KR20180026454A - 다접합형 광기전 디바이스 - Google Patents

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Abstract

제 2 서브-셀 상에 배치된 제 1 서브-셀을 포함하는 다접합형 광기전 디바이스가 제공되며, 제 1 서브-셀은 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는 광활성 영역을 포함하고, 제 2 서브-셀은 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함한다.

Description

다접합형 광기전 디바이스
본 발명은 단접합형 구조에서 최하부 실리콘 서브-셀의 효율을 초과하여 전력 변환 효율에서 순 이득을 생성하는, 일체(monolith)로 집적된 페로브스카이트-온-실리콘 다접합형 광기전 디바이스에 관한 것이다.
과거 40 년 동안 화석 연료를 보다 안전한 지속가능한 에너지원으로 대체하기 위한 필요성에 대한 인식이 점점 증가하였다. 또한 새로운 에너지 공급은 환경적 영향이 낮아야 하고, 효율이 높아야 하고, 사용이 쉬워야 하고, 생산 비용이 효율적이어야 한다. 이를 위해, 태양 에너지는 가장 유망한 기술 중 하나로 보여지지만, 높은 재료 비용을 포함하여 태양 에너지를 포획하는 디바이스를 제조하는 높은 비용은 역사적으로 태양 에너지의 광범위한 사용을 방해해 왔다.
모든 고체는 광범위한 전기적 특성을 결정하는 자기 자신의 특징적 에너지-밴드 구조를 갖는다. 전자는 하나의 에너지 밴드로부터 다른 에너지 밴드로 전이할 수 있으나, 각각의 전이는 특유의 최소 에너지를 필요로 하고, 필요한 에너지의 양은 재료마다 다르다. 전자는 포논(열) 또는 광자(광)를 흡수함으로써 전이를 위해 필요한 에너지를 얻는다. 용어 "밴드 갭"은 전자 상태가 존재할 수 없는 고체 내의 에너지 차이 범위를 의미하며, 일반적으로 가전자 밴드의 최상부와 전도 밴드의 최하부 사이의 에너지(전자 볼트) 차이를 의미한다. 정상 태양광 조건 하에서 태양 전지와 같은 광기전 디바이스에서 사용되는 재료의 효율은 해당 재료에 대한 밴드 갭의 함수이다. 밴드 갭이 지나치게 높으면, 대부분의 일광 광자는 흡수될 수 없고, 이것이 지나치게 낮으면 대부분의 광자는 밴드 갭을 가로질러 전자를 여기시키는데 필요한 것보다 훨씬 많은 에너지를 가지며, 나머지는 낭비될 것이다. 쇼클리-퀘이저 한계는 입사광의 광자 당 추출될 수 있는 전기 에너지의 이론적 최대량을 의미하며, 약 1.34eV이다. 광기전 디바이스에 관한 최근의 많은 연구의 초점은 이러한 최대값에 가능한 근접하는 밴드 갭을 갖는 재료에 대한 탐구였다.
상당한 관심을 끌었던 광기전 재료의 하나의 부류는 페로브스카이트이다. 이러한 유형의 재료는 유리한 밴드 갭, 높은 흡수 계수 및 긴 확산 길이를 보이는 것으로 밝혀진 ABX3결정 구조를 형성하여 이러한 화합물을 광기전 디바이스에서 이상적인 흡수재가 되게 한다. 광기전 용도에서 페로브스카이트 재료의 사용의 초기의 예는 Kojima, A. 등(2009. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the American Chemical Society, 131(17), pp.6050-1)에 의해 보고되었는데, 여기서는 하이브리드 유기-무기 금속 할로겐화물 페로브스카이트가 액체 전해질 기반의 광전기화학 전지에서 감광제로서 사용되었다. Kojima 등은 3.8%의 최고의 태양 에너지 전환 효율(또는 전력 에너지 전환 효율, PCE)을 얻었음을 보고하였으나, 이 시스템에서는 페로브스카이트 흡수재가 급속하게 감쇄되고, 전지는 불과 10 분만에 성능이 떨어졌다.
후속하여, Lee, M.M. 등(2012. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured organometal halide perovskites. Science (New York, N.Y.), 338(6107), pp.643-7)은 액체 전해질을 고체 상태 정공 전도체(또는 정공-수송 재료, HTM)인 spiro-MeOTAD로 대체한 "메조-수퍼스트럭처의 태양전지"를 보고하였다. Lee 등은 달성된 전환 효율의 상당한 증가를 보고하면서 액체 용매의 사 용을 피한 결과 전지 안정성이 크게 개선되었다고 보고하였다. 기술된 예에서, CH3NH3PbI3페로브스카이트 나노입자는 광기전 전지 내에서 감광제의 역할을 하고, 메조스코픽 TiO2스캐폴드(scaffold) 내에 전자를, 그리고 고체 상태 HTM 내에 정공을 주입한다. TiO2및 HTM의 둘 모두는 선택적 콘택(contact)의 역할을 하며, 이를 통해 페로브스카이트 나노입자의 광여기에 의해 생성된 전하 캐리어가 추출된다.
WO2013/171517에 기재된 추가의 연구는 단일-음이온 페로브스카이트 대신 광기전 디바이스에서 감광제/흡수재로서 혼합된 음이온 페로브스카이트를 사용하여 보다 안정하고 고효율의 광기전 디바이스를 얻을 수 있는 방법을 개시하였다. 특히, 이 문헌은 디바이스가 이 디바이스 제조 프로세스 중에 무시가능한 컬러 표백을 나타내는 한편 10%를 초과하는 완전한 태양 전력 전환 효율을 나타낸다는 것을 발견함으로써 혼합된 음이온 페로브스카이트의 우수한 안정성이 강조된다고 개시하고 있다. 이에 비해, 등가의 단일-음이온 페로브스카이트는 비교적 불안정하고, 주변 조건에서 단일 할로겐화물 페로브스카이트로부터 막을 제조할 때 표백이 급속하게 발생한다.
더 최근에는, WO2014/045021은 n형(전자 수송) 층과 p형(정공 수송) 층 사이에 배치된 광활성 페로브스카이트 흡수재의 박막을 포함하는 평면의 헤테로접합형(PHJ) 광기전 디바이스를 기술하였다. 뜻밖에도, 메조다공질 복합재의 요건과는 반대로 광활성 페로브스카이트의 컴팩트한(즉 효과적/개방된 공극 없는) 박막을 사용함으로써 우수한 디바이스 효율이 얻어질 수 있다는 것이 밝혀졌으며, 페로브스카이트 흡수재가 단순화된 디바이스 아키텍처에서 높은 효율로 기능할 수 있음을 보여주었다.
최근 광기전 디바이스에서 페로브스카이트의 응용에 관한 연구의 일부는 탠덤/다접합형 배열로 페로브스카이트 기반의 전지와 결합함으로써 종래의 실리콘 기반 태양 전지의 성능을 향상시키기 위해 이들 재료의 잠재력에 중점을 두어왔다. 이와 관련하여, 다접합형 광기전 디바이스는 상호 적측된, 그리고 더 많은 태양 스펙트럼을 전기로 전환하여 디바이스의 전체적인 효율을 증가시키는 다수의 별개의 서브-셀(즉, 각각 자신의 광활성 영역을 갖는)을 포함한다. 그렇게 하기 위해, 각각의 서브-셀의 각각의 광활성 영역은 광활성 영역의 밴드 갭이 태양 스펙트럼의 특정 세그먼트로부터 광자를 효율적으로 흡수하도록 보장하도록 선택된다. 이것은 종래의 단접합형 광기전 디바이스에 비해 2 가지 중요한 장점을 갖는다. 첫째 다중 서브-셀/광활성 영역과 상이한 밴드 갭의 조합은 더 넓은 범위의 입사 광자가 다접합형 디바이스에 의해 흡수될 수 있도록 보장하고, 둘째 각각의 서브-셀/광활성 영역은 스펙트럼의 관련 부분 내의 광자로부터 에너지 추출에 더 효과적이다. 특히, 다접합형 광기전 디바이스의 최저 밴드 갭은 전형적인 단접합형 디바이스의 것보다 낮을 것이므로 다접합형 디바이스는 단접합형 디바이스에 의해 흡수될 수 있는 것보다 작은 에너지를 갖는 광자를 흡수할 수 있다. 더욱이, 다접합형 디바이스와 단접합형 디바이스의 둘 모두에 의해 흡수되는 광자의 경우, 다접합형 디바이스는 광자 에너지에 더 근접한 밴드 갭이 열 손실을 감소시키므로 이들 광자를 더 효율적으로 흡수할 것이다.
다접합형 디바이스에서, 스택 내에서 최상부 서브-셀/광활성 영역은 최고 밴드 갭을 가지며, 하부의 서브-셀/광활성 영역의 밴드 갭은 디바이스의 최하부를 향하여 감소된다. 이러한 구성은 최상부 서브-셀/광활성 영역이 더 적은 에너지를 갖는 광자의 투과를 허용하면서 최고 에너지 광자를 흡수하므로 광자 에너지 추출을 최대화한다. 그러면 각각의 후속의 서브-셀/광활성 영역은 그 밴드 갭에 최근접한 광자로부터 에너지를 추출함으로써 열화 손실을 최소화한다. 최하부 서브-셀/광활성 영역은 그 밴드 갭을 초과하는 에너지를 갖는 나머지 모든 광자를 흡수한다. 따라서, 다접합형 전지의 설계 시, 태양 스펙트럼의 수확을 최적화하기 위해 올바른 밴드갭을 갖는 광활성 영역을 갖는 서브-셀을 선택하는 것이 중요하다. 이와 관련하여, 2 개의 서브-셀/광활성 영역, 최상부 서브-셀/광활성 영역 및 최하부 서브-셀/광활성 영역을 포함하는 탠덤 광기전 디바이스의 경우, 최하부 서브-셀/광활성 영역은 이상적으로 약 1.1 eV의 밴드 갭을 가져야 하고, 최상부 서브-셀/광활성 영역은 이상적으로 약 1.7eV의 밴드 갭을 가져야 한다(Coutts, T.J., Emery, K. a. & Scott Ward, J., 2002. Modeled performance of polycrystalline thin-film tandem solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 10(3), pp.195203).
결과적으로, 유기금속 할로겐화물 페로브스카이트의 할로겐화물 조성을 변화시킴으로써 약 1.5eV 내지 2eV 초과까지 이들 페로브스카이트 재료의 밴드 갭을 조절할 수 있는 경우에 탠덤 광기전 디바이스에서 사용하기 위한 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트 태양 전지의 개발에 관심이 있어왔다(Noh, J.H. et al., 2013. Chemical Management for Colourful, Efficient, and Stable Inorganic-Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells. Nano letters, 2, pp.2831). 특히, 할로겐화물 조성을 변화시킴으로써 유기금속 할로겐화물 페로브스카이트의 밴드 갭을 약 1.7eV까지 조절하는 것이 가능하고, 이는 약 1.12eV의 밴드 갭을 갖는 결정질 실리콘 최하부 서브-셀과의 조합되었을 때 탠덤 구조의 최상부 서브-셀로서 사용하기에 이상적이다.
이와 관련하여, Schneider, B.W. 등(Schneider, B.W. et al., 2014. Pyramidal surface textures for light trapping and antireflection in perovskite-on-silicon tandem solar cells. Optics Express, 22(S6), p.A1422)은 모델링된 전지가 4 단자의 기계적 적층 구조를 갖는 페로브스카이트-온-실리콘 탠덤 전지의 모델링에 관하여 보고하였다. Loeper, P. 등(Loeper, P. et al., 2015. Organic-inorganic halide perovskite/crystalline silicon four-terminal tandem solar cells. Physical chemistry chemical physics: PCCP, 17, p.1619)은 결정질 실리콘 헤테로접합형 최하부 서브-셀 상에 기계적으로 적층된 메틸 암모늄 납 삼요드화물(CH3NH3PbI3)(즉, 유기금속 할로겐화물 페로브스카이트) 최상부 서브-셀로 이루어지는 4 단자의 탠덤 태양 전지의 구현형태에 관하여 보고하였다. 유사하게, Bailie, C. 등(Bailie, C. et al., 2015. Semi-transparent perovskite solar cells for tandems with silicon and CIGS. Energy Environ. Sci., pp.128)은 구리 인듐 갈륨 이셀렌화물(CIGS) 또는 저품위 다결정질 실리콘 최하부 서브-셀 상의 메틸 암모늄 납 삼요드화물(CH3NH3PbI3)최상부 서브-셀로 이루어지는 기계적 적층형 탠덤 태양에 관하여 보고하였다. Filipic, M. 등(Filipic, M. et al., 2015. CH3NH3PbI3perovskite/silicontandemsolarcells:characterizationbasedopticalsimulations.OpticsExpress,23(7),pp.480484)은 메틸 암모늄 납 삼요드화물(CH3NH3PbI3)최상부 서브-셀 및 결정질 실리콘 최하부 서브-셀로 이루어지는 기계적 적층형(4 단자) 및 일체형으로 집적된 (2 단자) 탠덤 디바이스의 둘 모두의 시뮬레이션에 관하여 보고하였다. 다음에 Mailoa, J.P. 등(Mailoa, J.P. et al., 2015. A 2-terminal perovskite/silicon multi-junction solar cell enabled by a silicon tunnel junction. Applied Physics Letters, 106(12), p.121105)은 메틸 암모늄 납 삼요드화물(CH3NH3PbI3)최상부 서브-셀 및 결정질 실리콘 최하부 서브-셀로 이루어지는 일체형 탠덤 태양 전지의 제조에 관하여 보고하였다..
기계적 적층형 다접합형 광기전 디바이스에서 개별 서브-셀은 서로 중합하여 적층되고, 각각은 자신의 별개의 전기 콘택을 구비하므로 개별 서브-셀은 병렬로 접속되고, 전류 매칭이 불필요하다. 이것은 개별 서브-셀이 단일의 단자 쌍 사이에서 전기적으로 직렬로 접속되어, 인접하는 서브-셀들 사이에서 재결합 층 또는 터널 접합 및 전류 매칭을 필요로 하는 일체형으로 집적된 다접합형 광기전 디바이스와 대비된다. 기계적 적층형 다접합형 광기전 디바이스는 서브-셀들 사이에 전류 매칭을 필요로 하지 않지만, 추가의 콘택과 기판의 추가의 크기와 비용, 및 보다 낮은 실제 효율 한계는 기계적 적층형 구조를 일체형으로 집적된 구조보다 덜 유리하게 만든다.
지금까지 일체로 집적된 페로브스카이트-온-실리콘 다접합형 광기전 디바이스의 유일한 실시례는 단접합형 구조의 최하부 실리콘 서브-셀의 효율에 비교했을 때 전력 변환 효율의 순 손실을 생성하였다. 이와 관련하여, Mailoa, J.P. 등은 2 단자 페로브스카이트-온-실리콘 다접합형 광기전 디바이스를 보고하였으며, 여기서 단접합형 실리콘 셀의 효율은 13.8%이고, 2 단자 다접합형 디바이스에 대해 보고된 최대 효율은 13.7%이다.
본 발명자들은 단접합형 구조에서 최하부 실리콘 서브-셀의 효율을 초과하여 전력 변환 효율에서 순 이득을 생성하는 일체로 집적된 페로브스카이트-온-실리콘 다접합형 광기전 디바이스를 개발하였다.
제 1 양태에 따른 다접합형 광기전 디바이스는,
제 2 서브-셀 상에 배치된 제 1 서브-셀을 포함하며,
상기 제 1 서브-셀은 하나 이상의 n형 층을 포함하는 n형 영역, 하나 이상의 p형 층을 포함하는 p형 영역, 및 상기 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치되는, 그리고 상기 n형 영역 및 p형 영역 중 하나 또는 둘 모두와 평면의 헤테로접합을 형성하는, 개방된 공극을 갖지 않는, 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는 광활성 영역을 포함하고,
상기 페로브스카이트 재료는 일반 화학식 (IA)를 갖고,
AxA'1 - xB(XyX'1-y)3 (IA)
여기서 A는 포름아미디늄 양이온(FA)이고, A'는 세슘 양이온(Cs+)이고, B는 Pb2 +이고, X는 요드화물이고, X'는 브로민화물이고, 0 < x ≤ 1이고, 0 < y ≤ 1이고,
상기 제 2 서브-셀은 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함한다.
제 1 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 500 nm 미만의 거칠기 평균(Ra)을 갖는 표면 프로파일로 텍스처링될 수 있다.
제 1 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 바람직하게는 50 내지 450 nm의 거칠기 평균(Ra)을 갖는다. 바람직한 실시형태에서, 제 1 서브-셀에 인접하는 2 서브-셀의 표면은 100 내지 400 nm의 거칠기 평균(Ra)을 가지며, 더 바람직하게는 200 nm 내지 400 nm의 거칠기 평균(Ra)을 갖는다.
