KR101079008B1

KR101079008B1 - 다결정 실리콘 태양전지용 합성 발광 컨버터 및 그에 기반을 둔 태양전지 소자

Info

Publication number: KR101079008B1
Application number: KR1020100061638A
Authority: KR
Inventors: 성재석; 조성매; 박만웅; 추고연; 손석진; 이태범; 소쉬친 나움
Original assignee: 조성매; 성재석
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2011-11-01
Also published as: WO2012002602A1; US20120167983A1; CN102511084A

Abstract

다결정 실리콘을 사용한 태양전지 소자의 상부 표면에 합성 발광 컨버터를 형성하여 전극리본으로 연결하고, 또한 상기 태양전지 소자와 합성 발광 컨버터를 사이에 두고 그 상부와 하부에 에틸렌 비닐 아세테이트 시트를 각각 형성하며, 상기 에틸렌 비닐 아세테이트 시트의 상부는 광을 투과하는 저철분 강화유리를 배치하고 하부는 불소필름 또는 PET필름으로 이루어지는 백시트를 배치 고정하여 형성하는 다결정 태양전지 소자에 있어서, 상기 태양전지 소자는 합성 발광 컨버터를 포함하고, 상기 합성 발광 컨버터는 발광 성분을 함유하는 고분자 바인더로서 전극이 구비된 폴리실리콘 웨이퍼의 표면에 고분자 층을 형성하며, 상기 고분자층은 컨버터 내의 활성 충전 물질을 두 가지의 나노 무기 성분 또는 탄소나노튜브를 부가하여 형성하되, 상기 두가지 나노 무기 성분 중 하나는 구형의 발광 나노 실리콘으로 형성하고, 다른 하나는 Yb, Er, Ho와 같은 이온에 의해 활성화된 희토 원소의 옥시칼코게나이드에 기반을 둔 안티스톡스 형광체의 나노 입자로 형성하며, 여기에 탄소나노튜브를 합성하여 형성함으로써, 합성 발광 컨버터를 사용하지 않은 태양전지보다 다결정 폴리실리콘 웨이퍼의 표면에 접촉하여 개방전압, 단락전류, 충전률과 같은 전기적 파라미터들을 증가시킴으로써 태양전지의 전효율을 17~19%까지 증가되는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터 및 그에 기반을 둔 태양전지 소자에 관한 발명이다.

Description

다결정 실리콘 태양전지용 합성 발광 컨버터 및 그에 기반을 둔 태양전지 소자{COMPOSITION LIGHT CONVERTER FOR POLY SILICON SOLAR CELL AND SOLAR CELL}

본 발명은 다결정 실리콘 태양전지용 합성 발광 컨버터 및 그에 기반을 둔 태양전지 소자에 관한 것으로, 태양광의 흡수스펙트럼 중 광기전력을 발생시키는 파장대의 증가를 돕는 형광성 재료를 기반으로 하는 합성 발광 컨버터를 다결정 실리콘 태양전지 소자 위에 적층시켜 형성하는 태양전지 소자에 관한 기술이다.

대체 에너지 중에서 태양광으로부터 전력을 발생하는 광전장치는 독성가스 와 온실가스를 대기 중에 방출하지 않고 에너지를 얻을 수 있는 것이어서, 그린파워의 대표적 기술로 받아들여지고 있다.

이러한 태양전지의 수명은 50년 이상으로 알려져 있으며, 1957년에 세계에서 최초로 제작된 태양전지는 단결정 실리콘 웨이퍼에 기반을 두었지만, 태양전지 소자에 대한 연구개발이 거듭되어 여러 세대의 태양전지가 개발되었다.

제1세대 태양전지는 단결정 실리콘 즉 모노실리콘 물질에 기반을 두었음은 앞에서 살펴본 바와 같고, 제2세대와 제3세대 태양전지는 tellurium, selenium 등 여러 화합물의 박막에 기반을 두고 다양하게 개발되었는 바, 실리콘에 기반을 둔 태양전지의 소자는 일반적으로 단결정 실리콘 웨이퍼와 멀티 또는 폴리실리콘이라 불리는 다결정 실리콘 웨이퍼 및 두께 1~2㎛의 비정형으로 수소화된 실리콘 박막의 3가지가 주로 알려져 있다.

상기 3가지 태양전지 소자에서 단결정 실리콘 웨이퍼와 다결정 실리콘 웨이퍼는 활성 광이 주사되면 실리콘 내에서 야기되는 전기 캐리어 쌍의 p~n 전이를 이용하는 것이어서, 상기 실리콘 웨이퍼는 p~n 전이가 쉽게 발생되도록 그 표면에서 10~50㎛ 깊이로 인을 형성하게 되는데, 상기 인은 실리콘 웨이퍼의 표면에 전기적 불순물로 존재하므로 주로 n층에 형성하되 p층까지 전이가 확산되도록 형성한다.

특히 다결정 실리콘 웨이퍼는 단결정 실리콘 웨이퍼와 그 배열에 있어서는 유사하지만, 이들 양 실리콘 웨이퍼는 물리적으로 물질 내에서 전자와 정공의 이동도에서 정량적으로 차이를 나타낸다.

즉, 단결정 실리콘은 구조적 결함과 불순물이 거의 없는 구조이므로 전자 이동도가 매우 높으나, 다결정 실리콘은 결정의 크기도 다양하고 독립 성장한 결정 블록들 사이에 결정 경계 또한 많아서 비균일 결정구조를 갖고 있으므로, 결정 블록들의 경계에서 전자 캐리어들이 이동에 방해를 받아 전자 이동도가 단결정 실리콘보다 낮고, 이로 인해 다결정 멀티 실리콘은 단결정 실리콘에 비해 가격이 저렴하다.

상기 캐리어들의 이동도에 관한 특성은 실리콘 광전 소자의 효율에 영향을 미치는 것이어서, 통상 단결정 실리콘을 이용한 태양전지는 광전환 효율이 집광장치를 사용하지 않을 경우 최고 24%이고, 집광장치를 사용하면 28% 이상이지만, 다결정 실리콘을 사용한 태양전지는 집광장치를 사용하지 않을 경우 광전환 효율은 η=12~13%인 것으로 알려져 있다. 따라서 가격이 저렴한 다결정 실리콘의 광전환 효율을 향상시킨 태양전지 소자의 연구개발이 다양하게 이루어지고 있는 것이다.

본 발명은 가격면에서 유리한 위치를 차지하고 있는 다결정 실리콘을 사용한 태양전지의 발전 효율과 내구성을 증가시킬 수 있는 기술을 창안하여 태양광을 이용한 발전 비용을 저감시키는데 초점을 맞춘 것이다.

발명의 목적을 정의하기 전에 태양전지 웨이퍼의 전기물리적 특성과 광학적 특성의 기본적인 사항을 좀더 구체적으로 설명하도록 한다.

먼저, 태양전지에서 개방전압(Voc)과 단락전류밀도(Jsc)는 소자 시험에서 전압(V)과 전류(A) 특성에 관한 Voc-Jsc 좌표에 정의할 수 있고, 또 다른 요소인 충전율( FF )은 실리콘 웨이퍼 소자의 p-n 전이에서 나눠지는 전기 캐리어의 전공유를 구체적으로 나타내는 것이다.

일반적으로 단결정 실리콘을 사용한 태양전지의 개방전압(V₀) 및 단락전류밀도(J₀)는 다결정 실리콘을 사용한 태양전지의 7~12% 높게 나타나지만, 다결정 실리콘을 사용한 태양전지 소자의 충전율(FF)은 캐리어 손실로 인해 단결정 실리콘을 사용한 태양전지 소자에 비해 25~30% 정도 더 적게 나타나고, 이는 태양광 스펙트럼과 실리콘 태양전지 소자의 광 감응 스펙트럼 사이에 발생되는 차이 때문에 발생되는 것으로 알려져 있다.

