KR20120038625A - Solar cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 특징은 제 2 전극 상부에 렌즈층과 반사패턴이 구비된 마이크로렌즈층을 더욱 형성하는 것이다.
이를 통해, 태양전지 내부로 입사되는 광의 경로를 향상시키게 되어, 빛 포획을 증대시킬 수 있어, 태양전지의 효율을 향상시키게 된다.
또한, 본 발명의 마이크로렌즈층은 최적의 위치에 반사패턴을 더욱 형성함으로써, 태양전지 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극에 의해 반사되는 광을 리사이클(recycle) 할 수 있어, 태양전지 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.The present invention relates to a solar cell, and in particular, to provide a solar cell that can maximize the efficiency of the solar cell.
It is a feature of the present invention to further form a microlens layer having a lens layer and a reflection pattern on the second electrode.
Through this, the path of the light incident into the solar cell is improved, and the light trapping can be increased, thereby improving the efficiency of the solar cell.
Further, the microlens layer of the present invention further forms a reflection pattern at an optimal position, whereby some of the light incident into the solar cell can be recycled to reflect the light reflected by the first electrode. The amount of light is further improved.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
The present invention relates to a solar cell, and in particular, to provide a solar cell that can maximize the efficiency of the solar cell.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높이지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. Recently, as interest in environmental problems and energy depletion has increased, there is a growing interest in solar cells as an alternative energy with abundant energy resources, no problems with environmental pollution, and high energy efficiency.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열전지와 반도체의 성질을 이용하여 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양 광 전지로 나눌 수 있다. Solar cells can be divided into solar cells that generate steam required to rotate turbines using solar heat and solar cells that convert sunlight into electrical energy using the properties of semiconductors.
그 중에서도 광을 흡수하여 생성된 p형 반도체의 전자와 n형 반도체의 정공이 전기에너지로 변환하는 태양 광 전지(이하, 태양전지라 함.)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Among them, researches on photovoltaic cells (hereinafter, referred to as solar cells) in which electrons of p-type semiconductors generated by absorbing light and holes of n-type semiconductors are converted into electrical energy are being actively conducted.
도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도이며, 도 2는 태양전지의 투명전극의 표면을 확대 도시한 도면이다. 1 is a schematic diagram illustrating a concept of driving a general solar cell, and FIG. 2 is an enlarged view of a surface of a transparent electrode of a solar cell.
도 1에 도시한 바와 같이, 태양전지(10)는 서로 마주하는 전극(11, 13) 사이에 p형 반도체층(15)과 n형 반도체층(17)으로 구성된 p-n 접합 반도체층의 구조로서 이루어지고 있다. As shown in FIG. 1, the
이러한 태양전지(10)의 전극(11, 13)에 발광부로서 전구를 연결하고 태양전지(10)를 태양광 등의 광원에 노출하면, n형 반도체층(17)과 p형 반도체층(15)을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생한다. When a light bulb is connected to the
이와 같이, 광기전력 효과에 의해 발생된 기전력으로 태양전지(10)에 전기적으로 접속된 전구가 점등될 수 있다. As such, a light bulb electrically connected to the
한편, 이러한 태양전지(10)는 외부의 광원으로부터 보다 효율적으로 광을 p-n 접합 반도체층(15, 17) 내부로 받아들이도록 하기 위해, 광원을 향하는 방향에 위치하는 전극(11)을 요철형상의 투명한 재질로 이루어진다. On the other hand, such a
여기서, 투명전극(11)의 요철형상은 대기압 화학기상증착법(Atmospheric chemical vapor deposition : CVD)을 통해서 형성할 수 있는데, 대기압 화학기상증착법을 통해서 형성하는 투명전극(11)의 요철형상은 도 2에 도시한 바와 같이 매우 날카로운 뾰족한 산 모양으로 형성된다. Here, the uneven shape of the
이러한 투명전극(11)의 요철형상은 그 형태 및 크기를 제어하기 매우 어려운 실정으로, 광경로 증가에 한계를 갖게 된다. The uneven shape of the
또한, 태양전지 내부로 입사된 광 중 일부는 배면전극에 의해 반사되어 p-n 접합 반도체층으로 재입사되는데, 이때 p-n 접합 반도체층으로 재입사되는 광에 비해 그대로 p-n 접합 반도체층을 통과하여 태양전지 외부로 출광하게 되는 광의 양이 더욱 많다.In addition, some of the light incident into the solar cell is reflected by the back electrode and re-entered into the pn junction semiconductor layer. There is even more light to be emitted.
이를 통해 태양전지(10)의 효율이 낮아지게 된다. As a result, the efficiency of the
따라서, 보다 높은 효율을 갖는 태양전지의 제작이 요구되고 있는 실정이다.