제 1 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 50 nm 이하의 평균제곱근 거칠기(Rrms)를 가질 수 있다. 제 1 서브-셀에 인접하는 2 서브-셀의 표면은 100 nm 내지 400 nm, 바람직하게는 약 250 nm의 피크-투-피크(peak-to-peak) 거칠기(Rt)를 가질 수 있다. 제 1 서브-셀에 인접하는 2 서브-셀의 표면은 10 μm 내지 50 μm, 바람직하게는 약 25 μm의 피크 간 평균 간격(Sm)을 가질 수 있다.
선택적으로, 제 1 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 기복하는 프로파일을 갖는다.
바람직하게 페로브스카이트 재료의 층은 제 2 서브-셀의 인접 표면과 공형인 표면 상에 실질적으로 연속적이고 공형인 층으로서 배치된다.
본 디바이스는 제 1 서브-셀과 제 2 서브-셀 사이에 배치되어 이들을 연결하는 중간 영역을 더 포함할 수 있고, 이 중간 영역은 하나 이상의 상호접속층을 포함한다. 바람직하게 하나 이상의 상호접속층의 각각은 투명한 전도체 재료를 포함한다. 바람직하게 하나 이상의 상호접속층의 각각은 근적외선 및 적외선에 대해 90% 이상의 평균 투과율 및 200 옴/스퀘어(Ω/sq) 이하의 시트 저항(Rs)을 갖는다. 중간 영역은 인듐 주석 산화물(ITO)로 이루어지는 상호접속층을 포함할 수 있고, 바람직하게는 ITO의 층은 10 nm 내지 60nm의 두께를 갖는다.
제 1 서브-셀의 광활성 영역은 개방된 공극을 갖지 않는 페로브스카이트 재료의 층을 포함할 수 있다. 제 1 서브-셀의 광활성 영역은 하나 이상의 n형 층을 포함하는 n형 영역 및 하나 이상의 p형 층을 포함하는 p형 영역을 더 포함할 수 있고, 여기서 페로브스카이트 재료의 층은 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된다. 페로브스카이트 재료의 층은 n형 영역 및 p형 영역의 하나 또는 둘 모두를 갖는 평면의 헤테로접합을 형성할 수 있다.
n형 영역은 무기 n형 재료를 포함하는 n형 층을 포함할 수 있다. 무기 n형 재료는 타이타늄, 주석, 아연, 니오븀, 탄탈럼, 텅스텐, 인듐, 갈륨, 네오디뮴, 팔라듐, 카드뮴의 산화물, 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 산화물; 카드뮴, 주석, 구리, 아연의 황화물 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 황화물; 카드뮴, 아연, 인듐, 갈륨의 셀렌화물 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 셀렌화물; 및 카드뮴, 아연, 카드뮴 또는 주석의 텔루르화물, 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 텔루르화물 중 어느 하나로부터 선택될 수 있다. n형 영역은 TiO2을 포함하는 n형 층을 포함할 수 있고, 바람직하게는 n형 층은 TiO2의 컴팩트 층이다.
n형 영역은 유기 n형 재료를 포함하는 n형 층을 포함할 수 있다. 유기 n형 재료는 플러렌 또는 플러렌 유도체, 페릴렌 또는 페릴렌 유도체, 또는 폴리{[N,N0-비스(2-옥틸도데실)-나프탈렌-1,4,5,8-비스(디카르복시미드)-2,6-디일]-alt-5,50-(2,20-비티오펜)}(P(NDI2OD-T2)) 중 어느 하나로부터 선택될 수 있다.
n형 영역은 20 nm 내지 40nm, 더 바람직하게는 30 nm의 두께를 갖는 n형 층을 포함할 수 있다. 선택적으로, n형 영역은 20 nm 내지 40nm, 더 바람직하게는 30 nm의 두께를 갖는 n형 층으로 이루어진다.
p형 영역은 무기 p형 재료를 포함하는 p형 층을 포함할 수 있다. 무기 p형 재료는 니켈, 바나듐, 구리 또는 몰리브데넘의 산화물; 및 CuI, CuBr, CuSCN, Cu2O,CuO또는 CIS 중 어느 하나로부터 선택될 수 있다.
p형 영역은 유기 p형 재료를 포함하는 p형 층을 포함할 수 있다. 유기 p형 재료는 스피로-MeOTAD, P3HT, PCPDTBT, PVK, PEDOT-TMA, PEDOT:PSS 중 어느 하나로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 p형 영역는 스피로-MeOTAD를 포함하는 p형 층으로 이루어진다.
p형 영역은 200 nm 내지 300 nm, 더 바람직하게는 250 nm의 두께를 갖는 p형 층을 포함할 수 있다. 선택적으로, p형 영역은 200 nm 내지 300 nm, 더 바람직하게는 250 nm의 두께를 갖는 p형 층으로 이루어진다.
n형 영역은 제 2 서브-셀에 인접될 수 있다.
본 디바이스는 제 1 전극 및 제 2 전극을 더 포함할 수 있고, 여기서 제 1 서브-셀과 제 2 서브-셀은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되고, 제 1 서브-셀은 제 1 전극과 접촉한다. 제 1 전극은 제 1 서브-셀의 p형 영역과 접촉할 수 있다.
제 1 전극은 투명한 또는 반투명한 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 제 1 전극은 50 옴/스퀘어(Ω/sq) 이하의 시트 저항(Rs) 및 가시광 및 적외선에 대해 90%를 초과하는 평균 투과율, 바람직하게는 가시광 및 적외선에 대해 95% 이상의 가시광 및 적외선를 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 제 1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)의 층으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 ITO의 층은 100 nm 내지 200 nm, 더 바람직하게는 150 nm의 두께를 갖는다.
제 1 서브-셀의 광활성 영역은 1.50eV 내지 1.75eV, 바람직하게는 1.65eV 내지 1.70eV의 밴드 갭을 갖는 페로브스카이트 재료의 층을 포함할 수 있다.
제 2 서브-셀은 양면형 서브-셀을 포함할 수 있고, 그러면 본 디바이스는 제 2 서브-셀 아래에 배치되는 제 3 서브-셀을 더 포함하고, 제 3 서브-셀은 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는 광활성 영역을 포함한다. 제 3 서브-셀의 광활성 영역은 제 1 서브-셀의 광활성 영역의 페로브스카이트 재료와 동일하거나 상이한 페로브스카이트 재료의 층을 포함할 수 있다. 제 1 서브-셀은 정상 구조를 가질 수 있고, 그러면 제 3 서브-셀은 반전 구조를 가질 수 있다.
제 3 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 50 nm 이하의 평균제곱근 거칠기(Rrms)를 가질 수 있다. 제 3 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 100 nm 내지 400 nm, 바람직하게는 250 nm의 피크-투-피크(peak-to-peak) 거칠기(Rt)를 가질 수 있다. 제 3 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 10 μm 내지 50 μm, 바람직하게는 25 μm의 피크 간 평균 간격(Sm)을 가질 수 있다. 제 3 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 기복(undulating)하는 프로파일을 가질 수 있다. 그러면 제 3 서브-셀의 페로브스카이트 재료의 층은 제 2 서브-셀의 인접 표면과 공형인 표면 상에 실질적으로 연속적이고 공형인 층으로서 배치된다.
본 디바이스는 제 3 서브-셀과 제 2 서브-셀 사이에 배치되어 이들을 연결하는 추가의 중간 영역을 더 포함할 수 있고, 추가의 중간 영역은 하나 이상의 추가의 상호접속층을 포함한다. 바람직하게 하나 이상의 추가의 상호접속층의 각각은 투명한 전도체 재료로 이루어진다. 하나 이상의 추가의 상호접속층의 각각은 근적외선 및 적외선에 대해 90% 이상의 평균 투과율 및 200 옴/스퀘어(Ω/sq) 이하의 시트 저항(Rs)을 가질 수 있다. 중간 영역은 인듐 주석 산화물(ITO)로 이루어지는 추가의 상호접속층을 포함할 수 있고, 바람직하게는 ITO의 층은 10 nm 내지 60nm의 두께를 갖는다.
제 3 서브-셀의 광활성 영역은 하나 이상의 n형 층을 포함하는 n형 영역 및 하나 이상의 p형 층을 포함하는 p형 영역을 더 포함할 수 있고, 여기서 페로브스카이트 재료의 층은 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된다. 제 3 서브-셀의 p형 영역은 제 2 서브-셀에 인접될 수 있다.
제 3 서브-셀은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치될 수 있고, 제 3 서브-셀은 제 2 전극과 접촉한다. 그러면 제 2 전극은 제 3 서브-셀의 광활성 영역의 n형 영역과 접촉할 수 있다.
제 2 전극은 투명한 또는 반투명한 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 제 2 전극은 50 옴/스퀘어(Ω/sq) 이하의 시트 저항(Rs) 및 가시광 및 적외선에 대해 90%를 초과하는 평균 투과율, 바람직하게는 가시광 및 적외선에 대해 95% 이상의 가시광 및 적외선를 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 제 2 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)의 층으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 ITO의 층은 100 nm 내지 200 nm, 더 바람직하게는 150 nm의 두께를 갖는다.
제 3 서브-셀의 광활성 영역은 1.50eV 내지 1.75eV, 바람직하게는 1.65eV 내지 1.70eV의 밴드 갭을 갖는 페로브스카이트 재료의 층을 포함할 수 있다.
또한 유기 전하 수송 재료의 층을 포함하는 광활성 영역; 및 유기 전하 수송 재료의 층 상에 침착된 투명한 전도성 산화물(TCO) 재료의 층을 포함하는 광기전 디바이스가 제공된다. TCO 재료의 층은 50 옴/스퀘어(Ω/sq) 이하의 시트 저항(Rs) 및 가시광 및 적외선에 대해 90%를 초과하는 평균 투과율, 바람직하게는 가시광 및 적외선에 대해 95% 이상의 평균 투과율을 갖는다. TCO 재료의 층은 비정질 구조를 가질 수 있다.
광활성 영역은 광활성 페로브스카이트 재료를 포함할 수 있고, 그러면 유기 전하 수송 재료의 층은 광활성 페로브스카이트 재료의 상측에 배치될 수 있다. 유기 전하 수송 재료는 n형 재료 및 p형 재료 중 어느 하나일 수 있다.
제 3 양태에 따르면 광기전 디바이스를 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법은 유기 전하 수송 재료의 층을 침착시키는 단계, 및 원격 플라즈마 스퍼터링 공정을 이용하여 유기 전하 수송 재료 상에 투명한 전도성 산화물(TCO) 재료의 층을 침착시키는 단계를 포함한다.
원격 플라즈마 스퍼터링 공정에 의해 스퍼터링 타겟에 지향되는 플라즈마는 1011이온 cm- 3내지 5 x 1013이온 cm-3의 밀도를 가질 수 있다. 플라즈마 내의 이온은 30 eV 내지 50 eV의 에너지를 가질 수 있다. TCO의 층을 침착시키는 단계는 100oC미만의 온도에서 수행될 수 있다. 본 방법은 200oC이상의 온도에서 침착된 TCO의 층을 어닐링하는 단계를 포함하지 않는다.
광기전 디바이스는 유기 전하 수송 재료의 층 및 광활성 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는 광활성 영역을 포함할 수 있고, 그러면 유기 전하 수송 재료의 층을 침착시키는 단계는 광활성 페로브스카이트 재료의 층 상에 유기 전하 수송 재료의 층을 침착시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 제 2 서브-셀 상에 배치된 제 1 서브-셀을 포함하는 다접합형 광기전 디바이스가 제공되며, 제 1 서브-셀은 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는 광활성 영역을 포함하고, 여기서 제 1 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 50 nm 이하의 평균제곱근 거칠기(Rrms)를 갖는다.
제 1 서브-셀에 인접하는 2 서브-셀의 표면은 100 nm 내지 400 nm, 바람직하게는 약 250 nm의 피크-투-피크(peak-to-peak) 거칠기(Rt)를 가질 수 있다. 제 1 서브-셀에 인접하는 2 서브-셀의 표면은 10 μm 내지 50 μm, 바람직하게는 약 25 μm의 피크 간 평균 간격(Sm)을 가질 수 있다. 제 1 서브-셀에 인접하는 제 2 서브-셀의 표면은 기복(undulating)하는 프로파일을 가질 수 있다. 페로브스카이트 재료의 층은 제 2 서브-셀의 인접 표면과 공형인 표면 상에 실질적으로 연속적이고 공형인 층으로서 배치될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일례를 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 최상부의 페로브스카이트 기반의 서브-셀 및 최하부의 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀을 포함하는 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스를 개략적으로 도시하고;
도 2는 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 3a는 극박의 흡수재(ETA) 셀 아키텍처를 갖는 페로브스카이트 기반의 서브-셀의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 3b는 메조-수퍼스트럭처의 태양 전지(MSSC) 아키텍처를 갖는 페로브스카이트 기반의 서브-셀의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 3c는 평면의 헤테로접합형 디바이스 아키텍처를 갖는 페로브스카이트 기반의 서브-셀의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 3d는 페로브스카이트가 반도체 다공질 스캐폴드 재료와 함께 벌크 헤테로접합을 형성하는 페로브스카이트 기반의 서브-셀의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 3e는 페로브스카이트가 반도체 다공질 스캐폴드 재료와 함께 벌크 헤테로접합을 형성하는 HTM 없는 페로브스카이트 기반의 서브-셀의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 3f는 페로브스카이트가 절연성 다공질 스캐폴드 재료와 함께 벌크 헤테로접합을 형성하는 페로브스카이트 기반의 서브-셀의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 4는 도 1의 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 5는 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스의 제 2 서브-셀의 표면 프로파일의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 6은 양면형의 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스를 개략적으로 도시하고;
도 7은 도 6의 양면형의 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스의 일 실시례를 개략적으로 도시하고;
도 8 및 도 9는 n형 결정질 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀의 실시례의 I-V 곡선 및 계산된 디바이스 특성을 도시하고;
도 10 및 도 11은 각각 n형 결정질 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀 상에 일체로 집적된 페로브스카이트 기반의 서브-셀을 포함하는 다접합형 디바이스에 대한 I-V 곡선 및 계산된 디바이스 특성을 도시한다.
정의
본 명세서에서 사용되는 용어 "광활성"은 광전식으로 광에 반응할 수 있는 영역, 층 또는 재료를 의미한다. 그러므로 광활성 영역, 층 또는 재료는 빛 속의 광자에 의해 운반되는 에너지를 흡수하여 (예를 들면, 전자-정공 쌍 또는 엑시톤(exciton)을 생성함으로써) 전기를 생성할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "페로브스카이트"는 CaTiO3의 구조와 관련된 3 차원 결정 구조를 갖는 재료 또는 CaTiO3의 구조와 관련된 구조를 갖는 재료의 층을 포함하는 재료를 의미한다. CaTiO3의 구조는 화학식 ABX3로 표현될 수 있으며, 여기서 A 및 B는 상이한 크기의 양이온이고, X는 음이온이다. 단위 격자에서, A 양이온은 (0,0,0)에 위치하고, B 양이온은 (1/2, 1/2, 1/2)에 위치하고, X 음이온은 (1/2, 1/2, 0)에 위치한다. 일반적으로 A 양이온은 B 양이온보다 크다. 당업자는, A, B 및 X가 변화되는 경우, 상이한 이온 크기로 인해 페로브스카이트 재료의 구조는 CaTiO3에 의해 채택된 구조로부터 더 낮은 대칭의 왜곡 구조로 왜곡될 수 있음을 알 것이다. 대칭은 또한 재료가 CaTiO3의 구조와 관련된 구조를 갖는 층을 포함하는 경우에 더 낮아질 것이다. 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는 재료는 잘 알려져 있다. 예를 들면, K2NiF4유형의 구조를 채택한 재료의 구조는 페로브스카이트 재료의 층을 포함한다. 당업자는 페로브스카이트 재료가 화학식 [A][B][X]3로 표현될 수 있고, 여기서 [A]는 하나 이상의 양이온, [B]는 하나 이상의 양이온 및 [X]는 하나 이상의 음이온임을 알 수 있을 것이다. 페로브스카이트가 2 개 이상의 A 양이온을 포함하는 경우, 상이한 A 양이온이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 A 사이트 위에 분포될 수 있다. 페로브스카이트가 2 개 이상의 B 양이온을 포함하는 경우, 상이한 B 양이온이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 B 사이트 위에 분포될 수 있다. 페로브스카이트가 2 개 이상의 X 음이온을 포함하는 경우, 상이한 X 음이온이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 X 사이트 위에 분포될 수 있다. 2 개 이상의 A 양이온, 2 개 이상의 B 양이온 또는 2 개 이상의 X 양이온을 포함하는 페로브스카이트의 대칭성은 CaTiO3의 대칭성보다 종종 더 낮다.
