KR20220165087A - Tandem solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탠덤 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tandem solar cell and a manufacturing method thereof.
세계적으로 지구온난화 문제가 심화되고 있다. 이를 극복하기 위해 2015년 세계는 지구의 평균 기온 상승을 2도 이내보다 낮은 수준으로 유지하기로 하는 파리기후변화협약을 체결하였다. 따라서, 지구온난화를 막기 위해 기존의 화석에너지의 사용을 줄이고 이를 대체할 수 있는 신재생에너지 개발이 필수적이다.The problem of global warming is intensifying worldwide. In order to overcome this, in 2015, the world signed the Paris Agreement on Climate Change to keep the global average temperature rise below 2 degrees. Therefore, in order to prevent global warming, it is essential to reduce the use of existing fossil energy and develop new renewable energy that can replace it.
신재생에너지는 기존의 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 태양에너지, 지열 에너지, 해양 에너지, 바이오 에너지 등이 있다.Renewable energy is energy that is used by recycling existing fossil fuels or converting renewable energy, and includes solar energy, geothermal energy, ocean energy, bioenergy, and the like.
이 중 태양에너지, 태양광은 오염이 없고, 무한하며 지구 어느 곳에서도 이용이 가능하다는 장점이 있다. 태양전지는 이를 활용하기 위해 개발되었으며, 광기전력 효과를 이용하여 태양으로부터 생성된 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다.Among them, solar energy and sunlight have the advantage that they are pollution-free, unlimited, and can be used anywhere on the earth. A solar cell was developed to utilize this, and is a device that converts light energy generated from the sun into electrical energy by using a photovoltaic effect.
유기, 무기, 유무기 하이브리드를 이용한 다양한 태양전지가 개발되었으나, 아직까지 전체 전력 생산량 중 태양전지를 이용하여 발전된 전력의 사용은 낮은 수준이다. 이는 태양전지의 발전단가가 화석 연료를 사용해 생산한 일반 전력비용에 비해 높기 때문이다. 태양전지 효율은 태양전지의 발전단가를 결정하는 중요인자로, 가격 경쟁력을 높이기 위해서는 태양전지 효율 향상이 중요하다.Various solar cells using organic, inorganic, and organic-inorganic hybrids have been developed, but the use of power generated using solar cells among the total power production is still low. This is because the unit cost of solar cell power generation is higher than the cost of general electricity produced using fossil fuels. Solar cell efficiency is an important factor in determining the unit cost of solar cell power generation, and improving solar cell efficiency is important to increase price competitiveness.
최근 26% 이상의 실리콘 태양전지 개발에 성공하며 꾸준한 성장을 보이고 있으나, 현재 구조의 실리콘 태양전지를 이용하여 구현 가능한 이론적 효율은 29.4%로 효율 향상의 한계가 있다.Recently, the development of a silicon solar cell with a rate of 26% or more has been successfully developed and is showing steady growth.
현재 상용화 되어 있는 태양전지 구조는 단일 접합 구조로 되어 있어, 태양으로부터 오는 빛을 전체적으로 이용하는 것에 한계가 있다. 이를 극복하기 위해서 특정 파장대를 흡수할 수 있는 밴드갭으로 이루어진 태양전지를 적층하여 태양광 스펙트럼을 보다 효율적으로 이용하는 다중접합 태양전지 구현이 필요하다. 이때 이론적 효율 한계는 최대 87%까지 증가된다.The currently commercialized solar cell structure has a single junction structure, so there is a limit to using the light from the sun as a whole. In order to overcome this, it is necessary to implement a multi-junction solar cell that uses the solar spectrum more efficiently by stacking solar cells having a bandgap capable of absorbing a specific wavelength range. At this time, the theoretical efficiency limit is increased up to 87%.
한편, 페로브스카이트 태양전지는 2009년 일본의 미야사카 교수팀이 기존의 염료 감응 태양전지에 유무기 복합소재인 메틸암모늄납요오드화물을 적용하면서 연구가 시작되었으며, 당시 3.8%에 불과하였던 효율이 빠른 속도로 성장하며 최근 25%이상의 효율을 기록하였다.On the other hand, research on perovskite solar cells began in 2009 when Professor Miyasaka's team in Japan applied methylammonium lead iodide, an organic-inorganic composite material, to existing dye-sensitized solar cells. It grows at a rapid pace and recently recorded more than 25% efficiency.