Therefore, there is a demand for manufacturing a solar cell having higher efficiency.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양전지의 효율을 향상시키고자 하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the above problems, it is an object to improve the efficiency of the solar cell.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 절연기판과; 상기 절연기판의 광이 입사되는 일면에 형성되는 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상에 형성되는 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성되는 제 2 전극과; 상기 제 2 전극 상에 형성되며, 지지층과, 상기 지지층의 일면에 형성되며 다수의 피라미드 형상의 렌즈가 상기 지지층의 종방향과 횡방향으로 서로 인접 배열되도록 돌출 형성되는 렌즈층과, 상기 렌즈층이 형성된 상기 지지층의 타면에 형성되며 이웃하는 태양전지를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides an insulating substrate; A first electrode formed on one surface to which light of the insulating substrate is incident; A semiconductor layer formed on the first electrode; A second electrode formed on the semiconductor layer; A lens layer formed on the second electrode, a lens layer formed on one surface of the support layer, and protruding so that a plurality of pyramidal lenses are arranged adjacent to each other in the longitudinal and transverse directions of the support layer; It is formed on the other surface of the formed support layer to provide a neighboring solar cell.
이때, 상기 지지층의 두께는 상기 피라미드 형상의 렌즈의 높이에 1.06 ~ 1.1배 이며, 상기 반사패턴 일단은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 꼭지점에서 굴절되는 광과 상기 피라미드 형상의 렌즈의 끝점에서 굴절되는 광이 서로 만나는 점에 대응되는 위치에 위치한다. In this case, the thickness of the support layer is 1.06 to 1.1 times the height of the pyramid-shaped lens, the end of the reflective pattern is the light refracted at the vertex of the pyramidal lens and the light refracted at the end of the pyramidal lens It is located at a position corresponding to the point where they meet each other.
그리고, 상기 반사패턴의 면적은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 높이 * (1.06 ~ 1.1)이며, 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 대응하여 형성되는 반사패턴을 포함한다.The area of the reflective pattern is a height * (1.06 to 1.1) of the pyramidal lens, and includes a reflective pattern formed to correspond to an edge of the pyramidal lens.
여기서, 상기 반사패턴은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 사각형 형태로 형성되거나, 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 삼각형 형태로 형성되며, 상기 반사패턴은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 가장자리를 따라 형성된다. Here, the reflective pattern is formed in the shape of a square at the corner of the pyramid-shaped lens or in the shape of a triangle in the corner of the pyramid-shaped lens, the reflection pattern is formed along the edge of the lens of the pyramid-shaped.
또한, 상기 반사패턴은 은(Ag), 알루미늄(Al), 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2) 또는 산화마그네슘(MgO) 중 선택된 하나로 이루어지며, 상기 렌즈층은 투명 아크릴(acryl) 계열 수지 또는 포토레지스트(photoresist)와 같은 감광성물질 중 선택된 하나로 이루어진다. In addition, the reflective pattern is made of one selected from silver (Ag), aluminum (Al), silicon oxide (SiO 2), titanium oxide (TiO 2) or magnesium oxide (MgO), the lens layer is a transparent acrylic resin (acryl) resin Or a photosensitive material such as a photoresist.
그리고, 상기 지지층은 PMMA(polymethylmethacrylate) 또는 열가소성수지인 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate) 중 하나로 이루어지며, 상기 제 2 전극은 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide)로 이루어진다. The support layer is made of one of polymethylmethacrylate (PMMA) or polyethylene terephthalate (PET) and polycarbonate (PC), which are thermoplastic resins. The second electrode is made of a transparent conductive oxide.
또한, 상기 반도체층은 n형 반도체층과 순수 비정질 실리콘층 그리고 p형 반도체층으로 이루어지며, 상기 제 1 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어진다. The semiconductor layer may include an n-type semiconductor layer, a pure amorphous silicon layer, and a p-type semiconductor layer, and the first electrode may be formed of silver (Ag) or aluminum (Al).
이때, 상기 제 2 전극은 표면이 요철 형상이다. At this time, the surface of the second electrode is uneven.
위에 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제 2 전극 상부에 렌즈층과 반사패턴이 구비된 마이크로렌즈층을 더욱 형성함으로써, 이를 통해, 태양전지 내부로 입사되는 광의 경로를 향상시키게 되어, 빛 포획을 증대시킬 수 있는 효과가 있어, 태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다. As described above, according to the present invention, by further forming a microlens layer having a lens layer and a reflective pattern on the second electrode, thereby improving the path of the light incident into the solar cell, thereby capturing light There is an effect that can be increased, there is an effect of improving the efficiency of the solar cell.
또한, 본 발명의 마이크로렌즈층은 최적의 위치에 반사패턴을 더욱 형성함으로써, 태양전지 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극에 의해 반사되는 광을 리사이클(recycle) 할 수 있어, 태양전지 내부의 광량을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
Further, the microlens layer of the present invention further forms a reflection pattern at an optimal position, whereby some of the light incident into the solar cell can be recycled to reflect the light reflected by the first electrode. There is an effect of further improving the amount of light.
도 1은 일반적인 태양전지가 구동되는 개념을 설명하기 위한 개략도.
도 2는 태양전지의 투명전극의 표면을 확대 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 4a ~ 4d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈층을 개략적으로 도시한 사시도와 평면도.
도 5a ~ 5b는 마이크로렌즈층을 확대 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광효율이 향상되는 원리를 개략적으로 도시한 개략도.1 is a schematic diagram illustrating a concept of driving a general solar cell.
Figure 2 is an enlarged view showing the surface of the transparent electrode of the solar cell.
3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
4A-4D are perspective and plan views schematically showing a microlens layer according to an embodiment of the present invention.
5A to 5B are enlarged cross-sectional views of the microlens layer.
