KR100982739B1

KR100982739B1 - 고효율 태양전지

Info

Publication number: KR100982739B1
Application number: KR1020070128530A
Authority: KR
Inventors: 공명국; 이병남; 유태경
Original assignee: 주식회사 세미콘라이트
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2010-09-20
Also published as: KR20080003753A

Abstract

본 발명에 따라 게시되는 태양 전지는 지지기판(1), 태양전지 셀(2)로 이루어진 제 1 모듈(10), 그 전면에 반사체(11)를 지지대(12)에 연결한 제 2 모듈(20), 제 1 및 제 2 모듈과 이들을 연결하는 연결부(30)를 포함하는 태양전지 모듈에서, 입사 태양광(40)은 밴드갭이 다른 태양전지 셀들을 평면적으로 배치한 태양전지 셀들(2)로 직접 입사되거나 반사체(11)에 반사된 반사 태양광(41)으로 태양전지 셀들(2)로 입사되고, 태양광(41)의 파장에 따라 배치된 다수의 밴드갭이 다른 태양전지 셀에 나누어 입사되어 발전출력을 최대화하여 태양전지의 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.

태양전지 셀, 밴드갭, 반사체, 파장, 발전출력

Description

고효율 태양전지 {High Efficiency Solar Cell}

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반사체와 다수의 태양전지 셀을 포함한 태양전지 모듈의 고효율화 기술에 관한 것이다.

일반적으로 태양전지는 도 1에 도시하는 바와 같이 태양광을 반사나 굴절 없이 태양전지 셀에 직접 입사시키는 기본구조를 갖거나, 또는 집광형 모듈 구조로서, 도 2에 도시하듯이 태양전지 셀의 후방에 포물면 반사체를 배치하여 태양전지로 집광하거나, 또는 도 3에 도시하듯이 렌즈(예를 들어, 프레넬 렌즈)를 이용함으로써 태양전지 셀의 면적을 줄여 상대적인 비용절감을 도모한다. 또한, 최근에는 평탄화 및 설치의 용이함을 위하여 도 4에 도시하듯이 태양전지 셀의 전방에 반사체를 설치하여 광집속을 하는 구조도 제시된 바 있다.
그러나, 이러한 집광형 태양전지 모듈들은 비용은 절감되지만, 그 발전효율은 태양전지 셀의 효율에 투과율이나 반사율을 곱한 값으로 되므로 태양전지 셀의 효율 자체보다 높을 수가 없다. 예를 들어, 실리콘 태양전지 셀의 경우, 입사 태양 광출력에 대한 발전출력의 비율인 전력변환 효율의 최근 상용화된 수준은 약 15% 이하인데, 이때 투과율이나 반사율이 90%라고 가정하더라도 집광형 태양전지 모듈의 발전효율은 15% × 90% = 13.5%에 불과하다. 따라서, 높은 전력변환 효율을 얻기 위해서는 보다 높은 전력변환 효율을 갖는 태양전지 셀이 요구된다.
이를 위하여, 밴드갭이 다른 접합을 다중 형성한 다중접합 태양전지 셀이 개발되었으며, 일 예로서 3중접합 태양전지 셀의 개략구조도를 도 5에 도시한다.
도 5를 참조하면, 이러한 구조에서 태양광은 제3반도체층 방향에서 입사되며, 제1접합층에서 제3접합층으로 상방으로 갈수록 접합의 에너지갭을 증가시킴으로써 짧은 파장의 빛이 먼저 흡수되고 긴 파장의 빛은 보다 하부 층에서 흡수되도록 설계된다. 또한, 각 접합에서 발생된 전류가 동일하도록 구성함으로써 개방전압을 증가시켜 최대효율을 갖도록 한다. 이렇게 최근 구현된 발전효율은 약 43%로 실리콘 태양전지 셀보다 약 3배의 발전효율을 보인다.
또한, 도 5의 3중접합 태양전지 셀에서 밴드갭의 최적화는 도 6의 태양광 출력 스펙트럼과 이로부터 도출된 도 7의 태양광 광자유량분포 그래프를 참조하여 설정된다. 즉, 도 6로부터 얻은 태양광 출력을 광자에너지 hν(h: 플랑크 상수, ν: 광의 파장(λ)에 대응하는 주파수)로 나누고 적분하여 광자에너지 hν에 대한 광자유량 분포를 도 7와 같이 산출할 수 있다. 도 7에서, 태양전지 셀의 실제 PN 접합 다이오드 특성을 고려하여 최대전력발생 조건에서 부하에 전달되는 최대 에너지를 구하면, 곡선 (2)와 같이 곡선 (1)보다 약간 작은 값으로 나타내어진다. 이때, 계단형태로 표시된 직선의 세로축을 균등하게 분배하면서 그 하부 면적이 최대가 되도록 설정하고 그 연장선과 곡선 (1)과의 교차점의 x축값으로써 최대출력을 낼 수 있는 3중접합 태양전지 셀의 밴드갭 E_g1, E_g2, E_g3를 설정할 수 있다. 이때, 또한 부가적으로 각 접합에서의 실질적인 흡수율이나 온도에 따른 특성의 변화 등이 고려될 수도 있다.
그러나, 이러한 다중접합 태양전지 셀 모듈은 각 층들의 수직 연결 시 터널링(tunneling) 층의 형성, 각 층들의 밴드갭 제어, 그리고 상호 밴드갭 격차가 큰 재료들에 의한 에피택시 공정시 격자상수 격차에 따른 결정의 부정합 및 터널링 층에서의 태양광 에너지 손실 등 여러 난해한 문제점들이 발생할 수 있다.

삭제

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제조가 난해하고 양산성이 낮으며 고가의 비용이 드는 다중접합 태양전지 셀을 제조가 용이하고 양산성이 높으며 비용이 적게 드는 단일접합 태양전지 셀을 따로 만들어 조합하여 구현하는 것이다. 이와 같은 단일접합 태양전지 셀은 저가의 장비에서 제조할 수 있고 터널접합이 필요없다. 또한, 단일 접합이므로 각 태양전지 셀의 흡수율이나 온도 특성 등을 개별적으로 최적화하여 더욱 발전효율을 높일 수 있다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로 태양전지 셀의 전면에 반사체를 포함하는 반사체 모듈을 설치하되 회절현상을 이용하여 입사된 태양광이 파장에 따라 다른 각도로 반사하게 하여 그 파장에서 전력변환 효율이 가장 높은 밴드갭을 갖는 태양전지 셀을 배치함으로써 효율을 증가시켜 주는 것이다. 이때에 사용되는 태양전지 셀은 밴드갭은 다르지만 단일접합을 가지는 것으로 제조하기 쉽고 비용이 저렴하게 된다. 그리고, 파장별로 그에 적합한 밴드갭을 갖는 물질로 만들어진 태양전지 셀로 태양광이 나누어 입사되며, 이들을 전기적으로 연결하여 줌으로써 이상적인 방법으로 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있다.

상기 게시된 발명으로 실시하면, 태양전지 셀의 전면에 반사체를 설치함으로써 집속비율을 증가시키고 태양전지 셀의 면적을 감소시켜 고가의 태양전지 셀의 비용절감을 가능하게 하며, 파장별로 나누어 그에 적합한 태양전지 셀을 배치함으로써 전력 변환 효율을 상승시킬 수 있다.

이에, 본 발명은 먼저 각각 상이한 밴드갭을 갖는 복수의 태양전지 셀로 이루어진 태양전지 셀 모듈의 전방에 복수의 반사체를 배치하는 구조로서, 상기 복수의 태양전지 셀은 회절현상에 따라 입사되어 각 파장에 따라 각각 다른 각도로 반사하는 태양광의 파장에 대해 최대의 전력변환효율을 갖는 밴드갭 에너지를 갖도록 설정된다. 이에 따라, 각 태양전지 셀이 태양광의 각 파장별로 최적인 밴드갭을 가져 전력을 출력하므로 최대 전력변환효율을 도출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 의한 태양전지 모듈의 개략 구조도이다.
도 8을 참조하면, 본 구현예에 의한 태양전지 모듈(1)은 지지기판(5) 상에 배설된 복수의 태양전지 셀(21-23)과, 이의 전방에 배설된 복수의 반사체(11)와, 상기 복수의 태양전지 셀(21-23) 및 반사체(11)를 연결하고 지지하는 연결부(30)를 포함하여 구성된다. 이러한 구조에서, 반사체(11)에 의해 반사되는 태양광(40)은 각 파장에 따라 회절되고 이때 그 파장이 길수록 회절강도가 커진다. 따라서, 그 파장이 짧을수록 제3태양전지셀(23) 방향으로 입사되고 그 파장이 길수록 제1태양전지셀(21) 방향으로 입사된다.
예를 들어, 본 구현예에서 배설되는 태양전지 셀이 3개라고 한다면, 이러한 제1 내지 제3 태양전지 셀(21-23)의 각 밴드갭 에너지를 입사 태양광(40)의 평균 스펙트럼을 고려하여 상기 회절된 각 태양광의 파장에 최대의 전력변환효율을 갖는 값으로 설정하여 태양광의 회절각이 클수록 밴드갭 에너지는 작도록 한다. 이에 따라, 상기 각 밴드갭 에너지를 각각 E_g1, E_g2, E_g3라고 할 때 E_g1 ＜ E_g2 ＜ E_g3을 만족하도록 제1 내지 제3 태양전지 셀(21-23)의 조성물질이 선택된다. 또한, 이들 태양전지 셀(21-23)의 발전전류가 동일하도록 각 셀의 크기, 회절각 및 회절광의 입사광량 등을 조절함이 바람직하고 또한 각 셀은 직렬연결되도록 배설된다.
또한, 복수의 반사체(11)는 입사 태양광(40)의 파장에 따라 다른 각도로 반사되도록 하는 회절격자로 구성될 수 있다.
이러한 반사형 회절격자의 일 구현예로는 톱니형 광학 회절격자로서, 도 9a에 도시하듯이 규칙적인 돌출부 및/또는 함몰부(즉, 요철)를 갖고 태양광의 회절효율 및 파장에 따른 반사각의 조절을 위하여 그 주기와 높이(또는 깊이) 및 형상을 조절할 수 있다. 이러한 회절격자의 일 실시예로서, 광에 대한 반사계수가 0.5 이상인 물질로 요철이 주기적으로 2차원적으로 배열된 것으로서, 함몰부의 최저지점으로부터 돌출부의 최고지점까지의 높이를 H라 하고 돌출부의 주기를 P라 할 때, 각각 0.05㎛＜ H ＜ 5㎛, 0.05㎛＜ P ＜ 5㎛을 만족함이 바람직하다.
또한, 상기 반사형 회절격자의 다른 일 구현예로는 브래그(Bragg) 반사층을 포함한 광학 회절격자로서, 도 9b에 도시하듯이 브래그 반사층을 유전체 회절격자 하부에 설치함으로써 입사 태양광(40)의 각 파장별로 회절각이 다르게 형성할 수 있다. 이때, 브래그 반사층은 굴절율이 다른 유전체막을 태양광 파장의 1/4~1/2배 두께로 되는 층을 다중으로 반복 적층하여 구현된다. 이러한 회절격자의 일 실시예로서, 광에 대한 흡수계수가 10000cm^-1 이하인 물질인 두 개의 서로 다른 물질로 반복 적층되며 최상부의 노출된 표면은 요철형상으로 된다. 또한, 상기 두 층은 굴절율이 상호 상이하게 설정되어 각각의 굴절율을 n₁, n₂ 라 할 때 1 ＜ n₁, n₂ ＜ 5을 만족하고, 두 층의 각 두께를 t라 할 때 0.05㎛＜ t ＜ 5㎛로 되고, 요철의 높이 H 및 주기 P는 0.05㎛＜ H ＜ 5㎛, 0.05㎛＜ P ＜ 5를 각각 만족하도록 함이 바람직하다.
또한, 상기 반사형 회절격자의 또 다른 일 구현예로는 3차원 광결정을 포함한 광학 회절격자로서, 도 9c에 도시하듯이 양자학적 원리를 이용하여 유전체를 주기가 다른 2차원적인 광결정층으로 반복 형성하여 결과적으로 3차원 광결정을 구현할 수도 있다. 이러한 회절격자의 일 실시예로서, 광에 대한 흡수계수가 10000cm^-1 이하인 물질로 두 개의 서로 다른 물질로 반복되며, 이들 물질의 굴절율을 각각 n₁, n₂ 라고 할 때 1 ＜ n₁, n₂ ＜ 5을 만족하고, 제3의 물질로 각층을 식각 및 매립하여 2차원적으로 패턴이 형성되며, 제3의 물질의 굴절율 n₃는 1 ＜ n₃ ＜ 300로 되며, 패턴의 주기 P는 0.05㎛＜ P ＜ 5㎛를 만족한다.
본 구현예에 있어서, 복수의 반사체(11)에서 회절되어 각 태양전지 셀(21-23)로 입사되는 광량의 크기와 정도에 따라 각 셀의 개수와 크기를 조절함으로써 발전효율을 증가시킬 수 있다. 각 셀 반도체에서의 광 흡수율 및 기타 부작용을 무시할 경우, 다중접합 태양전지 셀 모듈을 사용하면 이상적으로 70% 이상의 발전효율이 기대될 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 다른 일 구현예로서 도 8에 도시한 구현예의 태양전지 모듈이 복수 배치될 경우의 개략 구조도이다.
도 10을 참조하면, 본 구현예에 의한 태양전지 모듈 조합체(100)는 도 8에 도시한 구조를 갖는 복수의 태양전지 모듈(10)이 각각 횡방향으로 배설됨으로써 광집속 비율이 향상된다. 또한, 양 종단에 각각 제1 및 제2 마감모듈(20, 30)을 형성함으로써 마감처리를 하며, 이는 소정의 기계적 강도가 충족되면 생략될 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 복수의 태양전지 셀의 전면에 복수의 반사체를 설치하되 회절현상을 이용하여 입사된 태양광이 각 파장에 따라 다른 각도로 반사하게 하여 그 파장에서 전력변환 효율이 가장 높은 밴드갭을 갖는 태양전지 셀을 배치하므로, 발전효율이 증가하게 된다. 또한, 사용되는 태양전지 셀은 밴드갭은 상이하나 단일접합을 갖는 것으로 제조하기 쉽고 비용이 저렴해진다. 또한, 파장별로 그에 적합한 밴드갭을 갖는 물질로 제조된 복수의 태양전지 셀로 태양광이 나누어 입사되고 이들 셀들을 전기적으로 연결함으로써 이상적인 방법으로 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1은 일반 태양전지 모듈의 평면도와 단면도,

도 2는 포물면 반사경을 포함한 광집속 태양전지 모듈 단면도,

도 3은 프레넬 렌즈를 포함한 광집속 태양전지 모듈 단면도,

도 4는 전면 반사경을 포함한 광집속 태양전지 모듈 단면도,

도 5는 3중 접합 태양전지 셀의 층구조도,

도 6은 태양광의 파장에 따른 태양 광출력 그래프의 예시,

도 7은 태양광의 광자 유량의 광자 에너지에 따른 분포도 그래프의 예시,

도 8은 본 발명의 태양전지 모듈의 일 실시예의 단면도,

도 9는 광학 회절격자의 실시 예,

도 10은 본 발명의 태양전지 모듈 조합체의 일 실시예의 단면도이다.

<상세한 기호 설명>

1 : 지지 기판, 2 : 태양전지 셀들, 10 : 제 1 모듈, 11 : 반사체, 12 : 지지대, 20 : 제 2 모듈, 21 : 제 1 태양전지 셀, 22 : 제 2 태양전지 셀, 23 : 제 3 태양전지 셀, 30 : 연결부, 40 : 입사 태양광, 41 : 반사 태양광, 50 : 태양전지 모듈, 60 : 태양전지 모듈 조합체, 70 : 제 1 마감 모듈, 80 : 제 2 마감 모듈.

Claims

상호 상이한 크기의 밴드갭을 갖고 소정의 기판상에 배치되는 복수의 태양전지 셀과;

상기 복수의 태양전지 셀의 전방에 상호 이격되어 배설되고, 입사되는 태양광을 상호 상이한 회절각을 갖는 복수의 광으로 상기 복수의 태양전지 셀 각각에 반사하는 복수의 반사체와;

상기 복수의 태양전지 셀 및 반사체를 연결 및 지지하는 연결부를 포함하고, 상기 복수의 태양전지 셀은 각 밴드갭의 크기가 상기 반사된 광의 회절각의 크기와 반비례하도록 정렬되며, 상기 반사체는

표면에 2차원적으로 배열되고 함몰부 및 돌출부를 갖는 요철형상을 가지며 광 반사계수가 0.5 이상이고 상기 함몰부의 최저지점으로부터 상기 돌출부의 최고지점까지의 높이 및 돌출부의 주기는 0.05㎛보다 크고 5㎛보다 작은 광학 회절격자와;

상호 상이하고 광 흡수계수가 10000cm^-1 이하인 제1 및 제2 물질이 태양광 파장의 1/4~1/2배 두께로 반복하여 교번 적층되어 형성된 각각 2개의 제1층 및 제2층을 포함하고 제1층의 굴절율은 1보다 크고 제2층의 굴절율은 5보다 작으며, 그 최상면에 함몰부 및 돌출부를 갖는 요철형상을 갖고 상기 함몰부의 최저지점으로부터 상기 돌출부의 최고지점까지의 높이 및 상기 돌출부의 주기는 0.05㎛보다 크고 5㎛보다 작은 광학 회절격자와;

상호 상이하고 광 흡수계수가 10000cm^-1 이하인 제3 및 제4 물질 각각의 소정영역이 반복되는 각각 2개의 제3층 및 제4층을 포함하고 제3층의 굴절율은 1보다 크고 제4층의 굴절율은 5보다 작고, 제3 및 제4층의 소정영역은 굴절율이 1보다 크고 300보다 작은 제5물질로 식각 및 매립되어 0.05㎛보다 크고 5㎛보다 작은 주기로 형성된 2차원 패턴을 갖고 제5물질의 굴절율은 1보다 크고 300보다 작은 광학 회절격자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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제1항에 의한 태양전지 모듈이 복수로 횡방향으로 배설되고 상호 전기적으로 직렬연결되며, 양단에 마감모듈이 각각 부착되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 조합체.
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