KR20080112313A - 케이싱 내의 신장된 광 전지 - Google Patents
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Abstract
태양 전지 및 원통 형상의 태양 전지 상에 원주로 배치된 투명 케이싱을 포함하는 태양 전지 유닛이 제공된다. 상기 태양 전지는 기판을 포함하고, 상기 기판의 적어도 일부분은 단단하고 비평면이다. 후방 전극(back-electrode)이 상기 기판 상에 원주로 배치된다(circumferentially disposed). 반도체 접합층이 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된다. 투명 도전층이 상기 반도체 접합 상에 원주로 배치된다.
태양 전지, 투명 케이싱, 후방 전극, 반도체 접합층, 투명 도전층
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2006년 3월 18일에 출원된 "Elongated Photovoltaic Cells in Tubular Casings"라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 11/378,847의 우선권을 주장하며, 상기 미국 특허 출원은 전체적으로 본원에 참고로 통합된다.
이 출원은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 태양 전지 어셈블리(solar cell assemblies)에 관한 것으로 특히 개선된 태양 전지 어셈블리에 관한 것이다.
태양 전지는 통상적으로 4-6 cm2 정도 또는 그 이상의 집광 표면 면적을 갖는 개별 물리적 실체로서 제조된다. 이 때문에, 전력 생성 응용을 위해서는 그 전지들을 지지 기판 또는 패널 상에 평면 어레이(flat array)로 설치하여 그 전지들의 집광 표면들이 하나의 대형 집광 표면의 근사(approximation)를 제공하도록 하는 것이 표준 실시이다. 또한, 각 전지 자체는 소량의 전력만을 생성하므로, 요구되는 전압 및/또는 전류는 그 어레이의 전지들을 직렬 및/또는 병렬 행렬로 상호 접속함으로써 실현된다.
종래 기술의 태양 전지 구조가 도 1에 도시되어 있다. 상이한 층들의 두께의 범위가 크기 때문에, 그것들은 개략적으로 도시되어 있다. 더욱이, 도 1은 "후막(thick-film)" 태양 전지 및 "박막(thin-film)" 태양 전지 양쪽 모두의 특징들을 나타내도록 매우 도식적이다. 일반적으로, 광을 흡수하기 위해 간접 밴드 갭(indirect band gap) 재료를 이용하는 태양 전지들은 통상적으로 "후막" 태양 전지로서 구성되는데, 이는 충분한 양의 광을 흡수하기 위해 두꺼운 막의 흡수재 층(absorber layer)이 요구되기 때문이다. 광을 흡수하기 위해 직접 밴드 갭(direct band gap) 재료를 이용하는 태양 전지들은 통상적으로 "박막" 태양 전지로서 구성되는데, 이는 충분한 양의 광을 흡수하기 위해 얇은 층의 직접 밴드 갭 재료가 요구되기 때문이다.
도 1의 상부에 있는 화살들은 전지 상의 직접 태양 조명의 광원을 나타낸다. 층(102)은 기판이다. 유리 또는 금속이 통상의 기판이다. 박막 태양 전지에서, 기판(102)은 중합체 기반 지지(polymer-based backing), 금속, 또는 유리일 수 있다. 일부 경우에는, 기판(102)을 코팅하는 캡슐화 층(encapsulation layer)(도시되지 않음)이 있다. 층(104)은 태양 전지에 대한 후방 전기 콘택트(back electrical contact)이다.
층(106)은 반도체 흡수재 층이다. 후방 전기 콘택트(104)는 흡수재 층(106)과 옴 접촉(ohmic contact)을 형성한다. 모든 경우는 아니지만 많은 경우에, 흡수재 층(106)은 p-타입 반도체이다. 흡수재 층(106)은 광을 흡수하기에 족할 만큼 두껍다. 층(108)은, 반도체 흡수재 층(106)과 함께, p-n 접합의 형성을 완성하는 반도체 접합 파트너(junction partner)이다. p-n 접합은 태양 전지에서 발견되는 일반적인 접합 유형이다. p-n 접합 기반 태양 전지에서, 반도체 흡수재 층(106)이 p-타입 도핑된 재료인 경우, 접합 파트너(108)는 n-타입 도핑된 재료이다. 반대로, 반도체 흡수재 층(106)이 n-타입 도핑된 재료인 경우, 접합 파트너(108)는 p-타입 도핑된 재료이다. 일반적으로, 접합 파트너(108)는 흡수재 층(106)보다 훨씬 더 얇다. 예를 들면, 일부 경우에 접합 파트너(108)는 약 0.05 미크론의 두께를 갖는다. 접합 파트너(108)는 태양 방사에 대해 매우 투명하다. 접합 파트너(108)는, 광을 아래로 흡수재 층(106)까지 통과시키기 때문에, 윈도우 층(window layer)으로도 알려져 있다.
전형적인 후막 태양 전지에서, 흡수재 층(106) 및 윈도우 층(108)은 동일한 반도체 재료로 제조되지만 그 2개의 층에 별개의 p-타입 및 n-타입 특성들을 부여하기 위하여 상이한 캐리어 타입(도펀트) 및/또는 캐리어 농도를 가질 수 있다. 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(CIGS; copper-indium-gallium-diselenide)가 흡수재 층(106)인 박막 태양 전지에서, 접합 파트너(108)를 형성하기 위해 CdS를 이용함으로써 고효율의 전지가 생성되었다. 접합 파트너(108)에 이용될 수 있는 다른 재료로는, In2Se3, In2S3, ZnS, ZnSe, CdInS, CdZnS, ZnIn2Se4, Zn1-xMgxO, CdS, SnO2, ZnO, ZrO2 및 도핑된 ZnO 등이 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
층(110)은 기능하는 전지를 완성하는 상대 전극(counter electrode)이다. 상대 전극(110)은 접합으로부터 전류를 끌어내는 데 이용되는데, 이는 접합 파트 너(108)는 일반적으로 이 기능을 수행하기에는 너무 저항이 크기 때문이다. 그러므로, 상대 전극(110)은 매우 도전성이 있고 광에 투명해야 한다. 상대 전극(110)은 사실 개별 층을 형성하기보다는 층(108) 상에 프린트된 빗모양의 금속 구조일 수 있다. 상대 전극(110)은 전형적으로 도핑된 아연 산화물(예컨대, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 갈륨 도핑된 아연 산화물, 붕소 도핑된 아연 산화물), 인듐 주석 산화물(ITO), 주석 산화물(SnO2), 또는 인듐 아연 산화물 등의 투명 도전성 산화물(TCO; transparent conductive oxide)이다. 그러나, TCO 층이 존재하는 경우에도, 종래의 태양 전지들에서는 전류를 끌어내기 위해 통상적으로 버스 바 네트워크(bus bar network)(114)가 요구되는데, 이는 TCO는 보다 큰 태양 전지들에서 이러한 기능을 효율적으로 수행하기에는 너무 많은 저항을 갖기 때문이다. 네트워크(114)는 전하 캐리어들이 금속 콘택트에 도달하기 위하여 TCO 층에서 이동해야 하는 거리를 단축시킴으로써, 저항성 손실을 감소시킨다. 그리드 라인(grid lines)이라고도 명명되는 금속 버스 바는, 예를 들면, 은, 강철 또는 알루미늄 등의 임의의 적당히 도전성이 있는 금속으로 만들어질 수 있다. 네트워크(114)의 디자인에는, 보다 큰 전기 도전성이 있지만 보다 많은 광을 차단하는 보다 두꺼운 그리드 라인들과, 보다 작은 전기 도전성이 있지만 보다 적은 광을 차단하는 얇은 그리드 라인들 간에 트레이드오프하는 디자인이 있다. 금속 바들은 바람직하게는 광선들이 TCO 층(110)을 통과하는 것을 허용하도록 빗모양의 배열로 구성된다. 결합된, 버스 바 네트워크 층(114) 및 TCO 층(110)은, 전류 수집 회로를 형성하도록 제 1 옴 접촉과 기능적으로 인터페이스하는 단일 금속 유닛(matallurgical unit)으로서 작용한다. 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Sverdrup 등에게 허여된 미국 특허 번호 6,548,751에서는, 결합된 은 버스 바 네트워크 및 인듐 주석 산화물 층이 단일의 투명한 ITO/Ag 층으로서 기능한다.
선택적인 반반사성 코팅(antireflective coating)(112)은 상당한 양의 여분의 광이 전지에 들어가는 것을 허용한다. 전지의 의도된 용도에 따라서, 그것은 도 1에 예시된 바와 같이 상부 도체 상에 직접 퇴적될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 반반사성 코팅(112)은 상부 전극(110)을 오버레이(overlay)하는 개별 커버 유리 상에 퇴적될 수 있다. 이상적으로, 반반사성 코팅은 전지의 반사를 광전 흡수가 일어나는 스펙트럼 영역 상에서 거의 제로까지 감소시키고, 그와 동시에 다른 스펙트럼 영역들에서는 반사를 증가시켜 가열을 감소시킨다. 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Aguilera 등에게 허여된 미국 특허 번호 6,107,564는 본 기술 분야에서 알려져 있는 대표적인 반반사성 코팅들을 기술한다.
태양 전지들은 전형적으로 작은 전압만을 생성한다. 예를 들면, 실리콘 기반 태양 전지들은 약 0.6 볼트(V)의 전압을 생성한다. 따라서, 태양 전지들은 보다 큰 전압들을 성취하기 위하여 직렬로 또는 병렬로 상호접속된다. 직렬로 접속되는 경우, 개별 전지들의 전압들은 함께 더해지지만 전류는 동일하게 유지된다. 따라서, 직렬로 배열된 태양 전지들은, 병렬로 배열된 유사한 태양 전지들에 비하여, 그 전지들을 통한 전류 흐름의 양을 감소시킴으로써, 효율을 향상시킨다. 도 1에서 예시된 바와 같이, 태양 전지들의 직렬 배열은 상호접속들(inconnects)(116) 을 이용하여 달성된다. 일반적으로, 상호접속(116)은 하나의 태양 전지의 제1 전극을 인접하는 태양 전지의 상대 전극과 전기 통신하게 한다.
위에서 지적되고 도 1에서 예시된 바와 같이, 종래의 태양 전지들은 전형적으로 플레이트 구조의 형태로 되어 있다. 그러한 전지들은 보다 작은 경우에는 매우 효율적이지만, 보다 큰 평면 태양 전지들은 그러한 태양 전지들 내의 접합을 형성하는 반도체 막들을 균일하게 하는 것이 더 어렵기 때문에 감소된 효율을 갖는다. 더욱이, 핀홀(pinhole)들 및 유사한 결함들의 발생은 보다 큰 평면 태양 전지들에서 증가한다. 이러한 특징들은 접합을 가로질러 션트(shunts)를 유발할 수 있다.
알려진 기술에서 존재하는 태양 전지 디자인에서는 다수의 문제들이 관련된다. 다수의 종래 기술 전지 디자인들 및 각 디자인의 불리점들 중 일부에 대하여 이제 설명한다.
도 2a에서 예시된 바와 같이, Asia 등에게 허여된 미국 특허 번호 6,762,359 B2는 p-타입 층(12) 및 n-타입 층(14)을 포함하는 태양 전지(210)를 개시하고 있다. 제1 전극(32)이 태양 전지의 한 측면에 제공된다. 전극(32)은 태양 전지(210)의 n-타입 층(14)과 전기 접촉한다. 제2 전극(60)은 태양 전지의 반대편 측면 상에 있다. 전극(60)은 태양 전지의 p-타입 층과 전기 접촉한다. 광 전송 층들(200 및 202)은 장치(210)의 한 측면을 형성하는 반면 층(62)은 다른 측면을 형성한다. 전극들(32 및 60)은 절연체들(40 및 50)에 의해 분리된다. 일부 경우에, 태양 전지는 도 2에서 예시된 구 형상(spherical shape)보다는 관 형 상(tubular shape)을 갖는다. 장치(210)는 기능하지만, 그것은 불만족스럽다. 전극(60)은 전기 접촉을 형성하기 위하여 흡수재(12)를 관통해야 한다. 이 결과로 흡수재 영역에서 순손실(net loss)이 생겨, 태양 전지의 효율이 작아진다. 더욱이, 그러한 접합은 다른 태양 전지 디자인에 대하여 만들기가 어렵다.
도 2b에서 예시된 바와 같이, Mlavsky에게 허여된 미국 특허 번호 3,976,508은 외부 p-도전 타입 영역(4)을 형성하여 p-n 접합(6)을 형성하기 위해 그의 외부 표면 내로 붕소의 확산 처리를 받은 n-타입 도전성의 원통 실리콘 관(2)을 포함하는 관모양 태양 전지를 개시하고 있다. 원통 관의 내부 표면에는 관과 옴 접촉을 형성하는 점착성 금속 도전막(8)의 형태로 된 제1 전극이 제공된다. 막(8)은 관의 내부 표면 전체를 커버하고, 미국 특허 번호 2984775, 3046324 및 3005862에 개시된 바와 같이, 예를 들면, 금, 니켈, 알루미늄, 구리 등의, 비교적 높은 도전성을 갖는 선택된 금속 또는 금속 합금으로 구성된다. 외부 표면에는 하나 이상의 길이로 연장하는(longitudinally-extending) 도체들(12)에 의해 함께 연결되는 복수의 원주로 연장하는(circumferentially-extending) 도체들(10)로 구성되는 그리드의 형태로 된 제2 전극이 제공된다. 속이 빈 관(hollow tube)의 외부 표면의 반대편 단부들에는 길이로 연장하는 도체들(12)을 가로막는 2개의 원주로 연장하는 단자 도체들(terminal couductors)(14 및 16)이 제공된다. 원주로 연장하는 도체들(10) 및 길이로 연장하는 도체들(12)의 간격은 관의 외부 표면의 영역들(18)이 태양 방사에 노출되게 하는 정도이다. 도체들(12, 14 및 16)은 원주로 연장하는 도체들(10)보다 더 폭넓게 만들어지는데, 그 이유는 그것들은 후자의 어느 것보다 더 큰 전류를 운반하기 때문이다. 이 도체들은 내부 전극(8)과 같이 점착성 금속막으로 만들어지고 관의 외부 표면과 옴 접촉을 형성한다. 도 2b에 개시된 태양 전지는 기능하지만, 그것도 불만족스럽다. 도체들(12, 14, 및 16)은 광에 투명하지 않고 따라서 태양 전지가 수신하는 광의 양이 감소된다.
Weinstein 및 Lee에게 허여된 미국 특허 번호 3,990,914는 관모양 태양 전지의 다른 형태를 개시하고 있다. Mlavsky와 같이, Weinstein 및 Lee 태양 전지는 속이 빈 코어를 갖고 있다. 그러나, Mlavsky와 달리, Weinstein 및 Lee는 유리 관모양 지지 부재 상의 태양 전지를 개시하고 있다. Weinstein 및 Lee 태양 전지는 부피가 크고 만드는 데 비용이 많이 드는 단점이 있다.
도 2c 및 2d를 참조하여, 도판 인쇄 회사(Toppan Printing Company)가 1984년 7월 20일에 발행한, 일본 특허 출원 공개 번호 S59-125670(이하 "S59-125670")는 봉 형상(rod-shaped) 태양 전지를 개시하고 있다. 봉 형상 태양 전지는 도 2c에서 단면도로 도시되어 있다. 전지의 코어(1)로서 도전성 재료가 이용된다. 코어(1) 상에 광 활성 비결정질 실리콘 반도체 층(3)이 제공된다. 이 반도체 층(3)의 위에 전기 도전성 투명 도전층(4)이 구축된다. 이 투명 도전층(4)은 인듐 산화물, 주석 산화물 또는 인듐 주석 산화물(ITO) 등의 재료로 만들어질 수 있다. 도 2c에서 예시된 바와 같이, 태양 전지의 아래쪽 부분 상에 양호한 전기 도체로 만들어진 층(5)이 제공된다. 상기 발행물은 이 양호한 도전층(5)이 특별히 필요하지는 않지만 봉과 상대 전극으로서 기능하는 도전성 기판(7) 간의 접촉 저항을 낮추는 데 도움이 된다고 기술하고 있다. 그러므로, 도전층(5)은 도 2d에서 예시된 상대 전극(7)의 도전율을 보충하는 전류 수집기로서 기능한다.
도 2d에서 예시된 바와 같이, 봉 형상 태양 전지들(6)은 서로 평행으로 열을 지어서 다중으로 배열되고, 상대 전극 층(7)은 각 투명 도전층(4)과 전기적으로 접촉하도록 광에 의해 조사되지 않는 봉들의 표면 상에 제공된다. 봉 형상 태양 전지들(6)은 서로 평행으로 배열되고 태양 전지들의 양쪽 단부들은 봉들을 제자리에 고정시키기 위해 수지 또는 유사 재료로 강화된다.
S59-125670은 평면 태양 전지들과 관련된 단점들 중 다수를 해결한다. 그러나, S59-125670은 개시된 장치들의 효율을 제한하는 다수의 상당한 단점들을 갖고 있다. 첫째로, 층(5)이 봉의 둘레를 모두 감싸지 않기 때문에(예를 들어, 도 2c 참조) 외부 표면으로부터 전류가 인출되는 방법이 비효율적이다. 둘째로, 기판(7)은 광의 통과를 허용하지 않는 금속판이다. 따라서, 각 봉의 전체 면이 광에 노출되지 않고 따라서 누설 경로로서 기능할 수 있다. 그러한 누설 경로는 태양 전지의 효율을 감소시킨다. 예를 들면, 임의의 그러한 어두운 접합 영역들로 인해 전지의 광전류로부터 감해질 누설이 생길 것이다. 도 2c 및 2d에서 개시된 디자인에서의 또 다른 불리점은 봉들이 직렬이 아니라 병렬로 배열된다는 점이다. 따라서, 그러한 장치들에서의 전류 레벨은 대응하는 직렬로 배열된 모델에 대하여 클 것이고, 따라서 저항을 받기 쉬울 것이다.
도 2e를 참조하여, 1995년 5월 24일에 발행된, Twin Solar-Technik Entwicklungs-GmbH에 허여된 독일의 미심사 특허 출원 DE 43 39 547 Al(이하, "Twin Solar")도 태양 전지의 바디(body)를 형성하는 투명 시트(28) 내에 병렬식으 로 배열된 복수의 봉 형상 태양 전지들(2)을 개시하고 있다. 따라서, Twin Solar는 S59-125670에서 발견되는 단점들 중 일부를 갖지 않는다. 투명 시트(28)는 양쪽 면(47A 및 47B)으로부터 광이 들어오는 것을 허용한다. 투명 시트(28)는 액체 냉각제가 흐를 수 있는 에어 갭(26)을 제공하도록 벽(27)으로부터 소정의 거리에 설치된다. 따라서, Twin Solar 장치는 진정으로 양면(bificial)이 아니라는 단점이 있다. 바꾸어 말하면, Twin Solar의 면(47A)만이 직접 광을 수신할 수 있다. 여기에서 정의될 때, "직접 광(direct light)"은 공기 이외의 어떠한 매체도 통과하지 않은 광이다. 예를 들면, 투명 기판을 통과하여 태양 전지 어셈블리에 들어가서 그 어셈블리에서 떠난 광은 일단 태양 전지 어셈블리에서 떠나면 더 이상 직접 광이 아니다. 그러나, 단지 표면에서 반사한 광은 태양 전지 어셈블리를 통과하지 않았다면 직접 광이다. 이러한 직접 광의 정의 하에서, 면(47B)은 직접 광을 수신하도록 구성되지 않는다. 이는 면(47B)에 의해 수신되는 모든 광은 면(47)을 통하여 태양 전지 장치에 들어간 후에 먼저 태양 전지 장치의 바디를 가로질러야 하기 때문이다. 그 후 그러한 광은 냉각 체임버(26)를 가로지르고, 벽(42)에서 반사되어, 최종적으로 면(47B)을 통하여 다시 태양 전지에 들어가야 한다. 그러므로 태양 전지 어셈블리는 직접 광이 어셈블리의 양쪽 측면에 들어갈 수 없기 때문에 비효율적이다.
관모양 디자인의 태양 전지들은 평면 태양 전지들과 관련된 단점들 중 다수를 해결하였지만, 몇몇 문제들은 여전히 미해결 상태이다. 태양 전지들이 물리적 충격에 견디는 능력은 한 가지 미해결된 문제이다. 종래의 태양 전지 패널들은 종 종 시간이 지나면서 금이 간다. 태양 전지 어셈블리들은 종종 작은 개별 태양 전지 유닛들로부터 구성된다. 이러한 접근법은 효율성 및 유연성을 제공한다. 보다 작은 태양 전지들은 대규모로 제조하기가 보다 용이하고, 그것들은 또한 최종 응용에 적합하도록 상이한 사이즈 및 형상으로 조립될 수 있다. 불가피하게, 보다 작은 태양 전지 유닛 디자인도 부서지기 쉬운 대가를 치른다. 보다 작은 태양 전지 유닛은 운송 또는 일상의 취급 과정 중의 압력에 쉽사리 부서진다. 본 기술 분야에서 요구되는 것은 소형 디자인의 이점들을 유지하면서 태양 전지 유닛들에 지지 및 강도를 제공하는 방법 및 시스템들이다.
본원에서 참고 문헌의 논의 또는 인용은 그러한 참고 문헌이 본원의 선행 기술이라는 승인으로서 해석되지 않을 것이다.
<발명의 요약>
본원의 일 양태는 원통 형상의 태양 전지 및 투명 관모양 케이싱을 포함하는 태양 전지 유닛을 제공한다. 상기 원통 형상의 태양 전지는 후방 전극(back-electrode), 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된(circumferentially disposed) 반도체 접합층, 및 상기 반도체 접합 상에 배치된 투명 도전층을 포함한다. 상기 태양 전지 유닛 내의 상기 투명 관모양 케이싱과 상기 원통 형상의 태양 전지 사이에 공기가 없도록 상기 투명 관모양 케이싱은 상기 원통 형상의 태양 전지 상에 원주로 실링된다(circumferentially sealed). 일부 실시예에서, 상기 투명 관모양 케이싱은 플라스틱 또는 유리로 만들어진다. 일부 실시예에서, 상기 원통 형상의 태양 전지는 원통 기판을 더 포함하고 상기 후방 전극은 상기 원통 기판 상에 원주로 배치된다. 상기 원통 기판은 플라스틱, 금속, 또는 유리를 포함하는 매우 다양한 재료들로 만들어질 수 있다. 전형적으로, 상기 원통 기판은 속이 비어 있다(hollowed)(예를 들면, 관). 그러므로, 본원의 다수의 실시예들에서는 공기, 질소, 또는 헬륨 등의 유체들이 상기 원통 기판을 통하여 지나갈 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 상기 원통 기판은 속이 꽉 차 있다(solid).
일부 실시예에서, 상기 반도체 접합은 동질접합(homojunction), 이질접합(heterojunction), 이질면 접합(heteroface junction), 매립 동질접합(buried homojunction), p-i-n 접합, 또는 탠덤 접합(tandem junction)을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 반도체 접합은 흡수재 층 및 접합 파트너 층을 포함하고 상기 접합 파트너 층은 상기 흡수재 층 상에 원주로 배치된다. 일부 실시예에서, 상기 흡수체 층은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(copper-indium-gallium-diselenide)이고 상기 접합 파트너 층은 In2Se3, In2S3, ZnS, ZnSe, CdInS, CdZns, ZnIn2Se4, Znl-xMgxO, CdS, SnO2, ZnO, ZrO2, 또는 도핑된 ZnO이다.
일부 실시예에서, 상기 원통 형상의 태양 전지는 상기 반도체 접합 상에 원주로 배치된 진성 층(intrinsic layer)을 더 포함한다. 그러한 실시예에서, 상기 투명 도전층은 상기 반도체 접합보다는 상기 진성 층 상에 배치된다.
일부 실시예에서, 상기 태양 전지 유닛은 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된 필러 층(filler layer)을 더 포함한다. 그러한 실시예에서, 상기 투명 관모양 케이싱은 상기 필러 층 상에 원주로 배치됨으로써 상기 관모양 형상의 태양 전 지를 원주로 실링한다.
일부 실시예에서, 방수층이 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된다. 그러한 실시예에서, 상기 투명 관모양 케이싱은 상기 방수층 상에 원주로 배치됨으로써 상기 관모양 형상의 태양 전지를 원주로 실링한다.
일부 실시예에서, 방수층이 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치되고 필러 층이 상기 방수층 상에 원주로 배치된다. 그러한 실시예에서, 상기 투명 관모양 케이싱은 상기 필러 층 상에 원주로 배치됨으로써 상기 관모양 형상의 태양 전지를 원주로 실링한다.
일부 실시예에서, 상기 태양 전지는 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된 필러 층 및 상기 필러 층 상에 원주로 배치된 방수층을 더 포함한다. 그러한 실시예에서, 상기 투명 관모양 케이싱은 상기 방수층 상에 원주로 배치됨으로써 상기 관모양 형상의 태양 전지를 원주로 실링한다. 일부 실시예에서, 상기 태양 전지 유닛은 상기 투명 관모양 케이싱 상에 원주로 배치된 반반사성 코팅을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 원통 형상의 태양 전지는 적어도 하나의 전극 스트립(electrode strip)을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전극 스트립 내의 각 전극 스트립은 상기 태양 전지의 긴 원통 축을 따라 상기 태양 전지의 상기 투명 도전층 상에 오버레이된다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 전극 스트립은 상기 투명 도전층 상에 간격을 두고 위치하는 복수의 전극 스트립을 포함하고 상기 복수의 전극 스트립은 상기 태양 전지의 상기 원통 축을 따라 서로 평행으로 또는 대략 평행으로 진행한다. 상기 복수의 전극 스트립은 상기 태양 전지의 상기 투명 도전층의 표면 상에 예를 들면 60도 간격으로 간격을 두고 있을 수 있다. 사실, 상기 복수의 전극 스트립들 내의 전극 스트립들은 상기 태양 전지의 상기 투명 도전층의 표면 상에 고른 간격 또는 고르지 않은 간격 중 임의의 타입으로 간격을 두고 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 원통 형상의 태양 전지의 길이는 0.3 미터와 2 미터 사이이다. 일부 실시예에서, 상기 투명 관모양 케이싱의 외부 표면은 텍스처된다(textured).
본원의 다른 양태는 복수의 태양 전지 유닛을 포함하는 태양 전지 어셈블리를 제공한다. 상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 각 태양 전지 유닛은 상술한 태양 전지 유닛들 중 어느 하나의 구조를 갖는다. 상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 태양 전지 유닛들은 동일 평면 상에 열을 지어서 배열되어 상기 태양 전지 어셈블리를 형성한다. 일부 실시예에서, 상기 태양 전지 어셈블리는 태양광을 상기 복수의 태양 전지 유닛들에 반사하도록 위치하는 알베도(albedo) 표면을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 알베도 표면은 95%를 초과하는 알베도를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 알베도 표면은 램버트(Lambertian), 확산(diffuse), 또는 신개선(involute) 반사기 표면이다. 일부 실시예에서, 상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 제1 태양 전지 유닛 및 제2 태양 전지 유닛은 전기적으로 직렬로 또는 병렬로 배열된다.
본원의 또 다른 양태는 복수의 태양 전지 유닛 및 복수의 내부 반사기를 포함하는 태양 전지 어셈블리를 포함한다. 상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 태양 전지 유닛들 각각은 상술한 태양 전지 유닛들 중 어느 하나의 구조를 갖는다. 이 실시예에서, 상기 복수의 내부 반사기들은 동일 평면 상에 열을 지어서 배열되고 상기 복수의 태양 전지 유닛들 내의 내부 반사기들이 상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 태양 전지 유닛들에 접하여 상기 태양 전지 어셈블리를 형성한다. 일부 실시예에서, 상기 복수의 내부 반사기들 내의 내부 반사기는 속이 빈 코어를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 복수의 내부 반사기들 내의 내부 반사기는 반사성 재료의 층이 그 위에 퇴적되어 있는 플라스틱 케이싱을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 복수의 내부 반사기들 내의 내부 반사기는 반사성 재료로 만들어진 단일 부품(single piece)이다. 일부 실시예에서, 상기 복수의 내부 반사기들 내의 내부 반사기의 단면 형상은 별모양(asteroid)이다. 일부 실시예에서, 상기 복수의 내부 반사기들 내의 내부 반사기의 단면 형상은 4변이고(four-sided) 그 4변의 단면 형상의 변은 직선형, 포물선형, 오목형, 원형 또는 타원형이다. 일부 실시예에서, 상기 복수의 내부 반사기들 내의 내부 반사기의 단면 형상은 4변이고 그 4변의 단면 형상의 변은 상기 내부 반사기 상의 확산 표면을 정의한다.
본원의 또 다른 양태는 타원 형상의 태양 전지, 필러 층, 및 투명 관모양 케이싱을 포함하는 태양 전지 유닛을 제공한다. 일부 실시예에서 상기 원통 형상의 태양 전지는 원통 기판, 상기 원통 기판 상에 원주로 배치된 후방 전극, 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된 반도체 접합, 및 상기 반도체 접합 상에 배치된 투명 도전층을 포함한다. 상기 원통 기판은 속이 빈 원통(예를 들면, 관) 또는 속이 꽉 찬 원통일 수 있다. 상기 필러 층은 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치되고 상기 투명 관모양 케이싱은 상기 필러 층 상에 원주로 배치된다. 본원의 이 양태에 따른 일부 실시예에서, 상기 반도체 접합은 흡수재 층 및 접합 파트너 층을 포함하고 상기 접합 파트너 층은 상기 흡수재 층 상에 원주로 배치되고 상기 흡수재 층은 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된다. 본원의 이 양태에 따른 일부 실시예에서, 상기 태양 전지 유닛은 상기 투명 관모양 케이싱 상에 원주로 배치된 반반사성 코팅을 더 포함한다.
본원의 또 다른 양태는 원통 형상의 태양 전지, 방수층, 필러 층, 및 투명 관모양 케이싱을 포함하는 태양 전지 유닛을 포함한다. 상기 원통 형상의 태양 전지는 원통 기판, 상기 원통 기판 상에 원주로 배치된 후방 전극, 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된 반도체 접합, 및 상기 반도체 접합 상에 배치된 투명 도전층을 포함한다. 상기 원통 기판은 속이 꽉 찬 원통 또는 속이 빈 원통(예를 들면, 관)일 수 있다. 상기 방수층은 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된다. 상기 필러 층은 상기 방수층 상에 원주로 배치된다. 상기 투명 관모양 케이싱은 상기 필러 층 상에 원주로 배치된다.
본원의 또 다른 양태는 원통 형상의 태양 전지, 필러 층, 방수층, 및 투명 관모양 케이싱을 포함하는 태양 전지 유닛을 포함한다. 상기 원통 형상의 태양 전지는 원통 기판, 상기 원통 기판 상에 원주로 배치된 후방 전극, 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된 반도체 접합, 및 상기 반도체 접합 상에 배치된 투명 도전층을 포함한다. 상기 원통 기판은 속이 꽉 차거나 또는 속이 빌 수 있다(예를 들면, 관). 상기 필러 층은 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된다. 상기 방수층은 상 기 투명 도전층 상에 원주로 배치된다. 상기 투명 관모양 케이싱은 상기 방수층 상에 원주로 배치된다.
도 1은 선행 기술에 따른 상호접속된 태양 전지들을 예시한다.
도 2a는 선행 기술에 따른 p-타입 내부 층 및 n-타입 외부 층을 포함하는 구모양 태양 전지를 예시한다.
도 2b는 선행 기술에 따라 외부 P-도전형 영역을 형성하여 관모양 태양 전지를 형성하기 위해 그의 외부 표면 내로 붕소의 확산 처리를 받은 n-타입 도전성의 원통 실리콘 관을 포함하는 관모양 광전지 소자(tubular photovoltaic element)를 예시한다.
도 2c는 선행 기술에 따른 신장된 태양 전지의 단면도이다.
도 2d는 선행 기술에 따라 전기 도전성 기판을 형성하기 위해 복수의 신장된 태양 전지들이 부착되어 있는 태양 전지 어셈블리의 단면도이다.
도 2e는 선행 기술에 따라 반사 벽으로부터 떨어진 거리에 배치된 태양 전지 어셈블리의 단면도이다.
도 3a는 본원의 실시예에 따른, 관모양 케이싱을 갖는 광전지 소자를 예시한다.
도 3b는 본원의 실시예에 따른, 투명 관모양 케이싱 내의 신장된 태양 전지의 단면도를 예시한다.
도 3c는 본원의 실시예에 따른, 신장된 태양 전지의 다층 컴포넌트들을 예시 한다.
도 3d는 본원의 실시예에 따른, 투명 관모양 케이싱을 예시한다.
도 4a는 본원의 실시예에 따른, 전기적으로 직렬로 배열되고 기하학적으로 평행으로 또는 거의 평행으로 배열되어 있는 관모양 케이싱 내의 신장된 태양 전지들의 단면도이다.
