KR100590577B1 - 적층 광전 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 광전 변환 소자가 적층된 광전 변환 유닛, 복수의 상기 광전 변환 유닛이 병렬로 배치된 태양 전지 모듈 및 상기 광전 변환 소자 및 광전 변환 유닛 사이에 배치된 광도파로를 포함하며, 상기 광도파로의 양 말단 중 적어도 하나가 입사광에 노출된 태양 전지를 개시한다.

본 발명에 따른 광도파로를 포함하는 태양 전지의 구성은 종래의 광전 변환 소자만을 포함하는 적층 태양 전지와 달리 전지 내부로 연결된 광도파로를 포함하고 있어 입사광을 태양 전지 내부까지 효과적으로 전달할 수 있어 다양한 형태의 태양 전지에 유용하게 사용할 수 있다.

태양 전지, 광도파로

Description

적층 광전 변환 장치{Multilayer photovoltaic cell}

도 1 은 적층된 광전 변환 소자 사이에 배치된 광도파로를 나타낸 개략적인 단면도이다.

도 2 는 병렬로 배치된 광전 변환 유닛 사이에 배치된 광도파로를 나타낸 개략적인 단면도이다.

도 3 은 파장 변환층 또는 필터를 더 구비하는 태양 전지의 개략적인 단면도이다.

<도면에 사용된 부호의 설명>

1 : 투명 기질, 2 : 투명 전극, 3 : 전해질, 4 : 광흡수층, 5 : 대항 전극

6 : 광도파로, 7 : 파장 변환층 또는 필터

10 : 광전 변환 소자

20, 21 : 입사광, 22 : 반사되는 빛, 23 : 투과되는 빛

30 : 광전 변환 유닛

40 : 태양 전지 모듈

본 발명은 광도파로를 포함하는 태양 전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광전 변환 소자 사이에 위치하는 광도파로를 이용하여 에너지 변환 효율을 개선한 태양 전지에 관한 것이다.

종래의 태양 전지는 주로 단일층으로 구성되어 있어 많은 양의 전기를 생산하기 위해서는 넓은 면적의 태양 전지가 필요하게 된다. 이러한 면적의 증가는 설치 장소 등에 제한을 가져오고 비용의 상승도 초래한다. 또한 단일층으로 이루어진 태양 전지가 입사되는 빛의 대부분을 사용하는 것도 아니어서 광전 변환 효율이 가장 우수한 태양 전지의 경우에도 20% 내외에 그치며 대부분의 빛은 그대로 투과되어 소실된다.

따라서 전지 효율 자체에 큰 개선이 없는 한 이러한 단일층 태양 전지에 의할 경우 상기와 같은 문제점이 있는 바 태양 전지를 복층으로 구성하여 태양 전지의 효율을 개선하고자 하는 연구가 계속되고 있다. 전지를 적층시킬 경우 동일 면적에서 보다 많은 양의 전기를 생산할 수 있어 종래의 낮은 효율의 태양 전지 만으로도 향상된 광전 변환 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한 각종 전자 제품의 소형화, 경량화 및 다기능화에 따라 휴대용(portable) 기기의 전원이 고용량을 요구함에 따라 이러한 목적으로 사용되기 위해서는 태양 전지의 효율 뿐만 아니라 높은 직접도가 요구된다는 측면에서도 필요하다.

전지를 적층시킨 종래의 기술로는 탠덤(tandem)형 태양 전지를 들 수 있다. 이것은 광입사 방향에 대하여 직렬로 태양 전지 셀을 배치하고 각 태양 전지 셀의 구성을 달리하여 보다 넓은 파장 범위의 빛을 이용함으로써 광전 변환 효율을 개선 하려는 방법이다. 이러한 예로는 일본 특허 공개 제 2001-274430 호, 제 2004-128083 호 등 많은 예가 있다.

그러나 상기 형태의 전지는 복수개의 층이 단순히 적층되어 있어 다수의 적층된 층간에서 발생하는 반사, 굴절 등으로 인해 아래 층으로 내려갈수록 빛의 세기가 크게 감소하여 적층한 태양 전지 셀의 수에 비해 얻어지는 광전 변환 효율이 떨어지는 문제가 있다.

따라서 적층된 태양 전지 셀의 아래층에 위치하는 각각의 태양 전지 셀에 직접 입사광을 전달할 수 있는 수단을 구비하여 위치에 따른 입사광의 불균형 즉 광전 변환 효율의 저하를 해소하는 것이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광도파로를 포함하는 태양 전지를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,

복수의 광전 변환 소자가 적층된 광전 변환 유닛;

복수의 상기 광전 변환 유닛이 병렬로 배치된 태양 전지 모듈;

상기 광전 변환 소자 및 광전 변환 유닛 사이에 배치된 광도파로를 포함하며,

상기 광도파로의 양 말단 중 적어도 하나가 입사광에 노출된 태양 전지를 제공한다.

본 발명의 일 실시 태양전지에 따르면, 상기 광도파로는, 적층된 광전 변환 소자 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 태양전지에 따르면, 상기 광도파로는, 병렬로 배치된 광전 변화 유닛 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 태양전지에 따르면, 상기 광도파로는, 광전 변환 소자의 광입사면에 수직하게 배치되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 태양 전지는 광전 변환 소자 및 광도파로를 포함하고 있어 통상의 적층된 태양 전지에서 입사광이 적층된 광전 변환 소자의 층을 통과하면서 반사 등에 의해 급격히 감소하는 것과 달리 입사광을 광도파로를 이용하여 적층된 하부의 광전 변환 소자까지 손실 없이 효과적으로 전달함으로써 에너지 변환 효율을 개선하는 것이 가능해진다.

본 발명에서 광도파로(waveguide)는 빛을 손실없이 전달하는 수단으로서 그 대표적인 예로는 광섬유를 들 수 있다. 즉 전반사가 가능한 매질을 사용하여 상기 매질 내부로 빛을 통과시킬 경우 빛이 외부로 쉽게 굴절되어 나가지 못하고 주로 반사되어 직선이 아닌 경로에서도 전달이 가능한 매체이다. 예를 들어 굴절율이 큰 매질을 중심부에 두고 상대적으로 굴절률이 낮은 매질로 외부를 감쌀 경우에 전반사가 가능하여 상기 광도파로의 역할을 수행할 수 있다.

본 발명에서는 복수개의 광전 변환 소자(10)를 적층하여 광전 변환 유닛(30) 을 구성하고, 상기 광전 변환 유닛 복수개가 병렬로 배치되어 태양 전지 모듈(40)을 구성한다. 그런 후에 상기 광전 변환 소자 및 광전 변환 유닛 사이에 광도파로(6)가 배치되며 상기 광도파로의 양 말단 중 적어도 하나는 입사광에 노출된다. 즉 광전 변환 소자들이 3차원적으로 배치되고 상기 광전 변환 소자 사이에 말단이 광입사면에 노출되도록 광도파로를 배치하여 입사광이 3차원적으로 광전 변환 소자들이 적층된 태양 전지의 내부에까지 전달되도록 한다.

적층되는 상기 광전 변환 소자(10)의 갯수 및 병렬로 배치되는 상기 광전 변환 유닛(30)의 갯수는 복수개로서 그 갯수가 특별히 제한되는 것은 아니나 2 내지 5가 바람직하다. 6 이상일 경우에는 빛의 분산에 따른 효율 저하의 문제가 있다. 상기 광도파로는 태양 전지 내부에서 특정 모양으로 배치되도록 제한되는 것은 아니며 입사광을 상기 전지 내부로 효과적으로 전달할 수 있으면 어떠한 모양이라도 가능하다.

도 1 을 참조하여 본 발명에 따른 구성의 일 태양전지를 설명하면, 상기 태양 전지에서, 광도파로(6)는 적층된 광전 변환 소자(10) 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 입사광에 대해 적층된 광전 변환 소자(10) 사이에 수평으로 배치된 상기 광도파로(6)는 입사광을 받아 들여 태양 전지 내부로 전달하면서 주위에 존재하는 광전 변환 소자(10)에 빛을 전달한다.

광전 변환 소자(10)는 투명 기질(1), 투명 전극(2), 전해질(3), 광흡수층(4) 및 대항전극(5)으로 구성되어 있으며 광도파로(6)는 상기 적층된 광전 변환 소자(10) 사이에 배치된다. 도 1 에서 적층된 광전 변환 소자(10) 와 광도파로(6) 사 이에 투명 기질(1)이 추가적으로 포함되지만 이것은 전극을 보호하기 위한 것으로서 반드시 이러한 구성을 따라야만 하는 것은 아니며 생략하여도 무방하다. 광도파로(10) 내부로 입사한 태양광(21)은 광도파로 내부에서 반사(22)되어 광도파로 내부에서 전파되며 그 일부를 광도파로 외부로 투과(23)시켜 광전 변환 소자에 빛을 공급한다. 상기 도면에서 광전 변환 소자(10)는 염료 감응 광전 변환 소자로 구성되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 실리콘계, 갈륨 비소계, 인듐인계 등 당해 기술 분야에서 알려져 있는 모든 종류의 광전 변환 소자가 사용 가능하다.

또한 도 2 를 참조하여 본 발명에 따른 구성의 다른 태양전지를 설명하면, 상기 태양 전지에서, 광도파로(6)는 병렬로 배치된 광전 변환 유닛(30) 사이에 위치하는 것도 바람직하며 특히 광전 변환 소자(10)의 광입사면(8)에 수직하게 배치되는 것이 더욱 바람직하다. 입사광에 대해 병렬로 배치된 광전 변환 유닛(30) 사이에 수직으로 배치된 상기 광도파로(6)는 태양 전지의 외부로 노출된 말단면에서 입사광을 받아들여 태양 전지 내부로 전달한다.

상기 광도파로에서 외부로 노출되지 않는 다른 말단면은 평면형태가 아니라 오목하거나 볼록한 반구 형태를 가지는 것도 가능하다. 말단구가 반구 형태를 가질 경우 입사광이 반사되어 나가는 방향이 평면인 경우에 비해 상대적으로 커지므로 태양 전지 내부로 보다 넓게 빛을 공급할 수 있는 장점이 있으며 상기 말단면에 은 박막 등으로 코팅을 하여 빛이 투과되지 못하고 모두 반사되도록 하는 것도 가능하다.

상기 광도파로의 형태는 특별히 한정되지 않으나 그 단면이 원형 또는 사각 형인 것이 바람직하다. 상기 광도파로는 상기 광전 변환 소자 사이에 위치하여 입사광을 받아들이므로 입사광을 가장 많이 받아들일 수 있는 형태가 바람직하며 다양한 형태의 조합도 가능하다. 예를 들어 직경이 큰 형태의 원형 광도파로의 형태를 가질 수도 있으며 직경이 작은 형태의 광도파로를 일렬로 배열하여 평면 형태를 구비할 수도 있다.

상기 광도파로(6)는 광학적 측면에서 볼 때 광입사면 즉 말단면으로부터 거리에 따라 그 외부로 투과되는 빛(23)의 양을 변화시키도록 조절되는 것이 바람직하다. 일반적으로 광도파로는 빛이 외부로 새어나가지 못하도록 하는 것이 목적이지만 일정 부분의 빛은 외부로 굴절 등을 통해 투과되어 나가게 되며 이렇게 투과되는 빛의 양은 임의로 적절히 조절할 수 있다. 따라서 통상적인 광도파로에 비해 외부로 투과되는 빛의 양이 상대적으로 증가하도록 설계하는 것이 가능하며 또한 광입사면에서의 거리에 따라 외부로 투과되어 나가는 빛의 양을 조절할 수 있다. 이렇게 함으로써 광도파로를 따라 이동하는 입사광이 특정 위치 예를 들어 광전 변환 소자의 광흡수층이 존재하는 위치에서 보다 많은 양의 빛을 투과시키도록 하는 것이 가능하다.

특히 상기 투과되어 나가는 빛(23)의 양은 말단면에서의 거리에 따라 증가하는 것이 더욱 바람직하다. 즉 태양 전지의 내부로 갈수록 광도파(6)로 밖으로 투과되는 빛(23)의 양을 증가시키는 것이 바람직하다. 일반적으로 광입사면에서 멀어질수록 내부에 적층된 광전 변환 소자(10)까지 도달하는 입사광의 양은 저하되므로 이것을 상대적으로 보완하기 위하여 광입사면에서 멀어질수록 광도파로의 벽을 통 해 내부의 광전 변환 소자로 투과되는 빛의 양이 오히려 증가하도록 설계하여 태양 전지 내부에까지 입사광이 많이 전달되도록 하는 것이다.

상기 광도파로에서, 투과되어 나가는 빛의 양을 조절하기 위한 방법으로는 말단면에서의 거리에 따라 광도파로의 형상을 변화시키거나, 광도파로의 크기를 변화시키거나, 광도파로의 굴절률을 변화시키거나, 코팅막을 부가하는 등의 방법을 예로 들 수 있다. 상기 방법들은 단독으로 사용하는 것도 가능하지만 2 이상의 방법을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.

상기 광도파로는 빛의 투과성이 우수하며 산란에 의한 손실이 작다면 특별히 어떠한 종류로 한정되지 않으나 예를 들어 광섬유 등인 것이 바람직하다.

