KR20240040275A - 탠덤 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탠덤형 태양전지의 상/하부셀을 연결하는 재결합층의 수평저항을 증가시킬 수 있어서 Shunt path 발생을 최소화함으로써 전자 이동 문제로 인한 재결합 효율 저하를 방지할 수 있으며, 단파장대에서 낮은 흡수도를 가짐에 따라 탠덤형 태양전지에 적용시 전류값을 향상시킬 수 있는 탠덤 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

탠덤 태양전지 및 이의 제조방법{Tandem solar cell and manufacturing method thereof}
본 발명은 탠덤 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탠덤형 태양전지의 상/하부셀을 연결하는 재결합층의 수평저항을 감소시킬 수 있어서 Shunt path 발생을 최소화함으로써 전자 이동 문제로 인한 재결합 효율 저하를 방지할 수 있으며, 단파장대에서 낮은 흡수도를 가짐에 따라 탠덤형 태양전지에 적용시 전류값을 향상시킬 수 있는 탠덤 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
다중접합(탠덤) 태양전지는 서로 다른 밴드갭을 가지는 광흡수층을 수직으로 적층함으로써, 넓은 파장범위의 태양광 에너지를 효과적으로 이용하여 열에너지 로의 손실(thermalization loss)을 최소화하려는 시도이다. 구체적으로, 탠덤헝 태양전지는 서로 다른 밴드갭을 갖는 광흡수층들이 태양광을 파장 영역 별로 나누어 흡수하게 함으로써 단일접합(single-junction) 태양전지에서 밴드갭보다 큰 에너지의 광자가 광흡수층에 흡수되었을 때 생성된 전자-정공의 잉여 에너지 가열에너지로 손실되는 것을 최소화하는 원리로 단일접합 태양전지의 효율 한계를 극복할 수 있다. 최근 가장 실현가능성이 높은 차세대 태양전지로서의 탠덤형 태양전지에 대한 관심이 증가하면서, 다양한 구조의 탠덤형 태양전지 기술을 선점하려는 연구개발 경쟁이 전세계적으로 치열하게 진행 중이다.
한편, 이와 같은 탠덤형 태양전지는 실리콘 하부셀과 페로브스카이트 상부셀을 전기적으로 연결시켜주는 재결합층(Recombination)으로 주로 투명전도성 박막(TCO)이 사용되고 있다. 투명전도성 박막은 자유전하의 농도가 낮으면 결정립계(grain boundary)에 트랩(trap)된 자유전하에 의해 형성된 에너지 장벽(potential barrier)으로 인하여 발생되는 결정립계 산란이 크게 작용하여 자유전하의 이동도가 지극히 낮아질 수 있는 특성이 있다. 반면, 자유전하의 농도가 크면 결정립계에 형성된 에너지 장벽을 극복할 수 있는 자유전하가 많아지게 되어 자유전하의 이동도가 어느 정도는 커질 수 있는데, 이 경우 자유전하의 농도가 일정 수준 이상으로 증가되면 박막 내에 존재하는 이온화된 불순물(ionized impurity)이 증가되어 자유전하와 이온화된 불순물 사이의 산란을 야기함으로써 결과적으로 자유전하의 이동도는 도리어 감소하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
이와 같은 문제를 보완하기 위하여, 탠덤형 태양전지의 재결합층으로 사용되는 투명전도성 박막에서의 자유전하 농도를 증가시키기 위한 방법으로 양이온성 금속 원소를 도핑하여 자유전하를 생성하고 도핑량 조절을 통해 자유전하 농도를 제어하는 다양한 연구가 진행되었고, 통상적인 탠덤형 태양전지는 전기전도도가 높은10 wt% SnO2 및 90 wt% In2O3의 비율을 가지는 ITO 또는 10 wt% ZnO2 및 90 wt% In2O3의 비율을 가지는 IZO가 재결합층의 투명전도성 박막으로 사용되고 있다.
