KR101351251B1 - 렌즈 일체형의 태양전지 셀 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집광된 빛이 균일하게 흡수되도록 하는 렌즈가 태양전지 셀과 일체로 형성되는 태양전지 셀 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 태양전지 셀 패키지는, 베이스 기판; 상기 기판 상에 안착되는 태양전지 셀; 및 상기 기판 상에서 상기 셀을 밀봉하는 렌즈부;를 포함하고, 상기 렌즈부의 외면에 보호층;이 더 형성될 수 있다. 또한, 태양전지 셀 패키지 제조방법은, 몰드 내부에 밀봉재를 주입하는 단계; 태양전지 셀이 실장된 기판의 일 면을 상기 태양전지 셀이 잠기도록 상기 밀봉재에 접합하는 단계; 및 상기 밀봉재가 접합된 렌즈부 일체형의 태양전지를 몰드로부터 분리하는 단계;로 이루어지며, 상기 렌즈부의 표면에 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

Description

렌즈 일체형의 태양전지 셀 패키지 및 그 제조방법{Solar Cell package with lens and Manufacturing method of the same}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집광된 빛이 균일하게 흡수되도록 하는 렌즈가 태양전지 셀과 일체로 형성되는 태양전지 셀 패키지 및 그 제조방법에 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 태양전지 셀 패키지를 나타낸 종단면도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 집광형 태양전지모듈은 태양광을 집광하기 위한 집광렌즈(11), 집광렌즈(11)와 촛점 거리만큼 소정의 간격으로 이격 배치되며 집광된 태양광을 흡수하는 태양전지 셀(13)을 포함한다. 또한, 태양전지 셀(13)은 베이스 기판(14)에 부착되며, 집광렌즈(11)와 태양전지 셀(13) 사이에는 로드렌즈(12, rod lens)가 배치된다. 여기서 집광렌즈(11)는 얇은 두께로 높은 집광 효율을 나타내기 위하여 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)가 주로 이용된다. 집광형 태양전지는 태양광의 수직 입사성분만을 수광하여 발전하는데, 집광렌즈(11)만을 사용하는 경우 태양광이 특정 부위에 집중되어 균일하지 못한 문제점이 있으며, 태양의 움직임에 따라 집광 위치가 변하여 에너지 변환효율이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 이를 방지하기 위하여 집광렌즈(11)와 태양전지 셀(13) 사이에는 2차 집광기로서 로드렌즈(12)가 더 구비된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 로드렌즈(12)를 포함하는 태양전지 셀 패키지는 베이스 기판(14) 상에 태양전지 셀(13)이 실장되고, 태양전지 셀(13)의 상부에는 태양전지 셀(13)을 외부 요소로부터 보호하기 위한 봉지막(15)이 형성된다. 또한, 로드렌즈(12)는 집광기 거치대(16)에 의하여 태양전지 셀(13)과 소정의 간격을 이루도록 셀의 상측에 배치된다. 로드렌즈(12)는 집광렌즈(도 1의 11)에서 고밀도로 집광된 빛을 균일하게 분산시켜 태양전지 셀(13)에 전달하며, 태양의 위치 변화에 따른 태양광의 입사각 변화를 최소로 하여 빛이 전달되도록 한다.
