃하게 배치된 상부 전극, 상기 상부 제2전하수송층 상에 배치되는 상부 흡수층, 및 상기 절연층, 전극, 상부 제2전하수송층을 관통하는 복수의 관통부를 포함하고, 상기 상부 흡수층의 하면 중 일부는 상기 관통부를 통해 상기 상부 제1전하수송층에 맞닿을 수 있다.
상기 관통부는 상기 절연층에 배치된 복수의 제1관통홀; 복수의 상기 제1관통홀 각각에 연통되도록 상기 전극에 배치된 복수의 제2관통홀; 및 복수의 상기 제2관통홀 각각에 연통되도록 상기 상부 제2전하수송층에 배치된 복수의 제3관통홀을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극은 상기 상부 흡수층 외부로 노출될 수 있다.
상기 상부 전극은 상기 기능층 상에서 일측에 배치되고, 상기 상부 제2전하수송층 및 상부 흡수층은 상기 기능층 상에서 타측에 배치될 수 있다.
상기 제1관통홀, 제2관통홀 및 제3관통홀 각각은 단면이 원 또는 다각형의 형상을 가질 수 있다.
동일 면에서 상기 상부 제2전하수송층의 면적 대비, 상기 제3관통홀의 면적은 0.33:1 내지 3:1 범위를 가질 수 있다.
상기 하부 셀은 하부 전극, 상기 하부 전극 상면에 배치된 반사층, 상기 반사층 상면에 배치된 하부 패시베이션층, 상기 하부 패시베이션층 상면에 배치된 하부 기능층 및 상기 하부 기능층 상면에 배치된 하부 흡수층을 포함할 수 있다.
상기 하부 흡수층은 p형 반도체 또는 n형 반도체이고, 상기 기능층은 상기 하부 흡수층에 대응하여 n형 반도체 또는 p형 반도체일 수 있다.
또한, 상기 하부 흡수층이 실리콘 반도체이고, 상기 기능층은 p-n 접합층이고, 상기 하부 기능층은 전계 형성층(BSF)일 수 있다.
또한, 상기 상부 흡수층은 중파장 및 단파장을 흡수하여, 전자-정공 쌍을 생성하고, 상기 하부 흡수층은 중파장 및 장파장을 흡수하여, 전자-정공 쌍을 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈은 제1 태양전지; 및 상기 제1 태양전지 상에 전기적으로 연결된 제2 태양전지; 를 포함하고, 상기 제1 태양전지 및 상기 제2 태양전지 각각은, 하부 셀, 상기 하부 셀 상에 배치된 기능층, 및 상기 기능층 상에 배치된 상부셀을 포함하고, 상기 상부셀은 상기 기능층 상면에 배치된 상부 제1전하수송층, 상부 제1전하수송층 상면에 배치된 절연층, 상기 절연층 상면에 배치된 전극, 상기 전극 상면에 배치된 상부 제2전하수송층, 상기 상부 제2전하수송층 상에 배치되는 상부 흡수층, 및 상기 절연층, 전극, 상부 제2전하수송층을 관통하는 복수의 관통부를 포함하고, 상기 상부 흡수층의 하면 중 일부는 상기 관통부를 통해 상기 상부 제1전하수송층에 맞닿을 수 있다.
