KR20090128954A - 태양전지 모듈 - Google Patents

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KR20090128954A
KR20090128954A KR1020080054958A KR20080054958A KR20090128954A KR 20090128954 A KR20090128954 A KR 20090128954A KR 1020080054958 A KR1020080054958 A KR 1020080054958A KR 20080054958 A KR20080054958 A KR 20080054958A KR 20090128954 A KR20090128954 A KR 20090128954A
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이은경
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Abstract

광전 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 모듈이 개시되어 있다. 태양전지 모듈은 광 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 태양 전지, 태양 전지에 역바이어스를 공급하기 위한 바이어스 공급부, 태양 전지로부터 생성되는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 출력부, 시간을 달리하여 태양 전지와 바이어스 공급부를 연결하거나 태양 전지와 에너지 출력부를 연결하는 스위칭부, 및 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다. 스위칭부는 태양 전지와 바이어스 공급부 사이에 형성되는 제1 반도체 스위치 및 태양 전지와 에너지 출력부 사이에 형성되는 제2 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 스위칭 제어부는 제1 반도체 스위치를 온시켜 일정 시간 동안 바이어스 공급부가 태양전지에 역바이어스를 인가하도록 제어하고, 일정 시간이 경과된 후 제1 반도체 스위치를 오프시키고 제2 반도체 스위치를 온시켜 태양전지로부터 생성되는 전기 에너지가 에너지 출력부로 출력되도록 제어한다. 이와 같이, 전기 에너지의 출력과는 별도로 태양 전지의 양 단에 반복적으로 역바이어스를 인가하여 태양 전지의 광전 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

태양전지 모듈{SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부로부터 공급되는 빛 에너지를 반도체의 성질을 이용하여 전기 에너지로 변환하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로써, 친환경적이고, 수명이 길고, 무한 에너지원이라는 여러 장점으로 인해 기존의 석탄, 석유 등의 에너지원을 대체할 수 있는 대체 에너지원으로 그 적용 분야가 계속해서 확대되고 있는 실정이다.
태양전지는 사용 재료에 따라 실리콘계열, 화합물계열, 유기물계열 등으로 크게 구분될 수 있으며, 이중 실리콘계열의 태양 전지가 현재 대부분을 차지하고 있다.
실리콘계열의 태양전지는 다시 단결정 또는 다결정 실리콘으로 제조되는 결정형 태양전지와 비정질 또는 미세결정질 실리콘으로 제조되는 박막형 태양전지로 구분될 수 있다. 그러나, 결정형 태양전지는 광전 효율이 높은 반면 제조 비용이 증가되는 단점이 있으며, 박막형 태양전지는 제조 비용이 저렴한 반면 광전 효율이 결정형에 비하여 떨어지는 단점이 있다.
이에 따라, 최근에는 제조 비용이 저렴한 박막형 태양전지의 광전 효율을 높이는 방향으로 많은 연구가 진행되고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명은 광전 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 태양전지 모듈은 광 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 태양 전지, 상기 태양 전지에 역바이어스를 공급하기 위한 바이어스 공급부, 상기 태양 전지로부터 생성되는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 출력부, 시간을 달리하여 상기 태양 전지와 상기 바이어스 공급부를 연결하거나 상기 태양 전지와 상기 에너지 출력부를 연결하는 스위칭부, 및 상기 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다.
상기 스위칭부는 상기 태양 전지와 상기 바이어스 공급부 사이에 형성되는 제1 반도체 스위치 및 상기 태양 전지와 상기 에너지 출력부 사이에 형성되는 제2 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 상기 제1 반도체 스위치 및 상기 제2 반도체 스위치는 실리콘 제어 정류 소자로 형성될 수 있다.
상기 스위칭 제어부는 상기 제1 반도체 스위치를 온시켜 일정 시간 동안 상기 바이어스 공급부가 상기 태양전지에 역바이어스를 인가하도록 제어하고, 상기 일정 시간이 경과된 후 상기 제1 반도체 스위치를 오프시키고 상기 제2 반도체 스위치를 온시켜 상기 태양전지로부터 생성되는 전기 에너지가 상기 에너지 출력부로 출력되도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 스위칭 제어부는 상기 제1 반도체 스위치 가 온 상태인 시간이 상기 제2 반도체 스위치가 온 상태인 시간보다 짧거나 같도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 스위칭 제어부는 상기 에너지 출력부로부터 출력되는 에너지 레벨이 기 설정된 기준 레벨보다 낮아질 경우, 상기 제2 반도체 스위치를 오프시키고 상기 제1 반도체 스위치를 온시켜 일정 시간 동안 상기 태양전지에 역바이어스가 인가되도록 제어할 수 있다.
상기 태양 전지는 진성 실리콘층, 상기 진성 실리콘층의 적어도 일면에 형성된 n형 실리콘층, 상기 진성 실리콘층의 적어도 일면에 상기 n형 실리콘층과 분리되도록 형성된 p형 실리콘층, 상기 n형 실리콘층과 접하게 형성된 제1 전극, 및 상기 p형 실리콘층과 접하게 형성된 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 바이어스 공급부는 상기 제1 반도체 스위치가 온일 경우에, 상기 n형 실리콘층과 접해 있는 상기 제1 전극에 양(+)의 전압을 인가하고 상기 p형 실리콘층과 접해 있는 상기 제2 전극에 음(-)의 전압을 인가한다.
상기 태양 전지는 상기 n형 실리콘층, 상기 진성 실리콘층 및 상기 p형 실리콘층이 순차적으로 적층된 핀(pin) 다이오드 구조를 가질 수 있다. 상기 진성 실리콘층은 서로 교대로 적층된 복수의 비정질 실리콘층들 및 복수의 미세결정질 실리콘층들을 포함할 수 있다. 상기 진성 실리콘층에 형성된 상기 비정질 실리콘층들의 총 두께는 약 0.4 ~ 1.0㎛로 형성될 수 있다. 상기 n형 실리콘층 및 상기 p형 실리콘층은 각각 비정질 실리콘 및 미세결정질 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 p형 실리콘층은 상기 진성 실리콘층보다 높은 밴드갭 에너지를 갖기 위해 탄소(C)를 포함할 수 있다.
상기 스위칭부는 상기 제1 반도체 스위치와 상기 바이어스 공급부 사이에 형성되어, 상기 제1 반도체 스위치가 온될 때 상기 바이어스 공급부 방향으로 역전류가 흐르는 것을 방지하는 역전류 방지부를 더 포함할 수 있다. 상기 역전류 방지부는 저항 및 콘덴서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 에너지 출력부는 상기 태양전지로부터 생성되는 전기에너지를 저장하기 위한 축전기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 에너지 출력부는 상기 축전기의 양단에 연결되어 상기 축전기에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 태양전지 모듈에 따르면, 전기 에너지의 출력과는 별도로 태양 전지의 양 단에 반복적으로 역바이어스를 인가하여 태양 전지의 광전 효율을 향상시키고 태양전지 모듈의 고출력 상태를 유지할 수 있다. 또한, 태양 전지 내의 진성 실리콘층을 비정질 실리콘층들과 미세결정질 실리콘층들이 교대로 적층된 구조로 형성하여 태양 전지의 광전 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 하기의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 도면들에 있어서, 각 장치 또는 막(층) 및 영역들의 두께는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시되었으며, 또한 각 장치는 본 명세서에서 설명되지 아니한 다양한 부가 장치들을 구비할 수 있으며, 막(층)이 다른 막(층) 또는 기판 상에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 다른 막(층) 또는 기판 상에 직접 형성되거나 그들 사이에 추가적인 막(층)이 개재될 수 있다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈을 개략적으로 나타낸 구성도이며, 도 2는 도 1에 도시된 태양 전지의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈(100)은 광 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 태양 전지(200), 태양 전지(200)에 역바이어스를 공급하기 위한 바이어스 공급부(110), 태양 전지(200)로부터 생성되는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 출력부(120), 바이어스 공급부(110) 및 에너지 출력부(120)의 동작을 선택하기 위한 스위칭부(130) 및 스위칭부(130)의 동작 을 제어하기 위한 스위칭 제어부(140)를 포함한다.
태양 전지(200)는 외부로부터 입사되는 광에 반응하여 전기를 생성하는 광전 소자이다. 태양 전지(200)는 실리콘 계열의 박막형 태양 전지로 형성될 수 있다. 태양 전지(200)는 실질적으로 광전 효과를 일으키는 광전 변환부(210)와 광전 변환부(210)로부터 생성되는 전기를 외부로 출력시키기 위하여 광전 변환부(210)의 양 단에 형성되어 에너지 출력부(120) 등의 외부 회로와 전기적으로 연결되는 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)을 포함할 수 있다.
