KR101241679B1 - 태양전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 태양전지는 형상복원 부재를 포함하는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 이면 전극층과, 상기 이면 전극층 상에 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 형성된 투명 전극층을 포함한다.
상기와 같은 발명은 플렉시블 기판의 내부에 형상복원 부재를 구비함으로써, 기판의 휨 현상에 의한 효율 저하 및 불량을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

태양전지{SOLAR CELL}

실시예는 태양전지에 관한 것이다.

일반적으로, 태양전지는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 하며, 이러한 태양전지는 최근 에너지의 수요가 증가함에 따라 상업적으로 널리 이용되고 있다.

태양전지는 기판 상에 몰리브덴(Mo) 재질의 이면 전극층, 광 흡수층, 투명 전극층이 순차적으로 적층되며, 이면 전극층과 투명 전극층을 연결함으로써 태양전지가 완성된다. 태양전지에 사용되는 기판으로는 리지드(Rigid) 하거나 플렉시블(Flexible)한 재료가 사용될 수 있으나, 최근에는 적용 분야의 확장성이 뛰어난 플렉시블한 기판이 각광을 받고 있다.

하지만, 종래 플렉시블 기판은 외부 힘에 의한 스트레스 발생 시 초기 상태로 완벽하게 복원이 어려우며, 이는 플렉시블 기판의 표면에 부분적인 휨(warpage) 현상을 발생시킨다.

상기와 같이 플렉시블 기판의 표면에 휨 현상이 발생되면 기판 상에 적층되는 이면 전극층 과의 계면 불량을 발생시키고, 이로 인해 수직 태양광의 흡수율 저하 등이 발생되어 태양전지의 효율이 떨어지는 문제점이 발생된다.

실시예는 기판의 휨 현상을 방지하기 위한 태양전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

일 실시예에 따른 태양전지는 형상복원 부재를 포함하는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 이면 전극층과, 상기 이면 전극층 상에 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 형성된 투명 전극층을 포함한다.

실시예에 따른 태양전지는 플렉시블 기판의 내부에 형상복원 부재를 구비함으로써, 기판의 휨 현상에 의한 효율 저하 및 불량을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 형상복원 부재가 내재된 플렉시블 기판을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 형상복원 부재가 내재된 플렉시블 기판의 복원 과정을 나타낸 단면도.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 형상복원 부재가 내재된 플렉시블 기판의 변형예를 나타낸 사시도.

실시 예의 설명에 있어서, 각 패널, 배선, 전지, 장치, 면 또는 패턴 등이 각 패턴, 배선, 전지, 면 또는 패턴 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 본 발명에 따른 태양전지를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 형상복원 부재가 내재된 플렉시블 기판을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 형상복원 부재가 내재된 플렉시블 기판의 복원 과정을 나타낸 단면도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 형상복원 부재가 내재된 플렉시블 기판의 변형예를 나타낸 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지는 형상복원 부재(200)를 포함하는 플렉시블 기판(100)과, 상기 플렉시블 기판(100) 상에 순차적으로 적층되는 이면 전극층(300), 광 흡수층(400), 제1버퍼층(500), 제2버퍼층(600) 및 투명 전극층(700)을 포함한다.

기판(100)은 투명한 재질의 플렉시블한 부재가 사용되며, 기판(100)의 재질로는 금속의 SUS(Steel Use Stainless)가 사용될 수 있다. 물론, SUS 기판 이외에도 플렉시블 하다면 유리 또는 플라스틱 기판이 사용될 수도 있다. 기판(100)의 내부에는 기판(100) 표면의 휨 현상을 방지하기 위해 본 발명에 따른 형상복원 부재(200)가 구비된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 형상복원 부재(200)는 기판(100)의 내부 구체적으로는, 상부 기판(120)과 하부 기판(140) 사이에 배치되며 일정 두께를 가지는 사각 플레이트 형상으로 형성된다. 형상복원 부재(200)의 형상은 이에 한정되지 않으며 삼각, 오각 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 기판(100)의 형상에 대응되도록 형성되는 것이 가장 바람직하다.

이러한 형상복원 부재(200)는 상부 기판(120) 및 하부 기판(140)의 대면하는 내측면에 별도의 접착 수단을 사용하여 상부 기판(120)과 하부 기판(140) 사이에 접착되어 형성될 수 있으며, 상부 기판(120) 또는 하부 기판(140)의 일면에 증착 또는 코팅되어 형성될 수 있다.

