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KR101858570B1 - 창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR101858570B1
KR101858570B1 KR1020170010782A KR20170010782A KR101858570B1 KR 101858570 B1 KR101858570 B1 KR 101858570B1 KR 1020170010782 A KR1020170010782 A KR 1020170010782A KR 20170010782 A KR20170010782 A KR 20170010782A KR 101858570 B1 KR101858570 B1 KR 101858570B1
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KR
South Korea
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solar cell
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thin film
substrate
color
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도영락
민병권
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국민대학교산학협력단
한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 태양전지의 효율을 거의 감소시키지 않으면서 블랙 칼라의 무기물 박막 태양전지를 아름다운 칼라의 외관을 보이도록 색을 변환하여 창호형으로써의 활용가치를 높일 수 있고, 이에 따라 상용화가 용이한 창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 건물측 외피 마감재로 사용하더라도 태양전지의 최대 광전변환효율(PCE, power conversion efficiency)을 유지할 수 있고, 개방 회로 전압(Voc)의 감소없이 약간의 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 및 단락 광전류 밀도의 감소만으로 무기물 박막 태양전지의 블랙 칼라를 아름다운 칼라로 변환할 수 있어 창호형으로 적합한 창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법{THIN FILM SOLAR CELLS FOR POWER GENERATING WINDOW APPLICATIONS AND THE PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지의 효율을 거의 감소시키지 않으면서 블랙 칼라의 무기물 박막 태양전지를 아름다운 칼라의 외관을 보이도록 색을 변환하여 창호형으로써의 활용가치를 높이고, 이에 따라 상용화가 용이한 창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어서 태양에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전설비의 사용이 점차 보편화되고 있다. 이러한 태양에너지를 이용하는 태양전지는 석탄이나 석유와 같은 화석연료를 사용하지 않고, 무공해이며 무한의 에너지원인 태양광을 이용하므로 미래의 새로운 대체 에너지원으로서 각광을 받고 있으며 현재에는 태양광 발전소나 건축물, 자동차 등의 발전 전력을 얻는데 이용되고 있다.
태양광 발전은 다양한 응용분야가 있지만 그 중에서도 태양전지를 건축물의 외피 마감재로 사용하는 건물 일체화(BIPV: Building Integrated Photovoltaic) 기술은 21세기 유망 신기술로서 근래 전 세계적으로 주목받고 있다. 건물 일체화 기술은 기존의 건축물 외피를 단순히 외적 자극에 대한 보호의 개념의 관점에서 탈피하여 에너지 창출의 도구로 발전시킨 적극적인 기술로서, 태양전지 수급의 일익을 담당할 수 있어 기존의 태양전지 시스템 설치에 소요되는 비용을 절감하는 이중효과를 기대할 수 있다. 태양전지를 건축물 외장재로 이용한 것 중 하나가 태양전지를 창호에 결합한 태양전지 창호이다.
이와 관련, 한국 등록특허 제10-1541357호에서는 창호형 박막 태양전지와 그의 제조방법을 제공한다. 그러나 종래의 창호형 박막 태양전지는 블랙 칼라의 외관을 가져 창호형으로써의 활용가치가 떨어져 상용화가 어려운 문제점 및 태양전지의 효율을 유지함과 동시에 아름다운 외관을 보이는 것이 어려운 치명적인 약점이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 태양전지의 효율을 거의 감소시키지 않으면서 블랙 칼라의 무기물 박막 태양전지를 아름다운 칼라의 외관을 보이도록 색을 변환하여 창호형으로써의 활용가치를 높이고, 이에 따라 상용화가 용이한 창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 기판; 전극을 포함하는 상기 기판의 상면부;및 상기 기판의 하면부;를 포함하며, 상기 기판의 상면부 또는 하면부 중 적어도 하나 이상에 외부에서 조사된 광의 일부를 반사시키고 다른 일부를 투과하여 태양전지의 색을 변환시키는 반사형 필터를 포함하는 창호형 박막 태양전지를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 상면부는, 상기 기판의 일면에 서로 대향하도록 형성되는 제1 후면전극 및 전면전극; 상기 제1 후면전극과 전면전극 사이에 형성되는 제2 후면전극;및 상기 제2 후면전극과 전면전극 사이에 형성되는 광흡수층;을 포함하고, 상기 전면전극은 상기 제1 후면전극을 중심으로 상기 기판의 반대편에 위치할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 반사형 필터는 상기 전면전극 상에 구비될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 반사형 필터는 1차원 광결정 이색성 나노-다층막(1-dimensional photonic crystal dichroic nano-multilayer film)일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 1차원 광결정 이색성 나노-다층막은 청색 반사-이색성 나노-다층막일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 1차원 광결정 이색성 나노-다층막은 제1 층, 제2 층 및 제3 층이 교호적층되며, 상기 제2 층의 굴절률은 제1 층과 상이하며, 상기 제3 층의 굴절률은 제1 층과 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 제1 층 및 제3 층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/9 ~ 1/7 광학두께이고, 상기 제2 층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/5 ~ 1/3 광학두께일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 교호적층시 1층-2층-3층을 반복 유닛으로 하여 3 ~ 30회 반복하여 적층될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 반사형 필터의 두께는 0.3 ~ 5μm일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 태양전지는 상기 기판, 상면부 및 하면부가 직렬 연결되도록 스크라이빙되고, 반사형 필터는 스크라이빙 되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 1차원 광결정 이색성 나노-다층막(1-dimensional photonic crystal dichroic nano-multilayer film)을 포함하고 하기의 조건 (a) ~ (b)를 만족하는 창호형 박막 태양전지를 제공한다.
(a) 상기 나노-다층막의 반사광의 중심파장이 380 ~780nm
(b) 하기의 관계식 1을 만족
[관계식 1]
Figure 112017008147439-pat00001
상기 A는 하나 이상의 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 포함하는 경우의 광수확 효율(light harvesting efficiency)이고, 상기 B는 상기 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 포함하지 않는 경우의 광수확 효율(light harvesting efficiency)이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 창호형 박막 태양전지는 하기 조건 (c)를 더 만족할 수 있다.
(c) 하기의 관계식 2를 만족
[관계식 2]
Figure 112017008147439-pat00002
상기 C는 하나 이상의 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 포함하는 경우의 개방 회로 전압(Voc)이고, 상기 D는 상기 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 포함하지 않는 경우의 개방 회로 전압(Voc)이다.
또한, 본 발명은 상기의 어느 한 창호형 박막 태양전지를 포함하는 창호를 제공한다.
본 발명은 태양전지의 효율을 거의 감소시키지 않으면서 블랙 칼라의 무기물 박막 태양전지를 아름다운 칼라의 외관을 보이도록 색을 변환하여 창호형으로써의 활용가치를 높일 수 있고, 이에 따라 상용화가 용이한 창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 건물측 외피 마감재로 사용하더라도 태양전지의 최대 광전변환효율(PCE, power conversion efficiency)을 유지할 수 있고, 개방 회로 전압(Voc)의 감소없이 약간의 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 및 단락 광전류 밀도의 감소만으로 무기물 박막 태양전지의 블랙 칼라를 아름다운 칼라로 변환할 수 있어 창호형으로 적합한 창호형 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 1차원 광결정 이색성 필름을 태양전지 모듈의 외부에 구비한 태양전지의 구조의 개략도이다.
도 1b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 1차원 광결정 이색성 필름을 태양전지 모듈의 외부에 구비한 태양전지의 구조의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 (a) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 청색 반사 필름 BRF-1 및 BRF-2, (b) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 황색 반사 필름 YRF-1 및 YRF-2 (c) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 적색 반사 필름 RRF-1 및 RRF-2의 투과 스펙트럼, (d) BRF-1과 BRF-2 (e) YRF-1과 YRF-2 (f) RRF-1과 RRF-2 필름의 확산 반사 스펙트럼이 및 (g) BRF-1, (h) YRF-1 및 (i) RRF-1 필름의 단면 SEM 이미지이다. 또한, 도면 내에 삽입된 이미지는 1차원 광결정 이색성 필름의 투과 및 반사의 실제 색상이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상이한 5개의 (a) BRF 필터 (b) RRF 필터의 투과율 스펙트럼 및 상이한 5개의 (c) BRF 필터 및 (d) RRF 필터의 확산 반사 스펙트럼 그래프이다.
도 4는 (a) 기존 RGB 컬러 필터의 투과율 (b) 반사 스펙트럼 그래프 및 백색광의 태양광 조명 하에서 RGB 필터의 (c) 반사된 실제 이미지(상부) 및 투과된 실제이미지(하부)이며, (d) 전류-밀도 전압 스캐닝 (e) RGB 컬러 필터가 부착된 부분 광-투과 CIGSSe PV 모듈의 상대 수확 효율 및 (f) RGB 색상 필터가 부착된 부분 광-투과 CIGSSe PV 모듈의 실제 이미지와 CIE 색상 좌표이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상이한 5개의 BRF를 포함하는 부분 광-투과 CIGSSe 태양 광 모듈의 (a) 전류-밀도 전압 스캐닝 (b) 상대 수확 효율 그래프 및 상이한 5개의 RRF를 포함하는 부분 광-투과 CIGSSe 태양 광 모듈의 (c) 전류-밀도 전압 스캐닝 (d) 상대 수확 효율 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 1차원 광결정 이색성 필름을 CIGSSe PVs(Photovoltaics) 모듈의 (a) 외부 및 (b) 내부에 구비하는 상이한 두가지 디바이스 구조의 개략도이다
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 외부에 씌어진 (a) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 청색 반사 필름 BRF, (b) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 황색 반사 필름 YRF (c) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 적색 반사 필름 RRF샘플의 반사 스펙트럼, (e) 2 가지 유형의 YRF (f) 2 가지 유형의 RRF 샘플의 투과 스펙트럼 및 (g) 2 가지 유형의 BRF, (h) 2 가지 유형의 YRF (i) 2 가지 유형의 RRF 샘플의 CIE 색상 좌표 그래프(삽입된 이미지는 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 외부에 씌어진 1차원 광결정 이색성 필름의 투과 및 반사의 실제 색상 이미지)이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양 광 조명 (100 mW cm-2) 하에서 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 내부에 씌어진 (a) 2 가지 유형의 BRF (b) 2 가지 유형의 YRF 및 (c) 2 가지 유형의 RRF 샘플의 전류-밀도 전압 스캐닝그래프(삽입된 이미지는 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 내부에 씌어진 1차원 광결정 이색성 필름의 투과(T) 및 반사(R)의 실제 색상 이미지) 및 (d) 2 가지 유형의 BRF (e) 2 가지 유형의 YRF (f) 2 가지 유형의 RRF 샘플을 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 그래프이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양 광 조명 (100 mW cm-2) 하에서 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 외부에 씌어진 (a) 2가지 유형의 BRF (b) 2가지 유형의 YRF (c) 2가지 유형의 RRF 샘플의 전류-밀도 전압 스캐닝 그래프 및 (d) 2 가지 유형의 BRF (e) 2 가지 유형의 YRF, (f) 2 가지 유형의 RRF 샘플의 상대 수확 효율 그래프이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 CIGSSe 태양전지의 (a) 외부 양자 효율 (EQE) 스펙트럼 및 (a) 청색 BRF, (b) 청색 BRF, (c) 황색 YRF의 반사 스펙트럼으로 CIGSSe PV 모듈을 전환하기 전의 CIGSSe 태양전지의 외부 양자 효율 (EQE) 스펙트럼이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 P1, P2, 및 P3 절개 패턴을 갖는 CIGSSe PV 모듈의 (a) 측면도의 개략도 (b) 평면도의 SEM 이미지 (c) 상기 (b)의 사각형 영역에 해당하는 CIGSSe PV의 측면도의 SEM 이미지 (d) CIGSSe PV 모듈의 투과율 그래프 (e) 일 태양 및 1.5 AM 조명 하에서 CIGSSe PV 모듈의 전류-밀도 전압 스캐닝 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 종래의 창호형 박막 태양전지는 안전성 및 효율은 우수한 반면 블랙 칼라의 외관을 가져 창호형으로써의 활용가치가 떨어져 상용화가 어려운 문제점이 있었다. 즉, 종래에는 박막 태양전지의 효율을 유지함과 동시에 아름다운 외관을 보이는 것이 어려운 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 기판, 전극을 포함하는 상기 기판의 상면부, 상기 기판의 하면부를 포함하며, 상기 기판의 상면부 또는 하면부 중 적어도 하나 이상에 외부에서 조사된 광의 일부를 반사하고 다른 일부를 투과하여 태양전지의 색을 변환시키는 반사형 필터를 포함하는 창호형 박막 태양전지를 제공한다. 이를 통해 태양전지의 효율을 거의 감소시키지 않으면서 블랙 칼라의 무기물 박막 태양전지를 아름다운 칼라의 외관을 보이도록 색을 변환하여 창호형으로써의 활용가치를 높일 수 있고, 이에 따라 상용화가 용이한 효과가 있다. 또한, 건물측 외피 마감재로 사용하더라도 태양전지의 최대 광전변환효율(PCE, power conversion efficiency)을 유지할 수 있고, 개방 회로 전압(Voc)의 감소없이 약간의 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 및 단락 광전류 밀도의 감소만으로 무기물 박막 태양전지의 블랙 칼라를 아름다운 칼라로 변환할 수 있어 창호형으로 적합한 장점이 있다.
구체적으로 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 도 1a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 1차원 광결정 이색성 필름을 태양전지 모듈의 외부에 구비한 태양전지의 구조의 개략도이며 도 1b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 1차원 광결정 이색성 필름을 태양전지 모듈의 외부에 구비한 태양전지의 구조의 개략도이다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 창호형 박막 태양전지는 기판(100), 상기 기판의 상부에 형성되는 상면부(200), 상기 기판의 하면에 형성되는 하면부(300) 및 상기 반사형 필터(270, 270')를 포함한다.
