KR101661223B1

KR101661223B1 - 태양전지

Info

Publication number: KR101661223B1
Application number: KR1020100100172A
Authority: KR
Inventors: 박재현
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2016-09-29
Also published as: KR20120038625A

Abstract

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 특징은 제 2 전극 상부에 렌즈층과 반사패턴이 구비된 마이크로렌즈층을 더욱 형성하는 것이다.
이를 통해, 태양전지 내부로 입사되는 광의 경로를 향상시키게 되어, 빛 포획을 증대시킬 수 있어, 태양전지의 효율을 향상시키게 된다.
또한, 본 발명의 마이크로렌즈층은 최적의 위치에 반사패턴을 더욱 형성함으로써, 태양전지 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극에 의해 반사되는 광을 리사이클(recycle) 할 수 있어, 태양전지 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.

Description

태양전지{Solar cell}

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.

최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높이지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.

태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열전지와 반도체의 성질을 이용하여 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양 광 전지로 나눌 수 있다.

그 중에서도 광을 흡수하여 생성된 p형 반도체의 전자와 n형 반도체의 정공이 전기에너지로 변환하는 태양 광 전지(이하, 태양전지라 함.)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도이며, 도 2는 태양전지의 투명전극의 표면을 확대 도시한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 태양전지(10)는 서로 마주하는 전극(11, 13) 사이에 p형 반도체층(15)과 n형 반도체층(17)으로 구성된 p-n 접합 반도체층의 구조로서 이루어지고 있다.

이러한 태양전지(10)의 전극(11, 13)에 발광부로서 전구를 연결하고 태양전지(10)를 태양광 등의 광원에 노출하면, n형 반도체층(17)과 p형 반도체층(15)을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생한다.

이와 같이, 광기전력 효과에 의해 발생된 기전력으로 태양전지(10)에 전기적으로 접속된 전구가 점등될 수 있다.

한편, 이러한 태양전지(10)는 외부의 광원으로부터 보다 효율적으로 광을 p-n 접합 반도체층(15, 17) 내부로 받아들이도록 하기 위해, 광원을 향하는 방향에 위치하는 전극(11)을 요철형상의 투명한 재질로 이루어진다.

여기서, 투명전극(11)의 요철형상은 대기압 화학기상증착법(Atmospheric chemical vapor deposition : CVD)을 통해서 형성할 수 있는데, 대기압 화학기상증착법을 통해서 형성하는 투명전극(11)의 요철형상은 도 2에 도시한 바와 같이 매우 날카로운 뾰족한 산 모양으로 형성된다.

이러한 투명전극(11)의 요철형상은 그 형태 및 크기를 제어하기 매우 어려운 실정으로, 광경로 증가에 한계를 갖게 된다.

또한, 태양전지 내부로 입사된 광 중 일부는 배면전극에 의해 반사되어 p-n 접합 반도체층으로 재입사되는데, 이때 p-n 접합 반도체층으로 재입사되는 광에 비해 그대로 p-n 접합 반도체층을 통과하여 태양전지 외부로 출광하게 되는 광의 양이 더욱 많다.

이를 통해 태양전지(10)의 효율이 낮아지게 된다.

따라서, 보다 높은 효율을 갖는 태양전지의 제작이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양전지의 효율을 향상시키고자 하는 것을 목적으로 한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 절연기판과; 상기 절연기판의 광이 입사되는 일면에 형성되는 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상에 형성되는 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성되는 제 2 전극과; 상기 제 2 전극 상에 형성되며, 지지층과, 상기 지지층의 일면에 형성되며 다수의 피라미드 형상의 렌즈가 상기 지지층의 종방향과 횡방향으로 서로 인접 배열되도록 돌출 형성되는 렌즈층과, 상기 렌즈층이 형성된 상기 지지층의 타면에 형성되며 이웃하는 태양전지를 제공한다.

이때, 상기 지지층의 두께는 상기 피라미드 형상의 렌즈의 높이에 1.06 ~ 1.1배 이며, 상기 반사패턴 일단은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 꼭지점에서 굴절되는 광과 상기 피라미드 형상의 렌즈의 끝점에서 굴절되는 광이 서로 만나는 점에 대응되는 위치에 위치한다.

