KR102623961B1 - 투명 태양전지 패널 구조체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광태양광집광셀이 적어도 하나 이상 어레이된 투명 태양전지 패널 구조체에 관한 것으로서, 발광태양광 집광셀은 판형상으로 형성되어 태양광을 투과시키는 상부도광판과, 상부 도광판에 대향되게 배치된 하부 도광판과, 상부 도광판과 하부 도광판 사이에 마련되며 입사되는 태양광 중 자외선과, 적외선을 흡수하여 설정된 발광파장대역의 광으로 발광하는 발광층과, 발광층의 연장방향에 교차하는 상부 및 하부 도광판의 측면에 결합되어 입사되는 광을 전기에너지로 변환하는 측면 태양전지와, 발광층의 상부와 하부 중 적어도 한 측에는 입사된 광의 측면 태양전지로의 굴절에 의한 유입효율을 높이기 위해 상기 발광층보다는 굴절율이 높고 상부 도광판과 하부도광판의 굴절율보다는 낮은 굴절율을 갖게 형성된 굴절유도부를 구비한다. 이러한 투명 태양전지 패널 구조체에 의하면, 가시광선의 투과율을 안정적으로 확보하면서도 비가시광선에 대한 전력생성 이용 효율을 향상시키고 태양전지로의 도파 손실을 억제하면서 광전달 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
Description
본 발명은 투명 태양전지 패널 구조체에 관한 것으로서, 상세하게는 가시광선의 투과율을 적절하게 확보하면서도 측면에 배치된 태양전지로 도파되는 광의 광전달 및 이용 효율을 향상시킬 수 있도록 된 투명 태양전지 패널 구조체에 관한 것이다.
최근 태양광의 일부는 투과시키고, 일부는 전력생성에 기여할 수 있는 태양광 발전 방식이 다양하게 제안되고 있다.
이러한 태양광 발전방식의 예로서, 영농형 태양전지(agrivoltaics)는 유리 온실, 스마트팜 등 농작물 재배 시설에 적용되어 태양광발전과 작물 재배를 겸할 수 있도록 된 것으로 주로 농작물의 광합성에 필수적인 파장을 선택적으로 투과하고 나머지 파장을 태양광발전에 활용할 수 있도록 구축되어 있고, 국내 등록특허 제10-2529297호 등 다양하게 제안되어 있다.
또한, 건물에 설치되어 심미적인 기능과 함께 태양광 발전을 수행할 수 있는 BIPV(Building-Integrated PhotoVoltaics) 구조도 다양하게 제안되어 있다.
그런데, 건물에 적용되는 종래의 태양전지 모듈은 건축물의 지붕이나 외벽 설치를 고려한 모듈구조로서, 태양전지가 불투명 소재로 이루어져 있으므로, 태양광이 투과되지 않는 등 건축물의 창호에 사용하기 부적합하다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 측면에 태양전지셀을 결합한 집광형 태양전지 모듈이 국내 공개특허공보 제10-2013-0120295호에 제안되어 있다.
그런데, 상기 집광형 태양전지 모듈은 비가시광선 대역의 광을 발전용으로 효율적으로 이용하지 못하는 단점이 있다.
또한, 측면에 설치되는 태양전지로의 광집속 및 전달 효율을 높일 수 있는 방안이 꾸준히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 가시광선의 투과율을 안정적으로 확보하면서도 비가시광선에 대한 전력생성 이용 효율을 향상시키고 태양전지로의 도파 손실을 억제하면서 광전달 효율을 향상시킬 수 있는 투명 태양전지 패널 구조체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 투명 태양전지 패널 구조체는 발광태양광집광셀이 적어도 하나 이상 어레이된 투명 태양전지 패널 구조체에 있어서, 상기 발광태양광 집광셀은 판형상으로 형성되어 태양광을 투과시키는 상부도광판과; 상기 상부 도광판에 대향되게 배치된 하부 도광판과; 상기 상부 도광판과 상기 하부 도광판 사이에 마련되며 입사되는 태양광 중 자외선과, 적외선을 흡수하여 설정된 발광파장대역의 광으로 발광하는 발광층과; 상기 발광층의 연장방향에 교차하는 상기 상부 및 하부 도광판의 측면에 결합되어 입사되는 광을 전기에너지로 변환하는 측면 태양전지와; 상기 발광층의 상부와 하부 중 적어도 한 측에는 입사된 광의 상기 측면 태양전지로의 굴절에 의한 유입효율을 높이기 위해 상기 발광층보다는 굴절율이 높고 상기 상부 도광판과 상기 하부도광판의 굴절율보다는 낮은 굴절율을 갖게 형성된 굴절유도부;를 구비한다.
