KR20140080468A - 투광도가 향상된 탠덤 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 하부에 구비된 CIGS 태양전지; 상기 CIGS 태양전지의 상부에 구비된 DSSC 태양전지; 및 상기 CIGS 태양전지와 상기 DSSC 태양전지 사이에 구비된 반사방지막 층;을 포함하고, 상기 CIGS 태양전지와 상기 DSSC 태양전지는 서로 전기적으로 연결되어 적층 구비한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 직경이 20 nm 이하인 TiO2 입자로 이루어진 TiO2 광흡수층과 반사방지막 층에 의해 광산란 효과를 감소시켜, 광투과율을 증가시키고 낮은 두께로도 광전류를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 직경이 20 nm 이하인 TiO2 입자로 이루어진 TiO2 광흡수층과 반사방지막 층에 의해 광산란 효과를 감소시켜, 광투과율을 증가시키고 낮은 두께로도 광전류를 얻을 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 탠덤 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염료감응형 태양전지(DSSC)와 구리인듐갈륨셀렌(CIGS) 태양전지를 적층 연결하고 투광도를 개선한 탠덤(tandem) 태양전지에 관한 것이다.
단일 접합 태양전지의 최대 이론 광전변환효율은 1961년 Shockley-Queisser에 의해 계산된 약 30%이며, 단일 접합 태양전지로는 넘기 힘든 것으로 알려져 있다. 이와 같은 한계효율은 여러 단일 접합 태양전지를 탠덤 형태로 다중 접합함으로써 극복할 수 있다. 특히, 태양전지 효율은 밴드갭보다 훨씬 높은 에너지를 갖는 광자가 입사될 때의 열에 의한 손실(thermalization loss)과 밴드갭보다 낮은 에너지를 갖는 포톤의 투과에 의한 손실로 낮은 한계치를 갖는다. 상기 열 손실의 경우 흡수광의 초과 에너지가 격자 진동의 양자 형태인 포논으로 전환되어 광전변환에 전혀 기여하지 못하고 열에너지로 손실되는 것을 말하며, 밴드갭보다 낮은 에너지를 갖는 광자는 전자가 위치할 수 있는 상태로 전자를 여기시키지 못하기 때문에 투과 손실을 보인다.
이와 같이 단일 접합 태양전지의 경우 상기 열 손실을 줄이려면 적절한 크기의 밴드갭이 필요하고, 동시에 낮은 에너지의 포톤이 기여할 수 있도록 하기 위해서는 밴드갭이 낮아야 하므로 서로 간에 트레이드-오프(trade-off) 관계를 발견할 수 있다. 즉 단일 접합 태양전지로는 풀리지 않는 문제를 안고 있다. 탠덤 태양전지는 다양한 에너지 밴드갭을 갖는 재료들을 이용함으로써 위의 한계를 극복하고 넓은 스펙트럼 영역의 광에너지를 효과적으로 이용하고자 하는 시도이다.
탠덤 태양전지는 가장 큰 밴드갭을 갖는 흡수층 물질 또는 단일접합 태양전지가 먼저 입사광을 받도록 가장 상부에 위치하게 되며, 순차적으로 밴드갭이 작은 흡수층이 하부에 위치하게 된다. 이런 식으로 상부에서 단파장 영역 빛을 흡수하고 하부에서 장파장 영역 빛을 흡수하도록 배치하면 탠덤 태양전지의 문턱 파장(threshold wavelength)이 장파장 쪽으로 이동하게 되고 전체 흡수파장 영역을 넓게 이용할 수 있다. 또한 이와 같이 파장 대역을 여러 부분으로 나눠 이용함으로써 앞서 언급한 것과 같은 전자-홀 쌍 생성시의 열 손실의 감소를 기대할 수 있다.
탠덤 태양전지는 구조적으로 단일 전지 내에서 흡수층을 연속적으로 쌓는 내부접합형(internal junction) 텐덤 디바이스, 단일 접합 서브 전지들을 수직적으로 쌓아 외부에서 단자 간을 서로 연결하는 외부접합형(external junction) 탠덤 디바이스가 있다. 내부접합형 소자는 전압 상승의 효과를 볼 수 있는 반면, 외부접합형 소자는 서브전지 간의 연결 방법, 즉 직렬연결이나 병렬연결을 통해 전류 또는 전압을 증가시킬 수 있다.
종래에 탠덤 태양전지는 선행기술문헌에 기재된 바와 같이, 상부 전지가 1.6~1.7eV 정도의 밴드갭을 가지고 하부 전지가 1.0~1.1eV 정도의 밴드갭을 가질 때 최대 45%까지의 이론 효율이 가능한 것으로 보고된 바 있다.
그러나, 상부 전지는 태양전지 고유의 광전류 특성을 발휘하나, 하부 전지는 상부 전지에서 소모되고 남은 광자를 사용할 수밖에 없는 구조적인 문제점이 있다.
따라서, 탠덤 태양전지의 고효율화를 꾀하기 위해서는 상부 전지의 광전 특성을 유지하면서도 상부 전지에서 사용하지 않는 파장대의 광 투과도를 높일 필요가 있다.
비특허문헌 1: Bremner et al, Progress in Photovoltaics: Research and Applications (2008), 16, p.225~233
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 광산란 효과를 감소시키고, 광 투과율이 증가된 고효율의 탠덤 태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 하부에 구비된 CIGS 태양전지; 상기 CIGS 태양전지의 상부에 구비된 DSSC 태양전지; 및 상기 CIGS 태양전지와 상기 DSSC 태양전지 사이에 구비된 반사방지막 층;을 포함하고, 상기 CIGS 태양전지와 상기 DSSC 태양전지는 서로 전기적으로 연결되어 적층 구비한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에서 상기 CIGS 태양전지는 유리 기판; 상기 유리 기판에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 형성된 CIGS 흡수층; 상기 CIGS 흡수층에 형성된 버퍼층(buffer layer); 상기 버퍼층에 형성된 금속 산화물층; 및 상기 금속 산화물층에 형성된 제 2 전극;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에서 상기 DSSC 태양전지는 하부면 방향으로 투명전극과 재결합 방지층(blocking layer)으로 이루어진 일전극(working electrode)을 구비한 상부 유리기판; 상부면에 금속 촉매막을 형성한 투명전극을 구비한 하부 유리기판; 상기 금속 촉매막과 상기 일전극 사이의 외측 테두리에 형성된 밀봉재; 상기 밀봉재와 상기 금속 촉매막을 형성한 투명전극의 내부면에 구비된 전해질 층; 및 상기 재결합 방지층의 하부면과 상기 전해질 층에 의해 둘러싸여 염료를 흡착한 TiO2 광흡수층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에서 상기 금속 산화물층은 진성 ZnO/Al-도핑된 ZnO(i-ZnO/AZO) 또는 진성 ZnO/B-도핑된 ZnO(i-ZnO/BZO)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에서 상기 재결합 방지층은 TiO2, Nb-doped TiO2 및 Ta-doped TiO2 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에서 상기 금속 촉매막은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 카본나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나 또는 합금으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에서 상기 TiO2 광흡수층은 졸-겔(Sol-gel)법 또는 수열합성법(Hydrothermal)을 통해 5 nm 내지 15 nm의 입자크기를 갖도록 제조된 아나타제 상(anatase phase)의 TiO2를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에서 상기 반사방지막 층은 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA) 또는 폴리스타이렌(PS)으로 이루어진 유기 반사방지막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에서 상기 반사방지막 층은 MgF2, SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3 및 MgF2 중 어느 하나 또는 합금으로 이루어진 무기 반사방지막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 상기 제 1 전극과 일전극을 도선으로 연결하고, 상기 제 2 전극과 상기 금속 촉매막을 형성한 투명전극을 도선으로 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 직경이 20 nm 이하인 TiO2 입자로 이루어진 TiO2 광흡수층과 반사방지막 층에 의해 광산란 효과를 감소시켜, 광투과율을 증가시키고 낮은 두께로도 광전류를 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에 사용되는 TiO2의 XRD 그래프.
도 3a는 본 발명의 비교예에 따른 탠덤 태양전지의 광전 특성을 보여주는 그래프.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 광전 특성을 보여주는 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지에 사용되는 TiO2의 XRD 그래프.
도 3a는 본 발명의 비교예에 따른 탠덤 태양전지의 광전 특성을 보여주는 그래프.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 광전 특성을 보여주는 그래프.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 모식도이다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 도 1에 도시된 바와 같이 하부 전지(bottom cell)인 CIGS 태양전지(100)와 상부 전지(top cell)인 DSSC 태양전지(200)가 서로 적층되어 전기적으로 연결된 구조를 갖고, 상부 전지(top cell)인 DSSC 태양전지(200)의 투과도를 높여 하부 전지(bottom cell)인 CIGS 태양전지(100)가 사용하는 빛의 양을 증가시키며, DSSC 태양전지(200)의 TiO2 광흡수층(213)을 5 nm 내지 15 nm의 입자크기로 미세 형성한 아나타제상(anatase phase)의 TiO2로 형성하는 특징이 있다.
구체적으로, 하부 전지인 CIGS 태양전지(100)는 유리 기판(101), 유리 기판(101) 위에 형성되어 있는 제 1 전극(102), 제 1 전극(102) 위에 형성되어 있는 CIGS 흡수층(103), CIGS 흡수층(103) 위에 형성되어 있는 버퍼층(buffer layer: 104), 버퍼층(104) 위에 형성되어 있는 금속 산화물층(105), 및 금속 산화물층(105) 위에 형성되어 있는 제 2 전극(106)을 포함한다.
여기서, 제 1 전극(102)은 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 어느 하나 또는 합금으로 형성될 수 있고, 버퍼층(104)은 CdS, In2S3, ZnO, Zn(O,S,OH) 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 금속 산화물층(105)은 진성 ZnO/Al-도핑된 ZnO(i-ZnO/AZO) 또는 진성 ZnO/B-도핑된 ZnO(i-ZnO/BZO)으로 형성될 수 있으며, 제 2 전극(106)은 니켈-알루미늄 합금(Ni/Al), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
반면에, 상부 전지(top cell)인 DSSC 태양전지(200)는 하부면에 투명전극과 재결합 방지층(blocking layer)으로 이루어진 일전극(working electrode: 214)을 구비한 상부 유리기판(201), 제 2 전극(106)의 방향에 구비된 폴리머 반사방지막 층(207)을 하부면에 구비하고 상부면에 금속 촉매막(209)을 형성한 투명전극(208)을 구비한 하부 유리기판(202), 금속 촉매막(209)과 일전극(214) 사이의 외측 테두리에 형성된 밀봉재(210), 밀봉재(210)와 투명전극(208)의 내부면에 형성된 전해질 층(211), 일전극(214)의 재결합 방지층 하부면에서 전해질 층(211)에 의해 둘러싸여 염료를 흡착한 TiO2 광흡수층(213)을 포함한다.
여기서, 일전극(214)의 재결합 방지층(blocking layer)은 TiO2, Nb-doped TiO2 또는 Ta-doped TiO2 등으로 형성될 수 있고, 일전극(214)의 투명전극과 투명전극(208)은 FTO(F-doped SnO2), ITO(S-doped In2O3), AZO(Al-doped ZnO) 및 BZO(B-doped ZnO) 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 금속 촉매막(209)은 예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 카본나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나 또는 합금으로 형성될 수 있다.
또한, 폴리머 반사방지막 층(207)은 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리스타이렌(PS) 등의 유기 반사방지막, 또는 MgF2, SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3, MgF2 등의 무기 반사방지막으로 형성될 수 있다. 이때, 폴리머 반사방지막 층(207)은 도 1에서 DSSC 태양전지(200)의 하부에 구비되지만, 이에 한정되지 않고 CIGS 태양전지(100)와 DSSC 태양전지(200) 사이에서 CIGS 태양전지(100)의 상부에 구비될 수도 있다.
TiO2 광흡수층(213)은 졸-겔(Sol-gel)법 또는 수열합성법(Hydrothermal)을 통해 5 nm 내지 15 nm의 입자크기를 갖도록 제조된 아나타제 상(anatase phase)의 TiO2를 이용하여 형성될 수 있다. 특히 150℃의 낮은 온도에서 수열합성법을 통해 제조되는 경우, TiO2는 도 2에 도시된 XRD 데이터를 통해 입경이 평균 11 nm 정도의 아나타제 상(anatase phase)으로 제조될 수 있다. 이렇게 제조된 아나타제 상의 TiO2를 이용하여 TiO2 광흡수층(213)을 형성하는 방법으로 예컨대, 닥터 블레이드 코팅법, 스핀 코팅법, 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 전기 방사법 중에서 선택된 방법이 사용될 수 있다.
이와 같이 구성된 CIGS 태양전지(100)와 DSSC 태양전지(200)는 제 1 전극(102)과 일전극(214)을 서로 도선으로 연결하고 제 2 전극(106)과 투명전극(208) 또한 서로 도선으로 연결하여, 전기적으로 연결된 적층 구조의 탠덤 태양전지로 구비될 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 5 nm 내지 15 nm의 입자크기로 미세 형성한 아나타제 상(anatase phase)의 TiO2를 이용하여 TiO2 광흡수층(213)을 형성하므로, DSSC 태양전지(200)를 통과하는 광량을 최대화하여 광 투과율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 CIGS 태양전지(100)와 DSSC 태양전지(200) 사이에 폴리머 반사방지막 층(207)을 구비하여, 굴절률 차이에 기인하는 광 산란을 줄여 광손실을 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 제조과정과 효율에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 제조과정은 대략적으로 (1) CIGS 태양전지(100)를 제작하는 단계; (2) 직경이 20 nm 이하인 아나타제상의 TiO2 입자로 이루어진 TiO2 광흡수층(213)을 포함한 DSSC 태양전지(200)를 제작하는 단계: 및 (3) CIGS 태양전지(100)와 DSSC 태양전지(200) 사이에 폴리머 반사방지막을 삽입하여 적층하고 전기적으로 연결하는 단계;를 포함한다.
구체적으로, (1) CIGS 태양전지(100)를 제작하는 단계는 우선 유리기판(101) 위에 DC 스퍼터링(DC sputtering) 방법을 통해 500 nm 두께를 갖는 Mo의 제 1 전극(102)을 형성하는 과정, 이러한 Mo의 제 1 전극(102) 위에 3단계 진공증착법(3-stage evaporation)을 이용하여 CIGS 흡수층(103)을 1.5 ~ 2 ㎛의 두께로 형성하는 과정, CIGS 흡수층(103) 위에 버퍼층(104)으로 CdS를 화학적 용액성장법(CBD)을 통해 50 ~ 80 nm의 두께로 형성하는 과정, 이러한 CdS 버퍼층(104) 위에 금속 산화물층(105)으로, 진성 ZnO(intrinsic ZnO, i-ZnO)와 Al-doped ZnO(Al:ZnO)을 RF 스퍼터링법을 통해 각각 50 nm와 250 nm의 두께로 형성하는 과정, 및 이러한 금속 산화물층(105) 위에 전자빔증착기(electron beam evaporator)를 이용하여 니켈/알루미늄을 800 nm 두께로 증착하여 제 2 전극(106)을 형성하는 과정을 포함한다.
(2) DSSC 태양전지(200)를 제작하는 단계는 DSSC의 일전극(214)을 형성하기 위해 우선 투명전극인 FTO(F-doped SnO2)가 상부 유리기판(201)에 증착 형성하고, i) 빛의 산란을 줄이고 ii) 광흡수층(213)의 투명전극에의 접합성을 향상시키며, iii) 투명전극과 전해질 계면에서 전자의 재결합을 방지하기 위한 재결합 방지층(blocking layer)을 부탄올 중의 7.5 wt%의 티타늄(IV) 비스(에틸 아세토 아세토)-디이소프록사이드 용액을 이용하여 FTO 투명전극에 형성한다.
이러한 재결합 방지층 위에 광흡수층(213)으로 11 nm의 평균 입자크기를 갖는 TiO2 로 이루어진 TiO2 광흡수층(213)을 닥터 블레이드법을 이용해 11.7 ㎛의 두께로 형성하고 500℃에서 30분간 열처리한다. 이렇게 형성된 유리 기판/투명전극/재결합 방지층/광흡수층 어셈블리를 N719 염료를 포함하는 용액에 담가 40℃에서 5시간 동안 염료 흡착을 수행한다.
이후, Pt 촉매막(209)을 형성하기 위해, 2-프로판올 중의 7 mM H2PtCl6 ·6H2O 용액을 FTO 투명전극(208) 위에 스핀 코팅하고 400℃에서 열처리를 수행한다.
밀봉재(210)는 일전극(214)과 상대전극 사이에 생기는 공간 사이로 Surlyn에 1-프로필-3-메틸이미다졸륨 요오드(1-propyl-3-methylimidazolium iodide: PMII),I2와 구아니듐 싸이오시아네이트(guanidinium thiocyanate: GSCN), 4-tert-부틸피리딘(TBP) 등의 첨가제를 포함하는 ACN 기반 전해질용액을 주입하여 형성할 수 있다.
(3) CIGS 태양전지(100)와 DSSC 태양전지(200) 사이에 폴리머 반사방지막을 삽입하여 적층하고 전기적으로 연결하는 단계는 상술한 과정으로 제작된 CIGS 태양전지(100)와 DSSC 태양전지(200) 사이에 빛의 산란을 줄이기 위해 폴리머 반사방지막을 삽입하여 폴리머 반사방지막 층(207)을 형성한다.
이어서, 적층된 두 태양전지를 전기적으로 연결하기 위해, 제 1 전극(102)과 일전극(214)을 서로 도선으로 연결하고 제 2 전극(106)과 투명전극(208) 또한 서로 도선으로 연결하여, 탠덤 태양전지를 완성한다.
이러한 단계들을 거쳐 완성된 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지는 TiO2 광흡수층(213)이 11 nm의 평균 입자크기를 갖는 TiO2로 이루어지고 11.7 ㎛의 두께로 형성되며, 폴리머 반사방지막 층(207)을 구비하는 특징이 있다.
비교예
1
본 발명의 비교예 1에 따른 탠덤 태양전지는 상술한 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지와 동일하고, TiO2 광흡수층(213)을 평균 입자크기가 20nm인 TiO2를 이용하여 13.5 ㎛의 두께로 형성하며, 폴리머 반사방지막 층(207)을 구비하지 않는다는 점에서 차이가 있다.
비교예
2
본 발명의 비교예 2에 따른 탠덤 태양전지는 상술한 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지와 동일하고, 폴리머 반사방지막 층(207)을 구비하지 않는다는 점에서 차이가 있다.
이러한 실험예와 비교예 각각에 따른 탠덤 태양전지에 대한 I-V 특성을 검출하면, 도 3과 아래 [표 1]에서 알 수 있듯이, 11 nm의 평균 입자크기를 갖는 TiO2를 적용한 경우 11.7 μm의 두께로도 13.5 μm 두께를 갖는 20 nm의 평균 입자크기를 갖는 광전극과 같은 수준(12.64 vs. 12.42 mA)의 광전류를 발생시킬 수 있다.
또한, DSSC 필터된(filtered) CIGS 셀 또한 11 nm TiO2를 적용한 DSSC를 상부 전지로 사용하였을 때 16.57 mA의 광전류를 나타내어, 20 nm TiO2를 사용한 경우 (13.56 mA)에 비해 22 % 향상된 특성을 보여준다.
이러한 결과는 그대로 탠덤 태양전지의 효율 증가로 이어져, 광전류밀도 14.69 mA, 광전압 1.325 V, 효율 12.99 %의 DSSC/CIGS 탠덤 태양전지를 구현할 수 있다. 이는 20 nm의 평균 입자크기를 갖는 TiO2를 적용한 비교예 1에 따른 탠덤 태양전지의 경우(효율 10.77%)에 비해 21%의 효율 증가가 이루어진 것을 알 수 있다.
이러한 [표 1]에 서로 다른 입자크기를 갖는 TiO2 광흡수층을 도입한 DSSC, DSSC-filtered CIGS 및 DSSC/CIGS 탠덤 태양전지의 광전류밀도, 전압, 충진계수 및 효율을 정리하였다.
한편, DSSC의 광전극, 상대전극의 반쪽 셀에 각각 사용되는 FTO 글라스와 공기의 굴절률 차이에 기인하는 광손실을 최소화하기 위해 폴리머 반사방지막 층(207)을 구비한 결과, 특히 DSSC 필터된(filtered) CIGS에서 광전류가 향상된 것을 알 수 있다(16.57 → 17.38 mA).
특히, 11nm TiO2 광흡수층(213)과 폴리머 반사방지막 층(207)을 구비한 본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양전지의 효율이 13.15%로 가장 월등하게 나타난 것을 알 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: CIGS 태양전지 101: 유리기판
102: 제 1 전극 103: CIGS 흡수층
104: 버퍼층 105: 금속 산화물층
106: 제 2 전극 200: DSSC 태양전지
201: 상부 유리기판 202: 하부 유리기판
207: 폴리머 반사방지막 층 208: 투명전극
209: 금속 촉매막 210: 밀봉재
211: 전해질층 213: TiO2 광흡수층
214: 일전극
102: 제 1 전극 103: CIGS 흡수층
104: 버퍼층 105: 금속 산화물층
106: 제 2 전극 200: DSSC 태양전지
201: 상부 유리기판 202: 하부 유리기판
207: 폴리머 반사방지막 층 208: 투명전극
209: 금속 촉매막 210: 밀봉재
211: 전해질층 213: TiO2 광흡수층
214: 일전극
Claims (10)
- 하부에 구비된 CIGS 태양전지;
상기 CIGS 태양전지의 상부에 구비된 DSSC 태양전지; 및
상기 CIGS 태양전지와 상기 DSSC 태양전지 사이에 구비된 반사방지막 층;
을 포함하고,
상기 CIGS 태양전지와 상기 DSSC 태양전지는 서로 전기적으로 연결되어 적층 구비하는 탠덤 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 CIGS 태양전지는
유리 기판;
상기 유리 기판에 형성된 제 1 전극;
상기 제 1 전극에 형성된 CIGS 흡수층;
상기 CIGS 흡수층에 형성된 버퍼층(buffer layer);
상기 버퍼층에 형성된 금속 산화물층; 및
상기 금속 산화물층에 형성된 제 2 전극;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 DSSC 태양전지는
하부면 방향으로 투명전극과 재결합 방지층(blocking layer)으로 이루어진 일전극(working electrode)을 구비한 상부 유리기판;
상부면에 금속 촉매막을 형성한 투명전극을 구비한 하부 유리기판;
상기 금속 촉매막과 상기 일전극 사이의 외측 테두리에 형성된 밀봉재;
상기 밀봉재와 상기 금속 촉매막을 형성한 투명전극의 내부면에 구비된 전해질 층; 및
상기 재결합 방지층의 하부면과 상기 전해질 층에 의해 둘러싸여 염료를 흡착한 TiO2 광흡수층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 금속 산화물층은 진성 ZnO/Al-도핑된 ZnO(i-ZnO/AZO) 또는 진성 ZnO/B-도핑된 ZnO(i-ZnO/BZO)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 재결합 방지층은 TiO2, Nb-doped TiO2 및 Ta-doped TiO2 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 금속 촉매막은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 카본나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나 또는 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 TiO2 광흡수층은 졸-겔(Sol-gel)법 또는 수열합성법(Hydrothermal)을 통해 5 nm 내지 15 nm의 입자크기를 갖도록 제조된 아나타제 상(anatase phase)의 TiO2를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반사방지막 층은 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA) 또는 폴리스타이렌(PS)으로 이루어진 유기 반사방지막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반사방지막 층은 MgF2, SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3 및 MgF2 중 어느 하나 또는 합금으로 이루어진 무기 반사방지막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 일전극을 도선으로 연결하고, 상기 제 2 전극과 상기 금속 촉매막을 형성한 투명전극을 도선으로 연결하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A107 | Divisional application of patent | ||
| PA0107 | Divisional application |
Comment text: Divisional Application of Patent Patent event date: 20140526 Patent event code: PA01071R01D Filing date: 20120214 Application number text: 1020120014718 |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
| A201 | Request for examination | ||
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20161220 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R04I Patent event date: 20140526 Comment text: Divisional Application of Patent |
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| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20170307 Patent event code: PE09021S01D |
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| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20171030 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20170307 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |