KR101145180B1 - 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 박막 태양 전지에 관한 것으로서, 특히 태양 전지에서 생산되는 전기 중 일부로 태양 전지의 후면 온도를 상승시켜 열화를 감소시키고 장기간 동안의 전체 발전량을 개선시킬 수 있는 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지에 대한 것이다. 본 발명의 태양 전지는, 제 1 태양 전지; 제 2 태양 전지; 및 상기 제 2 태양 전지와 전기적으로 접속되며, 상기 제 1 태양 전지 및 상기 제 2 태양 전지의 후면에 위치하는 발열층을 포함한다. 또한, 이에 따라 본 발명은 태양 전지의 일부 태양 전지 셀 라인에서 자체 생산되는 전기로 발열층을 가열하여 태양 전지 후면의 온도를 상승시켜 열화를 감소시키고, 열화에 따른 손상 및 오작동을 방지할 수 있는 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 실리콘 박막 태양 전지에 관한 것으로서, 특히 태양 전지에서 생산되는 전기 중 일부로 태양 전지의 후면 온도를 상승시켜 열화를 감소시키고 장기간 동안의 전체 발전량을 개선시킬 수 있는 저열화 실리콘 박막 태양 전지에 대한 것이다.
최근 들어, 결정질 실리콘 태양 전지가 높은 기술의 안정성과 광전변환율에도 불구하고 경제성의 확보가 어려워지자, 이의 대안으로 경제성이 우수하고 대면적화가 용이한 박막 태양 전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 박막 태양 전지(thin film photovoltaics)는 결정질 실리콘 웨이퍼 전체를 태양광 흡수기판으로 사용하는 태양 전지와 달리, 저가의 기판 표면에 광전물질을 박막으로서 증착한 형태의 태양 전지이다. 좀 더 상세하게는, 유리, 금속판, 플라스틱 등의 기판 표면에 실리콘 등을 수 마이크론 두께로 증착한 구조의 태양 전지이다. 이러한 박막 태양 전지는 광흡수층의 재료에 따라 다양하게 분류되며, 유리기판에 비정질 실리콘이 증착되는 비정질 실리콘 박막 태양 전지가 대표적인 형태 중 하나이다.
비정질 실리콘 태양 전지의 구조는 유리기판 아래 TCO/p-i-n/metal 구조의 형태가 일반적이다. 비정질 실리콘 박막 태양 전지는 빛에 노출될 경우 초기에 비하여 태양 전지특성이 감소하는 스태블러 원스키 효과(Staebler-Wronski effect)라 불리는 열화현상이 발생하며 i층의 두께와 물성에 따라 최대 20 내지 60%까지 태양 전지특성이 감소한다. 이는 라이트 소우킹(light-soaking)에 의해 i층 내부의 불포화 결합 밀도가 증가하고 내부 전기장이 감소하여 빛에 의해 발생된 전자-정공쌍의 재결합이 가속화되기 때문인 것으로 알려져 있다.
도 5는 일반적인 결정질 태양 전지와 실리콘 박막 태양 전지를 통상의 외부조건하에서 장기간 두었을 때의 출력경향을 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 시간이 지날수록 실리콘 박막 태양 전지가 결정질 태양 전지에 비해 열화가 크게 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이는 초기에 급격한 열화가 일어나는 실리콘 박막 태양 전지의 고유 특성 때문이다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 실리콘 박막 태양 전지의 사용 온도를 통상의 온도보다 높게 유지할 경우 열화를 감소시키고 장기간 사용 시 발전량을 개선할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 태양 전지의 후면 온도를 상승시켜 열화를 감소시킬 수 있도록 하기 위해 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 제 1 태양 전지와, 제 2 태양 전지와, 상기 제 2 태양 전지와 전기적으로 접속되어 상기 제 1 태양 전지 및 상기 제 2 태양 전지의 일면에 위치하는 발열층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공한다.
여기서, 상기 제 1 태양 전지와 상기 제 2 태양 전지는 일체로 형성될 수 있다.
상기 발열층은 열선을 포함할 수 있다. 상기 제 1 태양 전지와 상기 제 2 태양 전지의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 온도 센서에서 측정된 온도에 따라 상기 발열층으로 공급되는 전기를 조절하는 제어부를 포함한다.
상기 제 1 태양 전지와 상기 제 2 태양 전지는 유리 기판과, 상기 유리 기판의 하면에 형성된 투명 전도막과, 상기 투명 전도막의 하면에 형성된 비정질 실리콘 박막과, 상기 비정질 실리콘 박막의 하면에 형성된 후면 전극을 포함한다. 상기 비정질 실리콘 박막은 a-Si:H를 포함한다. 상기 비정질 실리콘 박막층은 μc-Si:H를 포함한다. 상기 비정질 실리콘 박막층은 p-i-n층 또는 n-i-p층 구조로 이루어진다. 상기 후면 전극은 알루미늄 또는 은을 포함한다. 상기 투명 전도막은 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 플루오린 도핑 산화주석(Fluorine-doped Tin Oxide, FTO)을 포함한다. 상기 발열층은 상기 비정질 실리콘 박막과 상기 후면 전극 사이에 형성된다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 발열층은 상기 후면 전극의 하면에 구비될 수도 있다.
본 발명은 태양 전지의 일부 태양 전지 셀 라인에서 자체 생산되는 전기로 발열층을 가열하여 태양 전지 후면의 온도를 상승시켜 열화를 감소시키고, 열화에 따른 손상 및 오작동을 방지할 수 있는 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 사시도이다.
도 2는 도 1의 선 A-A'에서 취한 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 단면도이다.
도 5는 결정질 실리콘 태양 전지와 비정질 박막 실리콘 태양 전지의 시간에 따른 열화 특성을 비교한 그래프이다.
도 2는 도 1의 선 A-A'에서 취한 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 단면도이다.
도 5는 결정질 실리콘 태양 전지와 비정질 박막 실리콘 태양 전지의 시간에 따른 열화 특성을 비교한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 실시예들은 예시적인 것이다. 도면 상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 사시도이고, 도 2는 도 1의 선 A-A'에서 취한 개략 단면도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양 전지(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 각각 다수의 태양 전지 셀 라인(CL)을 구비하는 제 1 태양 전지부(100a) 및 제 2 태양 전지부(100b)를 포함한다. 또한, 제 1 태양 전지부(100a) 및 제 2 태양 전지부(100b)는 각각 발열층(150)을 포함한다.
제 1 태양 전지부(100a) 및 제 2 태양 전지부(100b)는 도 2에 도시된 바와 같이, 유리 기판(110)과, 유리 기판(110)의 하면에 형성된 투명 전도막(120)과, 투명 전도막(120)의 하면에 형성된 비정질 실리콘 박막(130)과, 비정질 실리콘 박막(130)의 하면에 형성된 후면 전극(140)을 포함한다. 유리 기판(110)의 하면에 형성된 투명 전도막(120), 비정질 실리콘 박막(130)은 서로 분리되어 있어 다수의 태양 전지 셀 라인이 형성되며, 태양 전지 셀 라인들은 후면 전극(140)에 의해 전기적으로 접속된다. 즉 제 1 태양 전지부(100a)와 제 2 태양 전지부(100a)는 각각이 다수의 태양 전지 셀 라인을 포함한다.
유리 기판(110)은 비정질 실리콘 박막(130)이 증착되는 기반으로서, 유리 기판(110) 하면에는 투명 전도막(Transparent Conducting Oxides, TCO; 120)이 형성된다. 투명 전도막(120)은 광의 흡수가 적어 대부분의 광이 물질을 투과할 수 있도록 에너지 밴드갭 폭이 넓으면서도 전기를 잘 흘려 줄 수 있도록 도핑된 산화물 기반의 전도막이다. 이러한 투명 전도막(120)은 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 플루오린 도핑 산화주석(Fluorine-doped Tin Oxide, FTO)과 같은 투명한 도전물질로 형성된다.
비정질 실리콘 박막(130)은 유리 기판(110)을 통해 입사되는 태양광을 이용하여 전기를 생성하기 위한 것으로서, 수소 도핑된 비정질 실리콘(a-Si:H) 또는 미세결정 실리콘(μc-Si:H)으로 형성된다. 이러한 비정질 실리콘 박막(130)의 구조를 살펴보면, 유리 기판(110)의 하면에 차례로 증착되는 p층(132), i층(134) 및 n층(136)으로 구성된다. 이 중에서 i층(134)은 pi 및 ni계면에서 스페이스 차지(space-charge) 밀도가 증가하여 비정질 실리콘 박막(120) 내부에서 전기장이 감소하는 것을 방지하기 위해 200 내지 500㎚의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
후면전극(140)은 투명 전도막(120)과 함께 비정질 실리콘 박막(130)에서 생산된 전기를 외부로 공급하기 위한 것으로서, 금속 재질로 이루어질 수 있다. 금속으로는 일반적으로 (Ag) 또는 알루미늄(Al) 등이 널리 사용된다.
발열층(150)은 태양 전지(100)의 후면을 가열하기 위한 것으로서, 본 실시예에서는 비정질 실리콘 박막(130)과 후면 전극(140) 사이에 개재된다. 발열층(150)은 전기를 공급할 경우 열을 발생시키는 재료 또는 소자 및 구조일 수 있다. 일례로, 발열층(150)은 열선을 포함할 수 있다. 발열층(150) 형성은 다양한 방법으로 이루어질 수 있으며, 특히 한정되지 않는다.
이때, 본 실시예에서 발열층(150)은 제 1 태양 전지부(100a)에서 생산되는 전기를 공급받아 열을 발생시킨다. 본 실시예는 상기 제 1 태양 전지부(100a)와 제 2 태양 전지부(100b)가 하나의 태양 전지에서 영역 구분에 의해 구분된 것이며, 제 1 및 제 2 태양 전지부(100a, 100b)에 구비된 발열층(150)을 발열시키기 위해 제 1 태양 전지부(100a)에서 생산되는 전기를 이용한다. 즉, 발열층(150)은 태양 전지(100)에 구비된 다수의 태양 전지 셀 중 제 1 태양 전지부(100a)에 위치된 일부의 태양 전지 셀 라인에서 배선을 별도로 우회시켜 발열층(150)에 공급한다.
한편, 상술한 후면 전극(140)에는 온도센서(160)가 추가로 설치될 수 있다. 온도센서(160)는 태양 전지(100)의 후면 온도를 측정하기 위한 수단이다. 온도센서(160)를 이용하여 태양 전지(100)의 온도를 측정하고, 측정된 온도에 따라 제어부(미도시)를 통해 발열층(150)으로 공급되는 전기를 조절할 경우 태양 전지(100)의 후면 온도를 제어할 수 있다.
다음은 분리된 두 영역의 태양 전지를 이용한 본 발명의 제 2 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 후술할 내용 중 전술된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 설명과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명하기로 한다.
도 3의 제 2 실시예에 따른 태양 전지(100)는 제 1 태양 전지(100a)와, 제 2 태양 전지(100b)와, 발열층(150)을 포함한다.
제 1 태양 전지(100a)는 발열층(150)에 전원을 공급하기 위한 것으로서, 전술된 본 발명의 제 1 실시예와 동일하게 유리기판(110)과, 유리기판(110)의 하면에 형성되는 투명전도막(120)과, 투명전도막(120)의 하면에 형성되는 비정질 실리콘 박막(130)과, 비정질 실리콘 박막(130)의 하면에 형성되는 후면전극(140)을 포함한다. 이때, 본 실시예에서는 제 2 태양 전지(100b) 역시 제 1 태양 전지(100a)와 동일한 구조로 제작되며, 제 1 태양 전지(100a)와 제 2 태양 전지(100b)는 물리적으로 완전히 분리되어 있다.
발열층(150)은 전술된 실시예들과 동일하게 제 1 태양 전지(100a)에서 인가된 전원으로 열을 생성하기 위한 것으로서, 제 1 태양 전지(100a)의 후면에 구비된다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 발열층(150)은 제 1 태양 전지(100a)와 제 2 태양 전지(100b)의 후면에 모두 구비될 수도 있다.
한편, 발열층의 위치는 특히 한정되지 않는데, 예를 들어 이하 설명하는 제 3 실시예는 발열층(150)이 후면 전극(140)보다 아래에, 즉 후면 전극(140)의 후면에 설치되는 경우이다.
도 4는 발열층이 후면 전극 아래에 위치하는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 단면도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양 전지(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 유리기판(110)과, 유리기판(110)의 하면에 형성되는 투명전도막(120)과, 투명전도막(120)의 하면에 형성되는 비정질 실리콘 박막(130)과, 비정질 실리콘 박막(130)의 하면에 형성되는 후면전극(140)과, 후면전극(140)의 하면에 형성되는 발열층(150)을 포함한다.
이때, 비정질 실리콘 박막(130)은 전술된 실시예들과 동일하게 비정질 실리콘(a-Si:H) 또는 미세결정 실리콘(μc-Si:H)으로 형성되며, 발열층(150)은 열선으로 이루어진 발열체일 수 있다. 또한, 후면전극(140)에 온도센서(160)가 설치될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 구조는 전술된 본 발명의 제 1 내지 제 2 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 실시예의 구조에서도 발열층은 후면 전극의 후면에 구비될 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 태양 전지 100a: 제 1 태양 전지
100b: 제 2 태양 전지 110: 유리기판
120: 투명전도막 130: 비정질 실리콘 박막
140: 후면전극 150: 발열층
160: 온도센서
100b: 제 2 태양 전지 110: 유리기판
120: 투명전도막 130: 비정질 실리콘 박막
140: 후면전극 150: 발열층
160: 온도센서
Claims (13)
- 제 1 태양 전지; 및
제 2 태양 전지로 이루어지며,
상기 제 1 태양 전지 및 상기 제 2 태양 전지의 후면에 위치하며, 상기 제 1 태양 전지와 전기적으로 접속되어 제1 태양 전지로부터 전원을 공급받아 열을 생성하는 발열층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 태양 전지와 상기 제 2 태양 전지가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 발열층이 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 태양 전지의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 4에 있어서,
상기 온도 센서에서 측정된 온도에 따라 상기 발열층으로 공급되는 전력을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제 1 태양 전지와 상기 제 2 태양 전지가,
유리 기판;
상기 유리 기판의 하면에 형성된 투명 전도막;
상기 투명 전도막의 하면에 형성된 비정질 실리콘 박막; 및
상기 비정질 실리콘 박막의 하면에 형성된 후면 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 6에 있어서,
상기 비정질 실리콘 박막이 a-Si:H를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 6에 있어서,
상기 비정질 실리콘 박막이 μc-Si:H를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 6에 있어서,
상기 비정질 실리콘 박막층이 p-i-n층 또는 n-i-p층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 6에 있어서,
상기 후면 전극이 알루미늄 또는 은으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 6에 있어서,
상기 투명 전도막이 ITO 또는 FTO로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 6에 있어서,
상기 발열층이 상기 비정질 실리콘 박막과 상기 후면 전극 사이에 형성된 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지. - 청구항 6에 있어서,
상기 발열층이 상기 후면 전극의 하면에 구비된 것을 특징으로 하는, 자체 전력으로 후면을 가열하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
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