그러나 이와 같은 비율을 가지는 재결합층의 경우 전기적 저항이 낮아서 전자를 효율적으로 이동시킬 수 있음은 별론으로, 다음과 같은 문제로 인해 탠덤형 태양전지의 효율을 향상시키는데 한계가 있다.
첫번째, 종래 소개된 상기 비율을 가지는 투명전도성 박막이 재결합층으로 사용되는 탠덤 태양전지의 경우 Shunt 경로가 생성되어 손실이 발생하는 문제가 있다. 즉 하부 실리콘 셀과 상부 페로브스카이트층이 재결합층을 통해 직렬로 연결된 구조인 탠덤 태양전지의 경우, 재결합층의 수평 전기전도도가 낮을 경우 전하가 수평으로 흘러 shunt 경로를 만들어 전기적인 손실을 유발한다. 이 같은 전기적 손실로 인해 태양전지의 효율을 향상시키는데 한계가 있다.
두번째, 10 wt% In2O3의 비율을 가지는 ITO가 재결합층의 투명전도성 박막으로 사용되는 경우, 이온화된 불순물에 의한 가시광선 영역에서의 흡수 현상 및 가시광선의 장파장 영역과 근적외선 영역에서의 자유전하 흡수 현상(free carrier absorption)이 발생하여 광흡수가 증가하기 때문에 광학적 손실을 최소화하는데 한계가 있다. 즉 큰 밴드갭을 가지는 상부셀이 낮은 파장대의 태양에너지를 흡수하고, 낮은 밴드갭을 가지는 하부셀이 높은 파장대의 태양에너지를 흡수하는 구조의 탠덤 태양전지의 광학적 손실을 줄이는데 한계가 있어 넓은 파장대의 태양에너지를 운용하지 못하는 문제가 있다.
이에 따라, 탠덤형 태양전지의 상/하부셀을 연결하는 재결합층에서 종래 대비 높은 면저항과 낮은 전기전도도 및 낮은 전자이동도를 나타냄으로써 Shunt path로 인한 효율 감소를 최소화하여 전자의 수평 이동 제한으로 인한 재결합 감소 및 효율 저하를 방지할 수 있으며, 단파장대에서 낮은 흡수도를 가짐에 따라 탠덤형 태양전지에 적용시 전류값 향상을 기대할 수 있어서 탠덤형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 탠덤형 태양전지에 대한 연구가 시급한 실정이다.
대한민국 등록특허 1901068　(2018.09.14)
본 발명은 상술한 문제를 극복하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 탠덤형 태양전지의 상/하부셀을 연결하는 재결합층을 특정 비율을 가지는 투명전도성 박막 소자를 사용함으로써 수평저항을 증가시켜 Shunt path로 인한 효율 감소를 최소화할 수 있는 탠덤형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 전자의 이동 제한으로 인한 재결합 감소 및 효율 저하를 방지할 수 있으며, 단파장대에서 낮은 흡수도를 가짐에 따라 탠덤형 태양전지에 적용시 전류값 향상을 기대할 수 있어서 탠덤형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 탠덤형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 실리콘 하부셀, 페로브스카이트 상부셀 및 상기 실리콘 하부셀 및 상기 페로브스카이트 상부셀을 연결하는 재결합층을 포함하되, 상기 재결합층은 투명전도성 박막인 ITO로, SnO2 및 In2O3가 18 ~ 21: 79 ~ 82의 중량비를 가지는 탠덤형 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 투명전도성 박막의 두께는 5 내지 50 nm 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 투명전도성 박막의 면저항은 50 ohm/sq 내지 1M ohm/sq인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 하부셀은 Al-BSF, PERC, PERT, PERL 및 TOPCon 구조로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 600 1/ohmㆍcm 내지 1200 1/ohmㆍcm의 전기전도도를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 60 cm3/Vs 내지 120 cm3/Vs의 전자이동도를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 실리콘 하부셀 상면에 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 재결합층을 형성하는 제1단계 및 상기 재결합층을 통해 상기 실리콘 하부셀과 연결되는 페로브스카이트 상부셀을 형성하는 제2단계를 포함하되, 상기 재결합층은 투명전도성 박막인 ITO로, SnO2 및 In2O3가 18 ~ 21: 79 ~ 82의 중량비를 가지는 