KR20110041634A - 이종 적층형 박막 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 무기계 물질로 이루어진 제1 광전변환부를 포함하는 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지와 직렬로 연결되며, 유기계 물질로 이루어진 제2 광전변환부를 포함하는 제2 태양전지; 및 상기 제1 태양전지 및 제2 태양전지에서 생성된 전자 또는 정공을 수집하기 위한 전극 쌍으로 작용하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하여 이루어진 이종 적층형 박막 태양전지, 및 그 제조방법에 관한 것으로서,
본 발명에 따른 이종 적층형 박막 태양전지는, 흡수하는 광 파장 대역이 서로 상이한 무기계 물질을 포함하는 제1 태양전지와 유기계 물질을 포함하는 제2 태양전지의 조합에 의해 전지효율이 증진되는 효과가 있고, 또한, 제2 태양전지를 유기계 물질을 이용함으로써 대기 중에서 인쇄법이나 코팅법을 적용하여 제2 태양전지를 형성할 수 있어 종래의 텐덤구조의 박막형 태양전지에 비하여 설비비가 절감되고 공정시간이 단축되는 효과가 있다.
박막 태양전지, 이종 적층

Description

이종 적층형 박막 태양전지 및 그 제조방법{Hybrid tandem type thin film Solar Cell and method of manufacturing the same}
본 발명은 박막형 태양전지(Thin film type Solar Cell)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수 개의 태양전지가 직렬로 연결되어 전지효율이 향상된 적층형 박막 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다.
태양전지의 구조 및 원리에 대해서 간단히 설명하면, 태양전지는 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 구조의 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공(+)는 P형 반도체쪽으로 이동하고 상기 전자(-)는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생하게 됨으로써 전력을 생산할 수 있게 되는 원리이다.
이와 같은 태양전지는 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있 다.
상기 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 상기 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체를 형성하여 태양전지를 제조한 것이다.
상기 기판형 태양전지는 상기 박막형 태양전지에 비하여 효율이 다소 우수하기는 하지만, 공정상 두께를 최소화하는데 한계가 있고 고가의 반도체 기판을 이용하기 때문에 제조비용이 상승되는 단점이 있다.
상기 박막형 태양전지는 상기 기판형 태양전지에 비하여 효율이 다소 떨어지기는 하지만, 얇은 두께로 제조가 가능하여 휘는 태양전지로도 제조가 가능하고, 저가의 재료를 이용할 수 있어 제조비용이 감소되는 장점이 있어 대량생산에 적합하다.
상기 박막형 태양전지는 기판 상에 전면전극을 형성하고, 상기 전면전극 위에 실리콘과 같은 반도체층을 형성하고, 상기 반도체층 위에 후면전극을 형성하여 제조된다. 이와 같은 박막형 태양전지는 전술한 바와 같이 효율 측면에서 기판형 태양전지보다 떨어지기 때문에, 효율 증진을 위해서 상기 반도체층을 2층으로 형성하여 두 개의 태양전지를 적층한 소위 탠덤(tandem)구조의 박막형 태양전지가 제안된 바 있다.
이와 같은 탠덤 구조의 박막형 태양전지는 반도체층을 2층으로 형성함으로써 태양전지의 효율이 증진되는 효과는 있지만 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 종래의 탠덤 구조의 박막형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체층을 2층 으로 형성하기 위해서 고가의 반도체 증착 장비가 추가로 필요하게 되고 그에 따라 대량생산시 설비투자비가 증가되는 단점이 있다.
둘째, 반도체 증착 공정은 상당히 장시간에 걸쳐 진행되기 때문에 이와 같은 반도체 증착 공정을 반복하여 수행할 경우 전체 공정시간이 증가되고, 또한 고품질의 반도체층을 얻기 위해서 최적화된 증착 공정 조건을 찾는 작업이 용이하지 않고 그를 위해서 장시간에 걸쳐 반복실험을 수행해야 하는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래의 박막형 태양전지의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 다양한 파장의 태양광을 흡수함으로써 전지효율을 증진시킴과 더불어 고가의 반도체 증착 장비의 사용을 최소화하고 공정시간을 단축하여 생산성 면에서 우수한 이종 적층형 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 무기계 물질로 이루어진 제1 광전변환부를 포함하는 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지와 직렬로 연결되며, 유기계 물질로 이루어진 제2 광전변환부를 포함하는 제2 태양전지; 및 상기 제1 태양전지 및 제2 태양전지에서 생성된 전자 또는 정공을 수집하기 위한 전극 쌍으로 작용하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하여 이루어진 이종 적층형 박막 태양전지를 제공한다.
이때, 투명 기판의 일면에 전면전극으로서 상기 제1 전극이 형성되고, 상기 제1 전극 위에 상기 제1 태양전지가 형성되고, 상기 제1 태양전지 위에 상기 제2 태양전지가 형성되고, 상기 제2 태양전지 위에 후면전극으로서 상기 제2 전극이 형성될 수 있다.
투명 기판의 일면에 전면전극으로서 상기 제1 전극이 형성되고, 상기 제1 전극 위에 상기 제2 태양전지가 형성되고, 상기 제2 태양전지 위에 상기 제1 태양전 지가 형성되고, 상기 제1 태양전지 위에 후면전극으로서 상기 제2 전극이 형성될 수 있다.
불투명 기판의 일면에 후면전극으로서 상기 제2 전극이 형성되고, 상기 제2 전극 위에 상기 제1 태양전지가 형성되고, 상기 제1 태양전지 위에 상기 제2 태양전지가 형성되고, 상기 제2 태양전지 위에 전면전극으로서 상기 제1 전극이 형성될 수 있다.
불투명 기판의 일면에 후면전극으로서 상기 제2 전극이 형성되고, 상기 제2 전극 위에 상기 제2 태양전지가 형성되고, 상기 제2 태양전지 위에 상기 제1 태양전지가 형성되고, 상기 제1 태양전지 위에 전면전극으로서 상기 제1 전극이 형성될 수 있다.
상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이에 중간 계면층이 추가로 형성될 수 있다.
상기 제1 태양전지는 상기 제2 태양전지와 마주하는 일면에 제1 투명도전층이 추가로 형성될 수 있다.
상기 제2 태양전지는 상기 제1 태양전지와 마주하는 일면에 제2 투명도전층이 추가로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극은 투명 전극층으로 이루어지고, 상기 제2 전극은 투명 전극층 및 불투명 전극층의 이층구조로 이루어질 수 있다.
상기 제1 광전변환부는 PIN구조의 비정질 실리콘 또는 미세결정질 실리콘을 포함하여 이루어지고, 상기 제2 광전변환부는 광전성 또는 전도성 유기계 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1 광전변환부에서 흡수하는 광파장 대역과 상기 제2 광전변환부에서 흡수하는 광파장 대역은 서로 상이할 수 있다.
유기계 물질로 이루어진 제3 광전변환부를 포함하는 제3 태양전지를 추가로 포함하여 이루어지며, 이때, 상기 제1 광전변환부에서 흡수하는 광파장 대역, 상기 제2 광전변환부에서 흡수하는 광파장 대역, 및 상기 제3 광전변환부에 흡수하는 광파장 대역은 서로 상이할 수 있다.
본 발명은 또한, 투명 기판 상에 전면전극으로서 제1 전극을 형성하는 공정; 상기 제1 전극 상에 무기계 물질로 이루어진 제1 광전변환부를 포함하는 제1 태양전지 및 상기 제1 태양전지와 직렬로 연결되며 유기계 물질로 이루어진 제2 광전변환부를 포함하는 제2 태양전지를 형성하는 공정; 및 상기 제1 태양전지 또는 제2 태양전지 상에 후면전극으로서 제2 전극을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 불투명 기판 상에 후면전극으로서 제2 전극을 형성하는 공정; 상기 제2 전극 상에 무기계 물질로 이루어진 제1 광전변환부를 포함하는 제1 태양전지 및 상기 제1 태양전지와 직렬로 연결되며 유기계 물질로 이루어진 제2 광전변환부를 포함하는 제2 태양전지를 형성하는 공정; 및 상기 제1 태양전지 또는 제2 태양전지 상에 전면전극으로서 제1 전극을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 제1 태양전지를 먼저 형성하고, 그 후 상기 제1 태양전지 상에 상기 제2 태양전지를 형성할 수 있다. 또는, 상기 제2 태양전지를 먼저 형성하고, 그 후 상기 제2 태양전지 상에 상기 제1 태양전지를 형성할 수 있다.
상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이에 중간 계면층을 형성하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1 태양전지를 형성하는 공정은 상기 제2 태양전지와 마주하는 일면에 제1 투명도전층을 형성하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제2 태양전지를 형성하는 공정은 상기 제1 태양전지와 마주하는 일면에 제2 투명도전층을 형성하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제2 전극을 형성하는 공정은 투명 전극층 및 불투명 전극층의 이층구조로 형성할 수 있다.
상기 제1 광전변환부는 비정질 실리콘 또는 미세결정질 실리콘을 PIN구조로형성하고, 상기 제2 광전변환부는 광전성 또는 전도성 유기계 물질을 인쇄법 또는 코팅법으로 형성할 수 있다.
