KR101304573B1 - 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법 - Google Patents
유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 기판; 투명전극층; 무기계 광활성층; 산화인듐주석 전자수송층; 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS) 정공수송층; 유기계 광활성층; 및 후면전극층이 순차적으로 적층되어 이루어지는 유·무기 복합 탠덤 태양전지에 있어서, 무기계 광활성층의 두께를 조절하여 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 무기계 광활성층의 두께를 조절하여 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법은 무기계 광활성층의 투과도를 향상시켜 유기계 광활성층의 흡광도를 최적화함으로써 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
탠덤형 구조(Tandem structure)를 갖는 태양전지(이하, 탠덤 태양전지)는 서로 다른 밴드갭을 갖는 2종 이상의 단일 태양전지가 적층되어 전기적으로 직렬연결되어있는 태양전지를 말한다. 예를 들면, 상기 탠덤 태양전지는 태양광이 먼저 흡수되는 상부에 높은 밴드갭을 갖는 물질로 이루어진 반도체층(Top Cell)이 구비되고, 그 하부에는 상대적으로 낮은 밴드갭을 갖는 물질로 이루어진 반도체층(Bottom Cell)이 구비된 구조를 갖는다.
탠덤 태양전지는 서로 다른 밴드갭을 갖는 2종 이상의 단일 태양전지를 사용함으로써 넓은 파장 영역의 태양광을 이용할 수 있고, 상기 단일 태양전지들이 직렬로 연결되므로써 개방회로전압(Voc, open circuit voltage)이 증가하여 높은 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.
그러나, 단순히 다른 흡수 대역을 가진 셀을 단순히 조합하는 것만으로는 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는데 어려움이 있다. 따라서, 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위해서는 두 셀의 결합 일치 정도, 계면 혼합층 유무, 각각의 셀 간의 조합 등을 고려해야한다.
예를 들면, 비정질 실리콘 태양전지의 밴드갭은 약 1.7 ~ 1.9 eV 정도로 결정질 실리콘 태양전지의 밴드갭보다 상대적으로 높은 값을 가지므로 태양광의 장파장 영역을 흡수하지 못한다는 단점이 있다. 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위하여 비정질 실리콘 태양전지와 미세결정 실리콘 태양전지를 적층하여 넓은 파장 영역의 태양광을 흡수하고 효율을 높이기 위한 연구가 이루어졌었다. 그러나, 미세결정 실리콘은 비정질 실리콘에 비해 상대적으로 광흡수계수가 작기 때문에 빛을 충분히 흡수하기 위해서는 두꺼운 층을 형성해야하는 단점이 있다.
탠덤 태양전지의 종류로는 예를 들면, 탠덤 태양전지는 유기태양전지/유기태양전지, 무기태양전지/무기태양전지 및 유기태양전지/무기태양전지가 있다. 최근에는 탠덤 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 새로운 방법으로서, 장파장의 빛을 흡수하는 유기재료와 광전변환효율이 우수한 무기재료를 복합한 유·무기 복합 탠덤 태양전지가 연구되고 있다. 유·무기 복합 탠덤 태양전지는 유·무기 복합 탠덤 태양전지는 기판상에 무기태양전지 및 유기태양전지를 적은 재료를 사용하여 박막형태로 형성시키기 때문에 제조단가가 낮고, 공정이 간단하며, 대면적화가 가능하다는 장점이 있다. 상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지에서 무기태양전지로서 비정질 실리콘을 사용하는 경우에는 실리콘 자체가 견고한 특징을 가지고 있어 다양한 표면처리에 대해 안정성을 나타내는 장점이 있다.
그러나, 아직까지는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율은 유·무기 복합 탠덤 태양전지를 구성하는 유기태양전지 및 무기태양전지 각각의 셀이 나타내는 광전변환효율보다 낮다. 왜냐하면, 유·무기 복합 탠덤 태양전지를 구성하는 무기태양전지 및 유기태양전지의 계면접촉이 좋지않아 무기태양전지 및 유기태양전지 각각에서 생성되는 전자와 정공이 재결합할 수 있는 영역을 효율적으로 제공하지 못하기 때문이다.