도 4b는 본원의 실시예에 따른, 어셈블리 내의 태양 전지들의 직렬 전기 배열을 도시하는 도 4a의 라인 4B-4B에 관하여 절취한 단면도이다.
도 4c는 본 출윈의 일 실시예에 따른, 신장된 태양 전지들 내의 다양한 층들을 예시하는, 도 4b의 영역 4C의 확대 투시도이다.
도 4d는 본원의 실시예에 따른, 도 4b의 라인 4D-4D에 관하여 절취한 신장된 태양 전지의 단면도이다.
도 5a-5d는 본원의 다양한 실시예들에서 다양한 신장된 태양 전지들에서 이용되는 반도체 접합들을 예시한다.
도 6a는 선행 기술에 따른, 압출 중공 성형(extrusion blow molding) 방법을 예시한다.
도 6b는 선행 기술에 따른, 사출 중공 성형(injection blow molding) 방법을 예시한다.
도 6c는 선행 기술에 따른, 연신 중공 성형(stretch blow molding) 방법을 예시한다.
도 7a는 본원의 다른 실시예에 따른, 상대 전극들이 개별 태양 전극들에 접 하는 어셈블리 내의 전기적으로 직렬로 배열된 신장된 태양 전지들의 단면도이다.
도 7b는 본원의 실시예에 따른, 어셈블리 내의 원통 태양 전지들의 직렬 배열을 도시하는 도 7a의 라인 7B-7B에 관하여 절취한 단면도이다.
도 7c는 본원의 실시예에 따른, 교호하는 관모양 케이싱들의 어레이의 투시도이다.
도 8은 본원의 다른 실시예에 따른, 상대 전극들이 개별 태양 전극들에 접하고 외부 TCO가 잘려 있는 어셈블리 내의 전기적으로 직렬로 배열된 신장된 태양 전지들의 단면도이다.
도 9는 본원의 실시예에 따른, 내부 금속 전극의 속이 비어 있는 어셈블리 내의 전기적으로 직렬로 배열된 신장된 태양 전지들의 단면도이다.
도 10은 본원의 실시예에 따른, 흠이 대양 전지들의 상대 전극들, 투명 도전 산화물, 및 접합 층들을 관통하는 어셈블리 내의 전기적으로 직렬로 배열된 신장된 태양 전지들의 단면도이다.
도 11은 본원의 일부 실시예에서 사용되는 스태틱 집광기(static concentrator)를 예시한다.
도 12는 본원의 일부 실시예에서 사용되는 스태틱 집광기를 예시한다.
도 13은 본원의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도를 예시한다.
도 14는 본원의 일부 실시예에 따른 성형된 관모양 케이싱을 예시한다.
도 15는 본원의 실시예에 따른, 돌출하는 전극 부속물을 갖는 신장된 태양 전지 아키텍처의 투시도이다.
도 16은 본원의 실시예에 따른 태양 전지 아키텍처의 투시도이다.
도 17a는 선행 기술에 따른, 반사 표면 상의 광 반사를 예시한다.
도 17b는 선행 기술에 따른, 확산 표면 상의 광 반사를 예시한다.
도 17c는 선행 기술에 따른, 램버트 표면 상의 광 반사를 예시한다.
도 18a는 선행 기술에 따른, 원 및 원의 신개선(involute)을 예시한다.
도 18b는 본원의 실시예에 따른 태양 전지 아키텍처의 단면도를 예시한다.
도 19는 본원의 실시예에 따른, 교호하는 관모양 케이싱들 및 내부 반사기들의 어레이의 단면도이다.
도 20a는 본원에 따른 흡인 로딩 조립(suction loading assembly) 방법을 예시한다.
도 20b는 본원에 따른 압력 로딩 조립(pressure loading assembly) 방법을 예시한다.
도 20c는 본원에 따른 포어-앤드-슬라이드 로딩 조립(pour-and-slide loading assembly) 방법을 예시한다.
도 21은 본원의 실시예에 따른, 투명 관모양 케이싱 내의 신장된 태양 전지의 부분 단면도를 예시한다.
도 22는 선행 기술에 따른, Q-타입 실리콘, 실세퀴옥산(silsequioxane), D-타입 실리콘, 및 M-타입 실리콘을 예시한다.
유사한 참조 번호들은 도면들 중의 몇 개의 도에 걸쳐서 대응하는 부분들을 나타낸다. 치수는 일정한 비례로 그려져 있지 않다.
본 명세서에서는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 비평면 태양 전지 어셈블리가 개시되고 특히 개량된 태양 전지 및 태양 전지 어레이에 관한 것이다.
1. 기본 구조
본원은 도 3a의 투시도 및 도 3b의 단면도에서 예시되는 개별적으로 원주로 커버된 비평면 태양 전지 유닛들(300)을 제공한다. 태양 전지 유닛(300)에서, 신장된 비평면 태양 전지(402)(도 3c)는 투명 케이싱(310)(도 3d)에 의해 원주로 커버된다. 일부 실시예에서, 태양 전지 유닛(300)은 투명 케이싱(310)으로 코팅된 태양 전지(402)를 포함한다. 일부 실시예에서는, 인접한 태양 전지들(402) 또는 다른 회로와의 전기 접속을 형성하기 위하여 투명 케이싱(310)에 의해 신장된 태양 전지(402)의 한 단부만이 노출된다. 일부 실시예에서는, 인접한 태양 전지들(402) 또는 다른 회로와의 전기 접속을 형성하기 위하여 투명 케이싱(310)에 의해 신장된 태양 전지(402)의 양 단부가 노출된다.
일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 원통 형상을 갖는다. 본원에서 사용될 때, 원통(cylindrical)이라는 용어는 원통 또는 대략 원통 형상을 갖는 물체를 의미한다. 사실, 원통 물체는 그 물체가 전체로서 볼 때 대략 원통이기만 하면 불규칙한 형상을 가질 수 있다. 그러한 원통 형상은 속이 꽉 차있거나(예를 들면, 봉) 속이 빌 수 있다(예를 들면, 관). 본원에서 사용될 때, 관모양(tubular)이라는 용어는 관모양 또는 대략 관모양 형상을 갖는 물체를 의미한다. 사실, 관모양 물체는 그 물체가 전체로서 볼 때 대략 관모양이기만 하면 불규칙한 형상을 가질 수 있다.
태양 전지 유닛들(300)에 관한 본원에서의 대부분의 설명은 캡슐화된 실시예 또는 원주로 커버된 실시예 중 어느 한쪽의 맥락에 있지만, 그러한 설명들은 본원의 범위에 대한 어떠한 제한도 되지 않는다. 신장된 태양 전지들에 지지 및 보호를 제공하고 신장된 태양 전지들 간의 전기 접속을 허용하는 투명 케이스이면 어떤 것이라도 본원의 시스템 및 방법의 범위 내에 있다.
이 섹션뿐만 아니라 섹션 2 내지 8에서도 예시적인 태양 전지들(402)에 대한 설명이 제공된다. 예를 들면, 섹션 2에서는 태양 전지들(402)에서 이용될 수 있는 반도체 접합들의 예가 설명된다. 섹션 1.2에서는 투명 케이싱(310)을 제조하는 예시적인 시스템 및 방법이 설명된다. 섹션 1.3에서는 태양 전지 유닛들(300)을 형성하기 위하여 태양 전지들(402)을 투명 케이싱(310)으로 코팅하는 시스템 및 방법이 발견된다. 태양 전지 유닛들(300)은 전기를 발생시키고 잠재적으로 물 또는 다른 유체를 가열시키기 위해 다양한 사이즈 및 형상의 태양 전지 어셈블리들로 조립될 수 있다.
도 3b는 태양 전지 유닛(300)의 예시적인 실시예의 단면도를 예시한다. 태양 전지의 다른 예시적인 실시예들(예를 들면, 도 4a의 402)도 투명 케이싱(310)에 의한 코팅에 적합하다.
기판(403). 기판(403)은 태양 전지(402)에 대한 기판으로서 기능한다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 플라스틱, 금속, 금속 합금, 또는 유리로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 원통 형상이다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 도 3b에 예시된 바와 같이 속이 빈 코어를 갖는다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 속이 꽉 찬 코어를 갖는다. 일부 실시예에서, 기판(403)의 형상은 단지 대략 원통 물체의 형상이고, 이는 기판(403)의 긴 축에 대해 직각으로 절취한 단면이 원보다는 타원을 정의한다는 것을 의미한다. 그 용어가 본원에서 사용될 때, 그러한 대략 형상의 물체는 여전히 본원에서 원통 형상으로 간주된다.
일부 실시예에서, 기판(403)의 전부 또는 일부는 비평면 닫힌 형태 형상(nonplanar closed form shape)이다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 기판(403)의 전부 또는 일부는 단단한 관(rigid tube) 또는 단단한 속이 꽉 찬 봉(rigid solid rod)이다. 일부 실시예에서, 기판(403)의 전부 또는 일부는 임의의 속이 꽉 찬 원통 형상 또는 속이 빈 원통 형상이다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 플라스틱, 금속 또는 유리로 만들어진 단단한 관이다. 일부 실시예에서, 태양 전지의 전체 외부 형상은 기판(403)과 동일한 형상이다. 일부 실시예에서, 태양 전지의 전체 외부 형상은 기판(403)의 형상과 다르다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 비섬유질(nonfibrous)이다.
일부 실시예에서, 기판(403)은 단단하다. 재료의 강도는 영률(Young's modulus)을 포함하는 몇 개의 상이한 메트릭을 이용하여 측정될 수 있고, 메트릭은 영률에 제한되지 않는다. 고체 역학에서, 영률(E)(영률(Young Modulus), 또는 탄성 계수(modulus of elasticity, elastic modulus 또는 tensile modulus)로도 알려짐)는 주어진 재료의 단단함의 측정치이다. 그것은 작은 변형력(strain)에 대하여, 응력(stress)의 변화율과 변형력의 비율로서 정의된다. 이것은 재료의 표본에 대하여 수행되는 인장 테스트(tensile test) 중에 생성되는 응력-변형력 곡선의 기울기로부터 실험적으로 결정될 수 있다. 다양한 재료들에 대한 영률이 다음 표에서 제공된다.
| 재료 | 영률(E) GPa 단위 | 영률(E) lbf/in2(psi) 단위 |
| 고무(작은 변형력) | 0.01-0.1 | 1,500-15,000 |
| 저밀도 폴리에틸렌 | 0.2 | 30,000 |
| 폴리프로필렌 | 1.5-2 | 217,000-290,000 |
| 폴리에틸렌 테레프탈레이트 | 2-2.5 | 290,000-360,000 |
| 폴리스티렌 | 3-3.5 | 435,000-505,000 |
| 나일론 | 3-7 | 290,000-580,000 |
| 알루미늄 합금 | 69 | 10,000,000 |
| 유리(모든 타입) | 72 | 10,400,000 |
| 황동 및 청동 | 103-124 | 17,000,000 |
| 티탄(Ti) | 105-120 | 15,000,000-17,500,000 |
| 탄소 섬유 강화 플라스틱 (그레인을 따르는 단방향) | 150 | 21,800,000 |
| 정제된 철 및 강철 | 190-210 | 30,000,000 |
| 텅스텐(W) | 400-410 | 58,000,000-59,500,000 |
| 실리콘 탄화물(SiC) | 450 | 65,000,000 |
| 텅스텐 탄화물(WC) | 450-650 | 65,000,000-94,000,000 |
| 실리콘 탄화물 나노튜브 | 1,000+ | 145,000,000 |
| 다이아몬드(C) | 1,050-1,200 | 150,000,000-175,000,000 |
본원의 일부 실시예에서, 재료(예를 들면, 기판(403))가 20 GPa 이상, 30 GPa 이상, 40 GPa 이상, 50 GPa 이상, 60 GPa 이상, 또는 70 GPa 이상의 영률을 갖는 재료로 만들어진 경우 그 재료는 단단하다고 간주된다. 본원의 일부 실시예에서 재료(예를 들면, 기판(403))는 그 재료에 대한 영률이 소정 범위의 변형력에 걸쳐서 일정한 경우 단단하다고 간주된다. 그러한 재료는 선형(linear)으로 불리고, 후크 법칙을 따른다고 한다. 따라서, 일부 실시예에서, 기판(403)은 후크 법칙을 따르는 선형 재료로 만들어진다. 선형 재료의 예로는, 강철, 탄소 섬유, 및 유리 등이 있지만, 이들에 제한되지는 않는다. 고무와 흙은 (매우 낮은 변형력에서는 제외하고) 비선형 재료들이다.
본원은 단단한 원통 형상을 갖거나 속이 꽉 찬 봉인 기판에 제한되지 않는다. 기판(403)의 전부 또는 일부는 도 3b에 도시된 원 형상 이외의 다수의 형상들 중 어느 하나를 경계로 하는 단면으로 특징지어질 수 있다. 경계 형상(bounding shape)은 원, 알모양(ovoid), 또는 하나 이상의 매끄러운 곡선 표면들, 또는 매끄러운 곡선 표면들의 임의의 스플라이스(splice)로 특징지어지는 임의의 형상 중 어느 하나일 수 있다. 경계 형상은 또한 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 또는 임의의 수의 선형 세그먼트 표면들을 가진 것을 포함하여, 본질적으로 선형일 수 있다. 경계 형상은 n각형일 수 있고, 여기서 n은 3, 5, 또는 5보다 크다. 또한, 단면은 선형 표면, 아치형 표면, 또는 곡선 표면의 임의의 조합을 경계로 할 수 있다. 본원에서 설명될 때는, 단지 설명의 편리함을 위하여, 광전지 장치의 비평면 실시예들을 나타내기 위해 전면(omnifacial) 원형 단면이 예시된다. 그러나, 실제로는 비평면인 광전지 장치에서는 임의의 단면 기하 형상이 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(403)의 제1 부분은 제1 단면 형상으로 특징지어지고 기판(403)의 제2 부분은 제2 단면 형상으로 특징지어지고, 여기서 제1 및 제2 단면 형상들은 동일하거나 상이하다. 일부 실시예에서, 기판(403)의 길이의 적어도 10 퍼센트, 적어도 20 퍼센트, 적어도 30 퍼센트, 적어도 40 퍼센트, 적어도 50 퍼센트, 적어도 60 퍼센트, 적어도 70 퍼센트, 적어도 80 퍼센트, 적어도 90 퍼센트 또는 전부가 제1 단면 형상으로 특징지어진다. 일부 실시예에서, 제1 단면 형상은 평면이고(예를 들면, 아치형 변을 갖지 않고) 제2 단면 형상은 적어도 하나의 아치형 변을 갖는다.
일부 실시예에서, 기판(403)은 우레탄 중합체, 아크릴 중합체, 플루오르 중합체, 폴리벤즈아미다졸, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리아미드-이미드, 유리계 페놀릭, 폴리스티렌, 교차 결합 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리테트라플루오로-에틸렌, 폴리메트아크릴레이트, 나일론 6,6, 셀룰로스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로스 아세테이트, 강 비닐, 가소화 비닐, 또는 폴리프로필렌으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리(예를 들면, Pyrex, Duran, Simax 등), 다이크로익 유리(dichroic glass), 게르마늄/반도체 유리, 유리 세라믹, 실리케이트/용융 실리카 유리, 소다 석회 유리, 석영 유리, 칼코겐화물/황화물 유리, 플루오르화물 유리, 파이렉스 유리, 유리계 페놀릭, 세리에이트 유리(cereated glass), 또는 플린트 유리(flint glass)로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 속이 꽉 찬 원통 형상이다. 그러한 속이 꽉 찬 원통 기판(403)은 플라스틱, 유리, 금속, 또는 금속 합금으로 만들어질 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(403)의 단면은 원주이고 3 mm와 100 mm 사이, 4 mm와 75 mm 사이, 5 mm와 50 mm 사이, 10 mm와 40 mm 사이, 또는 14 mm와 17 mm 사이의 외부 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 기판(403)의 단면은 원주이고 1 mm와 1000 mm 사이의 외부 직경을 갖는다.
일부 실시예에서, 기판(403)은 속이 빈 내부를 갖는 관이다. 그러한 실시예에서, 기판(403)의 단면은 속이 빈 내부를 정의하는 내부 반경 및 외부 반경으로 특징지어진다. 내부 반경과 외부 반경 간의 차이는 기판(403)의 두께이다. 일부 실시예에서, 기판(403)의 두께는 0.1 mm와 20 mm 사이, 0.3 mm와 10 mm 사이, 0.5 mm와 5 mm 사이, 또는 1 mm와 2 mm 사이이다. 일부 실시예에서, 내부 반경은 1 mm와 100 mm 사이, 3 mm와 50 mm 사이, 또는 5 mm와 10 mm 사이이다.
일부 실시예에서, 기판(403)은 5 mm와 10,000 mm 사이, 50 mm와 5,000 mm 사이, 100 mm와 3000 mm 사이, 또는 500 mm와 1500 mm 사이인 길이(도 3b에 의해 정의된 평면에 수직임)를 갖는다. 일 실시예에서, 기판(403)은 15 mm의 외부 직경 및 1.2 mm의 두께, 및 1040 mm의 길이를 갖는 속이 빈 관이다. 기판(403)은 도 3b에서 속이 꽉 차있는 것으로 도시되어 있지만, 다수의 실시예에서, 기판(403)은 속이 빈 코어를 가질 것이고 유리관에 의해 형성되는 것과 같은 단단한 관모양 구조를 채택할 것이다.
후방 전극(404). 후방 전극(404)은 기판(403) 상에 원주로 배치된다. 후방 전극(404)은 어셈블리 내의 제1 전극으로서 기능한다. 일반적으로, 후방 전극(404)은 무시할 만한 저항 손실로 태양 전지 유닛(300)에 의해 생성된 광전지 전류를 유지할 수 있도록 하는 임의의 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서, 후방 전극(404)은 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 로듐, 니오븀, 크롬, 탄탈, 티탄, 강철, 니켈, 백금, 은, 금, 그의 합금, 또는 그의 임의의 조합과 같은, 임의의 도전성 재료로 구성된다. 일부 실시예에서, 후방 전극(404)은 인듐 주석 산화물, 티탄 산화물, 주석 산화물, 플루오르 도핑된 주석 산화물, 도핑된 아연 산화물, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 갈륨 도핑된 아연 산화물, 붕소 도핑된 아연 산화물 인듐-아연 산화물, 금속-카본 블랙 충전된 산화물, 그래파이트-카본 블랙 충전된 산화물, 카본 블랙 충전된 산화물, 초전도성 카본 블랙 충전된 산화물, 에폭시, 도전성 유리, 또는 도전성 플라스틱과 같은 임의의 도전성 재료로 구성된다. 본원에서 정의될 때, 도전성 플라스틱은, 합성 기법을 통하여, 도전성 필러(filler)들을 포함하는 것이고, 이 도전성 필러들은 그의 도전 특성을 플라스틱에 부여한다. 일부 실시예에서, 후방 전극(404)을 형성하기 위해 본원에서 이용되는 도전성 플라스틱은 무시할 만한 저항성 손실로 태양 전지 유닛(300)에 의해 생성된 광전지 전류를 유지하기 위해 플라스틱 매트릭스를 통하여 충분한 도전성 전류 운반 경로를 형성하는 필러들을 포함한다. 도전성 플라스틱의 플라스틱 매트릭스는 전형적으로 절연성이 있지만, 생성된 합성물은 필러의 도전 특성을 나타낸다.
반도체 접합(410). 반도체 접합(410)은 후방 전극(404) 주위에 형성된다. 반도체 접합(410)은 직접 밴드갭 흡수재(direct band-gap absorber)(예를 들면, 결정질 실리콘) 또는 간접 밴드갭 흡수재(예를 들면, 비결정질 실리콘)인 흡수재 층을 갖는 임의의 광전지 동질접합, 이질접합, 이질면 접합, 매립 동질접합, p-i-n 접합 또는 탠덤 접합이다. 그러한 접합들에 대해서는 Bube 저, Photovoltaic Material, 1998, Imperial College Press, London의 Chapter 1은 물론, Lugue 및 Hegedus 공저, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, John Wiley & Sons, Ltd., West Sussex, England에도 설명되어 있고, 이들 각각의 문헌은 전체적으로 본원에 참고로 통합된다. 본원에 따른 반도체 접합(410)의 예시적인 타입들의 상세는 아래 섹션 2에서 개시된다. 아래 섹션 2에서 개시된 예시적인 접합들에 더하여, 접합들(410)은 다중접합들일 수 있고 광은 다중 접합들을 통하여 접합(410)의 코어 내로 가로지르고, 이 다중 접합들은 바람직하게는 성공적으로 보다 작은 밴드갭들을 갖는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 CIGS(copper-indium-gallium-diselenide) 흡수재 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 소위 박막(thin film) 반도체 접합이다. 일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 소위 후막(thick film)(예를 들면, 실리콘) 반도체 접합이다.
선택적인 진성 층(415). 선택적으로, 반도체 접합(410)을 원주로 코팅하는 얇은 진성 층(i-층)(415)이 존재한다. i-층(415)은 임의의 도핑되지 않은 투명 산화물을 이용하여 형성될 수 있고, 그러한 산화물은 아연 산화물, 금속 산화물, 또는 매우 절연성이 있는 임의의 투명 재료를 포함하지만 이들에 제한되지는 않는다. 일부 실시예에서, i-층(415)은 매우 순수한 아연 산화물이다.
투명 도전층(412). 투명 도전층(412)은 반도체 접합 층들(410) 상에 원주로 배치됨으로써 회로를 완성한다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 얇은 i-층(415)이 반도체 접합(410) 상에 배치된다. 그러한 실시예에서, 투명 도전층(412)은 i-층(415) 상에 원주로 배치된다. 일부 실시예에서, 투명 도전층(412)은 얇은 산화물 SnOx(플루오르 도핑을 갖거나 갖지 않음), 인듐 주석 산화물(ITO), 도핑된 아연 산화물(예를 들면, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 갈륨 도핑된 아연 산화물, 붕소 도핑된 아연 산화물), 인듐-아연 산화물 또는 그의 임의의 조합으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 투명 도전층(412)은 p-도핑되거나 또는 n-도핑된다. 일부 실시예에서, 투명 도전층은 탄소 나노튜브로 만들어진다. 탄소 나노튜브는 예를 들면 Eikos(매사추세츠주, 프랭클린)로부터 상업적으로 입수 가능하고 전체적으로 본원에 참고로 통합된 미국 특허 6,988,925에서 설명되어 있다. 예를 들면, 접합(410)의 외부 반도체 층이 p-도핑되는 실시예들에서, 투명 도전층(412)은 p-도핑될 수 있다. 마찬가지로, 접합(410)의 외부 반도체 층이 n-도핑되는 실시예들에서, 투명 도전층(412)은 n-도핑될 수 있다. 일반적으로, 투명 도전층(412)은 바람직하게는 매우 낮은 저항, 적합한 광 전송 특성(예를 들면 90% 이상), 및 반도체 접합(410) 및/또는 선택적인 i-층(415)의 밑에 있는 층들을 손상시키지 않을 퇴적 온도를 갖는 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서, 투명 도전층(412)은 도전성 폴리이오펜, 도전성 폴리아닐린, 도전성 폴리피롤, PSS-도핑된 PEDOT(예를 들면, Baytron), 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 파생물과 같은 전기 도전성 중합체 재료이다. 일부 실시예에서, 투명 도전층(412)은 주석 산화물 SnOx(플루오르 도핑을 갖거나 갖지 않음), 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐-아연 산화물, 도핑된 아연 산화물(예를 들면, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 갈륨 도핑된 아연 산화물, 붕소 도핑된 아연 산화물) 또는 그의 임의의 조합을 포함하는 제1 층 및 도전성 폴리이오펜, 도전성 폴리아닐린, 도전성 폴리피롤, PSS-도핑된 PEDOT(예를 들면, Baytron), 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 파생물을 포함하는 제2 층을 포함하는 2 이상의 층을 포함한다. 투명 도전층을 형성하는 데 이용될 수 있는 추가의 적합한 재료들에 대해서는 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Pichler에게 허여된 미국 특허 공개 2004/0187917A1에 개시되어 있다.
선택적인 전극 스트립(420). 본원에 따른 일부 실시예에서는, 전류 흐름을 용이하게 하기 위하여 투명 도전층(412) 상에 선택적인 상대 전극 스트립들(strips) 또는 리드들(leads)(420)이 배치된다. 일부 실시예에서, 전극 스트립들(420)은 도 4a에서 도시된 바와 같이 원통 형상의 태양 전극의 긴 축(원통 축)을 따라 길이로(lengthwise) 진행하는 전기 도전 재료의 얇은 스트립들이다. 일부 실시예에서, 선택적인 전극 스트립들은 투명 도전층(412)의 표면 상에 간격을 두고 위치한다. 예를 들면, 도 3b에서, 전극 스트립들(420)은 서로 평행으로 진행하고 태양 전지의 원통 축을 따라 90도 간격으로 간격을 두고 있다. 일부 실시예에서, 전극 스트립들(420)은 투명 도전층(412)의 표면 상에 5도, 10도, 15도, 20도, 30도, 40도, 50도, 60도, 90도 또는 180도 간격으로 간격을 두고 있다. 일부 실시예에서는, 투명 도전층(412)의 표면 상에 단 하나의 전극 스트립(420)이 존재한다. 일부 실시예서는, 투명 도전층(412)의 표면 상에 전극 스트립(420)이 존재하지 않는다. 일부 실시예에서는, 투명 도전층(412)의 표면 상에 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 15개 또는 그 이상, 또는 30개 또는 그 이상의 전극 스트립이 존재하고, 그것들 모두는 태양 전지의 긴 (원통) 축을 따라 서로 평행으로, 또는 거의 평행으로 진행한다. 일부 실시예에서, 전극 스트립들(420)은 예를 들면 도 3b에서 도시된 바와 같이, 투명 도전층(412)의 원주 주위에 고르게 간격을 두고 있다. 대안적인 실시예에서, 전극 스트립들(420)은 투명 도전층(412)의 원주 주위에 고르지 않게 간격을 두고 있다. 일부 실시예에서, 전극 스트립들(420)은 태양 전지의 한 면 상에만 존재하다. 도 3b의 엘리먼트들(403, 404, 410, 415(선택적임), 및 412)은 집합적으로 도 3a의 태양 전지(402)를 구성한다. 일부 실시예에서, 전극 스트립들(420)은 도전성 에폭시, 도전성 잉크, 구리 또는 그의 합금, 알루미늄 또는 그의 합금, 니켈 또는 그의 합금, 은 또는 그의 합금, 금 또는 그의 합금, 도전성 아교(glue), 또는 도전성 플라스틱으로 만들어진다.
일부 실시예에서는, 태양 전지의 긴 (원통) 축을 따라 진행하는 전극 스트립들이 존재하고 이 전극 스트립들은 그리드 라인들에 의해 서로 상호접속된다. 이 그리드 라인들은 전극 스트립들보다 더 두껍거나, 더 얇거나, 또는 그와 동일한 폭일 수 있다. 이 그리드 라인들은 전극 스트립들과 전기적으로 동일하거나 상이한 재료로 만들어질 수 있다.
일부 실시예에서, 전극 스트립들(420)은 잉크젯 인쇄를 이용하여 투명 도전층(412) 상에 퇴적된다. 그러한 스트립을 위해 이용될 수 있는 도전성 잉크의 예로는 은 로딩된 또는 니켈 로딩된 도전성 잉크를 포함되지만 이들에 제한되지는 않는다. 일부 실시예에서는 에폭시는 물론 이방성 도전성 접착제도 전극 스트립들(420)을 구성하는 데 이용될 수 있다. 전형적인 실시예에서, 그러한 잉크 또는 에폭시는 전극 스트립들(420)을 형성하기 위하여 열적으로 경화된다.
선택적인 필러 층(330). 본원의 일부 실시예에서는, 도 3b에서 도시된 바와 같이, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 실리콘, 실리콘 겔, 에폭시, 폴리디메틸 실록산(PDMS), RTV 실리콘 고무, 폴리비닐 부티랄(PVB), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리카보네이트, 아크릴, 플루오르 중합체, 및/또는 우레탄 등의 실링제(sealant)의 필러 층(330)이 투명 도전층(412) 상에 코팅되어 공기를 밀폐하고, 선택적으로, 투명 케이싱(310)에 보완적인 피팅(complementary fitting)을 제공한다.
일부 실시예에서, 필러 층(330)은 Q-타입 실리콘, 실세퀴옥산, D-타입 실리콘, 또는 M-타입 실리콘이다. 그러나, 일부 실시예에서, 선택적인 필러 층(330)은 하나 이상의 전극 스트립(420)이 존재하는 경우에도 필요하지 않다. 선택적인 필러 층(330)에 적합한 추가의 재료는 아래 섹션 1.4에서 개시된다.
일부 실시예에서, 선택적인 필러 층(330)은 전체적으로 본원에 참고로 통합된, 대리인 사건 번호 l1653-032-888을 갖는 "A Photovoltaic Apparatus Having a Laminate Layer and Method for Making the Same"이라는 명칭의, 2007년 3월 13일에 출원된 미국 특허 가출원 번호(미정)에 개시된 것들 중 임의의 것과 같은 래미네이트 층이다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 1 × 106 cP 미만의 점도를 갖는다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 500 × 10-6/℃보다 크거나 또는 1000 × 10-6/℃보다 큰 열팽창계수를 갖는다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 중합체를 포함한다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 중량으로, 50% 미만의 유전성 겔(dielectric gel) 또는 유전성 겔을 형성하는 성분들; 및 적어도 30%의 투명 실리콘 오일을 포함하고, 상기 투명 실리콘 오일은 상기 유전성 겔 또는 상기 유전성 겔을 형성하는 성분들의 초기 점도의 1/2 이하의 초기 점도를 갖는다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 500 × 10-6/℃보다 큰 열팽창계수를 갖고 중량으로, 50% 미만의 유전성 겔 또는 유전성 겔을 형성하는 성분들; 및 적어도 30%의 투명 실리콘 오일을 포함한다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 유전성 겔과 혼합된 실리콘 오일로부터 형성된다. 일부 실시예에서, 실리콘 오일은 폴리디메틸실록산 중합체 액체이고 유전성 겔은 제1 실리콘 탄성중합체 및 제2 실리콘 탄성중합체의 혼합물이다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 중량으로 X%의 폴리디메틸실록산 중합체 액체, 중량으로 Y%의 제1 실리콘 탄성중합체, 및 중량으로 Z%의 제2 실리콘 탄성 중합체로부터 형성되고, 여기서 X, Y, 및 Z는 합계 100이 된다. 일부 실시예에서, 폴리디메틸실록산 중합체 액체는 화학식 (CH3)3SiO[SiO(CH3)2]nSi(CH3)3을 갖고, 여기서 n은 상기 중합체 액체가 50 센티스토크(centistokes)와 100,000 센티스토크 사이의 범위에 속하는 평균 벌크 점도를 갖도록 선택되는 소정의 범위의 정수들이다. 일부 실시예에서, 제1 실리콘 탄성중합체는 중량으로 적어도 60%의 디메틸비닐-터미네이티드 디메틸 실록산(dimethylvinyl-terminated dimethyl siloxane) 및 중량으로 3%와 7% 사이의 실리케이트를 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 실리콘 탄성중합체는 (ⅰ) 중량으로 적어도 60%의 디메틸비닐-터미네이티드 디메틸 실록산; (ⅱ) 중량으로 10%와 30% 사이의 수소-터미네이티드 디메틸 실록산; 및 (ⅲ) 중량으로 3%와 7% 사이의 트리메틸레이티드 실리카(trimethylated silica)를 포함한다. 일부 실시예에서, X는 30과 90 사이이고, Y는 2와 20 사이이고, Z는 2와 20 사이이다.
투명 케이싱(310). 투명 케이싱(310)은 투명 도전층(412) 및/또는 선택적인 필러 층(330) 상에 원주로 배치된다. 일부 실시예에서, 상기 케이싱(310)은 플라스틱 또는 유리로 만들어진다. 일부 실시예에서, 신장된 태양 전지들(402)은, 아래에서 설명되는 바와 같이 장래의 패키징을 위해 적절히 수정된 후에, 투명 케이싱(310) 내에 실링된다. 도 4a에서 도시된 바와 같이, 투명 케이싱(310)은 신장된 태양 전지(402)의 가장 바깥쪽 층 위에 피팅(fit)한다. 일부 실시예에서, 신장된 태양 전지(402)는 인접한 신장된 태양 전지들(402)이 그 단부를 제외하고 서로 전기 접촉을 형성하지 않도록 투명 케이싱(310) 내에 존재한다. 시스템으로부터 산소 및 물을 배제하는 것은 물론 밑에 있는 태양 전지(402)에 보완적인 피팅을 제공하도록 투명 케이싱(310)을 구성하기 위해 열 수축, 사출 성형, 또는 진공 로딩(vacuum loading) 등의 방법이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은, 예를 들면 도 14에서 도시된 바와 같이, 신장된 태양 전지들(402)을 커버하는 데 이용될 수 있다.
