KR20190053374A - 탠덤 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명은 텐덤 태양전지에 관한 것이며, 텐덤 태양전지에서 제1 전지와 제2 전지 사이의 중간층의 구조 및 재료의 설계를 통해 투과율을 향상시키고 전기적 접합 신뢰성을 향상시켜 그로 인해 우수한 광전 변환 효율 및 전기적 접촉을 개선한 텐덤 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지 상에 위치하는 제2 태양전지; 상기 제1 태양전지와 제2 태양전지 사이에 위치하는 중간층;을 포함하며, 상기 중간층은 전기 전도성 소재로 구성된 제1 패턴들; 상기 제1 패턴들 사이에 위치하며 유전체(high K)로 구성된 제2 패턴들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지를 제공함으로써, 태양광의 반사를 억제함과 동시에 광투과도를 증가시키고 기생 흡수를 억제하여 태양전지의 광전 변환 효율을 극대화 할 수 있다.

Description

탠덤 태양전지{TANDEM SOLAR CELL}
본 발명은 텐덤 태양전지에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 텐덤 태양전지에서 제1 태양전지와 제2 태양전지 사이의 중간층의 구조 및 재료의 설계를 통해 투과율을 향상시키고 전기적 접합 신뢰성을 향상시켜 그로 인해 우수한 광전 변환 효율 및 전기적 접촉을 개선한 텐덤 태양전지에 관한 것이다.
결정질 실리콘(crystalline silicon; c-Si) 태양전지는 대표적인 단일접합(single junction) 태양전지로서 현재 상업적 태양전지로 널리 사용되고 있다.
그러나 결정질 실리콘 태양전지의 낮은 광전 변환 효율로 인해, 서로 다른 밴드 갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 연결하여 하나의 태양전지를 구성하는 텐덤 태양전지에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
도 1은 텐덤 태양전지 가운데, 일반적인 형태인 2-단자 텐덤 태양전지의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 중간층(터널 접합층, 접합층 또는 inter-layer 라고도 한다)을 매개로 하여 터널 접합된다.
이 중, 상대적으로 큰 밴드갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 페로브스카이트(perovskite) 태양전지로 사용하는 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지는 30% 이상의 높은 광전 효율을 달성할 수 있어 많은 주목을 받고 있다.
종래의 텐덤 태양전지는 중간층으로 광투과율과 전기 전도성이 상대적으로 우수한 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 또는 금속성 소재를 사용하여 구현되거나, 또는 중간층에 n형 또는 p형 물질을 도핑하여 사용하였다.
그러나 비록 투명 전도성 산화물이라 하더라도 태양광의 흡수 및 반사가 발생하며, 특히 단파장대의 태양광은 상대적으로 많이 반사하는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 중간층에서의 태양광의 반사는 결국 태양전지의 광전 변환효율을 떨어뜨리는 문제점을 유발한다.
한편, 태양광에 대해 투과도가 높은 고유전율 재료들(high-K dielectric materials)은 우수한 광투과도로 인해 광전 변환효율에는 유리한 효과를 가지나, 전자나 정공(hole)과 같은 전하 이동자(charge carrier)에 대해서는 터널링 효과를 가지지 못한다.
전자나 정공의 이동이 어렵게 되면, 이는 서로 다른 밴드갭을 가지는 단일접합 태양전지들이 서로 전기적으로 접촉하지 못하게 됨을 의미한다. 결국 그로 인해 태양광에 의해 여기된 전자와 정공이 서로 재결합(recombination)되지 못하고 기생 흡수(parasitic absorption)될 가능성이 높아지게 되는 또 다른 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 텐덤 태양전지에 있어서, 제1 태양전지와 제2 태양전지 사이의 중간층에 새로운 재료를 적용함으로써 광투과도를 향상시켜 그로 인해 광전 변환효율을 향상시킨 텐덤 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서의 텐덤 태양전지는, 제1 태양전지와 제2 태양전지 사이의 중간층의 구조를 새롭게 설계함으로써 제1 태양전지와 제2 태양전지 사이의 전기적 연결을 담보하고 더 나아가 기생흡수를 최소화하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지 상에 위치하는 제2 태양전지; 상기 제1 태양전지와 제2 태양전지 사이에 위치하는 중간층;을 포함하며, 상기 중간층은 전기 전도성 소재로 구성된 제1 패턴들; 상기 제1 패턴들 사이에 위치하며 유전체(high K)로 구성된 제2 패턴들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지 가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기 전도성 소재는 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 또는금속성 소재인 것; 을 특징으로 하는 텐덤 태양전지 가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유전체는 ZrO2, HfO2, Y2O3 중 하나 이상인 것; 을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 패턴들과 상기 제2 패턴들은 상호 교번적으로 위치하는 것; 을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 중간층의 두께는 10 내지 40 ㎚인 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지 가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 패턴들과 제2 패턴들의 면적 비는 30:70 내지 70:30인 것; 을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 패턴들과 제2 패턴들의 평균 폭은 10~300㎛ 이내인 것; 을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 태양전지의 밴드갭보다 제2 태양전지의 밴드갭이 더 큰 것; 을 특징으로 하는 템덤 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 태양전지는 기판; 상기 기판 상의 제1 면에 위치하는 제1 도전형층; 상기 기판 상의 제2 면에 위치하는 제2 도전형층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
이때, 상기 제1 태양전지는 상기 기판과 상기 제1 도전형층 사이에 위치하는 제1 패시베이션막; 상기 제1 태양전지는 상기 기판과 상기 제2 도전형층 사이에 위치하는 제2 패시베이션막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
한편, 상기 기판과 상기 제1 도전형층은 동일한 도전형을 가지는 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
또는, 상기 기판과 상기 제2 도전형층은 동일한 도전형을 가지는 것;을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 태양전지는, 제1 도전형 전하수송층; 상기 제1 도전형 전하수송층 상에 위치하는 페로브스카이트 흡수층; 상기 페로브스카이트 흡수층 상에 위치하는 제2 도전형 전하수송층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다.
이 때, 상기 페로브스카이트 흡수층은 FA1- xCsxPbBryI3 -y을 포함하는 것; 을 특징으로 하는 텐덤 태양전지가 제공될 수 있다. (단, 여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 3 이다)
본 발명에 따르면, 텐덤 태양전지에서 제1 태양전지와 제2 태양전지 사이의 중간층에 유전체라는 새로운 소재를 적용함으로써 태양광의 반사를 억제하고 광투과도를 증가시켜 광전 변환효율을 달성할 수 있다.
특히 단파장대 태양광선에서의 높은 반사율을 가지는 종래의 전기 전도성 소재를 유전체로 일부 치환시킴으로써 광투과도를 개선하여 광전 변환효율을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에서는 상기 중간층의 구조를 전기 전도성 소재의 제1 패턴들과 유전체의 제2 패턴들로 형성함으로써, 유전체로만 된 중간층에서 필연적으로 발생하는 전자 및 정공이라는 전하 이동자의 이동이 느려지고 재결합이 어려워지는 현상을 방지할 수 있다.
구체적으로 상기 중간층에 전기 전도성 소재로 된 제1 패턴들을 포함시킴으로써, 제1 태양전지 및 제2 태양전지에서 발생한 전자 및 정공의 재결합이 제1 패턴들을 통해 일어나서 그로 인해 중간층에서의 기생 흡수를 억제할 수 있는 효과가 있다.
그 결과 낮아진 기생흡수로 인해 텐덤 태양전지 전체의 광전 변환효율을 개선시킬 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 텐덤 태양전지를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 텐덤 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 15는 본 발명에서의 텐덤 태양전지의 제조 방법을 단계적으로 도시한 단면도 및 본 발명의 중간층을 형성하는 구체적인 공정 순서를 도시한 단면도이다.
이하, 본원에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지와 이를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.
텐덤 태양전지
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 텐덤 태양전지를 나타낸 단면도이다.
구체적으로 도 2는, 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 제2 태양전지(120)와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 제1 태양전지(110)가 중간층(114)(이하 "터널 접합층", "접합층", "inter-layer"라고도 한다)을 매개로 하여 직접적으로 터널 접합된 2-단자 탠덤 태양전지(100)의 구조를 도시한다.
