KR101210043B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 내부에 홀이 형성된 금속층; 상기 금속층의 주위에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층의 주위에 배치되는 투명 전극층이 형성된 복수개의 셀;을 포함한다

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 전면전극층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
또한, p형층 및 n형층 등을 광 흡수층으로 사용하는 실리콘계 박막 태양전지도 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지에 있어서 낮은 저항, 높은 투과율 등의 전기적인 특성 및 광학적인 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
실시예는 신뢰성 및 광-전 변환효율이 향상된 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 내부에 홀이 형성된 금속층; 상기 금속층의 주위에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층의 주위에 배치되는 투명 전극층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 내부에 홀이 형성된 금속층의 주위에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층의 주위에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 내부에 홀이 형성된 금속층을 둘러싸는 광 흡수층 및 투명 전극층을 포함한다. 즉, 실시예에 따른 태양전지는 속이 비어 있는 원통형으로 형성될 수 있다. 이에 따라 태양전지 내부의 가열된 공기가 외부로 방출되고 상대적으로 저온의 공기가 다시 유입되므로 태양전지의 온도가 상승함에 따라 생산성이 감소하는 현상을 방지할 수 있다.
그리고 공기의 유/출입에 의한 대류현상에 의해 별도의 장치 없이도 실내공기를 순환시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 태양전지가 적용된 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 지지기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 지지기판, 층, 막, 또는 전극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 도면이다. 도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 금속층(100), 광 흡수층(200), 버퍼층(300), 투명 전극층(400) 및 보호층(500)을 포함한다.
상기 금속층(100)은 일 방향으로 길게 연장되는 형상을 가진다. 상기 금속층(100)은 도전체를 포함한다. 상기 금속층(100)을 따라서 전류가 흐를 수 있다.
상기 금속층(100)은 속이 비어있는 홀(150)을 포함할 수 있고, 내부가 비어있는 원통형으로 형성된다.
상기 금속층(100)의 내부에는 홀이 형성된 지지층을 포함할 수 있다. 상기 지지층은 유리(Glass) 또는 세라믹을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 지지층은 플렉서블하거나 리지드할 수 있다.
상기 금속층(100)의 단면은 원 또는 타원 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 금속층(100)의 외주면은 곡면일 수 있다.
이와는 다르게, 상기 금속층(100)의 단면은 다각형 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 금속층(100)의 외주면은 다수 개의 평면들로 구성될 수 있다.
상기 금속층(100)은 도전층이다. 상기 금속층(100)은 일반적인 금속을 사용할 수 있고, 표면에 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나를 코팅하여 형성될 수도 있다.
상기 금속층(100)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 금속층(100)의 주위에 광 흡수층(200)이 배치된다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(200)은 상기 금속층(100)을 둘러싼다. 즉, 상기 광 흡수층(200)은 상기 금속층(100)의 외주면에 형성된다.
상기 광 흡수층(200)은 상기 보호층(500) 및 상기 투명 전극층(400)을 통하여 입사되는 광을 흡수한다. 상기 광 흡수층(200)은 태양광을 입사받아, 광 전자를 형성시킬 수 있다. 즉, 상기 광 흡수층(200)은 태양광을 입사받아 전기 에너지를 생성시킬 수 있다.
상기 p형층(210)은 상기 금속층(100) 상에 배치되고, 더 자세하게 상기 금속층(100)을 둘러싸도록 외주면에 형성된다. 상기 광 흡수층(200)은 p형층(210) 및 n형층(220)을 포함할 수 있다.
상기 p형층(210)은 아몰퍼스 실리콘 또는 실리콘 카바이드에 p형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.
n형층(220)은 상기 p형층(210) 표면 상에 배치된다. 상기 n형층(220)으로 사용되는 물질은 n형 불순물이 도핑된 아몰퍼스 실리콘 또는 폴리 실리콘일 수 있다.
상기 n형층(220)은 버퍼층(300)과 동일한 역할을 할 수 있고, CdS, ZnS 또는 CdZnS등의 물질을 포함할 수도 있다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(200)은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(200)은 CIGS계 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(200)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있고 하나의 층으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(200)과 투명 전극층(400) 사이에는 버퍼층(300)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(200)과 투명 전극층(400)은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.
상기 버퍼층(300)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있으나 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다. CdS박막은 n형 반도체이며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑함으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다.
상기 버퍼층(300) 표면에는 투명 전극층(400)이 형성될 수 있다. 상기 투명 전극층(400)은 투명하며, 도전층으로 작용할 수 있다. 상기 투명 전극층(400)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 투명 전극층(400)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화물은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg) 또는 갈륨(Ga) 등의 도전성 불순물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 투명 전극층(400)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
상기 보호층(500)은 상기 투명 전극층(400)의 주위에 배치된다. 상기 보호층(500)은 상기 투명 전극층(400)의 외주면을 둘러싼다.
상기 보호층(500)은 투명하며, 절연층이다. 상기 보호층(500)으로 사용되는 물질의 예로서는 투명한 수지 등을 들 수 있다. 예를 들어, 상기 보호층(500)으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate;PET) 수지, 아크릴계 수지(acryl resin), 에폭시계 수지(epoxy resin), 염화비닐(polyvinylchloride;PVC) 수지 또는 폴리스티렌(polystyrene;PS) 수지 등을 들 수 있다.
상기 보호층(500)은 상기 투명 전극층(400) 및 상기 광 흡수층(200)을 외부의 물리적 충격 및 화학적 침식 등으로부터 보호한다.
도 3은 실시예에 따른 태양전지가 적용된 일 예를 나타내는 도면이다.
기존 태양전지의 경우, 태양전지의 열발생에 따라 전력 생산량이 감소할 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 다른 에너지를 이용하여 태양전지의 온도를 저하시키는 별도의 장치를 사용하였다. 그러나 이는 온도를 저하시키기 위한 별도의 장치가 필요하고, 에너지가 필요하다는 점에서 개선의 여지가 있다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 홀(150)을 포함하여 형성되므로, 태양전지 내부의 온도가 상승하게 되면 홀 내부의 공기 부피가 증가하게 되어 이에 따른 공기 밀도의 저하로 가열된 공기(50)가 상기 홀(150)을 통하여 상승하여 외부로 방출되게 된다.
그리고 공기순환통로(30)가 지하 1m 내지 2m의 깊이에 형성되어, 상대적으로 낮은 온도의 공기(40)가 상기 공기순환통로(30)를 통해 가정의 내부(20)로 유입될 수 있다. 상기 공기순환통로(30)를 통해 유입된 공기(40)는 대류(convection) 현상에 의해 상기 홀(150)의 내부로 유입될 수 있다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 다수 개의 태양전지 셀들(C1, C2...Cn)을 포함할 수 있다.
상기 다수 개의 태양전지 셀들(C1, C2...Cn)은 지면과 평행하거나 상기 지면과 20˚이하의 기울기를 갖는 패턴(550)에 의해 분리될 수 있다. 상기 패턴이 지면과 수직으로 형성되는 경우, 일부의 셀 전체가 태양 빛에 의해 가려질 수 있기 때문에 효율이 급격히 감소할 수 있으므로 상기 패턴은 지면과 평행하게 형성하는 것이 바람직하다.
상기 다수 개의 태양전지들(C1, C2...Cn)은 직렬 및/또는 병렬 연결이 혼합되어, 서로 연결될 수 있다.
실시예에 따른 태양전지에 의하면, 상기 낮은 온도의 공기(40)가 상기 태양전지의 홀(150)로 유입되므로, 별도의 장치없이 태양전지의 온도를 저하시킬 수 있다. 이에 따라 태양전지의 온도상승에 의한 생산능력의 저하를 방지할 수 있다.
그리고, 상기 원통형으로 형성된 태양전지에서 발생되는 전력을 이용하여 상기 태양전지 상부에 팬(Fan)등의 공기순환장치를 설치하여, 대류현상에 의해 실내 공기를 원활하게 환기시킬 수 있다.
도 4 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.
도 4를 참조하면, 내부에 홀(150)이 형성된 금속층(100)의 외주면에 광 흡수층(200)이 형성된다. 상기 광 흡수층(200)은 화학 기상 증착 공정 또는 물리 기상 증착 공정 등과 같은 증착 공정에 의해서 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(200)은 상기 금속층(100)의 외주면에 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 화합물이 증착되어 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(200)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 금속층(100)의 외주면에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층으로 전환될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층이 형성될 수 있다.
또는 상기 금속층(100)은 연장되는 방향을 회전축으로 회전될 수 있다. 이에 따라, 금속층(100)의 외주면에는 상기 광 흡수층(200)이 균일하게 형성될 수 있다.
특히, 상기 광 흡수층(200)이 물리 기상 증착 공정으로 형성되는 경우, 상기 광 흡수층(200)을 형성하기 위한 물질은 일 방향으로 증착된다. 이때, 상기 금속층(100)을 회전시킴에 따라서, 상기 금속층(100)의 외주면에는 상기 광 흡수층(200)이 균일한 두께로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 광 흡수층(200)의 외주면에 버퍼층(300) 및 투명 전극층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(300) 및 투명 전극층(400)은 스퍼터링 공정에 의해서 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 투명 전극층(400)의 외주면에 보호층(500)이 형성된다. 상기 보호층(500)을 형성하기 위해서, 상기 투명 전극층(400)의 외주면에 수지 조성물이 코팅되고, 상기 코팅된 수지 조성물은 열 또는 광에 의해서 경화될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 보호층(500)은 열 가소성 수지 등에 의해서 형성될 수 있다. 즉, 상기 보호층(500)은 열 가소성 수지 등을 사용하는 사출 공정 등에 의해서 형성될 수 있다.
이상에서 실시예들에 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 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 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, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 내부에 홀이 형성된 금속층;
    상기 금속층의 주위에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층의 주위에 배치되는 투명 전극층이 형성된 복수개의 셀; 및,
    상기 홀의 내부에 공기순환장치;를 포함하는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층의 내부에 홀이 형성된 지지층;을 포함하는 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지층은 유리(Glass) 또는 세라믹을 포함하여 형성되는 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층의 표면에 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나를 코팅하여 형성되는 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 흡수층은 p형층 및 n형층을 포함하는 태양전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 n형층은 CdS, ZnS 또는 CdZnS의 물질을 포함하여 형성되는 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 흡수층과 투명 전극층 사이에 형성되는 버퍼층을 포함하는 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극층을 둘러싸는 보호층을 포함하는 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 원통형으로 형성되는 태양전지.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 셀은 지면과 20˚이하의 기울기를 갖는 패턴에 의해 분리되는 태양전지.
  12. 내부에 홀이 형성된 금속층의 주위에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층의 주위에 투명 전극층을 형성하는 단계; 및,
    상기 홀의 내부에 공기순환장치를 형성하는 단계:를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서,
    상기 금속층의 길이 방향을 축으로 회전하면서, 상기 금속층의 표면에 반도체 물질을 증착하는 태양전지 제조방법.
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