KR101921237B1 - 건물 일체형 태양 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건물 일체형 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈은 서로 마주 보며 위치하는 제1 투명 기판과 제2 투명 기판; 및 제1 투명 기판과 제2 투명 기판 사이에 위치하는 복수의 태양 전지 셀;을 포함하고, 복수의 태양 전지 셀 각각은 제1 투명 기판의 후면에 접촉하여 위치하는 제1 전극; 복수의 제1 전극의 후면에 위치하고, 적어도 하나의 p형 반도체층, i형(진성) 반도체층, n형 반도체층을 포함하는 광전 변환부; 및 광전 변환부의 후면에 위치하는 제2 전극;를 포함하고, 복수의 태양 전지 셀에서 상기 광전 변환부는 제1 전극의 후면에 위치하는 제1 광전 변환층과, 제1 광전 변환층의 후면에 위치하는 제2 광전 변환층을 포함하고, 제1 광전 변환층과 제2 광전 변환층 사이에는 중간 반사층을 더 포함하며, 여기서, 중간 반사층은 산소(O)를 함유한 미세 결정질 실리콘(μc-SiOx) 재질을 포함할 수 있다.

Description

건물 일체형 태양 전지 모듈{BUILDING INTERGRATED PHOTOVOLTAICS MODULE}

본 발명은 건물 일체형 태양 전지 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 태양 전지란 태양 광을 포집하여 전기 에너지를 생성할 수 있는 발전 장치로서 최근 고유가에 따라 그 수요가 크게 증가 되고 있는 실정이다.

이러한, 통상적인 태양 전지는 보통 태양 광을 수직으로 전달받을 수 있도록 건물의 옥상이나 지붕 등에 일정각도로 설치되는데, 요즘 같이 다세대로 이루어진 고층 빌딩의 경우 건물의 옥상이나 지붕 등의 공간이 한정되어 있어 태양 전지를 설치하기에 무리가 있었다.

한편, 한국은 태양광에너지의 공급비중이 적고 건물에 적용된 태양광 발전시스템은 더욱 미비한 상태였으나, 국제사회의 관심과 전력수요의 증가 등으로 태양광 분야에서의 건물 적용 태양광 발전시스템 설치사례가 점차 늘어나고 있다.

2001년부터 에너지기술연구소 주관으로 BIPV 기술개발을 위한 '중대규모 건축환경에서의 태양광발전시스템 적용요소 기술개발 연구'를 시작하였다. 사업내용은 BIPV용 건자재일체형 태양전지모듈 개발, String/Unit형 파워 컨디셔너 개발, 최적설계와 시공기술 개발 및 실증적용시험 등이며, 이를 통하여 BIPV 연구를 위한 기반을 확보하고 기초연구를 하여 국내 최초로 태양전지모듈을 개발하였다.

건물 일체형 태양 전지 모듈(Building Integrated Photovoltaic, BIPV)은 태양광 에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 것 외에 건축물 외장재로 사용하는 태양 전지 모듈을 말한다.

이와 같은 건물 일체형 태양 전지 모듈은 통상적으로 채광 효과를 강화하기 위하여, 태양 전지 셀의 일부를 상대적으로 큰 폭으로 패터닝하여 제거하는 경우가 일반적이었다.

그러나, 이와 같은 경우, 건물의 외장재로 사용되는 건물 일체형 태양 전지 모듈의 특성을 고려하였을 때에, 외관상 줄무늬가 있어 수려하지 못하고, 상대적으로 태양 전지 모듈의 광전 변환 효율이 떨어지는 단점이 있었다.

본 발명은 외관이 수려하고, 광전 변환 효율이 보다 뛰어난 건물 일체형 태양 전지 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈은 서로 마주 보며 위치하는 제1 투명 기판과 제2 투명 기판; 및 제1 투명 기판과 제2 투명 기판 사이에 위치하는 복수의 태양 전지 셀;을 포함하고, 복수의 태양 전지 셀 각각은 제1 투명 기판의 후면 위에 위치하는 제1 전극; 복수의 제1 전극의 후면에 위치하고, 적어도 하나의 p형 반도체층, i형(진성) 반도체층, n형 반도체층을 포함하는 광전 변환부; 및 광전 변환부의 후면에 위치하는 제2 전극;를 포함하고, 복수의 태양 전지 셀에서 상기 광전 변환부는 제1 전극의 후면에 위치하는 제1 광전 변환층과, 제1 광전 변환층의 후면에 위치하는 제2 광전 변환층을 포함하고, 제1 광전 변환층과 제2 광전 변환층 사이에는 중간 반사층을 더 포함하며, 여기서, 중간 반사층은 산소(O)를 함유한 미세 결정질 실리콘(μc-SiOx) 재질을 포함할 수 있다.

