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KR102444713B1 - 하이브리드 태양전지 모듈 및 이를 포함하는 발광장치 - Google Patents

하이브리드 태양전지 모듈 및 이를 포함하는 발광장치 Download PDF

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KR102444713B1
KR102444713B1 KR1020190149684A KR20190149684A KR102444713B1 KR 102444713 B1 KR102444713 B1 KR 102444713B1 KR 1020190149684 A KR1020190149684 A KR 1020190149684A KR 20190149684 A KR20190149684 A KR 20190149684A KR 102444713 B1 KR102444713 B1 KR 102444713B1
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South Korea
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solar cell
solar cells
organic
cell module
inorganic
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임동찬
김소연
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한국재료연구원
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Abstract

동일 평면 상에 이격되어 배치되는 복수의 유기 태양전지; 및 상기 유기 태양전지와 동일 평면 상에 배치되고, 상기 유기 태양전지 사이에 배치되는 복수의 무기 태양전지;를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈이 제공된다. 본 발명의 일 측면에서의 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈은 우수한 효율을 가지면서도, 흐린 날에도 작동 가능하며, 가요성을 충분히 확보할 수 있다는 장점이 있다.

Description

하이브리드 태양전지 모듈 및 이를 포함하는 발광장치{Hybrid solar cell module and light emitting device including same}
본 발명은 하이브리드 태양전지 모듈 및 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
최근 들어 전통적인 화석연료의 매장량이 줄어들고 화석연료로 인한 환경오염이 심각해지면서 친환경적인 대체 에너지의 활용에 관심이 커지고 있는 상황이다. 특히 태양광을 이용한 태양전지 모듈의 경우 오랜 연구를 통해 축적된 기술을 통해 향후 전통적인 에너지를 대체할 가장 유력한 대체에너지로 각광받고 있다.
이러한 태양전지 모듈의 설치용량은 2010년까지 약 30 GW에 이르고 있으며, 2020년에는 100GW의 태양광 시장이 형성될 전망이다. 또 국내의 경우 1년에 약 100 MW 정도의 수요가 발생하고 있으며, 생산 능력은 약 1 GW에 달하고 있다. 이러한 장기적인 국내외 상황을 감안할 때 태양광 산업은 향후 지속적인 성장이 예상되고 있다.
태양에너지를 이용하는 발전에는 태양광을 전기에너지로 변환 사용하는 태양광 발전과, 태양에너지를 집열장치로 집열한 후에 난방용 또는 온수용으로 사용하는 태양열 장치가 있다.
이 중에서 태양광 발전은 화력이나 원자력 같은 기존 발전설비와 달리 연료비가 소요되지 않으며, 소음과 공해가 발생되지 않는 장점이 있다. 또한, 태양광 발전은 대규모 발전설비를 필요로 하지 않고, 소규모 발전이 가능하기 때문에, 가정용으로 설치 사용될 수 있는 장점이 있다.
그러므로 이같이 독립적이며 비효율적 구성만으로는 태양에너지 효율적 이용을 달성할 수 없고 이들을 병합발전 할 수 있는 기구가 개발되어야 한다.
이로 인해, 독일, 일본, 미국 등 선진국에서는 태양광 발전이 널리 사용되고 있으며, 최근 국내에서도 대체에너지 이용 보급 촉진법이 개정, 공표됨으로써 태양광 발전 10,000호 건설과 같은 구체적인 시행계획들이 현실화되고 있다.
실리콘 태양전지는 1954년 미국의 벨 랩(Bell Labs)에서 45% 효율의 태양전지를 개발하면서 본격적으로 개발이 시작되었다. 이후 꾸준한 연구를 통하여 1999년에는 실리콘 태양전지 최고 효율인 247%를 달성하였다. 실제적인 상업화를 위해서는 실리콘 태양전지의 효율뿐만 아니라 생산단가와 생산성이 중요한 이슈가 되면서, 재료와 공정 비용이 저렴하고 최고 효율 약 10%에 달하는 비정질 박막 실리콘 태양전지의 중요성이 부각되고 있다.
일반적으로 실리콘 태양전지의 종류는 소재의 형태에 따라 기판형과 박막형으로 나뉜다. 기판형 실리콘 태양전지는 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다시 단결정(single-crystalline) 실리콘 태양전지와 다결정 (polycrystalline) 실리콘 태양전지로 구분된다. 박막형 실리콘 태양전지도 역시 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si:H) 태양전지와 미세결정 실리콘(micro-crystalline silicon, c-Si:H) 태양전지로 구분된다. 결정질 실리콘 기판을 얻기 위해서는 실리콘 웨이퍼를 사용하므로 생산 원가가 높고 공정상 복잡한 단계를 거쳐야 하므로 생산성이 떨어진다. 반면 비정질 실리콘 태양전지는 재료 원가가 저렴하고 연속 대량생산 공정에 적합하므로 실제 상업화를 위한 충분한 잠재성을 가지고 있으며, 이 때문에 많은 기업과 연구소 및 대학에서 연구가 활발히 진행되고 있다.