이전 문단에서 언급한 바와 같이, 본 명세서에서 사용되는 용어 "페로브스카이트"는 (a) CaTiO3의 결정 구조와 관련된 3 차원 결정 구조를 갖는 재료, 또는 (b) 재료의 층을 포함하는 재료를 의미하며, 여기서 층은 CaTiO3의 구조와 관련된 구조를 갖는다. 이들 두 범주의 페로브스카이트의 모두가 본 발명에 따른 디바이스에서 사용될 수 있으나, 경우에 따라서 제 1 범주의 페로브스카이트(a), 즉 3차원(3D) 결정 구조를 갖는 페로브스카이트를 사용하는 것이 바람직하다. 전형적으로 이러한 페로브스카이트는 층들 사이에 어떤 분리도 없는 페로브스카이트 단위 격자의 3D 네트워크를 포함한다. 다른 한편 제 2 범주의 페로브스카이트(b)는 2차원(2D) 층상 구조를 갖는 페로브스카이트를 포함한다. 2D 층상 구조를 갖는 페로브스카이트는 (삽입된) 분자에 의해 분리되는 페로브스카이트 단위 격자의 층을 포함할 수 있고 이러한 2D 층상 페로브스카이트의 예는 [2-(1-시클로헥세닐)에틸암모늄]2PbBr4이다. 2D 층상 페로브스카이트는 높은 엑시톤 결합 에너지를 갖는 경향이 있으며, 이것은 광여기 하에서 자유 전하 캐리어보다 결합된 전자-정공 쌍(엑시톤)의 생성을 선호한다. 결합된 전자정공 쌍은 p형 또는 n형 콘택에 도달하기에 충분히 이동할 수 없으며, 이곳에서 이들 쌍은 전달(이온화)되어 자유 전하를 생성할 수 있다. 결과적으로, 자유 전하를 생성하기 위해, 엑시톤 결합 에너지는 극복되어야 하며, 이는 전하 생성 프로세스에 대한 에너지 비용을 나타내며, 광기전 전지에서의 낮은 전압 및 낮은 효율을 초래한다. 대조적으로, 3D 결정 구조를 갖는 페로브스카이트는 훨씬 낮은 엑시톤 결합 에너지(열적 에너지와 유사함)를 갖는 경향이 있으며, 따라서 광여기 직후에 자유 캐리어를 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 디바이스 및 프로세스에서 채용되는 페로브스카이트 반도체는 제 1 범주의 페로브스카이트(a), 즉 3D 결정 구조를 갖는 페로브스카이트인 것이 바람직하다. 이것은 특히 광전자 디바이스가 광기전 디바이스인 경우에 바람직하다.
본 발명에서 채용되는 페로브스카이트 재료는 광을 흡수할 수 있는, 그리고 이를 통해 자유 전하 캐리어를 생성할 수 있는 재료이다. 따라서, 채용된 페로브스카이트는 광흡수 페로브스카이트 재료이다. 그러나, 당업자는 페로브스카이트 재료가 전자 및 정공의 모두의 전하를 수용함으로써 (이들은 그 후에 재결합하여 광을 방출함) 광을 방출할 수 있는 페로브스카이트 재료일 수 있음을 알 것이다. 따라서, 채용된 페로브스카이트는 광방출 페로브스카이트일 수 있다.
당업자가 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 채용된 페로브스카이트 재료는 광도핑된 경우에 n형 전자 수송 반도체로서 작용하는 페로브스카이트일 수 있다. 대안적으로, 이것은 광도핑된 경우에 p형 정공 수송 반도체로서 작용하는 페로브스카이트일 수 있다. 따라서, 페로브스카이트는 n형 또는 p형이거나, 또는 고유 반도체일 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 채용된 페로브스카이트는 광도핑된 경우에 n형 전자 수송 반도체로서 작용하는 것이다. 페로브스카이트 재료는 이극 전하 전도성을 나타낼 수 있으며, 따라서 n형 반도체 및 p형 반도체로서 작용한다. 특히, 페로브스카이트는 페로브스카이트와 인접한 재료 사이에 형성된 접합의 유형에 따라 n형 반도체 및 p형 반도체의 모두로서 작용할 수 있다.
전형적으로, 본 발명에서 사용되는 페로브스카이트 반도체는 감광 재료, 즉, 광발생 및 전하 수송의 둘 모두를 수행할 수 있는 재료이다.
본 명세서에서 사용된 용어 "혼합 음이온"은 2 개 이상의 상이한 음이온을 포함하는 화합물을 의미한다. 용어 "할로겐화물"은 원소 주기율표의 17 족으로부터 선택되는 원소, 즉 할로겐의 음이온을 의미한다. 전형적으로, 할로겐화물 음이온은 불화물 음이온, 염화물 음이온, 브로민화물 음이온, 요드화물 음이온 또는 아스타티드 음이온을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "금속 할로겐화물 페로브스카이트"는 화학식이 하나 이상의 금속 양이온 및 하나 이상의 할로겐화물 음이온을 포함하는 페로브스카이트를 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "유기금속 할로겐화물 페로브스카이트"은 화학식이 하나 이상의 유기 양이온을 포함하는 금속 할로겐화물 페로브스카이트를 의미한다.
용어 "유기 재료"는 당업계에서의 정상적인 의미를 갖는다. 전형적으로, 유기 재료는 탄소 원자를 포함하는 하나 이상의 화합물을 포함하는 재료를 의미한다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 유기 화합물은 다른 탄소 원자, 또는 수소 원자, 또는 할로겐 원자, 또는 칼코겐 원자(예를 들면, 산소 원자, 황 원자, 셀레늄 원자, 또는 텔루륨 원자)에 공유 결합된 탄소 원자를 포함할 수 있다. 당업자는 용어 "유기 화합물"이 전형적으로, 예를 들면, 탄화물과 같은 주로 이온성인 화합물을 포함하지 않는다는 것을 이해할 것이다.
용어 "유기 양이온"은 탄소를 포함하는 양이온을 의미한다. 양이온운 추가의 원소를 포함할 수 있고, 예를 들면, 양이온은 수소, 질소 또는 산소를 포함할 수 있다. 용어 "무기 양이온"은 유기 양이온이 아닌 양이온을 의미한다. 기본적으로, 용어 "무기 양이온"은 탄소를 포함하지 않은 양이온을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "반도체"는 전도체와 유전체 사이의 중간 크기의 전기 전도도를 갖는 재료를 의미한다. 반도체는 n형 반도체, p형 반도체 또는 고유 반도체일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "유전체"는 전기 절연체 또는 매우 불량한 전류의 전도체인 재료를 의미한다. 그러므로 용어 유전체는 티타니아와 같은 반도체 재료를 배제한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 유전체는 전형적으로 4.0 eV 이상의 밴드 갭을 갖는 재료를 의미한다(티타니아의 밴드 갭은 약 3.2 eV임.)
본 명세서에서 사용되는 용어 "n형"은 정공보다 전자의 농도가 더 큰 외인성 반도체를 포함하는 영역, 층 또는 재료를 의미한다. 그러므로 n형 반도체에서 전자는 다수 캐리어이고, 공공은 소수 캐리어이고, 따라서 이것은 전자 수송 재료이다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 용어 "n형 영역"은 하나 이상의 전자 수송(즉, n형) 재료의 영역을 의미한다. 유사하게 용어 "n형 층"은 전자 수송(즉, n형) 재료의 층을 의미한다. 전자 수송(즉, n형) 재료는 단일 전자 수송 화합물 또는 원소 재료, 또는 2 개 이상의 전자 수송 화합물 또는 원소 재료의 혼합물일 수 있다. 전자 수송 화합물 또는 원소 재료는 도핑되지 않거나 하나 이상의 도펀트 원소로 도핑될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "p형"은 전자보다 정공의 농도가 더 큰 외인성 반도체를 포함하는 영역, 층 또는 재료를 의미한다. p형 반도체에서, 정공은 다수 캐리어이고, 전자는 소수 캐리어이고, 따라서 이것은 정공 수송 재료이다. 그러므로, 본 명세서에서 사용되는 용어 "p형 영역"은 하나 이상의 정공 수송(즉, p형) 재료의 영역을 의미한다. 유사하게 용어 "p형 층"은 정공 수송(즉, p형) 재료의 층을 의미한다. 정공 수송(즉, p형) 재료는 단일 정공 수송 화합물 또는 원소 재료, 또는 2 개 이상의 정공 수송 화합물 또는 원소 재료의 혼합물일 수 있다. 정공 수송 화합물 또는 원소 재료는 도핑되지 않거나 하나 이상의 도펀트 원소로 도핑될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "밴드 갭"은 재료 내에서 가전자 밴드의 최상부와 전도 밴드의 최하부 사이의 에너지 차이를 의미한다. 당업자는 과도한 실험을 하지 않고 재료의 밴드 갭을 용이하게 측정할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "층"은 (예를 들면, 실질적으로 2 개의 수직 방향으로 연장되지만 제 3 수직 방향으로의 연장은 제한되는) 박판 형태의 임의의 구조를 의미한다 층은 층의 범위에 걸쳐 변화하는 두께를 가질 수 있다. 전형적으로, 층은 대략 일정한 두께를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 층의 "두께"는 층의 평균 두께를 의미한다. 층의 두께는, 예를 들면, 필름의 단면의 전자 현미경법과 같은 현미경법을 사용함으로써, 또는, 예를 들면, 스타일러스 프로파일로미터를 사용하는 표면형상측정법에 의해 용이하게 측정될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "다공질"은 내부에 공극이 배치되어 있는 재료를 의미한다. 따라서, 예를 들면, 다공질 재료에서 공극은 재료의 물체 내에서 재료가 없는 곳의 체적이다. 개개의 공극은 동일한 크기 또는 상이한 크기일 수 있다. 공극의 크기는 "공극 크기"로서 정의된다. 다공질 고체가 관여하는 대부분의 현상에 대해 공극의 제한 크기는 임의의 추가적인 정밀성이 없는 경우에 공극의 폭으로서 지칭되는 최소 치수의 제한 크기이다(즉, 슬릿 형상의 공극의 폭, 원통형 또는 구형 공극의 직경, 등). 원통형 공극과 슬릿형 공극을 비교하는 경우에 오해의 소지가 있는 변화를 방지하기 위해 원통형 공극의 직경을 그 "공극 폭"으로 사용해야 한다(Rouquerol, J. et al, (1994) Recommendations for the characterization of porous solids (Technical Report). Pure and Applied Chemistry, 66(8)). 다음의 구분 및 정의가 이전 IUPAC 문헌에서 채택되었다(J. Haber. (1991) Manual on catalyst characterization(Recommendations 1991). Pure and Applied Chemistry.): 마이크로공극은 2 nm보다 작은 폭(즉, 공극 크기)를 가지며; 메조공극은 2 nm 내지 50 nm의 폭(즉, 공극 크기)을 가지며; 매크로공극은 50 nm를 초과하는 폭(즉, 공극 크기)를 갖는다. 또한, 나노공극은 1 nm 미만의 폭(즉, 공극 크기)을 가지는 것으로 간주될 수 있다.
재료 내의 공극은 "폐쇄된" 공극 뿐만 아니라 개방된 공극을 포함할 수 있다. 폐쇄된 공극은 재료 내의 연결되지 않은 공동인 공극, 즉 재료 내에서 고립되어 있고, 임의의 다른 공극에 연결되어 있지 않고, 따라서 재료에 노출되어 있는 유체가 접근할 수 없는 공극이다. 다른 한편 "개방된 공극"은 이러한 유체가 접근가능하다. 개방된 공극과 폐쇄된 공극의 개념은 J. Rouquerol 등에서 상세히 논의되었다.
그러므로, 개방된 다공성은 유체 유동이 효과적으로 발생할 수 있는 다공질 재료의 총 체적의 분율을 의미한다. 그러므로 이는 폐쇄된 공극을 배제한다. 용어 "개방된 공극"은 용어 "연결된 공극" 및 "유효 공극"과 상호 교환가능하며, 본 기술분야에서 간단히 "공극"으로 축약된다. 그러므로 본 명세서에서 사용되는 용어 "개방된 공극이 없다"고 함은 유효 공극이 없다는 것을 의미한다. 따라서, 개방된 공극이 없는 재료는 전형적으로 매크로공극 및 메조공극을 가지지 않는다. 그러나, 개방된 공극이 없는 재료는 마이크로공극 및 나노공극을 가질 수 있다. 이러한 마이크로공극 및 나노공극은 전형적으로 너무 작아서 공극이 작은 것이 바람직한 재료에 부정적인 영향을 미치지 않는다.
또한, 다결정질 재료는 재료 내의 임의의 2 개의 미결정 또는 결정립 사이의 계면에 결정립계를 갖는 다수의 별개의 미결정 또는 결정립으로 구성된 고체이다. 그러므로 다결정질 재료는 입자간/격자간 공극 및 입자내/체내 공극의 둘 모두를 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "입자간 공극" 및 "격자간 공극"은 다결정질 재료의 미결정 또는 결정립 사이(즉, 결정립계)의 공극을 의미하고, 본 명세서에서 사용되는 용어 "입자내 공극" 및 "체내 공극"은 다결정질 재료의 개개의 미결정 또는 결정립 내의 공극을 의미한다. 대조적으로, 단일 결정 또는 단결정질 재료는 결정 격자가 재료의 체적의 전체를 통해 연속적이고 중단되지 않으므로 결정립계가 없고, 입자간/격자간 공극이 없는 고체이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "컴팩트 층"은 메조공극 또는 매크로공극을 갖지 않는 층을 의미한다. 컴팩트 층은 경우에 따라 마이크로공극 또는 나노공극을 가질 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "스캐폴드 재료"는 추가의 재료를 위한 지지체로서 작용할 수 있는 재료를 의미한다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어 "다공질 스캐폴드 재료"는 그 자체가 다공질이며, 추가의 재료를 위한 지지체로서 작용할 수 있는 재료를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "투명한"은 뒤쪽의 물체가 명확히 보일 수 있도록 거의 방해없이 광을 통과시킬 수 있는 재료 또는 물체를 의미한다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 용어 "반투명한"은 투명한 재료 또는 물체와 불투명한 재료 또는 물체 사이의 중간으로 광을 전달하는 투과율(대안적으로 그리고 등가적으로는 투과도로 지칭됨)을 갖는 재료 또는 물체를 의미한다. 전형적으로, 투명한 재료는 광에 대해 약 100%, 또는 90 내지 100%의 평균 투과율을 갖는다. 전형적으로, 불투명한 재료는 광에 대해 약 0%, 또는 0 내지 5%의 평균 투과율을 갖는다. 전형적으로 반투명한 재료 또는 물체는 광에 대해 10 내지 90%, 전형적으로는 40 내지 60%의 평균 투과율을 갖는다. 많은 반투명체(translucent object)와 달리, 반-투명한 물체는 전형적으로 이미지를 왜곡하거나 블러링(blurring)하지 않는다. 광의 투과율은 일반적인 방법을 사용하여, 예를 들면, 입사광의 강도와 투과광의 강도를 비교함으로써 측정될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "전극"은 어떤 물체, 물질 또는 영역에 전류를 출입시키는 전도성 재료 또는 물체를 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "음의 전극"은 재료 또는 물체로부터 방출되는 전자가 통과하는 전극(즉, 전자 수집 전극)을 의미한다. 음의 전극은 전형적으로 "애노드"로 지칭된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "양의 전극"은 재료 또는 물체로부터 방출되는 정공이 통과하는 전극(즉, 정공 수집 전극)을 의미한다. 양의 전극은 전형적으로 "캐소드"로 지칭된다. 광기전 디바이스 내에서, 전자는 양의 전극/캐소드로부터 음의 전극/애노드로 흐르고, 반면에 정공은 음의 전극/애노드로부터 양의 전극/캐소드로 흐른다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "전면 전극(front electrode)"은 태양광에 노출되도록 의도된 광기전 디바이스의 일면 또는 표면 상에 제공된 전극을 의미한다. 따라서 전면 전극은 이 전극을 통해 이 전면 전극의 직하에 제공된 광활성 층까지 빛을 통과시킬 수 있도록 투명하거나 반-투명해야 한다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어 "후면 전극"은 태양광에 노출되도록 의도된 일면 또는 표면의 반대측의 광기전 디바이스의 일면 또는 표면 상에 제공된 전극을 의미한다.
용어 "전하 전도체"는 전하 캐리어(즉, 전하를 운반하는 입자)가 자유롭게 통과하는 영역, 층 또는 재료를 의미한다. 반도체에서, 전자는 가동성 음의 전하 캐리어로 작용하며, 정공은 가동성 양의 전하로 작용한다. 따라서, 용어 "전자 전도체"는 전자가 용이하게 흐를 수 있는, 그리고 전형적으로 정공(정공은 반도체에서 양의 전하의 가동성 캐리어로서 간주되는 전자가 없는 것)을 반사할 수 있는 영역, 층 또는 재료를 의미한다. 역으로, 용어 "정공 전도체"는 정공이 용이하게 흐를 수 있는, 그리고 전형적으로 전자를 반사할 수 있는 영역, 층 또는 재료를 의미한다.
