KR102624394B1 - 탠덤 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 컬러형 탠덤 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 별도로 광전류 매칭이 필요 없으면서, 별도의 컬러 필터 없이 색상 구현이 가능하고, 고효율 발전이 가능한 색상을 가진 고효율 박막 탠덤 태양전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 기판의 상부에 제1 전극, 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 제2 전극이 순차적으로 적층 형성된 역다이오드 구조로 이루어진 하부전극과, 상기 하부전극의 상부에 형성된 광흡수층과, 상기 광흡수층의 상부에 형성된 상부전극을 포함하는 태양전지를 포함하는 컬러형 탠덤 태양전지 모듈을 제공함으로써 광전류 매칭이 필요 없고, 별도의 컬러 필터 없이 색상 구현이 가능하며, 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

탠덤 태양전지 모듈{COLLORED TANDEM SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 탠덤 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 별도로 광전류 매칭이 필요 없으면서, 별도의 컬러 필터 없이 색상 구현이 가능하고, 고효율 발전이 가능한 색상을 가진 고효율 박막 탠덤 태양전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지(solar cell)는 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자로서, 기본적으로 다이오드와 유사하게 p형 반도체와 n형 반도체의 접합형태를 가진다. 이러한 태양전지로는 주로 실리콘계 태양전지가 사용되고 있다.
실리콘계 태양전지는 반도체 기판으로 실리콘을 사용한다. 실리콘은 간접 밴드 사이의 천이 반도체(Indirect interband transition semiconductor)로서, 실리콘의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛만이 전자-정공쌍을 발생시킬 수 있는 단점이 있다. 또한, 실리콘계 태양전지는 태양전지의 내부로 입사되는 빛 중 대략 30% 이상을 실리콘 웨이퍼 표면에서 반사시키므로 태양전지의 효율이 낮은 단점이 있다.
이러한 실리콘계 태양전지에 비해 Ⅲ-Ⅴ 반도체를 이용한 태양전지는 다양한 밴드갭 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여 각각 흡수되는 빛의 파장대역을 달리하는 화합물 셀을 구성하고, 각각의 셀을 터널 접합으로 결합한 탠덤(tandem) 구조를 이용하여 실리콘계 태양전지보다 높은 광발전 효율을 구현하였다.
탠덤 구조를 갖는 태양전지 혹은 다중접합(multi-junction) 태양전지 기술은 광흡수 스펙트럼이 다른 복수의 셀들을 직렬로 연결하여 광발전 효율을 높이는 기술로서, 이러한 기존 다중접합 태양전지 기술은 효율이 매우 높은 고비용 Ⅲ-Ⅴ 반도체를 이용하여 제작되고, 우주용과 같은 초고효율 에너지원으로 많이 활용되고 있다.
최근에는 저비용 고효율 박막 태양전지 기술을 이용한 탠덤 태양전지 연구가 활발해짐에 따라 탠덤 태양전지의 단일 집적 모듈화 기술의 필요성 또한 증대되고 있다. 하지만 이중접합 탠덤 태양전지에서 매칭 필요성은 큰 과제로 남고 있다. 가령 이중접합 탠덤 태양전지에서 직렬연결 구조의 경우 상·하부셀 간의 광전류 매칭이 필요하고, 병렬연결 구조의 경우에는 상·하부셀 간의 광전압 매칭이 필요하다.
도 1은 종래기술에 따른 직렬연결 구조의 박막형 탠덤 태양전지 모듈을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 박막형 탠덤 태양전지 모듈의 등가 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래기술에 따른 직렬연결 구조의 박막형 탠덤 태양전지 모듈은 하부셀인 'Cell 1'과 상부셀인 'Cell 2'를 직렬연결하여 탠덤 태양전지를 구성한 후 다시 인접된 이들 탠덤 태양전지들을 서로 직렬연결하여 구성한다.
하부셀인 'Cell 1'과 상부셀인 'Cell 2'에서 발생하는 광전류밀도 및 광전압을 J1(Cell 1), J2(Cell 2), V1(Cell 1), V2(Cell 2)라 할 때, 탠덤 태양전지 모듈의 광발전 효율을 최적화하기 위해 광전류밀도는 'J=J1=J2' 조건을 충족해야 한다. 이때, 도 1과 같은 직렬연결된 구조에서 광전압은 'V=V1+V2'가 된다. 그리고, 'Cell 1'과 'Cell 2'간 광전류 매칭을 위해서는 각 셀의 밴드갭과 광흡수량을 조절해야 한다.
가령, 빛이 'Cell 2'의 상부전극(top electrode)을 통해 입사될 경우, 'Cell 2'의 광흡수층 소재의 두께를 조절하여 'Cell 1'으로 투과되는 광량을 조절하거나, 혹은 'Cell 2'의 밴드갭을 조절하여 'Cell 1'으로 투과되는 광스펙트럼을 조절해야 한다.
이와 같은 제한조건으로 인해 종래기술에 따른 직렬연결 구조의 박막형 탠덤 태양전지 모듈에서 광전류 매칭은 정밀하게 광흡수층 소재의 두께와 밴드갭을 조절해야 하고, 광흡수층 소재를 적절하게 선택해야 하는 등의 어려움이 존재하였다.
도 3은 종래기술에 따른 병렬연결 구조의 박막형 탠덤 태양전지 모듈을 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 박막형 탠덤 태양전지 모듈의 등가 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 종래기술에 따른 병렬연결 구조의 박막형 탠덤 태양전지 모듈은 직렬연결 구조와 달리 하부셀인 'Cell 1'과 상부셀인 'Cell 2'가 각각 독립적인 어레이(모듈)를 구성하고, 이렇게 구성된 상부셀 어레이(상부셀이 직렬연결된 구조)와 하부셀 어레이(하부셀이 직렬연결된 구조)를 상호 병렬연결하여 구성한다.
이러한 병렬연결된 구조를 갖는 박막형 탠덤 태양전지 모듈에서 전체 광전류밀도는 도 4와 같이, 'J=J1+J2' 관계를 갖는다. 이때, 상부셀 'Cell 2'로 구성된 상부셀 어레이와 하부셀 'Cell 1'로 구성된 하부셀 어레이 사이의 광전압이 매칭되었을 때를 전제조건으로 한다. 만약 상·하부셀 어레이 간 광전압이 다르다면 광전압이 높은 어레이에서 낮은 어레이로 역전류(JL)가 발생하게 된다. 이는 전체 광전류밀도 'J'를 감소시킬 뿐만 아니라 전체 광전압 'V'가 광전압이 낮은 어레이로 맞춰지는 문제를 야기한다.
이와 같이, 종래기술에 따른 탠덤 태양전지 기술은 구조적인 특성으로 인해 광전류 매칭 혹은 광전압 매칭을 위한 소재 선택성 및 구조의 최적화에 한계성을 가지고 있다. 즉, 광전류 매칭의 경우, 상부셀 광흡수층의 두께와 밴드갭에 따라 하부셀로 투과되는 광 스펙트럼 및 강도가 결정되기 때문에 소재 특성에 따라 상·하부셀에 동일한 광전류를 생성시키기 위한 광분배 설계가 필요하고, 광전압 매칭의 경우에는 상·하부셀 간 동일한 광전압을 생성하기 위한 설계가 필요하기 때문에 소재 선택 및 병렬연결방식에 있어 제한이 있다. 이 때문에 박막형 탠덤 태양전지 연구는 아직까지 소면적 셀 단위에 머물러 있으며, 단일 집적 모듈화에는 많은 어려움이 있다.
한편, 박막 태양전지 기술은 투광형, 컬러형 태양전지로서 건물 일체형, 차량 일체형 태양전지에 적용하기 용이하다는 장점도 가지고 있다. 하지만 이러한 고부가가치 기술들은 태양전지의 발전 단가를 높이지 않으면서 적용되어야 하는 한계가 있다. 특히, 컬러링 기술의 경우 태양광 패널에 별도의 컬러 필터를 붙이는 것이 기술적으로는 어렵지 않으나, 대면적 적용시 발전 단가를 높일 수 있는 한계가 있다.
KR 10-1431817 B1, 2014. 08. 12. KR 10-2019-0016927 B1, 2019. 02. 19.
따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 주된 기술적 과제는 광전류 매칭이 필요없는 탠덤 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 별도로 컬러 필터를 사용하지 않고도 색상 구현 및 조절이 가능한 탠덤 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 이루고자 하는 과제를 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 기판의 상부에 제1 전극, 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 제2 전극이 순차적으로 적층 형성된 역다이오드 구조로 이루어진 하부전극과, 상기 하부전극의 상부에 형성된 광흡수층과, 상기 광흡수층의 상부에 형성된 상부전극을 포함하는 태양전지들이 직렬연결된 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈을 제공한다.
또한, 상기한 이루고자 하는 과제를 달성하기 위한 다른 측면에 따른 기판; 상기 기판의 상부에 서로 분리 형성되고, 각각 제1 전극, 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 제2 전극이 순차적으로 적층 형성된 구조로 이루어진 제1 및 제2 역다이오드; 상기 제1 역다이오드로 이루어진 제1 하부전극과, 상기 제1 하부전극의 상부에 형성된 제1 광흡수층과, 상기 제1 광흡수층의 상부에 형성된 제1 상부전극을 포함하는 태양전지가 서로 직렬연결되어 직렬 셀 어레이 구조를 이루는 하부셀 어레이; 상기 하부셀 어레이의 상부에 형성된 절연층; 및 상기 절연층의 상부에 형성되고 적어도 일측부가 상기 제2 역다이오드와 연결된 제2 하부전극과, 상기 제2 하부전극의 상부에 형성된 제2 광흡수층과, 상기 제2 광흡수층의 상부에 형성된 제2 상부전극을 포함하는 태양전지가 서로 직렬연결되어 직렬 셀 어레이 구조를 이루되 상기 하부셀 어레이와 병렬연결된 상부셀 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈을 제공한다.
또한, 상기 제1 전극과 상기 제1 및 제2 반도체층은 가시광선에 대해 투명한 소재로 이루어지고, 상기 제2 전극은 불투명한 소재로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 반도체층은 서로 반대 극성의 반도체 박막층으로, n-type 반도체 또는 p-type 반도체 박막층 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판의 후면에는 DBR(Distributed Bragg Reflection)의 반사 원리를 토대로 상기 제1 및 제2 반도체층에 의해 반사색이 형성되고, 하기 [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 만족하는 조건 범위 내에서 상기 제1 및 제2 반도체층의 굴절률 및 두께를 조절하여 상기 반사색의 색상을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
[수학식 1]에서 'R'은 유리기판으로부터의 반사도를 나타내고, [수학식 2] 및 [수학식 3]에서 ''은 반사되는 중심 파장, ''는 반사되는 파장의 스펙트럼 폭을 나타냄.
또한, 상기 상부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 밴드갭이 상기 하부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 하부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 개수와 상기 상부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 개수는 동일하거나 다른 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 상부전극, 상기 제2 하부전극 및 상기 제2 상부전극은 가시광선 및 근적외선 파장대에서 50% 이상의 투과도를 갖는 재질로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 절연층의 상부에는 상기 하부셀 어레이와 상기 상부셀 어레이를 병렬연결하기 위해 금속 박막층이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 금속 박막층은 가시광선에 대해 불투명한 소재로 이루어지고, 상기 제1 상부전극과의 접착력이 우수한 알루미늄(Al) 또는 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 절연층은 가시광선 및 근적외선에 대해 투명한 유기 또는 무기 박막층으로 이루어지고, 원자층증착방식 또는 기상화학증착방식으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 역다이오드를 분리하는 'P1-1' 가공부와 'P1-2' 가공부는 레이저 스크라이빙 방식 또는 기계적 스크라이빙 방식으로 형성하고, 상기 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 형성하는 경우에는 상기 제1 전극에 흡수되는 자외선 파장대역의 펄스 레이저를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 하부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 제1 광흡수층을 분리하는 'P2-1' 가공부와 'P2-2' 가공부는 레이저 스크라이빙 방식 또는 기계적 스크라이빙 방식을 사용하여 형성하고, 상기 레이저 스크라이빙 방식을 사용하여 형성하는 경우 상기 기판의 방향 또는 반대방향으로 레이저를 입사시켜 가공 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제2 하부전극을 상기 제2 역다이오드와 연결하기 위해 형성되는 'Pcon1' 가공부는 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 형성하고, 상기 레이저 스크라이빙 방식은 상기 제1 전극, 상기 제1 및 제2 반도체층을 투과하면서 상기 제2 전극에는 흡수되는 파장대역의 레이저를 사용하여 상기 제2 전극에 흡수된 레이저에 의해 야기되는 열탄성력에 의해 상기 제2 전극에 적층된 상기 제1 광흡수층, 제1 상부전극 및 상기 절연층이 함께 제거되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 하부셀 어레이와 상기 상부셀 어레이의 타측에서 상호 연결하기 위해 상기 절연층과 상기 금속 박막층에 형성되는 'Pcon2' 가공부는 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 상기 기판의 방향 또는 반대방향에서 레이저를 조사하여 형성하고, 상기 레이저 스크라이빙 방식은 상기 금속 박막층에 흡수되는 파장대역의 레이저를 사용하여 상기 절연층을 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 전극, 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 제2 전극이 순차적으로 적층 형성된 역다이오드 구조로 이루어진 하부전극과, 상기 하부전극의 상부에 형성된 광흡수층과, 상기 광흡수층의 상부에 형성된 상부전극을 포함하는 태양전지을 포함하는 탠덤 태양전지 모듈을 제공함으로써 별도로 광전류 매칭이 필요없고, 별도의 컬러 필터 없이 색상 구현이 가능하며, 고효율 발전이 가능하다.
도 1은 종래기술에 따른 직렬연결 구조의 박막형 탠덤 태양전지 모듈을 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 박막형 탠덤 태양전지 모듈의 등가 회로도.
도 3은 종래기술에 따른 병렬연결 구조의 박막형 탠덤 태양전지 모듈을 도시한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 박막형 탠덤 태양전지 모듈의 등가 회로도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈을 도시한 도면.
도 6은 도 5에 도시된 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 등가 회로도.
도 7 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 제조 공정도.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈을 도시한 도면.
