KR101105247B1 - 측면 노광형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광이 입사되는 부분과 다른 부분에 전극이 형성되도록 하여, 효율을 증가시킬 수 있는 측면 노광형 태양전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양전지는 제1면에 외부의 빛이 입사되는 수광부가 형성되어 있고 수광부를 통해 입사된 빛으로부터 전류를 발생시키는 태양전지 셀과, 태양전지 셀의 제2면에 형성되어 있는 제1전극과, 태양전지 셀의 제2면과 대향되는 제3면에 형성되어 있는 제2전극을 구비한다. 이때, 태양전지 셀의 제1면은 태양전지 셀의 제2면 및 태양전지 셀의 제3면과 서로 다르게 되도록 한다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 입사 방향과 태양전지 전극의 방향이 소정의 각도를 이루도록 하여, 효율을 증가시킬 수 있는 측면 노광형 태양전지에 관한 것이다.
최근 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신 재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양광발전에 대한 연구개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.
태양전지(solar cell)는 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 전환시키는 반도체 소자로서, p형 반도체와 n형 반도체의 접합형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 유사하다.
전기적 성질이 서로 다른 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시킨 구조를 갖는 태양전지에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자-정공쌍(electron hole pair)이 생겨나고, 전자와 정공이 이동하여 n형 반도체와 p형 반도체를 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해, 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다.
상세하게는, 외부에서 빛이 태양전지에 입사되었을 때 p형 반도체의 가전도대(valence band) 전자(electron)는 입사된 광에너지에 의해 전도대(conduction band)로 여기된다. 이렇게 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공쌍을 생성하게 된다. 상기 전자-정공쌍 중 전자는 p-n 접합부 사이에 존재하는 전기장(electric field)에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다.
도 1에 종래의 태양전지를 개략적으로 나타내었다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 태양전지(100)는 하부 전극(110) 상에 태양전지 셀(120)이 형성되며, 태양전지 셀(120)의 상면 일부에는 상부 전극(130)이 형성되고, 태양전지 셀(120)의 상면 나머지에는 무반사막(anti-reflection coating layer)(140)이 형성된다. 태양전지 셀(120)의 상부에 수광부(121)가 형성된다. 태양전지 셀(120)은 입사된 빛으로부터 전류를 발생시키는 것으로, 수광부(121)를 통해 외부의 빛이 태양전지 셀(120)로 입사된다.
종래의 태양전지(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 수광부(121) 상에 상부 전극(130)이 형성되어 있어, 태양광이 입사되는 부분에 상부 전극(130)이 배치된다. 상부 전극(130)은 높은 반사도를 가진 물질로 이루어지므로, 수광부(121)에 입사되는 태양광의 양이 감소하게 된다. 따라서 입사되는 태양광의 반사를 최소화하기 위해 상부 전극(130)의 면적을 최소화해야 한다. 그런데 상부 전극(130)의 면적을 최소화하게 되면, 직렬저항의 증가를 유발하게 된다. 직렬저항이 증가하면, 태양전지의 필 팩터(fill factor)를 저하시켜, 태양전지의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양광이 입사되는 부분과 다른 부분에 전극이 형성되도록 하여, 효율을 증가시킬 수 있는 태양전지를 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 태양전지의 바람직한 일 실시예는 제1면에 외부의 빛이 입사되는 수광부가 형성되어 있고, 상기 수광부를 통해 입사된 빛으로부터 전류를 발생시키는 태양전지 셀; 상기 태양전지 셀의 제2면에 형성되어 있는 제1전극; 및 상기 태양전지 셀의 제2면과 대향되는 제3면에 형성되어 있는 제2전극;을 포함하며, 상기 태양전지 셀의 제1면은 상기 태양전지 셀의 제2면 및 제3면과 서로 다른 것을 특징으로 한다.
상기 제1전극의 크기는 상기 태양전지 셀의 제2면의 면적의 5 내지 100 %의 범위로 설정되고, 상기 제2전극의 크기는 상기 태양전지 셀의 제3면의 면적의 5 내지 100 %의 범위로 설정될 수 있다.
상기 태양전지 셀의 제1면과 상기 태양전지 셀의 제2면이 이루는 각도는 20 도 이상이고, 상기 태양전지 셀의 제1면과 상기 태양전지 셀의 제3면이 이루는 각도는 20 도 이상일 수 있다.
상기 태양전지 셀은 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 외부의 빛을 흡수하는 흡수층과 상기 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는 투명층이 적층된 구조를 가질 수 있다. 그리고 상기 태양전지 셀의 제2면과 상기 태양전지 셀의 제3면은 평행하게 형성되고, 상기 태양전지 셀의 제1면은 상기 태양전지 셀의 제2면 및 제3면과 경사지게 형성되며, 상기 태양전지 셀의 제1면과 대향되는 제4면은 상기 태양전지 셀의 제2면 및 제3면과 직교하도록 형성되고, 상기 제1전극과 상기 투명층이 마주보게 배치되고, 상기 제2전극과 상기 흡수층이 마주보게 배치되며, 상기 태양전지 셀의 제1면과 상기 태양전지 셀의 제2면이 이루는 각도는 90도보다 크고, 상기 태양전지 셀의 제1면과 상기 태양전지 셀의 제3면과 이루는 각도는 90도보다 작게 설정될 수 있다.
상기 태양전지 셀은 상기 태양전지 셀의 제1면에 형성되어 있는 무반사막(anti-reflection coating layer)을 더 구비할 수 있다. 그리고 상기 태양전지 셀의 제1면과 대향되는 제4면에는 반사판(reflector)을 더 구비할 수 있다.
상기 태양전지 셀은 상기 수광부의 전단에 형성되며, 외부의 빛을 집광하여 상기 수광부로 입사시키는 집광장치를 더 구비할 수 있다. 그리고 상기 집광장치와 상기 수광부 사이에 형성되며, 상기 집광장치를 통해 집광된 외부의 빛을 상기 수광부로 가이드하는 광도파관을 더 구비할 수 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 태양전지의 바람직한 다른 실시예는 제1면에 외부의 빛이 입사되는 수광부가 형성되어 있고 상기 수광부를 통해 입사된 빛으로부터 전류를 발생시키는 태양전지 셀과, 상기 태양전지 셀의 제1면과 서로 다른 제2면에 형성되어 있는 제1전극과, 상기 태양전지 셀의 제2면과 대향되며 상기 태양전지 셀의 제1면과 서로 다른 제3면에 형성되어 있는 제2전극을 구비하는 태양전지 유닛 복수 개가 직렬 또는 병렬로 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 태양전지 유닛은 수광부 상에 형성되어 있는 무반사막(anti-reflection coating layer)을 더 구비할 수 있다.
상기 복수의 태양전지 유닛 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장 영역대의 빛을 흡수할 수 있다.
상기 복수의 태양전지 유닛은 병렬로 배열되고, 상기 각각의 태양전지 유닛에 구비된 수광부의 전단에 형성되며, 외부의 빛을 파장에 따라 분류하여 서로 다른 파장 영역대의 빛을 서로 다른 태양전지 유닛에 구비된 수광부로 입사시키는 프리즘을 더 구비할 수 있다. 그리고 상기 각각의 태양전지 유닛과 상기 프리즘 사이에, 상기 프리즘을 통해 분류된 외부의 빛을 상기 각각의 태양전지 유닛에 구비된 수광부로 가이드하는 광도파관이 각각 형성되어 있을 수 있다.
상기 복수의 태양전지 유닛은 직렬로 배열되며, 상기 복수의 태양전지 유닛이 직렬로 배열된 태양전지는, 반사판; 상기 반사판 상에 형성되며, 상부에 외부의 빛이 입사되는 수광부가 형성되어 있고, 상기 수광부를 통해 입사된 빛으로부터 전류를 발생시키는 복수의 태양전지 셀; 상기 수광부 상에 형성되어 있는 무반사막; 상기 복수의 태양전지 셀 각각의 일측면에 형성되어 있는 제1전극; 및 상기 복수의 태양전지 셀 각각의 타측면에 형성되어 있는 제2전극;을 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양전지가 입사되는 부분과 전극이 형성되는 부분이 서로 다르므로, 전극의 면적을 종래에 비해 훨씬 크게, 예컨대 태양전지 셀의 일 측면의 면적과 동일하게 할 수 있다. 따라서 태양전지의 직렬 저항을 크게 낮출 수 있고, 열전도도가 우수한 금속의 면적이 넓어지므로, 방열 특성이 향상된다. 그리고 태양전지가 입사되는 부분과 전극이 형성되는 부분이 서로 다르므로, 무반사막과 전극의 설계를 독립적으로 할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 태양전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 복수의 태양전지 유닛이 병렬로 배열되어 있고, 프리즘을 통해 각각의 태양전지 유닛이 서로 다른 파장 영역대의 빛을 흡수하는 태양전지의 형태를 개략적으로 나타낸 도면으로, 도 4는 평면도이고, 도 5는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 복수의 태양전지 유닛이 직렬로 배열되어 있는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 복수의 태양전지 유닛이 병렬로 배열되어 있고, 프리즘을 통해 각각의 태양전지 유닛이 서로 다른 파장 영역대의 빛을 흡수하는 태양전지의 형태를 개략적으로 나타낸 도면으로, 도 4는 평면도이고, 도 5는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 복수의 태양전지 유닛이 직렬로 배열되어 있는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 측면 노광형 태양전지의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지(200)는 태양전지 셀(210), 제1전극(220), 제2전극(230), 무반사막(anti-reflection coating layer)(240), 반사판(250), 광도파관(260) 및 집광장치(270)를 구비한다.
태양전지 셀(210)은 내부로 입사된 외부의 빛으로부터 전류를 발생시키는 것으로, 태양광과 같은 외부의 빛이 태양전지 셀(210) 내부로 입사되는 수광부(211)가 태양전지 셀(210)의 제1면(도 2에서는 좌측면)에 형성된다. 즉 수광부(211)를 통해 외부의 빛이 입사되고, 입사된 외부의 빛을 통해 태양전지 셀(210)은 전류를 발생시킨다. 태양전지 셀(210)은 Ge와 같은 반도체나 GaAs, GaInP와 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
제1전극(220)은 태양전지 셀(210)의 제2면(도 2에서는 하부면)에 형성되고, 제2전극(230)은 태양전지 셀(210)의 제3면(도 2에서는 상부면)에 형성된다. 제1전극(220)과 제2전극(230)은 수광부(211)가 형성되어 있는 태양전지 셀(210)의 제1면과 서로 다른 면에 형성된다. 제1전극(220)의 크기는 태양전지 셀(210)의 제2면의 면적의 5 내지 100 %의 범위로 설정될 수 있고, 제2전극(230)의 크기는 태양전지 셀(210)의 제3면의 면적의 5 내지 100%의 범위로 설정될 수 있다.
제1전극(220)이 형성되어 있는 제2면과 수광부(211)가 형성되어 있는 제1면은 20도 이상의 각도를 이루도록 형성될 수 있고, 제2전극(230)이 형성되어 있는 제3면과 수광부(211)가 형성되어 있는 제1면은 20도 이상의 각도를 이루도록 형성될 수 있다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이, 태양전지 셀(210)의 제1면이 태양전지 셀(210)의 제2면 및 제3면과 직교하도록 형성될 수 있다. 이와 같은 구조를 가지면, 외부의 빛이 입사되는 방향과 전류의 방향이 직교하게 된다. 따라서 전하의 수평 이동이 최소화되어 전하의 재결합(recombination)이 감소하게 된다. 그리고 태양광이 입사되는 부분(수광부가 형성되어 있는 제1면)과 전극(220, 230)이 형성되어 있는 부분(제2면과 제3면)이 서로 다르게 되므로, 외부의 빛이 입사될 때 전극(220, 230)에 의해 반사되지 않게 되므로, 보다 많은 양의 태양광이 태양전지 셀(210)의 내부로 입사하게 된다. 또한, 전극(220, 230)의 면적을 최대한 크게 형성할 수 있게 되므로, 태양전지의 직렬 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 태양전지의 직렬 저항이 증가하면 필 팩터가 저하되어 전체적으로 태양전지의 효율이 감소하게 되는데, 본 실시예와 같은 구조를 갖는 태양전지(200)는 직렬 저항을 최소화할 수 있으므로, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1과 같은 구조를 가진 종래의 태양전지(100)의 경우에는 효율이 16.6 % 정도이었으나, 도 2와 같은 구조를 가진 본 실시예의 태양전지(200)의 경우에는 효율이 20.07 %로 증가하였다. 이 결과는 1 sun의 태양광을 조사한 경우에 해당한다. 그러나 집광장치를 이용하여 집광된 태양광을 조사하는 경우에는 효율의 차이가 더욱 커지게 된다. 종래의 태양전지(100)는 집광된 태양광을 이용하는 경우 필 팩터가 현저히 저하되나, 본 실시예에 따른 태양전지(200)는 집광된 태양광을 이용하는 경우에도 필 팩터의 차이가 거의 없게 된다. 이에 따라 집광장치를 이용하여 집광된 태양광을 조사하는 경우에는 본 실시예에 따른 태양전지(200)의 효율이 더욱 우수하게 된다.
무반사막(240)은 수광부(211)가 형성되어 있는 제1면 상에 형성된다. 무반사막(240)은 외부의 빛이 수광부(211)에서 반사되지 않고 태양전지 셀(210) 내부로 입사되도록 하는 박막으로, 보다 많은 양의 태양광이 태양전지 셀(210) 내부로 입사되는 역할을 한다. 종래의 태양전지는 전극이 형성되지 않은 부분에 무반사막이 형성됨에 반하여, 본 실시예의 태양전지(200)는 무반사막(240)이 형성되는 부분과 전극(220, 230)이 형성되는 부분이 서로 다르게 되므로, 무반사막(240)과 전극(220, 230)을 독립적으로 설계할 수 있는 장점이 있다.
반사판(250)은 수광부(211)가 형성되어 있는 태양전지 셀(210)의 제1면과 대향되는 제4면(도 2에서는 오른쪽 측면)에 형성된다. 반사판(250)은 태양전지 셀(210) 내로 입사된 빛이 외부로 방출되지 않도록 제4면에 입사된 빛을 다시 태양전지 셀(210) 내부로 반사시키는 역할을 한다.
집광장치(270)는 수광부(211)의 전단에 배치되며, 렌즈 등을 이용하여 태양광과 같은 외부의 빛을 집광한다. 집광장치(270)를 통해 외부의 빛을 집광한 후, 수광부(211)에 입사시키면, 태양전지(200)를 작은 크기로 만들더라도 큰 효과를 낼 수 있게 된다. 상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 태양전지(200)는 집광장치(270)를 이용하더라도 필 팩터가 크게 저하되지 않는 장점이 있다.
광도파관(260)은 집광장치(270)와 수광부(211)의 사이에 배치되며, 집광장치(270)에 의해 집광된 태양광을 수광부(211)로 가이드한다. 이를 위해, 광도파관(260)은 전반사가 일어날 수 있는 물질로 이루어진다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양전지(300)는 태양전지 셀(310), 제1전극(320), 제2전극(330), 무반사막(340), 반사판(350), 광도파관(360) 및 집광장치(370)를 구비한다.
태양전지 셀(310)의 제1면(도 3에서의 좌측면)에는 외부의 빛이 입사되는 수광부(311)가 형성되어 있다. 그리고 제1면에는 무반사막(340)이 형성되어 있다. 태양전지 셀(310)의 제2면(도 3에서의 하부면)에는 제2전극(320)이 형성되어 있고, 태양전지 셀(310)의 제3면(도 3에서의 상부면)에는 제3전극(330)이 형성되어 있다. 그리고 태양전지 셀(310)의 제1면과 대향되는 제4면(도 3에서의 우측면)에는 반사판(350)이 형성되어 있다. 그리고 수광부(311)의 전단에는 태양광을 집광하는 집광장치(370)가 배치되며, 수광부(311)와 집광장치(370) 사이에는 집광된 태양광을 수광부(311)로 가이드하는 광도파관(360)이 형성되어 있다.
