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KR20180007585A - 텐덤 태양전지, 이를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

텐덤 태양전지, 이를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20180007585A
KR20180007585A KR1020160088808A KR20160088808A KR20180007585A KR 20180007585 A KR20180007585 A KR 20180007585A KR 1020160088808 A KR1020160088808 A KR 1020160088808A KR 20160088808 A KR20160088808 A KR 20160088808A KR 20180007585 A KR20180007585 A KR 20180007585A
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KR
South Korea
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solar cell
layer
crystalline silicon
tandem solar
transparent electrode
Prior art date
Application number
KR1020160088808A
Other languages
English (en)
Inventor
안세원
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to KR1020160088808A priority Critical patent/KR20180007585A/ko
Priority to EP17173638.2A priority patent/EP3270432B1/en
Priority to CN201710560491.9A priority patent/CN107634119B/zh
Priority to JP2017137082A priority patent/JP6524150B2/ja
Priority to US15/649,519 priority patent/US20180019358A1/en
Priority to KR1020180008370A priority patent/KR102367784B1/ko
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Abstract

본 발명은 텐덤 태양전지, 이를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 페로브스카이트 태양전지를 적층하여 접합시킨 모놀리식(monolithic) 텐덤 태양전지와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 결정질 실리콘 태양전지와 페로브스카이트 태양전지가 접합층을 매개로 하여 접합된 태양전지의 전면 투명 전극의 전면에 나노 전극 구조체를 패턴화함으로써 나노 전극 구조체를 통해 태양전지로 입사되는 태양광의 광 경로를 증가시켜 태양광의 이용율을 향상시킬 수 있다.

Description

텐덤 태양전지, 이를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈 및 이의 제조방법{TANDEM SOLAR CELL, TANDEN SOLAR CELL MODULE COMPRISING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 텐덤 태양전지, 이를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 페로브스카이트 태양전지를 적층하여 접합시킨 모놀리식(monolithic) 텐덤 태양전지와 이를 모듈화시킨 텐덤 태양전지 모듈 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
결정질 실리콘(crystalline silicon; c-Si) 태양전지는 대표적인 단일접합(single juction) 태양전지로서 수십년 동안 태양전지 시장을 지배해왔다.
그러나, 결정질 실리콘의 밴드갭은 Shockley-Queisser 한계를 고려할 때 거의 이상적임에도 불구하고, 실리콘 기반의 태양전지의 광전 변환 효율을 Auger 재조합에 따라 약 30% 수준으로 제한되고 있는 실정이다.
즉, 종래의 결정질 실리콘 태양전지의 광전 효율은 밴드갭보다 훨씬 높은 에너지를 갖는 광자가 입사될 때 발생하는 열화 손실(thermalization loss)과 밴드갭보다 낮은 에너지를 갖는 포톤의 투과 손실로 인해 낮은 한계치를 갖는다.
여기서, 열화 손실이란 태양전지로 흡수된 광의 초과 에너지가 격자 진동의 양자 형태인 포톤으로 전환되지 못하고 열에너지로 손실되는 것을 말하며, 투과 손실이란 밴드갭보다 낮은 에너지를 갖는 광자가 전자를 충분히 여기시키지 못함에 따른 손실을 의미한다.
단일접합 태양전지에 있어서 열화 손실을 줄이려면 적절한 크기의 밴드갭이 필요함과 동시에 낮은 에너지의 포톤이 기여할 수 있도록 하기 위해서는 밴드갭이 낮아야 하므로 서로 간에 트레이드-오프(trade-off) 관계가 성립된다.
이러한 트레이드-오프 관계는 단일접합 태양전지로는 해결하기 곤란하기 때문에, 최근에는 텐덤 태양전지(tandem solar cell 또는 double-juction solar cell)와 같이 다양한 에너지 밴드갭을 갖는 재료들을 이용함으로써 넓은 스펙트럼 영역의 광에너지를 효과적으로 이용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
이러한 시도의 일환으로 서로 다른 밴드갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 연결하여 하나의 태양전지를 구성하는 텐덤 태양전지가 제안된 바 있다.
일반적으로 텐덤 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 먼저 입사광을 받도록 전면에 위치하며, 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 후면에 위치한다.
이에 따라, 텐덤 태양전지는 전면에서 단파장 영역의 광을 흡수하고 후면에서 장파장 영역의 광을 흡수함으로써 문턱 파장(threshold wavelength)을 장파장 쪽으로 이동시킬 수 있으며, 결과적으로 전체 흡수파장 영역을 넓게 이용할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 전체 흡수파장 영역을 두 대역으로 나누어 이용함으로써 전자-정공 생성시 열 손실의 감소를 기대할 수 있다.
이러한 텐덤 태양전지는 단일접합 태양전지의 접합 형태와 전극이 구비되는 위치에 따라 크게 2-단자(two-terminal) 텐덤 태양전지와 4-단자(four-terminal) 텐덤 태양전지로 분류될 수 있다.
구체적으로, 2-단자 텐덤 태양전지는 두 서브 태양전지가 터널 접합되며, 텐덤 태양전지의 전면 및 후면에 각각 전극이 구비된 구조를 가지며, 4-단자 텐덤 태양전지는 두 서브 태양전지가 서로 이격된 상태로 존재하며, 각각의 서브 태양전지의 전면 및 후면에 전극이 구비된 구조를 가진다.
4-단자 텐덤 태양전지의 경우 각 서브 태양전지가 별개의 기판을 필요로 하며, 2-단자 텐덤 태양전지에 비해 상대적으로 많은 투명 전도성 접합을 필요로 하기 때문에 저항이 높으며, 광학 손실이 필연적으로 발생하기 때문에 2-단자 텐덤 태양전지가 차세대 태양전지로서 주목받고 있다.
도 1은 일반적인 2-단자 텐덤 태양전지의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 접합층을 매개로 하여 터널 접합된다.
다양한 종류의 2-단자 텐덤 태양전지 중 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 페로브스카이트 태양전지로 사용하고, 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 결정질 실리콘 태양전지로 사용한 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지가 30% 이상의 광전 효율을 달성할 수 있는 유력한 후보로 주목받고 있다.
페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지에 있어서 페로브스카이트 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 접합층을 형성한 후 접합층의 전면에 증착하게 된다.
이 때, 입사광의 반사율을 줄이기 위해 결정질 실리콘 기판의 표면에 텍스쳐 구조를 형성할 경우, 페로브스카이트 태양전지(특히, 결정질 실리콘 태양전지와 직접적으로 접촉하는 전자전달층)가 균일하게 증착되지 못하는 문제가 있다.
따라서, 현재 대부분의 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지는 페로브스카이트 태양전지가 증착되는 결정질 실리콘 기판의 표면을 평탄화한 후 페로브스카이트 태양전지를 증착시킨 형태를 취하고 있다.
이 경우, 입사광의 반사율이 증가할 뿐만 아니라 후면에 배치된 결정질 실리콘 텐덤 태양전지에서 흡수되는 장파장의 광 경로가 감소되기 때문에 결정질 실리콘 텐덤 태양전지에서의 광흡수율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 전면에 배치된 페로브스카이트 태양전지에서 선택적으로 흡수되는 단파장의 입사광이 페로브스카이트 흡수층에서 충분히 포집되지 못한채 투과함에 따른 투과 손실 문제가 발생할 우려가 있다.
이에 따라, 본 발명은 텐덤 태양전지에 수직으로 입사되는 광의 반사율을 줄임과 동시에 광의 입사 방향을 사선 방향으로 변화시킴에 따라 광 경로를 증가시키는 것이 가능한 구조를 가지는 텐덤 태양전지 및 이를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 페로브스카이트 태양전지와 결정질 실리콘 태양전지에서의 선택적인 광 포집이 가능한 구조를 가지는 및 이를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명은 양면수광형의 동종 또는 이종정합 실리콘 태양전지를 사용하여 광 효율 및 실반전량을 향상시킨 및 이를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 텐덤 태양전지의 전면에 패턴화된 나노 광학 구조를 도입함에 따라 입사광의 반사율을 줄임과 동시에 광 경로를 증가시킬 수 있는 텐덤 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 위치하는 접합층, 접합층의 전면에 위치하는 페로브스카이트 태양전지 및 페로브스카이트 태양전지의 전면에 위치하는 전면 투명 전극를 포함하되, 전면 투명 전극의 전면에 패턴화된 투명 전극 구조체를 포함하는 텐덤 태양전지가 제공된다.
여기서, 투명 전극 구조체는 요철 패턴 또는 그리드 패턴을 가지도록 패턴화됨에 따라 텐덤 태양전지를 향해 수직으로 입사되는 광의 방향을 사선 방향으로 변화시켜 입사광의 반사율을 줄임과 동시에 광 경로를 증가시키는 것이 가능하다. 입사광의 경로가 증가함에 따라 페로브스카이트 태양전지 및 결정질 실리콘 태양전지 내 광 흡수층을 투과하는 광의 경로가 증가하며, 이를 통해 광흡수율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 페로브스카이트 태양전지에서 생성된 전하를 포집하기 위한 전면 금속 전극은 전면 투명 전극의 전면 중 일부 영역에 배치된다. 이 때, 전면 금속 전극은 금속으로 이루어진 패드 전극과 전극 와이어를 포함한다. 여기서, 전극 와이어는 본 발명에 따른 복수의 텐덤 태양전지(즉, 복수의 셀)를 사용하여 태양전지 모듈을 구성할 경우, 이웃한 셀을 전기적으로 연결하기 위한 도전체로서 역할한다. 이 때, 전극 와이어는 원통형 또는 타원형의 단면을 가짐으로써, 전극 와이어에 의해 반사된 입사광이 태양전지를 향해 재입사될 수 있도록 한다.
