KR20200075640A - 텐덤 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 텐덤 태양전지에 관한 것으로, 페로브스카이트 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지; 상기 페로브스카이트 태양전지의 하부에 배치되는 실리콘 태양전지; 상기 페로브스카이트 태양전지와 상기 실리콘 태양전지 사이에 배치되는 접합층; 상기 페로브스카이트 태양전지 상부에 배치되는 상부전극; 및 상기 실리콘 태양전지 하부에 배치되는 하부전극을 포함한다. 나아가, 상기 실리콘 태양전지는, 결정질 실리콘 기판; 상기 결정질 실리콘 기판의 전면 또는 후면에 각각 배치되는 제1도전형 반도체층 및 제2도전형 반도체층; 터널층을 포함하고, 상기 결정질 실리콘 기판은 제2도전형 불순물을 포함하고, 상기 결정질 실리콘 기판 상에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 중 하나는 다결정질 실리콘이고, 상기 다결정질 실리콘과 결정질 실리콘 기판 사이에는 상기 터널층이 배치되고, 상기 결정질 실리콘 기판 전면에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층은 수소 패시베이션(hydrogen passivation)되어 캐리어의 재결합을 방지하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

텐덤 태양전지{TANDEM SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로 특히, 페로브스카이트 흡수층을 가지는 페로브스카이트 태양전지를 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
결정질 실리콘(crystalline silicon; c-Si) 태양전지는 태양전지는 대표적인 단일접합(single junction) 태양전지로 수십년 동안 태양전지 시장을 지배해왔다.
그러나 결정질 실리콘 태양전지는 광변환효율에 한계가 있는 기술이다. 쇼클리-퀘이서(Shockley-Queisser) 한계를 극복해도 근본적으로 태양관 에너지를 전기에너지로 100% 변화시킬 수 없다. 이에, 결정질 실리콘 태양전지와 같은 단일접합 태양전지의 광전환 효율을 향상시키기에 한계가 있으므로, 텐덤 태양전지(tandem solar cell 또는 double-junction solar cell)와 같이 다양한 에너지 밴드갭을 갖는 재료들을 이용할 수 있다. 즉, 텐덤 태양전지는 단일태양전지보다 넓은 스펙트럼 영역의 광에너지를 효과적으로 이용할 수 있다.
최근에는 무기물과 유기물이 혼합된 형태의 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 물질을 광흡수체로 이용하는 새로운 태양전지가 주목을 받고 있다. 특히, 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 광전환 효율을 보유하고, 단파장 영역의 광을 흡수하여 전기에너지로 변환할 수 있다. 나아가, 페로브스카이트 태양전지는 상대적으로 저렴한 소재로 이루어져 있고, 200 ℃ 이하의 저온 공정에서 형성이 가능하여 제조 비용이 절감된다는 장점을 가지고 있다.
이에, 결정질 실리콘 태양전지의 상부에 단파장 영역의 광을 흡수할 수 있는 페로브스카이트 태양전지를 적층하여 텐덤 태양전지를 제조하려는 시도가 이루어지고 있다. 하지만 이러한 시도에도 결정질 실리콘 태양전지 내의 에미터(emitter) 및 후면전계(back surface field, BSF)를 형성하는 불순물에 의하여 캐리어의 재결합이 쉽게 일어날 수 있으므로 포화전류밀도(saturation current density, J0)가 높아 광전환 효율이 감소될 수 있다.
최근에는 WO16198898A1과 같이 하부셀로 결정질과 비정질실리콘의 헤테로졍션을 이용하는 HIT cell구조의 솔라셀을 이용하고 상부셀로 페로브스카이트셀을 이용한 탠덤셀을 제안하고 있다. 탠덤구조에서는 적층된 별개의 서브-셀마다 태양광 스펙트럼의 특정 주파수대의 광자를 효율적으로 흡수하도록 설계되므로 태양전지 셀을 향상시킬 수 있다. 그러나 이런 하부셀은, 고온에 약하고 공정이 복잡하다는 단점을 가진다
이에, 본 발명에서는 페로브스카이트 흡수층을 가지는 페로브스카이트 태양전지 및 결정질 실리콘 태양전지를 포함하는 텐덤 태양전지에서 캐리어의 재결합 및 포화전류밀도(J0)를 개선하는 동시에 고온의 공정에서 제조되어 안정적인 효율을 가지는 텐덤 태양전지 및 그의 제조방법을 제시한다.
본 발명의 일 목적은 페로브스카이트 태양전지 및 실리콘 태양전지를 포함하는 텐덤 태양전지의 결정질 실리콘 기판을 포함하는 실리콘 태양전지에서 전자 또는 정공의 선택적 수집이 가능하여 개방전압이 개선된 텐덤 태양전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 페로브스카이트 태양전지 및 결정질 실리콘 기판을 포함하는 실리콘 태양전지를 포함하는 텐덤 태양전지에서 결정질 실리콘 기판을 포함하는 실리콘 태양전지의 표면 패시베이션 성능을 향상하여 효율이 향상된 텐덤 태양전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 페로브스카이트 태양전지 및 실리콘 태양전지를 포함하는 텐덤 태양전지의 결정질 실리콘 기판을 포함하는 실리콘 태양전지에서 캐리어의 재결합 및 포화전류밀도(J0)가 개선된 텐덤 태양전지를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 텐덤 태양전지에 있어서, 페로브스카이트 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지; 상기 페로브스카이트 태양전지의 하부에 배치되는 실리콘 태양전지; 상기 페로브스카이트 태양전지와 상기 실리콘 태양전지 사이에 배치되는 접합층; 상기 페로브스카이트 태양전지 상부에 배치되는 상부전극; 및 상기 실리콘 태양전지 하부에 배치되는 하부전극을 포함한다. 나아가, 상기 실리콘 태양전지는, 결정질 실리콘 기판; 상기 결정질 실리콘 기판의 전면 또는 후면에 각각 배치되는 제1도전형 반도체층 및 제2도전형 반도체층; 터널층을 포함하고, 상기 결정질 실리콘 기판 상에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 중 하나는 상기 결정질 실리콘 기판 사이에는 상기 터널층이 배치되어 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층에서 생성되는 캐리어가 터널효과(tunnel effect)에 상기 결정질 실리콘 기판으로 이동하도록 형성되고, 상기 결정질 실리콘 기판 전면에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층은 수소 패시베이션(hydrogen passivation)되어 캐리어의 재결합을 방지하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 실리콘 태양전지는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층에서 생성되는 캐리어가 상기 결정질 실리콘 기판에 배치된 터널층을 통과하여 전자 또는 정공의 선택적 수집이 가능하므로 개방전압이 개선될 수 있다.
또한, 상기 수소 패시베이션은 수소(H)를 이용하여 상기 결정질 실리콘 기판에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층의 표면에 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정화시켜 표면으로 이동한 캐리어가 소멸되는 것을 방지할 수 있다. 이에, 상기 실리콘 태양전지의 표면 패시베이션 성능이 향상되므로 텐덤 태양전지의 효율이 향상된다.
