KR20160028045A - 태양전지 - Google Patents

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Abstract

광이 입사되면 전기로 변환시키는 액티브 영역을 구비하는 태양전지에 있어서, 액티브 영역은 전면에 형성되고 제2영역을 제외하는 제1영역과, 액티브 영역 내부에 복수개의 폐도형을 구비하는 제2영역을 구비하고, 제1영역은 상기 제2영역 보다 가시광선의 투과도가 낮은 태양전지를 제공한다.

Description

태양전지 {Solar cell}
본 발명은 입사되는 광으로부터 전기에너지를 발생시키기 위한 태양전지에 관한 것이다.
태양 전지는 외부에서 들어온 빛에 의해 태양 전지의 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성되고, pn 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동함으로써 전력을 생산한다.
최근 들어 휴대 전화기나 PDA(Personal Digital Assistance)와 같은 휴대용 전자디바이스의 보조 전원으로 사용할 수 있는 작고, 얇고, 가벼운 고출력 태양 전지 모듈이 연구되고 있다.
그러나, 색깔 등 미관상 문제점이 많은 이유로 여전히 개선해야할 필요성이 제기되고 있는 실정이다.
이러한 문제점으로 인해 투명태양전지를 제작하기 위한 노력이 있었다. 그 일예로 ZnO 이중구조를 이용한 태양전지(한국특허 등록번호 27377), 나노소재 투명반도체를 이용한 투명태양전지(한국특허, 등록번호 1010038070000) 등이 있다.
또한, BIPV 투명창으로 적용가능한 투명 태양전지 소자로 염료감응형 태양전지가 있다. 염료감응형 태양전지는 TiO2 등의 나노입자 네트워크를 통해 흐름으로써 전기가 발생하는 원리를 이용한다.
그러나, 염료감응형 태양전지는 비용 측면에서 강점이 잇으나 액체 전해질의 화학적 안정성 문제 및 대면적화에 다른 변환 효울이 열화 문제 등이 극복되어야 할 난제로 알려져 있다.
상술한 문제점으로 인해 보다 효과적인 투명태양전지에 대한 요구는 지속되고 있는 실정이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 광이 입사되면 전기를 변환시키는 액티브 영역을 구비하는 태양전지에 있어서, 상기 액티브 영역은 전면에 형성되고 제2영역을 제외하는 제1영역; 및 상기 액티브 영역 내부에 복수개의 폐도형을 구비하는 제2영역을 구비하고, 상기 제1영역은 상기 제2영역 보다 가시광선의 투과도가 낮은 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1영역은 가시광선에 대해 불투명하고, 상기 제2영역은 가시광선에 대해 투명하다.
활성층은 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 비정질 실리콘층 등 실리콘 계열이 가능하고, GaAs, InP, ZnO 등 화합물 계열의 반도체 계열, CdTe, CdS, CdSe 등을 양자점을 이용한 구조, 구리-인륨-갈륨-디셀레니드(CIGS; copper indium gallium selenide; Cu(In,Ga)Se2) 박막계열 등 특별히 한정되지 않은 종류가 가능하다.
한편, 제1영역은 기판, 제1전극층, 활성층, 및 제2전극층을 구비하고, 제2영역은 상기 기판 상부에 활성층 미형성영역을 구비할 수 있다.
또한, 상기 제1영역의 상기 제1전극층 상부 또는 하부에는 반사층이 더 구비된다.
또한, 제1영역은 기판, 제1전극층, 제1활성층, 및 제2전극층을 구비하고, 상기 제2영역은 기판, 제1전극층, 제2활성층, 및 제2전극층을 구비한다.
또한, 제1영역은 기판, 제1전극층, 활성층, 및 제2전극층을 구비하고, 상기 제2영역은 상기 기판 및 제1전극층을 구비하고, 상기 기판 상부에 활성층 미형성영역을 구비한다.
바람직하게는, 상기 제1활성층과 상기 제2활성층은 구리-인륨-갈륨-디셀레니드(CIGS; copper indium gallium selenide; Cu(In,Ga)Se2) 박막계열일 수 있다.
또한, 제1활성층과 상기 제2활성층은 양자점을 함유할 수 있다.
바람직하게는, 상기 복수개의 폐도형들은 서로 램덤한 크기를 갖거나 랜덤한 거리를 두고 배열되도록 구성될 수 있다.
본 발명은 저렴하고 비교적 단순한 공정으로 투명한 태양전지모듈을 제작할 수 있으므로 미관상 사용자에게 호감을 줄 수 있는 효과가 있다. 일반적인 태양전지는 모두 검은색으로 전자기기에 적용하는 경우 미감을 주기 힘든 실정이었다.
본 발명의 투명한 태양전지는 건물 등의 유리창에 적용되면 완전 투과는 아니더라도 일부를 투과하는 투명한 투명전지로 유리창 역할과 전력생산 역할을 모두 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 웨어러블 디바이스 등 전자기기에 적용가능한 바, 본 태양전지는 투명하므로 원래 전자기기의 느낌을 그대로 살리면서도 충전의 기능을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 투명 태양전지의 액티브 영역(1)을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1a의 단면으로 채용가능한 다른 예를 도시하고 있다.
도 3은 도 1a의 단면으로 채용가능한 다른 구조에 대해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 투명 태양전지의 액티브 영역(1)을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 투명 태양전지의 액티브 영역(1)을 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 투명 태양전지의 액티브 영역(1)을 도시한 도면이다.
도 1a을 참조하면, 투명 태양전지의 액티브 영역(1)은 제1 영역(110, A), 제2 영역(120, B)을 포함하여 구성된다.
'액티브 영역'이란 태양전지가 태양 등의 외부 광을 전기적 에너지로 변환하는 부분을 의미하는 것으로, 회로 구성부, 외곽 더미 영역 등을 제외한다는 의미로 사용되었다. 예를 들어, 액티브 영역은 실리콘 등의 반도체부가 포함되어서 이루어진다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 액티브 영역은 제1 영역(110, A)이 전면에 형성되어 있는데, 복수개의 폐도형(폐곡선 또는 폐다각형) 내부가 투명한 영역을 포함하는 형태로 제2 영역(120, B)이 구성된다.
제2 영역(120, B)이 형성되는 이유는 본 발명의 태양전지가 투명도를 향상시키기 위함이다. 일반적으로 태양전지가 투명하다는 의미는 입사한 가시광의 100%가 통과한다는 완전 투명을 의미하는 것은 아니다.
제1 영역(110, A)에서는 광을 전기에너지로 변환시키는 광전이 제2 영역(120, B) 보다 더 많이 일어나게 된다. 또한, 제1 영역(110, A)은 제2 영역(120, B) 보다 더 불투명하게 구성된다.
한편, 제1 영역(110, A)과 제2 영역(120, B)의 비율은 태양전지 전체의 투명도를 결정하는 중요한 요소에 해당한다. 즉, 전체 액티브 영역 대비 제2 영역(120, B)의 비율(제2영역/액티브영역)이 낮은 경우는 광전효율은 우수하지만, 투명도는 낮아지고, 전체 액티브 영역 대비 제2 영역(120, B)의 비율(제2영역/액티브영역)이 높은 경우는 광전효율은 낮지만 투명도는 높아진다.
한편, 제1 영역(110, A)과 제2 영역(120, B) 자체의 투명도도 전체 액티브 영역 대비 제2 영역(120, B)의 비율(제2영역/액티브영역)을 결정하는데 중요한 요소가 될 수 있다. 왜냐하면, 태양전지의 전체 액티브 영역을 통해서 가시광이 투과하는 정도가 태양전지의 투명도를 결정할 것이기 때문이다.
발명자들은 전체 액티브 영역을 통해서 가시광이 투과하는 투과도가 30% 내지 80% 정도인 경우 인간이 충분히 투명하게 느낀다는 것을 확인하였다. 또한 더욱 바람직하게는, 전체 액티브 영역을 통해서 가시광이 투과하는 투과도가 40% 내지 70% 이다. 한편, 제1 영역(110, A)은 제2 영역(120, B) 보다 투과도가 낮다. 바람직하게는 제1 영역(110, A)은 투과도가 20%미만이고, 제2 영역(120, B)은 80%이상이다.