6 is a schematic diagram schematically showing the principle that the light efficiency of the solar cell according to an embodiment of the present invention is improved.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(100)는 크게 절연기판(101), 반도체층(130) 그리고 제 1 및 제 2 전극(110, 120)으로 이루어지며, 특히 제 2 전극(120)의 상부에는 마이크로렌즈층(micro-lens layer : 200)이 위치하는 것을 특징으로 한다. As shown, the
이에 좀더 대해 자세히 살펴보면, 태양전지(100)는 투명한 절연기판(101)과, 태양광 등의 광이 입사되는 일면을 절연기판(101)의 상부면이라 정의하면, 절연기판(101)의 상부면에 반사특성이 우수한 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 일명 배면전극이라 하는 제 1 전극(110)이 형성된다.In detail, the
그리고, 제 1 전극(110)의 상부에는 반도체층(130)이 위치하는데, 반도체층(130)은 p+형 불순물을 포함하는 p형 반도체층(130a)과 n+형 불순물을 포함하는 n형 반도체층(130b) 및 p형 반도체층(130a)과 n형 반도체층(130b) 사이에 위치하는 순수 비정질 실리콘층(130c)을 포함한다. The
이때, 반도체층(130) 내의 전자들이 비대칭적으로 존재해야 한다. 즉, 반도체층(130)에서 n형 반도체층(130b)은 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지고, p형 반도체층(130a)은 작은 전자밀도와 큰 정공밀도를 갖는다. At this time, electrons in the
그리고, 이러한 반도체층(130) 상부에 태양광 등의 광의 투과를 위해 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide : TCO)로 이루어지는 제 2 전극(120)이 형성된다. In addition, a
제 2 전극(120)은 ITO(indium tin oxide), GaZnO, AlZnO, InZnO 등으로 이루어질 수 있다. The
이때, 제 2 전극(120)은 태양전지(100)의 광기전력 효과를 증가시키기 위하여 텍스처 가공공정을 통해 그 표면이 요철형상으로 이루어질 수 있다. 따라서, 광의 입사시 전반사를 방지하고 광 산란을 확대하여 빛 포획을 증대시킬 수 있다. In this case, the
여기서, 텍스처 가공공정이란, 물질 표면을 올록볼록한 요철형상으로 형성하는 공정으로 포토리소그라피법을 이용한 식각공정, 화학용액을 이용한 이방성 식각공정, 또는 기계적 스크라이빙을 이용한 홈 형성 공정 등을 통해 수행할 수 있다. Here, the texture processing process is a process of forming a convex convex-convex shape on the surface of the material, which may be performed by an etching process using a photolithography method, an anisotropic etching process using a chemical solution, or a groove forming process using mechanical scribing. Can be.
그리고, 본 발명의 태양전지(100)는 제 2 전극(120) 상부에 마이크로렌즈층(200)이 더욱 구비되는데, 마이크로렌즈층(200)은 지지층(210)과, 지지층(210) 상부면에서 태양전지(100) 내부로 입사되는 광의 경로를 변경하기 위한 프리즘층(220), 그리고 지지층(210)의 하부면에 일부 빛을 리사이클(recycle) 시키기 위한 반사패턴(230)으로 이루어진다. In addition, the
따라서, 본 발명의 태양전지(100)는 내부로 많은 광이 입사되고, 입사된 광의 경로를 향상시키게 된다. Therefore, in the
이에, 태양전지(100)의 광 흡수율을 높이게 됨으로써 에너지 변환효율을 향상시키게 된다. 이를 통해 반도체층(130) 내부의 전압차(potential difference)가 더욱 커지게 됨으로써, 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다. 이에 대해 차후 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다. Thus, by increasing the light absorption of the
이러한 태양전지(100)가 태양광 등의 광에 노출되면, p형 반도체층(130a)과 n형 반도체층(130b)을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생한다. When the
이렇게 발생된 기전력에 의해 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에 전위차를 발생시키게 되어, 태양전지(100)를 충전시키게 된다. The generated electromotive force causes a potential difference between the
이때, 태양전지(100)로 입사되어 반도체층(130)을 통과한 광은 제 1 전극(110)에 의해 반사되어 반도체층(130)으로 재입사됨에 따라, 기전력이 더욱 커지게 된다. At this time, the light incident on the
여기서, 태양전지(100)의 동작원리에 대해 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다. Here, the operation principle of the
앞서 전술한 바와 같이, 반도체층(130) 내의 전자들이 비대칭적으로 존재하는데, 열적 평형상태에서 p형 반도체층(130a)과 n형 반도체층(130b)의 접합으로 이루어진 반도체층(130) 내에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배(句配)에 의한 확산으로 전하의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성된다. As described above, the electrons in the
이에, 반도체층(130) 내부로, 반도체층(130)을 이루는 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드 갭 에너지(band gap energy) 보다 큰 에너지를 갖는 빛이 조사되었을 경우, 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite) 되며, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 된다. Accordingly, light having an energy greater than the band gap energy, which is an energy difference between a conduction band and a valence band of a material forming the
또한, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. In the valence band, holes are generated where electrons escape.
