KR101218931B1

KR101218931B1 - 기둥형 태양전지를 포함하는 3차원 태양전지 모듈

Info

Publication number: KR101218931B1
Application number: KR1020110033133A
Authority: KR
Inventors: 남재도; 이준호
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2013-01-21
Also published as: KR20120115681A

Abstract

본 발명은 기둥형 태양전지를 포함하는 3차원 태양전지 모듈을 제공한다. 상기 태양전지 모듈을 기둥형상의 태양전지; 및 상기 태양전지가 복수개로 배치된 지지기판을 포함하며, 상기 태양전지들은 상기 태양전지의 축방향과 상기 지지기판의 수평방향이 0 내지 90° 의 각도 범위에서 서로 다른 두 각을 포함하도록 배치되는 태양전지 모듈을 포함한다. 따라서 이러한 기둥형 태양전지를 지지기판상에 수직 및 0 내지 90° 각도로 배열함으로서 지지기판의 수평면적당 태양광이 비춰지는 표면적을 기존의 평면구조보다 현격히 증가시킨다. 나아가, 기둥형 태양전지는 평면형 태양전지에 비해 일조시간 동안 태양광이 비춰지는 각도에 따라 변화되는 수광면적의 차이를 최소화할 수 있으므로 태양광의 위치에 따라 태양전지 모듈을 이동시킬 필요가 없다.

Description

기둥형 태양전지를 포함하는 3차원 태양전지 모듈{3-dimensional solar cell module comprising the pillar-type solar cell}

본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기둥형 태양전지를 포함하는 3차원 태양전지 모듈에 관한 것이다.

최근 석유, 석탄을 비롯한 기존 에너지원의 가격상승과 지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소 배출 규제 등과 같은 에너지, 환경문제가 전 세계적인 문제로 부각됨에 따라 가장 유망한 재생에너지 기술의 하나로 태양전지가 주목 받고 있다.

태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 그 구성 물질에 따라 실리콘 또는 화합물 반도체 기반의 무기물 태양전지(inorganic solar cell), 유기물 태양전지(organic solar cell) 및 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell)로 구분할 수 있다.

이러한 태양전지는 필요에 따라 직ㆍ병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광 모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array)형태로 구성하여 설치하게 된다.

태양광 발전 시스템에서 일반적으로 사용되는 태양전지 모듈은 2차원 평판 모듈이며, 수광량은 이러한 모듈의 면적에 비례한다. 따라서, 발전량을 증가시키기 위해서는 모듈의 면적을 늘리는 것이 필요하다. 그러나, 모듈의 수평면적을 늘리는 것은 설치 공간의 한계로 인해 일정한 제약이 따르며, 태양광 발전 시스템의 설치 비용 및 유지ㆍ관리 비용은 모듈의 면적에 비례하여 증가하므로 발전단가를 높이는 요인으로 작용하게 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양전지 모듈의 수평면적 대비 태양전지가 태양광을 받는 표면적을 넓힘으로써, 발전효율이 향상된 태양전지 모듈을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 기둥형상의 태양전지; 및 상기 태양전지가 복수개로 배치된 지지기판을 포함하며, 상기 태양전지들은 상기 태양전지들의 축과 상기 지지기판의 면이 이루는 각도가 0° 내지 90°(0°및 90°는 제외)에서 선택되는 적어도 어느 하나의 각을 이루도록 배치되는 태양전지 모듈을 제공한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 기둥형상의 태양전지 및 상기 태양전지가 복수개로 배치된 지지기판을 포함하며, 상기 태양전지들은 상기 태양전지들의 축이 상기 지지기판의 면에 수직배향 되도록 배치되는 태양전지 모듈을 제공한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 복수개의 기둥형 태양전지를 지지기판 상에 배치한 3차원 구조의 태양전지 모듈을 제공함으로써, 지지기판의 수평면적 대비 태양광을 받는 표면적(수광면적)을 크게 넓힐 수 있다. 또한 기둥형 태양전지는 평면형 태양전지에 비해 일조시간 동안 태양광이 비춰지는 각도에 따라 변화되는 수광면적의 차이를 최소화할 수 있으므로 태양광의 위치에 따라 태양전지 모듈을 이동시킬 필요가 없다. 또한 기둥형 태양전지의 축과 지지기판의 면이 이루는 각도를 변화시켜 태양전지와 지지기판을 결합시키거나, 볼록형상의 지지기판 상에 기둥형상의 태양전지를 배치하는 방법으로 태양전지 모듈의 수평면적 대비 태양광을 받는 표면적을 넓힘으로써 수광효율을 증가시킬 수 있다.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 기둥형 태양전지의 일 실시예에 따른 태양전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개략도이다.
도 3는 도 2의 태양전지 모듈을 절단선 A-A´로 절단한 단면도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개략도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개략도이다.
도 6은 도 5의 태양전지 모듈을 절단선 B-B´로 절단한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

실시예

도 1은 기둥형상의 태양전지의 일 실시예에 따른 태양전지를 나타낸 사시도이다.