형상복원 부재(200)로는 특정 온도에 도달했을 때, 변형 전 형태로 되돌아갈 수 있는 금속인 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)이 사용될 수 있다. 형상기억합금의 종류로는 니켈계(Ni), 구리계(Cu), 철계(Fe) 등으로 아연(Zn), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등의 금속을 조합한 Cu-Zn-Ni, Cu-Al-Ni, Au-Cd 등의 합금계가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 기억력이 가장 좋은 합금인 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금인 니티놀이 사용되는 것이 바람직하다.

상기에서는 형상복원 부재(200)를 상부 기판(120)과 하부 기판(140) 사이에 게재시켜 태양전지용 기판을 형성하였으나, 형상복원 부재를 단독으로서 태양전지용 기판으로 사용할 수 있음은 물론이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 휨 현상이 발생된 기판(100)에 일정 열이 가해지면 형상변형 부재(200)는 내부 분자 구조의 변화에 의해 변형 전 상태인 수평 상태로 탄성 복원된다. 이로 인해 기판(100)은 형상변형 부재(200)와 함께 초기 상태인 수평 상태를 유지할 수 있다.

통상, 형상복원 부재(200)의 형상 회복력은 SUS 기판(100) 자체의 형상 회복력에 비해 약 15배 이상 크기 때문에 형상복원 부재(200)가 구비된 상태에서 기판(100)의 형상이 복원되면 종래 기판 표면에 발생되는 부분적 휨 현상 없이 복원될 수 있다.

따라서, 본 발명의 기판(100)은 이면 전극층 과의 계면 불량을 원천적으로 방지할 수 있으며, 입사되는 수직 태양광을 안정적으로 흡수할 수 있어 태양전지의 효율 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

상기에서는 형상복원 부재(200)의 측면이 기판(100)의 외부에 노출되도록 형성되었지만, 형상복원 부재(200)를 기판(100)의 크기보다 작게 형성하면 형상복원 부재(200)의 측면이 기판(100) 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기에서는 형상복원 부재(200)를 기판(100)의 내부에 구비하였으나, 이에 한정되지 않고, 기판(100)의 표면에 형성시킬 수도 있다. 이때, 형상복원 부재(200)가 기판(100)의 일면에 형성될 경우, 이후 설명될 광 흡수층이 증착되지 않는 일면에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기에서는 형상복원 부재(200)로서 형상기억합금을 사용하였지만, 형상기억합금 이외에 형상기억고분자가 사용될 수 있다. 형상기억고분자로는 노보넨(norbornene)을 중합시켜 만든 폴리노보넨(polynorbornene)의 재질로서 얇은 판 형상을 가진다.

상기와 같은 형상기억고분자는 형상기억합금에 비해 제조 비용이 적게 들며 형상회복 능력이 우수한 장점을 가진다. 또한, 형상 변화가 용이한 장점이 있어 형상기억합금의 대체 부재로 적합할 수 있다.

본 발명에 따른 형상복원 부재가 내재된 플렉시블 기판은 상기에서 설명한 구조 외에도 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같은 구조로 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 형상복원 부재(200)는 기판(100) 내부에 내재되어 있으며 더욱 구체적으로 기판(100)의 내부에 상하로 이격되도록 분할 형성된다.

기판(100)은 플렉시블한 SUS 재질로 형성되며, 사각 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 기판(100)의 내부에는 기판(100)의 형상과 대응되는 형상을 가지도록 2개의 형상복원 부재(200)가 구비되며, 이러한 2개의 형상복원 부재(200)는 상하로 일정 간격 이격되어 배치된다.

상부 형상복원 부재(220)는 기판(100)의 상부면에 최대한 가까워지도록 치우쳐 구비되며, 하부 형상복원 부재(240)는 기판(100)의 하부면에 최대한 가까워지도록 치우쳐 구비되는 것이 바람직하다.

이는 휘어진 기판(100)이 원래 형상으로 복원될 시 기판(100)의 상부면과 하부면의 평평한 정도를 좀 더 높여 표면의 휨을 방지할 수 있는 효과가 있다.

형상복원 부재(200)의 개수는 이에 한정되지 않으며 상하 이격되도록 3개 이상으로 분할되어 형성될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기에서는 형상복원 부재(200)가 상하로 이격되도록 분할 형성되었지만, 이에 한정되지 않고 좌우로 다수개가 이격되도록 분할 형성될 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 다수개로 분할된 형상복원 부재(200)는 다수개 중 어느 하나의 형상복원 부재가 그 역할을 못하더라도 나머지 형상복원 부재(200)에 의해 복원 효과를 충분히 보완할 수 있는 효과가 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 형상복원 부재(200)는 기판(100)의 내부 가장자리 영역을 따라 형성될 수 있으며, 더욱 구체적으로는 상,하부가 개방된 사각 틀 형상으로 형성될 수 있다.

형상복원 부재(200)의 크기는 기판(100)의 크기와 대응되도록 형성되는 것이 바람직하며, 상하로 이루어진 기판(100) 사이에 내재되어 고정될 수 있다. 이로부터 기판(100)의 휨 현상이 발생되면 형상복원 부재(200)는 최소의 면적으로 기판(100)의 폭 방향과 길이 방향을 동시에 지지할 수 있게 되어 기판(100)의 휨 복원 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 틀 형상의 형상복원 부재(200)는 각 면에 대응되도록 바 형상으로 분리되어 형성될 수 있으며, 그 위치는 기판(100) 내부의 가장자리 뿐 아니라 중심 영역에 형성될 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 형상복원 부재(200)는 기판(100)의 길이 방향과 폭 방향으로 형성된 적어도 하나의 바 형상의 부재를 포함하여 이루어질 수 있으며, 이를 연결하여 메쉬 구조를 가지도록 형성할 수도 있다.

상기와 같은 구조는 기판(100)이 대면적화될 경우, 형상복원 부재(20)를 기판(100)의 중심부 및 가장 자리 영역에 대응되는 위치에 고르게 배치함으로써, 기판(100)의 표면 전체를 균일하게 복원시킬 수 있는 효과가 있다. 물론, 사각 메쉬 구조 이외에 원형, 다각 형상의 메쉬 구조를 사용하여 형상복원 부재를 구성할 수 있다.

도 1로 돌아가서, 형상복원 부재(200)에 의해 원형 복원이 완료된 플렉시블 기판(100) 상에는 이면 전극층(300)이 형성된다. 이면 전극층(300)은 n형 전극 기능의 역할을 하며, 이면 전극층(300)은 도전층으로서 몰리브덴(Mo)을 사용하여 형성될 수 있다.

이면 전극층(300)은 몰리브덴 외에 다양한 금속 재질을 사용하여 형성할 수 있으며, 동종 또는 이종 금속을 이용하여 두 개 이상의 층을 이루도록 형성될 수도 있다. 여기서, 이면 전극층(300)은 스퍼터링법에 의해 일정 두께로 증착될 수 있으며, 스퍼터링법 이외에도 CVD, E-Beam을 사용하여 증착을 수행할 수도 있다.

이면 전극층(300) 상에는 이면 전극층(300)을 스트립 형태로 분할하도록 제1패턴층(P1)이 형성되어 있으며, 제1패턴층(P1)은 기판(100)의 상부가 노출되도록 형성될 수 있다. 여기서, 제1패턴(P1)은 레이저 빔을 이용한 스크라이빙 법에 의해 형성될 수 있다.

광 흡수층(400)은 이면 전극층(300) 상에 배치되어 태양광을 흡수하는 역할을 한다. 광 흡수층(400)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물을 포함하며, 예컨대 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se₂;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다. 여기서, 광 흡수층(400)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있으며, 동시증착법에 의해 이면 전극층(300)의 상부에 증착될 수 있다.

광 흡수층(400)의 상부에는 제1버퍼층(500)이 직접 접촉되어 형성되며, 광 흡수층(400)과 이후 설명될 투명 전극층(700)과의 에너지 갭 차이를 완화시켜 주는 역할을 한다. 이를 위해 제1버퍼층(500)은 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, 에너지 밴드갭은 이면 전극층(300)과 투명 전극층(700)의 중간 정도의 크기인 약 1.9eV 내지 약 2.3eV일 수 있다. 여기서, 제1버퍼층(500)은 화학용액성장법(Chemical Bath Deposition; CBD)에 의해 광 흡수층(400) 상에 증착될 수 있다.

