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KR101062486B1 - 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지 - Google Patents

발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지 Download PDF

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KR101062486B1
KR101062486B1 KR1020100074579A KR20100074579A KR101062486B1 KR 101062486 B1 KR101062486 B1 KR 101062486B1 KR 1020100074579 A KR1020100074579 A KR 1020100074579A KR 20100074579 A KR20100074579 A KR 20100074579A KR 101062486 B1 KR101062486 B1 KR 101062486B1
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윤경훈
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안승규
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 실리콘 박막 태양 전지에 관한 것으로서, 특히, 태양 전지의 후면에 구비된 발열층을 가열하는 발열체를 이용하여 태양 전지의 후면 온도를 상승시켜 열화를 감소시키고 장기간 동안의 전체 발전량을 개선시킬 수 있는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지에 대한 것이다. 본 발명의 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지는, 상기 태양 전지의 일면에 구비된 발열층; 및 상기 발열층에 열을 전달하는 발열체를 포함하여 이루어진다. 또한, 이에 따라, 본 발명은 태양광을 집광하여 발열하는 발열체와 발열체에서 열을 전달받아 태양 전지의 후면 온도를 일정하게 상승 및 유지시켜 태양 전지의 열화를 방지하는 발열층을 구비하여 열화에 따른 태양 전지의 손상 및 오작동을 방지할 수 있는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 발열체를 이용하여 추가적인 전력 소모 없이 태양 전지 후면의 온도를 일정하게 상승 및 유지시킬 수 있는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공할 수 있다.

Description

발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지{LOW DEGRADATION SILICON THIN FILM PHOTOVOLTAICS USING HEATING ELEMENT}
본 발명은 실리콘 박막 태양 전지에 관한 것으로서, 특히, 태양 전지의 후면에 구비된 발열층을 가열하는 발열체를 이용하여 태양 전지의 후면 온도를 상승시켜 열화를 감소시키고 장기간 동안의 전체 발전량을 개선시킬 수 있는 저열화 실리콘 박막 태양 전지에 대한 것이다.
최근 들어, 결정질 실리콘 태양 전지가 높은 기술의 안정성과 광전변환율에도 불구하고 경제성의 확보가 어려워지자 이의 대안으로 경제성이 우수하고 대면적화가 용이한 박막 태양 전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 박막 태양 전지(thin film photovoltaics)는 결정질 실리콘 웨이퍼 전체를 태양광 흡수기판으로 사용하는 태양 전지와 달리, 저가의 기판 표면에 광전 물질을 박막으로서 증착한 형태의 태양 전지이다. 좀 더 상세하게는, 유리, 금속판, 플라스틱 등의 기판 표면에 실리콘 등을 수 마이크론 두께로 증착한 구조의 태양 전지이다. 이러한 박막 태양 전지는 광흡수층의 재료에 따라 다양하게 분류되며, 유리기판에 비정질 실리콘이 증착되는 비정질 실리콘 박막 태양 전지가 대표적이다.
비정질 실리콘 태양 전지의 구조는 유리기판 아래 TCO/p-i-n/metal 구조의 형태가 일반적이다. 비정질 실리콘 박막 태양 전지는 빛에 노출될 경우 초기에 비하여 태양 전지특성이 감소하는 스태블러 원스키 효과(Staebler-Wronski effect)라 불리는 열화현상이 발생하며 i층의 두께와 물성에 따라 최대 20 내지 60%까지 태양 전지특성이 감소한다. 이는 라이트 소우킹(light-soaking)에 의해 i층 내부의 불포화 결합 밀도가 증가하고 내부 전기장이 감소하여 빛에 의해 발생된 전자-정공쌍의 재결합이 가속화되기 때문인 것으로 알려져 있다.
도 4는 일반적인 결정질 태양 전지와 실리콘 박막 태양 전지를 통상의 외부조건하에서 장기간 두었을 때의 출력경향을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 시간이 지날수록 실리콘 박막 태양 전지가 결정질 태양 전지에 비해 열화가 크게 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이는 초기에 급격한 열화가 일어나는 실리콘 박막 태양 전지의 고유 특성 때문이다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 실리콘 박막 태양 전지의 사용 온도를 통상의 온도보다 높게 유지할 경우 열화를 감소시키고 장기간 사용 시 발전량을 개선할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 태양 전지의 후면 온도를 상승시켜 열화를 감소시킬 수 있는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 태양 전지와, 상기 태양 전지의 일면에 구비된 발열층과, 상기 발열층에 열을 전달하는 발열체를 포함하는 것을 특징으로 하는 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공한다. 상기 발열체는 집광 발열체일 수 있다. 집광 발열체는 오목 렌즈 또는 태양열 집열기로서 이루어질 수 있다. 태양열 집열기의 구체적인 구성은 본 발명 범위 밖이므로 자세한 설명은 생략한다.
발열층은 예를 들어 열선을 포함하여 이루어질 수 있다. 태양 전지는 유리 기판과, 상기 유리 기판의 하면에 형성된 투명 전도막과, 상기 투명 전도막의 하면에 형성된 비정질 실리콘 박막과, 상기 비정질 실리콘 박막의 하면에 형성된 후면 전극을 포함한다. 비정질 실리콘 박막은 a-Si:H 또는 μc-Si:H로 이루어질 수 있다. 또 비정질 실리콘 박막층은 p-i-n 또는 n-i-p 구조의 적층 형태로 이루어진다.
투명 전도막으로는 예를 들어 ITO 또는 FTO 등이 사용될 수 있다. 후면 전극은 알루미늄 또는 은을 포함한다. 발열층은 상기 비정질 실리콘 박막과 상기 후면 전극 사이에 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 후면 전극의 하면에 위치할 수도 있다.
본 발명은 태양광을 집광하여 발열하는 발열체와 발열체에서 열을 전달받아 태양 전지의 후면 온도를 일정하게 상승 및 유지시켜 태양 전지의 열화를 방지하는 발열층을 구비하여 열화에 따른 태양 전지의 손상 및 오작동을 방지할 수 있는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 발열체를 이용하여 추가적인 전력 소모 없이 태양 전지 후면의 온도를 일정하게 상승 및 유지시킬 수 있는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 사시도.
도 2는 도 1의 선 A-A'에서 취한 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 단면도.
도 4는 결정질 실리콘 태양 전지와 비정질 박막 실리콘 태양 전지의 시간에 따른 열화 특성을 비교한 그래프.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 실시예들은 예시적인 것이다. 도면 상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 사시도이고, 도 2는 도 1의 선 A-A'에서 취한 개략 단면도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 태양 전지(100)와, 태양 전지(100)의 후면에 구비된 발열층(150)과, 발열층(150)에 열을 전달하는 발열체(300)를 포함한다. 도면에서 전체 태양전지(100) 중 발열층(150)을 특히 두껍게 나타내었는데, 이는 설명을 용이하게 하기 위한 것이다.
태양 전지(100)는 태양광의 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 유리 기판(110)과, 유리 기판(110)의 하면에 형성된 투명 전도막(120)과, 투명 전도막(120)의 하면에 형성된 비정질 실리콘 박막(130)과, 비정질 실리콘 박막(130)의 하면에 형성된 후면 전극(140)을 포함한다. 이와 같은 태양 전지(100)에서 생산되는 전기는 인버터(미도시)를 통해 외부로 공급될 수 있다.
유리 기판(110)은 비정질 실리콘 박막(130)이 증착되는 기판이다. 유리 기판(110) 아래에는 투명 전도막(Transparent Conducting Oxides, TCO; 120)이 형성된다. 투명 전도막(120)은 광의 흡수가 적어 대부분의 광이 물질을 투과할 수 있도록 에너지 밴드갭 폭이 넓으면서도 전기를 잘 흘려 줄 수 있도록 도핑된 산화물 기반의 전도막이 널리 사용된다. 이러한 투명 전도막(120)으로는 ITO 또는 FTO 등이 대표적으로 사용된다.
비정질 실리콘 박막(130)은 유리 기판(110)을 통해 입사되는 태양광을 이용하여 전기를 생성하기 위한 것으로서, 수소 도핑된 비정질 실리콘(a-Si:H) 또는 미세결정 실리콘(μc-Si:H)으로 형성된다. 이러한 비정질 실리콘 박막(130)의 구조를 살펴보면, 유리 기판(110)의 하면에 차례로 증착되는 p층(132), i층(134) 및 n층(136)으로 구성된다. 이 중에서 i층(134)은 pi 및 ni계면에서 스페이스 차지(space-charge) 밀도가 증가하여 비정질 실리콘 박막(120) 내부에서 전기장이 감소하는 것을 방지하기 위해 200 내지 500㎚의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
후면전극(140)은 투명 전도막(120)과 함께 비정질 실리콘 박막(130)에서 생산된 전기를 외부로 공급하기 위한 것으로서, 금속 재질을 포함한다. 이때, 상기 금속 재질은 일반적인 후면전극에 사용되는 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
발열층(150)은 태양 전지(100)의 후면을 가열하기 위한 것으로서, 후면전극(240)의 하면에 위치한다. 발열층(150)은 집광된 태양광의 열을 전달할 수 있는 재료 또는 소자 및 구조일 수 있다. 일례로, 발열층(150)은 열선을 포함할 수 있으며, 발열층(150)은 다양한 방법으로 형성될 수 있으며 특히 한정되지 않는다.
발열체(300)는 태양광으로부터 열을 받아서 발열층(150)에 전달하기 위한 것으로서, 집광 발열체를 포함하여 이루어진다. 집광 발열체는 오목 렌즈, 태양광 집열기 등으로 이루어질 수 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 태양광을 이용하여 온도를 상승시킬 수 있는 모든 구조물을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 이러한 발열체(300)를 이용하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 발열체(300)로 집광(①)된 태양광에 의한 열을 발열층(150)으로 전달(②)하여 태양 전지(100)의 후면을 가열할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 발열체(300)가 태양 전지(100)의 측면에 구비된 것을 예시하였으나, 위치가 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 발열체(300)는 태양 전지(100)의 상부, 하부, 주변 등 태양광을 수집하여 발열층(150)에 열을 전달할 수 있는 모든 영역에 구비될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 후면전극의 하부에 구비된 발열층과, 발열층에 열을 가하는 발열체로 태양 전지의 후면을 가열하여 열화를 방지함으로써, 열화에 따른 태양 전지의 손상 및 오작동을 방지할 수 있다.
다음은 발열층을 비정질 실리콘 박막과 후면 전극 사이에 위치시킨 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지에 대해 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 후술할 내용 중 전술된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 설명과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지의 개략 단면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지는 도 3에 도시된 바와 같이, 유리기판(210)과, 유리기판(210)의 하면에 형성된 투명전도막(220)과, 투명전도막(220)의 하면에 형성된 비정질 실리콘 박막(230)과, 비정질 실리콘 박막(230)의 하면에 형성된 후면전극(240)과, 상기 비정질 실리콘 박막(120)과 후면 전극(140) 사이에 형성된 발열층(250)과, 발열층(250)에 열을 전달하는 발열체를 포함한다.
본 실시예는 전술된 본 발명의 제 1 실시예와는 다르게 발열층(250)을 비정질 실리콘 박막(230)과 후면전극(240) 사이에 개재한다. 물론, 본 실시예에 따른 발열층(250) 역시 전술된 본 발명의 제 1 실시예와 동일하게 발열체에 의해 가열되어 태양 전지(200)의 후면을 가열하게 되며, 이에 따라, 태양 전지(200)의 온도를 상승시킨다. 이때, 발열층(250)은 비정질 실리콘 박막(230)과 후면전극(240)을 전기적으로 단락시키도록 형성될 경우 전도체 또는 반도체인 것이 바람직하며, 비정질 실리콘 박막(230)과 후면전극(240)을 전기적으로 단락시키지 않도록 형성될 경우, 전술된 본 발명의 제 1 실시예와 동일하게 집광된 태양광의 열을 전달할 수 있는 재료 또는 소자 및 구조일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 집광체와 태양 전지의 후면 온도를 상승시켜 태양 전지의 열화를 감소시키고, 열화에 따른 손상 및 오작동을 방지할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 태양 전지 110, 210: 유리기판
120, 220: 투명전도막 130, 230: 비정질 실리콘 박막
140, 240: 후면전극 150, 250: 발열층
300: 발열체

Claims (12)

  1. 태양 전지;
    상기 태양 전지의 후면에 구비된 발열층; 및
    상기 발열층에 열을 전달하는 발열체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열체가 집광 발열체인 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 집광 발열체가 오목 렌즈 또는 태양열 집열기인 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열층이 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양 전지가,
    유리 기판;
    상기 유리 기판의 하면에 형성된 투명 전도막;
    상기 투명 전도막의 하면에 형성된 비정질 실리콘 박막; 및
    상기 비정질 실리콘 박막의 하면에 형성된 후면 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 박막이 a-Si:H를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 박막층이 μc-Si:H를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 박막층은 p-i-n층 또는 n-i-p층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 후면 전극은 알루미늄 또는 은으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 투명 전도막이 ITO 또는 FTO인 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 발열층이 상기 비정질 실리콘 박막과 상기 후면 전극 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 발열층이 상기 후면 전극의 하면에 위치하는 것을 특징으로 하는 발열체를 이용한 저열화 실리콘 박막 태양 전지.
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