KR102584910B1 - 투광형 태양전지 단위 모듈, 투광형 태양전지 어레이 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈 - Google Patents

투광형 태양전지 단위 모듈, 투광형 태양전지 어레이 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

투광형 태양전지 단위 모듈, 투광형 태양전지 어레이 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈은, 전방으로부터 입사되는 빛을 파장에 따라 선택적으로 굴절되게 투과시키도록 전방 측과 후방 측 사이를 가로지르게 구비되는 메타 렌즈; 양면발전 가능하게 제공되고, 상기 메타 렌즈의 후방 측에 배치되는 태양전지; 및 상기 태양전지에서 생성되는 전력을 외부로 전달하도록 상기 태양전지와 전기적으로 연결되는 전극부를 포함하되, 상기 메타 렌즈는, 가시광선보다 근적외선을 선택적으로 보다 많이 굴절시키게 구비되고, 상기 태양전지는, 상기 메타 렌즈를 투과하여 굴절되는 근적외선의 경로를 고려하여 배치될 수 있다.

Description

투광형 태양전지 단위 모듈, 투광형 태양전지 어레이 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈{TRANSPARENT SOLAR CELL UNIT MODULE, TRANSPARENT SOLAR CELL ARRAY AND TRANSPARENT SOLAR CELL MODULE CONTAINING THIS}
본원은 투광형 태양전지 단위 모듈, 투광형 태양전지 어레이 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양광은 임의의 방향으로 넓은 영역에 골고루 퍼지는 특성을 갖는다. 따라서 태양광을 포집하여 전력 생산의 효율을 높이는 것은 태양광발전의 기본적인 아이디어이다.
투광형 태양전지 모듈은 시각적인 투명성을 유지하면서, 전력을 생산하는 것이 중요하다. 태양전지 모듈이 시각적으로 투명하기 위해서, 가시광선 영역의 태양광이 태양전지 모듈을 최대한 투과해야 한다. 이는 태양전지가 가시광선을 발전에 활용할 수 없음을 의미하며, 투광형 태양전지 모듈이 갖는 필연적인 특성이다. 따라서, 태양전지가 자외선(UV) 영역 및 적외선(IR) 영역의 태양광을 전력 생산에 최대한 활용할 수 있도록, 보조적인 구조물 설계가 필요하다.
이와 관련하여, 임의의 방향으로 넓은 영역에 골고루 퍼지는 특성을 갖는 태양광을 포집하여 전력 생산의 효율을 높이는 것은 태양광 발전의 기본적인 아이디어인데, 상용 렌즈로도 집광 효과를 유도할 수 있으나, 구조적으로 곡률을 가져야만 하는 문제가 있으며, 소형화에 한계가 있다.
본원의 배경이 되는 기술은 일본특허공개공보 제2004-330271호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 투광형 태양전지 모듈의 시각적인 투명성을 유지하면서 전력을 생산하고, 기존에 상용하는 광학 렌즈들의 동작을 그대로 수행하면서도, 상용 렌즈들이 갖는 구조적, 기능적 한계를 극복할 수 있는 투광형 태양전지 단위 모듈, 투광형 태양전지 어레이 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원은 높은 집광 효과를 통한 고효율의 에너지 생산성과 높은 시각적 투명성을 차세대 태양전지 개발에 부가할 수 있도록 하는 투광형 태양전지 단위 모듈, 투광형 태양전지 어레이 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들도 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈은 전방으로부터 입사되는 빛을 파장에 따라 선택적으로 굴절되게 투과시키도록 전방 측과 후방 측 사이를 가로지르게 구비되는 메타 렌즈; 양면발전 가능하게 제공되고, 상기 메타 렌즈의 후방 측에 배치되는 태양전지; 및 상기 태양전지에서 생성되는 전력을 외부로 전달하도록 상기 태양전지와 전기적으로 연결되는 전극부를 포함하되, 상기 메타 렌즈는, 가시광선보다 근적외선을 선택적으로 보다 많이 굴절시키게 구비되고, 상기 태양전지는, 상기 메타 렌즈를 투과하여 굴절되는 근적외선의 경로를 고려하여 배치될 수 있다.
또한, 상기 메타 렌즈는, 제1 굴절률을 갖는 제1 물질을 포함하고 편평한 판형으로 구비되는 제1층 및 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질을 포함하여 복수의 기둥 형태로 제공되고, 상기 제1 층의 일면 상에 적층되는 제2층을 포함하고, 상기 제1층의 타면이 전방 측을 향하고 상기 제2층의 일면이 후방 측을 향하도록 전방 측과 후방 측 사이를 가로지르게 구비될 수 있다.
또한, 상기 메타 렌즈는, 상기 제1 굴절률 및 상기 제2 굴절률의 차이가, 가시광선 영역에서 5% 이내이고, 근적외선 영역에서 30% 이상이 되도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 태양전지는 발전 가능한 양면을 갖는 판형으로 구비되되, 그 면 법선 방향인 제1 방향이 상기 메타 렌즈의 그 면 법선 방향인 전후 방향과 직교하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 태양전지의 배치 위치는, 상기 메타 렌즈를 투과하여 굴절되는 근적외선에 대하여 형성되는 초점이 상기 태양전지의 내부에 위치하도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 태양전지의 배치 위치 및 크기는 상기 근적외선에 해당하는 파장 영역의 상한값 파장을 갖는 근적외선이 집광되는 초점과, 상기 파장 영역의 하한값 파장을 갖는 근적외선이 집광되는 초점이, 상기 태양전지의 내부에 위치하도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 투광형 태양전지 단위 모듈은, 상기 태양전지 및 상기 메타 렌즈를 지지하도록 구비되며 광 투과성이 있는 재질로 구비되는 모재부를 포함하며, 상기 모재부는, 상기 메타 렌즈를 기준으로, 전방 측에 위치하는 전면부 모재 및 후방 측에 위치하는 후면부 모재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 투광형 태양전지 단위 모듈은, 전방 및 상기 전면부 모재 사이, 상기 전면부 모재 및 상기 메타 렌즈 사이, 상기 메타 렌즈 및 상기 후면부 모재 사이, 상기 후면부 모재 및 후방 사이 중 적어도 하나 이상에 대하여 외부로부터 들어오는 빛에 대해 반사를 방지하도록 구비되는 AR 코팅을 더 포함할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 어레이는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈 복수개가 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 모듈은, 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 어레이 복수개가 전기적으로 연결될 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, 투광형 태양전지 단위 모듈은 메타 렌즈를 사용함으로써, 근적외선 영역의 빛은 집광하지만, 가시광선 영역의 빛은 투과시켜 시각적인 투명성을 유지하면서, 태양전지에 근적외선 영역의 빛을 집광시켜 태양전지가 전력을 생산 가능하도록 할 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 메타 렌즈는 제1 굴절률 및 제2 굴절률의 차이가 가시광선 영역에서 5%이내이고, 근적외선 영역에서 30% 이상이 되도록 구비됨으로써, 가시광선 영역에서 유사한 굴절률 값을 가져 가시광선 영역의 빛이 투과될 때 빛의 왜곡을 최소화할 수 있으며, 근적외선 영역에서 굴절률 값의 차이가 있어 근적외선 영역의 빛이 집광이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 투광형 태양전지 단위 모듈은 양면발전이 가능한 태양전지를 포함하며, 태양전지는 태양전지의 면 법선 방향인 제1 방향이 메타 렌즈의 면 법선 방향인 전후 방향에 대해 직교하도록 배치됨으로써, 메타 렌즈를 통해 입사되는 근적외선 영역의 빛이 태양전지의 양면에 대해 집광이 가능하여 태양전지가 높은 집광율에 대응하여 효율적으로 발전이 가능하고, 대상자가 후방(내부) 측에서 투광형 태양전지 단위 모듈을 통해 전방(외부)을 바라봄에 있어서 태양전지의 얇은 두께면을 보게 되어 투광형 태양전지 단위 모듈을 불투명하게 가리는 부분이 최소화될 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 투광형 태양전지 단위 모듈이 근적외선에 해당하는 파장 영역의 상한값 파장을 갖는 근적외선이 집광되는 초점과, 파장 영역의 하한값 파장을 갖는 근적외선이 집광되는 초점이 태양전지의 내부에 위치하도록 설정되는 태양전지를 포함함으로써, 근적외선 영역의 빛의 초점이 태양전지의 내부에 위치되어 근적외선 영역의 빛이 태양전지에 대해 높은 집광율로 집광되어 고효율의 에너지 생산성이 제공될 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 투광형 태양전지 단위 모듈은 전방 및 상기 전면부 모재 사이, 상기 전면부 모재 및 상기 메타 렌즈 사이, 상기 메타 렌즈 및 상기 후면부 모재 사이, 상기 후면부 모재 및 후방 사이 중 적어도 하나 이상에 대하여 AR 코팅을 포함함으로써, 외부로부터 들어오는 빛에 대해 반사를 방지하도록 하여 AR 코팅이 포함되지 않아 빛이 반사되어 집광되는 빛의 양보다 많은 양의 빛을 집광할 수 있으며, 높은 집광율로 집광된 많은 양의 빛에 대해 태양전지는 고효율의 에너지 생산성을 제공할 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 투광형 태양전지 모듈은 높은 집광 효과를 통한 고효율의 에너지 생산성과 높은 시각적 투명성을 태양전지 개발에 부가할 수 있으며, 이러한 이점들은 투광형 태양전지 모듈이 적용될 다양한 산업 분야에서 부가 가치를 창출할 수 있고, 제로 에너지 빌딩의 핵심 기술로 활용이 가능할 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 투광형 태양전지 단위 모듈은 차세대 렌즈로 주목받는 메타 렌즈를 포함함으로써 소형화에 용이하다는 장점이 있으며, 이에 따라 자동차, 스마트기기 등 각종 휴대용 전력 소모원에 자가발전 능력을 부여할 수 있다. 이는 주요 에너지 소비원의 에너지자립도를 향상시켜, 국가적으로 총 에너지 비용을 절감시키는 효과를 가져다줄 수 있다.
도 1a는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 사시도이다.
