KR101374713B1 - 광기전력 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

광기전력 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는, 기판 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 광전변환층; 및 상기 광전변환층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고, CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표 상에서 a*≤5.9 및 (a*+5)2/302+(b*-10)2/352≤1을 만족하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈을 제공한다.

Description

광기전력 모듈 및 그 제조 방법{PHOTOVOLTAIC MODULE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 광기전력 모듈과 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유 또는 석탄과 같은 기존 에너지 자원에 대한 고갈이 예측되면서 이들을 대체할만한 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 에너지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다. 태양 에너지의 이용방법으로는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는 데에 필요한 증기를 발생시키는 태양열 에너지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기 에너지로 변환시키는 태양광 에너지가 있다.
태양광을 전기 에너지로 변환하는 광기전력 모듈은 다이오드와 같이 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조를 가지며, 광기전력 모듈에 빛이 입사되면 빛과 광기전력 모듈의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 광기전력 모듈을 구성하는 p형 및 n형 반도체 중 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체 및 p형 반도체와 접합된 전극들로 이동하고, 이 전극들을 전선으로 연결하면 전기가 외부로 흐른다.
이와 같은 광기전력 모듈은 발전용뿐만 아니라 건축용으로도 사용되고 있다. 건축용 광기전력 모듈은 건물의 지붕, 벽 또는 창 등에 장착되어 발전을 수행한다. 건축용 광기전력 모듈의 경우 발전용 광기전력 모듈에 비하여 여러 가지 다른 특징을 가져야 하므로 건축용 광기전력 모듈에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
현재 상용화되고 있는 건축용 광기전력 모듈은 어두운 흑색이거나, 대부분 적갈색 또는 주황색을 띈다. 이러한 광기전력 모듈이 건물의 창 등에 장착될 시에는 시각적 피로감을 쉽게 줄 수 있다. 또한, 미적인 측면에서도 좋지 않을 뿐만 아니라 전체적인 건물과의 조화도 또한 떨어지는 문제가 있었다.
따라서, 태양광을 수광하여 전기 에너지를 낼 수 있으면서도 건물에 장착될 시에 피로감을 적게 주며, 미적으로 건축물과의 조화도 꾀할 수 있는 광기전력 모듈에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명은 사용자로 하여금 시각적 피로감을 덜 느끼게 함과 동시에 건축물에 장착시 건축물과의 조화 또한 꾀할 수 있는 광기전력 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 광전변환층; 및 상기 광전변환층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고, CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표 상에서 a*≤5.9 및 (a*+5)2/302+(b*-10)2/352≤1을 만족하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈이 제공된다.
상기 광기전력 모듈은, 상기 제2 전극 상에 형성되는 절연성 보호층; 상기 절연성 보호층 상에 형성되는 이면 기판; 및 상기 기판의 하면, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이, 상기 제2 전극과 상기 절연성 보호층 사이, 상기 절연성 보호층과 상기 이면 기판 사이, 상기 이면 기판 상부 중 적어도 하나의 위치에 형성되어 색상을 나타내는 광학층을 더 포함할 수 있다.
상기 광학층은 CIE LAB 색 좌표 상에서, a*≤0, b*≤0 범위 내에서 b*=K1a*+M1, b*=K2a*+M2, b*=K3a*+M3 중 어느 하나의 수식을 만족하는 색상을 가지며, 0.913≤K1≤1.236, 14.217≤M1≤19.235, 0.804≤K2≤1.088, 4.839≤M2≤6.547, 0.726≤K3≤0.982, 1.931≤M3≤2.613인 것이 바람직하다.
상기 광학층은 CIE LAB 색 좌표 상에서 60≤L≤90의 밝기를 가질 수 있다.
상기 광학층은 용매에 상기 색상을 나타내는 안료 또는 염료가 3% 내지 40%의 중량으로 포함되어 형성될 수 있다.
상기 이면 기판은 가시광 영역에서 50% 이상의 광투과율을 가질 수 있다.
상기 광기전력 모듈은 CIE LAB 색 좌표 상에서 20≤L≤50의 밝기를 가질 수 있다.
상기 광기전력 모듈은 가시광 영역에서 1% 이상, 30% 이하의 광투과율을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 광전변환층 및 상기 제2 전극을 포함하는 광기전력 모듈은 CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표 상에서 a*≤5.9 및 (a*+5)2/302+(b*-10)2/352≤1을 만족하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈의 제조 방법이 제공된다.
상기 광기전력 모듈의 제조 방법은, 상기 제2 전극 상에 절연성 보호층을 형성하는 단계; 상기 절연성 보호층 상에 이면 기판을 형성하는 단계; 및 상기 기판의 하면, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이, 상기 제2 전극과 상기 절연성 보호층 사이, 상기 절연성 보호층과 상기 이면 기판 사이, 상기 이면 기판 상부 중 적어도 하나의 위치에 색상을 나타내는 광학층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 광학층은 CIE LAB 색 좌표 상에서, a*≤0, b*≤0 범위 내에서 b*=K1a*+M1, b*=K2a*+M2, b*=K3a*+M3 중 어느 하나의 수식을 만족하는 색상을 가지며, 0.913≤K1≤1.236, 14.217≤M1≤19.235, 0.804≤K2≤1.088, 4.839≤M2≤6.547, 0.726≤K3≤0.982, 1.931≤M3≤2.613일 수 있다.
상기 광학층은 CIE LAB 색 좌표 상에서 60≤L≤90의 밝기를 가질 수 있다.
상기 광학층은 용매에 상기 색상을 나타내는 안료 또는 염료가 3% 내지 40%의 중량으로 포함되어 형성될 수 있다.
상기 이면 기판은 가시광 영역에서 50% 이상의 광투과율을 가질 수 있다.
상기 광기전력 모듈은 CIE LAB 색 좌표 상에서 20≤L≤50의 밝기를 가질 수 있다.
상기 광기전력 모듈은 가시광 영역에서 1% 이상, 30% 이하의 광투과율을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 사용자로 하여금 시각적 피로감을 덜어줄 수 있는 색상을 갖는 광기전력 모듈이 얻어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 건물의 창 등에 적용될 경우 위화감 또는 시각적 피로감이 덜하며 건축물과의 높은 조화도 및 미려함도 꾀할 수 있는 광기전력 모듈을 얻을 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈의 색상 특성을 나타내는 색 좌표 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학층의 색상 특성을 나타내는 색 좌표 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
본 명세서에서 "색상"이란 태양광이 존재하는 환경에서 해당 물체가 반사 또는 투과하는 빛의 스펙트럼을 육안으로 확인했을 때에 식별되는 색감의 성질 또는 색의 종류를 의미하며, 명도와 채도와는 상관없이 색채를 구별하는 데에 필요한 색의 명칭을 총칭한다.
광기전력 모듈의 구성
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 광기전력 모듈은 기판(100) 상에 순차적으로 형성되는 제1 전극(110), 광전변환층(120), 제2 전극(130)을 포함할 수 있다. 한편, 제2 전극(130) 상에는 절연성 보호층(140) 및 이면 기판(150)이 더 포함될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈은 적어도 일부에 광학층(160)을 포함한다. 광학층(160)은 광기전력 모듈의 임의의 위치에 포함될 수 있다. 예를 들면 광학층(160)은 도 1a에 도시되는 바와 같이, 기판(100) 하부에 형성될 수도 있으며, 도 1b에 도시되는 바와 같이 기판(100)과 제1 전극(110) 사이에 형성될 수도 있다. 또한, 도 1c에 도시되는 바와 같이 제2 전극(130)과 절연성 보호층(140) 사이에 형성될 수도 있다. 한편, 도 1d에 도시되는 바와 같이 절연성 보호층(140)과 이면 기판(150) 사이에 형성될 수도 있으며, 도 1e에 도시되는 바와 같이 이면 기판(150) 상에 형성될 수도 있다. 또한, 광학층(160)은 도 1a 내지 도 1e에 도시되는 위치 중 2군데 이상에 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학층(160)은 전체 광기전력 모듈이 색상을 가질 수 있도록 하는 구성요소이다. 이러한 광학층(160)은 통상적인 용매에 착색용 안료 또는 염료를 용해함으로써 이루어진다. 광학층(160)은 예를 들면 코팅층일 수 있다. 광학층(160)이 이면 기판(150) 상에 형성되는 경우에는, 이면 기판(150) 상에 일정 비율의 착색용 안료 또는 염료를 포함하는 용액을 도포함으로써 형성될 수 있다. 안료 또는 염료는 예를 들면 용매에 대해 약 3% 내지 40%의 중량으로 포함될 수 있다. 광학층(160) 및 광기전력 모듈의 색상에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.
기판(100)은 절연성 투명기판일 수 있다. 또한 기판(100)은 글라스와 같은 인플렉서블 기판(inflexible substrate)일 수도 있고, 폴리머나 금속 포일과 같은 플렉서블 기판(flexible substrate)일 수도 있다. 기판(100)이 금속 포일을 포함할 경우 기판(100)은 금속 포일을 덮는 절연층(미도시)을 포함할 수 있다.
