KR20100021347A - 컬러 모듈레이션이 제공된 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 컬러 모듈레이션이 제공된 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 태양 전지는 광전기 변환층과 그 위에 제공된 컬러 모듈레이팅층을 포함한다. 상기 광전기 변환층은 입사광으로부터 전기 에너지를 발생시키기 위해 사용되며, 컬러 모듈레이팅층은 다양한 색의 외관을 모듈레이트하기 위해 사용된다.
태양전지, 광전기 변환층, 컬러 모듈레이팅층
Description
본 발명은 태양 복사에너지를, 사용 가능한 전기 에너지로 변환할 수 있는 광전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컬러 모듈레이션이 제공된 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지 혹은 광전지는 광전기 변환 메커니즘을 통해 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기구이다. 지구 환경 보존의 관점에서, 태양전지는 전기 발전(發電) 기구로서 최근 큰 기대를 모으고 있으며, 널리 상용화를 위해 적극적으로 개발 중이다. 태양 에너지 이용을 최대화하기 위해, 건물, 차량 및 그 외 물건들의 외관의 일부를 태양전지로 덮는 것이 가능하다. 장식 혹은 미적 효과를 주기 위해 여러 가지 색상의 태양 전지도 개발 가능하다. 가령, 건물의 지붕이나 벽에 태양전지를 설치하는 경우, 디자인 혹은 미적 측면을 고려해 건물 또는 주변 환경에 맞춰 태양전지의 색을 다르게 할 수 있다.
여러 가지 색의 태양전지 제공에 관한 미국특허 5,725,006과 6,049,035와 같은 종래 접근 방법들은 추가적인 제조 과정을 필요로 하거나 태양전지의 광전기 변 환 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 복잡한 디자인이나 과정 또는 태양 에너지 변환 효율에 큰 영향 없이 다양한 색의 태양전지를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적 중 하나는 컬러 모듈레이션이 제공된 태양전지 및 그 제조 방법의 제공에 있다. 태양전지는 광전기 변환층과 그 위에 제공된 컬러 모듈레이팅층을 포함한다. 상기 광전기 변환층은 입사광으로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 것이고, 상기 컬러 모듈레이팅층은 다양한 색의 외관을 모듈레이트하거나 광전기 변환 효율을 높이기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 입사광으로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 광전기 변환층; 전기 에너지 출력을 위해 광전기 변환층 위에 형성된, 적어도 하나의 제 1전극과 적어도 하나의 제 2전극; 그리고 다양한 색의 외관을 모듈레이트하기 위해 상기 광전기 변환층 위에 마련되는 컬러 모듈레이팅층을 포함하는, 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양전지는 상기 컬러 모듈레이팅층 위에 형성된 패시베이션(passivation)층 및 상기 패시베이션층 위에 형성된 투명층을 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조 방법은 광전기 변환층을 마련하는 단계; 상기 광전기 변환층 위에 적어도 한 개의 제 1전극과 적어도 한 개의 제 2전극을 형성하는 단계; 그리고, 다양한 색의 외관을 모듈레이트하거나 광전기 변환 효율을 높이기 위해, 상기 광전기 변환층 위에 컬러 모듈레이팅층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법은 상기 컬러 모듈레이팅층 위에 패시베이션층을 형성하는 단계와 상기 패시베이션층 위에 투명층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상세한 설명 및 이어지는 청구항에서는 특정 요소를 지칭하기 위해 특정 용어들이 사용되었다. 당업자가 주지하고 있듯이, 태양전지 제조업자마다 사용하는 용어가 다르다. 본 명세서에서는 용어는 다르나 같은 기능을 가진 요소들을 구별할 의도는 없다. 이어지는 상세한 설명 및 청구항에서, "포함한다(include)"와 "~로 이루어진다(comprise)"는 구분없이 사용되고 있으므로, 두 표현 모두 "~를 포함하나, 그것에 한정되지는 않는다"로 해석해야 한다. 또한, "~에 형성된" 또는 "~위에 형성된"은 두 층간의 간접 또는 직접 접촉을 의미한다. 따라서, 한 상부층이 "하부층에 형성" 또는 "하부층 위에 형성" 되었다면, 두 층들은 서로 직접 접촉하고 있을 수도 있고, 두 층 사이에 중간층이 삽입 또는 배치되어 있을 수 있다.
