KR100280057B1 - 광전지용 광학장치 - Google Patents
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Abstract
적어도 한 예정된 위치로 3 차원 방법으로 유입광(501)을 수용하고 지시하기 위한 장치(500)와 태양전지(514)를 포함하는 조합물이 개시되었다. 장치(500)는 두개의 빛 반사 표면(504), (505) 및 내부전반사 표면(503)을 갖는다. 작용중, 내부전반사 표면(503)은 유입광(501)을 장치(500)로 전도하고 내부전반사를 위한 범위내 각으로 그것의 표면에서 입사하는, 표면(504)으로부터 반사된 빛을 내부전반사한다. 표면(504), (505) 및 (503)은 3차원 방법으로 태양전지(514)의 후방표면(513)으로 유입광(501)을 지시함으로써 리시버/디렉터의 기능을 수행하기 위해서 서로 관련되게 기능적으로 배치된다.
Description
[발명의 명칭]
광전지용 광학장치
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은, 광을 수용하여 적어도 하나의 소정의 위치로 3차원적으로 보내기 위한 광학장치 및 그러한 장치와 광 흡수면을 가진 광전지와의 조합체에 관한 것이다.
[배경기술]
최근, 태양전지용 실리콘 기판내에서의 광 트래핑(trapping)이 상당한 주목을 받고 있다. 왕(Wang) 등에 의해 Appl. phys. Lett. 57(6), p.602에 보고된 가장 높은 효율의 실리콘 태양전지가 표준 시험조건하에서 24.2%의 효율을 가지는 것으로 측정되었다. 이러한 고성능 실리콘 전지는, 광이 실리콘을 빠져나오기전에 통과하는 경로 길이를 상당히 증가시키도록 광이 다중으로 내부 전반사되게 선택되는 기하학적 구조를 광범위하게 사용한다. 실리콘의 굴절률과 공기의 굴절률 사이의 큰 차이 때문에, 그러한 광 트래핑 구조는 아주 효과적이면서 비교적 간단하게 설계될 수 있다. 그러나, 굴절률이 대략 1.5 이하인 유리와 같은 투명 매체의 경우, 공기 계면에 닿는 투명 매체내의 실질적으로 모든 광을 내부 전반사시키는 것이 비교적 어렵다. 이것은, 유리 및 유사한 굴절률의 매체에서의 탈출각도가 대략 45°이고, 그 결과, 수직에 대하여 45° 내에서 유리/공기 계면에 닿는 유리내의 모든 광이 공기중으로 탈출하기 때문이다.
농축 태양전지 영역에서, 태양전지 표면으로 광을 보내기 위한 광학용의 다양한 구조와 설계가 제안되었다. 한가지 그러한 구조는 밀스와 쥬트로니치가 Solar Energy 21(1978), pp.423-430에 제안한 것이고, 이 구조에서는, 유리 또는 등가물의 전후방 표면이 서로 적절한 각으로 배치되어, 후방 표면으로부터 반사된 광이 탈출각의 밖에서 상부 표면의 유리/공기 계면에 닿아 내부 전반사되게 한다. 이 구조에서, 태양전지는 쐐기형 구조물내에 트랩된 광을 수용하기 위해 그 쐐기형 구조물의 단부에서 상부 표면에 수직으로 설치된다. 이러한 구조가, 2차원적으로 광을 보내기 위한 장치(100)의 개략적인 측단면도인 제 1 도에 나타내어져 있다.
제 1 도에서, 입사광(101)은 삼각형 유리구조물(103)의 상부 표면(102)을 통하여 지점(104A)으로 보내지고, 그 지점(104A)에서 반사체(104)에 의해 지점(102A)으 로 반사되고, 그 지점(102A)에서 상부 표면(102)에 의해 지점(104B)으로 내부 전반사되고, 그 지점(104B)에서 반사체(104)에 의해 지점(105A)으로 반사되며, 그 지점에서 태양전지(106)의 상부 표면(105)에 흡수된다. 많은 응용에 대한 이러한 구조의 한가지 심각한 제한은, 상부 표면(102)에서 유리/공기 계면에 닿기 전에 반사체(104)로부터 반사된 광이 내부 전반사되게 하는데 요구되는 각도 θ의 값이 크다는 것이다. θ의 값이 크면, 입사광(101)에 대한 허용각이 크게 감소되지 않는한 치수 B에 비하여 치수 A가 비교적 크게 된다. 또한, 상기 구조에서는, 태양전지(106)에 광이 직접 입사하지 않고, 반사된 광만이 입사된다.
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 광을 수용하여 적어도 하나의 소정의 위치로 3차원적으로 보내기 위한 광학장치 및 그러한 광학장치와 광 흡수면을 가진 광전지의 조합체를 제공하는데 있다.
[발명의 개시]
본 발명의 제1 실시형태에 따르면, 광을 수용하여 적어도 하나의 소정의 위치로 3차원적으로 보내는 광전지용 광학장치로서, 그 광학장치가, 광을 소정의 위치로 3차원적으로 보내기 위한 적어도 하나의 광학 구조물을 가지고 있고, 그 광학 구조물이, 입사광을 광전지로 전달할 수 있고 내부 전반사를 위한 범위내의 각도로 내부 전반사면에 입사한 광을 광학장치 내부에서 전반사시킬 수 있는 내부 전반사면과, 그 내부 전반사면에 의해 광전지로 전달되는 입사광을 상기 소정의 위치로 3차원적으로 반사하여 보내도록 상기 내부 반사면에 대하여 작동적으로 배치된 적어도 2개의 광 반사면을 포함하는 광전지용 광학장치가 제공된다.
본 발명의 제2 실시형태에 따르면, 적어도 일부가 상기 광학 구조물에 의해 반사되어 보내지는 광을 흡수하도록 상기 소정된 위치에 배치된 광 흡수면을 가지고 있는 적어도 하나의 광전지와, 상기 제1 실시형태의 적어도 하나의 광학장치를 포함하는 광학 조합체가 제공된다.
일반적으로, 상기 광학 구조물은 채워진 대칭 또는 비대칭의 경사홈을 포함한다. 경사홈의 채워진 부분은 투광 재료를 포함한다. 반사면은 광반사 재료로 덮혀진 면이거나 또는 내부 전반사면일 수 있다. 또는, 경사홈은 내부 전반사면으로 덮혀 있는 중공(中空)의 대칭 및 비대칭 경사홈일 수 있다. 후자의 경사홈의 중공 부분은 액체를 포함한 투광 유체를 수용할 수 있다.
일반적으로, 이 광학장치는 다수의, 전형적으로는 2∼1000개, 보다 전형적으로는 2∼100개, 더욱 전형적으로는 4∼20개의 상기 광학 구조물을 가지고 있다. 또 다르게는, 이 광학장치는 하나의 상기 광학 구조물만을 가질 수도 있다. 광학장치가 하나의 광학 구조물만을 가지는 경우, 이 광학장치가 상기 광학 구조물일 수 있다. 또는, 이 광학장치는 벽돌, 타일과 같은 구조물 구성요소이거나, 또는 패널의 일부일 수 있고, 상기한 바와 같이, 이 광학장치는 하나 또는 다수의 광학 구조물을 포함할 수 있다. 전형적으로, 상기 광 흡수면은 광전지의 하측면이다.
일반적으로, 제2 실시형태의 광학 조합체는, 다수의, 전형적으로는 2∼10000개의 제1 실시형태의 광학장치와, 다수의, 전형적으로는 2∼10000개의 광전지를 포함한다. 또는, 제2 실시형태의 광학 조합체는 하나 또는 다수의 광학 구조물을 가질 수 있는 하나의 광학장치와 하나 또는 다수의 광전지를 포함할 수도 있다. 또다른 대안으로서는, 제2 실시형태의 광학 조합체는 하나 또는 다수의 광학 구조물을 각각 가질 수 있는 다수의 광학장치와 하나의 광전지를 포함할 수 있다. 광학장치가 하나의 광학 구조물을 가지는 경우, 그 광학장치는 광학 구조물일 수 있다. 전형적으로는, 제2 실시형태의 광학 조합체는 패널(지붕 패널과 벽 패널을 포함하는), 타일 또는 벽돌의 형태이다. 또는, 제2 실시형태의 광학 조합체는 지붕 패널, 부트(boot) 패널, 문 패널, 보닛(bonnet) 패널 및 다른 자동차 패널과 같은 자동차용 패널의 형태일 수도 있다.
일반적으로, 제2 실시형태의 광학 조합체에서, 제1 실시형태의 광학장치는 내부 전반사면 및 광 흡수면 및/또는 2개의 광 반사면에 대하여 작동적으로 배치되어 내부 전반사면 및/또는 2개의 광 반사면 으로부터 광 흡수면으로 입사광을 직접 반사하도록 하는 2개의 광 반사면중 하나의 연장부 또는 반사체를 추가로 포함한다.
전형적으로, 상기 광전지는 광변환 전지이고, 보다 유리하게는, p-n형 광전지, 아모르퍼스 광전지, 쇼트키(Schottky) 광전지, 광전기화학 광전지, MIS 광전지, n-n형 광전지, p-p형 광전지와 같은 태양전지이다. 그 광변환 전지는 태양광, 텅스텐, 형광등, 광다이오드 또는 레이저와 같은 광원으로부터의 광을 전기로 변환하기 위한 것일 수 있다. 전형적으로, 그 전지는 태양전지이다. 실리콘, 게르마늄, CdTe, CuInSe2, GaAs, AlGaAs, GaP, GaAsP, SiC, InP 및 다른 광기전적으로 활성인 반도체와 같은 반도체 기판재료가 p-n형 광기전성 전지, p-n형 광기전성 태양전지에 특히 적합하다. 그 반도체 기판재료는 박막, 단결정 또는 다결정 재료일 수 있다. 그것은 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 박막은 유리, 석영, 퍼스펙스(perspex) 유리와 같은 투명 기판 또는 수퍼스트레이트(superstrate) 또는 다른 적당한 수퍼스트레이트상에 지지될 수 있다. 수퍼스트레이트가 조명광에 대해 투명한 경우, 광전지 어레이(array)가 수퍼스트레이트를 통하여 조명될 수 있다. 반도체 기판재료는 적절한 반사방지 피복층을 가질 수 있고, 적절한 반사방지 기하학적 구조를 사용하여 제조될 수 있다. 다른 광이 상면에 입사하는 동안 광전지나 태양전지의 후방으로 전달되는 광을 사용하기 위해서는, 양면 전지(bifacial cell) 구조가 필요하다는 것은 명백하다. 많은 상이한 태양전지 기술이 개발되어 양면 태양전지 구조를 보였다. 그러나, 제안된 발명의 가장 효과적인 사용을 위해서는, 태양전지 구조가 일반적으로 종래의 광기전성 모듈에서의 것보다 훨씬 높은 광도(光度) 레벨에서 작동하도록 최적화되어 제작되어야 한다. 태양전지로부터 전력을 추출하기 위해서는, 태양전지에 적어도 2개의 상이한 전위가 접속되어야 한다. 전류를 추출하기 위해, 인접한 태양 전지로 전류가 흐르게 하거나 또는 캡슐 외부로 전류가 흐르게 하는 도체가 필요하다. 캡슐내의 한 위치로부터 다른 위치로 전류를 전도시키는 한가지 효과적인 방법은 적절한 패턴으로 배치되어 관련 태양전지에 접속되는 후방 전도성 반사체를 사용하는 것이다.