그리고, 상기 반사패턴의 면적은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 높이 * (1.06 ~ 1.1)이며, 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 대응하여 형성되는 반사패턴을 포함한다.

여기서, 상기 반사패턴은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 사각형 형태로 형성되거나, 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 삼각형 형태로 형성되며, 상기 반사패턴은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 가장자리를 따라 형성된다.

또한, 상기 반사패턴은 은(Ag), 알루미늄(Al), 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2) 또는 산화마그네슘(MgO) 중 선택된 하나로 이루어지며, 상기 렌즈층은 투명 아크릴(acryl) 계열 수지 또는 포토레지스트(photoresist)와 같은 감광성물질 중 선택된 하나로 이루어진다.

그리고, 상기 지지층은 PMMA(polymethylmethacrylate) 또는 열가소성수지인 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate) 중 하나로 이루어지며, 상기 제 2 전극은 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide)로 이루어진다.

또한, 상기 반도체층은 n형 반도체층과 순수 비정질 실리콘층 그리고 p형 반도체층으로 이루어지며, 상기 제 1 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어진다.

이때, 상기 제 2 전극은 표면이 요철 형상이다.

위에 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제 2 전극 상부에 렌즈층과 반사패턴이 구비된 마이크로렌즈층을 더욱 형성함으로써, 이를 통해, 태양전지 내부로 입사되는 광의 경로를 향상시키게 되어, 빛 포획을 증대시킬 수 있는 효과가 있어, 태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 마이크로렌즈층은 최적의 위치에 반사패턴을 더욱 형성함으로써, 태양전지 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극에 의해 반사되는 광을 리사이클(recycle) 할 수 있어, 태양전지 내부의 광량을 더욱 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도.
도 2는 태양전지의 투명전극의 표면을 확대 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 4a ~ 4d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈층을 개략적으로 도시한 사시도와 평면도.
도 5a ~ 5b는 마이크로렌즈층을 확대 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광효율이 향상되는 원리를 개략적으로 도시한 개략도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(100)는 크게 절연기판(101), 반도체층(130) 그리고 제 1 및 제 2 전극(110, 120)으로 이루어지며, 특히 제 2 전극(120)의 상부에는 마이크로렌즈층(micro-lens layer : 200)이 위치하는 것을 특징으로 한다.

이에 좀더 대해 자세히 살펴보면, 태양전지(100)는 투명한 절연기판(101)과, 태양광 등의 광이 입사되는 일면을 절연기판(101)의 상부면이라 정의하면, 절연기판(101)의 상부면에 반사특성이 우수한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 일명 배면전극이라 하는 제 1 전극(110)이 형성된다.

그리고, 제 1 전극(110)의 상부에는 반도체층(130)이 위치하는데, 반도체층(130)은 p+형 불순물을 포함하는 p형 반도체층(130a)과 n+형 불순물을 포함하는 n형 반도체층(130b) 및 p형 반도체층(130a)과 n형 반도체층(130b) 사이에 위치하는 순수 비정질 실리콘층(130c)을 포함한다.

이때, 반도체층(130) 내의 전자들이 비대칭적으로 존재해야 한다. 즉, 반도체층(130)에서 n형 반도체층(130b)은 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지고, p형 반도체층(130a)은 작은 전자밀도와 큰 정공밀도를 갖는다.

그리고, 이러한 반도체층(130) 상부에 태양광 등의 광의 투과를 위해 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide : TCO)로 이루어지는 제 2 전극(120)이 형성된다.

제 2 전극(120)은 ITO(indium tin oxide), GaZnO, AlZnO, InZnO 등으로 이루어질 수 있다.

이때, 제 2 전극(120)은 태양전지(100)의 광기전력 효과를 증가시키기 위하여 텍스처 가공공정을 통해 그 표면이 요철형상으로 이루어질 수 있다. 따라서, 광의 입사시 전반사를 방지하고 광 산란을 확대하여 빛 포획을 증대시킬 수 있다.

