KR102421440B1 - 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈 - Google Patents

광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR102421440B1
KR102421440B1 KR1020200036390A KR20200036390A KR102421440B1 KR 102421440 B1 KR102421440 B1 KR 102421440B1 KR 1020200036390 A KR1020200036390 A KR 1020200036390A KR 20200036390 A KR20200036390 A KR 20200036390A KR 102421440 B1 KR102421440 B1 KR 102421440B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solar cell
light
optical structure
transmitting
transmitting solar
Prior art date
Application number
KR1020200036390A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210119784A (ko
Inventor
신명훈
윤영빈
김용기
Original Assignee
한국항공대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국항공대학교산학협력단 filed Critical 한국항공대학교산학협력단
Priority to KR1020200036390A priority Critical patent/KR102421440B1/ko
Publication of KR20210119784A publication Critical patent/KR20210119784A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102421440B1 publication Critical patent/KR102421440B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈이 개시되며, 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지는, 전방으로부터 입사된 광 중 제1파장 대역의 광은 투과시키고 상기 입사된 광 중 제2파장 대역의 광은 반사하도록 구비되는 광학 구조체 및 상기 집광된 제2파장 대역의 광을 기초로 전력을 생산하는 솔라셀을 포함하고, 상기 광학 구조체는, 전방에 배치된 상기 솔라셀로 상기 제2파장 대역의 광을 반사하여 집광하도록 후방으로 볼록한 포물선 형상으로 구비되고, 상기 제1파장 대역의 광은 가시광선 대역을 포함하고, 상기 제2파장 대역의 광은 가시광선 대역 이외의 대역의 광을 포함할 수 있다.

Description

광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈{TRANSPARENT SOLAR CELL WITH OPTICAL STRUCTURE AND TRANSPARENT SOLAR CELL MODULE INCLUDING THE SAME}
본원은 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈에 관한 것이다. 특히, 본원은 시각적인 투명성을 확보하고 집광 효율을 높이기 위한 광학 구조체를 양면발전 태양전지와 결합함으로써 높은 발전 효율과 가시광 대역에서 높은 투과도를 갖는 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
투광형 태양전지의 특성상 시각적 투명성을 확보하기 위해서는 가시광선 영역의 빛을 투과시켜야 하는데, 이는 태양전지 발전 효율의 손실을 야기할 수 있다. 따라서, 이러한 발전 효율의 손실을 방지하면서도 시각적 투명성을 유지하기 위해서는 가시광선 영역이 아닌 영역의 광, 예를 들면 자외선(UV) 영역과 근적외선(NIR) 영역의 빛을 최대한 발전에 활용할 필요가 있다.
즉, 시각적 투명성 확보 및 발전 효율의 손실 방지 특성을 갖는 투광형 태양전지를 구현하기 위해서는 가시광선 영역의 빛은 최대한 투과시키고 가시광선이 아닌 영역의 광(예를 들면, UV 또는 NIR 영역의 빛)은 최대한 반사 시킬 수 있는 광학층을 포함하는 광학 구조체의 설계가 요구되며, 반사된 빛을 집광시키기 위해 광학 구조체를 포물선(Parabolic) 형태로 만들어야 한다.
이와 관련하여, 태양광은 넓은 영역에서 임의의 방향으로 진행하기 때문에, 태양광을 효율적으로 집광하는 것으로도 태양전지의 발전 효율을 크게 개선할 수 있으므로, 임의의 방향에서 입사하는 빛에 대하여, 특정 위치와 영역으로 초점을 형성시킬 수 있는 포물선 구조의 특성을 적절히 이용하면 집광 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대되나, 집광 효율 최대화를 위하여 포물선(Parabolic)의 형상 자체에 대한 설계를 최적화하는 기법에 대한 연구 개발은 미비한 실정이다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-1027782호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 입사되는 광의 파장 대역에 따라 일부 파장 대역은 높은 투과율을 갖도록 하고, 투과되지 않은 파장 대역의 일부는 높은 반사율 가지도록 하는 설계 조건을 만족하는 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 솔라셀의 위치와 면적에 대한 설계 요구 사항에 기초하여 집광 효율을 최대로 확보하기 위한 구조 설계 조건을 만족하는 포물선 형태로 구비되는 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지는, 전방으로부터 입사된 광 중 제1파장 대역의 광은 투과시키고 상기 입사된 광 중 제2파장 대역의 광은 반사하도록 구비되는 광학 구조체 및 상기 반사된 제2파장 대역의 광을 기초로 전력을 생산하는 솔라셀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광학 구조체는, 전방에 배치된 상기 솔라셀로 상기 제2파장 대역의 광을 반사하여 집광하도록 후방으로 볼록한 포물선 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1파장 대역의 광은 가시광선 대역을 포함하고, 상기 제2파장 대역의 광은 가시광선 대역 이외의 대역의 광을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광학 구조체는, 상기 포물선의 중심을 포함하고 전후방향으로 연장되는 기준축에 대하여 대칭인 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 솔라셀은, 상기 기준축을 따라 연장되되, 상기 광학 구조체에 의해 상기 제2파장 대역의 광이 적어도 일부 집광되는 초점을 포함하도록 상기 기준축 상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 기준축 상에서의 상기 중심의 위치와 상기 솔라셀의 전단의 위치 및 상기 솔라셀의 후단의 위치 중 적어도 하나는 상기 광학 구조체의 횡방향 양단 사이의 수직 길이에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 광학 구조체는, 상기 중심으로부터 횡방향 양단으로 멀어질수록 곡률이 감소하는 포물선 형상의 반사면을 가지도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 광학 구조체의 반사면은, 상기 포물선의 기준축 상에 존재하는 복수의 초점 거리를 갖는 포물선 면이 연결되는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 솔라셀은 상기 복수의 초점 거리에 대응하는 복수의 초점으로 반사되는 광을 기초로 전력을 생산 가능하도록 전후방향을 따라 연장 구비될 수 있다.
또한, 상기 광학 구조체는, 굴절률이 상이한 적어도 둘 이상의 물질이 전후방향을 따라 교번하여 적층된 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조로 구비될 수 있다.
또한, 상기 물질 각각의 적층 두께는, 상기 물질 각각의 굴절률에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 물질 각각의 적층 두께는, 상기 광학 구조체에 의해 상기 솔라셀로 집광되는 상기 제2파장 대역의 광이 적외선 대역 또는 자외선 대역을 포함하도록 결정될 수 있다.
또한, 상기 광학 구조체는 전단부에 적층되는 산화물층 및 후단부에 적층되는 금속층을 포함하는 구조로 구비될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지는, 상기 광학 구조체를 지지하도록 상기 광학 구조체의 전방에 구비되는 전면부 모재 및 상기 광학 구조체를 지지하도록 상기 광학 구조체의 후방에 구비되는 후면부 모재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전면부 모재 및 상기 후면부 모재는, 상기 광학 구조체에 의해 투광된 상기 제1파장 대역의 광에 대한 시야감이 개선되도록 상기 전면부 모재를 이루는 물질과 상기 후면부 모재를 이루는 물질 사이의 굴절률 차이가 미리 설정된 임계 비율 이내가 되도록 구비될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지는, 상기 솔라셀에서 발생된 전력을 외부로 전달하기 위한 전극을 포함할 수 있다.