여기서, 복수의 태양 전지 셀은 입사되는 빛 중에서 300nm ~ 800nm 이하의 빛은 70% 이상 흡수하고, 800nm ~ 1100 nm 사이의 빛은 70% 이상 투과할 수 있다.

또한, 복수의 태양 전지 셀 각각에 포함된 제1 전극, 광전 변환부, 및 제2 전극은 제1 방향으로 형성된 복수의 제1 방향 스크라이빙 패턴에 의해 구분되고, 복수의 태양 전지 셀 각각은 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 형성되며, 복수의 태양 전지 셀 각각에 포함된 광전 변환부의 일부 영역을 제거하는 복수의 제2 방향 스크라이빙 패턴을 포함하지 않을 수 있다.

아울러, 복수의 태양 전지 셀에서 광전 변환부는 제1 전극의 후면에 위치하는 제1 광전 변환층과, 제1 광전 변환층의 후면에 위치하는 제2 광전 변환층을 포함 수 있다.

여기서, 제1 광전 변환층은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함하고, 제2 광전 변환층은 게르마늄(Ge)이 함유된 비정질 실리콘(a-SiGe) 재질을 포함할 수 있다.

이때, 제1 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)는 제2 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)보다 높고, 제1 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)은 상기 제2 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)과 중첩되지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)는 1.7eV ~ 1.8eV 사이일 수 있으며, 제2 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)는 1.4eV ~ 1.6eV 사이일 수 있다. 이를 위해, 제2 광전 변환층의 게르마늄(Ge)이 함유량은 10at%(원자량 퍼센트) ~ 53at% 사이로 형성할 수 있다.

아울러, 제1 광전 변환층과 제2 광전 변환층 사이에는 중간 반사층을 더 포함하고, 중간 반사층은 산소(O)를 함유한 미세 결정질 실리콘(μc-SiOx) 재질을 포함할 수 있다.

또한, 건물 일체형 태양 전지 모듈은 복수의 태양 전지 셀의 양쪽 최외곽 셀과 전기적으로 연결되는 정션 박스;를 더 포함하고, 정션 박스는 제2 투명 기판의 후면 영역 중 가장 자리에 위치할 수 있다.

본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈은 복수의 제2 방향 스크라이빙 패턴을 포함하지 않으면서 반투과형으로 모듈을 형성함으로써, 모듈의 외관을 보다 수려하게 하고 태양 전지의 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(BIPV)의 일례를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 건물 일체형 태양 전지 모듈이 프레임에 의해 결합된 일례를 도시한 도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 건물 일체형 태양 전지 모듈이 사용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 도 1에 도시된 건물 일체형 태양 전지 모듈에서 제1 투명 기판 위에 위치하는 복수의 태양 전지 셀을 위에서 바라본 평면도이다.
도 5는 도 4에서 Ⅴ-Ⅴ 라인에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명과 구별되는 비교예를 설명하기 위한 도이다.
도 7은 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈에서 복수의 태양 전지 셀에 포함되는 광전 변환부에 대해 보다 구체적으로 설명하기 위한 도이다.
도 8은 본 발명에 따른 광전 변환부의 게르마늄(Ge) 함유량에 대해 설명하기 위한 도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 “전체적”으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지 모듈에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(BIPV)의 일례를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 건물 일체형 태양 전지 모듈이 프레임에 의해 결합된 일례를 도시한 도이고, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 건물 일체형 태양 전지 모듈이 사용되는 일례를 설명하기 위한 도이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 서로 마주 보며 위치하는 제1 투명 기판(100)과 제2 투명 기판(200), 복수의 태양 전지 셀(10), 복수의 태양 전지 셀(10)과 제2 투명 기판(200) 사이에 위치하는 투명 봉지재(40), 및 복수의 태양 전지 셀(10)의 양쪽 최외곽 셀(10)과 전기적으로 연결되는 정션 박스(70)를 더 포함할 수 있다.