따라서, 본 발명의 텐덤 태양전지는 상기 수소 패시베이션에 의하여, 상기 실리콘 태양전지에서 생성된 캐리어의 재결합 및 포화전류밀도(J0)가 개선되므로 텐덤 태양전지의 광전환 효율은 향상될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 실리콘 태양전지의 전면에 수소이온 공급층을 적층하여 수소 패시베이션을 형성할 수 있다. 나아가, 수소이온 공급층의 적어도 일부가 제거되어 상기 실리콘 태양전지의 전면에 형성된 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 일부가 노출되는 개구부를 가질 수 있다. 상기 개구부는 상기 실리콘 태양전지의 전면에 적층되는 상기 접합층과 상기 실리콘 태양전지가 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
또한, 수소 패시베이션은 상기 실리콘 태양전지의 전면에 형성된 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층의 표면을 수소 플라즈마(hydrogen plasma)에 노출시켜 형성할 수 있다.
본 발명의 텐덤 태양전지는 수광면에 페로브스카이트 태양전지를 구비하여 단파장 영역의 광을 흡수하고, 페로브스카이트 태양전지의 후면에는 실리콘 태양전지를 구비하는 모놀리식 텐덤(monolithic tandem) 태양전지를 구현한다. 이에, 태양광의 전체 흡수파장 영역을 넓게 이용하여 광전환 효율이 향상된 텐덤 태양전지를 제공할 수 있다.
실시예에서 있어서, 상기 터널 산화막층과 접하는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층은 다결정질 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 다결정질 실리콘은 저압화학기상증착으로 형성될 수 있다. 이에 상기 터널층 상에 형성되는 후면전계 또는 전면전계를 용이하게 형성할 수 있다.
상기 실리콘 태양전지는 p-n 접합을 형성함에 있어서, 전면 에미터(front emitter) 또는 후면 에미터(rear emitter) 구조로 설계될 수 있다. 이에, 상기 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지의 설계에 따라 상기 접합층의 전면에 전자전달층, 페로브스카이트 흡수층, 정공전달층 및 투명 전도성 산화물 전극층을 알맞게 적층하여 형성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 실리콘 태양전지의 후면에 노출된 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 상에는 반사방지막을 더 구비할 수 있다.
또한, 본 발명은 텐덤 태양전지의 제조방법에 관한 것으로 실리콘 태양전지를 형성하는 단계; 상기 실리콘 태양전지의 전면에 형성되는 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층에 수소를 공급하는 수소 패시베이션 단계; 상기 실리콘 태양전지의 전면에 접합층을 형성하는 접합층 형성 단계; 상기 접합층의 전면에 페로브스카이트 흡수층을 가지는 페로브스카이트 태양전지를 적층하는 페로브스카이트 태양전지 형성 단계를 포함한다. 나아가, 상기 실리콘 태양전지를 형성하는 단계는, 결정질 실리콘 기판의 일면에 터널층 및 다결정질 실리콘층을 적층하는 단계; 상기 다결정질 실리콘층에 제1도전형 또는 제2도전형 불순물을 주입을 수행하여, 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층을 형성하는 제1불순물 주입 단계; 및 결정질 실리콘의 타면에 상기 제1불순물 주입 단계에서 주입된 불순물과 상이한 도전형을 가지는 불순물을 주입하는 제2불순물 주입 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 수소 패시베이션 단계는 수소가 풍부한 수소이온 공급층으로부터 공급되고, 상기 수소이온 공급층은 적어도 일부가 레이저를 이용한 패터닝 또는 화학적 식각으로 개구부를 형성하는 패터닝 단계가 수행될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 수소이온 공급층의 후면에는 상기 제1도전형 또는 제2도전형 불순물이 주입된 상기 다결정질 실리콘층을 구비하여 레이저를 이용한 패터닝 또는 화학적 식각으로 인한 상기 실리콘 태양전지의 손상을 방지할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 수소 패시베이션 단계는 수소 플라즈마(hydrogen plasma)로부터 수소가 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 텐덤 태양전지에 의하면, 실리콘 태양전지의 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층에서 생성되는 캐리어가 상기 결정질 실리콘 기판에 배치된 터널층을 통과하여 전자 또는 정공의 선택적 수집이 가능하므로 개방전압이 개선될 수 있다.
또한, 상기 수소 패시베이션은 수소(H)를 이용하여 상기 결정질 실리콘 기판에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층의 표면에 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정화시켜 표면으로 이동한 캐리어가 소멸되는 것을 방지할 수 있다. 이에, 상기 실리콘 태양전지의 표면 패시베이션 성능이 향상되므로 텐덤 태양전지의 효율이 향상된다.
또한, 본 발명의 텐덤 태양전지는 상기 수소 패시베이션에 의하여, 상기 실리콘 태양전지에서 캐리어의 재결합 및 포화전류밀도(J0)가 개선되므로 텐덤 태양전지의 광전환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 텐덤 태양전지의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 텐덤 태양전지의 다양한 실시예들을 도시한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 텐덤 태양전지 제조방법의 일 실시예를 나타낸 개념도들이다.
도 10는 본 발명의 텐덤 태양전지 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 개념도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 텐덤 태양전지는 페로브스카이트 태양전지, 실리콘 태양전지, 접합층, 상부전극 및 하부전극을 포함한다.
상기 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 흡수층을 포함하여 태양에너지를 전기에너지로 전환시킬 수 있으며, 특히 태양광 중 단파장 영역의 광을 흡수하여 전기에너지로 용이하게 변환할 수 있다.
접합층은 상기 페로브스카이트 태양전지와 상기 실리콘 태양전지 사이에 배치되어 이들이 서로 전기적으로 연결되어 상기 페로브스카이트 태양전지에서 생성된 캐리어를 상기 실리콘 태양전지로 전달할 수 있도록 한다. 상기 접합층은 상기 페로브스카이트 태양전지를 투과하는 장파장의 광을 투과 손실 없이 상기 실리콘 태양전지로 입사될 수 있도록 한다. 이에, 상기 접합층은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO), 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 및 전도성 고분자 소재 중 선택된 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 접합층은 n형 또는 p형 불순물을 도핑하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 접합층으로 n형 또는 p형 비정질 실리콘층을 적용하는 것도 가능하다. 상기 접합층의 두께는 10 내지 100 nm 범위일 수 있다. 상기 접합층의 두께가 10 nm에 미치지 못하는 경우 충분한 전기 전도도를 가지지 못하여, 상기 페로브스카이트 태양전지에서 생성된 전자의 수집에 용이하지 않다. 한편, 상기 접합층의 두께가 100 nm를 초과할 경우에는 충분한 전기 전도도를 가지지만, 상기 접합층에서의 광학 손실이 발생하게 된다.
한편, 상기 접합층의 하부(후면)에는 상기 실리콘 태양전지가 배치된다. 상기 실리콘 태양전지는 결정질 실리콘 기판, 제1도전형 반도체층 및 제2도전형 반도체층 및 터널층을 포함한다.
