KR101418321B1 - 열전 태양전지 복합 모듈 및 이를 이용한 전력 발전방법 - Google Patents

열전 태양전지 복합 모듈 및 이를 이용한 전력 발전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전 태양전지 복합 모듈 및 이를 이용한 전력 발전방법에 관한 것으로, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 열전 태양전지 복합 모듈은, 상부 전극과 하부 전극, 그리고 상기 두 전극 사이에 배치된 것으로 태양광 중 적외선영역의 광은 투과시키고 적외선영역 이외의 광을 흡수하여 전기를 발생시키는 광 흡수층을 포함하는 태양전지; 및 상기 태양전지의 하부에 배치되고, 상기 태양전지를 투과한 적외선영역의 광을 조사받아 발생된 복사열을 이용하여 전기를 발생시키는 열전 발전소자를 포함한다.
본 발명에 의하면, 태양전지에서는 적외선영역을 제외한 태양광을 흡수하여 발전이 이루어지고, 태양전지와 전극을 투과한 적외선영역이 열전 발전소자에 직접 조사되기 때문에 열전 발전소자에서는 조사된 태양광의 복사에 의해 발생된 열을 이용하여 발전이 이루어지므로 열전 발전소자의 발전 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

열전 태양전지 복합 모듈 및 이를 이용한 전력 발전방법{COMPOSITION MODULE OF THERMOELECTRIC DEVICE AND SOLAR CELL AND CO-GENERATING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 열전 태양전지 복합 모듈 및 이를 이용한 전력 발전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양열 소자와 태양전지를 복합적으로 사용하여 전력 발전을 하기 위한 열전 태양전지 복합 모듈 및 이를 이용한 전력 발전방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈, 화석연료의 이용에 따른 이산화탄소의 발생 및 그로 인한 기후변화 등이 심각한 문제로 대두되면서 화석에너지를 대체할 새로운 에너지원의 개발이 세계적으로 진행되고 있다. 이러한 대체에너지 중 가장 유망한 것이 바로 태양에너지이다. 태양에너지는 태양과 지구가 존재하는 한 지속적으로 공급되고 대기오염을 일으키지 않으므로 가장 이상적인 대체에너지이다.
태양광의 스펙트럼은 강도분포에 차이는 있지만, 300nm 내지 1900nm까지 넓게 분포되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 현재의 태양전지는 조사받은 태양광의 모든 영역의 빛을 이용하는 것이 아니라 대부분의 에너지가 집중되어 있는 300nm 내지 1200nm 파장영역의 빛을 선택적으로 흡수하여 발전에 활용한다. 이렇게 태양전지의 태양광 흡수영역이 전체 태양광 스펙트럼을 활용하지 못하는 것은 태양전지 제작에 사용되는 반도체 물질의 대역폭 특성 때문이며, 대역폭이 1.1eV인 실리콘 반도체의 경우, 약 1200nm 파장의 태양광을 흡수한다. 따라서 실리콘 태양전지는 1200nm 보다 높은 에너지를 가지는 빛의 파장은 흡수하지만, 그 이외의 파장 영역은 흡수하지 못한다.
그런데, 태양전지가 상기와 같이 태양광을 흡수하더라도 흡수된 태양광을 모두 발전에 이용되지 못하고, 많은 부분이 열손실 등으로 손실되고 있다. 이를 보완하기 위해 태양전지와 함께 열전 발전소자를 활용한 기술이 연구되고 있다. 그 중 하나로 대한민국 공개특허 제10-2011-0129168호(에너지 변환 소자 및 그 제조 방법, 그리고 상기 에너지 변환 소자를 구비하는 전자 장치, 공개일: 2011.12.01, 이하 선행기술)가 있다.
선행기술은 태양전지에서 태양광을 흡수하여 발전이 이루어지면서 발생된 열이 열전 발전소자로 전도되고, 열전 발전소자는 전도된 열을 이용하여 발전이 이루어지도록 구성된다. 그렇지만, 선행기술과 같이, 태양전지에서 발생된 열이 열전 발전소자로 전도되는 과정에서 열전도율이 높지 않기 때문에 열전 발전소자에서의 발전효율이 좋지 않은 문제가 있다.
이는 열전 발전소자로 전도되는 열이 태양전지에서 발전 손실에 의해 발생된 열이므로 열 발생 효율이 떨어지고, 열전 발전소자로 전도되는 과정에서 다시 열 손실이 발생하기 때문이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 열전 발전소자와 태양전지를 복합적으로 사용한 열전 태양전지 복합 모듈에서 열전 발전소자의 발전효율을 높일 수 있는 열전 태양전지 복합 모듈을 제공하는데 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 열전 태양전지 복합 모듈은, 상부 전극과 하부 전극, 그리고 상기 두 전극 사이에 배치된 것으로 태양광 중 적외선영역의 광은 투과시키고 적외선영역 이외의 광을 흡수하여 전기를 발생시키는 광 흡수층을 포함하는 태양전지; 및 상기 태양전지의 하부에 배치되고, 상기 태양전지를 투과한 적외선영역의 광을 조사받아 발생된 복사열을 이용하여 전기를 발생시키는 열전 발전소자를 포함한다.
이때, 상기 광 흡수층은 적외선영역의 광을 투과할 수 있도록 1.3eV 내지 1.7eV의 대역폭을 가지는 것이 바람직하며, 상기 광 흡수층은 CIGS계 박막일 수 있다.
그리고 상기 상부 전극은 투명 전극이고, 상기 하부 전극은 적어도 적외선영역의 광을 투과시키는 것이 바람직하며, 상기 하부 전극은 적외선영역의 광은 투과시키고, 적외선영역 이외의 광은 상기 광 흡수층 쪽으로 반사하도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 태양전지를 투과하는 상기 적외선영역의 파장은 750nm 초과이고, 상기 태양전지에서 흡수되는 상기 적외선영역 이외의 파장은 300nm 내지 750nm인 것이 바람직하다.
이때, 상기 태양전지와 상기 열전 발전소자가 하나의 기판에 형성될 수 있으며, 상기 태양전지와 열전 발전소자는 서로 이격되게 배치될 수도 있다.
한편, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 열전 태양전지 복합 모듈을 이용한 전력 발전방법은, 태양전지와 열전 발전소자가 상부에서부터 차례로 배치된 열전 태양전지 복합 모듈에 있어서, 상기 태양전지에서 조사된 태양광의 적외선영역의 광을 투과하고, 적외선영역 이외의 광을 흡수하여 전기를 생성하는 단계; 및 상기 열전 발전소자에서 상기 태양전지를 투과한 적외선영역의 광을 조사받아 발생된 복사열을 이용하여 전기를 생성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 태양전지는 적외선영역의 광을 투과할 수 있도록 1.3eV 내지 1.7eV의 대역폭을 가지는 것이 바람직하며, CIGS계 태양전지일 수 있다.
그리고 상기 태양전지는 상부 전극과 하부 전극, 그리고 상기 두 전극 사이에 배치된 것으로 태양광 중 적외선영역의 광은 투과시키고 적외선영역 이외의 광을 흡수하여 전기를 발생시키는 광 흡수층을 포함하고, 상기 상부 전극은 투명 전극이고, 상기 하부 전극은 적어도 적외선영역의 광을 투과시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하부 전극은 적외선영역의 광은 투과시키고, 적외선영역 이외의 광은 상기 광 흡수층 쪽으로 반사하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 태양전지를 투과하는 상기 적외선영역의 파장은 750nm 초과이고, 상기 태양전지에서 흡수되는 상기 적외선영역 이외의 파장은 300nm 내지 750nm인 것이 바람직하다.
이때, 상기 태양전지와 열전 발전소자는 서로 이격되게 배치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 태양전지에서는 적외선영역을 제외한 태양광을 흡수하여 발전이 이루어지고, 태양전지와 전극을 투과한 적외선영역이 열전 발전소자에 직접 조사되기 때문에 열전 발전소자에서는 조사된 태양광의 복사에 의해 발생된 열을 이용하여 발전이 이루어지므로 열전 발전소자의 발전 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 태양전지 복합 모듈을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전 태양전지 복합 모듈이 태양광을 흡수하는 파장 영역을 가시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 태양전지 복합 모듈을 도시한 도면이다.
도 4는 태양광 스펙트럼과 태양전지가 활용하는 영역을 나타낸 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열전 태양전지 복합 모듈(100)은 태양전지(110), 열전 발전소자(120) 및 기판(130)을 포함하여 구성되고, 이에 대해 도 1 내지 도 4에 도시된 도면을 참조하여 설명한다.
태양전지(110)는 상부 전극(112), 광 흡수층(114) 및 하부 전극(116)을 포함하여 구성된다.
상부 전극(112)은 태양전지(110)로 조사되는 태양광의 모든 파장이 투과할 수 있도록 투명하게 구비된다.
광 흡수층(114)은 상부 전극(112)과 하부 전극(116) 사이에 위치하고, 태양으로부터 조사된 태양광을 흡수하여 발전이 이루어지는데, 본 발명에서 사용된 광 흡수층(114)은 태양광 파장의 300nm 내지 750nm 영역의 빛을 흡수하도록 구성된다.
이렇게 광 흡수층(114)이 흡수하는 태양광의 파장 영역이 300nm 내지 750nm 영역이 되도록 제한하기 위해서는 광 흡수층(114)을 이루는 반도체 물질의 대역폭을 조절하여 제한한다. 즉, 본 발명의 광 흡수층(114)의 대역폭이 1.3eV 내지 1.7eV가 되도록 제조함으로써, 광 흡수층(114)에서 흡수하는 태양광 파장을 300nm 내지 750nm으로 제한할 수 있다.
일례로, 광 흡수층(114)이 CIGS계 박막인 경우, CIGS계 박막의 대역폭은 1.1eV이고, In없이 CGS로 구성된 경우의 대역폭은 1.8eV이다. 그러므로 CIGS계 태양전지(110)에서 In을 조절함으로써, 광 흡수층(114)의 대역폭을 조절할 수 있다.
상기와 같이, 광 흡수층(114)의 대역폭을 조절하여, 본 발명의 광 흡수층(114)은 300nm 내지 750nm의 파장을 가지는 빛만을 흡수하고, 750nm를 초과하는 파장을 가지는 빛을 투과시키도록 구성된다.
이때, 도면에는 도시되지 않았지만, 상부 전극(112)과 광 흡수층(114) 사이에는 상부 전극(112)과 광 흡수층(114)을 접합시키기 위한 버퍼층이 더 구비될 수 있다. 버퍼층은 상부 전극(112)과 마찬가지로, 모든 파장 영역의 빛을 투과할 수 있도록 투명하게 구비되는 것이 바람직하다.
하부 전극(116)은 광 흡수층(114)의 하부에 배치되며, 본 발명에서는 적외선영역을 투과할 수 있는 하부 전극(116)이 이용된다. 이때, 본 발명에서의 하부 전극(116)은 ITO나 ZnO 등을 이용하여 제조된 투명한 전극일 수 있으며, 구체적으로, 적외선영역인 750nm를 초과하는 파장영역의 투과도는 높고, 750nm 이하의 파장영역 투과도는 낮은 하부 전극(116)을 이용할 수 있다.
즉, 본 발명에서의 하부 전극(116)은 가시광선영역이 투과할 수 있는 의미의 투명한 것이 아닌, 적외선영역이 투과할 수 있는 의미로 투명한 하부 전극(116)이 이용될 수 있다. 그러므로 하부전극(116)은 적외선영역의 빛은 투과하고, 적외선영역 이외의 빛은 광 흡수층(114) 쪽으로 반사시키는 것일 수 있다.
열전 발전소자(120)는 뜨거운 면의 온도와 차가운 면의 온도 차이를 이용하여 발전이 이루어지며, 적외선영역의 빛을 조사받아 열전 발전소자(120)의 뜨거운 면이 적외선영역 빛의 복사열에 의해 온도가 상승되어 이를 전기에너지로 변환한다. 즉, 태양광 중 표면에 열에너지를 전달하여 온도상승을 유발하는 빛의 파장이 적외선영역인 750nm을 초과하는 영역이기 때문에 열전 발전소자(120)는 750nm를 초과하는 파장 영역의 빛을 받아 열전 발전이 이루어진다.
이처럼 태양광 중 750nm를 초과하는 파장 영역의 빛은 주로 표면에 열에너지를 전달하기 때문에 태양전지(110)에 750nm를 초과하는 파장 영역의 빛이 조사되더라도 태양전지(110)에서는 효과적으로 발전이 이루어지지 않는다. 그러므로 태양전지(110)에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 750nm를 초과하는 파장 영역의 빛을 투과시켜 열전 발전소자(120)에 750nm 초과 파장 영역의 빛이 직접 조사되도록 한다.
이렇게 열전 발전소자(120)는 태양으로부터 적외선영역인 750nm를 초과하는 빛을 직접 조사받아 복사열에 의해 온도가 상승되므로 전도에 의해 열을 전달받는 것보다 높은 효율로 전기를 발생시킬 수 있다.
기판(130)은 본 발명의 일실시예에서 열전 발전소자(120)의 하부에 위치하고, 상부에 열전 발전소자(120)가 배치된다. 즉, 기판(130) 상부에 열전 발전소자(120)와 태양전지(110)가 하부에서 순차적으로 배치되게 구성할 수 있다. 또한, 기판(130)의 상부에 태양전지(110)가 배치되고, 기판(130)의 하부에 열전 발전소자(120)가 배치되도록 구성할 수도 있으며, 이때의 기판(130)은 적외선영역의 빛만이 투과할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 열전 태양전지 복합 모듈(100)을 이용하여 전력이 발생되는 과정을 보면, 태양전지(110)에 포함된 광 흡수층(114)은 태양전지(110)의 상부에서 태양전지(110)로 조사된 태양광 중 흡수하여 전기를 발생시킬 수 있는 300nm 내지 750nm 파장 영역의 빛을 흡수한다. 이때, 300nm 내지 750nm 파장 영역은 적외선영역 이외의 파장 영역이며, 적외선영역인 750nm 초과 파장 영역의 빛은 태양전지(110)를 투과한다.
상부 전극(112)과 광 흡수층(114)을 투과한 적외선영역의 빛은 하부 전극(116)도 투과되어 열전 발전소자(120)에 조사된다. 하부 전극(116)도 상기에서 설명한 바와 같이, 750nm 초과 파장 영역의 빛은 투과하고, 750nm 이하의 파장 영역의 빛은 투과하지 못하도록 구성되기 때문이다.
열전 발전소자(120)에 조사된 750nm 초과 파장 영역의 빛으로 인해 열전 발전소자(120)의 표면은 복사열에 의해 높은 온도가 발생되며, 이렇게 발생된 높은 온도에 의해 열전 발전소자(120)에서는 전기가 생성된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 태양전지 복합 모듈(200)은 태양전지(210), 열전 발전소자(220) 및 기판(230)을 포함하여 구성되고, 이에 대한 설명 중 전술한 실시예에서 설명된 내용은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 태양전지 복합 모듈(200)은 기판(230)의 상부에 열전 발전소자(220)가 배치되고, 열전 발전소자(220)의 상부에 태양전지(210)가 배치되는데, 열전 발전소자(220)와 태양전지(210) 사이에 투명 단열층(L)이 형성된다.
투명 단열층(L)은 진공이나 공기층이 형성되도록 태양전지(210)와 열전 발전소자(220)가 이격됨으로 인해 형성될 수 있다. 이때, 도 3에는 도시되지 않았지만, 격벽 등을 이용하여 태양전지(210)와 열전 발전소자(220)를 이격시킬 수 있다.
또한, 투명 단열층(L)은 상기와 같이, 진공이나 공기층으로 형성할 수 있지만, 필요에 따라 적외선영역의 빛만이 투과할 수 있는 재질로 이루어질 수도 있다.
이렇게 태양전지(210)와 열전 발전소자(220)의 사이에 투명 단열층(L)이 형성됨으로써, 태양전지(210)를 투과한 적외선영역의 빛이 직접 열전 발전소자(220)에 조사됨에 따라 발생된 복사열에 의해 열전 발전소자(220)의 표면을 뜨겁게 하여 열전 발전소자(220)에서의 발전이 효과적으로 이루어질 수 있다. 그리고 투명 단열층(L)으로 인해 열전 발전소자(220)의 표면이 복사열에 의해 뜨거워지더라도 태양전지(210)와 직접 닿지 않아 열전 발전소자(220)에서 발생된 열이 태양전지(210)로 전도되는 것을 방지할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100: 열전 태양전지 복합 모듈
110: 태양전지 112: 상부 전극
114: 광 흡수층 116: 하부 전극
120: 열전 발전소자 130: 기판

Claims (15)

  1. 상부 전극과 하부 전극, 그리고 상기 두 전극 사이에 배치된 것으로 태양광 중 적외선영역의 광은 투과시키고 적외선영역 이외의 광을 흡수하여 전기를 발생시키는 광 흡수층을 포함하는 태양전지; 및
    상기 태양전지의 하부에 배치되고, 상기 태양전지를 투과한 적외선영역의 광을 조사받아 발생된 복사열을 이용하여 전기를 발생시키는 열전 발전소자를 포함하고,
    상기 상부 전극은 투명 전극이고, 상기 하부 전극은 적외선영역의 광은 투과시키고, 적외선영역 이외의 광은 상기 광 흡수층 쪽으로 반사하는 것을 특징으로 하는 열전 태양전지 복합 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 흡수층은 적외선영역의 광을 투과할 수 있도록 1.3eV 내지 1.7eV의 대역폭을 가지는 것을 특징으로 하는 열전 태양전지 복합 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 광 흡수층은 CIGS계 박막인 것을 특징으로 하는 열전 태양전지 복합 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지를 투과하는 상기 적외선영역의 파장은 750nm 초과이고,
    상기 태양전지에서 흡수되는 상기 적외선영역 이외의 파장은 300nm 내지 750nm인 것을 특징으로 하는 열전 태양전지 복합 모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지와 상기 열전 발전소자가 하나의 기판에 형성된 것을 특징으로 하는 열전 태양전지 복합 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지와 열전 발전소자는 서로 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 열절 태양전지 복합 모듈.
  9. 태양전지와 열전 발전소자가 상부에서부터 차례로 배치된 열전 태양전지 복합 모듈에 있어서,
    상기 태양전지에서 조사된 태양광의 적외선영역의 광을 투과하고, 적외선영역 이외의 광을 흡수하여 전기를 생성하는 단계; 및
    상기 열전 발전소자에서 상기 태양전지를 투과한 적외선영역의 광을 조사받아 발생된 복사열을 이용하여 전기를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 태양전지는 상부 전극과 하부 전극, 그리고 상기 두 전극 사이에 배치된 것으로 태양광 중 적외선영역의 광은 투과시키고 적외선영역 이외의 광을 흡수하여 전기를 발생시키는 광 흡수층을 포함하고, 상기 상부 전극은 투명 전극이고, 상기 하부 전극은 적외선영역의 광은 투과시키고, 적외선영역 이외의 광은 상기 광 흡수층 쪽으로 반사하는 것을 특징으로 하는 열전 태양전지 복합 모듈을 이용한 전력 발전방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 태양전지는 적외선영역의 광을 투과할 수 있도록 1.3eV 내지 1.7eV의 대역폭을 가지는 것을 특징으로 하는 열전 태양전지 복합 모듈을 이용한 전력 발전방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 태양전지는 CIGS계 태양전지인 것을 특징으로 하는 열전 태양전지 복합 모듈을 이용한 전력 발전방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 태양전지를 투과하는 상기 적외선영역의 파장은 750nm 초과이고,
    상기 태양전지에서 흡수되는 상기 적외선영역 이외의 파장은 300nm 내지 750nm인 것을 특징으로 하는 열전 태양전지 복합 모듈을 이용한 전력 발전방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 태양전지와 열전 발전소자는 서로 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 열절 태양전지 복합 모듈을 이용한 전력 발전방법.
KR1020130025956A 2013-03-12 2013-03-12 열전 태양전지 복합 모듈 및 이를 이용한 전력 발전방법 KR101418321B1 (ko)

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