이에 본 발명자들은, 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 방법을 연구하던 중, 산화인듐주석 전자수송층/폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS) 정공수송층으로 이루어진 중간층을 삽입하고 상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 무기계 광활성층의 두께를 조절하여 무기계 광활성층의 투과도를 향상시켜 유기계 광활성층의 흡광도를 최적화함으로써 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 더욱 향상시킬 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
기판; 투명전극층; 무기계 광활성층; 산화인듐주석 전자수송층; 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS) 정공수송층; 유기계 광활성층; 및 후면전극층이 순차적으로 적층되어 이루어지는 유·무기 복합 탠덤 태양전지에 있어서,
무기계 광활성층의 두께를 조절하여 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 무기계 광활성층의 두께를 조절하여 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법은 무기계 광활성층의 투과도를 향상시켜 유기계 광활성층의 흡광도를 최적화함으로써 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 비교예 1에서 제조된 유기태양전지의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 비교예 2에서 제조된 무기태양전지의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 5에서 제조된 유·무기 복합 탠덤 태양전지 전압에 대한 전류밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 비교예 2 ~ 6에서 제조된 무기태양전지의 전압에 대한 전류밀도를 측정한 결과이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 4에서 제조된 유·무기 복합 탠덤 태양전지, 비교예 1에서 제조된 유기태양전지 및 비교예 2에서 제조된 무기태양전지의 전압에 대한 전류밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층의 두께에 대하여 파장에 따른 투과도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 비교예 1에서 제조된 유기태양전지의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 비교예 2에서 제조된 무기태양전지의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 5에서 제조된 유·무기 복합 탠덤 태양전지 전압에 대한 전류밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 비교예 2 ~ 6에서 제조된 무기태양전지의 전압에 대한 전류밀도를 측정한 결과이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 4에서 제조된 유·무기 복합 탠덤 태양전지, 비교예 1에서 제조된 유기태양전지 및 비교예 2에서 제조된 무기태양전지의 전압에 대한 전류밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층의 두께에 대하여 파장에 따른 투과도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은,
기판; 투명전극층; 무기계 광활성층; 산화인듐주석 전자수송층; 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS) 정공수송층; 유기계 광활성층; 및 후면전극층이 순차적으로 적층되어 이루어지는 유·무기 복합 탠덤 태양전지에 있어서,
무기계 광활성층의 두께를 조절하여 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 있어서, 상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 기판으로는 유리, 플라스틱 기판 등을 단독으로 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 투명전극층은 태양광이 기판쪽에서 조사되므로 투명도가 높은 물질일수록 유리하다. 상기 투명전극층으로는 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 은 나노와이어, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브, PEDOT:PSS 등을 단독 또는 이를 혼합하여 사용할 수 있으나, 바람직하게는 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO)를 사용할 수 있다. 상기 투명전극층은 스퍼터링과 같은 방법에 의해 기판상에 적층될 수 있다.
다음으로, 상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 무기계 광활성층으로는 비정질 실리콘을 사용할 수 있다.
상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 무기계 광활성층은 상기 투명전극층 상부에 적층된다. 상기 무기계 광활성층은 p형 비정질 실리콘층/i(intrinsic)형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층이 순서대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 p형 비정질 실리콘은 3가 원소인 붕소, 칼륨과 같은 원소가 도핑된 비정질 실리콘을 의미하고, i형 비정질 실리콘은 어떠한 불순물도 첨가되지 않은 비정질 실리콘을 의미하고, n형 비정질 실리콘은 5가 원소인 인, 비소, 안티몬과 같은 원소가 도핑된 비정질 실리콘을 의미한다. 상기 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층 각각은 플라즈마화학기상증착법(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 방법에 의해 투명전극층 상부에 순차적으로 적층될 수 있다.
상기 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층은 70 ~ 140 ㎚ 두께인 것이 바람직하다. 상기 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층의 두께가 70 ㎚ 미만일 경우에는 하부셀의 투과도는 향상되지만, 개방회로전압이 감소하고, 누설전류가 증가하여 최종적으로 제조되는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 전력변환효율이 감소하는 문제가 있을 수 있고, 140 ㎚를 초과할 경우에는 하부셀의 빛의 투과도가 감소하여, 상부셀의 빛 흡광도가 감소하는 문제가 있을 수 있다. 이때, 상기 하부셀은 투명전극을 통해 태양빛이 조사되었을 때, 단파장 영역의 빛을 흡수하는 밴드갭이 큰 무기계 광활성층을 말하고, 상부셀은 하부셀을 통과한 장파장 영역의 빛을 흡수하는 밴드갭이 작은 유기계 광활성층을 말한다.