상세하게, 상기 결정질 실리콘 기판을 전면과 후면에는 각각 상기 제1도전형 반도체층 및 제2도전형 반도체층을 배치할 수 있다. 상기 제1도전형 반도체층은 p형 불순물을 포함하는 p형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 반도체층은 n형 불순물을 포함하는 n형 반도체층이 될 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 n형이 되고 제2도전형이 p형이 되는 예시도 가능하다. 본 발명의 이하의 설명에서는 편의상 상기 제1도전형 반도체층은 p형 불순물을 포함하는 반도체층으로 하고, 제2도전형 반도체층은 n형 불순물을 포함하는 반도체층으로 하여 설명한다.
상기 p형 불순물은 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소이다. 한편, 상기 n형 불순물은 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소일 수 있다.
상기 결정질 실리콘 기판 상에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 중 하나는 상기 결정질 실리콘 기판 사이에는 상기 터널층이 배치되어 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층에서 생성되는 캐리어가 터널효과(tunnel effect, tuneling effect)에 상기 결정질 실리콘 기판으로 이동하도록 형성된다.
나아가, 상기 결정질 실리콘 기판에 배치되고, 상기 터널층과 접하는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 중 하나는 다결정질 실리콘으로 형성된다.
이에, 상기 실리콘 태양전지는 상기 결정질 실리콘 기판에 직접적으로 불순물이 침투되어 도핑되지 않고, 상기 터널층의 후면의 다결정질 실리콘에 불순물이 도핑되어 전위차를 형성하므로 상기 실리콘 태양전지에서 도핑에 의한 캐리어의 재결합 및 포화전류밀도(J0)가 개선될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 태양전지는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층에서 생성되는 캐리어가 상기 결정질 실리콘 기판의 후면 배치된 터널층을 통과하여 전자 또는 정공의 선택적으로 수집되므로 개방전압이 개선될 수 있다.
따라서, 본 발명의 텐덤 태양전지는 상기 실리콘 태양전지에서 캐리어의 재결합 및 포화전류밀도(J0)가 개선되므로 텐덤 태양전지의 광전환 효율이 향상될 수 있다. 나아가 본 발명의 텐덤 태양전지는 페로브스카이트 흡수층을 가지는 상기 페로브스카이트 태양전지를 수광면에 구비하므로 모놀리식 텐덤(monolithic tandem) 태양전지를 구현할 수 있다. 이에, 텐덤 태양전지의 전면에서 단파장 영역의 광을 흡수하고 후면에서 장파장 영역의 광을 흡수함으로써 문턱 파장(threshold wavelength)을 장파장 쪽으로 이동시킬 수 있으며, 결과적으로 전체 흡수파장 영역을 넓게 이용하는 광전환 효율이 향상되는 효과에 이를 수 있다.
상기 터널층은 탄화실리콘(silicon carbide, SiCx), 산화실리콘(silicon oxdie, SiOx)로 형성되는 유전체 재질로 형성될 수 있다. 덧붙여 상기 터널층은 질화실리콘(silicon nitride, SiNx), 산화알루미늄(aluminum oxide, AlOx), 산질화실리콘(silicon oxynitride, SiOxNy)로 형성되며, 산화(oxidation) 공정 또는 증착에 의하여 형성된다. 덧붙여, 상기 터널층은 3 내지 15Å(angstrom)의 두께를 갖는다. 상기 터널층은 터널효과를 통해 캐리어를 이동시키기 때문에 터널링의 최적 확률을 위한 두께가 형성되어야 하며, 터널링의 최적 확률을 위한 두께는 본 발명에서 3 내지 15Å(angstrom)이다.
한편, 상기 다결정질 실리콘은 저압화학기상증착(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)을 이용하여 상기 터널층 상에 적층될 수 있다. 나아가, 상기 다결정질 실리콘은 전술된 것과 같이 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 중 어느 하나의 도전형을 가지므로, 제1도전형 또는 제2도전형 불순물이 주입될 수 있다. 상기 불순물은 확산(diffusion) 및 이온주입(ion implantation) 공정으로 상기 다결정질 실리콘에 주입될 수 있다.
상기 결정질 실리콘 기판 전면에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층은 수소 패시베이션(hydrogen passivation)되어 캐리어의 재결합을 방지하도록 형성될 수 있다. 상세하게, 상기 수소 패시베이션은 수소(H)를 이용하여 상기 결정질 실리콘 기판 전면에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층의 표면에 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정화시켜 표면으로 이동한 캐리어가 소멸되는 것을 방지할 수 있다. 이에, 상기 실리콘 태양전지의 표면 패시베이션 성능이 향상되므로 텐덤 태양전지의 효율이 향상되는 효과에 이를 수 있다.
상기 수소 패시베이션은 수소가 풍부한 절연막으로부터 공급되어 형성될 수 있다. 상세하게, 상기 수소 패시베이션은 수소화된 질화실리콘(hydrogenerated SiNx)의 수소로부터 공급되어 결함을 안정화시킬 수 있다.
또한, 상기 수소 패시베이션을 형성하기 위해서, 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 중 수소 패시베이션이 형성될 반도체층에 수소 플라즈마(hydrogen plasma)에 노출시킬 수 있다. 이에, 수소 플라즈마에 노출된 반도체층으로 수소가 주입되어 결함을 안정화시킬 수도 있다.
한편, 상기 하부전극은 실리콘 태양전지의 후면에 배치되고, 상기 실리콘 태양전지와 전기적으로 연결될 수 있다. 반면에, 상기 상부전극은 상기 페로브스카이트 태양전지의 전면에 배치되고, 상기 페로브스카이트 태양전지와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 하부전극과 상부전극은 외부에 구비된 회로로 서로 연결되어 전기적으로 연결될 수 있다. 이에, 본 발명의 텐덤 태양전지는 태양에너지를 받아 형성된 캐리어들이 수집되어 전기에너지를 생성할 수 있다.
나아가, 상기 하부전극 및 상부전극은 그리드형으로 형성되어 본 발명의 텐덤 태양전지로 입사되는 입사광의 손실(shading loss)을 방지하여 광전환효율을 향상할 수 있다. 특히, 본 발명의 텐덤 태양전지의 수광면에 배치되는 상부전극은 입사되는 태양광의 손실을 막기 위하여 하부전극보다 간격이 넓게 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명이 텐덤 태양전지의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 또한, 이하 설명되는 실시예들에서는 앞선 설명과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다. 덧붙여, 본 발명의 이하의 설명에서는 편의상 상기 제1도전형 반도체층은 p형 불순물을 포함하는 반도체층으로 하고, 제2도전형 반도체층은 n형 불순물을 포함하는 반도체층으로 하여 설명한다. 이는 다양한 실시예들을 설명하는데 혼란을 줄이기 위한 것일 뿐 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 텐덤 태양전지(100)의 일 실시예를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 텐덤 태양전지(100)는 실리콘 태양전지(110), 접합층(120), 페로브스카이트 태양전지(130), 하부전극(140) 및 상부전극(150)을 포함한다.
텐덤 태양전지(100)는 하부전극(140), 실리콘 태양전지(110), 접합층(120), 페로브스카이트 태양전지(130) 및 상부전극(150)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
먼저, 실리콘 태양전지(110)에 대해서 설명한다. 실리콘 태양전지(110)는 결정질 실리콘 기판(111), 제1도전형 반도체층(112), 터널층(113), 제2도전형 반도체층(114)을 포함할 수 있다. 또한 실리콘 태양전지(100)의 후면에는 반사방지막(115)이 배치될 수 있다. 하지만 반사방지막(115)은 반드시 배치되어야 하는 것은 아니며, 필요에 따라 생략될 수 있다.
결정질 실리콘 기판(111)은 제2도전형 반도체층으로 형성될 수 있다. 결정질 실리콘 기판(111)이 n형의 불순물을 포함하는 제2도전형 반도체층으로 형성되는 경우, 동일 또는 유사한 등급의 p형의 불순물을 포함하는 제1도전형 반도체층에 비하여 더 긴 확산길이(longer diffusion length)를 가지므로 캐리어의 수명(carrier lifetime)이 향상될 수 있다. 이에, 실리콘 태양전지(100)의 효율을 더욱 향상될 수 있다.
또한, 결정질 실리콘 기판(111)의 전면과 후면은 텍스쳐링(texturing)되어 요철을 가질 수 있다. 상기 요철은 결정질 실리콘 기판(111)의 (111)면으로 구성되며 불규칙한 크기를 가지는 피라미드 형상을 가져 입사되는 광의 반사율을 낮추고 비정질 반도체층을 포함하는 광전 변환부에서의 광전효율을 증가시킬 수 있다.
즉, 텍스쳐링된 요철면을 가지는 결정질 실리콘 기판(111)의 전면 또는 후면에 형성되는 제1도전형 반도체층(112), 터널층(113), 제2도전형 반도체층(114) 또한 요철면을 가질 수 있다. 하지만 결정질 실리콘 기판(111)의 전면과 후면은 요철면에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 평평하게 가공될 수도 있으며, 추가적인 공정에 의하여 부분적으로 식각이 되어 라운딩된 표면을 가질 수도 있다. 이는 결정질 실리콘 기판(111)의 전면 또는 후면에 형성되는 제1도전형 반도체층(112), 터널층(113), 제2도전형 반도체층(114)이 안정적으로 형성되기 위하여 적절히 조절될 수 있는 사항이다.
제1도전형 반도체층(112)은 결정질 실리콘 기판(111)의 전면에서 에미터(emitter)를 형성하므로 p-n 접합을 이룬다. 나아가, 제1도전형 반도체층(112)은 수소 패시베이션되어 캐리어의 재결합을 방지하도록 형성될 수 있다.
한편, 제2도전형 반도체층(114)은 결정질 실리콘 기판(111)과 동일한 도전형을 가지고, 결정질 실리콘 기판(111) 보다 높은 불순물 농도를 가지는 후면전계(back surface field, BSF)를 형성한다.
결정질 실리콘 기판(111)과 제2도전형 반도체층(114) 사이에는 터널층(113)이 형성되어 캐리어 선택적 수집이 가능하도록 형성된다. 상세하게, 터널층(113)은 후면전계를 형성하는 제2도전형 반도체층(114) 측으로 정공의 이동을 방지하고, 전자의 이동을 용이하게 한다. 이에, 결정질 실리콘 기판(111)의 후면 측에서 재결합으로 손실되는 캐리어를 감소시킬 수 있다.
또한, 터널층(113)의 두께는 캐리어를 이동시키기 때문에 터널링의 최적 확률을 위한 두께가 형성되어야 하며, 터널링의 최적 확률을 위한 터널층(113)의 두께는 본 발명에서 3 내지 15Å으로 형성될 수 있다. 터널층(113)은 두께가 얇기 때문에 형성되는 표면의 굴곡이 심할 경우, 균일하게 형성되는데 어려움이 따른다. 이에, 결정질 실리콘 기판(111)의 후면은 텍스쳐링된 요철면을 평평하게 가공할 수도 있고, 도시와 같이 텍스쳐링된 요철면을 부분적으로 식각하여 라운딩된 표면을 가질 수도 있다. 즉, 터널층(113)이 형성되는 결정질 실리콘 기판(111)의 표면은 터널층(113)이 형성되는데 적합한 표면 모폴로지를 가진다.
제2도전형 반도체층(114)은 다결정질 실리콘을 포함할 수 있다. 이에, 제2도전형 반도체층(114)은 터널층(113) 상에 용이하게 후면전계를 형성하기 위해서 저압화학기상증착을 통하여 증착되고, 제2도전형 불순물이 주입되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2도전형 반도체층(114)은 염화포스포릴(Phosphoryl chloride, POCl3)이나 인산(Phosphoric acid, H3PO4)과 같은 5가의 원소의 불순물을 다결정질 실리콘에 주입하여 형성할 수 있다.
반사방지막(115)은 제2도전형 반도체층(114)의 후면에 형성될 수 있다. 반사방지막(115)은 실리콘 태양전지(100)의 후면으로 입사되는 빛의 반사를 최소화하는 역할을 수행할 수 있다. 반사방지막(115)은 물리적 기상 증착법(PECVD) 또는 화학적 기상 증착법(CVD)과 같은 다양한 공정으로 형성될 수 있다. 나아가, 반사방지막(115)은 산화알루미늄(AlOx), 질화실리콘(SiNx), 산화실리콘(SiOx), 산질화실리콘(SiOxNy) 중 적어도 하나를 포함하는 단일막 또는 다층막의 구조로 형성될 수 있다.
하부전극(140)은 제2도전형 반도체층(114)에 접하게 형성되어 텐덤 태양전지에서 형성된 전자를 용이하게 이동할 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 하부전극(140)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어질 수 있으며, 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다. 하부전극(140)의 형성은 금속 페이스트를 이용한 스크린 인쇄법(screen printing), 도금법(plating), 열증착(thermal evaporation) 및 스퍼터링(sputtering)과 같은 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
이하에서는 접합층(120)의 전면에 배치되는 페로브스카이트 태양전지(130) 및 상부전극(150)에 대하여 설명한다.
페로브스카이트 태양전지(130)는 접합층(120)의 전면에 전자전달층(131), 페로브스카이트 흡수층(132), 정공전달층(133) 및 투명 전도성 산화물 전극층(134)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
텐덤 태양전지(100)의 실리콘 태양전지(110)는 전면으로 정공이 이동되고, 후면으로는 전자가 이동되어 전기에너지를 형성하는 태양전지로 설계되므로, 이에 따라, 페로브스카이트 태양전지(130)는 전면에 정공전달층(133)이 형성되고, 후면에는 전자전달층(131)이 형성되어 모놀리식 텐덤 태양전지가 형성될 수 있다. 다른 실시예에서 실리콘 태양전지(100)와 반대로 전면으로 전자가 이동되고, 후면으로는 정공이 이동되어 전기에너지를 형성하도록 설계되는 경우, 상기 페로브스카이트 태양전지의 전자전달층 및 정공전달층의 위치는 필요에 따라 서로 바뀔 수 있다.
