KR101898593B1 - 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 태양전지 모듈은, 복수의 태양전지들, 태양광이 입사하는 입사면을 구비하고, 상기 태양전지들 상에 배치되며, 상기 입사된 태양광을 상기 태양전지들에게 출사하는 전면 기판, 상기 태양전지들의 아래에 배치되는 후면 기판, 적어도 상기 전면 기판과 상기 태양전지들 사이에 형성되는 에어 갭을 포함하는 것을 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.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 광학적 손실을 줄이고, 발전효율 증가시키는 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 양산성이 향상되며, 제조비용을 저감하는 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 내부에서 발생되는 수분을 흡수하여 신뢰성을 향상시킨 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은, 복수의 태양전지들, 태양광이 입사하는 입사면을 구비하고, 상기 태양전지들 상에 배치되며, 상기 입사된 태양광을 상기 태양전지들에게 출사하는 전면 기판, 상기 태양전지들의 아래에 배치되는 후면 기판, 적어도 상기 전면 기판과 상기 태양전지들 사이에 형성되는 에어 갭을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 에어 갭의 굴절율이 전면 기판 및 태양전지 들 보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은 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, 전면 기판과 후면 기판을 실링하는 실링부재가 에어 갭을 실링하고, 흡습제나 다공물질을 통해 에어 갭 내의 습기를 흡수하여서, 태양전지 모듈의 신뢰성을 향상시킬 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 전면 기판의 평면도.
도 3은 도 2의 A 부분의 단면도.
도 4 및 도 5는 태양전지 모듈의 내부에 에어 갭이 존재하는 경우와 매질이 채워지는 경우의 광 경로를 비교하는 비교도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 전면 기판에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 전면 기판에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
도 8a 는 본 발명의 다른 실시예의 후면 기판에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
도 8b 는 도 8a에 도시된 후면 기판의 사시도.
도 9는 본 발명의 일 변형예에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
도 10는 본 발명의 다른 실시예의 실링부재에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예의 실링부재에 따른 태양전지 모듈의 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 표시장치의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 표시장치를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개념도이다.
도 1을 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈(100)은 태양전지(110), 전면 기판(120), 에어 갭(140) 및 후면 기판(130)을 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. 태양전지(110)의 상세한 구조는 후술한다.
전면 기판(120)은 태양전지(110)의 전면 상에 위치하며 태양광이 입사되는 기판이 될 수 있다. 이 경우에, 전면 기판(120)은 태양전지(110)와 이격된 위치에서 태양전지(110)를 덮도록 배치되며, 태양광의 반사를 방지하고 투과율을 높이는 구조를 가지는 광학시트로서 구현될 수 있다. 또한, 전면 기판(120)은 태양광을 집광하여 태양전지 모듈(100)의 내부로 가이드하는 광학적 기능을 수행하도록 형성된다. 광학 시트는 두께가 10 mm 이하로 설정될 수 있다. 이 때에, 전면 기판(120)은 광학적 기능 외에도 외부의 충격 등으로부터 태양전지(110)를 보호하는 역할을 하는 전면기판이 될 수 있다.
후면 기판(130)은 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, 후면 기판(130)은 전면 기판(120) 측으로부터 집광되어 입사된 태양광을 반사하여 재이용될 수 있도록 반사율이 우수한 재질이나 구조로 이루어질 수 있다.
전면 기판(120)은 후면 기판(130)에서 반사한 빛을 재 반사하여 태양전지 모듈(100)로 입사한 광을 태양전지 모듈(100)의 내부에서 가두는 기능(또는 전반사시키는 기능)을 발휘할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 전면 기판(120) 및 후면 기판(130)이 서로 조합되어 태양전지(110)의 발전 효율을 향상할 수 있다.
이하, 전면 기판(120), 에어 갭(140)과 후면 기판(130)의 상세한 구조에 대하여 도 1에 더하여, 도 2 내지 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 전면 기판(120)의 평면도, 도 3은 도 2의 A 부분의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전면 기판(120)은 태양광이 입사하는 입사면을 구비하고, 태양전지(110)들(110)과 이격된 위치에 배치되며, 입사된 태양광을 집광하여 출사하도록 형성된다.
전면 기판(120)이 태양전지 모듈(100)의 외면을 형성하므로, 입사면은 태양전지 모듈(100)의 외면을 형성한다. 외면이 입사면이므로, 빛이 입사하는 입사면(121)이 먼지 등에 의하여 오염되는 것이 완화될 수 있다.
전면 기판(120)의 굴절율은 태양전지(110)들의 굴절율 보다 작다. 물론, 전면 기판(120)의 굴절율은 에어 갭(140)의 굴절율 보다 클 수 있다. 전면 기판(120)의 굴절율이 에어 갭(140)의 굴절율 보다 크고, 태양전지(110)(상세히는, GaAs 층(110a) 및 반사 방지막(110b, 110c))의 귤절율 보다 작게 형성되어서, 외부에서 전면 기판(120)으로 입사되는 빛이 반사되는 것을 완화할 수 있게 되고, 전면 기판(120)에서 에어 갭(140)으로 입사되는 빛이 전바사되는 것을 완화할 수 있게 된다. 결과적으로, 외부에서 전면 기판(120)을 통해 에어 갭(140)으로 방출되는 빛의 양을 향상시킬 수 있고, 태양전지(110)의 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 전면 기판(120)은 하나의 층으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 전면 기판(120)은 베이스부재(123)를 구비한다. 베이스부재(123)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(123)는 다른 물질 등으로 이루어질 수 있다.
다른 예를 들면, 전면 기판(120)은 전면 기판(120)의 계면에서 발생되는 빛 반사를 완화하는 복수의 층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 전면 기판(120)을 구성하는 복수의 층들은 서로 다른 굴절율 가질 수 있고, 바람직하게는, 전면 기판(120)의 층들 중 태양전지(110)들에서 상대적으로 가깝게 배치된 층은 태양전지(110)들에서 상대적으로 멀게 배치된 층 보다 낮은 굴절율을 가질 수 있다. 또는, 전면 기판(120)의 층들 중 태양전지 모듈(100)의 외부에 가깝게 배치된 층은 외부에서 상대적으로 멀게 배치된 층 보다 낮은 굴절율을 가질 수 있다.
더욱 구체적으로, 전면 기판(120)과 외부 사이에서 반사를 완화하고, 전면 기판(120)과 에어 갭(140) 사이에서 전 반사를 완화하기 위해, 전면 기판(120)은 베이스부재(123)와 베이스부재(123) 상에 제1 코팅층(124)과, 베이스부재(123) 아래에 제2 코팅층(125)을 포함할 수 있다.
제1 코팅층(124)은 베이스부재(123)와 대응되게 베이스부재(123)의 상면 전체를 커버한다. 제1 코팅층(124)은 광투과성 재질의 판형 시트를 포함한다. 제1 코팅층(124)의 굴절율은 공기의 굴절율 보다 크고, 베이스부재(123)의 굴절율 보다 작게 형성된다. 따라서, 제1 코팅층(124)에 의해서 외부와 베이스부재(123) 사이에서 발생되는 빛의 반사를 줄일 수 있다. 바람직하게는 제1 코팅층(124)의 굴절율은 1.2 내지 1.4 이고, 베이스부재(123)의 굴절율은 1.5 내지 1.7 이다. 제1 코팅층(124)은 SiOx, SiNx, AlxOy, MgF2, ZnS 재료로 구성될 수 있다. 물론, 제1 코팅층(124)은 다수의 층으로 구성될 수 있고, 베이스부재(123)에 인접할 수록 굴절률이 증가하는 구조를 가질 수도 있다.
제2 코팅층(125)은 베이스부재(123)와 대응되게 베이스부재(123)의 하면 전체를 커버한다. 제2 코팅층(125)은 광투과성 재질의 판형 시트를 포함한다. 제2 코팅층(125)의 굴절율은 에어 갭(140)의 굴절율 보다 크고, 베이스부재(123)의 굴절율 보다 작게 형성된다. 따라서, 제2 코팅층(125)에 의해서 에어 갭(140)과 베이스부재(123) 사이에서 발생되는 빛의 전반사를 줄일 수 있다. 바람직하게느 제2 코팅층(125)의 굴절율은 1.2 내지 1.4 이고, 베이스부재(123)의 굴절율은 1.5 내지 1.7 이다. 제2 코팅층(125)은 SiOx, SiNx, AlxOy, MgF2, ZnS 재료로 구성될 수 있다. 물론, 제2 코팅층(125)은 다수의 층으로 구성될 수 있고, 베이스부재(123)에 인접할 수록 굴절률이 증가하는 구조를 가질 수도 있다.
전면 기판(120)은 플랫하게 형성될 수 있다. 구체적으로, 전면 기판(120)의 입사면(121)과 출사면(122)은 플랫하게 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 베이스부재(123)의 상면과 하면은 플랫하게 형성되고, 제1 코팅층(124)은 베이스부재(123)의 상면에 대응되게 플랫하게 형성되며, 제2 코팅층(125)은 베이스부재(123)의 하면에 대응되게 플랫하게 형성될 수 있다. 물론, 전면 기판(120)은 외부에서 입사되는 광을 집광하여 출력하는 집광구조를 가질 수 도 있다. 전면 기판(120)이 광을 집광하는 구조는 도 6 이하에서 후술한다.
에어 갭(140)은 적어도 전면 기판(120)과 태양전지(110)들 사이에 형성되어서, 외부의 충격에서 태양전지(110)를 보호하는 완충지대이고, 태양전지(110)의 계면에서 발생되는 빛의 반사를 완화한다.
각 태양전지(110)는 외부에서 입사되는 빛이 태양전지(110) 의 계면에서 반사되는 것을 완화하기 위해 태양전지(110)와 공기 사이의 굴절율을 가지는 반사방지막이 코팅된 상태이다.
이러한, 반사방지막이 코팅된 태양전지(110)를 봉지재를 사용하여 밀봉하는 경우, 태양전지(110)의 반사방지막 보다 굴절율이 큰 봉지재가 상용되므로, 오히려 태양전지(110)로 흡수되는 빛을 줄어들게 된다. 이에 대해서는 도 4 및 도 5에서 상술한다.
이러한, 태양전지(110)의 반사방지막에서 빛의 반사를 완화하기 위해, 에어 갭(140)을 사용하게 된다. 에어 갭(140)은 적어도 전면 기판(120)과 태양전지(110) 사이에 빈 공간으로 정의될 수 있다.
물론, 에어 갭(140)은 태양전지(110)들과 후면 기판(130) 사이에 추가적으로 형성될 수 있다. 따라서, 에어 갭(140)은 작게는 태양전지(110)들과 전면 기판(120) 사이의 공간으로 정의되고, 크게는 전면 기판(120)과 후면 기판(130) 사이의 태양전지(110)들이 수용되는 공간 전체로 정의될 수 있다.
에어 갭(140)은 굴절율은 태양전지(110)들의 굴절율 및 전면 기판(120)의 굴절율 보다 작다. 구체적으로, 에어 갭(140)의 굴절율은 태양전지(110)들의 굴절율 및 태양전지(110)의 반사방지막의 굴절율 보다 작다. 에어 갭(140)의 굴절율은 제1 코팅층(124) 및 제2 코팅층(125)의 굴절율 보다 작다.
전면 기판(120)을 통과한 빛이 공기로 진입하게 되므로, 전면 기판(120)에서 태양전지(110)를 향하여 굴절되는 각도가 굴절률이 공기 보다 높은 매질이 빈 공간을 채우는 경우 보다 증대될 수 있다. 이를 통하여, 빛의 태양전지(110)를 향하여 보다 집광되는 효과가 발휘될 수 있다.
한편, 에어 갭(140)에 공기가 존재함에 따라 태양전지(110)로 입사되는 빛의 손실이 저감될 수 있다.
에어 갭(140)은 공기 만 존재하거나, Ar 등과 같은 불활성기체가 충전되거나, 또는 에어와 불활성기체가 혼합되어 충전될 수 있다. 태양전지 모듈(100)은 빈 공간을 수지 등의 재질을 이용하여 채우는 구조가 일반적이나, 본 예시에서는 전술한 구조의 전면 기판(120)과 후면 기판(130)의 사이에 에어나 불활성기체가 존재하는 빈 공간이 형성됨에 따라, 굴절률 차이에 의하여 빛이 누수되는 것이 완화 또는 방지될 수 있다. 공기의 굴절률이 약 1 이고, 전면 기판(120)의 굴절률은 이보다 큰 값(예를 들어, 1.3 내지 1.5)인 것이 바람직하다.
한편, 후면 기판(130)은 태양전지(110)들의 아래에 배치된다. 후면 기판(130)은 전면 기판(120)과 함께 태양전지(110)를 수용하는 공간을 정의하고, 태양전지(110)를 지지한다. 또한, 후면 기판(130)은 태양전지(110)들 사이에서 빛을 반사하도록 반사 부재가 더 구비될 수도 있다.
예를 들면, 후면 기판(130)은 베이스기판(131)과 후면 반사층(132)을 구비할 수 있다.
베이스기판(131)은 태양전지(110)를 지지하는 기판으로서, 유리(glass), PC (polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate) 등의 재질로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 베이스 기판(131)은 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.
후면 반사층(132)은 베이스기판(131)의 상면에 부착되는 판형 반사시트이거나 상면에 코팅되는 코팅막이 될 수 있다. 이 때에, 태양전지(110)들은 베이스기판(131)의 일면에 장착되고, 후면 반사층(132)은 일면상에 형성될 수 있다. 후면 반사층(132)은 베이스 기판(131)의 상면에 전체적으로 또는 부분적으로 형성되며, 후면 반사층(132)의 상면에 태양전지(110)가 배치될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 후면 반사층(132)이 태양전지(110)들의 사이를 지나가는 빛을 반사하게 된다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 베이스 기판(131)의 상면에 태양전지(110)들이 배치되고, 태양전지(110)들의 사이에 후면 반사층(132)이 배치되는 구조도 가능하다. 이에 대해서는 후술한다.
이 때에, 후면 반사층(132)은 복수의 돌기(133)를 구비할 수 있다. 복수의 돌기(133)에 의하여 후면 반사층(132)에는 주름이나 요철 구조가 구현될 수 있으며, 이를 통하여 빛이 보다 넓은 범위로 반사될 수 있게 된다.
이러한 구조에 의하여 전면 기판(120)을 투과한 빛은 전면 기판(120)과 후면 기판(130)의 사이에 가두어지게 된다. 즉, 전면 기판(120)을 투과한 빛은 태양전지 모듈(100)의 내부에서 재순환(recycle)되면서 태양전지(110)의 셀로 흡수될 수 있다. 에어 갭(140)에서 전면 기판(120)으로 향하는 빛은 소한매질에서 밀한 매질로 빛이 진행하면서 생기는 전반사에 의해 가두어지고, 에어 갭(140)에서 후면 기판(130)으로 향하는 빛은 후면 반사층에 의해 가두어지게 된다.
본 예시의 태양전지(110)는, 갈륨비소 태양전지(110)나 실리콘 태양전지(110)가 될 수 있으며, 외면에 반사방지막이 형성되는 구조가 될 수 있다. 본 예시에서는 태양전지(110)가 갈륨비소 태양전지(110)인 경우를 주된 실시예로서 설명한다.
도 4는 일반적인 태양전지(110)를 간단하게 도시한 것이다(전극은 도시하지 않음).
도 4를 참조하면, 예를 들어, 갈륨비소 태양전지(110)는, GaAs 층(110a)의 외면에 GaAs 보다 굴절률이 낮으나 공기 보다 굴절률이 높은 반사 방지막이 형성되는 구조가 될 수 있다. 다른 예로서, 실리콘 태양전지(110)는 Si 층의 외면에 반사 방지막이 형성되는 구조도 가능하다. 예를 들어 반사방지막의 재료로는 SiOx, SiNx, AlxOy, MgF2, ZnS 등 태양전지(110)에서 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.
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 5와 같이, 공기 대신에 매질이 채워지는 경우에는 MgF2와 매질간의 굴절률 차이가 거의 없거나, 또는 마이너스의 차이가 발생하게 된다. 이 경우에, 태양전지(110)의 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 태양전지(110)의 표면에서 빛의 반사가 보다 증대하게 된다.
실리콘 태양전지(110)의 경우도 마찬가지로 태양전지(110) 상에 형성되는 반사 방지막이 태양전지(110)보다 더 낮은 굴절율을 가진 물질(일 예로 SiNx)이 단층 혹은 복수의 층으로 구성되어 태양전지(110) 내로 빛을 더 많이 흡수할 수 있다.
한편, 에어 갭(140)의 두께(H)는 태양전지(110)의 폭(W)의 1/2 이상이 될 수 있다. 이를 통하여 빛을 전반사하는 공간이 충분히 확보될 수 있다. 이러한 예로서, 전면 기판(120)과 후면 기판(130)의 거리는 50mm 이하가 될 수 있다.
에어 갭(140)은 전면 기판(120)과 후면 기판(130)의 테두리가 접착되어 실링되거나, 전면 기판(120)과 후면 기판(130) 사이의 실링부재(150)에 의해 실링될 수 있다.
예를 들면, 전면 기판(120)과 후면 기판(130)의 가장자리에는 에어 갭(140)을 실링하는 실링부재(150)가 배치될 수 있다. 이 때에, 실링부재(150)에는 고 내습 소재가 적용된 이중 실링 구조가 적용될 수 있다. 또한, 실링부재(150)는 서로 강성과 수분 흡수율이 상이한 이중구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 실링부재(150)는 외측에 배치되는 제1 실링부재(151)와 내측에 배치되는 제2 실링부재(152)를 포함할 수 있다. 제2 실링부재(152)는 제1 실링부재(151) 보다 에어 갭(140)에 인접하여 배치된다.
제1 실링부재(151)는 접착성을 가지는 열가소성 전분(TPS,Thermoplastic starch), 실리콘, 열가소성 탄성체(TPE, thermoplastic elastomer) 등의 재질로 형성되며, 베이스 기판(131)에 장착되어 전면 기판(120)을 지지하도록 형성된다. 이를 통하여 제1 실링부재(151)는 태양전지 모듈(100)의 외측벽을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 제1 실링부재(151)는 제2 실링부재(152) 보다 높은 강성을 가지는 재질이 선택될 수 있다. 제1 실링부재(151)는 전면 기판(120)과 후면 기판(130) 사이의 거리를 유지하고, 태양전지 모듈(100)의 구조를 유지한다.
제2 실링부재(152)는 폴리아이소뷰틸렌(PIB, Polyisobutylene) 등과 같은 고무 재질에 흡습제가 혼입된 형태로 이루어질 수 있다. 제2 실링부재(152)는 습기를 흡수하는 다공질일 수 있다.
제2 실링부재(152)는 제1 실링부재(151)와 마찬가지로, 베이스 기판(131)에 장착되어 전면 기판(120)을 지지하도록 형성되며, 제1 실링부재(151)의 내측벽에서 제1 실링부재(151)와 밀착하도록 이루어진다.
이 경우에, 후면 기판(130)의 후면 반사층(132)은 제2 실링부재(152)의 내측벽을 덮도록 베이스 기판(131)에서 전면 기판(120)을 향하여 연장되는 연장부(134)를 가질 수 있다.
실링부재(150)는 베이스기판(131)이나 후면 반사층(132)에 태앙 전지의 셀이 결합된 후에, 전면 기판(120)을 포함하는 전면 기판(120)을 접합함에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 전면 기판(120)은 별도로 제작되며, 실링부재(150)가 베이스기판(131)에 부착된 후에, 전면 기판(120)이 실링부재(150)와 접합되며, 이를 통하여 에어 갭(140)이 형성된다.
한편, 상기에서 설명된 본 발명의 태양전지 모듈(100)에서 집광 효율을 보다 향상시키는 구조의 변형도 가능하다. 이러한 예로서, 전면 기판(120)에 렌즈가 형성되는 구조도 가능하다. 이하, 이러한 구조에 대하여 도 6를 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 전면 기판(120)에 따른 태양전지 모듈(100)의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 전면 기판(120)은 입사면(121)이 플랫하고 출사면(122)이 렌즈의 형태로 이루어질 수 있다. 이 경우에, 태양전지 모듈(100)은 전술한 예시와 마찬가지로, 태양전지(110), 전면 기판(120)(220) 및 후면 기판(130)을 포함할 수 있으며, 태양전지(110)와 후면 기판(130)은 전술한 예시와 동일한 구조가 될 수 있으며, 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
전면 기판(120)은 입사면(121)의 반대측에 배치되며 태양전지(110)를 향하여 볼록한 형상으로 형성되는 복수의 렌즈들(123)을 구비할 수 있다.
렌즈들(123)은 베이스부재(123)의 하측(출사면(122))에 형성되는 렌즈 형상이 될 수 있다. 따라서, 렌즈들(123)은 베이스부재(123)에 동일 재질로 일체화 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 렌즈들(123)은 베이스부재(123)의 하면에 부착되는 별도의 렌즈형상의 부재가 될 수 있다.
또한, 렌즈들(123)은 태양전지(110)와 다수대 1의 비율로 매칭된다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 렌즈들(123)은 태양전지(110)에 대하여 1대1의 비율로 구비될 수 있다. 렌즈들(123)과 태양전지(110)들이 1 대 1 의 비율로 매칭되는 경우, 각 렌즈의 중심과 태양전지(110)의 중심은 서로 일치되게 배치될 수 있다.
볼록렌즈의 두께 및 면적은 focal length 를 기준으로 설정될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 빛은 입사하면서 볼록렌즈의 하부를 향하여 집속할 수 있게 된다.
이 경우, 제1 코팅층(124)은 베이스부재(123)의 입사면(121) 상에 플랫하게 배치되고, 제2 코팅층(125a)은 베이스부재(123)의 하면을 커버하고, 복수의 렌즈들(123)의 형상을 따라 볼록하게 형성된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 전면 기판(120)에 따른 태양전지 모듈(100)의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈(100)은 도 6의 실시예와 비교하면 전면 반사층(160)을 더 포함할 수 있다.
전면 반사층(160)은 전면 기판(120)의 입사면(121)과 반대면의 적어도 일부에 배치되어 전 면 기판을 통해 입사된 태양광이 전면 기판(120)과 후면 기판(130)의 사이에서 가두어지게 한다. 전면 반사층(160)은 광을 반사하는 금속재질 또는 수지 재질을 포함할 수 있다.
구체적으로, 전면 반사층(160)은 전면 기판(120)의 출사면(122) 또는 제2 코팅층(125)의 하면의 일부 영역이 코팅되어 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 전면 반사층(160)은 렌즈들(123)의 외면에 미러코팅을 할 때에 단부의 일부분을 제외하고 코팅하여 구현될 수 있다. 이를 통하여, 전면 반사층(160)(122)에는 입사된 태양광이 렌즈들(123)을 투과하여 출사되도록 복수의 개구(aperture)가 형성된다.
구체적으로, 전면 반사층(160)은 각 렌즈들(123)의 중심 부분의 일정 영역을 제외한 영역에 코팅될 수 있다.
도 8a 는 본 발명의 다른 실시예의 후면 기판에 따른 태양전지 모듈(100)의 단면도, 도 8b 는 도 8a에 도시된 후면 기판)의 사시도이다.
도 8을 참조하면, 후면 기판(630)은 태양전지(110)의 후면을 지지하며 필름 또는 시트 등의 형태인 후면시트로서 구현될 수 있다. 후면 시트는 태양 전지(110)의 이면에서 태양전지(110)를 보호하는 층으로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 한다. 후면시트는 필름 또는 시트 등의 형태로 구성될 수 있다. 이때, 후면 기판(630)은 전면 기판(120) 측으로부터 집광되어 입사된 태양광을 반사하여 재이용될 수 있도록 반사율이 우수한 재질이나 구조로 이루어질 수 있다.
이 경우에, 태양전지 모듈(100)은 전술한 예시와 마찬가지로, 태양전지(110), 전면 기판(120) 및 후면 기판(630)를 포함할 수 있으며, 전면 기판(120)는 전술한 도 1 내지 도 7의 예시 중 어느 하나와 동일한 구조가 될 수 있으며, 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
본 예시의 태양전지(110)는 상하 양면에서 태양광을 흡수하여 발전할 수 있는 bifacial cell 로 이루어질 수 있다. 또한, 태양전지(110)는 제2반사판(632b)과 나란하게 위치하여, 상면이 전면 기판(120)를 마주보고, 하면이 제1반사판(632a)을 마주보도록 배치될 수 있다.
한편, 후면 기판(630)은 베이스기판(631), 제1반사판(632a) 및 제2반사판(632b)을 구비할 수 있다.
베이스기판(631)은 태양전지 모듈(100)을 지지하는 기판으로서, 유리(glass), PC (polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate) 등의 재질로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 베이스 기판(631)은 태양전지 모듈(100)을 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.
제1반사판(632a)은 베이스기판(631)의 상면에 부착되는 판형 반사시트이거나 상면에 코팅되는 코팅막이 될 수 있다.
제2반사판(632b)은 베이스기판(631)과 전면 기판(120)의 사이에 태양전지(110)와 함께 배치된다. 이 때에, 태양전지(110)는 제2반사판(632b)의 사이에 배치되고, 따라서 태양전지(110)들의 사이를 채워서 태양전지(110)들의 사이를 지나가는 빛을 반사하게 된다. 이 때에, 제2반사판(632b)은 복수의 돌기(633)를 구비할 수 있다. 복수의 돌기(633)에 의하여 제2반사판(632b)에는 주름이나 요철 구조가 구현될 수 있으며, 이를 통하여 빛이 보다 넓은 범위로 반사될 수 있게 된다.
한편, 제2반사판(632b)과 태양전지(110)를 지지하기 위한 지지부재(635)가 태양전지 모듈(100)의 내부에 구비될 수 있다. 지지부재(635)는 사다리 형태의 거치용 틀로서, 베이스기판(631)에 장착되며, 적어도 일부가 전면 기판(120)를 향하여 돌출되며, 돌출된 부분에 태양전지(110)가 안착될 수 있다.
또한, 지지부재(635)는 광투과성 재질로 형성되어, 빛의 투과하여 태양전지(110)의 후면으로 입사하는 것이 가능한 구조가 될 수 있다. 이 때에, 지지부재(635)는 내부가 에어가 존재하는 빈 공간으로 형성되며, 이를 통하여 태양전지(110)의 후면 입사를 보다 용이하게 한다.
상기에서 설명한 구조에 의하면, 빛이 태양전지(110)의 상하측에서 모두 가두어지므로, 태양전지(110)의 발전량이 보다 증대될 수 있다.
도 9는 본 발명의 변형예들에 따른 태양전지 모듈(100)의 단면도이다.
이 경우에, 태양전지 모듈(100)은 전술한 예시와 마찬가지로, 태양전지(110), 전면 기판(120) 및 후면 기판(130)을 포함할 수 있으며, 이들은 도 1 내지 도 8을 참조하여 전술한 예시들 중 어느 하나의 구조가 될 수 있으나, 본 예시에서는 도 3의 예시를 기준으로 설명한다. 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
전면 기판(120)과 후면 기판(130)의 사이에는 전면 기판(120)과 후면 기판(130)의 사이의 간격을 유지하도록 스페이서(191)가 배치될 수 있다. 스페이서(191)은 후면 기판(130)에 장착되어 전면 기판(120)을 지지하여서, 에어 갭(140)을 유지한다. 보다 구체적으로, 스페이서(191)는 후면 기판(130)의 베이스기판(131)이나 후면 반사층(132)에 장착되며, 태양전지 모듈(100)의 두께방향으로 돌출되어 전면 기판(120)을 지지할 수 있다.
또한, 강성 보강을 위하여 베이스기판(131)의 하면에는 보강부재(192)가 장착될 수 있다. 보강부재(192)는 판형부재로서 베이스기판(131)의 일부분에 장착되며, 베이스기판(131)의 하면에 면접촉하여 강성을 보강한다.
또한, 후면 기판(130)에는 적외선의 파장을 가시광선의 파장으로 변환시키는 파장변환물질(193)이 도포될 수 있다. 파장변환물질(193)은 예를 들어 란탄계열 물질로서, er3+, yb3+로 합성된 형광체가 될 수 있다.
태양광에는 적외선이 포함되나, 태양전지(110)는 가시광선을 발전에 이용하므로, 적외선을 가시광선으로 변환함에 따라 태양전지(110)의 발전량이 증대할 수 있다. 이 경우에, 파장변환물질(193)에 의하여 빛이 산란되어 광경로가 랜덤하게 변할 수 있으나, 본 예시의 구조에서는 태양전지 모듈(100)의 내부에 빛이 재순환(recycle)되므로 이에 따른 발전효율 저하가 나타나지 않게 된다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예의 실링부재(150)에 따른 태양전지 모듈(100)의 단면도이다.
도 10을 참조하면, 이 경우에, 태양전지 모듈(100)은 전술한 예시와 마찬가지로, 태양전지(110), 전면 기판(120) 및 후면 기판(130)을 포함할 수 있으며, 이들은 도 1 내지 도 9을 참조하여 전술한 예시들 중 어느 하나의 구조가 될 수 있으나, 본 예시에서는 도 3의 예시를 기준으로 설명한다. 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
다른 실시예의 실링부재(150)는 제1 실링부재(151)가 이중구조를 가진다. 예를 들면 제1 실링부재(151)는 접착력과 밀봉력을 가지는 밀봉재(151b)와, 밀봉재(151b) 보다 높은 강성을 가지는 프레임(151a)을 포함할 수 있다.
프레임(151a)은 밀봉재(151b) 보다 높은 강성을 가지는 수지 또는 금속 재질을 포함한다. 프레임(151a)은 밀봉재(151b) 보다 내측에 배치되고, 전면 기판(120)과 후면 기판(130) 사이에서 전면 기판(120)을 지지하는 지지력을 제공한다.
밀봉재(151b)는 접촉력과 밀봉력을 가지는 수지 재질을 포함한다. 밀봉재(151b)는 프레임(151a) 보다 외측에 배치된다. 밀봉재(151b)와 제2 실링부재(152) 사이에는 프레임(151a)이 배치된다. 밀봉재(151b)에 의해 이물질이 외부에서 유입되는 것이 방지된다.
따라서, 제1 실링부재(151)가 프레임(151a)과 밀봉재(151b)의 이중 구조를 가져서, 태양전지 모듈(100)의 강성을 유지할 수 있고, 중간에 배치되는 스페이서를 생략할 수 있는 이점과, 밀봉재(151b)에 의해 실링력은 유지하는 이점이 존재한다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예의 실링부재(150)에 따른 태양전지 모듈(100)의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 이 경우에, 태양전지 모듈(100)은 전술한 예시와 마찬가지로, 태양전지(110), 전면 기판(120) 및 후면 기판(130)을 포함할 수 있으며, 이들은 도 1 내지 도 10을 참조하여 전술한 예시들 중 어느 하나의 구조가 될 수 있으나, 본 예시에서는 도 10의 예시를 기준으로 설명한다. 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
또 다른 실시예의 실링부재(150)는 제1 실링부재(151)가 이중구조를 가진다. 예를 들면 제1 실링부재(151)는 접착력과 밀봉력을 가지는 밀봉재(151b)와, 밀봉재(151b) 보다 높은 강성을 가지는 프레임(151a)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서 프레임(151a)은 강성을 향상하는 다양한 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 프레임(151a)은 H 빔 형상을 가질 수 있다. 프레임(151a)이 H 비 형상을 가져서, 프레임(151a)의 제조비용을 줄이면서 강성을 유지할 수 있다.
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 입사면을 구비하고, 상기 태양전지들 상에 배치되며, 상기 입사된 태양광을 상기 태양전지들에게 출사하는 전면 기판;
    상기 태양전지들의 아래에 배치되는 후면 기판;
    적어도 상기 전면 기판과 상기 태양전지들 사이에 형성되는 에어 갭을 포함하고,
    상기 에어 갭의 두께는 상기 태양전지들의 폭의 1/2 이상이고,
    상기 후면 기판은
    베이스기판,
    상기 베이스기판 상에 위치되고 빛을 반사하는 제1반사판,
    상기 제1반사판의 상부에 이격되어 위치되고, 상기 제1 반사판과 마주보게 배치되는 제2반사판,
    상기 제2반사판과 상기 태양전지들을 지지하는 지지부재 및
    상기 전면 기판과 상기 후면 기판의 사이에 배치되어 상기 에어 갭을 실링하는 실링부재를 포함하고,
    상기 태양전지들은 상기 제2 반사판과 수직적으로 중첩되지 않게 배치되고, 상기 제1 반사판에서 상부로 이격되어 배치되고,
    상기 실링부재는 제1 실링부재와 상기 제1실링부재 보다 상기 에어 갭에 인접하게 배치되는 제2 실링부재를 포함하며,
    상기 제1 실링부재는 접착력과 밀봉력을 가지는 밀봉재와, 상기 밀봉재 보다 높은 강성을 가지고 상기 밀봉재 보다 내측에 배치되는 프레임을 포함하고,
    상기 제2 실링부재는 상기 에어 갭의 습기를 흡수하는 흡습제를 포함하는 태양전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어 갭은 상기 태양전지들과 상기 후면 기판 사이에 형성되는 태양전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에어 갭은 공기 및 불활성 기체 중 적어도 하나를 포함하는 태양전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에어 갭의 굴절율은 상기 태양전지들의 굴절율 및 상기 전면 기판의 굴절율 보다 작은 태양전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전면 기판의 굴절율은 상기 태양전지들의 굴절율 보다 작은 태양전지 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전면 기판은 복수의 층을 포함하는 태양전지 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전면 기판의 층들은 서로 다른 굴절율 가지는 태양전지 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전면 기판의 층들 중 상기 태양전지들에서 상대적으로 가깝게 배치된 층은 상기 태양전지들에서 상대적으로 멀게 배치된 층 보다 낮은 굴절율을 가지는 태양전지 모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전면 기판의 입사면과 반대면의 적어도 일부에 배치되어 상기 전 면 기판을 통해 입사된 태양광이 상기 전면 기판과 상기 후면 기판의 사이에서 가두어지게 하는 전면 반사층을 더 포함하는 태양전지 모듈.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 실링부재와 제2 실링부재는 서로 상이한 강성을 가지는 태양전지 모듈.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 실링부재는 다공질인 태양전지 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 실링부재는 상기 제2 실링부재 보다 높은 강성을 가지는 태양전지 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전면 기판은 상기 입사면의 반대측에 배치되며 상기 태양전지를 향하여 볼록한 형상으로 형성되는 복수의 렌즈들을 구비하는 태양전지 모듈.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서,
    상기 전면 기판과 후면 기판의 사이의 간격을 유지하는 스페이서를 더 포함하는 태양전지 모듈.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 후면 기판은 적외선의 파장을 가시광선의 파장으로 변환시키는 파장변환물질을 포함하는 태양전지 모듈.

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