먼저, 기판(100)에 대해 설명한다. 상기 기판(100)은 통상적으로 박막 태양전지에 사용되는 것을 사용할 수 있으나 바람직하게는 소다-라임 유리(soda-lime glass, SLG)를 포함하는 유리 기판, 세라믹 기판, 스테인리스강 기판을 포함하는 금속 기판, 폴리머 기판 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 기판(100)의 상면에 형성된 상면부(200)를 설명한다. 상기 상면부(200)는 통상적인 박막 태양전지의 구성을 채용할 수 있으며, 바람직하게는 기판(100)의 어느 일면에 형성되는 전극을 포함하여 박막 태양전지를 구성하는 일부분을 의미할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 상면부는 상기 기판의 일면에 서로 대향하도록 형성되는 제1 후면전극(210) 및 전면전극(260), 상기 제1 후면전극(210)과 전면전극(260) 사이에 형성되는 제2 후면전극(220), 상기 제2 후면전극(220)과 전면전극(260) 사이에 형성되는 광흡수층(230)을 포함할 수 있고, 상기 전면전극(260)은 상기 제1 후면전극(210)을 중심으로 상기 기판(100)의 반대편에 위치할 수 있다.
다음으로, 기판(100)의 일면에 전면전극(260)과 서로 대향하도록 형성될 수 있는 제1 후면전극(210)에 대해 설명한다. 제1 후면전극(210)은 광전효과로 생성된 전자와 정공을 받아들이며 외부로 전달시키기 위한 전극으로, 도전성이 있는 투명한 물질로 당해 기술분야에서 널리 사용되는 것을 사용할 수 있다. 바람직하게는 인듐의 산화물, 아연의 산화물, 주석의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 투명전도산화물(TCO), TCO와 금속필름 또는 나노와이어층과 TCO로 구성된 다층구조 투명전극 및 그래핀, 카본나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나의 물질을 포함할 수 있다. 이 경우 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수 및 비저항이 낮은 투명한 물질을 제1 후면전극(210)으로 이용함으로써 제1 후면전극(210)의 효율을 증대시킬 수 있다.
다음으로 상기 기판의 일면에 형성된 제1 후면전극(210)과 서로 대향되도록 형성될 수 있는 전면전극(260)에 대해 설명한다.
상기 전면전극(260)은 광전효과로 생성된 전자와 정공을 받아들이며 외부로 전달시키기 위한 전극이며, 도전성이 있는 투명한 물질로 형성된 투명전극으로 형성되어 전면전극의 특성을 구현할 수 있는 것을 사용할 수 있다. 바람직하게는 ITO, FTO, ZnO, ATO, PTO, AZO, IZO와 같은 투명 전도성 산화물이나 칼코지나이드와 같은 물질이 사용될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 후면전극(210)과 전면전극(260) 사이에 형성될 수 있는 제2 후면전극(220)에 대해 설명한다. 상기 제2 후면전극(220)은 광 전류 손실을 방지하는 역할을 하며, 만일 제2 후면전극(220)이 존재하지 않는 경우에는 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 광흡수층(230)과 제1 후면전극(210) 사이에 형성되어 광 전류 손실을 초래하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명에 사용되는 제2 후면전극(220)은 창호형 박막 태양전지의 부분 광투과도를 확보할 수 있어 창호형으로의 활용도를 향상시킬 수 있는 것으로 제2 후면전극(220)의 특성을 구현할 수 있는 것이면 그 물질에 제한이 없으나, 바람직하게는 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 니오븀(Nb) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 이와 같은 제2 후면전극(220)을 형성하는 경우, 가시광 또는 근적외선 대역에서 상기 제1 후면전극(210)의 광흡수도 대비 상기 제2 후면전극(220)의 광흡수도 비가 1 이상인 파장대역이 존재하며 비저항이 낮은 물질로 후면전극이 형성되어 박막 태양전지의 투과도를 용이하게 확보할 수 있어 창호형으로 적합하게 이용될 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 제1 후면전극(210)은 50 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성되고, 상기 제2 후면전극(220)은 10 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 제2 후면전극은 스크라이빙 수행시 희생전극으로 이용될 수 있다.
다음으로 제2 후면전극(220)과 전면전극(260) 사이에 형성될 수 있는 광흡수층(230)에 대해 설명한다.
상기 광흡수층(230)은 태양광이 흡수되는 층으로, 박막 태양전지를 구성할 수 있는 광흡수층의 특성을 구현할 수 있는 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 적어도 하나, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중 적어도 하나, 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 Cu(In,Ga)S2 (CIGS) 또는 Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe) 등 Se, S계일 수 있다. 상기 광흡수층을 형성하여 박막 태양전지를 구성하는 경우 창호형 박막 태양전지의 안전성 및 효율성을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 광흡수층(230) 위에 버퍼층(240), 윈도우층(250), 전면전극(260)이 순차적으로 형성될 수 있다. 즉 광흡수층(230)을 중심으로 기판(100)의 반대편에 버퍼층(240) 및 윈도우층(250)이 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 버퍼층(240)은 박막 태양전지에 이용되는 CdS 박막을 사용할 수 있다. 또한, 상기 윈도우층(250)은 밴드갭이 충분히 커서 흡수층에 도달되는 가시광의 광량을 증가시키는 동시에 전자가 전극에 수집될 수 있도록 저항을 낮추는 역할을 하는 것으로, 바람직하게는 ZnO나 도핑된 ZnO 등이 사용될 수 있다.
다음으로, 상기 기판의 상면부(200) 또는 하면부(300) 중 적어도 하나 이상에 포함되는 외부에서 조사된 광의 일부를 반사하고 다른 일부를 투과하여 태양전지의 색을 변환시키는 반사형 필터(270, 270')에 대해 설명한다.
상기 반사형 필터(270, 270')는 외부에서 조사된 광의 일부를 반사하여 태양전지의 색을 변환시키며, 다른 일부를 투과하여 투과도를 확보하여 박막 태양전지를 창호형으로써의 활용가치를 증진시킬 수 있다.
