KR101960265B1 - 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치 - Google Patents

발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치에 관한 것으로서, 발광체를 이용한 발광 태양 집광기와, 상기 발광 태양 집광기 싸이드에 형성되어 상기 발광체에서 발광된 빛을 흡수하여 전기에너지로 변환시키는 다중접합 태양전지를 포함하여 구성되며, 상기 다중접합 태양전지는 상기 발광체에서 발광되는 빛의 특정 파장에 대응하여 광흡수층의 밴드갭이 조절되어 형성된 것을 특징으로 하는 발광형 태양 집광 장치를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명에 따른 다중접합 태양전지는 발광 태양 집광기의 발광체의 발광 파장에 최적화된 광흡수층 서브셀을 갖는 것으로서, 발광체를 이용하는 발광 태양 집광기의 싸이드에 형성되어 효율이 개선된 발광형 태양 집광 장치를 제공하는 이점이 있다.

Description

발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치{Manufacturing Method of Solar Cell for Luminescent Solar Concentrator Device and Luminescent Solar Concentrator Devices using Solar Cell thereby}
본 발명은 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치에 관한 것으로서, 발광체에서 방출하는 빛을 효율적으로 흡수할 수 있도록 발광체의 발광 파장에 최적화된 다중접합 태양전지 구조를 제공하고, 이를 발광형 태양 집광 장치에 활용함으로써, 광전변환 효율이 개선된 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
화석연료의 고갈과 환경오염, 지구온난화 문제로 인해 신재생에너지의 개발 필요성이 높아지고 있으며, 환경 친화적이고 무한 재생이 가능한 태양전지가 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
이러한 태양전지는 태양광 발전의 핵심소자이며, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 소자로써, 변환효율을 향상시키고 제조비용을 감소시키기 위해 태양전지의 재료나 구조에 대한 연구가 이루어지고 있다.
최근에는 BIPV(Building Integrated Photovoltaic, 건물일체형 태양광 발전) 시스템에 태양전지가 이용되고 있으며, 태양광 모듈을 건축 자재화하여 건물의 외벽재, 지붕재, 창호재 등으로 활용하고 있다.
이러한 BIPV 시스템은 많은 전력을 소비하는 빌딩에서 자체적으로 전기를 생산할 수 있어 에너지 효율적인 건축물을 구현할 수 있고, 태양광 모듈을 바로 건축재로 활용할 수 있어 별도의 설치 공간이 필요하지 않으며, 친환경적이면서 빌딩의 높이에 비례하여 전력의 생산이 가능하여, BIPV 시스템은 많은 전력을 소비하는 빌딩에 효율적으로 적용할 수 있다.
그러나 종래의 염료감응형 태양전지는 안정성 확보에 어려움이 있으며, 박막 태양전지의 경우 불투명하고, 대면적에 어려움이 있어, BIPV 시스템에 적용할 시 설치 장소가 외벽이나 지붕과 같이 제한적으로 설치될 수 밖에 없으며, 창호재로 사용할 경우에도 제한적인 사용만 가능하였다. 또한, 태양광의 입사각을 조절하여야 하는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 BIPV 시스템에 적용할 수 있는 발광 태양 집광기(Luminescent Solar Concentrator, LSC) 장치에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
즉, 발광형 태양 집광 장치는 투명한 재료 및 기판 기반으로 제작되어 창호재로도 자유롭게 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 확산된 방사선도 흡수할 수 있어 태양광 추적을 위한 장치가 필요 없으며, 집광 기능을 활용하므로 흐린 날이나 태양 빛이 강하지 않은 도심 속 상황에서도 사용이 가능하고, 기존 태양전지 패널보다 비용이 저렴한 장점이 있다.
이러한 BIPV 시스템에 사용되는 발광형 태양 집광 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 투명하면서 라이트 가이드 역할을 하는 한 쌍의 유리창 사이에 태양광을 흡수하여 전환시키는 발광 재료(고분자 매트릭스 내에 분산되어 있음)가 형성되어 있으며, 유리창의 싸이드로는 이러한 전환된 빛을 흡수하는 태양전지가 형성되어 있다.
발광 재료에 의해 흡수되어 전환된 빛은 유리창 사이의 공간이나 유리창 내부의 공간에서 내부 전반사되어 집광이 이루어질 수 있도록 형성되며, 그 공간에서의 복수의 반사에 의해 전환된 광선은 가이드되어 싸이드의 태양전지로 입사되게 된다. 태양전지로 입사된 태양광은 광전변환되어 전기를 발전시키게 된다.
즉, 발광형 태양 집광 장치는 넓은 표면에 걸쳐 입사광을 수집하고, 그 에너지를 싸이드로 집중시킴으로서 좁은 표면을 갖는 태양전지로 유입되도록 하여 광집중도를 향상시키는 것이다.