이렇게 생성된 자유전자와 정공을 과잉(excess) 캐리어라고 하며, 과잉 캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이에 의해서 확산하게 된다. The generated free electrons and holes are called excess carriers, and the excess carriers are diffused by concentration differences in the conduction band or the valence band.
이때, 과잉 캐리어 즉, p형 반도체층(130a)에서 여기된 전자들과 n형 반도체층(130b)에서 만들어진 정공을 각각의 소수 캐리어(minority carrier)라 정의되며, 기존 접합 전의 p형 또는 n형 반도체층(130a, 130b)내의 캐리어(즉, p형의 정공 및 n형의 전자)는 이와 구분해 다수 캐리어(majority carrier)라 정의된다. In this case, the excess carriers, that is, electrons excited in the p-
이때, 다수 캐리어들은 전기장으로 인한 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만, p형 반도체층(130a)의 소수캐리어인 전자는 n형 반도체층(130b)으로 이동할 수 있게 된다. At this time, the plurality of carriers are interrupted by the flow due to the energy barrier (energy barrier) due to the electric field, electrons that are a minority carrier of the p-
따라서, 소수캐리어의 확산에 의해 반도체층(130) 내부에 전압차(potential difference)가 생기게 되며, 반도체층(130) 양측에 위치하는 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(120)을 외부회로에 연결하여 기전력을 활용함으로써, 이들 반도체층(130)을 전지로서 사용하게 되는 것이다. Therefore, a potential difference occurs in the
이때, 본 발명의 태양전지(100)는 제 2 전극(120) 상부에 마이크로렌즈층(200)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(100) 내부로 많은 광이 입사되고 입사된 광의 경로를 향상시키게 되면, 태양전지(100)의 광 흡수율을 높이게 됨으로써 에너지 변환효율이 향상되고, 이를 통해 반도체층(130) 내부의 전압차(potential difference)가 더욱 커지게 됨으로써, 태양전지(100)의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다. In this case, when the
도 4a ~ 4d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈층을 개략적으로 도시한 사시도와 평면도이다. 4A through 4D are schematic perspective and plan views of a microlens layer according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a에 도시한 바와 같이, 마이크로렌즈층(200)은 PMMA(polymethylmethacrylate), 열가소성수지인 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate) 등으로 이루어진 지지층(210)과, 지지층(210) 상부면에서 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사되는 광의 경로를 변경시켜 광 경로를 향상시키기 위한 렌즈층(220), 그리고 지지층(210)의 하부면에 일부 광을 리사이클(recycle) 시키기 위한 반사패턴(230)으로 이루어진다. As shown in FIG. 4A, the
여기서, 지지층(210)의 상부면에 구성된 렌즈층(220)은 투명 아크릴(acryl) 계열 수지 또는 포토레지스트(photoresist)와 같은 감광성물질로 이루어지는데, 렌즈층(220)은 마이크로 사이즈의 다수의 피라미드 형상의 렌즈(221)가 지지층(210)으로부터 돌출 배열된다. Here, the
이때, 다수의 피라미드 형상의 렌즈(221)는 지지층(210)의 종방향과 횡방향으로 서로 인접 배열하며, 서로 이웃한 피라미드 형상의 렌즈(221) 사이는 빈공간이 없도록 촘촘하게 배열한다. In this case, the plurality of pyramid-shaped
이러한 피라미드 형상의 렌즈(221)로 인하여 태양전지(도 3의 100) 내부의 광 경로를 향상시키게 된다. Due to the pyramid-shaped
즉, 태양광 등의 광이 태양전지(도 3의 100)로 수직하게 입사되는데, 이때, 광은 피라미드 형상의 렌즈(221)로 인하여 특정 각으로 굴절되어 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사된다. 따라서, 광 경로를 향상시키게 되는 것이다. That is, light such as sunlight is incident vertically into the solar cell (100 of FIG. 3). At this time, the light is refracted at a specific angle due to the pyramid-shaped
또한, 피라미드 형상의 렌즈(221)로 인하여, 렌즈층(220)으로 입사되는 태양광이 태양전지(도 3의 100) 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되며, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지(도 3의 100) 내부로 태양광이 흡수되는 비율을 증가시키게 된다. In addition, due to the pyramid-shaped
따라서, 빛의 입사시 보다 효율적으로 전반사를 방지하고 광 산란을 확대하여 빛 포획을 증대시킬 수 있어, 태양전지(도 3의 100)의 효율을 향상시키게 된다. Accordingly, when light is incident more efficiently, total reflection can be prevented and light scattering can be expanded to increase light capture, thereby improving the efficiency of the solar cell (100 of FIG. 3).
또한, 본 발명의 마이크로렌즈층(200)은 지지층(210)의 배면에 반사패턴(230)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극(도 3의 110)에 의해 반사되어 다시 반도체층(도 3의 130)으로 재입사되는 과정에서, 일부 광이 반도체층(도 3의 130)을 그대로 통과하여 태양전지(도 3의 100) 외부로 출광되는 것을 방지할 수 있다. In addition, the
즉, 제 1 전극(도 3의 110)에 의해 반사된 광 중 일부는 반도체층(도 3의 130)으로 재입사되고, 일부 광은 반도체층(도 3의 130)을 그대로 통과하게 되는데, 이때, 반도체층(도 3의 130)을 그대로 통과하는 광은 마이크로렌즈층(200)의 반사패턴(230)에 의해 반사되어, 다시 반도체층(도 3의 130)으로 재입사되는 것이다. That is, some of the light reflected by the
따라서, 태양전지(도 3의 100) 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.Therefore, the amount of light inside the
여기서, 반사패턴(232)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2) 또는 산화마그네슘(MgO) 중 어느 하나의 재질로 구성한다. Here, the reflective pattern 232 is made of one of silver (Ag), aluminum (Al), silicon oxide (SiO 2), titanium oxide (TiO 2), or magnesium oxide (MgO).
도 4b ~ 4d에 도시한 바와 같이 다양한 형태로 지지층(210)의 배면에 형성될 수 있는데, 이때, 도 4b에 도시한 바와 같이 반사패턴(230)이 렌즈층(220)의 이웃하는 피라미드 형상의 렌즈(221)의 모서리에 대응하여 피라미드 형상의 렌즈(221)와 대응되는 형태로 형성될 경우 도 4c와 도 4d에 도시한 반사패턴(230)의 형태에 비해 상대 투과율이 99%로 매우 높게 나타나게 된다. As shown in FIGS. 4B to 4D, the
이때, 반사패턴(230)이 피라미드 형상의 렌즈(221)의 가장자리를 따라 형성되어, 반사패턴(230)이 이웃하는 피라미드 형상의 렌즈(221)의 모서리에 대응하여 형성되며, 이의 형상이 피라미드 형상의 렌즈(221)에 비해 마름모꼴 형상으로 이루어지는 도 4c의 상대 투과율은 91%이며, 반사패턴(230)의 전체적인 형태가 격자형태를 이루는 도 4d의 반사패턴(230)은 상대 투과율이 91%이다. At this time, the
여기서, 도 5a를 참조하여 피라미드 형상의 렌즈(221)와 반사패턴(230)의 위치 및 면적에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 도시한 바와 같이 태양전지(도 3의 100) 로 수직하게 입사되는 광은 렌즈층(220)의 파라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 특정 각도로 굴절되는데, 이때, 반사패턴(230)의 위치는 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 굴절되는 광의 진행경로를 방해하지 않는 위치에 형성되어야 하는 것이다. Here, referring to FIG. 5A, the position and area of the pyramid-shaped
이에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 태양전지(도 3의 100) 의 렌즈층(220)으로 수직하게 입사되는 광은 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 특정 각도로 굴절되는데, 이 경우 스넬의 법칙(snell's law)에 의해 빛이 입사되는 지점에서의 법선을 기준으로 더 큰 각도를 가지며 굴절되어 나아가게 된다.In more detail, the light incident perpendicularly to the
이때, 스넬의 법칙은 n1sinθ1 = n2sinθ2 .....식(1) In this case, Snell's law is n1sinθ1 = n2sinθ2 ..... (1)
의 식으로 표현되며, 이때, n1, n2는 각각 굴절율을, θ1은 입사각, θ2는 굴절각을 나타낸다. Where n1 and n2 represent refractive indices, θ1 represents an incident angle, and θ2 represents a refractive angle.
즉, 렌즈층(220)에 소정각도(θ1)로 입사되는 광은 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해서 소정각도(θ2)로 굴절된다. That is, light incident on the
이를 이용하여 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)에 대해 θa의 각도를 가지고 입사한 광의 렌즈층(220)을 통과한 후의 굴절각θ를 구해보면, 굴절각 θ에 대한 사인 값은, Using this, the refractive angle θ after passing through the
sinθ= n/n'sin(θa - sin-1((n'/n) sinθa)).....식(2) sinθ = n / n'sin (θa-sin -1 ((n '/ n) sinθa)) ..... Equation (2)
로 표시될 수 있다. It may be represented as.
위의 식(2)을 통해 입사각 θa는 다음과 같은 식으로 표시될 수 있다. Through the above equation (2), the incident angle θa can be expressed by the following equation.
Θa = 90° - θb/2.....식(3) Θa = 90 °-θb / 2 ..... Equation (3)
여기서, θb 는 피라미드 형상의 렌즈(221)의 기울기를 나타내는데, 위의 식(3)을 통해 피라미드 형상의 렌즈(221)의 각도 θb 를 변경함으로써 렌즈층(220)에 입사되는 광의 입사각을 변경시킬 수 있으며, 이에 의해 렌즈층(220)을 빠져나가는 광의 굴절각을 조절할 수 있다. Here, θb represents the inclination of the pyramid-shaped
이때, 피라미드 형상의 렌즈(221)의 각도가 얼마가 되든, 태양전지(도 3의 100) 로 입사되는 광은 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 도 5a에 도시한 바와 같이 A의 면적 내에 해당하는 기울기를 갖도록 굴절하게 된다.At this time, whatever the angle of the pyramid-shaped
이때, 반사패턴(230)은 태양전지(도 3의 100) 의 마이크로렌즈층(200)으로부터 굴절되는 광이 제 2 전극(도 3의 120)을 향해 입사되는 영역을 침범하지 않는 범위 내에서 가장 넓게 형성되는 것이 바람직하다. At this time, the
따라서, 제 1 전극(도 3의 110)에 의해 반사되는 광을 보다 효율적으로 리사이클 시킬 수 있다.Therefore, the light reflected by the
여기서, 반사패턴(230)을 최적의 위치에 형성해야만 반사패턴(230)이 최적의 면적을 갖도록 형성할 수 있다. Here, the
이에, 본 발명의 반사패턴(230)은 피라미드 형상의 렌즈(221)의 꼭지점에서 굴절되는 광과 피라미드 형상의 렌즈(221)의 끝점에서 굴절되는 광이 서로 만나는 점에 대응되는 B의 위치에 위치하도록 하는 것이 가장 최적이다.Accordingly, the
즉, 반사패턴(230)은 피라미드 형상의 렌즈(221)와 멀리 위치할수록 반사패턴(230)을 보다 넓은 면적을 갖도록 형성할 수 있는데, 반사패턴(230)의 위치가 B의 위치에 비해 피라미드 형상의 렌즈(221)와 더욱 멀어지는 C의 위치에 위치할 경우, 반사패턴(230)이 굴절되는 광의 일부를 차단하게 되기 때문에, C의 위치는 반사패턴(230)이 형성될 최적의 위치가 될 수 없다. That is, the
이때, 반사패턴(230)이 형성되는 최적의 위치는 피라미드 형상의 렌즈(221)로부터 피라미드 형상의 렌즈(221) 높이(h)의 약 1.06 ~ 1.1배 정도 떨어져 위치하는 것이 바람직하다. At this time, the optimal position at which the
즉, 본 발명의 마이크로렌즈층(200)은 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)가 지지층(210)으로부터 돌출되어 형성되며 반사패턴(230)은 지지층(210)의 하부면에 형성됨으로써, 반사패턴(230)이 피라미드 형상의 렌즈(221)로부터 떨어져 위치하는 거리는 지지층(210)의 두께(d)에 해당하므로, 지지층(210)의 두께(d)를 피라미드 형상의 렌즈(221) 높이(h)의 약 1.06 ~ 1.1배 정도 되도록 하는 것이 반사패턴(230)이 최적의 면적을 가질 수 있는 최적의 위치에 위치하도록 할 수 있다. That is, in the
일 예로, 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)의 굴절률이 1.56일 경우, 도 5b에 도시한 바와 같이, 수직한 광은 피라미드 형상의 렌즈(221)의 임의의 지점에서 굴절되는데, 이때, 광은 수직한 광으로부터 약 18.05°의 각도로 굴절된다. For example, when the refractive index of the
이에, 피라미드 형상의 렌즈(221)에 의해 굴절되는 광은 피라미드 형상의 렌즈(221)와 지지층(210)을 통과하여 Accordingly, light refracted by the pyramid-shaped
L = (d + x) * tan18.05°..........식(4)L = (d + x) * tan18.05 ° .......... Equation (4)
의 범위 내에 도달하게 된다. It will reach within the range of.
이때, 피라미드 형상의 렌즈(221)의 꼭지점으로부터 굴절되는 광(x=h)은 At this time, the light refracted from the vertex of the pyramidal lens 221 (x = h) is
L1 = (d + h) * tan18.05°...........식(5)L1 = (d + h) * tan18.05 ° ........... Equation (5)
의 범위 내에 도달하게 되며, 피라미드 형상의 렌즈(221)의 끝점에서 굴절되는 광(x=0)은The light refracted at the end point of the pyramidal lens 221 (x = 0)
L2 = (d + 0) * tan18.05°............식(6)L2 = (d + 0) * tan18.05 ° ............ Equation (6)
의 범위 내에 도달하게 된다. It will reach within the range of.
이때, L1 + L2 = h이므로, At this time, L1 + L2 = h,
dtan18.05° + (d + h)tan18.05°= h .............식(7)dtan18.05 ° + (d + h) tan18.05 ° = h ............. Equation (7)
이므로, 위의 식(7)은 아래와 같이 다시 정의될 수 있다. Since equation (7) can be redefined as follows.
2dtan18.05°= (h h)tan18.05°= h(1-tan18.05°) 2dtan18.05 ° = (h h) tan18.05 ° = h (1-tan18.05 °)
∴ d = 2 tan18.05°/h(1- tan18.05°)∴ d = 2 tan18.05 ° / h (1- tan18.05 °)
= h(1- tan18.05°/2 tan18.05°) .............식(8) = h (1- tan18.05 ° / 2 tan18.05 °) ............. Equation (8)
위의 식(8)은 다시 아래와 같이 정의 될 수 있다. Equation (8) can be defined as follows again.