용어 "본질적으로 구성된다"는 다른 성분이 조성의 본질적 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는다면 이 다른 성분 뿐만 아니라 본질적 성분을 포함하는 조성을 의미한다. 전형적으로, 본질적으로 특정 성분으로 이루어지는 조성물은 그 성분을 95 wt% 이상 또는 99 wt% 이상 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "휘발성 화합물"은 증발 또는 분해에 의해 쉽게 제거되는 화합물을 의미한다. 예를 들면, 150℃ 이하, 또는 예를 들면, 100℃ 이하의 온도에서 증발 또는 분해에 의해 쉽게 제거되는 화합물은 휘발성 화합물일 것이다. "휘발성 화합물"은 또한 분해 생성물을 통한 증발에 의해 쉽게 제거되는 화합물을 포함한다. 따라서, 휘발성 화합물 X는 X의 분자의 증발을 통해 쉽게 증발할 수 있거나, 또는 휘발성 화합물 X는 분해에 의해 쉽게 증발하여 쉽게 증발하는 2 개의 화합물 Y 및 Z를 형성할 수 있다. 예를 들면, 암모늄 염은 휘발성 화합물일 수 있고, 암모늄 염의 분자로서, 또는 분해 생성물, 예를 들면, 암모늄 및 수소 화합물(예를 들면, 수소 할로겐화물)로서 증발할 수 있다. 따라서, 휘발성 화합물 X는 비교적 높은 증기압(예를 들면, 500 Pa 이상) 또는 비교적 높은 분해압(예를 들면, 하나 이상의 분해 생성물에 대해 500 Pa 이상)(이것은 해리압이라고도 지칭될 수 있음)을 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "거칠기"는 표면 또는 연부의 텍스처 및 이것이 불평탄하거나 불규칙한 정도(따라서 평활성 또는 규칙성의 결핍의 정도)를 의미한다. 표면의 거칠기는 평균 표면에 전형적으로 수직인 방향으로 표면의 편차의 임의의 척도에 의해 정량화될 수 있다. 거칠기의 척도로서, 거칠기 평균 또는 평균 거칠기(Ra)는 표면 프로파일의 특정 기준 또는 샘플링 길이 내에서 직선으로부터의 모든 편차의 절대값의 산술 평균이다. 거칠기의 대안적 척도인 평균제곱근 거칠기(Rrms또는 Rq)는 표면 프로파일의 특정 기준 또는 샘플링 길이 내에서 직선으로부터의 모든 편차의 값의 평균제곱근이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "양면형"은 전면의 태양 노출면 및 후면의 양면을 통해 광을 수집하여 전기를 생성하는 광기전 디바이스/태양 전지/서브-셀을 의미한다. 양면형 디바이스/셀은 직사 태양광 뿐만 아니라 확산광 및 반사광을 사용하여 전력 이득을 얻는다. 대조적으로, 용어 "단면"은 전면의 태양 노출면을 통해서만 광을 수집하여 전기를 생성하는 광기전 디바이스/태양 전지/서브-셀을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "공형(conform)"은 다른 물체와 실질적으로 동일한 형태 또는 형상을 갖는 물체를 의미한다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 "공형의 층"은 이 층이 형성되는 표면의 윤곽에 공형인 재료의 층을 의미한다. 다시 말하면, 층의 형태는 층의 두께가 층과 이 층이 형성되는 표면 사이의 대부분의 계면을 가로질러 거의 일정하게 되는 형태이다.
디바이스 구조 - 일반
도 1은 페로브스카이트 재료를 포함하는 광활성 영역을 포함하는 제 1/최상부 서브-셀(110)을 포함하는 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스(100)를 개략적으로 도시하고, 제 2/최하부 서브-셀(120)은 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함한다. 본 다접합형 광기전 디바이스(100)는 일체로 집적된 구조를 가지며, 따라서 단지 2 개의 전극, 전면/제 1 전극(101) 및 후면/제 2 전극(102)을 포함하고, 이들 2 개의 전극 사이에 제 1/최상부 서브-셀(110) 및 제 2/최하부 서브-셀(120)이 배치된다. 특히, 제 1 서브-셀(110)은 제 1/전면 전극(101)과 접촉하고, 제 2 서브-셀(120)은 제 2/후면 전극(102)과 접촉한다. 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스(100)는 또한 최상부 콘택(미도시)으로서 전면/제 1 전극(101)의 최상부 표면 상에 금속 그리드를 전형적으로 포함한다. 예로서, 최상부 콘택은 은 및/또는 구리 페이스트의 스크린 인쇄에 의해 형성되는 금속 그리드 또는 핑거를 구비할 수 있다.
또한, 일체로 집적된 구조가 단지 2 개의 전극을 포함하므로, 제 1 서브-셀(110) 및 제 2 서브-셀(120)은 하나 이상의 상호접속층을 포함하는 중간 영역(130)에 의해 서로 연결된다. 예를 들면, 상호접속층(들)은 재결합 층과 터널 접합 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스에서 개별 서브-셀은 전기적으로 직렬 접속되며, 그 결과 서브-셀들 사이에 재결합층 또는 터널 접합 및 전류 매칭이 필요하다.
제 1 서브-셀의 광활성 영역(110) 내의 페로브스카이트 재료는 광활성 영역 내에서 광흡수재(즉, 감광제)로서 기능하도록 구성된다. 따라서, 다접합형 디바이스 내의 최상부 서브-셀로서, 페로브스카이트 재료는 1.50eV 내지 1.75eV, 더 바람직하게는 1.65eV 내지 1.70eV의 밴드 갭을 갖는 것이 바람직하다. 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하는 제 2 서브-셀은 약 1.1 eV의 밴드 갭을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 서브-셀의 광활성 영역(110) 내의 페로브스카이트 재료는 전하 수성을 제공하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 페로브스카이트 재료는 광흡수재(즉, 감광제)로서 뿐만 아니라 n형, p형 또는 고유(i형) 반도체 재료(전하 전도체)로서 작용할 수 있다. 따라서 페로브스카이트 재료는 감광제 및 n형 반도체 재료의 둘 모두로서 작용할 수 있다. 따라서 페로브스카이트 재료는 광흡수 및 장범위 전하 수송의 역할을 모두 담당할 수 있다.
도 2는 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하는 제 2/최하부 서브-셀(120)의 일 실시례를 개략적으로 도시한다. 이와 관련하여, 용어 실리콘 헤테로접합(SHJ)은 광활성 흡수재로서 결정질 실리콘(c-Si) 웨이퍼(121) 및 접합 형성 및 표면 부동태화를 위해 비정질 실리콘(a-Si) 박막(122, 123, 124, 125)를 사용하는 비정질 실리콘/결정질 실리콘 헤테로접합을 의미한다. 실리콘 헤테로접합(SHJ)은 때때로 진성 비정질 실리콘(a-Si)의 임의의 박층이 부동태화/버퍼 층으로서 제공되는 경우에 진성 박층을 갖는 헤테로접합으로도 지칭된다. 따라서 실리콘 헤테로접합(SHJ)은 전형적으로 p형 a-Si 이미터(122), 진성 a-Si 부동태화/버퍼 층(123), n형 c-Si 광활성 흡수재(121), 다른 진성 a-Si 부동태화/버퍼 층(124), 및 n형 a-Si로 제조된 이면전계(BSF) 층(125)을 포함한다. 선택적으로, 실리콘 헤테로접합(SHJ)은 이면전계(BSF) 층(125)과 후면 전극(102) 사이에 투명한 전도성 산화물(TCO)(예를 들면, ITO)(126)의 층을 더 포함할 수 있다. 이 후면의 TCO의 층은 후면에서 내부 반사율을 증가시켜 적외선 응답을 최대화하는데 도움을 준다.
제 2/최하부 서브-셀(120)로서 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 사용하면 많은 이점이 있다. 첫째, 실리콘 헤테로접합(SHJ) 기술을 기반으로 하는 단접합형 태양 전지는 25%를 초과하는 기록 에너지 변환 효율을 달성하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 고효율을 달성하기 위해 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하는 다접합형 디바이스에 대한 잠재력을 최대화한다. 둘째, 실리콘 헤테로접합(SHJ)이 p형 a-Si 이미터(122)를 갖는 n형 c-Si 광활성 흡수재(121)를 사용하므로, 기판으로서 제 2 서브-셀(120) 상에 페로브스카이트 기반의 제 1 서브-셀(110)을 형성하는 것은 n형 층의 침착에 의해 개시되고, 다음에 페로브스카이트 재료 및 p형 층이 순차적으로 침착되며, 본 발명자들은 이것이 일체로 집적된 페로브스카이트-온-실리콘 다접합형 광기전 디바이스를 처리할 때 이점이 있음을 발견하였다.
다음에 도 3a 내지 도 3f는 광활성 페로브스카이트 재료를 포함하는 제 1/최상부 서브-셀(110)의 다양한 실시례를 개략적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b에서, 광기전 디바이스(100)의 제 1/최상부 서브-셀(110)은 다공질 영역(114)을 포함하고, 다공질 영역(114)은 n형 영역(111)과 p형 영역(112) 사이에 배치되는 다공질 스캐폴드 재료(115)와 접촉하는 화학식 (I)의 페로브스카이트 재료의 층(113)을 포함한다. 이러한 구조에서, 페로브스카이트 재료(113)의 층은 다공질 스캐폴드 재료(115) 상의 코팅으로서 제공되고, 이를 통해 다공질 스캐폴드의 표면 상에 실질적으로 공형의 층을 형성하므로 페로브스카이트 재료(113)는 다공질 스캐폴드의 공극 내에 배치된다. p형 영역(112)은 다공질 영역(114)의 공극(즉, 페로브스카이트 코팅된 다공질 스캐폴드의 공극)을 채우는, 그리고 다공질 재료 상에 캐핑 층을 형성하는 전하 수송 재료를 포함한다. 이와 관련하여, 전하 수송 재료의 캐핑 층은 개방된 공극을 갖지 않는 전하 수송 재료의 층으로 이루어진다.
도 3a에서, 도시된 광기전 디바이스(100)는 극박의 흡수재(ETA) 셀 아키텍처로 지칭되는 것을 가지며, 여기서 광활성 페로브스카이트 재료의 극박의 층은 나노구조의 침입형 n형(예를 들면, TiO2)과 p형 반도체(예를 들면, HTM) 사이의 계면에 제공된다. 이러한 구성에서, 제 1/최상부 서브-셀(110) 내의 다공질 스캐폴드 재료(115)는 반도체/전하 수송 재료를 포함한다.
도 3b에서, 도시된 제 1/최상부 서브-셀(110)는 메조-수퍼스트럭처의 태양 전지(MSSC) 아키텍처로 지칭되는 것을 가지며, 여기서 광활성 페로브스카이트 재료의 극박의 층은 메조다공질 절연성 스캐폴드 재료 상에 제공된다. 이러한 구성에서, 제 1/최상부 서브-셀(110) 내의 다공질 스캐폴드 재료(115)는 유전체 재료(예를 들면, Al2O3)를 포함한다.
도 3c에서, 제 1/최상부 서브-셀(110)은 개방된 공극을 갖지 않는 화학식 (I)의 페로브스카이트 재료의 층(113)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 개방된 공극을 갖지 않는 재료는 전형적으로 매크로공극 및 메조공극을 갖지 않지만 마이크로공극 및 나노공극을 가질 수 있다(따라서 결정간 공극을 가질 수 있음). 따라서 페로브스카이트 재료의 층(113)은 n형 영역(111) 및 p형 영역(112) 중 하나 또는 둘 모두를 갖는 평면의 헤테로접합을 형성한다. n형 영역(111) 또는 p형 영역(112)는 개방된 공극을 갖지 않는 페로브스카이트 재료(113)의 층 상에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 페로브스카이트 재료(113)의 층이 개방된 공극을 갖지 않으므로 n형 또는 p형 재료는 페로브스카이트 재료에 침투하지 않고, 벌크 헤테로접합을 형성하지 않으며; 오히려 페로브스카이트 재료를 갖는 평면의 헤테로접합을 형성한다. 전형적으로, 개방된 공극을 갖지 않는 페로브스카이트 재료(113)의 층은 n형 영역과 p형 영역의 둘 모두와 접촉하고, 따라서 n형 영역과 p형 영역의 둘 모두와 평면의 헤테로접합을 형성한다.
따라서, 도 3c에 도시된 제 1/최상부 서브-셀(110)은 박막의 평면의 헤테로접합형 디바이스 아키텍처를 가지며, 여기서 광활성 페로브스카이트 재료의 고체 박층은 n형(예를 들면, TiO2)과 p형 반도체(예를 들면, HTM) 평면의 층들 사이에 제공된다. 이러한 구성에서, 디바이스는 다공질 스캐폴드 재료를 포함하지 않는다.
다음에 도 3d, 도 3e, 및 도 3f는 도 3a 및 도 3b에 도시된 것과 유사한 제 1/최상부 서브-셀(110)의 실시례를 도시하지만, 페로브스카이트 재료(113)가 다공질 스캐폴드 재료(115)의 표면 상에 실질적인 공형의 층을 형성하지 않고, 페로브스카이트 재료(113)가 다공질 스캐폴드 재료(115) 내에 침투한다. 따라서, 페로브스카이트 재료(113)는 다공질 스캐폴드 재료(115)의 공극을 채우고, 다공질 스캐폴드 재료(115)와 함께 벌크 헤테로접합으로 간주될 수 있는 것을 형성한다. 몇몇 실시례에서, 페로브스카이트 재료(113)는 또한 다공질 스캐폴드 재료(115) 상에 페로브스카이트 재료의 캐핑 층(116)을 형성한다. 전형적으로, 캐핑 층(116)은 개방된 공극을 갖지 않는 페로브스카이트 재료의 층으로 이루어지고, 몇몇 실시례에서, 페로브스카이트 재료 상에 배치되는 전하 수송 영역을 갖는 평면의 헤테로접합을 형성한다.
도 3d에서, 페로브스카이트 재료(113)는 나노구조의 n형(예를 들면, TiO2) 내에 완전히 침투하여, p형 반도체(예를 들면, HTM)와 함께 평면의 헤테로접합을 형성한다. 이러한 구성에서, 제 1/최상부 서브-셀(110) 내의 다공질 스캐폴드 재료(115)는 반도체/전하 수송 재료를 포함한다.
도 3e에 도시된 제 1/최상부 서브-셀(110)은 도 3d에 도시된 것과 실질적으로 동일하지만, 이것은 단지 하나의 전하 수송 영역만을 포함한다. 이와 관련하여, 광활성 페로브스카이트를 포함하는 기능성 광기전 디바이스는 어떠한 정공-전도성 재료도 없이 형성될 수 있으므로 광활성 페로브스카이트가 전극 및/또는 금속 층과 직접 접촉하게 될 수 있다는 것이 밝혀졌다(참조, Etgar, L., Gao, P. & Xue, Z., 2012. Mesoscopic CH3NH3PbI3/TiO2 heterojunction solar cells. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (42), pp 17396-17399). 이러한 디바이스에서, 광활성 페로브스카이트는 광 수집기 및 정공 전도체의 모두의 역할을 담당하므로 추가의 정공 수종 재료는 불필요하다. 따라서, 도 3e의 제 1/최상부 서브-셀(110)은 p형 영역을 포함하지 않지만, 페로브스카이트 재료(113)는 나노구조의 n형 재료(예를 들면, TiO2)를 완전히 침투한다.
도 3f에 도시된 제 1/최상부 서브-셀(110)은 도 3b의 것과 유사하지만, 페로브스카이트 재료(113)는 메조다공질 절연성 스캐폴드 재료(Al2O3)를 완전히 침투하여 p형 반도체(예를 들면, HTM)와 함께 평면의 헤테로접합을 형성한다.
대안적 구조에서, 광활성 영역은 화학식 (I)의 페로브스카이트 재료의 층을 포함할 수 있으며, 여기서 페로브스카이트 재료 자체는 다공질이다. 그러므로 전하 수송 재료는 페로브스카이트 재료의 다공질 영역의 공극을 채우고, 다공질 페로브스카이트 재료 상에 캐핑 층을 형성한다. 이와 관련하여, 전하 수송 재료의 캐핑 층은 개방된 공극을 갖지 않는 전하 수송 재료의 층으로 이루어진다.
도 4는 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스(100)의 일 실시례를 개략적으로 도시하며, 여기서 제 1/최상부 서브-셀(110)은 광활성 페로브스카이트 재료(113)가 평면의 층으로서 제공되는 광활성 영역을 포함한다. 도 4의 실시례에서, 제 1 서브-셀의 광활성 영역(110)은 하나 이상의 n형 층을 포함하는 n형 영역(111), 하나 이상의 p형 층을 포함하는 p형 영역(112), 및 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치되는 평면의 페로브스카이트 재료의 층(113)을 포함한다. 제 1 서브-셀(110)과 제 2 서브-셀(120)은 상호접속층을 포함하는 중간 영역(130)에 의해 서로 연결된다.
이러한 구성에서, 평면의 페로브스카이트 재료의 층(113)은 개방된 공극(113)이 없는 것으로 간주된다. 전술한 바와 같이, 개방된 공극을 갖지 않는 재료는 전형적으로 매크로공극 및 메조공극을 갖지 않지만 마이크로공극 및 나노공극을 가질 수 있다(따라서 결정간 공극을 가질 수 있음). 이와 관련하여, 페로브스카이트 재료(113)의 층이 개방된 공극을 갖지 않으므로 n형 또는 p형 재료는 페로브스카이트 재료에 침투하지 않고, 벌크 헤테로접합을 형성하지 않으며; 오히려 페로브스카이트 재료를 갖는 평면의 헤테로접합을 형성한다. 전형적으로, 개방된 공극을 갖지 않는 페로브스카이트 재료(113)의 층은 n형 영역과 p형 영역의 둘 모두와 접촉하고, 따라서 n형 영역과 p형 영역의 둘 모두와 평면의 헤테로접합을 형성한다. 따라서 제 1 서브-셀(110)은 (도 3c에 도시된 전술한 제 1 서브-셀(110)의 것과 유사한) 평면의 헤테로접합형 아키텍처를 갖는 것으로서 설명될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제 2/최하부 서브-셀(120)이 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하고, 여기서 광활성 흡수재는 n형 c-Si(121)이고, 이미터는 p형 a-Si(122)이라고 가정하면, 다접합형 광기전 디바이스(100)의 제 1/최상부 서브-셀(110)은 n형 영역(111)이 제 2 서브-셀(120)에 인접하도록 배치된다. 다시 말하면, n형 영역(111)은 제 2 서브-셀(120)에 인접하고, 따라서 p형 영역(112)보다 제 2 서브-셀(120)에 더 근접한다. 특히, 제 1 서브-셀(110)을 제 2 서브-셀(120)에 연결하는 중간 영역(130)과 접촉하는 것은 제 1 서브-셀(110)의 n형 영역(111)이다. 따라서, 제 1 서브-셀(110)의 p형 영역(112)은 제 1 전극(101)과 접촉한다. 따라서, 전면/제 1 전극(101)은 양의 전극(정공 수집 전극)으로서 기능하지만, 제 2/후면 전극(102)은 음의 전극(전자 수집 전극)으로서 기능한다.
전술한 다접합형 광기전 디바이스에서, 제 1 서브-셀의 p형 영역은 하나 이상의 p형 층을 포함한다. 대개, p형 영역은 p형 층, 즉, 단일의 p형 층이다. 그러나, 다른 실시례에서, p형 영역은 p형 층 및 p형 엑시톤 차단층 또는 전자 차단층을 포함할 수 있다. 엑시톤 차단층의 가전자 밴드(또는 최고의 점유된 분자 궤도 에너지 준위)가 광활성 재료의 가전자 밴드와 근접하게 정렬되면, 정공은 광활성 재료로부터 엑시톤 차단층을 통과할 수 있거나, 엑시톤 차단층을 통해 광활성 재료 내로 진입할 수 있으며, 이것을 p형 엑시톤 차단층이라고 부른다. 이것의 예는 트리스[4-(5-페닐티오펜-2-일)페닐]아민[Masaya Hirade, and Chihaya Adachi, "Small molecular organic photovoltaic cells with exciton blocking layer at anode interface for improved device performance" Appl. Phys. Lett. 99, 153302 (2011)에 기술되어 있음]이다.
p형 층은 정공 수송(즉, p형) 재료의 층이다. p형 재료는 단일의 p형 화합물 또는 원소 재료, 또는 2 개 이상의 p형 화합물 또는 원소 재료의 혼합물일 수 있고, 이것은 도핑되지 않거나, 하나 이상의 도펀트 원소로 도핑될 수 있다.
p형 층은 무기 또는 유기 p형 재료를 포함할 수 있다. 전형적으로, p형 영역은 유기 p형 재료의 층을 포함한다.
적합한 p형 재료는폴리머 또는 분자 정공 전도체로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 광기전 디바이스에서 채용되는 p형 층은, 예를 들면, 스피로-OMeTAD(2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p-메톡시페닐아민)9,9'-스피로비플루오렌)), P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), PCPDTBT(폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일]]), PVK(폴리(N-비닐카바졸)), HTM-TFSI(1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드), Li-TFSI(리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드) 또는 tBP(tert-부틸피리딘)을 포함할 수 있다. p형 영역은 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다. 통상적으로, p형 재료는 스피로-OMeTAD, P3HT, PCPDTBT 및 PVK로부터 선택된다. 바람직하게는, p형 영역은 스피로-MeOTAD를 포함하는 p형 층으로 이루어진다.
p형 층은, 예를 들면, 스피로-OMeTAD(2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p-메톡시페닐아민)9,9'-스피로비플루오렌)), P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), PCPDTBT(폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일]]), 또는 PVK(폴리(N-비닐카바졸))을 포함할 수 있다.
적합한 p형 재료는 또한 분자 정공 수송체, 폴리머 정공 수송체 및 코폴리머 정공 수송체를 포함한다. p형 재료는, 예를 들면, 다음의 성분 중 하나 이상을 포함하는 분자 정공 수송 재료, 폴리머 또는 코폴리머일 수 있다: 티오페닐, 페네레닐, 디티아졸일, 벤조티아졸일, 디케토피롤로피롤일, 에톡시디티오페닐, 아미노, 트리페닐 아미노, 카보졸일, 에틸렌 디옥시티오페닐, 디옥시티오페닐, 또는 플루오레닐. 따라서, 본 발명의 광기전 디바이스에서 채용되는 p형 층은, 예를 들면, 전술한 분자 정공 수송 재료, 폴리머 또는 코폴리머 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
적합한 p형 재료는 또한 m-MTDATA(4,4',4''-트리스(메틸페닐페닐아미노)트리페닐아민), MeOTPD(N,N,N ',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘), BP2T(5,5'-디(비페닐-4-일)-2,2'-비티오펜), Di-NPB(N,N'-디-[(1-나프틸)-N,N'-디페닐]-1,1'-비페닐)-4,4'-디아민), α-NPB(N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐-벤지딘), TNATA(4,4',4"-트리스-(N-(나프틸렌-2-일)-N-페닐아민)트리페닐아민), BPAPF(9,9-비스[4-(N,N-비스-비페닐-4-일-아미노)페닐]-9H-플루오렌), 스피로-NPB(N2,N7-디-1-나프탈레닐-N2,N7-디페닐-9,9'-스피로비[9H-플루오렌]-2,7-디아민), 4P-TPD(4,4-비스-(N,N-디페닐아미노)-테트라페닐), PEDOT:PSS 및 스피로-OMeTAD.
p형 층은, 예를 들면, 터트부틸 피리딘 및 LiTFSI를 사용하여 도핑될 수 있다. p형 층은 정공 밀도를 증가시키기 위해 도핑될 수 있다. p형 층은, 예를 들면, 정공 밀도를 증가시키기 위해 NOBF4(니트로소늄 테트라플루오로보레이트)로 도핑될 수 있다.
다른 실시례에서, p형 층은 무기 정공 수송체를 포함할 수 있다. 예를 들면, p형 층은 니켈, 바나듐, 구리 또는 몰리브데넘의 산화물; CuI, CuBr, CuSCN, Cu2O,CuO또는 CIS; 페로브스카이트; 비정질 Si; p형 IV 족 반도체, p형 III-VI 족 반도체, p형 II-VI 족 반도체, p형 I-VII 족 반도체, p형 IV-VI 족 반도체, p형 V-VI 족 반도체, 및 p형 II-V 족 반도체를 포함하는 무기 정공 수송체를 포함할 수 있으며, 이 무기 재료는 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. p형 층은 상기 무기 정공 수송체의 컴팩트 층일 수 있다.
p형 층은, 예를 들면, 니켈, 바나듐, 구리 또는 몰리브데넘의 산화물; CuI, CuBr, CuSCN, Cu2O,CuO또는 CIS; 비정질 Si; p형 IV 족 반도체, p형 III-VI 족 반도체, p형 II-VI 족 반도체, p형 I-VII 족 반도체, p형 IV-VI 족 반도체, p형 V-VI 족 반도체, 및 p형 II-V 족 반도체를 포함하는 무기 정공 수송체를 포함할 수 있으며, 이 무기 재료는 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. p형 층은, 예를 들면, CuI, CuBr, CuSCN, Cu2O,CuO및 CIS로부터 선택되는 무기 정공 수송체를 포함할 수 있다. p형 층은 상기 무기 정공 수송체의 컴팩트 층일 수 있다.
p형 영역은 50 nm 내지 1000 nm의 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, p형 영역은 50 nm 내지 500 nm, 또는 100 nm 내지 500 nm의 두께를 가질 수 있다. 전술한 다접합형 광기전 디바이스에서, 제 1 서브-셀의 p형 영역(112)은 바람직하게는 200 nm 내지 300 nm의 두께, 더 바람직하게는 약 250 nm의 두께를 갖는다.
전술한 다접합형 광기전 디바이스에서, 제 1 서브-셀의 n형 영역은 하나 이상의 n형 층을 포함한다. 대개, n형 영역은 n형 층, 즉, 단일의 n형 층이다. 그러나, 다른 실시례에서, n형 영역은 n형 층 및 별개의 n형 엑시톤 차단층 또는 정공 차단층을 포함할 수 있다.
엑시톤 차단층은 광활성 재료보다 넓은 밴드 갭을 가지지만 그 전도성 밴드 또는 가전자 밴드가 광활성 재료의 것과 근접하게 매칭되는 재료이다. 엑시톤 차단층의 전도 밴드(또는 최저의 비점유 분자 궤도 에너지 준위)가 광활성 재료의 전도 밴드와 근접하게 정렬되면 전자는 광활성 재료로부터 엑시톤 차단층을 통과하거나, 또는 엑시톤 차단층을 통해 광활성 재료 내로 진입할 수 있으며, 이것을 n형 엑시톤 차단층이라고 부른다. 이러한 예는 배스오큐프로인(bathocuproine; BCP)[P. Peumans, A. Yakimov, and S. R. Forrest, "Small molecular weight organic thin-film photodetectors and solar cells" J. Appl. Phys. 93, 3693 (2001) and Masaya Hirade, and Chihaya Adachi, "Small molecular organic photovoltaic cells with exciton blocking layer at anode interface for improved device performance" Appl. Phys. Lett. 99, 153302 (2011)에 기술되어 있음]이다.
n형 층은 전자 수송(즉, n형) 재료의 층이다. n형 재료는 단일 n형 화합물 또는 원소 재료, 또는 2 개 이상의 n형 화합물 또는 원소 재료의 혼합물일 수 있고, 이 재료는 하나 이상의 도펀트 원소로 도핑되지 않거나 도핑될 수 있다.
채용된 n형 층은 무기 또는 유기 n형 재료를 포함할 수 있다.
적합한 무기 n형 재료는 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 셀렌화물, 금속 텔루르화물, 페로브스카이트, 비정질 Si, n형 IV 족 반도체, n형 III-V 족 반도체, n형 II-VI 족 반도체, n형 I-VII 족 반도체, n형 IV-VI 족 반도체, n형 V-VI 족 반도체, 및 n형 II-V 족 반도체로부터 선택될 수 있으며, 이들 중 어느 하나는 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다.
n형 재료는 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 셀렌화물, 금속 텔루르화물, 비정질 Si, n형 IV 족 반도체, n형 III-VI 족 반도체, n형 II-VI 족 반도체, n형 I-VII 족 반도체, n형 IV-VI 족 반도체, n형 V-VI 족 반도체, 및 n형 II-V 족 반도체로부터 선택될 수 있고, 이들 중 어느 하나는 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다.
더 전형적으로, n형 재료는 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 셀렌화물, 및 금속 텔루르화물로부터 선택된다.
따라서, n형 층은 타이타늄, 주석, 아연, 니오븀, 탄탈럼, 텅스텐, 인듐, 갈륨, 네오디뮴, 팔라듐, 또는 카드뮴의 산화물, 또는 상기 금속 중 2 개 이상의 혼합물의 산화물로부터 선택되는 무기 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, n형 층은 TiO2,SnO2,ZnO,Nb2O5,Ta2O5,WO3,W2O5,In2O3,Ga2O3,Nd2O3,PbO,또는 CdO를 포함할 수 있다.
사용될 수 있는 다른 적합한 n형 재료는 카드뮴, 주석, 구리, 또는 아연의 황화물 및 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 황화무르을 포함한다. 예를 들면, 황화물은 FeS2,CdS,ZnS,SnS,비스, SbS, 또는 Cu2ZnSnS4일 수 있다.
예를 들면, n형 층은 카드뮴, 아연, 인듐, 또는 갈륨의 셀렌화물 는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 셀렌화물; 또는 카드뮴, 아연, 카드뮴 또는 주석의 텔루르화물, 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 텔루르화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 셀렌화물은 Cu(In,Ga)Se2일 수 있다. 전형적으로, 텔루르화물은 카드뮴, 아연, 카드뮴 또는 주석의 텔루르화물이다. 예를 들면, 텔루르화물은 CdTe일 수 있다.
n형 층은, 예를 들면, 타이타늄, 주석, 아연, 니오븀, 탄탈럼, 텅스텐, 인듐, 갈륨, 네오디뮴, 팔라듐, 카드뮴의 산화물, 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 산화물; 카드뮴, 주석, 구리, 아연의 황화물 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 황화물; 카드뮴, 아연, 인듐, 갈륨의 셀렌화물, 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 셀렌화물; 또는 카드뮴, 아연, 카드뮴 또는 주석의 텔루르화물, 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 텔루르화물로부터 선택되는 무기 재료를 포함할 수 있다.
적합한 n형 재료일 수 있는 기타 반도체의 예는, 예를 들면, 이것이 n-도핑된 경우, IV 족 원소 또는 화합물 반도체; 비정질 Si; III-V 족 반도체(예를 들면, 갈륨 비화물); II-VI 족 반도체(예를 들면, 카드뮴 셀렌화물); I-VII 족 반도체(예를 들면, 염화 제1구리); IV-VI 족 반도체(예를 들면, 납 셀렌화물); V-VI 족 반도체(예를 들면, 비스무스 텔루르화물); 및 II-V 족 반도체(예를 들면, 카드뮴 비화물)을 포함한다.
전형적으로, n형 층은 TiO2를 포함한다.
n형 층이, 무기 재료, 예를 들면, TiO2이거나, 전술한 기타 재료 중 어느 하나인 경우, 이것은 상기 무기 재료의 컴팩트 층일 수 있다. 바람직하게, n형 층은 TiO2의 컴팩트 층이다.
유기 및 폴리머 전자 수송 재료, 및 전해질을 포함하는 기타 n형 재료도 사용될 수 있다. 적합한 예는 플러렌 또는 플러렌 유도체, 페릴렌 또는 이것의 유도체를 포함하는 유기 전자 수송 재료, 또는 폴리{[N,N0-비스(2-옥틸도데실)-나프탈렌-1,4,5,8-비스(디카르복시미드)-2,6-디일]-alt-5,50-(2,20-비티오펜)}(P(NDI2OD-T2))을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, n형 영역은 C60, C70, C84, C60-PCBM, C70-PCBM, C84-PCBM 및 탄소 나노튜브 중 하나 이상을 포함하는 n형 층을 포함할 수 있다.
n형 영역은 5 nm 내지 1000 nm의 두께를 가질 수 있다. n형 영역이 n형 반도체의 컴팩트 층을 포함하는 경우, 이 컴팩트 층은 5 nm 내지 200 nm의 두께를 갖는다. 전술한 다접합형 광기전 디바이스에서, 제 1 서브-셀(110)의 n형 영역(111)은 바람직하게는 10 nm 내지 1000 nm의 두께, 더 바람직하게는 20 nm 내지 40 nm의 두께, 더욱 더 바람직하게는 약 30nm의 두께를 갖는다.
전술한 다접합형 광기전 디바이스에서, 중간 영역(130)은 하나 이상의 상호접속층을 포함할 수 있다. 예로서, 상호접속층은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 알루미늄 도핑된 아연 산화물(AZO), 탄소(예를 들면, 그래핀), 금속 나노와이어 등과 같은 투명한 전도성 산화물(TCO)을 포함할 수 있다. 전형적으로, 중간 영역은 재결합 층으로서 작용하는 인듐 주석 산화물(ITO)로 이루어지는 상호접속층을 포함한다. ITO의 상호접속층은 바람직하게는 10 nm 내지 60nm의 두께, 더 바람직하게는 약 50 nm의 두께를 갖는다.
전형적으로 후면 전극(102)은 금(Au) 은(Ag), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 또는 알루미늄(Al)과 같은 높은 일 함수 금속을 포함한다.
디바이스 구조 - 투명한 전극
전술한 다접합형 광기전 디바이스에서, 제 1/전면 전극(101)은 태양 광에 직접 노출될 광기전 디바이스의 측면 또는 표면 상에 제공되는 전극이다. 따라서, 제 1 전극(101)은 이 전극을 통해 하측에 제공된 제 1 서브-셀(110) 및 제 2 서브-셀(120)의 광활성 층까지 광의 투과율을 최대화하기 위해 투명해야 하며, 또한 충분한 전기전도율을 가져야 한다. 특히, 다접합형 디바이스의 경우, 더 긴 파장의 투과가 유용한 전력 변환 효율을 달성하는데 매우 중요하므로 제 1 전극은 완전한 광학 윈도우(즉, 400 nm 내지 1200 nm의 파장)에 걸쳐 많은 비율의 광을 투과시켜야 한다.
