KR20220026705A - 개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지에 관한 것이다.
본 발명은 기존의 실리콘 태양전지 이용하여, 상부 태양전지를 개구함으로써 상, 하부 태양전지의 태양광 흡수를 조절하는 탠덤형 결정질 실리콘/실리콘 태양전지에 관한 것이다. 또한, 양면 수광형 구조를 이용해 상부 태양전지의 개구율을 조절하여 상, 하부 태양전지의 전류 매칭을 극대화하여 고효율, 고출력 태양전지에 관한 것이다.
본 발명은 기존의 실리콘 태양전지 이용하여, 상부 태양전지를 개구함으로써 상, 하부 태양전지의 태양광 흡수를 조절하는 탠덤형 결정질 실리콘/실리콘 태양전지에 관한 것이다. 또한, 양면 수광형 구조를 이용해 상부 태양전지의 개구율을 조절하여 상, 하부 태양전지의 전류 매칭을 극대화하여 고효율, 고출력 태양전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지에 관한 것이다.
본 발명은 기존의 실리콘 태양전지 이용하여, 상부 태양전지를 개구함으로써 상, 하부 태양전지의 태양광 흡수를 조절하는 탠덤형 결정질 실리콘/실리콘 태양전지에 관한 것이다. 또한, 양면 수광형 구조를 이용해 상부 태양전지의 개구율을 조절하여 상, 하부 태양전지의 전류 매칭을 극대화하여 고효율, 고출력 태양전지에 관한 것이다.
일반적인 실리콘 탠덤형 태양전지는 상온에서 밴드갭 에너지가 Eg = 1.12 eV 수준인 결정질 실리콘 기판위에 상부 태양전지로 밴드갭 에너지가 이보다 높은 물질인 아몰포스 실리콘(amorphous silicon, Eg ~ 1.75 eV), 아몰포스 실리콘 저마늄(amorphous silicon germanium, Eg = 1.62 eV), 퀀텀닷 실리콘 (quantum dots silicon, Eg > 1.5 eV), 페로브스카이트(perovskite, Eg > 1.5 eV) 등 밴드갭 에너지가 상이한 물질 층을 적층하여 형성한다.
상부 셀(태양전지)로 아몰포스 실리콘 또는 아몰포스 실리콘 저마늄을 이용하는 경우, 내재하는 높은 결함(defect) 밀도와 높은 에너지 밴드갭으로 광 흡수 영역이 한정되어, 낮은 전류밀도를 보여, 이로 인해 고효율 탠덤 태양전지 제작이 어렵고, 또한 고진공 증착설비 사용으로 인해 태양광 시장에서의 가격 경쟁력이 없다.
페로브스카이트, 갈륨아사나이드 등 신물질의 경우 현재까지 소면적의 연구단계에 있으며, 특히 페로브스카이트는 현재까지 안정성 및 내구성, 수명 등에 문제가 있으며, 갈륨아사나이드의 경우, 매우 고가의 장비가 필요하며, 양산 가능한 장비가 없는 등, 상용화 및 가격경쟁력을 갖추기까지는 여러 가지의 난제들이 존재한다.
기존의 양면수광형의 태양전지의 경우, 후면 광흡수로 인한 광전류의 증가로 인해 기존의 전극 패턴에서는 직렬저항이 커져 충진률(FF) 저하로 변환효율 손실이 발생된다.
기존 탠덤 태양전지의 경우, 상, 하부 전지의 전류 매칭을 위해서는 높은 밴드갭의 상부 태양전지를 사용하거나, 밴드갭이 하부 태양전지와 비슷할 경우, 극히 얇은 상부 태양전지 사용으로 제작의 어려움으로 양산화가 어렵다.
본 발명은 탠덤 태양전지의 상, 하부 전지를 모두 기존의 결정질 실리콘 태양전지를 사용함으로써 기존 탠덤 태양전지가 갖는 낮은 전류 밀도의 문제를 해결하고, 기존 양산 설비 및 공정 사용으로 고효율 양면형태양전지 제작을 통해 효율 및 가격경쟁력을 높이고자 한다.
본 발명에서는 상부 실리콘 태양전지에 일정 면적으로 개구부를 형성함으로써 상부 태양전지에서 모두 흡수되는 단파장 영역의 태양광을 일부 하부 전지가 흡수하도록 함으로써 전류 매칭을 극대화시키고자 한다.
