KR101127054B1 - 박막 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양빛의 집광효율을 대폭 향상시킨 박막 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 의한 박막 태양전지는, 반구형 구조로 구성되고, 투명재질로 이루어진 복수의 반구형 흡광부재; 및 상기 복수의 반구형 흡광부재의 하면에 배치되고, 복수의 전지셀이 직렬연결되는 집광부;를 포함하고, 상기 반구형 흡광부재를 통해 흡광되는 태양빛의 초점이 집광부의 하부에 형성되며, 상기 집광부의 각 전지 셀은 투명전도층, pin구조, 후면전극, 후면기판 순으로 적층된 구조인 것을 특징으로 한다.
박막, 태양, 전지, 흡광부재, 반구형, 집광부
Description
본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양빛의 집광효율을 대폭 향상시킨 박막 태양전지에 관한 것이다.
널리 주지된 바와 같이, 태양광 발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)이다. 이러한 태양광 발전의 원리는, 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
이러한 태양전지는 필요에 따라 직?병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광 모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설치하게 된다.
한편, 박막 태양전지는 기판 증착 물질에 따라 여러 종류로 나뉘는데, 크게 아몰포스실리콘(a-Si) 태양전지, CdTe(카드뮴, 텔루라이드 화합물) 태양전지, CIGS(구리ㆍ인듐ㆍ갈륨ㆍ셀레늄 화합물) 태양전지, 염료감응 태양전지 등으로 구분해 볼 수 있다.
이 중에서도 1980년대부터 상용화하기 시작한 a-Si 분야가 박막 태양전지 시장에서 주도적 입지를 구축하고 있으며, 최근에는 CdTe, CIGS 태양전지도 연구가 활발히 진행돼 시장에서 점유율을 높이고 있다. a-Si 태양전지는 기술 안정성과 다양한 기판 적응성, 시장진입 장벽과 환경 위험 측면에서, CdTe 태양전지는 생산공정과 제조 원가 면에서, CIGS 태양전지는 효율 면에서 각각 비교우위를 가지고 각 고유 영역을 개척하며 발전을 거듭해 갈 것으로 기대되고 있다.
대표적인 박막 실리콘 태양전지인 아몰포스실리콘(a-Si) 태양전지는 비정질 실리콘을 유리기판 사이에 주입해 만드는 태양전지이다. 기술적으로 가장 안정적이라는 a-Si 태양전지는 기존 결정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 효율 때문에 초기에는 대규모 발전용보다는 시계, 라디오 등 주로 소규모 가전제품의 보조전원 용도로 사용돼 왔지만 최근 이러한 낮은 효율을 극복하기 위해 비정질 실리콘 박막 위에 다결정 실리콘막을 한 겹 더 적층하는 이중접합(Tandem) 또는 그 위에 실리콘 막을 한 겹 더 얹는 삼중접합(Triple Junction) 등 다중접합 구조와 하이브리드 구조 개발로 발전효율을 결정질 실리콘 태양전지 수준으로 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 최근 TFT LCD 생산기술을 기반으로 하는 국내 전자기업들이 빠르게 박막 태양전지 시장의 중심으로 떠오르고 있어 더욱 기대되는 분야이기 도 하다.
하지만, 종래의 박막 태양전지는 태양빛과 직접적으로 흡광하는 유리기판이 평탄하게 형성됨에 따라 태양빛의 집광 내지 흡광효율이 상대적으로 저조한 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 태양전지의 전면에 평탄형 유리기판을 대체하여 복수의 반구형 흡광부재를 배치함으로써 태양빛의 흡광효율을 향상시킬 수 있고, 이러한 태양빛의 흡광효율 향상을 통해 태양전지 전체의 집광성능을 대폭 향상시킬 수 있는 박막 태양전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 박막 태양전지는,
반구형 구조로 구성되고, 투명재질로 이루어진 복수의 반구형 흡광부재; 및
상기 복수의 반구형 흡광부재의 하면에 배치되고, 복수의 전지셀이 직렬연결되는 집광부;를 포함하고,
상기 반구형 흡광부재를 통해 흡광되는 태양빛의 초점이 집광부의 하부에 형성되며,
상기 집광부의 각 전지 셀은 투명전도층, pin구조, 후면전극, 후면기판 순으로 적층된 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 pin구조는 p형 실리콘층/i형 실리콘층/n형 실리콘층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 pin구조는 제1 pin구조 및 제2 pin구조가 이중으로 접합된 것을 특징으로 한다.