투명 케이싱(310)의 가능한 기하 형상들은 원통모양, 반경 치수가 길이보다 훨씬 작은 다양한 신장된 구조, 패널 모양(panel-like), 아치형 특징들을 갖는 것, 박스 모양(box-like), 또는 광전지 생성에 적합한 임의의 가능한 기하 형상을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 속이 빈 코어를 갖는 관모양일 수 있다.
일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 우레탄 중합체, 아크릴 중합체, 폴리메틸메트아크릴레이트(PMMA), 플루오르 중합체, 실리콘, 폴리디메틸 실록산(PDMS), 실리콘 겔, 에폭시, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 퍼플루오로알콕시 플루오로카본(PFA), 나일론/폴리아미드, 교차 결합 폴리에틸렌(PEX), 폴리올레핀, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 열가소성 공중합체(예를 들면, 에틸렌과 테트라플루오로에틸렌: TEFLON® 모너머들의 중합으로부터 파생되는 ETFE®), 폴리우레탄/우레탄, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐 플루오라이드(PVDF), Tygon®, 비닐, Viton®, 또는 그의 임의의 조합 또는 변종으로 만들어진다.
일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 복수의 투명 케이싱 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 각 투명 케이싱은 상이한 재료로 구성된다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 제1 투명 케이싱 층 및 제2 투명 케이싱 층을 포함한다. 태양 전지의 정확한 구성에 따라서, 제1 투명 케이싱 층은 투명 도전층(412), 선택적인 필러 층(330) 또는 방수층 상에 배치된다. 제2 투명 케이싱 층은 제1 투명 케이싱 층 상에 배치된다.
일부 실시예에서, 각 투명 케이싱 층은 상이한 특성을 갖는다. 일례로, 외부 투명 케이싱 층은 우수한 UV 차단 특성을 갖는 반면, 내부 투명 케이싱 층은 양호한 방수 특성을 갖는다. 또한, 비용을 줄이고 및/또는 투명 케이싱(310)의 전체 특성을 개선하기 위하여 다중 투명 케이싱 층의 사용이 이용될 수 있다. 예를 들면, 하나의 투명 케이싱 층은 원하는 물리적 특성을 갖는 값비싼 재료로 만들어질 수 있다. 하나 이상의 추가의 투명 케이싱 층을 이용함으로써, 고가의 투명 케이싱 층의 두께가 감소될 수 있고, 그에 따라 재료 비용이 절약될 수 있다. 다른 예에서, 하나의 투명 케이싱 층은 우수한 광학 특성(예를 들면, 굴절률 등)을 갖지만 매우 무거울 수 있다. 하나 이상의 추가의 투명 케이싱 층을 이용함으로써, 무거운 투명 케이싱 층의 두께가 감소될 수 있고, 그에 따라 투명 케이싱(310)의 전체 무게가 감소될 수 있다.
선택적인 방수층. 일부 실시예에서는, 물 분자의 손상 효과를 방지하기 위하여 태양 전지(402) 위에 하나 이상의 방수층이 코팅된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 방수층은 선택적인 필러 층(330)을 퇴적하고 태양 전지(402)를 투명 케이싱(310) 내에 인케이싱(encase)하기 전에 투명 도전층(412) 상에 원주로 코팅된다. 일부 실시예에서, 그러한 방수층은 태양 전지(402)를 투명 케이싱(310) 내에 인케이싱하기 전에 선택적인 필러 층(412) 상에 원주로 코팅된다. 일부 실시예에서, 그러한 방수층은 투명 케이싱(310) 자체 상에 원주로 코팅된다. 태양 전지(402)로부터 분자 물을 밀폐하기 위해 방수층이 제공되는 실시예들에서, 방수층의 광학 특성은 태양 전지(402)에 의한 입사 태양 방사의 흡수를 방해하지 않아야 한다. 일부 실시예에서, 이 방수층은 투명한 실리콘, SiN, SiOxNy, SiOx, 또는 Al2O3로 만들어지고, 여기서 x 및 y는 정수들이다. 일부 실시예에서, 방수층은 Q-타입 실리콘, 실세퀴옥산, D-타입 실리콘, 또는 M-타입 실리콘으로 만들어진다.
선택적인 반반사성 코팅. 일부 실시예에서, 태양 전지 효율을 최대화하기 위해 선택적인 반반사성 코팅도 투명 케이싱(310) 상에 원주로 배치된다. 일부 실시예에서는, 투명 케이싱(310) 상에 퇴적된 방수층 및 반반사성 코팅 양쪽 모두 존재한다. 일부 실시예에서는, 단 하나의 층이 방수층 및 반반사성 코팅의 이중 목적을 만족시킨다. 일부 실시예에서, 반반사성 코팅은 MgF2, 실리콘 질산염, 티탄 질산염, 실리콘 일산화물(SiO), 또는 실리콘 산화물 질산염으로 만들어진다. 일부 실시예에서는, 2 이상의 반반사성 코팅 층이 존재한다. 일부 실시예에서는 2 이상의 반반사성 코팅 층이 존재하고 각 층은 동일 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서는, 2 이상의 반반사성 코팅 층이 존재하고 각 층은 상이한 재료로 만들어진다.
일부 실시예에서, 다층 태양 전지들(402)의 층들 중 일부는 원통 마그네트론 스퍼터링 기법을 이용하여 형성된다. 일부 실시예에서, 다층 태양 전지들(402)의 층들 중 일부는 긴 관 또는 스트립 상에 종래의 스퍼터링 방법 또는 반응성 스퍼터링 방법을 이용하여 형성된다. 긴 관 또는 스트립들에 대한 스퍼터링 코팅 방법들은, 예를 들면, Hoshi 외 공저, 1998, "Thin Film Coating Techniques on Wires and Inner Walls of Small Tubes via Cylindrical Magnetron Sputtering," Electrical Engineering in Japan 103:73-80; Lincoln 및 Blickensderfer 공저, 1980, "Adapting Conventional Sputtering Equipment for Coating Long Tubes and Strips," J. Vac, Sci. Technol. 17:1252-1253; Harding 저, 1997, "Improvements in a dc Reactive Sputtering System for Coating Tubes," J. Vac. Sci, Technol. 14:1313-1315; Pearce 저, 1970, "A Thick Film Vacuum Deposition System for Microwave Tube Component Coating," Conference Records of 1970 Conference on Electron Device Techniques 208-211; 및 Harding 외 공저, 1979, "Production of Properties of Selective Surfaces Coated onto Glass Tubes by a Magnetron Sputtering System," Proceedings of the International Solar Energy Society 1912-1916에서 개시되어 있고, 이들 각 문헌은 전체적으로 본원에 참고된다.
선택적인 형광 재료. 일부 실시예에서는, 태양 전지(300)의 층의 표면 상에 형광 재료(예를 들면, 발광 재료, 인광 재료)가 코팅된다. 일부 실시예에서, 형광 재료는 투명 케이싱(310)의 내강 표면(luminal surface) 및/또는 외부 표면 상에 코팅된다. 일부 실시예에서, 형광 재료는 투명 도전성 산화물(412)의 외부 표면 상에 코팅된다. 일부 실시예에서, 태양 전지(300)는 선택적인 필러 층(330)을 포함하고 형광 재료는 선택적인 필러 층 상에 코팅된다. 일부 실시예에서, 태양 전지(300)는 방수층을 포함하고 형광 재료는 방수층 상에 코팅된다. 일부 실시예에서는, 태양 전지(300)의 2 이상의 표면이 선택적인 형광 재료로 코팅된다. 일부 실시예에서, 형광 재료는 본원의 일부 반도체 접합들(410)이 광을 전기로 변환하는 데 이용하지 않는 청색 및/또는 자외선 광을 흡수하고, 형광 재료는 본원의 일부 태양 전지들(300)에서의 전기 발생에 유익한 가시광 및/또는 적외선 광을 방사한다.
형광, 발광, 또는 인광 재료들은 청색 또는 자외선 범위의 광을 흡수하고 가시광을 방사할 수 있다. 인광 재료들, 또는 인광 물질은 통상적으로 적합한 호스트 재료 및 활성제 재료를 포함한다. 호스트 재료는 통상적으로 아연, 카드뮴, 망간, 알루미늄, 실리콘, 또는 각종 희토류 금속의 산화물, 황화물, 셀렌화물, 할로겐화물 또는 실리케이트이다. 활성제들은 방사 시간을 연장하기 위해 추가된다.
일부 실시예에서는, 태양 전지(300)에 의한 광 흡수를 향상시키기 위해 본원의 시스템들 및 방법들에서 인광 재료가 통합된다. 일부 실시예에서, 인광 재료는 투명 케이싱(310)을 만드는 데 이용되는 재료에 직접 추가된다. 일부 실시예에서, 인광 재료는 상술한 바와 같이 태양 전지(300)의 다양한 외부 또는 내부 층들을 코팅하기 위해 투명 페인트로서 사용되는 바인더와 혼합될 수 있다.
예시적인 인광 물질은, 구리 활성화 아연 황화물(ZnS:Cu) 및 은 활성화 아연 황화물(ZnS:Ag)을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 다른 예시적인 인광 물질은, 아연 황화물 및 카드뮴 황화물(ZnS:CdS), 유로퓸에 의해 활성화되는 스트론튬 알루미네이트(SrAlO3:Eu), 프라세오디뮴 및 알루미늄에 의해 활성화되는 스트론튬 티타늄(SrTiO3:Pr,Al), 비스무트를 갖는 스트론튬 황화물을 갖는 칼슘 황화물((Ca,Sr)S:Bi), 구리 및 마그네슘 활성화 아연 황화물(ZnS:Cu,Mg), 또는 그의 임의의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
인광 재료들을 생성하는 방법들은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 예를 들면, ZnS:Cu 또는 다른 관련 인광 재료를 만드는 방법들은 Butler 등에게 허여된 미국 특허 번호 2,807,587; Morrison 등에게 허여된 3,031,415; Morrison 등에게 허여된 3,031,416; Strock에게 허여된 3,152,995; Payne에게 허여된 3,154,712; Lagos 등에게 허여된 3,222,214; Poss에게 허여된 3,657,142; Reilly 등에게 허여된 4,859,361; 및 Karam 등에게 허여된 5,269,966에 기술되어 있고, 이들 각 특허는 전체적으로 본원에 참고로 통합된다. ZnS:Ag 또는 관련 인광 재료를 만드는 방법들은 Park 등에게 허여된 미국 특허 번호 6,200,497; Ihara 등에게 허여된 6,025,675; Takahara 등에게 허여된 4,804,882; 및 Matsuda 등에게 허여된 4,512,912에 기술되어 있고, 이들 각 특허는 전체적으로 본원에 참고로 통합된다. 일반적으로, 인광 물질의 지속성은 파장이 감소할 때 증가한다. 일부 실시예에서는, 동일한 효과를 얻기 위해 CdSe 또는 유사한 인광 재료의 양자점들(quantum dots)이 이용될 수 있다. Dabbousi 외 공저, 1995, "Electroluminescence from CdSe quantum-dot/polymer composites," Applied Physics Letters 66(11): 1316-1318]; Dabbousi 외 공저, 1997, "(CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots: Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocrystallites," J. Phys. Chem. B, 101: 9463-9475; Ebenstein 외 공저, 2002, "Fluorescence quantum yield of CdSe:ZnS nanocrystals investigated by correlated atomic-force and single-particle fluorescence microscopy," Applied Physics Letters 80: 4033-4035; 및 Peng 외 공저, 2000, "Shape control of CdSe nanocrystals," Nature 404: 59-61을 참고한다. 이들 각 문헌은 전체적으로 본원에 참고로 통합된다.
일부 실시예에서는, 본원의 선택적인 형광 층들에서 광 광택제가 이용된다. 광 광택제(광 광택제, 형광 광택제 또는 형광 표백제로도 알려짐)는 전자기 스펙트럼의 자외선 및 보라색 영역에서 광을 흡수하고 청색 영역에서 광을 다시 방사하는 염료이다. 그러한 화합물은 스틸벤(예를 들면, 트랜스-1,2-디페닐에틸렌 또는 (E)-1,2-디페닐에틸렌)을 포함한다. 본원의 선택적인 형광 층들에서 이용될 수 있는 다른 예시적인 광 광택제는 움벨리페론(7-하이드록시코우마린)이고, 이 또한 스펙트럼의 자외선 부분에서 에너지를 흡수한다. 이 에너지는 그 후 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 다시 방사된다. 광 광택체에 대한 더 많은 정보는 Dean 저, 1963, Naturally Occurring Oxygen Ring Compounds, Butterworths, London; Joule 및 Mills 공저, 2000, Heterocylic Chemistry, 4th edition, Blackwell Science, Oxford, England; 및 Barton 저, 1999, Comprehensive Natural Products Chemistry 2:677, Nakanish and Meth-Cohn eds., Elsevier, Oxford, United Kingdom, 1999에 기술되어 있다.
원주로 배치됨(Circumferentially disposed). 본원에서, 재료의 층들은 태양 전지를 형성하기 위하여 원통 기판(403) 상에 연속적으로 원주로 배치된다. 본원에서 사용될 때, 원주로 배치됨이라는 용어는 각각의 그러한 재료 층이 반드시 밑에 있는 층 상에 퇴적되는 것 또는 태양 전지의 형상이 원통이라는 것을 암시하기 위한 것이 아니다. 사실, 본원은 그러한 층들이 성형되거나 다른 방법으로 밑에 있는 층 상에 형성되는 방법들을 교시한다. 또한, 기판(403)에 대한 설명과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 기판 및 밑에 있는 층들은 몇 개의 상이한 비평면 형상 중 임의의 형상을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 원주로 배치됨이라는 용어는 위에 있는 층과 밑에 있는 층 사이에 아무런 공간(예를 들면, 아무런 환상 공간(annular space))도 없도록 위에 있는 층이 밑에 있는 층 상에 배치되는 것을 의미한다. 또한, 본원에서 사용될 때, 원주로 배치됨이라는 용어는 위에 있는 층이 밑에 있는 층의 둘레의 적어도 50% 상에 배치되는 것을 의미한다. 또한, 본원에서 사용될 때, 원주로 배치됨이라는 용어는 위에 있는 층이 밑에 있는 층의 길이의 적어도 절반을 따라서 배치되는 것을 의미한다.
원주로 실링됨(Circumferentially sealed). 본원에서 원주로 실링됨이라는 용어는 위에 있는 층 또는 구조가 반드시 밑에 있는 층 또는 구조 상에 퇴적되는 것을 암시하기 위한 것은 아니다. 사실, 본원은 그러한 층 또는 구조(예를 들면, 투명 케이싱(310))가 성형되거나 다른 방법으로 밑에 있는 층 또는 구조 상에 형성되는 방법들을 교시한다. 그럼에도 불구하고, 원주로 실링됨이라는 용어는 위에 있는 층 또는 구조와 밑에 있는 층 또는 구조 사이에 아무런 공간(예를 들면, 아무런 환상 공간)도 없도록 위에 있는 층 또는 구조가 밑에 있는 층 또는 구조 상에 배치되는 것을 의미한다. 또한, 본원에서 사용될 때, 원주로 실링됨이라는 용어는 위에 있는 층이 밑에 있는 층의 전체 둘레 상에 배치되는 것을 의미한다. 전형적인 실시예에서, 층 또는 구조는 그것이 밑에 있는 층 또는 구조의 전체 둘레 주위에 및 밑에 있는 층 또는 구조의 전체 길이를 따라 원주로 배치될 때 밑에 있는 층 또는 구조를 원주로 실링한다. 그러나, 본원은 원주로 실링하는 층 또는 구조가 밑에 있는 층 또는 구조의 전체 길이를 따라 연장하지 않는 실시예들을 고려한다.
1.1. 태양 전지 유닛 어셈블리
도 4a는 태양 전지 어셈블리(400)를 형성하기 위하여 동일 평면 상에 있는 식으로 배열된 3개의 태양 전지(300)의 배열의 단면도를 예시한다. 도 4b는 도 4a의 라인 4B-4B에 관한 단면도를 제공한다. 도 4에서, 후방 전극(404)은 속이 꽉 찬 원통 기판으로서 도시되어 있다. 그러나, 도 4에 따른 일부 실시예에서는, 후방 전극은, 속이 꽉 찬 원통 기판이라기보다는, 도 3b에 도시된 바와 같이 기판(403) 상에 원주로 배치된 전기 도전 재료의 얇은 층이다. 도 4 내의 모든 다른 층들은 도 3b에 예시된 바와 같다. 도 3b에서와 같이, 도 4에서 도시된 실시예들에서 필러 층(330)은 선택적이다.
도 4a 및 4b에서 알 수 있는 바와 같이, 각 신장된 셀(402)은 그 단면의 직경 d에 비하여 큰 길이를 갖는다. 도 4a에서 도시된 아키텍처의 이점은 태양 전지들(402)을 가리는 정면측 콘택트가 없다는 것이다. 그러한 정면측 콘택트는 공지된 장치들(예를 들면, 도 2b의 엘리먼트(10))에서 발견된다. 도 4a에서 도시된 아키텍처의 또 다른 이점은 신장된 셀들(402)이 전기적으로 병렬이 아니라 직렬로 접속된다는 것이다. 그러한 직렬 구성에서는, 각 신장된 전지(402)의 전압이 합해진다. 이것은 시스템을 가로지르는 전압을 증가시키고, 그에 따라 비교되는 병렬 아키텍처에 대하여 전류를 낮게 유지하고, 저항성 손실을 최소화하는 도움이 된다. 직렬 전기 배열은 신장된 태양 전지들(402)의 전부 또는 일부를 도 4a 및 4b에서 예시된 바와 같이 배열함으로써 유지된다. 도 4a에서 도시된 아키텍처의 또 다른 이점은 시스템을 가로지르는 저항 손실이 낮다는 것이다. 이것은 회로의 각 컴포넌트가 매우 도전성이 있는 재료로 만들어지기 때문이다. 예를 들면, 전술한 바와 같이, 각 태양 전지(402)의 도전성 코어(404)는 금속과 같은 도전성 재료로 만들어진다. 대안으로, 도전성 코어(404)가 고체가 아니라, 기판(403) 상에 원주로 배치된 후방 전극 층을 포함하는 경우, 후방 전극 층(404)은 매우 도전성이 있다. 후방 전극(404)이 도 4에 도시된 바와 같이 속이 꽉 찬 구성인지 도 3에 도시된 바와 같이 얇은 층인지에 관계없이, 그러한 후방 전극(404)은 저항으로 인한 감지할 수 있을 정도의 전류 손실 없이 전류를 운반한다. 보다 큰 도전성 코어(404)(도 4) 및/또는 보다 두꺼운 후방 전극(404)(도 3b)은 낮은 저항을 보장하지만, 그러한 보다 큰 도전성 코어(404)를 둘러싸는 투명 도전층들은 콘택트들(상대 전극 스트립 또는 리드)(420)에 더 전류를 운반해야 한다. 따라서, 도전성 코어(404) 및/또는 기판(403)의 사이즈에는 상한이 있다. 이들 및 다른 고려 사항들에 비추어, 본원의 일부 실시예에서 직경 d는 0.5 밀리미터(mm)와 20 mm 사이이다. 따라서, 도전성 코어(404)(도 4) 및/또는 기판(403)(도 3b)은 감지할 수 있을 정도의 저항 손실 없이 전류를 운반할 만큼 크면서도, 투명 도전층(412)이 상대 전극 스트립(420)에 전류를 효율적으로 전달할 수 있을 만큼 작도록 사이즈가 정해진다.
도 4a에서 예시된 아키텍처의 유리한 저저항 특성은 또한 상대 전극 스트립(420)의 매우 도전성이 있는 특성에 의해 촉진된다. 그러나, 일부 실시예에서는, 상대 전극 스트립이 이용되지 않는다. 그보다는, 그러한 목적을 위해 전체적으로 본원에 참고로 통합된, 2006년 3월 18일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 11/378,835에서 기술된 것과 같은 모놀리식 집적 아키텍처가 이용된다.
일부 실시예에서는, 예를 들면, 상대 전극 스트립(420)은 도전성 에폭시(예를 들면, 은 에폭시) 또는 도전성 잉크 등으로 구성된다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 상대 전극 스트립(420)은 적합한 기판 상에 얇은 금속 층을 증착한 다음 그 층을 일련의 병렬 스트립들로 패터닝함으로써 형성된다. 각 상대 전극 스트립(420)은 도 4d에 도시된 바와 같이 태양 전지(402)의 길이를 따라 도전성 에폭시로 태양 전지(402)에 부착된다. 일부 실시예에서, 상대 전극 스트립(420)은 태양 전지(402) 상에 직접 형성된다. 다른 실시예에서, 상대 전극 스트립(420)은 도 3b에서 예시된 바와 같이 외부 투명 도전층(412) 상에 형성된다. 일부 실시예에서, 전극들(433)에의 상대 전극 스트립(420) 간의 접속들은 도 4b에서 도시된 바와 같이 직렬로 확립된다.
도 4a에서 예시된 아키텍처의 또 다른 이점은 반도체 접합(410)의 흡수재 층(예를 들면, 도 5의 층(502, 510, 520, 또는 540))을 통한 경로 길이가, 평균적으로, 동일한 폭을 갖지만 평면 구성으로 된 동일한 타입의 흡수재 층을 통한 경로 길이보다 길다는 것이다. 따라서, 도 4a에서 예시된 신장된 아키텍처는 유사한 평면 태양 전지 대응물에 대하여 보다 얇은 흡수층의 디자인을 가능하게 한다. 신장된 아키텍처에서, 보다 얇은 흡수층은 그 층을 통한 증가된 광 길이 때문에 광을 흡수한다. 흡수층은 비교되는 평면 태양 전지들에 대하여 보다 얇기 때문에, 저항이 더 작고, 따라서, 유사한 평면 태양 전지에 대하여 셀의 효율이 전체적으로 증가한다. 충분한 양의 광을 흡수하는 보다 얇은 흡수층을 갖는 것의 추가 이점은 그러한 흡수층은 보다 적은 재료를 필요로 하고 따라서 보다 값이 싸다는 것이다. 또한, 보다 얇은 흡수층은 보다 빨리 만들 수 있어서, 제조 비용이 저하된다.
도 4a에서 예시된 신장된 태양 전지들(402)의 또 다른 이점은 그것들은 비교되는 평면 태양 전지들에 대하여 비교적 작은 표면 면적을 갖고, 또한 그것들은 예시된 실시예에서 방사상 대칭성을 갖는다는 것이다. 예시되지 않은 실시예들은 반드시 방사상 대칭성을 갖는 것은 아니다. 이러한 특성들 각각은 반도체 접합(410)을 형성하는 데 필요한 도핑된 반도체 층들의 제어된 퇴적을 가능하게 한다. 종래의 평면 패널 태양 전지들에 대하여 보다 작은 표면 면적은 반도체 접합(410)을 형성하는 층들의 퇴적 동안에 표면에 걸쳐서 균일한 증기를 제공하는 것이 보다 용이하다는 것을 의미한다. 방사상 대칭성은 전지들의 제조 동안에 균일한 조성(예를 들면, 균일한 재료 조성, 균일한 도펀트 농도 등) 및/또는 반도체 접합(410)의 개별 층들의 균일한 두께를 보장하기 위하여 이용된다. 예를 들면, 태양 전지들이 방사상 대칭성을 갖는 실시예들에서 균일한 재료 조성 및/또는 균일한 두께를 보장하기 위하여 태양 전지들(402)을 제조하기 위해 그 위에 층들이 퇴적되는 도전성 코어(404)는 그러한 퇴적 동안에 그의 길이 축을 따라 회전될 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 모든 실시예들이 방사상 대칭성을 갖는 것은 아니다.
도 4b에서 태양 전지들(402)의 단면 형상은 일반적으로 원형이다. 다른 실시예에서는, 4변형 단면 또는 타원형 단면 등을 갖는 태양 전지(402) 바디가 이용된다. 사실, 본원에서 태양 전지(402)의 단면 형상에는 제한이 없다. 일부 실시예에서 태양 전지(402)는 그의 길이가 그의 직경보다 훨씬 더 큰 일반적인 전체로서 봉 같은 형상을 유지하고 그것들은 어떤 형태의 단면의 방사상 대칭성을 갖거나 단면의 방사상 대칭성에 가깝다. 일부 실시예에서, 태양 전지들(402)은 기판(403)에 대한 설명과 관련하여 위에서 설명된 단면 영역들 중 어느 하나에 의해 특징지어진다.
일부 실시예에서는, 도 4a에서 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 신장된 태양 전지(봉 형상 태양 전지)(402)가 제1 신장된 태양 전지(402)의 후방 전극(404)(제1 전극)을 제2 신장된 태양 전지(402)의 대응하는 상대 전극 스트립(420)에 접속하는 전기 콘택트(433)에 의해 전기적으로 직렬로 접속된다. 따라서, 도 4a에서 예시된 바와 같이, 신장된 태양 전지들(402)은 각각 반도체 층(410), 투명 도전층(412), 신장된 태양 전지(402)의 금속 도전성 코어(404)를 각각 형성하는 기본 단위이다. 일부 실시예에서, 신장된 태양 전극들(402)은 서로에 대하여 평행 또는 거의 평행인 열을 지어서 다중으로 배열되고 서로 전기적으로 분리되어 있는 독립적인 리드들(상대 전극들)(420)에 얹혀 있다. 유리하게도, 도 4a에서 예시된 구성에서, 신장된 태양 전지들(402)은 투명 케이싱(310)을 통하여 직접 광을 수신할 수 있다.
일부 실시예에서는, 어셈블리(400) 신장된 태양 전지들(402) 전부가 전기적으로 직렬로 배열되지는 않는다. 예를 들면, 일부 실시예에서는, 전기적으로 병렬로 배열되어 있는 신장된 태양 전지들(402)의 쌍들이 존재한다. 제1 및 제2 신장된 태양 전지는 전기적으로 병렬로 접속될 수 있고, 그에 의해 제1 신장된 태양 전지의 도전성 코어(404)를 제2 신장된 태양 전지에 연결하는 제1 전기 콘택트(예를 들면, 도시되지 않은 전기 도전 와이어 등)를 이용하여 쌍으로 된다. 병렬 회로를 완성하기 위하여, 제1 신장된 태양 전지(402)의 투명 도전층(412)은 제2 신장된 태양 전지(402)의 투명 도전층(412)에 전기적으로 접속되고, 그 접속은 2개의 신장된 태양 전지들의 투명 도전층들을 직접 또는 제2 전기 콘택트(도시되지 않음)를 통하여 접촉시킴으로써 이루어진다. 그 후 신장된 태양 전지들의 쌍들은 전기적으로 직렬로 배열된다. 일부 실시예에서는, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개 또는 그 이상의 신장된 태양 전지들(402)이 전기적으로 병렬로 배열된다. 신장된 태양 전지들(402)의 이 병렬 그룹들은 그 후 전기적으로 직렬로 배열된다.
도 4c는 상대 전극 스트립(420), 전극(433), 후방 전극(404), 반도체 층(410), 및 투명 도전층(412) 간의 위치 관계를 설명하기 위해 투명 도전층(412) 및 후방 전극(404)의 일부가 잘려나간 도 4b의 영역(4C)의 확대도이다. 또한, 도 4c는 전기 콘택트(433)가 하나의 신장된 태양 전지(402)의 후방 전극(404)을 다른 태양 전지(402)의 상대 전극(420)에 어떻게 연결하는지를 예시한다.
도 4에서 예시된 구성의 하나의 이점은 태양 전지들(402)을 함께 직렬로 접속하는 전기 콘택트들(433)이 도 4b에서 예시된 바와 같이 어셈블리(400)의 한 단부에만 배치될 필요가 있다는 것이다. 그러나, 캡슐화는 인접한 태양 전지들(402)로부터의 불필요한 전기 접촉으로부터 각 태양 전지(402)를 보호하여, 캡슐화가 비교적 단순화된다. 따라서, 도 4b의 라인 4D-4D에 관하여 절취한 신장된 태양 전지(402)의 단면도인 도 4d를 참조하면, 태양 전지(402)의 원단부(far-end)(455)를 예시된 바와 같이 투명 케이싱(310)으로 완전히 실링하는 것이 가능하다. 일부 실시예에서, 이 시일(seal) 내의 층들은 도전성 코어(404) 상에 길이로 원주로 배치된 층들, 즉, 도전성 코어(404) 및/또는 기판(403) 상의 증착 순으로, 반도체 접합(410), 선택적인 얇은 진성 층(i-층)(415), 및 투명 도전층(412)과 동일하다. 그러한 실시예에서, 단부(455)는 태양광을 받을 수 있고 따라서 태양 전지(402)의 전기 생성 특성에 기여할 수 있다. 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 전기 콘택트들이 태양 전지의 어느쪽 단부로부터도 연장될 수 있도록 태양 전지(402)의 양쪽 단부에서 개방된다.
도 4d는 또한, 일부 실시예에서, 도전성 코어(404) 상에 퇴적된 다양한 층들이 전기 콘택트들(433)이 발견되는 단부(466)에서 어떻게 테이퍼(taper)되는지를 예시한다. 예를 들면, 도 4d에서 예시된 바와 같이 후방 전극(404)의 단자 부분이 노출된다. 환언하면, 반도체 접합(410), 선택적인 i-층(415), 및 투명 도전층(412)이 도전성 코어(404)의 단자 부분으로부터 벗겨진다. 또한, 도 4d에서 예시된 바와 같이 반도체 접합(410)의 단자 부분이 노출된다. 즉, 선택적인 i-층(415) 및 투명 도전층(412)이 반도체 접합(410)의 단자 부분으로부터 벗겨진다. 도전성 코어(404), 반도체 접합(410), 선택적인 i-층(415), 및 투명 도전층(412)의 나머지 부분들은 투명 케이싱(310)에 의해 코팅된다. 그러한 구성은 투명 도전층(412)과 도전성 코어(404) 간에 단락(short)이 생기는 것을 방지하기 때문에 유리하다. 도 4d에서, 신장된 태양 전지(402)는 상대 전극 스트립(420) 상에 배치되고 상대 전극 스트립(420)은 전기 저항성 투명 케이싱(310)에 기대어 배치된다. 그러나, 상대 전극 스트립(420)이 전기 저항성 투명 케이싱(310)과 접촉할 필요는 없다. 사실, 일부 실시예에서, 신장된 태양 전지들(402) 및 그의 대응하는 상대 전극 스트립들(420)은 바람직하지 못한 전기 접촉이 없도록 투명 도전층(412) 내에 실링된다. 그러한 실시예에서, 신장된 태양 전지들(402) 및 그의 대응하는 전극 스트립들(420)은 에틸렌 비닐 아세테이트 또는 실리콘 등의 실링제에 의해 제자리에 고정되어 유지된다. 본원에 따른 일부 실시예에서, 상대 전극 스트립들(420)은 태양 전지들(402)의 측면들에 부착되는 금속 와이어들로 대체된다. 본원에 따른 일부 실시예에서, 태양 전지들(402)은 추가의 와이어 또는 스트립 같은 상대 전극들의 필요를 제거하는 세그먼트식 디자인(segmented design)를 구현한다. 세그먼트식 태양 전지 디자인에 대한 상세는, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, 2006년 5월 18일에 출원된, "Monolithic Integration of Cylindrical Solar Cells"라는 명칭의 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 l1/378,847에서 발견된다.
도 4d는 또한 신장된 태양 전지들(402)을 직렬로 접속하는 전기 콘택트들(433)의 투시도를 제공한다. 예를 들면, 제1 전극 콘택트(433-1)는 상대 전극(420)과 전기적으로 인터페이스하는 반면 제2 전극 콘택트(433-2)는 후방 전극(404)(신장된 태양 전지(402)의 제1 전극)과 전기적으로 인터페이스한다. 제1 전기 콘택트(433-1)는 신장된 태양 전지(402)의 상대 전극을 다른 신장된 태양 전지의 후방 전극(404)에 직렬로 접속한다. 제2 전기 콘택트(433-2)는 도 4b에서 도시된 바와 같이 신장된 태양 전지(402)의 후방 전극(404)을 다른 신장된 태양 전지(402)의 상대 전극(420)에 직렬로 접속한다. 그러한 전기적 구성은 후방 전극(404)이 그 자체가 속이 꽉 찬 원통 기판인지 도 3b에서 도시된 바와 같이 기판(403) 상의 전기 도전 재료의 층인지에 관계없이 가능하다. 각 태양 전지(402)는 투명 케이싱(310)에 의해 코팅된다.