광전 변환부(210)는 진성 실리콘층(211), 진성 실리콘층(211)의 적어도 일면에 형성되는 n형 실리콘층(214) 및 진성 실리콘층(211)의 적어도 일면에 n형 실리콘층(214)과 분리되도록 형성된 p형 실리콘층(215)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전 변환부(210)는 n형 실리콘층(214), 진성 실리콘층(211) 및 p형 실리콘층(215)이 순차적으로 적층된 핀(PIN) 다이오드 구조로 형성될 수 있다. 한편, 제1 전극(220)은 n형 실리콘층(214)과 접하게 형성되며, 제2 전극(230)은 p형 실리콘층(215)과 접하게 형성된다.
바이어스 공급부(110)는 태양 전지(200)에 역바이어스를 공급하기 위하여 스위칭부(130)를 사이에 두고 태양 전지(200)와 전기적으로 연결되도록 설치된다. 예를 들어, 바이어스 공급부(110)의 음(-)의 단자는 스위칭부(130)와 연결되고, 양(+)의 단자는 태양 전지(200)의 제1 전극(220)와 연결된다. 바이어스 공급부(110)는 스위칭부(130)의 동작에 따라, 일정 시간 동안 태양 전지(200)의 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)에 역바이어스를 공급한다.
에너지 출력부(120)는 태양 전지(200)로부터 생성되는 전기 에너지를 외부로 출력하기 위하여 스위칭부(130)를 사이에 두고 태양 전지(200)와 전기적으로 연결되도록 설치된다. 예를 들어, 에너지 출력부(120)의 양(+)의 단자는 스위칭부(130)에 연결되고, 음(-)의 단자는 태양 전지(200)의 제1 전극(220)에 연결된다. 에너지 출력부(120)는 스위칭부(130)의 동작에 따라, 바이어스 공급부(110)를 통한 역바이어스의 공급이 완료된 이후 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)과 연결되어 광전 변환부(210)에서 생성되는 전기 에너지를 출력하게 된다.
스위칭부(130)는 스위칭 제어부(140)의 제어에 따라, 시간을 달리하여 태양 전지(200)와 바이어스 공급부(110)를 전기적으로 연결하거나, 태양 전지(200)와 에너지 출력부(120)를 전기적으로 연결한다. 즉, 스위칭부(130)는 태양 전지(200)에 역바이어스를 공급하고자 할 때에는 바이어스 공급부(110)로부터 태양 전지(200)로 전류가 흐를 수 있도록 동작하고, 전기 에너지를 출력하고자 할 때에는 태양 전지(200)로부터 에너지 출력부(120)로 전류가 흐를 수 있도록 동작한다.
스위칭 제어부(140)는 스위칭부(130)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 스위칭 제어부(140)는 일정 시간 동안 바이어스 공급부(110)가 태양 전지(200)에 역바이어스를 인가하도록 스위칭부(130)를 제어하고, 일정 시간이 경과된 후 태양 전지(200)로부터 생성되는 전기 에너지가 에너지 출력부(120)로 출력될 수 있도록 스위칭부(130)를 제어한다.
도 3은 도 1에 도시된 태양전지 모듈의 개략적인 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 스위칭부(130)는 태양 전지(200)와 바이어스 공급부(110) 사이에 형성되는 제1 반도체 스위치(132) 및 태양 전지(200)와 에너지 출력부(120) 사이에 형성되는 제2 반도체 스위치(134)를 포함할 수 있다.
제1 반도체 스위치(132)의 양극은 바이어스 공급부(110)와 연결되고, 음극은 태양 전지(200)의 제2 전극(230)과 연결되며, 게이트는 스위칭 제어부(140)와 연결되어 있다. 따라서, 스위칭 제어부(140)가 제1 반도체 스위치(132)의 게이트에 신호를 인가하면, 제1 반도체 스위치(132)가 온(on) 상태가 되어 바이어스 공급부(110)로부터 제2 전극(230) 방향으로 전류가 흐르게 된다.
제2 반도체 스위치(134)의 양극은 태양 전지(200)의 제2 전극(230)에 연결되고, 음극은 에너지 출력부(120)에 연결되며, 게이트는 스위칭 제어부(140)에 연결되어 있다. 따라서, 스위칭 제어부(140)가 제2 반도체 스위치(134)의 게이트에 신호를 인가하면, 제2 반도체 스위치(134)가 온 상태가 되어 제2 전극(230)으로부터 에너지 출력부(120) 방향으로 전류가 흐르게 된다.
제1 반도체 스위치(132) 및 제2 반도체 스위치(134)는 SCR(Silicon Controlled Rectifier), 트라이액(Triac) 등의 실리콘 제어 정류 소자로 형성될 수 있다.
