KR20150019132A - 투광형 양면 태양 전지 - Google Patents

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KR20150019132A
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최용석
박종환
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삼성전자주식회사
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Abstract

투명 기판, 상기 투명 기판의 일면에 위치하고 제1 전극, 제1 광 활성층 및 제2 전극을 포함하는 전면 서브 셀, 그리고 상기 투명 기판의 다른 일면에 위치하고 제3 전극, 제2 광 활성층 및 제4 전극을 포함하는 후면 서브 셀을 포함하고, 상기 제3 전극과 상기 제4 전극 중 적어도 하나는 반사 전극이며, 상기 반사 전극의 면적은 상기 제2 광 활성층의 면적에 대하여 50 내지 95%인 투광형 양면 태양 전지에 관한 것이다.

Description

투광형 양면 태양 전지 {LIGHT TRANSMISSION TYPE TWO SIDED SOLAR CELL}
투광형 양면 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함하는 광 활성층을 포함하고, 광 활성층에서 태양 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍 (electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
한편 전기 에너지를 생산하는 기능 외에 다양한 기능이 추가된 태양 전지가 연구되고 있다. 일 예로 전기 에너지를 생산하는 동시에 태양 광을 투과시킴으로써 창문이나 건물 외벽에 설치되어 실내로 유입되는 광을 조절할 수 있는 투광형 태양 전지를 들 수 있다.
그러나 일반적으로 태양 전지의 투광도가 높아지는 경우 광 활성층에 흡수되는 광량이 줄어들어 효율이 낮아질 수 있다.
일 구현 예는 흡광량을 확보하면서도 투광도를 조절할 수 있는 투광형 태양 전지를 제공한다.
일 구현 예에 따르면, 투명 기판, 상기 투명 기판의 일면에 위치하고 제1 전극, 제1 광 활성층 및 제2 전극을 포함하는 전면 서브 셀, 그리고 상기 투명 기판의 다른 일면에 위치하고 제3 전극, 제2 광 활성층 및 제4 전극을 포함하는 후면 서브 셀을 포함하고, 상기 제3 전극과 상기 제4 전극 중 적어도 하나는 반사 전극이며, 상기 반사 전극의 면적은 상기 제2 광 활성층의 면적에 대하여 50 내지 95%인 투광형 양면 태양 전지를 제공한다.
상기 태양 전지의 총 흡광량은 상기 제1 광 활성층의 흡광량과 상기 제2 광 활성층의 흡광량의 합일 수 있고, 상기 태양 전지의 총 흡광량은 상기 제1 활성층 또는 상기 제2 활성층을 포함하는 비투과형 단일 서브 셀의 흡광량보다 많을 수 있다.
상기 태양 전지의 광 투과도는 약 5% 내지 50%일 수 있다.
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 총 면적은 상기 제1 광 활성층의 총 면적에 대하여 약 20% 이하일 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 각각 복수의 미세 전극 (finger electrode)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극의 미세 전극의 폭은 약 2,000 ㎛ 이하일 수 있고, 상기 제1 전극의 인접한 미세 전극 사이의 간격은 약 5,000 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 제2 전극의 미세 전극의 폭은 약 2,000 ㎛ 이하일 수 있고, 상기 제2 전극의 인접한 미세 전극 사이의 간격은 약 5,000 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 제3 전극과 상기 제4 전극은 각각 복수의 미세 전극 (finger electrode)을 포함할 수 있다.
상기 제3 전극의 미세 전극의 폭은 약 2,000 ㎛ 이하일 수 있고, 상기 제3 전극의 인접한 미세 전극 사이의 간격은 5,000 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 제1 광 활성층과 상기 제2 광 활성층은 각각 독립적으로 실리콘, 화합물 반도체, 유기 반도체, 염료, 양자점 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 활성층은 상기 제2 광 활성층보다 장파장 영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 태양 전지는 상기 제1 전극과 상기 제1 광 활성층 사이, 상기 제2 전극과 상기 제1 광 활성층 사이, 상기 제3 전극과 상기 제2 광 활성층 사이 및 상기 제4 전극과 상기 제2 광 활성층 사이 중 적어도 하나에 위치하는 보조층을 더 포함할 수 있다.
