KR101224923B1 - Ⅲ－ⅴ 반도체 태양 전지를 이용한 집중식 태양광 시스템 모듈 - Google Patents

Ⅲ－ⅴ 반도체 태양 전지를 이용한 집중식 태양광 시스템 모듈 Download PDF

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Abstract

태양 전지 모듈은 렌즈의 어레이, 대응하는 2차 광학적 구성요소 및 대응하는 태양 전지 수신기를 포함한다. 태양 전지 수신기는 하나 이상의 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체 층을 가진 태양 전지, 태양 전지와 평행하게 연결된 다이오드, 및 다른 태양 전지 수신기에 연결하기 위한 커넥터를 포함한다. 모듈은 각 렌즈가 그 각각의 태양 전지 상으로 태양 에너지를 집중시키도록 렌즈를 지지하는 하우징을 포함한다.
태양광 시스템, 태양 전지, 태양 전지 수신기

Description

Ⅲ－Ⅴ 반도체 태양 전지를 이용한 집중식 태양광 시스템 모듈{CONCENTRATED PHOTOVOLTAIC SYSTEM MODULES USING Ⅲ－Ⅴ SEMICONDUCTOR SOLAR CELLS}
본 발명은 Ⅲ－Ⅴ화합물 반도체 다중접합 태양 전지를 이용한 집중식 태양광 시스템 어레이에서의 이용을 위한 모듈 또는 서브어셈블리(subassembly)에 관한 것이다.
역사적으로, (우주 및 지구상에서 모두) 태양 발전은 주로 실리콘 태양 전지에 의해 제공되었다. 하지만, 과거 몇년 동안, 우주용 고효율 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 태양 전지의 대량 제조는 지구상에서의 발전(terrestrial power generation)에 대한 대체 기술을 고려할 수 있도록 하였다. 실리콘에 비하여, Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 전지는 일반적으로 방사 저항(radiation resistant)이 더 강하고, 보다 큰 에너지 변환 효율을 가지지만, 제조하는데 더 많은 비용이 드는 경향이 있다. 현재 일부의 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 전지는 27%를 초과하는 에너지 효율을 가지나, 실리콘 기술은 일반적으로 약 17% 효율에만 그친다. 집 중(집중도; concentration)에 있어서, 현재 일부의 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 전지는 37%를 초과하는 에너지 효율을 가진다.
대체로, 다중접합 전지는 n-p 극을 가지고, InGaP/(In)GaAs/Ge 반도체 구조의 수직 스택(vertical stack)으로 구성된다. Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 태양 전지층(solar cell layer)은 전형적으로 게르마늄(germanium : Ge) 기판에서 금속 유기 화학적 기상 증착법(MOCVD : Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)을 통해 성장된다. Ge 기판의 이용은 접합이 n- 및 p- 형 Ge 사이에서 형성되도록 하여, 바닥 또는 저대역 갭 서브전지(low band gap subcell)를 형성하기 위한 기판을 이용한다. 태양 전지 구조는 전형적으로 약 86 ㎎/㎠의 평균 질량 밀도로 100-㎜ 직경의 Ge 웨이퍼에서 성장된다. 일부 공정에서, MOCVD 성장 공정 중에 12 또는 13 Ge 기판을 홀딩(hold)하는 플래터(platter) 전역의 에피택셜층의 균일성(uniformity)은 99.5% 보다 더 좋다. 각 웨이퍼는 전형적으로 2개의 대면적 태양 전지(large-area solar cell)를 산출한다. 생산용으로 공정된 전지 면적은 전형적으로 26.6 내지 32.4 ㎠의 범위이다. 실질적으로, 에피택셜 웨이퍼는 자동 로봇의 포토리소그래피(photolithography), 금속화 공정(metallization), 화학 클리닝 및 에칭(chemical cleaning and etching), 반사방지(AR) 코팅(antireflection coating), 다이싱(dicing) 및 테스팅 공정을 통하여 완성된 태양 전지 장치로 공정될 수 있다. 전형적으로, n- 및 p- 컨택 금속화 공정은 얇은 Au 캡층(cap layer)을 갖는 Ag로 주로 구성되어, 산화로부터 Ag를 보호한다. AR 코팅은 이중층 TiOx/Al2O3 유전체 스택이고, 이 스택의 스펙트럼 반사율 특성은 전지의 수명(EOL) 성능을 최대화할 뿐만 아니라, 커버글라스-인터커넥트-전지(coverglass-interconnect-cell : CIC) 또는 태양 전지 어셈블리(solar cell assembly : SCA) 레벨에서의 반사를 최소화하도록 설계된다.
일부의 화합물 반도체 다중접합 전지에서, 중간 전지(middle cell)는 GaAs 전지에 대립되는 InGaAs 전지이다. 인듐 농도는 InGaAs 중간 전지용으로 약 1.5% 의 범위내에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 배치는 증가된 효율성을 나타낸다. InGaAs층 이용의 이점은 이러한 층이 실질적으로 Ge 기판에 완전히 격자 정합된다는 점이다.
본 발명은 Ⅲ－Ⅴ화합물 반도체 다중접합 태양 전지를 이용한 집중식 태양광 시스템 어레이에서의 이용을 위한 모듈 또는 서브어셈블리를 제공한다.
본 발명의 일양태에 있어서, 태양 전지 모듈은 다중접합 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체 태양 전지를 가진 태양 전지 수신기를 포함하는 서브어셈블리, 2차 광학 구성요소 및 태양 전지 상으로 투사광을 집광하는 렌즈를 포함한다.
본 발명의 일양태에 있어서, 태양 에너지를 전기로 변환하기 위한 태양 전지 모듈은, 제1 측면 및 제1 측면 반대편의 제2 측면을 포함하는 하우징(housing); 하우징의 제1 측면에 연결되고 약 38.1 ㎝ 및 약 50.8 ㎝ 사이의 초점 거리를 각각 가지는 프레넬 렌즈(Fresnel lense)의 집적 어레이(integral array); 및 하우징의 제2 측면에 배치된 복수의 태양 전지 수신기를 포함하고, 각 태양 전지 수신기는, 하나 이상의 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체층을 포함하고 약 1 센티미터 × 약 1 센티미터의 치수를 갖는 태양 전지; 바디(body), 애노드 단자(anode terminal) 및 캐소드 단자(cathode terminal)를 갖고, 태양 전지와 평행하게 연결된 다이오드; 및 태양 전지 및 다이오드와 평행하게 연결되고, 하나 이상의 이격된 태양 전지 수신기에 전기적 접속을 제공하도록 구성된 제1 및 제2 전기 단자를 포함하고, 복수의 2차 광학적 구성요소는 각 렌즈의 광학적 경로에 배치되고, 각각의 2차 광학적 구성요 소는 복수의 반사벽을 갖는 각각의 테이퍼링된 광학적 채널을 정의하고, 각 태양 전지는 각 렌즈 및 각 광학적 채널의 광학적 경로에 배치되고, 렌즈는 400 이상의 팩터에 의해 각 태양 전지 상으로 태양 에너지를 집중시키도록 작동되고, 14와트의 피크 전력(peak power)를 초과하여 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 태양 전지 수신기는, 태양 전지 및 다이오드를 지지하기 위한 기판 - 다이오드 바디는 상부 및 상부보다 기판에 더 근접하게 배치된 하부를 포함함 - ; 다이오드 바디의 상부에 배치되고 기판으로 연장되며 다이오드 바디, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 실질적으로 캡슐화하는 코팅; 및 다이오드 바디의 하부와 기판 사이의 모든 공간을 실질적으로 점유하는 언더코팅(undercoating)을 포함한다.
