KR20210039281A - 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

일 측면에 따른 탠덤 태양전지는 실리콘 하부셀; 상기 실리콘 하부셀 위에 배치된 페로브스카이트 상부셀; 상기 실리콘 하부셀과 상기 페로브스카이트 상부셀 사이에서 상기 실리콘 하부셀과 상기 페로브스카이트 상부셀을 결합시키는 결합층을 포함하고, 상기 결합층과 접한 상기 실리콘 하부셀의 전면부는 텍스쳐 구조를 포함하고, 상기 결합층은 상기 텍스쳐 구조의 측벽에 형성된 제1 투명전극층, 상기 제1 투명전극층 위로 상기 텍스쳐 구조의 오목 부분을 매립하고 있는 매립층, 상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조의 상면 위의 제2 투명전극층을 포함한다.

Description

페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지 및 이의 제조 방법{Perovskite silicon tandem solar cell and method for manufacturing the same}
본 발명은 실리콘 하부셀과 페로브스카이트 상부셀을 포함하는 탠덤 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광 에너지를 전기로 변환하는 친환경 소자이다. 태양광이 태양전지의 광흡수층에 흡수되어 전자-정공쌍이 형성되어야 태양광 발전이 가능한데, 광흡수층의 밴드갭 이상의 입사광만이 흡수되며, 그 중 입사광의 에너지와 밴드갭의 차이만큼의 여분의 에너지는 열에너지로 소모되고, 밴드갭 이하의 입사광의 에너지는 흡수되지 못한다. 따라서 태양광을 효율적으로 사용하기 위하여 서로 다른 밴드갭을 갖는 여러 개의 광흡수층이 도입된 탠덤 태양전지가 각광받고 있다.
차세대 태양전지의 광흡수층 소재로서 각광받고 있는 페로브스카이트(perovskite)는 밴드갭의 조절이 용이하고, 실리콘이나 CIGS(copper indium gallium selenide), CZTS(Copper zinc tin sulfide) 등의 박막 태양전지 하부셀과 접합시 하부셀과의 효율적인 입사광 분배가 가능하다. 또한, 페로브스카이트는 저온의 용액 공정에 의하여 박막을 형성할 수 있으므로 생산 가격을 낮출 수 있다.
하부셀의 실리콘 태양전지는 입사광의 반사를 감소시키기 위해 전면부에 피라미드 모양의 텍스쳐(texture) 구조를 도입하는데, 이 텍스쳐 구조의 크기는 통상적으로 마이크로미터(㎛) 단위이다. 한편, 상부셀의 페로브스카이트 광흡수층은 수백 나노미터의 두께를 가지며, 이러한 두께의 막이 용액 공정에 의하여 마이크로미터 크기의 텍스쳐 구조 위에 균일하게 형성되기 어렵다.
따라서 종래의 용액 공정을 사용하는 페로브스카이트 상부셀과 텍스쳐 구조를 갖는 실리콘 하부셀의 탠덤 소자는 균일하지 않은 페로브스카이트 광흡수층의 형성에 의하여 광변환효율이 낮아진다. 반면, 용액 공정을 사용하는 페로브스카이트 상부셀과 텍스쳐 구조를 갖지 않는 실리콘 하부셀의 이중접합 탠덤 소자는 균일한 페로브스카이트층을 형성할 수 있으나 실리콘 하부셀의 전면부 반사에 의한 광손실이 발생하게 된다.
본 발명은 종래의 문제를 해결하고자 실리콘 하부셀의 텍스쳐 구조 위에 용액 공정에 의하여 페로브스카이트 상부셀의 광변환층을 균일하게 형성할 수 있도록 하는 실리콘 페로브스카이트 탠덤 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
일 측면에 따른 탠덤 태양전지를 제공한다.
상기 태양전지는
실리콘 하부셀;
상기 실리콘 하부셀 위에 배치된 페로브스카이트 상부셀;
상기 실리콘 하부셀과 상기 페로브스카이트 상부셀 사이에서 상기 실리콘 하부셀과 상기 페로브스카이트 상부셀을 결합시키는 결합층을 포함한다.
