KR101163917B1

KR101163917B1 - 태양 전지

Info

Publication number: KR101163917B1
Application number: KR20100106330A
Authority: KR
Inventors: 박진경; 김상곤; 이인재; 채경훈
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-07-09
Also published as: KR20120044820A

Abstract

제1 실시예에 따른 태양 전지는, 기판; 상기 기판에 형성되는 배면 전극; 상기 배면 전극에 형성되는 광전 변환부; 상기 광전 변환부에 형성되는 투명 전극; 및 상기 투명 전극에 형성되는 그리드(grid) 전극을 포함하고, 상기 그리드 전극이 메쉬(mesh) 형상을 갖는다.
제2 실시예에 따른 태양 전지는, 제1 기판; 상기 제1 기판에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 기판에 대향하여 배치되는 제2 기판; 상기 제2 기판에 형성되는 제2 전극; 상기 제2 전극에 형성되는 염료를 포함하는 다공질막; 상기 제1 전극과 제2 전극의 사이에 형성되는 전해질층을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나가 메쉬(mesh) 형상을 갖는다.

Description

태양 전지{SOLAR CELL}

본 기재는 태양 전지에 관한 것이다.

최근 에너지의 수요가 증가함에 따라 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

태양 전지는 실리콘계 태양 전지, 비실리콘계 태양 전지, 염료 감응 태양 전지 등으로 구분될 수 있다. 그리드(grid) 전극을 포함하는 실리콘계 태양 전지 또는 비실리콘계 태양 전지의 경우, 그리드 전극 간의 피치(pitch)가 2.5 mm 이상이 되어 높은 표면 저항을 가지고 이로 인해 전자의 이동도가 떨어져 낮은 효율을 보인다. 또한, 투명 전극 필름을 포함하는 염료 감응 태양 전지의 경우, 투명 전극 필름의 높은 저항으로 인해 전자 수집에 있어서 낮은 효율을 보인다.

한편, 최근에 외부에 적용되는 디스플레이 장치가 증가함에 따라, 디스플레이 장치에 적용함으로써 외부의 태양광 에너지를 이용하여 태양광 발전을 할 수 있고 디스플레이 장치의 전자파를 차폐할 수 있는 태양 전지가 요구되고 있다.

실시예는 전자 수집 능력을 극대화할 수 있고, 외부의 디스플레이 장치에 적용되었을 때 태양광 발전과 동시에 전자파를 차폐할 수 있는 태양 전지를 제공하고자 한다.

제1 실시예에 따른 태양 전지는, 기판; 상기 기판에 형성되는 배면 전극; 상기 배면 전극에 형성되는 광전 변환부; 상기 광전 변환부에 형성되는 투명 전극; 및 상기 투명 전극에 형성되는 그리드(grid) 전극을 포함하고, 상기 그리드 전극이 메쉬(mesh) 형상을 갖는다.

제2 실시예에 따른 태양 전지는, 제1 기판; 상기 제1 기판에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 기판에 대향하여 배치되는 제2 기판; 상기 제2 기판에 형성되는 제2 전극; 상기 제2 전극에 형성되는 염료를 포함하는 다공질막; 상기 제1 전극과 제2 전극의 사이에 형성되는 전해질층을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나가 메쉬(mesh) 형상을 갖는다.

실시예에 따른 태양 전지는, 실리콘계 태양 전지 또는 비실리콘계 태양 전지의 그리드(grid) 전극, 염료 감응 태양 전지의 투명 전극 필름을 메쉬 형상으로 하여 투과도를 높이고, 저항을 낮춰 전자 수집 능력을 극대화할 수 있다.

또한 이러한 태양 전지가 외부에 설치되는 디스플레이 장치에 적용되었을 때, 외부의 태양광 에너지를 이용하여 태양광 발전을 함과 동시에 전자파 차폐의 효과도 얻을 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 메쉬 형상을 나타낸 평면도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 4는 제3 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 5는 제4 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 6은 디스플레이 장치에 제1 실시예에 따른 태양 전지가 적용된 단면도이다.

