WO2022220647A1 - 투명도를 고려한 박막 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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WO2022220647A1
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layer
solar cell
film solar
thin film
transparency
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PCT/KR2022/005483
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전용석
강윤묵
이찬용
김승규
고종원
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고려대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a thin film solar cell in consideration of transparency and a method for manufacturing the same.
  • the present invention is a new and renewable energy core technology development (R & D) by the Ministry of Trade, Industry and Energy (task number: 1415169068, research management institution: Korea Energy Technology Evaluation and Planning Institute, research task name: transparent solar cell platform development with easy expansion, host organization: It is derived from research conducted as part of Korea University Industry-University Cooperation Foundation, research period: 2020.06.01 ⁇ 2021.05.31, contribution rate: 1/2).
  • the present invention is a personal basic research (Ministry of Science and ICT) (R & D) (Project No.: 1711120716, Research Management Specialized Institution: National Research Foundation of Korea, Research Project Name: Si/Perovskite Heterojunction Solar Cell) of the Ministry of Science and ICT It is derived from research conducted as part of the manufacturing and analysis of the intermediate interfacial layer for
  • a device that converts the energy of photons generated from the sun into electrical energy through the photoelectric effect is called a solar cell, and the core material of the solar cell is a light absorption layer that exhibits the photoelectric effect.
  • indium gallium selenide CdTe (cadmium telluride), group III-V element composite material, photoactive organic material, perovskite, and the like.
  • a perovskite solar cell using perovskite as a material for the light absorption layer is a type of thin film solar cell and has translucent and lightweight characteristics. It can replace windows, automobile glass, etc. of buildings that require it, and because it contains flexible properties, it can also be used as a power source for wearable devices.
  • etching is a process for removing a desired portion of a surface and can be broadly classified into physical etching and chemical etching. Specifically, chemical etching is divided into wet etching, which etches the surface isotropically, and dry etching, which etches anisotropically.
  • a thin film solar cell considering transparency based on dry etching using plasma, RIE, etc. To provide a manufacturing method.
  • Embodiments of the present invention are proposed to solve the above problems, and it is intended to provide a thin film solar cell in consideration of transparency that allows free selection of the area of the light absorption layer, and simultaneously secures power generation efficiency and transmittance, and a method for manufacturing the same. .
  • a thin film solar cell in consideration of transparency includes: a plurality of first electrode layers disposed on the substrate to have a predetermined pattern spaced apart from each other on the substrate; a lower layer disposed under the first electrode layer; an upper layer disposed between the first electrode layer and the lower layer and formed on the upper surface of the lower layer through a dry etching process using the first electrode layer as a mask; and a barrier layer disposed on an upper surface of the lower layer except for an area in which the upper layer is formed.
  • the thin film solar cell in consideration of transparency according to the present invention may further include a passivation layer for protecting the upper layer and the barrier layer from external environments and blocking leakage current.
  • the upper layer includes a hole transport layer and a light absorption layer
  • the bottom layer includes the substrate, the second electrode layer and the electron transport layer, wherein the light absorption layer is ABX3 (wherein, A is methylammonium (CH3NH3+), formamidinium (NH2CHNH2+) or cesium (Cs), B represents Pb or Sn, and X represents I, Br or Cl).
  • the first electrode layer is, FTO (Fluorine-doped Tin Oxide), ITO (Indium TiN Oxide), AZO (Aluminum-doped Zinc Oxide), IZO (Indium-doped Zinc Oxide), MoO3, WOX, Carbon Nano (CNT) Tube), Au, Ag, Cu, Si, GaN, ZnO, SiO2 and may include any one electrode material selected from the group consisting of TiO2.
  • the electrode material has any one structure selected from the group consisting of microrods, nanorods, microwires, and nanowires having a length longer than a width.
  • the preset pattern may include: a first pattern having a structure in which a plurality of first electrode layers having a length longer than a width are arranged to have a constant distance from each other; a second pattern having a structure in which a first electrode layer is arranged to have a mesh network shape on the barrier layer; and a third pattern having a structure in which the first electrode layer and the barrier layer cross each other to form a lattice pattern.
  • the upper layer is formed to have an inclined surface by adjusting an angle between the lower layer and the ground during the dry etching process, and the angle of the inclined inclined surface is greater than -90° and smaller than 90°.
  • the barrier layer is formed during the dry etching process, and includes an inorganic material of any one or more of PbI2, PbOX, PbBr2, SnI2 and SnBr2, which is a decomposition product of the light absorption layer, and is formed by contact between the hole transport layer and the electron transport layer. It is possible to suppress the leakage current by preventing the formation of a shunt path due to the shunt path.
  • the color of the barrier layer is controlled according to the mixing ratio (I/Br) of I and Br in the composition of the light absorption layer.
  • the passivation layer may further include a plurality of light-scattering particles.
  • the LED light emitting body is disposed on the lower outer surface of the substrate.
  • the thin film solar cell and its manufacturing method in consideration of transparency have the effect of being able to freely select the area of the light absorption layer, and to secure power generation efficiency and transmittance at the same time.
  • FIGS. 1A to 1D are conceptual views for explaining the structure and manufacturing process of a thin film solar cell in consideration of transparency according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the structure of a thin film solar cell in consideration of transparency according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the structure of a thin film solar cell in consideration of transparency according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a view showing an electrode formed in a first pattern in the thin film solar cell considering transparency of the present invention
  • FIG. 4B is a view showing an electrode formed in a second pattern in the thin film solar cell considering transparency of the present invention
  • FIG. 4C is a view showing the electrode formed in the third pattern in the thin film solar cell considering the transparency of the present invention
  • Figure 4d is a view showing the electrode formed in the fourth pattern in the thin film solar cell considering the transparency of the present invention
  • Figure 4e is this It is a view showing an electrode formed in a fifth pattern in the thin film solar cell considering the transparency of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a thin film solar cell in consideration of transparency according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a photograph showing the thin film solar cell manufactured according to Comparative Example 1
  • FIG. 6B is a photograph showing the thin film solar cell manufactured according to Example 1.
  • FIG. 7a is an SEM image showing the surface and cross-section of the thin film solar cell prepared according to Comparative Example 1
  • FIG. 7b is an SEM image showing the surface and cross-section of the thin film solar cell prepared according to Example 1
  • FIG. 7c is the embodiment It is an SEM image showing the cross section of the non-etched region ('B' in FIG. 7B) of the thin film solar cell manufactured according to Example 1.
  • Example 8 is a graph showing the difference in transmittance between Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
  • the present invention relates to a thin film solar cell, and specifically, the thin film solar cell includes a group III-V element composite material layer such as a copper indium gallium selenide (CIGS) layer, a cadmium telluride (CdTe) layer, and gallium arsenide (GaAs); It is a thin film solar cell including any one layer selected from a photoactive organic layer and a perovskite layer and a combination thereof, and more specifically, among the materials attracting attention as a perovskite thin film solar cell material of the ABX 3 type, A Methylammonium (MA, formamidinium (FA or cesium (Cs) containing organic cations and metal cations) at site, lead-tin (Pb-Sn) mixed metal cations at site B, iodine- at site C
  • MA Methylammonium
  • FA formamidinium
  • Cs cesium
  • Pb-Sn lead-tin
  • the present invention relates to a thin film solar cell and a method for manufacturing the same by changing the structure of the light absorption layer by applying a simplified etching process, so that the selection of the area of the light absorption layer is free and transparency that can secure power generation efficiency and transmittance at the same time.
