JP5422079B2 - 光起電力モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、光起電力モジュールとその製造方法に関するものである。
最近、石油または石炭のような既存エネルギー資源に対する枯渇が予測される一方、これらを取り替えるに値する代替エネルギーに対する関心が高くなっている。そのうちでも、太陽エネルギーはエネルギー資源が豊かで環境汚染に対する問題点がなくて、特に注目されている。太陽エネルギーの利用方法としては、太陽熱を利用してタービンを回転させるのに必要な蒸気を発生させる太陽熱エネルギーと、半導体の性質を利用して太陽光(photons)を電気エネルギーに変換させる太陽光エネルギーがある。
太陽光を電気エネルギーに変換する光起電力モジュールは、ダイオードのようにp型半導体とn型半導体の接合構造を有して、光起電力モジュールに光が入射されれば光と光起電力モジュールの半導体を構成する物質との相互作用で(-)電荷を帯びた電子と(+)電荷を帯びた正孔が発生して、これらが移動しながら電流が流れるようになる。
これを光起電力効果(photovoltaic effect)と言うが、光起電力モジュールを構成するp型及びn型半導体のうちで電子はn型半導体側に、正孔はp型半導体側に引っ張られて、それぞれn型半導体及びp型半導体と接合された電極に移動して、この電極を電線で連結すると電気が外部に流れる。
このような光起電力モジュールは、発電用だけではなく、建築用としても使用されている。建築用光起電力モジュールは建物の屋根、壁または窓などに装着されて発電を行う。建築用光起電力モジュールの場合に発電用光起電力モジュールに比べて多くの異なる特徴を持たなければならないので、建築用光起電力モジュールに対する研究が活発に進行されている。
現在常用化されている建築用光起電力モジュールは、暗い黒色であるか、大部分さび色またはかば色を帯びている。このような光起電力モジュールが建物の窓などに装着される時には視覚的疲労感を与え易い。また、美的な側面でも好ましくないだけでなく、全体的な建物との調和度も下がる問題があった。
したがって、太陽光を受光して電気エネルギーを出すことができながらも建物に装着される時に疲労感を少しか与えず、美的に建築物との調和も向上することができる光起電力モジュールに対する開発が至急な実情である。
本発明は、使用者にとって視覚的疲労感が減るように感じさせると共に建築物に装着する時建築物と調和することができる光起電力モジュールを提供するためのものである。
本発明が達成しようとする技術的課題らは、以上で言及した技術的課題らに制限されず、言及されなかったさらに他の技術的課題については、下の記載から本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者に明確に理解されることができるであろう。
本発明の実施例によると、基板上に形成される第1電極、該第1電極上に形成される光電変換層、該光電変換層上に形成される第2電極、該第2電極上部に配置される透光性裏面基板を含む単位電池と、光学層とを有する光起電力モジュールであって、前記単位電池は、CIE(国際照明委員会)のCIE LAB色座標値がa*:5〜35、b*:45〜55、L*:30〜70に設定され、且つ、前記光学層は、該CIE LAB色座標値がa*:−50〜−10、b*:−60〜−10、L*:60〜90に設定され、これにより、全体の該CIE LAB色座標値をa*:−25〜0、b*:10〜50、L*:20〜50に設定されたことを特徴とする光起電力モジュールが提供される。
一方、本発明の実施例によると、基板上に形成される第1電極、該第1電極上に形成される光電変換層、該光電変換層上に形成される第2電極、該第2電極上に形成される絶縁性保護層、該絶縁性保護層上に配置される透光性裏面基板を含む単位電池と、前記基板の下面、前記基板と前記第1電極との間、前記第2電極と前記絶縁性保護層との間、前記絶縁性保護層と前記裏面基板との間、前記裏面基板上部のうちで少なくとも一つの位置に形成された光学層とを有する光起電力モジュールであって、前記単位電池は、CIE(国際照明委員会)のCIE LAB色座標値がa*:5〜35、b*:45〜55、L*:30〜70に設定され、且つ、前記光学層は、該CIE LAB色座標値がa*:−50〜−10、b*:−60〜−10、L*:60〜90に設定され、これにより、全体の該CIE LAB色座標値がa*:−25〜0、b*:10〜50、L*:20〜50に設定されたことを特徴とする光起電力モジュールが提供される。
本発明によると、使用者にとって視覚的疲労感を減らすことができる色相を有する光起電力モジュールを得ることができる。
また、本発明によると、建物の窓などに適用される場合、違和感または視覚的疲労感が減り、建築物との高い調和度及び美麗さも向上することができる光起電力モジュールを得ることができる。
本発明の一実施例による光起電力モジュールの構成を示す図である。 本発明の一実施例による光起電力モジュールの構成を示す図である。 本発明の一実施例による光起電力モジュールの構成を示す図である。 本発明の一実施例による光起電力モジュールの構成を示す図である。 本発明の一実施例による光起電力モジュールの構成を示す図である。 本発明の一実施例による光学層の透過率を示すグラフである。 本発明の一実施例による光学層の吸収率を示すグラフである。 本発明の一実施例による光起電力モジュールの透過率を示すグラフである。 本発明の一実施例による光起電力モジュールの吸収率を示すグラフである。 本発明の一実施例による単位電池の色座標を示すグラフである。 本発明の一実施例による光学層の色座標を示すグラフである。 本発明の一実施例による光起電力モジュールの色座標を示すグラフである。
以下、添付される図面を参照して本発明の実施例による光起電力モジュールについて説明する。
光起電力モジュールの構成
図1乃至図5は、本発明の実施例による光起電力モジュールの構成を示す図面である。
図1乃至図5を参照すると、本発明の光起電力モジュールは基板100上に順次に形成される第1電極110、光電変換層120、第2電極130を含むことができる。一方、第2電極130上には絶縁性保護層140及び裏面基板150がさらに含まれることができる。本発明の一実施例による光起電力モジュールは、少なくとも一部に光学層160を含む。光学層160は光起電力モジュールの任意の位置に含まれることができる。例えば、光学層160は図1に示されるように、基板100下部に形成されることもでき、図2に示されるように基板100と第1電極110との間に形成されることもできる。また、図3に示されるように第2電極130と絶縁性保護層140との間に形成されることもできる。一方、図4に示されるように絶縁性保護層140と裏面基板150との間に形成されることもでき、図5に示されるように裏面基板150上に形成されることもできる。また、光学層160は図1乃至図5に示される位置のうちで2箇所以上に形成されることもできる。
本発明の一実施例による光学層160は、全体光起電力モジュールが色相を有するようにできる構成要素である。このような光学層160は通常的な溶媒に着色用顔料または染料を溶解することで形成される。光学層160は、例えば、コーティング層であることができる。光学層160が裏面基板150上に形成される場合には、裏面基板150上に一定の割合の着色用顔料または染料を含む溶液を塗布することで形成することができる。顔料または染料は、例えば、溶媒に対しておよそ5%乃至40%の重量で含まれることができる。
図6及び図7は、それぞれ本発明の一実施例による光学層160の透過率及び吸収率を各波長に対して示したグラフである。
一方、表1は本発明の一実施例による光学層160の透過率、反射率、吸収率を各波長帯別に示す。
両面のうちで一面に光学層160が形成された裏面基板150を対象として透過率、反射率、吸収率についての測定を行い、比較のために光学層160が形成されない裏面基板150も対象として透過率、反射率、吸収率を測定した。
表1中の15%とは、光学層160の色濃度を示したものであり、光学層160形成の材料になる溶液において、溶媒に対する顔料または染料の重量比が15%であることを意味する。
表1及び図6を参照すると、光学層160の透過率は近紫外線領域(300nm〜400nm)でおよそ5%乃至40%であり、近赤外線領域(780nm〜3000nm)でおよそ50%乃至80%であることを分かる。また、表1及び図7を参照すると、光学層160の吸収率は近紫外線領域(300nm〜400nm)でおよそ50%乃至80%であり、近赤外線領域(780nm〜3000nm)でおよそ10%乃至25%であることを分かる。本発明の一実施例による光学層160としては上で説明した特性を満足させる物質ならどのような物質でも利用されることができる。
本発明の一実施例による基板100は、絶縁性透明基板であることができる。また、基板100はガラスのようなインフレキシブル基板(inflexible substrate)であってもよく、ポリマーや金属ホイルのようなフレキシブル基板(flexible substrate)であってもよい。このような基板100は、プラスチックまたはガラスなどの物質で形成されることができ、基板100が金属ホイルを含む場合基板100は、金属ホイルを覆う絶縁層(図示せず)を含むことができる。
本発明の一実施例による第1電極110は、伝導性物質で形成されることができる。例えば、第1電極110は伝導性透明電極(TCO:Transparant Conductive Oxides)であってもよい。伝導透明電極は、SnO:F、ZnO:B、ZnO:Alなどを含む物質で形成されることができる。
本発明の一実施例による光電変換層120は、非晶質光電変換層、結晶質光電変換層、化合物光電変換層、有機物光電変換層のうちの一つを含むことができる。化合物光電変換層は、I-III-VI族化合物半導体、II-VI化合物半導体、またはIII-V族化合物半導体を含むことができる。非晶質光電変換層はIII族またはV族不純物がドーピングされたシリコン層の間に不純物がドーピングされないシリコン層を含む。一方、本発明の一実施例による第1電極110、光電変換層120、第2電極130を含む太陽電池はCIGS太陽電池、CdTe太陽電池、染料感応太陽電池、有機薄膜太陽電池で実現されることもできる。以下では、光電変換層120が非晶質光電変換層を含んで構成される場合を例に挙げて説明することにする。
すなわち、例えば、光電変換層120は、pタイプ半導体層、真性半導体層、nタイプ半導体層が順次に積層された形態で形成されることができる。pタイプ半導体層、真性半導体層、nタイプ半導体層の積層順序は反対になることもある。pタイプ半導体層、真性半導体層、nタイプ半導体層の順に積層される場合、光は基板100を通じて入射されて、逆手順どおりに積層される場合光は基板100の向かい側を通じて入射されることができる。pタイプ半導体層は、a-Si:Hまたはa-SiC:Hなどの化学式で表現される非晶質シリコン層であることができる。このようなpタイプ半導体層は、シラン(SiH)のようにシリコンを含む原料ガス、BのようなIII族元素を含むドーピングガスと併せて水素(H)ガスが反応室に混入されることで形成されることができる。一方、メタン(CH)ガスが原料ガスとしてさらに供給されることで炭素が含まれたa-SiC:Hの化学式で表現されることができるpタイプ半導体層が得られることができる。また、真性半導体層は、シリコンを含む原料ガスと水素ガスが反応室に流入されることで形成されることができる。一方、nタイプ半導体層はシリコンを含む原料ガス、PHのようなV族元素を含むドーピングガス、水素ガスが供給されることで形成されることができる。
本発明の一実施例による第2電極130は、不透明伝導性物質または透明伝導性物質で形成されることができる。第2電極130が不透明伝導性物質(例えば、アルミニウムまたは銀など)である場合には、光起電力モジュールに入射される光のうちで光電変換に利用されることができずにそのまま透過する光を第2電極130でもう一度反射させて光電変換効率を向上させることができる。本発明の光起電力モジュールを建物の窓などに適用する、いわゆる、BIPV(Building Integrated Photovoltaic)モジュールで利用するためには、透光性を有することが望ましい。
光起電力モジュールが透光性を有するようにするために大きく三つの方法が利用されることができる。第1の方法としては、第2電極130が不透明伝導性物質である場合に、第2電極130に透光性開口部を形成する方法である。透光性開口部が少なくとも第2電極130を貫通することで、全体光起電力モジュールは透光性を有するようになる。
第1電極110、光電変換層120、第2電極130の積層体は、例えば、レーザースクライビング法などによって分離した光電変換層120を中心に複数の単位電池に分けられて、この複数の単位電池は、お互いに直列連結される。この場合、透光性開口部は複数個の単位電池の直列連結方向と平行な方向に延長されることができる。全体光電変換領域、すなわち、光電変換層120が形成された面積に対して透光性開口部が形成された面積の比を開口率と言うが、このような開口率は0%乃至50%であることがある。
第2の方法としては、第2電極130自体を透明伝導性酸化物(TCO:Transparant Conductive Oxides)などの透明伝導性物質で形成するものである。透明伝導性物質は、例えば、SnO:F、ZnO:B、ZnO:Al、ITO、TiO、炭素ナノチューブ(CNT:Carbon Nano Tube)のうちで少なくとも一つの物質を含むことができる。第2の方法によると、第2電極130が不透明伝導性物質に比べて相対的に高い反射率を有することができず、全体として光起電力モジュールは相対的に高い光電変換効率を発揮しないこともある。但し、第2電極130が光透過性を有するため、透光性開口部などを別に形成しなくても光透過性を確保することができる。
第3の方法としては、第2電極130を透明伝導性物質で形成することに加えて、第2電極130を貫通する透光性開口部を形成するものである。これによると、第2電極130が光透過性を有することに加えて、光透過性確保のための透過性開口部が形成されるために、光起電力モジュールの光透過性が向上されることができる。
本発明の一実施例による光起電力モジュールは、前記三つの方法のうちで何れか一つの方法によって透光性を有する。
本発明の一実施例による絶縁性保護層140は、EVA(Etylene Vinyl Acetate)、PVF(polyvinylfloride)、PVB(Polyvinyl butyral)、アクリルシートまたはバックシート(back sheet)のうちで少なくとも一つを含むことができる。絶縁性保護層140は第2電極130と裏面基板150との間の接合材として機能をすることができ、前述したように、絶縁性保護層140の両面のうちで少なくとも一面に光学層160を含むこともできる。
本発明の一実施例による裏面基板150は、透明ガラス基板または所定の色相を有するガラス基板で形成されることができる。また、ガラスの他にプラスチックなどの物質で形成されることもできる。表1及び図6を参照すると、裏面基板150は、全波長領域でおよそ50%以上の透過率を有することができる。
以下、本発明の一実施例による光起電力モジュールの透過率、反射率、吸収率特性及び色座標について説明する。
光起電力モジュールの透過率、反射率、吸収率特性
図8及び図9は、それぞれ本発明の一実施例による光起電力モジュールの透過率及び吸収率を各波長に対して示したグラフである。
一方、表2は本発明の一実施例による光起電力モジュールの透過率、反射率、吸収率を各波長帯別に示す表である。
第2電極130が透明伝導性物質で形成されて、開口率が0%である場合の光起電力モジュールを具現化して測定を行った。また、光学層160は絶縁性保護層140と裏面基板150との間に含ませて測定を行った。
表2中の10%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、20%とは、光学層160の色濃度を示したものであり、光学層160形成の材料になる溶液において、溶媒に対する顔料または染料の重量比を意味する。
表2及び図8を参照すると、光起電力モジュールの透過率は、近紫外線領域(300nm〜400nm)でおよそ0%乃至5%であり、近赤外線領域(780nm〜3000nm)でおよそ5%乃至15%であることを分かる。また、表2及び図9を参照すると、光起電力モジュールの吸収率は近紫外線領域(300nm〜400nm)でおよそ65%乃至85%であり、近赤外線領域(780nm〜3000nm)でおよそ60%乃至80%であることを分かる。
一方、前述したように、光学層160の形成、絶縁性保護層140または裏面基板150の固有色相などによって全体光起電力モジュールは所定の色相を有することができる。
図10及び表3は、本発明の一実施例による光起電力モジュールにおいて、単位電池の色相に対する色座標を示す。ここでの色座標はCIE(国際照明委員会)LAB色座標である。CIE LAB色座標はすべての色相をX、Y、Zという三刺激値の相対的な量で表現して、このような数値を三つの座標、すなわち、L*、a*、b*値に変換したものである。ここで、L*は明るさの変数であり、a*とb*は、色度座標(chromaticity coordinates)である。a*は、赤色(Red)と緑色(Green)をつなぐ軸と係わる座標であり、b*は黄色(Yellow)と青色(Blue)をつなぐ軸と係わる座標である。
単位電池の色相に対する色座標は、太陽光スペクトラムの一部に該当するおよそ300nm乃至およそ1200nmの波長を有する光を単位電池に照射した時、これを透過する光のスペクトラムを対象に測定したものである。測定装置としては分光光度計(Spectrophotometer)(X-Rite color i5)の投光型装置を使用した。単位電池は光を反射する特性よりは光を透過する特性を大きく有し、肉眼で確認することができる単位電池の色相は、これを透過する光のスペクトラム特性であるので、単位電池を透過する光の色相を色座標で表現した。このように測定された色座標、すなわち、単位電池におよそ300nm乃至およそ1200nmの波長を有する光を透過させた時、可視光線領域で(300nm〜800nm)透過される光に対して測定した色座標に該当する値が単位電池の色相と言える。
図10及び表3を参照すると、本発明の実施例による単位電池は、CIE LAB色座標上でa*:5〜35、b*:45〜55、L*:30〜70の範囲内に属することを分かる。全体的に、本発明の一実施例による光起電力モジュールにおいて、単位電池は黄色い系列の色相を示すものとして見られる。
一方、図11及び表4は、本発明の実施例による光学層160の色座標を示す。色座標の測定方法は、上の単位電池に対する色座標測定方法と同一である。
図11及び表4は、ガラス基板の両面のうちで一面に光学層160を形成させた後、色座標を測定した結果を示す。ガラス基板として透明基板を使用したために、図11及び表4に示される色座標測定値が光学層160自体の色座標値と同一であると見ても問題ない。
表4中の15%とは、光学層160の色濃度を示したものであり、光学層160の形成の材料になる溶液において、溶媒に対する顔料または染料の重量比が15%ということを意味する。
図11及び表4を参照すると、本発明の実施例による光学層160は、CIE LAB色座標上でa*:-50〜-10、b*:-60〜-10、L*:60〜90の範囲内に属することを分かる。
図12及び表5は、本発明の実施例による光起電力モジュールの色座標を示す。色座標の測定方法は上の単位電池及び光学層に対する色座標測定方法と同一である。
表5中の“構成”とは、光起電力モジュールに含まれる構成要素を意味し、“1”番は裏面基板として透明基板が含まれたものであり、“2”乃至“9”番は所定の色濃度を有する光学層160が含まれる光起電力モジュールであることを意味する。一方、表5中の10%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、20%とは、光学層160の色濃度を示したものであり、光学層160の形成の材料になる溶液において、溶媒に対する顔料または染料の重量比を意味する。
図12及び表5を参照すると、本発明の実施例による光起電力モジュールは、CIE LAB色座標上でa*:-25〜0、b*:10〜50、L*:20〜50の範囲内に属することを分かる。
本発明の光起電力モジュールは、建物の窓などに適用される場合視覚的疲労感が減った色相を示す。これによって従来のさび色またはかば色などの色相を有した光起電力モジュールに比べて相対的に視覚的疲労感を減らすようになり、建築物との高い調和度及び美麗さを向上することができるようになる。
以上本発明についてその望ましい実施例を中心に説明した。本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者は、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態に具現されることができることを理解することができるであろう。また、開示された実施例は限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されなければならない。本発明の範囲は前述した説明ではなく、特許請求範囲に示されており、それと同等な範囲内にあるすべての差異は、本発明に含まれるものとして解釈されなければならないであろう。

Claims (6)

  1. 基板上に形成される第1電極と、前記第1電極上に形成される光電変換層と、前記光電変換層上に形成される第2電極と、前記第2電極上部に配置される透光性裏面基板を含む単位電池と、光学層とを有する光起電力モジュールであって、
    前記単位電池は、CIE(国際照明委員会)のCIE LAB色座標値がa*:5〜35、b*:45〜55、L*:30〜70に設定され、且つ、
    前記光学層は、該CIE LAB色座標値がa*:−50〜−10、b*:−60〜−10、L*:60〜90に設定され、
    これにより、全体の該CIE LAB色座標値がa*:−25〜0、b*:10〜50、L*:20〜50に設定された、
    ことを特徴とする光起電力モジュール。
  2. 基板上に形成される第1電極と、前記第1電極上に形成される光電変換層と、前記光電変換層上に形成される第2電極と、前記第2電極上に形成される絶縁性保護層と、前記絶縁性保護層上に配置される透光性裏面基板とを含む単位電池と、
    前記基板の下面、前記基板と前記第1電極との間、前記第2電極と前記絶縁性保護層との間、前記絶縁性保護層と前記裏面基板との間、前記裏面基板上部のうちで少なくとも一つの位置に形成された光学層と、
    を有する光起電力モジュールであって、
    前記単位電池は、CIE(国際照明委員会)のCIE LAB色座標値がa*:5〜35、b*:45〜55、L*:30〜70に設定され、且つ、
    前記光学層は、該CIE LAB色座標値がa*:−50〜−10、b*:−60〜−10、L*:60〜90に設定され、
    これにより、全体の該CIE LAB色座標値がa*:−25〜0、b*:10〜50、L*:20〜50に設定された、
    ことを特徴とする光起電力モジュール。
  3. 前記光学層は、溶媒に対する着色用顔料及び染料の重量比が5%乃至40%である溶液から形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の光起電力モジュール。
  4. 前記光起電力モジュールの透過率は、近紫外線領域で0%乃至5%、近赤外線領域で5%乃至15%であることを特徴とする請求項1または2に記載の光起電力モジュール。
  5. 前記光起電力モジュールの吸収率は、近紫外線領域で65%乃至85%、近赤外線領域で60%乃至80%であることを特徴とする請求項1または2に記載の光起電力モジュール。
  6. 前記第2電極には少なくとも前記第2電極を貫通する透光性開口部が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光起電力モジュール。
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