KR20110077769A - 튜브형 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 상에 형성되고 서로 연결된 복수의 튜부형 광전셀을 구비하고, 상기 튜브형 광전셀의 내부에 광전셀의 온도 상승을 조절할 있는 온수관이 형성된 것을 특징으로 하는 튜브형 태양전지 모듈에 관한 것으로, 본 발명의 태양전지 모듈은 박막 태양전지가 온도 상승으로 인해 효율이 저하되는 것을 예방할 수 있고, 데워진 물을 온수로 활용할 수 있는 튜브형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
박막 태양전지, 튜브형, 온수관, 반사판, 방수코팅
Description
본 발명은 튜브형 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 연결된 복수의 튜부형 광전셀을 구비하는 광전변환효율이 향상된 튜브형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
최근 고유가 및 환경 문제의 영향으로 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다. 그러나 아직까지 태양광을 전기에너지로 변환하는 공지의 방법에서는 효율이 부족하므로 화석 연료에 대한 태양 에너지의 대체 가능성을 지연시키고 있다.
태양전지는 반도체에 사용되는 웨이퍼를 이용하는 결정질 태양전지와 투명 기판과 같은 기판에 증착기술을 이용한 박막태양전지로 나눌 수 있다. 현재는 결정질 태양전지가 높은 시장점유율을 가지고 있지만 향후 고효율화 및 저가격으로 박막태양전지의 시장점유율이 높아질 것으로 예상되고 있다.
박막태양전지는 결정질 태양전지와 비교하여 대면적 및 낮은 제조비용이 가능하다. 그러나 구조적인 불안정성 때문에 결정질 태양전지에 비해 효율이 낮은 단점을 가지고 있다. 따라서 박막태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위한 연구가 최근 들어 전세계적으로 매우 활발하게 진행되고 있다.
본 발명의 하나의 목적은 기존의 박막 태양전지가 온도가 올라감에 따라 효율이 감소하는 것을 내부 온수관을 통해 물을 흘려줌으로써 온도 상승을 제어할 수 있고 그로부터 기존의 태양전지 보다 효율을 향상시킬 수 있는 튜브형 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양상은 기판 상에 형성되고 서로 연결된 복수의 광전셀을 구비하며, 상기 광전셀은 상기 기판 상의 전면전극; 상기 전면전극 상의 광전변환층; 상기 광전변환층 상의 후면전극을 구비하며, 상기 광전셀은 소정의 길이의 튜브형이고, 상기 튜브형 광전셀의 내부에 광전셀의 온도 상승을 조절할 있는 온수관이 형성된 것을 특징으로 하는 튜브형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
상기 각각의 광전셀들의 온수관들은 수로 연결관에 의해서 서로 연결될 수 있다.
본 발명에 의하면 기존의 박막 태양전지가 온도가 올라감에 따라 효율이 감소하는 것을 튜브형 광전셀 내부의 온수관을 통해 물을 흘려줌으로써 온도 상승을 제어하여 그로부터 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있고, 또한 데워진 물은 온수로도 사용하여 에너지 절약의 수단으로 사용될 수 있다. 특히 온도가 많이 상승하는 여름철에도 태양전지의 효율저하를 방지할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 튜브형 태양전지 모듈에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 또한, 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 또한, 이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다.