상기 반사형 필터(270, 270')로는 상기의 기능을 구현할 수 있는 필터를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 1차원 광결정 이색성 나노-다층막(1-dimensional photonic crystal dichroic nano-multilayer film)일 수 있다. 구체적으로 청색 반사를 위해서는 장파장 통과-이색성 필터(LWPFs, long-wavelength pass-dichroic filters)를 사용할 수 있으며, 황색 또는 적색 반사를 위해서는 단파장 통과-이색성 필터(SWPFs, short-wavelength pass-dichroic filters)를 사용할 수 있다. 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 사용하는 경우, 태양전지의 개방 회로 전압(Voc)의 감소없이 약간의 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 및 단락 광전류 밀도의 감소만으로 상기 필름의 반사색을 창호의 색으로 이용할 수 있다. 나아가 박막 태양전지를 창호형으로써 유용하게 활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 1차원 광결정 이색성 나노-다층막은 제1 층, 제2 층 및 제3 층이 교호적층되며, 상기 제2 층의 굴절률은 제1 층과 상이하며, 상기 제3 층의 굴절률은 제1 층과 동일하거나 상이할 수 있다. 즉 상기 나노-다층막은 고굴절/저굴절 재료의 박막을 반복시킨 다층막일 수 있으며, 바람직하게는 상기 고굴절 재료는 TiO2이며, 저굴절 재료는 SiO2일 수 있다. 이 경우 목적하는 반사 및 투과되는 색상은 가시광선 영역인 보라색, 청색, 황색, 오렌지색 및 적색의 범위에에서 제어될 수 있어 태양전지의 색을 창호형으로써 활용할 수 있도록 적절하게 변환할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 층 및 제3 층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/9 ~ 1/7 광학두께이고, 상기 제2 층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/5 ~ 1/3 광학두께일 수 있다. 구체적으로 상기 제1 층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/9 ~ 1/7 광학두께라는 의미는 하기의 관계식을 만족할 수 있음을 의미한다.
Figure 112017008147439-pat00003
또한, 상기 제2 층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/5 ~ 1/3 광학두께라는 의미는 하기의 관계식을 만족할 수 있음을 의미한다.
Figure 112017008147439-pat00004
보다 바람직하게는 상기 제1 층 및 제3 층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/17 ~ 1/15 광학두께이고, 상기 제2 층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/9 ~ 1/7 광학두께일 수 있다. 상기 각 층의 광학두께가 상기 범위 내인 경우, 투과도가 우수해지는 효과가 있다. 또한, 상기 제1 층 및 제3 층의 광학두께가 반사광의 중심 파장 대비 비 1/8 광학두께 (λmax/8n, n:박막의 굴절률). 에 가까워질수록, 상기 제2 층의 광학두께가 반사광의 중심 파장 대비 1/4(λmax/4n, n:박막의 굴절률)에 광학두께에 가까워질수록 투과도가 우수해져 반사 및 투과되는 색상의 제어가 용이해지는 장점이 있다.
나아가, 상기 교호적층시 [1층/2층/1층]을 반복 유닛으로 하여 3 ~ 30회 반복하여 적층될 수 있고, 바람직하게는 5 ~ 20회 반복하여 적층될 수 있으며, 보다 바람직하게는 7 ~ 15회 반복하여 적층될 수 있다. 이와 같이 상기 반복유닛이 반복하여 적층되어 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 형성하는 경우 높은 투과율 뿐만 아니라 높은 반사율 값을 가져 명확한 색 변환이 이루어질 수 있고, 적절한 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency)을 달성할 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 1차원 광결정 이색성 나노-다층막은 [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]m 또는 [0.5TiO2/SiO2/0.5TiO2]m일 수 있고, 상기 m은 상기 반복유닛의 반복횟수로 3 ~ 30일 수 있다.
한편 상기 반사형 필터(270, 270')의 두께는 0.3 ~ 5μm 일 수 있으며, 바람직하게는 0.5 ~ 2μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 (a) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 청색 반사 필름 BRF-1 및 BRF-2, (b) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 황색 반사 필름 YRF-1 및 YRF-2 (c) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 적색 반사 필름 RRF-1 및 RRF-2의 투과 스펙트럼, (d) BRF-1과 BRF-2 (e) YRF-1과 YRF-2 (f) RRF-1과 RRF-2 필름의 확산 반사 스펙트럼이 및 (g) BRF-1, (h) YRF-1 및 (i) RRF-1 필름의 단면 SEM 이미지이다. 또한, 도면 내에 삽입된 이미지는 1차원 광결정 이색성 필름의 투과 및 반사의 실제 색상이다. 상기 도면을 살펴보면, 청색 반사필름 BRF-1 및 BRF-2은 황색을 투과하고 청색 또는 보라색을 반사하는데, 실제 색상 이미지를 보면 명확한 색 변환이 가능함을 알 수 있다. 또한, 황색 반사 필름 YRF-1 및 YRF-2은 청색을 투과하고 황색을 반사하며, 적색 반사 필름 RRF-1 및 RRF-2은 청색을 투과하고 적색 또는 오렌지색을 반사하며 각각의 실제 색상 이미지를 통해 명확한 색 변환이 용이함을 알 수 있다. 또한, 상기 SEM 이미지를 통해 본 발명의 1차원 광결정 이색성 필터는 나노-다층막을 이용할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상이한 5개의 (a) BRF 필터 (b) RRF 필터의 투과율 스펙트럼 및 상이한 5개의 (c) BRF 필터 및 (d) RRF 필터의 확산 반사 스펙트럼 그래프이다. 상기 도면을 통해서 본 발명의 반사형 필터(800)가 400 ~ 800 nm 파장범위에서 보라색, 청색, 황색, 오렌지색 및 적색의 반사색을 보임을 알 수 있다.
반면, 도 4는 (a) 기존 RGB 컬러 필터의 투과율 (b) 반사 스펙트럼 그래프 및 백색광의 태양광 조명 하에서 RGB 필터의 (c) 반사된 실제 이미지(상부) 및 투과된 실제이미지(하부)이며, (d) 전류-밀도 전압 스캐닝 (e) RGB 컬러 필터가 부착된 부분 광-투과 CIGSSe PV 모듈의 상대 수확 효율 및 (f) RGB 색상 필터가 부착된 부분 광-투과 CIGSSe PV 모듈의 실제 이미지와 CIE 색상 좌표이다. 상기 도면을 통해서 RGB 컬러 필터와 부분 광-투과 CIGSSe PV 모듈을 결합하는 경우에는, 외부는 어두운 RGB 색상을 보일 뿐만 아니라 RGB 컬러 필터의 낮은 반사율에 의해서 본 발명의 필터만큼 색 변환이 명확하게 일어나지 않음을 알 수 있다. 또한 상기 (d) 전류-밀도 전압 스캐닝을 통해서 종래 RGB 컬러 필터를 사용하는 경우 최대 광전변환효율(PCE, power conversion efficiency)이 5.31%[cover glass 미적용 논문 기준값]에서 3.22%, 1.63% 및 1.46%로 감소하여 태양전지의 효율이 저하됨을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 1차원 광결정 이색성 나노-다층막은 청색 반사-이색성 나노-다층막일 수 있다. 청색 반사-이색성 나노-다층막을 반사형 필터(270, 270')로 이용하는 경우에는 무기물 박막 태양전지의 블랙 칼라를 아름다운 보라색 또는 청색 색상으로 색 변환시킬 수 있다. 또한, 박막 태양전지의 흡수 스펙트럼과 청색 반사-이색성 나노-다층막의 반사 스펙트럼 사이의 오버랩의 감소로 인하여, 개방 회로 전압(Voc)의 감소없이 약간의 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 및 단락 광전류 밀도의 감소만으로 색 변환이 일어나는 효과가 있다.
