KR101440772B1 - 태양전지 모듈 - Google Patents

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김종수
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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 제1투명기판, 제1전면전극, 광활성층, 제2전면전극 및 제2투명기판이 순차적으로 적층되고, 상기 제1투명기판 및 상기 제2투명기판을 통해 상기 광활성층으로 광이 입사되는 양면수광형 태양전지 셀을 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.

Description

태양전지 모듈{Solar Cell Module}
본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로, 상세하게, 극히 우수한 수광효율을 가지면서 소형화 가능한 태양전지 모듈에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 개발된 바 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다.
이에 따라 태양전지의 상용화를 위해서는 가능한 태양전지 셀의 제조에 소요되는 반도체 물질들을 최소화하며 높은 수광효율을 얻을 수 있는 집광 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
통상적으로, 미국특허공개 제2010/0032005호와 같이, 집광이 가능한 볼록 렌즈, 프레넬 렌즈, 반사경 등을 이용하여 태양광을 모아서 태양전지 셀로 집중시킴으로써, 좁은 면적의 태양전지 셀로 보다 큰 전력을 얻고자 하는 기술들이 개발되고 있다.
그러나, 렌즈, 반사경 등과 같은 광학 부품을 적절한 위치에 고정시키기 위한 구조물의 설치가 필수적이며, 광학 부품 자체의 부피가 크고, 또한 집광을 위해 집광용 부품과 셀 간의 간격이 초점 거리 정도로 떨어져 있어야 하는 등의 제약 때문에 태양 전지의 부피 및 중량 등이 늘어나게 되는 문제점이 있었다.
미국특허공개 제2010/0032005호
본 발명의 목적은 광 흡수율 및 수광 효율이 현저하게 향상된 태양전지 모듈을 제공하는 것이며, 부피가 현저히 감소되어 소형화 가능한 태양전지 모듈을 제공하는 것이며, 극히 고가인 반도체 기판의 사용량이 최소화되어, 원가 절감 가능한 태양전지 모듈을 제공하는 것이며, 물리적 안정성이 우수하고 부품간 광결합이 극히 용이한 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은 제1투명기판, 제1전면전극, 광활성층, 제2전면전극 및 제2투명기판이 순차적으로 적층되고, 상기 제1투명기판 및 상기 제2투명기판을 통해 상기 광활성층으로 광이 입사되는 양면수광형 태양전지 셀을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 제1미러면 및 제2미러면으로 이루어지는 브이(V)자형 그루브(groove)가 형성된 반사체; 상기 제1전면전극과 상기 제1미러면이 마주하고, 상기 제2전면전극과 상기 제2미러면이 마주하도록, 상기 그루브 중심에 위치하는 태양전지 셀; 및 상기 태양전지 셀이 위치한 그루브 내의 공간을 채우는 투명수지;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 상기 제1미러면과 상기 제2미러면의 면간 각도는 90˚이며, 상기 태양전지 셀을 기준으로 상기 제1미러면과 상기 제2미러면이 대칭 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 상기 투명수지에는 볼록 렌즈 또는 프레넬 렌즈 형상의 표면요철이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 상기 반사체; 및 태양전지 셀;을 일 단위체로 하여, 다수개의 상기 단위체를 포함하며, 다수개의 상기 단위체가 종 및 횡으로 배열된 매트릭스를 이룰 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 상기 태양전지 셀의 상기 광활성층은 적어도 제1광활성층, 제2광활성층, 제3광활성층, 제4광활성층 및 제5광활성층이 적층된 탠덤구조를 가지며, 상기 제1 내지 제5광활성층의 밴드갭 에너지는 하기 식 1, 식 2 및 식 3을 만족할 수 있다.
(식 1)
Eg(1)=Eg(5)
상기 식 1에서 Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(5)는 제5광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
(식 2)
Eg(2)=Eg(4)
상기 식 2에서 Eg(2)은 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(4)는 제4광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
(식 3)
E(3)<E(2)<E(1)
상기 식 3에서 Eg(3)은 제3광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(2)는 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 상기 태양전지 셀은 상기 제3광활성층과 접속하는 공통전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 다수 개의 집광 수단들이 어레이 또는 매트릭스 형태로 배치되어 플레이트 형상을 이루도록 형성되는 집광부, 상기 집광 수단들의 초점이 내부에 위치하도록 상기 집광부 하부에 위치하는 슬래브 도파관(slab wave guide)을 포함하는 단위체를 하나의 광블록으로 하여, 상기 태양전지 모듈은 상기 태양전지 셀의 제1전면전극 측에 위치하는 제1광블록 및 상기 태양전지 셀의 제2전면전극 측에 위치하는 제2광블록을 포함하고, 상기 제1광블록의 슬래브 도파관에 의해 이송된 광이 상기 태양전지 셀의 제1전면전극으로 입사되며, 상기 제2광블록의 슬래브 도파관에 의해 이송된 광이 상기 태양전지 셀의 제2전면전극으로 입사될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 상기 광블록의 집광부 및 슬래브 도파관은 직사각 내지 정사각 플레이트 형상일 수 있으며, 상기 태양전지 모듈은 P개(P≥4 이상인 자연수)의 광블록이 종 및 횡으로 배열된 매트릭스를 이루며, 서로 인접하는 두 광블록 사이에 상기 태양전지 셀이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 상기 슬래브 도파관의 하부면에는, 피라미드, 원뿔 또는 삼각 내지 팔각의 다각뿔 형태의 반사체가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은 태양전지 셀의 서로 대향하는 두 면이 모두 광을 수광하고, 수광된 광이 수광면에 인접한 광활성층 뿐만 아니라, 대향하는 수광면측에 위치한 광활성층에서도 흡수됨에 따라, 광 흡수율 및 광전 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 태양전지 모듈은 태양전지 셀에서 광이 수광되지 않는 쉐이딩 영역이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 수광 면적이 태양전지 셀의 면적이 아닌, 입사된 광을 반사시키는 반사체 자체의 면적에 의해 결정됨에 따라, 태양전지 모듈의 수광 효율을 현저히 향상시킬 수 있으며, 수광되는 광이 손실 없이 태양전지 셀로 조사될 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 태양전지 모듈은 광을 수광하고 이송 또는 반사시키는 광부품들과 태양전지 셀이 결합된 일체형이며, 수직-수평의 안정적인 광경로를 가짐에 따라, 모듈의 크기를 현저히 줄일 수 있는 장점이 있으며, 태양전지 모듈의 소형화, 고 집적화가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 단면을 도시한 일 단면도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀에 있어, 광활성층을 상세 도시한 일 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀에 있어, 광활성층을 상세 도시한 다른 일 단면도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 양면수광형 태양전지 셀의 단면을 도시한 다른 일 예이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 제조방법을 도시한 일 공정도이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 단면을 도시한 일 단면도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 단면을 도시한 다른 일 단면도이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 MxN 매트릭스의 태양전지 모듈의 단면을 도시한 일 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 단면을 도시한 또 다른 일 단면도이며,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 광블록만을 상세 도시한 일 예이며,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 슬래브 도파관만을 상세 도시한 일 예이며,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 태양전지 셀이 측면에 위치하는 슬래브 도파관(도 12a), 슬래드 도파관의 상부에 위치하는 집광부(도 12b)을 독립적으로 도시한 상부 조감도 및 도 12a 및 도 12b의 B-B 단면을 도시한 일 단면도(도 12c)이다.
