KR101054394B1 - 반도체 나노결정을 이용한 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 나노결정을 이용한 태양전지 모듈 구조에 관한 것으로서, 입사광의 에너지를 다운 컨버팅(down converting)할 수 있는 물질의 나노 입자들을 분산시킨 층을 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명에 따른 태양전지 모듈은, 광전환 부재로서 적어도 하나 이상의 광전변환층을 포함하는 복수개의 태양전지셀, 상기 태양전지셀의 상부면에 구비되는 투명부재 및 상기 태양전지셀을 봉지하기 위한 충진층을 포함하고, 상기 투명부재 또는 충진층 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 층은 반도체 나노결정(semiconductor nanocrystal)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
태양전지, 모듈, 반도체 나노결정, 반사방지막, 투명부재, 충진층

Description

반도체 나노결정을 이용한 태양전지 모듈{Sollar Cell Module Using Semiconductor Nanocrystals}
본 발명은 다운 컨버팅(down converting) 특성을 가지는 물질을 이용하여 제조되는 태양전지 모듈 구조에 관한 것으로서, 태양전지셀에 입사되는 광자의 수나 입사광의 흡수를 증가시켜 생성 전류를 증가하여 광전 변환 효율을 향상시키는 태양전지 모듈에 대한 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 무공해, 자원의 무한정, 반 영구적 수명 등의 장점을 가지고 있으며 환경 문제를 떠나서도 인류이 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감 응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분되는데, 결정질 실리콘 태양전지가 전세계 태양전지의 총 생산량의 대부분을 차지하고 있으며, 효율이 다른 전지에 비해서 높고, 계속 제조단가를 낮추는 기술이 개발되고 있기 때문에 가장 대중적인 태양전지라고 할 수 있다.
일반적으로 태양전지는 실질적으로 상용화될 때에 광전 변환 기능을 수행하는 태양전지셀을 내부에 두고 이를 둘러싸고 보호용 부재나 충전재, 보강 부재 등을 이용하여 패키징된 모듈 구조로 제작된다.
따라서 실질적으로 광전 변환의 효율을 최상으로 가져가기 위해서는 태양전지 모듈의 구조에서부터 고효율을 위한 연구 개발이 필요할 것인데, 본 발명은 태양전지의 광전변환 효율을 증가시키기 위해 태양전지 모듈 구조를 개선하는 기술에 대한 것이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 광전변환 효율을 증대시키기 위한 태양전지 모듈에 관한 기술로서, 기존의 태양전지셀을 이용한 태양전지 모듈의 제작공정을 활용하면서도 다양한 태양전지셀에 적용할 수 있는 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 태양전지셀에 입사되는 광을 변환하여 광흡수를 증가하거나 광자 수를 증가시키는 에너지 다운 컨버팅 물질을 이용하여 태양전지 모듈을 제작함으로써 전체 태양전지의 광전변환 효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 태양전지 모듈은 일반적인 태양전지셀을 활용하여 제작되는 태양전지 모듈 구조에 있어서, 태양광의 입사광 에너지를 보다 낮은 에너지의 출력광으로 변환시키는 다운 컨버팅(down converting) 특성을 가지는 반도체 나노결정을 활용하여 삽입층을 제작하여 이를 활용함으로써 태양전지 전체 모듈 구조에서 입사광의 광자 수나 흡수량을 증가시켜 최종적으로 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시키는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
보다 더 구체적으로 본 발명은, 광전환 부재로서 적어도 하나 이상의 광전변 환층을 포함하는 복수개의 태양전지셀, 상기 태양전지셀의 상부면에 구비되는 투명부재 및 상기 태양전지셀을 봉지하기 위한 충진층을 포함하고, 상기 투명부재 또는 충진층 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 층은 반도체 나노결정(semiconductor nanocrystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 태양전지셀의 하부면에 구비되는 백시트(Back-sheet)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 광전환 부재로서 적어도 하나 이상의 반도체층을 가지고 태양광 입사면에 적어도 하나 이상의 반사방지막을 포함하는 태양전지셀, 상기 태양전지셀의 상부면에 구비되는 적어도 하나 이상의 투명부재, 상기 태양전지셀를 실링하는 충진층을 포함할 수 있다. 이때 상기 반사방지막, 투명부재, 및 충진층 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 층은, 입사광의 에너지보다 낮은 에너지로 출력광을 방출하는 반도체 나노결정(semiconductor nanocrystal)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 복수 층의 반사방지막 중에서 선택된 어느 하나의 층이거나, 복수 개의 투명부재 중에서 선택된 어느 하나의 투명부재이거나, 혹은 충진층 중에 상기 반도체 나노결정을 분산시켜 포함되도록 할 수 있다.