구체적으로 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상이한 5개의 BRF를 포함하는 부분 광-투과 CIGSSe 태양 광 모듈의 (a) 전류-밀도 전압 스캐닝 (b) 상대 수확 효율 그래프 및 상이한 5개의 RRF를 포함하는 부분 광-투과 CIGSSe 태양 광 모듈의 (c) 전류-밀도 전압 스캐닝 (d) 상대 수확 효율 그래프이다. 상기 전류-밀도 전압 스캐닝 도면 (a) 및 (c)를 통해서, 청색 반사 필터 BRFs를 이용한 태양전지의 경우 단락 광전류 밀도가 2 mA/cm2 이상이고 적색 반사 필터 RRFs를 이용한 태양전지의 단락 광전류 밀도가 2 mA/cm2 이하로 나타남을 알 수 있다. 또한, 상대 수확 효율 그래프인 (b) 및 (d)를 통해서 BRFs를 이용하는 경우에는 상대 수확 효율이 0.78 ~ 0.91이고 RRFs를 이용하는 경우에는 상대 수확 효율이 0.51 ~ 0.54로 나타남을 확인할 수 있다.
이를 통해서, BRFs를 사용하는 경우에는 RRFs를 사용하는 경우보다 단락 광전류 밀도가 현저히 낮게 감소하며 상대 수확 효율 역시 기존의 박막 태양전지와 비슷하여 아름다운 반사색을 보이면서도 박막 태양전지의 우수한 효율을 유지할 수 있음을 알 수 있다. 반면 RRFs를 사용하는 경우에는 단락 광전류 밀도 및 상대 수확 효율의 감소가 현저하지는 않으나, BRFs의 경우보다는 효율이 저하되는 특성을 보임을 알 수 있다. 즉 본 발명의 반사형 필터로 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 사용하고, 그 중에서도 특히 청색 반사-이색성 나노-다층막을 사용하는 경우 약간의 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 및 단락 광전류 밀도의 감소만으로 필름의 반사색인 청색 또는 보라색을 창호의 색으로 이용할 수 있어 박막 태양전지를 창호형으로써 유용하게 활용할 수 있다.
한편, 상기 반사형 필터(270, 270')를 상기 기판의 상면부 또는 하면부 중 적어도 하나 이상에 포함하는 경우, 외부에서 조사되는 광의 일부를 반사하여 미적 효과를 가짐과 동시에 광의 다른 일부를 투과하여 투과도를 확보할 수 있어 창호형으로써의 활용가치를 현저히 향상시킬 수 있다.
구체적으로 상기 반사형 필터(270, 270')가 상기 기판의 상면부 또는 하면부 중 적어도 하나 이상에 포함된다는 것은, 상기 기판의 상면부 또는 하면부에 구비되는 경우를 의미하며 기판에 직접 밀접하여 존재하거나 기판과 상기 반사형 필터(270, 270')사이에 다른 전극 또는 층들이 존재하는 경우를 모두 포함한다. 즉, 상기 반사형 필터(270, 270')는 기판의 상면부 또는 하면부 중 적어도 하나 이상에 포함되어 외부에서 조사되는 광의 일부를 반사하고 다른 일부를 투과하여 색을 변환시킬 수 있는 위치에 구비될 수 있다.
구체적으로 도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 1차원 광결정 이색성 필름을 CIGSSe PVs(Photovoltaics) 모듈의 (a) 외부 및 (b) 내부에 구비하는 상이한 두가지 디바이스 구조의 개략도이다. 상기 도면을 통해서 본 발명의 반사형 필터(270, 270')가 기판의 상면부 중 전면전극(260) 위에 구비되거나 기판의 하면부에 구비될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 상면부에 구비되는 경우 건물의 외측면에 반사형 필터(270, 270')가 배치되고, 하면부에 구비되는 경우 건물의 내측면에 반사형 필터(270, 270')가 배치됨을 알 수 있다.
또한, 도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 외부에 씌어진 (a) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 청색 반사 필름 BRF, (b) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 황색 반사 필름 YRF (c) 2 가지 유형의 1차원 광결정 이색성 적색 반사 필름 RRF샘플의 반사 스펙트럼, (e) 2 가지 유형의 YRF (f) 2 가지 유형의 RRF 샘플의 투과 스펙트럼 및 (g) 2 가지 유형의 BRF, (h) 2 가지 유형의 YRF (i) 2 가지 유형의 RRF 샘플의 CIE 색상 좌표 그래프(삽입된 이미지는 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 외부에 씌어진 1차원 광결정 이색성 필름의 투과 및 반사의 실제 색상 이미지)이다. 상기 도면을 통해서, 본 발명에 따른 반사형 필터가 기판의 상면부에 포함되는 경우 무기물 박막 태양전지의 블랙 칼라를 필터의 반사색으로 색 변환할 수 있음을 알 수 있다. 또한 상기 (g), (h) 및 (i)의 CIE 색상 좌표 그래프를 통해서 반사형 필터를 상면부에 도입하여 박막 태양전지가 청색, 황색 또는 적색으로 분명하게 색 변환될 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양 광 조명 (100 mW cm-2) 하에서 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 내부에 씌어진 (a) 2 가지 유형의 BRF (b) 2 가지 유형의 YRF 및 (c) 2 가지 유형의 RRF 샘플의 전류-밀도 전압 스캐닝그래프(삽입된 이미지는 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 내부에 씌어진 1차원 광결정 이색성 필름의 투과(T) 및 반사(R)의 실제 색상 이미지) 및 (d) 2 가지 유형의 BRF (e) 2 가지 유형의 YRF (f) 2 가지 유형의 RRF 샘플을 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 그래프이다. 상기 도면을 통해서 본 발명의 반사형 필터가 기판의 하면부(300)에 포함되는 경우에도 블랙 칼라의 무기물 박막 태양전지를 반사색으로 효과적으로 색 변환할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 창호형 박막 태양전지는 건물의 외관을 아름답게 보이도록 해줄 수 있음은 물론 내부 인테리어 측면에서도 아름다운 실내장식 효과를 가질 수 있어 다양한 활용이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 반사형 필터(270, 270')는 상기 기판(100)의 상면부(200) 및/또는 하면부(300)의 내부에 포함되거나 외부에 구비될 수도 있으나, 바람직하게는 외부에 구비되는 것이 유리하다. 종래에는 상면부(200)의 외부에 구비되는 경우 블랙 칼라의 외관을 가져 창호형으로써의 활용가치가 떨어져 상용화가 어려운 문제점이 있었으나, 본 발명은 본 발명은 반사형 필터(270, 270')가 상면부(200)의 전면전극(260) 상에 구비될 수 있고, 이 경우에도 약간의 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 및 단락 광전류 밀도의 감소만으로 블랙 칼라의 외관을 반사색으로 색 변환할 수 있어 박막 태양전지를 창호형으로써 유용하게 활용할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로 도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양 광 조명 (100 mW cm-2) 하에서 10%가 부분적으로 스크라이빙된 CIGSSe 태양 광 모듈의 외부에 씌어진 (a) 2가지 유형의 BRF (b) 2가지 유형의 YRF (c) 2가지 유형의 RRF 샘플의 전류-밀도 전압 스캐닝 그래프 및 (d) 2 가지 유형의 BRF (e) 2 가지 유형의 YRF, (f) 2 가지 유형의 RRF 샘플의 상대 수확 효율 그래프이다. 상기 도면을 통해서 알 수 있듯이 반사형 필터(270, 270')가 전면전극(260) 상에 구비되어 외부에 위치하는 경우에도, 도 8의 내부에 구비되는 경우에 비해 약간의 단락 광전류 밀도 및 상대 수확 효율의 감소만이 발생함을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 건물의 외측면에 존재하여 블랙 칼라의 무기물 박막 태양전지를 아름다운 색으로 변환할 수 있으면서도 태양전지의 효율을 우수하게 유지할 수 있는 장점이 있음을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 창호형 박막 태양전지는 상기 기판, 상면부 및 하면부가 직렬 연결되도록 스크라이빙되고, 반사형 필터는 스크라이빙 되지 않을 수 있다. 상기 스크라이빙은 바람직하게는 기계식 스크라이빙 공정을 통해 수행될 수 있고, 이러한 스크라이빙을 통해서 광 투과율을 충분히 확보할 수 있어 박막 태양전지를 창호형으로서 유용하게 사용할 수 있는 효과가 있다. 또한, 만일 본 발명에 사용되는 제2 후면전극(220)이 불투명한 경우에는, 제2 후면전극(220)을 희생층으로 하여 이를 일부 제거함으로써 광 투과영역을 확보할 수 있게 된다.