본 명세서에서의 설명을 위한 X, Y, Z방향이 제 2 도에 정의되어 있고, 여기서, 축들이 서로 직교하여 있다. 본 발명의 장치는 후방 반사면으로부터 반사된 광이 그 반사에 의해 변경된 Z방향의 광 성분을 가지는 3차원을 이용한다. 반사된 광의 Z 성분을 변경시키는 이점(利點)은, 제 1 도의 구조에서 필요한 θ의 값을 크게함이 없이 광이 상부 표면의 유리/공기 계면에 닿기 전에 내부 전반사가 달성될 수 있다는 것이다. 대표적으로는, 2개의 반사면이 서로 경사홈을 형성하고, Z-Y면에서 내부 전반사면에 대하도록 2개의 반사면에 의해 이루어진 각도의 크기가, 수직 입사광이 내부 전반사면에서 내부 전반사되는 동시에 X방향으로 경사홈의 일 단부로 보내지게 하는 크기의 각도로 내부 전반사면에 다시 부딪치도록 하는 크기로 되게 내부 전반사면이 경사홈의 상단을 덮는다. 경사홈은 대칭 또는 비대칭일 수 있다. X-Y면에서 내부 전반사면에 대하도록 2개의 반사면에 의해 이루어진 각도의 크기는, 광이 한번 이상 내부 전반사면으로 반사될 때까지는 내부 전반사면에서의 내부 전반사를 일으키는 것과 관련하여 중요한 역할을 하지 않는다. 이 상태에 이르렀을 때, 다중 반사에 의해 X방향의 광 성분이 충분히 확립되고, 이후 그 광 성분이 Z방향의 광 성분과는 무관하게 내부 전반사면에서의 내부 전반사를 일으킨다. Z-Y면에서 내부 전반사면에 대하도록 2개의 반사면에 의해 이루어진 각도의 크기와 X-Y면에서 내부 전반사면에 대하도록 2개의 반사면에 의해 이루어진 각도의 크기를 적절히 선택함으로써, 모든 유의한 입사각에서의 입사광의 대부분이 광학 구조물내에서 반사되어 전달되게 할 수 있다. Z-Y면에서 내부 전반사면에 대하도록 2개의 반사면에 의해 이루어진 각도의 또다른 중요한 특징은, 입사광이 각각의 반사면으로부터의 반사를 위해 X방향으로 진행하는 많은 광 성분을 축적하게 하는 것이다. 이것은, 예를 들어, 광기전적으로 활성인 전지가 배치될 수 있는 소정의 위치로 X방향으로 광을 보내도록 작용한다.
상기 광학 구조물은 경사홈의 모양으로 투명 매체에 의해 형성될 수 있고, 그 투명 재료는, 예를 들어, 유리, 아크릴, 에폭시, 플라스틱, 중합체 또는 포턴트(pottant) 재료로부터 선택된다. 유리 구조에서는, 모울딩이나 로울링이 사용될 수 있다. 또다른 방법은 플라스틱 성형물 또는 동등한 성형물을 사용하거나 적절한 재료를 사용하여 경사홈을 형성하는 것이며, 모울딩, 기계가공으로 제조된 경사홈의 상부 표면이 반사성을 가지도록 그 상부 표면을 코팅하고, EVA와 같은 투명 재료로 그 경사홈을 채워 광학 공동부(optical cavity) 및 내부 전반사면을 형성하는 것이다.
본 발명의 장치는 입사광을 광전지, 전형적으로는, 태양전지로 측방으로 전달한다. 이 구조는 입사광이 통과하는 표면에서 광이 탈출하는 것을 방지하기 위해 내부 전반사를 이용한다. 본 발명의 한 특정 실시형태에서는, 그러한 구조물에 광기전성 모듈을 합체시켜, 실질적으로 모든 입사광이 광전지로 전달되게 하면서도 그 광전지에 대한 패킹 인자(packing factor)를 감소시킬 수 있게 한다. 이러한 응용에서, 비(非)전지 영역에 입사한 광은 공기 계면에서의 내부 전반사를 이용하여, 전지들이 위치한 광기전적으로 활성인 영역으로 측방으로 전달된다. 감소된 패킹 인자(전형적으로, 20∼50%)에 의해, 발생되는 전기의 단위당 가격이 상당히 감소될 수 있다. 이것은 종래의 광기전성 모듈 구조에서의 광전지 가격의 대부분을 실질적으로 캡슐화 비용이 차지하기 때문이다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 바람직한 실시형태를 다음의 도면을 참조하여 설명한다.
제 1 도는 광이 2차원적으로 전달되게 하는 장치의 개략 단면도.
제 2 도는 직교하는 X, Y 및 Z축을 나타내는 도면.
제 3 도는 본 발명에 따른 속이 비지 않은(solid) 투명 경사홈의 Y-Z면에서의 개략 단면도.
제 4 도는 본 발명에 따른 속이 비지 않은 투명 경사홈의 X-Y면에서의 개략 단면도.
제 5 도는 인접한 태양전지 및 그 태양전지 아래에 배치되어 광을 태양전지의 하측면으로 반사하는 반사체와 관련하여 작동적으로 배치된, 본 발명에 따른 속이 비지 않은 투명 경사홈의 X-Y면에서의 개략 단면도.
제 6 도는 광을 받아 인접한 태양전지의 하측면으로 보내도록 배치된, 본 발명에 따른 속이 비지 않은 투명 경사홈의 개략 평면도.
제 7 도는 광을 받아 인접한 태양전지의 하측면으로 3차원적으로 보내기 위한 다수의 광학장치가 바둑판(checkerboard) 배열로 배치된 패널의 개략 평면도.
제 8 도는 상부 반사면을 가지고 제 5 도의 속이 비지 않은 투명 경사홈의 후방 반사면을 형성할 수 있는 플라스틱 성형체의 X-Y면에서의 개략 단면도.
제 9 도는 제 8 도의 상부 반사면을 갖는 플라스틱 성형체에 에틸 비닐 아세테이트 또는 다른 적당한 투명 재료를 결합시켜 투명 매체가 형성된, 본 발명에 따른 속이 비지 않은 투명 경사홈의 X-Y면에서의 개략 단면도.
제 10 도는 광기전성(光起電性) 지붕 타일의 개략도.
제 11 도는 제 10 도의 광기전성 지붕 타일의 경사홈들중 하나의 Y-Z면에서의 개략 단면도.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태 및 그 밖의 형태]
제 1 도는, Z방향(3차원 방향)으로 진행하는 광의 성분을 변경하려는 시도가 없이 기본적으로 2차원적으로 광을 전달하는 구조를 나타낸 도면이다. 이 설명을 위한 X, Y, Z방향이 제 2 도에 정의되어 있고, 여기서, 축들은 서로 직교한다. 본 발명은, 장치의 후방에 위치한 반사체의 표면으로부터 반사된 광이 그 반사에 의해 변경된 Z방향으로의 성분을 가지는 3차원적인 광 전달을 이용한다. 반사된 광의 Z성분을 변경시키는 이점(利點)은, 제 1 도의 구성에 필요한 큰 θ값 없이도 장치의 상단에 있는 유리/공기 계면(界面)에 광이 닿은 때 내부 전반사가 달성될 수 있다는 것이다. 매우 효과적인 광 트래핑(trapping) 및 전달 능력을 나타내는 구성은 경사홈 구조이다.
Z-Y면에서의 유리 경사홈(300)의 단면이 제 3 도에 나타내어져 있다. 이 경사홈(300)은 유리/공기 계면(302)과 후방 반사면(303, 304)을 가지고 있다. 각 θ1이 22.5°보다 크면, 제 3 도에 나타낸 바와 같이 수직 입사광(301)은 지점(303A)에서 후방 반사면(303)으로부터 반사되어 수직에 대하여 45° 보다 큰 각도로 유리/공기 계면(302)에 닿은 다음, 지점(302A)에서 내부로 전반사된다. 이러한 내부 전반사는 제 1 도에 각도 θ로 주어진 바와 같은 X방향의 후방 표면의 경사각에 관계없이 일어난다. 이 구성에서의 X방향으로의 동등한 각도 θ2가, X-Y면에서의 경사홈(300)의 단면을 나타내는 제 4 도에 나타내어져 있다. 이 각도 θ2는, 광이 상면의 유리/공기 계면(302)에서 한번 이상 반사될 때까지는 상면의 유리/공기 계면(302)에서 내부 전반사를 일으키는 역할을 하지 않는다. 이 상태에 이르렀을 때, 다중 반사에 의해 X방향의 광 성분이 충분히 확립되고, 이 성분은 Z방향의 광 성분과는 무관하게 상면의 유리/공기 계면(302)에서 내부 전반사를 일으킨다. 각도 θ1, θ2를 적절히 선택함으로써, 제 3 도 및 제 4 도에 단면으로 나타낸 바와 같이 모든 유의한 입사각에서 대부분의 입사광이 투명 매체내에 트랩된다. 각도 θ2의 다른 중요한 특징은, 입사광(301)이 후방 반사면(303, 304)으로부터의 반사를 위해 X방향으로 진행하는 증대된 성분을 축적하게 한다는 것이다. 이것은, 광기전적으로 활성인 전지가 위치한 소정의 위치로 X방향의 광을 전달하도록 작용한다.
본 발명의 한가지 실시형태가 제 5 도에 나타낸 광학 조합체(500)이다. 제 5도는 제 2 도에서 정의된 X-Y면에서의 단면도이다. 제 5 도에서, 광학장치(502)에 대한 입사광(501)이 내부 전반사면(503)과 2개의 반사면(504, 505)에 의해 X방향으로 경로(506, 507, 508, 509, 510, 511, 512)를 경유하여 측방으로 태양전지(514)의 후방 표면(513)까지 진행하는 것으로 나타내어져 있다. 태양전지(514)의 전방 표면(515)으로 광이 들어가도록, 도시된 바와 같이 내부 반사면(503)의 일부분 대신에 태양전지(514)가 배치될 수 있다. 제 5 도의 구성의 한가지 이점은, 도시된 바와 같은 태양전지(514)의 위치가 그 태양전지(514)로부터의 열의 소산(消散)을 돕는다는 것이다. 실제로는, 광기전성 태양전지(514)는 그 태양전지(514)의 후방 표면(513)으로 들어가는 광과 그 태양전지(514)의 전방 표면(515)으로 들어가는 광 사이의 소망의 균형과 열적(熱的) 고려사항에 따라 제 5 도에 나타낸 바와 같은 내부 전반사면(503)에 인접한 상부 표면으로부터 후방 반사면(505)(이 면은 θ2′= 0인 경우 수평이다)까지의 어느곳에도 배치될 수 있다. 제조의 용이함 및 전지 배선 등도 이러한 바람직한 위치에 영향을 끼칠 수 있다.
태양전지(514) 바로 아래에 위치한 반사면(505)의 기하학적 구조는 태양전지(514)의 후방 표면까지 광이 최적으로 보내지 되도록 선택된다. 그의 실제 기하학적 구조는, θ2=θ2′인 상태에서 제 5 도의 A-A′면에서 비추어진 후방 반사면(504)의 거울상일 수 있지만, 몇몇 전지 크기 및 모양의 경우에는, 태양전지(514)의 중심과 일치하여 A-A′면(태양전지(514)의 가장자리)으로부터 X방향으로 간격이 점진적으로 증가하는 후방 반사체 경사면(θ2′)을 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로, X방향으로의 거리의 함수로서의 바람직한 기하학적 구조와 θ2′의 각도는 태양전지(514)의 형태, 크기, 및 그의 전기적 및 광학적 특성에 의해 정해지며, 예를 들어, 태양전지의 후방 표면(513)에서의 광도(光度) 분포는 주로 반사면(505)의 형태에 의해 정해지며, 광도의 큰 변동은 매립형의 접촉식 태양전지와 같은 몇몇의 태양전지 기술에서만 성능의 중대한 손실없이 허용될 수 있다.
제 6 도는 광학 조합체(500)의 상부 표면을 부(負)의 Y방향으로 위에서 본 때의 X-Z면에서의 광학 조합체(500)를 나타낸다. 이 광학 조합체(500)는 태양전지(514)의 일측에 위치한 5개의 경사홈(502, 516, 517, 518, 519)만을 나타내지만, 이들은 다른 모든 측면에도 동등하게 배치될 수도 있음은 명백하다. 이 도면에 나타낸 것은 경사홈(502, 516, 517, 518, 519)이 태양전지(514)의 일측에 5개 배치되는 구조이지만, 경사홈의 수는 제한되지 않는다. 경사홈의 수와 함께, 각도 θ1(예를 들어, 제 3 도 참조), θ2(예를 들어, 제 5 도 참조) 및 θ3(예를 들어, 제 3 도 참조)가 성능의 최적화를 위해 선택될 수 있다. θ1, θ2, θ3의 실제 값은 넓은 각도 범위내에 있을 수 있으나, 그 범위는 내부 전반사면(503)에서의 대부분의 반사광이 더 이상 내부 전반사되지 않게 되는 한계와 광학장치(502)(제 5 도 참조)의 치수(특히 두께)가 제조 및 사용에 실용적이지 못하게 되는 한계내에서 제한된다.
제 7 도는 제 5 도 및 제 6 도에 나타낸 타입의 다수의 광학 조합체가 패널 부분(200)에 합체된 것을 나타낸다. 제 7 도에서, 패널 부분(200)은 제 5 도 및 제 6 도에 나타낸 타입의 경사홈을 이용하는 비(非)전지 영역(705, 706, 707, 708, 709)과 함께 바둑판(checkerboard) 패턴으로 배치된 다수의 태영전지(701, 702, 703, 704)를 가지고 있고, 비(非)전지 영역(705, 706, 707, 708, 709)은 그들 영역에 입사한 대부분의 광을 태양전지(701, 702, 703, 704)가 배치된 광기전적으로 활성인 영역으로 측방으로 보내도록 작용한다.