상기 층 중에서 하나의 층 뿐만 아니라 복수 개의 층을 선택하여 반도체 나노결정을 포함시킬 수 있음은 물론이다.
하나의 층에 분산되는 상기 반도체 나노결정의 입경은 특별히 제한되지 않지 만 입자의 크기가 동일하거나 서로 상이할 수 있으며, 바람직하게는 나노 단위의 크기일 수 있다.
상기 반도체 나노결정의 입경은 1nm 내지 100nm 일 수 있다.
상기 반도체 나노결정은 흡수되는 광 파장을 변환시키는 물질의 나노결정일 수 있다. 즉, 입사광의 에너지를 보다 낮은 수준의 에너지로 변환시켜 출력광으로 방출할 수 있는 다운 컨버팅(down converting) 물질의 나노결정일 수 있다.
바람직하게는 상기 반도체 나노결정은 높은 에너지를 가지는 단파장, 즉 300nm 내지 500nm 파장의 입사광을 보다 낮은 에너지를 가지는 장파장, 즉 600nm 내지 1100nm 파장의 출력광으로 변환시킬 수 있다.
예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 나노결정은 자외 내지 청색 영역의 광(350 내지500 nm)을 적색의 광(600 내지 630 nm)으로 변환시켜 출력할 수 있다.
따라서, 태양광이 입사되어 먼저 상기 소정의 층에 혼입되거나 분산된 반도체 나노결정에 의해 에너지가 다운되어, 즉 파장이 장파장으로 변환되어 태양전지셀로 공급될 수 있으므로 500nm 내지 1200nm에서의 빛의 투과도가 종래의 태양전지 모듈에 비하여 90% 이상 증가될 수 있고 궁극적으로 광전변환 효율이 증가되는 효과가 있다.
본 발명에서 상기 반도체 나노결정에 의해 방출되는 출력광의 광자(photon) 수는 상기 반도체 나노결정에 입사되는 입사광의 광자(photon) 수보다 큰 것을 특징으로 하기 때문에 광의 흡수도가 증가하고 전체적으로 태양전지 셀이 생성하는 전류량이 증가하여 광전변환효율이 향상될 수 있다.
본 발명에서의 상기 반도체 나노결정은 혼입되는 층에 적당한 비율로 분산될 수 있는데, 바람직하게는 혼입되는 층의 중량 대비 1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 반도체 나노결정의 혼입량이 증가되면 오히려 입사 태양광을 차단할 염려도 있으므로 상기와 같은 중량비로 혼입되는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에서 상기 반도체 나노결정은 Ⅳ족 원소, ⅡA-ⅥB족 원소의 화합물, ⅢA-ⅤB족 원소의 화합물, 또는 ⅢB-ⅤB족 원소의 화합물로 이루어지는 결정 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 결정일 수 있다.
구체적으로는 Si, Ge, MgS, ZnS, MgSe, ZnSe, AlP, GaP, AlAs, GaAs, CdS, CdSe, InP, InAs, GaSb, AlSb, ZnTe, CdTe, InSb 등의 결정, 및 이들 원소 또는 화합물을 포함하는 혼정 결정을 들 수 있다.
바람직하게는 AlP, GaP, Si, ZnSe, AlAs, GaAs, CdS, InP, ZnTe, AlSb, CdTe, CdSe를 들 수 있고, 그 중에서도 특히 직접 전이형 반도체인 ZnSe, CdSe, GaAs, CdS, InP, ZnTe, CdTe가 발광 효율이 높다는 점에서 바람직하다.
이러한 반도체 나노결정은 상기 혼입되는 층에 분산되어 태양전지 모듈의 제작에 이용되는데, 본 발명의 일 실시예에서 상기 반도체 나노결정의 형태는 특별히 제한되지 않고 나노 미립자 형태로 분산된 형태일 수 있으나, 바람직하게는 코어쉘(core shell) 구조일 수 있다. 이러한 경우에 코어쉘의 핵과 껍질의 물질은 상기와 같은 물질 중에서 선택된 동일 물질이거나 서로 다른 물질일 수 있다.
상기 코어쉘 구조의 반도체 나노결정은 예를 들어 CdSe(밴드 갭: 1.74 eV)를 포함하는 코어 미립자의 표면을 ZnS(밴드 갭: 3.8 eV)와 같은 밴드 갭이 큰 반도체 재료의 쉘로 피복한 구조를 가질 수 있다.
상기 예는 코어와 쉘의 물질이 다른 형태이지만 동일 물질로 형성할 수도 있음은 물론이다.
상기와 같은 코어쉘 구조의 반도체 나노결정은 코어 미립자 내에 발생하는 전자의 차폐 효과를 발현하기 쉬워진다.
코어쉘 구조의 반도체 나노결정은 공지된 박막 증착 공정에서의 분산법에 의해 제조될 수 있다.
예를 들면, CdSe 코어/ZnS 쉘 구조의 경우, TOP에 디에틸아연과 트리메틸실릴 술파이드를 혼합한 전구체 용액을, CdSe 코어 입자를 분산한 TOPO액을 140 ℃에서 가열한 것에 투입함으로써 제조할 수 있다.
한편, 반도체 나노결정의 구체적인 실시예로서 S나 Se 등의 물질인 경우 혼입되는 층 중에 포합되는 다른 미반응 단량체나 수분 등의 활성 성분에 의해 나노결정의 결정 구조가 깨지는 현상이 발생하기 쉽다. 따라서, 이를 방지하기 위해 실리카 등의 금속 산화물이나 유기물 등으로 표면 수식할 수도 있다.
또한, 반도체 나노결정의 미립자 표면에는 혼입되는 층의 분산성 향상을 위해, 예를 들면 장쇄 알킬기, 인산, 수지 등으로 표면을 수식 또는 코팅할 수도 있다.
본 발명에서 상기 적어도 하나 이상의 반사방지막 중에서 최상위 반사방지막이 상기 반도체 나노결정을 포함할 수도 있다.
이러한 경우 복수 개의 반사방지막이 태양전지셀 전면에 형성되는 구조인데, 복수 개의 반사방지막 중 어느 하나의 층에 반도체 나노결정이 포함될 수도 있으며, 바람직하게는 태양광이 입사하는 쪽의 가장 최상위의 반사방지막에 반도체 나노결정이 포함될 수 있다.
본 발명에서 상기 적어도 하나 이상의 투명부재는 투명 수지 필름일 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 투명부재는 강성 투명 기판과 투명 수지 필름을 포함하고, 상기 반도체 나노결정은 상기 투명 수지 필름에 포함될 수도 있다.
상기 강성 투명 기판은 유리기판 또는 투명 고분자 플라스틱 기판일 수도 있다.
상기 투명부재가 강성 투명 기판과 투명 수지 필름으로 구성되는 경우, 상기 투명 수지 필름은 상기 강성 투명 기판의 전면 또는 후면에 형성되거나 또는 전면 및 후면에 형성될 수 있다.
상기 투명 수지 필름은 반도체 나노결정을 분산 유지할 수 있는 소재로서 공지된 물질로 구성할 수 있으며, 유기 수지 필름 또는 불화 수지 필름일 수 있다.
유기 수지 필름으로서, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리카르보네이트, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐피롤리돈, 히드록시에틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스 등의 투명 수지(고분자)를 들 수 있다.
또한 폴리염화비닐 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄수지, 폴리에스테르 수지, 말레산 수지, 폴리아미드 수지의 단량체, 올리고머, 중합체를 사용할 수도 있다.
이들 투명 수지는 열 경화형일 수도 있다.
또한, 이들 수지는 1종의 수지를 단독으로 사용할 수도 있고, 복수종을 혼합하여 사용할 수도 있다.
본 발명에서 상기 반도체 나노결정은 상기 반사방지막, 투명부재, 및 충진층 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 층에 스핀 코팅법 또는 스프레이 코팅법에 의해 분산될 수 있으나, 이러한 방법에 반드시 한정되지 않으며 공지된 나노미립자 분산법이면 모두 이용될 수 있다.
구체적으로 반도체 나노결정의 미립자 혹은 기 제조된 코어쉘 구조의 반도체 나노결정체를 상기 혼입되는 층 재료와 혼합하여 적당한 용매를 첨가하고 밀링법이나 초음판 분산법 등의 공지된 방법을 이용하여 혼합, 분산한 분산액을 제조한다. 상기 제조된 분산액을 태양전지셀 구조 위에 도포 및 건조함으로써 반도체 나노결정이 혼합된 혼입층을 형성할 수 있다.
상기 분산액을 태양전지셀 기판 위에 도포하는 방법으로서는 공지된 용액 함침법, 분무법, 또는 롤러 코터기, 랜드 코터기나 스핀너기를 사용하는 방법 등을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서는 반도체 나노결정이 혼입된 층을 패터닝하여 태양전지셀 위에 형성할 수도 있는데, 이러한 경우에도 상기 제조된 분산액을 이용하여 포토리소법 또는 각종 인쇄법에 의해 패턴을 제조할 수 있다.
본 발명에서 상기 충진층은 태양전지 모듈용 실링물질로 이루어질 수 있으며 바람직하게는 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 폴리비닐 부틸알, 실리콘 수지 등이지만 이들 예들로 제한되지는 않는다.
본 발명은 광전환 부재로서 적어도 하나 이상의 광전변환층 및 태양광 입사면에 적어도 하나 이상의 반사방지막을 포함하고, 상기 반사방지막은 반도체 나노결정(semiconductor nanocrystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자를 포함한다.
본 발명에서 상기 반사방지막은 두 개 이상의 층으로 형성되며, 상기 두 개 이상의 층으로 형성되는 반사방지막의 최상부층에 상기 반도체나노결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자를 포함한다.
본 발명에서 상기 광전변환층은 제1도전형 반도체 기판위에 제2도전형 불순물로 도핑된 에미터층으로 형성되고, 상기 에미터층에 연결된 제 1전극 및 상기 제1도전형 반도체 기판에 연결된 제 2전극을 포함하는 태양전지 소자를 포함한다.
본 발명에서 상기 반사방지막은, 에미터층 상부에 형성되고 제 1전극은 관통하여 상기 에미터층에 연결되는 적어도 1층 이상의 제 1반사방지막과, 상기 제 1전극을 포함한 소자전면에 형성되고 상기 반도체 나노결정을 포함하는 제 2반사방지막으로 구성되는 태양전지 소자를 포함한다.
본 발명은 광전환 부재로서 적어도 하나이상의 반도체층을 가지는 복수의 태양전지셀이 직렬연결되는 태양전지층, 상기 태양전지층의 하부면에 구비되는 백 시트(Back sheet), 상기 태양전지층의 상부면에 구비되는 투명부재 및 상기 태양전지를 실링하는 충진층을 포함하고, 상기 충진층 또는 투명부재 중 선택된 적어도 어 느 하나 이상의 층은, 입사광의 에너지보다 낮은 에너지로 출력광을 방출하는 반도체 나노결정(semiconductor nanocrystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 태양전지 모듈에 의하면 기존의 태양전지셀을 이용한 태양전지 모듈의 제작공정을 활용하면서도 다양한 태양전지셀에 적용할 수 있는 태양전지 모듈을 제공하여 광전변환 효율을 증대시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 태양전지 모듈 구조에 의하면 태양전지셀에 입사되는 광을 변환하여 광흡수를 증가하거나 광자 수를 증가시키는 에너지 다운 컨버팅 물질을 이용하여 태양전지 모듈을 제작함으로써 전체 태양전지의 광전변환 효율을 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 나노결정을 이용한 태양전지 모듈을 구조를 도시한 단면도이다.
먼저 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈 구조는 다음과 같다.
즉, 도 1의 태양전지 모듈 구조는 실리콘 반도체 기판(100) 위에 실리콘 기판에 도핑된 반도체 불순물과 다른 형태의 반도체 불순물로 도핑된 에미터층(102)을 포함하고, 상기 에미터층(102)의 전면부에 형성된 반사방지막(106)과, 상기 에미터층(102)의 전면부에 부분적으로 패터닝되어 형성된 전면전극(104), 및 상기 실리콘 반도체 기판(100)의 후면에 형성된 후면전극(108)으로 구성된 태양전지셀을 기본으로 한다. 이러한 태양전지셀은 태양광을 흡수하여 전기에너지로 광전변환시키는 광전환 부재이다.
일실시예에 따라서 상기 실리콘 반도체 기판(100)은 p형 실리콘 반도체 기판이고, 상기 에미터층(102)은 n형 반도체층일 수 있다.
도 1에서는 구체적으로 태양전지셀의 형태를 적시하였으나, 이러한 구조에 제한되는 것은 아니며 결정질 타입과 박막타입등 다양한 구조와 형태의 태양전지셀들을 기본으로 하여 태양전지 모듈을 제작할 수 있음은 물론이다.
하기에 설명될 도 2 내지 도 5의 태양전지 모듈 구조 역시 이러한 태양전지셀을 기본으로 하므로 이하에서의 개별적인 설명은 생략한다.
도 1은 태양전지 모듈은 상기 태양전지셀 상부에 태양전지 모듈의 실링을 위한 충진층을(110)을 형성한 것이다. 상기 충진층(110)의 내부에는 입사광의 에너지보다 낮은 에너지로 출력광을 방출하는 반도체 나노결정(semiconductor nanocrystal)(115)이 분산되어 있다.
상기 반도체 나노결정 미립자의 분산량은 충진층(110)의 중량대비 10 중량% 정도의 양으로 분산될 수 있다.
도 1의 반도체 나노결정 미립자가 분산된 충진층(110)은 태양전지 모듈용 충진물질인 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA)로 이루어질 수 있다.
상기 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 재료에 반도체 나노결정을 분산, 혼합한 용액을 태양전지셀 위에 도포하여 적층하여 상기 충진층을 형성할 수 있다.
이 때 상기 충진층(110)의 적층 온도는 300 내지 400℃의 온도에서 처리할 수 있다.
도 2의 태양전지 모듈은 상기 도 1의 실시예와 같은 태양전지셀 위에 충진층(210)의 상부에 반도체 나노결정을 별도의 필름으로 형성한 것이다. 즉 별도의 투명 수지 필름(220)에 반도체 나노결정이 분산, 혼입하여 충진층(210)위에 형성한 구조를 갖는다.
실리콘 기판(200), 그 위에 형성된 에미터층(202), 전면에 형성된 반사방지막(206)과 전면전극(204), 및 후면전극(208)로 구성되는 태양전지셀 위에 EVA층으로서 충진층(210)과, 투명 수지 필름의 재료에 반도체 나노결정(215)을 혼입, 분산한 층(220)을 투명층을 갖는다.
해당 분산액의 도포시 용액 처리 온도는 상기 도 1의 경우와 달리 하부에 형성된 EVA층으로서의 충진층(210)이 녹지 않도록 EVA의 융점 온도 이하에서 처리되는 것이 좋다. 따라서, 150℃ 정도의 온도에서 처리되도록 하는 것이 바람직하다.
다음의 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 셀의 구조는 도 3에 도시하였다.
도 3을 참조하면 실리콘 기판(300), 그 위에 형성된 에미터층(302), 전면에 형성된 반사방지막(306)과 전면전극(304), 및 후면전극(308)로 구성되는 태양전지셀 위에 또 하나의 반사방지막(320)을 형성한다.
즉 태양광이 입사하는 태양전지 모듈의 전면부 쪽으로 적어도 하나 이상의 반사방지막을 더 추가할 수 있는데, 그 중에서 어느 하나 이상의 반사방지막에 반도체 나노결정을 포함하여 형성할 수 있다. 바람직하게는 최상위 반사방지막(320)에 반도체 나노결정(315)을 포함하도록 증착할 수 있다. 이는 반사방지막의 기능이 입사광의 반사를 막아 빛의 흡수에 기여하는 기능 이외에도 단파장의 빛의 산란을 방지하는 기능을 수행할 수 있으므로 최상위 반사방지막에 반도체 나노 결정이 혼입되도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 반사방지막에 반도체 나노결정이 포함되도록 분산하는 제조과정은 물성의 안정을 위해 저온 솔루션 프로세스로 처리되는데, 바람직하게는 300 내지 400℃의 온도에서 진행된다.
이때 복수 개의 층으로 형성되는 반사방지막은 태양광이 입사되는 면에서부터 순차로 굴절율이 증가되도록 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는 상기 반도체 나노결정(315)이 포함되는 최상위 반사방지막(320)의 굴절율은 1.5 내지 2.0 사이일 수 있다.
상기 반도체 나노결정이 포함된 반사방지막(320)을 갖는 태양전지 셀을 모듈로 만들기 위해서는 반도체 나노결정이 포함된 최상위 반사방지막(320)위에 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA)를 이용하여 충진층(310)이 형성될 수 있다.
도 4와 도 5는 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈 구조이다.
도 4 및 도 5를 참조하면 태양전지셀 위에 복수 개의 투명부재가 형성된 것을 알 수 있다.
도 4 및 도 5의 태양전지셀은 실리콘 기판(400, 500), 그 위에 형성된 에미터층(402, 502), 전면에 형성된 반사방지막(406, 506)과 전면전극(404, 504), 및 후면전극(408, 508)로 구성되는 태양전지셀이다.
상기 태양전지셀 위에 투명부재가 형성되는데, 도 4의 경우는 충진층(410)을 태양전지셀과의 사이에 두고, 강성 투명 기판(420)인 유리기판과 연성의 투명 수지 필름(430)이 놓인 구조라고 할 수 있다.
본 발명의 다운 컨버팅 기능을 가지는 반도체 나노 결정(415)이 상기 투명 수지 필름(430) 내에 포함된다.
반도체 나노결정(415)을 포함하는 상기 투명 수지 필름(430) 역시 복수 개의 층으로도 형성될 수 있으며 다운 컨버팅 기능의 반도체 나노 결정은 가장 최상위의 투명 수지 필름에 포함되도록 분산, 도포될 수 있다.
상기 반도체 나노결정을(415)을 포함하는 상기 투명수지필름(430)은 상기 유리기판의 어느 한면, 즉, 광입사면 또는 후면에 선택적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 강성 투명 기판인 유리기판에는 반도체 나노결정이 분산되기 어려우므로 연성의 투명 수지 필름(430)에 반도체 나노결정이 혼입, 분산된 용액을 형성하여 도포하는 방식으로 제작할 수 있다.
도 5의 경우는 태양전지셀 위에 충진층(510)을 형성하고, 그 상부에 투명 부재로서 강성 투명 기판(530)을 형성한 구조로써, 상기 강성 투명기판(530)의 상부 면과 하부면에 투명 수지 필름(540, 520)이 각각 형성된 구조이다.
상기 투명 수지 필름(540, 520) 모두에 반도체 나노 결정(515)가 포함될 수도 있으나, 유리 기판 위에 형성된 투명 수지 필름(540) 또는 유리 기판의 아랫면에 형성된 투명 수지 필름(520) 중 어느 하나의 층에 포함되도록 형성할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 태양전지셀을 이용한 태양전지 모듈의 구조를 도시한 단면도이다.
먼저, 본 발명에서는 복수의 태양전지셀(640,740,840,940)을 직렬연결하고,상기 복수의 태양전지 셀의 실링을 위해 충진층(610,710,810, 910)을 형성할 수 있다. 상기 충진층(610,710,810,910)은 복수의 태양전지셀을 포함하는 태양전지층의 상부 및 하부에 형성될 수 있고, 상부 충진층(610,710,810,910)의 전면 또는 후면에 투명부재의 형성이 가능하다.
상기 하부 충진층(610,710,810,910)의 하부면에는 백시트(630,730,830)을 구비하고, 상기 상부 충진층(610,710,810,910)의 상부면에는 투명수지필름(720,820)또는 유리기판(850)을 구비하거나 투명수지필름(720,820) 또는 유리기판(850)을 함께 구비하는 것이 가능하다.
본 발명에서는 상기한 바와 같이 형성되는 투명수지필름(720,820), 충진층(610,710,810,910) 또는 유리기판(850) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 층에 입사광의 에너지보다 낮은 에너지로 출력광을 방출하는 반도체 나노결정(semiconductor nanocrystal)을 포함할 수 있고, 결과적으로 전체 태양전지의 광전변환효율을 극대화시킬 수 있다.
도 6은 도 1의 실시예와 같이 충진층(610)에 반도체 나노결정(615)을 포함하여 모듈을 형성한 태양전지 모듈구조의 일실시예이다.
태양전지 모듈을 구성할 경우, 충진층(610)은 통상 태양전지의 전면과 후면에 각각 형성되고, 백시트(630)와 유리기판 등의 투명부재와 함께 열과 압력으로 라미네이팅되는데, 이런 과정을 통해 상부 충진층(610)과 하부 충진층(610)이 함께 용융 경화되어 완전하게 실링된다. 이 경우 상기 반도체 나노 결정(615)은 상기 상부 충진층(610)에만 포함시키는 것이 바람직하다. 이 때, 투명수지필름 또는 유리기판은 발명의 필요에 따라 상기 상부 충진층(610)의 상부에 형성하는 것이 가능하다.
도 7은 도 2의 실시예에서와 같이 충진층(710)의 상부에 별도의 반도체 나노결정(715)을 갖는 투명수지필름(720)을 형성한 태양전지 모듈구조의 일실시예이다. 도 2의 실시예에서와 마찬가지로 상기 반도체 나노결정(715)을 포함하는 투명수지필름(720)은 충진층(710)의 전면 또는 후면에 각각 형성될 수 있으나 본 발명의 실시에에서는 전면에 형성한 구조를 도시하였다. 도 7의 구조는 발명의 필요에 따라 태양전지층의 상부에 유리기판을 추가하는 것도 가능하다.
도 8은 도 4 또는 도 5의 실시예에서와 같이 유리기판(850) 상에 반도체 나노결정(815)을 갖는 투명수지필름(820)을 형성한 구조이다. 도4 또는 도 5의 실시예에서와 마찬가지로 상기 나노결정층은 유리기판의 전면 또는 후면에 각각 형성될 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 전면에 형성한 구조를 도시하였다.
도 9은 도 2의 실시예에서와 같이 태양전지 셀의 전면 반사방지막(960)에 반 도체 나노결정(915)을 갖는 구조를 모듈화한 구성을 나타낸다. 상기 나노결정층은 단일층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 도 9의 구조도 발명의 필요에 따라 태양전지층의 상부에 유리기판을 추가하는 것이 가능하다.
상기 도6 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에서 상기 백시트(630,730,830,930)는 선택적 구성요소에 해당하므로, 발명의 필요에 따라 이를 제외하고 발명을 구성할 수 있다. 즉 백시트(630,730,830,930)를 구비하지 않고 태양전지층의 상부 및 하부에 유리기판을 형성하여 모듈을 구성하는 것도 가능하다.
상기와 같은 실시예에 따른 본 발명의 태양전지 셀 및 모듈 구조에 의하면 태양전지셀에 입사되는 광을 변환하여 광흡수를 증가하거나 광자 수를 증가시키는 에너지 다운 컨버팅 물질을 이용하여 태양전지 셀 또는 모듈을 제작함으로써 전체 태양전지의 광전변환 효율을 증가시킬 수 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 나노결정을 이용한 태양전지 모듈의 구조를 도시한 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 태양전지셀을 이용한 태양전지 모듈의 구조를 도시한 단면도이다.