상기 pin구조는 제1 pin구조, 제2 pin구조, 제3 pin구조가 삼중으로 접합된 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 태양전지의 전면에 평탄형 유리기판을 대체하여 복수의 반구형 흡광부재를 배치함으로써 태양빛의 흡광효율을 향상시킬 수 있고, 이러한 태양빛의 흡광효율 향상을 통해 태양전지 전체의 집광성능을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 박막 태양전지는 복수의 반구형 흡광부재(10) 및 이 반구형 흡광부재(10)의 하부에 배치되는 집광부(20)를 포함한다.
각 반구형 흡광부재(10)는 글래스재질 등과 같이 투명재질이 반구형으로 형성되고, 이에 반구형 흡광부재(10)는 그 표면적이 종래의 평탄형 유리기판에 비해 대폭 증대되므로 태양빛의 흡광효율이 매우 증대될 수 있다.
집광부(20)는 복수의 반구형 흡광부재(10)를 통해 흡광된 태양빛을 받도록 직렬연결된 복수의 전지 셀로 구성될 수 있다.
또한, 집광부(20)는 반구형 흡광부재(10)의 하면에 밀착되고, 이에 반구형 흡광부재(10)를 통해 흡광된 태양빛은 집광부(20)의 하부에 초점(F)을 형성할 수 있다.
집광부(20)의 각 전지 셀은 투명전도층(22), p형 실리콘층(23), i형 실리콘층(24), n형 실리콘층(25), 후면전극(26), 후면기판(27)을 포함한다.
투명전도층(22)은 빛의 투과성이 높으면서 전기가 통하는 성질을 가지는 얇은 박막으로, 금속 박막, 산화물 박막(ITO, ZnO, SnO2) 등으로 구성될 수 있다. 특히, 본 발명의 투명전도층(22)으로는 안정성 및 내마모성이 우수한 산화물 박막이 유리할 수 있다. 또한, 투명전도층(22)은 요철화된 구조로 구성됨으로써 light trapping(빛 가둠)을 최대한 증가시키거나 전지내에서의 빛 반사를 최소화 할 수도 있다.
또한, 투명전도층(22)의 상부에는 도 3에 도시된 바와 같이 그리드전극(21)이 형성된다.
투명전도층(22)의 하부에는 p형 실리콘층(23)/i형 실리콘층(24)/n형 실리콘층(25)으로 이루어진 pin구조가 배치된다.
p형 실리콘층(23), i형 실리콘층(24), n형 실리콘층(25)은 a-Si(아몰퍼스 실리콘) 등과 같은 비정질 실리콘재질로 구성되고, 특히 a-Si(아몰퍼스 실리콘)는 방사선 손상에 강하고, 성막비용이 경제적인 장점이 있다.
이러한 pin구조의 하부에는 후면전극(26)이 배치되고, 후면전극(26)은 도 3에 도시된 바와 같이 산화아연층(26a, ZnO) 및 은층(26b, Ag)으로 구성될 수 있다.
후면전극(26)의 하부에는 유리, 스테인레스 등과 같은 후면기판(27)이 배치된다.
이상과 같은 본 발명은 반구형 흡광부재(10)의 표면적이 상대적으로 증대된 구조로 인해 태양광의 흡광효율이 향상될 뿐만 아니라 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 반구형 흡광부재(10)의 곡면구조로 인해 집광부(20)의 하부에 초점(F)이 형성된다. 이에, 집광부(20)의 각 전지셀들은 반구형 흡광부재(10)의 흡광작용에 의해 그 집광성능이 대폭 향상되는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 집광부(20)에 대한 다른 실시예를 도시한 것으로, 집광부(20)의 pin구조가 이중으로 접합된 구조를 도시한다. 즉, 집광부(20)는 제1 pin구조(23, 24, 25)과 제2 pin구조(23a, 24a, 25a)가 상호 접합된 탠덤구조로 형성될 수 있다.
제1 pin구조(23, 24, 25)는 제1 p형 실리콘층(23)/제1 i형 실리콘층(24)/제1 n형 실리콘층(25)으로 이루어지고, 제1 p형 실리콘층(23), 제1 i형 실리콘층(24), 제1 n형 실리콘층(25)은 a-Si(아몰퍼스 실리콘) 등과 같은 비정질 실리콘재질로 구성된다.
제2pin구조(23a, 24a, 25a)는 제2 p형 실리콘층(23a)/제2 i형 실리콘층(24a)/제2 n형 실리콘층(25a)으로 이루어지고, 제2 p형 실리콘층(23a), 제2 n형 실리콘층(25a)은 a-Si(아몰퍼스 실리콘)으로 구성되며, 제2 i형 실리콘층(24a)은 a-Si(아몰퍼스 실리콘) 또는 a-SiGe(비정질 실리콘-게르마늄)으로 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 집광부(20)에 대한 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 집 광부(20)의 pin구조가 삼중으로 접합된 구조를 도시한다. 즉, 집광부(20)는 제1 pin구조(23, 24, 25), 제2 pin구조(23a, 24a, 25a), 제3 pin구조(23b, 24b, 25b)가 삼중 접합된 구조로 형성될 수 있다.
제1 pin구조(23, 24, 25)는 제1 p형 실리콘층(23)/제1 i형 실리콘층(24)/제1 n형 실리콘층(25)으로 이루어지고, 제1 p형 실리콘층(23), 제1 i형 실리콘층(24), 제1 n형 실리콘층(25)은 a-Si(아몰퍼스 실리콘) 등과 같은 비정질 실리콘재질로 구성된다.
제2pin구조(23a, 24a, 25a)는 제2 p형 실리콘층(23a)/제2 i형 실리콘층(24a)/제2 n형 실리콘층(25a)으로 이루어지고, 제2 p형 실리콘층(23a), 제2 n형 실리콘층(25a)은 a-Si(아몰퍼스 실리콘)으로 구성되며, 제2 i형 실리콘층(24a)은 a-SiGe(비정질 실리콘-게르마늄)으로 구성될 수 있다.
제3pin구조(23b, 24b, 25b)는 제3 p형 실리콘층(23b)/제3 i형 실리콘층(24b)/제3 n형 실리콘층(25b)으로 이루어지고, 제3 p형 실리콘층(23b), 제3 n형 실리콘층(25b)은 a-Si(아몰퍼스 실리콘)으로 구성되며, 제3 i형 실리콘층(24b)은 a-SiGe(비정질 실리콘-게르마늄)으로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지를 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 화살표 A부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 화살표 B부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 대한 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 대한 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10: 반구형 흡광부재 20: 집광부
22: 투명전도층 23: p형 실리콘층
24: i형 실리콘층 25: n형 실리콘층
26: 후면전극 27: 후면기판
Claims (4)
- 반구형 구조로 구성되고, 투명재질로 이루어진 복수의 반구형 흡광부재; 및상기 복수의 반구형 흡광부재의 하면에 배치되고, 복수의 전지셀이 직렬연결되는 집광부;를 포함하고,상기 반구형 흡광부재를 통해 흡광되는 태양빛의 초점이 집광부의 하부에 형성되며,상기 집광부의 각 전지 셀은 요철화된 구조의 투명전도층, pin구조, 후면전극, 후면기판 순으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 pin구조는 p형 실리콘층/i형 실리콘층/n형 실리콘층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 pin구조는 제1 pin구조 및 제2 pin구조가 이중으로 접합된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 pin구조는 제1 pin구조, 제2 pin구조, 제3 pin구조가 삼중으로 접합된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
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| KR1020090084073A KR101127054B1 (ko) | 2009-09-07 | 2009-09-07 | 박막 태양전지 |
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| KR101696654B1 (ko) | 2015-08-28 | 2017-01-16 | 장활진 | 오목형 구면렌즈를 이용한 태양광 집광장치 |
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