  • the conventional thin film solar cell using materials such as CIGS, CdTe, and perovskite with translucent properties improves transparency by adjusting the thickness or chemical composition of the light absorption layer, light transmittance and light It is possible to overcome the fact that the actual use value decreases due to the complementary relationship of the conversion efficiency.
  • the present invention improves light transmittance through vertical structuring of the electrode, hole transport layer, and light absorption layer of a thin film solar cell, while efficiently controlling light absorption and photocharge transfer to provide excellent transparency and light conversion characteristics. did.
  • FIG. 1A to 1D are conceptual diagrams for explaining the structure and manufacturing process of a thin film solar cell in consideration of transparency according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a thin film solar cell in consideration of transparency according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the structure of a thin film solar cell considering transparency according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 4A is a first in the thin film solar cell considering transparency of the present invention It is a view showing an electrode formed in a pattern
  • FIG. 4b is a view showing an electrode formed in a second pattern in the thin film solar cell considering the transparency of the present invention
  • FIG. 4C is a third pattern in the thin film solar cell considering the transparency of the present invention It is a view showing the formed electrode
  • FIG. 4D is a view showing the electrode formed in the fourth pattern in the thin film solar cell considering the transparency of the present invention
  • FIG. 4E is the electrode formed in the fifth pattern in the thin film solar cell considering the transparency of the present invention is a diagram showing
  • FIGS. 1C and 1D are conceptual views for explaining the structure and manufacturing process of a thin film solar cell in consideration of transparency according to an embodiment of the present invention.
  • 1A is a view showing a thin film solar cell prepared in advance
  • FIG. 1B is a view showing a thin film solar cell in which an electrode is etched
  • FIGS. 1C and 1D are views showing a thin film solar cell in consideration of transparency of the present invention.
  • the lower layer 200 consisting of a glass substrate 230 , a second electrode layer 220 , and an electron transport layer 210 .
  • the light absorption layer 320, the upper layer 300 consisting of the hole transport layer 310, and the first electrode layer 100 may be prepared in sequence
  • the thin film solar cell is a solution process and It is prepared by a deposition process using vacuum equipment, etc.
  • a second electrode layer 220 is formed on a glass substrate 230 , a first electrode layer 100 is formed on the second electrode layer 220 , and the first electrode layer 100 is formed on an upper portion of the second electrode layer 220 .
  • the second electrode layer 220 has a structure in which the light absorption layer 320 is formed.
  • the first electrode layer 100 and the second electrode layer 220 may generate electricity as electrons and holes generated by sunlight absorbed by the light absorption layer 320 are collected.
  • holes are collected in the first electrode layer 100 and electrons are collected in the second electrode layer 220 , so that each electrode may have opposite polarities.
  • the first electrode layer 100 and the second electrode layer 220 may include a metal electrode, an oxide-based transparent electrode, and the like.
  • the first electrode layer 100 is a fluorine-doped tin oxide (FTO).
  • FTO fluorine-doped tin oxide
  • ITO Indium TiN Oxide
  • AZO Alluminum-doped Zinc Oxide
  • IZO Indium-doped Zinc Oxide
  • MoO 3 WO X
  • CNT Carbon Nano Tube
  • Au Ag, Cu, Si, GaN, ZnO , SiO 2 and TiO 2
  • a metal electrode comprising any one electrode material selected from the group consisting of and combinations thereof, wherein the second electrode layer 220 is indium-tinoxide (ITO) or fluorine-doped tin oxide (FTO). ) and the like may be a transparent electrode implemented.
  • the light absorption layer 320 is a thin film type photoactive material layer having a single-layer or multi-layer structure, and specifically, a group III-V element composite such as a copper indium gallium selenide (CIGS) layer, a cadmium telluride (CdTe) layer, and gallium arsenide (GaAs). It includes any one layer selected from a material layer, a photoactive organic layer, and a perovskite layer, and a combination thereof.
  • CIGS copper indium gallium selenide
  • CdTe cadmium telluride
  • GaAs gallium arsenide
  • the light absorption layer 320 of the thin film solar cell is a perovskite layer, and a hole transport layer 310 and an electron transport layer 210 are formed on the upper and lower surfaces of the light absorption layer 320, respectively. can be placed.
  • the thickness of the light absorption layer 320 , the hole transport layer 310 , and the electron transport layer 210 may be formed on a micrometer or nanometer scale.
  • the substrate 230 may be used without limitation as long as it is a material having physical properties capable of supporting the thin film solar cell structure, such as a metal or a polymer, and is preferably formed of a transparent material so that sunlight can pass therethrough.
  • the substrate 230 may use various materials such as glass, silicon, plastic, paper, ceramic, etc. depending on the purpose, and in the present invention, it is implemented as a glass substrate.
  • the thickness of the solar cell excluding the substrate 230 may be 10 ⁇ m or less.
  • the thin film solar cell in consideration of transparency is composed of a first electrode layer 100, a lower layer 200, an upper layer 300, and a barrier layer 400. .
  • the lower layer 200 includes an electron transport layer 210 , a second electrode layer 220 and a substrate 230
  • the upper layer 300 includes a hole transport layer 310 and a light absorption layer 320 . consist of.
  • a plurality of first electrode layers 100 are disposed on a substrate to have a predetermined pattern spaced apart from each other on the substrate.
  • the first electrode layer 100 may be patterned through general wet etching and dry etching processes such as mask formation, etching, and mask removal.
  • the first electrode layer 100 is FTO (Fluorine-doped Tin Oxide), ITO (Indium TiN Oxide), AZO (Aluminum-doped Zinc Oxide), IZO (Indium-doped Zinc Oxide), MoO 3 , WO X, It may include any one electrode material selected from the group consisting of CNT (Carbon Nano Tube), Au, Ag, Cu, Si, GaN, ZnO, SiO 2 and TiO 2 .
  • CNT Carbon Nano Tube
  • the electrode material may have any one structure selected from the group consisting of nano-sized microrods, nanorods, microwires, and nanowires having a length longer than a width.
  • the preset pattern may be divided into first to fifth patterns, and in FIGS. 4A to 4E ), the first pattern, the second pattern, the third pattern, and the second pattern The 4th pattern and the 5th pattern are shown respectively.
  • the preset pattern has a first pattern in which a plurality of first electrode layers 100 having a length longer than a width are arranged to have a constant distance from each other and a mesh network form on the barrier layer 400 . It can be divided into a second pattern having a structure in which the first electrode layer 100 is arranged in such a manner that the first electrode layer 100 and the barrier layer 400 are intersected with each other to form a lattice pattern and arranged in a third pattern. .
  • the preset pattern has a length longer than a plurality of widths and a curved first electrode layer 100 having a structure in which the first electrode layer 100 is disorderly arranged, and a first electrode layer 100 having a length longer than a plurality of widths and a straight line. It may further include a structure arranged in a disorderly manner.
  • the lower layer 200 is disposed under the first electrode layer 100 .
  • the lower layer 200 is composed of an electron transport layer 210, a second electrode layer 220, and a substrate 230, the electron transport layer 210 collects the electrons generated in the light absorption layer 320, As a layer for moving to the second electrode layer 220, it may be implemented with any one material selected from Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM), TiO 2 , SnO 2 and ZnO, and the substrate 230 is It is implemented with a glass substrate.
  • PCBM Phenyl-C61-butyric acid methyl ester
  • the lower layer 200 is preferably implemented with TiO 2 .
