KR20230070706A - 탠덤 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 다양한 실시예에 따른 탠덤 태양전지는, 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지의 하부에 배치되는 제2 태양전지; 및 상기 제1 태양전지 및 제2 태양전지 사이에 배치되는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은, 제1 유전층, 금속층 및 제2 유전층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명의 다양한 실시예는 탠덤 태양전지에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시예는 중간층을 통해 입사태양광 진행방향으로의 장파장 투과도가 최적화되어 하부 태양전지의 광생성전류가 극대화된 탠덤 태양전지에 관한 것이다.
결정질 실리콘(crystalline silicon; c-Si) 태양전지는 대표적인 단일접합(single junction) 태양전지로서 현재 상업적 태양전지로 널리 사용되고 있다.
그러나 태양전지의 추가 효율 향상이 필요함에도 결정질 실리콘 태양전지의 광전 변환 효율은 이미 이론 한계 효율에 상당히 근접해 있기 때문에, 서로 다른 밴드 갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 연결하여 하나의 태양전지를 구성하는 탠덤 태양전지에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
2 단자 탠덤 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 탠덤 태양전지는 30% 이상의 높은 광전 효율을 달성할 수 있어 많은 주목을 받고 있다.
종래의 탠덤 태양전지는 중간층으로 광투과율과 전기 전도성이 상대적으로 우수한 투명 전도성 산화물 중 ITO(Indium Tin Oxide)가 주로 사용되고 있다.
그러나 ITO의 밴드갭 및 굴절률이 대략 일정범위의 값을 가지기 때문에 탠덤 태양전지의 특성 향상을 위한 ITO의 전기적 및 광학적 특성을 조절할 여지가 매우 작다는 문제가 있다. 이는 하부 태양전지의 전류 제한에 의한 전체 탠덤 태양전지의 효율 제한으로 이어진다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해, 입사태양광 진행방향으로의 장파장 투과도가 최적화될 수 있도록 중간층의 구조 및 재료를 설계한 탠덤 태양전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 탠덤 태양전지는, 제1 태양전지; 상기 제1 태양전지의 하부에 배치되는 제2 태양전지; 및 상기 제1 태양전지 및 제2 태양전지 사이에 배치되는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은, 제1 유전층, 금속층 및 제2 유전층을 포함할 수 있다.
본 발명의 탠덤 태양전지에 포함되는 중간층은 제1 유전층, 금속층 및 제2 유전층을 포함하고, 각 층의 구조 및 물질을 특정 소자 상황에 맞게 최적화 함으로써 탠덤 태양전지의 고효율 달성에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탠덤 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탠덤 태양전지의 구체적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탠덤 태양전지의 구체적인 단면도이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 탠덤 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 탠덤 태양전지(10)는, 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 제1 태양전지(100), 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 제2 태양전지(200) 및 중간층(300)(이하 "터널 접합층", "접합층", "inter-layer"라고도 한다)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 탠덤 태양전지(10)로 입사된 광 중 단파장 영역의 광은 제1 태양전지(100)에 흡수되어 전하를 생성하며, 제1 태양전지(100)를 투과하는 장파장 영역의 광은 제2 태양전지(200)에 흡수되어 전하를 생성하게 된다.
또한 제2 태양전지(200)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.
이 때, 상기 제1 태양전지(100)는 페로브스카이트 태양전지일 수 있고, 상기 제1 태양전지(100) 아래에 위치하는 제2 태양전지(200)는 실리콘 태양전지일 수 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서의 제1 태양전지(100)는 제2 태양전지(200) 상에 위치하면서 제2 태양전지(200)의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가지는 태양전지는 모두 적용이 가능하다. 예를 들면, 제1 태양전지(100) 및 제2 태양전지(200) 모두 페로브스카이트 태양전지일 수 있다. 또는, 제1 태양전지(100)는 페로브스카이트 태양전지일 수 있고, 제2 태양전지(200)는 CIGS 태양전지일 수 있다.
중간층(300)은 제1 유전층(310), 금속층(320) 및 제2 유전층(330)을 포함할 수 있다. 본 발명에서, 제1 유전층(310), 금속층(320) 및 제2 유전층(330)의 물질은 광학적 면에서는 제2 태양전지(200)의 밴드갭에 따른 최적 흡수 광파장영역, 전기적인 측면에서는 상부층 및 하부층의 터널접합을 위한 중간층 구조, 상부층 및 하부층의 band alignment 등을 고려해서 선정될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)의 물질, 두께, 밀도 및 도핑을 조절하여 금속층(320)과 조합함으로써, 제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330) 자체의 특성에 의한 효과와 제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)에 둘러쌓인 금속층(320)의 나노구조로 인한 플라즈모닉 공진 효과와의 상호작용을 통해 제2 태양전지(200)에 중요한 광파장영역 투과도(forward scattering) 증대를 통한 탠덤태양전지 하부셀 전류제한 해결에 기여함으로써, 고효율 탠덤전지를 구현할 수 있다.
구체적으로, 제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)은 산화물, 알칼리 원소의 플루오라이드, 질화물 및 2차원 물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
산화물로는 ITO (Indium Tin Oxide), ZnO계, SnO2계, Si, Ti, Mo, W, Cu, Ni, V의 이/다성분계 산화물 등의 산화물을 포함할 수 있다.
알칼리 원소의 플루오라이드는 리튬 플루오라이드, 칼륨 플루오라이드 및 세슘 플루오라이드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
질화물은 TiN, AlN 및 TaN로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
2차원 물질은 그래핀(graphene), MoSe2, MoS2, WSe2, WS2, NbSe2, NbS2,TiSe2 및 TiS2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)은 같은 물질을 포함할 수 있고, 다른 물질을 포함할 수도 있다. 다른 물질을 포함할 경우 인접 박막과의 계면 전기적 접합특성 및 굴절률의 관계 등을 고려하여 선택될 수 있다. 이에 대해서는, 후술하여 보다 상세히 설명한다.
제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)은 PVD(스퍼터, 열/이빔증착, PLD 등), CVD(열/촉매/플라즈마/저압/상압/금속유기(MO) 등), 용액공정(spin-coating, doctor-blade 등) 등 다양한 코팅 방법으로 형성될 수 있다.
제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)의 두께, 도핑농도, 밀도 등을 조절함으로써, 중간층(300)의 특성을 제어할 수 있다.
제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)의 두께, 도핑농도, 밀도 등은 대칭 형태로 일치시킬 수도 있고, 또는 인접 박막과의 계면 조합 등을 위해 비대칭으로 형성할 수도 있다.
한편, 제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)은 native defect 또는 불순물 등에 의해 도핑될 수 있고, 도핑 농도는 상용 투명전극과 같은 수준이거나, 낮을 수 있다. 또는, 제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)은 도핑하지 않은(unintentionally doped 또는 (준)절연막) 상태일 수 있다.
제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330) 사이에 배치되는 금속층(320)은 금속 및 반금속성 물질(semimetallic 화합물)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
금속은 Ag, Au, Al, Ga, Pt, Pd, Mg 및 Cu로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
반금속성 물질은 ITO, ZnO계, SnO2계, TiN, VO2, WOx, 기타 고도핑된 전이금속산화물 및 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
금속층(320)은 PVD(스퍼터, 열/이빔증착, PLD 등), CVD(열/촉매/플라즈마/저압/상압/금속유기(MO) 등), 용액공정(spin-coating, doctor-blade 등) 등 다양한 코팅 방법으로 형성될 수 있다.
이러한 금속층(320)은 2 nm 내지 50 nm의 두께일 수 있다. 금속층(320)의 두께가 2 nm 보다 얇아질 경우 전기적 특성이 떨어질 수 있다. 또한, 금속층(320)의 두께가 50 nm보다 두꺼워질 경우 전기적 특성은 좋아지나 광투과도 특성이 떨어질 수 있다.
한편, 금속층(320)은 금속나노입자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 금속층(320)은 금속나노입자 및 금속나노입자를 커버하는 캡핑층을 포함할 수 있다.
이때, 금속나노입자는, Ag, Au, Al, Ga, Pt, Pd, Mg 및 Cu로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속나노입자일 수 있다.
금속나노입자는 구체, 다면체, 로드 또는 디스크 형상 등 다양한 형상일 수 있다. 금속나노입자가 구체일 경우, 금속나노입자는 2 nm 내지 200 nm의 직경을 가질 수 있다. 금속나노입자의 크기가 이러한 범위 내일 경우, 계면 굴절률 차이로 반사되던 빛을 플라즈몬 공진(plasmon resonance)으로 투과시킴으로써 투과율을 향상시킬 수 있다. 즉, 이러한 금속나노입자를 통해 중간층(300)의 투과도를 증가시킬 수 있어 제2 태양전지(200)의 광생성전류를 극대화할 수 있다.
금속나노입자를 커버하는 캡핑층은 예를 들면, SiO2, Al2O3, HfO2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 캡핑층은 금속나노입자의 산화를 방지할 수 있다. 또한, 캡핑층의 두께를 조절함으로써, 플라즈몬 공진파장을 조절할 수 있다. 따라서, 캡핑층을 통해 플라즈몬 공진파장을 장파장영역으로 시프트(shift)할 수 있다.
이때, 금속층(320)의 두께와 후열처리 조건을 고려하여 금속나노입자의 크기 또는 분포 등을 제어할 수 있다.
한편, 금속층(320)은 금속나노입자의 물질 종류, 구조체 형상, 구조체의 크기 등을 고려하여 용액기반 도포 또는 건식 스프레이 분사코팅 등으로 형성될 수 있다.
본 발명에서 제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)이 ITO를 포함하고, 금속층(320)은 Ag 나노 입자로 구성될 경우, 제1 태양전지(100)에서 제1 유전층(310)과 인접하여 배치되는 정공수송층은 NiO, 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA) 및 MoOx로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 이때, 제2 태양전지(200)에서 제2 유전층(330)과 인접하여 배치되는 전면 전계막은 수소화된 n형 비정질 실리콘층(n-a-Si:H)을 포함할 수 있다.
이러한 구체 실시예를 통해, 정공수송층, 제1 유전층(310), 제2 유전층(330) 및 전면 전계막 사이의 굴절률 차이가 줄어들어 프레즈넬(Fresnel) 반사가 작아질 수 있다.
한편, 제1 유전층(310) 및 제2 유전층(330)이 ITO를 포함하고, 금속층(320)은 Ag 나노 입자로 구성될 경우, 제1 태양전지(100)에서 제1 유전층(310)과 인접하여 배치되는 전자수송층은 SnO2, TiO2 및 ZnO로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 이때, 제2 태양전지(200)에서 제2 유전층(330)과 인접하여 배치되는 에미터층은 수소화된 p형 비정질 실리콘층(p-a-Si:H)을 포함할 수 있다.
이러한 구체 실시예를 통해, 전자수송층, 제1 유전층(310), 제2 유전층(330) 및 에미터층 사이의 굴절률 차이가 줄어들어 프레즈넬(Fresnel) 반사가 작아질 수 있다.
한편, 보다 구체적으로 도 2를 참고하면, 본 발명의 제1 태양전지(100)는 페로브스카이트 태양전지일 수 있다. 제1 태양전지(100)는 제1 도전형 전하 수송층(110), 페로브스카이트 흡수층(120), 제2 도전형 전하 수송층(130) 및 제1 전극(140)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 전하 수송층(110)은 p형의 정공수송층 또는 n형의 전자수송층일 수 있다. 제1 도전형 전하 수송층(110)은 p형의 정공수송층일 경우, 제2 도전형 전하 수송층(130)은 n형의 전자수송층일 수 있다.
제1 도전형 전하 수송층(110)과 제2 도전형 전하 수송층(130)으로 사용될 수 있는 대표적인 소재는 전도성 무기물층이 이용될 수 있다.
이 때, 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, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx , CoO, Cr2O3 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다.
한편 본 발명에서의 제1 도전형 전하 수송층(110)과 제2 도전형 전하 수송층(130)으로는 전도성 유기물층 등도 사용될 수 있다.
예를 들어 상기 제1 도전형 전하 수송층(110) 또는 제2 도전형 전하 수송층(130)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(110) 또는 제2 도전형 전하 수송층(130)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.
제1 도전형 전하 수송층(110) 상에는 페로브스카이트 흡수층(120)이 위치한다.
본 발명에서의 페로브스카이트 흡수층(120)은 현재 널리 사용되는 소위 말하는 MA(Methylamminium)계 또는 FA(Formamidinium)계 페로브스카이트 화합물 모두 사용 가능하다.
페로브스카이트 흡수층(120) 상에는 제2 도전형 전하 수송층(130)이 위치하고, 다시 제2 도전형 전하 수송층 상에는 제1 전극(140)이 위치한다.
이때, 상기 제1 전극(140)은 먼저 투명 전극층(141)을 포함한다. 상기 투명 전극층(141)은 페로브스카이트 태양전지(100)의 상면 전체에 형성되어, 탠덤 태양전지(10)에서 생성된 전자 또는 정공 중 하나를 포집하는 역할을 한다. 이러한 투명 전극층(141)은 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다. 투명 전도성 소재로는, 중간층(300)의 투명 전도성 소재와 동일한 것이 이용될 수 있다.
다음으로 그리드 전극(142)이 투명 전극층(141) 상에 위치하며, 투명 전극층(141) 중 일부 영역에 배치된다.
제2 태양전지(200)는 제1 태양전지(100) 아래에 위치하고, 실리콘 태양전지일 수 있다. 제2 태양전지(200)는 결정질 실리콘 기판(230), 제2 패시베이션막(220), 제2 도전형층(210), 제1 패시베이션막(240), 제1 도전형층(250) 및 제2 전극(260)을 포함할 수 있다.
결정질 실리콘 기판(230)은 단결정 또는 다결정 반도체(일 예로, 단결정 또는 다결정 실리콘)로 구성될 수 있다. 특히, 결정질 실리콘 기판(230)은 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 반도체 웨이퍼, 보다 구체적으로는, 단결정 실리콘 웨이퍼)로 구성될 수 있다. 이와 같이 결정질 실리콘 기판(230)이 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 실리콘)로 구성되면, 제2 태양 전지(200)가 단결정 반도체 태양 전지(예를 들어, 단결정 실리콘 태양 전지)를 구성하게 된다.
한편 단일접합 태양전지에서는 표면에서의 입사광의 반사율을 줄이고 태양전지로 입사된 광의 경로를 증가시키기 위해, 표면에 텍스쳐 구조를 도입하는 것이 일반적이다. 따라서 본 발명에서의 탠덤 태양전지(10)에서의 제2 태양전지가 결정질 실리콘 태양전지일 경우, 표면에(적어도 후면에) 텍스쳐를 형성할 수 있다.
결정질 실리콘 기판(230)의 제2 면 위에는 제2 패시베이션막(220)이 위치되고, 결정질 실리콘 기판(230)의 제1 면 위에는 제1 패시베이션막(240)이 형성된다. 이를 통해 결정질 실리콘 기판(230)의 제1 면 및 제2 면을 각각 패시베이션할 수 있다.
본 발명에서는 제1 패시베이션막(240) 및 제2 패시베이션막(220)이라는 용어를 사용하였으나, 제1 패시베이션막(240) 및/또는 제2 패시베이션막(220)이 터널링막으로서의 역할도 수행할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)은 전자 및 정공에게 일종의 배리어(barrier)로 작용하여, 소수 캐리어(minority carrier)가 통과되지 않도록 하고, 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)에 인접한 부분에서 축적된 후에 일정 이상의 에너지를 가지는 다수 캐리어(majority carrier)만이 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)을 각기 통과할 수 있도록 한다. 이때, 일정 이상의 에너지를 가지는 다수 캐리어는 터널링 효과에 의하여 쉽게 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)을 통과할 수 있다. 여기서, 터널링 효과를 충분하게 구현할 수 있도록 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)의 두께는 제1 도전형층(250) 및 제2 도전형층(210)보다 작을 수 있다.
일 예로, 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)이 진성 비정질 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)이 진성 비정질 실리콘(i-a-Si)층으로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)이 기판(230)과 동일한 반도체 물질을 포함하여 유사한 특성을 가지기 때문에 기판(230)의 표면 특성을 좀더 효과적으로 향상할 수 있다. 이에 의하여 패시베이션 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
일반적으로 비정질 실리콘(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.
본 발명에서의 진성 비정질 실리콘층은 수소화된 진성 비정질 실리콘층(i a-Si:H)을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 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.
제1 패시베이션막(240) 상에는 제1 도전형을 가지는 제1 도전형층(250)이 형성될 수 있다. 그리고 제2 패시베이션막(220) 위에는 제1 도전형과 반대되는 제2 도전형을 가지는 제2 도전형층(210)이 위치할 수 있다.
제1 도전형층(250)은 제1 도전형 도펀트를 포함하여 제1 도전형을 가지는 영역이다. 그리고 제2 도전형층(210)는 제2 도전형 도펀트를 포함하여 제2 도전형을 가지는 영역일 수 있다.
일 예로, 제2 도전형층(210)은 기판(230)과 동일한 도전형을 가지고 제2 패시베이션막(220)과 접촉하며, 제1 도전형층(250)은 기판(230)과 상이한 도전형을 가지고 제1 패시베이션막(240)과 접촉할 수도 있다. 제2 도전형층(210)은 전계층으로 그리고 제1 도전형층(250)은 에미터층으로 기능하며, 탠덤 태양전지(10)의 구조가 단순화되고 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)의 터널링 효과가 최대화될 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이와는 반대로, 제2 도전형층(210)은 기판(230)과 상이한 도전형을 가지고 제2 패시베이션막(220)과 접촉하며, 제1 도전형층(250)은 기판(230)과 동일한 도전형을 가지고 제1 패시베이션막(240)과 접촉할 수도 있다. 제1 도전형층(250)은 전계층으로 그리고 제2 도전형층(210)은 에미터층으로 기능을 할 수 있다.
한편, 제1 도전형층(250) 및 제2 도전형층(210) 각각은 증착 등의 다양한 방법에 의하여 쉽게 제조될 수 있는 비정질, 미세결정질(micro- 또는 nano-crystalline) 또는 다결정(polycrystalline) 반도체 등에 제1 또는 제2 도전형 도펀트를 도핑하여 형성될 수 있다. 그러면 제1 도전형층(250) 및 제2 도전형층(210)이 간단한 공정에 의하여 쉽게 형성될 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 제1 및 제2 패시베이션막(220, 240)이 진성 비정질 반도체(일 예로, 진성 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘 산화막)로 구성되면, 기판과 패시베이션막 그리고 도전형층들은 우수한 접촉 특성, 우수한 전하 수송 특성 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(230)과 제2 도전형층(210)은 n형을 가질 수 있고, 제1 도전형층(250)은 p형을 가질 수 있다. 이에 의하면, 기판(230)이 n형을 가져 캐리어의 수명(life time)이 우수할 수 있다. 이 경우에 결정질 실리콘 기판(230)과 제2 도전형층(210)이 n형 도펀트로 인(P)을 포함할 수 있고, 제1 도전형층(250)은 p형 도펀트로 보론(B)을 포함할 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 기판(230)과 제2 도전형층(210)이 p형을 가질 수 있고, 제1 도전형층(250)이 n형을 가질 수도 있다.
더 나아가 기판(230)과 제1 도전형층(250)은 n형을 가질 수 있고, 제2 도전형층(210)은 p형을 가질 수 있다.
본 실시예에서 제1 도전형층(250) 및 제2 도전형층(210)은 각기 비정질 및 미세결정질 실리콘(a-Si)층, 비정질 및 미세결정질 실리콘 산화물(a-SiOx)층, 비정질 및 미세결정질 실리콘 탄화물(a-SiCx)층, 인듐-갈륨-아연 산화물(indium-gallium-zinc oxide, IGZO)층, 티타늄 산화물(TiOx)층, 몰리브덴 산화물(MoOx)층 및 DASH(dopant-free asymmetric heterocontact) 구조의 전도성 무기물층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 제1 도전형층(250) 및 제2 도전형층(210)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.
제1 도전형층(250) 위에는 제2 태양전지(200)와 전기적으로 연결되는 제2 전극(260)이 위치한다. 상기 제2 전극(260)은 선택적으로 먼저 제1 도전형층(250)의 위에 위치하는 투명전극층(261)을 포함한다. 투명전극층 재료로써는 ITO (Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide), Al-doped ZnO, Ga-doped ZnO, Sb-doped SnO2, F-doped SnO2 등의 투명 전도성 산화물을 포함한다.
상기 투명전극층(261)이 위치한 후, 그 위에 그리드 전극(262)이 위치한다. 물론, 상기 투명전극층(261)을 형성하지 않고 제1 도전형층(250) 위에 바로 그리드 전극(262)이 위치할 수도 있다. 그러나 상기 제1 도전형층은 금속 그리드를 통해 캐리어(carrier)를 모으기에는 상대적으로 캐리어(carrier) 이동도 및 면저항 특성이 떨어지므로 투명전극층(115)을 먼저 형성하는 것이 보다 바람직하다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (13)
- 제1 태양전지;
상기 제1 태양전지의 하부에 배치되는 제2 태양전지; 및
상기 제1 태양전지 및 제2 태양전지 사이에 배치되는 중간층을 포함하고,
상기 중간층은,
제1 유전층, 금속층 및 제2 유전층을 포함하는 탠덤 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 유전층 및 제2 유전층은 산화물, 알칼리 원소의 플루오라이드, 질화물 및 2차원 물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속층은 금속 및 반금속성 물질(semimetallic 화합물)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속층은 금속나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속층은 금속나노입자 및 상기 금속나노입자를 커버하는 캡핑층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제5항에 있어서,
상기 금속나노입자는 Ag, Au, Al, Ga, Pt, Pd, Mg 및 Cu로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속나노입자인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제5항에 있어서,
상기 캡핑층은 SiO2 , Al2O3, 및 HfO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 금속나노입자는 2 nm 내지 200 nm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 2 nm 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 태양전지는 페로브스카이트 태양전지이고,
상기 제2 태양전지는 실리콘 태양전지인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 제1 태양전지는 상기 중간층과 인접하여 배치되는 정공수송층을 포함하고,
상기 정공수송층은 NiO, 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA) 및 MoOx로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 제1 태양전지는 상기 중간층과 인접하여 배치되는 전자수송층을 포함하고,
상기 전자수송층은 SnO2, TiO2 및 ZnO로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 제2 태양전지는 상기 중간층과 인접하여 배치되는 전면 전계막 또는 에미터층을 포함하고,
상기 전면 전계막 또는 에미터층은 수소화된 비정질 실리콘층(a-Si:H)을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
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2021
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