실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 제1 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 태양 전지(100)는, 기판(10)과 이 기판(10) 위에 위치하는 배면 전극(20), 광전 변환부(30), 투명 전극(40), 메쉬(mesh) 형상을 갖는 그리드(grid) 전극(50)을 포함한다. 이를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

기판(10)은 플레이트 형상을 가지며, 이에 형성되는 배면 전극(20), 광전 변환부(30), 투명 전극(40), 그리드 전극(50)을 지지하는 역할을 한다. 일례로, 기판(10)은 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며 기판(10)은 철, 납, 코발트, 니켈, 구리 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.

이 기판(10) 위에 형성되는 배면 전극(20)은 높은 전기 전도도를 가지는 몰리브덴, 구리, 니켈, 알루미늄, 이들의 합금 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 배면 전극(20)은 스퍼터 등의 증착에 의해 형성될 수 있다.

이어서, 배면 전극(20)에 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환부(30)가 형성된다. 이러한 광전 변환부(30)는 도시하지 않았으나 광 흡수층, 버퍼층, 고저항 버퍼층 등을 포함할 수 있다.

광 흡수층은 그 소재에 따라 실리콘계 태양 전지, 비실리콘계 태양 전지로 구분된다.

비실리콘계 태양 전지의 경우 광 흡수층은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ족 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(33)이 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se₂, CIGS계) 화합물, 구리-인듐-셀레나이드계(CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CGS계) 화합물을 포함할 수 있다.

또는, 광 흡수층(33)이 Ⅱ-Ⅳ족 화합물 또는 Ⅲ-Ⅳ족 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(33)은 카드뮴(Cd)-텔루늄(Te) 화합물 또는 갈륨(Ga)-비소(As) 화합물을 포함할 수 있다.

이러한 광 흡수층에 버퍼층이 형성될 수 있는데, 버퍼층은 투명 전극(40)과의 격자 상수 차이 및 에너지 밴드갭 차이를 완화해주기 위한 층으로, 일례로 황화 카드뮴(CdS)으로 이루어질 수 있다.

버퍼층 위에 고저항 버퍼층이 형성될 수 있고, 고저항 버퍼층은 투명 전극(40) 형성 시 버퍼층이 손상되는 것을 방지하기 위하여 형성되는 층이다. 일례로, 고저항 버퍼층은 산화 아연(ZnO)로 이루어질 수 있다.

투명 전극(40)은 투명하여 광이 입사될 수 있으면서 전도성에 의해 전극으로 기능할 수 있는 투광성 전도성 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 투명 전극(40)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO)로 형성될 수 있다.

투명 전극(40)에 그리드 전극(50)이 형성된다. 그리드 전극(50)은 태양 전지(100)의 표면에서 전류를 수집하기 위한 것으로 알루미늄 또는 알루미늄과 니켈의 합금을 포함할 수 있다.

이러한 그리드 전극(50)은 메쉬(mesh)형상을 갖는다.

이하, 도 2를 참조하여 그리드 전극(50)의 메쉬 형상에 대해 상세하게 설명한다.

도 2는 실시예에 따른 메쉬 형상을 나타낸 평면도이고, 도 2의 (b)는 (a)의 한 부분을 확대하여 도시한 평면도이다.

그리드 전극(50)의 메쉬 형상은, 바이어스 각(bias angle)이 30 ^o 내지 70 ° 로 형성된다. 바이어스 각이 이 범위를 벗어날 경우 무아레(moire)현상이 발생되기 쉽다. 무아레 현상이란, 주기적인 줄무늬가 겹쳐져서 생기는 무늬로, 이웃한 줄무늬들이 겹쳐지면서 줄무늬의 굵기가 굵어져 다른 줄무늬에 비해 도드라져 보이는 현상이다.

이어서, 메쉬의 피치(pitch)가 100 ㎛ 내지 400 ㎛ 로 형성된다. 이러한 임계적 특성을 갖는 피치는 태양 전지 효율과 관련이 있는데 이하 태양 전지 효율과 관련된 인자들에 대해서 먼저 살펴본다.

