KR101976918B1 - Lossless Photovoltaic System using Patterned Array and Method of Manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템은, 구조체 배열의 패턴이 형성된 비평면형 구조를 가진 기판; 및 상기 패턴이 형성된 상기 기판의 집광부에 형성되는 태양전지를 포함하고, 상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은, 빛이 상기 태양전지가 형성되지 않은 면에 입사하는 경우 반사를 통해 상기 집광부에 도달하도록 할 수 있다. A lossless large area solar power generation system using a structure array and a manufacturing method thereof are presented. A lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an exemplary embodiment includes a substrate having a non-planar structure in which a pattern of the structure arrangement is formed; And a solar cell formed on a light collecting portion of the substrate on which the pattern is formed, wherein the arrangement of the structure formed on the substrate is such that when light is incident on a surface on which the solar cell is not formed, .
Description
아래의 실시예들은 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 비평면형 구조를 가진 기판 위에 태양전지를 구현하고, 비평면형 구조체의 광학 특성을 활용하여 대면적 태양전지 시스템의 광손실을 최소화하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The following embodiments relate to a lossless large area solar power generation system using a structure array and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a lossless large area solar power generation system using a structure array that realizes a solar cell on a substrate having a non-planar structure and utilizes optical characteristics of the non-planar structure to minimize optical loss of the large- And a manufacturing method thereof.
태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로, 태양으로부터 생성된 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 반도체 소자이다. 이러한 태양전지는 전지용량 등의 요구에 적합하도록 패키지 내에 다수의 태양전지들이 배열된 모듈 형태로 제작되고 있다.A solar cell is a photovoltaic cell designed to convert solar energy into electrical energy. It is a semiconductor device that converts light energy generated from the sun into electrical energy. Such a solar cell is manufactured in the form of a module in which a plurality of solar cells are arranged in a package so as to meet the requirements of battery capacity and the like.
태양전지는 III-V족 무기화합물이나 결정질 실리콘(c-Si) 등을 이용해 벌크 셀 형태로 제작되거나, 비정질 실리콘(a-Si), CIGS, CdTe, 양자점, 페로브스카이트, 유기물 등을 이용해 박막형으로 제작되고 있고, 저비용, 공정 단순화, 수명 연장 등에 대한 연구뿐만 아니라, 태양전지에서 흡광도를 향상시키기 위하여 물질 개발 등 다양한 노력이 이루지고 있다. Solar cells can be fabricated in bulk cell form using III-V inorganic compounds or crystalline silicon (c-Si), or they can be fabricated using amorphous silicon (a-Si), CIGS, CdTe, quantum dots, perovskite, And various efforts such as development of materials for improving the absorbance in a solar cell have been made, as well as research on low cost, process simplification, and life extension.
특히, 대면적 태양전지 모듈을 제작하는 경우 단위 셀들을 직렬로 연결하는 과정에서 연결부에 사구간이 생기고, 사구간에 흡수된 빛은 전기를 생산하지 못한다. 따라서 단위 셀 효율에 비해 모듈 효율이 크게 낮게 나타나는 문제가 있다. 모듈 내의 단위 셀 면적을 극대화 할 경우 상대적으로 적은 사구간으로 대면적 모듈을 만들 수 있지만, 그만큼 투명 전극 면저항에 의한 전력 손실이 많아지는 트레이드-오프(trade-off)가 발생한다. In particular, when a large-area solar cell module is manufactured, there is a quadrant in the connecting portion in the process of connecting the unit cells in series, and the light absorbed in the quadrupole does not produce electricity. Therefore, there is a problem that the module efficiency is significantly lower than the unit cell efficiency. If the unit cell area in the module is maximized, a large-area module can be formed with a relatively small interval, but a trade-off occurs in which the power loss due to the transparent electrode sheet resistance increases.
실시예들은 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 비평면형 구조를 가진 기판 위에 태양전지를 구현하고, 비평면형 구조체의 광학 특성을 활용하여 대면적 태양전지 시스템의 광손실을 최소화하고 기계적 특성을 개선하는 기술을 제공한다. Embodiments describe a lossless large area solar power generation system using a structure array and a manufacturing method thereof, and more specifically, a solar cell is implemented on a substrate having a non-planar structure, and a large area The present invention provides a technique for minimizing optical loss and improving mechanical properties of a solar cell system.
실시예들은 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기로 이루어져 태양전지들 사이의 구간에 태양전지가 구현되지 않아도 됨으로써, 이 공간은 개별 소자들을 병렬 또는 직렬로 연결하는 전극으로 활용 가능하고, 사구간이나 전기적 특성의 저하 없이 대면적 시스템을 구현 가능한 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다. The embodiments are made up of a complex parabolic condenser composed of an arrangement of a structure, so that a solar cell is not implemented in a section between solar cells, so that this space can be utilized as an electrode for connecting individual elements in parallel or in series, Area solar power generation system using a structure arrangement capable of realizing a large-area system without deteriorating electrical characteristics and a manufacturing method thereof.
일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템은, 구조체 배열의 패턴이 형성된 비평면형 구조를 가진 기판; 및 상기 패턴이 형성된 상기 기판의 집광부에 형성되는 태양전지를 포함하고, 상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은, 빛이 상기 태양전지가 형성되지 않은 면에 입사하는 경우 반사를 통해 상기 집광부에 도달하도록 할 수 있다. A lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an exemplary embodiment includes a substrate having a non-planar structure in which a pattern of the structure arrangement is formed; And a solar cell formed on a light collecting portion of the substrate on which the pattern is formed, wherein the arrangement of the structure formed on the substrate is such that when light is incident on a surface on which the solar cell is not formed, .
여기서, 상기 태양전지의 상측에 형성되는 후면 전극을 더 포함하도록 할 수 있다. Here, a back electrode formed on the upper side of the solar cell may be further included.
상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은, 단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator, CPC) 배열일 수 있다. The arrangement of the structures formed on the substrate may be a compound parabolic concentrator (CPC) arrangement comprising an array of structures formed of both curved surfaces having a parabolic cross section.
상기 복합 포물형 집광기 배열은, 단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체가 직렬로 연결되어 주기적인 1차원 배열을 형성하는 1차원 복합 포물형 집광기 배열일 수 있다. The complex parabolic condenser array may be a one-dimensional complex parabolic concentrator array in which structures formed of both curved surfaces having a parabolic cross section are connected in series to form a periodic one-dimensional array.
상기 1차원 복합 포물형 집광기 배열은, 복수의 상기 태양전지들 사이의 구간인 상기 태양전지가 구성되지 않은 포물면을 구조체가 직렬로 연결되는 연결부로 이용할 수 있다. The one-dimensional complex parabolic condenser array can be used as a connection portion in which a structure is connected in series with a parabolic surface where the solar cell is not formed, which is a section between a plurality of the solar cells.
상기 1차원 복합 포물형 집광기 배열은, 상기 구조체 배열의 주기가 마이크로미터 단위이며 금속이 도포되어 복수의 상기 태양전지들 사이의 구간을 그리드(grid) 전극으로 이용할 수 있다. The one-dimensional complex parabolic condenser array may have a period of the arrangement of the structures arranged in a micrometer range, and a metal may be applied to use a section between the plurality of solar cells as a grid electrode.
상기 1차원 복합 포물형 집광기 배열은, 복수의 상기 태양전지들 사이의 구간을 연결부 또는 그리드 전극으로 이용하여, 개별 셀의 투명 전극이 좁은 상기 집광부 내에서 전하를 전달하므로 높은 전도성이 요구되지 않으므로, 전도성이 낮아 기존 시스템에서 활용도가 떨어지던 대체 투명전극이나 전도성이 있는 전하 수송층 등을 활용하여 기존의 투명전극을 대체할 수 있다. Since the one-dimensional complex parabolic condenser array uses charges of a plurality of the solar cells as a connection portion or a grid electrode and transfers the charge in the narrow light-collecting portion of the individual cells, high conductivity is not required , It is possible to replace the conventional transparent electrode by using alternate transparent electrode or conductive charge transport layer which is low in conductivity and used in the existing system.
상기 복합 포물형 집광기 배열은, 빛의 허용 입사각(acceptance angle)의 범위를 자유롭게 조절 가능하도록 할 수 있다. The complex parabolic condenser array can freely adjust the acceptance angle range of light.
상기 기판은, 유연성(flexibility) 또는 신축성(stretchability)을 갖는 유연 구조체 기판으로 이루어질 수 있다. The substrate may be made of a flexible structure substrate having flexibility or stretchability.
상기 태양전지는, 오가닉(organic), 퀀텀닷(quantum-dot), 페로브스카이트(perovskite), 및 비결정질 실리콘(amorphous silicon) 중 적어도 어느 하나의 물질을 이용한 나노미터 두께의 박막형 태양전지로 이루어져, 상기 유연 구조체 기판의 위에 배치 가능하다. The solar cell is made of a thin film solar cell having a thickness of nanometer using at least one of organic, quantum-dot, perovskite, and amorphous silicon , And can be disposed on the flexible structure substrate.
상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은, 팽창 또는 수축의 힘이 상기 태양전지가 구현되지 않은 사구간에 집중되어 외력에 취약한 박막층을 보호하며 높은 기계적 특성을 확보할 수 있다. The arrangement of the structure formed on the substrate can prevent the expansion or shrinkage of the thin film layer from being concentrated between the dowels for which the solar cell is not implemented, thereby securing the thin film layer vulnerable to external forces and securing high mechanical properties.
상기 기판은, 상기 구조체 배열에 경사 증착을 통해 태양전지 모듈이 제작될 수 있다. The substrate may be fabricated by obliquely depositing the array of structures on the solar cell module.
상기 기판은, 상기 구조체 배열의 패턴이 형성되어 개별 소자 간의 구분이 용이하여 경사 증착이나 박막층 전사 공정 시 마스크 없이 태양전지 모듈이 제작될 수 있다. The substrate may have a pattern of the arrangement of the structures, so that the individual elements can be easily distinguished from each other, so that the solar cell module can be manufactured without a mask in the oblique deposition or thin film layer transfer process.