상기 제2 태양전지의 상부셀은, 상기 전극 상면에서 상기 상부 제2전하수송층과 이웃하게 배치된 상부 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 태양전지의 상부셀의 상부 흡수층은 상기 제2 태양전지와 이격될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상부셀에서의 광 흡수를 최대화할 수 있고, 광흡수층이 아닌 다른 구성 층들이 빛을 흡수하는 기생흡수를 최소화할 수 있고, 상부셀의 광투과를 최대화하여 후면 태양전지의 광흡수를 최대화할 수 있으며, 상부셀과 하부 셀의 광전류 매칭을 최적화 및 최대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 다중접합 태양전지의 광전류 및 광전변환효율을 최대화할 수 있고, 태양전지 한편의 전극을 상부셀의 최상단면이 아닌, 전극 구조를 변경함으로써, 단일 태양전지들을 전기적으로 상호 연결해야 하는 모듈 공정에 필수적인 200~300°C의 고온에 상부셀을 노출시키지 않고 다중접합 태양전지 모듈을 제작할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 파장에 따른 빛의 이동 경로를 나타낸 예시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 상부 흡수층을 제거한 사시도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 상부 흡수층을 제거한 상면도이고,
도 5는 도 1의 A-A'선의 단면도에서, 상부 흡수층을 제거한 도이고,
도 6는 도 1의 A-A'선의 단면도이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 파장에 따른 빛의 이동 경로를 나타낸 예시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 상부 흡수층을 제거한 사시도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 상부 흡수층을 제거한 상면도이고,
도 5는 도 1의 A-A'선의 단면도에서, 상부 흡수층을 제거한 도이고,
도 6는 도 1의 A-A'선의 단면도이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 파장에 따른 빛의 이동 경로를 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 상부 흡수층을 제거한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에서 상부 흡수층을 제거한 상면도이고, 도 5는 도 1의 A-A'선의 단면도에서, 상부 흡수층을 제거한 도이고, 도 6는 도 1의 A-A'선의 단면도이다.
도 1 내지 도 6을 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 하부 셀(100), 기능층(200) 및 상부셀(300)을 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 실리콘 태양전지 셀(100)과 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지 셀(300)이 기능층(200)을 매개로 하여 직접적으로 터널 접합된 2-단자 텐덤 태양전지의 구조를 갖는다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지로 입사된 광 중 단파장 영역의 광은 상부에 배치된 페로브스카이트 태양전지 셀(300)에 흡수되어 전하를 생성하며, 페로브스카이트 태양전지 셀(300)을 투과하는 장파장 영역의 광은 하부에 배치된 실리콘 태양전지 혹은 다른 유기물, 무기물 혹은 유기물과 무기물이 혼합된 태양전지에(100)에 흡수되어 전하를 생성하게 된다.
상술한 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 상부에 배치된 페로브스카이트 태양전지 셀(300)에서 중파장 및 단파장 영역의 광을 흡수하여 발전하고, 하부에 배치된 실리콘 태양전지 셀(100)에서 중파장 및 장파장 영역의 광을 흡수하여 발전함으로써 문턱 파장(threshold wavelength)을 장파장 쪽으로 이동시킬 수 있으며, 결과적으로 전체 태양전지가 흡수하는 파장대를 넓힐 수 있다는 이점이 있다.
한편, 하부 셀(100)은 이종접합(heterojunction) 실리콘 태양전지 또는 동종접합(homojunction) 실리콘 태양전지 혹은 유기물, 무기물 혹은 유기물과 무기물이 혼합된 태양전지로 구현될 수 있다.
하부 셀(100)은 하부 전극(110), 반사층(120), 하부 패시베이션층(130), 하부 기능층(140)및 하부 흡수층(150)을 포함할 수 있다.
한편, 도시하지 않았지만, 하부 전극(110), 반사층(120), 하부 패시베이션층(130), 하부 기능층(140) 및 하부 흡수층(150) 중 적어도 하나는 요철 구조를 가지는 텍스쳐가 형성될 수 있다.
하부 전극(110)은 금속, 또는 금속 합금일 수 있다. 하부 전극(110)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 니켈(Ni), 탄소(C) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
한편, 하부 전극(110)은 상부에 입사된 광이 외부로 빠져나가지 못하도록 반사하는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 하부 전극(110)은 정공 또는 전자를 수집할 수 있다.
반사층(120)은 하부 전극(110) 상면에 직접 배치될 수 있고, 상부에 입사된 광이 경로를 증가시켜 광전 변환 효율을 증가시키는 역할을 한다.