탠덤형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 탠덤형 태양전지의 상/하부셀을 연결하는 재결합층에서 종래 대비 높은 면저항과 낮은 전기전도도 및 낮은 전자이동도를 나타냄으로써 수평저항을 증가시킬 수 있어서 Shunt path로 인한 효율 감소를 최소화할 수 있고, 전자의 이동 제한으로 인한 재결합 감소 및 효율 저하를 방지할 수 있으며, 단파장대에서 낮은 흡수도를 가짐에 따라 탠덤형 태양전지에 적용시 전류값 향상을 기대할 수 있어서 탠덤형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤형 태양전지 소자를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 재결합층의 투명 전도성 박막 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 탠덤형 태양전지 소자의 전지 효율을 나타내는 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
상술한 것과 같이, 종래 탠덤형 태양전지는 상하부셀의 연결하는 재결합층에 사용하는 투명전도성 박막의 전기적/광학적 손실로 인하여 탠덤형 태양전지의 효율을 향상시키는데 한계가 있다.
이에 따라, 본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 실리콘 하부셀, 페로브스카이트 상부셀 및 상기 실리콘 하부셀 및 상기 페로브스카이트 상부셀을 연결하는 재결합층을 포함하되, 상기 재결합층은 투명전도성 박막인 ITO로, SnO2 및 In2O3가 18 ~ 21: 79 ~ 82의 중량비를 가지는 탠덤형 태양전지를 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
이를 통해, 본 발명은 탠덤형 태양전지의 상/하부셀을 연결하는 재결합층에서 종래 대비 높은 면저항과 낮은 전기전도도 및 낮은 전자이동도를 나타냄으로써 수평저항을 증가시킬 수 있어서 Shunt path로 인한 효율 감소를 최소화할 수 있고, 전자의 이동 제한으로 인한 재결합 감소 및 효율 저하를 방지할 수 있으며, 단파장대에서 낮은 흡수도를 가짐에 따라 탠덤형 태양전지에 적용시 전류값 향상을 기대할 수 있어서 탠덤형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 명세서 내에서 하부셀은 탠덤형 태양전지의 하부에 형성된 실리콘 태양전지 셀을 의미하며, 상부셀은 탠덤 태양전지의 상부에 형성된 페로브스카이트 태양전지 셀을 의미한다.
또한, 본 명세서 내에서 실리콘 하부셀은 광흡수층으로 실리콘을 포함하는 태양전지이고, 페로브스카이트 상부셀은 광흡수층으로 페로브스카이트 구조를 갖는 물질을 포함하는 태양전지를 의미한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 탠덤형 태양전지 소자에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 탠덤형 태양전지 소자(100)는 실리콘 하부셀(200), 페로브스카이트 상부셀(400) 및 상기 실리콘 하부셀(200) 및 상기 페로브스카이트 상부셀(400) 연결하는 재결합층(300)을 포함한다.
상기 실리콘 하부셀(200)은 도 1과 같이 전면전극 상면에 형성될 수 있으며실리콘층(210) 및 상기 실리콘층(210) 상에 배치된 에미터층(220)을 포함할 수 있다.
상기 실리콘층(210)은 공지의 실리콘 태양전지의 구조 중 하나를 가질 수 있으며, 특정한 구조로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 실리콘층(210)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 있으며 도면에는 도시하지 않았지만 필요에 따라 부가적인 층들을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 실리콘 하부셀(200)의 구조는 p형 실리콘 표면에 n++ 에미터 형성을 통한 Al-BSF(Aluminum Back Surface Field), PERC(Passivated Emitter and Rear Cell), PERT(Passivated Emitter Rear Totally diffused) 및 PERL(Passivated Emitter and Rear Locally diffused) 구조 또는 SiOx tunneling layer/n++ poly-Si 형성을 통한 TOPCon(Tunnel oxide passivated contact) 구조 등이 될 수 있기 때문에 특별히 제한하지 않는다.
