KR101325136B1 - 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속전극 대신 전도성 섬유심재를 전극으로 하고, 전도성 섬유심재의 외주면에 금속층을 형성하여 해당 금속층을 이용해 N 형 또는 P형 반도체층을 형성할 수 있는 태양전지에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명 태양전지는 전도성 심재의 외주면에 제1물질 전극층과 제2물질 전극층이 반도체층에 설정된 간격으로 융착된 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지{Solar cell}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속전극 대신 전도성 섬유심재를 전극으로 하고, 전도성 섬유심재의 외주면에 금속층을 형성하여 해당 금속층을 이용해 N 형 또는 P형 반도체층을 형성할 수 있는 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고있다.
태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.
이러한, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 태양광이 입사되면 태양광과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
이를 광기전력효과(photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형 및 n형 반도체 중 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형반도체 및 p형 반도체와 접합된 전극으로 이동하게 되고, 이 전극들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다
이와 같은 태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 얻어진 출력전류전압곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값(Pm)을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율에 의해 평가된다.
태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해서는 태양전지의 태양광에 대한 흡수율을 높이고, 캐리어들의 재결합 정도를 줄여야 하며, 반도체 기판 및 전극에서의 저항을 낮추어야 한다. 태양전지에 대한 연구들은 대체로 이들과 관련하여 진행되고 있다.
대한민국 등록특허 10-1026363호에서는 제1 태양전지의 태양광을 가리는 전면전극 상에 제2 태양전지를 형성하여 전면전극 상에 입사되어 버리던 태양광을 제2 태양전지로 입사시키고 있기 때문에, 전면전극에 의하여 발생되는 쉐이딩 손실(shading loss)을 제거하도록 하고 있으나, 기본적으로 공정이 복잡하다는 문제와 전극의 기본 구조는 여전히 금속으로만 구성되어 있어 그 전극의 너비에 의해 태양광의 흡수효율은 낮을 수밖에 없었다.
최근에는 전면에서의 전극에 의한 흡수율 감소를 없애기 위하여, 전극 모두를 후면에 설치하는 IBC(Interdigit Back Contact cell)형 태양전지가 개발되고 있다.
첫째, 태양광 모듈은 일측면에서만 태양광을 흡수하기 때문에 바닥에 눕혀놓는 형태로 구성되어 있어 아침시간이나 늦은 오후 시간에는 태양광의 흡수효율이 낮았다.
둘째, 태양광 흡수효율을 높이기 위해서는 태양광을 추적하는 추적기를 별도로 구성하고, 추적기에서의 추적결과에 따라 모터를 이용해 태양광 모듈을 해당 방향으로 계속 이동시켜야 태양광 모듈을 구성하는 별도의 추가비용이 소요되므로 이는 결국 태양광 모듈 생산 단가가 증가되는 문제로 이어지게 되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 금속전극 대신 전도성 섬유심재를 전극으로 함으로써 금속전극에 의해 저하되던 태양광 흡수율을 최대화하여 흡수효율을 최대화할 수 있는 태양전지를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전도성 섬유심재의 외주면에 금속층을 형성하여 해당 금속층을 이용해 전자를 흡수하는 N 형반도체층과 정공을 흡수하는 P형 반도체층을 자동형성할 수 있는 태양전지를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 태양전지는 전도성 심재의 외주면에 제1물질 전극층과 제2물질 전극층이 반도체층에 설정된 간격으로 융착된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 태양전지는 제1반도체층과 제2반도체층이 적층형성된 반도체층에 전도성 심재의 외주면에 금속층으로 이루어진 제1물질 전극과 제2물질 전극들이 설정된 간격으로 융착된 것으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 일반적인 태양전지의 금속전극에 비해 상대적으로 얇은 전도성 섬유심재를 전극으로 이용함으로써 금속전극에 가려져 저하되었던 태양광 흡수율을 최대화하여 흡수효율을 최대화할 수 있다.
둘째, 전도성 섬유심재의 외주면에 금속층을 형성하여 해당 금속층을 이용해 전자를 흡수하는 N 형반도체층과 정공을 흡수하는 P형 반도체층을 자동형성할 수 있다.
도 1은 본 발명 제1실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 태양전지의 전도성 심재와 제1반도체층을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 태양전지의 전도성 심재와 제2반도체층을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명 제2실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명 제3실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명 제1실시예에 따른 태양전지에 투광성판을 형성한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명 제2실시예에 따른 태양전지에 투광성판을 형성한 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 1은 본 발명 제1실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 나타낸 태양전지의 전도성 심재와 제1반도체층을 상세히 설명하기 위한도면이며, 도 3은 도 1에 나타낸 태양전지의 전도성 심재와 제2반도체층을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
본 발명 제1실시예에 따른 태양전지는 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1반도체층(10)과 제2반도체층(20)이 적층형성 형성된 제1, 제2반도체층(10)(20) 각각에 제1전도성 심재(12)의 외주면에 제1물질 전극층(14)과 제2전도성 심재(22)의 외주면에 제2물질 전극층(24)이 융착되어 있다.
그리고, 제1물질 전극층(14)에 접촉되는 제1반도체층(10) 표면에서 내부로는 제1불순물 반도체층(16)이 형성되고, 제2물질 전극층(24)에 접촉되는 제2반도체층(20) 내부에는 제2불순물 반도체층(26)이 형성된다.
여기서, 제1반도체층(10)은 P형 반도체층 또는 N 형 반도체층이고, 제2반도체층(20)은 진성반도체층으로 형성할 수 있다. 이때, 제1반도체층(10)이 P형 반도체층인 경우 제1물질 전극층(14)은 은(Ag)으로 구성되고, N형 반도체층인 경우 제1물질 전극층(14)은 알루미늄(Al)으로 구성된다.
한편, 제1물질 전극층(14)이 은(Ag)으로 구성되는 경우 제2물질 전극층(24)은 알루미늄(Al)으로 구성되고, 제1물질 전극층(14)이 알루미늄(Al)으로 구성되는 경우 제2물질 전극층(24)은 은(Ag)으로 구성된다.
이때, 제1불순물 반도체층(16)과 제2불순물 반도체층(26)은 제1물질 전극층(14)과 제2물질 전극층(24)이 은(Ag)으로 구성되는 경우 태양광에서 정공을 흡수하는 p형 반도체층이 되고, 알루미늄(Al)으로 구성되는 경우 태양광에서 전자를 흡수하는 n형 반도체층이 된다. 그러므로 서로 다른 물질의 전극층으로 구성한 후 전기를 공급하여 p형 불순물 반도체층과 n형 불순물 반도체층을 제1, 제2반도체층(10)(20)에 확산시켜 형성하는 것이다. 따라서 불순물 반도체층이 자동형성됨을 알 수 있다. 참고로 제1불순물 반도체층(16)과 제2불순물 반도체층(26)은 제1반도체층(10)과 제2반도체층(20)에 비해 상대적으로 고농도로 형성된다.
그리고, 제1, 제2전도성 심재(12)(22)는 탄소섬유, 탄소봉 또는 전도성섬유로 구성된다. 또한, 제1, 제2전도성 심재(12)(22)는 금속재질로 이루어질 수도 있다. 이때, 금속재질로는 은(Ag)과 알루미늄(Al)으로 구성할 수 있다.
한편, 전도성 심재(12)(22)의 표면에는 금속피막이 도금될 수 있다(도시하지 않음). 이러한 금속피막으로는 은(Ag) 피막 또는 알루미늄(Al) 피막 중 하나를 도금한다.
그리고 제1반도체층(10)의 표면의 제1물질 전극층(14)과 제2물질 전극층(24)을 이루는 코어들 중 어느 한 종류의 코어들은 설정된 이격 거리를 가지며 융착되며, 제2반도체층(20)의 표면에는 제1반도체층(10)의 코어들과 다른 종류의 제2물질 전극층(24) 또는 제1물질 전극층(12)이 대향되게 위치되도록 융착된다.
