KR20230128230A - Hybrid Solar Cell and the manufacturing method thereof - Google Patents
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- H10K30/82—Transparent electrodes, e.g. indium tin oxide [ITO] electrodes
Abstract
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 실리콘 태양전지 상에 유기태양전지를 적층 접합 시키는 것에 의해 서로 다른 파장 대의 가시광선을 흡수하여 태양광의 효율을 높임으로서 발전효율을 향상시킨 하이브리드 태양전지를 제공한다.The present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a hybrid solar cell in which organic solar cells are laminated and bonded on a silicon solar cell to absorb visible light of different wavelength bands and increase the efficiency of solar light, thereby improving power generation efficiency. battery is provided.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 실리콘 태양전지와 유기태양전지를 접합하여 효율을 향상시킨 하이브리드 태양전지 및 그 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a hybrid solar cell in which efficiency is improved by bonding a silicon solar cell and an organic solar cell, and a manufacturing method thereof.
지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출을 규제하기 위하여 1997년 12월 교토의정서를 채택하게 되었고, 2005년 2월 16일 교토의정서가 정식으로 발효되어 이산화탄소 감소 프로그램이 시행되고 있다. 우리나라는 2013년부터 이산화탄소 규제 대상국에 포함되어 이에 대한 대비가 시급한 실정이다.The Kyoto Protocol was adopted in December 1997 to regulate carbon dioxide emission, the main cause of global warming. Since 2013, Korea has been included as a target country for carbon dioxide regulation, and it is urgent to prepare for this.
이에 따라 연소 시 이산화탄소나 아황산 가스 등의 대기 오염물질을 배출하는 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 대체 에너지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Accordingly, studies on eco-friendly alternative energy that can replace fossil fuels that emit air pollutants such as carbon dioxide or sulfur dioxide during combustion are being actively conducted.
상술한 친환경 에너지 중 태양에너지는 공해가 발생하지 않으며, 자원의 무한함 등의 장점이 있어 화석연료로 인한 환경오염과 에너지 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 에너지원이다.Among the above-mentioned eco-friendly energies, solar energy does not cause pollution and has advantages such as infinite resources, so it is an energy source that can efficiently solve energy problems and environmental pollution caused by fossil fuels.
태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치를 의미하며, 통상적으로 p형과 n형의 반도체를 접합시킨 pn접합형 반도체 구조인 태양 전지를 태양광에 노출시킴으로써 (+)전기를 가진 전자(electron)와 (-)전기를 가진 정공(hole)을 생성시킨 후, 전자와 정공을 각각의 전극으로 이동시켜 기전력을 발생시키는 광전변환의 원리로 작동된다. 현재 태양전지는 실리콘 태양전지가 발전용으로 가장 많이 사용되고 있지만, 실리콘 태양전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화에 어려움을 겪고 있고, 전지 효율을 개선하는데도 많은 어려움이 있다. 이를 해결하기 위하여 제작비용이 현저히 저렴한 염료감응형 태양전지(Dye Sensitized Solar Cell), 유기 태양전지, CIGS(Cu(In,Ga)Se2) 박막형 태양전지, Si 박막형 태양전지, CdTe 박막형 태양전지 등의 다양한 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.A solar cell refers to a device that directly converts solar energy into electrical energy. Typically, a solar cell, which is a pn-junction type semiconductor structure in which p-type and n-type semiconductors are bonded, is exposed to sunlight to generate electrons with (+) electricity. After generating electrons and holes with (-) electricity, it works on the principle of photoelectric conversion by moving electrons and holes to each electrode to generate electromotive force. Currently, silicon solar cells are most commonly used for power generation, but silicon solar cells are difficult to put to practical use because of their high production cost, and there are many difficulties in improving cell efficiency. To solve this problem, Dye Sensitized Solar Cell, organic solar cell, CIGS (Cu(In,Ga)Se 2 ) thin-film solar cell, Si thin-film solar cell, CdTe thin-film solar cell, etc. Research on various solar cells is being actively conducted.
이러한 다양한 종류의 태양전지 중, 유기 태양전지는 프린팅 또는 코팅 방식에 의해 저가 공정이 가능하고, 모양에 구애 받지 않으며, 그 구조가 염료감응 태양전지에 비해 매우 단순한 구조로 이루어질 수 있어 현재 수요가 급증하고 있다.Among these various types of solar cells, organic solar cells can be processed at low cost by printing or coating, are not limited in shape, and can have a very simple structure compared to dye-sensitized solar cells, so demand is rapidly increasing. are doing
그러나 상술한 실리콘 태양전지나 유기태양전지는 광전변환을 일으키는 가시광선의 파장 영역이 한정되어 있어, 태양광의 이용 효율이 제한되는 문제점이 있다.However, the above-described silicon solar cell or organic solar cell has a problem in that the use efficiency of sunlight is limited because the wavelength range of visible light that causes photoelectric conversion is limited.
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 실리콘 태양전지 상에 유기태양전지를 적층 접합 시키는 것에 의해 서로 다른 파장 대의 가시광선을 흡수하여 태양광의 효율을 높임으로서 발전효율을 향상시킨 하이브리드 태양전지 및 그 제작방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.Therefore, one embodiment of the present invention for solving the above-described problems of the prior art is to absorb visible light of different wavelength bands by stacking and bonding organic solar cells on silicon solar cells to increase the efficiency of solar power generation efficiency It is a technical problem to be solved to provide a hybrid solar cell and a method of manufacturing the improved hybrid solar cell.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 빛이 입사되도록 상부에 적층되는 유기태양전지; 및 상기 유기태양전지의 하부에 적층된 후 상기 유기태양전지와 전기적으로 접촉되는 무기태양전지;를 포함하고, 상기 유기태양전지는, 제1 투명전극층, 광활성층 및 제2 전극층이 순차적으로 적층 형성되고, 상기 광활성층의 흡수 가시광선의 파장과 상기 무기태양전지의 흡수 가시광선의 파장이 서로 상이하게 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지를 제공한다.One embodiment of the present invention for achieving the above-described technical problem of the present invention, an organic solar cell stacked on top so that light is incident; and an inorganic solar cell electrically contacted with the organic solar cell after being laminated under the organic solar cell, wherein the organic solar cell includes a first transparent electrode layer, a photoactive layer, and a second electrode layer sequentially stacked. and the wavelength of visible light absorbed by the photoactive layer and the wavelength of visible light absorbed by the inorganic solar cell are configured to be different from each other.
상기 제1 투명전극층은 광투과성 무기물 기판 또는 유기물 기판 중 어느 하나의 기판 상에 투명전극막이 코팅 형성된 구조인 것을 특징으로 한다.The first transparent electrode layer is characterized by having a structure formed by coating a transparent electrode film on any one of a light-transmitting inorganic substrate or an organic substrate.
상기 광활성층은 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 두께가 50 ~ 150 nm 범위인 것을 특징으로 한다.The photoactive layer is characterized in that the thickness is in the range of 50 ~ 150 nm so that the light transmittance of the organic solar cell has a range of 30% to 50%.
상기 광활성층은 전자 주개 물질(electron donor)과 전자 받개 물질(electron acceptor)의 2층(bilayer) 구조 또는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질을 혼합하여 형성한 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 구조 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The photoactive layer is either a bilayer structure of an electron donor and an electron acceptor or a bulk heterojunction (BHJ) structure formed by mixing an electron donor material and an electron acceptor material. It is characterized by being either one.
상기 제2 전극층은 제1 금속산화물층-금속층-제2 금속산화물층으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성되고, 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 금속층의 두께가 10 ~ 40 nm 범위인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지. The second electrode layer is formed of an oxide-metal-oxide (OMO) electrode in which the first metal oxide layer-metal layer-second metal oxide layer is stacked, and the light transmittance of the organic solar cell is in the range of 30% to 50%. A hybrid solar cell, characterized in that the thickness of the metal layer ranges from 10 to 40 nm.