도 2는 지구 적도에서 북쪽으로 37.5°인 지리적 위도에서 태양광 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 3은 광의 스펙트럼 구조에 따라 변하는 다결정 실리콘 웨이퍼의 광전류를 기록한 것으로, 도 3에 도시된 곡선은 실리콘의 광 감응 스펙트럼에 해당되는 것이기도 하다.

도 2에 도시된 것처럼 태양광은 λ=470nm 파장에서 최대 세기를 갖는다. 그리고 태양광 스팩트럼은 그 파장이 1㎛보다 큰 적외선 영역에서 290㎛보다 작은 자외선 영역에 걸쳐 발생되는데 290㎛보다 작은 자외선 영역의 광은 지구 대기에 의해 완전히 흡수된다. 이 태양광 스펙트럼을 도 3에 나타낸 실리콘 웨이퍼의 광 감응 스펙트럼 곡선과 비교하면 λ=470nm에서 최대 세기를 갖는 태양광에 비해 실리콘 웨이퍼의 광 감응 스펙트럼은 이보다 에너지가 2배 정도 더 적은 λ=980 nm에서 최대 감응을 나타낸다.

즉, 태양에서 발생되어 지구에 도달하는 빛의 파장은 470nm가 가장 높은에너지를 가지고 있으나, 도 3에 도시된 것처럼 실리콘 셀의 광 감응 파장대는 400~1100nm의 여러 파장을 사용하나 그중 980nm가 최대 광감응이 발생되어 최대의 전기 생산 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 태양광의 최대 파장대와 실리콘셀의 최대 광감응 파장이 서로 다르기 때문에 이를 일치시켜 준다면 최대 전기 생산이 가능한 것이다.

따라서 다결정 실리콘 웨이퍼는 상기 파장에서 최대 광 감응을 만들어 주는 것이 필요한데, E=1.2eV의 에너지는 실리콘의 금지된 영역의 에너지에 해당하는 것으로, 태양광 최대 세기를 갖는 λ=470nm는 hν=2.8eV의 양자에너지와 연관성이 있으므로, 1.2eV와 2.8eV의 에너지값을 비교해 보면 청색 태양 양자의 흡수에서 그 에너지의 반 이상이 사라지는 열중성자화 손실을 동반하면서 실리콘 웨이퍼를 가열한다.

또한 실리콘의 금지된 영역의 에너지에 해당하는 파장보다 더 적은 에너지를 갖는 태양광의 양자는 실리콘 웨이퍼에 매우 낮게 흡수되므로 대부분 실리콘 웨이퍼를 통과하며 가열하게 되고, 이로 인해 캐리어의 충전율과 Voc, Jsc를 감소시키는 웨이퍼 표면에서의 손실을 동반하며, 광학적 반사에 의해 태양광 손실도 발생되므로, 지금까지 손실을 감소시켜 실리콘을 이용한 태양전지 소자의 효율을 증가시키기 위한 다양한 방안들이 활발하게 연구되고 있다.

연구되고 있는 방안들 중에서 태양광과 단결정 실리콘 웨이퍼의 최적 광 감응 사이의 스펙트럼 불일치를 분석하고 이를 바탕으로 형광체를 함유하는 발광 스펙트럼 컨버터를 사용한 결과, 단결정 모노 실리콘 소자의 효율은 15~20%까지 증가시킬 수 있지만, 이러한 방법을 저가의 다결정 실리콘 소자에 적용할 경우 다결정 실리콘은 캐리어 확산에 의한 손실이 크므로, 단결정 실리콘과 같은 효율 증가 효과가 발생되지 않고, 게다가 두께 260~280㎛의 다결정 실리콘으로 소자를 만들 경우, 두께 증가에 따른 웨이퍼 가열로 효율이 더욱 낮아지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해소하기 위한 것으로, 가격이 상대적으로 낮은 다결정 실리콘을 이용한 태양전지 소자의 효율을 증가시키고, 또한 다결정 실리콘 웨이퍼에 미치는 컨버터의 작용을 균일하게 증가시켜 내구성을 향상시킬 수 있는 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 즉, 본 발명은 다결정 웨이퍼에 발광 컨버터를 적층시켜 태양전지에서 전기가 발생되지 않는 감광파장 외의 빛을 감광파장으로 광 변환시켜 발전효율을 증가시키는 구조의 발광 컨버터를 제공하여 다결정 실리콘 태양전지의 효율 향상으로 태양전지에 의한 전기의 단위 생산비를 낮추는 것을 목적으로 하고 있는 것이다.