상기 광섬유는 말단면으로부터의 거리가 멀어짐에 따라 임계각이 증가하는 것이 바람직하다. 즉 광입사면 부근에서는 임계각을 작게 하여 대부분의 입사광(21)이 전반사(22)되어 광섬유 내부에서 이동하도록 하고 임계각 이하의 일부 태양광 만이 광도파로 외부로 투과(23)되어 나가게 하고 광입사면에서 멀어질수록 임계각을 크게 하여 대부분의 입사광이 외부로 굴절되어 나가도록 하여 광전 변환 소자에 공급되는 빛이 증가하도록 만들어 주는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 예를 들어 광섬유는 굴절률 n₁을 가진 코어(core) 및 굴절류 n₂를 가진 클래드(clad)로 구성되어 있다. 이 경우 임계각(θ_c)은 하기 수학식 1로 주어진다.

sinθ_c = n₂ / n₁ (단, n₁ > n₂)

따라서, 광입사면 부근에서는 n₁ 이 n₂ 에 비해 상대적으로 큰 값을 갖도록 하면 임계각이 작아지고 광입사면에서 거리가 멀어질수록 n₁ 이 n₂ 에 비해 비슷한 값을 갖도록 하면 임계각이 커진다.

도 3 을 참조하여 본 발명에 따른 구성의 또 다른 태양전지를 설명하면, 상기 태양 전지의 표면에 파장 변환층(7)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 파장 변환층은 예를 들어 자외선 및 적외선을 가시광선 영역으로 변환시키는 층인 것이 바람직하다. 상기 파장 변환층은 상기 태양 전지의 외부에 존재할 수도 있으나 상기 태양 전지 내부의 광전 변환 소자 사이에 적층되는 것도 가능하다. 상기 파장 변환층은 자외선의 경우에는 단파장을 흡수한 후 장파장을 방출하는 스토크(Stokes)형 파장 변환체, 적외선의 경우에는 장파장을 흡수하고 단파장을 방출하는 안티스토크(anti-Stokes)형 파장 변환체를 함유하는 투명층을 사용하여 입사하는 가시 광선의 양을 증가시킴과 아울러 상기 태양 전지의 열화 및 분해에 의한 불투명화를 야기할 수 있는 적외선 및 자외선을 차단하는 이중의 효과를 얻을 수 있다.

한편 상기 태양 전지에서 광전 변환 소자가 흡수하는 입사광의 파장 범위에 따라 적외선 또는 자외선 필터(7)를 부가적으로 설치하여 가시광선/자외선 또는 가시광선/적외선 만을 통과시키고 적외선 또는 자외선만을 선택적으로 차단하는 것도 가능하다. 적외선 필터의 경우에는 차단되는 파장이 920㎚ 를 초과하는 것이 바람직하며 보다 구체적으로는 920㎚ 내지 1㎜ 의 파장을 차단할 수 있는 것이 바람직하다. 자외선 필터의 경우에는 차단되는 파장이 400㎚ 미만인 것이 바람직하며, 보 다 구체적으로는 400㎚ 내지 10㎚를 차단할 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 광도파로를 포함하는 태양 전지의 구성은 종래의 광전 변환 소자만을 포함하는 적층 태양 전지와 달리 전지 내부로 연결된 광도파로를 포함하고 있어 입사광을 태양 전지 내부까지 효과적으로 전달할 수 있어 다양한 형태의 태양 전지에 유용하게 사용할 수 있다.

Claims (11)

1. 복수의 광전 변환 소자가 적층된 광전 변환 유닛;

   복수의 상기 광전 변환 유닛이 병렬로 배치된 태양 전지 모듈;

   상기 광전 변환 소자 및 광전 변환 유닛 사이에 배치된 광도파로를 포함하며,

   상기 광도파로의 양 말단 중 적어도 하나가 입사광에 노출된 것을 특징으로 하는 태양 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광도파로가, 적층된 광전 변환 소자 사이의 소정의 분리된 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광도파로가, 병렬로 배치된 광전 변환 유닛 사이의 소정의 분리된 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 광도파로가, 광전 변환 소자의 광입사면에 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 광도파로의 단면이 원형 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 광도파로가 말단으로부터의 거리에 따라 그 외부로 투과되는 빛의 양을 변화시키는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 투과되는 빛의 양이 말단으로부터의 거리에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 광도파로가 광섬유인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 광섬유가 말단으로부터의 거리가 멀어짐에 따라 임계각이 증가하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 태양 전지의 표면에 파장 변환층을 더 구비하는 것 을 특징으로 하는 태양전지.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 태양 전지 표면에 적외선 또는 자외선 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 전지

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