KR101791130B1 - 태양전지 모듈 - Google Patents

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김현기
문강석
윤원기
이헌민
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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로, 본 발명에 따른 태양전지 모듈은, 복수의 태양전지들과, 태양광이 입사하는 평면을 구비하고, 상기 태양전지들과 이격된 위치에 배치되며, 상기 입사된 태양광을 집광하여 출사하도록 형성되는 집광부, 및 상기 태양전지들의 사이에서 빛을 반사하도록 형성되는 반사부를 포함하며, 상기 집광부에서 집광된 태양광이 상기 집광부와 반사부의 사이에서 가두어지도록 상기 집광부에는 반사층이 형성되고, 상기 집광부와 상기 반사부의 사이에는 에어 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 특징으로 한다.

Description

태양전지 모듈{SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 태양광을 수광하여 전기를 발생시키는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 반도체 소자를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다. 그러나 태양전지는 제조 단가, 변환 효율 및 수명이 문제된다.
한편, 최근의 태양전지에 관한 연구는 태양전지의 효율 향상과 관련된 기술에 집중되고 있다. 일반적으로 태양전지는 기판 및 기판과 p-n 접합을 형성하는 에미터부를 포함하며, 기판의 한쪽 면을 통해 입사된 빛을 이용하여 전류를 발생시킨다. 이 경우에, 입사되는 빛의 양이 충분하여야 태양전지에서 원활한 전류 생산이 가능하므로, 최근에는 태양광을 집광하는 장치가 가지는 집광형 태양전지 모듈이 개발되고 있다.
집광형 태양전지 모듈에는 집광을 위한 광학 설계가 되어 있어 모듈의 두께가 두꺼워지며, 태양의 궤도 및 고도를 추적하기 위해 추가로 트레킹(tracking) 장치가 필요하다. 뿐만 아니라, 집광형 태양전지 모듈은 미스 얼라인이 발생하는 경우에 집광효율이 급감하며, 제작이 어려워 비용이 증가한다는 문제점을 가진다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 태양광을 집광하는 새로운 형태의 메커니즘에 대하여 제시한다.
본 발명의 일 목적은, 태양광을 집광하는 태양전지 모듈에서 발전효율을 증대하고 얼라인이 용이한 새로운 구조의 장치를 제시하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 태양전지 모듈에서 컴팩트한 구조임에도 집광 효율을 증가할 수 있는 집광 메커니즘을 구현하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 태양전지 모듈에서 양산성을 가지면서 제조비용을 저감하는 집광 메커니즘을 구현하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은, 광을 집광하고, 내부 반사를 이용하여 집광된 빛을 가두는 구조를 이용하여 셀과 렌즈의 얼라인 문제를 해결한다.
구체적으로, 상기 태양전지 모듈은, 복수의 태양전지들과, 태양광이 입사하는 평면을 구비하고, 상기 태양전지들과 이격된 위치에 배치되며, 상기 입사된 태양광을 집광하여 출사하도록 형성되는 집광부, 및 상기 태양전지들의 사이에서 빛을 반사하도록 형성되는 반사부를 포함한다. 상기 집광부에서 집광된 태양광이 상기 집광부와 반사부의 사이에서 가두어지도록 상기 집광부에는 반사층이 형성되고, 상기 집광부와 상기 반사부의 사이에는 에어 갭이 형성된다.
실시 예에 있어서, 상기 집광부는 상기 평면의 반대측에 배치되며 상기 태양전지를 향하여 볼록한 형상으로 형성되는 복수의 렌즈들을 구비한다. 상기 반사층은 상기 렌즈들의 적어도 일부를 덮도록 형성되어 상기 태양광을 집광하고, 상기 반사부에서 반사된 빛을 재반사한다. 상기 반사층에는 상기 입사된 태양광이 상기 렌즈들을 투과하여 출사되도록 복수의 슬릿들이 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 본 발명에 따른 태양전지 모듈은, 트레킹(tracking) 장치없이 단일 광학시트(집광기능)를 이용하여 태양의 궤도 및 고도의 모든 빛을 받아 집광을 할 수 있는 구조로 이루어진다. 구체적으로, 상기 렌즈들은 일방향으로 길게 연장되며, 상기 일방향과 수직한 타방향을 따라 순차적으로 배열된다. 이러한 예로서, 상기 렌즈들은 슬릿을 가지는 실린더 형태의 렌즈 (cylindrical lens) 로 형성되어 순차적으로 배열될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 집광부는 이종 굴절률을 가진 복수의 재질로 형성된다. 상기 집광부는 상기 평면의 반대면이 평면이며, 상기 이종 굴절률에 의하여 집광되는 플랫 렌즈로 형성되며, 상기 반대면에 상기 반사층이 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 반사부는, 베이스기판과 상기 베이스기판을 덮도록 배치되는 적어도 하나의 반사판을 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 에어 갭은 충전재가 없는 빈 공간으로 형성될 수 있다. 상기 반사부에는 적외선의 파장을 가시광선의 파장으로 변환시키는 파장변환물질이 도포될 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈에서는, 슬릿을 가지는 렌즈를 이용하여, solar tracking 장치 없이 집광을 가능하게 한다. 이 경우에, 남중고도 변화에 대해서 ±25 화각으로 대응하여 집광이 가능하며, 따라서 발전량이 증대될 수 있다.
또한, 슬릿 또는 개구를 이용하여 집광을 하므로, 태양전지 모듈이 보다 컴팩트 또는 슬림하게 제조될 수 있다. 또한, 에어 갭을 이용함에 따라, 큰 구조적 변화없이 집광부와 반사부의 사이에서 빛이 전반사 되어 태양전지로 입사할 수 있게 된다.
또한, 에어 갭을 이용함에 따라, 태양전지 셀의 외면에서 빛이 흡수되지 못하고 반사되는 것을 완화시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 태양전지 셀의 외면을 형성하는 코팅막보다 굴절률이 낮은 에어 갭 내에 태양전지 셀이 노출됨에 따라, 코팅막의 표면손실이 저감될 수 있다.
또한, 집광부와 반사부를 이용하여 빛을 가두는 구조이므로, 태양전지 셀과 렌즈의 얼라인 문제가 발생하지 않는다. 따라서, 셀의 크기 및 형상의 자유로움을 가질 수 있으며, 나아가 형상이나 크기가 다른 셀을 함께 사용하는 것도 가능하게 된다. 따라서 본 발명의 구조에 의하면, 빛을 집광하는 태양전지 모듈의 수율이 향상되어 양산성이 확보될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 태양전지 모듈이 파장변환물질을 이용하여 가시광선의 양을 증대할 수 있는 구조로서 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개념도.
도 2는 도 1의 집광부의 평면도.
도 3a은 도 2의 A 부분의 단면도.
도 3b는 도 2의 B 부분의 단면도.
도 3c는 태양전지 모듈의 내부에 에어 갭이 존재하는 경우와 매질이 채워지는 경우의 광 경로를 비교하는 비교도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예의 집광부에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예인 플랫 렌즈로 구현되는 집광부에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 집광부에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예의 집광부에 따른 태양전지 모듈의 평면도 및 단면도.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예의 반사부에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
도 9는 본 발명의 변형예들에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈에 대하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태이라도, 태양광을 이용하여 전류를 생산하는 장치에는 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개념도이다.
본 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈(100)은 태양전지(110), 집광부(120) 및 반사부(130)를 포함할 수 있다.
먼저, 태양전지(110)는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환부와, 광전 변환부에 전기적으로 연결되는 전극을 포함하여 형성된다. 본 실시예에서는 일례로 반도체 기판(일 예로, 실리콘 웨이퍼) 또는 반도체층(일 예로, 실리콘층)을 포함하는 광전 변환부가 적용될 수 있다.
이러한 태양전지(110)는 리본을 포함하며, 리본에 의하여 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 서로 인접한 제1 및 제2 태양 전지(111, 112)의 전극들이 리본에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 집광부(120)는 태양전지(110)의 전면상에 위치하며 태양광이 입사되는 전면기판이 될 수 있다. 이 경우에, 상기 집광부(120)는 상기 태양전지(110)와 이격된 위치에서 상기 태양전지(110)를 덮도록 배치되며, 태양광의 반사를 방지하고 투과율을 높이는 구조를 가지는 광학시트로서 구현될 수 있다. 또한, 상기 집광부(120)는 태양광을 집광하여 상기 태양전지 모듈의 내부로 가이드하는 광학적 기능을 수행하도록 형성된다. 상기 광학 시트는 두께가 10 mm 이하로 설정될 수 있다. 이 때에, 상기 집광부(120)는 광학적 기능 외에도 외부의 충격 등으로부터 태양전지(110)를 보호하는 역할을 하는 전면기판이 될 수 있다.
상기 반사부(130)는 상기 태양전지(110)의 후면을 지지하며 필름 또는 시트 등의 형태인 후면시트로서 구현될 수 있다. 후면 시트는 태양 전지(110)의 이면에서 태양 전지(110)를 보호하는 층으로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 한다. 후면시트는 필름 또는 시트 등의 형태로 구성될 수 있다. 이때, 반사부(130)는 집광부(120) 측으로부터 집광되어 입사된 태양광을 반사하여 재이용될 수 있도록 반사율이 우수한 재질이나 구조로 이루어질 수 있다.
상기 집광부(120)는 상기 반사부(130)에서 반사한 빛을 재반사하여 태양전지 모듈로 입사한 광을 상기 태양전지 모듈의 내부에서 가두는 기능(또는 전반사시키는 기능)을 발휘할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 상기 집광부(120) 및 반사부(130)가 서로 조합되어 상기 태양전지(110)의 발전 효율을 향상할 수 있다. 이하, 이러한 기능을 발휘하는 상기 집광부(120)와 반사부(130)의 상세한 구조에 대하여 도 1에 더하여, 도 2 내지 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 집광부의 평면도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 A 및 B 부분의 단면도들이며, 도 3c는 태양전지 모듈의 내부에 에어 갭이 존재하는 경우와 매질이 채워지는 경우의 광 경로를 비교하는 비교도이다.
도 1, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 집광부(120)는 태양광이 입사하는 평면(121)을 구비하고, 태양전지들(110)과 이격된 위치에 배치되며, 상기 입사된 태양광을 집광하여 출사하도록 형성된다.
도시에 의하면, 상기 집광부(120)가 태양전지 모듈의 외면을 형성하므로, 상기 평면(121)은 상기 태양전지 모듈의 외면을 형성한다. 상기 외면이 상기 평면(121)이므로, 빛이 입사하는 입사면이 먼지 등에 의하여 오염되는 것이 완화될 수 있다.
또한, 상기 집광부(120)에는 반사층(122)이 형성되어, 상기 반사부(130)에서 반사된 빛을 재반사한다. 이러한 구조를 통하여 상기 집광부(120)에서 집광된 태양광이 상기 집광부(120)와 반사부(130)의 사이에서 가두어진다.
보다 구체적으로, 상기 집광부(120)의 반사층(122)과 상기 반사부(130)가 서로 마주보도록 배치되며, 이를 통하여 태양전지 모듈의 내부에서 전반사 구조가 구현될 수 있다. 이 경우에, 상기 집광부(120)는 복수의 렌즈들(123)을 구비하며, 상기 반사층(122)은 상기 렌즈들(123)의 적어도 일부를 덮도록 형성되어 상기 태양광을 집광하고, 상기 반사부(130)에서 반사된 빛을 재반사한다. 예를 들어, 상기 복수의 렌즈들(123)은 상기 평면(121)의 반대측에 배치되며 상기 태양전지를 향하여 볼록한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 집광부(120)는 베이스부재(124)를 구비하고, 상기 베이스부재(124)에서 상기 렌즈들(123)이 돌출되도록 형성될 수 있다.
상기 베이스부재(124)는 광투과성 재질의 판형 시트로서, 유리(glass), PC (polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), Silicone 과 같은 폴리모 등의 재질로 형성될 수 있다. 또한, 태양광의 반사를 방지하고 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 들어간 저철분 강화유리가 될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 베이스부재(124)는 다른 물질 등으로 이루어질 수 있다.
상기 렌즈들(123)은 상기 베이스부재(124)의 하측에 형성되는 렌즈 형상이 될 수 있다. 따라서, 상기 렌즈들은 상기 베이스부재에 동일 재질로 일체화 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 렌즈들은 상기 베이스부재(124)의 하면에 부착되는 별도의 렌즈형상의 부재가 될 수 있다.
또한, 도시에 의하면, 상기 렌즈들은 상기 태양전지와 다수대 1의 비율로 매칭된다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 렌즈들은 상기 태양전지에 대하여 1대1의 비율로 구비될 수 있다.
상기 렌즈들(123)은 볼록렌즈로 형성되며, 상기 볼록렌즈에는 후면측(태양전지 셀과 인접한 부분)에 미러가 코팅되어 상기 반사층(122)을 형성할 수 있다. 다른 예로서, 상기 반사층(122)은 반사시트나 반사필름이 상기 렌즈들(123)에 부착됨에 의하여 형성될 수 있다.
상기 반사층(122)은 볼록렌즈의 볼록한 형상을 따라서 형성되며, 이는 태양광이 입사하는 방향을 따라서 폭이 점차 좁아지는 오목한 형상을 이루게 된다. 이 경우에, 상기 볼록렌즈의 두께 및 면적은 focal length 를 기준으로 설정될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 빛은 입사하면서 상기 반사층(122)에서 반사되면서 볼록렌즈의 하측단부를 향하여 집속할 수 있게 된다. 또한, 상기 볼록렌즈의 측면에는 미러 코팅이 수행되어, 상기 볼록렌즈의 하측단부에는 미러 코팅이 없는 부분이 형성될 수 있다. 이러한 구조는 상기 렌즈들(123)의 외면에 미러코팅을 할 때에 단부의 일부분을 제외하고 코팅하여 구현될 수 있다. 이를 통하여, 상기 반사층(122)에는 상기 입사된 태양광이 상기 렌즈들(123)을 투과하여 출사되도록 복수의 개구(aperture)가 형성된다.
도시에 의하면, 상기 개구는 상기 미러 코팅된 부분에서 빛을 통과하는 틈새를 형성하므로, 슬릿(slit)이 될 수 있다. 즉, 상기 반사층(122)에는 상기 입사된 태양광을 통과시키는 슬릿들(125)이 형성된다.
상기 슬릿들(125)은 상기 반사층을 코팅할 때에, 해당 부분을 마스킹함에 의하여 형성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 반사층이 반사시트나 반사필름으로 형성되는 경우에는, 상기 슬릿들(125)은 상기 반사시트나 반사필름을 원하는 폭으로 타공함에 의하여 형성될 수 있다. 이 때에, 타공은 knife 또는 laser 가공에 의하여 수행될 수 있다. 이 경우에, 상기 볼록렌즈는 평행광을 집광하여 상기 슬릿들(125)에서 모이도록 형성될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 렌즈들(123)의 조리개(stop)는 상기 슬릿들(125)에 위치하며, 빛이 상기 슬릿들(125)에 초점이 맞춰질 수 있다. 또한, 상기 렌즈들(123)의 각각은 상기 슬릿들(125)의 각각을 마주보도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 볼록렌즈들와 상기 슬릿들(125)은 일대일로 대응할 수 있다. 이와 같이 본 예시에서는 렌즈에 슬릿을 형성하기에, 각도에 대한 자유도가 증대하여 태양전지를 별도로 얼라인(align)할 필요가 없는 장점을 가지게 된다.
보다 구체적인 예로서, 상기 슬릿들(125)은 반사층(122)에서 틈새를 형성하게 되며, 상기 슬릿들(125)을 통하여 빛이 투과된다. 이 경우에, 상기 슬릿들(125)은 일방향으로 길게 연장되며, 상기 일방향과 수직한 타방향을 따라 순차적으로 배열된다. 따라서, 상기 렌즈들(123)은 상기 일방향으로 길게 연장되며, 상기 타방향을 따라 순차적으로 배열될 수 있다. 따라서, 상기 렌즈들(123)은 각각 실린더 형상의 렌즈로 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 일방향은 동서방향이 될 수 있으며, 상기 타방향은 남북방향이 될 수 있다. 따라서 시간에 따른 태양의 위치에 관계없이 상기 슬릿들(125)은 항상 태양을 바라볼 수 있게 된다. 보다 구체적으로, 이러한 구조에 의하면, 태양의 남중고도의 변화에 관계없이 집광이 가능하게 된다. 이는 봄이나 가을에 빛이 수직으로 입사하도록 태양전지 모듈을 설치하면, 여름이나 겨울에 빛이 경사진 방향으로 입사되나, 반사층에서 빛이 반사되어 상기 하측단부를 향하여 집속되기 때문이다.
이 경우에, 상기 베이스부재(124) 및 렌즈들(123) 중 적어도 하나는 Gradient-index (GRIN) 광학 재질로 형성되는 것도 가능하다. GRIN 광학 재질은 굴절률이 점진적으로 변화는 재질로서, 태양광의 입사방향을 따라 굴절률이 포물선의 구배를 가지도록 형성될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 상기 태양광은 상기 집광부의 두께방향을 따라 진행하면서 보다 용이하게 상기 슬릿에 집광될 수 있다.
한편, 상기 슬릿들(125)의 크기는 상기 렌즈들(123)의 직경의 60% 이내로 설정될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 슬릿들(125)의 크기는 상기 렌즈들(123)의 직경의 10 내지 60 % 가 될 수 있다. 보다 구체적으로, 슬릿의 폭이 렌즈 직경의 0.1% 이내가 되면 제작이 매우 어렵고, 슬릿의 폭이 렌즈 직경의 5% 를 넘어가면 집광효율이 현저히 떨어지게 된다. 따라서, 상기 슬릿들(125)의 각각의 폭은 상기 렌즈들(123)의 각각의 직경의 0.1 내지 5 % 가 될 수 있다. 이를 통하여 상기 슬릿들(125)의 면적은 상기 평면의 면적의 5 % 이내로 설정될 수 있다. 본 구조에 의하면, 슬릿들(125)의 면적이나 크기가 더 이상 크지 않아도 집광효율이 충분히 확보될 수 있다.
또한, 상기 렌즈들(123)에서 상기 슬릿들(125)에 해당하는 부분에는 상기 평면을 향하여 리세스되는 홈(126)이 형성될 수 있다. 상기 홈(126)은 얼라인 마크를 이용하여 렌즈 광축과 슬릿 중심을 일치시킴에 의하여 형성될 수 있다.
상기 홈(126)은 상기 슬릿들의 적어도 일부에 형성될 수 있으며, 바닥이 곡면으로 형성될 수 있다. 상기 슬릿들과 마찬가지로 상기 일방향을 따라 길게 형성될 수 있다. 상기 홈(126)에 의하여 상기 슬릿들(125)에 집속된 빛이 태양전지를 향하여 보다 퍼져나갈 수 있게 된다.
한편, 도시에 의하면, 상기 반사부(130)는 베이스기판(131)과 반사판(132)을 구비할 수 있다.
상기 베이스기판(131)은 상기 태양전지를 지지하는 기판으로서, 유리(glass), PC (polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate) 등의 재질로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 베이스 기판(131)은 상기 태양 전지(110)를 보호하는 층으로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 하도록, TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입이거나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 적어도 일면에 폴리불화비닐리덴(poly vinylidene fluoride, PVDF) 수지 등이 형성된 구조일 수 있다.
상기 반사판(132)은 상기 베이스기판(131)의 상면에 부착되는 판형 반사시트이거나 상기 상면에 코팅되는 코팅막이 될 수 있다. 이 때에, 상기 태양전지들은 베이스기판(131)의 일면에 장착되고, 상기 반사판(132)은 상기 일면상에 형성될 수 있다. 도시에 의하면, 상기 반사판(132)은 상기 베이스 기판(131)의 상면에 전체적으로 형성되며, 상기 반사판(132)의 상면에 상기 태양전지가 배치될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 반사판(132)이 상기 태양전지들의 사이를 지나가는 빛을 반사하게 된다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 베이스 기판(131)의 상면에 태양전지들이 배치되고, 태양전지들의 사이에 상기 반사판(132)이 배치되는 구조도 가능하다. 이에 대해서는 도 7b를 참조하여 설명하는 다른 실시예의 태양전지와 반사판 구조를 예시하여 보다 상세히 설명한다.
이 때에, 상기 반사판(132)은 복수의 돌기(133)를 구비할 수 있다. 상기 복수의 돌기(133)에 의하여 상기 반사판(132)에는 주름이나 요철 구조가 구현될 수 있으며, 이를 통하여 빛이 보다 넓은 범위로 반사될 수 있게 된다.
상기 반사부(130)에서 반사된 빛은 상시 집광부(120)에서 상기 슬릿들(125)를 제외한 영역에서 재반사될 수 있다. 이러한 구조에 의하여 상기 집광부(120)를 투과한 빛은 상기 집광부(120)와 상기 반사부(130)의 사이에 가두어지게 된다. 즉, 상기 집광부(120)를 투과한 빛은 상기 태양전지 모듈의 내부에서 재순환(recycle)되면서 태양전지의 셀로 흡수될 수 있다.
이 경우에, 상기 집광부(120)와 반사부(130)의 사이에는 에어 갭(140)이 형성된다. 상기 에어 갭(140)은 충전재가 없는 빈 공간으로 형성될 수 있다. 이 때에, 상기 빈 공간에는 에어만이 존재하거나, Ar 등과 같은 불활성기체가 충전되거나, 또는 에어와 불활성기체가 혼합되어 충전될 수 있다. 태양전지 모듈은 빈 공간을 수지 등의 재질을 이용하여 채우는 구조가 일반적이나, 본 예시에서는 전술한 구조의 집광부와 반사부의 사이에 에어나 불활성기체가 존재하는 빈 공간이 형성됨에 따라, 굴절률 차이에 의하여 빛이 누수되는 것이 완화 또는 방지될 수 있다. 에어의 굴절률이 약 1 이고, 집광부의 굴절률은 이보다 큰 값(예를 들어, 1.3 내지 1.5)으로 설정되며, 슬릿에서 빛이 빠져나는 것을 완화 또는 방지할 수 있게 된다.
또한, 집광부에서 집광된 빛이 에어로 진입하게 되므로, 집광부에서 태양전지를 향하여 굴절되는 각도가 굴절률이 에어보다 높은 매질이 상기 빈 공간을 채우는 경우 보다 증대될 수 있다. 이를 통하여, 빛의 태양전지를 향하여 보다 집광되는 효과가 발휘될 수 있다.
한편, 상기 빈 공간에 에어가 존재함에 따라 태양전지로 입사되는 빛의 손실이 저감될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 불활성 기체가 충전되어, 상기 빈 공간에는 상기 불활성 기체가 존재할 수 있다. 도 3c를 참조하면, 태양전지 모듈의 내부에 에어 갭이 존재하는 경우에 굴절률이 낮은 에어에서 굴절률이 높은 반사 방지막으로 빛이 입사하므로 빛의 흡수가 보다 용이하게 됨을 알 수 있다.
본 예시의 태양전지는, 갈륨비소 태양전지나 실리콘 태양전지가 될 수 있으며, 외면에 반사 방지막이 형성되는 구조가 될 수 있다. 본 예시에서는 태양전지가 갈륨비소 태양전지인 경우를 주된 실시예로서 설명한다.
예를 들어, 갈륨비소 태양전지(110)는, GaAs 층(110a)의 외면에 GaAs 보다 굴절률이 낮으나 에어보다 굴절률이 높은 반사 방지막이 형성되는 구조가 될 수 있다. 다른 예로서, 실리콘 태양전지는 Si 층의 외면에 반사 방지막이 형성되는 구조도 가능하다. 예를 들어 반사 방지막의 재료로는 SiOx, SiNx, AlxOy, MgF2, ZnS 등 태양전지에서 일반적으로 사용되는 재료로 구성될 수 있다. 이 때 반사 방지막은 단일층으로 사용될 수 있으며, 셀 내 빛의 흡수율을 보다 증가시키기 위하여 복수의 층을 형성할 수도 있다. 이 경우에, 반사 방지막은 ZnS 의 제1층(110b)과 MgF2 의 제2층(110c)을 구비할 수 있다.
도 3c는 일반적인 태양전지를 간단하게 도시한 것이다(전극은 도시하지 않음).
도 3c의 (a)를 참조하면, GaAs 의 굴절률이 약 3.4이고, ZnS의 굴절률이 약 2.38이고, MgF2의 굴절률이 약 1.38이며, MgF2를 덮는 에어의 굴절률이 1이므로, 에어 갭(140)에서 제2층(110c), 제1층(110b) 및 GaAs 층(110a)로 차례로 입사할 때, 굴절률이 빛의 경로를 따라 점차적으로 증가하므로 빛의 손실이 매우 적게 된다.
반면에, 도 3c의 (b)와 같이, 에어 대신에 매질이 채워지는 경우에는 MgF2와 상기 매질간의 굴절률 차이가 거의 없거나, 또는 마이너스의 차이가 발생하게 된다. 이 경우에, 태양전지의 반사 방지막에 표면 손실이 증대될 수 있다. 이러한 예로서, 매질이 폴리머(P)인 경우, 굴절률이 약 1.3~1.5이다. 따라서, 폴리머(P)에서 제2층(110c)로 입사할 때, 폴리머와 MgF2의 굴절률 차이가 거의 나지 않거나, 마이너스 굴절률이 되므로 태양전지의 표면에서 빛의 반사가 보다 증대하게 된다.
실리콘 태양전지의 경우도 마찬가지로 태양전지 상에 형성되는 반사 방지막이 태양전지보다 더 낮은 굴절율을 가진 물질(일 예로 SiNx)이 단층 혹은 복수의 층으로 구성되어 태양전지 내로 빛을 더 많이 흡수할 수 있다.
한편, 상기 에어 갭의 두께는 태양전지의 폭(W)의 1/2 이상이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 태양전지 또는 반사판과 슬릿까지의 거리(H)는 태양전지 폭(W)의 1/2 이상이 될 수 있으며, 이를 통하여 빛을 전반사하는 공간이 충분히 확보될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 집광부(120)와 반사부(130)의 거리는 50mm 이하가 될 수 있다.
또한, 상기 집광부(120)와 반사부(130)의 가장자리에는 상기 에어 갭(140)을 실링하는 실링부재(150)가 배치될 수 있다. 이 때에, 상기 실링부재(150)에는 고 내습 소재가 적용된 이중 실링 구조가 적용될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 실링부재(150)는 외측에 배치되는 제1부재(151)와 내측에 배치되는 제2부재(152)를 포함할 수 있다.
상기 제1부재(151)는 열가소성 전분(TPS,Thermoplastic starch), 실리콘, 열가소성 탄성체(TPE, thermoplastic elastomer) 등의 재질로 형성되며, 상기 베이스 기판(131)에 장착되어 상기 집광부(120)를 지지하도록 형성된다. 이를 통하여 상기 제1부재(151)는 상기 태양전지 모듈의 외측벽을 형성할 수 있다.
상기 제2부재(152)는 폴리아이소뷰틸렌(PIB, Polyisobutylene) 등과 같은 고무 재질에 흡습제가 혼입된 형태로 이루어질 수 있다. 상기 제2부재(152)는 상기 제1부재(151)와 마찬가지로, 상기 베이스 기판(131)에 장착되어 상기 집광부(120)를 지지하도록 형성되며, 상기 제1부재(151)의 내측벽에서 상기 제1부재(151)와 밀착하도록 이루어진다. 이 경우에, 상기 반사부(130)의 반사판(132)은 상기 제2부재(152)의 내측벽을 덮도록 상기 베이스 기판(131)에서 상기 집광부(120)를 향하여 연장되는 연장부(132a)를 가질 수 있다.
상기 실링부재(150)는 상기 베이스기판(131)이나 반사판(132)에 상기 태앙 전지의 셀이 결합된 후에, 상기 집광부(120)를 포함하는 전면기판을 접합함에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 집광부(120)는 별도로 제작되며, 상기 실링부재(150)가 상기 베이스기판(131)에 부착된 후에, 상기 집광부(120)가 상기 실링부재(150)와 접합되며, 이를 통하여 에어 갭이 형성된다.
상기에서 설명된 구조를 통하여 에어 갭을 가지면서, 가장자리에서 반사, 실링 및 흡습 구조를 가지는 태양전지 모듈이 구현될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 태양전지 모듈은, 슬릿을 가지는 렌즈를 이용하여, solar tracking 장치 없이 집광을 가능하게 한다. 또한, 집광부와 반사부를 이용하여 빛을 가두는 구조이므로, 태양전지 셀의 크기 및 형상의 자유로움을 가질 수 있으며, 나아가 형상이나 크기가 다른 셀을 함께 사용하는 것도 가능하게 된다.
한편, 상기에서 설명된 본 발명의 태양전지 모듈에서 집광 효율을 보다 향상시키는 구조의 변형도 가능하다. 이러한 예로서, 전술한 홈(126)이 없는 구조도 가능하다. 이하, 이러한 구조에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예의 집광부에 따른 태양전지 모듈의 단면도이다.
본 예시의 태양전지 모듈은 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 예시와 마찬가지로, 태양전지(110), 집광부(120) 및 반사부(130)를 포함할 수 있으며, 태양전지(110)와 반사부(130)는 전술한 예시와 동일한 구조가 될 수 있으며, 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다. 또한, 집광부(120)에서 태양광이 입사하는 평면(121)과, 복수의 렌즈들(123), 반사층(122), 및 슬릿들(125)의 구조는 전술한 예시와 동일한 구조가 될 수 있으며, 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
본 도면을 참조하면, 상기 렌즈들(123)에서 상기 슬릿들(125)에 해당하는 부분에는 상기 태양전지를 향하여 돌출되는 돌기(127)가 형성될 수 있다. 상기 돌기(127)는 상기 슬릿들의 적어도 일부에 형성될 수 있으며, 상기 렌즈들(123)의 끝단에서 돌출되며, 상기 태양전지를 향하는 방향을 따라 폭이 점차적으로 좁아지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 돌기(127)는 상기 슬릿들과 마찬가지로 일방향을 따라 길게 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 구조에 의하면, 상기 돌기(127)에 의하여 상기 슬릿들(125)에 집속된 빛이 태양전지를 향하여 보다 용이하게 퍼져나갈 수 있게 되며, 상기 에어 갭에서 상기 슬릿들(125)을 통하여 외부로 누수되는 빛이 차단될 수 있게 된다.
한편, 상기에서 설명된 본 발명의 태양전지 모듈은 실린더 형상 구조의 볼록렌즈를 가지는 것을 기준으로 설명하였으나, 다른 형태로 변형될 수 있다. 이하, 이러한 집광부의 다른 실시예들을 가지는 태양전지 모듈의 구조에 대하여 설명한다. 도 5a 내지 도 7b는 본 발명의 다른 실시예의 집광부들에 따른 태양전지 모듈의 단면도들이다.
도 5a 및 도 5b의 도시에 의하면, 집광부는 입사면과 출사면이 평면인 플랫 렌즈의 형태로 이루어질 수 있다. 이 경우에, 태양전지 모듈은 전술한 예시와 마찬가지로, 태양전지(110), 집광부(220) 및 반사부(130)를 포함할 수 있으며, 태양전지(110)와 반사부(130)는 전술한 예시와 동일한 구조가 될 수 있으며, 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
본 예시의 집광부(220)는 상기 태양전지(110)와 이격된 위치에서 상기 태양전지(110)를 덮도록 배치되며, 이종 굴절률을 가진 복수의 재질로 형성된다.
상기 집광부(220)는 태양광이 입사하는 평면(221)을 구비하고, 태양전지들(110)과 이격된 위치에 배치되며, 상기 입사된 태양광을 집광하여 출사하도록 형성된다.
도시에 의하면, 상기 집광부(220)가 태양전지 모듈의 외면을 형성하므로, 상기 평면(221)은 상기 태양전지 모듈의 외면을 형성한다. 상기 외면이 상기 평면(221)이므로, 빛이 입사하는 입사면이 먼지 등에 의하여 오염되는 것이 완화될 수 있다. 이 때에, 상기 평면(221)은 외측 평면으로 지칭될 수 있다.
또한, 상기 집광부(220)는 상기 평면(221)의 반대면이 평면(227, 이하, 내측 평면이라 한다)이며, 상기 이종 굴절률에 의하여 집광되는 플랫 렌즈로 형성된다.
이러한 예로서, 도 5a와 같이, 이종 굴절률의 재질에 의하여 형성되는 제1부분(228a)과 제2부분(228b)이 집광부(220)의 길이방향(두께방향과 수직한 방향)을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 이 때에, 상기 제1부분(228a)과 제2부분(228b)은 일정한 간격으로 순차적으로 배치된다.
상기 제1부분(228a)는 고굴절률을 가지는 부분이고, 상기 제2부분(228b)는 저굴절률을 가지는 부분이며, 굴절률은 1.2 내지 3.4 의 범위에서 결정될 수 있다. 즉, 저굴절률은 1.2 이상이고 고굴절률은 3.4 이하가 될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 집광부(220)의 내측 평면(227)에 반사층(222)이 형성될 수 있다. 즉, 평판 형태의 베이스부재(224)가 빛을 집광하는 렌즈로서 구성되고, 상기 반사층(222)은 베이스부재(224)의 내측 평면(227)의 적어도 일부를 덮도록 형성되어 상기 태양광을 집광하고, 상기 반사부(130)에서 반사된 빛을 재반사한다.
상기 반사층(222)은 상기 베이스부재(224)의 하면에 부착되는 반사시트이거나 상기 내측 평면(227)에 미러 코팅되는 코팅막이 될 수 있다. 상기 반사시트의 경우에, 폴리에틸렌 테레프탈염산 반사시트인 MCPET 을 이용하여 제조될 수 있다.
이 경우에, 상기 반사층(222)이 복수의 영역으로 구획되며, 각 영역들의 사이에는 틈새가 형성될 수 있다. 상기 틈새에 의하여, 상기 반사층(222)에는 복수의 슬릿들(225)이 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 슬릿들(225)은 일방향으로 길게 연장되며, 상기 일방향과 수직한 타방향을 따라 순차적으로 배열된다. 상기 제1부분(228a)과 제2부분(228b)은 상기 타방향을 따라 순차적으로 배열되며, 이를 통하여 태양광이 슬릿들(225)을 향하여 집광될 수 있다. 이 때에, 상기 일방향은 동서방향이 될 수 있으며, 상기 타방향은 남북방향이 될 수 있다. 따라서 시간에 따른 태양의 위치에 관계없이 상기 슬릿들(225)은 항상 태양을 바라볼 수 있게 된다.
다른 예로서, 도 5b와 같이, 이종 굴절률의 재질에 의하여 형성되는 제1부분(328a)과 제2부분(328b)이 집광부(320)의 두께방향을 따라 차례로 배치될 수 있다.
상기 제1부분(328a)는 고굴절률을 가지는 부분으로서 상측에 배치되며, 상기 제2부분(328b)는 저굴절률을 가지는 부분으로서 하측에 배치될 수 있다. 도 4의 실시예와 마찬가지로, 상기 제1부분(328a)과 제2부분(328b)의 굴절률은 1.2 내지 3.4 의 범위에서 결정될 수 있다.
이 때에, 상기 제1부분(328a)은 복수의 볼록렌즈들을 구비할 수 있으며, 태양광의 집속을 위하여, Gradient-index (GRIN) 광학 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1부분(328a)에서는, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 예시처럼, 상측은 평면이고 하측에는 볼록한 면이 형성될 수 있다.
상기 제2부분(328b)은 상기 볼록렌즈들의 사이를 메우도록 상기 볼록렌즈들을 덮도록 형성된다. 이러한 구조를 통하여 상기 제2부분(328b)가 내측 평면(327)을 형성하게 된다. 상기 내측 평면(327)에 반사층(322)이 형성되며, 상기 반사층의 상기 복수의 볼록렌즈들에 대응하는 위치에 슬릿들(325)이 형성될 수 있다.
상기에서 설명된 구조에 의하면, 집광부가 플랫 렌즈로 구현될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 집광부의 또 다른 예들에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
또 다른 예로서, 도 6을 참조하면, 상기 집광부(420)는 어안 렌즈(423, fisheye lens)를 구비할 수 있다. 상기 어안 렌즈는 일방향으로 길게 연장되고, 상기 일방향과 수직한 타방향으로 순차적으로 배치되며, 따라서 실린더 형태로 이루어질 수 있다.
상기 어안 렌즈(423)의 하측에는 슬릿들을 구비한 반사시트(422)가 배치되며, 이 경우에 상기 반사시트(422)가 전술한 반사층으로서 구비될 수 있다. 이 경우에, 상기 어안 렌즈(423)는 상기 슬릿들에 빛을 집광하도록 이루어지며, 따라서 상기 어안 렌즈(423)와 반사시트(422)가 집광부의 기능을 하게 된다.
또 다른 예로서, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 집광부(520)는 상기 태양전지(110)와 이격된 위치에서 상기 태양전지(110)를 덮도록 배치되며, 관통홀(525), 반사층(522) 및 렌즈(523)을 구비할 수 있다.
상기 렌즈(523)는 베이스부재(524)의 하면에서 돌출되는 복수의 단위렌즈(523a)를 가지며, 상기 단위렌즈(523a)는 인접한 단위렌즈(523b)와 서로 중첩되도록 형성될 수 있다. 상기 단위렌즈(523a)는 볼록렌즈로 이루어져서 빛을 상기 단위렌즈(523a)의 중심으로 모아주도록 볼록면에 반사층(522)이 형성된다.
상기 반사층(522)에는 상기 각각의 단위렌즈(523a)의 중심과 대응되는 위치에서 관통홀(525)이 형성된다. 이 경우에, 상기 관통홀(525)을 통하여 빛이 투과하게 된다. 또한, 상기 집광부를 투과하여 태양전지 모듈의 내부로 입사한 빛은 상기 관통홀(525)을 통하여만 외부로 반사될 수 있기에 상기 태양전지 모듈의 내부에서는 거의 전반사가 가능한 구조가 될 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는, 슬릿 또는 관통홀(개구)를 이용하여 집광을 하므로, 태양전지 모듈이 보다 컴팩트 또는 슬림하게 제조될 수 있다.
한편, 반사부(530)는 태양전지들(110)의 사이에 배치되는 반사판(532)을 구비하는 구조가 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 반사판의 상면에 태양전지가 배치되는 구조도 가능하다. 도시에 의하면, 상기 상기 베이스 기판(531)의 상면에 태양전지들과 함께 상기 반사판(532)이 배치될 수 있다. 이 경우에, 상기 반사판(532)은 상기 태양전지들(110)의 사이공간을 실질적으로 채우도록 형성될 수 있다. 상기 반사판(132)은 판형 반사시트이거나 상기 베이스 기판에 코팅되는 코팅막이 될 수 있다.
이러한 구조에 의하면, 상기 태양전지들(110)과 반사판(532)은 동일평면상에 배치되며, 상기 베이스 기판(531)을 덮도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 반사부는 여러가지 형태로 변형이 가능하다. 추가적인 예로서, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예의 반사부에 따른 태양전지 모듈의 단면도이다.
도시에 의하면, 반사부(630)는 상기 태양전지(610)의 후면을 지지하며 필름 또는 시트 등의 형태인 후면시트로서 구현될 수 있다. 후면 시트는 태양 전지(110)의 이면에서 태양 전지(610)를 보호하는 층으로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 한다. 후면시트는 필름 또는 시트 등의 형태로 구성될 수 있다. 이때, 반사부(630)는 집광부(620) 측으로부터 집광되어 입사된 태양광을 반사하여 재이용될 수 있도록 반사율이 우수한 재질이나 구조로 이루어질 수 있다.
이 경우에 이 경우에, 태양전지 모듈은 전술한 예시와 마찬가지로, 태양전지(610), 집광부(620) 및 반사부(630)를 포함할 수 있으며, 집광부(620)는 전술한 도 1 내지 도 7b의 예시 중 어느 하나와 동일한 구조가 될 수 있으며, 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
본 예시의 태양전지(610)는 상하 양면에서 태양광을 흡수하여 발전할 수 있는 bifacial cell 로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 태양전지(610)는 상기 제2반사판(632b)과 나란하게 위치하여, 상면이 집광부(620)를 마주보고, 하면이 상기 제1반사판(632a)을 마주보도록 배치될 수 있다.
한편, 도시에 의하면, 상기 반사부(630)는 베이스기판(631), 제1반사판(632a) 및 제2반사판(632b)을 구비할 수 있다.
상기 베이스기판(631)은 태양전지 모듈을 지지하는 기판으로서, 유리(glass), PC (polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate) 등의 재질로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 베이스 기판(631)은 상기 태양전지 모듈을 보호하는 층으로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 하도록, TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입이거나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 적어도 일면에 폴리불화비닐리덴(poly vinylidene fluoride, PVDF) 수지 등이 형성된 구조일 수 있다.
상기 제1반사판(632a)은 상기 베이스기판(631)의 상면에 부착되는 판형 반사시트이거나 상기 상면에 코팅되는 코팅막이 될 수 있다.
상기 제2반사판(632b)은 상기 베이스기판(631)과 상기 집광부의 사이에 상기 태양전지와 함께 배치된다. 이 때에, 상기 태양전지(110)는 상기 제2반사판(632b)의 사이에 배치되고, 따라서 상기 태양전지들의 사이를 채워서 상기 태양전지들의 사이를 지나가는 빛을 반사하게 된다. 이 때에, 상기 제2반사판(632b)은 복수의 돌기(633)를 구비할 수 있다. 상기 복수의 돌기(633)에 의하여 상기 제2반사판(632b)에는 주름이나 요철 구조가 구현될 수 있으며, 이를 통하여 빛이 보다 넓은 범위로 반사될 수 있게 된다.
한편, 상기 제2반사판(632b)과 상기 태양전지(610)를 지지하기 위한 지지부재(635)가 상기 태양전지 모듈의 내부에 구비될 수 있다. 상기 지지부재(635)는 사다리 형태의 거치용 틀로서, 상기 베이스기판(631)에 장착되며, 적어도 일부가 상기 집광부(620)를 향하여 돌출되며, 상기 돌출된 부분에 상기 태양전지(610)가 안착될 수 있다.
또한, 상기 지지부재(635)는 광투과성 재질로 형성되어, 빛의 투과하여 태양전지(610)의 후면으로 입사하는 것이 가능한 구조가 될 수 있다. 이 때에, 상기 지지부재(635)는 내부가 에어가 존재하는 빈 공간으로 형성되며, 이를 통하여 태양전지(610)의 후면 입사를 보다 용이하게 한다.
상기에서 설명한 구조에 의하면, 빛이 태양전지의 상하측에서 모두 가두어지므로, 태양전지의 발전량이 보다 증대될 수 있다.
한편, 본 발명의 태양전지 모듈은 여러가지 형태로 변형이 가능하다. 이하, 이러한 변형예들에 대하여 도 2의 실시예를 기준으로 변형된 특징을 부가하여 설명한다. 다만, 본 변형예들은 반드시 이에 한정되는 특징들은 아니며, 전술한 도 4 내지 도 8의 실시예들에 모두 적용가능하다.
도 9는 본 발명의 변형예들에 따른 태양전지 모듈의 단면도이다.
이 경우에, 태양전지 모듈은 전술한 예시와 마찬가지로, 태양전지(110), 집광부(120) 및 반사부(130)를 포함할 수 있으며, 이들은 도 1 내지 도 8을 참조하여 전술한 예시들 중 어느 하나의 구조가 될 수 있으나, 본 예시에서는 도 2의 예시를 기준으로 설명한다. 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
먼저 도시에 의하면, 집광부(120)와 반사부(130)의 사이에는 에어 갭의 빈 공간을 유지하도록 스페이서(191)가 배치될 수 있다. 상기 스페이서(191)은 상기 반사부(130)에 장착되어 상기 집광부(120)를 지지하도록 이루어진다. 보다 구체적으로, 상기 스페이서(191)는 상기 반사부(130)의 베이스기판(131)이나 반사판(132)에 장착되며, 상기 태양전지 모듈의 두께방향으로 돌출되어 상기 집광부(120)를 지지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 하나의 태양전지에 복수의 렌즈들 및 슬릿들이 빛을 집광하여 주는 구조이므로, 집광부(120)가 넓은 평판으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 스페이서(191)가 넓은 평탄을 지지하여 강성을 보강한다.
또한, 상기 강성 보강을 위하여 상기 베이스기판(131)의 하면에는 보강부재(192)가 장착될 수 있다. 상기 보강부재(192)는 판형부재로서 상기 베이스기판(131)의 일부분에 장착되며, 상기 베이스기판(131)의 하면에 면접촉하여 강성을 보강한다.
또한, 도시에 의하면, 상기 반사부(130)에는 적외선의 파장을 가시광선의 파장으로 변환시키는 파장변환물질(193)이 도포될 수 있다. 상기 파장변환물질(193)은 예를 들어 란탄계열 물질로서, er3+, yb3+로 합성된 형광체가 될 수 있다.
태양광에는 적외선이 포함되나, 태양전지는 가시광선을 발전에 이용하므로, 적외선을 가시광선으로 변환함에 따라 태양전지의 발전량이 증대할 수 있다. 이 경우에, 상기 파장변환물질(193)에 의하여 빛이 산란되어 광경로가 랜덤하게 변할 수 있으나, 본 예시의 구조에서는 태양전지 모듈의 내부에 빛이 재순환(recycle)되므로 이에 따른 발전효율 저하가 나타나지 않게 된다.
또한, 상기 렌즈들(123)의 사이에 형성되는 갭의 적어도 일부를 메우도록 상기 렌즈들(123)의 사이에는 충전부재(194)가 배치될 수 있다. 상기 충전부재(194)는 상기 집광부(120)와 굴절률이 다른 재질로 형성될 수 있으며, 이는 렌즈들(123)의 사이에 사공간을 없애기 위하여 구비되어, 상기 충전부재(194)가 상기 반사층(122)의 적어도 일부를 덮게 된다. 나아가, 상기 복수의 슬릿에는 광투과성 재질(195)이 충전될 수 있다. 이를 통하여, 굴절률의 조절이 가능하게 된다.
이상에서 설명한 태양전지 모듈은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (20)

  1. 복수의 태양전지들;
    태양광이 입사하는 평면을 구비하고, 상기 태양전지들과 이격된 위치에 배치되며, 상기 입사된 태양광을 집광하여 출사하도록 형성되는 집광부; 및
    상기 태양전지들의 사이에서 빛을 반사하도록 형성되는 반사부를 포함하며,
    상기 집광부에서 집광된 태양광이 상기 집광부와 반사부의 사이에서 가두어지도록 상기 집광부에는 반사층이 형성되고, 상기 집광부와 상기 반사부의 사이에는 에어 갭이 형성되며,
    상기 집광부는 상기 평면의 반대측에 배치되며 상기 태양전지를 향하여 볼록한 형상으로 형성되는 복수의 렌즈들을 구비하며,
    상기 렌즈들의 조리개(stop)가 상기 렌즈들의 하측단부에 형성되도록 상기 반사층은 상기 렌즈들의 볼록한 면상에 형성되며,
    상기 반사층에는 상기 입사된 태양광이 상기 렌즈들을 투과하여 출사되도록 복수의 슬릿들이 형성되며, 상기 슬릿들은 상기 렌즈들의 하측단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿들의 면적은 상기 평면의 0.1 내지 5 % 인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈들에서 상기 슬릿들에 해당하는 부분에는 상기 평면을 향하여 리세스되는 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿에는 광투과성 재질이 충전되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈들은 일방향으로 길게 연장되며, 상기 일방향과 수직한 타방향을 따라 순차적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈들의 사이에 형성되는 갭의 적어도 일부를 메우도록 상기 렌즈들의 사이에는 충전부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 집광부는 이종 굴절률을 가진 복수의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는,
    베이스기판; 및
    상기 베이스기판을 덮도록 배치되는 적어도 하나의 반사판을 포함하는 태양전지 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 태양전지들은 상기 베이스기판의 일면에 장착되고, 상기 반사판은 상기 일면상에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 베이스기판에는 제1반사판이 배치되고, 상기 베이스 기판과 상기 집광부의 사이에 상기 태양전지와 함께 제2반사판이 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 반사판은 복수의 돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 에어 갭은 충전재가 없는 빈 공간으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 집광부와 반사부의 사이는 상기 빈 공간을 유지하도록 스페이서가 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 집광부와 반사부의 가장자리에는 상기 에어 갭을 실링하는 실링부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 반사부에는 적외선의 파장을 가시광선의 파장으로 변환시키는 파장변환물질이 도포되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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