그러나 종래의 기술에 따른 태양전지 셀 패키지에서는 로드렌즈가 태양전지와 별도로 구성되어 거치대를 이용하여 로드렌즈를 소정의 위치에 고정시켜야 하므로, 구조 및 조립과정이 복잡해지는 문제점이 있다. 또한, 태양전지 셀을 보호하기 위하여 봉지 막 또는 봉지 유리를 사용한 패시베이션 공정이 별도로 요구되므로, 제조 과정이 까다로운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 1차 집광된 광이 균일하게 흡수되도록 하는 로드렌즈가 태양전지 셀과 일체로 형성되어, 구조가 간단하고 제조 및 조립이 용이한 태양전지 셀 패키지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지 셀 패키지는, 베이스 기판; 상기 기판 상에서 상기 셀을 밀봉하면서 상기 기판과 일체로 형성되는 렌즈부;를 포함하고, 상기 렌즈부의 외면에 보호층;이 더 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 태양전지 셀 패키지 제조방법은, 몰드 내부에 밀봉재를 주입하는 단계; 태양전지 셀이 실장된 기판의 일 면을 상기 태양전지 셀이 잠기도록 상기 밀봉재에 접합하는 단계; 및 상기 밀봉재가 접합된 렌즈부 일체형의 태양전지를 몰드로부터 분리하는 단계;로 이루어지며, 상기 렌즈부의 표면에 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명은, 1차 집광된 광을 재집광하여 태양전지 셀로 전달하는 렌즈가 태양전지 셀을 밀봉하면서 베이스 기판과 일체로 형성됨으로써, 태양전지 셀 패키지의 구조가 간단하고, 제조 및 조립공정을 단순화할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 태양전지모듈을 개략적으로 나타낸 종단면도,
도 2는 도 1의 주요부인 태양전지 셀 패키지를 나타낸 종단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지모듈을 개략적으로 나타낸 종단면도,
도 4는 도 3의 주요부인 태양전지 셀 패키지를 나타낸 종단면도,
도 5는 도 4의 태양전지 셀 패키지의 광 경로를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 6은 도 4의 태양전지 셀 패키지를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
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 태양전지모듈을 개략적으로 나타낸 종단면도이고, 도 4는 도 3의 주요부인 태양전지 셀 패키지를 나타낸 종단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지모듈은, 태양광을 집광시키는 집광렌즈(200), 집광렌즈(200)로부터 소정의 간격으로 이격 배치되어 집광렌즈(200)로부터의 빛을 흡수하여 전기에너지로 전환하는 태양전지 셀 패키지(100)로 구성된다. 특히, 본 발명의 태양전지 셀 패키지(100)에는 집광렌즈(200)에 의하여 집광된 빛이 균일한 밀도가 되도록 재집광하는 2차 렌즈(130)가 베이스 기판(110)과 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 집광렌즈(200)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(200)는 높은 투광성과 집광성을 가진 다양한 종류의 렌즈가 이용될 수 있으며, 일 예로 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)가 이용된다.
태양전지 셀 패키지(100)는 집광렌즈(200)에서 고밀도로 집광되어 전달되는 빛에너지를 흡수하여 전기에너지로 전환하는 구성으로, 베이스 기판(110), 베이스 기판(110) 상에 실장되는 태양전지 셀(120), 태양전지 셀(120)을 밀봉하는 렌즈(130) 및 렌즈(130) 표면에 형성되는 보호층(140)으로 구성된다.
여기서, 베이스 기판(110)은 태양전지 셀(120)이 부착되며, 태양전지 셀(120)에서 발생되는 열이 신속히 배출될 수 있도록 방열 효율이 우수한 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 태양전지 셀(120)은 다중접합의 반도체 화합물로서 빛에너지에 의하여 여기되는 전자(electron) 혹은 정공(hole)의 캐리어를 생성시키며, 생성된 캐리어를 이송시키기 위한 리드 전극(121)이 구비된다.
그리고, 렌즈(130)는 외부 환경으로부터 태양전지 셀(120)을 보호함과 동시에 집광렌즈(200)에서 집광된 빛이 태양전지 셀(120)에 수직으로 흡수되도록 한다. 렌즈(130)는 집광렌즈(200)에 의하여 고밀도로 집광된 빛이 균일한 밀도를 가질 수 있도록 빛을 분산 및 재집광시키고, 태양광의 입사각 변화에 대한 영향을 최소로 하여 태양전지 셀(120)에 균일한 밀도와 일정한 입사각으로 빛이 흡수될 수 있도록 한다. 이를 위하여 빛이 입사되는 렌즈의 상면에는 입사각 조절을 위한 오목부가 마련될 수 있고, 오목부의 표면에는 렌즈 또는 프리즘 형상과 같은 광학 패턴이 더 형성될 수 있다.
이러한 렌즈(130)는 광 투광성이 우수하고, 광 균일도를 향상시킬 수 있으며, 고온에도 잘 견딜 수 있는 재질로서, 유리 또는 금속 재질이나 PMMA, 아크릴과 같은 수지 재질로 구성될 수 있다. 또한, 렌즈(130)는 태양전지 셀(120)을 밀봉하면서 베이스 기판(110) 및 태양전지 셀(120)과 일체로 형성된다. 렌즈(130)가 태양전지 셀(120)을 밀봉함으로써, 태양전지 셀(120)의 보호막으로 기능하며, 별도의 봉지 막 또는 봉지 유리를 사용하지 않고도 태양전지 셀(120)을 봉지하는 효과를 나타낼 수 있다.
보호층(140)은 렌즈(130)의 표면을 감싸도록 형성되며, 특히 장기적으로 소자가 안정적으로 동작할 수 있도록 태양광에 포함된 자외선을 차단하기 위한 자외선 차단막으로 구성된다. 이를 위한 보호층(140)은 렌즈(130)의 외면에 자외선 차단 필름이 합지되거나 자외선 차단재가 코팅되어 형성될 수 있다.
이러한 구성의 태양전지 셀 패키지는, 2차 집광 및 분산을 위한 렌즈가 태양전지 셀을 밀봉하면서 베이스 기판과 일체로 형성됨으로써, 구조를 단순화시킬 수 있다.
도 5는 도 4의 태양전지 패키지의 광 경로를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 집광렌즈(200)에 의하여 특정 영역에 고밀도로 집중되는 빛은 렌즈(130)를 통하여 태양전지 셀(120)로 흡수된다. 이때, 도시된 광 경로의 시뮬레이션을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 렌즈(130)로 입사되는 빛은 다양한 경사각으로 입사되는데, 렌즈 상면에 형성된 오목부를 통과하면서 수직 경사각으로 굴절되며, 태양전지 셀(120)에 대해서는 대부분이 수직에 가까운 경사각으로 흡수됨을 확인할 수 있다.
도 6은 도 4의 태양전지 셀 패키지를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다. 도시된 바와 같이, 일체형의 렌즈는 몰드(Mold)를 이용하여 형성할 수 있으며, 몰드로는 플렉시블 PDMS(Polydimethylsiloxane) 몰드가 이용될 수 있다.
먼저, 렌즈 형상부가 마련된 PDMS 몰드(10)를 준비하고(a), 몰드(10)의 형상부 내에 밀봉재(130')를 주입한다(b). 여기서 밀봉재(130')는 최종적으로 렌즈를 형성하기 위한 재료가 이용되며, 멜팅(melting)된 유리, 수지 혹은 금속 재질의 밀봉재(130')가 주입된다. 밀봉재 주입 후, 탈포 과정이 이루어진다(c). 밀봉재(130')에는 미세한 크기의 기포가 혼합될 수 있으며, 이러한 기포를 제거하기 위하여 진공 오븐(vaccum oven) 등을 이용하여 기포를 제거한다.
한편, 별도의 공정에서 태양전지 셀(120)이 실장된 기판(110)을 준비하여, 밀봉재(130')에 베이스 기판(110)과 태양전지 셀(120)을 접합한다(d). 즉, 도시된 바와 같이, 태양전지 셀(120)이 실장된 기판(110)의 일 면을 몰드(10)의 상부에서 밀봉재(130')에 침지시켜, 밀봉재(130')에 태양전지 셀(120)과 기판(110)의 일 면이 잠기도록 한다. 그리고, 밀봉재(130')가 베이스 기판(110)에 고정될 수 있도록 큐어링(curing) 공정을 거친 후, 몰드(10)로부터 밀봉재(130')가 일체로 접합된 베이스 기판(110)을 분리하여 렌즈(130) 일체형의 태양전지(100)를 완성한다(e). 또한, 일체로 형성된 렌즈(130)의 상면 및 측면에는 자외선 차단 필름(140)을 합지하거나 코팅하는 과정이 추가로 진행될 수 있다(f).
본 발명의 태양전지 셀 패키지는 렌즈가 일체형으로 제조됨으로써, 태양전지 셀을 보호하기 위한 별도의 봉지 과정이 요구되지 않으며, 태양전지모듈의 조립시에도 로드 렌즈를 추가로 조립하여야 하는 부담을 줄일 수 있다.
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 : 태양전지 200 : 집광렌즈
110 : 기판 120 : 태양전지 셀
130 : 렌즈 130' : 밀봉재
140 : 보호층

Claims (4)

  1. 베이스 기판;
    상기 기판 상에 안착되는 태양전지 셀; 및
    상면은 곡면의 오목부를 갖고, 상기 기판 상에서 상기 셀을 밀봉하면서 상기 기판과 일체로 형성되는 렌즈부;를 포함하는 태양전지 셀 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈부의 외면에 형성되는 보호층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 셀 패키지.
  3. 볼록한 곡면의 형상부가 마련된 몰드 내부에 밀봉재를 주입하는 단계;
    태양전지 셀이 실장된 베이스 기판의 일 면을 상기 태양전지 셀이 잠기도록 상기 밀봉재에 접합하는 단계; 및
    상기 밀봉재가 접합된 렌즈부 일체형의 태양전지를 몰드로부터 분리하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 셀 패키지 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 렌즈부의 표면에 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 셀 패키지 제조방법.
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