또한, 결정질 실리콘 태양전지에서 생성된 전하를 포집하기 위한 후면 금속 전극은 후면 투명 전극의 후면에 전면적으로 구비되는 것이 아니라 전면 금속 전극과 마찬가지로 후면 투명 전극 또는 후면 패시베이션층의 후면의 일부 영역에 배치됨으로써 결정질 실리콘 태양전지의 흡수층에 흡수되지 못한 장파장의 광이 외부로 투과될 수 있도록 한다.
이 때, 후면 금속 전극은 후면 투명 전극 또는 후면 패시베이션층의 후면의 일부 영역에 배치됨으로써 텐덤 태양전지의 전면뿐만 아니라 후면으로부터 태양광이 입사 가능하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 위치하는 접합층, 상기 접합층의 전면에 위치하는 페로브스카이트 태양전지, 상기 페로브스카이트 태양전지의 전면에 위치하는 전면 투명 전극, 상기 전면 투명 전극의 전면에 위치하며, 패턴화된 투명 전극을 포함하는 투명 전극 구조체, 상기 투명 전극 구조체의 전면에 위치하는 전면 금속 전극 및 상기 결정질 실리콘 태양전지의 후면에 위치하는 후면 금속 전극을 포함하는 복수의 텐덤 태양전지를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈이 제공된다.
이 때, 상기 복수의 텐덤 태양전지 중 이웃한 두 텐덤 태양전지의 전면 금속 전극과 후면 금속 전극은 전극 와이어에 의해 서로 전기적으로 연결되며, 상기 복수의 텐덤 태양전지의 전면 및 후면에 갭을 두고 위치하는 전면 투명 기판 및 후면 투면 기판을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 결정질 실리콘 기판으로부터 결정질 실리콘 태양전지를 형성하는 단계, 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 접합층을 형성하는 단계, 접합층의 전면에 페로브스카이트 태양전지를 형성하는 단계, 페로브스카이트 태양전지의 전면에 전면 투명 전극을 형성하는 단계 및 전면 투명 전극의 전면에 투명 전극 구조체를 패턴화하는 단계를 포함하는 텐덤 태양전지의 제조방법이 제공될 수 있다.
여기서, 투명 전극 구조체는 전면 투명 전극을 형성한 후 전면 투명 전극의 전면으로부터 소정의 깊이만큼 식각되어 요철 패턴 또는 그리드 패턴을 가지도록 패턴화되거나, 전면 투명 전극의 전면에 별개의 층으로서 증착될 수 있다.
본 발명에 따르면, 텐덤 태양전지의 전면에 배치되는 전면 투명 전극의 전면에 패턴화된 투명 전극 구조체를 배치함으로써 텐덤 태양전지의 전면을 향해 수직으로 입사되는 광의 입사각을 변화시켜 입사광의 반사율을 줄이는 것이 가능하다.
특히, 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 텍스쳐 구조를 도입하지 않더라도 페로브스카이트 태양전지를 투과하는 장파장의 광은 사선 방향으로 결정질 실리콘 태양전지를 향해 입사됨에 따라 접합층과 결정질 실리콘 태양전지의 경계면에서 반사되는 것을 줄일 수 있다.
또한, 전면 투명 전극의 전면에 패턴화된 투명 전극 구조체에 의해 텐덤 태양전지를 향해 수직으로 입사되는 광이 굴절되어 페로브스카이트 태양전지 및 결정질 실리콘 태양전지를 향해 사선 방향으로 입사될 수 있다. 이에 따라 각 태양전지를 통과하는 입사광의 경로가 증가하게 되며, 결과적으로 각 태양전지에서의 광 흡수율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 텐덤 태양전지의 페로브스카이트 태양전지에서 생성된 전하를 포집하기 위한 전극 와이어가 원통형 또는 타원형의 단면을 가짐에 따라 전극 와이어에 의해 반사된 입사광이 태양전지를 향해 재입사될 수 있도록 함으로써 효율성을 향상시킬 수 있다.
추가적으로, 후면 금속 전극이 일부 영역에 배치됨에 따라 양면 수광형의 텐덤 태양전지를 구현하는 것이 가능하며, 이를 통해 텐덤 태양전지의 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 텐덤 태양전지의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 텐덤 태양전지의 단면을 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 텐덤 태양전지에 적용된 투명 전극 구조체의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 텐덤 태양전지 내에서 단파장 광을 흡수하는 경로를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8은 도 2에 도시된 텐덤 태양전지 내에서 장파장 광을 흡수하는 경로를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 텐덤 태양전지의 단면을 나타낸 것이다.
도 10 및 도 11은 도 9에 도시된 텐덤 태양전지에 적용된 투명 전극 구조체의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 12는 도 2에 도시된 텐덤 태양전지의 제조 순서를 나타낸 것이다.
도 13은 도 9에 도시된 텐덤 태양전지의 제조 순서를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명에 따른 텐덤 태양전지가 모듈화된 형태를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 본원에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 텐덤 태양전지와 이를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
[텐덤 태양전지]
이하에서 설명되는 텐덤 태양전지는 통상적으로 태양광(또는 입사광)이 텐덤 태양전지의 전면으로만 수광되는 것이 아니라 텐덤 태양전지의 전면과 후면으로부터 모두 수광 가능한 양면수광 형태의 텐덤 태양전지인 것으로 가정된다.
제1 실시예
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지의 단면을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지(130)와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 결정질 실리콘 태양전지(110)가 접합층(120)을 매개로 하여 직접적으로 터널 접합된 2-단자 텐덤 태양전지(이하, "페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지"라 함)의 구조를 가진다.
이에 따라, 텐덤 태양전지로 입사된 광 중 단파장 영역의 광은 전면에 배치된 페로브스카이트 태양전지(130)에 흡수되어 전하를 생성하며, 페로브스카이트 태양전지를 투과하는 장파장 영역의 광은 후면에 배치된 결정질 실리콘 태양전지(110)에 흡수되어 전하를 생성하게 된다.
상술한 구조를 가지는 텐덤 태양전지는 전면에 배치된 페로브스카이트 태양전지(130)에서 단파장 영역의 광을 흡수하여 발전하고, 후면에 배치된 결정질 실리콘 태양전지(110)에서 장파장 영역의 광을 흡수하여 발전함으로써 문턱 파장(threshold wavelength)을 장파장 쪽으로 이동시킬 수 있으며, 결과적으로 전체 태양전지가 흡수하는 파장대를 넓힐 수 있다는 이점이 있다.
다만, 2-단자 텐덤 태양전지의 경우, 접합층(120)을 매개로 하여 걸정질 실리콘 태양전지(110)의 전면에 페로브스카이트 태양전지(130)가 직접적으로 터널 접합되기 때문에 결정질 실리콘 태양전지(110)의 전면의 구조에 따라 페로브스카이트 태양전지(130)의 특성이 영향을 받을 수 있다.
단일접합 태양전지에서 표면에서의 입사광의 반사율을 줄이고, 태양전지로 입사된 광의 경로를 증가시키기 위해 표면에 텍스쳐 구조를 도입하는 것이 일반적이다.
다만, 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지의 경우, 결정질 실리콘 텐덤 태양전지의 전면에 텍스쳐 구조가 도입된 경우, 결정질 실리콘 텐덤 태양전지의 전면에 페로브스카이트 태양전지를 균일하게 증착시키기 어렵다는 문제가 있다. 이에 따라, 지금까지 알려진 대부분의 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지는 편평한 웨이퍼의 전면에 구현될 수 밖에 없는 한계가 있었다.
이 경우, 특히 페로브스카이트 태양전지를 투과하여 결정질 실리콘 태양전지를 향해 수직으로 입사되는 장파장 영역의 광이 접합층과 결정질 실리콘 태양전지의 계면에서 반사될 확률이 증가한다는 문제가 있다. 또한, 반사되지 않고 결정질 실리콘 태양전지를 투과하더라도 사선으로 입사되는 경우보다 장파장의 광 경로가 짧기 때문에 장파장 광의 흡수율을 향상시키기 어렵다는 문제가 있다.
상술한 종래의 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지의 문제를 해소하기 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐덤 태양전지에 있어서 결정질 실리콘 태양전지(110)는 후면에만 선택적인 텍스쳐 구조를 도입하는 것을 특징으로 한다.
제1 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지(110)는 헤테로접합(heterojuction) 결정질 실리콘 태양전지로 구현될 수 있다.
구체적으로, 제1 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지(110)는 결정질 실리콘 기판(111), 결정질 실리콘 기판(111)의 전면에 위치하는 전면 i형 비정질 실리콘층(112) 및 전면 i형 비정질 실리콘층의 전면에 위치하는 제1 도전형 비정질 실리콘층(114)를 포함한다. 결정질 실리콘 기판(111)의 전면은 페로브스카이트 태양전지(130)를 투과한 장파장 영역의 광이 최초로 결정질 실리콘 태양전지(110)로 입사되는 부분이다.
또한, 결정질 실리콘 기판(111)의 후면으로는 후면 i형 비정질 실리콘층(113)과 후면 i형 비정질 실리콘층(113)의 후면에 위치하는 제2 도전형 비정질 실리콘층(115)을 포함한다.
여기서, 결정질 실리콘 기판(111)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 제1 도전형 비정질 실리콘층(114)은 p형 비정질 실리콘층인 것이 바람직하다. 즉, 장파장 영역의 광이 최초로 결정질 실리콘 태양전지(110)로 입사됨에 따라 수광량이 상대적으로 높은 전면에서의 캐리어 이동도를 향상시키기 위해 n 형 단결정 실리콘 기판의 전면에 p형 비정질 실리콘층을 위치시켜 역접합(p-n 접합)을 구성하는 것이 바람직하며, 이에 따라 캐리어의 수집 효율을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 제2 도전형 비정질 실리콘층(115)은 이면 전계 효과를 얻기 위해 n형 비정질 실리콘층을 사용한다.
또한, 결정질 실리콘 기판(111)으로 n형 단결정 실리콘 기판 대신 p형 단결정 실리콘 기판 또는 결정질 실리콘 태양전지(110)에 통상적으로 사용되는 다른 결정질 실리콘 기판을 사용해도 무방하다. 마찬가지로, 제1 도전형 비정질 실리콘층(114)과 제2 도전형 비정질 실리콘층(115) 역시 결정질 실리콘 기판(111)의 도전형에 따라 적절한 도전형을 가지도록 설계될 수 있다.
결정질 실리콘 태양전지(110)에서 생성된 전하는 후면 투명 전극(140)에서 포집되며, 후면 투명 전극(140)과 외부 단자 사이의 연결은 후면 금속 전극(180)을 매개로 하여 이루어진다.
후면 투명 전극(140)은 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다.
후면 투명 전극(140)을 구현하기 위한 투명 전도성 소재로는 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 및 전도성 고분자 등이 있다.
투명 전도성 산화물로는 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) 또는 ZnO 등이 사용될 수 있다. 탄소질 전도성 소재로는 그래핀 또는 카본나노튜브 등이 사용될 수 있으며, 금속성 소재로는 금속(Ag) 나노 와이어, Au/Ag/Cu/Mg/Mo/Ti와 같은 다층 구조의 금속 박막이 사용될 수 있다. 전도성 고분자로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 스파이로-미오타드(Spiro-MeOTAD) 또는 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA) 등이 사용될 수 있다.
여기서, 후면 금속 전극(180)은 도 2에 도시된 바와 같이 후면 투명 전극(140)의 후면에 전면적으로 구비되는 것이 아니라, 후면 투명 전극(140)의 후면 중 일부 영역에 구비됨으로써, 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면으로부터 태양광이 입사될 수 있다.
이 때, 후면 금속 전극(180)은 후면 투명 전극(140)의 후면의 전체 면적 중 1% 내지 30%를 점유하도록 배치되는 것이 바람직하다. 후면 금속 전극(180)의 점유 면적이 1% 미만인 경우, 후면 금속 전극(180)에 의한 결정질 실리콘 태양전지(110)에서 생성된 전하의 포집 효과가 부족할 우려가 있는 반면, 후면 금속 전극(180)의 점유 면적이 30%를 초과할 경우, 후면 금속 전극(180)에 의한 점유 면적이 지나치게 넓어 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면으로부터 입사되는 광의 이용율이 저하될 우려가 있다.
후면 금속 전극(180)은 후면 투명 전극(140)의 후면 중 일부 영역과 접촉하는 패드 전극(181)을 포함한다. 또한, 추가적으로 후면 투명 전극(140)의 후면에 전하를 포집하기 위한 그리드 전극 구조가 형성되고, 그리드 전극 구조의 후면 중 일부 영역에 패드 전극(181)이 접촉하도록 구비될 수도 있다. 패드 전극(181)의 후면으로는 이웃한 텐덤 태양전지(셀)을 전기적으로 연결하기 위해 전극 와이어(182)가 구비되며, 하나의 셀의 패드 전극(181)의 후면에 연결된 전극 와이어(182)는 이웃한 셀의 패드 전극(171)의 전면에 연결된 전극 와이어(172)와 일체로 구비된다.
여기서, 전극 와이어(182)는 원통형 또는 타원형의 단면을 가지는 와이어 형상인 것이 바람직하다. 이에 따라, 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면으로부터 입사되는 광을 사선 방향으로 반사시켜 입사되도록 함으로써 광 경로를 증가시킬 수 있다는 이점이 있다.
추가적으로, 결정질 실리콘 기판(111)의 후면에 텍스쳐 구조를 도입하고, 결정질 실리콘 기판(111)의 후면에 순차적으로 구비되는 실리콘층(113, 115)과 후면 투명 전극(140)도 텍스쳐 구조를 따라 형성되도록 함에 따라 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면을 통해 수직으로 입사되는 광의 경로를 사선 방향으로 변경시킬 수 있다. 즉, 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면에 도입된 텍스쳐 구조에 의한 광 산란 효과을 통해 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면으로부터 입사되는 광의 경로를 증가시킬 수 있다는 이점이 있다.
결정질 실리콘 기판(111)의 전면은 후면과 달리 텍스쳐 구조를 도입하지 않고 편평하게 함으로써 실리콘 태양전지(110)의 전면에 페로브스카이트 태양전지(130)를 형성할 때, 페로브스카이트 태양전지(130)에 결함이 생기는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 결정질 실리콘 태양전지(110)의 제1 도전형 비정질 실리콘층(114)의 전면에는 결정질 실리콘 태양전지(110)와 페로브스카이트 태양전지(130)를 터널 접합하여 전기적으로 연결하기 위한 접합층(120)이 위치한다.
접합층(120)은 결정질 실리콘 태양전지(110)와 페로브스카이트 태양전지(130)를 전기적으로 연결함과 동시에 페로브스카이트 태양전지(130)를 투과하는 장파장의 광을 투과 손실없이 후면에 배치된 결정질 실리콘 태양전지(110)로 입사될 수 있도록 후면 투명 전극(140)과 마찬가지로 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 또는 전도성 고분자를 사용하여 구현될 수 있다. 또한, 접합층(120)에 n형 또는 p형 물질을 도핑하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 접합층(120)으로 투명 전극 대신 n형 또는 p형 비정질 실리콘층을 적용하는 것도 가능하다.
또한, 다른 변형예에 따르면, 접합층(120)은 서로 다른 굴절률을 가지는 실리콘층을 복수회 교대 적층시킨 복층 구조로 구현될 수 있다. 이 때, 복층 구조는 저굴절률층과 고굴절률층이 교대 적층된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 접합층(120)을 기준으로 단파장의 광은 페로브스카이트 태양전지(130)측으로 반사시키고, 장파장의 광은 결정질 실리콘 태양전지(110)측으로 투과시킬 수 있다. 이를 통해, 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지의 선택적인 광 포집이 가능하도록 할 수 있다.
여기서, 저굴절률층과 고굴절률층이 교대 적층된 구조를 투명 전도성 산화물층 또는 n+형 실리콘층의 전면 또는 후면에 마련함으로써 상술한 광의 선택적인 반사 및 투과를 구현할 수 있다.
접합층(120)의 전면으로는 페로브스카이트 태양전지(130)과 위치한다.
페로브스카이트 태양전지(130)는 접합층(120)의 전면에 위치하는 전자전달층(131), 전자전달층의 전면에 위치하는 페로브스카이트 흡수층(132) 및 페로브스카이트 흡수층의 전면에 위치하는 정공전달층(133)을 포함한다. 여기서, 전자전달층(131)과 정공전달층(133)의 위치는 필요에 따라 서로 바뀔 수 있다.
접합층(120)의 전면에 위치하는 전자전달층(131)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 전자전달층(131)을 구성하는 금속 산화물의 비제한적인 예로는 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 있다. 바람직하게는 전자전달층(131)은 ZnO, TiO2, SnO2, WO3 및 TiSrO3로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 산화물을 포함할 수 있다.
또한, 전자전달층(131)의 전면에는 전자전달층(131)과 동일 또는 상이한 금속 산화물을 포함하는 메조다공성층(131a)이 더 구비될 수 있다.
여기서, 메조다공성층(131a)은 페로브스카이트 흡수층(132)에서 발생한 정공-전자쌍이 전자 또는 정공으로 분해된 후, 특히 전자가 접합층(120)으로 용이하게 전달될 수 있도록 한다. 또한, 메조다공성층(131a)에 형성된 메조다공 구조는 이를 투과하는 광이 산란될 수 있는 함으로써 광 경로를 추가적으로 증가시키는 역할을 수행할 수 있다.
접합층(120)의 전면에 위치하는 페로브스카이트 흡수층(132)은 페로브스카이트 구조를 가지는 화합물을 포함하는 광 활성층으로서, 페로브스카이트 구조는 AMX3 (여기서, A는 1가의 유기 암모늄 양이온 또는 금속 양이온; M은 2가의 금속 금속 양이온; X는 할로겐 음이온을 의미한다)으로 표시될 수 있다. 페로브스카이트 구조를 가지는 화합물의 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 있다(0≤x, y≤1). 또한, AMX3의 A에 Cs가 일부 도핑된 화합물도 사용될 수 있다.
이 때, 페로브스카이트 흡수층(132)은 전자의 전달 효과를 향상시키기 위해 메조다공성층(131a)의 메조다공을 채움과 동시에 메조다공성층(131a)의 전면으로 소정의 높이만큼 적층되는 것이 바람직하다.
페로브스카이트 흡수층(132)의 전면에 위치하는 정공전달층(133)은 후면 투명 전극(140)의 소재로서 언급된 전도성 고분자로 구현될 수 있다. 정공전달층(133)은 필요에 따라 n형 또는 p형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
상술한 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지(130)에서 생성된 전하는 전면 투명 전극(150)에서 포집되며, 전면 투명 전극(150)과 외부 단자 사이의 연결은 전면 금속 전극(170)을 매개로 하여 이루어진다.
전면 투명 전극(150)은 후면 투명 전극(140)과 동일하게 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 텐덤 태양전지는 수직으로 입사되는 광의 반사율을 줄임과 동시에 광의 입사 방향을 사선 방향으로 변화시켜 텐덤 태양전지를 통과하는 광 경로를 증가시키기 위해 전면 투명 전극(150)의 전면에 나노 사이즈로 패턴화된 투명 전극 구조체(160)를 더 포함한다. 이 때, 투명 전극 구조체(160)는 그리드 또는 메쉬 패턴과 같은 격자형 패턴을 가질 수 있다.
즉, 전면 투명 전극(150)의 전면에 패턴화된 투명 전극 구조체(160)를 배치함으로써 텐덤 태양전지를 향해 수직으로 입사되는 광의 입사각을 변화시켜 입사광의 반사율을 줄이는 것이 가능하다.
특히, 결정질 실리콘 태양전지(110)의 전면에 텍스쳐 구조를 도입하지 않더라도 페로브스카이트 태양전지(130)를 투과하는 장파장의 광은 투명 전극 구조체(160)에 의해 사선 방향으로 굴절되어 결정질 실리콘 태양전지(110)를 향해 입사됨에 따라 접합층(120)과 결정질 실리콘 태양전지(110)의 경계면에서 반사되는 것을 줄일 수 있다.
또한, 패턴화된 투명 전극 구조체(160)에 의해 텐덤 태양전지를 향해 수직으로 입사되는 광이 굴절되어 페로브스카이트 태양전지(130) 및 결정질 실리콘 태양전지(110)를 향해 사선 방향으로 입사될 수 있다. 이에 따라 각 태양전지를 통과하는 입사광의 경로가 증가하게 되며, 결과적으로 각 태양전지에서의 광 흡수율이 향상될 수 있다.
이러한 투명 전극 구조체(160)는 전면 투명 전극(150)과 동일하게 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있으며, 전면 투명 전극(150)과 별개의 층으로서 구비되거나 전면 투명 전극(150)과 일체형으로서 구비될 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참조하면, 전면 투명 전극(150)과 투명 전극 구조체(160)는 별개의 층으로서 구비되되, 투명 전극 구조체(160)는 나노 사이즈의 구조물을 가지거나 그리드 또는 메쉬 패턴으로 패턴화됨으로써 일부 영역에서 전면 투명 전극(150)을 노출시킨다.
다른 변형예에 따른 도 3을 참조하면, 전면 투명 전극(150)과 투명 전극 구조체(160)는 별개의 층으로서 구비되되, 투명 전극 구조체(160)는 요철 패턴으로 패턴화될 수 있다.
또 다른 변형예에 따른 도 4를 참조하면, 전면 투명 전극(150)과 투명 전극 구조체(160)는 일체형으로서 구비될 수 있으며, 이 경우 투명 전극을 증착한 후 전면으로부터 소정의 깊이만큼 패터닝함으로써 투명 전극 구조체(160)를 형성할 수 있다.
상술한 다양한 변형예에 따라 전면 투명 전극(150) 및 투명 전극 구조체(160)를 구비함으로써 텐덤 태양전지의 광 포집 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
전면 금속 전극(170)은 전면 투명 전극(150)의 전면 중 일부 영역에 구비된다. 전면 금속 전극(170)은 전면 투명 전극(150)의 전면 중 일부 영역과 접촉하는 패드 전극(171)을 포함한다. 또한, 추가적으로 전면 투명 전극(150)의 전면에 전하를 포집하기 위한 그리드 전극 구조가 형성되고, 그리드 전극 구조의 전면 중 일부 영역에 패드 전극(171)이 접촉하도록 구비될 수도 있다. 패드 전극(171)의 전면으로는 이웃한 텐덤 태양전지(셀)을 전기적으로 연결하기 위해 전극 와이어(172)가 구비되며, 하나의 셀의 패드 전극(171)의 전면에 연결된 전극 와이어(172)는 이웃한 셀의 패드 전극(181)의 후면에 연결된 전극 와이어(182)와 일체로 구비된다. 여기서, 패드 전극(171, 181)과 전극 와이어(172, 182)는 도전성 페이스트 등을 이용하여 솔더 접합될 수 있다.
여기서, 전극 와이어(172)는 원통형 또는 타원형의 단면을 가지는 와이어 형상인 것이 바람직하다. 이에 따라, 전극 와이어(172)를 향해 수직으로 입사되는 광을 산란시켜 텐덤 태양전지로 재입사될 확률을 증가시킬 수 있다.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 텐덤 태양전지 내에서 단파장 광을 흡수하는 경로를 개략적으로 나타낸 것이며, 도 7 및 도 8은 도 2에 도시된 텐덤 태양전지 내에서 장파장 광을 흡수하는 경로를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 도 2에 도시된 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지의 후면으로는 봉지재(195)를 사이에 두고 투명 기판(190)이 구비되며, 전면으로는 봉지재(205)를 사이에 두고 투명 기판(200)이 구비될 수 있다. 여기서, 투명 기판(190, 200)으로는 유리 기판 또는 투명 폴리머 기판 등이 사용될 수 있다.
도 5는 텐덤 태양전지 내 페로브스카이트 태양전지(130)에서 텐덤 태양전지의 전면으로부터 입사된 단파장의 광이 흡수되는 다양한 경로를 나타낸 것이다.
우선, 제1 광 경로(①)는 투명 전극 구조체(160)에 의해 단파장의 광이 굴절되어 사선 방향으로 페로브스카이트 흡수층(132)으로 입사되는 광 경로이다. 즉, 페로브스카이트 태양전지(130)의 전면에 패턴화된 투명 전극 구조체(160)를 도입함으로써 페로브스카이트 태양전지(130)를 향해 수직으로 입사되는 광의 경로를 사선 방향으로 변경시킴으로써 반사 방지 효과를 얻음과 동시에 증가된 광 경로에 의해 페로브스카이트 흡수층(132) 내에서의 단파장 광의 이용율을 향상시킬 수 있다.
제2 광 경로(②)와 제3 광 경로(③)는 원통형 또는 타원형의 단면을 가지는 와이어 형상의 금속 그리드를 포함하는 전면 금속 전극(170)에 의해 단파장의 광이 반사되는 경로를 나타낸 것이다.
여기서, 제2 광 경로(②)는 전면 금속 전극(170)의 전면을 향해 수직으로 입사된 광이 전극 와이어의 곡률진 면에 반사되어 투명 기판(200)을 향해 사선 방향으로 입사되는 광 경로이다. 투명 기판(200)을 향해 사선 방향으로 입사된 광은 재반사되어 페로브스카이트 태양전지(130)를 향해 사선 방향으로 입사될 수 있다.
이에 따라, 전면 금속 전극(170)를 향해 수직으로 입사되는 광을 다양한 방향으로 산란시켜 페로브스카이트 태양전지(130)로 재입사될 확률을 증가시킬 수 있다.
제3 광 경로(③)는 전극 와이어의 측면을 향해 수직으로 입사되는 광이 반사되어 페로브스카이트 태양전지(130)를 향해 사선 방향으로 입사되는 광 경로이다. 이를 통해, 반사 방지 효과를 얻음과 동시에 증가된 광 경로에 의해 페로브스카이트 흡수층(132) 내에서의 단파장 광의 이용율을 향상시킬 수 있다.
제4 광 경로(④)는 접합층(120)에 의해 반사되어 페로브스카이트 흡수층(132)으로 재입사되는 광 경로이다. 이를 위해 접합층(120)은 단파장의 광은 페로브스카이트 흡수층(132)으로 반사시키되, 장파장의 광은 결정질 실리콘 태양전지(110)측으로 투과시킬 수 있도록 서로 상이한 굴절률을 가지는 복층 구조를 가지는 것이 바람직하다.
도 6은 텐덤 태양전지 내 페로브스카이트 태양전지(130)에서 텐덤 태양전지의 후면으로부터 입사된 단파장의 광이 흡수되는 다양한 경로를 나타낸 것이다.
우선, 제1 광 경로(①)는 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면에 도입된 텍스쳐 구조에 의해 단파장의 광이 굴절되어 사선 방향으로 페로브스카이트 태양전지(130)로 입사되는 광 경로이다. 즉, 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면에 텍스쳐 구조를 도입함으로써 텐덤 태양전지의 후면으로부터 수직으로 입사되는 단파장의 광 경로를 사선 방향으로 변경시킴으로써 반사 방지 효과를 얻음과 동시에 광 경로를 증가시켜 페로브스카이트 태양전지(130) 내에서 단파장 광의 이용율을 향상시킬 수 있다.
제2 광 경로(②)와 제3 광 경로(③)는 원통형 또는 타원형의 단면을 가지는 와이어 형상의 금속 그리드를 포함하는 후면 금속 전극(180)에 의해 단파장의 광이 반사되는 경로를 나타낸 것이다.
여기서, 제2 광 경로(②)는 후면 금속 전극(180)를 향해 수직으로 입사된 광이 패드 전극(181)에 접합된 전극 와이어의 곡률진 면에 반사되어 투명 기판(190)을 향해 사선 방향으로 입사되는 광 경로이다. 투명 기판(190)을 향해 사선 방향으로 입사된 광은 재반사되어 페로브스카이트 태양전지(130)를 향해 사선 방향으로 입사될 수 있다.
이에 따라, 후면 금속 전극(180)를 향해 수직으로 입사되는 광을 다양한 방향으로 산란시켜 페로브스카이트 태양전지(130)로 재입사될 확률을 증가시킬 수 있다.
제3 광 경로(③)는 전극 와이어의 측면을 향해 수직으로 입사되는 광이 반사되어 페로브스카이트 태양전지(130)를 향해 사선 방향으로 입사되는 광 경로이다. 이를 통해, 반사 방지 효과를 얻음과 동시에 증가된 광 경로에 의해 페로브스카이트 흡수층(132) 내에서의 단파장 광의 이용율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 텐덤 태양전지 내 결정질 실리콘 태양전지(110)에서 텐덤 태양전지의 전면으로부터 입사된 장파장의 광이 흡수되는 다양한 경로를 나타낸 것이다.
우선, 제1 광 경로(①)는 투명 전극 구조체(160)에 의해 장파장의 광이 굴절되어 사선 방향으로 결정질 실리콘 태양전지(110)으로 입사되는 광 경로이다. 즉, 페로브스카이트 태양전지(130)의 전면에 패턴화된 투명 전극 구조체(160)를 도입함으로써 텐덤 태양전지를 향해 수직으로 입사되는 장파장의 광 경로를 사선 방향으로 변경시킴으로써 반사 방지 효과를 얻음과 동시에 광 경로를 증가시켜 결정질 실리콘 태양전지(110) 내에서 장파장 광의 이용율을 향상시킬 수 있다.
제2 광 경로(②)와 제3 광 경로(③)는 텍스쳐 구조가 도입된 후면 투명 전극(140)과 후면 투명 전극(140)의 후면에 배치된 투명 기판(190)에 의해 장파장의 광이 반사되는 경로를 나타낸 것이다.
우선, 제2 광 경로(②)를 따라 장파장의 광이 후면 투명 전극(140)에 도달할 경우 일부 광이 반사되어 결정질 실리콘 태양전지(110)로 재입사된다. 반면, 후면 투명 전극(140)을 투과한 광은 투명 기판(190)에 의해 다시 사선 방향으로 반사되어 결정질 실리콘 태양전지(110)로 재입사되며, 이러한 광 경로는 제3 광 경로(③)에 해당한다.
제3 광 경로(③)와 같이 후면 투명 전극(140)을 투과하는 광이 후면으로 방출될 수 있도록 하기 위해 후면 금속 전극(180)은 후면 투명 전극(140)의 후면 중 일부 영역에만 구비된다. 이에 따라, 결정질 실리콘 태양전지(110)에서 흡수되지 못한 장파장의 광은 제3 광 경로(③)를 따라 후면으로 방출될 수 있으며, 후면으로 방출된 광은 투명 기판(190)에 의해 반사되어 결정질 실리콘 태양전지(110)로 재입사될 수 있는 바, 장파장 광의 이용율을 향상시킬 수 있다.
제4 광 경로(④)는 전면 금속 전극(170)의 전면을 향해 수직으로 입사된 광이 전극 와이어의 곡률진 면에 반사되어 투명 기판(200)을 향해 사선 방향으로 입사되는 광 경로이다. 투명 기판(200)을 향해 사선 방향으로 입사된 광은 재반사되어 텐덤 태양전지를 향해 사선 방향으로 입사될 수 있으며, 페로브스카이트 태양전지(130)를 투과하여 결정질 실리콘 태양전지(110)에 도달할 수 있다.
즉, 제4 광 경로(④)에 따르면, 전극 와이어(172)를 향해 수직으로 입사되는 광을 다양한 방향으로 산란시켜 결정질 실리콘 태양전지(110)로 재입사될 확률을 증가시킬 수 있다.
도 8은 텐덤 태양전지 내 결정질 실리콘 태양전지(110)에서 텐덤 태양전지의 후면으로부터 입사된 장파장의 광이 흡수되는 다양한 경로를 나타낸 것이다.
우선, 제1 광 경로(①)는 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면에 도입된 텍스쳐 구조에 의해 장파장의 광이 굴절되어 사선 방향으로 결정질 실리콘 태양전지(110)로 입사되는 광 경로이다. 즉, 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면에 텍스쳐 구조를 도입함으로써 텐덤 태양전지의 후면으로부터 수직으로 입사되는 장파장의 광 경로를 사선 방향으로 변경시킴으로써 반사 방지 효과를 얻음과 동시에 광 경로를 증가시켜 결정질 실리콘 태양전지(110) 내에서 장파장 광의 이용율을 향상시킬 수 있다.
제2 광 경로(②)와 제3 광 경로(③)는 원통형 또는 타원형의 단면을 가지는 전극 와이어가 접합된 형태의 후면 금속 전극(180)에 의해 장파장의 광이 반사되는 경로를 나타낸 것이다.
여기서, 제2 광 경로(②)는 후면 금속 전극(180)를 향해 수직으로 입사된 광이 전극 와이어의 곡률진 면에 반사되어 투명 기판(190)을 향해 사선 방향으로 입사되는 광 경로이다. 투명 기판(190)을 향해 사선 방향으로 입사된 광은 재반사되어 결정질 실리콘 태양전지(110)를 향해 사선 방향으로 입사될 수 있다.
또한, 제3 광 경로(③)는 전극 와이어의 측면을 향해 수직으로 입사되는 광이 반사되어 결정질 실리콘 태양전지(110)를 향해 사선 방향으로 입사되는 광 경로이다.
제2 실시예
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 텐덤 태양전지의 단면을 나타낸 것이다.
제2 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지(210)는 동종접합(homojuction) 결정질 실리콘 태양전지로 구현될 수 있다.
구체적으로, 제2 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지(210)는 결정질 실리콘 기판(211), 결정질 실리콘 기판(211)의 전면에 위치하는 에미터층(212) 및 결정질 실리콘 기판(211)의 후면에 위치하는 후면 전계층(213)을 포함한다. 결정질 실리콘 기판(211)의 전면은 페로브스카이트 태양전지(230)를 투과한 장파장 영역의 광이 최초로 결정질 실리콘 태양전지(210)로 입사되는 부분이다.
여기서, 에미터층(212)으로는 결정질 실리콘 기판과 상이한 도전형을 가지는 불순물 도핑층이 사용되고, 후면 전계층(213)으로는 결정질 실리콘 기판과 동일한 도전형을 가지는 불순물 도핑층이 사용됨으로써 동종접합 결정질 실리콘 태양전지를 구현할 수 있다.
예를 들어, 결정질 실리콘 기판(211)이 n형 단결정 실리콘 기판인 경우, 에미터층(212)은 p형 불순물로 도핑된 반도체층이며, 후면 전계층(213)은 n형 불순물로 도핑된 반도체층이다. 이 때, 후면 전계층(213)은 결정질 실리콘 기판(211)에 도핑된 p형 불순물의 농도보다 더 고농도로 도핑된 p+형 반도체층일 수 있다.
또한, 결정질 실리콘 기판(211)으로 n형 단결정 실리콘 기판 대신 p형 단결정 실리콘 기판 또는 결정질 실리콘 태양전지(210)에 통상적으로 사용되는 다른 결정질 실리콘 기판을 사용해도 무방하다. 마찬가지로, 에미터층(212)과 후면 전계층(213) 역시 결정질 실리콘 기판(211)의 도전형에 따라 적절한 도전형을 가지는 불순물로 도핑되도록 설계될 수 있다.
또한, 에미터층(212)의 전면과 후면 전계층(213)의 후면에는 각각 전면 패시베이션층(221)과 후면 패시베이션층(240)이 배치된다. 특히, 전면 패시베이션층(221)은 에미터층(212)의 전면의 결함을 커버함과 동시에 접합층(220)을 매개로 하는 터널 접합을 위한 전도성 확보를 위해 배치될 수 있다.
전면 패시베이션층(221) 및 후면 패시베이션층(240)은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy) 및 실리콘 산화질화물(SiOxNy)로부터 선택되는 적어도 하나의 유전체 물질로 이루어질 수 있다.
결정질 실리콘 태양전지(210)에서 생성된 전하는 후면 금속 전극(280)에서 포집된다. 이 때, 후면 금속 전극(280)은 후면 패시베이션층(240)의 후면의 일부 영역에 위치하되, 후면 패시베이션층(240)을 관통하여 후면 전계층(213)의 후면에 접촉한다.
여기서, 후면 금속 전극(280)은 도 9에 도시된 바와 같이 후면 패시베이션층(240)의 후면에 전면적으로 구비되는 것이 아니라, 후면 패시베이션층(240)의 후면 중 일부 영역에 구비됨으로써, 결정질 실리콘 태양전지(210)의 후면으로부터 태양광이 입사될 수 있다.