다른 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법은, 구조체 배열의 패턴이 형성된 비평면형 구조를 가진 기판의 위에 금속 전극을 도포하는 단계; 상기 패턴이 형성된 상기 기판의 집광부의 투과도를 확보하기 위해 상기 집광부에 도포된 상기 금속 전극을 제거하는 단계; 상기 금속 전극이 제거된 상기 집광부에 투명전극 또는 전도성이 있는 전하 수송층을 도포하는 단계; 상기 투명전극 또는 전도성이 있는 전하 수송층 위에 활성층과 전하 수송층 등으로 이루어진 태양전지 다중 박막을 형성하는 단계; 및 상기 활성층의 위에 후면 전극을 구성하는 단계를 포함하고, 상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은, 빛이 상기 태양전지가 형성되지 않은 면에 입사하는 경우 반사를 통해 상기 집광부에 도달하도록 할 수 있다. A method of manufacturing a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to another embodiment includes the steps of: applying a metal electrode on a substrate having a non-planar structure in which a pattern of the structure arrangement is formed; Removing the metal electrode applied to the light-collecting portion to secure the transparency of the light-collecting portion of the substrate on which the pattern is formed; Applying a transparent electrode or a conductive charge transport layer to the light collecting portion from which the metal electrode is removed; Forming a solar cell multi-layered film including the active layer and the charge transport layer on the transparent electrode or the conductive charge transport layer; And forming a rear electrode on the active layer, wherein the arrangement of the structure formed on the substrate allows the light to reach the light collecting portion through reflection when the light is incident on a surface on which the solar cell is not formed .
상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은, 단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator, CPC) 배열로 이루어질 수 있다. The arrangement of the structures formed on the substrate may be a compound parabolic concentrator (CPC) array having an array of structures formed of both curved surfaces having a parabolic cross section.
상기 복합 포물형 집광기 배열은, 단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체가 직렬로 연결되어 주기적인 1차원 배열을 형성하는 1차원 복합 포물형 집광기 배열로 이루어질 수 있다. The complex parabolic condenser array may be a one-dimensional complex parabolic concentrator array in which structures formed of two curved surfaces having a parabolic cross section are connected in series to form a periodic one-dimensional array.
상기 구조체 배열의 패턴이 형성된 비평면형 구조를 가진 기판의 위에 금속 전극을 도포하는 단계는, 상기 복합 포물형 집광기 배열의 위에 열 증착이나 용액 공정을 이용하여 금속 전극을 도포할 수 있다. The step of applying the metal electrode on the substrate having the non-planar structure in which the pattern of the arrangement of the structures is formed may include coating the metal electrode on the array of the complex parabolic condenser using thermal deposition or a solution process.
상기 패턴이 형성된 상기 기판의 집광부의 투과도를 확보하기 위해 상기 집광부에 도포된 상기 금속 전극을 제거하는 단계는, 테이핑이나 에칭 방법을 통해 상기 집광부의 금속 전극을 제거할 수 있다. The step of removing the metal electrode coated on the light collecting part to secure the transmittance of the light collecting part of the substrate on which the pattern is formed may remove the metal electrode of the light collecting part through taping or etching.
상기 금속 전극이 제거된 상기 집광부에 투명전극을 구현하는 단계는, 투명 전도성 산화물 (TCO) (인듐 주석 산화물 (ITO), 인듐 아연 산화물 (IZO), 아연 산화물 (ZnO) 등); 금, 은, 구리 등 다양한 금속에 기반한 나노 구조체 (금속 나노선, 금속 나노 격자, 등); 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀 (graphene) 등이 활용될 수 있으며, 도포된 포물면의 상기 금속 전극과 닿아 있도록 상기 투명전극을 도포할 수 있다. The step of forming the transparent electrode in the light collecting part from which the metal electrode is removed may include a transparent conductive oxide (TCO) (indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), etc.); Nanostructures based on various metals such as gold, silver and copper (metal nanowires, metal nano grid, etc.); Carbon nanotube (CNT), graphene, or the like may be utilized, and the transparent electrode may be applied so as to be in contact with the metal electrode on the applied parabolic surface.
상기 1차원 복합 포물형 집광기 배열은, 복수의 상기 태양전지들 사이의 구간을 연결부 또는 그리드 전극으로 이용하여, 개별 셀의 투명 전극이 좁은 상기 집광부 내에서 전하를 전달하므로 높은 전도성이 요구되지 않아 투명 전극 대신 전도성이 있는 전하 (전자 및 정공) 수송층이 형성될 수 있다. The one-dimensional complex parabolic condenser array does not require high conductivity because the interval between the plurality of solar cells is used as a connection portion or a grid electrode and the transparent electrode of each cell transmits charge in the narrow condensing portion A conductive charge (electron and hole) transport layer may be formed instead of a transparent electrode.
실시예들에 따르면 비평면형 구조를 가진 기판 위에 태양전지를 구현하고, 비평면형 구조체의 광학 특성을 활용하여 대면적 태양전지 시스템의 광손실을 최소화하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.According to embodiments, a solar cell is implemented on a substrate having a non-planar structure, and a lossless large-area photovoltaic generation system using a structure arrangement that minimizes optical loss of a large-area solar cell system by utilizing optical characteristics of the non- And a manufacturing method thereof can be provided.
또한, 실시예들에 따르면 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기로 이루어져 태양전지들 사이의 구간에 태양전지가 구현되지 않아도 됨으로써, 이 공간은 개별 소자들을 병렬 또는 직렬로 연결하는 전극으로 활용 가능하고, 사구간이나 전기적 특성의 저하 없이 대면적 시스템을 구현 가능한 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다. In addition, according to the embodiments, since the solar cell is not realized in a section between the solar cells by the complex parabolic condenser composed of the arrangement of the structure, the space can be utilized as an electrode connecting the individual elements in parallel or in series A large-area, large-area photovoltaic power generation system using a structure array capable of realizing a large-area system without deterioration in electrical characteristics, and a manufacturing method thereof.
또한, 실시예들에 따르면 유연 기판을 이용하여 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템을 제작함으로써 구부림에 의한 장력이 집광 구조 사이에 집중되어 걸리고 태양전지 활성층에는 가해지지 않기 때문에 접거나 구부려도 성능이 떨어지지 않는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.In addition, according to the embodiments, since the loss due to the bending is concentrated in the light collecting structure and is not applied to the solar cell active layer, a folded or bent It is possible to provide a lossless large-area photovoltaic generation system using a structure array in which performance is not degraded and a manufacturing method thereof.
도 1은 일 실시예에 따른 구조체 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템의 유연 구조체 기판을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기 패턴에 경사 증착을 이용하여 모듈을 제작하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기의 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 패턴이 형성된 기판 위에 태양전지를 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하는 방법의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하는 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13은 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하는 방법의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 기존의 평면형 태양전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 기존의 평면형 태양전지 시스템의 균열을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 기존의 평면형 태양전지 시스템의 모듈 제작을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a view for explaining an arrangement of a structure according to an embodiment.
2 is a diagram illustrating a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an embodiment.
3 is a view for explaining a flexible structure substrate of a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an embodiment.
FIG. 4 is a view for explaining an example of fabricating a module using oblique deposition on a complex parabolic-type concentrator pattern according to an embodiment.
5 is a view showing an example of a complex parabolic condenser according to an embodiment.
6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an embodiment.
7 is a view for explaining a method of implementing a solar cell on a patterned substrate according to an embodiment.
FIGS. 8 and 9 are views for explaining an example of a method of implementing a grid electrode on a complex parabolic condenser (CPC) according to an embodiment.
10 and 11 are views for explaining another example of a method of implementing a grid electrode on a complex parabolic condenser (CPC) according to an embodiment.
12 and 13 are views for explaining another example of a method of implementing a grid electrode on a complex parabolic reflector (CPC) according to an embodiment.
FIG. 14 is a view for explaining a conventional planar solar cell system.
15 is a view for explaining a crack in a conventional planar solar cell system.
16 is a view for explaining the fabrication of a module of a conventional planar solar cell system.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.
아래의 실시예들은 구조체 배열 위에 태양전지를 구현하여 모듈 손실을 줄이고 우수한 기계적 특성을 확보하고자 하는 것이다. 실시예들은 비평면형 구조를 가진 기판 위에 태양전지를 구현하고, 비평면형 구조체의 광학 특성을 활용하여 대면적 태양전지 시스템의 광손실을 최소화하는 기술을 제공할 수 있다. In the following embodiments, a solar cell is implemented on a structure array to reduce module loss and ensure excellent mechanical characteristics. Embodiments can provide a technique for implementing a solar cell on a substrate having a non-planar structure and minimizing optical loss in a large area solar cell system by utilizing optical characteristics of the non-planar structure.
또한, 실시예들에 따르면 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기로 이루어져 태양전지들 사이의 구간에 태양전지가 구현되지 않아도 됨으로써, 이 공간은 개별 소자들을 병렬 또는 직렬로 연결하는 전극으로 활용 가능하고, 사구간이나 전기적 특성의 저하 없이 대면적 시스템을 구현 가능하다.
In addition, according to the embodiments, since the solar cell is not realized in a section between the solar cells by the complex parabolic condenser composed of the arrangement of the structure, the space can be utilized as an electrode connecting the individual elements in parallel or in series , It is possible to realize a large-area system without deteriorating the period or electrical characteristics.
도 1은 일 실시예에 따른 구조체 배열을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 1 is a view for explaining an arrangement of a structure according to an embodiment.
일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템은 비평면형 구조를 가진 기판 위에 태양전지를 구현하고, 비평면형 구조체의 광학 특성을 활용하여 대면적 태양전지 시스템의 광손실을 최소화할 수 있다. The lossless large area solar power generation system using the arrangement of the structure according to an embodiment realizes a solar cell on a substrate having a non-planar structure and minimizes the optical loss of the large area solar cell system by utilizing the optical characteristics of the non- .