도 1을 참조하면, 기둥형상의 제1 전극(110), 상기 제1 전극(110)의 외주면에 위치하는 광전 변환층(120) 및 상기 광전 변환층(120)의 외주면에 위치하는 제2 전극(130)을 포함하는 기둥형 태양전지(100)를 제공한다.

도 1에 도시된 기둥형 태양전지(100)는 원기둥 형상을 나타내고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 타원기둥 및 다각기둥 등의 다양한 기둥 형상으로 구현될 수 있다.

상기 제1 전극(100)은 금속와이어를 포함할 수 있으며, 예를 들어 Mo, Ni, Au, Cu, Al, Ca, Mg, Pt 또는 이들의 합금 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는 알루미늄 와이어 또는 구리 와이어를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 알루미늄 와이어를 포함할 수 있다.

상기 광전 변환층(120)은 p-n 접합 무기 반도체층, p-n 접합 유기 반도체층, 또는 전해질을 함유하고 염료가 흡착된 다공성 금속 산화물층을 포함할 수 있다.

상기 p-n 접합 무기 반도체층은 실리콘층, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체층, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체층 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 예로서, a-Si, CIS, CdTe 또는 GaAs일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다. n형 반도체 물질과 p형 반도체 물질을 접합하여 태양전지를 제조하며, n형 반도체는 전자가, p형 반도체는 정공이 전하 운반체 역할을 한다.

상기 p-n 접합 유기 반도체층은 전자 주개 유기물과 전자 받개 유기물의 2중층 또는 벌크 헤테로접합층을 포함할 수 있다. 일 예로서, 전자 주개 유기물과 전자 받개 유기물은 MEH-PPV(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene)/CN-PPV(Poly(2,5-hexyloxy-1,4-phenylene cyanovinylene)), P3HT(poly(3-hexylthiopene-2,5-diyl)/PCBM(1-(3-methoxylcarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C61), P3HT(poly(3-hexylthiopene-2,5-diyl)/CdSe 나노입자 또는 MDMO-PPV(poly-[2-(3,7-dimethyloctyloxy)-5-methyloxy]-p-phenylene vinylene)/ZnO 나노입자일 수 있다. 다만 이에 한정되지는 않는다. 전자주개특성과 전자받개 특성을 갖는 유기물로 구성되어 있어, 빛을 흡수하면서 전자-양공쌍을 생성하고 전자-양공쌍은 전자주개-받개 계면으로 이동하여 전하가 분리되고 전자는 전자받개로 양공은 전자주개로 이동하여 전류를 발생한다.

또한, 상기 p-n 접합 유기 반도체층과 제2 전극 사이에 정공 이송층을 더 포함할 수 있다. 정공 이송층으로 PEDOT:PSS일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다. 유기 반도체층과 양극간에 금속-반도체 쇼트키 컨택(Schotty contact)처럼 에너지 장벽이 발생되는데, 정공 이송층은 그 사이에서 장벽간의 버퍼층으로 역할을 하여 정공 이송을 용이하게 한다

상기 전해질을 함유하고 염료가 흡착된 다공성 금속 산화물층은 TiO₂, SnO₂, ZnO, Nb₂O₅일 수 있다. 상기 전해질은 고분자 전해질용 소재일 수 있다. 일 예로서, polyacrylonitrile(PAN)계, 아크릴-이온성액체 조합, pyridine, PEO(poly(ethyleneoxide)), PVDF(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene))일 수 있다. 상기 염료는 루테늄계 유기금속화합물, 유기화합물 그리고 InP, CdSe 등의 양자점 무기화합물일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다. 이 경우, 표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n형 나노입자 반도체 산화물 전극이 빛을 흡수하면 염료분자는 전자-양공쌍을 생성하고, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입되며, 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노 입자간 계면을 통하여 투명 전도성 막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다.

상기 제2 전극(130)은 투명한 도전성 재질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 FTO(fluorine doped tin oxide), ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO, AZO(Al-doped Zinc Oxide), SnO₂ 및 Mo으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.

제조예

이하에서는 원기둥형 태양전지의 일 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 방법에 대하여 기술한다. 다만 이에 한정되지는 않는다.

