KR20200071576A - Photovoltaic-thermoelectric fusion device and power generation module comprising the same - Google Patents

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Abstract

Provided are a photoelectric thermoelectric fusion element and a power generation module including the same. The photoelectric thermoelectric fusion element comprises: a thermoelectric element part and a solar cell part positioned above the thermoelectric element part. The solar cell part includes an additional heat providing layer therein, wherein the additional heat providing layer absorbs light in an infrared wavelength range, converts some of absorbed light energy into heat, and provides additional heat to the thermoelectric element part. Therefore, the generation efficiency of the photoelectric thermoelectric fusion element and the power generation module including the same can be improved by supplying additional heat generated by thermalization of the light absorbed in the additional heat providing layer to the thermoelectric element.

Description

광전 열전 융합소자 및 이를 포함하는 발전모듈{Photovoltaic-thermoelectric fusion device and power generation module comprising the same}Photovoltaic-thermoelectric fusion device and power generation module comprising the same}

본 발명은 광전 열전 융합소자 및 이를 포함하는 발전모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지 및 열전소자를 구비하여 발전효율을 향상시키는 광전 열전 융합소자 및 이를 포함하는 발전모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a photoelectric thermoelectric fusion element and a power generation module including the same, and more particularly, to a photoelectric thermoelectric fusion element having a solar cell and a thermoelectric element to improve power generation efficiency and a power generation module including the same.

태양전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 광전 에너지 변환 시스템의 일종이다. 입사된 태양광의 에너지에 의해 태양전지를 구성하는 반도체 내에 전자-정공 쌍이 생성되고 전계에 의해 분리, 수집되면서 전기가 발생한다Solar cells are a type of photoelectric energy conversion system that converts light energy emitted from the sun into electrical energy. Electron-hole pairs are generated in the semiconductor constituting the solar cell by the energy of the incident sunlight, and electricity is generated while being separated and collected by the electric field.

실리콘 원자는 세 각에 분포하는 총 14개의 전자가 있는데, 최 외각 전자에는 전자4개가 비어있어 이를 채우기 위해 주변의 실리콘 원자와 4개의 전자를 공유하게 된다. 따라서 일정한 간격으로 분포된 실리콘 원자들은 자신을 둘러싼 4개의 실리콘 원자와 1개씩의 전자를 공유하는 결정구조를 지니게 된다. 실리콘계 태양전지는1940년 말과 1950년대 초 단결정 실리콘을 성장시키는 초콜라스키(Czochralski)법이 개발되면서 본격적으로 상품화 되었고, 1954년 Bell Lab의 Chapin에 의해 처음으로 결정성 실리콘 물질을 이용해 약 4%의 에너지 변환 효율을 갖는 태양전지가 개발되었다. 실리콘 태양전지는 실리콘 계면 상태에 따라 계면에서 광 생성 캐리어가 Electron-Hole Pair(EHP)의 재결합 센터로 작용하여 캐리어의 전기적 손실을 야기한다. 따라서 고효율의 실리콘 태양전지를 제조하지 위해서는 조사된 빛에 의해 생성된 EHP의 재결합손실을 최소화 하는 것이 필수적이다. 고순도 기판을 사용하거나 기판의 불순물을 제거하는 방법들이 이용 될 수 있으나 캐리어의 재결합은 기판 결함이 가장 많은 표면에서 주로 발생하기 때문에 고효율을 실현하기가 어렵다. 이러한 재결합 손실을 줄이기 위한 방법으로 화학적 패시베이션과 전계효과 패시베이션이 제안되고 있다. The silicon atom has a total of 14 electrons distributed in three angles. Four electrons are empty in the outermost electron, and four electrons are shared with surrounding silicon atoms to fill it. Therefore, silicon atoms distributed at regular intervals have a crystal structure sharing four electrons and one electron surrounding them. Silicon-based solar cells were commercialized in earnest with the development of the Czochralski method for growing monocrystalline silicon in the late 1940s and early 1950s. In 1954, Bell Lab's Chapin first used crystalline silicon materials for about 4%. A solar cell with energy conversion efficiency has been developed. In a silicon solar cell, a light generating carrier at the interface acts as a recombination center of an Electron-Hole Pair (EHP) at the interface, causing electrical loss of the carrier. Therefore, in order to manufacture a highly efficient silicon solar cell, it is essential to minimize the recombination loss of EHP generated by irradiated light. A method of using a high-purity substrate or removing impurities from the substrate may be used, but it is difficult to realize high efficiency because carrier recombination mainly occurs on the surface with the most defects on the substrate. Chemical passivation and field effect passivation have been proposed as methods for reducing such recombination loss.

고효율의 태양전지 개발에는 주로 갈륨비소계와 단결정 실리콘계 물질이 사용되는데, 이러한 물질들로 이루어진 태양전지는 매우 고가이기 때문에 범용적 용도로는 사용이 불가능하며 특수목적으로 이용되고 있다. 범용적으로 사용될 수 있는 저가의 태양전지 개발이 필요한데, 실리콘의 경우 다결정 및 아몰퍼스 실리콘 태양전지 개발이 진행되고 있다. 하지만 다결정이나 아몰퍼스 실리콘의 경우 에너지 변환효율이 단결정 실리콘에 비해 낮기 때문에 이를 해결하는 것이 과제로 남아있다. 또한 실리콘 소재를 이용한 태양전지는 0.3 um에서 1.1 um까지의 파장 영역의 파장만을 흡수하는 것으로 알려져 있다. 이러한 파장 영역은 가시광선 영역대이므로 적외선 영역대에서는 흡수 효율이 낮게 된다. 또한 흡수되지 못하는 적외선 파장의 빛은 태양전지 표면 온도를 증가시켜 태양전지의 발전효율이 감소하는 결과를 가져온다. 종래에 태양전지의 흡수 파장 영역을 확장하기 위해서 다공질막에 흡착되는 특정한 복합 염료를 이용한 기술이 있으나 하나 공정에 소요되는 비용에 비해 흡수 파장의 확장 효과가 크지 않다. Gallium arsenide and single crystal silicon-based materials are mainly used for the development of high-efficiency solar cells. Since solar cells made of these materials are very expensive, they cannot be used for general purpose use and are used for special purposes. It is necessary to develop a low-cost solar cell that can be used universally. In the case of silicon, polycrystalline and amorphous silicon solar cells are being developed. However, in the case of polycrystalline or amorphous silicon, the energy conversion efficiency is lower than that of monocrystalline silicon, so solving the problem remains. In addition, it is known that a solar cell using a silicon material absorbs only wavelengths in a wavelength range from 0.3 um to 1.1 um. Since the wavelength region is visible region, absorption efficiency is low in the infrared region. In addition, infrared wavelength light that cannot be absorbed increases the surface temperature of the solar cell, resulting in a decrease in power generation efficiency of the solar cell. Conventionally, there is a technique using a specific complex dye adsorbed on a porous membrane to expand the absorption wavelength range of a solar cell, but the effect of extending the absorption wavelength is not large compared to the cost required for one process.

열전현상은 양단간의 온도차를 이용하여 기전력을 얻어내는 제베크 (Seebeck) 효과, 기전력으로 냉각과 가열을 하는 펠티에(Peltier) 효과, 도체의 선상의 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 톰슨효과(Tomson)로 나뉘어 진다.The thermoelectric phenomenon is Seebeck effect, which obtains electromotive force using the temperature difference between the two ends, Peltier effect, which cools and heats with electromotive force, and Thompson effect, which generates electromotive force due to the difference in temperature on the conductor's line (Tomson) It is divided into.