특히 상부 개구부의 면적을 조절함으로써, 상부 전지의 두께에 제한을 받지 않고, 바닥 면의 반사도에 따라 후면으로 흡수되는 광의 변화에 개구부의 면적 조절을 통해 상, 하부 전류 매칭을 극대화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지는, 제 1 태양 전지; 및 상기 제 1 태양 전지 상에 배치된 제 2 태양 전지를 포함하고, 상기 제 1 태양 전지 및 상기 제 2 태양 전지는 적층 구조를 이룸에 의해 탠덤형 구조를 나타내며, 상기 제 2 태양 전지는 복수개의 개구부를 포함하고 있고, 상기 제 1 태양 전지 및 상기 제 2 태양 전지는 동일한 결정질 실리콘 물질로 이루어지며, 상기 제 1 태양 전지의 상부 전극과 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극은 오믹성(ohmic) 접합을 이룬다.
상기 제 2 태양 전지의 개구부의 면적을 조절하여 상기 제 1 태양 전지와 상기 제 2 태양 전지의 전류 밀도를 조절한다.
상기 개구부의 면적을 조절하는 개구율은 지면 반사도(Albedo)와 양면 수광성(Bifaciality)에 의해 제어된다.
상기 개구율은 아래 관계식에 따라 결정된다.
최적 개구율(Optimized open ratio)= ((1- Ral * b)/2)*100
Ral=지면 알베도, b=양면수광성.
상기 제 1 태양 전지의 상부 전극과 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극은 오믹성 접합을 이루도록, 상기 제 1 태양 전지의 상부 전극 구조와 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극 구조를 일치시켜 제작한 후 접합이 이루어진다.
상기 제 1 태양 전지의 상부 전극과 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극은 서로 다른 극성으로 접합된다.
상기 제 1 태양 전지 및 상기 제 2 태양 전지의 결정질 실리콘 물질층의 양면에는 패시베이션층이 형성되어 있다.
상기 개구부는 레이저 공정 또는 식각 공정에 의해 형성된다.
상기 제 1 태양 전지는, 결정질 실리콘 물질층; 상기 결정질 실리콘 물질층의 상면에 배치된 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층; 상기 결정질 실리콘 물질층의 하면에 배치된 제 2 도전형을 갖는 전하 선택플; 상기 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층 상부 및 상기 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층 하부에 배치된 전극층을 포함하며, 상기 제 2 태양 전지는, 결정질 실리콘 물질층; 상기 결정질 실리콘 물질층의 상면에 배치된 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층; 상기 결정질 실리콘 물질층의 하면에 배치된 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층; 상기 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층 상부 및 상기 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층 하부에 배치된 전극층을 포함한다.
본 발명은 탠덤형 결정질 실리콘 태양전지의 상·하부 동일한 밴드갭 물질을 사용하여 높은 밴드갭 물질을 상부 태양전지를 사용하는 탠덤 태양전지의 낮은 전류밀도 한계를 극복하고, 상부 태양전지에 개구부를 형성, 조절하여, 상부 태양전지의 두께 제한이 없어, 양산적용에 용이한 태양전지 제작이 가능하고, 개구부의 면적과 양면 수광형 태양전지의 후면 광 흡수에 의한 증가하는 전류밀도를 조절함으로써 기존 탠덤 태양전지보다 월등히 높은 전류밀도 매칭으로 초 고효율, 고파워 양면수광형 태양전지를 구현할 수 있다.
또한, 태양광 패널 설치 위치의 후면 반사도에 따라 개구율을 조절하여 효율 및 출력 파워를 극대화할 수 있다.
특히, 태양전지 양산 시장의 90% 이상을 차지하고 있는 결정질 실리콘 태양전지를 상, 하부에 사용하기 때문에 개발과 동시에 양산 적용이 가능하다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지를 제작하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지의 개구부를 보여주는 모식도이다.
도 4는 대표적인 지면의 알베도와 양면수광성에 따른 최적 개구율을 도시한다.
도 5는 40mA/cm2 전류밀도, 90%의 양면수광성을 갖는 태양전지를 이용한 결정질 실리콘/실리콘 탠덤 태양전지의 매칭 전류밀도를 도시한다.
도 6은 개구율 36.5%일 때 후면 광에 따른 전류밀도 및 출력 파워 특성을 나타낸다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지의 개구부를 보여주는 모식도이다.
도 4는 대표적인 지면의 알베도와 양면수광성에 따른 최적 개구율을 도시한다.
도 5는 40mA/cm2 전류밀도, 90%의 양면수광성을 갖는 태양전지를 이용한 결정질 실리콘/실리콘 탠덤 태양전지의 매칭 전류밀도를 도시한다.
도 6은 개구율 36.5%일 때 후면 광에 따른 전류밀도 및 출력 파워 특성을 나타낸다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지를 제작하는 모식도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지의 측단면도를 도시하며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지의 개구부를 보여주는 모식도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지는, 제 1 태양 전지(100); 및 상기 제 1 태양 전지 상에 배치된 제 2 태양 전지(200)를 포함한다.
제 1 태양 전지(100)(하부 태양전지) 위에 제 2 태양 전지(200)(상부 태양 전지)가 적층되어 있는 형태를 이룬다.
이 경우 제 1 태양 전지 및 제 2 태양 전지는 탠덤형 구조로서 양면 수광형(bifacial) 구조를 갖는다.
한편, 제 1 태양 전지 및 제 2 태양 전지가 전하 선택형 태양 전지일 경우, 제 1 태양 전지(100)는 결정질 실리콘 물질층(110); 상기 결정질 실리콘 물질층의 상면에 배치된 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층(121); 상기 결정질 실리콘 물질층의 하면에 배치된 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층(122); 상기 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층 상부 및 상기 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층 하부에 배치된 전극층(310, 320)을 포함하고, 제 2 태양 전지(200)는, 결정질 실리콘 물질층(210); 상기 결정질 실리콘 물질층의 상면에 배치된 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층(221); 상기 결정질 실리콘 물질층의 하면에 배치된 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층(222); 상기 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층 상부 및 상기 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층 하부에 배치된 전극층(320, 330)을 포함한다.
제 1 태양 전지 및 제 2 태양 전지는 동일한 결정질 실리콘 물질로 이루어진다. p형 또는 n형의 고품질 실리콘 웨이퍼를 이용한다. 전하 선택층과의 PN 접합을 형성하기 위해, n-형 반도체 특성 및 p-형 반도체 특성 중 하나의 특성을 갖는 실리콘 재질로 형성될 수 있다.
제 1 태양 전지 및 제 2 태양 전지의 결정질 실리콘 물질층의 양면에는 패시베이션층(131, 132, 231, 232)이 형성되어 있을 수 있다. 패시베이션층은 전하의 터널링이 가능한 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 패시베이션층은 SiOx와 같은 실리콘 산화물로 형성될 수 있고, 이 경우, 패시베이션층은 상기 실리콘 기판의 전면 및 후면을 산화시킴으로써 각각 형성될 수 있다. 일 실시예로, 산소 분위기에서 상기 실리콘 기판에 자외선 레이저를 조사함으로써 패시베이션층을 형성할 수 있다.
실리콘 기판은 전하 선택층과의 PN 접합을 형성하기 위해, n-형 반도체 특성 및 p-형 반도체 특성 중 하나의 특성을 갖는 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 만약 기판이 n형인 경우 제 1 전하 선택층이 p형 전하 선택성을 가지고 제 2 전하 선택층이 기판과 동일한 극성인 n형 전하 선택성을 가지면, 제 1 전하 선택층은 에미터와 동일한 역할을 하게 되고, 제 2 전하 선택층은 전계층의 역할을 수행하게 된다.
이러한 제 1 도전형 및 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층(121, 122, 221, 222)은 금속 화합물로 이루어질 수 있다.
p형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 화합물로는 MoOx, NiO, WO3, CuSCN, CuI, CuO, Cu2O, VOx 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들(주로 금속 산화물들)은 모두 선택적으로 정공의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
n형의 금속 화합물 층으로 작용 가능한 화합물로는 TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, MgO/TiO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 화합물들(대부분 금속 산화물들)은 모두 선택적으로 전자의 수송 또는 이동의 기능을 수행한다.
위에서 전하 선택형 태양전지에 대해서 설명을 했지만, 본 발명의 경우, 전하 선택형 태양전지뿐만 아니라 Bifacial 태양전지로 제작만 되면 PERC, HJT, CSC, TOPcon 등 모든 태양전지로 제작이 가능하다.
한편, 각각의 태양 전지에서 제 1 전하 선택층 상부에 그리고 제 2 전하 선택층 하부에 각각 투명 전도층이 배치될 수 있다.
투명전도층은 투명 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)로 형성될 수 있다. 투명전도층은 전하를 금속 전극으로 전달할 수 있다. 투명전도층은 에미터층 및 후면전계층 상에 전도성 투명 산화물을 각각 증착함으로써 형성될 수 있다. 금속 전극은 투명전도층 상에 위치하여 투명전도층에 전기적으로 접촉할 수 있다.
한편, 상부 태양 전지인 제 2 태양 전지는 복수개의 개구부(500)를 포함하고 있다. 개구부는 레이저 공정 또는 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 나노, 피코, 펨토 세컨드 등의 다양한 레이저를 이용해 개구부를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 케미컬 배리어(Chemical barrier)를 도포한 후 패터닝하고, 케미컬 용액을 이용해 식각을 통해 형성할 수 있다.
개구부(500)는 그 상태로 비워진 상태로 유지될 수도 있으며, 강도를 위해 에폭시와 같은 경화제로 채워져 있을 수도 있다.
이러한 개구부가 형성되어 있어, 상부 태양 전지에서 모두 흡수되는 단파장 영역의 태양광을 일부 하부 태양 전지가 흡수하도록 함으로써 전류 매칭을 극대화할 수 있다. 특히 상부 개구부(500)의 면적을 조절함으로써, 상부 전지의 두께에 제한을 받지 않고, 바닥 면의 반사도에 따라 후면으로 흡수되는 광의 변화에 개구부의 면적 조적을 통해 상, 하부 전류 매칭을 극대화할 수 있다.
즉, 정리하면 본 발명의 개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지의 경우, 제 2 태양 전지의 개구부의 면적을 조절하여 제 1 태양 전지와 제 2 태양 전지의 전류 밀도를 조절할 수 있으며, 이 경우 개구부의 면적의 조절은 개구율에 따라 제어되며, 개구율(open ratio)은 지면 반사도(Albedo)와 양면 수광성(Bifaciality)에 의해 제어된다.
이 경우 최적 개구율은 아래와 같은 관계식에 따라 결정된다.
최적 개구율(Optimized open ratio)= ((1- Ral * b)/2)*100
Ral=지면 알베도, b=양면수광성
본 발명에서는 제 1 태양 전지(하부 태양전지)의 상부 전극과 제 2 태양 전지(상부 태양전지)의 하부 전극은 오믹성(ohmic) 접합을 이룬다. 도 2에서 보는 것처럼 동일한 결정질 실리콘 물질로 이루어진 태양전지를 이용하여 상부 셀 하면의 전극구조와 하부 셀 상부의 전극구조를 일치되게 제작하여 오믹성 접합이 이루어지도록 형성한다.
제 1 태양 전지의 상부 전극과 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극은 오믹성 접합을 이루도록, 상기 제 1 태양 전지의 상부 전극 구조와 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극 구조를 일치시켜 제작한 후 접합이 이루어진다. (도 1 참고)
이러한 오믹성 접합을 이루기 위해 아래와 같은 방법들을 이용할 수 있다. 1) 투명 전극(TCO)을 물리적 증착 방식을 통해 형성하고, 화학적, 물리적 방법으로 접합하거나, 2) 전도성 페이스트(ECA: Electrical Conductive Adhesive)를 스크린 프린팅, 디스펜싱 등의 방법으로 형성하고 열처리를 통해 접합하거나, 3) 나노파우더(Pd 등)을 전극 부분에 도포하고 열처리를 통해 접합하거나, 4) 전도성 필름을 전극 사이에 위치하고 열처리를 통해 접합할 수 있다.
한편, 상부와 하부 태양전지의 접합 구조는 직렬구성이 되도록 상부 태양전지의 후면 극성과 하부 태양전지의 전면 극성이 서로 다른 극성이 되도록 접합한다.
본 발명은 탠덤형 결정질 실리콘 태양전지의 상·하부 동일한 밴드갭 물질을 사용하여 높은 밴드갭 물질을 상부 태양전지를 사용하는 탠덤 태양전지의 낮은 전류밀도 한계를 극복하고, 상부 태양전지에 개구부를 형성, 조절하여, 상부 태양전지의 두께 제한이 없어, 양산적용에 용이한 태양전지 제작이 가능하고, 개구부의 면적과 양면 수광형 태양전지의 후면 광 흡수에 의한 증가하는 전류밀도를 조절함으로써 기존 탠덤 태양전지보다 월등히 높은 전류밀도 매칭으로 초 고효율, 고파워 양면수광형 태양전지를 구현할 수 있다.
정리하면, 개구형 태양전지를 상부 태양전지로 사용하면, 상부 태양전지의 두께에 제한을 받지 않으며, 동일한 결정질 실리콘 물질로 이루어진 태양전지를 이용하여 개구형 상부 태양전지의 후면 전극구조와 하부 태양전지 상부의 전극구조를 일치하게 제작하여 오믹성 접합이 이루어지도록 형성을 할 수 있다.(도 1 참고) 양면 수광형 탠덤 태양전지 구조에서는 상부 태양전지에서 두께만큼 흡수된 태양광의 전류와 전압, 하부 태양전지에서 상부 태양전지를 투과한 태양광 및 개구부를 통과한 태양광에 의한 전류 및 하부 반사광에 의해 직접 흡수된 전류와 전압에 의해 단면 수광형 태양전지보다 출력이 향상된다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 더욱 자세히 설명하도록 하겠다.
1) 상부 태양전지의 제작
상부 태양전지에 사용되는 p형 또는 n형의 고품질 실리콘 웨이퍼를 상, 하부 태양전지의 전류 매칭 최적화 설계를 통해 도출된 개구율에 맞도록 레이저나 케미칼을 이용한 패터닝을 통해 형성한다. 개부부의 면적은 각기 다른 지면 반사도에 의해 하부 태양전지의 전류밀도에 매칭 가능하도록 변화시킬 수 있다. NaOH, KOH( ~10%wt.) 식각용액에 침지하여 절삭손상층(Saw Damage Layer) 제거하고, NaOH, KOH(~2%wt.) 용액 등을 이용하여 피라미드 구조를 형성한다. 이후 Diffusion 공정을 통해 n 또는 p형으로 도핑한다. 도핑된 웨이퍼는 Chemical 공정을 통해 전, 후면 분리 공정(Isolation)을 진행하고, 각각의 타입에 적절한 패시베이션 층을 (n-type에는 SiNx를 p-type에는 Al2O3/SiNx를 증착)을 형성한다. 최종 공정으로 Ag, Al 등의 Metal 페이스트를 전 후면에 스크린 프린팅하여 전극을 형성한다. 이때 중요한 것은 개구부의 형태에 따라 전극 패턴을 최적 설계를 하는 것이 중요하다.
2) 하부 태양전지의 제작
하부 태양전지의 경우, 상부 태양전지 제작 공정이 동일하며, 최종 공정인 개구부 형성 공정만 실행하지 않는다. 전극 형성 공정은 탠덤화를 위해 상부 태양전지와 동일한 패턴으로 형성한다.
3) 상부 및 하부 태양전지의 전극형성 및 탠덤화
준비된 하부 태양전지의 전면과 상부 태양전지의 후면에 각각 전도성 접착제를 도포한 후 상부 및 하부 태양전지를 정렬하여 ~150℃ 이하의 온도에서 수 십초~수 분의 열처리를 통해 접합한다. 이때 상부와 하부 태양전지의 접합 구조는 직렬구성이 되도록 상부 태양전지의 후면 극성과 하부 태양전지의 전면 극성이 서로 다른 극성이 되도록 접합한다.
이렇게 제작된 셀의 경우, 지면 반사도(Albedo)와 양면수광성(Bifaciality)에 따른 최적 개구율은 다음 식으로 표현할 수 있다
최적 개구율(Optimized open ratio)= ((1- Ral * b)/2)*100
Ral=지면 Albedo, b=Bifaciality
예를 들어 Albedo=0.3, Bifaciality=0.9일 때, 최적 개구율=((1-0.3*0.9)/2)*100=36.5% 이다.
아래 표 1 및 도 4는 대표적인 지면의 알베도와 양면수광성에 따른 최적 개구율을 도시한다.
| 주변 환경 | 알베도 |
| Green grass | 0.25 |
| Concrete | 0.25-0.35 |
| Desert sand | 0.4 |
| New Concrete | 0.55 |
| Fresh snow | 0.82 |
40mA/cm2 전류밀도, 90%의 양면수광성을 갖는 태양전지를 이용한 결정질 실리콘/실리콘 탠덤 태양전지의 매칭 전류밀도는 도 5에서 도시된다. 기존 탠덤 태양전지에 비해 높은 매칭 전류밀도를 가짐을 알 수 있으며(개구율이 36.5%에서 25.4mA/cm2 의 매칭전류), 지면 반사도에 따라 최대 전류 매칭이 가능하도록 개구율 조절이 가능하다.
도 6은 개구율 36.5%일 때 후면 광에 따른 전류밀도 및 출력 파워 특성을 나타낸다. 도 6에서 보는 것처럼, 개구율이 36.5%에서는 후면 광이 0.3 sun 이상에서 상부 태양전지와 전류 매칭이 극대화되어 더 이상 증가하지 않았다.
전류밀도가 40mA/cm2 이고, Bifaicality가 0.9인 태양전지를 이용할 경우, 후면 광이 0.3 sun(알베도 30%)일 때의 전류밀도는 약 25.4 mA/cm2 이므로 전면에서의 전류밀도가 이 이상으로 형성되도록 상부 결정질 실리콘 웨이퍼에 약 36.5% 개구부를 형성하여 태양전지를 제작하고, 하부 태양전지는 상부에서 개구부를 통과한 태양광 및 투과된 장파장 에너지와 후면 알베도에 의한 광 흡수를 극대화하기 위해 전극 패턴을 최적화하여 bifaciality를 극대화하여 제작되어야 함을 확인하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (9)
- 제 1 태양 전지; 및 상기 제 1 태양 전지 상에 배치된 제 2 태양 전지를 포함하고,
상기 제 1 태양 전지 및 상기 제 2 태양 전지는 적층 구조를 이룸에 의해 탠덤형 구조를 나타내며,
상기 제 2 태양 전지는 복수개의 개구부를 포함하고 있고,
상기 제 1 태양 전지 및 상기 제 2 태양 전지는 동일한 결정질 실리콘 물질로 이루어지며,
상기 제 1 태양 전지의 상부 전극과 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극은 오믹성(ohmic) 접합을 이루는,
개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 태양 전지의 개구부의 면적을 조절하여 상기 제 1 태양 전지와 상기 제 2 태양 전지의 전류 밀도를 조절하는,
개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 개구부의 면적을 조절하는 개구율은 지면 반사도(Albedo)와 양면 수광성(Bifaciality)에 의해 제어되는,
개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 개구율은 아래 관계식에 따라 결정되는,
최적 개구율(Optimized open ratio)= ((1- Ral * b)/2)*100
Ral=지면 알베도, b=양면수광성,
개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 태양 전지의 상부 전극과 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극은 오믹성 접합을 이루도록, 상기 제 1 태양 전지의 상부 전극 구조와 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극 구조를 일치시켜 제작한 후 접합이 이루어진,
개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 태양 전지의 상부 전극과 상기 제 2 태양 전지의 하부 전극은 서로 다른 극성으로 접합된,
개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 태양 전지 및 상기 제 2 태양 전지의 결정질 실리콘 물질층의 양면에는 패시베이션층이 형성되어 있는,
개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 개구부는 레이저 공정 또는 식각 공정에 의해 형성되는,
개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 태양 전지는, 결정질 실리콘 물질층; 상기 결정질 실리콘 물질층의 상면에 배치된 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층; 상기 결정질 실리콘 물질층의 하면에 배치된 제 2 도전형을 갖는 전하 선택플; 상기 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층 상부 및 상기 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층 하부에 배치된 전극층을 포함하며,
상기 제 2 태양 전지는, 결정질 실리콘 물질층; 상기 결정질 실리콘 물질층의 상면에 배치된 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층; 상기 결정질 실리콘 물질층의 하면에 배치된 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층; 상기 제 1 도전형을 갖는 전하 선택층 상부 및 상기 제 2 도전형을 갖는 전하 선택층 하부에 배치된 전극층을 포함하는,
개구부를 포함하는 양면 수광형 실리콘 탠덤형 태양 전지.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |