KR101283912B1 - One body light trapping apparatus having concentrator for increasing power conversion efficiency of photovoltaic cells - Google Patents

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KR101283912B1 KR1020120036867A KR20120036867A KR101283912B1 KR 101283912 B1 KR101283912 B1 KR 101283912B1 KR 1020120036867 A KR1020120036867 A KR 1020120036867A KR 20120036867 A KR20120036867 A KR 20120036867A KR 101283912 B1 KR101283912 B1 KR 101283912B1
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이정용
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

PURPOSE: A light trapping device integrated with a concentrator for increasing the power conversion efficiency of a solar cell is provided to increase the power conversion efficiency of the solar cell without a daily light tracking apparatus by linearly arranging a compound parabolic trapper in one dimension. CONSTITUTION: An optical component has elements which are periodically arranged in one dimension. The optical component is installed in a preset space of a solar cell. The optical component improves the power conversion efficiency of the solar cell by trapping incident light in a space. The optical component includes a periodical one-dimensional array of a parabolic mold. A long axis of the parabolic mold is arranged from the east to the west.

Description

태양 전지의 전력 변환 효율 증가를 위한 집광기 일체형 빛 가둠 장치{One Body Light Trapping Apparatus having Concentrator for Increasing Power Conversion Efficiency of Photovoltaic Cells}One Body Light Trapping Apparatus having Concentrator for Increasing Power Conversion Efficiency of Photovoltaic Cells}

본 발명은 태양전지 셀로 빛을 공급하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치에 관한 것으로서, 특히 CPT(Compound Parabolic Trapper) 배열 등을 평면형이 아닌 1차원 선형 배열하여 일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus) 없이도 태양전지(셀)(PV, Photovoltaic Cells)의 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있으며, 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus) 역시 없어도 되지만, 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)에 의해 허용입사각을 더 작게 줄일 수 있으며 이에 따른 빛 가둠 효과를 더욱 증대시킬 수 있는 집광기 일체형 빛 가둠 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a light concentrator-integrated light confinement device for supplying light to a solar cell, and in particular, a one-dimensional linear arrangement of a CPT (Compound Parabolic Trapper), not a planar array, without a daily light tracking apparatus It can increase the power conversion efficiency (PV) of photovoltaic cells (PV), and also eliminates the need for an annual light tracking apparatus, but also allows for a smaller incident angle due to the annual light tracking apparatus. The present invention relates to a light concentrator integrated light confinement device which can reduce and further increase the light confinement effect.

박막형 태양전지의 연구는 세계적 추세이며, 수많은 기업들이 높은 효율의 박막형 태양전지를 구현하기 위해 투자를 아끼지 않고 있다. 우리나라의 경우 지금은 기업차원의 투자가 상대적으로 저조하지만, 세계적 추세에 비추어 볼 때 향후 투자 확대는 필연적 흐름이며, 고효율 박막형 태양전지를 선점하기 위한 경쟁은 갈수록 치열해지고 있다.Research into thin film solar cells is a global trend, and many companies are investing heavily in implementing high efficiency thin film solar cells. In the case of Korea, investment at the enterprise level is relatively low at present, but considering the global trend, the expansion of investment is inevitable, and competition for preoccupying high-efficiency thin-film solar cells is getting fiercer.

태양전지는 결정질 실리콘(c-Si)을 이용해 벌크 셀 형태로 제작되거나, 비정질 실리콘(a-Si), 유기물 등을 이용해 박막형으로 제작되고 있고, 저비용, 공정 단순화, 수명 연장 등에 대한 연구뿐만 아니라, 태양전지에서 흡광도를 향상시키기 위하여, 물질 개발 등 다양한 노력이 이루지고 있는데, 특히 빛가둠 기술이 그 대안이 될 수 있으며, 집광기를 이용한 빛가둠 장치는 효과적인 빛 가둠으로 인해 뛰어난 전력 변환 효율을 보이고 있다.Solar cells are manufactured in bulk cell form using crystalline silicon (c-Si) or in thin film form using amorphous silicon (a-Si), organic materials, etc., as well as research on low cost, process simplification, and life extension, In order to improve absorbance in solar cells, various efforts have been made, including development of materials. Especially, light confinement technology can be an alternative, and light confinement devices using condensers show excellent power conversion efficiency due to effective light confinement. .

2008년 Tvingstedt 등은 도 5a와 같은 집광기 일체형 빛 가둠 장치 구조에서, 1차원 또는 2차원 배열의 MLA(Micro Lenses Array, 마이크로 렌즈 배열)을 이용해 박막형 태양전지 셀(Active Layer)로의 빛 가둠 효과를 증대시켰고 단락 전류를 25% 증가시켰다. 이와 같은 1차원 또는 2차원 배열의 MLA 구조에서 모두 광 추적 장치가 필요하며, 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)로도 해결될 수 없는 문제가 있어서 개선이 필요한 실정이며 고비용이 요구된다. 자세한 내용은 논문 "Trapping light with micro lenses in thin film organic photovoltaic cells,"(Optics Express 16, 21608-21615, 2008)을 통해서 잘 알 수 있다. In 2008, Tvingstedt et al., In the light concentrator integrated light confinement device structure as shown in FIG. 5A, increases the light confinement effect to a thin-film solar cell using an MLA (Micro Lenses Array) in a one-dimensional or two-dimensional array. And increased short circuit current by 25%. In the MLA structure of the one-dimensional or two-dimensional array, such a light tracking device is required, there is a problem that can not be solved even with an annual light tracking apparatus (annual light tracking apparatus) is a situation that needs to be improved and requires a high cost. For more information, see the article "Trapping light with micro lenses in thin film organic photovoltaic cells," (Optics Express 16, 21608-21615, 2008).

또한, 2000년 Peumans 등은 도 5b와 같은 집광기 일체형 빛 가둠 장치 구조에서, 2차원 배열의 CPC(Compound Parabolic Concentrator, 복합 포물형 집광기)를 이용한 빛 가둠 방식을 제안하였다. 자세한 내용은 논문 "Efficient photon harvesting at high optical intensities in ultrathin organic double-heterostructure photovoltaic diodes,"(Applied Physics Letters 76, 2650-2652, 2000)을 통해서 잘 알 수 있다. Also, in 2000, Peumans et al. Proposed a light confinement method using a CPC (Compound Parabolic Concentrator) of a two-dimensional array in the light concentrator integrated light confinement device structure as shown in FIG. More information can be found in the article "Efficient photon harvesting at high optical intensities in ultrathin organic double-heterostructure photovoltaic diodes," (Applied Physics Letters 76, 2650-2652, 2000).

이와 같이 기존에 MLA나 CPC를 이용한 집광기 일체형 빛 가둠 장치들은, 입사각에 매우 민감하고 따라서 일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus)가 수반되어야 하는 단점이 있어 상용화에 한계를 나타내었다. 박막형 태양전지들이 대부분 저가형임을 감안하면, 비용이 많이 드는 빛 추적 장치를 적용하기에는 어려움이 있다.As described above, the light concentrator integrated light concentrator using MLA or CPC is very sensitive to the incident angle and therefore has a disadvantage that a daily light tracking apparatus must be accompanied. Given that most thin film solar cells are inexpensive, it is difficult to apply a costly light tracking device.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, CPT(Compound Parabolic Trapper) 배열 등을 평면형이 아닌 1차원 선형 배열하여 일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus) 없이도 태양전지(셀)(PV, Photovoltaic Cells)의 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있으며, 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus) 역시 없어도 되지만, 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)에 의해 허용입사각을 더 작게 줄일 수 있으며 이에 따른 빛 가둠 효과를 더욱 증대시킬 수 있는 집광기 일체형 빛 가둠 장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solar cell without a daily light tracking apparatus by arranging a CPT (Compound Parabolic Trapper) array instead of a planar one-dimensional linear array. It can increase the power conversion efficiency (PV) of photovoltaic cells (PV), and also eliminates the need for an annual light tracking apparatus, but also allows for a smaller incident angle due to the annual light tracking apparatus. The present invention provides a light concentrator integrated light concentrating device that can reduce the number and further increase the light confinement effect.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 빛을 태양 전지(PV)로 전달하기 위한 집광기 일체형 빛 가둠 장치는, 주기적인 1차원 배열의 구성요소들을 갖는 광학계(optical component)를 포함하되, 상기 광학계는, 상기 구성요소들로서 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 1차원 배열을 포함하며, 상기 광학계는 태양 전지(PV) 위의 일정 공간(space) 상에 설치되어, 입사된 빛을 상기 공간에 가두어 상기 태양 전지(PV)에서 전력 변환 효율을 개선하기 위한 것을 특징으로 한다.First, to summarize the features of the present invention, according to one aspect of the present invention, a light concentrator integrated light confinement device for delivering light to a solar cell (PV), an optical component having components of a periodic one-dimensional array The optical system includes, as the components, a periodic one-dimensional array of parabolic molds having parabolic cross-sections, the optical system having a predetermined space on the solar cell PV. It is installed on, to trap the incident light in the space is characterized in that for improving the power conversion efficiency in the solar cell (PV).

상기 성형물은 장축이 동서(East-to-West) 방향이 되도록 정렬되며, 상기 성형물은 유리 또는 플라스틱류 등 다양한 재질로 이루어질 수 있다.The molding is arranged such that its long axis is in the east-to-west direction, and the molding may be made of various materials such as glass or plastics.

상기 태양 전지(PV) 쪽의 상기 성형물의 각 포물형의 하부쪽에 일정 폭으로 개구가 마련되며, 상기 개구를 통해 입사된 빛을 상기 공간에 가두기 위한 하부에 금속 코딩이 된 가둠 미러(trapping mirror)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 성형물의 각 포물형은 설계에 따라 필요한 만큼 일정 각도 기울어져 있으며, 상기 개구 부분은 반대편 상기 성형물의 포물형의 초점에 위치한다. An opening is provided at a lower portion of each of the paraboloids of the molding on the solar cell PV side, and a trapping mirror with metal coding on the lower portion for confining light incident through the opening to the space. It may further include. Here, each paraboloid of the molding is inclined at an angle as necessary according to design, and the opening portion is located at the focal point of the paraboloid of the molding on the opposite side.

상기 성형물은 속이 채워진 형태로 제작될 수 있고, 내부가 비어 있는 형태로 제작될 수도 있으며, 각각에 대하여 포물형 양측 곡면에 금속 코딩이 된 형태로 제작될 수도 있다. The molding may be manufactured in a filled form, may be manufactured in an empty form, or may be manufactured in a metal-coated form on both sides of the parabolic shape.

단면이 포물형인 상기 성형물은 양측의 곡면이 서로 다른 경사각의 곡면을 갖는 비대칭형으로 제작될 수 있다.The molded article having a parabolic cross section may be manufactured in an asymmetrical shape in which curved surfaces on both sides have curved surfaces having different inclination angles.

상기 1차원 배열 위로 수직하게 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 제2의 1차원 배열을 더 포함하거나, 상기 성형물의 장축 방향 끝에, 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 제2의 1차원 배열을 더 포함할 수 있다.A molding further comprising a periodic second one-dimensional array of parabolic molds having a parabolic bilateral curved surface vertically over the one-dimensional array, or having a bilateral curved surface having a parabolic cross section at the long axis direction of the molding. It may further include a second periodic one-dimensional array of parabolic mold.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 빛을 태양 전지(PV)로 전달하기 위한 집광기 일체형 빛 가둠 장치는, 주기적인 1차원 배열의 구성요소들을 갖는 광학계(optical component)를 포함하되, 상기 광학계는, 상기 구성요소들로서 주기적인 1차원 배열의 MLA(Micro Lens Array)를 포함하고, 상기 광학계는 태양 전지(PV) 위의 일정 공간(space) 상에 설치되어, 입사된 빛을 상기 공간에 가두어 상기 태양 전지(PV)에서 전력 변환 효율을 개선하기 위한 것을 특징으로 한다.And, according to another aspect of the invention, the light collector integrated light confinement device for delivering light to the solar cell PV, includes an optical component having components of a periodic one-dimensional array, the optical system And a micro lens array (MLA) in a periodic one-dimensional array as the components, and the optical system is installed in a space on a solar cell PV to trap incident light in the space. In order to improve the power conversion efficiency in the solar cell (PV).

상기 MLA의 각 렌즈의 초점 거리에 일정 폭으로 개구가 마련되며, 상기 개구를 통해 입사된 빛을 상기 공간에 가두기 위한 가둠 미러(trapping mirror)를 더 포함할 수 있다.An opening may be provided at a predetermined width at a focal length of each lens of the MLA, and may further include a trapping mirror for confining light incident through the opening to the space.

상기 1차원 배열의 MLA의 장축 방향 끝에, 제2의 1차원 배열의 MLA를 더 포함할 수 있다.The MLA of the second one-dimensional array may be further included at the end of the long axis direction of the MLA of the one-dimensional array.

상기 태양 전지(PV)는 통상 구조 또는 도립 구조이며, 해당 활성층은 결정질 실리콘(c-Si), 유기물(OPV(Organic PV)용으로서, 폴리머, 저분자(small molecule) 화합물 등)이나 염료감응형 고분자 물질, 비정질 실리콘(a-Si), CdTe, 또는 CIGS 를 포함한 박막형이나, 결정질 실리콘(c-Si)을 포함한 벌크셀 형을 포함할 수 있다.The solar cell (PV) is usually a structure or inverted structure, the active layer is crystalline silicon (c-Si), organic material (for organic PV (OPV), polymers, small molecule compounds, etc.) or dye-sensitive polymer Material, amorphous silicon (a-Si), CdTe, or CIGS thin film type, or crystalline silicon (c-Si) may include a bulk cell type.

연중의 태양 고도를 추적하는 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)를 더 포함할 수 있으며, 일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus) 없이 동작하며, 상기 연중 빛 추적 장치의 제어에 따라 상기 집광기 일체형 빛 가둠 장치 전체 시스템이 태양 방향으로 움직이도록 할 수 있다.It may further include an annual light tracking apparatus for tracking the altitude of the sun during the year, operates without a daily light tracking apparatus, the light collector integrated under the control of the year-round light tracking apparatus Light Containment Device Allows the entire system to move in the direction of the sun.

상기 태양 전지(PV)와 상기 광학계(optical component) 사이에서 집광 배율이 n/sin(θa/2) 이며(포물형 CPT 2차원 배열에서는 n2/sin2a/2) 가능), 여기서, θa는 빛의 허용 입사각(acceptance angle), n은 상기 광학계에서의 굴절율이다.The condensing magnification is n / sin (θ a / 2) between the solar cell PV and the optical component (n 2 / sin 2a / 2) is possible in a parabolic CPT two-dimensional array), Here, θ a is an allowance angle of light and n is a refractive index in the optical system.

일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus) 없이 동작하며, 허용입사각 47°이상에서 상기 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)가 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 허용 입사각 47°이하의 빛을 받도록 제작되면 상기 연중 빛 추적 장치를 통해 더욱 성능을 높일 수 있다. It operates without a daily light tracking apparatus and the annual light tracking apparatus can be used at an allowable angle of incidence of 47 ° or more, but the components are designed to receive light with an allowable angle of incidence of 47 ° or less. When the light tracking device during the year can further increase the performance.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른, 빛을 태양 전지(PV)로 전달하기 위한 집광기 일체형 빛 가둠 장치의 제조 방법은, 주기적인 1차원 배열의 구성요소들을 갖는 광학계(optical component)를 제작하되, 금속 주형(mold)에 성형물을 위한 해당 재질의 용융액을 부어 넣고 고형으로 냉각시켜서, 상기 구성요소들로서 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 1차원 배열이 포함된 상기 광학계를 제작하는 단계; 및 제작된 상기 광학계를 태양 전지(PV) 위의 일정 공간(space) 상에 설치하는 단계를 포함하고, 상기 광학계는 입사된 빛을 상기 공간에 가두어 상기 태양 전지(PV)에서 전력 변환 효율을 개선하기 위한 것을 특징으로 한다.In addition, according to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a light concentrator integrated light confinement device for delivering light to a solar cell (PV), to fabricate an optical component having components of a periodic one-dimensional array The optical system includes a periodic one-dimensional array of parabolic molds formed by pouring a molten liquid of a corresponding material for a molding into a metal mold and cooling the solid to solids. Producing a; And installing the manufactured optical system in a predetermined space on the solar cell PV, wherein the optical system confines incident light to the space to improve power conversion efficiency in the solar cell PV. It is characterized by.

본 발명에 따른 집광기 일체형 빛 가둠 장치에 따르면, CPT(Compound Parabolic Trapper) 배열이나 MLA(Micro Lens Array) 배열을 평면형이 아닌 1차원 선형 배열하여 빛을 작은 입구에 모으고 그 아래에서 빠져나오지 못하도록 가두어, 박막형 태양전지의 전력 변환 효율을 개선할 수 있으며, 경우에 따라서는 수직으로 또는 수평으로 다른 1차원 배열을 추가하여 1차원 배열만에 비교하여 성능이 증가하면서 허용입사각을 유지할 수 있는 효과가 있다. According to the light concentrator integrated light trapping device according to the present invention, a CPT (Compound Parabolic Trapper) array or a MLA (Micro Lens Array) array is not a planar one-dimensional linear array to collect the light at a small entrance and to prevent it from escaping from below, The power conversion efficiency of the thin-film solar cell can be improved, and in some cases, by adding another one-dimensional array vertically or horizontally, there is an effect of maintaining the allowable incident angle while increasing performance compared to the one-dimensional array alone.

또한, CPT의 집광배율을 줄이면 허용입사각을 늘일 수 있는데, 1차원 배열에서 허용입사각이 ±23.5°가 될 경우 약 3.8배의 집광이 가능하며, 이는 곧 연중 태양고도의 변화를 모두 허용하는 것이고, 1차원 집광기 배열을 동-서로 향하게 놓으면 일일 빛 추적 장치 없이 빛가둠효과를 구현할 수 있다. In addition, reducing the light-convergence magnification of the CPT can increase the allowable incident angle. When the allowable incident angle is ± 23.5 ° in a one-dimensional array, it is possible to collect about 3.8 times, which allows all changes in solar altitude during the year. Placing the one-dimensional concentrator array east-west allows the light confinement effect to be achieved without daily light tracking.

또한, 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus) 역시 없어도 되지만, 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)에 의해 허용입사각을 더 작게 줄일 수 있으며 이에 따른 빛 가둠 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.In addition, an annual light tracking apparatus may also be eliminated, but an allowable incident angle may be reduced by an annual light tracking apparatus, thereby increasing the light confinement effect.

그리고, 차세대 에너지원으로 크게 각광받고 있는 박막형 태양전지는 큰 상품성과 수많은 응용 가능성에도 불구하고 10% 정도의 낮은 전력 변환 효율 때문에 아직 연구단계에 머물러있다. 현재 많은 연구가 전력 변환 효율을 높일 수 있는 흡광 물질의 합성에 초점을 맞춰 이뤄지고 있지만, 본 발명을 통해 주어진 물질에 대해 20% 안팎의 효율 증가를 끌어낸다면 이는 박막형 태양전지의 상용화를 크게 앞당길 것이다. In addition, the thin-film solar cell, which is in the spotlight as a next-generation energy source, is still in the research stage due to its low power conversion efficiency of about 10% despite the great commerciality and numerous applications. Although much research is currently focused on the synthesis of light absorbing materials that can increase power conversion efficiency, if the present invention draws an efficiency increase of about 20% for a given material, this will greatly accelerate the commercialization of thin film solar cells. .

도 1은 optical component, space, photovoltaic, back reflector를 구비하는 본 발명의 일실시예에 따른 집광기 일체형 빛 가둠 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 escape probability Pesc 의 감소에 따른 통상 구조인 normal polymer PV의 활성층에서 기대된 흡수 정도, 도 2b는 기판에서 진행 각도에 따른 normal polymer PV의 Pesc에 따른 Jsc의 변화, 도 2c는 normal polymer PV, 비정질 실리콘 PV, 도립 구조 polymer PV에서 Pesc에 따른 Jsc의 변화, 도 2d는 두께 CuPc(6.5nm)/ C60(20nm), CuPc(10nm)/ C60(31nm), CuPc(14nm)/ C60(38nm)에 대한 small molecular PV 에서 Pesc에 따른 Jsc의 변화이다.
도 3은 도립 구조 및 통상 구조 polymer PV에서의 연간 매일 0°, 30° 및 60° 로 변하는 각도에 대한 정규화된 Jsc의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도립 구조 및 통상 구조 polymer PV에서 각각 1D MLA를 이용한 연간 입사각 변화에 따른 정규화된 Jsc의 변화이다.
도 5a와 도 5b는 각각 MLA(Micro Lenses Array)와 CPC를 이용한 종래의 집광기 일체형 빛가둠 기술을 나타낸다.
1 is a view for explaining a light collector integrated light confinement device according to an embodiment of the present invention having an optical component, a space, a photovoltaic, and a back reflector.
Figure 2a is the expected degree of absorption in the active layer of normal polymer PV of the normal structure according to the decrease of escape probability P esc , Figure 2b is the change of J sc according to P esc of the normal polymer PV according to the traveling angle in the substrate, Figure 2c Changes of J sc according to P esc in normal polymer PV, amorphous silicon PV, and inverted polymer PV, FIG. 2D shows thickness CuPc (6.5nm) / C 60 (20nm), CuPc (10nm) / C 60 (31nm), CuPc The change in J sc with P esc in small molecular PV for (14 nm) / C 60 (38 nm).
3 is a graph showing the change in normalized J sc for angles varying from 0 °, 30 ° and 60 ° per day in inverted and conventionally structured polymer PV.
4 is a change in normalized J sc according to the annual incidence angle change using 1D MLA in the inverted structure and the conventional structure polymer PV, respectively.
5A and 5B show a conventional condenser integrated light confinement technique using MLA (Micro Lenses Array) and CPC, respectively.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited to the embodiments.

<흡광 향상><Absorption improvement>

도 1은 optical component, space, photovoltaic, back reflector를 구비하는 본 발명의 일실시예에 따른 집광기 일체형 빛 가둠 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a light collector integrated light confinement device 100 according to an embodiment of the present invention having an optical component, a space, a photovoltaic, and a back reflector.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 집광기 일체형 빛 가둠 장치(100)는, 후면 반사판(back reflector) 위에 설치된 태양 전지 (셀)(PV, Photovoltaic), 태양 전지(PV) 위에 공간(space)을 두고 설치된 광학계(optical component)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the light concentrator integrated light confinement device 100 according to an embodiment of the present invention includes a space on a solar cell (PV, Photovoltaic) and a solar cell (PV) installed on a back reflector. It includes an optical component installed with a space.

입사되는 빛이 태양 전지(PV)와 광학계(optical component) 사이에서 내부 반사를 일으켜 더 많은 빛이 태양 전지(PV)의 활성층(active layer)에서 흡수될 수 있도록 한다. 태양 전지(PV)와 광학계(optical component) 사이에서 반사되는 바운스(bounce)의 수(또는 집광 배율) Nref는 [수학식 1]과 같이 탈출 확률(escape probability) Pesc를 이용(n은 굴절율)하여 나타낼 수 있다. The incident light causes internal reflection between the solar cell PV and the optical component, allowing more light to be absorbed in the active layer of the solar cell PV. The number of bounces (or condensation magnifications) reflected between the solar cell PV and the optical component N ref uses an escape probability P esc as shown in [Equation 1], where n is the refractive index. Can be represented.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012028277980-pat00001
Figure 112012028277980-pat00001

예를 들어, Lambertian 표면을 갖는 텍스처 처리된(textured) 셀은 Pesc=1/n2, 이고 Nref=n2이다. 벌크 셀에서의 최대 빛의 경로 길이(바운스 수)는 Yablonovitch limit인 4n2으로 알려져 있다. 이와 같은 평면 벌크 셀에서의 최대 빛의 경로 길이는 메탈층에 의한 후면 반사와 비스듬한 빛의 진행을 고려할 때 획득될 수 있다. 후면 반사를 위한 본 발명의 박막형 태양 전지(PV)는 메탈층과 유사할 수 있다. 비스듬한 빛의 진행이 박막형 태양 전지(PV)에서의 흡광에 영향을 미칠 수 있다. 다만, 벌크 셀과는 달리 이러한 박막형 태양 전지(PV)에서는 진행각도 증가에 따른 빛의 경로 길이 개선 효과를 기하학적으로 간단히 얻을 수 없다. 벌크 셀에서는 활성층에 의해 비스듬한 빛의 진행으로부터 흡광을 증가시킬 수 있지만, 박막형 태양 전지(PV)에서는, 투명 전극으로 이루어지고 Fresnel 반사를 일으키는 전면층인 광학계(optical component)와 태양 전지(PV)의 박막 사이의 공간(space)에 의한 cavity 효과가 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명에서는, 박막형 태양 전지(PV)에서 후면 반사가 항상 존재하므로 이에 의한 경로 개선이나, 위와 같은 비스듬한 빛의 진행 시에 복잡하게 나타나는 Fresnel 반사나 cavity 효과를 고려한 경로 개선(진행 경로 길이의 증가)에 대한 것 보다는, Nref의 향상에 더 기반을 두고자 하였다. For example, a textured cell with a Lambertian surface is P esc = 1 / n 2 , and N ref = n 2 . The maximum light path length (bounce number) in the bulk cell is known as the Yablonovitch limit, 4n 2 . The path length of the maximum light in such a planar bulk cell can be obtained when considering the back reflection by the metal layer and the oblique light propagation. Thin film solar cells (PV) of the present invention for back reflection may be similar to metal layers. Oblique light propagation may affect absorption in thin film solar cells (PV). However, unlike the bulk cell, such a thin film solar cell (PV) can not be obtained geometrically simply the effect of improving the path length of the light according to the progress angle increases. In bulk cells, absorption can be increased from oblique light propagation by the active layer, whereas in thin film solar cells (PV), the front and back layers of optical components and solar cells (PV), which are composed of transparent electrodes and cause Fresnel reflections, The cavity effect due to the space between the thin films should be considered. Therefore, in the present invention, since the back reflection is always present in the thin film solar cell (PV), the path is improved by this, or the path is improved by considering the Fresnel reflection or cavity effect, which is complicated when the oblique light proceeds as described above. Rather than increasing, we want to base more on improving N ref .

표면 텍스처 처리된(textured) 실리콘(n=3.5) 벌크 셀에 대해 Nref=n2이 12 이상인 반면, 유리(n=1.5) 기판 상의 박막형 태양 전지(PV)에 대해서는 그 값이 2.25정도이다. 이는 박막형 태양 전지(PV)에서 흡광을 현저히 증가시키기에 충분하지 않은 값이다. 사실상 빛의 좁은 입사 범위를 통해 흡광을 증가시킬 수는 있다. 제한된 입사각도에 대해서 알려져 있는 이론으로서, 입사되는 빛의 허용 입사각(acceptance angle)가 θa 내에서 변할 때 Nref 의 이론적 한계치는 n2/sin2a/2)일 수 있다. 이러한 한계치는 도 5b와 같은 2차원 CPC(Compound Parabolic Concentrator, 복합 포물형 집광기) 배열과 입사 빛을 입구로 가이드하고 바닥면에서 반사되는 빛을 차단하기 위한 광학계(reflective undercoat/reflecting cathode)를 이용해 획득될 수 있다.N ref = n 2 is 12 or more for surface textured silicon (n = 3.5) bulk cells, while the value is about 2.25 for thin film solar cells (PV) on glass (n = 1.5) substrates. This is not enough to significantly increase absorption in thin film solar cells (PV). In fact, it is possible to increase absorption through a narrow range of incidence of light. A theory which is known with respect to a limited incident angle, allows the angle of incidence of the incident light (acceptance angle) can be a n 2 / sin 2 (θ a / 2) of the theoretical limit value N ref when the change in the θ a. This limit is obtained using a two-dimensional CPC (compound parabolic concentrator) array as shown in FIG. 5B and an optical system (reflective undercoat / reflecting cathode) to guide incident light to the entrance and block light reflected from the floor. Can be.

보통 평면 또는 텍스처 처리된 셀은 180°의 빛의 허용 입사각(acceptance angle)를 갖는다. 그러나, 이러한 입사 범위 전체가 필요한 것은 아니며, 왜냐면 북-남 방향으로 태양의 고도 변화가 연간 ±23.5° 이내 이기 때문이다. 만일, 본 발명의 광학계(optical component)로서 허용 입사각(acceptance angle)를 줄이기 위해 도 3과 같이 본 발명의 1차원 CPT 배열이 사용되면, 탈출 확률(escape probability) Pesc는 sin(θa/2)/n이다. 따라서, Nref 가 n/sin(θa/2)로, n2/sin2a/2) 보다는 작지만, 빛(태양) 추적 장치가 불필요한 장점이 있다. 예를 들어, 허용 입사각(acceptance angle) 47°에 대해 그 값은 3.76까지 증가될 수 있다. CPT 배열 이외에, 빛(태양) 추적 장치 없이 Nref 를 증가시킬 수 있는 다양한 광학계(optical component) 구성이 있을 수 있다. 하기하는 바와 같이 빛 가둠(light trapping)과 허용 입사각(acceptance angle) 간의 타협점을 제어할 광학계(optical component) 구성들을 설명할 것이다. Normally planar or textured cells have an acceptable acceptance angle of light of 180 °. However, not all of this range of incidence is necessary because the elevation of the sun in the north-south direction is within ± 23.5 ° per year. If the one-dimensional CPT array of the present invention is used as shown in FIG. 3 to reduce the acceptance angle as the optical component of the present invention, the escape probability P esc is sin (θ a / 2). ) / n. Therefore, although N ref is n / sin (θ a / 2), which is smaller than n 2 / sin 2a / 2), there is an advantage that a light (sun) tracking device is unnecessary. For example, for a 47 ° acceptance angle, the value may be increased to 3.76. In addition to the CPT arrangement, there may be various optical component configurations that can increase N ref without light (sun) tracking devices. Optical component configurations will be described to control the compromise between light trapping and acceptance angle as described below.

증가된 Nref 를 통해서 태양 전지(PV)의 활성층에서의 흡광이 향상된다. 공간(space) 내에서의 빛의 특정 파장의 특정 진행 각도(θ)에 대하여, 태양 전지(PV)의 활성층에서의 흡광 정도 A'act 는 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다. Through increased N ref , absorption in the active layer of the solar cell PV is improved. For a specific propagation angle θ of a specific wavelength of light in the space, the degree of absorption A ' act in the active layer of the solar cell PV can be expressed as shown in [Equation 2].

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112012028277980-pat00002
Figure 112012028277980-pat00002

여기서, Aact 는 double pass(활성층 내부에서 최초 입사된 빛에 의한 흡수와 반사된 빛에 의한 흡수) 만을 갖는 활성층의 흡수 효율(absorption efficiency), Aparasitic 는 활성층이 아닌 다른 기생적 층들에서의 흡수 효율, Tinc 는 광학계(optical component)에서의 투과율(transmittance)이다. 최대 흡광을 위해 Pesc 는 제로(zero)에 가까운 것이 좋다. 위와 같이 각 바운스 당 기생적 흡수 효율 Aparasitic 에 대한 활성층의 흡수 효율 Aact 이, 태양 전지(PV)의 활성층에서의 최대 흡광 정도 A'act 를 결정한다. 손실량 Aparasitic 은 보통 단위 셀에서는 작지만, 빛 가둠에 의해 흡광이 증가될 때 손실량도 증가하므로 전체적인 기생적 흡수량은 무시할 수 없다. 위의 [수학식 2]는 특정 빛 진행 각도와 완벽한 빛 가둠 스킴을 통해 단위 셀에서 획득될 수 있는 최대 흡수 정도를 나타낸다.Here, A act is the absorption efficiency of the active layer having only a double pass (absorption by the first incident light inside the active layer and absorption by the reflected light), A parasitic is absorption in other parasitic layers other than the active layer The efficiency, T inc, is the transmittance in the optical component. P esc should be close to zero for maximum absorption. As described above, the absorption efficiency A act of the active layer with respect to parasitic absorption efficiency A parasitic per bounce determines the maximum absorption degree A ' act in the active layer of the solar cell PV. Losses A parasitic is usually small in the unit cell, but the loss of parasitic absorption increases when light absorption increases due to light confinement, so the overall parasitic absorption cannot be ignored. Equation 2 above represents the maximum absorption that can be obtained in a unit cell through a specific light propagation angle and a perfect light confinement scheme.

그러나, 실제 환경에서는 허용 입사각(acceptance angle)가 제로가 아니며 Pesc 가 제로가 아니다. 따라서, [수학식 3]과 같이 태양 전지(PV)의 활성층에서의 흡광 정도 A'act 가 수정될 필요가 있다. However, in practice the permissible acceptance angle is not zero and P esc is not zero. Therefore, the absorbance degree A ' act in the active layer of the solar cell PV needs to be modified as shown in [Equation 3].

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112012028277980-pat00003
Figure 112012028277980-pat00003

여기서, Aref 는 광학계(optical component)에서 빛이 내부적으로 반사되는 광 손실량이다. Aref 는 유리 상에서 제로이지만, 다른 반사재질의 광학계(optical component)(예, 금속 재질)가 설치될 때 제로가 아닐 수 있다. 예를 들어, 일반적인 평판 유리 기판 상에서의 Fresnel 반사에 의해, 빛의 일반적 입사에 대해 Tinc 와 Pesc 는 대략 0.96 정도 이다.
Here, A ref is an amount of light loss in which light is internally reflected in an optical component. A ref is zero on glass, but may not be zero when an optical component (eg, a metal material) of another reflective material is installed. For example, due to Fresnel reflections on a typical flat glass substrate, T inc and P esc are approximately 0.96 for typical incidence of light.

<성능 향상><Performance improvement>

이하 폴리머(통상 구조/도립 구조), 비정질 실리콘(a-Si), 저분자(small molecule) 화합물(분자량이 작은 유기물) 등으로 활성층을 만든 태양 전지(PV)에 대해 분석하였다. 이러한 태양 전지(PV)를 포함한 집광기 일체형 빛 가둠 장치(100)의 기본 구조는 아래 표와 같다. 여기서 이와 같은 예들을 설명하지만, 본 발명의 집광기 일체형 빛 가둠 장치(100)에는 이와 같은 비정질 실리콘(a-Si)이나 OPV(Organic PV)용 유기물(폴리머, 저분자(small molecule) 화합물 등)) 외에, 염료감응형 태양전지(DSSC)용 고분자 물질이나 결정질 실리콘(c-Si), CdTe, CIGS 등으로 만든 박막형 태양 전지(PV), 또는 결정질 실리콘(c-Si)으로 만든 벌크 셀형 태양 전지(PV) 등 다양한 태양 전지(PV)에 적용될 수 있다. Hereinafter, a solar cell (PV) including an active layer made of a polymer (normal structure / inverted structure), amorphous silicon (a-Si), a small molecule compound (small molecular weight organic material), and the like was analyzed. The basic structure of the light concentrator integrated light confinement device 100 including the solar cell PV is shown in the following table. Such examples will be described here, but the light concentrator integrated light trapping apparatus 100 of the present invention may include organic materials (a polymer, a small molecule compound, etc.) for amorphous silicon (a-Si) or OPV (Organic PV). , Thin-film solar cell (PV) made of polymer material for dye-sensitized solar cell (DSSC), crystalline silicon (c-Si), CdTe, CIGS, etc., or bulk cell solar cell (PV) made of crystalline silicon (c-Si) It can be applied to various solar cells (PV).

Aref 는 제로로 가정되었고, Tinc 는 0.96(일반적인 빛 입사에 대한 유리와 공기간 투과율)으로 가정하였다. 단위 셀에 대한 시뮬레이션에서, 흡광은 transfer-matrix formalism (TMF)에 의해 획득된다. 회로 단락 전류 밀도(short-circuit current densities)(Jsc)를 계산하기 위하여, IQE는 폴리머(통상 구조/도립 구조) 구조와 비정질 실리콘(a-Si) 구조에서 0.9인 것으로 가정했다. 특히, 저분자(small molecule) 화합물 구조에서 IQE는 엑시톤(exciton) 확산 방정식으로부터 계산되는데, 여기서 확산 길이는 CuPc에 대해 10 nm, C60에 대해 20nm인 것으로 가정하였다. CuPc, C60, ITO, PEDOT:PSS, TiOx 굴절율은 ellipsometry로 획득되며, 유리 기판은 1.52로 가정된다. PCDTBT:PCBM, a-Si, cathode materials(Ag, Al등) 등의 굴절율은 잘 알려져 있는 바와 같다. A ref was assumed to be zero, and T inc was assumed to be 0.96 (transmittance between glass and air for typical light incident). In the simulation for the unit cell, absorbance is obtained by transfer-matrix formalism (TMF). In order to calculate short-circuit current densities (J sc ), IQE was assumed to be 0.9 in polymer (normal / inverted) and amorphous silicon (a-Si) structures. In particular, IQE in the small molecule compound structure is calculated from the exciton diffusion equation, where the diffusion length is assumed to be 10 nm for CuPc and 20 nm for C 60 . CuPc, C 60 , ITO, PEDOT: PSS, TiO x The refractive index is obtained by ellipsometry and the glass substrate is assumed to be 1.52. Refractive indices of PCDTBT: PCBM, a-Si, cathode materials (Ag, Al, etc.) are well known.

[표][table]

Figure 112012028277980-pat00004
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도 2a는 escape probability Pesc 의 감소에 따른 통상 구조인 normal polymer PV의 활성층에서 기대된 흡수 정도(기생적 흡수효율 Pesc=1에 대하여만 나타냄) , 도 2b는 기판에서 진행 각도에 따른 normal polymer PV의 Pesc에 따른 Jsc의 변화, 도 2c는 normal polymer PV, 비정질 실리콘 PV, 도립 구조 polymer PV에서 Pesc에 따른 Jsc의 변화, 도 2d는 두께 CuPc(6.5nm)/ C60(20nm), CuPc(10nm)/ C60(31nm), CuPc(14nm)/ C60(38nm)에 대한 small molecular PV 에서 Pesc에 따른 Jsc의 변화이다. 도 2b, 도 2c, 도 2d에서 Pesc=0.266 위치를 표시하였다. Figure 2a is the expected degree of absorption in the active layer of the normal polymer PV (normal parasitic absorption efficiency P esc = 1 only) with a decrease in escape probability P esc , Figure 2b is a normal polymer according to the traveling angle in the substrate changes in J sc according to esc P of PV, 2c is normal PV polymer, an amorphous silicon PV, in the inverted structure polymer PV changes in J sc of the P esc, Figure 2d is thick CuPc (6.5nm) / C 60 ( 20nm ), The change of J sc with P esc in small molecular PV for CuPc (10nm) / C 60 (31nm) and CuPc (14nm) / C 60 (38nm). In FIG. 2B, FIG. 2C, and FIG. 2D, the position P esc = 0.266 is indicated.

도 2a와 같이, normal polymer PV 구조에서 일반적인 입사각에 대한 흡광 정도로부터, Pesc 감소에 따라 흡광 정도가 증가함을 확인하였다. 다만, PEDOT:PSS와 후면 반사판(back reflector)인 메탈층(Ag, Al 등)과 같은 다른층들에 의한 기생적 흡광 손실로 인해 Tinc 에 이르지는 못하였다. 파장 500nm 근처에서, 단위 셀의 흡광이 매우 높으므로, 이 파장에서의 흡광 개선정도(수학식 3 참조)는 상대적으로 작은 편이다. 또한, 파장 700nm 이상에서도 흡광이 작으며 활성층에서 흡수되기 보다 기생적 흡수에 의해 손실량이 크므로, 흡광 정도(수학식 3 참조)가 크게 증가될 수 없다. 따라서, PV 구조들에서 빛 가둠을 향상시키기 위하여, 활성층 물질로서 광범위 파장에 대하여 높은 흡수율을 갖기 보다 일정 파장대에서 적절한 흡수율을 나타내는 물질이 바람직하다. As shown in Figure 2a, from the degree of absorption for the normal angle of incidence in the normal polymer PV structure, it was confirmed that the degree of absorption increases with decreasing P esc . However, due to parasitic absorption loss caused by other layers such as PEDOT: PSS and metal layers (Ag, Al, etc.), the back reflector did not reach T inc . Since the light absorption of the unit cell is very high near the wavelength of 500 nm, the degree of improvement in absorbance at this wavelength (see Equation 3) is relatively small. In addition, since the absorption is small even at a wavelength of 700 nm or more and the loss is large due to parasitic absorption rather than being absorbed in the active layer, the degree of absorption (see Equation 3) cannot be greatly increased. Therefore, in order to improve light confinement in PV structures, it is preferable that the active layer material exhibits an appropriate absorption in a certain wavelength band rather than a high absorption for a wide range of wavelengths.

위에서도 기술한 바와 같이, 흡수 스펙트럼은 빛의 진행 각도(θ)에 따라 달라진다. 도 2b와 같이, 여러가지 진행 각도(θ)에 대하여 Pesc에 대한 Jsc가 도시되어 있으며, 이는 흡수 스펙트럼의 적분으로 구해질 수 있다. 공간(space)에서의 빛의 진행은 진행 각도(θ)가 작을 때 흡수율을 향상시킨다. 그러나, 각도가 증가 시 광학계(optical component)의 투명전극(ITO)에서 Fresnel 반사의 증가로 인해, 전체 흡광은 감소한다. 따라서, 진행 각도(θ)가 효과적인 빛 가둠을 위해 적절해야 한다. 진행 각도(θ)의 크고 작음에 따른 Jsc 차이는, Pesc 의 감소에 따라, 감소한다. 왜냐면, 광학계(optical component)의 투명전극(ITO)에서 재반사된 빛이 공간(space)에 효과적으로 빛 가둠이 이루어질 수 있기 때문이다.As also described above, the absorption spectrum depends on the propagation angle θ of the light. As shown in FIG. 2B, J sc for P esc is shown for various propagation angles θ, which can be obtained by integration of the absorption spectrum. Light propagation in space improves the absorption rate when the propagation angle θ is small. However, due to the increase in Fresnel reflection in the transparent electrode ITO of the optical component as the angle increases, the total absorption decreases. Therefore, the advancing angle θ must be appropriate for effective light confinement. J sc difference according to the big and small of advancing angle (theta) decreases with decreasing of P esc . This is because the light reflected back from the transparent electrode ITO of the optical component can be effectively confined to the space.