상기 제2 전극층은, 제1 금속산화물층-금속층-제2 금속산화물층으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성되고, 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 제1 금속산화물층과 상기 제2 금속산화물층의 두께가 10 ~ 25 nm 범위인 것을 특징으로 한다.The second electrode layer is formed of an oxide-metal-oxide (OMO) electrode in which a first metal oxide layer, a metal layer, and a second metal oxide layer are stacked, and the light transmittance of the organic solar cell is in the range of 30% to 50%. It is characterized in that the thickness of the first metal oxide layer and the second metal oxide layer ranges from 10 to 25 nm so as to have.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 무기태양전지와 유기태양전지를 제작하는 이종 태양전지 제작 단계; 상기 무기태양전지와 유기태양전지를 적층한 후 각각의 전극을 외부로 인출하여 전기적으로 접속하는 전극 접속 단계; 및 상기 무기태양전지의 상부에 유기 태양전지를 라미네이션(lamination)하는 라미네이션 단계;를 포함하고, 상기 이종 태양전지 제작 단계에서 상기 유기태양전지의 제작은 제1 투명전극층, 광활성층 및 제2 전극층이 순차적으로 적층하고, 상기 광활성층은 흡수 가시광선의 파장이 상기 무기태양전지의 흡수 가시광선의 파장과 다른 파장 대역을 가지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제작방법을 제작한다.Another embodiment of the present invention for achieving the above-described technical problem of the present invention, a heterogeneous solar cell manufacturing step of manufacturing an inorganic solar cell and an organic solar cell; an electrode connection step of electrically connecting each electrode to the outside after stacking the inorganic solar cell and the organic solar cell; and a lamination step of laminating an organic solar cell on top of the inorganic solar cell, wherein the manufacturing of the organic solar cell in the heterogeneous solar cell manufacturing step includes a first transparent electrode layer, a photoactive layer, and a second electrode layer. The method of fabricating a hybrid solar cell is characterized in that the photoactive layer is sequentially stacked, and the photoactive layer is configured to have a wavelength band different from the wavelength of absorbed visible rays of the inorganic solar cell.
상기 이종 태양전지 제작 단계에서 상기 유기태양전지의 제작은, 상기 제1 투명전극층을 광투광성 무기물 기판 또는 유기물 기판 중 어느 하나의 기판 상에 투명 전극막이 코팅 형성된 구조로 제작하는 것을 특징으로 한다.The fabrication of the organic solar cell in the heterogeneous solar cell fabrication step is characterized in that the first transparent electrode layer is fabricated in a structure in which a transparent electrode film is coated on any one of a light-transmitting inorganic substrate or an organic substrate.
상기 이종 태양전지 제작 단계에서 상기 유기태양전지의 제작은, 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 광활성층의 두께를 50 ~ 150 nm 범위로 제작하는 것을 특징으로 한다.In the manufacturing of the organic solar cell in the heterogeneous solar cell manufacturing step, the thickness of the photoactive layer is produced in the range of 50 to 150 nm so that the light transmittance of the organic solar cell has a range of 30% to 50%. .
상기 이종 태양전지 제작 단계에서 상기 유기태양전지의 제작은, 상기 제2 전극층을 제1 금속산화물층-금속층-제2 금속산화물층으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성하고, 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 금속층의 두께를 10 ~ 40 nm 범위로 제작하는 것을 특징으로 한다.In the fabrication of the organic solar cell in the heterogeneous solar cell fabrication step, the second electrode layer is formed as an oxide-metal-oxide (OMO) electrode stacked with a first metal oxide layer-metal layer-second metal oxide layer, It is characterized in that the thickness of the metal layer is produced in the range of 10 ~ 40 nm so that the light transmittance of the organic solar cell has a range of 30% to 50%.
상기 이종 태양전지 제작 단계에서 상기 유기태양전지의 제작은, 상기 제2 전극층을 제1 금속산화물층-금속층-제2 금속산화물층으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성하고, 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 제1 금속산화물층과 상기 제2 금속산화물층의 두께가 10 ~ 25 nm 범위로 제작하는 것을 특징으로 한다.In the fabrication of the organic solar cell in the heterogeneous solar cell fabrication step, the second electrode layer is formed as an oxide-metal-oxide (OMO) electrode stacked with a first metal oxide layer-metal layer-second metal oxide layer, It is characterized in that the thickness of the first metal oxide layer and the second metal oxide layer is produced in the range of 10 to 25 nm so that the light transmittance of the organic solar cell has a range of 30% to 50%.
상술한 구성의 본 발명의 하이브리드 태양전지는, 무기태양전지와 유기태양전지의 흡수 가시광선의 파장 대역을 상이하게 구성하는 것에 의해, 무기태양전지의 효율 저하 없이 전체 태양광 발전의 효율을 향상시키는 효과를 제공한다.The above-described hybrid solar cell of the present invention has the effect of improving the efficiency of the entire photovoltaic power generation without reducing the efficiency of the inorganic solar cell by configuring the wavelength band of the visible light absorbed by the inorganic solar cell and the organic solar cell differently. provides
또한, 본 발명의 하이브리드 태양전지는, 하이브리드 구조에 의해 전 시간대에서 태양전지의 효율을 향상시키고, 물방울 또는 전체 표면에 부착된 물기에 의해 효율이 향상되는 것에 의해, 주간 내에서 늦은 오후까지 지속적인 발전을 가능하게 하며, 부조 일수를 최소화하여 태양광 발전 효율을 더욱 향상시키는 효과를 제공한다.In addition, the hybrid solar cell of the present invention improves the efficiency of the solar cell in all time zones by the hybrid structure, and improves the efficiency by water droplets or water attached to the entire surface, thereby continuously generating power from daytime to late afternoon. It enables, and provides the effect of further improving the photovoltaic power generation efficiency by minimizing the number of relief days.
또한, 본 발명의 하이브리드 태양전지는 45도 내지 90도 범위의 광 입사각 범위의 환경에서도 단일 구조의 태양전지에 비하여 높은 출력을 제공하는 효과를 제공하고, 이로 인해 설치각 90도 이하의 건축 외벽에 설치되어 태양 발전을 높은 효율로 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.In addition, the hybrid solar cell of the present invention provides an effect of providing higher output than a single-structured solar cell even in an environment with a light incident angle in the range of 45 degrees to 90 degrees, and as a result, it can be installed on the outer wall of a building with an installation angle of 90 degrees or less. It is installed to provide an effect that enables solar power generation to be performed with high efficiency.
또한, 본 발명의 하이브리드 태양전지는 유기태양전지의 제1 투명전극층을 태양광 입사 측으로 향하도록 구성하여, 무기태양전지의 커버 글라스를 대체할 수 있도록 하고, 이에 의해 기 설치된 무기태양전지에 적용되어 효율을 증폭시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.In addition, the hybrid solar cell of the present invention is configured so that the first transparent electrode layer of the organic solar cell is directed toward the sunlight incident side, so that it can replace the cover glass of the inorganic solar cell, thereby being applied to the previously installed inorganic solar cell. It provides an effect that can amplify the efficiency.
