KR102515398B1 - 투명한 태양전지 및 그 제작방법 - Google Patents

투명한 태양전지 및 그 제작방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102515398B1
KR102515398B1 KR1020210041731A KR20210041731A KR102515398B1 KR 102515398 B1 KR102515398 B1 KR 102515398B1 KR 1020210041731 A KR1020210041731 A KR 1020210041731A KR 20210041731 A KR20210041731 A KR 20210041731A KR 102515398 B1 KR102515398 B1 KR 102515398B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
groove
transparent
solar cell
transparent substrate
lower electrode
Prior art date
Application number
KR1020210041731A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220135700A (ko
Inventor
황진영
Original Assignee
한국항공대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국항공대학교산학협력단 filed Critical 한국항공대학교산학협력단
Priority to KR1020210041731A priority Critical patent/KR102515398B1/ko
Publication of KR20220135700A publication Critical patent/KR20220135700A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102515398B1 publication Critical patent/KR102515398B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/048—Encapsulation of modules
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/10—Photovoltaic [PV]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는, 투명기판; 상측으로 개구된 홈개구부와 상기 홈개구부를 제외하고 폐쇄된 홈내면을 가지도록 상기 투명기판의 상면에 오목하게 형성된 홈; 상기 홈내면 상에 형성된 제1하단전극과, 상기 제1하단전극에서 연장되며 상기 투명기판 상에 형성된 제2하단전극을 포함하는 하단전극; 상기 홈의 내부에 형성된 상기 제1하단전극 상에 형성된 전자기파 흡수층; 및 상기 홈의 내부에 형성된 상기 전자기파 흡수층 상에 형성된 제1상단전극과, 상기 제1상단전극에서 연장되며 상기 투명기판 상에 형성된 제2상단전극을 포함하는 상단전극을 포함하며, 상기 하단전극과 상기 상단전극은 직접적으로 서로 접촉하지 않는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.

Description

투명한 태양전지 및 그 제작방법{Transparent solar cell and its manufacturing method}
본 발명은 투명한 태양전지 및 그 제작방법에 관한 것으로, 가시광선을 투과시키되 특정 전자기파를 흡수하여 전기에너지를 생성하는 투명한 태양전지 및 그 제작방법에 관한 것이다.
태양전지 기술은 태양광을 흡수하여 전기에너지를 생성할 수 있는 기술을 말한다. 종래의 불투명 태양전지 패널은 건물의 옥상, 지붕, 외벽에 설치되어 건축물의 미관을 해치거나, 추가적인 구조물 설치로 인한 위험을 초래할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 가시광을 투과시킬 수 있는 투명한 태양전지가 개발되었다.
투명한 태양전지는 빌딩의 창문유리에 사용됨으로써, 창문의 기능 뿐만 아니라 태양광을 전기에너지로 바꾸어 빌딩에 공급할 수 있다. 또는, 투명 태양전지를 디스플레이 패널의 커버글래스 대신하여 사용하기 되면, 투명 태양전지는 디스플레이의 기능을 수행하면서 동시에 백라이트와 외부 빛을 이용하여 전기에너지를 만들 수 있다.
또한, 투명 태양전지가 IOT 디바이스나 웨어러블 디바이스에 적용될 경우, IOT 디바이스나 웨어러블 디바이스는 자가 발전을 통해 사용 가능하기 때문에 배터리 충전과 교환의 문제를 해소할 수 있다. 또는, 투명 태양전지는 자동차의 유리에 적용함으로써, 전기 자동차의 배터리에 전기에너지를 공급할 수 있다.
종래에는, 투명기판의 전면에 도포된 흡수층의 에너지 밴드갭을 조절하여 가시광의 전부 혹은 일부를 투과시키고 큰 에너지를 가지는 광을 흡수하는 방법을 채용한 종래의 제1 투명 태양전지와, 태양광을 흡수하는 흡수층의 두께를 얇게하여 입사되는 태양광의 일부를 흡수하고 나머지를 투과시키는 방법을 채용한 종래의 제2 투명 태양전지가 있다.
도 12는 Schockley-Queisser equation을 이용하여 계산된 AM1.5 입사조건에서, 종래의 태양전지들의 태양전지 한계 효율에 대한 그래프 이다.
도 12를 참조하면, 파란색 점선은 단일 흡수층을 갖는 불투명 태양전지의 한계효율이며, 빨간색 실선은 종래의 제1 투명 태양전지의 한계효율이며, 초록색 실선은 종래의 제2 투명 태양전지의 한계효율이다. 다만, 종래의 투명 태양전지의 경우 평균 가시광 투과율을 70% 이상으로 제한하여 계산된 값이다.
그러나, 도 12에 도시된 바와 같이, 종래의 투명 태양전지는 불투명한 태양전지에 비하여 광 흡수률이 낮기 때문에 에너지 변환 효율이 낮은 문제점을 가진다. 상세히 살펴보면, 종래의 불투명 태양전지는 에너지 밴드갭이 약 1.2eV 일 때 약 33%의 최대 한계효율을 가지는데 반해, 종래의 투명 태양전지는 최대 한계효율을 약 13%로 가질 뿐이다.
종래의 제1 투명 태양전지는 흡수층의 밴드갭이 약 2.45eV 일 때 최대 한계효율을 가지고, 가시광 중 파장이 500nm 보다 짧은 빛을 모두 흡수하여 전기에너지를 생산하고, 이보다 긴 파장의 가시광을 모두 투과시켜서 가시광선의 투과율을 70%로 유지할 수 있다. 이 경우 흡수층에 대한 두께 제한은 없다.
한편, 종래의 제2 투명 태양전지는 흡수층의 밴드갭을 약 1.6eV 와 2.45eV 사이로 구성할 경우 종래의 제1 투명 태양전지 보다 항상 작은 효율을 가질 수 밖에 없다. 나아가, 흡수층의 밴드갭이 가시광 보다 작은 에너지를 갖는다면(약 1.6eV 이하), 흡수층에 대부분의 가시광이 흡수되는 문제도 발생하며 약 1.1eV 인 경우 최대 10%의 효율을 갖을 수 잇다.
또한, 도로교통법 상 자동차 앞면 창유리의 평균 가시광 투과율은 70% 이상이 되어야 하기 때문에, 투명한 태양전지를 자동차 유리로 사용할 경우 투명 태양전지의 평균 가시광 투과율은 70% 이상을 가지도록 설계되어야 한다.
대한민국 공개특허 제10-2021-0025282호 (2021.03.09.)
본 발명은 가시광선을 투과시키면서 다른 광을 흡수하여 전기에너지를 생성하는 투명한 태양전지를 제안한다.
본 발명은 종래의 투명 태양전지의 에너지 변환효율의 한계를 극복하기 위해 3차원 입체 구조의 투명한 태양전지를 제안한다.
본 발명은 평균 가시광 투과율을 70%이상 가지면서 종래의 투명 태양전지 대비 높은 에너지 변환효율을 가지는 투명한 태양전지를 제안한다.
본 발명은 투명기판 내 태양전지가 형성된 영역으로 입사한 태양광을 흡수할 뿐 만 아니라 태양전지가 형성되지 않은 영역으로 입사한 태양광을 흡수하는 투명한 태양전지를 제안한다.
본 발명의 실시예는, 투명기판; 상측으로 개구된 홈개구부와 상기 홈개구부를 제외하고 폐쇄된 홈내면을 가지도록 상기 투명기판의 상면에 오목하게 형성된 홈; 상기 홈내면 상에 형성된 제1하단전극과, 상기 제1하단전극에서 연장되며 상기 투명기판 상에 형성된 제2하단전극을 포함하는 하단전극; 상기 홈의 내부에 형성된 상기 제1하단전극 상에 형성된 전자기파 흡수층; 및 상기 홈의 내부에 형성된 상기 전자기파 흡수층 상에 형성된 제1상단전극과, 상기 제1상단전극에서 연장되며 상기 투명기판 상에 형성된 제2상단전극을 포함하는 상단전극을 포함하며, 상기 하단전극과 상기 상단전극은 직접적으로 서로 접촉하지 않는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 하단전극과 상기 상단전극은 투명한 재질로 형성되는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 전자기파 흡수층에서 연장되며, 상기 투명기판 상에서 상기 홈개구부의 둘레를 감싸는 보호영역 안에 형성된 보호층을 포함하며, 상측에서 투영시켜서 보았을 때 상기 보호층은 상기 제2하단전극과 겹쳐지지 않는 제1보호영역과, 상기 제2상단전극과 겹쳐지지 않는 제2보호영역과, 상기 제2하단전극 및 상기 제2상단전극과 겹쳐지지 않는 제3보호영역을 포함하는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 홈내면은 홈바닥부과 홈내측면을 포함하며, 상기 제1하단전극은 상기 홈바닥부와 상기 홈내측면의 모든 영역 상에 형성되며, 상기 전자기파 흡수층은 상기 홈의 내부에 형성된 상기 제1하단전극의 모든 영역 상에 형성되며, 상기 제1상단전극은 상기 홈의 내부에 형성된 상기 전자기파 흡수층의 모든 영역 상에 형성되는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2하단전극과 상기 제2상단전극은 상기 투명기판의 상면에서 상기 홈을 제외한 영역에서 교차하지 않는 것을 특징으로 하는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 홈은 상기 투명기판의 상면에 복수로 형성되며, 상기 복수의 홈은 특정한 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 홈의 수평 길이보다 수직 길이가 더 큰 것을 특징으로 하는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 자외선을 산란시키기 위해 상기 투명기판의 상단에 형성된 자외선 산란층을 포함하는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 자외선을 반사시키기 위해 상기 투명기판의 하단에 형성된 자외선 반사층을 포함하는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 적외선을 산란시키기 위해 상기 투명기판의 하단에 형성된 적외선 산란층을 포함하는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 적외선을 반사시키기 위해 상기 투명기판의 하단에 형성된 적외선 반사층을 포함하는, 투명한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는, 투명한 태양전지의 제작방법에 있어서, 상측으로 개구된 홈개구부와 상기 개구부를 제외하고 폐쇄된 홈내면을 가지도록 오목한 홈이 형성된 투명기판을 제작하는 과정; 상기 홈내면 상에 형성된 제1하단전극과, 상기 제1하단전극에서 연장되며 상기 투명기판 상에 형성된 제2하단전극을 포함하는 하단전극을 상기 투명기판에 생성하는 과정; 상기 홈의 내부에 형성된 상기 제1하단전극 상에 형성된 전자기파 흡수층을 상기 투명기판에 생성하는 과정; 상기 홈의 내부에 형성된 상기 전자기파 흡수층 상에 형성된 제1상단전극과, 상기 제1상단전극에서 연장되며 상기 투명기판 상에 형성된 제2상단전극을 포함하는 상단전극을 상기 투명기판에 생성하는 과정을 포함하는, 투명한 태양전지의 제작방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 하단전극과 상기 상단전극은 투명한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명한 태양전지의 제작방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 전자기파 흡수층에서 연장되며, 상기 투명기판 상에서 상기 홈개구부의 둘레를 감싸는 보호영역 안에 형성된 보호층을 생성하는 과정을 더 포함하는, 투명한 태양전지의 제작방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 투명기판의 상단에 자외선을 산란시키는 자외선 산란층을 생성하는 과정을 더 포함하는, 투명한 태양전지의 제작방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 투명기판의 하단에 자외선을 반사시키는 자외선 반사층, 적외선을 산란시키는 적외선 산란층, 적외선을 반사시키는 적외선 반사층 중 적어도 하나를 생성하는 과정을 더 포함하는, 투명한 태양전지의 제작방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는 가시광선을 투과시키면서 다른 광을 흡수하여 전기에너지를 생성하는 효과를 가진다.
본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는 종래의 투명 태양전지의 에너지 변환효율의 한계를 극복하는 효과를 가진다.
본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는 평균 가시광 투과율을 70%이상 가지면서 종래의 투명 태양전지 대비 높은 에너지 변환효율을 가지는 효과를 가진다.
본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는 투명기판 내 태양전지가 형성된 영역으로 입사한 태양광을 흡수할 뿐 만 아니라 태양전지가 형성되지 않은 영역으로 입사한 태양광을 흡수하는 효과를 가진다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 사시도를 도시한 것이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 평면도를 도시한 것이고, 도 1c는 도 1a에서 A 부분의 단면도를 도시한 것이고, 도 1d는 도 1a에서 B 부분의 단면도를 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 동작시 태양광의 진행경로를 도시한 것이다. 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지에 광학요소를 부가한 경우 동작시 태양광의 진행경로를 도시한 것이다. 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 한계효율을 도시한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에서 투명기판의 표면 위에 자외선 산란층을 배치한 경우를 도시한 것이다. 도3c는 반지름이 35 ~ 65 nm인 TiO2 나노입자가 분산된 투명 고분자 필름(굴절률 1.6)의 산란 단면적(scattering cross section)의 그래프를 도시한 것이다. 도 3d 및 도 3e는 본 발명의 실시예에서 투명기판의 하단에 자외선 반사층을 배치한 경우를 도시한 것이다. 도 3f는 distributed Bragg reflector(DBR)의 투과도 스펙트럼의 그래프를 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에서 투명기판의 하단에 적외선 산란층 및 적외선 반사층을 배치한 경우를 도시한 것이다. 도 4c는 SiO2, HfO2로 이루어진 DBR의 투과 스펙트럼의 그래프를 도시한 것이다. 도 4d는 원반형 은나노 입자가 분산된 투명 고분자 필름 및 필름에서 산란하는 파장의 그래프를 도시한 것이다(출처: Transparent near-infrared reflector metasurface with randomly dispersed silver nanodisks, Tani et al., Opt. Express, 22, 8, 9296, (2014)).
도 5는 본 발명의 실시예에서 자외선과 적외선의 광경로 변경을 위한 광학요소들이 배치된 경우를 도시한 경우이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 제작방법에 관한 것이다.
도 7(a) 내지 도 11(c)는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 제작방법의 각 과정을 설명하기 위한 도면이며, 각 도의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 사시도, 사시도의 A 단면도, 사시도의 B 단면도를 도시한 것이다.
도 12는 Schockley-Queisser equation을 이용하여 계산된 AM1.5 입사조건에서, 종래의 태양전지들의 태양전지 한계 효율에 대한 그래프 이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참고하여 투명한 태양전지 및 그 제작방법에 대해 설명한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 사시도를 도시한 것이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 평면도를 도시한 것이고, 도 1c는 도 1a에서 A 부분의 단면도를 도시한 것이고, 도 1d는 도 1a에서 B 부분의 단면도를 도시한 것이다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와, 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는, 투명기판(100), 홈(200), 하단전극(300), 전자기파 흡수층(400), 상단전극(500)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는, 태양광 중 가시광선을 투과시키고, 적외선 및 자외선 중 적어도 하나를 흡수하여 전기에너지를 생성할 수 있다. 투명한 태양전지가 대략 380nm~800nm의 파장 범위를 가지는 가시광선을 흡수하지 않고 투과시킴으로써, 가시광선만 볼 수 있는 사람의 눈에 태양전지 소자는 투명하게 보이게 된다. 한편, 투명한 태양전지는 대략 380nm 이하의 파장 범위를 가지는 자외선 및 대략 800nm 이상의 파장 범위를 가지는 적외선 중 적어도 하나를 흡수하여 전기에너지를 생성할 수 있다.
투명기판(100)은 가시광선, 적외선, 자외선 등과 같은 태양광을 투과시킬 수 있는 투명한 재질이라면 어떠한 물질로도 구성될 수 있다. 투명기판(100)은 유리 재질의 기판이거나 폴리이미드와 같은 투명 고분자 물질로 형성될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 홈(200)은 투명기판(100)의 상면에 투명기판(100)의 내측으로 오목하게 형성될 수 있다. 홈(200)은 상측으로 개구된 홈개구부(230)와, 상기 홈개구부(230)를 제외하고 폐쇄된 홈내면(210, 220)을 가질 수 있다. 홈(200)은 투명기판(100)을 상하로 관통하지 않도록 형성된다.
홈(200)은 투명기판(100) 상에 복수개로 형성될 수 있다. 복수의 홈(200)은 투명기판(100)의 상측 전체 표면 중 대략 30%에 해당하는 면적으로 형성될 수 있다. 다시 말해, 복수의 홈(200)이 형성된 투명기판(100)의 표면 면적과 홈(200)이 형성되지 않는 투명기판(100)의 표면 면적은 대략 3 대 7의 비율을 가질 수 있다. 다만, 후술할 전자기파 흡수층(400)이 가시광선을 모두 흡수하지 않는 경우 홈(200)이 형성된 투명기판(100)의 표면 면적은 30% 보다 커질 수 있다.
복수의 홈(200)들은 투명기판(100) 상에 특정한 패턴을 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정한 패턴은 수직/수평한 2차원 배열 형태일 수 있으며, 일측은 경사지고, 한쪽은 수직 혹은 수평한 2차원 배열 형태일 수 있다.
홈(200)의 형상은 육면체, 원통형 기둥, 삼각기둥, 오각기둥, 육각기둥 등과 같은 다각기둥 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 홈(200)의 형상은 역원뿔, 역원뿔대, 역삼각뿔, 역삼각뿔대, 역사각뿔, 역사각뿔대 등과 같은 역다각뿔, 역다각뿔대 중 어느 하나일 수 있다.
홈(200)은 투명기판(100)의 내측으로 오목하게 구비되고, 홈내면(210, 220)은 홈(200)의 내측 바닥에 형성된 홈바닥부(210)와, 홈바닥부(210)을 제외한 홈(200)의 측면을 형성하는 홈내측면(220)을 포함할 수 있다.
홈(200)의 형상에 따라, 홈바닥부(210)는 투명기판(100)의 상면 혹은 하면과 나란하게 평평한 면으로 형성되거나, 꼭지점으로 형성될 수 있다. 또한, 홈(200)의 형상에 따라, 홈바닥부(210)는 홈개구부(230)와 동일한 면적으로 가지거나, 홈개구부(230) 보다 작은 면적을 가질 수 있다. 또한, 홈(200)의 형상에 따라, 홈내측면(220)은 수직한 측면으로 형성되거나, 하측으로 갈수록 연장선이 만나도록 경사지게 형성될 수 있다.
홈(200)은 수평 길이보다 더 긴 수직 길이를 가질 수 있다. 또한, 홈(200)은 상측 보다 하측에서 홈(200)의 수평 단면적이 작게 형성될 수 있다. 홈(200)은 상측에서 하측으로 갈수록 수평 단면적이 작아지도록 형성될 수 있다.
홈(200)은 내측에 태양전지를 포함할 수 있다. 태양전지는 하단전극(300), 전자기파 흡수층(400), 상단전극(500)을 포함할 수 있다. 태양전지는 태양광을 흡수하여 전기를 생성할 수 있다.
홈(200)은 유리 기판의 상단에 리소그래피 기법을 이용하여 포토레지스트로 패턴을 만들거나, 쉐도우 마스크를 이용하여 특정 면적만 에칭하여 투명기판(100)에 생성할 수 있다. 또한, 홈(200)은 나노임프린팅 방식을 이용하여 폴리이미드와 같은 투명 고분자 재질을 가지는 투명기판(100) 상에 형성될 수 있다.
하단전극(300)과 상단전극(500)은 투명한 재질로 형성되어 가시광선을 통과시킬 수 있다. 또한, 하단전극(300)과 상단전극(500)은 서로 직접적으로 접촉되지 않도록 구비될 수 있다.
하단전극(300)은 홈(200)의 내부에 형성되어 태양전지의 한쪽 전극으로 기능할 수 있다. 하단전극(300)은 ITO, 그래핀, 금속 나노와이어 랜덤 네트워크 와 같은 투명전극 물질로 형성될 수 있다.
하단전극(300)은 전자기파 흡수층(400)의 하단에 배치될 수 있다. 하단전극(300)은 홈내면(210, 220) 상에 형성된 제1하단전극(300a)과, 제1하단전극(300a)에서 연장되며 투명기판(100) 상에 형성된 제2하단전극(300b)을 포함할 수 있다.
제1하단전극(300a)은 홈내면(210, 220)에서 홈바닥부(210) 및 홈내측면(220) 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 또는, 제1하단전극(300a)은 홈바닥부(210)와 홈내측면(220)의 모든 영역 상에 형성될 수 있다.
제2하단전극(300b)은 외부와 연결하기 위하여 투명기판(100) 상에 도포되어 형성될 수 있다. 제2하단전극(300b)은 다른 홈(200)들에 형성된 다른 제1하단전극(300a)들을 전기적으로 서로 연결할 수 있다. 제2하단전극(300b)은 복수의 홈(200)들의 배치가 2차원 배열 구조를 갖는 경우 교차하는 띠모양으로 배치될 수 있다. 하단전극(300)은 투명하기 때문에 투명기판(100) 상에 형성된 제2하단전극(300b)에 의해서 평균 가시광선 투과율을 거의 나쁘게 하지 않는다.
전자기파 흡수층(400)은 홈(200)의 내부에 형성되어 태양전지에서 태양광을 흡수하는 기능할 수 있다. 전자기파 흡수층(400)은 홈(200)의 내부에 형성된 하단전극(300)(혹은 제1하단전극(300a)) 상에 형성될 수 있다. 전자기파 흡수층(400)은 홈내면(210, 220)의 홈바닥부(210)에 형성된 제1하단전극(300a) 및 홈내측면(220)에 형성된 제1하단전극(300a) 중 적어도 하나의 상단에 형성될 수 있다. 또는, 전자기파 흡수층(400)은 홈(200)의 내부에 형성된 제1하단전극(300a)의 모든 영역 상에 형성될 수 있다.
전자기파 흡수층(400)은 페로브스카이트, 양자점, 고분자, CIGS 등과 같은 물질로 제작될 수 있다. 전자기파 흡수층(400)은 홈(200)의 내면에 균일하게 도포 가능하다면 기체 혹은 액체 상으로 박막 형태로 생성될 수 있다. 전자기파 흡수층(400)은 홈내면(210, 220)에 박막으로 도포하기 위해 흡수층 물질을 기체 혹은 액체 상태로 만들어 홈내면(210, 220)에 도포한 후에 응결/소결하여 고체상의 박막형태로 생성될 수 있다.
상단전극(500)은 홈(200)의 내부에 형성되어 태양전지의 다른 한쪽 전극으로 기능할 수 있다. 상단전극(500)은 ITO, 그래핀, 금속 나노와이어 랜덤 네트워크 와 같은 투명전극 물질로 형성될 수 있다.
상단전극(500)은 전자기파 흡수층(400)의 상단에 배치될 수 있다. 상단전극(500)은 홈내면(210, 220) 상에 형성된 전자기파 흡수층(400) 상에 형성된 제1상단전극(500a)과, 제1상단전극(500a)에서 연장되며 투명기판(100) 상에 형성된 제2상단전극(500b)을 포함할 수 있다.
제1상단전극(500a)은 홈내면(210, 220)에서 홈바닥부(210)에 형성된 전자기파 흡수층(400) 및 홈내측면(220)에 형성된 전자기파 흡수층(400) 중 적어도 하나의 상면에 형성될 수 있다. 또는, 제1상단전극(500a)은 홈(200) 내부에 형성된 전자기파 흡수층(400)의 모든 영역 상에 형성될 수 있다.
제2상단전극(500b)은 외부와 연결하기 위하여 투명기판(100) 상에 도포되어 형성될 수 있다. 제2상단전극(500b)은 다른 홈(200)들에 형성된 다른 제1상단전극(500a)들을 전기적으로 서로 연결할 수 있다. 제2상단전극(500b)은 복수의 홈(200)들의 배치가 2차원 배열 구조를 갖는 경우 교차하는 띠모양으로 배치될 수 있다. 상단전극(500)은 투명하기 때문에 투명기판(100) 상에 형성된 제2상단전극(500b)에 의해서 평균 가시광선 투과율을 거의 나쁘게 하지 않는다.
제2하단전극(300b)과 제2상단전극(500b)은 투명기판(100)의 상면에서 서로 직접적으로 접촉을 피하기 위하여 홈(200)을 제외한 영역에서 교차하지 않도록 배치될 수 있다. 복수의 홈(200)들이 서로 수직/수평하게 2차원 배열된 경우에 제2하단전극(300b)과 제2상단전극(500b)은 서로 수직한 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 제2하단전극(300b)과 제2상단전극(500b) 사이의 접촉이 일어나지 않도록 하기 위하여 제2하단전극(300b)과 제2상단전극(500b)의 폭은 태양전지의 폭 보다 좁게 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는 투명기판(100) 상에 형성된 보호층(410)을 더 포함할 수 있다.
보호층(410)은 제2하단전극(300b)과 제2상단전극(500b) 사이의 직접적인 접촉이 일어나지 않도록 제2하단전극(300b)과 제2상단전극(500b) 사이를 분리하는 기능을 가진다. 보호층(410)은 제2하단전극(300b)과 제2상단전극(500b) 사이에 배치될 수 있다.
보호층(410)은 전자기파 흡수층(400)에서 연장되며, 투명기판(100) 상에서 홈개구부(230)의 둘레를 감싸는 보호영역(420) 안에 형성될 수 있다. 보호층(410)은 홈개구부(230)에서 이격된 영역까지 넘게 도포된 전자기파 흡수층(400)으로 형성할 수 있다. 보호층(410)은 전자기파 흡수층(400)과 동일한 재질 혹은 동일한 구조로 형성될 수 있으며, 전자기파 흡수층(400)이 생성될 때 함께 생성될 수 있다.
도 1b 내지 도 1d를 참조하면, 보호층(410)은 투명기판(100)의 상측에서 보았을 때, 제2하단전극(300b)과 겹쳐지지 않는 제1보호영역(410a)과, 제2상단전극(500b)과 겹쳐지지 않는 제2보호영역(410b)과, 제2하단전극(300b) 및 제2상단전극(500b)과 겹쳐지지 않는 제3보호영역(410c) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이로써, 제2하단전극(300b)과 제2상단전극(500b)은 보호층(410)에 의해서 서로 직접적으로 접촉하는 것을 제한할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 투명기판(100)의 상면은 제2하단전극(300b) 및 제2상단전극(500b) 모두에 의해 도포되지 않는 비전극영역(110a), 제2하단전극(300b)에 의해 도포된 하단영역(110b), 제2상단전극(500b)에 의해 도포된 상단영역(110c), 복수의 홈(200)들이 형성된 홈영역(110d)을 포함할 수 있다.
비전극영역(110a)은 태양광이 투과하는 영역이며, 하단영역(110b)과 상단영역(110c)은 제2하단전극(300b)과 제2상단전극(500b)이 투명한 재질로 형성되기 때문에 비전극영역(110a) 보다는 투과율이 낮지만, 대부분의 태양광이 투과하는 영역이며, 홈영역(110d)은 태양광을 흡수하는 영역이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 동작시 태양광의 진행경로를 도시한 것이다. 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지에 광학요소를 부가한 경우 동작시 태양광의 진행경로를 도시한 것이다. 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 한계효율을 도시한 그래프이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는 투명기판(100)에 형성된 홈(200)에서 대부분의 태양광을 흡수하고, 투명기판(100)에 홈(200)이 없는 부분에서 대부분의 태양광을 통과시킴으로써, 태양광 중 70% 이상의 평균 가시광 투과율을 가질 수 있다. 투명기판(100)에 홈(200)이 없는 부분은 비전극영역(110a), 하단영역(110b), 상단영역(110c)을 포함할 수 있다.
태양광이 투명 태양전지에 조사되었을 때, 태양전지가 도포되지 않은 영역인 비전극영역(110a), 하단영역(110b), 상단영역(110c)에서 태양광은 투명기판(100)을 그대로 투과하여 태양전지의 가시광선 평균 투과도를 대략 70%로 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는 광학요소(600)를 더 포함할 수 있다.
광학요소(600)는 태양전지의 상단 혹은 하단에 추가될 수 있으며, 투명기판(100)에서 자외선 및 적외선의 경로는 광학요소(600)에 의해 회절 혹은 산란에 의해서 변경될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는 태양전지가 도포되지 않는 영역에 광학요소(600)를 배치하여 가시광은 그대로 투과되지만, 적외선 및 자외선은 진행경로를 바꿔 태양전지에 흡수될 수 있다.
가시광, 자외선, 적외선을 포함하는 태양광이 투명기판(100)을 통과할 때, 자외선 및 적외선은 투명기판(100)을 투과하지 않고 진행 경로를 바꾸어 홈(200)의 전자기파 흡수층에 흡수될 수 있다. 이 경우 평균 가시광선 투과율을 70%로 유지하면서 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2c를 참조하면, 본 발명의 자외선 및 적외선이 투명기판(100)을 통과하지 못하고, 태양전지에 흡수될 경우 자홍색(magenta) 실선에 해당하는 S-Q 모델에 따르며, 전자기파 흡수층(400)의 밴드갭이 약 1eV일 때, 최대효율은 약 19.5%를 달성할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에서 투명기판의 표면 위에 자외선 산란층을 배치한 경우를 도시한 것이다. 도3c는 반지름이 35 ~ 65 nm인 TiO2 나노입자가 분산된 투명 고분자 필름(굴절률 1.6)의 산란 단면적(scattering cross section)의 그래프를 도시한 것이다. 도 3d 및 도 3e는 본 발명의 실시예에서 투명기판의 하단에 자외선 반사층을 배치한 경우를 도시한 것이다. 도 3f는 distributed Bragg reflector(DBR)의 투과도 스펙트럼의 그래프를 도시한 것이다.
일 예의 광학요소(600)는 자외선을 산란, 회절시킬 수 있으며, 제2하단전극(300b), 제2상단전극(500b), 투명기판(100)의 상단에 배치될 수 있다. 광학요소(600)는 자외선을 산란 혹은 회절시키지만, 가시광선 및 적외선에는 영향을 미치지 않고 투과시킬 수 있다.
도 3a를 참조하면, 일 예의 광학요소(600)는 투명기판(100)의 표면 위에 배치되는 제1 자외선 산란층(610)일 수 있다. 제1 자외선 산란층(610)은 가시광선 및 적외선을 투과시키지만, 자외선은 산란되어 홈(200)의 내부에 도포된 태양전지의 밑면과 옆면에 의해 흡수될 수 있다.
제1 자외선 산란층(610)은 나노입자가 분산된 고분자 층이 투명기판(100) 상에 도포된 것일 수 있다. 제1 자외선 산란층(610)은 TiO2, HfO2와 같이 고굴절률을 갖는 산화물 나노입자를 polycarbonate, urethane acrylate, polyethylene terephthalate와 같은 투명 고분자 매질에 분산시킨 투명층을 투명기판(100) 위에 도포한 것일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 일 예의 광학요소(600)는 투명기판(100)의 표면 위에 배치되는 제2 자외선 산란층(620)일 수 있다. 제2 자외선 산란층(620)은 투과형 메타표면일 수 있다. 투과형 메타표면은 고굴절 산화물 나노 안테나를 규칙적으로 배열한 것으로, 투명기판(100) 혹은 태양전지 상단에 배치할 경우, 입사된 자외선만 선택적으로 회절시킬 수 있다.
도3c를 참조하면, 제시된 그래프는 TiO2 나노입자가 분산된 굴절률이 1.5인 투명 고분자 매질에서의 빛의 산란단면적(scattering cross section)이며, 자외선이 선택적으로 산란되는 것을 알 수 있다.
도 3d를 참조하면, 일 예의 광학요소(600)는 투명기판(100)의 하단에 배치되는 제1 자외선 반사층(630)일 수 있다. 제1 자외선 반사층(630)은 투명기판(100)의 하면 상에 형성된 반사형 메타표면일 수 있으며, 투명기판(100)을 통과한 자외선은 반사형 메타표면에 의해서 선택적으로 반사되어 홈(200)의 내부에 도포된 태양전지의 밑면과 옆면에 의해 흡수될 수 있다.
도 3e를 참조하면, 일 예의 광학요소(600)는 투명기판(100)의 하단에 배치되는 제2 자외선 반사층(640)일 수 있다. 제2 자외선 반사층(640)은 투명기판(100)의 하면 상에 형성된 UV 반사형 distributed Bragg reflector(DBR)일 수 있다.
DBR은 투명기판(100)을 투과하며, 태양전지에 흡수되지 못한 자외선을 다시 반사시켜 태양전지에 흡수되도록 할 수 있다. DBR는 TiO2와 HfO2 층을 번갈아가며 여러 층을 쌓아 제작할 수 있으며, 자외선을 모두 반사하고 가시광선 및 적외선을 모두 투과시킬 수 있다. DBR은 SiO2, HfO2, TiO2, MgF2, Si3N4와 같은 물질을 이용하여 제작될 수 있다.
도 3f를 참조하면, 투명기판 하단에 자외선만 선택적으로 반사를 시키는 DBR가 배치된 경우, 자외선은 통과하지 못하고 반사되어 태양전지에 흡수될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에서 투명기판의 하단에 적외선 산란층 및 적외선 반사층을 배치한 경우를 도시한 것이다. 도 4c는 SiO2, HfO2로 이루어진 DBR의 투과 스펙트럼의 그래프를 도시한 것이다. 도 4d는 원반형 은나노 입자가 분산된 투명 고분자 필름 및 필름에서 산란하는 파장의 그래프를 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 태양광의 스펙트럼에서 적외선은 전자기파 흡수층(400)이 도포되지 않는 투명기판의 영역(비전극영역(110a), 상단영역(110c), 하단영역(110b))을 통과하거나 전자기파 흡수층(400)에서 모두 흡수되지 않고 투과할 수 있다. 이는 전자기파 흡수층(400)의 밴드갭 보다 낮은 에너지를 가지는 적외선은 전자기파 흡수층(400)에 의해서 흡수되지 않기 때문이다. 한편, 전자기파 흡수층(400)의 밴드갭 보다 높은 에너지를 가지는 적외선은 전자기파 흡수층(400)의 두께가 충분히 두껍지 않다면 모두 흡수되지 않고, 일부 투과된다.
도 4a를 참조하면, 일 예의 광학요소(600)는 적외선을 산란 및 회절시키기 위해 투명기판(100)의 하단에 배치되는 제1 적외선 산란층(650)일 수 있다. 제1 적외선 산란층(650)은 적외선을 산란 혹은 회절시키지만, 가시광선에 영향을 미치지 않고 투과시킬 수 있다. 제1 적외선 산란층(650)은 적외선을 선택적으로 회절시키는 나노입자가 분산되어 있는 투명한 고분자 층일 수 잇다.
이로써, 광학요소(600)는 적외선의 경로를 바꾸어 태양전지에 다시 흡수시킬 수 있다. 제1 적외선 산란층(650)은 적외선을 선택적으로 산란시키는 나노입자로서, 나노입자는 indium tin oxide (ITO) 나노 입자, Cs-doped WOx (tungsten oxide) 나노입자, lanthanum hexaboride (LaB6), gold nanorods 등 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 도 4b를 참조하면, 일 예의 광학요소(600)는 적외선을 산란 및 회절시키기 위해 투명기판(100)의 하단에 배치되는 제2 적외선 산란층(670)일 수 있다. 제2 적외선 산란층(670)은 투과형 메타표면일 수 있다.
투과형 메타표면은 고굴절 산화물 나노 안테나를 규칙적으로 배열하거나, 메탈 나노입자를 규칙적으로 배열한 것으로, 투명기판(100) 혹은 태양전지 하단에 배치할 경우, 입사된 적외선만 선택적으로 회절시키고, 가시광선을 투과시킬 수 있다.
다시 도 4a를 참조하면, 일 예의 광학요소(600)는 투명기판(100)의 하단에 배치되는 적외선 반사층(660)일 수 있다. 적외선 반사층(660)은 투명기판(100)의 하단에 배치되면서 적외선을 선택적으로 회절시키는 나노입자가 분산되어 있는 투명한 고분자 층의 하단에 배치되어, 적외선을 반사시키지만 가시광선을 투과시킬 수 있다.
적외선 반사층(660)은 투명기판(100)의 하면 상에 형성된 IR 반사형 distributed Bragg reflector(DBR)일 수 있다. IR DBR은 투명기판(100)을 투과하며, 태양전지에 흡수되지 못한 적외선을 다시 반사시켜 태양전지에 흡수되도록 할 수 있다.
가시광선은 투명기판(100)을 그대로 투과하여 외부에 도달하지만, 고분자 층에서 산란된 적외선이 DBR에서 반사되어 상단의 홈(200) 내부의 태양전지의 밑면과 옆면에 흡수될 수 있다.
다시 도 4b를 참조하면, 적외선 반사층(660)은 투명기판(100)의 하단에 형성되고 적외선을 선택적으로 회절하는 메타표면의 하단에 형성되고 메타표면에서 회절된 적외선을 반사시키는 DBR일 수 있다. DBR에서 반사된 적외선은 홈(200)의 태양전지의 밑면과 옆면에 의해 흡수될 수 있다.
적외선을 선택적으로 반사시키는 DBR은 SiO2와 HfO2의 층을 여러번 번갈아가며 도포하여 제작될 수 있으며, 파장이 800 nm 이상인 적외선을 반사시킬 수 있다. 또한, DBR은 TiO2, MgF2, Si3N4와 같은 물질 중 적어도 2개 이상의 물질을 번갈아가며 도포하여 제작될 수 있다.
도 4c를 참조하면, DBR이 SiO2 및 HfO2으로 이뤄진 경우, DBR에서 투과되는 파장은 800 nm보다 긴 적외선을 반사시키고 가시광선을 거의 투과시킴을 알 수 잇다.
도 4d를 참조하면, 원반형 은나노 입자가 투명 고분자 매질에 분산되어 형성된 투명 고분자 필름은 가시광선에 아무런 영향을 주지 않아 투과시키지만, 파장의 길이가 800 nm 부근의 적외선을 선택적으로 산란(반사)시킴을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 자외선과 적외선의 광경로 변경을 위한 광학요소들이 배치된 경우를 도시한 경우이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지는 자외선 반사층(630, 640), 적외선 산란층(670), 및 적외선 반사층(660)을 투명기판(100)의 하단에 동시에 배치할 수 있다. 자외선 반사층(630, 640)은 광경로 상 상측에 배치되며, 적외선 반사층(660)은 자외선 반사층(630, 640) 보다 하측에 배치될 수 있다. 적외선 산란층(670)은 자외선 반사층(630, 640) 및 적외선 반사층(660) 사이에 혹은 적외선 반사층(660) 보다 광경로상 상측에 배치될 수 있다.
자외선 반사층(630, 640)은 자외선 반사 DBR 혹은 반사형 메타표면일 수 있으며, 적외선 산란층(670, 650)은 메타표면 혹은 나노입자를 포함한 고분자 층일 수 있으며, 적외선 반사층(660)은 적외선 반사 DBR일 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 제작방법에 관한 것이다. 도 7(a) 내지 도 11(c)는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 제작방법의 각 과정을 설명하기 위한 도면이며, 각 도의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 사시도, 사시도의 A 단면도, 사시도의 B 단면도를 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 제작방법은, 투명기판(100)을 제작하는 과정(S110), 하단전극(300)을 생성하는 과정(S120), 전자기파 흡수층을 생성하는 과정(S130), 상단전극(500)을 생성하는 과정(S140)을 포함할 수 있다. 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 투명한 태양전지의 제작방법은, 광학요소(600)를 생성하는 과정(S150)을 더 포함할 수 있다.
도 7(a) 내지 도 7(c)를 참조하면, 투명기판(100)을 제작하는 과정(S110)은 투명기판(100)의 위에 홈(200)를 파는 과정을 포함할 수 있다. 투명기판(100)을 제작하는 과정(S110)은 유리 기판의 상단에 리소그래피 기법을 이용하여 포토레지스트로 패턴을 만들거나, 쉐도우 마스크를 이용하여 특정 면적만 에칭하여 투명기판(100)에 홈(200)을 생성할 수 있다. 또한, 투명기판(100)을 제작하는 과정(S110)은 나노임프린팅 방식을 이용하여 폴리이미드와 같은 투명 고분자 재질을 가지는 투명기판(100) 상에 홈(200)을 형성될 수 있다.
도 8(a) 내지 도 8(c)를 참조하면, 하단전극(300)을 생성하는 과정(S120)은 투명기판(100)에 투명전극을 생성할 수 있다. 하단전극(300)인 투명전극은 홈(200)의 홈바닥부(210) 및 홈내측면(220)에 모두 도포되는 제1하단전극(300a)과, 제1하단전극(300a)에서 연장되고 투명기판(100) 상단에 띠 모양으로 형성된 제2하단전극(300b)을 포함할 수 있다.
하단전극(300)을 생성하는 과정(S120)은, 홈내면(210, 220) 및 투명기판(100)의 전면적에 투명전극을 고르게 도포하는 과정과, 투명기판(100)의 상단에 패턴을 생성하는 과정과, 패턴이 커버하지 못하는 영역의 투명전극을 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 패턴의 생성은 리소그래피 기법을 이용하여 포토레지스트로 패턴을 만들거나, 쉐도우 마스트를 이용하여 특정 면적만 에칭하여 패턴을 만들 수 있다.
또는, 하단전극(300)을 생성하는 과정(S120)은, 투명기판(100)의 표면에 포토레지스트로 패턴을 형성하는 과정과, 투명기판의 전면적에 투명전극을 도포하는 과정과, 모든 포토레지스트를 제거하면서 함께 투명전극을 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 이로써, 투명전극이 제거되고 제거되지 않는 영역에 투명전극의 패턴을 형성할 수 있다.
도 9(a) 내지 도 9(c)를 참조하면, 전자기파 흡수층을 생성하는 과정(S130)은, 하단전극(300)의 패턴 위에 전자기파 흡수층(400) 및 보호층(410)을 형성할 수 있다.
전자기파 흡수층(400)은 hole transport layer, electron transport layer 등으로 형성된 구성층을 포함할 수 있다. 구성층은 홈(200)의 홈바닥부(210) 및 홈내측면(220)에 도포되어야 한다. 또한, 보호층(410)은 하단전극(300) 및 상단전극(500)의 직접적인 접촉을 방지하기 위하여 홈내면(210, 220)에서 이어지게 투명기판(100)의 상단의 표면에 도포될 수 있다. 보호층(410)도 전자기파 흡수층(400)의 구성층과 동일한 구조를 가질 수 있다.
전자기파 흡수층(400) 및 보호층(410)을 형성하는 과정은, 홈(200)의 하단전극(300)의 상면 및 투명기판(100)의 전면적에 구성층을 고르게 도포하는 과정과, 투명기판(100)의 상단에 패턴을 생성하는 과정과, 패턴이 커버하지 못하는 영역의 구성층을 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 패턴의 생성은 리소그래피 기법을 이용하여 포토레지스트로 패턴을 만들거나, 쉐도우 마스트를 이용하여 특정 면적만 에칭하여 패턴을 만들 수 있다.
또는, 전자기파 흡수층(400) 및 보호층(410)을 형성하는 과정은, 투명기판(100)의 표면에 포토레지스트로 패턴을 형성하는 과정과, 투명기판의 전면적에 구성층을 도포하는 과정과, 모든 포토레지스트를 제거하면서 함께 일부의 구성층을 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 이로써, 일부의 구성층이 제거되고 제거되지 않는 영역에서 구성층의 패턴을 형성할 수 있다.
또는, 전자기파 흡수층(400) 및 보호층(410)을 형성하는 과정은, 홈(200)의 하단전극(300) 상면 및 투명기판(100)의 전체 표면에 구성층을 고르게 도포하는 과정과, 레이저를 이용하여 투명기판(100)의 상단에서 구성층을 제거함으로써 패턴을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
도 10(a) 내지 도 10(c)를 참조하면, 상단전극(500)을 생성하는 과정(S140)은 홈(200)의 내부 및 투명기판(100)에 투명전극을 생성할 수 있다. 상단전극(500)인 투명전극은 홈(200)의 내부에 도포된 전자기파 흡수층(400) 상에 형성된 제1상단전극(500a)과, 제1상단전극(500a)에서 연장되고 투명기판(100) 상단에 띠 모양으로 형성된 제2상단전극(500b)을 포함할 수 있다.
하단전극(300)과 상단전극(500)은 전자기파 흡수층(400) 및 보호층(410)의 하단과 상단에 배치되어 전자기파 흡수층(400) 및 보호층(410)에서 생성된 전기를 외부로 전달할 수 있다. 제2상단전극(500b)은 제2하단전극(300b)과 직접적인 접촉을 방지하기 위해 제2하단전극(300b)에 수직인 방향으로 띠 모양으로 도포될 수 있다. 또한, 제2상단전극(500b)은 홈(200)이 형성된 부분에서 제2하단전극(300b)과 교차할 수 있다.
상단전극(500)을 생성하는 과정(S120)은, 홈(200)의 내부에 형성된 전자기파 흡수층(400) 및 투명기판(100)의 전면적에 투명전극을 고르게 도포하는 과정과, 투명기판(100)의 상단에 패턴을 생성하는 과정과, 패턴이 커버하지 못하는 영역의 투명전극을 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 패턴의 생성은 리소그래피 기법을 이용하여 포토레지스트로 패턴을 만들거나, 쉐도우 마스트를 이용하여 특정 면적만 에칭하여 패턴을 만들 수 있다.
또는, 상단전극(500)을 생성하는 과정(S120)은, 투명기판(100)의 표면에 포토레지스트로 패턴을 형성하는 과정과, 투명기판의 전면적에 투명전극을 도포하는 과정과, 모든 포토레지스트를 제거하면서 함께 투명전극을 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 이로써, 투명전극이 제거되고 제거되지 않는 영역에 투명전극의 패턴을 형성할 수 있다.
도 11(a) 내지 도 11(c)를 참조하면, 광학요소(600)를 생성하는 과정(S150)은 자외선 산란층(610, 620)을 투명기판(100)의 상단에 형성하는 과정, 자외선 반사층(630, 640)을 투명기판(100)의 하단에 형성하는 과정, 적외선 산란층(650, 670)을 투명기판(100)의 하단에 형성하는 과정, 적외선 반사층(660)을 투명기판(100)의 하단에 형성하는 과정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
투명기판(100)의 하단에 배치되는 자외선 반사층(630, 640), 적외선 산란층(650, 670), 적외선 반사층(660)을 투명기판(100)은 순서대로 하측으로 배치될 수 있다(도 5 참조). 그러나, 이는 하나의 예시로, 자외선 반사층(630, 640), 적외선 산란층(650, 670), 적외선 반사층(660)의 순서는 다양한 배치를 가질 수 있다. 예를 들어, 적외선 산란층(650, 670)은 자외선 반사층(630, 640) 및 적외선 반사층(660) 보다 상측에(혹은 투명기판에 가깝게) 배치될 수 있다. 또는, 자외선 반사층(630, 640)은 적외선 산란층(650, 660) 및 적외선 반사층(660) 보다 하측 혹은 그 사이에 배치될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
투명기판(100)
홈(200)
하단전극(300)
전자기파 흡수층(400)
상단전극(500)
광학요소(600)

Claims (16)

  1. 투명기판;
    상기 투명기판의 상면에 복수개로 형성되며, 각각이 상측으로 개구된 홈개구부와 상기 홈개구부를 제외하고 폐쇄된 홈내면을 가지도록 오목하게 형성된 복수의 홈;
    상기 홈내면 상에 형성된 제1하단전극과, 상기 인접한 홈들의 제1하단전극을 서로 연결하도록 상기 복수의 홈이 형성되지 않은 상기 투명기판 상에 형성된 제2하단전극을 포함하는 하단전극;
    상기 홈의 내부에 형성된 상기 제1하단전극 상에 형성된 전자기파 흡수층; 및
    상기 홈의 내부에 형성된 상기 전자기파 흡수층 상에 형성된 제1상단전극과, 상기 인접한 홈들의 제1상단전극을 서로 연결하도록 상기 복수의 홈이 형성되지 않은 상기 투명기판 상에 형성된 제2상단전극을 포함하는 상단전극을 포함하며,
    상기 하단전극과 상기 상단전극은 띠모양을 가지며 직접적으로 서로 접촉하지 않으며,
    상기 제2하단전극과 상기 제2상단전극은 상기 투명기판의 상면에서 상기 홈을 제외한 영역에서 교차하지 않는 것을 특징으로 하는, 투명한 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하단전극과 상기 상단전극은 투명한 재질로 형성되는, 투명한 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자기파 흡수층에서 연장되며, 상기 투명기판 상에서 상기 홈개구부의 둘레를 감싸는 보호영역 안에 형성된 보호층을 포함하며,
    상측에서 투영시켜서 보았을 때 상기 보호층은 상기 제2하단전극과 겹쳐지지 않는 제1보호영역과, 상기 제2상단전극과 겹쳐지지 않는 제2보호영역과, 상기 제2하단전극 및 상기 제2상단전극과 겹쳐지지 않는 제3보호영역을 포함하는, 투명한 태양전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 홈내면은 홈바닥부과 홈내측면을 포함하며,
    상기 제1하단전극은 상기 홈바닥부와 상기 홈내측면의 모든 영역 상에 형성되며,
    상기 전자기파 흡수층은 상기 홈의 내부에 형성된 상기 제1하단전극의 모든 영역 상에 형성되며,
    상기 제1상단전극은 상기 홈의 내부에 형성된 상기 전자기파 흡수층의 모든 영역 상에 형성되는, 투명한 태양전지.
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 홈은 특정한 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는, 투명한 태양전지.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 홈의 수평 길이보다 수직 길이가 더 큰 것을 특징으로 하는, 투명한 태양전지.
  8. 제2항에 있어서,
    자외선을 산란시키기 위해 상기 투명기판의 상단에 형성된 자외선 산란층을 포함하는, 투명한 태양전지.
  9. 제2항에 있어서,
    자외선을 반사시키기 위해 상기 투명기판의 하단에 형성된 자외선 반사층을 포함하는, 투명한 태양전지.
  10. 제2항에 있어서,
    적외선을 산란시키기 위해 상기 투명기판의 하단에 형성된 적외선 산란층을 포함하는, 투명한 태양전지.
  11. 제2항에 있어서,
    적외선을 반사시키기 위해 상기 투명기판의 하단에 형성된 적외선 반사층을 포함하는, 투명한 태양전지.
  12. 투명한 태양전지의 제작방법에 있어서,
    상면에 복수개로 형성되며, 각각이 상측으로 개구된 홈개구부와 상기 홈개구부를 제외하고 폐쇄된 홈내면을 가지도록 오목한 복수의 홈이 형성된 투명기판을 제작하는 과정;
    상기 홈내면 상에 형성된 제1하단전극과, 상기 인접한 홈들의 제1하단전극을 서로 연결하도록 상기 복수의 홈이 형성되지 않은 상기 투명기판 상에 형성된 제2하단전극을 포함하는 하단전극을 상기 투명기판에 생성하는 과정;
    상기 홈의 내부에 형성된 상기 제1하단전극 상에 형성된 전자기파 흡수층을 상기 투명기판에 생성하는 과정;
    상기 홈의 내부에 형성된 상기 전자기파 흡수층 상에 형성된 제1상단전극과, 상기 인접한 홈들의 제1상단전극을 서로 연결하도록 상기 복수의 홈이 형성되지 않은 상기 투명기판 상에 형성된 제2상단전극을 포함하는 상단전극을 상기 투명기판에 생성하는 과정을 포함하며,
    상기 하단전극과 상기 상단전극은 띠모양을 가지며 직접적으로 서로 접촉하지 않으며,
    상기 제2하단전극과 상기 제2상단전극은 상기 투명기판의 상면에서 상기 홈을 제외한 영역에서 교차하지 않는 것을 특징으로 하는, 투명한 태양전지의 제작방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하단전극과 상기 상단전극은 투명한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명한 태양전지의 제작방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전자기파 흡수층에서 연장되며, 상기 투명기판 상에서 상기 홈개구부의 둘레를 감싸는 보호영역 안에 형성된 보호층을 생성하는 과정을 더 포함하는, 투명한 태양전지의 제작방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 투명기판의 상단에 자외선을 산란시키는 자외선 산란층을 생성하는 과정을 더 포함하는, 투명한 태양전지의 제작방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 투명기판의 하단에 자외선을 반사시키는 자외선 반사층, 적외선을 산란시키는 적외선 산란층, 적외선을 반사시키는 적외선 반사층 중 적어도 하나를 생성하는 과정을 더 포함하는, 투명한 태양전지의 제작방법.
KR1020210041731A 2021-03-31 2021-03-31 투명한 태양전지 및 그 제작방법 KR102515398B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210041731A KR102515398B1 (ko) 2021-03-31 2021-03-31 투명한 태양전지 및 그 제작방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210041731A KR102515398B1 (ko) 2021-03-31 2021-03-31 투명한 태양전지 및 그 제작방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220135700A KR20220135700A (ko) 2022-10-07
KR102515398B1 true KR102515398B1 (ko) 2023-03-29

Family

ID=83595498

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210041731A KR102515398B1 (ko) 2021-03-31 2021-03-31 투명한 태양전지 및 그 제작방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102515398B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010056525A (ja) * 2008-08-28 2010-03-11 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 太陽電池及びその製造方法
KR101718796B1 (ko) * 2016-02-22 2017-03-22 한국항공대학교산학협력단 광자변환 기술을 이용한 태양 전지 및 그 제조 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160028045A (ko) * 2014-09-02 2016-03-11 주식회사 와이텔포토닉스 태양전지
KR20210025282A (ko) 2019-08-27 2021-03-09 청주대학교 산학협력단 3차원 투명 태양전지 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010056525A (ja) * 2008-08-28 2010-03-11 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 太陽電池及びその製造方法
KR101718796B1 (ko) * 2016-02-22 2017-03-22 한국항공대학교산학협력단 광자변환 기술을 이용한 태양 전지 및 그 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220135700A (ko) 2022-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3526308B2 (ja) 受光素子
US5569332A (en) Optically enhanced photovoltaic back reflector
US20170207421A1 (en) Organic electroluminescent element, base material, and light emitting device
JP5436691B2 (ja) 太陽電池モジュール
US20060090790A1 (en) Photoelectric conversion device
TWI453927B (zh) 多重反射結構以及光電元件
US20100259826A1 (en) Planar plasmonic device for light reflection, diffusion and guiding
US20100116332A1 (en) Transparent substrate provided with an improved electrode layer
JPH10255863A (ja) 色素増感太陽電池
US9207363B2 (en) Anti-reflection nanostructure array and method
KR102515398B1 (ko) 투명한 태양전지 및 그 제작방법
JP2004519700A (ja) 多角反射式導光膜
US10424678B2 (en) Solar cell with double groove diffraction grating
EP2509113A1 (en) Selective light transmissive solar battery including a light filtering unit
TWI612680B (zh) 低反射率太陽能天窗裝置及其製造方法
US10475940B2 (en) Packaging glass with hierarchically nanostructured surface
US9842947B2 (en) Photoconversion device with enhanced photon absorption
JP2009289946A (ja) 薄膜太陽電池モジュール
WO2018078659A1 (en) Refined light trapping technique using 3-dimensional globule structured solar cell
US20100294334A1 (en) Quantum dot intermediate band solar cell with optimal light coupling by difraction
JP2002368244A (ja) 太陽電池
JP6037288B2 (ja) 太陽電池、フォトニック結晶基板、太陽電池パネルおよび太陽電池を備えた装置
JP2004031648A (ja) 光閉じ込め層を持つ光電変換素子と光電変換装置およびこの装置を備えた太陽電池
JP5842268B2 (ja) 太陽電池
KR101718796B1 (ko) 광자변환 기술을 이용한 태양 전지 및 그 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant