KR20090006668A - 투명 축광재료와 형광재료 층이 전면에 형성된 태양전지구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지의 반사방지막 아래에 있는 투명전도막전후에 투명 축광 및 형광막을 형성하여 형광막으로는 양자효율이 높은 광을 더 많이 조사하게 하고, 축광막으로는 야간에도 발전이 가능하도록 하는 새로운 태양전지구조에 관한 것으로 태양전지의 발전효율 향상을 목적으로 한다.

본 발명의 구성은 투명전도막이나 그리드 전극이 형성된 태양전지의 전후면 에 투명 축광 및 형광막을 각각 형성한 2층 구조로 하거나 두 재료를 혼합적용한 1층 구조로 하여, 형광막으로는 단파장의 빛을 장파장으로 많이 변환시켜 양자효율이 높은 광을 많이 조사하게 하고, 축광막으로는 태양광이 없는 야간에도 발전이 가능하도록 고안한 구조를 특징으로 한다.

축광재료, 형광재료, 태양전지, 코팅, 다층막, 혼합막

Description

투명 축광재료와 형광재료 층이 전면에 형성된 태양전지 구조{Solar cell structure having transparent phosphor layers of long persistence and photoluminescence in front}

본 발명은 태양전지에 축광재료 및 형광재료막을 이용하여 태양 전지의 발전효율을 증대시키는 방법에 관한 것이다.

태양전지는 태양 빛을 받아서 전기를 생산하는 것으로 광기전력효과를 이용한다. 그 종류로는 실리콘 단결정 태양전지, 실리콘 다결정 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지, 화합물 태양전지, 염료감응형 유기태양전지 등으로 구분한다. 태양전지의 효율은 약 18% 정도(실리콘 태양전지)에서부터 약 7% 정도(유기계 태양전지) 까지 제조되고 있으나, 모두 효율이 낮아 경제성이 부족한 것이 가장 큰 문제이고, 고가의 재료비, 복잡한 제조방법, 짧은 수명 등 태양전지 종류에 따라 개선해야 할 문제점이 많다.

실리콘 단결정형 태양전지의 경우는 기전력이 발생하는 P/N 접합부분이 약 3 μm 정도로 약 570 nm 에서 1,200 nm 까지의 가시광선과 적외선 및 근적외선으로 발전을 하며, 약 15 - 25% 정도의 자외선과 청록색광은 발전에 기여하지 못하고 버리게 된다.

또한 태양전지는 햇볕이 있을 때만 발전하므로 야간이나 구름이 있는 경우에는 발전이 전혀 불가능하다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 형광체의 발광특성을 활용하기 위해 태양전지의 구조를 개선하여 발전효율을 증대시키는 새로운 기술을 제공하는 데 있다.

상기의 과제 해결을 위하여 본 발명에서는, 태양광선 중 전기발전에 거의 기여하지 못하는 파장이 짧은 자외선이나 청색계 가시광을 형광체가 1차로 흡수하여 더 긴 파장인 가시광선과 적외선을 방사하므로 태양전지의 전기발전을 증가시키고, 또 축광체는 청색 이하의 단파장을 흡수하여 에너지를 보유하고 있다가 빛이 없는 시간이 되면 가시광선 이상을 방사하는데 이 빛이 전기발전에 기여한다. 이러한 현상은 형광체 및 축광재료의 특성과 성능에 따라 차이가 나지만, 이 두 가지의 재료특성을 잘 활용할 수 있도록 태양전지의 투명전극 앞뒤에 형광 및 축광재료를 삽입하는 구조를 만듦으로서 태양전지의 전체적인 발전효율을 향상시키고자 한다.

본 발명은 태양전지의 전면에 형광재료, 축광재료 또는 이들의 혼합물에 의해서 형성된 코팅층을 형성시켜 태양광선중 파장이 짧은 자외선이나 청색계열의 빛을 발전에 이용함으로써 태양전지의 발전효율을 증대시키는 효과를 준다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 단점을 개선하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은, 기존의 태양전지 구조에 추가한 형광체와 축광체가 방사하는 긴 파장의 2차 광이 가장 효과적으로 P/N 접합(junction) 부근에 도달하도록 함이 중요하다.

도 1에서 보듯 태양광은 자외선이 약 3%, 가시광선이 43%, 적외선이 54%로 구성된다. 일반적 PN형 태양전지의 PN 접합깊이는 약 3 μm 이다. 태양광이 태양전지에서 전기를 발생하는데 기여하는 정도는 전지재료의 검지대폭(bend gap)의 크기와 PN 접합깊이 등이 관여하게 된다. 실리콘 태양전지의 경우, 도1에서 보듯 가시광선 영역의 파장인 약 570 nm에서 근적외선인 1,200 nm가 대부분 광전류 발생에 기여하고, 나머지 약 570 nm 이하인 15-25%의 태양광 복사에너지는 아무런 기여도 못하고 버리게 된다.

광전류 발생에 기여하지 못하고 버려지는 청록계 이하 단파장은 일부 우수한 형광체를 여기하는데 아주 적절하다. 형광체 물질에 따라 특성이 다소 다르지만 일반적으로 구분되는 것은 자외선과 청색에 의한 형광체의 여기로 인해서 보다 긴 파장인 가시광선이나 적외선을 2차로 곧바로 변환하여 발광하는 것으로 광여기 발광(photoluminescence)이라 하며, 형광체의 재료에 따라서는 변환된 광이 저장되었다가 서서히 장시간 방출되는 축광재료(long persistence phosphors)로 구분할 수 있다. 이 두 가지의 2차광을 전력생산에 최대한 활용할 수 있는 태양전지 구조의 제안이 본 발명의 핵심사항이다.

도 2는 약 253 nm의 자외선에 의한 [Eu(Phen)₂]³⁺ 복합체 (혹은 LnAlO₃) 계열 형광체의 광여기 발광 스펙트럼을 보여주는데, 여기파장의 2-3배 정도로 긴 파장의 가시광선이나 적외선을 발광한다.

도 3은 대표적인 SrAl₂O₄계 축광체의 2차 발광세기의 시간에 따른 특성을 보여준다. 2차 발광의 세기가 강하고 장파장이며 긴 시간 지속될수록 광전류는 증대할 것이다.

태양전지에 형광 및 축광막을 형성하여 광전류를 증대시키기 위해서는 기본적으로 전지일체형과 전지분리형 및 내장혼합형의 3가지 구조가 가능하다.

도 4에서 보듯 먼저, 태양전지에 형광체막과 축광체막을 태양전지의 광이 조사되는 반사방지막 아래 전면전극앞에 총 두께 2 nm에서 10 μm 정도로 순서에 무관하게 2층으로 만든 구조(도 4A) 혹은 두 재료가 혼합된 층(도 4B)을 태양전지와 일체형으로 형성한 구조를 기본으로 제안한다.

본 발명은 바람직하게는 실리콘 단결정 태양전지, 실리콘 다결정 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지, 화합물 태양전지, 염료감응형 유기태양전지를 포함한 태양전지에 있어서, 빛을 받아 기전력을 발생시키는 전면전극 상에 두께 2 nm에서 10 μm의 투명한 축광재료과 형광재료 각각에 의한 2층의 막 또는 축광재료와 형광재료의 혼합물에 의한 막을 포함하는 태양전지를 제공한다.

2층막 구조는 광여기 형광재료의 막과 축광재료의 막을 따로 분리해서 형성 시킨 것이고, 두 재료가 혼합된 것은 한번의 제막공정으로 두 재료의 고른 혼합층을 형성하는 것을 말한다.

2종의 형광체막 및 축광체막의 비율이나 혼합형의 2성분비는 하나가 5%에서 95%까지 증가하면, 다른 하나는 그 반대로 감소하게 하여 총 두께를 맞춘다.

본 발명에서 사용되고 있는 용어 “태양전지”는 실리콘 단결정 태양전지, 실리콘 다결정 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지, 화합물 태양전지, 염료감응형 유기태양전지 등 모든 종류의 태양전지를 포함한다.

본 발명에서 사용되는 투명한 축광 및 형광재료는 황화물계, 산화물계를 포함하는 다양한 모물질에 각종 활성제가 첨가된 다성분계 축광 및 형광재료로, 축광재료는 가시광보다 큰 파장을 발광하면서, 잔광시간이 길고 휘도가 높은 형광물질이고, 형광재료란 녹청색 이하 파장의 광으로 여기되어 가시광선 이상의 장파장 빛을 다량 발광하는 형광재료이다.

태양전지상의 축광 및 형광재료막은 박막이거나 후막일 수 있으며, 전자선 증착방법, 스퍼터링 제막법 및 기상증착법 등 각종 진공증착법에 의한 박막 형성이 가능하고, 스크린 프링팅법, 잉크제트법, 스프레이법 등과 같은 각종 후막제조법으로도 막 형성이 가능하다.

태양전지 맨 전면의 반사방지막은 구조상 필수적인 것이 아니므로 경우에 따라서는 본 형광 및 축광막이 태양전지 구조의 최상층일 수 있으며, 형광 및 축광막이 현재 사용되는 투명전도막 정도의 저항을 갖는 재료일 경우 별도의 투명전도막 없이 투명한 형광 및 축광막이 이를 대응하는 구조도 사용가능하게 된다.

또한, 본 발명의 제 2 형태로 도 5와 같은 분리형 구조가 있다. 이는 태양전지의 형태를 그대로 유지하면서 필요에 따라 본 기술제품을 탈부착 사용 가능하도록 한 것이다. 태양전지 위의 축광 및 형광막은 투명한 무기질 유리막이나 플라스틱계 유리막(폴리카보네이트, 피엠엠에이 등)에 축광재료를 미리 2층으로 코팅하거나 유리막에 혼합첨가로 막을 만든 후, 태양전지의 최전면 위에 단순 부착하는 것으로 태양전지와 형광 및 축광막의 분리와 부착이 용이하고 제작이 쉬운 장점이 있는 구조이다. 이 경우 형광재료 및 축광재료의 막 두께와 혼합비율 조정은 일체형 구조의 경우와 동일하다.

한편, 도 6은 고분자나 유기계 태양전지의 전해질막을 제조하거나 산화티탄, 염료 등의 막을 형성할 때 상기의 축광재료나 형광체 분말을 혼합/분산첨가하여 사용하는 내장 혼합형 구조이다. 이 태양전지 구조는 도 6A와 같이 투명전도막 안쪽 전해질에 형광 및 축광재료를 복합적으로 혼합한 구조와, 도 6B와 같이 산화티탄이나 염료막 등에 재료별 막이 혼합 내장된 구조가 가능하다.

바람직하게는 본 발명은 전해질, 산화티탄, 또는 염료의 각각의 막을 형성시키는데 축광재료와 형광재료 각각을 첨가하거나 축광재료와 형광재료의 혼합물을 첨가하여 축광재료와 형광재료가 포함된 막을 포함하는 유기계 태양전지를 제공한다.

본 발명에 따르면 태양광선 중 약 470 nm 이하의 청색광 및 자외선을 이용하여 형광체막을 여기, 가시광선 및 적외선으로 변환하여 주므로 태양전지의 양자효율을 증대시켜서 전지의 발전효율을 수 % 향상시킬 수 있고, 주간의 태양빛이 축광 재료막을 여기하여 광에너지를 저장하였다가, 야간이나 흐린 날에 가시광선 및 적외선 발광으로 태양전지의 발전을 가능하게 하므로 태양전지의 1일 광발전 효율을 향상시키는 잇점이 있다.

상기된 바와 같이, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 구체적으로 설명하고 있지만, 본 발명은 이러한 설명으로 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 다양한 변화가 가능하다는 것을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명을 위한 태양광 광전류 스펙트럼을 나타낸다.

도 2는 본 발명을 위한 형광체의 자외선 여기 광발광 스펙트럼(photoluminescence spectrum)을 나타낸다.

도 3은 본 발명을 위한 일반 축광체의 발광특성을 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따라 구성되는 태양전지 구조도로 도 4A는 일체형 2층 구조도이고, 도 4B는 일체형 혼합구조도이다.

도 5는 본 발명에 따라 구성되는 태양전지의 분리형 구조를 나타낸다.

도 6은 본 발명에 따라 구성되는 태양전지 구조도로 도 6A는 내장형 복합막 구조도이고, 도 6B는 내장형 다층막 구조도이다.

Claims (7)

1. 실리콘 단결정 태양전지, 실리콘 다결정 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지, 화합물 태양전지, 염료감응형 유기태양전지를 포함한 태양전지에 있어서, 빛을 받아 기전력을 발생시키는 전면전극 상에 두께 2 nm에서 10 μm의 투명한 축광재료과 형광재료 각각에 의한 2층의 막 또는 축광재료와 형광재료의 혼합물에 의한 막을 포함하는 태양전지.
2. 제 1항에 있어서, 투명한 축광재료와 형광재료는 황화물계 또는 산화물계를 포함하는 다양한 모물질에 활성제가 첨가된 다성분계 축광재료 및 형광재료이며, 축광재료는 가시광보다 큰 파장을 발광하면서 잔광시간이 길고 휘도가 높은 형광물질이고, 형광재료는 녹청색 이하 파장의 빛에 의해서 여기되어 가시광선 이상의 장파장을 다량 발광하는 물질임을 특징으로 하는 태양전지.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 축광재료와 형광재료 각각에 의한 2층의 막은 박막이거나 후막이며, 태양전지 위에 전자선 증착방법, 스퍼터링 제막법 또는 기상증착법을 포함하는 각종 박막 진공증착법에 의해 형성되거나, 스크린 프링팅법, 잉크제트법, 스프레이법을 포함하는 후막제조법에 의해서 형성됨을 특징으로 하는 태 양전지.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 투명한 축광재료와 형광재료 각각에 의한 2층의 막 또는 축광재료와 형광재료의 혼합물에 의해서 형성된 막이 높은 전기전도성도 갖게 되어 기존의 투명전도막을 대체함을 특징으로 하는 태양전지.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 축광재료에 의한 막과 형광재료에 의한 막의 두께 비율이 서로에 대해서 5% 내지 95%이거나, 축광재료와 형광재료의 혼합비가 서로에 대해서 5중량% 내지 95중량%임을 특징으로 하는 태양전지.
6. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 투명한 축광재료 및 형광재료 각각에 의한 2층의 막 또는 축광재료와 형광재료의 혼합물에 의한 막을 투명한 무기질 유리나 플라스틱계 유리막에 미리 코팅하여 태양전지와 별도로 분리된 막을 만든 후, 태양전지의 최전면 위에 단순 탈부착이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 태양전지가 유기계 태양전지이며, 축광재료 및 형광재료가 유기계 태양전지의 전해질, 산화티탄, 또는 염료의 각각의 막을 형성시키는데 혼합 첨가되거나 축광재료와 형광재료의 막을 삽입시킴으로써 포함됨을 특징으로 하는 태양전지.

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