KR101439386B1 - 채광형 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

이 모듈(20)은, 광투과성 제 1, 제 2 기판(21, 22)과, 복수의 링 형상 클러스터(30)를 구비하며, 이 클러스터(30)는, 복수의 구형상 태양전지 셀(32)과, 복수의 태양전지 셀(32)의 제 1 전극(37)이 전기적으로 병렬 접속된 복수의 도전 피막(31)과, 복수의 태양전지 셀(32)의 제 2 전극(38)이 전기적으로 병렬 접속된 복수의 도전 부재(48)와, 도전 피막(31)과 도전 부재(48)에 접속된 바이패스 다이오드(40)와, 도전 피막(31)을 소정 방향으로 인접하는 클러스터(30)의 도전 부재(48)에 전기적으로 접속하는 복수의 도전 접속 부재(50)를 가진다. 클러스터(30)를 링 형상이나 눈의 결정상이나 일직선 형상 패턴으로 구성하여, 복수의 클러스터(30)를 설치함으로써, 채광률과 발전 능력의 비율 선택성의 허용폭을 향상시킬 수 있어, 창재로서의 의장성을 높일 수 있다.

Description

채광형 태양전지 모듈{DAYLIGHTING SOLAR BATTERY MODULE}
본 발명은 채광형 태양전지 모듈에 관한 것으로, 특히 복수의 구형상 태양전지 셀을 포함하는 클러스터를 복수 형성하고, 이들 복수의 클러스터를 복수행 복수열의 매트릭스 형상 등 다양한 패턴으로 설치하며, 1쌍의 광투과성 기판에 일체적으로 조립해 넣은 채광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
종래, 채광 가능한 창재(窓材)에 태양전지 셀을 조립해 넣은 다양한 태양전지 모듈 혹은 태양전지 패널이 이미 실용화되어 있다. 일반적으로, 웨이퍼 형상의 실리콘 결정으로 제조된 평판 형상의 실리콘 태양전지 셀을, 2장의 유리판과 겹쳐 제작하는 실리콘형 태양전지 모듈(혹은 패널)이 있다. 이 모듈은, 태양전지 셀을 적당한 간격을 두고 평면 형상으로 나란하게 하며, 리본 형상의 도체로 각 셀을 결선(結線)한 것을, 2장의 유리판 사이에 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트) 수지를 이용하여 틈새를 매립하도록 하여 접착시킨 것이다.
또한, 비정질(amorphous)과 미결정(微結晶)을 조합한 박막형 태양전지 모듈이 있다. 이 모듈을 창재에 형성하기 위해서는, 먼저 유리 기판 위에 투명 전극막 TCO(SnO2)를 성막하며, 셀 전극 부분을 만들기 위해 레이저 광을 이용하여 분리분할한다. 그 다음으로, 실리콘 박막, 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 박막 미결정을 순서대로 적층하여, 레이저 광으로 이 발전층을 일정한 피치로 분리분할한다. 또한, 이면(裏面) 전체에 전극이 되는 금속 박막을 전면에 피착(被着)하며, 다시 레이저 광으로 금속층을 절연 분리하여, 작은 박막 태양전지 셀을 한 번에 다수개 직렬 접속한다.
이들 상기의 태양전지 모듈에 있어서는, 수광면이 태양전지 셀의 한쪽 면으로 한정된 것으로, 모듈 주위의 광의 이용 범위가 좁아, 발전 능력이 낮은 것이다. 또한, 실리콘형 태양전지 모듈에 있어서는, 큰 사이즈의 평판형 태양전지 셀로 인해 채광률이 악화되어 버린다. 또한, 박막형 태양전지 모듈에 있어서는, 유리 기판에 박막을 제조하는 것이 곤란하다는 문제가 수반된다.
따라서, 본원 발명자는 상기의 문제를 감안하여, 특허문헌 1과 같은 구형상 태양전지 셀을 제안하였다. 이 구형상 태양전지 셀은, 직경이 1~2㎜인 p형 또는 n형의 구형상 반도체와, 이 구형상 반도체의 표면 근방에 형성된 구면 형상의 pn접합과, 그 구형상 반도체의 표면의 양단에 구의 중심을 사이에 두고 대향하도록 설치된 1쌍의 작은 양, 음전극 등으로 구성되어 있다. 이 구형상 태양전지 셀은, 상기 실리콘형 태양전지 셀이나 박막형 태양전지 셀과 비교하여, 소형이며, 용이하게 염가로 제조할 수 있는 것이다.
이 구형상 태양전지 셀은, 표면이 구면이기 때문에, 직사광 이외에, 반사광, 산란광이 많은 환경에서 그 효과를 충분히 발휘한다. 예를 들면, 투명한 패키지 내에 수용된 경우에는, 그 내부의 반사광 및 산란광도 발전에 기여할 수 있어, 창을 겸한 태양전지 모듈을 빌딩 등의 건물에 수직으로 설치한 경우, 지면이나 주위의 건물 등의 반사광도 흡수하여 발전할 수 있다. 태양의 직사광은, 시간과 함께 입사각이 변화하는데, 수광면이 구면 형상이기 때문에, 평면형과 비교하면 입사 방향에 의존하지 않고 비교적 안정된 발전도 기대할 수 있다.
또한, 본원 발명자는, 특허문헌 2나 특허문헌 3에 나타낸 바와 같이, 상기의 구형상 태양전지 셀을 복수행 복수열 배치의 매트릭스 형상으로 설치하고, 플렉시블(flexible)하며 가는 도선이나 프린트 배선에 의해 병렬 접속 및 직렬 접속하여, 1쌍의 투명 케이스판 사이에 투명 수지로 조형한 시스루(see-through)형 태양전지 모듈을 제안하고 있다.
특허문헌 1 : 국제공개공보 WO98/15983호
특허문헌 2 : 국제공개공보 WO03/36731호
특허문헌 3 : 국제공개공보 WO2007/80631호
그러나, 상기 특허문헌 1~3의 복수의 구형상 태양전지 셀은, 대략 직선 형상으로 또한 밀착접촉 상태로 설치되어 있기 때문에, 의장성의 향상을 도모하는데 있어서는 문제가 있다. 예를 들면, 상기 구형상 태양전지 모듈을 조립해 넣은 창재의 경우에서는, 태양전지 셀이 밀착접촉 상태로 설치되어 있으므로, 창재로서의 채광률과 태양전지 모듈로서의 발전 능력을 적당하게 설정하는 설계의 자유도가 좁아져, 태양전지 셀에 의해 시계(視界)가 차단되어버려 의장성을 높일 수 없는 등의 문제가 있다.
본 발명은, 창재로서의 의장성을 향상시킬 수 있는 채광형 태양전지 모듈을 제공하는 것, 창재로서의 채광률을 높일 수 있는 채광형 태양전지 모듈을 제공하는 것 등을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 채광형 태양전지 모듈은, 복수의 구(球)형상 태양전지 셀에 의해 발전하는 채광형 태양전지 모듈로서, 광투과성 제 1 기판과, 도전 방향을 제 1 기판과 직교 방향으로 정렬하며 복수의 클러스터(cluster)로 그룹화된 복수의 구형상 태양전지 셀과, 상기 제 1 기판의 내면에 복수의 클러스터에 대응시켜 형성되어, 각 클러스터의 복수의 태양전지 셀의 제 1 전극이 전기적으로 병렬 접속된 복수의 도전 피막과, 상기 복수의 클러스터의 각각에서의 복수의 태양전지 셀의 제 2 전극이 전기적으로 병렬 접속된 복수의 도전 부재와, 상기 복수의 클러스터의 각각에서의 도전 피막을, 소정 방향으로 인접하는 클러스터의 도전 부재에 전기적으로 접속하는 복수의 도전 접속 부재와, 상기 제 1 기판에 대하여 복수의 태양전지 셀을 사이에 두고 평행하게 배치된 광투과성 제 2 기판과, 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 충전되어 복수의 태양전지 셀과 복수의 도전 부재와 복수의 도전 접속 부재를 매립한 상태로 조형하는 광투과성 합성 수지 조형재를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 채광형 태양전지 모듈에 따르면, 복수의 클러스터 각각이, 복수의 구형상 태양전지 셀을 가지므로, 각 클러스터가 셀의 설치 패턴을 자유롭게 형성할 수 있다. 이 때문에, 창재로서의 의장성을 향상할 수 있다. 이 클러스터가 복수 설치되어 있으므로, 일정한 배치 패턴을 태양전지 모듈에 부여할 수 있어, 의장성을 향상할 수 있다. 또한, 구형상 태양전지 셀은 매우 작기 때문에 창재에 적용되어도 채광성을 확보할 수 있다.