한편, 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지를 포함하는 투광형 태양전지 모듈은, 복수 개의 상기 투광형 태양전지 및 상기 복수 개의 투광형 태양전지 사이를 전기적으로 접속시키는 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 투광형 태양전지는, 상기 태양전지 모듈에 광이 입사되는 전후방향과 직교하는 폭방향을 따라 소정의 수의 상기 투광형 태양전지가 나란히 배치된 태양전지 어레이가 횡방향을 따라 복수 개의 열을 이루며 배열될 수 있다.
또한, 제1태양전지 어레이의 폭방향 일단에 배치된 상기 투광형 태양전지와 상기 제1태양전지 어레이와 이웃한 제2태양전지 어레이의 폭방향 타단에 배치된 상기 투광형 태양전지가 상기 전극에 의해 연결되는 것은 어레이 간 직렬 연결일 수 있다.
또한, 상기 제1태양전지 어레이의 폭방향 일단에 배치된 상기 투광형 태양전지와 상기 제2태양전지 어레이의 폭방향 일단에 배치된 상기 투광형 태양전지가 상기 전극에 의해 연결되는 것은 어레이 간 병렬 연결일 수 있다.
또한, 상기 투광형 태양전지의 솔라셀은 횡방향 일면 및 타면 각각을 통하여 양면으로 발전될 수 있다.
또한, 상기 태양전지 어레이 내에서 상기 전극이 상기 투광형 태양전지의 솔라셀의 횡방향 일면과 상기 투광형 태양전지와 이웃한 이웃 투광형 태양전지의 솔라셀의 횡방향 타면을 연결하는 것은 어레이 내 직렬 연결일 수 있다.
또한, 상기 태양전지 어레이 내에서 상기 전극이 상기 투광형 태양전지의 솔라셀의 횡방향 일면과 상기 투광형 태양전지와 이웃한 이웃 투광형 태양전지의 솔라셀의 횡방향 일면을 연결하는 것은 어레이 내 병렬 연결일 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 투광형 태양전지는, 상기 태양전지 모듈에 대하여 요구되는 출력 전압 및 출력 전류 중 적어도 하나에 기초하여 횡방향을 따라 이웃한 한 쌍의 태양전지 어레이 각각의 접속 방식이 상기 어레이 간 직렬 연결 또는 상기 어레이 간 병렬 연결로 결정될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 투광형 태양전지는, 하나의 상기 태양전지 어레이 내에서 폭방향을 따라 이웃한 한 쌍의 투광형 태양전지 각각의 접속 방식이 상기 어레이 내 직렬 연결 또는 상기 어레이 내 병렬 연결로 결정될 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 입사되는 광의 파장 대역에 따라 일부 파장 대역은 높은 투과율을 갖도록 하고, 투과되지 않은 파장 대역의 일부는 높은 반사율 가지도록 하는 설계 조건을 만족하는 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈을 제공할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 솔라셀의 위치와 면적에 대한 설계 요구 사항에 기초하여 집광 효율을 최대로 확보하기 위한 구조 설계 조건을 만족하는 포물선 형태로 구비되는 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈을 제공할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 높은 집광 효율을 이용한 고효율의 에너지 생산성과 높은 시각적 투명성을 차세대 태양전지 개발에 부가할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 제로 에너지 빌딩 핵심 기술로써 사용될 수 있고, 자동차, 스마트기기 등 각종 휴대용 전력 소모원에 자가발전 능력을 부여할 수 있으며, 나아가 주요 에너지 소비원의 에너지 자립도를 향상시켜, 거시적인 관점에서 총 에너지 비용을 절감시킬 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 복수의 투광형 태양전지를 직렬 연결, 병렬 연결, 직병렬 혼합 연결 등의 다양한 어레이 내 연결 방식으로 어레이를 이루도록 배치하고, 이러한 태양전지 어레이 간의 연결 방식 또한 직렬 연결, 병렬 연결, 직병렬 혼합 연결 등의 다양한 어레이 간 연결 방식으로 이루어진 태양전지 모듈을 구현함으로써 모듈의 출력 전압과 출력 전류를 조절할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지의 광학 구조체 및 솔라셀을 나타낸 도면이다.
도 3은 포물선 형상으로 구비되는 광학 구조체 및 포물선의 중심을 포함하는 기준축을 따라 연장되는 솔라셀의 배치 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 광학 구조체의 반사면이 복수의 초점 거리를 갖는 포물선 면이 연결되는 형태로 구비되고, 솔라셀이 복수의 초점 거리에 대응하는 복수의 초점에 대응하여 연장 구비되는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지와 연계된 일 실험예로, 소정의 광학 소프트웨어를 이용하여 설계된 광학 구조체 및 설계된 광학 구조체에 대한 집광 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지와 연계된 일 실험예로, 광학 구조체에 입사되는 광의 입사각 변화에 따른 집광 시뮬레이션 결과 및 광학 구조체에 입사되는 광의 입사각 변화에 따른 솔라셀의 집광율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조로 구비되는 광학 구조체를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7b는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조로 구비되는 광학 구조체의 파장 대역에 따른 반사율 및 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 8a는 산화물층 및 금속층을 포함하는 구조로 구비되는 광학 구조체를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8b는 산화물층 및 금속층을 포함하는 구조로 구비되는 광학 구조체의 파장 대역에 따른 반사율 및 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지를 포함하는 투광형 태양전지 모듈에 대한 개략적인 사시도이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 11은 복수의 투광형 태양전지에 대한 어레이 간 직렬 및 병렬 연결 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 복수의 투광형 태양전지에 대한 어레이 내 직렬 및 병렬 연결 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
참고로, 본원의 실시예에 관한 설명 중 방향이나 위치에 관련된 용어(전방, 후방, 전후방향, 전단, 후단, 폭방향, 횡방향 등)는 도면에 나타나 있는 각 구성의 배치 상태를 기준으로 설명한 것이다. 예를 들면, 도1 및 도 2에서 보았을 때 전후방향은 2시에서 8시방향, 횡방향은 12시에서 6시방향이고, 폭방향은 4시에서 10시방향일 수 있다. 또한, 도 3에서 보았을 때 전방은 3시 방향, 후방은 9시 방향일 수 있고, 횡방향은 12시에서 6시방향이고, 폭방향은 도면의 법선 방향일 수 있다. 또한, 도 7a 및 도 8a에서 전후방향은 12시에서 6시 방향일 수 있다.
다만, 이러한 방향 설정은 본원 장치의 배치 상태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 필요에 따라서는 도 1 기준 전방이 위쪽 방향을 향하도록 본원 장치가 배치될 수 있고, 다른 예로 도 1 기준 전방이 비스듬한 경사 방향을 향하도록 본원 장치가 배치될 수 있다. 특히, 본원 장치는 태양광을 이용한 태양전지의 발전 효율을 고려하여 본원 장치로 태양광이 입사되는 방향을 고려하여 소정의 방향으로 배치될 수 있다.
본원은 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈에 관한 것이다. 특히, 본원은 시각적인 투명성을 확보하고 집광 효율을 높이기 위한 광학 구조체를 양면발전 태양전지와 결합함으로써 높은 발전 효율과 가시광 대역에서 높은 투과도를 갖는 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지에 대한 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지(10)(이하, '투광형 태양전지(10)'라 한다.)는, 광학 구조체(100), 솔라셀(200), 전면부 모재(310), 후면부 모재(320) 및 전극(400)을 포함할 수 있다.
광학 구조체(100)는 전방으로부터 입사된 광(L0) 중 제1파장 대역의 광(L1)은 투과시키도록 구비될 수 있다. 또한, 광학 구조체(100)는 전방으로부터 입사된 광(L0) 중 제2파장 대역의 광(L2)은 반사하도록 구비될 수 있다. 달리 말해, 본원의 광학 구조체(100)는 입사된 광 중 소정의 파장 대역의 빛을 투과(L1의 경우)하거나 반사(L2의 경우)하는 컷-오프(Cut-Off) 특성을 갖는 파장 선택적 필터로 기능할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 제1파장 대역의 광(L1)은 가시광선 대역을 포함할 수 있다. 또한, 제2파장 대역의 광(L2)은 가시광선 대역 이외의 대역의 광을 포함할 수 있다. 예시적으로, 제2파장 대역의 광(L2)은 자외선 대역의 광 및/또는 적외선 대역의 광을 포함할 수 있다. 이에 따라, 본원의 투광형 태양전지(10)는 가시광선 영역의 빛(제1파장 대역의 광, L1)을 투과시키기 때문에 시각적인 투명성을 확보하는 동시에 반사된 자외선(UV) 또는 적외선(IR) 영역의 빛(제2파장 대역의 광, L2)은 발전에 사용할 수 있다. 특히, 제2파장 대역의 광(L2)은 근적외선(NIR) 영역의 광을 포함할 수 있다.
구체적으로 예시하면, 제1파장 대역은 400nm 내지 700nm의 파장 대역을 포함할 수 있다. 또한, 제2파장 대역은 400nm 미만의 파장 대역 또는 700nm를 초과하는 파장 대역을 포함하는 것일 수 있다.
솔라셀(200)은 광학 구조체(100)에 의해 집광된 제2파장 대역의 광(L2)을 기초로 전력을 생산할 수 있다.
전면부 모재(310)는 광학 구조체(100)를 지지하도록 광학 구조체(100)의 전방에 구비될 수 있다. 또한, 후면부 모재(320)는 광학 구조체(100)를 지지하도록 광학 구조체(100)의 후방에 구비될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 전면부 모재(310) 및 후면부 모재(320)는 광학 구조체에 의해 투광된 제1파장 대역의 광(L1)에 대한 시야감이 개선되도록 전면부 모재(310)를 이루는 물질과 후면부 모재(320)를 이루는 물질 사이의 굴절률 차이가 미리 설정된 임계 비율 이내가 되도록 구비될 수 있다. 여기서, 본원의 일 실시예에 따르면, 전면부 모재(310)를 이루는 물질과 후면부 모재(320)를 이루는 물질 사이의 굴절률 차이와 연계된 임계 비율은 10%일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 전면부 모재(310)를 이루는 물질과 후면부 모재(320)를 이루는 물질 사이의 굴절률 차이와 연계된 임계 비율은 본원의 투광형 태양전지(10)에 대하여 요구되는 투명도 수준, 광투과도 수준 등에 비추어 적절한 값으로 결정되는 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 전면부 모재(310) 및 후면부 모재(320) 중 적어도 하나는 유리 재질일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 전면부 모재(310) 및 후면부 모재(320) 중 적어도 하나는 Spin-on-Glass 재질일 수 있다. 또 다른 예로, 전면부 모재(310) 및 후면부 모재(320) 중 적어도 하나는 유리와 굴절률 차이가 20% 이내인 폴리머(Polymer) 재질일 수 있다.
전극(400)은 솔라셀(200)에서 발생된 전력을 외부로 전달할 수 있다. 예를 들어, 전극(400)에 의해 후술하는 태양전지 모듈(1)에 포함된 복수의 투광형 태양전지(10) 각각이 전기적으로 접속되는 것일 수 있다. 또한, 전극(400)에 의해 태양전지 모듈(1)의 외부로 태양전지 모듈(1)에서 생산된 전력이 전달되도록 전극(400)은 태양전지 모듈(1) 또는 투광형 태양전지(10) 외부의 소정의 소자(예를 들면, 부하 등)와 접속되는 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 전극(400)은 전극(400)에 의하여 시각적 투명성이 저감되는 것이 방지되도록 투명의 재질로 구비될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지의 광학 구조체 및 솔라셀을 나타낸 도면이고, 도 3은 포물선 형상으로 구비되는 광학 구조체 및 포물선의 중심을 포함하는 기준축을 따라 연장되는 솔라셀의 배치 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 광학 구조체(100)는 전방에 배치된 솔라셀(200)로 제2파장 대역의 광(L2)을 반사하여 집광하도록 후방으로 볼록한 포물선 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3을 참조하면, 광학 구조체(100)는 포물선의 중심(도 3을 참조하면, P점)을 포함하고 전후방향으로 연장되는 기준축(이해를 돕기 위해 예시하면, 도 3의 'Axis'로 표시된 가로축)에 대하여 대칭인 형상으로 구비될 수 있다. 또한, 솔라셀(200)은 기준축을 따라 연장되되, 광학 구조체(100)에 의해 제2파장 대역의 광(L2)이 적어도 일부 집광되는 초점(또는 후술하는 초점 영역)을 포함하도록 기준축 상에 배치될 수 있다. 참고로, 본원의 실시예에 관한 설명에서 포물선의 중심은 포물선의 꼭지점(도 3을 참조하면, P점)을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
구체적으로, 광학 구조체(100)가 기준축에 대하여 대칭인 형상으로 구비됨으로써 솔라셀(200)에 의해 발전에 사용되는 빛(달리 말해, 광학 구조체(100)에 의해 반사되어 솔라셀(200)에 집광되는 광)인 제2파장 대역의 광(L2)이 솔라셀(200)의 횡방향 기준 양면(일면 및 타면)에 분산되어 입사될 수 있으며, 솔라셀(200)은 횡방향 일면 및 횡방향 타면 각각으로 발전(양면발전)되도록 구비되어 횡방향 일면 및 횡방향 타면으로 분산되어 입사된 제2파장 대역의 광(L2)을 통해 전력을 생산함으로써 본원의 투광형 태양전지(10)에 의할 때 태양광에 대한 집광 및 발전 효율이 증대될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 광학 구조체(100)는 중심으로부터 횡방향 양단으로 멀어질수록 곡률이 감소하는 포물선 형상의 반사면(101)을 가지도록 구비될 수 있다. 또한, 도 1 및 도2를 함께 참조하면, 광학 구조체(100)는 이러한 포물선 형상이 폭방향을 따라 연장되는 형태의 반사면(101)을 가지도록 구비될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 기준축(Axis) 상에서의 광학 구조체(100)의 포물선의 중심(구조체의 중심)의 위치는 XP로, 솔라셀(200)의 후단의 위치는 XL로, 솔라셀(200)의 전단의 위치는 XR로 각각 표시될 수 있다. 또한, 솔라셀(200)의 전후방향 폭(Cell Width, CW)은 솔라셀(200)의 전단 및 후단 사이의 거리(달리 말해, XL과 XR 사이의 거리)를 의미하는 것일 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 광학 구조체의 반사면이 복수의 초점 거리를 갖는 포물선 면이 연결되는 형태로 구비되고, 솔라셀이 복수의 초점 거리에 대응하는 복수의 초점에 대응하여 연장 구비되는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
특히, 도 4a는 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 중심의 위치 및 반사면(101)의 각 위치에서의 곡률을 변화시킴에 따라 반사면(101)에 의해 제2파장 대역의 광(L2)이 집광되는 초점 영역의 전후방향 형성 길이(폭)가 변화하는 것을 나타낸 것일 수 있다.