이에 따라, 탠덤 태양전지(100)로 입사된 광 중 단파장 영역의 광은 제2 태양전지(120)에 흡수되어 전하를 생성하며, 제2 태양전지(120)를 투과하는 장파장 영역의 광은 제1 태양전지(110)에 흡수되어 전하를 생성하게 된다.
또한 제1 태양전지(110)에서 장파장 영역의 광을 흡수하여 발전함으로써 문턱 파장(threshold wavelength)을 장파장 쪽으로 이동시킬 수 있으며, 결과적으로 전체 태양전지가 흡수하는 파장대를 넓힐 수 있다는 부가적인 이점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 텐덤 태양전지(100)는 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120)를 포함한다.
이 때, 상기 제1 태양전지는 실리콘 태양전지일 수 있으며, 상기 제1 태양전지 위의 제2 태양전지는 페로브스카이트 태양전지일 수 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서의 제2 태양전지는 제1 태양전지 상에 위치하면서 제1 태양전지의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가지는 태양전지는 모두 적용이 가능하다.
본 발명에서의 하나의 실시예로서의 텐덤 태양전지(100)는, 제1 태양전지(110); 상기 제1 태양전지(110) 상에 위치하는 제2 태양전지(120); 상기 제1 태양전지와 제2 태양전지 사이에 위치하는 중간층(114);을 포함하며, 상기 중간층은 전기 전도성 물질로 구성된 제1 패턴들(114-1); 상기 제1 패턴들 사이에 위치하며 유전체(high K)로 구성된 제2 패턴들(114-2);을 포함한다.
일반적으로, 텐덤 태양전지에서는 제1 태양전지(110)와 상기 제2 태양전지(120) 사이에서의 전하 이동을 위하여 중간층(114)을 포함한다. 이 경우 중간층(114)은 제2 태양전지(120)를 투과하는 태양광선을 투과 손실 없이 하부의 제1 태양전지(110)로 입사될 수 있도록 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 또는 금속성 소재를 사용하여 구현될 수 있다. 또한, 중간층(114)에 n형 또는 p형 물질을 도핑하여 사용할 수도 있다.
투명 전도성 산화물(transparent conductive oxides, TCO)로는 ITO (Indium Tin Oxide), IWO(Indium Tungsten Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide), GITO (Gallium Indium Tin Oxide), GIO (Gallium Indium Oxide), GZO (Gallium Zinc Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), FTO (Fluorine Tin Oxide) 또는 ZnO 등이 사용될 수 있다.
탄소질 전도성 소재로는 그래핀 또는 카본나노튜브 등이 사용될 수 있으며, 금속성 소재로는 금속(Ag) 나노 와이어, Au/Ag/Cu/Mg/Mo/Ti와 같은 다층 구조의 금속 박막이 사용될 수 있다.
그러나 상기 전도성 소재들은 전기 전도성이라는 특성 이외에도, 제1 태양전지에서 태양광을 흡수하게 하기 위해 광 투과성이라는 광학적 특성이 우수해야 한다. 따라서 광학성의 특성을 위해 투명 전도성 산화물 이외에 탄소질 전도성 소재나 금속성 소재를 적용할 경우 두께 조절 등을 통해 광 투과성을 조절한다.
한편 비록 투명 전도성 산화물이라 하더라도, 일부 파장대의 태양광에 대해서는 투과도가 낮은 것으로 알려져 있다. 특히 단파장대의 태양광에 대해서는 장파장대에 비해 반사도가 매우 높은 것으로 알려져 있다. 이와 같이 투명 전도성 산화물의 높은 반사도는 양면 투과형 태양전지에서는 더욱 문제가 된다.
본 발명에서는 투명 전도성 산화물과 같은 도전형 소재에서의 광반사도를 개선하고자, 먼저 상기 중간층(114) 상에 광투과도가 투명 전도성 산화물 대비 상대적으로 높은 유전체를 포함시키도록 하였다.
이 때, 본 발명에서의 유전체는 소위 말하는 high-K 소재를 기반으로 한다. 구체적으로 상기 유전체는 ZrO2, HfO2, Y2O3 중 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명에서의 유전체(114-2)를 포함하는 중간층(114)이 만일 유전체로만 이루어지게 되면, high-K의 특성상 터널링(tunneling) 효과를 기대하기 어렵다. 이는 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120)의 전기적인 연결이 불가능하게 되어 텐덤 태양전지라는 고유의 기능을 달성하지 못함을 의미한다.
이에 따라 본 발명에서는 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120)의 전기적인 연결을 위해, 상기 유전체(114-2)를 포함하는 중간층에 투명 전도성 산화물(TCO)를 포함하는 전기 전도성 소재를 추가로 포함한다.
이 때 상기 전기 전도성 소재로 이루어진 제1 패턴들(114-1)과 상기 유전체로 이루어진 제2 패턴들(114-2)은 상호 교번적으로 위치하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 상기 중간층(114)은 전기 전도성 소재로 구성된 제1 패턴들(114-1)과 상기 제1 패턴들 사이에 위치하며 유전체(high K)로 구성된 제2 패턴들(114-2)로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
이 때 상기 전기 전도성 소재로 이루어진 제1 패턴들(114-1)과 상기 유전체로 이루어진 제2 패턴들(114-2)은 상호 교번적으로 위치하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 상기 중간층(114)은 전기 전도성 소재로 구성된 제1 패턴들(114-1)과 상기 제1 패턴들 사이에 위치하며 유전체(high K)로 구성된 제2 패턴들(114-2)로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
만일 중간층(114)의 두께가 10㎚ 이하인 경우, 중간층의 비저항이 지나치게 증가하고 전하 이동자(charge carrier)의 이동도(mobility)가 감소하여 전기적 특성이 열위되는 문제가 발생한다. 반면 중간층(114)의 두께가 50㎚ 이상인 경우, 지나치게 두꺼운 유전체(114-2)의 두께로 인해 광투과도가 지나치게 떨어진다는 문제가 생긴다.
또한 상기 제1 패턴들(114-1)과 제2 패턴들(114-2)의 면적 비(다시 말하면 폭의 비)는 30:70 내지 70:30인 것이 바람직하다.
만일 제1 패턴들의 비가 30%보다 작은 경우, 제1 태양전지와 제2 태양전지 간의 전하 이동이 원활하지 못하여 중간층에서 광전 변환에 참여하지 못하고 흡수되는 기생 흡수(parasitic absorption)가 많아지게 된다. 더 나아가, 제1 태양전지와 제2 태양전지 간의 전류 매칭이 원활하지 않아 그 결과 단락 전류(Jsc)를 크게 할 수 없다는 문제가 있다.
반면 제1 패턴들의 비가 70%보다 큰 경우, 특히 단파장대의 태양광의 반사율이 지나치게 높아지게 되고 그 결과 제1 태양전지 또는 제2 태양전지로의 태양광의 투과율이 감소하여 광전 변환효율이 오히려 감소하게 된다.
또한, 상기 제1 패턴들(114-1)과 제2 패턴들(114-2)의 평균 폭은 500㎛ 이내인 것이 바람직하다. 특히 상기 제1 패턴들(114-1)과 제2 패턴들(114-2)의 평균 폭은 10~300㎛ 이내인 것이 바람직하다.
만일 상기 패턴들의 평균 폭의 하한 값은 특별한 제한은 없다. 그러나 프로세스 윈도우(process window)를 감안한 공정 능력과 생산성, 그리고 기판이 텍스쳐를 가지는 경우 발생하는 광산란 등을 감안하면, 상기 패턴들의 평균 폭의 하한 값은 10㎛ 이상인 것이 바람직하다.
반면, 상기 패턴들의 평균 폭의 상한 값은 500㎛ 이내인 것이 바람직하며, 300㎛ 이내인 것이 보다 바람직하다. 만일 상기 패턴들이 500㎛보다 넓은 경우, 지나치게 넓은 제2 패턴들(114-2)로 인해 제1 태양전지 및 제2 태양전지에서 생성된 정공과 전자가 유전체로 이루어진 제2 패턴들(114-2)로 인해 재결합되기 까지 지나치게 멀리 이동을 하게 되고 그로 인해 기생 흡수가 일어날 가능성이 높아지기 때문이다.