상기 구성에 의한 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 이종 적층형 박막 태양전지는, 무기계 물질을 포함하는 제1 태양전지와 유기계 물질을 포함하는 제2 태양전지의 조합에 의해 전지의 광전변환효율이 증진되는 효과가 있다. 즉, 상기 제1 태양전지에서 흡수하는 광 파장 대역이 상기 제2 태양전지에서 흡수하는 광 파장 대역과 상이하도록 함으로써 태양전지가 보다 넓은 대역에서 태양광을 흡수할 수 있어 전지효율이 증진된다.
본 발명에 따른 이종 적층형 박막 태양전지는, 제2 태양전지를 유기계 물질을 이용함으로써 대기 중에서 인쇄법이나 코팅법을 적용하여 제2 태양전지를 형성할 수 있어 종래의 텐덤구조의 박막형 태양전지에 비하여 설비비가 절감되고 공정시간이 단축되는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조로 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
<이종 적층형 박막 태양전지>
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지는, 투명 기판(110), 전면전극(200), 제1 태양전지(300), 중간 계면층(400), 제2 태양전지(500), 및 후면전극(600)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 투명 기판(110)은 유리 또는 투명한 플라스틱 등의 투명한 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 투명 기판(110)을 통해 태양광이 태양전지 내부로 입사된다.
상기 전면전극(200)은 상기 투명 기판(110) 상에 형성되며, ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전물질로 이루어질 수 있다. 상기 전면전극(200)은 스퍼터링(Sputtering)법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 적층할 수 있다.
상기 전면전극(200)은 태양광이 입사되는 면이기 때문에 입사되는 태양광이 태양전지 내부로 최대한 흡수될 수 있도록 하는 것이 중요하며, 이를 위해서 텍스처(texturing) 가공공정을 통해 상기 전면전극(200)의 표면을 요철구조로 형성할 수 있다. 상기 텍스처 가공공정이란 물질 표면을 울퉁불퉁한 요철구조로 형성하여 마치 직물의 표면과 같은 형상으로 가공하는 공정으로서, 화학증기압증착법을 이용한 텍스처 성장법, 포토리소그라피법(photolithography)을 이용한 식각공정, 화학용액을 이용한 이방성 식각공정(anisotropic etching), 또는 기계적 스크라이빙(mechanical scribing)을 이용한 홈 형성 공정 등을 통해 수행할 수 있다. 이와 같이, 상기 전면전극(200)이 요철구조로 형성될 경우 입사되는 태양광이 태양전지 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되며, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지 내부로 태양광이 흡수되는 비율은 증가하게 되어, 태양전지의 효율이 증진되는 효과가 있다.
상기 제1 태양전지(300)은 제1 광전변환부(310) 및 제1 투명도전층(330)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1 광전변환부(310)는 상기 전면전극(200) 상에 형성되며, 무기계 물질로 이루어진다. 상기 제1 광전변환부(310)를 구성하는 무기계 물질로는 비정질 실리콘 또는 미세결정질 실리콘과 같은 실리콘계 반도체물질이 이용될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 광전변환부(310)는 상기 실리콘계 반도체물질로 이루어진 P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층이 순서대로 적층된 PIN구조로 이루어질 수 있다. 이와 같은 PIN구조의 제1 광전변환부(310)는 실리콘계 반도체 물질을 플라즈마 CVD법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 제1 투명도전층(330)은 상기 제1 광전변환부(310) 상에 형성되며, ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 제1 투명도전층(330)은 태양광을 다양하게 굴절 및 산란시켜 태양광의 흡수율을 증진시키는 기능을 하는 것으로서, 경우에 따라서 생략할 수 있다.
상기 중간 계면층(400)은 상기 제1 태양전지(300)와 상기 제2 태양전지(500) 사이 영역에 형성되어, 상기 제1 태양전지(300)와 상기 제2 태양전지(500) 사이의 계면특성을 향상시킴과 더불어 태양광의 흡수율을 증진시키는 역할을 하는 것이다.
상기 중간 계면층(400)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 무기계 투명전도막, 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV:poly-para-phenylene vinylene), 폴리스티렌설포네이트(polystyrenesulfonate), PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 등과 같은 유기계 전도성막, 또는 그들의 혼합막으로 이루어질 수 있다. 상기 중간 계면층(400)은 태양전지의 태양광 흡수율 증진을 위해서 요철구조로 형성될 수 있다. 상기 중간 계면층(400)은 생략이 가능하다.
상기 제2 태양전지(500)는 상기 중간 계면층(400) 상에 형성되거나 또는 상기 중간 계면층(400)이 생략된 경우에는 상기 제1 태양전지(300) 상에 형성된다.
상기 제2 태양전지(500)는 상기 제1 태양전지(300)와 직렬로 연결되며, 따라서 상기 제1 태양전지(300) 및 제2 태양전지(500)에서 생성된 정공 및 전자는 각각 상기 제1 전극(200) 및 제2 전극(600)으로 이동하여 수집된다.
상기 제2 태양전지(500)는 제2 광전변환부(510) 및 제2 투명도전층(530)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제2 투명도전층(530)은 상기 중간 계면층(400) 또는 상기 제1 태양전지(300) 상에 형성되며, ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 제2 투명도전층(530)은 상기 제1 투명도전층(330)과 마찬가지로 생략이 가능하다.
상기 제2 광전변환부(510)는 상기 제2 투명도전층(530) 상에 형성되며, 유기계 물질로 이루어진다. 상기 제2 광전변환부(510)를 구성하는 유기계 물질로는 전도성 또는 광전성 유기계 물질 등이 이용될 수 있다.
상기 제2 광전변환부(510)는 전자공여체(electron donor)와 전자수용체(electron acceptor)를 이용한 저분자 또는 고분자 유기계 물질로 이루어질 수 있다. 상기 전자공여체로는 히드라존 화합물, 피라졸린 화합물, 트리페닐메탄 화합물, 트리페닐아민 화합물, 테트라티오플루바렌, 테트라페닐테트라티오플라바렌, 폴 리(3-알킬티오펜), 폴리파라페닐렌비닐렌 유도체, 폴리플루오렌 유도체 등을 들 수 있고, 상기 전자수용체로는 InP, InAs, GaP, GaAs 등의 Ⅲ-V족 화합물 반도체 결정, CdSe, CdS, CdTe, ZnS 등의 II-VI족 화합물 반도체 결정, ZnO, SiO2, TiO2, Al2O3 등의 산화물 반도체 결정, CuInSe2, CuInS, 플라렌유도체 등으로 이루어지는 저분자 재료나 도전성 고분자 등을 들 수 있지만, 반드시 이들에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 광전변환부(510)는 대기 중에서 스크린인쇄법(screen printing), 잉크젯인쇄법(inkjet printing), 그라비아인쇄법(gravure printing) 또는 미세접촉인쇄법(microcontact printing) 등과 같은 인쇄법이나 코팅방법을 이용하여 형성될 수 있기 때문에 공정시간이 단축되고 설비비가 절감되는 효과가 있다. 다만, 진공 중에서 저분자 유기계 물질을 증착하여 형성할 수도 있다.
상기 후면전극(600)은 상기 제2 태양전지(500) 상에 형성되며, 투명 전극층(630) 및 불투명 전극층(610)의 이층구조로 이루어질 수 있다. 다만, 상기 후면전극(600)은 경우에 따라서 불투명 전극(610) 만으로 이루어질 수 있다.
상기 투명 전극층(630)은 상기 제2 태양전지(500) 상에 형성되며, ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 불투명 전극층(610)은 상기 투명 전극층(630) 상에 형성되며, Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg, Ag+Mn, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu, Ag+Al+Zn 등과 같은 금속물질을 스퍼터링(Sputtering)법 등을 이용하여 형성하거나 또는 상기 금속물질의 페이스트(Paste)를 스크린인쇄법(screen printing), 잉크젯인쇄법(inkjet printing), 그라비아인쇄법(gravure printing) 또는 미세접촉인쇄법(microcontact printing) 등과 같은 인쇄법을 이용하여 형성할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 이종 적층형 박막 태양전지는, 제1 태양전지(300)와 제2 태양전지(500)의 조합에 의해 전지효율이 증진될 수 있는데, 이를 위해서, 상기 제1 태양전지(300)에서 흡수하는 광 파장 대역이 상기 제2 태양전지(500)에서 흡수하는 광 파장 대역과 상이하도록 하는 것이 태양전지가 보다 넓은 대역에서 태양광을 흡수할 수 있어 바람직하다. 보다 구체적으로는, 상기 제1 태양전지(300)에서는 상대적으로 단파장의 광을 흡수하고, 상기 제2 태양전지(500)에서는 상대적으로 장파장의 광을 흡수하도록 상기 제1 광전변환부(310) 및 제2 광전변환부(510)를 형성하는 것이 바람직하다. 다만, 특수한 경우에 있어서, 상기 제1 광전변환부(310)와 상기 제2 광전변환부(510)가 비슷한 광파장대역을 사용할 수도 있고, 이 경우에도 각 태양전지가 직렬연결되어, 광전류는 그대로 유지하거나 작게 감소되더라도 전압이 증가되는 효과로 인해 광변환효율이 증대시킬 수도 있다.
상기 제1 광전변환부(310)는 비정질 실리콘 또는 미세결정질 실리콘으로 이루어질 수 있는데, 일반적으로 상기 비정질 실리콘의 경우 대략 300 내지 800nm 대역의 광을 흡수하고, 상기 미세결정질 실리콘의 경우 대략 500 내지 1200nm 대역의 광을 흡수한다. 또한, 상기 제2 광전변환부(510)는 광전성 또는 전도성 유기 고분 자로 이루어질 수 있는데, 물질에 따라 대략 400 내지 1200nm 대역의 광을 흡수하거나 또는 대략 900 내지 1700nm 대역의 광을 흡수할 수 있고, 경우에 따라 무기계의 광파장대역과 비슷한 대역을 흡수할 수도 있다.
따라서, 상기 제1 태양전지(300)의 제1 광전변환부(310)가 500 내지 1200nm 대역의 광을 흡수하는 미세결정질 실리콘으로 이루어진 경우에는 상기 제2 태양전지(500)의 제2 광전변환부(510)는 900 내지 1700nm 대역의 광을 흡수하는 물질로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 태양전지(300)의 제1 광전변환부(310)가 300 내지 800nm 대역의 광을 흡수하는 비정질 실리콘으로 이루어진 경우에는 상기 제2 태양전지(500)의 제2 광전변환부(510)는 400 내지 1200nm 대역의 광을 흡수하는 물질로 구성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 흡수하는 광파장 대역을 증진시키기 위해서, 900 내지 1700nm 대역의 광을 흡수하는 물질로 이루어진 제3 광전변환부를 포함하는 제3 태양전지를 추가로 구성할 수도 있다.
본 발명에 따른 이종 적층형 박막 태양전지는, 제1 태양전지(300)와 제2 태양전지(500)의 조합에 의해 전지효율이 증진됨과 더불어 제2 태양전지(500)를 유기계 물질을 이용함으로써 대기 중에서 인쇄법이나 코팅법을 적용하여 제2 태양전지(500)를 형성할 수 있어 설비비가 절감되고 공정시간이 단축되는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 단면도로서, 이는 제1 태양전지(300) 및 제2 태양전지(500)의 위치가 변경된 것을 제외하고, 전술한 제1 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지와 동일하다. 따라 서, 동일한 도면부호를 부여하였고, 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지에서는, 투명 기판(110) 상에 전면전극(200)이 형성되고, 상기 전면전극(200) 상에 제2 태양전지(500)가 형성되고, 상기 제2 태양전지(500) 상에 중간 계면층(400)이 형성되고, 상기 중간 계면층(400) 상에 제1 태양전지(300)가 형성되고, 상기 제1 태양전지(300) 상에 후면전극(600)이 형성될 수 있다.
상기 제2 태양전지(500)는 상기 전면전극(200) 상에 형성된 제2 광전변환부(510) 및 상기 제2 광전변환부(510) 상에 형성된 제2 투명도전층(530)을 포함하여 이루어질 수 있고, 상기 제1 태양전지(300)는 상기 중간 계면층(400) 또는 상기 중간 계면층(400)이 생략될 경우에는 상기 제2 태양전지(500) 상에 형성된 제1 투명도전층(330) 및 상기 제1 투명도전층(330) 상에 형성된 제1 광전변환부(310)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 제1 투명도전층(330) 및 제2 투명도전층(530)은 생략이 가능하다.
이와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지는, 전술한 제1 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지에 비하여, 수분이나 산소에 약한 제2 태양전지(500)의 보호효과가 증진되는 장점이 있다. 즉, 상기 제2 태양전지(500)에 포함되는 유기계 물질로 이루어진 제2 광전변환부(510)는 수분이나 산소에 약한 단점이 있는데, 도 2와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 제2 태양전지(500) 상부에 제1 태양전지(300)가 형성되기 때문에 상기 제1 태양전지(300)에 의해서 수분이나 산소가 상기 제2 태양전지(500) 내부로 침투하는 것이 방지되는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 단면도로서, 이는 불투명 기판(130)을 이용함으로써 태양광이 기판과 반대방향으로 입사되도록 설계된 점에서 전술한 제1 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지와 상이하다. 그 외에, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였고, 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지에서는, 불투명 기판(130) 상에 후면전극(600)이 형성되고, 상기 후면전극(600) 상에 제1 태양전지(300)가 형성되고, 상기 제1 태양전지(300) 상에 중간 계면층(400)이 형성되고, 상기 중간 계면층(400) 상에 제2 태양전지(500)가 형성되고, 상기 제2 태양전지(500) 상에 전면전극(200)이 형성될 수 있다.
상기 불투명 기판(130)은 스테인레스 스틸이나 불투명 플라스틱 기판 등을 이용할 수 있다. 이 경우, 휘어지는(flexible) 태양전지를 용이하게 구현할 수 있다.
상기 후면전극(600)은 상기 불투명 기판(130) 상에 형성된 불투명 전극층(610) 및 상기 불투명 전극층(610) 상에 형성된 투명 전극층(630)의 이층구조로 이루어질 수 있다.
