KR20110036152A - 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양광 발전장치는, 기판 상에 적층된 후면전극층, 광 흡수층 및 윈도우층을 포함하는 태양전지; 상기 기판을 감싸도록 형성된 열 전도층; 및 상기 기판 하부에 대응하는 상기 열전도층에 배치된 열전소자를 포함한다. 따라서, 상기 태양전지에서 발생되는 열을 상기 열전소자 흡수함으로써 태양광 발전장치의 효율을 향상시킬 수 있다.
태양전지, CIGS 태양전지.
Description
실시예는 태양광 발전장치에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리 기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
태양전지의 기본원리는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시킨 구조로 태양전지 표면에 빛을 받게 되면 광전효과에 의하여 전기를 발생시키는 것이다.
태양에너지는 빛과 열 에너지로 분류될 수 있는데, 일반적인 태양전지 모듈은 빛 에너지만으로 전기를 생산하게 되므로, 열 에너지는 사용하지 못하게 된다.
이러한 열 에너지는 태양전지 내부에 흐르는 저항값을 상승시켜 전력손실을 초래하는 문제가 있다. 또한, 태양광 자체의 열로 인해 장시간 조사시 태양전지가 과열되며, 이로 인해 전기발생효율이 감소하게 될 수 있다.
실시예에서는 태양전지에서 발생되는 열을 효과적으로 방열시킴으로써 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 태양광 발전장치 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양광 발전장치는, 기판 상에 적층된 후면전극층, 광 흡수층 및 윈도우층을 포함하는 태양전지; 상기 기판을 감싸도록 형성된 열 전도층; 및 상기 기판 하부에 대응하는 상기 열전도층에 배치된 열전소자를 포함한다.
실시예에 따른 열전소자를 가지는 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극층, 광 흡수층 및 윈도우층을 적층하는 단계; 상기 기판을 감싸도록 열 전도층을 형성하는 단계; 열전소자를 형성하는 단계; 및 상기 기판의 하부에 대응하는 상기 열전도층에 열전소자를 본딩하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 일체화된 태양전지와 열전소자를 포함한다.
상기 열전소자는 광 흡수를 통한 전력 생성 중 발생하는 열을 흡수할 수 있다.
이에 따라, 열전소자에 의한 흡열반응으로 태양전지의 동작 중 발생하는 열을 억제하고, 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 태양전지는 세라믹 계열의 열전도층에 의하여 상기 열전소자와 연결될 수 있다.
즉, 상기 태양전지에서 발생되는 열이 열전도층에 의하여 상기 열전소자로 효과적으로 전달될 수 있다.
특히, 상기 열전도층이 상기 태양전지의 후면전극층의 표면에 연장되도록 형성되어, 상기 태양전지의 상부 및 하부에서 발생되는 열을 동시에 흡수할 수 있다.
이에 따라, 상기 태양전지의 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 열전소자는 열 흡수를 통해 전력을 생성할 수 있다. 또한, 상기 열전소자는 태양광의 열에너지를 흡수하여 전력을 생성할 수 있다.
이에 따라, 상기 열전소자에 의하여 추가전력을 생성함으로써 태양광 발전장치의 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 태양전지의 온도가 과도할 경우 상기 열전소자에 의한 역전류를 인가하여 냉각효과를 줄 수도 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 또는 전극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 8은 실시예에 따른 태양광 발전장치를 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하여, 태양광 발전장치는 태양전지(100) 및 열전소자(200)를 포함한다.
상기 태양전지(100)의 하부에 열전소자(200)가 배치될 수 있다. 또는 상기 열전소자(200)는 상기 태양전지(100)의 측면에 배치될 수도 있다.
상기 태양전지(100)는 기판(110) 상에 적층된 후면전극층(120), 광 흡수층(130), 버퍼층(140) 및 윈도우층(160)을 포함한다.
상기 기판(110)은 투명하고 플레이트 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 기판(110)은 리지드(rigid) 하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다.
상기 기판(110)은 절연체 일 수 있다. 상기 기판(110)은 유리기판, 플라스틱 기판 또는 금속기판 일 수 있다.
더 자세하게 상기 기판(110)은 소다라임 글래스(soda lime glass) 기판 일 수 있다.
상기 후면전극층(120)은 상기 기판(110) 상에 배치된다. 상기 후면전극층(120)은 도전층이다. 상기 후면전극층(120)으로 사용되는 물질의 예로서 몰리브덴 금속을 들 수 있다.
상기 후면전극층(120)의 에지영역(125)은 상기 광 흡수층(130)에 의하여 노출될 수 있다.
상기 광 흡수층(130)은 후면전극층(120) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(130)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(130)은 구 리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(130)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV 일 수 있다.
상기 버퍼층(140)은 상기 광 흡수층(130) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(140)은 황화 카드뮴(CdS)를 포함하며, 상기 버퍼층(140)의 에너지 밴드갭은 약 2.2eV 내지 2.4eV 이다.
상기 고저항 버퍼층(150)은 상기 버퍼층(140) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(150)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(150)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV 이다.
상기 윈도우층(160)은 상기 고저항 버퍼층(150) 상에 배치된다. 상기 윈도우층(160)은 투명하며, 도전층이다. 상기 윈도우층(160)의 저항은 상기 후면전극층(120)보다 높을 수 있다. 상기 윈도우층(160)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO) 등을 들 수 있다.
상기 태양전지(100)는 상기 광 흡수층(130)에 의하여 태양광을 흡수하여 광 기전력을 생성할 수 있다.
상기 기판(110)의 측면 및 바닥면을 둘러싸도록 열전도층(300)이 배치된다.
상기 열전도층(300)은 열전도성이 높은 세라믹계의 절연성 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 열전도층(300)은 Al2O3 및 BeO계의 세라믹층으로 형성될 수 있다.
상기 열전도층(300)은 상기 후면전극층(120)의 에지영역(125) 상부로 연장될 수 있다.
상기 열전도층(300)에 의하여 태양전지(100)에서 발생되는 열이 상기 열전소자(200)로 전달될 수 있다.
상기 열전소자(200)는 상기 기판(110)의 하부에 해당하는 상기 열전도층(300)과 접하도록 배치된다. .
상기 열전소자(200)는 제1 지지층(210), 제2 지지층(220), 하부전극(230,240), N형 반도체(250), P형 반도체(260), 상부전극(270) 및 제2 지지층(220)을 포함한다.
상기 제1 지지층(210) 및 제2 지지층(220)은 절연물질로 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 지지층(210,220)은 열 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 및 제2 지지층(210,220)은 Al2O3 및 BeO를 포함하는 세라믹 계열의 물질일 수 있다.
상기 제1 지지층(210) 및 제2 지지층(220)은 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)를 보호하고, 상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)로 열을 전달할 수 있다.
상기 제1 지지층(210)은 상기 소자들의 하부에 배치되고, 상기 제2 지지 층(220)은 상기 소자들의 상부에 배치된다.
상기 제2 지지층(220)은 상기 열전도층(300)의 하부면과 접합될 수 있다.
따라서, 상기 열전도층(300)을 통해 전달된 열은 상기 제2 지지층(220)을 통해 상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)로 전달될 수 있다.
상기 하부전극(230, 240)은 상기 제1 지지층(210) 상에 복수개로 패터닝 되어 형성될 수 있다.
상기 하부전극(230, 240)은 전도성이 높은 금속물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부전극(230, 240)은 구리금속, 합금 또는 실리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질로 형성될 수 있다.
실시예에서는 서로 인접하는 하부전극(230, 240)을 제1 전극(230) 및 제2 전극(240)이라고 지칭한다. 즉, 상기 제1 전극(230) 및 제2 전극(240)은 전기적, 물리적으로 상호 분리될 수 있다.
상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)는 한 쌍으로 이루어지고, 상기 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 상에 상호 이격되어 형성될 수 있다.
즉, 상기 N형 반도체(250)와 P형 반도체(260)는 교대로 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(230)의 P형 반도체(260)와 이웃하는 상기 제2 전극(240)의 N형 반도체(250)는 서로 이격되도록 배치된다.
상기 N형 반도체(250)와 P형 반도체(260)는 투명 또는 불투명한 반도체 물질로 형성될 수 있다.
상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)는 Bi, Sb 등의 VB족 텔투르 화합 물(Telluride)계열 일 수 있다.
예를 들어, 상기 N형 반도체(250)는 Bi이고 상기 P형 반도체(260)는 Bi2Te3일 수 있다.
상기 상부전극(270)은 상기 제1 전극(230)의 P형 반도체(260)와 상기 제2 전극(240)의 N형 반도체(250) 상에 형성된다.
상기 상부전극(270)은 상호 분리된 상기 제1 전극(230)의 P형 반도체(260)와 상기 제2 전극(240)의 N형 반도체(250)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
즉, 상기 상부전극(270)에 의하여 상기 N형 반도체(250)들과 P형 반도체(260)들은 전기적, 물리적으로 연결될 수 있게 된다.
상기 상부전극(270)은 상기 하부전극(230,240)과 동일한 도전물질로 형성될 수 있다.
상기 상부전극(270)은 이웃하는 상부전극과 이격되어 있다.
상기 상부전극(270)들 상에는 제2 지지층(220)이 배치되어, 상기 상부전극(270)들을 지지할 수 있다.
상기 제2 지지층(220)은 하부의 p형 반도체(250), n형 반도체(260), 상부전극(270) 및 하부전극(230, 240)을 보호할 수 있다. 상기 제2 지지층(220)은 상기 제1 지지층(210)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 열전소자(200)의 하부전극(230, 240) 또는 상부전극(270)의 양단은 외부전압이 인가될 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제1 지지층(210) 및 제2 지지층(220) 은 측벽에 의하여 상호 연결되어 상기 열전소자(200)를 보호할 수도 있다.
상기와 같이 형성된 열전소자(200)는 상기 태양전지(100)에서 발생되는 열을 흡수하여 상기 태양전지(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 열전소자(200)는 태양광의 열에너지 또는 태양전지(100)의 열을 흡수하여 열기전력을 생성할 수 있다.
이러한, 열전소자(200)는 상기 펠티어(Pertier) 효과 및 시드 백(seed back)를 이용한 것으로, 상기 열전소자에 공급되는 전류의 크기와 시간을 조절함으로써 소형 전자장치에서 냉각효과를 가질 수 있게 된다.
여기서, 상기 펠티어 효과를 간략히 설명하면, 전자가 금속에서 반도체를 흐를 때 금속의 페르미(Fermi) 준위에 있는 전자들이 반도체의 전도대로 움직여야 한다. 따라서, 전도 전자들은 금속에서 반도체로 움직일 때 그들의 평균 운동 에너지가 증가되어야 한다. 이 운동에너지의 변화는 열의 흡수로 생기는 것으로 이러한 열 또는 열적 에너지가 전자의 평균 운동에너지를 증가시키는데 이용된다. 만일 전류가 더 흐른다며 전자의 운동에너지는 감소되고 그와 관련된 열을 발생시킬 것이다. 그래서 전자들이 접합영역을 지나갈 때 그들의 평균 운동에너지가 변화되기 때문에 전류의 방향에 따라서 열이 흡수되거나 발생되는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 가역적인 펠티어 효과는 전류가 흐를 때 언제나 생기는 것이다. 상기 펠티어 현상을 응용한 열전소자는 반도체 소자로서, 두 종류의 다른 금속 즉, N형 반도체(250)와 P형 반도체(260)를 접합하여 전류를 흘렸을 경우, 접합부의 전류에 비례한 열의 발생 또는 흡수가 일어나고 전류의 방향을 바꾸면 열의 발생, 흡수가 반대로 일어나게 된다. 이러한 열전소자는 크기가 작고 전원공급으로 바로 냉각이 가능하며 단순 극전환 스위치 부착으로 냉각과 발열이 가능한 장점을 갖고 있다.
상기와 같이, 태양전지와 열전소자를 가지는 태양광 발전 장치에 의하여 광기전력 및 열기전력을 동시에 생산하여 발전효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 태양전지의 내부의 열을 낮출 수 있으므로 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 9를 참조하여, 실시예의 태양광 발전장치의 제조방법을 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 따른 태양광 발전장치의 제조방법에 앞서 설명한 태양광 발전장치에 대한 설명이 결합될 수 있다.
도 1을 참조하여, 기판(110) 상에 후면전극층(120)이 형성된다.
상기 기판(110)은 유리가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime galss) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다. 금속기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있다. 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다.
상기 기판(110)은 투명할 수 있다. 상기 기판(110)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다.
상기 후면전극층(120)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극층(120)은 몰리브덴(Mo)을 타겟(target)으로 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기 전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
상기 후면전극층(120)인 몰리브덴 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야하고, 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 기판(110)에의 점착성이 뛰어나야 한다.
한편, 상기 후면전극층(120)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고, 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수도 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 상기 후면전극층(120)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 상기 후면전극층(120)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극층(120)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극층(120)은 상기 기판(110)에 대한 밀착력이 높고 상대적으로 전도도가 낮은 층과, 전기 전도도가 높은 층이 적층될 수 있다.
상기 후면전극층(120) 상에 광 흡수층(130)이 형성된다. 상기 광 흡수층(130)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(130)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다. 이와는 다르게, 상기 광 흡수층(130)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(130)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극층(120) 상에 CIG계 금속 프리커서(precursor)막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(130)이 형성된다.
또한, 상기 광 흡수층(130)은 구리,인듐,갈륨,셀레나이드(Cu, In, Ga, Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.
상기 광 흡수층(130)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(130)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
상기 광 흡수층(130) 상에 버퍼층(140) 및 고저항 버퍼층(150)이 형성된다.
상기 버퍼층(140)은 상기 광 흡수층(130) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있으며, 화학 용액 증착법(chemical bath deposition: CBD)에 의하여 황화 카드뮴(CdS)으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 버퍼층(140)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(130)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(130) 및 버퍼층(140)은 pn 접합을 형성한다.
상기 고저항 버퍼층(150)은 상기 버퍼층(140) 상에 투명전극층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(150)은 ITO, ZnO 및 i-ZnO 중 어느로 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(150)은 산화 아연(ZnO)을 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하여, 산화 아연층으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(140) 및 고저항 버퍼층(150)은 상기 광 흡수층(130)과 이후 형성될 윈도우층의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(130)과 윈도우층(160)은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(140) 및 고저항 버퍼층(150)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 두개의 버퍼층(140)을 상기 광 흡수층(130) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 버퍼층(140)은 단일층으로 형성될 수도 있다.
상기 고저항 버퍼층(150) 상에 윈도우층(160)이 형성된다.
상기 윈도우층(160)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄(Al) 또는 알루미나(Al2O3)로 도핑된 산화 아연으로 형성된다.
상기 윈도우층(160)은 상기 광 흡수층(130)과 pn접합을 형성하고, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산화 아연(ZnO)으로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 윈도우층(160)은 산화 아연에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 윈도우층(160)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화 학 증착법 등으로 형성될 수 있다.
또한, 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 증착한 2중 구조를 형성할 수도 있다.
상기와 같이 형성된 태양전지(100)의 가장자리 영역을 선택적으로 제거하여 상기 후면전극층(120)의 에지영역(125)을 노출시킬 수 있다.
상기 후면전극층(120)의 에지영역(125)은 레이저 또는 기계적 공정을 통해 노출될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 기판(110)의 측벽들 및 바닥면에 열전도층(300)이 형성된다.
상기 열전도층(300)은 높은 절연성 및 높은 열 전도성을 가지는 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 열전도층(300)은 Al2O3 및 BeO를 포함하는 세라믹 계열로 형성될 수 있다. 상기 열전도층(300)은 CVD 또는 PVD와 같은 증착공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 열전도층(300)은 상기 후면전극층(120)의 에지영역(125) 상면에 연장되도록 형성될 수 있다.
상기 태양전지(100)의 광기전력 발생시 상기 태양전지(100)의 후방에서 열 발생률이 일반적으로 높다.
이에 실시예에서는 상기 열전도층(300)이 상기 후면전극층(120)의 에지영역(125)까지 형성됨으로써, 상기 태양전지(100)의 상면에서 발생되는 열에너지를 용이하게 흡수할 수 있다.
예를 들어, 상기 열전도층(300)은 상기 후면전극층(120)의 에지영역(125) 및 기판(110)의 측벽, 바닥면을 선택적으로 노출하는 보호캡(미도시)을 형성한 후 세라믹 물질을 증착하여 형성할 수 있다.
또는, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 후면전극층(120) 상에 광 흡수층 형성 예정영역(a) 상에만 선택적으로 마스크(10)를 형성한다. 이때 상기 마스크(10)는 상기 후면전극층(120)의 에지영역(125)은 노출시킬 수 있다. 그리고, 상기 마스크(10)를 사용한 세라믹 증착공정을 진행하여 상기 기판(110) 외측면 및 후면전극층(120)의 에지영역(125)에만 선택적으로 열전도층(300)을 형성할 수 있다.
이후, 상기 마스크(10)를 제거한 후 광 흡수층 예정영역(A)에 해당하는 상기 후면전극층(120) 상에 광 흡수층(130), 버퍼층(140), 고저항 버퍼층(150) 및 윈도우층(160)을 형성하여 상기 태양전지(100)를 형성할 수 있다.
도 6을 참조하여, 열기전력을 생성하는 열전소자(200)가 형성된다.
상기 열전소자(200)는 제1 지지층(210) 및 제2 지지층(220) 사이에 형성된 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)가 금속전극에 의하여 연결된 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 지지층(210) 및 제1 지지층(210)은 절연성 물질일 수 있다. 상기 제1 지지층(210) 및 제2 지지층(220)은 높은 열전도성을 가지는 물질일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 지지층(210) 및 제2 지지층(220)은 Al2O3 및 BeO를 포 함하는 세라믹 계열의 물질로 형성될 수 있다.
상기 열전소자(200)를 형성하는 방법을 설명한다.
우선, 상기 제1 지지층(210) 상에 다수개의 하부전극(230,240)이 형성된다.
예를 들어, 상기 하부전극(230,240) 중 어느 하나를 제1 하부전극(230)이라 하고, 인접하는 다른 하나를 제2 하부전극(240)이라고 지칭한다.
상기 제1 하부전극(230) 및 제2 하부전극(240)은 상호 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 하부전극(230)과 제 하부전극(230,240) 사이는 제2 갭(G2)을 가질 수 있다.
즉, 상기 제1 하부전극(230) 및 제2 하부전극(240)은 전기적, 물리적으로 상호 분리될 수 있다.
상기 제1 및 제2 하부전극(230,240)은 전도성이 좋은 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 하부전극(230,240)은 구리, 알루미늄, 텅스텐 등과 같은 금속 또는 실리사이드 물질로 형성될 수도 있다.
또는 상기 제1 및 제2 하부전극(230,240)은 ITO와 같은 투명 전도층으로 형성될 수도 있다.
상기 제1 및 제2 하부전극(230,240)은 상기 제1 지지층(210) 상에 하부전극층(미도시)을 형성한 후, 사진, 식각 공정을 통해 선택적으로 형성될 수 있다.
다음, 상기 제1 및 제2 하부전극(230, 240) 상에 한 쌍의 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)가 형성된다.
상기 N형 반도체(250)는 상기 제1 하부전극(230) 및 제2 하부전극(240)의 일 측에 정렬되도록 형성될 수 있다.
상기 P형 반도체는 상기 제1 하부전극(230) 및 제2 하부전극(240)의 타측에 정렬되도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)는 서로 교대로 배치될 수 있다.
상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)는 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260) 사이는 제2 갭(G2)과 동일한 제1 갭(G1)을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 N형 반도체(250)는 상기 제1 및 제2하부전극(230,240)을 포함하는 상기 제1 지지층(210) 상에 N형 불순물을 포함하는 반도체층을 형성한 후, 사진 식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 이후, 상기 제2지지층 상에 P형 불순물을 포함하는 반도체층을 형성한 후 사진식각 공정을 통해 패터닝하여 P형 반도체를 형성할 수도 있다.
상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)는 Bi, Sb 등의 VB족 텔투르 화합물(Telluride)계열 일 수 있다.
예를 들어, 상기 N형 반도체(250)는 Bi이고 상기 P형 반도체(260)는 Bi2Te3일 수 있다.
한편, 상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)는 해당하는 반도체층을 각각 형성한 후 선택적 식각 공정을 통해 형성하는 것을 예로 하였지만, 상기 N형 반도체(250) 및 P형 반도체(260)는 실리콘막을 증착한 후 p형 및 n형 불순물의 이온 주입공정을 통해 각각 형성될 수도 있다.
그 다음, 상기 제2 갭(G2)에 의하여 상호 분리된 상기 제1 하부전극(230)의 P형 반도체(260) 및 제2 하부전극(240)의 N형 반도체(250) 상에 상부전극(270)이 형성된다.
상기 상부전극(270)은 상기 하부전극(230, 240)과 동일한 전도층으로 형성될 수 있다.
상기 상부전극(270)은 상기 제2 갭(G2)에 의하여 상호 분리된 P형 반도체(260) 및 N형 반도체(250)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
따라서, 상기 제1 전극(230) 및 제2 전극(240)의 N형 및 P형 반도체(250,260)들은 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다.
상기 N형 반도체(250)와 P형 반도체(260)의 상기 상부전극(270) 및 하부전극(230,240)에 의하여 상호 접합되고, 상기 열전소자(200)를 형성할 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 상기 태양전지(100)의 하부에 열전소자(200)가 본딩된다.
상기 태양전지(100)의 기판(110) 하부에 해당하는 상기 열전도층(300)과 상기 제2 지지층(220)의 표면을 마주하도록 위치시킨 후 본딩공정을 진행하여 태양광 발전장치를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 태양전지(100)와 열전소자(200)는 열 접합 또는 접착 페이스트에 의하여 본딩될 수 있다.
구체적으로, 상기 열전도층(300)과 상기 열전소자(200)의 제2 지지층(220) 사이에 TIM(Thermal Interface Material)을 도포하고 본딩할 수 있다. 상기 TIM에 의하여 상기 열전소자(200)으로의 열전도성을 최대화할 수 있다.
한편, 상기 열전도층(300)과 상기 제2 지지층(220) 사이에 써멀 패드 및 써머 패이스트를 개재하고, 본딩공정을 진행할 수도 있다.
상기 태양전지(100)의 하부에 상기 열전소자(200)가 배치되어 상기 태양전지(100)에서 발생되는 열을 상기 열전소자(200)가 흡수할 수 있다.
상기 열전도층(300) 및 제2 지지층(220)은 동일한 세라믹 계열의 물질로 형성되고, 열전도성을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 열전도층(300)은 상기 후면전극층(120)과 접하도록 형성되어 있으므로, 상기 태양전지(100)의 상부에서 발생되는 열을 더욱 효과적으로 흡수하여 상기 열전소자(200)로 전달 할 수 있다.
이후, 상기 열전소자(200)에 외부전압인 양전압 및 음전압을 인가하기 위하여 상기 하부전극(230, 240)의 양단에 컨택배선을 연결할 수 있다.
상기와 같이 형성된 열전소자(200)에 직류(Diret Current)를 흘려주면 전기적으로 직렬, 열적으로 병렬로 된 열전쌍들로 구성되어있는 열전반도체 내로 흡열이 일어나게 된다.
이러한 열전소자(200)는 양단에서의 온도차에 의해 고온단 부위에서 저온단 부위로 열 이동시 N형 반도체(250)와 P형 반도체(260)에서 각각 전자와 홀이 고온 단에서 저온 단으로 이동하므로 써 발전이 가능할 수 있다.
실시예서는 상기 태양전지의 하부에 열전소자가 형성된다.
상기 열전소자는 광 흡수를 통한 전력 생성 중 발생하는 열을 흡수할 수 있다.
이에 따라, 열전소자에 의한 흡열반응으로 태양전지의 동작 중 발생하는 열을 억제하고, 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 열전소자의 열전도층이 상기 태양전지의 후면전극층에 연장되도록 형성되어, 상기 태양전지의 상부 및 하부에서 발생되는 열을 동시에 흡수할 수 있다.