태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 출력전류전압곡선을 측정함으로써 평가되고, 이 곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp가 최대가 되는 점을 최대출력 Pm이라 부르고, 상기 Pm을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈값을 변환효율 η로 정의한다. 태양전지의 효율 η 은 단락 전류 밀도(Jsc, 전류전압곡선 상에서 V=0일 때의 출력전류), 개방전압(Voc, 전류전압곡선상에서 I=0일 때의 출력전압), 출력전류전압곡선의 각형에 가까운 정도를 나타내는 곡선 인자(Fill Factor, FF)에 의해 결정된다. 여기서, 곡선 인자는 그 값이 1(100%)에 가까울수록 출력전류전압곡선이 이상적인 각형에 근접하게 되고, 변환효율 η도 높아지게 된다. 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 단락 전류 밀도 또는 개방전압을 높이고, 곡선 인자는1(100%)에 근접시켜야 한다.

메쉬의 피치가 100 ㎛ 이하일 경우 개구율 및 광 투과율이 감소할 수 있다. 또한, 이로 인해 태양 전지가 빛을 받는 광 수광면적 감소로 곡선 인자 특성이 저하되고 이는 효율의 감소로 이어진다. 피치가 400 ㎛ 이상일 경우 수광면적은 증가되지만 전자가 수집되기 위한 이동 거리가 증가됨에 따라 단락 전류 밀도 및 곡선 인자 특성이 감소되고 이에 따라 태양 전지의 효율이 감소된다.

메쉬의 선폭은 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 로 형성될 수 있다. 선폭이 10 ㎛ 이하일 경우 선저항이 증가할 수 있다. 선폭이 50 ㎛ 이상일 경우 개구율 및 수광면적이 감소하고 이에 따라 태양 전지의 효율이 감소된다.

또한, 메쉬의 두께는 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 가 될 수 있다.

그리드 전극(50)이 이러한 메쉬 규격을 모두 만족시킬 경우 광학적으로 무아레 현상을 최소화할 수 있고, 그리드 전극(50)의 미세화에 따라 미관상 유리하다. 따라서, 건물의 외벽 또는 도로방음벽에 설치되어 태양광을 수집하고 전기를 생산할 수 있는 비아이피브이(building integrated photovoltaic, BIPV)에도 적용이 가능하다. 또한, 앞서 보았듯이 메쉬 형태의 그리드 전극(50)을 통해 태양 전지의 효율을 극대화할 수 있고 후술할 디스플레이 장치에 적용되었을 때 전자파 차폐 효과도 얻을 수 있다.

이러한 그리드 전극(50)은 전기 전도도를 가지는 금속 재료를 포함할 수 있다. 일례로, 은, 알루미늄 등이 될 수 있다.

메쉬 형상을 갖는 그리드 전극(50)은 포토리소그래피(photo lithography), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(ink jet printing), 오프셋(off set) 공정, 롤투롤(roll to roll) 공정 등의 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 그러나, 가장 미세한 메쉬 형상을 갖기 위해서는 포토리소그래피 방법이 바람직하다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 제2 실시예 내지 제4 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위하여 제1 실시예와 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 서로 다른 부분만을 상세하게 설명한다.

도 3은 제2 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이고, 도 4는 제3 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이며, 도 5는 제4 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.

제2 실시예 내지 제4 실시예에 따른 태양 전지는, 전면에 형성되는 그리드 전극이 필요 없는 염료 감응 태양 전지이다.

도 3을 참조하면, 제1 기판(110)에 제1 전극(210a)이 형성되고, 제1 기판(110)에 대향하여 배치되는 제2 기판(120)에 제2 전극(220a)이 형성된다. 이러한 제2 전극(220a)에 염료(320)를 포함하는 다공질막(310)이 형성되고, 제1 전극(210a)과 제2 전극(220a)의 사이에 전해질층(400)이 형성된다.

제1 및 제2 기판(110, 120)은 제1 및 제2 전극(210a, 220a)을 지지할 수 있는 투명 플라스틱 또는 유리 등으로 형성될 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니므로, 본 실시예에 따른 태양 전지에 적용될 수 있는 다양한 물질로 형성될 수 있다.

제1 및 제2 전극(210a, 220a)은, 금속 재료, 투명 전도성 박막, 산화주석막(fluorine doped tin oxide, FTO), 전도성 고분자, 탄소 나노 튜브(carbon nano tube, CNT)로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 한편, 제1 전극(210a)의 상부에 백금(Pt), 카본블랙(Carbon black), 흑연(C) 등이 형성된 형태로 이용되는 것도 가능하다.

특히, 제1 전극(210a)이 메쉬 형상으로 형성될 수 있다. 이로써 기존의 전극과 달리 낮은 표면저항을 가지기 때문에 전자 수집이 용이하고 효율을 극대화할 수 있다.

이어서, 제2 전극(220a)에 염료(320)를 포함하는 다공질막(310)이 적층되어 형성된다. 다공질막(310)은 소정 직경의 입자를 갖는 전이금속 산화물을 포함한다. 일례로, 이산화티타늄, 이산화주석, 산화아연, 산화나오븀, 산화마그네슘, 산화인듐, 산화지르코늄, 티탄산스트론튬 및 티탄산바륨 등의 물질 중 어느 하나의 물질 또는 이들 물질의 혼합물이 될 수 있다.

염료(320)는 태양광의 흡광효율이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 알루미늄, 백금, 이리듐, 루비듐, 팔라듐 및 납 등의 금속 복합체 형태의 화합물 염료 또는 금속 원소가 포함되지 않은 유기 염료 등을 포함할 수 있다.

제1 및 제2 전극(210a, 220a) 사이에는 산화, 환원반응이 일어나는 전해질층(400)이 형성된다. 전해질층(400)은 산화, 환원반응을 통해, 제2 전극(220a)으로부터 외부 회로(도시하지 않음, 이하 동일)로 전달된 전자가 제1 전극(210a)을 통해 다시 전달되면, 그 전자가 다공질막(310) 및 염료(320)에 다시 전달되도록 하는 역할을 한다.

이러한 전해질층(400)은 일정 공간에 균일하게 분산되어 형성된다. 전해질층(400)은 다공질막(310)간의 표면에너지를 고려하여, 다양한 점성을 갖는 전해질이 선택적으로 이용될 수 있다.

마지막으로, 제1 및 제2 기판(110, 120)을 서로 합착하는 역할을 하는 접착제(500)가 형성될 수 있다. 접착제(500)는 제1 및 제2 기판(110, 120)이 일정 간격을 유지하도록 하여, 전해질층(400)이 그 내부 공간에 균일하게 분산될 수 있도록 한다. 이러한 접착제(500)는 열가소성 고분자 필름, 에폭시 수지, 자외선 경화제 등의 물질을 이용하여 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 제3 실시예에 따른 태양 전지(300)는 제2 전극(220b)이 메쉬 형상을 갖는다. 메쉬로 형성된 제2 전극(220b)의 산란효과를 통해 태양광의 흡수율을 높여 태양 전지의 효율을 극대화 할 수 있다. 따라서 제2 전극(220b)이 우수한 산란효과를 보이기 위해서는 반사특성이 높은 금속 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니므로 앞서 설명한 모든 재료를 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 제4 실시예에 따른 태양 전지(400)는 제1 및 제2 전극(210c, 220c) 모두가 메쉬 형상으로 형성된다. 그 효과는 상술한 바와 같다.

이하, 도 6을 참조하여 디스플레이 장치에 적용된 태양 전지에 대해 상세하게 설명한다,

도 6은 디스플레이 장치에 제1 실시예에 따른 태양 전지가 적용된 단면도이다.

디스플레이 장치(60)는 가스 방전에 의한 자외선이 형광체를 여기시켜 알지비(red, green, blue, RGB)색을 구현한다. 이러한 디스플레이 장치(60)는 가스 방전을 위해 양 전극 사이에서 고전압을 발생시켜야 하므로, 그 장치적인 구동 특성상, 많은 전자파가 방출되는 문제점이 있다. 전자파는 인체에 유해한 영향을 끼칠 수 있으며, 다른 제품의 리모컨의 오작동을 유발시킬 수 있다. 따라서 전자파를 차폐하는 이엠아이 필터(electromagnetic interference filter, EMI filter)가 사용된다.

최근에 외부에 적용되는 디스플레이 장치가 증가함에 따라, 제1 실시예에 따른 태양 전지(100)를 디스플레이 장치(60)에 적용함으로써 메쉬 형상의 전극을 통한 고효율의 태양광 발전을 할 수 있다. 또한 이러한 제1 실시예에 따른 태양 전지(100)를 통해 이엠아이 필터를 따로 사용하지 않아도 디스플레이 장치의 전자파를 차폐할 수 있다.

도 6에서는 제1 실시예에 따른 태양 전지(100)가 디스플레이 장치(60)에 적용된 것만을 도시하였으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 제2 실시예, 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 태양 전지(200, 300, 400)를 디스플레이 장치(60)에 부착하여 사용할 수 있다.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 기판
20: 배면 전극
30: 광전 변환부
40: 투명 전극
50: 그리드 전극
110: 제1 기판
120: 제2 기판
210a, 210b, 210c: 제1 전극
220a, 220b, 220c: 제2 전극
310: 다공질막
320: 염료
400: 전해질층

Claims

기판;
상기 기판에 형성되는 배면 전극;
상기 배면 전극에 형성되는 광전 변환부;
상기 광전 변환부에 형성되는 투명 전극; 및
상기 투명 전극에 형성되는 그리드(grid) 전극을 포함하고, 상기 그리드 전극이 메쉬(mesh) 형상을 갖고,
상기 그리드 전극의 메쉬 형상은, 바이어스 각(bias angle)이 30 ^o 내지 70 ° 인 태양 전지.
삭제
제1항에 있어서,
상기 그리드 전극의 메쉬 형상은, 피치(pitch)가 100 ㎛ 내지 400 ㎛ 인 태양 전지.
제3항에 있어서,
상기 그리드 전극의 메쉬 형상은, 선폭이 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 태양 전지.
제4항에 있어서,
상기 그리드 전극의 메쉬 형상은, 두께가 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 태양 전지.
제5항에 있어서,
상기 그리드 전극은 금속 재료로 이루어진 군에서 선택된 물질을 적어도 하나 포함하는 태양 전지.
제6항에 있어서,
상기 태양 전지가 디스플레이 장치에 부착되는 태양 전지.
제1 기판;
상기 제1 기판에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 기판에 대향하여 배치되는 제2 기판;
상기 제2 기판에 형성되는 제2 전극;
상기 제2 전극에 형성되는 염료를 포함하는 다공질막;
상기 제1 전극과 제2 전극의 사이에 형성되는 전해질층을 포함하고,
상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나가 메쉬(mesh) 형상을 갖고,
상기 메쉬 형상은, 바이어스 각(bias angle)이 30 ^o 내지 70 °인 태양 전지.
삭제
제8항에 있어서,
상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나의 메쉬 형상은, 피치(pitch)가 100 ㎛ 내지 400 ㎛ 인 태양 전지.
제10항에 있어서,
상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나의 메쉬 형상은, 선폭이 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 태양 전지.
제11항에 있어서,
상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나의 메쉬 형상은, 두께가 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 태양 전지.
제12항에 있어서,
상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 금속 재료, 투명 전도성 박막, 산화주석막(fluorine doped tin oxide, FTO), 전도성 고분자, 탄소 나노 튜브(carbon nano tube, CNT)로 이루어진 군에서 선택된 물질을 적어도 하나 포함하는 태양 전지.
제13항에 있어서,
상기 태양 전지가 디스플레이 장치에 부착되는 태양 전지.