접합층(120)의 전면에 형성된 전자전달층(131)은 전기 전도성이 높은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO), 탄소질 전도성 소재로 구현될 수 있다.
상세하게, 전자전달층(131)을 구현하는 투명 전도성 산화물은 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. 바람직하게 전자전달층(131)은 ZnO, TiO2, SnO2, WO3 및 TiSrO3로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 탄소질 전도성 소재로는 그래핀, 카본나노튜브 또는 풀러렌(Fullerene, C60)이 사용될 수 있다.
페로브스카이트 흡수층(132)은 태양으로부터 빛 에너지를 받아 발생한 정공-전자쌍이 전자 또는 정공으로 분리될 수 있도록 형성된다. 일 실시예에서, 페로브스카이트 흡수층(132)에서 형성된 전자는 전자전달층(131)으로 전달되며, 페로브스카이트 흡수층(132)에서 형성된 정공은 정공전달층(133)으로 전달될 수 있다.
페로브스카이트 흡수층(132)은 요오드화메틸암모늄(Methyl Ammonium Iodide, MAI), 요오드화포름아미디늄(Formamidinium Iodide, FAI)과 같은 유기 할라이드 페로브스카이트 또는 요오드화납(PbI2), 요오드화브롬(PbBr) 및 염화납(PbCl2)과 같은 금속 할라이드 페로브스카이트를 포함할 수 있다. 즉, 페로브스카이트 흡수층(132)은 유기 할라이드 페로브스카이트 또는 금속 할라이드 페로브스카이트 중 적어도 하나 이상을 포함하는 다층 적층구조일 수 있다.
상세하게, 페로브스카이트 흡수층(132)은 AMX3(여기서, A는 1가의 유기 암모늄 양이온 또는 금속 양이온; M은 2가의 금속 양이온; X는 할로겐 음이온을 의미한다)으로 표시될 수 있다. 페로브스카이트 구조를 가지는 화합물의 비제한적인 예로는 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbIxCl3 -x, CH3NH3PbIxBr3 -x, CH3NH3PbClxBr3 -x, HC(NH2)2PbI3, HC(NH2)2PbIxCl3-x, HC(NH2)2PbIxBr3 -x, HC(NH2)2PbClxBr3 -x, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1- yPbI3, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbIxCl3-x, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1- yPbIxBr3 -x, 또는 (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbClxBr3-x 등이 있다(0=x, y=1). 또한, AMX3의 A에 Cs 가 일부 도핑된 화합물도 사용될 수 있다.
페로브스카이트 흡수층(132)은 단일스텝 스핀코팅법(singlestep spin-coating method), 멀티스텝 스핀코팅법(multi-step spin-coating method), 듀얼소스 기상증착법(dual-source vapor deposition method) 및 기상도움 용액공정법(vapor-assisted solution process)으로 형성할 수 있다.
정공전달층(133)은 전도성 고분자로 형성될 수 있다. 상세하게, 전도성 고분자로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 스파이로-미오타드(Spiro-MeOTAD) 또는 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA) 등이 사용될 수 있다.
전도성 산화물 전극층(134)은 전기 전도성이 높은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)로 구현될 수 있다. 나아가, 상부전극(150)은 전도성 산화물 전극층(134)보다 전기 전도성이 우수한 물질로 형성하여 캐리어 수집 효율을 향상할 수 있고, 저항을 저감할 수 있다.
상부전극(150)을 형성할 때 열처리의 온도가 150 ℃를 초과하는 경우, 열에 의해 페로브스카이트 흡수층(132)이 열화되는 문제가 발생할 수 있다. 이에, 상부전극(150)은 유리 프릿(glass frit)을 구비하지 않아 저온에서도 쉽게 소성될 수 있는 저온 페이스트를 이용한 스크린 프린팅으로 형성될 수 있다. 나아가, 페로브스카이트 흡수층(132)이 열화되지 않는 온도 범위에서 도금법(plating), 열증착(thermal evaporation) 및 스퍼터링(sputtering)과 같은 다양한 방법으로도 형성될 수 있다.
덧붙여, 페로브스카이트 태양전지(130)의 전면에는 전면 반사방지막(미도시)이 더 구비될 수 있다. 상세하게, 상기 전면 반사방지막은 전도성 산화물 전극층(134)이 노출된 전면 및 상부전극(150)의 전면에 적층되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 전면 반사방지막은 플루오르화마그네슘(magnesium fluoride, MgF2), 산화실리콘(SiOx) 및 산화타이타늄(TiOx) 중 적어도 하나를 포함하는 단일막 또는 다층막의 구조로 형성될 수 있다. 이에, 텐덤 태양전지(100)의 표면 반사율을 효과적으로 줄일 수 있으므로 텐덤 태양전지의 광전환 효율이 향상될 수 있다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 텐덤 태양전지(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800)의 다양한 실시예들을 도시한 개념도이다.
이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 텐덤 태양전지(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800)의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 이하 설명되는 다른 실시예에서는 도 1의 설명된 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.
도 2를 참조하면, 텐덤 태양전지(200)는 실리콘 태양전지(210), 접합층(220), 페로브스카이트 태양전지(230), 하부전극(240) 및 상부전극(250)을 포함한다. 덧붙여, 텐덤 태양전지(200)는 접합층(220)과 실리콘 태양전지(210)의 전면에 배치된 제1도전형 반도체층(212) 사이에 수소이온 공급층(216)을 구비한다. 또한 실리콘 태양전지(200)의 후면에는 반사방지막(215)이 배치될 수 있다.
수소이온 공급층(260)은 수소가 풍부한 절연막으로부터 공급되어 형성될 수 있다. 예를 들면, 수소이온 공급층(260)은 수소화된 질화실리콘(hydrogenerated SiNx)으로 형성될 수 있다. 이에, 제1도전형 반도체층(212)에 수소를 공급하므로 제1도전형 반도체층(212)은 수소 패시베이션되어 표면 결함이 줄어들 수 있다.
수소이온 공급층(260)은 제1도전형 반도체층(212)의 일부가 노출되는 개구부(270)를 갖도록 패터닝될 수 있다. 이때에 개구부(270)에 배치된 제1도전형 반도체층(212)은 재결정화될 수 있다.
개구부(270)는 접합층(220)으로 충전될 수 있다. 이에, 제1도전형 반도체층(212)이 접합층(220)과 접하여 페로브스카이트 태양전지(230)에서 형성되는 전자가 실리콘 태양전지(210)로 이동할 수 있으며, 실리콘 태양전지(210)에서 형성되는 정공이 페로브스카이트 태양전지(230)로 이동할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 실리콘 태양전지(310, 410)는 하부전극(340, 440) 전면에 제1도전형 반도체층(312, 412), 결정질 실리콘 기판(311, 411), 터널층(313, 413), 제2도전형 반도체층(314, 414)이 순차적으로 적층된다. 결정질 실리콘 기판(311, 411)은 제2도전형 불순물을 포함한다. 나아가, 제2도전형 반도체층(314, 414)은 다결정질 실리콘으로 형성된다. 또한 실리콘 태양전지(300, 400)의 후면에는 반사방지막(315, 415)가 배치될 수 있다.