일부 실시예에서, 언더코팅은 다이오드와 기판 사이에 공기갭이 없도록 배치된다.
일부 실시예에서, 프레넬 렌즈의 집적 어레이는 하우징에서의 정렬 구성요소와 연결하도록 구성된 정렬 구성요소를 갖는 아크릴 시트(acrylic sheet)이다.
일부 실시예에서, 렌즈의 초점 거리는 약 45 ㎝이다.
일부 실시예에서, 태양 전지는 적어도 3개의 영역을 포함하는 다중접합 전지이고, 상기 영역은 게르마늄 함유 기판, 상기 기판에 배치된 InGaAs 또는 GaAs를 함유한 층, 상기 InGaAs 또는 GaAs를 함유한 층에 배치된 InGaP 층을 각각 포함한다.
일부 실시예에서, 2차 광학적 구성요소는 일반적으로 고반사율 내면을 갖는 사다리꼴 솔리드(trapezoidal solid)이다.
일부 실시예에서, 광학적 채널은 광학적 출구 및 광학적 출구보다 더 큰 광학적 입구에 의해 정의된다.
일부 실시예에서, 광학적 출구는 대략 태양 전지와 동일한 치수를 갖는다.
본 발명의 일양태에 있어서, 태양 에너지를 전기로 변환하기 위한 태양 전지 모듈은, 제1 측면 및 제1 측면 반대편의 제2 측면을 포함하는 하우징; 하우징의 제1 측면에 연결되고, 정렬 구성요소와 연결하기 위하여 복수의 리셉터클(receptacle)을 포함하는 정렬 프레임(alignment frame); 정렬 프레임에 배치되고 약 38.1 ㎝ 및 약 50.8 ㎝ 사이의 초점 거리를 각각 가지는 14개의 프레넬 렌즈의 집적 어레이 - 어레이는 제1 방향으로의 7개의 렌즈 및 제1 방향에 직각인 제2 방향으로의 2개의 렌즈를 포함함 - ; 14개의 프레넬 렌즈의 집적 어레이를 정렬 프레임의 리셉터클에 연결하는 복수의 정렬 구성요소; 하우징의 제2 측면에 배치되고, 제1 방향으로의 7개의 태양 전지 수신기 및 제1 방향에 직각인 제2 방향으로의 2개의 태양 전지 수신기를 포함하는 14개의 태양 전지 수신기의 어레이를 포함하고, 각 태양 전지 수신기는, 하나 이상의 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체층을 포함하고 약 1 센티미터 × 약 1 센티미터의 치수를 갖는 태양 전지; 바디, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 갖고, 태양 전지와 평행하게 연결된 다이오드; 및 태양 전지 및 다이오드와 평행하게 연결되고, 하나 이상의 이격된 태양 전지 수신기에 전기적 접속을 제공하도록 구성된 제1 및 제2 전기 단자를 포함하고, 복수의 정렬 구성요소는 각 태양 전지가 각 렌즈의 광학적 경로에 배치되도록 14개의 프레넬 렌즈의 집적 어레 이를 정렬하고, 렌즈는 520 이상의 팩터에 의해 각 태양 전지 상으로 태양 에너지를 집중시키고, 14 와트의 피크 전력을 초과하여 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 태양 전지 모듈은 각 렌즈의 광학적 경로에 각각 배치되고, 복수의 반사벽을 갖는 각각의 테이퍼링된 광학적 채널을 각각 정의하는 14개의 2차 광학적 구성요소의 어레이를 포함한다.
일부 실시예에서, 태양 전지는 각 렌즈 및 각 광학적 채널의 광학적 경로에 배치된다.
일부 실시예에서, 태양 전지 수신기는, 태양 전지 및 다이오드를 지지하기 위한 기판 - 다이오드 바디는 상부 및 상부보다 기판에 더 근접하게 배치된 하부를 포함함 - ; 다이오드 바디의 상부에 배치되고 기판으로 연장되며 다이오드 바디, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 실질적으로 캡슐화하는 코팅; 및 다이오드 바디의 하부와 기판 사이의 모든 공간을 실질적으로 점유하는 언더코팅을 포함한다.
일부 실시예에서, 언더코팅은 다이오드와 기판 사이에 공기갭이 없도록 배치된다.
일부 실시예에서, 2차 광학적 구성요소는 일반적으로 고반사율 내면을 갖는 사다리꼴 솔리드이다.
일부 실시예에서, 광학적 채널은 광학적 출구 및 광학적 출구보다 더 큰 광학적 입구에 의해 정의된다.
일부 실시예에서, 광학적 출구는 대략 태양 전지와 동일한 치수를 갖는다.
본 발명은 Ⅲ－Ⅴ화합물 반도체 다중접합 태양 전지를 이용한 집중식 태양광 시스템 어레이에서의 이용을 위한 모듈 또는 서브어셈블리를 제공할 수 있다.
다음은 절연 바이패스 다이오드를 갖는 태양 전지 수신기의 바람직한 실시예 뿐만 아니라 다른 실시예의 설명이다.
Ⅰ. 개요
태양 전지 수신기는 태양 에너지를 전기로 변환한다. 본 발명에 설명된 다양한 실시예에서, 3중-접합 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체 태양 전지가 사용되지만, 어플리케이션에 따라 다른 타입의 태양 전지가 이용될 수 있다. 태양 전지 수신기는 추가적인 구성요소 예를 들어, 출력 장치 또는 다른 태양 전지 수신기에 연결하기 위한 커넥터를 종종 포함한다.
일부 어플리케이션에 대하여, 태양 전지 수신기는 태양 전지 모듈의 일부로서 구현될 수 있다. 태양 전지 모듈은 태양 전지 수신기 및 태양 전지에 연결된 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈는 태양 전지 상으로 수신된 광을 집광하기 위하여 이용된다. 렌즈의 결과로서, 더 큰 집중도의 태양 에너지가 태양 전지에 의해 수신될 수 있다. 일부 실시예에서, 렌즈는 400 이상의 팩터(factor)에 의해 태양 에너지를 집중시키도록 구성된다. 예를 들어, 500-Suns 집중도에서, 1 ㎠의 태양 전지 면적 은 집중도없이 500 ㎠의 태양 전지 면적이 생산하는 것과 동일한 양의 전력을 생산한다. 따라서, 집중도를 이용하면, 렌즈 및 거울과 같은 비용 효율적인 물질로 초고가 반도체 전지 물질(cell material)을 대체할 수 있다.
둘 이상의 태양 전지 모듈은 어레이로 함께 그룹화될 수 있다. 이러한 어레이는 때때로 "패널(panel)" 또는 "솔라 패널(solar panel)"이라 칭한다.
Ⅱ. 솔라 패널의 실시예
도 1은 태양 에너지로부터 전기를 생성하기 위한 솔라 패널(10)의 하나의 실시예를 도시한다. 패널(10)은 복수의 태양 전지 모듈(20)을 포함한다. 이 예시에는 24개의 태양 전지 모듈(20)이 도시된다. 각 모듈(20)은 태양 전지 수신기의 태양 전지 상으로 태양광을 집광하기 위하여, 하나 이상의 태양 전지 수신기(예를 들어, 도 2a의 아이템(12a)) 및 대응하는 렌즈(예를 들어, 도 2a의 아이템(204a))를 포함할 수 있다. 복수의 패널(10)이 제공될 경우, 패널(10)은 통상적으로 직렬로 접속되지만, 다른 실시예는 병렬 또는 직병렬로 패널을 접속할 수 있다.
