KR101534756B1 - Thin film type solar cell, method of fabricating the same and method of increasing efficiency of a thin film type solar cell - Google Patents
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Abstract
박막형 태양전지는 텍스처링된 영역을 부분적으로 포함하는 능동층; 상기 능동층 상에 위치하는 필름층; 및 상기 필름층 상에 위치하며, 입사광을 상기 텍스처링된 영역에 집속시키도록 배치된 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 박막형 태양전지 제조 방법은 능동층에 부분적으로 텍스처링된 영역을 형성하는 단계; 및 상기 텍스처링된 영역을 포함하는 능동층 위에, 입사광을 상기 텍스처링된 영역에 집속시키도록 배치된 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 광집속층을 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 또, 태양전지의 효율 증대 방법은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이에 의해 입사광을 집속시키는 단계; 상기 집속된 입사광을, 박막형 태양전지의 능동층에 형성된 텍스처링된 영역에 입사시키는 단계; 및 상기 텍스처링된 영역에 입사된 입사광을 상기 능동층에 의해 전기 에너지로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.A thin film solar cell includes an active layer partially including a textured region; A film layer disposed on the active layer; And a lens array disposed on the film layer and including at least one lens arranged to focus incident light on the textured area. In addition, the method of fabricating a thin film solar cell includes forming a partially textured region in an active layer; And locating a light focusing layer on the active layer comprising the textured region, the light focusing layer comprising a lens array and a film layer, the lens array comprising at least one lens arranged to focus incident light on the textured region . Also, a method of increasing efficiency of a solar cell includes focusing an incident light by a lens array including at least one lens; Introducing the focused incident light into a textured region formed in an active layer of a thin film solar cell; And converting the incident light incident on the textured region into electrical energy by the active layer.
Description
실시예들은 박막형 태양전지에 있어서, 능동층에서의 광흡수를 증가시키면서 전자-정공 쌍의 표면 재결합을 감소시킴으로써 박막형 태양전지의 효율을 증대시키는 기술에 관한 것이다.Embodiments relate to a technique for increasing the efficiency of a thin film solar cell by reducing surface recombination of electron-hole pairs while increasing light absorption in an active layer in a thin film solar cell.
태양전지는 태양광의 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전 시스템의 핵심 소자로써, 입사된 태양광을 흡수하는 태양전지의 능동층(흡수층)은 p-n 접합의 반도체 다이오드로 구성된다. 능동층에서는 태양광에서 흡수된 광자에 의하여 전자-정공 쌍이 생성되고, 이에 따라 생성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동한다. 따라서, p-n 접합부 사이에 광 기전력이 발생함으로써 전기에너지가 생산된다.A solar cell is a core element of a solar power generation system that converts solar light energy directly into electric energy. The active layer (absorption layer) of a solar cell that absorbs incident solar light is composed of a p-n junction semiconductor diode. In the active layer, electron-hole pairs are generated by the photons absorbed from the sunlight, and electrons move to the n layer and holes move to the p layer due to the generated electric field. Thus, a photovoltaic power is generated between the p-n junctions to produce electrical energy.
태양전지는 능동층의 재료에 따라 다양하게 구분되는데, 현재는 벌크(bulk)형 결정질 실리콘으로 이루어진 태양전지가 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 태양광 발전 시스템의 제조 단가 중 능동층 재료의 비용이 가장 높은 비율을 차지하기 때문에, 능동층에 포함되는 실리콘 양을 줄이기 위해 박막형 실리콘 태양전지의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다. Solar cells are classified into various types according to the material of the active layer. Currently, solar cells made of bulk crystalline silicon are the most used. However, since the cost of the active layer material accounts for the highest proportion of the production cost of the photovoltaic power generation system, research and development of a thin film type silicon solar cell is actively carried out to reduce the amount of silicon contained in the active layer.
박막형 실리콘 태양전지의 경우, 벌크형 실리콘 태양전지에 비해 능동층 재료의 사용량을 줄일 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있으나, 능동층이 얇아짐에 따라 입사된 태양광을 능동층 내에서 충분히 흡수하지 못하는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 능동층 내에서 입사광을 충분히 흡수할 수 있도록 입사면에서 광 반사를 최소화 시키는 무반사 코팅 및 능동층에서의 광 경로를 충분히 길게 하는 광 트래핑(light trapping) 기법 등이 사용되고 있다.Thin-film silicon solar cells can reduce the amount of active layer material used compared to bulk silicon solar cells, which can lower the manufacturing cost. However, since the active layer becomes thinner, it can not sufficiently absorb the incident sunlight in the active layer . In order to overcome this disadvantage, an anti-reflection coating which minimizes light reflection on the incident surface and a light trapping technique which sufficiently lengthens the optical path in the active layer are used so as to sufficiently absorb the incident light in the active layer.
광 트래핑 기법 중, 능동형 재료인 결정질 실리콘의 결정 방향에 따른 습식 에칭 공정을 이용하여 주기적인 요철 구조를 형성함으로써 입사광이 요철 구조면에서 각기 다른 방향으로 굴절되도록 하여 광 경로를 늘리는 텍스처링 기법(texturing)이 많이 사용되고 있다. 텍스처링 기법은 단순한 공정으로 원하는 요철 구조를 얻을 수 있는 장점이 있으나, 요철 구조로 인해 능동층의 p-n 접합면이 넓어져, 평면 능동층을 갖는 결정질 실리콘 박막 태양전지에 비하여 입사광에 의해 능동층 내에 생성된 전자-정공 쌍의 표면 재결합(surface recombination)이 급격히 증가한다. 이에 따라 전자나 정공에 의한 전류의 흐름을 저해하게 되므로 능동층 내에 흡수되는 광량이 증가하는 만큼 태양전지의 효율이 증가하지 않는 치명적인 단점을 가지고 있다.Among the optical trapping techniques, a texturing technique for increasing the light path by causing the incident light to be refracted in different directions on the uneven surface by forming a periodic uneven structure by using the wet etching process according to the crystal direction of crystalline silicon, which is an active material, Is widely used. The texturing technique is advantageous in that the desired concavo-convex structure can be obtained by a simple process. However, since the pn junction plane of the active layer is widened due to the uneven structure, compared with the crystalline silicon thin film solar cell having the planar active layer, The surface recombination of the electron-hole pairs is increased sharply. As a result, the flow of current due to electrons or holes is inhibited, so that the efficiency of the solar cell is not increased as the amount of light absorbed in the active layer is increased.
본 발명의 일 측면에 따르면, 능동층에서의 광 흡수량을 증대시키기 위해 광 트래핑 기법을 사용함과 동시에 능동층 표면에서의 전자와 정공의 표면 재결합을 감소시킴으로써 전류의 흐름을 저해하지 않는 박막형 태양전지를 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a thin film solar cell that uses a light trapping technique to increase the light absorption amount in the active layer and reduces the recombination of electrons and holes on the surface of the active layer, .
일 실시예에 따른 박막형 태양전지는 일부가 텍스처링된 능동층; 상기 능동층 상에 형성된 필름층; 및 상기 필름층 상에 형성된 렌즈 어레이; 를 포함할 수 있다.The thin film solar cell according to one embodiment includes a partially textured active layer; A film layer formed on the active layer; And a lens array formed on the film layer; . ≪ / RTI >
일 실시예에 따른 박막형 태양전지 제조 방법은 박막형 태양전지의 능동층의 일부를 텍스처링하는 단계; 및 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 광집속층을 상기 일부가 텍스처링된 능동층 위에 부착하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of fabricating a thin film solar cell according to an embodiment includes: texturing a part of an active layer of a thin film solar cell; And attaching a light focusing layer comprising a lens array and a film layer over the portion of the textured active layer.
일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 효율 증대 방법은 입사광을 집속시키는 단계; 상기 집속된 입사광을 박막형 태양전지의 일부가 텍스처링된 능동층에 흡수시키는 단계; 및 상기 능동층에 흡수된 빛에 의한 에너지를 전기 에너지로 변환하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of increasing the efficiency of a thin film solar cell according to an embodiment includes focusing an incident light; Absorbing the focused incident light into a textured active layer of a thin film solar cell; And converting the energy of light absorbed in the active layer into electrical energy.
본 발명의 일 측면에 따른 태양전지에 의하면, 농등층에 부분적으로만 텍스처링된 영역을 형성함으로써, 능동층의 전면이 텍스처링된 종래의 태양전지의 광 트래핑 성능 이상으로 능동층 내에서 태양광을 충분히 흡수하면서, 능동층의 표면적을 감소시켜 표면 재결합 효과를 대폭 감소시킴으로써 전류의 흐름을 저해하지 않는 고효율의 태양전지를 제공할 수 있다. The solar cell according to one aspect of the present invention can form a partially textured region only on the roughened layer so that the front surface of the active layer is exposed to sunlight within the active layer more than the optical trapping performance of the textured conventional solar cell The surface area of the active layer is reduced while absorbing, and the effect of surface recombination is greatly reduced, thereby providing a highly efficient solar cell that does not impede the current flow.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 태양전지에 의하면 태양광을 집속시켜 능동층에 입사시키는 구성을 능동층의 제조 공정과 별도의 공정을 이용하여 제작한 후 능동층에 부착할 수 있으므로 제조 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.In addition, according to the solar cell according to one aspect of the present invention, since the structure for focusing sunlight and entering the active layer can be manufactured by using a separate process from that of the active layer, and then attached to the active layer, It is expected to be lowered.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 일부 단면도 및 태양광이 흡수되는 경로를 나타낸 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 일부가 텍스처링된 능동층의 개략도이다.