d = h * 1.03 ...........식(9)d = h * 1.03 ........... Equation (9)
즉, 피라미드 형상의 렌즈(221)의 높이(h)가 1일 경우, 지지층(210)의 두께(d)는 1 * 1.03이며, 이때, 반사패턴(230) 또한 피라미드 형상의 렌즈(221)로부터 1 * 1.03의 위치에 위치하는 것이 가장 바람직한 것이다.That is, when the height h of the pyramid-shaped
이때, 반사패턴(230)의 면적은 피라미드 형상의 렌즈(221)의 높이(h)에 비례하므로, (피라미드 형상의 렌즈의 높이(h) * (1.06 ~ 1.1))인 것이 바람직하다. At this time, since the area of the
전술한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(도 3의 100)는 제 2 전극(도 3의 120) 상부에 렌즈층(220)과 반사패턴(230)이 구비된 마이크로렌즈층(200)을 더욱 형성함으로써, 렌즈층(220)을 통해 태양광 등의 광이 특정 각으로 굴절되어 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사되도록 함으로써, 광 경로를 향상시키게 된다. As described above, the
또한, 렌즈층(220)의 피라미드 형상의 렌즈(221)로 인하여, 렌즈층(220)으로 입사되는 태양광이 태양전지(도 3의 100) 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되며, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지(도 3의 100) 내부로 태양광이 흡수되는 비율을 증가시키게 된다. In addition, due to the pyramid-shaped
따라서, 빛의 입사시 보다 효율적으로 전반사를 방지하고 광 산란을 확대하여 빛 포획을 증대시킬 수 있어, 태양전지(도 3의 100)의 효율을 향상시키게 된다. Accordingly, when light is incident more efficiently, total reflection can be prevented and light scattering can be expanded to increase light capture, thereby improving the efficiency of the solar cell (100 of FIG. 3).
또한, 본 발명의 마이크로렌즈층(200)은 지지층(210)의 배면의 최적의 위치에 반사패턴(230)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(도 3의 100) 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극(도 3의 110)에 의해 반사되어 다시 반도체층(도 3의 130)으로 재입사되는 과정에서, 일부 광이 반도체층(도 3의 130)을 그대로 통과하여 태양전지(도 3의 100) 외부로 출광되는 것을 방지할 수 있다. In addition, the
따라서, 태양전지(도 3의 100) 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.Therefore, the amount of light inside the
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 광효율이 향상되는 원리를 개략적으로 도시한 개략도이다. 6 is a schematic view schematically showing a principle that the light efficiency of the solar cell according to the embodiment of the present invention is improved.
도시한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(100)는 마이크로집광층(200)을 통해 태양전지(100) 내부로 광이 흡수되는 비율이 증가된다. As shown, the
또한, 렌즈층(220)을 통해 태양광 등의 광이 특정 각으로 굴절되어 태양전지(100) 내부로 입사되도록 함으로써, 광 경로를 향상시키게 됨으로써, 이를 통해, 태양전지(100) 내부로 집광되어 입사되는 광이 태양전지(100) 내부에서 긴 시간 머무르게 한다. In addition, the light through the
이는, 태양전지(100)의 광 포획 능력을 향상시키는 것으로써, 이렇게 태양전지(100)로 입사되는 광량을 증가시키고, 광 포획 능력을 향상시킴으로써, 태양전지(100)의 효율이 향상되는 것이다. This is to improve the light trapping ability of the
또한, 마이크로렌즈층(200)의 반사패턴(230)에 의해, 제 1 전극(110)에 의해 반사된 광이 태양전지(100) 외부로 바로 출광되는 것을 방지하고, 광이 리사이클되도록 함으로써, 태양전지(100) 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.In addition, the
아래 표(1)은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지(100)의 태양광 등의 광의 반도체층(130)으로의 흡수율을 시뮬레이션한 결과이다. Table 1 below is a result of simulating the absorption rate of light such as sunlight into the
위의 표(1)에서 sample 1은 일반적인 태양전지의 시뮬레이션결과이며, sample 2는 텍스처 가공공정을 통해 그 표면이 요철형상으로 형성된 투명전극을 포함하는 태양전지의 시뮬레이션결과이며, sample 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈층이 구비된 태양전지의 시뮬레이션결과이다. In Table 1 above, sample 1 is a simulation result of a general solar cell, and sample 2 is a simulation result of a solar cell including a transparent electrode whose surface is formed in an irregular shape through a texture processing process, and sample 3 is the present invention. Simulation results of a solar cell provided with a microlens layer according to an embodiment of the present invention.
여기서, 텍스처 가공공정을 통해 일반적인 태양전지에 비해 반도체층의 광 흡수율이 약10% 정도 향상됨을 알 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 반도체층의 흡수율은 165%로, sample 1에 비해서 약 65% 이상 광의 흡수율이 향상되는 것을 알 수 있다. Here, it can be seen that the light absorption of the semiconductor layer is improved by about 10% compared to the general solar cell through the texture processing process, but the absorption rate of the semiconductor layer of the solar cell according to the embodiment of the present invention is 165%, It can be seen that the absorption of light is improved by about 65% or more.