본 발명의 일구현예의 튜브형 태양전지 모듈은 기판 상에 형성되고 서로 연결된 복수의 광전셀을 구비하고, 상기 광전셀은 상기 기판 상의 전면전극; 상기 전면전극 상의 광전변환층; 상기 광전변환층 상의 후면전극을 구비하며, 상기 광전셀은 소정의 길이의 튜브형이고, 상기 튜브형 광전셀의 내부에 광전셀의 온도 상승을 조절할 있는 온수관이 형성된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브형 태양전지 모듈의 개략사시도이고, 도 2는 도 1의 태양전지 모듈의 광선셀의 광전변환층의 상세단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예의 태양전지 모듈은 복수의 광전셀(photovoltaic cell)을 구비한다. 태양전지모듈은 수십 개의 광전셀을 구비할 수 있으며, 소정의 전압을 얻기 위해서 상기 광전셀들은 직렬로 연결될 수 있다. 광전셀은 기판 상의 전면 전극(100)과, 전면 전극(100) 상의 광전변환층(200)과, 광전변환층(200) 상의 후면 전극(300)을 구비한다. 인접하는 두 개의 광전셀들은 그 사이에 배치된 도선(미도시)에 의해서 전기적으
로 연결된다. 이러한 도선은 다양한 형태로 이웃하는 광전변환층들의 후면 전극 및 전면 전극을 연결할 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서 투명 기판(100)은 튜브형으로 가공할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 탄소, 유리, 플라스틱, 금속, 세라믹 등으로 된 시트 또는 플레이트를 포함하지만, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니다. 투명 기판(100)으로 사용될 수 있는 유리는 예를 들어, 붕규산 유리(borosilicate glass), 석영 유리, 소다 유리, 인산 유리 등을 포함한다. 기판(100)으로 사용될 수 있는 플라스틱은 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리이미드 등을 포함한다.
전면전극의 투명 기판 위에는 도전성 박막이 적층되는데, 이러한 도전성 박막은 외부로부터 입사되는 빛을 광전변환층(200)으로 통과시키기 위해 투명 전극으로 구성된다. 빛을 통과시키기 위해 상기 기판 상에 코팅되는 전도성 물질로는 플 로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, ZnO-Ga, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2:F, SnO2-Sb2O3 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. 이러한 도전성 박막은 스퍼터링 공정 또는 진공증착법에 의해 형성될 수 있다.
상기 광전변환층(200)은 상기 도전성 박막 위에 형성되고, N형, I형 및 P형 실리콘계 반도체층이 접합된 PIN 접합층으로서 플라즈마 CVD 공정 또는 유도결합형 플라즈마 CVD 공정 등의 CVD 공정에 의하여 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 광전변환층(200)은 상기 도전성 박막(300) 상에 N형 실리콘계 반도체층을 형성한 후에, 상기 N형 실리콘계 반도체층 상에 I형 실리콘계 반도체층을 형성한다음 상기 I형 실리콘계 반도체층 상에 P형 실리콘계 반도체층을 형성하여 구성될 수 있다. 상기 N형 실리콘계 반도체층은 인, 질소 등과 같이 N형의 불순물이 도핑된 층이고, 상기 P형 실리콘계 반도체층은 붕소 등의 제3족 원소인 P형 불순물이 도핑된 층이다. 또한, 상기 광전변환층(200)은 CuInSe2, CuInGaSe 또는 CdTe 화합물 반도체층으로 형성할 수도 있다.
본 발명의 튜브형 태양전지 모듈에서 상기 광전셀은 2단 이상 적층된 광전변환층을 포함하는 탄뎀 구조일 수 있고, 각층의 광전변환층은 PN 접합구조이거나 PIN 접합 구조를 포함할 수 있다.
상기 광전셀의 광전변환층은 유기반도체층 또는 화합물 반도체층일 수 있다. 구체적으로, 상기 유기반도체층은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 미세결정질 실 리콘, 게르마늄, 갈륨, 실리콘-게르마늄으로 구성된 그룹에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 화합물 반도체층은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅱ-Ⅵ족 화합물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 구성되는 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 광전변환층(200)은 제1 P형 반도체층, 제1 I형 비정질 실리콘계 반도체층, 제1 N형 반도체층, 제2 P형 반도체층, 제2 I형 비정질 실리콘계 반도체층 및 제2 N형 반도체층을 적층한 구조로 구현될 수 있다. 대안으로, 제1 P형 반도체층, I형 비정질 실리콘계 반도체층, 제1 N형 반도체층, 제2 P형 반도체층, I형 미결정 실리콘계 반도체층 및 제2 N형 반도체층을 차례로 형성해서 이중 PIN 구조로 구현할 수도 있다.
상기 P형 반도체층은 비정질 실리콘을 플라즈마 CVD공정을 이용하여 형성하는데, 구체적으로는 플라즈마 CVD 챔버 내에 SiH4, H2, CH4, 및 PH3 가스를 공급하면서 플라즈마를 발생시켜 상기 전면전극층(100) 상에 P형 실리콘층을 형성한다. 이와 같은 플라즈마 CVD공정은 소정의 전력 및 소정의 압력 하에서 소정양의 가스를 공급하면서 수행하게 되며, 전력과 압력의 세기, 및 공급되는 가스의 양은 플라즈마 CVD 공정에서 수행되는 통상적인 범위 내이다. 이어서, 상기 P형 반도체층 상에 I형 반도체층을 형성하고, 상기 I형 반도체층 상에 N형 반도체층을 형성한다. 이와 같은 공정에 의해 P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층이 순서대로 적층된 PIN 구조의 반도체층이 형성된다.
광전변환층(200)은 태양광에 의해 정공(hole) 및 전자(electron)를 생성하고 생성된 정공 및 전자가 각각 P층 및 N층에서 수집되는데, 이와 같은 정공 및 전자의 수집효율을 증진시키기 위해서는 P층과 N층만으로 이루어진 PN 구조에 비하여 PIN 구조가 보다 바람직하다. 상기 광전변환층(200)을 PIN 구조로 형성하게 되면, I층이 P층과 N층에 의해 공핍(depletion)이 되어 내부에 전기장이 발생하게 되고, 태양광에 의해 생성되는 정공 및 전자가 상기 전기장에 의해 드리프트(drift)되어 각각 P층 및 N층에서 수집된다.
상기 광전변환층(200) 위에는 전도성 물질의 후면전극(300)이 형성된다. 본 발명의 태양전지에서 후면전극(300)은 Ag, Al, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu 등과 같은 금속을 스퍼터링법 또는 인쇄법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 후면전극 상에는 전술한 전면전극의 투명 도전성 박막과 마찬가지로 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F 또는 ITO 등과 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링법 또는 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성막함으로써 도전막이 형성될 수 있다.
본 발명에서는 상기 후면전극 상에 반사방지막을 형성할 수 있다. 상기 방사방지막은 예를 들면 실리콘질화막, 수소를 포함한 실리콘질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, MgF2, ZnS, MgF2, TiO2 및 CeO2 로 이루어진 군에서 선택된 재료를 포함할 수 있다. 반사방지막은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성될 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니다.
상기 온수관(400) 내부에는 태양전지를 냉각시키기 위한 물이 유입되어 유동되는데, 물 이외의 다른 종류의 액체 또는 기체가 사용될 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일구현예의 튜브형 태양전지 모듈은 복수 개의 광전셀들로 구성되는데, 각각의 광전셀 내의 온수관(400)은 수로 연결관(410)에 의해서 서로 연결되어 하나의 온수공급탱크(미도시)로부터 물과 같은 온도 조절 매질을 공급받고, 데워진 물은 각각의 광전셀의 배수로로부터 흘러나와 하나의 배수로를 거쳐 온수탱크(미도시) 내에 집수될 수 있다.
상기 후면전극(300)과 온수관(400) 사이에 수분의 침투에 의한 전극의 손상을 방지하기 위하여, 방수코팅층이 형성될 수 있다. 이러한 방수코팅층은 후면 전극과 온수관이 접하는 면에 아교, PVC 등 각종 유기물을 스핀 코팅, 프린팅, 테이핑 방법을 이용하여 처리하여 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예의 튜브형 태양전지 모듈의 개략사시도이다. 도 4를 참고하면, 다른 구현예의 튜브형 태양전지 모듈은 튜브형 광전셀들의 하단에 설치된 반사판(500)을 구비한다. 이러한 반사판(500)은 소정의 두께의 알루미늄 합금 호일과 같은 금속 반사판으로 구성될 수 있다. 상기 반사판(500)은 태양광을 태양전지로 반사시키는 반사면을 갖는 평면 구조로 이루어진다. 이렇게 되면 태양전지 모듈 내의 복수 개의 광전셀들은 태양으로부터 입사되는 입사광 및 하부서 반사되는 반사광 모두를 활용할 수 있다.
복수 개의 광전셀들은 상부에서 입사되는 입사광이 하부의 반사판에서 반사될 수 있도록 하기 위해서 소정의 간격으로 이격 배열된다. 입사광은 상기 복수 개의 광전셀들의 상부로 입사됨과 동시에, 상기 복수 개의 광전셀들 사이의 이격된 영역을 통해 진행한 후 하부의 반사판에서 반사됨으로써 상기 복수 개의 광절셀들의 하부로도 입사된다. 따라서 상기 복수 개의 광전셀들 사이의 이격된 영역이 입사광의 진행통로 역할을 하게 된다.
이상과 같이 구성된 튜브형 태양전지 모듈은 다음과 같이 동작한다. 외부에서 빛이 태양전지에 입사되면 광전변환층(300)에서 입사된 광에너지에 의해 전자와 정공이 발생되고, 상기 전자는 N형 실리콘층으로 상기 정공은 P형 실리콘층으로 각기 확산하게 된다. 하전 캐리어의 분극이 일어나면, 반도체의 양측에는 전위차가 생긴다. 이때, 상기 N형 실리콘층과 P형 실리콘층을 결선하게 되면 상기 전자 및 정공의 이동에 의해 전력이 생성되게 된다. 태양전지의 온도가 상승할 경우 온수관 내부에 유동하는 물에 의해 태양전지가 냉각되고, 이렇게 해서 데워진 온수는 생활 온수, 농업용수 등으로 활용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에서 청구하는 범위 및 그의 균등한 범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 튜브형 태양전지 모듈의 개략사시도이다.
도 2는 도 1의 태양전지 모듈의 광전변환층의 상세단면도이다.
도 3은 본 발명에서 복수개의 태양전지 모듈이 장착된 상태의 사시도이다.
도 4는 반사판이 설치된 실시예의 튜브형 태양전지 모듈의 개략사시도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 전면전극 200: 광전변환층 300: 후면전극
400: 온수관 410: 수로 연결관 500: 반사판
Claims (7)
- 기판 상에 형성되고 서로 연결된 복수의 광전셀들을 구비하며,상기 광전셀들은 상기 기판 상의 전면전극; 상기 전면전극 상의 광전변환층; 상기 광전변환층 상의 후면전극을 구비하며, 상기 광전셀들은 소정의 길이의 튜브형이고, 상기 튜브형 광전셀의 내부에 광전셀의 온도 상승을 조절할 있는 온수관이 형성된 것을 특징으로 하는 튜브형 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 각각의 광전셀의 온수관은 수로 연결관에 의해서 서로 연결된 것을 특징으로 하는 튜브형 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 후면전극과 온수관 사이에 방수코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 튜브형 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 태양전지 모듈은 상기 복수 개의 튜브형 광전셀들의 하부에 형성되어, 상기 복수 개의 튜브형 광전셀들 사이의 이격된 영역으로 입사되는 입사광을 상기 복수 개의 광전셀로 반사시키는 반사판을 더 포함하는 것을 특징 으로 하는 튜브형 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 광전셀이 2단 이상 적층된 광전변환층을 포함하는 탄뎀 구조이거나, 각층의 광전변환층이 PN 접합구조 또는 PIN 접합 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브형 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 광전셀의 광전변환층은 유기반도체층 또는 화합물 반도체층인 것을 특징으로 하는 튜브형 태양전지 모듈.
- 제 6항에 있어서, 상기 유기반도체층은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 미세결정질 실리콘, 게르마늄, 갈륨, 실리콘-게르마늄으로 구성된 그룹에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 화합물 반도체층은 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅱ-Ⅵ족 화합물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 구성되는 그룹에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 튜브형 태양전지 모듈.
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| KR20110077769A true KR20110077769A (ko) | 2011-07-07 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013073769A1 (ko) * | 2011-11-18 | 2013-05-23 | 한국과학기술원 | 후면 전극형 태양전지 및 이의 제조 방법 |
| KR101350350B1 (ko) * | 2013-04-02 | 2014-01-17 | 한국에너지기술연구원 | 상전이물질을 함유한 실린더형 염료감응태양전지 및 그 모듈 |
| WO2024035006A1 (ko) * | 2022-08-09 | 2024-02-15 | 김시재 | 튜브형 태양광 발전모듈 |
-
2009
- 2009-12-30 KR KR1020090134426A patent/KR20110077769A/ko not_active Application Discontinuation
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