Ⅲ. 태양 전지 모듈의 실시예
도 2a는 렌즈(22a-22j)의 어레이(여기서, 4개는 미도시) 및 (도 4의 아이템(12)의 형태를 각각 취하는) 대응하는 태양 전지 수신기(12a-12j)를 포함하는 태양 전지 모듈(20)의 실시예를 예시한다. 일부 실시예에서, 태양 전지 모듈은 14개의 렌즈 및 14개의 대응하는 태양 전지 수신기를 포함한다. 예시된 실시예에서, 어 레이는 "7×2"이다.
렌즈(22a-22j)는 광학 재료(예를 들어, 아크릴)의 연속 시트(continuous sheet)(201)에 형성된다. 일부 실시예에서, 렌즈(22a-22j)가 형성되지 않은 시트(201)의 영역은 부분 또는 전체적으로 불투명하게 이루어진다. 연속 시트(201)로 렌즈(22a-22j)를 형성함으로써, 실질적으로 비용이 감소할 수 있다. 첫째, 큰 시트에 렌즈를 생산함으로써, 생산 비용이 감소한다. 둘째, 하나의 아이템(즉, 렌즈의 시트(201))만이 태양 전지 수신기와 정렬되기 때문에, 어셈블리 비용은 감소한다. 이러한 실시예에서, 시트(201)는 하우징(21)에 의해 그 주변 에지 상에 지지되고, 복수의 프레임 정렬 구성요소(frame alignment element)(예를 들어, 홀)(205a)을 갖는 정렬 프레임(206)의 상측에 놓인다. 홀(205a)은 나사산이 형성되거나 패스너(fastener)를 수용하도록 구성될 수 있다. 시트(201)는 프레임 정렬 구성요소(205a)를 정렬하고, 프레임 정렬 구성요소(205a)와 연결하는 시트 정렬 구성요소(205b)(예를 들어, 핀, 스크류 또는 다른 하드웨어)를 포함한다. 프레임 정렬 구성요소(205a)와 시트 정렬 구성요소(205b)를 연결하여 각 태양 전지 수신기(12a-12j)가 그 각각의 렌즈(22a-22j)와 정렬되도록, 프레임 정렬 구성요소(205a) 및 시트 정렬 구성요소(205b)가 위치한다. 일부 실시예에서, 면(202)은 각 태양 전지 수신기(12a-12j)가 소정의 위치에 위치하는 것을 보장하는 정렬 피쳐(alignment feature)를 포함한다. 이 피쳐는 태양 전지 수신기의 기판(예를 들어, 아이템(9))과 연결할 수 있다.
정렬 구성요소(205b)(예를 들어, 핀)는 일반적으로 4개의 렌즈에 의해 정의 된 중심점에 위치한다. 예를 들어, 정렬 구성요소(205b)는 렌즈(22f, 22g, 22h 및 22i)에 의해 정의된 중심점에 위치한다. 또 다른 정렬 구성요소(205)는 렌즈(22e, 22f, 22i 및 22j)에 의해 정의된 중심점에 위치한다. 4개의 렌즈에 의해 정의된 중심점에 정렬 구성요소(205b)를 위치시키는 이 패턴은 전체 시트(201)를 따라 연속될 수 있다.
일부 실시예에서, 각 렌즈(22a-22j)는 프레넬 렌즈이다. 대응하는 태양 전지 수신기(12a-12j)는 면(202) 상의 하우징(21)의 반대단에 위치한다. 각 태양 전지 수신기(12a-12j)는 즉, 대응하는 태양 전지(30)가 렌즈(22a-22j)를 통과하는 광을 수신하도록, 대응하는 렌즈(22a-22j)의 광학적 경로에 배치된 대응하는 태양 전지(30)(도 4 참조)를 포함한다. 일부 실시예에서, 렌즈의 광학적 경로에 태양 전지를 배치하기 위하여, 추가적인 렌즈 및/또는 거울이 사용된다. 예를 들어, 2차 광학적 구성요소(210b)는 태양 전지 수신기(12b) 및 렌즈(22b)와 대응한다는 것을 보여준다. 2차 광학적 구성요소(210b)는 렌즈(22b)로부터 광을 모아, 태양 전지 수신기(12b)의 태양 전지에 집광한다. 일부 실시예에서, 각 태양 전지 수신기(12a-12j)는 대응하는 2차 광학적 구성요소를 구비한다. 2차 광학적 구성요소는 도 2b와 관련하여 보다 상세히 설명한다.
일부의 프레넬 렌즈가 일부의 볼록 렌즈보다 태양광을 보다 많이 집광시킬 수 있지만, 실시예는 투사광을 집광하는 렌즈(22a-22j)의 임의의 타입을 이용할 수 있다. 렌즈(22a-22j)는 (예를 들어, 태양 전지(30)에 적용된 것과 유사한) 멀티-레이어 반사방지 코팅(204a-204j)을 포함할 수도 있다.
렌즈(22a-22j)를 포함하는 시트(201)와 태양 전지 수신기(12a-12j)의 대응하는 태양 전지 사이의 거리(203)는 예를 들어, 렌즈(22a-22j)의 초점 거리에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 각 태양 전지 수신기(12a-12j)의 태양 전지가 각 렌즈(22a-22j)의 초점 또는 그 주위에 배치되도록, 모듈 하우징(21)이 배열된다. 일부 실시예에서, 각 렌즈(22a-22j)의 초점 거리는 약 25.4 ㎝와 76.2 ㎝ 사이이다. 일부 실시예에서, 각 렌즈(22a-22j)의 초점 거리는 약 38.1 ㎝와 50.8 ㎝ 사이이다. 일부 실시예에서, 각 렌즈(22a-22j)의 초점 거리는 약 40.085 ㎝이다. 일부 실시예에서, 각 렌즈(22a-22j)의 초점 거리는 변화하고, 하우징은 시트(201)와 면(202) 사이의 다수의 상이한 거리(예를 들어, 치수(203)보다 더 크거나 및/또는 작은 거리)를 제공한다.
렌즈(22a-22j)의 일부 실시예는 통상적인 집중도의 400배(즉, 400 Suns) 이상으로 투사광을 집광한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 렌즈(22a-22j)는 통상적인 집중도의 약 520배로 태양광을 집광한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 렌즈(22a-22j)는 통상적인 집중도의 약 470배로 태양광을 집광한다. 대체로, 집중된 조명 아래에서 전기로의 태양 에너지의 변환 효율이 증가한다. 예를 들어, 약 500 Suns에서, 하나의 태양 전지 모듈은 10 와트 이상의 전력을 생성할 수 있다. 또 다른 예에서, 약 470 Suns에서, 하나의 태양 전지 모듈은 14 와트 이상의 전력을 생성할 수 있다. 모듈이 생산할 수 있는 전력의 양은 예를 들어, 태양 전지 특성(예를 들어, 크기, 구성물) 및 연관된 광학 렌즈의 속성(예를 들어, 집중도, 초점, 정렬)의 결합에 따라 변할 수 있다.
일부 실시예에서, 각 태양 전지 수신기(12a-12j)의 태양 전지(30)는 직렬로 배열된 3개의 서브-전지 각각을 갖는 3중-접합 Ⅲ－Ⅴ 태양 전지이다. 어플리케이션에서 다수의 태양 전지 모듈(20)이 사용되는 경우, 전형적으로 태양 전지 모듈(20)의 수신기(12a-12j)는 전기적으로 직렬로 함께 접속된다. 그러나, 다른 어플리케이션은 직렬 또는 직병렬 접속을 이용할 수 있다. 예를 들어, 주어진 모듈(20) 내의 수신기(12a-12j)는 직렬로 함께 전기적으로 접속될 수 있지만, 모듈(20)은 서로 병렬로 접속된다.
태양 전지 모듈의 일부 실시예는 2차 광학적 구성요소("SOE(secondary optical element)")를 포함한다. SOE의 실시예는 도 2b에 예시된다. SOE(210)는 태양 전지 모듈(20)의 하우징(21) 내부에 배치되고, 예를 들어, 도 2a의 22b의 연관된 렌즈에 의해 집중된 태양 에너지를 수집하도록 일반적으로 설계된다. 일부 실시예에서, 각 수신기(12a-12j)는 각 SOE를 갖는다.
SOE(210)는 광학적 입구(219) 및 광학적 출구(220), 바디(216) 및 장착 탭(mounting tab)(218)을 갖는 광학적 구성요소(217)를 포함한다. SOE(210)는 광학적 구성요소(217)가 태양 전지 수신기(12)의 태양 전지(30)(예를 들어, 도 2a의 12b) 상에 배치되도록 장착된다. 실시예에 따라 변할 수 있지만, SOE(210)는 광학적 출구가 태양 전지(30)로부터 약 0.5 밀리미터(예를 들어, 치수(215)가 약 0.5 밀리미터임) 떨어지도록 장착된다. 일부 실시예에서, 장착 탭(218)은 태양 전지 모듈(20)의 면(202)에 연결된다. (바디(216)를 포함하는) SOE(210)는 금속, 플라스틱 또는 유리 또는 다른 재료로 이루어질 수 있다.
일부 실시예에서, 광학적 구성요소(217)는 일반적으로 입구(219)로부터 출구(220)까지 테이퍼링되는 정사각형 단면을 갖는다. 광학적 구성요소의 내면(211)은 출구(220)를 향해 아래쪽으로 광을 반사시킨다. 일부 실시예에서, 내면(211)은 고반사율을 위해 은 또는 다른 재료로 코팅된다. 어떤 경우에, 반사 코팅은 산화, 변색 또는 부식으로부터 보호하기 위하여 SiO2와 같은 부동태 코팅(passivation coating)에 의해 보호된다. 광학적 입구(219)로부터 광학적 출구(220)까지의 경로는 1차 렌즈(primary lens)로부터 태양 에너지를 받아 태양 전지로 안내하는 테이퍼링된 광학적 채널을 형성한다. 이러한 실시예에서 도시된 바와 같이, SOE(210)는 4개의 반사벽을 갖는 광학적 구성요소(217)를 포함한다. 다른 실시예에서, 상이한 형상(예를 들어, 삼각형 단면을 형성하는 3면)이 사용될 수 있다.
어떤 경우, 1차 렌즈(예를 들어, 도 2a의 22b)가 태양 전지(30)의 치수를 갖는 지점 상에 집광하지 않거나, 태양광 추적 시스템이 완전히 태양을 향하지 않을 수 있다. 이러한 상황에서, 일부 광은 태양 전지(30)에 도달하지 않는다. 반사면(211)은 광을 태양 전지(30)로 보낸다. 또한, 광학적 구성요소(217)는 광을 균질화(homogenization)(예를 들어, 혼합)할 수 있다. 또한, 어떤 경우 광학적 구성요소(217)는 일부 집중 효과(concentration effect)를 가진다.
일부 실시예에서, 광학적 입구(219)는 정사각형 형상이고 약 49.60 ㎜ × 49.60 ㎜(치수(213))이며, 광학적 출구는 정사각형 형상이고 약 9.9 ㎜ × 9.9 ㎜(치수(214))이며, 광학적 구성요소의 높이는 약 70.104 ㎜(치수(212))이다. 치 수(212, 213 및 214)는 태양 전지 모듈 및 수신기의 설계에 의하여 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 광학적 출구의 치수는 태양 전지의 치수와 대략 동일하다. 이러한 치수를 갖는 SOE에 있어서, 반 경사각(half inclination angle)은 15.8도이다.
Ⅳ. 태양 전지 수신기의 실시예
도 3은 태양 전지 모듈(20)의 태양 전지 수신기(12)(예를 들어, 도 2a의 12a)의 회로도를 예시한다. 이 수신기는 직렬로 배열된 상부 전지(top cell)(30a), 중간 전지(middle cell)(30b) 및 하부 전지(bottom cell)(30c)를 포함하는 3중-접합 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체 태양 전지(30)를 포함한다. 태양 전지 모듈에 구현된 경우, 태양 전지(30)는 렌즈(도 2a 및 2b 참조)로부터 집중된 태양 에너지를 수신하도록 위치한다.
다이오드(14)는 3중-접합 태양 전지(30)와 평행하게 접속된다. 일부 실시예에서, 다이오드(14)는 쇼트키 바이패스 다이오드(Schottky bypass diode)와 같은 반도체 장치 또는 에피택셜 성장된 p-n 접합이다. 예시를 위하여, 다이오드(14)는 쇼트키 바이패스 다이오드이다. 외부 접속 단자(43 및 44)는 태양 전지(30)와 다이오드(14)를 다른 장치 예를 들어, 인접한 태양 전지 수신기에 접속시키기 위해 제공된다. 일부 실시예에서, 태양 전지(30), 다이오드(14) 및 단자(43 및 44)는 절연 재료로 이루어진 보드 또는 기판(도 4의 아이템(9) 참조) 상에 장착된다.
직렬로 접속된 다수의 태양 전지 수신기(12)를 고려함으로써 다이오드(14)의 기능성을 알 수 있다. 3중 접합 태양 전지(30) 각각은 연관된 "배터리"의 플러스 단자로 접속된 다이오드(14) 각각의 캐소드 및 연관된 "배터리"의 마이너스 단자로 접속된 다이오드 각각의 애노드를 갖는 배터리로서 볼 수 있다. 직렬로 접속된 태양 전지(30) 중의 하나가 손상 또는 차단될 경우, 그 전압 출력은 (예를 들어, 다이오드(14)와 연관된 임계 전압 이하로) 감소되거나 제거된다. 따라서, 연관된 다이오드(14)는 순방향 바이어스되고, 바이패스 전류는 (태양 전지(30)가 아닌) 그 다이오드(14)만을 통해 흐른다. 이와 같이, 손상되지 않거나 차단되지 않은 태양 전지는 그 태양 전지에 의해 수신된 태양 에너지로부터 전기를 생성하는 것을 연속한다. 다이오드(14)가 없었다면, 다른 태양 전지 수신기(12)에 의해 생산된 모든 전기는 차단되거나 손상된 태양 전지(30)를 실질적으로 통과하여, 그것을 훼손하고, 예를 들어, 패널 또는 어레이 내의 개방회로를 생성할 것이다.
도 4, 5 및 6은 도 2a에 아이템(12a-12j)으로서 구현된 수신기(12) 중의 하나를 예시한다. 이러한 구현을 위하여, 주어진 어레이 또는 패널 내의 다른 모든 수신기가 실질적으로 동일하다고 가정한다.
도 4는 하나의 태양 전지(30) 및 그 연관된 다이오드(14)를 예시한다. 태양 전지(30)는 다이오드(14)에 전기적으로 접속된다. 이러한 실시예에서, 태양 전지(30)의 상부면(upper surface)은 태양 전지(30)의 주변을 점유하는 컨택 영역(contact area)(301)을 포함한다. 일부 실시예에서, 컨택 영역(301)은 희망하는 접속 타입을 수용할 만큼 더 작거나 더 크다. 예를 들어, 컨택 영역(301)은 태양 전지(30)의 1개의 측면, 2개의 측면 또는 3개의 측면(또는 그 부분)에만 접할 수 있다. 일부 실시예에서, 컨택 영역(301)은 태양 에너지를 전기로 변환하는 영역을 최대화시킬 수 있을 만큼 작게 이루어지지만, 전기 접속을 여전히 허용한다. 태양 전지(30)의 특정 치수는 어플리케이션에 따라 변할 것이지만, 표준 치수는 약 1 ㎝의 정사각형이다. 예를 들어, 치수의 규격은 전체가 약 12.58 ㎜ × 12.58 ㎜이고, 두께가 약 0.160 ㎜이며, 약 108 ㎟의 총 활성 영역을 가질 수 있다. 예를 들어, 대략 12.58 ㎜ × 12.58 ㎜인 태양 전지(30)에서, 컨택 영역(301)은 폭이 약 0.98 ㎜이고, 개구 면적은 약 10 ㎜ × 10 ㎜이다. 컨택 영역(301)은 다양한 도전성 재료 예를 들어, 구리, 은 및/또는 도금된 은으로 이루어질 수 있다. 이러한 실시예에서, 컨택 영역(301)은 광을 받는 태양 전지(30)의 n-도전성 측면(n-conductivity side)이고, 그에 따라 컨택 영역(301)은 태양 전지(30)의 n-도전성 측면에 배치된다.
반사 방지 코팅(305)은 태양 전지(30) 상에 배치될 수 있다. 반사방지 코팅(305)은 소정의 파장 범위 예를 들어, 0.3 내지 1.8 ㎛에 걸친 저반사율을 제공하는 다층 반사방지 코팅일 수 있다. 반사방지 코팅의 예는 이중-층 TiOx/Al2O3 유전체 스택이다.
컨택 영역(301)은 보드(9)에 배치된 도체 트레이스(conductor trace)(302)에 연결된다. 이러한 실시예에서, 컨택 영역(301)은 복수(이 예에서 12개)의 와이어 본드(wire bond)(304)에 의해 도체 트레이스(302)에 연결된다. 무엇보다도, 복수의 실시예에서 이용되는 와이어 본드(304)의 수는 태양 전지(30)에 의해 생성된 전류 의 양과 관련될 수 있다.
도체 트레이스(302)(그에 따라, 태양 전지(30))는 도체 트레이스(302)와 도체 트레이스(45) 사이의 전기적 접속으로서 다이오드(14)의 단자(11)에 연결한다.
다이오드(14)의 다른 단자(13)는 트레이스(46)에 연결된다. 태양 전지(30)와 다이오드(14) 사이의 병렬 접속을 완료하기 위하여, 단자(13)는 태양 전지(30)의 밑면에 연결된다. 이것은 도 5 및 도 6과 관련하여 보다 더 상세하게 설명한다.
다이오드(14)는 트레이스(45 및 46)로서 커넥터 단자(43 및 44)에 각각 전기적으로 연결된다. 커넥터 단자(43 및 44)는 커넥터(40)의 개구(42 및 41)에 장착된 소켓(343 및 344)에 각각 전기적으로 연결된다. 소켓(343 및 344)은 커넥터(40)의 바디에 의해 가려져 있으므로, 점선으로 도시된다. 소켓은 전기적 도전성 재료를 포함하고, 회로에 장치를 전기적으로 연결하기 위하여 제공된다. 일부 실시예에서, 소켓은 애노드 및 캐소드 단자와 대응하고, 예를 들어 도 3을 참조로 전술한 바와 같이 인접한 수신기(312)로의 접속을 위하여 리셉터클 플러그(receptacle plug)(341 및 342)를 수용하도록 설계된다. 인접한 수신기(312)는 실질적으로 수신기(12)와 동일한 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예에서, 커넥터(40)는 보드(9)에 안전하게 부착되고, 절연 재료(예를 들어, 플라스틱)로 구성될 수 있다.
절연된 개구(41 및 42)를 정의하는 비교적 큰 커넥터(40)는 그 하우징된 플러그/소켓 전기적 접속 각각에 우수한 절연을 제공하는 절연된 개구로 인하여, 인접한 수신기로 이끄는 단자에서 전기적 방전의 결과인 태양 전지의 고장을 막는 것을 돕는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다이오드(14)는 보드(9) 상의 단자(11 및 13)에 장착된다. 어플리케이션에 따라, 다이오드(14)는 표면-실장형(surface-mount type)일 수 있다. 단자(11 및 13)는 다이오드(14)의 애노드 및 캐소드에 각각 연결되어, 다이오드(14)의 애노드 단자 또는 캐소드 단자라 칭할 수 있다. 단자(11 및 13)를 제외한 다이오드(14)의 부분은 다이오드 바디(즉, 빗금친 영역(504))라 칭할 수 있다.
이러한 실시예에서, 다이오드 단자(11)는 보드(9)를 통과하여 태양 전지(30)의 하면에 다이오드를 연결시키는 커넥터(501)에 전기적으로 연결된다. 일부 실시예에서, 커넥터(501)는 다이오드(14)에 부착된 핀의 형태를 취할 수 있고, 스루-홀(through-hole) 기술을 이용하여 장착된다. 커넥터(501)는 태양 전지(30)가 보드(9) 상에 어떻게 장착되어 있는지에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 보드(9)는 태양 전지(예를 들어, p-도전성 측면)의 바닥이 노출되도록 구성되고, 커넥터(501)는 보드(9)의 전체 두께를 통과할 수 있다. 일부 실시예에서, 태양 전지(30)의 바닥은 보드(9) 면의 상부에 놓여질 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 커넥터(501)는 보드(9)의 층(예를 들어, 보드(9)의 상면(top surface)(505) 아래의 층)에 연결할 수 있다.
다이오드와 보드 사이에 공기갭이 없도록, 다이오드(14)의 하부(503)(예를 들어, 보드(9)를 향하는 면(들))와 보드(9) 사이의 갭은 임의의 적합한 유전체 언더필 재료(underfill material)(15)로 채워진다. 일부 실시예에서, 컨택(11 및 13) 사이에 공기갭은 없고, 언더필(15)이 다이오드(14)의 하부(503)와 보드(9) 사이의 모든 공간을 실질적으로 채운다. 이 경우, 언더필(15)은 다이오드(14)의 하부(503) 및 보드(9)와 접한다. 또한, 언더필(15)은 다이오드(14)의 다른 영역에 접촉할 수 있다. 적합한 언더필 재료의 예는 실리콘을 포함한다. 이와 유사하게, 적합한 유전체 글로브탑(globtop)(또는 컨포멀 코팅(conformal coating)) 재료(16)는 다이오드가 캡슐화되도록 다이오드(14) 상에 증착된다. 코팅(16)은 다이오드(14)의 상면(502)(예를 들어, 보드(9)로부터 떨어져 있는 면(들)) 상에 배치되고, 코팅(16)이 보드(9)에 도달할 때까지 아래쪽으로 연장된다. 따라서, 코팅(16)은 컨택(11 및 13) 뿐만 아니라 다이오드 바디(504)도 캡슐화한다. 코팅(16)은 컨택(11 및 13) 뿐만 아니라 다이오드(14)의 상면(502)에 접촉한다. 코팅(16)은 다이오드(14)의 다른 영역에 접촉할 수 있다. 적합한 글로브탑 또는 컨포멀 코팅 재료는 Henkel Corporation의 Loctite? 브랜드로 판매되는 것을 포함한다. 유전체 재료(15 및 16)가 공기보다 훨씬 더 높은 유전체 강도를 가지므로, 유전체 매체 고장의 위험은 실질적으로 무시된다. 언더필 및 글로브탑 유전체 재료(15 및 16)는 제어되지 않은 전기의 방전을 막아서, 시스템의 태양 전지(30)를 보호한다.