따라서 제 1 전극(101)은 10 옴/스퀘어(Ω/sq) 내지 100 Ω/sq의 시트 저항(Rs) 및 85% 이상의 가시광 및 적외선에 대한 평균 투과율(즉, 400 nm 내지 1200 nm의 파장의 광의 85% 이상을 투과시킴)을 갖는 재료로 이루지는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 제 1 전극(101)은 50 Ω/sq 이하의 시트 저항(Rs) 및 가시광 및 적외선에 대해 90%를 초과하는 평균 투과율, 바람직하게는 가시광 및 적외선에 대해 95% 이상의 평균 투과율을 갖는 재료로 이루어진다.
투명한 전면 전극으로 사용하는데 특히 적합한 재료는 투명한 전도성 산화물(TCO)을 포함한다. 투명한 전도성 산화물(TCO)은 전기 전도성이 있는, 그리고 비교적 낮은 광 흡수율을 갖는 도핑된 금속 산화물이다. TCO는 입사광에 대해 80%를 초과하는 투과율을 가질 수 있을 뿐만 아니라 효율적인 캐리어 수송을 위해 104S/cm을 초과하는 전도율(즉, ~10- 4Ω·cm의 저항율)을 가질 수 있다. 적합한 TCO 재료의 예는 인듐 주석 산화물(ITO), 알루미늄 도핑된 아연 산화물(AZO), 플루오린 도핑된 주석 산화물(FTO), 인듐-도핑된 아연 산화물(IZO), 니오븀-도핑된 타이타늄 이산화물(Nb:TiO2)등을 포함한다.
따라서, 제 1 전극(101)은 투명한 전도성 산화물(TCO)의 층으로 구성되는 것이 바람직하다. 예로서, 제 1 전극(101)은 인듐 주석 산화물(ITO), 알루미늄 도핑된 아연 산화물(AZO), 플루오린 도핑된 주석 산화물(FTO), 인듐-도핑된 아연 산화물(IZO), 및 니오븀-도핑된 타이타늄 이산화물(Nb:TiO2)중 어느 하나의 층으로 구성될 수 있다. 따라서, 더 바람직하게는, 제 1 전극(101)은 인듐 주석 산화물(ITO)의 층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제 1 전극(101)이 인듐 주석 산화물(ITO)의 층으로 이루어지는 경우, 이 층은 100 nm 내지 200 nm, 더 바람직하게는 150 nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
TCO 재료의 층을 제조하기 위한 종래의 기법은 전형적으로 마그네트론 스퍼터링 공정을 포함한다. 그러나, TCO 재료의 층을 침착시킬 때 종래의 마그네트론 스퍼터링을 사용하는 경우 많은 결점이 존재한다. 특히, 종래의 마그네트론 스퍼터링이 타겟 표면 직상부의 자기장에서 자유 전자를 포획하는 동안, 생성된 플라즈마는 여전히 상대적으로 확산되고, 따라서 충분한 품질의 층을 생성하기 위해 고에너지이어야 한다. 종래의 마그네트론 스퍼터링 공정에서 고에너지 플라즈마를 사용하면 기판의 표면 상에 고에너지 타겟 원자가 충돌하며, 따라서 기판이 유기 재료를 포함하는 경우와 같이 기판의 표면이 민감한 경우에는 손상을 초래할 수 있다. 전력을 감소시키고, 이를 통해 공정에서 사용되는 플라즈마의 에너지를 저하시키는 것이 가능하지만, 이는 종래의 마그네트론 스퍼터링에 의해 침착되는 층의 품질을 저하시키고, 트랩(trap)으로서 작용할 수 있는 결함을 갖는 무질서/불규칙적 구조를 생성함으로써 캐리어의 이동성을 감소시키고, 저항율을 증가시키고, 투과율을 감소시킨다.
결과적으로, 추가의 보호성 무기 버퍼 층을 필요로 하지 않고 제 1 서브-셀(110)의 p형 영역에서 유기 전하 수송 재료를 사용할 수 있도록 하기 위해, 본 발명자들은 제 1 전극(101)으로서 TCO의 층을 침착시키기 위해 원격적으로 생성되는 플라즈마를 포함하는 스퍼터링 공정을 사용하였다. 용어 "원격적으로 생성되는 플라즈마"는 그 생성이 (종래의 마그네트론 스퍼터링에서와 같이) 스퍼터링 타겟에 의존하지 않는 플라즈마를 의미한다. 원격적으로 생성되는 플라즈마는 한 쌍의 전자석에 의해 생성되는 성형된 전자기장에 의해 스퍼터링 타겟으로 안내되어, 타겟의 전체 표면적에 걸쳐 균일하게 고밀도(예를 들면, 1011cm- 3이상) 플라즈마를 형성한다.
스퍼터링 침착 공정을 위해 원격적으로 생성되는 플라즈마를 사용하면, 타겟의 바이어싱(biasing)으로부터 플라즈마의 생성이 차단되고, 이를 통해 고밀도(5 x 1013cm- 3)의 저에너지 플라즈마를 생성하는 것이 가능해진다. 이와 관련하여, 원격 플라즈마 스퍼터링을 사용하면, 플라즈마 내의 이온의 에너지는 전형적으로 30 내지 50 eV의 범위에 있고, 이것은 종래의 마그네트론 스퍼터링 공정에서 타겟으로부터 스퍼터링하기에 불충분하다. 원격 플라즈마 스퍼터링을 사용하면, 타겟에 가해지는 바이어싱을 제어함으로써 플라즈마의 에너지에 무관하게 스퍼터링의 에너지를 제어하는 것이 가능하다.
본 발명자들은 이 저에너지 스퍼터링 공정이 기판에 대한 손상을 방지할 뿐만 아니라 우수한 단범위 규칙 및 충분히 적은 결함을 갖는 TCO의 층을 생성할 수 있으므로, 종래의 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 생성되는 층에 비해, 캐리어의 이동도 및 생성되는 층의 광학적 투과율을 향상시킨다는 것을 밝혀냈다. 이는 가능한 다량의 광이 디바이스 내의 다중 광활성 층에 도달하는 것이 중요한 다접합형 광기전 디바이스의 경우에 특히 중요하다.
특히, TCO의 층의 경우, 생성된 층의 품질의 향상은 캐리어 이동도를 향상시킴과 동시에 가시광 및 적외선(즉, 400 nm를 초과하는 파장의 광)에 대해 90%를 초과하는 향상된 투과율을 위해 캐리어 농도(예를 들면, ~1x1021cm- 3)를 제한하고, 여전히 낮은 저항율(예를 들면, 150 nm 두께의 층의 경우에 ~50 Ω/sq의 시트 저항과 등가인 ~7x10- 4Ω.cm)을 제공한다. 종래의 기법을 사용하면, 이러한 특성을 달성하는 TCO의 층은 그 제조 중에 높은 스퍼터링 타겟 전력 밀도(및 따라서 높은 손상) 또는 고온 어닐링을 필요로 하므로 고온에 민감한 재료로 구성된 기판과는 양립될 수 없다.
또한, 스퍼터링 침착 공정을 위해 원격적으로 생성되는 플라즈마를 사용하면, 플라즈마 전력, 타겟에 가해지는 바이어싱, 및 스퍼터링 가스의 압력 중 어느 하나를 변화/조절함으로써 생성되는 TCO의 층의 구조가 미세하게 조절될 수 있다. 플라즈마 전력을 변화시키면 플라즈마의 이온 밀도가 변화되고, 한편 타겟 바이어싱을 변화시키면 스퍼터링 에너지에 영향을 줄 수 있고, 압력을 변화시키면 기판에 도달하는 종(species)의 반응성 및 운동 에너지에 영향을 줄 수 있다. 예로서, 이러한 제어에 의해 우수한 단범위 규칙 및 낮은 결함을 갖는 고밀도의 균질한 비정질 TCO의 층을 생성할 수 있으므로, 이것은 하측의 층을 보호하기 위한 장벽 층으로 사용하기에 적합하다. 특히, 결함 및 입계가 없으므로 TCO의 층을 통한 수분의 침입이 방지된다. 유사하게, 이러한 제어에 의해 비정질 구조와 결정질 구조 사이에서 서서히 변화하는 TCO의 층을 제조할 수 있다. 그러면 비정질 부분은 장벽 층을 제공하고, 결정질 부분은 개선된 전기전도율을 제공한다. 더욱이, 이러한 제어는 침착 중에 TCO 층의 응력을 제거하기 위해 사용될 수 있으므로, 더 견고하고, 균열의 가능성이 적고, 접착성이 개선된 층이 얻어진다.
전술한 실시례는 다접합형 광기전 디바이스의 전면 전극으로서 사용하기 위한 TCO의 층에 관한 것이지만, 스퍼터링 침착 공정을 위해 원격적으로 생성되는 플라즈마를 사용하여 생성되는 유리한 특성을 갖는 TCO의 층은 단접합형 광기전 디바이스, 발광 디바이스 등을 포함하는 다른 광전자 디바이스에도 동등하게 적용될 수 있다. 더욱이, 전술한 실시례는 페로브스카이트 기반의 태양 전지의 p형 영역 상에 침착되는 TCO의 층의 사용에 관한 것이지만, 이것은 TCO의 층이 n형 재료 상에 침착되는 반전 구조에도 동등하게 적용될 수 있다.
결과적으로, 광활성 층, 이 광활성 층 상의 유기 전하 수송 재료의 층, 및 유기 전하 수송 재료의 층 상에 침착된 TCO의 층을 포함하는 광기전 디바이스가 또한 제공되고, 여기서 TCO의 층은 50 옴/스퀘어(Ω/sq) 이하의 시트 저항(Rs) 및 가시광 및 적외선에 대해 90%를 초과하는 평균 투과율(즉, 400 nm를 초과하는 파장의 광의 90% 이상을 투과시킴), 바람직하게는 가시광 및 적외선에 대해 95% 이상의 평균 투과율을 갖는다. 또한, 광활성 층을 침착시키는 단계, 광활성 층 상에 유기 전하 수송 재료의 층을 침착시키는 단계, 및 원격 플라즈마 스퍼터링을 이용하여 유기 전하 수송 재료 상에 TCO의 층을 침착시키는 단계를 포함하는 광기전 디바이스를 제조하는 방법이 제공된다. 유리하게는, 본 방법에서 TCO의 층을 침착시키는 단계는 100℃미만의 온도에서 수행될 수 있다. 또한, 본 방법은 200℃이상의 온도에서 침착된 TCO의 층을 어닐링하는 추가의 단계를 필요로 하지 않는다. 바람직한 실시례에서, 광활성 층은 광활성 페로브스카이트 재료를 포함한다.
디바이스 구조 - 페로브스카이트 재료
전술한 다접합형 광기전 디바이스에서, 제 1 서브-셀(110)는 페로브스카이트 재료를 포함하는 광활성 영역을 포함한다. 제 1 서브-셀의 광활성 영역(110) 내의 페로브스카이트 재료는 광활성 영역 내에서 광흡수재/감광제로서 기능하도록 구성된다. 그러면 페로브스카이트 재료는 1.50eV 내지 1.75eV, 더 바람직하게는 1.65eV 내지 1.70eV의 밴드 갭을 갖는 것이 바람직하다. 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하는 제 2 서브-셀은 약 1.1 eV의 밴드 갭을 갖는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 페로브스카이트 재료는 일반 화학식 (I)을 갖는다.
[A][B][X]3 (I)
여기서 [A]는 하나 이상의 1가 양이온, [B]는 하나 이상의 2가 무기 양이온, [X]는 하나 이상의 할로겐화물 음이온이다.
바람직하게 [X]는 불화물, 염화물, 브로민화물, 및 요드화물로부터 선택되는, 바람직하게는 염화물, 브로민화물 및 요드화물로부터 선택되는 하나 이상의 할로겐화물 음이온을 포함한다. 더 바람직하게 [X]는 브로민화물 및 요드화물로부터 선택되는 하나 이상의 할로겐화물 음이온을 포함한다. 몇몇 실시례에서, [X]는 불화물, 염화물, 브로민화물, 및 요드화물로부터 선택되는, 바람직하게는 염화물, 브로민화물 및 요드화물로부터 선택되는 2 개의 상이한 할로겐화물 음이온을 포함하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 브로민화물 및 요드화물을 포함한다.
바람직하게 [A]는 메틸암모늄(CH3NH3 +),포름아미디늄(HC(NH)2)2 +),및 에틸 암모늄(CH3CH2NH3 +)으로부터 선택되는 하나 이상의 유기 양이온을 포함하고, 바람직하게는 메틸암모늄(CH3NH3 +)및 포름아미디늄(HC(NH)2)2 +)으로부터 선택되는 하나의 유기 양이온을 포함한다. [A]는 Cs+, Rb+, Cu+, Pd+, Pt+, Ag+, Au+, Rh+, 및 Ru+로부터 선택되는 하나 이상의 무기 양이온을 포함할 수 있다.
바람직하게 [B]는 Pb2 +및 Sn2 +로부터 선택되는 하나 이상의 2 가 무기 양이온을 포함하고, 바람직하게는 Pb2+를 포함한다.
바람직한 실시례에서, 페로브스카이트 재료는 일반 화학식 (Ia)를 갖는다.
AxA'1-xB(XyX'1-y)3 (IA)
여기서 A는 포름아미디늄(FA)이고, A'는 세슘 양이온(Cs+)이고, B는 Pb2 +이고, X는 요드화물이고, X'는 브로민화물이고, 0 < x ≤ 1이고, 0 < y ≤ 1이다. 따라서, 이들 바람직한 실시형태에서, 페로브스카이트 재료는 2 개의 1 가 양이온의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 바람직한 실시형태에서, 페로브스카이트 재료는 따라서 단일 요드화물 음이온 또는 요드화물과 브로민화물 음이온의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 발명자들은 이러한 페로브스카이트 재료가 1.50eV 내지 1.75eV의 밴드 갭을 가질 수 있다는 것과 이러한 페로브스카이트 재료의 층이 적합한 결정 형태 및 상으로 쉽게 형성될 수 있다는 것을 발견하였다. 더 바람직하게는, 페로브스카이트 재료는 FA1- xCsxPbI3 - yBry이다.
고효율의 광기전 디바이스를 제공하기 위해, 최적의 전류량을 생성하기 위해 흡수재의 흡수가 최대화되는 것이 이상적이다. 결과적으로, 광기전 디바이스 또는 서브-셀 내에서 흡수재로서 페로브스카이트를 사용하는 경우, 가시 스펙트럼을 가로질러 태양 광의 대부분을 흡수하기 위해 페로브스카이트 층의 두께는 이상적으로 약 300 내지 600 nm이어야 한다. 따라서, 전형적으로 페로브스카이트 재료의 층의 두께는 100nm를 초과한다. 광기전 디바이스의 페로브스카이트 재료의 층의 두께는, 예를 들면, 100 nm 내지 1000 nm일 수 있다. 광기전 디바이스의 페로브스카이트 재료의 층의 두께는, 예를 들면, 200 nm 내지 700 nm, 바람직하게는 300nm 내지 600nm이다. 전술한 다접합형 광기전 디바이스에서, 제 1/최상부 서브-셀(110)의 광활성 영역에서 평면의 페로브스카이트 재료의 층(113)은 바람직하게는 350 nm 내지 450 nm의 두께, 더 바람직하게는 약 400 nm의 두께를 갖는다.
디바이스 구조 - 제 2 서브-셀 표면 프로파일
일체형으로 집적된 페로브스카이트-온-실리콘 다접합형 광기전 디바이스의 개발 시에, 가장 주요한 고려요소 중 하나는 페로브스카이트 서브-셀과 인접하는 결정질 실리콘 최하부 서브-셀 사이의 계면이다. 이와 관련하여, 전술한 Schneider, B.W. 등 및 Filipic, M. 등에 기술되어 있는 바와 같이, 종래의 상업용 결정질 실리콘 태양 전지는 텍스처링된 표면을 특징으로 하며, 이것은 반사를 감소시키도록, 그리고 광학 경로의 길이를 증가시키도록 설계되며, 통상적으로 이러한 표면 텍스처는 결정면을 따라 에칭에 의해 형성된 불규칙적으로 분포된 피라미드, 또는 일정한 반전된 피라미드로 이루어진다. 따라서 페로브스카이트 서브-셀의 전체 두께가 전형적으로 텍스처링된 표면의 거칠기와 유사하므로 이러한 텍스처링된 표면은 일체형으로 집적된 페로브스카이트-온-실리콘 광기전 디바이스의 가공의 경우에 상당한 문제가 있다. 예를 들면, 종래의 결정질 실리콘 태양 전지의 표면 거칠기는 전형적으로 500 nm 내지 10 μm의 범위이고, 페로브스카이트 셀의 두께는 전형적으로 1 μm 미만이다. 특히, Schneider, B.W. 등 및 Filipic, M. 등이 실리콘 최하부 서브-셀의 텍스처링된 전면 상에 공형의 박막 페로브스카이트 서브-셀이 침착되는 페로브스카이트-온-실리콘 탠덤 전지를 모델링하도록 시도하였으나, 어떤 문헌도 이러한 공형의 침착을 달성하기 위한 방법을 제안하고 있지 않다. 더욱이, Bailie, C. 등은 페로브스카이트 최상부 셀을 결합한 일체형 탠덤 전지의 개발은 (즉, 표면 거칠기를 감소시키기 위해/임의의 표면 텍스처를 제거하기 위해) 표면 실리콘 최하부 셀을 평탄화할 필요가 있을 것이라고 말한다.