탠덤 태양전지의 효율을 결정하는 인자 중에서 개방회로전압(Voc)은 각각의 셀들이 갖는 개방회로전압의 합과 동일한 값을 나타내지만, 단락회로전류밀도(Jsc)는 탠덤 태양전지를 구성하는 셀 중에서 단락회로전류밀도가 낮은 셀의 값과 유사한 값을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 유·무기 복합 탠덤 태양전지는 각각의 셀들의 단락회로전류밀도를 최대화시키기 위하여 무기계 광활성층의 두께를 조절하여 제조되는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 효율감소가 최저로 나타나는 부분까지 무기계 광활성층의 두께를 줄임으로써 투과도를 향상시키고, 이로부터 유기계 광활성층의 흡광도를 최적화시킴으로써 유·무기 복합 탠덤 태양전지를 구성하는 각각의 셀들의 단락회로전류밀도를 최대화하여 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 무기계 광활성층이 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층의 구조를 갖는 경우에 각각의 층의 두께비는 1 : 10 ~ 24 : 2 ~ 3인 것이 바람직하다. 이때, 상기 i형 비정질 실리콘층의 두께는 무기계 광활성층의 투과도를 좌우하며, 상기 p형 비정질 실리콘층 및 n형 실리콘층의 두께는 태양전지의 내부전계에 영향을 미친다. 따라서, 각각의 층의 두께를 최적화시키는 것은 유·무기 복합 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 데 매우 중요한 제어요소이다.
다음으로, 상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 산화인듐주석(이하, ITO) 전자수송층은 고투명성을 가짐으로써, 넓은 밴드갭을 갖는 반도체층(Top Cell)에 도달하는 빛의 세기가 커 반도체층의 광전류흐름을 증가시킬 수 있는 특징이 있다. 상기 ITO 전자수송층은 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)과 같은 방법에 의해 상기 무기계 광활성층 상부에 적층될 수 있다. 이때, 상기 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 ITO 전자수송층 적층시킬 경우, 본 발명은 하부셀로 무기계 광활성층을 사용함으로써, 종래 하부셀로 유기계 광활성층 사용했을 때보다 스퍼터링, 동일한 용매를 이용한 유기계 광활성층의 코팅, 플라즈마 또는 자외선과 같은 표면처리과정에 의해 셀이 손상되는 것을 최소화 시킬 수 있다.
다음으로, 상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(이하, PEDOT:PSS) 정공수송층은 고전도성 고분자로서, 전자보다 정공을 운반하는데 용이하여 정공수송층의 역할을 한다. 상기 PEDOT:PSS 정공수송층은 스핀코팅과 같은 방법에 의해 상기 ITO 전자수송층 상부에 적층될 수 있다.
상기 ITO 전자수송층/PEDOT:PSS 정공수송층은 절연층(interlayer)으로서, 유·무기 복합 탠덤 태양전지를 구성하는 무기태양전지 및 유기태양전지간의 저항접촉을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 무기태양전지에서 여기된 전자와 유기태양전지에서 여기된 정공이 효과적으로 재결합할 수 있는 공간을 제공해주는 역할을 하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.
다음으로, 상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 유기계 광활성층으로는 PBDTTT-C(poly[4,8-bis-alkyloxybenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-[alkyl thieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate]-2,6-diyl), PTB7(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]), 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)]), PC61BM ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC71BM 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 유기계 광활성층은 스핀코팅과 같은 방법에 의해 PEDOT:PSS 정공수송층 상부에 적층될 수 있다.
다음으로, 상기 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 후면전극층으로는 알루미늄, 은, 금, 크롬, 팔라듐, 그래핀, 탄소나노튜브, 은 나노와이어 등을 단독으로 사용할 수 있다. 상기 후면전극층은 열증착법, 진공증착법과 같은 방법에 의해 유기계 광활성층 상부에 적층될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
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실시예
1> 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 제조 1
단계 1. 기판을 준비하는 단계
알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO)이 500 ㎚ ~ 1 ㎛ 두께로 적층된 유리기판을 아세톤 또는 이소프로필 알코올을 이용하여 세척하거나 산소 분위기에서 자외선을 조사하여 표면처리(UVO) 하였다.
단계 2. 무기계 광활성층을 적층하는 단계
다음으로, 플라즈마화학기상증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVP)을 이용하여 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 10 ㎚/100 ㎚/25 ㎚ 두께로 적층하였다.
