KR101466298B1 - 확산필름층을 포함하는 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명기판, 상기 투명기판의 전면에 형성되어 입사된 광을 확산시키는 확산필름층 및 상기 투명기판의 후면에 형성된 투명 전도성 산화물층을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 확산필름층을 통해서 원하는 파장대의 빛이 투과되도록 유도함으로써, 빛의 투과도 및 집광성을 높여 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
확산필름층, 투명 전도성 산화물층, 태양전지

Description

확산필름층을 포함하는 태양전지{Sollar Cell Having Diffusion Film}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 투명기판, 상기 투명기판의 전면에 형성되어 입사된 광을 확산시키는 확산필름층 및 상기 투명기판의 후면에 형성된 투명 전도성 산화물층을 포함하는 태양전지에 관한 것이다. 상기 태양전지는 확산필름층을 포함하여 빛의 투과도 및 빛의 집광성이 상승된 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양으로부터 지구에 전달되는 빛에너지를 전기에너지로 변환하여 에너지를 생산하는 청정 에너지원으로서 수십 년간 많은 연구가 진행되어 오고 있다. 70년대 오일 파동 및 90년대 초반에 대두되었던 이산화탄소에 의한 온실효과의 심각성, 90년대 말 지구 온난화 방지를 위한 이산화탄소 발생량의 규제를 위한 국제협정 등은 태양전지와 같은 청정에너지의 필요성을 인류에게 전달하는 중요한 계기가 되었다.
태양전지를 재로에 따라 분류해보면, 크게 실리콘 태양전지, Ⅲ-V 족 화합물계 태양전지, 적층형 태양전지로 나눌 수 있다. 상기 실리콘 태양전지는 단결정 실 리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지로 분류된다. 상기 Ⅲ-V 족 화합물계 태양전지는 갈륨비소(GaAs), 알루미늄갈륨비소(AlGaAs), 인듐인(InP) 등의 Ⅲ-V 족 화합물계 태양전지로 분류되며, 상기 Ⅱ-Ⅵ족 화합물계 태양전지는 CdS, CdTe, Cu2S 등의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물계 태양전지로 분류된다. 또한, 상기 적층형 태양전지는 갈륨비소/게르마늄(GaAs/Ge), 알루미늄갈륨비소/실리콘(AlGaAs/Si) 등의 적층형 태양전지로 분류된다.
일반적으로 상기 태양전지에 요구되는 특성 및 연구개발은 광전변환효율의 향상, 제조원가의 절감, 에너지 회수 년수의 감소 및 대면적화의 관점에서 진행된다.
단결정 실리콘 태양전지 또는 다결정 실리콘 태양전지는 광전변환효율은 높지만, 제조단가 및 설치비용이 높다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 비정질 실리콘을 중심으로 한 소재를 판형 유리나 금속에 다층으로 증착한 박막형 태양전지가 활발하게 연구개발되고 있다.
본 발명의 목적은 집광성을 높일 수 있는 확산필름층을 포함하여, 효율이 상승된 태양전지를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지는 투명기판, 상기 투명기판의 전면에 형성되어 입사된 광을 확산시키는 확산필름층 및 상기 투명기판의 후면에 형성된 투명 전도성 산화물층을 포함한다.
바람직하게, 상기 확산필름층의 재질은 유기물 재료가 될 수 있다.
상기 유기물 재료는 아크릴 레진, 불포화폴리에스테르 레진, 우레탄 레진, 에폭시 레진 및 멜라민 레진으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다.
바람직하게, 상기 확산필름층의 두께는 100 nm ~ 10 μm 가 될 수 있다.
바람직하게, 상기 확산필름층은 다공질 막이 사용될 수 있다.
상기 다공질 막은 10 nm ~ 40 nm 의 평균입경을 가지는 복수 개의 나노입자가 포함된 것이 사용될 수 있다.
바람직하게, 상기 확산필름층은 복수 개의 비즈 또는 파티클이 포함하되, 상기 비즈 또는 파티클의 평균입경은 확산필름층의 두께보다 작은 것이 사용될 수 있다.
상기 비즈 또는 파티클의 굴절률은 상기 확산필름층의 재질과 상이한 굴절률을 가질 수 있다.
상기 비즈 또는 파티클의 평균입경은 10 nm ~ 1 μm 이 될 수 있다.
상기 비즈 또는 파티클은 단분산(monodisperse) 또는 다분산(polydisperse)될 수 있다.
상기 비즈 또는 파티클은 1μm2 의 확산필름층에 10-3 ~ 2×10-2 개가 분포될 수 있다.
상기 비즈 또는 파티클의 재질은 유기물 재료 또는 무기물 재료가 될 수 있다.