상술한 문제점을 해소하고 목적을 달성하기 위하여 다결정 폴리실리콘 태양전지는 다결정 실리콘을 사용한 태양전지 소자의 상부 표면에 합성 발광 컨버터를 형성하여 전극리본으로 연결하고, 또한 상기 태양전지 소자와 합성 발광 컨버터를 사이에 두고 그 상부와 하부에 에틸렌 비닐 아세테이트 시트를 각각 형성하며, 상기 에틸렌 비닐 아세테이트 시트의 상부는 광을 투과하는 저철분 강화유리를 배치하고 하부는 불소필름 또는 PET 필름으로 이루어지는 백시트를 배치 고정하여 태양전지 소자를 형성한다.

상기 태양전지 소자에 포함되는 합성 발광 컨버터는 적외선 안티~스톡스 나노 형광체를 구성요소로 하며, 상기 안티 스톡스 나노 형광체는 Yb 및 Er에 의해 활성화되어 적외선 영역의 파장을 갖는 태양광을 부분적으로 흡수함으로써 실리콘 웨이퍼의 과열을 막을 수 있다. 또한 상기 형광체는 적외선에 여기되어 적색 발광 형태로 폴리실리콘 웨이퍼에 광을 재방출함으로써 소자의 효율을 증가시키는 전자 정공 쌍이 부가적으로 생성할 수 있게 된다.

상기와 같은 방법에서 전류를 운반하는 구성요소로 탄소나노튜브를 추가로 적용하여 전하를 부가적으로 모으고, 이를 상기 합성 발광 컨버터와 결합시키면 다결정 폴리실리콘 태양전지 소자의 효율을 18~19% 정도 증가시킬 수 있게 된다.

구체적으로 다결정 폴리실리콘을 사용하는 태양전지용 합성 발광 컨버터는 발광체 성분을 함유하고 있는 고분자 바인더로서 PCS 웨이퍼의 표면에 고분자 층을 형성하며 컨버터 내의 활성 충전 물질은 두가지의 나노 무기성분으로 형성하되, 상기 나노 무기성분 중 하나는 구형 나노 실리콘이며 다른 하나는 Yb, Er, Ho와 같은 이온에 의해 활성화된 희토류 원소의 옥시칼코게나이드에 기반을 둔 안티스톡스 형광체의 나노 입자로 형성한다.

상기 합성 발광 컨버터의 형광체는 나노 크기의 실리콘이 충전된 고분자 층으로 형성하되, 도 4의 SEM 이미지 입자 size에서 보듯이 나노 크기의 실리콘은 구형 입자로 형성하며, 상기 구형 입자는 10~50nm의 크기로 형성하여, 상기 구형 입자가 주로 단파장 태양광을 흡수하도록 함으로써 610~800nm의 파장을 가지는 광이 효과적으로 발광되도록 한다.

상기 Yb, Er, Ho와 같은 이온에 의해 활성화된 희토류 원소의 옥시칼코게나이드에 기반을 둔 나노 크기를 가지는 형광체는 구체적으로 50~200nm의 크기를 가지며 950~1100nm의 파장 영역에서 적외선 태양광에 의해 여기되어 가시광 스펙트럼의 적색 영역에서 발광하도록 한다.

상기 합성 발광 컨버터에 형성되는 고분자 층은 그 두께를 50~200㎛로 형성하고 이를 120~300㎛ 두께의 다결정 실리콘 웨이퍼 위에 올려 형성하도록 한다.

상기 합성 발광 컨버터에 탄소나노튜브를 합성하여 전하 수송층 또는 전극으로 활용하는 경우에는 무기성분과 탄소나노튜브의 중량%를 무기 성분이 최대 10wt.%를 초과하지 않도록 하되, 그 최적 양은 0.2~2.0wt.%로 형성하고, 탄소나노튜브의 합계량은 0.01~0.3wt.%로 형성하며, 상기 구형 나노 실리콘과 나노 입자를 가지는 형광체의 두 무기 성분의 비를 1:5~5:1로 구성되도록 한다.

상기 합성 발광 컨버터에는 무기 성분이 고분자 바인더에 분산된 서스펜션을 디핑 방법, 프린팅 방법, 스프레잉 방법 등에 의해 다결정 태양전지의 전면에 코팅하여 100℃보다 높은 온도에서 0.5~5시간 동안 고화시켜 형성시키고, 상기 고분자 바인더는 열경화성 고분자로 -C-O-C-의 에폭시 기를 함유하거나 -Si-O-C-C-Si-의 실리콘 기를 함유하는 탄소 단위를 갖는 분자량이 M=15000~18000인 에폭시와 분자량이 M=20000~25000인 실리콘 수지로 형성한다.

상기 구조를 갖는 합성발광 컨버터는 20×20mm에서 156×156mm까지의 크기를 갖는 폴리실리콘 태양전지의 전면에 형성하여 광 투명 실리케이트 유리에 의해 커버될 수 있도록 하고, 이러한 합성 발광 컨버터를 갖춘 다결정 폴리실리콘 태양전지 모듈은 36에서 72개의 모듈이 직렬과 병렬로 연결하도록 한다.

상술한 바와 같이 형성한 합성 발광 컨버터가 적용된 다결정 실리콘을 갖는 태양전지 소자는 다결정 폴리실리콘 웨이퍼의 표면에 접촉하여 개방전압, 단락전류, 태양전지 소자의 충전률과 같은 전기적 파라미터들을 증가시킨다. 이에 따라 태양전지 발전 효율 또한 도 7과 도 8에 나타낸 것처럼 기존 10~13%에서 17~18%로 증가시킬 수 있고, 다결정 웨이퍼에 컨버터 기술을 적용함으로써 발전효율도 균일하게 증가시킬 수 있으므로, 결국 태양전지의 단위 발전 비용을 저감시키는 획기적인 작용효과가 발생되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 제조되는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터를 적용한 단면도이다.
도 2는 지구 적도에서 북쪽으로 37.5°에서의 태양광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 3은 광의 스펙트럼 구조에 따라 변하는 다결정 폴리실리콘 웨이퍼의 광전류를 나타낸 것으로, 도시된 곡선은 실리콘의 광 감응 스펙트럼에 해당된다.
도 4는 실험에 사용된 나노 실리콘의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5는 300nm에서 1100nm까지 스펙트럼 영역 내에서 실리콘계 고분자를 코팅한 셀의 반사된 광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 6은 300nm에서 1100nm까지 스펙트럼 영역 내에서 에폭시계 고분자를 코팅한 셀의 반사된 광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 7은 고분자에 구형의 나노 실리콘과 옥시칼코게나이드 형광체를 혼합한 컨버터의 성능을 분석한 결과값으로 다결정 폴리실리콘 웨이퍼에 합성 발광 컨버터가 형성되기 전과 후의 파라미터를 측정하여 그 결과값을 비교하여 표시한 도면이다.
도 8은 고분자에 구형의 나노 실리콘과 옥시칼코게나이드 형광체와 탄소나노튜브를 혼합한 컨버터의 성능을 분석한 결과값으로 폴리실리콘 웨이퍼에 합성 발광 컨버터가 형성되기 전과 후의 파라미터를 측정하여 그 결과값을 비교하여 표시한 도면이다.

상술한 다결정 실리콘 태양전지용 합성 발광 컨버터 및 그에 기반을 둔 태양전지 소자에 관한 본 발명을 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.

다결정 실리콘 태양전지 소자 모듈은 도 1에 도시한 바와 같이 다결정 태양전지 소자(5)와 상기 태양전지 소자(5) 상부 표면에 합성 발광 컨버터(4)를 형성하여 전극리본(3)으로 연결하고, 또한 상기 태양전지 소자(5)와 합성 발광 컨버터(4)를 사이에 두고 그 상하부에 에틸렌 비닐 아세테이트 시트(2)를 형성하며, 상기 에틸렌 비닐 아세테이트 시트(2) 상부는 광을 투과하는 저철분 강화유리(1), 그리고 하부는 불소필름 또는 PET필름으로 이루어지는 백시트(6)를 배치 고정하여 형성하도록 한다.

상기 태양전지 소자(5)에 포함되는 합성 발광 컨버터(4)는 발광 성분을 함유하는 고분자 바인더로서 전극이 구비된 다결정 폴리 실리콘 웨이퍼의 표면에 고분자 층을 형성하고, 또한 상기 고분자층은 컨버터 내의 활성 충전 물질을 두 가지의 나노 무기 성분으로 형성하되, 상기 두가지의 나노 무기성분 중 하나는 구형의 발광 나노 실리콘으로 형성하고, 다른 하나는 Yb, Er, Ho와 같은 이온에 의해 활성화된 희토 원소의 옥시칼코게나이드에 기반을 둔 안티스톡스 형광체의 나노 입자로 형성한다.

또한 상기 합성 발광 컨버터(4)의 고분자 층에는 탄소나노튜브를 부가하여 전하 수송층 또는 전극으로 활용할 수도 있다.

상기 합성 발광 컨버터(4)를 구성하는 고분자 층은 나노 크기의 실리콘이 충전된 고분자 층으로 형성하되, 도 4에 도시한 것처럼 상기 고분자 층에 충전되는 발광 나노 실리콘은 구형 입자로서 10~50nm의 크기를 갖으며, 단파장 태양광을 흡수하여 610~800nm 범위에서 효과적으로 발광되도록 한다.

또한 상기 합성 발광 컨버터(4)에 형성되는 상기 고분자 층은 나노 크기의 형광체가 충전된 고분자 층으로 형성하고, 상기 형광체는 Yb, Er, Ho와 같은 이온에 의해 활성화된 희토원소의 옥시칼코게나이드로 50~200nm의 크기를 가지며, 950~1100nm의 파장 영역에서 적외선 태양광에 의해 여기되어 가시광 스펙트럼의 적색 영역에서 발광되도록 한다.

또한 상기 합성 발광 컨버터(4)에 형성되는 상기 고분자 층은 그 두께가 50~200㎛이고, 120~300㎛ 의 두께를 가지는 다결정 실리콘 웨이퍼 상부에 형성하도록 한다.

상기 합성 발광 컨버터(4)에 형성되는 고분자 층의 두께가 50 ㎛보다 얇은 경우, 이로 인해 다결정 실리콘에서의 반사효과를 감소시키지 않고, 두께가 200㎛ 이상이 되더라도 효율이 증가되는 것은 아니다. 따라서 비용을 고려하여 상기 고분자 층은 그 두께가 두꺼운 재료를 사용하는 것은 바람직하지 않으며, 또한 두께가 두꺼우면 상기 합성 발광 컨버터(4) 후막의 경화기간도 길어지므로 최종 생성물의 비용만 증가시킬 뿐이므로, 상기 고분자 층은 두께 50~200㎛가 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있는 최적값에 해당된다.

상기 합성 발광 컨버터(4)에 형성되는 두께 50~200㎛로 형성되는 상기 고분자 층은 다결정 폴리실리콘 웨이퍼에 합성 컨버터를 적용할 때 고분자 층 내에 무기 성분의 최대 함량은 무게로 10%를 초과하지 않도록 한다. 상기 고분자층은 무기 성분이 최대 10wt.%를 초과하지 않도록 하되, 그 최적 양은 0.2~2 wt.%가 되도록 합성한다.

또한 상기 고분자 층에서 두 가지 무기성분에 해당하는 나노 실리콘과 나노 형광체의 두 무기 성분의 비는 1:5~5:1가 되도록 한다.

그리고 상기 합성 발광 컨버터(4)는 무기 성분이 고분자 바인더에 형성되는 무기성분의 서스펜션을 디핑 방법, 프린팅 방법, 스프레잉 방법 등에 의해 다결정 태양전지의 전면에 코팅하여 100℃보다 높은 온도에서 0.5~5 시간 동안 열적으로 경화시켜 코팅 부의 경도와 내구성을 향상시키도록 한다.

또한 상기 합성 발광 컨버터(4)의 고분자 바인더는 열경화성 고분자로 -C-O-C-의 에폭시기를 함유하거나, -Si-O-C-C-Si-의 실리콘기를 함유하는 탄소 단위를 갖는 분자량이 M=15000~25000인 다수의 에폭시 또는 실리콘 수지로 형성하는데, 에폭시 고분자는 평균 분자량이 M=15000~18000이고, 실리콘 고분자는 평균 분자량 M=20000~25000인 에폭시 고분자를 이용한다.

또한 상기 합성 발광 컨버터(4)는 20mm×20mm에서 156mm×156mm까지의 크기를 갖는 다결정 폴리실리콘 태양전지의 전면에 광 투명 실리케이트 유리에 의해 커버되고, 상기 합성 발광 컨버터(4)를 구성요소로 하는 태양전지 모듈은 36에서 72개를 직렬 또는 병렬로 연결하도록 한다.

이러한 태양전지 소자의 합성 발광 컨버터 제조방법은 무기 성분이 고분자 바인더에 분산된 서스펜션을 디핑 방법, 프린팅 방법, 스프레잉 방법 등의 어느 한가지의 방법에 의해 다결정 태양전지의 전면에 코팅하여 100℃보다 높은 온도에서 0.5~5시간 동안 고분자화하여 형성되는 것을 특징한다.

그리고 상기 합성 발광 컨버터의 고분자 층에 무기 성분에 탄소나노튜브를 혼합하여 전하 수송층 또는 전극으로 활용하는 경우에는 상기 성분은 최대 10wt.%를 초과하지 않도록 하되, 그 최적 양은 0.2~2.0wt.%로 형성하고, 탄소나노튜브의 중량%은 합계 0.01~0.3wt.%로 형성하도록 한다.

이러한 구조를 가지는 본 발명의 태양전지 소자는 도 7의 실험결과에 나타나 있는 것처럼 상기 두가지 무기성분이 충전된 고분자 층으로 이루어진 상기 합성 발광 컨버터(4)는 다결정 폴리실리콘 웨이퍼의 표면에 접촉하여 개방전압, 단락전류, FF와 같은 전기적 파라미터들을 증가시킴으로써 태양전지의 전효율을 17~18%까지 증가시킬 수 있게되는 것이다.

또한 상기 합성 발광 컨버터에 탄소나노튜브를 혼합하여 형성하면 도 8의 실험결과에 나타나 있는 바와 같이, 변환효율이 큰 폭으로 상승하는 것을 알 수 있는데, 130㎛의 폴리실리콘에 0.01~0.2%의 탄소나노튜브를 혼합한 컨버터를 적용한 경우 그렇지 않은 경우에 비해 3.4~5.3%를 광변환 효율이 증가하지만, 컨버터에 탄소나노튜브 0.1%와 무기성분의 발광체 2% 혼합하면 광변환 효율이 컨버터를 사용한 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 19.3% 증가하는 것을 알 수 있다.

1 : 저철분 강화유리 2 : 에틸렌 비닐 아세테이트 시트
3 : 태양전지 소자 전극리본 4 : 합성 발광 컨버터
5 : 태양전지 소자 6 : 백시트

Claims

태양전지에 있어서, 다결정 실리콘으로 태양전지 소자를 형성하고, 상기 태양전지 소자의 상부 표면에 합성 발광 컨버터를 형성하여 전극리본으로 연결하며, 상기 태양전지 소자와 합성 발광 컨버터를 사이에 두고 그 상부와 하부에 에틸렌 비닐 아세테이트 시트를 각각 형성하고, 상기 에틸렌 비닐 아세테이트 시트의 상부는 광을 투과하는 저철분 강화유리를 배치하고 하부는 불소필름 또는 PET필름으로 이루어지는 백시트를 배치 고정하여 다결정 태양전지 소자를 형성하되, 상기 합성 발광 컨버터는 발광 성분을 함유하는 고분자 바인더로서 전극이 구비된 폴리실리콘 웨이퍼의 표면에 고분자 층을 형성하며, 상기 고분자층은 컨버터 내의 활성 충전 물질을 두 가지의 나노 무기 성분으로 형성하되, 상기 두 가지의 나노 무기 성분 중 하나는 구형의 발광 나노 실리콘으로 형성하고, 다른 하나는 Yb, Er, Ho와 같은 이온에 의해 활성화된 희토 원소의 옥시칼코게나이드에 기반을 둔 안티스톡스 형광체의 나노 입자로 형성하는 것을 특징으로 하는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터 및 그에 기반을 둔 태양전지 소자.
제1항에 있어서, 상기 고분자 층은 탄소나노튜브를 더 추가하여 형성하는 것을 특징으로 하는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터 및 그에 기반을 둔 태양전지 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합성 발광 컨버터의 고분자 층에 형성하는 발광나노 실리콘은 구형 입자로서 10~50nm의 크기를 갖으며, 단파장 태양광을 흡수하여 610~800nm 범위에서 효과적으로 발광하는 것을 특징으로 하는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터와 그에 기반을 둔 태양전지 소자.
제3항에 있어서, 상기 합성 발광 컨버터에 형성되는 고분자 층에 형성하는 형광체는 50~200nm의 크기를 가지며, 950~1100nm의 파장 영역에서 적외선 태양광에 의해 여기되어 가시광 스펙트럼의 적색 영역에서 발광하는 것을 특징으로 하는 다결정 태양전지 소자.
제4항에 있어서, 상기 합성 발광 컨버터의 고분자 층은 그 두께가 50~200㎛이고, 120~300㎛의 두께를 가지는 다결정 실리콘 웨이퍼 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터와 그에 기반을 둔 태양전지 소자.
제5항에 있어서, 상기 합성 발광 컨버터의 고분자 층은 무기 성분이 최대 10wt.%를 초과하지 않으며, 무기 성분의 최적 양은 0.2~2wt.%이고, 나노 실리콘과 나노 형광체의 두 무기 성분의 비는 1:5~5:1이며, 탄소나노튜브를 함유하는 경우에는 그 중량을 0.01~0.3wt.%로 형성하는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터와 그에 기반을 둔 태양전지 소자.
제6항에 있어서, 상기 합성 발광 컨버터의 고분자 바인더는 열경화성 고분자로 -C-O-C-의 에폭시기와 -Si-O-C-C-Si-의 실리콘기의 고분자로 형성하되, 에폭시 고분자의 평균 분자량은 M=15000~18000이고, 실리콘 고분자의 평균 분자량은 M=20000~25000인 것을 특징으로 하는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터와 그에 기반을 둔 태양전지 소자.
제7항에 있어서, 상기 합성 발광 컨버터는 20×20mm에서 156×156mm까지의 크기를 갖는 폴리실리콘 태양전지의 전면에 광 투명 실리케이트 유리에 의해 커버되는 것을 특징으로 하는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터와 그에 기반을 둔 태양전지 소자.
제8항에 있어서, 상기 합성 발광 컨버터를 구비한 폴리실리콘 태양전지 모듈은 36에서 72개의 태양전지가 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 다결정 태양전지용 합성 발광 컨버터와 그에 기반을 둔 태양전지 소자.