또한, 상기 굴절 유도부는 상기 발광층과 상기 상부 도광판 사이에 형성되어 입사된 광의 상기 측면 태양전지로의 굴절에 의한 유입효율을 높이기 위해 상기 발광층을 향하는 방향으로 단계적으로 굴절률이 낮은 층이 복수개 형성되거나, 상기 발광층을 향하는 방향으로 점진적으로 굴절률이 낮게 형성된 상부 굴절유도부가 적용된다.
또한, 상기 굴절 유도부는 상기 발광층과 상기 하부 도광판 사이에 형성되어 입사된 광의 상기 측면 태양전지로의 굴절에 의한 유입효율을 높이기 위해 상기 발광층을 향하는 방향으로 단계적으로 굴절률이 낮은 층이 복수개 형성되거나, 상기 발광층을 향하는 방향으로 점진적으로 굴절률이 낮게 형성된 하부 굴절유도부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하부 도광판의 저면에 형성되어 입사된 가시광선은 투과시키고 적외선광과 자외선광을 상기 발광층으로 반사시키는 파장선택미러층과; 상기 상부 도광판의 전면에 형성된 무반사 코팅층;을 더 구비한다.
또한, 상기 측면 태양전지와 인접한 상기 발광층 내에 수평상으로 연장되게 설치되어 입사된 광을 전기에너지로 변환하는 제1수평 에지 태양전지;를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 측면 태양전지와 상기 상부 도광판 및 상기 하부 도광판 사이는 사이드 굴절률 매칭 접합층에 의해 접합되어 있고, 상기 사이드 굴절률 매칭 접합층의 굴절률은 상기 상부 도광판 및 상기 하부 도광판의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 것이 적용된다.
또한, 상기 파장선택미러층 하부에서 수평 굴절률 접합층을 통해 접합된 투명기판;을 더 구비하고, 상기 측면 태양전지에 인접한 상기 수평 굴절률 접합층 내에 수평상으로 연장되게 설치되어 입사되는 광을 전기에너지로 변환하는 제2수평 에지 태양전지;를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 무반사 코팅층으로부터 상기 파장선택미러층까지의 제1두께를 기준으로 상기 제1두께 방향에 직교하는 수평 방향을 따르는 상기 상부 도광판의 한 변은 상기 제1두께의 1배 초과 내지 상기 제1두께의 10배 미만의 길이를 갖게 적용되고, 상기 상부 도광판의 길이는 1 내지 15cm인 것을 적용한다.
또한, 상기 상부 도광판과 상기 하부 도광판 사이에는 시각적으로 외부로 색상을 표시하도록 형성된 색상표시층;이 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 상부 도광판과 상기 하부도광판 중 적어도 하나에는 시각적으로 외부로 색상을 표시하도록 색상 표시입자가 분산되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부 굴절유도부는 중앙에서 상기 측면 태양전지를 향하는 방향으로 휘어지면서 굴절률이 다른 층이 복수개 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 투명 태양전지 패널 구조체에 의하면, 가시광선의 투과율을 안정적으로 확보하면서도 비가시광선에 대한 전력생성 이용 효율을 향상시키고 태양전지로의 도파 손실을 억제하면서 광전달 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 태양전지 패널 구조체를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 발광태양광 집광셀을 발췌하여 확대 도시한 도면이고,
도 3은 도 2의 발광태양광 집광셀의 사시도이고,
도 4는 도 3의 발광태양광 집광셀이 매트릭스 상으로 어레이되어 정보를 표시하는 예를 나타내 보인 사시도이고,
도 5는 광의 굴절률 차이에 따라 광경로 변화를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 도 2의 상부 굴절 유도부에 의한 광경로 변환과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 상부 굴절유도부가 휘어진 구조로 형성된 경우의 광경로 변환과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 휘어진 구조의 상부 굴절유도부가 적용된 투명 태양전지 패널 구조체의 단면도이고,
도 9 내지 도 11은 굴절유도부에 의한 광도파 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광태양광 집광셀의 단면도이고,
도 13은 본 발명에 따른 투명 태양전지 패널 구조체의 제조과정의 예를 나타내 보인 도면이다.