여기서, 제1 투명 기판(100)과 제2 투명 기판(200)은 투명한 글래스 기판 또는 투명한 시트일 수 있다.

이와 같은 제1 투명 기판(100)과 제2 투명 기판(200) 사이에는 복수의 태양 전지 셀(10)이 위치할 수 있다. 이와 같은 복수의 태양 전지 셀(10)은 제1 투명 기판(100) 위에 접촉하여 형성될 수 있다. 일례로, 복수의 태양 전지 셀(10)은 제1 전극(미도시), 광전 변환부(미도시) 및 제2 전극(미도시)를 포함할 수 있다.

이와 같은 복수의 태양 전지 셀(10)들은 서로 전기적으로 직렬 연결되어 있어, 복수의 태양 전지 셀(10)에 포함되는 양쪽 최외곽 셀(10)을 서로 연결하면 전류가 흐르게 된다.

투명 봉지재(40)는 복수의 태양 전지 셀(10)에 포함되는 제2 전극과 제2 투명 기판(200) 사이에 위치하며, 투명하고 절연성 물질을 포함한 재질을 포함할 수 있고, 일례로, 에바(ethylene vinyl acetate, EVA)를 포함할 수 있다.

정션 박스(70)(junction box)는 전술한 바와 같이, 복수의 태양 전지 셀(10)의 양쪽 최외곽 셀(10)과 전기적으로 연결되며, 복수의 태양 전지 셀(10)로부터 생산된 전기를 수집하여 모듈의 외부 전력 계통으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.

아울러, 이와 같은 정션 박스(70)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 투명 기판(200)의 후면 영역 중 가장 자리에 위치할 수 있고, 이에 따라, 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)로 입사되는 빛 중에서 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)을 투과하는 장파장 대역의 빛이 차단되는 것을 최소화할 수 있다.

이와 같은 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은, 일례로 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 태양 전지 셀(10)과 투명 봉지재(40)가 제1 투명 기판(100)과 제2 투명 기판(200) 사이에 위치한 상태에서 합착되고, 제1 투명 기판(100)과 제2 투명 기판(200) 사이의 영역 중에서 복수의 태양 전지 셀(10)과 중첩되지 않는 가장 자리 영역을 실링재(60)로 밀봉하고, 제1 투명 기판(100) 및 제2 투명 기판(200)의 외곽 테두리를 프레임(50)으로 고정하여 형성될 수 있다. 그러나, 여기서, 프레임(50)은 필수적인 것은 아니며, 프레임(50) 이외에 다른 고정 수단이 있다면, 생략될 수도 있다.

이와 같은 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 도 3에 도시된 바와 같이, 건물이나 온실의 외벽, 예를 들어, 창문이나 지붕에 설치되어, 입사되는 300nm ~ 1100nm 파장 대역의 빛 중에서 예를 들어, 단파장 대역에 속하는 파장 대역의 빛(예를 들어, 300nm ~ 800nm 대역의 빛)은 대부분 흡수(예를 들어, 70% 이상 흡수)하여 태양광 발전에 이용하고, 장파장 대역에 속하는 파장의 빛(예를 들어, 800nm ~ 1100 nm 파장 대역의 빛)은 대부분 투과(예를 들어, 70% 이상 투과)하여 건물 내부의 채광에 기여하거나, 온실 내의 식물에 에너지원으로 사용되도록 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 입사되는 빛을 반투과함으로써, 광전 변환 효율이 뛰어난 800nm 이하의 빛은 태양 전지에서 흡수되도록하여 발전하고, 상대적으로 광전 변환 효율이 낮은 800nm ~ 1100 nm 사이의 빛은 투과되도록 하여 농작물을 재배하는데 사용될 수 있다. 이에 따라, 태양광 발전과 농작물 재배 또는 채광이 동시에 최적으로 이루어지도록 할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 4는 도 1에 도시된 건물 일체형 태양 전지 모듈에서 제1 투명 기판 위에 위치하는 복수의 태양 전지 셀을 위에서 바라본 평면도이고, 도 5는 도 4에서 Ⅴ-Ⅴ 라인에 따른 단면도이고, 도 6은 본 발명과 구별되는 비교예를 설명하기 위한 도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 건물 일체형 태양 전지 모듈에서 복수의 태양 전지 셀은 제1 투명 기판 위에 접하여 위치할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)의 일례는 제1 투명 기판(100) 위에 복수의 태양 전지 셀(10)이 배치되어 형성될 수 있다.

대면적의 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 통상 1.1×1.3 ㎡, 1.1×1.4 ㎡, 2.2×2.6㎡의 크기로 시장에서 유통되고 있으며, 1.1×1.3 ㎡ 및 1.1×1.4 ㎡의 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 100개 이상의 태양 전지 셀(10)을 포함할 수 있다.

여기서, 제1 투명 기판(100) 위의 부분 중에서 복수의 태양 전지 셀(10)이 배치되지 않는 영역(S1)은 광전 변환을 일으키지 않는 무효 영역으로 정의될 수 있고, 에지 제거 영역(edge deletion region)일 수 있고, 복수의 태양 전지 셀(10)이 배치되는 영역(S2)은 실질적으로 광전 변환을 일으키는 유효 영역으로 정의일 수 있다.

이와 같은 복수의 태양 전지 셀(10)은 제1 방향(Y)으로 형성된 복수의 제1 방향 스크라이빙 패턴(SL1)에 의해 구분될 수 있다.

여기서, 이와 같은 복수의 태양 전지 셀(10) 각각은 태양 전지 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 투명 기판(100) 위에 접촉하여 위치하는 복수의 태양 전지 셀(10)은 각각 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전극(110), 광전 변환부(PV), 및 제2 전극(140)을 포함할 수 있다. 아울러, 도 5에는 도시되지는 않았지만, 중간 반사층(미도시) 및 후면 반사층(미도시)이 더 포함될 수 있다.

이와 같은 복수의 태양 전지 셀(10)은 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 인접한 태양 전지 셀(10)의 제1 전극(110)과 제2 전극(140)이 서로 접촉하여 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.

이와 같은 복수의 태양 전지 셀(10) 중에서 양쪽 최외곽에 위치하는 최외곽 셀(10)은 앞서 설명한 바와 같이, 정션 박스(70)와 전기적으로 연결될 수 있다.

여기서, 제1 전극(110)은 제1 투명 기판(100)의 후면에 접촉하여 배치되고, 입사되는 광의 투과율을 높이기 위해 실질적으로 투명하면서도 전기 전도성을 갖는 재질을 포함할 수 있다.

예컨대, 제1 전극(110)은 대부분의 빛이 통과하며 전기가 통할 수 있도록 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도를 구비하기 위해 인듐주석산화물(indium tin oxide: ITO), 주석계 산화물(SnO2 등), AgO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), 알루미늄을 함유한 아연 산화물(ZnO:Al, AZO), 붕소를 함유한 아연 산화물(ZnO:B, BZO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것으로 형성될 수 있다. 바람직하게, 제1 전극(110)은 알루미늄을 함유한 아연 산화물(ZnO:Al, AZO)을 포함하여 형성될 수 있다.

이러한 제1 전극(110)은 광전변환부(PV)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(110)은 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 정공을 수집하여 출력할 수 있다.

아울러, 도 5에는 도시되지는 않았지만, 제1 전극(110)의 상부 표면에는 랜덤(random)한 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철이 형성될 수 있다. 즉, 제1 전극(110)의 후면은 텍스처링 표면(texturing surface)을 구비할 수 있다. 이와 같이, 제1 전극(110)의 표면을 텍스처링하게 되면, 입사되는 광의 반사를 저감시키고, 광의 흡수율을 높일 수 있어서 태양전지(10)의 효율을 향상시키는 것이 가능하다.

광전변환부(PV)는 제1 전극(110) 위에 위치하며, 외부로부터 입사되는 광으로 전력을 생산하는 기능을 한다. 이와 같은 광전변환부(PV)는 도 5에는 도시되지는 않았지만, p형 반도체층(미도시), i형(또는 진성) 반도체층(미도시), 및 n형 반도체층(미도시)을 포함할 수 있다.