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)의 구조체 배열의 예로써, 1차원 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator, CPC) 배열을 이용할 수 있다. 이러한 구조체 배열은 2차원 또는 3차원 등의 복합 포물형 집광기 배열로 구성될 수도 있다. As shown in FIG. 1, an example of a structure arrangement of a lossless large area solar
여기에서, 복합 포물형 집광기는 플라스틱, 유리 등으로 성형(molded)되어 제작될 수 있다. 예컨대 복합 포물형 집광기는 기판(110) 상에 1차원 배열되는 장축 방향 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 플라스틱 성형물일 수 있으며, 그 하부쪽(예, 꼭지점 주변)에 일정 폭으로 개구된 집광부가 형성될 수 있다. 여기에서 집광기는 기판(110)이 될 수 있다. Here, the complex parabolic condenser can be molded and molded from plastic, glass or the like. For example, the complex parabolic condenser may be a plastic molding having two curved surfaces whose one end is arranged in a one-dimensional array on the
집광 배율이 C인 집광기의 집광부에 태양전지(Photovoltaic, PV)(130)를 구현하는 경우 실제 이용된 태양전지(130)의 면적은 전체 면적의 1/C에 불과하지만, 태양전지(130)가 구현되지 않은 포물면에 입사한 빛도 반사를 통해 집광부에 도달하며, 결과적으로 모든 영역의 빛이 태양전지(130)에 흡수될 수 있다. When the photovoltaic (PV)
태양전지(130)가 구현되지 않은 포물면은 단위 소자들을 직렬로 연결하는 연결부로 이용될 수 있다. 여기에서 구조체 배열의 주기가 마이크로미터 단위인 경우 금속을 도포하여 그리드(grid) 전극으로도 이용될 수 있다. A parabolic surface on which the
이러한 복합 포물형 집광기는 빛의 허용 입사각(acceptance angle)의 범위를 자유롭게 조절할 수 있으며, 집광기 내부의 굴절률을 n이라 하는 경우, 허용 입사각(θa)과 1차원 집광 배율(C) 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립될 수 있다. If the refractive index of the inside of the concentrator is n, the allowable angle of incidence (θ a ) and the one-dimensional convergence factor (C) are given by the following equations The same relation can be established.
[식 1][Formula 1]
C = n/sin(θa/2)C = n / sin (? A / 2)
예를 들어, 집광기 내부의 굴절률(n)이 1.5인 유리나 투명 플라스틱 물질을 이용하고 허용 입사각을 180도로 설정하는 경우, 집광 배율(C)은 1.5가 될 수 있다. 이 때, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)에서 태양광의 입사 방향에 상관없이 모든 빛을 태양전지(130)로 전달할 수 있다. For example, when glass having a refractive index (n) of 1.5 in the condenser or a transparent plastic material is used and the allowable incident angle is set to 180 degrees, the light condensing magnification (C) can be 1.5. At this time, in the lossless large area solar
그리드 전극이나 단위 셀 연결은 넓은 면적을 필요로 하지 않으므로 실제 집광 배율은 1 < C < 1.5 범위의 임의의 값으로 설정하고, 설계 목적이나 공정 편의성에 따라 모양을 변경할 수 있다. Since the grid electrode or unit cell connection does not require a large area, the actual light collection magnification can be set to any value in the range of 1 <C <1.5, and the shape can be changed according to design purpose or process convenience.
이러한 복합 포물형 집광기 배열은 본 실시예의 목적을 달성하는 데 우수한 특성을 갖고 있지만, 이 외에도 역삼각 배열, 렌즈 배열 등 다양한 형태의 변형이 가능하다.
Such a composite parabolic condenser array has excellent characteristics for achieving the object of the present embodiment, but various modifications such as reverse osmosis angles, lens arrays, and the like are possible.
도 2는 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 2 is a diagram illustrating a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 기판(110) 및 태양전지(130)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 후면 전극(140)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 2, a lossless large area solar
기판(110)은 구조체 배열의 패턴이 형성된 비평면형 구조로 이루어질 수 있다. The
기판(110)에 형성된 구조체 배열은 팽창 또는 수축의 힘이 태양전지(130)가 구현되지 않은 사구간에 집중되어 외력에 취약한 박막층으로 이루어진 태양전지(130)를 보호할 수 있다. The arrangement of the structure formed on the
기판(110)은 유연성(flexibility) 또는 신축성(stretchability)을 갖는 유연 구조체 기판으로 이루어질 수 있다. 이러한 유연 구조체 기판을 이용하여 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템을 제작하는 경우, 구부림에 의한 장력이 집광 구조 사이에 집중되고 태양전지 활성층에는 가해지지 않기 때문에 접거나 구부려도 성능이 떨어지지 않는다. The
기판(110)에 형성된 구조체 배열은 단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator, CPC) 배열로 이루어질 수 있다. 한편, 기판(110)에 형성된 구조체 배열은 복합 포물형 집광기 외에도 역삼각 배열, 렌즈 배열 등 다양한 형태의 변형이 가능하다. The arrangement of the structures formed on the
복합 포물형 집광기(CPC)의 포물면에는 태양전지가 구현되지 않아도 됨으로써, 이 공간은 개별 소자들을 병렬 또는 직렬로 연결하는 전극으로 활용될 수 있다. 따라서 사구간이나 전기적 특성의 저하 없이 대면적 시스템을 구현할 수 있다.Since the solar cell is not required on the parabolic surface of the complex parabolic condenser (CPC), this space can be utilized as an electrode connecting the individual elements in parallel or in series. Therefore, it is possible to realize a large-area system without deterioration in electrical characteristics or in a quadrant.
복합 포물형 집광기 배열은 빛의 허용 입사각(acceptance angle)의 범위를 자유롭게 조절 가능하도록 할 수 있다. The complex parabolic concentrator array can freely adjust the acceptance angle range of light.
더욱이, 복합 포물형 집광기 배열은 단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체가 직렬로 연결되어 주기적인 1차원 배열을 형성하는 1차원 복합 포물형 집광기 배열로 이루어질 수 있다. Furthermore, the complex parabolic concentrator array can be composed of a one-dimensional complex parabolic concentrator array in which structures formed of bilateral curved surfaces having a parabolic cross-section are connected in series to form a periodic one-dimensional array.
여기에서 1차원 복합 포물형 집광기 배열은 복수의 태양전지들(130) 사이의 구간인 태양전지(130)가 구성되지 않은 포물면을 구조체가 직렬로 연결되는 연결부로 이용할 수 있다. 이 때, 구조체는 단위 소자 또는 단위 태양 전지를 의미할 수 있다. Here, the one-dimensional complex parabolic condenser array can use a parabolic surface in which the
또한, 1차원 복합 포물형 집광기 배열은 구조체 배열의 주기가 마이크로미터 단위이며 금속이 도포되어 복수의 태양전지들(130) 사이의 구간을 그리드(grid) 전극으로 이용할 수도 있다. Also, the array of the one-dimensional complex parabolic condenser may have a period of arrangement of micrometers of the arrangement of the structure, and metal may be applied to use a section between the plurality of
1차원 복합 포물형 집광기 배열은 복수의 태양전지들(130) 사이의 구간을 연결부 또는 그리드 전극으로 이용하여, 개별 셀의 투명 전극이 좁은 집광부 내에서 전하를 전달하므로 높은 전도성이 요구되지 않아, 전도성이 낮은 투명전극이나 전도성이 있는(특히, 상기 전도성이 낮은 투명전극보다 고전도성) 전하 수송층(120)으로도 형성될 수 있다. 이 때, 투명 전극 없이 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 정공 수송층(120)이 형성될 수 있다. 또한, ITO 등의 투명 전극을 얇게 구성하는 등 투명 전극을 제한적으로 이용하여 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 정공 수송층(120)이 형성될 수도 있다. The one-dimensional complex parabolic condenser array does not require high conductivity because transparent electrodes of the individual cells transmit charges in a narrow light collecting portion using a section between the plurality of
이러한 기판(110)은 구조체 배열에 경사 증착을 통해 태양전지 모듈이 제작될 수 있다. The
또한, 기판(110)은 구조체 배열의 패턴이 형성되어 개별 소자 간의 구분이 용이하여 경사 증착이나 박막층 전사 공정 시 마스크 없이 태양전지 모듈이 제작될 수 있다. In addition, since the
그리고, 태양전지(130)는 패턴이 형성된 기판(110)의 집광부에 형성될 수 있다. The
태양전지(130)는 오가닉(organic), 퀀텀닷(quantum-dot), 페로브스카이트(perovskite), 및 비결정질 실리콘(amorphous silicon) 중 적어도 어느 하나의 물질을 이용한 나노미터 두께의 박막형 태양전지로 이루어져, 유연 구조체 기판의 위에 배치 가능하다. The
이와 같이 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템은 박막형 태양전지로 구현될 수 있고, 박막형 태양전지는 가격이 저렴하고 무게가 가벼우며, 높은 모듈 효율과 유연성을 확보할 수 있다. Thus, a lossless large area solar power generation system using a structure array can be realized with a thin film solar cell, and a thin film solar cell can be obtained at low cost, light in weight, high module efficiency and flexibility.
기판(110)에 형성된 구조체 배열은 빛이 태양전지(130)가 형성되지 않은 면에 입사하는 경우 반사를 통해 집광부에 도달하도록 할 수 있다. The arrangement of the structure formed on the
실시예에 따라 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 후면 전극(140)을 더 포함하여 이루어질 수 있으며, 후면 전극(140)은 태양전지(130)의 상측에 형성될 수 있다. The lossless large area solar
실시예들에 따르면 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)에서 빛(태양광)의 입사 방향에 상관없이 모든 빛을 태양전지(130)로 전달할 수 있다. 즉, 태양전지(130)가 구현되지 않은 포물면에 입사한 빛도 반사를 통해 집광부에 도달하며 결과적으로 모든 영역의 빛이 태양전지(130)에 흡수될 수 있다. According to the embodiments, all the light can be transmitted to the
따라서 구조체 배열 기판으로 이루어져 대면적 태양전지 시스템의 광손실을 최소화할 수 있으며, 광손실을 줄이는 것 이외에도, 뛰어난 유연성(flexibility) 및 신축성(stretchability)을 가질 수 있다.