또한. 상기 열전소자는 열 흡수를 통해 전력을 생성할 수 있다. 또한, 상기 열전소자는 태양광의 열에너지를 흡수하여 전력을 생성할 수 있다.
이에 따라, 상기 열전소자에 의하여 추가전력을 생성함으로써 태양광 발전장치의 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 태양전지의 온도가 과도할 경우 상기 열전소자에 의한 역전류를 인가하여 냉각효과를 줄 수도 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 9는 실시예에 따른 태양광 발전장치의 제조공정을 도시한 단면도이다.
Claims (13)
- 기판 상에 적층된 후면전극층, 광 흡수층 및 윈도우층을 포함하는 태양전지;상기 기판을 감싸도록 형성된 열 전도층; 및상기 기판 하부에 대응하는 상기 열전도층에 배치된 열전소자를 포함하는 태양광 발전장치.
- 제1항에 있어서,상기 열 전도층은 세라믹 계열의 물질로 형성된 태양광 발전장치.
- 제1항에 있어서,상기 열 전도층은 Al2O3 또는 BeO로 형성된 태양광 발전장치.
- 제1항에 있어서,상기 후면전극층의 에지영역은 노출되고,상기 열 전도층은 상기 후면전극층의 에지영역의 일부 또는 전체 영역과 접하도록 형성된 태양광 발전장치.
- 제1항에 있어서,상기 열전소자는,제1 지지층 상에 형성된 제1 하부전극 및 제2 하부전극;상기 제1 및 제2 하부전극 상에 각각 형성된 한쌍의 N형 반도체 및 P형 반도체;상기 제1 전극 및 제2 전극이 연결되도록 상기 제1 하부전극의 N형 반도체와 제2 하부전극의 P형 반도체 상에 형성된 상부전극; 및상기 상부전극 상에 형성되고, 상기 열전도층과 접촉하는 제2 지지층을 포함하는 태양광 발전장치.
- 제5항에 있어서,상기 제1 지지층 및 제2 지지층은 세라믹 계열의 물질로 형성된 태양광 발전장치.
- 제5항에 있어서,상기 제1 하부전극, 제2 하부전극 및 상부 전극은 금속재료로 형성된 태양광 발전장치.
- 제5항에 있어서,상기 N형 반도체 및 P형 반도체는 VB족의 텔투르 화합물(Telluride)계열인 것을 포함하는 태양광 발전장치.
- 기판 상에 후면전극층, 광 흡수층 및 윈도우층을 적층하는 단계;상기 기판을 감싸도록 열 전도층을 형성하는 단계;열전소자를 형성하는 단계; 및상기 기판의 하부에 대응하는 상기 열전도층에 상기 열전소자를 본딩하는 단계를 포함하는 태양광 발전장치의 제조방법.
- 제9항에 있어서,상기 열 전도층은 세라믹계 물질을 증착하여 형성되는 태양광 발전장치의 제조방법.
- 제9항에 있어서,상기 후면전극층의 에지영역이 노출되도록 상기 광 흡수층 및 윈도우층의 가장자리 영역을 선택적으로 제거하고,상기 에지 영역 상에 상기 열 전도층이 연장되는 것을 포함하는 태양광 발전장치의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 열전소자를 형성하는 단계는,비전도성의 제1 지지층을 형성하는 단계;상기 제1 지지층 상에 상호 이격된 제1 하부전극 및 제2 하부전극을 형성하 는 단계;상기 제1 및 제2 하부전극 상에 각각 한쌍의 N형 반도체 및 P형 반도체를 형성하는 단계;상기 제1 하부전극의 P형 반도와 상기 제2 하부전극의 N형 반도체가 연결된돌 상부전극을 형성하는 단계; 및상기 제1 지지층에 대응하도록 상기 상부전극 상에 비정도성의 제2 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 태양광 발전장치의 제조방법.
- 제12항에 있어서,상기 제1 지지층 및 제2 지지층은 세라믹계 물질로 형성된 태양광 발전장치의 제조방법.
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