이러한 발광 태양 집광기에 사용되는 발광 재료는 유기 염료, 희토류 복합물, 형광체, 양자점 등과 같은 발광체 등이 기재(예컨대 유리기판)에 코팅 또는 증착되거나 고분자 매트릭스 내에 분산된 상태로 이용되고 있으며, 태양전지는 종래의 결정, 비결정 실리콘 또는 반도체 기반의 웨이퍼를 이용한 박막형 태양전지 등이 사용되고 있다.
그러나, 발광형 태양 집광 장치는 상기의 장점에도 불구하고 수집된 빛이 싸이드의 태양전지에 제대로 도달되지 않아 효율이 낮은(5%) 단점이 있으며, 최근에는 이러한 발광형 태양 집광 장치에 대한 효율을 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있다.
종래의 연구자들에게 있어서 발광형 태양 집광 장치의 효율을 향상시키기 위한 주된 관심사는 발광 재료에 대한 연구나 라이트 가이드가 주된 관심사였다.
예컨대 발광 재료로는 재흡수율이 낮고 고에너지의 자외선 광의 흡수도 가능한 양자점에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 라이트 가이드로 사용되는 유리창이나 광집중을 위한 공간에서 내부 전반사가 더욱 효율적으로 이루어지도록 유리창 내부면에 반사층을 형성하거나 거울이나 필터 등을 형성하는 것에 대한 연구가 주로 이루어지고 있다.
그러나, 이러한 발광 재료나 라이트 가이드로의 효율 향상을 도모하더라도, 태양전지의 구조 물질(반도체층)에 따라 밴드갭이 정해져 있으므로, 양자점의 발광 스펙트럼에 최적화되어 있지 않아서 Thermal Loss 또는 Transmission Loss 등으로 발광형 태양 집광 장치의 효율 저하를 유발하고 있다.
도 2 및 도 3은 기존의 발광체로 양자점을 이용한 발광형 태양 집광 장치의 경우 양자점의 발광 파장의 세기(PL intensity)와 태양전지의 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency)을 나타낸 것이다.
도 2와 같이 양자점이 단파장을 방출하는 경우로 태양전지의 밴드갭보다 양자점의 밴드갭(단파장)이 높은 경우 Thermal Loss가 발생하게 되며, 도 3과 같이 양자점이 보다 긴 파장을 방출하는 경우로 태양전지의 밴드갭보다 양자점의 밴드갭(장파장)이 낮은 경우 Transmission Loss가 발생하게 된다.
이러한 Loss는 발광형 태양 집광 장치에서의 광전변환 효율을 저하시키는 원인이 되고 있으며, 양자점에서 방출하는 빛을 효율적으로 흡수할 수 있도록 양자점 발광 파장에 최적화된 태양전지 구조 및 재료에 대한 개선이 필요한 실정이다.
또한 종래의 발광형 태양 집광 장치에 사용되는 태양전지는 응용 제품의 정격 전압을 맞추려면 태양전지의 직렬 연결수를 증가시켜야 하며, 전체 모듈의 입장에서는 효율이 높다고 할 수 없다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발광체에서 방출하는 빛을 효율적으로 흡수할 수 있도록 발광체의 발광 파장에 최적화된 다중접합 태양전지 구조를 제공하고, 이를 발광형 태양 집광 장치에 활용함으로써, 광전변환 효율이 개선된 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 발광체를 이용한 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법에 있어서, 에피성장용 기판 상부에 형성되며, 상기 발광체에서 발광되는 빛의 특정 파장에 대응하여 밴드갭이 조절된 광흡수층을 형성하는 단계와, 상기 광흡수층 상부에 후면전극을 형성시키는 단계와, 상기 후면전극 상에 이종기판을 형성시키는 단계와, 상기 광흡수층으로부터 상기 에피성장용 기판을 제거하는 단계와, 상기 이종기판 하부에 공정용 임시기판을 형성하는 단계와, 상기 광흡수층 상층에 전면전극을 형성하는 단계 및 상기 이종기판으로부터 공정용 임시기판을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지되, 상기 광흡수층은 서로 다른 흡수 파장을 갖는 N개의 서브셀(N : 1 이상 자연수)로 이루어지며, 각 셀은 터널접합(Tunnel junction)되어 다중접합을 이루는 것을 특징으로 하는 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법 및 그 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치를 기술적 요지로 한다.
또한 상기 서브셀은, 빛이 입사되는 방향으로부터 단파장에서 장파장의 빛을 흡수하도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 서브셀은, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 단파장(300nm 이상 550nm 미만)인 경우 (AlxGa1-x)0.5In0.5P(0<x<1)를 포함하고, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 중간파장(550nm 이상 800nm 미만)인 경우 AlxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하고, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 장파장(800nm 이상 3350nm 이하)인 경우 InxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하는 서브셀로 형성되며, 이 중 둘 이상의 서브셀이 터널접합되어 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 서브셀은, 광흡수층의 두께 조절 또는 밴드갭의 조절로 전류를 매칭하여 태양전지의 개방전압을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양전지는, 실리콘, 유리, quartz, 메탈 호일(metal foil) 및 플라스틱 필름 중 어느 하나의 기판 상에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 발광체는, 양자점을 이용한 것이 바람직하다.
또한, 상기 광흡수층을 형성하기 전에, 상기 에피성장용 기판 상부에 희생층을 먼저 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 발광체에서 방출하는 빛을 효율적으로 흡수할 수 있도록 발광체의 발광 파장에 최적화된 다중접합 태양전지 구조 및 재료를 제공하여 광전변환 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 태양전지는 다중접합 구조로, 발광체의 발광 파장에 최적화가 용이하고, 다중접합 태양전지의 서브셀 간의 전류 매칭에 따른 개방전압을 상승시켜 광전변환 효율을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중접합 태양전지는 발광 태양 집광기의 발광체의 발광 파장에 최적화된 광흡수층을 갖는 것으로서, 발광체를 이용하는 발광 태양 집광기의 싸이드에 형성되어 효율이 개선된 발광형 태양 집광 장치를 제공하는 효과가 있다.
또한 다중접합 태양전지는 기존의 단일접합 태양전지에 비해 출력전압이 2배 이상이기 때문에 응용제품의 정격 전압을 맞추기 용이하며 직렬연결 수를 줄일 수 있기 때문에 전체 모듈의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 이종기판에 다중접합 태양전지를 형성함으로써, 목적이나 용도에 따라 다양하게 활용할 수 있으며, 특히 BIPV 시스템에 적용시 경질의 기판을 사용하는 경우 창호에 시공시 충격에 의하여 파손될 염려가 있으므로, 투명한 플렉시블 기판을 적용하여 투명 플렉시블한 태양전지를 제공함으로써, BIPV 시스템에의 그 활용도가 뛰어날 것으로 기대된다.
또한, 본 발명에 따른 발광형 태양 집광 장치는 BIPV, 건설 및 토목 등 다양한 산업 분야에서 높은 부가가치를 창출하고, 고용을 창출함으로써 국가 경제 활성화의 원동력이 될 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 발명에 따른 발광형 태양 집광 장치는 건설 및 토목 기술과 에너지 기술의 융합을 통하여 가능하게 되며, 관련 분야의 최신 핵심 기술을 연구, 개발함으로써 다양한 분야의 학문적 수준 향상이 기대되며, 국제유명학술지에 논문 게재를 통하여 국내 유연 소자 산업 분야 기술의 우수성을 전 세계에 알리는 것이 가능하다.
또한, 발광 태양 집광기 원천 기술 개발은 현재 전 세계시장의 80% 이상을 차지하고 있는 실리콘 태양전지 시장 이후에 도래할 것으로 예상되는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기반 태양전지 시장에서 독자적인 경쟁력을 갖추고 새로운 실용화 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
도 1 - BIPV 시스템에 사용되는 발광형 태양 집광 장치에 대한 모식도.
도 2 및 도 3 - 기존의 발광체로 양자점을 이용한 발광형 태양 집광 장치의 경우, 파장에 따른 양자점의 발광 파장의 세기(PL intensity)와 태양전지의 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency)을 나타낸 도.
도 4 - 본 발명에 따른 발광형 태양 집광 장치에 대한 모식도.
도 5 - 본 발명에 따른 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법에 대한 순서도.
도 6 - 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 발광형 태양 집광 장치에 있어서, 파장에 따른 양자점의 PL intensity (a)와 태양전지의 외부 양자 효율(b)을 나타낸 도.
도 7 - 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지에 대한 모식도 (a), 그에 따른 외부 양자 효율을 나타낸 도 (b).
본 발명은 발광형 태양 집광 장치에 관한 것으로서, 발광체에서 방출하는 빛을 효율적으로 흡수할 수 있도록 발광체의 발광 파장에 최적화된 다중접합 태양전지 구조를 제공하여 광전변환 효율을 향상시키고자 하는 것이다.
또한 본 발명에 따른 태양전지는 다중접합 구조로, 발광체의 발광 파장에 최적화가 용이하고, 다중접합 태양전지의 서브셀 간의 전류 매칭에 따른 개방전압을 상승시켜 광전변환 효율을 더욱 향상시키는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 다중접합 태양전지는 발광 태양 집광기의 발광체의 발광 파장에 최적화된 광흡수층을 갖는 것으로서, 발광체를 이용하는 발광 태양 집광기의 싸이드에 형성되어 효율이 개선된 발광형 태양 집광 장치를 제공하게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 4는 본 발명에 따른 발광형 태양 집광 장치에 대한 모식도이고, 도 5는 본 발명에 따른 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법에 대한 순서도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 발광형 태양 집광 장치에 있어서, 파장에 따른 양자점의 PL intensity와 태양전지의 외부 양자 효율을 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지에 대한 모식도(a), 그에 따른 외부 양자 효율(b)을 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법은, 발광체(11)를 이용한 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법에 있어서, 에피성장용 기판(30) 상부에 형성되며, 상기 발광체(11)에서 발광되는 빛의 특정 파장에 대응하여 밴드갭을 조절하여 광흡수층(21)을 형성하는 단계와, 상기 광흡수층(21) 상부에 후면전극(22)을 형성시키는 단계와, 상기 후면전극(22) 상에 이종기판(23)을 형성시키는 단계와, 상기 광흡수층(21)으로부터 상기 에피성장용 기판(30)을 제거하는 단계와, 상기 이종기판(23) 하부에 공정용 임시기판(40)을 형성하는 단계와, 상기 광흡수층(21) 상층에 전면전극(24)을 형성하는 단계 및 상기 이종기판(23)으로부터 공정용 임시기판(40)을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지되, 상기 광흡수층은 서로 다른 흡수 파장을 갖는 N개의 서브셀(N : 1 이상 자연수)로 이루어지며, 각 서브셀은 터널접합(Tunnel junction)되어 다중접합을 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광형 태양 집광 장치는 크게 발광 태양 집광기(10)와 집광된 태양광을 흡수하여 전기에너지로 변환시키는 태양전지(20)로 이루어지며, 일반적으로 발광 태양 집광기(10)의 싸이드에 태양전지(20)가 형성되어 집광된 빛이 가이드되어 태양전지(20) 표면에 입사되어 흡수하게 된다.
BIPV 시스템에 적용하기 위해 창호재로 본 발명을 사용하는 경우 본 발명에 따른 발광 태양 집광기(10)는 두께가 얇고 면적이 넓게 형성되며, 투명 또는 반투명 재료로 구현되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 유리창 사이에 발광체(11)로 양자점이 포함된 고분자 코팅층이 형성된 발광 태양 집광기(10)와, 이러한 발광 태양 집광기(10) 싸이드에 형성된 태양전지(20)를 포함하여 구성되며, 태양전지(20)의 입사 표면이 대향되도록 형성된 구조로 실시되게 된다.
본 발명에 따른 발광형 태양 집광 장치에 사용되는 태양전지(20)는 발광 태양 집광기(10)에 포함된 발광체(예컨대 양자점)(11)의 발광 파장에 최적화된 구조로 형성된 것으로서, 그 제조방법은 먼저, 에피성장용 기판(30) 상부에 상기 발광체(11)에서 발광되는 빛의 특성 파장에 대응하여 밴드갭이 조절된 광흡수층(21)을 형성한다(도 5(a)).
상기 에피성장용 기판(30)은 그 상부에 형성되는 광흡수층(21)의 결함을 최소화하기 위해 광흡수층(21)과 격자상수가 비슷한 기판을 사용한다. 예컨대, 상기 에피성장용 기판(30)은 GaAs, InP 등을 사용하는 경우 광흡수층(21)으로는 AlGaInP, AlGaAs, InGaAs 등의 재료를 사용하게 된다.
본 발명에서의 태양전지(20)의 광흡수층은 서로 다른 흡수 파장을 갖는 N개의 서브셀(N : 1 이상 자연수)(21)로 이루어지며, 각 서브셀(21)은 터널접합층(21a)에 의해 터널접합(Tunnel junction)되어 다중접합을 이루어, 발광체의 다양한 발광 파장에 최적화가 용이하고 광전변화 효율을 개선시킨 것이다.
도 5에서는 본 발명의 일실시예로 서브셀(21)이 3개로 형성되고, 각 서브셀(21)은 터널접합층(21a)에 의해 터널접합되어 형성된 것이다.
여기에서 에피성장용 기판(30) 상부에 광흡수층(21)을 형성하기 전에 상기 에피성장용 기판(30) 상부에 희생층(35)을 먼저 형성할 수도 있다. 이는 후술할 에피성장용 기판(30) 제거시 효율적으로 제거하기 위한 것으로서, 희생층(35)은 에피성장용 기판(30) 상에 에픽탁셜하게 성장되며 특정 용매에 대하여 기판보다 쉽게 식각되어야 하므로 에피성장용 기판(30))과는 다른 재료 또는 다른 격자상수의 물질로 형성된다. 또한 격자결함을 최소화하기 위해 희생층(35) 상에 버퍼층 등을 더 형성시킬 수 있다. 후 공정에서 식각 등을 통해 제거해야 하는 층이므로 에피성장용 기판(30)과는 상이한 조성일 수 있다.
이와 같이 에피성장용 기판(30) 상에 형성된 희생층(35) 및 다중접합 구조의 광흡수층(21)은 통상의 박막 증착 공정에 의해 형성되게 되며, 에피성장용 기판(30)과 광흡수층(21) 사이에 희생층(35)을 형성한 경우에는 후술할 에피성장용 기판(30)의 제거는 상기 희생층(35)의 제거를 통해 이루어지게 된다.
그리고 상기 광흡수층(21)은 발광 태양 집광기(10)에 사용되는 발광체(11)에서 발광되는 빛의 특정 파장에 대응하여 밴드갭이 조절된 재료를 사용하게 되며, 다양한 파장대의 빛을 흡수하기 위해 서로 다른 흡수 파장을 갖는 서브셀을 복수개로 형성한다.
즉, 발광체(11)의 발광 파장에 최적화된 광흡수층(21)을 제공하면서 발광체의 발광 파장을 손실없이 최대한 흡수할 수 있도록 다양한 파장대의 서브셀(21)을 구현함으로써, 광손실(Thermal Loss, Transmission Loss)을 최소화하면서, 광전변환 효율은 개선시킨 것이다.
상기 서브셀(21)은 최종 태양전지 구조물에 있어서, 빛이 입사되는 방향으로부터 단파장에서 장파장의 빛을 흡수하도록 배치되며, 즉, 최상층의 서브셀에 빛이 입사되면 단파장의 빛이 먼저 흡수되고, 장파장의 빛은 보다 하부층에서 흡수되도록 설계된다.
본 발명에서의 발광체(11)는 입사된 태양광을 특정 파장으로 전환하여 발광시키는 것으로서, 유기 염료, 희토류 복합물, 형광체, 양자점 등이 이에 해당될 수 있다.
본 발명의 일실시예로 발광체(11)로 양자점을 사용하며, 일반적으로 양자점은 높은 에너지의 자외선을 흡수하여 이보다 낮은 에너지의 장파장의 빛으로 전환되어 발광하는 것으로, 카드뮴화합물(예컨대 Cds, CdO, CdSe, CdTe 등) 또는 비카드뮴계화합물(예컨대 InAs, ZnS, GaAs, CuInS2, CuInGaS2, AgInS2 등)이 사용되며, 그 크기는 1~10nm 정도이다.
상기 서브셀(21)은, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 단파장(300nm 이상 550nm 미만)인 경우 (AlxGa1-x)0.5In0.5P(0<x<1)를 포함하고, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 중간파장(550nm 이상 800nm 미만)인 경우 AlxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하고, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 장파장(800nm 이상 3350nm 이하)인 경우 InxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하는 서브셀로 형성되며, 이 중 둘 이상의 서브셀이 터널접합되어 형성되어, 다중접합 태양전지를 구현한다.
즉, 양자점에서 발광된 빛의 파장이 단파장(300nm 이상 550nm 미만)인 경우, 광흡수층(21)이 (AlxGa1-x)0.5In0.5P(0<x<1)인 태양전지(20)를 사용함으로써 밴드갭을 2.33eV~1.89eV로 조절하여 태양전지(20)의 Thermal Loss, Transmission Loss를 최소화하여 태양전지(20)의 효율을 높일 수 있으며, 보다 효율적으로 양자점에서 발광된 빛을 흡수하기 위해 상기 광흡수층으로 (AlxGa1-x)0.5In0.5P 외에 AlxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하는 서브셀 또는 InxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하는 서브셀 등을 둘 이상 접합하여 광전변환 효율을 더욱 상승시킬 수 있다.
그리고 양자점에서 발광된 빛의 파장이 중간파장(550nm 이상 800nm 미만)인 경우, 광흡수층(21)이 AlxGa1-xAs인 태양전지(20)를 사용함으로써 밴드갭을 2.17eV~1.42eV로 조절하여 태양전지(20)의 Thermal Loss, Transmission Loss를 최소화하여 태양전지(20)의 효율을 높일 수 있으며, 보다 효율적으로 양자점에서 발광된 빛을 흡수하기 위해 상기 광흡수층으로 AlxGa1-xAs 외에 (AlxGa1-x)0.5In0.5P(0<x<1)를 포함하는 서브셀 또는 InxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하는 서브셀 등을 둘 이상 접합하여 광전변환 효율을 더욱 상승시킬 수 있다.
그리고 양자점에서 발광된 빛의 파장이 장파장(800nm 이상 3350nm 이하)인 경우, 광흡수층(21)이 InxGa1-xAs(0<x<1)인 태양전지(20)를 사용함으로써 밴드갭을 1.42eV~0.75eV로 조절하여 태양전지(20)의 Thermal Loss, Transmission Loss를 최소화하여 태양전지(20)의 효율을 높일 수 있으며, InxGa1-xAs(0<x<1)외에 (AlxGa1-x)0.5In0.5P(0<x<1)를 포함하는 서브셀 또는 AlxGa1-xAs를 포함하는 서브셀 등을 둘 이상 접합하여 광전변환 효율을 더욱 상승시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 태양전지는 서로 다른 흡수 파장을 가진 서브셀이 다중접합되어 형성되며, 빛이 입사되는 방향에서부터 최상층의 서브셀에서 하부층으로 갈수록 흡수 파장이 긴 서브셀이 설계된다. 즉, 본 발명의 일실시예로 최상층으로부터 광흡수층이 (AlxGa1 -x)0.5In0 .5P인 서브셀, AlxGa1 - xAs인 서브셀, InxGa1 -xAs(0<x<1)인 서브셀의 순서로 설계되게 된다.
이러한 서브셀(21)은 발광체(양자점)에서 발광되는 빛의 특정 파장에 최적화된 밴드갭이 조절된 재료를 사용하면서, 상기 발광체(11)의 발광 파장을 포함하여 흡수할 수 있도록 다양한 파장대의 빛을 흡수하기 위해 서로 다른 흡수 파장을 갖는 서브셀을 복수개로 형성하는 것이다.
여기에서 발광체(11)의 발광 파장에 따라 서브셀(21)의 두께, 에너지 밴드갭, 도핑 농도 또는 도핑 종류 등을 조절하여 발광체의 발광 파장에 최적화된 태양전지를 설계하면서, 각 서브셀 간에 전류의 매칭과 개방 전압 최대화를 동시에 고려하여 고효율 태양전지의 구현이 가능하도록 한다.
본 발명에서의 서브셀(21)은 광흡수층의 두께 조절 또는 밴드갭의 조절로 전류 매칭을 통해 개방전압을 증가시킬 수 있으며, 필요에 의해 광흡수층의 도핑 농도 또는 도핑 물질을 조절할 수도 있다. 즉 각 접합에서 발생된 전류의 부정합이 개선되도록 광흡수층의 두께를 조절하거나 밴드갭을 조절함으로써 개방전압을 증가시켜 최대 효율을 갖도록 하는 것이다.
일반적으로 전류의 부정합은 각 서브셀을 통과하는 캐리어의 수명과 관련 있으므로, 각 서브셀 간의 두께나 밴드갭을 조절함으로써 캐리어의 수명을 연장시켜 각 서브셀에서의 전류가 매칭(전류의 생성 또는 확산이 매칭)되도록 하는 것이다.
이와 같이 다중접합 태양전지는 기존의 단일접합 태양전지에 비해 출력전압이 2배 이상이기 때문에 응용제품의 정격 전압을 맞추기 용이하며 직렬연결 수를 줄일 수 있기 때문에 전체 모듈의 효율을 높이게 된다.
그리고 최상층 서브셀(21)을 이루는 광흡수층 상부에 후면전극(22)을 형성한다(도 5(b)). 상기 후면전극(22)은 재료로 형성되는 것이 바람직하며, 금(Au), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 은(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등의 금속으로 형성되거나, 투명한 재료를 사용하고자 하는 경우에는 ITO나 FTO 또는 전도성 고분자 수지층으로 형성된다.
그리고, 상기 후면전극(22) 상에 이종기판(23)을 형성한다(도 5(c)).
상기 이종기판(23)은 그 용도나 목적에 따라 경질의 기판 또는 플렉시블 기판을 사용할 수 있으며, 투명 또는 불투명 기판을 사용할 수 있다.
BIPV 시스템에 적용시 경질의 기판을 사용하는 경우 창호에 시공시 충격에 의하여 파손될 염려가 있으므로, 투명하면서 고분자 필름과 같은 플렉시블 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
경질 기판으로는 ITO(indium-tin oxide), FTO(fluorine doped tin
oxide), AZO(aluminium doped zinc oxide), IGZO(Indium gallium zinc oxide), 유리, 실리콘, quartz 등이 사용될 수 있다.
플렉시블 기판으로는 PET(Polyethyleneterephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PP(polypropylene), PI(polyimide), PS(polystylene) 및 PC(polycarbonate) 등과 같은 고분자 필름이 사용될 수 있으며, 금속을 증착한 메탈 호일(metal foil)을 사용하는 경우에도 플렉시블 기판의 형태로 제공할 수 있다.
그리고 다중접합 광흡수층(21)으로부터 에피성장용 기판(30)을 제거한다(도 5(d)).
희생층(35)이 에피성장용 기판(30)과 광흡수층(21) 사이에 형성되어 있지 않은 경우에는 광흡수층(21)과 에피성장용 기판(30)과의 밴드갭 에너지 차이에 의한 레이저 리프트 오프 공정 등에 의해 에피성장용 기판(30)을 광흡수층(21)으로부터 분리시키거나, 희생층(35)이 형성된 경우에는 희생층(35)의 식각 공정 등에 의해 에피성장용 기판(30)을 광흡수층(21)으로부터 분리시킨다.
이러한 분리된 에피성장용 기판(30)은 다시 재활용되어 다음 공정에 사용할 수 있어 고가의 에피성장용 기판(30)에 대한 비용을 절감시킬 수 있다.
그리고 상기 에피성장용 기판(30)을 제거한 다음 상기 이종기판(23) 하부에 공정용 임시기판(40)을 형성한다(도 5(e)). 즉, 공정용 임시기판(40) 상에 이종기판(23)/후면전극(22)/광흡수층(21)이 순차적으로 형성된 형성되게 된다. 상기 공정용 임시기판(40)은 공정의 편의에 의해 사용되는 것으로서, 태양전지(20) 제조 공정 상에서의 지지기판이라고 할 수 있으며, 이종기판(23)과 점착성 물질에 의해 공정이 완료되는 동안 일시적으로 다중접합 태양전지(20)를 고정시킬 수 있도록 하는 것이다.
그리고 상기 광흡수층(21) 상층에 전면전극(24)을 형성한다(도 5(f)). 상기 전면전극(24)은 패터닝 공정에 의해 n-ohmic etching하여 형성한다.
그리고, 광흡수층(21)의 메사(mesa) atching을 수행하고, 필요에 의해 광흡수층(21) 상부에 ARC(anti-reflection coating) 층을 형성하고(도 5(g)), 공정용 임시기판(40)을 제거함으로써 단일 셀 또는 복수개의 셀로 구비된 모듈 형태의 태양전지(20)를 제조하게 된다(도 5(h)).
여기에서 전면전극(24)은 상기 후면전극(22)과 같이 금속 재료로 형성되거나, 투명한 재료로 형성될 수 있으며, 이종기판(23)의 종류에 따라 경질 또는 플렉시블한 다중접합 태양전지(20)를 제공할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 비교예(a) 및 일실시예(b)에 따라 제작된 발광형 태양 집광 장치에 있어서, 파장에 따른 양자점의 PL intensity와 태양전지의 외부 양자 효율을 나타낸 것으로, 양자점이 중간 파장(600nm 이상 800nm 미만)과 장파장(800nm 이상 3350nm 미만)의 빛을 방출하는 경우(검정색 선), 태양전지의 밴드갭이 낮은 영역을 갖는 InxGa1-xAs를 광흡수층(Direct Eg : 1.42~0.75eV(870nm 이상 3350nm 이하))으로 사용(도 6(a))하면 장파장 영역의 빛은 광흡수층에서 흡수하나, 중간 파장 영역의 빛은 일부 손실(Thermal Loss)을 초래하게 된다.
따라서, 양자점의 발광 파장에 따라 다양한 밴드갭을 가지는 광흡수층을 서브셀로 구현하여, 중간 파장 영역의 빛도 광흡수층에서 흡수하도록 하여 광전변환 효율을 높이고자 하는 것이다.
도 6(b)는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 발광형 태양 집광 장치에 있어서, 다중접합 태양전지의 외부 양자 효율을 나타낸 것으로, InxGa1-xAs(Direct Eg : 1.42~0.75eV(870nm 이상 3350nm 이하)) 광흡수층과 AlxGa1-xAs(Direct Eg : 1.42~2.17eV(572nm 이상 800nm 미만)) 광흡수층을 각각 서브셀로 하여 터널접합함으로써, 발광체에서 발광되는 다양한 파장의 빛을 각 서브셀에서 흡수할 수 있도록 하여 효율을 높이도록 한 것이다.
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이 경우 상기 서브셀을 이루는 광흡수층의 두께와 에너지 밴드갭의 조절을 통해, 각 서브셀에서의 전류 매칭을 구현하여 개방 전압이 최대화가 되도록 하여 고효율 태양전지를 제공할 수 있도록 한다.
이에 의해 상기 실시예에 따른 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치는, 효율은 15.64%, Voc는 1.41V, Jsc는 14.07mA/cm2, Fill Factor는 0.857로 측정되었다.
도 7(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 다중접합 태양전지에 대한 모식도이고, 도 7(b)는 본 발명의 일실시예에 따라 다중접합 태양전지의 두께와 에너지 밴드갭 등의 조절에 따른 외부 양자 효율 변화를 나타낸 것으로, 이에 의해 다양한 발광 파장을 갖는 양자점에 최적화된 다중접합 태양전지를 설계할 수 있다.
이렇게 제조된 태양전지는 발광 태양 집광기의 발광체의 발광 파장에 최적화된 광흡수층을 갖는 것으로서, 발광체를 이용하는 발광 태양 집광기의 싸이드에 형성되어 발광형 태양 집광 장치를 제공하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지는 다중접합 구조로, 발광체의 발광 파장에 최적화가 용이하고, 다중접합 태양전지의 서브셀 간의 전류 매칭에 따른 개방전압을 상승시켜 광전변환 효율을 더욱 향상시키는 것이다.
또한 다중접합 태양전지는 기존의 단일접합 태양전지에 비해 출력전압이 2배 이상이기 때문에 응용제품의 정격 전압을 맞추기 용이하며 직렬연결 수를 줄일 수 있기 때문에 전체 모듈의 효율을 높일 수 있게 된다.
이에 의해 발광체에서 발광된 빛은 태양전지의 흡수 표면으로 입사되어 광흡수층에서 흡수되어 전기에너지로 변환되게 되며, 다양한 발광체의 발광 파장의 빛을 흡수하여 발광 태양 집광기에서 집광된 빛의 손실이 최소화되어 태양전지에 흡수되도록 하여 효율이 향상된 발광형 태양 집광 장치를 제공하게 된다.
10 : 발광 태양 집광기 11 : 발광체
20 : 태양전지 21 : 광흡수층, 서브셀
21a : 터널접합층 22 : 후면전극
23 : 이종기판 24 : 전면전극
30 : 에피성장용 기판 35 : 희생층
40 : 공정용 임시기판

Claims (13)

  1. 발광체를 이용한 발광 태양 집광기를 포함하는 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법에 있어서,
    에피성장용 기판 상부에 형성되며, 상기 발광체에서 발광되는 빛의 특정 파장에 대응하여 밴드갭이 조절된 광흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광흡수층 상부에 후면전극을 형성시키는 단계;
    상기 후면전극 상에 이종기판을 형성시키는 단계;
    상기 광흡수층으로부터 상기 에피성장용 기판을 제거하는 단계;
    상기 이종기판 하부에 공정용 임시기판을 형성하는 단계;
    상기 광흡수층 상층에 전면전극을 형성하는 단계; 및
    상기 이종기판으로부터 공정용 임시기판을 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
    상기 광흡수층은 서로 다른 흡수 파장을 갖는 N개의 서브셀(N : 1 이상 자연수)로 이루어지며, 각 셀은 터널접합(Tunnel junction)되어 다중접합을 이루고,
    상기 발광 태양 집광기는 유리창 사이에 양자점이 포함된 고분자 코팅층으로 이루어진 발광체로 형성되며,
    상기 태양전지는 입사 표면이 대향되도록 상기 발광 태양 집광기 상하, 좌우에 형성되고,
    상기 서브셀은 빛이 입사되는 방향으로부터 단파장에서 장파장의 빛을 흡수하도록 배치되며, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 단파장(300nm 이상 550nm 미만)인 경우 (AlxGa1-x)0.5In0.5P(0<x<1)를 포함하고, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 중간파장(550nm 이상 800nm 미만)인 경우 AlxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하고, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 장파장(800nm 이상 3350nm 이하)인 경우 InxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하고, 이 중 둘 이상의 서브셀이 터널접합되어 형성되며
    상기 서브셀은, 광흡수층의 두께 조절 또는 밴드갭의 조절로 전류를 매칭하여 다중접합 태양전지의 개방전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법.
  2. 삭제
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  5. 제 1항에 있어서, 상기 태양전지는,
    실리콘, 유리, quartz, 메탈 호일(metal foil) 및 플라스틱 필름 중 어느 하나의 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 광흡수층을 형성하기 전에,
    상기 에피성장용 기판 상부에 희생층을 먼저 형성하는 것을 특징으로 하는 발광형 태양 집광 장치용 다중접합 태양전지의 제조방법.
  8. 발광체를 이용한 발광 태양 집광기;
    상기 발광 태양 집광기 싸이드에 형성되어 상기 발광체에서 발광된 빛을 흡수하여 전기에너지로 변환시키는 태양전지;를 포함하여 구성되며,
    광흡수층이 서로 다른 흡수 파장을 갖는 N개의 서브셀(N : 1 이상 자연수)로 이루어지며, 각 서브셀은 터널접합(Tunnel junction)으로 다중접합을 이루어,
    상기 다중접합 태양전지는 상기 발광체에서 발광되는 빛의 특정 파장에 대응하여 광흡수층의 밴드갭이 조절되어 형성되며,
    상기 발광 태양 집광기는 유리창 사이에 양자점이 포함된 고분자 코팅층으로 이루어진 발광체로 형성되며,
    상기 태양전지는 입사 표면이 대향되도록 상기 발광 태양 집광기 상하, 좌우에 형성되고,
    상기 서브셀은 빛이 입사되는 방향으로부터 단파장에서 장파장의 빛을 흡수하도록 배치되며, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 단파장(300nm 이상 550nm 미만)인 경우 (AlxGa1-x)0.5In0.5P(0<x<1)를 포함하고, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 중간파장(550nm 이상 800nm 미만)인 경우 AlxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하고, 상기 발광체에서 발광된 빛의 파장이 장파장(800nm 이상 3350nm 이하)인 경우 InxGa1-xAs(0<x<1)를 포함하고, 이 중 둘 이상의 서브셀이 터널접합되어 형성되며,
    상기 서브셀은 광흡수층의 두께 조절 또는 밴드갭의 조절로 전류를 매칭하여 개방전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치.
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  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 8항에 있어서, 상기 태양전지는,
    실리콘, 유리, quartz, 메탈 호일(metal foil), 플라스틱 필름 중 어느 하나의 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 다중접합 태양전지를 이용한 발광형 태양 집광 장치.


  13. 삭제
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