본 발명의 상기 구성에 더하여, 다음과 같은 다양한 구성을 채용해도 된다.
(1) 상기 제 1 기판의 일단부(一端部)에 상기 채광형 태양전지 모듈의 양극 단자를 설치하며, 제 1 기판의 타단부에 상기 채광형 태양전지 모듈의 음극 단자를 설치한다.
(2) 상기 태양전지 셀은, p형 또는 n형의 구형상 반도체와, 상기 구형상 반도체의 표층부에 형성된 구면 형상의 pn접합과, 구형상 반도체의 중심을 사이에 두고 대향하도록 형성되며 상기 pn접합의 양단(兩端)에 접합된 1쌍의 전극을 갖는다.
(3) 상기 복수의 클러스터에 대응하는 복수의 바이패스 다이오드로서, 상기 복수의 도전 피막 및 도전 부재를 통해 병렬 접속된 복수의 바이패스 다이오드(bypass diode)를 구비한다.
(4) 상기 태양전지 셀은, 역(逆)전류를 바이패스하는 바이패스 기능을 갖는다.
(5) 상기 도전 접속 부재는, 도전 피막에 연속하는 도전 피막 연장부와 상기 도전 피막 연장부의 단부에 접속된 도전 접속편(片)을 가지며, 상기 각 클러스터에서의 복수의 태양전지 셀과 상기 도전 접속편과 상기 바이패스 다이오드는 링(圓環) 형상으로 설치되며, 복수의 클러스터가 복수행 복수열의 매트릭스 형상으로 설치된다.
(6) 상기 각 행 또는 각 열의 클러스터의 복수의 태양전지 셀은, 상기 도전 접속 부재를 통해 직렬 접속되며, 상기 복수열 또는 복수행의 클러스터 각각에서의 복수의 도전 피막을 전기적으로 접속하는 가교 도전 피막을 설치한다.
(7) 상기 각 클러스터의 복수의 태양전지 셀은, 내측 육각형의 정점(頂点)에 배치된 6개의 태양전지 셀, 상기 내측 육각형의 외측의 외측 육각형의 정점에 배치된 5개의 태양전지 셀을 가진다.
(8) 상기 도전 접속 부재는 도전 피막에 연속하는 도전 피막 연장부와, 상기 도전 피막 연장부의 단부에 접속된 도전 접속편을 가지고, 상기 도전 접속편은 상기 외측 육각형의 정점에 배치되며, 상기 바이패스 다이오드는 상기 내측 육각형의 중심부에 설치된다.
(9) 상기 복수의 클러스터는, 정삼각형 메시(mesh)의 메시점에 상기 내측 육각형의 중심부를 위치시키도록 복수행 또는 복수열로 배치된다.
(10) 상기 복수행 또는 복수열에서의 행 또는 열방향과 직교하는 방향으로 지그재그 형상으로 나란한 복수의 클러스터에서의 상기 복수의 도전 피막을 전기적으로 접속하는 가교 도전 피막을 설치한다.
(11) 상기 각 클러스터의 복수의 태양전지 셀은 일직선 형상으로 설치된다.
(12) 상기 제 1, 제 2 기판은, 투명한 유리판으로 구성된다.
(13) 상기 도전 피막에 의해 채광이 차단되지 않은 채광 영역 전체의 면적에 차지하는 비율이 50% 이상이다.
(14) 복수장의 상기 채광형 태양전지 모듈을 금속제(製)의 외주(外周) 프레임에 조립함으로써 복수행 또는 복수열로 설치한다.
(15) 상기 복수의 도전 피막의 베이스(下地)에 착색 및 패턴화한 도안의 세라믹막을 형성한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 채광형 태양전지 모듈이 조립된 태양전지 패널의 이면도이다.
도 2는 채광형 태양전지 모듈의 일부 절결 정면도이다.
도 3은 태양전지 패널의 측면도이다.
도 4는 도 1의 IV-IV선을 따른 단면도이다.
도 5는 도 1의 V-V선을 따른 단면도이다.
도 6은 도전 부재를 제외한 복수의 클러스터가 복수행 복수열의 매트릭스 형상으로 설치되어 배선된 제 1 기판의 정면도이다.
도 7은 도 6의 각 클러스터에 도전 부재를 접속한 상태의 제 1 기판의 정면도이다.
도 8은 도 2의 VIII-VIII선을 따른 단면도이다.
도 9는 도 2의 IX-IX선을 따른 단면도이다.
도 10은 구형상 태양전지 셀의 단면도이다.
도 11은 태양전지 모듈의 등가 회로도이다.
도 12는 태양전지 모듈에 입사하는 광의 거동과 태양전지 모듈의 주요부 확대 단면도이다.
도 13은 실시예 2에 따른 태양전지 모듈의 도전 부재를 제외한 복수의 클러스터가 눈의 결정상(狀)으로 설치되어 배선된 제 1 기판의 정면도이다.
도 14는 도 13의 각 클러스터에 도전 부재를 접속한 상태의 제 1 기판의 정면도이다.
도 15는 도 14의 XV-XV선을 따른 단면도이다.
도 16은 도 14의 XVI-XVI선을 따른 단면도이다.
도 17은 도 14의 주요부 확대 정면도이다.
도 18은 도 17의 XVIII-XVIII선을 따른 단면도이다.
도 19는 실시예 3에 따른 태양전지 모듈의 복수의 클러스터가 구슬얽이(玉簾) 형상으로 설치되어 배선된 제 1 기판의 정면도이다.
도 20은 도 19의 XX-XX선을 따른 단면도이다.
도 21은 도 19의 XXI-XXI선을 따른 단면도이다.
도 22는 도 20의 태양전지 셀의 주요부 확대 단면도이다.
도 23은 도 19의 태양전지 셀의 주요부 확대 정면도이다.
도 24는 도 20의 도전 접속편과 바이패스 다이오드의 주요부 확대 단면도이다.
도 25는 도 19의 도전 접속편과 바이패스 다이오드의 주요부 확대 정면도이다.
도 26은 실시예 4에 따른 태양전지 셀의 단면도이다.
도 27은 태양전지 셀의 주요부 확대 단면도이다.
도 28은 태양전지 셀의 등가 회로도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대해 실시예에 근거하여 설명한다.
실시예 1
먼저, 본 발명이 적용되는 태양전지 패널(1)에 대해 설명한다.
도 1~도 5에 도시한 바와 같이, 태양전지 패널(1)은 창재로서 구성되는 것으로, 외주 프레임(3)과, 3장의 채광형 태양전지 모듈(20)로 구성되어 있다. 3장의 채광형 태양전지 모듈(20)(이하, 모듈이라 함)을 길이 방향을 횡(橫)방향으로 하여, 동일 평면 위에 3행 1열의 매트릭스 형상으로 설치하여 외주 프레임(3)에 조립한다.