한편, 본 발명에서는 제1 태양전지와, 상기 제1 태양전지의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가지는 제2 태양전지를 포함한다.
이 때, 상기 제1 태양전지는 실리콘 태양전지일 수 있으며, 상기 제1 태양전지 위의 제2 태양전지는 페로브스카이트 태양전지일 수 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서의 제1 태양전지(110)는 결정질 실리콘 기판(111); 상기 결정질 실리콘 기판의 제2면 상에 위치하는 제2 패시베이션막(112-1); 상기 제2 패시베이션층(112-1) 상에 위치하는 제2 도전형층(112-2); 상기 결정질 실리콘 기판의 제1면 상에 위치하는 제1 패시베이션막(113-1); 상기 제1 패시베이션막(113-1) 상에 위치하는 제1 도전형층(113-2); 상기 제1 도전형층(113-2) 상에 위치하는 제1 전극(140);을 포함한다.
더욱 구체적으로 살펴보면, 상기 결정질 실리콘 기판(111)은 단결정 또는 다결정 반도체(일 예로, 단결정 또는 다결정 실리콘)로 구성될 수 있다. 특히, 결정질 실리콘 기판(111)은 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 반도체 웨이퍼, 보다 구체적으로는, 단결정 실리콘 웨이퍼)로 구성될 수 있다. 이와 같이 결정질 실리콘 기판(111)이 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 실리콘)로 구성되면, 제1 태양 전지(110)가 단결정 반도체 태양 전지(예를 들어, 단결정 실리콘 태양 전지)를 구성하게 된다.
일반적으로 단결정 반도체 기판은 다결정 반도체 기판과 비교해서 결정립계(grain boundary)와 같은 2차원 결함뿐만 아니라 전위(dislocation)와 같은 1차원 결함도 더 적다는 특징이 있다. 결정 내부에서 이와 같은 결함들이 존재하게 되면, 결함 주변에는 전자와 같은 전하 이동자(charge carrier)의 흐름을 방해하는 응력장(strain field)이 생성된다. 따라서 결함이 적은 단결정 반도체로 구성되는 기판(111)을 기반으로 하는 제1 태양 전지(110)는, 다결정 반도체 대비 전하의 이동도(mobility)가 높아서, 우수한 전기적 특성을 가질 수 있다.
본 실시예에서는 기판(111)에 별도의 도핑 영역이 형성되지 않고 반도체 기판(111)이 베이스 영역만으로 구성될 수 있다. 이와 같이 기판(111)에 별도의 도핑 영역이 형성되지 않으면, 도핑 영역을 형성할 때 발생할 수 있는 기판(111)의 손상, 결함 증가 등이 원천적으로 방지되어 기판(111)이 우수한 패시베이션 특성을 가질 수 있다. 이에 의하여 결정질 실리콘 기판(111)의 표면에서 발생하는 표면 재결합을 최소화할 수 있다.
또한 본 실시예에서 기판(111)은, 베이스 도펀트인 제1 도전형 도펀트가 낮은 도핑 농도로 도핑되어 도전형을 가질 수도 있다. 이때, 반도체 기판(111)은 이와 동일한 도전형을 가지는 전계 영역보다 낮은 도핑 농도, 높은 저항 또는 낮은 캐리어 농도를 가질 수도 있다.
한편 단일접합 태양전지에서는 표면에서의 입사광의 반사율을 줄이고 태양전지로 입사된 광의 경로를 증가시키기 위해, 표면에 텍스쳐 구조를 도입하는 것이 일반적이다. 따라서 본 발명에서의 탠덤 태양전지(100)에서의 제1 태양전지가 결정질 실리콘 태양전지일 경우, 이 때 제1 태양전지(110)도 표면에(적어도 후면에) 텍스쳐를 형성할 수 있다.
결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면 위에는 제2 패시베이션막(112-1)이 위치되고, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면 위에는 제1 패시베이션막(113-1)이 형성된다. 이에 의하여 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면 및 제2 면을 각각 패시베이션할 수 있다.
본 발명에서는 제1 패시베이션막(113-1) 및 제2 패시베이션막(112-1)이라는 용어를 사용하였으나, 제1 패시베이션막(113-1) 및/또는 제2 패시베이션막(112-1)이 터널링막으로서의 역할도 수행할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)은 전자 및 정공에게 일종의 배리어(barrier)로 작용하여, 소수 캐리어(minority carrier)가 통과되지 않도록 하고, 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)에 인접한 부분에서 축적된 후에 일정 이상의 에너지를 가지는 다수 캐리어(majority carrier)만이 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)을 각기 통과할 수 있도록 한다. 이때, 일정 이상의 에너지를 가지는 다수 캐리어는 터널링 효과에 의하여 쉽게 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)을 통과할 수 있다. 여기서, 터널링 효과를 충분하게 구현할 수 있도록 패시베이션막(113-1, 112-1)의 두께는 제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2)보다 작을 수 있다.
일 예로, 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)이 진성 비정질 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)이 진성 비정질 실리콘(i-a-Si)층으로 이루어질 수 있다. 그러면, 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)이 기판(111)과 동일한 반도체 물질을 포함하여 유사한 특성을 가지기 때문에 기판(111)의 표면 특성을 좀더 효과적으로 향상할 수 있다. 이에 의하여 패시베이션 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
일반적으로 비정질 실리콘(i-a-Si)층은, 1.1 eV 정도의 에너지 밴드갭을 가지는 결정질 실리콘층 대비, 0.6~0.7 eV 정도 에너지 밴드갭이 큰 물질이고 이에 더하여 증착 과정시 매우 얇게 형성할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같은 비정질 실리콘층의 장점은 결국 단파장 영역에서의 광흡수 손실을 최소화하여 광이용률을 증가시킬 수 있으며, 높은 개방전압과 전면 전계 효과를 가져갈 수 있다는 장점이 있다.
한편 밴드 갭이 서로 다른 이종접합의 경우, 서로 다른 물질 간의 격자불일치(lattice mismatch)가 발생할 가능성이 매우 높다. 하지만 비정질 실리콘층을 사용하게 되면, 비정질은 결정질과 달리 결정격자가 규칙성이 없이 이루어져 있으므로 격자불일치가 발생하지 않는다. 그 결과 결정질 실리콘 기판 위에 진성 비정질 실리콘층(i a-Si)을 층작하면, 실리콘 기판 표면의 재결합을 효과적으로 감소시킬 수 있다는 장점도 있다.
본 발명에서의 진성 비정질 실리콘층은 수소화된 진성 비정질 실리콘층(i a-Si:H)을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 왜냐하면 수소화(hydrogenation) 반응에 의해, 비정질 실리콘 내에 수소가 들어가서 비정질 실리콘의 미결합 상태(dangling bond)와 에너지 밴드 갭 내의 국부화된(localized) 에너지 상태를 감소시킬 수 있기 때문이다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 제1 및/또는 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)은 진성 비정질 실리콘 탄화물(i-a-SiCx)층 또는 진성 비정질 실리콘 산화물(i-a-SiOx)층을 포함할 수도 있다. 이와 같은 비정질 실리콘 화합물 층은 진성 비정질 실리콘 층 대비 넓은 에너지 밴드갭에 의한 효과가 향상될 수 있으나, 패시베이션 특성은 진성 비정질 실리콘(i-a-Si)층을 포함하는 경우보다 다소 낮을 수 있다.
제1 패시베이션막(113-1) 위에는 제1 도전형을 가지는 제1 도전형층(113-2)이 형성될 수 있다. 그리고 제2 패시베이션막(112-1) 위에는 제1 도전형과 반대되는 제2 도전형을 가지는 제2 도전형층(112-2)이 위치할 수 있다.
제1 도전형층(113-2)은 제1 도전형 도펀트를 포함하여 제1 도전형을 가지는 영역이다. 그리고 제2 도전형층(112-2)는 제2 도전형 도펀트를 포함하여 제2 도전형을 가지는 영역일 수 있다.
일 예로, 제2 도전형층(112-2)은 기판(111)과 동일한 도전형을 가지고 제2 패시베이션막(112-1)과 접촉하며, 제1 도전형층(113-2)은 기판(111)과 상이한 도전형을 가지고 제1 패시베이션막(113-1)과 접촉할 수도 있다. 그러면, 제2 도전형층(112-2)은 전계층으로 그리고 제1 도전형층(113-2)은 에미터층으로 기능하며, 텐덤 태양전지(100)의 구조가 단순화되고 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)의 터널링 효과가 최대화될 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이와는 반대로, 제2 도전형층(112-2)은 기판(111)과 상이한 도전형을 가지고 제2 패시베이션막(112-1)과 접촉하며, 제1 도전형층(113-2)은 기판(111)과 동일한 도전형을 가지고 제1 패시베이션막(113-1)과 접촉할 수도 있다. 그러면, 제1 도전형층(113-2)은 전계층으로 그리고 제2 도전형층(111-2)은 에미터층으로 기능을 할 수 있다.
제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2)은 기판(111) 위에서 결정질 실리콘 기판(111)과 별개로 형성되므로, 기판(111) 위에서 쉽게 형성될 수 있도록 제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2)이 기판(111)과 다른 물질 및/또는 결정 구조를 가질 수 있다.
한편, 제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2) 각각은 증착 등의 다양한 방법에 의하여 쉽게 제조될 수 있는 비정질 반도체 등에 제1 또는 제2 도전형 도펀트를 도핑하여 형성될 수 있다. 그러면 제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2)이 간단한 공정에 의하여 쉽게 형성될 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)이 진성 비정질 반도체(일 예로, 진성 비정질 실리콘)로 구성되면, 기판과 패시베이션막 그리고 도전형층들은 우수한 접착 특성, 우수한 전기 전도도 등을 가질 수 있다.
이 때 제1 또는 제2 도전형 도펀트로 사용되는 p형 도펀트로는 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소를 들 수 있고, n형 도펀트로는 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소를 들 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 도펀트가 제1 또는 제2 도전형 도펀트로 사용될 수 있다.
일 예로, 기판(111)과 제2 도전형층(112-2)은 n형을 가질 수 있고, 제1 도전형층(113-2)은 p형을 가질 수 있다. 이에 의하면, 기판(111)이 n형을 가져 캐리어의 수명(life time)이 우수할 수 있다. 이 경우에 결정질 실리콘 기판(111)과 제2 도전형층(112-2)이 n형 도펀트로 인(P)을 포함할 수 있고, 제1 도전형층(113-2)은 p형 도펀트로 보론(B)을 포함할 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 기판(111)과 제2 도전형층(112-2)이 p형을 가질 수 있고, 제1 도전형층(113-2)이 n형을 가질 수도 있다.
더 나아가 기판(111)과 제1 도전형층(113-2)은 n형을 가질 수 있고, 제2 도전형층(112-2)은 p형을 가질 수 있다.
본 실시예에서 제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2)은 각기 비정질 실리콘(a-Si)층, 비정질 실리콘 산화물(a-SiOx)층, 비정질 실리콘 탄화물(a-SiCx)층, 인듐-갈륨-아연 산화물(indium-gallium-zinc oxide, IGZO)층, 티타늄 산화물(TiOx)층 및 몰리브덴 산화물(MoOx)층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2)에 적용되는 비정질 실리콘(a-Si)층, 비정질 실리콘 산화물(a-SiOx)층, 비정질 실리콘 탄화물(a-SiCx)층은 제1 또는 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다.
그리고 제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2)에 적용되는 인듐-갈륨-아연 산화물층, 티타늄 산화물층 및 몰리브덴 산화물층은 산화물층 내에 포함된 물질 외에 제1 및 제2 도전형 도펀트로 사용되는 3족 원소 또는 5족 원소(예를 들어, 보론, 인) 등을 포함하지 않는다. 인듐-갈륨-아연 산화물층, 티타늄 산화물층 및 몰리브덴 산화물층은 그 자체로 전자 또는 정공을 선택적으로 수집하여 n형 또는 p형 도전형 영역과 동일한 역할을 수행할 수 있다. 좀더 구체적으로, 인듐-갈륨-아연 산화물층은 n형의 도전형을 가질 수 있고, 티타늄 산화물층이 n형을 가질수 있고, 몰리브덴 산화물층은 p형의 도전형을 가질 수 있다.
비정질 실리콘(a-Si)층, 비정질 실리콘 산화물(a-SiOx)층, 비정질 실리콘 탄화물(a-SiCx)층은 비록 결정 구조는 결정질 실리콘 기판(111)과 다르지만 기판(111)을 구성하는 반도체 물질(일 예로, 실리콘)을 포함하여 기판(111)과 유사한 특성을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 패시베이션막(113-1, 112-1)에서와 동일하게, 기판(111)의 반도체 물질과 다른 물질을 포함할 경우에 발생할 수 있는 특성 차이를 최소화할 수 있다. 이 중에서 비정질 실리콘 산화물층, 비정질 실리콘 탄화물층은 높은 에너지 밴드갭을 가져 에너지 밴드 벤딩이 충분히 일어나도록 하여 캐리어를 선택적으로 통과시킬 수 있다. 그리고 인듐-갈륨-아연 산화물(indium-gallium-zinc oxide, IGZO)층, 티타늄 산화물(TiOx)층 및 몰리브덴 산화물(MoOx)층은 넓은 에너지 밴드갭을 가지며 광 흡수율이 낮아 광 손실을 최소화할 수 있다.
일 예로, 제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2) 가운데 기판과 동일한 도전형을 가지는 전계층으로 기능을 하는 도전형층은, 광 흡수율이 낮은 인듐-갈륨-아연 산화물층, 티타늄 산화물층 및 몰리브덴 산화물층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 의하여 전계층에서 광이 흡수되는 것을 최소화할 수 있다.
그리고 제1 도전형층(113-2) 및 제2 도전형층(112-2) 가운데 기판과 상이한 도전형을 가지는 에미터층으로 기능을 하는 도전형층은, 비정질 실리콘층, 비정질 실리콘 산화물층 및 비정질 실리콘 탄화물층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 에미터층은 기판(111)과 pn 접합(또는 패시베이션막을 사이에 둔 pin 접합)을 형성하여 광전 변환에 직접 관여하는 층이므로, 기판(111)과 동일한 반도체 물질(즉, 실리콘)을 포함하여 유사한 특성을 가지도록 하여 캐리어의 이동이 좀더 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다.
다시 도 2를 참고하여, 제1 도전형층(113-2) 위에는 제1 태양전지와 전기적으로 연결되는 제1 전극(140)이 위치(일 예로, 접촉)한다. 상기 제1 전극(140)은 선택적으로 먼저 제1 도전형층(113-2)의 위에 위치하는 투명전극층(115)을 포함한다. 투명전극층 재료로써는 ITO (Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide) 등의 투명 전도성 산화물을 포함한다.
상기 투명전극층(115)이 위치한 후, 그 위에 그리드 전극(116)이 위치한다. 물론, 상기 투명전극층(115)을 형성하지 않고 제1 도전형층(113-2) 위에 바로 그리드 전극(116)이 위치할 수도 있다. 그러나 상기 제1 도전형층은 금속 그리드를 통해 캐리어(carrier)를 모으기에는 상대적으로 캐리어(carrier) 이동도가 낮으므로 투명전극층(115)을 먼저 형성하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에서의 상기 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)용 페이스트(paste)는 유리 프릿을 포함할 수도 또는 유리 프릿을 포함하지 않을 수도 있다.
