WO2013129797A1 - 집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지 - Google Patents

집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지 Download PDF

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WO2013129797A1
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WO
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microlens array
photoactive layer
array
micro lens
solar cell
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PCT/KR2013/001307
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양상식
이재진
이기근
남민우
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아주대학교산학협력단
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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a technique for improving light absorption efficiency of a solar cell in which a photoactive layer is formed of a III-V compound semiconductor using a light collecting microlens array.
  • Solar cell types can be broadly classified into silicon solar cells, compound semiconductor solar cells, dye-sensitized solar cells, and organic solar cells according to materials.
  • Compound semiconductor solar cells can be classified into III-V, II-III-VI, and II-VI solar cells according to materials.
  • group III-V compound semiconductors have a direct bandgap energy structure and have relatively higher absorption coefficients than other compound semiconductors. Therefore, the light absorption efficiency of the solar cell can be increased by using the III-V compound semiconductor as the photoactive layer material.
  • gallium arsenide (GaAs) materials are the most developed as solar cell materials.
  • FIG. 1 A solar cell composed of such a gallium arsenide photoactive layer is shown in FIG. 1.
  • the generated current through photovoltaic conversion of the sunlight absorbed by the photoactive layer 4 may be generated through a power line (not shown) connected to the upper electrode 2 and the lower electrode 3, respectively. Not shown) or electronic devices (not shown) can be supplied.
  • the sealing material 4 is enclosed around the photoactive layer 4.
  • the solar cell is sealed using mainly flat glass or transparent polymer as a cover 1. Accordingly, in the solar cell, an efficiency loss occurring at the upper electrode 2 inevitably exists.
  • the present invention provides a solar cell in which a microlens array forming a predetermined gap from an upper end of the photoactive layer is disposed on the upper end of the photoactive layer on which the upper opaque metal lattice electrode is formed.
  • a solar cell including a light collecting microlens array includes: a lower electrode; A photoactive layer having an upper opaque metal lattice electrode formed at an upper end thereof, a lower end disposed on the lower electrode made of a III-V compound semiconductor, and absorbing sunlight to generate photoelectric conversion; And a micro lens array arranged in a predetermined gap from an upper end of the photoactive layer and refracting incident sunlight to the photoactive layer.
  • the predetermined gap between the photoactive layer and the micro lens array is such that the area of spots formed on the top of the photoactive layer is minimized by sunlight incident on the micro lens array being refracted by the micro lens array. It may be the same height from which the micro lens array is located from the top of the photoactive layer.
  • a plurality of microlenses having a truncated spherical shape in which incident sunlight is refracted may be formed on an upper surface thereof.
  • Each of the spherical micro lenses may be formed on an upper surface of the micro lens array such that a distance from an adjacent spherical micro lens is “0”.
  • a predetermined gap between the lower surface of the microlens array on which the plurality of spherical microlenses is formed and the upper end of the photoactive layer may be 900 ⁇ m.
  • a plurality of truncated cylindrical shapes in which incident sunlight is refracted may be formed on an upper surface of the microlens array.
  • Each of the cylindrical micro lenses may be formed on an upper surface of the micro lens array such that a distance from an adjacent cylindrical micro lens is “0”.
  • a predetermined gap between the lower surface of the microlens array in which the cylindrical microlenses are formed and the upper end of the photoactive layer may be 600 ⁇ m.
  • the solar cell including the light condensing microlens array may further include a sealing member on the lower electrode to surround the photoactive layer and the microlens array and to transmit sunlight.
  • the micro lens array may be tightly coupled to an inner surface of the sealing member, and may be disposed to form a predetermined gap from an upper end of the photoactive layer.
  • an upper end is in close contact with a lower surface of the micro lens array and a lower end is an upper end of the photoactive layer so that the micro lens array is disposed in a predetermined gap from an upper end of the photoactive layer. It may further include a spacer member in close contact with the support for the micro lens array.
  • the top of the photoactive layer to minimize the spot area of sunlight on the top of the photoactive layer on the top of the photoactive layer formed with the upper opaque metal grid electrode
  • the amount of photons that can be converted into electricity in the photoactive layer can be increased by concentrating sunlight directed to the upper opaque metal lattice electrode into the photoactive layer region between the electrodes.
  • FIG. 1 is a view showing the structure of a conventional solar cell.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a solar cell having a light collecting microlens array according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a photograph in which parallel light passing through the microlens array of FIG. 2 focuses on a charge-coupled device (CCD).
  • CCD charge-coupled device
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a size of a spot area according to a focal length.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a grating electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a grating electrode according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a current-voltage characteristic curve of a solar cell mounted with a light collecting microlens array.
  • FIG. 8 shows a curve of solar cell current density and efficiency with height according to a gap between the microlens array and the top surface of the photoactive layer.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, regions, and / or portions, it is obvious that these members, components, regions, layers, and / or portions should not be limited by these terms. Do. These terms do not imply any particular order, up or down, or superiority, and are only used to distinguish one member, region or region from another member, region or region. Accordingly, the first member, region, or region described below may refer to the second member, region, or region without departing from the teachings of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a solar cell having a light collecting microlens array according to an embodiment of the present invention.
  • the solar cell 30 including the light collecting micro lens array includes a lower electrode 10, an upper opaque metal grid electrode 12, a photoactive layer 14, and a micro
  • the lens array 16, the sealing member 18, and the optical spacer 24 are included.
  • an upper opaque metal lattice electrode 12 is formed at an upper end thereof, and a lower end thereof is disposed on the lower electrode 10.
  • the semiconductor is made of a III-V compound semiconductor to absorb sunlight to generate photoelectric conversion. Layer.
  • the photoactive layer 14 may be formed of a GaAs semiconductor.
  • the micro lens array 16 is disposed to form a predetermined gap 22 from the upper end of the photoactive layer 14 and refracts the sunlight transmitted through the transparent sealing member 18.
  • the micro lens array 16 may be made of quartz and a polymer.
  • the sealing member 18 surrounds the photoactive layer 14 and the micro lens array 16 on the lower electrode 10 and transmits sunlight.
  • the spacer 24 has an upper end in close contact with the lower surface of the micro lens array 16 so that the micro lens array 16 is disposed to form a predetermined gap 22 from the upper end of the photoactive layer 14.
  • the micro lens array 16 is supported by being in close contact with the upper end of the photoactive layer 14. Accordingly, the micro lens array 16 supported by the spacer member 24 is disposed to form a predetermined gap 22 from the upper end of the photoactive layer 14 and is closely coupled to the sealing member 18.
  • the predetermined gap 22 between the upper end of the photoactive layer 14 and the micro lens array 16, the sunlight incident on the micro lens array 16 is refracted by the micro lens array 16 is the In order to minimize the area of a spot formed at the top of the photoactive layer 14, the height of the micro lens array 16 may be equal to the height at which the micro lens array 16 is positioned.
  • the size of the spacer 24 is equal to a predetermined gap 22 between the upper end of the photoactive layer 14 and the micro lens array 16.
  • a predetermined gap 22 between the upper end of the photoactive layer 14 and the micro lens array 16 may vary depending on the type of the micro lens array 16.
  • the microlens array 16 has a plurality of truncated spherical shape microlenses formed so that the sunlight incident on the upper surface is refracted, or truncated cylindrical truncated so that the sunlight incident on the upper surface is refracted
  • a plurality of micro lenses of a cylindrical shape may be formed.
  • each of the plurality of spherical micro lenses when a plurality of spherical micro lenses are formed on the upper surface of the micro lens array 16, each of the plurality of spherical micro lenses, the micro lens array so that the distance from the adjacent spherical micro lens is "0". It may be formed on the upper surface of the.
  • a plurality of spherical microlens arrays cover the photoactive layer 14, and the size of one spherical microlens 26 is the distance between the upper opaque metal lattice electrodes 12 and the size of the upper opaque metal lattice electrodes (FIG. Referring to 2, the horizontal size at the cross-section of the upper opaque metal lattice electrode) may coincide with the sum 28. Accordingly, the sunlight collected from the spherical micro lens passes between the upper opaque metal lattice electrodes 12 formed on the upper end of the photoactive layer 14 and is transmitted to the photoactive layer 14, thereby enabling fine solar control.
  • the predetermined gap 22 between the lower surface of the microlens array 16 on which the plurality of spherical microlenses is formed and the top of the photoactive layer 14 may be 900 ⁇ m, which is a microlens on which the spherical microlenses are formed.
  • the solar light incident on the array 16 is refracted by the spherical microlens so that the area of the spot formed on the top of the photoactive layer 14 is minimized. This is the result obtained by repeated experiments.
  • each of the plurality of cylindrical microlenses has the microlenses such that a distance from an adjacent cylindrical microlens is "0". It may be formed on an upper surface of the array 16.
  • a plurality of cylindrical microlens arrays cover the photoactive layer 14, and the size 26 of one cylindrical microlens may coincide with the gap 28 of the upper opaque metal grid electrode 12. Accordingly, the solar light collected by the cylindrical micro lens passes between the upper opaque metal lattice electrodes 12 formed on the upper end of the photoactive layer 14 and is transferred to the photoactive layer 14, thereby enabling fine solar control.
  • the predetermined gap between the lower surface of the microlens array 16 on which the plurality of cylindrical microlenses is formed and the upper end of the photoactive layer 14 may be 600 ⁇ m, which is the microlens array 16 on which the cylindrical microlenses are formed. ) Is a height obtained by minimizing the area of the spot (spot) formed on the top of the photoactive layer 14 is refracted by the spherical micro-lens, and the result obtained by repeated experiments.
  • the solar cell 30 may further include a sealing material 20 surrounding the photoactive layer 14.
  • the sealing material 20 protects the photoactive layer 14 from factors such as external efficiency degradation such as moisture in the air or physical impact.
  • the parallel light directed toward the portion of the upper opaque metal lattice electrode 12 may be refracted to the photoactive layer 14 region between the electrodes to reduce the loss reflected by the upper opaque metal lattice electrode 12.
  • Light refracted by 16 may evenly reach inside the photoactive layer 14 to minimize losses due to shadow effects at the bottom of the upper opaque metal lattice electrode 12.
  • the lens condensing effect due to the application of the optimal spacer 24 contributes to the active generation of photocurrent, enabling the increase of the overall photoelectric efficiency of the solar cell.
  • the constant gap 22 between the microlens array 16 and the top of the photoactive layer 14 is provided when the focus of the light refracted by the microlenses of the microlens array 16 is exactly at the top surface of the photoactive layer 14. May be optimal conditions.
  • the microlens array 16 is photoactive so that the focus of the light refracted by the microlens of the microlens array 16 is made of a transparent polymer to be precisely formed on the upper surface of the photoactive layer 14.
  • the spacer member 24 may be formed at an edge portion of the photoactive layer 14 to be disposed at a distance from the top of the layer 14.
  • the microlens array 16 is a photoactive layer 14 so that the focus of the light refracted by the microlenses of the microlens array 16 with the transparent polymer is exactly at the top surface of the photoactive layer 14. It is arranged at a distance from the top of the).
  • the sealing member 18 should be shaped to accommodate a plurality of micro lenses formed on the top of the micro lens array 16.
  • the sealing member 18 may be made of a quartz material, and may have a shape capable of accommodating the plurality of micro lenses by wet etching quartz.
  • the micro lens array 16 may be formed on the wet etched sealing member 18 through UV curing agent coating or spin coating. Accordingly, the micro lens array 16 and the sealing member 18 may be integrally formed.
  • the sealing member 18 of the integrated micro lens array 16 and the sealing member 18 serves as a sealing member and at the same time as the substrate for forming the micro lens array 16, the micro lens array 16 Acts as a layer for the refraction of sunlight.
  • the micro lens array 16 may use any material in the case of a material having a refractive index of 1.46 to 1.606 or less.
  • the gap between the top of the microlens array 16 and the photoactive layer 14 is adjusted in two ways as described above, that is, the distance between the top surface of the microlens array 16 and the photoactive layer 14 is adjusted and then the solar cell.
  • the photoelectric characteristics of there was no difference in the photoelectric characteristics of the two types of solar cells as described above.
  • FIG. 3 is a photograph in which parallel light passing through the same microlens array as in FIG. 2 focuses on a charge-coupled device (CCD).
  • CCD charge-coupled device
  • FIG. 4 A diagram illustrating this is shown in FIG. 4.
  • the microlens array showed a focal length of up to 900 ⁇ m in focal length measurement using a He-Ne laser having a wavelength of 632.8 nm and uniform light refraction capability in front of the lens.
  • the same micro lens array as in FIG. 2 may be a micro lens array 16 in which a plurality of spherical micro lenses is formed.
  • the light spots focused on the CCD can be confirmed to have a diameter of about 5.4 ⁇ m, which is not an ideal point.
  • the collected light is scattered in the form of a Gaussian distribution by scattering.
  • the range of the condensed light is about 1 to 40 ⁇ m when including the area by scattering, and in all cases where the distance between the upper opaque metal lattice electrodes 12 shown in FIG. Accordingly, in the commercialized solar cell, the width and the spacing of the lattice electrodes are about 1 to 10 ⁇ m and about 1 to 100 ⁇ m, so that they can be applied within the general range without any application restriction.
  • FIG 5 is a view showing an upper opaque lattice electrode according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a view showing an upper opaque lattice electrode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a typical top opaque grating electrode arrangement and FIG. 6 is a view showing the top opaque grating electrodes densely arranged to improve electrical characteristics.
  • the upper opaque lattice electrode array of the solar cell utilized for the performance test of the solar cell of the present invention is the same as the case of Figure 5, which is a form widely used in general photovoltaic device design.
  • the upper opaque lattice electrodes are densely arranged as in the case of FIG. 6, electrical characteristics due to an increase in the bonding surface between the photoactive layer and the upper opaque lattice electrodes are improved.
  • the amount of light reflected from the upper opaque lattice electrode increases as described above, and the shadow area under the upper opaque lattice electrode is widened, resulting in a loss of light efficiency. Conversion efficiency loss occurs and is inefficient.
  • the solar micro-control technique using the microlens array according to an embodiment of the present invention is applied, that is, the spot light incident on the microlens array is refracted by the microlens array and formed on top of the photoactive layer (
  • the microlens array is arranged to have a certain gap from the top of the photoactive layer so that the area of the spot is minimized, the solar losses can be minimized without loss of electrical characteristics, so that the upper opaque lattice electrode array shown in FIG. It can work. That is, the same (or more efficient) operation can be performed with the top opaque grating electrodes arranged in any form.