도 2는 도 1의 발광태양광 집광셀을 발췌하여 확대 도시한 도면이고,
도 3은 도 2의 발광태양광 집광셀의 사시도이고,
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도 5는 광의 굴절률 차이에 따라 광경로 변화를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 도 2의 상부 굴절 유도부에 의한 광경로 변환과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 상부 굴절유도부가 휘어진 구조로 형성된 경우의 광경로 변환과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 휘어진 구조의 상부 굴절유도부가 적용된 투명 태양전지 패널 구조체의 단면도이고,
도 9 내지 도 11은 굴절유도부에 의한 광도파 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광태양광 집광셀의 단면도이고,
도 13은 본 발명에 따른 투명 태양전지 패널 구조체의 제조과정의 예를 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명 태양전지 패널 구조체를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 태양전지 패널 구조체를 나타내 보인 단면도이고, 도 2는 도 1의 발광태양광 집광셀을 발췌하여 확대 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 발광태양광 집광셀의 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 투명 태양전지 패널 구조체(100)는 투명기판(190) 위에 다수의 발광태양광 집광셀(100a)이 어레이된 구조로 되어 있다.
발광태양광 집광셀(100a)은 상부도광판(110), 하부 도광판(130), 발광층(150), 굴절유도부(160), 측면 태양전지(180)를 구비한다.
상부 도광판(110)은 사각 판형상으로 형성되어 태양광을 투과시킨다. 상부 도광판(110)은 투명소재로 형성될 수 있다. 상부 도광판(110)은 PMMA(polymethyl methacrylate), 유리, PET(polyethylene terephthalate), 실리콘(silicone), PCHMA(poly(cyclohexyl methacrylate) 등의 소재로 형성될 수 있다. 또한, 상부 도광판(110)은 굴절률이 후술되는 발광층(150) 및 굴절유도부(160) 보다 높은 굴절률을 갖게 형성된다. 상부 도광판(110)의 굴절률은 후술되는 하부 도광판(130)과 같은 굴절률을 갖는 것으로 적용될 수 있다.
상부 도광판(110)은 시각적으로 외부로 색상을 표시하도록 색상을 갖는 것이 적용될 수 있다.
또한, 상부 도광판(110)과 발광층(150) 사이에는 시각적으로 외부로 색상을 표시하도록 형성된 색상표시층(도 12참조, 116)이 더 형성될 수 있다.
색상을 갖는 상부 도광판(110)의 경우 상부 도광판(110) 내에 색상 표시입자(염료, 형광체, 양자점 등)를 분산시켜 형성할 수 있다.
또한, 상부 도광판(110)에 색상 표시 입자로서 염료가 적용되는 경우 Lumogen F Red 305, Yellow 083, Orange 240, Green 850, Coumarin 등 을 적용할 수 있다.
상부 도광판(110)에 색상표시층이 적용되는 경우 발광소재에 의한 광산란에 의해 측면 태양전지(180)로의 광입사량 증대 효과도 제공할 수 있다.
또한, 도 4를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 투명한 방식이 적용된 태양광 집광셀(100a)과 색상표시기능을 갖는 태양광 집광셀(100b) 또는 상호 다른 색상을 표시하는 태양광 집광셀들을 선택적으로 어레이하여 적용하면 본 구조체(100)가 다양한 정보의 표시기능을 지원하는 사이니지(signage)로서도 기능할 수 있다
무반사 코팅층(114)은 상부 도광판(110)의 전면에 형성되어 입사되는 태양광의 반사를 억제하여 자외선으로부터 가시광선 및 적외선까지에 이르는 대역의 광을 무반사로 투과되게 지원한다.