한편 상기 실리콘층(210)은 일면 또는 타면의 적어도 일부는 광효율을 향상시키기 위하여 텍스처링(texturing)될 수 있다. 즉 광이 입사하는 방향으로 요철면(미도시)이 형성되어, 요철면을 통해 입사하는 광의 광 산란 효과를 통해 실리콘층(210)으로 입사되는 광의 경로를 증가시켜 광포집을 향상시킴으로써 태양광의 흡수율을 높일 수 있다.
다음, 상기 재결합층(300)은 실리콘 하부셀(200) 및 페로브스카이트 상부셀(400)을 물리적으로 결합시키고 전기적으로 연결시키는 중간층의 역할을 하며, 상/하부 셀의 전하 재결합을 수행할 수 있다.
종래 일반적인 탠덤형 태양전지는 이와 같은 재결합층의 계면 특성을 향상시켜 탠덤형 태양전지의 전기적/기계적 안정성 향상을 꾀하였다. 이를 위해 종래 재결합층은 투광성을 갖는 도전성 소재를 사용하며 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), ICO(Indium Cerium Oxide), IWO(Indium Tungsten Oxide), ZITO(Zinc Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), GITO(Gallium Indium Tin Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), FTO(Fluorine Tin Oxide), ZnO 등의 TCO계 물질이 사용되거나 nc-Si:H 물질층이 사용한다.
특히 자유전하 농도를 제어하고 탠덤형 태양전지의 효율을 제고하기 위하여 양이온성 금속 원소를 도핑하고, 도핑량 조절한 10 wt% SnO2 및 90 wt% In2O3의 비율을 가지는 ITO 또는 10 wt% ZnO2 및 90 wt% In2O3의 비율을 가지는 IZO가 재결합층의 투명전도성 박막으로 주로 사용되고 있다.
그러나 종래 소개된 해당 비율을 가지는 투명전도성 박막이 재결합층으로 사용되는 탠덤 태양전지의 경우 Shunt 경로가 생성되어 손실이 발생하는 문제가 있으며, 나아가 가시광선의 장파장 영역과 근적외선 영역에서의 자유전하 흡수 현상(free carrier absorption)이 발생하여 광흡수가 증가하기 때문에 광학적 손실을 최소화하는데 한계가 있다.
이에 본 발명은 상기 재결합층(300)인 ITO의 SnO2 및 In2O3를18 ~ 21: 79 ~ 82의 중량비를 가지는 투명전도성 박막으로 형성하여 상술한 문제를 해결하였다.
보다 구체적으로 표 2 및 도 2를 참조하면 상술한 수치범위에 해당하는 투명전도성 박막으로 제작한 실시예 1의 경우, 종래 일반적인 중량비의 투명전도성 박막에 해당하는 비교예 대비 높은 면저항을 가지며, 낮은 전도도와 전자이동도를 가지는 것을 알 수 있다. 또한 표 3 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 수치범위에 해당하는 투명전도성 박막으로 제작한 실시예의 경우, 종래 일반적인 중량비의 투명전도성 박막에 해당하는 비교예 대비 동일한 두께에서 보다 향상된 JSC 및 FF를 가짐을 알 수 있다.
이를 통해 본 발명에 따른 재결합층(300)은 상기 재결합층은 투명전도성 박막인 ITO로, SnO2 및 In2O3가 18 ~ 21: 79 ~ 82의 중량비를 가지도록 구현하는 경우에만 상/하부셀의 물리적/전기적으로 연결하며 전하의 재결합을 수행하는 탠덤형 태양전지의 재결합층으로서의 역할을 효율적으로 수행할 수 있음을 알 수 있다.