이 때, 후면 금속 전극(280)은 후면 패시베이션층(240)의 후면의 전체 면적 중 1% 내지 30%를 점유하도록 배치되는 것이 바람직하다. 후면 금속 전극(280)의 점유 면적이 1% 미만인 경우, 후면 금속 전극(280)에 의한 결정질 실리콘 태양전지(210)에서 생성된 전하의 포집 효과가 부족할 우려가 있는 반면, 후면 금속 전극(280)의 점유 면적이 30%를 초과할 경우, 후면 금속 전극(280)에 의한 점유 면적이 지나치게 넓어 결정질 실리콘 태양전지(210)의 후면으로부터 입사되는 광의 이용율이 저하될 우려가 있다.
후면 금속 전극(280)은 후면 전계층(213)의 후면 중 일부 영역과 접촉하는 패드 전극(281)을 포함한다. 또한, 추가적으로 후면 전계층(213)의 후면에 전하를 포집하기 위한 그리드 전극 구조가 형성되고, 그리드 전극 구조의 후면 중 일부 영역에 패드 전극(281)이 접촉하도록 구비될 수도 있다. 패드 전극(281)의 후면으로는 이웃한 텐덤 태양전지(셀)을 전기적으로 연결하기 위해 전극 와이어(282)가 솔더링에 의해 접합되며, 하나의 셀의 패드 전극(281)의 후면에 연결된 전극 와이어(282)는 이웃한 셀의 패드 전극(271)의 전면에 연결된 전극 와이어(272)와 일체로 구비된다. 여기서, 전극 와이어(282)는 원통형 또는 타원형의 단면을 가지는 와이어 형상인 것이 바람직하다.
추가적으로, 결정질 실리콘 기판(211)의 후면에 텍스쳐 구조를 도입하고, 결정질 실리콘 기판(211)의 후면에 순차적으로 구비되는 후면 전계층(213, 115)과 후면 패시베이션층(240)도 텍스쳐 구조를 따라 형성되도록 함에 따라 결정질 실리콘 태양전지(210)의 후면을 통해 수직으로 입사되는 광의 경로를 사선 방향으로 변경시킬 수 있다. 즉, 결정질 실리콘 태양전지(210)의 후면에 도입된 텍스쳐 구조에 의한 광 산란 효과을 통해 결정질 실리콘 태양전지(210)의 후면으로부터 입사되는 광의 경로를 증가시킬 수 있다는 이점이 있다.
결정질 실리콘 기판(211)의 전면은 후면과 달리 텍스쳐 구조를 도입하지 않고 편평하게 함으로써 실리콘 태양전지(210)의 전면에 페로브스카이트 태양전지(230)를 형성할 때, 페로브스카이트 태양전지(230)에 결함이 생기는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 결정질 실리콘 태양전지(210)의 에미터층(212)의 전면에는 결정질 실리콘 태양전지(210)와 페로브스카이트 태양전지(230)를 터널 접합하여 전기적으로 연결하기 위한 접합층(220)이 위치한다.
이 때, 접합층(220)은 n+형 결정질 실리콘층과 p+형 결정질 실리콘층을 적어도 1회 교대 적층시킨 복층 구조로 구현될 수 있다.
접합층(220)의 전면으로는 페로브스카이트 태양전지(230)과 위치한다. 페로브스카이트 태양전지(230)는 접합층(220)의 전면에 위치하는 전자전달층(231), 전자전달층의 전면에 위치하는 페로브스카이트 흡수층(232) 및 페로브스카이트 흡수층의 전면에 위치하는 정공전달층(233)을 포함한다. 또한, 전자전달층(231)의 전면에는 전자전달층(231)과 동일 또는 상이한 금속 산화물을 포함하는 메조다공성층(231a)이 더 구비될 수 있다.
상술한 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지(230)에서 생성된 전하는 전면 투명 전극(250)에서 포집되며, 전면 투명 전극(250)과 외부 단자 사이의 연결은 전면 금속 전극(270)을 매개로 하여 이루어진다. 전면 투명 전극(250)을 구현하기 위한 투명 전도성 소재로는 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 및 전도성 고분자 등이 있다
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 텐덤 태양전지는 수직으로 입사되는 광의 반사율을 줄임과 동시에 광의 입사 방향을 사선 방향으로 변화시켜 텐덤 태양전지를 통과하는 광 경로를 증가시키기 위해 전면 투명 전극(250)의 전면에 나노 사이즈의 구조물을 가지거나 그리드 또는 메쉬 패턴과 같은 격자형 패턴을 가지도록 패턴화된 투명 전극 구조체(260)를 더 포함한다.
즉, 전면 투명 전극(250)의 전면에 패턴화된 투명 전극 구조체(260)를 배치함으로써 텐덤 태양전지를 향해 수직으로 입사되는 광의 입사각을 변화시켜 입사광의 반사율을 줄이는 것이 가능하다.
이러한 투명 전극 구조체(260)는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 전면 투명 전극(250)과 투명 전극 구조체(260)는 별개의 층으로서 구비되되, 투명 전극 구조체(260)는 그리드, 메쉬 또는 요철 패턴으로 패턴화됨으로써 일부 영역에서 전면 투명 전극(250)을 노출시킬 수 있다. 또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 전면 투명 전극(250)과 투명 전극 구조체(260)는 일체형으로서 구비될 수 있으며, 이 경우 투명 전극을 증착한 후 전면으로부터 소정의 깊이만큼 패터닝함으로써 투명 전극 구조체(260)를 형성할 수 있다.
전면 금속 전극(270)은 전면 투명 전극(250)의 전면 중 일부 영역에 구비된다. 전면 금속 전극(270)은 전면 투명 전극(250)의 전면 중 일부 영역과 접촉하는 패드 전극(271)을 포함한다. 또한, 추가적으로 전면 투명 전극(250)의 전면에 전하를 포집하기 위한 그리드 전극 구조가 형성되고, 그리드 전극 구조의 전면 중 일부 영역에 패드 전극(271)이 접촉하도록 구비될 수도 있다. 패드 전극(271)의 전면으로는 이웃한 텐덤 태양전지(셀)을 전기적으로 연결하기 위해 전극 와이어(272)가 솔더링에 의해 접합되며, 하나의 셀의 패드 전극(271)의 전면에 연결된 전극 와이어(272)는 이웃한 셀의 패드 전극(281)의 후면에 연결된 전극 와이어(282)와 일체로 구비된다.
여기서, 전극 와이어(272)는 원통형 또는 타원형의 단면을 가지는 와이어 형상인 것이 바람직하다. 이에 따라, 전극 와이어(272)를 향해 수직으로 입사되는 광을 산란시켜 텐덤 태양전지로 재입사될 확률을 증가시킬 수 있다.
[텐덤 태양전지의 제조방법]
도 12는 도 2에 도시된 텐덤 태양전지의 제조 순서를 나타낸 것이며, 도 13은 도 9에 도시된 텐덤 태양전지의 제조 순서를 나타낸 것이다.
결정질 실리콘 태양전지의 준비 단계
도 12 및 도 13의 (a)는 결정질 실리콘 태양전지를 구현하기 위한 결정질 실리콘 기판(111, 211)을 준비하는 단계이며, (b)는 결정질 실리콘 기판(111, 211)으로부터 결정질 실리콘 태양전지(110, 210)를 완성하는 단계이다.
도 12의 (a)를 참조하면, 결정질 실리콘 기판(111)의 전면 및 후면에 각각 i형 비정질 실리콘층과 도전형 비정질 실리콘층을 형성하기 전 결정질 실리콘 기판(111)의 전면을 화학적으로 평탄화시키고, 후면에 텍스쳐 구조를 도입한다.
또한, 도 13의 (a)를 참조하면, 결정질 실리콘 기판(211)의 전면 및 후면에 각각 에미터층과 후면 전계층을 형성하기 전 결정질 실리콘 기판(211)의 전면을 화학적으로 평탄화시키고, 후면에 텍스쳐 구조를 도입한다.
도 12의 (a) 및 도 13의 (a)에 따른 결정질 실리콘 기판의 평탄화 및 텍스쳐 구조 도입은 습식화학에칭법, 건식화학에칭법, 전기화학에칭법, 기계적에칭법 중 어느 하나의 방법일 수 있으며 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 결정질 실리콘 기판의 전면 및 후면을 염기성 수용액 내에서 식각하여(습식화학에칭법) 양면에 텍스쳐 구조를 도입한 후, 실리콘 기판의 전면에 대한 선택적 에칭을 통해 전면은 평탄하되 후면에 텍스쳐 구조가 도입된 실리콘 기판을 얻을 수 있다. 실리콘 기판의 전면에 대한 선택적 에칭은 후면에 패시베이션층을 형성한 후 에칭을 수행하거나 실리콘 기판의 전면에만 에칭액을 분사함으로써 수행될 수 있다.
결정질 실리콘 기판(111, 211)의 후면에 텍스쳐 구조를 도입함에 따라 결정질 실리콘 기판(111, 211)의 후면으로부터 순차적으로 형성되는 각 층들은 결정질 실리콘 기판(111, 211)의 후면에 도입된 텍스쳐 구조에 대응되는 텍스쳐 구조를 가질 수 있다. 반면, 결정질 실리콘 기판(111, 211)의 전면은 평탄화 공정을 거쳤기 때문에 결정질 실리콘 기판(111, 211)의 전면으로부터 순차적으로 형성되는 각 층들은 평탄하게 형성될 수 있다. 다만, 필요한 경우 결정질 실리콘 기판(111, 211)의 전면에 형성되는 복수의 층 중 임의의 층을 식각하여 요철을 도입하는 등과 같은 패턴화 공정을 더 포함할 수 있다.
이어서, 도 12의 (b)를 참조하면, 결정질 실리콘 기판(111)의 전면 및 후면에 각각 전면 i형 비정질 실리콘층(112)과 후면 i형 비정질 실리콘층(113)을 형성한 후 전면 i형 비정질 실리콘층(112)의 전면에 제1 도전형 비정질 실리콘층(114)을 형성하고, 후면 i형 비정질 실리콘층(113)의 후면에 제2 도전형 비정질 실리콘층(115)을 형성한다.
여기서, i형 비정질 실리콘층, 제1 도전형 비정질 실리콘층 및 제2 도전형 비정질 실리콘층은 알려진 다양한 방법으로 증착될 수 있으며, 대표적인 증착 방법으로 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)이 있다. 여기서, 화학기상증착법으로는 상압 CVD, 감압 CVD, 플라즈마 CVD (PECVD), ECR (Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 CVD, 고온 CVD, 저온 CVD 등이 있다. 이 때, i형 비정질 실리콘층은 2 내지 10 nm 두께로 증착될 수 있으며, 제1 도전형 비정질 실리콘층 및 제2 도전형 비정질 실리콘층은 10 내지 80 nm 두께로 증착될 수 있다.
도 13의 (b)를 참조하면, 결정질 실리콘 기판(211)의 전면 및 후면에 각각 에미터층(212)과 후면 전계층(213)을 형성한다.
에미터층(212)과 후면 전계층(213)은 임플란트 공정을 통해 형성될 수 있으며, 이 때 에미터층(212)은 불순물로서 붕소(boron)를, 후면 전계층(213)은 불순물로서 인(phosphorous)으로 도핑된다. 임플란트 공정에 의해 에미터층(212)과 후면 전계층(213)을 형성할 경우, 불순물의 활성화를 위해 700 내지 1,200℃의 열처리를 수반하는 것이 바람직하다. 또한, 임플란트 공정 대신 BBr3 또는 POCl3 등을 사용하는 고온 확산 공정을 통해 에미터층(212)과 후면 전계층(213)을 형성하는 것도 가능하다.
도 12의 (c)를 참조하면, 결정질 실리콘 태양전지(110)의 후면에 후면 투명 전극(140)을 형성하고, 전면에 접합층(120)을 형성한다.
접합층(120)과 후면 투명 전극(140)은 다양한 투명 전도성 소재로 형성될 수 있다. 접합층(120) 및 후면 투명 전극(140)을 형성하기 위한 투명 전도성 소재로는 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 및 전도성 고분자 등이 있다.
예를 들어, 접합층(120) 및 후면 투명 전극(140)을 형성하기 위한 투명 전도성 소재로서 ITO (Indium Tin Oxide), ICO (Indium Cerium Oxide) Ehsms IWO (Indium Tungsten Oxide)와 같은 투명 전도성 산화물을 사용할 경우, 접합층(120)과 후면 투명 전극(140)은 스퍼터링을 통해 증착될 수 있다. 또한, 접합층(120)으로 투명 전도성 산화물 대신 n형 비정질 실리콘층을 PECVD로 증착시켜 사용하는 것도 가능하다.
도 13의 (c)를 참조하면, 결정질 실리콘 태양전지(210)의 후면에 후면 패시베이션층(240)을 형성하고, 전면에 접합층(220)을 형성한다.
이 때, 접합층(220)을 형성하기 전 에미터층(212)의 표면 결함을 줄이고, 터널 접합을 위한 전도성 확보를 위해 에미터층(212)의 전면에 0.5 내지 10nm 두께의 패시베이션층을 형성한 후 접합층(220)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층은 SiOx로 이루어질 수 있으며, 습식 공정, 오존 처리 또는 PECVD를 통해 형성될 수 있다. 이어서, 패시베이션층의 전면에 50 내지 500nm 두께의 p+형 결정질 실리콘층과 n+형 결정질 실리콘층을 순차적으로 증착시켜 접합층(220)을 형성할 수 있다. 후면 패시베이션층(240)은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy) 또는 실리콘 산화질화물(SiOxNy)을 PECVD로 증착시켜 형성될 수 있다.
도 13의 (d)를 참조하면, 후면 패시베이션층(240)을 관통하는 패드 전극(281)이 형성된다. 패드 전극(281)은 Ag, Al 또는 Ag-Al 페이스트를 스크린 프린팅을 통해 후면 패시베이션층(240)의 후면에 패터닝한 후 건조시키고, 열처리함으로써 형성될 수 있다. 열처리를 통해 패터닝된 패드 전극(281)은 후면 전계층(213)과 컨택을 형성할 수 있다.
이어서, 도 12의 (d) 및 (e)와 도 13의 (e)를 참조하면, 접합층(120, 220)의 전면에 페로브스카이트 태양전지(130, 230)를 형성한다.
우선, 접합층(120, 220)의 전면에 전자전달층(131, 231)을 형성한 후, 전자전달층(131, 231)의 전면에 메조다공성층(131a, 231a)을 형성한다. 이 때, 전자전달층(131, 231)과 메조다공성층(131a, 231a)은 동일한 금속 산화물로 형성될 수 있다.
예를 들어, 전자전달층(131, 231)은 5 내지 100nm 두께, 메조다공성층(131a, 231a)은 500nm 이하의 두께를 가지는 TiO2 층으로 형성될 수 있다. 메조다공성층(131a, 231a)의 전면에는 페로브스카이트 흡수층(132, 232)이 형성되며, 페로브스카이트 흡수층(132, 232)은 메조다공성층(131a, 231a) 내 메조다공을 채운 후 100 내지 500nm의 두께만큼 형성될 수 있다. 페로브스카이트 흡수층(132, 232)의 전면으로는 전도성 고분자를 사용하여 정공전달층(133, 233)을 5 내지 100nm 두께로 형성할 수 있다.
페로브스카이트 태양전지(130, 230)를 구성하는 각 층들은 예를 들어, 물리적 증착법, 화학적 증착법 또는 인쇄법 등을 통해 형성될 수 있다. 여기서, 인쇄법은 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅 및 슬롯-다이 코팅 등을 포함한다.
이어서, 도 12 및 도 13의 (f)를 참조하면, 접합층(120, 220)을 매개로 하여 터널 접합된 결정질 실리콘 태양전지(110, 210)와 페로브스카이트 태양전지(130, 230)가 준비된 후, 페로브스카이트 태양전지(130, 230)의 전면에 전면 투명 전극(150, 250)과 투명 전극 구조체(160, 260)가 형성된다.
여기서, 전면 투명 전극(150, 250)과 투명 전극 구조체(160, 260)는 투명 전극이 적용된 다른 층과 마찬가지로 다양한 투명 전도성 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 전면 투명 전극(150, 250)과 투명 전극 구조체(160, 260)는 서로 동일 또는 상이한 투명 전도성 소재로 형성될 수 있다.
예를 들어, 전면 투명 전극(150, 250)을 형성하기 위한 투명 전도성 소재로서 ITO (Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전도성 산화물을 사용할 경우, 전면 투명 전극(150, 250)은 스퍼터링을 통해 증착될 수 있다.
전면 투명 전극(150, 250)의 전면에 투명 전극 구조체(160, 260)를 패턴화하는 방법은 투명 전극 구조체(160, 260)의 패턴 형태 및 공정 수 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
예를 들어, 도 2 및 도 9에 도시된 투명 전극 구조체(160, 260)는 전면 투명 전극(150, 250)과 투명 전극 구조체(160, 260)를 스퍼터에 의해 별개의 층으로서 증착한 후, 하나의 층 형태로 증착된 투명 전극 구조체(160, 260)에나노 사이즈의 구조물을 도입하거나 그리드 또는 메쉬 패턴과 같은 격자형 패턴이 형성되도록 식각(습식 또는 건식)함에 따라 형성될 수 있다. 이 때, 투명 전극 구조체(160, 260)가 식각된 영역에서 전면 투명 전극(150, 250)이 노출되도록 할 수 있다. 다른 예에 따르면, 전면 투명 전극(150)의 전면에나노스피어 용액을 적정량 도포한 다음 초음파 등과 같은 에너지를 인가함에 따른 자가조립 유도 방식을 통해 그리드 또는 메쉬 패턴을 가지도록 투명 전극 구조체(160, 260)를 형성할 수 있다.
도 3 및 도 10에 도시된 투명 전극 구조체(160, 260)는 투명 전극 구조체(160)의 식각 정도를 조절함에 따라 요철 패턴을 가지도록 형성된다. 도 4 및 도 11에 도시된 투명 전극 구조체(160, 260)는 전면 투명 전극(150, 260)과 일체형으로 구비된다. 즉, 전면 투명 전극(150, 250)을 증착한 후 소정의 깊이만큼 식각함에 따라 전면 투명 전극(150, 250)의 전면에 패턴화된 투명 전극 구조체(160, 260)를 도입할 수 있다.
이어서, 도 12의 (g)를 참조하면, 전면 투명 전극(150)의 전면에 전면 금속 전극(170)을 형성하고, 후면 투명 전극(140)의 후면에 후면 금속 전극(180)을 형성한다. 특히, 후면 금속 전극(180)은 결정질 실리콘 태양전지(110)에서 흡수되지 못한 장파장의 광이 후면으로 방출될 수 있도록 후면 투명 전극(140)의 후면 중 일부 영역에만 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 전면 금속 전극(170)과 후면 금속 전극(180)은 패드 전극(171, 181)을 포함하며, 그리드 전극(미도시)을 선택적으로 포함할 수 있다. 그리드 전극과 패드 전극(171, 181)을 포함하는 전면 금속 전극(170)과 후면 금속 전극(180)은 각각 전면 투명 전극(150)과 후면 투명 전극(140)에 접촉하도록 Ag, Al 또는 Ag-Al 페이스트를 스크린 프린팅한 후 100 내지 150℃에서 열처리함으로써 형성될 수 있다.
도 13의 (g)를 참조하면, 도 12의 (g)와 동일한 방식으로 전면 투명 전극(250)의 전면에 전면 금속 전극(270)을 형성한다.
[텐덤 태양전지 모듈]
도 14는 본 발명에 따른 텐덤 태양전지(셀)가 모듈화된 형태를 개략적으로 나타낸 것이다. 각각의 태양전지 셀은 출력을 높임과 동시에 태양전지 셀을 수분 또는 외부 충격으로부터 보호하기 위해 모듈화 단계를 거치게 된다.
이에 따라, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본원에 개시된 텐덤 태양전지는 도전체를 사용하여 이웃한 두 텐덤 태양전지를 직렬 연결함에 따라 모듈화될 수 있다.
도 14를 참조하면, 이웃한 두 텐덤 태양전지(C1, C2)는 전극 와이어(172, 182)에 의해 서로 연결된다. 이 때, 이웃한 두 텐덤 태양전지는 멀티 와이어 탭(multi wire tabbing) 방식에 의해 서로 연결될 수 있다.
예를 들어, 전극 와이어(172, 272)의 한 쪽은 임의의 텐덤 태양전지(C1)의 전면에 위치하는 패드 전극(171, 271)에 솔더링되고, 전극 와이어(172, 282)의 다른 한쪽은 다른 텐덤 태양전지(C2)의 후면에 위치하는 패드 전극(181, 281)에 솔더링된다.
이웃한 두 텐덤 태양전지를 직렬 연결하기 위한 도전체로서 솔더 재료(Pb, Sn, SnIn, SnBi, SnPb, Sn, SnCuAg, SnCu)가 코팅된 Cu, Ag, Ni 또는 Al 재질의 전극 와이어가 사용될 수 있다. 전극 와이어(172, 182)는 솔더링 등과 같은 다양한 방법을 통해 패드 전극(171, 181) 상에 부착될 수 있다.
이 때, 전극 와이어(172, 182)는 원통형 또는 타원형의 단면을 가지는 와이어 형상인 것이 바람직하다. 이에 따라, 전극 와이어(172, 182)를 향해 수직으로 입사되는 광을 산란시켜 텐덤 태양전지로 재입사될 확률을 증가시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
추가적으로, 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 셀이 전기적으로 연결된 텐덤 태양전지 모듈의 전면 및 후면으로는 각각 갭(195, 205)을 두고 전면 투명 기판(190) 및 후면 투명 기판(200)이 접합될 수 있다. 이 때, 갭(195, 205)은 실런트와 같은 봉지재가 채워진 봉지층일 수 있다. 또한, 다른 예에 따르면, 텐덤 태양전지와 전면 투명 기판(190) 및 후면 투명 기판(200) 사이의 갭(195, 205)에 봉지재가 채워지지 않고 공기 등과 같은 가스가 채워진 공기층이 존재하는 모듈이 제공될 수 있다.
여기서, 전면 투명 기판(190) 및 후면 투명 기판(200)으로는 유리 기판 또는 투명 폴리머 기판 등이 사용될 수 있다. 이 때, 텐덤 태양전지 모듈의 모서리 부분은 봉지재(195, 205)와 다른 실링 부재를 사용하여 봉지될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (19)

  1. 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 위치하는 접합층;
    상기 접합층의 전면에 위치하는 페로브스카이트 태양전지;
    상기 페로브스카이트 태양전지의 전면에 위치하는 전면 투명 전극; 및
    상기 전면 투명 전극의 전면에 위치하며, 패턴화된 투명 전극을 포함하는 투명 전극 구조체;
    를 포함하는,
    텐덤 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극 구조체는 나노 구조물, 요철 패턴 또는 그리드 패턴을 가지는,
    텐덤 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전면 투명 전극과 상기 투명 전극 구조체는 일체형으로 구비되는,
    텐덤 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 태양전지는,
    후면에 텍스쳐 구조를 가지는 결정질 실리콘 기판;
    상기 결정질 실리콘 기판의 전면 및 후면에 각각 위치하는 전면 i형 비정질 실리콘층 및 후면 i형 비정질 실리콘층;
    상기 전면 i형 비정질 실리콘층의 전면에 위치하는 제1 도전형 비정질 실리콘층; 및
    상기 후면 i형 비정질 실리콘층의 후면에 위치하는 제2 도전형 비정질 실리콘층;
    을 포함하는,
    텐덤 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 도전형 비정질 실리콘층은 후면 투명 전극의 전면에 위치하는,
    텐덤 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 후면 투명 전극의 후면의 일부 영역에 후면 금속 전극이 위치하는,
    텐덤 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 태양전지는,
    후면에 텍스쳐 구조를 가지는 결정질 실리콘 기판;
    상기 결정질 실리콘 기판의 전면에 위치하는 에미터층; 및
    상기 결정질 실리콘 기판의 후면에 위치하는 후면 전계층;
    을 포함하는,
    텐덤 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 에미터층은 상기 결정질 실리콘 기판과 상이한 도전형을 가지는 불순물 도핑층이며, 상기 후면 전계층은 상기 결정질 실리콘 기판과 동일한 도전형을 가지는 불순물 도핑층인,
    텐덤 태양전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 후면 전계층은 후면 패시베이션층의 전면에 위치하는,
    텐덤 태양전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 후면 패시베이션층의 후면의 일부 영역에 후면 금속 전극이 위치하며,
    상기 후면 금속 전극은 상기 후면 패시베이션층을 관통하여 상기 후면 전계층의 후면에 접촉하는,
    텐덤 태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 태양전지는,
    상기 접합층의 전면에 위치하는 전자전달층;
    상기 전자전달층의 전면에 위치하는 페로브스카이트 흡수층; 및
    상기 페로브스카이트 흡수층의 전면에 위치하는 정공전달층;
    을 포함하는,
    텐덤 태양전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전자전달층의 전면에 메조다공성층을 더 포함하는,
    텐덤 태양전지.
  13. 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 위치하는 접합층;
    상기 접합층의 전면에 위치하는 페로브스카이트 태양전지;
    상기 페로브스카이트 태양전지의 전면에 위치하는 전면 투명 전극;
    상기 전면 투명 전극의 전면에 위치하며, 패턴화된 투명 전극을 포함하는 투명 전극 구조체;
    상기 투명 전극 구조체의 전면에 위치하는 전면 금속 전극; 및
    상기 결정질 실리콘 태양전지의 후면에 위치하는 후면 금속 전극;
    을 포함하는 복수의 텐덤 태양전지를 포함하며,
    상기 복수의 텐덤 태양전지 중 이웃한 두 텐덤 태양전지의 전면 금속 전극과 후면 금속 전극은 전극 와이어에 의해 서로 전기적으로 연결되며,
    상기 복수의 텐덤 태양전지의 전면 및 후면에 갭을 두고 위치하는 전면 투명 기판 및 후면 투면 기판을 포함하는,
    텐덤 태양전지 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 텐덤 태양전지의 전면과 상기 전면 투명 기판 사이 또는 상기 복수의 텐덤 태양전지의 후면과 상기 후면 투명 기판 사이에 봉지재가 채워진,
    텐덤 태양전지 모듈.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 텐덤 태양전지의 전면과 상기 전면 투명 기판 사이 또는 상기 복수의 텐덤 태양전지의 후면과 상기 후면 투명 기판 사이에 가스가 채워진 공지층이 존재하는,
    텐덤 태양전지 모듈.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 텐덤 태양전지 모듈의 양 측면은 봉지재에 의해 봉지된,
    텐덤 태양전지 모듈.
  17. 결정질 실리콘 기판으로부터 결정질 실리콘 태양전지를 형성하는 단계;
    상기 결정질 실리콘 태양전지의 전면에 접합층을 형성하는 단계;
    상기 접합층의 전면에 페로브스카이트 태양전지를 형성하는 단계;
    상기 페로브스카이트 태양전지의 전면에 전면 투명 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 전면 투명 전극의 전면에 투명 전극 구조체를 패턴화하는 단계;
    를 포함하는,
    텐덤 태양전지의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 투명 전극 구조체는 요철 패턴 또는 그리드 패턴을 가지도록 패턴화되는,
    텐덤 태양전지의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 전면 투명 전극을 식각하여 상기 투명 전극 구조체를 형성하는,
    텐덤 태양전지의 제조방법.
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