<부호의 설명>
100 : 반도체 기판 200 : 희생층
300 : 광활성층 410 : 제1전면전극
420 : 제2전면전극 510 : 제1투명기판
520 : 제2투명기판 600 : 광활성층-전극 복합체
301 : 제1도전형불순물층 302 : 제2도전형불순물층
303 : 진성반도체층 310 : 제1광활성층
320 : 제2광활성층 330 : 제3광활성층
340 : 제4광활성층 350 : 제5광활성층
311 : 제1터널접합층 321 : 제2터널접합층
331 : 제3터널접합층 341 : 제4터널접합층
430 : 공통전극
1000 : 태양전지 셀 2000 : 반사체
2100 : 브이자형 그루브 2110 : 제1미러면
2120 : 제2미러면 3000 : 투명수지
3100 : 표면요철 4000 : 단위체
5000, 5000' : 광블록 5100, 5100' : 집광부
5200, 5200' : 슬래브 도파관 5110, 5110' : 집광 수단
5210 : 도파관 5220 : 반사체
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 태양전지 모듈을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은 제1투명기판, 제1전면전극, 광활성층, 제2전면전극 및 제2투명기판이 순차적으로 적층되고, 상기 제1투명기판 및 상기 제2투명기판을 통해 상기 광활성층으로 광이 입사되는 양면수광형 태양전지 셀을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 단면을 도시한 일 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 셀은 제1투명기판(510), 제1전면전극(410), 광활성층(300), 제2전면전극(420) 및 제2투명기판(520)이 순차적으로 적층되고, 상기 제1투명기판(510) 및 상기 제2투명기판(520)을 통해 상기 광활성층(300)으로 광이 입사될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀(1000)은 태양전지 셀(1000)의 서로 대향하는 양 면에 전면전극이 형성되어, 대향하는 양 면 모두를 통해 광이 수광되는 구조일 수 있으며, 단일한 광활성층에서 양 면을 통해 수광된 광을 흡수하여 광전자-광정공 쌍을 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀에 있어, 광활성층(300)을 상세 도시한 일 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 광활성층(300)은 제1도전형 불순물로 도핑된 제1도전형불순물층(301)과 상기 제1도전형 불순물에 대해 상보적인 불순물인 제2도전형 불순물로 도핑된 제2도전형불순물층(302)을 포함할 수 있으며, 제1도전형불순물층(301)과 제2도전형불순물층(302)의 접합에 의한 p-n 정션이 형성될 수 있다.
이러한 p-n 정션의 공핍층이 광을 흡수하여 광전자 및 광정공을 형성할 수 있다. 이때, 제1도전형 불순물이 p형 불순물인 경우, 제2도전형 불순물은 n형 불순물일 수 있으며, 제1도전형 불순물이 n형 불순물인 경우, 제2도전형 불순물은 p형 불순물일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀에 있어, 광활성층(300)을 상세 도시한 다른 일 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제1도전형불순물층(301)과 제2도전형불순물층(302) 사이에 미도핑 반도체층인 진성 반도체층(intrinsic semiconductor layer, 303)을 위치할 수 있다. 이때, 상기 진성 반도체층(303)은 반도체 매질에 다수개의 양자점이 형성된 양자점층(303)일 수 있으며, 이러한 양자점층은 통상의 자기정렬을 통해 제조될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 양면수광형 태양전지 셀(1000)의 단면을 도시한 다른 일 예이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 모듈에 구비되는 양면 수광형 태양전지 셀의 광활성층(300)은 대칭형 탠덤구조를 가질 수 있다.
상세하게, 상기 광활성층(300)은 서로 다른 밴드갭 에너지를 제공하는 다수개의 광활성층을 포함할 수 있으며, 광활성층의 최 하부와 최 상부에 밴드갭 에너지가 가장 큰 광활성층이 위치하며, 그 중심에 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층이 위치하며, 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층을 기준으로 광활성층의 최 하부(즉, 제2전면전극 방향)와 최 상부(즉, 제1전면전극 방향)으로 갈수록 점점 큰 밴드갭 에너지를 제공하는 광활성층이 위치하는 대칭형 탠덤 구조를 가질 수 있다. 즉, 광활성층(300)은 그 중심에 가장 작은 밴드갭 에너지를 가지며 양 전면전극 측으로 갈수록 밴드갭 에너지가 커지도록 대칭된 구조를 가질 수 있다.
이러한 대칭형 탠덤 구조에 의해 수광면에서 광활성층으로 투과되는 광을 보다 효과적으로 흡수할 수 있으며, 제1투명기판( 및 제1전면전극) 및 제2투명기판( 및 제2전면전극)의 양 면 모두를 통해 광이 입사될 때, 제1투명기판 측 및 제2투명기판측 각각을 통해 입사되는 광을 극히 효과적으로 흡수할 수 있다.
상세하게, 도 4의 일 실시예로 도시한 바와 같이, 상기 광활성층(300)은 적어도 제1광활성층(310), 제2광활성층(320), 제3광활성층(330), 제4광활성층(340) 및 제5광활성층(350)이 적층된 탠덤구조를 가지며, 상기 제1 내지 제5광활성층의 밴드갭 에너지는 하기 식 1, 식 2 및 식 3을 만족할 수 있다.
(식 1)
Eg(1)=Eg(5)
상기 식 1에서 Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(5)는 제5광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
(식 2)
Eg(2)=Eg(4)
상기 식 2에서 Eg(2)은 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(4)는 제4광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
(식 3)
E(3)<E(2)<E(1)
상기 식 3에서 Eg(3)은 제3광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(2)는 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다.
나아가, 도 4에 도시한 바와 같이, 양면 수광형 태양전지 셀은 제1투명기판(510), 제1전면전극(410), 광활성층(300), 제2전면전극(420) 및 제2투명기판(520)과 함께, 제일 작은 밴드갭 에너지를 제공하는 제3광활성층(330)과 접속하는 공통전극(430)을 더 포함할 수 있다.
이때, 양면 수광형 태양전지 셀은 제n광활성층(1≤n≤4인 자연수)과 제n+1광활성층(1≤n≤4인 자연수)사이에 터널접합층이 더 구비되어, 서로 인접하는 두 광활성층이 상기 터널접합층에 의해 터널 정션 접합할 수 있다.
가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층(도 4의 330)을 중심으로 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층(도 4의 330) 상부 및 하부 각각에 보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층이 위치할 수 있다. 이러한 탠덤 구조에 의해 수광면에서 광활성층으로 투과되는 광을 보다 효과적으로 흡수할 수 있으며, 제1투명기판( 및 제1전면전극) 및 제2투명기판( 및 제2전면전극)의 양 면 모두를 통해 광이 입사될 때, 제1투명기판 측 및 제2투명기판측 각각을 통해 입사되는 광을 극히 효과적으로 흡수할 수 있다.
즉, 제1전면전극(410)을 통해 수광되는 광은 제1광활성층(310)을 거쳐 제5광활성층(350)으로 유입될 수 있으며, 이와 동시에, 제2전면전극(420)을 통해 수광되는 광은 제5광활성층(350)을 거쳐 제1광활성층(310)으로 유입될 수 있다.
상세하게, 상기 제1투명기판(510)을 통해 입사된 광은 상기 제1광활성층(310)에서 제5광활성층(350)으로 유입되며, 상기 제2투명기판(520)을 통해 입사된 광은 상기 제5광활성층(350)에서 제1광활성층(310)으로 유입되어, 상기 제1투명기판(510) 및 제2투명기판(520)을 통해 입사된 광을 제1광활성층(310) 내지 제5광활성층(350) 모두에서 흡수할 수 있다.