열전현상을 처음 발견한 사람은 1821년 독일의 물리학자 T.J.Seebeck이다. 서로 다른 두 금속이 어떤 물체의 양 끝에서 각각 연결되어 형성 된 닫힌 회로 근처에 나침반을 놓았을 때, 양 연결부에 온도가 다른 열원을 접촉시켜 온도차를 생성하면 회로 주변의 나침반 바늘이 움직이는 현상을 통해 발견하였다. 나침반 바늘이 움직인다는 것은 닫힌 회로 주변에 자기장이 발생하였다는 것을 의미하는데 제베크는 온도차이에 의해 자기장이 생겼다고 생각하여 이를 열자효과(thermomagnetic effect)라고 불렀다. 이후 덴마크의 물리학자 외르스테드는 이 현상이 온도차에 의해 전위차가 생겨 전류가 흐름으로써 자기장이 발생한 것이라는 것을 밝혀내어 온도차에 의해 발생한 전기를 열전기(thermoelectricity)라 하였다. 제베크 효과는 물질의 양 끝에 온도 차가 있을 때 그 온도차에 비례하는 기전력이 생기는 현상이며 그 비례상수를 제베크 계수 또는 열전력(thermopower)이라고 한다. 1834년에 프랑스의 장 샤를 아타나스 펠티에는 또 하나의 중요한 열전현상을 발견했는데 그것은 다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또 다른 한쪽은 냉각되는 현상이다. 이를 '펠티에 효과(Peltier Effect)'라고 한다. 1854년 윌리엄 톰슨은 기존의 펠티에 효과와 제베크 효과가 서로 연관된 것임을 밝혀내고 이들 사이의 상관관계를 정리하였고 이 과정에서 단일한 도체로 된 막대기의 양 끝에 전위차가 가해지면 이 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것이라는 톰슨 효과(Thomson Effect)를 발견하였다. The first person to discover the thermoelectric phenomenon was German physicist T.J.Seebeck in 1821. When a compass is placed near a closed circuit formed by connecting two different metals at each end of an object, creating a temperature difference by contacting a heat source with a different temperature at both connections, the compass needle around the circuit moves Found. The movement of the compass needle means that a magnetic field has been generated around the closed circuit, and Zevek thought that the magnetic field was generated by the temperature difference and called it the thermomagnetic effect. Since then, Danish physicist Eursted discovered that this phenomenon is caused by a magnetic field generated by electric current flow due to a potential difference caused by a temperature difference, so that electricity generated by the temperature difference is called thermoelectricity. The Seebeck effect is a phenomenon in which an electromotive force proportional to the temperature difference occurs when there is a temperature difference at both ends of a substance, and the proportionality constant is referred to as a Seebeck coefficient or a thermopower. In 1834, Jean-Charles Athanas Peltier, France, discovered another important thermoelectric phenomenon that caused a direct current to flow through a circuit made of different conductors, where one side of the junction between the different conductors was heated depending on the direction of the current. On the other hand, the other side is a phenomenon of cooling. This is called the'Peltier Effect'. In 1854, William Thompson discovered that the existing Peltier and Zebeck effects were related to each other and summarized the correlation between them, and in the process, when a potential difference was applied at both ends of a single-conductor stick, heat was applied at both ends of the conductor. We found the Thomson Effect that absorption or release would occur.

열전소자는 가열이 되는 기판과 냉각부에 의하여 냉각이 되는 기판 사이의 온도 차이에 의하여 열전 현상을 발생함으로 열기전력을 생성한다. 예를 들어 n형 반도체와 p형 반도체 막대가 나란히 있고, 위쪽은 도체로 연결되어 있고, 아래쪽은 각각 따로 도체가 붙어 있는 형태를 들 수 있다. 위쪽 도체는 고온부에 아래쪽 도체는 저온부에 대어 위, 아래에 온도차를 만들면, 그 온도 차로 인해 두 반도체 막대에 기전력이 생긴다. 그런데 n형 반도체와 p형 반도체의 제베크 계수의 부호가 반대여서 기전력의 방향이 서로 반대가 되어 전하 운반자가 모두 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐른다. 즉, n형 반도체에서는 전자가, p형 반도체에서는 양공이 위에서 아래로 흐른다. 따라서 왼쪽에 있는 n형 반도체에서는 전류가 위로, 오른쪽의 p형 반도체에서는 아래로 흘러 그림과 같이 저항에 연결된 회로에 전류가 시계 방향으로 흐른다. 이렇게 온도 차이에 의해서 기전력이 생기는 제베크 효과를 써서 발전하는 장치를 열전소자라고 한다. The thermoelectric element generates thermoelectric power by generating a thermoelectric phenomenon due to a temperature difference between a substrate being heated and a substrate being cooled by a cooling unit. For example, an n-type semiconductor and a p-type semiconductor bar are arranged side by side, and the upper part is connected by a conductor, and the lower part is a form in which conductors are separately attached. When the upper conductor is placed on the high-temperature part and the lower conductor is placed on the low-temperature part to make the temperature difference above and below, an electromotive force is generated in the two semiconductor bars due to the temperature difference. However, since the sign of the Seebeck coefficient of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are opposite, the direction of the electromotive force is opposite to each other, and the charge carriers all flow from the high side to the low side. That is, in the n-type semiconductor, electrons flow, and in the p-type semiconductor, holes flow from top to bottom. Therefore, current flows upward in the n-type semiconductor on the left and downward in the p-type semiconductor on the right, and the current flows clockwise to the circuit connected to the resistor as shown in the figure. A device that generates power by using the Seebeck effect in which electromotive force is generated due to the temperature difference is called a thermoelectric element.

일반적으로 열전소자의 가열판과 냉각판의 온도 차이를 300℃로 유지시킬 경우 50mm × 50mm 크기의 열전소자의 발전용량은 14 watt 정도가 되는 것이 일반적이라는 연구결과가 있었으며, 독일 및 러시아에서는 열전소자의 발전용량이 50 watt 이상이 되는 경우도 보고된 바 있다. 열전소자의 발전용량을 향상시키기 위해서는 양 판의 온도차이를 크게 유지하는 것이 필수적인데, 이를 위해서 히터 등을 이용하는 경우에는 이에 소모되는 열용량으로 인해 전체 발전효율이 감소하는 일이 발생한다. 따라서 별도의 비용이 소모되지 않는 열원을 이용하여 온도차를 유도하는 것이 필요하다. 과열되는 경우 효율이 저하되어 냉각이 필요한 태양전지와 일정 온도차를 요구하는 열전소자를 결합시키는 경우 이상적인 융합소자의 제작이 가능하다.In general, when the temperature difference between the heating plate and the cooling plate of the thermoelectric element is maintained at 300°C, there was a research result that the power generation capacity of the 50mm × 50mm thermoelectric element is generally about 14 watt. In Germany and Russia, It has also been reported that the power generation capacity exceeds 50 watts. In order to improve the power generation capacity of the thermoelectric element, it is essential to maintain a large temperature difference between the two plates. For this, when a heater or the like is used, the overall power generation efficiency decreases due to the heat capacity consumed therein. Therefore, it is necessary to induce a temperature difference using a heat source that does not consume extra cost. In the case of overheating, the efficiency is reduced, and when a solar cell requiring cooling and a thermoelectric element requiring a certain temperature difference are combined, it is possible to manufacture an ideal fusion element.