Therefore, it is possible to minimize the optical loss of the large-area solar cell system composed of the structure array substrate and to have excellent flexibility and stretchability in addition to reducing the optical loss.
아래에서는 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템을 도 14의 기존의 평면형 태양전지 시스템과 비교하여 설명하기로 한다. Hereinafter, a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an embodiment will be described in comparison with the conventional planar solar cell system of FIG.
도 14은 기존의 평면형 태양전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 14 is a view for explaining a conventional planar solar cell system.
도 14을 참조하면, 기존의 평면형 태양전지 시스템(10)은 기판(11)의 집광부에 투명 전극(12)이 형성되며, 투명 전극(12)의 위에 태양전지(13)가 형성될 수 있다. 그리고 태양전지(13)의 위에 후면 전극(14)이 형성될 수 있다. 14, in the conventional planar
이러한 기존의 평면형 태양전지 시스템(10)을 통해 대면적 태양전지 모듈을 제작하는 경우, 단위 셀들을 직렬로 연결하는 과정에서 연결부에 사구간(death, d)이 생기고, 활성층(active, a)에 흡수된 빛은 전기를 생산하지만 사구간(d)에 흡수된 빛은 전기를 생산하지 못한다. 따라서 단위 셀 효율에 비해 모듈 효율이 크게 낮게 나타나는 문제가 발생한다. When a large area solar cell module is fabricated through the conventional planar
일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 광손실을 줄이는 것 이외에도, 뛰어난 유연성(flexibility) 및 신축성(stretchability)을 갖도록 구현될 수 있다. A lossless large area
도 3은 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템의 유연 구조체 기판을 설명하기 위한 도면이다. 아래에서는 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템을 도 15의 기존의 평면형 태양전지 시스템과 비교하여 설명하기로 한다. 3 is a view for explaining a flexible structure substrate of a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an embodiment. Hereinafter, a lossless large-area photovoltaic power generation system using a structure according to an embodiment will be described in comparison with the conventional planar solar cell system of FIG.
도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)에는 유연 구조체 기판이 적용될 수 있다. As shown in FIG. 3, a flexible structure substrate may be applied to the lossless large area solar
구조체 배열 기판을 이용하는 경우 팽창 및 수축의 힘이 태양전지(130)가 구현되지 않은 사구간에 집중되는 특성이 있고, 상대적으로 외부 힘에 취약한 박막층들을 보호할 수 있다. In the case of using the structure array substrate, the expansion and contraction force is concentrated among the sand dunes in which the
더 구체적으로, 구조체 배열 기판을 이용하는 경우 팽창 및 수축 등으로 인해 구부러짐 등의 손상 시 태양전지(130)가 구현되지 않은 사구간에 균열(150) 등이 발생될 수 있으나, 기판(110)의 재질이 태양전지(130)의 재질보다 구부러짐 등에 강한 특성을 가질 수 있다. 특히, 기판(110)은 유연 기판으로 구현되어 구부러짐 등에 손상되지 않을 수 있다. More specifically, when a structure array substrate is used, a
오가닉(organic)이나 퀀텀닷(quantum-dot), 페로브스카이트(perovskite), 비결정질 실리콘(amorphous silicon) 등 신물질을 이용한 나노미터 두께의 박막형 태양전지는 유연 기판 위에 제작이 가능하여 유연성 및 신축성을 확보할 수 있다. Thin film solar cell with nanometer thickness using new materials such as organic, quantum-dot, perovskite and amorphous silicon can be fabricated on flexible substrate, .
이와 같이 유연 기판을 이용하여 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템을 제작함으로써 구부림에 의한 장력이 집광 구조 사이에 집중되어 걸리고 태양전지(130)에는 가해지지 않기 때문에 태양전지(130)를 접거나 구부려도 성능이 떨어지지 않는다. Since a tensile force due to bending is concentrated and applied to the
한편, 도 15는 기존의 평면형 태양전지 시스템의 균열을 설명하기 위한 도면이다. 15 is a view for explaining cracks in a conventional planar solar cell system.
도 15에 도시된 바와 같이, 기존의 평면형 태양전지 시스템(10)은 기판(11)이 구부러질 때 태양전지(13) 및 투명 전극에 많은 무리가 가해져서 쉽게 균열(15) 등의 손상이 발생된다. 이러한 결정질 실리콘이나 III-V족, CIGS, CdTe 등 1세대 및 2세대 태양전지들의 경우 태양전지(13) 자체가 너무 두껍거나 딱딱한 기판(11)을 이용하므로 유연성을 확보하기 어렵다. As shown in FIG. 15, when the
따라서 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 기존의 평면형 태양전지 시스템(10)의 구조에 비해 더 높은 유연성 및 신축성을 얻을 수 있다. 본 실시예의 설명은 주로 박막형 태양전지를 가정하여 이루어져 있으나, 박막형 태양전지뿐 아니라 기존의 딱딱한 1, 2세대 태양전지들에도 같은 원리로 적용될 수 있으며, 이들을 유연 구조체 기판 위에 구현함으로써 유연성 및 신축성을 얻을 수 있다. Therefore, the lossless large area solar
또한, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 구조체 배열의 주기를 짧게 하는 경우, 광손실이 없으면서도 면저항에 의한 전력 손실을 줄일 수 있으며 ITO(Indium Tin Oxide) 등 고비용 투명 전극의 필요성을 감소시킨다. In addition, the lossless large area solar
기존의 평면형 태양전지 시스템(10)의 경우 ITO나 FTO 등 산화화합물 또는 그래핀, 금속 나노 구조, 금속 박막층 등 다양한 투명 전극을 이용하는데 이들은 통상적으로 비용 증가의 원인이 될 뿐 아니라, 면저항과 광투과도 사이의 트레이드-오프(trade-off)가 존재하여 전체 효율을 감소시킨다. In the case of the conventional planar
일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 태양전지들(130) 사이의 구간을 직렬 연결부 또는 그리드 전극으로 활용함으로써, 개별 셀의 투명 전극이 좁은 집광부 내에서만 전하를 전달하면 되므로 높은 전도성을 요구하지 않는다. In the lossless large area solar
즉, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 트레이드-오프(trade-off) 조절을 통해 투명 전극 물질의 사용을 최소화하고 광투과도를 극대화할 수 있으며, 투명 전극 없이 전도성이 있는 전자/정공 수송층(120)만으로도 그 역할을 대체할 수 있다. 이는 광학적 특성이나 비용 측면에서 많은 이점이 있을 뿐 아니라, 공정 상으로도 난이도를 크게 낮추어 준다. That is, the lossless large area solar
예를 들어 ITO의 경우 구현을 위해서는 스퍼터링(sputtering) 공정이 필요하기 때문에 비용이 발생하고 기판 선택에도 많은 제약이 있지만, 전도성이 있는 전자/정공 수송층(120)만으로 이를 대체하는 경우 비용을 절감하고 공정에 있어서도 자유도를 크게 높일 수 있다. 이는 기판 위의 모든 박막층을 용액 공정으로 제작할 수 있는 가능성 또한 높여준다.
For example, in the case of ITO, a sputtering process is required to implement the ITO. Therefore, cost is incurred and the selection of the substrate is limited. However, if the ITO is replaced with a conductive electron /
도 4는 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기 패턴에 경사 증착을 이용하여 모듈을 제작하는 예를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 4 is a view for explaining an example of fabricating a module using oblique deposition on a complex parabolic-type concentrator pattern according to an embodiment.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 복합 포물형 집광기 패턴에 경사 증착을 이용하여 모듈을 제작하는 예를 나타낸다. Referring to FIG. 4, a lossless large-area photovoltaic
구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 기판(110) 자체가 이미 패턴으로 이루어져 있으므로 개별 소자 간의 구분이 매우 용이하며, 경사 증착이나 박막층 전사 등 다양한 공정을 이용하여 마스크 없이도 손쉽게 모듈을 제작할 수 있다. Since the
이와 같이 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)에서 기판(110)이 구조체로 이루어져 있는 것은 모듈 패터닝(patterning)에 있어서도 많은 장점이 있다.The structure of the
한편, 도 16은 기존의 평면형 태양전지 시스템의 모듈 제작을 설명하기 위한 도면이다. Meanwhile, FIG. 16 is a view for explaining the manufacture of a module of a conventional planar solar cell system.
도 16에 도시된 바와 같이, 기존의 평면형 태양전지 시스템(10)은 평면형 모듈의 경우 개별 소자를 분리하여 직렬 연결하기 위해 마스크(21)를 이용하는 것이 일반적인데 이는 오차 가능성과 비용 증가를 수반한다. 기존에 마스크(21) 이용을 줄이기 위해 경사 증착(비특허문헌 1) 등의 방법이 제시되기도 하였으나, 이 역시 개별 소자들을 구분해줄 별도의 블록(block) 층이 필요하다. As shown in Fig. 16, in the case of a planar module, a conventional planar
일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)에 복합 포물형 집광기를 도입하고 집광 배율을 높이는 경우, 집광기 본연의 역할과 장점을 살릴 수 있다. In the case of introducing a complex parabolic concentrator into a lossless large area solar
먼저, 집광 배율이 증가하면 단위 활성층 면적당 전류밀도가 증가하며, 이는 태양전지(130)의 구동원리로부터 개방 전압(Voc)의 증가를 수반한다. 즉, 같은 양의 전류를 더 높은 전압으로 생산할 수 있으며 결과적으로 전력 생산량을 증가시킨다. First, an increase in the light-condensing power increases the current density per unit active layer area, which is accompanied by an increase in the open-circuit voltage (Voc) from the driving principle of the
특히, 이와 같은 특성은 모듈에 입사하는 광량이 적을수록 유리하며, 광량이 낮은 시간대나 실내조명을 이용하여 전기를 생산하는 경우 기존의 평면형 태양전지 시스템(10)은 전류의 생산량이 적을 뿐 아니라 낮은 광전류 밀도에 의한 낮은 전압특성이 나타나 효율이 급격하게 감소한다. Particularly, such characteristics are advantageous as the amount of light incident on the module is small, and when electricity is produced by using the room lighting or the time when the light amount is low, the conventional planar
반면, 집광 구조를 활용하는 경우 낮은 광량에서도 상대적으로 단위 활성층 면적당 높은 광전류 밀도를 유지하며 개방전압 감소를 최소화할 수 있다. 또한 공정에 따라 집광기 배열에 이용되는 태양전지 활성물질의 양을 줄이고 비용을 아낄 수 있다. On the other hand, when the light-converging structure is utilized, the decrease of the open-circuit voltage can be minimized while maintaining a relatively high photocurrent density per unit active layer area even at a low light amount. In addition, the amount of the solar cell active material used in the concentrator array can be reduced and the cost can be saved according to the process.
