KR20140018516A - 플렉시블 기판을 이용한 태양 전지 모듈 - Google Patents

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김승준
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Abstract

본 발명은 플렉시블 기판을 이용한 태양전지모듈에 관한 것으로 구체적으로, 휨특성을 가진 플렉시블 기판; 상기 플렉시블 기판 상에 형성된 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상부에 형성되어 외부로부터 입사되는 태양광을 흡수하도록 기능하는 흡광층; 상기 흡광층 상부에 형성되는 제2 전극층; 상기 흡광층과 제2 전극층 사이의 형성되어 상기 흡광층과 제2 전극층 사이의 접합을 강화하는 버퍼층을 포함한다.
전술한 구성을 지닌 본 발명에 따르면 태양 전지를 설치하고자 하는 장소의 형태에 관계없이 원하는 형태의 지지 베이스에 부착하여 사용할 수 있는 태양 전지모듈을 제공함으로써 원하는 형태의 태양 전지 모듈을 설치할 수 있고 또한 미관이 아름다운 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다는 이점이 얻어진다.

Description

플렉시블 기판을 이용한 태양 전지 모듈{SOLAR CELL MODULE USING A FLEXIBLE SUBSTRATE}
본 발명은 태양전지모듈에 관한 것으로 구체적으로 플렉시블 기판을 이용한 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이와 같은 대체 에너지 중 태양에너지로부터 전기에너지를 생산하는 태양전지가 주목받고 있다.
태양 전지(solar cell)는 광전지(photovoltaic device)로서, 반도체를 사용하여 빛 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 장치이다. 태양 전지에서 태양광을 전기적 에너지로 전환시키는 원리는 반도체의 p-n 접합(junction) 원리를 이용한다. 즉, 태양전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성된다. 생성된 전자와 정공은 일정 동안은 안정하게 존재하므로 이 시간 내에 음전하를 갖는 전자와 양전하를 갖는 정공을 분리한 뒤에 전극 단자를 통해서 외부 회로에 연결하면 태양전지로서 작용하게 된다.
도 1에 도시한 바와 같이 종래의 태양전지의 경우 평편한 기판 상에 전극을 형성함으로써 이루지는데 통상의 태양 전지 모듈에 사용되는 기판은 설치의 편이성을 위해 강성 타입의 기판을 이용하여 제조된다.
그러나 이와 같이 강성 타입의 평편한 기판을 이용하는 경우 한국형 기와 기붕 또는 곡면을 지닌 장소에 태양전지를 설치할 수 없고, 이러한 태양 전지 모듈을 설치한다 하더라도 도 1에 도시한 바와 같이 평편한 디자인으로 설치되어 미관이 아름답지 못하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 발명으로 곡면을 지닌 장소 또는 물건 등에 설치될 수 있는 플렉시블 타입의 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일양태에 따르면, 휨특성을 가지는 플렉시블 기판; 상기 플렉시블 기판 상에 형성된 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상부에 형성되어 외부로부터 입사되는 태양광을 흡수하도록 기능하는 흡광층; 상기 흡광층 상부에 형성되는 제2 전극층; 및 상기 흡광층과 제2 전극층 사이의 형성되어 상기 흡광층과 제2 전극층 사이의 접합을 강화하는 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 기판을 이용한 태양 전지 모듈이 제공된다.
기판은, 플라스틱 기판, 폴리머 기판, 스테인레스 스틸 기판, 알루미늄과 스테인리스 결합 기판 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 제1 전극층은 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 또는 이들의 합금중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 흡광층은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(Cu(In,Ga)Se2, CIGS) 화합물, 구리-인듐-셀레나이드(CuInSe2, CIS) 화합물, 구리-갈륨-셀레나이드(CuGaSe2, CGS) 화합물 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 제2 전극층은, 바람직하게 ZnO를 포함하는 투명 도전성 산화물, 또는 ZnO에 알루미늄 또는 알루미나가 도핑된 물질로 이루어지는 것이 바람직하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 전도성이 좋은 물질이라면 어느 것을 채용하여도 좋다.
전술한 구성을 지닌 본 발명에 따르면 태양 전지를 설치하고자 하는 장소의 형태에 관계없이 원하는 형태의 지지 베이스에 부착하여 사용할 수 있는 태양 전지모듈을 제공함으로써 원하는 형태의 태양 전지 모듈을 설치할 수 있고 또한 미관이 아름다운 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다는 이점이 얻어진다.
도 1은 종래의 평편한 태양전지를 적용한 지붕을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 태양 전지 모듈을 지지 부재에 부착하는 예를 도시한 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 2은 본 발명에 따른 태양 전지 모듈(100)의 일례를 도시한 도면이다. 이 도면에서 태양 전지 모듈(100)은 단결정 및 다결정 실리콘 태양 전지에 비해 변환 효율은 낮지만, 기판의 두께를 줄일 수 있는 박막 태양 전지로 설계되었다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 단결정 및 다결정 실리콘 태양 전지에 적용가능하다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 기판(110) 상에 형성된 제 1 전극층(120)과, 제1 전극층(120) 상에 형성된 흡광층(130)과, 흡광층(130) 상에 형성되는 버퍼층(140)과 상기 버퍼층(140) 상부에 형성되는 제2 전극층(150)을 포함한다.