한국등록특허 제1001328호Korean Registered Patent No. 1001328

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는, 적외선 파장 영역대의 빛을 흡수하고, 흡수된 빛 에너지의 일부를 열로 전환 할 수 있는 추가 열 제공층을 태양전지부에 도입하여 열전성능지수를 향상시키는 광전 열전 융합소자를 제공하는 것이다.One technical problem to be achieved by the present invention is a photoelectric thermoelectric which improves the thermoelectric performance index by introducing an additional heat providing layer capable of absorbing light in the infrared wavelength range and converting part of the absorbed light energy into heat in the solar cell unit. It is to provide a fusion device.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 광전 열전 융합소자를 포함하는 발전모듈을 제공하는 것이다. Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a power generation module including the photoelectric thermoelectric fusion element.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs from the following description. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 열전소자부; 및 상기 열전소자부 상부에 위치하는 태양전지부;를 포함할 수 있고, 상기 태양전지부는 내부에 추가 열 제공층을 포함하며, 상기 추가 열 제공층은 적외선 파장 영역대의 빛을 흡수하고 흡수된 빛 에너지의 일부를 열로 전환하여 상기 열전소자부에 추가적인 열을 제공하는 역할을 하는 광전 열전 융합소자를 제공한다. In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention includes a thermoelectric element unit; And a solar cell part located on the thermoelectric element part, wherein the solar cell part includes an additional heat providing layer therein, and the additional heat providing layer absorbs and absorbs light in the infrared wavelength range. Provided is a photoelectric thermoelectric fusion device that serves to provide additional heat to the thermoelectric element by converting a portion of energy to heat.

상기 추가 열 제공층은 실리콘보다 밴드갭이 작은 원소를 포함 할 수 있으며, 상기 추가 열 제공층은 다결정질 저마늄, 다결정질 실리콘-저마늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. The additional heat providing layer may include an element having a smaller band gap than silicon, and the additional heat providing layer may include one selected from the group consisting of polycrystalline germanium, polycrystalline silicon-germanium, and combinations thereof. have.

상기 태양전지부는 광흡수층, 상기 광흡수층 상부에 위치하는 전면 전극, 상기 광흡수층 하부에 위치하는 상기 추가 열 제공층 및 상기 추가 열 제공층 하부에 위치하는 후면전극을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 광흡수층은 실리콘 단결정계, 실리콘 다결정계, 실리콘 박막계 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함 할 수 있다. 상기 태양전지부는 상기 광흡수층과 상기 추가 열 제공층 사이에 위치한 터널링층을 더 포함 할 수 있다. The solar cell unit may include a light absorbing layer, a front electrode positioned above the light absorbing layer, the additional heat providing layer positioned below the light absorbing layer, and a back electrode positioned below the additional heat providing layer. . The light absorbing layer may include one selected from the group consisting of a silicon single crystal system, a silicon polycrystalline system, a silicon thin film system, and combinations thereof. The solar cell unit may further include a tunneling layer positioned between the light absorbing layer and the additional heat providing layer.

상기 열전소자부는 냉각영역을 이루는 제1기판, 상기 제1기판 상부에 위치하는 열전부 및 상기 열전부 상부에 위치하되 발열영역을 이루는 제2기판을The thermoelectric element portion may include a first substrate forming a cooling region, a thermoelectric portion located above the first substrate, and a second substrate positioned above the thermoelectric portion but forming a heating region.

포함 할 수 있다. 상기 열전부는 상호 이격하여 배열된 p형 열전소재 기둥 어레이 및 n형 열전소재 기둥 어레이, 상기 p형 열전소재 기둥 어레이 및 상기 n형 열전소재 기둥 어레이를 전기적으로 연결하는 전극 및 상기 p형 열전소재 기둥 어레이 및 상기 n형 열전소재 기둥 어레이의 빈 공간을 충진하는 충진 물질을 포함 할 수 있다.Can contain The thermoelectric section is a p-type thermoelectric material columnar array and an n-type thermoelectric material columnar array, electrodes electrically connecting the p-type thermoelectric material columnar array and the n-type thermoelectric material columnar array, and the p-type thermoelectric material column It may include a filling material filling the empty space of the array and the n-type thermoelectric column array.

본 발명의 다른 실시예는 제1항의 광전 열전 융합소자를 포함하는 발전모듈을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a power generation module including the photoelectric thermoelectric fusion device of claim 1.

본 발명의 광전 열전 융합소자 및 이를 포함하는 발전모듈은 태양전지부에 추가 열 제공층을 도입하여, 적외선 파장 영역대의 빛을 흡수하고 흡수된 빛의 thermalization으로 발생하는 추가적인 열을 열전소자에 공급하여 광전 열전 융합소자 및 이를 포함하는 발전모듈의 발전효율을 향상시킬 수 있다.The photoelectric thermoelectric fusion device of the present invention and a power generation module including the same introduces an additional heat providing layer to the solar cell unit, absorbs light in the infrared wavelength range and supplies additional heat generated by thermalization of the absorbed light to the thermoelectric device. It is possible to improve the power generation efficiency of the photoelectric thermoelectric fusion element and the power generation module including the same.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합소자의 계통도(block diagram)이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지부의 개략적인 단면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자부의 개략적인 단면도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합소자의 개략적인 단면도이다.
1 is a block diagram of a fusion device according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of a solar cell unit according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of a thermoelectric element unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic cross-sectional view of a photoelectric thermoelectric fusion device according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, coupled)" with another part, it is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in between. "It also includes the case where it is. Also, when a part “includes” a certain component, this means that other components may be further provided instead of excluding other components, unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합소자를 설명한다.A photoelectric thermoelectric fusion device according to an embodiment of the present invention will be described.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합소자의 개략적인 계통도(block diagram)이다.1 is a schematic block diagram of a photoelectric thermoelectric fusion device according to an embodiment of the present invention.

도1을 참조하면 상기 광전 열전 융합소자는 열전소자부(100), 상기 열전소자부(100) 상부에 위치하는 태양전지부(200)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the photoelectric thermoelectric fusion element may include a thermoelectric element portion 100 and a solar cell portion 200 positioned on the thermoelectric element portion 100.

이때의 태양전지부(200)는 적외선 파장 영역대의 빛을 흡수하여 열로 전환하는 추가 열 제공층(240)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the solar cell unit 200 may be characterized by including an additional heat providing layer 240 that absorbs light in the infrared wavelength range and converts it into heat.

상기 태양전지부(200)는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 광전 에너지 변환 시스템의 일종으로 입사된 태양광의 에너지에 의해 태양전지를 구성하는 반도체 내에 전자-정공 쌍이 생성되고 전계에 의해 분리, 수집되면서 발전하는 기능을 한다. The solar cell unit 200 is a type of photoelectric energy conversion system that converts light energy emitted from the sun into electrical energy, and electron-hole pairs are generated in the semiconductor constituting the solar cell by the energy of the incident sunlight and generated by an electric field. It functions to develop as it is separated and collected.