외주 프레임(3)과 모듈(20)과의 틈새, 및 상하로 이웃하는 모듈(20)과의 틈새에는, 실링재(15)(예를 들면, 실리콘 수지)가 충전되어, 비나 유해한 가스가 내부에 침입하는 것을 방지한다. 또한, 모듈(20)의 매수를 3장으로 한정할 필요는 없으며, 외주 프레임(3)의 크기를 변경하여, 복수장의 모듈(20)을 외주 프레임에 조립함으로써 복수행 또는 복수열로 설치하는 것도 가능하다.
도 3~도 5에 도시한 바와 같이, 외주 프레임(3)은, 알루미늄으로 제조된 것으로, 상하 1쌍의 수평 프레임(5a, 5b)과 좌우 1쌍의 수직 프레임(6a, 6b)으로 구성되어 있다. 상측의 수평 프레임(5a)에는, 수평 프레임(5a)의 길이 방향을 따라 연장 설치된 도전성 내부 단자(8a)와, 이 내부 단자(8a)의 양단부에 접속된 좌우 1쌍의 출력 단자(9a)와, 이들 출력 단자(9a)를 외주 프레임(3)으로부터 절연하는 절연 부재(11a)와, 내부 단자(8a)를 하측으로 가압하는 리프 스프링(12; leaf spring)과, 모듈(20)을 상측으로부터 백업하며 내부 단자(8a)를 수평 프레임(5a)으로부터 절연하는 백업 부재(13a)를 구비하고 있다.
하측의 수평 프레임(5b)에는, 수평 프레임(5b)의 길이 방향을 따라 연장 설치된 도전성 내부 단자(8b)와, 이 내부 단자(8b)의 양단부에 접속된 좌우 1쌍의 출력 단자(9b)와, 출력 단자(9b)를 외주 프레임(3)으로부터 절연하는 절연부재(11b)와, 모듈(20)을 하측으로부터 백업하여 내부 단자(8b)를 수평 프레임(5b)으로부터 절연하는 백업 부재(13b)를 구비하고 있다. 또한, 외주 프레임(3)을 구성하는 소재는, 알루미늄에 한정하지 않고 다양한 금속제의 재료가 적용 가능하다.
상측 및 하측의 출력 단자(9a, 9b)는, 금속제의 가늘고 긴 박판(薄板) 형상으로, 일단부가 내부 단자(8a, 8b)의 좌우 양단부에 각각 일체적으로 접속되며, 타단부가 외주 프레임(3)으로부터 패널(1)의 이측(裏側)을 향해 돌출되어 있다. 리프 스프링(12)에 의해, 상측 내부 단자(8a)가 상단 모듈(20)의 음극 단자(24)에 가압되는 동시에, 상단 모듈(20)의 양극 단자(23)가 중간단(中段) 모듈(20)의 음극 단자(24)에 가압되며, 중간단 모듈(20)의 양극 단자(23)가 하단 모듈(20)의 음극 단자(24)에 가압되어, 전기적으로 확실하게 접속된다. 하단 모듈(20)의 하측 내부 단자(8b)는, 모듈(20)의 자중(自重)에 의해 양극 단자(23)에 가압됨으로써, 전기적으로 확실하게 접속된다. 이웃하는 모듈(20) 사이의 전기적인 접속은, 상단 모듈(20)의 자중에 의해 상단의 양극 단자(23)가 중간단 모듈(20)의 음극 단자(24)에 가압 접촉하며, 중간단의 양극 단자(23)가 하단 모듈(20)의 음극 단자(24)에 가압 접촉하는 것에 의해서도 접속된다.
다음으로, 3장의 채광형 태양전지 모듈(20)에 대해 설명하는데, 이들 3장의 모듈(20)은 모두 동일한 구조를 가지므로, 1장의 모듈(20)에 대해서만 설명한다.
도 6~도 10에 도시한 바와 같이, 이 모듈(20)은, 복수의 구형상 태양전지 셀(32)에 의해 발전하는 것으로, 광투과성 제 1 기판(21)과, 이 제 1 기판(21) 위에 복수행 복수열의 매트릭스 형상으로 설치된 복수의 링 형상의 클러스터(30; cluster)와, 제 1 기판(21)에 대해 복수의 태양전지 셀(32)을 사이에 두고 평행하게 배치된 광투과성 제 2 기판(22)과, 기판(21, 22) 사이에 충전되어 복수의 클러스터(30)를 매립한 상태로 조형하는 광투과성 합성 수지 조형재(27)를 구비하고 있다.
다음으로, 제 1 기판(21)과 제 2 기판(22)에 대해 설명한다.
제 1 기판(21)은, 둘레 가장자리가 모따기된 투명한 유리로 구성되며, 예를 들면, 두께 2.8㎜, 세로 210㎜, 가로 297㎜로 가공된 것이다. 제 1 기판(21)의 하단부에 외부 접속용의 단면이 역 L자 형상인 양극 단자(23)(양극 버스 바(bus bar))를 설치하며, 제 1 기판(21)의 상단부에 외부 접속용의 단면이 L자 형상인 음극 단자(24)(음극 버스 바)를 설치하고 있다(도 8 참조). 제 2 기판(22)은, 제 1 기판(21)과 마찬가지로, 둘레 가장자리가 모따기된 투명한 유리로 구성되며, 예를 들면, 두께 2.8㎜, 세로 210㎜, 가로 297㎜로 가공된 것이다. 기판(21, 22)의 틈새에 충전되는 합성 수지 조형재(27)는, 예를 들면 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트) 수지가 사용된다.
이와 같이, 광투과성 합성 수지 조형재(27)가, 기판(21, 22) 사이에 충전되어 복수의 태양전지 셀(32)과 복수의 도전 피막(31)과 복수의 바이패스 다이오드(40)와 복수의 도전 접속 부재(50)를 매립한 상태로 조형하여 일체화되기 때문에, 태양전지 셀(32)이 보호되는 동시에 진동이나 기계적 충격에 대해 강화되어, 모듈(20) 전체의 파손을 방지할 수 있으며, 안전성을 높일 수 있다. 또한, 통상 사용되고 있는 접합 유리(laminated glass), 망입(網入) 유리와 같이, 만일 파손했을 경우에서도 파편이 비산되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 이 모듈(20)의 제조 방법을 간단하게 설명한다.
제 1 기판(21) 위에 복수의 클러스터(30)를 각각 설치하고, 시트 형상의 조형재(27)를 복수의 클러스터(30) 위에 올려두며, 그 위에 제 2 기판(22)을 적층하여 공지의 라미네이터(laminator) 장치에 수용한다. 이 라미네이터 장치는, 신축성을 가지는 막에 의해서 상하로 나누어진 진공실을 갖는다. 하측은, 플레이트를 통해 시료를 가열하는 히터를 갖는다. 제 2 기판(22)을 적층한 시료를 가열 플레이트 위에 두고 막으로 나누어진 상하 공간의 가스를 배기하면서 조형재(27)를 150℃ 정도로 가열하여 열용융한다.
그 후, 진공으로 한 막의 상측 진공실만 공기를 도입하면 칸막이 막에 의해 기판(21, 22)의 양면이 도입한 공기압으로 가압된다. 그리고, 그대로 냉각하여 조형재(27)(EVA 수지)를 고화시킨다. 이 열용융과 경화에 의해 고체이며 유백색인 조형재(27)는 투명화되며, 기판(21, 22) 사이의 복수의 클러스터(30)는 접착되어, 양측이 유리에 의해 끼워진 일체화된 모듈(20)이 완성된다.
다음으로, 클러스터(30)의 구조에 대해 설명한다.
단, 복수의 클러스터(30)는 동일한 구조이므로, 하나의 클러스터(30)에 대해 설명한다. 도 2, 도 6~도 10에 도시한 바와 같이, 클러스터(30)는, 링 형상으로 형성된 것으로, 제 1 기판(21) 위에 형성된 도전 피막(31)과, 10개의 태양전지 셀(32)과, 바이패스 다이오드(40)와, 도전 접속 부재(50)의 도전 접속편(53)과, 이들 태양전지 셀(32)과 바이패스 다이오드(40)와 도전 접속편(53)을 전기적으로 접속하는 도전 부재(48)로 구성되어 있다.