페로브스카이트 태양전지 개발 전까지 III-V족 태양전지를 제외하고 다중접합의 상부 셀로 적용 가능한 높은 밴드갭을 가진 고효율 태양전지가 없었으나, 고효율 페로브스카이트 태양전지가 개발되면서 기존에 개발된 태양전지와 이중접합한 구조인 탠덤 구조로 효율을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다.Prior to the development of perovskite solar cells, there was no high-efficiency solar cell with a high band gap that could be applied as an upper cell of a multi-junction except for group III-V solar cells. A tandem structure, which is a double junction structure with a solar cell, is actively researching to increase efficiency.
기존의 태양전지를 하부 셀로, 페로브스카이트 태양전지를 상부 셀로 이용한 탠덤 태양전지를 구현할 수 있다.It is possible to implement a tandem solar cell using a conventional solar cell as a lower cell and a perovskite solar cell as an upper cell.
단파장 영역에서 더 많은 빛을 흡수하는 페로브스카이트 태양전지를 상부셀로 이용하고, 장파장 영역에서 광흡수에 용이한 실리콘 태양전지를 하부셀로 이용하여 고효율의 탠덤 태양전지를 제작함으로 높은 변환효율을 얻을 수 있다. 상부셀과 하부셀은 따로 제작되어 결합하는 기계적 결합식으로, 페로브스카이트 상부셀의 투과도가 하부셀의 효율에 영향을 미치게 되므로 인듐 주석 산화물과 같은 투명한 금속산화물을 탠덤 태양전지에 주로 사용하고 있다.High conversion efficiency by manufacturing a high-efficiency tandem solar cell using a perovskite solar cell that absorbs more light in the short wavelength region as an upper cell and a silicon solar cell that is easy to absorb light in the long wavelength region as a lower cell can be obtained. The upper cell and the lower cell are manufactured separately and mechanically bonded. Since the transmittance of the perovskite upper cell affects the efficiency of the lower cell, transparent metal oxides such as indium tin oxide are mainly used in tandem solar cells. have.
하지만, 탠덤 태양전지의 상부셀에서 사용되는 금속산화물의 경우, 대부분이 스퍼터링 공정으로 증착되게 되어 페로브스카이트 소자에 손상을 주게 된다. 이러한 손상을 감소시키기 위해 몰리브데늄 산화물을 열증착기를 통해 증착하게 되며 이는 광투과를 방해하는 역할을 한다. 또한 높은 진공이 필요한 기술이며 가격 및 대면적 소자 제작에 문제점을 가지고 있다.However, in the case of the metal oxide used in the upper cell of the tandem solar cell, most of it is deposited through a sputtering process, which damages the perovskite device. In order to reduce such damage, molybdenum oxide is deposited through a thermal evaporator, which serves to hinder light transmission. In addition, it is a technology that requires high vacuum and has problems in price and large-area device manufacturing.
본 발명은 페로브스카이트 태양전지 셀에 손상을 주지 않으면서 고투과성 및 고효율의 발현이 가능한 탠덤 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a tandem solar cell capable of expressing high permeability and high efficiency without damaging a perovskite solar cell and a method for manufacturing the same.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems that are not mentioned will become clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 기판, 상기 기판 상에 형성된 하부 셀 및 상기 하부 셀 상에 배치된 상부 셀을 포함하는 탠덤 태양전지에 있어서, 상기 상부 셀은 페로브스카이트 구조의 상부 광흡수층, 상기 상부 광흡수층 하면에 직접 적층되며, 탄소 나노 튜브로 구성된 전극층; 및 상기 전극층의 적어도 일부를 에워싸며, 상기 상부 광흡수층 하면에 직접 적층된 전공 전달층을 포함할 수 있다.A tandem solar cell according to an embodiment of the present invention includes a substrate, a lower cell formed on the substrate, and an upper cell disposed on the lower cell, wherein the upper cell is an upper part of the perovskite structure a light absorbing layer, an electrode layer directly laminated on a lower surface of the upper light absorbing layer and made of carbon nanotubes; and a hole transport layer that surrounds at least a portion of the electrode layer and is directly laminated on a lower surface of the upper light absorption layer.
또한, 상기 전공 전달층의 두께는 상기 전극층의 두께 보다 클 수 있다.Also, a thickness of the hole transport layer may be greater than a thickness of the electrode layer.
또한, 상기 전극층은 도펀트가 분산될 수 있다.In addition, a dopant may be dispersed in the electrode layer.
또한, 상기 전극층의 탄소 나노 튜브는 에어로졸화된 단일벽 탄소 나노 튜브일 수 있다.In addition, the carbon nanotubes of the electrode layer may be aerosolized single-walled carbon nanotubes.