본 실시예에 따른 태양전지(300)에 구비된 제1전극(320), 제2전극(330), 무반사막(340), 반사판(350), 광도파관(360) 및 집광장치(370)에 대한 자세한 설명은 도 2에서 도시하고 설명한 제1전극(220), 제2전극(230), 무반사막(240), 반사판(250), 광도파관(260) 및 집광장치(270)에 각각 대응된다.
다만, 본 실시예에 따른 태양전지(300)에 구비된 태양전지 셀(310)은 제1전극(320)과 제2전극(330) 사이에 외부의 빛을 흡수하는 흡수층(315)과 외부의 빛을 통과시키는 투명층(316)이 적층된 구조를 갖는다. 이를 위해, 투명층(316)은 흡수층(315)보다 밴드갭이 넓은 물질로 이루어진다. 예컨대, AlInP와 같이 밴드갭이 아주 넓은 물질로 투명층(316)이 이루어질 수 있다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1전극(320)이 형성되어 있는 태양전지 셀(310)의 제2면과 제2전극(330)이 형성되어 있는 태양전지 셀(310)의 제3면은 평행하게 형성된다. 무반사막(340)이 형성되어 있는 태양전지 셀(320)의 제1면은 태양전지 셀(320)의 제2면 및 제3면과 경사지게 형성된다. 반사판(350)이 형성되어 있는 태양전지 셀(310)의 제4면은 태양전지 셀(320)의 제2면 및 제3면과 직교하도록 형성된다. 그리고 제1전극(320)은 투명층(316)과 마주보게 배치되고, 제2전극(330)은 흡수층(315)과 마주보게 배치된다. 즉, 제1전극(320) 상에 투명층(316), 흡수층(315) 및 제2전극(330)이 순차적으로 형성된다.
여기서, 태양전지 셀(310)의 제1면은 태양전지 셀(320)의 제2면 및 제3면과 경사지게 형성되되, 태양전지 셀(310)의 제1면과 태양전지 셀(310)의 제2면이 이루는 각도는 90도보다 크고, 태양전지 셀(310)의 제1면과 태양전지 셀(310)의 제3면과 이루는 각도는 90도보다 작게 설정되도록 형성된다. 즉, 흡수층(315)은 투명층(316)보다 면적이 크게 되도록 형성된다. 이와 같은 구조로 태양전지 셀(310)이 형성되면, 광도파관(360)과 태양전지 셀(310)과의 정렬이 용이하게 된다. 그리고 광도파관(360)과 태양전지 셀(310)과의 정렬이 조금 어긋나더라도, 태양전지 셀(310)에 구비된 흡수층(315)으로 태양광이 입사되어, 태양전지 제조시 공정 윈도우(process window)가 넓어지게 된다. 그리고 도 3에 도시된 바와 같이 흡수층(315)의 면적이 투명층(316)의 면적보다 넓은 경우, 굴절, 반사 등을 통해 흡수층(315)으로 입사되는 태양광의 양이 많아지게 된다.
본 발명은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 태양전지 셀을 구비한 태양전지 외에, 도 2 및 도 3에 도시된 태양전지 셀을 구비한 태양전지 유닛이 복수 개 직렬 또는 병렬 형태로 배열된 형태의 태양전지도 포함한다. 여기서 태양전지 유닛은 제1면에 외부의 빛이 입사되는 수광부가 형성되어 있고 상기 수광부를 통해 입사된 빛으로부터 전류를 발생시키는 태양전지 셀과, 상기 태양전지 셀의 제1면과 서로 다른 제2면에 형성되어 있는 제1전극과, 상기 태양전지 셀의 제2면과 대향되며 상기 태양전지 셀의 제1면과 서로 다른 제3면에 형성되어 있는 제2전극을 구비한다. 그리고 상기 태양전지 유닛은 수광부 상에 형성되어 있는 무반사막을 더 구비할 수 있다. 또한, 상기 복수의 태양전지 유닛 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장 영역대의 빛을 흡수할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 복수의 태양전지 유닛이 병렬로 배열되어 있고, 프리즘을 통해 각각의 태양전지 유닛이 서로 다른 파장 영역대의 빛을 흡수하는 태양전지의 형태를 개략적으로 나타낸 도면으로, 도 4는 평면도이고, 도 5는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 태양전지(500)는 제1 태양전지 유닛(400a), 제2 태양전지 유닛(400b), 제3 태양전지 유닛(400c), 제1 광도파관(460a), 제2 광도파관(460b), 제3 광도파관(460c) 및 프리즘(480)을 구비한다.
각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)은 도 2에 도시된 구조와 유사하게, 태양전지 셀(410a, 410b, 410c), 제1전극(420a, 420b, 420c), 제2전극(430a, 430b, 430c), 무반사막(440a, 440b, 440c) 및 반사판(450a, 450b, 450c)을 구비한다. 각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)에 구비된 태양전지 셀(410a, 410b, 410c), 제1전극(420a, 420b, 420c), 제2전극(430a, 430b, 430c), 무반사막(440a, 440b, 440c) 및 반사판(450a, 450b, 450c)의 자세한 설명은 도 2에 도시된 태양전지 셀(210), 제1전극(220), 제2전극(230), 무반사막(240) 및 반사판(250)에 각각 대응된다.
각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)은 병렬로 배열된다. 이를 위해, 각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)에 구비된 제1전극(420a, 420b, 420c)은 제1전극(420a, 420b, 420c)끼리 서로 전기적으로 연결되고, 제2전극(430a, 430b, 430c)은 제1전극(430a, 430b, 430c)끼리 서로 전기적으로 연결된다. 여기서, 각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)은 서로 다른 파장 영역대의 태양광을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있다. 예컨대, 제1 태양전지 유닛(400a)은 단파장 영역대의 태양광을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있고, 이를 위해 제1 태양전지 유닛(400a)에 구비된 태양전지 셀(410a)은 GaInP와 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 제2 태양전지 유닛(400b)은 중파장 영역대의 태양광을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있고, 이를 위해 제2 태양전지 유닛(400b)에 구비된 태양전지 셀(410b)은 GaAs와 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 제3 태양전지 유닛(400c)은 단파장 영역대의 태양광을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있고, 이를 위해 제3 태양전지 유닛(400c)에 구비된 태양전지 셀(410c)은 Ge와 같은 반도체로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)이 서로 다른 파장 영역 대의 태양광을 흡수하기 위해서는 서로 다른 파장 영역대의 태양광이 각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)에 입사되어야 한다. 이를 위해 각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)의 수광부(411a, 411b, 411c)의 전단에 프리즘(480)이 형성된다.
프리즘(480)은 태양광과 같은 외부의 빛을 파장에 따라 분류하여 서로 다른 파장 영역대의 빛을 각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)의 수광부(411a, 411b, 411c)로 입사시킨다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 가시광선, 적외선, 자외선 등을 모두 포함하는 태양광(490)이 프리즘(480)을 통과하면, 장파장 영역대의 태양광(491), 중파장 영역대의 태양광(492) 및 단파장 영역대의 태양광(491)로 분류된다.
파장 영역대별로 분류된 태양광(491, 492, 493)은 프리즘(480)과 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)의 수광부(411a, 411b, 411c) 사이에 형성되어 있는 광도파관(460a, 460b, 460c)를 통해 각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)에 구비된 태양전지 셀(410a, 410b, 410c)에 입사된다. 예컨대, 단파장 영역대의 태양광(491)은 제1 광도파관(460a)에 의해 가이드되어 제1 태양전지 유닛(400a)에 구비된 태양전지 셀(410a)에 입사된다. 중파장 영역대의 태양광(492)은 제2 광도파관(460b)에 의해 가이드되어 제2 태양전지 유닛(400b)에 구비된 태양전지 셀(410b)에 입사된다. 그리고 장파장 영역대의 태양광(493)은 제3 광도파관(460c)에 의해 가이드되어 제3 태양전지 유닛(400c)에 구비된 태양전지 셀(410c)에 입사된다.
이와 같은 구조를 갖는 태양전지(500)는 여러 파장 영역대의 태양광을 모두 전류 생성에 이용할 수 있으므로, 효율이 증가하게 된다. 그리고 각각의 태양전지 유닛(400a, 400b, 400c)은 도 2에 도시된 것과 같은 구조를 가지므로, 직렬 저항이 최소화되어, 효율의 증가가 더욱 현저하게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 복수의 태양전지 유닛이 직렬로 배열되어 있는 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지(600)는 기판(590), 반사판(550), 태양전지 셀(510a, 510b, 510c), 제1전극(520a, 520b, 520c), 제2전극(530a, 530b, 530c) 및 무반사막(540a, 540b, 540c)을 구비한다.
기판(590)의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 열전도도가 우수한 기판을 이용할 수 있다.
반사판(550)은 기판(590) 상에 형성되며, 태양전지 셀(510a, 510b, 510c)에 입사된 태양광이 외부로 방출되지 않도록 반사시킨다.
복수의 태양전지 셀(510a, 510b, 510c)은 반사판(550) 상에 일정거리 이격되도록 형성된다. 각각의 태양전지 셀(510a, 510b, 510c)의 이격거리는 1μm 이하가 되도록 한다. 태양전지 셀(510a, 510b, 510c)은 입사된 태양광으로부터 전류를 발생시키며, 각각의 태양전지 셀(510a, 510b, 510c)에는 상부에 태양광이 입사되는 수광부(511a, 511b, 511c)가 형성된다.
제1전극(520a, 520b, 520c)은 반사판(550) 상에 형성되되, 각각의 태양전지 셀(510a, 510b, 510c)의 일측면(도 6에서는 각각의 태양전지 셀의 좌측면)에 형성된다. 제2전극(530a, 530b, 530c)은 반사판(550) 상에 형성되되, 각각의 태양전지 셀(510a, 510b, 510c)의 일측면(도 6에서는 각각의 태양전지 셀의 우측면)에 형성된다. 그리고 인접한 태양전지 셀의 제1전극과 제2전극은 전기적으로 연결되어 복수의 태양전지 유닛이 직렬 연결되도록 한다.
무반사막(540a, 540b, 540c)은 각각의 태양전지 셀(510a, 510b, 510c)의 상면(수광부(511a, 511b, 511c)가 형성되어 있는 면)에 형성되어, 태양광이 표면에서 반사되지 않고 각각의 태양전지 셀(510a, 510b, 510c) 내부로 입사되도록 한다.
태양전지가 이와 같은 구조를 갖게 되면, 태양광이 입사되는 부분에 전극(520, 530)이 배치되지 않으므로, 많은 양의 태양광이 입사될 수 있게 된다. 그리고 전극(520, 530)을 최대로 넓게 형성할 수 있으므로, 직렬저항을 낮출 수 있게 되어, 필 팩터의 저하를 방지할 수 있게 된다. 이에 따라 효율이 향상된 태양전지를 제조할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
Claims (15)
- 제1면에 외부의 빛이 입사되는 수광부가 형성되어 있고, 상기 수광부를 통해 입사된 빛으로부터 전류를 발생시키는 태양전지 셀;
상기 태양전지 셀의 제2면에 형성되어 있는 제1전극; 및
상기 태양전지 셀의 제2면과 대향되는 제3면에 형성되어 있는 제2전극;을 포함하며,
상기 제1면은 상기 태양전지 셀의 좌측면이고, 상기 제2면은 상기 태양전지 셀의 하부면이며, 상기 제3면은 상기 태양전지 셀의 상부면인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1전극의 크기는 상기 태양전지 셀의 제2면의 면적의 5 내지 100 %의 범위로 설정되고,
상기 제2전극의 크기는 상기 태양전지 셀의 제3면의 면적의 5 내지 100 %의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 태양전지 셀의 제1면과 상기 태양전지 셀의 제2면이 이루는 각도는 20 도 이상이고,
상기 태양전지 셀의 제1면과 상기 태양전지 셀의 제3면이 이루는 각도는 20 도 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 태양전지 셀은 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 외부의 빛을 흡수하는 흡수층과 상기 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는 투명층이 적층된 구조를 가지며,
상기 제1전극 상에 상기 투명층, 흡수층 및 제2전극이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 태양전지 셀의 제2면과 상기 태양전지 셀의 제3면은 평행하게 형성되고,
상기 태양전지 셀의 제1면은 상기 태양전지 셀의 제2면 및 제3면과 경사지게 형성되며,
상기 태양전지 셀의 제1면과 대향되는 제4면은 상기 태양전지 셀의 제2면 및 제3면과 직교하도록 형성되고,
상기 제1전극과 상기 투명층이 마주보게 배치되고, 상기 제2전극과 상기 흡수층이 마주보게 배치되며,
상기 태양전지 셀의 제1면과 상기 태양전지 셀의 제2면이 이루는 각도는 90도보다 크고, 상기 태양전지 셀의 제1면과 상기 태양전지 셀의 제3면과 이루는 각도는 90도보다 작게 설정되며,
상기 제4면은 상기 태양전지 셀의 우측면인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 태양전지 셀의 제1면에 형성되어 있는 무반사막(anti-reflection coating layer)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제6항에 있어서,
상기 태양전지 셀의 제1면과 대향되는 제4면에 형성되어 있는 반사판(reflector)을 더 구비하며, 상기 제4면은 상기 태양전지 셀의 우측면인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수광부의 전단에 형성되며, 외부의 빛을 집광하여 상기 수광부로 입사시키는 집광장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제8항에 있어서,
상기 집광장치와 상기 수광부 사이에 형성되며, 상기 집광장치를 통해 집광된 외부의 빛을 상기 수광부로 가이드하는 광도파관을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1면에 외부의 빛이 입사되는 수광부가 형성되어 있고 상기 수광부를 통해 입사된 빛으로부터 전류를 발생시키는 태양전지 셀과, 상기 태양전지 셀의 제1면과 서로 다른 제2면에 형성되어 있는 제1전극과, 상기 태양전지 셀의 제2면과 대향되며 상기 태양전지 셀의 제1면과 서로 다른 제3면에 형성되어 있는 제2전극을 구비하는 태양전지 유닛 복수 개가 직렬 또는 병렬로 배열되어 있으며,
상기 제1면은 상기 태양전지 셀의 좌측면이고, 상기 제2면은 상기 태양전지 셀의 하부면이며, 상기 제3면은 상기 태양전지 셀의 상부면인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 태양전지 유닛은 수광부 상에 형성되어 있는 무반사막(anti-reflection coating layer)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 복수의 태양전지 유닛 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장 영역대의 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 태양전지 유닛은 병렬로 배열되고,
상기 각각의 태양전지 유닛에 구비된 수광부의 전단에 형성되며, 외부의 빛을 파장에 따라 분류하여 서로 다른 파장 영역대의 빛을 서로 다른 태양전지 유닛에 구비된 수광부로 입사시키는 프리즘을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제13항에 있어서,
상기 각각의 태양전지 유닛과 상기 프리즘 사이에,
상기 프리즘을 통해 분류된 외부의 빛을 상기 각각의 태양전지 유닛에 구비된 수광부로 가이드하는 광도파관이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 태양전지 유닛은 직렬로 배열되며,
상기 복수의 태양전지 유닛이 직렬로 배열된 태양전지는,
반사판;
상기 반사판 상에 형성되며, 상부에 외부의 빛이 입사되는 수광부가 형성되어 있고, 상기 수광부를 통해 입사된 빛으로부터 전류를 발생시키는 복수의 태양전지 셀;
상기 수광부 상에 형성되어 있는 무반사막;
상기 복수의 태양전지 셀 각각의 일측면에 형성되어 있는 제1전극; 및
상기 복수의 태양전지 셀 각각의 타측면에 형성되어 있는 제2전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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