KR100986140B1 - A solar-nuclear combined battery - Google Patents
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Abstract
본 발명의 태양전지 겸용 원자력전지는 태양광선 또는 방사선에 의해 발생되는 캐리어에 의해 전기를 생성하는 태양전지(100), 상기 태양전지에 연결되어 상기 전기의 이동 경로를 제공하는 전선(400), 상기 전선(400)이 외부로 노출되도록 상기 태양전지(100)를 수용하여 밀봉되는 투명관(300), 및 상기 투명관(300) 내에 수용되며, 상기 방사선을 상기 태양전지에 조사하는 방사성 기체(200)를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 태양광선이 없더라도 정전이 되지 않는 무정전의 태양전지 겸용 원자력전지를 제공할 수 있다.The combined solar cell nuclear cell of the present invention is a solar cell 100 for generating electricity by a carrier generated by sunlight or radiation, wire 400 connected to the solar cell to provide a path for the electricity, the A transparent tube 300 that receives and seals the solar cell 100 so that the wire 400 is exposed to the outside, and a radioactive gas 200 that is accommodated in the transparent tube 300 and radiates the radiation to the solar cell. ) May be included. According to the present invention, it is possible to provide an uninterruptible solar cell combined nuclear cell which does not have a power failure even without solar light.
Description
본 발명은 태양전지 겸용 원자력전지에 관한 것으로서, 특히 방사선과 태양광선을 동시에 이용하여 전기를 생산하는 태양전지 겸용 원자력전지에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a combined solar cell nuclear cell, and more particularly, to a combined solar cell nuclear cell that generates electricity by simultaneously using radiation and sunlight.
최근 화석연료와 같은 기존의 에너지 자원은 그 매장량이 한정되어 있어 점점 고갈되어 가고 있는 실정이며, 환경 문제의 중요성이 증대되어감에 따라, 친환경 청정에너지의 개발 및 보급에 대한 관심이 높아지고 있다. Existing energy resources such as fossil fuels are recently depleted due to their limited reserves, and as the importance of environmental issues increases, interest in the development and dissemination of eco-friendly clean energy is increasing.
청정에너지의 한 종류로서 에너지 자원이 무한하고, 환경오염이 없는 태양전지가 주목받고 있다. 태양전지는 태양광선을 이용하여 전기를 일으키는 것으로서, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛에너지를 직접 전기 에너지로 변환시킨다.As a kind of clean energy, solar cells with unlimited energy resources and no environmental pollution have attracted attention. Solar cells generate electricity using sunlight, and convert light energy directly into electrical energy using the photovoltaic effect.
이러한 태양전지의 장점은 배기가스, 폐열 등을 배출하지 아니하여 환경오염과 소음이 없고, 입지상의 제약이 적을 뿐만 아니라, 수요증강에 신속한 대응이 가능하다는 것이다.The advantage of such solar cells is that it does not emit exhaust gas, waste heat, etc., so it is free of environmental pollution and noise, has little location constraints, and can respond quickly to demand growth.
그러나 종래의 태양전지는 일사량에 의존하기 때문에 태양광선이 없는 야간이나 우천시에는 전지의 기능을 할 수 없고, 일사량의 변동에 따라 출력이 불안정하다는 단점이 있다.However, since the conventional solar cell depends on the amount of insolation, the solar cell cannot function as a battery at night or in the rain, and the output is unstable due to the change in the amount of insolation.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 태양광선의 유무에 관계없이 전기의 발생이 중단되지 않는 장수명, 무정전의 태양전지 겸용 원자력전지의 제공에 그 목적이 있다.Disclosure of Invention The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a long-life, uninterruptible solar cell combined nuclear battery in which electricity generation is not interrupted regardless of the presence or absence of sunlight.
본 발명에 따른 태양 전지 겸용 원자력 전지는 태양광선 또는 방사선에 의해 발생되는 캐리어에 의해 전기를 생성하는 태양전지(100)와, 상기 태양전지에 연결되어 상기 전기의 이동 경로를 제공하는 전선(400)과, 상기 전선(400)이 외부로 노출되도록 상기 태양전지(100)를 수용하여 밀봉되는 투명관(300), 및 상기 투명관(300) 내에 수용되며, 상기 방사선을 상기 태양전지에 조사하는 방사성 기체(200)를 포함할 수 있다.The combined solar cell nuclear cell according to the present invention includes a
그리고, 본 발명에 따른 태양전지 겸용 원자력전지에 있어서, 상기 태양전지는 P-N 접합 구조의 반도체 소자를 포함할 수 있다. In the solar cell combined nuclear cell according to the present invention, the solar cell may include a semiconductor device having a P-N junction structure.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 겸용 원자력전지에 있어서, 상기 방사성 기체는 삼중수소인 것을 포함할 수 있다. In addition, in the combined solar cell nuclear cell according to the present invention, the radioactive gas may include tritium.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 겸용 원자력전지에 있어서, 상기 태양전지는 복수 개이고, 서로 병렬 또는 직렬로 결합될 수 있다. In addition, in the combined solar cell nuclear cell according to the present invention, the solar cell is a plurality, it may be combined in parallel or in series with each other.
마지막으로, 본 발명에 따른 태양전지 겸용 원자력전지에 있어서, 상기 태양전지는 두 개이고, 두 개의 태양전지는 반도체 소자의 같은 영역(P형 또는 N형)이 서로 마주보도록 접합되어 상기 투명관에 배치되는 것을 포함할 수 있다.Finally, in the combined solar cell nuclear cell according to the present invention, the solar cell is two, the two solar cells are bonded to the same region (P-type or N-type) of the semiconductor element facing each other disposed in the transparent tube It may include being.
본 발명은 태양전지와 원자력전지에서 전기가 생성되는 부분인 반도체 소자의 구조가 유사한 점에 착안한 것으로, 본 발명에 따른 태양 전지 겸용 원자력전지에 의하면, 태양전지에 방사선을 지속적으로 조사하기 때문에 태양광선이 존재하면 전기 발생량이 증가하고, 태양광선이 없더라도 정전이 되지 않는 무정전의 태양전지 겸용 원자력전지를 제공할 수 있다.The present invention focuses on the similarity of the structure of the semiconductor device, which is a part of generating electricity in the solar cell and the nuclear cell, according to the solar cell combined nuclear cell according to the present invention, because the solar cell is continuously irradiated with radiation The presence of light rays increases the amount of electricity generated, and can provide an uninterruptible solar cell combined nuclear battery that does not have a power outage even without solar light.
또한, 반감기가 긴 방사성 물질을 사용하기 때문에 장수명의 태양전지 겸용 원자력전지를 제공할 수 있다. In addition, since a long half-life radioactive material is used, a long-life solar cell combined nuclear battery can be provided.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 겸용 원자력 전지에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a combined solar cell nuclear cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 겸용 원자력전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a structure of a combined solar cell nuclear cell according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 겸용 원자력전지는 태양전지(100), 전선(400), 투명관(300), 방사성 기체(200) 및 밀봉재(500)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a combined solar cell nuclear cell according to an embodiment of the present invention includes a
상기 태양전지(100)는 P-N 접합구조 반도체로서, 투명관(300) 내부에 위치된다. 태양전지(100)는 태양광선 및 방사선에 의해 발생되는 캐리어(Carrier)로 인해 전기를 발생시킨다. 여기서 태양전지 내 캐리어(Carrier)는 전자 또는 정공을 포함한다. 태양전지(100)는 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 두 개인 것이 좋다. 두 개의 태양전지(100)는 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.The
태양전지(100)는 결정질 실리콘 태양전지(Crystalline Silicon Cells), 비정질 실리콘 태양전지(Amorhpous Silicon Cells), 카퍼인디움다이셀레나이드(CuInSe2) 태양전지(CIS Cells), 갈륨비소(GaAs) 태양전지, 또는 카드뮴텔러라이드(CdTe) 태양전지일 수 있다. 결정질 실리콘 태양전지는 단결정(single crystalline)형태와 다결정(polycrystalline)형태를 포함한다. 단결정은 높은 효율을 달성할 수 있으며, 다결정은 저렴하면서도 상용화 가능한 효율을 달성할 수 있다. 비정질 실리콘 태양전지는 박막 형태의 태양전지이다. 다결정 박막 카퍼인디움다이셀레나이드(CuInSe2)전지는 p-n 이종접합 구조를 기본으로 하며, 몰리브덴(Mo)으로 코팅된 유리기판 위에 p형 반도체인 CIS층을 증착하여 만들어질 수 있다. 갈륨비소(GaAs) 태양전지는 태양전지 재료 중에서 가장 높은 효율을 달성할 수 있으며, 카드뮴텔러라이드(CdTe) 태양전지는 태양전지로서 적합한 전기적, 광학적 특성을 가진다.
상기 전선(400)은 태양전지(100)에서 발생된 전기를 외부 임의의 부하(Load)(도시되지 않음)로 전달하기 위한 도전체로서, 일단(一端)은 태양전지(100)에 연결되며 타단은 밀봉재(500)를 관통하여 외부로 노출된다. 외부로 노출된 타단(他端)은 임의의 부하(Load)에 연결될 수 있다. 두 개의 태양전지(100)가 직렬 또는 병렬로 연결되는 경우 태양전지(100) 각각에 연결되는 전선(400)은 (+)극 또는 (-)극의 역할을 수행할 수 있다.The
상기 투명관(300)은 하나의 개방구를 가지며 개방구 이외의 다른 부분은 밀폐된 관 형상인 것이 좋다. 투명관(300)은 유리 또는 내방사선(耐放射線) 플라스틱 재질로 만들어 질 수 있다. 투명관(300)의 내부 공간에는 태양전지(100)가 위치되고 방사성 기체(200)가 주입된 상태로 밀봉재(500)로 밀봉되는 것이 바람직하다. 태양전지(100)는 지지판(도시되지 않음)에 의해 투명관(300)에 고정될 수 있다. The
상기 방사성 기체(200)는 태양전지(100)에 캐리어(Carrier)를 발생시킬 수 있는 방사선을 태양전지(100)에 제공한다. 방사성 기체(200)는 반감기가 긴 것이 좋다. 반감기가 긴 방사성 기체(200)는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 겸용 원자력전지의 수명을 길게 할 수 있다. 방사성 기체(200)는 라돈, 제논, 크립톤 등일 수 있으며, 바람직하게는 삼중수소이다.The
상기 밀봉재(500)는 투명관(300) 내부 공간에 충진된 방사성 기체(200)가 외부로 누출되지 않도록 투명관(300)의 개방구를 밀봉한다. 전선(400)은 밀봉 재(500)를 관통하며 외부로 노출될 수 있다. 밀봉재(500)는 투명관(300) 개방구를 용융시켜 개방구 자체를 밀봉함으로써 생략될 수 있다.The
도 2는 도 1에 도시된 두 개의 태양전지의 결합상태 및 배치를 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a view showing a combined state and arrangement of two solar cells shown in FIG. 1.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 태양전지(100)는 비대칭 P-N 접합 구조 반도체 소자로서, N형 영역(150)에 형성된 제1 전극(120)과 P형 영역(160)에 형성된 제2 전극(130)을 포함한다. 제1 전극(120)은 실크 스크린 방법으로 형성될 수 있다. N형 영역(150)은 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지며, P형 영역(160)은 N형 영역(150)과 반대의 캐리어 밀도를 가진다. 2, in one embodiment of the present invention, the
두 개의 태양전지 중 하나의 태양전지(100)는 제1 전극(120)이 태양광선이 조사(照射)되는 쪽을 향하고, 다른 하나의 태양전지(100)는 제1 전극(120)이 태양광선이 조사되지 않는 쪽으로 향하도록 배치될 수 있다. 두 개의 태양전지(100)의 제2 전극(130)들은 에폭시 등 재질의 지지판(600)에 의해 서로 접착될 수 있다. 또한 지지판(600)은 투명관에 태양전지(100)를 고정시키는 역할도 함께 수행할 수 있다.One
상기 구조에서, 태양광선이 조사되는 쪽에 제1 전극(120)이 대향하는 태양전 지(100)는 주로 태양광선의 에너지에 의해 캐리어가 발생되고 이에 의해 전기가 발생된다. 태양광선이 조사되는 반대쪽에 제1 전극(120)이 대향하는 태양전지(100)는 주로 방사성 기체(200)가 방사하는 방사선 에너지에 의해 캐리어가 발생되고 이에 의해 전기가 발생한다.In the above structure, the
태양광선이 조사되는 쪽에 제1 전극(120)이 대향하는 태양전지(100)의 전기 발생 동작을 좀 더 자세하게 설명한다.The operation of generating electricity of the
태양전지(100)의 N형 영역(150)과 P형 영역(160)의 캐리어들은 열적 평형 상태에서 캐리어(carrier)의 농도 구배에 의해 확산된다. 캐리어의 확산은 전하(charge)의 불균형을 발생시키고, 전하의 불균형은 전기장(electric field)을 형성한다. 형성된 전기장은 더 이상 캐리어(carrier)의 확산이 일어나지 않게 한다. Carriers of the N-
이 태양전지(100)에 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 에너지를 가진 태양광선을 가하면, 태양광선 에너지를 받은 전자들은 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 여기(excite) 된다. 여기서, 밴드갭 에너지는 N형 영역(150)과 P형 영역(160)의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이이다.When the solar cell having energy having a band gap energy or more is applied to the
이 때, 전도대로 여기(excite)된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 된다. 전자들이 빠져나간 가전자대에는 정공이 생성된다. 가전자대에 생성된 정공은 잉여 캐리어(excess carrier)이다. 잉여 캐리어(excess carrier)들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이에 의해 확산하게 된다.At this time, electrons excited by the conduction band are free to move. Holes are generated in the valence band where the electrons escape. Holes generated in the valence band are excess carriers. Excess carriers diffuse by concentration differences in the conduction band or valence band.
P형 영역(160)에서 여기된 전자들과 N형 영역(150)에서 만들어진 정공은 소수 캐리어(minority carrier)이며, P형 영역(160)과 N형 영역(150)에 도핑된 캐리어, 즉 P형 영역(160)의 정공, N형 영역(150)의 전자는 다수 캐리어(majority carrier)이다. Electrons excited in the P-
다수 캐리어(majority carrier)들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만, P형 영역(160)의 소수 캐리어(minority carrier)인 전자는 N형 영역(150)쪽으로 이동할 수 있다. Majority carriers are disturbed by the flow of energy barriers caused by the electric field, but electrons, which are minority carriers of the P-
소수 캐리어(minority carrier)의 확산으로 태양전지(100) 내부의 전하 중성(charge neutrality)이 깨어져 전압차(potential drop)가 발생된다. 이로써, P 영역(160)의 제2 전극(130)과 N 영역(150)의 제1 전극(120)에 전선(400)을 통해 외부 부하가 연결되면 태양전지(100)는 전지로 작동할 수 있게 된다.Due to diffusion of minority carriers, charge neutrality inside the
즉, 상기 태양전지(100)의 N형 영역(150)으로 태양광선이 조사되면 태양광선의 에너지에 의해 N형 영역(150)의 정공이 P형 영역(160)으로 이동하고, P형 영역(160)의 전자가 N형 영역(150)으로 이동하게 된다. 따라서 전자는 N형 영역(150) 쪽으로, 정공은 P형 영역(160) 쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하며, 이 때문에 태양전지(100)의 전극(120, 130)에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이다.That is, when sunlight is irradiated to the N-
태양광선이 조사되지 않는 쪽에 제1 전극(120)이 대향하는 태양전지(100)의 전기 발생 동작을 좀 더 자세하게 설명한다. 이 경우 태양전지(100)는 주로 방사성 기체(200)가 방사하는 방사선에 의해 동작한다. 여기서 방사성 기체(200)는 삼중수소이다. 원자력전지는 태양전지와 유사한 구조의 반도체 소자를 포함하기 때문에 방사성 기체에 의해 전기가 생성되는 원리는 태양광선에 의해 전기가 생성되는 원리와 유사하다. The operation of generating electricity of the
삼중수소는 방사성 동위원소로서 1개의 양성자와 2개의 중성자를 포함하며, 자연 붕괴할 때에 베타선과 같은 방사선을 방출한다. 베타선은 알파선, 감마선과 함께 원자핵 반응 시에 방출되는 방사선의 일종으로, 고속으로 움직이는 전자 입자들의 흐름이다. Tritium, a radioactive isotope, contains one proton and two neutrons, and emits beta-ray-like radiation during natural decay. Beta-rays, along with alpha- and gamma-rays, are a type of radiation emitted during nuclear reactions, and are a stream of electron particles moving at high speed.
태양전지(100)의 N형 영역(150)으로 삼중수소가 방사하는 방사선이 조사되면 방사선의 에너지에 의해 N형 영역(150)의 정공이 P형 영역(160)으로 이동하고, P형 영역(160)의 전자가 N형 영역(150)으로 이동하게 된다. 따라서 전자는 N형 영역(150) 쪽으로, 정공은 P형 영역(160) 쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하며, 이 때문에 태양전지(100)의 전극(120, 130)에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이다.When radiation emitted by tritium is radiated to the N-
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지겸용 원자력전지에 의하면, 태양광선이 조사되는 쪽의 태양전지(100)는 주로 태양광선에 의해 전기가 발생하고, 태양광선이 조사되지 않는 쪽의 태양전지(100)는 주로 방사선 에너지에 의해 전기를 발생한다. 또한, 태양광선이 없는 야간 등에는 두 개의 태양전지(100) 모두 방사선에 의해 전기를 발생시킬 수 있다. Therefore, according to the solar cell combined nuclear cell according to an embodiment of the present invention, the
본 실시예에서 두 개의 태양전지가 직렬로 연결된 경우를 예시하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다. 예를 들면, 태양전지는 두 개 이상일 수 있다. 또한 두 개의 태양전지는 서로 병렬로 연결될 수 있다. In the present embodiment has been described by illustrating two solar cells connected in series, the present invention is not limited thereto. For example, there may be two or more solar cells. In addition, the two solar cells can be connected in parallel with each other.
또한, 본 실시예에서는 두 개의 태양전지 중 하나의 태양전지(100)는 제1 전극(120)이 태양광선이 조사(照射)되는 쪽을 향하고, 다른 하나의 태양전지(100)는 제 1전극(120)이 태양광선이 조사되지 않는 쪽으로 향하도록 배치된 경우를 예시하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다. 즉, 두 개의 태양전지 중 하나의 태양전지(100)는 제2 전극(130)이 태양광선이 조사(照射)되는 쪽을 향하고, 다른 하나의 태양전지(100)는 제 2전극(130)이 태양광선이 조사되지 않는 쪽으로 향하도록 배치될 수도 있으며, 두 개의 태양전지(100)의 제1 전극(120)들은 에폭시 등 재질의 지지판(600)에 의해 서로 접착될 수도 있다.In addition, in the present embodiment, one
복수 개의 태양전지의 연결 및 태양전지의 병렬 연결은 본 실시 예의 설명으로부터 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.Since the connection of the plurality of solar cells and the parallel connection of the solar cells are easily implemented by those skilled in the art from the description of the present embodiment, detailed descriptions thereof will be omitted.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 실제로 제작된 태양전지 겸용 원자력전지를 나타낸 도면이다.3 is a view showing a solar cell combined nuclear battery actually manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 3를 참조하면, 태양전지 겸용 원자력전지는 25mm x 3.2mm x 3.2mm와 50mm x 3.2mm x 3.2mm 크기를 갖는 2 개 태양전지를 포함한다.Referring to Figure 3, the combined solar cell nuclear cell includes two solar cells having a size of 25mm x 3.2mm x 3.2mm and 50mm x 3.2mm x 3.2mm.
태양전지의 전. 후면에는 전선이 연결되는 제1전극, 제2전극을 실크 스크린으로 인쇄하여 형성하였다. 태양전지의 후면에는 에폭시로 서로 접합시켰다. 에폭시는 태양전지를 유리관에 고정시키는 지지판 역할을 함께 수행할 수 있다.Former of solar cell. On the back, the first electrode and the second electrode to which the wires were connected were formed by printing with a silk screen. The back of the solar cell was bonded to each other by epoxy. Epoxy can serve as a support plate for fixing the solar cell to the glass tube.
그리고, 제1전극 및 제2전극에 전선이 연결되어 있다. The wire is connected to the first electrode and the second electrode.
상기의 서로 접착된 태양전지를 전체 크기가 130mm인 파이렉스(pyrex) 유리관에 삽입한 후 밀봉처리 하였다. 유리관의 전반부는 원기둥(길이 80mm, 외경 8mm, 내경 7mm)에 태양전지가 삽입되어 있고, 전선은 외부로 돌출되어 있다. 돌출된 전선은 태양전지의 전압 측정이 용이하게 한다 The solar cells bonded to each other were inserted into a pyrex glass tube having a total size of 130 mm and then sealed. In the first half of the glass tube, a solar cell is inserted into a cylinder (length 80mm, outer diameter 8mm, inner diameter 7mm), and the electric wire projects outward. The protruding wires make it easy to measure the voltage of the solar cell
유리관의 밀봉재로서 진공용 밀봉 에폭시인 토르 실(Torr seal, VARIAN사)을 사용하여 밀봉함으로써 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 겸용 원자력전지를 제조하였다.A solar cell combined nuclear cell according to an embodiment of the present invention was prepared by sealing using a torr seal (VARIAN), a vacuum sealing epoxy, as a sealing material for glass tubes.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중수소 기체를 사용한 태양전지 겸용 원자력전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a structure of a combined solar cell nuclear cell using tritium gas according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 두 개의 태양전지의 결합상태를 나타낸 도면이다. 2 is a view showing a combined state of the two solar cells shown in FIG.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중수소 기체를 사용한 태양전지 겸용 원자력전지의 실시 형태를 나타낸 도면이다. 3 is a view showing an embodiment of a combined solar cell nuclear cell using tritium gas according to an embodiment of the present invention.
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