KR101680694B1 - 흑연필라멘트 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 흑연필라멘트 태양전지는 흑연필라멘트가 포함된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극을 둘러싼 정공수송층과, 상기 정공수송층의 일부와 닿은 제 2 전극을 포함한다. 이러한 흑연필라멘트 태양전지는 종래의 실리콘계 태양전지의 제조설비를 이용하면서도 제조단가가 저렴하고 일방향이 아닌 다방향의 태양광 수집이 가능한 고효율의 태양전지를 제조하는데 그 목적이 있다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 구체적으로는 흑연필라멘트를 이용한 다방면에서 태양에너지 효율을 갖는 고효율의 태양전지구조에 관한 것이다.
태양전지 세계시장은 벌크 실리콘 기반의 태양전지가 95% 이상을 차지하고 있으며, 주로 대규모 태양광 발전시설에 이용되고 있다. 하지만, 태양전지가 사용될 수 있는 제품의 범위는 대규모 태양광 발전에서부터 소형 전자기기에 이르기까지 매우 다양하기 때문에, 건물 외벽 또는 유리 창호와 같은 건자재 용도 및 이동발전 용도 등에도 적합한 태양전지까지 용도 맞춤형 태양전지 기술개발이 필요하다.
태양 에너지와 같은 무공해 청정에너지를 석탄, 석유 등의 화학 연료 대신 새로운 에너지원으로 이용하려는 연구는 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이 중 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환 시키는 장치이다. 태양전지의 원리를 설명하자면, p형과 n형의 반도체를 접합시킨 구조를 갖는 pn 접합형 반도체인 태양 전지를 광에 노출 시키면 전자와 정공이 생성되고, 이렇게 생성된 전자와 정공이 전극으로 이동하며 기전력이 발생되어 광발전이 일어나게 된다. 이러한 태양전지는 그 소재에 따라 크게 실리콘계 태양전지 및 화합물 반도체계 태양전지로 나눌 수 있다.
실리콘계 태양전지는 주로 건식 태양전지라 불리우는 단결정 실리콘이 주로 사용되고 있는데, 가장 큰 장점은 박막형 태양전지로 제조될 수 있다는 것이다. 그러나 가격면에서 항공, 우주산업 같은 경우가 아니면 경쟁력을 갖추지 못한면이 있다. 따라서 상대적으로 제조원가가 저렴한 비정질 실리콘계 태양전지 또는 다결정질 실리콘계 태양전지의 사용이 증가하고 있지만, 단결정 실리콘에 비하여 광전환효율이 낮은 단점이 있다. 또한 실리콘계 태양전지의 전반적인 문제점은 일면만 사용하여 태양광을 받아들이는 방향의 제약이 있다는 장점 또한 있다.
한편, CuInSe2, CdTe, GaAs와 그와 연계된 유도체로 이루어진 화합물 반도체계 태양전지는 우수한 전지 특성에 비하여 고비용, 저효율, 저안정성의 문제가 있어 다양한 범위에 사용하기 어려운 점이 있다.
이와 같이 다수의 해결 과제를 안고 있는 태양 전지 분야 중 최근 각광받고 있는 태양 전지로서, 저가, 환경친화적, 용이한 제조 공정, 안정성 등의 장점을 갖는 습식 태양 전지가 있다.
습식 태양 전지는 반도체 전극과 전해액으로 구성되어 있는데, n형 반도체인 단결정 TiO2 전극과 Pt 전극의 조합형 태양 전지가 있다. 습식 태양 전지의 단결정 TiO2 표면에 빛을 조사하면 전자가 여기되어 전도대로 옮겨간 다음, 리드선을 통하여 백금 전극에 도달하면 프로톤과 반응하여 수소를 발생시킨다. 전자대의 정공은 TiO2 표면에서 물 분자로부터 전자를 빼앗아 소멸되면서 산소를 발생한다. 이 때 물을 분해하는 대신에 외부 회로의 저항을 매개로 하면 전기 에너지를 발생시킬 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 반도체로 만들어진 습식 태양 전지는 밴드 갭 에너지(band gap energy, Eg)를 흡수하는 경우 캐리어가 증가하여 전류를 생산하지만, 에너지 갭보다 작은 에너지의 빛은 이용할 수는 없다. 따라서 밴드 갭 에너지가 3.2ev인 TiO2로 만들어진 습식 태양 전지는 전체 태양광 중 4% 미만만을 이용할 수 있어 그 광 이용효율은 매우 낮다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, TiO2의 밴드 갭 에너지보다 낮은 에너지의 광, 즉 가시광의 광 이용효율을 높이고자 가시광을 흡수하는 임의의 색소(dye)를 반도체 표면에 흡착시킨 후, 상기 색소가 흡수 가능한 파장의 빛을 조사하여 반도체의 캐리어를 증가시키는 형태의 습식 태양 전지가 개발되었다. 이러한 형태의 습식 태양 전지를 색소-감광형 태양 전지(dye-sensitized solar cell), 또는 그라첼 전지(Gratzell cell)이라고 한다.