흡광량을 확보하면서도 투광도를 조절할 수 있는 투광형 태양 전지를 구현할 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 일 구현 예에 따른 태양 전지의 전면 서브 셀과 후면 서브 셀의 평면도이고,
도 3은 일 구현 예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현 예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서는 태양 광을 받는 면을 전면 (front side)이라 하고 전면의 반대면을 후면(rear side)이라 한다.
먼저 도 1 내지 도 3을 참고하여 일 구현 예에 따른 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 1 및 도 2는 각각 일 구현 예에 따른 태양 전지의 전면 서브 셀과 후면 서브 셀의 평면도이고, 도 3은 일 구현 예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
일 구현 예에 따른 태양 전지는 투명 기판 (110), 투명 기판 (110)의 일면에 위치하는 전면 서브 셀 (SC1) 및 투명 전극 (110)의 다른 일면에 위치하는 후면 서브 셀 (SC2)을 포함한다.
투명 기판 (110)은 투광성 물질로 만들어질 수 있으며, 상기 투광성 물질은 예컨대 유리와 같은 무기 물질 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질을 포함할 수 있다.
전면 서브 셀 (SC1)은 태양 광이 입사되는 측에 위치하고, 제1 전극 (210), 제1 광 활성층 (220) 및 제2 전극 (230)을 포함한다.
제1 전극 (210)과 제2 전극 (230) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)일 수 있다.
제1 전극 (210)과 제2 전극 (230)은 투명 전극, 반투명 전극 또는 불투명 전극일 수 있으며, 상기 투명 전극 또는 반투명 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 도핑된 산화아연 (indium doped ZnO, IZO), 산화주석 (SnO2), 알루미늄 도핑된 산화아연 (aluminum doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연 (gallium doped ZnO, GZO)과 같은 도전성 산화물, 탄소나노튜브 (carbon nanotubes, CNT) 또는 그래핀 (graphene)과 같은 도전성 탄소복합체, 수 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 금속 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있고, 상기 불투명 전극은 알루미늄 (Al), 은 (Ag), 구리 (Cu), 금 (Au), 리튬 (Li), 이들의 합금과 같은 금속 전극일 수 있다.
제1 전극 (210)과 제2 전극 (230)은 예컨대 그리드 패턴 (grid pattern)으로 설계된 금속 전극일 수 있다. 상기 그리드 패턴의 금속 전극은 빛 흡수 손실 (shadowing loss) 및 면 저항 측면에서 유리할 수 있다.
제1 전극 (210)은 예컨대 복수의 미세 전극 (finger electrode)(210a)과 이들을 연결하는 버스 바 전극 (bus bar electrode)(210b)을 포함할 수 있다. 복수의 미세 전극(210a)은 일 방향을 따라 나란히 배열될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때 제1 전극 (210)은 트레이드 오프 (trade off) 관계인 빛 흡수 손실과 면 저항을 적절하게 조절하기 위한 크기로 형성될 수 있다. 예컨대 제1 전극(210)이 차지하는 총 면적은 제1 광 활성층 (220)의 총 면적에 대하여 약 20% 이하이면서 파워 손실 (power loss)이 20% 이하가 되도록 제1 전극 (210)을 설계할 수 있으며, 예컨대 제1 전극(210)이 차지하는 총 면적은 제1 광 활성층 (220)의 총 면적에 대하여 약 1 내지 20% 및 파워 손실 0.1 내지 20%가 되도록 설계할 수 있다. 예컨대 제1 전극 (210)의 각 미세 전극 (210a)의 폭은 약 2,000 ㎛ 이하, 인접한 미세 전극 (210a) 사이의 간격은 약 5,000 ㎛ 이하로 설계될 수 있다. 예컨대 상기 범위 내에서 제1 전극 (210)의 각 미세 전극 (210a)의 폭은 약 100 nm 내지 2,000 ㎛, 인접한 미세 전극 (210a) 사이의 간격은 약 10 ㎛ 내지 5,000 ㎛로 설계될 수 있다.
제2 전극 (230)은 예컨대 복수의 미세 전극 (230a)과 이들을 연결하는 버스 바 전극 (230b)을 포함할 수 있다. 복수의 미세 전극 (230a)은 일 방향을 따라 나란히 배열될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때 제2 전극 (230) 또한 빛 흡수 손실과 면저항을 적절하게 조절하기 위한 크기로 형성될 수 있으며, 예컨대 제2 전극 (230)이 차지하는 총 면적은 제1 광 활성층 (220)의 총 면적에 대하여 약 20% 이하이면서 파워 손실이 20% 이하가 되도록 제2 전극 (230)을 설계할 수 있으며, 예컨대 제2 전극 (230)이 차지하는 총 면적은 제1 광 활성층 (220)의 총 면적에 대하여 약 1 내지 20% 및 파워 손실 0.1 내지 20%가 되도록 설계할 수 있다. 예컨대 제2 전극 (230)의 각 미세 전극 (230a)의 폭은 약 2,000 ㎛ 이하, 인접한 미세 전극 (230a) 사이의 간격은 약 5,000 ㎛ 이하로 설계될 수 있다. 예컨대 상기 범위 내에서 제2 전극 (230)의 각 미세 전극 (230a)의 폭은 약 10 nm 내지 2,000 ㎛, 인접한 미세 전극 (230a) 사이의 간격은 약 1 ㎛ 내지 5,000 ㎛로 설계될 수 있다.
제1 광 활성층 (220)은 태양 에너지에 의해 전자-정공 쌍을 생성할 수 있는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 실리콘, 화합물 반도체, 유기 반도체, 염료, 양자점 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 실리콘은 예컨대 비정질 실리콘 일 수 있으며, 상기 화합물 반도체는 예컨대 CIS (Cu-In-Se), CIGS (Cu-In-Ge-Se) 일 수 있으며, 상기 양자점은 예컨대 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, PbS, InP, InAs 및 GaAs을 포함할 수 있으며, 상기 유기 반도체는 예컨대 벌크 이종접합 (bulk heterojunction) 구조를 이루는 전자 공여체와 전자 수용체를 포함할 수 있다.
상기 전자 공여체는 예컨대 폴리아닐린; 폴리피롤; 폴리티오펜; 폴리(p-페닐렌비닐렌); 벤조디티오펜(benzodithiophene); 티에노티오펜(thienothiophene); MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene); MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene); 펜타센; 페릴렌(perylene); 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜); 폴리트라이페닐아민; 프탈로시아닌(phthalocyanine); 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc); 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine); 트리아릴아민(triarylamine); 벤지딘(bezidine); 피라졸린(pyrazoline); 스티릴아민(styrylamine); 하이드라존(hydrazone); 카바졸(carbazole); 티오펜(thiophene); 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT); 피롤(pyrrole); 페난트렌(phenanthrene); 테트라센(tetracence); 나프탈렌(naphthalene); 루브렌(rubrene); 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA); 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene, P3HT), 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)-3,6-diyl), PTB1), 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophenediyl)-3,6-diyl)), PTB7), 사이클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜계 고분자(cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-based polymers), 실라플루오렌계 고분자(silafluorene-based polymer), 카바졸계 화합물, 플루오렌계 화합물, 할로겐화 축합된 티오펜(halogenated fused thiophene), 디테에노[3,2-b:2'3'-d]실롤(dithieno[3,2-b:2'3'-d]silole)계 화합물 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 수용체는 예컨대 플러렌 (C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전면 서브 셀 (SC1)은 제1 광 활성층 (220)의 하부 및 상부에 위치하는 보조층 (205, 215)을 더 포함한다. 보조층 (205, 215)은 제1 활성층 (220)과 제1 전극 (210) 사이 및/또는 제1 활성층 (220)과 제2 전극 (230) 사이의 전하 이동성 및 전하 선택성을 높이는 역할을 할 수 있으며, 예컨대 전자 추출층 (electron extraction layer, EEL), 정공 추출층 (hole extraction layer), 정공 차단층 (hole blocking layer, HBL), 전자 차단층 (electron blocking layer, EBL)에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 보조층 (205, 215) 중 어느 하나는 생략될 수 있으며, 경우에 따라 둘 다 생략될 수 있다.
후면 서브 셀 (SC2)은 태양 광이 입사되는 측의 반대측에 위치하고, 제3 전극(310), 제2 광 활성층 (320) 및 제4 전극 (330)을 포함한다.
제3 전극 (310)과 제4 전극 (330) 중 어느 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드일 수 있다.
제3 전극 (310)과 제4 전극 (330)은 투명 전극, 반투명 전극 또는 불투명 전극일 수 있으나, 제3 전극 (310)과 제4 전극 (330) 중 적어도 하나는 반사 전극일 수 있다. 상기 반사 전극은 예컨대 알루미늄 (Al), 은 (Ag), 구리 (Cu), 금 (Au), 리튬 (Li) 또는 이들의 합금과 같은 금속 전극일 수 있다.
상기 반사 전극은 제1 광 활성층 (220) 및 제2 광 활성층 (320)에서 흡수되지 못하고 통과한 빛을 다시 반사시켜 제1 광 활성층 (220) 및 제2 광 활성층 (320)으로 되돌려 보낼 수 있으며, 이에 따라 제1 광 활성층 (220) 및 제2 광 활성층 (320)에 흡수되는 광량을 높여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
제3 전극 (310)과 제4 전극 (330)은 예컨대 그리드 패턴으로 설계된 금속 전극일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제3 전극 (310)은 예컨대 복수의 미세 전극 (310a)과 이들을 연결하는 버스 바 전극 (310b)을 포함할 수 있다. 복수의 미세 전극 (310a)은 일 방향을 따라 나란히 배열될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제4 전극 (330)은 예컨대 복수의 미세 전극 (330a)과 이들을 연결하는 버스 바 전극 (330b)을 포함할 수 있다. 복수의 미세 전극 (330a)은 일 방향을 따라 나란히 배열될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 광 활성층 (320)은 태양 에너지에 의해 전자-정공 쌍을 생성할 수 있는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 실리콘, 화합물 반도체, 유기 반도체, 염료, 양자점 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제2 광 활성층 (320)은 제1 광 활성층 (220)과 동일하거나 상이할 수 있다.
제1 광 활성층(220)과 제2 광 활성층(320)이 동일한 경우에는 동일한 파장 영역의 광을 흡수할 수 있어서 광량을 증가시킬 수 있다.
제1 광 활성층 (220)과 제2 광 활성층 (320)은 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수할 수 있으며, 여기서 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수한다는 것은 제1 광 활성층 (220)의 최대 흡수 파장 (λmax)과 제2 광 활성층 (320)의 최대 흡수 파장 (λmax)의 차이가 약 70 nm 이상인 것을 의미한다. 예컨대 제1 광 활성층 (220)은 제2 광 활성층 (320)보다 장파장 영역의 광을 흡수할 수 있다. 이와 같이 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 광 활성층 (220)과 제2 광 활성층 (320)을 포함함으로써 넓은 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있어서 흡광량을 높일 수 있다.
상기 반사 전극은 전면 서브 셀 (SC1), 투명 기판 (110) 및 후면 서브 셀 (SC2)을 통과한 빛을 반사시켜 제1 광 활성층 (220) 및 제2 광 활성층 (320)으로 되돌려 보낼 수 있다. 이에 따라 제1 광 활성층 (220) 및 제2 광 활성층 (320)에 흡수되는 광량을 높여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
상기 반사 전극은 패턴화되어 제2 광 활성층 (320)의 일부에만 형성되어 있고, 상기 반사 전극의 면적에 따라 태양 전지의 광 투과도를 조절할 수 있다.
상기 반사 전극이 차지하는 면적은 예컨대 제2 광 활성층 (320)의 총 면적에 대하여 약 50 내지 95%일 수 있으며, 이에 따라 태양 전지의 광 투과도를 5% 이상으로 제어하면서도 흡광량을 확보할 수 있어서 고효율 투광형 태양 전지를 구현할 수 있다. 상기 투광형 태양 전지는 창문이나 건물 외벽에 설치되어 실내로 유입되는 광을 조절하는 기능을 수행할 수 있으며, 예컨대 스마트 커튼 (smart curtain)으로 사용하거나 유리에 부착하는 필름 형태로 구현할 수 있다.
후면 서브 셀 (SC2)은 제2 광 활성층 (320)의 하부 및 상부에 위치하는 보조층 (305, 315)을 더 포함할 수 있다. 보조층 (305, 315)은 제2 활성층 (320)과 제3 전극 (310) 사이 및/또는 제2 활성층 (320)과 제4 전극 (330) 사이의 전하 이동성 및 전하 선택성을 높이는 역할을 할 수 있으며, 예컨대 전자 추출층, 정공 추출층, 정공 차단층, 전자 차단층에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 보조층 (305, 315) 중 어느 하나는 생략될 수 있으며, 경우에 따라 둘 다 생략될 수 있다.
태양 전지의 총 흡광량은 전면 서브 셀 (SC1)의 제1 광 활성층 (220)의 흡광량과 후면 서브 셀 (SC2)의 제2 광 활성층 (320)의 흡광량의 합일 수 있으며, 태양 전지의 전체 출력 전류는 전면 서브 셀 (SC1)의 출력 전류와 후면 서브 셀 (SC2)의 출력 전류의 합으로 표현될 수 있다. 이는 복수의 서브 셀 중 출력 전류가 낮은 서브 셀을 기준으로 전체 출력 전류가 결정되는 탠덤 태양 전지 (tandem solar cell)과 상이한 것으로, 높은 흡광량, 전류 밀도 및 효율을 구현할 수 있다.
따라서 상술한 바와 같이 태양 전지의 투광도를 높여 투광형 태양 전지를 구현하는 경우에도 태양 전지의 양면에 형성된 제1 광 활성층 (220) 및 제2 광 활성층 (320)에 의해 흡수되는 광량을 높임으로써, 제1 광 활성층 (220) 또는 제2 광 활성층 (320)을 포함하는 비투과형 단일 셀보다 높은 광량을 확보할 수 있다. 따라서 태양 전지의 흡광량, 전류 밀도 및 효율을 저하시키지 않으면서도 투광형 태양 전지를 구현할 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 태양 전지는 탠덤 태양 전지와 비교하여 전하들의 재결합을 위한 중간층이 별도로 필요없고 전면 서브 셀과 후면 서브 셀이 차례로 적층되는 구조가 아니므로 적층 과정에서 하부 층의 손상에 의한 성능 저하를 줄일 수 있으며 복수의 서브 셀들 사이의 전류 매칭(current matching)을 위한 추가적인 제어가 필요 없다.
상기에서는 설명의 편의상 하나의 전면 서브 셀 (SC1)과 하나의 후면 서브 셀 (SC2)을 포함하는 태양 전지에 대하여 예시적으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 투명 기판을 중심으로 두 개 이상의 전면 서브 셀 (SC1) 및/또는 두 개 이상의 후면 서브 셀 (SC2)을 포함하는 태양 전지에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
이하 본 기재의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 기재의 일 실시예일 뿐이며, 본 기재가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
태양 전지의 준비
실시 예 1
투명 유리기판의 양면에 PEDOT:PSS를 스핀 코팅으로 코팅하여 약 30 nm 두께의 상부 보조층 및 하부 보조층을 각각 형성한다. 이어서 상부 보조층 위에 개구 영역을 가진 감광막을 마스크로서 배치하고 하기 화학식 A로 표현되는 전자 공여체 (M n = 34,000)와 PC60BM 전자 수용체를 1:2 (w/w)의 비율로 클로로벤젠:1,8-디아이오도옥탄 (chlorobenzene:1,8-diiodooctane) (97:3, v/v)에 용해한 혼합물을 적용하여 상부 활성층을 형성한다. 이어서 상기 감광막을 제거한 후 알루미늄 분말 및 유리 프릿 (glass frit)을 포함하는 금속 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 적용한다. 이어서 하부 보조층 위에 감광막을 마스크로서 배치하고 상기 혼합물을 적용하여 하부 활성층을 형성한다. 이어서 상기 감광막을 제거한 후 알루미늄 분말 및 글래스 프릿 (glass frit)을 포함하는 금속 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 적용한다. 이때 하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적은 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 95%가 되도록 설계하였다. 이어서 상기 금속 페이스트를 100 내지 600 ℃에서 소성 (firing)하여 금속 그리드 형태의 상부 애노드, 상부 캐소드, 하부 애노드 및 하부 캐소드를 형성함으로써 전면 서브 셀과 후면 서브 셀을 가지는 태양 전지를 제조하였다.