일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 빛 가둠(light trapping) 효과를 얻는 목적으로 활용될 수 있다. 구조체 배열 윗면에 V굴곡 텍스쳐링(비특허문헌 2)과 같은 광학 구조체를 도입하여 광산란을 유도하고, 아랫면의 구조체와 시너지를 낼 수 있는 맞춤형 기하설계를 통해 한 번 입사한 빛이 시스템을 빠져나갈 확률을 낮출 수 있다. The lossless large area solar
이는, VCPT 구조(비특허문헌 3)와 유사한 형태이지만, 평면형 태양전지 기판 표면에 광학 필름을 별도로 부착하는 기존 기술들과 달리, 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 기판(110) 자체가 광학 효과를 가지도록 설계될 수 있다.
This is similar to the VCPT structure (Non-Patent Document 3), but unlike the existing techniques in which an optical film is separately attached to the surface of a planar solar cell substrate, a lossless large- 110 may themselves be designed to have an optical effect.
도 5는 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기의 예를 나타내는 도면이다. 5 is a view showing an example of a complex parabolic condenser according to an embodiment.
패턴이 형성된 기판(110)의 제작은 금속가공을 통해 만들어진 틀에서 플라스틱을 사출함으로써 제작할 수 있고, 그 외에 다양한 가공 방법들이 활용될 수 있다. The
도 5a를 참조하면, 주기가 500 ㎛인 복합 포물형 집광기 배열 금형의 단면을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5A, a cross section of a composite parabolic condenser array mold having a period of 500 μm can be confirmed.
도 5b를 참조하면, 유연 필름을 나타내는 것으로, 복합 포물형 집광기 배열 금형에 액상 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)를 붓고 경화시켜 유연 필름을 제작할 수 있다. Referring to FIG. 5B, a flexible film may be prepared by pouring and curing liquid polydimethylsiloxane (PDMS) into a mold of a composite parabolic condenser array mold.
도 5c를 참조하면, 제작된 주기가 3 mm인 복합 포물형 집광기의 예를 나타낸다. Referring to FIG. 5C, there is shown an example of a composite parabolic concentrator having a fabricated period of 3 mm.
이처럼 복합 포물형 집광기는 다양한 크기와 다양한 물질, 다양한 방법으로 만들어질 수 있다.
Thus, a complex parabolic condenser can be made in various sizes, various materials, and various methods.
그리고, 아래에서는 패턴이 형성된 기판 위에 태양전지를 구현하는 방법에 대해 설명한다. 즉, 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법에 대해 하나의 예를 들어 설명한다. 아래의 실시예는 특정한 태양전지의 구조에 대해 각 층의 특성을 고려한 공정이며 원하는 태양전지의 구조에 따라 세부적인 방법은 달라질 수 있으므로, 이에 본 발명이 제한되지는 않는다. In the following, a method of implementing a solar cell on a patterned substrate will be described. That is, an example of a method for manufacturing a lossless large area solar power generation system using a structure array will be described. The following embodiment is a process considering the characteristics of each layer with respect to the structure of a specific solar cell, and the detailed method may vary depending on the structure of the desired solar cell, so the present invention is not limited thereto.
도 6은 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an embodiment.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법은 구조체 배열의 패턴이 형성된 비평면형 구조를 가진 기판의 위에 금속 전극을 도포하는 단계(610), 패턴이 형성된 기판의 집광부의 투과도를 확보하기 위해 집광부에 도포된 금속 전극을 제거하는 단계(620), 금속 전극이 제거된 집광부에 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 전공 수송층을 도포하는 단계(630), 도포된 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 전공 수송층의 위에 태양전지를 구성하는 단계(640), 및 태양전지의 위에 후면 전극을 구성하는 단계(650)를 포함하고, 기판에 형성된 구조체 배열은, 빛이 태양전지가 형성되지 않은 면에 입사하는 경우 반사를 통해 집광부에 도달하도록 할 수 있다. Referring to FIG. 6, a method for fabricating a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an embodiment includes a
실시예들에 따르면 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기로 이루어져 태양전지들 사이의 구간에 태양전지가 구현되지 않아도 됨으로써, 이 공간은 개별 소자들을 병렬 또는 직렬로 연결하는 전극으로 활용 가능하고, 사구간이나 전기적 특성의 저하 없이 대면적 시스템을 구현 가능하다. According to the embodiments, since the solar cell is not implemented in a section between the solar cells by the complex parabolic condenser composed of the arrangement of the structure, the space can be utilized as an electrode connecting the individual elements in parallel or in series, It is possible to implement a large-area system without deteriorating the section or electrical characteristics.
또한, 실시예들에 따르면 유연 기판을 이용하여 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템을 제작함으로써 구부림에 의한 장력이 집광 구조 사이에 집중되어 걸리고 태양전지 활성층에는 가해지지 않기 때문에 접거나 구부려도 성능이 떨어지지 않는다.
In addition, according to the embodiments, since the loss due to the bending is concentrated in the light collecting structure and is not applied to the solar cell active layer, a folded or bent Performance does not deteriorate.
아래에서 각 단계에 대해 더 구체적으로 설명한다. 이 때, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법에 의해 제조되는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템은 도 1 내지 도 5에서 설명한 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템이 될 수 있다. 그러나 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템의 제조 방법이 이에 제한되지는 않는다. Each step will be described in more detail below. In this case, the lossless large-area solar power generation system using the arrangement of structures manufactured by the method of manufacturing a lossless large-area solar power generation system using the arrangement of the structure according to one embodiment includes the structure according to one embodiment shown in Figs. 1 to 5 Can be a lossless large-area PV system using an array. However, the manufacturing method of the lossless large-area photovoltaic power generation system using the structure arrangement according to one embodiment is not limited thereto.
한편, 도 1 내지 도 5에서 설명한 바와 같이, 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 기판(110) 및 태양전지(130)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템(100)은 후면 전극(140)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 투명 전극이 형성되거나 투명 전극을 대신하여 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 전공 수송층이 형성될 수 있다. 1 to 5, a lossless large area solar
단계(610)에서, 구조체 배열의 패턴이 형성된 비평면형 구조를 가진 기판의 위에 금속 전극을 도포할 수 있다. 이 때, 복합 포물형 집광기 배열의 위에 열 증착이나 용액 공정을 이용하여 금속 전극을 도포할 수 있다. 여기에서 금속 전극은 은(Ag) 등이 사용될 수 있다. In
단계(620)에서, 패턴이 형성된 기판의 집광부의 투과도를 확보하기 위해 집광부에 도포된 금속 전극을 제거할 수 있으며, 예를 들어 테이핑이나 에칭 방법을 통해 집광부의 금속 전극을 제거할 수 있다. In
단계(630)에서, 금속 전극이 제거된 집광부에 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 전공 수송층을 도포할 수 있다. In
한편, 1차원 복합 포물형 집광기 배열은 복수의 태양전지들 사이의 구간을 연결부 또는 그리드 전극으로 이용하여, 개별 셀의 투명 전극이 좁은 집광부 내에서 전하를 전달하므로 높은 전도성이 요구되지 않아 투명 전극 없이 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 정공 수송층이 형성될 수 있다. On the other hand, the one-dimensional complex parabolic condenser array uses a section between a plurality of solar cells as a connection portion or a grid electrode, and since the transparent electrode of each cell transmits charge in a narrow light collecting portion, high conductivity is not required, A conductive electron transporting layer or a conductive electron transporting layer may be formed.
이에, 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 정공 수송층은 집광부 내에서 투명 전극 역할을 대체하며 도포된 포물면의 금속 전극과 닿아 있도록 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 전공 수송층을 도포할 수 있다.Thus, the conductive electron transport layer or the conductive hole transport layer may replace the transparent electrode in the light collecting portion and may be coated with a conductive electron transport layer or a conductive electron transport layer so as to be in contact with the metal electrode of the applied parabolic surface.
단계(640)에서, 도포된 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 전공 수송층의 위에 태양전지를 구성할 수 있다. In
단계(650)에서, 태양전지의 위에 후면 전극을 구성할 수 있다. At
여기에서, 기판에 형성된 구조체 배열은 빛이 태양전지가 형성되지 않은 면에 입사하는 경우 반사를 통해 집광부에 도달하도록 할 수 있다.Here, the arrangement of the structure formed on the substrate can allow the light to reach the light collecting portion through reflection when incident on the surface on which the solar cell is not formed.
그리고, 기판에 형성된 구조체 배열은 단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기 배열로 이루어질 수 있다. The arrangement of the structures formed on the substrate may be a complex parabolic concentrator array comprising an array of structures formed of both curved surfaces having a parabolic cross section.
더욱이, 복합 포물형 집광기 배열은 단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체가 직렬로 연결되어 주기적인 1차원 배열을 형성하는 1차원 복합 포물형 집광기 배열로 이루어질 수 있다. Furthermore, the complex parabolic concentrator array can be composed of a one-dimensional complex parabolic concentrator array in which structures formed of bilateral curved surfaces having a parabolic cross-section are connected in series to form a periodic one-dimensional array.
아래에서 도면을 참조하여 일 실시예에 따른 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법에 대해 더 구체적으로 설명하기로 한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a lossless large area solar power generation system using a structure arrangement according to an embodiment will be described in more detail with reference to the drawings.
도 7은 일 실시예에 따른 패턴이 형성된 기판 위에 태양전지를 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 7 is a view for explaining a method of implementing a solar cell on a patterned substrate according to an embodiment.
도 7을 참조하면, 하나의 예로써 박막형 태양전지 중 하나인 유기태양전지를 이용하여 구현 예를 나타낸다. 이 때, 아래의 실시예는 특정한 태양전지의 구조에 대해 각 층의 특성을 고려한 공정이며 원하는 태양전지의 구조에 따라 세부적인 방법은 달라질 수 있다. Referring to FIG. 7, an organic solar cell, which is one of the thin film solar cells, is used as an example. At this time, the following embodiment is a process considering the characteristics of each layer with respect to the structure of a specific solar cell, and the detailed method may vary depending on the structure of a desired solar cell.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이 복합 포물형 집광기 배열(710) 위에 금속 전극(720)을 충분히 두껍게 도포할 수 있다. 이 때, 금속 전극(720)은 열 증착이나 용액 공정 등으로 복합 포물형 집광기 배열(710) 위에 도포될 수 있다. First, as shown in FIG. 7A, the
이후, 도 7b에 도시된 바와 같이 집광부의 투과도를 확보하기 위해 집광부의 금속 전극(720)을 제거할 수 있다. 이 때, 집광부의 금속 전극(720)을 제거하기 위해 테이핑이나 에칭 등의 방법을 이용할 수 있다.Then, as shown in FIG. 7B, the
그리고, 도 7c에 도시된 바와 같이 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 정공 수송층(730)을 도포할 수 있다. 이는, 집광부 내에서 투명 전극 역할을 대체하며 포물면의 금속 전극(720) 층과 닿아 있도록 할 수 있다. 7C, a conductive electron transporting layer or a conductive
다음으로, 도 7d에 도시된 바와 같이 태양전지(740)와 정공/전자 수송층(750) 등을 연이어 도포할 수 있다. 이들은 집광부에만 구현할 수도 있고 포물면 전체에 구현할 수도 있다. Next, as shown in FIG. 7D, the
마지막으로, 도 7e에 도시된 바와 같이 집광부 측에 후면 전극(760)을 올릴 수 있다. Finally, as shown in FIG. 7E, the
본 공정에는 열 증착과 스핀 코팅(spin-coating), 슬롯 다이 코팅(slot-die coating), 스프레이 코팅(spray coating) 등 기존 태양전지 제작 공정에 쓰이는 모든 단위 공정들과 박막층 전사 및 자발적 확장(spontaneous spreading)(비특허문헌 4) 등의 공정들이 활용될 수 있다. 특히, 자발적 확장(spontaneous spreading)은 곡면 등 구조체의 형상을 따라 필름을 온전하게 형성할 수 있어 유용하다.
This process includes all the unit processes used in conventional solar cell fabrication processes such as thermal deposition, spin-coating, slot-die coating, and spray coating, thin-film deposition and spontaneous expansion spreading (Non-Patent Document 4) can be utilized. In particular, spontaneous spreading is useful because the film can be formed entirely along the shape of a structure such as a curved surface.
복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하는 방법에 대해 설명한다. A method of implementing a grid electrode on a complex parabolic condenser (CPC) will be described.
복합 포물형 집광기(CPC)의 전면에 은(Ag)을 코팅한 뒤 집광부의 은(Ag)을 제거하는 순으로 진행할 수 있다. 전면에 코팅하는 방법으로는 다음과 같은 방법들을 예로 들 수 있다. 여기에서 은(Ag)을 예를 들어 설명하고 있으나 은(Ag)이 아니라도 어떠한 전도성 물질이라도 전극으로 쓸 수만 있으면 상관없다. 이에, 은(Ag) 대신 금속 전극이라 표현할 수 있다. Ag can be coated on the entire surface of the complex parabolic reflector (CPC), and silver (Ag) on the light collecting part can be removed. Examples of the method of coating on the entire surface include the following methods. Here, silver (Ag) is described as an example, but any conductive material may be used as an electrode even if it is not silver (Ag). Therefore, it can be expressed as a metal electrode instead of silver (Ag).
복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하기 위한 방법을 예를 들어 설명한다. A method for implementing a grid electrode on a complex parabolic condenser (CPC) will be described as an example.
1) 전극을 열증착으로 도포할 수 있다. 은(Ag) 잉크(ink) 또는 은(Ag) 페이스트(paste)를 용액 공정으로 전면에 도포하거나, 진공 증착으로 은(Ag)을 전면에 도포할 수 있다. 이는, 비교적 손쉬운 방법이다.1) The electrodes can be coated by thermal evaporation. An Ag ink or a Ag paste can be applied to the entire surface by a solution process or silver can be applied to the entire surface by vacuum deposition. This is a relatively easy method.
2) 은 나노 와이어(Ag nano wires)를 용액 공정(스프레이, 스핀 코팅(spin coating), 드랍 캐스팅(drop casting) 등)으로 전면에 도포할 수 있다. 2) can apply Ag nano wires to the entire surface by a solution process (spraying, spin coating, drop casting, etc.).
전극을 스핀 코팅(spin coating)으로 도포하는 경우, 소면적에서만 가능한 방법이며 구조체 위에서 코팅이 잘되지 않을 수 있다. 그리고 스프레이 또는 슬랏 다이 등으로 코팅하는 경우, 기존의 대면적 공정에 쓰이는 방법으로, 구조체 위에 전극을 구현할 때도 쓸 수 있다. When the electrode is applied by spin coating, only a small area is possible and the coating on the structure may not be good. In case of coating by spray or slat die, it can be used for the conventional large area process, and also for realizing the electrode on the structure.
3) 이미 만들어진 은(Ag) 필름(film)을 플로팅(floating)을 통해 도포할 수 있다. 별도의 기판에 도포된 전극을 물 위에 플로팅(floating) 시켜서 전사하는 것으로, 전극뿐 아니라 이미 만들어진 태양전지 층과 함께 구조체 패턴 위에 바로 올릴 수도 있는 장점이 있다.3) The already made silver (Ag) film can be applied by floating. An electrode coated on a separate substrate is floated on the water and transferred to the electrode. In addition, the electrode can be directly placed on the structure pattern together with the already formed solar cell layer.
또한, 복합 포물형 집광기(CPC) 몰드에 은(Ag) 필름을 먼저 도포한 뒤 플라스틱을 붓고 그 상태로 경화시키거나, 이미 만들어진 은(Ag) 필름(film)에 액상 폴리디메틸실록산(PDMS) 등 끈적끈적한(sticky)한 플라스틱 복합 포물형 집광기(CPC)를 스탬핑(stamping)하여 전사할 수 있다.It is also possible to apply a silver (Ag) film to a composite parabolic condenser (CPC) mold, then pour the plastic and cure it, or add a liquid polydimethylsiloxane (PDMS) A sticky plastic composite parabolic condenser (CPC) can be stamped and transferred.
4) 자발적 확산(Spontaneous Spreading, SS)을 이용한 방법은 Jonghyeon Noh et al., Nature Communications, 7, 12374 (2016) 에 발표된 방법으로, 이 방법을 이용할 때 실험적으로 활성층이 구조체 위에도 균일하게 올라가는 것을 최근에 확인되었다. 4) The method using spontaneous spreading (SS) is a method as disclosed in Jonghyeon Noh et al., Nature Communications, 7, 12374 (2016). It is experimentally found that the active layer is uniformly raised on the structure Recently confirmed.
복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하기 위한 방법은, 예를 들어 은(Ag) 잉크(ink) 또는 은(Ag) 페이스트(paste)를 용액 공정으로 전면에 도포하거나, 진공 증착으로 은(Ag)을 전면에 도포할 수 있다. 또한, 은 나노 와이어(Ag nano wires)를 용액 공정(스프레이, 스핀 코팅(spin coating), 드랍 캐스팅(drop casting) 등)으로 전면에 도포하거나, 이미 만들어진 은(Ag) 필름(film)을 플로팅(floating)을 통해 도포할 수 있다. 또한, 복합 포물형 집광기(CPC) 몰드에 은(Ag) 필름을 먼저 도포한 뒤 플라스틱을 붓고 그 상태로 경화시키거나, 이미 만들어진 은(Ag) 필름(film)에 액상 폴리디메틸실록산(PDMS) 등 끈적끈적한(sticky)한 플라스틱 복합 포물형 집광기(CPC)를 스탬핑(stamping)하여 전사할 수 있다.A method for implementing a grid electrode on a complex parabolic condenser (CPC) is to apply a silver ink or a silver paste to the entire surface by a solution process, Silver (Ag) can be applied to the entire surface by vapor deposition. In addition, silver nanowires may be applied to the entire surface by a solution process (spraying, spin coating, drop casting, etc.), or an already prepared silver (Ag) floating. It is also possible to apply a silver (Ag) film to a composite parabolic condenser (CPC) mold, then pour the plastic and cure it, or add a liquid polydimethylsiloxane (PDMS) A sticky plastic composite parabolic condenser (CPC) can be stamped and transferred.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하는 방법의 예를 설명하기 위한 도면이다. FIGS. 8 and 9 are views for explaining an example of a method of implementing a grid electrode on a complex parabolic condenser (CPC) according to an embodiment.
도 8 및 도 9를 참조하면, 물(W)에 잘 녹는 PSS(820) 위에 은(Ag)(830)이나 P3HT:PCBM 활성층 등을 미리 글라스(810)에 코팅하고, 기판(840)을 물에 넣으면 PSS(820)가 녹으면서 그 위의 층들이 물에 뜨게 된다.8 and 9, a silver (Ag) 830 or P3HT: PCBM active layer is coated on a
복합 포물형 집광기(CPC)로 은(Ag)(830) 필름을 물(W) 밖으로 꺼내면 기판(840)의 전면에 은(Ag)(830)이 코팅된 것을 확인할 수 있다. 기판(840)의 곡면의 경우에는 은(Ag)이 잘 덮였다기보다는 플로팅(floating)된 것을 확인할 수 있다. 여기에서, 은(Ag)만 존재하거나 은(Ag)+P3HT:PCBM이 존재하는 경우에 상관 없이 전사에는 문제가 없다. It can be confirmed that silver (Ag) 830 is coated on the entire surface of the
이러한 방법에 따르면 태양전지 모든 층을 평면에서 구현한 다음, 마지막에 복합 포물형 집광기(CPC)로 옮기기만 하면 되는 편이성이 있다. According to this method, it is convenient to implement all layers of the solar cell in a plane, and finally transfer it to a complex parabolic condenser (CPC).
도 10 및 도 11은 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하는 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 10 and 11 are views for explaining another example of a method of implementing a grid electrode on a complex parabolic condenser (CPC) according to an embodiment.
도 10 및 도 11을 참조하면, 복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하기 위해 테프론(1050)으로 플로팅(Floating) 전사 후 다시 찍어낼 수 있다. 테프론(1050) 위에 필름을 올리기는 매우 어려우며, 슬라이드 글라스(1010) 끝에 테프론(1050)을 붙여서 어렵게 물(W) 밖으로 꺼내더라도 유니폼하지 않다. Referring to FIGS. 10 and 11, a grid electrode may be formed on a complex parabolic condenser (CPC), followed by floating and transferring to a
한편, 테프론(1050) 위에 있는 필름을 복합 포물형 집광기(CPC)로 찍어내는 것은 근처에만 가도 달라붙을 정도이며 매우 쉽다. 패터닝은 불가능하고 전면에 플로팅(floating) 상태로 필름이 형성된다. 테프론(1050) 위에서부터 이미 구겨져 있어서 깨끗하지는 않다. 테프론(1050) 표면 자체가 이미 거칠어서(rough) 박막 전사에 좋은 방법은 아니다. On the other hand, it is very easy to stick a film on the Teflon (1050) with a composite parabolic condenser (CPC) so that it can stick to only the neighborhood. The patterning is impossible and the film is formed in a floating state on the front surface. Teflon (1050) is already wrinkled from above and is not clean. The
도 12 및 도 13은 일 실시예에 따른 복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하는 방법의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 12 and 13 are views for explaining another example of a method of implementing a grid electrode on a complex parabolic reflector (CPC) according to an embodiment.
도 12 및 도 13을 참조하면, 자발적 확산(Spontaneous Spreading, SS)(1210)을 통해 복합 포물형 집광기(CPC) 위에 그리드(grid) 전극을 구현하는 방법으로, 자발적 확산(SS)(1210)을 했을 때 복합 포물형 집광기(CPC) 위에 활성층(active) 필름이 매우 깨끗하게 형성된다. 활성층(active)이 깔린 복합 포물형 집광기(CPC)에 추가적으로 앞에서 설명한 공정(process) 1,2를 수행했을 때도 문제 없다.12 and 13, a spontaneous diffusion (SS) 1210 is performed as a method of implementing a grid electrode on a complex parabolic concentrator (CPC) through a spontaneous spreading (SS) The active film is formed very cleanly on the composite parabolic condenser (CPC). There is no problem when the above-described
제안된 방법들 중 활성층이 가장 컨포멀(conformal)하게 깔리는 것을 확인할 수 있다. 테프론 위에도 깔리긴 하나 테프론에서 복합 포물형 집광기(CPC)로 테프론 표면이 거칠어서 전사가 잘 안되는 문제점이 있다. 또한 글라스(Glass)에서 복합 포물형 집광기(CPC)로도 잘 안 넘어간다. It can be seen that the active layer is most conformal among the proposed methods. There is a problem in that the surface of Teflon is rough, but the warrior is not good because of the rough surface of Teflon. In addition, it does not go well with glass as a complex parabolic concentrator (CPC).
이와 같이, 실시예들에 따르면 1차원 복합 포물형 집광기(CPC) 배열의 집광 면에 박막형 태양전지를 구현할 수 있다. 복합 포물형 집광기(CPC)의 포물면에는 태양전지가 구현되지 않아도 됨으로써, 이 공간은 개별 소자들을 병렬 또는 직렬로 연결하는 전극으로 활용될 수 있다. 따라서 사구간이나 전기적 특성의 저하 없이 대면적 시스템을 구현할 수 있다. As described above, according to the embodiments, a thin film solar cell can be implemented on a light collecting surface of a one-dimensional complex parabolic condenser (CPC) array. Since the solar cell is not required on the parabolic surface of the complex parabolic condenser (CPC), this space can be utilized as an electrode connecting the individual elements in parallel or in series. Therefore, it is possible to realize a large-area system without deterioration in electrical characteristics or in a quadrant.
또한, 실시예들에 따르면 유연 기판을 이용하여 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템을 제작함으로써 구부림에 의한 장력이 집광 구조 사이에 집중되어 걸리고 태양전지 활성층에는 가해지지 않기 때문에 접거나 구부려도 성능이 떨어지지 않는다.In addition, according to the embodiments, since the loss due to the bending is concentrated in the light collecting structure and is not applied to the solar cell active layer, a folded or bent Performance does not deteriorate.
그리고, 실시예들에 따르면 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템은 박막형 태양전지로 구현될 수 있고, 박막형 태양전지는 가격이 저렴하고 무게가 가벼우며, 높은 모듈 효율과 유연성을 확보할 경우 휴대용 핸드폰 충전기나 군용 장비 등, 일상에서 에너지의 수확이 필요한 대부분의 분야에 응용이 가능하다. 또한 색상이 다양하고 외관이 아름다워 건물 외벽이나 자동차 천장 등에 설치하기에도 적합하다. According to the embodiments, a lossless large-area solar power generation system using a structure array can be realized as a thin film solar cell, and a thin film solar cell is cheap and light in weight and has high module efficiency and flexibility It can be applied to most fields that require energy harvesting in everyday life, such as mobile phone charger and military equipment. It is also suitable for installation on the outer wall of the building or on the ceiling of a car because the color is various and the appearance is beautiful.
이와 같이 실시예들은 태양전지 모듈 제작에 있어서 고효율과 고유연성을 동시에 달성할 수 있는 혁신적인 기술이다.
Thus, the embodiments are innovative technologies that can achieve both high efficiency and high flexibility in manufacturing solar cell modules.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (20)
상기 패턴이 형성된 상기 기판의 집광부에 형성되는 태양전지; 및
상기 태양전지의 상측에 형성되는 후면 전극
을 포함하고,
상기 기판은 유연성(flexibility) 또는 신축성(stretchability)을 갖는 유연 구조체 기판으로 이루어지며, 상기 기판의 구조체의 일면에 구성된 소정의 폭의 집광부의 투과도를 확보하기 위해 상기 기판의 구조체 상에 금속 전극이 도포된 후 상기 집광부의 상기 금속 전극이 제거되고, 상기 기판의 구조체 상에 남아있는 상기 금속 전극과 닿아있도록 상기 금속 전극이 제거된 상기 집광부에 투명 전극 또는 전도성이 있는 전하 수송층이 도포되며,
상기 태양전지는 박막형 태양전지로 이루어져, 상기 유연 구조체 기판의 위에 도포된 상기 투명 전극 또는 전도성이 있는 전하 수송층의 위에 배치 가능하고,
상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은,
구조체가 직렬로 연결되어 주기적인 1차원 배열을 형성하며, 복수의 상기 태양전지들 사이의 구간을 구조체들을 직렬로 연결하는 연결부 또는 상기 금속 전극을 도포한 그리드 전극으로 이용하여 각각의 구조체로 이루어진 상기 집광부 위에 구성된 상기 금속 전극과 닿아있는 상기 투명 전극 또는 전도성이 있는 전하 수송층에 의해 전하를 전달하고, 투명 전극의 제한적 사용을 위해 상기 구조체 배열의 주기를 소정 크기 이내로 조절함에 따라 전도성이 있는 전하 수송층을 도포하여 형성하거나 투명 전극 및 전도성이 있는 전하 수송층을 도포하여 형성하며, 팽창 또는 수축의 힘의 작용 시 상기 태양전지가 구현되지 않은 사구간에 집중되어 외력에 취약한 박막층으로 이루어진 상기 태양전지를 보호하며, 빛이 상기 태양전지가 형성되지 않은 면에 입사하는 경우 반사를 통해 상기 집광부에 도달하도록 하는 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템. A substrate having a non-planar structure in which a pattern of a structure array is formed;
A solar cell formed on a light collecting portion of the substrate on which the pattern is formed; And
A rear electrode formed on the upper side of the solar cell,
/ RTI >
The substrate is made of a flexible structure substrate having flexibility or stretchability and a metal electrode is formed on the structure of the substrate in order to secure the transparency of the light collecting portion of a predetermined width formed on one surface of the structure of the substrate A transparent electrode or a conductive charge transport layer is applied to the light collecting part from which the metal electrode is removed so that the metal electrode of the light collecting part is removed and the metal electrode remaining on the structure of the substrate is removed,
The solar cell is made of a thin film solar cell and can be disposed on the transparent electrode or the conductive charge transport layer coated on the flexible structure substrate,
Wherein the array of structures formed on the substrate comprises:
A plurality of solar cells are connected in series to form a periodic one-dimensional array, and a connection part for connecting structures in series or a grid electrode to which the metal electrode is applied, The charge is transferred by the transparent electrode or the conductive charge transport layer touching the metal electrode formed on the light collecting portion and the period of the arrangement of the structure is controlled within a predetermined size for limited use of the transparent electrode, A transparent electrode and a conductive charge transport layer are coated to protect the solar cell made of a thin film layer which is concentrated between dyes in which the solar cell is not realized when the expansion or contraction force acts, , Light is incident on the surface on which the solar cell is not formed When used through the reflection to reach to the light condensing portion
Lossless large area photovoltaic generation system using a structure array characterized by.
