KR20230102906A - 태양 전지 및 이를 형성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

태양 전지 및 이를 형성하는 방법이 제공된다. 태양 전지는 기판; 제1 전극, 액티브층 및 제2 전극을 포함하는 복수개의 단위셀;을 포함하고, 단위셀은 서로 이격되어 기판이 노출된다. 본 발명에 따른 태양 전지 및 이를 형성하는 방법은 단위셀이 서로 이격되어 기판이 노출되는 절연 구조 또는 비발전 영역을 가짐으로써 누설 전류를 최소화하고, 태양광 소자의 발전 효율을 높이는 효과가 있다.

Description

태양 전지 및 이를 형성하는 방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FORMING THE SAME}
본 발명은 태양 전지 및 이를 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위셀이 서로 이격되어 기판이 노출되는 절연 구조 또는 비발전 영역을 갖는 태양 전지 및 이를 형성하는 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 광 기전력 효과(photovoltaic effect)를 응용하여 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 나뉠 수 있다.
유기/무기 태양 전지에서, 전자 및 정공을 포집하는 전극 구조는 단독 단위셀(unit cell) 보다 여러 개의 셀이 연결되어 있는 모듈 구조에서 더욱 중요하게 된다.
특히, 모노리식(monolithic) 공정을 채택하는 다양한 태양 전지 모듈(예를 들어, OPV, CIGS, PSC 등)의 경우에, 모듈을 구성할 각각의 셀은 여러 번의 스크라이빙(예를 들어, LASER scribing 등)을 이용하여 형성된다.
도 1은 종래의 태양 전지의 복수의 셀 전극 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
종래의 태양 전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극층 및 활성층을 구성하는 각각의 층들이 계단식으로 연결된다.
종래 구조는 계단식 구조로 인해 각각의 층별로 스크라이빙 공정이 요구되고, 하부 제1 전극(120)과 상부 제2 전극(140)을 연결하는 직렬 연결 전극(150)이 셀과 셀 사이에 배치된다.
셀과 셀 사이에 배치된 연결 전극으로 인하여 비발전 면?? (dead space)이 증가하게 문제가 발생한다.
종래의 태양 전지의 계단식 구조는 비발전 면적 증대 뿐만 아니라 셀과 셀 사이의 누설 전류 증가로 소자 특성에 나쁜 영향을 미친다.
[특허문헌 1] 한국공개특허 제10-2017-0070882호 (2017.06.23 공개) [특허문헌 2] 한국등록특허 제10-2242646호 (2021.04.15 등록)
본 발명은 종래의 태양 전지의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단위셀이 서로 이격되어 기판이 노출되는 절연 구조 또는 비발전 영역을 갖는 태양 전지 및 이를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서, 상기 태양 전지는, 기판; 제1 전극, 액티브층 및 제2 전극을 포함하는 복수개의 단위셀;을 포함하고, 상기 단위셀은 서로 이격되어 기판이 노출된다.
상기 단위셀은 0.1mm 내지 2mm 범위의 간격으로 이격될 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극일 수 있다.
상기 태양 전지는 100 내지 10,000럭스(lux)의 저조도용일 수 있다.
각각의 상기 단위셀을 연결하는 연결 전극;을 더 포함할 수 있다.
상기 연결 전극은 제2 전극으로부터 연장되어 이웃하는 단위셀의 제1 전극과 연결될 수 있다.
상기 제2 전극과 상기 연결 전극은 동일 재료일 수 있다.
상기 제2 전극과 상기 연결 전극은 일체형 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 독립적으로 인듐 틴 산화물(ITO: Indium Tin Oxide), 플루오르 틴 산화물(FTO: Fluorine Tin Oxide), 안티몬 틴 산화물(ATO: Antimony Tin Oxide), 징크 산화물(Zinc Oxide), 틴 산화물(Tin Oxide), ZnoGa2O3, ZnO-Al2O3, 백금, 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2, Au, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Ir, 그래핀 및 전도성 고분자 중 하나 이상일 수 있다.