  • the upper layer 300 is disposed between the first electrode layer 100 and the lower layer 200, using the first electrode layer 100 as a mask through a dry etching process to the lower layer 200 ) is formed on the upper surface of
  • the dry etching process of the upper layer 300 may be performed by a physical or chemical etching method, and typically plasma, ion, and reactive ion etching (RIE) may be used.
  • RIE reactive ion etching
  • the upper layer 300 is formed perpendicular to the lower layer 200 by maintaining the lower layer 200 and the ground parallel to each other.
  • the upper layer 300 is inclined by adjusting the angle between the lower layer 200 and the ground. It may be formed to have an inclined surface, and the angle of the inclined inclined surface is greater than -90° and less than 90°.
  • the dry etching process using the O 2 plasma described above in the present invention does not proceed through processes such as general mask formation, etching, and mask removal, and the first electrode layer 100 performs the role of the mask and the role of the electrode. Since it can be performed at the same time, the mask formation and removal process is not required, so the overall etching process can be simplified.
  • the upper layer 300 is composed of a hole transport layer 310 and a light absorption layer 320, the hole transport layer 310 collects the holes generated in the light absorption layer 320 to the first electrode layer (100)
  • the hole transport layer 310 collects the holes generated in the light absorption layer 320 to the first electrode layer (100)
  • it was implemented with any one material selected from spiro-OMeTAD, P3HT, and PTAA.
  • the hole transport layer 310 is preferably implemented with spiro-OMeTAD.
  • the perovskite material used as the light absorption layer 320 has a molecular structure of ABX 3 , and in the present invention, A is methylammonium (CH 3 NH 3 + ), formamidinium (NH 2 CHNH 2 + ) Alternatively, cesium (Cs) may be used, B may use lead (Pb or tin (Sn)), and as X, a halogen material - bromine (Br), iodine (I) or chlorine (Cl), etc. may be used.
  • the light absorption layer 320 of the present invention may be represented by Formula 1 in which lead (Pb, tin (Sn), iodine (I), bromine (Br), and chlorine (Cl) are combined).
  • A is an organic cation and a metal cation
  • B is a metal element that is lead (Pb, tin (Sn) or a combination thereof
  • X is iodine (I), bromine (Br), chlorine (Cl) or It is a combination of these halogen elements.
  • the light absorption layer 320 is formed between the first electrode layer 100 and the second electrode layer 220 to absorb the transmitted sunlight and convert it into electrical energy, and is implemented as a thin film layer composed of perovskite.
  • the light absorption layer 320 may function as a photoelectric conversion layer that absorbs transmitted sunlight and separates the generated charges into holes and electrons to generate a current.
  • the barrier layer 400 may be disposed on the upper surface of the lower layer 200 , except for the area where the upper layer 300 is formed.
  • the barrier layer 400 is formed during the dry interprocess of the upper layer 200 , and is a decomposition product of the light absorption layer 320 , PbI 2 , PbO X , PbBr 2 , SnI 2 and SnBr 2 Any one or more inorganic substances may be included.
  • the type of inorganic material and the amount of the inorganic material included in the barrier layer 400 may vary according to the composition of the light absorption layer 320 .
  • the color of the barrier layer 400 can be controlled according to the mixing ratio (I/Br) of I and Br in the composition of the light absorption layer 300, and as the mixing ratio increases, the color is yellow, As the mixing ratio decreases, it may be colorless.
  • the barrier layer 400 suppresses leakage current by preventing the formation of a shunt path due to the contact between the hole transport layer 310 and the electron transport layer 210 .
  • the barrier layer 400 of the present invention does not proceed through a process for forming a separate barrier, but is formed simultaneously with the etching of the upper layer 300 during the dry etching process of the upper layer 300 . There is an effect that can simplify the solar cell manufacturing process.
  • barrier layer 400 of the present invention can control the expressed color, it can have an effect that can be implemented with a color required in various industrial fields.
  • FIGS. 1D) and 3 a structure of a thin film solar cell in consideration of transparency according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1D) and 3 .
  • the thin film solar cell in consideration of transparency protects the upper layer 300 and the barrier layer 400 from the external environment and blocks leakage current.
  • a passivation layer 500 may be further included.
  • the passivation layer 500 is formed to be applied to an industrial site by modularizing a single solar cell module by configuring a plurality of thin film solar cells in consideration of transparency according to an embodiment of the present invention.
  • the passivation layer 500 may include a polymer-based material having high light transmittance, such as polydimethysiloxane (PDMS) or polyimide (PI).
  • PDMS polydimethysiloxane
  • PI polyimide
  • the passivation layer 500 further includes a plurality of light scattering particles 700 .
  • the passivation layer 500 may be formed through a resin molding process based on a polymer resin, and a plurality of light scattering particles 700 may be added during the resin molding process.
  • a plurality of light scattering particles 700 can facilitate the transmission of sunlight to the light absorption layer 320, specifically, it directly absorbs ordinary sunlight and then re-emits it, or transmits sunlight to the light absorption layer 320 . It can be reflected in the direction in which it is arranged.
  • the LED light emitting body 600 may be disposed on the lower outer surface of the substrate 200 .
  • the LED light emitting body 600 may be a display device having the shape of a unit device or a panel, and its position and shape may be adjusted according to the pattern of the first electrode layer 100 .
  • the LED light emitting body 600 does not interfere with or distort the visibility of the display even when coupled to the lower side of the thin film solar cell.
  • a plurality of thin-film solar cells in consideration of transparency can be interconnected to expand the overall size in the form of a module or an array, and there is an advantage that a transparent support such as glass can be easily grafted. .
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a thin film solar cell in consideration of transparency according to embodiments of the present invention.
  • an upper layer and an electron transport layer comprising a first electrode layer, a hole transport layer and a light absorption layer, and a lower layer comprising a second electrode layer and a substrate
  • a preparation step (S100) of preparing a thin film solar cell including and a second etching step (S300) of removing a predetermined area of the upper layer and dry etching to form a barrier layer on the upper surface of the lower layer corresponding to the removed predetermined area.
  • the method of manufacturing a thin film solar cell in consideration of transparency protects the etched upper layer and the barrier layer from the external environment, and forms a passivation layer to block leakage current (S400) may further include.
  • the second etching step (S200) further includes the step of adjusting the angle between the lower layer and the ground during the dry etching process so that the etched upper layer has an inclined inclined surface.
  • the modularizing step (S400) may further include adding a plurality of light scattering particles to the passivation layer and forming an LED light emitting body on the lower outer surface of the substrate.
  • Step S100 Prepare a thin film solar cell in which a glass substrate, an ITO electrode layer, a TiO 2 layer, a perovskite layer, a spiro-OMeTAD layer, and an Au electrode layer are sequentially stacked.
  • Step S200 Etched using O 2 plasma so that the plurality of Au electrode layers can be arranged at a constant distance from each other in a form having a length longer than a width.
  • Step S300 Remove predetermined regions of the spiro-OMeTAD layer and the perovskite layer by using the etched Au electrode layer as a mask, and O 2 so that a barrier layer is formed on the top surface of the TiO 2 layer corresponding to the removed predetermined region. Etched using plasma.
  • Example 1 except for steps S200 and S300, all processes were the same.
  • the thin film solar cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were photographed, This is shown in FIG. 6 .
  • FIG. 6A is a photograph showing the thin film solar cell manufactured according to Comparative Example 1
  • FIG. 6B is a photograph showing the thin film solar cell manufactured according to Example 1.
  • Example 1 the process invented for a perovskite thin film solar cell, which is an example of a thin film solar cell, was performed, and as in Comparative Example 1, dry etching was performed using oxygen plasma treatment on the thin film solar cell in which deposition up to the Au electrode was completed. was produced in progress.
  • the barrier layer of FIG. 6B has a relatively high content of I in the mixing ratio of I and Br in the composition of the light absorption layer and is observed to be yellow.
  • FIG. 7a is an SEM image showing the surface and cross-section of the thin film solar cell prepared according to Comparative Example 1
  • FIG. 7b is an SEM image showing the surface and cross-section of the thin film solar cell prepared according to Example 1
  • FIG. 7c is the embodiment It is an SEM image showing the cross section of the non-etched region ('B' in FIG. 7B) of the thin film solar cell manufactured according to Example 1.
  • Comparative Example 1 has a structure in which an ITO electrode layer, a TiO 2 layer, a perovskite layer, a spiro-OMeTAD layer, and an Au electrode layer are sequentially stacked on a glass substrate.
  • Comparative Example 1 is brightly displayed due to the stacked Au electrode layer, considering that the conductive material is brightly expressed in the SEM image characteristics.
  • the SEM image of Example 1 is an etched region that is an etched region using O 2 plasma based on the AA' line, and an etched region that is not etched due to the Au electrode layer is a non-etched region. distinction was confirmed. Specifically, the non-etched region appears bright because the surface is made of a conductive Au electrode layer, and the etched region has a conductive spiro-OMeTAD layer and a perovskite layer removed while a non-conductive barrier layer is removed. It can be seen that it appears dark as it is formed.
  • Example 1 In order to compare the transmittance evaluation of the thin film solar cell manufactured according to the manufacturing method of the thin film solar cell considering the transparency according to the embodiment of the present invention, the transmittance of the thin film solar cell was tested through Example 1 and Comparative Example 1, and the result is shown in FIG. 8 .
  • Example 8 is a graph showing the difference in transmittance between Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
  • Example 1 a significant difference in transmittance between Example 1 and Comparative Example 1 can be confirmed in the visible light wavelength band of 400 to 700 nm. Specifically, in the visible light wavelength band, the transmittance of Example 1 was measured to be 2-3 times higher on average than that of Comparative Example 1, and from these results, by removing some regions of the perovskite layer through etching treatment using O 2 plasma. , it can be seen that the selection of the area of the light absorption layer is free, and power generation efficiency and transmittance can be secured at the same time.
  • the thin film solar cell and its manufacturing method in consideration of transparency according to the embodiments of the present invention have been described as specific embodiments, but this is merely an example, and the present invention is not limited thereto. It should be construed as having the widest scope. A person skilled in the art may implement a pattern of a shape not specified by combining or substituting the disclosed embodiments, but this also does not depart from the scope of the present invention. In addition, those skilled in the art can easily change or modify the disclosed embodiments based on the present specification, and it is clear that such changes or modifications also fall within the scope of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지는 유리기판 상부에 복수개가 상기 유리기판 상에서 서로 이격되어 기 설정된 패턴을 가지도록 배치되는 제 1 전극층; 상기 제 1 전극층 하부에 배치되는 하단층; 상기 제 1 전극층과 상기 하단층 사이에 배치되되, 상기 제 1 전극층을 마스크로 활용하여 건식식각 공정을 통해 상기 하단층의 상면에 형성되는 상단층; 상기 하단층의 상면 중 상기 상단층이 형성된 영역을 제외한 영역에 배치되는 베리어층을 포함한다.

Description

투명도를 고려한 박막 태양전지 및 그 제조방법
발명은 투명도를 고려한 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 산업통상자원부의 신재생에너지핵심기술개발(R＆D)(과제고유번호: 1415169068, 연구관리 전문기관: 한국에너지기술평가원, 연구과제명: 확장이 용이한 투명태양전지 플랫폼 개발, 주관기관: 고려대학교 산학협력단, 연구기간: 2020.06.01 ~ 2021.05.31, 기여율: 1/2)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
또한, 본 발명은 과학기술정보통신부의 개인기초연구(과기정통부)(R＆D)(과제고유번호: 1711120716, 연구관리 전문기관: 한국연구재단, 연구과제명: Si/페로브스카이트 이종접합 태양전지를 위한 중간 계면층 제조 및 분석, 주관기관: 고려대학교 산학협력단, 연구기간: 2020.09.01 ~ 2021.08.31, 기여율: 1/2)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
한편, 본 발명의 모든 측면에서 한국 정부의 재산 이익은 없다.
태양으로부터 생성되는 광자의 에너지를 광전효과를 통해 전기 에너지로 변환하는 소자를 태양전지라 하며, 태양전지의 핵심 소재는 광전효과를 나타내는 광 흡수층이라 할 수 있으며, 그 소재로는 실리콘, CIGS(copper indium gallium selenide), CdTe(cadmium telluride), III-V족 원소 복합소재, 광활성 유기물, 페로브스카이트 등이 있다.
종래의 태양광 발전소 또는 건물부착형 및 건물일체형 태양전지와 같은 통상의 소자의 경우 고투과도 특성을 부여하기 어려운 한계점이 있고, 용도상 반투명한 특성이 필요하지 않으나, 최근 건물의 창호나 자동차의 유리 등을 반투명 특성을 가지는 태양전지로 대체함으로써, 시인성 확보와 전기 에너지 생산과 같은 효과를 동시에 가질 수 있는 기술이 관심받고 있다.
한편, 광흡수층 소재로 페로브스카이트를 사용하는 페로브스카이트 태양전지는 박막 태양전지의 한 종류로 반투명 및 경량의 특성을 갖는데, 본 발명은 상기한 페로브스카이트를 활용하여 반투명 특성을 요구하는 건물의 창호, 자동차 유리 등을 대체할 수 있으며, 플렉서블한 물성을 포함하고 있어 웨어러블 디바이스의 동력원으로도 사용이 가능하다.
또한, 본 발명은 투명성 확보를 위해 식각 공정을 메인 공정으로 사용하며, 식각은 표면의 원하는 부분을 제거하는 공정으로 물리적 식각, 화학적 식각으로 크게 분류될 수 있다. 구체적으로, 화학적 식각은 등방성으로 표면을 식각하는 습식 식각과 비등방성으로 식각하는 건식 식각으로 구분되며, 본 발명의 경우 플라즈마, RIE 등을 사용하는 건식 식각을 기반으로 투명도를 고려한 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 광흡수층 면적의 선택이 자유롭고, 발전효율과 투과성을 동시에 확보할 수 있는 투명도를 고려한 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지는 기판 상부에 복수개가 상기 기판 상에서 서로 이격되어 기 설정된 패턴을 가지도록 배치되는 제 1 전극층; 상기 제 1 전극층 하부에 배치되는 하단층; 상기 제 1 전극층과 상기 하단층 사이에 배치되되, 상기 제 1 전극층을 마스크로 활용하여 건식식각 공정을 통해 상기 하단층의 상면에 형성되는 상단층; 및 상기 하단층의 상면 중 상기 상단층이 형성된 영역을 제외한 영역에 배치되는 베리어층을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지는 상기 상단층과 상기 베리어층을 외부환경으로부터 보호하고, 누설전류를 차단하는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상단층은 정공수송층 및 광흡수층을 포함하고, 상기 하단층은 상기 기판, 제 2 전극층 및 전자수송층을 포함하되, 상기 광흡수층은, ABX3(식 중, A는 메틸암모늄(CH3NH3+), 포름아미디늄(NH2CHNH2+) 또는 세슘(Cs)을 나타내고, B는 Pb 또는 Sn을 나타내고, X는 I, Br 또는 Cl을 나타냄)의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 포함한다.