실리콘 태양전지(310, 410)는 후면에 제1도전형 반도체층(312, 412)을 구비하여 p-n 접합을 형성하는 후면 에미터(rear emitter) 구조를 가진다. 또한, 제1도전형 반도체층(312, 412)은 후면에는 배치된 반사방지막(315, 415)으로부터 수소이온을 공급받아 수소 패시베이션 될 수 있다.
한편, 실리콘 태양전지(310, 410)는 전면에는 전면전계(front surface field, FSF)를 가지는 구조를 형성한다. 이에, 실리콘 태양전지(310, 410)의 전면으로 전자가 이동되고, 후면으로는 정공이 이동되어 전기에너지를 형성하도록 설계될 수 있다.
이때, 페로브스카이트 태양전지(330, 430)의 전자전달층(331, 431) 및 정공전달층(333, 433)은 전술된 도 1 및 도 2의 배치와 반대로 형성될 수 있다. 상세하게, 전자전달층(331, 431)은 페로브스카이트 태양전지(330, 430)의 전면에 배치되고, 정공전달층(333, 433)은 페로브스카이트 태양전지(330, 430)의 후면에 배치되어 텐덤 태양전지를 형성한다.
도 4를 참조하면, 텐덤 태양전지(400)는 접합층(420)과 실리콘 태양전지(410)의 전면에 배치된 제2도전형 반도체층(414) 사이에 수소이온 공급층(460) 및 개구부(470)를 구비할 수 있다. 이때에 개구부(470)에 배치된 제2도전형 반도체층(414)은 재결정화될 수 있다.
도 5 내지 도 8를 참조하면, 태양전지(500, 600, 700, 800)의 제1도전형 반도체층(512, 612, 712, 812)은 다결정질 실리콘으로 형성될 수 있다. 전술된 도 1 내지 도 4에서는 제2도전형 반도체층(114, 214, 314, 414)이 다결정질 실리콘으로 형성되었다. 이에, 도 1 내지 도 4의 다결정질 실리콘으로 형성된 제2도전형 반도체층(114, 214, 314, 414)은 전면전계 또는 후면전계를 형성하였으나, 도 5 내지 도 8의 다결정질 실리콘으로 형성된 제1도전형 반도체층(512, 612, 712, 812)은 에미터를 형성할 수 있다.
제1도전형 반도체층(512, 612, 712, 812)은 터널층(513, 613, 713, 813) 상에 용이하게 후면전계를 형성하기 위해서 저압화학기상증착을 통하여 증착되고, 제1도전형 불순물이 주입되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1도전형 반도체층(512, 612, 712, 812)은 다이보레인(diborane, B2H6)이나 삼브롬화붕소(Boron tribromide, BBr3)와 같은 3가의 원소의 불순물을 다결정질 실리콘에 주입하여 형성할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1도전형 반도체층(512, 612)은 다결정질 실리콘으로 형성되고, 실리콘 태양전지(500, 600)는 하부전극(540, 640)의 전면에 제2도전형 반도체층(514, 614), 결정질 실리콘 기판(511, 611), 터널층(513, 613), 제1도전형 반도체층(512, 612)이 순차적으로 적층된다. 결정질 실리콘 기판(511, 611)은 제2도전형 불순물을 포함한다. 덧붙여, 제2도전형 반도체층(514, 614)은 후면에는 배치된 반사방지막(515, 615)으로부터 수소이온을 공급받아 수소 패시베이션 되어 표면 결함을 줄일 수 있다.
실리콘 태양전지(510, 610)은 다결정질 실리콘으로 형성된 제1도전형 반도체층(512, 612)과 결정질 실리콘 기판(511, 611)의 접합으로 p-n 접합이 형성된다. 따라서, 실리콘 태양전지(500, 600)는 전면으로 전공이 이동되고, 후면으로는 전자가 이동되어 전기에너지를 형성하도록 설계될 수 있다.
이에, 텐덤 태양전지(500, 600)의 페로브스카이트 태양전지(530, 630)는 접합층(520, 620)의 전면에 전자전달층(531, 631), 페로브스카이트 흡수층(532, 632), 정공전달층(533, 633) 및 투명 전도성 산화물 전극층(534, 634)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 텐덤 태양전지(600)는 접합층(620)과 실리콘 태양전지(610)의 전면에 배치된 제1도전형 반도체층(612) 사이에 수소이온 공급층(660) 및 개구부(670)를 구비할 수 있다. 이때에 개구부(670)에 배치된 제1도전형 반도체층(612)은 재결정화될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 실리콘 태양전지(710, 810)는 하부전극(740, 840) 전면에 제1도전형 반도체층(712, 812), 터널층(713, 813), 결정질 실리콘 기판(711, 811), 제2도전형 반도체층(714, 814)이 순차적으로 적층된다. 결정질 실리콘 기판(711, 811)은 제2도전형 불순물을 포함한다. 나아가, 제1도전형 반도체층(712, 812)은 다결정질 실리콘으로 형성된다. 또한 실리콘 태양전지(700, 800)의 후면에는 반사방지막(715, 815)가 배치될 수 있다.
따라서, 실리콘 태양전지(710, 810)는 후면에 제1도전형 반도체층(712, 812)을 구비하여 p-n 접합을 형성하는 후면 에미터(rear emitter) 구조를 가진다. 한편, 실리콘 태양전지(710, 810)는 전면에는 제2도전형 반도체층(714, 814)에 의하여 전면전계(front surface field, FSF)를 가지는 구조를 형성한다. 이에, 실리콘 태양전지(310, 410)의 전면으로 전자가 이동되고, 후면으로는 정공이 이동되어 전기에너지를 형성하도록 설계될 수 있다.
이때, 페로브스카이트 태양전지(730, 830)는 접합층(720, 820)의 전면에 정공전달층(733, 833), 페로브스카이트 흡수층(732, 832), 전자전달층(731, 831) 및 투명 전도성 산화물 전극층(734, 834)이 순차적으로 적층된다. 이에, 실리콘 태양전지(710, 810)와 페로브스카이트 태양전지(730, 830)는 텐덤 태양전지를 형성한다.
도 8을 참조하면, 텐덤 태양전지(800)는 접합층(820)과 실리콘 태양전지(810)의 전면에 배치된 제2도전형 반도체층(814) 사이에 수소이온 공급층(860) 및 개구부(870)를 구비할 수 있다. 이때에 개구부(870)에 배치된 제2도전형 반도체층(814)은 재결정화될 수 있다.
도 9는 본 발명의 텐덤 태양전지(900) 제조방법의 일 실시예를 나타낸 개념도들이다.