감광성 색소인 루테늄-비피리딜 착물이 결합된 TiO2가 코팅된 전극과 전해액으로 구성되어 있는 색소-감광형 태양 전지 및 이의 제조 방법으로서, 상기 태양 전지는 상기 루테늄-비리피딜 착물을 통해 가시광선을 이용해서도 전류를 발생시키는 것이 가능하다. 이러한 색소-감광형 태양전지는 실리콘 태양전지에 비하여 제조공정이 단순하며 실리콘 태양전지 가격의 20~30%정도인 장점이 있다. 그러나, 발생전압이 매우 낮아(0.7V 내외) 실제 상용화하기에는 많은 제약이 따르는 문제점이 있다.
마지막으로 플렉시블(flexible)하고, 탄성이 강하며, 고온에서도 견딜 수 있는 디바이스(device)로 대두되는 탄소섬유 베이스 태양전지가 있다. 탄소섬유는 재료의 특성으로 플렉시블하고 열에 강하다는 장점이 있으나 탄소섬유 자체가 갖는 고비용의 자재라는 한계로 인하여 태양전지로 사용하는데, 비용절감이 어렵다는 단점이 있다. 또한 장점인, 재료의 형태가 변형가능하고 크기가 미세하다는 것이 태양전지를 제조하는데 있어서는 공정처리의 어려움을 갖는다.
따라서, 제조단가가 저렴하면서도 처리가 편리한 다양한 방향에서 태양광을 수집할 수 있으며 광 효율이 높은 태양전지가 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같이 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 실리콘계 태양전지의 제조설비를 이용하면서도 제조단가가 저렴하고 일방향이 아닌 다방향의 태양광 수집이 가능한 고효율의 태양전지를 제조하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 흑연필라멘트 태양전지는 흑연필라멘트가 포함된 제 1 전극; 상기 제 1 전극을 둘러싼 정공수송층; 상기 정공수송층의 일부와 닿은 제 2 전극을 포함한다.
상기 제 1 전극은 흑연필라멘트 또는 흑연필라멘트를 메탈로 코팅한 것을 포함한다.
상기 메탈은 텅스텐, 니켈 또는 알루미늄 및 알루미늄 에폭시 또는 은을 포함한다.
상기 정공수송층은 직가열방식으로 형성된 다결정실리콘인 것을 포함한다.
상기 정공수송층은 제 1 반도체층과 제 2 반도체층의 조합 또는 제 1 반도체층과 인트린직 실리콘층 및 제 2 반도체층의 조합으로 형성되는 것을 포함한다.
상기 제 2 전극은 은 또는 은 에폭시인 것을 포함한다.
상기 흑연필라멘트는 흑연심 또는 샤프심을 포함한다.
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 봉상 구조의 그라파이트, 특히 흑연심을 이용하여 제조 단가가 저렴하고 태양전지 제조가 용이하며, 방향 제약이 없는 태양광 흡수를 할 수 있는 광변환 효율이 우수한 탄소섬유 태양전지를 제공한다. 또한, 열에 강한 흑연필라멘트를 사용함으로써, 극한 온도에서도 사용이 가능한 태양전지를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 흑연필라멘트상에 태양전지를 제작한 태양전지 기본셀을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 흑연필라멘트상에 태양전지를 제작한 태양전지 기본모듈을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 실시예로서, 제 1 전극의 저항을 낮춘 태양전지 기본셀을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예로서, 흑연필라멘트를 제 1 전극으로 구성한 태양전지 기본셀을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 흑연필라멘트 상에 정공수송층을 형성한 SEM사진을 도시한 도면이다.
도 10은 흑연필라멘트 상에 형성된 정공수송층의 라만 수치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 흑연필라멘트상에 태양전지를 제작한 태양전지 기본모듈을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 실시예로서, 제 1 전극의 저항을 낮춘 태양전지 기본셀을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예로서, 흑연필라멘트를 제 1 전극으로 구성한 태양전지 기본셀을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 흑연필라멘트 상에 정공수송층을 형성한 SEM사진을 도시한 도면이다.
도 10은 흑연필라멘트 상에 형성된 정공수송층의 라만 수치를 보여주는 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 흑연필라멘트 태양전지에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 흑연필라멘트상에 태양전지를 제작한 태양전지 기본셀을 도시한 도면이다.