제1 전극(110)은 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈은 건물의 창 등에 적용되는 BIPV(Building Integrated Photovoltaic System)로 적용될 수 있는데, 이를 위해서는 광기전력 모듈이 광투과성을 가져야 한다. 따라서, 제1 전극(110)은 예를 들면 전도성 투명전극(TCO; Transparant Conductive Oxides)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 전도성 투명전극은 SnO2:F, ZnO:B, ZnO:Al 등을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 전극(110)은 CVD(Chemical Vapor Deposition)법이나 스퍼터링 (sputtering) 법으로 기판(100) 상에 형성될 수 있다.
광전변환층(120)은 조사된 빛을 전기 에너지로 변환한다. 이와 같은 광전변환층(120)은 비정질 광전변환층, 결정질 광전변환층, 화합물 광전변환층, 유기물 광전변환층 중 하나를 포함할 수 있다. 화합물 광전변환층은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 족 화합물 반도체, Ⅱ-Ⅵ 족 화합물 반도체, 또는 Ⅲ-Ⅴ 족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 비정질 광전변환층은 3족 또는 5족 불순물이 도핑된 실리콘층 사이에 불순물이 도핑되지 않은 실리콘층을 포함한다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극(110), 광전변환층(120), 제2 전극(130)을 포함하는 태양전지는 CIGS 태양전지, CdTe 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 박막 태양전지로 구현될 수도 있다. 또한, 제1 전극(110), 광전변환층(120), 제2 전극(130)이 복수개 포함되어 반복적으로 증착되는 탠덤(tandem)형 또는 트리플(triple)형 태양전지로 구현될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 광전변환층(120)이 비정질 광전변환층으로 구현되는 것으로 가정하여 설명하기로 한다. 비정질 광전변환층(120)은 제1 형 반도체층(121), 제2 형 반도체층(123), 제1 형 반도체층(121)과 제2 형 반도체층(123) 사이에 형성되는 진성 반도체층(122)을 포함한다. 제1 형은 p형 또는 n형 중 어느 하나일 수 있으며, 제2 형은 그 중 다른 하나일 수 있다.
제2 전극(130)은 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 제2 전극(130)이 불투명 전도성 물질(예를 들면, 알루미늄 또는 은 등)을 포함하는 경우에는, 광기전력 모듈에 입사되는 광 중 광전변환에 이용되지 못하고 그대로 투과하는 광이 제2 전극(130)에서 다시 한 번 반사되어 광전변환 효율이 향상될 수 있다. 그러나, 광기전력 모듈을 BIPV로 적용하기 위해서는 제2 전극(130)을 포함하는 전체 모듈이 투광성을 가져야 한다. 광기전력 모듈이 투광성을 가질 수 있도록 하기 위한 방법에 대해서는 후에 설명하기로 한다. 이러한 제2 전극(130)은 CVD 또는 스퍼터링 공법에 의해 형성될 수 있으며, 약 500Å~10000Å의 두께를 가질 수 있다.
절연성 보호층(140)은 EVA(Etylene Vinyl Acetate), PVF(polyvinylfloride), PVB(Polyvinyl butyral), 아크릴, 에폭시, 실리콘 등 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 절연성 보호층(140)은 구성요소 간의 접합재로서 기능을 할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 절연성 보호층(140)의 종류, 두께 또는 색상을 적절히 선택하여 전체 광기전력 모듈을 원하는 색상으로 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이면 기판(150)은 투명 또는 반투명 글라스 기판, 플라스틱 기판 또는 박막 등으로 구현될 수 있다. 이면 기판(150)은 가시광 영역(약 360nm~750nm의 파장 영역대)에서 약 50% 이상의 광투과율을 가질 수 있다. 이면 기판(150)의 광투과율, 색상 또는 두께 중 하나 이상을 적절히 선택함으로써 광기전력 모듈이 BIPV로 적용 가능한 색상으로 구현될 수 있다.
절연성 보호층(140) 또는 이면 기판(150) 중 적어도 하나는 본 발명의 광기전력 모듈에서 생략될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 광기전력 모듈을 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
광기전력 모듈의 제조 방법
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 전술한 바와 같이, 광기전력 모듈에 포함되는 광전변환층이 비정질 광전변환층인 것으로 예를 들어 설명하기로 한다. 또한, 광학층(160)은 도 1a 내지 도 1e를 참조하여 설명한 바와 같이, 임의의 위치에 형성될 수도 있는 바, 광기전력 모듈의 제조 방법에 관한 설명에서는 편의를 위해 광학층(160)에 관한 설명을 생략하기로 한다.
도 2a를 참조하면, 기판(100) 상에 제1 전극(110)을 형성하고, 레이저를 조사하여 제1 전극(110)의 일부를 제거하는 스크라이브 공정이 수행된다. 스크라이브 공정에 의하여 제1 전극(110)의 일부가 제거됨으로써 제1 패턴의 홈(P1)이 형성된다. 이에 따라 인접한 제1 전극(110) 사이의 단락이 방지될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제1 전극(110)과 제1 패턴의 홈(P1)을 덮도록 광전변환층(120)을 형성한다. 광전변환층(120)은 제1 형 반도체층(121), 진성 반도체층(122), 제2 형 반도체층(123)을 순차적으로 적층함으로써 형성될 수 있다. 제1 형 및 제2 형이 각각 p형 및 n형일 경우 빛은 기판(100)을 통하여 입사된다. 반대로, 제1 형 및 제2 형이 각각 n형 및 p형인 경우 빛은 기판(100) 맞은 편을 통하여 입사된다. 본 발명의 실시예에 따르면 진성 반도체층(122)의 두께에 따라 기판(100) 상에 형성되는 제1 전극(110), 광전변환층(120), 제2 전극(130)을 포함하는 단위전지의 색상이 달라질 수 있다. 진성 반도체층(122)의 두께는 약 500Å 내지 약 2000Å, 바람직하게는 약 700Å 내지 약 2000Å의 범위 내에서 특정 값으로 선택될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 대기 중에서 레이저를 조사하여 광전변환층(120)의 일부를 제거하는 스크라이브 공정을 수행한다. 스크라이브 공정에 의하여 광전변환층(120)의 일부가 제거됨으로써 제2 패턴의 홈(P2)이 형성된다.
도 2d를 참조하면, 광전변환층(120) 및 제2 패턴의 홈(P2)을 덮도록 제2 전극(130)을 형성하고, 제2 전극(130)의 일부를 제거하는 스크라이브 공정을 수행한다. 이에 따라 광전변환층(120) 및 제2 전극(130)을 관통하는 제3 패턴의 홈(P3)이 형성된다. 이렇게 함으로써 기판(100) 상에 형성되는 제1 전극(110), 광전변환층(120), 제2 전극(130)을 포함하며 서로 직렬연결되어 있는 복수의 단위전지들이 형성된다. 단위전지들이 직렬 연결된 방향을 집적 방향(A)이라 칭하기로 한다.
전술한 바와 같이 본 발명의 광기전력 모듈을 BIPV로 적용하기 위해서는 광투과성이 필요한데, 이를 달성하는 방법은 여러가지가 존재한다.
제1 방법으로는 제2 전극(130) 자체를 투명 전도성 산화물(TCO; Transparant Conductive Oxides) 등의 투명 전도성 물질로 형성하는 것이다. 투명 전도성 물질은, 예를 들면, SnO2:F, ZnO:B, ZnO:Al, ITO, TiO2, 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
제2 방법으로는 제2 전극(130)이 반사율이 높은 불투명 전도성 물질로 이루어지는 경우 투광성을 위한 개구부를 별도로 형성하는 방법이다. 이를 도 2e를 참조하여 설명한다.
도 2e를 참조하면, 제2 전극(130)의 적어도 일부를 관통하는 형태의 투광성 개구(H)를 형성할 수 있다. 투광성 개구(H)는 제2 전극(130)의 일부 또는 전부를 관통할 수 있으며, 제2 전극(130)의 전부를 관통하는 경우에는 광전변환층(120)의 일부 또는 전부 또한 관통할 수 있다. 투광성 개구(140)는 임의의 위치에 형성될 수도 있고, 소정의 문양으로 형성될 수도 있다. 그러나, 공정의 용이성을 위해 직선 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 투광성 개구(H)는 집적 방향(A)을 따라 직선으로 형성될 수도 있고, 집적 방향(A)과 소정 각도 기울어진 채로 형성될 수도 있으며, 직선 형상이 아닐 수도 있다. 또한, 도 2e에서는 투광성 개구(H)가 직선 형태의 홈으로 형성되는 것으로 도시되었으나, 불연속 적으로 형성될 수도 있다. 집적 방향(A)을 따라 형성되는 투광성 개구(H)는 일 이상일 수 있는데, 일 이상의 투광성 개구(H) 각각은 집적 방향(A)과 수직한 방향으로 소정 간격 이격된 상태로 서로 평행하게 형성될 수도 있다. 전체 광전변환영역, 즉, 광전변환층(120)이 형성된 면적에 대해 투광성 개구부가 형성된 면적의 비를 개구율이라고 하는데, 이러한 개구율은 0% 내지 50%, 바람직하게는 1% 내지 50%일 수 있다.
제3 방법으로는 제2 전극(130)을 투명 전도성 물질로 형성하는 것에 더하여 투광성 개구(H) 또한 형성하는 방식이다. 즉, 제1 방법과 제2 방법을 조합하는 방법이다. 이에 따르면, 제2 전극(130)이 광투과성을 갖는 것에 더하여, 광투과성 확보를 위한 투과성 개구부가 형성되기 때문에, 광기전력 모듈의 광투과성이 더욱 향상될 수 있다.
도 2f를 참조하면, 제2 전극(130) 상에 절연성 보호층(140) 및 이면 기판(150)을 차례로 형성시켜 광기전력 모듈을 완성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈의 색상 특성에 대해 설명하기로 한다.
광기전력 모듈의 색 좌표
표 1 및 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈의 색상 특성을 나타내는 색 좌표이다.
표 1 및 표 2의 구분란에서 "NLS"라고 표기된 것은 광기전력 모듈이 광투과성을 갖도록 하기 위한 전술된 3가지 방법 중 제1 방법, 즉, 제2 전극(130)이 투명 전도성 물질로 이루어지고, 투과성 개구가 형성되지 않는 경우(즉, 개구율 0%인 경우)를 의미한다. 또한, "HYD"라고 표기된 것은 광기전력 모듈이 광투과성을 갖도록 하기 위한 전술된 3가지 방법 중 제3 방법, 즉, 제2 전극(130)을 투명 전도성 물질로 함과 동시에, 투광성 개구를 형성하는 방법을 의미한다. 광학층(160)은 절연성 보호층(140)과 이면 기판(150) 사이에 형성시켜 측정을 수행하였다.
표 1 및 표 2의 "Glass"로 표기된 열은 광학층(160)의 특성을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 광학층(160)은 이면 기판(150)의 일면에 형성되는 코팅층으로서 구현될 수 있는데, 예를 들어, "Bluish green 7%"로 표기된 것은 투명 유리의 이면 기판(150)의 일면에 "Bluish green" 색상의 광학층(160)이 코팅된 상태라는 의미이다. 여기서 색상 뒤에 표기되는 "7%"는 광학층(160)의 색농도를 나타낸 것으로서, 광학층(160) 형성의 재료가 되는 용액에 있어서 용매에 대한 안료 또는 염료의 중량비를 의미한다.
광기전력 모듈은 제2 전극(130)의 조성(투명 전도성 물질 또는 불투명 전도성 물질), 광전변환층(120)을 구성하는 진성 반도체층(122)의 두께, 개구율, 광학층(160)의 색상과 색농도에 따라 그 색 좌표가 달라질 수 있다.
이하에서 설명하는 색 좌표는 CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표이다. CIE LAB 색 좌표는 모든 색상을 X, Y, Z 라는 3자 극치의 상대적인 양으로 표현하고, 이러한 수치를 3가지 좌표, 즉, L*, a*, b*값으로 변환한 것이다. 여기서 L*은 밝기의 변수이며, a* 와 b*는 색도 좌표(chromacity coordinates)이다. a*는 적색(Red)과 녹색(Green)을 잇는 축과 관련된 좌표이고, b*는 노란색(Yellow)과 청색(Blue)을 잇는 축과 관련된 좌표이다.
이하의 색 좌표는 태양광 스펙트럼의 일부에 해당하는 약 300nm 내지 약 1200nm의 파장을 갖는 빛을 단위전지에 조사하였을 때, 이를 투과하는 빛의 스펙트럼을 대상으로 측정한 것이다. 측정 장비로서는 분광광도계(Spectrophotometer)(X-Rite color i5)의 투광형 장비를 사용하였다. 단위전지는 빛을 반사하는 특성보다는 빛을 투과하는 특성을 크게 가지고 있으며, 육안으로 확인할 수 있는 단위전지의 색상은 이를 투과하는 빛의 스펙트럼 특성이므로, 단위전지를 투과하는 빛의 색상을 색 좌표로 표현하였다. 이렇게 측정된 색 좌표, 즉, 단위전지에 약 300nm 내지 약 1200nm의 파장을 갖는 빛을 투과시켰을 때 가시광 영역에서 투과되는 빛에 대해 측정한 색 좌표에 해당하는 값이 단위전지의 색상이라 할 수 있다.
구분 단위전지(cell) glass 색 좌표 수식
진성
반도체층
두께		 개구율 L a* b*
NLS 1500Å 0% Bluish green 7% 29.10 2.07 43.05 b*=0.9407a*+40.64
Bluish green 10% 27.41 -1.09 39.34
Bluish green 12% 26.64 -7.44 33.88
Bluish green 13% 26.34 -8.33 32.42
Bluish green 14% 24.75 -9.84 30.84
Bluish green 15% 24.66 -12.8 28.23
Bluish green 16% 24.24 -15.07 27.15
Bluish green 17% 24.12 -16.52 25.7
Bluish green 20% 22.12 -18.08 23.22
구분 단위전지(cell) glass 색 좌표 수식
진성
반도체층
두께		 개구율 L a* b*
HYD 2000Å 20% Sky blue 4% 47.03 -1.53 4.73 b*=0.7278a*+5.9278
Sky blue 5% 45.33 -2.01 3.76
Sky blue 6% 44.45 -6.00 2.91
Sky blue 7% 42.50 -9.81 -1.25
Sky blue 8% 41.05 -11.84 -3.21
Light green 7% 44.72 -5.44 5.63 b*=1.1631a*+13.376
Light green 10% 42.07 -11.32 2.48
Light green 15% 37.65 -21.12 -12.04
Gray 4% 41.34 5.15 8.5 b*=0.7697a*+4.4667
Gray 5% 38.59 4.32 7.97
Gray 6% 36.41 2.58 6.08
Gray 10% 28.1 -1.34 3.56
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈을 구성하는 단위전지의 색 좌표를 좌표 공간 상에서 나타낸 그래프이다.
도 3의 그래프에는 표 1 및 표 2에 표기된 광기전력 모듈의 색 좌표가 함께 표시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈은 색 좌표 공간 상에서 a*≤5.9 범위(바람직하게는, a*≤5.15 범위) 내에서 (a*+5)2/302+(b*-10)2/352≤1을 만족하는 범위 내의 색 좌표를 갖는다.
또한, 제2 전극(130)이 투명 전도성 물질로 이루어지고, 별도의 투광성 개구가 형성되지 않는 경우의 "NLS" 형태의 광기전력 모듈의 색 좌표는 b*=Ka*+M(0.799≤K≤1.082, 34.54≤M≤46.74)를 만족할 수 있다. 여기서, 바람직하게는 K=0.9407, M=40.64일 수 있다. 단, 광전변환층(120)을 구성하는 진성 반도체층의 두께는 1500Å, 광학층(160)의 색상은 "Bluish green"이라는 것이 전제가 되어야 한다.
한편, 제2 전극(130)이 투명 전도성 물질로 이루어짐과 동시에, 투광성 개구도 갖는 경우, 즉, "HYD" 형태의 광기전력 모듈의 색 좌표는 광학층(160)의 색상이 "Sky blue"일 때, b*=Ka*+M(0.619≤K≤0.837, 5.039≤M≤6.817)을 만족할 수 있으며, 바람직하게는, K=0.7278, M=5.9278일 수 있다. 또한, 광학층(160)의 색상이 "Light Green" 또는 "Green" 계열일 경우, b*=Ka*+M(0.989≤K≤1.338, 11.37≤M≤15.38)을 만족할 수 있으며, 바람직하게는, K=1.1631, M=13.376일 수 있다. 한편, 광학층(160)이 "Gray" 생삭일 때 b*=Ka*+M(0.654≤K≤0.885, 3.797≤M≤5.137)를 만족할 수 있으며, 바람직하게는 K=0.7697, M=4.4667일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈의 광투과율은 가시광 영역(약 360nm~750nm의 파장 대역)에서 약 1% 이상 약 30% 이하일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 광학층(160)의 색상 특성에 대해 설명하기로 한다.
광학층
표 3 및 표 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학층의 색상 특성을 나타내는 색 좌표이다.
표 3 및 표 4의 구분란에서 "NLS"라고 표기된 것은 표 1을 참조하여 설명한 형태의 광기전력 모듈에 적용될 수 있는 광학층을 의미하는 것이고, "HYD"라고 표기된 것은 표 2를 참조하여 설명한 형태의 광기전력 모듈에 적용될 수 있는 광학층을 의미하는 것이다. 그러나, 이는 하나의 예에 불과할 뿐이며 각각의 광학층은 표 3 및 표 4에 표기된 것과 다른 타입의 광기전력 모듈에 적용될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 광학층(160)은 이면 기판(150)의 일면에 형성되는 코팅층으로서 구현될 수 있다. 표 1 및 표 2는 투명 유리로 이루어진 이면 기판(150)의 일면에 광학층(160)을 형성시켜 그 색 좌표를 측정한 결과이다.