실리콘 태양전지의 가장 기본적인 구조는 p-n 접합으로 구성된 다이오드 형태이나, 비정질 실리콘 박막의 경우 캐리어의 확산거리 (diffusion length)가 결정질 실리콘 기판에 비해 매우 낮아 p-n 구조로 제조될 경우 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍(electron-hole pairs)의 수집 효율이 낮다. 따라서 비정질 실리콘 태양전지는 도핑이 되지 않은 무첨가(intrinsic, i형) 비정질 실리콘 광흡수층을 p형 비정질 실리콘과 n형 비정질 실리콘층 중간에 삽입한 p-i-n 구조로 제조된다. 일반적인 비정질 실리콘 태양전지의 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1로부터 알 수 있듯이, 비정질 실리콘 태양전지는 일반적으로 유리기판 위에 투명전극층, p형 비정질 실리콘층, i형 비정질 실리콘층, n형 비정질 실리콘층 및 금속전극층으로 구성된다.
한편, 유기 태양전지는 광흡수층으로 유기물을 사용하는 태양전지로서, 실리콘 등의 무기물보다 재료 원가가 값싸고 태양전지 제작과정이 매우 간소하여 생산 단가를 현저히 낮출 수 있다. 유기 태양전지(organic solar cell)는 전자주개(electron donor) 특성과 전자받개(electron acceptor) 특성을 갖는 유기물들로 구성되는 것을 특징으로 한다. 작동원리는 빛에너지가 유기물로 이루어진 광활성층에 입사되면 전자가 여기(excite)되고, 여기된 전자와 여기된 자리에 남아있는 홀(hole)이 정전기적으로 약하게 결합되어 서로 쌍을 이루는 엑시톤(exciton)이 생성된다. 태양빛을 받아서 생성된 엑시톤이 실제로 광전류를 발생시키기 위해서는 전자-홀 쌍이 쪼개져서(dissociation) 각각의 전자와 홀이 되어야 하고, 이때 전자는 양극으로 흐르고, 홀은 음극으로 흘러야 한다. 최근 고분자(polymer)로 이루어진 태양전지의 기술 진보로 인하여 에너지 변환 효율이 향상되고 있다. 유기 태양전지의 한 예로써 가장 많이 사용되는 고분자 시스템에서는 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT) 등의 공액고분자(conjugated polymer)와 [6,6]-페닐-Cx-부티르산 메틸 에스테르(PCxBM)의 혼합 용액이 주요 물질로 사용되고 있다. 유기 태양전지는 일반적으로 유리기판 위에 투명전극층, 정공수송층, 광흡수층 및 금속전극층으로 구성된다.
한편, 2종 이상의 단일 태양전지를 적층하여 전기적으로 직렬연결시킴으로써 탠덤형 태양전지를 제작할 수 있는데, 이는 충분한 가요성을 확보하기 어렵다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0013731호
본 발명의 일 측면에서의 목적은 가요성이 향상된 유무기 하이브리드 태양전지 모듈을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
동일 평면 상에 이격되어 배치되는 복수의 유기 태양전지; 및
상기 유기 태양전지와 동일 평면 상에 배치되고, 상기 유기 태양전지 사이에 배치되는 복수의 무기 태양전지;
를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
투명 절연막;
상기 투명 절연막의 일 면에 배치되는 복수의 유기 태양전지; 및
상기 투명 절연막의 다른 일 면에 배치되는 복수의 무기 태양전지;
를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서
상기 하이브리드 태양전지 모듈을 제조하기 위한 제조방법으로,
이격된 복수의 유기 태양전지를 형성하는 단계; 및
상기 이격된 유기 태양전지 사이에 무기 태양전지를 형성하는 단계;
를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서
상기 하이브리드 태양전지 모듈을 제조하기 위한 제조방법으로,
투명 절연막의 일 면에 복수의 유기 태양전지를 형성하는 단계; 및
상기 투명 절연막의 다른 일 면에 복수의 무기 태양전지를 형성하는 단계;
를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법이 제공된다.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서
상기 하이브리드 태양전지 모듈; 및
상기 태양전지의 표면에 배치되는 발광소자;를 포함하는 발광장치가 제공된다.