상기 제1 태양전지(300)는 상기 후면전극(600) 상에 형성된 제1 광전변환부(310) 및 상기 제1 광전변환부(310) 상에 형성된 제1 투명도전층(330)을 포함하 여 이루어질 수 있고, 상기 제2 태양전지(500)는 상기 중간 계면층(400) 또는 상기 중간 계면층(400)이 생략될 경우에는 상기 제1 태양전지(300) 상에 형성된 제2 투명도전층(530) 및 상기 제2 투명도전층(530) 상에 형성된 제2 광전변환부(510)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 제1 투명도전층(330) 및 제2 투명도전층(530)은 생략이 가능하다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 단면도로서, 이는 제1 태양전지(300) 및 제2 태양전지(500)의 위치가 변경된 것을 제외하고, 전술한 제3 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지와 동일하다.
도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지에서는, 불투명 기판(130) 상에 후면전극(600)이 형성되고, 상기 후면전극(600) 상에 제2 태양전지(500)가 형성되고, 상기 제2 태양전지(500) 상에 중간 계면층(400)이 형성되고, 상기 중간 계면층(400) 상에 제1 태양전지(300)가 형성되고, 상기 제1 태양전지(300) 상에 전면전극(200)이 형성될 수 있다.
상기 제2 태양전지(500)는 상기 후면전극(600) 상에 형성된 제2 광전변환부(510) 및 상기 제2 광전변환부(510) 상에 형성된 제2 투명도전층(530)을 포함하여 이루어질 수 있고, 상기 제1 태양전지(300)는 상기 중간 계면층(400) 또는 상기 중간 계면층(400)이 생략될 경우에는 상기 제2 태양전지(500) 상에 형성된 제1 투명도전층(330) 및 상기 제1 투명도전층(330) 상에 형성된 제1 광전변환부(310)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 제1 투명도전층(330) 및 제2 투명도전층(530)은 생략이 가능하다.
이와 같은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지는, 전술한 제2 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지와 유사하게, 수분이나 산소에 약한 제2 태양전지(500)의 보호효과가 증진되는 장점이 있다.
<이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법>
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 제조공정도로서, 이는 전술한 도 1에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 제조공정에 관한 것이다.
우선, 도 5a에서 알 수 있듯이, 투명 기판(110) 상에 전면전극(200)을 형성한다.
상기 투명 기판(110)은 유리 또는 투명한 플라스틱을 이용할 수 있다.
상기 전면전극(200)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 전면전극(200)은 텍스처 가공공정을 통해 그 표면을 요철구조로 형성할 수 있다.
다음, 도 5b에서 알 수 있듯이, 상기 전면전극(200) 상에 제1 태양전지(300)를 형성한다.
상기 제1 태양전지(300) 형성공정은 상기 전면전극(200) 상에 제1 광전변환부(310)를 형성하는 공정 및 상기 제1 광전변환부(310) 상에 제1 투명도전층(330)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제1 광전변환부(310)를 형성하는 공정은 플라즈마 CVD법을 이용하여 비정질 실리콘 또는 미세결정질 실리콘과 같은 실리콘계 반도체물질로 이루어진 PIN구조의 반도체층을 형성하는 공정으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 투명도전층(330)을 형성하는 공정은 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 투명한 도전물질을 적층하는 공정으로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 투명도전층(330)은 생략할 수 있다.
다음, 도 5c에서 알 수 있듯이, 상기 제1 태양전지(300) 상에 중간 계면층(400)을 형성한다.
상기 중간 계면층(400)을 형성하는 공정은 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 무기계 투명전도막을 적층하는 공정으로 이루어질 수도 있고, 인쇄법 또는 코팅법을 이용하여 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV:poly-para-phenylene vinylene), 폴리스티렌설포네이트(polystyrenesulfonate), PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 등과 같은 유기계 전도성막을 적층하는 공정으로 이루어질 수도 있다. 경우에 따라서, 무기계 투명전도막 및 유기계 전도성막을 이중으로 적층할 수도 있다.
상기 중간 계면층(400)은 텍스처 가공공정을 통해 그 표면을 요철구조로 형성할 수도 있다. 상기 중간 계면층(400)은 생략이 가능하다.
다음, 도 5d에서 알 수 있듯이, 상기 중간 계면층(400) 상에 제2 태양전지(500)를 형성한다.
상기 제2 태양전지(500)를 형성하는 공정은 상기 중간 계면층(400) 상에 제2 투명도전층(530)을 형성하는 공정 및 상기 투명도전층(530) 상에 제2 광전변환부(510)를 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제2 투명도전층(530)을 형성하는 공정은 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 투명한 도전물질을 적층하는 공정으로 이루어질 수 있다. 상기 제2 투명도전층(530)은 생략이 가능하다.
상기 제2 광전변환부(510)를 형성하는 공정은 전도성 또는 광전성 유기계 물질과 같은 유기계 물질을 스크린인쇄법(screen printing), 잉크젯인쇄법(inkjet printing), 그라비아인쇄법(gravure printing) 또는 미세접촉인쇄법(microcontact printing) 등과 같은 인쇄법이나, 슬릿코팅, 스핀코팅과 같은 코팅방법을 이용하여 적층하는 공정으로 이루어질 수 있다. 다만, 경우에 따라서는 진공증착법으로도 형성할 수 있다. 상기 유기계 물질의 구체적인 예는 전술한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
다음, 도 5e에서 알 수 있듯이, 상기 제2 태양전지(500) 상에 후면전극(600)을 형성한다.
상기 후면전극(600)을 형성하는 공정은, 상기 제2 태양전지(500) 상에 투명 전극층(630)을 형성하는 공정 및 상기 투명전극층(630) 상에 불투명 전극층(610)을 형성하는 공정으로 이루어질 수 있다. 다만, 상기 후면전극(600)은 상기 불투명 전극(610) 만으로 이루어질 수 있다.
상기 투명 전극층(630)을 형성하는 공정은 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 투명한 도전물질을 적층하는 공정으로 이루어질 수 있다.
상기 불투명 전극층(610)을 형성하는 공정은 스퍼터링(Sputtering)법 등을 이용하여 Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg, Ag+Mn, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu, Ag+Al+Zn 등과 같은 금속물질을 적층하는 공정으로 이루어질 수도 있고, 상기 금속물질의 페이스트(Paste)를 스크린인쇄법(screen printing), 잉크젯인쇄법(inkjet printing), 그라비아인쇄법(gravure printing) 또는 미세접촉인쇄법(microcontact printing) 등과 같은 인쇄법을 이용하여 적층하는 공정으로 이루어질 수도 있다.
한편, 도 5b 공정에서 제1 태양전지(300) 대신에 제2 태양전지(500)를 형성하고, 도 5d공정에서 제2 태양전지(500) 대신에 제1 태양전지(300)를 형성함으로써, 전술한 도 2에 따른 이종 적층형 박막 태양전지를 제조할 수도 있다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 제조공정도로서, 이는 전술한 도 3에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 제조공정에 관한 것이다. 전술한 실시예와 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하 기로 한다.
우선, 도 6a에서 알 수 있듯이, 불투명 기판(130) 상에 후면전극(600)을 형성한다.
상기 후면전극(600)을 형성하는 공정은, 상기 불투명 기판(130) 상에 불투명 전극층(610)을 형성하는 공정 및 상기 불투명 전극층(610) 상에 투명 전극층(630)을 형성하는 공정으로 이루어질 수도 있고, 상기 불투명 전극층(610)을 형성하는 공정만으로 이루어질 수 있다.
상기 불투명 기판(130)은 스테인레스 스틸이나 불투명 플라스틱 기판 등을 이용할 수 있다.
다음, 도 6b에서 알 수 있듯이, 상기 후면전극(600) 상에 제1 태양전지(300)를 형성한다.
상기 제1 태양전지(300) 형성공정은 상기 후면전극(600) 상에 제1 광전변환부(310)를 형성하는 공정 및 상기 제1 광전변환부(310) 상에 제1 투명도전층(330)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
다음, 도 6c에서 알 수 있듯이, 상기 제1 태양전지(300) 상에 중간 계면층(400)을 형성한다.
다음, 도 6d에서 알 수 있듯이, 상기 중간 계면층(400) 상에 제2 태양전지(500)를 형성한다.
상기 제2 태양전지(500)를 형성하는 공정은 상기 중간 계면층(400) 상에 제2 투명도전층(530)을 형성하는 공정 및 상기 투명도전층(530) 상에 제2 광전변환 부(510)를 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
다음, 도 6e에서 알 수 있듯이, 상기 제2 태양전지(500) 상에 전면전극(200)을 형성한다.
한편, 도 6b 공정에서 제1 태양전지(300) 대신에 제2 태양전지(500)를 형성하고, 도 6d공정에서 제2 태양전지(500) 대신에 제1 태양전지(300)를 형성함으로써, 전술한 도 4에 따른 이종 적층형 박막 태양전지를 제조할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 단면도.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 공정 단면도.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종 적층형 박막 태양전지의 개략적인 공정 단면도.