도 6은 수신기(12)의 하면을 도시한다. 태양 전지(30)의 밑면(601)은 도전성(예를 들어, 금속화된) 면이다. 밑면(601)은 도전성 트레이스(602)에 연결된다. 도전성 트레이스(602)는 다이오드(14)의 단자(11)(아이템(11 및 14)은 도면에서 가려져 있으므로 점선으로 도시됨)에 연결된 커넥터(501)에 연결된다. 도전성 트레이스(602)는 태양 전지(30)에 의해 생성된 전류를 운반할 만큼 비교적 넓을 수 있다.
실시예에 따라, 태양 전지(30)의 밑면(601)은 보드(9)의 면(예를 들어, 하 면(506) 상의 층)에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 태양 전지(30)의 밑면(601)을 노출시키는 보드(9)에 컷아웃(cutout)이 있을 수 있다. 도전성 트레이스(602)의 위치는 태양 전지(30)가 어떻게 장착되는지에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 보드(9)에 컷아웃이 있다면, 도전성 트레이스(602)는 보드(9)의 하면(506) 상에 있을 수 있다. 태양 전지(30)가 하면(506) 상의 보드의 층에 있으면, 도전성 트레이스(602)는 보드의 하면 상에 있지 않을 수 있다(예를 들어, 보드(9)의 상면(505)과 하면(506) 사이의 층에 배치될 수 있다). 이러한 실시예에서, 태양 전지의 밑면(601)과 도전성 트레이스(602)는 이와 같이 전체적으로 가려질 수 있다.
Ⅴ. 태양 전지의 제2 실시예
도 7a, 7b 및 7c는 예를 들어, 도 2a의 아이템(12a-12j) 또는 도 4의 아이템(12)과 같은 태양 전지 수신기에서의 이용을 위한 태양 전지(730)의 제2 실시예를 도시한다. 태양 전지(730)는 n-p 극을 갖는 다중접합 전지이고, Ge 기판에서 InGaP/(In)GaAs Ⅲ－Ⅴ 화합물로 구성된다. 또한, 태양 전지(730)는, 스펙트럼 반사율 특성이 전지의 수명(EOL) 성능을 최대화할 뿐만 아니라 커버글라스-인터커넥트-전지(CIC) 또는 태양 전지 어셈블리(SCA) 레벨에서의 반사를 최소화하도록 설계되는 반사방지 코팅을 포함한다. 도 7a 및 7b는 n-극 측면에서 본 것이다.
이러한 태양 전지(730)와 도 4의 태양 전지(30) 사이의 하나의 차이는 전지(730)가 전지(30)의 주변 컨택(301)보다는 2개의 단자(703 및 704)("버스바(bus bar)")를 이용한다는 점이다. 단자(703 및 704)는 (영역(701)을 클로즈업한 도 7b 에서 볼 수 있는) 부동태화된 프레임(705)에 의해 둘러싸인다. 컨택(703 및 704)이 점유하는 영역은 활성화 영역(702)(예를 들어, 태양 에너지를 전기로 변환할 수 있는 영역)의 부분이 아니다. 이 실시예의 하나의 이점은 컨택(703 및 704)이 전지(730)의 2개의 측면만을 점유하므로 전체 표면 영역의 대부분이 활성화 영역(702)이라는 점이다.
전지(730)의 전체 치수는 약 11.18 ㎜(치수(710)) × 10.075 ㎜(치수(714))이다. 전지(730)는 약 0.185 ㎜ 두께(치수(718))이다. 활성 영역(702)은 약 10 ㎜(치수(712)) × 10.075 ㎜(치수(714))이다.
단자(703 및 704)는 약 9.905 ㎜ 폭(치수(715)) × 0.505 ㎜ 높이(치수(717))이고, 전지(730)의 에지로부터 약 0.085 ㎜(치수(713 및 719)) 떨어져 위치한다. 따라서, 단자(703)의 외부 에지로부터 단자(704)의 외부 에지까지의 거리는 약 11.01 ㎜(치수(711))이다. 단자(703 및 704) 주변의 부동태화된 프레임(705)은 약 0.01 ㎜ 두께(치수(720))이다. 공정 중의 변화(예를 들어, 소컬프(saw curf)를 설명하기 위하여, 일부 실시예는 실질적으로 피쳐가 없는 전체 전지(730) 주변의 얇은 보더(예를 들어, 0.035 ㎜, 치수(716))를 사용한다.
전지(730)의 바닥(즉, p-극 측면)은 도 6에 예시된 전지의 바닥과 실질적으로 유사하다.
Ⅵ. 태양 전지 수신기의 또 다른 실시예
도 8은 태양 전지(830) 및 그와 연관된 다이오드(814)를 포함하는 태양 전지 수신기(812)의 또 다른 실시예를 예시한다. 태양 전지 수신기(812)는 실질적으로 도 4의 수신기(12)와 동일한 방식으로 어플리케이션에 이용될 수 있다. 태양 전지(830)는 다이오드(814)에 전기적으로 접속된다. 태양 전지(830)의 상부면은 이러한 실시예에서 태양 전지(830)의 2개의 에지를 점유하는 컨택 영역(801)을 포함한다. 일부 실시예에서, 컨택 영역(801)은 태양 에너지를 전기로 변환하는 영역을 최대화할 수 있을 만큼 작게 이루어지지만, 전기 접속을 여전히 허용한다. 태양 전지(830)의 특정 치수가 어플리케이션에 따라 달라질 것이지만, 표준 치수는 약 1 ㎝의 정사각형이다. 예를 들어, 치수의 규격은 전체가 약 12.58 ㎜ × 12.58 ㎜이고, 두께가 약 0.160 ㎜이며, 약 108 ㎟의 총 활성 영역을 가질 수 있다. 예를 들어, 대략 12.58 ㎜ × 12.58 ㎜인 태양 전지(830)에서, 컨택 영역(801)은 폭이 약 0.98 ㎜이고, 개구 면적은 약 10 ㎜ × 10 ㎜이다. 컨택 영역(801)은 다양한 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 실시예에서, 컨택 영역(801)은 광을 받는 태양 전지(830)의 n-도전성 측면이고, 그에 따라 컨택 영역(801)은 태양 전지(830)의 n-도전성 측면에 배치된다.
반사방지 코팅은 태양 전지(830)의 n-도전성 측면(또는 태양 에너지를 받는 임의의 측면) 상에 배치될 수 있다.
컨택(801)은 보드(809) 상에 배치된 도체 트레이스(802)에 연결된다. 이러한 실시예에서, 컨택(801)은 복수의 와이어 본드(804)에 의해 도체 트레이스(802)에 연결된다.
도체 트레이스(802)(그에 따라, 태양 전지(830))는 도체 트레이스(802)와 도 체 트레이스(845) 사이의 전기적 접속으로서 다이오드(814)의 단자(811)에 연결한다.
다이오드(814)의 다른 단자(813)는 트레이스(846)에 연결된다. 태양 전지(830)와 다이오드(814) 사이의 병렬 접속을 완료하기 위하여, 단자(813)는 태양 전지(830)의 밑면에 연결된다. 이 접속 타입의 예는 도 5 및 도 6과 관련하여 설명한다.
다이오드(814)는 트레이스(845 및 846)로서 소켓(843 및 844)에 각각 전기적으로 연결된다. 소켓(843 및 844)은 커넥터(840)에 의해 서로 전기적으로 절연된다. 커넥터(840)는 각 소켓에 대하여 개구를 포함한다. 개구는 서로 전기적으로 절연된다. 소켓(843 및 844)은 커넥터(40)의 바디에 의해 가려져 있으므로, 점선으로 도시된다. 소켓은 전기적 도전성 재료를 포함하고, 장치를 회로에 전기적으로 연결하기 위하여 제공된다. 일부 실시예에서, 소켓은 애노드 및 캐소드 단자와 대응하고, 예를 들어 도 3을 참조로 설명된 바와 같이 인접한 수신기로의 접속을 위하여 리셉터클 플러그(예를 들어, 도 4의 341 및 342)를 수용하도록 설계된다. 일부 실시예에서, 커넥터(840)는 보드(809)에 안전하게 부착되고, 절연 재료(예를 들어, 플라스틱)로 구성될 수 있다.
비교적 큰 커넥터(840)는 그 하우징된 플러그/소켓 전기적 접속 각각에 우수한 절연을 제공하는 절연된 개구로 인하여, 인접한 수신기를 이끄는 단자에서 전기적 방전의 결과인 태양 전지의 고장을 막는 것을 돕는다.
다이오드(814)는 글로브탑 유전체 코팅(816)으로 코팅된다. 또한, 유전체 언 더필은 단자(811 및 813) 사이의 다이오드(814)의 바로 아래에 위치한다. 이러한 재료의 이용은 도 5(예를 들어, 아이템(15 및 16))와 관련하여 설명한다.
Ⅶ. 그 외의 결과
제어되지 않은 방전의 문제점을 해결할 뿐 아니라, 언더필 및/또는 글로브탑(예를 들어, 컨포멀 코팅)의 이용이 부가적, 예상치 못한 이점을 발생시킨다.
언더필 및/또는 글로브탑을 이용하는 것은 실질적으로 열 소산을 관리하는 수신기의 능력을 실질적으로 향상시킬 수 있다. 언더필 및 글로브탑 유전체 재료(예를 들어, 15 및 16)는 공기보다 더 높은 열 전도율을 가진다. 그 결과, 언더필 및 글로브탑 유전체 재료는 열 경로의 단면을 증가시킴으로써 시스템의 구성요소로부터 대기로의 열 소산을 향상시킨다. 또한, 일부 실시예에서, 언더필 및 글로브탑 유전체 재료(예를 들어, 15 및 16)가 보드 또는 기판과 접해 있으므로, 다이오드로부터 보드로의 열 전달을 용이하게 한다. 예를 들어, 언더필(15) 및 글로브탑(16)은 다이오드(14)의 열 소산을 실질적으로 향상시킨다. 전술한 바와 같이, 태양 전지(30)를 바이패스할 경우, 다이오드(14)는 전력의 수 천(예를 들어, 10,000) 와트를 운반하고 있을 수 있다. 다이오드는 완전히 효율적인 전기 도체가 아니므로, 그 전력의 일부는 열 에너지로서 소산된다. 과도한 열 에너지는 다이오드를 파괴시킬 수 있고, 적어도 그 사용 기간을 감소시킬 수 있다. 그 결과로서, 언더필 및/또는 글로브탑을 사용하는 수신기는 특히, 전력 레벨이 증가함에 따라 증가된 사용 기간을 가질 수 있을 것이다. 또한, 언더필 및/또는 글로브탑은 열 관리를 향상시키기 위한 많은 다른 방법(예를 들어, 금속 히트 싱크(metal heat sink)를 이용한 수동 냉각(passive cooling) 또는 능동 냉각(active cooling))보다 비용에 있어서 훨씬 효과적이고, 효율적이며, 더 수월한 해결책이다. 또한, 이 다른 방법은 제어되지 않은 방전의 문제점을 해결하지 않는다.
또한, 언더필 및/또는 글로브탑 재료는 오염 물질로부터 발생하는 단락(short circuit)으로부터 보호할 수 있다. 일부 실시예에서, 도체 트레이스(예를 들어, 아이템(45 및 46))은 단지 대략 1 ㎜ 만큼 분리된다. 트레이스가 이렇게 서로 근접한 경우, 물방울 같은 많은 오염 물질은 2개의 인접한 도체 트레이스에 접촉할 만큼 충분히 크다. 또한, 다이오드(14) 자체가 비교적 작으므로, 하나 이상의 물방울이 단자(11 및 13)를 브리징(bridge)하는 것이 가능하다. 태양 수신기(예를 들어, 12)는 집 밖에서 종종 사용되므로, 태양 수신기는 예를 들어, 응결 및/또는 비로부터의 습기에 노출된다. 언더필 및/또는 글로브탑의 이용은 다이오드(14)의 단자 또는 도체 트레이스(45 및 46) 상에서의 응축으로부터 습기를 방지하여, 단락의 가능성을 감소시킨다.
또한, 언더필 및/또는 유전체 글로브탑(또는 컨포멀 코팅) 재료(15 및 16)는 다이오드(14)의 단자 상으로, 도체 트레이스(45 및 46) 상으로 및 보드(9) 상의 임의의 전기적 트레이스 상으로 떨어지는 이물질을 방지하여, 동작 중에 단락의 가능성을 더 감소시킨다.
또 다른 예상치 못한 이점은 언더필 및/또는 글로브탑 유전체 재료(예를 들어, 15 및 16)가 그들이 부착된 다이오드와 보드 사이의 계면(interface)에 기계적 인 무결성을 부가한다는 점이다. 그 결과, 수송, 설치 및 취급 운송중, 분리되는(또는 전기적으로 결합이 해제되는) 다이오드의 가능성이 감소된다.
Ⅷ. 대표적 성능 데이터
상이한 태양광 집중도(solar concentration)에서 태양 전지 수신기(예를 들어, 아이템(12))의 실시예를 테스트하는 것은 다음의 데이터를 결과로 하였다. 470 Suns 및 1150 Suns에서의 테스팅은 태양 전지 모듈 어셈블리(예를 들어, 아이템(20))의 일부로서 태양 전지 수신기(12)의 이용을 수반하였다.
1 Sun
470 Suns
1150 Suns

효율
31.23 %
36.23 %
33.07 %

Voc (개방회로 전압)
2.583 V
3.051 V
3.078 V

Jsc (단락 전류)
13.9 ㎃／㎠
6.49 A／㎠
15.92 A／㎠

Vmp (최대 전력점에서의 전압)
2.32 V
2.704 V
2.523 V

Jmp (최대 전력점에서의 전류)
13.46 ㎃／㎠
6.27 A／㎠
15.04 A／㎠

Pmp (최대 전력점)
31.23 ㎽／㎠
17.03 W／㎠
38.03 W／㎠
표시된 바와 같이, 테스트는 470 Suns 집중도에서 효율이 가장 높았다고 나타낸다. 1150 Suns는 보다 큰 전체 출력을 생산하였지만, 더 큰 집중도는 태양 전지의 수명에 손상을 입히거나, 태양 전지의 수명을 실질적으로 단축시킬 수 있는 보다 큰 양의 열에 태양 전지를 노출시킨다.
전술한 장치에 변경이 이루어질 수 있다는 점이 명백해질 것이다. 보다 구체적으로, 유전체 재료는 패널 상의 다이오드 뿐만 아니라, 모든 단자, 리드(lead) 및 도체 트레이스에도 적용될 수 있다. 또한, 태양 전지 모듈 하우징은 예를 들어, (1) 상이한 초점 거리를 가진 렌즈를 조절하기 위해, 또는 (2) 초점으로부터 떨어지거나 초점을 향하도록 태양 전지를 이동시킴으로써 집중도(예를 들어, Suns)를 증가 또는 감소시키기 위하여 조절 가능하게 이루어질 수 있다. 또한, 다수의 렌즈는 예를 들어, 태양 전지 상으로 입사광을 정확히 집광하도록 배열될 수 있다.
다수의 실시예들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예들은 청구 범위 내에 속한다.
도 1은 태양 에너지로부터 전기를 생성시키기 위한 장치를 포함하는 솔라 패널의 실시예에 대한 사시도이다.
도 2a는 태양 전지 모듈의 실시예에 대한 사시도이다.
도 2b는 제2차 광학적 구성요소의 실시예에 대한 사시도이다.
도 3은 도 4의 태양 전지 수신기의 회로도이다.
도 4는 도 2a의 태양 전지 모듈의 일부를 형성하는 태양 전지 수신기의 실시예에 대한 사시도이다.
도 5는 도 4의 A-A 라인에 따른 단면도이다.
도 6은 태양 전지 수신기의 바닥의 실시예에 대한 도면이다.
도 7a 7b 및 7c는 태양 전지의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 8은 태양 전지 수신기의 또 다른 실시예를 도시한다.

Claims (15)

  1. 태양 에너지를 전기로 변환하기 위한 태양 전지 모듈로,
    제1 측 및 상기 제1 측의 반대편의 제2 측을 포함하는 하우징;
    상기 하우징의 제1 측에 연결되고, 15 인치와 20 인치 사이의 초점 거리를 각각 가지는 프레넬 렌즈의 집적 어레이;
    상기 하우징의 제2 측에 배치된 복수의 태양 전지 수신기­여기서, 각 태양 전지 수신기는,
    하나 이상의 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체층을 포함하고 1 센티미터 × 1 센티미터의 치수를 갖는 태양 전지;
    바디, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 갖고, 상기 태양 전지와 평행하게 연결된 다이오드;
    상기 태양 전지 및 상기 다이오드를 지지하기 위한 기판­여기서, 상기 다이오드의 바디는 상부 및 상기 상부보다 상기 기판에 더 근접하게 배치된 하부를 포함함. - ;
    상기 다이오드 바디의 상부 상에 배치되고, 상기 기판으로 연장되며, 상기 다이오드 바디, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 실질적으로 캡슐화하는 코팅;
    상기 다이오드 바디의 하부와 상기 기판 사이의 모든 공간을 실질적으로 점유하는 언더코팅(undercoating); 및
    상기 태양 전지 및 상기 다이오드와 평행하게 연결되고, 하나 이상의 이격된 태양 전지 수신기에 전기적 접속을 제공하도록 구성된 제1 및 제2 전기 단자를 포함함. - ; 및
    상기 렌즈 각각의 광학적 경로에 배치되고, 복수의 반사벽을 갖는 각각의 테이퍼링된 광학적 채널을 각각 정의하는 복수의 2차 광학적 구성요소
    를 포함하고,
    상기 태양 전지 각각은 각 광학적 채널 및 각 렌즈의 광학적 경로에 배치되고, 상기 렌즈는 400 이상의 팩터에 의해 각 태양 전지 상으로 태양 에너지를 집중시키고, 14 와트의 피크 전력(peak power)을 초과하여 생성할 수 있는
    태양 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 언더코팅은 상기 다이오드와 상기 기판 사이에 공기갭이 없도록 배치되는
    태양 전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레넬 렌즈의 집적 어레이는 상기 하우징에서의 정렬 구성요소와 연결하도록 구성된 정렬 구성요소를 갖는 아크릴 시트(acrylic sheet)인
    태양 전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈의 상기 초점 거리는 17.75 인치인
    태양 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양 전지는 적어도 3개의 영역을 포함하는 다중접합 전지이고,
    상기 영역은 게르마늄 함유 기판, 상기 기판 상에 배치된 InGaAs 또는 GaAs를 함유한 층, 및 상기 InGaAs 또는 GaAs를 함유한 층 상에 배치된 InGaP 층을 각각 포함하는
    태양 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 광학적 구성요소는 일반적으로 고반사율 내면을 갖는 사다리꼴 솔리드인
    태양 전지 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학적 채널은 광학적 출구 및 상기 광학적 출구보다 더 큰 광학적 입구에 의해 정의되는
    태양 전지 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학적 출구는 상기 태양 전지와 동일한 치수를 갖도록 만들어진
    태양 전지 모듈.
  9. 태양 에너지를 전기로 변환하기 위한 태양 전지 모듈로,
    제1 측 및 상기 제1 측의 반대편의 제2 측을 포함하는 하우징;
    상기 하우징의 제1 측에 연결되고, 정렬 구성요소와 연결하기 위하여 복수의 리셉터클(receptacle)을 포함하는 정렬 프레임(alignment frame);
    상기 정렬 프레임 상에 배치되고 15 인치와 20 인치 사이의 초점 거리를 각각 가지는 14개의 프레넬 렌즈의 집적 어레이­여기서, 상기 어레이는 제1 방향으로의 7개의 렌즈 및 상기 제1 방향에 직각인 제2 방향으로의 2개의 렌즈를 포함함 - ;
    상기 14개의 프레넬 렌즈의 집적 어레이를 상기 정렬 프레임의 상기 리셉터클에 연결하는 복수의 정렬 구성요소;
    상기 하우징의 제2 측에 배치되고, 제1 방향으로의 7개의 태양 전지 수신기 및 상기 제1 방향에 직각인 제2 방향으로의 2개의 태양 전지 수신기를 포함하는 14개의 태양 전지 수신기의 어레이를 포함하고,
    여기서, 각 태양 전지 수신기는,
    하나 이상의 Ⅲ－Ⅴ 화합물 반도체층을 포함하고 1 센티미터 × 1 센티미터의 치수를 갖는 태양 전지;
    바디, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 갖고, 상기 태양 전지와 평행하게 연결된 다이오드;
    상기 태양 전지 및 상기 다이오드를 지지하기 위한 기판­여기서, 상기 다이오드의 바디는 상부 및 상기 상부보다 상기 기판에 더 근접하게 배치된 하부를 포함함. - ;
    상기 다이오드 바디의 상부 상에 배치되고, 상기 기판으로 연장되며, 상기 다이오드 바디, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 실질적으로 캡슐화하는 코팅;
    상기 다이오드 바디의 하부와 상기 기판 사이의 모든 공간을 실질적으로 점유하는 언더코팅(undercoating); 및
    상기 태양 전지 및 상기 다이오드와 평행하게 연결되고, 하나 이상의 이격된 태양 전지 수신기에 전기적 접속을 제공하도록 구성된 제1 및 제2 전기 단자를 포함하고,
    여기서, 상기 복수의 정렬 구성요소는 각 태양 전지가 각 렌즈의 광학적 경로에 배치되도록 상기 14개의 프레넬 렌즈의 집적 어레이를 정렬하고, 상기 렌즈는 520 이상의 팩터에 의해 각 태양 전지 상으로 태양 에너지를 집중시키고, 14 와트의 피크 전력을 초과하여 생성할 수 있는
    태양 전지 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    각 렌즈의 상기 광학적 경로에 각각 배치되고, 복수의 반사벽을 갖는 각각의 테이퍼링된 광학적 채널을 각각 정의하는 14개의 2차 광학적 구성요소의 어레이를 포함하는
    태양 전지 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 태양 전지는 각 광학적 채널 및 각 렌즈의 광학적 경로에 배치되는
    태양 전지 모듈.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 언더코팅은 상기 다이오드와 상기 기판 사이에 공기갭이 없도록 배치되는
    태양 전지 모듈.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 2차 광학적 구성요소는 일반적으로 고반사율 내면을 갖는 사다리꼴 솔리드인
    태양 전지 모듈.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학적 채널은 광학적 출구 및 상기 광학적 출구보다 더 큰 광학적 입구에 의해 정의되는
    태양 전지 모듈.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학적 출구는 상기 태양 전지와 동일한 치수를 갖도록 만들어진
    태양 전지 모듈.
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