상기 연결 전극은 인듐 틴 산화물(ITO: Indium Tin Oxide), 플루오르 틴 산화물(FTO: Fluorine Tin Oxide), 안티몬 틴 산화물(ATO: Antimony Tin Oxide), 징크 산화물(Zinc Oxide), 틴 산화물(Tin Oxide), ZnoGa2O3, ZnO-Al2O3, 백금, 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2, Au, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Ir, 그래핀 및 전도성 고분자 중 하나 이상일 수 있다.
상기 액티브층은 활성층, 전자 수송층 및 정공 수송층 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 활성층은 페로브스카이트(perovskite) 광 흡수층을 포함할 수 있다.
상기 이격된 부분에 배터리(battery)를 개별적으로 배치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법에 있어서, 상기 방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판이 노출되도록 서로 이격된 복수의 단위셀을 제공하는 단계;를 포함하고, 상기 단위셀은 제1 전극, 액티브층 및 제2 전극을 포함한다.
상기 단위셀을 제공하는 단계는 일회의 스크라이빙(scribing) 공정을 수행하는 것일 수 있다.
복수의 단위셀을 연결하는 연결 전극을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 단위셀을 제공하는 단계는, 상기 기판 상에 상기 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 액티브 층을 형성하는 단계; 및 상기 액티브 층 상에 상기 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 및 이를 형성하는 방법은 단위셀을 서로 이격시켜 기판이 노출되게 하여, 단위셀 사이를 절연시킴으로써 누설 전류를 최소화하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 및 이를 형성하는 방법은 절연 구조 또는 비발전 면적 최소화를 통하여 태양광 소자의 발전 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 및 이를 형성하는 방법은 단일의 스크라이빙 공정을 통하여 절연 구조를 형성함으로써 공정 간소화를 달성하고, 이를 통한 공정 비용 감소를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 및 이를 형성하는 방법은 특히, 저조도 발전 시 전력 및 효율 손실이 작은 특징을 가진다.
도 1은 종래의 태양 전지의 복수의 셀 전극 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 개략도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 연결 전극을 포함한 사시도를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 태양 전지의 저조도 환경에서의 측정 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 태양 전지의 1sun (실외향) 측정 결과를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 태양 전지를 형성하는 방법의 흐름도를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 태양 전지의 단위셀을 형성하는 방법의 제1 공정 프로세스를 보다 상세하게 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 태양 전지의 단위셀을 형성하는 방법의 제2 공정 프로세스를 보다 상세하게 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 태양 전지의 단위셀을 형성하는 방법의 제3 공정 프로세스를 보다 상세하게 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 발명에서의 태양 전지라 함은, 좁은 의미로는 여러 개의 단위셀이 연결되어 있는 모듈 구조를 지칭하지만, 넓은 의미로는 모듈 구조 및 배터리등의 기타 구성요소를 포함하는 장치를 지칭한다. 즉, 본 발명의 태양 전지는 태양광 발전 시스템을 의미할 수 있으며, 광을 받아서 전기로 전환해 주는 부분(좁은 의미의 태양 전지)과 생산된 전기를 특정 형태로 변환하거나 생산된 전기를 저장할 수 있는 배터리등의 소자(넓은 의미의 태양 전지)을 포함할 수 있다.
본 발명에서의 절연 구조 또는 비발전 영역은 단위셀 사이에 기판이 노출되는 구조 또는 영역을 지칭한다. 종래의 태양 전지가 단위셀 사이에 연결 전극이 배치되는 것과 달리, 본 발명의 태양 전지는 기판이 노출되는 절연 구조를 배치함으로써 누설 전류를 최소화하고, 비발전 영역의 면적을 최소화하는 구조를 가진다.
일 실시예로서, 본 발명의 태양 전지는 모노리식(monolithic) 태양 전지일 수 있다. 모노리식 소자는 하나의 기판 상에 다양한 소자가 집적되어 적층된 것을 말한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 개략도를 도시한 도면이다.