상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은,
단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator, CPC) 배열인 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the array of structures formed on the substrate comprises:
Is a compound parabolic concentrator (CPC) array consisting of an array of structures formed of two curved surfaces with a parabolic cross-section
Lossless large area photovoltaic generation system using a structure array characterized by.
상기 복합 포물형 집광기 배열은,
단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체가 직렬로 연결되어 주기적인 1차원 배열을 형성하는 1차원 복합 포물형 집광기 배열인 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템.The method of claim 3,
The composite parabolic concentrator arrangement may be configured such that,
A one-dimensional complex parabolic concentrator arrangement in which structures formed of two curved surfaces with a parabolic cross-section are connected in series to form a periodic one-dimensional array
Lossless large area photovoltaic generation system using a structure array characterized by.
상기 1차원 복합 포물형 집광기 배열은,
복수의 상기 태양전지들 사이의 구간인 상기 태양전지가 구성되지 않은 포물면을 구조체가 직렬로 연결되는 연결부로 이용하는 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템.5. The method of claim 4,
Wherein the one-dimensional complex parabolic concentrator arrangement comprises:
A parabolic surface in which a solar cell is not constituted, which is a section between a plurality of the solar cells, is used as a connection portion in which a structure is connected in series
Lossless large area photovoltaic generation system using a structure array characterized by.
상기 1차원 복합 포물형 집광기 배열은,
상기 구조체 배열의 주기가 마이크로미터 단위이며 금속이 도포되어 복수의 상기 태양전지들 사이의 구간을 그리드(grid) 전극으로 이용하는 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템.5. The method of claim 4,
Wherein the one-dimensional complex parabolic concentrator arrangement comprises:
The period of the arrangement of the structures is in the form of micrometers and the metal is applied so that the interval between the plurality of solar cells is used as a grid electrode
Lossless large area photovoltaic generation system using a structure array characterized by.
상기 복합 포물형 집광기 배열은,
빛의 허용 입사각(acceptance angle)의 범위를 자유롭게 조절 가능한 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템.The method of claim 3,
The composite parabolic concentrator arrangement may be configured such that,
The range of acceptable angle of light is freely adjustable
Lossless large area photovoltaic generation system using a structure array characterized by.
상기 태양전지는,
오가닉(organic), 퀀텀닷(quantum-dot), 페로브스카이트(perovskite), 및 비결정질 실리콘(amorphous silicon) 중 적어도 어느 하나의 물질을 이용한 나노미터 두께의 박막형 태양전지로 이루어져, 상기 유연 구조체 기판의 위에 배치 가능한 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템.The method according to claim 1,
In the solar cell,
Film solar cell using a material of at least one of organic, quantum-dot, perovskite, and amorphous silicon, Capable of being placed on top of
Lossless large area photovoltaic generation system using a structure array characterized by.
상기 기판은,
상기 구조체 배열에 경사 증착을 통해 태양전지 모듈이 제작되는 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템.The method according to claim 1,
Wherein:
A solar cell module is fabricated through oblique deposition on the array of the structures
Lossless large area photovoltaic generation system using a structure array characterized by.
상기 기판은,
상기 구조체 배열의 패턴이 형성되어 개별 소자 간의 구분이 용이하여 경사 증착이나 박막층 전사 공정 시 마스크 없이 태양전지 모듈이 제작되는 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템.The method according to claim 1,
Wherein:
A solar cell module is manufactured without a mask in the case of oblique deposition or thin film layer transfer process because the pattern of the array of structures is formed and the individual devices can be easily distinguished from each other
Lossless large area photovoltaic generation system using a structure array characterized by.
상기 패턴이 형성된 상기 기판의 구조체의 일면에 구성된 소정의 폭의 집광부의 투과도를 확보하기 위해 상기 집광부에 도포된 상기 금속 전극을 제거하는 단계;
상기 기판의 구조체 상에 남아있는 상기 금속 전극과 닿아있도록, 상기 금속 전극이 제거된 상기 집광부에 투명전극 또는 전도성이 있는 전하 수송층을 도포하는 단계;
도포된 상기 전도성이 있는 전하 수송층의 위에 태양전지를 구성하는 단계; 및
상기 태양전지의 위에 후면 전극을 구성하는 단계
를 포함하고,
상기 기판은 유연성(flexibility) 또는 신축성(stretchability)을 갖는 유연 구조체 기판으로 이루어지며,
상기 태양전지는 박막형 태양전지로 이루어져, 상기 유연 구조체 기판의 위에 도포된 상기 투명 전극 또는 전도성이 있는 전하 수송층의 위에 배치 가능하고,
상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은,
구조체가 직렬로 연결되어 주기적인 1차원 배열을 형성하며, 복수의 상기 태양전지들 사이의 구간을 구조체들을 직렬로 연결하는 연결부 또는 상기 금속 전극을 도포한 그리드 전극으로 이용하여 각각의 구조체로 이루어진 상기 집광부 위에 구성된 상기 금속 전극과 닿아있는 상기 투명 전극 또는 전도성이 있는 전하 수송층을 통해 전하를 전달하고, 투명 전극의 제한적 사용을 위해 상기 구조체 배열의 주기를 소정 크기 이내로 조절함에 따라 전도성이 있는 전하 수송층을 도포하여 형성하거나 투명 전극 및 전도성이 있는 전하 수송층을 도포하여 형성하며, 팽창 또는 수축의 힘의 작용 시 상기 태양전지가 구현되지 않은 사구간에 집중되어 외력에 취약한 박막층으로 이루어진 상기 태양전지를 보호하며, 빛이 상기 태양전지가 형성되지 않은 면에 입사하는 경우 반사를 통해 상기 집광부에 도달하도록 하는 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법. Applying a metal electrode on a substrate having a non-planar structure in which a pattern of a structure array is formed;
Removing the metal electrode applied to the light-collecting portion to secure transparency of a light-collecting portion having a predetermined width formed on one surface of the structure of the substrate on which the pattern is formed;
Applying a transparent electrode or a conductive charge transport layer to the light collecting portion from which the metal electrode is removed so as to be in contact with the metal electrode remaining on the structure of the substrate;
Forming a solar cell on the applied conductive charge transport layer; And
Forming a rear electrode on the solar cell;
Lt; / RTI >
The substrate is made of a flexible structure substrate having flexibility or stretchability,
The solar cell is made of a thin film solar cell and can be disposed on the transparent electrode or the conductive charge transport layer coated on the flexible structure substrate,
Wherein the array of structures formed on the substrate comprises:
A plurality of solar cells are connected in series to form a periodic one-dimensional array, and a connection part for connecting structures in series or a grid electrode to which the metal electrode is applied, The charge is transferred through the transparent electrode or the conductive charge transport layer touching the metal electrode formed on the light collecting portion and the period of the arrangement of the structure is controlled within a predetermined size for limited use of the transparent electrode, A transparent electrode and a conductive charge transport layer are coated to protect the solar cell made of a thin film layer which is concentrated between dyes in which the solar cell is not realized when the expansion or contraction force acts, , Light is incident on the surface on which the solar cell is not formed When used through the reflection to reach to the light condensing portion
The method comprising the steps of: (a)
상기 기판에 형성된 상기 구조체 배열은,
단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체의 배열로 이루어지는 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator, CPC) 배열인 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법.15. The method of claim 14,
Wherein the array of structures formed on the substrate comprises:
Is a compound parabolic concentrator (CPC) array consisting of an array of structures formed of two curved surfaces with a parabolic cross-section
The method comprising the steps of: (a)
상기 복합 포물형 집광기 배열은,
단면이 포물형인 양측 곡면으로 형성된 구조체가 직렬로 연결되어 주기적인 1차원 배열을 형성하는 1차원 복합 포물형 집광기 배열인 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법.16. The method of claim 15,
The composite parabolic concentrator arrangement may be configured such that,
A one-dimensional complex parabolic concentrator arrangement in which structures formed of two curved surfaces with a parabolic cross-section are connected in series to form a periodic one-dimensional array
The method comprising the steps of: (a)
상기 구조체 배열의 패턴이 형성된 비평면형 구조를 가진 기판의 위에 금속 전극을 도포하는 단계는,
상기 복합 포물형 집광기 배열의 위에 열 증착이나 용액 공정을 이용하여 금속 전극을 도포하는 것을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법.16. The method of claim 15,
Wherein the step of applying the metal electrode on the substrate having the non-planar structure in which the pattern of the structure arrangement is formed comprises:
Wherein a metal electrode is applied on the complex parabolic condenser array by thermal deposition or a solution process.
상기 패턴이 형성된 상기 기판의 집광부의 투과도를 확보하기 위해 상기 집광부에 도포된 상기 금속 전극을 제거하는 단계는,
테이핑이나 에칭 방법을 통해 상기 집광부의 금속 전극을 제거하는 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법.15. The method of claim 14,
The step of removing the metal electrode applied to the light collecting part to secure the transmittance of the light collecting part of the substrate on which the pattern is formed,
Removing the metal electrode of the light collecting portion through a taping or etching method
The method comprising the steps of: (a)
상기 금속 전극이 제거된 상기 집광부에 전도성이 있는 전하 수송층을 도포하는 단계는,
전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 정공 수송층이 상기 집광부 내에서 투명 전극 역할을 대체하며 도포된 포물면의 상기 금속 전극과 닿아 있도록 상기 전도성이 있는 전자 수송층 또는 전도성이 있는 전공 수송층을 도포하는 것
을 특징으로 하는 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 제조 방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the step of applying a conductive charge transport layer to the light collecting portion from which the metal electrode is removed comprises:
A conductive electron transporting layer or a conductive hole transporting layer replaces the role of a transparent electrode in the light collecting portion and is coated with the conductive electron transporting layer or conductive conductive transporting layer so as to be in contact with the metal electrode of the applied parabola
The method comprising the steps of: (a)
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