본 발명의 일 측면에서의 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈은 우수한 효율을 가지면서도, 흐린 날에도 작동 가능하며, 가요성을 충분히 확보할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 태양전지 모듈의 모식도를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 태양전지의 평면도 및 측면도를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 다른 하이브리드 태양전지 모듈의 모식도를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 태양전지 모듈의 평면도 및 측면도를 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치의 모식도를 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라켓 형태의 발광장치를 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티치밸트 형태의 발광장치를 나타낸 것이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치를 실제로 사용한 모습을 보여주는 사진을 나타낸 것이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명의 일 측면에서
동일 평면 상에 이격되어 배치되는 복수의 유기 태양전지; 및
상기 유기 태양전지와 동일 평면 상에 배치되고, 상기 유기 태양전지 사이에 배치되는 복수의 무기 태양전지;
를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈이 제공된다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈은 복수의 유기 태양전지를 포함한다.
상기 유기 태양전지는 통상적으로 사용되는 유기 태양전지면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
바람직하게는 상기 유기 태양전지는 불투광형 태양전지일 수 있다.
상기 하이브리드 태양전지 모듈은 유기 태양전지 및 무기 태양전지가 동일 평면 상에 배치되게 되는데, 투광도와 출력은 반비례 하는 바, 출력을 최대로 끌어올리기 위하여는 상기 유기 태양전지가 불투광형임이 바람직하다.
상기 유기 태양전지는 동일 평면 상에 이격되어 배치된다.
상기 유기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등은 사용하고자 하는 제품에 따라 조절될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈은 복수의 무기 태양전지를 포함한다.
상기 무기 태양전지는 통상적으로 사용되는 무기 태양전지면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 태양전지, CIGS 태양전지, CdTe 태양전지, 페로브스카이트 태양전지, 양자점 태양전지, 염료 감응 태양전지 등일 수 있다.
바람직하게는 스트립 형태로 제조하여 사용하기 용이한 실리콘 태양전지 또는 CIGS 태양전지일 수 있다.
상기 무기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등은 사용하고자 하는 제품에 따라 조절될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈은 원하는 응용제품에 따라 손쉽게 스트립 수 조절을 하여, 출력을 제어할 수 있으며, 이격되어 배치되는 유기 태양전지 각 스트립 사이에 새로운 무기 태양전지를 배치하여 출력을 더욱 조절할 수 있는 바, 동일한 공간 내에서 출력을 자유로이 조절할 수 있다는 장점이 있다.
이에 외부 적용 환경에 따라 능동적으로 유기, 무기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등을 조절하여, 필요한 출력 및 가요성 등을 제어할 수 있다.
상기 유기 및 무기 태양전지는 슁글드 접합 방식으로 배치될 수 있다.
이와 같이 슁글드 접합 방식으로 배치할 경우, 공간 활용을 극대화할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 상세하게는 이러한 슁글드 접합 방식의 경우, 동일 면적에 더 많은 셀을 넣을 수 있어 더 많은 전력 생산이 가능하며, 버스바(busbar) 없이 셀을 접합할 수 있는 바 음영에 따른 출력 저하 및 리본 솔더링으로 인한 스트레스 문제 등을 해결할 수 있다.
상기 슁글드 접합 방식은 태양전지끼리 연결할 때 기존의 스트링이나 리본을 사용하지 않고 전도성 접착 페이스트를 사용하여 태양전지를 직접 접합하는 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 금속 메쉬 및 전도성 페이스트를 이용하여 접합할 수 있다.
기존의 슁글드 접합 방식의 경우, 실리콘에서 실리콘으로의 접합 시 두 실리콘 사이에 전도성 페이스트를 발라서 사용하며, 최종 모듈에서는 스트링 및 리본을 사용하여 +극 및 -극의 연결 부위를 형성하게 된다.
반면, 본 발명의 일 실시예에서 두 실리콘 사이를 연결함과 동시에 최종 연결 부위를 미세 패터닝된 금속 메쉬를 이용하여 형성할 경우, 1장의 메쉬 판에 패터닝을 통하여 실리콘 접합용으로 사용함과 동시에 최종 전극으로 사용할 수 있다.
구체적으로, 태양전지 셀 간의 접합 시, 납땜을 이용한 접합이 아닌 금속 메쉬를 셀의 상부 또는 하부(전극 형성부)에 올리고 핫 프레스 등의 열처리를 통하여 접합하는 방법을 사용할 수 있다.
이 경우, 최종 와이어링 공정이 필요하지 않게 되며, 실리콘 접합 시의 얼라인 문제를 손쉽게 해결할 수 있다.
상기 무기 태양전지는 상기 유기 태양전지와 동일 평면 상에 배치되고, 상기 유기 태양전지 사이에 배치된다. 즉, 유기 태양전지와 무기 태양전지는 교차 배열된다.
이와 같이, 유기 태양전지 및 무기 태양전지가 동일 평면 상에서 교차 배열될 경우 상술한 바와 같이 충분한 가요성을 확보할 수 있으며, 무기 태양전지를 사용함으로써 전지의 효율이 높아지며, 유기 태양전지를 사용함으로써 흐린 날에도 작동이 가능한 바, 부조일수를 현격히 감소시켜 배터리를 지속적으로 구동 할 수 있고, 배터리의 안정성을 보장할 수 있다.
또한, 제한된 면적 내에서 구조만을 조절하여 출력 조절할 수 있는 바, 기존의 태양전지 모듈에 비하여 경제적이라는 이점 또한 있다.
본 발명의 다른 측면에서
투명 절연막;
상기 투명 절연막의 일 면에 배치되는 복수의 유기 태양전지; 및
상기 투명 절연막의 다른 일 면에 배치되는 복수의 무기 태양전지;
를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈이 제공된다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈은 투명 절연막을 포함한다.
상기 투명 절연막은 예를 들어, PET(polyethylene terephthalate), PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, 폴리우레탄 또는 VHB(very high bond)등의 상기 고분자 막과 동일한 성능을 가지며 얇은 두께의 고분자막 또는 고분자 코팅법을 이용한 PMMA(polymethylmethacrylate), 셀룰로오스(cellulose), 보론 나이트라이드(boron nitride) 등의 고분자 층일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 투명 절연막은 +극 및 -극이 서로 절연되도록 하여, 쇼트를 방지하는 기능을 수행한다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈은 복수의 유기 태양전지를 포함한다.
상기 유기 태양전지는 통상적으로 사용되는 유기 태양전지면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
바람직하게는 상기 유기 태양전지는 투광형 태양전지일 수 있다. 상기 유기 태양전지가 투광형일 경우 빛이 투과하여 유기 태양전지보다 하부에 있는 무기 태양전지에 빛이 도달할 수 있다는 점에서 바람직하다.
상기 유기 태양전지는 상기 투명 절연막의 일 면에 배치된다.
상기 유기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등은 사용하고자 하는 제품에 따라 조절될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈은 복수의 무기 태양전지를 포함한다.
상기 무기 태양전지는 통상적으로 사용되는 무기 태양전지면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 태양전지, CIGS 태양전지, CdTe 태양전지, 페로브스카이트 태양전지, 양자점 태양전지, 염료 감응 태양전지 등일 수 있다.
바람직하게는 스트립 형태로 제조하여 사용하기 용이한 실리콘 태양전지 또는 CIGS 태양전지일 수 있다.
상기 무기 태양전지는 상기 유기 태양전지가 배치되는 면과 다른 투명 절연막의 일 면에 배치된다.
상기 무기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등은 사용하고자 하는 제품에 따라 조절될 수 있다.
상기 유기 및 무기 태양전지는 슁글드 접합 방식으로 배치될 수 있다.
이와 같이 슁글드 접합 방식으로 배치할 경우, 공간 활용을 극대화할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 상세하게는 이러한 슁글드 접합 방식의 경우, 동일 면적에 더 많은 셀을 넣을 수 있어 더 많은 전력 생산이 가능하며, 버스바(busbar) 없이 셀을 접합할 수 있는 바 음영에 따른 출력 저하 및 리본 솔더링으로 인한 스트레스 문제 등을 해결할 수 있다.
상기 슁글드 접합 방식은 태양전지끼리 연결할 때 기존의 스트링이나 리본을 사용하지 않고 전도성 접착 페이스트를 사용하여 태양전지를 직접 접합하는 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 금속 메쉬 및 전도성 페이스트를 이용하여 접합할 수 있다.
기존의 슁글드 접합 방식의 경우, 실리콘에서 실리콘으로의 접합 시 두 실리콘 사이에 전도성 페이스트를 발라서 사용하며, 최종 모듈에서는 스트링 및 리본을 사용하여 +극 및 -극의 연결 부위를 형성하게 된다.
반면, 본 발명의 일 실시예에서 두 실리콘 사이를 연결함과 동시에 최종 연결 부위를 미세 패터닝된 금속 메쉬를 이용하여 형성할 경우, 1장의 메쉬 판에 패터닝을 통하여 실리콘 접합용으로 사용함과 동시에 최종 전극으로 사용할 수 있다.
구체적으로, 태양전지 셀 간의 접합 시, 납땜을 이용한 접합이 아닌 금속 메쉬를 셀의 상부 또는 하부(전극 형성부)에 올리고 핫 프레스 등의 열처리를 통하여 접합하는 방법을 사용할 수 있다.
이 경우, 최종 와이어링 공정이 필요하지 않게 되며, 실리콘 접합 시의 얼라인 문제를 손쉽게 해결할 수 있다.
이와 같이, 유기 태양전지 및 무기 태양전지가 투명 절연막을 중심으로 상하 배열될 경우 충분한 가요성을 확보할 수 있으며, 무기 태양전지를 사용함으로써 전지의 효율이 높아지며, 유기 태양전지를 사용함으로써 흐린 날에도 작동이 가능한 바, 부조일수를 현격히 감소시킬 수 있다.