도 1b는 전방(외부) 방향이 4시이고, 후방(내부) 방향이 10시로 도시된 도 1a와 반대로, 전방(외부) 방향이 10시이고, 후방(외부) 방향이 4시로 도시된 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 사시도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 단면도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 메타 렌즈를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈에 포함되는 메타 렌즈에 있어서 소프트웨어(예를 들면, 3D 광학 소프트웨어(Lumerical - FDTD))를 이용한 메타 렌즈의 설계 방법 및 과정들의 이해를 위해, 메타 렌즈의 유닛 셀(Unit Cell)이 p는 350nm, h는 1.5μm일 때, 근적외선 영역에서의 l값에 따른 위상 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈에 포함되는 메타 렌즈에 있어서 소프트웨어(예를 들면, 3D 광학 소프트웨어(Lumerical - FDTD))를 이용한 메타 렌즈의 설계 방법 및 과정들의 이해를 위해, 메타 렌즈의 유닛 셀(Unit Cell)이 p는 350nm, h는 1.5μm일 때, 근적외선 영역에서의 l값에 따른 투과율 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 메타 렌즈의 유닛 셋들을 배치하기 위한 설계 및 시뮬레이션 진행 과정을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 메타 렌즈를 통과하는 근적외선 영역의 빛의 초점 거리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 태양전지의 크기 및 배치 조건을 설명하기 위한 개략적인 개념도(단면도)이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 어레이의 일 구현예를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 어레이의 연결 방식의 일 구현예를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 모듈을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
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"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 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈(이하 '본 단위 모듈'이라 함)에 대해 설명한다.
도 1a는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 사시도이며, 도 1b는 전방(외부) 방향이 4시이고, 후방(내부) 방향이 10시로 도시된 도 1a와 반대로, 전방(외부) 방향이 10시이고, 후방(외부) 방향이 4시로 도시된 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 사시도이고, 도 2는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 단위 모듈(100)은 메타 렌즈(110) 및 태양전지(120)를 포함한다.
메타 렌즈(110)는 전방으로부터 입사되는 빛을 파장에 따라 선택적으로 굴절되게 투과시키도록 전방 측과 후방 측 사이를 가로지르게 구비될 수 있다. 도 1a를 참조하면, 전방은 4시 방향일 수 있으며 후방은 10시 방향일 수 있다. 또한, 도 1b를 참조하면, 전방은 10시 방향일 수 있으며, 후방은 4시 방향일 수 있다. 예를 들어, 메타 렌즈(110)는 외부 및 내부 사이를 가로지르도록 구비될 수 있으며, 이러한 경우에, 외부는 전방, 내부는 후방일 수 있다. 또한, 예를 들어, 경우에 따라서는 상향이 전방이고 하향이 후방이 되도록 지칭할 수도 있을 것이다. 즉, 전후 방향은 반드시 공간적인 전방 및 후방을 정확하게 특정하는 것이 아니며, 다소 기울어진 전방 측 및 후방 측을 지칭할 수도 있다.
상기 파장은 가시광선 영역(λ=400~700nm)과 근적외선 영역 (λ=700~1200nm)을 의미할 수 있으며, 메타 렌즈(110)는 가시광선보다 근적외선을 선택적으로 보다 많이 굴절되게 구비될 수 있다. 예를 들어, 메타 렌즈(110)는 굴절률의 차이를 갖는 두 물질의 구조적인 변화를 통한 유효 굴절률의 제어를 이용하며, 유리 재질의 산화물 등을 포함하는 재료로 구비될 수 있다.
메타 렌즈(110)는 입사되는 빛의 가시광선 영역의 빛을 최대한 투과하도록 함으로써, 시각적인 투명성이 확보되도록 할 수 있다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 메타 렌즈를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 메타 렌즈(110)는 제1 층(111) 및 제2 층(112)을 포함할 수 있다. 이하에서는, 도 3의 "Material Ⅰ"은 제2 물질(112)을 의미하며, "Material Ⅱ"은 제1 물질(111)로 지칭할 수 있다.
제1 층(111)은 제1 굴절률을 갖는 제1 물질(111a)을 포함하고, 편평한 판형으로 구비될 수 있다. 제1 층(111)은 곡률 없이 편평한 판형으로 구비될 수 있어, 공정상의 이점을 가질 수 있다. 또한, 제1 층(111)은 글래스 (fused silica, BK7, 등), Quartz, polymer(PMMA, SU-8 등) 및 플라스틱 중의 재질 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 반도체 기판일수도 있다.
또한, 메타 렌즈(110)의 제2 층(112)은 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질(112a)을 포함하여 복수의 기둥 형태로 제공될 수 있으며, 제1 층(111)의 일면 상에 적층될 수 있다. 제2 층(112)은 제2 물질(112a)이 기둥 형태로 제1 층(111)의 일면 상에 적층되는 기둥부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 층(112)의 기둥부는 기둥 축이 후방을 향하도록 제1 층(111)의 일면 상에 세워진 복수개의 기둥들이 서로 이웃하게 배열되는 형태로 제공될 수 있다. 또한, 복수개의 기둥들은 메타 렌즈에 적용 가능한 나노 크기(스케일)의 기둥들 일 수 있으며, 이처럼, 복수개의 기둥들은 나노 크기임에 따라 무수히 많은 개수가 서로 이웃하게 배열될 수 있을 것이다. 또한, 예를 들어, 제2 물질(112a)의 기둥 형태는 원기둥일 수 있으나, 이 에만 한정되는 것은 아니며, 단면 형상이 사각형, 사각형 이외의 다각형, 타원 등과 같은 다양한 형상을 갖는 다각 기둥일 수 있다. 본원의 메타렌즈에 대한 설명 중 생략되거나 간략히 된 부분은 당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 제2 층(112)의 제2 물질(112a)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 III-V 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 메타 렌즈(110)는 통상의 반도체 공정에 따라 제조될 수 있다.
또한, 여기서 일면은 도2 및 도 3을 참조하면, 후방 측 일 수 있으며, 메타 렌즈(110)는, 제1 층의 타면이 전방 측을 향하고, 제2 층의 일면이 후방 측을 향하도록 전방 측과 후방 측 사이를 가로지르게 구비될 수 있다.
또한, 메타 렌즈(110)는 제1 굴절률 및 제2 굴절률의 차이가 가시광선 영역에서 5%이내이고, 근적외선 영역에서 30%이상이 되도록 구비될 수 있다. 이에 따라, 메타 렌즈(110)는, 가시광선 영역에서 제1 굴절률 및 제2 굴절률이 유사한 굴절률 값을 가져 빛의 왜곡을 최소화하여 빛이 그대로 렌즈를 투과하도록 할 수 있으며, 근적외선 영역에서 제1 굴절률 및 제2 굴절률이 30% 이상의 차이를 가져 렌즈 효과에 의한 집광이 가능할 수 있다. 제1 굴절률 및 제2 굴절률의 조건은 [식1] 및 [식2]으로 구비될 수 있다.
[식1]
[식2]
또한, 도 3을 참조하면, 메타 렌즈(110)는 제1 물질(111a) 상에 제2 물질(112a)가 적층된 구조를 유닛 셀(Unit Cell)로 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 유닛 셀(Unit Cell)은, 제1 물질(111a)의 일면(또는 타면)의 한 변의 길이(Period), 제2 물질(112a)의 높이(Height) 및 제2 물질(112a)의 일면(또는 타면)의 반경(Length)의 변수들을 포함할 수 있다. Period(p)는 200~500nm 범위의 값, Height(h)는 1~2μm 범위의 값, Length(l)은 50~150nm 범위의 값을 갖도록 할 수 있다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈에 포함되는 메타 렌즈에 있어서 소프트웨어(예를 들면, 3D 광학 소프트웨어(Lumerical - FDTD))를 이용한 메타 렌즈의 설계 방법 및 과정들의 이해를 위해, 메타 렌즈의 유닛 셀(Unit Cell)이 p는 350nm, h는 1.5μm일 때, 근적외선 영역에서의 l값에 따른 위상 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈에 포함되는 메타 렌즈에 있어서 소프트웨어(예를 들면, 3D 광학 소프트웨어(Lumerical - FDTD))를 이용한 메타 렌즈의 설계 방법 및 과정들의 이해를 위해, 메타 렌즈의 유닛 셀(Unit Cell)이 p는 350nm, h는 1.5μm일 때, 근적외선 영역에서의 l값에 따른 투과율 변화를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 6은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 메타 렌즈의 유닛 셋들을 배치하기 위한 설계 및 시뮬레이션 진행 과정을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참조하여, 메타 렌즈의 설계 및 시뮬레이션 진행 과정(방법)을 예시적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 4 및 도 5를 참조하여, 메타 렌즈의 유닛 셀(Unit Cell)의 설계에 대하여 설명한다.
메타 렌즈의 설계 및 시뮬레이션의 일 구현예에 있어서, 전술한 바와 같이, 메타 렌즈(110)는 제1 물질(111a) 상에 제2 물질(112a)가 적층된 구조를 유닛 셀(Unit Cell)로 할 수 있으며, 상기 유닛 셀(Unit Cell)은 Period(p), Height(h), Length(l)의 변수들을 포함할 수 있다. 여기서, Period는 200~500nm의 값을 가지며, Height는 1~2μm, Length는 50~150nm의 값을 갖는다. 시뮬레이션의 진행을 위해서, 예시로 Period 값은 350nm로 고정하고, Height 값은 1~2μm의 범위에서, Length 값은 50~150nm의 범위에서 그 값을 변화시킨다.
도 4의 (a) 및 도 5의 (a)를 참조하면, 근적외선(NIR) 영역(λ=700~1200nm)에서, Height 및 Length 값에 따른 Unit Cell의 위상 및 투과율 변화를 시뮬레이션을 통해 그래프로 결과를 얻는다. 또한, 도 4의 (b) 및 도 5의 (b)를 참조하면, 특정 Height 값에서 Length에 따른 위상 및 투과율 변화를 다시 그래프로 얻는다. 각 그래프(도 4의 (b) 및 도 5의 (b))는 Height 값이 1.5μm일 때를 예시로, Length 값에 따른 위상 및 투과율 변화를 나타낸 것이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 근적외선(NIR) 영역에서 메타 렌즈가 제대로 동작하기 위해서는, Length 값의 범위(50~150nm) 내에서 위상 변화가 2π[rad] 이상임이 바람직하고, 투과율은 90[%] 이상임이 바람직하다. 메타 렌즈의 투과율이 높아야 하는 이유는 빛을 렌즈에 의한 흡수 없이 태양전지에 포집하기 위함이다.
다음으로, 도 6을 참조하여, 상술한 메타 렌즈의 유닛 셀(Unit Cell)의 설계(시뮬레이션) 결과를 토대로, 이러한 유닛 셀들을 배치하기 위한 작업에 대응하는 설계 및 시뮬레이션에 대하여 설명한다. 참고로, 전술한 Height 값이 1.5μm 경우를 예시로 얻어낸, Unit Cell의 위상 변화 그래프인 도 4의 (b)가 "A"와 같다. 도 6을 참조하여, 직경이 40μm이고 1000nm 파장의 빛에 대한 초점 거리가 200μm인 메타 렌즈를 예시로 설계하는 과정을 설명한다.
해당 메타 렌즈의 Target phase(B)는 예시로서, 도 6에 제시된 것처럼 쌍곡선(hyperbolic) 형태를 갖는다. Target phase는 일반적으로 쌍곡선(hyperbolic)형태이지만, 설계자의 목적에 따라 원하는 형태를 취할 수 있다.
도 6을 참조하면, 유닛 셀(Unit Cell) 시뮬레이션에서 얻은 결과(A)와 Target phase(B)를 이용하여, 렌즈 중심으로부터 Unit Cell의 Length 분포(C)를 그래프로 얻을 수 있다. 또한, 유닛 셀(Unit Cell)의 Length 분포 그래프(C)를 기준으로 메타 렌즈의 Unit Cell들을 그림(D)처럼 배치한다. 또한, 도 6에 표시된 그림 "E"와 같이, 배치된 Unit Cell들을 Material Ⅱ로 채우는 것으로 최종적인 메타 렌즈 모델링이 마무리될 수 있다. 이러한 채움에 따라, 메타 렌즈(110)의 타면 또한 편평한 형태로 구비될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 메타 렌즈를 통과하는 근적외선 영역의 빛의 초점 거리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 3D 광학 소프트웨어로 메타 렌즈의 초점 거리를 계산하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
상술한 메타 렌즈의 유닛 셀 설계(도 4 및 도 5 참조)와 설계된 유닛 셀들을 배치하는 설계(도 6 참조)를 거쳐 설계된 메타 렌즈(예를 들면 직경 40μm)의 초점 거리를 시뮬레이션으로 계산한다. 시뮬레이션을 통해 설계된 근적외선(NIR) 영역(λ=700~1200nm)의 빛을 메타 렌즈에 입사시키면서 동작을 관찰한다.
도 7 및 도 8에 도시된 그래프를 참조하면, 해당 메타 렌즈가 근적외선(NIR) 영역의 빛에 대해 초점을 형성하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 도 7 및 도 8을 참조하면, 빛의 파장이 길어질수록 초점 거리가 짧아지는 것을 확인할 수 있다.
이 같은 시뮬레이션 결과로부터 메타 렌즈를 통과하는 근적외선(NIR) 영역의 빛은 소정 범위 내에서 초점을 형성함을 알 수 있다. 이 결과를 토대로 태양전지의 크기 및 배치를 결정할 수 있다.
또한, 이 같은 시뮬레이션 결과를 참조하면, 근적외선 영역의 빛이 메타 렌즈(110)로 입사되어 초점을 형성함에 있어서, 근적외선의 파장대에 따라 초점의 위치가 변경될 수 있으며, 이러한 근적외선 파장 범위에서의 초점의 변경 범위를 고려하여, 이 같은 초점 범위를 포함하는 영역에 태양 전지가 배치됨이 바람직할 것이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈의 태양전지의 크기 및 배치 조건을 설명하기 위한 개략적인 개념도(단면도)이다.
도 9를 참조하면, 태양전지(120)는 양면발전 가능하게 제공되며, 메타 렌즈(110)의 후방 측에 배치된다. 예를 들어, 태양전지(120)는 전방에서 입사되는 빛이 메타 렌즈(110)를 통해 집광되는 근적외선 영역의 빛을 포집하기 위하여 메타 렌즈(110)보다 후방에 배치될 수 있다. 또한, 태양전지(120)는 메타 렌즈(110)를 통해 집광되는 근적외선 영역의 빛이 태양전지(120)의 발전 가능한 양쪽 면에 입사되어 양면 발전이 수행될 수 있도록, 전술한 바와 같이, 근적외선 파장 영역대에 대응하는 초점 범위를 고려하여 배치됨이 바람직하다.
또한, 태양전지(120)는 메타 렌즈(110)를 투과하여 굴절되는 근적외선의 경로를 고려하여 배치될 수 있다. 메타 렌즈(110)는 전방에서 입사되는 근적외선을 투과시키고 굴절되도록 할 수 있으며, 이에 따른 굴절률에 대해 굴절하는 근적외선의 경로를 고려하여 태양전지(120)를 배치함이 바람직하다. 태양전지(120)의 배치 위치는, 메타 렌즈(110)를 투과하여 굴절되는 근적외선에 대하여 형성되는 초점이 태양전지(120)의 내부에 위치하도록 설정될 수 있다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 메타 렌즈(110)는 근적외선 영역의 빛에 대하여 초점을 형성하며, 그에 대한 초점 영역을 형성할 수 있으며, 이에 따른 메타 렌즈(110)의 초점 영역에 대하여 태양전지(120)의 크기 및 배치 조건을 결정할 수 있다.
태양전지(120)의 배치 위치 및 크기는 근적외선에 해당하는 파장 영역의 상한값 파장을 갖는 근적외선이 집광되는 초점과, 근적외선에 해당하는 파장 영역의 하한값 파장을 갖는 근적외선이 집광되는 초점이, 태양전지(120)의 내부에 위치하도록 설정할 수 있다. 태양전지(120)의 배치 위치 및 크기는, 태양전지의 전방 측의 위치 XL이 근적외선에 해당하는 파장 영역의 상한값 파장 1200nm 빛에 의해 형성되는 초점의 위치 XF1200보다 작아야 하며(XL<XF1200), 태양전지의 후방 측의 위치 XR이 근적외선에 해당하는 파장 영역의 하한값 파장 700nm 빛에 의해 형성되는 초점의 위치 XF700보다 크도록(XR>XF1200) 위치 설정 및 크기 설정됨이 바람직하다. 즉, 태양전지(120)는 메타 렌즈(110)로부터 집광되는 근적외선 영역의 빛을 최대한 포집할 수 있도록 하는 크기를 갖도록 함이 바람직하다.
또한, 도 9를 참조하면, 태양전지(120)는 발전 가능한 양면을 갖는 판형으로 구비되되, 그 면 법선 방향(태양전지의 양면 중 어느 한 면의 법선 방향)인 제1 방향이 메타 렌즈(110)의 그 면 법선 방향(메타 렌즈의 전면 또는 후면의 법선 방향)인 전후 방향과 직교하도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 9를 기준으로 설명하면, 태양전지(120)는 발전 가능한 양면의 면 방향이 수평방향(도 9 기준 3시-9시 방향)을 향하게, 다시 말해, 양면 각각의 법선 방향이 수직방향(도 9 기준 12시-6시 방향)을 향하도록 배치될 수 있다. 즉, 태양전지(120)의 면 법선 방향인 제1 방향은 도 9를 기준으로 12시-6시 방향, 메타 렌즈(110)의 면 법선 방향인 전후 방향은 도 9를 기준으로 3시-9시 방향일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 태양전지(120)는 필요에 따라 그 면 법선 방향인 제1 방향이 수직방향이 아닌 다른 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 태양전지(120)는 그 면 법선 방향이 수평방향을 향하게 배치되거나, 비스듬한 경사방향을 향하게 배치될 수 있고, 이러한 태양전지(120)의 배치에 대응(각각의 면 법선 방향이 서로 직교하도록 대응)되게 메타렌즈(110) 또한 배치될 수 있다.
본 단위 모듈(100)은 태양전지(120)에서 생성되는 전력을 외부로 전달하도록 태양전지(120)와 전기적으로 연결되는 전극부를 포함할 수 있다. 전극부는, 태양전지(120)와 연결되는 전극층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극층은 투명 전극층일 수 있으며, 다른 예로, 전극층은 불투명 전극층일 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 단위 모듈(100)은 모재부(141, 142)를 포함할 수 있다. 모재부(141, 142)는 태양전지(120) 및 메타 렌즈(110)를 지지하도록 구비되며, 광 투과성이 있는 재질로 구비될 수 있다. 모재부(140)는 유리 또는 spin-on-glass 재질, 또는 유리와 굴절률 차이가 20% 이내의 폴리머 재질을 포함하는 재질로 구비될 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하면, 모재부(141, 142)는 메타 렌즈(110)를 기준으로, 전방 측에 위치하는 전면부 모재(141) 및 후방 측에 위치하는 후면부 모재(142) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 메타 렌즈(110)는 전면부 모재(141) 및 후면부 모재(142)사이에 개재되며, 태양전지(120)는 후면부 모재(142)의 내부에 배치되도록 할 수 있다. 이에 따라, 모재부(141, 142)가 메타 렌즈(110) 및 태양전지(120)를 지지하는 것이 가능할 수 있다.
모재부(141, 142)의 전면부 모재(141)는 필요에 따라 선택적으로 구비될 수 있다.
또한, 본 단위 모듈(100)은 AR 코팅(150)을 포함할 수 있다. AR 코팅(150)은, 전방(외부) 및 전면부 모재(141) 사이, 전면부 모재(141) 및 메타 렌즈(110) 사이, 메타 렌즈(110) 및 후면부 모재(142) 사이, 후면부 모재(142) 및 후방(내부) 사이 중 적어도 하나 이상에 대하여 외부로부터 들어오는 빛에 대해 반사를 방지하도록 구비될 수 있다. AR 코팅(150)은 외부로부터 들어오는 빛에 대해 반사를 방지하여 태양전지(120)에 집광되는 근적외선 영역의 빛을 최대한 포집되도록 하기 위함일 수 있다.
각 층에 대해 구비되는 AR 코팅(150)은 전방(외부) 및 전면부 모재(141) 사이는 ARf(150f), 전면부 모재(141) 및 메타 렌즈(110) 사이는 AR1(150a), 메타 렌즈(110) 및 후면부 모재(142) 사이는 AR2(150b), 후면부 모재(142) 및 후방(내부) 사이는 ARr(150r)이라 정의할 수 있다.
AR 코팅을 위한 굴절률 관계식은 [식3], [식4], [식5] 및 [식6]으로 구비될 수 있는데, 이때, 전방의 굴절률은 na, 전면부 모재(141)의 굴절률은 nF, 메타 렌즈(110) 층의 굴절률의 평균 값은 nAVG, 후면부 모재(142)의 굴절률은 nR, 후방의 굴절률은 nb라 가정한다. 또한, ARf(150f)의 굴절률은 nARf, AR1(150a)의 굴절률은 nAR1, AR2(150b)의 굴절률은 nAR2, ARr(150r)의 굴절률은 nARr이라 가정한다.
[식3]
nARf =
[식4]
nAR1 =
[식5]
nAR2 =
[식6]
nARr =
한편, 본원은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈(100) 복수개가 전기적으로 연결된 투광형 태양전지 어레이(이하 '본 어레이'라 함)를 제공할 수 있다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 어레이의 일 구현예를 설명하기 위한 개략적인 개념도이며, 도 11은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 어레이의 연결 방식의 일 구현예를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
예를 들어, 도 10을 참조하면, 본 어레이(200)는 본 단위 모듈(100) 복수개가 수평 방향(도 10 기준, 2시-8시 방향)으로 연결될 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니며, 다른 예로, 본 어레이(200)는 본 단위 모듈(100) 복수개가 수직 방향(도 10 기준, 12시-6시 방향)으로 연결될 수 있다. 또한, 본 어레이(200)의 본 단위 모듈(100) 복수개의 연결은 통상의 기술자들이 자명한 다양한 연결 방식으로 이루어질 수 있으며, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 11을 참조하면, 본 어레이(200)는 본 단위 모듈(100)의 전극부 간에 전기적 연결이 있을 수 있다. 또한, 본 어레이(200)의 본 단위 모듈(100)간의 전기적 연결은 다양한 연결 방식으로 연결될 수 있으며, 예를 들어, 전기적 연결은 직렬 연결 또는 병렬 연결일 수 있다.
또한, 예를 들어, 도 10을 참조하면, 본 단위 모듈(100) 복수개가 수직 방향으로 연결되며, 태양전지(120)가 수평방향으로 배치되었을 때, 본 단위 모듈(100)은 메타 렌즈(110)를 통해 집광되는 근적외선 영역의 초점 영역을 포함하는 태양전지(120)의 배치 위치 및 크기를 고려하여 본 단위 모듈(100)의 수직적 배치를 설정할 수 있다.
본원은 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 어레이(200) 복수개가 전기적으로 연결된 투광형 태양전지 모듈(이하 '본 모듈'이라 함)를 제공할 수 있다. 다만, 본 모듈은 전술한 본 단위 모듈 및 본 어레이와 동일하거나 상응하는 기술적 특징을 공유하는 것으로서, 본 단위 모듈(100) 및 본 어레이(200)의 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하며 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 투광형 태양전지 모듈을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
본 모듈(300)은 본 어레이(200) 복수개가 전기적으로 연결되었으며, 예를 들어, 도 10 참조하면, 본 단위 모듈(100) 복수개가 수평 방향으로 연결된 본 어레이(200)가 수직 방향으로 전기적 연결될 수 있다. 또한, 다른 예로, 본 단위 모듈(100) 복수개가 수직 방향으로 연결된 본 어레이(200)가 수평 방향으로 전기적 연결될 수 있다. 여기서 전기적 연결은 본 어레이(200)의 본 모듈(100)간의 전기적 연결처럼, 직렬 연결 또는 병렬 연결일 수 있다. 또한, 이러한 다양한 전기적 연결 방식을 통해 본 모듈(300)은 출력전압과 출력 전류를 조절할 수 있다.
또한, 도 12를 참조하면, 본 모듈(300)은 본 어레이(200)간 전기적 연결을 하며, 태양전지(120)로 발생한 전력을 외부로 전달하도록 하는 전극부를 포함할 수 있다. 또한, 본 모듈(300)은 내부에 소형 인버터나 바이패스 다이오드를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 바이패스 다이오드의 경우, 본 어레이(200)간 또는, 본 어레이(200) 내에 하나 이상 사용될 수 있다.
본 단위 모듈(100)을 포함하는 본 모듈(300)은 높은 집광 효과를 통한 고효율의 에너지 생산성과 높은 시각적 투명성을 차세대 태양전지 개발에 부가할 수 있다. 이러한 이점들은 본 모듈(300)이 적용될 다양한 산업 분야에서 부가 가치를 창출할 수 있다. 우선, 제로 에너지 빌딩의 핵심 기술로 활용이 가능하며, 본 모듈(300)은 차세대 렌즈로 주목받는 메타 렌즈(110)가 결합된 구조이기 때문에 소형화에 용이하다는 장점이 있다. 이러한 장점은 자동차, 스마트기기 등 각종 휴대용 전력 소모원에 자가발전 능력을 부여할 수 있게 되며, 이는 주요 에너지 소비원의 에너지자립도를 향상시켜, 국가적으로 총 에너지 비용을 절감시키는 효과를 가져다줄 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.
100: 투광형 태양전지 단위 모듈
110: 메타 렌즈
111: 제1층
111a: 제1물질
112: 제2층
112a: 제2물질
120: 태양전지
130: 전극부
141, 142: 모재부
141: 전면부 모재
142: 후면부 모재
150: AR 코팅
200: 투광형 태양전지 어레이
300: 투광형 태양전지 모듈

Claims (10)

  1. 투광형 태양전지 단위 모듈에 있어서,
    전방으로부터 입사되는 빛을 파장에 따라 선택적으로 굴절되게 투과시키도록 전방 측과 후방 측 사이를 가로지르게 구비되는 메타 렌즈;
    양면발전 가능하게 제공되고, 상기 메타 렌즈의 후방 측에 배치되는 태양전지; 및
    상기 태양전지에서 생성되는 전력을 외부로 전달하도록 상기 태양전지와 전기적으로 연결되는 전극부를 포함하되,
    상기 메타 렌즈는, 가시광선보다 근적외선을 선택적으로 보다 많이 굴절시키게 구비되고,
    상기 태양전지는, 상기 메타 렌즈를 투과하여 굴절되는 근적외선의 경로를 고려하여 배치되고, 발전 가능한 양면을 갖는 판형으로 구비되되, 그 면 법선 방향인 제1 방향이 상기 메타 렌즈의 그 면 법선 방향인 전후 방향과 직교하도록 배치되는 것인, 투광형 태양전지 단위 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메타 렌즈는,
    제1 굴절률을 갖는 제1 물질을 포함하고 편평한 판형으로 구비되는 제1층 및 상기 제1 굴절률보다 낮은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질을 포함하여 복수의 기둥 형태로 제공되고, 상기 제1층의 일면 상에 적층되는 제2층을 포함하고,
    상기 제1층의 타면이 전방 측을 향하고 상기 제2층의 일면이 후방 측을 향하도록 전방 측과 후방 측 사이를 가로지르게 구비되는 것인, 투광형 태양전지 단위 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메타 렌즈는, 상기 제1 굴절률 및 상기 제2 굴절률의 차이가, 가시광선 영역에서 5% 이내이고, 근적외선 영역에서 30% 이상이 되도록 구비되는 것인, 투광형 태양전지 단위 모듈.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지의 배치 위치는, 상기 메타 렌즈를 투과하여 굴절되는 근적외선에 대하여 형성되는 초점이 상기 태양전지의 내부에 위치하도록 설정되는 것인, 투광형 태양전지 단위 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 태양전지의 배치 위치 및 크기는 상기 근적외선에 해당하는 파장 영역의 상한값 파장을 갖는 근적외선이 집광되는 초점과, 상기 파장 영역의 하한값 파장을 갖는 근적외선이 집광되는 초점이, 상기 태양전지의 내부에 위치하도록 설정되는 것인, 투광형 태양전지 단위 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투광형 태양전지 단위 모듈은, 상기 태양전지 및 상기 메타 렌즈를 지지하도록 구비되며 광 투과성이 있는 재질로 구비되는 모재부를 포함하며,
    상기 모재부는, 상기 메타 렌즈를 기준으로, 전방 측에 위치하는 전면부 모재 및 후방 측에 위치하는 후면부 모재 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 투광형 태양전지 단위 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 투광형 태양전지 단위 모듈은,
    전방 및 상기 전면부 모재 사이, 상기 전면부 모재 및 상기 메타 렌즈 사이, 상기 메타 렌즈 및 상기 후면부 모재 사이, 상기 후면부 모재 및 후방 사이 중 적어도 하나 이상에 대하여 외부로부터 들어오는 빛에 대해 반사를 방지하도록 구비되는 AR 코팅을 더 포함하는 것인, 투광형 태양전지 단위 모듈.
  9. 투광형 태양전지 어레이에 있어서,
    제1항에 따른 투광형 태양전지 단위 모듈 복수개가 전기적으로 연결된 투광형 태양전지 어레이.
  10. 투광형 태양전지 모듈에 있어서,
    제9항에 따른 투광형 태양전지 어레이 복수개가 전기적으로 연결된 투광형 태양전지 모듈.
KR1020210109536A 2021-05-20 2021-08-19 투광형 태양전지 단위 모듈, 투광형 태양전지 어레이 및 이를 포함하는 투광형 태양전지 모듈 KR102584910B1 (ko)

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