상기 결합층과 접한 상기 실리콘 하부셀의 전면부는 텍스쳐 구조를 포함한다.
상기 결합층은
상기 텍스쳐 구조의 측벽에 형성된 제1 투명전극층,
상기 제1 투명전극층 위로 상기 텍스쳐 구조의 오목 부분을 매립하고 있는 매립층,
상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조의 상면 위의 제2 투명전극층을 포함한다.
상기 텍스쳐 구조는 상부가 잘려진(truncated) 피라미드 모양을 포함할 수 있다.
상기 제2 투명전극층은 상기 텍스쳐 구조와 상기 매립층 사이에 노출된 상기 제1 투명전극층과 접촉할 수 있다.
상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조의 상면이 평평한 면을 형성할 수 있다.
상기 텍스쳐 구조는 서브 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터 범위의 크기를 가질 수 있다.
상기 제1 투명전극층 및 상기 제2 투명전극층은 서로 독립적으로 산화알루미늄아연(AZO; aluminium zinc oxide), 산화인듐주석(ITO; indium tin oxide), 불소함유 산화주석(FTO: fluorine doped tin oxide), 또는 산화인듐아연(IZO; indium zinc oxide)을 포함할 수 있다.
상기 매립층은 열경화성 또는 광경화성 고분자 물질을 포함할 수 있다.
상기 매립층은 에폭시 수지, 아크릴 수지, 실록산 수지, 비닐아세테이트 수지를 포함할 수 있다.
상기 탠덤 태양전지는 상기 실리콘 하부셀에 연결된 하부 전극 및
상기 페로브스카이트 상부셀에 연결된 상부 전극을 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 따른 탠덤 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 탠덤 태양전지의 제조방법은
실리콘 하부셀의 전면부를 텍스쳐링하여 프리 텍스쳐 구조를 형성하는 단계;
상기 프리 텍스쳐 구조 위에 제1 투명전극층을 균일한 두께로 형성하는 단계;
상기 프리 텍스쳐 구조를 덮도록 상기 제1 투명전극층 위에 매립층을 형성하는 단계;
상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 프리 텍스쳐 구조의 상부를 식각하여 텍스쳐 구조를 형성하고, 상기 텍스쳐 구조의 오목한 부분에 매립된 매립층, 상기 텍스쳐 구조 및 상기 매립층과 상기 텍스쳐 구조 사이의 상기 제1 투명전극층의 상면을 노출시키는 단계;
노출된 상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조 위에 제2 투명전극층을 형성하는 단계; 및
상기 제2 투명전극층 위로 페로브스카이트 상부셀을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조의 상면은 평평한 면을 형성할 수 있다.
상기 텍스쳐 구조는 서브 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터 범위의 크기를 가질 수 있다.
상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조의 상부를 식각하는 단계는 화학적 식각, 물리적 식각 또는 화학적 기계적 연마를 포함할 수 있다.
상기 페로브스카이트 상부셀을 형성하는 단계는
상기 제2 투명전극층 위에 전자전달층을 형성하는 단계;
상기 전자전달층 위에 페로브스카이트 광흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 페로브스카이트 광흡수층 위에 정공전달층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 페로브스카이트 광흡수층은 용액 공정에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명의 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 구조 및 제조방법에 의하여 전면부에 텍스쳐 구조를 갖는 실리콘 하부셀 위에 용액 공정에 의하여 페로브스카이트 상부셀을 형성함으로써 입사광의 포획을 향상시켜 광전류를 증가시킨 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지를 용이하고 신뢰성 있게 제작할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 일 구현예에 따른 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 제조 방법을 단계적으로 나타내는 개략적인 단면도들이다..
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 시험예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명의 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 이하에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들의 조합이 존재함을 나타내려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 축소하여 나타내었다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서 실질적으로 동일한 기능을 가진 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 첨부함으로써 중복설명을 생략한다.
