KR20150061279A - 박막형 태양전지, 박막형 태양전지의 제조 방법 및 박막형 태양전지의 효율 증대 방법 - Google Patents
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Abstract
박막형 태양전지는 텍스처링된 영역을 부분적으로 포함하는 능동층; 상기 능동층 상에 위치하는 필름층; 및 상기 필름층 상에 위치하며, 입사광을 상기 텍스처링된 영역에 집속시키도록 배치된 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 박막형 태양전지 제조 방법은 능동층에 부분적으로 텍스처링된 영역을 형성하는 단계; 및 상기 텍스처링된 영역을 포함하는 능동층 위에, 입사광을 상기 텍스처링된 영역에 집속시키도록 배치된 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 광집속층을 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 또, 태양전지의 효율 증대 방법은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이에 의해 입사광을 집속시키는 단계; 상기 집속된 입사광을, 박막형 태양전지의 능동층에 형성된 텍스처링된 영역에 입사시키는 단계; 및 상기 텍스처링된 영역에 입사된 입사광을 상기 능동층에 의해 전기 에너지로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
실시예들은 박막형 태양전지에 있어서, 능동층에서의 광흡수를 증가시키면서 전자-정공 쌍의 표면 재결합을 감소시킴으로써 박막형 태양전지의 효율을 증대시키는 기술에 관한 것이다.
태양전지는 태양광의 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전 시스템의 핵심 소자로써, 입사된 태양광을 흡수하는 태양전지의 능동층(흡수층)은 p-n 접합의 반도체 다이오드로 구성된다. 능동층에서는 태양광에서 흡수된 광자에 의하여 전자-정공 쌍이 생성되고, 이에 따라 생성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동한다. 따라서, p-n 접합부 사이에 광 기전력이 발생함으로써 전기에너지가 생산된다.
태양전지는 능동층의 재료에 따라 다양하게 구분되는데, 현재는 벌크(bulk)형 결정질 실리콘으로 이루어진 태양전지가 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 태양광 발전 시스템의 제조 단가 중 능동층 재료의 비용이 가장 높은 비율을 차지하기 때문에, 능동층에 포함되는 실리콘 양을 줄이기 위해 박막형 실리콘 태양전지의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다.
박막형 실리콘 태양전지의 경우, 벌크형 실리콘 태양전지에 비해 능동층 재료의 사용량을 줄일 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있으나, 능동층이 얇아짐에 따라 입사된 태양광을 능동층 내에서 충분히 흡수하지 못하는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 능동층 내에서 입사광을 충분히 흡수할 수 있도록 입사면에서 광 반사를 최소화 시키는 무반사 코팅 및 능동층에서의 광 경로를 충분히 길게 하는 광 트래핑(light trapping) 기법 등이 사용되고 있다.
광 트래핑 기법 중, 능동형 재료인 결정질 실리콘의 결정 방향에 따른 습식 에칭 공정을 이용하여 주기적인 요철 구조를 형성함으로써 입사광이 요철 구조면에서 각기 다른 방향으로 굴절되도록 하여 광 경로를 늘리는 텍스처링 기법(texturing)이 많이 사용되고 있다. 텍스처링 기법은 단순한 공정으로 원하는 요철 구조를 얻을 수 있는 장점이 있으나, 요철 구조로 인해 능동층의 p-n 접합면이 넓어져, 평면 능동층을 갖는 결정질 실리콘 박막 태양전지에 비하여 입사광에 의해 능동층 내에 생성된 전자-정공 쌍의 표면 재결합(surface recombination)이 급격히 증가한다. 이에 따라 전자나 정공에 의한 전류의 흐름을 저해하게 되므로 능동층 내에 흡수되는 광량이 증가하는 만큼 태양전지의 효율이 증가하지 않는 치명적인 단점을 가지고 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 능동층에서의 광 흡수량을 증대시키기 위해 광 트래핑 기법을 사용함과 동시에 능동층 표면에서의 전자와 정공의 표면 재결합을 감소시킴으로써 전류의 흐름을 저해하지 않는 박막형 태양전지를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 박막형 태양전지는 일부가 텍스처링된 능동층; 상기 능동층 상에 형성된 필름층; 및 상기 필름층 상에 형성된 렌즈 어레이; 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 박막형 태양전지 제조 방법은 박막형 태양전지의 능동층의 일부를 텍스처링하는 단계; 및 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 광집속층을 상기 일부가 텍스처링된 능동층 위에 부착하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 효율 증대 방법은 입사광을 집속시키는 단계; 상기 집속된 입사광을 박막형 태양전지의 일부가 텍스처링된 능동층에 흡수시키는 단계; 및 상기 능동층에 흡수된 빛에 의한 에너지를 전기 에너지로 변환하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 태양전지에 의하면, 농등층에 부분적으로만 텍스처링된 영역을 형성함으로써, 능동층의 전면이 텍스처링된 종래의 태양전지의 광 트래핑 성능 이상으로 능동층 내에서 태양광을 충분히 흡수하면서, 능동층의 표면적을 감소시켜 표면 재결합 효과를 대폭 감소시킴으로써 전류의 흐름을 저해하지 않는 고효율의 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 태양전지에 의하면 태양광을 집속시켜 능동층에 입사시키는 구성을 능동층의 제조 공정과 별도의 공정을 이용하여 제작한 후 능동층에 부착할 수 있으므로 제조 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 일부 단면도 및 태양광이 흡수되는 경로를 나타낸 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 일부가 텍스처링된 능동층의 개략도이다.
도 3는 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적(ray-tracing) 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 4은 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 5는 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 6는 평면 능동층을 갖는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 7은 능동층의 밑면이 평면인 태양전지들의 구조별 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율 그래프이다.
도 8은 능동층의 밑면이 람버시안(Lambertian) 구조를 갖는 태양전지들의 구조별 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율 그래프이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 일부가 텍스처링된 능동층의 개략도이다.
도 3는 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적(ray-tracing) 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 4은 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 5는 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 6는 평면 능동층을 갖는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 7은 능동층의 밑면이 평면인 태양전지들의 구조별 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율 그래프이다.
도 8은 능동층의 밑면이 람버시안(Lambertian) 구조를 갖는 태양전지들의 구조별 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 은 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 일부 단면도 및 태양광이 흡수되는 경로를 나타낸 개략도이다.
도 1 을 참조하면, 일 실시예에 따른 박막형 태양전지는 일부가 텍스처링된 능동층(14), 상기 능동층(14) 상에 형성된 필름층(13) 및 상기 필름층(13) 상에 형성된 렌즈 어레이(12)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 박막형 태양전지에서 능동층(14)은 부분적으로만 텍스처링된 된다. 즉, 능동층(14)의 일부 영역은 텍스처링된 영역(15)으로 되어 있는 한편, 상기 영역(15)을 제외한 능동층(14)의 다른 영역은 텍스처링되지 않는다.
도 1 을 참조하여, 일 실시예에 따른 태양전지의 능동층에 빛이 어떻게 흡수되는지를 설명한다. 입사광(11)은 렌즈 어레이(12)에 입사하며 공기와 렌즈를 이루는 물질의 굴절률 차이로 인해 굴절되어 집속된 후, 렌즈 어레이(12)의 아래에 위치한 필름층(13)에 입사된다. 이 때, 입사된 빛은 렌즈 어레이(12)와 필름층(13)을 이루는 물질의 굴절률 차이로 인해 다시 한 번 굴절되어 집속될 수 있다. 집속된 빛은 필름층(13) 및 렌즈 어레이(12)의 구조에 의해 능동층(14)의 텍스처링된 부분(15)에 입사하도록 구성된다.
본 명세서에서, 텍스처링이란 능동층(14)의 표면을 3차원 구조물 형태로 패터닝하는 것을 지칭하도록 의도된다. 태양 광선이 능동층(14)에서 텍스처링된 영역에 입사될 경우 능동층 내에서 반사를 거듭하게 되어, 입사광이 텍스처링되지 않은 영역에서 입사되는 경우와 비교할 때 능동층 내의 광 경로가 길어지고, 따라서, 능동층(14)에 의한 광 흡수가 증대된다. 그러나, 능동층(14)의 표면 전체를 텍스처링할 경우, 능동층(14)의 표면적이 증가함에 따라 표면에서의 전자-정공 재결합이 증가한다. 따라서, 전자 또는 정공에 의한 전류의 흐름을 저해하여, 능동층(14)에서의 광 흡수가 증대된 만큼 태양전지의 효율이 증대되지 못하도록 한다.
이에 비하여 실시예들에 따른 박막형 태양전지에서는, 능동층의 전면이 텍스처링된 기존의 태양전지에 비해 능동층(14)의 일부만 텍스처링함으로써 능동층(14)의 표면적을 감소시켜 표면 재결합(surface recombination)을 줄일 수 있고, 렌즈 어레이(12) 및 필름층(13)에 의해 입사광을 집속시켜 텍스처링된 부분(15)에 입사할 수 있도록 함으로써 입사광이 텍스처링된 부분(15)의 요철 구조에 의해 능동층 내에서 전반사함으로써 능동층의 전면을 텍스처링하지 않더라도 광 트래핑의 기능을 유지할 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입사광을 집속시키는 단계, 상기 집속된 입사광을 박막형 태양전지의 일부가 텍스처링된 능동층에 흡수시키는 단계 및 상기 능동층에 흡수된 빛에 의한 에너지를 전기 에너지로 변환하는 단계를 포함하는 박막형 태양전지의 효율을 증대시키는 방법을 제공할 수 있다.
렌즈 어레이(12)는 입사광(11)을 능동층(14)의 텍스처링된 부분(15)을 향해 집속하는 집속층의 역할을 하기 때문에, 열에 강하고 투광성이 우수한 특성을 갖는 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면, 일반적으로 광학 필름 형상을 제작할 때 많이 사용되는 자외선 수지(UV resin)일 수 있다. 또한, 렌즈 어레이(12)는 점착제 겸 기능재료로 동작할 수 있고, 형상롤 형태의 금형을 만듬으로써 자외선(UV) 빛이 지나가면서 성형되는 방식으로 대면적화가 가능하다. 렌즈 어레이(12)를 이루는 렌즈는 직경이 마이크로미터(μm) 또는 밀리미터(mm)의 단위를 갖는 마이크로렌즈일 수 있다. 태양광이 입사하는 렌즈 어레이(12)의 표면은 다양한 형태로 설계 가능하고, 예를 들어, 반구형 또는 볼록한 부분을 갖는 비구면일 수 있다. 렌즈 어레이(12)를 통해 입사광이 텍스처링된 부분(15)에 집속되면, 텍스처링 형상에 의해 광 경로가 능동층 내에서 전반사 되어 능동층에서의 입사광의 흡수가 극대화된다.
필름층(13)은 렌즈 어레이(12)로부터 능동층(14)의 텍스처링된 부분(15)까지 빛을 집속하기 위해 초점 거리를 조절하는 스페이서(spacer)의 역할을 할 수 있다. 또한, 필름층(13)은 능동층(14)과 렌즈 어레이(12)의 접착제 역할을 할 수도 있다. 일반적으로 굴절률이 높은 물질로 필름층을 구성함으로써 초점 거리를 짧게 설계하는 경우, 집광능이 증가하여 텍스처링 면적이 좁아지지만, 렌즈 어레이(12)의 곡률반경이 커지므로, 제작 공정의 마진이 줄어들고 태양광의 고도변화 등 빛의 입사각 변화에 의한 입사 허용각(acceptance angle)이 줄어드는 단점이 있다. 반면, 초점 거리를 길게 설계하는 경우, 렌즈 어레이(12)의 곡률반경이 작아짐에 따라 제작 공정의 마진이 증가되고, 입사 허용각이 커질 수 있지만, 텍스처링 면적이 넓어야 한다는 단점이 있다. 따라서, 텍스처링 면적, 제작 공정의 마진 및 렌즈 어레이(12)의 입사 허용각을 고려하여 필름층(13)을 이루는 물질과 필름층(13)의 두께를 최적화하여 설계하는 것이 요구된다.
일 실시예에서, 필름층(13)은 또한 렌즈 어레이(12)를 성형할 때 기판으로서 사용될 수도 있다. 또한 일 실시예에서, 필름층(13)은 유전체로 이루어질 수 있다. 또한, 필름층(13)은 고분자 물질로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 필름층(13)은 PET(Polyethyleneterephthalate) 필름일 수 있다.
능동층(14)은 일반적인 태양전지의 능동층에 사용되는 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 능동층(14)은 결정질 실리콘 박막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, 능동층에 부분적으로 텍스처링된 영역을 형성하는 단계 및 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 광집속층을 상기 텍스처링된 영역을 포함하는 능동층 위에 위치시키는 단계를 포함하는 박막형 태양전지 제조 방법에 의해 제작될 수 있다. 예를 들어, 광집속층의 필름층이 상기 일부가 텍스처링된 능동층 위에 부착될 수 있다. 능동층을 제작하는 공정과는 별도의 롤(roll) 공정으로 광집속층을 제작함으로써, 제조 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
능동층의 일부를 텍스처링하는 단계는 다양한 방법에 의해 수행될수 있다. 예를 들어, 포토 마스크 등을 이용한 포토 리소 공정 또는 화학적 습식 에칭 공정 등을 이용하여 텍스처링할 부분과 텍스처링된 부분의 형상을 조절할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따라, 태양전지의 능동층의 일부가 텍스처링된 형상을 나타낸 개략도이다. 도 2 에 나타난 바와 같이, 텍스처링은 요철구조가 피라미드(사각뿔) 형상을 갖도록 능동층의 일부에 수행될 수 있고, 요철구조는 피라미드뿐만 아니라 입사광을 능동층 내에서 전반사시킬 수 있는 어떤 형상이라도 가능하다.
실시예들에 따른 태양전지의 효능을 정량적으로 검증하기 위해 서로 다른 구조를 갖는 네 개의 태양전지에 대하여 능동층에 흡수되는 광량을 광학적으로 계산하였다.
도 3 은 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적(ray-tracing) 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다. 파장이 300 nm 내지 1200 nm 인 태양광(AM 1.5GHz)을 입사빔으로서 태양전지에 투과시킨 후, 결정질 실리콘으로 설정한 능동층에 흡수되는 광량을 정량적으로 계산하였다. 반구형 렌즈의 직경은 100 μm, 필름층의 두께는 0.1 mm 로 설정하였다. 능동층은 두께 10 μm 의 결정질 실리콘으로 이루어지도록 설계하였으며, 능동층 텍스처링의 요철구조는 밑면으로부터 꼭지점까지의 높이가 5 μm 인 피라미드 구조를 갖도록 설정하였다. 도 3 를 참고하면, 능동층에 흡수된 태양광이 전반사를 일으키면서 특정한 방향성 없이 이동하는 것을 알 수 있다.
도 4 은 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면 렌즈 어레이를 포함하는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 시뮬레이션한 결과이다. 입사광, 필름층 및 능동층에 대한 설정은 도 3 의 경우와 동일하고, 비구면 렌즈는, 마주 보는 모선이 79.61o(apex angle)를 이루는 원뿔에서 원뿔의 꼭지점 주변 부분(즉, 비구면 렌즈의 상단 부분)을 반지름이 0.025 mm 인 구의 일부로 대체한 형상을 갖도록 설계하였다. 도 4 를 참고하면, 도 3 에서와 같이 능동층에 흡수된 태양광이 일정한 방향성 없이 전반사하는 것을 알 수 있다.
태양전지의 렌즈 어레이의 형상 및 배치, 필름층의 두께, 능동층의 텍스처링 형상 및 크기 등의 설계 요소들은 도 3 및 도 4 에서 사용된 광학 설계 기법을 이용하여 최적화할 수 있다. 반구형 렌즈 어레이와 비구면 렌즈 어레이는 일 실시예일 뿐, 렌즈의 형상은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들에 따른 태양전지와 비교하기 위하여 기존의 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지와 평면 능동층을 갖는 태양전지에 입사하는 태양광의 경로를 광선 추적 기법을 이용하여 각각 도 5 및 도 6 에 나타내었다. 도 5 및 도 6 에 있어서, 입사광 및 능동층의 두께에 대한 설정은 도 3 의 경우와 동일하고, 도 5 의 능동층의 텍스처링 요청 구조 또한 도 3 의 경우와 동일하다. 전면이 텍스처링된 능동층에 흡수된 태양광은 능동층에 입사할 때 굴절되어 전반사하는 반면, 평면 능동층을 갖는 태양전지는 입사한 태양광이 그대로 흡수되어 도 3 내지 도 5 의 능동층에 흡수된 태양광보다 짧은 경로를 가짐을 알 수 있다.
도 7 은 도 3 내지 도 6 의 구조를 갖고, 능동층의 밑면에서 산란이 발생하지 않도록 밑면이 평면인 태양전지의 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율을 광선 추적 기법을 이용하여 나타낸 그래프이다. 도 7 에 나타난 바와 같이, 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면 렌즈 어레이와 필름층을 포함하는 태양전지의 광흡수율(71)이 가장 높고, 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 렌즈 어레이와 필름층을 포함하는 태양전지의 광흡수율(72)도 기존의 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지(73) 및 평면 능동층을 갖는 태양전지(74)의 광흡수율보다 평균적으로 높은 것을 알 수 있다.
아래의 표 1 은 도 7 의 각 태양전지의 능동층에서 흡수하는 광량을 계산한 것으로서, ‘절대값’은 도 7 의 광 흡수율 그래프를 파장에 대해 적분한 절대 흡수 광량으로서, 입사광을 100 으로 놓았을 때 각 능동층에서 흡수되는 광량을 나타내고, ‘상대값’은 윗면과 밑면이 모두 평면인 능동층을 갖는 태양전지의 능동층에서의 절대 흡수 광량을 100 으로 놓았을 때의 상대적인 흡수 광량을 나타낸다.
| 태양전지의 구조 | 절대값 | 상대값 |
| 평면 능동층을 갖는 태양전지 | 43.45 | 100.00 |
| 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지 | 64.36 | 148.12 |
| 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지 | 69.71 | 160.44 |
| 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지 | 72.55 | 166.97 |
표 1 을 참고하면, 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지가 평면 능동층을 갖는 태양전지에 비해 약 1.48 배의 빛을 흡수하는 반면, 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 또는 비구면 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지는 약 1.6 배 또는 1.67 배의 빛을 흡수하는 것을 알 수 있다. 즉, 능동층의 일부가 텍스처링되고 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지는 평면 능동층을 갖는 태양전지에 비해 월등히 높은 흡수 광량을 가지며, 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지에 비해서도 높은 흡수 광량을 갖는다. 다시 말해, 일부가 텍스처링된 능동층, 렌즈 어레이 및 필름층을 갖는 태양전지는 능동층의 전면이 텍스처링된 태양전지에 비해 표면적이 작으므로 표면 재결합은 감소시키면서 능동층에서의 빛 흡수량은 더욱 증가시키므로, 기존의 태양전지에 비해 개선된 효율을 가질 것으로 예상된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 능동층에서의 빛의 산란을 극대화하여 반사를 방지하기 위해 능동층의 밑면이 람버시안(Lambertian) 구조를 가질 수 있다. 본 명세서에서 람버시안 구조란 관찰차가 바라보는 각도와 관계없이 특정 표면에서의 물체의 휘도가 등방성을 갖는 람버시안 반사율을 갖도록 표면처리된 구조를 지칭한다. 람버시안 구조에 대해서는 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 구체적인 도시 및 설명은 생략한다. 도 8 은 도 3 내지 도 6 의 구조를 갖되, 능동층의 밑면을 람버시안 산란체로 설정한 태양전지들의 능동층에서의 파장에 따른 광흡수율 그래프를 나타낸다. 도 7 에서와 유사하게, 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면(81) 또는 반구형(82) 렌즈 어레이와 필름층을 포함하는 태양전지가 평면 능동층(84) 또는 전면이 텍스처링된 능동층(83)을 갖는 태양전지보다 높은 광흡수율을 가짐을 알 수 있다.
아래의 표 2 는 도 8 의 각 태양전지의 능동층에서 흡수하는 광량을 계산한 것으로서, ‘절대값’은 도 7 의 광 흡수율 그래프를 파장에 대해 적분한 절대 흡수 광량이고, ‘상대값’은 표 1 에서와 같은 의미를 갖는다.
| 태양전지의 구조 | 절대값 | 상대값 |
| 평면 능동층을 갖는 태양전지 | 54.66 | 125.80 |
| 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지 | 73.96 | 170.22 |
| 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지 | 77.14 | 177.54 |
| 능동층의 일부가 텍스처링되고 비구면 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지 | 78.22 | 180.02 |
표 1 과 표 2 를 참고하면, 전체적으로 밑면이 평면인 능동층을 갖는 태양전지들에 비해 밑면이 람버시안 구조를 갖는 능동층을 포함하는 태양전지들의 능동층에서 흡수되는 광량은 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 표 1 에서와 마찬가지로, 능동층의 일부가 텍스처링되고 반구형 또는 비구면 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 태양전지의 흡수 광량이 평면 또는 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지의 흡수 광량에 비해 많은 것을 확인할 수 있다.
상기 시뮬레이션 결과를 통해 확인한 바와 같이, 능동층의 일부가 텍스처링되고 텍스처링된 부분으로 입사광을 집속시키기 위한 렌즈 어레이와 필름층을 포함하는 태양전지는 기존의 태양전지에 비해 능동층에서의 광 흡수율이 뛰어나고, 전면이 텍스처링된 능동층을 갖는 태양전지에 비해 능동층의 표면적이 작으므로 표면 재결합이 감소하여 효율이 높은 태양전지를 제공할 수 있다.
이상, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
11 : 입사광
12 : 렌즈 어레이
13 : 필름층 14 : 능동층
15 : 텍스처링된 부분
13 : 필름층 14 : 능동층
15 : 텍스처링된 부분
Claims (17)
- 텍스처링된 영역을 부분적으로 포함하는 능동층;
상기 능동층 상에 위치하는 필름층; 및
상기 필름층 상에 위치하며, 입사광을 상기 텍스처링된 영역에 집속시키도록 배치된 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이;
를 포함하는 박막형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 렌즈는 자외선 수지(UV resin)로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 능동층에서 상기 필름층 반대편 표면은 람버시안(Lambertian) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 렌즈는 반구형인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 렌즈는 볼록한 부분을 갖는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 필름층은 유전체로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. - 제 6 항에 있어서,
상기 필름층은 PET 필름인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지. - 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이에 의해 입사광을 집속시키는 단계;
상기 집속된 입사광을, 박막형 태양전지의 능동층에 형성된 텍스처링된 영역에 입사시키는 단계; 및
상기 텍스처링된 영역에 입사된 입사광을 상기 능동층에 의해 전기 에너지로 변환하는 단계;
를 포함하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 렌즈는 자외선 수지(UV resin)로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 능동층의 상기 텍스처링된 영역 반대편 표면은 람버시안(Lambertian) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 렌즈는 반구형인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 렌즈는 볼록한 부분을 갖는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 집속된 입사광을, 박막형 태양전지의 능동층에 형성된 텍스처링된 영역에 입사시키는 단계는 필름층에 의해 수행되며, 상기 필름층은 유전체로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 필름층은 PET 필름인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 효율 증대 방법. - 능동층에 부분적으로 텍스처링된 영역을 형성하는 단계; 및
상기 텍스처링된 영역을 포함하는 능동층 위에, 입사광을 상기 텍스처링된 영역에 집속시키도록 배치된 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이 및 필름층을 포함하는 광집속층을 위치시키는 단계;
를 포함하는 박막형 태양전지 제조 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 광집속층을 위치시키는 단계는, 상기 렌즈 어레이와 결합된 상기 필름층을 상기 능동층에 부착시키는 단계를 포함하는 박막형 태양전지 제조 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 텍스처링된 영역을 형성하는 단계는 포토 리소 공정 또는 화학적 습식 에칭 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조 방법.
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| KR1020130145183A KR101534756B1 (ko) | 2013-11-27 | 2013-11-27 | 박막형 태양전지, 박막형 태양전지의 제조 방법 및 박막형 태양전지의 효율 증대 방법 |
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