또한, 도 4d는 전기 접촉을 확립하기 위해 한 단부(466)만을 남기고, 선택적인 필러 층(330) 및 투명 케이싱(310)이 태양 전지를 커버하는 캡슐화된 태양 전지(402)를 제공한다. 일부 실시예에서, 선택적인 필러 층(330) 및 투명 케이싱(310)은 신장된 태양 전지(402)의 양 단부(예를 들면, 도 4d의 455 및 466)가 전기 접촉을 확립하는 데 이용될 수 있도록 구성된다.
도 7a는 본원의 다른 실시예에 따른 태양 전지 어셈블리(700)를 예시한다. 이 태양 전지 어셈블리(700)는 각각이 투명 케이싱(310) 내에 캡슐화된 복수의 신장된 태양 전지들(402)을 포함한다. 복수의 신장된 태양 전지들 내의 각 신장된 태양 전지(402)는 제1 전극으로서 구성된 후방 전극(404)을 갖는다. 도 7a에서 도시된 실시예에서, 후방 전극(404)은 속이 꽉 찬 원통 전기 도전 기판이다. 그러나, 도 7에 따른 대안 실시예들에서, 후방 전극(404)은 도 3b의 경우와 마찬가지로 속이 빈 형상의 기판 상에 퇴적된 전기 도전 재료의 박막이다. 도 7에서 도시된 원리들은 각각의 그러한 형태의 후방 전극(404)에 적용된다. 도 7에서는, 도전성 코어(402) 상에 반도체 접합(410)이 원주로 배치되고 반도체 접합(410) 상에 투명 도전층(412)이 원주로 배치된다. 일부 실시예에서, 복수의 신장된 태양 전지들(402)은 기하학적으로 평행 또는 거의 평행식으로 배열되어 제1 면(어셈블리(700)의 페이싱 면(733)) 및 제2 면(어셈블리(700)의 페이싱 면(766))을 갖는 평면 어레이를 형성한다. 복수의 신장된 태양 전지들은 그 복수의 신장된 태양 전지들 내의 하나 이상의 신장된 태양 전지가 인접하는 신장된 태양 전지와 접촉하지 않도록 배열된다. 일부 실시예에서, 복수의 신장된 태양 전지들은 그 복수의 신장된 태양 전지들 내의 신장된 태양 전지들 각각이 인접한 신장된 태양 전지(402)와 (투명 도전층(412)을 통하여) 직접 접촉하지 않도록 배열된다. 일부 실시예에서, 복수의 신장된 태양 전지들은 그 복수의 신장된 태양 전지들 내의 신장된 태양 전지들 각각이 인접한 신장된 태양 전지들(402)의 외부 투명 케이싱(310)과 직접 접촉하지 않도록 배열된다.
일부 실시예에서는, 각각이 태양 전지(402)의 반대편 측면들 상에서 길이로 진행하는 제1 홈(777-1) 및 제2 홈(777-2)이 존재한다. 도 7a에서는, 전부는 아니고 일부의 홈들(777)이 표시되어 있다. 일부 실시예에서는, 태양 전지들의 한쪽 또는 양쪽 홈에 상대 전극(420)이 존재한다. 도 7a에서 예시된 실시예에서는, 복수의 태양 전지들 내의 각 태양 전지의 제1 및 제2 홈 양쪽 모두에 길이로 피팅된 상대 전극이 존재한다. 그러한 구성은 투명 도전층(412)에서 인출된 전류의 경로 길이를 감소시키기 때문에 유리하다. 환언하면, 전류가 상대 전극(420)에 도달하기 전에 투명 도전층(412)에서 이동해야 하는 최대 길이는 투명 도전층의 원주의 1/4이다. 그와 대비하여, 주어진 태양 전지(402)와 관련된 단 하나의 상대 전극(420)만이 존재하는 구성에서는, 전류가 상대 전극(420)에 도달하기 전에 투명 도전층(412)에서 이동해야 하는 최대 길이는 투명 도전층의 원주의 1/2이다. 본원은 광범위한 깊이 및 형상 특징들을 갖는 홈들(777)을 포함하고 결코 도 7a에서 예시된 홈(777)의 형상에 제한되지 않는다. 일반적으로, 태양 전지(402)의 긴 축을 따라 진행하고 상대 전극(420)의 전부 또는 일부를 수용할 수 있는 어떤 홈 형상(777)이라도 본원의 범위 내에 속한다. 예를 들면, 도 7a에서 예시되지 않은 일부 실시예에서, 각 홈(777)은 홈(777)과 상대 전극(420)의 윤곽들 간에 타이트한 피트(tight fit)가 있도록 패터닝된다.
도 7a에서 예시된 바와 같이, 복수의 금속 상대 전극(420)이 존재하고, 복수의 신장된 태양 전지들 내의 각각의 신장된 태양 전지(402)는 복수의 금속 상대 전극들 내의 적어도 제1 대응 금속 상대 전극(420)에 결합되고, 그 제1 금속 상대 전극은 각각의 신장된 태양 전지를 따라 길이로 진행하는 홈(777) 내에 있다. 또한, 도 7a에서 예시된 태양 전지 어셈블리에서, 각각의 신장된 태양 전지(402)는 제2 대응 금속 상대 전극(420)에 결합되고, 그 제2 금속 상대 전극은 각각의 신장된 태양 전지(402)를 따라 길이로 진행하는 제2 홈(777) 내에 있다. 도 7a에서 더 예시된 바와 같이, 제1 홈(777) 및 제2 홈(777)은 각각의 신장된 태양 전지(402)의 반대편 또는 실질적으로 반대편에 있고 전지의 긴 축을 따라 진행한다.
일부 실시예에서는, 신장된 태양 전지들(402)을 인케이싱하기 위해 도 14에서 도시된 투명 케이싱(310)과 같은 투명 케이싱(310)이 이용된다. 태양 전지 유닛(402)으로부터 공기를 배제하는 것이 중요하기 때문에, 본 발명의 일부 실시예에서는 도 7a에서 예시된 바와 같이 태양 전지(402)와 투명 케이싱(310) 사이에 선택적인 필러 층(330)이 원주로 배치된다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 산소 및 물이 태양 전지(402) 내로 침투하는 것을 방지한다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 EVA 또는 실리콘을 포함한다. 일부 실시예에서, 선택적인 필러 층(330)은 전체적으로 본원에 참고로 통합된, 대리인 사건 번호 l1653-032-888을 갖는 "A Photovoltaic Apparatus Having a Laminate Layer and Method for Making the Same"이라는 명칭의, 2007년 3월 13일에 출원된 미국 특허 가출원 번호(미정)에 개시된 것들 중 임의의 것과 같은 래미네이트 층이다. 일부 실시예에서, 개별적으로 인케이싱된 태양 전지들(402)은 도 7a에서 도시된 바와 같이 평면 어레이로 조립된다. 복수의 신장된 태양 전지들(402)은 평면 어레이의 면(733) 및 면(766)의 양쪽 모두로부터 직접 광을 받도록 구성된다.
도 7b는 도 7a의 라인 7B-7B에 관한 단면도를 제공한다. 태양 전지들(402)은, 도 7a 및 7b에서 예시된 바와 같이 서로 접촉하지 않도록 태양 전지들을 배열함으로써 그리고 도 7b에 관련하여 후술되는 바와 같이 전기 콘택트들을 이용하여, 다른 태양 전지들에 전기적으로 접속된다. 투명 케이싱(310)의 캡슐화 특징을 드러내기 위해 개별 태양 전지들이 서로 분리된 것으로 도시되어 있지만, 투명 케이싱(310)은 임의의 바람직하지 못한 전기 접촉으로부터 태양 전지 유닛(300)의 개별 태양 전지들(402)을 보호하기 때문에 태양 전지들(402) 간에 실제 분리는 요구되지 않는다. 그러나, 개별적으로 보호된 태양 전지 유닛(300)에 대하여 타이트한 공간(tight space) 또는 공간이 없는 패킹(no space packing)이 요구되지 않는다. 사실, 투명 케이싱(310)의 존재는 태양 전지 어셈블리에서 보다 많은 융통성을 제공한다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 인접한 태양 전지들(300) 간의 거리는 0 미크론 이상, 0.1 미크론 이상, 0.5 미크론 이상, 또는 1 미크론과 5 미크론 사이이거나, 또는 태양 전지 유닛들(300)의 사이즈 및 치수와 최적으로 상관된다.
도 7b를 참조하면, 태양 전지들(402) 간의 직렬 전기 접촉은 하나의 신장된 태양 전지(402)의 후방 전극(404)을 다른 태양 전지(402)의 대응하는 상대 전극(120)에 전기적으로 접속하는 전기 콘택트(788)에 의해 이루어진다. 도 7b는 태양 전지들(402)의 아키텍처를 더 설명하기 위해 하나의 태양 전지(402)의 금속 도전성 코어(404) 및 반도체 접합(410)을 잘라낸 것을 더 예시한다.
도 7에서 예시된 태양 전지 어셈블리는 몇 가지 이점이 있다. 첫째로, 태양 전지들(402)의 평면 배열은 어셈블리 내에 거의 0 퍼센트의 그늘을 남긴다. 예를 들면, 어셈블리는 면(733)과 면(766) 양쪽 모두로부터 직접 태양광을 받을 수 있다. 둘째로, 개별적으로 캡슐화된 태양 전지들(402)이 공간 분리 없이 또는 거의 공간 분리 없이 서로 평행으로 정렬되는 실시예들에서, 그 구조는 완전히 자기지지형(self-supporting)이다. 이 어셈블리의 또 다른 이점은 제조의 용이함이다. 도 2b에서 도시된 것과 같은 태양 전지들과 달리, 복잡한 그리드 또는 유리 상의 투명 도전성 산화물이 요구되지 않는다. 예를 들면, 태양 전지(402) 및 그의 대응하는 상대 전극들(420)을 함께 조립하여 도 7a에서 예시된 회로를 완성하기 위해, 상대 전극(420)은, 그것이 와이어의 형태일 경우, 도전성 에폭시로 커버되고 태양 전지(402)의 홈(777) 내에 흘려져서 경화될 수 있다.
도 7b에서 예시된 바와 같이, 도전성 코어(404), 접합(410), 및 투명 도전층(412)은 신장된 태양 전지(402)의 단부(789)에서 서로 같은 높이이다. 이와 대비하여, 단부(799)에서는, 예시된 바와 같이 도전성 코어가 접합(410) 및 투명 도전층(412)에 대하여 약간 돌출한다. 접합(410)도 투명 도전층(412)에 대하여 약간 돌출한다. 단부(799)에서의 도전성 코어(404)의 돌출은 도전성 코어(404)의 단자 부분의 측면들이 노출된다는(예를 들면, 접합(410) 및 투명 도전층(412)에 의해 커버되지 않는다는) 것을 의미한다. 이러한 구성의 목적은 상대 전극(420)(또는 홈(777)에 상대 전극을 설치하는 데 이용되는 에폭시)이 투명 도전층(412)과 단락(short)하는 가능성을 감소시키기 위한 것이다. 일부 실시예에서는, 전기 단락 가능성을 감소시키기 위하여 상대 전극(420)의 노출된 표면 영역의 전부 또는 일부가 전기 절연 재료로 보호된다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 도 7b의 박스 안에 있는 영역 내의 상대 전극들(420)의 노출된 표면 영역은 전기 절연 재료로 보호된다.
도 7에서 예시된 어셈블리의 또 다른 이점은 상대 전극(420)은 섀도잉(shadowing) 없이 훨씬 더 높은 도전성을 가질 수 있다는 것이다. 환언하면, 상대 전극(420)은 상당한 단면 사이즈(예를 들면, 태앙 전지(402)가 6 mm 직경을 가질 경우 직경이 1 mm)를 가질 수 있다. 따라서, 상대 전극(420)은 상당한 양의 전류를 운반할 수 있으므로 와이어를 가능한 한 길게 할 수 있고, 따라서 보다 큰 패널의 제조가 가능하게 된다.
태양 전지들(402) 간의 직렬 접속은 도 7b에서 도시된 바와 같이 태양 전지들(402)의 쌍들 간에 이루어질 수 있다. 그러나, 본원은 그렇게 제한되지 않는다. 일부 실시예에서는, 2 이상의 태양 전지들(402)이 함께 그룹지어져서(예를 들면, 전기적으로 병렬식으로 접속되어) 태양 전지들의 그룹을 형성하고 그 후 그러한 태양 전지들의 그룹들이 서로 직렬로 접속된다. 그러므로, 태양 전지들 간의 직렬 접속은 태양 전지들의 그룹들이 임의의 수의 태양 전지(404)(예를 들면, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 등)를 갖는 경우 그러한 그룹들 간에 이루어질 수 있다. 그러나, 도 7b는 각 콘택트(788)가 태양 전지(402)의 쌍만을 직렬로 접속하는 바람직한 실시예를 예시한다.
도 7b에서 예시된 어셈블리의 또 다른 이점은 투명 케이싱(310)이 태양 전지들(402) 상에 원주로 배치된다는 것이다. 일부 실시예에서는, 태양 전지(402)의 외부 표면과 투명 케이싱(310)의 내부 표면 간에 선택적인 필러 층(330)이 위치한다. 도 7b는 인접한 태양 전지 유닛들(300)의 한 단부에서만 전기 회로를 도시하고 있지만, 태양 전지 유닛들(300)의 양쪽 단부에 또는 태양 전지 유닛들(300)의 2개의 단부 사이에 전기 회로가 확립될 수 있다.
본원에 따른 태양 전지 디자인은 각 개별 태양 전지(402)가 투명 케이싱(310)에 의해 캡슐화된다는 점에서 유리하다. 투명 케이싱(310)은 적어도 부분적으로 투명하고 플라스틱 또는 유리와 같은 비도전성 재료로 만들어진다. 따라서, 본 디자인에 따라 만들어진 태양 전지 어셈블리는 각 태양 전지(402) 사이에 길이로 절연체를 요구하지 않는다. 태양 전지 어셈블리(700)의 또 다른 실시예는 투명 도전층 또는 어셈블리의 한쪽 면 상의 금속 그리드로부터의 여분의 흡수 손실이 없는 것이다. 또한, 어셈블리(700)는 양쪽 면(733 및 766) 상에 노출된 동일한 성능 또는 흡수재 영역을 갖는다. 이는 어셈블리(700)를 대칭으로 만든다.
어셈블리(700)의 또 다른 이점은 모든 전기 콘택트들(788)이 동일한 레벨에서(예를 들면, 도 7a의 라인 7B-7B의 평면에서) 끝난다는 것이다. 그러므로, 그것들은 끝에서 매우 작은 기판 면적을 소비하여 접속 및 용접하기가 보다 용이하다. 이것은 태양 전지(402)의 구성을 간단하게 하는 것과 동시에 태양 전지 어셈블리(700)의 전체 효율을 증가시키는 데 도움이 된다. 이러한 효율의 증가가 발생하는 것은 용접이 보다 작아질 수 있기 때문이다.
도 7에서 예시되지는 않았지만, 도 7에 따른 일부 실시예에서는, 복수의 신장된 태양 전지들(402) 내의 신장된 태양 전지(402) 내의 반도체 접합(410)과 투명 도전층(412) 사이에 원주로 배치된 진성 층(415)이 존재한다. 이 진성 층(415)은 아연 산화물, 금속 산화물, 또는 매우 절연성이 있는 임의의 투명 금속과 같은 도핑되지 않은 투명 산화물로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 어셈블리(700) 내의 태양 전지들(402)의 반도체 접합(410)은 내부 동축(coaxial) 층 및 외부 동축 층을 포함하고, 외부 동축 층은 제1 도전형을 포함하고 내부 동축 층은 제2의 반대 도전형을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 내부 동축 층은 CIGS(copper-indium-gallium-diselenide)를 포함하고, 외부 동축 층은 In2Se3, In2S3, ZnS, ZnSe, CdInS, CdZnS, ZnIn2Se4, Zn1-xMgxO, CdS, SnO2, ZnO, ZrO2, 또는 도핑된 ZnO를 포함한다. 도 7에서 예시되지 않은 일부 실시예에서, 태양 전지(402) 내의 도전성 코어(404)는 속이 비어 있다.
도 8은 태양 전지(402)의 긴 축을 따라 진행하고 투명 도전층(412)을 완전히 뚫고 지나가는 갈라진 틈(break)(810)에 의해 투명 도전층(412)이 중단되는 것을 제외하고, 본원의 태양 전지 어셈블리(700)와 동일한 본원의 태양 전지 어셈블리(800)를 예시한다. 도 8에서 예시된 실시예에서는, 태양 전지(402)의 길이를 따라 진행하는 2개의 갈라진 틈(810)이 있다. 그러한 갈라진 틈(810)의 효과는 그것들이 태양 전지 어셈블리(800) 내의 각 태양 전지(402)와 관련된 2개의 상대 전극들(420)을 전기적으로 절연시킨다는 것이다. 갈라진 틈(800)이 만들어질 수 있는 방법은 다수가 있다. 예를 들면, 레이저 또는 HCl 에칭이 이용될 수 있다.
일부 실시예에서는, 어셈블리(800) 내의 신장된 태양 전지들(402) 전부가 전기적으로 직렬로 배열되지는 않는다. 예를 들면, 일부 실시예에서는, 전기적으로 병렬로 배열되는 신장된 태양 전지(402)의 쌍이 존재한다. 제1 및 제2 신장된 태양 전지는 전기적으로 병렬로 접속될 수 있고, 그에 의해 제1 신장된 태양 전지의 도전성 코어(404)를 제2 신장된 태양 전지에 연결하는 제1 전기 콘택트(예를 들면, 도시되지 않은 전기 도전 와이어 등)를 이용하여 쌍으로 된다. 병렬 회로를 완성하기 위하여, 제1 신장된 태양 전지(402)의 투명 도전층(412)은 제2 신장된 태양 전지(402)의 투명 도전층(412)에 전기적으로 접속되고, 그 접속은 2개의 신장된 태양 전지들의 투명 도전층들을 직접 또는 제2 전기 콘택트(도시되지 않음)를 통하여 접촉시킴으로써 이루어진다. 그 후 신장된 태양 전지들의 쌍들은 전기적으로 직렬로 배열된다. 일부 실시예에서는, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개 또는 그 이상의 신장된 태양 전지들(402)이 전기적으로 병렬로 배열된다. 신장된 태양 전지들(402)의 이 병렬 그룹들은 그 후 전기적으로 직렬로 배열된다.
일부 실시예에서는, 신장된 태양 전지들(402)을 인케이싱하기 위해 도 14에서 도시된 것과 같은 투명 케이싱(310)이 이용된다. 태양 전지 유닛(402)으로부터 공기를 배제하는 것이 중요하기 때문에, 태양 전지(402)의 산화를 방지하기 위해 필러 층(330)이 이용될 수 있다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 필러 층(330)은 산소 및 물이 태양 전지(402) 내로 침투하는 것을 방지한다. 필러 층은 태양 전지(402)와 투명 케이싱(310)의 내부 층 사이에 배치된다. 일부 실시예에서, 개별적으로 캡슐화된 태양 전지들(402)은 도 8에서 도시된 바와 같이 평면 어레이로 조립된다.
도 9는 후방 전극들(404)이 속이 비어 있는 본원의 태양 전지 어셈블리(900)를 예시한다. 사실, 후방 전극(404)은 본원의 실시예들 중 임의의 실시예에서 속이 빌 수 있다. 속이 빈 후방 전극(404) 디자인의 하나의 이점은 태양 전지 어셈블리의 전체 중량을 감소시킨다는 것이다. 후방 전극(404)은 후방 전극(404)의 전부 또는 일부를 통하여 길이로 연장하는 채널이 있는 경우에 속이 빌수 있다. 일부 실시예에서, 후방 전극(404)은 금속 관이다. 일부 실시예에서, 후방 전극(404)은 도 3b에서 예시된 바와 같이 기판(403) 상에 퇴적되는 전기 도전 재료, 예를 들면, 몰리브덴의 얇은 층이다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 유리로 만들어지거나 또는 기판(403)에 대한 일반적인 설명에 관련하여 위에서 설명된 재료들 중 임의의 것으로 만들어진다.
일부 실시예에서는, 어셈블리(900) 내의 신장된 태양 전지들(402) 전부가 전기적으로 직렬로 배열되지는 않는다. 예를 들면, 일부 실시예에서는, 전기적으로 병렬로 배열되는 신장된 태양 전지(402)의 쌍이 존재한다. 그 후 신장된 태양 전지들의 쌍들은 전기적으로 직렬로 배열된다. 일부 실시예에서는, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개 또는 그 이상의 신장된 태양 전지들(402)이 전기적으로 병렬로 배열된다. 신장된 태양 전지들(402)의 이 병렬 그룹들은 그 후 전기적으로 직렬로 배열된다.
일부 실시예에서는, 신장된 태양 전지들(402)을 원주로 커버하기 위해 예를 들면 도 14에서 도시된 것과 같은 투명 케이싱(310)이 이용될 수 있다. 태양 전지 유닛(402)으로부터 공기를 배제하는 것이 중요하기 때문에, 태양 전지(402)의 산화를 방지하기 위해 추가의 실링제가 이용될 수 있다. 대안으로는, 도 9에서 예시된 바와 같이, 산소 및 물이 태양 전지(402) 내로 침투하는 것을 방지하기 위해 선택적인 필러 층(330)(예를 들면, EVA 또는 실리콘 등)이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 개별적으로 인케이싱된 태양 전지들(402)은 도 9에서 도시된 바와 같이 평면 어레이로 조립된다. 도 10은 병렬로 2개의 분리된 접합들을 형성하기 위하여, 예시된 바와 같이, 상대 전극(420), 투명 도전층(412), 및 접합(410)이 관통되는 본원의 태양 전지 어셈블리(1000)를 예시한다. 일부 실시예에서는, 선택적인 필러 층(330)을 갖거나 또는 갖지 않는 신장된 태양 전지(402)를 인케이싱하기 위해 예를 들면 도 14에서 예시된 것과 같은 투명 케이싱(310)이 이용될 수 있다.
도 15는 본원에 따른 신장된 태양 전지(402)를 예시한다. 투명 케이싱(310)은 적합한 전기 접속을 확립하기 위해 전극들(420)의 단부들만을 노출된 채로 남기고, 신장된 태양 전지(402)를 인케이싱한다. 신장된 태양 전지(402)의 단부들은 벗겨지고 도전층(404)이 노출된다. 이전 실시예에서와 마찬가지로, 후방 전극(404)은 어셈블리 내의 제1 전극으로서 기능하고 각 신장된 태양 전지(402)의 외부 표면 상의 투명 도전층(412)은 상대 전극으로서 기능한다. 그러나, 도 15에서 예시된 것과 같은 본원에 따른 일부 실시예에서는, 신장된 태양 전지(402)에 부착되는 돌출하는 상대 전극들(420) 및 전극들(440)이 편리한 전기 접속을 제공한다.
도 15에 도시된 것과 같은 전형적인 실시예들에서는 각각이 신장된 태양 전지(402)의 반대편들에서 길이로 진행하는 제1 홈(677-1) 및 제2 홈(677-2)이 존재한다. 일부 실시예에서, 상대 전극(420)은 도 15에서 예시된 바와 같이 홈(677) 내에 피팅된다. 전형적으로, 그러한 상대 전극(420)은 도전성 잉크 또는 도전성 아교를 이용하여 홈(677) 내에 고착된다. 예를 들면, 도체로서 비산화 구리를 이용하는 스프레이 가능한 금속 코팅 시스템인 CuPro-Cote(뉴욕주, 올버니, Lessemf.com으로부터 입수 가능)가 이용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 상대 전극(420)이 홈(677) 내에 피팅되고 그 후 도전성 잉크 또는 도전성 아교의 구슬이 적용된다. 이전 실시예와 마찬가지로, 본원은 광범위한 깊이 및 형상 특징들을 갖는 홈들(677)을 포함하고 결코 도 15에서 예시된 홈(677)의 형상에 제한되지 않는다. 일반적으로, 태양 전지(402)의 긴 축을 따라 진행하고 상대 전극(420)의 전부 또는 일부를 수용할 수 있는 어떤 타입의 홈(677)이라도 본원의 범위 내에 속한다. 상대 전극(420)은 결합된 층(410/(415)/412)으로부터의 전류를 전도한다. 신장된 태양 전지(402)의 양쪽 단부의 영역들에서, 상대 전극들(420)은 도전층(404)과 전기적으로 절연되도록 도 15에서 도시된 바와 같이 외장(sheathe)된다. 그러나, 돌출하는 상대 전극들(420)의 단부들은 추가 장치들과 전기 접촉을 형성할 수 있도록 외장되지 않는다. 일부 실시예에서는, 홈들(677) 및 상대 전극들(420)이 존재하지 않는다. 예를 들면, 일부 실시예에서는, 그러한 목적을 위해 전체적으로 본원에 참고로 통합된, 2006년 3월 18일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 l1/378,835에서 기술된 것과 같은 모놀리식 집적 전략이 이용된다.
도 15에서 도시된 것과 같은 실시예에서는, 제2 세트의 전극들(440)이 노출된 후방 전극(404)에 부착된다. 제2 세트의 전극들(440)은 후방 전극(404)으로부터의 전류를 전도한다. 도 15에서 예시된 바와 같이, 본원에 따른 실시예는 각 신장된 태양 전지(402)의 2개의 반대편 단부들에 부착된 2개의 전극(440)을 갖는다. 전형적으로, 전극들(440)은 도전성 잉크 또는 도전성 아교를 이용하여 후방 전극(404)에 고착된다. 예를 들면, CuPro-Cote가 이용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 전극들(440)이 층(404)에 고착되고 그 후 도전성 잉크 또는 도전성 아교의 구슬이 적용된다. 전극들(440)이 층(410/(415)/412)과 전기 접촉하지 않도록 조심한다. 또한, 본원의 전극들(440)은 광범위한 길이 및 폭 및 형상 특징들을 갖고 결코 도 15에서 예시된 형상에 제한되지 않는다. 도 15에서 도시된 것과 같은 실시예에서는, 신장된 태양 전지(402)의 반대편 단부의 2개의 전극들(440)이 태양 전지의 동일한 측면에 있지 않다. 제1 전극(440)은 신장된 태양 전지(402)의 하부 측에 있는 반면 제2 전극(440)은 신장된 태양 전지(402)의 상부 측에 있다. 그러한 배열은 태양 전지들을 직렬 식으로 접속하는 것을 용이하게 한다. 본원에 따른 일부 실시예에서는, 2개의 전극(440)이 신장된 태양 전지(402)의 동일한 측면에 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 각 전극(440)은 도전층(404/1304)(도 15)에 부착되는 도전성 재료의 얇은 스트립으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 각 전극(440)은 금속(예를 들면, 구리, 알루미늄, 금, 은, 몰리브덴, 또는 그의 합금)의 도전성 리본 또는 도전성 잉크로 만들어진다. 후속 도면들과 관련하여 설명되는 바와 같이, 상대 전극(420) 및 전극들(440)은 신장된 태양 전지들(402)을 전기적으로 접속, 바람직하게는 직렬로 접속하는 데 이용된다. 그러나, 그러한 상대 전극들은 선택적인 것이다.
1.2. 투명 케이싱
도 3a 내지 3c에서 도시된 바와 같이, 투명 케이싱(310)은 태양 전지 유닛(402)을 실링하여 태양 전지에 지지 및 보호를 제공한다. 투명 케이싱(310)의 사이즈 및 치수는 태양 전지 어셈블리 유닛(402) 내의 개별 태양 전지들(402)의 사이즈 및 치수에 의해 결정된다. 투명 케이싱(310)은 유리, 플라스틱 또는 임의의 다른 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 투명 케이싱(310)을 만드는 데 이용될 수 있는 재료의 예는, 유리(예를 들면, 소다 석회 유리), 폴리메틸메트아크릴레이트와 같은 아크릴, 폴리카보네이트, 플루오르 중합체(예를 들면, Tefzel 또는 Teflon), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 테들라(Tedlar), 또는 어떤 다른 적합한 투명 재료를 포함하지만, 이들에 제한되지는 않는다. 아래에서는 투명 케이싱(310)를 만드는 데 이용되는 예시적인 방법을 설명한다. 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 태양 전지가 그 안에 피팅되는 유리 관모양 봉이다. 그 후 태양 전지는 액체 또는 반액체 형태로 케이싱(310) 내에 부어지는 필러 층(330)으로 실링되고, 그에 따라 장치가 실링된다.
1.2.1. 투명 케이싱 제조
일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 중공 성형(blow molding)을 이용하여 제조된다. 중공 성형은 압출되거나 재가열될 수 있는 중합체의 연관(softened tube)의 단부들을 클램핑하고, 그 중합체를 블로우 핀으로 몰드 벽에 대하여 팽창시키고, 그 생성물을 컨테이너 내의 휘발성 유체의 전도 및 증발에 의해 냉각시키는 것을 포함한다. 3가지 일반적인 종류의 중공 성형은 압출 중공 성형, 사출 중공 성형, 및 연신 중공 성형이다. 미국 특허 번호 237168은 중공 성형의 프로세스(예를 들면, 도 6a의 602)를 설명한다. 투명 케이싱(310)을 만드는 데 이용될 수 있는 다른 형태의 중공 성형은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 중공 성형, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중공 성형 및 폴리프로필렌(PP) 중공 성형을 포함한다.
압출 중공 성형(Extrusion blow molding). 도 6a에서 도시된 바와 같이, 압출 중공 성형 방법은 패리슨(Parison)(예를 들면, 도 6a의 602) 및 그 패리슨 상에 닫히는 몰드 하프들(mold halves)(예를 들면, 도 6a의 604)을 포함한다. 압출 중공 성형(EBM)에서는, 재료가 녹아서 속이 빈 관(예를 들면, 도 6a에 도시된 것과 같은 패리슨) 내로 압출된다. 그 후 패리슨은 그것을 냉각된 금속 몰드 내에 가둠으로써 캡처된다. 그 후 패리슨 내로 공기를 주입하여 그것을 속이 빈 병, 컨테이너 또는 부품의 형상으로 팽창시킨다. 재료가 충분히 냉각된 후에, 몰드가 열리고 그 부품이 배출된다.
EBM 프로세스는 패리슨(602)의 연속적인 또는 간헐적인 압출로 이루어진다. EMB 장비의 종류들은 그에 따라서 분류된다. 전형적인 연속 압출 장비는 통상적으로 로터리 휠(rotary wheel) 중공 성형 시스템 및 마무리된 제품을 패리슨으로부터 운반하는 셔틀 머신(shuttle machinery)을 포함한다. 예시적인 간헐 압출 머신은 왕복 스크류 머신 및 어큐뮬레이터 헤드 머신을 포함한다. PP, HDPE, PVC 및 PET 등의 기본 중합체들이 점점 더 많이 EVOH 또는 나일론 등의 높은 배리어의 수지들과 함께 공압출(coextrude)되어 물, 산소, CO2 또는 다른 물질들에 대한 내침투성을 제공한다.
사출 성형에 비하여, 중공 성형은 낮은 압력 프로세스로, 전형적인 블로우 공기 압력은 25 내지 150 psi이다. 이러한 낮은 압력은 경제적인 낮은 힘의 클램핑 스테이션의 생성을 가능하게 하면서도, 고광택으로부터 텍스처(textured)에 이르는 표면 마무리를 갖는 부품들이 생성될 수 있다. 성형된 부품에서의 결과의 낮은 압력은 또한 컨테이너가 변형력 및 환경 응력 크래킹에 내성을 갖게 하는 데 도움이 된다.
사출 중공 성형(Injection blow molding). 도 6b에서 도시된 바와 같이, 사출 중공 성형(1MB)에서는, 재료가 코어 핀(예를 들면, 도 6b의 612) 상에 사출 성형되고; 그 후 코어 핀은 중공 성형 스테이션(예를 들면, 도 6b의 614)으로 회전되어 팽창 및 냉각된다. 이 프로세스는 3개의 단계: 주입(injenction), 블로잉(blowing) 및 배출(ejection)로 나누어진다. 전형적인 IBM 머신은 중합체를 녹이는 압출기 배럴 및 스크류 어셈블리(extruder barrel and screw assembly)에 기초한다. 녹은 중합체는 매니폴드(manifold)로 공급되고 거기서 그것은 노즐을 통하여 속이 빈 가열된 프리폼 몰드(preform mold)(예를 들면, 도 6b의 614) 내로 주입된다. 프리폼 몰드는 외부 형상을 형성하고 맨드릴(mandrel)(코어 로드(core rod), 예를 들면, 도 6b의 612) 주위에 클램프되고, 맨드릴은 프리폼의 내부 형상을 형성한다. 프리폼은 바디를 형성할, 두꺼운 중합체의 관이 부착된 완전히 형성된 병/단지 목 부분으로 이루어진다.