상기 열전소자부(100)는 제베크 효과(Seebeck effect)에 의해 열을 전기로 변환하는 기능을 할 수 있다. 제베크 효과란 서로 다른 두 종류의 금속 또는 반도체의 양 끝을 접합하여 거기에 온도차를 주면 회로에 열기전력을 일으키는 현상이다. 상기 열전소자부(100)는 상기 태양전지부(200)의 광전변환효율 향상 기여 할 수 있다. 태양전지는 일반적으로 태양전지 자체의 온도가 일정 수준 이상으로 상승하면 태양전지의 광전변환 효율이 저하되는데, 상기 열전소자부(100)는 상기 태양전지부(200)에서 발생하는 열을 제베크 효과에 의해 전기로 변환함으로써 태양전지를 냉각시켜 상기 태양전지부(200)의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. The thermoelectric element unit 100 may function to convert heat into electricity by the Seebeck effect. The Zebeck effect is a phenomenon in which thermoelectric power is generated in a circuit when two different types of metals or semiconductors are joined together and a temperature difference is applied thereto. The thermoelectric element unit 100 may contribute to improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell unit 200. In general, when the temperature of the solar cell itself rises above a certain level, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell decreases, and the thermoelectric element unit 100 performs the Seebeck effect of heat generated by the solar cell unit 200. By converting to electricity by cooling the solar cell can improve the photoelectric conversion efficiency of the solar cell unit 200.

상기 추가 열 제공층(240)은 적외선 영역의 빛을 흡수하여 상기 추가 열 제공층(240)의 밴드 갭 에너지를 초과하는 과잉에너지를 thermalization에 의해 열로 전환하여 상기 열전소자부에 추가적인 열을 제공하는 기능을 할 수 있다. The additional heat providing layer 240 absorbs light in the infrared region to convert excess energy exceeding the band gap energy of the additional heat providing layer 240 into heat by thermalization to provide additional heat to the thermoelectric element part Can function.

태양 스펙트럼의 광자는 넓은 범위의 에너지를 가지고 있기 때문에, 전자 또한 넓은 범위의 영역의 에너지 준위로 여기(excite)된다. 여기된 전자들은 광흡수층의 원자들과 충돌하게 되고(전자-광자 상호작용) 이에 따라 전자의 과잉 에너지(Excessed energy)의 일부는 광흡수층의 원자로 전달되고 전자는 전도대의 가장자리에 위치하게 되는데 이러한 과정을 thermalization이라고 한다.Since photons in the solar spectrum have a wide range of energy, electrons are also excited with energy levels in a wide range. The excited electrons collide with the atoms in the light absorbing layer (electron-photon interaction), so that some of the excess energy of the electron is transferred to the atoms in the light absorbing layer and the electrons are located at the edge of the conduction band. Is called thermalization.

thermalization은 매우 빠르게 일어나며 이 과정에서 밴드 갭 에너지를 초과하는 과잉 에너지는 열로 전환되게 된다. 단일 원자에 있는 전자의 에너지는 불연속적인 값으로 나타나나, 원자들이 인접한 경우 파울리의 배타원리에 의해 전자의 에너지 준위가 분리되게 되고, 나누어진 에너지 준위는 촘촘히 모여 마치 띠와 같은 영역을 형성하게 되는데 이를 에너지 밴드라고 한다. 전대도 가장 아랫부분의 에너지 준위와 가전자대 가장 윗부분의 에너지 준위간의 에너지 차이를 밴드 갭이라고 한다. 이런 밴드 갭의 크기에 따라서 물질의 전기 전도성 정도가 결정된다.Thermalization occurs very quickly and in this process excess energy that exceeds the band gap energy is converted into heat. The energy of an electron in a single atom appears as a discontinuous value, but when the atoms are adjacent, the energy level of the electron is separated by Pauli's exclusion principle, and the divided energy levels are gathered closely to form a band-like region. This is called an energy band. The energy difference between the energy level at the bottom of the squadron and the energy level at the top of the valence band is called the band gap. The size of the band gap determines the degree of electrical conductivity of the material.

상기 상기 추가 열 제공층(240)은 thermalization을 적극적으로 유도하기 위해서 실리콘보다 밴드갭이 작은 원소를 포함할 수 있으며 예를 들어 저마늄(Ge), 안티몬화 인듐(InSb), 안티몬화 갈륨(GaSb)을 포함 할 수 있다. 구체적인 예로는 다결정질 저마늄, 다결정질 실리콘-저마늄 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나를 포함하는 것이 바람직하다.The additional heat providing layer 240 may include an element having a smaller band gap than silicon in order to actively induce thermalization. For example, germanium (Ge), indium antimony (InSb), or gallium antimony (GaSb) ). As a specific example, it is preferable to include one selected from the group consisting of polycrystalline germanium, polycrystalline silicon-germanium, and combinations thereof.

상기 추가 열 제공층(240)은 상기 열전소자부(100)의 양단에 걸리는 온도편차를 증가시켜 상기 열전소자부의 열전성능지수를 높임으로써 상기 광전 열전 융합소자의 발전효율을 향상시킬 수 있다. The additional heat providing layer 240 may improve the power generation efficiency of the photoelectric thermoelectric fusion element by increasing the temperature deviation across both ends of the thermoelectric element portion 100 to increase the thermoelectric performance index of the thermoelectric element portion.

열전소자의 성능 척도인 열전성능지수(thermoelectric Figure-of-merit)는 다음 식과 같이 나타낸다The thermoelectric figure-of-merit, which is a measure of the performance of a thermoelectric element, is expressed as the following equation.

[수학식1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기에서, 각각 S는 제백 계수(Seebeck coefficient), σ는 전기 전도도, T는 주위의 절대온도, 그리고 k는 열전도도이다..Here, each S is Seebeck coefficient, σ is electrical conductivity, T is absolute temperature around, and k is thermal conductivity.

제백 계수(S)는 다음 식과 같다.The whitening coefficient (S) is as follows.

[수학식2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기에서, △T는 열전소자의 고온부와 저온부에 걸리는 온도편차이며 △V는 열전소자 양단에 온도 차 △T가 인가됐을 때 열전소자의 입력단과 출력단에 걸린 전압차를 의미한다.Here, △T is the temperature difference between the high and low temperature parts of the thermoelectric element, and △V means the voltage difference between the input and output terminals of the thermoelectric element when the temperature difference △T is applied to both ends of the thermoelectric element.

상기 수학식1과 상기 수학식2를 참조할 때, 열전 성능 지수를 높이기 위해서는 제백 계수와 전기 전도도 및 열전소자 양단에 걸리는 온도편차는 높이고, 열전도도는 낮추는 것이 필요하다. 상기 추가 열 제공층(240)은 열전소자의 발열영역에 추가적인 열을 제공하여 상기 열전소자부(100) 양단에 걸리는 온도편차를 크게 하여 상기 열전소자부(100)의 열전성능지수를 향상 시킬 수 있다. Referring to Equations 1 and 2, in order to increase the thermoelectric performance index, it is necessary to increase the temperature coefficient across the whitening coefficient, electrical conductivity, and both ends of the thermoelectric element and lower the thermal conductivity. The additional heat providing layer 240 may provide additional heat to the heat generating area of the thermoelectric element to increase the temperature deviation across both ends of the thermoelectric element portion 100 to improve the thermoelectric performance index of the thermoelectric element portion 100. have.

이때 상기 추가 열 제공층(240)의 두께는 50nm 내지 150nm 일 수 있다. In this case, the thickness of the additional heat providing layer 240 may be 50 nm to 150 nm.

태양전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 광전 에너지 변환 시스템의 일종으로 입사된 태양광의 에너지에 의해 태양전지를 구성하는 반도체 내에 전자-정공 쌍이 생성되고 전계에 의해 분리, 수집되면서 전기가 발생하는데, 분리된 전자-정공 쌍이 재결합 하는 경우에는 캐리어의 전기적 손실이 발생한다. The solar cell is a type of photoelectric energy conversion system that converts light energy emitted from the sun into electrical energy. Electron-hole pairs are generated in the semiconductor constituting the solar cell by the energy of the incident sunlight, and separated and collected by the electric field. Occurs, but when the separated electron-hole pairs recombine, electrical loss of the carrier occurs.

상기 추가 열 제공층(240)의 두께가 50nm 미만이면 적외선 영역의 빛을 충분히 흡수하지 못해 thermalization에 의한 발열이 충분하지 못하고, 150nm 초과이면 상기 태양전지부의 pn접합에서 발생하여 전계에 의해 분리된 전자와 정공이 전극에 도달하여 수집되기 전, 전자-정공 재결합이 발생하므로 태양전지부의 발전효율이 감소할 수 있다.If the thickness of the additional heat providing layer 240 is less than 50 nm, the light in the infrared region may not be sufficiently absorbed, and heat generation due to thermalization is insufficient, and if it exceeds 150 nm, it is generated at the pn junction of the solar cell unit and separated by an electric field. Since electron-hole recombination occurs before electrons and holes reach the electrode and are collected, power generation efficiency of the solar cell unit may decrease.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지부(200)의 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a solar cell unit 200 according to an embodiment of the present invention.

도2를 참조하면, 상기 태양전지부(200)는 광흡수층(210), 상기 광흡수층(210) 상부에 위치하는 상부 전극(220), 상기 광흡수층(210) 하부에 위치하는 상기 추가 열 제공층(240) 및 상기 추가 열 제공층(240) 하부에 위치하는 하부 전극(250)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Referring to FIG. 2, the solar cell unit 200 provides a light absorbing layer 210, an upper electrode 220 positioned above the light absorbing layer 210, and the additional heat positioned below the light absorbing layer 210. It may be characterized in that it comprises a lower electrode 250 positioned below the layer 240 and the additional heat providing layer 240.

이때, 상기 광흡수층(210)은 실리콘 기반 태양전지부 또는 화합물반도체 기반 태양전지부로 구성될 수 있다. 화합물반도체 기반 태양전지부로 구성되는 경우, 상기 태양전지부(200)는 InGaP, InGaSbN, GaAsSbN의 단일층 구조 또는 다단 구조를 포함 할 수 있다. At this time, the light absorbing layer 210 may be composed of a silicon-based solar cell unit or a compound semiconductor-based solar cell unit. When configured as a compound semiconductor-based solar cell unit, the solar cell unit 200 may include a single layer structure or a multi-layer structure of InGaP, InGaSbN, and GaAsSbN.

실리콘 기반 태양전지부로 구성되는 경우 상기 태양전지부(200)는 실리콘 단결정계, 실리콘 다결정계, 실리콘 박막계 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. When configured as a silicon-based solar cell unit, the solar cell unit 200 may include one selected from the group consisting of a silicon single crystal system, a silicon polycrystalline system, a silicon thin film system, and combinations thereof.

실리콘은 화학적인 성질이 특이하고 결정 형태일 때는 독특한 고유성질을 나타낸다. 실리콘 원자는 세 개의 각에 분포하는 14개의 전자가 있는데, 원자핵에 가까이 있는 2개의 각에는 전자가 완전히 채워져 있지만 가장 외곽에 있는 각에는 전자 4개가 비어있어 이를 채우기 위해서 근처에 있는 실리콘 원자와 4개의 전자를 공유하게 된다. 일정 간격으로 분포되어있는 실리콘 원자들은 모두 자신을 둘러싼 4개의 실리콘 원자와 1개씩의 전자를 공유하는 결정구조를 지닌다. Silicon has unique chemical properties and unique properties when it is in crystalline form. The silicon atom has 14 electrons distributed in three angles. Two electrons close to the atomic nucleus are completely filled with electrons, but four electrons are empty at the outermost angle. Share the former. All silicon atoms distributed at regular intervals have a crystal structure sharing four electrons and one electron surrounding them.

순수한 실리콘에는 금속과 같이 자유롭게 움직일 수 있는 자유전자가 없어 전류가 잘 흐르지 않게 된다. 태양전지용 실리콘은 도펀트를 도핑하여 전류가 흐를 수 있도록 한다. 예를 들어 인(P)를 도핑하는 경우에 인의 최 외각 5개 전자 중 4개는 주위의 실리콘 원자의 전자와 결합하게 된다. 열이나 빛의 형태로 실리콘에 에너지가 가해지면 일부 전자결합이 끊어져 전자가 이동하게 되고 그 자리에는 정공이 남게 된다. 떨어져 나온 전자는 자유전자가 되어 순수한 실리콘 보다 우수한 도체가 되게 한다. Pure silicon does not have free electrons that can move freely like metal, so current does not flow well. Silicon for solar cells is doped with a dopant so that current can flow. For example, in the case of doping phosphorus (P), 4 of the 5 outermost electrons of phosphorus are bonded to electrons of surrounding silicon atoms. When energy is applied to silicon in the form of heat or light, some electron bonds are broken and electrons move and holes remain. Falling electrons become free electrons, making them better conductors than pure silicon.

순수한 실리콘에는 자유전자의 수가 너무 적어 태양전지로 사용하기 위해서는 도핑이 필수적이다. 따라서 상기 광흡수층(210)은 도펀트가 도핑되는 것이 바람직하다. 일 예로 상기 도펀트는 15족 원소 일 수 있고 구체적으로 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 및 비스무스(Bi)와 같이 n형도펀트일 수 있다. 또한, 상기 도펀트는 13족 원소 일 수 있고 구체적으로 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga)과 같이 p형 도펀트일 수도 있다. Doping is essential to use as a solar cell because the number of free electrons is too small for pure silicon. Therefore, the light absorbing layer 210 is preferably doped with a dopant. For example, the dopant may be a group 15 element, and specifically, may be an n-type dopant such as phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and bismuth (Bi). Further, the dopant may be a group 13 element, and specifically, may be a p-type dopant such as boron (B), aluminum (Al), and gallium (Ga).

일 예로 상기 도펀트는 15족 원소 일 수 있고 구체적으로 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 및 비스무스(Bi)와 같이 n형도펀트일 수 있다. 또한, 상기 도펀트는 13족 원소 일 수 있고 구체적으로 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga)과 같이 p형 도펀트일 수도 있다. 상기 태양전지부(200)는 상기 상부 전극(220) 하부에 위치하는 반사방지막(도시하지 않음)을 포함 할 수 있다. For example, the dopant may be a group 15 element, and specifically, may be an n-type dopant such as phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and bismuth (Bi). Further, the dopant may be a group 13 element, and specifically, may be a p-type dopant such as boron (B), aluminum (Al), and gallium (Ga). The solar cell unit 200 may include an anti-reflection film (not shown) positioned below the upper electrode 220.

상기 상부 전극(220)과 상기 하부 전극(250)은 상기 태양전지부(200)내로 태양광이 입사되어 발생된 정공과 전자를 각각 포집하는 기능을 한다. 상기 상부 전극 (220) 및 상기 하부 전극 (250)은 공지된 방법에 따라 제조될 수 있다. The upper electrode 220 and the lower electrode 250 function to collect holes and electrons generated when sunlight enters the solar cell unit 200, respectively. The upper electrode 220 and the lower electrode 250 may be manufactured according to a known method.

예를 들어, 상기 상부 전극 (220) 및 상기 하부 전극 (2500)은 저온 페이스트를 사용하여 스크린 프린팅 (screen printing), 디스펜싱 (dispensing), e-빔 (e-beam) 등의 방법에 의해 금속으로 형성하거나, 또는 스퍼터링 공정으로 금속을 증착하여 형성할 수 있다. For example, the upper electrode 220 and the lower electrode 2500 are metals by a method such as screen printing, dispensing, e-beam using a low temperature paste, and the like. Or by depositing a metal by a sputtering process.