제1광활성층(310) 내지 제5광활성층(350)은 각각 상술한 p-n 정션을 갖는 반도체층일 수 있으며, 상술한 p-i-n 구조를 갖는 반도체층일 수 있으며, p-n 정션 사이에 위치하는 진성 반도체층(i)은 양자점을 함유할 수 있다.
대칭형 탠덤 구조를 갖는 광활성층에 있어, 서로 다른 밴드갭 에너지를 제공하는 각각의 광활성층은 다른 물질의 화합물 반도체일 수 있으며, 물질 고유의 특성 또는 양자점과 같은 나노구조(양자 구속효과)에 의해 변화된 밴드갭 에너지에 의해 서로 다른 밴드갭 에너지를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 제조방법을 도시한 일 공정도로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀에 있어, 상기 태양전지 셀은 a) 희생층(200)이 형성된 반도체 기판(100)에 광활성층(300)을 형성하는 단계; b) 상기 광활성층(300) 상부에 제1전면전극(410)을 형성하고 상기 제1전면전극(410) 상부에 제1투명기판(510)을 부착하여 광활성층-전극 복합체(600)를 제조하는 단계; c) 상기 희생층(200)을 제거하여, 상기 광활성층-전극 복합체(600)를 상기 반도체 기판(100)으로부터 분리하는 단계; 및 d) 상기 광활성층-전극 복합체(600)의 제1투명기판(510)과 대향하는 대향면에 제2전면전극(420)을 형성하고 상기 제2전면전극(420) 상부에 제2투명기판(520)을 부착하는 단계;를 포함하는 제조방법을 통해 제조될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀은 에피텍샬 리프트 오프(epitaxial lift-off) 방법을 이용하여 광활성층-전극 복합체(600)를 반도체 기판(100)으로부터 분리함으로써 태양전지 셀을 제조함에 따라, 태양전지 셀의 제조를 위해 소모되는 반도체 기판의 양을 최소화할 수 있다. 나아가, 이러한 에피텍샬 리프트 오프 방법을 이용함으로써, 태양전지 셀의 제조시 사용된 반도체 기판은 반복적으로 태양전지 셀의 제조를 위해 다시 사용될 수 있는데, 상세하게, c)단계에서 희생층의 제거에 의해 분리 회수되는 반도체 기판은 a) 단계의 반도체 기판으로 다시 사용될 수 있다.
또한, 에피텍샬 리프트 오프 전, 광활성층(300)에 제1전면전극(410)을 형성하고, 제1전면전극 상에 제1투명기판(510)을 부착(bonding)함으로써, 공정과정에서 극히 안정적으로 광활성층을 물리적으로 핸들링(handling)할 수 있다. 에피텍샬 리프트 오프 방법을 이용하여 광활성층을 기판으로부터 분리 회수하는 경우, 광활성층 자체는 두께가 극히 얇은 반면 대면적을 가지며, 반도체 물질이 충격에 매우 약한 특성을 가짐에 따라, 태양전지 셀을 제조하기 위한 후속 공정 또는 모듈화 공정을 위한 취급시 파손의 위험이 매우 크며, 이러한 파손 방지를 위해 매우 주의깊고 세심한 관리가 요구되어 생산성을 떨어뜨린다. 그러나, 상술한 바와 같이, 광활성층(300)에 전면전극과 함께 태양전지 셀을 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 하는 제1투명기판(510)을 부착한 후, 에피텍샬 리프트 오프를 통해 이러한 투명기판-전면전극-광활성층의 복합 구조체를 반도체 기판으로부터 분리시킴에 따라, 이러한 위험을 원천적으로 방지할 수 있다. 즉, 제1전면전극(410)상부에 부착되는 제1투명기판(510)은 에피텍샬 리프트 오프 이후의 공정 전 과정에서 반도체 기판(100)과 유사하게 광활성층(300)을 물리적으로 지지하며 지탱하는 지지체의 역할을 수행하여 공정과정에서 극히 안정적으로 광활성층을 물리적으로 취급할 수 있으며, 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 에피텍샬 리프트 오프 방법을 통해 광활성층-전극 복합체(600)를 반도체 기판(100)으로부터 분리 회수한 후, 광활성층-전극 복합체(600)에 제1전면전극(410)과 대향하도록 제2전면전극(420)을 형성하고, 제2전면전극(420) 상부에 제2투명기판(520)을 부착함으로써, 광활성층(300)의 서로 대향하는 양 면을 통해 광활성층(300)으로 광이 입사되고, 광활성층(300)에서 양면을 통해 수광된 광에 의해 광전자-광정공 쌍이 형성되는 양면 수광형 태양전지 셀이 제조될 수 있다.
상세하게, 제1전면전극(410)과 접하는 광활성층과 제2전면전극(420)과 접하는 광활성층이 동일한 광활성층(300)으로, 태양전지 셀에 구비되는 광활성층(300)은 제1전면전극(및 제1투명기판)을 통해 광을 수광함과 동시에 제2전면전극(및 제2투명기판)을 통해서도 광을 수광할 수 있다. 이에 따라, 동일 부피의 광활성층(300)이 구비되는 경우를 가정할 때, 단일면 수광형 태양전지 셀에 비해, 2배에 이르는 수광효율이 향상될 수 있다. 또한, 서로 대향하는 두 전면전극 사이에 절연막 또는 반도체 기판이 존재하는 양면 수광형 태앙전지 셀은 절연막이나 반도체 기판에 의해 광의 투과가 실질적으로 불가능하여 단지 단일면 수광형 태양전지 셀 두 개가 물리적으로 결합된 것이거나 단일면 수광형 태양전지 셀의 광전효율을 일부 향상시킨 것에 불과하나, 본 발명에 따른 태양전지 셀은 실제, 일 광활성층에 양 전면전극을 통해 입사되는 광이 모두 입사되어 광전자-광정공을 형성함에 따라, 태양전지 셀의 광전효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
상기 반도체 기판의 반도체는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 또는 실리콘게르마늄(SiGe)을 포함하는 4족 반도체 기판; 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP) 또는 갈륨인(GaP)을 포함하는 3-5족 반도체 기판; 황화카드뮴(CdS) 또는 텔루르화아연(ZnTe)을 포함하는 2-6족 반도체 기판; 황화납(PbS)을 포함하는 4-6족 반도체기판; 또는 이들의 적층 기판을 포함할 수 있다. 결정학적으로 상기 반도체 기판은 단결정체일 수 있다.
상기 희생층은 상기 반도체 기판에 에피텍샬층으로 형성될 수 있으며, 반도체 기판 내지 광활성층의 반도체 물질과 무관하게 선택적으로 제거될 수 있는 물질의 층이면 족하며, 반도체 제조공정에서 에피텍샬 리프트 오프에 사용되는 통상의 물질층이면 사용가능하다. 실질적인 일 예로, 상기 기판이 GaAs 기판인 경우, 상기 희생층은 AlAs일 수 있다. 상기 희생층의 두께는 희생층의 제거에 의해 광활성층-전극 복합체가 안정적으로 에피텍샬 리프트 오프될 수 있으며, 희생층 상부로 고품질의 광활성층이 형성될 수 있는 두께(즉, 과도한 잔류응력에 의한 결함이 형성되지 않을 두께)이면 족하다. 실질적인 일 예로, 상기 희생층의 두께는 3 nm 내지 100 nm일 수 있다.
상기 광활성층은 p-n 접합 또는 p-i-n 접합 구조일 수 있으며, p형 층을 형성하는 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 Si, Ge, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체일 수 있으며, n형 층을 형성하는 반도체층은 n형 불순물이 도핑된 Si, Ge, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체일 수 있으며, 진성 반도체층은 도핑되지 않은 Si, Ge, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체일 수 있다.
상술한 바와 같이, 진성 반도체층은 양자점을 함유하는 반도체층일 수 있는데, 이러한 양자점은 Si, Ge, SiGe, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체인 매질에 Si, Ge, SiGe, 포스파이드계(P)화합물반도체, 아세나이드계(As)화합물반도체 또는 질화물계(N) 화합물반도체의 양자점이 형성된 층일 수 있다. 이러한 양자점을 함유하는 반도체층은 무기 태양전지 분야에서 통상적으로 사용하는 양자점 형성 방법을 이용하여 제조할 수 있으며, 실질적인 일 예로, 응력 완화를 위해 스스로 양자점으로 조립되는 자기 조립 양자점방 법을 이용할 수 있다. 일 예로 GaAs 층에 InAs 양자점을 성장할 경우, GaAs의 격자상수는 5.65 Å이고 InAs의 격자상수는 6.06 Å이므로 이러한 격자불일치에 기인하여 GaAs 상에 InAs 양자점이 형성될 수 있다.
나아가, 광활성층이 상술한 대칭형 탠덤구조를 가지는 경우, 제1 내지 제5 광활성층을 이루는 화합물 반도체의 물질들 및/또는 제1 내지 제5 광활성층에 함유되는 양자점의 크기 및/또는 종류에 의해 밴드갭 에너지의 조절이 가능함은 물론이다. 실질적인 일 예로, 기판이 아세나이드계(As)화합물반도체 일 때 가장 큰 밴드갭 에너지를 제공하는 반도체 물질은 AlxGa1-xAs(0 < x < 1) (p형), AlxGa1-xAs (n형), AlxGa1-xAs(i 또는 GaAs 양자점)일 수 있으며, 가장 작은 밴드갭 에너지를 제공하는 반도체 물질은 InAs/GaAs 양자점일 수 있으며, 그 중간 크기의 밴드갭 에너지를 제공하는 반도체 물질은 GaAs일 수 있다. 이때 상술한 바와 같이, 서로 다른 밴드갭 에너지를 제공하는 반도체 물질들은 밴드갭 에너지가 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 반도체층을 중심으로 대칭구조를 갖도록 적층된 구조일 수 있다.
또한, 광활성층이 상술한 대칭형 탠덤구조를 가지는 경우, 탠덤구조를 이루는 각 광활성층은 상술한 p-n 접합 또는 p-i-n 접합을 포함할 수 있는데, 실질적인 일 예로, 반도체 기판이 Ge일 때, (Al)InGaP(n형)-(Al)InGaP(p형), (In)GaAs(n형)-(In)GaAs(p형), Ge(n형)-Ge(p형)일 수 있다. 반도체 기판이 GaAs일 때, AlxGa1-xAs(p형)-AlxGa1-xAs(i)-AlxGa1-xAs(n형), GaAs(p형)-GaAs(i)-GaAs(n형), GaAs(p형)-GaAs(i)-GaAs(n형, InAs 양자점층 포함)에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 광활성층으로 상기 대칭형 탠덤구조를 가질 수 있다.
또한, 상술한 서로 다른 밴드갭 에너지를 제공하는 각 광활성층을 터널 접합시키는 터널접합층은 탠덤구조의 화합물 반도체 기반 태양전지에서 통상적으로 사용되며, 터널링에 의해 각 광활성층이 결합될 수 있는 두께의 물질층이면 족하다. 실질적인 일 예로, 반도체 기판이 Ge일 때, 터널접합층은 AlGaAs, InGaP 또는 GaAs일 수 있으며, 터널접합층의 두께는 1 nm 내지 50 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 상기 희생층 및 상기 광활성층(터널접합층을 포함함)은 각각 통상의 반도체 박막 증착 방법 및 장비를 통해 수행될 수 있으며, 일 예로, 화학적 증착, 물리적 증착, 물리-화학적 증착, 플라즈마 증착등을 통해 수행될 수 있다. 이때, 유입되는 원료 가스 또는 분자선 또는 스퍼터링되는 원료 물질, 증착시간 등을 조절하여 증착되는 막의 종류 및 막의 두께를 제어할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 광활성층이 대칭형 탠덤구조일 경우, 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 광활성층의 일부를 표면으로 노출시키는 부분 에칭은 메사 에칭(mesa-etching)을 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 상기 제1전면전극 및/또는 제2전면전극은 통상적인 태양전지의 전면전극 구조이면 족하다. 일 예로, 제1전면전극 및/또는 제2전면전극은 어골구조 또는 빗(comb)구조일 수 있으며, 제1전면전극 및/또는 제2전면전극은 탄소나노튜브, 그래핀, 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 금(Au), 게르마늄(Ge), 아연(Zn), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 납(Pb), 팔라듐(Pd) 및 이들의 합금에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질이거나, FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 또는 ITO(Indium doped Tin Oxide)을 포함하는 투명전도성 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 상기 제1전면전극 및/또는 제2전면전극은 통상의 인쇄공정 또는 열증착과 같은 증착공정에 의해 수행될 수 있으며, 실질적인 일 예로, 전도성 잉크 조성물을 이용하여 전면전극을 형성하는 경우 스크린 프린팅과 같은 인쇄공정을 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 상기 제1투명기판 및/또는 제2투명기판은 지지체의 역할을 수행할 수 있으며 외부 환경으로부터 태양전지 셀 내부를 물리 화학적으로 보호할 수 있는 투명 소재이면 족하다. 실질적인 일 예로, 상기 제1투명기판 및/또는 제2투명기판은 소다라임유리를 포함하는 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀의 제조방법에 있어, 상기 제1투명기판 및/또는 제2투명기판은 광학부품의 접착시 통상적으로 사용되는 접착제를 이용하여 부착될 수 있는데, 이러한 접착제의 실질적인 일 예로, 왁스(wax)를 들 수 있다. 그러나, 본 발명의 제조방법이 투명기판이 부착을 위해 사용되는 접착제의 종류에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 구비되는 태양전지 셀은 양 면으로 수광된 광이 단일한 광활성층에서 모두 흡수되어 광전자 광정공 쌍을 형성함으로써, 태양전지 셀의 광 흡수율 및 광전 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있으며, 대칭형 탠덤 구조의 광활성층을 갖는 태양전지 셀의 경우, 서로 대향하는 두 면이 모두 광을 수광하고, 수광된 광이 수광면에 인접한 광활성층 뿐만 아니라, 대향하는 수광면측에 위치한 광활성층에서도 흡수됨에 따라, 단지 두 개의 독립된 태양전지 셀을 서로 물리적으로 결합하여 양면으로 광을 수광하는 경우에 비하여, 광 흡수율 및 광전 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 전면전극-광활성층-전면전극으로 단일한 구조로 결합(integration)됨에 따라, 극히 얇은 박막 형태를 가질 수 있으며, 단일면 입사형 태양전지의 제조공정을 고도의 변형없이 활용하여 제조될 수 있어, 양면입사형 태양전지 셀의 설계비용 및 제조비용 절감이 가능하며, 극히 고가인 반도체 기판의 사용량이 최소화되어, 태양전지 모듈의 원가 절감 가능한 장점이 있다.