본 명세서 내에서 하부셀은 탠덤 태양전지의 하부에 형성된 태양전지를 의미하며, 실리콘 하부셀은 하부에 형성된 태양전지가 실리콘 태양전지인 경우를 의미한다. 마찬가지로 본 명세서 내에서 상부셀은 탠덤 태양전지의 상부에 형성된 태양전지를 의미하며, 페로브스카이트 상부셀은 상부에 형성된 태양전지가 페로브스카이트 태양전지인 경우를 의미한다.
본 명세서 내에서 텍스쳐 구조는 실리콘 태양전지에 형성된 구조를 의미하며, 실리콘 태양전지에 널리 사용되는 텍스쳐링에 의해 형성된 구조 뿐만 아니라 그로부터 유래한 구조를 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서 내에서 실리콘 태양전지는 광흡수층이 실리콘을 포함하는 태양전지이고, 페로브스카이트 태양전지는 광흡수층이 페로브스카이트 구조를 갖는 물질을 포함하는 태양전지를 의미한다.
본 명세서 내에서 페로브스카이트 광흡수층은 페로브스카이트 구조를 갖는 광흡수 물질을 포함하는 광흡수층을 의미한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 구현예들에 따른 탠덤 태양전지와 이를 제조하는 방법을 상세히 설명한다.
<탠덤 태양전지>
도 1은 일 구현예에 따른 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지(100)는 실리콘 하부셀(110), 결합층(120)과 페로브스카이트 상부셀(130)을 포함한다.
실리콘 하부셀(110)은 공지의 실리콘 태양전지의 구조 중 하나를 가질 수 있으며, 특정한 구조로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 실리콘 하부셀(110)은 결정질 실리콘 기판(미도시), p-타입의 비정질 또는 결정질 실리콘 층(미도시), n-타입의 비정질 또는 결정질 실리콘 층(미도시), 비정질 진성(intrinsic) 실리콘 층(미도시)을 포함할 수 있다. 실리콘 하부셀(110)은 전술한 층들 외에도 필요에 따라 부가적인 층들을 더 포함할 수 있다.
결합층(120)과 접하는 실리콘 하부셀(110)의 전면부는 상부가 잘려진(truncated) 피라미드 모양의 텍스쳐 구조(119)를 가질 수 있다. 실리콘 하부셀(110)의 전면부는 실리콘층일 수 있다. 이 텍스쳐 구조(119)는 서브 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어 텍스쳐 구조(119)의 너비와 높이는 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛ 의 범위일 수 있다. 실리콘 하부셀(110)의 텍스쳐 구조(119)에 의해 입사광의 반사를 감소시키고 입사광의 경로를 증가시켜 광포집을 향상시킴으로써 태양광의 흡수율을 높일 수 있다.
결합층(120)은 실리콘 하부셀(110)과 페로브스카이트 상부셀(130)을 물리적으로 결합시키고 전기적으로 연결시키는 층이다. 결합층(120)은 실리콘 하부셀(110) 전면부의 테스쳐 구조(119)의 측벽에 형성되어 있는 제1 투명전극층(121); 제1 투명전극층(121)의 상면(121a)을 노출하도록 테스쳐 구조(119)의 오목 부분을 매립하고 있는 매립층(123); 매립층(123), 제1 투명전극층(121) 및 실리콘 하부셀(110)의 상면을 덮고 있는 제2 투명전극층(125)을 포함한다.
제1 투명전극층(121)과 매립층(123)은 실리콘 하부셀(110)의 텍스쳐 구조(119)를 매립하여 실리콘 하부셀(110)의 전면부를 평평하게 한다. 제2 투명전극층(125)이 제1 투명전극층(121) 및 매립층(123)이 매립된 실리콘 하부셀(110)의 평평한 상면 위에 형성되어 있다. 실리콘 하부셀(110)의 상면에 노출된 제1 투명전극층의 부분(121a)은 제2 투명전극층(125)과 접촉하므로, 실리콘 하부셀(110)은 제1 투명전극층(121)을 통하여 제2 투명전극층(125)에 전기적으로 연결된다.