광학장치(502)내의 투명 매체는 유리, 아크릴, 플라스틱, 중합체 또는 포턴트(pottant) 재료 등으로 형성될 수 있다. 유리 구조의 경우, 모울딩 또는 로울링이 사용될 수 있다. 또다른 방법은 제 5 도에 나타낸 것과 동일한 후방 표면의 효과를 제공하기 위해 제 8 도에 나타낸 것과 같은 대표적인 형태의 플라스틱 또는 동등한 재료의 성형물(800)을 사용하는 것이다. 이 경우, 플라스틱 성형물(800)의 상부 표면(801, 802, 803)이 반사성을 가지도록 코팅되어, 제 5 도의 반사면(504, 505)과 동등한 반사면으로 된다. 그 다음, 제 9 도에 나타낸 바와 같이, 광학 공동부(空洞部)(optical cavity)(804, 805)가 형성된다. 제 9 도에서, 빗금친 부분은 EVA와 같은 투명 재료가 채워져 광학 공동부(804, 805)를 형성하고 있는 것을 나타낸다.
태양전지(514)의 상부 표면(515)에 다른 광이 입사하는 동안 태양전지(514)의 후방 표면(513)으로 보내져 온 광을 이용하기 위해, 양면 전지(bifacial cell) 구조가 필요하다는 것은 명백하다. 많은 상이한 태양전지 기술이 개발되어, 양면 태양전지 구조를 보여주었다. 그러나, 본 발명을 가장 효과적으로 사용하기 위해서는, 그러한 태양전지 구조는 종래의 광기전성 모듈에서의 것보다 훨씬 높은 광도(光度) 레벨에서 작동하도록 최적화되어 제작될 필요가 있다.
태양전지로부터 전력을 추출하기 위해, 적어도 2개의 상이한 전위가 태양전지에 접속되어야 한다. 전류를 추출하기 위해서는, 인접한 태양전지로 전류가 흐르게 하거나 또는 캡슐 외부로 전류가 흐르게 하기 위해 도체들이 필요하다. 캡슐내의 한 위치로부터 다른 위치로 전류를 전도시키는 한가지 효과적인 방법은, 적절한 패턴으로 배치되고 관련 태양전지에 접속된 후방 전도성 반사체를 사용하는 것이다.
제 7 도의 구성으로 형성된 광기전성 패널은 대략 50%의 태양전지 패킹 인자(packing factor)를 가진다. 광을 인접한 태양전지로 측방으로 보내는데 있어서의 투명 영역과 후방 반사면의 성능이 때때로 약간 감소되지만, 상기한 패킹 인자가 낮은 값으로 감소될 수 있다. 제 7 도의 정방형 태양전지(701, 702, 703, 704)를 그들 태양전지의 측면 치수와 같은 직경을 가지는 원형 태양전지로 대체함으로써, 패킹 인자가 대략 39%까지 감소된다. 정방형 태양전지(701, 702, 703, 704)의 코너가 있는 곳으로 광을 보내는데 있어서의 경사홈으로부터 심각한 손실을 방지하기 위해, 이들 특정 경사홈의 기하학적 구조가 각각의 태양전지 부근에서 변경될 수 있다. 또 다르게는, 제 7 도에서 사용된 홈의 수가 인접한 태양전지로 광을 매우 효과적으로 보내도록 작용하는 단일의 홈으로 감소될 수도 있다. 태양전지의 치수가 증가 또는 감소함에 따라, 홈의 길이도 그 길이가 항상 태양전지 가장자리 근처에서 끝나도록 상응하게 감소 또는 증가되어야 한다. 제 3 도 및 제 4 도의 θ1과 θ2 이외의 다른 중요한 각도는 Y-Z면에서 경사홈(300)에 비대칭을 제공하도록 θ1에 대하여 변경될 수 있는 제 3 도의 θ3이다. 그러한 비대칭은, 유리/공기 계면(302)에 닿은 광을 다중으로 내부 전반사시키기 위한 구조를 최적화하는 것과 관련하여 부가적인 가치있는 융통성을 추가한다. 그것은 또한, 경사홈(300)이 설치되는 방법에 기인하여 일정한 각도 범위내에서 주로 경사홈(300)으로 광이 들어갈 때와 같은 조건에 대한 최적화를 용이하게 할 수 있다. 또한, θ2와 θ3를 적절히 변경함으로써, 반사면(303)에 후방 반사체를 사용함이 없이도 많은 양의 광이 모든 유리/공기 계면으로부터 내부 전반사될 수 있는 경사홈(300)을 형성하는 것이 가능하다. 이것은 몇몇 응용에서 특히 유익할 수 있다.
광 트래핑 및 전달을 위한 경사홈의 개념에 기초하여 지금까지 설명한 구성은 주로 광기전성 모듈 설계 및 구성에 관한 것이었다. 그러나, 본 발명을 이용할 수 있는 방식으로 태양전지가 캡슐로 보호되는 많은 다른 적용예가 존재한다. 또다른 예는, 인접한 영역에 입사한 광을 태양전지로 전달하기 위해 각각의 전지가 경사홈에 의해 포위된 채 하나 이상의 태양전지가 지붕 타일에 합체되어 있는 지붕 타일에 대한 것이다.
이러한 응용의 한가지 장점은, 지붕 타일 구조가 일반적으로 종래의 광기전성 모듈보다 약간 더 두껍고 부피가 더 크게 될 수 있어, 광 트랩핑 및 전달을 최적화하고 태양전지 가장자리로부터 먼 거리에서도 광이 모아질 수 있게 하도록 각도 θ2 및 θ3를 선택하는데 더욱 많은 융통성을 부여한다는 것이다. 세번째 응용은, 태양전지를 합체하는 것이 비실용적이고 비합법적인 자동차 표면영역들이 존재하는 태양열 자동차이다. 이들 영역은, 이들 영역에 입사한 광을 자동차의 어떤 다른 곳에 위치하는 태양전지까지 비교적 먼 거리에 걸쳐 보내도록 작용하는 경사홈을 가질 수 있다. 또한, 이것은, 두꺼운 구조가 사용될 수 있어, 광이 매우 먼 거리만큼 측방으로 전달될 수 있게 하는 응용분야이다. 예를 들어, 제 4 도의 각도 θ2가 15°일 때, 대략 1/2미터의 경사홈(300)의 깊이에 의해서도, 태양전지 가장자리로부터 2m까지 떨어진 곳에서 태양열 자동차에 입사한 광이 해당 태양전지가 위치한 곳까지 전달될 수 있다. 이러한 특정 적용에서는, 특히 비(非)전지 영역에 입사하여 측방으로 전달되는 광을 포획하기 위하여 상부 표면 근처에 있는 태양전지에 수직으로 추가의 태양전지를 설치하는 것이 유리하다. 이 경우, 그러한 전지들은 보다 일반적인 X-Y면(이 경우에는 광을 직접 포획하는 태양열 자동차의 상부 표면을 따라 모든 전지들이 설치된다) 대신에 Y-Z면에 설치된다.
제 7 도는 광원쪽에서 보았을 때 삼각형으로 보이는 경사홈을 나타낸다. 이들 경사홈은, 태양광 전지가 설치된 지붕 타일(1100)을 나타내는 제 10 도의 실시예의 경우와 같이 위에서 보았을 때(광원에서 보았을 때) 직사각형으로 보이는 것도 가능하고, 때때로 그러한 경사홈이 바람직할 수도 있다. 이 지붕 타일(1100)은 광 수용면(1101), 곡선을 이룬 후방 표면(1103, 1104) 위에 위치된 태양광 전지(1102), 및 광 반사면(1106)을 가지는 경사홈(1105)을 가지고 있다. 그 경사홈(1105)은 앞에서 설명된 경사홈과 동등하게 작용한다.
제 10 도는, 입사광(1107)이 경사홈(1105) 및 곡선을 이룬 후방 표면(1103)에 의해 지붕 타일(1100)의 중심쪽으로 태양광 전지(1102)의 뒷면(1108)으로 보내지는 방식을 나타낸다. 제 11 도는 Y-Z면에서의 경사홈(1105)들중 하나의 단면을 나타내며, 이 경사홈은 광 수용면(1101), 경사홈(1105)의 베이스를 형성하는 광 반사면(1106), 및 인접한 경사홈과의 계면에 상응하는 경계면(1109)을 가진다. 광 수용면(1101)은 광 반사면(1106)으로부터 반사된 광의 내부 전반사에도 관여한다. 경사홈(1105)은 고체의 투명 매체(1110)로 채워져 있으며, 치수 “A”가 태양전지의 가장자리로부터의 거리를 추가로 증가시키는 것을 제외하고는 제 3 도의 것과 실질적으로 동등하다.
Claims (26)
- 광을 수용하여 적어도 하나의 소정의 위치로 3차원적으로 보내는 광전지용 광학장치로서, 상기 광학장치가, 광을 소정의 위치로 3차원적으로 보내기 위한 적어도 하나의 광학 구조물을 가지고 있고, 상기 광학 구조물이, 외부로부터의 입사광을 광전지로 전달할 수 있고 내부 전반사를 위한 범위내의 각도로 내부 전반사면에 입사한 광을 상기 광학장치 내부에서 전반사시킬 수 있는 내부 전반사면과, 그 내부 전반사면에 의해 상기 광전지로 전달되는 입사광을 상기 소정의 위치로 3차원적으로 반사하여 보내도록 상기 내부 반사면에 대하여 작동적으로 배치된 적어도 2개의 광 반사면을 포함하는 광전지용 광학장치.
- 적어도 일부가 상기 광학 구조물에 의해 반사되어 보내지는 광을 흡수하도록 상기 소정의 위치에 배치된 광 흡수면을 가지는 적어도 하나의 광전지와, 제1항에 기재된 적어도 하나의 광학장치를 포함하는 광학 조립체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학 구조물이, 대칭의 경사홈, 채워진 대칭의 경사홈, 비대칭의 경사홈 및 채워진 비대칭의 경사홈중 적어도 하나의 경사홈을 포함하는 광전지용 광학장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광학 구조물이, 대칭의 경사홈, 채워진 대칭의 경사홈, 비대칭의 경사홈 및 채워진 비대칭의 경사홈중 적어도 하나의 경사홈을 포함하는 광학 조합체.
- 제3항에 있어서, 상기 경사홈이 투광 재료로 채워져 있는 광전지용 광학장치.
- 제4항에 있어서, 상기 경사홈이 투광 재료로 채워져 있는 광학 조합체.
- 제1항에 있어서, 상기 반사면이 광반사 재료로 덮혀져 있는 면인 광전지용 광학장치.
- 제2항에 있어서, 상기 반사면이 광반사 재료로 덮혀져 있는 면인 광학 조합체.
- 제 3 항에 있어서, 상기 경사홈이, 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 중공의 대칭 경사홈, 투광 유체로 채워져 있고 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 중공의 대칭 경사홈, 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 중공의 비대칭 경사홈, 투광 유체로 채워져 있고 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 중공의 비대칭 경사홈, 투광 재료를 채워져 있고 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 대칭 경사홈, 및 투광 재료로 채워져 있고 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 비대칭 경사홈중 어느 한 경사홈인 광전지용 광학장치.
- 제4항에 있어서, 상기 경사홈이, 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 중공의 대칭 경사홈, 투광 유체로 채워져 있고 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 중공의 대칭 경사홈, 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 중공의 비대칭 경사홈, 투광 유체로 채워져 있고 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 중공의 비대칭 경사홈, 투광재료를 채워져 있고 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 대칭 경사홈, 및 투광 재료로 채워져 있고 내부 전반사면으로 덮혀져 있는 비대칭 경사홈중 어느 한 경사홈인 광학 조합체.
- 제1항에 있어서, 상기 광학장치가 다수의 광학 구조물을 포함하는 광전지용 광학장치.
- 제11항에 있어서, 상기 광학 구조물이 4~60개인 광전지용 광학장치.
- 제2항에 있어서, 상기 광학 조합체가 다수의 광학 구조물을 포함하는 광학 조합체.
- 제3항에 있어서, 상기 광학 구조물이 4~60개인 광학 조합체.
- 제13항에 있어서, 상기 광학 조합체가 다수의 광전지를 포함하는 광학 조합체.
- 제1항에 있어서, 상기 광학장치가, 벽돌, 타일, 및 패널의 일부로 이루어진 군으로부터 선택된 구조물 구성요소인 광전지용 광학장치.
- 제2항에 있어서, 상기 광학장치가, 벽돌, 타일, 패널의 일부로 이루어진 군으로부터 선택된 구조물 구성요소인 광학 조합체.
- 제2항에 있어서, 상기 광 흡수면이 상기 광전지의 하측면을 이루는 광학 조합체.
- 제2항에 있어서, 상기 광학 조합체가 다수의 상기 광학 구조물과 하나의 광전지를 포함하는 광학 조합체.
- 제2항에 있어서, 상기 광학장치가, 상기 내부 전반사면 및 상기 광 흡수면과 상기 2개의 광 반사면에 대하여 작동적으로 배치되어 상기 내부 전반사면 및 상기 2개의 광 반사면으로부터 상기 광 흡수면으로 입사광을 직접 반사하는 광 반사면을 더 포함하는 광학 조합체.
- 제2항에 있어서, 상기 광전지가 광변환 전지(light converting cell)인 광학 조합체.
- 제21항에 있어서, 상기 광변환 전지가, p-n형 광전지, 아모르퍼스 광전지, 쇼트키(Schottky) 광전지, 광전기화학 광전지, MIS 광전지, n-n형 광전지, p-p형 광전지로 이루어진 군으로부터 선택된 전지인 광학 조합체.
- 제22항에 있어서, 상기 광변환 전지가, 태양전지, 텅스텐광 변환 전지, 할로겐광 변환 전지, 형광 변환 전지, 광다이오드 광변환 전지 및 레이저광 변환 전지로 이루어진 군으로부터 선택된 전지인 광학 조합체.
- 제23항에 있어서, 상기 전지가, Si, GaAs, AlGaAs, Ge, CdTe, CuInSe2, GaP, GaAsP, InP으로 이루어진 군으로부터 선택된 반도체 재료로 제조된 p-n형 태양전지인 광학 조합체.
- 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항, 제 7 항, 제 9 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 16 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 반사면이 서로 경사홈을 형성하고, Z-Y면에서 상기 내부 전반사면에 대하도록 상기 2개의 반사면에 의해 이루어진 각도의 크기가, 수직 입사광이 상기 내부 전반사면에서 내부 전반사되는 동시에 X방향으로 상기 경사홈의 일 단부로 보내지게 하는 크기의 각도로 상기 내부 전반사면에 다시 부딪치도록 하는 크기로 되게 상기 내부 전반사면이 상기 경사홈의 상단을 덮는 광전지용 광학장치.
- 제 2 항, 제 4 항, 제 6 항, 제 8 항, 제 10 항, 제 13 항 내지 제 15 항, 제 17 항 내지 제 24 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 반사면이 서로 경사홈을 형성하고, Z-Y면에서 상기 내부 전반사면에 대하도록 상기 2개의 반사면에 의해 이루어진 각도의 크기가, 수직 입사광이 상기 내부 전반사면에서 내부 전반사되는 동시에 X방향으로 상기 경사홈의 일 단부로 보내지게 하는 크기의 각도로 상기 내부 전반사면에 다시 부딪치도록 하는 크기로 되게 상기 내부 전반사면이 상기 경사홈의 상단을 덮는 광학 조합체.
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