KR101117127B1 - 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 이용한 탠덤형 태양전지 - Google Patents
비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 이용한 탠덤형 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 이용한 탠덤형 태양전지에 관한 것으로, 서로 다른 밴드갭을 갖는 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 전기적으로 직렬연결된 적층된 형태로 포함하는 본 발명의 탠덤형 태양전지는 보다 광범위한 영역의 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 향상된 개방전압 성능을 나타낼 수 있다.
Description
본 발명은 서로 다른 밴드갭을 갖는 2종의 태양전지, 즉 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 이용함으로써 보다 광범위한 영역의 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 향상된 개방전압 성능을 나타내는 탠덤형 태양전지(tandem solar cell)에 관한 것이다.
실리콘 태양전지는 1954년 미국의 벨 랩(Bell Labs)에서 4.5% 효율의 태양전지를 개발하면서 본격적으로 개발이 시작되었다. 이후 꾸준한 연구를 통하여 1999년에는 실리콘 태양전지 최고 효율인 24.7%를 달성하였다. 실제적인 상업화를 위해서는 실리콘 태양전지의 효율뿐만 아니라 생산단가와 생산성이 중요한 이슈가 되면서, 재료와 공정 비용이 저렴하고 최고 효율 약 10%에 달하는 비정질 박막 실리콘 태양전지의 중요성이 부각되고 있다.
일반적으로 실리콘 태양전지의 종류는 소재의 형태에 따라 기판형과 박막형으로 나뉜다. 기판형 실리콘 태양전지는 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다시 단결정(single-crystalline) 실리콘 태양전지와 다결정 (poly-crystalline) 실리콘 태양전지로 구분된다. 박막형 실리콘 태양전지도 역시 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si:H) 태양전지와 미세결정 실리콘(micro-crystalline silicon, c-Si:H) 태양전지로 구분된다. 결정질 실리콘 기판을 얻기 위해서는 실리콘 웨이퍼를 사용하므로 생산 원가가 높고 공정상 복잡한 단계를 거쳐야 하므로 생산성이 떨어진다. 반면 비정질 실리콘 태양전지는 재료 원가가 저렴하고 연속 대량생산 공정에 적합하므로 실제 상업화를 위한 충분한 잠재성을 가지고 있으며, 이 때문에 많은 기업과 연구소 및 대학에서 연구가 활발히 진행되고 있다.
실리콘 태양전지의 가장 기본적인 구조는 p-n 접합으로 구성된 다이오드 형태이나, 비정질 실리콘 박막의 경우 캐리어의 확산거리 (diffusion length)가 결정질 실리콘 기판에 비해 매우 낮아 p-n 구조로 제조될 경우 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍(electron-hole pairs)의 수집 효율이 낮다. 따라서 비정질 실리콘 태양전지는 도핑이 되지 않은 무첨가(intrinsic, i형) 비정질 실리콘 광흡수층을 p형 비정질 실리콘과 n형 비정질 실리콘층 중간에 삽입한 p-i-n 구조로 제조된다. 일반적인 비정질 실리콘 태양전지의 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1로부터 알 수 있듯이, 비정질 실리콘 태양전지는 일반적으로 유리기판(10) 위에 투명전극층(20), p형 비정질 실리콘층(30), i형 비정질 실리콘층(40), n형 비정질 실리콘층(50) 및 금속전극층(60)으로 구성된다.
한편, 유기 태양전지는 광흡수층으로 유기물을 사용하는 태양전지로서, 실리콘 등의 무기물보다 재료 원가가 값싸고 태양전지 제작과정이 매우 간소하여 생산 단가를 현저히 낮출 수 있다. 유기 태양전지(organic solar cell)는 전자주개(electron donor) 특성과 전자받개(electron acceptor) 특성을 갖는 유기물들로 구성되는 것을 특징으로 한다. 작동원리는 빛에너지가 유기물로 이루어진 광활성층에 입사되면 전자가 여기(excite)되고, 여기된 전자와 여기된 자리에 남아있는 홀(hole)이 정전기적으로 약하게 결합되어 서로 쌍을 이루는 엑시톤(exciton)이 생성된다. 태양빛을 받아서 생성된 엑시톤이 실제로 광전류를 발생시키기 위해서는 전자-홀 쌍이 쪼개져서(dissociation) 각각의 전자와 홀이 되어야 하고, 이때 전자는 양극으로 흐르고, 홀은 음극으로 흘러야 한다. 최근 고분자(polymer)로 이루어진 태양전지의 기술 진보로 인하여 에너지 변환 효율이 향상되고 있다. 유기 태양전지의 한 예로써 가장 많이 사용되는 고분자 시스템에서는 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT) 등의 공액고분자(conjugated polymer)와 [6,6]-페닐-Cx-부티르산 메틸 에스테르(PCxBM)의 혼합 용액이 주요 물질로 사용되고 있는데, 일반적인 유기 태양전지의 구조를 도 2에 나타내었다. 도 2로부터 알 수 있듯이, 유기 태양전지는 일반적으로 유리기판(10) 위에 투명전극층(20), 정공수송층(70), 광흡수층(80) 및 금속전극층(60)으로 구성된다.