제1 투명전극층(121) 및 제2 투명전극층(125)은 예를 들어 서로 독립적으로 산화알루미늄아연(AZO; aluminium zinc oxide), 산화인듐주석(ITO; indium tin oxide), 불소함유 산화주석(FTO: fluorine doped tin oxide), 산화인듐아연(IZO; indium zinc oxide) 등의 전도성 금속 산화물을 포함할 수 있다. 제1 투명전극층(121)은 예를 들어 5 내지 300 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 제1 투명전극층(121)이 상기 범위의 두께를 가질 때 텍스쳐 구조(119)의 측면에 균일한 두께로 형성될 수 있고, 또한 제2 투명전극층(125)과의 접촉면이 안정적으로 유지될 수 있다. 제2 투명전극층(125)은 예를 들어 5 내지 100 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 제1 투명전극층(121)과 제2 투명전극층(125)이 상기 범위의 두께를 가질 때 전기적으로 연결되어 재결합층의 역할을 할 수 있다.
매립층(123)은 1 내지 3의 굴절율을 갖는 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 매립층(123)은 예를 들어 광경화성 또는 열경화성의 투명한 고분자 물질을 포함할 수 있다. 상기 광경화성 또는 열경화성의 투명한 고분자 물질은 예를 들어 에폭시 수지, 아크릴 수지, 실록산 수지, 비닐아세테이트 수지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 매립층(123)이 1 내지 3의 굴절율을 갖는 경우 인접한 층들과 유사한 굴절율을 가질 수 있다. 구체적으로 매립층(123)은 실리콘 하부셀(110)을 구성하는 층들 및 페로브스카이트 상부셀(130)을 구성하는 층들과 유사한 굴절율을 가질 수 있다. 매립층(123)이 인접한 층들과 유사한 굴절율을 가지면 입사광의 반사를 최소화할 수 있다. 선택적으로 매립층(123)은 굴절율이나 투과율에 영향을 주지 않는 범위 내에서 도전성 입자를 더 포함할 수 있다.
결합층(120) 위의 페로브스카이트 상부셀(130)은 공지의 페로브스카이트 태양전지의 구조 중 하나를 가질 수 있으며, 특정한 구조로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 페로브스카이트 상부셀(130)은 전자전달층(미도시), 페로브스카이트 광흡수층(미도시), 정공전달층(미도시)을 포함할 수 있다.
전자전달층은 예를 들어 TiO2, SnO2, ZnO, NiO, WO3, TiSrO3, 그래핀, 카본나노튜브, C60 (fullerene), PCBM([6,6]-Phenyl-C61-butyric Acid Methyl Ester) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전자전달층(미도시)은 예를 들어 1 nm 내지 300 nm 의 두께를 가질 수 있다.
광흡수층(미도시)은 페로브스카이트 구조를 갖는 광흡수 물질을 포함한다. 페로브스카이트 구조를 갖는 광흡수 물질은 예를 들어 유기 할로겐화물 페로브스카이트 또는 금속 할로겐화물 페로브스카이트를 포함할 수 있다.
유기 할로겐화물 페로브스카이트는 예를 들어 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 (0≤x≤1, 0≤y≤1)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 유기 할로겐화물의 유기 암모늄에 Cs 또는 Rb가 일부 도핑된 화합물도 사용될 수 있다. 금속 할로겐화물 페로브스카이트는 예를 들어 요오드화납(PbI2), 요오드화브롬(PbBr) 또는 염화납(PbCl2)을 포함할 수 있다. 상기 광흡수층은 수십 내지 수백 나노미터의 두께를 가질 수 있다. 광흡수층은 예를 들어 100 nm 내지 1000 nm 의 두께를 가질 수 있다.
정공전달층은 예를 들어 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 전도성 고분자 물질은 예를 들어 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리 싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 스피로-미오타드(Spiro-MeOTAD) 또는 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 정공전달층은 예를 들어 5 nm 내지 300 nm 의 두께를 가질 수 있다.