예를 들어 상기 상부 전극(220) 형성을 위한 Ag 페이스트, 후면 전계(Back surface field. BSF) 형성을 위한 Al 페이스트 그리고 후면 버스바 형성을 위한 Ag 페이스트에 Al이 3% 첨가된 Ag+Al 3% 페이스트로 구성되어 있어 최소 3회의 인쇄와 건조 공정이 수행 될 수 있다. For example, Ag+Al 3% with 3% Al added to the Ag paste for forming the upper electrode 220, the Al paste for forming the back surface field (BSF), and the Ag paste for forming the rear busbar. Since it is composed of paste, at least three printing and drying processes can be performed.

상기 상부 전극(220)의 금속 패턴은 금속 전극으로 인한 빛 흡수 손실(shadowing loss)과 면저항을 고려하여 grid pattern의 설계가 필요하며 면저항이 커질수록 표면에서 전자가 전극으로 수집되기가 힘들기 때문에 finger와 finger 사이의 공간(spacing)을 줄이는 것이 바람직하다. 전극의 인쇄 시 가장 중요한 요소는 aspect ratio라 불리는 전극 면적대비 높이의 비 이므로 Aspect ratio를 높일 수 있는 공정이 바람직하다.The metal pattern of the upper electrode 220 needs to design a grid pattern in consideration of the shadowing loss and sheet resistance due to the metal electrode, and as the surface resistance increases, it is difficult to collect electrons from the surface to the electrode. It is desirable to reduce the spacing between and fingers. The most important factor when printing electrodes is the ratio of the height to the electrode area, called the aspect ratio, so a process that can increase the aspect ratio is desirable.

상기 태양전지부(200)는, 상기 광흡수층(210)과 상기 추가 열 제공층(240) 사이에 위치한 터널링층(230)을 포함할 수 있다. The solar cell unit 200 may include a tunneling layer 230 positioned between the light absorbing layer 210 and the additional heat providing layer 240.

이때, 상기 터널링층(230)은 캐리어가 터널링 효과에 의해 원활하게 전달되도록 하며 실리콘 기판의 결함에서 발생할 수 있는 캐리어의 재결합을 막아준다. 상기 터널링층(230)은 캐리어가 터널링 될 수 있는 다양한 물질을 포함 할 수 있다. 일 예로 실리콘 산화물, 금속 산화물, 비정질 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.At this time, the tunneling layer 230 allows the carrier to be smoothly transferred by the tunneling effect and prevents recombination of carriers that may occur in defects in the silicon substrate. The tunneling layer 230 may include various materials through which carriers can be tunneled. For example, it may include one selected from the group consisting of silicon oxide, metal oxide, amorphous silicon, and combinations thereof.

상기 터널링층(230)은 계면의 댄글링(Dangling) 본드를 감소시켜 표면을 패시베이션 시키고, 질량이 작은 전자는 산화막을 통과하나 질량이 큰 정공은 통과할 수 없게 하여 캐리어의 선택적 수집이 가능하다. 상기 터널링층 (230)의 두께는 0.5nm 내지 2nm 인 것이 터널링을 가능하게 바람직하다.The tunneling layer 230 reduces the dangling bond of the interface to passivate the surface, and electrons with a small mass can pass through the oxide film, but holes with a large mass cannot pass through, thereby enabling selective collection of carriers. The thickness of the tunneling layer 230 is preferably 0.5nm to 2nm to enable tunneling.

상기 터널링층(230)의 두께가 0.5nm미만이면 터널링 효과가 발생하기 어렵고, 2nm이상이면 캐리어가 통과 할 수 없다. 상기 광흡수층(210)을 화학적 산화 방식 등에 의해, 상기 터널링층 (230)을 형성한다. 상기 터널링층 (230)은 공지된 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다.When the thickness of the tunneling layer 230 is less than 0.5 nm, a tunneling effect is difficult to occur, and when it is 2 nm or more, a carrier cannot pass. The tunneling layer 230 is formed by chemically oxidizing the light absorbing layer 210. The tunneling layer 230 may be formed by various known methods.

상기 터널링층(230)은 진공 분위기에서 금속 물질을 느린 속도로 증착하여 금속 물질이 증착 되면서 자연 산화되도록 하는 인시츄 산화 공정에 의하는 경우 실리콘 산화물층을 형성함으로써 상기 터널링층 (230)을 형성할 수 있고, 이 형성 방법은 공정을 단순화할 있는 이점이 있다.The tunneling layer 230 is formed by forming a silicon oxide layer in the case of an in-situ oxidation process in which a metal material is naturally oxidized while being deposited by depositing a metal material at a slow rate in a vacuum atmosphere to form the tunneling layer 230. And this method of forming has the advantage of simplifying the process.

구체적인 예를 들어 상기 광흡수층(210)을 HNO3 70%의 용액으로 110℃에서 10분 동안 처리하여 산화막을 성장시키고 forming gas (5% H2 / 95% N2)로 450℃에서 30분 동안 처리하여 상기 터널링층(230)을 구성하는 산화막을 형성할 수 있다. For a specific example, the light absorbing layer 210 was treated with a solution of 70% HNO 3 at 110°C for 10 minutes to grow an oxide film and formed gas (5% H 2 / 95% N 2 ) for 30 minutes at 450°C. The oxide film forming the tunneling layer 230 may be formed by processing.

또 다른 예로는, 상기 광흡수층(210)에 RCA cleaning을 진행하여 표면의 불순물을 제거한 후 5%의 불산 용액에서 산화막을 제거한 뒤, 17.5wt%의 오존 농도를 가진 오존 분위기에서 압력 50mTorr이며 공정온도는 300~500℃ 범위에서 오존에 의한 산화처리 하여 상기 터널링층(230)을 구성하는 산화막을 형성할 수 있다. As another example, after RCA cleaning is performed on the light absorbing layer 210 to remove impurities from the surface, the oxide film is removed from a 5% hydrofluoric acid solution, and the pressure is 50 mTorr in an ozone atmosphere having an ozone concentration of 17.5 wt%. May be oxidized by ozone in the range of 300 ~ 500 ℃ to form an oxide film constituting the tunneling layer 230.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자부(100)의 개략적인 단면도이다.3 is a schematic cross-sectional view of a thermoelectric element unit 100 according to an embodiment of the present invention.

도3을 참조하면, 상기 열전소자부(100)는 냉각영역을 이루는 제1기판(110), 상기 제1기판(110) 상부에 위치하는 열전부(120) 및 상기 열전부(120) 상부에 위치하되 발열영역을 이루는 제2기판(130)을 포함 할 수 있고, 상기 열전부(120)는 상호 이격하여 배열된 p형 열전소재 기둥 어레이(121) 및 n형 열전소재 기둥 어레이(122), 상기 p형 열전소재 기둥 어레이(121) 및 상기 n형 열전소재 기둥 어레이(122)를 전기적으로 연결하는 열전부 전극(123), 및 상기 p형 열전소재 기둥 어레이(121) 및 상기 n형 열전소재 기둥 어레이(122)의 빈 공간을 충진하는 충진 물질을 포함 할 수 있다.Referring to FIG. 3, the thermoelectric element unit 100 includes a first substrate 110 forming a cooling region, a thermoelectric unit 120 positioned above the first substrate 110, and an upper portion of the thermoelectric unit 120. Positioned but may include a second substrate 130 forming the heating region, the thermoelectric section 120 is a p-type thermoelectric material columnar array 121 and the n-type thermoelectric material columnar array 122 spaced apart from each other, The thermoelectric electrode 123 electrically connecting the p-type thermoelectric column array 121 and the n-type thermoelectric column array 122, and the p-type thermoelectric column array 121 and the n-type thermoelectric material It may include a filling material filling the empty space of the pillar array 122.