도 15는 도 14에 도시된 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 등가 회로도.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 발전효율 비교 도면.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 색상 조절 원리를 설명하기 위해 도시한 도면.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경물, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태 또는 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈을 도시한 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 등가 회로도이다. 여기서는 일례로 2단자형 구조를 갖는 컬러형 탠덤 태양전지 모듈을 예로 들어 설명한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈은 도 3 및 도 4에 도시된 병렬연결 구조와 유사한 구조로, 복수 개의 태양전지 'N Cell 1'과 복수 개의 태양전지 'N Cell 2'를 서로 각각 독립적으로 직렬연결하여 하부셀 어레이(모듈)(A1)와 상부셀 어레이(모듈)(A2)를 구성하고, 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2)를 제1 및 제2 단자(D1, D2) 사이에서 병렬연결하여 구성한다.
그리고, 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2) 간에 발생될 수 있는 광전압차로 인한 역전류를 차단하기 위해 하부셀 어레이(A1)의 종단과 제2 단자(T2) 사이에는 하부셀 어레이용 제1 역다이오드(D1)가 직렬연결되고, 상부셀 어레이(A2)의 종단과 제2 단자(T2) 사이에는 상부셀 어레이용 제2 역다이오드(D2)가 직렬연결된다.
제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)는 PN 접합 또는 쇼트키 접합으로 이루어질 수 있으며, 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2) 간에 광전압차가 발생되더라도 제2 단자(T2)에서 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2) 측으로 흐르는 역전류를 차단한다.
따라서, 도 6과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈에서는 탠덤 태양전지 모듈이 임의의 광전압 및 광전류 특성을 보이는 광흡수층 소재의 조합으로 구성된다 하더라도 전체 전류밀도는 'J=J1+J2'의 관계를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈에서 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)의 정류 방향은 광전류의 방향에 따라 변경될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)의 방향은 광전류가 흐르는 방향으로만 정류하도록 설계된다.
이하, 도 7 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 제조방법을 공정 순서대로 설명하기로 한다. 여기서는 설명의 편의를 위해 도 5의 2단자 구조를 갖는 컬러형 탠덤 태양전지 모듈에서 일부만을 도시하였다.
도 7을 참조하면, 유리기판(1) 상에 제1 전극(2), n-type(또는 p-type) 제1반도체층(3), p-type(또는 n-type) 제2 반도체층(4) 및 제2 전극(5)을 순차적으로 증착한 후 P1 스크라이빙 공정을 통해 패터닝하여 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)를 형성한다.
제1 역다이오드(D1)는 추후 제1 역다이오드(D1) 상부에 형성될 하부셀 'Cell 1'과 연결되어 하부셀 'Cell 1'의 제1 하부전극으로 기능하고, 제2 역다이오드(D2)는 추후 형성될 상부셀 'Cell 2'와 연결되어 상부셀 'Cell 2'의 제2 하부전극으로 기능한다.
유리기판(1)의 상부에 형성되는 제1 전극(2)과, 제1 및 제2 반도체층(3, 4)은 모두 산화물 전극과 같은 투명한 소재로 이루어지고, 제2 전극(5)은 불투명한 소재로 이루어질 수 있다.
상기 P1 스크라이빙 공정은 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)를 분리하여 정의하기 위한 가공으로서, 레이저 스크라이빙 방식 또는 기계적 스크라이빙 방식으로 실시할 수 있다. 이때, 레이저 스크라이빙 방식의 경우에는 유리기판(1) 방향 또는 유리기판(1)의 반대방향(박막방향)으로 레이저를 조사하는 방식으로 실시할 수 있다.
'P1-1' 가공부에서는 제1 전극(2), 제1 반도체층(3), 제2 반도체층(4) 및 제2 전극(5)을 모두 제거하고, 'P1-2' 가공부에서는 제1 및 제2 반도체층(3, 4) 및 제2 전극(5)이 형성되어 있지 않아 제1 전극(2)만을 제거한다. 예를 들어, 'P1-1' 가공부와 'P1-2' 가공부를 형성할 부위에 제1 전극(2)에 흡수될 수 있는 자외선 파장의 레이저를 조사하여 제1 전극(2)을 포함하는 상부층들(3, 4, 5)를 모두 제거한다.
이어서, 도 8과 같이, 도 7의 구조물의 상부에 하부셀 'Cell 1'의 제1 광흡수층(6)을 증착한 후 'P1-1' 가공부 및 'P1-2' 가공부와 이격된 위치에 증착된 제1 광흡수층(6)에 P2 스크라이빙 공정을 실시하여 'P2-1' 가공부와 'P2-2' 가공부를 형성한다.
제1 광흡수층(6)은 광활성층과 버퍼층으로 구성된 PN 접합으로 이루어질 수 있다. 그리고, 제1 광흡수층(6)은 제2 전극(5) 상부에서 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2) 사이에 형성된 'P1-1' 가공부로 연장 형성되어 제1 역다이오드(D1)와 접속된다. 이에 따라, 제1 역다이오드(D1)는 하부셀 'Cell 1'의 제1 하부전극으로 기능한다.
