KR20080021428A - 바이패스 다이오드를 포함하는 광기전력 변환장치 및 그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이패스 다이오드를 포함하는 광기전력 변환장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 광기전력 변환장치는 전도층과, 상기 전도층 상부 일부 영역에 하부 광전변환층 및 하부 후면전극층이 순차적으로 적층된 하부 셀 및 상기 하부 광전변환층이 형성된 영역에 인접하지 않도록 상기 전도층 상부에 상부 광전변환층 및 상부 후면전극층이 순차적으로 적층된 상부 셀을 포함한다. 본 발명에 따르면, 높은 광전 변환 효율을 갖는 광기전력 변환장치를 제조할 수 있게 된다. 또한, 차세대 청정 에너지원으로서 지구 환경 보전에 기여할 것이고, 공공시설, 민간시설, 군수시설 등에 직접 응용되어 막대한 경제적 가치를 창출할 수 있을 것이다.
태양전지, 바이패스, 다이오드, 투명전도층, 레이저 스크라이빙
Description
도 1a 내지 도 1g는 일반적으로 단일 접합 셀(Single junction cell)로 불리는 박막형 실리콘계 태양전지를 제작하는 방법
도 2는 상기 도 1a 내지 도 1g에 의해 제작된 태양전지의 등가 회로
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 다이오드를 포함하는 박막형 태양전지를 제작하는 과정
도 4는 도 3a 내지 도 3g에 의해 제작된 박막형 태양전지의 등가회로
도 5 내지 도 8은 종래의 태양전지 모듈 및 본 발명에서 제안한 태양전지 모듈에서 일반적인 환경 및 핫 스팟이 발생하였을 때의 전류의 흐름
{도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명}
301 : 투광성 기판 302 : 투명전도층
303 : 광전변환층 304 : 후면전극층
305 : 상부 광전변환층 패턴 306 : 하부 광전변환층 패턴
본 발명은 바이패스 다이오드를 포함하는 광기전력 변환장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지금 우리가 사용하고 있는 화석연료의 전망은 밝지 않다. 2003년, 영국 정유회사 브리티시페트롤리엄(BP)은 화석연료의 가채 매장량이 원유는 40년, 천연가스는 62년, 석탄은 216년을 쓸 만큼 남아 있다고 분석했다. 하지만, 중국, 인도와 같은 거대 에너지 소비국의 등장으로 이보다는 더 짧아질 거라 예상되며, 현재 치솟고 있는 원유의 값을 볼 때, 결코 먼 미래의 이야기가 아님을 짐작할 수 있다. 이에 화석연료를 대체할 수 있는 에너지의 개발은 미래 인류 생존을 위해 절대적으로 필요하다.
태양전지는 태양으로부터 지구에 전달되는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 에너지를 생산하는 소자이다. 태양전지 개발은 단결정 실리콘을 성장시키는 기술이 발달하면서 본격적으로 활기를 띠기 시작하여 다양한 원리와 구조의 태양전지가 개발되고 있다. 또한, 70년대 오일 파동 및 90년대 초반에 대두되었던 이산화탄소에 의한 온실효과의 심각성, 90년대 말 지구 온난화 방지를 위한 이산화탄소 발생량의 규제를 위한 국제협정 등은 태양전지와 같은 청정에너지의 필요성을 인류에게 전달하는 중요한 계기가 되었다.
태양전지의 개발은 광전 변환효율 향상과 제조원가 절감 및 대면적화의 관점 에서 진행되고 있다. 따라서, 결정질 실리콘을 이용하는 대신 비정질 실리콘을 중심으로 한 소재를 판형 유리나 금속에 다층으로 증착한 박막형 태양전지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 비정질 실리콘계 박막형 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지에 비해 광전 변환효율이 비교적 낮은 단점을 가지고 있으나, 다양한 구조와 재료의 이용으로 광전 변환효율을 향상시킬 수 있는 여지가 크고, 증착 장비의 대형화 자동화로 생산속도를 높여 제조원가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 1a 내지 도 1g는 일반적으로 단일 접합 셀(Single junction cell)로 불리는 광기전력 변환장치, 특히 박막형 실리콘계 태양전지를 제작하는 방법을 나타낸 것이다.