도 9를 참조하면, 도 9의 (a)에서는 실리콘 태양전지(910)의 전면에 수소이온 공급층(960')을 적층한다.
실리콘 태양전지(910)의 제조는 먼저 결정질 실리콘 기판의 일면에 터널층 및 다결정질 실리콘층을 적층한다. 이어서, 상기 다결정질 실리콘층에 제1도전형 또는 제2도전형 불순물을 주입하는 제1불순물 주입 단계를 수행하여, 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층을 형성한다. 나아가, 결정질 실리콘의 타면에 상기 제1불순물 주입 단계에서 주입된 불순물과 상이한 도전형을 가지는 불순물을 주입하는 제2불순물 주입 단계를 수행한다. 이에, 결정질 실리콘 기판, 터널층, 제1도전형 반도체층 및 제2도전형 반도체층을 가지는 실리콘 태양전지(910)를 준비할 수 있다. 덧붙여, 실리콘 태양전지(910)의 후면에는 반사방지막이 구비될 수 있다.
다시 도시를 참조하면, 실리콘 태양전지(910)의 전면에 수소이온 공급층(960')에 의해서 실리콘 태양전지(910)의 전면에 형성된 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층의 표면으로 수소가 공급되어 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정화할 수 있다. 이에, 실리콘 태양전지(910)의 전면은 수소 패시베이션(hydrogen passivation)되어 캐리어의 재결합이 방지될 수 있다.
이어서, 도 9의 (b)에서는 수소이온 공급층(960')의 적어도 일부를 제거한다. 이에, 수소이온 공급층(960)이 형성되고, 실리콘 태양전지(910)의 전면에 형성된 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 일부가 노출되는 개구부(970)를 가질 수 있다. 개구부(970)는 실리콘 태양전지(910)의 전면에 적층될 접합층(920)과 실리콘 태양전지(910)가 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 이때, 수소이온 공급층(960')의 제거는 레이저를 이용한 패터닝 또는 화학적 식각으로 수행될 수 있다. 나아가, 수소이온 공급층(960')의 전체를 제거하여 실리콘 태양전지(910)의 전면에 형성된 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층과 접합층(920)이 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
특히, 전술된 도 3 내지 도 6과 같이 실리콘 태양전지(910)의 전면에 다결정질 실리콘이 형성되고, 레이저를 이용한 패터닝으로 수소이온 공급층(960')의 제거가 수행되는 경우에는 레이저 공정으로 인한 실리콘 태양전지(910) 손상이 실리콘 태양전지(910)의 효율의 감소로 이어지지 않는다. 이는, 다결정질 실리콘이 레이저를 이용한 패터닝 중에 재결정화되지만 실리콘 태양전지(910)의 효율의 감소에 직접적으로 영향을 줄 수 있는 결정질 실리콘 기판이 레이저 공정 중에 손상되는 것을 방지하기 때문이다. 따라서, 레이저를 이용한 패터닝으로 수소이온 공급층(960')의 제거가 수행되는 경우에는 수소이온 공급층(960') 후면에는 다결정질 실리콘이 배치되는 것이 바람직하다.
나아가, 레이저를 이용한 패터닝으로 수소이온 공급층(960')의 제거는 전술된 것과 같이 수소이온 공급층(960')의 일부만을 패터닝할 수도 있으며, 수소이온 공급층(960') 전체에 레이저를 이용한 패터닝을 수행하여 수소이온 공급층(960') 전체가 제거되는 수소이온 공급층 제거 단계가 수행될 수도 있다. 이때에도 다결정질 실리콘이 레이저를 이용한 패터닝 중에 재결정화되지만 실리콘 태양전지(910)의 효율의 감소에 직접적으로 영향을 주지는 않는다.
도 9이 (c)에서는 수소이온 공급층(960), 개구부(970)가 형성된 실리콘 태양전지(910)의 전면에 접합층(920) 및 페로브스카이트 태양전지(930)를 형성한다. 페로브스카이트 태양전지(930)는 실리콘 태양전지(910)의 설계에 따라 접합층(920)의 전면에 전자전달층, 페로브스카이트 흡수층, 정공전달층 및 투명 전도성 산화물 전극층을 알맞게 적층하여 형성한다.
도 9이 (d)에서는 실리콘 태양전지(910)의 후면에 하부전극(940)을 형성하고, 페로브스카이트 태양전지(930)의 전면에 상부전극(950)을 형성하여 텐덤 태양전지(900)를 제조한다.
한편, 다른 실시예에서는 하부전극(940)과 상부전극(950)은 순차적으로 형성될 수도 있다. 상세하게, 실리콘 태양전지(910)의 후면의 하부전극(940)이 먼저 구비될 수 있다. 이어서, 실리콘 태양전지(910)의 전면에 접합층(920), 수소이온 공급층(960), 페로브스카이트 태양전지(930)가 형성된 후에 페로브스카이트 태양전지(930)의 전면에 상부전극(950)이 형성될 수 있다. 나아가, 상부전극(950)이 형성된 후에는 페로브스카이트 태양전지(930)의 투명 전도성 산화물층이 드러난 표면 및 상부전극의 전면에 전면 반사방지막이 구비될 수도 있다.
도 10는 본 발명의 텐덤 태양전지(1000) 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 개념도들이다.
도 10을 참조하면, 도 10의 (a)에서는 실리콘 태양전지(1010)의 전면에 형성된 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층의 표면을 수소 플라즈마(hydrogen plasma)에 노출시킬 수 있다. 이에, 실리콘 태양전지(910)의 전면에 형성된 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층의 표면으로 수소가 공급되어 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정화할 수 있다. 이에, 실리콘 태양전지(1010)의 전면은 수소 패시베이션(hydrogen passivation)되어 캐리어의 재결합이 방지될 수 있다.
이어서, 도 10의 (b)에서는 태양전지(1010)의 전면에 접합층(1020) 및 페로브스카이트 태양전지(1030)를 형성한다. 페로브스카이트 태양전지(1030)는 실리콘 태양전지(1010)의 설계에 따라 접합층(1020)의 전면에 전자전달층, 페로브스카이트 흡수층, 정공전달층 및 투명 전도성 산화물 전극층을 알맞게 적층하여 형성한다.
도 10의 (c)에서는 실리콘 태양전지(1010)의 후면에 하부전극(1040)을 형성하고, 페로브스카이트 태양전지(1030)의 전면에 상부전극(1050)을 형성하여 텐덤 태양전지(1000)를 제조한다.
도시에서는 페로브스카이트 태양전지(1030)를 형성한 후에 하부전극(1040) 및 상부전극(1050)을 형성하였다. 하지만, 다른 실시예에서는 실리콘 태양전지(1010)를 준비한 다음에 하부전극(1040)을 구비하고, 페로브스카이트 태양전지(1030)를 형성한 다음에 상부전극(1050)을 구비하는 것과 같이 하부전극(1040)과 상부전극(1050) 순차적으로 따로 형성될 수도 있다. 나아가, 상부전극(1050)이 형성된 후에는 페로브스카이트 태양전지(1030)의 투명 전도성 산화물층이 드러난 표면 및 상부전극의 전면에 전면 반사방지막이 구비될 수도 있다.
이상에서 설명한 태양전지의 제조방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (23)

  1. 페로브스카이트 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지;
    상기 페로브스카이트 태양전지의 하부에 배치되는 실리콘 태양전지;
    상기 페로브스카이트 태양전지와 상기 실리콘 태양전지 사이에 배치되는 접합층;
    상기 페로브스카이트 태양전지 상부에 배치되는 상부전극; 및
    상기 실리콘 태양전지 하부에 배치되는 하부전극을 포함하고,
    상기 실리콘 태양전지는,
    결정질 실리콘 기판;
    상기 결정질 실리콘 기판의 전면 또는 후면에 각각 배치되는 제1도전형 반도체층 및 제2도전형 반도체층;
    터널층을 포함하고,
    상기 결정질 실리콘 기판은 제2도전형 불순물을 포함하고,
    상기 결정질 실리콘 기판 상에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층 중 하나는 다결정질 실리콘이고,
    상기 다결정질 실리콘과 결정질 실리콘 기판 사이에는 상기 터널층이 배치되고,
    상기 결정질 실리콘 기판 전면에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층은 수소 패시베이션(hydrogen passivation)되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 태양전지는,
    상기 하부전극의 전면에 상기 제2도전형 반도체층, 터널층, 결정질 실리콘 기판, 제1도전형 반도체층이 순차적으로 적층되고,
    상기 제2도전형 반도체층은 다결정질 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접합층과 상기 실리콘 태양전지의 전면에 배치된 상기 제1도전형 반도체층 사이에 수소이온 공급층을 더 포함하고,
    상기 수소이온 공급층은 상기 제1도전형 반도체층의 일부가 노출되는 개구부를 갖도록 패터닝되어 상기 제1도전형 반도체층이 상기 접합층과 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 태양전지는,
    상기 하부전극의 전면에 상기 제1도전형 반도체층, 결정질 실리콘 기판, 터널층, 제2도전형 반도체층이 순차적으로 적층되고,
    상기 제2도전형 반도체층은 다결정질 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접합층과 실리콘 태양전지의 전면에 배치된 상기 제2도전형 반도체층 사이에 수소이온 공급층을 더 포함하고,
    상기 수소이온 공급층은 상기 제2도전형 반도체층의 일부가 노출되는 개구부를 갖도록 패터닝되어 상기 제2도전형 반도체층이 상기 접합층과 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 태양전지는,
    상기 하부전극의 전면에 상기 제2도전형 반도체층, 결정질 실리콘 기판, 터널층, 제1도전형 반도체층이 순차적으로 적층되고,
    상기 제1도전형 반도체층은 다결정질 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접합층과 상기 실리콘 태양전지의 전면에 배치된 상기 제1도전형 반도체층 사이에 수소이온 공급층을 더 포함하고,
    상기 수소이온 공급층은 상기 제1도전형 반도체층의 일부가 노출되는 개구부를 갖도록 패터닝되어 상기 제1도전형 반도체층이 상기 접합층과 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 태양전지는,
    상기 하부전극의 전면에 상기 제1도전형 반도체층, 터널층, 결정질 실리콘 기판, 제2도전형 반도체층이 순차적으로 적층되고,
    상기 제1도전형 반도체층은 다결정질 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 접합층과 상기 실리콘 태양전지의 전면에 배치된 상기 제2도전형 반도체층 사이에 수소이온 공급층을 더 포함하고,
    상기 수소이온 공급층은 상기 제2도전형 반도체층의 일부가 노출되는 개구부를 갖도록 패터닝되어 상기 제2도전형 반도체층이 상기 접합층과 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  10. 제2항, 제3항, 제6항 및 제7항에 있어서,
    상기 제2도전형 반도체층이 노출된 상기 제2도전형 반도체층의 후면에는 반사방지막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  11. 제2항, 제3항, 제6항 및 제7항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 태양전지는,
    상기 접합층의 전면에 전자전달층, 페로브스카이트 흡수층, 정공전달층 및 투명 전도성 산화물 전극층이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  12. 제4항, 제5항, 제8항 및 제9항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층이 노출된 상기 제1도전형 반도체층의 후면에는 반사방지막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  13. 제4항, 제5항, 제8항 및 제9항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 태양전지는,
    상기 접합층의 전면에 정공전달층, 페로브스카이트 흡수층, 전자전달층 및 투명 전도성 산화물 전극층이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 흡수층은 유기 할라이드 페로브스카이트 또는 금속 할라이드 페로브스카이트 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 접합층은 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 및 전도성 고분자 소재 중 선택된 어느 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지.
  16. 실리콘 태양전지를 형성하는 단계;
    상기 실리콘 태양전지의 전면에 형성되는 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층에 수소를 공급하는 수소 패시베이션 단계;
    상기 실리콘 태양전지의 전면에 접합층을 형성하는 접합층 형성 단계; 및
    상기 접합층의 전면에 페로브스카이트 흡수층을 가지는 페로브스카이트 태양전지를 적층하는 페로브스카이트 태양전지 형성 단계를 포함하고,
    상기 실리콘 태양전지를 형성하는 단계는,
    결정질 실리콘 기판의 일면에 터널층 및 다결정질 실리콘층을 적층하는 단계;
    상기 다결정질 실리콘층에 제1도전형 또는 제2도전형 불순물을 주입을 수행하여, 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층을 형성하는 제1불순물 주입 단계; 및
    결정질 실리콘의 타면에 상기 제1불순물 주입 단계에서 주입된 불순물과 상이한 도전형을 가지는 불순물을 주입하는 제2불순물 주입 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수소 패시베이션 단계는 수소(H)를 이용하여 상기 결정질 실리콘 기판의 전면에 배치되는 상기 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층의 표면에 존재하는 결함(defect)을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수소는 수소 플라즈마(hydrogen plasma)로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 수소는 수소가 풍부한 수소이온 공급층으로부터 공급되는 것을 특징을 하는 텐덤 태양전지의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 수소이온 공급층의 일부는 레이저를 이용한 패터닝 또는 화학적 식각이 수행되어 개구부를 형성하는 패터닝 단계가 수행되고,
    상기 개구부는 상기 실리콘 태양전지의 전면에 형성되는 제1도전형 반도체층 또는 제2도전형 반도체층과 상기 접합층이 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 수소이온 공급층에 레이저를 이용한 패터닝을 수행하여 제거하는 수소이온 공급층 제거 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조 방법.
  22. 제20항 및 제21항에 있어서,
    상기 수소이온 공급층은 상기 제1도전형 또는 제2도전형 불순물이 주입된 상기 다결정질 실리콘층에 적층되는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조방법.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 실리콘 태양전지의 후면에 하부전극을 형성하는 하부전극 형성 단계를 포함하고,
    상기 페로브스카이트 태양전지의 전면에 상부전극을 형성하는 상부전극 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 텐덤 태양전지의 제조방법.
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