KR101511406B1 - 비추적식 집광형 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
반사방지층의 굴절률이 상부로 갈수록 변경되고, 이를 통해 태양광의 반사율이 최소화될 수 있는 비추적식 집광형 태양전지 모듈이 개시된다. 반사방지층의 굴절률의 조절은 물질 내부의 동공의 밀도의 제어를 통해 달성된다. 반사방지층을 구성하는 다층의 박막은 하부에서 상부로 갈수록 굴절률이 감소하는 방향으로 형성되고, 이를 통하여 태양광의 반사율을 저감시킴으로써 광변환 효율이 향상된 비추적식 집광형 태양전지 모듈을 제공한다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비추적식 집광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양전지는 입사되는 빛을 전기에너지로 변환하는 장치이다. 특히, 태양전지는 화석연료의 사용이 배제된 상태에서 태양광만으로 발전동작을 일으킬 수 있는 청정 에너지원으로 각광받고 있다.
태양전지는 구성하는 물질 또는 광전변환을 위해 구비되는 기판의 종류에 따라 다양한 분류체계를 가진다. 통상적으로는 반도체 기판을 이용하여 p-i-n 접합의 구현에 의해 입사되는 광을 전자-정공 쌍으로 변환하고, 이를 전기적 신호로 이용하는 구성이 사용된다. 또한, 최근에는 다결정 실리콘 기판 상에 광발전 구조를 형성하고 있으며, 기판의 제약이 없는 박막형 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이외에도 광발전층에 염료를 사용하거나, 유기물을 사용하는 기술이 활발히 논의되고 있다.
태양전지의 성능을 평가하는 영역에서 가장 중요한 요소는 광전변환 효율이다. 이는 입사되는 광에 대해 전기 에너지가 어떠한 효율로 발생하는가를 평가하는 지표이다. 상술한 광전변환효율의 향상을 위해 광발전층의 재질, 전자전달층 또는 정공전달층의 구성에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
이외에도 입사되는 광을 적절한 수단을 동원하여 태양전지 각각의 셀에 집중적으로 공급하는 집광형 기술에 대한 논의도 상존한다.
종래의 집광형 태양전지 기술들은 입사되는 태양광을 집광기를 이용하여 가이드하고, 태양전지 셀에 집광하는 방식을 사용한다. 이를 위해 태양광을 집광하는 집광기는 거대한 집광 프레넬 렌즈로 구성되거나, 평판형 렌즈로 구성된다. 집광을 위한 프레넬 렌즈 또는 평판형 렌즈를 사용하는 경우, 태양광의 추적을 위해 정밀 추적장치가 구비되어야 한다. 이는 태양전지 자체의 생산단가를 상승시키며, 별도의 정밀 추적장치를 구동하기 위해 추가적인 전력이 소모되어야 함을 의미한다. 이는 전체적으로 태양전지의 발전효율을 감소시키는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 별도의 추적장치가 배제된 태양전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 이는 태양전지에 박막들이 구비되고, 형성된 다층의 박막을 통해 태양광의 집광효과를 얻고자 한다. 특히, 다층의 박막은 반사방지막을 구비하고 있으며, 이러한 반사방지막에 대한 논의가 진행중이다. 그러나 단층 박막을 사용할 경우 효율이 낮고, 낮은 굴절률을 가진 물질이 제한적이어서 태양광 모듈의 효율을 향상시키기 위한 코팅 구조의 제조에 어려움이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 반사방지 코팅구조를 통해 태양광의 반사율이 저감된 비추적식 집광형 태양전지 모듈을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입사광을 반사하고, 열을 방출하기 위한 반사층; 상기 반사층 상에 형성되고, 태양전지 셀이 장착되는 태양전지 하우징; 태양전지 하우징 상에 형성되고, 특정 파장대의 빛을 증폭시키는 파장분리형 나노패턴; 및 다공성 비율의 변화를 통해 굴절률이 변경되는 다수의 박막들로 구성된 반사방지층을 포함하는 비추적식 집광형 태양전지 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명의 상기 목적은, 태양전지 모듈에 있어서, 광전변환 동작을 수행하는 태양전지 하우징에 특정파장대의 태양광을 공급하기 위한 파장분리형 나노패턴; 및 상기 파장분리형 나노패턴 상에 형성되고, 상부로 갈수록 굴절률이 감소하며, 최상층의 굴절률은 공기의 굴절률과 동일한 비추적식 집광형 태양전지 모듈의 제공을 통해서도 달성된다.
