KR101203988B1 - 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지 - Google Patents

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Abstract

집광보조장치를 접목한 고효율태양전지는 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 전력으로 변환하는 태양전지; 상기 태양전지로 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 집광시키는 광학수단; 및 상기 태양전지와 광학수단이 소정 간격을 갖도록 구비되는 케이스로 구성되며; 상기 케이스의 상면에는 상기 광학수단의 처짐현상을 방지하기 위한 제1 지지부재가 형성됨으로써, 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 광학필름을 이용하여 태양전지로의 직사광선 및 직사광선 이외의 주변광을 보조 집광하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

집광보조장치를 접목한 고효율태양전지{HIGH EFFICIENCY SOLLAR CELL GRAFTED ASSISTANT CONDENSER}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지에 관한 것이다.
기후변화위기에 대한 세계적 공감대가 형성되고 있는 가운데 기존 화석연료 기반의 에너지 대신 태양, 바람, 물 등 청정자연을 이용한 재생에너지에 대한 수요가 갈수록 높아지고 있다. 특히 태양광에너지에 대한 세계 각국의 기술개발과 상업화가 최근 몇 년 사이 몰라보게 발전하고 있으며, 한 시간 동안 지구에 전달되는 태양에너지를 손실없이 100% 이용할 수 있다면, 이는 인류가 1년동안 사용할 수 있는 전기를 만들어낼 수 있는 양이라고 할 만큼 태양은 막대한 에너지를 보유하고 있다. 태양광을 전기로 바꿔주는 태양전지는 지금까지 대부분 실리콘반도체를 이용한 것이었지만, 최근 실리콘을 전혀 사용하지 않고 특정 천연염료를 사용해 햇빛을 전기로 바꿔주는 '염료감응형 태양전지'에 대한 관심이 높아지고 있다.
염료감응 태양전지는 비록 태양광을 전기로 바꿔주는 효율이 결정질 실리콘계 태양전지보다는 절반 수준에 불과하지만, 제조비용을 5분의1 이하 수준으로 낮출 수 있다는 장점이 있고, 계절의 변화에 상관없이 작동할 수 있다는 점에서 주목을 받고 있다. 현재 염료감응태양전지의 효율은 약 11%에 도달하는 것으로 알려져 있다. 향후 이 전지는 상용화 효율이 20%이고 다양한 응용가능성을 지니고 있어, 세계적으로 많은 연구자들과 기업들의 집중적인 연구가 수행되고 있다.
염료감응 태양전지는 1991년 스위스 로잔공대(EPFL) 화학과의 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 교수가 처음 개발에 성공, 미국 네이처지에 소개되면서 알려졌습니다. 염료감응 태양전지는 간단한 구조로 인해 기존 실리콘계 태양전지보다 제조공정이 간편한 편이다. 보통 결정질 실리콘 태양전지의 가격은 와트당 2.5달러 선인데, 염료감응 태양전지는 와트당 1달러 이하로 제작할 수 있다고 산업계 전문가들은 말하고 있다. 다만 태양광에너지를 전기로 얼마나 많이 바꿔주느냐는 효율면에선 상업용 결정질 실리콘 태양전지가 약 14~17% 수준인 반면, 상업용 염료감응 태양전지는 아직 약 4~7% 수준에 그치고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 광학필름을 이용하여 태양전지로의 직사광선 및 직사광선 이외의 주변광을 보조 집광하여 태양전지의 효율을 향상시키도록 한 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지의 특징은, 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 전력으로 변환하는 태양전지; 상기 태양전지로 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 집광시키는 광학수단; 및 상기 태양전지와 광학수단이 소정 간격을 갖도록 구비되는 케이스로 구성되며; 상기 케이스의 상면에는 상기 광학수단의 처짐현상을 방지하기 위한 제1 지지부재가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양전지는 염료감응태양전지로, 염료감응태양전지 셀(Cell) 또는 염료감응태양전지 모듈(Module)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광학수단은 상기 태양전지에 대응하는 위치에 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛의 직사광선이 입사되도록 홀(Hole)이 형성되고, 상기 광학수단은 광학필름으로, 프리즘시트인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 케이스의 상면에는 상기 광학수단의 처짐현상을 방지하기 위한 제1 지지부재로 유리 또는 투명 플라스틱이 더 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소정 간격은 상기 태양전지와 상기 광학수단이 5~20㎝m의 간격을 갖도록 구비되며, 바람직하게는 10~15㎝의 간격으로 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 프리즘시트에 의해 집광된 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛에 의한 열을 차단하기 위한 상기 태양전지에 대응하는 위치의 상기 케이스의 하면에 IR필름이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 IR필름의 처짐현상을 방지하기 상기 케이스의 하면에는 제2 지지부재로 유리 또는 투명 플라스틱이 더 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양전지의 수분 또는 먼지를 방지하기 위하여 상기 태양전지에 대응하는 위치의 상기 케이스의 하면에 UV필름이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 UV필름의 처짐현상을 방지하기 상기 케이스의 하면에는 제3 지지부재로, 유리 또는 투명 플라스틱이 더 형성된 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지는 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 광학필름을 이용하여 태양전지로의 직사광선 및 직사광선 이외의 주변광을 보조 집광하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명에 따른 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지의 일실시예를 나타낸 도면
도2 내지 도6은 도1의 케이스의 상하면 간격에 따른 효율을 나타낸 도면
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지의 기술적 구성에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명에 따른 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도2 내지 도6은 도1의 케이스의 상하면 간격에 따른 효율을 나타낸 도면이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지는 태양전지(110)와, 케이스(120)와, 광학수단(130)과, IR필름(160)과, UV필름(180)을 구비한다.
상기 태양전지(110)는 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 전력으로 변환하기 위한 것으로, 염료감응태양전지가 사용되며, 상기 염료감응태양전지로는 염료감응태양전지 셀(Cell) 또는 염료감응태양전지 모듈(Module)이 사용된다. 또한, 상기 염료감응태양전지로는 염료감응태양전지 어레이(Array)가 사용될 수도 있다.
상기 케이스(120)는 상기 태양전지(110) 상에 구비되고, 정육면체 또는 직육면체로 형성된다. 상기 정육면체 또는 직육면체는 전후좌우면이 개방 또는 폐쇄된 것을 사용할 수 있고, 상기 전후좌우면이 폐쇄된 경우 전후좌우면은 투명면 또는 불투명면을 사용할 수도 있으며, 상기 투명면으로는 유리 또는 투명 플라스틱을 사용할 수 있다. 상기 케이스(120)의 상면에는 상기 광학수단(130)의 처짐을 방지하도록 제1 지지부재(140)가 구비될 수 있고, 상기 제1 지지부재(140)로는 유리 또는 투명 플라스틱이 사용될 수도 있다. 상기 유리 또는 상기 투명 플라스틱은 상기 태양전지(110)에 대응하는 위치에 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛이 상기 태양전지(110)로 입사되도록 홀(Hole)이 형성된다. 상기 케이스(120)의 상하면 간격은 상기 태양전지(110)와 상기 광학수단(130)이 소정 간격을 갖도록 구비되고, 상기 소정 간격은 5~20㎝로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 10~15㎝로 형성된다. 상기 범위 이외에서는 상기 광학수단(130)의 굴절률 1.54의 값에서 너무나 멀리 있기 때문에 집광 효율이 떨어지게 된다. 또한, 상기 케이스(120)는 이동가능하도록 하면에 이동수단인 바퀴가 구비된다.
상기 광학수단(130)은 상기 케이스(120)의 상면에 구비되어 상기 태양전지(110)로 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 집광시킨다. 상기 광학수단(130)은 광학필름이 사용되며, 그 한 종류인 프리즘시트가 사용된다. 상기 광학수단(130)은 상기 태양전지(110)에 대응하는 위치에 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛이 상기 태양전지(110)로 입사되도록 홀(Hole)이 형성된다. 상기 광학수단(110)은 상기 홀(Hole)을 통해 상기 태양전지(110)로 입사되는 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛의 직사광선 이외에 주변의 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 보조 집광하여 상기 태양전지(110)로 입사시켜 상기 태양전지(110)의 효율을 향상시키게 된다.