또한, 상기 제 1 전극층은, FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ITO(Indium TiN Oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide), IZO(Indium-doped Zinc Oxide), MoO3, WOX, CNT(Carbon Nano Tube), Au, Ag, Cu, Si, GaN, ZnO, SiO2 및 TiO2 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전극물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극물질은, 폭보다 길이가 더 긴 마이크로 로드, 나노 로드, 마이크로 와이어 및 나노 와이어로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 구조를 가진다.
또한, 상기 기 설정된 패턴은, 복수개의 폭보다 길이가 더 긴 제 1 전극층이 상호 일정한 거리를 가지도록 배열되는 구조인 제 1 패턴; 상기 베리어층 상부에 메쉬 네트워크 형태를 가지도록 제 1 전극층이 배열되는 구조인 제 2 패턴; 및 상기 제 1 전극층과 상기 베리어층이 상호 교차하여 격자무늬를 이루면서 배열되는 구조인 제 3 패턴을 포함할 수 있다.
또한, 상기 상단층은, 상기 건식식각 공정 시 상기 하단층과 지면이 이루는 각을 조절하여 기울어진 경사면을 가지도록 형성되되, 상기 기울어진 경사면의 각도는 -90° 보다 크고 90° 보다 작다.
또한, 상기 베리어층은, 상기 건식식각 공정 시 형성되되, 상기 광흡수층의 분해 생성물인 PbI2, PbOX, PbBr2, SnI2 및 SnBr2 중 어느 하나 이상의 무기물을 포함하고, 상기 정공수송층과 상기 전자수송층 간의 접촉으로 인한 션트 경로(shunt path) 형성을 방지하여 누설전류를 억제할 수 있다.
또한, 상기 베리어층은, 상기 광흡수층의 조성 중 I와 Br의 혼합비(I/Br)에 따라 발현되는 색이 제어되되, 상기 혼합비가 증가할수록 노란색을 띄고, 상기 혼합비가 감소할수록 무색을 띈다.
또한, 상기 패시베이션층은 복수개의 광산란입자를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판의 하측 외측면에는 LED 발광체가 배치된다.
본 발명의 실시예들에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지 및 그 제조방법은 광흡수층 면적의 선택이 자유롭고, 발전효율과 투과성을 동시에 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 구조 및 제조 공정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4a는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 1 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 2 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이고, 도 4c는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 3 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이고, 도 4d는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 4 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이고, 도 4e는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 5 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6a는 비교예 1에 따라 제조된 박막 태양전지를 나타낸 사진이고, 도 6b는 실시예 1에 따라 제조된 박막 태양전지를 나타낸 사진이다.
도 7a는 비교예 1에 따라 제조된 박막 태양전지의 표면 및 단면을 나타낸 SEM 이미지이고, 도 7b는 실시예 1에 따라 제조된 박막 태양전지의 표면 및 단면을 나타낸 SEM 이미지이고, 도 7c는 실시예 1에 따라 제조된 박막 태양전지의 비식각처리 영역(도 7b의 'B') 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1과 비교예 1의 투과도 차이를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 구성은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로서, 구체적으로, 상기 박막 태양전지는 CIGS(copper indium gallium selenide)층, CdTe(cadmium telluride)층, GaAs(gallium arsenide)와 같은 III-V족 원소 복합소재층, 광활성 유기층 및 페로브스카이트층 중 선택되는 어느 하나의 층 및 이들의 조합을 포함하는 박막 태양전지이며, 더 구체적으로, ABX3 형태의 페로브스카이트 박막 태양전지 재료로 주목받고 있는 물질 중, A site에 메틸암모늄(MA, 포름아미디늄(FA 또는 세슘(Cs)을 포함하는 유기양이온 및 금속양이온을, B site에 납-주석(Pb-Sn) 혼합의 금속양이온을, C site에 요오드-브롬-염소(I-Br-Cl) 혼합의 할로겐원소를 조합한 페로브스카이트 계열의 박막 태양전지를 제안한다.
또한, 본 발명은 간소화된 식각 공정을 적용하여 광흡수층의 구조를 변경함으로써, 광흡수층 면적의 선택이 자유롭고 발전효율과 투과성을 동시에 확보할 수 있는 투명도를 고려한 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 종래의 반투명 특성을 가진 CIGS, CdTe, 페로브스카이트 등의 소재를 사용하는 박막 태양전지가 광흡수층의 두께 또는 화학적 조성을 조절하여 투명도를 향상시킴에 따라 발생하는 문제점인 광투과도와 광전환 효율의 상보적 관계로 인하여 실질적 사용 가치가 떨어지는 점을 극복할 수 있다.
즉, 본 발명은 박막 태양전지의 전극, 정공수송층, 광흡수층의 수직 구조화를 통해 광투성을 향상시키면서도 효율적으로 광흡수와 광전하 전달을 제어하여 우수한 투명성과 광전환 특성을 부여할 수 있음을 확인하였다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 구조 및 제조 공정을 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 구조를 설명하기 위한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 구조를 설명하기 위한 개념도이고, 도 4a는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 1 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 2 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이고, 도 4c는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 3 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이고, 도 4d는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 4 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이고, 도 4e는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 제 5 패턴으로 형성된 전극을 나타낸 도면이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 구조 및 제조 공정을 설명하기 위한 개념도이다. 도 1a는 미리 준비된 박막 태양전지를 나타낸 도면이고, 도 1b는 전극을 식각처리한 박막 태양전지를 나타낸 도면이고, 도 1c 및 도 1d는 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 투명도를 고려한 박막 태양전지의 제조 공정을 진행하기 위하여 유리기판(230), 제 2 전극층(220), 전자수송층(210)으로 이루어진 하단층(200), 광흡수층(320), 정공수송층(310)으로 이루어진 상단층(300), 및 제 1 전극층(100)이 순차적으로 적층된 박막 태양전지가 준비될 수 있으며, 상기 박막 태양전지는 용액 공정 및 진공장비를 활용한 증착공정 등으로 준비된다.
구체적으로, 상기 박막 태양전지는 유리기판(230) 상부에 제 2 전극층(220)이 형성되며, 상기 제 2 전극층(220) 상부에 제 1 전극층(100)이 형성되고, 상기 제 1 전극층(100)과 상기 제 2 전극층(220) 사이에 광흡수층(320)이 형성되는 구조를 가진다.
제 1 전극층(100) 및 제 2 전극층(220)은 광흡수층(320)에서 흡수된 태양광에 의해 생성된 전자 및 정공이 수집됨에 따라 전기를 생성할 수 있다.
구체적으로, 제 1 전극층(100)에는 정공이 수집되고 제 2 전극층(220)에는 전자가 수집되어 각 전극이 서로 반대의 극성을 가질 수 있다.
상기 제 1 전극층(100)과 상기 제 2 전극층(220)은 금속전극, 산화물 계열의 투명전극 등을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 상기 제 1 전극층(100)은 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ITO(Indium TiN Oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide), IZO(Indium-doped Zinc Oxide), MoO3, WOX, CNT(Carbon Nano Tube), Au, Ag, Cu, Si, GaN, ZnO, SiO2 및 TiO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전극물질을 포함하는 금속전극이며, 상기 제 2 전극층(220)은 ITO(indium-tinoxide) 또는 FTO(fluorine-doped tin oxide) 등으로 구현되는 투명전극일 수 있다.
광흡수층(320)은 단일층 또는 다층 구조의 박막형 광활성 소재층이며, 구체적으로, CIGS(copper indium gallium selenide)층, CdTe(cadmium telluride)층, GaAs(gallium arsenide)와 같은 III-V족 원소 복합소재층, 광활성 유기층 및 페로브스카이트층 중 선택되는 어느 하나의 층 및 이들의 조합을 포함한다.
더하여, 본 발명에 있어서 상기 박막 태양전지의 광흡수층(320)은 페로브스카이트층인 것이 바람직하며, 상기 광흡수층(320)의 상면과 하면에 각각 정공수송층(310)과 전자수송층(210)이 배치될 수 있다. 이 때, 광흡수층(320)과 정공수송층(310) 및 전자수송층(210)의 두께는 마이크로미터 또는 나노미터 스케일로 형성될 수 있다.
기판(230)은 금속, 고분자 등 박막 태양전지 구조를 지지할 수 있는 물성을 갖는 소재이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 태양광이 투과할 수 있도록 투명한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 기판(230)은 용도에 따라 유리, 실리콘, 플라스틱, 종이, 세라믹 등의 다양한 소재를 사용할 수 있으며 본 발명에서는 유리 기판으로 구현하였다.
또한, 상기 박막 태양전지에서 기판(230)을 제외한 태양전지의 두께는 10 ㎛ 이하일 수 있다.
도 1b 및 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지는 제 1 전극층(100), 하단층(200), 상단층(300) 및 베리어층(400)으로 구성된다.
앞서 설명한 바와 같이, 하단층(200)은 전자수송층(210), 제 2 전극층(220) 및 기판(230)으로 이루어져 있으며, 상단층(300)은 정공수송층(310) 및 광흡수층(320)으로 이루어져 있다.
먼저, 제 1 전극층(100)은 기판 상부에 복수개가 기판 상에서 서로 이격되어 기 설정된 패턴을 가지도록 배치된다.
이 때, 상기 제 1 전극층(100)은 mask 형성, 식각, mask 제거와 같은 일반적인 습식식각 및 건식식각 공정을 통해 패턴화될 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극층(100)은 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ITO(Indium TiN Oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide), IZO(Indium-doped Zinc Oxide), MoO3, WOX, CNT(Carbon Nano Tube), Au, Ag, Cu, Si, GaN, ZnO, SiO2 및 TiO2 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전극물질을 포함할 수 있다.
더하여, 다른 실시예에 있어서, 상기 전극물질은, 폭보다 길이가 더 긴 나노 사이즈의 마이크로 로드, 나노 로드, 마이크로 와이어 및 나노 와이어로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
더하여, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 기 설정된 패턴은 제 1 내지 제 5 패턴으로 구분될 수 있으며, 도 4a 내지 도 4e)에 제 1 패턴, 제 2 패턴, 제 3 패턴, 제 4 패턴 및 제 5 패턴을 각각 도시하였다.
구체적으로, 상기 기 설정된 패턴은 복수개의 폭보다 길이가 더 긴 제 1 전극층(100)이 상호 일정한 거리를 가지도록 배열되는 구조인 제 1 패턴과 상기 베리어층(400) 상부에 메쉬 네트워크 형태를 가지도록 제 1 전극층(100)이 배열되는 구조인 제 2 패턴과 상기 제 1 전극층(100)과 상기 베리어층(400)이 상호 교차하여 격자무늬를 이루면서 배열되는 구조인 제 3 패턴으로 구분될 수 있다.
더하여, 상기 기 설정된 패턴은 복수개의 폭보다 길이가 더 길고 곡선형인 제 1 전극층(100)이 무질서하게 배열되는 구조인 제 4 패턴과 복수개의 폭보다 길이가 더 길고 직선형인 제 1 전극층(100)이 무질서하게 배열되는 구조를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 하단층(200)은 상기 제 1 전극층(100) 하부에 배치된다.
또한, 상기 하단층(200)은 전자수송층(210), 제 2 전극층(220) 및 기판(230)으로 구성되되, 상기 전자수송층(210)은 광흡수층(320)에서 생성된 전자를 수집하여 제 2 전극층(220)으로 이동시키기 위한 층으로서, PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester), TiO2, SnO2 및 ZnO 중 선택되는 어느 하나의 물질로 구현될 수 있으며, 상기 기판(230)은 유리 기판으로 구현된다.
본 발명에 있어서 상기 하단층(200)은 TiO2로 구현되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상단층(300)은 상기 제 1 전극층(100)과 상기 하단층(200) 사이에 배치되되, 상기 제 1 전극층(100)을 마스크로 활용하여 건식식각 공정을 통해 상기 하단층(200)의 상면에 형성된다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상단층(300)의 건식식각 공정은 물리적 또는 화학적 식각 방식으로 진행될 수 있으며, 대표적으로 플라즈마, 이온 및 RIE(reactive ion etching)를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 O2 플라즈마를 사용한 건식식각 공정 시, 상기 하단층(200)과 지면이 평행하도록 유지하여 상기 상단층(300)이 상기 하단층(200)과 수직하게 형성되도록 한다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 O2 플라즈마를 사용한 건식식각 공정 시, 상기 하단층(200)과 지면이 이루는 각을 조절하여 상기 상단층(300)이 기울어진 경사면을 가지도록 형성될 수 있으며, 상기 기울어진 경사면의 각도는 -90° 보다 크고 90° 보다 작다.
더하여, 본 발명에서 상기한 O2 플라즈마를 사용한 건식식각 공정은 일반적인 mask 형성, 식각, 마스크 제거와 같은 과정을 통해 진행되는 것이 아니며, 상기 제 1 전극층(100)이 mask의 역할과 전극의 역할을 동시에 수행할 수 있으므로 mask 형성 및 제거 공정이 필요치 않아 전체적인 식각공정을 간소화할 수 있다.
또한, 상기 상단층(300)은 정공수송층(310) 및 광흡수층(320)으로 구성되되, 상기 정공수송층(310)은 광흡수층(320)에서 생성된 정공을 수집하여 제 1 전극층(100)으로 이동시키기 위한 층으로서, spiro-OMeTAD, P3HT 및 PTAA 중 선택되는 어느 하나의 물질로 구현하였다.
본 발명에서는 상기 정공수송층(310)은 spiro-OMeTAD로 구현하는 것이 바람직하다.
더하여, 광흡수층(320)으로 사용하는 페로브스카이트 물질은 분자구조가 ABX3 형태이며, 본 발명에서 A는 메틸암모늄(CH3NH3 +), 포름아미디늄(NH2CHNH2 +) 또는 세슘(Cs)을 사용할 수 있고, B는 납(Pb 또는 주석(Sn)을 사용할 수 있으며, X로는 할로겐 물질 - 브롬(Br), 요오드(I) 또는 염소(Cl) 등을 사용할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 광흡수층(320)은 납(Pb과 주석(Sn) 및 요오드(I)와 브롬(Br)과 염소(Cl)가 조합된 화학식 1에 기초하여 표시될 수 있다.
[화학식 1]
ABX3
여기서, 상기 A는 유기양이온 및 금속양이온이고, 상기 B는 납(Pb, 주석(Sn) 또는 이들의 조합인 금속원소이고, 상기 X는 요오드(I), 브롬(Br), 염소(Cl) 또는 이들의 조합인 할로겐원소이다.