무반사 코팅층(114)은 SiO2, MgF2, TiO2, Al2O3 등의 물질을 1층 이상 적층 또는 무기물질/Ag/무기물질 층으로 형성될 수 있다. 여기서, 무기물질은 ITO, ZnS 등이 적용될 수 있다.
하부 도광판(130)은 사각 판형상으로 형성되어 상부 도광판(110)에 대향되게 배치되어 있다.
하부 도광판(130)은 투명소재로 형성될 수 있다. 하부 도광판(130)은 상부 도광판(110)과 마찬가지로 앞서 설명된 PMMA, 유리, PET, 실리콘(silicone), PCHMA 등의 소재로 형성될 수 있다. 또한, 하부 도광판(130)은 굴절률이 후술되는 발광층(150) 및 굴절유도부(160) 보다 높게 형성되며 상부 도광판(130)과 동일한 굴절율을 갖게 형성될 수 있다.
발광층(150)은 상부 도광판(110)과 하부 도광판(130) 사이에 마련되며 입사되는 태양광 중 자외선과, 적외선을 흡수하여 설정된 발광파장대역의 광으로 발광한다.
발광층(150)은 입사되는 태양광 중 자외선과, 적외선을 흡수하여 가시광선과 극적외선으로 변환하는 파장변환 발광소재가 저굴절률 투명소재에 분산된 구조로 형성될 수 있다.
발광층(150)에 적용되는 파장변환 발광소재는 입자 크기는 수 내지 수십 나노의 직경을 갖는 것을 적용한다.
발광층(150)은 자외선부터 적외선에 이르는 파장대역의 광에 대해 무반사 하면서 광입사율이 95% 이상이 되게 유지하며, 저굴절률 투명소재(PVB(Polyvinyl butyral), EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer), PDMS(polydimethylsiloxane) 등)에 파장변환 발광소재가 함량 0.01~1wt.%로 분산된 구조로 형성되며 접착 기능도 제공할 수 있게 형성될 수 있다. 발광층(150)은 발광태양광 집광셀(100a) 구조에서 가장 굴절률이 낮은 부분이다. 발광층(150)에 적용되는 파장변환 발광소재는 자외선(UV), 및 적외선(IR)을 흡수/여기하여 태양전지 특히 단결정 실리콘 태양전지의 효율에 부합하는 600~1100nm의 장파장 가시광선 ~ 근적외선 대역으로 파장변환되어 발광하는 유무기 소재가 적용될 수 있다.
발광층(150)에 적용되는 유무기 소재로서, 양자점(QD)은 CuInS2, CuInS2/ZnS, CdSe, CdTe/CdSe, CdTe/CdSe/ZnS 등과 같이 스톡스 쉬프트(stokes’ shift)가 크고 광발광양자수율(PLQY>90%)이 우수한 것이 적용될 수 있다. 또한, 발광층(150)에 적용되는 유무기 소재로서 발광성 희토류 함유 유무기 나노/마이크로 입자인 Yb-MOF, Nd-MOF, Eu-MOF, B(TMSP)Im][Ln(TTA)4 등이 적용될 수 있다.
또한, 발광층(150)에 적용되는 유무기 소재로서 나노/무기 입자형 형광체인 Yb2O3, Nd2O3, Y2O3:Eu, Y2O3:Yb,Er, NaYF4:Yb,Er, NaLuF4:Yb,Er, Ca/Sr/BaF2:Yb,Er 이 적용될 수 있다.
또한, 발광층(150)에는 염료로서 Lumogen F Red 305, Yellow 083, Orange 240, Green 850, Coumarin 등이 적용될 수 있다.
또한, 발광층(150)에는 금속 나노 입자로 Ag, Au, Pt, Cu 등이 적용될 수 있다.
굴절 유도부(160)는 발광층(150)의 상부와 하부에 형성되어 입사된 광의 측면 태양전지(180)로의 굴절에 의한 유입 효율을 높이기 위해 발광층(150)보다는 굴절율이 높고 상부 도광판(110)과 하부도광판(130)의 굴절율보다는 낮은 굴절율을 갖게 형성되어 있다.
이러한 굴절 유도부(160)는 입사 태양광의 광진행방향을 측면 방향으로 유도하여 진행시킬 수 있어서 측면 태양전지(180)로의 광입사 확률이 높아지며 탈출원뿔손실(escape cone loss)도 줄어들어서 태양광 발전효율을 증진시킨다.
일반적으로 상대적으로 고굴절률 광도파층에서는 광도파가 느리고 길게 전달되거나 전반사(TIR) 조건이 아닌 탈출원뿔손실영역으로 들어갈 확률이 증가하며 측면방향 태양전지로의 입사 광량이 줄어들어서 상대적으로 낮은 굴절률 광도파층 적용 경우보다 상대적으로 태양광발전효율이 감소한다. 이에 반해 도 5를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 굴절률이 높은 매질(n1)에서 굴절율이 낮은 매질(n0)로 광이 입사되는 경우 측방향으로의 굴절되는 각이 더욱 커짐을 알 수 있다.
따라서, 저굴절률 광도파층을 형성하는 굴절 유도부(160)를 통해서 빠르고 광손실을 줄이면서(탈출원뿔손실 감축) 광전달을 할 수 있어서 상대적으로 측면태양전지(180)의 태양광발전효율 증대시킬 수 있다.
굴절 유도부(160)는 상부 굴절유도부(162)와 하부 굴절유도부(164)를 구비한다.
상부 굴절유도부(162)는 발광층(150)과 상부 도광판(110) 사이에 형성되어 입사된 광의 측면 태양전지(180)로의 굴절에 의한 유입효율을 높이기 위해 상호 다른 굴절률을 갖는 층이 복수개 수직상으로 적층된 구조로 되어 있다.
상부 굴절유도부(162)는 도 6을 통해 확인할 수 있는 바와 같이 발광층(150)으로 향할수록 굴절률이 점진적으로 낮아지게 다층으로 형성되어 있다. 도 6에서 발광층으로부터 상방으로 제1상부층(162a), 제2상부층(162b) 및 제3상부층(162c) 이 형성되어 있고, 굴절률은 n3 > n2 > n1 >n0 로 낮아지게 형성되어 있다. 여기서, n3는 상부 도광판(110)의 굴절률에 해당한다. 도시된 예에서 상부 굴절유도부(162)는 제2상부층(162b) 및 제3상부층(162c)으로 구축되고, 제1상부층이 발광층(150)으로 적용될 수 있음은 물론이다.
상부 굴절유도부(162)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 중앙에서 측면 태양전지(180)을 향하는 방향으로 휘어지면서 굴절률이 다른 층이 적층된 구조로 구축될 수 있다.
이와 같이 상부 굴절유도부(162)는 단계형(step)으로 단순하게 구현할 수 있으며 3개 이상 굴절률층 적용 시 더욱 매끄럽게 측면방향 지향성 강화되고, 광진행 방향으로 튀어나오게 휘어진 구조를 적용할 경우 더욱 더 매끄럽게 측면방향 지향성이 강화된다.
하부 굴절유도부(164)는 발광층(150)과 하부 도광판(130) 사이에 형성되어 입사된 광의 측면 태양전지(180)로의 굴절에 의한 유입효율을 높이기 위해 상호 다른 굴절률을 갖는 층이 복수개 수직상으로 적층된 구조로 되어 있다.
굴절유도부(160)는 도 9에 도시된 바와 같이 상부 굴절유도부(162)만 단독으로 형성된 경우 또는 도 10 도시된 바와 같이 하부 굴절유도부(164)만 단독으로 형성된 경우에도 측방향으로의 광도파 유도효과를 향상시킬 수 있으며, 바람직하게는 도 11에 도시된 바와 같이 측방향으로의 광도파 유도효과를 더욱 향상시키도록 상부 굴절유도부(162)와 하부 굴절유도부(164) 모두 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 상부 굴절유도부(162) 및 하부 굴절유도부(164)는 발광층(150)을 향하는 방향으로 점진적으로 굴절률이 낮게 점진형(graded-index) 방식으로 형성될 수 있음은 물론이다.
이러한 굴절 유도부(160)는 본질적으로 굴절률이 낮은 투명물질을 적용할 수 있으며 굴절률이 낮은 투명물질에 광산란 현상이 없는 투명한 나노물질의 분산량을 조절하여 굴절률과 비례하는 밀도를 조절하여 굴절률의 증감을 조절하여 구현할 수 있다.
일 예로서, 발광층(150)의 경우 패널 구조체에 적용하는 물질 중 가장 낮은 굴절률의 투명소재에 나노입자 형태의 파장변환 발광소재를 분산시켜서 구현하고, 주변부의 굴절 유도부(160)는 동일한 굴절률의 투명소재에 고굴절률의 투명 나노입자의 분산 함량을 조절하여 구현할 수 있다.
측면 태양전지(180)은 발광층(150)의 수평상의 연장방향에 교차하는 상부 및 하부 도광판(110)(130)의 측면을 따라 결합되어 입사되는 광을 전기에너지로 변환한다.
측면 태양전지(180)은 불투명한 양면형 태양전지로서 실리콘계, 페로브스카이트계, CIGS/CZTS계, GaAs 등 화합물계, SnS 등 황화계, DSSC 염료계 등 공지된 다양한 것이 적용될 수 있다. 바람직하게는 측면 태양전지(180)은 가격대성능비가 가장 우수한 단결정 실리콘 태양전지가 적용된다.
측면 태양전지(180)은 굴절률 정합용 접합소재로 된 사이드 굴절률 매칭 접합층(230)을 통해 접합되어 있다. 바람직하게는 사이드 굴절률 매칭 접합층(230)은 상부 도광판(110) 및 하부 도광판(130) 보다 높은 굴절률을 갖는 것을 적용한다.
파장선택미러층(210)은 하부 도광판(130)의 저면에 형성되어 입사된 가시광선은 투과시키고 적외선광과 자외선광을 발광층(150)으로 반사시킨다.
파장선택미러층(210)은 가시광선영역(400~700nm)의 광은 투과시키고, UV/IR은 반사하는 밴드필터로서 Al2O3, SiO2, Ta2O5 등의 물질을 다중층으로 적층하여 가시광선 투과, UV/IR 반사층 구현하면 된다.
제1수평에지 태양전지(182)은 측면 태양전지(180)과 인접한 발광층(150) 내에 수평상으로 연장되게 설치되어 입사된 광을 전기에너지로 변환한다. 제1수평에지 태양전지(182)은 측면 태양전지(180)에 밀착되게 설치되고, 연장길이는 시야를 차단하지 않도록 발광층(150)을 따르는 상부 도광판(110)의 한 변의 길이(X)를 기준으로 1/5 내지 1/20의 길이를 갖도록 적용된다.
투명기판(190)은 파장선택미러층(210) 하부에서 굴절률 정합소재로 된 수평 굴절률 접합층(220)을 통해 접합되어 있다. 수평 굴절률 접합층(220)은 하부 도광판(130)의 굴절률과 같거나 더 높은 것을 적용한다.
제2수평 에지 태양전지(184)는 측면 태양전지(180)에 인접한 수평 굴절률 접합층(220) 내에 수평상으로 연장되게 설치되어 입사된 광을 전기적 에너지로 변환한다. 제2수평에지 태양전지(184)은 측면 태양전지(180)의 하부에 밀착되게 설치되고, 연장길이는 시야를 차단하지 않도록 발광층(150)을 따르는 상부 도광판(110)의 한 변의 길이(X)를 기준으로 1/5 내지 1/20의 길이를 갖도록 적용된다.
이러한 구조에서 상부 도광판(110)으로부터 파장선택미러층(210)까지의 제1두께(y)를 기준으로 제1두께 방향에 직교하는 수평 방향을 따르는 상부 도광판(110)의 한 변의 길이(x)는 제1두께(y)의 1배 초과 10배 미만의 길이를 갖게 적용된다.
상부 도광판(110)의 한 변의 길이(x)가 제1두께(y)의 10배 이상이면, 측방향에 배치된 측면 태양전지(180)에 광이 도달하기까지의 광경로길어지고, 그에 따른 광손실이 증가하여 전력변환용으로 이용되는 광이용효율이 떨어진다.
또한, 상부 도광판(110)의 한 변의 길이(x)가 제1두께(y)의 1배 이하이면, 광투과방향의 두께가 상대적으로 증가하고 규모가 커져 경제적인 가치가 떨어질 수 있다.
또한, 상부 도광판(x)의 길이는 1 내지 15cm인 것을 적용한다.
또 다르게는 제1두께(y)는 1 내지 15cm가 되게 적용한다.
이러한 패널 구조체(100)는 발광태양광 집광셀(100a) 상부에서 모든 파장대의 태양광이 무반사로 입사하여 상부 및 하부 도광판(110)(130) 경계면 상의 굴절 유도부(160) 구간에서 광경로가 측면 방향으로 지향하고 일부는 측면 태양전지(180)에 입사되고, 대부분은 발광층(150)에 입사되어 태양광 중 자외선, 적외선이 측면 태양전지(180)에서 흡수되기 쉬운 가시광선, 근적외선으로 파장변환되어 발광 후 굴절유도부(160)를 통해서 전반사(TIR)하여 측면 태양전지(180) 입사되고, 나머지 가시광선은 하부 도광판(130) 하부로 진행한 후 파장 선택미러층(210)에서 가시광선은 대부분 하부로 투과하고, 자외선, 적외선은 상부로 재반사되어 발광층(150)에서 재반응하여 태양광발전에 활용된다.
한편, 투명 태양전지 패널 구조체(100)는 도 13에 도시된 바와 같이 상부 도광판(110)에 무반사코팅층(114) 및 상부 굴절 유도부(162)가 형성된 상부 구조체(101a)와 하부 도광판(130)에 파장선택미러층(210) 및 하부 굴절유도부(162)가 형성된 하부 구조체(101b)를 먼저 제작한 후, 그 사이에 발광층(150) 및 제1수평 에지 태양전지(182)를 갖도록 접합하고, 이후 측면에 측면태양전지(180)를 사이드 굴절률 매칭 접합층(230)을 통해 접합하여 발광태양광 집광셀(100a)를 제조한다.
이후, 발광태양광 집광셀(100a)들을 투명기판(190) 위에 앞서 설명된 제2수평 에지 태양전지(184)과 함께 수평 굴절률 접합층(220)을 통해 접합하면 된다.
이러한 투명 태양전지 패널 구조체(100)는 발광태양광 집광셀(100a)들을 직교배열(matrix)하여 모자이크 구조 구현이 가능하여 글자, 도안 등을 표현할 수 있어 사인이지로 활용할 수 있는 장점도 제공한다.
또한, 본 투명 태양전지 패널 구조체(100)는 건축물의 창으로서도 이용할 수 있다.
이상에서 설명된 투명 태양전지 패널 구조체에 의하면, 가시광선의 투과율을 안정적으로 확보하면서도 비가시광선에 대한 전력생성 이용 효율을 향상시키고 태양전지로의 도파 손실을 억제하면서 광전달 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
100a: 발광태양광 집광셀
110: 상부도광판
130: 하부 도광판
150: 발광층
160: 굴절유도부
180: 측면 태양전지
110: 상부도광판
130: 하부 도광판
150: 발광층
160: 굴절유도부
180: 측면 태양전지
Claims (13)
- 발광태양광집광셀이 적어도 하나 이상 어레이된 투명 태양전지 패널 구조체에 있어서,
상기 발광태양광 집광셀은
판형상으로 형성되어 태양광을 투과시키는 상부도광판과;
상기 상부 도광판에 대향되게 배치된 하부 도광판과;
상기 상부 도광판과 상기 하부 도광판 사이에 마련되며 입사되는 태양광 중 자외선과, 적외선을 흡수하여 설정된 발광파장대역의 광으로 발광하는 발광층과;
상기 발광층의 연장방향에 교차하는 상기 상부 및 하부 도광판의 측면에 결합되어 입사되는 광을 전기에너지로 변환하는 측면 태양전지와;
상기 발광층의 상부와 하부 중 적어도 한 측에는 입사된 광의 상기 측면 태양전지로의 굴절에 의한 유입효율을 높이기 위해 상기 발광층보다는 굴절율이 높고 상기 상부 도광판과 상기 하부도광판의 굴절율보다는 낮은 굴절율을 갖게 형성된 굴절유도부;를 구비하고,
상기 굴절 유도부는 상기 발광층과 상기 상부 도광판 사이에 형성되어 입사된 광의 상기 측면 태양전지로의 굴절에 의한 유입효율을 높이기 위해 상기 발광층을 향하는 방향으로 단계적으로 굴절률이 낮은 층이 복수개 형성되거나, 상기 발광층을 향하는 방향으로 점진적으로 굴절률이 낮게 형성된 상부 굴절유도부가 적용된 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 굴절 유도부는 상기 발광층과 상기 하부 도광판 사이에 형성되어 입사된 광의 상기 측면 태양전지로의 굴절에 의한 유입효율을 높이기 위해 상기 발광층을 향하는 방향으로 단계적으로 굴절률이 낮은 층이 복수개 형성되거나, 상기 발광층을 향하는 방향으로 점진적으로 굴절률이 낮게 형성된 하부 굴절유도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 하부 도광판의 저면에 형성되어 입사된 가시광선은 투과시키고 적외선광과 자외선광을 상기 발광층으로 반사시키는 파장선택미러층과;
상기 상부 도광판의 전면에 형성된 무반사 코팅층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체. - 제1항에 있어서, 상기 측면 태양전지와 인접한 상기 발광층 내에 수평상으로 연장되게 설치되어 입사된 광을 전기에너지로 변환하는 제1수평 에지 태양전지;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 측면 태양전지와 상기 상부 도광판 및 상기 하부 도광판 사이는 사이드 굴절률 매칭 접합층에 의해 접합되어 있고, 상기 사이드 굴절률 매칭 접합층의 굴절률은 상기 상부 도광판 및 상기 하부 도광판의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 것이 적용된 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체.
- 제4항에 있어서, 상기 파장선택미러층 하부에서 수평 굴절률 접합층을 통해 접합된 투명기판;을 더 구비하고,
상기 측면 태양전지에 인접한 상기 수평 굴절률 접합층 내에 수평상으로 연장되게 설치되어 입사되는 광을 전기에너지로 변환하는 제2수평 에지 태양전지;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체. - 제4항에 있어서, 상기 무반사 코팅층으로부터 상기 파장선택미러층까지의 제1두께를 기준으로 상기 제1두께 방향에 직교하는 수평 방향을 따르는 상기 상부 도광판의 한 변은 상기 제1두께의 1배 초과 내지 상기 제1두께의 10배 미만의 길이를 갖게 적용된 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체.
- 제8항에 있어서, 상기 상부 도광판의 길이는 1 내지 15cm인 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 상부 도광판과 상기 하부 도광판 사이에는 시각적으로 외부로 색상을 표시하도록 형성된 색상표시층;이 더 구비된 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 상부 도광판과 상기 하부도광판 중 적어도 하나에는 시각적으로 외부로 색상을 표시하도록 색상 표시입자가 분산되게 형성된 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 상부 굴절유도부는 중앙에서 상기 측면 태양전지를 향하는 방향으로 휘어지면서 굴절률이 다른 층이 복수개 적층된 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체.
- 제8항에 있어서, 상기 제1두께는 1 내지 15cm인 것을 특징으로 하는 투명 태양전지 패널 구조체.
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| JP2011009536A (ja) * | 2009-06-26 | 2011-01-13 | Toppan Printing Co Ltd | 太陽電池集光シート及びモジュール付太陽電池集光シート |
| KR20180087274A (ko) * | 2015-11-25 | 2018-08-01 | 에이쥐씨 글래스 유럽 | 광전지 장치 |
| JP2020091419A (ja) * | 2018-12-06 | 2020-06-11 | 学校法人立命館 | 表示装置 |
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| GRNT | Written decision to grant |