도 1 내지 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양전지 유닛(1) 제조 과정의 흐름도를 나타낸 횡단면이다. 도 1을 참조하면, n 타입 반도체층(12)이 p 타입 반도체 기판(10) 위에 형성됨으로써 그 사이에 p-n 접합부(14)를 형성한다. 이에 따라, p-n 접합부(14)에 전기장이 형성될 수 있다. 이 전기장에 빛을 쏘이면, 양전하 운반체들과 음전하 운반체들이 분리됨으로써, p-n 접합부(14)를 통과하는 전류가 생성되는데, 이것을 소위 광전기 변환 메커니즘이라 한다. 일반적으로, p 타입 반도체 기판(10)과 n 타입 반도체층(12)의 결합은 입사광으로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 광전기 변환층(11)을 구성한다. p 타입 반도체 기판(10)은 n 타입 반도체층(12)이 p 타입 반도체 기판(10)에 상응하여 적층될 수 있도록 하는 p 타입 실리콘 기판(10)이거나, n 타입 불순물들을 p 타입 반도체 기판(10)에 첨가함으로써 형성될 수 있다. 이 외에도, p 타입 반도체층과 n 타입 반도체 기판의 결합 또한 광전기 변환층(11)을 구성하는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 광전기 변환층(11)은 단결정체, 다결정체, 무결정체 형태로 된 한 개 또는 그 이상의 실리콘, 게르마늄, 또는 그러한 종류의 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 투명 반반사층(anti-reflection layer)(16)은 광전기 변환층(11) 위에 형성되며, 증발식, 스퍼터링(sputtering) 방식, 프린트 스크린 방식, CVD 방식, 또는 당업자에게 알려진 그 외 방식을 통해 실리콘 질화물(silicon nitride)로 형성될 수 있다. 반반사층(16)은 태양전지 유닛(1)을 보호하기 위해 사용되며, 유닛 표면의 반사율 손실을 감소시킨다. 반반사층(16)의 두께는 1nm에서 500nm 사이가 바람직하다.
그런 다음, 전도층들(18, 20)은 증발식, 스퍼터링 방식, 프린트 스크린 방식, CVD 방식, 또는 당업자에게 알려진 그 외 방식을 통해 광전기 변환층(11)의 서로 반대 표면에 형성된다. 도 3에 나타난 바와 같이, 전도층(18)은 광전기 변환층(11)의 앞면, 즉 반반사층(16) 위에 형성된다. 전도층(20)은 p 타입 기판(10)과 접하는 광전기 변환층(11)의 뒷면 위에 형성된다. 전도층들(18, 20)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 플라티늄 또는 그러한 종류의 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있으 며, ITO 막 또는 ZnO 막과 같은 투명 전도 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)로도 이루어질 수 있다.
전도층(18)에 열처리를 함으로써, 전도층(18) 속에 함유된 전도 물질이 반반사층(16)을 통과하여 스파이킹 효과(spiking effect)로 인해 n 타입 반도체(12)와 접하도록 하는 것이 가능하다. 또한, 전도층들(18, 20)은 평행선 패턴을 형성해 각각 앞전극(22)과 뒷전극(24)을 형성할 수 있다. 도 4에 나타난 바와 같이, 앞전극(22)은 n 타입 반도체층(12)과 전기적으로 연결되어 있으며, 뒷전극(24)은 p 타입 반도체 기판(10)에 전기적으로 연결되어 있다. 이에 따라, 앞전극(22)과 뒷전극(24)은 광전기 변환층(11)의 양 전기 단자가 된다. 즉, 전극들(22, 24)은 태양전지 유닛(1)이 햇빛에 노출되면 광전기 변환층(11)으로부터 생성되는 전기 에너지를 충전 또는 방전하는데 사용된다. 뒷전극(24)은 햇빛 채광을 용이하게 하기 위해 요철 구조 (concavo-convex)와 같은 다양한 형태 및 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 앞전극(22)은 거친 표면 구조를 포함하는 표면 텍스쳐 구조 또는 소위 텍스쳐 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 전극(22)의 표면에 이와 같은 텍스쳐 패턴이 제공되면, 광전기 변환층(11)으로의 빛의 입사각 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에 따르면, 컬러 모듈레이팅층(26)은 다양한 색의 태양전지 유닛(1)을 제공하도록 반반사층(16) 위에 형성된다. 컬러 모듈레이팅층(26)은 코팅 방식, 증발식(예를 들어, e-gun), 스퍼터링 방식, CVD 방식 또는 그 외 적합하고 가능한 방식으로 진공 또는 진공에 가까운 상태에서 반반사층(16) 위에 한 개 또는 그 이상의 유전 물질로 구성될 수 있다.