{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}
100,200,300,400,500 : 실리콘 반도체 기판
102,202,302,402,502 : 에미터층
104,204,304,404,504 : 전면전극
106,206,306,406,506,960: 반사방지막
108,208,308,408,508 : 후면전극
110,210,310,410,510,610,710,810,910: 충진층
115,215,315,415,515,615,715,815,915: 반도체 나노결정
220,430,520,540,720,820 : 투명 수지 필름
320 : 최상위 반사방지막
420,530 : 강성 투명 기판
630,730,830,930: 백 시트
640,740,840,940: 태양전지 셀
850: 유리기판

Claims (21)

  1. 광전환 부재로서 적어도 하나 이상의 광전변환층을 포함하는 복수개의 태양전지셀, 상기 태양전지셀의 상부면에 구비되는 투명부재 및 상기 태양전지셀을 봉지하기 위한 충진층을 포함하고,
    상기 투명부재 또는 충진층 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 층은, 반도체 나노결정(semiconductor nanocrystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지셀의 하부면에 구비되는 백시트(Back-sheet)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 투명부재는 투명 수지 필름인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 투명부재는 강성 투명 기판과 투명 수지 필름을 포함하고, 상기 반도체 나노결정은 상기 투명 수지 필름에 포함된 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 강성 투명 기판은 유리기판인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 투명 수지 필름은 상기 강성 투명 기판의 전면 또는 후면에 형성되거나 또는 전면 및 후면에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  7. 제 3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 투명 수지 필름은 유기 수지 필름 또는 불화 수지 필름인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정은 300nm 내지 500nm 파장의 입사광을 600nm 내지 1100nm 파장의 출력광으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정의 입경은 1nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정에 의해 방출되는 출력광의 광자(photon) 수는 상기 반도체 나노결정에 입사되는 입사광의 광자(photon) 수보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정은 코어쉘(core shell) 구조로서, 핵과 껍질의 물질이 동일하거나 상이한 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정은 혼입되는 층의 중량 대비 1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정은 Ⅳ족 원소, ⅡA-ⅥB족 원소의 화합물, ⅢA-ⅤB족 원소의 화합물, 또는 ⅢB-ⅤB족 원소의 화합물로 이루어지는 결정 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 결정인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정은 상기 투명부재 및 충진층 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 층에 스핀 코팅법 또는 스프레이 코팅법에 의해 분산되는 것을 특 징으로 하는 태양전지 모듈.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 충진층은 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA)로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  16. 제 1항에서 있어서,
    상기 태양전지 셀은 박막형 실리콘 태양전지, 결정질형 실리콘 태양전지, 화합물 태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기물태양전지 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  17. 광전환 부재로서 적어도 하나 이상의 광전변환층 및 태양광 입사면에 적어도 하나 이상의 반사방지막을 포함하고,
    상기 반사방지막은 반도체 나노결정(semiconductor nanocrystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 반사방지막은 두 개 이상의 층으로 형성되며, 상기 두 개 이상의 층으로 형성되는 반사방지막의 최상부층에 상기 반도체나노결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 광전변환층은 제1도전형 반도체 기판위에 제2도전형 불순물로 도핑된 에미터층으로 형성되고, 상기 에미터층에 연결된 제 1전극 및 상기 제1도전형 반도체 기판에 연결된 제 2전극을 포함하는 태양전지 소자.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 반사방지막은,
    에미터층 상부에 형성되고 제 1전극은 관통하여 상기 에미터층에 연결되는 적어도 1층 이상의 제 1반사방지막과,
    상기 제 1전극을 포함한 소자전면에 형성되고 상기 반도체 나노결정을 포함하는 제 2반사방지막으로 구성되는 태양전지 소자.
  21. 제 17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양전지소자를 포함하여 구성되는 태양전지 모듈.
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