본 발명의 효과를 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 별명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed aliases or claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 유기태양전지(100)와 실리콘 태양전지(200)로 적층 구성되는 하이브리드 태양전지(1)의 적층 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 유기태양전지(100)의 개략적인 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 제2 전극층(150)의 OMO(Oxide-Metal-Oxide) 전극 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 도 1의 실리콘 태양전지(200)의 개략적인 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 하이브리드 태양전지 제작방법의 일 실시예로서 도 1의 유기태양전지(100)와 실리콘 태양전지(200)로 적층 구성되는 하이브리드 태양전지 제작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 (a) 단결정 실리콘 태양전지(c-Si), (b) 반투과 유기태양전지(ST-OPV), (c) 반투과 유기태양전지와 단결정 실리콘 태양전지가 적층된 하이브리드 태양전지 및 (d) (a) ~ (c) 태양전지들의 태양광 발전 특성을 나타내는 표이다.
도 7은 (a) 단결정 실리콘 태양전지(c-Si), (b) PCE10:PC70BM OMO(10nm/20nm/25nm) 구조의 유기태양전지, (c) 반투과 유기태양전지와 단결정 실리콘 태양전지가 적층된 하이브리드 태양전지(ST-OPV + c-SI), (d) (b)의 유기태양전지와 실리콘 태양전지가 적층된 하이브리드 태양전지(PCE10:PC70BM MoO3/Ag (10nm/10nm) + c-Si) 및 (e) D4610:PC70BM MoO3/Ag (10nm/10nm) 구조의 유기태양전지와 실리콘 태양전지가 적층된 하이브리드 태양전지(D4610:PC70BM MoO3/Ag (10nm/10nm) + c-Si)의 사진이다.
도 8은 (a) PCE10:PC70BM OMO(10nm/20nm/25nm) 구조의 유기태양전지, (b)PCE10:PC70BM MoO3/Ag (10nm/10nm) + c-Si) 및 (e) D4610:PC70BM MoO3/Ag (10nm/10nm) 구조의 유기태양전지 및 (c) D4610:PC70BM MoO3/Ag (10nm/10nm) 구조의 각각의 유기태양전지(OPV only)들과 커버 글라스가 없는 실리콘 태양전지(c-Si only), 커버 글라스가 있는 실리콘 태양전지(c-Si only(Covered with ITO), 유기태양전지로 덮인 실리콘 태양전지(c-Si only(Covered with OPV)의 태양광 발전 특성을 나타내는 표이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예의 하이브리드 태양전지의 물에 의한 효율 변화 측정 실험을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 하이브리드 태양전지의 물에 의한 효율 변화 측정 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 하이브리드 태양전지의 입사광의 각도0, 45 및 90도)에 따른 태양광 발전 효율을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예의 하이브리드 태양전지의 옥외 조도에 따른 태양광 발전 효율을 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing a stacked structure of a hybrid solar cell 1 composed of an organic solar cell 100 and a silicon solar cell 200 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic stacked structure of the organic solar cell 100 of FIG. 1 .
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an OMO (Oxide-Metal-Oxide) electrode structure of the second electrode layer 150 of FIG. 2 .
4 is a cross-sectional view showing a schematic stacked structure of the silicon solar cell 200 of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flow chart showing a method for manufacturing a hybrid solar cell laminated with the organic solar cell 100 and the silicon solar cell 200 of FIG. 1 as an embodiment of the method for manufacturing a hybrid solar cell according to the present invention.
6 shows (a) a single-crystal silicon solar cell (c-Si), (b) a transflective organic solar cell (ST-OPV), (c) a hybrid solar cell in which a transflective organic solar cell and a single-crystal silicon solar cell are stacked, and (d) This is a table showing the photovoltaic power generation characteristics of (a) to (c) solar cells.
7 shows (a) a single-crystal silicon solar cell (c-Si), (b) an organic solar cell having a PCE10:PC70BM OMO (10nm/20nm/25nm) structure, and (c) a transflective organic solar cell and a single-crystal silicon solar cell. Stacked hybrid solar cell (ST-OPV + c-SI), (d) Hybrid solar cell (PCE10:PC70BM MoO 3 /Ag (10nm/10nm) + c -Si) and (e) D4610:PC70BM MoO 3 /Ag (10nm/10nm) organic solar cell and silicon solar cell stacked hybrid solar cell (D4610:PC70BM MoO 3 /Ag (10nm/10nm) + c- This is a picture of Si).
8 shows (a) an organic solar cell with a PCE10:PC70BM OMO (10nm/20nm/25nm) structure, (b) PCE10:PC70BM MoO 3 /Ag (10nm/10nm) + c-Si) and (e) D4610:PC70BM Organic solar cell with MoO 3 /Ag (10nm/10nm) structure and (c) D4610:PC70BM MoO 3 /Ag (10nm/10nm) structured organic solar cell (OPV only) and silicon solar cell without cover glass (c-Si only), silicon solar cell with cover glass (c-Si only (Covered with ITO), silicon solar cell covered with organic solar cell (c-Si only (Covered with OPV)) It is a table.
9 is a view showing an experiment of measuring efficiency change by water of a hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing experimental results of measuring efficiency change by water of a hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing photovoltaic power generation efficiency according to angles of incident light of a hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention (0 degrees, 45 degrees, and 90 degrees).
12 is a diagram showing solar power generation efficiency according to outdoor illumination of a hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in many different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, combined)" with another part, this is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in between. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 유기태양전지(100)와 실리콘 태양전지(200)로 적층 구성되는 하이브리드 태양전지(1)의 적층 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing a stacked structure of a hybrid solar cell 1 composed of an organic solar cell 100 and a silicon solar cell 200 according to an embodiment of the present invention.
도 1과 같이, 본 발명의 일 실시예의 하이브리드 태양전지(1)는, 빛이 입사되도록 상부에 적층되는 유기태양전지(100) 및 상기 유기태양전지(100)의 하부에 적층된 후 상기 유기태양전지(100)와 전기적으로 접촉되는 무기태양전지로서의 실리콘 태양전지(200)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1 , the hybrid solar cell 1 according to an embodiment of the present invention includes an organic solar cell 100 stacked on top to allow light to enter the organic solar cell 100 and the organic solar cell 100 stacked on the bottom of the organic solar cell 100. It may be configured to include a silicon solar cell 200 as an inorganic solar cell in electrical contact with the cell 100 .
도 2는 도 1의 유기태양전지(100)의 개략적인 적층 구조를 나타내는 단면도이고,2 is a cross-sectional view showing a schematic stacked structure of the organic solar cell 100 of FIG. 1;
도 2와 같이, 상기 유기태양전지(100)는 제1 투명전극층(110), 광활성층(130) 및 제2 전극(150)층이 순차적으로 적층 형성되는 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 광활성층(130)은 흡수 가시광선의 파장이 상기 실리콘 태양전지(200) 의 흡수 가시광선의 파장과 다른 파장 대역을 가지도록 구성되는 것에 의해 유기태양전지(100)가 적층된 구조를 가지면서도 실리콘 태양전지(200)의 효율이 저하되지 않도록 한다.As shown in FIG. 2 , the organic solar cell 100 may have a structure in which a first transparent electrode layer 110, a photoactive layer 130, and a second electrode 150 are sequentially stacked. At this time, the photoactive layer 130 has a structure in which the organic solar cell 100 is stacked by being configured such that the wavelength of absorbed visible light has a different wavelength band from the wavelength of the visible light absorbed by the silicon solar cell 200. The efficiency of the silicon solar cell 200 is not reduced.
상기 제1 투명전극층(110)은 광투과성 무기물 기판 또는 유기물 기판 등으로 형성되는 기판 상에 투명전극막이 코팅 형성된 구조일 수 있다.The first transparent electrode layer 110 may have a structure in which a transparent electrode film is coated on a substrate formed of a light-transmitting inorganic or organic substrate.
상기 기판은, 유리, 석영, Al2O3, 및 SiC 등에서 선택된 무기물 기판, 또는 PC(polycarbonate), PMMA(polymethylmethacrylate), PET(polyethylene terephthalate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PAR(polyarylate) 등에서 선택된 플라스틱 기판중 어느 하나일 수 있다.The substrate is an inorganic substrate selected from glass, quartz, Al 2 O 3 , and SiC, or PC (polycarbonate), PMMA (polymethylmethacrylate), PET (polyethylene terephthalate), PES (polyethersulfone), PS (polystyrene), PI (polyimide) ), it may be any one of plastic substrates selected from PEN (polyethylene naphthalate), PAR (polyarylate), and the like.
상기 투명전극막은, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorinated Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Al-doped Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 또는 IZTO(Indium Zinc Tin Oxide) 중 어느 하나로 스핀코팅법, 열기상증착법, 전자빔증착법, 스퍼터링법 또는 화학적 증착법 중 어느 하나에 의해 형성되는 막일 수 있다.The transparent electrode film may be any one of indium tin oxide (ITO), fluorinated tin oxide (FTO), indium zinc oxide (IZO), al-doped zinc oxide (AZO), zinc oxide (ZnO), or indium zinc tin oxide (IZTO). One may be a film formed by any one of a spin coating method, a thermal vapor deposition method, an electron beam deposition method, a sputtering method, or a chemical vapor deposition method.
상기 광활성층(130)은 전자 주개 물질(electron donor)과 전자 받개 물질(electron acceptor)질을 포함하여 구성되어, 상기 전자 주개 물질이 광을 흡수하여 전자와 정공이정전기적인 인력으로 결합된 엑시톤을 형성하고, 엑시톤이 표류하여 상기 전자 받개 물질과 만나 전자를 제공하는 것에 의해 정공과 전자가 분리되는 것에 의해 광기전력을 발생시켜 태양과 발전을 수행하도록 구성된다.The photoactive layer 130 includes an electron donor and an electron acceptor, and the electron donor absorbs light to generate excitons in which electrons and holes are coupled by electrostatic attraction. Forming, and excitons drift to meet the electron acceptor material to provide electrons, and holes and electrons are separated to generate photovoltaic power to perform solar and power generation.
상기 전자 주개 물질은, P3HT(poly(3-hexylthiophene)), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), CDTBT(poly[N-9 PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))), MEHPPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 또는 MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 등을 포함하는 고분자 유기반도체 화합물, CuPc(copper phthalocyanine), ZnPc(zinc phthalocyanine), PtOEP((2,3,7,8,12,13,17,18-octaethyl-21H,23Hporphyrin)platinum 등을 포함하는 저분자 유기반도체 화합물 등일 수 있다.The electron donor material is P3HT (poly(3-hexylthiophene)), PCPDTBT (poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4 -b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), CDTBT(poly[N-9 PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'-ethylhexyl)- 9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))), MEHPPV (poly-[2-methoxy-5 -(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) or MDMO-PPV (poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) Low-molecular-weight organic semiconductor compounds, including CuPc (copper phthalocyanine), ZnPc (zinc phthalocyanine), PtOEP ((2,3,7,8,12,13,17,18-octaethyl-21H,23Hporphyrin)platinum, etc. It may be a semiconductor compound or the like.
상기 전자 받개 물질은, 플러렌(fullerene, C60) 또는 플러렌이 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 PCBM((6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 또는 PC70BM((6,6)-phenyl-C70-butyric acid methyl ester) 등이 사용될 수 있으며, 그 외 단분자로 페릴렌(perylene), PBI(polybenzimidazole) 및 PTCBI(3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole) 등일 수 있다.The electron acceptor material is PCBM ((6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) or PC70BM ((6,6)-phenyl- C70-butyric acid methyl ester) may be used, and other single molecules may include perylene, polybenzimidazole (PBI), and 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole (PTCBI).
상기 광활성층은, 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 2층(bilayer) 구조 또는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질을 혼합하여 형성한 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 구조 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The photoactive layer is characterized in that either a bilayer structure of an electron donor material and an electron acceptor material or a bulk heterojunction (BHJ) structure formed by mixing an electron donor material and an electron acceptor material .
상기 광활성층은 상기 유기태양전지(100)의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 두께가 50 ~ 150 nm 범위일 수 있다. 상기 유기태양전지(100)의 광투과율이 30% 이하로 떨어지면, 아래쪽에 위치한 실리콘 태양전지(200)로의 입사광이 너무 작아 실리콘 태양전지(200)의 출력이 저하, 최종적으로 하이브리드 태양전지의 출력이 줄어들게 된다. 또한, 상기 유기태양전지(100)의 광투과율이 50%이상으로 제작하는 것은 현 기술로는 어렵다. 또한, 제작된다 해도 효율이 거의 0에 가까워 텐덤의 기능을 수행하지 못한다.The photoactive layer may have a thickness in the range of 50 to 150 nm so that the light transmittance of the organic solar cell 100 is in the range of 30% to 50%. When the light transmittance of the organic solar cell 100 drops below 30%, the incident light to the silicon solar cell 200 located at the bottom is too small, so the output of the silicon solar cell 200 decreases, and finally the output of the hybrid solar cell will decrease In addition, it is difficult with current technology to manufacture the organic solar cell 100 having a light transmittance of 50% or more. In addition, even if it is manufactured, the efficiency is close to 0, so it cannot perform the tandem function.
도 3은 도 2의 제2 전극층(150)의 OMO(Oxide-Metal-Oxide) 전극 구조를 나타내는 단면도이다.FIG. 3 is a cross-sectional view showing an OMO (Oxide-Metal-Oxide) electrode structure of the second electrode layer 150 of FIG. 2 .
도 3과 같이, 상기 제2 전극층(OMO)(150)은 제1 금속산화물층-금속층-제2 금속산화물층으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성되고, 상기 유기 태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 금속층의 두께가 10 ~ 40 nm 범위이고, 상기 제1 금속산화물층과 상기 제2 금속산화물층의 두께가 10 ~ 25 nm 범위일 수 있다. As shown in FIG. 3 , the second electrode layer (OMO) 150 is formed of an oxide-metal-oxide (OMO) electrode stacked by a first metal oxide layer, a metal layer, and a second metal oxide layer, and the organic solar cell The thickness of the metal layer may be in the range of 10 to 40 nm, and the thicknesses of the first metal oxide layer and the second metal oxide layer may be in the range of 10 to 25 nm so that light transmittance is in the range of 30% to 50%.
상기 제1금속산화물층 및 제2금속산화물층은 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 산화인듐갈륨아연(IGZO), 산화인듐주석아연(ITZO), 갈륨도핑 산화아연(GZO), 알루미늄도핑 산화아연(AZO), 불소도핑 산화주석(FTO), 산화 아연주석(ZTO), 산화인듐갈륨(IGO), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화바나듐(V2O5), 산화 몰리브덴(MoO3), 산화니켈(NiO) 및 산화텔루륨(TeO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The first metal oxide layer and the second metal oxide layer are indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium gallium zinc oxide (IGZO), indium tin zinc oxide (ITZO), gallium-doped zinc oxide (GZO) , aluminum doped zinc oxide (AZO), fluorine doped tin oxide (FTO), zinc tin oxide (ZTO), indium gallium oxide (IGO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ) , vanadium oxide (V 2 O 5 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), nickel oxide (NiO), and tellurium oxide (TeO 2 ) may include one or more selected from the group consisting of.
상기 금속층은, 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The metal layer may include at least one selected from the group consisting of silver (Ag), platinum (Pt), gold (Au), and copper (Cu).
또한, 상기 유기태양전지(100)는 효율 향상을 위해 상기 광활성층(130)과 양극으로 작용하는 전극 사이에 적층되는 정공수송층(미도시)과, 상기 광활성층(130)과 음극으로 작용하는 전극 사이에 적층되는 전자수송층(미도시)을 더 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the organic solar cell 100 includes a hole transport layer (not shown) stacked between the photoactive layer 130 and an electrode acting as an anode to improve efficiency, and an electrode acting as a cathode and the photoactive layer 130 It may be configured to further include an electron transport layer (not shown) stacked therebetween.
이 경우, 상기 유기태양전지(100)가 정구조(conventional structure) 유기태양전지인 경우, 양극층인 투명전극층, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 음극층(OMO 전극층)이 순차적으로 적층 형성된다. 이와 달리, 상기 유기태양전지(100)가 역구조(invert structure) 유기태양전지인 경우, 음극층인 투명전극층, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 양극층(OMO 전극층)이 순차적으로 적층 형성된다.In this case, when the organic solar cell 100 is a conventional structure organic solar cell, a transparent electrode layer serving as an anode layer, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a cathode layer (OMO electrode layer) are sequentially stacked. . In contrast, when the organic solar cell 100 is an invert structure organic solar cell, a transparent electrode layer serving as a cathode layer, an electron transport layer, a photoactive layer, a hole transport layer, and an anode layer (OMO electrode layer) are sequentially formed. .
상기 전자수송층은, 광활성층에서 생성된 전자가 음극으로 용이하게 전달되도록 하는 n-형 버퍼층으로서, ZnO를 포함하는 아연산화물, TiO2를 포함하는 티타늄 산화물, Nb2O5를 포함하는 니오븀 산화물, SnO2을 포함하는 주석산화물, Al2O3를 포함하는 알루미늄 산화물, ZrO2을 포함하는 지르코늄 산화물, 3원계(ternary) 금속산화물 중 하나 이상의 금속 산화물, 수/알콜 용성의 공액계/비공액계 고분자, 단분자, 용액공정이 가능한 Cs2CO3, Li2CO3, Na2CO3를 포함하는 탄산알칼리(alkali carbonate), 전자 친화도가 우수한 풀러렌(fullerene) 기반의 유도체 중 어느 하나 이상일 수 있다.The electron transport layer is an n-type buffer layer that allows electrons generated in the photoactive layer to be easily transferred to the cathode, and includes zinc oxide containing ZnO, titanium oxide containing TiO 2 , niobium oxide containing Nb 2 O 5 , Tin oxide containing SnO 2 , aluminum oxide containing Al 2 O 3 , zirconium oxide containing ZrO 2 , one or more metal oxides among ternary metal oxides, water/alcohol soluble conjugated/non-conjugated polymers , single molecule, alkali carbonate including Cs 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 capable of solution processing, and fullerene-based derivatives having excellent electron affinity. .
상기 정공수송층은, 광활성층에서 생성된 정공이 양극으로 용이하게 전달되도록 하는 p-형 버퍼층으로서, PEDOT:PSS(poly(3,4ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate))를 포함하는 저온 및 용액 공정이 가능한 전도성 고분자, MoO3, WO3, NiO, V2O5 CuO, RuO2 를 포함하는 금속 산화물, 그래핀 산화물(graphene oxide), 공액계 전해질(conjugated polyelectrolyte) 사슬기 말단에 술폰화(sulfonation)기가 도입된 고분자와 클로로벤조산 등의 단분자 중 하나 이상일 수 있다.The hole transport layer is a p-type buffer layer that allows holes generated in the photoactive layer to be easily transferred to the anode, and is a low temperature and solution process including PEDOT:PSS (poly(3,4ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate)). Conductive polymers capable of this, MoO 3 , WO 3 , NiO, V 2 O 5 CuO, metal oxides including RuO 2 , graphene oxide, sulfonation at the chain end of conjugated polyelectrolyte ) group may be introduced, and at least one of single molecules such as chlorobenzoic acid.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 도 1의 실리콘 태양전지(200)의 개략적인 적층 구조를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a schematic stacked structure of the silicon solar cell 200 of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
도 4와 같이, 상기 실리콘 태양전지(200)는 후면 접촉 전극층(BC 층, Back Contact)(210)과, Si 기판 후면에 형성되어 소수 캐리어(광생성 전자)의 재결합을 막기 위해 상기 후면 접촉 전극층(210)의 상부에 적층되는 BSF층(후면 전극층, back surface p+field(BSF))(220)과, B가 도핑되어 상기 BSF층(220)의 상부에 적층되는 p형 Si기판층(230)과, c-Si 태양전지의 p-n 접합 영역을 형성하기 위해 상기 p형 Si기판층(230)의 상부에 P가 과다하게 도핑되어 형성되는 n+층(240)과, 상기 n+층(240)의 상부에 적층되는 ARC층(Anti reflection coating, 반사방지코팅층)(250) 및 전면전극(front contact)(260)을 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 4, the silicon solar cell 200 has a back contact electrode layer (BC layer, Back Contact) 210 formed on the back of the Si substrate to prevent recombination of minority carriers (photogenerated electrons). A BSF layer (back surface p+field (BSF)) 220 stacked on top of 210, and a p-type Si substrate layer 230 doped with B and stacked on top of the BSF layer 220 ), and the n + layer 240 formed by excessively doping P on the p-type Si substrate layer 230 to form the p-n junction region of the c-Si solar cell, and the n + layer 240 It may include an ARC layer (anti-reflection coating, anti-reflection coating layer) 250 and a front contact 260 stacked thereon.
상술한 구성의 실리콘 태양전지(200)는 생성된 전가가 p형 Si 기판층(230)에서 생성된 전자는 전면과 후면에 Ag 등으로 형성되는 전면전극(260)과 후면 접촉 전극층(210)에 의해 수집된다.In the silicon solar cell 200 having the above configuration, electrons generated in the p-type Si substrate layer 230 are transferred to the front electrode 260 and the rear contact electrode layer 210 formed of Ag or the like on the front and rear surfaces. are collected by
상술한 구성의 실리콘 태양전지(200)는 상기 ARC층(2500 및 전면전극(260)의 상부에 커버 글라스(cover glass)가 더 구성될 수 있다. 이때, 상기 커버 글라스는 상기 유기태양전지(100)로 대체 구성될 수 있다.In the above-described silicon solar cell 200, a cover glass may be further formed on the upper part of the ARC layer 2500 and the front electrode 260. At this time, the cover glass is the organic solar cell 100 ).
도 5는 본 발명의 하이브리드 태양전지 제작방법의 일 실시예로서 도 1의 유기태양전지(100)와 실리콘 태양전지(200)로 적층 구성되는 하이브리드 태양전지(1)의 제작 방법(하이브리드 태양전지 제작방법)을 나타내는 순서도이다.FIG. 5 is a method for manufacturing a hybrid solar cell 1 composed of a layered organic solar cell 100 and a silicon solar cell 200 shown in FIG. 1 as an embodiment of a method for manufacturing a hybrid solar cell according to the present invention method).
도 5와 같이, 본 발명의 실시예의 하이브리드 태양전지 제작 방법은, 무기태양전지로서의 실리콘 태양전지(200)와 유기태양전지(100)를 제작(S110, S120)하는 이종 태양전지 제작 단계(S10), 상기 실리콘 태양전지(200)와 유기태양전지(100)를 적층한 후 각각의 전극을 외부로 인출하여 전기적으로 접속하는 전극 접속 단계(S20) 및 상기 실리콘 태양전지(200)의 상부에 유기태양전지(100)를 라미네이션(lamination)하는 라미네이션 단계(S30)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 5, the method for manufacturing a hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention includes manufacturing a heterogeneous solar cell (S10) in which a silicon solar cell 200 as an inorganic solar cell and an organic solar cell 100 are manufactured (S110, S120). After stacking the silicon solar cell 200 and the organic solar cell 100, an electrode connection step (S20) of electrically connecting each electrode to the outside and an organic solar cell on top of the silicon solar cell 200 It is characterized in that it is configured to include a lamination step (S30) of laminating the battery (100).
상기 이종 태양전지 제작 단계(S10)에서 상기 유기태양전지의 제작(S120)은, 도 2와 같이, 제1 투명전극층(110), 광활성층(130) 및 제2 전극층(150)이 순차적으로 적층되며, 상기 광활성층(130)은 흡수 가시광선의 파장이 상기 무기태양전지의 흡수 가시광선의 파장과 다른 파장 대역을 가지도록 구성하는 것을 특징으로 한다.In the fabrication of the organic solar cell (S120) in the heterogeneous solar cell fabrication step (S10), as shown in FIG. 2, the first transparent electrode layer 110, the photoactive layer 130, and the second electrode layer 150 are sequentially stacked. And, the photoactive layer 130 is characterized in that the wavelength of the absorbed visible light has a different wavelength band from the wavelength of the absorbed visible light of the inorganic solar cell.
상기 제1 투명전극층(110)은 광투광성 무기물 기판 또는 유기물 기판 중 어느 하나의 기판 상에 투명 전극막이 코팅 형성된 구조로 제작될 수 있다.The first transparent electrode layer 110 may be made of a structure in which a transparent electrode film is coated on any one of a light-transmitting inorganic substrate or an organic substrate.
또한, 상기 이종 태양전지 제작 단계(S10)에서 상기 유기태양전지의 제작(S120)은, 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 광활성층(130)의 두께를 50 ~ 150 nm 범위로 제작하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the fabrication of the organic solar cell (S120) in the heterogeneous solar cell fabrication step (S10), the thickness of the photoactive layer 130 is set to 50% so that the light transmittance of the organic solar cell has a range of 30% to 50%. It is characterized in that it is produced in the range of ~ 150 nm.
또한, 상기 이종 태양전지 제작 단계(S10)에서 상기 유기태양전지의 제작(S120)은, 상기 제2 전극층(150)을 제1 금속산화물층(151)-금속층(153)-제2 금속산화물층(155)으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성하고, 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 금속층(153)의 두께를 10 ~ 40 nm 범위로, 상기 제1 금속산화물층(151)과 상기 제2 금속산화물층(155)의 두께가 10 ~ 25 nm 범위로 제작하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the fabrication of the organic solar cell (S120) in the heterogeneous solar cell fabrication step (S10), the second electrode layer 150 is formed from the first metal oxide layer 151 - the metal layer 153 - the second metal oxide layer. It is formed of an oxide-metal-oxide (OMO) electrode stacked with (155), and the thickness of the metal layer 153 is in the range of 10 to 40 nm so that the light transmittance is in the range of 30% to 50%, the first metal It is characterized in that the thickness of the oxide layer 151 and the second metal oxide layer 155 is manufactured in the range of 10 to 25 nm.
상술한 하이브리드 태양전지 제작방법에서 상기 제1 투명전극층(110), 광활성층(130), 제2 전극층(150)으로 구성되는 OMO 전극의 각각의 제1 금속산화물층(151), 금속층(153) 및 제2 금속산화물층(155)의 소재 및 적층 방법은 도 1 내지 도 4의 하이브리드 태양전지(1)의 각 구성의 소재 및 적층 방법이 동일하게 적용될 수 있다.In the hybrid solar cell manufacturing method described above, each of the first metal oxide layer 151 and the metal layer 153 of the OMO electrode composed of the first transparent electrode layer 110, the photoactive layer 130, and the second electrode layer 150 As for the material and lamination method of the second metal oxide layer 155, the materials and lamination method of each component of the hybrid solar cell 1 of FIGS. 1 to 4 may be equally applied.
<실험 예><Experiment example>
도 7은 또 다른 실험을 위한 시험 샘플들의 사진을 나타내는 도면이다.7 is a view showing photographs of test samples for another experiment.
도 7에서 (a)는 단결정 실리콘 태양전지(c-Si), (b)는 PCE10:PC70BM OMO(10nm/20nm/25nm) 구조의 유기태양전지, (c)는 반투과 유기태양전지와 단결정 실리콘 태양전지가 적층된 하이브리드 태양전지(ST-OPV + c-SI), (d)는 (b)의 유기태양전지와 실리콘 태양전지가 적층된 하이브리드 태양전지(PCE10:PC70BM MoO3/Ag (10nm/10nm) + c-Si) 및 (e)는 D4610:PC70BM MoO3/Ag(10nm/10nm) 구조의 유기태양전지와 실리콘 태양전지가 적층된 하이브리드 태양전지(D4610:PC70BM MoO3/Ag (10nm/10nm) + c-Si)의 사진이다.In FIG. 7, (a) is a single-crystal silicon solar cell (c-Si), (b) is an organic solar cell having a PCE10:PC70BM OMO (10nm/20nm/25nm) structure, and (c) is a transflective organic solar cell and single-crystal silicon. Hybrid solar cell in which solar cells are stacked (ST-OPV + c-SI), (d) is hybrid solar cell in which organic solar cell and silicon solar cell in (b) are stacked (PCE10:PC70BM MoO 3 /Ag (10 nm/ 10nm) + c-Si) and (e) are hybrid solar cells (D4610:PC70BM MoO 3 /Ag (10nm/10nm) stacked organic solar cells and silicon solar cells (D4610:PC70BM MoO 3 /Ag (10nm/ It is a picture of 10nm) + c-Si).
도 8은 (a) 도 7 (b)의 PCE10:PC70BM OMO(10nm/20nm/25nm) 구조의 유기태양전지, (b) 도 7 (d)의 PCE10:PC70BM MoO3/Ag (10nm/10nm) + c-Si) 및 (c) 도 7 (e)의 D4610:PC70BM MoO3/Ag(10nm/10nm) + c-Si 구조의 태양전지에서의 각각의 유기태양전지(OPV only)들과 커버 글라스가 없는 실리콘 태양전지(c-Si only), 커버 글라스가 있는 실리콘 태양전지(c-Si only(Covered with ITO), 유기태양전지로 덮인 실리콘 태양전지(c-Si only(Covered with OPV)의 태양광 발전 특성을 나타내는 표이다.8 shows (a) an organic solar cell having a PCE10:PC70BM OMO (10nm/20nm/25nm) structure of FIG. 7 (b), (b) PCE10:PC70BM MoO 3 /Ag (10nm/10nm) of FIG. 7 (d) + c-Si) and (c) D4610: PC70BM MoO 3 /Ag (10 nm / 10 nm) + c-Si structure of FIG. 7 (e) in each organic solar cell (OPV only) and cover glass Silicon solar cell without (c-Si only), silicon solar cell with cover glass (c-Si only (Covered with ITO)), solar cell with organic solar cell (c-Si only (Covered with OPV)) This is a table showing photovoltaic characteristics.
도 8의 (a)와 (b)는 유기태양전지의 투과율에 따른 효과를 나타낸다. 도 8의 (a)와 (b)의 경우 동일 광활성층 조건에서 유기태양전지의 상부 전극 두께에 따른 결과로서 유기태양전지의 투과도가 다른 조건을 비교한 결과이다. 유기태양전지의 투과도에 따라 하이브리드 태양전지의 출력이 달라질 수 있다. 이는 유기태양전지의 투과도가 최적화된 조건에서 si 태양전지의 출력 저하를 방지할 수 있기 때문이다.8 (a) and (b) show the effect according to the transmittance of the organic solar cell. In the case of (a) and (b) of FIG. 8 , it is a result of comparing the transmittance of the organic solar cell under different conditions as a result according to the thickness of the upper electrode of the organic solar cell under the same photoactive layer condition. The output of the hybrid solar cell may vary according to the transmittance of the organic solar cell. This is because the reduction in output of the si solar cell can be prevented under the conditions in which the transmittance of the organic solar cell is optimized.
그리고 도 8의 (b)와 (c)는 스펙트럼 매칭에 따른 효과를 나타낸다. 도 8의 (b)와 (c)는 유기태양전지의 상부 전극 조건이 동일한 경우에서도 광 흡수 파장대가 다른 이종의 광활성 소재가 적용된 다른 광활성층 조건의 효과를 나타낸다. si 태양전지의 흡수 파장대를 방해하지 않는 파장대를 이용하는 유기태양전지의 광활성 소재를 적용할 경우 하이브리드 태양전지가 더 높은 출력 값을 가질 수 있다.And (b) and (c) of FIG. 8 show the effect of spectrum matching. 8 (b) and (c) show the effect of different photoactive layer conditions to which heterogeneous photoactive materials having different light absorption wavelength bands are applied even when the upper electrode conditions of the organic solar cell are the same. When a photoactive material of an organic solar cell using a wavelength range that does not interfere with the absorption wavelength range of a si solar cell is applied, a hybrid solar cell can have a higher output value.
도 9는 본 발명의 일 실시예의 하이브리드 태양전지의 물에 의한 효율 변화 측정 실험을 나타내는 도면이다. 도 9에서 (a)는 물방울들을 상부에 위치 시킨 하이브리드 태양전지의 사진이고, (b)는 전체 표면에 물이 적셔진 상태의 하이브리드 태양전지의 사진이다.9 is a view showing an experiment of measuring efficiency change by water of a hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention. In FIG. 9, (a) is a photograph of the hybrid solar cell with water droplets placed thereon, and (b) is a photograph of the hybrid solar cell in a state in which the entire surface is wetted with water.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 도 9의 하이브리드 태양전지들의 물에 의한 효율 변화 측정 실험 결과를 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing experimental results of measuring efficiency change by water of the hybrid solar cells of FIG. 9 according to an embodiment of the present invention.
두 샘플 모두 전체 표면에 물이 적셔진 상태의 하이브리드 태양전지(도 9의 (b))에서 전압 전류 값이 높게 나왔고, OMO의 경우 물방울들을 상부에 위치 시킨 하이브리드 태양전지(도 9의 (a))와 전체 표면에 물이 적셔진 상태의 하이브리드 태양전지(도 9의 (b)) 모두 어느 정도 증가하는 것을 확인하였다.Both samples showed high voltage and current values in the hybrid solar cell in which the entire surface was wetted with water (Fig. 9(b)), and in the case of OMO, the hybrid solar cell with water droplets placed on top (Fig. 9(a)) ) and the hybrid solar cell in a state where the entire surface is wetted with water (Fig.
총 전류도 물방울들을 상부에 위치 시킨 하이브리드 태양전지(도 9의 (a))는 감소하였으나, 전체 표면에 물이 적셔진 상태의 하이브리드 태양전지(도 9의 (b))에서는 증가하는 것을 확인하였다.It was confirmed that the total current also decreased in the hybrid solar cell in which the water droplets were placed on top (Fig. 9(a)), but increased in the hybrid solar cell in which the entire surface was wetted with water (Fig. 9(b)). .
도 11은 본 발명의 일 실시예의 하이브리드 태양전지의 입사광의 각도0, 45 및 90도)에 따른 태양광 발전 효율을 나타내는 도면이다.11 is a diagram showing photovoltaic power generation efficiency according to angles of incident light of a hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention (0 degrees, 45 degrees, and 90 degrees).
도 11과 같이, 본 발명의 하이브리드 태양전지(sample 4)는 45도 내지 90도 범위의 광 입사각 범위의 환경에서도 단일 구조의 태양전지(sample 1 ~ 3)에 비하여 높은 출력을 제공하는 효과를 제공하고, 이로 인해 설치각 90도 이하의 건축 외벽에 설치되어 태양 발전을 높은 효율로 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공한다As shown in FIG. 11, the hybrid solar cell (sample 4) of the present invention provides an effect of providing higher output compared to the solar cells (sample 1 to 3) of a single structure even in an environment with a light incident angle in the range of 45 degrees to 90 degrees. And, as a result, it is installed on the outer wall of a building with an installation angle of 90 degrees or less to provide an effect that enables solar power generation to be performed with high efficiency.
도 12는 본 발명의 일 실시예의 하이브리드 태양전지의 옥외 조도에 따른 태양광 발전 효율을 나타내는 도면이다.12 is a diagram showing solar power generation efficiency according to outdoor illumination of a hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 12의 (a)는 하루의 오전 9시부터 18시까지(주간)의 시간 별, 광 입사각도 별(0도, 45도, 90도) 옥외조도를 나타내는 그래프이고, (b)는 단결정 실리콘 태양전지의 시간 별 광 입사각 별 발전 전력을 나타내며, (c)는 본 발명의 실시예의 단결정 실리콘 태양전지와 투명 유기태양전지(투명 OPV)가 결합된 하이브리드 태양전지의 시간 별 광 입사각 별 발전 전력을 나타내는 그래프이다.12(a) is a graph showing the outdoor illuminance for each time and light incident angle (0 degree, 45 degree, 90 degree) from 9:00 am to 18:00 am (daytime), and (b) is a graph showing single crystal silicon The power generated by the solar cell at each angle of light incidence over time is shown, and (c) shows the power generated by the angle of light incidence over time of the hybrid solar cell in which the single-crystal silicon solar cell and the transparent organic solar cell (transparent OPV) are combined according to the embodiment of the present invention. It is a graph that represents
도 12와 같이, 본 발명의 실시예의 하이브리드 태양전지의 주간 시간 동안의 발전 효율이 현저히 높은 것을 확인하였다.As shown in FIG. 12, it was confirmed that the power generation efficiency of the hybrid solar cell according to the embodiment of the present invention during daytime was remarkably high.