제1버퍼층(500)의 상부에는 광투과율과 전기전도성이 높은 산화아연(ZnO)인 제2버퍼층(600)이 형성되며, 제2버퍼층(600)은 고저항을 가지도록 형성되어 투명 전극층(700)과의 절연 및 충격 데미지(Damege)를 방지할 수 있는 효과가 있다. 여기서, 제2버퍼층(600)은 일정 두께를 가지도록 스퍼터링 법에 의해 제1버퍼층(500) 상에 증착될 수 있다.

제2버퍼층(600) 상에는 제2버퍼층(600), 제1버퍼층(500) 및 광 흡수층(400)을 걸쳐 스트립 형태로 분할하도록 제2패턴(P2)이 형성되며, 제2패턴(P2)은 제1패턴(P1)과 일정 간격을 가지도록 형성될 수 있다. 여기서, 제2패턴(P2)은 스크라이빙법에 의해 이면 전극층(300)의 상부가 노출되도록 형성될 수 있다.

투명 전극층(700)은 p형 전극 기능을 수행하는 투명한 형태의 도전성 재질로서, 알루미늄이 도핑된 산화 아연인 AZO(ZnO:Al) 재질의 물질이 사용될 수 있다. 물론, 투명 전극층의 재질은 이에 한정되지 않으며, 광투과율과 전기전도성이 높은 물질인 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO₂), 산화인듐주석(ITO) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 투명 전극층(700)의 두께는 대략 1.0㎛로 형성될 수 있다.

투명 전극층(700) 상에는 투명 전극층(700), 제2버퍼층(600), 제1버퍼층(500) 및 광 흡수층(400)에 걸쳐 스트립 형태로 분할하도록 제3패턴(P3)이 형성되며, 제3패턴(P3)은 제2패턴(P2)과 일정 간격을 가지도록 형성될 수 있다. 여기서, 제3패턴(P3)은 스크라이빙법에 의해 이면 전극층(300)의 상부가 노출되도록 형성될 수 있다.

투명 전극층(700)이 형성된 이후에는 소정 간격으로 이격되도록 투명 전극층(700) 상에 금속선(미도시)을 형성하고 이를 이면 전극층(300)과 연결시켜 태양전지를 완성한다. 여기서, 금속선은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같은 반사율이 높은 금속을 사용하는 것이 바람직하다.

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.

100: 플렉시블 기판 200: 형상복원 부재
300: 이면 전극층 400: 광 흡수층
500: 제1버퍼층 600: 제2버퍼층

Claims (7)

1. 삭제
2. 형상복원 부재를 포함하는 기판;
   상기 기판 상에 형성된 이면 전극층;
   상기 이면 전극층 상에 형성된 광 흡수층; 및
   상기 광 흡수층 상에 형성된 투명 전극층;
   을 포함하고,
   상기 기판은 다수의 플렉시블 기판들 사이에 형상복원 부재가 구비되어 형성되는 태양전지.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 형상복원 부재는 판 형상으로 형성되어 상하로 일정 간격 이격되도록 다수개가 구비되는 태양전지.
4. 청구항 3에 있어서,
   최상위에 구비된 형상복원 부재는 기판의 상부면에 치우쳐 배치되며, 최하위에 구비된 형상복원 부재는 기판의 하부면에 치우쳐 배치되는 태양전지.
5. 형상복원 부재를 포함하는 기판;
   상기 기판 상에 형성된 이면 전극층;
   상기 이면 전극층 상에 형성된 광 흡수층; 및
   상기 광 흡수층 상에 형성된 투명 전극층;
   을 포함하고,
   상기 형상복원 부재는 중심부가 개방된 틀 형상으로 형성된 태양전지.
6. 형상복원 부재를 포함하는 기판;
   상기 기판 상에 형성된 이면 전극층;
   상기 이면 전극층 상에 형성된 광 흡수층; 및
   상기 광 흡수층 상에 형성된 투명 전극층;
   을 포함하고,
   상기 형상복원 부재는 메쉬 형상으로 형성된 태양전지.
7. 청구항 2 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 형상복원 부재는 니티놀 또는 폴리노보넨을 포함하는 태양전지.

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