구체적으로, 상기 기판, 상면부 및 하면부가 직렬 연결된다는 것은 기판(100) 및 반사형 필터(270, 270')를 제외한 태양전지를 구성하는 전극 및 층들이 기판에 대해 수직방향으로 일렬로 연결됨을 의미한다. 예를 들어 도 1a를 살펴보면, 기판(100)상의 제2 후면전극(220), 광흡수층(230), 버퍼층(240), 윈도우층(250) 및 전면전극(260)이 직렬 연결되도록 레이저 스크라이빙 또는 기계적 스크라이빙(280)될 수 있다. 또한, 기판(100), 제1 후면전극(210) 및 반사형 필터(270, 270')를 제외하고 레이저 스크라이빙 또는 기계적 스크라이빙될 수 있음을 알 수 있다.
즉, 본 발명은 반사형 필터(270, 270')을 구비함과 동시에 스크라이빙을 통해서 태양전지의 효율을 거의 감소시키지 않으면서 블랙 칼라를 아름다운 외관으로 색 변환시킬 수 있는 효과를 달성할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 하나 이상의 1차원 광결정 이색성 나노-다층막(1-dimensional photonic crystal dichroic nano-multilayer film)을 포함하고 하기의 조건 (a) ~ (b)를 만족하는 창호형 박막 태양전지를 제공한다.
(a) 상기 나노-다층막의 반사광의 중심파장이 380 ~780nm
(b) 하기의 관계식 1을 만족
[관계식 1]
Figure 112017008147439-pat00005
상기 A는 하나 이상의 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 포함하는 경우의 광수확 효율(light harvesting efficiency)이고, 상기 B는 상기 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 포함하지 않는 경우의 광수확 효율(light harvesting efficiency)이다. 이를 통해 태양전지의 효율을 거의 감소시키지 않으면서 블랙 칼라의 무기물 박막 태양전지를 아름다운 칼라의 외관을 보이도록 색을 변환하여 창호형으로써의 활용가치를 높일 수 있고, 이에 따라 상용화가 용이한 효과가 있다. 또한, 건물측 외피 마감재로 사용하더라도 태양전지의 최대 광전변환효율(PCE, power conversion efficiency)을 유지할 수 있고, 약간의 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 및 단락 광전류 밀도의 감소만으로 무기물 박막 태양전지의 블랙 칼라를 아름다운 칼라로 변환할 수 있어 창호형으로 적합한 장점이 있다.
상기 나노-다층막의 반사광의 중심파장이 380 ~ 780nm 이며, A/B는 0.75 ~ 1.00이다. 바람직하게는 상기 중심파장은 380 ~ 550nm 일 수 있으며, 상기 A/B는 바람직하게는 0.76 ~ 0.96 일 수 있다. 상기 A/B는 보다 바람직하게는 0.77 ~ 0.93 일 수 있다. A/B가 상기 범위 내인 경우에는 광수확 효율의 감소가 거의 없으면서 블랙 칼라의 무기물 태양전지를 아름다운 보라색 또는 청색을 보이도록 색 변환할 수 있어 창호형 박막 태양전지로 적합한 효과가 있다. 만일 A/B가 0.75 미만인 경우에는 태양전지의 외관을 아름다운 색으로 색 변환은 가능하나 태양전지의 효율이 급격히 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 창호형 박막 태양전지는 하기 조건 (c)를 더 만족할 수 있다.
(c) 하기의 관계식 2를 만족
[관계식 2]
Figure 112017008147439-pat00006
상기 C는 하나 이상의 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 포함하는 경우의 개방 회로 전압(Voc)이고, 상기 D는 상기 1차원 광결정 이색성 나노-다층막을 포함하지 않는 경우의 개방 회로 전압(Voc)이다.
상기 C/D는 바람직하게는 0.92 ~ 1.00 일 수 있고, 보다 바람직하게는 0.94 ~ 1.00일 수 있다. C/D가 상기 범위 내인 경우 개방 회로 전압(Voc)을 유지하면서 블랙 칼라의 무기물 박막 태양전지를 아름다운 칼라의 외관을 보이도록 색을 변환하여 창호형으로써의 활용가치를 높일 수 있고, 이에 따라 상용화가 용이한 효과가 있다. 만일 C/D가 0.90 미만인 경우 태양전지의 외관의 색 변환은 가능하지만, 태양전지의 효율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 어느 하나 이상의 창호형 박막 태양전지를 포함하는 창호를 제공한다. 이 경우 태양광의 일부 파장영역의 광은 반사되어 사람이 육안으로 관찰하게되며, 다른 일부의 투과되는 광은 태양전지를 구동하는 동력원이 된다. 본 발명은 여러가지 실험을 통해 반사형 필터(270, 270')를 통해 블랙 칼라의 창호형 박막 태양전지를 아름다운 반사색으로 색 변환하여 태양전지 효율을 감소시키지 않으면서도 창호로써의 활용가치를 증진시켰음을 확인하였다.
구체적으로 도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 CIGSSe 태양전지의 (a) 외부 양자 효율 (EQE)의 스펙트럼 및 (a) 청색 BRF, (b) 청색 BRF, (c) 황색 YRF의 반사 스펙트럼으로 CIGSSe PV 모듈을 전환하기 전의 CIGSSe 태양전지의 외부 양자 효율 (EQE) 스펙트럼이다. 상기 도면을 통해서 BRF를 사용하는 박막 태양전지를 포함하는 창호의 경우 태양전지의 흡수 스펙트럼 및 청색 반사 스펙트럼의 겹치는 영역이 현저히 작아 태양전지의 효율을 거의 감소시키지 않으면서 아름다운 반사색을 보일 수 있음을 알 수 있다.