도 1a 내지 도 1g를 참조하면, 투광성 기판(101) 상부에 투명전도층(102)을 증착한 후(도 1b) 상기 투명전도층(102)을 패터닝(102a) 한다(도 1c). 상기 패터닝(102a)의 방향은 세로방향이며 상기 패터닝(102a) 방법은 레이저 스크라이빙법을 이용한다. 상기 패터닝 된 투명전도층(102) 상부에 광전변환층(103)을 증착하고(도 1d) 재차 상기 투명전도층(102)이 노출되도록 패터닝(103a)을 행한다(도 1e). 상기 패터닝된 광전변환층(103) 상부에 후면전극층(104)을 증착한 후(도 1f) 투명전도층(102)이 노출되도록 재차 패터닝(104a)을 실시한다(도 1g). 도 2는 상기 도 1a 내지 도 1g에 의해 제작된 태양전지의 등가 회로를 나타낸 것이다.
이러한 구조의 문제점은 태양전지 셀이 직렬로 연결되어 있기 때문에, 연결된 모든 단위 셀에서 광전류가 동일한 양으로 생성되어야 한다. 만일, 각각의 단위 셀에서 발생하는 광전류의 양이 동일하지 않으면, 광전류가 적게 생성된 셀에 의해 전류가 제한이 되어 모든 셀에서 발생하는 광전류가 감소하고, 이로 인하여 전체적인 태양전지 모듈의 효율이 저하된다는 단점이 있다. 또한, 광전류가 적게 생성된 셀은 핫 스팟(Hot spot)으로 작용하기 때문에, 시간이 지날수록 열이 발생하여 소자가 파괴될 수 있는 위험이 있다. 상기 문제는 매우 빈번하게 발생하는 것으로, 예를 들면, 특정 부분의 셀 위에 주변 건물의 그림자, 나뭇잎, 먼지 등에 의해 태양광의 입사가 가려지는 경우 생길 수 있다.
따라서, 핫 스팟이 발생하였을 때를 대비하여 바이패스 다이오드를 형성시킨 태양전지 모듈을 제조해야 하나, 종래의 박막형 모듈의 제조법으로는 이러한 구조의 태양전지 모듈의 제조가 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 그 목적은 광전류가 적게 생성된 셀에 의해 전류가 제한이 되고, 핫 스팟이 생성된다는 문제를 극복하기 위한 바이패스 다이오드를 포함하는 광기전력 변환장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 광기전력 변환장치는 전도층과, 상기 전도층 상부 일부 영역에 하부 광전변환층 및 하부 후면전극층이 순차적으로 적층된 하부 셀 및 상기 하부 광전변환층이 형성된 영역에 인접하지 않도록 상기 전도층 상부에 상부 광전변환층 및 상부 후면전극층이 순차적으로 적층된 상부 셀을 포함한다.
본 발명의 다른 광기전력 변환장치는 일방향으로 소정의 패터닝을 형성한 전도층과, 상기 전도층 상부 일부 영역에 적층되고, 상기 전도층의 패터닝방향과 동일한 방향의 패터닝을 구비하는 하부 광전변환층과, 상기 하부 광전변환층이 형성된 영역에 인접하지 않도록 상기 전도층 상부에 적층되고, 상기 전도층의 패터닝방향과 동일하며 상기 하부 광전변환층의 패터닝과 일치하지 않도록 패터닝을 구비하는 상부 광전변환층과, 상기 하부 광전변환층 상부에 적층되고, 상기 전도층의 일부가 노출되도록 패터닝된 하부 후면전극층 및 상기 상부 광전변환층 상부에 적층되고, 상기 전도층의 일부가 노출되도록 패터닝된 상부 후면전극층을 포함한다.
본 발명에서 상기 전도층 하부에는 기판이 더 구비되고, 상기 기판은 투명기판 또는 불투명 기판, 유리기판 또는 절연기판일 수 있다.
본 발명에서 상기 전도층은 투명전극 또는 금속전극이고, 상기 투명전극은 ZnO, Sn02 및 ITO 중 선택되는 1종의 물질을 이용할 수 있다.
본 발명에서 상기 상부 광전변환층 및 상기 하부 광전변환층은 실리콘 pn박막, pn 화합물형 박막 및 유기형 박막 중 선택되는 1종의 박막일 수 있다.
본 발명에서 상기 전도층 및 상부 후면전극층 또는 하부 후면전극층은 적어도 하나가 투명전극으로 형성될 수 있다.
본 발명의 광기전력 변환장치의 제조방법은 전도층 상부 일부 영역에 하부 광전변환층 및 하부 후면전극층을 순차적으로 적층하는 단계 및 상기 하부 광전변환층이 형성된 영역에 인접하지 않도록 상기 전도층 상부에 상부 광전변환층 및 상부 후면전극층을 순차적으로 적층하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 광기전력 변환장치의 다른 제조방법은 전도층을 일정한 방향으로 패터닝 하는 단계와, 상기 전도층 상부에 광전변환층을 적층하고, 상기 광전변환층을 상부 광전변환층 및 하부 광전변환층으로 패터닝 한 후, 상기 각각의 상부 광전변환층 및 상기 하부 광전변환층을 상기 전도층의 패터닝방향과 동일한 방향으로 패터닝 하는 단계 및 상기 광전변환층 상부에 후면 전극층을 적층하고, 상기 후면 전극층을 상부 후면 전극층 및 하부 후면 전극층으로 패터닝 한 후, 상기 각각의 상부 후면전극층 및 상기 하부 후면전극층을 상기 전도층의 패터닝방향과 동일한 방향으로 패터닝 하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 상기 각각의 상부 후면전극층 및 상기 하부 후면전극층을 상기 전도층의 패터닝방향과 동일한 방향으로 패터닝할 때에는 상기 전도층의 일부가 노출되도록 패터닝 할 수 있다.
본 발명에서 상기 패터닝을 형성하는 방법은 레이저 스크라이빙법, 기계적 스크라이빙법, 포토레지스트법, 노광공정 및 에칭방법 중 선택되는 1종 이상이 방법을 이용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 다이오드를 포함하는 광기전력 변환장치, 특히 박막형 태양전지를 제작하는 과정을 나타낸 것이다. 이하, 본 발명에서의 광기전력 변환장치는 박막형 태양전지를 그 구체적인 실시예로 하여 설명하도록 한다.
도 3a 내지 도 3g를 참고하여 본 발명의 박막형 태양전지를 제작하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3d는 투명성 기판(301)에 투명전도층(302)을 증착하고, 상기 투명전도층(302)을 패터닝(302a)한 후, 광전변환층(303)을 적층하는 과정으로써 종래 태양전지를 제작하는 과정과 동일하므로 그 자세한 내용을 설명하는 것은 생략하도록 한다.
도 3e는 상기 광전변환층(303)을 패터닝 하는 과정으로써, 우선 상기 광전변환층(303)을 상부셀(303b)과 하부셀(302a)로 분할하는 패터닝(303c)을 행한다. 상기 상하부로 분리된 광전변환층 각각을 패터닝(305, 306)한다. 상기 상부셀과 하부셀로 분할하기 위해서 좌우방향으로 패터닝될 수 있다. 상기 상부셀과 하부셀은 세로로 패터닝된다. 상기 상하부셀에 패터닝 되는 위치는 서로 일치하지 않도록 엇갈려서 형성된다.
상기 광전 변환층(303)은 p형 반도체/i형 반도체/n형 반도체층(혹은 p형 반도체/n 형 반도체)으로 구성되는 단일 접합 태양전지 다이오드 및 복수의 단일 접합 태양전지 다이오드가 직렬 혹은 병렬연결에 의해 이루어진 적층형 태양전지 다이오드도 될 수 있다. 또한, 적층형 태양전지를 형성시키는 과정에서 단일 접합 태양전지 다이오드 사이에 중간층으로 투명전극층이 삽입될 수도 있다.
도 3f는 후면전극층(304)이 증착되는 과정으로써, 상기 패터닝된 광전변환층 (303)상부에 후면전극층(304)이 증착된다. 상기 후면전극층(304)은 투명 산화물 도전체, 금속의 단일층 또는 투명산화물 도전체와 금속의 복수층으로 형성될 수 있다.