먼저, 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)은 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제1 전극(140) 형성 온도에서 저온 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 이 경우 제1 전극 페이스트는 금속 입자와 저온소성용 바인더인 유기물이 포함되어 있을 수 있으며, 제1 전극 페이스트에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 이 때, 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)의 형성 온도는 250 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200일 수 있다. 이와 같이 제1 전극(140)의 형성이 저온에서 이루어질 경우, 제1 전극(140)은 후술할 제2 전극(130)과 동일한 단계에서 형성될 수 있어, 공정 수를 줄임으로써 생산성 측면에서 보다 유리해 진다.
이와는 달리, 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)은 유리 프릿을 포함하는 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제1 전극(140) 형성 온도에서 고온 소성하는 것에 의해 제조될 수도 있다. 이 경우 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)용 페이스트는 금속 입자와 바인더와 같은 유기물뿐만 아니라 유리 프릿과 같은 용융을 위해 고온이 필요한 무기물 입자들도 포함된다. 이 때, 제1 전극(140) 형성 온도는, 후술할 제2 전극(130)의 형성 온도보다, 상대적으로 높기 때문에 제2 전극과는 별개의 공정에서 형성되게 된다.
본 발명에서의 텐덤 태양전지(100)는 제1 태양전지(110)뿐만 아니라 제1 태양전지(110) 상의 제2 태양전지(120)도 포함된다.
본 발명에서의 제2 태양전지(120)는 일례로, 먼저 제1 태양전지 위에 위치하는 제1 도전형 전하 수송층(121); 상기 제1 도전형 전하 수송층 위에 위치하는 페로브스카이트 흡수층(122); 상기 페로브스카이트 흡수층(122) 위에 위치하는 제2 도전형 전하 수송층(123); 및 상기 제2 도전형 전하 수송층 위에 위치하는 제2 전극(130);을 포함한다.
구체적인 예로써, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판이고 제2 도전형층(112-2)이 n형 도전형인 경우, 제2 태양전지(120)에서의 제1 도전형 전하 수송층(121)은 p형의 정공수송층(121)이 되고 제2 도전형 전하 수송층(123)은 n형의 전자수송층(123)이 된다.
또 다른 예로써, 만일 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판이고 제2 도전형층(112-2)이 p형 도전형인 경우, 제2 태양전지(120)에서의 제1 도전형 전하 수송층(121)은 n형의 전자수송층(121)이 되고 제2 도전형 전하 수송층(123)은 p형의 정공수송층(123)이 된다.
본 발명에서의 제1 도전형 전하 수송층(121)과 제2 도전형 전하 수송층(123)으로 사용될 수 있는 대표적인 소재는 전도성 무기물층이 이용될 수 있다.
이 때, 상기 전도성 무기물층이 전자수송층으로 사용될 때의 비제한적인 예로는 Ti 산화물, Zn 산화물, In 산화물, Sn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Mo 산화물, Mg 산화물, Zr 산화물, Sr 산화물, Yr 산화물, La 산화물, V 산화물, Al 산화물, Y 산화물, Sc 산화물, Sm 산화물, Ga 산화물, In 산화물 및 SrTi 산화물 등이 있다. 보다 바람직하게, 전자수송층은 ZnO, TiO2, SnO2, WO3 및 TiSrO3로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 산화물이 이용될 수 있다.
반면, 상기 전도성 무기물층이 정공수송층으로 사용될 경우 가능한 금속 산화물로는 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다.
한편 본 발명에서의 제1 도전형 전하 수송층(121)과 제2 도전형 전하 수송층(123)으로는 전도성 유기물층 등도 사용될 수 있다.
예를 들어 상기 제1 도전형 전하 수송층(121) 또는 제2 도전형 전하 수송층(123)이 p형의 정공수송층인 경우, 정공 전도성 유기물은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA), 펜타센(pentacene), 쿠마린 6(coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin), ZnPC(zinc phthalocyanine), CuPC(copper phthalocyanine), TiOPC(titanium oxide phthalocyanine), Spiro-MeOTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxyphenylamino)- 9,9'-spirobifluorene), F16CuPC(copper(II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro- 29H,31H-phthalocyanine), SubPc(boron subphthalocyanine chloride) 및 N3(cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'- bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-ruthenium(II)) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이 사용된다.
반면, 상기 제1 도전형 전하 수송층(121) 또는 제2 도전형 전하 수송층(123)이 n형의 전자 수송층인 경우, 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체 (Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것이 사용된다.
한편 본 발명에서의 제1 도전형 전하 수송층(121)과 제2 도전형 전하 수송층(123)으로는 실리콘(Si)을 포함한 층도 사용될 수 있다.
예를 들면 상기 제1 도전형 전하 수송층(121) 또는 제2 도전형 전하 수송층(123)이 n형의 전자수송층인 경우, 실리콘(Si)을 포함하는 층으로 이루어진 전자수송층은, 보다 구체적으로, 비정질 실리콘(n-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(n-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(n-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(n-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(n-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(n-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(n-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(n-μc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(n-μc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(n-μc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(n-μc-SiN), 마이크로결정 실리콘 게르마늄(n-μc-SiGe) 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 재료로 이루어진다.
반면 제1 도전형 전하 수송층(121) 또는 제2 도전형 전하 수송층(123)이 p형의 정공수송층인 경우, 실리콘(Si)을 포함하는 층으로 이루어진 정공수송층은, 보다 구체적으로, 비정질 실리콘(p-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(p-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(p-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(p-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(p-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(p-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(p-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(p-μc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(p-μc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(p-μc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(p-μc-SiN), 마이크로결정 실리콘 게르마늄(p-μc-SiGe) 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 재료로 이루어진다.
제1 도전형 전하 수송층(121) 상에는 페로브스카이트 흡수층(122)이 위치한다.
본 발명에서의 페로브스카이트 흡수층(122)은 현재 널리 사용되는 소위 말하는 MA(Methylamminium)계 또는 FA(Formamidinium)계 페로브스카이트 화합물 모두 사용 가능하다.
이 중 FA계 페로브스카이트 화합물은 MA계 페로브스카이트 화합물 대비 고온 안정성이 우수하다는 특유의 장점도 있다. 이에 더하여 최근 들어, 상기 FA계 페로브스카이트 화합물에 Br을 도핑하게 되면 페로브스카이트 화합물의 밴드 갭이 증가됨이 확인되었다. 또한 Cs의 첨가는 원하지 않는 델타(δ)상 FA계 화합물의 생성을 억제할 수 있는 것이 확인되었다.
이에 더하여, Br의 첨가는 FA계 페로브스카이트 흡수층의 밴드 갭을 기존 MA계 페로브스카이트 흡수층의 밴드 갭과 유사한 정도로 크게 할 수 있기 때문이다. 밴드 갭 에너지가 높은 범위까지 증가하게 되면, 기존 실리콘 태양전지 대비, 단파장의 빛을 높은 밴드 갭을 가지는 페로브스카이트층이 흡수함으로써 광자 에너지와 밴드갭과의 차이로 생기는 열적 손실을 줄여 높은 전압을 발생시킬 수 있다. 그로 인해 종국적으로는 태양전지의 효율이 높아지게 된다.
따라서 본 발명에서는 페로브스카이트 흡수층으로 FA(Formamidinium) 성분을 사용하는 경우에는, FA1- xCsxPbBryI3 -y가 보다 바람직하다(단, 여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 3 이다).
상기 페로브스카이트 흡수층(122) 상에는 제2 도전형 전하 수송층(123)이 위치하고, 다시 제2 도전형 전하 수송층 상에는 제2 전극(130)이 위치한다.
이때, 상기 제2 전극(130)은 먼저 투명 전극층(125)을 포함한다. 상기 투명 전극층(125)은 페로브스카이트 태양전지(120)의 상면 전체에 형성되어, 페로브스카이트 태양전지(120)에서 생성된 전하를 포집하는 역할을 한다. 이러한 투명 전극층(125)은 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다. 투명 전도성 소재로는, 중간층(114)의 투명 전도성 소재와 동일한 것이 이용될 수 있다.
다음으로 그리드 전극(126)이 투명 전극층(125) 상에 위치하며, 투명 전극층(125) 중 일부 영역에 배치된다.
제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 유리 프릿을 포함하지 않는 제2 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제1 온도에서 저온 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 여기서, 이러한 제2 전극 페이스트는 금속 입자와 저온소성용 바인더인 유기물이 포함되어 있을 수 있으며, 제2 전극 페이스트에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 특히, 제2 온도는 250 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200일 수 있다.
앞에서 살펴본 바와 같이, 상기 제1 전극의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극의 그리드 전극(126)은 제2 전극(130)을 형성할 때 동시에 형성될 수도 또는 제1 전극(140)을 형성한 후 제2 태양전지 형성 후 제2 전극(130)을 형성할 수도 있다. 만일 상기 제1 전극의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극의 그리드 전극(126)이 동시에 형성된다면, 이 때 상기 제1 전극(140) 및 상기 제2 전극(130)은 모두 250℃ 이하의 저온 소성 공정으로 형성된다.
텐덤 태양전지의 제조 방법
도 3 내지 15는 본 발명에서의 텐덤 태양전지의 제조 방법을 단계적으로 도시한 단면도 및 본 발명의 중간층을 형성하는 구체적인 공정 순서를 도시한 단면도이다.
본 발명에서의 텐덤 태양전지를 제조하기 위해, 먼저 결정질 실리콘 태양전지를 준비한다.
보다 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 결정질 실리콘 기판(111)의 전면 및 후면을 평탄화한 후, 필요에 따라 전면 및 후면 중 적어도 하나 이상을 텍스처링하여 텍스처링 패턴을 형성한다.
이와는 달리, 평탄화된 평평한 결정질 실리콘 기판(111)을 사용할 수도 있다. 텍스처된 기판은 광흡수율을 높일 수 있는 장점이 있는 반면, 평평한 기판은 본 발명 특유의 패턴들을 포함하는 중간층의 형성 방법에 있어 보다 유리한 이점이 있다.
이때, 결정질 실리콘 기판(111)의 텍스처 구조 도입은 습식화학 에칭법, 건식화학 에칭법, 전기화학 에칭법, 기계적 에칭법 중 어느 하나의 방법이 이용될 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 일 예로, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나 이상을 염기성 수용액 내에서 식각하여 텍스쳐 구조를 도입할 수 있다.
구체적인 일 실시예로써, 먼저 본 발명에서는 (100)면을 따라 슬라이스한 두께 수십~수백 ㎛의 n형 실리콘 단결정 기판을 준비하였다. 다음으로 상온~150℃의 온도 범위에서 1~5 중량%의 수산화나트륨(NaOH) 수용액 또는 수산화칼륨(KOH) 수용액에 유기용제, 인산염, 반응 조절제 및/또는 계면활성제 등의 첨가제를 포함한 수용액을 이용하여 기판 표면을 식각하였다.
상기 유기용제는 2-메틸-2,4-펜탄디올(2-methyl-2,4-pentanediol), 프로필렌 글리콜(Propylene glycol), 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올(2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol), 1,3-부탄디올(1,3-butanediol), 1,4-부탄디올(1,4-butanediol), 1,6-헥산디올(1,6-hexanediol), 2,2-디메틸-1,3-프로판디올(2,2-dimethyl-1,3-propanediol), 하이드로퀴논(Hydroquinone), 1,4-사이클로헥산디올(1,4-cyclohexanediol), 및 N-메틸 프로필(N-methyl proline) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 인산염은 K3PO4 및 K2HPO4 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 식각을 통해 실리콘 단결정 기판에는 피라미드 형상의 요철을 가지는 텍스쳐가 형성되었다. 실리콘 단결정은 다이아몬드 큐빅 구조를 가지기 때문에 {111} 면이 가장 최밀면인 동시에 화학적으로도 안정한 면이다. 따라서 수산화나트륨 수용액에 대한 식각속도는 {111} 면이 가장 느리게 되어, 결과적으로 식각 후 실리콘 기판은 {111} 면을 따라 이방성 식각이 발생한다. 그 결과 실리콘 기판 상에는 깊이 0.1~10㎛ 수준의 텍스쳐가 전면에 균일하게 형성되었다.
다음으로, 도 4에서와 같이, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 면과 제2 면에 각각 제1 패시베이션층(113-1) 및 제2 페시베이션층(112-1)을 형성한다.
이종접합 실리콘 태양 전지인 경우, 먼저 텍스쳐가 균일하게 형성된 n 타입 실리콘 결정질 기판(111) 양면에 패시베이션 층(112-1, 113-1)으로 비정질 진성 실리콘(i-a-Si:H)층을 실리콘 소스 물질(SiH4, Si2H6 등)과 수소(H2)를 이용하여 PECVD법으로 증착한다. PECVD법은 일반적인 CVD법 대비 공정온도를 낮출 수 있다는 장점이 있어, 이종접합 실리콘 태양 전지의 제조 방법으로 특히 바람직하다.
다음으로, 상기 실리콘 결정질 기판(111)과 동일하거나 반대되는 도전형의 불순물로 도핑된 제1 도전형층(113-2)과 상기 제1 도전형층(113-2)과 반대되는 도전형의 불순물로 도핑된 제2 도전형층(112-2)을 형성한다(도 5 및 6). 이 때, 제1 도전형층(113-2)과 제2 도전형층(112-2)의 형성 순서는 어느 것이 먼저 형성되더라도 좋다.
구체적으로 PECVD 공정을 이용하여, SiH4, Si2H6, SiHCl3 및 SiH2Cl2로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스와 H2 가스, 그리고 도판트(dopant) 가스로서 B2H6 또는 PH3 가스를 반응물로 이용한다. 이 때 PECVD 공정의 온도 및 압력 조건은 비정질 진성 실리콘 층의 PECVD 조건과 동일하다고 할 수 있다.
만일 제1 태양전지(110)가 위의 예와는 달리 이와는 달리 동종접합(homojunction) 실리콘 태양전지인 경우, 패시배이션층(112-1, 113-1) 없이, 에미터층과 전계층은 임플란트 공정을 통해 형성될 수 있다. 이 경우 기판이 n형으로 도핑된 경우 에미터층은 불순물로서 붕소(boron)가 도핑되고, 전계층은 불순물로서 인(phosphorous)이 도핑된다.
다음으로 도 7에 도시된 바와 같이, 결정질 실리콘 기판(111)의 제1 도전형층(113-2) 상에 투명전극층(115)과 그리드 전극(116)을 포함하는 제1 전극(140)을 형성한다.
만일 이종접합 실리콘 태양전지인 경우, 앞에서 설명한 바와 같이, 비정질 실리콘 내부의 수소결합 파괴를 방지하기 위해, 제1 전극(140)(보다 자세하게는 그리드 전극(116))의 공정온도는 제2 전극(130)(보다 자세하게는 그리드 전극(126))의 공정온도와 같이 250 이하로 제한된다. 따라서 이 경우, 제1 전극(140)은 제2 전극(130)보다 먼저 형성되거나 또는 제1 전극(140)과 제2 전극(130)은 동시에 형성될 수 있다.
제1 전극(140)은 상기 제1 도전형층(113-2) 위에 먼저 투명전극층(115)을 형성한다. 투명전극층 재료로 ITO (Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide) 등의 투명 전도성 산화물을 사용할 경우, 투명전극층(115)은 스퍼터링을 통해 증착될 수 있다.
상기 투명전극층(115)을 형성한 후, 그리드 전극(116)을 형성한다. 물론, 상기 투명전극층(115)을 형성하지 않고 제1 도전형층(113-2) 위에 바로 그리드 전극(116)를 형성할 수도 있으나, 비정질 실리콘은 금속 그리드를 통해 캐리어(carrier)를 모으기에는 상대적으로 캐리어(carrier) 이동도가 낮으므로 투명전극층(115)을 형성하는 것이 보다 바람직하다.
이 때 그리드 전극(116)은 투명전극층(115) 상에 제1 전극 페이스트를 스크린 프린팅법으로 인쇄하고, 제1 온도(250 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200이며 제2 온도와 동일)를 갖는 열처리에 의해 형성된다.