상기와 같은 비추적식 집광형 태양전지 모듈은 태양전지 하우징 상에 파장분리형 나노패턴을 구비하고 있어, 특정 파장대의 빛을 추출하고 이를 증폭시킴으로써 태양광 발전의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기한 비추적식 집광형 태양전지 모듈은 파장분리형 나노패턴 상에 다수의 박막으로 형성된 반사방지층을 구비하고, 반사방지층을 구성하는 박막들은 상부로 갈수록 굴절률이 낮아지는 구성을 취하고 있어, 태양광의 반사율을 저감시키는 효과가 있다.
이를 통하여 본 발명은 태양광의 반사가 최소화되고, 특정 파장대에서 높은 에너지 밀도를 가진 빛을 집광함으로써, 태양전지 모듈의 에너지 변환 효율을 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비추적식 집광형 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 2는 상기 도 1에 도시된 반사방지층을 나타낸 단면도이다.
도 3은 상기 도 1 및 도 2의 반사방지층을 형성하기 위한 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition : PLD)의 일 실시 예를 도시한 개념도이다.
도 2는 상기 도 1에 도시된 반사방지층을 나타낸 단면도이다.
도 3은 상기 도 1 및 도 2의 반사방지층을 형성하기 위한 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition : PLD)의 일 실시 예를 도시한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
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 가지는 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.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비추적식 집광형 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 비추적식 집광형 태양전지 모듈은 반사층(100), 태양전지 하우징(110), 파장분리형 나노패턴(120) 및 반사방지층(130)을 포함한다.
반사층(100)은 입사되는 태양광을 반사시킨다. 또한, 반사층(100)은 태양전지 모듈에서 발생되는 열을 외부로 용이하게 방출시키도록 구성된다. 따라서, 상기 반사층(100)은 광반사 및 방열 기능을 동시에 수행함이 바람직하다. 상기 반사층(100)은 금속재질로 구성되며, 알루미늄을 포함함이 바람직하다.
상기 반사층(100) 상에는 태양전지 하우징(110)이 구비된다. 특히, 태양전지 하우징(110)은 태양전지 셀(113)을 포함하며, 태양전지 셀(113)의 외곽은 하우징(111)으로 보호된다. 하우징(111)은 태양전지 셀(113)을 외부 또는 상하부의 막질로부터 보호하기 위해 구비되는 것으로 재질이나 형상의 특별한 한정은 없다. 따라서, 태양전지 셀(113)은 하우징(111)의 내부에 장착되며, 하우징(111) 상의 홈 또는 공동(cavity)에 장착될 수 있다.
상기 태양전지 하우징(110) 상에는 파장분리형 나노패턴(120)이 구비된다. 상기 파장분리형 나노패턴(120)은 양자점 또는 나노로드의 형태로 구비될 수 있다. 또한, 파장분리형 나노패턴(120)은 입사되는 태양광에서 특정 파장대의 빛을 추출하고 이를 증폭하는 기능을 수행할 수 있다. 이는 파장분리형 나노패턴(120)을 광결정 패턴으로 형성하여, 광결정 패턴과 상응하는 파장대의 빛의 세기를 증폭함을 의미한다. 따라서, 파장분리형 나노패턴(120)의 형상과 재질은 태양전지 셀(113)의 구성에 따라 달리 설정될 수 있다. 예컨대, 태양전지 셀(113)이 500nm대역의 파장을 흡수할 수 있는 구조라면, 상기 파장분리형 나노패턴(120)은 500nm 대역 이하의 파장을 증폭할 수 있는 광결정 패턴을 가짐이 바람직하다.
또한, 상기 파장분리형 나노패턴(120)은 하나의 막질 상에 다양한 형태를 가질 수 있다. 즉, 하나의 막질 상에 다양한 파장대의 빛을 증폭할 수 있는 변화된 광결정 패턴들을 구비할 수 있다.
상기 파장분리형 나노패턴(120)의 상부에는 반사방지층(130)이 구비된다. 상기 반사방지층(130)은 다수의 박막들로 형성된다. 또한, 반사방지층(130)을 형성하는 다수의 박막들은 동일한 재질로 구성됨이 바람직하다. 다만, 각각의 박막들은 내부에 공동(pore)을 가진다. 박막 내의 공동의 밀도에 따라 박막의 굴절률은 변화된다. 이를 통해 동일 재질이라 하더라도, 굴절률이 변화되는 반사방지층(130)을 형성할 수 있다. 따라서, 반사방지층(130)은 투명재질이면서 다공성 물질로 구성된다. 상기 반사방지층(130)을 구성하는 박막들은 상부로 갈수록 굴절률이 낮아지는 구성을 취한다.