한편, 2종 이상의 단일 태양전지를 적층하여 전기적으로 직렬연결시킴으로써 탠덤형 태양전지를 제작할 수 있음이 보고되었다. 서로 다른 밴드갭을 갖는 2종 이상의 태양전지를 탠덤형 태양전지로 제조함으로써 넓은 파장 영역의 태양광을 이용할 수 있고, 2종 이상의 태양전지를 직렬로 연결하였으므로 개방전압(open-circuit voltage, Voc)이 증가하게 되어 높은 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 탠덤형 태양전지의 개방전압은 각각의 단일 태양전지의 합에 해당되며, 탠덤형 태양전지의 광전류밀도 (short-circuit current density, JSC)는 각각의 단일 태양전지의 JSC 중 작은 것에 의해 결정된다. 이때, 작은 JSC를 보이는 단일 태양전지를 제한전지(limiting cell)라 한다. 탠덤형 태양전지의 작동원리를 간략히 설명하면, 각각의 광흡수층에서 태양빛을 흡수하여 전자와 정공을 생성해 내는데, i형 비정질 실리콘 층에서 생성된 광전자는 전지 내부에 형성된 전기장에 의해 n형 비정질 실리콘 층으로 이동하고, 유기 광활성층에서 생성되어 정공수송층으로 이동된 정공과 재결합을 이룬다. 한편, i형 비정질 실리콘 층에서 생성된 정공은 p형 비정질 실리콘층으로 이동하여 투명전극에 의해 수집되고, 유기 광활성층에서 생성된 광전자는 금속전극에 의해 수집됨으로써 회로를 순환하며 전류를 발생시킨다.
비정질 실리콘 태양전지의 밴드갭은 약 1.7 ~ 1.9 eV 정도로, 상대적으로 결정질 실리콘 태양전지의 경우보다 높으므로 태양광의 장파장 영역을 흡수하지 못한다는 단점을 가진다. 이러한 점을 보완하기 위하여 비정질 실리콘 태양전지와 미세결정 실리콘 태양전지를 적층한 탠덤형 태양전지를 개발하여 넓은 파장 영역의 태양광을 흡수하고 효율을 높이기 위한 연구가 이루어진바 있다. 하지만 미세결정 실리콘은 비정질 실리콘에 비해 광흡수계수가 작아 빛을 충분히 흡수하기 위해서는 두꺼운 층을 형성하여야 하고 열처리 등을 통한 결정화 공정을 추가하여야 하기 때문에, 상술한 구조의 탠덤형 태양전지의 제조는 생산성 하락과 생산단가의 증가라는 문제점을 갖는다.
따라서, 본 발명의 목적은 보다 광범위한 영역의 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 향상된 개방전압 성능을 나타내며 저비용으로 간단하게 대량 생산가능한 탠덤형 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
태양전지의 광활성층(active layer)을 구성하는 물질이 비정질 실리콘인 비정질 실리콘 태양전지(amorphous silicon solar cells)와,
태양전지의 광활성층을 구성하는 물질이 유기물인 유기 태양전지(organic solar cells)를 전기적으로 직렬연결된 적층된 형태로 포함하는,
탠덤형 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 탠덤형 태양전지는, 재료와 공정 비용이 저렴하다는 장점을 갖지만 태양광의 장파장 영역을 활용하지 못한다는 단점을 갖는 비정질 실리콘 태양전지의 한계를 극복하기 위해, 재료 원가가 낮고 제작 공정이 간단하면서도 장파장 영역의 흡수가 가능한 유기 태양전지를 비정질 실리콘 태양전지와 적층된 형태로 포함함으로써 보다 광범위한 영역의 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 향상된 개방전압 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 탠덤형 태양전지는 제조공정이 간단하여 저비용 대량 생산이 가능하다는 장점을 갖는다.
도 1은 비정질 실리콘 태양전지의 일반적인 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 유기 태양전지의 일반적인 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지가 적층된 본 발명의 바람직한 일실시양태에 따른 탠덤형 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1 및 2, 및 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 AM 1.5 광 조사 조건하에서의 전류-전압 측정 결과이다 (단, 비교예 2의 경우는 AM 1.5 광 조사 조건하에서 비정질 실리콘 샘플을 통과한 광을 조사하여 측정한 결과이다).
도 5는 실시예 2, 및 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 입사 광자-전류 변환효율(IPCE) 측정 결과이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 유리기판
20: 투명전극층
30: p형 비정질 실리콘층
40: i형 비정질 실리콘층
50: n형 비정질 실리콘층
60: 금속전극층
70: 정공수송층 (hole transporting layer)
80: 유기 광활성층
90: 전자수송층 (electron transporting layer)
도 2는 유기 태양전지의 일반적인 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지가 적층된 본 발명의 바람직한 일실시양태에 따른 탠덤형 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1 및 2, 및 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 AM 1.5 광 조사 조건하에서의 전류-전압 측정 결과이다 (단, 비교예 2의 경우는 AM 1.5 광 조사 조건하에서 비정질 실리콘 샘플을 통과한 광을 조사하여 측정한 결과이다).
도 5는 실시예 2, 및 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 입사 광자-전류 변환효율(IPCE) 측정 결과이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 유리기판
20: 투명전극층
30: p형 비정질 실리콘층
40: i형 비정질 실리콘층
50: n형 비정질 실리콘층
60: 금속전극층
70: 정공수송층 (hole transporting layer)
80: 유기 광활성층
90: 전자수송층 (electron transporting layer)
본 발명에 따른 탠덤형 태양전지는 비정질 실리콘 광활성층을 갖는 비정질 실리콘 태양전지와 유기 광활성층을 갖는 유기 태양전지를 전기적으로 직렬연결된 적층된 형태로 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 비정질 실리콘 태양전지는 단파장 영역의 빛을 흡수하고 상기 유기 태양전지는 장파장 영역의 빛을 흡수하므로, 본 발명의 탠덤형 태양전지는 보다 넓은 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있다.
바람직한 일실시예로서, 본 발명에 따른 탠덤형 태양전지가 유리기판, 투명전극층, p형 비정질 실리콘층, i형 비정질 실리콘층, n형 비정질 실리콘층, 정공수송층, 유기 광활성층 및 금속전극층을 순차적으로 적층된 형태로 포함하는 구조를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 탠덤형 태양전지는 상기 유기 광활성층과 상기 금속전극층 사이에 전자수송층을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 n형 비정질 실리콘층과 상기 정공수송층 사이에 금속물질 재결합층(recombination layer)을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시양태에 따른 탠덤형 태양전지의 구조를 도 3에 나타내었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 탠덤형 태양전지는 유리기판(10), 투명전극층(20), p형 비정질 실리콘층(30), i형 비정질 실리콘층(40), n형 비정질 실리콘층(50), 정공수송층(70), 유기 광활성층(80), 전자수송층(90) 및 금속전극층(60)을 순차적으로 적층된 형태로 구비할 수 있다.
상기 태양전지 구성층들은 통상적인 재질 및 두께로 이루어질 수 있으며, 통상적인 방법에 의해 형성될 수 있다.
예컨대, 정공수송층 또는 전자수송층은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브덴(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 스트론튬-타이타늄(Sr-Ti)산화물, 플루오르화리튬(LiF), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 및 폴리피롤(polypyrrole)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 금속물질 재결합층은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 탠덤형 태양전지 제작을 위해서는 우선 유리기판을 준비한다. 상기 유리기판 위에 투명전극층으로서 인듐-주석 산화물(indium-tin oxide, ITO)층을 스퍼터링 방법으로 형성할 수 있다. 이때 ITO는 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO)의 한 예로서, 불소-도핑된 주석 산화물(fluorine-doped tin oxide, FTO)을 투명전극층에 사용할 수도 있다. 태양광이 유리기판 쪽에서 입사되므로 유리기판과 투명전극층은 투명도가 높은 것이 좋다. 상기 ITO 전극층 위에 p형 비정질 실리콘층을 플라스마화학기상증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 방법으로 형성할 수 있다. 상기 p형 비정질 실리콘층 위에 i형 비정질 실리콘층을 PECVD 방법으로 형성할 수 있으며, 이어서, 상기 i형 비정질 실리콘층 위에 n형 비정질 실리콘층을 PECVD 방법으로 형성할 수 있다. 비정질 실리콘으로는 a-Si:H로 표현되는 수소화된 비정질 실리콘을 이용할 수 있다. i형(intrinsic) 비정질 실리콘은 불순물이 첨가되지 않은 상태를 의미하며, p형(positive)과 n형(negative)은 비정질 실리콘에 불순물을 첨가하여 도핑된 상태를 뜻한다. p형 비정질 실리콘을 형성하기 위해서는 3가 원소인 붕소, 칼륨 등을 첨가하고, n형 비정질 실리콘을 형성하기 위해서는 5가 원소인 인, 비소, 안티몬 등을 첨가할 수 있다. 상기 n형 비정질 실리콘층 위에 정공수송층을 진공증착법 (thermal evaporation)이나 스핀코팅(spin-coating) 방법으로 형성할 수 있다. 그 다음, 상기 정공수송층 위에 유기 광활성층을 스핀코팅(spin-coating) 방법으로 형성하고, 이어서, 상기 유기 광활성층 위에 전자수송층을 스핀코팅 방법으로 형성할 수 있다. 마지막으로, 상기 전자수송층 위에 금속전극을 진공증착법으로 형성함으로써 목적하는 탠덤형 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 필요에 따라, 본 발명은 상기 과정을 반복함으로써 이중층 뿐만 아니라 삼중, 사중 이상의 다중 적층형 태양전지의 제작이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 탠덤형 태양전지는, 재료와 공정 비용이 저렴하다는 장점을 갖지만 태양광의 장파장 영역을 활용하지 못한다는 단점을 갖는 비정질 실리콘 태양전지의 한계를 극복하기 위해, 재료 원가가 낮고 제작 공정이 간단하면서도 장파장 영역의 흡수가 가능한 유기 태양전지를 비정질 실리콘 태양전지와 적층된 형태로 포함함으로써 보다 광범위한 영역의 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 향상된 개방전압 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 탠덤형 태양전지는 제조공정이 간단하여 저비용 대량 생산이 가능하다는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.
실시예 1 : 정공수송층으로서 PEDOT:PSS가 사용된 탠덤형 태양전지
우선, 투명전극층으로서 인듐-주석 산화물(ITO)층이 200 nm 두께로 형성된 유리기판을 준비하였다. ITO가 코팅된 유리기판을 이소프로필알콜(IPA)로 10분, 아세톤으로 10분, 그리고 다시 IPA로 10분 동안 고주파음(ultra-sonication)으로 분해하여 세척하고, 80℃ 진공 하에서 10분간 건조시킨 후, 20분간 오존 처리를 하여 ITO층이 형성된 유리기판을 세척하였다.
다음으로 ITO 투명전극층 위에, 플라스마화학기상증착법 (PECVD) 방법을 이용하여 p형 비정질 실리콘층을 5 nm 두께로 형성하고, p형 비정질 실리콘층 위에 i형 비정질 실리콘층을 120 nm 두께로 형성하였으며, i형 비정질 실리콘층 위에 n형 비정질 실리콘층을 25 nm 두께로 순차적으로 형성하였다.
