KR20140012224A - 투명 전도성 중간층을 포함하는 적층형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 결합한 적층형 태양전지에 관한 것으로서, 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지 사이의 계면에 투명 전도성 중간층을 포함하는 것이 특징이며, 투명 전도성 중간층의 도입에 의해 광흡수 손실을 최소화하면서 적층형 태양전지 내부의 계면저항을 획기적으로 감소시켜 높은 효율의 태양전지를 제조할 수 있다.

Description

투명 전도성 중간층을 포함하는 적층형 태양전지 및 그 제조방법 {Tandem solar cells comprising a transparent conducting intermediate layer and fabrication methods thereof}
본 발명은 적층형(tandem) 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 투명 전도성 물질을 이용하여 비정질 실리콘과 유기 활성층 간의 계면저항을 감소시킨 적층형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 태양전지의 종류는 소재의 형태에 따라 기판형과 박막형으로 나뉜다. 기판형 실리콘 태양전지는 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다시 단결정(single-crystalline) 실리콘 태양전지와 다결정(poly-crystalline) 실리콘 태양전지로 구분된다. 박막형 실리콘 태양전지도 역시 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si:H) 태양전지와 미세결정 실리콘(micro-crystalline silicon, μc-Si:H) 태양전지로 구분된다. 결정질 실리콘 기판을 얻기 위해서는 실리콘 웨이퍼를 사용하므로 생산 원가가 높고 공정상 복잡한 단계를 거쳐야 하므로 생산성이 떨어진다. 반면 비정질 실리콘 태양전지는 재료 원가가 저렴하고 연속 대량생산 공정에 적합하므로 실제 상업화를 위한 충분한 잠재성을 가지고 있으며, 이 때문에 많은 기업과 연구소 및 대학에서 연구가 활발히 진행되고 있다.
실리콘 태양전지의 가장 기본적인 구조는 p-n 접합으로 구성된 다이오드 형태이나 비정질 실리콘 박막의 경우 캐리어의 확산거리(diffusion length)가 결정질 실리콘 기판에 비해 매우 낮아 pn 구조로 제조될 경우 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍(electron-hole pairs)의 수집 효율이 낮다. 따라서 비정질 실리콘 태양전지는 도핑이 되지 않은 무첨가(intrinsic, i형) 비정질 실리콘 광흡수층을 p형 비정질 실리콘과 n형 비정질 실리콘층 중간에 삽입한 p-i-n 구조로 제조된다.
비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si) 태양전지의 특징은 가시광선 영역에서 흡광계수가 결정질 실리콘 태양전지에 비해 10배 이상 높기 때문에 수백 나노미터 정도의 실리콘 박막으로도 가시광선의 빛을 충분히 흡수하는 태양전지의 제조가 가능하여 기판 소재비가 결정질 태양전지에 비해 1/100 이하로 낮다. 1970년대 중반에 처음으로 비정질 실리콘을 이용한 태양전지가 발표된 이후 꾸준한 연구가 이루어져, 현재는 작은 면적의 단위셀 기준으로 약 9~10%의 광전변환 효율에 도달하였으나 비정질 실리콘 물질 자체의 큰 밴드갭(1.8 eV) 으로 인한 좁은 흡수 영역으로 인해 실질적으로 더 이상의 효율 향상을 기대하기 어려운 상황에 정체되어 있다. 비정질 실리콘 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 비정질 실리콘과 미세결정 실리콘(microcrystalline silicon, μc-Si)을 적층한 다층구조 태양전지 기술 등이 연구 개발되고 있다. 그러나 결정질 실리콘 태양전지는 앞서 언급했듯이 비정질 실리콘 태양전지에 비해 광흡수계수가 작기 때문에 약 1 마이크로미터 정도의 두꺼운 층을 형성시켜야 하는데 이 과정에서 많은 공정 시간과 비용을 발생시킨다. 따라서 값싼 비용으로 결정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 새로운 태양전지 시스템의 개발이 요구되는데, 최근 급격히 연구가 이루어지고 있는 유기 태양전지가 이러한 요건을 충족할 수 있다.
한편, 유기 태양전지는 광흡수층으로 유기물을 사용하는 태양전지로서, 실리콘 등의 무기물보다 재료 원가가 값싸고 태양전지 제작과정이 매우 간소하여 생산 단가를 현저히 낮출 수 있다. 1990년대 중반부터 주로 연구되기 시작한 유기 태양전지(Organic solar cell)는 전자 주개(electron donor) 특성과 전자 받개(electron acceptor) 특성을 갖는 유기물들로 구성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 작동원리는 밴드갭에 맞는 에너지를 갖는 빛이 공액 고분자에 입사되면 고분자의 파이 결합 내에 있는 전자가 여기(excite) 상태가 되고, 여기된 전자와 여기된 자리에 남아있는 홀(hole)이 정전기적으로 약하게 결합되어 서로 쌍을 이루는 엑시톤(exciton)이 생성된다. 태양빛을 받아서 생성된 엑시톤이 실제로 광전류를 발생시키기 위해서는 전자-홀 쌍이 쪼개져서 전자와 홀이 되고 태양전지 내부의 전기장에 의해 각각의 전극으로 수집되어야 한다.
고분자로 이루어진 태양전지의 기술 진보로 인하여 에너지 변환 효율이 최근 급격히 향상되고 있다. 특히 기존에 가장 많이 사용되었던 고분자 시스템인 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)는 높은 밴드갭(1.9 eV)을 갖으므로 장파장 영역의 빛을 활용할 수 없었기 때문에 이보다 작은 밴드갭을 갖는 새로운 고분자 시스템에 대한 연구가 최근 매우 활발히 이루어져, 넓은 흡수 파장 영역을 활용하여 5% 이상의 광전변환 효율을 갖는 여러 가지 종류의 새로운 고분자 물질이 개발되고 있다.
상기 유기 태양전지는 용액 공정(solution process)을 이용하기 때문에 고가의 진공장비를 이용하여 오랜 시간 동안 진공 분위기를 만들어주지 않아도 되므로 상대적으로 제작하기 쉽고, 저온 공정으로 제조 가능하다는 장점을 갖고 있다. 또한 상기 유기 태양전지는 고분자 물질을 이용하기 때문에 가볍고 휘어질 수 있으므로 휴대성이 뛰어나며 다양한 물체 표면에 부착시킬 수 있어서 창호용 태양전지로 응용될 수 있다는 장점을 갖고 있다.
한편, 2종 이상의 단일 태양전지를 적층하여 전기적으로 직렬 연결시킴으로써 탠덤형 태양전지(tandem solar cell)를 제작할 수 있다. 이와 같이 실리콘 태양전지와 유기 태양전지가 적층된 탠덤형 태양전지를 제작할 경우, 각각의 서브전지(subcell)에 해당하는 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지의 계면에서 저항이 발생할 수 있으며, 이러한 저항은 적층형 태양전지의 전기적 특성에 큰 영향을 줄 수 있다. 특히 용액 공정으로 형성되는 유기 태양전지는 비정질 실리콘 태양전지의 표면에 대한 친화도가 좋지 않을 경우 큰 계면저항이 발생하여 이상적으로 구동되는 적층형 태양전지에 비해 크게 감소된 효율을 보인다. 따라서 전면 전지와 후면 전지 사이의 계면에서 발생할 수 있는 계면저항을 감소시킴으로써 전하를 효과적으로 전달시킬 수 있는 태양전지 개발의 필요성이 제기되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광학적으로 투명하면서 전기적으로 전도도가 높은 물질을 적층형 태양전지의 중간층으로 이용하여, 감소된 계면 저항 및 높은 효율을 갖는 적층형 태양전지와 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 각 층에 서로 다른 광흡수 파장 영역대를 갖는 물질을 사용할 수 있는 적층형 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 결합한 적층형 태양전지에 있어서, 비정질 실리콘층과 유기 광활성층 사이에 투명 전도성 중간층을 포함하며, 상기 투명 전도성 중간층의 빛 투과도는 700 nm 파장에서 60% 이상인 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 전도성 중간층은 비저항(resistivity)이 10-1 내지 10-6 ohm·cm이거나 또는 면저항(Sheet resistance)이 1 ohm/sq 내지 100 Mohm/sq인 것이 바람직하며, 평균 두께는 0.1 nm 내지 1 mm인 것이 바람직하다.
또한 투명 전도성 중간층은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr), 징크(Zn), 인듐(In), 란타넘(La), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 틴(Sn), 나이오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 갈륨(Ga), 플로오르(F), 및 스트론튬타이타늄(SrTi)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속, 이들 금속의 산화물, 이들의 합금, 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함할 수 있으며, 이중에서 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 안티모니 틴 옥사이드(ATO, SnO2-Sb2O3), 갈륨 틴 옥사이드(GTO), ZnO-Ga2O3 또는 ZnO-Al2O3 중에서 선택된 1종 이상의 금속산화물을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 유기 광활성층은 1종 이상의 공액 고분자를 포함하는 것이 바람직하고, 사용가능한 공액 고분자의 예시로는 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일)(P3HT), [6,6]-페닐-C61- 부티릭산 메틸에스테르(PCBM), 폴리(3-옥틸티오펜-2,5-디일)(P3OT), 폴리(3-알킬티오펜)(P3AT), 폴리(2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-(페닐렌비닐렌) (MEH-PPV) 및 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)]-1,4-페닐렌비닐렌) (MDMO-PPV), 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b;3,4-b']-다이싸이오펜)-alt-4,7-(2,1,3-벤조싸이아다이아졸)] (PCPDTBT), 폴리[싸이아노(3,4-b)싸이오펜- 벤조다이 싸이오펜](PTB), 폴리[4,8-비스-벤조[1,2-b:4,5-b0]다이싸이오펜-2,6-다이일-alt-4-싸이아노[3,4-b]싸이오펜-2,6-다이일](PBDTTT) 등을 들 수 있다.
또한 유기 광활성층은 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM), 페닐 C61-부티르산 메틸 에스테르의 이부가체(bisPCBM), [6,6]-페닐-C71-부티르산 메틸 에스테르(PC[71]BM), 인덴-C60 이부가체(ICBA) 계열의 플러렌 유도체를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 상기 비정질 실리콘층, 투명 전도성 중간층, 또는 유기 광활성 중 어느 한 층 이상이 1회 이상 반복하여 형성되는 다층구조를 포함할 수도 있다.
구체적인 예시로서, 본 발명에 따른 적층형 태양전지는
전도성 기판;
상기 전도성 기판 위에 형성된 p형 비정질 실리콘층;
상기 p형 비정질 실리콘층 위에 형성된 i형 비정질 실리콘층;
상기 i형 비정질 실리콘층 위에 형성된n형 비정질 실리콘층;
상기 n형 비정질 실리콘층 위에 형성된 투명 전도성 중간층;
상기 투명 전도성 중간층 위에 형성된 정공 수송층;
상기 정공 수송층 위에 형성된 유기 광활성층;
상기 유기 광활성층 위에 형성된 전자 수송층;
상기 전자 수송층 위에 형성된 금속 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 정공수송층은 폴리피롤류 (PPY), 폴리카르바졸류, 폴리인돌류, 폴리아제핀류, 폴리아닐린류 (PANI), 폴리(아세틸렌)류 (PAC), 폴리(p-페닐렌 비닐렌) (PPV), 폴리(티오펜)류 (PT), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (PEDOT), 및 폴리(p-페닐렌 설파이드) (PPS)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 고분자 또는 이들 고분자의 혼합물 또는 CuO, NiO, MoO3, WO3, V2O5 중에서 1종 이상 선택된 전도성 무기물을 포함할 수 있으며, 전자 수송층은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr), 징크(Zn), 인듐(In), 란타넘(La), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 틴(Sn), 나이오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 갈륨(Ga), 플로오르(F), 및 스트론튬타이타늄(SrTi)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속, 이들 금속의 산화물, 이들의 합금, 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 사용가능한 금속 전극은 Al, Ca, Mg, Au, Ag 중에서 선택될 수 있으며, 기판은 플라스틱 기판, 유리 기판, 석영 기판, 실리콘 기판, 금속 기판 또는 갈륨 비소 기판 중에서 선택될 수 있다. 플라스틱 기판은 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르술폰, 방향족 폴리에스테르 및 폴리이미드 중에서 선택된 고분자일 수 있다.
또한 본 발명은 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 결합한 적층형 태양전지의 제조 방법에 있어서, 비정질 실리콘층과 유기 광활성층 사이에 투명 전도성 중간층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 투명 전도성 중간층은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 투명 전도성 물질을 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
이때 투명 전도성 중간층은 비저항(resistivity)이 10-1 내지 10-6 ohm·cm 또는 면저항(Sheet resistance)이 1 ohm/sq 내지 100 Mohm/sq이며, 빛 투과도는 700 nm 파장에서 60% 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 구체적인 제조 방법으로는
(a) 전도성 기판 위에 p형 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
(b) 상기 p형 비정질 실리콘층 위에 i형 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
(c) 상기 i형 비정질 실리콘층 위에n형 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
(d) 상기 n형 비정질 실리콘층 위에 투명 전도성 중간층을 형성하는 단계;
(e) 상기 투명 전도성 중간층 위에 정공 수송층을 형성하는 단계;
(f) 상기 정공 수송층 위에 유기 광활성층을 형성하는 단계;
(g) 상기 유기 광활성층 위에 전자 수송층을 형성하는 단계; 및
(h) 상기 전자 수송층 위에 금속 전극층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 투명 전도성 중간층은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 금속산화물을 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 형성하는 것이 특징이다.
본 발명은 투명 전도성 물질을 이용하여 비정질 실리콘과 유기 활성층의 적층형 태양전지의 중간층으로 사용함으로써, 광흡수 손실을 최소화하면서 기존의 높은 계면 저항을 줄여주어 적층형 구조 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 적층형 고분자 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1과 비교예 1, 2, 3, 4에 따른 적층형 태양전지와 단일 전지의 광전변환 특성을 보여주는 전류밀도-전압 곡선을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 투명 전도성 중간층으로 사용된 ITO의 박막 두께가 10 nm와 50 nm 일 때 각각의 광학특성으로서 광투과도와 전기적 특성으로서 면저항 값을 나타낸 것이다.
이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지 사이에 투명 전도성 중간층을 도입하여 계면저항을 감소시킨 적층형 태양전지(tandem solar cell)를 제공한다.
탠덤형 태양전지 또는 적층형 태양전지는 2종 이상의 단일 태양전지를 적층하여 전기적으로 직렬 연결시켜 제작된 태양전지이다. 서로 다른 밴드갭을 갖는 태양전지를 탠덤형 태양전지로 제조함으로써 넓은 파장 영역의 태양광을 이용할 수 있고, 두 개 이상의 태양전지를 직렬로 연결하였으므로 개방전압(open-circuit voltage, Voc)이 증가하게 되어 높은 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 탠덤형 태양전지의 개방전압은 각각의 단일 태양전지의 합에 해당되며, 탠덤형 태양전지의 광전류밀도(short-circuit current density, JSC)는 각각의 단일 태양전지의 JSC 중 작은 것에 의해 결정된다. 이때, 작은 JSC를 보이는 단일 태양전지를 제한전지(limiting cell)라 한다.
탠덤형 태양전지의 작동원리를 도 1을 참고하여 간략히 설명하면, 각각의 광흡수층에서 태양빛을 흡수하여 전자와 정공을 생성해 내는데, i형 비정질 실리콘 층(30)에서 생성된 광전자는 전지 내부에 형성된 전기장에 의해 n형 비정질 실리콘 층(40)으로 이동하고, 유기 광활성층(70)에서 생성되어 정공 수송층(60)으로 이동된 정공과 재결합을 이룬다. 한편 i형 비정질 실리콘 층(30)에서 생성된 정공은 p형 비정질 실리콘 층(20)으로 이동하여 투명전극(10)에 의해 수집되고 유기 광활성층(70)에서 생성된 전자는 전극(90)에 의해 수집됨으로써 회로를 순환하며 전류를 발생시킨다.
태양전지의 효율은 광전류, 단락 전압, 충진 계수의 곱을 가해진 빛의 양으로 나눈 값으로 나타내는데 높은 효율을 얻기 위해서는 광전류(short-circuit current density, Jsc), 개방 전압(open-circuit voltage, Voc), 충진 계수(fillm factor, FF)를 높여야 한다. 그 중 개방 전압을 높이기 위해서는 구조적으로 단일 셀을 직렬로 연결시킨 형태의 적층 구조 소자인 적층형 태양전지(Tandem solar cell)가 그 해결책이 될 수 있다. 적층형 태양전지는 하나의 셀 내에 두 개 이상의 전지가 수직으로 연결된 형태의 소자로서 태양광의 보다 넓은 파장 영역을 활용할 수 있다는 점과 두 개 이상의 셀을 직렬로 연결하였을 때에는 개방 전압이 증가하게 되어 높은 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
상기 전기적으로 직렬 연결된 적층형 태양전지에서, 각각의 서브전지(subcell)에 해당하는 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지의 계면에서 저항이 발생할 수 있으며, 이러한 저항은 적층형 태양전지의 전기적 특성에 큰 영향을 줄 수 있다. 특히 용액 공정으로 형성되는 유기 태양전지는 비정질 실리콘 태양전지의 표면에 대한 친화도가 좋지 않을 경우 큰 계면저항이 발생하여 이상적으로 구동되는 적층형 태양전지에 비해 크게 감소된 효율을 보인다. 따라서 전면 전지와 후면 전지 사이의 계면에서 발생할 수 있는 계면저항을 감소시킴으로써 전하를 효과적으로 전달시킬 수 있는 중간층이 필요하게 된다.
다시 말해서, 본 발명은 기판과 전극 사이에 적어도 3개 이상의 층이 적층되어 있는 태양전지를 제공하며, 상기 적어도 2개 이상의 층은 빛을 흡수할 수 있는 층을 포함하고, 그 사이의 중간층으로 투명 전도성 산화물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 구조는 전기적으로 직렬 연결시킨 다층구조의 적층형 태양전지를 포함한다.
본 발명과 같이 서브전지(subcell) 사이에 중간층으로서 투명 전도성 금속산화물을 갖는 박막을 포함하는 경우, 그 중간층은 높은 광투과도 및 낮은 계면저항을 나타내어 직렬연결된 적층형 태양전지는 개방 전압(Voc)과 충진계수(FF)가 향상되며, 넓은 파장 영역대의 태양광을 이용할 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 "전면 전지(front cell)"라 함은 상기 기판 위에 형성되는 p형 비정질 실리콘 층, i형 비정질 실리콘 층, 및 n형 비정질 실리콘 층을 의미한다. 또한, "후면 전지(back cell)"는 상기 중간층 위에 형성되는 정공 수송층, 유기 광활성층, 전자 수송층을 의미한다. 여기서 전자 수송층은 생략되어도 무방하다.
본 발명에 따른 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 결합한 적층형 태양전지는 비정질 실리콘층과 유기 광활성층 사이에 투명 전도성 중간층을 포함하며, 상기 투명 전도성 중간층의 빛 투과도는 700 nm 파장에서 60% 이상인 것이 특징이다.
또한 상기 투명 전도성 중간층의 전기 저항은 비저항(resistivity)이 10-1 내지 10-6 ohm·cm이거나 또는 면저항(Sheet resistance)이 1 ohm/sq 내지 100 Mohm/sq인 것이 바람직하다. 특히 직렬 연결된 적층형 태양전지에서 우수한 효율을 보이기 위해서는 상기 투명 전도성 중간층의 비저항 및 면저항이 낮을수록 좋다. 비저항이 10-1 ohm·cm 이상이 되면 전기적 특성이 저하되기 때문에 바람직하지 않은데, 전기적 특성의 저하는 계면에서 전기 저항에 의한 전류 손실을 유발하여 비정질실리콘 태양전지 단일셀과 유기태양전지 단일셀의 최대 성능보다 낮은 탠덤 태양전지의 특성을 얻게 된다는 것을 의미하기 때문이다. 또한, 더욱 낮은 비저항값을 구현하는 것은 바람직하지만, 현재 기술적 한계로 인하여 10-6 ohm·cm보다 더 작은 비저항값을 얻는 것은 매우 어렵다.
또한 상기 투명 전도성 중간층의 평균 두께는 0.1 내지 1000 nm인 것이 바람직하다. 상기 투명 전도성 중간층의 평균 두께가 0.1 nm 미만이 되면, 중간층으로 기능할 수 있는 물질의 양이 매우 작아서 형성되었는지 확인하기 어려우며, 이에 따라 전기 저항이 증가하며, 반면에 상기 투명 전도성 중간층의 평균 두께가 1000 nm를 초과하여 두꺼워지면, 투명성을 확보하기 어려워질 뿐만 아니라 각각의 단일셀에서 형성된 전하가 두꺼운 중간층을 통해 먼 거리를 이동하여야 하므로 오히려 탠덤 태양전지의 성능이 저하될 수 있고, 더 나아가, 기술적으로 불필요하게 두께를 증가시키는 데에 재료와 시간이 낭비되어 제조 단가를 향상시키는 문제점이 있다.
구체적으로 투명 전도성 중간층은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr), 징크(Zn), 인듐(In), 란타넘(La), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 틴(Sn), 나이오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 갈륨(Ga), 플로오르(F), 및 스트론튬타이타늄(SrTi)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속, 이들 금속의 산화물, 이들의 합금, 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함할 수 있다.
또한 투명 전도성 중간층은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 안티모니 틴 옥사이드(ATO, SnO2-Sb2O3), 갈륨 틴 옥사이드(GTO), ZnO-Ga2O3 또는 ZnO-Al2O3 중에서 선택된 1종 이상의 금속산화물을 포함하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명에 사용되는 유기 광활성층은 1종 이상의 공액 고분자를 포함할 수 있으며, 공액 고분자의 예로는 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일)(P3HT), [6,6]-페닐-C61- 부티릭산 메틸에스테르(PCBM), 폴리(3-옥틸티오펜-2,5-디일)(P3OT), 폴리(3-알킬티오펜)(P3AT), 폴리(2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-(페닐렌비닐렌) (MEH-PPV) 및 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)]-1,4-페닐렌비닐렌) (MDMO-PPV), 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b;3,4-b']-다이싸이오펜)-alt-4,7-(2,1,3-벤조싸이아다이아졸)] (PCPDTBT), 폴리[싸이아노(3,4-b)싸이오펜- 벤조다이 싸이오펜](PTB), 폴리[4,8-비스-벤조[1,2-b:4,5-b0]다이싸이오펜-2,6-다이일-alt-4-싸이아노[3,4-b]싸이오펜-2,6-다이일](PBDTTT) 등을 들 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유기 광활성층은 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM), 페닐 C61-부티르산 메틸 에스테르의 이부가체(bisPCBM), [6,6]-페닐-C71-부티르산 메틸 에스테르(PC[71]BM), 인덴-C60 이부가체(ICBA) 계열의 플러렌 유도체를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 적층형 태양전지는 비정질 실리콘층, 투명 전도성 중간층, 또는 유기 광활성층 중 어느 한 층이 1회 이상 반복하여 형성되는 다층구조를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 태양전지 구조의 단면도를 간략하게 나타낸 것이다. 이에 따르면 본 발명에 다른 적층형 태양전지는 전도성 기판(10), 상기 전도성 기판 위에 형성된 p형 비정질 실리콘 층(20),
상기 p형 비정질 실리콘 층 위에 형성되어 있는 i형 비정질 실리콘 층(30),
상기 i형 비정질 실리콘 층 위에 형성되어 있는 n형 비정질 실리콘 층(40),
상기 n형 비정질 실리콘 층 위에 형성되어 있는 투명 전도성 중간층(50),
상기 중간층 위에 형성되어 있는 정공수송층(60),
상기 정공수송층 위에 형성되어 있는 유기 광활성층(70),
상기 유기 광활성층 위에 형성되어 있는 전자 수송층(80), 및
상기 전자 수송층 위에 형성되어 있는 전극(90)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 정공수송층은 폴리피롤류 (PPY), 폴리카르바졸류, 폴리인돌류, 폴리아제핀류, 폴리아닐린류 (PANI), 폴리(아세틸렌)류 (PAC), 폴리(p-페닐렌 비닐렌) (PPV) , 폴리(티오펜)류 (PT), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (PEDOT), 및 폴리(p-페닐렌 설파이드) (PPS)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 고분자 또는 이들 고분자의 혼합물 또는 CuO, NiO, MoO3, WO3 ,V2O5 중에서 1종 이상 선택된 전도성 무기물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 전자 수송층은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr), 징크(Zn), 인듐(In), 란타넘(La), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 틴(Sn), 나이오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 갈륨(Ga), 플로오르(F), 및 스트론튬타이타늄(SrTi)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속, 이들 금속의 산화물, 이들의 합금, 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속 전극은 Al, Ca, Mg, Au, Ag 중에서 선택된 금속으로 이루어진 것일 수 있으며, 기판은 플라스틱 기판, 유리 기판, 석영 기판, 실리콘 기판, 금속 기판 또는 갈륨 비소 기판 중에서 선택될 수 있다. 이때 플라스틱 기판의 구체적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르술폰, 방향족 폴리에스테르 및 폴리이미드 중에서 선택된 고분자를 들 수 있다.
한편 본 발명에 따른 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 결합한 적층형 태양전지의 제조 방법은 비정질 실리콘층과 유기 광활성층 사이의 계면에 투명 전도성 중간층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 투명 전도성 중간층은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 투명 전도성 물질을 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
구체적인 예시로서, 도 1에 나타난 적층형 태양전지의 제조 방법은
(a) 전도성 기판 위에 p형 비정질 실리콘층, i형 비정질 실리콘층, n형 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계;
(b) 상기 n형 비정질 실리콘층 위에 투명 전도성 중간층을 형성하는 단계;
(c) 상기 투명 전도성 중간층 위에 정공 수송층을 형성하는 단계;
(d) 상기 정공 수송층 위에 유기 광활성층을 형성하는 단계;
(e) 상기 유기 광활성층 위에 전자 수송층을 형성하는 단계 및
(f) 상기 전자 수송층 위에 금속 전극층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 투명 전도성 중간층은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 투명 전도성 물질을 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 형성하는 것이 특징이다.
본 발명에 따르면 상기 전도성 기판(10) 위에 p형, i형, n형 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하는 방법으로는 플라즈마 화학기상증착법(Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 형성하는 것이 바람직하다. i형(intrinsic) 비정질 실리콘은 불순물이 첨가되지 않은 상태를 의미하며, p형(positive)과 n형(negative)은 비정질 실리콘에 불순물을 첨가하여 도핑된 상태를 뜻한다. p형 비정질 실리콘을 형성하기 위해서는 3가 원소인 붕소, 칼륨 등을 침투시키며, n형 비정질 실리콘을 형성하기 위해서는 5가 원소인 인, 비소, 안티몬 등을 첨가시켜 만든다.
본 발명에서는 상기 n형 비정질 실리콘층(40)과 상기 정공 수송층(60)의 저항을 줄이기 위하여, 그 사이에 투명 전도성 중간층(50)을 더 형성하며, 투명 전도성 중간층(50)은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중 어느 하나를 포함하는 투명 전도성 물질 등이 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면 정공 수송층(60)의 형성을 위해 유기 및 무기 소재가 사용될 수 있다. 유기 소재로는 전도성 고분자가 사용될 수 있으며, PEDOT:PSS, 폴리아닐린 및 폴리피롤로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 무기 소재로는 정공을 전도할 수 있는 p형 반도체인 것이 바람직하고, 그 예로 전도성 금속, CuO, NiO, MoO3, WO3 등이 사용될 수 있다.
바람직하게, 상기 유기 광활성층(70)에 사용되는 공액 고분자는 PCBM, bisPCBM, PC[71]BM, ICBA등의 혼합물 일 수 있다. 상기 혼합물에서 그 혼합비는 특별히 한정되지 않으며, 통상의 비율로 사용할 수 있다. 상기 무기소재는 통상의 무기 나노입자를 포함할 수 있다. 상기 유기 광활성층(70)의 평균 두께는 특별히 한정되지 않지만, 20 내지 500nm의 두께로 적층하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 상기 유기 광활성층(70) 위에 형성되는 전자 수송층(80)은 유기 광활성층에서 생성된 전자를 전극으로 수송하는 역할을 하며 이는 전자 수송층이 생략되어도 이루어지는 과정이므로 전자 수송층은 생략되어도 무방하나, 전극(90)의 산화를 방지하여 보다 높은 효율과 장시간 안정성을 확보할 수 있다. 상기 전자 수송층(80)은, 분산된 금속산화물 나노입자 또는 전구체(precursor)를 스핀코팅, 딥코팅, 드롭 캐스팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 롤코팅으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 코팅하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 전자 수송층은 금속산화물을 고분산시킨 분산 용액으로부터 형성된다. 상기 금속산화물 전자 수송층을 코팅한 후, 상온 또는 150℃ 미만의 온도에서 진공 또는 상압의 조건으로 건조하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 상기 (f) 단계의 전극(90)은 전자를 수집하는 전극으로서, 전도성을 가지는 금속, 이들의 합금, 금속산화물 또는 전도성 고분자 등을 사용하는 것이 바람직하다. 전도성을 가지는 금속으로 Al, Ca, Mg, Au, Ag 등이 사용된다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제시되는 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 투명 중간층을 포함하는 적층형 태양전지
투명전극으로서 ITO가 패터닝된 유리기판 위에 위에 p형, i형, n형 비정질 실리콘층을 플라즈마 화학기상증착법을 통해 각 층의 평균 두께가 각각 5 nm, 120 nm, 25 nm가 되도록 순차적으로 형성하였다.
상기 비정질 실리콘층 위에 알곤 분위기 하에서 스퍼터링(sputtering) 방법을 통해 형성시킨 10 nm 두께의 ITO 층은 1.68 E-03 ohm cm의 비저항과 1680 ohm/sq의 면저항을 갖으며, 빛투과도는 도 3에 나타낸 바와 같이 700 nm 이상의 파장영역에서는 99% 이상의 투과도를 보였다.
상기 투명 전도성 중간층 위에 PEDOT:PSS 수용액을 4000 rpm으로 50초 동안스핀코팅하여 약 30 nm 두께의 정공 수송층을 형성하였으며, 정공 수송층에 함유된 수분을 제거하기 위하여 진공 챔버를 이용하여 110℃의 온도에서 10분 동안 열처리를 하였다. 상기 정공 수송층 위에 PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)])와 PC[71]BM([6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester)가 1:3의 혼합비율로 이루어진 유기 광활성층을 형성하기 위하여 클로로벤젠에 분산된 혼합용액을 PCPDTBT 기준의 농도도 6 mg/ml으로 제조하여 상기 정공 수송층 위에 2000 rpm으로 25초 동안 스핀 코팅하여 형성하였으며 얻어진 박막의 두께는 약 70nm 이었다.
상기 유기광활성층 위에 전자 수송층을 형성하기 위해 평균 입자 크기 5 nm 의 TiO2 나노입자를 에탄올에 0.5 중량%로 분산시켜 4000 rpm으로 25초 동안 스핀 코팅하여 약 20 nm 두께의 층을 형성하였다.
상기 전자 수송층 위에 전극을 형성하기 위해 열증착기(thermal evaporator)를 이용하여 약 10-6 torr의 고진공 하에서 쉐도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 일정 면적에 알루미늄을 100 nm 두께로 증착하여 최종적으로 태양전지 제조를 완성하였다.
비교예1 : 투명 전도성 중간층이 없는 적층형 태양전지
본 비교예에서는 상기 실시예1에 설명한 모든 과정을 동일하게 제조하되, 투명 전도성 중간층인 ITO를 생략한 적층형 태양전지를 제조하였다.
비교예 2: 비정질 실리콘 단일 전지
본 발명에 따른 적층형 태양전지의 성능과 비교하기 위해 실시예 1에서 설명한 바와 동일하게 전도성 기판(10) 위에 p형(20), i형(30), n형(40) 비정질 실리콘층을 플라즈마 화학기상증착법을 통해 순차적으로 형성하고 전극(90)을 형성함으로써 비정질 실리콘 단일 전지를 제조하였다. 상기 비정질 실리콘 단일 전지는 실시예1의 적층형 태양전지와 비교하여, 투명 전도성 중간층(50), 정공 수송층(60), 유기 광활성층(70) 및 전자 수송층(80)가 생략된 태양전지이다.
비교예 3: 유기 단일 전지
본 발명에 따른 적층형 태양전지의 성능과 비교하기 위해 실시예 1의 과정에서 p형(20), i형(30), n형(40) 비정질 실리콘층 및 투명 전도성 중간층(50)을 생략하고, 전도성 기판(10) 위에 정공 수송층(60), 유기 광활성층(70), 전자 수송층(80), 전극(90)을 실시예 1과 동일한 방법으로 형성하여 유기 단일 전지를 형성하였다.
비교예 4: 후면 전지로서의 유기 단일 전지
유기 단일 전지는 적층 구조에서 후면 전지(back cell)로 역할하게 되므로, 전면 전지(front cell)인 비정질 실리콘 층에 의해 입사된 빛이 흡수되고 남은 빛을 후면 전지가 흡수할 수 있다. 따라서, 유기 단일 전지가 적층 구조에서 보여주는 성능을 측정하기 위해, 동일한 조건의 입사 광량을 비정질 실리콘 층으로 감소시킨 빛에 의한 광전변환효율(power conversion efficiency, PCE)을 측정하였다.
실험예 : 태양전지 소자의 특성 평가
실시예 1 및 비교예 1, 2, 3, 4에서 제작된 태양전지 소자의 특성을 측정하여 그 결과를 도 2 및 표 1에 나타내었다. 변환 효율의 측정은 1.5AM 100mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[2500W], AM1.5 filter, 및 Keithley model2400으로 구성됨)를 이용하였다.
도 2의 그래프에서, J는 전류밀도(Current density)로서 변환 효율 곡선의 Y축 값이고, Voltage는 변환 효율 곡선의 X축 값이며, JSC 및 VOC는 각 축의 절편값이다.
도 4와 표 1에서, 전력(Power, J와 Voltage의 곱)이 최대가 되는 점(maximum power point, MMP)에서의 J와 Voltage를 각각 Jmax와 Vmax라고 할 때, 충진계수(Fill Factor, FF)는 Jmax와 Vmax의 곱에 대한 JSC 와 VOC의 곱에 대한 비율의 퍼센티지로 계산된다.
[수학식 1]
Figure pat00001
JSC(mA/cm2) VOC(V) FF PCE(%)
a-Si front cell 비교예2 7.71 0.906 0.71 4.93
OPV 비교예3 7.23 0.670 0.37 1.80
OPV back cell 비교예4 2.43 0.634 0.39 0.61
Tandem w/o ITO 비교예1 2.24 1.254 0.30 0.84
Tandem w/ ITO 실시예1 4.46 1.443 0.37 2.38
도 2 및 표 1에 나타나 있듯이 실시예 1에 의해서 제작된, 투명 전도성 ITO 중간층을 갖는 적층형 태양전지는 비교예 1에 의해 제작된, 투명 전도성 중간층이 없는 적층형 태양전지 보다 향상된 Jsc, Voc, FF를 보여 광전변환효율(PCE)가 2.8배 향상된 우수한 성능을 보여주고 있다.
또한 단일 전지와 비교해보면, 각각 전면 및 후면 전지로 역할하는 비교예2와 비교예4의 개방전압으로부터 계산될 수 있는 직렬연결된 적층형 태양전지의 이론적 개방전압은 1.54 V(=0.906 V + 0.634 V)인데, 비교예 1과 실시예 1에서 제조된 적층형 태양전지들은 각각의 단일 전지보다 높은 개방전압을 보이는 것으로부터 직렬연결 되어있음을 나타내며, 특히 실시예 1에서 제조된 ITO 중간층을 포함한 적층형 태양전지(1.44 V)는, 비교예 1의 ITO 중간층이 도입되지 않은 적층형 태양전지(1.25 V)에 비해 이론적 개방전압에 훨씬 근접한 성능을 보임을 알 수 있다.
ITO의 중간층이 도입되지 않은 적층형 태양전지의 경우 비정질 실리콘 태양전지와 그 위에 형성된 정공 수송층의 전기적 접촉이 효과적이지 못하여 높은 계면저항을 나타낸다. 이러한 문제는 이동도(mobility)가 높은 무기(inorganic) 물질을 사용하는 태양전지에서는 대부분의 경우 큰 문제가 되지 않지만 유기 태양전지의 경우 이러한 계면의 접촉문제는 전지의 효율을 크게 떨어뜨릴 수 있으므로 매우 중요한 문제가 된다.
본 발명에서는 이러한 문제를 전도성이 높은 중간층을 도입함으로써 해결할 수 있었는데, 이와 동시에 광학적으로 투명성이 확보된 물질인 ITO를 사용함으로써 후면 전지에서 흡수될 수 있는 빛을 감소시키지 않았기 때문에 실시예1에서 보여주는 바와 같이 높은 효율을 얻을 수 있는 것이다. 비교예1에 의해 제조된 적층형 태양전지의 경우, i형 비정질 실리콘 층에서 생성된 광전자는 전지 내부에 형성된 전기장에 의해 n형 비정질 실리콘 층으로 이동하고, 유기 광활성층에서 생성되어 정공수송층으로 이동된 정공과 재결합을 이루어야 한다. 하지만 상기에서 설명한 바와 같이 n형 비정질 실리콘층과 정공 수송층 사이의 계면에서 전기적 접촉이 효과적이지 못하여 높은 계면저항을 나타내므로 상기 재결합이 억제된다. 이는 서브전지들이 전기적으로 연결되는 효과를 얻지 못하였다는 것을 뜻하므로 적층형 태양전지의 효율이 감소된다. 이와 같이 계면에서 반드시 이루어져야 하는 재결합 현상이 보다 쉽게 일어나도록 하면 적층형 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있는데, 실시예 1의 방법으로 제조된 적층형 태양전지는 투명 전도성 ITO 전도층을 도입하여 계면 저항을 감소시켰기 때문에 우수한 효율을 보이는 것이라고 설명할 수 있다.
10: 전도성기판
20: p형 비정질 실리콘
30: n형 비정질 실리콘
40: i형 비정질 실리콘
50: 투명 전도성 중간층
60: 정공 수송층
70: 유기 광활성층
80: 전자 수송층
90: 전극

Claims (18)

  1. 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 결합한 적층형 태양전지에 있어서,
    비정질 실리콘층과 유기 광활성층 사이에 투명 전도성 중간층을 포함하며, 상기 투명 전도성 중간층의 빛 투과도는 700 nm 파장에서 60% 이상인 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 중간층은 비저항(resistivity)이 10-1 내지 10-6 ohm·cm이거나 또는 면저항(Sheet resistance)이 1 ohm/sq 내지 100 Mohm/sq인 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 중간층의 평균 두께는 0.1 nm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 중간층은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr), 징크(Zn), 인듐(In), 란타넘(La), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 틴(Sn), 나이오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 갈륨(Ga), 플로오르(F), 및 스트론튬타이타늄(SrTi)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속, 이들 금속의 산화물, 이들의 합금, 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 투명 전도성 중간층은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 안티모니 틴 옥사이드(ATO, SnO2-Sb2O3), 갈륨 틴 옥사이드(GTO), ZnO-Ga2O3 또는 ZnO-Al2O3 중에서 선택된 1종 이상의 금속산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유기 광활성층은 1종 이상의 공액 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공액 고분자는 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일)(P3HT), [6,6]-페닐-C61- 부티릭산 메틸에스테르(PCBM), 폴리(3-옥틸티오펜-2,5-디일)(P3OT), 폴리(3-알킬티오펜)(P3AT), 폴리(2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-(페닐렌비닐렌) (MEH-PPV) 및 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)]-1,4-페닐렌비닐렌) (MDMO-PPV), 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b;3,4-b']-다이싸이오펜)-alt-4,7-(2,1,3-벤조싸이아다이아졸)] (PCPDTBT), 폴리[싸이아노(3,4-b)싸이오펜- 벤조다이 싸이오펜](PTB), 폴리[4,8-비스-벤조[1,2-b:4,5-b0]다이싸이오펜-2,6-다이일-alt-4-싸이아노[3,4-b]싸이오펜-2,6-다이일](PBDTTT) 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유기 광활성층은 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM), 페닐 C61-부티르산 메틸 에스테르의 이부가체(bisPCBM), [6,6]-페닐-C71-부티르산 메틸 에스테르(PC[71]BM), 인덴-C60 이부가체(ICBA) 계열의 플러렌 유도체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘층, 투명 전도성 중간층, 또는 유기 광활성층 중 어느 한 층이 1회 이상 반복하여 형성되는 다층구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    전도성 기판 위에 형성된 p형 비정질 실리콘층;
    상기 p형 비정질 실리콘층 위에 형성된 i형 비정질 실리콘층;
    상기 i형 비정질 실리콘층 위에 형성된n형 비정질 실리콘층;
    상기 n형 비정질 실리콘층 위에 형성된 투명 전도성 중간층;
    상기 투명 전도성 중간층 위에 형성된 정공 수송층;
    상기 정공 수송층 위에 형성된 유기 광활성층;
    상기 유기 광활성층 위에 형성된 전자 수송층;
    상기 전자 수송층 위에 형성된 금속 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 정공수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스타이렌 설포네이트)), 폴리아닐린 또는 폴리피롤 중에서 선택된 1종 이상의 전도성 고분자 또는 CuO, NiO, MoO3, WO3 중에서 1종 이상 선택된 전도성 무기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전자 수송층은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr), 징크(Zn), 인듐(In), 란타넘(La), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 틴(Sn), 나이오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 갈륨(Ga), 플로오르(F), 및 스트론튬타이타늄(SrTi)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속, 이들 금속의 산화물, 이들의 합금, 복합 산화물 또는 이들의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 금속 전극은 Al, Ca, Mg, Au, Ag 중에서 선택된 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱 기판, 유리 기판, 석영 기판, 실리콘 기판, 금속 기판 또는 갈륨 비소 기판 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르술폰, 방향족 폴리에스테르 및 폴리이미드 중에서 선택된 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
  16. 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 결합한 적층형 태양전지의 제조 방법에 있어서,
    비정질 실리콘층과 유기 광활성층 사이에 투명 전도성 중간층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 투명 전도성 중간층은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 투명 전도성 물질을 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 투명 전도성 중간층은 비저항(resistivity)이 10-1 내지 10-6 ohm·cm 또는 면저항(Sheet resistance)이 1 ohm/sq 내지 100 Mohm/sq이며, 빛 투과도는 700 nm 파장에서 60% 이상인 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    (a) 전도성 기판 위에 p형 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 p형 비정질 실리콘층 위에 i형 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 i형 비정질 실리콘층 위에n형 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 n형 비정질 실리콘층 위에 투명 전도성 중간층을 형성하는 단계;
    (e) 상기 투명 전도성 중간층 위에 정공 수송층을 형성하는 단계;
    (f) 상기 정공 수송층 위에 유기 광활성층을 형성하는 단계;
    (g) 상기 유기 광활성층 위에 전자 수송층을 형성하는 단계 및
    (h) 상기 전자 수송층 위에 금속 전극층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 투명 전도성 중간층은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 금속산화물을 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지의 제조 방법.
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