스위칭 제어부(140)는 태양 전지(200)의 광전변환 효율을 향상시키기 위하여, 제1 반도체 스위치(132)를 온시켜 일정 시간 동안 바이어스 공급부(110)가 태양 전지(200)에 역바이어스를 인가하도록 제어한다. 따라서, 바이어스 공급부(110)는 스위칭 제어부(140)의 제어에 따라 제1 반도체 스위치(132)가 온이 되면 n형 실리콘층(214)에 접해 있는 제1 전극(220)에 양(+)의 전압을 인가하고, p형 실리콘층(215)과 접해 있는 제2 전극(230)에 음(-)의 전압을 인가한다. 예를 들어, 바이어스 공급부(110)는 음(-) 전위를 갖는 펄스 전압을 순간적으로 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)에 인가한다. 이와 같이, 바이어스 공급부(110)를 통해 순간적으로 광전 변환부(210)의 양 단에 역바이어스를 걸어주게 되면, 광전 변환부(210) 내에 존재하는 전자-정공 쌍 중에서 음(-)의 전하를 갖는 전자는 n형 실리콘층(214)으로 수집되고, 양(+)의 전하를 갖는 정공은 p형 실리콘층(215)으로 수집된다.
스위칭 제어부(140)는 역바이어스를 공급하는 일정 시간이 경과된 후, 제1 반도체 스위치(132)를 오프(off)시켜 역바이어스의 공급을 중단시키고, 이어서 제2 반도체 스위치(134)를 온시켜 태양 전지(200)로부터 생성되는 전기 에너지가 에너지 출력부(120)로 출력되도록 제어한다.
한편, 스위칭 제어부(140)는 바이어스 공급부(110)와 에너지 출력부(120)간의 단락을 방지하기 위하여, 제1 반도체 스위치(132)와 제2 반도체 스위치(134)가 동시에 온 상태를 갖지 않도록 제어한다. 즉, 역바이어스의 공급을 위하여 제1 반도체 스위치(132)가 온 상태를 유지할 때는 제2 반도체 스위치(134)를 오프 상태로 유지시키며, 반대로, 전기 에너지의 출력을 위하여 제2 반도체 스위치(134)가 온 상태를 유지할 때는 제1 반도체 스위치(132)를 오프 상태로 유지시킨다. 이와 같이, 태양 전지(200)에 역바이어스를 공급하는 동안에는 전기 에너지를 출력할 수 없으므로, 전기 에너지의 출력 시간을 늘리기 위해서는 가급적 역바이어스를 공급하는 시간이 전기 에너지를 출력하는 시간보다 짧은 것이 바람직하다. 따라서, 스 위칭 제어부(400)는 제1 반도체 스위치(132)가 온 상태인 시간이 제2 반도체 스위치(134)가 온 상태인 시간보다 짧거나 같도록 제어한다.
이와 같이, 광전 변환부(210)에서 생성되는 전기 에너지를 출력하기 전에 광전 변환부(210)의 양 단에 역바이어스를 걸어주게 되면, 진성 실리콘층(211)에 존재하는 전자 및 정공이 순간적으로 n형 실리콘층(214) 및 p형 실리콘층(215)으로 수집되고, 이러한 과정을 거친 후에 에너지 출력부(120)를 연결하게 되면, n형 실리콘층(214) 및 p형 실리콘층(215)에 각각 수집된 전자 및 정공들이 보다 빠르고 용이하게 에너지 출력부(140)로 흐를 수 있게 되어 태양전지 모듈(100)의 광전변환 효율이 향상된다.
한편, 스위칭 제어부(140)는 에너지 출력부(120)의 출력단(Eout)과 연결되어 외부로 출력되는 에너지 레벨이 기 설정된 기준 레벨보다 낮아질 경우, 제2 반도체 스위치(134)를 오프시키고 제1 반도체 스위치(132)을 온시켜 일정 시간 동안 태양 전지(200)에 역바이어스가 인가되도록 제어할 수 있다. 이와 같이, 태양 전지(200)로부터 출력되는 에너지의 레벨을 체크하여 에너지의 레벨이 떨어진다고 판단되는 경우 태양 전지(200)의 양 단에 역바이어스를 반복적으로 공급함으로써, 태양전지 모듈(100)로부터 출력되는 에너지의 레벨을 높은 상태로 유지할 수 있다.
스위칭부(130)는 제1 반도체 스위치(132)와 바이어스 공급부(110) 사이에 형성되는 역전류 방지부(136)를 더 포함할 수 있다. 역전류 방지부(136)는 제1 반도체 스위치(132)가 온될 때 바이어스 공급부(110) 방향으로 역전류가 흐르는 것을 방지한다. 즉, 에너지 출력부(120)를 통해 전기 에너지를 출력하다가 다시 역바이 어스를 공급하기 위하여 제2 반도체 스위치(134)를 오프시키고 제1 반도체 스위치(132)를 온시키게 되면, 제2 반도체 스위치(134) 방향으로 흐르던 전류가 순간적으로 제1 반도체 스위치(132) 방향으로 흐르게 되어 바이어스 공급부(110)와 전기적인 단락 현상이 발생되어 스파크가 발생될 수 있다. 따라서, 제1 반도체 스위치(132)와 바이어스 공급부(110) 사이에 역전류 방지부(136)를 설치하여 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다. 역전류 방지부(136)는 예를 들어, 하나의 저항(137) 또는 하나의 콘덴서(138)로 형성되거나, 저항(137)과 콘덴서(138)가 직렬로 연결되도록 형성될 수 있다.
에너지 출력부(120)는 태양 전지(200)로부터 생성되는 전기 에너지를 일시적으로 저장하기 위한 축전기(122)를 포함할 수 있다. 또한, 에너지 출력부(120)는 축전기(122)에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 외부로 출력시키기 위하여 축전기(122)의 양 단에 연결된 인버터(124)를 더 포함할 수 있다.
한편, 태양 전지(200)는 광전변환 효율을 높이기 위하여 진성 실리콘층(211)이 비정질 실리콘층과 미세결정질 실리콘층이 교대로 적층된 멀티 레이어 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 광전 변환부의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 태양 전지(200)는 광전 변환부(210), 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)을 포함할 수 있다.
제1 전극(220)은 광전 변환부(210)의 일면에 형성된다. 제1 전극(220)은 우수한 전기 전도성과 함께 광을 반사시킬 수 있는 광반사성을 갖는 도전성 광반사 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(220)은 은, 알루미늄, 아연, 몰리브덴 등의 단일 금속 또는 이들의 합금으로 형성되거나, 상기 단일금속 또는 합금의 산화물 등으로 형성될 수 있다. 한편, 광전 변환부(210)와 접하는 제1 전극(220)의 표면에는 광반사율을 높이기 위하여 규칙적인 패턴의 요철 구조가 형성될 수 있다. 제1 전극(220)의 요철 구조는 레이저 가공을 통해 형성될 수 있으며, 이를 위해, 제1 전극(220)은 광반사율이 높고 레이저 가공성이 우수한 알루미늄 몰리브덴 옥사이드(AMO)로 형성될 수 있다.
제2 전극(230)은 광전 변환부(210)를 사이에 두고 제1 전극(220)과 대향하도록 형성될 수 있다. 제2 전극(230)은 외부 광이 광전 변환부(210)에 입사될 수 있도록 우수한 전기 전도성과 함께 광을 투과시킬 수 있는 투광성 도전 물질로 형성된다. 예를 들어, 제2 전극(230)은 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(Indium Zinc Oxide : IZO) 등으로 형성될 수 있다.
광전 변환부(210)는 n형 실리콘층(214), 진성 실리콘층(211) 및 p형 실리콘층(215)을 포함할 수 있다.
n형 실리콘층(214)은 제1 전극(220) 상에 형성된다. n형 실리콘층(214)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등의 n형 불순물이 도핑되어 있는 실리콘 물질로 형성된다. n형 실리콘층(214)은 비정질(amorphous) 실리콘 및 미세결정질(micro-crystalline) 실리콘 중 적어도 하나를 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, n형 실리콘층(214)은 비정질 실리콘에 n형 불순물이 도핑된 구조, 미세결정질 실리콘에 n형 불순물이 도핑된 구조, 또는 n형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘과 미세 결정질 실리콘이 적층된 구조 등을 가질 수 있다. 특히, 진성 실리콘층(211)에서 생성된 전자는 n형 실리콘층(214)을 거쳐 제1 전극(220)으로 이동하여야 하므로, n형 실리콘층(214)은 전자 이동도가 비정질 실리콘보다 상대적으로 우수한 미세결정질 실리콘으로 형성되는 것이 바람직하다. n형 실리콘층(214)은 예를 들어, 약 200 ~ 1000Å의 두께로 형성되며, 층 자체의 비저항은 약 104 ~ 105Ω-㎝ 정도로 형성된다.
p형 실리콘층(215)은 진성 실리콘층(211)을 사이에 두고 n형 실리콘층(214)과 마주하도록 진성 실리콘층(211) 상에 형성된다. p형 실리콘층(215)은 붕소(B), 칼륨(K) 등의 p형 불순물이 도핑되어 있는 실리콘 물질로 형성된다. p형 실리콘층(215)은 비정질(amorphous) 실리콘 및 미세결정질(micro-crystalline) 실리콘 중 적어도 하나를 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, p형 실리콘층(215)은 비정질 실리콘에 p형 불순물이 도핑된 구조, 미세결정질 실리콘에 p형 불순물이 도핑된 구조, 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘과 미세결정질 실리콘이 적층된 구조 등을 가질 수 있다.
외부로부터 입사되는 광은 p형 실리콘층(215)을 통과한 후 실질적으로 광전 변환을 일으키는 진성 실리콘층(211)에 도달된다. 따라서, 진성 실리콘층(211)에 입사되는 광의 손실을 방지하기 위하여, p형 실리콘층(215)을 통과하는 광이 p형 실리콘층(215)에서 흡수되지 않고 통과되는 것이 바람직하다. 이를 위해, p형 실리콘층(215)은 진성 실리콘층(211)과는 다른 밴드갭(band gap) 특성을 갖는 것이 바람직하여, 특히, p형 실리콘층(215)은 광이 흡수되지 않도록 진성 실리콘층(211) 에 비하여 큰 밴드갭 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 밴드갭 에너지를 증가시키기 위하여, p형 실리콘층(215)에는 탄소(C)가 더 첨가될 수 있다. p형 실리콘층(215)은 예를 들어, 약 200 ~ 1000Å 정도의 두께로 진성 실리콘층(211)에 비하여 상대적으로 얇게 형성될 수 있다.
진성 실리콘층(211)은 n형 실리콘층(214)과 p형 실리콘층(215) 사이에 형성된다. 진성 실리콘층(211)은 광전 변환 효율을 높이기 위하여, 복수의 비정질 실리콘층들(212)과 복수의 미세결정질 실리콘층들(213)이 서로 교대로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 이때, 미세결정질 실리콘층(213)은 비정질과 단결정 실리콘의 경계물질로서 수십 nm에서 수백 nm의 결정크기를 갖는 나노 스케일(nano scale)의 실리콘 결정들이 형성된 층을 의미한다. 도 4에는 2개의 비정질 실리콘층들(212)과 2개의 미세결정질 실리콘층들(213)이 교대로 적층된 구조가 도시되어 있으나, 실제로는 이보다 많은 수의 비정질 실리콘층들(212)과 미세결정질 실리콘층들(213)이 형성될 수 있다. 비정질 실리콘층(212)과 미세결정질 실리콘층(213)은 서로 다른 두께를 갖거나, 또는 서로 동일한 두께로 형성될 수 있다. 또한, 비정질 실리콘층들(212)과 미세결정질 실리콘층들(213)은 서로 동일한 층수를 갖거나, 서로 다른 층수를 갖도록 형성될 수 있다. 진성 실리콘층(211)의 두께는 비정질 실리콘층(212)과 미세결정질 실리콘층(213)의 두께 비에 따라 탄력적으로 변할 수 있으며, 예를 들어, 약 500 ~ 2000nm의 두께로 형성될 수 있다.
일반적으로, 실리콘을 이용한 광전소자는 진성 실리콘층의 광 흡수율과 광전변환효율에 따라 광전 효율이 결정된다. 이러한 관점에서, 비정질 실리콘층(212) 은 결정면을 갖지 않기 때문에 미세결정질 실리콘층(213)에 비하여 광 흡수율이 우수하다. 반면, 미세결정질 실리콘층(213)은 결정면에서 광을 반사시키기 때문에 광 흡수율은 비정질 실리콘층(212)보다 낮지만, 전자 이동도가 비정질 실리콘층(212)보다 우수하기 때문에 흡수된 광을 전기로 변환하는 광전변환효율은 비정질 실리콘층(212)보다 우수하다. 따라서, 광 흡수율이 우수한 비정질 실리콘층(212)과 광전변환효율이 우수한 미세결정질 실리콘층(213)을 모두 형성하게 되면, 두 층이 만나는 부분에서는 광 흡수율과 전자 이동도가 모두 우수한 영역이 형성되어 진성 실리콘층(211)의 광전 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
광전 변환부(210)의 광전 변환 매커니즘을 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 우선, 광이 입사되는 p형 실리콘층(215)과 가장 근접한 제1 비정질 실리콘층(212a)은 p형 실리콘층(215)을 통과하여 입사되는 광의 일부를 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 하부에 위치한 제1 미세결정질 실리콘층(213a)에서 반사된 광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성한다. 제1 미세결정질 실리콘층(213a)은 제1 비정질 실리콘층(212a)을 통과한 광의 일부를 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고 일부의 광은 제1 비정질 실리콘층(212a)으로 반사한다. 제1 미세결정질 실리콘층(213a)의 하부에 위치한 제2 비정질 실리콘층(212b)는 제1 미세결정질 실리콘층(213a)을 통과한 광의 일부를 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 하부에 위치한 제2 미세결정질 실리콘층(213b)에서 반사된 광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성한다. 제2 비정질 실리콘층(212b)의 하부에 위치한 제2 미세결정질 실리콘층(213b)은 제2 비정질 실리콘층(212b)을 통과한 광의 일부를 흡수하여 전자-정공 쌍을 생 성하고 일부의 광은 제2 비정질 실리콘층(212b)으로 반사한다.
한편, 진성 실리콘층(211)은 높은 도핑 농도로 상하에 각각 형성된 p형 실리콘층(215)과 n형 실리콘층(214)에 의해 공핍되어 내부에 전기장이 발생된다. 따라서, 진성 실리콘층(211) 내에 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부 전기장에 의한 드리프트(drift)에 의해 n형 실리콘층(214)과 p형 실리콘층(215)으로 수집되어 전류를 발생하게 된다.
이와 같이, 진성 실리콘층(211) 내에 복수의 비정질 실리콘층들(212)과 복수의 미세결정질 실리콘층들(213)을 교대로 형성하게 되면, 입사광의 흡수 및 반사가 여러 실리콘층들에서 반복적으로 수행되어, 결국 비정질 실리콘층 또는 미세결정질 실리콘층만을 사용하는 구조에 비하여 광전 효율이 증가하게 된다.
한편, 진성 실리콘층(211)에 형성되는 비정질 실리콘층들(212)의 두께에 따라 광 흡수율이 달라지게 된다. 하기 수학식 1의 람베르트의 법칙(Laambert's law)에 따르면, 흡수층에 입사되는 광의 세기와 투과광의 세기와의 비율의 로그값은 흡수층의 두께에 비례하게 된다.
<수학식 1> loge(Io/I) = μd 또는 I = Ioexp(-μd)
여기서, Io는 입사광의 세기, I는 투과광의 세기, μ는 흡수계수, d는 흡수층의 두께를 나타낸다.
하기 표 1은 입사광의 세기를 1로 했을 때, 비정질 실리콘층(흡수계수 0.8)의 두께에 따른 투과광의 세기와 광 흡수율을 나타낸 표이다.
< 표 1 >
두께(㎛) 투과광의 세기 광 흡수율(%)
0 1 -
0.1 0.4493 55.1
0.2 0.2018 79.8
0.3 0.0907 90.9
0.4 0.0407 95.9
0.5 0.0183 98.2
0.6 0.0082 99.2
0.7 0.0036 99.6
0.8 0.0016 99.8
0.9 0.0007 99.9
1.0 0.0003 100
표 1을 참조하면, 비정질 실리콘층의 두께가 약 0.3㎛ 이상에서 광 흡수율이 90% 이상으로 나타났으며, 특히, 약 0.4㎛ 이상의 두께에서는 95% 이상의 광 흡수율을 갖는 것으로 나타났다. 또한, 비정질 실리콘층의 두께가 1.0㎛일 때, 거의 100%에 가까운 광 흡수율을 갖는 것으로 나타났다. 이러한 비정질 실리콘층의 특성을 고려하면, 진성 실리콘층(211)에 형성되는 비정질 실리콘층들(212)의 총 두께는 약 0.4 ~ 1.0㎛로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 진성 실리콘층(211)은 복수의 비정질 실리콘층들(212)과 복수의 미세결정질 실리콘층들(213)이 교대로 적층된 구조 이외에도, 탠덤(tandem) 구조 또는 트리플(triple) 구조 등의 다양한 구조로 형성될 수 있다. 또한, n형 실리콘층(214) 및 p형 실리콘층(215)은 진성 실리콘층(211)의 동일면 상에 서로 이격되도록 형성될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 태양전지 모듈(100)에 따르면, 전기 에너지의 출력과는 별도로 태양 전지(200)의 양 단에 반복적으로 역바이어스를 인가하여 태양 전지(200)의 광전 효율을 향상시키고 태양전지 모듈(100)의 고출력 상태를 유지할 수 있다. 또한, 태양 전지(200) 내의 진성 실리콘층(211)을 비정질 실리콘층들(212)과 미세결정질 실리콘층들(213)이 교대로 적층된 구조로 형성하여 태양 전지(200)의 광전 효율을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈을 개략적으로 나타낸 구성도이며,
도 2는 도 1에 도시된 태양 전지의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 태양전지 모듈의 개략적인 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 광전 변환부의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 태양전지 모듈 110 : 바이어스 공급부
120 : 에너지 출력부 122 : 축전기
124 : 인버터 130 : 스위칭부
132 : 제1 반도체 스위치 134 : 제2 반도체 스위치
140 : 스위칭 제어부 200 : 태양 전지
210 : 광전 변환부 211 : 진성 실리콘층
212 : 비정질 실리콘층 213 : 미세결정질 실리콘층
214 : n형 실리콘층 215 : p형 실리콘층
220 : 제1 전극 230 : 제2 전극

Claims (17)

  1. 광 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 태양 전지;
    상기 태양 전지에 역바이어스를 공급하기 위한 바이어스 공급부;
    상기 태양 전지로부터 생성되는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 출력부;
    시간을 달리하여 상기 태양 전지와 상기 바이어스 공급부를 연결하거나, 상기 태양 전지와 상기 에너지 출력부를 연결하는 스위칭부; 및
    상기 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 태양전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭부는
    상기 태양 전지와 상기 바이어스 공급부 사이에 형성되는 제1 반도체 스위치; 및
    상기 태양 전지와 상기 에너지 출력부 사이에 형성되는 제2 반도체 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 반도체 스위치 및 상기 제2 반도체 스위치는 실리콘 제어 정류 소자로 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는
    상기 제1 반도체 스위치를 온시켜 일정 시간 동안 상기 바이어스 공급부가 상기 태양전지에 역바이어스를 인가하도록 제어하고, 상기 일정 시간이 경과된 후 상기 제1 반도체 스위치를 오프시키고 상기 제2 반도체 스위치를 온시켜 상기 태양전지로부터 생성되는 전기 에너지가 상기 에너지 출력부로 출력되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는
    상기 제1 반도체 스위치가 온 상태인 시간이 상기 제2 반도체 스위치가 온 상태인 시간보다 짧거나 같도록 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  6. 제4항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는
    상기 에너지 출력부로부터 출력되는 에너지 레벨이 기 설정된 기준 레벨보다 낮아질 경우, 상기 제2 반도체 스위치를 오프시키고 상기 제1 반도체 스위치를 온시켜 일정 시간 동안 상기 태양전지에 역바이어스가 인가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  7. 제2항에 있어서, 상기 태양 전지는
    진성 실리콘층;
    상기 진성 실리콘층의 적어도 일면에 형성된 n형 실리콘층;
    상기 진성 실리콘층의 적어도 일면에 상기 n형 실리콘층과 분리되도록 형성된 p형 실리콘층;
    상기 n형 실리콘층과 접하게 형성된 제1 전극; 및
    상기 p형 실리콘층과 접하게 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 바이어스 공급부는 상기 제1 반도체 스위치가 온일 경우에, 상기 n형 실리콘층과 접해 있는 상기 제1 전극에 양(+)의 전압을 인가하고 상기 p형 실리콘층과 접해 있는 상기 제2 전극에 음(-)의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  9. 제7항에 있어서, 상기 태양 전지는 상기 n형 실리콘층, 상기 진성 실리콘층 및 상기 p형 실리콘층이 순차적으로 적층된 핀(pin) 다이오드 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  10. 제7항에 있어서, 상기 진성 실리콘층은 서로 교대로 적층된 복수의 비정질 실리콘층들 및 복수의 미세결정질 실리콘층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 진성 실리콘층에 형성된 상기 비정질 실리콘층들의 총 두께는 0.4 ~ 1.0㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  12. 제10항에 있어서, 상기 n형 실리콘층 및 상기 p형 실리콘층은 각각 비정질 실리콘 및 미세결정질 실리콘 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 p형 실리콘층은 상기 진성 실리콘층보다 높은 밴드갭 에너지를 갖기 위해 탄소(C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  14. 제2항에 있어서, 상기 스위칭부는 상기 제1 반도체 스위치와 상기 바이어스 공급부 사이에 형성되어, 상기 제1 반도체 스위치가 온될 때 상기 바이어스 공급부 방향으로 역전류가 흐르는 것을 방지하는 역전류 방지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  15. 제14항에 있어서, 상기 역전류 방지부는 저항 및 콘덴서 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  16. 제1항에 있어서, 상기 에너지 출력부는 상기 태양전지로부터 생성되는 전기에너지를 저장하기 위한 축전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  17. 제16항에 있어서, 상기 에너지 출력부는 상기 축전기의 양단에 연결되어 상기 축전기에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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