다양한 유전 물질 또는 유전 물질의 조합이 활용 가능하다. 가령, 산화물 (SnO2, Al2O3, SiO2, ZnO, Y2O3, Ta2O5, TiO2, Cr2O3 등), 플루오르화물(MgF2, Na3AlF6 등), 황화물(ZnS, PbS, CdS 등), 질화물(Si3N4, AlN, AIOxNy 등), 텔루르화물(CdTe 등), 그리고 셀레늄화물(PbSe), 및/또는 유사류가 활용 가능하다. 이러한 예들에서, 컬러 모듈레이팅층(26)의 두께는 적용하기에 따라 1nm 이상 5000nm 이하의 범위를 갖는다.
반반사층(16) 위에 컬러 모듈레이팅층(26)을 제공함으로써, 변환 효율의 손실 없이, 그리고 복잡한 제조 방식을 사용할 필요 없이, 원하는 시각적 효과를 낼 수 있다. 어떤 예들에서는, 컬러 모듈레이팅층(26)이 반사율의 손실을 줄임으로써 태 양에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
그런 다음, 패시베이션층(28)과 투명층(30)이 순차적으로 컬러 모듈레이팅층(26) 위에 형성된다. 패시베이션층(28)은 태양 및 비, 또는 습기에의 직접 노출로부터 태양전지 유닛을 보호하기 위한, 바람직하게는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 또는 폴리비닐 부티랄(PVB)로 이루어진 투명막이다.
투명층(30)은 처리된 유리 또는 미처리된 유리로 형성되는 것이 바람직하다.
주지할 사항은, 앞서 언급한 실시예의 단계 순서는 실제 사용시 상황에 따라 수정될 수 있다는 것이다. 가령, 전극(22, 24)의 형성은 컬러 모듈레이팅층(26)의 형성 다음에 이루어질 수 있다. 따라서, 바람직한 실시예는 청구항의 권리 범위를 한정하지 않는다.
참조할 예들은 다음과 같다.
예 I
광전기 변환층(11)은 제 2 전도성 타입의 실리콘 기판 안 또는 위에 형성된 제 1 전도성 타입의 실리콘층으로 이루어져 있다. 제 1 전도성 타입이 p 타입인 경우, 제 2 전도성 타입은 n 타입이다. 반대로, 제 1 전도성 타입이 n 타입이면, 제 2 전도성 타입은 p 타입이다. 가령, 광전기 변환층(11)은 3.4~3.6 범위의 굴절률(n) 및 140~250μm 범위의 두께를 갖는 실리콘으로 형성되어 있다. 반반사층(16)은 1.8~2.2 범위의 굴절률(n)과 60~120nm 범위의 두께를 갖는 실리콘 질화물로 형성되어 있다. 주지할 사항은 예시 II, III, 및 IV와 달리 하부층들을 덮도록 형성된 컬러 모듈레이팅층(26)이 없다는 것이다. 이에 따라, 그 반사 스펙트럼은 도 6에서 측정 및 도식되어 있다. 그것의 CIE L*a*b* 값은 각각 34.92, 1.73, -29.49이다.
예
II
광전기 변환층(11)은 제 2 전도성 타입의 실리콘 기판 안 또는 위에 형성된 제 1 전도성 타입의 실리콘층으로 이루어져 있다. 제 1 전도성 타입이 p 타입이면 제 2 전도성 타입은 n 타입이다. 반대로, 제 1 전도성 타입이 n 타입이면 제 2 전도성 타입은 p 타입이다.
일 예로, 광전기 변환층(11)은 3.4~3.6 범위의 굴절률과 140~250μm 범위의 두께를 갖는 실리콘으로 형성되어 있다. 반반사층(16)은 1.8~2.2 범위의 굴절률(n)과 60~120nm 범위의 두께를 갖는 실리콘 질화물로 형성되어 있다. 컬러 모듈레이팅 층(26)은 약 1,600~2,000Å 범위의 두께와 도 7에 나타난 바와 같은 굴절률 대 파장 곡선을 갖는 물질로 이루어져 있다. 상기와 마찬가지로, 그 반사 스펙트럼은 도 8에서 측정 및 도식되어 있다. CIE L*a*b* 값은 각각 56.65, -18.54 및 23.76이다.
예
III
광전기 변환층(11)은 제 2 전도성 타입의 실리콘 기판의 안 또는 위에 형성된 제 1 전도성 타입의 실리콘층으로 이루어져 있다. 제 1 전도성 타입이 p 타입이면 제 2 전도성 타입은 n 타입이다. 반대로, 제 1 전도성 타입이 n 타입이면 제 2 전도성 타입은 p 타입이다. 일 예로, 광전기 변환층(11)은 3.4~3.6 범위의 굴절률과 140~250μm 범위의 두께를 갖는 실리콘으로 형성되어 있다. 반반사층(16)은 1.8~2.2 범위의 굴절률(n)과 60~120nm 범위의 두께를 갖는 실리콘 질화물로 형성되어 있다. 컬러 모듈레이팅층(26)은 약 800~1,200Å 범위의 두께와 도 9에 도식된 굴절률 대 파장 곡선을 갖는 물질로 이루어져 있다. 상기와 마찬가지로, 그 반사 스펙트럼은 도 10에서 측정 및 도식되어 있다. CIE L*a*b* 값은 각각 22, 14.41 및 -8.29이다.
예 IV
광전기 변환층(11)은 제 2 전도성 타입의 실리콘 기판의 안 또는 위에 형성된 제 1 전도성 타입의 실리콘층으로 이루어져 있다. 제 1 전도성 타입이 p 타입이면, 제 2 전도성 타입은 n 타입이다. 반대로, 제 1 전도성 타입이 n 타입이면 제 2 전도성 타입은 p 타입이다. 일 예로, 광전기 변환층(11)은 3.4~3.6 범위의 굴절률과 140~250μm 범위의 두께를 갖는 실리콘으로 형성되어 있다. 반반사층(16)은 1.8~2.2 범위의 굴절률(n)과 60~120nm 범위의 두께를 갖는 실리콘 질화물로 형성되어 있다.
컬러 모듈레이팅층(26)은 복수의 층으로 구성되어 있는데, 세 개 층을 본 예에서 제시하고 있다. 본 예에서, 제 1층은 2.15~2.55 범위의 굴절률(n1) 및 750~1100Å 범위의 두께를 갖고; 제 2층은 3.6~4.0 범위의 굴절률(n2)과 1,550~1,950Å 범위의 두께를 갖고; 제 3층은 2.15~2.55 범위의 굴절률(n3)과 960~1360Å 범위의 두께를 갖는다. 제 1, 2, 3층은 아래에서 위의 순서로 쌓인다. 따라서, 그 반사 스펙트럼은 도 11에서 측정 및 도식되어 있다. CIE L*a*b* 값은 각각 47.05, 28.63 및 -13.77이다.
앞서 제시된 예들은 본 발명이 당업자에게 가능한 가장 단순한 구조와 충분한 효율을 갖는 컬러 모듈레이팅층을 갖는 태양 전지를 설계하는 방법을 제공한다는 것을 보여주는 동시에, 소정의 색을 제시함으로써, 건물 재료 및 중요한 미적 외관 요건과 잘 어울리도록 한다.
비록 앞에서 본 발명이 실시예와 예시들에 의해 묘사되었지만, 본 발명은 상기 실시예 및 예시들에 한정되지 않으며 다양하게 수정이 가능하다. 컬러 모듈레이션의 재료는 항상 제시된 항목으로만 한정되는 것이 아니며, 컬러 모듈레이팅층(26)의 컬러 모듈레이션 특성을 사용함으로써 태양 전지의 외관 색을 조절될 수 있는 한 자유롭게 설정 가능하다. 보다 구체적으로는, 컬러 모듈레이팅층(26)의 재료는 가령, 앞서 제시된 것과는 다른 종류의 산화물, 풀루오르화물, 황화물, 질화물, 텔루르화물, 그리고 셀레늄화물이거나 혹은 질화물, 플루오르화물, 황화물, 질 화물, 텔루르화물, 그리고 셀레늄화물과 다른 물질일 수 있다.
물론, 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구범위의 범주 내에서 자유로이 실행될 수 있을 것이다.
다음의 첨부 도면들 및 이어지는 발명의 상세한 설명을 참조하면 본 발명의 다른 특징 및 장점들이 명백해질 것이다.
도 1 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 과정을 도시한 단면도이고;
도 6은 예 I에 예시된 태양전지의 반사 스펙트럼을 나타내고;
도 7은 예 II에 따른 컬러 모듈레이팅층의 굴절률 대 파장 곡선을 나타내고;
도 8은 예 II에 예시된 태양전지의 반사 스펙트럼을 나타내고;
도 9는 예 III에 따른 컬러 모듈레이팅층의 굴절률 대 파장 곡선을 나타내고;
도 10은 예 III에 예시된 태양전지의 반사 스펙트럼을 나타내고;
도 11은 예 IV에 예시된 태양전지의 반사 스펙트럼을 나타낸다.
Claims (30)
- 입사광으로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 광전기 변환층;상기 전기 에너지 출력을 위해 상기 광전기 변환층 위에 형성된 적어도 하나의 제 1 전극 및 적어도 하나의 제 2 전극; 그리고상기 광전기 변환층 위에 마련되어, 다양한 색의 외관을 모듈레이트하기 위한 컬러 모듈레이팅층을 포함하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 컬러 모듈레이팅층과 상기 광전기 변환층 사이에 적층된 반반사층을 더 포함하는, 태양 전지.
- 제2항에 있어서,상기 적어도 하나의 제 1 전극은 상기 반반사층을 통해 상기 광전기 변환층과 접하도록 제공된, 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 컬러 모듈레이팅층은 산화물, 플루오르화물, 황화물, 질화물, 텔루르화물, 그리고 셀레늄화물 중에서 적어도 하나를 포함하는, 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 컬러 모듈레이팅층은 복수의 막으로 구성되는, 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 컬러 모듈레이팅층은 1nm~5000nm 범위의 두께를 갖는, 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 광전기 변환층은 텍스쳐 표면(textured surface)을 갖는, 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 광전기 변환층은 비텍스쳐 표면을 갖는, 태양 전지.
- 제1항에 있어서,패시베이션층과 투명층이 상기 컬러 모듈레이팅층 위에 순차적으로 형성되는, 태양 전지.
- 제9항에 있어서,상기 패시베이션층은 1.4~1.6 범위의 굴절률을 갖는, 태양 전지.
- 제10항에 있어서,상기 패시베이션층은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)와 폴리비닐 부티랄(PVB) 중 적어도 한 가지로 이루어진, 태양 전지.
- 제9항에 있어서,상기 투명층은 1.4~1.6 범위의 굴절률을 갖는, 태양 전지.
- 제12항에 있어서,상기 투명층은 유리로 이루어진, 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제 1전극과 제 2전극은 상기 광전기 변환층의 같은 표면 위에 형성되는, 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제 1전극과 제 2전극은 상기 광전기 변환층의 반대 표면 위에 형성되는, 태양 전지.
- 태양 전지 제조 방법에 있어서;광전기 변환층을 마련하는 단계;적어도 하나의 제 1전극과 적어도 하나의 제 2전극을 상기 광전기 변환층 위 에 형성하는 단계; 그리고다양한 색의 외관을 모듈레이트 하기 위해 컬러 모듈레이팅층을 상기 광전기 변환층 위에 형성하는 단계를 포함하는, 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에 있어서,상기 컬러 모듈레이팅층과 상기 광전기 변환층 사이에 적층된 반반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 태양 전지 제조 방법.
- 제17항에 있어서,상기 적어도 하나의 제 1전극을 상기 반반사층을 통해 상기 광전기 변환층과 접하도록 형성하는 단계를 더 포함하는, 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에 있어서,상기 컬러 모듈레이팅층은 산화물, 플루오르화물, 황화물, 질화물, 텔루르화물, 그리고 아세테이트 중에서 적어도 하나를 포함하는, 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에 있어서,상기 컬러 모듈레이팅층은 1nm~5000nm 범위의 두께를 갖는, 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에 있어서,상기 컬러 모듈레이팅층을 형성하는 단계는 진공 상태 또는 진공에 가까운 환경에서 수행되는, 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에 있어서,상기 광전기 변환층은 텍스쳐 표면을 갖는, 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에 있어서,상기 광전기 변환층은 비텍스쳐 표면을 갖는, 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에 있어서,패시베이션층을 상기 컬러 모듈레이팅층 위에 형성하는 단계; 및투명층을 상기 패시베이션층 위에 형성하는 단계를 더 포함하는, 태양 전지 제조 방법.
- 제24항에 있어서,상기 패시베이션층은 1.4~1.6 범위의 굴절률을 갖는, 태양 전지 제조 방법.
- 제25항에 있어서,상기 패시베이션층은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)와 폴리비닐 부티랄(PVB) 중 적어도 하나로 이루어진, 태양 전지 제조 방법.
- 제24항에 있어서,상기 투명층은 1.4~1.6 범위의 굴절률을 갖는, 태양 전지 제조 방법.
- 제27항에 있어서,상기 투명층은 유리로 이루어진, 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에 있어서,상기 제 1전극과 상기 제 2전극은 상기 광전기 변환층의 같은 표면 위에 형성되는, 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에 있어서,상기 제 1전극과 상기 제 2전극은 상기 광전기 변환층의 반대 표면 위에 형성되는, 태양 전지 제조 방법.
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