여기서, 텍스처 가공공정이란, 물질 표면을 올록볼록한 요철형상으로 형성하는 공정으로 포토리소그라피법을 이용한 식각공정, 화학용액을 이용한 이방성 식각공정, 또는 기계적 스크라이빙을 이용한 홈 형성 공정 등을 통해 수행할 수 있다.

그리고, 본 발명의 태양전지(100)는 제 2 전극(120) 상부에 마이크로렌즈층(200)이 더욱 구비되는데, 마이크로렌즈층(200)은 지지층(210)과, 지지층(210) 상부면에서 태양전지(100) 내부로 입사되는 광의 경로를 변경하기 위한 프리즘층(220), 그리고 지지층(210)의 하부면에 일부 빛을 리사이클(recycle) 시키기 위한 반사패턴(230)으로 이루어진다.

따라서, 본 발명의 태양전지(100)는 내부로 많은 광이 입사되고, 입사된 광의 경로를 향상시키게 된다.

이에, 태양전지(100)의 광 흡수율을 높이게 됨으로써 에너지 변환효율을 향상시키게 된다. 이를 통해 반도체층(130) 내부의 전압차(potential difference)가 더욱 커지게 됨으로써, 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다. 이에 대해 차후 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다.

이러한 태양전지(100)가 태양광 등의 광에 노출되면, p형 반도체층(130a)과 n형 반도체층(130b)을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생한다.

이렇게 발생된 기전력에 의해 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에 전위차를 발생시키게 되어, 태양전지(100)를 충전시키게 된다.

이때, 태양전지(100)로 입사되어 반도체층(130)을 통과한 광은 제 1 전극(110)에 의해 반사되어 반도체층(130)으로 재입사됨에 따라, 기전력이 더욱 커지게 된다.

여기서, 태양전지(100)의 동작원리에 대해 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다.

앞서 전술한 바와 같이, 반도체층(130) 내의 전자들이 비대칭적으로 존재하는데, 열적 평형상태에서 p형 반도체층(130a)과 n형 반도체층(130b)의 접합으로 이루어진 반도체층(130) 내에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배(句配)에 의한 확산으로 전하의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성된다.

이에, 반도체층(130) 내부로, 반도체층(130)을 이루는 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드 갭 에너지(band gap energy) 보다 큰 에너지를 갖는 빛이 조사되었을 경우, 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite) 되며, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 된다.

또한, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다.

이렇게 생성된 자유전자와 정공을 과잉(excess) 캐리어라고 하며, 과잉 캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이에 의해서 확산하게 된다.

이때, 과잉 캐리어 즉, p형 반도체층(130a)에서 여기된 전자들과 n형 반도체층(130b)에서 만들어진 정공을 각각의 소수 캐리어(minority carrier)라 정의되며, 기존 접합 전의 p형 또는 n형 반도체층(130a, 130b)내의 캐리어(즉, p형의 정공 및 n형의 전자)는 이와 구분해 다수 캐리어(majority carrier)라 정의된다.

이때, 다수 캐리어들은 전기장으로 인한 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만, p형 반도체층(130a)의 소수캐리어인 전자는 n형 반도체층(130b)으로 이동할 수 있게 된다.

따라서, 소수캐리어의 확산에 의해 반도체층(130) 내부에 전압차(potential difference)가 생기게 되며, 반도체층(130) 양측에 위치하는 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(120)을 외부회로에 연결하여 기전력을 활용함으로써, 이들 반도체층(130)을 전지로서 사용하게 되는 것이다.

이때, 본 발명의 태양전지(100)는 제 2 전극(120) 상부에 마이크로렌즈층(200)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(100) 내부로 많은 광이 입사되고 입사된 광의 경로를 향상시키게 되면, 태양전지(100)의 광 흡수율을 높이게 됨으로써 에너지 변환효율이 향상되고, 이를 통해 반도체층(130) 내부의 전압차(potential difference)가 더욱 커지게 됨으로써, 태양전지(100)의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.

도 4a ~ 4d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈층을 개략적으로 도시한 사시도와 평면도이다.