  • FIG. 7 shows a current-voltage characteristic curve of a solar cell mounted with a light collecting microlens array.
  • the current characteristics were higher than that in the case where the glass microlens array was mounted (51).
  • the micro lens array 16 has a constant gap 22 from the top surface of the photoactive layer 14 so that the light passing through the micro lens array 16 minimizes the size of the spot area formed on the top surface of the photoactive layer 14.
  • FIG. 8 shows a curve of solar cell current density and efficiency with height according to a gap between the microlens array and the top surface of the photoactive layer.
  • the current density 60 is drastically improved, and thus the power conversion efficiency 61 is increased in the same trend. It can be seen that the photoelectric characteristic peaks when it is set to the same focal length due to active exciton generation by condensing.
  • the present invention can be used in the development of solar cells.

Abstract

집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지는, 하부전극; 상단에 상부 불투명 금속 격자 전극이 형성되고, 하단이 상기 하부전극 상에 배치되며, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어져 태양광이 흡수되어 광전변환이 일어나는 광활성층; 및 상기 광활성층의 상단으로부터 일정의 갭을 이루어 배치되어 입사되는 태양광을 굴절하여 상기 광활성층에 전달하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함한다.

Description

집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 집광용 마이크로렌즈 어레이를 이용하여 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 광활성층이 구성된 태양전지의 광흡수 효율을 높이기 위한 기술에 관한 것이다.
태양전지 종류는 크게 재료에 따라 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기물 태양전지로 구분할 수 있다. 화합물 반도체 태양전지는 물질에 따라 Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅲ-Ⅵ, Ⅱ-Ⅵ 태양전지로 구분할 수 있다.
MOCVD와 MBE같은 박막 증착 장비의 발달로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체분야의 기술이 빠르게 발전하고 있다. 일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 직접 천이형(direct bandgap) 에너지 구조를 가지며 흡수계수가 다른 화합물 반도체보다 상대적으로 높은 특성이 있다. 따라서 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 광활성층 재료로 사용하여 태양전지의 광흡수 효율을 증가시킬 수 있다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 중에서 태양전지 재료로써 가장 개발이 많이 된 것이 갈륨비소(GaAs) 물질계열이다.
이러한 갈륨비소로 광활성층이 구성된 태양전지가 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 광활성층(4)에 흡수된 태양광이 광전변환 과정을 거친 생성된 전류는 상부전극(2) 및 하부전극(3)에 각각 연결된 전원 라인(미도시)을 통해 배터리(미도시) 또는 전자기기(미도시)로 공급될 수 있다. 광활성층(4)을 보호하기 위해서 광활성층(4)의 둘레에 밀폐재(4)가 에워싸여져 있다. 태양전지를 외부 환경으로부터 보호하기 위해 주로 평면 유리 혹은 투명 고분자 등을 덮개(1)로 사용하여 태양전지를 밀봉한다. 이에 따라 태양전지에서는 상부 전극(2)에서 발생하는 효율손실이 필연적으로 존재한다. 상부 전극(2)에 의해 반사되는 태양광의 손실이 존재하며, 또한 광활성층(4) 중 상부전극(2)의 하단부분에 존재하는 음영영역(5)에서는 충분한 태양광이 흡수되지 않아 광전류 생성 과정이 활발히 형성되지 못하게 된다. 이에 따라 광전변환 효율이 떨어지게 된다.
본 발명은 상부 불투명 금속 격자 전극이 형성된 광활성층의 상단에 태양광의 스팟 면적이 최소화되도록 광활성층의 상단으로부터 일정의 갭을 이루는 마이크로 렌즈 어레이가 배치된 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지는, 하부전극; 상단에 상부 불투명 금속 격자 전극이 형성되고, 하단이 상기 하부전극 상에 배치되며, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어져 태양광이 흡수되어 광전변환이 일어나는 광활성층; 및 상기 광활성층의 상단으로부터 일정의 갭을 이루어 배치되어 입사되는 태양광을 굴절하여 상기 광활성층에 전달하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함한다.
상기 광활성층과 상기 마이크로 렌즈 어레이 간 일정의 갭은, 상기 마이크로 렌즈 어레이에 입사된 태양광이 상기 마이크로 렌즈 어레이에서 굴절되어 상기 광활성층의 상단에 형성되는 스팟(spot)의 면적이 최소화되도록, 상기 광활성층의 상단으로부터 상기 마이크로 렌즈 어레이가 위치한 높이와 동일할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 상면에, 입사되는 태양광이 굴절되는 트룬케이트된 구형(truncated spherical shape)의 복수의 마이크로 렌즈가 형성될 수 있다.
상기 구형의 복수의 마이크로 렌즈 각각은, 인접하는 구형의 마이크로 렌즈와의 거리가 "0"이 되도록 상기 마이크로 렌즈 어레이의 상면에 형성될 수 있다.
상기 구형의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이의 하면과 상기 광활성층의 상단 간 일정의 갭은, 900μｍ일 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 상면에, 입사되는 태양광이 굴절되는 트룬케이트된 원통형(truncated cylindrical shape)의 복수의 마이크로 렌즈가 형성될 수 있다.
상기 원통형의 복수의 마이크로 렌즈 각각은, 인접하는 원통형의 마이크로 렌즈와의 거리가 "0"이 되도록 상기 마이크로 렌즈 어레이의 상면에 형성될 수 있다.
상기 원통형의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이의 하면과 상기 광활성층의 상단 간 일정의 갭은, 600μｍ일 수 있다.
상기 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지는, 상기 하부전극 상에서, 상기 광활성층 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 에워싸며 태양광이 투과하는 밀봉부재를 더 포함할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 밀봉부재의 내측면에 밀착 결합되고, 상기 광활성층의 상단으로부터 일정의 갭을 이루어 배치될 수 있다.
상기 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지는, 상기 마이크로 렌즈 어레이가 상기 광활성층의 상단으로부터 일정의 갭을 이루어 배치되도록, 상단이 상기 마이크로 렌즈 어레이의 하면에 밀착되며 하단이 상기 광활성층의 상단에 밀착되어 상기 마이크로 렌즈 어레이를 지지하는 간격부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지에 따르면, 상부 불투명 금속 격자 전극이 형성된 광활성층의 상단에 상기 광활성층의 상단에 태양광의 스팟 면적이 최소화되도록 상기 광활성층의 상단으로부터 일정의 갭을 이루는 마이크로 렌즈 어레이를 배치함으로써, 상부 불투명 금속 격자 전극으로 향하는 태양광을 전극 사이 광활성층 영역으로 집광시켜 광활성층에서 전기로 변환할 수 있는 광자의 양을 증대시킬 수 있다.
도 1은 종래 태양전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지의 단면도이다.
도 3은 도 2의 마이크로렌즈 어레이를 통과한 평행광이 charge-coupled device (CCD)에 초점을 형성한 사진이다.
도 4는 초점거리에 따른 스팟 면적의 크기를 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 전극을 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 격자 전극을 나타낸 도면이다.
도 7은 집광용 마이크로렌즈 어레이가 실장된 태양전지의 전류-전압 특성 곡선을 나타낸다.
도 8은 마이크로 렌즈 어레이와 광활성층의 상단 표면 간의 일정 갭에에 따른 높이에 따른 태양전지 전류 밀도와 효율 변화 곡선을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.　
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.　
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지(30)는, 하부전극(10), 상부 불투명 금속 격자전극(12), 광활성층(14), 마이크로 렌즈 어레이(16), 밀봉부재(18) 및 간격부재(Optical spacer)(24)를 포함한다.
광활성층(14)은 상단에 상부 불투명 금속 격자 전극(12)이 형성되고 하단이 상기 하부전극(10) 상에 배치되며, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어져 태양광이 흡수되어 광전변환이 일어나는 반도체층이다. 일 실시예에 있어서 상기 광활성층(14)은 GaAs 반도체로 구성될 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이(16)는 상기 광활성층(14)의 상단으로부터 일정의 갭(22)을 이루어 배치되며, 투명한 밀봉부재(18)를 투과한 태양광을 굴절시킨다. 일 실시예에 있어서 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)는 석영과 고분자로 구성될 수 있다.
밀봉부재(18)는 상기 하부전극(10) 상에서, 상기 광활성층(14) 및 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)를 에워싸며 태양광을 투과시킨다.
간격부재(24)는 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)가 상기 광활성층(14)의 상단으로부터 일정의 갭(22)을 이루어 배치되도록, 상단이 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)의 하면에 밀착되며 하단이 상기 광활성층(14)의 상단에 밀착되어 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)를 지지한다. 이에 따라 상기 간격부재(24)에 지지되는 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)는 광활성층(14)의 상단으로부터 일정의 갭(22)을 이루어 배치됨과 동시에 밀봉부재(18)에 밀착결합된다.
이때, 광활성층(14)의 상단과 상기 마이크로 렌즈 어레이(16) 간 일정의 갭(22)은, 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)에 입사된 태양광이 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)에서 굴절되어 상기 광활성층(14)의 상단에 형성되는 스팟(spot)의 면적이 최소화되도록, 상기 광활성층(14)의 상단으로부터 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)가 위치한 높이와 동일할 수 있다.
즉 간격부재(24)의 크기는 상기 광활성층(14)의 상단과 상기 마이크로 렌즈 어레이(16) 간 일정의 갭(22)과 동일하다.
상기 광활성층(14)의 상단과 상기 마이크로 렌즈 어레이(16) 간 일정의 갭(22)은 마이크로 렌즈 어레이(16)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
이 마이크로 렌즈 어레이(16)는 상면에 입사되는 태양광이 굴절되도록 트룬케이트된 구형(truncated spherical shape)의 복수의 마이크로 렌즈가 형성되거나, 상면에 입사되는 태양광이 굴절되도록 트룬케이트된 원통형(truncated cylindrical shape)의 복수의 마이크로 렌즈가 형성될 수 있다.
이때, 마이크로 렌즈 어레이(16)의 상면에 구형의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 경우, 상기 구형의 복수의 마이크로 렌즈 각각은, 인접하는 구형의 마이크로 렌즈와의 거리가 "0"이 되도록 상기 마이크로 렌즈 어레이의 상면에 형성될 수 있다.
즉 구형의 복수의 마이크로 렌즈 어레이가 광활성층(14)을 커버하는 형태이며 구형의 마이크로 렌즈 하나의 크기(26)는, 상부 불투명 금속 격자 전극(12) 간격과 상부 불투명 금속 격자 전극의 크기(도 2를 참조하면 상부 불투명 금속 격자 전극의 단면에서 가로크기)를 합한 값(28)과 일치할 수 있다. 이에 따라 구형의 마이크로 렌즈에서 집광된 태양광이 광활성층(14)의 상단에 형성된 상부 불투명 금속 격자 전극(12) 사이를 통과하여 광활성층(14)에 전달됨으로써 미세한 태양광 조절이 가능해진다.
상기 구형의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이(16)의 하면과 상기 광활성층(14)의 상단 간 일정의 갭(22)은, 900μｍ일 수 있으며, 이는 상기 구형의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이(16)에 입사된 태양광이 구형의 마이크로 렌즈에서 굴절되어 상기 광활성층(14)의 상단에 형성되는 스팟(spot)의 면적이 최소화되도록 하는 높이이며, 반복된 실험에 의하여 얻어진 결과이다.
한편, 마이크로 렌즈 어레이(16)의 상면에 원통형의 복수의 마이크로 렌즈 어레이가 형성된 경우, 상기 원통형의 복수의 마이크로 렌즈 각각은, 인접하는 원통형의 마이크로 렌즈와의 거리가 "0"이 되도록 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)의 상면에 형성될 수 있다.
즉 원통형의 복수의 마이크로 렌즈 어레이가 광활성층(14)을 커버하는 형태이며 원통형의 마이크로 렌즈 하나의 크기(26)는 상부 불투명 금속 격자 전극(12) 간격(28)과 일치할 수 있다. 이에 따라 원통형의 마이크로 렌즈에서 집광된 태양광이 광활성층(14)의 상단에 형성된 상부 불투명 금속 격자 전극(12) 사이를 통과하여 광활성층(14)에 전달됨으로써 미세한 태양광 조절이 가능하게 된다.
상기 원통형의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이(16)의 하면과 상기 광활성층(14)의 상단 간 일정의 갭은, 600μｍ일 수 있으며, 이는 상기 원통형의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이(16)에 입사된 태양광이 구형의 마이크로 렌즈에서 굴절되어 상기 광활성층(14)의 상단에 형성되는 스팟(spot)의 면적이 최소화되도록 하는 높이이며, 반복된 실험에 의하여 얻어진 결과이다.
나아가 상기 태양전지(30)는, 광활성층(14)을 에워싸는 밀폐재(20)를 더 구비할 수 있다. 상기 밀폐재(20)는, 공기 중의 수분이나 물리적인 충격 등의 외부 효율 저하 요인으로부터 광활성층(14)을 보호한다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 마이크로렌즈 어레이로, 도 1에 도시된 종래 덮개(1)를 대체할 경우에는 미세한 태양광 제어로 인해 도 1의 태양전지에서 발생했던 광 손실을 줄일 수 있다.
즉, 상부 불투명 금속 격자 전극(12) 부분으로 향하는 평행광을 전극 사이의 광활성층(14) 영역으로 굴절시켜 상부 불투명 금속 격자 전극(12)에 의해 반사되는 손실을 줄일 수 있으며, 마이크로 렌즈 어레이(16)에 의해서 굴절된 빛은 광활성층(14) 내부로 골고루 도달하여 상부 불투명 금속 격자 전극(12) 아랫부분에서의 그림자 효과로 인한 손실을 최소화할 수 있다. 또한 최적의 간격부재(24)의 적용으로 인한 렌즈 집광 효과는 활발한 광전류 생성에 기여하여 태양전지의 전반적인 광전 효율 증가를 가능하게 해준다.
마이크로 렌즈 어레이(16)와 광활성층(14) 상단 간의 일정 갭(22)은, 마이크로 렌즈 어레이(16)의 마이크로 렌즈에서 굴절된 빛의 초점이 정확히 광활성층(14) 상단 표면에 맺혔을 경우에 최적의 조건일 수 있다. 실제 태양전지를 구현하는 과정에서, 투명한 고분자로 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)의 마이크로 렌즈에서 굴절된 빛의 초점이 정확히 광활성층(14)의 상단 표면에 맺히도록, 마이크로 렌즈 어레이(16)가 광활성층(14)의 상단으로부터 일정 거리에 배치되도록, 광활성층(14)의 가장자리 부분에 간격부재(24)를 형성할 수 있다.
또한 마이크로 렌즈 어레이(18)와 광활성층(14)의 상단 표면 간의 거리를 마이크로미터를 활용하여 정밀하게 조절한 후, 그 상태에서 마이크로 렌즈 어레이를 밀봉부재(18)과 밀착 결합시킴으로써, 즉 간격 부재(24)가 없이도, 투명한 고분자로 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)의 마이크로 렌즈에서 굴절된 빛의 초점이 정확히 광활성층(14)의 상단 표면에 맺히도록, 마이크로 렌즈 어레이(16)가 광활성층(14)의 상단으로부터 일정 거리에 배치된다.
이때, 밀봉부재(18)는 마이크로 렌즈 어레이(16)의 상단에 형성된 복수의 마이크로 렌즈를 수용할 수 있는 형상을 하고 있어야 한다. 이를 위해서 밀봉부재(18)는 석영 재질로 이루어질 수 있으며, 석영을 습식 식각 해서 상기 복수의 마이크로 렌즈를 수용할 수 있는 형상을 가질 수 있다. 이후 습식 식각된 밀봉부재(18)에 UV 경화제 코팅 또는 스핀 코팅을 통하여 상기 마이크로 렌즈 어레이(16)를 형성할 수 있다. 이에 따라서 마이크로 렌즈 어레이(16)와 밀봉부재(18)는 일체형으로 이루어질 수 있다. 일체형으로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이(16) 및 밀봉부재(18) 중 밀봉부재(18)는 마이크로 렌즈 어레이(16)를 형성하기 위한 기판의 역할과 동시에 밀봉부재의 역할을 하며, 마이크로 렌즈 어레이(16)는 태양광의 굴절을 위한 층의 역할을 한다. 그리고 마이크로 렌즈 어레이(16)는 굴절계수가 1.46~1.606 이내의 물질의 경우 어떤 물질이라도 사용가능하다.
상기와 같이 두 가지 방식으로 마이크로 렌즈 어레이(16)와 광활성층(14) 상단 간의 갭을 조절한 경우, 즉 마이크로 렌즈 어레이(16)와 광활성층(14) 상단 표면 간의 거리를 조절한 후 태양전지의 광전 특성을 분석한 결과, 상기와 같은 두 가지 방식의 태양전지의 광전 특성에 차이가 존재하지 않았다.
도 3은 도 2와 동일한 마이크로렌즈 어레이를 통과한 평행광이 charge-coupled device (CCD)에 초점을 형성한 사진이다. 이를 예시한 도면이 도 4에 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 마이크로렌즈 어레이는 632.8 nm의 파장을 갖는 He-Ne 레이저를 활용한 초점거리 측정에서 900μm에 이르는 초점거리를 보였으며 렌즈 전면에서 균일한 빛 굴절 능력을 보였다. 이때, 상기 도 2와 동일한 마이크로 렌즈 어레이는 구형의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이(16)일 수 있다.
구형의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 거친 후 CCD에 집광된 광스팟을 보면 이상적인 점이 아닌 약 5.4 μm의 지름을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한 집광된 빛이 산란에 의해 가우시안 분포(Gaussian distribution)에 따른 형태로 흩어지는 것을 볼 수 있다. 집광된 빛이 이루는 범위는 산란에 의한 영역을 포함할 경우 대략 1~40μm 정도이며, 도 2에 도시된 상부 불투명 금속 격자 전극(12) 간의 간격이 이보다 큰 모든 경우에서는 효율적으로 동작할 수 있다. 이에 따라, 상업화된 태양전지에서 격자 전극의 폭과 간격은, 대략 1~10μm와 1~100μm 정도이기 때문에 일반적인 범위 내에서 응용의 제약 없이 적용이 가능해진다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 불투명 격자 전극을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 상부 불투명 격자 전극을 나타낸 도면이다.
도 5는 일반적인 상부 불투명 격자 전극 배열이고 도 6은 전기적 특성 향상을 위해 조밀하게 배열된 상부 불투명 격자 전극을 나타낸 도면이다.
본 발명의 태양전지의 성능실험을 위해서 활용된 태양전지의 상부 불투명 격자 전극 배열은 도 5의 경우와 동일하며 이는 일반적인 태양광 소자 디자인에서 널리 활용되는 형태이다. 도 6의 경우와 같이 조밀하게 상부 불투명 격자 전극을 배열하면 광활성층과 상부 불투명 격자 전극 간의 접합면 증가로 인한 전기적 특성이 향상된다. 하지만 이 경우에서는 위에서 상기한 바와 같이 상부 불투명 격자 전극에서 반사되는 빛의 양이 증가하게 되고 상부 불투명 격자 전극 아래의 음영영역이 넓어져 광효율 손실을 야기하게 되므로 결과적으로는 전기적 특성 향상을 상회하는 광전변환효율 손실이 발생하여 비효율적이다. 하지만 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈 어레이를 활용한 태양광 미세 제어 기술이 적용될 경우, 즉 마이크로 렌즈 어레이에 입사된 태양광이 상기 마이크로 렌즈 어레이에서 굴절되어 상기 광활성층의 상단에 형성되는 스팟(spot)의 면적이 최소화되도록 광활성층의 상단으로부터 마이크로 렌즈 어레이가 일정 갭을 가지도록 배치한 경우, 전기적 특성 손실 없이 태양광 손실을 최소화할 수 있으므로, 도 6에 도시된 상부 불투명 격자 전극 배열에서도 효과적으로 동작할 수 있다. 즉, 어떠한 형태로 배열된 상부 불투명 격자 전극에서도 동일하게 (혹은 더욱 효율적으로) 동작할 수 있다.
도 7은 집광용 마이크로렌즈 어레이가 실장된 태양전지의 전류-전압 특성 곡선을 나타낸다.
집광용 마이크로렌즈 어레이가 실장된 태양전지의 경우(50)는 일반적인 유리로 실장된 경우(51)보다 높은 전류 특성을 보였다. 특히 마이크로 렌즈 어레이(16)를 투과한 빛이 광활성층(14)의 상단 표면에 형성된 스팟 면적의 크기가 최소화되도록 마이크로 렌즈 어레이(16)가 광활성층(14)의 상단 표면으로부터 일정 갭(22)을 가지고 배치된 경우(52)는 모든 특성이 급격하게 향상되었으며 심지어는 아무런 봉합층이 없는 경우(53)와 비교할 때보다도 효율이 약 10 % 가량 증가 되었다.
도 8은 마이크로 렌즈 어레이와 광활성층의 상단 표면 간의 일정 갭에에 따른 높이에 따른 태양전지 전류 밀도와 효율 변화 곡선을 나타낸다.
마이크로렌즈 어레이를 통과한 빛이 굴절될 수 있는 공간을 제공함에 따라 전류 밀도(60)가 급격하게 향상하며, 이에 따른 전력 변환 효율(61)이 동일한 경향으로 증가 된다. 집광에 의한 활발한 엑시턴 생성으로 인해 초점거리와 동일한 경우로 설정된 경우에서 광전 특성이 정점을 이룸을 확인할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 태양전지의 개발에 이용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 하부전극;
    상단에 상부 불투명 금속 격자 전극이 형성되고, 하단이 상기 하부전극 상에 배치되며, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어져 태양광이 흡수되어 광전변환이 일어나는 광활성층; 및
    상기 광활성층의 상단으로부터 일정의 갭을 이루어 배치되어 입사되는 태양광을 굴절하여 상기 광활성층에 전달하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층과 상기 마이크로 렌즈 어레이 간 일정의 갭은,
    상기 마이크로 렌즈 어레이에 입사된 태양광이 상기 마이크로 렌즈 어레이에서 굴절되어 상기 광활성층의 상단에 형성되는 스팟(spot)의 면적이 최소화되도록, 상기 광활성층의 상단으로부터 상기 마이크로 렌즈 어레이가 위치한 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    상면에, 입사되는 태양광이 굴절되는 트룬케이트된 구형(truncated spherical shape)의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 구형의 복수의 마이크로 렌즈 각각은, 인접하는 구형의 마이크로 렌즈와의 거리가 "0"이 되도록 상기 마이크로 렌즈 어레이의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 구형의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이의 하면과 상기 광활성층의 상단 간 일정의 갭은, 900μｍ인 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    상면에, 입사되는 태양광이 굴절되는 트룬케이트된 원통형(truncated cylindrical shape)의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 원통형의 복수의 마이크로 렌즈 각각은, 인접하는 원통형의 마이크로 렌즈와의 거리가 "0"이 되도록 상기 마이크로 렌즈 어레이의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 원통형의 복수의 마이크로 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이의 하면과 상기 광활성층의 상단 간 일정의 갭은, 600μｍ인 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지는,
    상기 하부전극 상에서, 상기 광활성층 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 에워싸며 태양광이 투과하는 밀봉부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 밀봉부재의 내측면에 밀착 결합되고, 상기 광활성층의 상단으로부터 일정의 갭을 이루어 배치되는 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 적어도 어느 하나에 있어서,
    상기 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지는,
    상기 마이크로 렌즈 어레이가 상기 광활성층의 상단으로부터 일정의 갭을 이루어 배치되도록, 상단이 상기 마이크로 렌즈 어레이의 하면에 밀착되며 하단이 상기 광활성층의 상단에 밀착되어 상기 마이크로 렌즈 어레이를 지지하는 간격부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 마이크로 렌즈 어레이를 구비한 태양전지.
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