'P2-1' 및 'P2-2' 가공부는 하부셀 'Cell 1'의 제1 광흡수층(6)에 형성된 가공부로서, 'P2-1' 가공부를 형성하기 위한 스크라이빙 공정은 유리기판(1)의 반대방향으로 레이저를 입사시키는 방식으로 진행하는 펄스 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 실시하거나, 혹은 기계적 스크라이빙 방식을 이용하여 실시할 수 있다.
'P2-2' 가공부를 형성하기 위한 스크라이빙 공정은 유리기판(1)의 반대방향 또는 유리기판(1) 방향으로 레이저를 입사시키는 방식으로 진행하는 펄스 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 실시하거나, 혹은 기계적 스크라이빙 방식을 이용하여 실시할 수 있다.
이어서, 도 9와 같이, 도 8의 구조물의 상부에 하부셀 'Cell 1'의 제1 상부전극으로 기능하는 제3 전극(7)을 증착한 후 'P2-1'가공부와 이격된 위치에 'P3-1' 가공부가 형성될 부위의 제3 전극(7)에 P3 스크라이빙 공정을 실시하여 가공부를 형성한다.
상기 P3 스크라이빙 공정을 통해 제1 및 제2 역다이오드(D1, D) 상부에는 제2 전극(5), 제1 광흡수층(6) 및 제3 전극(7)이 순차적으로 적층된 하부셀 'Cell 1'이 형성되고, 이들 각 하부셀 'Cell 1'을 직렬연결하여 하부셀 어레이(A1)를 형성한다.
상기 P3 스크라이빙 공정은 제3 전극(7)을 투과하면서도 하부셀 'Cell 1'의 광흡수층(6)에 흡수되는 파장의 레이저를 이용하여 'Cell 1'의 제1 광흡수층(6)에 흡수된 레이저에 의해 가해지는 열탄성 충격으로 제3 전극(7)을 제거하는 방식으로 진행될 수 있다.
또는, 상기 P3 스크라이빙 공정은 다른 예로 제3 전극(7)에 흡수되는 자외선 파장의 레이저를 이용하여 선택적으로 제3 전극(7)을 제거하는 방식으로 진행될 수도 있다.
한편, 상기 P3 스크라이빙 공정을 통해 'P3-1' 가공부가 형성된 후 제3 전극(7)의 상부, 바람직하게는 탠덤 태양전지 모듈에서 광전자(photo-electron)를 추출하는 위치에 쉐도우 마스크를 이용하여 정렬마크(alignment mark)용 금속 박막층(8)을 증착한다.
금속 박막층(8)은 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2)를 병렬연결하기 위한 금속 희생층으로, 가시광선에 대해 불투명한 소재로 이루어지고, 제1 상부전극에 해당하는 제3 전극(7)과의 접착력이 우수한 알루미늄(Al) 또는 몰리브덴(Mo) 등으로 이루어질 수 있다.
이어서, 도 10과 같이, 도 9의 구조물의 상부에 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2)를 전기적으로 분리하기 위해 절연층(9)을 도포한 후 레이저 스크라이빙 공정을 실시하여 상부셀 어레이(A2)를 제2 역다이오드(D2)의 제2 전극(5)과 연결하기 위한 접속부로 'Pcon1' 가공부를 형성하고, 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2)를 제1 단자(T1)에서 서로 병렬연결하기 위한 'Pcon2' 가공부를 형성한다.
하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2)를 서로 전기적으로 분리하는 절연층(9)은 용액 증착되거나 기상증착된 폴리머 박막 또는 산화물 절연층 박막을 이용할 수 있다. 예를 들어, 절연층(9)은 가시광선 및 근적외선에 대해 투명한 유기 또는 무기 박막층으로 이루어지고, 원자층증착방식 또는 기상화학증착방식으로 형성할 수 있다.
'Pcon1' 가공부는 상부셀 어레이(A2), 즉 상부셀 'Cell 2' 중 첫번째 상부셀의 제2 하부전극에 해당하는 제4 전극(10)을 제2 역다이오드(D2)와 연결하기 위한 접속부로서, 제1 전극(2)과, 제1 및 제2 반도체층(3, 4)을 투과하고 제2 전극(5)에 흡수될 수 있는 파장의 펄스 레이저를 유리기판(1)의 후면으로부터 조사하여 가공한다. 이때, 제2 전극(5), 제1 광흡수층(6), 제3 전극(7) 및 절연층(9)을 함께 제거한다.
'Pcon2' 가공부는 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)의 반대측 단자, 즉 제1 단자(T1)에서 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2)를 전기적으로 접합시키기 위해 절연층(9)과 금속 박막층(8)을 가공하는 접속부로서, 레이저를 금속 박막층(8)에 조사하여 절연층(9)과 금속 박막층(8)을 함께 제거한다. 이때, 레이저는 유리기판(1)의 반대방향에서 조사하거나 'P2-2' 가공부의 가공 선폭보다 작은 빔 선폭으로 'P2-2' 가공부 가공선 내부를 따라 유리기판(1) 방향에서 조사하여 형성할 수도 있다.
이어서, 도 11과 같이, 도 10의 구조물의 상부에 상부셀 'Cell 2'의 하부전극에 해당하는 제4 전극(10)을 증착한 후 'P1-1' 가공부 또는 'P1-2' 가공부에 상응(정렬)하는 가공선을 따라 스크라이빙 공정을 실시하여 'P1-3' 가공부를 각각 형성한다.
제4 전극(10)은 투명전극으로 이루어진다. 'P1-3' 가공부를 형성하기 위한 스크라이빙 공정은 유리기판(1)의 반대방향에서 레이저를 입사시켜 제4 전극(10)에 흡수되면서도 하부에 도포된 절연층(9)이 열화되지 않는 자외선 파장대역의 레이저를 이용하여 가공한다.
이어서, 도 12와 같이, 도 11의 구조물 상부에 상부셀 'Cell 2'의 활성화층인 제2 광흡수층(11)을 증착한 후 'P1-3' 가공부로부터 도면 상에서 우측으로 이격된 위치에 스크라이빙 공정을 실시하여 'P2-3' 가공부를 형성한다. 이때, 'P2-3' 가공부는 도 8에서 형성된 'P2-1' 및 'P2-2' 가공부 각각 정렬되도록 'P2-1' 가공부와 'P2-2' 가공부에 상응하는 가공선을 따라 스크라이빙 공정을 실시하여 형성한다.
제2 광흡수층(11)은 하부셀 'Cell 1'과 마찬가지로 PN 접합층으로 구성될 수 있고, 'P2-3' 가공부를 형성하기 위한 스크라이빙 공정은 제2 광흡수층(11)에 흡수되는 파장대역의 펄스 레이저를 유리기판(1)의 반대방향에서 조사하는 방식으로 실시한다.
이어서, 도 13과 같이, 도 12의 구조물 상부에 상부셀 'Cell 2'의 제2 상부전극으로 기능하는 제5 전극(12)을 증착한 후 'P2-3' 가공부의 가공선에서 이격된 위치에 스크라이빙 공정을 실시하여 서로 이격된 복수 개의 'P3-2' 가공부를 각각 형성한다.
'P3-2' 가공부를 형성하기 위한 스크라이빙 공정은 'P3-1' 가공부를 형성하기 위한 공정과 마찬가지로 제5 전극(12)을 투과하면서도 상부셀 'Cell 2'의 제2 광흡수층(10)에 흡수되어 제5 전극(12)을 제거할 수 있는 파장대역을 갖는 레이저를 사용하거나, 혹은 제5 전극(12)을 직접 가공할 수 있는 자외선 파장의 레이저를 사용할 수 있다. 이때, 'P3-2' 가공부는 모두 박막방향에서 입사하여 가공하도록 한다.
한편, 제3 전극(7), 제4 전극(10) 및 제5 전극(12)은 레이저 스크라이빙 공정 및 하부셀 어레이(A1)로의 광입사를 위해 가시광선 및 근적외선 파장대에서 50% 이상의 투과를 갖는 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 빛이 첫번째로 입사되는 상부셀 어레이(A12를 구성하는 상부셀의 밴드갭은 빛이 두번째로 입사되는 하부셀 어레이(A1)를 구성하는 하부셀의 밴드갭보다 크다.
도 13와 같은 공정이 완료되면, 하부셀 'Cell 1'과 상부셀 'Cell 2' 각각 두 개의 셀로 이루어진 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2)에 대한 구성이 완성된다.
하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2)가 각각 복수 개의 셀로 구성된 경우, 도 5와 같이 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈을 완성할 수 있다.
도 5와 같이, M개의 하부셀 'Cell 1'으로 구성된 하부셀 어레이(A1)와, N개의 상부셀 'Cell 2'로 구성된 상부셀 어레이(A2)를 구성한다. 여기서, N과 M은 동일하거나 다를 수 있다. 다만, 단일 집적화된 탠덤 태양전지 모듈에서 스크라이빙 선에 의해 정의되는 비활성영역(dead zone)을 최소화하기 위해서는 'N=M'인 것이 바람직하다.
한편, 도 7 내지 도 13과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈에서는 정공이 추출되는 지점에 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)를 추가 삽입한 구조를 일례로 설명하였으나, 전자가 추출되는 지점에 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)를 추가 삽입해야 하는 경우 역다이오드는 유리기판(1) 방향으로부터 제1 전극, p-type 반도체층, n-type 반도체층 및 제2 전극의 구조로 이루어질 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3단자형 컬러형 탠덤 태양전지 모듈을 도시한 도면이고, 도 15는 도 14에 도시된 3단자형 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 등가 회로도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈은 3개의 단자(T1~T3) 구조를 갖는 3단자형 탠덤 태양전지 모듈로 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3단자형 탠덤 태양전지 모듈은 하부셀 어레이(A1)와 상부셀 어레이(A2)가 각각 독립적으로 광발전할 수 있다. 가령, 필요시 상부셀 어레이(A2) 또는 하부셀 어레이(A1)만 광발전을 하거나, 상부셀 어레이(A2)와 하부셀 어레이(A1)을 동시에 광발전할 수 있다. 후자의 경우 동시 광발전 과정에서 야기되는 광전압 매칭의 필요성을 제거하기 위해 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)가 삽입될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)에 의해 역전류가 차단된다.
도 14와 같이, 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)가 삽입된 3단자형 탠덤 태양전지 모듈은 3단자(T1~T3)를 위해 광전자가 추출되는 위치에 제1 전극(2)을 추가적으로 'P1-2' 가공부를 통해 분리하여 형성한다. 도 7 내지도 13을 통해 설명한 바와 같이, 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)의 제1 및 제2 반도체층 적층 순서는 광전류 방향에 따라 바뀔 수 있고, 'P1-2' 가공부, 즉 가공지점은 광전류 방향에 따라 광전자가 추출되는 위치에 형성될 수도 있고, 광정공이 추출되는 위치에 형성될 수도 있다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 발전효율을 비교하기 위한 효율 비교 도면으로서, (a)는 역다이오드 삽입전(종래기술) 태양전지 모듈의 발전효율, (b)는 역다이오드 삽입 후 태양전지 모듈의 발전효율을 나타낸다.
도 16의 (b)와 같이, 역다이오드를 추가 삽입하여 탠덤 태양전지 모듈을 구현하는 경우에는 역다이오드를 삽입하지 않는 구조에 비해 전력손실이 최소화되어 발전효율이 증대된 것을 알 수 있다. 따라서, 저비용 고효율 광흡수층 소재를 이용하여 탠덤 태양전지의 모듈화 전략이 가능하여 태양전지 모듈의 발전 단가를 절감할 수 있다.
한편, 도 5, 도 7 내지 도 13, 도 14에 도시된 탠덤 태양전지 모듈의 구조에서는 설명의 편의를 위해 그 단면이 간략하게 도시되어 있으나, 도 4 및 도 15에 도시된 등가 회로도와 상응하도록 하부셀 'Cell 1', 상부셀 'Cell 2', 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2) 사이의 접속 또는 분리시키기 위한 별도의 층이 추가로 형성될 수도 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈의 색상 조절 원리를 설명하기 위해 간략하게 도시한 도면으로서, 도 17과 같이, 본 발명의 기술적 특징 중 하나로 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)의 박막을 이용하여 색상을 조절한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈에 추가로 삽입되는 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)의 제1 전극, 제1 및 제2 반도체층(역다이오드 박막)은 모두 가시광선에 투명한 소재를 사용하고, 제2 전극은 불투명한 금속소재를 사용한다.
예를 들어, n-type(or p-type) 반도체 박막의 굴절률을 nn(or np), 두께를 dn(또는 dp)로 정의한다. 이때, 제1 및 제2 반도체층, 즉 반도체 박막층의 굴절률과 두께에 의해 기판으로부터 반사되는 빛의 강도와 스펙트럼이 아래와 같은 식으로 결정된다.
[수학식 1]에서 'R'은 유리기판으로부터의 반사도를 나타내고, [수학식 2] 및 [수학식 3]에서 ''은 반사되는 중심 파장, ''는 반사되는 파장의 스펙트럼 폭을 나타낸다.
본 발명은 DBR(Distributed Bragg Reflection) 방식에 의한 반사 원리를 이용하였고, 상기 수학식들과 같이, 역다이오드를 구성하는 PN 접합 다이오드에 사용되는 반도체 박막층 소재 간의 굴절률 차이와 역다이오드의 박막층 두께에 의해 표현되는 반사색의 중심 파장, 반사 강도 및 반사 스펙트럼의 폭을 결정할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 컬러형 탠덤 태양전지 모듈은 상기한 수학식들을 만족하는 조건 범위 내에서 제1 및 제2 역다이오드(D1, D2)를 구성하는 제1 및 제2 반도체층의 굴절률 및 두께를 조절하여 유리기판(1)의 후면에 형성되는 반사색의 색상을 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 탠덤 태양전지 모듈은 각 셀 어레이의 종단에 각각 역다이오드를 추가 삽입함으로써 전기적 및 광학적 역할을 수행할 수 있고, 이를 통해 광전류 매칭이 필요없고, 별도의 컬러 필터 없이 색상 구현이 가능하다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
A1 : 하부셀 어레이(모듈) A2 : 상부셀 어레이(모듈)
D1 : 제1 역다이오드 D2 : 제2 역다이오드
T1 : 제1 단자 T2 : 제2 단자
T3 : 제3 단자 1 : 유리기판
2 : 제1 전극 3 : 제1 반도체층
4 : 제2 반도체층 5 : 제2 전극
6 : 제1 광흡수층 7 : 제3 전극
8 : 금속 박막층 9 : 절연층
10 : 제4 전극 11 : 제2 광흡수층
12 : 제5 전극

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 기판;
    상기 기판의 상부에 서로 분리 형성되고, 각각 제1 전극, 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 제2 전극이 순차적으로 적층 형성된 구조로 이루어진 제1 및 제2 역다이오드;
    상기 제1 역다이오드로 이루어진 제1 하부전극과, 상기 제1 하부전극의 상부에 형성된 제1 광흡수층과, 상기 제1 광흡수층의 상부에 형성된 제1 상부전극을 포함하는 태양전지가 서로 직렬연결되어 직렬 셀 어레이 구조를 이루는 하부셀 어레이;
    상기 하부셀 어레이의 상부에 형성된 절연층; 및
    상기 절연층의 상부에 형성되고 적어도 일측부가 상기 제2 역다이오드와 연결된 제2 하부전극과, 상기 제2 하부전극의 상부에 형성된 제2 광흡수층과, 상기 제2 광흡수층의 상부에 형성된 제2 상부전극을 포함하는 태양전지가 서로 직렬연결되어 직렬 셀 어레이 구조를 이루되 상기 하부셀 어레이와 병렬연결된 상부셀 어레이;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제1 및 제2 반도체층은 가시광선에 대해 투명한 소재로 이루어지고, 상기 제2 전극은 불투명한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체층은 서로 반대 극성의 반도체 박막층으로, n-type 반도체 또는 p-type 반도체 박막층 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판의 후면에는 DBR(Distributed Bragg Reflection)의 반사 원리를 토대로 상기 제1 및 제2 반도체층에 의해 반사색이 형성되어 있고, 하기 [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 만족하는 조건 범위 내에서 상기 제1 및 제2 반도체층의 굴절률 및 두께가 다르게 선택되어 상기 반사색의 색상이 달라진 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
    [수학식 1]

    [수학식 2]

    [수학식 3]

    [수학식 1]에서 'R'은 유리기판으로부터의 반사도를 나타내고, [수학식 2] 및 [수학식 3]에서 ''은 반사되는 중심 파장, ''는 반사되는 파장의 스펙트럼 폭을 나타냄.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 상부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 밴드갭이 상기 하부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 개수와 상기 상부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 개수는 동일하거나 다른 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 상부전극, 상기 제2 하부전극 및 상기 제2 상부전극은 가시광선 및 근적외선 파장대에서 50% 이상의 투과도를 갖는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 절연층의 상부에는 상기 하부셀 어레이와 상기 상부셀 어레이를 병렬연결하기 위해 금속 박막층이 형성된 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 박막층은 가시광선에 대해 불투명한 소재로 이루어지고, 상기 제1 상부전극과의 접착력이 우수한 알루미늄(Al) 또는 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 절연층은 가시광선 및 근적외선에 대해 투명한 유기 또는 무기 박막층으로 이루어지고, 원자층증착방식 또는 기상화학증착방식으로 형성된 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 역다이오드를 분리하는 'P1-1' 가공부와 'P1-2' 가공부는 레이저 스크라이빙 방식 또는 기계적 스크라이빙 방식으로 형성하고, 상기 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 형성하는 경우에는 상기 제1 전극에 흡수되는 자외선 파장대역의 펄스 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부셀 어레이를 구성하는 태양전지의 제1 광흡수층을 분리하는 'P2-1' 가공부와 'P2-2' 가공부는 레이저 스크라이빙 방식 또는 기계적 스크라이빙 방식을 사용하여 형성하고, 상기 레이저 스크라이빙 방식을 사용하여 형성하는 경우 상기 기판의 방향 또는 반대방향으로 레이저를 입사시켜 가공 형성하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 하부전극을 상기 제2 역다이오드와 연결하기 위해 형성되는 'Pcon1' 가공부는 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 형성하고, 상기 레이저 스크라이빙 방식은 상기 제1 전극, 상기 제1 및 제2 반도체층을 투과하면서 상기 제2 전극에는 흡수되는 파장대역의 레이저를 사용하여 상기 제2 전극에 흡수된 레이저에 의해 야기되는 열탄성력에 의해 상기 제2 전극에 적층된 상기 제1 광흡수층, 제1 상부전극 및 상기 절연층이 함께 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 하부셀 어레이와 상기 상부셀 어레이의 타측에서 상호 연결하기 위해 상기 절연층과 상기 금속 박막층에 형성되는 'Pcon2' 가공부는 레이저 스크라이빙 방식을 이용하여 상기 기판의 방향 또는 반대방향에서 레이저를 조사하여 형성하고, 상기 레이저 스크라이빙 방식은 상기 금속 박막층에 흡수되는 파장대역의 레이저를 사용하여 상기 절연층을 제거하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지 모듈.
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