도 2에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 기판(100)은 바람직하게 플렉시블(flexible) 특성이 좋은 기판을 이용한다. 플렉시블 특성이 좋은 기판으로는 플라스틱 기판, 폴리머 기판, 비교적 휨성이 좋은 스테인레스 스틸 기판, 알루미늄과 스테인리스 결합 기판을 이용될 수 있다. 이러한 플렉시블한 기판을 사용하는 경우 롤-투-롤 방식으로 태양 전지를 제조 가능하므로 경량 및 저비용화의 이점이 얻어질 수 있다.
제1 전극층(120)은 금속 등의 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 단일층 또는 서로 다른 물질의 복수의 층으로 형성될 수 있다. 여기서, 제1 전극층(120)은 비저항이 낮고, 열팽창 계수의 차이로 인해 기판(110)과 박리 현상이 일어나지 않도록 사용된 기판(100)과의 점착성이 뛰어난 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 제1 전극층(120)으로는 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 또는 이들의 합금을 이용할 수 있다.
다음으로 제1 전극층(120)의 상부에는 스퍼터링과 같은 증착 장비를 통해 흡광층(130)이 형성된다. 흡광층(130)은 외부로부터 입사되는 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시킨다. 이러한 흡광층(130)은 예를 들어 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ계 화합물로 형성할 수 있다. 즉, 흡광층(130)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(Cu(In,Ga)Se2, CIGS) 화합물로 형성하거나, 구리-인듐-셀레나이드(CuInSe2, CIS) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드(CuGaSe2, CGS) 화합물로 형성할 수 있다.
흡광층(130)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 각각 이용하거나 구리, 인듐 및 갈륨의 혼합 타겟을 이용하여 스퍼터링 방식으로 제1 전극층(120) 상에 CIG 금속 전구체(precursor)막을 형성한 후 고온에서 셀레늄를 이용하여 셀레니제이션(selenization) 공정을 실시함으로써 CIGS 화합물의 흡광층(130)을 형성하는 방법 등이 공지되어 있으며 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
또한 도시하지는 않았지만, 제1 전극층(120)과 흡광층(130) 사이에는, 제1 전극층(120)을 형성한 후 흡광층(130)을 형성하기 위한 열처리에 의해 확산되는 셀레늄(Se)과 제1 전극층(120)의 반응을 억제하기 위해 제1 전극층(120)과 흡광층(130) 상이에 보호층이 더 형성될 수도 있다. 이 경우 보호층은 셀레늄의 확산을 방지할 수 있는 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
버퍼층(140)은 흡광층(130) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 버퍼층(140)은 예를 들어 화학 용액 증착법(chemical bath deposition: CBD)에 의하여 황화 카드뮴(CdS)으로 형성할 수 있다.
버퍼층(140)의 상부에는 제2 전극층(150)이 형성되는데, 버퍼층(140)은 흡광층(130)과 제2 전극층(150)이 양호하게 접합되도록 한다. 이는 흡광층(130)과 제2 전극층(150) 사이에 격자 상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에 두 물질의 중간 밴드 갭을 갖는 버퍼층(140)을 형성하여 흡광층(130)과 제2 전극층(150)이 양호하게 접합될 수 있게 돕는다.
제2 전극층(150)은 금속 등의 도전성 물질, 예를 들어 알루미늄, 아연 등과 같은 금속을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제2 전극층(150)이 태양 전지 전면의 투명 전극으로 기능할 수 있도록 투명 도전성 물질로 형성할 수도 있는데, 예를 들어 ZnO 등의 광투과율이 높은 투명 도전성 산화물을 이용하여 형성할 수도 있다. 또한, ZnO에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 제 2 전극층(150)을 형성할 수 있다. 한편, 제2 전극층(150)은 다양한 방법으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 형성하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 방법, 그리고 유기금속화학 증착법 등으로 형성될 수 있다. 또한, 전기 광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 ZnO 박막 상에 증착하여 이중 구조의 제2 전극층(150)을 형성할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 플렉시블 기판을 이용한 태양전지모듈(100)의 설치 예를 도시한 도면이다. 도 3에서 플렉시블 기판(100)은 원통형 부재(200)의 주변부를 따라 설치되는 과정을 도시하고 있다. 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 플렉시블 기판을 이용한 태양전지모듈(100)은 기판의 특성으로 인해 휨성을 갖기 때문에 부착하고자 하는 지지 부재(200)의 곡면을 따라 자유롭게 설치될 수 있다는 이점이 있다.
이러한 플렉시블 기판을 이용한 태양전지모듈(100)은 현재의 한국형 기와 지붕의 형태를 가진 지지 부재 또는 원형의 벽과 같이 곡면을 지닌 건물의 외곽 또는 물건 등에 쉽게 부착 설치될 수도 있기 때문에 다양한 형태에 적용되어 원하는 형태의 설계 또는 미관 효과를 얻을 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 태양전지 모듈
110: 기판
120: 제1 전극층
130: 흡광층
140: 버퍼층
150: 제2 전극층
200: 지지 부재