색 좌표 측정 방법은 위에서 설명한 광기전력 모듈의 색 좌표 측정 방법과 동일한 방식으로 이루어졌다.
구분 Glass 색 좌표 수식
L a* b*
NLS
(HYD)		 Bluish green 7%
(Light green 10%)		 84.50 -25.27 -11.41 b*=1.0748a*+16.726
Bluish green 10%
(Light green 10%)		 80.66 -32.83 -14.99
Bluish green 12% 78.1 -33.76 -20.25
Bluish green 13% 76.82 -35.21 -21.7
Bluish green 14% 74.64 -36.67 -23.14
Bluish green 15%
(Light green 15%)		 73.93 -37.38 -24.08
Bluish green 16% 71.88 -39.57 -26.06
Bluish green 17% 71.17 -41.02 -27.51
Bluish green 20% 64.86 -45.38 -31.87
구분 Glass 색 좌표 수식
L a* b*
HYD Sky blue 4% 87.37 -14.08 -7.98 b*=0.9465a*+5.6928
Sky blue 5% 85.35 -18.89 -12.18
Sky blue 6% 84.53 -22.32 -14.99
Sky blue 7% 82.31 -26.39 -18.67
Sky blue 8% 80.89 -29.71 -23.15
Gray 4% 79.00 -6.01 -2.88 b*=0.8537a*+2.272
Gray 5% 75.19 -7.12 -3.99
Gray 6% 73.51 -8.24 -4.45
Gray 10% 62.73 -12.69 -8.64
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학층의 색 좌표를 좌표 공간 상에서 나타낸 그래프이다.
도 4의 그래프에는 표 3 및 표 4에 표기된 광학층의 색 좌표가 함께 표시되어 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학층은 색 좌표 공간 상에서 a*≤0, b*≤0의 범위 내에서 b*=K1a*+M1, b*=K2a*+M2, b*=K3a*+M3 를 만족하는 색 좌표를 갖는다. b*=K1a*+M1의 수식은 광학층이 "Bluish green" 또는 "Light green"의 색상을 갖는 경우의 색 좌표가 만족시키는 수식이며, 여기서, 0.913≤K1≤1.236, 14.217≤M1≤19.235일 수 있다. 바람직하게는, K1=1.0748, M1=16.726일 수 있다.
또한, b*=K2a*+M2의 수식은 광학층이 "Sky blue"의 색상을 갖는 경우의 색 좌표가 만족시키는 수식이며, 여기서, 0.804≤K2≤1.088, 4.839≤M2≤6.547일 수 있다. 바람직하게는, K1=0.9465, M1=5.6928일 수 있다.
한편, b*=K3a*+M3의 수식은 광학층이 "Gray"의 색상을 갖는 경우의 색 좌표가 만족시키는 수식이며, 여기서, 0.726≤K3≤0.982, 1.931≤M3≤2.613일 수 있다. 바람직하게는, K3=0.8537, M3=2.272일 수 있다.
광학층의 밝기와 관련되는 색 좌표는 60≤L≤90의 범위를 가질 수 있다.
