KR101351249B1

KR101351249B1 - 광 분산렌즈를 구비하는 태양전지모듈

Info

Publication number: KR101351249B1
Application number: KR1020110140976A
Authority: KR
Inventors: 김도억
Original assignee: 희성전자 주식회사
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2014-01-17
Also published as: KR20130073239A

Abstract

본 발명은 태양광을 집광시키기 위한 집광렌즈 하부에 집광된 광이 태양전지 셀에 고르게 분산될 수 있도록 하는 분산렌즈가 더 구비되는 태양전지모듈에 관한 것으로, 태양광의 빛을 집광하는 집광렌즈; 상기 집광렌즈에 의하여 집광된 빛을 분산시키기 위하여 하면에는 광 분산패턴이 형성되는 분산렌즈; 및 상기 분산렌즈로부터의 빛을 흡수하는 태양전지;를 포함한다.

Description

광 분산렌즈를 구비하는 태양전지모듈{Solar Cell Module having Light Distribution Lens}

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광을 집광시키기 위한 집광렌즈 하부에 집광된 광이 태양전지 셀에 고르게 분산될 수 있도록 하는 분산렌즈가 더 구비되는 태양전지모듈에 관한 것이다.

태양광 에너지를 대체 에너지로 사용하기 위해 이용되는 집광형 태양전지모듈은 렌즈 또는 반사경과 같은 광학계를 사용하여 수백 배의 높은 배율로 태양광을 집광시킨 후, 작은 면적을 갖는 고효율의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 태양전지 셀에 입사시켜 발전하는 차세대 태양광 발전 모듈이다. 이러한 집광형 태양전지모듈은 기존의 실리콘 계 태양전지 셀을 이용한 평판형 태양전지모듈에 비해 높은 발전 효율 및 낮은 제조원가를 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 집광형 태양전지모듈을 개략적으로 나타낸 종단면도이고, 도 2는 도 1의 주요부인 분산렌즈를 나타낸 종단면도이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 집광형 태양전지모듈은 태양광을 집광하기 위한 집광렌즈(10), 집광렌즈(10)와 촛점 거리만큼 소정의 간격으로 이격 배치되며 집광된 태양광을 흡수하는 태양전지(30)를 포함한다. 또한, 태양전지(30)는 회로가 인쇄된 IC 기판(40)에 부착되며, 기판(40)의 배면에는 방열판(50)이 구비된다. 여기서 집광렌즈(10)는 얇은 두께로 높은 집광 효율을 나타내기 위하여 상면에 프레넬 패턴이 형성된 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)가 이용된다.

이러한 태양전지모듈에서는 집광렌즈(10)를 이용하여 태양광을 수 백배로 집광시킨 후 태양전지(30)에 전달하게 된다. 이 과정에서 집광된 태양광은 태양전지(30)의 광흡수층에 골고루 전달되지 않고, 고밀도의 스팟(spot) 형태로 집중되어 전달되는데, 이로 인하여 태양전지(30)의 수명을 단축시키고 효율을 저하시키게 된다. 이를 방지하기 위하여 도시된 바와 같이, 태양전지(30)의 상측에는 집광된 태양광을 분산시키기 위한 분산렌즈(20)가 더 배치된다. 분산렌즈(20)는 상측이 오목한 오목렌즈 형상을 이루어 집광된 광이 분산되어 균일한 밀도로 태양전지(30)로 흡수되도록 함으로써, 특정 부위에서의 집중으로 인한 수명 단축이나 효율 저하를 방지한다.

그러나, 종래의 기술에 따른 태양전지모듈에서는 집광된 태양광이 분산렌즈를 통과하는 과정에서 빛의 일부(A)가 렌즈의 측면을 통하여 외부로 누설되어 오히려 광 손실이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 현재까지 적용되고 있는 분산렌즈는 단순히 렌즈의 일 면에 오목 형상의 패턴만이 적용된 구조로서, 높은 광 분산 효율과 균일도를 나타내지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 집광된 광이 골고루 분산되어 태양전지로 흡수되도록 하는 프레넬 패턴을 렌즈에 적용함으로써, 광 분산효율을 극대화하고, 빛의 균일도(uniformity)를 향상시킬 수 있는 구조의 광 분산렌즈와 이를 구비하는 태양전지모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 렌즈를 통과하는 과정에서 광의 손실을 최소로할 수 있는 광 분산렌즈와 이를 구비하는 태양전지를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지모듈은, 태양광의 빛을 집광하는 집광렌즈; 상기 집광렌즈에 의하여 집광된 빛을 분산시키기 위하여 하면에는 광 분산패턴이 형성되는 분산렌즈; 및 상기 분산렌즈로부터의 빛을 흡수하는 태양전지;를 포함한다.

