KR101646371B1 - 윈도우용 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 윈도우용 태양전지에 관한 것으로, 자동차의 윈도우로 사용되는 유리층의 상부에 유리층을 투과하는 태양광을 받아 전류를 생성하는 태양광발전층과, 이 태양광발전층을 보호하는 보호필름층의 상부에 구비된 윈도우용 태양전지에 있어서, 상기 태양광발전층은 상기 유리층의 상부에 구비되는 투명전도성막과; 상기 투명전도성막의 상부에 구비되는 투명태양전지활성층과; 상기 투명태양전지활성층의 상부에 구비되는 투명상대전극을 포함하여 구성되며, 상기 투명태양전지활성층에는 상기 유리층의 길이 방향을 따라 연장된 되어 동일 간격을 두고 연속적으로 구비되어 투명태양전지활성층에서 생성되는 전류를 송전하는 핑거라인과; 상기 핑거라인의 한 쪽 끝부분을 모두 이어 핑거라인을 통해 송전되는 전류를 집전하여 송전하는 버스바로 이루어진 집전극을 더 포함하는 윈도우용 태양전지를 제공함으로써, 태양광의 45%로 구성된 적외선 중 NIR-IR영역을 이용하여 태양전지 발전을 한다면 윈도우 부분에 투명한 형태의 태양전지 적용하여, 투명한 태양전지의 적용 면적이 증가함에 따른 저항 및 출력 손실을 방지할 수 있게 집전극을 활용하여 투과도를 유지하면서 집전 효과를 극대화 할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Description

윈도우용 태양전지{Solar power generator for Windows}
본 발명은 윈도우용 태양전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존에 루프에만 한정하지 않고 적용면적을 자동차 윈도우에 함께 적용하여 태양전지의 적용면적을 증가시키면서 보다 높은 출력을 확보할 수 있는 윈도우용 태양전지 에 관한 것이다.
일반적으로 연비 향상, 친환경 에너지 사용이 중요하게 부각되면서, 차량에서 에너지 하베스팅에 관한 많은 연구들이 진행되고 있다.
현재 일부 자동차에서는, 실리콘 태양전지를 루프에 장착하여 주차 환기 시스템으로 적용하고 있다. 루프에만 적용된 태양전지의 출력이 높지 않아 응용 분야가 매우 제한적이며, 불투명한 실리콘 태양전지의 경우 개방감이 없어서, 최근 파노라마 루프의 개방감을 중시하는 소비자로부터 외면 받고 있다. 따라서, 실리콘 태양전지의 경우 불투명한 부분에 적용할 수 있으나, 자동차 디자인이 곡률이 많이 있는 부분에는 적용이 어렵다는 단점이 있다.
한편, 태양광의 IR영역을 사용하는 광활성물질을 이용한 태양전지를 자동차 윈도우는 물론 모든 창문에 함께 적용할 경우 보다 많은 출력 확보가 가능하며, 자동차뿐만 아니라 다양한 응용분야에 적용할 수 있을 것이다.
이러한 관점에서 접근하면, 지구상에 도달하는 태양광 에너지는 자외선이 약 10%이고, 가시광선이 약 45%이며, 적외선이 약 45%로 이루어져 있다. 보통 널리 쓰이는 태양전지는 주로 가시광선 영역을 활용하여, 불투명 혹은 반투명 형태로 구성되는데, 윈도우 적용을 위해서는 투명한 형태의 태양전지 개발이 필요하다.
따라서, 태양광의 45%로 구성된 적외선(특히, NIR-IR영역)을 이용하여 태양전지 발전을 한다면 윈도우 부분에 투명한 형태의 태양전지 적용이 가능할 것이다.
만약, 투과도 50% 이상 특성을 갖으면서 650 nm ~ 950 nm 영역에서 흡수 할 수 있는 유기소재를 이용한다면, 박막 태양전지를 개두형 타입으로도 적용이 가능하다.
이러한, 의도에 절충된 선행 기술로 NIR-IR영역의 빛을 흡수할 수 있는 유기소재를 이용한 셀 단위 연구가 일부 기관에서 연구 개발 중인 것을 아래 출처에서 확인할 수 있다.
[출처 1] Appl,Phys. Lett. 99. 193307 (2011)
[출처 2] Appl,Phys. Lett. 98. 113305 (2011)
또한, 상기 의도에 부합하여 공개특허공보 제10-2013-0034996호(자동차용 태양광 발전장치 및 제조방법)가 제안되었으며, 종래는 도 1에 도시된 바와 같이, 투명 전도막(TCO: Transparent Conducting Oxide)을 형성하고, 이 투명 전도막이 텍스처를 가질 수 있도록 1차 레이저 패너팅(Laser Patterning)이 이루어지지고, 비정질 필름(a-Si film; amorphous Silicon film)을 투명 전도막의 상측으로 적층 및 층착하여 비정질 필름층을 형성하고, 비정질 필름이 증착된 투명 전도막을 2차 레이저 패터닝한 후, 전도체를 적층 구성하고, 상기 전도체를 3차 레이저 패터닝을 통해 텍스처를 구성하여 제조되는 결정질의 태양전지 모듈과; 상기 태양전지 모듈의 투명도를 조절하여 이 태양전지 모듈의 상측 및 하측에 강화유리를 적층 구성하고, 이 태양전지 모듈에 +전극과 -전극을 연결하고, 이 전극을 자동차의 배터리와 연결하며, 생성된 전력이 배터리에 충진되도록 하는 VIPV 모듈(Vehicle Integrated Photovoltaic Module);과 자동차의 도어측 유리 및 후방측 유리와 상부 루프 패널 및 트렁크 패널에 상기 VIPV 모듈(200)을 설치함으로써, 투명 전도막을 형성한 후 레이저 패너팅을 하여 텍스처를 구성하는 태양전지 모듈을 자동차의 도어측 유리 및 후방측 유리와 상부 루프 패널 및 트렁크 패널에 설치하여 주행중에도 전기에너지를 생성하는 기술이다.
또한, 박막형 태양전지를 개구형 타입으로 제조하여 투명 태양전지를 만드는 연구([출처 3] WYSIPS社)가 진행 중이며 일부 업체에서 개발 중인 것을 아래 그림 3에서 확인 할 수 있다.
Figure 112014105577914-pat00001
[그림 1]
상기한 동향에 따라 태양광 에너지를 더욱 확보하기 위하여 본 발명은 윈도우를 투과되는 태양광의 일부 파장을 입수하여 전류를 생성하는 태양광 발전장치를 제공하는 것으로 특히, 자동차 윈도우에 적용을 위한 태양전지 구조로 전극 구조 설계에 대한 방안을 제시하고, 투명한 태양전지의 적용 면적이 증가함에 따른 저항 및 출력 손실을 방지할 수 있게 집전극을 활용하여 투과도를 유지하면서 집전 효과를 극대화 할 수 있는 윈도우용 태양전지를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유리층의 상부에 유리층을 투과하는 태양광을 받아 전류를 생성하는 태양광발전층과, 이 태양광발전층을 보호하는 보호필름층의 상부에 구비된 윈도우용 태양전지에 있어서, 상기 태양광발전층은 상기 유리층의 상부에 구비되는 투명전도성막과; 상기 투명전도성막의 상부에 구비되는 투명태양전지활성층과; 상기 투명태양전지활성층의 상부에 구비되는 투명상대전극을 포함하여 구성된 윈도우용 태양전지를 제공한다.
여기서, 상기 투명태양전지활성층에는 상기 유리층의 길이 방향을 따라 연장된 되어 동일 간격을 두고 연속적으로 구비되어 투명태양전지활성층에서 생성되는 전류를 송전하는 핑거라인과; 상기 핑거라인의 한 쪽 끝부분을 모두 이어 핑거라인을 통해 송전되는 전류를 집전하여 송전하는 버스바로 이루어진 집전극이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 집전극의 핑거라인은 상기 유리층의 열선에 대응하여 동일한 형상의 격자로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 태양광의 45%로 구성된 적외선 중 NIR-IR영역을 이용하여 태양전지 발전을 한다면 윈도우 부분에 투명한 형태의 태양전지 적용하여, 투명한 태양전지의 적용 면적이 증가함에 따른 저항 및 출력 손실을 방지할 수 있게 집전극을 활용하여 투과도를 유지하면서 집전 효과를 극대화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 자동차용 태양광 발전장치의 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 윈도우용 태양전지에서 제1실시예의 단면 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 윈도우용 태양전지에서 제1실시예의 측면 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 윈도우용 태양전지에서 제2실시예의 단면 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 윈도우용 태양전지에서 제2실시예의 측면 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 윈도우용 태양전지에서 제3실시예의 단면 구성도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 윈도우용 태양전지(100)(이하, 태양전지로 명한다.)는 자동차의 윈도우에 태양전지(100)의 적용면적이 증가 할수록 면 저항이 증가하고, 출력 손실이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 집전극(130)을 사용하는데, 주로 금속 소재를 활용하기 때문에 투과도를 유지하면서 집전 효과를 극대화 할 수 있는 전극 구조를 설계해야 한다.
즉, 본 발명에서는 자동차의 윈도우에 적용하여 투명한 태양전지(100) 구조와 집전극(130) 구조 설계에 대한 방안을 제시하고 있으며, 더욱 나아가 산업 전반에 사용되는 유리, 창문, 방화유리 등 다양한 글라스에 적용할 수 있는 기술임을 강조한다.
더욱이, 투명한 태양전지(100)는 자동차의 모든 윈도우에 적용이 가능하며, 적합한 구조로 접합형과 일체형 두 가지 구조가 가능하다.
<제1실시예>
본 발명의 태양전지(100)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 유리층(110)의 상부에 유리층(110)을 투과하는 태양광을 받아 전류를 생성하는 태양광발전층(120)과, 이 태양광발전층(120)를 보호하는 보호필름층(160)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 태양광발전층(120)은 투명전도성막(123)를 베이스로 하여 그 상부에 투명태양전지활성층(125)을 형성하고, 그 상부에 투명상대전극(127)을 포함하여 형성된다.
여기서, 상기 투명태양전지활성층(125)에는 상기 유리층(110)의 길이 방향을 따라 연장되어 동일 간격을 두고 연속적으로 핑거라인(133)과, 이 핑거라인(133)의 한 쪽 끝부분을 모두 이어 상기 투명태양전지활성층(125)에서 생성된 전류를 송전하는 버스바(131)로 이루어진 집전극(130)이 더 구비되어 구성한다.
<제2실시예>
또한, 본 발명의 태양전지(100)는 도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상면에 격자로 구비된 열선(111)을 갖는 유리층(110)의 상부에 유리층(110)을 투과하는 태양광을 받아 전류를 생성하는 태양광발전층(120)과, 이 태양광발전층(120)을 보호하는 보호필름층(160)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 태양광발전층(120)은 상기 유리층(110)의 상부에 구비되는 투명전도성막(123)을 베이스로 하여 그 상부에 투명태양전지활성층(125)이 형성되고, 그 상부에는 투명상대전극(127)을 포함하여 형성된다.
여기서, 상기 투명태양전지활성층(125)에는 상기 유리층(110)의 길이 방향을 따라 연장되어 동일 간격을 두고 연속적으로 형성된 핑거라인(133)과, 이 핑거라인(133)의 한 쪽 끝부분을 모두 이어 상기 투명태양전지활성층(125)에서 생성된 전류를 송전하는 버스바(131)로 이루어진 집전극(130)이 더 구비한다.
이때, 상기 핑거라인(133)은 상기 유리층(110)의 열선(111)에 대응하여 동일한 형상의 격자로 이루어지는 것이 바람직하다.
<제3실시예>
한편, 본 발명의 태양전지(100)는 도 6에 도시된 바와 같이, 앞서 제1실시예 및 제2실시예에 포함된 모든 구성에서 상기 태양광발전층(120)과 보호필름층(160) 사이에 상기 태양광발전층(120)의 투명성을 유지함과 아울러, 근적외선을 반사하는 NIR반사층(140)을 더 형성한다.
이때, 상기 NIR반사층(140)은 NIR 유전체 거울(NIR MIRROR)로서 700 ~ 900nm의 운영되는 대부분의 근적외선 레이저를 99% 이상 반사율을 가지고 있으며, 1.0 인치 (25.4 mm) 직경 미러 정렬 헬륨 네온 레이저와의 호환성을 제공하고, 633nm에서 비교적 높은 반사율을 갖는 것이다. [출처 3] Newport 홈페이지.
각 실시예를 통해 구성되는 본 발명의 태양전지(100)는 자동차의 윈도우로 적용되는 옆유리(113)(Side Door Window Glass)및 열선뒷유리(115)(Heated Rear Window Glass) 등의 자동차의 윈도우에 태양광을 투과하는 대면적에 적용되기 위해서는 집전극(130)이 사용되어야 한다.
즉, 자동차 윈도우에 적용하기 위해서는 집전 효율을 증가시키면서, 투과도를 유지하는 기술이 필요하며, 열선뒷유리(115)의 경우 열선(111)을 따라서 핑거라인(133)(finger line)을 설계하고, 옆유리(113)의 경우에는 투명해야 하기 때문에 핑거라인(133)이 시야에 방해 하지 않도록 투명재질로 이루어진다.
한편, 본 발명의 태양전지(100)가 장착된 자동차 윈도우에 사용되는 투명전극은 ITO (Indium tin oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), ZnO (Zinc Oxide), FTO (Fluorine tin doped oxide) 등의 소재가 사용되며, 레이져를 이용해서, 전극간 단락을 형성하고 집전극(130)과 투명태양전지활성층(125)을 인쇄할 수 있다.
이때, 사용되는 태양전지(100)는 유기계 소재로 650nm ~ 900nm NIR-IR영역의 빛을 흡수 할 수 있는 물질로 구성되며, 스크린 인쇄, 잉크젯, 스프레이 등의 다양한 인쇄방식으로 전극 인쇄 공정이 사용 가능하다.
또한, 집전극(130)과 투명태양전지활성층(125) 위에 투명상대전극(127)을 인쇄하고, 마지막으로 투명 보호필름층(160)을 전사함으로써, 사용자에 의해 태양전지(100)가 손상되는 것을 방지하고, 안정성, 상품성을 향상 시킬 수 있다.
이렇게 제작되어 자동차 윈도우에 적용되는 태양전지(100)는 투명전도성막(123)부터 투명상대전극(127)까지 최대 100nm 두께를 넘지 않으며, 투명보호필름층(160)의 두께는 최대 0.5t 미만으로 적용되어야 가장 안정적이다.
한편, 본 발명에 적용되는 집전극(130)은 핑거라인(133)과 버스바(131)로 나뉘어지며, 상기 버스바(131)(bus bar)의 경우 전류가 과량 통과하는 부분이며, 또한 바깥쪽으로 노출되는 부분이 아니기 때문에 불투명 하여도 상관없지만 윈도우의 모서리 측에 위치되며, 핑거라인(133)(Finger line)의 경우 윈도우에 인쇄되는 부분이므로, 태양광이 투과할 수 있게 투명해야 하며, 이를 위해서 아래 그림 5에 도시된 현미경 사진에서 보는 바와 같이, metal nano 입자를 사용하는 것이 가장 유용하다.
Figure 112014105577914-pat00002
[그림 2]
즉, 집전극(130)으로는 전도도가 가장 좋은 금속 소재가 사용 가능하며, 일반적으로 실버 입자가 많이 사용되며, 입자 크기는 1nm ~ 10 nm가 되고, 전극 인쇄는 스크린 인쇄, 잉크젯 공정, stamp 인쇄, roll-to-roll 등 다양한 인쇄 방식을 사용할 수 있다.
또한, 실버 전극 인쇄 패턴의 두께, 높이, 폭에 따라서 같은 용액을 사용하였을 때 투과도는 달라지게 된다. 실버 잉크 용액은 실버 나노 입자가 Ethylene glycol과 같은 유기용매에 분산되어 있는 형태이며, 전극 인쇄 후 200℃온도에서 건조를 한다.
상기한 구성을 따라 자동차 윈도우에 집전극(130)을 형성할 수 있으며, 투명한 태양전지(100) 활성층물질을 코팅하여 일체형 솔라 윈도우를 제작 할 수 있으며, 자동차 외 다양한 산업분야 동반적으로 사용할 수 있는 보조 전력원으로 활용 가능하다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 태양광의 45%로 구성된 적외선 중 NIR-IR영역을 이용하여 태양전지 발전을 한다면 윈도우 부분에 투명한 형태의 태양전지 적용하여, 투명한 태양전지의 적용 면적이 증가함에 따른 저항 및 출력 손실을 방지할 수 있게 집전극을 활용하여 투과도를 유지하면서 집전 효과를 극대화 할 수 있을 것이다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
100: 윈도우용 태양전지, 태양전지 110: 유리층
111 : 열선 120: 태양광발전층
121: 보호필름층 123: 투명전도성막
135: 투명태양전지활성층 127: 투명상대전극
130: 집전극 131: 버스바
133: 핑거라인 140: NIR반사층

Claims (6)

  1. 유리층(110)의 상부에 유리층(110)을 투과하는 태양광을 받아 전류를 생성하는 태양광발전층(120)과, 상기 태양광발전층(120)을 보호하기 위해 태양광발전층(120)의 상부에 구비되는 보호필름층(160)를 포함하는 윈도우용 태양전지에 있어서,
    상기 태양광발전층(120)은 상기 유리층(110)의 상부에 구비되는 투명전도성막(123)과;
    상기 투명전도성막(123)의 상부에 구비되는 투명태양전지활성층(125)과;
    상기 투명태양전지활성층(125)의 상부에 구비되는 투명상대전극(127);
    을 포함하고,
    상기 태양광발전층(120)과 보호필름층(160) 사이에는 태양광발전층(120)의 투명성을 유지함과 아울러 근적외선을 반사하는 NIR반사층(140)이 더 포함된 것을 특징으로 하는 윈도우용 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명태양전지활성층(125)에는 상기 유리층(110)의 길이 방향을 따라 연장되어 동일 간격을 두고 연속적으로 구비되어 투명태양전지활성층(125)에서 생성되는 전류를 송전하는 핑거라인(133);
    상기 핑거라인(133)의 한 쪽 끝부분을 모두 이어 핑거라인(133)을 통해 송전되는 전류를 집전하여 송전하는 버스바(131)로 이루어진 집전극(130);
    이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 윈도우용 태양전지.
  3. 상면에 격자로 구비된 열선(111)을 갖는 유리층(110)의 상부에 유리층(110)을 투과하는 태양광을 받아 전류를 생성하는 태양광발전층(120)과, 상기 태양광발전층(120)을 보호하기 위해 태양광발전층(120)의 상부에 구비되는 보호필름층(160)을 포함하는 윈도우용 태양전지에 있어서,
    상기 태양광발전층(120)은 상기 유리층(110)의 상부에 구비되는 투명전도성막(123);
    상기 투명전도성막(123)의 상부에 구비되는 투명태양전지활성층(125);
    상기 투명태양전지활성층(125)의 상부에 구비되는 투명상대전극(127);
    을 포함하고,
    상기 태양광발전층(120)과 보호필름층(160) 사이에는 태양광발전층(120)의 투명성을 유지함과 아울러 근적외선을 반사하는 NIR반사층(140)이 더 포함된 것을 특징으로 하는 윈도우용 태양전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 투명태양전지활성층(125)에는 상기 유리층(110)의 길이 방향을 따라 연장되어 동일 간격을 두고 상기 유리층(110)의 열선(111)에 대응하여 동일한 형상의 격자로 구비되며, 투명태양전지활성층(125)에서 생성되는 전류를 송전하는 핑거라인(133)과; 이 핑거라인(133)의 한 쪽 끝부분을 모두 이어 핑거라인(133)을 통해 송전되는 전류를 집전하여 송전하는 버스바(131)로 이루어진 집전극(130)로 이루어진 것을 특징으로 하는 윈도우용 태양전지.
  5. 삭제
  6. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 집전극(130)은 ITO, IZO, ZnO, FTO 중 어느 한가지를 사용하여 레이져에 의한 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 윈도우용 태양전지.
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