<도면의 주요부의 부호에 대한 설명>
110: 투명 기판 130: 불투명 기판
200: 전면전극 300: 제1 태양전지
400: 중간 계면층 500: 제2 태양전지
600: 후면전극

Claims (20)

  1. 무기계 물질로 이루어진 제1 광전변환부를 포함하는 제1 태양전지;
    상기 제1 태양전지와 직렬로 연결되며, 유기계 물질로 이루어진 제2 광전변환부를 포함하는 제2 태양전지; 및
    상기 제1 태양전지 및 제2 태양전지에서 생성된 전자 또는 정공을 수집하기 위한 전극 쌍으로 작용하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하여 이루어진 이종 적층형 박막 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    투명 기판의 일면에 전면전극으로서 상기 제1 전극이 형성되고, 상기 제1 전극 위에 상기 제1 태양전지가 형성되고, 상기 제1 태양전지 위에 상기 제2 태양전지가 형성되고, 상기 제2 태양전지 위에 후면전극으로서 상기 제2 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    투명 기판의 일면에 전면전극으로서 상기 제1 전극이 형성되고, 상기 제1 전극 위에 상기 제2 태양전지가 형성되고, 상기 제2 태양전지 위에 상기 제1 태양전지가 형성되고, 상기 제1 태양전지 위에 후면전극으로서 상기 제2 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    불투명 기판의 일면에 후면전극으로서 상기 제2 전극이 형성되고, 상기 제2 전극 위에 상기 제1 태양전지가 형성되고, 상기 제1 태양전지 위에 상기 제2 태양전지가 형성되고, 상기 제2 태양전지 위에 전면전극으로서 상기 제1 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    불투명 기판의 일면에 후면전극으로서 상기 제2 전극이 형성되고, 상기 제2 전극 위에 상기 제2 태양전지가 형성되고, 상기 제2 태양전지 위에 상기 제1 태양전지가 형성되고, 상기 제1 태양전지 위에 전면전극으로서 상기 제1 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이에, 중간 계면층이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 태양전지는, 상기 제2 태양전지와 마주하는 일면에 제1 투명도전층이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 태양전지는, 상기 제1 태양전지와 마주하는 일면에 제2 투명도전층이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 투명 전극층으로 이루어지고, 상기 제2 전극은 투명 전극층 및 불투명 전극층의 이층구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전변환부는 PIN구조의 비정질 실리콘 또는 미세결정질 실리콘을 포함하여 이루어지고, 상기 제2 광전변환부는 광전성 또는 전도성 유기계 물질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전변환부에서 흡수하는 광파장 대역과 상기 제2 광전변환부에서 흡수하는 광파장 대역은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  12. 제1항에 있어서,
    유기계 물질로 이루어진 제3 광전변환부를 포함하는 제3 태양전지를 추가로 포함하여 이루어지며, 이때, 상기 제1 광전변환부에서 흡수하는 광파장 대역, 상기 제2 광전변환부에서 흡수하는 광파장 대역, 및 상기 제3 광전변환부에 흡수하는 광파장 대역은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지.
  13. 투명 기판 상에 전면전극으로서 제1 전극을 형성하는 공정;
    상기 제1 전극 상에 무기계 물질로 이루어진 제1 광전변환부를 포함하는 제1 태양전지 및 상기 제1 태양전지와 직렬로 연결되며 유기계 물질로 이루어진 제2 광전변환부를 포함하는 제2 태양전지를 형성하는 공정; 및
    상기 제1 태양전지 또는 제2 태양전지 상에 후면전극으로서 제2 전극을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법.
  14. 불투명 기판 상에 후면전극으로서 제2 전극을 형성하는 공정;
    상기 제2 전극 상에 무기계 물질로 이루어진 제1 광전변환부를 포함하는 제1 태양전지 및 상기 제1 태양전지와 직렬로 연결되며 유기계 물질로 이루어진 제2 광전변환부를 포함하는 제2 태양전지를 형성하는 공정; 및
    상기 제1 태양전지 또는 제2 태양전지 상에 전면전극으로서 제1 전극을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제1 태양전지를 먼저 형성하고 그 후 상기 제1 태양전지 상에 상기 제2 태양전지를 형성하거나, 또는, 상기 제2 태양전지를 먼저 형성하고 그 후 상기 제2 태양전지 상에 상기 제1 태양전지를 형성하는 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이에, 중간 계면층을 형성하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제1 태양전지를 형성하는 공정은, 상기 제2 태양전지와 마주하는 일면에 제1 투명도전층을 형성하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법.
  18. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제2 태양전지를 형성하는 공정은, 상기 제1 태양전지와 마주하는 일면에 제2 투명도전층을 형성하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법.
  19. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제2 전극을 형성하는 공정은 투명 전극층 및 불투명 전극층의 이층구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법.
  20. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제1 광전변환부는 비정질 실리콘 또는 미세결정질 실리콘을 PIN구조로형성하고, 상기 제2 광전변환부는 광전성 또는 전도성 유기계 물질을 인쇄법 또는 코팅법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이종 적층형 박막 태양전지의 제조방법.
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