"Bluish green" 색상의 광학층은 표 1을 참조하여 설명한 "NLS" 타입의 광기전력 모듈에 적용될 수 있고, "Light green", "Sky blue", "Gray" 색상의 광학층은 표 2를 참조하여 설명한 "HYD" 타입의 광기전력 모듈에 적용될 수 있다. 이렇게 함으로써, 광기전력 모듈은 노란색, 녹색, 밝은 녹색, 하늘색 계열 등의 색상을 갖게 되고, 이에 따라 건물의 창 등에 적용되었을 시에 사용자에게 시각적 피로감을 덜 줄 수 있게 되며, 건축물과의 조화도 또한 향상되게 된다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 기판
110: 제1 전극
120: 광전변환층
130: 제2 전극
140: 절연성 보호층
150: 이면 기판
160: 광학층

Claims (16)

  1. 기판 상에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 광전변환층; 및
    상기 광전변환층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하며,
    상기 제2 전극은 상기 제2 전극의 집적 방향(상기 제1 전극, 상기 광전변환층, 상기 제2 전극을 포함하는 복수의 단위전지들이 직렬로 연결된 방향)에 대하여 기울어진 각도를 갖는 비곡선 형태의 투광성 개구를 포함하는 광기전력 모듈과,
    착색용 안료 또는 염료를 포함하고 상기 광기전력 모듈의 색상을 나타내는 광학층을 포함하며,
    CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표 상에서 a*≤5.9 및 (a*+5)2/302+(b*-10)2/352≤1을 만족하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 상에 형성되는 절연성 보호층;
    상기 절연성 보호층 상에 형성되는 이면 기판; 및
    상기 기판의 하면, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이, 상기 제2 전극과 상기 절연성 보호층 사이, 상기 절연성 보호층과 상기 이면 기판 사이, 상기 이면 기판 상부 중 적어도 하나의 위치에 형성되어 색상을 나타내는 광학층을 더 포함하는 광기전력 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광기전력 모듈은 상기 광학층의 색상과 색농도에 따라 CIE LAB 색 좌표의 a*≤0, b*≤0 범위 내에서 b*=K1a*+M1, b*=K2a*+M2, b*=K3a*+M3 중 어느 하나의 수식을 만족하는 색상을 가지며, 0.913≤K1≤1.236, 14.217≤M1≤19.235, 0.804≤K2≤1.088, 4.839≤M2≤6.547, 0.726≤K3≤0.982, 1.931≤M3≤2.613인 광기전력 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학층은 CIE LAB 색 좌표 상에서 60≤L≤90의 밝기를 갖는 광기전력 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광학층은 용매에 상기 색상을 나타내는 안료 또는 염료가 3% 내지 40%의 중량으로 포함되어 형성되는 광기전력 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 이면 기판은 가시광 영역에서 50% 이상의 광투과율을 갖는 광기전력 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    CIE LAB 색 좌표 상에서 20≤L≤50의 밝기를 갖는 광기전력 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    가시광 영역에서 1% 이상, 30% 이하의 광투과율을 갖는 광기전력 모듈.
  9. 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 광전변환층을 형성하는 단계;
    상기 광전변환층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 전극 상에 상기 제2 전극의 집적 방향(상기 제1 전극, 상기 광전변환층, 상기 제2 전극을 포함하는 복수의 단위전지들이 직렬로 연결된 방향)에 대하여 기울어진 각도를 갖는 비곡선 형태의 투광성 개구를 형성하는 단계; 및
    상기 기판, 상기 제1 전극, 상기 광전변환층, 그리고 상기 제2 전극 사이에 착색용 안료 또는 염료를 포함하는 용액을 도포하여 광학층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 전극, 상기 광전변환층, 상기 제2 전극 및 상기 광학층을 포함하는 광기전력 모듈은 CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표 상에서 a*≤5.9 및 (a*+5)2/302+(b*-10)2/352≤1을 만족하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전극 상에 절연성 보호층을 형성하는 단계;
    상기 절연성 보호층 상에 이면 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 하면, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이, 상기 제2 전극과 상기 절연성 보호층 사이, 상기 절연성 보호층과 상기 이면 기판 사이, 상기 이면 기판 상부 중 적어도 하나의 위치에 색상을 나타내는 광학층을 형성하는 단계를 더 포함하는 광기전력 모듈의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광기전력 모듈은 상기 광학층의 색상과 색농도에 따라 CIE LAB 색 좌표의 a*≤0, b*≤0 범위 내에서 b*=K1a*+M1, b*=K2a*+M2, b*=K3a*+M3 중 어느 하나의 수식을 만족하는 색상을 가지며, 0.913≤K1≤1.236, 14.217≤M1≤19.235, 0.804≤K2≤1.088, 4.839≤M2≤6.547, 0.726≤K3≤0.982, 1.931≤M3≤2.613인 광기전력 모듈의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광학층은 CIE LAB 색 좌표 상에서 60≤L≤90의 밝기를 갖는 광기전력 모듈의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 광학층은 용매에 상기 색상을 나타내는 안료 또는 염료가 3% 내지 40%의 중량으로 포함되어 형성되는 광기전력 모듈의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 이면 기판은 가시광 영역에서 50% 이상의 광투과율을 갖는 광기전력 모듈의 제조 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 광기전력 모듈은 CIE LAB 색 좌표 상에서 20≤L≤50의 밝기를 갖는 광기전력 모듈의 제조 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 광기전력 모듈은 가시광 영역에서 1% 이상, 30% 이하의 광투과율을 갖는 광기전력 모듈의 제조 방법.
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