여기서, 상기 광 분산패턴은 프레넬 패턴 구조를 이루고, 상기 분산렌즈에는 측면으로 누설되는 빛을 내부로 반사시키기 위한 반사막이 더 형성될 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 광 분산렌즈 하면에는 프레넬 패턴이 적용되어 광 분산효율을 극대화할 수 있으며, 측면에는 반사층이 적용되어 누설되는 빛을 차단함으로써, 광 손실을 최소로 할 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 집광형 태양전지모듈을 개략적으로 나타낸 종단면도,
도 2는 도 1의 주요부인 분산렌즈를 나타낸 종단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 집광형 태양전지모듈을 개략적으로 나타낸 종단면도,
도 4는 도 3의 주요부인 분산렌즈의 일 실시예를 나타낸 종단면도, 및
도 5는 도 3의 주요부인 분산렌즈의 다른 실시예를 나타낸 종단면도이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 집광형 태양전지모듈을 개략적으로 나타낸 종단면도, 도 4 및 도 5는 도 3의 주요부인 분산렌즈의 실시예를 나타낸 종단면도이다. 먼저, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지모듈은 도 3에 도시된 바와 같이, 태양광을 집광시키는 집광렌즈(100), 집광된 태양광이 고르게 분산되도록 하는 분산렌즈(200) 및 분산렌즈(200)를 통과한 빛을 흡수하여 전기에너지로 변환시키는 태양전지(300)를 구비한다. 태양전지(300)는 소정의 회로가 인쇄된 기판(400)에 실장되며, 기판(400)의 배면에는 소자에서 발생하는 열을 방출시키기 위한 방열판(500)이 부착된다. 상기 구성들은 소정의 하우징(미도시)에 결합되어 모듈을 이룬다.

여기서, 집광렌즈(100)는 소정의 면적 상에서 평행으로 입사되는 빛을 고밀도로 집광시키기 위한 구성으로, 집광율이 높은 렌즈를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 적어도 500㎠ 정도 면적의 태양광을 1㎠ 정도 면적으로 집광 가능한 렌즈가 적용된다. 이러한 집광렌즈(100)는 높은 투광성과 집광성을 가진 다양한 형상의 렌즈가 이용될 수 있으며, 일 예로 상면에 프레넬 패턴(Fresnel pattern)이 형성된 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)가 이용된다. 집광렌즈(100)의 프레넬 패턴은 볼록 렌즈를 평탄화하여 패턴은 구현한다.

분산렌즈(200)는 집광렌즈(100)에 의하여 고밀도로 집광된 빛이 태양전지(300) 전체 면에 대하여 골고루 분산되어 흡수될 수 있도록 빛을 분산시키기 위한 구성이다. 분산렌즈(200)에 의하여 스팟(spot) 형상의 광원이 렌즈를 통과하면서 태양전지에 해당하는 면적만큼 확산 및 분산되어 스팟에 의한 특정 부위의 열화를 방지한다. 이러한 분산렌즈(200)는 태양전지(300)의 상면과는 수 mm의 간격을 이루도록 태양전지 상측에 배치된다. 또한, 분산렌즈(200)는 광 분산을 위하여 상면에는 소정의 곡률을 가지는 오목 패턴이 형성된다. 특히, 본 발명에서의 분산렌즈(200)는 분산효율을 향상시키기 위한 광 분산패턴(210)과 외부로 누설되는 빛을 차단하기 위한 반사막(220)이 형성된다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산렌즈(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 하면에 분산패턴(210)으로 프레넬 형상의 패턴이 형성된다. 분산렌즈의 프레넬 패턴은 오목 렌즈를 평탄화하여 패턴을 구현한다. 분산렌즈(200)의 상면으로 입사되는 빛은 상면의 오목 패턴에 의하여 입사각이 넓어지는 방향으로 1차 굴절되고, 하면으로 출사되면서 프레넬 패턴에 의하여 다시 굴절되어 더 넓은 출사각으로 분산될 수 있다. 또한, 하면으로 출사되는 빛이 태양전지(300) 상면으로 더욱 고르게 분산됨으로써, 태양전지(300)에는 전체적으로 균일한 빛이 흡수될 수 있다. 이때, 분산된 빛이 전체 면에 대하여 균일한 밀도를 가지도록 중심부에서 외측으로 갈수록 패턴의 높이나 곡률 등이 조절될 수 있다.

도 4에서는 분산렌즈(200)의 하면에 형성되는 분산패턴(210)으로 프레넬 패턴이 예시되었으나, 프레넬 패턴 외에도 음각 또는 양각의 엠보 패턴, 요철 패턴 및 렌티큘러 패턴 등 다양한 형상의 패턴이 적용되는 것도 가능하다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산렌즈(200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 측면에 빛의 누설을 방지하기 위한 반사막(220)이 더 형성된다. 일반적으로 공기층과 분산렌즈는 서로 다른 굴절율을 가진다. 이로 인하여 분산렌즈(200)를 통과하는 빛은 공기층과 렌즈의 경계면에서는 전반사가 일어나는데, 분산렌즈(200) 내부에서 전반사되는 빛의 대부분은 하면으로 출사되지만 일부의 빛은 측면으로도 그대로 출사되어 빛의 누설현상이 발생한다. 반사막(220)은 측면으로 진행하는 빛(B)을 다시 렌즈 내부로 반사시켜 하면으로 출사되도록 함으로써, 광 손실을 방지하게 된다.

이러한 반사막(220)은 분산렌즈(200)의 측면을 따라 형성되며, 반사 재질의 물질이 표면에 직접 코팅되거나 반사 재질의 띠가 부착되는 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 반사막(220)은 높은 반사율과 낮은 투과도를 나타내는 재질의 물질로 구성되는 것이 바람직하며, 일 예로 96% 이상의 반사율과 4% 이내의 투과율을 나타내는 TiO₂, Ta₂O₅ 와 같은 물질이 이용될 수 있다.

분산렌즈(200)을 통과면서 고르게 분산된 빛은 하면에 배치된 태양전지(300)로 흡수되며, 태양전지(300)는 흡수된 빛을 전기에너지로 전환시킨다. 이러한 태양전지(300)는 변환된 전기 에너지를 전달하고, 동작을 제어하기 위한 회로가 인쇄된 IC 기판(400)에 부착된다. 또한, 기판의 배면에는 태양전지(300)에서 발생하는 열을 외부로 신속히 방출시켜, 열로부터 소자를 보호하기 위한 방열판(500)이 부착된다.

상기와 같은 구성에 의하여, 집광렌즈(100)에서 고밀도로 집광된 빛은 분산렌즈(200)에 의하여 태양전지의 전체 면적으로 골고루 분산되어 흡수될 수 있다. 따라서, 스팟 현상에 따른 태양전지의 특정 부위에서의 열화와 효율 저하를 방지하게 된다. 또한, 외부로 누설되는 빛을 최소로 하여 광 이용 효율을 향상시키게 된다.

이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

100 : 집광렌즈 200 : 분산렌즈
210 : 분산패턴 220 : 반사막
300 : 태양전지

Claims

태양광의 빛을 집광하는 집광렌즈;
하면에는 상기 집광렌즈에 의하여 집광된 빛을 분산시키기 위한 광 분산패턴이 형성되고, 측면에는 누설되는 빛을 내부로 반사시키기 위한 반사막을 갖는 분산렌즈; 및
상기 분산렌즈로부터의 빛을 흡수하는 태양전지;를 포함하는 태양전지모듈.
제1항에 있어서, 상기 광 분산패턴은,
프레넬 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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