이때 만일 이때 상기 재결합층(300)인 ITO의 SnO2 및 In2O3의 중량비로 SnO2이 18 중량비 미만으로 포함되거나 21 중량비를 초과하여 포함된 투명전도성 박막을 탠덤형 태양전지의 재결합층(300)으로 사용하는 경우 재결합층(300)의 캐리어 농도와 전자이동도가 크게 감소하여 하부셀에서 생성된 전자를 이동시키는데 어려움이 있어 재결합층으로서의 역할을 효율적으로 수행할 수 없는 문제가 있을 수 있다.
한편, 상기 재결합층(300)을 형성하는 투명전도성 박막의 두께는 5 내지 50 nm를 가질 수 있고 보다 바람직하게는 10 nm 내지 30 nm 두께를 가질 수 있다. 상기 재결합층(300)을 형성하는 투명전도성 박막의 두께가 50 nm를 초과하는 경우 기생 흡수 증가로 인한 전류 손실이 발생하고 수평 저항 감소로 shunt path로 인한 효율 감소가 야기되는 문제가 있을 수 있다. 또한 만일 상기 재결합층(300)을 형성하는 투명전도성 박막의 두께가 5 nm 미만일 경우에는 전자이동 제한으로 인한 재결합 감소 및 효율 감소가 야기될 수 있다.
또한, 상기 재결합층(300)을 형성하는 투명전도성 박막의 면저항은 50 ohm/sq 내지 1 Mohm/sq 인 것을 특징으로 할 수 있으며 바람직하게는 100 ohm/sq 이상일 수 있다. 이때 만일 상기 재결합층(300)을 형성하는 투명전도성 박막의 면저항이 50 ohm/sq 미만일 경우 상기 도 2 및 하기 표 1을 통해 알 수 있듯이 수평저항 감소로 인한 shunt path 증가로 효율 감소가 야기될 수 있다. 한편, 박막의 면저항이 1 Mohm/sq를 초과하는 경우 수직방향으로의 전기전도도가 현저히 줄어들게 되면 전자이동이 제한되어 재결합 감소 및 효율 감소가 야기될 수 있다.
즉 본 발명은 위와 같은 특정 중량비를 가지는 투명전도성 박막으로 탠덤형 태양전지의 재결합층(300)을 구현함에 따라 600 1/ohmㆍcm 내지 1200 1/ohmㆍcm의 전기전도도, 보다 바람직하게는 700 1/ohmㆍcm 내지 1100 1/ohmㆍcm의 낮은 전기전도도를 가지는 투명전도성 박막을 제조할 수 있다. 이와 같은 낮은 전기전도도의 효과로 본 발명은 60 cm3/Vs 내지 120 cm3/Vs의 전자이동도, 보다 바람직하게는 70 cm3/Vs 내지 110 cm3/Vs 낮은 전자이동도를 가지는 투명전도성 박막을 구현함으로써 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
이를 통해 본 발명은 수평저항을 증가시켜 Shunt path로 인한 효율 감소를 최소화할 수 있고, 또한 전자의 이동 제한으로 인한 재결합 감소 및 효율 저하를 방지할 수 있으며, 단파장대에서 낮은 흡수도를 나타낼 수 있어서 탠덤형 태양전지의 전류값 향상을 기대할 수 있어서 탠덤형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 재결합층(300)을 하부 n++ 에미터 층 위에 20wt% SnO2 :80wt% In2O3 ITO 박막을 증착하여 상/하부 소자를 전기적으로 연결시켜 제작한 TOP Perc/페로브스카이트 텐덤 소자의 경우, 기존의 구조인 10wt% SnO2 :90wt% In2O3 ITO 박막을 재결합층으로 적용한 구조에 비해, 동일한 두께에서 보다 향상된 JSC 및 FF를 가짐을 알 수 있다.