또한, 상기 전극층은 가시광선 파장대역(300 nm - 800 nm) 및 근적외선 파장대역(800 nm - 1400 nm)에서 60% 내지 99%의 광투과도를 가질 수 있다.In addition, the electrode layer may have light transmittance of 60% to 99% in a visible ray wavelength range (300 nm - 800 nm) and a near infrared ray wavelength range (800 nm - 1400 nm).
또한, 상기 전극층의 두께는 20nm 내지 50nm일 수 있다.In addition, the electrode layer may have a thickness of 20 nm to 50 nm.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 제조 방법은 기판, 상기 기판 상에 형성된 하부 셀 및 상기 하부 셀 상에 배치된 상부 셀을 포함하는 탠덤 태양전지를 제조하는 방법에 있어서, 페로브스카이트 구조의 상부 광흡수층 하면에 탄소 나노 튜브를 적층하여, 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 전극층의 적어도 일부를 에워싸도록 상기 상부 광흡수층 하면에 전공 전달 용액을 코팅하여 전공 전달층을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.In addition, a method for manufacturing a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention is a method for manufacturing a tandem solar cell including a substrate, a lower cell formed on the substrate, and an upper cell disposed on the lower cell, the perovskite forming an electrode layer by stacking carbon nanotubes on the lower surface of the upper light absorption layer of the skyte structure; and forming a hole transfer layer by coating a hole transfer solution on a lower surface of the upper light absorption layer to surround at least a portion of the electrode layer. can include
또한, 상기 전공 전달층을 형성하는 단계에서, 상기 전공 전달층의 두께는 상기 전극층의 두께 보다 클 수 있다.Also, in the step of forming the hole transport layer, the thickness of the hole transport layer may be greater than the thickness of the electrode layer.
또한, 상기 전극층을 형성하는 단계와 상기 전공 전달층을 형성하는 단계 사이에서, 상기 전극층에 도펀트 용액을 코팅하는 도펀트 코팅 단계를 더 포함하고, 상기 도펀트 용액은 무극성 용매와 분산된 도펀트를 포함할 수 있다.The method may further include a dopant coating step of coating a dopant solution on the electrode layer between the forming of the electrode layer and the forming of the hole transport layer, wherein the dopant solution may include a non-polar solvent and a dispersed dopant. have.
또한, 상기 전극층을 형성하는 단계에서, 상기 전극층의 탄소 나노 튜브는 에어로졸화된 단일벽 탄소 나노 튜브일 수 있다.Also, in the step of forming the electrode layer, the carbon nanotubes of the electrode layer may be aerosolized single-walled carbon nanotubes.
또한, 상기 전극층은 가시광선 파장대역에서 80% 내지 99%의 광투과도를 가질 수 있다.In addition, the electrode layer may have a light transmittance of 80% to 99% in a visible light wavelength band.
또한, 상기 전극층의 두께는 20nm 내지 50nm일 수 있다.In addition, the electrode layer may have a thickness of 20 nm to 50 nm.
본 발명의 실시예에 따르면, 페로브스카이트 태양전지 셀에 손상을 주지 않으면서 고투과성 및 고효율의 발현이 가능하다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to express high permeability and high efficiency without damaging the perovskite solar cell.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지를 분리하여 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지 중 상부셀을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 상부셀의 구조를 비교하여 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예 및 비교예에 따른 상부셀의 제조 방법을 비교하여 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지에서 도펀트의 농도에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 특성을 나타낸 그래프이다.1 is an exemplary diagram schematically illustrating a solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary view showing a tandem solar cell in isolation according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary diagram schematically illustrating an upper cell of a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an exemplary view showing a comparison of the structure of the upper cell according to the embodiment of the present invention and the comparative example.
Figure 5 is an exemplary view showing a comparison of the manufacturing method of the upper cell according to another embodiment of the present invention and a comparative example.
6 is a graph showing characteristics according to dopant concentrations in a solar cell according to an embodiment of the present invention.
7 to 9 are graphs showing characteristics of a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following examples. This embodiment is provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes of elements in the figures are exaggerated to emphasize clearer description.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.The composition of the present invention for clarifying the solution to the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on a preferred embodiment of the present invention, but the same reference numerals are assigned to the components of the drawings. For components, even if they are on other drawings, the same reference numerals have been given, and it is made clear in advance that components of other drawings can be cited if necessary in the description of the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 개략적으로 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지를 분리하여 나타낸 예시도이다.1 is an exemplary view schematically illustrating a solar cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exemplary view showing a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention in a separated manner.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 중간층(터널 접합층, 접합층 또는 inter-layer 라고도 한다)을 매개로 하여 접합된다.Referring to FIG. 1 , a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention includes a single junction solar cell including an absorber layer having a relatively large band gap and a single junction solar cell including an absorber layer having a relatively small band gap as an intermediate layer. (It is also called tunnel bonding layer, bonding layer, or inter-layer).
이 중, 상대적으로 큰 밴드갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 페로브스카이트(perovskite) 태양전지로 사용하는 페로브스카이트/결정질 실리콘 탠덤 태양전지로 사용할 수 있다.Among them, a single junction solar cell including an absorber layer having a relatively large band gap can be used as a perovskite/crystalline silicon tandem solar cell using a perovskite solar cell.
또한, 도 2를 참조하면, 도 2A와 같이 상부셀은 페로브스카이트(perovskite) 태양전지로 구성될 수 있고, 도 2B와 같이 하부셀은 결정질 실리콘 태양전지로 구성될 수 있다.Also, referring to FIG. 2 , the upper cell may be composed of a perovskite solar cell as shown in FIG. 2A, and the lower cell may be composed of a crystalline silicon solar cell as shown in FIG. 2B.
한편, 본 발명에서는 하부셀은 다양한 형태의 실리콘 태양전지로 구성될 수 있으며, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.Meanwhile, in the present invention, the lower cell may be composed of various types of silicon solar cells, but the present invention is not limited thereto.
따라서, 이하에서는 탠덤 태양전지에서 상부셀에 대해 구체적으로 설명한다.Therefore, the upper cell in the tandem solar cell will be described in detail below.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지 중 상부셀을 개략적으로 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 상부셀의 구조를 비교하여 나타낸 예시도이다.3 is an exemplary view schematically showing an upper cell of a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an exemplary view showing a comparison of structures of upper cells according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
도 3을 참조하면, 상부 셀(100)은 광흡수층(110), 전극층(120), 전공 전달층(130), 패시베이션층(140), 투명 전극(150) 및 기판(160)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the
광흡수층(110)은 하부 셀의 광흡수층(하부 흡수층)(미도시)보다 에너지 밴드갭이 클 수 있으며, 중파장 및 단파장의 광을 흡수할 수 있다.The light
여기서, 중파장의 파장 대역은 500 nm ~ 900 nm 이고, 단파장의 파장 대역은 300 nm ~ 700 nm 일 수 있다.Here, the wavelength band of the medium wavelength may be 500 nm to 900 nm, and the wavelength band of the short wavelength may be 300 nm to 700 nm.
광흡수층(110)은 태양전지에 조사된 단파장의 광을 흡수하며 여기 상태의 전자정공 쌍 즉, 엑시톤(exiton)을 형성할 수 있다.The
여기서, 광흡수층(110)은 광활성 물질로 페로브스카이트(perovskites) 화합물로 구성될 수 잇다. 페로브스카이트는 직접형 밴드갭(direct bandgap)을 가지면서 광흡수계수가 550nm에서 1.5×104cm-1정도로 높고, 전하 이동 특성이 우수하며 결함에 대한 내성이 뛰어나다는 장점이 있다.Here, the
또한, 페로브스카이트 화합물은 용액의 도포 및 건조라는 극히 간단하고 용이하며 저가의 단순한 공정을 통해 광활성층을 이루는 광흡수체를 형성할 수 있는 장점이 있고, 도포된 용액의 건조에 의해 자발적으로 결정화가 이루어져 조대 결정립의 광흡수체 형성이 가능하며, 특히 전자와 정공 모두에 대한 전도도가 우수하다.In addition, the perovskite compound has the advantage of being able to form the light absorber constituting the photoactive layer through an extremely simple, easy, and low-cost simple process of applying and drying the solution, and crystallizes spontaneously by drying the applied solution. , it is possible to form a light absorber of coarse crystal grains, and in particular, the conductivity for both electrons and holes is excellent.
이러한 페로브스카이트 화합물은 ABX3 (A는 C1-C20의 알킬기, 1가의 금속(예를들어, Li, Na, Cs, Rb 등), 1가의 유기 암모늄 이온 또는 공명구조를 가지는 formamidinium이며, B은 2가의 금속 이온이며, X는 할로겐 이온이다.)의 화학식으로 나타낼 수 있다.This perovskite compound is ABX 3 (A is a C1-C20 alkyl group, a monovalent metal (eg, Li, Na, Cs, Rb, etc.), a monovalent organic ammonium ion or formamidinium having a resonance structure, and B is a divalent metal ion and X is a halogen ion).
전극층(120)은 광흡수층(110)의 일면에 형성된 에어로졸 합성 CNT로 구성될 수 있다. 이를 통해, 전극층(120)의 투과도를 향상시킬 수 있고, 장파장 대역의 광을 투과하여, 하부셀에서의 광전 효율을 향상시킬 수 있다.The
여기서, 전극층(120)은 가시광선 파장대역에서 80% 내지 99%의 광투과도를 갖는 것이 바람직하며, 두께는 20nm 내지 50nm인 것이 바람직하다.Here, the
전극층(120)이 20nm 미만인 경우, 전극의 전도도가 떨어져 전자 및 전공을 수집하는데 문제가 있을 수 있고, 50nm를 초과하는 경우 투과도가 급격하게 떨어져서 탠덤 태양전지의 상부 셀로서 빛을 투과하는데 문제가 있을 수 있다.If the thickness of the
한편, 임의적 배향의 네트워크를 갖는 SWCNT를 에어로졸 합성 방법으로 형성한 한 CNT 박막을 광흡수층(110) 일면에 적층하여 전극층(120)을 형성할 수 있다.Meanwhile, the
한편, 전극층(120)은 CNT의 치밀에 따라 투과도를 용이하게 조절할 수 있다.Meanwhile, the transmittance of the
한편, 전극층(120)은 도펀트(미도시)가 분산되어 배치될 수 있다. 이는 도 6을 참조하여 후술한다.Meanwhile, the
정공 전달층(130)은 Spiro-MeOTAD (2,2',7,7'-tetrakis(diphenylamino)-9.9'-spirobifluorene)로 구성될 수 있고, 전극층(120) 상에 용액 형태로 도포(예를 들어, 스핀코팅)될 수 있어, 전극층(120)의 네트워크 사이를 통과하여 광흡수층(110)의 일면에 직접 접촉되어 형성될 수 있다.The
여기서, 전극층(120)의 두께(T1)는 정공 전달층(130)의 두께(T2)에 비해 크게 형성될 수 있다.Here, the thickness T1 of the
이를 통해, 상부셀(100)의 전극층(120)이 하부셀의 전극에 맞닿아 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 전극층이 최 외측에 존재하므로 하부셀과의 연결이 용이한 장점이 있다.Through this, the
정공 전달층(130)은 외부의 수분이 광흡수층(110)으로 침투하는 것을 억제할 수 있다.The
도 4A는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지(상부 셀)의 구조를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 4B는 종래의 태양전지(상부 셀)의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.4A schematically shows the structure of a solar cell (upper cell) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B schematically shows the structure of a conventional solar cell (upper cell).
우선, 도 4A를 참조하면, 본 발명에 따른 전극층(120)은 광흡수층(110)에 직접 맞닿아 있어, 광흡수층(110)으로부터 음이온이 이동되는 것을 차단하고, 양이온의 이동이 용이할 수 있다.First, referring to FIG. 4A, the
이에 반해, 도 4B에 도시된 태양전지는 정공 전달층(Spiro-MeOTAD)의 일면에 전극(Au)이 적층됨에 따라, 전극(Au)과 광흡수층이 이격되어 배치될 수 있다. 따라서, 정공 전달층(Spiro-MeOTAD)을 통해 광흡수층으로부터 음이온 및 양이온이 전극(Au)에 침투될 수 있다.In contrast, in the solar cell shown in FIG. 4B, as the electrode Au is stacked on one side of the hole transport layer (Spiro-MeOTAD), the electrode Au and the light absorption layer may be spaced apart from each other. Therefore, negative ions and positive ions from the light absorption layer may permeate into the electrode Au through the hole transport layer (Spiro-MeOTAD).
패시베이션층(140)은 광흡수층(110)의 타측 상에 배치되며, 투광성의 절연막으로 구성될 수 있으며, 산화막 및 질화막 계열의 절연성막이 사용될 수 있다.The
투명 전극(150)은 ZnO(Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide) 및 AZO(Aluminum-doped zinc oxide)와 같은 물질을 이용하여 투명 전도층으로 형성될 수 있다.The
기판(160)은 투명 기판이 사용될 수 있고, 예를 들면, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO), 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(GZO), 은나노 입자, 은 나노 와이어 및 탄소 나노 튜브(CNT)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.The
이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지 중 상부셀의 제조 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing an upper cell of a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6 .
도 5는 본 발명의 다른 실시예 및 비교예에 따른 상부셀의 제조 방법을 비교하여 나타낸 예시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지에서 도펀트의 농도에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.5 is an exemplary view showing a comparison of manufacturing methods of an upper cell according to another embodiment of the present invention and a comparative example, and FIG. 6 is a graph showing characteristics according to dopant concentration in a solar cell according to an embodiment of the present invention. .
실시예Example
인듐 주석 산화물이 패터닝 된 유리 기판을 아세톤, IPA, 증류수로 세척한 후 UV-ozone 처리를 진행하여 기판의 오염을 세척한다.After washing the glass substrate patterned with indium tin oxide with acetone, IPA, and distilled water, UV-ozone treatment is performed to clean the contamination of the substrate.
투명전극층(SnO2)을 형성하기 위해 SnCl2.2H2O 용액을 스핀코팅 한 후, 열처리를 진행하고 상온에서 식혀준다. After spin-coating SnCl2.2H2O solution to form the transparent electrode layer (SnO2), heat treatment is performed and cooled at room temperature.
열처리 온도와 시간을 달리하며 해당 공정을 반복한 후 해당 기판에 페로브스카이트 전구체 용액을 스핀 코팅으로 광흡수층을 형성한다.After repeating the process at different heat treatment temperatures and times, a light absorption layer is formed by spin-coating the perovskite precursor solution on the substrate.
열처리를 통해 짙은 갈색의 페로브스카이트 필름을 형성한 후 CH3NH3PbI3/SnO2/ITO/glass 기판에 각각 다른 투과도를 가지는 탄소나노튜브 필름을 press-transfer 방식으로 전사하여 CNT로 구성된 전극층을 형성한다.After forming a dark brown perovskite film through heat treatment, the carbon nanotube film having different permeability is transferred to the CH3NHPbI3/SnO2/ITO/glass substrate by a press-transfer method to form an electrode layer composed of CNT.
이후 정공 전달 물질인 spiro-MeOTAD를 혼합용액에 분산시켜 준비 된 기판 위에 스핀코팅시켜 전공전달층을 형성하여, 페로브스카이트 상부셀을 완성 한다.Thereafter, spiro-MeOTAD, a hole transport material, is dispersed in the mixed solution and spin-coated on the prepared substrate to form a hole transport layer, completing the perovskite upper cell.
여기서, spiro-MeOTAD 분말은 클로로벤젠에 72.3 mg/mL 의 농도로 실온에서 혼합할 수 있다.이때 탄소나노튜브 전극에 적용되는 spiro-MeOTAD 혼합용액에는 일반적으로 사용되는 농도인 72.3 mg/mL (spiro-MeOTAD 분말을 클로로벤젠에 실온에서 혼합) 보다 약 1.01배에서 2배 사이의 높은 농도의 비율을 사용한다.Here, the spiro-MeOTAD powder can be mixed with chlorobenzene at a concentration of 72.3 mg/mL at room temperature. At this time, the spiro-MeOTAD mixed solution applied to the carbon nanotube electrode has a concentration of 72.3 mg/mL (spiro-MeOTAD), which is a commonly used concentration. -MeOTAD powder is mixed with chlorobenzene at room temperature) at a higher concentration ratio between about 1.01 and 2 times higher than that.
이러한 높은 농도를 사용하는 것이 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 전극을 사용하는 페로브스카이트 태양전지에서 보다 높은 광전효율을 얻을 수 있는 방법이다. Using such a high concentration is a method for obtaining higher photoelectric efficiency in a perovskite solar cell using a carbon nanotube electrode according to an embodiment of the present invention.
이렇게 완성된 페로브스카이트 상부셀을 실리콘 하부셀 상에 올려 필터로 사용할 수 있으며 이때 측정되는 실리콘 하부셀의 효율과 페로브스카이트 효율의 합이 4터미널 탠덤 태양전지의 효율이 된다.The completed perovskite upper cell can be put on a silicon lower cell and used as a filter, and the sum of the measured efficiency of the silicon lower cell and the perovskite efficiency becomes the efficiency of the 4-terminal tandem solar cell.
또한, 도 6을 참조하면, 도펀트(triflic acid(TFMS))의 농도가 높게 되면 spiro-MeOTAD 용액에 첨가되는 4-tert-Butylpyridine과 반응하게 됨으로 도펀트(triflic acid(TFMS))의 농도는 0.015 wt%정도가 충분한 도핑 성능을 유도하면서 4-tert-Butylpyridine와의 반응을 최소화한다. In addition, referring to FIG. 6, when the concentration of the dopant (triflic acid (TFMS)) is high, it reacts with 4-tert-Butylpyridine added to the spiro-MeOTAD solution, so the concentration of the dopant (triflic acid (TFMS)) is 0.015 wt The reaction with 4-tert-Butylpyridine is minimized while inducing sufficient doping performance.
이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 탠덤 태양전지의 특성에 대해 설명한다.Hereinafter, the characteristics of the tandem solar cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 9 .
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 특성을 나타낸 그래프이다.7 to 9 are graphs showing characteristics of a tandem solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 페로브스카이트 태양전지에서 투명전극으로 많이 쓰는 ITO와 탄소나노튜브 전극의 투과도 비교하였고(7A), 각각의 전극으로 페로브스카이트 코팅 및 최종 셀을 제작한 후 투과도(7B) 및 효율(7C)을 비교하였다.Referring to FIG. 7, the transmittance of ITO and carbon nanotube electrodes, which are widely used as transparent electrodes in perovskite solar cells, was compared (7A). 7B) and efficiency (7C) were compared.
도 7A 를 참조하면 기존 페로브스카이트 태양전지에서 사용하는 ITO/MoOx 전극과 CNT 전극의 투과율을 비교했을 시, 900nm ~ 1200nm 영역에서 CNT 전극이 투과율이 더 높은 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7A , when the transmittance of the ITO/MoOx electrode used in the conventional perovskite solar cell and the CNT electrode are compared, it can be seen that the transmittance of the CNT electrode is higher in the range of 900 nm to 1200 nm.
또한, 도 7B 를 통해 각각의 전극들이 실제 페로브스카이트에 적용되더라도 장파장 영역에서 빛 흡수가 유리한 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed through FIG. 7B that light absorption is advantageous in the long wavelength region even if each electrode is actually applied to perovskite.
또한, 도 7C를 참조하면, 탄소나노튜브 전극을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 효율이 더 높은 것을 확인할 수 있다.Also, referring to FIG. 7C , it can be seen that the efficiency of the perovskite solar cell having the carbon nanotube electrode is higher.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 4단자형 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 특성 결과를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8 , the characteristics of the 4-terminal perovskite-silicon tandem solar cell according to an embodiment of the present invention can be confirmed.
여기서, 8A는 탄소나노튜브 전극을 사용한 페로브스카이트 상부셀, 실리콘 하부 셀의 외부 양자 효율을 나타내는 그래프이고, 8B는 상부셀, 하부셀 IV 측정 결과를 나타내는 그래프이다.Here, 8A is a graph showing external quantum efficiencies of a perovskite upper cell and a silicon lower cell using carbon nanotube electrodes, and 8B is a graph showing IV measurement results of the upper cell and lower cell.
구체적으로 도 8A를 참조하면 상부셀로 사용되는 탄소 나노 튜브 전극을 이용한 페로브스카이트 셀의 양자 변환 효율 및 해당 필터를 씌운 하부셀의 양자효율 값을 확인할 수 있고, 도 8B를 참조하면탄소 나노 튜브 전극을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 하부셀로 사용된 실리콘 태양전지의 필터를 씌우기 전 후의 변환 효율을 확인할 수 있다.Specifically, referring to FIG. 8A, the quantum conversion efficiency of the perovskite cell using the carbon nanotube electrode used as the upper cell and the quantum efficiency value of the lower cell covered with the corresponding filter can be confirmed, and referring to FIG. 8B, the carbon nano The efficiency of the perovskite solar cell with tube electrodes and the conversion efficiency of the silicon solar cell used as the lower cell before and after the filter can be confirmed.
또한, 도 9를 참조하면, 투과도에 따른 탄소 나노 튜브의 특성을 확인할 수 있다.In addition, referring to FIG. 9, it can be confirmed the characteristics of the carbon nanotubes according to the transmittance.
구체적으로 도 9b~e 를 참조하면 탄소 나노 튜브의 사이즈가 커질수록 투과도가 높아지는 것을 확인 할 수 있으며 튜브의 직경이 커질수록 투과도가 높아지는 것 또한 확인 할 수 있다.Specifically, referring to FIGS. 9B to E, it can be confirmed that the transmittance increases as the size of the carbon nanotube increases, and the transmittance increases as the diameter of the tube increases.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The above detailed description is illustrative of the present invention. In addition, the foregoing is intended to illustrate and describe preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments. That is, changes or modifications are possible within the scope of the concept of the invention disclosed in this specification, within the scope equivalent to the written disclosure and / or within the scope of skill or knowledge in the art. The written embodiment describes the best state for implementing the technical idea of the present invention, and various changes required in the specific application field and use of the present invention are also possible. Therefore, the above detailed description of the invention is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. Also, the appended claims should be construed to cover other embodiments as well.
Claims (12)
상기 상부 셀은
페로브스카이트 구조의 상부 광흡수층,
상기 상부 광흡수층 하면에 직접 적층되며, 탄소 나노 튜브로 구성된 전극층; 및
상기 전극층의 적어도 일부를 에워싸며, 상기 상부 광흡수층 하면에 직접 적층된 전공 전달층을 포함하는 탠덤 태양전지.
In a tandem solar cell including a substrate, a lower cell formed on the substrate, and an upper cell disposed on the lower cell,
the upper cell
an upper light absorption layer of a perovskite structure;
an electrode layer directly laminated on the lower surface of the upper light absorption layer and made of carbon nanotubes; and
A tandem solar cell comprising a hole transport layer that surrounds at least a portion of the electrode layer and is directly laminated on a lower surface of the upper light absorption layer.
상기 전공 전달층의 두께는 상기 전극층의 두께 보다 큰 탠덤 태양전지.
According to claim 1,
The tandem solar cell wherein the hole transport layer has a thickness greater than that of the electrode layer.
상기 전극층은 도펀트가 분산된 탠덤 태양전지.
According to claim 1,
The electrode layer is a tandem solar cell in which dopants are dispersed.
상기 전극층의 탄소 나노 튜브는 에어로졸화된 단일벽 탄소 나노 튜브인 탠덤 태양전지.
According to claim 1,
The tandem solar cell wherein the carbon nanotubes of the electrode layer are aerosolized single-walled carbon nanotubes.
상기 전극층은 가시광선 파장대역에서 80% 내지 99%의 광투과도를 갖는 탠덤 태양전지.
According to claim 2,
The tandem solar cell wherein the electrode layer has a light transmittance of 80% to 99% in the visible light wavelength band.
상기 전극층의 두께는 20nm 내지 50nm인 탠덤 태양전지.
According to claim 2,
The thickness of the electrode layer is 20 nm to 50 nm tandem solar cell.
페로브스카이트 구조의 상부 광흡수층 하면에 탄소 나노 튜브를 적층하여, 전극층을 형성하는 단계; 및
상기 전극층의 적어도 일부를 에워싸도록 상기 상부 광흡수층 하면에 전공 전달 용액을 코팅하여 전공 전달층을 형성하는 단계; 를 포함하는 탠덤 태양전지 제조 방법.
A method for manufacturing a tandem solar cell comprising a substrate, a lower cell formed on the substrate, and an upper cell disposed on the lower cell,
forming an electrode layer by stacking carbon nanotubes on the lower surface of the upper light absorption layer of the perovskite structure; and
forming a hole transfer layer by coating a hole transfer solution on a lower surface of the upper light absorption layer to surround at least a portion of the electrode layer; Tandem solar cell manufacturing method comprising a.
상기 전공 전달층을 형성하는 단계에서, 상기 전공 전달층의 두께는 상기 전극층의 두께 보다 큰 탠덤 태양전지 제조 방법.
According to claim 7,
In the step of forming the hole transport layer, the thickness of the hole transport layer is greater than the thickness of the electrode layer.
상기 전극층을 형성하는 단계와 상기 전공 전달층을 형성하는 단계 사이에서,
상기 전극층에 도펀트 용액을 코팅하는 도펀트 코팅 단계를 더 포함하고,
상기 도펀트 용액은 무극성 용매와 분산된 도펀트를 포함하는 탠덤 태양전지 제조 방법.
According to claim 7,
Between the step of forming the electrode layer and the step of forming the hole transport layer,
Further comprising a dopant coating step of coating a dopant solution on the electrode layer,
The method of manufacturing a tandem solar cell, wherein the dopant solution includes a non-polar solvent and a dispersed dopant.
상기 전극층을 형성하는 단계에서,
상기 전극층의 탄소 나노 튜브는 에어로졸화된 단일벽 탄소 나노 튜브인 탠덤 태양전지 제조 방법.
In the seventh,
In the step of forming the electrode layer,
The tandem solar cell manufacturing method wherein the carbon nanotubes of the electrode layer are aerosolized single-walled carbon nanotubes.
상기 전극층은 가시광선 파장대역(300 nm - 800 nm) 및 근적외선 파장대역(800 nm - 1400 nm)에서 60% 내지 99%의 광투과도를 갖는 탠덤 태양전지 제조 방법.
In the eighth,
The electrode layer has a light transmittance of 60% to 99% in the visible ray wavelength band (300 nm - 800 nm) and near infrared ray wavelength band (800 nm - 1400 nm).
상기 전극층의 두께는 20nm 내지 50nm인 탠덤 태양전지 제조 방법.According to claim 8,
The thickness of the electrode layer is 20 nm to 50 nm tandem solar cell manufacturing method.
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Il Jeon et al., J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 11141(2020.5.14.)* * |
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