따라서, 전도성 심재로 탄소섬유, 전도성 섬유를 이용하는 경우 종래 태양전지의 전극들에 비해 상대적으로 좁은 면적을 차지하는 전극을 형성하고, 그에 따라 태양광 흡수율을 증가시킴을 알 수 있다.
도 4는 본 발명 제2실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명 제2실시예에 따른 태양전지는 도 4에 나타낸 바와 같이 전도성 심재(12)(22)의 외주면에 제1물질 전극(14)과 제2물질 전극(24)들이 반도체층(20)에 설정된 간격으로 융착되어 있다.
이와 같은 본 발명 제2실시예에 따른 태양전지는 본 발명 제1실시예에 따른 태양전지의 경우 반도체층이 제1반도체층(10)과, 제2반도체층(20)으로 형성됨에 반해 하나의 단일 반도체층(20)으로 형성된 것에 차이가 있다.
여기서, 반도체층(20)은 P형 반도체층, N형 반도체층 또는 진성반도체층 중 하나로 구성된다.
그리고, 제1물질 전극(14)과 제2물질 전극(24)은 각각 그 양측에 이웃하는 전극들과 서로 다른 물질의 전극으로 구성되거나, 이웃하는 전극들과는 동일 물질의 전극으로 구성되는 경우 반도체층(20)을 사이에 두고는 서로 다른 물질의 전극으로 구성된다.
도 5는 본 발명 제3실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명 제3실시예에 따른 태양전지는 도 5에 나타낸 바와 같이, 전도성 심재(12)(22)의 외주면에 제1물질 전극(14)과 제2물질 전극(24)들이 반도체층(20)의 일측에 설정된 간격으로 융착되어 있다.
이러한 본 발명 제3실시예에 따른 태양전지는 본 발명 제2실시예에 따른 태양전지와 같이 하나의 반도체층으로 구성된다는 점에서는 동일하나, 제1물질 전극(14)과 제2물질 전극(24)은 각각 그 양측에 이웃하는 전극들과 서로 다른 물질의 전극으로 구성된다는 점에서 차이가 있다. 다시 말하면 제1물질 전극(14)이 알루미늄(Al)인 경우에 제2물질 전극(24)은 은(Ag)으로 구성되고, 제1물질 전극(14)이 은(Ag)인 경우에 제2물질 전극(24)은 알루미늄(Al)으로 구성된다.
도 6은 본 발명 제1실시예에 따른 태양전지에 투광성판을 형성한 실시예를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명 제2실시예에 따른 태양전지에 투광성판을 형성한 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명 제1실시예에 따른 태양전지에 투광성판을 형성한 예는 도 6에 나타낸 바와 같이 제1, 제2반도체층(10)(20) 각각에 제1전도성 심재(12)의 외주면에 제1물질 전극층(14)과 제2전도성 심재(22)의 외주면에 제2물질 전극층(24)이 융착되어 있고, 그 상하면에는 각각 제1투광성판(30)과 제2투광성판(32)이 고정되어 있다. 이러한 투광성판(30)(32)은 태양전지를 보호하기 위하여 구성할 수 있는 것으로, 유리 또는 PET(polyethyleneterephthalate) 중 하나로 구성된다.
그리고, 본 발명 제2실시예에 따른 태양전지에 투광성판을 형성한 예는 도 7에 나타낸 바와 같이 반도체층(20) 양측의 제1전도성 심재(12)와 제1물질 전극층(14) 및 제2전도성 심재(22)와 제1물질 전극층(24)이 코아로 형성된 경우 그 상하면에 각각 제1투광성판(30)과 제2투광성판(32)이 고정되어 있다. 이러한 투광성판(30)(32) 역시 태양전지를 보호하기 위하여 구성할 수 있는 것으로, 유리 또는 PET(polyethyleneterephthalate) 중 하나로 구성된다.