다음, 상기 페로브스카이트 상부셀(400)은 상기 실리콘 하부셀(200)과 접하는 상부 셀로서, 상술한 재결합충(300) 상부에 순차적으로 페로브스카이트 흡수층(410), 전자 전달층(420) 및 투명 전도성 산화물 전극층(430)이 적층될 수 있다.
상기 페로브스카이트 흡수층(410)은 태양으로부터 빛 에너지를 받아 발생한 정공-전자쌍이 전자 또는 정공으로 분리될 수 있도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 페로브스카이트 흡수층(410)에서 형성된 전자는 전자 전달층(420)으로 전달되며, 페로브스카이트 흡수층(410)에서 형성된 정공은 정공 수송층으로 전달될 수 있다.
이때, 페로브스카이트 흡수층(410)은 요오드화메틸암모늄(Methyl Ammonium Iodide, MAI), 요오드화포름아미디늄(Formamidinium Iodide, FAI)과 같은 유기 할라이드 페로브스카이트 또는 요오드화납(PbI2), 요오드화브롬(PbBr) 및 염화납(PbCl2)과 같은 금속 할라이드 페로브스카이트를 포함할 수 있다. 즉, 페로브스카이트 흡수층 (410)은 유기 할라이드 페로브스카이트 또는 금속 할라이드 페로브스카이트 중 적어도 하나 이상을 포함하는 다층 적층구조일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 페로브스카이트 흡수층(410)은 AMX3(여기서, A는 1가의 유기 암모늄 양이온 또는 금속 양이온; M은 2 가의 금속 양이온; X는 할로겐 음이온을 의미한다)으로 표시될 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로는 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbIxCl3-x, CH3NH3PbIxBr3-x, CH3NH3PbClxBr3-x, HC(NH2)2PbI3, HC(NH2)2PbIxCl3-x, HC(NH2)2PbIxBr3-x, HC(NH2)2PbClxBr3-x, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbI3, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbIxCl3-x, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbIxBr3-x, 또는 (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbClxBr3-x 등이 사용될 수 있다(0=x, y=1).
상기 전자 전달층(420)은 페로브스카이트 흡수층(410)에서 형성된 전자를 분리 및 수송하는 역할을 하며, 본 발명의 목적에 부합하는 한 공지의 통상적인 물질로 형성될 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로 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 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 탠덤형 태양전지 소자에 대하여 설명하였으나, 이는 예시에 불과할 뿐이며 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 추가적인 적층 구조를 더 포함할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
실시예 1 - 탠덤형 태양전지 소자의 제조
하부 태양전지는 한화큐셀에서 제작되고 있는 하부 패시베이션 층과 하부전극이 형성되어있는 p 형 불순물이 도핑된 실리콘 기판에 POCl 공정을 통해 n++ 에미터 층을 형성시킨 PERC 구조의 셀을 사용하였다. 다음으로, n++ 에미터 층 상부에 재결합층으로 스퍼터 장비를 통해 ITO(Indium Tin Oxide)층을 50nm 두께로 형성시켰다.
이후 상기 n++ 에미터 층 위에 20 wt% SnO2 : 80 wt% In2O3 ITO 박막을 증착하여 상/하부 소자를 전기적으로 연결시키는 재결합층을 20 nm의 두께로 형성하였다. 이후, NiOx를 E-beam 증착 방법으로 고진공 조건에서수행하여 정공전달층으로 형성한후, 정공전달층 상부에 스퍼터 장비를 통해 투명전극층으로 IZO(Indium doped Zinc Oxide)를 100nm 두께로 형성시켰다. 다음으로, 투명전극층 상부에 은(Ag)을 고진공 조건에서 열증착기를 통해 200nm 두께로 형성시켜 TOPPerc/페로브스카이트 텐덤 소자를 제조하였다.
이때 20:80 SnO2/In2O3 ITO 박막의 경우 형성 분위기 및 형성 방법, 후처리 방법에 따라 18wt% 내지 21wt% Sn/In 비율을 가질 수 있다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 종래 일반적인 수치범위인 10 wt% SnO2 : 90 wt% In2O3 ITO 으로 박막을 증착하여 상/하부 소자를 전기적으로 연결시키는 재결합층을 20 nm의 두께로 형성한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 TOPPerc/페로브스카이트 텐덤 소자를 제조하였다
실험예 1- 투명전도성 박막 특성 평가
상기 실시예 1 및 2의 재결합층에 대하여 XPS 분석장비를 통해 박막 조성비를 평가하고 하기 표 1에 나타내었다.
하기 표 1를 참조하면 본 발명에 따른 실시예 1에 따른 20:80 SnO2/In2O3 ITO 박막의 경우 박막의 형성 분위기 및 형성 방법, 후처리 방법에 따라 18 wt% 내지 21 wt% Sn/In 비율을 가질 수 있음을 알 수 있다.
실험예 2 - 투명전도성 박막 특성 평가
상기 실시예 1 및 비교예에 대하여 박막 특성을 평가하고 하기 표 2 및 도 2에 나타내었다(도 2의 세로축 n은 굴절율을 의미하고, k는 흡광계수를 의미한다).
하기 표 2 및 도 2를 참조하면 본 발명의 바람직한 수치범위에 해당하는 투명전도성 박막으로 제작한 실시예 1의 경우, 종래 일반적인 중량비의 투명전도성 박막에 해당하는 비교예 대비 높은 면저항을 가지며, 낮은 전도도와 전자이동도를 가지는 것을 알 수 있다.
실험예 3 - 태양전지 효율 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 탠덤형 태양전지 소자에 대하여 솔라시뮬레이터 장비를 이용하여 AM1.5G 광조건에서의 광전 효율을 측정하고 이를 하기 표 3 및 도 3에 나타내었다.
하기 표 3 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 수치범위에 해당하는 투명전도성 박막으로 제작한 실시예의 경우, 종래 일반적인 중량비의 투명전도성 박막에 해당하는 비교예 대비 동일한 두께에서 보다 향상된 JSC 및 FF를 가짐을 알 수 있다.
이와 같은 결과를 종합하면, 본 발명은 탠덤형 태양전지의 상/하부셀을 연결하는 재결합층에서 종래 대비 높은 면저항과 낮은 전기전도도 및 낮은 전자이동도를 나타냄으로써 수평저항을 증가시킬 수 있어서 Shunt path로 인한 효율 감소를 최소화할 수 있고, 전자의 이동 제한으로 인한 재결합 감소 및 효율 저하를 방지할 수 있으며, 단파장대에서 낮은 흡수도를 가짐에 따라 탠덤형 태양전지에 적용시 전류값 향상을 기대할 수 있어서 탠덤형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 실리콘 하부셀;
    페로브스카이트 상부셀; 및
    상기 실리콘 하부셀 및 상기 페로브스카이트 상부셀을 연결하는 재결합층; 을 포함하되, 상기 재결합층은 투명전도성 박막인 ITO로, SnO2 및 In2O3가 18 ~ 21: 79 ~ 82의 중량비를 가지는 탠덤형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도성 박막의 두께는 5 내지 50 nm 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도성 박막의 면저항은 50 ohm/sq 내지 1M ohm/sq인 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 하부셀은 Al-BSF, PERC, PERT, PERL 및 TOPCon 구조로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도성 박막은 600 1/ohmㆍcm 내지 1200 1/ohmㆍcm의 전기전도도를 가지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도성 박막은 60 cm3/Vs 내지 120 cm3/Vs의 전자이동도를 가지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
  7. 실리콘 하부셀 상면에 재결합층을 형성하는 제1단계; 및
    상기 재결합층을 통해 상기 실리콘 하부셀과 연결되는 페로브스카이트 상부셀을 형성하는 제2단계; 를 포함하되,
    상기 재결합층은 투명전도성 박막인 ITO로, SnO2 및 In2O3가 18 ~ 21: 79 ~ 82의 중량비를 가지는 탠덤형 태양전지의 제조방법.
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