KR101325572B1

KR101325572B1 - Ｐｃｂ를 이용한 태양전지

Info

Publication number: KR101325572B1
Application number: KR1020120048998A
Authority: KR
Inventors: 안현우; 이성규
Original assignee: 이성규; 안현우
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2013-11-05
Anticipated expiration: 2032-05-09

Abstract

본 발명은 복수의 고정홀과 도통홀이 교대로 관통 형성된 절연성 재질의 기판과, 일부분이 상기 고정홀에 삽입되어 상기 기판에 고정되며 상기 기판 상부로 노출된 노출 영역을 통해 수광하여 광전 효과를 발생시키는 복수의 실리콘 볼과, 상기 기판의 상면에 형성되며 상기 각 실리콘 볼의 수광 영역과 연결되는 복수의 상부 전극과, 상기 각 실리콘 볼의 삽입 영역과 연결되도록 상기 기판의 후면에 형성되며 상기 도통홀을 통해 상기 상부 전극과 도통되는 복수의 하부 전극을 포함하는 PCB를 이용한 태양전지를 개시한다.

Description

ＰＣＢ를 이용한 태양전지{SOLAR CELL USING PRINTED CIRCUIT BOARD}

본 발명은 PCB와 실리콘 볼을 이용한 구조의 태양전지에 관한 것이다.

태양전지란 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치로서, P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용하여 전기를 발생시킨다. 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 발생한 전하들은 P, N극으로 이동하여 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생한다. 이때 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되며,이를 광전효과라 한다.

현재 태양광 발전 시스템에서 일반적으로 사용하고 있는 실리콘 태양전지는 실리콘 웨이퍼 기판, 상부 전극, 하부 전극 등을 포함하는 구조를 갖는다. 실리콘 웨이퍼 기판은 P층과 N층이 접합되어 P-N 접합을 이루며, 일반적으로 기판의 상부를 N층, 기판의 하부를 P층으로 형성한다. N층의 상면에는 상부 전극과 반사 방지막이 형성되고, P층의 하면에는 하부 전극이 형성된다. 이와 같은 구조를 갖는 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생하며, 발생하는 전하 중 전자는 N형 반도체 쪽으로, 정공은 P형 반도체 쪽으로 이동한다. 이동한 각 전하는 접합된 전극으로 이동하여 전류가 흐르게 되게 되는 것이다.

상기와 같은 태양전지 구조에 따르면 상부 전극에 의해 빛이 가려져 수광 면적이 축소되는 문제가 있으며, 셀과 셀이 리본 등으로 접합되어 태양 전지 모듈의 경우 리본의 도선 저항에 의해 효율이 감소되는 등의 문제가 있다. 광전 변환 효율을 향상시키기 위한 노력들로서 상부 전극의 선폭을 감소시켜 수광 면적을 증대시킨다거나, 태양전지의 반사율을 낮추어 반사 손실을 줄이는 등의 시도들을 들 수 있다. 한편, 이와 같은 시도와 더불어 태양전지의 제조 단가를 낮추기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 실리콘 볼을 사용하여 수광 면적을 증대시킴과 아울러 PCB 기판 구조를 활용하여 제조단가 또한 낮출 수 있는 종래와 다른 새로운 구조의 태양전지를 제공하기 위한 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 복수의 고정홀과 도통홀이 교대로 관통 형성된 절연성 재질의 기판과, 일부분이 상기 고정홀에 삽입되어 상기 기판에 고정되며 상기 기판 상부로 노출된 노출 영역을 통해 수광하여 광전 효과를 발생시키는 복수의 실리콘 볼과, 상기 기판의 상면에 형성되며 상기 각 실리콘 볼의 수광 영역과 연결되는 복수의 상부 전극과, 상기 각 실리콘 볼의 삽입 영역과 연결되도록 상기 기판의 후면에 형성되며 상기 도통홀을 통해 상기 상부 전극과 도통되는 복수의 하부 전극을 포함하는 PCB를 이용한 태양전지를 개시한다.

상기 실리콘 볼은 P형 또는 N형 실리콘을 포함하며, 상기 실리콘 볼의 수광 영역 표면에는 P-N 접합을 이루는 확산층이 형성될 수 있다.

상기 실리콘 볼의 표면은 텍스쳐(texture) 형상을 가질 수 있으며, 상기 실리콘 볼의 표면에는 반사 방지 물질이 코팅된 코팅층이 형성될 수 있다.

상기 상부 전극은 상기 고정홀을 한정하도록 형성되어 상기 실리콘 볼의 수광 영역과 연결되는 볼 연결부와, 상기 볼 연결부로부터 제1방향을 따라 연장되는 제1연장부와, 상기 제1연장부의 단부에 형성되며 상기 도통홀을 한정하도록 형성되는 상부 도통부를 포함하는 구조를 가질 수 있다.

상기 하부 전극은 상기 고정홀의 내부에 충전되어 상기 실리콘 볼의 삽입 영역과 연결되는 충전부와, 상기 충전부로부터 상기 제1방향과 반대 방향의 제2방향을 따라 연장되는 제2연장부와, 상기 제2연장부의 단부에 형성되며 상기 도통홀을 한정하도록 형성되는 하부 도통부를 포함하는 구조를 가질 수 있다.

상기 기판의 상면에는 반사 방지 물질이 코팅되어 형성되는 반사 방지막이 추가로 형성될 수 있으며, 반사 방지막의 상면에는 CNT 코팅층이 형성된 글라스 플레이트가 설치될 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 실리콘 볼을 이용하여 빛을 흡수하므로 종래의 평판형 태양전지 대비 수광 면적을 증대시킬 수 있으며, 실리콘 볼의 하부에 상부 전극이 위치하므로 상부 전극에 의해 빛이 가려지는 문제를 해결하였다.

또한, PCB 기판의 회로 패턴 제작 기법을 사용하여 태양전지의 제조가 가능하므로 제조공정을 단순화하고 제조 단가를 절감할 수 있다.

또한, 실리콘 볼의 표면 텍스쳐 구조, 실리콘 볼의 반사 방지 코팅층, 글라스 플레이트의 CNT 코팅층 구조를 통해 반사 손실을 현저히 저감시킬 수 있다.

또한, 기판의 면적 및 실리콘 볼의 개수에 따라 다양한 면적의 태양전지를 제작할 수 있으며, 셀 사이의 연결을 위한 리본을 사용할 필요가 없기 때문에 리본의 도선 저항에 의해 발생하는 전력 손실 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCB를 이용한 태양전지의 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 기판의 평면도.
도 3은 도 1에 도시된 기판의 배면도.
도 4는 도 1에 도시된 실리콘 볼의 확대 단면도.
도 5는 상부 전극 배열의 일 예를 나타내는 기판의 평면도.
도 6은 하부 전극 배열의 일 예를 나타내는 기판의 배면도.

이하, 본 발명과 관련된 PCB를 이용한 태양전지에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCB를 이용한 태양전지의 단면도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 기판의 평면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 기판의 배면도이다.

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 태양전지는 절연성 재질의 기판(110)과, 기판(110)에 설치되는 복수의 실리콘 볼(120)과, 기판(110)의 상면에 형성되는 복수의 상부 전극(130), 및 기판(110)의 하면에 형성되는 복수의 하부 전극(140)을 포함한다.

기판(110)은 절연성 재질로서, 일반적인 PCB(Printed Circuit Board)에 사용되는 기판이 사용된다. 기판(110)은 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 등의 재질로 형성될 수 있다.

기판(110)에는 복수의 고정홀(111)과 도통홀(112)이 교대로 관통 형성된다. 고정홀(111)과 도통홀(112)은 특정 방향을 따라 번갈아 형성되어 있다. 고정홀(111)은 실리콘 볼(120)이 안착되는 공간을 제공하며, 도통홀(112)은 상부 전극(130)과 하부 전극(140)을 도통시키기 위한 공간을 제공한다.

복수의 실리콘 볼(120)은 일부분이 각 고정홀(111)에 삽입되어 기판(110)에 고정되며, 고정홀(111)의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 실리콘 볼(120)은 기판(110) 상부로 노출된 부분(이하, '노출 영역'이라 한다.)을 통해 수광하여 광전 효과를 발생시킨다. 실리콘 볼(120)의 구성에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.

복수의 상부 전극(130)은 기판(110)의 상면에 형성되며, 각 실리콘 볼(120)의 수광 영역(즉, 노출 영역)과 연결된다. 도 2를 참조하면,상부 전극(130)은 볼 연결부(131), 제1연장부(132), 상부 도통부(133)를 포함하는 구조를 가질 수 있다.

볼 연결부(131)는 고정홀(111)을 한정하도록 형성되어 실리콘 볼(120)의 수광 영역과 연결된다. 볼 연결부(131)는 링 형태로 형성 가능하며, 실리콘 볼(120)의 수광 영역에 접촉하여 이와 전기적으로 연결된다.

제1연장부(132)는 볼 연결부(131)로부터 제1방향(도 2의 오른쪽 방향)을 따라 연장되는 구조를 갖는다. 제1연장부(132)는 볼 연결부(131)로부터 제1방향으로 떨어진 위치의 도통홀(112)까지 연장된다.

상부 도통부(133)는 제1연장부(132)의 단부에 형성되며, 도통홀(112)을 한정하도록 형성된다. 상부 도통부(133)는 볼 연결부(131)와 마찬가지로 링 형태로 형성 가능하다.

복수의 하부 전극(140)은 기판(110)의 후면에 형성되며, 각 실리콘 볼(120)의 고정홀(111) 내부로 삽입된 부분(이하, '삽입 영역'이라 한다.)과 연결된다. 하부 전극(140)은 도통홀(112)을 통해 상부 전극(130)과 도통되어 각 실리콘 볼(120)의 전기적 연결(직렬 연결)이 이루어지도록 한다.

도 3을 참조하면, 하부 전극(140)은 충전부(141), 제2연장부(142), 및 하부 도통부(143)를 포함한다.

충전부(141)는 고정홀(111)의 내부에 충전되어 실리콘 볼(120)의 삽입 영역과 연결된다. 충전부(141)는 도전성 물질이 고정홀(111) 내부에 충전되어 형성된다. 고정홀(111)의 내부에는 볼 연결부(131)와 충전부(141) 사이를 절연시키기 위한 절연재(115)가 형성될 수 있다.

제2연장부(142)는 충전부(141)로부터 제2방향(제1방향의 반대 방향, 도 3의 왼쪽 방향)을 따라 연장되는 구조를 가지며, 충전부(141)로부터 제2방향으로 떨어진 위치의 도통홀(112)까지 연장된다.

하부 도통부(143)는 제2연장부(142)의 단부에 형성되며, 도통홀(112)을 한정하도록 형성된다. 하부 도통부(143)는 상부 도통부(133)와 마찬가지로 링 형태로 형성 가능하며, 도통홀(112) 내벽의 도금층(115)을 통해 상부 전극(130)의 상부 도통부(133)와 연결된다.

상부 전극(130)과 하부 전극(140)은 구리, 실버 등의 도전성 재질로 형성되며, 인쇄회로기판(PCB)의 일반적인 회로패턴 형성방법과 동일한 방법으로 형성 가능하다. 상기와 같은 전극 구성을 통해 실리콘 볼(120)의 수광 영역은 상부 전극(130)을 통해 제1방향으로 떨어진 위치의 하부 전극(140)과 전기적으로 연결되며, 실리콘 볼(120)의 삽입 영역은 하부 전극(140)을 통해 제2방향으로 떨어진 위치의 상부 전극(130)과 전기적으로 연결되는 것이다.

기판(110)의 상면에는 반사 방지 물질(예를 들어, 불소계 수지, 나노입자, SiO₂, TiO₂ 등)이 코팅되어 반사 방지막(150)이 형성되며, 기판(110)의 하면에는 절연성 재질의 오버 코팅층(180)이 형성되어 하부 전극(140)을 보호한다.

반사 방지막(150)의 상면에는 빛의 통과가 가능한 투광성 재질(예를 들어, 글라스)의 투광성 플레이트(160)가 배치되어 상부 전극(130)을 보호한다. 투광성 플레이트(160)의 상면에는 탄소나노튜브 물질을 함유하는 CNT 코팅층(170)이 형성될 수 있다. CNT 코팅층(170)은 반사율을 감소시켜 최대한 많은 양의 빛이 실리콘 볼(120)로 전달되도록 한다.

이상에서 설명한 태양전지의 구조에 따르면, 실리콘 볼(120)을 이용하여 빛을 흡수하므로 종래의 평판형 태양전지 대비 수광 면적을 증대시킬 수 있으며, 실리콘 볼의 하부에 상부 전극(130)이 위치하므로 상부 전극(130)에 의해 빛이 가려지는 문제가 발생할 여지가 없다. 아울러 PCB 기판의 회로 패턴 제작 기법을 사용하여 태양전지의 제조가 가능하므로 제조공정을 단순화하고 제조 단가를 절감할 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 실리콘 볼의 확대 단면도이다.

실리콘 볼(120)은 P형 또는 N형 실리콘을 포함하며, 실리콘 볼(120)의 수광 영역 표면에는 P-N 접합을 이루는 확산층(121)이 형성된다. 실리콘 볼(120)은 P형 또는 N형 도판트(dopant)를 추가로 포함할 수 있다.

도 4의 경우 실리콘 볼(120)이 P형 실리콘으로 형성되고, 실리콘 볼(120)의 표면에 N형의 확산층(121)이 형성된 구조를 예시하고 있다. 이러한 경우 P형 실리콘 재질의 실리콘 볼(120)에 5족 원소를 포함하는 POCl₃, H₃PO₄ 등을 고온에서 확산시켜 도핑 공정을 수행하여 N형 확산층(121)을 형성시킬 수 있다. 실리콘 볼(120)이 기판(110)에 부착된 상태에서 도핑 공정을 수행하는 것도 가능한데, 이러한 경우 기판(110) 위에는 POCl₃ 또는 H3PO₄ 층이 추가로 형성되게 된다.

한편, 도 4와 같은 실리콘 볼(120)은 그 자체가 실리콘으로 형성된 구조를 가질 수 있을 뿐 아니라 절연성 볼에 실리콘이 코팅된 구조를 갖는 것도 가능하다 할 것이다.

상부 전극(130)의 볼 연결부(131)는 확산층(121), N극에 접촉되며, 하부 전극(140)의 충전부(141)는 실리콘 볼(120)의 P극 영역에 연결되게 되는 것이다. 실리콘 볼(120)에 빛이 비치면 실리콘 볼(120)의 내부에서 전자와 정공이 발생하며, 전자는 N형 확산층(121) 쪽으로 이동하여 상부 전극(130)으로 이동하고 정공은 하부 전극(140)으로 이동하여 전류가 흐르게 된다.

실리콘 볼(120)의 표면은 반사율을 저감시킬 수 있도록 텍스쳐(texture) 형상(122)을 가질 수 있으며, 실리콘 볼(120)의 표면에는 반사 방지 물질이 코팅된 코팅층(123)이 추가로 형성될 수 있다. 이와 같이 실리콘 볼(120)에 텍스쳐 표면을 형성하고 그 표면 위에 반사 방지 코팅층(123)을 형성할 뿐 아니라 투광성 플레이트(160)에도 CNT 코팅층(170)을 형성함으로써 반사 손실을 현저히 저감시킬 수 있다.

도 5는 상부 전극 배열의 일 예를 나타내는 기판의 평면도이고, 도 6은 하부 전극 배열의 일 예를 나타내는 기판의 배면도이다.

도 5 및 6을 참조하면, 상부 전극(130)이 복수의 열을 이루도록 배열되어 있으며, 하부 전극(140)은 상부 전극(130)의 배열에 상응하게 배열되어 있다. 이와 같은 형태뿐만 아니라 상부 전극의 패턴 형태 및 배열에 따라 다양한 구조의 태양전지 제작이 가능하다.

특히, 종래 실리콘 태양전지의 경우 복수의 셀을 연결하여 태양전지 모듈을 제조하였으나, 본 발명에 따르면 이러한 개념이 필요 없어지게 되며 기판(110)의 면적 및 실리콘 볼(120)의 개수에 따라 다양한 면적의 태양전지를 제작할 수 있다. 또한 셀 사이의 연결을 위한 리본을 사용할 필요가 없기 때문에 리본의 도선 저항에 의해 발생하는 전력 손실 문제를 해결할 수 있다.

이상에서는 본 발명에 따른 PCB를 이용한 태양전지를 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나,　본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims

복수의 고정홀과 도통홀이 교대로 관통 형성된 절연성 재질의 기판;
일부분이 상기 고정홀에 삽입되어 상기 기판에 고정되며, 상기 기판 상부로 노출된 노출 영역을 통해 수광하여 광전 효과를 발생시키는 복수의 실리콘 볼;
상기 기판의 상면에 형성되며, 상기 각 실리콘 볼의 수광 영역과 연결되는 복수의 상부 전극; 및
상기 각 실리콘 볼의 삽입 영역과 연결되도록 상기 기판의 후면에 형성되며, 상기 도통홀을 통해 상기 상부 전극과 도통되는 복수의 하부 전극을 포함하는 PCB를 이용한 태양전지.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 볼은 P형 또는 N형 실리콘을 포함하며, 상기 실리콘 볼의 수광 영역 표면에는 P-N 접합을 이루는 확산층이 형성되는 것을 특징으로 하는 PCB를 이용한 태양전지.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 볼의 표면은 텍스쳐(texture) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 PCB를 이용한 태양전지.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 볼의 표면에는 반사 방지 물질이 코팅된 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 PCB를 이용한 태양전지.
제1항에 있어서, 상기 상부 전극은,
상기 고정홀을 한정하도록 형성되어 상기 실리콘 볼의 수광 영역과 연결되는 볼 연결부;
상기 볼 연결부로부터 제1방향을 따라 연장되는 제1연장부; 및
상기 제1연장부의 단부에 형성되며, 상기 도통홀을 한정하도록 형성되는 상부 도통부를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB를 이용한 태양전지.
제5항에 있어서, 상기 하부 전극은,
상기 고정홀의 내부에 충전되어 상기 실리콘 볼의 삽입 영역과 연결되는 충전부;
상기 충전부로부터 상기 제1방향과 반대 방향의 제2방향을 따라 연장되는 제2연장부; 및
상기 제2연장부의 단부에 형성되며, 상기 도통홀을 한정하도록 형성되는 하부 도통부를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB를 이용한 태양전지.
제6항에 있어서,
상기 고정홀의 내부에는 상기 볼 연결부와 충전부 사이를 절연시키기 위한 절연재가 형성되는 것을 특징으로 하는 PCB를 이용한 태양전지.
제1항에 있어서,
상기 기판의 상면에 반사 방지 물질이 코팅되어 형성되는 반사 방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB를 이용한 태양전지.
제8항에 있어서,
상기 반사 방지막의 상면에 배치되는 글라스 플레이트; 및
상기 글라스 플레이트의 상면에 형성되며, 탄소나노튜브 물질을 함유하는 CNT 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB를 이용한 태양전지.