KR20090076329A - 광 흡수를 극대화한 태양광 수광 패널, 그 제조 방법 및이를 포함한 태양 에너지 이용 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 태양광 발전이나 태양광 집열을 위해 사용되는 수광 패널과 이를 포함하는 태양에너지 이용 시스템을 개시한다. 본 발명의 수광 패널은, 표면에 정의되는 수광 영역에 상기 수광 영역을 가로지르는 다수의 트렌치를 구비하되, 상기 각 트렌치의 깊이(D)와 입구 폭(W)에 대하여 2W ≤ D ≤ 10W 의 관계식이 성립하는 점에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 입사된 태양광이 수광 영역에 형성된 트렌치의 내부에서 반사되면서 거의 모두 흡수되기 때문에 태양광의 흡수 효율이 매우 높아진다. 따라서 광전 변환 효율이 매우 높은 태양전지를 생산할 수 있고, 나아가 값비싼 실리콘의 사용량을 줄일 수 있으며, 태양광 집열 효율도 크게 향상시킬 수 있다. 같은 효율을 얻는 경우이면 태양전지 판 또는 태양광 집열판의 설치 면적을 높아진 효율만큼 줄일 수 있다.

태양광, 광흡수율, 트렌치

Description

광 흡수를 극대화한 태양광 수광 패널, 그 제조 방법 및 이를 포함한 태양 에너지 이용 시스템{Solar panel of which light absorption ratio is maximized, manufacturing method thereof, and solar energy using system comprising the same}

본 발명은 태양광 발전 또는태양열 집열을 위해 사용되는 태양광 수광 패널과 이를 포함하는 태양에너지 이용 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 수광 영역에 깊고 좁은 트렌치(trench)를 형성함으로써 광흡수율을 극대화한 수광 패널과 이를 포함하는 태양에너지 이용 시스템에 관한 것이다.

최근 화석 자원의 고갈에 대비하여 태양광, 풍력, 조력 등의 대체에너지를 이용하기 위한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있으며, 특히 태양광을 이용한 태양전지나 태양광 집열판은 이미 널리 사용되고 있다.

태양전지는 PN접합된 반도체의 내부에서 태양광에 의해 여기된 소수 캐리어가 확산하여 전지의 양단에서 기전력을 발생시키는 광전 변환소자로서, 단결정 실 리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 화합물 반도체 등의 반도체 물질을 이용하여 제조된다.

이 중에서 단결정 실리콘을 이용한 태양전지가 에너지 변환 효율이 가장 높지만 가격이 비싼 단점때문에 다결정 실리콘이 보다 많이 사용되고 있으며, 최근에는 값비싼 결정계 실리콘을 대신하여 유리나 플라스틱 등의 값싼 기판에 비정질 실리콘이나 화합물 반도체의 박막을 증착한 박막형 태양전지도 많이 사용되고 있다.

한편 결정계 태양전지는 도 1의 개략 단면도에 도시된 바와 같이 p형의 결정질 실리콘 기판(10)에 PN접합구조를 위한 n+ 도핑층(12)층이 형성된 구조를 가진다. 반대로 n형의 기판에 p+ 도핑층을 형성할 수도 있으나 이하에서는 편의를 위해 전자를 기준으로 설명한다.

n+ 도핑층(12)의 상부에는 보호막(14)이 형성되며, 기판(10)의 전면과 후면에는 스크린 프린팅 기법을 이용하여 전면 전극(18)과 후면 전극(16)이 형성된다. 후면 전극(16) 형성 과정에서는 Al이 확산하여 p++ 도핑층(13)이 형성됨으로써 기판(10)의 후면에 후면전계(Back Surface Field)가 형성되어 전자의 수집도가 향상된다.

그리고 기판(10)의 광 흡수율을 높이기 위하여 일반적으로 n+ 도핑층(12)을 형성하기 전에 기판(10)의 표면을 텍스쳐링(texturing) 처리하여 소정의 요철 구조를 형성한다.

텍스쳐링은 기판(10)의 표면에 미세한 요철을 형성하는 공정으로서, 염기 또는 산 용액을 이용한 습식 식각법이나 플라스마를 이용한 건식 식각법이 주로 이용된다. 텍스쳐링에 의해형성되는 요철 구조는 대부분의 경우 피라미드형 또는 역피라미드형의 형상을 가진다.

그러나 이와 같이 실리콘 기판(10)의 표면에 텍스쳐링 처리를 하더라도, 현재까지 제안된 요철 구조에서는 도 1의 A영역을 부분 확대한 도 2에 도시된 바와 같이 기판(10)에 대해 거의 수직으로 입사하는 태양광조차도 대부분이 반사될 수밖에 없다. 물론 표면에 반사 방지막을 증착함으로써 반사율을 저감시키고 있긴 하지만 현재까지 제안된 요철 구조로는 광흡수율을 획기적으로 향상시키는데 근본적인 한계가 있다.

한편 전술한 구조의태양전지를 이용하여 전기를 생산하기 위해서는 직렬 연결된 다수의 태양전지 판을 태양광에 대하여 가급적 수직으로 설치하여야 한다. 그런데 태양전지의 광전 변환 효율이 그리 높지 않기 때문에 이를 보상하기 위해서는 많은 개수의 태양전지 판을 설치하여야 하며, 따라서 태양광 발전 시스템을 구축하기 위해서는 매우 넓은 설치 면적이 요구되는 단점이 있다.

또한 태양전지 판은 반드시 실외에 설치해야 하므로 우박, 태풍, 인위적 파괴 등 외부 요인으로 인해 손상될 위험이 있다. 그리고 이러한 문제점은 태양광 집열판의 경우에도 마찬가지이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 에너지 변환 효율을 향상시키기 위하여 태양광의 광흡수율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 수광 패널을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 태양전지 판 또는 태양광 집열판 등의 태양광 수광 패널의 설치 면적을 줄임으로써 공간 활용도를 높이는 한편, 실외 환경으로부터 수광 패널을 보호할 수 있는 태양 에너지 이용 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여, 표면에 정의되는 수광 영역에 상기 수광 영역을 가로지르는 다수의 트렌치를 구비하되, 상기 각 트렌치의 깊이(D)와 입구 폭(W)에 대하여 2W≤D≤10W 의 관계식이 성립하는 것을 특징으로 하는 수광 패널을 제공한다.

상기 수광 패널에서 상기 다수의 트렌치는 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명은, 실외에 설치되어 태양광을 집광하는 집광 수단; 상기 집광 수단에서 집광된 태양광을 전달하는 광전달 수단; 상기 광전달 수단의 단부에 연결되는 발광 수단; 상기 발광 수단에서 조사되는 태양광을 통해 발전 또는 집열을 하는 수광 패널로서, 표면에 정의되는 수광 영역에 상기 수광 영역을 가로지르는 다수의 트렌치를 구비하되, 상기 각 트렌치의 깊이(D)와 입구 폭(W)에 대하여 2W≤D ≤10W 의 관계식이 성립하는 수광 패널을 포함하는 태양 에너지 이용 시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 입사된 태양광이 수광 영역에 형성된 트렌치의 내부에서 반사되면서 거의 모두 흡수되기 때문에 태양광의 흡수 효율이 매우 높아진다. 따라서 광전 변환 효율이 매우 높은 태양전지를 생산할 수 있고, 나아가 값비싼 실리콘의 사용량을 줄일 수 있다. 또한 태양광 집열 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

또한 태양의 고도에 관계없이 실외나 지하에 태양전지 판 또는 태양광 집열판을 컴팩트하게 설치할 수 있기 때문에 설치면적을 줄일 수 있다.

또한 흡수효율이 높기 때문에 반사방지막을 형성할 필요가 없고, 밀폐형이나 여과형으로 설치하여 공기 청청도가 유지된다면 수광 패널에 보호막을 형성하지 않고 사용할 수도 있다. 또한 실외의 여러 환경으로부터 태양광 수광 패널을 보호할 수 있어 태양광 발전 및 집열을 안정적으로 할 수 있게 된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

1. 수광 패널

본 발명은 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이 태양광을 이용하여 기전력을 발생시키거나 열을 발생시키는 수광 패널(100)의 표면에 광흡수율을 높이기 위하여 매우 깊고 좁은 트렌치(120)를 형성하는 점에 특징이 있다.

따라서 수광 패널(100)의 표면에는 도 4의 사시도에 도시된 바와 같이 다수의 트렌치(120)가 평행하게 형성된다. 이러한 트렌치(120) 패턴은 수광 패널(100)의 전면에 걸쳐서 형성할 수도 있고, 전면 전극을 제외한 나머지 부분, 즉 수광 영역에만 형성할 수도 있다.

수광 패널(100)의 표면에 이와 같은 트렌치(120)를 형성하면, 도 5의 모식도에 도시된 바와 같이 대부분의 입사각에 대하여 태양광이 트렌치(120)의 내부에서 반사되면서 거의 모두 흡수되어 빠져나가지 못하므로 광흡수율이 엄청나게 높아진다.

이러한 구조가 광흡수율을 획기적으로 높이는 것은, 면도날을 수십 개 쌓아 놓으면 입사되는 빛이 면도날 사이로 거의 흡수되어 새까맣게 보이는 현상을 통해서도 간접적으로 확인할 수 있다.

그리고 이와 같이 광흡수율이 높아지면 전자-정공 쌍이 더욱 많이 생성되고, 전자의 이동도가 높아지고 시간이 늘어 재결합 확률이 낮아져 광전 변환 효율이 높아진다. 또한 가시광선 대역뿐만 아니라 다른 파장대의 광선에 대한 흡수율도 함께 높아지기 때문에 이론적으로는 약하긴 하지만 수광 패널에 도달하는 광 파장이 존재한다면 흐린 날에도 태양광 발전이 가능해 진다.

더욱 구체적으로는, 트렌치(120)의 깊이(D)가 입구 폭(W)에 대하여 2 배 내 지 10배의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 6배 내지 10배의 크기를 가지는 것이 바람직하다.

도 6은 D/W가 1.54인 경우를 나타낸 모식도로서, 수광 재질의 반사도를 100%로 가정했을 때, 거의 수직으로 입사하는 태양광이 트렌치(120)의 내부에서 몇 번 반사하다가 결국 외부로 반사되어 버리는 것을 알 수 있다.

따라서 광흡수율을 극대화시키기 위해서는 적어도 D/W가 2배 이상인 것이 바람직하다. 그리고 D/W을 10배 이하로 한 것은 트렌치(120)를 포함한 패널의 강도가 지나치게 약해지는 것을 방지하기 위한 것일 뿐이므로 10배 이상이어도 무방하다.

다른 관점에서, 트렌치(120)의 깊이(D)는 10~20마이크로 미터인 것이 바람직하고, 트렌치(120)의 입구 폭(W)은 2~3마이크로 미터인 것이 바람직하다. 그리고 트렌치(120)와 트렌치(120)사이의 첨단부(130)는 수십 나노미터 수준의 폭을 가지는 것이 바람직하다.

한편 트렌치(120)의 단면 구조는 도시된 바와 같이 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 것이 바람직하며, 특히 역삼각형의 단면 구조를 가지는 것이 더 바람직하다.

이러한 구조의 트렌치(120)는 레이저스크라이빙, 습식 식각, 건식 식각등의 방법을 통해서 형성할 수있다.

레이저 스크라이빙을 이용하여 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 단면 구조, 특 히 역삼각형의 단면 구조를 가지는 트렌치(120)를 형성하기 위해서는 인가되는 레이저 빔의 광폭을 점진적으로 또는 단계적으로 조절하는 것이 바람직하다.

예를 들어 제1폭의 레이저 빔을 인가하여 수광 패널(100)의 표면을 제1깊이만큼 식각하고, 다시 제1폭보다 좁은 제2폭의 레이저 빔을 인가하여 트렌치(120) 내부를 제2깊이만큼 식각하고, 다시 제2폭보다 좁은 제3 폭의 레이저 빔을 인가하여 트렌치(120) 내부를 제3 깊이만큼 식각하는 등의 과정을 반복하면, 도시된 바와 같은 역삼각형의 단면을 형성할 수 있다.

레이저 빔의 광폭을 조절하기 위해서는 예를 들어 레이저 빔의 에너지를 조절한다.

이와 같은 과정을 통해 형성된 트렌치(120)의 내벽을 매끄럽게 처리하기 위해서, 트렌치(120)를 형성한 후에 습식 식각 공정을 추가로 진행할 수도 있다.

다른 방법으로서, 나노임프린팅 기법을 이용하여 트렌치(120) 패턴을 형성할 수도 있다. 즉, 실리콘 기판 위에 최소 수 마이크로 미터의 폭을 가진 마스크를 인쇄한 다음 건식 혹은 습식 식각을 하여 도 7에 도시된 바와 같은 형태의 트렌치 패턴을 형성하는 것이 가능하다.

본 발명의 수광 패널(100)은 이후에, 내부에 PN접합 구조가 형성된 상태에서 표면에 전극을 형성함으로써 태양전지로 사용될 수도 있고, 다른 재질에 수광 패널의 구조를 그대로 적용하면 태양광 집열을 위한 집열판 또는 집열관으로 사용 될 수도 있다.

태양전지에 사용되는 경우는, 본 발명의 수광 패널(100)이 반드시 결정질 혹은 비정질 계통의 실리콘 기판 등에만 한정되는 것은 아니므로 태양광에 의해 전자-전공 쌍의 생성이 가능한 다른 종류의 다성분계를 포함한 반도체 재료에도 적용될 수 있고, 각종 화합물 반도체 태양전지, 박막형 실리콘 태양전지, 염료 감응 태양전지, 플라스틱 계통의 태양전지 시스템 등에서도 전술한 효율적인 수광 구조를 적용할 수 있다.

2. 태양에너지 이용 시스템

본 발명의 실시 예에 따른태양에너지 이용 시스템은 도 8의 구성도에 도시된 바와 같이, 집광 수단(50), 광전달 수단(60), 발광 수단(70), 수광 패널(100)을 포함한다.

집광 수단(50)은 실외에 설치되어 태양광을 고밀도로 집광하는 수단으로서, 도시된 바와 같이 주반사기(51), 부반사기(52), 집광부(53)를 가지는 포물면경인 것이 바람직하다.

태양광은 먼저 주반사기(51)에 반사된 후 포물면의 초점에 위치하는 부반사기(52)에서 재 반사되어 주반사기(51)의 중앙부에 위치하는 집광부(53)로 집광된다.

집광부(53)는 고밀도로 집광된 태양광을 광전달 수단(60)으로 전달하는 역할을 한다.

광전달 수단(60)은 내부 전반사 특성을 이용하여 입사된 광을 반대편까지 전달하는 광섬유, 광유도관 등을 포함할 수 있다. 즉, 도 9는 다수의 광섬유다발로 이루어진 광전달 수단(60)의 단면을 나타낸 것이다.

또한 도 10에 도시된 바와 같이 집광된 빛을 평행하게 직진시키는 평행유도관(80)의 내부에 은거울 등의 반사 수단(82)을 설치하여, 반사 수단(80)에서 반사된 태양광을 각 발광 수단(70)으로 전달할 수도 있다.

도 10은 반사 수단(82)의 설치모습이 개념적으로 도시된 것이고, 실제 적용에 있어서는 평행 유도관(80)의 내부를 평행 유도관(80)에 연결되는 발광 수단(70)의 개수만큼의 다수 영역으로 분할하고, 각 영역마다 하나의 발광 수단(70)에 대응하는 반사 수단(82)을 설치하는 것이 바람직하다.

이때 반사 수단(82)들의 설치위치는, 예를 들어 평행 유도관(80)의 종단면도인 도 11에 도시된 바와 같이, 대응하는 발광 수단(70)의 위치에 따라 결정된다. 특히 광 손실을 최소화하기 위해서는 도 12에 도시된 바와 같이 평행 유도관(80)의 내부를 평면도로 보았을 때 반사수단(82)들 간에 빈틈이 없는 것이 바람직하다.

발광 수단(70)은 광전달 수단(60)의 단부에 설치되어, 광전달 수단(60)을 통해 전달된 태양광을 수광 패널(100)로 조사(照射)하는 역할을 한다. 이러한 발광 수단(70)은 석영, 유리 등의 소재로 제조될 수 있고, 그 기능은 오목렌즈의 역할을 하여 고밀도로 집광된 태양광을 해당 수광패널의 면적에 최적으로 조사될 수 있도 록 설계되어야 한다.

발광 수단(70)의 개수는 수광 패널(100)의 개수나 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 하나의 집광 수단(50)에 대해 복수 개의 발광 수단(70)이 설치되고 광전달 수단(60)이 다수의 광섬유인 경우에 있어서, 다수의 광섬유를 상기 발광 수단(70)의 개수와 동일한 개수의 다발로 구분하여 각 다발의 끝에 발광 수단(70)을 1개씩 설치하면 된다.

또한 하나의 수광 패널(100)에 대해 다수의 발광 수단(70)이 설치될 수도 있고, 반대로 하나의 발광 수단(70)이 다수의 수광 패널(100)에 빛을 조사하는 것도 가능하다.

수광 패널(100)은 발광 수단(70)을 통해 조사되는 태양광을 이용하여 발전을 하는 태양전지판으로 사용될 수도 있고, 집열을 하는 태양광 집열판(또는 집열관)으로 사용될 수도 있다.

다만 집광이나 전송 과정에서 태양광의 에너지 손실이 불가피한 문제점이 있으므로, 이를 보완하기 위해서는 전술한 바와 같이 수광 영역을 가로지르는 트렌치 패턴을 가지는 수광 패널(100)을 사용하여 광전 변환 효율 또는 광열 변환효율을 극대화시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시 예에 따른 태양에너지 이용 시스템은 집광 수단(50)을 실외에 설치하고, 수광 패널(10)을 도시된 바와 같이 실내나 지하에 컴팩트하게 설치할 수 있으므로 종래처럼 수광 패널을 넓은 공간에 펼쳐서 설치할 필요가 없어져 공간 활용도가 높아진다.

도 1은 일반적인 결정질 실리콘 태양전지의 단면도

도 2는 종래 기판 표면에서의 태양광 반사를 나타낸 모식도

도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 실시 예에 따른 수광 패널의 단면도 및 사시도

도 5는 본 발명의 수광 패널에서 다양한 입사각의 태양광이 흡수되는 모습을 나타낸 모식도

도 6은 D/W가 1.54일 때의 태양광의 반사 패턴을 나타낸 모식도

도 7은 다른 형태의 트렌치 패턴을 나타낸 도면

도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 태양 에너지 이용 시스템의 구성도

도 9는 광섬유로 이루어진 광전달 수단의 단면을 나타낸 도면

도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 에너지 이용 시스템의 구성도

도 11 및 도 12는 각각 광전달 수단을 이루는 전체 반사수단(은거울)을 나타낸 종단면도 및 평면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

50: 집광 수단 60: 광전달 수단

70: 발광 수단 80: 평행유도관

82: 반사 수단 100: 수광 패널

120: 트렌치 130: 첨단부

Claims (7)

1. 태양광을 이용하여 발전 또는 집열을 하는 수광 패널로서,

   표면에 정의되는 수광 영역에 상기 수광 영역을 가로지르는 다수의 트렌치를 구비하되, 상기 각 트렌치의 깊이(D)와 입구 폭(W)에 대하여 2W ≤ D ≤ 10W 의 관계식이 성립하는 것을 특징으로 하는 수광 패널
2. 제1항에서,

   상기 다수의 트렌치는 하부쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 수광패널
3. 기판을 준비하는 제1단계;

   상기 기판의 표면에 정의되는 수광 영역에 상기 수광영역을 가로지르는 다수의 트렌치를 형성하되, 상기 각 트렌치의 깊이(D)와 입구 폭(W)에 대하여 2W ≤ D ≤ 10W 의 관계가 성립하도록 형성하는 제2단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 수광 패널의 제조 방법
4. 제3항에서,

   상기 다수의 트렌치는 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 수광패널의 제조 방법
5. 제3항에서,

   상기 다수의 트렌치는 레이저 스크라이빙, 건식 식각, 습식 식각 또는 나노임프린팅 기법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수광 패널의 제조 방법
6. 실외에 설치되어 태양광을 집광하는 집광 수단;

   상기 집광 수단에서 집광된 태양광을 전달하는 광전달 수단;

   상기 광전달 수단의 단부에 연결되는 발광 수단;

   상기 발광 수단에서 조사되는 태양광을 통해 발전 또는 집열을 하는 수광 패널로서, 표면에 정의되는 수광 영역에 상기 수광 영역을 가로지르는 다수의 트렌치를 구비하되, 상기 각 트렌치의 깊이(D)와 입구 폭(W)에 대해 2W ≤ D ≤ 10W 의 관계가 성립하는 수광 패널;

   을 포함하는 태양에너지 이용 시스템
7. 제6항에서,

   상기 광전달 수단은,

   상기 집광 수단에 연결된 유도관;

   상기 유도관의 내부에 설치되며, 상기 유도관을 통해 유입되는 태양광을 상기 발광 수단 쪽으로 반사시키는 반사 수단;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지 이용 시스템

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