다음으로, 도전 피막(31)에 대해 설명한다.
도전 피막(31)은, 제 1 기판(21)의 내면에 링 형상으로 형성되며, 10개의 태양전지 셀(32)의 양전극(37)과, 바이패스 다이오드(40)의 음전극(45)과, 도전 접속편(53)이 등간격으로 배치되어 도전성 페이스트(31b)를 통해 접속되어 있다. 바이패스 다이오드(40)와 도전 접속편(53)은, 서로 대향하도록 10개의 태양전지 셀(32) 사이에 배치되며, 도전 접속편(53)이 접속되는 분리 도전 피막부(31a)는, 2개의 슬릿에 의해 전기적으로 분리되어 있다. 이 분리 도전 피막부(31a)는, 도전 접속 부재(50)의 도전 피막 연장부(51)와 일체적으로 형성되어 있다. 또한, 도전 피막(31)에 의해 채광이 차단되지 않은 채광 영역 전체 면적에 차지하는 비율이 50% 이상이다.
이 도전 피막(31)은, 먼저, 도전 피막(31)의 베이스(下地)로서 제 1 기판(21) 위에 선호하는 색의 안료를 혼합한 세라믹 페이스트를 실크 스크린 인쇄하며 소성하여, 세라믹막(29)을 형성한다. 다음으로, 세라믹막(29) 위에 유리 프리트(glass frit)를 포함하는 은 페이스트를 실크 스크린법으로 인쇄하며, 550~620℃의 온도로 소성하여, 도전 피막(31)이 형성된다. 이 도전 피막(31)의 폭은 2.4㎜ 정도로 태양전지 셀(32)의 직경보다 크다. 두께는 0.25㎜ 정도이며, 사용 상황에 따라 두께는 0.01㎜~0.5㎜의 범위로 형성되어도 된다. 또한, 도전 피막(31)과 동시에 후술하는 도전 접속 부재(50)의 도전 피막 연장부(51, 51a, 51b)와, 가교 도전 피막(55)도 동일하게 형성된다.
다음으로, 구형상 태양전지 셀(32)의 구조에 대해 설명한다.
도 10에 도시한 바와 같이, 태양전지 셀(32)은, 도전 방향을 제 1 기판(21)과 직교 방향으로 정렬한 것으로, p형의 구형상 반도체(33)와, 이 구형상 반도체(33)의 표면의 일부가 연마 가공된 평탄면(34)과, 이 구형상 반도체(33)의 표층부에 n형 확산층(35)을 형성함으로써 형성된 구면 형상의 pn접합(36)과, 구형상 반도체(33)의 중심을 사이에 두고 대향하도록 형성되어 pn접합(36)의 양단에 접합된 1쌍의 양, 음 전극(37, 38)(제 1, 제 2 전극)과, 양, 음 전극(37, 38)을 제외한 부분에 성막된 반사 방지막(39)을 갖는다. 이 양전극(37)이 도전 피막(31) 위에 도전성 페이스트(31b)를 통해 접속되며, 음전극(38)이 도전 부재(48)에 도전성 페이스트(48a)를 통해 접속되어 있다.
이 태양전지 셀(32)의 제조 방법에 대해 간단하게 설명한다.
이 태양전지 셀(32)은, 예를 들면, 실리콘의 액적(液滴)을 자유낙하하며, 도중에 응고시키는 방법에 의해 직경이 약 1.6㎜인 구형상 p형 실리콘 단결정(33)을 제작하고, 그 후, 표면의 일부를 연마 가공하여 평탄면(34)을 형성한다. 이 평탄면(34)과 그 주위의 일부를 제외하고 n형 불순물을 표면으로부터 0.1㎛ 정도의 깊이까지 확산하여, n형 확산층(35)을 형성함으로써 구면 형상의 pn접합(36)을 형성한다. 또한, 구형상 n형 실리콘 단결정에 p형 확산층을 형성함으로써 pn접합을 형성해도 된다.
게다가, 평탄면(34)을 포함하는 구면 전체에 실리콘 산화막(SiO2)(필요에 따라 실리콘 질화막(SiN))을 성막하여 반사 방지막(39)으로 한 후, 다음으로, 평탄면(34)과 구면의 헤드부에 있는 반사 방지막(39)에 은을 포함하는 페이스트를 도트 형상으로 프린트한다. 이것을 가스 분위기 내에서 800℃ 정도까지 가열하며, 은 페이스트를 반사 방지막(39)을 관통시켜 각각 p형 평탄면(34), n형 확산층(35)의 표면과 저저항 접촉하는 양전극(37)과 음전극(38)을 설치하여, 태양전지 셀(32)을 완성시킨다.
이 태양전지 셀(32)에 따르면, 도 10에 도시한 바와 같이, 구면의 pn접합(36)을 가지므로, 평탄면(34)과 전극(37, 38)을 제외하고 태양광의 직사 각도에 의존하지 않아, 항상 일정한 수광 단면적이 얻어지는 안정된 출력을 얻을 수 있다. 게다가, 전극(37, 38)이 구의 중심을 사이에 두고 p형, n형 표면의 중앙에 설치되어 있기 때문에, 전극(37, 38)으로부터 pn접합(36) 위의 임의의 a, b, c 점을 연결한 거리의 합은 동일하고, a, b, c 점에서 흡수하여 발생한 캐리어의 이동 거리는 동일하며, 흐르는 전류 분포는 거의 균일해져, 곡선 인자(CurveFill Factor)가 커진다. 또한, 수광 범위가 3차원적이며, 직사광 이외의 반사광, 확산광도 동시에 수광하기 때문에, 주위의 광의 이용도도 높으며 고출력을 얻을 수 있다.
다음으로, 바이패스 다이오드(40)에 대해 설명한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 바이패스 다이오드(40)는, 그 도전 방향을 제 1 기판(21)에 대해 직교 방향이 되도록 제 1 기판(21) 위에 고정되며, 10개의 태양전지 셀(32)에 도전 피막(31)과 도전 부재(48)를 통해 역병렬 접속되어 있다. 이 바이패스 다이오드(40)는, 태양전지 셀(32)과 동일한 직경과 높이를 가지는 원기둥 형상으로, n형 반도체(41)에 p형 불순물을 확산하여, p형 확산층(42)을 형성함으로써 pn접합(43)을 형성하며, n형 반도체(41)의 표면에 음전극(45)을, p형 확산층(42)의 표면에 양전극(46)을 각각 저저항 접촉시켜 설치한 것이다.
이 바이패스 다이오드(40)에 의해, 역병렬 접속한 동일한 클러스터(30) 내의 10개의 태양전지 셀(32)이 그늘 등에 의해 차광되어 기능이 정지했을 경우에, 이 기능 정지한 클러스터(30) 내의 태양전지 셀(32)에 다른 정상적으로 기능(발전)하고 있는 클러스터(30) 내의 태양전지 셀(32)에 기인하여 역방향으로 전압이 인가되어도, 이 바이패스 다이오드(40)가 전류를 바이패스함으로써, 역병렬 접속한 태양전지 셀(32)의 파괴나 손상으로부터 보호할 수 있어, 클러스터(30)의 부분 차광에 의한 모듈(20) 전체의 출력 감소를 최저한으로 유지할 수 있다.
다음으로, 도전 부재(48)에 대해 설명한다.
도 7~도 9에 도시한 바와 같이, 도전 부재(48)는, 은 도금한 구리합금으로부터, 예를 들면 직경 0.3㎜의 링 형상으로 형성된 금속선으로서, 도전성 페이스트(48a)를 통해 10개의 태양전지 셀(32)의 음전극(38)과 바이패스 다이오드(40)의 양전극(46)과 도전 접속편(53)을 접속하고 있다. 이 도전 부재(48)와 도전 피막(31)에 의해, 10개의 태양전지 셀(32)과 도전 접속편(53)이 전기적으로 병렬 접속되며, 태양전지 셀(32)에 대해 바이패스 다이오드(40)가 전기적으로 역병렬 접속되어, 하나의 링 형상 클러스터(30)가 구성된다.
다음으로, 복수의 클러스터(30)들을 전기적으로 접속하는 도전 구조에 대해 설명한다.
도 6, 도 7에 도시한 바와 같이, 복수의 클러스터(30)는, 복수행 복수열로 설치되며, 각 열의 복수의 클러스터(30) 각각에서의 도전 피막(31)은, 도 6, 도 7에서 하방에 인접하는 클러스터(30)의 도전 부재(48)에 도전 접속 부재(50)를 통해 직렬 접속되고, 각 행의 복수의 클러스터(30)에서의 복수의 도전 피막(31)은 가교 도전 피막(55)에 의해 병렬 접속되어 있다. 즉, 복수의 클러스터(30) 중 각 열의 클러스터(30)의 복수군의 태양전지 셀(32)은, 도전 접속 부재(50)를 통해 직렬 접속되며, 각 행의 클러스터(30)의 복수군의 태양전지 셀(32)은, 가교 도전 피막(55)을 통해 병렬 접속되어 있다.
도전 접속 부재(50)는, 도전 피막(31)에 연속하는 직선 형상의 도전 피막 연장부(51)와, 이 도전 피막 연장부(51)에 접속되며 클러스터(30)의 일부를 구성하는 도전 접속편(53)을 가지고 있다. 이 도전 피막 연장부(51)는, 도전 피막(31)과 마찬가지로 은 페이스트로 형성되어 있다. 도전 접속편(53)은, 원기둥 형상의 금속편으로, 바이패스 다이오드(40)와 동일한 직경과 높이를 가진다. 또한, 도전 피막 연장부(51)는 반드시 직선 형상일 필요는 없고, 의장에 따라 지그재그 형상이나 곡선 형상이어도 된다.
각 행의 복수의 도전 피막(31)을 전기적으로 접속하는 가교 도전 피막(55)이 설치되어 있다. 이 가교 도전 피막(55)은, 도전 피막(31)과 마찬가지로 은 페이스트로 형성된다. 또한, 가교 도전 피막(55)은 반드시 직선 형상일 필요는 없고, 지그재그 형상이나 곡선 형상이어도 된다. 각 열의 최하측의 클러스터(30)의 도전 피막(31)은, 도전 피막 연장부(51a)를 통해 양극 단자(23)에 접속되며, 최상측의 클러스터(30)의 도전 피막(31)의 분리 도전 피막부(31a)는 도전 피막 연장부(51b)를 통해 음극 단자(24)에 접속되어 있다.
이와 같이, 복수의 클러스터(30)가, 직렬·병렬 접속되어 있으므로, 일부의 클러스터(30)가 기능 정지했을 경우 등에 있어서도, 그 기능을 정지한 클러스터(30)를 우회하도록 다른 클러스터를 통해 전류가 흐르기 때문에, 그 외의 정상적인 클러스터(30)의 발전 기능이 정지하거나 저하하거나 하지 않고, 이 모듈(20) 전체의 출력 저하에 미치는 영향을 최저한으로 유지할 수 있다.
다음으로, 이 모듈(20)의 등가 회로도에 대해 설명한다.
도 11은, 이 모듈(20)에 있어서, 복수행 복수열의 매트릭스 형상으로 설치된 복수의 클러스터(30)를 가지는 경우의 등가 회로를 나타내는 것이다.
여기서, 예를 들면, 3행 4열로 설치된 복수의 클러스터(30)를 조립해 넣은 모듈의 출력에 대해 설명한다. 하나의 태양전지 셀(32)의 개방 전압이, 예를 들어 0.6V인 경우, 양극 단자(23)와 음극 단자(24) 사이에 4개의 클러스터(30)가 직렬 접속되어 있으므로, 2.4V의 전압이 발생한다. 그리고, 각 행의 각 클러스터(30)의 하나의 태양전지 셀(32)에 의해 발생하는 전류를 I로 하면, 3개의 클러스터(30)가 병렬 접속되어 있으므로, 양극 단자(23)로부터 30I의 전류가 유출된다.
즉, 3장의 모듈(20)이 조립되어 있는 태양전지 패널(1)에 있어서는, 7.2V의 전압이 발생하며, 출력 단자(9b)로부터 30I의 전류가 유출된다. 또한, 모듈(20)의 출력 전압을 올리려면, 클러스터(30)의 직렬 접속수를 증가시키며, 모듈(20)로부터의 출력 전류를 올리는 경우는, 클러스터(30)의 병렬 접속수를 증가시킴으로써 실현될 수 있다. 패널(1)에 있어서도 마찬가지로, 출력 전압을 올리려면, 모듈(20)의 직렬 접속수를 증가시키며, 모듈(20)로부터의 출력 전류를 올리는 경우도, 모듈(20)의 병렬 접속수를 증가시킴으로써 실현될 수 있다.
다음으로, 이 모듈(20)에 입사하는 광의 거동에 대해 설명한다.
도 12는, 이 모듈(20)에 입사하는 광의 거동을 나타내기 위하여, 일부를 확대 도시한 것이다. 입사광(a)은 제 2 기판(22)으로부터 제 1 기판(21)으로 통과하는 광이고, 입사광(b)은 제 2 기판(22)으로부터 태양전지 셀(32)에 직접 입사하는 광이며, 입사광(b')은 입사광(b)이 제 2 기판(22)에서 반사한 반사광이다.
입사광(c)은 제 2 기판(22)으로부터 입사되고 태양전지 셀(32) 주변의 도전 피막(31)에서 반사하여 태양전지 셀(32)에 입사하는 광이고, 입사광(d)은 태양전지 셀(32) 주변 이외에서 다중 반사하여 태양전지 셀(32)에 입사하는 광이고, 입사광(e)은 제 1 기판(21)으로부터 제 2 기판(22)으로 소통(素通)하는 광이고, 입사광(f)은 제 1 기판(21)으로부터 입사하며 제 2 기판(22)에서 반사하여 태양전지 셀(32)에 입사하는 광이며, 입사광(f')은 입사광(f)이 제 1 기판(21)에서 반사한 반사광이다. 즉, 실내로의 채광을 위해 기판(21, 22)을 통소하는 광을 제외하고, 기판(21, 22)에 수직으로 입사하는 광은 물론, 그 외 다양한 방향으로부터 입사되는 광도 태양전지 셀(32) 측으로 도입되기 쉬워지므로, 입사광의 이용 효율을 높일 수 있다.
이와 같이, 이들 복수의 태양전지 셀(32)은, 직접 입사되는 입사광 이외에, 기판(21, 22) 사이의 반사 및 산란에 의해 초래되는 다방향에서 입사하는 광도 흡수 가능하다. 특히, 은을 이용한 도전 피막(31)은, 전기 전도율과 광반사율은 높아지기 때문에, 배선에 의한 전기 저항 손실을 줄이면서 내부 반사에 의해 태양전지 셀(32)에 도달하는 광의 양을 증가시켜, 광기전력을 높이는 효과가 있다. 이 클러스터(30)에서의 태양전지 셀(32)이 원의 중심으로부터 방사상 등간격으로 배치되어 있기 때문에, 모듈(20)의 수광면의 수직축의 회전 방향 및 입사각에 대한 출력의 방향 의존성이 줄어들 수 있다.
다음으로, 이 채광형 태양전지 모듈(20)의 효과에 대해 설명한다.
이 모듈(20)에 따르면, 복수의 태양전지 셀(32)이 흡수한 광은 발전에, 복수의 태양전지 셀(32) 사이를 투과한 광은 실내로의 채광으로 할 수 있다. 모듈(20)로서의 발전량과 채광량의 비율은, 제 1 기판(21)에 대한 조립해 넣은 태양전지 셀(32) 전체의 투영 면적에 대해 의존한다. 즉, 강한 태양광을 완화시키는 경우에는, 태양전지 셀(32)의 배치 밀도에 따라 태양전지 셀(32) 전체의 투영 면적을 증가시켜, 발전량을 늘릴 수 있다.
이 모듈(20)에 따르면, 복수의 클러스터(30)를 배치하는 패턴을 자유롭게 설정할 수 있기 때문에, 복수의 클러스터(30)에 의해 의장성 높은 다양한 모양을 구성할 수 있다. 게다가, 상기 도전 피막(31)의 베이스로서 제 1 기판(21)의 표면에 선호하는 색 안료를 가한 세라믹 페이스트를 실크 스크린 인쇄하고 소성하여, 세라믹막(29)을 형성함으로써, 기판(21)의 하면(실내측)에서 봤을 때 다채롭고 아름다운 모양을 형성하는 것도 가능하다. 또한, 세라믹막(29)에 의해 태양전지 셀(32)이나 도전 피막(31)이 잘 보이지 않게 할 수 있다. 이 때문에, 광발전 기능 이외에 건축재로서의 의장성이 높은 모듈을 실현할 수 있다. 게다가, 세라믹막(29)을 형성함으로써, 도전 피막(31)과의 밀착성을 향상하는 동시에 유리 기판(21)의 강도를 향상할 수 있다.
이 모듈(20)에 따르면, 복수행 복수열의 매트릭스 형상으로 설치된 링 형상의 클러스터(30)가 기하학적인 도안을 표현하는 동시에, 태양광 발전과 채광을 조화시킨 창재로서 이용될 수 있어, 링 형상 클러스터(30)의 내경(內徑)과 외경(外徑), 및 이들 클러스터(30)의 간격은, 의장성, 광투과율, 발전 출력을 고려한 설계를 가능하게 한다.
이 모듈(20)에 따르면, 도전 피막(31)과 도전 접속 부재(50)와 가교 도전 피막(55)에 의한 배선은, 제 1 기판(21)의 수직 방향에서 봤을 때 태양전지 셀(32)이 가려지는 정도의 폭을 갖게 하여, 이 배선의 도안 혹은 무늬를 강조할 수 있도록 하며, 모듈(20)의 이측에서 봤을 때 의장성을 높게 하는 동시에, 표면으로부터 입사한 광을 반사시키며 태양전지 셀(32)의 수광량을 증가시켜 출력을 높일 수 있다.
이 모듈(20)에 따르면, 복수의 태양전지 셀(32)과, 복수의 도전 피막(31)의 크기는, 종래의 평판형 태양전지 셀이나 박막 태양전지 셀과 비교하면, 작고 좁게 분산 배치할 수 있기 때문에, 그 자체가 크게 시야를 방해하지 않으며, 균일한 채광성과 위화감 없이 내외의 경관을 볼 수 있는 시스루형 태양전지 모듈로서 이용할 수 있다.
이 모듈(20)에 따르면, 광투과성 기판(21, 22) 사이에 복수의 태양전지 셀(32)을 매립하며, 이 모듈(20)을 창재로서 사용함으로써, 독립한 태양전지 패널을 이용해 발전하는 경우와 비교하여, 유리 등의 부재 비용이나 설치에 걸리는 제비용을 저감할 수 있다. 또한, 제 1 기판(21) 위에, 복수의 구형상 태양전지 셀(32)이나 복수의 도전 피막(31)의 부재를 형성하여, 그 위에 제 2 기판(22)을 적재하므로, 제 2 기판(22)에는 부품을 형성할 필요가 없어 조립이 용이해진다.
실시예 2
이 실시예 2는, 상기 실시예 1의 복수의 클러스터(30)에서의 복수의 구형상 태양전지 셀의 배치 패턴을 변경한 채광형 태양전지 모듈(20A)의 예를 나타내는 것으로, 상기 실시예 1과 다른 구성에 대해서만 설명한다.
도 13~도 18에 도시한 바와 같이, 클러스터(30A)는, 눈의 결정과 같이 형성된 것으로, 제 1 기판(21) 위에 형성된 도전 피막(31A)과, 11개의 태양전지 셀(32A)과, 바이패스 다이오드(40A)와, 도전 접속 부재(50A)의 도전 접속편(53A)과, 이들 태양전지 셀(32A)과 바이패스 다이오드(40A)와 도전 접속편(53A)을 전기적으로 접속하는 도전 부재(48A)로 구성되어 있다. 또한, 이 클러스터(30A)를 형성하는 눈의 결정상이란, 내측 육각형과, 내측 육각형의 외측에 동심 형상으로 배치된 외측 육각형을 가지며, 클러스터의 중심과 내측 육각형의 6개의 정점과 외측 육각형의 6개의 정점을 6개의 방사상 직선으로 각각 연결한 패턴 형상이다.
도전 피막(31A)은, 제 1 기판(21) 위에, 중심점과 내측 육각형의 각 정점과 외측 육각형의 각 정점에 형성된 12개의 도트 형상 도전 피막(61)과, 각 도트 형상 도전 피막(61)을 클러스터(30A)의 중심으로부터 외측을 향해 연결하는 선 형상 도전 피막(62)으로 구성되어 있다. 이 도트 형상 도전 피막(61)은, 태양전지 셀(32)의 직경보다 직경이 크게 형성되어 있다. 선 형상 도전 피막(62) 중, 도전 접속편(53A)이 설치되는 도트 형상 도전 피막(61)과, 이 중심 방향에 인접하는 태양전지 셀(32A)이 접속되는 도트 형상 도전 피막(61) 사이의 선 형상 도전 피막(62)은 생략된다. 이 분리된 도트 형상 도전 피막(61)은, 도전 피막 연장부(51A)의 일단부와 일체적으로 형성되어 있다.
클러스터(30A)의 복수의 태양전지 셀(32A)은, 내측 육각형의 정점의 도트 형상 도전 피막(61)에 배치된 6개의 태양전지 셀(32A)과, 내측 육각형의 외측의 외측 육각형의 정점의 도트 형상 도전 피막에 배치된 5개의 태양전지 셀(32A)을 가지고 있다. 바이패스 다이오드(40A)는 내측 육각형의 중심부의 도트 형상 도전 피막(61)에 설치되어 있다. 즉, 11개의 태양전지 셀(32A)이 병렬 접속되며, 이들 태양전지 셀(32A)에 대해 바이패스 다이오드(40A)가 역병렬 접속되어 있다. 도전 부재(48A)는, 도전 피막(31A)에 대응하도록 눈의 결정상으로 형성되며, 이 도전 부재(48A)를 통해 태양전지 셀(32A)의 음전극(38)과 바이패스 다이오드(40A)의 양전극(46)과 도전 접속편(53A)이 전기적으로 접속되어 있다.
다음으로, 복수의 클러스터(30A)들을 전기적으로 접속하는 도전 구조에 대해 설명한다.
도 13, 도 14에 도시한 바와 같이, 복수의 클러스터(30A)는, 정삼각형 메시의 메시점에 내측 육각형의 중심부를 위치시키도록 복수행 복수열로 배치되고, 각 열의 복수의 클러스터(30A) 각각에서의 도전 피막(31A)은, 도 13, 도 14에서 하방에 인접하는 클러스터(30A)의 도전 부재(48A)에 도전 접속 부재(50A)를 통해 직렬 접속되며, 가교 도전 피막(55A)에 의해 열방향과 직교하는 방향으로 지그재그 형상으로 나란한 복수의 클러스터(30A)에서의 복수의 도전 피막(31A)이 전기적으로 병렬 접속되어 있다. 도전 접속 부재(50A)는 도전 피막(31A)에 연속하는 도전 피막 연장부(51A)와, 이 도전 피막 연장부(51A)의 일단부에 접속된 도전 접속편(53A)을 가지며, 도전 접속편(53A)은 외측 육각형의 정점에 배치되어 있다. 도전 접속편(53A)은, 금속제의 구형상으로 형성되어 있다.