도 4a에 도시한 바와 같이, 마이크로렌즈층(200)은 PMMA(polymethylmethacrylate), 열가소성수지인 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate) 등으로 이루어진 지지층(210)과, 지지층(210) 상부면에서 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사되는 광의 경로를 변경시켜 광 경로를 향상시키기 위한 렌즈층(220), 그리고 지지층(210)의 하부면에 일부 광을 리사이클(recycle) 시키기 위한 반사패턴(230)으로 이루어진다.

여기서, 지지층(210)의 상부면에 구성된 렌즈층(220)은 투명 아크릴(acryl) 계열 수지 또는 포토레지스트(photoresist)와 같은 감광성물질로 이루어지는데, 렌즈층(220)은 마이크로 사이즈의 다수의 피라미드 형상의 렌즈(221)가 지지층(210)으로부터 돌출 배열된다.

이때, 다수의 피라미드 형상의 렌즈(221)는 지지층(210)의 종방향과 횡방향으로 서로 인접 배열하며, 서로 이웃한 피라미드 형상의 렌즈(221) 사이는 빈공간이 없도록 촘촘하게 배열한다.

이러한 피라미드 형상의 렌즈(221)로 인하여 태양전지(도 3의 100) 내부의 광 경로를 향상시키게 된다.

즉, 태양광 등의 광이 태양전지(도 3의 100)로 수직하게 입사되는데, 이때, 광은 피라미드 형상의 렌즈(221)로 인하여 특정 각으로 굴절되어 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사된다. 따라서, 광 경로를 향상시키게 되는 것이다.

또한, 피라미드 형상의 렌즈(221)로 인하여, 렌즈층(220)으로 입사되는 태양광이 태양전지(도 3의 100) 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되며, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지(도 3의 100) 내부로 태양광이 흡수되는 비율을 증가시키게 된다.

따라서, 빛의 입사시 보다 효율적으로 전반사를 방지하고 광 산란을 확대하여 빛 포획을 증대시킬 수 있어, 태양전지(도 3의 100)의 효율을 향상시키게 된다.

또한, 본 발명의 마이크로렌즈층(200)은 지지층(210)의 배면에 반사패턴(230)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극(도 3의 110)에 의해 반사되어 다시 반도체층(도 3의 130)으로 재입사되는 과정에서, 일부 광이 반도체층(도 3의 130)을 그대로 통과하여 태양전지(도 3의 100) 외부로 출광되는 것을 방지할 수 있다.

즉, 제 1 전극(도 3의 110)에 의해 반사된 광 중 일부는 반도체층(도 3의 130)으로 재입사되고, 일부 광은 반도체층(도 3의 130)을 그대로 통과하게 되는데, 이때, 반도체층(도 3의 130)을 그대로 통과하는 광은 마이크로렌즈층(200)의 반사패턴(230)에 의해 반사되어, 다시 반도체층(도 3의 130)으로 재입사되는 것이다.

따라서, 태양전지(도 3의 100) 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.

여기서, 반사패턴(232)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2) 또는 산화마그네슘(MgO) 중 어느 하나의 재질로 구성한다.

도 4b ~ 4d에 도시한 바와 같이 다양한 형태로 지지층(210)의 배면에 형성될 수 있는데, 이때, 도 4b에 도시한 바와 같이 반사패턴(230)이 렌즈층(220)의 이웃하는 피라미드 형상의 렌즈(221)의 모서리에 대응하여 피라미드 형상의 렌즈(221)와 대응되는 형태로 형성될 경우 도 4c와 도 4d에 도시한 반사패턴(230)의 형태에 비해 상대 투과율이 99%로 매우 높게 나타나게 된다.

이때, 반사패턴(230)이 피라미드 형상의 렌즈(221)의 가장자리를 따라 형성되어, 반사패턴(230)이 이웃하는 피라미드 형상의 렌즈(221)의 모서리에 대응하여 형성되며, 이의 형상이 피라미드 형상의 렌즈(221)에 비해 마름모꼴 형상으로 이루어지는 도 4c의 상대 투과율은 91%이며, 반사패턴(230)의 전체적인 형태가 격자형태를 이루는 도 4d의 반사패턴(230)은 상대 투과율이 91%이다.

여기서, 도 5a를 참조하여 피라미드 형상의 렌즈(221)와 반사패턴(230)의 위치 및 면적에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 도시한 바와 같이 태양전지(도 3의 100) 로 수직하게 입사되는 광은 렌즈층(220)의 파라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 특정 각도로 굴절되는데, 이때, 반사패턴(230)의 위치는 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 굴절되는 광의 진행경로를 방해하지 않는 위치에 형성되어야 하는 것이다.

이에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 태양전지(도 3의 100) 의 렌즈층(220)으로 수직하게 입사되는 광은 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 특정 각도로 굴절되는데, 이 경우 스넬의 법칙(snell's law)에 의해 빛이 입사되는 지점에서의 법선을 기준으로 더 큰 각도를 가지며 굴절되어 나아가게 된다.

이때, 스넬의 법칙은 n1sinθ1 = n2sinθ2 .....식(1)

의 식으로 표현되며, 이때, n1, n2는 각각 굴절율을, θ1은 입사각, θ2는 굴절각을 나타낸다.

즉, 렌즈층(220)에 소정각도(θ1)로 입사되는 광은 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해서 소정각도(θ2)로 굴절된다.

이를 이용하여 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)에 대해 θa의 각도를 가지고 입사한 광의 렌즈층(220)을 통과한 후의 굴절각θ를 구해보면, 굴절각 θ에 대한 사인 값은,

sinθ= n/n'sin(θa - sin^-1((n'/n) sinθa)).....식(2)

로 표시될 수 있다.

위의 식(2)을 통해 입사각 θa는 다음과 같은 식으로 표시될 수 있다.

Θa = 90° - θb/2.....식(3)

여기서, θb 는 피라미드 형상의 렌즈(221)의 기울기를 나타내는데, 위의 식(3)을 통해 피라미드 형상의 렌즈(221)의 각도 θb 를 변경함으로써 렌즈층(220)에 입사되는 광의 입사각을 변경시킬 수 있으며, 이에 의해 렌즈층(220)을 빠져나가는 광의 굴절각을 조절할 수 있다.

이때, 피라미드 형상의 렌즈(221)의 각도가 얼마가 되든, 태양전지(도 3의 100) 로 입사되는 광은 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 도 5a에 도시한 바와 같이 A의 면적 내에 해당하는 기울기를 갖도록 굴절하게 된다.

이때, 반사패턴(230)은 태양전지(도 3의 100) 의 마이크로렌즈층(200)으로부터 굴절되는 광이 제 2 전극(도 3의 120)을 향해 입사되는 영역을 침범하지 않는 범위 내에서 가장 넓게 형성되는 것이 바람직하다.

따라서, 제 1 전극(도 3의 110)에 의해 반사되는 광을 보다 효율적으로 리사이클 시킬 수 있다.

여기서, 반사패턴(230)을 최적의 위치에 형성해야만 반사패턴(230)이 최적의 면적을 갖도록 형성할 수 있다.

이에, 본 발명의 반사패턴(230)은 피라미드 형상의 렌즈(221)의 꼭지점에서 굴절되는 광과 피라미드 형상의 렌즈(221)의 끝점에서 굴절되는 광이 서로 만나는 점에 대응되는 B의 위치에 위치하도록 하는 것이 가장 최적이다.

즉, 반사패턴(230)은 피라미드 형상의 렌즈(221)와 멀리 위치할수록 반사패턴(230)을 보다 넓은 면적을 갖도록 형성할 수 있는데, 반사패턴(230)의 위치가 B의 위치에 비해 피라미드 형상의 렌즈(221)와 더욱 멀어지는 C의 위치에 위치할 경우, 반사패턴(230)이 굴절되는 광의 일부를 차단하게 되기 때문에, C의 위치는 반사패턴(230)이 형성될 최적의 위치가 될 수 없다.

이때, 반사패턴(230)이 형성되는 최적의 위치는 피라미드 형상의 렌즈(221)로부터 피라미드 형상의 렌즈(221) 높이(h)의 약 1.06 ~ 1.1배 정도 떨어져 위치하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 마이크로렌즈층(200)은 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)가 지지층(210)으로부터 돌출되어 형성되며 반사패턴(230)은 지지층(210)의 하부면에 형성됨으로써, 반사패턴(230)이 피라미드 형상의 렌즈(221)로부터 떨어져 위치하는 거리는 지지층(210)의 두께(d)에 해당하므로, 지지층(210)의 두께(d)를 피라미드 형상의 렌즈(221) 높이(h)의 약 1.06 ~ 1.1배 정도 되도록 하는 것이 반사패턴(230)이 최적의 면적을 가질 수 있는 최적의 위치에 위치하도록 할 수 있다.

일 예로, 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)의 굴절률이 1.56일 경우, 도 5b에 도시한 바와 같이, 수직한 광은 피라미드 형상의 렌즈(221)의 임의의 지점에서 굴절되는데, 이때, 광은 수직한 광으로부터 약 18.05°의 각도로 굴절된다.

이에, 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 굴절되는 광은 피라미드 형상의 렌즈(221)와 지지층(210)을 통과하여

L = (d + x) * tan18.05°..........식(4)

의 범위 내에 도달하게 된다.

이때, 피라미드 형상의 렌즈(221)의 꼭지점으로부터 굴절되는 광(x=h)은

L1 = (d + h) * tan18.05°...........식(5)

의 범위 내에 도달하게 되며, 피라미드 형상의 렌즈(221)의 끝점에서 굴절되는 광(x=0)은

L2 = (d + 0) * tan18.05°............식(6)

의 범위 내에 도달하게 된다.

이때, L1 + L2 = h이므로,

dtan18.05° + (d + h)tan18.05°= h .............식(7)

이므로, 위의 식(7)은 아래와 같이 다시 정의될 수 있다.

2dtan18.05°= (h h)tan18.05°= h(1-tan18.05°)

∴ d = 2 tan18.05°/h(1- tan18.05°)

= h(1- tan18.05°/2 tan18.05°) .............식(8)

위의 식(8)은 다시 아래와 같이 정의 될 수 있다.

d = h * 1.03 ...........식(9)

즉, 피라미드 형상의 렌즈(221)의 높이(h)가 1일 경우, 지지층(210)의 두께(d)는 1 * 1.03이며, 이때, 반사패턴(230) 또한 피라미드 형상의 렌즈(221)로부터 1 * 1.03의 위치에 위치하는 것이 가장 바람직한 것이다.

이때, 반사패턴(230)의 면적은 피라미드 형상의 렌즈(221)의 높이(h)에 비례하므로, (피라미드 형상의 렌즈의 높이(h) * (1.06 ~ 1.1))인 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(도 3의 100)는 제 2 전극(도 3의 120) 상부에 렌즈층(220)과 반사패턴(230)이 구비된 마이크로렌즈층(200)을 더욱 형성함으로써, 렌즈층(220)을 통해 태양광 등의 광이 특정 각으로 굴절되어 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사되도록 함으로써, 광 경로를 향상시키게 된다.

또한, 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)로 인하여, 렌즈층(220)으로 입사되는 태양광이 태양전지(도 3의 100) 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되며, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지(도 3의 100) 내부로 태양광이 흡수되는 비율을 증가시키게 된다.

또한, 본 발명의 마이크로렌즈층(200)은 지지층(210)의 배면의 최적의 위치에 반사패턴(230)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극(도 3의 110)에 의해 반사되어 다시 반도체층(도 3의 130)으로 재입사되는 과정에서, 일부 광이 반도체층(도 3의 130)을 그대로 통과하여 태양전지(도 3의 100) 외부로 출광되는 것을 방지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광효율이 향상되는 원리를 개략적으로 도시한 개략도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(100)는 마이크로집광층(200)을 통해 태양전지(100) 내부로 광이 흡수되는 비율이 증가된다.

또한, 렌즈층(220)을 통해 태양광 등의 광이 특정 각으로 굴절되어 태양전지(100) 내부로 입사되도록 함으로써, 광 경로를 향상시키게 됨으로써, 이를 통해, 태양전지(100) 내부로 집광되어 입사되는 광이 태양전지(100) 내부에서 긴 시간 머무르게 한다.

이는, 태양전지(100)의 광 포획 능력을 향상시키는 것으로써, 이렇게 태양전지(100)로 입사되는 광량을 증가시키고, 광 포획 능력을 향상시킴으로써, 태양전지(100)의 효율이 향상되는 것이다.

또한, 마이크로렌즈층(200)의 반사패턴(230)에 의해, 제 1 전극(110)에 의해 반사된 광이 태양전지(100) 외부로 바로 출광되는 것을 방지하고, 광이 리사이클되도록 함으로써, 태양전지(100) 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.

아래 표(1)은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지(100)의 태양광 등의 광의 반도체층(130)으로의 흡수율을 시뮬레이션한 결과이다.

	Sample 1	Sample 2	Sample 3
반도체층의 광 흡수율	100%	110%	165%

위의 표(1)에서 sample 1은 일반적인 태양전지의 시뮬레이션결과이며, sample 2는 텍스처 가공공정을 통해 그 표면이 요철형상으로 형성된 투명전극을 포함하는 태양전지의 시뮬레이션결과이며, sample 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈층이 구비된 태양전지의 시뮬레이션결과이다.

여기서, 텍스처 가공공정을 통해 일반적인 태양전지에 비해 반도체층의 광 흡수율이 약10% 정도 향상됨을 알 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 반도체층의 흡수율은 165%로, sample 1에 비해서 약 65% 이상 광의 흡수율이 향상되는 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(100)는 제 2 전극(120) 상부에 렌즈층(220)과 반사패턴(230)이 구비된 마이크로렌즈층(200)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(100) 내부로 입사되는 광의 경로를 향상시키게 되어, 빛 포획을 증대시킬 수 있어, 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다.

또한, 본 발명의 마이크로렌즈층(200)은 지지층(210)의 배면의 최적의 위치에 반사패턴(230)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(100) 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극(110)에 의해 반사되는 광을 리사이클 할 수 있어, 태양전지(100) 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.

본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

100 : 태양전지, 101 : 절연기판
110 : 제 1 전극
120 : 제 2 전극
130 : 반도체층(130a :p형 반도체층, 130b : n형 반도체층, 130c : 순수 비정질 실리콘층)
200 : 마이크로렌즈층(210 : 지지층, 220 : 렌즈층, 221 : 피라미드 형상의 렌즈, 230 : 반사패턴)

Claims

절연기판과;
상기 절연기판의 광이 입사되는 일면에 위치하는 제 1 전극과;
상기 제 1 전극 상에 위치하는 반도체층과;
상기 반도체층 상에 위치하는 제 2 전극과;
상기 제 2 전극 상에 위치하며, 지지층과, 상기 지지층의 일면에 위치하며 다수의 피라미드 형상의 렌즈가 상기 지지층의 종방향과 횡방향으로 서로 인접 배열되도록 돌출되는 렌즈층과, 상기 렌즈층이 돌출된 상기 지지층의 타면에 위치하는 반사패턴
을 포함하며,
상기 반사패턴 일단은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 꼭지점에서 굴절되는 광과 상기 피라미드 형상의 렌즈의 끝점에서 굴절되는 광이 서로 만나는 점에 위치하며,
상기 지지층의 두께는 상기 피라미드 형상의 렌즈의 높이에 1.06 ~ 1.1배 인 태양전지.
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제 1 항에 있어서,
상기 반사패턴의 면적은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 높이 * (1.06 ~ 1.1)인 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반사패턴은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 대응하여 위치하는 태양전지.
제 5 항에 있어서,
상기 반사패턴은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 대응하여 사각형 형태이거나, 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 대응하여 삼각형 형태인 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반사패턴은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 가장자리를 따라 대응하는 형태인 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반사패턴은 은(Ag), 알루미늄(Al), 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2) 또는 산화마그네슘(MgO) 중 선택된 하나로 이루어지는 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 렌즈층은 투명 아크릴(acryl) 계열 수지 또는 포토레지스트(photoresist)와 같은 감광성물질 중 선택된 하나로 이루어지는 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 지지층은 PMMA(polymethylmethacrylate) 또는 열가소성수지인 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate) 중 하나로 이루어지는 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide)로 이루어지는 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 n형 반도체층과 순수 비정질 실리콘층 그리고 p형 반도체층으로 이루어지는 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어지는 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 표면이 요철 형상인 태양전지.