더하여, 상기 광흡수층(320)은 제 1 전극층(100) 및 제 2 전극층(220)의 사이에 형성되어 투과된 태양광을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 층으로서, 페로브스카이트로 구성된 박막층으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 광흡수층(320)은 투과된 태양광을 흡수하여 생성된 전하를 정공 및 전자로 분리시켜 전류를 만들어내는 광전변환층으로 기능할 수 있다.
다음으로, 베리어층(400)은 상기 하단층(200)의 상면 중 상기 상단층(300)이 형성된 영역을 제외한 영역에 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 베리어층(400)은 상기 상단층(200)의 건식식간 공정 시 형성되는 것이며, 상기 광흡수층(320)의 분해 생성물인 PbI2, PbOX, PbBr2, SnI2 및 SnBr2 중 어느 하나 이상의 무기물을 포함할 수 있다. 더하여, 상기 베리어층(400)은 상기 광흡수층(320)의 조성에 따라 포함되는 무기물의 종류, 무기물의 양이 달라질 수 있다.
더 구체적으로, 상기 베리어층(400)은 상기 광흡수층(300)의 조성 중 I와 Br의 혼합비(I/Br)에 따라 발현되는 색이 제어될 수 있으며, 상기 혼합비가 증가할수록 노란색을 띄고, 상기 혼합비가 감소할수록 무색을 띌 수 있다.
또한, 상기 베리어층(400)은 상기 정공수송층(310)과 상기 전자수송층(210) 간의 접촉으로 인한 션트 경로(shunt path) 형성을 방지하여 누설전류를 억제한다.
이로써, 본 발명의 상기 베리어층(400)은 별도의 베리어 형성을 위한 공정을 통해 진행되는 것이 아니며, 상기 상단층(300)의 건식식각 공정 시 상단층(300)의 식각과 동시에 형성되는 것이므로 전체적인 태양전지 제조 공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 상기 베리어층(400)은 그 발현되는 색의 제어가 가능하므로, 다양한 산업분야에서 요구하는 색으로 구현이 가능한 효과를 가질 수 있다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 구조를 도 1d)와 도 3을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 1d)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지는 상기 상단층(300)과 상기 베리어층(400)을 외부환경으로부터 보호하고, 누설전류를 차단하는 패시베이션층(500)을 더 포함할 수 있다.
상기 패시베이션층(500)은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지를 복수개로 구성하여 하나의 태양전지 모듈로 모듈화하여 산업현장에 적용하기 위해 형성된다.
또한, 상기 패시베이션층(500)은 polydimethysiloxane(PDMS), polyimide(PI) 등의 광투과성이 높은 고분자 계열 물질을 포함할 수 있다.
더하여, 도 3을 참조하면, 상기 패시베이션층(500)은 복수개의 광산란입자(700)를 더 포함한다.
구체적으로, 상기 패시베이션층(500)은 고분자 수지를 기반으로 수지몰딩 공정을 통해 형성될 수 있으며, 상기 수지몰딩 공정 시 복수개의 광산란입자(700)가 첨가될 수 있다.
이러한, 복수개의 광산란입자(700)는 광흡수층(320)으로 태양광의 전달을 원활하게 할 수 있으며, 구체적으로 통상의 태양광을 직접 흡수한 후 재방출하거나, 태양광을 상기 광흡수층(320)이 배치된 방향으로 반사시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지에서 상기 기판(200)의 하측 외측면에는 LED 발광체(600)가 배치될 수 있다.
상기 LED 발광체(600)는 단위 소자 또는 패널의 형태를 가진 디스플레이 소자일 수 있으며, 제 1 전극층(100)의 패턴에 따라 그 위치와 형태를 조절할 수 있다.
이에 따라, LED 발광체(600)는 박막 태양전지 하측에 결합하여도 디스플레이의 시인성을 방해하거나 왜곡하지 않는다.
이로써, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지는 복수개로 상호 연결되어 모듈 또는 어레이 형태로 전체적인 크기를 확장할 수 있으며, 유리와 같은 투명 지지체를 쉽게 접목할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면 5를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지 제조방법을 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 제조방법은 제 1 전극층, 정공수송층 및 광흡수층으로 이루어진 상단층 및 전자수송층, 제 2 전극층 및 기판으로 이루어진 하단층을 포함하는 박막 태양전지를 준비하는 준비단계(S100), 상기 제 1 전극층이 복수개로 서로 이격되어 기 설정된 패턴을 가지도록 식각하는 제 1 식각단계(S200) 및 식각된 제 1 전극층을 마스크로 활용하여 상기 상단층의 소정 영역을 제거하고, 제거된 소정 영역과 대응되는 하단층의 상면에 베리어층이 형성되도록 건식식각하는 제 2 식각단계(S300)를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 제조방법은 식각된 상단층과 상기 베리어층을 외부환경으로부터 보호하고, 누설전류를 차단하는 패시베이션층을 형성하는 모듈화 단계(S400)를 더 포함할 수 있다.
더하여, 상기 제 2 식각단계(S200)는 상기 건식식각 공정 시 상기 하단층과 지면이 이루는 각을 조절하여 식각된 상단층이 기울어진 경사면을 가지도록 하는 단계를 더 포함한다.
더하여, 상기 모듈화 단계(S400)는 상기 패시베이션층에 복수개의 광산란입자를 첨가하는 단계와 상기 기판의 하측 외측면에 LED 발광체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
<실시예 1> 투명도를 고려한 박막 태양전지의 제조
S100단계: 유리기판, ITO 전극층, TiO2층, 페로브스카이트층, spiro-OMeTAD층 및 Au 전극층이 순차적으로 적층된 박막 태양전지를 준비한다.
S200단계: 복수개의 Au 전극층이 폭보다 길이가 더 긴 형태로 상호 일정한 거리를 가지면서 배열될 수 있도록 O2 플라즈마를 사용하여 식각한다.
S300단계: 식각된 Au 전극층을 마스크로 활용하여 상기 spiro-OMeTAD층과 상기 페로브스카이트층의 소정 영역을 제거하고, 제거된 소정 영역과 대응되는 TiO2층의 상면에 베리어층이 형성되도록 O2 플라즈마를 사용하여 식각한다.
<비교예 1> 박막 태양전지의 제조
상기 실시예 1에서 S200단계 및 S300단계를 제외하고는 모든 공정을 동일하게 수행하였다.
<실험예 1> 박막 태양전지의 거시적 물성 평가
본 발명의 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 제조방법에 따라 제조된 박막 태양전지의 거시적 물성을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 박막 태양전지를 촬영하고, 이를 도 6에 나타내었다.
도 6a는 비교예 1에 따라 제조된 박막 태양전지를 나타낸 사진이고, 도 6b는 실시예 1에 따라 제조된 박막 태양전지를 나타낸 사진이다.
실시예 1은 박막형 태양전지의 일례인 페로브스카이트 박막 태양전지에 발명한 공정을 진행한 것이며, 비교예 1과 같이 Au 전극까지 증착이 완료된 박막 태양전지에 산소 플라즈마 처리를 사용하여 건식식각을 진행하여 제조되었다.
도 6b과 같이, Au 전극이 덮이지 않은 부분이 분해되면서 형성된 PbI2를 포함하는 베리어층과 이를 통해 개선된 반투명 특성을 확인할 수 있다. 또한, 도 6b의 베리어층은 광흡수층의 조성 중 I와 Br의 혼합비에서 I의 함량이 상대적으로 높아 노란색으로 관찰된다.