보다 상세하게는, 흐린 날 또는 일출/일몰 시와 같은 저조도 환경에서 상대적으로 고출력을 얻을 수 있다는 유기 태양전지의 장점과, 일조량이 많을 경우 유기 태양전지에 비하여 높은 출력을 얻을 수 있다는 무기 태양전지의 장점을 동시에 가질 수 있다는 이점이 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에서 상기 하이브리드 태양전지 모듈을 제조하기 위한 제조방법으로,
이격된 복수의 유기 태양전지를 형성하는 단계; 및
상기 이격된 유기 태양전지 사이에 무기 태양전지를 형성하는 단계;
를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 상기 하이브리드 모듈 제조방법은 동일 평면 상에 이격되어 배치되는 복수의 유기 태양전지; 및 상기 유기 태양전지와 동일 평면 상에 배치되고, 상기 유기 태양전지 사이에 배치되는 복수의 무기 태양전지;를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈을 제조할 수 있다.
먼저, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법은 이격된 복수의 유기 태양전지를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 유기 태양전지는 통상적으로 사용되는 유기 태양전지면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
바람직하게는 상기 유기 태양전지는 불투광형 태양전지일 수 있다.
상기 하이브리드 태양전지 모듈은 유기 태양전지 및 무기 태양전지가 동일 평면 상에 배치되게 되는데, 투광도와 출력은 반비례 하는 바, 출력을 최대로 끌어올리기 위하여는 상기 유기 태양전지가 불투광형임이 바람직하다.
상기 유기 태양전지는 동일 평면 상에 이격되어 배치된다.
상기 유기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등은 사용하고자 하는 제품에 따라 조절될 수 있다.
상기 유기 태양전지는 원하는 형태의 스트립 개수 조절을 위하여, 유기물 코팅 후 패터닝하는 단계에 의하여 제조될 수 있다.
상기 패터닝하는 단계는 레이저 패터닝 또는 기계적 스크라이빙 방식으로 수행될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법은 상기 이격된 유기 태양전지 사이에 무기 태양전지를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 무기 태양전지는 통상적으로 사용되는 무기 태양전지면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 태양전지, CIGS 태양전지, CdTe 태양전지, 페로브스카이트 태양전지, 양자점 태양전지, 염료 감응 태양전지 등일 수 있다.
바람직하게는 스트립 형태로 제조하여 사용하기 용이한 실리콘 태양전지 또는 CIGS 태양전지일 수 있다.
상기 무기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등은 사용하고자 하는 제품에 따라 조절될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈은 원하는 응용제품에 따라 손쉽게 스트립 수 조절을 하여, 출력을 제어할 수 있으며, 이격되어 배치되는 유기 태양전지 각 스트립 사이에 새로운 무기 태양전지를 배치하여 출력을 더욱 조절할 수 있는 바, 동일한 공간 내에서 출력을 자유로이 조절할 수 있다는 장점이 있다.
이에 외부 적용 환경에 따라 능동적으로 유기, 무기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등을 조절하여, 필요한 출력 및 가요성 등을 제어할 수 있다.
상기 무기 태양전지는 일반적인 무기 태양전지 제조 공정을 통하여 이격된 유기 태양전지 사이에 형성될 수 있다.
상기 유기 및 무기 태양전지는 슁글드 접합 방식으로 배치될 수 있다.
이와 같이 슁글드 접합 방식으로 배치할 경우, 공간 활용을 극대화할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 상세하게는 이러한 슁글드 접합 방식의 경우, 동일 면적에 더 많은 셀을 넣을 수 있어 더 많은 전력 생산이 가능하며, 버스바(busbar) 없이 셀을 접합할 수 있는 바 음영에 따른 출력 저하 및 리본 솔더링으로 인한 스트레스 문제 등을 해결할 수 있다.
상기 슁글드 접합 방식은 태양전지끼리 연결할 때 기존의 스트링이나 리본을 사용하지 않고 전도성 접착 페이스트를 사용하여 태양전지를 직접 접합하는 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 금속 메쉬 및 전도성 페이스트를 이용하여 접합할 수 있다.
기존의 슁글드 접합 방식의 경우, 실리콘에서 실리콘으로의 접합 시 두 실리콘 사이에 전도성 페이스트를 발라서 사용하며, 최종 모듈에서는 스트링 및 리본을 사용하여 +극 및 -극의 연결 부위를 형성하게 된다.
반면, 본 발명의 일 실시예에서 두 실리콘 사이를 연결함과 동시에 최종 연결 부위를 미세 패터닝된 금속 메쉬를 이용하여 형성할 경우, 1장의 메쉬 판에 패터닝을 통하여 실리콘 접합용으로 사용함과 동시에 최종 전극으로 사용할 수 있다.
구체적으로, 태양전지 셀 간의 접합 시, 납땜을 이용한 접합이 아닌 금속 메쉬를 셀의 상부 또는 하부(전극 형성부)에 올리고 핫 프레스 등의 열처리를 통하여 접합하는 방법을 사용할 수 있다.
이 경우, 최종 와이어링 공정이 필요하지 않게 되며, 실리콘 접합 시의 얼라인 문제를 손쉽게 해결할 수 있다.
상기 무기 태양전지는 상기 유기 태양전지와 동일 평면 상에 배치되고, 상기 유기 태양전지 사이에 배치된다. 즉, 유기 태양전지와 무기 태양전지는 교차 배열된다.
이와 같이, 유기 태양전지 및 무기 태양전지가 동일 평면 상에서 교차 배열될 경우 상술한 바와 같이 충분한 가요성을 확보할 수 있으며, 무기 태양전지를 사용함으로써 전지의 효율이 높아지며, 유기 태양전지를 사용함으로써 흐린 날에도 작동이 가능한 바, 부조일수를 현격히 감소시켜 배터리를 지속적으로 구동 할 수 있고, 배터리의 안정성을 보장할 수 있다.
또한, 제한된 면적 내에서 구조만을 조절하여 출력 조절할 수 있는 바, 기존의 태양전지 모듈에 비하여 경제적이라는 이점 또한 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서,
상기 하이브리드 태양전지 모듈을 제조하기 위한 제조방법으로,
투명 절연막의 일 면에 복수의 유기 태양전지를 형성하는 단계; 및
상기 투명 절연막의 다른 일 면에 복수의 무기 태양전지를 형성하는 단계;
를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 상기 하이브리드 모듈 제조방법은 투명 절연막; 상기 투명 절연막의 일 면에 배치되는 복수의 유기 태양전지; 및 상기 투명 절연막의 다른 일 면에 배치되는 복수의 무기 태양전지;를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈을 제조할 수 있다.
먼저, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법은 투명 절연막의 일 면에 복수의 유기 태양전지를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 투명 절연막은 예를 들어, PET(polyethylene terephthalate), PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, 폴리우레탄 또는 VHB(very high bond)등의 상기 고분자 막과 동일한 성능을 가지며 얇은 두께의 고분자막 또는 고분자 코팅법을 이용한 PMMA(polymethylmethacrylate), 셀룰로오스(cellulose), 보론 나이트라이드(boron nitride) 등의 고분자 층일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 투명 절연막은 +극 및 -극이 서로 절연되도록 하여, 쇼트를 방지하는 기능을 수행한다.
상기 유기 태양전지는 통상적으로 사용되는 유기 태양전지면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
바람직하게는 상기 유기 태양전지는 투광형 태양전지일 수 있다. 상기 유기 태양전지가 투광형일 경우 빛이 투과하여 유기 태양전지보다 하부에 있는 무기 태양전지에 빛이 도달할 수 있다는 점에서 바람직하다.
상기 단계는 투명 절연막의 일 면에 복수의 유기 태양전지를 제조함으로써 수행될 수 있으며, 또는 이미 제조된 복수의 유기 태양전지에 투명 절연막을 형성함으로써 수행될 수도 있다.
예를 들어, 이미 제조된 복수의 유기 태양전지를 투명 절연막을 통하여 접합할 수 있다. 일반적으로는 태양전지 모듈 제조 시, 각각의 태양전지를 제작 후 투명 절연 보호막을 덮어주게 되는데, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 태양전지 모듈 제조방법의 경우, 이 절연막이 보호층이면서 동시에 두 개의 디바이스를 연결시켜주는 접합제의 역할을 하기 위하여 접합제 특성이 있는 소재를 사용할 수 있다.
상기 유기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등은 사용하고자 하는 제품에 따라 조절될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법은 상기 투명 절연막의 다른 일 면에 복수의 무기 태양전지를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 무기 태양전지는 통상적으로 사용되는 무기 태양전지면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 태양전지, CIGS 태양전지, CdTe 태양전지, 페로브스카이트 태양전지, 양자점 태양전지, 염료 감응 태양전지 등일 수 있다.
바람직하게는 스트립 형태로 제조하여 사용하기 용이한 실리콘 태양전지 또는 CIGS 태양전지일 수 있다.
상기 무기 태양전지는 상기 유기 태양전지가 배치되는 면과 다른 투명 절연막의 일 면에 배치된다.
상기 무기 태양전지의 폭, 스트립 수 및 스트립 간 이격거리 등은 사용하고자 하는 제품에 따라 조절될 수 있다.
상기 유기 및 무기 태양전지는 슁글드 접합 방식으로 배치될 수 있다.
이와 같이 슁글드 접합 방식으로 배치할 경우, 공간 활용을 극대화할 수 있다는 점에서 바람직하며, 보다 상세하게는 이러한 슁글드 접합 방식의 경우, 동일 면적에 더 많은 셀을 넣을 수 있어 더 많은 전력 생산이 가능하며, 버스바(busbar) 없이 셀을 접합할 수 있는 바 음영에 따른 출력 저하 및 리본 솔더링으로 인한 스트레스 문제 등을 해결할 수 있다.
상기 슁글드 접합 방식은 태양전지끼리 연결할 때 기존의 스트링이나 리본을 사용하지 않고 전도성 접착 페이스트를 사용하여 무기 태양전지를 직접 접합하는 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 금속 메쉬 및 전도성 페이스트를 이용하여 접합할 수 있다.
기존의 슁글드 접합 방식의 경우, 실리콘에서 실리콘으로의 접합 시 두 실리콘 사이에 전도성 페이스트를 발라서 사용하며, 최종 모듈에서는 스트링 및 리본을 사용하여 +극 및 -극의 연결 부위를 형성하게 된다.
반면, 본 발명의 일 실시예에서 두 실리콘 사이를 연결함과 동시에 최종 연결 부위를 미세 패터닝된 금속 메쉬를 이용하여 형성할 경우, 1장의 메쉬 판에 패터닝을 통하여 실리콘 접합용으로 사용함과 동시에 최종 전극으로 사용할 수 있다.
구체적으로, 태양전지 셀 간의 접합 시, 납땜을 이용한 접합이 아닌 금속 메쉬를 셀의 상부 또는 하부(전극 형성부)에 올리고 핫 프레스 등의 열처리를 통하여 접합하는 방법을 사용할 수 있다.
이 경우, 최종 와이어링 공정이 필요하지 않게 되며, 실리콘 접합 시의 얼라인 문제를 손쉽게 해결할 수 있다.
이와 같이, 유기 태양전지 및 무기 태양전지가 투명 절연막을 중심으로 상하 배열될 경우 충분한 가요성을 확보할 수 있으며, 무기 태양전지를 사용함으로써 전지의 효율이 높아지며, 유기 태양전지를 사용함으로써 흐린 날에도 작동이 가능한 바, 부조일수를 현격히 감소시킬 수 있다.
보다 상세하게는, 흐린 날 또는 일출/일몰 시와 같은 저조도 환경에서 상대적으로 고출력을 얻을 수 있다는 유기 태양전지의 장점과, 일조량이 많을 경우 유기 태양전지에 비하여 높은 출력을 얻을 수 있다는 무기 태양전지의 장점을 동시에 가질 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서
상기 하이브리드 태양전지 모듈; 및
상기 태양전지 모듈의 표면에 배치되는 발광소자;를 포함하는 발광장치가 제공된다.
상기 하이브리드 태양전지 모듈은 상술한 모든 형태의 태양전지일 수 있다.
상기 발광소자는 통상적으로 사용되는 발광소자면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어 LED, OLED 등일 수 있다.
상기 발광소자는 점발광 또는 면발광할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 동일 평면 상에 이격되어 배치되는 복수의 유기 태양전지; 및 상기 유기 태양전지와 동일 평면 상에 배치되고, 상기 유기 태양전지 사이에 배치되는 복수의 무기 태양전지;를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈과 같은 경우에, 점 발광의 발광장치를 제조하기 위하여 전체 디바이스의 에지 부분에 발광소자를 배치할 수 있으며, 면 발광의 발광장치를 제조하기 위하여 유기 태양전지 사이에 무기 태양전지 또는 면 발광 소자를 교차로 배치할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 투명 절연막; 상기 투명 절연막의 일 면에 배치되는 복수의 유기 태양전지; 및 상기 투명 절연막의 다른 일 면에 배치되는 복수의 무기 태양전지;를 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈과 같은 경우에, 점 발광의 발광장치를 제조하기 위하여 발광소자를 유기 태양전지 스트립 전면에 배치할 수 있으며, 면 발광의 발광장치를 제조하기 위하여 유기 태양전지의 스트립 사이에 발광소자를 배치할 수 있다.
상기 발광소자는 상기 태양전지에서 생성된 전력을 사용하여 구동될 수 있다.
상기 발광장치는 브라켓 형태 또는 스티치밸트 형태일 수 있다. 이와 같은 형태의 발광장치는 태양전지의 유연한 특성을 극대화 시킬 수 있다.
상기 발광장치는 도로 안전 제품 등에 부착되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 전봇대, 경광봉, 공사장 안내판 등에 사용될 수 있다. 상기 발광장치가 상술한 바와 같이 브라켓 형태 또는 스티치밸트 형태일 경우, 이러한 원통형 구조에 부착되기에 더욱 용이하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
<실시예 1> 동일 평면 상에 교차 배열된 유무기 하이브리드 태양전지 모듈
일반적인 유기 태양전지 제조방법으로, 불투광성 유기 태양전지 제조한 이후 절연층을 전면에 도포하였다. 이 후 슬라이싱된 실리콘 태양전지를 유기 태양전지의 스트립 사이에 배치하였으며, 금속 메쉬를 이용하여 실리콘과 실리콘을 연결하는 공정을 통해 실리콘 모듈을 형성하였다.
<실시예 2> 투명 절연막을 중심으로 상하 배열된 유무기 하이브리드 태양전지 모듈
일반적인 유기 태양전지 제조방법으로, 투광성 유기 태양전지를 제조한 이후 절연층을 도포하였다. 이후, 유기 태양전지가 배치되지 않은 절연층의 다른 일 면에 슁글드 접합된 실리콘 태양전지를 전면 배치하였으며, 슁글드 접합된 실리콘 태양전지는 금속 메쉬로 전극이 설치되었다.
실시예 1과 유사한 방법으로 제조되나, 투광성 유기 태양전지를 사용하기 때문에 실리콘 태양전지 배치 시에 유기 태양전기가 스트립 사이가 아닌 전면에 배치되게 된다.
<실시예 3> 동일 평면 상에 교차 배열된 유무기 하이브리드 태양전지 모듈을 포함하는 발광장치
실시예 1의 태양전지 모듈에 대하여, 점 발광의 발광장치를 제조하기 위하여 전체 디바이스의 에지 부분에 발광 소자를 배치하였다.
또한, 면 발광의 발광장치를 제조하기 위하여, 유기 태양전지 사이에 무기 태양전지 또는 면 발광 소자를 교차로 배치할 수 있다.
<실시예 4> 투명 절연막을 중심으로 상하 배열된 유무기 하이브리드 태양전지 모듈을 포함하는 발광장치
실시예 2의 태양전지 모듈에 대하여, 점 발광의 발광장치를 제조하기 위하여 발광소자를 유기 태양전지 스트립 전면에 배치할 수 있으며, 면 발광의 발광장치를 제조하기 위하여는 유기 태양전지의 스트립 사이에 발광소자를 배치할 수 있다.
10 유기 태양전지
20 무기 태양전지
30 투명 절연막
40 발광소자
100 하이브리드 태양전지
1000 발광장치

Claims (11)

  1. 동일 평면 상에 이격되어 배치되는 복수의 유기 태양전지;
    상기 유기 태양전지와 동일 평면 상에 배치되고, 상기 유기 태양전지 사이에 이격되어 배치되는 복수의 무기 태양전지; 및
    복수의 무기 태양전지를 전기적으로 연결하는 금속 메쉬;
    를 포함하는 가요성 하이브리드 태양전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기 태양전지는 불투광형 태양전지인 것을 특징으로 하는 가요성 하이브리드 태양전지 모듈.
  3. 투명 절연막;
    상기 투명 절연막의 일 면에 이격되어 배치되는 복수의 유기 태양전지;
    상기 투명 절연막의 다른 일 면에 이격되어 배치되는 복수의 무기 태양전지; 및
    복수의 무기 태양전지를 전기적으로 연결하는 금속 메쉬;
    를 포함하는 가요성 하이브리드 태양전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 무기 태양전지는 슁글드 어레이 방식으로 배치된 것을 특징으로 하는 가요성 하이브리드 태양전지 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 유기 태양전지는 투광형 태양전지인 것을 특징으로 하는 가요성 하이브리드 태양전지 모듈.
  6. 제1항의 가요성 하이브리드 태양전지 모듈을 제조하기 위한 제조방법으로,
    이격된 복수의 유기 태양전지를 형성하는 단계;
    상기 이격된 유기 태양전지 사이에 무기 태양전지를 이격되도록 형성하는 단계; 및
    금속 메쉬로 상기 복수의 무기 태양전지를 전기적으로 연결하는 단계;
    를 포함하는 가요성 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법.
  7. 제3항의 가요성 하이브리드 태양전지 모듈을 제조하기 위한 제조방법으로,
    투명 절연막의 일 면에 복수의 유기 태양전지를 이격되도록 형성하는 단계;
    상기 투명 절연막의 다른 일 면에 복수의 무기 태양전지를 이격되도록 형성하는 단계; 및
    금속 메쉬로 상기 복수의 무기 태양전지를 전기적으로 연결하는 단계;
    를 포함하는 가요성 하이브리드 태양전지 모듈 제조방법.
  8. 제1항의 가요성 하이브리드 태양전지 모듈; 및
    상기 태양전지 모듈의 표면에 배치되는 발광소자;를 포함하는 발광장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발광장치는 브라켓 형태 또는 스티치밸트 형태인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  10. 제3항의 가요성 하이브리드 태양전지 모듈; 및
    상기 태양전지 모듈의 표면에 배치되는 발광소자;를 포함하는 발광장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 발광장치는 브라켓 형태 또는 스티치밸트 형태인 것을 특징으로 하는 발광장치.
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