전술한 바와 같이, 본 발명의 태양전지(100)는 제 2 전극(120) 상부에 렌즈층(220)과 반사패턴(230)이 구비된 마이크로렌즈층(200)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(100) 내부로 입사되는 광의 경로를 향상시키게 되어, 빛 포획을 증대시킬 수 있어, 태양전지(100)의 효율을 향상시키게 된다. As described above, the
또한, 본 발명의 마이크로렌즈층(200)은 지지층(210)의 배면의 최적의 위치에 반사패턴(230)을 더욱 형성함으로써, 태양전지(100) 내부로 입사된 광 중 일부가 제 1 전극(110)에 의해 반사되는 광을 리사이클 할 수 있어, 태양전지(100) 내부의 광량을 더욱 향상시키게 된다.In addition, the
본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
100 : 태양전지, 101 : 절연기판
110 : 제 1 전극
120 : 제 2 전극
130 : 반도체층(130a :p형 반도체층, 130b : n형 반도체층, 130c : 순수 비정질 실리콘층)
200 : 마이크로렌즈층(210 : 지지층, 220 : 렌즈층, 221 : 피라미드 형상의 렌즈, 230 : 반사패턴)100: solar cell, 101: insulating substrate
110: first electrode
120: second electrode
130: semiconductor layer (130a: p-type semiconductor layer, 130b: n-type semiconductor layer, 130c: pure amorphous silicon layer)
200: microlens layer (210: support layer, 220: lens layer, 221: pyramidal lens, 230: reflection pattern)
Claims (14)
상기 절연기판의 광이 입사되는 일면에 형성되는 제 1 전극과;
상기 제 1 전극 상에 형성되는 반도체층과;
상기 반도체층 상에 형성되는 제 2 전극과;
상기 제 2 전극 상에 형성되며, 지지층과, 상기 지지층의 일면에 형성되며 다수의 피라미드 형상의 렌즈가 상기 지지층의 종방향과 횡방향으로 서로 인접 배열되도록 돌출 형성되는 렌즈층과, 상기 렌즈층이 형성된 상기 지지층의 타면에 형성되며 이웃하는 태양전지.
An insulating substrate;
A first electrode formed on one surface to which light of the insulating substrate is incident;
A semiconductor layer formed on the first electrode;
A second electrode formed on the semiconductor layer;
A lens layer formed on the second electrode, a lens layer formed on one surface of the support layer, and protruding so that a plurality of pyramidal lenses are arranged adjacent to each other in the longitudinal and transverse directions of the support layer; Solar cells formed on the other surface of the support layer formed and neighboring.
상기 지지층의 두께는 상기 피라미드 형상의 렌즈의 높이에 1.06 ~ 1.1배 인 태양전지.
The method of claim 1,
The support layer has a thickness of 1.06 to 1.1 times the height of the pyramid-shaped lens.
상기 반사패턴 일단은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 꼭지점에서 굴절되는 광과 상기 피라미드 형상의 렌즈의 끝점에서 굴절되는 광이 서로 만나는 점에 대응되는 위치에 위치하는 태양전지.
The method of claim 1,
One end of the reflective pattern is located at a position corresponding to the point where the light refracted at the vertex of the pyramid-shaped lens and the light refracted at the end of the pyramid-shaped lens meet each other.
상기 반사패턴의 면적은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 높이 * (1.06 ~ 1.1)인 태양전지.
The method of claim 1,
The area of the reflective pattern is the height * (1.06 ~ 1.1) of the pyramidal lens.
상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 대응하여 형성되는 반사패턴을 포함하는 태양전지.
The method of claim 1,
Solar cell comprising a reflective pattern formed corresponding to the edge of the pyramid-shaped lens.
상기 반사패턴은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 사각형 형태로 형성되거나, 상기 피라미드 형상의 렌즈의 모서리에 삼각형 형태로 형성되는 태양전지.
The method of claim 5, wherein
The reflective pattern is formed in a rectangular shape on the corner of the pyramid-shaped lens, or a solar cell formed in a triangular shape on the corner of the pyramid-shaped lens.
상기 반사패턴은 상기 피라미드 형상의 렌즈의 가장자리를 따라 형성되는 태양전지.
The method of claim 1,
The reflective pattern is formed along the edge of the pyramidal lens.
상기 반사패턴은 은(Ag), 알루미늄(Al), 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2) 또는 산화마그네슘(MgO) 중 선택된 하나로 이루어지는 태양전지.
The method of claim 1,
The reflective pattern is a solar cell comprising one selected from silver (Ag), aluminum (Al), silicon oxide (SiO 2), titanium oxide (TiO 2) or magnesium oxide (MgO).
상기 렌즈층은 투명 아크릴(acryl) 계열 수지 또는 포토레지스트(photoresist)와 같은 감광성물질 중 선택된 하나로 이루어지는 태양전지.
The method of claim 1,
The lens layer is a solar cell comprising one selected from photosensitive materials such as transparent acrylic (acryl) resin or photoresist (photoresist).
상기 지지층은 PMMA(polymethylmethacrylate) 또는 열가소성수지인 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate) 중 하나로 이루어지는 태양전지.
The method of claim 1,
The support layer is a solar cell consisting of one of polymethylmethacrylate (PMMA) or polyethylene terephthalate (PET) and polycarbonate (PC).
상기 제 2 전극은 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide)로 이루어지는 태양전지.
The method of claim 1,
The second electrode is a solar cell made of a transparent conductive oxide (transparent conductive oxide).
상기 반도체층은 n형 반도체층과 순수 비정질 실리콘층 그리고 p형 반도체층으로 이루어지는 태양전지.
The method of claim 1,
The semiconductor layer is a solar cell consisting of an n-type semiconductor layer, a pure amorphous silicon layer and a p-type semiconductor layer.
상기 제 1 전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택된 하나로 이루어지는 태양전지.
The method of claim 1,
The first electrode is a solar cell consisting of one selected from silver (Ag) or aluminum (Al).
상기 제 2 전극은 표면이 요철 형상인 태양전지. The method of claim 1,
The second electrode has a concave-convex surface.
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