도 11 및 도 12와 같이, c-si 및 투명 유기태양전지(OPV)다 하이브리드 태양전지의 출력이 높게 나타남을 볼 수 있다. 이는 유기태양전지가 si 태양전지 상부에 적층이 되었음에도 불구하고 c-si 태양전지의 효율 저하가 거의 없다는 것을 의미한다. 또한 광입사각이 다른 환경에 대해서도 동일하게 하이브리드 태양전지가 높은 출력을 보인다. 일반적으로 si 태양전지 제품은 신뢰성을 위해 커버글래스를 이용해 캡슐화(encapsulation)를 진행하는데, 이러한 커버글래스 대신 본 발명의 투광형 유기태양전지를 이용해 캡슐화(encapsulation)를 수행해 효율을 증폭시킬 수 있는 기술로 적용될 수 있다.As shown in FIGS. 11 and 12, it can be seen that the output of both the c-si and transparent organic solar cells (OPV) hybrid solar cells is high. This means that the efficiency of the c-si solar cell is hardly reduced even though the organic solar cell is stacked on top of the si solar cell. In addition, the hybrid solar cell shows the same high output even in environments with different light incident angles. In general, si solar cell products are encapsulated using a cover glass for reliability, but this technology can amplify efficiency by performing encapsulation using the light-transmissive organic solar cell of the present invention instead of such a cover glass. can be applied
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the technical idea of the present invention described above has been specifically described in a preferred embodiment, it should be noted that the above embodiment is for explanation and not for limitation. In addition, those of ordinary skill in the technical field of the present invention will be able to understand that various embodiments are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
1: 하이브리드 태양전지
100: 유기태양전지모듈(OPV: Organic Photovoltaics)
110: 제1 투명전극층
130: 광활성층(active layer)(donor-acceptor bi 또는 bulk 구조)
150: 제2 전극층(OMO)
151: 제1 금속산화물층
153: 금속층
155: 제2 금속산화물층
200: 실리콘 태양전지
210: BC층(Back contact, 후면 접촉 전극 층)
220: BSF층(후면 전극 층 back surface p+field)
230: p형 Si기판층
240: n+ 층
250: ARC층(Anti reflection coating, 반사방지코팅층)
260: 전면전극(front contact)1: hybrid solar cell
100: organic photovoltaics (OPV)
110: first transparent electrode layer
130: photoactive layer (donor-acceptor bi or bulk structure)
150: second electrode layer (OMO)
151: first metal oxide layer
153: metal layer
155: second metal oxide layer
200: silicon solar cell
210: BC layer (Back contact, back contact electrode layer)
220: BSF layer (back surface electrode layer back surface p + field)
230: p-type Si substrate layer
240: n+ layer
250: ARC layer (Anti reflection coating, anti-reflection coating layer)
260: front contact
Claims (11)
상기 유기태양전지의 하부에 적층된 후 상기 유기태양전지와 전기적으로 접촉되는 무기태양전지;를 포함하고,
상기 유기태양전지는,
제1 투명전극층, 광활성층 및 제2 전극층이 순차적으로 적층 형성되고, 상기 광활성층의 흡수 가시광선의 파장과 상기 무기태양전지의 흡수 가시광선의 파장이 서로 상이하게 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지.An organic solar cell stacked on top to allow light to enter; and
An inorganic solar cell electrically contacted with the organic solar cell after being laminated under the organic solar cell;
The organic solar cell,
A first transparent electrode layer, a photoactive layer, and a second electrode layer are sequentially laminated, and the wavelength of visible light absorbed by the photoactive layer and the wavelength of visible light absorbed by the inorganic solar cell are configured to be different from each other. Hybrid solar cell, characterized in that.
광투과성 무기물 기판 또는 유기물 기판 중 어느 하나의 기판 상에 투명전극막이 코팅 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지.The method of claim 1, wherein the first transparent electrode layer,
A hybrid solar cell characterized in that it has a structure in which a transparent electrode film is coated on any one of a light-transmitting inorganic substrate or an organic substrate.
상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 두께가 50 ~ 150 nm 범위인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지.The method of claim 1, wherein the photoactive layer,
A hybrid solar cell, characterized in that the thickness is in the range of 50 to 150 nm so that the light transmittance of the organic solar cell is in the range of 30% to 50%.
전자 주개 물질(electron donor)과 전자 받개 물질(electron acceptor)의 2층(bilayer) 구조 또는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질을 혼합하여 형성한 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 구조 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지.The method of claim 1, wherein the photoactive layer,
Either a bilayer structure of an electron donor and an electron acceptor or a bulk heterojunction (BHJ) structure formed by mixing an electron donor material and an electron acceptor material A hybrid solar cell characterized by
제1 금속산화물층-금속층-제2 금속산화물층으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성되고, 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 금속층의 두께가 10 ~ 40 nm 범위인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지.The method of claim 1, wherein the second electrode layer,
It is formed of an oxide-metal-oxide (OMO) electrode stacked with a first metal oxide layer, a metal layer, and a second metal oxide layer, and the thickness of the metal layer is such that the light transmittance of the organic solar cell is in the range of 30% to 50%. A hybrid solar cell, characterized in that the range of 10 ~ 40 nm.
제1 금속산화물층-금속층-제2 금속산화물층으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성되고, 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 제1 금속산화물층과 상기 제2 금속산화물층의 두께가 10 ~ 25 nm 범위인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지.The method of claim 1, wherein the second electrode layer,
The first metal oxide layer-metal layer-second metal oxide layer is formed as an oxide-metal-oxide (OMO) electrode, and the light transmittance of the organic solar cell is in the range of 30% to 50%. A hybrid solar cell, characterized in that the thickness of the oxide layer and the second metal oxide layer ranges from 10 to 25 nm.
상기 무기태양전지와 유기태양전지를 적층한 후 각각의 전극을 외부로 인출하여 전기적으로 접속하는 전극 접속 단계; 및
상기 무기태양전지의 상부에 유기 태양전지를 라미네이션(lamination)하는 라미네이션 단계;를 포함하고,
상기 이종 태양전지 제작 단계에서 상기 유기태양전지의 제작은,
제1 투명전극층, 광활성층 및 제2 전극층이 순차적으로 적층되며, 상기 광활성층은 흡수 가시광선의 파장이 상기 무기태양전지의 흡수 가시광선의 파장과 다른 파장 대역을 가지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제작방법.A heterogeneous solar cell manufacturing step of manufacturing an inorganic solar cell and an organic solar cell;
an electrode connection step of electrically connecting each electrode to the outside after stacking the inorganic solar cell and the organic solar cell; and
A lamination step of laminating an organic solar cell on top of the inorganic solar cell;
Production of the organic solar cell in the heterogeneous solar cell production step,
A first transparent electrode layer, a photoactive layer, and a second electrode layer are sequentially stacked, and the photoactive layer has a wavelength band of visible light absorbed by the inorganic solar cell and a different wavelength band. Battery manufacturing method.
상기 제1 투명전극층을 광투광성 무기물 기판 또는 유기물 기판 중 어느 하나의 기판 상에 투명 전극막이 코팅 형성된 구조로 제작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제작방법.The method of claim 7, wherein the manufacturing of the organic solar cell in the manufacturing of the heterogeneous solar cell,
The method of manufacturing a hybrid solar cell, characterized in that the first transparent electrode layer is manufactured in a structure in which a transparent electrode film is coated on any one of a light-transmitting inorganic substrate or an organic substrate.
상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 광활성층의 두께를 50 ~ 150 nm 범위로 제작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제작방법.The method of claim 7, wherein the manufacturing of the organic solar cell in the manufacturing of the heterogeneous solar cell,
The hybrid solar cell manufacturing method characterized in that the thickness of the photoactive layer is produced in the range of 50 ~ 150 nm so that the light transmittance of the organic solar cell has a range of 30% to 50%.
상기 제2 전극층을 제1 금속산화물층-금속층-제2 금속산화물층으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성하고,
상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 금속층의 두께를 10 ~ 40 nm 범위로 제작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제작방법.The method of claim 7, wherein the manufacturing of the organic solar cell in the manufacturing of the heterogeneous solar cell,
The second electrode layer is formed as an oxide-metal-oxide (OMO) electrode stacked as a first metal oxide layer-metal layer-second metal oxide layer,
The method of manufacturing a hybrid solar cell, characterized in that the thickness of the metal layer is produced in the range of 10 ~ 40 nm so that the light transmittance of the organic solar cell has a range of 30% to 50%.
상기 제2 전극층을 제1 금속산화물층-금속층-제2 금속산화물층으로 적층되는 OMO(oxide-metal-oxide) 전극으로 형성하고, 상기 유기태양전지의 광투과율이 30% 내지 50% 범위를 가지도록 상기 제1 금속산화물층과 상기 제2 금속산화물층의 두께가 10 ~ 25 nm 범위로 제작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제작방법.The method of claim 7, wherein the manufacturing of the organic solar cell in the manufacturing of the heterogeneous solar cell,
The second electrode layer is formed of an oxide-metal-oxide (OMO) electrode in which the first metal oxide layer-metal layer-second metal oxide layer is stacked, and the light transmittance of the organic solar cell has a range of 30% to 50%. A hybrid solar cell manufacturing method, characterized in that the thickness of the first metal oxide layer and the second metal oxide layer is produced in the range of 10 ~ 25 nm.
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