KR20120062219A - 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막형 태양전지에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 복수의 태양전지 셀을 순차적으로 적층하여 수납함으로써 전력생산 효율을 극대화하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 투명 복수의 태양전지 셀과, 상기 셀의 음극이 전기적으로 연결되는 음극부 및, 상기 셀의 양극이 전기적으로 연결되는 양극부를 포함한다.

Description

태양전지 모듈{SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 평판 박막형 태양전지에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 복수의 태양전지 셀을 순차적으로 적층하여 수납함으로써 전력생산 효율을 극대화 시키는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
최근 들어, 태양 전지의 잠재력으로 인해 연구개발이 급증하고 있다.
특히 박막형 태양전지의 대규모 상용화를 위해 소자의 고효율화 및 저가화가 활발히 진행되고 있다.
상용화를 위한 고효율화는 전지의 효율을 높여 발전단가를 줄이는 방법으로 결정형 Si 태양전지와 GIGS 등 화합물 반도체를 이용한 태양전지가 이에 해당한다.
염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell)는 스위스 Gratzel 교수가 1991년 세라믹 반도체인 TiO2 나노분말 막에 광감응제인 Ru(Ⅱ) 계열의 착화합물을 흡착시켜 개발되었으나 기존의 태양전지에 비해 광전효율이 다소 낮아 현재 상업화의 걸림돌이 되고 있는 상황이다.
염료감응형 태양전지 셀의 최고 수준 광전변환 효율은 10%수준으로 화합물 반도체 및 a-Si 박막형 태양전지에 비해 다소 낮은 수준이나, 저가의 제조 설비 및 공정 기술로 인해 발전 단가를 기존 결정형 Si 대비 상당부분 낮출 수 있으며, 타 박막형 태양전지와 같이 유연(flexible)기판에 투명 태양전지로 응용이 가능하다.
염료감응형 태양전지는 태양광을 흡수하는 염료, n형 반도체 역할의 TiO2 반도체 산화물, p형 반도체 역할을 하는 전해질, 촉매역할을 수행하는 탄소나 백금 상대전극, 태양광을 직접 맞닿게 되는 전면전극으로 구성되어 있다.
즉 광에너지의 흡수는 염료에서 일어나고, 광여기 반응에 의해 생성된 전자의 분리/이송은 전자 농도차에 의해 확산하는 방식으로 산화물 반도체 나노입자 표면의 전도대에서 이루어진다.
염료감응형 태양전지의 기본구조는 투명기판의 샌드위치구조를 갖는다.
전지 내부는 투명기판 위에 코팅된 투명전극(ITO, FTO등이 주로 사용), 및 TiO2 나노입자로 구성된 다공성 전극, TiO2 입자의 표면에 코팅된 염료, 두 전극 사이를 채우는 전해질 그리고 밀봉재 등으로 구성되어 있다.
이러한 구조의 태양전지를 얻기 위해서는 투명전도막위로의 TiO2 성막 -소결 -상대전극 구성 -염료의 TiO2 흡착 -1차 밀봉 -전해질 주입 -2차 밀봉 순의 공정으로 제조될 수 있다.
이와 같은 종래의 제작과정을 거친 태양전지 셀은 여러 개가 직렬, 병렬, 또는 혼합구조로 연결되어 모듈로 구성 함으로서 출력을 높일 수 있으나 각각의 셀을 연결하는 배선공정이 수반되며 도선으로 연결된 셀 중 하나가 기능을 상실하게 되면 패널전체가 기능을 상실할 수 있으며 유지보수가 복잡하고 어려운 공정을 거친다는 문제점이 있었다.
한편 염료감응형 태양전지의 단위면적당 효율은 낮은 편이다.
현재 상업화가 되기 위해서는 모듈기준 7~8% 정도면 상업화가 가능한 상황이다.
고효율을 얻기 위해 상기 기술된 TiO2 막의 개선, 투명전도막의 개선, 전해질 및 염료의 개선 등으로 나뉘어 연구되고 있다.
염료감응형 태양전지의 작동원리는 다음과 같이 5단계로 요약될 수 있다.
1 단계: 자연 태양광이 전지에 입사된 후 투명기판과 투명전극을 투과한 광자가 염료에 의해 흡수
2 단계: 염료는 태양광 흡수에 의해 여기 상태가 되면서 전자를 생성
3 단계: 생성된 전자는 TiO2 전도대로 이송,
4 단계: 투명전극을 통해 외부회로로 전기에너지 전달
5 단계: 산화된 염료의 전해질 용액으로부터의 환원
이 때 전자의 생성 및 이송은 태양전지의 성능을 좌우하는 중요한 역할을 한다.
특히 전자의 이송을 원활하게 하기 위하여 TiO2 전극의 개선 및 광여기된 전자-정공쌍의 재결합을 막는 연구 등이 다양하게 진행되고 있다.
그러나 근본적으로 염료감응형 태양전지의 흡수광에 대한 연구는 그리 활발하지 않다.
염료감응형 태양전지가 사용하는 자연광 스펙트럼은 주로 가시광 영역으로 알려져 있다.
종래에는 염료의 흡착정도에 따라 염료감응형 태양전지가 가지는 투과성을 확보하기 위해 완전히 흡수되지 못한 광에너지가 남게 되는 효율의 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 복수의 태양전지 셀을 병렬로 연결하여 순차적으로 적층함으로써, 효율적인 유지관리와 동일면적에서 전력생산을 증가시키는 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명에 따르는 태양전지 모듈은, 복수의 태양전지 셀과, 상기 셀의 음극이 전기적으로 연결되는 음극부 및, 상기 셀의 양극이 전기적으로 연결되는 양극부를 포함한다.
바람직하게는 상기 복수의 태양전지 셀은 상호 적층되어 수납된다.
바람직하게는 상기 복수의 태양전지 셀은 전기적으로 병렬연결이다.
바람직하게는 상기 음극부는 외부의 다른 양극부와 전기적으로 연결이 가능한 제1 연결부를 더 포함한다.
바람직하게는 상기 양극부는 외부의 다른 음극부와 전기적으로 연결이 가능한 제2 연결부를 더 포함한다.
또한, 상기 제1 연결부와 제2 연결부는 단면이 사다리꼴 형상으로 서로 엇갈려 착탈하도록 배치되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 태양전지 셀은 태양광을 흡수하여 전자를 생성하는 산화물층과,
상기 전자의 외부 이송을 위한 투명전극과, 상기 산화물층에 전자의 전달을 위한 전해질층 및, 상기 전해질층에 전자의 공급을 위한 상대전극을 포함한다.
바람직하게는 상기 태양전지 셀은 상기 산화물층과 상기 전해질층의 외부 실링(Sealing)을 위한 밀폐부를 더 포함한다.
바람직하게는 투명전극은 상기 음극부에 전기적 연결을 위한 제1 돌기를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 상대전극은 상기 양극부에 전기적 연결을 위한 제2 돌기를 더 포함한다.
또한, 상기 제1 돌기와 상기 제2 돌기는 종단에 백금 또는 전도성 고분자 또는 산화물이 코팅되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 투명전극과 상기 상대전극은 ITO, IZO, AZO, GZO, GAZO, FTO의 조성으로 물리적으로 적층되는 구조인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 태양전지 셀은 염료감응형으로써, 유기, a-Si, CIGS, CdTe 태양전지이다.
마지막으로, 상기 태양전지 모듈은 상기 모듈의 상부에 위치하여 자외선 차단을 위한 플리트 유리 및, 상기 모듈의 하부에 위치하여 빛의 투과성을 높이기 위한 거울 형태의 반사체를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 태양전지 셀을 순차적으로 수납함으로써 동일 면적에서 태양광의 효율을 극대화하여 전력생산을 극대화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 다른 파장대를 흡수하는 태양전지 셀을 순차적으로 수납함으로써 흡수되지 않은 태양광을 이용하여 전력생산을 극대화하는 장점도 있다.
덧붙여 본 발명에 따르면 태양전지 모듈을 직병렬로 연결함으로써 고전압과 고전력의 전력 소스를 구현할 수 있는 장점도 있다.
또한 본 발명에 따르면 친환경적인 에너지를 양산함으로써 경제에 미치는 영향이 지대하다는 효과도 있다.
마지막으로 본 발명에 따르면 전체 패널은 병렬 연결이므로, 하나의 셀이 손상해도 전체 패널은 작동하므로 유지/보수에 용이한 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따르는 태양전지 모듈의 전체 단면을 보여주는 단면도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 태양전지 셀의 전체 단면을 보여주는 단면도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따르는 복수의 태양전지 모듈의 연결을 보여주는 예시도
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지 모듈을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3의 동일 부재에 대해서는 동일한 도면 번호를 기재하였다.
본 발명의 기본 원리는 복수의 태양전지 셀을 태양전지 모듈에 순차적으로 적층 수납하여 용이하게 불량 셀을 교체하고, 동일 면적에서 전력생산 효율을 증가시키는 것이다.
먼저, 본 발명의 실시 예에서 사용하는 태양전지 모듈은 복수의 태양전지 셀이 등간격 순차 적층되어 수납되는 카트리지 형태의 모듈이라고 용어를 정의한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따르는 태양전지 모듈(100)의 구성을 보여주기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따르는 태양전지 모듈(100)은 복수의 태양전지 셀(110)과, 셀(110)의 음극이 전기적으로 연결되는 음극부(120) 및 셀의 양극이 전기적으로 연결되는 양극부(130)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따르는 태양전지 모듈(100)의 기능을 설명하면 다음과 같다.
우선 태양전지 모듈(100)에는 복수의 태양전지 셀(110)이 등간격으로 적층되어 수납된다.
즉 본 발명에 실시 예에 따르는 태양전지 모듈(100)은 수납공간을 갖는 카트리지 형태(100)인 것이 바람직하다.
다음은 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따르는 태양전지 셀(110)의 구성 및 기능을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 태양전지 모듈(100)에 탑재된 태양전지 셀(110)의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면 본 발명에 따르는 태양전지 셀(110)은 투명기판 상면에 코팅된 투명전극(111)과, 광흡수 염료를 포함하는 산화물층(112)과, 산화된 염료에 전자의 공급을 위한 전해질층(113)과, 산화물층(112)과 전해질층(113)의 외부 실링(Sealing)을 위한 밀폐부(114) 및, 상대전극(115)을 포함한다.
도 2와 같이 구성된 본 발명에 따르는 태양전지 셀(110)의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
우선 자연 태양광의 태양전지 셀(110)에 입사되면, 광양자가 유리 또는 유리기판에 코팅된 투명전극(111)을 투과한다.
그러면, 아래의 산화물층(112)의 염료고분자(미도시)는 이와 같이 투과된 광의 광양자를 흡수하여 여기 상태가 되면서 전자를 생성하고, 생성된 전자는 다공질 구조의 TiO2(미도시) 전도대로 이동하여 투명전극(111)을 통해 외부회로(미도시)로 전기에너지를 전달한다.
그 후, 전해질층(113)은 산화물층으로 전자를 공급하여 산화물층(112)의 염료를 환원한다.
전해질층(113)에서 공급된 전자는 상대전극(115)에서 보충한다.
밀폐부(114)는 액체 상태의 전해질이 포함된 전해질층(113)과 염료를 포함하는 산화물층(112)을 외부와 실링한다.
한편, 태양전지 셀(110)은 태양전지 모듈(100)에 등간격으로 적층되어 수납되기 위한 수단이 필요된다.
즉, 도 2를 참조하면, 투명전극(111)은 오른쪽으로 돌출된 제1 돌기(a)와, 상대전극(115)은 왼쪽으로 돌출된 제2 돌기(b)를 구비한다.
제1 돌기(a)는 양극부(130)에, 제2 돌기는 음극부(120)에 전기적으로 연결된다.
또한, 제1 및 제2 돌기(a, b)는 양극부(130) 및 음극부(120)에 각각 전기적으로 연결되기 때문에 종단이 도전성이 높은 물질이 코팅된다.
이와 같이 구성되는 복수의 태양전지 셀(110)은 태양전지 모듈(100)에 등간격으로 적층되어 수납된다.
바람직하게, 복수의 태양전지 셀(110)은 2에서 4층으로 적층된다.
참고로 복수의 태양전지 셀(110)이 4층 이상으로 적층되면 포톤(Photon)의 투과도가 현저하게 줄어들기 때문에 최하단에 위치하는 태양전지 셀의 발전 효율은 거의 제로에 가깝게 된다.
예를 들면, 투과도가 550nm이고 5개의 태양전지 셀이 적층되는 경우, 최상층의 태양전지 셀로부터 최하단층의 태양전지 셀의 발전효율은 순차적으로 10-8-3-1-0가 된다.
따라서, 최하단층인 5번째 태양전지 셀의 발전효율은 제로에 가깝게 되므로 본 발명의 실시 예에 따르는 복수의 태양전지 셀은 4단으로 한정을 한다.
아울러, 최하단층에 위치하는 태양전지 셀의 종류는 CIGS 태양전지 셀인 것이 바람직하다.
이 때, 복수의 태양전지 셀(110)의 전기적인 연결은 병렬구조가 되는 것을 알 수 있다.
한 편, 복수의 태양전지 셀(110)의 투명전극(111)과 상대전극(115)은 자연 태양광이 투과하기 용이한 투명기판 상에 구성되는 것이 바람직하다.
자연광 투과 과정을 설명하기 위해 편의상, 태양전지 셀(110)들을 110a~110d의 도면 번호를 기재한다.
왜냐하면, 첫 번째 태양전지 셀(110a)을 투과한 태양광은 순차적으로 적층된 태양전지 셀들(110b~110d)을 차례로 투과하여야 정상적인 전력생산이 가능하기 때문이다.
덧붙여 태양전지 셀들(110a~110d)은 전기적 연결이 병렬이므로 어느 하나가 오동작을 하거나 혹은 문제가 생겨 제거하더라도 태양전지 모듈(100)은 정상 동작할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르는 태양전지 모듈(100)의 안정성을 확보할 수 있다.
이 때 태양전지 모듈(100)의 상부는 입사 태양광의 자외선을 차단하고 투과성을 높이기 위해 플리트 유리(140)로 구성된다.
또한, 태양전지 모듈(100)의 하부는 태양전지 셀들(110a~110d)을 투과한 태양광의 재사용을 위해 거울과 같은 반사체(150)를 사용하여 마감된다.
따라서 본 발명에 따르는 태양전지 모듈(100)의 전력생산 효율을 한층 더 높일 수 있다.
덧붙여 여기서 음극부(120)는 다른 양극부와 전기적으로 연결되기 위한 제1 연결부(121)를 구비한다.
마찬가지로 양극부(130)도 다른 음극부와 전기적으로 연결되기 위한 제2 연결부들(131, 132)를 구비한다.
따라서 본 발명에 따르는 태양전지 모듈(100)은 각각 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 통해 태양전지 모듈(100)의 전력생산 효율을 높이기 위한 또 다른 방안을 설명하면 다음과 같다.
이를 설명함에 있어 구성은 도 1 및 도 2와 동일하므로 이를 참조하기로 한다.
단, 태양전지 셀(110a ~ 110d)은 각각 흡수 파장이 서로 다른 광을 흡수하는 광흡수 염료가 포함된 산화물층(112)을 갖는다고 가정한다.
따라서, 각각의 태양전지 셀(110a ~ 110d)은 흡수하는 태양광의 파장이 다르기 때문에 상층에서 흡수되지 않은 파장대의 태양광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 태양전지 모듈(100)의 전력 생산 효율이 더욱 증대되는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따르는, 각각의 태양전지 모듈(100)이 전기적으로 연결되어 있는 형태를 보여주는 예시도이다.
도 2에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르는 태양전지 모듈(100)의 음극부(120)는 다른 양극부와 전기적으로 연결되기 위한 제1 연결부(121)를 구비한다.
마찬가지로 양극부(130)도 다른 음극부(120)와 전기적으로 연결되기 위한 제2 연결부들(131, 132)를 구비한다.
여기서, 제1 연결부(121)와 제2 연결부들(131, 132)는 단면이 사다리꼴 형상으로 서로 엇갈려 배치되어 착탈될 수 있다.
따라서 본 발명에 따르는 태양전지 모듈(100)은 다른 극성끼리 서로 전기적으로 직렬연결될 수 있으므로 태양전지 모듈(100)의 개수에 따라 더 높은 전압을 출력할 수 있다.
즉 본 발명의 실시 예에 따르는 태양전지 셀(110)은 태양전지 셀은 연료감응형으로써, 염료감응형, 유기, a-Si, CIGS, CdTe 태양전지인 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 태양전지 모듈 110 : 태양전지 셀
111 : 투명전극 112 : 산화물층
113 : 전해질층 114 : 밀폐부
115 : 상대전극 120 : 음극부 121 : 제1 연결부 130 : 양극부
131, 132 : 제2 연결부들 140 : 플리트 유리 150 : 반사체

Claims (14)

  1. 복수의 태양전지 셀과;
    상기 셀의 음극이 전기적으로 연결되는 음극부 및;
    상기 셀의 양극이 전기적으로 연결되는 양극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 태양전지 셀은 상호 적층되어 수납되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 복수의 태양전지 셀 적층은
    각각의 상기 태양전지 셀이 2층이상 4층이하로 적층되어 수납되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 적층은
    최하층에 CIGS 태양전지 셀이 위치하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 태양전지 셀은
    전기적으로 병렬연결인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 음극부는
    외부의 다른 양극부와 전기적으로 연결이 가능한 사다리꼴 형상의 제1 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 양극부는
    외부의 다른 음극부와 전기적으로 연결이 가능한 사다리꼴 형상의 제2 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 태양전지 셀은
    태양광을 흡수하여 전자를 생성하는 산화물층과,
    상기 전자의 외부 이송을 위한 투명전극과;
    상기 산화물층에 전자의 전달을 위한 전해질층 및;
    상기 전해질층에 전자의 공급을 위한 상대전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 태양전지 셀은
    상기 산화물층과 상기 전해질층의 외부 실링(Sealing)을 위한 밀폐부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 투명전극은
    상기 음극부에 전기적 연결을 위해 종단에 백금 또는 전도성 고분자 또는 산화물이 코팅된 제1 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 상대전극은
    상기 양극부에 전기적 연결을 위해 종단에 백금 또는 전도성 고분자 또는 산화물이 코팅된 제2 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈
  12. 제 8항에 있어서, 상기 투명전극과 상기 상대전극은
    ITO, IZO, AZO, GZO, GAZO, FTO의 조성으로 물리적으로 적층되는 구조인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 태양전지 셀은
    염료감응형으로써, 유기, a-Si, CIGS, CdTe 태양전지인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  14. 제1 항 내지 제13 항에 있어서, 상기 태양전지 모듈은
    상기 모듈의 상부에 위치하여 자외선 차단을 위한 플리트 유리 및;
    상기 모듈의 하부에 위치하여 빛의 투과성을 높이기 위한 거울 형태의 반사체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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