나아가, 본 발명은 (1) 기판(100)의 일면에 제1 후면전극(210), 제2 후면전극(220), 광흡수층(230), 버퍼층(240), 윈도우층(250) 및 전면전극(260)을 형성하는 단계, (2) 상기 전극 및 층들이 직렬 연결되도록 스크라이빙을 수행하는 단계 및 (3) 상기 기판의 타면 또는 상기 전면전극 위에 외부에서 조사된 광의 일부를 반사시키고 다른 일부를 투과하여 태양전지의 색을 변환시키는 반사형 필터(270, 270')를 형성하는 단계를 포함하는 창호형 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이하 이에 대하여 상술한 내용과 중복되는 내용을 제외하고 상세히 설명한다.
본 발명의 창호형 박막 태양전지는 통상적인 박막 태양전지의 제조방법으로 기판의 일면에 기판의 일면에 제1 후면전극(210), 제2 후면전극(220), 광흡수층(230), 버퍼층(240), 윈도우층(250) 및 전면전극(260)을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 반사형 필터(270, 270')는 전자빔 증발기를 이용하여 기판상에 코팅을 수행하여 제조될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 광흡수층(230)은 용액기반의 공정으로 제조할 수 있으며 상기 버퍼층(240) 형성시 화학용액증착(CBD, chemical bath deposition)을 이용할 수 있고, 마그네트론 스퍼터링 방법(radio frequency magnetron sputtering method)으로 버퍼층(240) 및 윈도우층(250)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(240)의 두께는 바람직하게는 40 ~ 80nm일 수 있다
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 전극 및 층들의 7 ~ 13 부피%가 스크라이빙될 수 있다. 본 발명의 스크라이빙은 레이저 스크라이빙 또는 기계적 스크라이빙을 통해 수행될 수 있다. 바람직하게는, 레이저 스크라이빙을 통해서 제2 후면전극(220)이 불투명한 경우 이를 일부 제거할 수 있으며, 기계적 스크라이빙을 통해 제2 후면전극(220)과 전면전극(260) 사이를 연결하기 위하여 광흡수층(230), 버퍼층(240) 및 윈도우층(250)을 제거할 수 있다. 또한, 기계적 스크라이빙을 통해서 상기 기판, 상면부 및 하면부가 직렬 연결되도록 광흡수층(230), 버퍼층(240) 및 윈도우층(250)을 제거할 수 있다. 그 후 상기 기판의 타면 또는 상기 전면전극 위에 외부에서 조사된 광의 일부를 반사시키고 다른 일부를 투과하여 태양전지의 색을 변환시키는 반사형 필터(270, 270')를 구비하여 창호형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
결국 본 발명은 태양전지의 효율을 거의 감소시키지 않으면서 블랙 칼라의 박막 태양전지를 아름다운 칼라의 외관을 보이도록 색을 변환하여 창호형으로써의 활용가치를 높일 수 있고, 이에 따라 상용화가 용이한 창호형 박막 태양전지 및 이를 포함하는 창호를 제공한다. 나아가 본 발명을 통해 얻을 수 있는 창호형 박막 태양전지 및 창호는 건물측 외피 마감재로 사용하더라도 태양전지의 최대 광전변환효율(PCE, power conversion efficiency)을 유지할 수 있고, 개방 회로 전압(Voc)의 감소없이 약간의 상대 수확 효율(relative harvesting efficiency) 및 단락 광전류 밀도의 감소만으로 무기물 박막 태양전지의 블랙 칼라를 아름다운 칼라로 변환할 수 있으므로, 건물의 내부 인테리어는 물론 건물 외측면에도 다양하게 활용될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 의해 설명한다. 다만 본 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
(1) CIGSSe 태양전지의 제작
기판/ 제1 후면전극/ 제2 후면 전극 / CIGSSe / CdS / i-ZnO / n-ZnO의 종래 구조에 따라 태양 전지 소자를 제작하였다. 용액 기반의 방법으로 CIGSSe 광흡수층을 제조하였다. 상기 CIGSSe 광흡수층 상에 화학용액증착 CBD (chemical bath deposition) 법에 의해 60 nm 두께의 CdS 버퍼층을 형성하였고, 마그네트론 스퍼터링 방법으로 i-ZnO(50 nm)/Al을 도핑한 n-ZnO (500 nm)을 증착하였다. 태양 전지 모듈은 P1, P2, P3의 3 단계 스크라이브 공정으로 제작되었다. 구체적으로 레이저 스크라이빙 공정으로 제2 후면전극을 일부 제거하였고(P1) 기계적 스크라이빙 공정으로 제2 후면전극과 n-ZnO 사이를 연결하기 위하여 CIGSSe / CdS / i-ZnO 층을 일부 제거하였으며(P2), 기계적 스크라이빙을 통해서 태양전지가 직렬 연결되도록 CIGSSe / CdS / i-ZnO 층을 일부 제거하였다(도 6 참조).
(2) 청색 반사-이색성 나노-다층막 BRF 제작 및 구비
1청색 반사-이색성 나노-다층막 BRF를 는 유리 기판 상에 제작하였다. BRF 나노-다층막의 설계를 위해 특성 매트릭스 방법을 사용하여 반사율 (R), 투과율 (T) 및 흡수량 (A)을 시뮬레이션하였다. 상기 나노-다층막은 반사광 중심 파장 대비 광학두께가 1/8인 TiO2 층과 1/4인 SiO2 층이 [0.5TiO2 / SiO2 / 0.5TiO2]9의 구조로 형성되도록 전자빔 증발기를 사용하여 유리 기판 상에 코팅하였다. 상기 나노-다층막을 태양전지 기판의 상면부 또는 하면부에 구비하여 창호형 박막 태양전지를 제조하였다.
실시예 2
황색 반사-이색성 나노-다층막 YRF를 제조하였고, 상기 나노-다층막은 반사광 중심 파장 대비 광학두께가 1/8인 TiO2 층과 1/4인 SiO2 층이 [0.5SiO2 / TiO2 / 0.5SiO2]9의 구조로 형성되도록 전자빔 증발기를 사용하여 유리 기판 상에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
실시예 3
적색 반사-이색성 나노-다층막 YRF를 제조한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하다.
비교예
반사형 필터를 형성하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 창호형 박막 태양전지를 제조하였다.
실험예 1. 전류밀도-전압(J-V) 측정
상기 실시예 및 비교예를 통해 제조한 CIGSSe 박막 태양전지의 전류밀도- 전압(J-V)을 150W 크세논 램프 (Newport)가 있는 Keithley 2401를 사용하여 측정하였다. 광원은 KG-5 필터로 보정하였고, 외부 및 내부 CIGSSe 태양 광 모듈에 나노-다층막이 부착된 실시예 1 내지 3에 대한 모든 J-V 측정은 일광 하에서 수행하였다. 이를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
실험예 2. 투과 및 반사 스펙트럼의 측정
상기 실시예 및 비교예를 통해 제조한 CIGSSe 박막 태양전지의 투과율 스펙트럼은 S-3100 장치 (Scinco Co. Ltd.)를 사용하여 측정하였고, 확산 반사율 스펙트럼은 100W 할로겐 램프 (PSI)를 갖춘 LS-F100HS 장치를 사용하여 측정 하였다.
실험예 3. SEM 이미지 관측
상기 실시예 및 비교예를 통해 제조한 CIGSSe 박막 태양전지 SEM 이미지를 JSM-7610F 장치를 이용하여 관측하였다.
실험예 4. 기타 효율 측정
상기 실시예 및 비교예를 통해 제조한 CIGSSe 박막 태양전지의 개방 회로 전압(Voc), 필팩터(FF), 광수확 효율(Eff) 등을 측정하여 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112017008147439-pat00007
상기 표 1은 반사형 필터를 외부에 구비하여 제조한 상기 실시예 및 비교예의 태양전지 효율을 측정하여 정리한 것이다. 상기 표를 통해서 기존의 블랙 칼라의 창호형 박막 태양전지에 비하여 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 3'의 색 변환된 창호형 박막 태양전지의 Voc가 거의 비슷하게 유지되며, 필팩터(FF) 역시 비슷하게 유지됨을 알 수 있다. 또한, 전류밀도(Jsc) 및 빛수확 효율(Eff)도 비교예의 0.62 및 5.31에 비해 크게 감소되지 않음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 창호형 박막 태양전지는 건물의 외측면에 사용하는 경우에도, 태양전지의 효율이 거의 감소하지 않으면서 블랙 칼라를 아름다운 반사색으로 변환할 수 있어 창호형으로 유용하게 이용될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 및 1'의 청색 반사 나노-다층막을 이용한 박막 태양전지의 경우에는 A/B가 0.81, 0.79로 현저히 높게 나타남을 알 수 있고, 필팩터 또한 기존의 박막 태양전지와 비슷한 값을 가진다. 뿐만 아니라 Voc 및 전류밀도도 약간만 감소하여 아름다운 청색 및 보라색의 외관을 보이면서도 높은 효율을 가져 보다 창호형으로써 활용가치가 높음을 확인할 수 있다.
[표 2]
Figure 112017008147439-pat00008
상기 표 2는 반사형 필터를 내부에 구비하여 제조한 상기 실시예 및 비교예의 태양전지 효율을 측정하여 정리한 것이다. 상기 표를 통해서 기존의 블랙 칼라의 창호형 박막 태양전지에 비하여 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 3'의 색 변환된 창호형 박막 태양전지의 Voc가 거의 비슷하게 유지되며, 필팩터(FF) 역시 비슷하게 유지됨을 알 수 있다. 또한, 전류밀도(Jsc) 및 빛수확 효율(Eff)도 비교예의 0.62 및 5.31과 거의 비슷하게 나옴을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 창호형 박막 태양전지는 건물의 내부 인테리어로 사용하는 경우에도, 태양전지의 효율이 거의 감소하지 않으면서 블랙 칼라를 아름다운 반사색으로 변환할 수 있어 내부 인테리어용 창호형으로도 유용하게 이용될 수 있음을 알 수 있다.
100 : 기판
200 : 기판의 상면부
300 : 기판의 하면부
210 : 제1 후면전극
220 : 제2 후면전극
230 : 광흡수층
240 : 버퍼층
250 : 윈도우층
260 : 전면전극
270, 270' : 반사형 필터
280 : 스크라이빙된 빈 공간

Claims (13)

  1. 기판;
    전극을 포함하며, 외부광이 입사하는 상기 기판의 상면부; 및
    상기 기판의 하면부;를 포함하며,
    상기 기판의 상면부 또는 하면부 중 적어도 하나 이상에는 청색 또는 보라색인 창호색을 나타내기 위하여 청색 또는 보라색인 반사색을 나타내도록 입사된 광의 일부를 반사하고, 상기 입사된 광의 다른 일부를 투과시키는 청색 반사-이색성 나노-다층막인 반사형 필터를 포함하며,
    상기 청색 반사-이색성 나노-다층막은 제1층, 제2층 및 제3층이 교호적층 되며, 상기 제2층의 굴절률은 상기 제1층과 상이하고, 상기 제3층의 굴절률은 상기 제1층과 동일하거나 상이하며, 반사 및 투과되는 색상 제어 향상을 위하여 상기 제1층 및 제3층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/9 ~ 1/7의 광학두께이고, 상기 제2층의 광학두께는 반사광의 중심 파장 대비 1/5 ~ 1/3인 광학두께를 갖는 창호형 박막 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상면부는,
    상기 기판의 일면에 서로 대향하도록 형성되는 제1 후면전극 및 전면전극;
    상기 제1 후면전극과 전면전극 사이에 형성되는 제2 후면전극;및
    상기 제2 후면전극과 전면전극 사이에 형성되는 광흡수층;을 포함하고,
    상기 전면전극은 상기 제1 후면전극을 중심으로 상기 기판의 반대편에 위치하는 것을 특징으로 하는 창호형 박막 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반사형 필터는 상기 전면전극 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 창호형 박막 태양전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 청색 반사-이색성 나노-다층막의 제1층, 제2층 및 제3층은 교호적층시 제1층-제2층-제3층을 반복 유닛으로 하여 3 ~ 30회 반복하여 적층되는 것을 특징으로 하는 창호형 박막 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반사형 필터의 두께는 0.3 ~ 5μm 인 것을 특징으로 하는 창호형 박막 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지는 상기 기판, 상면부 및 하면부가 직렬 연결되도록 스크라이빙되고, 반사형 필터는 스크라이빙 되지 않는 것을 특징으로 하는 창호형 박막 태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 청색 반사-이색성 나노-다층막은 하기의 조건 (a) ~ (c)를 모두 만족하는 창호형 박막 태양전지:
    (a) 상기 청색 반사-이색성 나노-다층막의 반사광의 중심파장이 380 ~550nm
    (b) 하기의 관계식 1을 만족
    [관계식 1]
    0.76 ≤ A/B ≤0.96
    상기 A는 청색 반사-이색성 나노-다층막을 포함하는 경우의 광수확 효율(light harvesting efficiency)이고, 상기 B는 상기 청색 반사-이색성 나노-다층막을 포함하지 않는 경우의 광수확 효율(light harvesting efficiency)이다.
    (c) 하기의 관계식 2를 만족
    [관계식 2]
    Figure 112018032669245-pat00023

    상기 C는 청색 반사-이색성 나노-다층막을 포함하는 경우의 개방 회로 전압(Voc)이고, 상기 D는 상기 청색 반사-이색성 나노-다층막을 포함하지 않는 경우의 개방 회로 전압(Voc)이다.
  12. 삭제
  13. 제1항 내지 제3항 및 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항의 창호형 박막 태양전지를 포함하는 창호.

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