다음으로, 이 모듈(20A)의 효과에 대해 설명한다.
이 모듈(20A)에 따르면, 11개의 태양전지 셀(32A)이 클러스터(30A)의 중심으로부터 60°의 간격을 두고 방사상으로 설치되어 있기 때문에, 모듈(20A)에 입사되어 오는 입사광에 대한 출력의 방향 의존성이 상기 실시예 1과 비교하여 적어진다.
행방향의 클러스터(30A)를 지그재그 형상으로 설치하고 있기 때문에, 직선 형상의 그늘에 의해 동일하게 병렬 접속된 모든 태양전지 셀(32A)이 기능 정지상태가 되는 사태를 감소시킬 수 있으므로, 바이패스 다이오드(40A) 대신에 태양전지 셀(32A)을 설치하여, 모듈(20A)의 출력을 높일 수 있다. 이 모듈(20A)의 표면 또는 이면에서는 도전 피막(31A)과 도전 부재(48A)에 의해 눈의 결정상과 같은 의장성이 있는 패턴이 관찰되며, 태양광을 포함하는 외래광을 효율 좋게 흡수하여 발전하는 태양전지 패널(1)로서 이용할 수 있다. 또한, 그 외의 효과는, 상기 실시예 1과 동일하므로 설명은 생략한다.
실시예 3
이 실시예 3은, 상기 실시예 1의 복수의 클러스터(30)에서의 복수의 구형상 태양전지 셀의 배치를 변경한 채광형 태양전지 모듈(20B)의 예를 나타내는 것으로, 상기 실시예 1과 다른 구성에 대해서만 설명한다.
도 19~도 25에 도시한 바와 같이, 이 클러스터(30B)는 횡방향으로 일직선 형상으로 형성된 것으로, 제 1 기판(21)의 내면에 형성된 도전 피막(31B)과, 복수의 구형상 태양전지 셀(32B)과, 바이패스 다이오드(40B)와, 도전 접속 부재(50B)의 도전 접속편(53B)과, 이들 태양전지 셀(32B)과 바이패스 다이오드(40B)와 도전 접속편(53B)을 전기적으로 접속하는 도전 부재(48B)로 구성되어 있다.
도전 피막(31B)은, 일직선 형상으로, 복수의 태양전지 셀(32A)에 대응하는 복수의 원형 도전 피막(64)과, 이들 원형 도전 피막(64)의 양측에 설치된 2개의 사각형 도전 피막(65)과, 도전 접속편(53B)이 접속되는 사각형 도전 피막(65)과 그에 인접하는 원형 도전 피막(64) 사이를 제외하고 사각형 도전 피막(65)과 원형 도전 피막(64) 및 원형 도전 피막(64)들을 접속하는 선 형상 도전 피막(66)을 가지고 있다. 이 도전 피막(31B)은, 종(縱)방향으로 일정한 간격을 두고 복수개 평행하게 제 1 기판(21) 위에 형성되어 있다. 또한, 제 2 기판(22B)의 내면측의 주변 부분(22a)은, 샌드 블라스트(sand blast) 가공에 의해 조면(粗面)으로 한 불투명 유리 형상으로 형성되어, 모듈(20B)의 표면으로부터 양극 단자(23) 및 음극 단자(24), 바이패스 다이오드(40B)나 도전 접속편(53B)을 관찰하기 어려운 상태로 되어 있다.
각 클러스터(30B)의 복수의 태양전지 셀(32B)은, 원형 도전 피막(64) 위에 일직선 형상으로 설치되며, 태양전지 셀(32B)의 양전극(37)이 접속되어, 사각형 도전 피막(65) 중 원형 도전 피막(64)으로부터 전기적으로 분리되어 있는 일방에 도전 접속편(53B)이 설치되며, 타방에 태양전지 셀(32B)과는 역병렬 접속되도록 바이패스 다이오드(40B)가 접속되어 있다. 도전 부재(48B)는 일직선 형상으로 형성되어, 이 도전 부재(48B)를 통해 태양전지 셀(32B)과 바이패스 다이오드(40B)와 도전 접속편(53B)이 전기적으로 접속되어 있다.
다음으로, 복수의 클러스터(30B)들을 전기적으로 접속하는 도전 구조에 대해 설명한다.
이 복수의 클러스터(30B)는, 도전 접속 부재(50B)를 통해 상측으로부터 하측을 향해 직렬 접속되어 있다. 최상단의 클러스터(30B) 우측의 사각형 도전 피막(65)은 도전 피막 연장부(51bB)를 통해 음극 단자(24)에 접속되며, 최하단의 클러스터(30B) 우측의 사각형 도전 피막(65)은 도전 피막 연장부(51aB)를 통해 양극 단자(23)에 접속되어 있다.
다음으로, 이 모듈(20B)의 효과에 대해 설명한다.
이 모듈(20B)은, 광이 투과할 수 있도록 태양전지 셀(32B)을 고정부착한 일직선 형상의 도전 피막(31B)을 간격을 두고 형성하여, 이 도전 피막 부분(31B)을 제외한 투과 부분의 면적에 따라 창재로서의 채광률을 결정할 수 있다. 표면 또는 이면으로부터 도전 피막(31B)과 도전 부재(48B)에 의해 의장성이 있는 패턴이 관찰되며, 태양광을 포함하는 외래광을 효율 좋게 흡수하여 발전하는 태양전지 패널(1)로서 이용할 수 있다. 또한, 그 외의 효과는, 상기 실시예 1과 동일하므로 설명을 생략한다.
실시예 4
이 실시예 4는, 상기 실시예 1~3의 구형상 태양전지 셀(32, 32A, 32B) 대신에 본 실시예의 태양전지 셀(32C)을 채용해도 된다. 또한, 이 경우, 상기 바이패스 다이오드를 태양전지 셀(32)로 치환할 수 있다. 도 26~도 28에 도시한 바와 같이, 이 태양전지 셀(32C)은, 구형상의 p형 실리콘 단결정(71)과, 실리콘 단결정(71)의 일단부에 형성된 평탄면(72)과, 이 평탄면(72)을 제외하고 실리콘 단결정(71)의 표면부에 형성된 n+확산층(73)과, 실리콘 단결정(71)의 중심을 사이에 두고 대향하는 양전극(75), 음전극(76)과, 실리콘 단결정(71)의 평탄면(72) 외면부에 양전극(75)을 향하도록 형성된 p+확산층(77)과, 태양전지 셀(32C)의 표면 중 양전극(75) 및 음전극(76) 이외의 부분을 커버하는 반사 방지막(78)을 구비하고 있다.
실리콘 단결정(71)의 표면부에는, 광기전력을 발생 가능한 pn접합으로서 기능하는 pn+접합(74)이 형성되어 있으며, 이 pn+접합(74)은, 평탄면(72)을 제외하고, 실리콘 단결정(71)의 표면으로부터 일정한 깊이 위치에 실질적으로 구면 형상으로 형성되어 있다. pn+접합(74)의 양단에는, 스팟(spot) 형상의 1쌍의 전극(75, 76)이 접속되어 있다. 양전극(75)의 외주 근방부 중 양전극(75)보다 실리콘 단결정(71)측 부분에는, 터널 효과에 의한 백워드 다이오드(backward diode) 특성을 가지는 p+n+접합(79)이 링 형상으로 형성되어 있다. 즉, 이 태양전지 셀(32C)의 등가 회로는, 도 28과 같다.