도 3는 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적(ray-tracing) 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 4은 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 5는 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 6는 평면 능동층을 갖는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 7은 능동층의 밑면이 평면인 태양전지들의 구조별 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율 그래프이다.
도 8은 능동층의 밑면이 람버시안(Lambertian) 구조를 갖는 태양전지들의 구조별 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율 그래프이다.FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a thin-film solar cell according to an embodiment of the present invention and a path through which sunlight is absorbed.
Figure 2 is a schematic diagram of a partially textured active layer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a result of simulating a path of sunlight incident on a solar cell including a semi-spherical lens array, in which a part of the active layer is textured, using a ray-tracing technique.
4 is a result of simulating a path of sunlight incident on a solar cell including a portion of the active layer textured and including an aspheric lens array using a ray tracing technique.
FIG. 5 is a result of simulating the path of sunlight incident on a solar cell having a textured active layer on the front side using a ray tracing technique.
FIG. 6 shows a result of simulating the path of sunlight incident on a solar cell having a planar active layer using a ray tracing technique.
7 is a graph of the light absorptivity according to the wavelength in the active layer according to the structure of the solar cells in which the bottom surface of the active layer is flat.
8 is a graph of the light absorptance according to the wavelength in the active layer of the solar cells having the Lambertian structure on the bottom surface of the active layer.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 일부 단면도 및 태양광이 흡수되는 경로를 나타낸 개략도이다. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a thin-film solar cell according to an embodiment and a path through which sunlight is absorbed.
도 1 을 참조하면, 일 실시예에 따른 박막형 태양전지는 일부가 텍스처링된 능동층(14), 상기 능동층(14) 상에 형성된 필름층(13) 및 상기 필름층(13) 상에 형성된 렌즈 어레이(12)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 박막형 태양전지에서 능동층(14)은 부분적으로만 텍스처링된 된다. 즉, 능동층(14)의 일부 영역은 텍스처링된 영역(15)으로 되어 있는 한편, 상기 영역(15)을 제외한 능동층(14)의 다른 영역은 텍스처링되지 않는다.Referring to FIG. 1, a thin film solar cell according to an exemplary embodiment includes an
도 1 을 참조하여, 일 실시예에 따른 태양전지의 능동층에 빛이 어떻게 흡수되는지를 설명한다. 입사광(11)은 렌즈 어레이(12)에 입사하며 공기와 렌즈를 이루는 물질의 굴절률 차이로 인해 굴절되어 집속된 후, 렌즈 어레이(12)의 아래에 위치한 필름층(13)에 입사된다. 이 때, 입사된 빛은 렌즈 어레이(12)와 필름층(13)을 이루는 물질의 굴절률 차이로 인해 다시 한 번 굴절되어 집속될 수 있다. 집속된 빛은 필름층(13) 및 렌즈 어레이(12)의 구조에 의해 능동층(14)의 텍스처링된 부분(15)에 입사하도록 구성된다. Referring to FIG. 1, how light is absorbed by an active layer of a solar cell according to an embodiment will be described. The
본 명세서에서, 텍스처링이란 능동층(14)의 표면을 3차원 구조물 형태로 패터닝하는 것을 지칭하도록 의도된다. 태양 광선이 능동층(14)에서 텍스처링된 영역에 입사될 경우 능동층 내에서 반사를 거듭하게 되어, 입사광이 텍스처링되지 않은 영역에서 입사되는 경우와 비교할 때 능동층 내의 광 경로가 길어지고, 따라서, 능동층(14)에 의한 광 흡수가 증대된다. 그러나, 능동층(14)의 표면 전체를 텍스처링할 경우, 능동층(14)의 표면적이 증가함에 따라 표면에서의 전자-정공 재결합이 증가한다. 따라서, 전자 또는 정공에 의한 전류의 흐름을 저해하여, 능동층(14)에서의 광 흡수가 증대된 만큼 태양전지의 효율이 증대되지 못하도록 한다.In this specification, texturing is intended to refer to patterning the surface of the
이에 비하여 실시예들에 따른 박막형 태양전지에서는, 능동층의 전면이 텍스처링된 기존의 태양전지에 비해 능동층(14)의 일부만 텍스처링함으로써 능동층(14)의 표면적을 감소시켜 표면 재결합(surface recombination)을 줄일 수 있고, 렌즈 어레이(12) 및 필름층(13)에 의해 입사광을 집속시켜 텍스처링된 부분(15)에 입사할 수 있도록 함으로써 입사광이 텍스처링된 부분(15)의 요철 구조에 의해 능동층 내에서 전반사함으로써 능동층의 전면을 텍스처링하지 않더라도 광 트래핑의 기능을 유지할 수 있게 된다. On the other hand, in the thin film solar cell according to the embodiments, the surface area of the
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입사광을 집속시키는 단계, 상기 집속된 입사광을 박막형 태양전지의 일부가 텍스처링된 능동층에 흡수시키는 단계 및 상기 능동층에 흡수된 빛에 의한 에너지를 전기 에너지로 변환하는 단계를 포함하는 박막형 태양전지의 효율을 증대시키는 방법을 제공할 수 있다.That is, according to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film solar cell, comprising the steps of: focusing incident light; absorbing the focused incident light into a textured active layer of a thin film solar cell; A method of increasing the efficiency of a thin film solar cell including the step of converting a thin film solar cell into a thin film solar cell can be provided.
렌즈 어레이(12)는 입사광(11)을 능동층(14)의 텍스처링된 부분(15)을 향해 집속하는 집속층의 역할을 하기 때문에, 열에 강하고 투광성이 우수한 특성을 갖는 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면, 일반적으로 광학 필름 형상을 제작할 때 많이 사용되는 자외선 수지(UV resin)일 수 있다. 또한, 렌즈 어레이(12)는 점착제 겸 기능재료로 동작할 수 있고, 형상롤 형태의 금형을 만듬으로써 자외선(UV) 빛이 지나가면서 성형되는 방식으로 대면적화가 가능하다. 렌즈 어레이(12)를 이루는 렌즈는 직경이 마이크로미터(μm) 또는 밀리미터(mm)의 단위를 갖는 마이크로렌즈일 수 있다. 태양광이 입사하는 렌즈 어레이(12)의 표면은 다양한 형태로 설계 가능하고, 예를 들어, 반구형 또는 볼록한 부분을 갖는 비구면일 수 있다. 렌즈 어레이(12)를 통해 입사광이 텍스처링된 부분(15)에 집속되면, 텍스처링 형상에 의해 광 경로가 능동층 내에서 전반사 되어 능동층에서의 입사광의 흡수가 극대화된다.Since the
필름층(13)은 렌즈 어레이(12)로부터 능동층(14)의 텍스처링된 부분(15)까지 빛을 집속하기 위해 초점 거리를 조절하는 스페이서(spacer)의 역할을 할 수 있다. 또한, 필름층(13)은 능동층(14)과 렌즈 어레이(12)의 접착제 역할을 할 수도 있다. 일반적으로 굴절률이 높은 물질로 필름층을 구성함으로써 초점 거리를 짧게 설계하는 경우, 집광능이 증가하여 텍스처링 면적이 좁아지지만, 렌즈 어레이(12)의 곡률반경이 커지므로, 제작 공정의 마진이 줄어들고 태양광의 고도변화 등 빛의 입사각 변화에 의한 입사 허용각(acceptance angle)이 줄어드는 단점이 있다. 반면, 초점 거리를 길게 설계하는 경우, 렌즈 어레이(12)의 곡률반경이 작아짐에 따라 제작 공정의 마진이 증가되고, 입사 허용각이 커질 수 있지만, 텍스처링 면적이 넓어야 한다는 단점이 있다. 따라서, 텍스처링 면적, 제작 공정의 마진 및 렌즈 어레이(12)의 입사 허용각을 고려하여 필름층(13)을 이루는 물질과 필름층(13)의 두께를 최적화하여 설계하는 것이 요구된다.The
일 실시예에서, 필름층(13)은 또한 렌즈 어레이(12)를 성형할 때 기판으로서 사용될 수도 있다. 또한 일 실시예에서, 필름층(13)은 유전체로 이루어질 수 있다. 또한, 필름층(13)은 고분자 물질로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 필름층(13)은 PET(Polyethyleneterephthalate) 필름일 수 있다. In one embodiment, the
능동층(14)은 일반적인 태양전지의 능동층에 사용되는 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 능동층(14)은 결정질 실리콘 박막일 수 있다. The
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, 능동층에 부분적으로 텍스처링된 영역을 형성하는 단계 및 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 광집속층을 상기 텍스처링된 영역을 포함하는 능동층 위에 위치시키는 단계를 포함하는 박막형 태양전지 제조 방법에 의해 제작될 수 있다. 예를 들어, 광집속층의 필름층이 상기 일부가 텍스처링된 능동층 위에 부착될 수 있다. 능동층을 제작하는 공정과는 별도의 롤(roll) 공정으로 광집속층을 제작함으로써, 제조 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다. A solar cell according to an embodiment of the present invention includes a step of forming a partially textured region in an active layer and a step of positioning a light focusing layer including a lens array and a film layer on an active layer including the textured region Type solar cell fabrication method. For example, a film layer of the light focusing layer may be deposited over the textured active layer. It is expected that the production cost can be lowered by manufacturing the light focusing layer by a roll process different from the process of manufacturing the active layer.
능동층의 일부를 텍스처링하는 단계는 다양한 방법에 의해 수행될수 있다. 예를 들어, 포토 마스크 등을 이용한 포토 리소 공정 또는 화학적 습식 에칭 공정 등을 이용하여 텍스처링할 부분과 텍스처링된 부분의 형상을 조절할 수 있다. The step of texturing a part of the active layer can be performed by various methods. For example, the shape of the textured portion and the portion of the textured portion can be adjusted by using a photolithography process using a photomask or the like, or a chemical wet etching process.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따라, 태양전지의 능동층의 일부가 텍스처링된 형상을 나타낸 개략도이다. 도 2 에 나타난 바와 같이, 텍스처링은 요철구조가 피라미드(사각뿔) 형상을 갖도록 능동층의 일부에 수행될 수 있고, 요철구조는 피라미드뿐만 아니라 입사광을 능동층 내에서 전반사시킬 수 있는 어떤 형상이라도 가능하다. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a portion of the active layer of a solar cell textured in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. As shown in FIG. 2, the texturing can be performed on a part of the active layer so that the concavo-convex structure has a pyramid shape (pyramid shape), and the concavo-convex structure can be any shape capable of totally reflecting the incident light in the active layer as well as the pyramid .
실시예들에 따른 태양전지의 효능을 정량적으로 검증하기 위해 서로 다른 구조를 갖는 네 개의 태양전지에 대하여 능동층에 흡수되는 광량을 광학적으로 계산하였다. In order to quantitatively verify the efficiency of the solar cell according to the embodiments, the amount of light absorbed in the active layer was optically calculated for four solar cells having different structures.
도 3 은 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적(ray-tracing) 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다. 파장이 300 nm 내지 1200 nm 인 태양광(AM 1.5GHz)을 입사빔으로서 태양전지에 투과시킨 후, 결정질 실리콘으로 설정한 능동층에 흡수되는 광량을 정량적으로 계산하였다. 반구형 렌즈의 직경은 100 μm, 필름층의 두께는 0.1 mm 로 설정하였다. 능동층은 두께 10 μm 의 결정질 실리콘으로 이루어지도록 설계하였으며, 능동층 텍스처링의 요철구조는 밑면으로부터 꼭지점까지의 높이가 5 μm 인 피라미드 구조를 갖도록 설정하였다. 도 3 를 참고하면, 능동층에 흡수된 태양광이 전반사를 일으키면서 특정한 방향성 없이 이동하는 것을 알 수 있다. 3 is a result of simulating a path of sunlight incident on a solar cell including a semi-spherical lens array, in which a part of the active layer is textured, using a ray-tracing technique. Solar light (AM 1.5 GHz) having a wavelength of 300 nm to 1200 nm was transmitted through the solar cell as an incident beam, and the amount of light absorbed in the active layer set as crystalline silicon was quantitatively calculated. The diameter of the hemispherical lens was set to 100 μm, and the thickness of the film layer was set to 0.1 mm. The active layer is designed to be composed of 10 μm thick crystalline silicon and the concave and convex structure of active layer texturing is set to have a pyramid structure with a height of 5 μm from the bottom to the apex. Referring to FIG. 3, it can be seen that the sunlight absorbed in the active layer travels without total directionality while causing total reflection.
도 4 은 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다. 입사광, 필름층 및 능동층에 대한 설정은 도 3 의 경우와 동일하고, 비구면 렌즈는, 마주 보는 모선이 79.61o(apex angle)를 이루는 원뿔에서 원뿔의 꼭지점 주변 부분(즉, 비구면 렌즈의 상단 부분)을 반지름이 0.025 mm 인 구의 일부로 대체한 형상을 갖도록 설계하였다. 도 4 를 참고하면, 도 3 에서와 같이 능동층에 흡수된 태양광이 일정한 방향성 없이 전반사하는 것을 알 수 있다. 4 is a result of simulating a path of sunlight incident on a solar cell including a portion of the active layer textured and including an aspheric lens array using a ray tracing technique. The setting of the incident light, the film layer, and the active layer is the same as that in Fig. 3, and the aspheric lens has a configuration in which the conical portion of the cone in the cone forming the apex angle of 79.61 o (that is, ) Was replaced with a part of a sphere having a radius of 0.025 mm. Referring to FIG. 4, it can be seen that the solar light absorbed in the active layer is totally reflected without any directionality as shown in FIG.
태양전지의 렌즈 어레이의 형상 및 배치, 필름층의 두께, 능동층의 텍스처링 형상 및 크기 등의 설계 요소들은 도 3 및 도 4 에서 사용된 광학 설계 기법을 이용하여 최적화할 수 있다. 반구형 렌즈 어레이와 비구면 렌즈 어레이는 일 실시예일 뿐, 렌즈의 형상은 이에 제한되지 않는다.Design factors such as the shape and arrangement of the lens array of the solar cell, the thickness of the film layer, the texturing shape and size of the active layer can be optimized using the optical design techniques used in FIGS. 3 and 4. FIG. The hemispherical lens array and the aspherical lens array are only one embodiment, and the shape of the lens is not limited thereto.
본 발명의 실시예들에 따른 태양전지와 비교하기 위하여 기존의 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지와 평면 능동층을 갖는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 각각 도 5 및 도 6 에 나타내었다. 도 5 및 도 6 에 있어서, 입사광 및 능동층의 두께에 대한 설정은 도 3 의 경우와 동일하고, 도 5 의 능동층의 텍스처링 요청 구조 또한 도 3 의 경우와 동일하다. 전면이 텍스처링된 능동층에 흡수된 태양광은 능동층에 입사할 때 굴절되어 전반사하는 반면, 평면 능동층을 갖는 태양전지는 입사한 태양광이 그대로 흡수되어 도 3 내지 도 5 의 능동층에 흡수된 태양광보다 짧은 경로를 가짐을 알 수 있다. In order to compare with the solar cell according to the embodiments of the present invention, the path of the solar light incident on the solar cell having the active layer having the textured front surface and the planar active layer according to the present invention, And FIG. 6. 5 and 6, the setting of the thickness of the incident light and the active layer is the same as that of FIG. 3, and the texturing request structure of the active layer of FIG. 5 is also the same as that of FIG. The sunlight absorbed by the front surface textured active layer is refracted and totally deflected when incident on the active layer, while the solar cell having the planar active layer absorbs incident sunlight as it is and absorbs into the active layer of FIGS. 3 to 5 Which is shorter than that of the sunlight.
도 7 은 도 3 내지 도 6 의 구조를 갖고, 능동층의 밑면에서 산란이 발생하지 않도록 밑면이 평면인 태양전지의 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율을 광선 추적 기법을 이용하여 나타낸 그래프이다. 도 7 에 나타난 바와 같이, 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면 렌즈 어레이와 필름층을 포함하는 태양전지의 광흡수율(71)이 가장 높고, 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 렌즈 어레이와 필름층을 포함하는 태양전지의 광흡수율(72)도 기존의 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지(73) 및 평면 능동층을 갖는 태양전지(74)의 광흡수율보다 평균적으로 높은 것을 알 수 있다. FIG. 7 is a graph showing the light absorptance according to wavelengths in an active layer of a solar cell having a bottom plane in which the bottom surface is flat so that scattering does not occur on the bottom surface of the active layer, using the ray tracing technique. 7, a part of the active layer is textured and the solar absorptance 71 of the solar cell including the aspheric lens array and the film layer is the highest, and a part of the active layer is textured and includes a hemispherical lens array and a film layer The
아래의 표 1 은 도 7 의 각 태양전지의 능동층에서 흡수하는 광량을 계산한 것으로서, ‘절대값’은 도 7 의 광 흡수율 그래프를 파장에 대해 적분한 절대 흡수 광량으로서, 입사광을 100 으로 놓았을 때 각 능동층에서 흡수되는 광량을 나타내고, ‘상대값’은 윗면과 밑면이 모두 평면인 능동층을 갖는 태양전지의 능동층에서의 절대 흡수 광량을 100 으로 놓았을 때의 상대적인 흡수 광량을 나타낸다. Table 1 below shows the results of calculating the amount of light absorbed by the active layer of each solar cell shown in Fig. 7, and the 'absolute value' is the absolute absorbed light amount obtained by integrating the graph of the light absorption rate of Fig. 7 with respect to the wavelength. 'Relative value' represents the relative amount of absorbed light when the absolute absorption amount of the active layer in the active layer of the solar cell having the active layer in which both the top and bottom surfaces are plane is set to 100 .
표 1 을 참고하면, 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지가 평면 능동층을 갖는 태양전지에 비해 약 1.48 배의 빛을 흡수하는 반면, 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 또는 비구면 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지는 약 1.6 배 또는 1.67 배의 빛을 흡수하는 것을 알 수 있다. 즉, 능동층의 일부가 텍스처링되고 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지는 평면 능동층을 갖는 태양전지에 비해 월등히 높은 흡수 광량을 가지며, 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지에 비해서도 높은 흡수 광량을 갖는다. 다시 말해, 일부가 텍스처링된 능동층, 렌즈 어레이 및 필름층을 갖는 태양전지는 능동층의 전면이 텍스처링된 태양전지에 비해 표면적이 작으므로 표면 재결합은 감소시키면서 능동층에서의 빛 흡수량은 더욱 증가시키므로, 기존의 태양전지에 비해 개선된 효율을 가질 것으로 예상된다. Referring to Table 1, while a solar cell having a front-side textured active layer absorbs about 1.48 times as much light as a solar cell having a planar active layer, a portion of the active layer is textured, and a hemispherical or aspheric lens array and film Lt; RTI ID = 0.0 > 1.6 < / RTI > or 1.67 times. That is, a solar cell in which a part of the active layer is textured and includes a lens array and a film layer has a much higher absorption light amount than a solar cell having a planar active layer, and has a higher absorption than a solar cell having a front- And has a light amount. In other words, a solar cell having a partially textured active layer, a lens array, and a film layer has a surface area smaller than that of a textured solar cell of the active layer, thereby reducing the surface recombination and further increasing the light absorption amount in the active layer , It is expected to have improved efficiency compared to conventional solar cells.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 능동층에서의 빛의 산란을 극대화하여 반사를 방지하기 위해 능동층의 밑면이 람버시안(Lambertian) 구조를 가질 수 있다. 본 명세서에서 람버시안 구조란 관찰차가 바라보는 각도와 관계없이 특정 표면에서의 물체의 휘도가 등방성을 갖는 람버시안 반사율을 갖도록 표면처리된 구조를 지칭한다. 람버시안 구조에 대해서는 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 구체적인 도시 및 설명은 생략한다. 도 8 은 도 3 내지 도 6 의 구조를 갖되, 능동층의 밑면을 람버시안 산란체로 설정한 태양전지들의 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율 그래프를 나타낸다. 도 7 에서와 유사하게, 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면(81) 또는 반구형(82) 렌즈 어레이와 필름층을 포함하는 태양전지가 평면 능동층(84) 또는 전면이 텍스처링된 능동층(83)을 갖는 태양전지보다 높은 광흡수율을 가짐을 알 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the bottom surface of the active layer may have a Lambertian structure in order to maximize light scattering in the active layer to prevent reflection. In the present specification, the Lamborcan cyan structure refers to a structure that has been surface-treated so that the brightness of an object at a specific surface has an isotropic Raman reflectance regardless of the angle at which the observation car observes. Since the lambda cyan structure is well known in the technical field of the present invention, detailed illustration and description are omitted. FIG. 8 is a graph showing a light absorptance according to wavelengths in an active layer of a solar cell having the structure of FIGS. 3 to 6, in which the bottom surface of the active layer is set as a lamellar cyan scattering body. 7, a portion of the active layer is textured and a solar cell comprising an aspheric (81) or hemispherical (82) lens array and a film layer is formed on the planar
아래의 표 2 는 도 8 의 각 태양전지의 능동층에서 흡수하는 광량을 계산한 것으로서, ‘절대값’은 도 7 의 광 흡수율 그래프를 파장에 대해 적분한 절대 흡수 광량이고, ‘상대값’은 표 1 에서와 같은 의미를 갖는다. The following Table 2 shows the calculation of the amount of light absorbed by the active layer of each solar cell of FIG. 8, where 'Absolute Value' is the Absolute Absorbed Light Amount obtained by integrating the graph of FIG. 7 with respect to wavelength, And has the same meaning as in Table 1.
표 1 과 표 2 를 참고하면, 전체적으로 밑면이 평면인 능동층을 갖는 태양전지들에 비해 밑면이 람버시안 구조를 갖는 능동층을 포함하는 태양전지들의 능동층에서 흡수되는 광량은 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 표 1 에서와 마찬가지로, 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 또는 비구면 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지의 흡수 광량이 평면 또는 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지의 흡수 광량에 비해 많은 것을 확인할 수 있다. Referring to Tables 1 and 2, it can be seen that the amount of light absorbed in the active layer of the solar cells including the active layer having the bottom surface of the lamba cyan structure is increased in comparison with the solar cells having the active layer having the bottom plane as a whole . In addition, as in Table 1, when a part of the active layer is textured and the absorbed light amount of the solar cell including the hemispherical or aspherical lens array and the film layer is larger than the absorbed light amount of the solar cell having a planar or front- .
상기 시뮬레이션 결과를 통해 확인한 바와 같이, 능동층의 일부가 텍스처링되고 텍스처링된 부분으로 입사광을 집속시키기 위한 렌즈 어레이와 필름층을 포함하는 태양전지는 기존의 태양전지에 비해 능동층에서의 광 흡수율이 뛰어나고, 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지에 비해 능동층의 표면적이 작으므로 표면 재결합이 감소하여 효율이 높은 태양전지를 제공할 수 있다. As confirmed from the simulation results, the solar cell including the lens array and the film layer for focusing the incident light into the textured and textured part of the active layer has a better light absorptivity in the active layer than the conventional solar cell , The surface area of the active layer is smaller than that of a solar cell having a textured active layer on the front surface thereof, so that the surface recombination is reduced and a solar cell having high efficiency can be provided.
이상, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments or constructions. .
11 : 입사광 12 : 렌즈 어레이
13 : 필름층 14 : 능동층
15 : 텍스처링된 부분 11: incident light 12: lens array
13: Film layer 14: Active layer
15: Textured part
Claims (17)
상기 능동층 상에 위치하는 필름층; 및
상기 필름층 상에 위치하며, 입사광을 상기 텍스처링된 영역에 집속시키도록 배치된 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이;
를 포함하되,
상기 필름층을 이루는 물질과 상기 렌즈 어레이를 이루는 물질은 굴절률이 상이하며,
상기 필름층은 상기 렌즈 어레이가 집속시킨 입사광을 굴절시키는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. An active layer partially including a textured area;
A film layer disposed on the active layer; And
A lens array positioned on the film layer and comprising at least one lens arranged to focus incident light on the textured area;
, ≪ / RTI &
Wherein the material of the film layer and the material of the lens array have different refractive indices,
Wherein the film layer refracts incident light focused by the lens array.
상기 렌즈는 자외선 수지(UV resin)로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. The method according to claim 1,
Wherein the lens is made of UV resin.
상기 능동층에서 상기 필름층 반대편 표면은 람버시안(Lambertian) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. The method according to claim 1,
Wherein a surface of the active layer opposite to the film layer has a Lambertian structure.
상기 렌즈는 반구형인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. The method according to claim 1,
Wherein the lens is semi-spherical.
상기 렌즈는 볼록한 부분을 갖는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. The method according to claim 1,
Wherein the lens is an aspherical lens having a convex portion.
상기 필름층은 유전체로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. The method according to claim 1,
Wherein the film layer is made of a dielectric material.
상기 필름층은 PET 필름인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. The method according to claim 6,
Wherein the film layer is a PET film.
상기 집속된 입사광을, 박막형 태양전지의 능동층에 형성된 텍스처링된 영역에 입사시키는 단계; 및
상기 텍스처링된 영역에 입사된 입사광을 상기 능동층에 의해 전기 에너지로 변환하는 단계;
를 포함하되,
상기 집속된 입사광을, 박막형 태양전지의 능동층에 형성된 텍스처링된 영역에 입사시키는 단계는 상기 렌즈 어레이를 이루는 물질의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 필름층에 의해 수행되며, 집속된 입사광을 굴절시키는 단계를 포함하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. Focusing the incident light by a lens array comprising at least one lens;
Introducing the focused incident light into a textured region formed in an active layer of a thin film solar cell; And
Converting incident light incident on the textured region into electrical energy by the active layer;
, ≪ / RTI &
The step of injecting the focused incident light into a textured region formed in an active layer of a thin film solar cell is performed by a film layer made of a material having a refractive index different from that of the material of the lens array, The method comprising the steps of:
상기 렌즈는 자외선 수지(UV resin)로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the lens is made of UV resin.
상기 능동층의 상기 텍스처링된 영역 반대편 표면은 람버시안(Lambertian) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the surface of the active layer opposite the textured region has a Lambertian structure.
상기 렌즈는 반구형인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the lens is semi-spherical.
상기 렌즈는 볼록한 부분을 갖는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the lens is an aspherical lens having a convex portion.
상기 필름층은 유전체로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the film layer is made of a dielectric material.
상기 필름층은 PET 필름인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. 14. The method of claim 13,
Wherein the film layer is a PET film.
상기 텍스처링된 영역을 포함하는 능동층 위에, 입사광을 상기 텍스처링된 영역에 집속시키도록 배치된 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이 및 상기 렌즈 어레이를 이루는 물질과 상이한 굴절률을 갖는 물질로 이루어지며 상기 렌즈 어레이에 의해 집속된 빛을 굴절시키는 필름층을 포함하는 광집속층을 위치시키는 단계;
를 포함하는 박막형 태양전지 제조 방법.Forming a partially textured region in the active layer; And
A lens array including at least one lens arranged to focus incident light on the textured area on an active layer including the textured area and a material having a refractive index different from that of the material forming the lens array, A light focusing layer including a film layer that refracts light focused by the light focusing layer;
Wherein the thin film solar cell comprises a plurality of thin film solar cells.
상기 광집속층을 위치시키는 단계는, 상기 렌즈 어레이와 결합된 상기 필름층을 상기 능동층에 부착시키는 단계를 포함하는 박막형 태양전지 제조 방법.16. The method of claim 15,
Wherein positioning the light focusing layer comprises attaching the film layer coupled to the lens array to the active layer.
상기 텍스처링된 영역을 형성하는 단계는 포토 리소 공정 또는 화학적 습식 에칭 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.16. The method of claim 15,
Wherein the forming of the textured region uses a photolithographic process or a chemical wet etching process.
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