KR101352982B1 - 태양전지용 평면형 렌즈 및 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈 - Google Patents

태양전지용 평면형 렌즈 및 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

태양전지용 평면형 렌즈 및 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈이 개시된다. 평면형 렌즈는 제1 유전율을 가지는 평면 유전체 기판을 포함하고 평면 유전체 기판의 일면에는 복수의 홈이 형성되며, 복수의 홈에는 상기 제1 유전율과 다른 제2 유전율을 가지는 유전체가 채워진다. 따라서, 평면형 렌즈의 제조가 용이하고 집광도가 우수하며, 이와 같은 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈은 광전변환 효율이 향상된다.

Description

태양전지용 평면형 렌즈 및 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈{REFLECTARRAY LENS FOR SOLAR CELL AND SOLAR CELL MODULE WITH REFLECTARRAY LENS}
본 발명은 평면형 렌즈 및 이를 구비한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지용 평면형 렌즈 및 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-013-02, 과제명: 스펙트럼 공학 및 밀리미터파대 전파자원 이용기술개발].
태양전지(Solar cell)는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 그러나, 태양전지는 에너지 변환 효율이 좋지 않기 때문에 일반적인 2차 전지보다 사용율이 낮다.
현재 태양전지의 에너지 변환 효율을 개선하기 위한 많은 연구가 수행되고 있고, 그 중의 한 분야가 렌즈를 이용하여 태양전지 모듈을 구성하는 방법에 관한 것이다.
에너지 변환 효율을 향상시키기 위한 방법 중 일반적으로 많이 알려진 방법은 태양전지가 파라볼라(parabola) 곡면을 따라 배치되도록 하는 것이다. 상기와 같은 구조는 고전력용 태양전지 모듈을 구현할 때 주로 사용되며 현재 상용화되어 설치되고 있다.
그러나, 태양전지가 파라볼라 곡면을 따라 배치되는 구조는 전력공급원으로 태양전지를 사용하는 휴대용 단말기 등과 같이 면적과 외형이 제한된 장치에는 적용하기 어려운 단점이 있다.
상기한 바와 같은 단점을 보완하고 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 방법의 하나가 렌즈를 이용한 집광 방법이다. 렌즈를 이용하는 경우 집광도를 수 백배 정도 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 500배의 집광도를 가지는 렌즈를 사용한 경우 1cm2의 면적을 가지는 태양전지가 필요하다면, 렌즈가 이용되지 않는 경우 동일한 에너지 효율을 얻기 위해서 요구되는 태양전지의 면적은 500cm2 정도가 된다.
태양전지의 집광도를 높이기 위해 일반적으로 사용되는 렌즈로는 볼록 렌즈(Convex lens)와 프레넬 렌즈(Fresnel lens)가 있다.
그러나, 볼록 렌즈를 이용하는 경우에는 볼록 렌즈의 곡면 설계가 어렵고 곡면의 두께로 인해 렌즈의 전체 두께가 두꺼워지는 단점이 있고, 프레넬 렌즈의 경우에는 렌즈 단면의 형상을 정교하게 가공하기 어려운 단점이 있다.
상기한 단점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 제조가 용이하고 집광도를 향상시킬 수 있는 태양전지용 평면형 렌즈를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 태양전지용 평면형 렌즈는, 제1 유전율을 가지는 평면 유전체 기판을 포함하고, 상기 평면 유전체 기판의 일면에는 복수의 홈이 형성되고, 상기 복수의 홈에는 상기 제1 유전율과 다른 제2 유전율을 가지는 유전체가 채워진다.
상기 복수의 홈을 구성하는 각 홈의 폭은 상기 태양전지용 평면형 렌즈에 입사되는 빛의 파장의 절반 이상의 크기를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 복수의 홈을 구성하는 각 홈의 깊이는 서로 다른 길이로 형성될 수 있다.
상기 복수의 홈이 형성된 상기 평면 유전체 기판의 일면의 반대면에는 입사된 광을 반사하는 반사부재가 설치될 수 있다.
상기 복수의 홈이 형성된 상기 평면 유전체 기판의 일면의 반대면에는 상기 반사부재의 외부에 안테나 패턴이 형성될 수 있다.
상기 복수의 홈 중 인접한 홈과 홈사이의 간격은 상기 각 홈의 폭보다 작도록 상기 복수의 홈이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈은, 제1 유전율을 가지는 평면 유전체 기판의 일면에 복수의 홈이 형성되고, 상기 복수의 홈에는 상기 제1 유전율과 다른 제2 유전율을 가지는 유전체가 채워진 평면형 렌즈 및 상기 평면형 렌즈와 상기 초점거리만큼 이격되어 설치되어 상기 평면형 렌즈를 통해 집광된 빛을 전기 신호로 변환하는 태양전지를 포함한다.
상술한 바와 같은 태양전지용 평면형 렌즈 및 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈에 따르면, 평면 유전체 기판에 태양전지와 초점거리에 상응하는 폭과 깊이를 가지는 복수의 홈을 형성하여 구성된다. 따라서, 종래의 볼록 렌즈 또는 프레넬 렌즈 보다 더욱 단순한 공정으로 집광도가 높은 렌즈를 제조할 수 있고, 이로 인해 제조 단가가 낮아지는 효과가 있다. 또한, 상기 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈은 구조가 간단하여 휴대용 단말기등과 외관 설계에 제약이 많은 장치에 적용하기가 적합하고, 설계자의 설계 자유도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 평면형 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지용 평면형 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지용 평면형 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈의 구성 및 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈의 구성 및 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 평면형 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지용 평면형 렌즈(100)는 상대 유전율이 εr2인 평면 유전체 기판(110)에 식각 공정을 이용하여 복수의 홈(130)을 형성하고, 상기 복수의 홈(130)에는 상대 유전율이 εr1인 유전체(예를 들면, 공기 또는 투명 재질)가 채워진다. 여기서, 상기 평면 유전체 기판(110)은 예를 들어 3 내지 10의 유전율을 가지는 범용 유리 또는 투명 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.
복수의 홈 중 i번째 홈(130i)은 폭(Wi)과 깊이(Di)를 가진다. 여기서, 홈의 상대 유전율 εr1은 유전체 기판의 상대 유전율 εr2 과 다른 값을 가질 수 있다.
홈의 폭(W)은 실질적으로 평면형 렌즈(100)에 입사되는 빛의 파장(λ)의 절반의 크기(즉, λ/2)를 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 입사되는 빛이 가시광선이고 파장이 700nm인 경우 각 홈(130)의 폭(W)은 실질적으로 350nm로 형성될 수 있다. 그리고, 인접한 홈(130)과 홈(130) 사이의 이격 거리(d)는 각 홈(130)의 폭(즉, /2)보다 작은 거리를 가지도록 각각의 홈(130)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 인접한 홈(130)과 홈(130) 사이의 이격 거리(d)는 작을수록 집광능력이 더 우수하다. 도 1에서 x0는 인접한 두 홈의 중앙 사이의 거리를 의미한다.
또한, 각 홈(130)의 깊이(D)는 각 홈(130)에 입사된 빛이 초점거리에 위치한 태양전지에 집중되도록 서로 다른 길이로 형성될 수 있고, 각 홈의 횡단면은 사각형의 모양을 가지도록 형성될 수 있다. 그러나, 각 홈의 횡단면이 사각형으로 한정되는 것은 아니며 사각형 이외의 다양한 모양으로 형성될 수도 있다.
또한, 평면 유전체 기판(110)이 원형인 경우, 평면 유전체 기판의 중심에서 동일한 거리에 위치하는 각 홈은 모두 동일한 폭(W)과 깊이(D)를 가지도록 형성될 수 있고, 홈의 깊이가 길어질수록 위상이 증가하는 특성을 이용하여 각 홈(130)의 깊이는 위상에 따라 서로 다른 깊이를 가지도록 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지용 평면형 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지용 평면형 렌즈(100a)는 도 1에 도시한 태양전지용 평면형 렌즈(100)의 일 면에 빛을 반사할 수 있는 반사부재(150)가 더 설치된 것이다.
상기 반사부재(150)는 평면 유전체 기판에서 홈(130)이 형성된 면(111)과 반대의 면(113)에 공지된 다양한 다양한 방법으로 설치될 수 있고, 상기 반사부재(150)의 재료는 거울을 만드는 재료 또는 유리에 아말감을 입힌 재료 등으로 구성될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같은 태양전지용 평면형 렌즈(100a)는 평면형 렌즈에 빛이 입사되는 방향과 반대의 방향으로 빛을 집중시킬 때 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지용 평면형 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지용 평면형 렌즈(100b)는 도 2에 도시한 태양전지용 평면형 렌즈(100b)에 안테나(170)를 설치한 것이다.
구체적으로, 안테나(170) 패턴은 평면 유전체 기판(110)에서 홈이 형성된 면(111)과 반대의 면(113)인 반사부재(150)가 설치된 면에 형성될 수 있고, 반사부재(150)와 겹치지 않도록 반사부재(150)의 주위에 형성되거나, 반사부재(150)의 표면(151)에 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 3의 (b)에 도시한 평면형 렌즈(100b)의 하부 평면도와 같이 평면 유전체 기판(110)의 홈이 형성된 면과 반대의 면(113)에 설치된 반사부재(150) 외곽에 도전성 부재를 패터닝함으로써 안테나(170)를 설치할 수 있고, 이와 같은 경우 상기 안테나(170)는 루프 안테나(loop antenna) 또는 폴디드 다이폴 안테나(folded dipole antenna)의 기능을 수행할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같은 안테나를 구비한 태양전지용 평면형 렌즈(100b)는 휴대용 단말기 등과 같이 외형이 작고 두께가 얇은 장치에 사용될 경우 안테나를 설치하기 위한 별도의 공간을 마련하지 않아도 되기 때문에 설계 자유도를 높일 수 있는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈의 구성 및 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈(300)은 평면형 렌즈(100) 및 상기 평면형 렌즈(100)와 초점 거리(fd)만큼 이격되어 설치되는 태양전지(200)를 포함한다.
여기서, 초점 거리(fd)와 소정 홈의 깊이(D), i번째 홈의 깊이(Di) 인접 홈의 중앙 사이의 거리(x0)의 관계는 하기의 수학식 1과 같이 표현될 수 있고, 최적화된 초점거리는 삼차원 시뮬레이션을 반복적으로 수행하여 결정될 수 있다.
Figure 112010056944429-pat00001
평면형 렌즈(100)는 도 1에 도시한 평면형 렌즈로 구성될 수 있고, 상기 평면형 렌즈(100)와 초점거리(fd)만큼 이격되어 설치된 태양전지(200)는 더 넓은 수광 면적을 가지는 평면형 렌즈(100)를 통해 집광된 빛을 수광함으로써, 매우 높은 집광도로 빛을 수광할 수 있고 이를 통해 태양전지(200)의 광전 변환 효율이 향상된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면형 렌즈를 구비한 태양전지 모듈의 구성 및 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시에에 따른 태양전지 모듈(300a)은 도 2에 도시한 바와 같은 반사 부재(150)가 설치된 평면형 렌즈(100a)와 초점 거리(fd)만큼 이격되어 설치되는 태양전지(200a)를 포함한다.
여기서, 태양전지(200a)는 상면과 하면 모두 빛을 수광할 수 있는 양면형 태양전지로 구성될 수 있고, 태양전지의 상면(201)은 직접적으로 입사되는 빛을 수광하여 광전 변환을 수광하고, 태양전지의 하면(203)은 반사 부재(150)가 설치된 평면형 렌즈(100a)를 통해 반사된 빛을 수광하여 광전 변환을 수행할 수 있다.
따라서, 도 5에 도시한 봐와 같이 양면형 태양전지(200a)를 구비하는 경우 평면형 렌즈(100a)는 태양전지(200a)에 직접적으로 입사되는 빛의 방향과 대향하는 방향으로 반사된 빛을 제공할 수 있는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 100a, 100b : 평면형 렌즈
110 : 평면 유전체 기판 130 : 홈
150 : 반사부재 170 : 안테나
200, 200a, 200b : 태양전지
300, 300a, 300b : 태양전지 모듈