이 모듈에 따르면, 병렬 접속된 복수행 중 1행의 클러스터의 일부 또는 모든 태양전지 셀(32C)이 그늘에 들어가고, 태양전지 셀(32C)에 역전압이 인가되어도, 그 행의 태양전지 셀(32C)의 p+n+접합(79)을 통해 바이패스 전류가 흐른다(도 28 참조). 따라서, 복수의 클러스터를 메시 형상의 직렬병렬 회로에 의해 전기적으로 접속하여 이루어진 모듈에 있어서, 어떠한 패턴의 그늘이 발생해도, 발전 전력을 손실 없이 취출하는 것이 가능해져, 개개의 태양전지 셀에 악영향이 발생하지 않는다. 또한, 바이패스 다이오드를 필요로 하지 않으므로, 태양전지 셀의 수도 증가하여, 모듈의 출력을 높일 수 있다.
다음으로, 상기 실시예를 부분적으로 변경한 다양한 변경 형태에 대해 설명한다.
[1] 이 모듈의 출력 전력과 채광률(혹은 차광률)의 비율은, 주로 사용하는 복수의 태양전지 셀의 출력 전력 및 그 사용수와, 광투과성 제 1 기판 위에 설치한 복수의 도전 피막에 의한 차광 총면적에 의존하므로, 창재로서의 의장성을 높여 부가가치를 올리기 위하여, 복수의 태양전지 셀의 배치나 사용수는, 제 1 기판 위의 도전 피막의 도안 혹은 무늬에 대응하여 다양하게 설계할 수 있다.
[2] 이 모듈은, 이 채광형 태양전지 패널 이외에도, 이용이 기대되는 창재를 포함하는 건축재, 예를 들면, 유리창, 아트리움(atrium), 톱 라이트(top light), 커튼 월(curtain wall), 외관(facade), 캐노피(canopy), 루버(louver), 더블·스킨의 외면, 발코니의 난간, 고속도로나 철도의 방음벽 등에 적용할 수 있다.
산업상 이용 가능성
채광형 태양전지 모듈에 있어서, 복수의 구형상 태양전지 셀을 포함한 클러스터를 복수 설치하며, 각 클러스터를 링 형상이나 눈의 결정상 또는 일직선 형상으로 구성하여 복수의 클러스터를 설치함으로써, 채광률과 발전 능력의 비율 선택성의 허용폭을 향상시킬 수 있어, 창재로서의 의장성을 높일 수 있다.
1 : 태양전지 패널
3 : 외주 프레임
20, 20A, 20B : 채광형 태양전지 모듈
21 : 제 1 기판
22, 22B : 제 2 기판
23 : 양극 단자
24 : 음극 단자
27 : 조형재
29, 29A, 29B : 세라믹막
30, 30A, 30B : 클러스터
31, 31A, 31B : 도전 피막
32, 32A, 32B, 32C : 태양전지 셀
33 : 구형상 반도체층
34 : 평탄면
35 : 확산층
36 : pn접합
37 : 제 1 전극
38 : 제 2 전극
39 : 반사 방지막
40, 40A, 40B : 바이패스 다이오드
48, 48A, 48B : 도전 부재
50, 50A, 50B : 도전 접속 부재
51, 51A, 51B : 도전 피막 연장부
53, 53A, 53B : 도전 접속편
55, 55A : 가교 도전 피막

Claims (16)

  1. p형 또는 n형의 구(球)형상 반도체와, 상기 구형상 반도체의 표층부에 형성된 구면 형상의 pn접합과, 구형상 반도체의 중심을 사이에 두고 대향하도록 형성되며 상기 pn접합의 양단(兩端)에 접합된 1쌍의 제 1, 제 2 전극을 각각 가지는 복수의 구형상 태양전지 셀에 의해 발전하는 채광형 태양전지 모듈로서,
    광투과성 제 1 기판과,
    도전 방향을 제 1 기판과 직교 방향으로 정렬하며 복수행 복수열의 매트릭스 형상으로 설치된 복수의 클러스터(cluster)로 각각 동일한 배치 패턴이 되도록 그룹화된 복수의 구형상 태양전지 셀과,
    상기 제 1 기판의 내면에 복수의 클러스터에 대응시켜 형성되어, 복수의 클러스터 각각에서의 복수의 태양전지 셀의 제 1 전극이 전기적으로 병렬 접속된 복수의 도전 피막과,
    상기 복수의 클러스터 각각에서의 복수의 태양전지 셀의 제 2 전극이 전기적으로 병렬 접속된 복수의 도전 부재와,
    상기 복수의 클러스터에 대응하는 복수의 바이패스 다이오드(bypass diode)로서, 각 클러스터에서의, 상기 도전 피막 및 도전 부재를 통해 복수의 태양전지 셀과 병렬접속된 복수의 바이패스 다이오드와,
    상기 복수의 클러스터 각각에서의 도전 피막을, 소정 방향으로 인접하는 클러스터의 도전 부재에 전기적으로 접속하는 복수의 도전 접속 부재와,
    상기 제 1 기판에 대하여 복수의 태양전지 셀을 사이에 두고 평행하게 상기 복수의 도전 부재와 간격을 두고 배치된 광투과성 제 2 기판과,
    상기 제 1, 제 2 기판 사이에 충전되어 복수의 태양전지 셀과 복수의 도전 부재와 복수의 도전 접속 부재를 매립한 상태로 밀봉하는 광투과성 합성 수지 조형재를 구비한 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판의 일단부(一端部)에 상기 채광형 태양전지 모듈의 양극 단자를 설치하며, 제 1 기판의 타단부에 상기 채광형 태양전지 모듈의 음극 단자를 설치한 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지 셀은, 역(逆)전류를 바이패스하는 바이패스 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 접속 부재는, 도전 피막에 연속하는 도전 피막 연장부와 상기 도전 피막 연장부의 단부에 접속된 도전 접속편(片)을 가지며,
    상기 각 클러스터에서의 복수의 태양전지 셀과 상기 도전 접속편과 상기 바이패스 다이오드는 링(圓環) 형상으로 설치되며, 복수의 클러스터가 복수행 복수열의 매트릭스 형상으로 설치된 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 행 또는 각 열의 클러스터의 복수의 태양전지 셀은, 상기 도전 접속 부재를 통해 직렬 접속되며, 상기 복수열 또는 복수행의 클러스터 각각에서의 복수의 도전 피막을 전기적으로 접속하는 가교 도전 피막을 설치한 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 클러스터의 복수의 태양전지 셀은, 내측 육각형의 정점(頂点)에 배치된 6개의 태양전지 셀, 상기 내측 육각형의 외측의 외측 육각형의 정점에 배치된 5개의 태양전지 셀을 가지는 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 도전 접속 부재는 도전 피막에 연속하는 도전 피막 연장부와, 상기 도전 피막 연장부의 단부에 접속된 도전 접속편을 가지고, 상기 도전 접속편은 상기 외측 육각형의 정점에 배치되며,
    상기 바이패스 다이오드는 상기 내측 육각형의 중심부에 설치된 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 클러스터는, 정삼각형 메시(mesh)의 메시점에 상기 내측 육각형의 중심부를 위치시키도록 복수행 또는 복수열로 배치된 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수행 또는 복수열에서의 행 또는 열방향과 직교하는 방향으로 지그재그 형상으로 나란한 복수의 클러스터에서의 상기 복수의 도전 피막을 전기적으로 접속하는 가교 도전 피막을 설치한 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 각 클러스터의 복수의 태양전지 셀은 일직선 형상으로 설치된 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 기판은, 투명한 유리판으로 구성된 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 피막에 의해 채광이 차단되지 않은 채광 영역 전체의 면적에 차지하는 비율이 50% 이상인 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    복수장의 상기 채광형 태양전지 모듈을 금속제(製)의 외주(外周) 프레임에 조립함으로써 복수행 또는 복수열로 설치한 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 도전 피막의 베이스(下地)에 착색 및 패턴화한 도안의 세라믹막을 형성한 것을 특징으로 하는 채광형 태양전지 모듈.
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