상기 IR필름(160)은 상기 광학수단(130)에 의해 집광된 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛에 의한 열을 차단하기 위하여 상기 태양전지(110)에 대응하는 위치의 상기 케이스(120)의 하면에 구비된다. 상기 IR필름(160)은 상기 케이스(120)의 하면에 구비된 상기 제2 지지부재의 상면 또는 하면에 구비될 수 있다.
상기 UV필름(180)은 상기 태양전지(110)의 수분 또는 먼지를 방지하기 위하여 상기 태양전지(110)에 대응하는 위치의 상기 케이스(120)의 하면에 구비된다. 상기 UV필름(180)은 상기 케이스(120)의 하면에 구비된 상기 제3 지지부재의 상면 또는 하면에 구비될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도1에 도시된 바와 같이, 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛으로부터 전력을 얻기 위하여 태양전지(110)를 소정 위치에 설치한다. 상기 태양전지(110)는 염료감응태양전지로, 염료감응태양전지 셀(Cell) 또는 염료감응태양전지 모듈(Module)이 사용된다. 또한, 상기 염료감응태양전지로는 염료감응태양전지 어레이(Array)가 사용될 수도 있다.
이후 태양전지(110)로부터 고효율을 얻기 위하여 하면에 이동수단인 바퀴가 구비되고 상면에 광학수단(130)인 광학필름이 설치된 케이스(120)를 태양전지(110) 상에 위치시킨다. 상기 광학필름으로는 프리즘 시트가 사용되며, 상기 프리즘 시트에는 일정 크기의 홀(Hole)이 형성되어 있다. 이렇게 홀(Hole)을 형성되어 이유는 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛의 직사광선을 태양전지(110)로 바로 입사시키기 위한 것이다. 상기 프리즘 시트는 상기 홀(Hole) 이외에서의 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛이 상기 태양전지(110)로 입사되도록 하기 위한 일정 굴절률을 갖는 것을 사용한다. 이때, 상기 케이스(120)의 상하면 간격은 상기 태양전지(110)와 상기 광학수단(130)이 소정 간격을 갖도록 구비되고, 상기 소정 간격은 5~20㎝의 간격으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 10~15㎝의 간격으로 형성된다. 상기 범위 이외에서는 상기 광학수단(130)의 굴절률 1.54의 값에서 너무나 멀리 있기 때문에 집광 효율이 떨어지게 된다.
이어 상기 태양전지(110)와 프리즘 시트에 형성된 홀(Hole)을 서로 대응하도록 위치시킨다.
그러면 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛의 직사광선은 상기 프리즘 시트의 홀(Hole)을 통해 상기 태양전지(110)로 입사되고, 상기 홀(Hole) 이외에서는 상기 프리즘 시트를 통해 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛이 상기 태양전지(110)로 굴절되어 입사됨으로써 상기 태양전지(110)로 더 많은 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 집중적으로 입사시켜 효율을 높이게 된다.
한편, 상기 프리즘 시트는 상기 케이스(120)의 상면에 바로 설치시 상기 태양전지(110)의 크기에 따라 처짐 현상이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 상기 케이스(120)의 상면에는 제1 지지부재(140)로 유리 또는 투명 플라스틱을 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 제1 지지부재(140)는 상기 프리즘 시트에 형성된 홀(Hole)에 대응하는 위치에 홀(Hole)이 형성된 것이 사용된다. 상기 프리즘 시트는 상기 제1 지지부재(140)의 상면 또는 하면에 구비될 수 있다.
또한, 상기 태양전지(110)로의 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛의 집중 입사시 발생되는 열을 차단하기 위하여 상기 태양전지(110)에 대응하는 위치의 상기 케이스(120)의 하면에 IR필름(160)을 더 구할 수 있다. 이때 상기 IR필름(160)의 처짐 현상을 방지하기 위하여 상기 케이스(110) 하면에 제2 지지부재로 유리 또는 투명 플라스틱이 구비될 수 있으며, 이때 IR필름(160)은 상기 제2 지지부재의 상면 또는 하면에 구비될 수 있다.
또한, 상기 태양전지(110)의 수분 또는 먼지를 방지하기 위하여 상기 태양전지(110)에 대응하는 위치의 상기 케이스(120) 하면에 UV필름(180)을 더 구비할 수 있다. 이때 상기 UV필름(180)의 처짐 현상을 방지하기 위하여 상기 케이스(110)의 하면에 제3 지지부재로 유리 또는 투명 플라스틱이 구비될 수 있으며, 이때 UV필름(10)은 상기 제3 지지부재의 상면 또는 하면에 구비될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 집광조보장치를 접목한 고효율태양전지의 효율을 측정하기 위하여 염료감응태양전지를 유리 기판으로 한 단위셀을 제작한 후 제논(Xe) 램프 광원을 가지고, 광량 100 mw/㎠를 조사하였다.
이와 같은 상태에서 상기 케이스(120)의 소정 간격에 따른 광전자 효율 측정값 및 효율을 결정짓는 팩터(factor)로서 전류 밀도(current density)와 전압 변화 및 필 팩터(fill factor)를 도2 내지 도6과 하기한 표1에 도시된 바와 같다.
염료감응태양전지와
광학수단의 거리의 값		 Jsc(㎃/㎠) Voc(V) Fill Factor(%) Efficiency(η%)
광학필름을 붙이지 않은 경우 12.68 0.568 69.2 7.20
5㎝ 14.16 0.564 72.6 7.46
10㎝ 18.76 0.577 76 9.89
15㎝ 24.04 0.540 65.1 12.02
20㎝ 16.90 0.572 70.1 8.72
도2 내지 도6에 도시된 바와 같이, 상기 케이스의 상하면 간격이 5~20㎝의 간격으로 형성될 경우 효율이 향상되고, 바람직하게는 10~15㎝의 간격으로 형성될 경우 고효율이 발생시키며, 상기 표1에서 보면 효율에 미치는 팩터(factor)중 필팩터(Fill Factor)를 살펴보면 거리에 따라 효율이 증가하다가 일정 지점에서 최대값을 가진 뒤 거리가 멀어지면 효율의 값이 떨어지는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위 및 그와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.
110 : 태양전지 120 : 케이스
130 : 광학수단 140 : 제1 지지부재
150 : 제2 지지부재 160 : IR필름
170 : 제3 지지부재 180 : UV필름

Claims (17)

  1. 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 전력으로 변환하는 태양전지;
    상기 태양전지로 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛을 집광시키는 광학수단; 및
    상기 태양전지와 광학수단이 소정 간격을 갖도록 구비되는 케이스로 구성되며;
    상기 케이스의 상면에는 상기 광학수단의 처짐현상을 방지하기 위한 제1 지지부재가 형성된 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지는 염료감응태양전지인 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 염료감응태양전지는 염료감응태양전지 셀(Cell) 또는 염료감응태양전지 모듈(Module)인 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광학수단은 상기 태양전지에 대응하는 위치에 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛의 직사광선이 입사되도록 홀(Hole)이 형성된 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광학수단은 광학필름인 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광학필름은 프리즘시트인 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지부재는 상기 태양전지에 대응하는 위치에 상기 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛의 직사광선이 입사되도록 홀(Hole)이 형성된 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 지지부재는 유리 또는 투명 플라스틱인 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 소정 간격은 5~20㎝인 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 소정 간격은 10~15㎝인 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 프리즘시트에 의해 집광된 자연광 또는 솔라시뮬레이터에서 발생된 빛에 의한 열을 차단하기 위한 상기 태양전지에 대응하는 위치의 상기 케이스의 하면에 IR필름이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 IR필름의 처짐현상을 방지하기 상기 케이스의 하면에는 제2 지지부재가 더 형성된 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 지지부재는 유리 또는 투명 플라스틱인 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지의 수분 또는 먼지를 방지하기 위하여 상기 태양전지에 대응하는 위치의 상기 케이스의 하면에 UV필름이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 UV필름의 처짐현상을 방지하기 상기 케이스의 하면에는 제3 지지부재가 더 형성된 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제3 지지부재는 유리 또는 투명 플라스틱인 것을 특징으로 하는 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지.
KR1020110017098A 2011-02-25 2011-02-25 집광보조장치를 접목한 고효율태양전지 KR101203988B1 (ko)

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JP2009272566A (ja) 2008-05-09 2009-11-19 Sharp Corp 集光型太陽光発電ユニット、および集光型太陽光発電装置
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