도 2는 설명의 명확성을 위하여, 전극 구조의 모듈 구조를 위주로 도시한 것이지만, 도시되지 않은 다른 구성요소를 포함할 수 있다는 것에 주목한다.
본 발명의 태양 전지는 기판(210) 및 복수개의 단위셀을 포함한다.
태양 전지의 기판은 결정질 규소 태양 전지의 경우에는 규소 웨이퍼를 가리키며, 이 위에 접합과 전극을 형성하여 태양전지를 제조한다. 박막 태양 전지의 경우에는 박막을 성장시키는 지지체를 말하며 유리, 플라스틱, 스테인리스 스틸(stainless steel) 등이 사용된다. 기판은 태양광발전 모듈에서 모듈의 기계적 강도를 유지하기 위한 판재를 가리킨다.
기판은 외부광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성되지만 상대전극에 따라 불투명할 수 있다. 일 예로서, 기판은 투명한 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Poly EthyleneTerephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Poly Ethylene Naphthalate: PEN), 폴리카보네이트(PolyCarbonate: PC), 폴리프로필렌(Poly-Propylene: PP), 폴리이미드(Poly- Imide: PI), 트리 아세틸 셀룰로오스(Tri Acetyl Cellulose: TAC) 등을 들 수 있다.
본 발명의 태양 전지의 기판은 종래의 반도체 웨이퍼나 유리 등의 단단한 기판 이외에, 플렉서블 유연 기판을 포함할 수 있다. 플렉서블 기판의 종류는 금속 유연기판, 초박형 유리 기판, 플라스틱 기판 등을 포함할 수 있다.
단위셀은 제1 전극(220), 액티브층(230) 및 제2 전극(240)을 포함한다.
태양 전지의 기본 단위는 단위셀(unit cell)이다. 보통 셀 1개로부터 출력되는 전압은 약 1 Volt 이내로 매우 작으므로, 다수의 단위셀을 직병렬로 연결하여 사용 범위에 따라 실용적인 범위의 전압과 출력을 얻을 수 있도록 1매로 패키징하여 제작된 발전 장치를 제공한다.
구체적으로는, 단위셀의 종횡비, 가로 폭 대 세로 길이의 비율은 8이하이다. 여기서, 가로(도 3의 짧은쪽)는 단위셀에서 연결 전극이 형성되는 측면을 의미하고, 세로(도 3의 긴쪽)는 단위셀에서 스크라이빙이 수행되는 측면을 의미한다. 종횡비를 8 이하로 하였을 경우, 1sun (실외향) 측정시, 태양 전지의 발전 효율이 종래 태양 전지에 대비 동등 또는 그 이상으로 증가하는 이점이 있다.
본 발명이 태양 전지의 각각의 단위셀은 서로 이격되어 기판이 노출된다. 단위셀 사이의 기판이 노출된 부분(250)의 폭은 0.1mm 내지 2mm 범위 또는 0.1mm 내지 1mm 범위일 수 있고, 기판이 노출된 부분의 폭을 상기 범위로 조절함에 따라 단위 면적 당 발전 면적을 종래 대비 증가시킬 수 있다.
단위셀 사이의 절연 구조는 이상적으로는 단일 스크라이빙(예를 들어, 레이저 또는 물리적)에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 단위셀 사이에 기판이 노출되는 절연 구조를 배치함으로써, 단위셀은 물리적으로 완전히 단락되고, 누설 전류를 최소화할 수 있다.
일 실시예에서, 단위셀 사이의 절연 구조의 폭은 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 단위셀 사이의 절연 구조의 폭은 동일하지 않고, 허용오차 범위 내에서 서로 상이할 수 있다.
도 1에 도시된 단위셀 사이에 연결 전극을 배치한 종래의 태양 전지에서, 단위셀의 폭이 1cm인 모듈의 경우, 다층 스크라이빙을 통해 모듈 제작시 연결 전극이 배치되는 비발전 영역은 약 1mm 이상 확보되어야 한다. 이에 반하여, 본 발명의 단위셀 사이에 기판이 노출되는 절연 구조의 폭은 최소 0.1mm이다. 결과적으로, 본 발명의 절연구조 또는 비발전 영역의 폭은 종래 기술에 비해 1/10로 감소하게 된다. 비발전 영역의 폭이 감소함에 따라 단위 면적당 발전량이 증가하게 된다. 본 발명의 태양전지는 단위셀 사이의 절연 구조는 2mm 이하의 폭을 가질 수 있다.
단위셀 사이의 절연 구조는 단위 셀들 사이의 미세한 간극 등을 형성하는 패터닝을 수행함으로써 형성될 수 있다. 패터닝은 유리 기판 상에 형성된 박막들을 부분적으로 제거하기 위한 것으로 주로 레이저 스크라이빙에 의해 달성된다. 스크라이빙의 방법은 레이저 스크라이빙에 한정되는 것은 아니며, 다른 물리적 스크라이빙에 의해서도 달성될 수 있다.
따라서, 절연 구조의 폭은 레이저 스크라이빙을 이용하여 패터닝을 수행하는 경우 사용 파장에서의 레이저 빔의 분해능에 의해 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 태양전지는 이격된 부분에 배터리(battery)를 개별적으로 배치할 수 있다.
태양전지-배터리 일체형 장치는 태양광 아래에서는 별도 충전 없이 배터리를 계속 사용할 수 있다는 점이 장점이다.
발전 효율을 높이기 위해 본 발명의 태양 전지는 단위셀 사이의 기판이 노출된 절연 구조에 배터리를 배치할 수 있다. 배터리를 배치하는 경우, 이격된 부분의 폭은 증가할 수 있다.
본 발명의 태양 전지의 액티브층(230)은 활성층, 전자 수송층 및 정공 수송층 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
일 실시예에서, 액티브층(230)은 활성층, 전자 수송층 및 정공 수송층을 포함한다. 일 실시예에서, 액티브층(230)은 전자 수송층 및 활성층을 포함한다. 일 실시예에서, 액티브층(230)은 활성층을 포함한다.
정공 수송층은(hole transporting layer)는 제1 전극과 활성 층 사이에서 정공의 원활한 수송을 도와주는 층이다.
정공 수송층은 단분자 정공 전달 물질(spiro-MeoTAD[2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene]) 또는 고분자 정공 전달 물질(P3HT[poly(3-hexylthiophene)]로 구성된다.
전자 수송층(electron transporting layer)는 제2 전극과 활성층 사이에서 전자의 원활한 수송을 도와주는 층이다.
전자 수송층은 금속 산화물 반도체(TiO2, SnO2) 또는 PCBM(Phenyl-C61-butyric Acid Methyl ester)로 구성된다.
활성층은 페로브스카이트(perovskite) 광 흡수층을 포함하며, 페로브스카이트를 이용 시 높은 광전변환 효율을 가질 수 있다.
광 흡수층은 금속 산화물 입자의 표면에 외부 광을 흡수하여 전자를 생성하는 역할을 한다. 광 흡수층으로써 우수한 광전 변환 효율을 보이는 물질은 메틸암모늄요오드화납(CH3NH3PbI3) 화합물로 대략 400nm에서 800nm 사이의 빛을 흡수하는 것으로 알려져 있다.
광 흡수층으로 역할을 하는 페로브스카이트(Perovskite) 결정 구조를 갖는 물질은 무기물과 유기물이 혼합된 형태로 AMX3 분자식을 갖는다. 대표적인 예로는, 상기에서 언급한 Methylammonium lead iodide(CH3NH3PbI3, MAPbI3) 또는 Formamidinium lead iodide (CH(NH2)2PbI3, FAPbI3)를 들 수 있다. AMX3의 분자식에서 A는 유기 양이온, M은 금속 양이온, X는 할로겐 음이온으로 이루어진 무/유기 하이브리드 할로겐화물은 그들의 독특한 결정화 거동 및 광전기적 특성으로 태양전지의 광흡수층으로 이용 시 높은 광전변환 효율을 보인다.
유기/무기 하이브리드형 페로브스카이트 소재는 높은 가시광 흡광 계수, 밴드갭 제어의 용이성, 우수한 전하 이동도 및 긴 전하 확산 길이 등의 우수한 광전기적 특성을 가지며, 이를 바탕으로 태양 전지의 광 흡수 소재로 활용 시 25% 이상의 고효율 태양 전지 구현이 가능하다. 이러한 우수한 특성은 페로브스카이트 소재가 실내 조명의 가시광 영역의 빛을 효과적으로 흡수, 광전변환하여 저조도 환경에서도 우수한 효율을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 태양 전지는 10㎛ 미만의 두께를 갖는다. 구체적으로는, 본 발명의 태양 전지는 500nm 이상 내지 5㎛ 미만의 두께를 갖는다. 태양 전지의 두께가 너무 얇으면 전극 형성 시에는 큰 문제가 없으나, 광 흡수층 두께가 얇아질 수 있고, 이는 결국 광전 효율의 감소로 이어진다. PSC의 경우에, 광 흡수층은 300~500nm의 두께를 갖는다. 따라서, 상대 전극 및 전자/정공 흡수층의 두께를 감안하면 두께의 하한은 약 500nm 이상인 것이 바람직할 수 있다.
종래의 염료감응 태양전지(DSC)의 두께가 10~20㎛ 정도인 것에 비하여, 더 얇은 두께의 태양 전지를 만들 수 있다는 점에서 본 발명의 태양 전지는 유리하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 연결 전극을 포함한 사시도를 보여주는 도면이다.
태양 전지는 셀을 직렬 연결 시키면 전압이 셀 개수에 비례하여 증가되며, 또는 병렬 연결 시키면 전류가 배가 된다. 이런 원리를 이용하여 필요한 전압과 전류를 가진 모듈을 만들 수 있다.
본 발명의 태양 전지는 각각의 단위셀을 연결하는 연결 전극(360)을 더 포함한다. 연결 전극은 단위셀의 제2 전극(340)으로부터 연장되어 이웃하는 단위셀의 제1 전극과 연결된다. 연결 전극을 이웃하는 단위셀의 제1 전극과 연결할 때, 컨택 저항을 최소화하기 위해 패터닝 후 열처리된 컨택 금속을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 전극(340)과 연결 전극은 동일 재료로 구성될 수 있고, 이 경우 컨택 저항이 최소화된다.
일 실시예에서, 제2 전극과 연결 전극은 일체형 구조로 형성될 수 있고, 일체형 구조는 제2 전극과 연결 전극을 동시에 증착하여 형성함으로써 공정을 단축시킬 수 있다.
일체형 구조로 형성된 제2 전극 및 연결 전극 패터닝 프로세스를 통하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극으로 구성된다. 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 반드시 투명 전극이어야 한다.
제1 전극 및 제2 전극이 모두 투명 전극이면 반투과성 태양 전지를 제공할 수 있고, 제1 전극 및 제2 전극 중 하나만 투명 전극이면 효율 손실을 최소화하는 고효율의 태양 전지를 제공할 수 있다.
투명 전극은 태양 전지의 빛이 입사되는 쪽 표면에 형성시킨 광투과율이 높으면서 전기 전도율이 큰 성질을 가진 전극이다.
제1 전극(320) 및 제2 전극(340)은 각각 독립적으로 인듐 틴 산화물(ITO: Indium Tin Oxide), 플루오르 틴 산화물(FTO: Fluorine Tin Oxide), 안티몬 틴 산화물(ATO: Antimony Tin Oxide), 징크 산화물(Zinc Oxide), 틴 산화물(Tin Oxide), ZnoGa2O3, ZnO-Al2O3, 백금, 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2, Au, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Ir, 그래핀 및 전도성 고분자 중 하나 이상이다.
연결 전극은 인듐 틴 산화물(ITO: Indium Tin Oxide), 플루오르 틴 산화물(FTO: Fluorine Tin Oxide), 안티몬 틴 산화물(ATO: Antimony Tin Oxide), 징크 산화물(Zinc Oxide), 틴 산화물(Tin Oxide), ZnoGa2O3, ZnO-Al2O3, 백금, 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2, Au, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Ir, 그래핀 및 전도성 고분자 중 하나 이상이다.
일 실시예에서, 제1 전극은 플루오르 틴 산화물(FTO: Fluorine Tin Oxide)이고, 제2 전극 및 연결 전극은 금속일 수 있으며, 상기 금속은 금(Au)일 수 있다. 이 경우 보다 우수한 효율을 갖는 태양 전지 구현이 가능하다.
도 4는 본 발명의 태양 전지의 저조도 환경에서의 측정 결과를 보여주는 도면이다.
도 4의 그래프에 알 수 있듯이, 본 발명의 단위셀 사이에 절연구조가 배치된 경우에, 저조도(1,000럭스(lux)이하)일때의 FF(Fill factor)가 64% 이상의 우수한 특성을 나타낸다.
최근 저전력(평균 20-50uW)으로 구동 가능한 실내 사물 인터넷(IoT) 센서에 대한 수요가 기하급수적으로 증가하면서, 실내 저조도 환경에서 전력을 생산하여 전원을 공급할 수 있는 무선 전원 시스템 개발의 필요성이 대두되고 있다.
일반적으로 주거 및 상업용 건물의 실내조명 조도는 ~5.0*10-2 mW/cm2 (200-1000lux) 수준이며, 이는 태양 전지가 구동하는 표준 광세기(1 Sun, 100mW/cm2)에 비하여 매우 낮은 수준이다. 이에 따라, 태양 전지 표준 평가 조건(STC:standard test condition)에서는 발현되지 않았던 계면 결함과 전하 트랩에 의한 전력 손실이 저조도 광원 하에서는 심각한 문제로 나타날 수 있고, 이는 STC 하에서 최적화된 태양 전지 소자 구조가 실내 저조도 환경에서의 고효율을 보장하지 않을 수 있음을 의미한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 태양 전지는 단위셀 사이를 절연시킴으로써 누설 전류를 최소화하는 바 실내 저조도 환경에서 전력을 생산할 수 있는 저조도용 태양 전지의 바람직한 대안이 될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 태양 전지는 100 내지 10,000럭스(lux)의 저조도용이다.
구체적으로는, 본 발명의 태양 전지는 100 내지 1,500럭스(lux)의 저조도용이고, 보다 구체적으로는, 200 내지 800럭스의 저조도용이다.
도 5는 본 발명의 태양 전지의 1sun (실외향) 측정 결과를 보여주는 도면이다.
본 발명의 단위셀 사이를 절연시킴으로써 누설 전류를 최소화하는 태양 전지는 저조도 실내 조명 조건에서 태양 전지 개발을 위한 소자 구조 최적화 원리와 그 메커니즘을 제공한다.
다만, 본 발명의 단위셀 사이에 절연 구조를 갖는 태양 전지는, 도 5에서 활성층이 10cm2 페로브스카이트(perovskite) 광 흡수층을 포함하는 경우, 1sun (실외향) 측정에서 FF가 29%로 좋지 않은 결과를 보여준다.
이는 제1 전극 및 제2 전극의 면저항에서 기인하는 전압 강하의 영향이 크다. 실제로 고조도에서 생성되는 높은 밀도의 캐리어(전자, 정공)는 높은 전류값을 나타내게 되고 Ploss = I2R 에서 같은 면저항일 때 큰 전력 손실을 보이게 된다. 하지만 저조도일 때는 상대적으로 전류값이 낮아지게 되므로 상대적으로 전력 손실이 태양전지 구조에 영향을 덜 미치게 된다.
도 4 및 도 5를 고려하여 보면, 본 발명의 단위셀 사이에 절연 구조를 갖는 태양 전지는 저조도용으로 적합하고, 1sun (실외향) 즉, 옥외에서 사용되기에는 적절하지 않은 구조일 수 있다.
도 6은 본 발명의 태양 전지를 형성하는 방법의 흐름도를 보여주는 도면이다.
본 발명의 태양 전지는 도 4와 관련하여 상세히 검토된 바와 같이, 저조도 환경에 적합한 태양 전지 구조를 제공한다.
실제로 태양 전지의 효율 손실은 생성되는 전류의 양와 캐리어가 이동하는 거리에 비례하여 증가하게 된다. 본 발명에서는 저조도라는 특수한 환경에서 종래기술이 갖고 있는 비 발전 면적과 누설 전류의 문제를 해결 할 수 있는 구조를 제안함과 동시에 전압 강하에 의한 효율 손실을 최소화 할 수 있는 태양 전지 디자인을 제공한다.
본 발명의 태양 전지를 형성하는 방법은 S610 단계에서 기판을 제공하는 단계를 포함한다.
S620 단계에서 기판이 노출되도록 서로 이격된 복수개의 단위셀을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 태양 전지를 형성하는 방법은 복수의 단위셀을 연결하는 연결 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 연결 전극은 단위 셀간의 연결을 위해 단위셀의 전극을 인접한 다른 셀의 반대 전극과 접촉시킨다.
본 발명의 연결 전극은 단위셀 사이의 절연 구조 또는 비발전 영역에 배치되지 않고, 제2 전극으로부터 연장되어 이웃하는 셀에 연결된다.
단위셀은 제1 전극, 액티브층 및 제2 전극을 포함한다. 단위셀을 제공하는 단계는 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 제1 전극 상에 액티브 층을 형성하는 단계 및 액티브 층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
S620단계의 단위셀을 제공하는 단계는 일회의 스크라이빙(scribing) 공정을 수행함으로써 획득된다.
도 7은 본 발명의 태양 전지의 단위셀을 형성하는 방법의 제1 공정 프로세스를 보다 상세하게 보여주는 도면이다.
S710 단계에서, 기판 위에 제1 전극을 증착한다. 제1 전극은 투명 전극이다.
S720 단계에서, 제1 전극 위에 액티브층을 형성한다. 액티브층은 전사 또는 증착 또는 코팅 방법을 이용하여 형성된다.
S730 단계에서, 액티브층 위에 제2전극이 형성된다.
S740 단계에서, 스크라이빙 (레이저 또는 물리적) 공정을 통해 단위셀 사이에 기판이 노출되는 절연 구조를 형성한다. S740 단계에서, 단위셀은 제1 전극, 액티브층 및 제2 전극을 포함한다.
S750 단계에서, 연결 전극이 형성된다.
도 8은 본 발명의 태양 전지의 단위셀을 형성하는 방법의 제2 공정 프로세스를 보다 상세하게 보여주는 도면이다.
S810 단계에서, 기판 위에 제1 전극을 증착한다.
S820 단계에서, 제1 전극 위에 액티브층을 형성한다. 액티브층은 전사 또는 증착 또는 코팅 방법을 이용하여 형성된다.
S830 단계에서, 스크라이빙 (레이저 또는 물리적) 공정을 통해 단위셀 사이에 기판이 노출되는 절연 구조를 형성한다. S830 단계에서, 단위셀은 제1 전극 및 액티브층을 포함한다.
S840 단계에서, 액티브층 위에 제2전극 및 연결 전극이 형성된다. 제2 전극은 패터닝을 통하여 형성된다. 연결 전극도 패터닝을 통하여 형성된다.
도 9는 본 발명의 태양 전지의 단위셀을 형성하는 방법의 제3 공정 프로세스를 보다 상세하게 보여주는 도면이다.
S910 단계에서, 기판 위에 제1 전극을 증착한다.
S920 단계에서, 스크라이빙 (레이저 또는 물리적) 공정을 통해 단위셀 사이에 기판이 노출되는 절연 구조를 형성한다. S920 단계에서, 단위셀은 제1 전극을 포함한다.
S930 단계에서, 제1 전극 위에 액티브층을 형성한다. 액티브층은 패터닝을 통하여 형성된다.
S940 단계에서, 액티브층 위에 제2전극 및 연결 전극이 형성된다. 제2 전극은 패터닝을 통하여 형성된다. 연결 전극도 패터닝을 통하여 형성된다.
본 발명에서 사용하는 용어는 특정한 실시형태를 설명하기 위한 것으로 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. "포함하다" 또는 "포함하는" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부한 도면에 의하여 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 한다.
210, 310: 기판
220, 320: 제1 전극
230, 330: 액티브층
240, 340: 제2 전극
360: 연결 전극

Claims (17)

  1. 기판;
    제1 전극, 액티브층 및 제2 전극을 포함하는 복수개의 단위셀;을 포함하고,
    상기 단위셀은 서로 이격되어 기판이 노출되는, 태양 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위셀은 0.1mm 내지 2mm 범위의 간격으로 이격되는, 태양 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극인, 태양 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양 전지는 100 내지 10,000럭스(lux)의 저조도용인, 태양 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    각각의 상기 단위셀을 연결하는 연결 전극;을 더 포함하는, 태양 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연결 전극은 제2 전극으로부터 연장되어 이웃하는 단위셀의 제1 전극과 연결되는, 태양 전지.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 전극과 상기 연결 전극은 동일 재료인, 태양 전지.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 전극과 상기 연결 전극은 일체형 구조로 형성되는, 태양 전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 독립적으로 인듐 틴 산화물(ITO: Indium Tin Oxide), 플루오르 틴 산화물(FTO: Fluorine Tin Oxide), 안티몬 틴 산화물(ATO: Antimony Tin Oxide), 징크 산화물(Zinc Oxide), 틴 산화물(Tin Oxide), ZnoGa2O3, ZnO-Al2O3, 백금, 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2, Au, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Ir, 그래핀 및 전도성 고분자 중 하나 이상인, 태양 전지.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 연결 전극은 인듐 틴 산화물(ITO: Indium Tin Oxide), 플루오르 틴 산화물(FTO: Fluorine Tin Oxide), 안티몬 틴 산화물(ATO: Antimony Tin Oxide), 징크 산화물(Zinc Oxide), 틴 산화물(Tin Oxide), ZnoGa2O3, ZnO-Al2O3, 백금, 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2, Au, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Ir, 그래핀 및 전도성 고분자 중 하나 이상인, 태양 전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 액티브층은 활성층, 전자 수송층 및 정공 수송층 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 태양 전지.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 활성층은 페로브스카이트(perovskite) 광 흡수층을 포함하는, 태양 전지.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 이격된 부분에 배터리(battery)를 개별적으로 배치하는, 태양 전지.
  14. 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판이 노출되도록 서로 이격된 복수개의 단위셀을 제공하는 단계;를 포함하고,
    상기 단위셀은 제1 전극, 액티브층 및 제2 전극을 포함하는, 태양 전지 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 단위셀을 제공하는 단계는 일회의 스크라이빙(scribing) 공정을 수행하는 것인, 태양 전지 제조 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    복수의 단위셀을 연결하는 연결 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는, 태양 전지 제조 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 단위셀을 제공하는 단계는
    상기 기판 상에 상기 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 액티브 층을 형성하는 단계; 및
    상기 액티브 층 상에 상기 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는, 태양 전지 제조 방법.
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