도 3g는 후면전극층(304)을 패터닝하는 과정으로써, 후면전극층(304)을 투명전도층(302)이 노출되는 깊이까지 패터닝한다. 상기 후면전극층의 패터닝 역시 상부셀(304b)과 하부셀(304a)을 분리하는 패터닝을 실시하고, 상하부로 분리된 각각의 셀을 세로로 패터닝(307, 308)한다. 상기 후면전극층(304) 상하부셀에 형성된 세로방향을 패터닝 위치도 상기 광전변환층(303)을 패터닝과 마찬가지로 서로 일치하지 않고 엇갈리는 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 패터닝 방법은 레이저 스크라이빙법, 기계적 스크라이빙법, 포토레지스터법, 노광공정 및 에칭방법 등 임 당업자에게 공지된 다양한 방법을 사용하는 것이 가능하다.
상기 도 3a 내지 도 3g에서 도시된 실시예는 박막형 태양전지의 제조방법에 대해서 설명하였다. 본 발명에 의한 태양전지는 박막형에 국한되지는 않는다. 상기 기판은 유리기판 대신에 폴리머 또는 금속 STS상 에 절연층이 적층된 층을 사용하는 것도 가능하며, 상기 투명전도층은 금속전극으로 사용하는 것이 가능하다. 다만, 상기 투명전도층이 금속전극으로 대치될 경우 후면전극층은 투명전극으로 형성되어야만 외부에서 빛이 투과될 수 있다.
상기 광전변환층 역시 실리콘 pin 박막이외에 다른 광전변환층을 사용하는 것이 가능하다. 상기 광전변환층으로는 화합물형 pn박막, 유기형 박막을 사용할 수 있다. 상기 광전변환층은 이미 당업자에게 공지된 구성으로 이에 대한 자세한 설명은 본 발명의 요지를 흐릴 우려가 있으므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
따라서, 상기 본 발명의 태양전지는 기판에 있어서, 투명기판 및 절연기판을 사용하는 것이 가능하며, 투명전도층 및 후면전극층에 있어서도 투명전극 및 금속전극을 사용하는 것이 가능하다. 다만 상기 투명전도층 및 후면전극층 중 적어도 하나는 투명전도물질로 형성되어야 한다. 상기 광전변환층 역시 공지된 광전변환층 중 하나의 광전변환층을 사용할 수 있다.
상기와 같은 과정에 의해 제작된 박막형 태양전지는 그 평면이 두 개의 셀 층으로 구획된다. 상부에 위치하는 셀을 상부 셀, 하부에 위치하는 셀을 하부 셀로 정의하면, 상기 상부 셀은 본 발명의 바이패스 다이오드이며, 상기 하부 셀은 태양전지층이다. 상기 과정에 의해 형성된 박막형 태양전지의 등가회로는 도 4에서 도시한 바와 같다.
도 4를 참조하면, 하부에는 기존의 태양전지의 등가회로가 존재하나, 상기 태양전지 상부로 바이패스 다이오드가 존재하며, 각각의 바이패스 다이오드는 투명전도층으로 연결된다. 하부의 광전변환 다이오드 셀에서 핫 스팟이 발생할 경우, 상부의 바이패스 다이오드로 전류가 흐를 수 있기 때문에 효율의 감소가 적고 태양전지 모듈의 안정성을 높일 수 있다. 종래의 태양전지 모듈 및 본 발명에서 제안한 태양전지 모듈에서 일반적인 환경 및 핫 스팟이 발생하였을 때의 전류의 흐름을 도 5 내지 도 8에 나타내었다.
도 5는 기존의 박막형 태양전지의 등가회로로써, 일반적인 태양전지의 경우 오른쪽에서 왼쪽으로 전류가 생성되어 흐르게 된다. 이 경우 도 6에서와 같이 태양전지 소정의 부분에서 핫 스팟이 발명하면, 별다른 해결수단이 존재하지 않았기 때문에 열이 발생하여 소자가 파괴되곤 하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 등가회로로써, 기존의 박막형 태양전지 각각의 셀에 바이패스 다이오드가 연결된다. 일반적으로 핫 스팟이 발생하지 않은 경우 하부의 태양전지층에만 전류의 흐름이 발생하나, 도 8에서와 같이 태양전지 일부분에 핫 스팟이 발생하면 태양전지층을 흐르던 전류는 핫 스팟이 발생한 부분의 셀을 통과하지 않고 이와 연결된 바이패스 다이오드 부분으로 통과되어 핫 스팟에 대한 영향이 제거된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 높은 광전 변환 효율을 갖는 광기전력 변환장치를 제조할 수 있게 된다.
또한, 차세대 청정 에너지원으로서 지구 환경 보전에 기여할 것이고, 공공시설, 민간시설, 군수시설 등에 직접 응용되어 막대한 경제적 가치를 창출할 수 있을 것이다.
Claims (13)
- 전도층;상기 전도층 상부 일부 영역에 하부 광전변환층 및 하부 후면전극층이 순차적으로 적층된 하부 셀; 및상기 하부 광전변환층이 형성된 영역에 인접하지 않도록 상기 전도층 상부에 상부 광전변환층 및 상부 후면전극층이 순차적으로 적층된 상부 셀을 포함하는 광기전력 변환장치.
- 일방향으로 소정의 패터닝을 형성한 전도층;상기 전도층 상부 일부 영역에 적층되고, 상기 전도층의 패터닝방향과 동일한 방향의 패터닝을 구비하는 하부 광전변환층;상기 하부 광전변환층이 형성된 영역에 인접하지 않도록 상기 전도층 상부에 적층되고, 상기 전도층의 패터닝방향과 동일하며 상기 하부 광전변환층의 패터닝과 일치하지 않도록 패터닝을 구비하는 상부 광전변환층;상기 하부 광전변환층 상부에 적층되고, 상기 전도층의 일부가 노출되도록 패터닝된 하부 후면전극층; 및상기 상부 광전변환층 상부에 적층되고, 상기 전도층의 일부가 노출되도록 패터닝된 상부 후면전극층을 포함하는 광기전력 변환장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 전도층 하부에는 기판이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환장치.
- 제 3항에 있어서,상기 기판은 투명기판 또는 불투명 기판인 것을 특징으로 하는 광기전력 변환장치.
- 제 3항에 있어서,상기 기판은 유리기판 또는 절연기판인 것을 특징으로 하는 광기전력 변환장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 전도층은 투명전극 또는 금속전극인 것을 특징으로 하는 광기전력 변환장치.
- 제 6항에 있어서,상기 투명전극은 ZnO, Sn02 및 ITO 중 선택되는 1종의 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 상부 광전변환층 및 상기 하부 광전변환층은 실리콘 pn박막, pn 화합물형 박막 및 유기형 박막 중 선택되는 1종의 박막인 것을 특징으로 하는 광기전력 변환장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 전도층 및 상부 후면전극층 또는 하부 후면전극층은 적어도 하나가 투명전극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환장치.
- 전도층 상부 일부 영역에 하부 광전변환층 및 하부 후면전극층을 순차적으로 적층하는 단계; 및상기 하부 광전변환층이 형성된 영역에 인접하지 않도록 상기 전도층 상부에 상부 광전변환층 및 상부 후면전극층을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하는 광기전력 변환장치 제작방법.
- 전도층을 일정한 방향으로 패터닝 하는 단계;상기 전도층 상부에 광전변환층을 적층하고, 상기 광전변환층을 상부 광전변환층 및 하부 광전변환층으로 패터닝 한 후, 상기 각각의 상부 광전변환층 및 상기 하부 광전변환층을 상기 전도층의 패터닝방향과 동일한 방향으로 패터닝 하는 단 계; 및상기 광전변환층 상부에 후면 전극층을 적층하고, 상기 후면 전극층을 상부 후면 전극층 및 하부 후면 전극층으로 패터닝 한 후, 상기 각각의 상부 후면전극층 및 상기 하부 후면전극층을 상기 전도층의 패터닝방향과 동일한 방향으로 패터닝 하는 단계를 포함하는 광기전력 변환장치 제작방법.
- 제 11항에 있어서,상기 각각의 상부 후면전극층 및 상기 하부 후면전극층을 상기 전도층의 패터닝방향과 동일한 방향으로 패터닝할 때에는 상기 전도층의 일부가 노출되도록 패터닝 하는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환장치 제작방법.
- 제 10항 또는 제 11항에 있어서,상기 패터닝을 형성하는 방법은 레이저 스크라이빙법, 기계적 스크라이빙법, 포토레지스트법, 노광공정 및 에칭방법 중 선택되는 1종 이상이 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 광기전력 변환장치 제작방법
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