실시예 2
하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적이 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 90%가 되도록 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실시예 3
하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적이 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 85%가 되도록 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실시예 4
하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적이 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 80%가 되도록 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실시예 5
하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적이 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 70%가 되도록 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실시예 6
하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적이 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 60%가 되도록 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실시예 7
하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적이 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 50%가 되도록 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
비교예 1
하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적이 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 40%가 되도록 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
비교예 2
하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적이 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 30%가 되도록 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
기준예 1
투명 유리기판의 일면에 PEDOT:PSS를 스핀 코팅으로 약 30 nm 두께의 보조층을 형성한다. 이어서 보조층 위에 개구 영역을 가진 감광막을 마스크로서 배치하고 상기 화학식 A로 표현되는 전자 공여체 (M n =34,000)와 PC60BM 전자 수용체를 1:2 (w/w)의 비율로 클로로벤젠:1,8-디아이오도옥탄 (chlorobenzene:1,8-diiodooctane) (97:3, v/v)에 용해한 혼합물을 적용하여 활성층을 형성한다. 이어서 상기 감광막을 제거한 후 알루미늄 분말 및 유리 프릿 (glass frit)을 포함하는 금속 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 적용한다. 이어서 상기 금속 페이스트를 110 ℃에서 소성 (firing)하여 금속 그리드 형태의 애노드 및 캐소드를 형성함으로써 단일 셀의 비투과형 태양 전지를 제조하였다.
기준예 2
하부 애노드 및 하부 캐소드가 차지하는 면적이 상기 하부 활성층의 면적에 대하여 100%가 되도록 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
평가
실시예 1 내지 7과 비교예 1, 2에 따른 태양 전지의 흡광량 및 투광도를 평가하여 기준예 1, 2에 따른 태양 전지와 비교한다.
상기 흡광량은 UV 분광기(UV spectrometer, 동일 시마즈 UV-2450)를 사용하여 투과 모드로 약 300 nm 내지 800 nm 파장 영역의 광을 1nm 간격으로 평가하고, 상부 애노드, 상부 캐소드, 하부 애노드 및 하부 캐소드에 의한 광량 손실률은 5%로 가정한다.
그 결과는 표 1과 같다.
흡광량 투광도(%)
전면 서브 셀
(front side)
(top cell, cell 1)		 후면 서브 셀
(rear side)
(bottom cell, cell 2)		 흡광량(%)
합계
1차
흡광량
(%)		 2차
흡광량
(%)		 1차 흡광량
(%)		 2차 흡광량
(%)
실시예 1 38.95 41.06 38.95 41.06 160.2 5
실시예 2 35.06 38.90 36.90 38.90 149.76 10
실시예 3 33.11 36.74 34.85 36.74 141.44 15
실시예 4 31.16 34.58 32.80 34.58 133.12 20
실시예 5 27.27 30.26 28.70 30.26 116.48 30
실시예 6 23.37 25.94 24.60 25.94 99.84 40
실시예 7 19.48 21.61 20.50 21.61 83.20 50
비교예 1 15.58 17.29 16.40 17.29 66.56 60
비교예 2 11.69 12.97 12.30 12.97 49.92 70
기준예 1 38.95 41.06 - - 80.01 0
기준예 2 38.95 43.23 38.95 43.23 164.35 0
표 1에서, 입사광이 광 흡수층을 통과하며 흡광된 1차 흡광과 반사 전극에 의해 반사된 광이 광 흡수층에 의해 흡수된 2차 흡광을 합한 것을 흡수도를 100%라 할 때, 1차 흡광량은 입사광으로부터 흡수된 광량이고 2차 흡광량은 반사되어 재흡수된 광량이다.
표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 7에 따른 태양 전지는 기준예 1에 따른 태양 전지, 즉 단일 셀의 비투과형 태양 전지와 유사하거나 그보다 높은 흡광량을 확보하면서도 소정의 투광도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한 상기 투광도는 반사 전극의 면적에 따라 약 5 내지 50%로 조절되는 것을 확인할 수 있다.
이로부터 실시예 1 내지 7에 따른 태양 전지는 흡광량을 확보하면서도 투광도를 조절할 수 있는 투광형 태양 전지를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
110: 투명 기판
SC1: 전면 서브 셀 SC2: 후면 서브 셀
210: 제1 전극 220: 제1 광 활성층
230: 제2 전극 240:
210a, 230a, 310a, 330a: 미세 전극
210b, 230b, 310b, 330b: 버스 바 전극
310: 제3 전극 320: 제2 광 활성층
330: 제4 전극

Claims (12)

  1. 투명 기판,
    상기 투명 기판의 일면에 위치하고 제1 전극, 제1 광 활성층 및 제2 전극을 포함하는 전면 서브 셀, 그리고
    상기 투명 기판의 다른 일면에 위치하고 제3 전극, 제2 광 활성층 및 제4 전극을 포함하는 후면 서브 셀
    을 포함하고,
    상기 제3 전극과 상기 제4 전극 중 적어도 하나는 반사 전극이며,
    상기 반사 전극의 면적은 상기 제2 광 활성층의 면적에 대하여 50 내지 95%인 투광형 양면 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 태양 전지의 총 흡광량은 상기 제1 광 활성층의 흡광량과 상기 제2 광 활성층의 흡광량의 합이고,
    상기 태양 전지의 총 흡광량은 상기 제1 활성층 또는 상기 제2 활성층을 포함하는 비투과형 단일 서브 셀의 흡광량보다 많은 투광형 양면 태양 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 태양 전지의 광 투과도는 5% 내지 50%인 투광형 양면 태양 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 총 면적은 상기 제1 광 활성층의 총 면적에 대하여 20% 이하인 투광형 양면 태양 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 각각 복수의 미세 전극(finger electrode)을 포함하는 투광형 양면 태양 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 전극의 미세 전극의 폭은 2,000 ㎛ 이하이고,
    상기 제1 전극의 인접한 미세 전극 사이의 간격은 5,000 ㎛ 이하인
    투광형 양면 태양 전지.
  7. 제5항에서,
    상기 제2 전극의 미세 전극의 폭은 2,000 ㎛ 이하이고,
    상기 제2 전극의 인접한 미세 전극 사이의 간격은 5,000 ㎛ 이하인
    투광형 양면 태양 전지.
  8. 제1항에서,
    상기 제3 전극과 상기 제4 전극은 각각 복수의 미세 전극(finger electrode)을 포함하는 투광형 양면 태양 전지.
  9. 제8항에서,
    상기 제3 전극의 미세 전극의 폭은 2,000 ㎛ 이하이고,
    상기 제3 전극의 인접한 미세 전극 사이의 간격은 5,000 ㎛ 이하인
    투광형 양면 태양 전지.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 광 활성층과 상기 제2 광 활성층은 각각 독립적으로 실리콘, 화합물 반도체, 유기 반도체, 염료, 양자점 또는 이들의 조합을 포함하는 투광형 양면 태양 전지.
  11. 제1항에서,
    상기 제1 광 활성층은 상기 제2 광 활성층보다 장파장 영역의 광을 흡수하는 투광형 양면 태양 전지.
  12. 제1항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제1 광 활성층 사이, 상기 제2 전극과 상기 제1 광 활성층 사이, 상기 제3 전극과 상기 제2 광 활성층 사이 및 상기 제4 전극과 상기 제2 광 활성층 사이 중 적어도 하나에 위치하는 보조층을 더 포함하는 투광형 양면 태양 전지.






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