도 2c에서는, normal polymer PV, 비정질 실리콘 PV, 도립 구조 polymer PV에서 Pesc에 따른 Jsc의 변화가 도시되어 있다. 도면에 광학계(optical component)의 유리에서 허용 입사각(acceptance angle) 47°에 대해 Pesc=n/sin23.5°(Pesc=0.266) 위치를 나타내는 수직선이 표시되어 있다. 이 위치에서 단위 셀(Pesc=0.96인 평면 셀)과 비교했을 때, normal polymer, a-Si 구조에서 각각 16.5%, 31.1%, 의 증가를 보여준다. Pesc=0, 허용 입사각(acceptance angle)=0에서, 각각에 대해 최대 증가량은 25.7%, 53.1%를 보여준다. 위에서 기술한 바와 같이, 메탈층(Ag/Al)에서 기생적 흡수 손실량은 빛의 다중 바운스를 통한 증가된 전체 흡광에 상당히 영향을 미친다. 일반적으로, 후면 반사판(back reflector)으로서의 Al 캐소드 메탈층은, 빛 가둠 영역인 가시광과 적외선 스펙트럼에 대해 Ag 메탈층 보다 더 많이 흡광하므로, Ag 메탈층이 광학적 관점에서 더 유리하다. 일함수 때문에, Ag 메탈층은 통상(normal) 폴리머 구조의 캐소드 층으로 보다는 도립(inverted) 구조에서 애노드층으로 사용될 수 있다. 더 나아가, 도립 구조에서는 활성층에서의 전자기장을 강화하는 메탈층 앞(위)에 후막 광학 스페이서(spacer)를 갖는다. 도립 구조의 폴리머 구조에서 후면 반사판(back reflector)으로서의 Ag 메탈층을 사용할 때, Pesc=0.266 와 0에 대해, 각각 35.8% , 74.1% 의 흡광 증가를 가져온다. In FIG. 2C, the change of J sc according to P esc in the normal polymer PV, amorphous silicon PV, and inverted structure polymer PV is shown. In the figure a vertical line representing P esc = n / sin 23.5 ° (P esc = 0.266) position with respect to an acceptable angle of acceptance of 47 ° in the glass of the optical component is indicated. Compared to the unit cell (plane cell with P esc = 0.96) at this position, the increase of 16.5% and 31.1% in the normal polymer and a-Si structures, respectively. At P esc = 0 and acceptance angle = 0, the maximum increases for each show 25.7% and 53.1%. As described above, the parasitic absorption loss in the metal layer (Ag / Al) significantly affects the increased overall absorption through multiple bounces of light. In general, the Al cathode metal layer as a back reflector absorbs more than the Ag metal layer for visible light and infrared spectra, which are light confinement regions, so that the Ag metal layer is more advantageous from an optical point of view. Because of the work function, the Ag metal layer can be used as an anode layer in an inverted structure rather than as a cathode layer of a normal polymer structure. Furthermore, inverted structures have thick film optical spacers in front of the metal layer that enhances the electromagnetic field in the active layer. When using an Ag metal layer as a back reflector in the inverted polymer structure, for P esc = 0.266 and 0, an increase in absorbance of 35.8% and 74.1%, respectively, is obtained.

도 2d는 두께 CuPc(6.5nm)/ C60(20nm), CuPc(10nm)/ C60(31nm), CuPc(14nm)/ C60(38nm)에 대한 small molecular PV 에서 Pesc에 따른 Jsc의 변화이다. 도 2b, 도 2c, 도 2d에서 Pesc=0.266 위치를 표시하였다. 다만, 여기서, CuPc와 C60의 diffusion length(확산 거리)는 각각 10nm, 20nm인 것으로 가정하였다.FIG. 2D shows J sc according to P esc in small molecular PV for thickness CuPc (6.5nm) / C 60 (20nm), CuPc (10nm) / C 60 (31nm), CuPc (14nm) / C 60 (38nm). It is a change. In FIG. 2B, FIG. 2C, and FIG. 2D, the position P esc = 0.266 is indicated. However, it is assumed here that the diffusion lengths of CuPc and C 60 are 10 nm and 20 nm, respectively.

빛 가둠은 저분자(small molecule) 화합물 PV 구조에서 더 효과적이다. 왜냐면, IQE(Internal Quantum Efficiency , 내부 양자 효율)와 흡광 간에 타협(trade-off) 관계가 있기 때문이다. 빛 가둠으로 흡수를 보상함으로써 더 큰 IQE를 얻기 위해 두께를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 위의 표와 같은 소 분자(small molecule) 화합물 PV 구조에서, 도 2d와 같이, Pesc=0.96, CuPc 와 C60 최적 두께 14nm and 38nm에서, Jsc 가 6.8 mA/cm2에서 12.8 mA/cm2까지 증가한다. 흡광은 빛 가둠을 통해 회복되므로, 더 높은 IQE를 가지도록 그 두께가 더 감소될 수 있다. Pesc=0, CuPc 와 C60 최적 두께 6.5nm and 20nm에서, Jsc 가 15.8 mA/cm2까지 증가함을 확인하였고, 이는 같은 두께의 평면 셀에서 5.2mA/cm2 보다 크다. 따라서, 소 분자(small molecule) 화합물 PV 구조에서, 전체적인 이상적 흡수 증가량은 132%까지 획득될 수 있다. 같은 방법으로 Pesc=0.266에서, CuPc 와 C60 최적 두께 10nm and 31nm에서, Jsc 가 10.2mA/cm2까지 증가함을 확인하였고, 이때 평면 셀에서 보다 50% 증가한다. IQE 이외에, fill factor 또한 두께에 따라 다르며, 빛 가둠과 함께 두께를 감소시켜 fill factor를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 전력 변환 효율(PCE, Power Conversion Efficiency)은 두께의 최적화를 통해 더 증가될 수 있다.
Light confinement is more effective in small molecule compound PV structures. Because, a compromise is because (trade-off) relationship between the IQE (Internal Quantum Efficiency, internal quantum efficiency) and a light absorbent. By compensating the absorption with light confinement, the thickness can be reduced to obtain a larger IQE. For example, in the small molecule compound PV structure as shown in the table above, as shown in FIG. 2D, at P esc = 0.96, CuPc and C 60 optimum thickness 14 nm and 38 nm, J sc at 6.8 mA / cm 2 Increase to 12.8 mA / cm 2 . Absorption recovers through light confinement, so that its thickness can be further reduced to have a higher IQE. Esc P = 0, it was confirmed that the C 60 from the CuPc and the optimal thickness 6.5nm and 20nm, increases to a J sc 15.8 mA / cm 2, which is greater than 5.2mA / cm 2 in a plan view of the same cell thickness. Thus, in small molecule compound PV structures, the overall ideal absorption increase can be obtained up to 132%. In the same way, at P esc = 0.266, at CuPc and C 60 optimum thicknesses of 10 nm and 31 nm, J sc increased to 10.2 mA / cm 2 , which is 50% higher than in planar cells. In addition to IQE, the fill factor also depends on the thickness and can be increased by reducing the thickness with light confinement. Accordingly, power conversion efficiency (PCE) can be further increased through optimization of thickness.

<광학계(optical component) 구성> <Optical component composition>

여기서, 효과적인 빛 가둠을 위한 광학계(optical component) 구현 방식을 설명한다. 위에서 Polymer(폴리머) PV 구조(통상 구조/도립 구조)에서, 후면 반사판(back reflector)으로서의 Al/Ag 메탈층이 사용되었다. 평면 셀에서는, Jsc0가 통상 구조에서는 11.2mA/cm2 이고, 도립 구조에서는 10.3mA/cm2 이다. 성능은 TMF를 이용하여 계산될 수 있고, 한 주기에 200개의 빛을 입사하여 주기적 경계(Periodic boundary condition)를 갖는 단위 구조 마다 평균하여 결과를 얻었다.
Herein, an optical component implementation method for effective light confinement will be described. In the above Polymer PV structure (normal structure / inverted structure), an Al / Ag metal layer as a back reflector was used. In the flat cell, and J is the normal structure sc0 11.2mA / cm 2, is in the inverted structure 10.3mA / cm 2. The performance can be calculated using TMF, and the results are obtained by averaging 200 units of light in one period and averaging the unit structures with periodic boundary conditions.

<시뮬레이션 상 CPT 배열><CPT array in simulation>

CPT(Compound Parabolic Trapper, 복합 포물형 트래퍼)은 Pesc에 대한 sin(θa/2)/n (n은 CPT의 성형물 굴절율)를 구현하도록 간단히 배열될 수 있다. Campbell 등은 벌크 셀에 CPC 배열을 사용한 빛 가둠에 대한 이론적 방식을 제안했고, Peumans 등은 2차원 CPC 배열을 박막형 PV에 적용하였다. 그러나 Peumans 등이 제안한 구성은 빛 추적 장치가 필요할 뿐만 아니라 실제로 구현되지 못하였다. 본 발명에서는 위에서도 기술한 바와 같이 빛 추적 장치를 제거하기 위하여 1차원 CPT 배열을 제안한다. CPT는 유리, 플라스틱류 등으로 성형(molded)되어 제작되며 허용 입사각(acceptance angle) ±16.0° 로 설계되었다. 이하 CPT가 유리 성형물인 것을 예로 들어 설명하지만, 수지계 등 다양한 플라스틱류 등으로 구현될 수 있다. 이와 같은 성형물은 금속 주형(mold)에 유리, 플라스틱류 등의 성형물을 위한 해당 재질의 용융액을 부어 넣고 고형으로 냉각시킴으로써 제조될 수 있다. Compound Parabolic Trapper (CPT) can simply be arranged to implement sin (θ a / 2) / n (n is the molding refractive index of CPT) for P esc . Campbell et al. Proposed a theoretical approach to light confinement using CPC arrays in bulk cells, and Peumans et al. Applied two-dimensional CPC arrays to thin-film PVs. However, the proposed scheme by Peumans et al. Required not only a light tracking device but also could not be implemented. The present invention proposes a one-dimensional CPT array to remove the light tracking device as described above. The CPT is molded from glass, plastics, etc. and designed with an acceptance angle of ± 16.0 °. Hereinafter, the CPT is described as an example of a glass molding, but may be implemented as various plastics such as resin. Such moldings can be prepared by pouring a melt of the material for moldings, such as glass, plastics, into a metal mold and cooling it to a solid.

이와 같은 유리 성형물에서 허용 입사각(acceptance angle)는, 연중의 모든 입사 빛들 받기를 보증하는 Snell 법칙에 따른 공기중에서의 ±24.8°범위 내에 있다. CPT의 높이와 기판의 두께는 각각 500μm와 700μm 인 것으로 가정된다. 기판은 광학계(optical component)인 CPT를 제외한 부분으로서, 후면 반사판(back reflector), 태양 전지(PV) 및 그위의 공간(space)을 포함할 수 있다. CPT는 도 3의 오른쪽 그림과 같이 이와 같은 기판 상에1차원 배열되는 장축 방향 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 유리 성형물(parabolic mold), 및 그 하부쪽(예, 꼭지점 주변)에 일정 폭으로 개구(entrance)(예, 직사각형 모양)가 마련된 가둠 미러(trapping mirror)를 포함한다. 여기서, 유리 성형물(parabolic mold)의 각 포물형은 설계에 따라 필요한 만큼 일정 각도 기울어져 있으며, 가둠 미러(trapping mirror)의 개구 부분은 유리 성형물(parabolic mold)의 포물형의 초점에 위치할 수 있다. 개구가 마련된 가둠 미러(trapping mirror)의 하부에는 금속 코팅된 메탈 미러가 형성될 수 있다. 대부분의 입사 빛들은 포물형 유리 성형물(parabolic mold)에서 전체적으로 내부 반사를 일으키기 위한 임계각(전반사 임계각) 보다 큰 각도로 그 포물 형상에 입사되므로, 기생적 손실이 없도록 그 포물 형상 위에 메탈 미러를 적용하지 않는 것이 바람직하다. 이때 기생하는 손실이 오히려 그 포물 형상을 탈출하는 빛들에 의한 손실 보다 더 크기 때문이다. In such glass moldings the acceptable angle of incidence is in the range of ± 24.8 ° in air according to Snell's law which ensures to receive all incident light during the year. The height of the CPT and the thickness of the substrate are assumed to be 500 μm and 700 μm, respectively. The substrate may include a back reflector, a solar cell PV, and a space thereon except for an optical component CPT. The CPT is a parabolic mold consisting of bilateral curved surfaces having a parabolic long-axis cross section arranged one-dimensionally on such a substrate as shown in the right figure of FIG. a trapping mirror provided with an entrance (eg, rectangular shape). Here, each parabolic shape of the parabolic mold is inclined at an angle as needed according to the design, and the opening portion of the trapping mirror may be located at the focal point of the parabolic mold parabolic mold. . A metal coated metal mirror may be formed below the trapping mirror provided with the opening. Most incident light is incident on the parabolic shape at an angle greater than the critical angle (total reflection critical angle) for causing total internal reflection in the parabolic mold, so do not apply a metal mirror over the parabolic shape to avoid parasitic losses. It is preferable not to. This is because parasitic losses are greater than losses due to light escaping the parabolic shape.

하지만, 포물형 유리(또는 플라스틱류 등) 성형물을 속이 채워진 형태로 제작할 수도 있고, 경우에 따라서는 포물형 유리(또는 플라스틱류 등) 성형물을 내부가 비어 있는 형태로 제작하고, 각각에 대하여 양측 포물형 곡면들 상에 금속 코팅된 메탈 미러를 이용해 빛의 제공을 향상시킬 수는 있다. 예를 들어, 내부가 비어 있는 형태의 성형물에는 성형물 제작 전후에 금속 코팅이 가능하며, 속이 채워진 형태의 성형물에는 성형물 제작 전에 금속 코팅이 가능하다. However, parabolic glass (or plastics, etc.) moldings may be manufactured in a filled form, and in some cases, parabolic glass (or plastics, etc.) moldings may be manufactured in a hollow form, and each parabolic product may be manufactured. It is possible to improve the provision of light by using a metal mirror coated with metal on the curved surfaces. For example, the molding of the hollow form may be coated with metal before and after forming the molding, and the molding of the filled form may be coated with metal before the molding.

유리 성형물(parabolic mold) 단면 상에서의 입사각 변화를 최소화하기 위하여, CPT 1차원 배열(각 성형물)은 장축 방향이 동서(East-to-West)로 정렬되며, 이에 따라 CPT는 도 3과 같이 일일 각도 변화(daily angle variation)에 무관하게 연중의 각도 변화(annual angle variation) ±23.5°의 모든 빛들을 받아들일 수 있다. 위와 같은 허용 입사각(acceptance angle)와 제로(zero) 일일 각도 변화(daily angle variation)에 대하여, 대략 30%(도립 구조에서)와 10%(통상 구조에서)의 흡광 향상이 획득될 수 있다. 일일 각도 변화(daily angle variation)가 더 커지면 연중의 허용 입사각(acceptance angle)를 더 넓게 할 수 있지만, 흡광 개선 정도가 줄어들며, 이는 아침이나 저녁 보다 정오에 더 잘 작동하는 것을 의미한다. 도 2b에서도 설명한 바와 같이 포물형 유리 성형물(parabolic mold)에서의 산란과 큰 일일 각도 변화(daily angle variation)가 결합되어, 빛의 진행 각도를 크게하기 때문이다. 사실상, 단위 면적당 태양 에너지가 아침이나 저녁에 아주 작기 때문에, 현실 환경에서 흡광을 정오에 맞추어 향상시키는 것이 좋다. 정오에 흡광 정도는, 같은 허용 입사각(acceptance angle)에 대하여 이론적으로 기대되는 것보다 낮게 나오며, 도립 구조 PV에서 37.7%이하이며, 통상 구조 PV에서 17.4% 이하로 나타날 수 있다. 그 이유는, 다은 4가지로 요약된다. In order to minimize the change in the angle of incidence on the cross section of the glass mold, the CPT one-dimensional arrays (each molding) are aligned east-to-west in the major axis direction, so that the CPT is a daily angle as shown in FIG. Regardless of the daily angle variation, all lights with an annual angle variation of ± 23.5 ° are acceptable. With respect to the above acceptable acceptance angle and zero daily angle variation, absorption improvements of approximately 30% (in the inverted structure) and 10% (in the normal structure) can be obtained. Larger daily angle variations can widen the acceptable angle of acceptance throughout the year, but reduce the degree of absorption improvement, meaning that it works better at noon than morning or evening. This is because scattering in a parabolic mold and a large daily angle variation are combined to increase the propagation angle of the light as described in FIG. 2B. In fact, solar energy per unit area is very small in the morning or evening, so it's a good idea to improve absorption at noon in real environments. At noon, the degree of absorption is lower than theoretically expected for the same permissible angle of acceptance, less than 37.7% in inverted structure PV, and usually less than 17.4% in structure PV. The reason is summarized in the following four ways.

(1) 가둠 미러(trapping mirror)에서의 흡광: [수학식 3]에서 Aref 가 이론적으로 제로인 것으로 가정되지만, 실제 구조에서는 이를 무시할 수 없다. (1) Absorption at a trapping mirror: Although A ref is assumed to be theoretically zero in [Equation 3], this cannot be ignored in an actual structure.

(2) 공간(space)에서의 큰 빛 진행 각도: 빛 진행 각도 분포는 빛이 반사에 의해 CPT의 가둠 미러(trapping mirror)의 개구를 통과한 후에 더 커지게 되며, 벌크 셀에서와는 달리, 도 2b와 같이 너무 큰 빛의 진행 경사도가 PV의 활성층에서의 흡광을 떨어뜨릴 수 있다. (2) Large light propagation angle in space: The light propagation angle distribution becomes larger after light passes through the opening of the CPT's trapping mirror by reflection, unlike in bulk cells, FIG. 2B Too large a propagation gradient of light may degrade the absorption in the active layer of PV.

(3) 직접 반사(direct reflection): 일반적으로 빛이 가둠 미러(trapping mirror)의 개구(entrance)를 직접적으로 수직 통과할 때에는 트랩되기 어려우며, 바닥(PV의 상면)에서 반사되어 들어온 개구를 통해 밖으로 빠져 나갈 수 있다. 이것은 일반 각도 근처의 흡광 향상율이 도 3a에서 보이는 것과 같이 큰 각도에서 보다 작게 나타나는 것으로부터 알 수 있다. 이는 전력 변환 효율(전력 생산 효율)이 여름과 겨울에 더 높게 나타남을 의미한다. (3) direct reflection: In general, light is difficult to trap when passing directly through the entrance of the trapping mirror and out through the opening reflected from the bottom (top of the PV). I can get out. This can be seen from the fact that the absorption improvement near the normal angle appears smaller at the larger angle as shown in Fig. 3A. This means that power conversion efficiency (power production efficiency) is higher in summer and winter.

도 3에서는 도립 구조 및 통상 구조 polymer PV에서의 연간 매일 0°, 30° and 60° 로 변하는 각도에 대한 정규화된 Jsc의 변화를 나타내며, 오른쪽 그림과 같이, 연중 빛의 입사각은 x-z 평면에서 변하고, 연중 전체에서 빛을 트랩하기 위하여 CPT는 y축 상에서 동-서 방향으로 정렬되어야 한다. z-축은 춘분(vernal equinox) 때 정오의 태양 위치를 나타낸다. FIG. 3 shows the normalized change in J sc for angles varying from 0 °, 30 ° and 60 ° per day in inverted and conventional structured polymer PV, as shown in the figure on the right. In order to trap light throughout the year, the CPT must be aligned in the east-west direction on the y axis. The z-axis represents the sun's position at noon at the vernal equinox.

(4) CPT 상에서 입사 손실: 입사각이 허용 입사각(acceptance angle)의 경계 근처일 때, 포물형 유리 성형물(parabolic mold)과 그 입구(가둠 미러(trapping mirror)의 개구(entrance) 쪽 근처의 입사 빛 간의 각도가 임계각(탈출 하지 않고 개구(entrance)로 들어가도록 하는 전반사 임계각) 보다 작을 수 있다. 따라서 입사 빛이 그 입구쪽으로 반사되기 보다 CPT를 탈출하여 밖으로 빠져나갈 수 있다. 이러한 문제는 다른 시간대에는 허용 입사각(acceptance angle)이 ±23.5°보다 충분히 커서 발생하지 않지만, 정오쯤에는 허용 입사각(acceptance angle)이 ±23.5° 경계 근처이므로 발생하게 된다. (3)의 문제는 양측의 포물형 유리 성형물(parabolic mold)이 서로 다른 경사각을 갖도록 CPT를 비대칭적으로 구성(서로 다른 초점을 가짐)하여 해결될 수 있고, 이는 빛이 개구(entrance)를 통과할 때 바닥의 PV 셀과 수직하지는 않기 때문이다. 이와 같은 비대칭적(asymmetric) CPT(ACPT)는 건물 일체형 PV(BIPV, building integrated photovoltaic) 시스템과 같은 실제 응용에 장점을 제공하며, 이는 전체 시스템을 태양 고도 방향으로 회전시키지는 못하기 때문이다. 흡광 정도는 CPT의 허용 입사각(acceptance angle)를 더 줄여 향상될 수 있다. CPT가 일일 각도 변화와 무관하게 거의 모든 연중 전체 허용 입사각(acceptance angle)에서 평면 셀에서 보다 더 좋은 성능을 나타내므로, 제한된 더 작은 허용 입사각(acceptance angle)를 갖는 CPT에 연중의 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)와 함께 구현될 수도 있다.
(4) Incident loss on the CPT: incident light near the entrance of the parabolic mold and its entrance (trapping mirror) when the angle of incidence is near the boundary of the acceptable angle of incidence The angle of the liver may be smaller than the critical angle (total reflection critical angle that allows it to enter the entrance without escape), so that incident light can escape and escape out of the CPT rather than being reflected toward its entrance. It does not occur because the permissible acceptance angle is greater than ± 23.5 °, but at about noon it occurs because the permissible acceptance angle is near the ± 23.5 ° boundary. The parabolic mold can be solved by asymmetrically constructing the CPTs with different inclination angles (different focal points), which means that when light passes through the entrance, This asymmetric CPT (ACPT) offers advantages for practical applications such as building integrated photovoltaic (BIPV) systems, which align the entire system in the solar altitude direction. Absorption can be improved by further reducing the acceptable acceptance angle of the CPT, which is better than in a planar cell at almost all year-round total acceptable angle, regardless of the change in daily angle. Because of its good performance, it may be implemented with an annual light tracking apparatus throughout the year in a CPT with a limited smaller acceptance angle.

위에서 CPT의 성형물이 1차원 배열되는 것을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이와 같은 1차원 배열의 위로 수직하게 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 제2의 1차원 배열을 더 포함하거나, 1차원 배열의 성형물의 장축 방향 끝에, 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 제2의 1차원 배열을 더 구비하도록 함으로써, 2차원 CPT 구조가 되도록 할 수도 있다. 이에 따라 일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus) 없이도 1차원 배열에서의 집광배율인 n/sin(θa/2)를 n2/sin2a/2)로 향상시킬 수 있으며, 그만큼 빛의 탈출확률이 줄어 흡광도를 더욱 개선시킬 수 있게 된다. Although the above-described one-dimensional arrangement of the moldings of the CPT has been described, the present invention is not limited thereto, and the second periodic one-dimensional arrangement of the parabolic mold consisting of parabolic molds having a parabolic cross section vertically above the one-dimensional array is performed. Or a second periodic one-dimensional array of parabolic molds having a parabolic bilateral curved cross section at the end of the long axis in the one-dimensional array of moldings, thereby forming a two-dimensional CPT structure. It may be. Accordingly, it is possible to improve n / sin (θ a / 2), which is the concentration of light in a one-dimensional array, to n 2 / sin 2a / 2) without the daily light tracking apparatus. The probability of escape can be reduced to further improve absorbance.

위와 같은 포물형 성형물(parabolic mold)을 실제로 제작해 본 결과 조도가 좋지 않아 빛의 산란이 일어나는 경우가 있다. 이로 인한 빛의 손실을 줄이기 위해 가둠 미러(trapping mirror)가 없는 빛 가둠 장치(100)가 가능하며, 이때에도 PCE가 가둠장치 없는 기존의 6.25%에서 7.15%로 증가하였다.
As a result of fabricating a parabolic mold as described above, light scattering may occur due to poor illumination. In order to reduce the light loss, the light trapping device 100 without a trapping mirror is possible, and at this time, the PCE has increased from 6.25% without the trapping device to 7.15%.

도 4는 도립 구조 및 통상 구조 polymer PV에서 각각 1D MLA(Micro Lenses Array, 마이크로 렌즈 배열)(본 발명의 다른 예)을 이용한 연간 입사각 변화에 따른 정규화된 Jsc의 변화이다. 도 4 에서 연간 입사각은 x-z 평면에서 변하고, 일일 각도 변화(daily angle variation)는 제로인 것으로 가정되었다. 또한, h와d는 가둠 미러(trapping mirror)의 개구(entrance)의 사이즈(예, 주기에 대한 폭의 비율)와 일일 각도 변화를 나타낸다.
4 is a change in normalized J sc according to an annual incident angle change using 1D MLA (Micro Lenses Array, Micro Lens Array) (another example of the present invention) in an inverted structure and a conventional structure polymer PV. In FIG. 4 it is assumed that the annual incidence angle changes in the xz plane and the daily angle variation is zero. In addition, h and d represent the size of the entrance of the trapping mirror (eg, the ratio of the width to the period) and the daily angle change.

<MLA(Micro Lens Array) 구조><MLA (Micro Lens Array) Structure>

도 4 오른쪽 그림과 같이, 도 3과 같은 1차원 CPT 배열 대신에, 본 발명의 집광기 일체형 빛 가둠 장치(100)는 고도로 제한된 허용 입사각(acceptance angle)를 갖도록 MLA로 구현될 수 있으며, 일정 주기로 각 렌즈(예, 장축 방향 단면이 반원형 등 접시 모양인 위로 볼록한 면을 갖는 유리 또는 플라스틱류 등)의 초점 거리 부분에 개구(entrance)를 갖는 가둠 미러(trapping mirror)가 MLA 하부에 구비된다. 여기서도, Pesc에 대한 sin(θa/2)/n (여기서 n은 MLA의 렌즈의 굴절율)를 구현하도록 MLA가 간단히 배열될 수 있다.4, instead of the one-dimensional CPT arrangement as shown in FIG. 3, the light concentrator integrated light confinement device 100 of the present invention may be embodied in an MLA to have a highly limited allowable angle of acceptance. A trapping mirror having an entrance is provided under the MLA at the focal length portion of the lens (e.g., glass or plastic with a convex upside surface having a semi-circular cross section in the form of a semi-circle). Here too, the MLA can simply be arranged to implement sin (θ a / 2) / n (where n is the refractive index of the lens of the MLA) for P esc .

도 4의 그래프는 1차원 MLA 구조에서, 마이크로 렌즈의 배열 주기가 400μm 이며, 각 렌즈의 곡면은 반경(radius) 342.1μm인 원통형(cylindrical)으로 근사화되어 설계되었다. 렌즈의 이론적 초점 거리는 f=radius×(nlens-1)/nlens 에 의해 계산될 수 있고(nlens은 렌즈 굴절율), 유리로 만들어진 경우 대략 1000μm 정도이다. 그러나, 실제로는 원통형(cylindrical)으로 근사화된 것과 달리 초점 거리가 짧아질 수 있으므로 초점 거리, 즉, 렌즈 두께를 940μm로 하였다. In the one-dimensional MLA structure, the graph of FIG. 4 is designed to approximate a cylindrical period with a microlens array period of 400 μm and a curved surface of each lens having a radius of 342.1 μm. The theoretical focal length of the lens can be calculated by f = radius × (n lens −1) / n lens (n lens is the refractive index of the lens), which is about 1000 μm when made of glass. In reality, however, the focal length can be shortened, unlike the cylindrical approximation, so that the focal length, that is, the lens thickness, is set to 940 m.

도 4와 같이, 가둠 미러(trapping mirror)의 개구(entrance)의 사이즈(예, 주기에 대한 개구 폭의 비율 h)에 따라 성능이 달라짐을 확인하였다. 도립 구조에서, 정오에, h=0.10와 0.15 조건에서, 각각 최대 흡광 정도가 49%, 42%를 나타내었고, 같은 조건에서 노멀 구조에서는 그 값이 대략 19%, 17%로 감소하였다. 흡광 정도와 허용 입사각(acceptance angle) 간에는 CPT 배열에서처럼 교섭 관계(trade-off)를 나타낸다. 더 큰 일일 각도 변화(daily angle variation)에 대하여는, 초점 거리가 감소되어, 예를 들어, 각도 변화 60° 에서 빛이 개구(entrance) 쪽으로 가이드되지 못하였다. 이는 연중의 빛 평면(annual plane, x-z 평면)이 일일 빛 평면(daily plane, y-z평면)에 의해 영향을 받기 때문이다. 이와 같은 현상이 CPC/CPT와 같이 반사만을 이용하는 광학계에서는 나타나지 않는다.
As shown in FIG. 4, it was confirmed that the performance varies depending on the size of the entrance of the trapping mirror (eg, the ratio h of the opening width to the period). In the inverted structure, at noon, the maximum absorbances were 49% and 42% at h = 0.10 and 0.15, respectively, and the values decreased to approximately 19% and 17% in the normal structure under the same conditions. There is a trade-off between the degree of absorption and the acceptance angle, as in the CPT arrangement. For larger daily angle variations, the focal length was reduced, for example, at the angle change 60 °, the light was not guided towards the entrance. This is because the annual light plane (xz plane) is affected by the daily light plane (yz plane). This phenomenon does not appear in optical systems using only reflection, such as CPC / CPT.

여기서도, MLA의 1차원 배열을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이와 같은 1차원 배열의 MLA의 장축 방향 끝에, 다른 제2의 1차원 배열의 MLA를 더 구비하도록 함으로써, 2차원 MLA 구조가 되도록 할 수도 있다. 이에 따라 일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus) 없이도 1차원 배열에서의 집광배율 보다 크게 되도록 향상시킬 수 있으며, 그만큼 빛의 탈출확률이 줄어 흡광도를 더욱 개선시킬 수 있게 된다.
Here, the one-dimensional array of MLAs has been described, but the present invention is not limited thereto, and the second two-dimensional array of MLAs may be further provided at the end of the long axis direction of the MLA of the one-dimensional array so that the two-dimensional MLA structure is formed. You may. Accordingly, it can be improved to be larger than the condensing magnification in the one-dimensional array without the daily light tracking apparatus, and thus the probability of light escape can be reduced to further improve absorbance.

이상과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 집광기 일체형 빛 가둠 장치(도 1, 도 3, 도 4)에 따르면, CPT(Compound Parabolic Trapper)(또는 MLA) 배열을 평면형이 아닌 1차원 선형 배열하여 빛을 작은 입구에 모으고 그 아래에서 빠져나오지 못하도록 가두어(경우에 따라서는 가둠 미러 없이도 어느 정도 효과가 있음), 박막형 태양전지의 전력 변환 효율을 개선할 수 있다. 선형 집광이기 때문에 별도의 빛 추적 장치의 필요성이 없거나 최소화된다. CPT/MLA의 집광배율을 줄이면 허용입사각을 늘일 수 있는데, 1차원 배열에서 허용입사각이 ±23.5°가 될 경우 약 3.8배의 집광이 가능하며, 이는 곧 연중 태양고도의 변화를 모두 허용하는 것이고, 1차원 집광기 배열을 동-서로 향하게 놓으면 빛 추적 장치 없이 빛가둠효과를 구현할 수 있다. As described above, according to the light concentrator integrated light trapping apparatus (FIGS. 1, 3, and 4) according to the exemplary embodiment of the present invention, the CPT (Compound Parabolic Trapper) (or MLA) array is not a planar one-dimensional linear array of light. Can be collected at a small entrance and locked out of the bottom (sometimes effective without a confinement mirror), improving the power conversion efficiency of thin-film solar cells. The linear condensation eliminates or minimizes the need for a separate light tracking device. Reducing the CPT / MLA condensation magnification can increase the permissible incident angle, which allows about 3.8 times condensation when the permissible incident angle is ± 23.5 ° in a one-dimensional array, which allows all changes in solar altitude throughout the year, Placing the one-dimensional concentrator array east-west allows the light confinement effect to be achieved without light tracking.

또한, 발명에서 집광기 일체형 빛 가둠 장치(100)가 연중의 태양 고도를 추적하는 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)가 태양 방향을 따라 전체 시스템이 움직이도록 제어함으로써(각 시기의 태양고도에 맞게 기울여지도록 제어), 입사각 범위(acceptance angle), 즉 허용입사각을 47° 이하로 더 작게 줄여서 이에 따른 빛 가둠 효과를 더욱 증대시킬 수도 있다. 일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus)는 불필요하고, 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus) 만을 운영할 수 있으므로, 기존 방식에 비하여 훨씬 경제적인 운영이 가능하다. 즉, 허용입사각 47°이상에서 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)가 사용될 수 있지만, 47°이하에서 연중 빛 추적 장치를 통해 더욱 성능을 높일 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus) 없이 동작하며, 집광기 일체형 빛 가둠 장치(100)의 구성요소들이 허용 입사각 47°이하의 빛을 받도록 제작되면 상기 연중 빛 추적 장치를 통해 더욱 성능을 높일 수 있다. Further, in the present invention, the light concentrator integrated light trapping apparatus 100 may include an annual light tracking apparatus for tracking the altitude of the sun during the year, so that the annual light tracking apparatus is the sun. By controlling the entire system to move along the direction (which is tilted to the solar altitude at each time), it reduces the acceptance angle range, i.e., the allowable incident angle to less than 47 °, further increasing the confinement effect. It may be. The daily light tracking apparatus is unnecessary, and since only an annual light tracking apparatus can be operated, it is possible to operate much more economically than the conventional method. That is, although an annual light tracking apparatus may be used at an allowable incident angle of 47 ° or more, performance may be further improved through the year-round light tracking device at 47 ° or less. As such, the present invention operates without a daily light tracking apparatus, and when the components of the light concentrator integrated light confinement apparatus 100 are manufactured to receive light with an allowable angle of incidence of less than 47 °, through the year-round light tracking apparatus. It can improve performance.

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. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.

CPT(Compound Parabolic Trapper, 복합 포물형 트래퍼)
태양전지(셀)(PV, Photovoltaic Cells)
MLA(Micro Lens Array)
비대칭적(asymmetric) CPT(ACPT)
건물 일체형 PV(BIPV, building integrated photovoltaic)
Compound Parabolic Trapper (CPT)
Photovoltaic Cells (PV)
MLA (Micro Lens Array)
Asymmetric CPT (ACPT)
Building integrated photovoltaic (BIPV)

Claims (17)

빛을 태양 전지(PV)로 전달하기 위한 집광기 일체형 빛 가둠 장치에 있어서,
주기적인 1차원 배열의 구성요소들을 갖는 광학계(optical component)를 포함하되,
상기 광학계는, 상기 구성요소들로서 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 1차원 배열을 포함하며,
상기 광학계는 태양 전지(PV) 위의 일정 공간(space) 상에 설치되어, 입사된 빛을 상기 공간에 가두어 상기 태양 전지(PV)에서 전력 변환 효율을 개선하기 위한 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
In the light concentrator integrated light trapping device for transmitting light to the solar cell (PV),
An optical component having components of a periodic one-dimensional array,
The optical system includes a periodic one-dimensional array of parabolic molds having bilateral curved surfaces having parabolic cross sections as the components,
The optical system is installed on a predetermined space on the solar cell PV, and condenser-integrated light confinement, characterized in that to trap the incident light in the space to improve the power conversion efficiency in the solar cell PV. Device.
제1항에 있어서,
상기 성형물은 장축이 동서(East-to-West) 방향이 되도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 1,
And the molding is aligned such that its long axis is in an east-to-west direction.
제1항에 있어서,
상기 성형물은 유리 또는 플라스틱류를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 1,
The molded article is a light concentrator integrated light confinement device, characterized in that it comprises glass or plastics.
제1항에 있어서,
상기 태양 전지(PV) 쪽의 상기 성형물의 각 포물형의 하부쪽에 일정 폭으로 개구가 마련되며, 상기 개구를 통해 입사된 빛을 상기 공간에 가두기 위해 하부에 금속 코팅이 된 가둠 미러(trapping mirror)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 1,
An opening is provided at a lower portion of each of the paraboloids of the molding on the solar cell PV side, and a trapping mirror having a metal coating on the lower portion to trap light incident through the opening in the space. Concentrator integrated light confinement device further comprising a.
제1항에 있어서,
상기 성형물은 속이 채워진 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 1,
The molding is a light concentrator integrated light confinement device, characterized in that produced in the form filled.
제5항에 있어서,
상기 성형물의 포물형 양측 곡면에 금속 코팅이 된 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 5,
Light concentrator integrated light confinement device, characterized in that the parabolic both sides of the molding is formed in the form of a metal coating.
제1항에 있어서,
상기 성형물은 내부가 비어 있고, 상기 성형물의 포물형 양측 곡면에 금속 코팅이 된 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 1,
The molding is hollow inside, and the light concentrator integrated light confinement device, characterized in that the parabolic-shaped both sides of the molding is made of a metal coating.
제1항에 있어서,
단면이 포물형인 상기 성형물은 양측의 곡면이 서로 다른 경사각의 곡면을 갖는 비대칭형으로 제작된 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 1,
The molded article having a parabolic cross section is a light concentrator integrated light confinement device, characterized in that the curved surface of both sides is made asymmetrical with a curved surface of different inclination angle.
제1항에 있어서,
상기 1차원 배열 위로 수직하게 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 제2의 1차원 배열을 더 포함하거나, 상기 성형물의 장축 방향 끝에, 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 제2의 1차원 배열을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 1,
A molding further comprising a periodic second one-dimensional array of parabolic molds having a parabolic bilateral curved surface vertically over the one-dimensional array, or having a bilateral curved surface having a parabolic cross section at the long axis direction of the molding. and a second periodic one-dimensional array of parabolic molds.
빛을 태양 전지(PV)로 전달하기 위한 집광기 일체형 빛 가둠 장치에 있어서,
주기적인 1차원 배열의 구성요소들을 갖는 광학계(optical component)를 포함하되,
상기 광학계는, 상기 구성요소들로서 주기적인 1차원 배열의 MLA(Micro Lens Array)를 포함하고,
상기 광학계는 태양 전지(PV) 위의 일정 공간(space) 상에 설치되어, 입사된 빛을 상기 공간에 가두어 상기 태양 전지(PV)에서 전력 변환 효율을 개선하기 위한 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
In the light concentrator integrated light trapping device for transmitting light to the solar cell (PV),
An optical component having components of a periodic one-dimensional array,
The optical system includes, as the components, a micro lens array (MLA) in a periodic one-dimensional array,
The optical system is installed on a predetermined space on the solar cell PV, and condenser-integrated light confinement, characterized in that to trap the incident light in the space to improve the power conversion efficiency in the solar cell PV. Device.
제10항에 있어서,
상기 MLA의 각 렌즈의 초점 거리에 일정 폭으로 개구가 마련되며, 상기 개구를 통해 입사된 빛을 상기 공간에 가두기 위한 가둠 미러(trapping mirror)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 10,
And a trapping mirror having a predetermined width at a focal length of each lens of the MLA, the trapping mirror for confining light incident through the opening to the space.
제10항에 있어서,
상기 1차원 배열의 MLA의 장축 방향 끝에, 제2의 1차원 배열의 MLA를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
The method of claim 10,
And an MLA of a second one-dimensional array further at the end of the long axis direction of the MLA of the one-dimensional array.
제1항 또는 제10항에 있어서,
상기 태양 전지(PV)는 통상 구조 또는 도립 구조이며, 해당 활성층은 결정질 실리콘(c-Si), 유기물이나 염료감응형 고분자 물질, 비정질 실리콘(a-Si), CdTe, 또는 CIGS 를 포함한 박막형이나, 결정질 실리콘(c-Si)을 포함한 벌크셀 형을 포함하는 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
11. The method according to claim 1 or 10,
The solar cell (PV) is usually a structure or inverted structure, the active layer is a thin film type containing crystalline silicon (c-Si), organic material or dye-sensitized polymer material, amorphous silicon (a-Si), CdTe, or CIGS, A light concentrator integrated light confinement device comprising a bulk cell type containing crystalline silicon (c-Si).
제1항 또는 제10항에 있어서,
상기 태양 전지(PV)와 상기 광학계(optical component) 사이에서 집광 배율이 n/sin(θa/2) 이며, 여기서, θa는 빛의 허용 입사각(acceptance angle), n은 상기 광학계에서의 굴절율인 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
11. The method according to claim 1 or 10,
The condensing magnification is n / sin (θ a / 2) between the solar cell PV and the optical component, where θ a is the allowable angle of light acceptance and n is the refractive index of the optical system. A light concentrator integrated light trapping apparatus, characterized in that the.
제1항 또는 제10항에 있어서,
연중의 태양 고도를 추적하는 연중 빛 추적 장치(annual light tracking apparatus)를 더 포함하고, 일일 빛 추적 장치(daily light tracking apparatus) 없이 동작하며,
상기 연중 빛 추적 장치의 제어에 따라 상기 집광기 일체형 빛 가둠 장치 전체 시스템이 태양 방향으로 움직이는 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
11. The method according to claim 1 or 10,
It further includes an annual light tracking apparatus for tracking the altitude of the sun year round, operates without a daily light tracking apparatus,
The condenser integrated light confinement device according to the control of the light tracking device during the year, wherein the entire system of the condenser integrated light confinement device moves toward the sun.
제15항에 있어서,
상기 집광기 일체형 빛 가둠 장치의 구성요소들이 허용 입사각 47°이하의 빛을 받도록 제작되는 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치.
16. The method of claim 15,
And the components of the light concentrator integrated light confinement device are manufactured to receive light with an allowable incident angle of 47 ° or less.
빛을 태양 전지(PV)로 전달하기 위한 집광기 일체형 빛 가둠 장치의 제조 방법에 있어서,
주기적인 1차원 배열의 구성요소들을 갖는 광학계(optical component)를 제작하되, 금속 주형(mold)에 성형물을 위한 해당 재질의 용융액을 부어 넣고 고형으로 냉각시켜서, 상기 구성요소들로서 단면이 포물형인 양측 곡면으로 이루어진 성형물(parabolic mold)의 주기적인 1차원 배열이 포함된 상기 광학계를 제작하는 단계; 및
제작된 상기 광학계를 태양 전지(PV) 위의 일정 공간(space) 상에 설치하는 단계를 포함하고,
상기 광학계는 입사된 빛을 상기 공간에 가두어 상기 태양 전지(PV)에서 전력 변환 효율을 개선하기 위한 것을 특징으로 하는 집광기 일체형 빛 가둠 장치의 제조 방법.
In the manufacturing method of the light concentrator integrated light trapping device for transmitting light to the solar cell (PV),
An optical component having components of a periodic one-dimensional array is manufactured, and a molten material of the material for the molding is poured into a metal mold and cooled to a solid state, thereby forming both curved surfaces having parabolic cross sections as the components. Fabricating the optical system including a periodic one-dimensional array of parabolic molds; And
And installing the manufactured optical system on a predetermined space on the solar cell PV,
The optical system is a method for manufacturing a light concentrator integrated light confinement device, characterized in that for trapping the incident light in the space to improve the power conversion efficiency in the solar cell (PV).
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