이와는 달리, 동종접합 실리콘 태양전지인 경우, 제1 전극(140) 및 제2 전극(130)을 동시에 형성하는 것이 아니라, 700 이상의 고온 소성 공정으로 제1 전극(140)을 형성하는 공정과 유리 프릿을 포함하지 않는 제2 전극 페이스트를 이용하여 250 이하의 저온 소성으로 제2 전극(130)을 형성하는 공정을 이원화하여 진행할 수 있다.
상기 결정질 실리콘 태양전지(110) 위에는 중간층(114)이 형성된다(도 8).
상기 결정질 실리콘 태양전지(110)와 페로브스카이트 태양전지(120) 사이의 중간층(114)에 패턴을 형성하는 방법은 다음의 도 9 내지 11에서 도시된 바와 같이 다양한 방법으로 형성이 가능하다.
먼저 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 도전형층(112-2) 위에 유전체층을 형성한다. 상기 유전체층은 ZrO2, HfO2, Y2O3 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 이 때 상기 유전체층은 PVD, CVD, ALD 등과 같은 다양한 방법을 통해 형성할 수 있다.
구체적으로 HfO2의 경우, 먼저 스퍼터링으로 Hf 금속층을 성막한 후, 산화를 통해 HfO2를 형성할 수 있다. 특히 산화와 함께 고온에서 열처리를 수행하면 열처리 온도가 증가함에 따라 정방정계(tetragonal)에서 단사정계(monoclinic)으로 결정구조가 변화하며, 더 높은 고온에서는 다결정 구조를 형성할 수 있다.
이와 같이 형성된 유전체는 패터닝 방법을 통해 제2 패턴(114-2)을 형성하게 된다. 이와 같은 패턴닝은 반응성 이온 식각(reactive ion etiching) 등과 같은 건식 식각법이나 습식 식각법을 통해 쉽게 구현될 수 있다.
다음으로 상기 제2 패턴(114-2) 위에 마스크를 형성한 후, 제2 패턴들(114-2) 사이의 영역에 투명 전도성 산화물로 이루어진 제1 패턴(114-1)을 형성한다.
본 발명에서는 일반적으로 널리 알려진 스퍼터링법, 보다 구체적으로 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 상기 제2 패턴들(114-2)와 제2 전도성층(113-2) 상에 제1 패턴들(114-1)을 형성하였다. 본 발명에서는 제1 패턴들(114-1)을 위해 FTO(Fluorine Tin Oxide) 또는 AZO(Aluminum doped Zinc Oxide)을 사용하였으나, 반드시 상기 재료로 한정되는 것은 아니다. 이외에도 각종 투명 전도성 산화물, 금속성 소재 및 전도성 고분자 등도 이용될 수 있다.
이 때, 상기 제1 패턴들(114-1)은 제2 패턴들(114-2)과 동일한 두께를 가지는 것이 바람직하지만 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 이와는 달리 제1 패턴들(114-1)은 제2 패턴들(114-2)보다 두꺼워도 무방하다.
상기 도 9의 방법에서는, 나중에 형성되는 제1 패턴들(114-1)을 형성하기 위한 투명 전도성 산화물이 기존의 제2 패턴들(114-2)까지 모두 덮더라도 광투과도만 일부 감소하는 단점이 있으므로, 제2 패턴들(114-2)을 덮는 마스크의 정밀도가 높지 않아도 된다. 따라서 도 9의 방법은 공정상의 마진, 다시 말하면 프로세스 윈도우가 크다는 추가적인 장점도 있다.
한편 도 9와는 달리, 도 10은 다른 방법에 의해 본 발명에서의 중간층(114)에 패턴을 형성할 수 있음을 예시한다.
먼저 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 도전형층(112-2) 위에 투명 전도성 산화물층을 형성한다. 상기 투명 전도성 산화물층은, 도 9에서와 같이, 각종 투명 전도성 산화물, 금속성 소재 및 전도성 고분자 등도 이용될 수 있다.
이와 같이 형성된 투명 전도성 산화물층은 패터닝 방법을 통해 제1 패턴(114-1)을 형성하게 된다. 이와 같은 패턴닝은 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 등과 같은 건식 식각법이나 습식 식각법을 통해 쉽게 구현될 수 있다.
다음으로 상기 제1 패턴들(114-1) 위에 마스크를 형성한 후, 제1 패턴들(114-1) 사이의 영역에 유전체로 이루어진 제2 패턴들(114-2)을 형성한다.
다만 도 9의 방법과는 달리 도 10의 방법에서는, 상기 제2 패턴들(114-2)이 상기 제1 패턴들(114-1)까지 덮게 되면 이로 인해 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120)이 전기적으로 연결되지 못하게 되는 문제가 있다. 이로 인해 도 10의 방법은 도 9의 방법 대비, 성막을 위한 마스크의 정밀도가 보다 높게 요구된다.
한편 위의 2가지 예시와 달리, 도 11에서는 또 다른 방법에 의해 본 발명에서의 중간층(114)에 패턴을 형성할 수 있음을 예시한다.
도 11은 도 9 및 10에서의 방법과 달리, 결정질 실리콘 기판(111)이 패턴화되지 않은 평평한 기판인 점에서 차이가 있다.
도 11에서는 예시적으로 먼저 제2 도전형층(112-2) 위에 유전체층을 형성한다. 물론 제2 도전형층(113-2) 상에 유전체층 대신 투명 전도성 산화물층을 먼저 형성해도 무방하다. 이 때, 도 11에서의 유전체층의 성막 방법과 도 9 및 10에서의 성막 방법은 동일한 방법들을 적용할 수 있다.
다음으로 상기 형성된 유전체층을, 도 9 및 10에서의 방법과 동일하게, 건식 식각법이나 습식 식각법을 통해 제2 패턴들(114-2)을 형성하게 된다.
이 후 도 11에서는, 도 9 및 10에서의 방법과는 달리, 상기 제2 패턴들(114-2) 위에 마스크를 형성하지 않고 투명 전도성 산화물층을 제2 도전형층(112-2)와 제2 패턴들(114-2) 위에 전체적으로 형성한다.
그 다음 이와 같이 형성된 투명 전도성 산화물층은 물리적인 폴리싱(polishing) 또는 CMP(chemical mechanical polishing)을 통해 두께 방향으로 일부가 제거되고, 그 결과 제1 패턴들(114-1)과 제2 패턴들(114-2)로 이루어진 중간층(114)이 형성된다.
도 11의 방법은 앞서의 도 9 및 10의 방법과는 달리, 증착 과정에서 마스크를 사용하지 않으므로 공정이 보다 간단하고, 더 나아가 폴리싱을 통해 보다 쉽게 패턴들을 형성할 수 있다는 공정상의 장점이 있다.
본 발명의 페로브스카이트 태양전지(120) 및 이를 포함하는 탠덤 태양전지(100)는, 상기 중간층(114) 위에, 제1 도전형 전하 수송층(121)을 형성한다(도 12).
만일 제1 도전형 전하 수송층(121)이 전자수송층인 경우, 앞서의 PECVD 공정을 이용하여, SiH4, Si2H6, SiHCl3 및 SiH2Cl2로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스와 H2 가스, 그리고 도판트(dopant) 가스로서 PH3 가스를 반응물로 이용하여 제조한다. 이 때 PECVD 공정의 온도 및 압력 조건은 비정질 진성 실리콘 층의 PECVD 조건과 동일하다고 할 수 있다. 따라서 이와 같은 공정조건에 의해 본 발명의 제1 도전형 전하 수송층(121)은 n 타입 비정질 실리콘(n-a-Si)가 증착된다.
물론 이와는 달리, 본 발명에서의 제1 도전형 전하 수송층(121)이 전자수송층인 경우, TiO2, ZnO, SnO2, CdS, PCBM, 또는 C60중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하여 형성할 수도 있다. 이중에서 C60의 경우, C60을 포함하는 플러렌 유도체를 용매에 녹인 후, 스핀 코팅법을 이용하여 10~30초간 스핀 코팅한 후, 상온에서 1~3시간 유지하여 전자전달층을 형성한다.