<실험예 2> 박막 태양전지의 미세조직 평가
본 발명의 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 제조방법에 따라 제조된 박막 태양전지의 미세조직 평가를 비교하기 위하여, 실시예 1과 비교예 1을 통해 박막 태양전지의 표면 및 단면 미세조직을 확인하였고, 이를 도 7에 나타내었다.
도 7a는 비교예 1에 따라 제조된 박막 태양전지의 표면 및 단면을 나타낸 SEM 이미지이고, 도 7b는 실시예 1에 따라 제조된 박막 태양전지의 표면 및 단면을 나타낸 SEM 이미지이고, 도 7c는 실시예 1에 따라 제조된 박막 태양전지의 비식각처리 영역(도 7b의 'B') 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 비교예 1은 유리기판 상에 ITO 전극층, TiO2층, 페로브스카이트층, spiro-OMeTAD층 및 Au 전극층이 순차적으로 적층된 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 1의 표면은 SEM 이미지 특성 상 전도성을 가진 물질이 밝게 표현되는 것을 고려하였을 때, 적층된 Au 전극층으로 인해 밝게 표시된 것을 확인할 수 있다.
도 7b 내지 도 7c를 참조하면, 실시예 1의 SEM 이미지는 A-A' 선을 기준으로 O2 플라즈마를 사용하여 식각된 영역인 식각처리 영역과 Au 전극층으로 인해 식각되지 않은 영역은 비식각처리 영역으로 구분되는 것을 확인하였다. 구체적으로, 상기 비식각처리 영역은 표면이 전도성을 가지는 Au 전극층으로 이루어져 있으므로 밝게 나타나고, 상기 식각처리 영역은 전도성을 가지는 spiro-OMeTAD층 및 페로브스카이트층이 제거되는 동시에 전도성을 가지지 않는 베리어층이 형성되면서 어둡게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3> 박막 태양전지의 투과도 평가
본 발명의 실시예에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지의 제조방법에 따라 제조된 박막 태양전지의 투과도 평가를 비교하기 위하여, 실시예 1과 비교예 1을 통해 박막 태양전지의 투과도를 테스트하고 그 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8은 본 발명의 실시예 1과 비교예 1의 투과도 차이를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 가시광선 파장대인 400~700 nm 에서 실시예 1과 비교예 1의 의미있는 투과도 차이를 확인할 수 있다. 구체적으로, 가시광선 파장대에서는 실시예 1의 투과도가 비교예 1의 보다 평균적으로 2~3배 높게 측정되었으며, 이러한 결과로부터 O2 플라즈마를 사용한 식각처리를 통해 페로브스카이트층의 일부 영역을 제거함으로써, 광흡수층 면적의 선택이 자유롭고, 발전효율과 투과성을 동시에 확보할 수 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들에 따른 투명도를 고려한 박막 태양전지 및 그 제조방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
[부호의 설명]
100: 제 1 전극층
200: 하단층
300: 상단층
400: 베리어층
500: 패시베이션층
600: LED 발광체
700: 광산란입자

Claims (15)

  1. 기판 상부에 복수개가 상기 기판 상에서 서로 이격되어 기 설정된 패턴을 가지도록 배치되는 제 1 전극층;
    상기 제 1 전극층 하부에 배치되는 하단층;
    상기 제 1 전극층과 상기 하단층 사이에 배치되되, 상기 제 1 전극층을 마스크로 활용하여 건식식각 공정을 통해 상기 하단층의 상면에 형성되는 상단층; 및
    상기 하단층의 상면 중 상기 상단층이 형성된 영역을 제외한 영역에 배치되는 베리어층을 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상단층과 상기 베리어층을 외부환경으로부터 보호하고, 누설전류를 차단하는 패시베이션층을 더 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상단층은 정공수송층 및 광흡수층을 포함하고,
    상기 하단층은 상기 기판, 제 2 전극층 및 전자수송층을 포함하되,
    상기 광흡수층은, ABX3(식 중, A는 메틸암모늄(CH3NH3 +), 포름아미디늄(NH2CHNH2 +) 또는 세슘(Cs)을 나타내고, B는 Pb 또는 Sn을 나타내고, X는 I, Br 또는 Cl을 나타냄)의 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질을 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층은,
    FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ITO(Indium TiN Oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide), IZO(Indium-doped Zinc Oxide), MoO3, WOX, CNT(Carbon Nano Tube), Au, Ag, Cu, Si, GaN, ZnO, SiO2 및 TiO2 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전극물질을 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전극물질은,
    폭보다 길이가 더 긴 마이크로 로드, 나노 로드, 마이크로 와이어 및 나노 와이어로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 구조를 가지는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기 설정된 패턴은,
    복수개의 폭보다 길이가 더 긴 제 1 전극층이 상호 일정한 거리를 가지도록 배열되는 구조인 제 1 패턴;
    상기 베리어층 상부에 메쉬 네트워크 형태를 가지도록 제 1 전극층이 배열되는 구조인 제 2 패턴; 및
    상기 제 1 전극층과 상기 베리어층이 상호 교차하여 격자무늬를 이루면서 배열되는 구조인 제 3 패턴을 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상단층은,
    상기 건식식각 공정 시 상기 하단층과 지면이 이루는 각을 조절하여 기울어진 경사면을 가지도록 형성되되,
    상기 기울어진 경사면의 각도는 -90° 보다 크고 90° 보다 작은 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 베리어층은,
    상기 건식식각 공정 시 형성되되, 상기 광흡수층의 분해 생성물인 PbI2, PbOX, PbBr2, SnI2 및 SnBr2 중 어느 하나 이상의 무기물을 포함하고,
    상기 정공수송층과 상기 전자수송층 간의 접촉으로 인한 션트 경로(shunt path) 형성을 방지하여 누설전류를 억제하는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 베리어층은,
    상기 광흡수층의 조성 중 I와 Br의 혼합비(I/Br)에 따라 발현되는 색이 제어되되, 상기 혼합비가 증가할수록 노란색을 띄고, 상기 혼합비가 감소할수록 무색을 띄는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 복수개의 광산란입자를 더 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판의 하측 외측면에는 LED 발광체가 배치되는 투명도를 고려한 박막 태양전지.
  12. 제 1 전극층, 정공수송층 및 광흡수층으로 이루어진 상단층 및 전자수송층, 제 2 전극층 및 기판으로 이루어진 하단층을 포함하는 박막 태양전지를 기반으로 한 투명도를 고려한 박막 태양전지 제조방법에 있어서,
    상기 제 1 전극층이 복수개로 서로 이격되어 기 설정된 패턴을 가지도록 식각하는 제 1 식각단계; 및
    식각된 제 1 전극층을 마스크로 활용하여 상기 상단층의 소정 영역을 제거하고, 제거된 소정 영역과 대응되는 하단층의 상면에 베리어층이 형성되도록 건식식각하는 제 2 식각단계를 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    식각된 상단층과 상기 베리어층을 외부환경으로부터 보호하고, 누설전류를 차단하는 패시베이션층을 형성하는 모듈화 단계를 더 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 식각단계는,
    상기 건식식각 공정 시 상기 하단층과 지면이 이루는 각을 조절하여 식각된 상단층이 기울어진 경사면을 가지도록 하는 단계를 더 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 모듈화 단계는,
    상기 패시베이션층에 복수개의 광산란입자를 첨가하는 단계; 및
    상기 기판의 하측 외측면에 LED 발광체를 형성하는 단계를 더 포함하는 투명도를 고려한 박막 태양전지 제조방법.
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