결과적으로, 지금까지 일체형으로 집적된 페로브스카이트-온-실리콘 다접합형 광기전 디바이스의 유일한 실시례는 실리콘 최하부 서브-셀의 효율을 저하시키다는 인식에도 불구하고 페로브스카이트의 침착을 단순화하기 위해 평면의 최상부 표면을 갖는 실리콘 최하부 서브-셀을 사용한다(전술한 Mailoa, J.P. 등을 참조할 것). 이러한 접근법은 페로브스카이트 셀의 침착과 관련된 문제를 회피하지만, 평면의 표면을 생성하기 위해 종래의 결정질 실리콘 태양 전지의 기계적 연마를 필요로 하므로, 실리콘 셀의 가공 비용을 증가시키고, 효율을 감소시킨다.
대조적으로, 본 발명자들은 적합한 형태를 갖는 페로브스카이트 최상부 서브-셀을 포함하는 층의 침착을 가능하게 하면서 실리콘 최하부 서브-셀의 최상부 표면의 텍스처링의 존재로부터 발생하는 대부분의 효율 이익을을 유지하는 일체로 집적된 페로브스카이트-온-실리콘 다접합형 광기전 디바이스를 제조할 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 본 발명자들은 페로브스카이트 최상부 서브-셀의 층의 간단한 공형 침착을 가능하게 하면서도, 평면의 텍스처링되지 않은 최상부 표면을 갖는 실리콘 최하부 서브-셀과 비교했을 때 약 1%의 실리콘 최하부 서브-셀의 효율의 증가를 허용하는 실리콘 최하부 서브-셀의 최상부 표면에 대한 유리한 표면 프로파일을 발견하였다.
이와 관련하여, 본 발명자들은 페로브스카이트 서브-셀에 인접한 표면이 500 nm 미만의 거칠기 평균(Ra)으로 텍스처링되는 실리콘 최하부 서브-셀 상에 페로브스카이트 서브-셀을 침착시키는 경우 기능적 탠덤(tandem)을 얻을 수 있다고 결정하였다. 전술한 바와 같이, 실리콘 기반의 광기전 디바이스에 관련하여 용어 "텍스처링된"은 의도적으로 생성된 인공적인 불평탄한 표면 프로파일이, 예를 들면, 에칭 공정을 이용하여 생성된 디바이스의 표면을 의미한다.
또한 본 발명자들은 50 내지 450 nm의 거칠기 평균(Ra)이 바람직하다고 결정하였는데, 이것이 실리콘 최하부 서브-셀의 표면 텍스처링에 의해 제공된 이점을 완전히 상실하지 않으면서 페로브스카이트 서브-셀의 층의 침착을 단순화하기 때문이다. 특히, 사용되는 특정 페로브스카이트 및 실리콘 최하부 셀 상에 침착될 페로브스카이트 층의 두께에 따라 100 내지 400 nm의 거칠기 평균(Ra)이 가장 효율적인 디바이스를 제조할 가능성이 있다. 본 명세서에 기술된 예시적인 실시형태에서, 페로브스카이트 서브-셀에 인접하는 실리콘 최하부 서브-셀의 표면에 대한 바람직한 거칠기 평균(Ra)은 200 nm 내지 400 nm이다.
따라서, 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)은 500 nm 미만의 거칠기 평균(Ra)을 갖는 것이 바람직하다. 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)은 50 내지 450 nm의 거칠기 평균(Ra)을 갖는 것이 더욱 더 바람직하다. 바람직한 실시형태에서, 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)은 100 내지 400 nm의 거칠기 평균(Ra)을 가지며, 더 바람직하게는 200 nm 내지 400 nm의 거칠기 평균(Ra)을 갖는다.
바람직한 실시례에서, 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)은 50 nm 이하의 평균제곱근 거칠기(Rrms)를 갖는다. 또한 그러면 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)은 100 nm 내지 400 nm, 바람직하게는 약250 nm의 피크-투-피크 거칠기(Rt)를 갖는 것이 바람직하다. 더욱이, 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)은 10 μm 내지 50 μm, 바람직하게는 약 25 μm의 피크 간 평균 간격(Sm)을 갖는 것이 바람직하다. 더욱이, 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)은 기복하는 프로파일을 갖는 것이 바람직하다(즉, 표면의 높이의 변화가 실질적으로 평활하도록 프로파일이 파의 형태나 윤곽을 갖는다). 그러면 제 2 서브-셀(120) 위의 층(예를 들면, 상호접속층(130), 및 제 1 서브-셀(110)을 구성하는 층)은 제 2 서브-셀의 인접 표면(120)과 공형인 실질적으로 연속적이고 공형인 층으로서 각각 침착된다.
예로서, 도 5는 제 2 서브-셀(120)의 표면 프로파일의 특성 실시례를 개략적으로(축적에 맞지 않게) 도시하며, 여기서 텍스처링된 표면은 (즉, 샘플링 길이(L)에 대해) 500 nm 미만의 거칠기 평균(Ra)을 갖고, 피크-투-피크 거칠기(Rt)는 약 250 nm이고, 평균제곱근 거칠기(Rrms)는 약 50 nm이고, 피크 간 평균 간격(Sm)은 약 25 μm이다. 또한, 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)은 표면의 높이 변화가 실질적으로 평활하도록 기복하는 프로파일을 갖는 것을 볼 수 있다.
대안적 디바이스 구조 - 일반
전술한 실시례에서, 다접합형 광기전 디바이스는 그 전면의 태양 노출면을 통해서만 광을 수집하여 전기를 발생하도록 구성된 단면형으로 간주될 수 있다. 그러나, 전술한 특징들의 대부분은 그 양면, 즉 전면의 태양 노출면과 후면을 통해 광을 수집하여 전기를 발생할 수 있는 양면형 다접합형 광기전 디바이스에도 동등하게 적용될 수 있다. 특히, 본 발명자들은 디바이스의 후면으로부터 흡수되는 광에 대해 제 2 서브-셀의 하측에 제공되는 추가의 페로브스카이트 기반의 서브-셀로 다접합형 광기전 디바이스가 양면형 아키텍처로 구성될 수 있음을 인식하였다.
따라서 도 6은 양면형의 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스(100)를 개략적으로 도시하며, 이것은 페로브스카이트 재료를 포함하는 광활성 영역을 포함하는 제 1/최상부 서브-셀(110), 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하는 제 2/중간 서브-셀(120), 및 페로브스카이트 재료를 포함하는 광활성 영역을 포함하는 제 3/최하부 서브-셀(140)을 포함한다. 다접합형 광기전 디바이스(100)는 일체로 집적된 구조를 가지고, 따라서 단지 2 개의 전극, 즉 전면/제 1 전극(101) 및 후면/제 2 전극(102)을 가지며, 이들 2 개의 전극 사이에 제 1 서브-셀(110), 제 2 서브-셀(120), 및 제 3 서브-셀(140)이 배 치된다. 특히, 제 1 서브-셀(110)은 제 1 전극(101)과 접촉하고, 제 3 서브-셀(140)은 제 2/후면 전극(102)과 접촉하고, 제 2 서브-셀(120)은 제 1 서브-셀(110)과 제 3 서브-셀(140) 사이에 배치된다.
일체로 집적된 구조가 단지 2 개의 전극을 가지므로, 제 1 서브-셀(110)과 제 2 서브-셀(120)은 하나 이상의 상호접속층을 포함하는 제 1 중간 영역(130)에 의해 서로 연결되고, 제 2 서브-셀(120) 및 제 3 서브-셀(140)은 하나 이상의 상호접속층을 포함하는 제 2 중간 영역(150)에 의해 서로 연결된다.
전술한 디바이스와 같이, 제 1 서브-셀의 광활성 영역(110) 내의 페로브스카이트 재료는 광활성 영역 내에서 광흡수제/감광제로서 기능하도록 구성된다. 그러면 페로브스카이트 재료는 1.50eV 내지 1.75eV, 더 바람직하게는 1.65eV 내지 1.70eV의 밴드 갭을 갖는 것이 바람직하다. 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하는 제 2 서브-셀은 약 1.1 eV의 밴드 갭을 갖는 것이 바람직하다. 제 3 서브-셀의 광활성 영역(140) 내의 페로브스카이트 재료도 광활성 영역 내에서 광흡수제/감광제로서 기능하도록 구성되고, 따라서 바람직하게는 1.50eV 내지 1.75eV의 밴드 갭, 더 바람직하게는 1.65eV 내지 1.70eV의 밴드 갭을 갖는다.
따라서 제 3 서브-셀의 광활성 영역(140) 내의 페로브스카이트 재료는 제 1 서브-셀의 광활성 영역(110) 내의 페로브스카이트 재료와 동일하거나 제 1 서브-셀의 광활성 영역(110) 내의 페로브스카이트 재료와 다를 수 있다. 어떠한 경우에도, 제 3 서브-셀의 광활성 영역(140) 내의 페로브스카이트 재료는 본 명세서에 기술되어 있는 바람직한 페로브스카이트 재료에 대응하는 것이 바람직하다.
도 7은 양면형의 일체로 집적된 다접합형 광기전 디바이스(100)의 더 구체적인 실시례를 개략적으로 도시한다. 도 7의 실시례에서, 제 1 서브-셀(110)의 구조 광활성 영역은 도 3에 도시된 그리고 이를 참조로 기술된 것과 대응한다. 따라서 제 3 서브-셀의 광활성 영역(140)은 광활성 페로브스카이트 재료가 평면의 층(143)으로서 제공된 광활성 영역을 포함한다. 제 3 서브-셀의 광활성 영역(140)은 하나 이상의 n형 층을 포함하는 n형 영역(142), 하나 이상의 p형 층을 포함하는 p형 영역(141), 및 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치되는 평면의 페로브스카이트 재료의 층(143)을 더 포함한다.
이러한 구성에서, 제 3 서브-셀(140) 내의 평면의 페로브스카이트 재료의 층(143)은 개방된 공극이 없는 것으로 간주된다. 전형적으로, 개방된 공극이 없는 페로브스카이트 재료의 층(143)은 n형 영역 및 p형 영역의 모두와 접촉하고, 따라서 n형 영역 및 p형 영역의 모두를 갖는 평면의 헤테로접합을 형성한다. 따라서 제 3 서브-셀(140)은 평면의 헤테로접합형 아키텍처를 갖는 것으로서 기술될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제 2/중간 서브-셀(120)가 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하고, 여기서 광활성 흡수재는 n형 c-Si(121)이고, 이미터는 p형 a-Si(122)인 경우, 다접합형 광기전 디바이스(100)의 제 1/최상부 서브-셀(110)은 n형 영역(111)이 제 2 서브-셀(120)에 인접하도록 배치된다. 다시 말하면, n형 영역(111)은 제 2 서브-셀(120)에 인접하고, 따라서 p형 영역(112)보다 제 2 서브-셀(120)에 더 근접한다. 특히, 제 1 서브-셀(110)과 제 2 서브-셀(120)을 연결하는 제 1 중간 영역(130)과 접촉하는 것은 제 1 서브-셀(110)의 n형 영역(111)이다. 따라서, 제 1 서브-셀(110)의 p형 영역(112)은 제 1 전극(101)과 접촉한다. 따라서 전면/제 1 전극(101)은 양의 전극(정공 수집 전극)으로서 기능한다.
유사하게, 제 2/중간 서브-셀(120)이 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하고, 여기서 광활성 흡수재는 n형 c-Si(121)이고, 이면전계(BSF) 층은 n형 a-Si(125)인 경우, 다접합형 광기전 디바이스(100)의 제 3/최하부 서브-셀은 p형 영역(141)이 제 2 서브-셀(120)에 인접하도록 배치된다. 다시 말하면, p형 영역(141)은 제 2 서브-셀(120)에 인접하고, 따라서 n형 영역(142)보다 제 2 서브-셀(120)에 더 근접한다. 특히, 제 3 서브-셀(140)과 제 2 서브-셀(120)을 연결하는 제 2 중간 영역(150)과 접촉하는 것은 제 3 서브-셀(140)의 p형 영역(141)이다. 따라서 제 3 서브-셀(140)은, 제조 중에 제 2 서브-셀(120) 상에 침착되는 층의 순서가 반전되었으므로, 제 1 서브-셀(110)에 비교했을 때 반전된 것으로 간주될 수 있다. 따라서 제 3 서브-셀(140)의 n형 영역(142)은 제 2 전극(102)과 접촉하고, 따라서 제 2/후면 전극(102)은 음의 전극(전자 수집 전극)으로서 기능한다.
양면형 다접합형 광기전 디바이스에서 p형 영역(141) 및 n형 영역(142)의 각각은 제 1 서브-셀(110)의 p형 영역(112) 및 n형 영역(111)의 각각과 동일한 조성 및 구조일 수 있다. 대안적으로, p형 영역(141) 및 n형 영역(142)은 제 1 서브-셀(110)의 p형 영역(112) 및 n형 영역(111)과 상이한 조성 및 구조일 수 있다. 어떠한 경우에도, 제 3 서브-셀(140)의 p형 영역(141)과 n형 영역(142)의 각각의 조성 및 구조는, 예를 들면, 본 명세서에서 제 1 서브-셀(110)의 p형 영역(112) 및 n형 영역(111)에 대해 기술된 것들 중에서 선택될 수 있다.
양면형 다접합형 광기전 디바이스에서 제 2/후면 전극(102)은 디바이스의 광활성 층을 통해 광의 투과를 허용하도록 반투명하거나 투명해야 한다. 따라서 2/후면 전극(102)은 제 1/전면 전극(101)의 것과 동일하거나 유사한 조성 및 구조를 갖는 것이 바람직하다. 따라서 제 2/후면 전극(102)의 조성 및 구조는 제 1 전극(101)과 관련하여 본 명세서에서 기술한 것들 중에서 선택될 수 있다.
또한 제 3 서브-셀(140)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(128)은 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)의 것과 동일하거나 유사한 표면 프로파일을 갖는 것이 바람직하다. 따라서 제 3 서브-셀(140)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(128)의 표면 프로파일은 제 1 서브-셀(110)에 인접하는 제 2 서브-셀(120)의 표면(127)에 관하여 전술한 것과 동일하거나 유사한 것이 바람직하다.
실시례
이하의 상술된 실시례에서, 사전 제조된 n형 결정질 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀이 얻어졌고, 전면/최상부 표면에 맞춤형 화학 연마를 가하였고, 이어서 상호접속층으로서 ITO의 층을 블랭킷 코팅(blanket coating)하였다. 다음에 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀의 전면/최상부 표면을 산소 플라즈마 처리를 이용하여 세정하였다.
다접합형 디바이스의 경우, 열 증발을 이용하여 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀의 전면/최상부 표면 상에 n형 재료의 층을 침착하였다. 후속하여, 화학식 MAPb(I0.8Br0.2)3(여기서 MA는 메틸암모늄(CH3NH3 +임)의 페로브스카이트 재료의 층을 용액으로부터 스핀 코팅 침착에 의해 형성하였다. 본 실시례에서, 페로브스카이트 재료에 대한 고체 전구물질을 칭량하고, 바이얼 내에서 함께 혼합하였다. 다름에 이 혼합물을 용매가 첨가되는 글러브박스 내에 투입하였다. 다음에 용액으로부터 스핀 코팅에 의해 p형 재료의 박층을 침착시키고, 물리 증착에 의해 패턴화된 금 전극을 증착시킴으로써 셀을 완성시켰다.
도 8 및 도 9는 시뮬레이션된 AM 1.5G(100 mW/cm2) 태양 조사 하에서 단접합형 디바이스로서 측정된 경우의 n형 결정질 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀의 실시례에 대한 I-V 곡선 및 계산된 디바이스 특성을 도시한다. 이들 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀의 각각에 대한 계산된 전력 변환 효율(η)은 약 17%이다.
이에 비해, 도 10 및 도 11은 각각 n형 결정질 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀 상에 일체로 집적된 페로브스카이트 기반의 서브-셀을 포함하는 다접합형 디바이스에 대한 I-V 곡선 및 계산된 디바이스 특성을 도시한다. 이들 다접합형 디바이스에 대한 계산된 전력 변환 효율(η)은 20.1% 및 20.6%이고, 단접합형 결정질 실리콘 헤테로접합(SHJ) 서브-셀에 비해 약 3%의 효율의 순 이득이다.
전술한 개개의 항목은 단독으로 또는 도면에 도시되거나 설명에 기술되어 있는 다른 항목과의 조합으로 사용될 수 있으며, 동일한 절에서 또는 동일한 도면에서 언급된 항목은 상호 조합된 상태로 사용될 필요없다.
더욱이, 본 발명을 전술한 바와 같은 바람직한 실시형태에 대해 설명하였으나, 이들 실시형태는 단지 예시에 불과하다는 것을 이해해야 한다. 당업자는 첨부된 청구범위 내에 속하는 것으로 간주되는 개시를 참조하여 개조 및 변경을 실시할 수 있을 것이다. 예를 들면, 당업자는 본 발명의 전술한 특정 실시형태가 모두 다접합형 구조를 갖는 광기전 디바이스에 관한 것이지만 본 발명의 양태는 광활성 페로브스카이트의 층이 비교적 거친 표면 상에 침착될 필요가 있는 단접합형 디바이스에도 동등하게 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 추가의 실시례로서, 당업자는 본 발명의 전술한 실시형태가 모두 광기전 디바이스에 관한 것이지만, 본 발명의 양태는 다른 광전자 디바이스에도 동등하게 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이와 관련하여, 용어 "광전자 디바이스"는 광기전 디바이스, 포토다이오드(태양 전지를 포함함), 광트랜지스터, 광전자증배기, 포토레지스터, 및 발광 다이오드 등을 포함한다. 특히, 전술한 실시형태에서 광활성 페로브스카이트 재료가 광흡수재/감광제로서 사용되었으나, 이것은 전하, 전자 및 정공을 수용함으로써 후에 재결합하여 광을 방출하는 발광 재료로서 기능할 수도 있다.

Claims (32)

  1. 다접합형 광기전 디바이스로서,
    제 2 서브-셀 상에 배치된 제 1 서브-셀을 포함하며,
    상기 제 1 서브-셀은 하나 이상의 n형 층을 포함하는 n형 영역, 하나 이상의 p형 층을 포함하는 p형 영역, 및 상기 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치되는, 그리고 상기 n형 영역 및 p형 영역 중 하나 또는 둘 모두와 평면의 헤테로접합을 형성하는, 개방된 공극을 갖지 않는, 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는 광활성 영역을 포함하고,
    상기 페로브스카이트 재료는 일반 화학식 (IA)를 갖고,
    AxA'1-xB(XyX'1-y)3 (IA)
    여기서 A는 포름아미디늄 양이온(FA)이고, A'는 세슘 양이온(Cs+)이고, B는 Pb2 +이고, X는 요드화물이고, X'는 브로민화물이고, 0 < x ≤ 1이고, 0 < y ≤ 1이고,
    상기 제 2 서브-셀은 실리콘 헤테로접합(SHJ)을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 재료의 층은 상기 제 2 서브-셀의 인접 표면과 공형(conformal)인 표면 상에 실질적으로 연속적이고 공형인 층으로서 배치되는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 서브-셀과 상기 제 2 서브-셀 사이에 배치되어 이들을 연결하는 중간 영역을 더 포함하고, 상기 중간 영역은 하나 이상의 상호접속층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 상호접속층의 각각은 투명한 전도체 재료를 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 상호접속층의 각각은 근적외선 및 적외선에 대해 90% 이상의 평균 투과율 및 200 옴/스퀘어(Ω/sq) 이하의 시트 저항(Rs)을 갖는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 영역은 인듐 주석 산화물(ITO)로 이루어지는 상호접속층을 포함하고, 바람직하게 상기 ITO의 층은 10 nm 내지 60nm의 두께를 갖는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n형 영역은 무기 n형 재료를 포함하는 n형 층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 무기 n형 재료는,
    타이타늄, 주석, 아연, 니오븀, 탄탈럼, 텅스텐, 인듐, 갈륨, 네오디뮴, 팔라듐, 카드뮴의 산화물, 또는 상기 금속 중 2 개 이상의 혼합물의 산화물;
    카드뮴, 주석, 구리, 아연의 황화물 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 황화물;
    카드뮴, 아연, 인듐, 갈륨의 셀렌화물 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 셀렌화물; 및
    카드뮴, 아연, 카드뮴 또는 주석의 텔루르화물, 또는 상기 금속의 2 개 이상의 혼합물의 텔루르화물 중 어느 하나로부터 선택되는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 n형 영역은 TiO2을 포함하는 n형 층을 포함하고, 바람직하게는 상기 n형 층은 TiO2의 컴팩트 층인,
    다접합형 광기전 디바이스.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n형 영역은 유기 n형 재료를 포함하는 n형 층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유기 n형 재료는 플러렌 또는 플러렌 유도체, 페릴렌 또는 페릴렌 유도체, 또는 폴리{[N,N0-비스(2-옥틸도데실)-나프탈렌-1,4,5,8-비스(디카르복시미드)-2,6-디일]-alt-5,50-(2,20-비티오펜)}(P(NDI2OD-T2)) 중 어느 하나로부터 선택되는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n형 영역은 20 nm 내지 40nm의 두께를 갖는 n형 층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 p형 영역은 무기 p형 재료를 포함하는 p형 층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 무기 p형 재료는,
    니켈, 바나듐, 구리 또는 몰리브데넘의 산화물; 및
    CuI, CuBr, CuSCN, Cu2O, CuO 또는 CIS 중 어느 하나로부터 선택되는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  15. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 p형 영역은 유기 p형 재료를 포함하는 p형 층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 유기 p형 재료는 스피로-MeOTAD, P3HT, PCPDTBT, PVK, PEDOT-TMA, PEDOT:PSS 중 어느 하나로부터 선택되는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 p형 영역은 200 nm 내지300 nm, 더 바람직하게는 250 nm의 두께를 갖는 p형 층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n형 영역은 상기 제 2 서브-셀에 인접한,
    다접합형 광기전 디바이스.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 전극 및 제 2 전극을 더 포함하고,
    상기 제 1 서브-셀 및 제 2 서브-셀은 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되고, 상기 제 1 서브-셀은 상기 제 1 전극과 접촉하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 제 1 서브-셀의 p형 영역과 접촉하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 투명한 또는 반투명한 전기 전도성 재료를 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 50 옴/스퀘어(Ω/sq) 이하의 시트 저항(Rs) 및 가시광 및 적외선에 대해 90%를 초과하는 평균 투과율을 갖는, 그리고 바람직하게는 가시광 및 적외선에 대해 95% 이상의 평균 투과율을 갖는 재료로 이루어지는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  23. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)의 층으로 이루어지고, 바람직하게는 상기 ITO의 층은 100 nm 내지 200 nm의 두께, 더 바람직하게는 150 nm의 두께를 갖는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 서브-셀의 광활성 영역은 1.50eV 내지 1.75eV의 밴드 갭, 바람직하게는 1.65eV 내지 1.70eV의 밴드 갭을 갖는 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  25. 제 38 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 재료는 FA1- xCsxPbI3 - yBry인,
    다접합형 광기전 디바이스.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 서브-셀은 양면형 서브-셀을 포함하고, 상기 디바이스는 상기 제 2 서브-셀의 아래에 배치된 제 3 서브-셀을 더 포함하고, 상기 제 3 서브-셀은 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는 광활성 영역을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 제 3 서브-셀의 광활성 영역은 상기 제 1 서브-셀의 광활성 영역의 페로브스카이트 재료와 동일하거나 상이한 페로브스카이트 재료의 층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 서브-셀은 정상 구조를 갖고, 상기 제 3 서브-셀은 반전 구조를 갖는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  29. 제 26 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 서브-셀과 상기 제 2 서브-셀 사이에 배치되어 이들을 연결하는 추가의 중간 영역을 더 포함하고, 상기 추가의 중간 영역은 하나 이상의 추가의 상호접속층을 포함하는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  30. 제 29 항에 있어서,
    바람직하게 상기 하나 이상의 추가의 상호접속층의 각각은 투명한 전도체 재료로 이루어지는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  31. 제 29 항 또는 제 30 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가의 상호접속층의 각각은 근적외선 및 적외선에 대해 90% 이상의 평균 투과율 및 200 옴/스퀘어(Ω/sq) 이하의 시트 저항(Rs)을 갖는,
    다접합형 광기전 디바이스.
  32. 제 29 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 영역은 인듐 주석 산화물(ITO)로 이루어지는 추가의 상호접속층을 포함하고, 바람직하게는 상기 ITO의 층은 10 nm 내지 60nm의 두께를 갖는,
    다접합형 광기전 디바이스.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200040517A (ko) * 2018-10-10 2020-04-20 주식회사 엘지화학 유-무기 복합 태양전지의 정공수송층 형성용 조성물, 유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지의 제조방법
KR20210151545A (ko) * 2020-06-05 2021-12-14 한화솔루션 주식회사 수분 안정성과 장기 안정성이 향상된 태양전지
KR20210151544A (ko) * 2020-06-05 2021-12-14 한화솔루션 주식회사 수분 안정성과 장기 안정성이 향상된 태양전지
KR20230027628A (ko) 2021-08-19 2023-02-28 상라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 태양 전지 및 이의 제조 방법
KR20230045947A (ko) 2021-09-29 2023-04-05 상라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 태양 전지 및 이의 제조 방법

Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016200897A1 (en) * 2015-06-08 2016-12-15 The Florida State University Research Foundation, Inc. Single-layer light-emitting diodes using organometallic halide perovskite/ionic-conducting polymer composite
EP3457448B1 (en) 2016-05-09 2022-06-15 Kaneka Corporation Stacked photoelectric conversion device and method for producing same
GB2559800B (en) 2017-02-20 2019-06-12 Oxford Photovoltaics Ltd Multijunction photovoltaic device
US10587221B2 (en) * 2017-04-03 2020-03-10 Epic Battery Inc. Modular solar battery
US20180248061A1 (en) * 2017-02-24 2018-08-30 Epic Battery Inc. Stable perovskite solar cell
JP6960233B2 (ja) * 2017-03-24 2021-11-05 株式会社カネカ 太陽電池モジュール
CN107623071B (zh) * 2017-08-23 2019-06-21 西安电子科技大学 低温Si与有机叠层的太阳能电池及制备方法
WO2019050185A1 (ko) * 2017-09-05 2019-03-14 엘지전자 주식회사 태양전지 및 그 제조 방법
KR102600452B1 (ko) * 2017-10-16 2023-11-10 상라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 태양전지
KR102532143B1 (ko) * 2017-09-12 2023-05-15 상라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 태양전지 및 태양전지의 제조 방법
CN107833937B (zh) * 2017-10-31 2019-09-24 南京旭羽睿材料科技有限公司 一种石墨烯太阳能电池及其制备方法
KR101958930B1 (ko) * 2017-11-22 2019-03-19 한국과학기술연구원 일체형 태양전지 및 이의 제조 방법
DE102018212304A1 (de) * 2018-07-24 2020-01-30 Siemens Aktiengesellschaft Metallorganische Perowskit-Solarzelle, Tandem-Solarzelle sowie Herstellungsverfahren dazu
CN109326717A (zh) * 2018-09-07 2019-02-12 常州大学 一种大面积高效稳定的钝化隧穿有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池及叠层电池
WO2020067780A1 (ko) * 2018-09-28 2020-04-02 엘지전자 주식회사 태양 전지 및 이의 제조 방법
CN111199962A (zh) * 2018-11-16 2020-05-26 东泰高科装备科技有限公司 太阳能电池及其制备方法
CN109524553B (zh) * 2018-11-26 2020-10-27 西安交通大学 绒面均匀钙钛矿膜的液膜速干抑爬原位析晶制备方法
CN109524552B (zh) * 2018-11-26 2021-01-19 西安交通大学 两步制备仿金字塔形有机-无机杂化钙钛矿膜的方法
KR102622592B1 (ko) * 2018-12-03 2024-01-10 상라오 신위안 웨동 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 태양전지
GB201820427D0 (en) * 2018-12-14 2019-01-30 Univ Oxford Innovation Ltd Device interlayer
KR20200075640A (ko) 2018-12-18 2020-06-26 엘지전자 주식회사 텐덤 태양전지
CN109841742A (zh) * 2019-03-28 2019-06-04 信阳师范学院 一种用石墨烯作为导电电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池
US20220231233A1 (en) * 2019-04-18 2022-07-21 The University Of North Carolina At Chapel Hill Perovskite solar cells with near-infrared sensitive layers
WO2020246074A1 (ja) * 2019-06-07 2020-12-10 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 ４端子タンデム太陽電池
CN110246923B (zh) * 2019-06-29 2024-05-28 深圳黑晶光电技术有限公司 一种串联型钙钛矿/同质结硅叠层太阳能电池及其制备方法
EP3764406A1 (en) 2019-07-11 2021-01-13 Oxford Photovoltaics Limited Multi-junction photovoltaic device
US11489082B2 (en) 2019-07-30 2022-11-01 Epic Battery Inc. Durable solar panels
JP2022545188A (ja) * 2019-08-12 2022-10-26 アリゾナ ボード オブ リージェンツ オン ビハーフ オブ アリゾナ ステート ユニバーシティ ペロブスカイト／シリコンタンデム型光起電力デバイス
CN110600614B (zh) * 2019-09-19 2021-06-22 南京大学 一种钙钛矿/钙钛矿两端叠层太阳能电池的隧穿结结构
US11437537B2 (en) 2020-03-02 2022-09-06 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Perovskite-silicon tandem solar cell
CN115777150A (zh) 2020-06-18 2023-03-10 牛津光伏有限公司 具有金属氮氧化物层的多结光伏设备
CN112018207B (zh) * 2020-08-14 2023-02-03 隆基绿能科技股份有限公司 一种叠层太阳能电池及其制备方法
US20220199845A1 (en) * 2020-12-18 2022-06-23 The University Of Toledo Architecture for Efficient Monolithic Bifacial Perovskite-CdSeTe Tandem Thin Film Solar Cells and Modules
FR3118298B1 (fr) * 2020-12-18 2023-06-23 Commissariat Energie Atomique Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux ayant un materiau de jonction en oxyde transparent conducteur
DE102021201746A1 (de) * 2021-02-24 2022-08-25 Karlsruher Institut für Technologie Perowskit-basierte Mehrfachsolarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
WO2023164718A2 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Massachusetts Institute Of Technology Metallic reinforced transparent conductive oxides
JP7114821B1 (ja) 2022-03-18 2022-08-08 株式会社東芝 多層接合型光電変換素子及び多層接合型光電変換素子の製造方法
CN115884648B (zh) * 2023-03-03 2023-05-12 江西省科学院能源研究所 一种有机硅掺杂空穴传输层及钙钛矿太阳能电池制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015017885A1 (en) * 2013-08-06 2015-02-12 Newsouth Innovations Pty Limited A high efficiency stacked solar cell
KR20150056851A (ko) * 2012-09-18 2015-05-27 아이시스 이노베이션 리미티드 광전자 디바이스

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4410654B2 (ja) * 2004-10-20 2010-02-03 三菱重工業株式会社 薄膜シリコン積層型太陽電池及びその製造方法
JP2011082396A (ja) * 2009-10-08 2011-04-21 Panasonic Electric Works Co Ltd タンデム型有機太陽電池
CN101789458A (zh) * 2010-02-26 2010-07-28 刘莹 变带隙双面透明电极薄膜太阳能电池
JP2012256691A (ja) * 2011-06-08 2012-12-27 Sharp Corp 光電変換デバイス
US20150053259A1 (en) * 2013-08-22 2015-02-26 Plant PV P-type doping of ii-vi materials with rapid vapor deposition using radical nitrogen
CN203721776U (zh) * 2013-12-06 2014-07-16 山东力诺太阳能电力股份有限公司 一种硅基有机双面受光太阳电池
WO2016012274A1 (en) * 2014-07-21 2016-01-28 Basf Se Organic-inorganic tandem solar cell
WO2016090179A1 (en) * 2014-12-03 2016-06-09 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University 2-terminal metal halide semiconductor/c-silicon multijunction solar cell with tunnel junction
JP6506837B2 (ja) * 2015-03-31 2019-04-24 株式会社カネカ 光電変換装置および光電変換モジュール

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150056851A (ko) * 2012-09-18 2015-05-27 아이시스 이노베이션 리미티드 광전자 디바이스
WO2015017885A1 (en) * 2013-08-06 2015-02-12 Newsouth Innovations Pty Limited A high efficiency stacked solar cell

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200040517A (ko) * 2018-10-10 2020-04-20 주식회사 엘지화학 유-무기 복합 태양전지의 정공수송층 형성용 조성물, 유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지의 제조방법
KR20210151545A (ko) * 2020-06-05 2021-12-14 한화솔루션 주식회사 수분 안정성과 장기 안정성이 향상된 태양전지
KR20210151544A (ko) * 2020-06-05 2021-12-14 한화솔루션 주식회사 수분 안정성과 장기 안정성이 향상된 태양전지
KR20230027628A (ko) 2021-08-19 2023-02-28 상라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 태양 전지 및 이의 제조 방법
KR20230045947A (ko) 2021-09-29 2023-04-05 상라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 태양 전지 및 이의 제조 방법
WO2023054786A1 (ko) 2021-09-29 2023-04-06 샹라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 태양 전지 및 이의 제조 방법

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