이와 같은 광전변환부(PV)는 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 형성될 수 있는 것이다.

제2 전극(140)은 광전 변환부(PV)의 후면 위에 위치하며, 광전변환부(PV)가 발생시킨 전력의 회수 효율을 높이기 위해 투명한 전기 전도성 재질을 포함할 수 있다. 일례로 제2 전극(140)은 알루미늄 아연 산화물(ZnO:Al) 또는 붕소 아연 산화물(ZnO:B)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 제2 전극(140)은 또는 붕소 아연 산화물(ZnO:B)을 포함하여 형성될 수 있다.

이와 같은, 제2 전극(140)은 광전변환부(PV)와 전기적으로 연결되어 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 전자를 수집하여 출력할 수 있다.

이러한 구조에서, p형 반도체층(PV-p) 쪽으로 광이 입사되면 i형 반도체층(PV-i)의 내부에서는 상대적으로 높은 도핑 농도를 갖는 p형 반도체층(PV-p)과 n형 반도체층(PV-n)에 의해 공핍(depletion)이 형성되고, 이에 따라 전기장이 형성될 수 있다. 이때, 외부에서 입사된 빛은 i형 반도체층(PV-i)에서 전자와 정공으로 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 p형 반도체층(PV-p)을 통해 제1 전극(110)쪽으로 이동하고, 전자는 n형 반도체층(PV-n)을 통해 제2 전극(140)쪽으로 이동할 수 있다. 이러한 방식으로 전력이 생산될 수 있는 것이다.

여기서, 본 발명에 따른 복수의 태양 전지 셀(10)은 앞서 언급한 바와 같이, 제1 방향(Y)으로 형성된 복수의 제1 방향 스크라이빙 패턴(SL1)에 의해 구분될 수 있다.

이와 같은 복수의 제1 방향 스크라이빙 패턴(SL1)은 도 5에 도시된 바와 같이, 각각 제1 방향(Y)으로 형성된 P1, P2, P3 라인을 포함할 수 있다.

여기서, 제1 방향(Y)으로 형성된 P1 라인은 복수의 태양 전지 셀(10) 각각에 포함되는 제1 전극(110)을 구분하고, 제1 방향(Y)으로 형성된 P2 라인은 복수의 태양 전지 셀(10) 각각에 포함되는 광전 변환부(PV)를 구분하고, 서로 인접한 태양 전지 셀(10)의 제1 전극(110)과 제2 전극(140)이 서로 직렬 연결되는 통로를 제공하며, 제1 방향(Y)으로 형성된 P3 라인은 복수의 태양 전지 셀(10) 각각에 포함되는 제2 전극(140)을 구분할 수 있다.

이와 같은 복수의 제1 방향 스크라이빙 패턴(SL1)은 P1, P2, P3 라인 각각의 폭이 상대적으로 좁아 수십 마이크로미터(μm) 단위로 형성되며, 모듈의 채광 효과에는 거의 기여하지 않고, 육안으로도 거의 확인되지 않을 수 있다. 따라서, 모듈의 외관에 거의 영향을 주지 않을 수 있다.

한편, 이와 같은 본 발명에 따른 복수의 태양 전지 셀(10)은 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 방향(Y)과 교차하는 제2 방향(X)으로 형성되며, 복수의 태양 전지 셀(10) 각각에 포함된 광전 변환부(PV)의 일부 영역을 제거하는 복수의 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)을 포함하지 않을 수 있다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 비교예에서는 복수의 태양 전지 셀(10)이 제1 방향(Y)으로 형성되는 복수의 제1 방향 스크라이빙 패턴(SL1)과, 제1 방향(Y)과 교차하는 제2 방향(X)으로 형성된 복수의 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)을 포함할 수 있다.

이와 같은, 복수의 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)은 제1 방향 스크라이빙 패턴(SL1)과 달리, 복수의 태양 전지의 직렬 연결 구조와 무관하며, 단지 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)의 개구율을 확보하기 위한 것이다.

즉, 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 일반 태양 전지 모듈과 달리, 광전 변환 기능뿐만 아니라 채광 기능도 중요한 요소가 되는데, 이때, 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)의 채광 기능을 강화하기 위해서 제2 방향(X)으로 형성된 복수의 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)을 포함할 수 있다.

이와 같은 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)은 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 태양 전지 셀(10) 각각에 포함된 광전 변환부(PV) 및 제2 전극(140)의 일부 영역을 패터닝하여 제거함으로써 형성될 수 있다.

그러나, 채광 기능을 강화하기 위한 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)의 폭은 육안으로 확인될 정도로 제1 방향 스크라이빙 패턴(SL1)의 폭보다 상대적으로 매우 커서, 모듈의 외관을 수려하게 하지 못하게 하고, 상대적으로 폭이 큰 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)으로 인하여, 태양 전지 모듈의 광전 변환 효율이 상대적으로 저하될 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 도 6에 도시된 바와 다르게, 제2 방향(X)으로 형성된 복수의 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)을 포함하지 않아, 보다 수려한 외관을 형성할 수 있고, 아울러, 태양 전지 모듈의 광전 변환 효율을 상대적으로 더 증가시킬 수 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)을 포함하지 않고도 입사되는 빛 중에서 800nm 이하의 빛은 70% 이상 흡수하고 800nm ~ 1100 nm 사이의 빛은 70% 이상 투과하는 반투과형 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)을 형성하기 위하여, 광전 변환부(PV)가 제1 광전 변환층(미도시)과 제2 광전 변환층(미도시)을 구비하되, 제1 광전 변환층(미도시) 및 제2 광전 변환층(미도시)의 밴드갭을 다르게 제어할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈에서 복수의 태양 전지 셀에 포함되는 광전 변환부에 대해 보다 구체적으로 설명하기 위한 도이고, 도 8은 본 발명에 따른 광전 변환부의 게르마늄(Ge) 함유량에 대해 설명하기 위한 도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)에 포함되는 복수의 태양 전지 셀(10)에서 광전 변환부(PV)는 제1 전극(110)의 후면에 위치하는 제1 광전 변환층(PV1)과, 제1 광전 변환층(PV1)의 후면에 위치하는 제2 광전 변환층(PV2)을 포함할 수 있다.

여기서, 광전변환부(PV)의 제1 광전 변환층(PV1)과 제2 광전 변환층(PV2) 각각은 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p), i형(진성) 반도체층(PV1-i, PV2-i), 및 n형 반도체층(PV1-n, PV2-n)을 포함할 수 있다.

여기서, p형 반도체층(PV1-p, PV2-p)은 실리콘(Si)에 제1 도전성 타입의 불순물, 예를 들어 3가 원소의 불순물과 같은 p타입의 불순물을 함유할 수 있고, n형 반도체층(PV1-n, PV2-n)은 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p) 위에 위치하며, 실리콘(Si)에 제1 도전성 타입의 불순물과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물, 예를 들어 5가 원소의 불술물가 같은 n타입의 불순물을 함유할 수 있다.

아울러, i형 반도체층(PV1-i, PV2-i)은 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p)과 n형 반도체층(PV1-n, PV2-n) 사이에 각각 위치할 수 있으며, 실리콘(Si) 재질로 형성될 수 있으며, 전술한 제1 및 제2 도전성 타입의 불순물을 함유하지 않을 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 광전 변환부(PV)의 제1 광전 변환층(PV1)과 제2 광전 변환층(PV2) 각각은 제1 투명 기판(100)의 입사면으로부터 p-i-n 구조, 즉 각각의 p형 반도체층(PV1-p, PV2-p), 진성(i형) 반도체층(PV1-i, PV2-i), n형 반도체층(PV1-n, PV2-n)이 순차적으로 적층되는 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이와 다르게, 광전 변환부(PV)의 제1 광전 변환층(PV1)과 제2 광전 변환층(PV2) 각각이 n-i-p와 같은 구조로 형성되는 것도 가능하다.

보다 구체적으로 설명하면, p형 반도체층(PV1-p, PV2-p)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 이용하여 형성할 수 있다.

n형 반도체층(PV1-n, PV2-n)은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함한 가스를 이용하여 형성할 수 있다.

진성(i) 반도체층(PV-i)은 캐리어의 재결합율을 줄이고 광을 흡수할 수 있다. 이러한 i형 반도체층(PV1-i, PV2-i)은 입사되는 광을 흡수하여, 전자와 정공과 같은 캐리어를 생성할 수 있다.

여기서, 제1 광전 변환층(PV1)의 밴드갭 에너지(Eg)는 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지(Eg)보다 높고, 광전 변환 효율을 보다 향상시키기 위하여 제1 광전 변환층(PV1)의 밴드갭 에너지(Eg)은 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지(Eg)과 중첩되지 않도록 할 수 있다.

이와 같이, 제1 광전 변환층(PV1)의 밴드갭 에너지(Eg)은 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지(Eg)과 중첩되지 않도록 하는 것은, 밴드갭 에너지가 중첩될 경우, 광흡수 대역이 겹쳐져 출력이 상대적으로 낮아질 수 있기 때문이다.

이를 위해, 제1 광전 변환층(PV1)의 밴드갭 에너지(Eg)는 1.7eV ~ 1.8eV 사이, 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지(Eg)는 1.4eV ~ 1.6eV 사이로 형성시킬 수 있다.

여기서, 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지(Eg)를 1.4eV 이상으로 하는 것은 장파장 대역의 빛을 최대한 투과시켜, 장파장 대역에 대한 광투과도를 극대화하기 위함이고, 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지(Eg)를 1.6eV 이하로 하는 것은 광흡수 대역이 제1 광전 변환층(PV1)과 겹쳐지지 않도록 하기 위함이다.

이와 같이, 제1 광전 변환층(PV1)의 밴드갭 에너지를 1.7eV ~ 1.8eV 사이로 형성하면, 모듈로 입사되는 300nm ~ 1100nm 파장 대역의 빛 중에서 300nm ~ 600nm 단파장 대역의 빛을 대부분(70% 이상) 흡수할 수 있고, 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지(Eg)는 1.4eV ~ 1.6eV 사이로 형성하면, 모듈로 입사되는 300nm ~ 1100nm 파장 대역의 빛 중에서 500nm ~ 800nm 중파장 대역의 빛을 대부분(70% 이상) 흡수할 수 있고, 아울러, 800nm ~ 1100nm 장파장 대역의 빛은 대부분(70% 이상) 투과시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 입사되는 빛 중에서 300nm ~ 800nm 이하의 빛은 70% 이상 흡수하고, 800nm ~ 1100 nm 사이의 빛은 70% 이상 투과시킬 수 있다.

이를 위해, 제1 광전 변환층(PV1)은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함하고, 제2 광전 변환층(PV2)은 게르마늄(Ge)이 함유된 비정질 실리콘(a-SiGe) 재질을 포함할 수 있다.

여기서, 게르마늄(Ge)을 제2 광전 변환층(PV2)에 함유시키는 이유는 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함하는 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지를 낮추기 위함이다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함하는 제2 광전 변환층(PV2)에 게르마늄(Ge)을 함유시키면, 게르마늄의 함유량에 따라 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지가 변화되는 것을 확인할 수 있다.

즉, 게르마늄(Ge)의 함유량이 증가하면, 밴드갭 에너지가 감소하고, 게르마늄(Ge)의 함유량이 감소하면, 밴드갭 에너지가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 특징을 이용하여, 제2 광전 변환층(PV2)의 게르마늄(Ge)이 함유량은 10at%(원자량 퍼센트) ~ 53at% 사이로 형성하면, 제2 광전 변환층(PV2)의 밴드갭 에너지(Eg)는 1.4eV ~ 1.6eV 사이로 형성할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)에서 제1 광전 변환층(PV1)과, 제2 광전 변환층(PV2) 사이에는 중간 반사층(150a)이 더 포함될 수 있다.

이와 같은 중간 반사층(150a)은 산소(O)를 함유한 미세 결정질 실리콘(μc-SiOx) 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 이와 같은 중간 반사층(150a)은 제1 광전 변환층(PV1)과 제2 광전 변환층(PV2)을 서로 오믹 컨텍(ohmic contact)시키며, 동시에 제1 광전 변환층(PV1)에서 흡수되지 않은 단파장 대역의 빛을 반사시켜 제1 광전 변환층(PV1)이 재흡수할 수 있도록 광을 트랩핑(trapping)하는 역할을 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 광전 변환부(PV)의 제2 광전 변환층(PV2)과 제2 전극(140) 사이에도 산소(O)를 함유한 미세 결정질 실리콘(μc-SiOx) 재질을 포함하는 후면 반사층(150b)을 더 포함할 수 있다.

이와 같은 후면 반사층(150b)은 광전 변환부(PV)의 제2 광전 변환층(PV2)과 제2 전극(140)을 서로 오믹 컨텍(ohmic contact)시키며, 동시에 제2 광전 변환층(PV2)에서 흡수되지 않은 중파장 대역의 빛을 반사시켜 제2 광전 변환층(PV2)이 재흡수할 수 있도록 광을 트랩핑(trapping)하는 역할을 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양 전지 모듈(1)은 제2 방향 스크라이빙 패턴(SL2)을 포함하지 않고도 입사되는 빛 중에서 800nm 이하의 빛은 70% 이상 흡수하고 800nm ~ 1100 nm 사이의 빛은 70% 이상 투과하도록 하여, 모듈의 광전 변환 기능뿐만 아니라 채광 기능을 최적화하면서, 모듈의 외관을 보다 수려하게 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

1. 서로 마주 보며 위치하는 제1 투명 기판과 제2 투명 기판; 및
   상기 제1 투명 기판의 후면 위에 위치하는 제1 전극;
   상기 제2 투명 기판의 전면에 위치하는 제2 전극;
   상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 복수의 태양 전지 셀;을 포함하고,
   상기 복수의 태양 전지 셀 각각은
   상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고, 적어도 하나의 p형 반도체층, i형(진성) 반도체층, n형 반도체층을 포함하는 광전 변환부를 포함하고,
   상기 복수의 태양 전지 셀에서 상기 광전 변환부는
   상기 제1 전극의 후면에 위치하는 제1 광전 변환층과, 상기 제1 광전 변환층과 상기 제2 전극 사이에 제2 광전 변환층을 포함하고, 상기 제1 광전 변환층과 상기 제2 광전 변환층 사이에는 중간 반사층을 더 포함하며, 상기 중간 반사층은 산소(O)를 함유한 미세 결정질 실리콘(μc-SiOx) 재질을 포함하고,
   상기 복수의 태양 전지 셀은
   입사되는 빛 중에서 300nm ~ 800nm 이하의 빛은 70% 이상 흡수하고, 800nm ~ 1100 nm 사이의 빛은 70% 이상 투과하고,
   상기 제1 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)는 1.7eV ~ 1.8eV 사이이고,
   상기 제2 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)는 1.4eV ~ 1.6eV 사이인 건물 일체형 태양 전지 모듈.
   
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 복수의 태양 전지 셀 각각에 포함된 상기 제1 전극, 상기 광전 변환부, 및 상기 제2 전극은 제1 방향으로 형성된 복수의 제1 방향 스크라이빙 패턴에 의해 구분되고,
   상기 복수의 태양 전지 셀 각각은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 형성되며, 상기 복수의 태양 전지 셀 각각에 포함된 상기 광전 변환부의 일부 영역을 제거하는 복수의 제2 방향 스크라이빙 패턴을 포함하지 않는 건물 일체형 태양 전지 모듈.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 광전 변환층은 비정질 실리콘(a-Si) 재질을 포함하고, 상기 제2 광전 변환층은 게르마늄(Ge)이 함유된 비정질 실리콘(a-SiGe) 재질을 포함하는 건물 일체형 태양 전지 모듈.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)는 상기 제2 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)보다 높고, 제1 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)은 상기 제2 광전 변환층의 밴드갭 에너지(Eg)과 중첩되지 않는 건물 일체형 태양 전지 모듈.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 광전 변환층의 게르마늄(Ge)이 함유량은 10at%(원자량 퍼센트) ~ 53at% 사이인 건물 일체형 태양 전지 모듈.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 건물 일체형 태양 전지 모듈은
   상기 복수의 태양 전지 셀의 양쪽 최외곽 셀과 전기적으로 연결되는 정션 박스;를 더 포함하고,
   상기 정션 박스는 상기 제2 투명 기판의 후면 영역 중 가장 자리에 위치하는 건물 일체형 태양 전지 모듈.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 투명한 전기 전도성 재질을 포함하는 건물 일체형 태양 전지 모듈.

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