반면, 제1 도전형 전하 수송층(121)이 정공수송층인 경우, 앞서의 PECVD 공정을 이용하여, SiH4, Si2H6, SiHCl3 및 SiH2Cl2로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스와 H2 가스, 그리고 도판트(dopant) 가스로서 B2H6 가스를 반응물로 이용하여 제조한다. 이 때 PECVD 공정의 온도 및 압력 조건은 비정질 진성 실리콘 층의 PECVD 조건과 동일하다고 할 수 있다. 따라서 이와 같은 공정조건에 의해 본 발명의 제1 도전형 전하 수송층(121)은 p 타입 비정질 실리콘(p-a-Si)가 증착된다.
또한 본 발명에서의 정공수송층은 Spiro-MeOTAD과 같은 유기물 정공수송층을 용액 공정을 이용하여 코팅할 수 있다. 구체적으로, Spiro-MeOTAD 코팅 용액은 클로로벤젠을 용매로 이용하여, 여기에 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine) 및 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 [lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide] 용액을 첨가하여 제조하였다. 그 후 상기 용액을 페로브스카이트 층이 형성된 기판 위에 침지한 후 3,000rpm에서 30초 동안 회전시킨 후 건조시킨다.
다음으로 상기 제1 도전형 전하 수송층(121) 상에 페로브스카이트 흡수층(122)를 형성한다(도 13).
본 발명에서의 페로브스카이트 흡수층(122)의 재료로써는 현재 널리 사용되는 소위 말하는 MA(Methylamminium)계 또는 FA(Formamidinium)계 페로브스카이트 화합물 모두 사용 가능하다. 또한 본 발명에서의 페로브스카이트 흡수층(122)의 형성 방법으로는 종래의 용액공정 이외에 박막 공정으로도 형성이 가능하다.
본 발명에서는 구체적인 실시예로써, 상기 제1 도전형 전하 전달층(121) 상에 다시 FA1- xCsxPbBryI3 -y (단, 여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 3 이다) 성분의 페로브스카이트 흡수층(122)을 형성하였다.
본 발명에서는 먼저 상기 제1 도전형 전하 전달층(121) 상에 무기물 층을 코팅한다. 본 발명에서의 무기물 층은 PbI2를 사용하여 용액법으로 제조하였다. 먼저 4mmol의 PbI2 (Sigma-Aldrich, 99%)를 4㎖의 N,N-dimethylformamide(DMF)(Sigma-Aldrich, 99.8%)에서 용해시켜 PbI2 용액을 제조하였다. 그 다음 상기 PbI2 용액 40㎖를 스핀 코팅법을 이용하여, 상기 제1 도전형 전하 전달층(121)이 형성된 기판 위에 500~5,000 rpm의 속도로 30초 동안 회전시켜 무기물 층을 코팅하였다. 그 다음 상기 무기물 층이 코팅된 기판은 100℃에서 15분간 건조되었다.
다음으로 상기 무기물 층 상에 유기물 층을 코팅한다. 상기 유기물 층은 2-프로판올(Sigma-Aldrich, 99.5%)에서 0.01g/㎖ (CH(NH2)2)Br 용액을 이용하여 상기 무기물층 형성된 기판을 침지하였고, 그 다음 최대 3,000rpm에서 30초 동안 회전시킨 후 100℃에서 15분간 건조되었다.
한편 본 발명에서의 페로브스카이트 흡수층(122)은 상기 용액 공정 이외에도, 스퍼터링이나 전자빔 등을 이용한 물리적 기상 증착 또는 화학적 기상 증착에 의해 형성된다. 이 때, 상기 페로브스카이트 흡수층은 단일 단계(Single step) 증착 또는 순차적 단계(sequential step) 증착 어느 것으로도 형성될 수 있으나, 단일 단계로는 균일한 박막 형태 제조의 어려움으로 인해 순차적 단계가 보다 바람직하다.
상기와 같은 페로브스카이트 흡수층(122)을 형성한 후 이를 페로브스카이트 물질로 전환시키기 위해, 본 발명에서는 후열처리 공정을 수행한다. 상기 후열처리 공정은 상온~200의 온도 범위에서, 약 3시간 이내에서 수행된다. 후열처리 온도의 하한은 특별한 제한은 없으며, 200보다 높아질 경우 페로브스카이트 흡수층인 고분자 물질이 열적으로 퇴화될 수 있다. 또한 증착공정의 경우, 전구체 층끼리 반응하여 페로브스카이트 층을 형성하기 전에 각각의 전구체 층이 열분해 되거나 또는 열분해에 의한 조성 변화가 생길 수도 있다.
다음으로 도 14에서와 같이, 상기 페로브스카이트 흡수층(122) 위에는 제2 도전형 전하 수송층(123)을 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제2 도전형 전하 수송층(123)은 제1 도전형 전하 수송층(121)과 반대 극성의 도전형을 가진다.
이와 같이 상기 제2 도전형 전하 전달층(123)을 형성한 후에, 본 발명에서는 제2 전극(130)을 위한 전면 투명전극(125)를 형성한다(도 15).
이때, 투명 전극층(125)은 페로브스카이트 태양전지(120)의 상면 전체에 형성되어, 페로브스카이트 태양전지(120)에서 생성된 전하를 포집하는 역할을 한다. 이러한 투명 전극층(125)은 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다. 즉, 투명 전도성 소재로는, 중간층(114)의 투명 전도성 소재와 동일한 것이 이용될 수 있다.
이 때, 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 전면 투명전극층(125) 상에 배치되며, 투명전극층(125) 중 일부 영역에 배치된다.
제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제2 온도에서 저온 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 여기서, 이러한 제2 전극 페이스트는 금속 입자와 저온소성용 바인더인 유기물이 포함되어 있을 수 있으며, 제2 전극 페이스트에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 특히, 제2 온도는 250 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 200일 수 있다.
앞에서 살펴본 바와 같이, 상기 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)을 형성할 때 동시에 형성될 수도 혹은 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)을 형성한 후 페로브스카이트 태양전지 형성 후 제2 전극(130)을 형성할 수도 있다. 한편 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)이 동시에 형성된다면, 상기 제1 전극(140)의 그리드 전극(116)과 상기 제2 전극(130)의 그리드 전극(126)은 모두 250℃ 이하의 저온 소성 공정으로 형성된다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (14)

  1. 제1 태양전지;
    상기 제1 태양전지 상에 위치하는 제2 태양전지;
    상기 제1 태양전지와 제2 태양전지 사이에 위치하는 중간층;을 포함하며,
    상기 중간층은 전기 전도성 소재로 구성된 제1 패턴들;
    상기 제1 패턴들 사이에 위치하며 유전체(high K)로 구성된 제2 패턴들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 전도성 소재는 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 또는금속성 소재인 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 ZrO2, HfO2, Y2O3 중 하나 이상인 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴들과 상기 제2 패턴들은 상호 교번적으로 위치하는 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중간층의 두께는 10 내지 40 ㎚인 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴들과 제2 패턴들의 면적 비는 30:70 내지 70:30인 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴들과 제2 패턴들의 평균 폭은 10~300㎛ 이내인 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 태양전지의 밴드갭보다 제2 태양전지의 밴드갭이 더 큰 것;
    을 특징으로 하는 템덤 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 태양전지는 기판;
    상기 기판 상의 제1 면에 위치하는 제1 도전형층;
    상기 기판 상의 제2 면에 위치하는 제2 도전형층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 태양전지는 상기 기판과 상기 제1 도전형층 사이에 위치하는 제1 패시베이션막;
    상기 제1 태양전지는 상기 기판과 상기 제2 도전형층 사이에 위치하는 제2 패시베이션막;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1 도전형층은 동일한 도전형을 가지는 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제2 도전형층은 동일한 도전형을 가지는 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 태양전지는, 제1 도전형 전하수송층;
    상기 제1 도전형 전하수송층 상에 위치하는 페로브스카이트 흡수층;
    상기 페로브스카이트 흡수층 상에 위치하는 제2 도전형 전하수송층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 흡수층은 FA1- xCsxPbBryI3 -y을 포함하는 것;
    을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
    (단, 여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 3 이다)
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