상기 유기물 재료는 아크릴계 고분자 및 폴리 올레핀으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 무기물 재료는 산화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화 티타늄, 산화 지르코늄 및 플루오르화 마그네슘으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
바람직하게, 상기 확산필름층은 적어도 한면이 텍스쳐링 된 것일 수 있다.
바람직하게, 상기 태양전지는 단결정 박막형 실리콘 태양전지, 다결정 박막형 실리콘 태양전지, 비정질 박막형 실리콘 태양전지, 미세결정질 박막형 실리콘 태양전지, Ⅰ-Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 태양전지 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나가 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 태양전지는 광 에너지의 유효 흡수 파장대를 확장함으로써, 집광성을 높일 수 있는 확산필름층을 포함하여, 태양전지의 효율을 상승시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 박막형 태양전지의 구조의 일부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 종래의 박막형 태양전지는 유리 기판(100)에 투명 전도성 산화물(TCO : Transparent Conductive Oxide)층(101)을 형성한 후, 상기 투명 전도성 산화물층(101) 위에 박막층(도면에 도시하지 않음)을 형성함으로써 제조된다. 상기 투명 전도성 산화물층(101)으로 SnO2, ZnO 사용될 수 있다. 상기 투명 전도성 산화물층(101)은 태양전지에서 전극으로 사용되는데, 주로, 비정질 실리콘 박막 태양전지의 경우에는 SnO2 박막이 적용되고, 결정질 실리콘 박막 태양전지의 경우에는 ZnO 박막이 적용된다.
상기 박막형 태양전지는 열화 현상(light induced degradation)과 짧은 광확산 거리(short light diffusion length) 때문에, 태양전지의 효율을 높이려면 박막층이 얇게 제조되어야 한다. 그런데, 박막층의 두께가 얇아지면 광흡수층이 줄어들게 되므로 태양전지의 효율이 낮아지는 문제점이 발생한다. 따라서, 광흡수를 높이기 위해서 투명 전도성 산화물층(101)을 피라미드 형태 등으로 텍스쳐링한다. SnO2를 사용하여 형성한 투명 전도성 산화물층을 텍스쳐링한 경우에, 단파장의 광흡수는 높아지나 장파장의 광흡수는 크게 향상되지 않는다. 또한, ZnO를 사용하여 형성한 투명 전도성 산화물층의 경우에는, ZnO 자체의 내구성 문제나 기술적 문제 때문에 대량생산이 어려운 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조의 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 태양전지는, 구체적으로 투명기판(200)의 전면에 형성되어 입사된 태양광(light)을 확산시키는 확산필름층(210) 및 상기 투명기판의 후면에 형성된 투명 전도성 산화물층(201)을 포함한다.
상기 투명 전도성 산화물층(201)은 투명기판(200) 방향에서 입사되는 태양광이 투과되며, 투과된 태양광의 광흡수력을 높이기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 피라미드 형태로 텍스쳐링될 수 있다.
상기 투명기판(200)은 유리 기판을 사용하였으나, 이에 제한되지 않고, 투명한 것이라면 플라스틱 기판도 사용할 수 있다.
상기 확산필름층(210)의 재질은 높은 광투과성과 투명성을 가진 유기물 재료가 될 수 있다. 상기 유기물 재료는 아크릴 레진(acrylic resins), 불포화폴리에스테르 레진(unsaturated polyester resins), 우레탄 레진(urethane resins), 에폭시 레진(epoxy resins), 또는 멜라민 레진(melamine resins)이 될 수 있다.
상기 확산필름층(210)은 복수 개의 비즈(211)를 포함할 수 있으며, 상기 비즈의 평균입경은 10 nm ~ 1 μm 이 될 수 있다.
또한, 상기 확산필름층(210)의 두께는 100 nm ~ 10 μm 가 될 수 있다. 태양전지에서 일반적으로 이용되는 빛의 파장과 본원발명의 비즈의 크기를 고려할 때, 확산필름층의 두께가 상기의 범위에 있을 때에 빛의 확산이 가장 잘 일어나므로 집광성을 높일 수 있다.
또한, 상기 확산필름층(210)에 입사한 태양광이 비즈에 의해 분산되려면, 상기 비즈는 높은 광투광성과 투명성을 가지되, 상기 확산필름층에 사용되는 유기물 재료와 상이한 굴절률을 가지는 것이어야 한다. 상기의 굴절률의 차이에 의해 확산필름층(210)에 입사한 태양광이 비즈에 의해 분산되면서, 빛이 태양전지 셀에서 머물 수 있는 시간이 길어지기 때문에 집광성이 향상되는 것이다. 특히, 장파장의 빛의 경우 상기 집광성이 크게 향상될 수 있다.
상기 비즈로 사용될 수 있는 것으로서, 아크릴계 고분자(acrylic beads), 폴 리 올레핀(olefin beads), 또는 이들의 공중합체(acryl-olefin copolymer)의 유기물 재료가 사용될 수 있고, 그 뿐만 아니라 무기물 재료도 사용될 수 있다. 상기 아크릴계 고분자는, 메틸메타크릴레이트(methylmethacrylate), 에틸메타크릴레이트(ethylmethacrylate), 이소부틸메타크릴레이트(isobutylmethacrylate), n-부틸메타크릴레이트(n-butylmethacrylate), n-부틸메틸메타크릴레이트(n-butylmethylmethacrylate), 아크릴산(acrylic acid), 메타크릴산(methacrylic acid), 히드록시에틸메타크릴레이트(hydroxyethylmethacrylate), 히드록시프로필메타크릴레이트(hydroxypropylmethacrylate), 히드록시에틸아크릴레이트(hydroxyethylacrylate), 아크릴아미드(acrylamide), 메틸올아크릴아미드(methylolacrylamide), 글리시딜메타크릴레이트(glycidylmethacrylate), 에틸아크릴레이트(ethylacrylate), 이소부틸아크릴레이트(isobutylacrylate), n-부틸아크릴레이트(n-butylacrylate), 또는 2-에틸헥실아크릴레이트(2-ethylhexylacrylate)가 될 수 있다. 상기 폴리 올레핀은 폴리에틸렌( polyethylene), 폴리스티렌( polystyrene), 또는 폴리프로필렌(polypropylene)이 될 수 있다. 상기 무기물 재료는 산화 실리콘(silicon oxide), 산화 알루미늄(aluminum oxide), 산화 티타늄(titanium oxide), 산화 지르코늄( zirconium oxide), 또는 플루오르화 마그네슘( magnesium fluoride)이 될 수 있다.
또한, 도 2에서는 상기 복수 개의 비즈(211)의 크기나 모양이 균일한 것들을 사용하여 단분산(monodesiperse)된 형태를 도시하였으나, 이에 제한되지 않고, 크기나 모양이 서로 다른 복수 개의 비즈가 다분산(polydisperse)된 것을 사용할 수 도 있다.
상기 비즈는 확산필름층 1μm2 면적당 10-3 ~ 2×10-2 개가 분포되도록 하여 빛의 확산성을 향상시킬 수 있다. 상기 비즈가, 확산필름층 1μm2 면적당 10-3 개 미만이거나, 2×10-2 개 초과하는 경우에는 빛의 확산성이 감소될 수 있다.
상기 확산필름층(210)은 빛의 투과도를 위해서 투명재료로 형성되며, 상기 확산필름층(210)에 태양광이 입사하면, 확산필름층에 포함된 비즈(211)에 의해 빛이 확산되기 때문에, 원하는 파장대의 빛의 투과를 유도할 수 있다. 도 1과 같은 종래의 박막형 태양전지에서 SnO2를 사용하여 형성한 투명 전도성 산화물층의 경우, 상기 투명 전도성 산화물층을 텍스쳐링 하더라도 단파장의 광흡수는 높아지나 장파장의 광흡수는 크게 향상되지 않았다. 그러나, 본 발명의 확산필름층(210)을 이용하면 단파장 뿐만 아니라, 장파장의 광흡수도 크게 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 태양전지의 구조의 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 태양전지는, 구체적으로 투명기판(300)의 전면에 형성되어 입사된 광을 확산시키는 확산필름층(310) 및 상기 투명기판의 후면에 형성된 투명 전도성 산화물층(301)을 포함한다.
본 발명의 태양전지는, 비즈(311)을 포함하는 상기 확산필름층(310)에 의해 상승된 집광성을 갖기 때문에, 도 3에서 도시한 바와 같이, 투명 전도성 산화물층(301)을 텍스쳐링 하지 않아도 된다.
이와같이 텍스쳐링 하지 않음으로써, 상기 투명 전도성 산화물층(301) 위에 형성될 박막층(도면에 도시하지 않음) 간에 발생할 수 있는 인터페이스 결함( interface defect)을 줄일 수 있어서 효율이 높은 태양전지를 제공할 수 있다.
상기 실시예들에서는 비즈가 포함된 확산필름층을 사용하였으나, 평균입경이 약 10 nm ~ 1 μm 인 복수 개의 파티클이 포함된 확산필름층을 사용하거나, 평균 입경이 약 10nm ~ 40 nm 인 복수 개의 나노입자를 포함한 다공질막의 확산필름층을 사용할 수도 있다. 상기 나노입자는 매우 미세하고 균일한 평균입경을 가질 수 있다. 상기 다공질막은 Ti산화물, Zr산화물, Sr산화물, Zn산화물, In산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Mo산화물, W산화물, Sn산화물, Nb산화물, Mg산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물 및 SrTi산화물로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 복합물이 될 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 태양전지는 단결정 박막형 실리콘 태양전지, 다결정 박막형 실리콘 태양전지, 비정질 박막형 실리콘 태양전지, 미세결정질 박막형 실리콘 태양전지, I-Ⅲ-V족 화합물 태양전지, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 태양전지 또는 Ⅲ-V족 화합물 태양전지가 될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 확산필름층이 형성된 비정질 박막 형 실리콘 태양전지를 설명한다.
도 4에 본 발명에 따른 비정질 박막형 실리콘 태양전지의 단면도를 나타냈다. 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 비정질 박막형 실리콘 태양전지를 제조하는 공정을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 투명기판(400) 후면에 산화아연 박막을 형성한 후, 수소 플라즈마를 도핑하여 투명 전도성 산화물층(401)을 형성한다. 상기 투명 전도성 산화물 층(401)상부면에 비정질 실리콘으로 구성된 상부셀(402)을 형성한다. 상기 상부셀(402)상부면에 산화아연 박막을 형성한 후, 수소 플라즈마를 도핑하여 투명 전도성 산화물층(403)을 형성한다. 상기 투명 전도성 산화물층(403)상부면에 결정질 실리콘으루 구성된 하부셀(404)을 형성하고, 상기 하부셀(404)상부면에 금속막으로 구성된 배면 반사판(405)을 형성하는 단계를 거쳐서 비정질 박막형 실리콘 태양전지를 제조한 후, 상기 투명기판(400) 전면에 비즈(411)가 포함된확산필름층(410)을 형성함으로써, 본 발명의 태양전지를 완성한다.
상기의 실시예에서는 종래의 방법에 따라 비정질 박막형 실리콘 태양전지를 제조한 후 확산필름층(410)을 형성하여 본 발명의 태양전지를 완성하였으나, 상기의 공정순서에 제한되지 않는다. 즉, 투명기판(400) 후면에 확산필름층(410)을 먼저 형성한 후, 상기 투명기판(400) 후면에 순서대로, 투명 전도성 산화물층(401), 상부셀(402), 투명 전도성 산화물층(403), 하부셀(404), 배면 반사판(405)을 형성하는 단계를 거쳐서 본 발명의 태양전지를 완성할 수 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 종래의 박막형 태양전지의 구조의 일부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조의 일부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 태양전지의 구조의 일부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 박막형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}
100 : 유리기판
200, 300, 400 : 투명기판
101, 201, 301, 401, 403 : 투명 전도성 산화물층
402 : 상부셀
404 : 하부셀
405 : 배면 반사판
210, 310, 410 : 확산필름층
211, 311, 411 : 비즈

Claims (16)

  1. 투명기판;
    상기 투명기판의 전면에 형성되어 입사된 광을 확산시키는 확산필름층; 및
    상기 투명기판의 후면에 형성된 투명 전도성 산화물층을 포함하는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산필름층의 재질은 유기물 재료인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유기물 재료는 아크릴 레진, 불포화폴리에스테르 레진, 우레탄 레진, 에폭시 레진 및 멜라민 레진으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산필름층의 두께는 100 nm ~ 10 μm 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산필름층은 다공질 막인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다공질 막은 10 nm ~ 40 nm 의 평균입경을 가지는 복수 개의 나노입자가 포함된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산필름층은 복수 개의 비즈 또는 파티클이 포함하되, 상기 비즈 또는 파티클의 평균입경은 확산필름층의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 비즈 또는 파티클의 굴절률은 상기 확산필름층의 재질과 상이한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 비즈 또는 파티클의 평균입경은 10 nm ~ 1 μm 인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 비즈 또는 파티클은 단분산(monodisperse) 또는 다분산(polydisperse)된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 비즈 또는 파티클은 1μm2 의 확산필름층에 10-3 ~ 2×10-2 개가 분포된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 비즈 또는 파티클의 재질은 유기물 재료 또는 무기물 재료인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유기물 재료는 아크릴계 고분자 및 폴리 올레핀으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 무기물 재료는 산화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화 티타늄, 산화 지르코늄 및 플루오르화 마그네슘으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산필름층은 적어도 한면이 텍스쳐링 된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지는 단결정 박막형 실리콘 태양전지, 다결정 박막형 실리콘 태양전지, 비정질 박막형 실리콘 태양전지, 미세결정질 박막형 실리콘 태양전지, Ⅰ-Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 태양전지 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
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