이어서, 상기 n형 비정질 실리콘층 위에, 수용액 상태의 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS, CLEVIOS, AI4083)를 메탄올과 1:1의 부피비로 혼합한 용액을 4000 rpm에서 40초 동안 스핀코팅하여 30 nm 두께의 정공수송층을 형성하였다. PEDOT:PSS층의 여분의 용매를 증발시키기 위하여 110℃에서 10분 동안 건조시킨 후, 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타[2,1-b;3,4-b']-디티오펜)-알트(alt)-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)](PCPDTBT)과 [6,6]-페닐-C71-부티르산 메틸 에스테르(PC71BM, Nano-C)를 1:4의 중량비로 클로로벤젠 (chlorobenzene, Aldrich)에 녹인 용액을 2000 rpm에서 스핀코팅하여 약 70 nm 두께의 유기 광활성층을 형성하였다. 이어서, 나노입자 형태로 합성된 산화티타늄(TiO2)이 0.5 중량%의 농도로 부탄올(1-butanol, Aldrich)에 분산된 용액을 상기 유기 광활성층 위에 800 rpm에서 스핀코팅하여 약 20 nm 두께의 전자수송층을 형성하였다. 그 다음, 진공증착기(thermal evaporator, 대동하이텍)를 사용하여 10-6 torr (1 torr = 133.3 Pa) 이하의 고진공 상태에서 100 nm 두께의 알루미늄 금속전극층을 증착하여 탠덤형 태양전지를 제조하였다. 이때 증착되는 알루미늄은 스테인레스 소재의 쉐도우 마스크 (shadow mask)를 이용하여 선택적으로 증착되도록 하여, ITO전극과 알루미늄 전극이 포개어지는 면적에 의해 태양전지의 면적(active area)이 정의되도록 하였다.
실시예 2 : 정공수송층으로서 MoO3가 사용된 탠덤형 태양전지
n형 비정질 실리콘층 위에 형성되는 정공수송층의 물질로서 PEDOT:PSS 대신 MoO3를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정을 수행하여 탠덤형 태양전지를 제조하였다. MoO3 정공수송층은 진공증착법을 사용하여 약 3.5 nm 두께로 형성하였다.
비교예 1 : 단일 비정질 실리콘 태양전지
본 발명에 따른 직렬연결된 탠덤형 태양전지에 대한 개방전압 향상의 정도를 비교하기 위하여, 종래의 단일 광활성층 구조의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. 제작 과정은 실시예 1에서 보여준 바와 동일하게 ITO 투명전극층 위에 p형, n형 및 i형 비정질 실리콘층을 PECVD 방법을 이용하여 순차적으로 형성하였다. 이어서, n형 비정질 실리콘층 위에 진공증착법으로 알루미늄 금속전극층을 100 nm 두께로 형성함으로써 단일 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다.
비교예 2 : 단일 유기 태양전지
본 발명에 따른 직렬연결된 탠덤형 태양전지의 효율을 비교하기 위하여, 종래의 단일 광활성층 구조의 유기 태양전지를 제작하였다. 제작 과정은 ITO 투명전극층 위에 MoO3 정공수송층을 3.5 nm 두께로 진공증착법을 이용하여 형성하였다. 이어서, 실시예 1에서와 동일하게, PCPDTBT와 PC71BM의 1:4 중량비 혼합용액을 70 nm 두께로 스핀코팅하여 유기 광활성층을 형성하였다. 그 다음 0.5 중량%의 농도로 부탄올에 녹아있는 TiO2 나노입자를 스핀코팅하여 약 20 nm 두께의 전자수송층을 형성하고, 진공증착법으로 100 nm 두께의 알루미늄 금속전극층을 증착함으로써 단일 유기 태양전지를 제작하였다. 단, 효율 측정시 실제 탠덤형 태양전지의 구조와 동일한 조건하에서 측정하기 위해 금속전극층이 형성되지 않은 단일 비정질 실리콘 샘플에 의해 흡수되고 남은 빛만을 단일 유기 태양전지에 입사하도록 하여 측정하였다.
실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제작된 태양전지 소자의 특성을 측정하여 그 결과를 도 4 및 표 1에 나타내었다. 변환 효율의 측정은 1.5AM 100mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[2500W], AM1.5 필터(filter), 및 Keithley model2400으로 구성됨)를 이용하였다.
도 4의 그래프에서, 전류밀도(current density)는 변환 효율 곡선의 Y축 값이고, 전압은 변환 효율 곡선의 X축 값이며, 광전류밀도(JSC) 및 개방전압(VOC)은 각 축의 절편값이다.
도 4와 표 1에서, 전력(power, 전류밀도와 전압의 곱)이 최대가 되는 점(maximum power point, MPP)에서의 전류밀도와 전압을 각각 Jmax와 Vmax라고 할 때, 충진계수(fill factor, FF)는 Jmax와 Vmax의 곱에 대한 JSC와 VOC의 곱에 대한 비율의 백분율로 계산된다.
| 광전류밀도(JSC) (mAcm-2) |
개방전압(VOC) (mV) |
충진계수(FF) (%) |
효율 (%) | |
| 실시예 1 | 3.83 | 1491.2 | 33.99 | 1.94 |
| 실시예 2 | 2.88 | 1501.4 | 42.19 | 1.83 |
| 비교예 1 | 7.43 | 895.2 | 73.15 | 4.87 |
| 비교예 2 | 2.14 | 616.1 | 42.09 | 0.55 |
도 4 및 표 1로부터 알 수 있듯이, 실시예 1 및 2에서 제작된 탠덤형 태양전지는 비교예 1 및 2의 단일 태양전지에서 보여지는 각각의 VOC의 합에 근접한 값을 보인다. 이는 각각의 단일 태양전지들이 전기적으로 직렬연결되어 성공적으로 탠덤형 태양전지를 구현하고 있다는 것을 나타낸다. 특히 실시예 2에서 제작된 탠덤형 태양전지는 개방전압과 충진계수가 실시예 1에서 제작된 탠덤형 태양전지 보다 높은 값을 보인다. 이러한 현상은 PEDOT:PSS를 정공수송층으로 이용하였을 시, n형 비정질 실리콘층과 정공수송층의 계면에서 효과적인 전하수송 및 재결합이 방해받는 데에서 기인한다. 이 결과는 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 이용하여 탠덤형 태양전지로 제작시 계면에서 이루어지는 전하수송이 성공적인 탠덤형 태양전지 제작에 있어서 매우 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. PEDOT:PSS에 비해 MoO3가 무기물인 비정질 실리콘 태양전지와 친화력이 우수하여 MoO3 정공수송층을 사용할 경우 제한전지(limiting cell)의 충진계수와 거의 같은 탠덤형 태양전지의 충진계수를 얻을 수 있었다.
또한, 실시예 2와 비교예 1, 2에 의해 제조된 태양전지의 입사 광자-전류 변환 효율(IPCE) 측정 결과를 도 5에 나타내었다 ((a)는 비교예 1과 2에서 제조된 단일 태양전지의 IPCE 결과이고, (b)는 실시예 2에서 제조된 탠덤형 태양전지에 부가적으로 바이어스 빛(bias light)을 조사하여 얻은 결과이다). 이 결과에서, 빛의 파장이 750 nm 이상인 바이어스 빛을 가해주면 유기 태양전지에 의해 흡수되는 파장영역에 해당하므로 유기 태양전지는 계속해서 전하를 발생 및 전달할 수 있는 상태에 있으면서 실제 IPCE 결과는 비정질 실리콘 태양전지에 의해 발생되는 전류가 측정되고, 반대로 빛의 파장이 750 nm 이하인 바이어스 빛을 가해주면 유기 태양전지에 의해 발생되는 전류가 측정된다. IPCE 결과에서 보면, 비정질 실리콘 태양전지는 300 nm부터 650 nm까지 빛을 흡수하여 광전류로 변환시키며, 비정질 실리콘 태양전지의 광투과도는 500 nm에서부터 증가하므로 이 비정질 실리콘 태양전지를 통과한 빛은 유기 태양전지에 의해 500 nm부터 900 nm까지의 파장 영역에서 흡수되어 광전류로 변환된다. 이 두 가지의 태양전지를 이용하여 탠덤형 태양전지를 제조한 경우 더 넓은 파장영역에서 빛을 흡수하여 광전류로 변환됨을 알 수 있다.
Claims (7)
- 유리기판, 투명전극층, p형 비정질 실리콘층, i형 비정질 실리콘층, n형 비정질 실리콘층, 정공수송층, 유기 광활성층 및 금속전극층을 순차적으로 적층된 형태로 포함하는 구조를 가지며, 상기 정공수송층이 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브덴(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬-타이타늄(Sr-Ti)산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 금속 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
탠덤형 태양전지. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 탠덤형 태양전지가 유기 광활성층과 금속전극층 사이에 전자수송층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 탠덤형 태양전지가 n형 비정질 실리콘층과 정공수송층 사이에 금속물질 재결합층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지. - 삭제
- 제 3 항에 있어서,
상기 전자수송층이 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브덴(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 스트론튬-타이타늄(Sr-Ti)산화물, 플루오르화리튬(LiF), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 및 폴리피롤(polypyrrole)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 금속물질 재결합층이 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탠덤형 태양전지.
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