KR101137440B1 - 투과율 향상을 위한 패터닝된 커버 글래스를 적용한 태양광 발전 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지 모듈에서의 발전 효율을 향상시키기 위해 패터닝된 커버 글래스를 통하여 태양광이 태양전지 모듈로 잘 흡수되도록 커버 글래스의 투과율을 향상시킨 태양광 발전 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 태양 전지 모듈의 상부를 덮는 태양광 발전용 커버 글래스는, 하부 면에 일정 피치로 복수 홈이 형성된 2차원 어레이 패턴을 포함하고, 상부 면을 통과하여 입사된 빛이 상기 복수 홈 중 제1홈의 경사면에서 반사되고, 반사된 빛이 상기 상부면에서 다시 반사된 후 상기 복수 홈 중 제2홈의 경사면을 통해 투과되도록, 상기 복수 홈의 각각의 경사면이 수평방향에 대하여 일정 각도를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

투과율 향상을 위한 패터닝된 커버 글래스를 적용한 태양광 발전 모듈{Solar Electricity Generation Module using Cover Glass having Patterns for Transmittance Enhancement}

본 발명은 태양광 발전을 위한 태양광 발전 모듈에 관한 것으로서, 태양전지 모듈에서의 발전 효율을 향상시키기 위해 패터닝된 커버 글래스를 통하여 태양광이 태양전지 모듈로 잘 흡수되도록 커버 글래스의 투과율을 향상시킨 태양광 발전 모듈에 관한 것이다.

태양전지는 태양광을 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자로서, 반도체의 PN 접합으로 구성된 태양전지에 태양광이 입사되면 광전효과에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 되는 원리를 이용한 것이다.

이와 같은 태양전지들을 배열한 태양전지 모듈 위에는 외부의 충격이나 환경으로부터 보호하기 위하여 커버 글래스(Cover Glass)가 설치된다. 커버 글래스는 하부에 설치된 태양전지 모듈로 태양광을 전달하는 데 있어서 그 투과율에 따라 태양전지 모듈에서의 발전 효율에 영향을 미친다.

커버 글래스의 태양광 투과율을 향상시키기 위한 많은 노력이 진행되고 있다. 예를 들어, 커버 글래스 재질의 조성비를 통하여 내부 흡수율을 최소화하고자 하는 경우가 있으며, 또는 커버 글래스 상부에 소정 물질을 코팅하여 반사율을 최소화하고자 하는 경우가 있다. 또한, 커버 글래스 상부에 패턴을 형성하는 방식이 시도되고 있지만, 이 경우에는 외부 환경에 의하여 표면이 오염 되었을 때 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서, 커버 글래스 상부에서의 오염의 문제를 회피할 수 있고 투과율을 향상시킬 수도 있는 다른 방식의 커버 글래스 구조가 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 커버 글래스의 하부에 패턴을 형성하여 태양광이 태양전지 모듈로 잘 흡수되도록 투과율을 향상시킨 커버 글래스를 적용함으로써 태양전지 모듈에서의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 태양광 발전 모듈을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 태양 전지 모듈의 상부를 덮는 태양광 발전용 커버 글래스는, 하부 면에 일정 피치로 복수 홈이 형성된 2차원 어레이 패턴을 포함하고, 상부 면을 통과하여 입사된 빛이 상기 복수 홈 중 제1홈의 경사면에서 손실로 예상되는 일부 광이 반사되고, 반사된 빛이 상기 상부면에서 다시 반사된 후 상기 복수 홈 중 제2홈의 경사면을 통해 투과되도록 하여 손실광을 재 활용하는 것으로, 상기 복수 홈의 각각의 경사면이 수평방향에 대하여 일정 각도를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 복수 홈의 각각의 경사면의 수평방향에 대한 각도 θ는, 수학식, θ ≥ 임계각/2 - 임계각*0.1, 에 의하여 결정되고, 90도 보다 작은 각도이며, 여기서, 임계각은 arcsin(1/n)이고, n은 글래스의 굴절율인 것을 특징으로 한다.

상기 피치 Pitch는, 수학식들,

,

P=a+(mpitch-m*a)/m,

(1-0.3)*P < Pitch < (1+0.3)*P,

에 의하여 결정되고, 여기서, θ는 홈의 경사면의 수평방향에 대한 각도, t는 글래스의 두께, a, b, h는 각각 홈 단면의 밑변의 길이, 윗변의 길이, 깊이이고, m은 m<mpitch/a 가 성립하는 정수들 중 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 피치 Pitch는 패턴에서 마주보는 경사면들이 이루는 피치로서, 만약 홈의 모양이 사각뿔대 또는 사각뿔의 경우 두 방향의 마주보는 경사면이 존재하고, 이때 각 방향에서 경사면이 반복되는 피치를 의미한다. 이때, 각 방향에서의 피치는 반드시 같을 필요는 없다. 홈의 모양이 육각뿔 대 또는 육각뿔의 경우에는, 3 방향의 마주보는 경사면이 존재하게 되고, 이때 3개의 피치가 존재 할 수 있으며, 3 개 각각의 피치가 모두 같거나 모두 다를 수 있고 그 중 2개만 같을 수도 있다.

상기 m은 상기 정수들 중 최대값인 것이 바람직하고 필요에 따라 그 수를 줄일 수 있다.

상기 복수 홈은 밑면과 윗면이 사각형이나 육각형이고 윗면이 작은 크기의 사각형이나 육각형을 갖는 피라미드 모양의 기둥(각뿔대)일 수 있다. 또한 사각뿔이나 육각뿔이 될 수도 있다.

상기 복수 홈은 사각뿔대 또는 육각뿔대 등 각뿔대인 경우 각각 상기 경사면 끝이 평평한 면이 될 수 있고 곡면이 될 수도 있다.

본 발명에 따른 태양광 발전 모듈에 따르면, 커버 글래스의 하부에 패턴을 형성하여 태양광이 태양전지 모듈로 잘 흡수되도록 투과율을 향상시킨 커버 글래스를 적용함으로써 태양전지 모듈에서의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 패턴이 없는 커버 글래스에서의 프레넬 손실을 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 하부 패턴이 있을 때 커버 글래스에서의 프레넬 손실을 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 커버 글래스에서의 투과율 향상 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 커버 글래스에 형성되는 패턴의 피치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 커버 글래스에 형성되는 패턴의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 커버 글래스에 형성되는 패턴을 밑에서 본 밑면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 커버 글래스에 형성되는 패턴의 밑면도에 대한 다른 예이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 커버 글래스를 적용한 태양광 모듈을 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명은 태양 전지 모듈의 상부를 덮도록 구성될 태양광 발전용 일반 커버 글래스의 경우, 도 1과 같이, 커버 글래스에 빛이 입사될 때 커버 글래스의 표면 상부 면과 하부면에서의 프레넬(Fresnel) 반사에 의한 손실이 있게 되는데, 이러한 프레넬 손실이 최소화되어야 한다.

도 2에서와 같이, 임의의 복수 홈 패턴이 하부 면에 형성되어 있을 때, 프레넬 손실에 대한 현상을 분석하면, 먼저, 패턴의 경사면의 수평방향에 대한 각도 θ가 작은 경우에는, 예를 들어, θ < arcsin(1/n)(여기서, n은 글래스의 굴절율)인 경우에는, 입사광이 커버 글래스의 상부면을 통과하여 도 2의 경사면의 점 A에서 반사된 광이 커버 글래스의 상부면의 점 B에서 일부 굴절되어 손실 되는 광(R1)이 존재하게 되며, 커버 글래스의 상부면의 점 B에서 반사되어 재차 하부 면의 점 C로 들어오는 빛은 일부가 하부로 투과되는 광(T)이외에 위로 반사되어 손실되는 일부의 광(R2)이 존재할 수 있다.

또한, 패턴의 경사면의 수평방향에 대한 각도 θ가 큰 경우에는, 예를 들어, θ ≥ arcsin(1/n)인 경우에는, 입사광이 커버 글래스의 상부면을 통과하여 도 2의 경사면의 점 A에서 반사된 광이 커버 글래스의 상부면의 점 B에서 전반사가 되고, 커버 글래스의 상부면의 점 B에서 다시 전반사되어 하부 면의 점 C로 들어오는 빛이 재차 전반사되고, 역시 마찬가지로 점 C에서 전반사된 빛은 다시 상부면, 하부면에서 계속하여 전반사가 일어난다. 즉, 이때에는 입사광이 글래스 내부에서 모두 흡수되어 하부로 투과되지 못하여 태양 전지 모듈로 빛을 전달할 수 없게 된다.

따라서, 커버 글래스의 투과율을 향상 시키기 위한 최적 조건은 점 A 에서 반사된 광이 점 B에서 전반사가 일어나도록 패턴의 경사면 기울기를 선택하고, 점 B에서 전반사되어 점 C에 도달한 빛이 전반사가 되지 않는 조건을 부여해야 한다.

이러한 조건을 만족시키기 위하여, 도 3를 참조하면, 점 A 에서 반사된 광이 점 B에서 전반사가 일어나도록 패턴의 경사면의 기울기를 선택해야 하므로, θ ≥ 임계각/2(여기서, 임계각은 arcsin(1/n))가 되도록 선택되어야 한다. 이에 따라, 점 A면에 반사된 광이 점 B에서 모두 전반사 되어 손실없이 광을 재활용 할 수 있다.

점 B에서 전반사 되어 점 C에 도달한 빛이 전반사가 되지 않도록 하기 위하여는, 좌측 어느 한 패턴의 우측 경사면의 점 A에서 반사된 광이 점 B에서 전반사된 후, 전반사된 광이 커버 글래스의 하부면에 도달하였을 때, 우측 패턴의 좌측 경사면의 점 C 에 입사되도록 패턴을 배열한다. 이에 따라 점 C에서 전반사를 일으키지 않게 되고 하부로 투과되도록 함으로써 투과율의 향상을 기대할 수 있다.

도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 커버 글래스에 형성되는 패턴의 피치를 설명하기 위한 도면이다.

도 4과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 커버 글래스는 하부 면에 일정 피치로 복수 홈이 형성된 2차원 어레이 패턴을 포함한다. 도 5를 참조하면, 커버 글래스의 하부 면에 형성되는 복수 홈은 각각의 경사면이 수평방향에 대하여 일정 각도 θ 를 갖도록 형성된다.

여기서, 각 홈의 경사면의 수평방향에 대한 각도 θ는, [수학식 1], 에 의하여 결정되고(단, θ는 90도 보다 작음), [수학식 1]에서 임계각은 arcsin(1/n)이고, n은 글래스의 굴절율이다. 여기서, (임계각)*0.1의 양 만큼 작은 각도를 고려하는 이유는 높은 입사각에서 프레넬 반사율이 높기 때문에 전반사와 유사한 결과를 얻을 수 있기 때문이다.

[수학식 1]

θ ≥ 임계각/2 - 임계각*0.1

또한, 커버 글래스의 하부 면에 형성되는 복수 홈의 피치 Pitch는, [수학식 4]에 의하여 결정되고, 여기서, t는 글래스의 두께, a, b, h는 각각 홈 단면의 밑변의 길이, 윗변의 길이, 깊이이며, m은 m<mpitch/a 가 성립하는 정수들 중 하나이다. 특히, m은 위와 같은 정수들 중 최대값으로 함으로써, 패턴이 가장 많이 형성된 구조에서 투과율을 가장 크게 하는 것이 바람직하고 필요에 따라 그 수를 줄여서 사용함이 가능 하다.

[수학식 2]

[수학식 3]

P=a+(mpitch-m*a)/m

[수학식 4]

(1-0.3)*P < Pitch < (1+0.3)*P

여기서, 커버 글래스의 하부 면에 형성되는 복수 홈의 각각의 모양은 도 6과 같이 사각뿔대(밑면이 사각이고 옆면이 사다리꼴 형태인 피라미드 형 뿔대) 또는 사각뿔(도 6에서 옆면 사다리꼴의 윗변의 길이 b1=b2=0인 경우)일 수 있으며, 또는 도 7과 같이 육각뿔대(밑면이 육각이고 옆면이 사다리꼴 형태인 피라미드 형 뿔대) 또는 육각뿔(도 7에서 옆면 사다리꼴의 윗변의 길이 b1=b2=b3=0인 경우)일 수도 있다.

도 6과 같이, 패턴의 홈이 사각뿔대 또는 사각뿔인 경우에, 두 방향의 마주보는 옆면(경사면)이 존재하고, 커버 글래스의 하부 면에 형성되는 복수 홈의 피치 Pitch는, 옆면(경사면)이 마주보는 2개 방향, 즉 x1, x2로 각각 [수학식 4]에 따라 결정된다. 패턴의 홈이 사각뿔대인 경우에, 옆면(경사면)의 끝은 평평한 면이 될 수 있고 곡면이 될 수도 있다.

도 7과 같이, 패턴의 홈이 육각뿔대 또는 육각뿔인 경우에는, 3 방향의 마주보는 옆면(경사면)이 존재하게 되고, 커버 글래스의 하부 면에 형성되는 복수 홈의 피치 Pitch는, 옆면(경사면)이 마주보는 3개 방향, 즉 x1, x2, x3로 각각 [수학식 4]에 따라 결정된다. 패턴의 홈이 육각뿔대인 경우에, 옆면(경사면)의 끝은 평평한 면이 될 수 있고 곡면이 될 수도 있다.

도 6 및 도 7은 커버 글래스의 하부 면에 형성되는 홈 패턴의 2가지 예를 보여주는 것이며, 이에 한정되지 않고, 경우에 따라서는 밑면이 다른 다각형일 수도 있고 이때 각각의 해당 다각형에 대한 각뿔대 또는 각뿔이 홈의 패턴으로 적용될 수도 있다.

홈 패턴이 어떠한 모양이든지 불문하고, 마주보는 옆면(경사면)이 복수개 존재할 때, [수학식 4]에 따라 결정되는 피치 Pitch는, 각 방향에서의 피치가 모두 같거나 다를 수 있으며, 경우에 따라 마주보는 옆면(경사면)이 3개 이상인 경우에는 어느 하나 이상의 방향의 피치만 다르게 할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 커버 글래스를 적용한 태양광 모듈을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈은, 태양전지 모듈(10), 및 태양 전지 모듈(10)의 상부를 덮는 커버 글래스(20)를 포함한다.

여기서, 태양전지 모듈(10)은 소정 기판 위에 형성한 PN 접합 구조의 반도체 소자들(15)과 EVA(Ethylene vinyl acetate) 시트(16)를 포함한다. 반도체 소자들(15)은 결정 또는 다결정 실리콘, 화합물 반도체 등에 N형 불순물(예를 들어, 갈륨(Ga), 인듐(In), 붕소(B) 등)과 P 형 불문물(예를 들어, 인(P), 비소(As) 등)을 적절히 도핑하여 형성될 수 있다.

반도체 소자들(15)은 커버 글래스(20)와 EVA 시트(16)를 통과하여 입사되는 태양광을 전기에너지로 변환한다. 즉, PN 접합 구조의 태양전지인 반도체 소자들(15)은 태양광이 조사되는 경우에 반도체의 자유전자가 이동하면서 기전력을 발생하며, 태양광을 전기에너지로 변환할 수 있다. 이와 같이 생성되는 전기에너지는 배터리 등에 충전되어 산업계나 가정에서 필요한 에너지로 공급될 수 있다.

특히, 본 발명에서는 도 3 내지 도 6에서 설명된 바와 같은 커버 글래스(20)가 적용된다. 즉, 커버 글래스(20)의 하부 면에는 일정 피치(수학식 2,3,4 참조)로 복수 홈이 형성된 2차원 어레이 패턴을 포함한다. 커버 글래스(20)의 하부 면에 형성된 복수 홈의 각각의 경사면은 수평방향에 대하여 일정 각도(수학식 1 참조)를 가지도록 형성되어 있다. 이에 따라, 커버 글래스(20)의 상부 면을 통과하여 입사된 빛이 복수 홈 중 어느 하나의 홈의 경사면(점 A)에서 반사하고, 반사된 빛은 커버 글래스(20)의 상부면(점 B)에서 다시 반사하며, 재 반사된 빛은 복수 홈 중 다른 하나의 홈의 경사면(점 C)을 통해 투과할 수 있다.

이와 같이 점 C에서 전반사되지 않고 커버 글래스(20)의 하부 면에 형성된 홈을 통해 투과되도록 함으로써, 커버 글래스(20)의 투과율을 극대화할 수 있고, 이에 따라 태양광이 손실 없이 커버 글래스(20)를 통과하여 태양전지 모듈(10)로 모두 투과되도록 함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 커버 글래스의 홈 패턴은 글래스를 전이온도 부근으로 적절히 가열한 후 홈 패턴과 반대 구조의 해당 요철 패턴을 갖는 롤러(roller)로 압착하는 방식으로 가공될 수 있으며, 경우에 따라서는 레이저 가공 등이 이용될 수도 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 태양전지 모듈
15: PN 접합 반도체 소자
16: EVA 시트
20: 커버 글래스

Claims (8)

1. 태양 전지 모듈의 상부를 덮는 태양광 발전용 커버 글래스에 있어서,
   상기 커버 글래스의 하부 면에 일정 피치로 복수 홈이 형성된 2차원 어레이 패턴을 포함하고,
   상기 복수 홈의 각각의 경사면은 상기 커버 글래스의 상부 면을 통과하여 입사된 빛 중에서 상기 복수 홈 중 제1홈의 경사면에서 반사된 빛이 상기 커버 글래스의 상부 면에서 다시 반사되어 상기 복수 홈 중 제2홈의 경사면을 통해 상기 태양 전지 모듈로 투과되도록, 수평방향에 대하여 일정 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 커버 글래스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수 홈의 각각의 경사면의 수평방향에 대한 각도 θ는,
   수학식,
   θ ≥ 임계각/2 - 임계각*0.1,
   에 의하여 결정되고, 90도 보다 작은 각도이며, 여기서, 임계각은 arcsin(1/n)이고, n은 글래스의 굴절율인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 커버 글래스.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 피치(Pitch)는,
   수학식들,
   

   

   ,
   P=a+(mpitch-m*a)/m,
   (1-0.3)*P < Pitch < (1+0.3)*P,
   에 의하여 결정되고, 여기서, θ는 홈의 경사면의 수평방향에 대한 각도, t는 글래스의 두께, a, b, h는 각각 홈 단면의 밑변의 길이, 윗변의 길이, 깊이이고, m은 m<mpitch/a 가 성립하는 정수들 중 하나인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 커버 글래스.
4. 제3항에 있어서,
   상기 m은 상기 정수들 중 최대값인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 커버 글래스.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 복수 홈은 각각 사각뿔대, 사각뿔, 육각뿔대, 또는 육각뿔을 포함하는 각뿔대 또는 각뿔인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 커버 글래스.
6. PN 접합 구조의 반도체 소자를 포함하는 태양전지 모듈; 및
   상기 태양 전지 모듈의 상부를 덮는 커버 글래스를 포함하고,
   상기 커버 글래스는 하부 면에 일정 피치로 복수 홈이 형성된 2차원 어레이 패턴을 포함하며,
   상기 복수 홈의 각각의 경사면은 상기 커버 글래스의 상부 면을 통과하여 입사된 빛 중에서 상기 복수 홈 중 제1홈의 경사면에서 반사된 빛이 상기 상부 면에서 다시 반사되어 상기 복수 홈 중 제2홈의 경사면을 통해 상기 태양 전지 모듈로 투과되도록, 수평방향에 대하여 일정 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈.
7. 제6항에 있어서,
   상기 복수 홈의 각각의 경사면의 수평방향에 대한 각도 θ는,
   수학식,
   θ ≥ 임계각/2 - 임계각*0.1,
   에 의하여 결정되고, 90도 보다 작은 각도이며, 여기서, 임계각은 arcsin(1/n)이고, n은 글래스의 굴절율인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 피치(Pitch)는,
   수학식들,
   

   

   ,
   P=a+(mpitch-m*a)/m,
   (1-0.3)*P < Pitch < (1+0.3)*P,
   에 의하여 결정되고, 여기서, θ는 홈의 경사면의 수평방향에 대한 각도, t는 글래스의 두께, a, b, h는 각각 홈 단면의 밑변의 길이, 윗변의 길이, 깊이이고, m은 m<mpitch/a 가 성립하는 정수들 중 하나인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈.

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