상기 i형 비정질 실리콘층은 실란(SiH4) 및 수소(H2)의 혼합물로부터 얻었고, 상기 i형 비정질 실리콘을 구성하는 혼합물에 수소화붕소(BH4) 및 인화수소(PH3)를 각각 첨가하여 p형 비정질 실리콘 및 n형 비정질 실리콘을 얻었다.
단계 3. ITO 전자수송층을 적층하는 단계
다음으로, 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 상기 n형 비정질 실리콘층 상부에 산화인듐주석(ITO) 전자수송층을 50 ㎚ 두께로 적층하였다.
단계 4. PEDOT:PSS 정공수송층을 적층하는 단계
다음으로, 스핀코팅법을 이용하여 ITO 전자수송층 상부에 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS) 정공수송층을 70 ㎚로 적층하였다. 상기 단계 완료 후, 150 ℃에서 1 분 동안 건조시켰다.
단계 5. 유기계 광활성층을 적층하는 단계
다음으로, 스핀코팅법을 이용하여 PEDOT:PSS 정공수송층 상부에 PBDTTT-C:PCBM(중량비, 1:2)과 디클로로벤젠수용액(농도, 2 중량%)과 혼합한 용액을 80 ~ 100 ㎚ 두께로 적층하였다. 상기 단계 완료 후, 상온에서 10 분간 건조시켰다.
단계 6. 후면전극층을 적층하는 단계
다음으로, 열증착법을 이용하여 상기 PBDTTT-C:PCBM 상부에 알루미늄층을 100 ㎚ 두께로 적층하여 유·무기 복합 탠덤 태양전지를 제조하였다(도 1).
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실시예
2> 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 제조 2
상기 실시예 중 상기 단계 2에서 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 6 ㎚/100 ㎚/13 ㎚ 두께로 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유·무기 복합 탠덤 태양전지를 제조하였다.
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실시예
3> 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 제조 3
상기 실시예 중 상기 단계 2에서 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 6 ㎚/70 ㎚/13 ㎚ 두께로 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유·무기 복합 탠덤 태양전지를 제조하였다.
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실시예
4> 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 제조 4
상기 실시예 중 상기 단계 2에서 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 3 ㎚/70 ㎚/8 ㎚ 두께로 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유·무기 복합 탠덤 태양전지를 제조하였다.
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실시예
5> 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 제조 5
상기 실시예 중 상기 단계 2에서 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 3 ㎚/50 ㎚/8 ㎚ 두께로 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유·무기 복합 탠덤 태양전지를 제조하였다.
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비교예
1> 유기태양전지의 제조
단계 1. 기판을 준비하는 단계
알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO)이 500 ㎚ ~ 1 ㎛ 두께로 적층된 유리기판을 아세톤 또는 이소프로필 알코올을 이용하여 세척하거나 산소 분위기에서 자외선을 조사하여 표면처리(UVO) 하였다.
단계 2. 유기계 광활성층을 적층하는 단계
다음으로, 스핀코팅법을 이용하여 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 PBDTTT-C:PCBM(중량비, 1:2)과 디클로로벤젠수용액(농도, 2 중량%)과 혼합한 용액을 80 ~ 100 ㎚ 두께로 적층하였다. 상기 단계 완료 후, 상온에서 10 분간 건조시켰다.
단계 3. 후면전극층을 적층하는 단계
다음으로, 열증착법을 이용하여 상기 PBDTTT-C:PCBM 상부에 알루미늄층을 100 ㎚ 두께로 적층하여 유기태양전지를 제조하였다(도 2).
<
비교예
2> 무기태양전지의 제조 1
단계 1. 기판을 준비하는 단계
알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO)이 500 ㎚ ~ 1 ㎛ 두께로 적층된 유리기판을 아세톤 또는 이소프로필 알코올을 이용하여 세척하거나 산소 분위기에서 자외선을 조사하여 표면처리(UVO) 하였다.
단계 2. 무기계 광활성층을 적층하는 단계
다음으로, 플라즈마화학기상증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVP)을 이용하여 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 10 ㎚/100 ㎚/25 ㎚ 두께로 적층하였다.
상기 i형 비정질 실리콘층은 실란(SiH4) 및 수소(H2)의 혼합물로부터 얻었고, 상기 i형 비정질 실리콘을 구성하는 혼합물에 수소화붕소(BH4) 및 인화수소(PH3)를 각각 첨가하여 p형 비정질 실리콘 및 n형 비정질 실리콘을 얻었다.
단계 3. 후면전극층을 적층하는 단계
다음으로, 열증착법을 이용하여 상기 n형 비정질 실리콘층 상부에 알루미늄층을 100 ㎚ 두께로 적층하여 무기태양전지를 제조하였다(도 3).
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비교예
3> 무기태양전지의 제조 2
상기 비교예 2 중 상기 단계 2에서 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 6 ㎚/100 ㎚/13 ㎚ 두께로 적층한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 무기태양전지를 제조하였다.
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비교예
4> 무기태양전지의 제조 3
상기 비교예 2 중 상기 단계 2에서 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 6 ㎚/70 ㎚/13 ㎚ 두께로 적층한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 무기태양전지를 제조하였다.
<
비교예
5> 무기태양전지의 제조 4
상기 비교예 2 중 상기 단계 2에서 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 3 ㎚/70 ㎚/8 ㎚ 두께로 적층한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 무기태양전지를 제조하였다.
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비교예
6> 무기태양전지의 제조 5
상기 비교예 2 중 상기 단계 2에서 알루미늄이 도핑된 산화아연층(AZO) 상부에 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 3 ㎚/50 ㎚/8 ㎚ 두께로 적층한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 무기태양전지를 제조하였다.
<실험예 1> 전기적특성 분석
본 발명에 따른 무기계 광활성층의 두께에 따른 효과를 알아보기 위하여, 실시예 1 ~ 5에서 제조된 유·무기 복합 탠덤 태양전지, 비교예 1의 유기태양전지 및 비교예 2 ~ 6의 무기태양전지 전기적특성을 실험하였다. 상기 실시예 1 ~ 5 및 비교예 2 ~ 6의 무기계 광활성층을 구성하는 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층 각각의 두께를 정리하여 하기 표 1에 나타내었다.
| p형 비정질 실리콘층(㎚) |
i형 비정질 실리콘층(㎚) |
n형 비정질 실리콘층(㎚) |
총 두께 (㎚) |
|
| 실시예 1 | 10 | 100 | 25 | 135 |
| 실시예 2 | 6 | 100 | 13 | 119 |
| 실시예 3 | 6 | 70 | 13 | 89 |
| 실시예 4 | 3 | 70 | 8 | 81 |
| 실시예 5 | 3 | 50 | 8 | 61 |
| 비교예 2 | 10 | 100 | 25 | 135 |
| 비교예 3 | 6 | 100 | 13 | 119 |
| 비교예 4 | 6 | 70 | 13 | 89 |
| 비교예 5 | 3 | 70 | 8 | 81 |
| 비교예 6 | 3 | 50 | 8 | 61 |
상기 전기적특성 실험은 실시예 1 ~ 5에서 제조된 유·무기 복합 탠덤 태양전지, 비교예 1의 유기태양전지 및 비교예 2 ~ 6의 무기태양전지에 100 ㎽/㎠ 강도의 빛을 조사하여 전압에 대한 전류밀도를 하는 방법을 이용하여 수행하였다. 상기 실험결과는 도 4 ~ 도 6에 나타내었고, 이를 하기 표 2에 정리하였다.
| 단락회로전류밀도 (mA/cm2) |
개방회로전압 (V) |
곡선인자 | 전력변환효율 (%) |
|
| 실시예 1 | 5.02 | 1.39 | 0.49 | 3.48 ±0.11 |
| 실시예 2 | 5.57 | 1.38 | 0.55 | 4.27 ±0.08 |
| 실시예 3 | 6.28 | 1.36 | 0.59 | 5.10 ±0.20 |
| 실시예 4 | 6.84 | 1.42 | 0.58 | 5.72 ±0.29 |
| 실시예 5 | 6.54 | 1.35 | 0.51 | 4.60 ±0.17 |
| 비교예 1 | 11.54 | 0.75 | 0.53 | 4.65 |
| 비교예 2 | 8.59 | 0.72 | 0.59 | 3.69 |
| 비교예 3 | 8.13 | 0.72 | 0.62 | 3.71 |
| 비교예 4 | 7.89 | 0.78 | 0.68 | 4.27 |
| 비교예 5 | 7.68 | 0.80 | 0.65 | 4.04 |
| 비교예 6 | 7.52 | 0.79 | 0.49 | 2.65 |
상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 5의 유·무기 복합 탠덤 태양전지는 비정질 실리콘층의 두께에 따라서 단락회로전류밀도가 최대 36 % 정도 증가하였고, 개방회로전압은 거의 동일하였으며, 곡선인자는 최대 19 % 정도 증가함을 보였다. 결과적으로 단락회로전류밀도가 증가함에 따라 제조되는 유·무기 복합 탠덤 태양전지 전력변환효율이 64 % 정도 향상되었음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 5의 유·무기 복합 탠덤 태양전지는 비교예 1의 유기태양전지 및 비교예 2의 무기태양전지의 개방회로전압의 합과 거의 비슷함을 나타내었다. 상기 결과는 유·무기 복합 탠덤 태양전지 내 삽입된 ITO 전자수송층/PEDOT:PSS 정공수송층 이루어진 절연층이 무기태양전지 및 유기태양전지 각각에서 생성되는 전자와 정공이 재결합할 수 있는 영역을 효율적으로 제공해주는 것에 기인한다고 판단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예 2 ~ 5의 유·무기 복합 탠덤 태양전지는 비교예 1의 유기태양전지 또는 비교예 2의 무기태양전지의 전력변환효율보다 높은 값을 나타내었다.
한 편, 본 발명에 따른 유·무기 복합 탠덤 태양전지는 비정질 실리콘층의 두께가 얇아질수록 전력변환효율이 향상됨을 내지만 일정 두께 이하로 얇아지면(실시예 5) 전력변환효율이 오히려 감소됨을 나타낸다. 상기 결과는 비정질 실리콘층이 일정 두께 이하로 얇아지게 되면, 투과도는 향상되지만(도 7) 누설전류가 증가하여 무기태양전지의 단락회로전류밀도 및 곡선인자 값이 감소하기 때문인 것으로 판단할 수 있다.
이로부터, 본 발명의 유·무기 복합 탠덤 태양전지는 무기태양전지에 해당하는 무기계 광활성층의 두께를 최적화함으로써 단락전류회로밀도 및 전력변환효율을 향상시킬 수 있어, 유기태양전지 및 무기태양전지 각각의 전력변환효율보다 높은 값을 달성할 수 있음을 알 수 있다.
Claims (9)
- 기판; 투명전극층; 무기계 광활성층; 산화인듐주석 전자수송층; 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS) 정공수송층; 유기계 광활성층; 및 후면전극층이 순차적으로 적층되어 이루어지는 유·무기 복합 탠덤 태양전지에 있어서,
무기계 광활성층의 두께를 조절하여 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 유리 또는 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 투명전극층은 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 은 나노와이어, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 및 PEDOT:PSS을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 무기계 광활성층은 비정질 실리콘층인 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 무기계 광활성층은 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층이 순서대로 적층되는 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 무기계 광활성층은 70 ~ 140 ㎚ 두께로 투명전극층 상부에 적층되는 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 무기계 광활성층은 p형 비정질 실리콘층:i형 비정질 실리콘층:n형 비정질 실리콘층이 각각 1 : 10 ~ 24 : 2 ~ 3의 두께비로 적층되는 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 유기계 광활성층은 PBDTTT-C(poly[4,8-bis-alkyloxybenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-[alkyl thieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate]-2,6-diyl), PTB7(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]), 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)]), PC61BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 PC71BM 를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 후면전극층은 알루미늄, 은, 금, 크롬, 팔라듐, 그래핀, 탄소나노튜브 및 은 나노와이어를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법.
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| KR1020120066334A KR101304573B1 (ko) | 2012-06-20 | 2012-06-20 | 유·무기 복합 탠덤 태양전지의 광전변환효율을 향상시키는 방법 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102701353B1 (ko) * | 2024-01-29 | 2024-08-30 | 충북대학교 산학협력단 | 산화 그래핀이 도핑된 산화 인듐 박막을 구비하는 포토트랜지스터 |
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| KR20090123589A (ko) * | 2008-05-28 | 2009-12-02 | 주식회사 엔피홀딩스 | 태양 전지 및 이의 제조 방법 |
| KR20110041634A (ko) * | 2009-10-16 | 2011-04-22 | 주성엔지니어링(주) | 이종 적층형 박막 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR101117127B1 (ko) * | 2010-08-06 | 2012-02-24 | 한국과학기술연구원 | 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 이용한 탠덤형 태양전지 |
-
2012
- 2012-06-20 KR KR1020120066334A patent/KR101304573B1/ko not_active IP Right Cessation
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