도 6(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 단면을 도시한 일 단면도이며, 도 6(b)는 모듈에 구비되는 반사체(200)만을 상세 도시한 단면도이다.
도 6에 도시한 일 실시예와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 반사체(2000), 투명수지(3000) 및 상술한 태양전지 셀(1000)을 포함할 수 있다.
상세하게, 상기 반사체(2000)는 제1미러면(2110) 및 제2미러면(2120)으로 이루어지는 브이(V)자형 그루브(groove)(2100)가 형성된 플레이트 형상일 수 있다. 이때, 상기 태양전지 셀(1000)은 셀의 제1전면전극(410, 또는 제1투명기판(510))과 제1미러면(2110)이 마주하고, 셀의 제2전면전극(420, 또는 제1투명기판(520))과 제2미러면(2120)이 마주하도록, 그루브(2100) 중심에 위치할 수 있으며, 태양전지 셀(1000)이 위치하는 그루브(2100) 내부를 채우는 투명수지(3000)를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은, 도 6의 붉은색 화살표로 도시한 광 경로와 같이, 두 미러면을 갖는 브이(v)자형 그루브의 그루브 중앙에 그루브의 미러면 각각에서 반사되는 광이 태양전지 셀의 두 전면전극을 통해 각각 입사되도록 태양전지 셀이 위치할 수 있으며, 투명수지에 의해 태양전지 셀이 반사체와 일체로 결합된 형태를 가질 수 있다.
상세하게, 도 6에 도시한 일 예와 같이, 그루브(2100)가 형성되는 깊이 방향을 수직 방향(d)으로 하고, 태양전지 셀(1000)의 제1투명기판 내지 제2투명기판이 적층되는 방향을 적층 방향(s)으로 하여, 태양전지 셀(1000)은 셀의 적층 방향(s)이 수직 방향(d)과 수직의 관계를 갖도록 그루브(2100)의 중심에 위치할 수 있다.
이때, 반사체는 직육면체 내지 정육면체의 플레이트 형상일 수 있으며, 상기 플레이트의 일 방향을 높이 방향, 높이 방향에 수직인 두 방향 중 한 방향을 길이방향 및 다른 한 방향을 폭방향으로 하여, 상기 플레이트에는 상기 길이 방향에 수직인 단면을 기준으로 V자형의 그루브가 형성된 것일 수 있으며, 상기 그루브는 플레이트의 길이 방향으로 일정 길이를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 양면 수광형 태양전지 셀이 구비되며, 두 미러면이 형성된 그루브 중심에 각 미러면에서 반사되는 광이 각 미러면과 대향하는 전면전극을 통해 입사되는 구조를 가짐으로써, 태양전지 셀의 면적이 아닌, 표면 개구부(그루브의 개구부)를 통해 광을 입사받고, 미러면(그루브의 미러면)을 통해 입사된 광을 반사시켜 태양전지 셀에 전송하는 반사체의 크기에 의해 광의 수광면적이 제어되어, 태양전지 셀의 면적 대비 조사되는 광량을 획기적으로 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 반사체와 태양전지 셀이 결합된 일체형임에 따라, 극히 우수한 물리적 안정성과 강도를 가질 수 있는 장점이 있으며, 모듈의 전체 크기가 반사체의 크기만으로 결정됨에 따라, 태양 전지 모듈의 부피를 훨씬 줄일 수 있는 장점 역시 얻을 수 있다. 또한, 태양전지 모듈이 표면적으로 반사체의 형상인 단순 플레이트 형상을 가짐에 따라, 다수개의 태양전지 모듈의 배치시, 효율적으로 공간을 채울(packing)수 있는 장점이 있으며, 이에 따라 전체적인 태양전지 시스템의 부피를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 그루브(2100)의 제1미러면(2110)과 제2미러면(2120)의 면간 각도는 90˚일 수 있으며, 그루브(2100)의 중심에 위치하는 태양전지 셀(1000)을 기준으로 제1미러면(2110)과 제2미러면(2120)이 대칭 구조를 가질 수 있다. 즉, 그루브(2100)는 편평한 평면 형태로 제1미러면과 제2미러면의 표면을 가질 수 있으며, 제1미러면과 제2미러면의 면간 각도는 90˚일 수 있고, 그루브(2100)의 중심에 위치하는 태양전지 셀(1000)의 제1전면전극과 제1미러면의 면간 각도 및 제2전면전극과 제2미러면의 면간 각도는 각각 45˚일 수 있다. 이러한 대칭 구조에 의해, 동일 미러면적을 갖는 그루브에서 가장 높은 광전 변환효율을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 상술한 바와 같이, 두 미러면을 갖는 그루브(2100)가 형성된 플레이트 형상의 반사체(2000)의 그루브의 최하단 중심에는 두 미러면을 통해 반사된 광이 미러면과 마주보는 태양전지 셀의 전면전극을 통해 입사하도록 태양전지 셀이 위치하며, 태양전지 셀이 위치한 그루브 내의 공간은 투명수지(3000)에 의해 채워질 수 있다. 투명수지는 그루브에 위치하는 태양전지 셀을 물리적으로 고정하는 역할을 수행함과 동시에, 광을 집광하는 역할을 수행할 수 있다.
상세하게, 도 7의 일 실시예에 도시한 바와 같이, 그루브 내를 채우는 투명수지(3000)의 표면은 곡률져 튀어나온(convex) 굴곡 영역이 형성될 수 있으며, 투명 수지(300)의 표면에는 이러한 굴곡 영역이 다수개 형성될 수 있다.
즉, 상기 투명 수지의 표면에는 볼록 렌즈 또는 프레넬 렌즈 형상의 표면요철(3100)이 형성될 수 있으며, 투명 수지의 표면에는 다수개의 표면요철(3100)이 규칙적으로 배열된 표면요철(3100) 어레이가 형성될 수 있다.
투명 수지의 표면에 볼록 렌즈 또는 프레넬 렌즈 형태와 같은 마이크로 렌즈역할을 수행하는 표면요철(3100)이 형성되며, 다수 개의 표면요철(3100)들이 종횡으로 배치됨에 따라, 동일 v형 그루브의 개구부 면적 기준, 태양전지 셀에 입사되는 광량을 증대시킬 수 있으며, v형 그루브를 갖는 반사체, 태양전지 셀 및 마이크로렌즈 어레이가 물리적으로 일체화되어 모듈을 형성함에 따라, 태양전지 모듈의 부피를 크게 줄일 수 있으며, 모듈의 물리적 강도 및 기계적 안정성을 증진시킬 수 있으며, 모듈의 조립 자체가 불필요하여 제조 오차 및 조립 오차를 최소화할 수 있으며, 생산성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 광이 조사되는 방향이 변화되어도 v형 그루브에 의한 수광효율의 감소를 방지할 수 있는 장점이 있으며, 광이 조사되는 방향이 변화되어도, 태양전지 셀에 광이 입사되지 않는 쉐이딩 영역(shading region)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상술한 투명 수지는 열, 광 또는 화학적 경화능을 갖는 투명 광학 플라스틱 재료이면 무방하며, 실질적인 일 예로 굴절률이 1.49~1.58인 PMMA(Poly-methylmethacrylate), PC(Polycarbonate) 또는 COC(Cyclic olefin copolymer)등을 들 수 있으나, 본 발명이 투명 수지 재료에 의해 한정되는 것은 아니다.
또한 도 7의 일 실시예에 도시한 바와 같이, 상기 그루브(2100)가 형성된 플레이트 형상의 반사체(2000)에는 상기 태양전지 셀(1000)의 두께(s 방향으로의 길이) 및 일 측 길이에 상응하는 형태를 갖도록 일정 깊이의 홈(3200)이 형성될 수 있으며, 이러한 홈(3200)에 의해, 그루브 중심에 위치하는 태양전지 셀(1000)이 물리적으로 고정될 수 있다. 이러한 홈은 투명 수지의 충전 전, 태양전지 셀이 그루브의 중심에 물리적으로 고정되어 위치할 수 있도록 하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 홈(3200)에 의해 반사체(2000)의 그루브 중심에 태양전지 셀(1000)을 위치한 후, 투명 수지 재료를 채워 넣어 고착시키는 과정에서 태양전지 셀(1000)의 물리적 안정성을 획득할 수 있다.
또한, 도면에 도시하지 않았으나, 그루브가 형성된 단일한 반사체에 다수개의 태양전지 셀이 그루브 중심에 위치할 수 있으며, 다수개의 태양전지 셀들은 전도성 리본 등을 통해 서로 직/병렬 연결될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈을 도시한 도면으로 도 8(b)는 모듈의 상부조감도(top view)를 도 8(a)는 도 8(b)의 도면에서 A-A 부분의 단면을 도시한 단면도이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 상술한 미러면을 갖는 V자형 그루브가 형성된 반사체, 상기 반사체의 그루브 중심에 위치하는 태양전지 셀 및 상기 그루브 내 빈 공간을 채우는 투명수지를 일 단위체(4000)로 하여, 다수개의 상기 단위체(4000)가 종 및 횡으로 배열될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 M(M>1인 자연수) x N(N>1인 자연수)개의 단위체를 포함할 수 있으며, 종방향으로 M개의 단위체가 인접 배열되고, 횡방향으로 N개의 단위체가 인접 배열되어, MxN 매트릭스를 이룰 수 있다. 도 8의 일 예에서는 단위체를 도시한 부호(4000)와 함께 각 단위체별로 종방향 및 횡방향으로 배열된 배열위치((1,1)~(n,m))를 병기하였다.
도 8의 일 예에 도시한 바와 같이, 종방향 또는 횡방향으로 배열되는 단위체는 각 반사체의 그루브가 서로 연결되어 단일한 그루브를 형성하도록 배열될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 단위체 각각의 태양전지 셀은 전도성 리본 등을 통해 서로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있음은 물론이다.
도 8의 일 실시예와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 모듈을 구성하는 단위체의 수를 조절하고, 단위체들의 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 단순한 방법을 통해, 원하는 양의 전력을 생산하는 모듈이 제조될 수 있으며, 전력 설계가 매우 자유롭고, 설계 변경 용이하며, 거시적으로 모듈을 이루는 단위체가 단순 플레이트 형상임에 따라, 단지 플레이트를 종 및 횡으로 배열함으로써 빈 공간 없이 일정한 면으로 공간을 채우는 모듈이 제조될 수 있어, 전체적인 태양전지 시스템의 부피를 감소시킬 수 있는 장점이 있으며, 단위체들 수 및 배열을 변경하는 것만으로 전체적인 모듈의 크기 및 형상이 용이하게 변화될 수 있음에 따라, 임의의 형상을 갖는 장소에 용이하게 설치 가능한 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 단면을 도시한 일 단면도로, 도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 제1광블록(5000), 제2광블록(5000') 및 상술한 태양전지 셀(1000)을 포함할 수 있다.
상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 집광 수단이 구비된 플레이트 형상의 집광부; 및 집광부 하부에 위치하여 집광된 광의 진행경로는 전환하며 광을 이송하는 플레이트 형상의 슬래브 광도파로;를 포함하는 단위체를 광블록으로 하여, 제1광블록(5000) 및 제2광블록(5000')이 태양전지 셀을 사이에 두고 위치하는 구조를 가질 수 있다.
보다 상세하게, 제1광블록(5000)의 슬래브 광도파로(5200)의 일 단, 즉, 광이 출사되는 출사단의 출사면에는 태양전지 셀의 제1전면전극이 출사면과 대향하도록 태양전지 셀이 위치할 수 있다. 제2광블록(5000')은 태양전지 셀을 중심으로 제1광블록(5000)과 대칭적으로 위치하여 제2광블록(5000')의 슬래브 광도파로(5200')의 출사면이 태양전지 셀의 제2전면전극과 대향하도록 위치할 수 있다. 이때, 각 출사면과 태양전지 셀의 각 전면전극이 일정 거리 이격되도록 위치할 수 있으며, 광학분야에서 통상적으로 사용하는 투명 접착물질을 이용하여, 출사면에 전면전극이 부착된 형태일 수 있다.
상세하게, 제1광블록 및/또는 제2광블록을 포함하는 광블록은 다수 개의 집광 수단들이 어레이 또는 매트릭스 형태로 배치되어 플레이트 형상을 이루도록 형성되는 집광부(5100 또는 5100') 및 집광부(5100 또는 5100')에서 집광된 광을 입사 받아 면에 연한 방향으로 파를 전파하는 슬래브 도파관(5200 또는 5200')을 포함할 수 있다. 이때, 집광 수단은 볼록 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈일 수 있으며, 집광 방향은 마이크로 렌즈의 중심에서, 렌즈의 초점으로의 방향일 수 있다. 보다 용이한 이해를 위해, 도 9에서, 조사되는 광은 상부에 도시된 화살표로, 집광수단에 의한 광의 집광은 점선으로, 슬래브 도파관에 의한 집광된 광의 진로는 도 9에 도시한 일 예와 같이, 제1광블록(5000)은 태양전지 셀(1000)의 제1전면전극 측에 위치하며, 제2광블록(5000')은 태양전지 셀(1000)의 제2전면전극 측에 위치할 수 있으며, 제1광블록(5000)의 슬래브 광도파로에 의해 이송된 광이 태양전지 셀(1000)의 제1전면전극으로 입사되며, 제2광블록(5000')의 슬래브 광도파로에 의해 이송된 광이 태양전지 셀(1000)의 제2전면전극으로 입사될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 광블록은 집광부를 통해 광을 집광하고, 집광된 광은 슬래브 광도파로를 통해 광의 내부 반사 또는 전반사에 의해 광의 경로를 변경시켜 광을 입사면에 수직 하게 이송할 수 있다. 상세하게, 집광된 광을 입사받아 광경로를 변경하여 광을 출력하는 제1광블록(5000)의 슬래브 광도파로(5200)의 일 단에 태양전지 셀(1000)의 제1전면전극이 위치하고, 집광된 광을 입사받아 광경로를 변경하여 광을 출력하는 제2광블록(5000')의 슬래브 광도파로(5200')의 일 단에 태양전지 셀(1000)의 제2전면전극이 위치하도록 태양전지 셀(1000)을 제1광블록(5000)과 제2광블록(5000') 사이에 위치시킬 수 있다.
종래에는 집광부의 집광 방향과 평행한 방향, 일 예로, 집광 수단의 초점면에 태양전지 셀을 위치시켰으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 집광부에 의해 광을 집광시키고, 집광된 광을 슬래브 광도파로를 통해 집광방향과 수직인 방향으로 광을 굴절 또는 반사시켜 광 경로를 변경시키고 슬래브 광도파로의 일 단에 위치한 태양전지 셀로 광을 출력하는 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 태양전지 셀에서 광이 수광되지 않는 쉐이딩 영역이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 수광 면적이 태양전지 셀의 면적이 아닌, 집광부 자체의 면적에 의해 결정됨에 따라, 태양전지 모듈의 수광 효율을 현저히 향상시킬 수 있으며, 수광부에 의해 수광되는 광이 손실 없이 태양전지 셀로 조사될 수 있는 장점이 있다. 또한, 광의 집광방향과 수직인 방향으로 광 경로를 변경시킴에 따라, 즉, 광이 조사 및 집광되는 방향을 수직 방향이라 할 때, 수직 방향으로 진행하는 광을 수평 방향으로 진행하도록 굴절 또는 반사시키고, 광을 이송함에 따라, 수직(집광부)-수평(슬래브 광도파로)의 안정적 광경로를 가지며, 제조 오차에 따른 광전 변환 효율의 저하가 방지되며 태양전지 모듈의 소형화, 고 집적화가 가능한 장점이 있다.
집광부는 광을 집광하는 다수 개의 집광 수단들이 어레이 또는 매트릭스 형태로 배치되어 플레이트 형상을 이루도록 형성될 수 있다. 이때, 집광부는, 태양전지 모듈 분야에서 광을 집광하기 위해 통상적으로 사용하는 마이크로 렌즈 어레이 구조를 가질 수 있으며, 집광 수단들이 모두 독립적인 부품으로서 따로 만들어진 다음 프레임 상에 결합되어 형성될 수 있거나, 집광부가 상술한 바와 같은 형상을 이루도록 일체형으로 만들어질 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 슬래브 광도파로는 집광 방향을 기준으로, 집광부의 하측에 배치되며, 상기 집광부에 의해 집광된 광을 집광 방향에 대하여 수직한 방향으로 굴절 또는 반사시키고, 굴절 또는 반사된 광을 이송하여 슬래브 광도파로의 측면에 접하여 위치하는 태양전지 셀로 출력할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 광블록만을 상세 도시한 일 예이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 슬래브 도파관만을 상세 도시한 일 예이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 슬래브 도파관(5200)은 도파관 내에 집광 수단(5110)들의 초점이 위치하도록, 집광 방향을 기준으로 집광부(5100) 하부에 위치할 수 있으며, 집광부(5100)와 물리적으로 결합되어 일체를 이룰 수 있다. 이때, 슬래브 도파관(5200) 내부에 초점이 위치한다는 의미는 슬래브 도파관의 코어층에 초점이 위치한다는 의미일 수 있다. 슬래브 도파관(5200)은 태양전지 또는 광학분야에서 통상적으로 사용되는 판형 도파관일 수 있으며, 집광수단(5110)에 의해 집광된 광을 수광하여 면(판의 면)에 평행한 방향으로 도파시켜 측면으로 집광된 광을 방출하는 도파관일 수 있다.
도 10의 일 예는 슬래브 도파관(5200)에 의해 적어도 대향하는 두 측면으로 집광된 광이 도파되어 방출되는 경우를 도시한 것이다. 이를 위해, 슬래브 도파관(5200)은 하부면(즉, 광의 집광방향을 기준으로 집광방향에 수직인 슬래브 도파관(5200)의 두 면 중 집광부에 인접하지 않은 면)에 집광된 광을 반사시키는 반사체(5220)가 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 슬래브 도파관에서, 적어도 서로 대향하는 두 측면으로 집광된 광이 방출되기 위해, 슬래브 도파관의 반사체는 역 V자형 반사체일 수 있다. 이러한 역 V자형 반사체의 면간 각도는 120˚일 수 있는데, 이러한 반사체에 의해 집광부(5100)에 의해 집광된 광이 슬래브 도파관 하부면에서 일정 각도로 반사되고 반사된 광이 도파관 내부의 전반사를 통해 서로 대향하는 두 측면쪽으로 광을 도파시킬 수 있다. 이때, 역 V자형 반사체는 슬래브 광도파로의 하부면에서 각 집광 수단의 초점에 해당하는 영역에 각각 형성되거나, 슬래브 광도파로의 하부면 전 영역에 형성된 것일 수 있으며, 슬래브 광도파로의 하부면을 가로지르는 라인 형상으로 형성될 수 있다.
도 11의 일 예는 슬래브 도파관(5200)에 의해 슬래브 도파관의 모든 측면으로 집광된 광이 도파되어 방출되는 경우를 도시한 것이다. 도 11의 일 예는 슬래브 도파관이 정사각 내지 직사각의 판 형상인 경우를 도시한 것으로, 슬래브 도파관의 네 측면 모두에서 광이 방출되는 경우이다. 이를 위해, 슬래브 도파관의 하부면에는 피라미드(도 11a), 원뿔(도 11b), 삼각 내지 팔각의 다각뿔 형태의 반사체(5220)가 형성될 수 있다. 피라미드, 원뿔, 삼각 내지 팔각의 다각뿔 형태의 반사체(5220)는 집광 수단(5110)으로부터 집광된 광을 모든 방향으로 반사시키며, 반사된 광은 도파관(2510)에 의해 도파되어 슬래브 도파관의 네 측면으로 광이 출사될 수 있다. 이러한 반사체(5220) 또한 도 10을 기반으로 상술한 바와 유사하게, 적어도 집광부(5100)의 각 집광 수단(5110)에 의한 광의 초점이 위치하는 영역에 반사체(5220)들이 형성될 수 있으며, 광의 초점이 위치하는 영역 이외에도 반사체(5220)들이 형성될 수 있다. 일 예로, 도 11c는 도 11a와 같이 피라미드형 반사체(5220)가 형성된 슬래브 도파관의 하부면을 조감한 상부 조감도(도 11c의 중앙) 및 측면도(도 11c의 좌측 및 하부)로, 도 11c에 도시한 바와 같이, 슬래브 도파관의 하부면 전 영역에 반사체가 형성될 수 있으며, 이를 통해 슬래브 도파관 네 측면으로의 광 도파 효율을 증진시킬 수 있다. 도 10 내지 도 11의 일 예에 있어, 역 V자형의 반사체, 피라미드 형상, 원뿔 형상 또는 다각뿔 형상의 반사체들의 물리적인 크기는 슬래브 도파관의 두께 및 전반사 조건을 고려하여 적절히 설계될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 둘 이상의 태양전지 셀(1000)이 전도성 리본 등을 통해 서로 직/병렬 연결되어, 제1광블록(5000)과 제2광블록(5000')사이에 위치할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에 있어, 상기 광블록, 즉 집광부 및 슬래브 광도파로는 직사각 내지 정사각 플레이트 형상일 수 있으며, 상기 태양전지 모듈은 P개(P≥4 이상인 자연수)의 광블록이 종 및 횡으로 배열된 매트릭스를 이루며, 서로 인접하는 두 광블록 사이에 태양전지 셀이 위치할 수 있다. 상세하게, 광블록(5000)은 직사각 내지 정사각 플레이트 형상의 슬래브 광도파로 및 상기 슬래브 광도파로와 대응되는 크기 및 형상을 갖는 집광부를 포함할 수 있으며, 슬래브 광도파로는 그 하부면에 도 11과 유사하게 사방으로 광을 반사시킬 수 있는 피라미드, 원뿔 또는 다각뿔 형상의 반사체가 형성된 것일 수 있다.
보다 상세하게, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈을 도시한 도면으로 도 12(a)는 광블록(5000)에서 슬래브 광도파로 및 정사각 내지 직사각 판 형상인 슬래브 광도파로(5100)의 네 측면에 위치한 태양전지 셀(1000)의 상부조감도(top view)를, 도 12(b)는 광블록(5000)에서 집광부(5100)의 상부조감도를, 도 12(c)는 도 12(a) 및 도 12(b)의 도면에서 B-B 부분의 단면을 도시한 단면도이다. 도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 q개(q≥2 이상인 자연수)의 광블록(5000)이 종방향으로 배열되고, r개(r≥2 이상인 자연수)의 광블록(5000)이 횡방향으로 배열되어, qxr의 광블록 매트릭스를 이룰 수 있다. 이때, 도 12의 일 예에서는 광블록을 도시한 부호(5000)와 함께 각 단위체별로 종방향 및 횡방향으로 배열된 배열위치((1,1)~(q,r))를 병기하였으며, 슬래브 광도파로에서의 광 진행방향을 화살표로 표시하였다.
도 12에 도시한 바와 같이, 태양전지 셀(1000)은 qxr 매트릭스를 형성하는 광블록에서 서로 인접하는 광블록 사이에 위치할 수 있다. 광블록(5000)이 직사각 내지 정사각 형상임에 따라, 매트릭스를 이루는 일 광블록(일 예로, 5000(2,2))에는 4개의 인접(최인접) 광블록(일 예로, 5000(1,2), 5000(2,1), 5000(2,3) 및 5000(3,2))이 위치할 수 있다. 태양전지 셀(1000)은 일 광블록을 기준으로 최 인접하는 모든 광블록 각각에 대해, 일 광블록과 최인접 광블록 사이에 위치할 수 있다. 이때, 매트릭스의 최외각면 및 모서리에 위치하는 광블록에는 세 개 내지 두 개의 최인접 광블록이 위치할 수 있으며, 최인접 광블록이 위치하지 않는 광블록 면들은 매트릭스의 외각 면을 이룰 수 있는데, 이러한 최인접 광블록이 위치하지 않는 광블록 면들 각각에도 태양전지 셀(1000)이 위치할 수 있음은 물론이다.
즉, 일 광블록을 기준으로, 광블록의 네 측면 각각에 태양전지 셀(1000)이 위치할 수 있으며, 상세하게, 광블록의 슬래브 광도파로 네 측면 각각에 태양전지 셀(1000)이 위치할 수 있다.
도 12의 일 실시예와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 모듈을 구성하는 광블록의 수를 조절하고, 광블록 네 측면 각각에 태양전지 셀을 위치시키고, 각 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 단순한 방법을 통해, 원하는 양의 전력을 생산하는 모듈이 제조될 수 있으며, 전력 설계가 매우 자유롭고, 설계 변경 용이하며, 거시적으로 모듈을 이루는 광블록이 사각 내지 직사각의 형상임에 따라, 단지 광블록을 종 및 횡으로 배열함으로써 빈 공간 없이 일정한 면으로 공간을 채우는 모듈이 제조될 수 있어, 전체적인 태양전지 시스템의 부피를 감소시킬 수 있는 장점이 있으며, 광블록들의 수 및 배열을 변경하는 것만으로 전체적인 모듈의 크기 및 형상이 용이하게 변화될 수 있음에 따라, 임의의 형상을 갖는 장소에 용이하게 설치 가능한 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1투명기판, 제1전면전극, 광활성층, 제2전면전극 및 제2투명기판이 순차적으로 적층되고, 상기 제1투명기판 및 상기 제2투명기판을 통해 상기 광활성층으로 광이 입사되는 양면수광형 태양전지 셀을 포함하며, 상기 광활성층은 적어도 제1광활성층, 제2광활성층, 제3광활성층, 제4광활성층 및 제5광활성층이 적층된 대칭형 탠덤구조를 가지며, 상기 제1 내지 제5광활성층의 밴드갭 에너지는 하기 식 1, 식 2 및 식 3을 만족하는 태양전지 모듈.
    (식 1)
    Eg(1)=Eg(5)
    (상기 식 1에서 Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(5)는 제5광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다)
    (식 2)
    Eg(2)=Eg(4)
    (상기 식 2에서 Eg(2)은 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(4)는 제4광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다)
    (식 3)
    Eg(2)<Eg(2)<Eg(1)
    (상기 식 3에서 Eg(3)은 제3광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(2)는 제2광활성층의 밴드갭 에너지를 의미하며, Eg(1)은 제1광활성층의 밴드갭 에너지를 의미한다)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈은
    제1미러면 및 제2미러면으로 이루어지는 브이(V)자형 그루브(groove)가 형성된 반사체; 상기 제1전면전극과 상기 제1미러면이 마주하고, 상기 제2전면전극과 상기 제2미러면이 마주하도록, 상기 그루브 중심에 위치하는 상기 태양전지 셀; 및 상기 태양전지 셀이 위치한 그루브 내의 공간을 채우는 투명수지;를 포함하는 태양전지 모듈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1미러면과 상기 제2미러면의 면간 각도는 90˚이며, 상기 태양전지 셀을 기준으로 상기 제1미러면과 상기 제2미러면이 대칭 구조를 갖는 태양전지 모듈.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 투명수지에는 볼록 렌즈 또는 프레넬 렌즈 형상의 표면요철이 형성된 태양전지 모듈.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈은 상기 반사체; 및 태양전지 셀;을 일 단위체로 하여, 다수개의 상기 단위체를 포함하며, 다수개의 상기 단위체가 종 및 횡으로 배열된 매트릭스를 이루는 태양전지 모듈.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지 셀은 상기 제3광활성층과 접속하는 공통전극을 더 포함하는 태양전지 모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    다수 개의 집광 수단들이 어레이 또는 매트릭스 형태로 배치되어 플레이트 형상을 이루도록 형성되는 집광부, 상기 집광 수단들의 초점이 내부에 위치하도록 상기 집광부 하부에 위치하는 슬래브 도파관(slab wave guide)을 포함하는 단위체를 하나의 광블록으로 하여,
    상기 태양전지 모듈은 상기 태양전지 셀의 제1전면전극 측에 위치하는 제1광블록 및 상기 태양전지 셀의 제2전면전극 측에 위치하는 제2광블록을 포함하고, 상기 제1광블록의 슬래브 도파관에 의해 이송된 광이 상기 태양전지 셀의 제1전면전극으로 입사되며, 상기 제2광블록의 슬래브 도파관에 의해 이송된 광이 상기 태양전지 셀의 제2전면전극으로 입사되는 태양전지 모듈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 광블록의 집광부 및 슬래브 도파관은 직사각 내지 정사각 플레이트 형상이며,
    상기 태양전지 모듈은 P개(P≥4 이상인 자연수)의 광블록이 종 및 횡으로 배열된 매트릭스를 이루며, 서로 인접하는 두 광블록 사이에 상기 태양전지 셀이 위치하는 태양전지 모듈.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 슬래브 도파관의 하부면에는, 피라미드, 원뿔 또는 삼각 내지 팔각의 다각뿔 형태의 반사체가 형성된 태양전지 모듈.
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