KR20220072607A - 적외광 이용형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적외광 이용형 태양전지에 관한 것으로서, 입사된 광으로부터 전기에너지를 생성하는 광흡수층과, 광흡수층 하부에 형성되며 입사된 적외선에 의해 여기되어 가시광선을 발광하는 형광체와 투명전도성 산화물로 형성된 적외선 여기 투명전극층을 구비한다. 이러한 적외광 이용형 태양전지에 의하면, 적외선 영역의 광을 광전변환에 활용할 수 있는 장점을 제공한다.
Description
본 발명은 적외광 이용형 태양전지에 관한 것으로서, 상세하게는 입사된 적외선을 전기에너지 생성에 기여할 수 있도록 구축된 적외광 이용형 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양광발전의 핵심소자이며, 광기전력효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 소자이다.
통상적인 태양전지의 동작은 반도체에 입사되는 태양광에 의한 전자-정공 쌍의 생성, 전자와 정공이 각각 분리되어 양단의 전극으로의 이동으로 이루어진다. 즉, 초기의 태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체의 접합을 통해 구현되었다. 그러나, 최근에는 기술의 진보에 따라 실리콘과 같은 무기 소재로 구성된 무기 태양전지, 유기물을 채용한 유기 태양전지 등이 출현 되어 이용되고 있다.
무기 태양전지로는 실리콘계 태양전지와, CIS, CIGS, CdTe, GaAs 등과 같은 칼코게나이드 및 화합물 반도체 태양전지 등이 있다.
유기 태양전지로는 양자점 태양전지와, 페로브스카이트계 태양전지 등이 있다.
이러한 태양전지는 국내 등록특허 제10-1503043호, 국내 등록특허 제10-1293047호 등 다양하게 제안되어 있다.
한편, 입사된 광에 대해 전기에너지로 변환하는 종래 태양전지의 광흡수층은 입사된 광 중 가시광선 영역에 해당하는 광에 대해서만 전기 에너지로 변환되고 태양광의 50% 이상을 차지하는 적외선 영역의 광은 광전변환에 이용되지 못하여 광이용 효율이 제한되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 적외선 광을 광전 변환에 활용하여 광이용 효율을 향상시킬 수 있는 적외광 이용형 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 적외광 이용형 태양전지는 입사된 광으로부터 전기에너지를 생성하는 광흡수층을 갖는 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층 하부에 형성되며 입사된 적외선에 의해 여기되어 가시광선을 발광하는 형광체와 투명전도성 산화물로 형성된 적외선 여기 투명전극층;을 더 구비한다.
바람직하게는 상기 형광체는 1200nm 이상의 적외선에 대해 여기되어 1000nm 이하의 가시광선을 발광하는 소재로 형성된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 형광체는 NaYF4, NaGdF4, LiYF4, YF3, CaF2, Gd2O3, Y2Ti2O7 중 어느 하나가 적용되는 메인물질에 Ho3
+, Er3
+, Ce3
+ 중 적어도 하나의 이온물질이 첨가되어 형성된다.
또한, 상기 투명전도성 산화물은 비저항 5×10-4 Ω·㎝ 이하의 전기전도성을 갖으면서 가시광선 대역에 대해서는 투명하고, 1.4~3㎛ 단적외선대역의 광을 반사시키는 것을 적용한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 투명전도성 산화물은 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(ZnO), 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연(ZnO), 안티몬(Sb)이 도핑된 산화주석(SnO2), 불소(F)가 도핑된 산화주석(SnO) 중 어느 하나가 적용된다.
본 발명에 따른 적외광 이용형 태양전지에 의하면, 적외선 영역의 광을 광전변환에 활용할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외광 이용형 태양전지를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 적외선 여기 투명전극층을 형성하는 투명전도성 산화물의 도핑원소의 첨가량에 따른 파장별 광투과/반사 및 밴드갭에너지의 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 2는 도 1의 적외선 여기 투명전극층을 형성하는 투명전도성 산화물의 도핑원소의 첨가량에 따른 파장별 광투과/반사 및 밴드갭에너지의 특성을 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외광 이용형 태양전지를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 적외광 이용형 태양전지(100)는 광흡수층(110), 표면층(160), 적외선 여기 투명전극층(180)을 구비한다. 참조부호 200은 적외선 여기 투명전극층(180) 하부에 접합된 베이스 플레이트로서 입사된 광을 반사시키는 반사층 또는 기판이 적용될 수 있다.
광흡수층(110)은 표면층(160)을 통해 외부로부터 내부로 입사된 광으로부터 전기에너지를 생성한다.
광흡수층(110)은 GaAs 미들셀(middle cell)(120), 터널정크션(tunnel junction)(130), InGaP탑셀(top cell)(140)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. GaAs 미들셀(middle cell)(120), InGaP탑셀(top cell)(140)은 입사된 광을 전기에너지로 변환하는 태양전지셀층에 해당한다. GaAs 미들셀(middle cell)(120)은 p형 GaAs/n형 GaAs로 형성되고, InGaP탑셀(top cell)(140)은 p형 InGaP/n형 InGaP가 순차적으로 형성된 것이 적용될 수 있다.
터널정크션(130)은 InGaP로 형성될 수 있다.
광흡수층(110)은 예시된 태양전지셀 구조 이외에 입사된 광에 의해 전기에너지를 생성하는 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
표면층(surface layer)(160)은 광흡수층(110)의 InGaP탑셀(top cell)(140) 위에 형성되어 있고, 투명전극층, 윈도우층, AR coating 층을 포함할 수 있다.
적외선 여기 투명전극층(180)은 광흡수층(110)의 GaAs미들셀(120) 하부에 형성되어 있다. 적외선 여기 투명전극층(180)은 외부로부터 입사되어 광흡수층(110) 내부로 진행되는 광 중 입사된 적외선에 의해 여기되어 가시광선을 발광하는 형광체(182)와 투명전도성 산화물(181)로 형성되어 있다.
여기서, 형광체(182)는 1200nm 이상의 적외선에 대해 여기되어 1000nm 이하 바람직하게는 400~800nm 대역의 가시광선을 발광하는 소재로 형성된 것을 적용한다.
바람직하게는 형광체(182)는 NaYF4, NaGdF4, LiYF4, YF3, CaF2, Gd2O3, Y2Ti2O7 중 어느 하나가 적용되는 메인물질에 Ho3
+, Er3
+, Ce3
+ 중 적어도 하나의 이온물질이 첨가되어 형성된 것이 적용된다.
일 예로서, 형광체(182)는 메인 물질 100중량부에 대해 이온물질은 1 내지 20중량부로 첨가된 것을 적용한다.
형광체(182)의 입경은 지나친 광확산이 없도록 100nm 이하의 수십 나노미터인 것을 적용한다.
이러한 형광체(182)는 파장변환소재로서 적외선 광을 가시광선으로 변환시키는 업컨버젼(up-conversion) 기능을 한다.
또한, 투명전도성 산화물(181)은 비저항 5×10-4 Ω·㎝ 이하의 전기전도성을 갖으면서 가시광선 대역에 대해서는 투명하고, 1.4~3㎛의 단적외선대역(SWIR; short wavelength infrared)의 광을 반사시키는 것을 적용한다.
또한, 투명전도성 산화물(181)은 밴드갭이 3.0eV 이상의 높은 산화물 반도체로서 400~800nm 대역의 가사광선에 대해 투과율이 높은 것을 적용한다.
이러한 조건에 맞는 투명전도성 산화물(181)은 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(ZnO), 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연(ZnO), 안티몬(Sb)이 도핑된 산화주석(SnO2), 불소(F)가 도핑된 산화주석(SnO) 중 어느 하나가 적용될 수 있다.
투명전도성 산화물(181)에 첨가되는 도핑원소의 첨가량은 앞서 설명된 조건을 만족하도록 적절하게 첨가하면 되고, 일 예로서, 투명전도성 산화물(181) 전체 100중량부에 대해 도핀원소가 0.01 내지 0.2 중량부가 되게 첨가한다.
참고로 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연(ZnO)에 대한 도핑원소의 첨가량을 달리하여 광투과 및 반사특성을 파장별로 측정한 결과가 도 2에 도시되어 있다. 도 2를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 도핑원소가 0.05 중량부 이상 Zn에 대해 치환되게 첨가되면 단적외선에서 높은 반사율을 나타낸다.
이러한 구조에 의하면, 광흡수층(110)에서 이용되지 못하였던 적외선 대역의 광을 형광체(182)가 흡수하여 광흡수층(110)에서 광전변환이 가능한 가시광선을 발광함으써 광이용효율을 향상시킴과 아울러 발전효율도 향상된다.
또한, 투명전도성 산화물(181)은 가시광선은 투과시키고, 단적외선광은 반사시킴으로써 형광체(182)의 추가 여기 효율성도 향상되며, 하부에 별도의 반사층 없이도 적외선을 활용할 수 있게 지원한다.
이와 더블어, 투명전도성 산화물(181)은 도전성을 갖는 소재로 적용됨으로써 전기적 연결을 지원할 수 있어 생성된 전력을 외부로 인출하는 위한 회로 연결 용도로도 이용할 수 있다.
이러한 적외선 여기 투명전극층(180)은 광흡수층(110) 하부에 투명전도성 산화물(181)의 전구체로서의 기본 액상 물질에 적외선 여기형 형광체(182)를 일정량 함유시킨 액상 코팅 물질을 제조하고, 액상 코팅 물질을 스핀코팅, 침지코팅 등을 통해서 일정 두께로 코팅하고 열처리를 통해서 목표하는 높은 가시광선 투과율, 높은 적외선 반사율과 낮은 전기비저항을 갖게 형성하면 된다.
이하에서는 이러한 적외선 여기 투명전극층(180)의 제조 과정의 일 예를 설명한다.
형광체(182)의 경우 NaYF4에 Er3+를 합성한 조성으로 제조하는 경우 Na전구체로 NaCl, Y전구체로 YCl3·6H2O, F전구체로 NH4F, Er전구체로 ErCl3 를 1:1:4:0.3 몰비율로 에탄올에 용해하고, 추가로 킬레이트제 EDTA를 넣고 1시간 용해한다. 이후 수열합성용기에 넣고 160℃에서 24시간 수열합성을 진행하고, 회수한 슬러리를 4000rpm으로 3분 동안 원심분리하여 고형물을 회수하고, 초순수물과 에탄올에 각각 3회 세정하여 NaYF4:Er 형광체를 회수한다.
다음으로 알루미늄 도핑된 투명전도성 산화물을 제조하는 경우 ZnO 합성 액상 물질로서 이소프로판올(i-PrOH)에 아연 아세테이트 이수화물(Zn(CH3COO)2·2H2O)을 비율대로 넣어 용해시키고, 추가로 에탄올아민(monoethanolamine)을 일정량 추가하여 투명한 졸(sol) 상태가 되도록 교반하여 제조한다. 이와는 별도로 알루미늄 도핑을 위한 알루미늄 도핑 용액 제조를 위해 알루미늄클로라이드 육수화물(AlCl3·6H2O)을 에탄올에 녹여서 용액을 제조한다. 이후 알루미늄 2 at.% 도핑을 위해서 ZnO 합성 액상 물질에 알루미늄 도핑 용액을 일정량 넣어서 교반하여 ZnO:Al 전구체 액상물질을 제조한다.
이와 같이 제조된 ZnO:Al 전구체 액상물질에 앞서 제조된 형광체인 NaYF4:Er3+를 넣고 교반하면 액상의 적외선 여기 투명전극층용 소재가 제조된다.
한편, 희생층 기판(미도시)에 도 1에 도시된 광흡수층(110) 및 표면층(160)이 형성된 태양전지셀에 대해 희생층 기판을 제거하고, 광흡수층(110) 하부에 앞서 제조된 액상의 적외선 여기 투명전극층 소재를 스핀코팅을 통해 두께 500nm 정도로 코팅한 후 아르곤(Ar) 분뤼기에서 400℃로 1시간 열처리하는 과정을 거치면 적외선 여기 투명전극층(180)의 형성이 완료된다.
이상에서 설명된 적외광 이용형 태양전지에 의하면, 적외선 여기 투명전극층이 부가되어 적외선 영역의 광을 광전변환에 활용할 수 있고, 전기적 연결에 활용할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광흡수층 160: 표면층
180: 적외선 여기 투명전극층 200: 베이스 플레이트
180: 적외선 여기 투명전극층 200: 베이스 플레이트
Claims (5)
- 입사된 광으로부터 전기에너지를 생성하는 광흡수층을 갖는 태양전지에 있어서,
상기 광흡수층 하부에 형성되며 입사된 적외선에 의해 여기되어 가시광선을 발광하는 형광체와 투명전도성 산화물로 형성된 적외선 여기 투명전극층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 적외광 이용형 태양전지. - 제1항에 있어서, 상기 형광체는 1200nm 이상의 적외선에 대해 여기되어 1000nm 이하의 가시광선을 발광하는 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 적외광 이용형 태양전지.
- 제2항에 있어서, 상기 형광체는 NaYF4, NaGdF4, LiYF4, YF3, CaF2, Gd2O3, Y2Ti2O7 중 어느 하나가 적용되는 메인물질에 Ho3 +, Er3 +, Ce3 + 중 적어도 하나의 이온물질이 첨가되어 형성된 것이 적용된 것을 특징으로 하는 적외광 이용형 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 투명전도성 산화물은 비저항 5×10-4 Ω·㎝ 이하의 전기전도성을 갖으면서 가시광선 대역에 대해서는 투명하고, 1.4~3㎛ 단적외선대역의 광을 반사시키는 것을 적용하는 것을 특징으로 하는 적외광 이용형 태양전지.
- 제4항에 있어서, 상기 투명전도성 산화물은 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(ZnO), 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연(ZnO), 안티몬(Sb)이 도핑된 산화주석(SnO2), 불소(F)가 도핑된 산화주석(SnO) 중 어느 하나가 적용된 것을 특징으로 하는 적외광 이용형 태양전지.
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| KR20110074062A (ko) * | 2009-12-24 | 2011-06-30 | 한국에너지기술연구원 | 형광체를 사용한 고효율 태양전지 |
| KR20200105194A (ko) * | 2019-02-28 | 2020-09-07 | 한국광기술원 | 형광체를 함유한 투명전극을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
-
2020
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