먼저, 알루미늄 와이어의 세정 및 표면처리를 수행한다. 알루미늄 와이어의 크기 및 지름은 다양한 사이즈로 가능하며, 본원에서는 이들에 대해 한정하지 않는다. 처음 구입 당시 알루미늄옥사이드로 코팅되어 있으며 또한 금속 및 유기물질의 불순물이 함유되어 있다. 일정한 크기로 잘라진 알루미늄 와이어를 하이드라진, 소듐설페이트, 소듐보로하이드라이드의 일종 혹은 이종 이상의 다양한 환원제 50 ml 바이얼에 넣고 초음파 세척을 1 내지 3시간 동안 수행한다. 그 후 오븐 60℃ 에서 완전히 건조시킨 후 상압플라즈마 공정을 1분간 수행하여 표면처리를 수행한다. 이렇게 표면처리된 알루미늄 와이어들을 고정시키기 위해 다양한 크기를 갖는 평판형 실리콘 고무에 알루미늄 와이어를 고정시킨다.

상기 알루미늄 와이어에 광활성층 및 정공이송층을 형성한다. 보다 구체적으로, 불순물이 제거된 알루미늄 와이어를 Poly(3-hexylthiopene): Phyenyl-C61-butyric acid methly ester(P3HT: PCBM) 혼합용액에 5분간 함침 시킨 후 딥코터를 2cm/min의 속도로 코팅 후 오븐에서 건조시킨다. 정공이송층 poly(3,4-ethylenedioxythiopene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)의 혼합용액에 다시 함침 시킨 후 같은 속도로 코팅을 한 후 건조한 후 최대한 공기와 접하지 않게 보관한다. 여기에서 사용되는 Poly(3-hexylthiopene): Phyenyl-C61-butyric acid methly ester (P3HT: PCBM) 혼합용액과 poly(3,4-ethylenedioxythiopene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)의 혼합용액의 비율 및 농도는 실험 조건에 따라서 달라질 수 있다.

상기 광활성층 및 정공이송층이 코팅된 알루미늄와이어에 ITO 양극을 코팅한다. 화학기상층착법(chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링법을 이용하여 용도에 맞게 코팅을 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개략도이다. 도 3은 도 2의 태양전지 모듈을 절단선 A-A´로 절단한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 지지기판(200)위에 기둥형상의 태양전지(100)가 복수개로 배치된 태양전지 모듈을 제공한다.

지지기판(200)의 중앙에 기둥형 태양전지를 상기 태양전지의 축방향과 지지기판(200)의 수평방향을 90°로 하여 배치하고 태양전지의 축방향을 지지기판(200)의 외곽방향으로 점진적으로 기울여 배치된 태양전지 모듈을 제조할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 태양전지들은 상기 태양전지들의 축과 상기 지지기판(200)의 면이 이루는 각도가 0° 내지 90°(0° 및 90°는 제외)에서 선택되는 적어도 어느 하나의 각을 이루도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 각도는 0° 내지 90°(0° 및 90°는 제외)에서 선택되는 서로 다른 두 각을 포함할 수 있다.

따라서 지지기판(200)의 수평면적 대비 태양광을 받는 표면적(수광면적)을 크게 넓힐 수 있어서, 종래의 평면형 태양전지 모듈과 비교하여 발전 효율이 향상된 태양전지 모듈을 제공할 수 있다.

상기 태양전지 모듈의 경우 지지기판(200)에 복수개의 기둥형 태양전지를 배치한 경우 태양광의 위치에 따라 인접한 태양전지의 그림자에 의하여 태양광을 받는 표면적이 감소될 수 있다. 이러한 표면적의 감소효과를 줄이기 위하여 지지기판의 중앙을 중심으로 상기 태양전지의 축방향과 지지기판(200)의 수평방향을 90°로 하여 배치하고 태양전지의 축방향을 지지기판(200)의 외곽방향으로 점진적으로 기울여 배치할 경우 인접한 태양전지의 그림자에 의해 태양광을 받는 표면적의 감소 효과를 최소화시킬 수 있다. 나아가, 기둥형 태양전지는 평면형 태양전지에 비해 일조시간 동안 태양광이 비춰지는 각도에 따라 변화되는 수광면적의 차이를 최소화할 수 있으므로 태양광의 위치에 따라 태양전지 모듈을 이동시킬 필요가 없다.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개략도이다.

도 4를 참조하면, 기둥형상의 태양전지(100); 및 상기 태양전지 복수개를 배치한 지지기판(200)을 포함하는 태양전지 모듈로서, 상기 태양전지는 상기 지지기판(200)상에 수직형태로 배치된 태양전지 모듈을 제공한다.

