KR20080062335A - 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 글라스와; 상기 글라스 위에 형성된 투명 전도막과; 상기 투명 전도막 위에 형성된 비정질 실리콘과; 상기 비정질 실리콘 위에 형성된 다결정 실리콘과; 상기 다결정 실리콘 위에 형성된 MCP와; 상기 MCP 위에 형성된 후면 전극;을 포함하여 구성함으로서, 태양전지의 효율 향상의 여러 문제들 중 전기적 손실을 개선하기 위해서 전자를 증폭할 수 있는 층을 적층하여 태양전지의 광변환 효율을 개선할 수 있게 되는 것이다.
박막 실리콘 태양전지, MCP, 광전 변환효율, 고효율 태양전지, 전자 증폭

Description

박막 실리콘 태양전지 모듈 구조 및 그 제조방법{Structure and manufacture method for thin film silicon solar cell module}
도 1은 종래 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 원형 점선 부분의 상세단면도이다.
도 3은 종래 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 제조방법을 보인 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 단면도이다.
도 5는 도 4에서 원형 점선 부분의 상세단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 제조방법을 보인 공정도이다.
도 7은 일반적인 태양전지 구동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 의해 추가된 MCP의 구동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8에서 MCP 통로에서의 전자증폭을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명에 의해 구현된 고효율 태양전지 모듈의 예를 보인 개념도이다.
도 11은 본 발명에서 사용하는 MCP의 입력 전류에 대한 출력 전류 특성을 보 인 그래프이다.
본 발명은 박막 실리콘 태양전지에 관한 것으로, 특히 태양전지의 효율 향상의 여러 문제들 중 전기적 손실(loss)을 개선하기 위해서 전자(electron)를 증폭할 수 있는 층을 적층하여 태양전지의 광변환 효율을 개선하기에 적당하도록 한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양 에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지이다.
도 1은 종래 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 단면도이다.
그래서 종래 박막 실리콘 태양전지 모듈은 글라스 기판(Glass Substrate), 전면 TCO(Transparent Conducting Oxide, 투명 전도막) 스크라이브 라인(Front TCO Scribe Line), 실리콘 스크라이브 라인(silicon Scribe Line), 후면 전극 스크라이브 라인(Back Electrode Scribe Line)이 형성되고, 글라스 기판 위에 전면 TCO(투명 전도막), 비정질 실리콘(amorphous Silicon, a-Si), 다결정 실리콘(Poly crystalline Silicon, poly-Si), 후면 전극(back Electrode)이 형성된다.
도 2는 도 1에서 원형 점선 부분의 상세단면도이다.
그래서 글라스(Glass) 기판 위에 SnO2:F 또는 ZnO:Al로 형성된 투명 전도막이 형성되고, p(positive layer, 양극층), i(intrinsic layer, 진성층), n(negative layer, 음극층)의 a-Si:H(Hydrogenated amorphous Silicon, 수소화된 비정질 실리콘)에 의한 상위 셀(Top Cell)이 형성된다. 또한 상위 셀 위에 ZnO:Al의 버퍼(Buffer)가 형성되고, 버퍼 위에 uc-Si:H(Hydrogenated micro crystal Silicon, 수소화된 마이크로 결정 실리콘)의 하위 셀(Bottom Cell)이 형성된다. 또한 하위 셀 위에 ZnO:Al의 반사방지막이 형성되고, Ag의 후면 전극이 형성된다.
도 3은 종래 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 제조방법을 보인 공정도이다.
그래서 먼저 글라스를 가공하고, 가공된 글라스 위에 투명 전도막을 형성한다. 그리고 상위 셀을 형성하고, 그 위에 완충층인 버퍼를 형성한다. 또한 버퍼 위에 하위 셀을 형성하고, 반사 방지막을 형성한 다음 후면 전극을 형성하게 된다.
이와 같이 구성된 종래 태양전지의 광전 변환효율은 '발생 전기/입사된 광량'을 의미하는데, 실리콘 태양전지의 이론적 효율은 약 27% 정도이며, 화합물 전지의 경우에는 30% 이상 가능하다.
태양전지 표면에 입사된 광량의 약 70% 정도는 장파장 대역의 파장이 p-i-n 층에 흡수되지 않고 투과 하거나, 단파장 대역의 반사 또는 산란, 전압 인자에 의한 손실의 이유로 전기로 변환되지 못하고, 투과 또는 반사 된다.
또한 실제로 상용화된 종래 태양전지 제품의 경우 단결정 실리콘 전지는 15 ~ 17%, 다결정 실리콘 전지는 12 ~ 14%, 비정질 실리콘 전지는 6 ~ 10% 정도로 이론 효율에 비해 낮은 한계가 있었다.
이처럼 상용화 제품의 효율과 이론 효율이 크게 차이가 나는 것은 입사된 광의 반사에 의한 손실, 낮은 파장대의 광이 흡수되지 않고 대부분 투과되거나 기판 제조 시 발생하는 결정학적 결함에 의해 발생하는 것 이외에도 표면 재조합 손실(Surface recombination losses), 병렬저항에 의한 손실을 들 수 있다.
따라서 종래의 태양전지에 대해서는 여전히 광변환 효율을 향상시킬 필요성이 대두되어 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 태양전지의 효율 향상의 여러 문제들 중 전기적 손실을 개선하기 위해서 전자를 증폭할 수 있는 층을 적층하여 태양전지의 광변환 효율을 개선할 수 있는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조는,
글라스와; 상기 글라스 위에 형성된 투명 전도막과; 상기 투명 전도막 위에 형성된 비정질 실리콘과; 상기 비정질 실리콘 위에 형성된 다결정 실리콘과; 상기 다결정 실리콘 위에 형성된 MCP와; 상기 MCP 위에 형성된 후면 전극;을 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 박막 실리 콘 태양전지 모듈 구조의 제조방법은,
글라스를 가공하고, 가공된 상기 글라스 위에 투명 전도막을 형성하고, 상기 투명 전도막 위에 상위 셀을 형성하는 제 1 공정과; 상기 제 1 공정 후 상기 상위 셀 위에 MCP2를 적층하여 삽입하는 제 2 공정과; 상기 제 2 공정 후 삽입된 상기 MCP2 위에 버퍼를 형성하고, 상기 버퍼 위에 하위 셀을 형성하는 제 3 공정과; 상기 제 3 공정 후 상기 하위 셀 위에 MCP1을 적층하여 삽입하는 제 4 공정과; 상기 제 4 공정 후 상기 MCP1 위에 반사 방지막을 형성하고, 상기 반사 방지막 위에 후면 전극을 형성하는 제 5 공정;을 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명, 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조 및 그 제조방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조는, 글라스와; 상기 글라스 위에 형성된 투명 전도막(TCO)과; 상기 투명 전도막 위에 형성된 비정질 실리콘(a-Si)과; 상기 비정질 실리콘 위에 형성된 다결정 실리콘(poly-Si)과; 상기 다결정 실리콘 위에 형성된 MCP(Micro Channel Plate, 마이크로 채널 플레이트)와; 상기 MCP 위에 형성된 후면 전극;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 MCP는, 상기 다결정 실리콘의 n-타입 층 위에 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조는, 글라스와; 상기 글라스 위에 형성된 투명 전도막(TCO)과; 상기 투명 전도막 위에 형성된 비정질 실리콘(a-Si)과; 상기 비정질 실리콘 위에 형성된 MCP2와; 상기 MPC2 위에 형성된 다결정 실리콘(poly-Si)과; 상기 다결정 실리콘 위에 형성된 MCP1과; 상기 MCP1 위에 형성된 후면 전극;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 MCP1은, 상기 다결정 실리콘의 n-타입 층 위에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 MCP1과 상기 MCP2는, 직렬 연결된 것을 특징으로 한다.
도 5는 도 4에서 원형 점선 부분의 상세단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조는, 글라스와; 상기 글라스 위에 형성된 투명 전도막(TCO)과; 상기 투명 전도막 위에 형성된 상위 셀과; 상기 상위 셀 위에 형성된 MCP2와; 상기 MPC2 위에 형성된 버퍼와; 상기 버퍼 위에 형성된 하위 셀과; 상기 하위 셀 위에 형성된 MCP1과; 상기 MCP1 위에 형성된 반사 방지막과; 상기 반사 방지막 위에 형성된 후면 전극;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 MCP1은, 상기 하위 셀의 n-타입 층 위에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 MCP2는, 상기 상위 셀의 n-타입 층 위에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 MCP1과 상기 MCP2는, 직렬 연결된 것을 특징으로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 제조방법을 보인 공정도이다.
이에 도시된 바와 같이, 글라스를 가공하고, 가공된 상기 글라스 위에 투명 전도막을 형성하고, 상기 투명 전도막 위에 상위 셀을 형성하는 제 1 공정(ST11 ~ ST13)과; 상기 제 1 공정 후 상기 상위 셀 위에 MCP2를 적층하여 삽입하는 제 2 공정(ST14)과; 상기 제 2 공정 후 삽입된 상기 MCP2 위에 버퍼를 형성하고, 상기 버퍼 위에 하위 셀을 형성하는 제 3 공정(ST15, ST16)과; 상기 제 3 공정 후 상기 하위 셀 위에 MCP1을 적층하여 삽입하는 제 4 공정(ST17)과; 상기 제 4 공정 후 상기 MCP1 위에 반사 방지막을 형성하고, 상기 반사 방지막 위에 후면 전극을 형성하는 제 5 공정(ST18, ST19);을 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 4 공정은, 상기 MCP1을 직렬 연결로 상기 MCP2에 연결시키도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해 석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 태양전지의 효율 향상의 여러 문제들 중 전기적 손실을 개선하기 위해서 전자를 증폭할 수 있는 층을 적층하여 태양전지의 광변환 효율을 개선하고자 한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 단면도이다.
그래서 태양전지는 글라스 기판(Glass Substrate), 전면 TCO(Transparent Conducting Oxide, 투명 전도막) 스크라이브 라인(Front TCO Scribe Line), 실리콘 스크라이브 라인(silicon Scribe Line), 후면 전극 스크라이브 라인(Back Electrode Scribe Line)이 형성되고, 글라스 기판 위에 전면 TCO(투명 전도막), 비정질 실리콘(amorphous Silicon, a-Si), 다결정 실리콘(Poly crystalline Silicon, poly-Si), 후면 전극(back Electrode)이 형성된다. 이렇게 글라스, 투명 전도막(TCO), 비정질 실리콘(a-Si), 다결정 실리콘(poly-Si), 후면 전극으로 구성된 박막 실리콘 태양전지에서 다결정 실리콘 위에 MCP를 삽입하여 형성한다.
도 5는 도 4에서 원형 점선 부분의 상세단면도이다.
그래서 태양전지는 글라스(Glass) 기판 위에 SnO2:F 또는 ZnO:Al로 형성된 투명 전도막이 형성되고, p(positive layer, 양극층), i(intrinsic layer, 진성층), n(negative layer, 음극층)의 a-Si:H(Hydrogenated amorphous Silicon, 수소화된 비정질 실리콘)에 의한 상위 셀(Top Cell)이 형성된다. 또한 상위 셀 위에 ZnO:Al의 버퍼(Buffer)가 형성되고, 버퍼 위에 uc-Si:H(Hydrogenated micro crystal Silicon, 수소화된 마이크로 결정 실리콘)의 하위 셀(Bottom Cell)이 형성된다. 또한 하위 셀 위에 ZnO:Al의 반사방지막이 형성되고, Ag의 후면 전극이 형성된다. 이렇게 구성된 태양전지에서 MCP1과 MCP2를 추가적으로 삽입하여 고효율의 태양전지를 구성한다.
그래서 MCP2는 상위 셀 위에 삽입 적층하여 형성하고, MPC1은 하위 셀 위에 삽입 적층하여 형성한다.
이때 상위 셀과 하위 셀은 n-i-p로 구성하게 되는데, MCP1과 MCP2는 상위 셀과 하위 셀의 n(음극층) 위에 삽입 적층하여 형성한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 제조방법을 보인 공정도이다.
그래서 글라스를 가공하고(ST11), 가공된 글라스 위에 투명 전도막을 형성하고(ST12), 투명 전도막 위에 상위 셀을 형성한다(ST13).
그리고 상위 셀 위에 MCP2를 적층하여 삽입한다(ST14).
또한 삽입된 MCP2 위에 버퍼를 형성하고(ST15), 버퍼 위에 하위 셀을 형성한다(ST16).
그리고 하위 셀 위에 MCP1을 적층하여 삽입한다. 이때 MCP1을 직렬 연결로 MCP2에 연결시키도록 형성한다(ST17).
또한 MCP1 위에 반사 방지막을 형성하고(ST18), 반사 방지막 위에 후면 전극을 형성한다(ST19).
도 7은 일반적인 태양전지 구동원리를 설명하기 위한 도면이다.
그래서 도 7에서와 같이, n-타입 실리콘에서 발생된 전자(electron)가 내부전위(built-in potential)에 의하여 분리되고, 분리된 전자(electron)는 MCP로 이동하여 증폭됨으로서 태양전지의 광변환 효율을 높일 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 의해 추가된 MCP의 구동원리를 설명하기 위한 도면이다.
그래서 MCP1의 주 전자(Primary electron)는 MCP1의 홀(Holes)을 통해 증폭되어 MCP2로 전달됨으로써 증폭된 2차 전자를 쉽게 발생시키게 된다.
도 9는 도 8에서 MCP 통로에서의 전자증폭을 설명하기 위한 도면이다.