구체적으로, 도 4a를 참조하면, 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 횡방향 양단 사이의 수직 거리가 L이면, 반사면(101)의 포물선의 중심을 포함하는 기준축을 가로축 X(L)로 하고, 횡방향 양단을 잇는 선을 세로축 Y(L)로 하고 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 횡방향 양단의 중앙(중심)을 원점으로 하는 상대 좌표계를 기준으로 할 때, 반사면(101)의 중심의 위치 및 반사면(101)의 각 위치에서의 곡률을 변화시킴에 따라 반사면(101)에 의해 제2파장 대역의 광(L2)이 집광되는 영역인 초점 영역(Domain of the focus)의 전후방향 형성 길이(폭)가 수직 거리 L에 비례하는 소정의 값으로 가변될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 빨간색 반사면의 경우, 상대 좌표계의 원점인 (0, 0)에 해당하는 단일 초점에만 광이 집광되도록 설계된 것일 수 있으며(Domain of the focus: 0L), 노란색 반사면의 경우, (0, 0)과 (0.1L, 0) 사이의 초점 영역에 광이 집광되도록 설계되고(Domain of the focus: 0.1L), 초록색 반사면의 경우, (0, 0)과 (0.2L, 0) 사이의 초점 영역에 광이 집광되도록 설계되고(Domain of the focus: 0.2L), 파란색 반사면의 경우, (0, 0)과 (0.3L, 0) 사이의 초점 영역에 광이 집광되도록 설계된 것일 수 있다(Domain of the focus: 0.3L).
또한, 도 4b는 초점 영역의 전후방향 형성 길이(폭)가 주어진 경우(고정된 경우)에 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 중심의 위치 및 반사면(101)의 각 위치에서의 곡률을 변화시킴에 따라 반사면(101)에 의해 제2파장 대역의 광(L2)이 집광되는 초점 영역의 형성 위치가 변화하는 것을 나타낸 것일 수 있다.
구체적으로, 도 4b를 참조하면, 반사면(101)에 의해 제2파장 대역의 광(L2)이 집광되는 초점 영역(Domain of focus)이 전후방향을 기준으로 반사면(101)의 횡방향 양단 사이의 수직 거리인 L의 1/10로 고정(달리 말해, 초점 영역의 전후방향 형성 길이가 0.1L로 고정)되어 있다고 가정할 때, 반사면(101)의 중심의 위치 및 반사면(101)의 각 위치에서의 곡률을 변화시킴으로써 전후방향을 기준으로 0.1L의 길이를 갖는 초점 영역(Domain of focus)의 기준축 상 형성 위치가 변화될 수 있다. 예를 들어, 도 4b에 도시된 빨간색 반사면은 (0, 0)과 (0.1L, 0) 사이의 초점 영역을 가지고, 노란색 반사면은 (0.1L, 0)과 (0.2L, 0) 사이의 초점 영역을 가지고, 초록색 반사면은 (0.2, 0)과 (0.3L, 0) 사이의 초점 영역을 가지고, 파란색 반사면은 (0.3L, 0)과 (0.4L, 0) 사이의 초점 영역을 가지고, 보라색 반사면은 (0.4L, 0)과 (0.5L, 0) 사이의 초점 영역을 가지고, 검은색 반사면은 (0.5L, 0)과 (0.6L, 0) 사이의 초점 영역을 가질 수 있다.
이와 관련하여, 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 중심의 위치 및 반사면(101)의 각 위치에서의 곡률은 솔라셀(200)의 전후방향 폭(CW)에 대한 제약 조건, 솔라셀(200)의 위치에 대한 제약 조건 등을 고려하여 결정되는 것일 수 있다. 예를 들어, 본원의 투광형 태양전지(10)의 설계 시, 솔라셀(200)의 전후방향 폭(CW)이 소정의 값을 만족할 것이 요구되는 경우, 해당 값과 대응되는 초점 영역을 가지도록 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 중심의 위치 및 반사면(101)의 각 위치에서의 곡률이 결정되는 것일 수 있다. 구체적으로 예시하면, 솔라셀(200)의 전후방향 폭(CW)이 소정의 값을 만족할 것이 요구되는 경우, 초점 영역의 형성 길이(폭)(다중 초점들의 위치 범위에 해당하는 구간 길이)가 상기 소정의 값과 동등(실질적으로 동등한 것으로 볼 수 있는 수준을 포함함)하도록 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 중심의 위치 및 반사면(101)의 각 위치에서의 곡률이 결정됨으로써 제2파장 대역의 광(L2)이 솔라셀(200)의 횡방향 일면 또는 타면에 솔라셀(200)의 전후방향 폭(CW)에 대응되어 분산 입사됨으로써 솔라셀(200)의 일부 영역에만 광이 집중적으로 집광되어 솔라셀(200)에 의한 전력 발전이 솔라셀(200)의 소정의 위치에서만 부분적으로 수행되는 현상이 방지될 수 있다.
참고로, 반사면(101)의 각 위치에서의 곡률을 결정한다는 것은 후술하는 바와 같이 반사면(101)을 이루는 복수의 초점 거리를 갖는 포물선 면의 형상 및 위치를 결정하는 것으로 이해될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 광학 구조체(100)의 반사면은 포물선의 기준축 상에 존재하는 복수의 초점 거리를 갖는 포물선 면이 연결되는 형태로 형성될 수 있다. 달리 말해, 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지(10)는 다중 초점거리를 갖는 광학 구조체(100)를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 솔라셀(200)은 복수의 초점 거리에 대응하는 복수의 초점으로 반사되는 광을 기초로 전력을 생산 가능하도록 전후방향을 따라 연장 구비되는 것일 수 있다. 달리 말해, 솔라셀(200)은 반사면(101)을 이루는 포물선 면 각각의 복수의 초점 거리에 대응하는 복수의 초점을 포함하는 초점 영역(Domain of focus)을 커버할 수 있는 전후방향 폭(CW) 및 기준축 상에서의 위치를 가지도록 설계될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 기준축 상에서의 광학 구조체(100)의 포물선의 중심의 위치와 기준축 상에서의 솔라셀(200)의 전단의 위치 및 기준축 상에서의 솔라셀(200)의 후단의 위치 중 적어도 하나는 광학 구조체(100)의 횡방향 양단 사이의 수직 길이(L)에 기초하여 결정되는 것일 수 있다.
구체적으로, 본원의 일 실시예에 따르면, 광학 구조체(100)의 횡방향 양단 사이의 수직 거리가 L이면, 전술한 기준축을 가로축(예를 들면, X축)으로 하고, 횡방향 양단을 잇는 선을 세로축(예를 들면, Y축)으로 하고 광학 구조체(100)의 횡방향 양단의 중앙(중심)을 원점으로 하는 상대 좌표계를 기준으로 할 때, 상대 좌표계 상에 배치되는 광학 구조체(100)의 포물선의 중심의 위치, 솔라셀(200)의 전단의 위치, 솔라셀(200)의 후단의 위치, 솔라셀(200)의 전후방향 길이 등은 상대 좌표계상에서 광학 구조체(100)의 횡방향 양단 사이의 수직 거리인 L 값에 대하여 상대적인 수치값(또는 수치범위)로 설계될 수 있다.
참고로, 도 4a 및 도 4b에 도시된 그래프는 전술한 상대 좌표계를 기준으로 광학 구조체(100)의 설계 조건을 변화시키면서 광학 구조체(100)에 의해 제2파장 대역의 광(L2)이 집광되는 초점 영역의 전후방향 형성 길이(넓이)의 변화(도 4a)와 이러한 초점 영역의 기준축 상에서의 배치(위치)의 변화(도 4b)를 광학 구조체(100)의 횡방향 양단 사이의 수직 거리 L 값에 기초하여 상대적으로 설정되는 축인 가로축 X(L) 및 세로축 Y(L)으로 표현한 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 광학 구조체(100)의 중심의 기준축(가로축) 상 좌표는 -0.25L 내지 -0.125L 범위 내에서 설정될 수 있다. 달리 말해, 광학 구조체(100)의 중심은 (-0.25L, 0)과 (-0.125L, 0) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 솔라셀(200)의 후단(도 3 내지 도 4b의 도시 방향을 기준으로 좌측단)의 가로축 상 좌표는 광학 구조체(100)의 중심의 가로축 상 좌표 내지 -0.1L 범위 내에서 설정될 수 있다. 달리 말해, 솔라셀(200)의 후단은 (-0.25L, 0)과 (-0.125L, 0) 사이에 위치하는 광학 구조체(100)의 중심과 (-0.1L, 0) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 솔라셀(200)의 전단(도 3 내지 도 4b의 도시 방향을 기준으로 우측단)의 가로축 상 좌표는 -0.18L 내지 0.4L 범위 내에서 설정될 수 있다. 달리 말해, 솔라셀(200)의 전단은 (-0.18L, 0)과 (0.4L, 0) 사이에 위치할 수 있다.
종합하면, 본원의 광학 구조체(100)는 솔라셀(200)의 전후방향 길이, 기준축 상 위치 조건, 면적 조건 등을 고려하여 솔라셀(200)에 대한 집광 효율을 최대화하기 위한 포물선 면 선택 및 포물선 면 각각의 곡률 조건을 반영한 복수의 초점 거리를 갖는 포물선 면이 연결되는 형태로 구비되는 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 광학 구조체(100)는 각각이 0.08 내지 0.25의 범위 내의 곡률을 갖는 복수의 포물선 면이 연결되는 형태로 구비될 수 있다. 달리 말해, 광학 구조체(100)의 모든 위치에서의 곡률(즉, 광학 구조체(100)의 반사면(101)을 이루는 복수의 포물선 면의 곡률 각각)은 0.08 내지 0.25의 범위에 속하는 것일 수 있다. 참고로, 상술한 광학 구조체(100)의 곡률은 광학 구조체(100)를 이루는 각각의 위치에 대응되는 포물선의 2차 미분계수로 정의될 수 있다.
보다 구체적으로, 광학 구조체(100)의 곡률은 반사면(101)의 포물선의 중심을 포함하는 기준축이 x축이고, 반사면(101)의 횡방향 양단을 잇는 선을 y축으로 하는 좌표계를 기준으로 하여 d 2 x/dy 2 형태로 표기(표현)될 수 있다. 이와 관련하여, 광학 구조체(100)가 중심으로부터 횡방향 양단으로 멀어질수록 곡률이 감소하는 포물선 형상의 반사면(101)을 갖는다는 것은, 상기 좌표계를 기준으로 반사면(101)을 이루는 각 지점의 y축 좌표의 절대값이 커질수록(달리 말해, y축 위치가 중심(꼭지점)으로부터 멀어질수록) d 2 x/dy 2 형태로 표기(표현)되는 곡률 값이 감소하는 것으로 이해될 수 있다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지와 연계된 일 실험예로, 소정의 광학 소프트웨어를 이용하여 설계된 광학 구조체 및 설계된 광학 구조체에 대한 집광 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 5는 본원의 광학 구조체(100) 및 솔라셀(200)은 전술한 바와 같이 집광 효율을 최적화를 위한 포물선(Parabolic)의 형태와 광학 구조체(100)와 솔라셀(200)의 상대적인 배치 구조를 만족하기 위하여, 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 곡률과 연계된 한정적 요소 및 솔라셀(200)의 크기 또는 위치와 연계된 한정적 요소(설계 요소)를 가질 수 있다.
또한, 자세히 상술한 바와 같이 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 곡률과 연계된 한정적 요소(설계 요소) 및 솔라셀(200)의 크기 또는 위치와 연계된 한정적 요소(설계 요소)는 광학 구조체(100)의 반사면(101)의 횡방향 양단 사이의 수직 길이(L)에 기초한 상대적인 수치로 표현함으로써 본 발명에서 개시하는 광학 구조체(100)와 솔라셀(200)의 구조를 필요에 따라 축소 또는 확대함으로써 설치 환경에 부합하는 규격을 갖는 투광형 태양전지(10) 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈(1)이 도입될 수 있다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 이러한 한정적 요소들을 도출하기 위해 진행한 소정의 광학 소프트웨어 기반의 설계 및 시뮬레이션 과정을 예시적으로 나타낸 것이며, 특히, 도 5의 (a)는 소정의 시뮬레이션 툴에 기반하여 반사면(101) 및 솔라셀(200) 각각에 해당하는 객체를 생성한 것이고, 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)는 각각 생성된 객체에 대하여 광학 소프트웨어 기반의 광선 추적(Ray Tracing) 시뮬레이션 결과를 나타낸 사시도 및 측면도(Side View)이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지와 연계된 일 실험예로, 광학 구조체에 입사되는 광의 입사각 변화에 따른 집광 시뮬레이션 결과 및 광학 구조체에 입사되는 광의 입사각 변화에 따른 솔라셀의 집광율 변화를 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 6의 (b)를 참조하면, 도 6의 (b)의 검은색 그래프는 광학 구조체(100)의 중심의 기준축 상 좌표가 -0.226L이고, 솔라셀(200)의 전후방향 폭(CW)이 0.5L인 설계 조건에 부합하는 투광형 태양전지(10)에 입사되는 태양광의 입사각 변화에 따른 집광율 변화를 나타낸 것이고, 빨간색 그래프는 광학 구조체(100)의 중심의 기준축 상 좌표가 -0.202L이고, 솔라셀(200)의 전후방향 폭(CW)이 0.5L인 설계 조건에 부합하는 투광형 태양전지(10)를, 파란색 그래프는 광학 구조체(100)의 중심의 기준축 상 좌표가 -0.180L이고, 솔라셀(200)의 전후방향 폭(CW)이 0.5L인 설계 조건에 부합하는 투광형 태양전지(10)를 각각 나타낸 것일 수 있다.
이와 관련하여, 도 6을 참조하면, 광학 구조체(100) 및 솔라셀(200)에 대한 설계 조건이 변화하더라도 본원의 투광형 태양전지(10)는 태양광의 입사각도 변화에도 불구하고 집광율을 적어도 60% 이상 수준으로 유지하는 것을 확인할 수 있다.
도 7a는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조로 구비되는 광학 구조체를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7a를 참조하면, 광학 구조체(100)는 굴절률이 상이한 적어도 둘 이상의 물질이 전후방향을 따라 교번하여 적층된 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조로 구비될 수 있다. 예시적으로, 도 7a를 참조하면, 광학 구조체(100)는 굴절률이 상이한 4개의 물질(Material Ⅰ 내지 Ⅳ)이 전후방향을 따라 교번하여 적층된 DBR 구조로 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 7a를 참조하면, 광학 구조체(100)는 광학 구조체(100)의 전단부에서 굴절률이 상이한 두 물질(예를 들면, Material Ⅰ 및 Material Ⅱ)이 전후방향을 따라 교번하여 적층된 제1 DBR 층 및 광학 구조체(100)의 후단부에서 굴절률이 상이한 두 물질(예를 들면, Material Ⅲ 및 Material Ⅳ)이 전후방향을 따라 교번하여 적층된 제2 DBR 층을 포함하는 이중 적층 구조를 가질 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 제1 DBR 층에서 큰 굴절률(High Refractive Index)을 갖는 물질(Material Ⅰ)과 제2 DBR 층에서 큰 굴절률(High Refractive Index)을 갖는 물질(Material Ⅲ)은 서로 다른 해당 물질에 의해 반사되는 광의 중심파장 및/또는 서로 다른 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 7a을 참조하면, 제1 DBR 층에서 큰 굴절률을 갖는 물질(Material Ⅰ)은 해당 물질에 의해 반사되는 광의 중심 파장이 815nm이고, 반치폭(FWHM)이 100nm인 Al2O3이고, 제2 DBR 층에서 큰 굴절률을 갖는 물질(Material Ⅲ)은 해당 물질에 의해 반사되는 광의 중심 파장이 980nm이고, 반치폭(FWHM)이 220nm인 Ta2O5일 수 있다. 이와 같이, 본원의 일 실시예에 따르면, 이중 적층 구조를 갖는 광학 구조체(100)에서 제1 DBR 층에서 큰 굴절률을 갖는 물질과 연계된 중심 파장의 값은 제2 DBR 층에서 큰 굴절률을 갖는 물질과 연계된 중심 파장의 값보다 크게 구비될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 제1 DBR 층 및 제2 DBR 층에서의 상대적으로 작은 굴절률을 갖는 물질(Material Ⅱ 및 Material Ⅳ)는 서로 대응될 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 광학 구조체(100)는, 제1 DBR 층 및 제2 DBR 층 모두에서 상대적으로 작은 굴절률을 갖는 물질로 SiO2를 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 광학 구조체(100)는 중심 파장을 기준으로 소정의 파장 대역 범위의 광의 반사율이 높아지도록 하는 DBR 구조로 구비될 수 있으며, 적층한 물질들의 두께가 각각의 물질의 굴절률에 따라 결정되되, 사용되는 물질의 굴절률 차이에 따라 반사율이 높아지는 파장 대역 범위(반사하는 빛의 대역폭)이 달라질 수 있다.
구체적으로, 도 7a는 815nm을 중심 파장으로 하고, 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)이 100nm을 만족하는 Al2O3 및 SiO2의 적층 구조 및 980nm을 중심 파장으로 하고, 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)이 220nm인 Ta2O5 및 SiO2의 적층 구조를 포함하는 광학층의 예시적인 설계를 도식한 것이다.
본원의 일 실시예에 따르면, DBR 구조의 광학 구조체(100)를 이루는 물질 각각의 적층 두께(도 7a를 참조하면, dH1, dL1, dH2, dL2 등)는 해당 물질 각각의 굴절률(도 7a를 참조하면, nH1, nL1, nH2, nL2 등)에 기초하여 결정되는 것일 수 있다. 또한, DBR 구조의 광학 구조체(100)를 이루는 물질 각각의 적층 두께는 광학 구조체(100)에 의해 솔라셀(200)로 집광되는 제2파장 대역의 광(L2)이 적외선 대역 또는 자외선 대역을 포함하도록 결정될 수 있다.
도 7b는 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조로 구비되는 광학 구조체의 파장 대역에 따른 반사율 및 투과율을 나타낸 그래프이다.
이와 관련하여, 도 7b는 도 7a을 통해 설명한 광학층을 포함하도록 설계된 광학 구조체(100)에 대한 시뮬레이션 결과의 파장별 반사율(Reflectance, 도 7b의 (a)) 및 투과율(Transmittance, 도 7b의 (b))을 나타낸다. 도 7b를 참조하면, 본원의 광학 구조체(100)가 가시광선 영역의 빛은 투과하되, 가시광선 영역 외의 광(예를 들면, UV 또는 NIR 영역의 빛)은 반사시키는 것을 확인할 수 있다.
도 8a는 산화물층 및 금속층을 포함하는 구조로 구비되는 광학 구조체를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8a를 참조하면, 광학 구조체(100)는 전단부에 적층되는 산화물층 및 후단부에 적층되는 금속층을 포함하는 구조로 구비될 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 산화물층(Oxide)은 Al2O3, SiO2 등의 물질을 포함할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 금속층(Metal)은 Au 등의 물질을 포함할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
도 8b는 산화물층 및 금속층을 포함하는 구조로 구비되는 광학 구조체의 파장 대역에 따른 반사율 및 투과율을 나타낸 그래프이다. 참고로, 도 8b는 Au의 금속층 및 Al2O3 및 SiO2의 산화물층을 포함하는 구조로 구비되는 광학 구조체(100)에 대한 시뮬레이션 결과의 파장별 반사율(Reflectance, 도 8b의 (a)) 및 투과율(Transmittance, 도 8b의 (b))을 나타낸다. 도 8b를 참조하면, 본원의 광학 구조체(100)가 가시광선 영역의 빛은 투과하되, 가시광선 영역 외의 광(예를 들면, UV 또는 NIR 영역의 빛)은 반사시키는 것을 확인할 수 있다.
도 7a 내지 도 8b를 참조하여 상술한 사항을 종합하면, 본원의 광학 구조체(100)를 이루는 광학층은 상대적으로 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질이 교번하여 적층된 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조이거나 금속과 산화물이 적층된 구조일 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니며, 광학 구조체(100)의 광학층은 단일 금속을 포함하는 형태로 구비될 수 있다.
달리 말해, 본원에서 개시하는 광학 구조체(100)는 파장 선택적 반사 및 투과를 수행하는 다층 박막 광학층을 포함할 수 있다. 또한, 본원의 광학 구조체(100)는 단일 금속의 구조층을 포함할 수 있다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지를 포함하는 투광형 태양전지 모듈에 대한 개략적인 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 모듈(1)은 복수 개의 투광형 태양전지(10) 및 복수 개의 투광형 태양전지(10) 사이를 전기적으로 접속시키는 전극(400)을 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 투광형 태양전지 모듈(1)의 복수 개의 투광형 태양전지(10)는 투광형 태양전지 모듈(1)에 광이 입사되는 전후방향과 직교하는 폭방향을 따라 소정의 수의 투광형 태양전지(10)가 나란히 배치된 태양전지 어레이가 횡방향을 따라 복수 개의 열을 이루며 배열될 수 있다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 10을 참조하면, 투광형 태양전지 모듈(1)에 포함된 투광형 태양전지(10)는 전면부 모재(310)의 전방에 배치되는 제1유리층 및 후면부 모재(320)의 후방에 배치되는 제2유리층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 10을 참조하면, 제1유리층은 투광형 태양전지(10)의 전단 경계면(AR 1)과 전면부 모재(310)의 전단 경계면(AR 2) 사이에 개재되는 것일 수 있다. 또한, 제2유리층은 후면부 모재(320)의 후단 경계면(AR 3)과 투광형 태양전지(10)의 후단 경계면(AR 4) 사이에 개재되는 것일 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 모재와 유리층 사이의 경계면, 투광형 태양전지(10)의 최외각 경계면 중 적어도 하나는 저반사 코팅을 포함할 수 있다. 달리 말해, 도 10을 참조하면, 경계면인 AR 1 내지 AR 4 중 적어도 하나는 저반사 코팅을 포함할 수 있다.
도 11은 복수의 투광형 태양전지에 대한 어레이 간 직렬 및 병렬 연결 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 11의 (a)를 참조하면, 제1태양전지 어레이(1000)의 폭방향 일단에 배치된 투광형 태양전지(10)와 제1태양전지 어레이(1000)와 이웃한 제2태양전지 어레이(1000')의 폭방향 타단에 배치된 투광형 태양전지(10)가 전극(400)에 의해 연결되는 것은 어레이 간 직렬 연결일 수 있다.
또한, 도 11의 (b)를 참조하면, 제1태양전지 어레이(1000)의 폭방향 일단에 배치된 투광형 태양전지(10)와 제2태양전지 어레이(1000')의 폭방향 일단에 배치된 투광형 태양전지(10)가 전극에 의해 연결되는 것은 어레이 간 병렬 연결일 수 있다.
도 12는 복수의 투광형 태양전지에 대한 어레이 내 직렬 및 병렬 연결 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 12의 (a)를 참조하면, 태양전지 어레이(1000, 1000') 내에서 전극(400)이 투광형 태양전지(10)의 솔라셀의 횡방향 일면과 투광형 태양전지(10)와 이웃한 이웃 투광형 태양전지(10')의 솔라셀의 횡방향 타면을 연결하는 것은 어레이 내 직렬 연결일 수 있다.
또한, 도 12의 (b)를 참조하면, 태양전지 어레이(1000, 1000') 내에서 전극(400)이 투광형 태양전지(10)의 솔라셀(200)의 횡방향 일면과 투광형 태양전지(10)와 이웃한 이웃 투광형 태양전지(10')의 솔라셀(200)의 횡방향 일면을 연결하는 것은 어레이 내 병렬 연결일 수 있다.
이와 관련하여, 본원의 일 실시예에 따르면, 투광형 태양전지(10)의 솔라셀(200)은 횡방향 일면 및 타면 각각을 통하여 양면으로 발전될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 투광형 태양전지 모듈(1)의 복수 개의 투광형 태양전지(10)는 투광형 태양전지 모듈(1)에 대하여 요구되는 출력 전압 및 출력 전류 중 적어도 하나에 기초하여 횡방향을 따라 이웃한 한 쌍의 태양전지 어레이 각각의 접속 방식이 어레이 간 직렬 연결 또는 어레이 간 병렬 연결로 결정되는 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 투광형 태양전지 모듈(1)의 복수 개의 투광형 태양전지(10)는 하나의 태양전지 어레이 내에서 폭방향을 따라 이웃한 한 쌍의 투광형 태양전지 각각의 접속 방식이 어레이 내 직렬 연결 또는 어레이 내 병렬 연결로 결정되는 것일 수 있다. 달리 말해, 본원의 투광형 태양전지 모듈(1)의 설계 시 복수의 투광형 태양전지(10)를 전술한 어레이 내 직렬 연결, 어레이 내 병렬 연결 또는 직병렬 혼합 연결의 다양한 어레이 내 연결 방식으로 태양전지 어레이(1000, 1000')를 이루도록 배치하고, 이러한 태양전지 어레이(1000, 1000') 간의 연결 방식 또한 어레이 간 직렬 연결, 어레이 간 병렬 연결 또는 직병렬 혼합 연결의 다양한 어레이 간 연결 방식으로 이루어지도록 구현함으로써 투광형 태양전지 모듈(1)의 출력 전압과 출력 전류를 조절할 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 투광형 태양전지 모듈(1)은 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 투광형 태양전지 모듈(1)은 소정의 투광형 태양전지(10)에 의한 출력전류가 필요에 따라 우회하여 흐르도록 구비되는 바이패스 다이오드를 포함할 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 바이패스 다이오드는 복수의 태양전지 어레이 사이에 적어도 하나 이상 배치될 수 있다. 다른 예로, 바이패스 다이오드는 하나의 태양전지 어레이 내에 적어도 하나 이상 배치될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 투광형 태양전지 모듈
1000: 제1태양전지 어레이
1000': 제2태양전지 어레이
10: 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지
100: 광학 구조체
101: 반사면
200: 솔라셀
310: 전면부 모재
320: 후면부 모재
400: 전극

Claims (15)

  1. 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지로서,
    전방으로부터 입사된 광 중 제1파장 대역의 광은 투과시키고 상기 입사된 광 중 제2파장 대역의 광은 반사하도록 구비되는 광학 구조체; 및
    상기 반사된 제2파장 대역의 광을 기초로 전력을 생산하는 솔라셀,
    을 포함하고,
    상기 광학 구조체는, 전방에 배치된 상기 솔라셀로 상기 제2파장 대역의 광을 반사하여 집광하도록 후방으로 볼록한 포물선 형상으로 구비되고,
    상기 제1파장 대역의 광은 가시광선 대역을 포함하고,
    상기 제2파장 대역의 광은 가시광선 대역 이외의 대역의 광을 포함하고,
    상기 광학 구조체의 파장 선택적 반사면은, 상기 포물선의 중심을 포함하고 전후방향으로 연장되는 기준축에 대하여 횡방향으로 대칭인 형상이되, 상기 포물선의 기준축 상에 존재하는 서로 다른 복수의 초점 거리를 갖는 포물선 면이 연결되는 형태로 형성되고,
    상기 솔라셀은, 상기 복수의 초점 거리 각각에 대응하는 복수의 초점을 포함하도록 상기 기준축을 따라 전후방향으로 연장 구비되고, 횡방향 일면 및 타면 각각을 통하여 양면 발전되게 구비됨으로써, 상기 복수의 초점으로 분산하여 반사되는 상기 제2파장대역의 광을 기초로 전력 생산 가능한 것인, 투광형 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준축 상에서의 상기 중심의 위치와 상기 솔라셀의 전단의 위치 및 상기 솔라셀의 후단의 위치 중 적어도 하나는 상기 광학 구조체의 횡방향 양단 사이의 수직 길이에 기초하여 결정되는 것인, 투광형 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학 구조체는,
    상기 중심으로부터 횡방향 양단으로 멀어질수록 곡률이 감소하는 포물선 형상의 반사면을 가지도록 구비되는 것인, 투광형 태양전지.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광학 구조체는,
    굴절률이 상이한 적어도 둘 이상의 물질이 전후방향을 따라 교번하여 적층된 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조로 구비되는 것인, 투광형 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 물질 각각의 적층 두께는,
    상기 물질 각각의 굴절률에 기초하여 결정되되, 상기 광학 구조체에 의해 상기 솔라셀로 집광되는 상기 제2파장 대역의 광이 적외선 대역 또는 자외선 대역을 포함하도록 결정되는 것인, 투광형 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광학 구조체는,
    전단부에 적층되는 산화물층 및 후단부에 적층되는 금속층을 포함하는 구조로 구비되는 것인, 투광형 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광학 구조체를 지지하도록 상기 광학 구조체의 전방에 구비되는 전면부 모재; 및
    상기 광학 구조체를 지지하도록 상기 광학 구조체의 후방에 구비되는 후면부 모재,
    를 더 포함하는 것인, 투광형 태양전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전면부 모재 및 상기 후면부 모재는,
    상기 광학 구조체에 의해 투광된 상기 제1파장 대역의 광에 대한 시야감이 개선되도록 상기 전면부 모재를 이루는 물질과 상기 후면부 모재를 이루는 물질 사이의 굴절률 차이가 미리 설정된 임계 비율 이내가 되도록 구비되는 것인, 투광형 태양전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 솔라셀에서 발생된 전력을 외부로 전달하기 위한 전극,
    을 더 포함하는 것인, 투광형 태양전지.
  12. 투광형 태양전지 모듈로서,
    복수 개의 제1항에 따른 투광형 태양전지; 및
    상기 복수 개의 투광형 태양전지 사이를 전기적으로 접속시키는 전극,
    을 포함하는, 태양전지 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수 개의 투광형 태양전지는,
    상기 태양전지 모듈에 광이 입사되는 전후방향과 직교하는 폭방향을 따라 소정의 수의 상기 투광형 태양전지가 나란히 배치된 태양전지 어레이가 횡방향을 따라 복수 개의 열을 이루며 배열되되,
    제1태양전지 어레이의 폭방향 일단에 배치된 상기 투광형 태양전지와 상기 제1태양전지 어레이와 이웃한 제2태양전지 어레이의 폭방향 타단에 배치된 상기 투광형 태양전지가 상기 전극에 의해 연결되는 것은 어레이 간 직렬 연결이고,
    상기 제1태양전지 어레이의 폭방향 일단에 배치된 상기 투광형 태양전지와 상기 제2태양전지 어레이의 폭방향 일단에 배치된 상기 투광형 태양전지가 상기 전극에 의해 연결되는 것은 어레이 간 병렬 연결인 것인, 태양전지 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 투광형 태양전지의 솔라셀은 횡방향 일면 및 타면 각각을 통하여 양면으로 발전되고,
    상기 태양전지 어레이 내에서 상기 전극이 상기 투광형 태양전지의 솔라셀의 횡방향 일면과 상기 투광형 태양전지와 이웃한 이웃 투광형 태양전지의 솔라셀의 횡방향 타면을 연결하는 것은 어레이 내 직렬 연결이고,
    상기 태양전지 어레이 내에서 상기 전극이 상기 투광형 태양전지의 솔라셀의 횡방향 일면과 상기 투광형 태양전지와 이웃한 이웃 투광형 태양전지의 솔라셀의 횡방향 일면을 연결하는 것은 어레이 내 병렬 연결인 것인, 태양전지 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수 개의 투광형 태양전지는,
    상기 태양전지 모듈에 대하여 요구되는 출력 전압 및 출력 전류 중 적어도 하나에 기초하여 횡방향을 따라 이웃한 한 쌍의 태양전지 어레이 각각의 접속 방식이 상기 어레이 간 직렬 연결 또는 상기 어레이 간 병렬 연결로 결정되고,
    하나의 상기 태양전지 어레이 내에서 폭방향을 따라 이웃한 한 쌍의 투광형 태양전지 각각의 접속 방식이 상기 어레이 내 직렬 연결 또는 상기 어레이 내 병렬 연결로 결정되는 것인, 태양전지 모듈.
KR1020200036390A 2020-03-25 2020-03-25 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈 KR102421440B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200036390A KR102421440B1 (ko) 2020-03-25 2020-03-25 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200036390A KR102421440B1 (ko) 2020-03-25 2020-03-25 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210119784A KR20210119784A (ko) 2021-10-06
KR102421440B1 true KR102421440B1 (ko) 2022-07-14

Family

ID=78077483

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200036390A KR102421440B1 (ko) 2020-03-25 2020-03-25 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102421440B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240068131A (ko) 2022-11-10 2024-05-17 한국에너지기술연구원 양면발전형 태양전지를 이용한 광발전장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002314112A (ja) * 2001-04-16 2002-10-25 Sumitomo 3M Ltd 光発電システム
KR102045145B1 (ko) * 2018-05-10 2019-11-14 전자부품연구원 광결정 반사판을 이용한 집광형 태양전지

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3017481B1 (en) * 2013-07-01 2020-02-12 3M Innovative Properties Company Solar energy device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002314112A (ja) * 2001-04-16 2002-10-25 Sumitomo 3M Ltd 光発電システム
KR102045145B1 (ko) * 2018-05-10 2019-11-14 전자부품연구원 광결정 반사판을 이용한 집광형 태양전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240068131A (ko) 2022-11-10 2024-05-17 한국에너지기술연구원 양면발전형 태양전지를 이용한 광발전장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210119784A (ko) 2021-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10988978B2 (en) Device for generating electric energy
KR101791130B1 (ko) 태양전지 모듈
US20100126577A1 (en) Guided mode resonance solar cell
CN103875140B (zh) 具有相位匹配光学元件的高功率半导体激光器
US20070227581A1 (en) Concentrator solar cell module
WO2000039860A1 (fr) Emetteur non coherent a injection
KR102113256B1 (ko) 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자
CN214478427U (zh) 一种半导体激光器
KR102421440B1 (ko) 광학 구조체가 결합된 투광형 태양전지 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈
KR20140089671A (ko) 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자
CN102544171A (zh) 多波段集光及能量转换模块
KR100413708B1 (ko) 광자리사이클링을지닌마이크로공동발광다이오드
JP5524517B2 (ja) 受光素子
CN208028848U (zh) 一种基于分光谱的光伏组件及光伏电池板
US11249261B2 (en) Optical module and optical communication network system having the same
WO1993007646A1 (en) Improved optical design for photo-cell
CN208707076U (zh) 一种多光束垂直腔面发射激光芯片
KR102515398B1 (ko) 투명한 태양전지 및 그 제작방법
CN209880630U (zh) 薄膜太阳能电池
KR0170477B1 (ko) 이중 파장 dbr을 이용한 수직 구조형의 광변조기
CN105679860A (zh) 一种太阳能电池结构
JP5402190B2 (ja) 太陽電池モジュール
KR102584910B1 (ko) 투광형 태양전지 단위 모듈, 투광형 태양전지 어레이 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈
CN100576005C (zh) 二维四路激光束占空比调节装置
US20130269765A1 (en) Bidirectional color embodiment thin film silicon solar cell

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant