WO2012124834A1 - 광기전력 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

광기전력 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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photovoltaic module
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전상원
김남균
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한국철강 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a photovoltaic module and a method of manufacturing the same.
  • a photovoltaic module that converts sunlight into electrical energy has a junction structure of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor like a diode, and when light is incident on the photovoltaic module, the interaction between the light and the material constituting the semiconductor of the photovoltaic module The action produces negatively-charged electrons and positively-charged holes, which cause current to flow as they move.
  • Such photovoltaic modules are used for power generation as well as construction. Building photovoltaic modules are mounted on roofs, walls or windows of buildings to generate power. Building photovoltaic modules should have a number of different characteristics compared to photovoltaic modules for power generation, so research on building photovoltaic modules has been actively conducted.
  • photovoltaic modules currently in use are either dark black, mostly reddish brown or orange. When such a photovoltaic module is mounted in a window of a building, visual fatigue can be easily provided. In addition, it is not good in terms of aesthetics, but the overall harmony with the building also had a problem.
  • the present invention is to provide a photovoltaic module that can make the user feel less visual fatigue and at the same time also harmonize with the building when mounted on the building.
  • a first electrode formed on a substrate, a photoelectric conversion layer formed on the first electrode, a second electrode formed on the photoelectric conversion layer, a light-transmitting portion disposed on the second electrode A madness comprising a back substrate and having a color in a range of a *: -25 to 0, b *: 10 to 50, and L *: 20 to 50 on a CIE LAB color coordinate Power modules are provided.
  • An insulating protective layer, a translucent back substrate disposed on the insulating layer, a lower surface of the substrate, between the substrate and the first electrode, between the second electrode and the insulating protective layer, between the insulating protective layer and the back substrate Provided is a photovoltaic module comprising an optical layer formed on at least one position of an upper surface of the back substrate and displaying a color.
  • a photovoltaic module having a color capable of reducing visual fatigue to a user can be obtained.
  • the present invention when applied to the window of the building, there is less discomfort or visual fatigue, and can obtain a photovoltaic module that can achieve high harmony and beauty with the building.
  • FIG. 1 to 5 are views showing the configuration of a photovoltaic module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing transmittance of an optical layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the absorptivity of the optical layer according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the transmittance of a photovoltaic module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 9 is a graph illustrating an absorption rate of a photovoltaic module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing color coordinates of a unit cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing color coordinates of an optical layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph illustrating color coordinates of a photovoltaic module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 to 5 are views showing the configuration of a photovoltaic module according to an embodiment of the present invention.
  • the photovoltaic module of the present invention may include a first electrode 110, a photoelectric conversion layer 120, and a second electrode 130 sequentially formed on the substrate 100. have. Meanwhile, the insulating protective layer 140 and the back substrate 150 may be further included on the second electrode 130.
  • the photovoltaic module according to the embodiment of the present invention includes the optical layer 160 at least in part.
  • the optical layer 160 may be included at any location of the photovoltaic module.
  • the optical layer 160 may be formed under the substrate 100 as shown in FIG. 1, and may be formed between the substrate 100 and the first electrode 110 as shown in FIG. 2. It may be.
  • the electrode may be formed between the second electrode 130 and the insulating protective layer 140.
  • the insulating protective layer 140 and the back substrate 150 may be formed, or as shown in FIG. 5, the back substrate 150 may be formed.
  • the optical layer 160 may be formed at two or more locations shown in FIGS. 1 to 5.
  • Optical layer 160 is a component that allows the entire photovoltaic module to have a color.
  • the optical layer 160 is formed by dissolving a pigment or dye for coloring in a conventional solvent.
  • the optical layer 160 may be, for example, a coating layer.
  • the optical layer 160 may be formed by applying a solution containing a predetermined amount of coloring pigment or dye on the back substrate 150.
  • Pigments or dyes may be included, for example, in a weight of about 5% to 40% by weight of the solvent.
  • 6 and 7 are graphs showing transmittances and absorbances of the optical layers 160 for each wavelength, respectively, according to an exemplary embodiment.
  • Table 1 shows the transmittance, reflectance, and absorbance of the optical layer 160 according to the exemplary embodiment of the present invention for each wavelength band.
  • Transmittance, reflectance, and absorptivity were measured for the back substrate 150 having the optical layer 160 formed on one surface of both surfaces.
  • the back substrate 150 for which the optical layer 160 was not formed was measured.
  • the transmittance, reflectance, and absorbance were measured.
  • the transmittance of the optical layer 160 is about 5% to 40% in the near ultraviolet region (300 nm to 400 nm) and about 50% to 80% in the near infrared region (780 nm to 3000 nm). Can be.
  • the absorption rate of the optical layer 160 is about 50% to 80% in the near ultraviolet region (300 nm to 400 nm) and about 10% to 25% in the near infrared region (780 nm to 3000 nm). It can be seen that.
  • any material may be used as long as the material satisfies the above-described characteristics.
  • the substrate 100 may be an insulating transparent substrate.
  • the substrate 100 may be an inflexible substrate such as glass or a flexible substrate such as a polymer or a metal foil.
  • the substrate 100 may be formed of a material such as plastic or glass, and when the substrate 100 includes a metal foil, the substrate 100 may include an insulating layer (not shown) covering the metal foil.
  • the first electrode 110 may be made of a conductive material.
  • the first electrode 110 may be a transparent conductive oxide (TCO).
  • the conductive transparent electrode may be made of a material including SnO 2 : F, ZnO: B, ZnO: Al, and the like.
  • the photoelectric conversion layer 120 may include one of an amorphous photoelectric conversion layer, a crystalline photoelectric conversion layer, a compound photoelectric conversion layer, and an organic photoelectric conversion layer.
  • the compound photoelectric conversion layer may include a group I-III-VI compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, or a group III-V compound semiconductor.
  • the amorphous photoelectric conversion layer includes a silicon layer that is not doped with impurities between silicon layers doped with group 3 or group 5 impurities.
  • the solar cell including the first electrode 110, the photoelectric conversion layer 120, and the second electrode 130 may be a CIGS solar cell, a CdTe solar cell, a dye-sensitized solar cell, an organic It may be implemented as a thin film solar cell.
  • the photoelectric conversion layer 120 includes an amorphous photoelectric conversion layer will be described as an example.
  • the photoelectric conversion layer 120 may be formed in a form in which a p-type semiconductor layer, an intrinsic semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer are sequentially stacked.
  • the stacking order of the p-type semiconductor layer, the intrinsic semiconductor layer, and the n-type semiconductor layer may be reversed.
  • the p-type semiconductor layer may be an amorphous silicon layer represented by a chemical formula such as a-Si: H or a-SiC: H.
  • the p-type semiconductor layer may be formed by incorporating hydrogen (H 2 ) gas into the reaction chamber together with a doping gas containing a source gas containing silicon such as silane (SiH 4 ) and a group 3 element such as B 2 H 6. Can be.
  • a p-type semiconductor layer that can be represented by the chemical formula of a-SiC: H containing carbon can be obtained.
  • the intrinsic semiconductor layer may be formed by introducing a source gas containing silicon and hydrogen gas into the reaction chamber.
  • the n-type semiconductor layer may be formed by mixing a source gas containing silicon, a doping gas containing a Group 5 element such as PH 3, and a hydrogen gas.
  • the second electrode 130 may be made of an opaque conductive material or a transparent conductive material.
  • the second electrode 130 is an opaque conductive material (for example, aluminum or silver)
  • the light transmitted through the second electrode 130 without being used for photoelectric conversion is transmitted from the second electrode 130. It can be reflected once again to improve the photoelectric conversion efficiency.
  • BIPV Building Integrated PhotoVotaic
  • the photovoltaic module light-transmissive.
  • the first method when the second electrode 130 is an opaque conductive material, a light transmissive opening is formed in the second electrode 130. As the light transmissive opening penetrates through at least the second electrode 130, the entire photovoltaic module becomes light transmissive.
  • the stack of the first electrode 110, the photoelectric conversion layer 120, and the second electrode 130 is divided into a plurality of unit cells around the photoelectric conversion layer 120 separated by, for example, a laser scribing method.
  • the plurality of unit cells are connected in series with each other.
  • the transmissive opening may extend in a direction parallel to the series connection direction of the plurality of unit cells.
  • the ratio of the entire photoelectric conversion region, that is, the area in which the transmissive opening is formed with respect to the area in which the photoelectric conversion layer 120 is formed is called an opening ratio, and the opening ratio may be 0% to 50%.
  • the second electrode 130 itself is formed of a transparent conductive material such as transparent conductive oxide (TCO).
  • the transparent conductive material may include, for example, at least one of SnO 2 : F, ZnO: B, ZnO: Al, ITO, TiO 2 , and carbon nanotubes (CNT).
  • the second electrode 130 since the second electrode 130 may not have a relatively high reflectance compared to the opaque conductive material, the entire photovoltaic module may not exhibit a relatively high photoelectric conversion efficiency. However, since the second electrode 130 is light transmissive, light transmittance can be secured without separately forming a light transmissive opening.
  • a light transmissive opening penetrating the second electrode 130 is formed. According to this, in addition to the second electrode 130 having light transmittance, since a transparent opening for securing light transmittance is formed, the light transmittance of the photovoltaic module can be improved.
  • the photovoltaic module according to an embodiment of the present invention has light transmittance by any one of the above three methods.
  • the insulating protective layer 140 may include at least one of polyethylene vinyl acetate (EVA), polyvinylfloride (PVF), polyvinyl butyral (PVB), an acrylic sheet, or a back sheet. .
  • the insulating protective layer 140 may function as a bonding material between the second electrode 130 and the back substrate 150.