Claims (9)

  1. 제1 유전율을 가지는 평면 유전체 기판을 포함하고, 상기 평면 유전체 기판의 일면에는 복수의 홈이 형성되고, 상기 복수의 홈에는 상기 제1 유전율과 다른 제2 유전율을 가지는 유전체가 채워지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 평면형 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홈을 구성하는 각 홈의 폭은 상기 태양전지용 평면형 렌즈에 입사되는 빛의 파장의 절반 이상의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 평면형 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홈을 구성하는 각 홈의 깊이는 서로 다른 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 평면형 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홈이 형성된 상기 평면 유전체 기판의 일면의 반대면에는 입사된 광을 반사하는 반사부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 평면형 렌즈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 홈이 형성된 상기 평면 유전체 기판의 일면의 반대면에는 상기 반사부재의 외부에 안테나 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 평면형 렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홈 중 인접한 홈과 홈사이의 간격은 상기 각 홈의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 태양전지용 평면형 렌즈.
  7. 제1 유전율을 가지는 평면 유전체 기판의 일면에 복수의 홈이 형성되고, 상기 복수의 홈에는 상기 제1 유전율과 다른 제2 유전율을 가지는 유전체가 채워진 평면형 렌즈; 및
    상기 평면형 렌즈와 초점거리만큼 이격되어 설치되어 상기 평면형 렌즈를 통해 집광된 빛을 전기 신호로 변환하는 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 홈이 형성된 상기 유전체 기판의 일면의 반대면에는 입사된 광을 반사하는 반사부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 홈이 형성된 상기 평면 유전체 기판의 일면의 반대면에는 상기 반사부재의 외부에 안테나 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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