Claims (6)

  1. 휨 특성을 가지는 플렉시블 기판;
    상기 플렉시블 기판 상에 형성된 제1 전극층;
    상기 제1 전극층 상부에 형성되어 외부로부터 입사되는 태양광을 흡수하도록 기능하는 흡광층;
    상기 흡광층 상부에 형성되는 제2 전극층;
    상기 흡광층과 제2 전극층 사이의 형성되어 상기 흡광층과 제2 전극층 사이의 접합을 강화하는 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 기판을 이용한 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은, 플라스틱 기판, 폴리머 기판, 스테인레스 스틸 기판, 알루미늄과 스테인리스 결합 기판 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 플렉시블 기판을 이용한 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극층은 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 또는 이들의 합금중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉시블 기판을 이용한 전지 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 흡광층은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(Cu(In,Ga)Se2, CIGS) 화합물, 구리-인듐-셀레나이드(CuInSe2, CIS) 화합물, 구리-갈륨-셀레나이드(CuGaSe2, CGS) 화합물 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉시블 기판을 이용한 전지 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전극층은, ZnO를 포함하는 투명 도전성 산화물, 또는 ZnO에 알루미늄 또는 알루미나가 도핑된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉시블 기판을 이용한 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플렉시블 기판은 적어도 일부분에 곡면을 가진 지붕, 벽을 포함하는 건물의 외관에 부착가능한 것을 특징으로 하는 플렉시블 기판을 이용한 전지 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102170906B1 (ko) * 2020-05-20 2020-10-28 주식회사 아라이엔지 부착식 태양광 패널 및 이를 가지는 지붕 벽체 구조물
KR20210061057A (ko) * 2019-11-19 2021-05-27 주식회사 지피 Ⅲ-ⅴ 화합물 반도체 기반의 플렉시블 태양전지 모듈 제조방법

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