KR102398959B1 - 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치는 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 양자점층; 상기 양자점층의 상기 제1면에 접하는 제1 유리층; 상기 양자점층의 상기 제2면에 접하는 제2 유리층; 및 상기 양자점층의 상기 제1면 또는 상기 제2면의 소정 영역에 제공되는 저굴절층을 포함하되, 상기 저굴절층은 패턴화되고, 상기 저굴절층의 굴절률은 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈은 패턴화된 저굴절층이 양자점층의 제1면 또는 제2면의 소정 영역에 제공되고 상기 양자점층이 유리층 사이에 삽입됨으로써, 저굴절층이 양자점층에서 유리층 내로 투과하는 광자를 유리층과 양자점층 사이에서 전반사시킴으로써 광손실이 없는 구간 내에서 이동할 수 있도록 함으로써, 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 효과를 제공한다.
Description
본 발명은 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 패턴화된 저굴절층을 활용하여 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
최근 들어서 태양 에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전 시설이 점차 보편화되고 있다. 태양전지와 같은 이러한 태양광 발전 시설은 건축물의 외피 마감재로 사용하는 건물 일체화 (BIPV: Building Integrated Photovoltaic) 기술은 21세기 유망 신기술로서 근래 전 세계적으로 주목 받고 있으며, 2014년 초 스위스 로잔 공과대학교 (EPFL)의 컨벤션 센터에 사용된 바 있다.
특히 집광형 태양전지 (Concentrator Photovoltaic)는 태양광을 작은 면적에 집광시켜 광 변환 효율을 극대화시킨 전지로서, 다중접합 태양전지와 추적 장치를 이용할 경우 300배 이상의 태양광을 집광시킬 수 있다. 집광 장치에 의한 집광을 수행할 경우 양자점의 농도를 증가시키거나, 양자점층의 두께를 증가시킬수록 흡광도가 높아질 것으로 예상할 수 있지만, 증가된 양자점의 농도 및/또는 양자점층의 두께에 의하여 발광된 광자가 재흡수되는 현상이 발생하여 이론적인 광 농축 한계가 존재한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0101065호는 다중 접합 구조를 통한 태양전지의 효율 증대에 관하여 기재하고 있으나, 여전히 상술한 이론적인 광 농축 한계를 해결하지는 못하고 있다는 문제점이 있다. 이에 따라, 낮은 양자점의 농도 및/또는 양자점층의 두께 하에서도 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 구조의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 패턴화된 저굴절층이 제공된 양자점층이 유리층 사이에 삽입됨으로써, 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양상에 따른 태양광 집광 장치는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층; 상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층; 및 상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 양상에 따른 태양광 집광 장치는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층; 및 상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 양자점층을 포함하는 단위 태양광 집광 장치가 n개 적층된 적층체와, 상기 n번째 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 양상에 따른 태양광 집광 장치는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층; 상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층; 및 상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하는 단위 집광 장치가 n개 적층된 적층체를 포함하되, 상기 적층체를 구성하는 상기 n개의 단위 집광 장치 사이에는 공기층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4 양상에 따른 태양전지 모듈은, 상기 제1 내지 제3 양상 중 어느 하나에 따른 태양광 집광 장치의 측면을 감싸는 형태로 배치되고 전기적으로 연결된 복수의 태양전지 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제5 양상에 따른 태양전지 모듈은, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 양자점층; 상기 양자점층의 상기 제1면에 접하는 제1 유리층; 상기 양자점층의 상기 제2면에 접하는 제2 유리층; 및 상기 양자점층의 상기 제1면 또는 상기 제2면의 소정 영역에 제공되는 저굴절층을 포함하되, 상기 저굴절층은 패턴화되고, 상기 저굴절층의 굴절률은 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제6 양상에 따른 태양전지 모듈은, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 양자점층; 상기 양자점층의 상기 제1면에 접하는 제1 유리층; 상기 양자점층의 상기 제2면에 접하는 제2 유리층; 및 상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 각각의 소정 영역에 제공되는 제1 및 제2 저굴절층을 포함하되, 상기 제1 및 제2 저굴절층은 각각 패턴화되고, 상기 제1 및 제2 저굴절층의 굴절률은 각각 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제7 양상에 따른 태양전지 모듈은, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 양자점층; 상기 양자점층의 상기 제1면에 접하는 제1 유리층; 상기 양자점층의 상기 제2면에 접하는 제2 유리층; 및 상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 각각의 소정 영역에 제공되는 제1 및 제2 저굴절층을 포함하되, 상기 제1 및 제2 저굴절층은 각각 상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 상에서 서로 상보적으로 패턴화되고, 상기 제1 및 제2 저굴절층의 굴절률은 각각 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제8 양상에 따른 태양전지 모듈은, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 양자점층; 상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 중 하나의 면에 접하는 투명 폴리머 레진층; 상기 양자점층과 대향하여 상기 투명 폴리머 레진층에 접하는 제1 유리층; 상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 중 다른 하나의 면에 접하는 제2 유리층; 및 상기 투명 폴리머 레진층 내에 제공되는 저굴절층을 포함하되, 상기 저굴절층은 패턴화되고, 상기 저굴절층의 굴절률은 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제9 양상에 따른 태양전지 모듈은, 상기 제5 내지 제8 양상 중 어느 하나에 따른 태양광 집광 장치의 측면을 감싸는 형태로 배치되고 전기적으로 연결된 복수의 태양전지 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 패턴화된 저굴절층이 제공된 양자점층이 유리층 사이에 삽입됨으로써, 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광 장치의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 실리카 입자형태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광 장치의 작동 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 이동 경로를 나타낸 도면.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유리층 사이에 제공된 양자점층으로 구성되며 패턴화된 저굴절층을 포함한 태양광 집광 장치를 나타낸 도면.
도 11 내지 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치에 포함된 패턴화된 저굴절층의 유형에 따른 집광 효율 그래프들을 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따라 저굴절층을 패턴화하여 형성하는 방법을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 실리카 입자형태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광 장치의 작동 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 이동 경로를 나타낸 도면.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유리층 사이에 제공된 양자점층으로 구성되며 패턴화된 저굴절층을 포함한 태양광 집광 장치를 나타낸 도면.
도 11 내지 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치에 포함된 패턴화된 저굴절층의 유형에 따른 집광 효율 그래프들을 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따라 저굴절층을 패턴화하여 형성하는 방법을 나타낸 도면.
이하, 본 발명에 대해서 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)의 구조 및 작동 상태를 나타낸다.
본 발명의 용어 '태양광 집광 장치'의 용어는 발광 태양 집광기, 발광 태양 농축기 (Luminescent solar concentrator)라고도 하며, 입사하는 태양광을 발광체가 흡수하여 낮은 에너지의 빛으로 재발광 (Photoluminescence, PL)시키는 장치를 의미한다. 상기 발광체는 가시광선 혹은 적외선을 발광할 수 있는 물질이다. 이 때 발광체로 발광된 빛은 공기와 유리 혹은 플라스틱 기판의 굴절률 차이로 인해 발광된 빛이 전반사하여 기판을 따라서 도파 (wave guiding)하여 이동하게 되고, 이동된 빛은 태양전지로 집광되어 전기로 변환된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층(110); 상기 저굴절층(110)의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층(120); 및 상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층(130)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130)은 서로 같거나 다른 양자점을 포함하고, 상기 저굴절층(110)의 굴절률은 상기 제1 양자점층(120)의 굴절률 및 상기 제2 양자점층(130)의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮은 값을 갖는다.
도 2는 본 발명의 제2 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)의 구조 및 작동 상태를 나타낸다.
본 발명의 제2 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층(110); 및 상기 저굴절층(110)의 상기 제1면에 접하는 양자점층(120)을 포함하는 단위 태양광 집광 장치가 n개 적층된 적층체와, 상기 n번째 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층(130)을 포함하고, 상기 n개의 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130)은 각각 서로 같거나 다른 양자점을 포함하며, 상기 n개의 저굴절층의 굴절률의 최대값은, 상기 n개의 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률의 최소값보다 더 낮으며, 상기 n은 2 이상의 정수이다. n은 2 이상 10 이하의 정수인 것이 더 바람직하다.
도 3은 본 발명의 제3 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)의 구조 및 작동 상태를 나타낸다.
본 발명의 제3 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층; 상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층; 및 상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하는 단위 집광 장치가 n개 적층된 적층체를 포함하되, 상기 적층체를 구성하는 상기 n개의 단위 집광 장치 사이에는 공기층이 형성되고, 상기 n개의 제1 양자점층 및 상기 n개의 제2 양자점층은 각각 서로 같거나 다른 양자점을 포함하고, 상기 단위 태양광 집광 장치를 각각 구성하는 상기 저굴절층의 굴절률은 상기 제1 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮으며, 상기 n은 2 이상의 정수이다. n은 2 이상 10 이하의 정수인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 제3 양상에 있어서, 상기 '공기층'의 용어는 미세한 공기가 순환하는, 굴절률이 1인 층을 의미한다. 상기 공기층의 낮은 굴절률로 인하여, 저굴절층과 동일한 기능을 수행할 수 있다.
본 발명자들은 본 발명의 구현 양상과 같이 양자점층(120, 130) 사이에 단일 또는 복수의 저굴절층(110)이 포함될 경우, 흡광도를 유지시키면서, 이론적인 광 농축 한계를 나타내는 양자점의 농도 및/또는 양자점층의 두께의 임계값 이하로 태양광 집광 장치를 구성할 수 있음을 지견하여 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 상기 '저굴절층'의 용어는 본 발명의 제1 양상에 있어서는 상기 저굴절층의 굴절률이 상기 제1 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮은 것을 의미하고, 본 발명의 제2 양상에 있어서는 상기 단위 태양광 집광 장치를 각각 구성하는 상기 저굴절층의 굴절률의 최대값은, 상기 n개의 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률의 최소값보다 더 낮은 것을 의미하고, 본 발명의 제3 양상에 있어서는 상기 단위 태양광 집광 장치를 각각 구성하는 상기 저굴절층의 굴절률은 상기 제1 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮은 것을 의미한다.
또한, 상기 '저굴절층'의 용어는 25℃에서 1.0 내지 1.5의 굴절률을 가지는 것을 의미할 수 있다. 굴절률은 바람직하게는 1.0 내지 1.4이고, 더 바람직하게는 1.0 내지 1.3이며, 가장 바람직하게는 1.0 내지 1.2이다. 굴절률의 범위가 상기 범위를 만족시키면 전반사 특성이 향상되고, 이론적인 광 농축 한계를 나타내는 양자점의 농도 및/또는 양자점층의 두께의 임계값 이하로 태양광 집광 장치를 구성하여도, 흡광도 및 효율을 유지할 수 있다.
본 발명의 제1 내지 제3 양상에 있어서 상기 저굴절층(110)은 각각 독립적으로 중공 실리카 입자, 중공 이산화티타늄 입자 및 불소계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다. 특히, 상기 실리카 입자 및/또는 이산화티타늄 입자는 굴절률을 낮추어 전반사 특성을 높이기 위하여 중공을 형성시키기 위하여, 중공 실리카 입자 및/또는 중공 이산화티타늄 입자를 사용한다. 내스크래치성을 높일 수 있다는 점에서 중공 실리카 입자를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 중공 실리카 입자는 결정질 입자이거나 비결정질 입자일 수 있고, 단분산 입자인 것이 바람직하다. 형태에 있어서는 구형 입자인 것이 바람직하나, 부정형의 입자도 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 실리카 입자형태를 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)으로 각기 다른 배율에서 촬영한 사진을 도 4에 나타내었다.
본 발명의 제1 내지 제3 양상에 있어서 상기 저굴절층(110)은 각각 독립적으로 0.5 μm 내지 5mm의 두께를 가진다. 두께는 바람직하게는 1 μm 내지 1 mm이고, 더 바람직하게는 2 μm 내지 500 μm이며, 가장 바람직하게는 5μm 내지 50μm이다. 두께의 범위가 상기 범위를 만족시키면 가시광 파장 범위뿐만 아니라 보다 넓은 파장 범위의 적외선 영역까지 투과도를 증가시킬 수 있고, 광대역의 전반사 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 중공 실리카 입자의 수평균 입경은 30 nm 내지 10 μm이다. 수평균 입경은 바람직하게는 30 nm 내지 5 μm이고, 더 바람직하게는 50 nm 내지 2 μm이며, 가장 바람직하게는 50 nm 내지 1 μm이다. 수평균 입경이 상기 범위를 만족시키면 중공부의 비율이 높아지고 표면 상에 미세한 요철이 형성되어 저굴절률이 향상되며, 이로써 최적의 전반사 효능이 달성될 수 있다.
본 발명의 제1 양상에 있어서 상기 제1 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 본 발명의 제2 양상에 있어서 상기 n개의 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 또는 본 발명의 제3 양상에 있어서 상기 n개의 제1 양자점층(120) 및 상기 n개의 제2 양자점층(130)은 서로 같거나 다른 양자점(140)을 포함한다. 상기 '양자점 (quantum dot, QD)'의 용어는 1 나노미터 내지 수십 나노미터 범위의 크기를 갖는 입자로 구성된 단물질 반도체 또는 화합물 반도체를 의미한다. 양자점(140)은 특정한 파장의 광 에너지를 다른 파장의 광 에너지로 변환시킨다.
본 발명의 양자점(140)은 코어-쉘 구조를 가질 수 있고, 코어와 쉘 각각은 1 이상의 층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 양자점(140)은 코어-코어-쉘 구조 또는 코어-쉘-쉘 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양자점(140)은 Cd, Zn, In, Ga, Al, Si, Hg 계열로서, 3원계 또는 4원계의 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물, I-III-VI족 반도체 화합물, IV-VI족 반도체 화합물, IV족 원소 또는 화합물, 전이금속 (transition metal)이 도핑된 II-VI, III-V, I-III-VI 족 화합물, IV-VI족 화합물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있고, 구체적으로, CdZnS/ZnS, CdS, CdSe, CdSe/ZnS, PbS, PbSe CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC. CuInS2, AgInS2, ZnCuInS 및 ZnAgInS를 들 수 있고, 카본 (Carbon) 양자점, 그래핀 (graphene) 양자점, 페로브스카이트 (Perovskite, A1B1X3, CH3NH3PbI3) 양자점 혹은 Perovskite-like 물질 (AaBbXc, a, b, c는 1:1:3이 아닌 다른 정수이며 a+b-c=0을 만족하는 정수), 그 중에서도 CuInS2/ZnS 혹은 CuInSe2/ZnS인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양자점(140) 대신 유기 염료 (organic dye)를 사용하여도 되며, 그 예로 루모겐 레드 (LUMOGEN RED, 적색을 발하는 페릴렌디카르복시이미드 형광제, BASF사, 상품명), 루모겐 옐로우 (LUMOGEN YELLOW, 황색을 발하는 페릴렌디카르복시이미드 형광제, BASF사, 상품명), 루모겐 오렌지(LUMOGEN ORANGE, 오렌지색을 발하는 페릴렌디카르복시이미드 형광제, BASF사, 상품명) 등을 들 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양자점(140) 대신 무기 형광체를 사용하여도 되며, 그 예로 EG2762, NYAG4EL, R630, R670 등을 들 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양자점(140)은 태양광 집광 장치(100) 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%로 함유된다. 상기 양자점(140)은 바람직하게는 3 내지 40 중량%로 함유되고, 더 바람직하게는 5 내지 30 중량%로 함유되며, 가장 바람직하게는 10 내지 30 중량%로 함유된다. 양자점(140)의 함량이 상기 범위를 만족시키면 양자점(140)의 함량 대비 발광 특성이 효율적으로 발휘될 수 있고, 원하는 도광 (light guiding)을 구현시킬 수 있다. 한편, 양자점(140)이 상기 범위를 초과하여 함유될 경우, 발광된 광자가 재흡수되는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 제1 양상에 있어서 상기 제1 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 본 발명의 제2 양상에 있어서 상기 n개의 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 또는 본 발명의 제3 양상에 있어서 상기 n개의 제1 양자점층(120) 및 상기 n개의 제2 양자점층(130)의 두께는 각각 독립적으로 1 μm 내지 3 cm이다. 두께는 바람직하게는 3 μm 내지 1 cm이고, 더 바람직하게는 10 μm 내지 500 μm 이며, 가장 바람직하게는 15 μm 내지 300 μm이다. 두께가 상기 범위 미만인 경우, 일정 수준의 도광 (light guiding)을 구현하기 위하여 양자점(140)이 더 높은 밀도로 존재하여야 하는데, 이러한 경우 양자점(140)들 간의 간격이 매우 좁아져 발광 시 발생하는 열에 의한 양자점(140)들의 열화 (degradation)가 가속화되어 발광 효율이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 두께가 상기 범위를 초과할 경우 제조 공정에서의 두께 균일도 저하 문제가 발생될 수 있고, 생산 비용이 증대되는 등의 경제성의 문제가 발생될 수 있다.
한편, 본 발명의 목적은 전체 태양광 집광 장치(100)의 각 양자점층의 농도를 낮추어 재흡수를 억제함으로써, 이론적인 광 농축 한계를 극복하고 효율을 증가시키는 것이며, 이 때, 본 발명의 제1 내지 제3 양상에 있어서 상기 저굴절층(110)은 은 각각 독립적으로 1 μm 내지 300 μm의 두께를 가지면서, 동시에, 본 발명의 제1 양상에 있어서 상기 제1 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 본 발명의 제2 양상에 있어서 상기 n개의 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 또는 본 발명의 제3 양상에 있어서 상기 n개의 제1 양자점층(120) 및 상기 n개의 제2 양자점층(130)은 각각 독립적으로 1 μm 내지 3 cm의 두께를 가지도록 구성된다.
도 5는 본 발명의 제1 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)를 포함하는, 본 발명의 제4 양상에 따른 태양전지 모듈(200)의 작동 상태를 나타낸 도면이다. 본 발명의 제4 양상에 있어서, 본 발명은 본 발명의 제1 내지 제3 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)의 측면을 감싸는 형태로 배치되고 전기적으로 연결된 복수의 태양전지 셀(150)을 포함하는 태양전지 모듈(200)을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광 장치(100)가 사각평면 형상을 갖는 경우에는, 태양광 집광 장치(100)의 네 측면을 감싸는 형태로 배치될 수 있다. 복수의 태양전지 셀(150)은 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 태양전지 셀(150)은 실리콘 (Si) 계열, 갈륨아세나이드 (GaAs) 계열의 태양전지 셀(150)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
{실시예}
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<시험예 1> 양자점 효율 평가
본 발명에 따른 각각 500 μm 두께의 양자점층 사이에 500 μm 두께의 저굴절층을 위치시킨 총 1500 μm 두께의 태양광 집광 장치 (실시예 1), 및 저굴절층을 포함하지 아니하는 총 1000 μm 두께의 양자점층 단일층으로 이루어진 태양광 집광 장치 (비교예 1)를 사용하여 양자점 효율을 평가하였다. 양자점은 CuInS2/ZnS를 사용하였으며, 중공 실리카 입자가 포함된 저굴절층을 사용하였다.
효율 분석은 몬테 카를로 시뮬레이션 (Monte-Carlo simulation)을 사용하여 수행하였으며, 그 결과는 아래 표 1에 나타내었다 (단위: %).
|
구분
(단위: %) |
광흡수 | 위로 출광 | 아래로 출광 | 반사 | 투과 | 층 내 소광 | 양자점 내 소광 |
| 비교예 1 | 34.7 | 23.3 | 22.1 | 3.9 | 4.5 | 0 | 11.5 |
| 실시예 1 | 39.1 | 21.0 | 20.1 | 3.8 | 4.4 | 0 | 11.6 |
<용어 설명>
광흡수: 빛이 태양광 집광 장치의 옆면으로 전달되어 태양전지에 전달되는 현상 (예를 들어, 실시예 1에서의 광흡수 39.1%는 상부 양자점층에 100개의 태양광 광자가 입사되면 평균적으로 39.1개의 광자가 태양전지에 전달됨을 의미함),
위로 출광: 빛이 태양광 집광 장치의 윗면을 뚫고 탈출(escape)하는 현상,
아래로 출광: 빛이 태양광 집광 장치의 아랫면을 뚫고 탈출(escape)하는 현상,
반사: 빛이 태양광 집광 장치의 계면에서 반사되어 양자점에 전달되지 아니하는 현상,
투과: 빛이 양자점에 흡수되지 아니하는 현상,
층 내 소광: 빛이 태양광 집광 장치 내의 층에 의하여 소광되는 현상,
양자점 내 소광: 양자점이 발광하지 못하는 현상.
표 1에서 확인되는 바와 같이, 양자점층 사이에 저굴절층을 위치시킨 태양광 집광 장치 (실시예 1)를 사용할 경우, 저굴절층을 포함하지 아니하는 양자점층 단일층으로 이루어진 태양광 집광 장치 (비교예 1)에 비하여, 4.4%의 현저하게 향상된 광흡수 효율 즉, 전반사 효율을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
<시험예 2> 광자 이동 경로확인
본 발명에 따른 상기 실시예 1의 태양광 집광 장치에 대하여, 몬테-카를로 시뮬레이터 (Monte-Carlo simulator)를 사용하여, 광자 이동 경로를 확인하였다. 그 결과는 도 6에 나타내었다 (단위: μm).
도 6의 x, y, z는 μm 단위로 총 5 cm x 5 cm x 1.5 mm의 크기의 태양광 집광 장치에 무작위 (random)로 입사되는 광자의 이동경로를 나타낸다. 다른 층으로 광자가 이동하면 다른 색깔로 나타내었다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유리층 사이에 제공된 양자점층으로 구성된 태양광 집광 장치의 구조를 나타낸 도면이다. 좀 더 구체적으로, 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 2개의 유리층(720,730) 사이에 양자점층(710)이 삽입되고, 양자점층(710)의 제1면(710a) 또는 제2면(710b) 중 어느 하나의 면에 패턴화된 저굴절층(740)이 제공된 태양광 집광 장치(700)의 구조가 도시되어 있다.
다시 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)는 서로 대향하는 제1면(710a) 및 제2면(710b)을 가지는 양자점층(710); 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a)에 접하는 제1 유리층(720); 상기 양자점층(710)의 상기 제2면(710b)에 접하는 제2 유리층(730); 및 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a) 또는 상기 제2면(710b)의 소정 영역에 제공되는 저굴절층(740)을 포함하되, 상기 저굴절층(740)은 패턴화되고, 상기 저굴절층(740)의 굴절률은 상기 양자점층(710)의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 한다. 도 7에 도시된 실시 예에서는, 패턴화된 저굴절층(740)이 제1면(710a)에 제공되는 것으로 예시적으로 도시되어 있지만, 당업자라면 패턴화된 저굴절층(740)이 제2면(710b)에 제공될 수 있다는 것을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
도 7에 도시된 바와 같은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)에서는, 패턴화된 저굴절층(740)이 양자점층(710)의 제1면(710a) 또는 제2면(710b)(도 7의 경우, 제1면(710a))에 제공되어 저굴절층(740)이 양자점층(710)에서 유리층(720) 내로 투과하는 광자를 유리층(720)과 양자점층(710) 사이에서 전반사시킴으로써 광손실이 없는 구간(L) 내에서 이동할 수 있다.
바람직하게는, 유리층(720,730)의 두께는 양자점층(710)의 두께의 50배 이상일 수 있다.
바람직하게는, 패턴화된 저굴절층(740)의 총 면적은 제1 유리층(720) 또는 제2 유리층(730)의 전체 면적의 5~95% 범위에 해당할 수 있으며, 보다 바람직하게는 10~90% 범위에 해당할 수 있다.
추가적으로, 도 7의 하단부의 도면(70)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)를 위에서 내려다 본 평면도이며, 패턴화된 저굴절층(740)의 예시적인 일 패턴(70)을 나타낸다. 이 경우 도 7의 상단부에 도시된 태양광 집광 장치(700)는 도면(70)을 5-5' 선을 따라 수직으로 절단한 단면을 화살표 방향에서 바라본 형태일 수 있다. 도 7의 도면(70)에서 저굴절층(740)의 패턴이 마름모 형상으로 구현되되, 마름모 형상의 각 변이 태양광 집광 장치(700)의 상부면 또는 하부면의 대각선 방향과 동일한 경우가 예시적으로 도시되어 있지만, 마름모 형상의 각 변이 태양광 집광 장치(700)의 상부면 또는 하부면의 대각선 방향과 동일하지 않은 경우도 가능하다. 이 경우, a 및 b는 마름모 형상의 중심에서부터 내측 및 외측의 각 변의 길이의 1/2에 해당되고, a 및 b의 길이가 각각 태양광 집광 장치(700)의 상부면 또는 하부면의 중심과 꼭지점을 잇는 길이의 소정 범위에 해당하는 경우에 후술하는 바와 같이 최대 효율이 얻어질 수 있다.
도 8은 패턴화된 저굴절층(740a,740b)이 양자점층(710)의 양쪽 면 상에 제공되는 태양광 집광 장치(700)를 나타낸다.
좀 더 구체적으로, 도 8에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)는, 서로 대향하는 제1면(710a) 및 제2면(710b)을 가지는 양자점층(710); 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a)에 접하는 제1 유리층(720); 상기 양자점층(710)의 상기 제2면(710b)에 접하는 제2 유리층(730); 및 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a) 및 상기 제2면(710b) 각각의 소정 영역에 제공되는 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)을 포함하되, 상기 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)은 각각 패턴화되고, 상기 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)의 굴절률은 각각 상기 양자점층(710)의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 한다.
도 8에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)에서, 상기 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)의 굴절률은 각각 동일하거나 상이할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)에서, 상기 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)은 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a) 및 상기 제2면(710b) 상에서 동일 패턴으로 대향되는 위치에 제공되도록 패턴화될 수 있다.
추가적으로, 도 8의 하단부의 도면(70)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)를 위에서 내려다 본 평면도이며, 패턴화된 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b) 각각의 예시적인 일 패턴(70)을 나타낸다. 이 경우 도 8의 상단부에 도시된 태양광 집광 장치(700)는 각각 도면(70)을 5-5' 선을 따라 수직으로 절단한 단면을 화살표 방향에서 바라본 형태일 수 있다.
일 실시 예의 태양광 집광 장치(700)에서, 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)이 상술한 바와 같이 양자점층(710)의 제1면(710a) 및 제2면(710b) 상에 동일 패턴으로 대향되는 위치에 제공되도록 패턴화된 경우, 도 8의 하단부의 도면(70)은 또한 패턴화된 제2 저굴절층(740b)의 예시적인 일 패턴(70)에도 해당하게 된다.
도 9는 도 8의 실시 예에서 패턴화된 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)의 각각의 패턴이 양자점층(710)의 제1면(710a) 및 제2면(710b) 상에서 서로 상보적으로 제공되는 태양광 집광 장치(700)를 도시하고 있다.
좀 더 구체적으로, 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)는, 서로 대향하는 제1면(710a) 및 제2면(710b)을 가지는 양자점층(710); 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a)에 접하는 제1 유리층(720); 상기 양자점층(710)의 상기 제2면(710b)에 접하는 제2 유리층(730); 및 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a) 및 상기 제2면(710b) 각각의 소정 영역에 제공되는 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)을 포함하되, 상기 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)은 각각 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a) 및 상기 제2면(710b) 상에서 서로 상보적으로 패턴화되고, 상기 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)의 굴절률은 각각 상기 양자점층(710)의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 한다.
도 9에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)에서, 상기 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)의 굴절률은 각각 동일하거나 상이할 수 있다.
추가적으로, 도 9의 하단부의 도면들(70a,70b)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)를 각각 상부 및 하부에서 바라본 평면도 및 저면도이며, 패턴화된 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)의 예시적인 패턴들(70a,70b)을 나타낸다. 도 9의 상단부에 도시된 태양광 집광 장치(700)는 각각 도면(70a) 및 도면(70b)을 5-5' 선을 따라 수직으로 절단한 단면을 화살표 방향에서 바라본 형태일 수 있으며, 이 경우 제1 저굴절층(740a)의 예시적인 일 패턴(70a)과 제2 저굴절층(740b)의 예시적인 일 패턴(70b)은 그 패턴 및 위치가 도 9에 도시된 바와 같이 서로 상보적이다.
도 10은 패턴화된 저굴절층(740)이 양자점층(710)의 제1면(710a) 및 제2면(710b) 중 하나의 면(710a)에 접한 투명 폴리머 레진층(750) 내에서 수직 방향으로 서로 이격된 복수의 층(740p,740q,740r)으로 평행하게 제공되는 태양광 집광 장치(700)를 나타낸다.
좀 더 구체적으로, 도 10에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)는, 서로 대향하는 제1면(710a) 및 제2면(710b)을 가지는 양자점층(710); 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a) 및 제2면(710b) 중 하나의 면(710a)에 접하는 투명 폴리머 레진층(750); 상기 양자점층(710)과 대향하여 상기 투명 폴리머 레진층(750)에 접하는 제1 유리층(720); 상기 양자점층(710)의 상기 제1면(710a) 및 제2면(710b) 중 다른 하나의 면에 접하는 제2 유리층(730); 상기 투명 폴리머 레진층(750) 내에 제공되는 저굴절층(740)을 포함하되, 상기 저굴절층(740)은 패턴화되고, 상기 저굴절층(740)의 굴절률은 상기 양자점층(710)의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)에서, 상기 저굴절층(740)은 상기 투명 폴리머 레진층(750) 내에서 수직 방향으로 이격되어 제공되는 패턴화된 복수의 저굴절층(740p,740q,740r)으로 구현될 수 있으며, 패턴화된 복수의 저굴절층(740p,740q,740r)의 각각의 굴절률은 각각 상기 양자점층(710)의 굴절률보다 낮다.
도 10에 도시된 실시 예에서는, 투명 폴리머 레진층(750)이 양자점층(710)의 제1면(710a)과 접하도록 제공되는 것으로 예시적으로 도시되어 있지만, 당업자라면 투명 폴리머 레진층(750)이 양자점층(710)의 제2면(710b)과 접하도록 제공되거나, 또는 하나의 투명 폴리머 레진층(750)이 제1면(710a)과 접하도록 제공되고 또한 또 다른 하나의 투명 폴리머 레진층(미도시)이 제2면(710b)과 접하도록 제공될 수 있으며, 본 명세서에서 사용된 제1면(710a) 및/또는 제2면(710b)의 용어는 특정한 방향과는 무관하다는 점을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
패턴화된 저굴절층(740)은 바람직하게는 20개의 층 이하로 구성될 수 있다.
상술한 도 7 내지 도 10에 도시된 본 발명의 실시 예들에 따른 저굴절층(740)의 패턴은 각각 다양한 패턴을 포함할 수 있으며, 도시된 특정한 패턴에 제한되지 않는다. 구체적으로, 도 7 내지 도 10에 도시된 본 발명의 실시 예들에 따른 저굴절층(740)의 패턴이 마름모 형상의 격자 패턴으로 도시되어 있지만, 당업자라면 이러한 패턴이 원 형상, 타원 형상, 사각형(정사각형 또는 직사각형) 형상 등으로 구현될 수 있다는 것을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
또한, 도 7 내지 도 10에 도시된 본 발명의 실시 예들에 따른 패턴화된 저굴절층(740)은 양자점층(710)의 제1면(710a) 및 제2면(710b) 중 어느 하나 또는 양자에 접하도록 제공되는 것이 일반적이지만, 반드시 접하도록 제공될 필요는 없다는 점에 유의하여야 한다.
상술한 바와 같이, 저굴절층(740)의 굴절률은 각각 양자점층(710)의 굴절률보다 더 낮은 값을 갖는다. 구체적으로, 저굴절층(740)의 굴절률은 각각 25℃에서 1.0 내지 1.5를 가질 수 있으며, 바람직하게는 1.0 내지 1.4이고, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 1.3이며, 가장 바람직하게는 1.0 내지 1.2이다. 저굴절층(740)의 굴절률의 범위가 상기 범위를 만족시키면 전반사 특성이 향상되므로 집광 효율이 향상된다.
저굴절층(740)은 독립적으로 중공 실리카 입자, 중공 이산화티타늄 입자 및 불소계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다. 특히, 상기 실리카 입자 및/또는 이산화티타늄 입자는 굴절률을 낮추어 전반사 특성을 높이기 위하여 중공을 형성시키기 위하여, 중공 실리카 입자 및/또는 중공 이산화티타늄 입자를 사용한다. 내스크래치성을 높일 수 있다는 점에서 중공 실리카 입자를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 중공 실리카 입자는 결정질 입자이거나 비결정질 입자일 수 있고, 단분산 입자인 것이 바람직하다. 형태에 있어서는 구형 입자인 것이 바람직하나, 부정형의 입자도 제한 없이 사용할 수 있다.
도 11은 도 7 내지 도 10의 실시 예에 따른 패턴화된 저굴절층(740)의 유형에 따른 태양광 집광 장치(700)의 집광 효율 그래프들을 나타낸다.
효율 분석은 몬테 카를로 시뮬레이션(Monte-Carlo simulation)을 사용하여 수행하였으며, 그 수행 조건(하기 표 2 참조) 및 결과는 다음과 같다.
| PL QY | 80% |
| Layer | G/(L)/Q/(L)/G |
| T | 5mm/(50㎛)/50㎛/(50㎛)/5mm |
| Size | 50x50mm |
5x5cm 크기의 유리에서 패턴화된 저굴절층(740)이 없으면 도 11의 첫번째 그래프와 같이 약 24%의 효율을 가진다. 하지만 도 7의 실시 예와 같이 양자점층(710)의 한쪽 면 상에 저굴절층(740)의 패턴이 제공되는 경우, 후술하는 소정의 패턴 조건을 만족하면 최대 효율이 27.7%로 상승하고(도 11의 두번째 그래프 참조), 도 8의 실시 예와 같이 양자점층(710)의 양쪽 면 상에 저굴절층(740a,740b)의 대응 패턴이 제공되는 경우에는 최대 효율이 28.5%로 상승하며(도 11의 세번째 그래프 참조), 도 9의 실시 예와 같이 양자점층(710)의 양쪽 면 상에 저굴절층(740a,740b)의 상보적인 패턴이 제공되는 경우에는, a 및 b의 패턴 조건에 관계없이 최대로 약 29%의 효율을 가지는 것(도 11의 네번째 그래프 참조)으로 확인되었다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 도 7 내지 도 9에 도시된 마름모 형상의 패턴에서 상기 소정의 패턴 조건은 도 7에 도시된 a 및 b의 길이가 태양광 집광 장치(700)의 상부면 또는 하부면의 중심과 꼭지점을 잇는 길이의 약 10% 및 약 90~100%에 각각 해당하는 경우에 만족될 수 있다.
참고로 상기 수행 조건 표에서의 PL QY(Photoluminescence quantum yield)는 광자 1개당 만들어지는 캐리어의 수를 의미하는 광 발광 양자 수율에 해당하며, 본 발명에 사용된 양자점층의 양자점(140) 각각의 PL QY가 80%임을 의미한다.
도 12는 저굴절층의 패턴화 정도에 따른 집광 효율의 변화를 나타낸다.
구체적으로, 도 12의 (A)에 도시된 바와 같이, 패턴화된 저굴절층(740)이 존재하지 않는 경우(좌측 도면), 도 9의 실시 예에 따라 상보적으로 패턴화된 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)이 제공된 경우(중간 도면) 및 도 9의 실시 예와 비교해 더욱 복잡하게 상보적으로 패턴화된 제1 및 제2 저굴절층(740a,740b)이 제공된 경우(우측 도면)로 나누어 효율 분석을 실시하였다.
효율 분석은 도 11의 효율 분석과 마찬가지로 몬테 카를로 시뮬레이션(Monte-Carlo simulation)을 사용하여 수행하였으며, 그 수행 조건(하기 표 3 참조) 및 결과는 다음과 같다.
| PL QY | 80% |
| Layer | G/(L)/Q/(L)/G |
| T | 6mm/(50㎛)/50㎛/(50㎛)/6mm |
| Size | 1x1m |
1x1m 크기의 유리에서 패턴화된 저굴절층(740)이 없으면 도 12 (B)의 첫번째 그래프와 같이 약 17.8%의 최대 효율을 가진다. 하지만 도 9의 실시 예와 같이 상보적인 패턴을 가지는 경우, 소정의 패턴 조건을 만족하면 최대 효율이 27.1%로 상승하고(도 12 (B)의 두번째 그래프 참조), 더욱 복잡한 상보적인 패턴을 가지는 경우, 최대 효율이 27.2%(도 12 (B)의 세번째 데이터 참조)인 것으로 확인되었다.
도 12 (B)의 세번째 데이터는 상술한 바와 같은 소정의 패턴 조건(도 7에 도시된 a, b 참조)과 관련하여, 더욱 복잡한 상보적인 마름모 형상 패턴에서 패턴 조건(a,b,c,d)의 차이에 따른 효율 수치 변화를 도시하며, 이 데이터에서는 패턴 조건(즉, (a,b,c,d)의 길이)을 태양광 집광 장치(700)의 상부면 또는 하부면의 중심과 꼭지점을 잇는 길이를 10으로 하였을 때의 상대적인 길이로 표시하였다.
상술한 바와 같이, 5x5cm 크기의 태양광 집광 장치(700)의 집광 효율은 약 24%에서 약 29%로 기존 대비 약 21% 정도 효율이 상승하였고, 1x1m 크기의 태양광 집광 장치(700)의 집광 효율은 약 17.8%에서 약 27.2%로 기존 대비 약 53% 정도 효율이 상승하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 도 12에서 수행한 효율 분석에서의 소정의 패턴 조건은 도 11에서 수행한 효율 분석에서의 소정의 패턴 조건과 동일하다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따라 저굴절층을 패턴화하여 형성하는 방법(1300)을 도시하고 있다.
도 13을 참조하면, 우선 유리(1310) 위에 희생층(1320)을 패턴화하여 형성시킨다(도 13 (A) 참조). 저굴절재료(1330)를 스핀 코팅 방법을 통해 300rpm에서 오버코팅한 후, 90도의 온도로 90초 간 소프트 베이킹을 진행한다(도 13 (B) 참조). 증착된 저굴절재료(1330)에서 희생층(1320)을 분리하는 방식(life-off)으로 저굴절층(1330)만 남긴 후, 220도의 온도로 20분 간 하드 베이킹을 진행하면(도 13 (C) 참조) 패턴화된 저굴절층(1330)을 얻을 수 있다. 참고로 상기 설명한 일련의 과정 이후에 양자점층을 패턴화된 저굴절층(1330)이 형성된 유리(1310) 상에 코팅하고, 형성된 양자점층 상에 도 13에 도시된 패턴화된 저굴절층(1330)이 형성된 유리(1310) 또는 패턴화된 저굴절층(1330)이 없는 유리(1310)만을 접합하면, 도 7 내지 도 10에 도시된 패턴화된 저굴절층(740)을 포함하는 태양광 집광 장치(700)를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같은, 패턴화된 저굴절층(740)이 양자점층(710) 상에 제공되거나 또는 투명 폴리머 레진층(750) 내에 형성된 구조를 포함하는 태양광 집광 장치(700)는 또한 도 5에 도시된 바와 같은 태양전지 모듈(200)에 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 모듈(200)은 상술한 도 7 내지 도 10에 도시된 태양광 집광 장치(700)의 측면을 감싸는 형태로 배치되고 전기적으로 연결된 복수의 태양전지 셀(150)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 집광 장치(700)가 사각평면 형상을 갖는 경우에는, 태양광 집광 장치(700)의 네 측면을 감싸는 형태로 배치될 수 있다. 복수의 태양전지 셀(150)은 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 태양전지 셀(150)은 실리콘(Si) 계열, 갈륨아세나이드(GaAs) 계열의 태양전지 셀(150)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 청구범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
70: 저굴절층 패턴 70a: 제1 저굴절층 패턴
70b: 제2 저굴절층 패턴 100: 태양광 집광 장치
110: 저굴절층 120: 제1 양자점층
130: 제2 양자점층 140: 양자점
150: 태양전지 셀 200: 태양전지 모듈
700: 태양광 집광 장치 710: 양자점층
710a: 제1면 710b: 제2면
720: 제1 유리층 730: 제2 유리층
740, 740a, 740b, 740p, 740q, 740r: 저굴절층
750: 투명 폴리머 레진층 1310: 유리
1320: 희생층 1330: 저굴절재료
L: 광손실 없는 구간
70b: 제2 저굴절층 패턴 100: 태양광 집광 장치
110: 저굴절층 120: 제1 양자점층
130: 제2 양자점층 140: 양자점
150: 태양전지 셀 200: 태양전지 모듈
700: 태양광 집광 장치 710: 양자점층
710a: 제1면 710b: 제2면
720: 제1 유리층 730: 제2 유리층
740, 740a, 740b, 740p, 740q, 740r: 저굴절층
750: 투명 폴리머 레진층 1310: 유리
1320: 희생층 1330: 저굴절재료
L: 광손실 없는 구간
Claims (12)
- 태양광 집광 장치에 있어서,
서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 양자점층;
상기 양자점층의 상기 제1면에 접하는 제1 유리층;
상기 양자점층의 상기 제2면에 접하는 제2 유리층; 및
상기 양자점층의 상기 제1면 또는 상기 제2면의 소정 영역에 제공되는 저굴절층
을 포함하되,
상기 저굴절층은 패턴화되고,
상기 저굴절층의 굴절률은 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 태양광 집광 장치에 있어서,
서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 양자점층;
상기 양자점층의 상기 제1면에 접하는 제1 유리층;
상기 양자점층의 상기 제2면에 접하는 제2 유리층; 및
상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 각각의 소정 영역에 제공되는 제1 및 제2 저굴절층
을 포함하되,
상기 제1 및 제2 저굴절층은 각각 패턴화되고,
상기 제1 및 제2 저굴절층의 굴절률은 각각 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 태양광 집광 장치에 있어서,
서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 양자점층;
상기 양자점층의 상기 제1면에 접하는 제1 유리층;
상기 양자점층의 상기 제2면에 접하는 제2 유리층; 및
상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 각각의 소정 영역에 제공되는 제1 및 제2 저굴절층
을 포함하되,
상기 제1 및 제2 저굴절층은 각각 상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 상에서 서로 상보적으로 패턴화되고,
상기 제1 및 제2 저굴절층의 굴절률은 각각 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 태양광 집광 장치에 있어서,
서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 양자점층;
상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 중 하나의 면에 접하는 투명 폴리머 레진층;
상기 양자점층과 대향하여 상기 투명 폴리머 레진층에 접하는 제1 유리층;
상기 양자점층의 상기 제1면 및 상기 제2면 중 다른 하나의 면에 접하는 제2 유리층; 및
상기 투명 폴리머 레진층 내에 제공되는 저굴절층
을 포함하되,
상기 저굴절층은 패턴화되고,
상기 저굴절층의 굴절률은 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 제4항에 있어서,
내부에 저굴절층이 제공된 추가적인 투명 폴리머 레진층이 상기 제1면 및 상기 제2면 중 다른 하나의 면과 상기 제2 유리층 사이에서 접하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 제4항에 있어서,
상기 저굴절층은 상기 투명 폴리머 레진층 내에서 수직 방향으로 이격되어 제공되는 패턴화된 복수의 저굴절층으로 구현되고, 상기 패턴화된 복수의 저굴절층의 각각의 굴절률은 각각 상기 양자점층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저굴절층은 25℃에서 1.0 내지 1.5의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저굴절층의 총 면적은 상기 제1 유리층 또는 상기 제2 유리층의 전체 면적의 10% 내지 90%에 해당하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 유리층 및 상기 제2 유리층은 상기 양자점층의 두께의 50배 이상인 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저굴절층은 중공 실리카 입자, 중공 이산화티타늄 입자 및 불소계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저굴절층은 20개 이하의 층으로 구현되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 태양광 집광 장치의 측면을 감싸는 형태로 배치되고 전기적으로 연결된 복수의 태양전지 셀을 포함하는 태양전지 모듈.
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