상기 열전소자부(100)는 상기 제1기판(110)과 제2기판(120)의 온도 차이를 이용하여 발전이 이루어진다. 상기 n형 열전소재 기둥 어레이(122)로는 전자가, 상기 p형 열전소재로 기둥 어레이로(121)는 정공이 흐르며 열을 전달하고, 반대편 전극에서 재결합 된다. The thermoelectric element 100 is generated by using a temperature difference between the first substrate 110 and the second substrate 120. The n-type thermoelectric material pillar array 122 has electrons, and the p-type thermoelectric material pillar array furnace 121 flows holes and transfers heat and recombines at the opposite electrode.

캐리어가 생성되는 전극과 인접한 기판에서는 흡열이 일어나고 캐리어가 재결합되는 전극과 인접한 기판에서는 발열이 일어나게 된다. 상기 p형 열전소재 기둥 어레이(121) 및 상기 n형 열전소재 기둥 어레이(122)는 도펀트(dopant)가 도핑(doping)된 반도체 물질을 포함 할 수 있다. Heat absorption occurs in the substrate adjacent to the electrode where the carrier is generated, and heat is generated in the substrate adjacent to the electrode where the carrier is recombined. The p-type thermoelectric material pillar array 121 and the n-type thermoelectric material pillar array 122 may include a semiconductor material doped with a dopant.

순수한 반도체 물질에 도펀트을 첨가하면 저항을 감소 시킬 수 있는데 이러한 과정을 도핑이라고 한다. 4개의 원자가 전자를 가지는 14족 원소의 원자로 이루어진 진성 반도체의 경우에는 상온에서 아주 적은 수의 캐리어가 존재하며 전자와 양공의 수가 같다. 이런 진성 반도체를 형성하는 원자의 일부를 이들 보다 원자가 전자가 하나 더 많은 15족 원소로 치환하게 되면 남은 전자가 추가적으로 캐리어 역할을 하게 된다. n형 반도체는 전하 운반자 역할을 하는 전자의 수가 양공의 수에 비해서 훨씬 많아 진성 반도체에 비해 전자 밀도가 높아서 전기적 특성이 향상된다. 반대로, 13족 원소의 원자로 치환하게 되면 정공이 캐리어 역할을 하는 p형 반도체를 만들 수 있다.Adding a dopant to the pure semiconductor material can reduce the resistance. This process is called doping. In the case of an intrinsic semiconductor composed of a group 14 element atom having 4 valence electrons, very few carriers exist at room temperature and the number of electrons and holes is the same. When a part of the atoms forming the intrinsic semiconductor is replaced with a group 15 element having one more valence electron than these, the remaining electrons additionally act as carriers. In the n-type semiconductor, the number of electrons acting as a charge carrier is much higher than the number of holes, and thus the electron density is higher than that of the intrinsic semiconductor, thereby improving electrical properties. Conversely, when the group 13 element is substituted with an atom, a p-type semiconductor in which holes act as carriers can be formed.

상기 열전부 전극(123)은 p형 열전소재 기둥 어레이(121) 및 n형 열전소재 기둥 어레이(122)와 전기적으로 연결되어 상기 p형 열전소재 기둥 어레이(121) 및 상기 n형 열전소재 기둥 어레이(122)와 상기 제1기판(110) 사이, 상기 p형 열전소재 기둥 어레이(121) 및 상기 n형 열전소재 기둥 어레이(122)와 상기 제2기판(130) 사이에 배치 될 수 있다. 상기 열전부 전극(123)은 상기 p형 열전소재 기둥 어레이(121) 및 n형 열전소재 기둥 어레이(122)를 한 쌍으로하여 전기적으로 연결 될 수 있다.The thermoelectric electrode 123 is electrically connected to the p-type thermoelectric column array 121 and the n-type thermoelectric column array 122, and the p-type thermoelectric column array 121 and the n-type thermoelectric column array Between the 122 and the first substrate 110, it may be disposed between the p-type thermoelectric material pillar array 121 and the n-type thermoelectric material pillar array 122 and the second substrate 130. The thermoelectric electrode 123 may be electrically connected by pairing the p-type thermoelectric pillar array 121 and the n-type thermoelectric pillar array 122.

상기 열전부 전극(123)은 유연 전극 일 수 있으며, 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 또는 텅스텐(W) 중 어느 하나를 포함 할 수 있다.The thermoelectric electrode 123 may be a flexible electrode, copper (Cu), silver (Ag), tin (Sn), aluminum (Al), nickel (Ni), iron (Fe), gold (Au), platinum (Pt), chromium (Cr), titanium (Ti), tantalum (Ta), or tungsten (W).

상기 p형 열전소재 기둥 어레이(121)와 n형 열전소재 기둥 어레이(122)로 사용되는 물질은 실리콘(Si), 비스무트(Bi), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 망가니즈(Mg), 티타늄(Ti), 수은(Hg), 납(Pb), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 텅스텐(W), 카드뮴(Cd), 철(Fe), 비소(As), 텔루륨(Te), 저마늄(Ge) 등을 이용한 금속화합물, 세라믹, 전도성 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.Materials used as the p-type thermoelectric pillar array 121 and the n-type thermoelectric pillar array 122 are silicon (Si), bismuth (Bi), nickel (Ni), cobalt (Co), palladium (Pd), Platinum (Pt), Copper (Cu), Manganese (Mg), Titanium (Ti), Mercury (Hg), Lead (Pb), Tin (Sn), Molybdenum (Mo), Iridium (Ir), Gold (Au) , Silver (Ag), aluminum (Al), zinc (Zn), tungsten (W), cadmium (Cd), iron (Fe), arsenic (As), tellurium (Te), germanium (Ge), etc. Metal compounds, ceramics, conductive materials, and combinations thereof.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 광전 열전 융합소자를 포함하는 발전모듈을 설명한다.In another embodiment of the present invention, a power generation module including the photoelectric thermoelectric fusion element will be described.

상기 광전 열전 융합소자에 대한 설명은 전술한 것과 동일하며, 상기 발전모듈은 상기 광전 열전 융합소자가 복수 개로 배치되고 이를 지지하는 기판을 포함 할 수 있다. 예를 들어 기판상에 동심원의 형태로 상기 광전 열정 융합소자가 복수 개 구비되어 전기적으로 연결될 수 있다. The description of the photoelectric thermoelectric fusion element is the same as described above, and the power generation module may include a substrate in which a plurality of the photoelectric thermoelectric fusion elements are disposed and support it. For example, a plurality of photoelectric passion fusion elements may be provided on the substrate in the form of concentric circles to be electrically connected.

본 발명의 상기 태양전지부(200)는 입사된 태양광 에너지로 생성된 상기 광흡수층(210) 내부의 전자-정공 쌍이 전계에 의해 분리, 수집되면서 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하게 된다. 상기 열전소자부(100)의 상기 제1기판(110) 및 제2기판(130) 사이에 형성된 온도 차는 제베크 효과(Seebeck effect)로 열기전력을 발생시켜 열에너지를 전기에너지로 변환하게 된다. 본 발명의 광전 열전 융합소자는 상기 태양전지부(200)의 발전 과정에서 발생하는 열이 상기 열전소자부(100)로 전달되어 상기 열전소자부(100)에 형성되는 온도차이를 증가시키므로 열전성능을 향상 시킬 수 있고, 이에 따라 상기 태양전지부(200)의 과열을 방지 할 수 있어 상기 태양전지부(200)의 광전변환 효율을 증대 시킬 수 있다. The solar cell unit 200 of the present invention converts solar energy into electrical energy while the electron-hole pairs inside the light absorbing layer 210 generated from the incident solar energy are separated and collected by an electric field. The temperature difference formed between the first substrate 110 and the second substrate 130 of the thermoelectric element unit 100 generates thermal power with a Seebeck effect to convert thermal energy into electrical energy. In the photoelectric thermoelectric fusion device of the present invention, heat generated in the power generation process of the solar cell unit 200 is transferred to the thermoelectric device unit 100 to increase the temperature difference formed in the thermoelectric device unit 100, thereby increasing thermoelectric performance. It can be improved, thereby preventing the overheating of the solar cell unit 200 can increase the photoelectric conversion efficiency of the solar cell unit 200.

나아가, 기존의 광전 열전 융합소자는 적외선 영역의 빛을 흡수하지 못하고 투과시키므로, 태양전지의 광흡수율이 낮고 태양전지 내부의 thermalization에 의한 발열이 충분하지 못해 이를 이용하는 열전소자의 열전성능지수에 한계가 있었으나, 본 제안발명은 상기 추가 열 제공층(240)이 적외선 영역의 빛을 흡수하여 상기 추가 열 제공층(240)의 밴드 갭 에너지를 초과하는 과잉에너지를 thermalization에 의해 열로 전환하여 상기 열전소자부(100)에 추가적인 열을 제공하므로, 상기 열전소자부(100)의 열전성능지수가 증가할 수 있다. 또한 상기 태양전지부(200)는 적외선 영역의 빛을 흡수할 수 있어 광흡수율이 증가하므로 광전 열전 융합소자의 발전효율이 종합적으로 향상되어 고효율의 광전 열전 융합소자 및 이를 포함하는 발전모듈을 제공 할 수 있다. Furthermore, since the existing photoelectric thermoelectric fusion device does not absorb the light in the infrared region and transmits it, the light absorption rate of the solar cell is low and the heat generated by thermalization inside the solar cell is insufficient to limit the thermoelectric performance index of the thermoelectric device using it. However, in the present invention, the additional heat providing layer 240 absorbs light in the infrared region and converts excess energy exceeding the band gap energy of the additional heat providing layer 240 into heat by thermalization to convert the thermoelectric element unit. Since additional heat is provided to the (100), the thermoelectric performance index of the thermoelectric element unit 100 may be increased. In addition, since the solar cell unit 200 can absorb light in the infrared region and the light absorption rate increases, the power generation efficiency of the photoelectric thermoelectric fusion device is comprehensively improved to provide a high efficiency photoelectric thermoelectric fusion device and a power generation module including the same. Can be.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration only, and those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all modifications or variations derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.

100: 열전소자부
110: 제1기판
120: 열전부
121: p형 열전소재 기둥 어레이
122: n형 열전소재 기둥 어레이
123: 열전부 전극
130: 제2기판
200: 태양전지부
210: 광흡수층
220: 상부전극
230: 터널링층
240: 추가 열 제공층
250: 하부전극
100: thermoelectric element
110: first substrate
120: thermoelectric
121: p-type thermoelectric column array
122: n-type thermoelectric column array
123: thermoelectric electrode
130: second substrate
200: solar cell unit
210: light absorbing layer
220: upper electrode
230: tunneling layer
240: additional heat providing layer
250: lower electrode

Claims (9)

열전소자부; 및 상기 열전소자부 상부에 위치하는 태양전지부;를 포함하는 것을 특징으로 하고
상기 태양전지부는 내부에 추가 열 제공층을 포함하며,
상기 추가 열 제공층은 적외선 파장 영역대의 빛을 흡수하고, 흡수된 빛 에너지의 일부를 열로 전환하여 상기 열전소자부에 추가적인 열을 제공하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합소자.
Thermoelectric element part; And a solar cell part located on the thermoelectric element part.
The solar cell unit includes an additional heat providing layer therein,
The additional heat providing layer absorbs light in the infrared wavelength range, and converts a portion of the absorbed light energy into heat to provide additional heat to the thermoelectric element unit.
제1항에 있어서,
상기 추가 열 제공층은 실리콘보다 밴드갭이 작은 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합소자.
According to claim 1,
The additional heat providing layer comprises an element having a smaller band gap than silicon.
제1항에 있어서,
상기 추가 열 제공층은 다결정질 저마늄, 다결정질 실리콘-저마늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합소자.
According to claim 1,
The additional heat providing layer is a photoelectric thermoelectric fusion device, characterized in that it comprises one selected from the group consisting of polycrystalline germanium, polycrystalline silicon-germanium and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 태양전지부는,
광흡수층;
상기 광흡수층 상부에 위치하는 상부 전극;
상기 광흡수층 하부에 위치하는 상기 추가 열 제공층; 및
상기 추가 열 제공층 하부에 위치하는 하부전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합소자.
According to claim 1,
The solar cell unit,
Light absorbing layer;
An upper electrode positioned on the light absorbing layer;
The additional heat providing layer located under the light absorbing layer; And
And a lower electrode positioned under the additional heat providing layer.
제4항에 있어서,
상기 광흡수층은 실리콘 단결정계, 실리콘 다결정계, 실리콘 박막계 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합소자.
The method of claim 4,
The light absorbing layer is a photoelectric thermoelectric fusion device comprising one selected from the group consisting of a silicon single crystal system, a silicon polycrystalline system, a silicon thin film system, and combinations thereof.
제4항에 있어서,
상기 태양전지부는,
상기 광흡수층과 상기 추가 열 제공층 사이에 위치한 터널링층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합소자.
The method of claim 4,
The solar cell unit,
And a tunneling layer positioned between the light absorbing layer and the additional heat providing layer.
제1항에 있어서,
상기 열전소자부는,
냉각영역을 이루는 제1기판;
상기 제1기판 상부에 위치하는 열전부; 및
상기 열전부 상부에 위치하되 발열영역을 이루는 제2기판;을
포함하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합소자.
According to claim 1,
The thermoelectric element unit,
A first substrate constituting a cooling region;
A thermoelectric part located above the first substrate; And
A second substrate positioned above the thermoelectric part and forming a heating region;
Photoelectric thermoelectric fusion device comprising a.
제6항에 있어서,
상기 열전부는,
상호 이격하여 배열된 p형 열전소재 기둥 어레이 및 n형 열전소재 기둥 어레이;
상기 p형 열전소재 기둥 어레이 및 상기 n형 열전소재 기둥 어레이를 전기적으로 연결하는 전극; 및
상기 p형 열전소재 기둥 어레이 및 상기 n형 열전소재 기둥 어레이의 빈 공간을 충진하는 충진 물질;을
포함하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합소자.
The method of claim 6,
The thermoelectric section,
P-type thermoelectric column arrays and n-type thermoelectric column arrays spaced apart from each other;
An electrode electrically connecting the p-type thermoelectric pillar array and the n-type thermoelectric pillar array; And
A filling material filling the empty space of the p-type thermoelectric column array and the n-type thermoelectric column array;
Photoelectric thermoelectric fusion device comprising a.
제1항의 광전 열전 융합소자를 포함하는 발전모듈.A power generation module comprising the photoelectric thermoelectric fusion element of claim 1.
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