  • the optical layer 160 may be formed on at least one surface of both surfaces of the insulating protective layer 140. ) May be included.
  • the back substrate 150 may be made of a transparent glass substrate or a glass substrate having a predetermined color.
  • the glass may be formed of a material such as plastic. Referring to Table 1 and FIG. 6, the back substrate 150 may have a transmittance of about 50% or more in the entire wavelength region.
  • 8 and 9 are graphs showing the transmittance and the absorbance of each photovoltaic module according to one embodiment of the present invention for each wavelength.
  • Table 2 is a table showing the transmittance, reflectance, and absorbance of each photovoltaic module according to an embodiment of the present invention for each wavelength band.
  • the photovoltaic module when the second electrode 130 is made of a transparent conductive material and has an opening ratio of 0% was measured and implemented, and the optical layer 160 is included between the insulating protective layer 140 and the back substrate 150. Measurement was carried out.
  • 10%, 12%, 13%, 14%, 15%, 16%, 17%, and 20% represent the color concentration of the optical layer 160, which is a material for forming the optical layer 160.
  • the weight ratio of pigment or dye to solvent in solution represent the color concentration of the optical layer 160, which is a material for forming the optical layer 160.
  • the transmittance of the photovoltaic module is about 0% to 5% in the near ultraviolet region (300 nm to 400 nm) and about 5% to 15% in the near infrared region (780 nm to 3000 nm).
  • the absorption rate of the optical layer 160 is about 65% to 85% in the near ultraviolet region (300 nm to 400 nm) and about 60% to 80% in the near infrared region (780 nm to 3000 nm). It can be seen that.
  • the entire photovoltaic module may have a predetermined color due to the formation of the optical layer 160, the intrinsic color of the insulating protective layer 140, or the back substrate 150.
  • the color coordinates here are the CIE LAB color coordinates.
  • CIE LAB color coordinates represent all colors as relative quantities of three-way extrema, X, Y, and Z, and these values are converted into three coordinates: L *, a *, and b * values.
  • L * is the variable of brightness
  • a * and b * are chromaticity coordinates.
  • a * is the coordinate associated with the axis connecting Red and Green
  • b * is the coordinate associated with the axis connecting Yellow and Blue.
  • the color coordinates of the color of the unit cell are measured when the light having a wavelength of about 300 nm to about 1200 nm corresponding to a part of the solar spectrum is irradiated to the unit cell with respect to the spectrum of light passing therethrough.
  • a measuring instrument a light transmitting apparatus of a spectrophotometer (X-Rite color i5) was used.
  • the unit cell has a characteristic of transmitting light rather than reflecting light, and the color of the unit cell visible to the naked eye is a spectral characteristic of the light passing therethrough, so that the color of light passing through the unit cell is expressed in color coordinates. Expressed.
  • a value corresponding to the color coordinate measured for the light transmitted in the visible region is a unit. It can be called the color of the battery.
  • the unit cell according to the embodiment of the present invention falls within the range of a *: 5 to 35, b *: 45 to 55, and L *: 30 to 70 on the CIE LAB color coordinates. Can be.
  • the unit cell may be regarded as exhibiting a yellow-based color.
  • Table 4 show color coordinates of the optical layer 160 according to the embodiment of the present invention.
  • the method of measuring color coordinates is the same as the method of measuring color coordinates for the unit cell.
  • FIGS. 11 and 4 show the results of measuring the color coordinates after the optical layer 160 is formed on one surface of both surfaces of the glass substrate. Since the transparent substrate was used as the glass substrate, the color coordinate measured values shown in FIGS. 11 and 4 may be regarded as the same as the color coordinate values of the optical layer 160 itself.
  • the optical layer 160 according to an embodiment of the present invention is a *: -50 ⁇ -10, b *: -60 ⁇ -10, L *: 60 ⁇ on the CIE LAB color coordinate It can be seen that it belongs to the range of 90.
  • Table 5 show the color coordinates of the photovoltaic module according to an embodiment of the present invention.
  • the method of measuring color coordinates is the same as the method of measuring color coordinates of the unit cell and the optical layer.
  • the photovoltaic module according to an embodiment of the present invention falls within the range of a *: -25 to 0, b *: 10 to 50, and L *: 20 to 50 on the CIE LAB color coordinates. It can be seen.
  • the photovoltaic module of the present invention exhibits a color with less visual fatigue when applied to a window of a building. As a result, compared to the photovoltaic module having a color such as reddish brown or orange, it gives relatively less visual fatigue, thereby achieving high harmony and beauty with the building.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 기판 상에 형성되는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성되는 광전변환층, 상기 광전변환층 상에 형성되는 제2 전극, 상기 제2 전극 상부에 배치되는 투광성 이면 기판을 포함하고, CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표 상에서 a*: -25~0, b*: 10~50, L*: 20~50 에 해당하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈이 제공된다.

Description

광기전력 모듈 및 그 제조 방법
본 발명은 광기전력 모듈과 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유 또는 석탄과 같은 기존 에너지 자원에 대한 고갈이 예측되면서 이들을 대체할만한 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 에너지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다. 태양 에너지의 이용방법으로는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는 데에 필요한 증기를 발생시키는 태양열 에너지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기 에너지로 변환시키는 태양광 에너지가 있다.
태양광을 전기 에너지로 변환하는 광기전력 모듈은 다이오드와 같이 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조를 가지며, 광기전력 모듈에 빛이 입사되면 빛과 광기전력 모듈의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 광기전력 모듈을 구성하는 p형 및 n형 반도체 중 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체 및 p형 반도체와 접합된 전극들로 이동하고, 이 전극들을 전선으로 연결하면 전기가 외부로 흐른다.
이와 같은 광기전력 모듈은 발전용뿐만 아니라 건축용으로도 사용되고 있다. 건축용 광기전력 모듈은 건물의 지붕, 벽 또는 창 등에 장착되어 발전을 수행한다. 건축용 광기전력 모듈의 경우 발전용 광기전력 모듈에 비하여 여러 가지 다른 특징을 가져야 하므로 건축용 광기전력 모듈에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
현재 상용화되고 있는 건축용 광기전력 모듈은 어두운 흑색이거나, 대부분 적갈색 또는 주황색을 띈다. 이러한 광기전력 모듈이 건물의 창 등에 장착될 시에는 시각적 피로감을 쉽게 줄 수 있다. 또한, 미적인 측면에서도 좋지 않을 뿐만 아니라 전체적인 건물과의 조화도 또한 떨어지는 문제가 있었다.
따라서, 태양광을 수광하여 전기 에너지를 낼 수 있으면서도 건물에 장착될 시에 피로감을 적게 주며, 미적으로 건축물과의 조화도 꾀할 수 있는 광기전력 모듈에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 사용자로 하여금 시각적 피로감을 덜 느끼게 함과 동시에 건축물에 장착시 건축물과의 조화 또한 꾀할 수 있는 광기전력 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판 상에 형성되는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성되는 광전변환층, 상기 광전변환층 상에 형성되는 제2 전극, 상기 제2 전극 상부에 배치되는 투광성 이면 기판을 포함하고, CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표 상에서 a*: -25~0, b*: 10~50, L*: 20~50 에 해당하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈이 제공된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 기판 상에 형성되는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성되는 광전변환층, 상기 광전변환층 상에 형성되는 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 형성되는 절연성 보호층, 상기 절연성 상에 배치되는 투광성 이면 기판, 상기 기판의 하면, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이, 상기 제2 전극과 상기 절연성 보호층 사이, 상기 절연성 보호층과 상기 이면 기판 사이, 상기 이면 기판 상부 중 적어도 하나의 위치에 형성되어 색상을 나타내는 광학층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈이 제공된다.
본 발명에 따르면, 사용자로 하여금 시각적 피로감을 덜어줄 수 있는 색상을 갖는 광기전력 모듈이 얻어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 건물의 창 등에 적용될 경우 위화감 또는 시각적 피로감이 덜하며 건축물과의 높은 조화도 및 미려함도 꾀할 수 있는 광기전력 모듈을 얻을 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학층의 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈의 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위전지의 색 좌표를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학층의 색 좌표를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈의 색 좌표를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈에 대해 설명하기로 한다.
광기전력 모듈의 구성
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 광기전력 모듈은 기판(100) 상에 순차적으로 형성되는 제1 전극(110), 광전변환층(120), 제2 전극(130)을 포함할 수 있다. 한편, 제2 전극(130) 상에는 절연성 보호층(140) 및 이면 기판(150)이 더 포함될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈은 적어도 일부에 광학층(160)을 포함한다. 광학층(160)은 광기전력 모듈의 임의의 위치에 포함될 수 있다. 예를 들면 광학층(160)은 도 1에 도시되는 바와 같이, 기판(100) 하부에 형성될 수도 있으며, 도 2에 도시되는 바와 같이 기판(100)과 제1 전극(110) 사이에 형성될 수도 있다. 또한, 도 3에 도시되는 바와 같이 제2 전극(130)과 절연성 보호층(140) 사이에 형성될 수도 있다. 한편, 도 4에 도시되는 바와 같이 절연성 보호층(140)과 이면 기판(150) 사이에 형성될 수도 있으며, 도 5에 도시되는 바와 같이 이면 기판(150) 상에 형성될 수도 있다. 또한, 광학층(160)은 도 1 내지 도 5에 도시되는 위치 중 2군데 이상에 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학층(160)은 전체 광기전력 모듈이 색상을 가질 수 있도록 하는 구성요소이다. 이러한 광학층(160)은 통상적인 용매에 착색용 안료 또는 염료를 용해함으로써 이루어진다. 광학층(160)은 예를 들면 코팅층일 수 있다. 광학층(160)이 이면 기판(150) 상에 형성되는 경우에는, 이면 기판(150) 상에 일정 비율의 착색용 안료 또는 염료를 포함하는 용액을 도포함으로써 형성될 수 있다. 안료 또는 염료는 예를 들면 용매에 대해 약 5% 내지 40%의 중량으로 포함될 수 있다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 광학층(160)의 투과율 및 흡수율을 각 파장에 대해 나타낸 그래프이다.
한편, 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학층(160)의 투과율, 반사율, 흡수율을 각 파장대별로 나타낸다.
양면 중 일면에 광학층(160)이 형성된 이면 기판(150)을 대상으로 투과율, 반사율, 흡수율에 대한 측정을 수행하였으며, 비교를 위해 광학층(160)이 형성되지 않은 이면 기판(150)을 대상으로도 투과율, 반사율, 흡수율을 측정하였다.
표 1
근자외선(Near UV)(300nm~400nm) 가시광영역(400nm~800nm) 근적외선(Near IR)(780nm~3000nm)
투과율 반사율 흡수율 투과율 반사율 흡수율 투과율 반사율 흡수율
투명기판 55.2 18.9 25.9 87.3 6.1 6.6 73.2 8.5 18.4
투명기판+광학층(15%) 11.3 16.8 71.9 38.5 4.2 57.3 76.0 8.5 15.4
표 1에서 15%라는 것은 광학층(160)의 색농도를 나타낸 것으로서, 광학층(160) 형성의 재료가 되는 용액에 있어서 용매에 대한 안료 또는 염료의 중량비가 15%라는 것을 의미한다.
표 1 및 도 6을 참조하면, 광학층(160)의 투과율은 근자외선 영역(300nm~400nm)에서 약 5% 내지 40%이고, 근적외선 영역(780nm~3000nm)에서 약 50% 내지 80%임을 알 수 있다. 또한, 표 1 및 도 7을 참조하면, 광학층(160)의 흡수율은 근자외선 영역(300nm~400nm)에서 약 50% 내지 80%이고, 근적외선 영역(780nm~3000nm)에서 약 10% 내지 25%임을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학층(160)으로서는 위에서 설명한 특성을 만족시키는 물질이라면 어떠한 물질이라도 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판(100)은 절연성 투명기판일 수 있다. 또한 기판(100)은 글라스와 같은 인플렉서블 기판(inflexible substrate)일 수도 있고, 폴리머나 금속 포일과 같은 플렉서블 기판(flexible substrate)일 수도 있다. 이러한 기판(100)은 플라스틱 또는 글라스 등의 물질로 형성될 수 있으며, 기판(100)이 금속 포일을 포함할 경우 기판(100)은 금속 포일을 덮는 절연층(미도시)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극(110)은 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(110)은 전도성 투명전극(TCO; Transparant Conductive Oxides)일 수 있다. 전도성 투명전극은 SnO2:F, ZnO:B, ZnO:Al 등을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광전변환층(120)은 비정질 광전변환층, 결정질 광전변환층, 화합물 광전변환층, 유기물 광전변환층 중 하나를 포함할 수 있다. 화합물 광전변환층은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 족 화합물 반도체, Ⅱ-Ⅵ 족 화합물 반도체, 또는 Ⅲ-Ⅴ 족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 비정질 광전변환층은 3족 또는 5족 불순물이 도핑된 실리콘층 사이에 불순물이 도핑되지 않은 실리콘층을 포함한다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극(110), 광전변환층(120), 제2 전극(130)을 포함하는 태양전지는 CIGS 태양전지, CdTe 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 박막 태양전지로 구현될 수도 있다. 이하에서는 광전변환층(120)이 비정질 광전변환층을 포함하여 구성되는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
즉, 예를 들면, 광전변환층(120)은 p 타입 반도체층, 진성 반도체층, n 타입 반도체층이 순차적으로 적층된 형태로 형성될 수 있다. p 타입 반도체층, 진성 반도체층, n 타입 반도체층의 적층 순서는 반대로 될 수도 있다. p 타입 반도체층, 진성 반도체층, n 타입 반도체층의 순서대로 적층되는 경우 빛은 기판(100)을 통하여 입사되고, 역 순서대로 적층되는 경우 빛은 기판(100) 맞은 편을 통해 입사될 수 있다. p 타입 반도체층은 a-Si:H 또는 a-SiC:H 등의 화학식으로 표현되는 비정질 실리콘층일 수 있다. 이러한 p 타입 반도체층은 실란(SiH4)과 같이 실리콘을 포함하는 원료 가스, B2H6와 같은 3족 원소를 포함하는 도핑 가스와 더불어 수소(H2) 가스가 반응실에 혼입됨으로써 형성될 수 있다. 한편, 메탄(CH4) 가스가 원료 가스로서 더 혼입됨으로써 탄소가 포함된 a-SiC:H 의 화학식으로 표현될 수 있는 p 타입 반도체층이 얻어질 수 있다. 또한, 진성 반도체층은 실리콘을 포함하는 원료 가스와 수소 가스가 반응실에 유입됨으로써 형성될 수 있다. 한편, n 타입 반도체층은 실리콘을 포함하는 원료 가스, PH3와 같은 5족 원소를 포함하는 도핑 가스, 수소 가스가 혼입됨으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극(130)은 불투명 전도성 물질 또는 투명 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 제2 전극(130)이 불투명 전도성 물질(예를 들면, 알루미늄 또는 은 등)인 경우에는, 광기전력 모듈에 입사되는 광 중 광전변환에 이용되지 못하고 그대로 투과하는 광을 제2 전극(130)에서 다시 한 번 반사시켜 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 광기전력 모듈을 건물의 창 등에 적용하는, 이른바 BIPV(Building Integrated PhotoVotaic) 모듈로 이용하기 위해서는, 투광성을 갖는 것이 바람직하다.
광기전력 모듈이 투광성을 갖도록 하기 위해 크게 3가지 방법이 이용될 수 있다. 제1 방법으로는 제2 전극(130)이 불투명 전도성 물질인 경우에, 제2 전극(130)에 투광성 개구부를 형성하는 방법이다. 투광성 개구부가 적어도 제2 전극(130)을 관통함으로써, 전체 광기전력 모듈은 투광성을 갖게 된다.
제1 전극(110), 광전변환층(120), 제2 전극(130)의 적층체는 예를 들면 레이저 스크라이빙법 등에 의해 분리된 광전변환층(120)을 중심으로 복수의 단위전지로 나뉘고, 이 복수의 단위전지는 서로 직렬 연결된다. 이 경우, 투광성 개구부는 복수개의 단위전지의 직렬 연결 방향과 평행한 방향으로 연장될 수 있다. 전체 광전변환영역, 즉, 광전변환층(120)이 형성된 면적에 대해 투광성 개구부가 형성된 면적의 비를 개구율이라고 하는데, 이러한 개구율은 0% 내지 50%일 수 있다.
제2 방법으로는 제2 전극(130) 자체를 투명 전도성 산화물 (TCO; Transparant Conductive Oxides) 등의 투명 전도성 물질로 형성하는 것이다. 투명 전도성 물질은, 예를 들면, SnO2:F, ZnO:B, ZnO:Al, ITO, TiO2, 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 제2 방법에 따르면, 제2 전극(130)이 불투명 전도성 물질에 비하여 상대적으로 높은 반사율을 가질 수 없어서, 전체 광기전력 모듈은 상대적으로 높은 광전변환 효율을 보이지 않을 수 있다. 다만, 제2 전극(130)이 광투과성을 갖기 때문에 투광성 개구부 등을 별도로 형성하지 않아도 광투과성을 확보할 수 있게 된다.
제3 방법으로는 제2 전극(130)을 투명 전도성 물질로 형성하는 것에 더하여, 제2 전극(130)을 관통하는 투광성 개구부를 형성하는 것이다. 이에 따르면, 제2 전극(130)이 광투과성을 갖는 것에 더하여, 광투과성 확보를 위한 투과성 개구부가 형성되기 때문에, 광기전력 모듈의 광투과성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈은 상기 3가지 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 투광성을 갖게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절연성 보호층(140)은 EVA(Etylene Vinyl Acetate), PVF(polyvinylfloride), PVB(Polyvinyl butyral), 아크릴 시트 또는 백시트(back sheet) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 절연성 보호층(140)은 제2 전극(130)과 이면 기판(150) 사이의 접합재로서 기능을 할 수 있으며, 전술한 바와 같이, 절연성 보호층(140)의 양면 중 적어도 일면에 광학층(160)을 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이면 기판(150)은 투명 글라스 기판 또는 소정의 색상을 갖는 글라스 기판으로 이루어질 수 있다. 또한, 글라스 외에 플라스틱 등의 물질로 형성될 수도 있다. 표 1 및 도 6을 참조하면, 이면 기판(150)은 전 파장 영역에서 약 50% 이상의 투과율을 가질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈의 투과율, 반사율, 흡수율 특성 및 색좌표에 대해 설명하기로 한다.
광기전력 모듈의 투과율, 반사율 흡수율 특성
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈의 투과율 및 흡수율을 각 파장에 대해 나타낸 그래프이다.
한편, 표 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈의 투과율, 반사율, 흡수율을 각 파장대별로 나타내는 표이다.
제2 전극(130)이 투명 전도성 물질로 이루어지고 개구율이 0%인 경우의 광기전력 모듈을 구현하여 측정하였고, 광학층(160)은 절연성 보호층(140)과 이면 기판(150) 사이에 포함시켜 측정을 수행하였다.
표 2
근자외선(Near UV)(300nm~400nm) 가시광영역(400nm~800nm) 근적외선(Near IR)(780nm~3000nm)
투과율 반사율 흡수율 투과율 반사율 흡수율 투과율 반사율 흡수율
모듈 A(10%) 0 24.3 75.7 6.1 5.7 88.2 9.2 21.0 69.8
모듈 B(12%) 0.1 25.3 74.6 6.0 5.9 88.1 8.9 21.4 69.7
모듈 C(13%) 0 26.5 73.5 4.8 6.3 88.9 9.4 23.4 67.3
모듈 D(14%) 0 23.6 76.4 4.6 5.4 90.0 9.6 21.3 69.1
모듈 E(15%) 0 24.4 75.6 4.4 5.6 90.0 9.2 20.5 70.3
모듈 F(16%) 0 26.6 73.4 4.1 6.0 89.9 9.5 21.9 68.7
모듈 G(17%) 0 26.4 73.6 3.7 5.9 90.4 9.1 21.5 69.3
모듈 H(20%) 0 23.3 76.7 3.3 5.6 91.0 8.9 21.0 70.1
표 2에서 10%, 12%, 13%, 14%, 15%, 16%, 17%, 20% 라는 것은 광학층(160)의 색농도를 나타낸 것으로서, 광학층(160) 형성의 재료가 되는 용액에 있어서 용매에 대한 안료 또는 염료의 중량비를 의미한다.
표 2 및 도 8을 참조하면, 광기전력 모듈의 투과율은 근자외선 영역(300nm~400nm)에서 약 0% 내지 5%이고, 근적외선 영역(780nm~3000nm)에서 약 5% 내지 15%임을 알 수 있다. 또한, 표 2 및 도 9를 참조하면, 광학층(160)의 흡수율은 근자외선 영역(300nm~400nm)에서 약 65% 내지 85%이고, 근적외선 영역(780nm~3000nm)에서 약 60% 내지 80%임을 알 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 광학층(160)의 형성, 절연성 보호층(140) 또는 이면 기판(150)의 고유 색상 등에 의해 전체 광기전력 모듈은 소정의 색상을 가질 수 있다.
도 10 및 표 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈에 있어서 단위전지의 색상에 대한 색 좌표를 나타낸다. 여기서의 색 좌표는 CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표이다. CIE LAB 색 좌표는 모든 색상을 X, Y, Z 라는 3자 극치의 상대적인 양으로 표현하고, 이러한 수치를 3가지 좌표, 즉, L*, a*, b*값으로 변환한 것이다. 여기서 L*은 밝기의 변수이며, a* 와 b*는 색도 좌표(chromacity coordinates)이다. a*는 적색(Red)과 녹색(Green)을 잇는 축과 관련된 좌표이고, b*는 노란색(Yellow)과 청색(Blue)을 잇는 축과 관련된 좌표이다.
단위전지의 색상에 대한 색 좌표는 태양광 스펙트럼의 일부에 해당하는 약 300nm 내지 약 1200nm의 파장을 갖는 빛을 단위전지에 조사하였을 때, 이를 투과하는 빛의 스펙트럼을 대상으로 측정한 것이다. 측정 장비로서는 분광광도계(Spectrophotometer)(X-Rite color i5)의 투광형 장비를 사용하였다. 단위전지는 빛을 반사하는 특성보다는 빛을 투과하는 특성을 크게 가지고 있으며, 육안으로 확인할 수 있는 단위전지의 색상은 이를 투과하는 빛의 스펙트럼 특성이므로, 단위전지를 투과하는 빛의 색상을 색 좌표로 표현하였다. 이렇게 측정된 색 좌표, 즉, 단위전지에 약 300nm 내지 약 1200nm의 파장을 갖는 빛을 투과시켰을 때, 가시광선 영역에서(300nm~800nm) 투과되는 빛에 대해 측정한 색 좌표에 해당하는 값이 단위전지의 색상이라 할 수 있다.
표 3
순번 색좌표
단위전지 1 L a* b*
45.45 21.14 53.20
도 10 및 표 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단위전지는 CIE LAB 색 좌표 상에서 a*: 5~35, b*: 45~55, L*: 30~70의 범위 내에 속함을 알 수 있다. 전체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전력 모듈에 있어서 단위전지는 노란색 계열의 색상을 나타내는 것으로 볼 수 있다.
한편, 도 11 및 표 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학층(160)의 색 좌표를 나타낸다. 색 좌표의 측정 방법은 위의 단위전지에 대한 색 좌표 측정 방법과 동일하다.
표 4
순번 색좌표
투명기판+광학층(15%) 1 L a* b*
75.93 -37.38 -23.08
도 11 및 표 4는 글라스 기판의 양면 중 일면에 광학층(160)을 형성시킨 후 색 좌표를 측정한 결과를 나타낸다. 글라스 기판으로서 투명 기판을 사용하였기 때문에 도 11 및 표 4에 나타나는 색 좌표 측정값이 광학층(160) 자체의 색 좌표 값과 동일하다고 보아도 무방하다.
표 4에서 15%라는 것은 광학층(160)의 색농도를 나타낸 것으로서, 광학층(160) 형성의 재료가 되는 용액에 있어서 용매에 대한 안료 또는 염료의 중량비가 15%라는 것을 의미한다. 글라스로서 투
도 11 및 표 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광학층(160)은 CIE LAB 색 좌표 상에서 a*: -50~-10, b*: -60~-10, L*: 60~90의 범위 내에 속함을 알 수 있다.
도 12 및 표 5는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈의 색 좌표를 나타낸다. 색 좌표의 측정 방법은 위의 단위전지 및 광학층에 대한 색 좌표 측정 방법과 동일하다.
표 5
순번 구성 색좌표
L a* b*
광기전력모듈 1 투명 기판 45.83 18.24 51.19
2 모듈 A(10%) 26.64 -1.09 39.34
3 모듈 B(12%) 27.41 -7.44 31.16
4 모듈 C(13%) 24.66 -11.07 34.17
5 모듈 D(14%) 24.75 -9.84 34.75
6 모듈 E(15%) 26.34 -12.80 19.18
7 모듈 F(16%) 24.24 -15.07 32.16
8 모듈 G(17%) 24.12 -16.52 25.70
9 모듈 H(20%) 22.12 -18.08 23.22
표 5에서 "구성"이라는 것은 광기전력 모듈에 포함되는 구성요소를 의미하며, "1"번은 이면 기판으로서 투명색 기판이 포함된 것이며, "2" 내지 "9"번은 소정의 색 농도를 갖는 광학층(160)이 포함되는 광기전력 모듈임을 의미한다. 한편, 표 5에서 10%, 12%, 13%, 14%, 15%, 16%, 17%, 20% 라는 것은 광학층(160)의 색농도를 나타낸 것으로서, 광학층(160) 형성의 재료가 되는 용액에 있어서 용매에 대한 안료 또는 염료의 중량비를 의미한다.
도 12 및 표 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 모듈은 CIE LAB 색 좌표 상에서 a*: -25~0, b*: 10~50, L*: 20~50의 범위 내에 속함을 알 수 있다.
본 발명의 광기전력 모듈은 건물의 창 등에 적용될 경우 시각적 피로감이 덜한 색상을 나타낸다. 이에 따라 종래 적갈색 또는 주황색 등의 색상을 가졌던 광기전력 모듈에 비해 상대적으로 시각적 피로감을 덜 주게 되어 건축물과의 높은 조화도 및 미려함을 꾀할 수 있게 된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 기판 상에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 광전변환층;
    상기 광전변환층 상에 형성되는 제2 전극;
    상기 제2 전극 상부에 배치되는 투광성 이면 기판을 포함하고,
    CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표 상에서 a*: -25~0, b*: 10~50, L*: 20~50 에 해당하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극과 상기 이면 기판 사이에 형성되는 절연성 보호층; 및
    상기 기판의 하면, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이, 상기 제2 전극과 상기 절연성 보호층 사이, 상기 절연성 보호층과 상기 이면 기판 사이, 상기 이면 기판 상부 중 적어도 하나의 위치에 형성되어 색상을 나타내는 광학층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  3. 기판 상에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 광전변환층;
    상기 광전변환층 상에 형성되는 제2 전극;
    상기 제2 전극 상에 형성되는 절연성 보호층;
    상기 절연성 상에 배치되는 투광성 이면 기판; 및
    상기 기판의 하면, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이, 상기 제2 전극과 상기 절연성 보호층 사이, 상기 절연성 보호층과 상기 이면 기판 사이, 상기 이면 기판 상부 중 적어도 하나의 위치에 형성되어 색상을 나타내는 광학층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    CIE(국제조명위원회) LAB 색 좌표 상에서 a*: -25~0, b*: 10~50, L*: 20~50 에 해당하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광학층은 용매에 대한 착색용 안료 및 염료의 중량비가 5% 내지 40%인 용액으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광학층은 CIE LAB 색 좌표 상에서 a*: -50~-10, b*: -60~-10, L*: 60~90에 해당하는 범위의 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광학층의 투과율은 근자외선 영역에서 5% 내지 40%, 근적외선 영역에서 50% 내지 80%인 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광학층의 흡수율은 근자외선 영역에서 50% 내지 80%, 근적외선 영역에서 10% 내지 25%인 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    투과율은 근자외선 영역에서 0% 내지 5%, 근적외선 영역에서 5% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    흡수율은 근자외선 영역에서 65% 내지 85%, 근적외선 영역에서 60% 내지 80%인 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
  11. 제1항 또는 제3에 있어서,
    상기 제2 전극에는 적어도 상기 제2 전극을 관통하는 투광성 개구부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈.
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