하부 패시베이션층(130)은 투광성의 절연막으로 구성될 수 있으며, 산화막 및 질화막 계열의 절연성막이 사용될 수 있다.
하부 기능층(140)은 하부 흡수층(150)의 반도체 타입에 따라 특정 전하를 흡수층으로 돌려보내는 역할을 하거나 전자 수송층 또는 정공 수송층으로 기능할 수 있다.
하부 기능층(140)이 정공 수송층인 경우, 이러한 정공 수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), 폴리티오페닐렌비닐렌(polyhiophenylenevinylene), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene) 및 이들의 유도체일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 유기물이 사용될 수 있다. 또한, p-타입으로 도핑된 금속산화물 반도체인 몰리브덴 옥사이드, 바나듐 옥사이드 또는 텅스텐 옥사이드 등이 사용될 수 있다.
또한, 하부 기능층(140)이 전자 수송층인 경우, 이러한 전자 수송층은 풀러렌(C60, C70, C80) 또는 풀러렌 유도체인 PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)(PCBM(C60), PCBM(C70), PCBM(C80))일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 유기물이 사용될 수 있다. 또한, n-타입으로 도핑된 금속산화물 반도체인 타이타늄 옥사이드(TiOx) 또는 아연 옥사이드(ZnO) 등이 사용될 수 있다.
한편, 하부 기능층(140)은 하부 셀(100)이 실리콘계 태양전지인 경우, 하부 흡수층(150)의 후면에 전기장을 형성하여 전하 수집확률을 높이는 전계 형성층(BSF, Back Surface Field)의 역할을 수행할 수 있다.
하부 흡수층(150)은 예를 들어, 비정질 실리콘, 미세결정 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄, 또는 미세결정 실리콘 게르마늄, 유기물, 유기물과 무기물의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
하부 흡수층(150)은 상부셀(300)의 상부 흡수층(360)보다 에너지 밴드갭이 작을 수 있으며, 중파장 및 장파장의 광을 흡수할 수 있다.
여기서, 중파장의 파장 대역은 500 nm ~ 900 nm 이고, 장파장의 파장 대역은 700 nm ~ 1,200 일 수 있다.
하부 흡수층(150)은 태양전지에 조사된 장파장의 광을 흡수하며 여기 상태의 전자정공 쌍 즉, 엑시톤(exiton)을 형성할 수 있다.
기능층(200)은 하부 셀(100) 상에 배치되며, 하부 흡수층(150) 상면에 배치될 수 있다.
즉, 기능층(200)은 하부 셀(100)과 상부셀(300) 사이에 배치될 수 있다.
기능층(200)은 하부 흡수층(150)에서 전달된 전자(정공)와 상부 흡수층(360)에서 전달된 정공(전자)이 만나서 재결합하게 하는 재결합층 기능을 수행할 수 있다.
즉, 기능층(200)에서는 하부 흡수층(150)의 전자와 상부 흡수층(360)의 정공 혹은 하부 흡수층(150)의 정공과 상부 흡수층(360)의 전자가 만나서 재결합될 수 있다.
기능층(200)에 투명전극이 사용되는 경우 이는 ITO(Indium tin oxide)일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, AZO(Aluminum-doped zinc oxide)와 같은 물질을 이용하여 투명 전도층으로 형성될 수 있다.
상부셀(300)은 기능층(200) 상에 배치되며, 페로브스카이트 태양전지 셀로 구현될 수 있다.
상부셀(300)은 상부 제1전하수송층(310), 절연층(320), 전극(330), 상부 제2전하수송층(340), 상부 전극(350) 및 상부 흡수층(360)을 포함할 수 있다.
상부 제1전하수송층(310)은 기능층(200)의 상면 상의 전체면에 배치되며 것이 바람직하다. 여기서, 상부 제1전하수송층(310)은 상면 및 하면이 기능층(200)과 동일한 형상 및 넓이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
상부 제1전하수송층(310)은 상부 흡수층(360)의 반도체 타입에 따라 전자 수송층 또는 정공 수송층으로 기능할 수 있다.
상부 제1전하수송층(310)이 정공 수송층인 경우, 이러한 정공 수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), 폴리티오페닐렌비닐렌(polyhiophenylenevinylene), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine] (PTAA), 9′',7,7′'-tetramine (Spiro-MeOTAD) 및 이들의 유도체일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 유기물이 사용될 수 있다. 또한, p-타입으로 도핑된 금속산화물 반도체인 몰리브덴 옥사이드, 바나듐 옥사이드 또는 텅스텐 옥사이드 니켈 옥사이드 등이 사용될 수 있다.
또한, 상부 제1전하수송층(310)이 전자 수송층인 경우, 이러한 전자 수송층은 풀러렌(C60, C70, C80) 또는 풀러렌 유도체인 PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)(PCBM(C60), PCBM(C70), PCBM(C80))일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 유기물이 사용될 수 있다. 또한, n-타입으로 도핑된 금속산화물 반도체인 타이타늄 옥사이드(TiOx) 또는 아연 옥사이드(ZnO), 주석 옥사이드(SnOx) 등이 사용될 수 있다.
절연층(320)은 상부 제1전하수송층(310) 상면 상의 전체면에 배치되어, 상부 제1전하수송층(310)을 덮도록 형성될 수 있다. 절연층(320)은 투광성의 절연막으로 구성될 수 있으며, 산화막 및 질화막 계열의 절연성막이 사용될 수 있다.
여기서, 상부 제1전하수송층(310)은 전도도를 가지는 유, 무기 소재를 이용하여 기능층 위에 스핀 코팅, 딥코팅, 드롭 캐스팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 스퍼터링, 또는 열증착 방법으로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상부 제1전하수송층(310)에 사용될 수 있는 유, 무기 소재는 금이나 은과 같은 전도성 금속, 금속 나노입자, 금속산화물 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수 있다. 상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)), 폴리아닐린 및 폴리피롤로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 절연층(320)은 상면과 하면을 관통하도록 배치된 복수의 제1관통홀(321)을 포함할 수 있다.
균일한 전하 수집을 위해서 제1관통홀(321)들은 동일한 크기와 간격을 유지하면서 배열되는 것이 바람직하다. 따라서 제1관통홀(321)의 단면은 육각형으로 형성되는 것이 바람직하다.
다만, 제1관통홀(321)의 단면은 육각형뿐만 아니라, 원 또는 다각형으로 형성될 수 있다.
전극(330)은 절연층(320)의 전체면 상에 배치되는 것이 바람직하고, 상면과 하면을 관통하도록 배치된 복수의 제2관통홀(331)을 포함할 수 있다.
여기서, 전극(330)은 절연층(320)과 동일한 형상 및 넓이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 복수의 제2관통홀(331) 각각은 복수의 제1관통홀(321) 각각에 대응되며 상호 연통되도록 형성될 수 있다.
여기서, '대응'되는 것은, 제1관통홀(321)과 제2관통홀(331)이 형성된 위치와 크기가 상호 동일 또는 유사한 것을 일컫는다.
한편, 상부 흡수층(360)을 제외하고 동일 면 상에서 가장 최상단에 위치한 상부 제2전하수송층(340)의 면적 대비 제3관통홀(341)의 면적은 0.33:1 내지 3:1 범위를 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 상부 제2전하수송층(340)의 면적은 제3관통홀(341)이 형성되지 않은 영역의 면적으로 정의될 수 있다.
한편, 관통부(321, 331, 341)와 동일한 크기로, 상부 제1전하수송층(310)이 노출되어 있으므로, 상부 제2전하수송층(340)의 면적과 제3관통홀(341)의 면적 비율은 정공(전자)과 전자(정공)가 각각 수집될 수 있는 영역의 비율을 의미한다.
여기서, 상부 제2전하수송층(340)의 면적 대비 제3관통홀(341)의 면적이 0.33:1 미만인 경우 정공(전자) 수집이 가능한 영역의 비율이 전자(정공)에 비해 과도하게 적어 소자 성능의 저하를 일으키는 문제가 있고, 상부 제2전하수송층(340)의 면적 대비 제3관통홀(341)의 면적이 3:1 초과인 경우 전자(정공) 수집이 가능한 영역의 비율이 정공(전자)에 비해 과도하게 적어 마찬가지로 소자 성능의 저하를 일으키는 문제가 있다.
한편, 전극(330)은 금속, 또는 금속 합금일 수 있다. 전극(330)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 탄소(C) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 전극(330)은 ITO(Indium Tin Oxide) 및 AZO(Aluminum-doped zinc oxide)와 같은 물질을 이용하여 투명 전도층으로도 형성될 수 있다.
여기서, 전극(330) 상에서 상부 제2전하수송층(340)이 배치되지 않은 영역에는 상부 전극(350)이 배치될 수 있다.
상부 제2전하수송층(340)은 전극(330)의 상면 중 타측 상에 배치되는 것이 바람직하고, 상면과 하면을 관통하도록 배치된 복수의 제3관통홀(341)을 포함할 수 있다.
또한, 복수의 제3관통홀(341) 각각은 복수의 제2관통홀(331) 각각에 대응되며 상호 연통되도록 형성될 수 있다.
즉, 제1관통홀(321), 제2관통홀(331) 및 제3관통홀(341)은 상호 대응되며, 하나의 관통부(321, 331, 341)를 형성할 수 있다.
상부 제2전하수송층(340)은 상부 흡수층(360)의 반도체 타입에 따라 전자 수송층 또는 정공 수송층으로 기능할 수 있다.
상부 제2전하수송층(340)이 정공 수송층인 경우, 이러한 정공 수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), 폴리티오페닐렌비닐렌(polyhiophenylenevinylene), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine] (PTAA), 9′',7,7′'-tetramine (Spiro-MeOTAD) 및 이들의 유도체일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 유기물이 사용될 수 있다. 또한, p-타입으로 도핑된 금속산화물 반도체인 몰리브덴 옥사이드, 바나듐 옥사이드 또는 텅스텐 옥사이드, 니켈 옥사이드 등이 사용될 수 있다.
또한, 상부 제2전하수송층(340)이 전자 수송층인 경우, 이러한 전자 수송층은 풀러렌(C60, C70, C80) 또는 풀러렌 유도체인 PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)(PCBM(C60), PCBM(C70), PCBM(C80))일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 유기물이 사용될 수 있다. 또한, n-타입으로 도핑된 금속산화물 반도체인 타이타늄 옥사이드(TiOx), 주석 옥사이드(SnOx) 또는 아연 옥사이드(ZnO) 등이 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상부 전극(350)은 전극(330) 상에서 일측에 배치될 수 있다.
여기서, 상부 전극(350)은 상부 흡수층(360)에 덮이지 않으며, 외부로 노출되어 전기적 접속 경로를 제공할 수 있다.
즉, 상부 전극(350)을 상부셀의 최상단면이 아닌, 태양전지 일측에 배치함으로써, 단일 태양전지들을 전기적으로 상호 연결해야 하는 모듈 공정에 필수적인 200~300°C의 고온에 상부셀을 노출시키지 않고 다중접합 태양전지 모듈을 제작할 수 있어, 상부셀의 열손상을 방지할 수 있다.
상부 전극(350)은 금속, 또는 금속 합금일 수 있다. 상부 전극(350)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 탄소(C) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상부 흡수층(360)은 상부 제2전하수송층(340)의 상부에 배치되고, 하단 중 일부가 관통부(321, 331, 341)를 통과하여, 상부 제1전하수송층(310)에 직접 맞닿을 수 있다.
한편, 상부 흡수층(360)은 하부 셀(100)의 하부 흡수층(150)보다 에너지 밴드갭이 클 수 있으며, 중파장 및 단파장의 광을 흡수할 수 있다.
여기서, 중파장의 파장 대역은 500 nm ~ 900 nm 이고, 단파장의 파장 대역은 300 nm ~ 700 nm 일 수 있다.
상부 흡수층(360)은 태양전지에 조사된 단파장의 광을 흡수하며 여기 상태의 전자정공 쌍 즉, 엑시톤(exiton)을 형성할 수 있다.
여기서, 상부 흡수층(360)은 광 활성 물질로 페로브스카이트(perovskites) 화합물로 구성될 수 잇다. 페로브스카이트는 직접형 밴드갭(direct bandgap)을 가지면서 광흡수계수가 550nm에서 1.5×104cm-1정도로 높고, 전하 이동 특성이 우수하며 결함에 대한 내성이 뛰어나다는 장점이 있다.
또한, 페로브스카이트 화합물은 용액의 도포 및 건조라는 극히 간단하고 용이하며 저가의 단순한 공정을 통해 광활성층을 이루는 광흡수체를 형성할 수 있는 장점이 있고, 도포된 용액의 건조에 의해 자발적으로 결정화가 이루어져 조대 결정립의 광흡수체 형성이 가능하며, 특히 전자와 정공 모두에 대한 전도도가 우수하다.
이러한 페로브스카이트 화합물은 ABX3 (A는 C1-C20의 알킬기, 1가의 금속(예를 들어, Li, Na, Cs, Rb 등), 1가의 유기 암모늄 이온 또는 공명구조를 가지는 포르마미디늄(formamidinium, FA) 혹은 메틸암모늄(methylammonium, MA)이며, B은 2가의 금속 이온이며, X는 할로겐 이온이다.)의 화학식으로 나타낼 수 있다.
즉, 상술한 태양전지 구조는 다중접합 태양전지를 제작함에 있어 상부셀(300)의 한 쪽 전극을 최상단면이 아닌 상부셀과 하부셀의 사이에 중간전극 형태로 전극(330)을 위치시킴으로써 상부셀의 광 흡수를 최대화할 수 있다.
또한, 광흡수층이 아닌 태양전지의 다른 구성 층들이 빛을 흡수하는 기생흡수를 최소화할 수 있고, 상부셀의 광투과를 최대화하여 후면 태양전지의 광흡수를 최대화할 수 있으며, 상부셀과 하부셀의 광전류 매칭을 최적화 및 최대화할 수 있다.
또한, 효과적인 전하 수집을 위해 육각형의 관통부가 규칙적으로 배열되며 관통부에서 제거된 면 전극을 사용하여 공정 중 발생할 수 있는 전자/정공 전달층 및 전극 단선의 영향을 최소화할 수 있으며, 추가적으로 상부셀의 두 후면 전극 사이에 절연막을 삽입하여 상부 전극(330) 및 상부 제2전하수송층(340) 간의 전기적 션트를 방지할 수 있다.
구체적으로, 상부 제1전하수송층(310)으로는 전자(정공)가, 상부 전극(330) 및 상부 제2전하수송층(340)으로는 정공(전자)이 수집되는데, 이 둘간에 직접적인 접촉이 발생한다면 전자와 정공간 재결합 및 션트가 발생함으로써 소자 성능에 저하를 일으킬 수 있다. 따라서 그 사이에 절연층을 삽입함으로써 둘 간의 직접적인 접촉을 막아 전기적 션트를 방지할 수 있다.
같은 평면 상에 위치시키지 않음으로써 둘 간에 발생할 수 있는 전기적 션트를 방지할 수 있다. 결과적으로 다중접합 태양전지의 광전류 뿐만 아니라 개방전압까지 최대화하여 광전변환 효율을 최대화할 수 있다.
또한, 상부셀의 전극을 상부셀의 최상단면이 아닌, 상부셀과 하부셀의 사이에 위치시킴으로써, 단일 태양전지들을 전기적으로 상호 연결해야 하는 모듈 공정에 필수적인 200~300°C의 고온에 상부셀을 노출시키지 않고 다중접합 태양전지 모듈을 제작할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 2 종류의 태양전지가 적층되어있는 이중접합 태양전지에 대해 설명하고 있으나, 뿐만 아니라, 삼중이상의 다중접합 태양전지 등에도 적용될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 도 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈은 도 1 내지 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 쌍(1000, 2000)이 전기적으로 연결된 구성이므로, 이하에서는 각 태양전지(1000, 2000)의 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈은 제1 태양전지(1000)와 제2 태양전지(2000)가 전기적으로 연결되어 구성될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 태양전지(1000)와 제2 태양전지(2000)는 상호 어긋나게 적층될 수 있다. 이를 통해 상부에서 입사되는 광이 제2 태양전지(2000)에 의해 굴절되거나 방해하지 않은 상태로 제1 태양전지(1000)에 도달될 수 있으므로, 광전변환 효율을 최대화할 수 있다.
여기서, 제1 태양전지(1000)는 하부 셀(1100), 기능층(1200) 및 상부셀(1300)을 포함할 수 있다.
또한, 하부 셀(1100)은 하부 전극(1110), 반사층(1120), 하부 패시베이션층(1130), 하부 기능층(1140) 및 하부 흡수층(1150)을 포함할 수 있다.
또한, 상부셀(1300)은 상부 제1전하수송층(1310), 절연층(1320), 전극(1330), 상부 제2전하수송층(1340) 및 상부 흡수층(1360)을 포함할 수 있다.
또한, 제2 태양전지(2000)는 하부 셀(2100), 기능층(2200) 및 상부셀(2300)을 포함할 수 있다.
또한, 하부 셀(2100)은 하부 전극(2110), 반사층(2120), 하부 패시베이션층(2130), 하부 기능층(2140) 및 하부 흡수층(2150)을 포함할 수 있다.
또한, 상부셀(2300)은 상부 제1전하수송층(2310), 절연층(2320), 전극(2330), 상부 제2전하수송층(2340) 및 상부 흡수층(2360)을 포함할 수 있다.
한편, 제2 태양전지(2000)의 하부 전극(2110)은 제1 태양전지(1000)의 전극(1330)에 전기적 및 물리적으로 연결될 수 있다.
한편, 도시하지 않았지만, 전극(1330) 상에는 상부 전극(미도시)이 배치될 수 있고, 제2 태양전지(2000)의 하부 전극(2110)은 제1 태양전지(1000)의 상부 전극에 전기적 및 물리적으로 연결될 수 있다.
여기서, 제2 태양전지(2000)의 하부 전극(2110)은 제1 태양전지(1000)의 상부 제1전하수송층(1310), 상부 제2전하수송층(1340) 및 상부 흡수층(1360)과는 물리적으로 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 도시하지 않았지만 제2 태양전지(2000)에서 상부 전극(2340)이 제거되고, 전극(2330)에 전기적 및 물리적으로 연결된 제3 태양전지(미도시)가 배치될 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 하부 셀
200: 기능층
300: 상부셀
200: 기능층
300: 상부셀
Claims (13)
- 하부 셀;
상기 하부 셀 상에 배치된 기능층; 및
상기 기능층 상에 배치된 상부셀; 을 포함하고,
상기 상부셀은
상기 기능층 상면에 배치된 상부 제1전하수송층,
상부 제1전하수송층 상면에 배치된 절연층,
상기 절연층 상면에 배치된 전극,
상기 전극 상면에 배치된 상부 제2전하수송층,
상기 전극 상면에서 상기 상부 제2전하수송층과 이웃하게 배치된 상부 전극,
상기 상부 제1전하수송층 상에 배치되는 상부 흡수층, 및
상기 절연층, 전극, 상부 제2전하수송층을 관통하는 복수의 관통부를 포함하고,
상기 상부 흡수층의 하면 중 일부는 상기 관통부를 통해 상기 상부 제1전하수송층에 맞닿고, 상기 상부 흡수층의 하면 중 일부는 상기 상부 제2전하수송층의 상면에 맞닿는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 관통부는
상기 절연층에 배치된 복수의 제1관통홀;
복수의 상기 제1관통홀 각각에 연통되도록 상기 전극에 배치된 복수의 제2관통홀; 및
복수의 상기 제2관통홀 각각에 연통되도록 상기 상부 제2전하수송층에 배치된 복수의 제3관통홀을 포함하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 상부 전극은 상기 상부 흡수층 외부로 노출되는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 상부 전극은 상기 기능층 상에서 일측에 배치되고,
상기 상부 제2전하수송층 및 상부 흡수층은 상기 기능층 상에서 타측에 배치되는 태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 제1관통홀, 제2관통홀 및 제3관통홀 각각은 단면이 원 또는 다각형의 형상을 갖는 태양전지.
- 제 2항에 있어서,
동일 면에서 상기 상부 제2전하수송층의 면적 대비, 상기 제3관통홀의 면적은 0.33:1 내지 3:1 범위를 갖는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 하부 셀은
하부 전극,
상기 하부 전극 상면에 배치된 반사층,
상기 반사층 상면에 배치된 하부 패시베이션층,
상기 하부 패시베이션층 상면에 배치된 하부 기능층 및
상기 하부 기능층 상면에 배치된 하부 흡수층을 포함하는 태양전지.
- 제 7항에 있어서,
상기 하부 흡수층은 p형 반도체 또는 n형 반도체이고,
상기 기능층은 상기 하부 흡수층에 대응하여 n형 반도체 또는 p형 반도체인 태양전지.
- 제 8항에 있어서,
상기 하부 흡수층이 실리콘 반도체이고,
상기 기능층은 p-n 접합층이고,
상기 하부 기능층은 전계 형성층(BSF)인 태양전지.
- 제 7항에 있어서,
상기 상부 흡수층은 중파장 및 단파장을 흡수하여, 전자-정공 쌍을 생성하고,
상기 하부 흡수층은 중파장 및 장파장을 흡수하여, 전자-정공 쌍을 생성하고,
상기 중파장의 파장 대역은 500 nm ~ 900 nm 이고, 상기 장파장의 파장 대역은 700nm ~ 1,200nm인 태양전지.
- 제1 태양전지; 및
상기 제1 태양전지 상에 전기적으로 연결된 제2 태양전지; 를 포함하고,
상기 제1 태양전지 및 상기 제2 태양전지 각각은,
하부 셀,
상기 하부 셀 상에 배치된 기능층, 및
상기 기능층 상에 배치된 상부셀을 포함하고,
상기 상부셀은
상기 기능층 상면에 배치된 상부 제1전하수송층,
상부 제1전하수송층 상면에 배치된 절연층,
상기 절연층 상면에 배치된 전극,
상기 전극 상면에 배치된 상부 제2전하수송층,
상기 상부 제1전하수송층 상에 배치되는 상부 흡수층, 및
상기 절연층, 전극, 상부 제2전하수송층을 관통하는 복수의 관통부를 포함하고,
상기 상부 흡수층의 하면 중 일부는 상기 관통부를 통해 상기 상부 제1전하수송층에 맞닿고, 상기 상부 흡수층의 하면 중 일부는 상기 상부 제2전하수송층의 상면에 맞닿는 태양전지 모듈.
- 제 11항에 있어서,
상기 제2 태양전지의 상부셀은,
상기 전극 상면에서 상기 상부 제2전하수송층과 이웃하게 배치된 상부 전극을 더 포함하는 태양전지 모듈.
- 제 12항에 있어서,
상기 제1 태양전지의 상부셀의 상부 흡수층은 상기 제2 태양전지와 이격된 태양전지 모듈.
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