하부로 갈수록 굴절률이 증가하는 반사방지층(130)에 의해 입사되는 태양광의 반사율은 저감된다. 또한, 반사방지층(130) 하부의 파장분리형 나노패턴(120)에 의해 특정 파장대의 빛은 증폭된다. 이를 통해 반사가 최소화되고, 특정 파장대에서 높은 에너지 밀도를 가진 빛은 태양전지 셀에 입사된다. 따라서, 태양전지 모듈의 에너지 변환 효율은 증가한다.
도 2는 상기 도 1에 도시된 반사방지층을 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반사방지층(130)을 구성하는 각각의 박막이 개시되고, 각각의 박막에 상응하는 굴절률의 변화가 개시된다.
박막들은 제1 층(131)에서 제5 층(135)까지 5 개의 박막들이 형성된다. 다만, 박막들의 개수는 실시의 형태에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 제1층(131)의 굴절률을 n1 , 제2 층(132)의 굴절률을 n2 ,…, 제5 층(135)의 굴절률을 n5 라 지칭한다.
광학적 물질의 굴절률은 다른 광학적 부품의 성능에 영향을 미치는 요소이다. 또한, 굴절률은 굴절과 반사 효과뿐 아니라 물질에서의 빛의 위상과 속도에도 영향을 준다. 즉, 빛은 전파될 때 물질과 상호작용을 하여 서로 엇갈리는 전기장과 자기장이 형성되며, 이러한 상호작용을 통하여 굴절률이 결정되므로, 굴절률은 빛이 물질을 통과할 때의 작용 척도가 된다.
특히, 물질의 굴절률은 다공성 비율이 증가할수록 감소하는 특징이 있다. 따라서, 물질이 가지는 고유의 굴절률보다 낮은 굴절률을 구현하기 위해서는 물질 내부의 공동의 밀도를 증가시켜야 한다. 이는 박막의 형성의 곤란함을 유발할 수 있다.
본 실시예에서는 굴절률이 2.0부터 1.0으로 감소하는 방향으로 변화하는 다층박막을 형성하고, 약 570 nm 내지 1000 nm 의 파장영역에 대하여 0.5% 미만의 낮은 반사율을 구현한다. 이에 본 발명에서, 다층박막은 굴절률이 감소하는 방향으로 순차적으로 증착되며, 반사방지층(130)은 굴절률이 1.0 ~2.0에서 변화된다.
이외에도 본 실시예에서는 반사방지층(130)의 굴절률을 변화시키기 위해 다른 재질의 박막들을 순차적으로 형성할 수 있다.
예컨대, 굴절률이 2.0~1.5인 박막인 ZnO, Lu2O3, BeO 또는 MgAl2O4로 반사방지층(130)의 하부 박막으로 형성하고, 굴절률이 1.5~1.0인 박막인 BaF2, LiF 또는 SrF2를 상부 박막으로 형성할 수 있다.
따라서, 반사방지층(130)은 ZnO, Lu2O3, BeO, MgAl2O4, BaF2, LiF, SrF2 또는 이들의 조합을 포함하는 다수의 박막들로 구성된다. 즉, 반사방지층(130)은 도 2의 굴절률(n)의 변화에서 나타나는 바와 같이 n1 > n2 > … n4 > n5 인 5개의 박막으로 이루어진 다층박막구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에서의 반사방지층(130)은 증착되는 물질의 다공성(porosity) 비율을 변화시켜 굴절률이 점진적으로 감소하는 방향으로 순차적으로 증착될 수 있다. 이를 위해 반사방지층(130)은 ZnO, Lu2O3, BeO, MgAl2O4, BaF2, LiF, SrF2 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 3은 상기 도 1 및 도 2의 반사방지층(130)을 형성하기 위한 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition : PLD)의 일 실시 예를 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 펄스 레이저 증착 장치는 진공 챔버(200), 레이저(210), 반사 거울(220), 집광 렌즈(230), 산소/질소 조절장치(240) 및 진공 펌프(250)로 구성된다. 또한, 진공 챔버(200)에는 타겟 홀더(310)와 샘플 홀더(320)가 구비된다.
타겟 홀더(310)에는 증착 물질인 ZnO, Lu2O3, BeO, MgAl2O4, BaF2, LiF 또는 SrF2 등이 장착되고, 샘플 홀더(320)에는 박막을 형성시킬 샘플(330)이 위치한다. 또한, 증착 물질이 증착되는 방향을 조절하기 위하여 샘플 홀더(320)의 회전 각도(θ)가 변경될 수 있다.
즉, 타겟 홀더(310)에 장착된ZnO, Lu2O3, BeO, MgAl2O4, BaF2, LiF 또는 SrF2 등의 증착 물질에 레이저를 조사하면, 고체 상태의 증착 물질은 기체 상태로 변화되어, 샘플 홀더(320)에 장착된 샘플(330)에 증착된다.
또한, 펄스 레이저 증착은 산소/질소 조절장치(240)를 통하여 증착 물질이 산화물인 경우에는 산소로, 상기 증착 물질이 불소화합물인 경우에는 질소로 배경압력을 유지시킬 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 반사방지층(130)은 상부로 갈수록 굴절률이 감소하고, 최상층의 박막에서는 공기와 동일한 굴절률을 가지도록 구성된다. 이를 통해 반사방지층(130)에서의 태양광의 반사는 최소화된다. 또한, 파장분리형 나노패턴(120)의 구비를 통해 특정 파장대의 태양광은 증폭되며, 증폭된 태양광은 태양전지 셀(113)에 입사된다. 이를 통해 태양전지 모듈의 광전변환효율은 향상된다.
100: 반사층 110: 태양전지 하우징
111: 하우징 113: 태양전지 셀
120: 파장분리형 나노패턴 130: 반사방지층
131: 제1 층 132: 제2 층
133: 제3 층 134: 제 4층
135: 제5 층 200: 진공 챔버
210: 레이저 220: 반사 거울
230: 집광 렌즈 240: 산소/질소 조절장치
250: 진공 펌프 310: 타겟 홀더
320: 샘플 홀더 330: 샘플
111: 하우징 113: 태양전지 셀
120: 파장분리형 나노패턴 130: 반사방지층
131: 제1 층 132: 제2 층
133: 제3 층 134: 제 4층
135: 제5 층 200: 진공 챔버
210: 레이저 220: 반사 거울
230: 집광 렌즈 240: 산소/질소 조절장치
250: 진공 펌프 310: 타겟 홀더
320: 샘플 홀더 330: 샘플
Claims (12)
- 입사광을 반사하고, 열을 방출하기 위한 반사층;
상기 반사층 상에 형성되고, 태양전지 셀이 장착되는 태양전지 하우징;
상기 태양전지 하우징 상에 형성되고, 특정 파장대의 빛을 증폭시키는 파장분리형 나노패턴; 및
다공성 비율의 변화를 통해 굴절률이 변경되는 다수의 박막들로 구성된 반사방지층을 포함하되,
상기 반사방지층은
ZnO, Lu2O3, BeO, MgAl2O4, BaF2, LiF, SrF2 또는 이들의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비추적식 집광형 태양전지 모듈. - 제1항에 있어서, 상기 반사방지층은
하부에서 상부로 갈수록 굴절률이 감소하고, 상기 굴절률의 감소는 공동의 밀도의 증가에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 비추적식 집광형 태양전지 모듈. - 제1항에 있어서, 상기 반사방지층을 구성하는 박막들은
상호 동일한 물질로 구성되고, 공동의 밀도 차이에 의해 굴절률의 변화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 비추적식 집광형 태양전지 모듈. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 반사방지층을 구성하는 박막들은
적어도 2 종의 상이한 재질로 구성되고, 굴절률이 1.0 이상이고 1.5 미만이 요구되는 박막에는 BaF2, LiF 또는 SrF2를 포함하고, 굴절률이 1.5 이상이고 2.0 이하가 요구되는 박막은 ZnO, Lu2O3, BeO 또는 MgAl2O4를 포함하는 것을 특징으로 하는 비추적식 집광형 태양전지 모듈. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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KR20110042639A KR101511406B1 (ko) | 2011-05-04 | 2011-05-04 | 비추적식 집광형 태양전지 모듈 |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
KR20110042639A KR101511406B1 (ko) | 2011-05-04 | 2011-05-04 | 비추적식 집광형 태양전지 모듈 |
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ID=47510066
Family Applications (1)
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KR20110042639A KR101511406B1 (ko) | 2011-05-04 | 2011-05-04 | 비추적식 집광형 태양전지 모듈 |
Country Status (1)
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KR (1) | KR101511406B1 (ko) |
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
KR20090101395A (ko) * | 2008-03-23 | 2009-09-28 | 다이나믹솔라디자인 주식회사 | 다공성 반사 방지막을 갖는 광기전력소자 및 제조 방법 |
KR20120053403A (ko) * | 2010-11-17 | 2012-05-25 | 삼성전자주식회사 | 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
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2011
- 2011-05-04 KR KR20110042639A patent/KR101511406B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
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KR20120053403A (ko) * | 2010-11-17 | 2012-05-25 | 삼성전자주식회사 | 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
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