셀분리라인(130)은 태양전지를 단위 셀 단위로 분리하기 위한 라인으로, 이 라인의 면적은 액티브 영역에 포함되지 않는 외부 영역이다.
도 1b를 참조하면, 제1 영역(110, A)과 제2 영역(120, B)을 형성하기 위한 예를 도시하고 있다. 도 1b는 도 1a의 ??-??' 단면도이다.
도 1b를 참조하면, 태양전지 액티브 영역의 일단면은 제1영역(110, A)과 제2영역(120, B)이 적층된 구조물이 서로 다르다. 제1영역(110, A)은 기판(10), 제1전극층(20), 활성층(30), 제2전극층(40)를 구비하고, 제2영역(120, B)은 기판(10)이 노출되어 있다.
기판(100)은 플렉시블하고 투명한 기판으로 제작하는 것이 특징이다. 이는 전체적인 태양전지 모듈이 플렉시블하고 투명한 모듈이 가능하도록 제작되는 것이므로 필수적이라 할 수 있다. 기판으로는 필름 형태가 바람직하고, 사용되는 필름으로 투명성을 가지는 소재로서 Polyester (PET), Polyethylenenapthalate (PEN), polycarbonate (PC) 등의 필름이 있지만, 이에 한정되지 않고 이러한 필름 종류와 유사한 성질을 가지는 기판은 모두 본 발명의 기판으로 사용할 수 있다.
제1전극층(20), 제2전극층(40), 및 활성층(30)은 일반적으로 사용가능한 태양전지 구조를 채용하는 것이 가능하다. 두전극들(20,40) 사이에 활성층으로 PN접합층을 형성하고, PN접합 반도체층은 반도체성을 갖는 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 비정질 실리콘층 등 실리콘 계열이 가능하고, GaAs, InP, ZnO 등 화합물 계열의 반도체를 적용하는 것도 가능하면, 나노 와이어(nano wire), 나노 튜브(nano tube), 나노파티클(nano particle), 또는 양자점을 포함하는 나노파티클로 제조할 수 있다. PN접합 반도체층은 P형 반도체층과 N형 반도체층을 포함하여 구성할 수 있는데 이에 한정되지 않는다.
다른 태양전지의 활성층으로는 CdTe, CdS, CdSe 등을 양자점으로 형성하여 이를 태양전지 구조를 채용하는 것이 가능하다.
다른 태양전지의 활성층으로는 구리-인륨-갈륨-디셀레니드(CIGS; copper indium gallium selenide; Cu(In,Ga)Se2) 박막계열의 태양전지가 가능하다. 구리-인륨-갈륨-디셀레니드(CIGS; copper indium gallium selenide; Cu(In,Ga)Se2) 박막을 이용한 유연성(flexible) 있는 태양전지는 예를 들어 세라믹, 금속판, 폴리머 등 여러 가지 유연성 있는 기판에 제작가능하다. 이 경우, CIGS 태양전지의 흡수층(활성층)은 적외선, 가시광선 자외선 영역에서 주로 흡수가 이루어 질 수 있도록 구성하는 것이 흡수율을 높일 수 있다.
활성층(30)은 단일 계열의 물질로 이루어 질 수도 있지만 전술한 물질들이 수직으로 복수개 배열되는 텐덤 구조 등을 이루어지는 것도 가능하다.
2개의 전극들(20,40)은 불투명 전극인 크롬, 알루미늄, 구리, 백금, 몰리브덴 또는 이들의 합금, 또는 이들 2개 이상의 적층일 수 있다. 투명한 전극으로는 ITO, ZTO등으로부터 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(CNT), 은 나노와이어(Ag nano wire) 등으로 제조하는 것이 가능하고, 복수개를 서로 혼합하여 사용하는 것도 가능함은 물론이다. 또한, 금속층을 얇게 적층하여 전극으로 사용하는 경우도 투명한 효과를 낼 수 있다.
바람직하게는, 제1전극층(20)은 불투명 전극, 제2전극층(40)은 투명전극을 체용하는 것이 효과적이다.
한편 실제 태양전지 모듈을 제작함에 있어서는 복수의 셀을 직렬 형태로 연결하여 사용하는 것이 전압을 상승시킬 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 도 1a의 단면으로 채용가능한 구조들에 대해 도면들을 참조하여 설명한다. 도 2a 내지 도 2e는 도 1a의 단면으로 채용가능한 다른 예를 도시하고 있다.
설명의 편의를 위해 도 2a 내지 도 2f의 도면들에 대한 설명은 도 1b와 비교하여 차이점을 위주로 설명한다.
도 2a는 도 1b와 비교하여 제1전극층(20)이 제2영역(120, B)에 잔류하는 방식이다. 이 경우, 제1전극층(20)과 제2전극층(40)은 모두 투명한 전극으로 형성하는 것이 바람직하다. 투명한 전극에 대한 설명은 전술한 바와 동일하다.
도 2b 내지 도 2e는 반사층(60)이 추가된 형태들이다.
먼저, 도 2b와 도 2c는 반사층(60)이 제1전극층(20) 상부에 형성된 구조이다. 반사층(60)은 활성층(30)을 통과하고 흡수되지 않은 광을 다시 활성층(30)으로 반사하기 위한 구성이다. 반사층(60)은 반사율이 높은 금속을 이용하여 제조될 수도 있고, DBR등 반사율이 높도록 특별히 고안된 구조물을 이용하는 것도 가능하다. 도 2b의 경우는 제1전극층(20)을 불투명 전극으로 형성하는 것이 가능하지만, 도 2c의 경우는 제1전극층(20)을 투명전극으로 형성하는 것이 바람직하다.
도 2d과 도 2e는 반사층(60)이 제1전극층(20) 하부에 형성된 구조이다. 도 2d의 경우는 제1전극층(20)을 투명한 전극 또는 불투명한 전극으로 형성하는 것이 바람직하다. 도 2e의 경우는 제1전극층(20)을 투명한 전극으로 사용하는 것이 바람직하다.
도 3은 도 1a의 단면으로 채용가능한 다른 구조에 대해 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 태양전지 액티브 영역의 일단면은 제1영역(110, A)과 제2 영역(120, B)이 적층된 구조물이 서로 다르다. 제1영역(110, A)은 기판(10), 제1전극층(20), 제1활성층(30), 제2전극층(40)를 구비하고, 제2영역(120, B)은 기판(10), 제1전극층(20), 제1활성층(50), 제2전극층(40)를 구비한다.
제1활성층(30)과 제2활성층(50)은 서로 가시광선이 입사하는 경우 투과도가 다르게 선택된다. 즉, 제1활성층(30)은 제2 활성층(50) 보다 투과도가 낮고 광전효율이 높은 물질이 선택된다.
제2전극층(40)은 투명한 전극을 채용하는 것이 바람직하고, 제1전극층(20)도 투명한 전극을 채용할 수 있다. 다른 변형으로는, 제1전극층(20)은 제1활성층(30) 하부에는 불투명전극, 제2활성층(50) 하부에는 투명한 전극으로 각각 다른 전극을 사용하는 것도 가능하다.
제1활성층(30)은 특별히 여기서 설명하는 사안이 아니면 전술한 설명으로 갈음한다. 제2활성층(50)은 투명하고 광을 전기에너지로 변환할 수 있는 물질이면 특별히 한정되지 않고 다양하게 가능하다. 예를 들어, 두전극들(20,40) 사이에 도너층과 액셉터층을 순차적으로 형성된다. 예를 들어, 도너층으로는 chloroaluminum phthalocyanine (ClAlPc) 또는 SnPc로 층을 형성할 수 있고, C60 분자 활성층을 이용하는 것도 가능하다. 이 경우는 미국특허공개 US2012/0186623호에 개시된 방법을 이용하는 것도 가능하다.
다른 적용으로는 제1활성층(30)과 제2활성층(50) 각각에는 서로 흡수대역이 다른 구리-인륨-갈륨-디셀레니드 계열의 활성층으로 제작할 수 있다. 이 활성층은 흡수되는 파장영역을 첨가되는 각 구리-인륨-갈륨-디셀레니드의 성분을 조절하거나 파티클로 제조하는 방식인 경우 파티클의 크기를 제어하는 방식으로 파장 대역을 조절하는 것이 가능하다.
따라서, 제1활성층(30)은 가시광선, 적외선과 자외선 영역의 흡수를 주로 하는 대신, 제2활성층(50)은 제1활성층(30) 보다 가시광선 영역에서의 흡수를 줄이는 방식으로 투과도를 늘린다.
또 다른 적용으로는 제1활성층(30)과 제2활성층(50) 각각에는 서로 흡수대역이 다른 양자점들이 구비되는 활성층으로 제작할 수 있다. 제1활성층(30)은 가시광선, 적외선과 자외선 영역의 흡수를 주로 하는 대신, 제2활성층(50)은 제1활성층(30) 보다 가시광선 영역에서의 흡수를 줄이는 방식으로 투과도를 늘린다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 투명 태양전지의 액티브 영역(1)을 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위해 도 4에 대한 설명은 도 1a와 비교하여 차이점을 위주로 설명한다.
도 4는 도 1a와 비교하여 제2영역(120, B)을 구성하는 복수개의 폐곡선들이 서로 램덤한 크기를 갖고 랜덤한 거리를 두고 배열되도록 구성되어 있다. 이러한 구성에 의하면 동일한 크기의 폐곡선이 일정한 거리로 규칙적으로 배열된 구성에 비해 회절 현상이 감소되는 효과가 있다. 회절을 줄이기 위해서는 랜덤한 크기를 갖거나 페도형 중심 사이의 거리가 일정하지 않도록 배열할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 투명 태양전지의 액티브 영역(1)을 도시한 도면이다.
도 5는 도 1a와 비교하여 제2영역(120, B)을 구성하는 복수개의 폐다각형들이 서로 램덤한 크기를 갖고 랜덤한 거리를 두고 배열되도록 구성되어 있다. 크기는 수 내지 수십um로 크기와 모양을 랜덤하게 한다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
110 : 제1영역 120 : 제2영역
10 : 기판 20 : 제1전극층
30, 50 : 활성층 40 : 제2전극층

Claims (9)

  1. 광이 입사되면 전기로 변환시키는 액티브 영역을 구비하는 태양전지에 있어서,
    상기 액티브 영역은 전면에 형성되고 제2영역을 제외하는 제1영역; 및
    상기 액티브 영역 내부에 복수개의 폐도형을 구비하는 제2영역을 구비하고,
    상기 제1영역은 상기 제2영역 보다 가시광선의 투과도가 낮은 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1영역은 가시광선에 대해 불투명하고, 상기 제2영역은 가시광선에 대해 투명한 태양전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1영역은 기판, 제1전극층, 활성층, 및 제2전극층을 구비하고,
    상기 제2영역은 상기 기판 상부에 활성층 미형성영역을 구비하는 태양전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1영역의 상기 제1전극층 상부 또는 하부에는 반사층이 더 구비되는 태양전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1영역은 기판, 제1전극층, 제1활성층, 및 제2전극층을 구비하고,
    상기 제2영역은 기판, 제1전극층, 제2활성층, 및 제2전극층을 구비하는 태양전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1영역은 기판, 제1전극층, 활성층, 및 제2전극층을 구비하고,
    상기 제2영역은 상기 기판 및 제1전극층을 구비하고, 상기 기판 상부에 활성층 미형성영역을 구비하는 태양전지.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1활성층과 상기 제2활성층은 구리-인륨-갈륨-디셀레니드(CIGS; copper indium gallium selenide; Cu(In,Ga)Se2) 박막계열인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1활성층과 상기 제2활성층은 양자점을 함유하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 복수개의 폐도형들은 서로 램덤한 크기를 갖거나 랜덤한 거리를 두고 배열되도록 구성되는 태양전지.
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WO2018169632A1 (en) * 2017-03-13 2018-09-20 Intel Corporation Monolithic integration of dissimilar photovoltaic layers in wearable devices
KR20220135700A (ko) * 2021-03-31 2022-10-07 한국항공대학교산학협력단 투명한 태양전지 및 그 제작방법

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