물론, 본 발명 제3실시예에 따른 태양전지의 경우에도 제1전도성 심재(12)와 제1물질 전극층(14) 및 제2전도성 심재(22)와 제1물질 전극층(24) 코아 형성면에 투광성판을 형성할 수 있다
이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 제1반도체층 12 : 제1전도성 심재
14 : 제1물질 전극층 16 : 제1불순물 반도체층
20 : 제2반도체층 22 : 제2전도성 심재
24 : 제2물질 전극층 26 : 제2불순물 반도체층
30, 32 : 투광성판

Claims (27)

  1. 전도성 심재의 외주면에 구비된 반도체층에 제1물질 전극층과 제2물질 전극층이 설정된 간격으로 융착된 태양전지에 있어서,
    제1물질 전극이 융착된 반도체층에는 반도체층 표면에서 설정된 깊이로 제1불순물 반도체층이 형성되고,
    제2물질 전극이 융착된 반도체층에는 반도체층 표면에서 설정된 깊이로 제2불순물 반도체층이 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 심재는 탄소재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 심재는 전도성섬유 또는 탄소섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 심재는 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 심재는 은(Ag)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 심재는 알루미늄(Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제3항에 있어서,
    탄소섬유 또는 탄소봉의 표면에는 금속피막이 도금된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속피막은 은(Ag) 피막인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 금속피막은 알루미늄(Al) 피막인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1불순물 반도체층은 태양광의 전자를 흡수하는 n형 불순물 반도체층이고, 상기 제2불순물 반도체층은 상기 태양광의 정공을 흡수하는 p형 불순물 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기한 반도체층의 일 면에 상기 제1물질 전극과 제2물질 전극을 이루는 코어들이 융착되되, 그 양측에는 다른 종류의 제2물질 전극 또는 제1물질 전극이 위치되도록 융착된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층의 일측 면에는 상기 제1물질 전극 및 상기 제2물질 전극을 이루는 코어들 중 어느 한 종류의 코어들이 설정된 이격 거리를 가지며 융착되고, 타측면에는 상기 코어들과 다른 종류의 제2물질 전극 또는 제1물질 전극이 대향되게 위치되도록 융착된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 심재의 외주면에 금속층이 형성된 제1물질 전극 또는 제2물질 전극들이 상기 반도체층에 융착된 것의 상하면에는 투광성판이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 투광성판은 유리 또는 PET(polyethyleneterephthalate) 중 하나로 구성됨을 특징으로 하는 태양전지.
  16. 제1반도체층과 제2반도체층이 적층형성된 반도체층에 전도성 심재의 외주면에 금속층으로 이루어진 제1물질 전극과 제2물질 전극들이 설정된 간격으로 융착된 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전도성 심재는 탄소섬유, 탄소봉 또는 전도성섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전도성 심재는 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전도성 심재는 은(Ag)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 전도성 심재는 알루미늄(Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 전도성 심재의 표면에 금속피막이 도금되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 금속피막은 은(Ag)피막이 도금되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 금속피막은 알루미늄(Al)피막이 도금되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 제1물질 전극과 상기 제2물질 전극이 융착된 상기 제1반도체층과 상기 제2반도체층에는 설정된 깊이로 제1불순물 반도체층과 제2불순물 반도체층이 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1불순물 반도체층은 태양광의 전자를 흡수하는 n형 불순물 반도체층이고, 상기 제2불순물 반도체층은 상기 태양광의 정공을 흡수하는 p형 불순물 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 제1반도체층의 표면에는 상기 제1물질 전극과 상기 제2물질 전극을 이루는 코어들 중 어느 한 종류의 코어들이 설정된 이격 거리를 가지며 융착되고, 상기 제2반도체층의 표면에는 상기 코어들과 다른 종류의 제2전극 또는 제1전극이 대향되게 위치되도록 융착된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  27. 제16항에 있어서,
    상기 제1반도체층과 상기 제2반도체층이 형성된 상기 반도체층에 상기 전도성 심재의 외주면에 상기 금속층으로 이루어진 상기 제1물질 전극 또는 제2물질 전극들이 융착된 것의 상하면에는 투광성판이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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