페로브스카이트 상부셀(130)은 전술한 층들 외에도 필요에 따라 부가적인 층들을 더 포함할 수 있다.
또한 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지(100)는 실리콘 하부셀(110)에 연결된 하부 전극(미도시) 페로브스카이트 상부셀(130)에 연결된 상부 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다.
본 구현예에 의한 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지는 실리콘 하부셀의 텍스쳐 구조에 의해 태양광의 반사를 감소시켜 태양광의 흡수율을 높일 수 있고, 또한, 텍스쳐 구조 위에 결합층이 평평하게 형성되어 페로브스카이트 상부셀이 신뢰성 있게 형성되어 있다.
<탠덤 태양전지의 제조방법>
도 2a 내지 도 2f는 일 구현예에 따른 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 제조 방법을 단계적으로 나타내는 개략적인 단면도들이다.
먼저 도 2a를 참조하면, 실리콘 하부셀(110)의 전면부에 텍스쳐링에 의하여 프리 텍스쳐(pre-texure) 구조(118)를 형성할 수 있다. 실리콘 하부셀(110)의 전면부는 실리콘층일 수 있다. 도 2a에 도시되지 않았으나, 전술한 바와 같이 실리콘 하부셀(110)은 p-타입의 비정질 또는 결정질 실리콘 층(미도시), n-타입의 비정질 또는 결정질 실리콘 층(미도시), 비정질 진성 실리콘 층(미도시)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 다양한 구조를 가질 수 있다. 텍스쳐링은 예를 들어 식각(etching) 또는 그루빙(grooving)을 통하여 수행할 수 있다. 프리 텍스쳐 구조(118)는 예를 들어 피라미드 모양일 수 있다. 텍스쳐링을 위한 식각시 예를 들어 수산화칼륨(KOH)이나 수산화나트륨(NaOH)과 같은 염기성 용액 또는 질산(HNO3), 불산(HF)과 같은 산성 용액을 사용할 수 있다. 텍스쳐링을 위한 그루빙은 예를 들어 레이저를 이용하여 이루어질 수 있다. 한편, 실리콘 하부셀(110)의 후면부는 텍스쳐 구조를 갖거나 평탄한 구조를 가질 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 프리 텍스쳐 구조(118) 위에 제1 투명전극층(121)을 형성할 수 있다. 제1 투명전극층(121)은 예를 들어 ITO, AZO, FTO, IZO 와 같은 전도성 금속 산화물을 이용하여 형성할 수 있다. 제1 투명전극층(121)의 전도성 금속 산화물을 예를 들어 스퍼터링 또는 스핀코팅 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 이때 제1 투명전극층(121)은 텍스쳐 구조(119)의 요철이 유지되도록 균일한 두께로 컨포멀하게 형성할 수 있다. 예를 들어 제1 투명전극층(121)은 5 내지 300 nm 범위의 두께로 형성할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 실리콘 하부셀(110)의 프리 텍스쳐 구조(118)를 완전히 덮도록 제1 투명전극층(121) 위에 매립층(123)을 형성할 수 있다. 매립층(123)은 예를 들어 1 내지 3의 굴절율을 갖는 열경화 또는 광경화성 투명 고분자 물질로 형성할 수 있다. 매립층(123)은 예를 들어 에폭시 수지, 아크릴 수지, 실록산 수지, 비닐아세테이트 수지 또는 이들의 조합 등으로 형성할 수 있다. 선택적으로 매립층(123)이 도전성 입자를 더 포함하도록 형성될 수 있다. 매립층(123)은 하부 텍스쳐 구조(119)의 평탄화 공정을 진행할 수 있도록 적절한 두께로 형성할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 매립층(123), 제1 투명전극층(121) 및 프리 텍스쳐 구조(118)의 상부를 식각하여 제1 투명전극층(121)을 노출시키면서 실리콘 하부셀(110)의 상면을 평탄하게 만들 수 있다. 이러한 평탄화 공정시 예를 들어 화학적 식각, 물리적 식각 또는 화학적 기계적 연마 등의 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어 물리 화학적 연마를 위하여 실리카, 다이아몬드, 알루미나, 또는 산화세륨을 포함한 콤파운드 또는 서스펜션 등을 사용할 수 있다. 프리 텍스쳐 구조(118)의 상부가 식각되어 텍스쳐 구조(119)가 형성되고, 텍스쳐 구조(119)의 오목한 부분에 매립된 매립층(123)의 상면과 제1 투명전극층(121)의 상면(121a)이 노출된다.
도 2e를 참조하면, 전술한 평탄화 식각 후 노출된 텍스쳐 구조(119), 제1 투명전극층(121) 및 매립층(123) 위로 제2 투명전극층(125)을 형성할 수 있다. 제2 투명전극층(125)은 예를 들어 AZO, ITO, FTO, IZO 등을 포함할 수 있다. 제2 투명전극층(125)은 제1 투명전극층(121)과 동일한 물질로 형성할 수 있다. 선택적으로 제2 투명전극층(125)은 제1 투명전극층(121)과 다른 물질로 형성할 수 있다. 제2 투명전극층(125)이 제1 투명전극층(121)과 접촉되어 전기적으로 연결된다. 제1 투명전극층(121)과 제2 투명전극층(125)은 매립층(123)과 함께 실리콘 하부셀(110)과 페로브스카이트 상부셀(130)을 연결하는 결합층(120)을 형성한다. 실리콘 하부셀(110)로부터의 전자와 페로브스카이트 상부셀(130)로부터의 정공이 결합층(120) 내의 제1 투명전극층(121)과 제2 투명전극층(125)에서 재결합하여 전하적 중성을 유지할 수 있다.
도 2f를 참조하면, 제2 투명전극층(125) 위로 페로브스카이트 상부셀(130)을 형성할 수 있다. 페로브스카이트 상부셀(130)은 공지의 방법에 의하여 형성할 수 있다. 도 2f에 도시되지 않았으나, 페로브스카이트 상부셀(130)은 정공전달층, 광흡수층, 전자전달층을 포함할 수 있다. 본 구현예의 정공전달층, 광흡수층, 전자전달층에 대하여 전술한 구현예에 따른 탠덤 태양전지의 내용을 참조한다.
예를 들어 제2 투명전극층(125) 위로 전자전달층, 광흡수층, 정공전달층을 순서대로 형성하여 페로브스카이트 상부셀(130)을 형성할 수 있다. 전자전달층은 제2 투명전극층(125) 위에 예를 들어 TiO2, SnO2, ZnO, NiO, WO3, TiSrO3, 그래핀, 카본나노튜브, C60 (fullerene) 또는 PCBM 등의 물질을 졸겔법 또는 스핀코팅이나 열증착 등의 공정에 의하여 형성할 수 있다. 전자전달층 위로 광흡수층을 페로브스카이트 구조의 광흡수 물질로 형성할 수 있다. 광흡수층은 예를 들어 유기 할로겐화물 페로브스카이트 또는 금속 할로겐화물 페로브스카이트의 전구체 물질을 용매에 용해시킨 용액을 전자전달층 위로 스핀 코팅하여 형성할 수 있다. 정공 전달층은 광흡수층 위로 예를 들어 전도성 고분자를 이용하여 스핀코팅 또는 열증착 공정에 의하여 형성할 수 있다. 다른 구현예에 따라 페로브스카이트 상부셀(130)의 형성시 부가적인 층을 더 형성할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 의하면 실리콘 하부셀 전면부의 텍스쳐 구조의 상부가 결합층 형성시 평탄화되어 페로브스카이트 상부셀을 용액 공정을 적용하여 저비용으로 용이하고 신뢰성 있게 형성할 수 있다. 이와 같이 형성된 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지는 실리콘 하부셀의 텍스쳐 구조를 유지하면서 페로브스카이트 상부셀을 신뢰성 있게 형성하여 높은 광변환 효율을 가질 수 있다.

Claims (16)

  1. 실리콘 하부셀;
    상기 실리콘 하부셀 위에 배치된 페로브스카이트 상부셀;
    상기 실리콘 하부셀과 상기 페로브스카이트 상부셀 사이에서 상기 실리콘 하부셀과 상기 페로브스카이트 상부셀을 결합시키는 결합층을 포함하고,
    상기 결합층과 접한 상기 실리콘 하부셀의 전면부는 텍스쳐 구조를 포함하고,
    상기 결합층은
    상기 텍스쳐 구조의 측벽에 형성된 제1 투명전극층,
    상기 제1 투명전극층 위로 상기 텍스쳐 구조의 오목 부분을 매립하고 있는 매립층,
    상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조의 상면 위의 제2 투명전극층을 포함하는 탠덤 태양전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 텍스쳐 구조는 상부가 잘려진(truncated) 피라미드 모양을 포함하는 탠덤 태양전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 투명전극층은 상기 텍스쳐 구조와 상기 매립층 사이에 노출된 상기 제1 투명전극층과 접촉하는 탠덤 태양전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조의 상면이 평평한 면을 형성하는 탠덤 태양전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 텍스쳐 구조는 서브 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터 범위의 크기를 갖는 탠덤 태양전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 투명전극층 및 상기 제2 투명전극층은 서로 독립적으로 산화알루미늄아연(AZO; aluminium zinc oxide), 산화인듐주석(ITO; indium tin oxide), 불소함유 산화주석(FTO: fluorine doped tin oxide), 또는 산화인듐아연(IZO; indium zinc oxide)을 포함하는 탠덤 태양전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 매립층은 열경화성 또는 광경화성 고분자 물질을 포함하는 탠덤 태양전지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 매립층은 에폭시 수지, 아크릴 수지, 실록산 수지, 또는 비닐아세테이트 수지를 포함하는 탠덤 태양전지.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 하부셀에 연결된 하부 전극 및
    상기 페로브스카이트 상부셀에 연결된 상부 전극을 더 포함하는 탠덤 태양전지.
  10. 실리콘 하부셀의 전면부를 텍스쳐링하여 프리 텍스쳐 구조를 형성하는 단계;
    상기 프리 텍스쳐 구조 위에 제1 투명전극층을 균일한 두께로 형성하는 단계;
    상기 프리 텍스쳐 구조를 덮도록 상기 제1 투명전극층 위에 매립층을 형성하는 단계;
    상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 프리 텍스쳐 구조의 상부를 식각하여 텍스쳐 구조를 형성하고, 상기 텍스쳐 구조의 오목한 부분에 매립된 매립층, 상기 텍스쳐 구조 및 상기 매립층과 상기 텍스쳐 구조 사이의 상기 제1 투명전극층의 상면을 노출시키는 단계;
    노출된 상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조 위에 제2 투명전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 투명전극층 위로 페로브스카이트 상부셀을 형성하는 단계를 포함하는 탠덤 태양전지의 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조의 상면이 평평한 면을 형성하는 탠덤 태양전지의 제조방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 텍스쳐 구조는 서브 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터 범위의 크기를 갖는 탠덤 태양전지의 제조방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 매립층, 상기 제1 투명전극층 및 상기 텍스쳐 구조의 상부를 식각하는 단계는 화학적 식각, 물리적 식각 또는 화학적 기계적 연마를 포함하는 탠덤 태양전지의 제조방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 매립층은 열경화성 또는 광경화성 투명 고분자 물질을 포함하는 탠덤 태양전지의 제조방법.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 상부셀을 형성하는 단계는
    상기 제2 투명전극층 위에 전자전달층을 형성하는 단계;
    상기 전자전달층 위에 페로브스카이트 광흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 페로브스카이트 광흡수층 위에 정공전달층을 형성하는 단계를 포함하는 탠덤 태양전지의 제조방법.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 광흡수층은 용액 공정에 의하여 형성되는 탠덤 태양전지의 제조방법.
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