흑연필라멘트 태양전지 기본셀은 흑연필라멘트(10)상에 절연층(12)을 두고 제 1 메탈층(14)을 형성하여 제1 전극층을 형성한 다음, 정공수송층인 pn 접합부로 구성되는 제 1 반도체층(16) 및 제 2 반도체층(18)이 차례로 적층된다. 흑연필라멘트는 흑연심 또는 샤프심으로 사용할 수 있다. 제 1 반도체층(16) 및 제 2 반도체층(18)인 정공수송층은 비정질 실리콘, 결정질 실리콘, 다결정질 실리콘 모두가 가능하나 제조단가면에서나 광효율면에서 다결정질 실리콘이 바람직하다. 제 2 반도체층(18)을 형성한 다음에는 도시하지는 않았으나 반사 방지막이 코팅된다. 다음으로, 하나 이상의 제 2 메탈층(20)은 각각 흑연필라멘트 태양전지의 광흡수로 인한 전류를 수집하는 전류수집부(22)로 연결된다.
도 2는 본 발명에 따른 흑연필라멘트상에 태양전지를 제작한 태양전지 기본모듈을 도시한 도면이다.
도 2는 상술한 바와 같은 흑연필라멘트 태양전지 기본셀이 모듈화된 태양전지 모듈(50)로서, 각각의 흑연필라멘트 태양전지 기본셀이 연결된다. 기본셀 흑연필라멘트상에 코팅된 제 1 메탈층(14)과 제2 메탈층(20)이 연결되는데, 특별히 제 2 메탈층(20)은 각각의 기본셀과 같이 제 2 메탈층이 형성된 다음 접합되어 모듈화 되는 방법과 도시된 바와 같이 은(Silver)에폭시 수지와 같은 소재로 제 2 메탈층(20)이 형성되지 않은 기본셀을 일렬횡대로 모은 다음 메탈 프린팅 하는 방법도 가능하다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 실시예로서, 제 1 전극의 저항을 낮추기 위한 태양전지 기본셀을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 흑연필라멘트는 구조의 특성상 시간대 별로 태양의 위치에 따른 변화된 광량을 흡수하기 위한 원통형상의 태양전지를 제조하기 위한 지지대로서의 역할 뿐 아니라, 그 제조 단가가 현저히 낮고 처리 공정시 핸들링하기가 쉽다. 또한, 흑연필라멘트(10)는 전류가 흐를 수 있기 때문에 단독으로 사용될 수도 있으나, 저항을 낮추기 위하여 상부에 흑연필라멘트와 제 1 메탈층(14)으로 사용되는 메탈층과의 어드히젼(adhesion) 성능향상을 위하여 중간에 흑연필라멘트와 어드히젼이 좋은 절연층(12)으로 인트린직(intrinsic) 실리콘층 또는 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(SiNx)를 사용할 수 있다. 제 1 메탈층(14)은 텅스텐 코팅이 바람직하며, 니켈 또는 알루미늄 및 알루미늄 에폭시 또는 금속제질이면 가능하다. 광흡수층인 pn 접합부로는 보론(Boron) 도핑된 제 1 반도체층(16) 및 인(Phosphorus) 도핑된 제 2 반도체층(18)이 흑연필라멘트(10)를 둘러싸도록 형성된다. 제 1 반도체층(16)은 대략 30um, 제 2 반도체층(18)은 약 1um정도의 두께를 갖는다. 제 1 및 제 2 반도체층(16,18)은 바로 접할 수 있으나 중간에 실리콘층을 배치할 수 도 있다. 제 2 반도체층(18)의 상부에 태양전지를 흡수하기 위한 광흡수부의 사이 사이에 형성되는 하나 이상의 제 2 메탈층(20)은 각각 흑연필라멘트 태양전지의 광흡수로 인한 전류를 수집하는 전류수집부로 연결된다. 제 2 메탈층(20)은 실버 에폭시가 적합하며 다양한 금속제질이 가능하다.
도 5 및 도 6는 흑연필라멘트(10)의 상부에 절연층(12) 없이 바로 제 1 메탈층(14)을 형성하여 제 1 전극부를 형성한 도면이다. 제 1 메탈층(14)은 텅스텐 코팅이 바람직하며, 니켈 또는 알루미늄 및 알루미늄 에폭시 또는 금속제질이면 가능하다. 광흡수층인 pn 접합부로는 보론(Boron) 도핑된 제 1 반도체층(16) 및 인(Phosphorus) 도핑된 제 2 반도체층(18)이 흑연필라멘트(10)를 둘러싸도록 형성된다. 제 1 반도체층(16)은 대략 30um, 제 2 반도체층(18)은 약 1um정도의 두께를 갖는다. 제 2 반도체층(18)의 상부에 태양전지를 흡수하기 위한 광흡수부의 사이 사이에 형성되는 하나 이상의 제 2 메탈층(20)은 각각 흑연필라멘트 태양전지의 광흡수로 인한 전류를 수집하는 전류수집부로 연결된다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예로서, 흑연필라멘트로 제 1 전극을 구성한 태양전지 기본셀을 도시한 도면이다.
제 1 전극을 흑연필라멘트(10)로 구성하고, 표면을 실리콘층으로 덮어 광흡수층으로 인(Phosphorus) 도핑된 제 2 반도체층(18), 절연층(12)으로 실리콘층, 보론(Boron) 도핑된 제 1 반도체층(16) 순서로 적층한 다음, 제 2 메탈층(20)을 형성한 것이다. 또한 절연층(12) 없이 제 1 및 제 2 반도체층(16,18)이 적층되는 것도 가능하다. 도핑된 타입의 순서는 정해져 있지 않으며, 정공수송층의 상부를 보호층으로 코팅하여 각각의 이웃하는 p-i-n 접합층이 절연될 수도 있다. 정공수송층은 비정질 실리콘, 결정질 실리콘, 다결정질 실리콘 모두가 가능하나 제조단가면에서나 광효율면에서 다결정질 실리콘이 바람직하다. 제 2 메탈층(20)은 인쇄, 증착, 스핀코팅, 슬릿 코팅, 접착제를 통한 광흡수층과의 연결 또는 ITO전극 상부에 금속층을 더욱 적층하는 방법 등 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
도 8 및 도 9는 흑연필라멘트 상에 정공수송층을 형성한 SEM사진을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이 흑연필라멘트상에 정공수송층을 효과적으로 적층한 것으로, 정공수송층은 전류-전압특성이 비정질 실리콘에 비하여 높은 다결정질 실리콘이 사용된다. 흑연필라멘트상에 다결정질 실리콘을 증착하는 방법은 PECVD 장비로 도핑된 실리콘을 증착하며, 흑연필라멘트에 전기를 인가하는 직가열방식을 이용하였다.
도 10은 흑연필라멘트 상에 형성된 정공수송층의 라만 수치를 보여주는 도면이다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘의 라만 피크는 결정질 실리콘의 라만 피크와 동일하게 520nm에서 보여진다. 따라서 본 발명에 따른 정공수송층인 제 1 반도체층 및 제 2 반도체층(16, 18)의 재료 퀄리티가 높다는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 흑연필라멘트 태양전지의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 흑연필라멘트 12 : 절연층
14 : 제 1 메탈층 16 : 제 1 반도체층
18 : 제 2 반도체층 20 : 제 2 메탈층
22 : 전류 수집부 50 : 태양전지 모듈
14 : 제 1 메탈층 16 : 제 1 반도체층
18 : 제 2 반도체층 20 : 제 2 메탈층
22 : 전류 수집부 50 : 태양전지 모듈
Claims (7)
- 원통형의 지지대로 기능하는 흑연필라멘트;
상기 흑연필라멘트 표면에 형성하는 절연층;
상기 절연층에 메탈(metal)로 코팅되는 제1 메탈층;
상기 제1 메탈층을 둘러싼 정공수송층;
상기 정공수송층의 일부와 닿은 제2 메탈층을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연필라멘트 태양전지.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 절연층에 코팅되는 메탈은, 텅스텐, 니켈, 알루미늄, 알루미늄 에폭시 및 은 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 흑연필라멘트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 정공수송층은 직가열방식으로 형성된 다결정실리콘인 것을 특징으로 하는 흑연필라멘트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 정공수송층은 제 1 반도체층과 제 2 반도체층의 조합 또는 제 1 반도체층과 인트린직 실리콘층 및 제 2 반도체층의 조합으로 형성된 것을 특징으로 하는 흑연필라멘트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 제2 메탈층은 은 또는 은 에폭시인 것을 특징으로 하는 흑연필라멘트 태양전지.
- 제1 항에 있어서,
상기 흑연필라멘트는 흑연심 또는 샤프심인 것을 특징으로 하는 흑연필라멘트 태양전지.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150122563A KR101680694B1 (ko) | 2015-08-31 | 2015-08-31 | 흑연필라멘트 태양전지 |
| PCT/KR2015/010200 WO2017039056A1 (ko) | 2015-08-31 | 2015-09-25 | 흑연필라멘트 태양전지, 이를 제조하기 위한 직가열 방식의 플라즈마 처리 장치, 제조 시스템 및 이를 이용한 제조방법 |
| TW104132164A TWI608558B (zh) | 2015-08-31 | 2015-09-30 | 一種石墨絲太陽電池、用於製作其之直熱式等離子體處理裝置、製作系統及其製作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150122563A KR101680694B1 (ko) | 2015-08-31 | 2015-08-31 | 흑연필라멘트 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101680694B1 true KR101680694B1 (ko) | 2016-11-30 |
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ID=57707396
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| KR (1) | KR101680694B1 (ko) |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP5397464B2 (ja) | 2009-03-04 | 2014-01-22 | 富士電機株式会社 | 成膜方法 |
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2015
- 2015-08-31 KR KR1020150122563A patent/KR101680694B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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