기존의 평판구조(2D)를 갖는 태양전지는 태양광이 비춰지는 총 표면적은 평면 넓이(가로x세로)에 비례한다. 이러한 평면구조는 공간의 활용도 면에서 제한된다. 따라서 3차원적 구조로서 복수개의 기둥형상의 태양전지를 지지기판(200)상에 수직형태로 배치한 경우 기둥의 옆면이 수광면이므로 기둥의 높이를 길게하여 태양광을 받는 표면적을 크게 넓힐 수 있으며, 이 경우에 태양전지 모듈의 수평면적당 태양광을 받는 표면적은 현격히 증가한다. 나아가, 기둥형 태양전지는 평면형 태양전지에 비해 일조시간 동안 태양광이 비춰지는 각도에 따라 변화되는 수광면적의 차이를 최소화할 수 있으므로 태양광의 위치에 따라 태양전지 모듈을 이동시킬 필요가 없다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개략도이다. 도 6은 도 5의 태양전지 모듈을 절단선 B-B´로 절단한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 기둥형상의 태양전지(100); 및 상기 태양전지 복수개를 배치한 볼록형 지지기판(200)을 포함하는 태양전지 모듈로서, 상기 태양전지는 상기 지지기판(200)상에 수직형태로 배치된 태양전지 모듈을 제공한다.

지지기판(200)이 볼록형일 경우, 지지기판(200)이 평면형인 경우와 비교하여 태양전지 모듈의 수평면적당 기둥형 태양전지를 배치할 표면적이 더 넓어지므로 평판형 지지기판보다 더 많은 태양전지를 배치할 수 있다. 따라서, 지지기판의 수평면적당 태양광을 받는 표면적의 크기를 보다 넓힐 수 있다. 나아가, 기둥형 태양전지는 평면형 태양전지에 비해 일조시간 동안 태양광이 비춰지는 각도에 따라 변화되는 수광면적의 차이를 최소화할 수 있으므로 태양광의 위치에 따라 태양전지 모듈을 이동시킬 필요가 없다.

100: 기둥형 태양전지 110: 제1전극
120: 광전 변환층 130: 제2전극
200: 지지기판

Claims

기둥형상의 제1 전극, 상기 제1 전극의 외주면에 위치하는 광전 변환층 및 상기 광전 변환층의 외주면에 위치하는 제2 전극을 포함하는 기둥형상의 태양전지; 및
상기 기둥형상의 태양전지를 지지하는 지지기판을 포함하고,
상기 제1 전극이 상기 지지기판의 표면 상에 고정됨으로써, 복수 개의 상기 태양전지가 축방향으로 상기 지지기판의 표면 상에 접하여 배치되며,
상기 태양전지들은 상기 태양전지들의 축과 상기 지지기판의 표면이 이루는 각도가 0°내지 90°(0°및 90°는 제외)에서 선택되는 적어도 어느 하나의 각을 이루도록 배치되는 태양전지 모듈.
제1항에 있어서,
상기 각도는 0° 내지 90°(0°및 90°는 제외)에서 선택되는 서로 다른 두 각을 포함하는 태양전지 모듈.
기둥형상의 제1 전극, 상기 제1 전극의 외주면에 위치하는 광전 변환층 및 상기 광전 변환층의 외주면에 위치하는 제2 전극을 포함하는 기둥형상의 태양전지; 및
상기 기둥형상의 태양전지를 지지하는 지지기판을 포함하고,
상기 제1 전극이 상기 지지기판의 표면 상에 고정됨으로써, 복수 개의 상기 태양전지가 축방향으로 상기 지지기판의 표면 상에 접하여 배치되며,
상기 태양전지들은 상기 태양전지들의 축이 상기 지지기판의 표면에 수직배향 되도록 배치되는 태양전지 모듈.
제3항에 있어서,
상기 지지기판은 평판형 또는 볼록형 지지기판인 태양전지 모듈.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 기둥형상은 원기둥, 타원기둥 또는 다각기둥인 태양전지 모듈.
삭제
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 광전 변환층은 전해질을 함유하고 염료가 흡착된 다공성 금속 산화물층, p-n 접합 무기 반도체층, 및 p-n 접합 유기 반도체층으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나인 태양전지 모듈.
제7항에 있어서,
상기 무기 반도체층은 실리콘층, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체층, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체층 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층 중에서 선택되는 어느 하나인 태양전지 모듈.
제7항에 있어서,
상기 유기 반도체층은 전자 주개 유기물과 전자 받개 유기물의 2중층 또는 벌크 헤테로접합층인 태양전지 모듈.