MCP는 미세한 구멍이 고르게 뚫려 있는 얇은 유리판에 전자를 발생시킬 수 있도록 표면을 가공한 후 높은 전압을 걸어 적은 세기의 빛의 상을 측정할 수 있도록 만든 것이다. 그래서 도 9에서와 같이 입사된 광입자는 광전 포인트(Point of Interaction: photon to electron)에서 전자로 변환된다. 이렇게 함으로써, 튜브가 X선으로 가득 차게 되었을 때, 전자들을 풀어놓아 주는 역할을 한다. 이 전자들은 튜브 안에서 높은 전압에 의해 가속된 것으로서 이를 통해 전자가 튜브의 양쪽으로 넘쳐흘러 튜브를 떠나게 되면 이 전자들은 3000만 개의 전자 구름을 형성한다. 서로 교차되어 있는 선들은 이 전기적 신호를 탐지하고, 원래 x선의 위치를 높은 정확도로 알아낸다. 이러한 과정을 통해 MCP는 증폭된 전자를 출력하게 된다.
도 10은 본 발명에 의해 구현된 고효율 태양전지 모듈의 예를 보인 개념도이다.
따라서 MCP가 적층된 태양전지와 전자를 증폭시키기 위한 전력원인 태양전지 하나를 직렬로 배열하여 도 10과 같은 고효율 태양전지 모듈을 개발할 수 있게 된다.
도 11은 본 발명에서 사용되는 일반적인 MCP의 전류 특성 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 일반적인 MCP는 입력 전류를 증폭하여 출력시키는 특성을 가진다. 상기와 같은 전류 특성을 가지는 일반적인 MCP가 본 발명에 사용됨에 따라 입력되는 전자가 증폭되고, 결과적으로 태양전지 효율을 상승시킬 수 있다. 상기와 같은 MCP가 사용됨에 따라, 본 발명에 따른 태양전지는 기존과 대비하여 약 20~30%의 효율이 향상되었음을 확인하였다.
이처럼 본 발명은 태양전지의 효율 향상의 여러 문제들 중 전기적 손실을 개선하기 위해서 전자를 증폭할 수 있는 층을 적층하여 태양전지의 광변환 효율을 개선하게 되는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조 및 그 제조방법은 태양전지의 효율 향상의 여러 문제들 중 전기적 손실을 개선하기 위해서 전자를 증폭할 수 있는 층을 적층하여 태양전지의 광변환 효율을 개선할 수 있는 효과가 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

Claims (11)

  1. 글라스와;
    상기 글라스 위에 형성된 투명 전도막과;
    상기 투명 전도막 위에 형성된 비정질 실리콘과;
    상기 비정질 실리콘 위에 형성된 다결정 실리콘과;
    상기 다결정 실리콘 위에 형성된 MCP와;
    상기 MCP 위에 형성된 후면 전극;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 MCP는,
    상기 다결정 실리콘의 n-타입 층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조.
  3. 글라스와;
    상기 글라스 위에 형성된 투명 전도막과;
    상기 투명 전도막 위에 형성된 비정질 실리콘과;
    상기 비정질 실리콘 위에 형성된 MCP2와; 상기 MPC2 위에 형성된 다결정 실리콘과;
    상기 다결정 실리콘 위에 형성된 MCP1과; 상기 MCP1 위에 형성된 후면 전극;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 MCP1은,
    상기 다결정 실리콘의 n-타입 층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 MCP1과 상기 MCP2는,
    직렬 연결된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조.
  6. 글라스와;
    상기 글라스 위에 형성된 투명 전도막과;
    상기 투명 전도막 위에 형성된 상위 셀과;
    상기 상위 셀 위에 형성된 MCP2와;
    상기 MPC2 위에 형성된 버퍼와;
    상기 버퍼 위에 형성된 하위 셀과;
    상기 하위 셀 위에 형성된 MCP1과;
    상기 MCP1 위에 형성된 반사 방지막과;
    상기 반사 방지막 위에 형성된 후면 전극;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 MCP1은,
    상기 하위 셀의 n-타입 층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 MCP2는,
    상기 상위 셀의 n-타입 층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조.
  9. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 MCP1과 상기 MCP2는,
    직렬 연결된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조.
  10. 글라스를 가공하고, 가공된 상기 글라스 위에 투명 전도막을 형성하고, 상기 투명 전도막 위에 상위 셀을 형성하는 제 1 공정과;
    상기 제 1 공정 후 상기 상위 셀 위에 MCP2를 적층하여 삽입하는 제 2 공정 과;
    상기 제 2 공정 후 삽입된 상기 MCP2 위에 버퍼를 형성하고, 상기 버퍼 위에 하위 셀을 형성하는 제 3 공정과;
    상기 제 3 공정 후 상기 하위 셀 위에 MCP1을 적층하여 삽입하는 제 4 공정과;
    상기 제 4 공정 후 상기 MCP1 위에 반사 방지막을 형성하고, 상기 반사 방지막 위에 후면 전극을 형성하는 제 5 공정;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 4 공정은,
    상기 MCP1을 직렬 연결로 상기 MCP2에 연결시키도록 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지 모듈 구조의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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