프리폼 몰드가 열리고 코어 로드가 회전되어 속이 빈 냉각된 블로우 몰드 내에 클램프된다. 코어 로드(612)가 열리고 압출된 공기가 프리폼(614) 내로 들어가게 하고, 그것을 완성된 물품 형상으로 팽창시킨다. 냉각 기간 후에 블로우 몰드가 열리고 코어 로드가 배출 위치로 회전된다. 완성된 물품이 코어 로드에서 벗겨지고 포장 전에 누출 검사(leak-test)된다. 프리폼 및 블로우 몰드는 물품 사이즈 및 요구되는 출력에 따라서 다수의 공동(cavity), 전형적으로 3개 내지 16개의 공동을 가질 수 있다. 동시의 프리폼 주입, 블로우 성형 및 배출을 가능하게 하는 3개의 코어 로드 세트가 존재한다.
연신 중공 성형(Stretch blow molding). 도 6c에서 도시된 바와 같이, 연신 중공 성형(SBM) 프로세스에서는, 먼저 사출 성형 프로세스를 이용하여 재료가 "프리폼"(예를 들면, 도 6c의 628)으로 성형된다. 전형적인 SBM 시스템은 연신 블로우 핀(예를 들면, 도 6c의 622), 공기 입구(예를 들면, 도 6c의 624), 몰드 벤트(mold vents)(예를 들면, 도 6c의 626), 프리폼(예를 들면, 도 6c의 628), 및 냉각 채널(예를 들면, 도 6c의 632)을 포함한다. 이 프리폼들은 한쪽 단부에 스레드(threads)("피니시(finish)")를 포함하는 병의 목 부분을 갖고 생성된다. 이 프리폼들은 패키징되고, 냉각 후에, 나중에 EBM 중공 성형 머신 내로 공급된다. SMB 프로세스에서, 프리폼들은 전형적으로 적외선 가열기를 이용하여 그의 유리 전이 온도 위로 가열되고, 그 후 고압력의 공기를 이용하여 금속 블로우 몰드들을 이용하여 병들 내로 부풀어진다. 통상적으로 프리폼은 프로세스의 일부로서 코어 로드를 이용해 연신된다(예를 들면, 도 6c의 위치(630)에서와 같이). PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)와 같은 일부 중합체의 연신은 수지의 변형 경화(strain hardening)의 결과로 나타나고 따라서 병들이 전형적으로 60 psi에 접근하는 탄산 음료에 의해 형성되는 압력에 의한 변형에 저항할 수 있게 된다.
도 6c는 블로우 몰드 내에서 일어나는 것을 보여준다. 프리폼은 먼저 연신 로드(stretch rod)에 의해 기계적으로 연신된다. 로드가 아래로 이동할 때 5 내지 25 바(70 내지 350 psi)의 저압력 공기가 도입되어 '기포(bubble)'를 부풀게 한다. 일단 연신 로드가 완전히 연장되면, 40 바(580 psi)의 고압력 공기가 팽창된 기포를 블로우 몰드의 형상으로 부풀게 한다.
플라스틱 관 제조. 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 유리보다는 플라스틱으로 만들어진다. 그러한 실시예에서 투명 케이싱(310)의 제조는 기본 성형 메커니즘이 여전히 동일하다 하더라도 유리 투명 케이싱과는 상이하다. 전형적인 플라스틱 투명 케이싱 제조 프로세스는 다음의 단계들: 압출(extrusion), 헤딩(heading), 데코레이팅(decorating), 및 캡핑(capping)을 포함하고, 이 중 뒤의 2개의 단계는 선택적이다.
일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 압출 성형을 이용하여 만들어진다. 수지의 혼합물이 압출기 호퍼(extruder hopper) 내에 배치된다. 수지의 적절한 용융을 보장하기 위해 수지가 압출기를 통하여 공급될 때 압출기는 온도 제어된다. 재료는 압출기에 부착된 직각 단면 내에 캡슐화되어 있는 사이징 다이들(sizing dies)의 세트를 통하여 압출된다. 포밍 다이(forming die)는 투명 케이싱(310)의 형상을 제어한다. 형성된 플라스틱 슬리브는 불려진 공기 하에서 또는 수조(water bath) 내에서 냉각되고 이동하는 벨트 상에서 경화된다. 냉각 단계 후에, 형성된 플라스틱 슬리브는 회전 나이프에 의해 주어진 길이로 잘려질 준비가 된다.
포밍 다이는 투명 케이싱(310)의 형상을 제어한다. 도 14에서 도시된 바와 같이, 본 출원에 따른 일부 실시예에서, 포밍 다이는 투명 케이싱(310)의 형상이 태양 전지 유닛(402)의 형상을 보완하도록 맞춤식으로 만들어진다. 포밍 다이는 또한 투명 케이싱(310)의 벽 두께를 제어한다. 본 출원에 따른 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 2 mm 이상, 1 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.3 mm 이상, 또는 0 mm와 3 mm 사이의 임의의 두께의 벽 두께를 갖는다.
한쪽 단부가 열려 있는 투명 케이싱의 제조 동안에, 제조 프로세스의 균형은 2가지 방법 중 하나로 달성된다. 일반적인 방법은 관 상에 헤드(head)를 압축 성형하는 "다운스(downs)" 프로세스이다. 이 프로세스에서, 슬리브는 컨베이이어 상에 배치되고 컨베이어는 그것을 헤딩 작업(heading operation)에 운반하고 그 작업에서는 헤드의 어깨 부분이 관의 바디에 결합되는 한편, 그와 동시에, 스레드가 형성된다. 그 후 슬리브는 맨드릴 상에 배치되고 슬러그 픽업 스테이션(slug pick-up station)으로 전달된다. 핫 멜트 스트립 또는 슬러그(hot melt strip or slug)가 슬리브의 단부 상에 융합되고 그 후 몰드 스테이션 상에 전달된다. 이 시점에서, 하나의 작업에서, 어깨 부분의 모서리(angle), 스레드 및 오리피스(orifice)가 슬리브의 단부에서 성형된다. 그 후 헤드는 냉각되고, 몰드로부터 제거되어, 핀 컨베이어 내로 전달된다. 2가지 다른 헤딩 방법들이 미국에서 이용되고 전세계적으로 널리 발견된다: 슬리브에 헤드를 사출 성형하는 방법, 및 핫 멜트 스트립 또는 슬러그 대신에 녹은 도넛 모양의 수지 재료(molten donut of resin material)가 몰드 스테이션 내에 흘려넣어지는 추가의 압축 성형 방법. 한쪽 단부가 열린 투명 케이싱은 도 3, 4, 7, 8, 9, 10 또는 11에서 도시된 것들과 같은 태양 전지 실시예들을 인케이싱하는 데 적합하다. 양쪽 단부가 열린 플라스틱 관은 도 3 및 15에서 도시된 것과 같은 태양 전지 실시예들을 인케이싱하는 데 이용될 수 있다.
헤딩된 투명 케이싱은 그 후 어큐뮬레이터(accumulator)로 운반된다. 어큐뮬레이터는 헤딩 작업과 데코레이팅 작업의 균형을 맞추도록 설계된다. 여기서부터, 투명 케이싱(310)은 데코레이팅 작업으로 진행할 수 있다. 인쇄를 위한 잉크들이 미리 혼합되어 저장 용기(fountains) 내에 배치된다. 이 시점에서, 잉크는 일련의 롤러들에 의해 플레이트 상에 전달된다. 그 후 플레이트는 고무 블랭킷(rubber blanket)과 접촉하게 되고, 고무 블랭킷은 잉크를 픽업하여 그것을 투명 케이싱(310)의 둘레 상에 전달한다. 관 상의 덜 마른 잉크는 자외선 광 또는 열에 의해 경화된다. 본 출원에 따른 실시예에서는, 컬러 프로세스가 불필요하도록 관 제품들에서 투명성이 요구된다. 그러나, 투명 케이싱(310)에 보호 코팅을 적용하기 위해 유사한 방법이 이용될 수 있다.
데코레이팅 후에, 컨베이어는 관을 캡핑 스테이션에 전달하고 거기서는 고객의 사양에 따라 캡이 적용되어 토크(torque)된다. 이 캡핑 단계는 본 출원의 범위에 대하여 불필요하다.
추가의 유리 제조 방법. 유리는 플라스틱에 대하여 투명 케이싱(310)을 위한 선호되는 재료 선택이다. 그 이유는 유리는 보다 나은 방수성을 제공하므로 보호를 제공하고 태양 전지(402)의 성능을 유지하고 그것의 수명을 연장하는 데 도움이 되기 때문이다. 플라스틱과 유사하게, 유리는 표준 중공 성형 기법들을 이용하여 투명 케이싱(310)으로 만들어질 수 있다. 또한, 태양 전지(402)를 원주로 커버 및/또는 캡슐화하는 적합한 유리 투명 케이싱(310)을 제조하기 위해 주조(casting), 압출 성형(extrusion), 드로잉(drawing), 프레싱(pressing), 열 수축 또는 다른 제조 프로세스 등의 기법들이 적용될 수도 있다. 성형 기법, 특히 미세 제조를 위한 미세 성형 기법들에 대해서는, Madou 저, Fundamentals of Macrofabrication, Chapter 6, pp. 325-379, second edition, CRC Press, New York, 2002; Polymer Engineering Principles; Properties, Process, and Tests for Designs, Hanser Publisher, New York, 1993; 및 Lee 저, Understanding Blow Molding, first edition, Hanser Gardner Publications, Munich, Cincinnati, 2000에서 더 상세히 설명되어 있고, 이 문헌들 각각은 전체적으로 본원에 참고로 통합된다.
1.2.2. 투명 케이싱을 위한 예시적인 재료
유리로 만들어진 투명 케이싱. 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 유리로 만들어진다. 순수한 형태로, 유리는 매우 매끄럽고 불침투성의 표면을 가지고 형성될 수 있는 투명하고, 비교적 강하고, 오래가고(hardwearing), 본질적으로 비활성이고, 생물학적으로 비활성인 재료이다. 본 출원은 투명 케이싱(310)을 만드는 데 이용되는 매우 다양한 유리들을 고려하고, 그 중 일부는 이 섹션에서 설명되고 다른 것들은 관련 기술 분야의 숙련자에게 공지되어 있다. 통상의 유리는 석영, 및 그의 다결정 형태인 모래에서 발견되는 동일한 화학 화합물인 약 70% 비결정질 실리콘 이산화물(SiO2)을 포함한다. 통상의 유리는 본 출원의 일부 실시예에서 투명 케이싱(310)을 만드는 데 이용된다. 그러나, 통상의 유리는 부서지기 쉽고 예리한 파편으로 부서질 것이다. 따라서, 일부 실시예에서는, 다른 화합물을 추가하거나 열처리를 이용하여 통상의 유리의 특성이 수정되거나, 또는 완전히 변경되기도 한다.
순수 실리카(SiO2)는 약 2000℃의 녹는점을 갖고, 특수 용도를 위한 유리(예를 들면, 용융 석영)로 만들어질 수 있다. 처리를 간단하게 하기 위해 2개의 다른 물질이 통상의 유리에 추가될 수 있다. 하나는 녹는점을 약 1000℃까지 낮추는, 소다(탄산 나트륨 Na2cO3), 또는 등가의 칼륨 화합물인 가성 칼륨(potash)이다. 그러나, 소다는 유리를 물에 용해되게 하고, 이는 바람직하지 않으므로, 불용해성을 회복하기 위해 추가되는 제3 화합물이 석회(산화 칼슘, CaO)이다. 결과의 유리는 약 70% 실리카이고 소다 석회 유리(soda-lime glass)라 불린다. 소다 석회 유리는 본 발명의 일부 실시예에서 투명 케이싱(310)을 만드는 데 이용된다.
소다 석회 외에, 대부분의 통상의 유리는 그의 특성을 변경하기 위해 추가된 다른 성분을 갖는다. 납 크리스탈(lead crystal) 또는 플린트 유리(flint glass) 등의 납 유리(lead glass)는 그 증가된 굴절률로 인해 눈에 띄게 더 많은 "번쩍임(sparkles)"이 생기기 때문에 더 많이 '빛나고(brilliant)', 파이렉스(Pyrex)에서와 같이 열 및 전기 특성을 변경하기 위해 붕소가 추가될 수 있다. 바륨을 추가해도 굴절률이 증가한다. 토륨 산화물은 높은 굴절률 및 낮은 분산을 유리에 제공하고, 전에는 고품질 렌즈를 생성하는 데 이용되었지만, 그의 방사능 때문에 최신 유리에서는 란탄 산화물로 대체되었다. 영화 영사기를 위한 열 흡수 필터 등과 같이, 적외선 에너지를 흡수하는 유리에서는 다량의 철이 이용되는 반면, UV 파장(생물학적으로 파괴적인 이온화 방사)을 흡수하는 유리에서는 세륨(IV) 산화물이 이용될 수 있다. 이 추가물들 중 하나 이상을 갖는 유리는 본 발명의 일부 실시예에서 투명 케이싱(310)을 만드는 데 이용된다.
유리 재료의 통상의 예들은, 알루미노실리케이트, 보로실리케이트(예를 들면, Pyrex, Duran, Simax), 다이크로익(dichroic), 게르마늄/반도체, 유리 세라믹, 실리케이트/용융 실리카, 소다 석회, 석영, 칼코겐화물/황화물, 세레네이트(cereated) 유리, 및 플루오르화물 유리를 포함하지만, 이들에 제한되지 않고, 투명 케이싱(310)은 이 재료들 중 임의의 것으로 만들어질 수 있다.
일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 보로실리케이트 유리와 같은 유리 재료로 만들어진다. 보로실리케이트 유리에 대한 상표명은, Pyrex®(Corning), Duran®(Schott Glass), 및 Simax®(Kavalier)를 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다. 대부분의 유리와 마찬가지로, 보로실리케이트 유리의 주요 성분은 SiO2이고 붕소 및 다양한 다른 원소들이 추가된다. 보로실리케이트 유리는 석영 등의 재료보다 열가공(hot work)하기가 보다 용이하여, 제조 비용이 덜 든다. 보로실리케이트 유리를 위한 재료 비용도 용융 석영보다 상당히 낮다. 용융 석영을 제외한 대부분의 유리에 비하여, 보로실리케이트 유리는 낮은 열팽창계수를 갖고, 소다 석회 유리보다는 3배 작다. 이로 인해 보로실리케이트 유리는 열 환경에서 유리하고, 열충격으로 인해 부서질 위험이 없다. 소다 석회 유리와 마찬가지로, 1 mm보다 작은 두께로부터 30 mm보다 큰 두께까지 다양한 두께로 비교적 저비용의 광학 품질 시트 보로실리케이트 유리를 만들기 위해 플로트 프로세스(float process)가 이용될 수 있다. 석영에 대하여, 보로실리케이트 유리는 보다 용이하게 성형 가능하다(moldable). 또한, 보로실리케이트 유리는 성형(molding) 및 화염 작업(flameworking) 시에 최소 탈유리작용(devitrification)을 갖는다. 이는 성형 및 슬럼핑(slumping) 시에 고품질 표면이 유지될 수 있음을 의미한다. 보로실리케이트 유리는 연속적인 사용을 위해 500℃까지 열적으로 안정되다. 보로실리케이트 유리는 또한 가정용 소다 석회 유리보다 비플루오르화(non-fluorinated) 화학 제품에 대해 더 많은 내성이 있고 소다 석회 유리보다 기계적으로 더 강하고 더 단단하다. 보로실리케이트는 통상적으로 소다 석회 유리보다 2배 내지 3배 더 값비싸다.
소다 석회 및 보로실리케이트 유리는 단지 투명 케이싱(310)을 제조하기 위해 유리 재료를 이용할 때 고려하는 다양한 양태들을 설명하기 위한 예로서 주어진다. 이전의 설명은 본 출원의 범위에 어떠한 제한도 부과하지 않는다. 사실, 투명 케이싱(310)은, 예를 들면, 알루미노실리케이트, 보로실리케이트(Pyrex®, Duran®, Simax®), 다이크로익, 게르마늄/반도체, 유리 세라믹, 실리케이트/용융 실리카, 소다 석회, 석영, 칼코겐화물/황화물, 세레네이트 유리, 및 플루오르화물 유리 등의 유리로 만들어질 수 있다.
플라스틱으로 만들어진 투명 케이싱. 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 투명한 플라스틱으로 만들어진다. 플라스틱은 보다 값싼 유리의 대안이다. 그러나, 플라스틱은 일반적으로 열을 받았을 때 덜 안정되고, 덜 유리한 광학 특성을 갖고 분자 물이 투명 케이싱(310)에 침투하는 것을 막지 못한다. 마지막 요소는, 만일 수정되지 않는다면, 태양 전지(402)에 손상을 입히고 그의 수명을 심하게 감소시킨다. 따라서, 일부 실시예에서는, 투명 케이싱(310)이 플라스틱으로 만들어진 경우에 태양 전지(402)에 물이 침투하는 것을 막기 위해 섹션 1.1에서 설명된 방수층이 이용된다.
투명 케이싱(310)을 만들기 위해 매우 다양한 재료가 이용될 수 있고, 그 재료로는, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 퍼플루오로알콕시 플루오로카본(PFA), 나일론/폴리아미드, 교차 결합 폴리에틸렌(PEX), 폴리올레핀, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTEE), 열가소성 공중합체(예를 들면, 에틸렌과 테트라플루오로에틸렌: TEFLON® 모노머들의 중합으로부터 파생되는, ETFE®), 폴리우레탄/우레탄, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), Tygon®, 비닐, 및 Viton®을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
1.2.3. 투명 관 제품의 이용 가능한 상업 공급원
투명 케이싱(310)을 획득하거나 커스텀 제조하는 풍부한 상업 공급원들이 있다. 플라스틱 또는 유리 관을 제조하는 기술은 표준화되었고 커스터마이즈된 플라스틱 또는 유리 관은 다수의 회사로부터 상업적으로 입수 가능하다. 엔지니어링 리소스의 웹 센터인, "clear round plastic or plastic tubing"에 대한 GlobalSpec 데이터에 대한 검색(www.globalspec.com; GlobalSpec Inc., 뉴욕주, 트로이)에 따르면 950개가 넘는 카탈로그 제품들이 나온다. 180개가 넘는 회사들이 전문 파이프, 관, 호스 및 피팅들을 만든다. 예를 들면, Clippard Instrument Laboratory, Inc(오하이오주, 신시내티)는 0.4 mm만큼 얇은 나일론, 우레탄, 또는 플라스틱 폴리우레탄 관을 제공한다. Coast Wire & Plastic Tech, Inc.(캘리포니아주, 카슨)는 SUMIMARKTM이라는 상표 하에 폴리비닐리덴 플루오라이드 투명 원형 플라스틱 관의 포괄적인 라인을 제조한다. 그들의 제품은 0.3 mm만큼 얇은 벽 두께를 갖는다. Parker Hannifin / Fluid Connectors / Parflex Division(오하이오주, 라벤나)는 0.8 mm 또는 1 mm 두께의 비닐, 플라스틱 폴리우레탄, 플리에테르계, 또는 폴리우레탄계 투명 플라스틱 관을 제공한다. 유사한 폴리우레탄 제품들은 Pneumadyne, Inc.(미네소타주, 플리머스)에서도 발견될 수 있다. Saint-Gobain High-Performance Materials(U.S.A)는 또한 0.8 mm 두께의 30개의 Tygon® 관 제품들의 라인을 제공한다. Vindum Engineering, Inc.(캘리포니아주, 산 라몬)는 또한 0.8 mm 두께의 투명한 PFA 테플론 관을 제공한다. NewAge Industries, Inc.(페닐베이니아주, 사우스햄프턴)는 1 mm 이하의 벽 두께를 갖는 63개의 투명 원형 플라스틱 관 제품들을 제공한다. 특히, Sinclair & Rush, Inc.의 분사인 VisiPak Extrusion(미주리주, 아놀드)은 0.5 mm만큼 얇은 투명 원형 플라스틱 관 제품을 제공한다. Cleartec Packaging(미주리주, 세인트 루이스, MOCAP Inc.의 분사)은 0.3 mm만큼 얇은 투명 원형 플라스틱 관 제품을 제조한다.
또한, 다수의 회사들이 훨씬 더 얇은 벽을 갖는 등의 커스터마이즈된 사양을 갖는 투명 원형 플라스틱 또는 유리 관을 제조할 수 있다. 몇몇 예를 들면, Elasto Proxy Inc.(캐나다, Boisbriand), Flex Enterprise, Inc.(뉴욕주, 빅터), Grob, Inc.(위스콘신주, 그래프턴), Mercer Gasket & Shim(뉴저지주, 벨모어), New England Small Tube Corporation(뉴햄프셔주, 리치필드), Precision Extrusion, Inc.(뉴욕주, 글렌 폴스), 및 PSI Urethanes, Inc.(텍사스주, 오스틴) 등이 있다.
1.3. 태양 전지를 투명 케이싱 내에 통합
본원에서는, 산화와 같은 유해 효과를 피하기 위하여 투명 케이싱(310)과 태양 전지(402) 사이의 갭 또는 공간이 제거된다. 따라서, 본원에서는, 투명 케이싱(310)의 내부 벽과 태양 전지(402)의 외부 벽 간에 빈 틈이 없다. 일부 실시예에서는(예를 들면, 도 3b), 물 또는 산소에의 유해 노출로부터 태양 전지 유닛(402)을 밀폐하기 위해 필러 층(330)이 제공된다. 일부 실시예에서는, 태양 전지(402)가 투명 케이싱(310)과 직접 접촉하도록 필러 층(330)이 제거될 수 있다.
일부 실시예에서는, 타이트 피팅 및 양호한 보호를 성취하기 위해 태양 전지(402)의 대응하는 실시예들을 인케이싱하기 위해 유리 또는 플라스틱 또는 다른 적합한 투명 재료로 만들어진 주문 설계된 투명 케이싱(310)이 이용될 수 있다. 도 14는 도 4, 7, 8, 9, 10, 11 및 13에서 도시된 태양 전지 실시예들에 적절한 캡슐화를 제공하는 투명 케이싱(310)의 예시적인 실시예들을 도시한다.
투명 케이싱(310)에 의해 개별적으로 인케이싱된 봉 또는 원통 형상의 태양 전지들(402)은 임의의 형상 및 사이즈의 태양 전지 어셈블리들로 조립될 수 있다. 일부 실시예에서, 어셈블리는 양면 어레이들(400(도 4), 700(도 7), 800(도 8), 900(도 9), 또는 1000(도 10))일 수 있다. 이 복수의 태양 전지들(402)의 수에는 제한이 없다(예를 들면, 10개 이상, 100개 이상, 1000개 이상, 10,000개 이상, 5,000개와 백만 개 사이의 태양 전지(402) 등).
대안적으로는, 개별적으로 캡슐화된 다음에 예를 들면 평면 어레이로 함께 조립되는 대신에, 태양 전지들(402)은 또한 어레이들로서 캡슐화될 수도 있다. 예를 들면, 도 7c에서 도시된 바와 같이, 복수의 투명 케이싱들이 융합된 어레이들로서 제조될 수 있다. 도 7c에서 도시된 것과 같은 어레이 내의 투명 케이싱(310)의 수에는 제한이 없다(예를 들면, 10개 이상, 100개 이상, 1000개 이상, 10,000개 이상, 5,000개와 백만 개 사이의 투명 케이싱(310) 등). 태양 전지 어셈블리는 신장된 태양 전지들(402)(예를 들면 도 4a의 402)을 케이싱들의 어레이 내의 투명 케이싱(310)의 전부 또는 일부 내로 로딩함으로써 더 완성된다.
1.3.1. 필러 층을 갖는 태양 전지를 투명 케이싱 내에 통합
본원에 따른 일부 실시예에서는, 필러 층이 코팅된 태양 전지(402)가 투명 케이싱(310) 내에 조립된다. 본원에 따른 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 태양 전지 유닛들의 조립 동안에 태양 전지(402)의 투명 도전층(412)의 전기 절연, 산화 제거 효과, 방수, 및/또는 물리적 보호의 특성들 중 하나 이상을 포함한다.
본원에 따른 일부 실시예에서, 신장된 태양 전지(402), 선택적인 필러 층(330), 및 투명 케이싱(310)은 도 20a에서 예시된 흡인 로딩 방법을 이용하여 조립된다. 투명 유리, 플라스틱 또는 다른 적합한 재료로 만들어진 투명 케이싱(310)은 한쪽 단부(2002)에서 실링된다. 필러 층(330)을 형성하는 데 이용되는 재료, 예를 들면, 실리콘 겔이 실링된 투명 케이싱(310) 내에 부어진다. 실리콘 겔의 예는 Wacker SilGel® 612(Wacker-Chemie GmbH, 독일, 뮌헨)이다. Wacker SilGel® 612는 부을 수 있는, 부가-경화(pourable, addition-curing), RTV-2 실리콘 고무이고, 이것은 실온에서 부드러운 실리콘 겔로 경화한다. 실리콘 겔의 또 다른 예는 Sylgard® 실리콘 탄성중합체(Dow Corning)이다. 실리콘 겔의 또 다른 예는 Wacker Elastosil® 601(Wacker-Chemie GmbH, 독일, 뮌헨)이다. Wacker Elastosil® 601은 부을 수 있는, 부가-경화, RTV-2 실리콘 고무이다. 도 22를 참조하면, 실리콘들은 유리와 유기 선형 중합체(organic linear polymers) 간의 분자 융합체(molecular hybrid)로 간주될 수 있다. 도 22에서 도시된 바와 같이, R 그룹이 없고 산소만 있다면, 그 구조는 무기 실리카 유리(Q-타입 Si라 불림)이다. 만일 하나의 산소가 R 그룹(예를 들면, 메틸, 에틸, 페닐 등)으로 치환되면, 수지 또는 실세퀴옥산(T-타입 Si) 재료가 형성된다. 이 실세퀴옥산은 Q-타입 재료보다 더 유연성이 있다. 마지막으로, 2개의 산소 원자가 유기 그룹으로 대체되면 매우 유연성 있는 선형 중합체(D-타입 Si)가 획득된다. 도시된 마지막 구조(M-타입 Si)는 3개의 산소 원자가 R 그룹으로 대체되어, 엔드 캡(end cap) 구조로 된다. R 그룹이 추가됨에 따라 백본 체인(backbone chain) 유연성이 증가하기 때문에, 재료들의 탄성률 및 그의 열팽창계수(CTE)도 변한다. 본원의 일부 실시예에서 필러 층을 형성하는 데 이용되는 실리콘은 Q-타입 실리콘, 실세퀴옥산, D-타입 실리콘, 또는 M-타입 실리콘이다. 신장된 태양 전지(402)는 그 후 투명 케이싱(310) 내에 로딩된다. 필러 재료를 위쪽으로 당겨서 태양 전지(402)와 투명 케이싱(310) 간의 공간을 완전히 채우기 위해 투명 케이싱(310)의 열린 단부(2004)에서 선택적인 흡인력이 적용될 수 있다.
본원에 따른 일부 실시예에서, 신장된 태양 전지(402), 필러 층(330), 및 투명 케이싱(310)은 도 20b에서 예시된 압력 로딩 방법을 이용하여 조립될 수 있다. 투명 유리, 플라스틱 또는 다른 적합한 재료로 만들어진 투명 케이싱(310)은 선택적인 필러 층(330)을 형성하는 데 이용되는 선택적인 필러 층 재료(예를 들면, 실리콘 겔)를 포함하는 컨테이너(2008) 내에 딥핑(dip)된다. 신장된 태양 전지(402)는 그 후 투명 케이싱(310) 내에 로딩된다. 필러 재료를 위쪽으로 당겨서 태양 전지(402)와 투명 케이싱(310) 간의 공간을 완전히 채우기 위해 필러 재료 표면(2006)에서 압력이 가해진다.
본원에 따른 또 다른 실시예에서, 신장된 태양 전지(402), 필러 층(330), 및 투명 케이싱(310)은 도 20c에서 도시된 포어-앤드-슬라이드 로딩(pour-and-slide loading) 방법을 이용하여 조립된다. 투명 유리, 플라스틱 또는 다른 적합한 재료로 만들어진 투명 케이싱(310)은 한쪽 단부(2002)에서 실링된다. 필러 재료(예를 들면, 실리콘 겔)를 포함하는 컨테이너(2010)를 이용하여 필러 층 재료를 실링된 투명 케이싱(310) 내에 부으면서 동시에 태양 전지(402)를 투명 케이싱(310) 내로 미끄러져 들어가게 한다. 투명 케이싱(310) 내에 부어지고 있는 필러 재료는 태양 전지(402)와 투명 케이싱(310) 간의 공간을 채운다. 유리하게도, 투명 케이싱(310)의 측면 아래로 부어지고 있는 필러 재료는 슬라이드 로딩 프로세스를 용이하게 하는 윤활 작용을 제공한다.
1.3.2. 선택적인 필러 층이 없는 태양 전지를 투명 케이싱 내에 통합
본원에 따른 일부 실시예에서는, 필러 층(330)이 없는 태양 전지(402) 상에 케이싱(310)이 조립된다. 그러한 실시예에서, 케이싱(310)은 태양 전지(402)와 직접 접촉한다. 태양 전지(402)에 대한 케이싱(310)의 타이트한 패킹(tight packing)은 다음의 방법들 중 하나를 이용하여 성취될 수 있다. 이 섹션에서 설명되는 태양 전지 유닛(300)을 조립하는 방법들은 필러 층(300)으로 인케이싱된 태양 전지(402)에서도 이용될 수 있다.
열수축 로딩( Heat Shrink Loading ). 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 태양 전지(402) 상에 열수축된다. 열수축 방법은 플라스틱 및 유리 양쪽 모두의 투명 케이싱(310)을 형성하는 데 이용될 수 있다. 예를 들면, 폴리올레핀, 플루오로 중합체(PVC, FEP, PTFE, Kynar® PVDF), 염소 처리된(chlorinated) 폴리올레핀(네오프렌)으로 만들어진 열수축가능한 플라스틱 관 및 매우 유연성 있는 탄성중합체(Viton®) 열수축가능한 관이 투명 케이싱(310)을 형성하는 데 이용될 수 있다. 그러한 재료들 중에서, 플루오로 중합체는 용이한 미끄러짐을 위한 증가된 윤활성, 및 향상된 치수 안정성을 위한 낮은 수분 흡수성을 제공한다. 적어도 다음 3가지의 그러한 재료가 상업적으로 입수 가능하다: PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), FEP(플루오르 처리된(fluorinated) 에틸렌 프로필렌) 및 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드, 상표명 Kynar®). 투명한 열수축 플라스틱 관이 이용 가능하다. 일부 실시예에서, 열수축 관은 2:1 내지 3:1의 팽창가능 범위에서 이용 가능하다. 일부 실시예에서, 관 재료의 열수축 비율은 2:1보다 작고, 예를 들면, 플루오르 처리된 에틸렌 프로필렌(FEP)의 경우 1.3:1이다. 다른 실시예에서, 투명 케이싱(310)의 제조에 적합한 열수축 관은 3:1보다 큰 열수축 비율을 가질 수 있다.
투명 케이싱을 제조하기 위한 사출 성형. 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 사출 성형에 의해 태양 전지(402) 상에 원주로 배치될 수 있다. 이 방법에 대한 보다 상세한 설명은 이미 위에 포함되어 있다. 이러한 실시예에서, 태양 전지(402)는 미리 형성된 몰드로서 이용될 수 있고 투명 케이싱(310)(예를 들면, 플라스틱 재료로 만들어진 것)은 태양 전지(402)의 외부 표면 상에 직접 형성된다. 플라스틱 재료는 태양 전지(402)로부터 분자 물을 완전히 밀폐하지 못한다. 물은 태양 전지(402)의 기능을 방해하기 때문에, 태양 전지(402)를 방수성 있게 만드는 것이 중요하다. 태양 전지(310)를 커버하기 위해 플라스틱 투명 케이싱(310)이 이용되는 실시예에서, 이것은 태양 전지(402) 또는 투명 케이싱(310)을 하나 이상의 투명 방수 코팅(340)(도 21)의 층으로 커버함으로써 달성된다. 일부 실시예에서는, 태양 전지 유닛(300)의 기능 수명을 연장하기 위해 태양 전지(402) 및 투명 케이싱(310)의 양쪽 모두가 하나 이상의 투명 방수 코팅(340)의 층으로 코팅된다. 다른 실시예에서는, 태양 전지 효율을 최대화하기 위해 투명 케이싱(310) 상에 선택적인 반반사성 코팅(350)도 배치된다.
액체 코팅에 이은 중합. 일부 실시예에서, 태양 전지(402)는 액체 같은 현탁액(suspension) 또는 수지에 딥핑되고 그 후 촉매 또는 경화제에 노출되어 중합 프로세스를 통하여 투명 케이싱(310)을 형성하게 된다. 그러한 실시예에서, 투명 케이싱(310)을 형성하는 데 이용되는 재료는 실리콘, 폴리-디메틸 실록산(PDMS), 실리콘 겔, 에폭시, 아크릴, 또는 그의 임의의 조합 또는 변종을 포함한다.
1.4. 투명 케이싱 및 선택적인 필러 층에 이용되는 재료들의 광학 및 화학 특성
태양 방사의 입력을 최대화하기 위하여, 태양 전지(402) 외부의 층(예를 들면, 선택적인 필러 층(330) 또는 투명 케이싱(310))은 태양 전지에의 입사 방사의 특성들에 유해하게 영향을 미쳐서는 안 된다. 태양 전지(402)의 효율을 최적화하는 데 고려할 다수의 요소들이 있다. 소수의 중요한 요소들은 태양 전지 제조와 관련하여 상세히 설명될 것이다.
투명성. 태양 전지 흡수층(예를 들면, 반도체 접합(410))에의 최대화된 입력을 확립하기 위해서는, 태양 전지(402) 외부의 임의의 층에 의한 입사 방사의 흡수가 회피되거나 최소화되어야 한다. 이 투명성 요건은 태양 전지(402)의 밑에 있는 반도체 접합(410)의 흡수 특성의 함수로서 변화한다. 일반적으로, 투명 케이싱(310) 및 선택적인 필러 층(330)은 반도체 접합(410)에 의해 흡수되는 파장들에 대하여 가능한 한 투명해야 한다. 예를 들면, 반도체 접합(410)이 CIGS에 기초하는 경우, 투명 케이싱(310) 및 선택적인 필러 층(330)을 만드는 데 이용되는 재료는 500 nm 내지 1200 nm 파장 범위의 광에 대하여 투명해야 한다.
자외선 안정성. 태양 전지(402) 외부의 층을 제조하는 데 이용되는 임의의 재료는 화학적으로 안정되어야 하고, 특히, UV 방사에의 노출 시에 안정되어야 한다. 보다 구체적으로, 그러한 재료는 UV 노출 시에 덜 투명해서는 안 된다. 통상의 유리는 UVA(400 및 300 nm 파장)를 부분적으로 차단하고 UVC 및 UVB(300 nm 미만의 파장)를 완전히 차단한다. 유리의 UV 차단 효과는 통상적으로 유리 내의 부가물, 예를 들면, 나트륨 탄산염 때문이다. 일부 실시예에서, 유리로 만들어진 투명 케이싱(310) 내의 부가물은 케이싱(310)을 완전히 UV 보호로 만들 수 있다. 그러한 실시예에서는, 투명 케이싱(310)이 UV 파장으로부터의 완전한 보호를 제공하기 때문에, 밑에 있는 선택적인 필러 층(330)의 UV 안정성 요건은 감소된다. 예를 들면, 투명 케이싱(310)이 UV 보호 유리로 만들어지는 경우 필러 층(330)을 형성하기 위해 EVA, PVB, TPU(우레탄), 실리콘, 폴리카보네이트, 및 아크릴이 채택될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예에서는, 투명 케이싱(310)이 플라스틱 재료로 만들어지는 경우, UV 안정성 요건이 채택될 수 있다.
UV 방사에 민감한 플라스틱 재료는 일부 실시예에서 투명 케이싱(310)으로서 이용되지 않는데, 그 이유는 그 재료 및/또는 선택적인 필러 층(330)의 황색화(yellowing)가 태양 전지(402)에의 방사 입력을 차단하고 그의 효율을 감소시키기 때문이다. 또한, UV 노출로 인한 투명 케이싱(310)의 크래킹(cracking)은 영구적으로 태양 전지(402)에 손상을 입힌다. 예를 들면, ETFE, 및 THV(Dyneon) 같은 플루오로 중합체들은 UV 안정성이 있는 반면 매우 투명한 반면, PET는 투명하지만 UV 안정성 충분하지 않다. 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 및 비닐리덴 플루오라이드의 모노머들에 기초한 플루오로 중합체로 만들어진다. 또한, 가장 일반적인 합성 재료 중 하나인 폴리비닐 클로라이드("PVC" 또는 "비닐")도 UV 노출에 민감하다. PVC를 UV 안정되게 만드는 방법들이 개발되었지만, UV 안정된 PVC조차도 전형적으로 내구성이 충분하지 않다(예를 들면, PVC 제품의 황색화 및 크래킹은 비교적 단기간 사용에 걸쳐서 일어날 것이다). 우레탄은 보다 적합하지만, 중합체 백본의 정확한 화학적 성질에 따라 달라진다. 우레탄 재료는 중합체 백본이 반응성이 보다 적은 화학 그룹(예를 들면, 지방족 또는 방향족)에 의해 형성되는 경우 안정되다. 한편 중합체 백본이 반응성이 보다 많은 그룹(예를 들면, 이중 결합)으로 형성되는 경우, UV 촉매 작용에 의한 이중 결합의 붕괴의 결과로 재료의 황색화가 일어난다. 유사하게, UV 광의 계속되는 노출 시에 EVA는 황색화할 것이고 PVB도 그럴 것이다. 선택할 수 있는 다른 것은 폴리카보네티트(10년까지의 OD 노출 동안 UV에 대하여 안정될 수 있다) 또는 아크릴(본질적으로 UV 안정성이 있다)이 있다.
반사 특성. 도 21을 참조하면, 입사 광선 L1이 투명 케이싱(310)의 표면을 때린다. 입사 광선 Ll의 일부는 L2로서 반사되는 반면 입사 광선 Ll의 나머지는(예를 들면, 도 21의 회절된 광선 L3으로서) 투명 케이싱(310)을 통하여 이동한다. 본원에 따른 일부 실시예에서, 반사된 광선 L3은 태양 전지(402)의 투명 도전층(412)를 직접 때린다(예를 들면, 선택적인 필러 층(330)이 부재하는 경우). 대안적으로, 도 21에서 도시된 바와 같이, 필러 층(330)이 존재하는 경우, L3은 필러 층(330)의 외부 표면을 때리고, L1이 투명 케이싱(310)을 때릴 때 그랬던 것처럼 반사 및 굴절의 과정이 반복되어, L3의 일부는 필러 층(330) 내로 반사되고 L3의 일부는 필러 층(330)에 의해 굴절된다.
태양 방사의 입력을 최대화하기 위하여, 투명 케이싱(310)의 외부 표면에서의 반사는 일부 실시예에서 최소화된다. 개별 층(350)으로서 또는 방수 코팅(340)과 조합하여, 반반사성 코팅이 투명 케이싱(310)의 외면 상에 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이 반반사성 코팅은 MgF2로 만들어진다. 일부 실시예에서, 이 반반사성 코팅은 실리콘 질산염 또는 티탄 질산염으로 만들어진다. 다른 실시예에서, 이 반반사성 코팅은 하나 이상의 실리콘 일산화물(SiO)의 층으로 만들어진다. 예를 들면, 빛나는 실리콘은 거울로서 작용하여 그것에서 비치는 광의 30% 이상을 반사한다. 단일 SiO 층은 표면 반사를 약 10 퍼센트까지 감소시키고, 제2 SiO 층은 반사를 4 퍼센트 미만으로 낮출 수 있다. 전체적으로 본원에 참고로 통합되는, 미국 특허 번호 6,803,172에서는 다른 유기 반반사성 재료, 특히, 반도체 장치의 표면 또는 그 반도체 장치의 하위 층들로부터의 후방 반사를 방지하고 웨이퍼 상의 하위 층들 및 감광막의 다양한 광학 특성으로 인한 정상파(standing wave) 및 반사성 노칭(reflective notching)을 제거하는 것이 개시되어 있다. 각각이 전체적으로 본원에 참고로 통합되는, 미국 특허 번호 6,689,535; 6,673,713; 6,635,583; 6,784,094; 및 6,713,234에서는 추가적인 반반사성 코팅 재료 및 방법들이 개시되어 있다.
대안적으로, 투명 케이싱(310)의 외부 표면은 반사된 반사를 감소시키기 위해 텍스처될 수 있다. 화학 에칭은 원뿔 및 각뿔의 패턴을 생성하고, 이러한 패턴은 만일 그것이 없다면 전지로부터 멀리 빗나가게 될 수 있는 광선을 캡처한다. 반사된 광은 다시 전지 내로 향하고, 거기서 그것은 흡수될 또 다른 기회를 갖는다. 각각이 전체적으로 본원에 참고로 통합되는, 미국 특허 번호 6,039,888; 6,004,722; 및 6,221,776에서는 에칭에 의해 또는 에칭 및 코팅 기법의 조합에 의해 반반사성 층을 생성하는 재료들 및 방법들이 개시되어 있다.
굴절 특성. 도 21에서 도시된 바와 같이, 입사 광선 L1의 일부는 굴절된 광선 L3으로서 굴절된다. 얼마나 많이 그리고 어느 방향으로 입사 광선 L1이 그의 경로로부터 굴절되는지는 L1 및 L3이 이동하는 매체의 굴절률에 의해 결정된다. 스넬(Snell)의 법칙은 다음을 규정한다:
여기서 
및 
는 2개의 접경하는 매체 1 및 2의 굴절률들이고 
및 
는 각각 입사각 및 굴절각을 나타낸다.
도 21에서, 제1 굴절 과정은 입사 광 L1이 공기로부터 투명 케이싱(310)을 통하여 L3으로서 이동할 때 일어난다. 주위 공기는 1 정도의 굴절률을 갖고(진공 공간은 모든 알려진 재료들 중에서 가장 작은 1의 굴절률을 갖는다), 이는 유리 재료(1.4 내지 1.9의 범위이고 통상적으로 이용되는 재료는 1.5 정도의 굴절률을 갖는다) 또는 플라스틱 재료(1.45 정도)의 굴절률보다 훨씬 작다. 케이싱이 유리로 형성되든 플라스틱으로 형성되든 
는 항상 
보다 훨씬 작기 때문에, 굴절각 
은 항상 입사각 
보다 훨씬 작다. 즉, 입사 광선은 투명 케이싱(310)을 통하여 이동할 때 항상 태양 전지(402) 쪽으로 굴절된다.
필러 층(330)이 존재하는 경우, 광선 L3은 필러 층(330)을 이동할 때 새로운 입사 광선이 된다. 이상적으로, 스넬의 법칙 및 이전의 분석에 따르면, 입사 광선 L3의 굴절된 광선도 태양 전지(402) 쪽으로 굴절되도록 필러 층(330)의 굴절률(도 21에서 
)은 투명 케이싱(310)의 굴절률보다 커야 한다. 이러한 이상적인 상황에서, 투명 케이싱(310) 상의 모든 입사 광선은 2번의 반사 과정 후에 태양 전지(402) 쪽으로 굴절될 것이다. 그러나, 실제로는, 태양 전지(402)를 투명 케이싱(310) 내로 로딩하는 것이 전술한 바와 같이 달성될 수 있도록 선택적인 필러 층(330)은 유체 같은 재료(때때로 매우 점성이 있는 유체 같은 재료이지만)로 만들어진다. 실제로는, 투명 케이싱(310)의 굴절률에 가까운 굴절률을 갖는 필러 재료를 선택함으로써 효율적인 태양 방사 흡수가 달성된다. 일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)을 형성하는 재료는 1.5 정도의 굴절률을 갖는 투명 재료(유리 또는 플라스틱 또는 다른 적합한 재료)를 포함한다. 예를 들면, 용융 실리카 유리는 1.46의 굴절률을 갖는다. 보로실리케이트 유리 재료는 1.45와 1.55 사이의 굴절률을 갖는다(예를 들면, Pyrex® 유리는 1.47의 굴절률을 갖는다). 다양한 양의 납 부가물을 갖는 플린트 유리 재료는 1.5와 1.9 사이의 굴절률을 갖는다. 통상의 플라스틱 재료는 1.46과 1.55 사이의 굴절률을 갖는다.
필러 층(330)을 형성하기 위한 적절한 광학 특성을 갖는 예시적인 재료는 실리콘, 폴리디메틸 실록산(PDMS), 실리콘 겔, 에폭시, 및 아크릴 재료를 더 포함한다. 실리콘계 접착제 및 실링제는 고도의 유연성을 갖기 때문에, 그것들은 다른 에폭시 또는 아크릴 수지의 강도가 부족하다. 투명 케이싱(310), 선택적인 필러 층(330), 선택적인 반반사성 층(350), 방수층(340), 또는 그의 임의의 조합은 태양 전지(402) 효율을 최대화하고 유지하고, 물리적 지지를 제공하고, 태양 전지 유닛들(402)의 수명을 연장시키기 위해 패키지를 형성한다.
일부 실시예에서는, 투명 케이싱(310)을 형성하기 위해 유리, 플라스틱, 에폭시 또는 아크릴 수지가 이용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 선택적인 반반사성(350) 및/또는 선택적인 방수 코팅(340)이 투명 케이싱(310) 상에 원주로 배치된다. 일부 그러한 실시예에서, 필러 층(330)은 실리콘 겔과 같이 더 부드럽고 더 유연성 있는 광학적으로 적합한 재료에 의해 형성된다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 실리콘계 접착제 또는 실링제 등의 실리콘 겔에 의해 형성된다. 일부 실시예에서, 필러 층(330)은 GE RTV 615 실리콘에 의해 형성된다. RTV 615는 중합을 위한 도화선으로서 SS4120을 필요로 하는 광학적으로 투명한, 2-부분 유동성 있는(two-part flowable) 실리콘 제품이다. (RTV615-1P), 둘 다 General Electric(코네티컷주, 페어차일드)으로부터 입수 가능하다. 실리콘계 접착제 또는 실링제는 강인한 실리콘 탄성 기술에 기초한다. 접착제 및 실링제 등의 실리콘계 재료의 특성은 3가지 요소: 수지 혼합 비율, 내열 수명(potting life) 및 경화 조건에 의해 제어된다.
유리하게도, 실리콘 접착제는 고도의 유연성 및 매우 높은 온도 내성(600℉까지)을 갖는다. 실리콘계 접착제 및 실링제는 고도의 유연성을 갖는다. 실리콘계 접착제 및 실링제는 다수의 기술(또는 경화 시스템)에서 입수 가능하다. 이 기술들은 감압(pressure sensitive), 방사 경화(radiation cured), 수분 경화(molsture cured), 열경화 및 실온 가황(room temperature vulcanizing)(RTV)를 포함한다. 일부 실시예에서, 실리콘계 실링제는 2-성분 추가 또는 축합 경화 또는 단일 성분(RTV) 형태들을 이용한다. RTV 형태들은 공기 중의 수분과의 반응을 통하여 쉽게 경화하고 경화 동안에 산 가스(acid fumes) 또는 다른 부산물을 방출한다.
감압 실리콘 접착제는 매우 약한 압력으로 대부분의 표면에 부착하고 그의 들러붙는 성질을 유지한다. 이러한 타입의 재료는 적극적으로 및 영구적으로 들러붙는 점탄성 결합을 형성하고, 손가락 또는 손 압력 이상의 필요 없이 부착한다. 일부 실시예에서는, 실리콘계 접착제를 경화시키기 위해 방사가 이용된다. 일부 실시예에서는, 실링제의 경화를 개시하기 위해 자외선 광, 가시광 또는 전자선(electron beam) 조사가 이용되고, 이는 가열 또는 과도한 열 생성 없이 영구적인 결합을 가능하게 한다. UV계 경화는 하나의 기판이 UV에 투명할 것을 요구하는 반면, 전자선은 UV 광에 불투명한 재료를 관통할 수 있다. 수분 또는 물 경화 메커니즘에 기초한 소정의 실리콘 접착제 및 시아노아크릴레이트는 태양 전지(402)의 적절한 기능에 영향을 미치지 않고 태양 전지(402)의 적절히 부착된 추가의 반응 물질을 요구할 수 있다. 열경화 실리콘 접착제 및 실리콘 실링제는 열 또는 열과 압력을 이용하여 경화되는 교차 결합된 중합체 수지이다. 경화된 열경화 수지는 가열될 때 녹아서 흐르지는 않지만, 부드러워질 수 있다. 가황은 가황제(vulcanizing agent)와 함께 열 및/또는 압력의 이용을 수반하는 열경화 반응으로, 고무 같은 재료에서 강도, 안정성 및 탄성이 크게 증가되는 결과를 가져온다. RTV 실리콘 고무는 실온 가황 재료이다. 가황제는 교차 결합 화합물 또는 촉매이다. 본원에 따른 일부 실시예에서는, 전통적인 가황제로서 황이 추가된다.
예를 들면, 일부 실시예예서, 선택적인 필러 층(330)이 부재하는 경우, 투명 케이싱(310)을 바로 형성하기 위해 태양 전지(402) 위에 바로 에폭시 또는 아크릴 재료가 적용될 수 있다. 그러한 실시예에서는, 합리적인 기간의 사용 시간에 걸쳐서 효율적인 동작을 보증하기 위해 유리가 아닌 투명 케이싱(310)에도 방수성 및/또는 반반사성 특성이 갖추어지도록 주의한다.
전기 절연. 일부 실시예에서 투명 케이싱(310) 및 선택적인 필러 층(330)의 특성은 전기 절연이다. 일부 실시예에서는, 투명 케이싱(310) 또는 선택적인 필러 층(330)을 형성하기 위해 도전성 재료가 이용된다.
치수 요건. 일부 실시예에서 태양 전지(402) 외부의 층들 각각의 조합된 폭(투명 케이싱(310) 및/또는 선택적인 필러 층(330)의 조합)은 다음과 같다:
여기서, 도 3b를 참조하여,
전술한 바와 같이, 투명 케이싱(310) 및/또는 선택적인 필러 층(330)을 만드는 데 이용되는 재료들의 전부는 아니지만 다수의 굴절률은 약 1.5이다. 따라서, 전형적인 실시예에서, 1.5*ri보다 작은 ro의 값이 허용 가능하다. 이러한 제약은 투명 케이싱(310) 및/또는 선택적인 필러 층(330)의 조합에 대한 허용 가능한 두께에 한계를 정한다.
1.3.5. 투명 케이싱을 형성하는 추가 방법들
일부 실시예에서, 투명 케이싱(310)은 스핀 코팅, 딥 코팅(dip coating), 플라스틱 스프레잉, 주조(casting), 닥터 블레이드 또는 테이프 주조(Doctor's blade or tape casting), 글로우 방전 중합, 또는 UV 경화에 의해 밑에 있는 층 상에 형성된다(예를 들면, 투명 도전층(412), 필러 층(330) 또는 방수층 상에 형성된다). 이들 기법들은 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Madou 저, Fundamentals of Microfabricaton, Chapter 3, pp. 159-161, second edition, CRC Press, New York, 2002에서 상세히 설명되어 있다. 주조는 투명 케이싱(310)이 아크릴 또는 폴리카보네이트로 형성되는 경우에 특히 적합한다. UV 경화는 투명 케이싱(310)이 아크릴로 형성되는 경우에 특히 적합하다.
2. 예시적인 반도체 접합
도 5a를 참조하여, 일 실시예에서, 반도체 접합(410)은 후방 전극(404) 상에 배치된 흡수재 층(502)과, 흡수재 층(502) 상에 배치된 접합 파트너 층(504) 간의 이질접합이다. 흡수재 층(502) 및 접합 파트너 층(504)은 접합 파트너 층(504)이 흡수재 층(502)보다 더 큰 밴드 갭을 갖도록 상이한 밴드 갭 및 전자 친화력을 갖는 상이한 반도체 재료들로 구성된다. 일부 실시예에서, 흡수재 층(502)은 p-도핑되고 접합 파트너 층(504)은 n-도핑된다. 그러한 실시예에서, 투명 도전층(412)은 n+-도핑된다. 대안 실시예에서, 흡수재 층(502)은 n-도핑되고 접합 파트너 층(504)은 p-도핑된다. 그러한 실시예에서, 투명 도전층(412)은 p+-도핑된다. 일부 실시예에서는, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Pandey 저, Handbook of Semiconductor Electrodepositon, Marcel Dekker Inc, 1996, Appendix 5에서 열거된 반도체들이 반도체 접합(410)을 형성하는 데 이용된다.
2.1. 구리 인듐
디셀레나이드
및 다른 타입의 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 재료에 기초한
박막 반도체 접합
계속해서 도 5a를 참조하여, 일부 실시예에서, 흡수재 층(502)은 구리 인듐 디셀레나이드(CuInSe2; CIS로도 알려짐)와 같은 그룹 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2 화합물이다. 일부 실시예에서, 흡수재 층(502)은 다음과 같은 화합물들이 존재하는 것으로 알려졌을 때 p-타입 또는 n-타입의 CdGeAs2, ZnSnAs2, CuInTe2, AlInTe2, CuInSe2, CuGaTe2, ZnGeAs2, CdSnP2, AgInSe2, AgGaTe2, CuInS2, CdSiAs2, ZnSnP2, CdGeP2, ZnSnAs2, CuGaSe2, AgGaSe2, AgInS2, ZnGeP2, ZnSiAs2, ZnSiP2, CdSiP2, 또는 CuGaS2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 그룹 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2 3원 화합물이다.
일부 실시예에서, 접합 파트너 층(504)은 CdS, ZnS, ZnSe, 또는 CdZnS이다. 일 실시예에서, 흡수재 층(502)은 p-타입 CIS이고 접합 파트너 층(504)은 n-타입 CdS, ZnS, ZnSe, 또는 CdZnS이다. 그러한 반도체 접합(410)은 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Bube 저, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London의 Chapter 6에서 설명되어 있다.
일부 실시예에서, 흡수재 층(502)은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(CIGS)이다. 그러한 층은 또한 Cu(InGa)Se2로도 알려져 있다. 일부 실시예에서, 흡수재 층(502)은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(CIGS)이고 접합 파트너 층(504)은 CdS, ZnS, ZnSe, 또는 CdZnS이다. 일부 실시예에서, 흡수재 층(502)은 p-타입 CIGS이고 접합 파트너 층(504)은 n-타입 CdS, ZnS, ZnSe, 또는 CdZnS이다. 그러한 반도체 접합(410)은 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2003, Lugue 및 Hegedus 공저(편집자), Wiley & Sons, West Sussex, England, Chapter 12의 Chapter 13에서 설명되어 있다. 일부 실시예에서, CIGS는 Beck 및 Britt 공저, Final Technical Report, 2006년 1월, NREL/SR-520-39119; Delahoy 및 Chen 공저, 2005년 8월, "Advanced CIGS Photovoltaic Technology," subcontract report; Kapur 외 공저, 2005년 1월 subcontract report, NREL/SR-520-372841, "Lab to Large Scale Transition for Non-Vacuum Thin Film CIGS Solar Cells"; Simpson 외 공저, 2005년 10월 subcontract report, "Trajectory-Oriented and Fault-Tolerant-Based Intel1igent Process Control for Flexible CIGS PV Module Manufacturing," NREL/SR-520-38681; 및 Ramanathan 외 공저, 31th IEEE Photovoltaics Specialists Conference and Exhibition, Lake Buena Vista, Florida, January 3-7, 2005에서 개시된 기법들을 이용하여 증착되고, 상기 문헌들 각각은 전체적으로 본원에 참고로 통합된다.
일부 실시예에서 CIGS 흡수재 층(502)은 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Ramanthan 공저, 2003, "Properties of 19.2% Efficiency ZnO/CdS/CuInGaSe2 Thin-Film Solar Cells," Progress in Photovoltaics: Research and Applications 11, 225에서 설명된 3 단계 프로세스에 따라서 원소 공급원으로부터의 증발에 의해 몰리브덴 후방 전극(404) 상에 성장된다. 일부 실시예에서 층(504)은, 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Ramanathan 외 공저, Conference Paper, "CIGS Thin-Film Solar Research at NREL: FYO4 Results and Accomplishments," NREL/CP-520-37020, January 2005에서 설명된 것과 같은 ZnS(O,OH) 버퍼 층이다.
일부 실시예에서, 층(502)은 두께가 0.5 ㎛와 2.0 ㎛ 사이이다. 일부 실시예에서, 층(502) 내의 Cu/(In+Ga)의 조성 비율은 0.7과 0.95 사이이다. 일부 실시예에서, 층(502) 내의 Ga/(In+Ga)의 조성 비율은 0.2와 0.4 사이이다. 일부 실시예에서 CIGS 흡수재는 <110> 결정 방위를 갖는다. 일부 실시예에서 CIGS 흡수재는 <112> 결정 방위를 갖는다. 일부 실시예에서 CIGS 흡수재는 랜덤하게 배향된다.
2.2. 비결정질 실리콘 또는 다결정 실리콘에 기초한 반도체 접합
일부 실시예에서, 도 5b를 참조하면, 반도체 접합(410)은 비결정질 실리콘을 포함한다. 일부 실시예에서는, n/n 타입 이질접합이 존재한다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 층(514)은 SnO2(Sb)를 포함하고, 층(512)은 도핑되지 않은 비결정질 실리콘을 포함하고, 층(510)은 n+ 도핑된 비결정질 실리콘을 포함한다.
일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 p-i-n 타입 접합이다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 층(514)은 p+ 도핑된 비결정질 실리콘이고, 층(512)은 도핑되지 않은 비결정질 실리콘이고, 층(510)은 n+ 비결정질 실리콘이다. 그러한 반도체 접합은 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Bube 저, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London의 Chapter 3에서 설명되어 있다.
본원의 일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 박막 다결정에 기초한다. 도 5b를 참조하면, 그러한 실시예에 따른 하나의 예에서, 층(510)은 p-도핑된 다결정 실리콘이고, 층(512)은 공핍된(depleted) 다결정 실리콘이고 층(514)은 n-도핑된 다결정 실리콘이다. 그러한 반도체 접합들은 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Green 저, Silicon Solar Cells: Advanced Principles & Practice, Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, Sydney, 1995; 및 Bube 저, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London, pp. 57-66에서 설명되어 있다.
본원의 일부 실시예에서는, 비결정질 Si:H 태양 전지 내의 p-타입 미세결정 Si:H 및 미세결정 Si:C:H에 기초한 반도체 접합들(410)이 이용된다. 그러한 반도체 접합은 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Bube 저, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London, pp 66-67, 및 본원에서 인용된 참고 문헌들에서 설명되어 있다.
본원의 일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 탠덤 접합(tandem junction)이다. 탠덤 접합에 대해서는, 예를 들면, Kim 외 공저, 1989, "Lightweight (AlGaAs)GaAs/CuInSe2 tandem junction solar cells for space applications," Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE Volume 4, Issue 11, Nov. 1989 Page(s):23-32; Deng 저, 2005, "Optimization of a-SiGe based triple, tandem and single-junction solar cells, Photovoltaic Specialists Conference, 2005 Conference Record of the Thirty-first IEEE 3-7 Jan. 2005 Page(s):1365-1370; Arya 외 공저, 2000, "Amorphous silicon based tandem junction thin-film technology: a manufacturing perspective," Photovoltaic Specialists Conference, 2000. Conference Recond of the Thirty-Eighth IEEE 15-22 Sept. 2000 Page(s):1433-1436; Hart 저, 1988, "High altitude current-voltage measurement of GaAs/Ge solar cells," Photovoltaic Specialists Conference, 1988, Conference Recond of the Twentieth IEEE 26-30 Sept. 1988 Page(s):764-765 vol.1; Kim 저, 1988, "High efficiency GaAs/CuInSe2 tandem junction solar cells," Photovoltaic Specialists Conference, 1988 Conference Recond of the Twentieth IEEE 26-30 Sept. 1988 Page(s): 457-461 vol.1; Mitchell 저, 1988, "Single and tandem junction CuInSe2 Cell and module technology," Photovoltaic Specialists Conference, 1988., Conference Recond of the Twentieth IEEE 26-30 Sept. 1988 Page(s):1384-1389 vol.2; 및 Kim 저, 1989, "High specific power (AlGaAs)GaAs/CuInSe2 tandem junction solar cells for space applications," Energy Conversion Engineering Conference, 1989, IECEC-89, Proceedings of the 24th Intersociety 6-11 Aug. 1989 Page(s):779-784 vol.2에서 설명되어 있고, 상기 각 문헌은 전체적으로 본원에 참고로 통합된다.
2.3. 갈륨 비화물 및 다른 타입 Ⅲ-Ⅴ 재료에 기초한 반도체 접합
일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 갈륨 비화물(GaAs) 및 InP, AlSb, 및 CdTe 등의 다른 Ⅲ-Ⅴ 재료에 기초한다. GaAs는 1.43 eV의 밴드 갭을 갖고 약 2 미크론의 두께에서 AMI 방사의 97%를 흡수할 수 있는 직접 밴드 갭(direct-band gap) 재료이다. 본원의 반도체 접합(410)으로서 기능할 수 있는 적합한 타입 Ⅲ-Ⅴ 접합에 대해서는, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Bube 저, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London의 Chapter 6에서 설명되어 있다.
또한, 일부 실시예에서 반도체 접합(410)은, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Gee 및 Virshup 저, 1988, 20th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, IEEE Publishing, New York, p. 754에서 기술된 것과 같은 GaAs/Si 기계적으로 적층된 다중접합 등의 혼성 다중접합 태양 전지(hybrid multijunction solar cell), 및 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Stanbery 외 공저, 19th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, IEEE Publishing, New York, p. 2801, 및 Kim 외 공저, 20th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, IEEE Publishing, New York, p. 1487에서 기술된 GaAS 박막 상부 전지 및 ZnCds/CuInSe2 박막 하부 전지로 이루어진 GaAs/CuInSe2 MSMJ 4-단자 디바이스이다. 다른 혼성 다중접합 태양전지에 대해서는, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Bube 저, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London, pp. 131-132에서 설명되어 있다.
2.4. 카드뮴 텔루르화물 및 다른 타입 Ⅱ-Ⅵ 재료에 기초한 반도체 접합
일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 n-타입 또는 p-타입 형태로 준비될 수 있는 Ⅱ-Ⅵ 화합물에 기초한다. 따라서, 도 5c를 참조하여, 일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 층들(520 및 540)이 다음의 표에서 임의의 조합 또는 그의 합금들인 p-n 이질접합이다.
| 층(520) | 층(540) |
| n-CdSe | p-CdTe |
| n-ZnCdS | p-CdTe |
| n-ZnSSe | p-CdTe |
| p-ZnTe | n-CdSe |
| n-CdS | p-CdTe |
| n-CdS | p-ZnTe |
| p-ZnTe | n-CdTe |
| n-ZnSe | p-CdTe |
| n-ZnSe | p-ZnTe |
| n-ZnS | p-CdTe |
| n-ZnS | p-ZnTe |
Ⅱ-Ⅵ 화합물에 기초한 반도체 접합(410)을 제조하는 방법에 대해서는, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Bube 저, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London의 Chapter 4에서 설명되어 있다.
2.5. 결정 실리콘에 기초한 반도체 접합
박막 반도체 막들로 만들어지는 반도체 접합(410)이 선호되지만, 본원은 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 결정 실리콘에 기초한다. 예를 들면, 도 5d를 참조하여, 일부 실시예에서, 반도체 접합(410)은 p-타입 결정 실리콘(540)의 층 및 n-타입 결정 실리콘(550)의 층을 포함한다. 결정 실리콘 반도체 접합(410)을 제조하는 방법에 대해서는, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Bube 저, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London의 Chapter 2에서 설명되어 있다.
3. 알베도 실시예
본원의 태양 전지 디자인은 전체 원주 표면을 통하여 광을 수집할 수 있기 때문에 유리하다. 따라서, 본원의 일부 실시예에서, 이 태양 전지 어셈블리들(예를 들면, 태양 전지 어셈블리(400, 700, 800, 900 등))은 태양 전지 어셈블리 둘레의 표면이 얼마간의 양의 알베도를 갖는 반사 환경에서 배치된다. 알베도는 표면 또는 바디의 반사율의 측정치이다. 그것은 입사된 양에 대한 반사된 전자기 방사(EM 방사)의 비율이다. 이 분수는 통상적으로 0%에서 100%까지의 백분율로서 표현된다. 일부 실시예에서는, 본원의 태양 전지 어셈블리 부근의 표면들에 반사성 백색을 페인팅함으로써 그 표면들이 높은 알도베를 갖도록 준비된다. 일부 실시예에서는, 높은 알도베를 갖는 다른 재료가 이용될 수 있다. 예를 들면, 그러한 태양 전자 주위의 일부 재료의 알도베는 90 퍼센트에 접근하거나 90 퍼센트를 초과한다. 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Boer 저, 1977, Solar Energy 19, 125를 참조한다. 그러나, 임의의 양(예를 들면, 5 퍼센트 이상, 10 퍼센트 이상, 20 퍼센트 이상)의 알도베를 갖는 표면도 본원의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 본원의 태양 전지 어셈블리들은 자갈 표면 위쪽에 열을 지어서 배열되고, 여기서 자갈은 그의 반사 특성을 향상시키기 위해 백색으로 페인팅된다. 일반적으로, 높은 알도베 표면을 제공하기 위해 램버트(Lambertian) 또는 확산 반사기 표면이 이용될 수 있다.
예로서, 본원의 일부 실시예에서, 본원의 양면 태양 전지 어셈블리들(패널들)은 제1 및 제2 면을 갖고 북반구에서는 남쪽으로 향하여(또는 남반구에서는 북쪽으로 향하여) 열을 지어서 배치된다. 각각의 패널들은 지면에서 얼마간의 거리 위쪽(예를 들면 지면에서 100 cm 위쪽)에 배치된다. 패널들 간의 동서 분리(East-West separation)는 패널들의 전체 치수에 얼마간 의존한다. 단지 예로서, 약 106 cm x 44 cm의 전체 치수를 갖는 패널들은 그 패널들 간의 동서 분리가 10 cm와 50 cm 사이가 되도록 열을 지어서 배치된다. 하나의 특정 실시예에서 패널들 간의 동서 분리는 25 cm이다.
일부 실시예에서, 패널들의 열들 내의 패널들의 중심점은 지면으로부터 0.5 미터와 2.5 미터 사이이다. 하나의 특정 예에서, 패널들의 중심점은 지면으로부터 1.55 미터이다. 패널들의 열들 간의 북남 분리(North-South separation)는 패널들의 치수에 의존한다. 예로서, 패널들이 약 106 cm x 44 cm의 전체 치수를 갖는 하나의 특정 예에서, 북남 분리는 2.8 미터이다. 일부 실시예에서, 북남 분리는 0.5 미터와 5 미터 사이이다. 일부 실시예에서, 북남 분리는 1 미터와 3 미터 사이이다.
일부 실시예에서는, 반사 환경에서 배치되어 있는 태양 전지들의 열들 내의 태양 전지들의 최적의 수평 기울기 및 동서 분리를 계산하기 위하여, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Lorenzo 외 공저, 1985, Solar cells 13, pp. 277-292에서 제안된 것과 같은 태양 패널들에 의해 수신된 태양광의 양을 계산하는 모델들이 이용된다. 일부 실시예에서는 알베도 효과를 이용하고 태양 전지 어셈블리에 입력되는 광을 강화하기 위해 태양 전지 어셈블리에서 내부 또는 외부 반사기들이 구현된다. 내부 반사기(예를 들면, 반사기(1404))의 예시적인 실시예는 도 16에서 도시된다. 본원과 관련하여 이용될 수 있는 알베도 표면에 대한 더 많은 설명은 전체적으로 본원에 참고로 통합된 미국 특허 출원 번호 l1/315,523에서 개시되어 있다.
4. 이중층 코어 실시예
본원의 태양 전지(402)의 도전성 코어(404)가 균일한 도전성 재료로 만들어지는 본원의 실시예들이 개시되었다. 본원은 이러한 실시예들에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 도전성 코어(404)는 사실 내부 코어 및 외부 도전성 코어를 갖는다. 그러한 실시예에서 내부 코어는 기판(403)이라고 불릴 수 있는 반면 외부 코어는 후방 전극(404)이라고 불릴 수 있다. 그러한 실시예에서, 외부 도전성 코어는 기판(403) 상에 원주로 배치된다. 그러한 실시예에서, 기판(403)은 전형적으로 비도전성인 반면 외부 코어는 도전성이다. 기판(403)은 본원의 다른 실시예들과 일관성 있는 신장된 형상을 갖는다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 전기 도전성 비금속 재료이다. 그러나, 본원은 기판(403)이 전기 도전성인 실시예들에 제한되지 않는다. 이는 외부 코어가 전극으로서 기능할 수 있기 때문이다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 관(예를 들면, 유리 관)이다.
일부 실시예에서, 기판(403)은 폴리벤즈아미다졸(예를 들면, 텍사스주, 샤이너, Boedeker Plastics, Inc.로부터 입수 가능한 Celazole®)과 같은 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서, 내부 코어는 폴리이미드(예를 들면, 델라웨어주, 윌밍턴, DuPontTM Vespel®, 또는 DuPontTM Kapton®)로 만들어진다. 일부 실시예에서, 내부 코어는 Boedeker Plastics, Inc.로부터 입수 가능한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테트에테르케톤(PEEK)으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 폴리아미드-이미드(예를 들면, 조오지아주, 알파레타, Solvay Advanced Polymers, Torlon® PAI)로 만들어진다.
일부 실시예에서, 기판(403)은 유리계 페놀릭으로 만들어진다. 페놀릭 래미네이트들은 합성 열경화성 수지가 주입된 종이, 캔버스, 리넨 또는 유리 천의 층들에 열과 압력을 가함으로써 만들어진다. 열과 압력이 그 층들에 가해질 때, 화학 반응(중합)이 그 개별 층들을 다시 부드러워질 수 없는 "고정된(set)" 형상을 갖는 단일 래미네이트 재료로 변형시킨다. 그러므로, 이러한 재료들은 "열경화성 수지(thermosets)"라고 불린다. 소정의 범위를 갖는 기계, 열, 및 전기 특성을 갖는 열경화성 수지 재료를 제조하기 위해 다양한 수지 타입 및 천 재료들이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 G-3, G-5, G-7, G-9, G-10 또는 G-11의 NEMA 등급을 갖는 페놀릭 래미네이트이다. 예시적인 페놀릭 래미네이트는 Boedeker Plastic, Inc.로부터 입수 가능하다.
일부 실시예에서, 기판(403)은 폴리스티렌으로 만들어진다. 폴리스티렌의 예는, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Mark 저, Standard Handbook for Mechanical Engineers, ninth edition, 1987, McGraw-Hill, Inc., p. 6-174에서 상세 설명된 하이 임팩트 폴리스티렌 및 범용 폴리스티렌를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 기판(403)은 교차 결합된 폴리스티렌으로 만들어진다. 교차 결합된 폴리스티렌의 일례는 Rexolite®(C-Lec Plastics, Inc)이다. Rexolite는 열경화성 수지로, 특히 폴리스티렌을 디비닐벤젠과 교차 결합시켜 생성된 단단하고 반투명의 플라스틱이다.
또 다른 실시예에서, 기판(403)은 폴리카보네이트로 만들어진다. 그러한 폴리카보네이트는 재료의 열팽창계수뿐만 아니라, 인장 강도, 단단함, 압축 강도를 조정하기 위하여 변화하는 양의 유리 섬유를 가질 수 있다(예를 들면, 10%, 20%, 30%, 또는 40%). 예시적인 폴리카보네이트는 Boedeker Plastic, Inc.로부터 입수 가능한, Zelux® M 및 Zelux® W이다.
일부 실시예에서, 기판(403)은 폴리에틸렌으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 또는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW PE)으로 만들어진다. HDPE의 화학 특성은, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Mark 저, Standard Handbook for Mechanical Engineers, ninth edition, 1987, McGraw-Hill, Inc. p. 6-173에서 설명되어 있다. 일부 실시예에서, 기판(403)은 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리테트라플루오로-에틸렌(Teflon), 폴리메트아크릴레이트(루사이트(lucite) 또는 플렉시글라스(plexiglass)), 나일론 6,6, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트, 경질 비닐(ridig vinyl), 가소화 비닐(plasticized vinyl), 또는 폴리프로필렌으로 만들어진다. 이들 재료의 화학 특성은, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Mark 저, Standard Handbook for Mechanical Engineers, ninth edition, 1987, McGraw-Hill, Inc. p. 6-172 내지 1-175에서 설명되어 있다.
기판(403)을 형성하는 데 이용될 수 있는 추가의 예시적인 재료는, Modern Plastics Encyclopedia, McGraw-Hill; Reinhold Plastics Applications Series, Reinhold Roff, Fibers, Plastics and Rubbers, Butterworth; Lee 및 Neville 공저, Epoxy Resins, McGraw-Hill; Bilmetyer 저, Textbook of Polymer Science, Interscience; Schmidt 및 Marlies 공저, Principles of high polymer theory and practice, McGraw-Hill; Beadle(편집자), Plastics, Morgan-Grampiand, Ltd., 2 vols. 1970; Tobolsky 및 Mark(편집자들), Polymer Science and Materials, Wiley, 1971; Glanville 저, The Plastic's Engineer's Data Book, Industrial Press, 1971; Mohr(편집자 및 상위 저자), Oleesky, Shook, 및 Meyers 공저, SPI Handbook of Technology and Engineering of Reinforced Plastics Composites, Van Nostrand Reinhold, 1973에서 발견되고, 상기 각 문헌은 전체적으로 본원에 참고로 통합된다.
일반적으로, 외부 코어는 무시할 만한 저항성 손실로 태양 전지에 의해 생성된 광전지 전류를 유지할 수 있는 임의의 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서, 외부 코어는 알루미늄, 몰리브덴, 강철, 니켈, 은, 금, 또는 그의 합금 등의 임의의 도전성 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서, 외부 코어는 금속-, 그래파이트-, 카본 블랙-, 또는 초전도성 카본 블랙-충전된 산화물, 에폭시, 유리, 또는 플라스틱으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 외부 코어는 도전성 플라스틱으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 이 도전성 플라스틱은 필러의 필요 없이 본질적으로 도전성이다. 일부 실시예에서, 내부 코어는 도전성 재료로 만들어지고 외부 코어는 몰리브덴으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 내부 코어는 유리 봉 등의 비도전성 재료로 만들어지고, 외부 코어는 몰리브덴으로 만들어진다.
5. 예시적인 치수
본원은 광범위한 치수 범위 내에 드는 임의의 치수를 갖는 태양 전지 어셈블리들을 포함한다. 예를 들면, 도 4b를 참조하여, 본원은 1 cm와 50,000 cm 사이의 길이 
및 1 cm와 50,000 cm 사이의 폭 
를 갖는 태양 전지 어셈블리들을 포함한다. 일부 실시예에서, 태양 전지 어셈블리들은 10 cm와 1,000 cm 사이의 길이 
및 10 cm와 1,000 cm 사이의 폭 
를 갖는다. 일부 실시예에서, 태양 전지 어셈블리들은 40 cm와 500 cm 사이의 길이 
및 40 cm와 500 cm 사이의 폭 
를 갖는다.
도 3a에서 예시된 바와 같이, 태양 전지(300)는 그의 단면의 폭에 비하여 큰 길이 
을 갖는다. 일부 실시예에서, 태양 전지(300)는 10 밀리미터(mm)와 100,000 mm 사이의 길이 
및 3 mm와 10,000 mm 사이의 폭 
를 갖는다. 일부 실시예에서, 태양 전지(300)는 10 mm와 5,000 mm 사이의 길이 
및 10 mm와 1,000 mm 사이의 폭 
를 갖는다. 일부 실시예에서, 태양 전지(300)는 40 mm와 15000 mm 사이의 길이 
및 10 mm와 50 mm 사이의 폭 
를 갖는다.
일부 실시예에서, 태양 전지(300)는 도 3a에서 예시된 바와 같이 신장될 수 있다. 도 3a에서 예시된 바와 같이, 신장된 태양 전지(300)는 길이 치수 
및 폭 치수 
를 갖는 것으로 특징지어지는 것이다. 신장된 태양 전지(300)의 일부 실시예에서, 길이 치수 
은 적어도 4의 인수, 적어도 5의 인수, 또는 적어도 6의 인수만큼 폭 치수 
를 초과한다. 일부 실시예에서, 태양 전지(300)의 길이 치수 
은 10 센티미터 이상, 20 센티미터 이상, 또는 100 센티미터 이상이다. 일부 실시예에서, 태양 전지(300)의 폭 
(예를 들면, 직경)는 5 밀리미터 이상, 10 밀리미터 이상, 50 밀리미터 이상, 100 밀리미터 이상, 500 밀리미터 이상, 1000 밀리미터 이상, 또는 2000 밀리미터 이상이다.
6. 추가의 태양 전지 실시예
엘리먼트 번호를 참조하기 위해 도 3b를 이용하여, 일부 실시예에서는 접합(110)의 흡수재 층을 만들기 위해 본 명세서에서 CIGS라고 불리는 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(Cu(InGa)Se2)가 이용된다. 그러한 실시예에서, 후방 전극(404)은 몰리브덴으로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 후방 전극(404)은 폴리이미드의 내부 코어 및 CIGS 퇴적 전에 폴리이미드 코어 상에 스퍼터되는 몰리브덴의 박막인 외부 코어를 포함한다. 폴리브덴의 위에, 광을 흡수하는 CIGS 막이 퇴적된다. 그 후 반도체 접합(410)을 완성하기 위해 CIGS 상에 카드뮴 황화물(CdS)이 퇴적된다. 그 후, 선택적으로, 반도체 접합(410) 상에 얇은 진성 층(i-층)(415)이 퇴적된다. i-층(415)은 아연 산화물, 금속 산화물 또는 매우 절연성이 있는 임의의 투명 재료를 포함하지만, 이들에 제한되지 않는 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 다음으로, i-층(존재할 경우) 또는 반도체 접합(410)(i-층이 존재하지 않을 경우) 상에 투명 도전층(412)이 배치된다. 투명 도전층(412)은 알루미늄 도핑된 아연 산화물(ZnO:Al), 갈륨 도핑된 아연 산화물, 붕소 도핑된 아연 산화물, 인듐-아연 산화물, 또는 인듐-주석 산화물과 같은 재료로 만들어질 수 있다.
ITN Energy Systems, Inc., Global Solar Energy, Inc., 및 Institute of Energy Conversion(IEC)은 CIGS 층의 퇴적을 위해 롤투롤 동시 증착(roll-to-roll co-evaporation) 프로세스를 이용하여 폴리이미드 기판 상에 CIGS 광전지를 제조하는 기술을 합작하여 개발하였다. 이 프로세스에서는, 웹(web)이라고 불리는, 몰리브덴 코팅된 폴리이미드 막의 롤(roll)이 풀리면서(unrolled) 하나 이상의 퇴적 구역 내로 및 그 퇴적 구역를 통하여 연속적으로 이동된다. 퇴적 구역 내에서, 웹은 450℃까지의 온도로 가열되고 셀레늄 증기가 존재하는 상황에서 그 웹 상에 구리, 인듐, 및 갈륨이 증착된다. 퇴적 구역(들) 밖으로 지나간 후에, 웹은 냉각되고 감기 스풀(take-spool) 상에 감긴다. 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, 2003, Jensen 외 공저, "Back Contact Cracking During Fabrication of CIGS Solar Cells on Polyimide Substrates," NCPV and Solar Program Review Meeting 2003, NREL/CD-520-33586, pages 877-881을 참조한다. 마찬가지로, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Birkmire 외 공저, 2005, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 13, 141-148은 폴리이미드/Mo 웹 구조, 구체적으로, PI/Mo/Cu(InGa)Se2/CdS/ZnO/IT0/Ni-Ai를 개시하고 있다. 스테인레스 포일 상의 유사한 구조의 퇴적도 탐구되었다. 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Simpson 외 공저, 2004, "Manufacturing Process Advancements for Flexible CIGS PV on Stainless Foil," DOE Solar Energy Technologies Program Review Meeting, PV Manufacturing Research and Development, P032를 참조한다.
본원의 일부 실시예에서는, Global Solar Energy(아리조나주, 투손(Tucson))에 의해 개발된 것들과 같은 폴리이미드/몰리브덴 웹, 또는 금속 포일(예를 들면, Simpson 외 공저에서 개시된 포일) 상에 흡수재 재료가 퇴적된다. 일부 실시예에서, 흡수재 재료는 본 명세서에서 개시된 흡수재들 중 임의의 것이다. 특정 실시예에서, 흡수재는 Cu(InGa)Se2이다. 일부 실시예에서, 신장된 코어는 도핑되지 않은 플라스틱과 같은 비도전성 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서, 신장된 코어는 도전성 금속, 금속-충전된 에폭시, 유리, 또는 수지, 또는 도전성 플라스틱(예를 들면, 도전성 필러를 포함하는 플라스틱) 등의 도전성 재료로 만들어진다. 다음으로, 반도체 접합(410)은 흡수재 층 상에 윈도우 층을 퇴적함으로써 완성된다. 흡수재 층이 Cu(InGa)Se2인 경우, CdS가 이용될 수 있다. 마지막으로, 태양 전지를 완성하기 위해 선택적인 i-층(415) 및 투명 도전층(412)이 추가된다. 다음으로, 포일은 와이어 형상의 또는 관 형상의 신장된 코어 둘레에 감싸이고 및/또는 그것에 아교로 접착된다. 그러한 제조 방법의 이점은 흡수재 층, 윈도우 층, i-층 또는 투명 도전층(412)의 퇴적 온도를 견딜 수 없는 재료가 태양 전지를 위한 내부 코어로서 이용될 수 있다는 점이다. 이 제조 프로세스는 도전성 코어(402)가 내부 코어 및 외부 도전성 코어를 포함하는, 본원에서 개시된 태양 전지들(402) 중 임의의 것을 제조하는 데 이용될 수 있다. 내부 코어는 본 명세서에서 개시된 임의의 도전성 또는 비도전성 재료인 반면 외부 도전성 코어는 내부 코어 상에 감기 전에 그 위에 흡수재 층, 윈도우 층, 및 투명 도전층이 퇴적된 웹 또는 포일이다. 일부 실시예에서, 웹 또는 포일은 적절한 아교를 이용하여 내부 코어 상에 접착된다.
본원의 일 양태는 금속 웹 또는 도전 포일의 제1 면 상에 흡수재 층을 퇴적하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법을 제공한다. 다음으로, 상기 흡수재 층 상에 윈도우 층이 퇴적된다. 다음으로, 상기 윈도우 층 상에 투명 도전층이 퇴적된다. 그 후 상기 금속 웹 또는 도전 포일은 신장된 코어 둘레에 감김으로써, 신장된 태양 전지(402)를 형성한다. 일부 실시예에서, 상기 흡수재 층은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(Cu(InGa)Se2)이고 상기 윈도우 층은 카드뮴 황화물이다. 일부 실시예에서, 상기 금속 웹은 폴리이미드/몰리브덴 웹이다. 일부 실시예에서, 상기 도전 포일은 강철 포일 또는 알루미늄 포일이다. 일부 실시예에서, 상기 신장된 코어는 도전성 금속, 금속-충전된 에폭시, 금속-충전된 유리, 금속-충전된 수지, 또는 도전성 플라스틱으로 만들어진다.
일부 실시예에서는, 상기 신장된 코어 둘레에 금속 웹 또는 포일을 감는 것보다는 관모양 형상 또는 단단한 속이 꽉 찬 봉 형상의 코어 상에 투명 도전 산화물 도전막이 퇴적된다. 그러한 실시예에서, 상기 관모양 형상 또는 단단한 속이 꽉 찬 봉 형상의 코어는, 예를 들면, 플라스틱 봉, 유리 봉, 유리 관, 또는 플라스틱 관일 수 있다. 그러한 실시예들은 반도체 접합의 내부 면과 전기 통신하는 소정의 형태의 도체를 필요로 한다. 일부 실시예에서는, 그러한 도체를 제공하기 위하여 상기 관모양 형상 또는 단단한 속이 꽉 찬 봉 형상의 신장된 코어 내의 디봇(divot)들이 도전성 재료로 채워진다. 상기 도체는 상기 관모양 형상 또는 단단한 속이 꽉 찬 봉 형상의 신장된 코어 상에 상기 투명 도전층 또는 도전성 후방 콘택트 막(conductive back contact film)을 퇴적하기 전에 상기 디봇들에 삽입될 수 있다. 일부 실시예에서 그러한 도체는 신장된 태양 전지(402)의 측면을 따라 길이로 진행하는 금속 소스로부터 형성된다. 이 금속은 증착(evaporation), 스퍼터링, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 금속 프레싱, 금속 와이어를 부착하는 데 이용되는 도전성 잉크 또는 아교, 또는 다른 금속 수단에 의해 퇴적될 수 있다.
이제 보다 구체적인 실시예를 개시한다. 일부 실시예에서, 상기 신장된 코어는 상기 유리 관의 외부 표면 상에 길이로 진행하는 디봇을 갖는 유리 관이고, 상기 제조 방법은 상기 감는 단계 전에 상기 디봇에 도체를 퇴적하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 유리 관은 상기 유리 관의 표면 상에 길이로 진행하는 제2 디봇을 갖는다. 그러한 실시예에서, 상기 제1 디봇 및 상기 제2 디봇의 상기 유리 관의 대략 또는 정확한 반대편의 원주 측면들에 존재한다. 따라서, 그러한 실시예에서, 상기 방법은 상기 감는 단계 전에, 또는 감는 단계가 이용되지 않는 실시예에서는, 내부 투명 도전층 또는 도전성 막, 접합, 및 외부 투명 도전층을 상기 신장된 코어 상에 퇴적하기 전에, 상기 제2 디봇에 도체를 퇴적하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 신장된 코어는 그 표면 상에 길이로 진행하는 제1 디봇을 갖는 유리 봉이고 상기 방법은 상기 감는 단계 전에 상기 제1 디봇에 도체를 퇴적하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 유리 봉은 그 표면 상에 길이로 진행하는 제2 디봇을 갖고 상기 제1 디봇 및 상기 제2 디봇의 상기 유리 봉의 대략 또는 정확한 반대편의 원주 측면들에 존재한다. 따라서, 그러한 실시예에서, 상기 방법은 상기 감는 단계 전에, 또는 감는 단계가 이용되지 않는 실시예에서는, 내부 투명 도전층 또는 도전성 막, 접합, 및 외부 투명 도전층을 상기 신장된 코어 상에 퇴적하기 전에, 상기 제2 디봇에 도체를 퇴적하는 단계를 더 포함한다. 상기 도체를 위한 적합한 재료는 본 명세서에서 도체로서 설명된 재료들 중 임의의 것이고, 그 재료는 알루미늄, 몰리브덴, 티탄, 강철, 니켈, 은, 금, 또는 그의 합금을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
도 13은 본원의 실시예에 따른 태양 전지(402)의 단면을 상세 도시한다. 태양 전지(402)는 감는 방법 또는 퇴적 기법을 사용하여 제조될 수 있다. 본원의 다른 실시예들에 대응하는 참조 번호들(예를 들면, 410, 412, 및 420)을 갖는 컴포넌트들은 그러한 실시예들에서 개시된 동일한 재료들로 만들어진다. 도 13에서는, 신장된 관(1306)이 있는데, 이 신장된 관(1306)은 그 관을 따라 길이로(페이지의 평면에 대해 수직으로) 진행하고 예시된 바와 같이 관(1306)의 원주로 반대편 측면들에 있는 제1 및 제2 디봇을 갖고 있다. 전형적인 실시예에서, 관(1306)은 도전성이 아니다. 예를 들면, 관(1306)은 일부 실시예에서 플라스틱 또는 유리로 만들어진다. 도 13에서 예시된 바와 같이 상기 제1 및 제2 디봇들에 도전성 와이어링(1302)이 배치된다. 일부 실시예에서, 상기 도전성 와이어링은 본원의 도전성 재료들 중 임의의 것으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 도전성 와이어링(1302)은 알루미늄, 몰리브덴, 강철, 니켈, 티탄, 은, 금, 또는 그의 합금으로 만들어진다. 1304가 도전 포일 또는 금속 웹인 실시예들에서, 도전성 와이어링(1302)은 상기 금속 웹 또는 도전 포일(1304)을 상기 신장된 코어(1306) 둘레에 감기 전에 상기 디봇들에 삽입된다. 1304가 투명 도전성 산화물 또는 도전성 막인 실시예들에서, 도전성 와이어링(1302)은 상기 투명 도전성 산화물 또는 도전성 막(1304)을 신장된 코어(1306) 상에 퇴적하기 전에 상기 디봇들에 삽입된다. 지적한 바와 같이, 일부 실시예에서 상기 금속 웹 또는 도전 포일(1304)은 관(1306) 둘레에 감긴다. 일부 실시예에서, 금속 웹 또는 도전 포일(1304)은 관(1306)에 아교로 접착된다. 일부 실시예에서 층(1304)은 금속 웹 또는 도전 포일이 아니다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 층(1304)은 투명 도전층이다. 그러한 층은 반도체 접합에서 보다 얇은 흡수층들을 허용하기 때문에 유리하다. 층(1304)이 투명 도전층인 실시예에서, 그 투명 도전층, 반도체 접합(410) 및 외부 투명 도전층(412)은 퇴적 기법들을 이용하여 퇴적된다.
본원의 일 양태는 각각이 도 13에서 개시된 구조를 갖는 복수의 신장된 태양 전지들(402)을 포함하는 태양 전지 어셈블리를 제공한다. 즉, 복수의 신장된 태양 전지들 내의 각 신장된 태양 전지(402)는 신장된 관(1306), 그 신장된 관(1306) 상에 원주로 배치된 금속 웹 또는 도전성 포일(또는, 대안적으로, TCO의 층), 그 금속 웹 또는 도전 포일(또는, 대안적으로, TCO의 층) 상에 원주로 배치된 반도체 접합(410) 및 그 반도체 접합(410) 상에 배치된 투명 도전성 산화물 층(412)을 포함한다. 상기 복수의 신장된 태양 전지들 내의 신장된 태양 전지들(402)은 기하학적으로 평행 또는 거의 평행의 방식으로 배열되어 제1 면 및 제2 면을 갖는 평면 어레이를 형성한다. 상기 복수의 신장된 태양 전지들은 그 복수의 신장된 태양 전지들 내의 하나 이상의 신장된 태양 전지들이 인접한 태양 전지들과 전기적으로 도전성 접촉하지 않도록 배열된다. 일부 실시예에서, 인접한 신장된 태양 전지들 사이에 절연층이 있다면 상기 신장된 태양 전지들은 서로 물리적으로 접촉할 수 있다. 상기 태양 전지 어셈블리는 복수의 금속 상대 전극(counter-electrode)들을 더 포함한다. 상기 복수의 신장된 태양 전지들 내의 각각의 신장된 태양 전지(402)는 상기 복수의 금속 상대 전극들 내의 제1 대응 금속 상대 전극(420)이 상기 각각의 신장된 태양 전지(402) 상에 길이로 진행하는 제1 홈에 위치하도록 상기 제1 대응 금속 상대 전극(402)에 결합된다. 상기 장치는 상기 평면 어레이의 전부 또는 일부를 커버하는 투명 전기 절연 기판을 더 포함한다. 상기 복수의 신장된 태양 전극들 내의 제1 및 제2 신장된 태양 전극은 상기 제1 신장된 태양 전극의 상기 제1 전극을 상기 제2 신장된 태양 전극의 상기 제1 대응 상대 전극에 접속하는 전기 콘택트에 의해 전기적으로 직렬로 접속된다. 일부 실시예에서, 상기 신장된 관(1306)은 도체(1302)로 채워진 하나 이상의 홈을 갖는 유리 관 또는 플라스틱 관이다. 일부 실시예에서, 상기 복수의 신장된 태양 전지들 내의 각각의 신장된 태양 전지(402)는 상기 복수의 금속 상대 전극들 내의 제2 대응 금속 상대 전극(420)이 상기 각각의 신장된 태양 전지(402) 상에 길이로 진행하는 제2 홈에 위치하도록 그리고 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈이 상기 각각의 신장된 태양 전지(402)의 반대편 또는 실질적으로 반대편의 원주 측면들에 있도록 상기 제2 대응 금속 상대 전극(402)에 결합된다. 일부 실시예에서, 상기 복수의 신장된 태양 전극들(402)은 상기 평면 어레이의 상기 제1 면 및 상기 제2 면으로부터 직접 광을 받도록 구성된다.
7. 스태틱 집광기(static concentrators)
캡슐화된 태양 전지 유닛(300)은, 예를 들면, 어셈블리들(400(도 4), 700(도 7), 800(도 8), 900(도 9) 또는 1000(도 10)) 중 임의의 것과 같은 양면 어레이들로 조립될 수 있다. 일부 실시예에서는, 본원의 태양 전지 어셈블리들의 성능을 향상시키기 위해 스태틱 집광기가 이용된다. 하나의 예시적인 실시예에서 스태틱 집광기의 사용은 도 11에 예시되어 있다. 도 11에서, 개구(aperture) AB를 갖는 스태틱 콘센트레이터(1102)는 양면 태양 전지 어셈블리 CD의 효율을 증가시키기 위해 이용되고, 태양 전지 어셈블리 CD는, 예를 들면, 어셈블리들(400(도 4), 700(도 7), 800(도 8), 900(도 9) 또는 1000(도 10)) 중 임의의 것이다. 스태틱 집광기(1102)는 본 기술 분야에서 공지된 임의의 스태틱 집광기 재료, 예를 들면, 단순한, 적절히 굴곡된 또는 성형된 알루미늄 시트, 또는 폴리우레탄 상의 반사기 막과 같은 것으로 형성될 수 있다. 도 11에서 도시된 집광기(1102)는 낮은 집광 비율의, 비영상(nonimaging), CPC(compound parabolic concentrator)-타입 집열기(collector)의 일례이다. 임의의 (CPC)-타입 집열기가 본원의 태양 전지 어셈블리들과 함께 사용될 수 있다. (CPC)-타입 집열기에 대한 더 많은 정보를 원한다면, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Pereira 및 Gordon 공저, 1989, Journal of Solar Energy Engineering, 111, pp. 111-116을 참조한다.
본원과 함께 사용될 수 있는 추가의 스태틱 집광기들은 Uematsu 외 공저, 1999, Proceedings of the 11th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Sapporo, Japan, pp. 957-958; Uematsu 외 공저, 1998, Proceedings of the Second World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, Austria, pp. 1570-1573; Warabisako 외 공저, 1998, Proceedings of the Second World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, Austria, pp. 1226-1231, Eames 외 공저, 1998, Proceedings of the Second World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, Austria, pp. 2206-2209; Bowden 외 공저, 1993, Proceedings of the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp. 1068-1072; 및 Parada 외 공저, 1991, Proceedings of the 10th EC Photovoltaic Solar Energy Conference, pp. 975-978에서 개시되어 있고, 상기 각 문헌은 전체적으로 본원에 참고로 통합된다.
일부 실시예에서는, 도 12에서 예시된 것과 같은 스태틱 집광기가 사용된다. 도 12에서 예시된 양면 태양 전지들은 본원의 임의의 양면 태양 전지 어셈블리일 수 있고, 그것은 어셈블리(400(도 4), 700(도 7), 800(도 8), 900(도 9) 또는 1000(도 10))를 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다. 도 12에서 예시된 스태틱 집광기는 모듈의 전방과 후방에 2개의 커버 유리 시트를 이용하고 각 시트에는 도면에서 예시된 바와 같이 입사 광을 캡처하고 반사하도록 설계된 1밀리미터 이하의(submillimeter) V-홈들이 있다. 그러한 집광기들에 대한 상세는, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Uematsu 외 공저, 2001, Solar Energy & Solar Cells 67, 425-434 및 Uematsu 외 공저, 2001, Solar Energy & Solar Cells 67, 441-448에서 발견된다. 본원과 함께 사용될 수 있는 추가의 스태틱 집광기들은, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2003, Luque 및 Hegedus(편집자들), Wiley & Sons, West Sussex, England, Chapter 12에서 설명되어 있다.
8. 내부 반사기
실시예
예를 들면, 도 15에서 도시된 바와 같이 신장된 태양 전지들(402)이 캡슐화된 후에, 그것들은 태양 전지 어셈블리들을 형성하도록 배열될 수 있다. 도 16은 본원의 실시예에 따른 태양 전지 어셈블리(1600)를 예시한다. 이 예시적인 실시예에서는, 태양 전지 시스템에의 태양 입력을 강화하기 위해 내부 반사기(1404)가 이용된다. 도 16에서 도시된 바와 같이, 신장된 태양 전지들(402) 및 내부 반사기(1404)는 도시된 바와 같이 교호하는 어레이로 조립된다. 태양 전지 어셈블리(1600) 내의 신장된 태양 전지들(402)은 상대 전극들(420) 및 전극들(440)을 갖는다. 도 16에서 예시된 바와 같이, 태양 전지 어셈블리(1600)는 복수의 신장된 태양 전지들(402)을 포함한다. 이 복수의 태양 전지들 내의 태양 전지들(440)의 수에는 제한이 없다(예를 들면, 10개 이상, 100개 이상, 1000개 이상, 10,000개 이상, 5,000개와 백만 개 사이의 태양 전지(402) 등). 따라서, 태양 전지 어셈블리(1600)는 또한 복수의 내부 반사기들(1404)을 포함한다. 이 복수의 내부 반사기들 내의 내부 반사기들(1404)의 수에는 제한이 없다(예를 들면, 10개 이상, 100개 이상, 1000개 이상, 10,000개 이상, 5,000개와 백만 개 사이의 반사기(1404) 등).
태양 전지 어셈블리(1600) 내에서, 내부 반사기들(1404)은 대응하는 신장된 태양 전지들(402)을 따라 길이로 진행한다. 일부 실시예에서, 내부 반사기들(1404)은 속이 빈 코어를 갖는다. 신장된 도전성 코어(404)에서와 같이, 많은 경우에 속이 빈 비도전성 코어(예를 들면, 도 3b의 기판(403))가 유리한데, 그 이유는 속이 빈 비도전성 코어는 그러한 디바이스들을 만드는 데 필요한 재료의 양을 감소시키고, 따라서 비용을 저감시키기 때문이다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)는 매우 반사성이 있는 재료(예를 들면, 연마된 알루미늄, 알루미늄 합금, 은, 니켈, 강철 등)의 층이 그 위에 퇴적되어 있는 플라스틱 케이싱이다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)는 연마된 알루미늄, 알루미늄 합금, 은, 니켈, 강철 등으로 만들어진 단일 부품(single piece)이다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)는 금속 포일 테이프가 그 위에 층을 이루고 있는 금속 또는 플라스틱 케이싱이다. 예시적인 금속 포일 테이프는, 3M 알루미늄 포일 테이프 425, 3M 알루미늄 포일 테이프 427, 3M 알루미늄 포일 테이프 431, 및 3M 알루미늄 포일 테이프 439(3M, 미네소타주, 세인트폴)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 내부 반사기(1404)는 광범위한 디자인을 채택할 수 있고, 그 중 하나만이 도 16에서 예시되어 있다. 본원의 바람직한 실시예에서 발견되는 반사기들(1404)의 디자인에 주요한 것은 태양 전지 어셈블리(1600)의 양쪽 측면(즉, 측면(1620) 및 측면(1640))에 입사하는 직접 광을 반사시키기 위한 욕구이다.
일반적으로, 본원의 반사기들(1404)은 인접한 신장된 태양 전지들(402)로의 광의 반사를 최적화하도록 디자인된다. 태양 전지 어셈블리의 한쪽 측면(예를 들면, 도 16에서 도시된 태양 전지 어셈블리의 평면 위쪽의 측면(1640))에 입사하는 직접 광은 태양으로부터 직접 오는 것인 반면 태양 전지의 다른 측면(예를 들면, 도 16에서 도시된 태양 전지 어셈블리의 평면 아래쪽의 측면(1620))에 입사하는 광은 어떤 표면에서 반사되었을 것이다. 일부 실시예에서, 이 표면은 램버트(Lambertian), 확산(diffuse), 또는 신개선(involute) 반사기이다. 따라서, 태양 전지 어셈블리의 각 측면은 상이한 광 환경을 향하기 때문에, 측면(1620) 상의 내부 반사기(1404)의 형상은 측면(1640) 상의 것과 다를 수 있다.
도 16에서 내부 반사기(1404)는 대칭적인 4변의 단면 형상을 갖는 것으로 예시되어 있지만, 본원의 내부 반사기들(1404)의 단면 형상은 그러한 구성에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)의 단면 형상은 별모양(asteroid)이다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)의 단면 형상은 4변이고 그 4변의 단면 형상 중 적어도 한 변이 선형이다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)의 단면 형상은 4변이고 그 4변의 단면 형상 중 적어도 한 변이 포물선형이다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)의 단면 형상은 4변이고 그 4변의 단면 형상 중 적어도 한 변이 오목형이다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)의 단면 형상은 4변이고 그 4변의 단면 형상 중 적어도 한 변이 원형 또는 타원형이다. 일부 실시예에서, 복수의 내부 반사기들 내의 내부 반사기의 단면 형상은 4변이고 그 4변의 단면 형상의 적어도 한 변이 내부 반사기 상의 확산 표면을 정의한다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)의 단면 형상은 4변이고 그 4변의 단면 형상 중 적어도 한 변이 신장된 태양 전지(402)의 단면 형상의 신개선(involute)이다. 일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)의 단면 형상은 2변, 3변, 4변, 5변, 또는 6변이다. 일부 실시예에서, 복수의 내부 반사기들(1404) 내의 내부 반사기의 단면 형상은 4변이고 그 4변의 단면 형상의 적어도 한 변이 한 면으로 된다(faceted).
일부 실시예에서 인접한 태양 전지들(402) 상으로의 반사를 강화하기 위하여 반사기들(1404)에 추가의 특징들이 부가된다. 수정된 반사기들(1404)은 입사 광이 반사기들(1404)의 측면 표면들(1610)에서 효과적으로 반사되도록 강한 반사 특성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 표면(1610)에서 반사된 광은 지향성 선호(directional preference)를 갖지 않는다. 다른 실시예에서, 반사기 표면들(1610)은 반사된 광이 최적의 흡수를 위해 신장된 태양 전지(402) 쪽으로 지향되도록 디자인된다.
일부 실시예에서, 내부 반사기(1404)와 인접한 신장된 태양 전지 간의 접속은 추가의 어댑터 부품에 의해 제공된다. 그러한 어댑터 부품은 내부 반사기들(1404)과 신장된 태양 전지들(402) 간의 타이트한 피트(tight fit)를 제공하기 위하여 내부 반사기들(1404)은 물론 신장된 태양 전지들(402)의 양쪽 모두의 형상들에 보완적인 표면 특징들을 갖는다. 일부 실시예에서, 그러한 어댑터 부품들은 내부 반사기들(1404) 상에 고정된다. 다른 실시예에서, 어댑터 부품들은 신장된 태양 전지들(402) 상에 고정된다. 추가의 실시예에서, 신장된 태양 전지들(402)과 반사기들(1404) 간의 접속은 전기 도전성 아교 또는 테이프에 의해 강화된다.
확산 반사(Diffuse Reflection). 본원에 따른 일부 실시예에서, 반사기(1404)의 측면 표면(1610)은 확산 반사 표면(예를 들떤, 도 16의 1610)이다. 확산 반사의 개념은 거울 반사(specular reflection)를 먼저 이해하였을 때 더 잘 이해될 것이다. 거울 반사는 거울 또는 잔잔한 수괴(calm body of water)와 같은 매끄러운 표면(예를 들면, 도 17a의 1702)에서의 반사로서 정의된다. 거울 표면 상에서, 광은 주로 반사된 광선의 방향으로 반사되고 표면의 물리적 특성에 의존하는 양만큼 감쇠된다. 표면으로부터 반사된 광은 주로 반사된 광선의 방향으로 진행하기 때문에, 관찰자의 위치(예를 들면, 신장된 태양 전지들(402)의 위치는 표면의 인지되는 조도(illumination)를 결정한다. 거울 반사는 빛나는 또는 거울 같은 표면들의 광 반사 특성을 모델링한다. 거울 반사와 대조적으로, 의류, 종이, 및 아스팔트 도로와 같은 거친 표면에서의 반사는 확산 반사(도 17b)로서 알려진 상이한 타입의 반사로 된다. 확산 반사 표면에의 입사 광은 모든 방향으로 동등하게 반사되고 그 표면의 물리적 특성에 의존하는 양만큼 감쇠한다. 광은 모든 방향으로 동등하게 반사되므로 표면의 인지되는 조도는 반사된 광의 관찰자 또는 수신자의 위치(예를 들면, 신장된 태양 전지(402)의 위치)에 의존하지 않는다. 확산 반사는 매트 표면의 광 반사 특성을 모델링한다.
확산 반사 표면들은 관찰자에 대한 지향성 의존 없이 광을 반사한다. 표면이 미시적으로 거친지 매끄러운지는 그 후의 광선의 반사에 중대한 영향을 미친다. 단 하나의 지향성 소스로부터의 입력 광은 확산 반사 표면(예를 들면, 도 17b의 1704) 상에서 모든 방향으로 반사된다. 확산 반사는 광의 내부 산란(예를 들면, 광은 흡수된 다음 다시 방사된다), 및 물체의 거친 표면으로부터의 외부 산란의 조합으로부터 시작된다.
램버트 반사(Lambertian reflection). 본원에 따른 일부 실시예에서, 반사기(1404)의 표면은 램버트 반사 표면(예를 들면, 도 17c의 1706)이다. 램버트 소스는 램버트의 코사인 법칙을 따르는, 즉, 그것이 관찰되는 각도(도 17c)의 코사인에 정비례하는 강도를 갖는 광원으로서 정의된다. 따라서, 램버트 표면은 방사 표면의 총 면적이 측정되고 있는 면적보다 더 크다는 전제로 그의 광휘(radiance)(또는 휘도(luminance))가 그것이 측정될 수 있는 모든 방향에서 동일하도록(예를 들면, 광휘는 관찰 각도와 관계없다) 입사 방사의 균일한 확산을 제공하는 표면으로서 정의된다.
완벽하게 확산하는 표면 상에서, 임의의 작은 표면 컴포넌트로부터 주어진 방향으로 출사하는 광의 강도는 표면에 법선의 각도의 코사인에 비례한다. 램버트 표면의 광도(휘도, 광휘)는 그것이 관찰되는 각도와 관계없이 일정하다.
입사 광 
은 램버프 표면(도 17c)을 때리고 서로 다른 방향들로 반사한다. 
의 강도가 
으로서 정의될 때, 반사된 광 
의 강도(예를 들면, 
)는 램버트의 코사인 법칙에 따라서 다음과 같이 정의될 수 있다:
여기서 
이고 
는 표면 특성에 관련된다. 입사 각도는 
으로서 정의되고, 반사된 각도는 
으로서 정의된다. 벡터 내적(vector dot Product) 식을 이용하면, 반사된 광의 강도는 또한 다음과 같이 표현될 수 있다:
여기서 
은 램버트 표면에 수직인 벡터를 나타낸다.
그러한 램버트 표면은 어떤 입사 광 방사도 잃지 않고, 표면의 조명된 측면 상에서 2π 라디안을 갖는 모든 이용 가능한 입체각으로 그것을 다시 방출한다. 또한, 램퍼트 표면은 그 표면이 임의의 방향으로부터 동등하게 밝은 것처럼 보이도록 광을 방출한다. 즉, 동등한 투사 영역들은 동등한 양의 광속을 방사한다. 이것은 이상적인 것이지만, 많은 실제 표면이 그에 접근한다. 예를 들면, 확산 백색 페인트의 층을 갖는 램버트 표면이 생성될 수 있다. 그러한 전형적인 램버트 표면의 반사율은 93%일 수 있다. 일부 실시예에서, 램버트 표면의 반사율은 93%보다 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 램버트 표면의 반사율은 93%보다 낮을 수 있다. 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, Marshall 등에게 허여된 미국 특허 번호 6,257,737; Stern에게 허여된 미국 특허 번호 6,661,521; 및 Parkyn 등에게 허여된 미국 특허 번호 6,603,243에서와 같이, 램버트 표면은 최적화된 조명을 제공하기 위해 LED 디자인에서 널리 이용되었다.
유리하게도, 반사기(1404) 상의 램버트 표면들은 모든 방향으로 효과적으로 광을 반사한다. 반사된 광은 그 후 신장된 태양 전지(402) 쪽으로 지향되어 태양 전지 성능을 향상시킨다.
신개선(involute) 표면 상의 반사. 본원에 따른 일부 실시예에서, 반사기(1404)의 표면은 신장된 태양 전지 관(402)의 신개선 표면이다. 일부 실시예에서, 신장된 태양 전지 관(402)은 원형 또는 거의 원형이다. 반사기 표면(1610)은 바람직하게는 원의 신개선(예를 들면, 도 18a의 1804)이다. 원(1802)의 신개선은 원 둘레로 회전(roll)하는 직선 상의 점에 의해 그려지는 경로로서 정의된다. 예를 들면, 원의 신개선은 다음의 단계들로 그려질 수 있다. 첫째, 곡선 상의 점에 끈을 부착한다. 둘째, 그 끈이 부착 점에서 곡선에 접선이 되도록 끈을 연장한다. 셋째, 그 끈을 감아 올려, 그것을 항상 팽팽하게 유지한다. 그 끈의 끝에 의해 그려지는 점들의 궤적(예를 들면, 도 18의 1804)은 원래의 원(1802)의 신개선이라고 불린다. 원래의 원(1802)은 그의 신개선 곡선(1804)의 축폐선(evolute)이라고 불린다.
일반적으로 곡선은 고유의 축폐선을 갖지만, 그것은 초기 점의 상이한 선택들에 대응하는 무한히 많은 신개선들을 갖는다. 신개선은 또한 주어진 곡선의 모든 접선들에 직교하는 임의의 곡선으로서 간주될 수 있다. 반경 r의 원에 대하여, 임의의 시간 t에서, 그의 식은 다음과 같이 표현될 수 있다:
그에 대응하여, 원의 신개선의 매개 변수 식은 다음과 같다:
축폐선 및 신개선은 역 함수들이다. 원의 신개선의 축폐선은 원이다.
신개선 표면들은 광 반사를 최적화하기 위한 다수의 특허 디자인으로 구현되었다. 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 통합된, 플래시 램프 반사기(flash lamp reflector)(전체적으로 본원에 참고로 통합된, Draggoo에게 허여된 미국 특허 번호 4,641,315) 및 오목 광 반사기 장치(concave light reflector devices)(전체적으로 본원에 참고로 통합된, Rose에게 허여된 미국 특허 번호 4,641,315)는 둘 다 광 반사 효율을 강화하기 위해 신개선 표면들을 이용한다.
도 18b에서는, 내부 반사기(1404)가 2개의 신장된 태양 전지(402)에 접속되어 있다. 반사기(1404)와 태양 전지(402)의 양쪽 모두에 대한 상세는 신장된 태양 전지(402)의 형상과 내부 반사기(1404)의 측면 표면(1610)의 형상 간의 본질적인 관계를 강조하기 위하여 생략된다. 측면 표면들(1610)은 원형의 신장된 태양 전지(402)의 신개선이 되도록 구성된다.
유리하게도, 신개선-축폐선 디자인은 반사기들(1404)의 측면 표면들(1610)과 인접한 신장된 태양 전지(402) 사이의 최적의 상호작용을 부과한다. 반사기(1404)의 측면 표면(1610)이 그 반사기(1404)에 인접하거나 부착되는 신장된 태양 전지(402)에 대응하는 신개선 표면인 경우, 광은 신장된 태양 전지(402) 쪽으로 최적화된 방향으로 신개선 표면에서 효과적으로 반사한다.
도 16에서 예시되지 않은 일부 실시예에서, 신장된 태양 전지들(402)은 그의 단부들에서의 직경이 그러한 전지들의 중심 쪽으로의 직경보다 작도록 그의 단부들에서 스왜그(swag)된다. 전극들(440)은 이 스왜그된 단부들에 배치된다.
태양 전지 어셈블리. 도 16에서 예시된 바와 같이, 복수의 신장된 태양 전지들(402) 내의 태양 전지들은 기하학적으로 평행의 또는 거의 평행의 방식으로 배열된다. 일부 실시예에서, 신장된 도전성 코어(404)는 섹션 4에서 설명된 이중층 코어들 중 임의의 것이다. 일부 실시예에서는, 도전성 코어(404)를 형성하기보다, 후방 전극(404)은, 예를 들면, 도 3b에서 예시된 바와 같이 기판(403) 상에 퇴적된 얇은 금속 층이다. 일부 실시예에서, 신장된 태양 전지들(402)의 단자 단부들은 외부 코어까지 벗겨질 수 있다. 예를 들면, 신장된 태양 전지(402)가 원통 기판(403)으로 만들어진 내부 코어 및 몰리브덴으로 만들어진 외부 코어(후방 전극(404))로 구성되는 경우를 생각해보자. 그러한 경우, 신장된 태양 전지(402)의 단부는 몰리브덴 후방 전극(404)까지 벗겨질 수 있고 전극(440)은 후방 전극(404)과 전기적으로 접속될 수 있다.
일부 실시예에서, 각 내부 반사기(1404)는, 예를 들면, 도 16에서 예시된 바와 같이, 2개의 캡슐화된 신장된 태양 전지들(402)(예를 들면, 도 15 및 16에서 300으로 도시됨)에 접속한다. 이 때문에, 신장된 태양 전지들(402)은 단 하나의 합성 디바이스에 효과적으로 연결된다. 도 16에서, 전극들(440)은 후방 전극(404)으로부터의 접속을 연장한다. 일부 실시예에서, 내부 반사기 유닛들(1404)은 투명 케이싱(310) 상의 만입부(indentations)를 통하여 캡슐화된 태양 전지들(300)에 접속된다. 일부 실시예에서, 투명 케이싱 상의 만입부들은 내부 반사기 유닛(1404)의 형상을 보완하도록 만들어진다. 2개의 투명 케이싱(310)상의 만입부들은 2개의 캡슐화된 태양 전지들(300) 사이에 위치하는 하나의 내부 반사기 유닛(1404)을 가두는(lock in) 데 이용된다. 일부 실시예에서는 태양 방사가 흡수를 위해 캡슐화된 태양 전지 유닛들(300) 쪽으로 적절히 반사되도록 내부 반사기 유닛(1404)과 인접한 캡슐화된 태양 전지 유닛들(300) 간의 접속들을 강화하기 위해 접착성 재료, 예를 들면, 에폭시 아교가 이용된다.
본원에 따른 일부 실시예에서, 내부 반사기 유닛(1404) 및 투명 케이싱(310)은 동일한 성형 프로세스에서 만들어질 수 있다. 예를 들면, 도 19에서 1900으로서 도시된, 교호하는 투명 케이싱(310) 및 별모양 반사기들(1404)의 어레이는 단 하나의 합성 실체(composite entity)로서 만들어질 수 있다. 내부 반사기(1404)로부터의 알도베 효과를 강화하기 위해 또는 투명 케이싱(310)과 태양 전지(402) 간의 보다 나은 피팅을 촉진하기 위해 추가의 수정들이 이루어질 수 있다. 케이싱(310)은 태양 전지(402)의 일부 실시예들의 형상들을 보완하는 내부 수정들을 포함할 수 있다. 도 19에서 도시된 어셈블리 내의 내부 반사기들(1404) 또는 케이싱(310)의 수에는 제한이 없다(예를 들면, 10개 이상, 100개 이상, 1000개 이상, 10,000개 이상, 5,000개와 백만 개 사이의 내부 반사기들(1404) 및 케이싱(310) 등).
<인용된 참고 문헌들>
본 명세서에서 인용된 모든 참고 문헌들은 마치 각각의 간행물 또는 특허 또는 특허 출원이 모든 목적을 위해 전체적으로 참고로 통합되도록 구체적으로 그리고 개별적으로 나타내어진 것과 동일한 정도까지 모든 목적을 위해 전체적으로 본원에 참고로 통합된다.
본 기술 분야의 숙련자에게는 명백한 바와 같이, 이 출원의 정신 및 범위에서 벗어남이 없이 이 출원의 많은 수정들 및 변경들이 이루어질 수 있다. 본원에서 설명된 특정 실시예들은 단지 예로서 제공되며, 본원은 첨부된 청구항들의 용어들과 함께, 그러한 청구항들의 자격이 부여되는 등가물들의 전체 범위에 의해서만 제한될 것이다.
Claims (113)
- 태양 전지 유닛으로서,(A) 태양 전지 - 상기 태양 전지는, 기판 - 상기 기판의 적어도 일부분은 단단하고 비평면임 - 과, 상기 기판상에 원주로 배치된(circumferentially disposed) 후방 전극(back-electrode)과, 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된 반도체 접합층과, 상기 반도체 접합 상에 원주로 배치된 투명 도전층을 포함함 - ; 및(B) 상기 원통 형상의 태양 전지 상에 원주로 배치된 투명 케이싱을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 투명 케이싱은 플라스틱 또는 유리로 만들어진 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 투명 케이싱은 알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리, 다이크로익 유리(dichroic glass), 게르마늄/반도체 유리, 유리 세라믹, 실리케이트/용융 실리카 유리, 소다 석회 유리, 석영 유리, 칼코겐화물/황화물 유리, 플루오르화물 유리, 플린트 유리(flint glass), 또는 세리에이트 유리(cereated glass)를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 투명 케이싱은 우레탄 중합체, 아크릴 중합체, 플루오르 중합체(fluoropolymer), 실리콘, 실리콘 겔, 에폭시, 폴리아미드, 또는 폴리올레핀을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 투명 케이싱은 폴리메틸메트아크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸 실록산(PDMS), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 퍼플루오로알콕시 플루오로카본(PFA), 나일론, 교차 결합 폴리에틸렌(PEX), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 플라스틱 또는 유리를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 금속 또는 금속 합금을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 소다 석회 유리를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리, 다이크로익 유리, 게르마늄/반도체 유리, 유리 세라믹, 실리케이트/용융 실리카 유리, 석영 유리, 칼코겐화물/황화물 유리, 플루오르화물 유리, 유리계 페놀릭, 플린트 유리, 또는 세리에이트 유리를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 관모양 형상이고 유체가 상기 기판을 통하여 지나가는 태양 전지 유닛.
- 제10항에 있어서,상기 유체는 물, 공기, 질소, 또는 헬륨인 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 속이 빈 코어를 갖는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,상기 후방 전극은 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 로듐, 니오븀, 크롬, 탄탈, 티탄, 강철, 니켈, 백금, 은, 금, 그의 합금, 또는 그의 임의의 조합으 로 만들어지는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,상기 후방 전극은 인듐 주석 산화물, 티탄 질화물, 주석 산화물, 플루오르 도핑된 주석 산화물, 도핑된 아연 산화물, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 갈륨 도핑된 아연 산화물, 붕소 도핑된 아연 산화물 인듐-아연 산화물, 금속-카본 블랙 충전된 산화물, 그래파이트-카본 블랙 충전된 산화물, 카본 블랙-카본 블랙 충전된 산화물, 초전도성 카본 블랙 충전된 산화물, 에폭시, 도전성 유리, 또는 도전성 플라스틱으로 만들어지는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,상기 반도체 접합은 동질접합(homojunction), 이질접합(heterojunction), 이질면 접합(heteroface junction), 매립 동질접합(buried homojunction), p-i-n 접합, 또는 탠덤 접합(tandem junction)을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,상기 투명 도전층은 탄소 나노튜브, 주석 산화물, 플루오르 도핑된 주석 산화물, 인듐-주석 산화물(ITO), 도핑된 아연 산화물, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 갈륨 도핑된 아연 산화물, 붕소 도핑된 아연 산화물, 인듐-아연 산화물 또는 그의 임의의 조합을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제14항 또는 제16항 중 어느 한 항에 있어서,상기 반도체 접합은 흡수재(absorber) 층 및 접합 파트너 층을 포함하고, 상기 접합 파트너 층은 상기 흡수재 층 상에 원주로 배치되는 태양 전지 유닛.
- 제17항에 있어서,상기 흡수재 층은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(copper-indium-gallium-diselenide)이고, 상기 접합 파트너 층은 In2Se3, In2S3, ZnS, ZnSe, CdInS, CdZnS, ZnIn2Se4, Zn1-xMgxO, CdS, SnO2, ZnO, ZrO2, 또는 도핑된 ZnO인 태양 전지 유닛.
- 제17항에 있어서,상기 흡수재 층은 두께가 0.5 ㎛와 2.0 ㎛ 사이인 태양 전지 유닛.
- 제17항에 있어서,상기 흡수재 층 내의 Cu/(In+Ga)의 조성 비율은 0.7과 0.95 사이인 태양 전지 유닛.
- 제17항에 있어서,상기 흡수재 층 내의 Ga/(In+Ga)의 조성 비율은 0.2와 0.4 사이인 태양 전지 유닛.
- 제17항에 있어서,상기 흡수재 층은 <110> 결정 방위를 갖는 CIGS를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제17항에 있어서,상기 흡수재 층은 <112> 결정 방위를 갖는 CIGS를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제17항에 있어서,상기 흡수재 층은 랜덤하게 배향되는 CIGS를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,상기 태양 전지는 상기 반도체 접합 상에 원주로 배치된 진성 층(intrinsic layer)을 더 포함하고, 상기 투명 도전층은 상기 진성 층 상에 배치되는 태양 전지 유닛.
- 제25항에 있어서,상기 진성 층은 도핑되지 않은 투명 산화물을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제25항에 있어서,상기 진성 층은 도핑되지 않은 아연 산화물을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된 필러 층(filler layer)을 더 포함하고, 상기 투명 케이싱은 상기 필러 층 상에 원주로 배치됨으로써 상기 원통 형상의 태양 전지를 원주로 실링(circumferentially sealing)하는 태양 전지 유닛.
- 제28항에 있어서,상기 필러 층은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 실리콘, 실리콘 겔, 에폭시, 폴리디메틸 실록산(PDMS), RTV 실리콘 고무, 폴리비닐 부티랄(PVB), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리카보네이트, 아크릴, 플루오르 중합체, 또는 우레탄을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제28항에 있어서,상기 필러 층은 1 × 106 cP 미만의 점도를 갖는 태양 전지 유닛.
- 제28항에 있어서,상기 필러 층은 500 × 10-6/℃보다 큰 열팽창계수를 갖는 태양 전지 유닛.
- 제28항에 있어서,상기 필러 층은 유전성 겔(dielectric gel)과 혼합된 실리콘 오일로 형성되는 태양 전지 유닛.
- 제28항에 있어서,상기 실리콘 오일은 폴리디메틸실록산 중합체 액체이고, 상기 유전성 겔은 제1 실리콘 탄성중합체 및 제2 실리콘 탄성중합체의 혼합물인 태양 전지 유닛.
- 제28항에 있어서,상기 필러 층은 중량으로 X%의 폴리디메틸실록산 중합체 액체, 중량으로 Y%의 제1 실리콘 탄성중합체, 및 중량으로 Z%의 제2 실리콘 탄성 중합체로 형성되고, 여기서 X, Y, 및 Z는 합계 100이 되는 태양 전지 유닛.
- 제34항에 있어서,상기 폴리디메틸실록산 중합체 액체는 화학식 (CH3)3SiO[SiO(CH3)2]nSi(CH3)3을 갖고, 여기서 n은 상기 중합체 액체가 50 센티스토크(centistokes)와 100,000 센티스토크 사이의 범위에 속하는 평균 벌크 점도를 갖도록 선택되는 소정의 범위의 정수들인 태양 전지 유닛.
- 제34항에 있어서,상기 제1 실리콘 탄성중합체는 중량으로 적어도 60%의 디메틸비닐-터미네이티드 디메틸 실록산(dimethylvinyl-terminated dimethyl siloxane) 및 중량으로 3%와 7% 사이의 실리케이트를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제34항에 있어서,상기 제2 실리콘 탄성중합체는 (ⅰ) 중량으로 적어도 60%의 디메틸비닐-터미네이티드 디메틸 실록산; (ⅱ) 중량으로 10%와 30% 사이의 수소-터미네이티드 디메틸 실록산; 및 (ⅲ) 중량으로 3%와 7% 사이의 트리메틸레이티드 실리카(trimethylated silica)를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제34항에 있어서,X는 30과 90 사이이고, Y는 2와 20 사이이고, Z는 2와 20 사이인 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된 방수층을 더 포함하고, 상기 투명 케이싱은 상기 방수층 상에 원주로 배치됨으로써 상기 원통 형상의 태양 전지를 원주로 실링하는 태양 전지 유닛.
- 제39항에 있어서,상기 방수층은 클리어 실리콘(clear silicone), SiN, SiOxNy, SiOx, 또는 Al2O3를 포함하고, 여기서 x 및 y는 정수들인 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된 방수층; 및상기 방수층 상에 원주로 배치된 필러 층을 더 포함하고,상기 투명 케이싱은 상기 필러 층 상에 원주로 배치됨으로써 상기 원통 형상의 태양 전지를 원주로 실링하는 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된 필러 층; 및상기 필러 층 상에 원주로 배치된 방수층을 더 포함하고,상기 투명 케이싱은 상기 방수층 상에 원주로 배치됨으로써 상기 원통 형상의 태양 전지를 원주로 실링하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,상기 투명 케이싱 상에 원주로 배치된 반반사성 코팅을 더 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제43항에 있어서,상기 반반사성 코팅은 MgF2, 실리콘 질산염, 티탄 질산염, 실리콘 일산화물, 또는 실리콘 산화물 질산염을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,상기 태양 전지는 원통 형상이고 원통 축을 갖고, 상기 태양 전지는 적어도 하나의 전극 스트립(electrode strip)을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전극 스트립 내의 각 전극 스트립은 상기 태양 전지의 상기 원통 축을 따라 상기 투명 도전층 상에 오버레이되는 태양 전지 유닛.
- 제45항에 있어서,상기 적어도 하나의 전극 스트립은 상기 복수의 전극 스트립은 상기 태양 전지의 상기 원통 축을 따라 서로 평행으로 또는 대략 평행으로 진행하도록 상기 투명 도전층 상에 간격을 두고 위치하는 복수의 전극 스트립을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제46항에 있어서,상기 복수의 전극 스트립들 내의 전극 스트립들은 상기 투명 도전층의 표면 상에 고른 간격으로 간격을 두고 있는 태양 전지 유닛.
- 제46항에 있어서,상기 복수의 전극 스트립들 내의 전극 스트립들은 상기 투명 도전층의 표면 상에 고르지 않은 간격으로 간격을 두고 있는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 20 GPa 이상의 영률을 갖는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 40 GPa 이상의 영률을 갖는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 70 GPa 이상의 영률을 갖는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 선형 재료(linear material)로 만들어지는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판의 전부 또는 일부는 단단한 관(rigid tube) 또는 단단한 속이 꽉 찬 봉(rigid solid rod)인 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판의 전부 또는 일부는 원형 단면, 알모양(ovoid) 단면, 삼각형 단면, 오각형 단면, 육각형 단면, 적어도 하나의 아치형 부분을 갖는 단면, 또는 적어도 하나의 곡선 부분을 갖는 단면에 의해 특징지어지는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판의 제1 부분은 제1 단면 형상에 의해 특징지어지고 상기 기판의 제2 부분은 제2 단면 형상에 의해 특징지어지는 태양 전지 유닛.
- 제55항에 있어서,상기 제1 단면 형상 및 상기 제2 단면 형상은 동일한 태양 전지 유닛.
- 제55항에 있어서,상기 제1 단면 형상 및 상기 제2 단면 형상은 상이한 태양 전지 유닛.
- 제55항에 있어서,상기 기판의 길이의 적어도 90 퍼센트가 상기 제1 단면 형상에 의해 특징지어지는 태양 전지 유닛.
- 제55항에 있어서,상기 제1 단면 형상은 평면이고 상기 제2 단면 형상은 적어도 하나의 아치형 변을 갖는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판의 단면은 원주(circumferential)이고 1 mm와 1000 mm 사이의 외부 직경을 갖는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판의 단면은 원주이고 14 mm와 17 mm 사이의 외부 직경을 갖는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판의 단면은 상기 기판의 속이 빈 내부를 정의하는 내부 반경, 및상기 기판의 주계(perimeter)를 정의하는 외부 반경에 의해 특징지어지는 태양 전지 유닛.
- 제62항에 있어서,상기 기판의 두께는 0.1 mm와 20 mm 사이인 태양 전지 유닛.
- 제62항에 있어서,상기 기판의 두께는 1 mm와 2 mm 사이인 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서,상기 태양 전지 유닛은 5 mm와 10,000 mm 사이의 길이를 갖는 태양 전지 유닛.
- 복수의 태양 전지 유닛을 포함하는 태양 전지 어셈블리로서,상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 각 태양 전지 유닛은 제1항의 태양 전지의 구조를 갖고, 상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 태양 전지 유닛들은 동일 평면 상에 열을 지어서(in coplanar rows) 배열되어 상기 태양 전지 어셈블리를 형성하는 태양 전지 어셈블리.
- 제66항에 있어서,태양광을 상기 복수의 태양 전지 유닛들에 반사하도록 위치하는 알베도(albedo) 표면을 더 포함하는 태양 전지 어셈블리.
- 제67항에 있어서,상기 알베도 표면은 80%를 초과하는 알베도를 갖는 태양 전지 어셈블리.
- 제67항에 있어서,상기 알베도 표면은 램버트(Lambertian) 또는 확산(diffuse)인 태양 전지 어셈블리.
- 제66항에 있어서,상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 제1 태양 전지 유닛 및 제2 태양 전지 유닛은 전기적으로 직렬로 배열되는 태양 전지 어셈블리.
- 제66항에 있어서,상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 제1 태양 전지 유닛 및 제2 태양 전지 유닛은 전기적으로 병렬로 배열되는 태양 전지 어셈블리.
- 제1항에 있어서,상기 투명 케이싱의 외부 표면은 텍스처되는(textured) 태양 전지 유닛.
- 태양 전지 어셈블리로서,복수의 태양 전지 유닛 - 상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 각 태양 전지 유닛은 제1항의 태양 전지 유닛의 구조를 가짐 -; 및복수의 내부 반사기를 포함하여,상기 복수의 대양 전지 유닛과 상기 복수의 내부 반사기는 동일 평면 상에 열을 지어서 배열되고 상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 내부 반사기들이 상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 태양 전지 유닛들에 접하여 상기 태양 전지 어셈블리를 형성하는 태양 전지 어셈블리.
- 제73항에 있어서,상기 복수의 내부 반사기 내의 내부 반사기는 속이 빈 코어를 갖는 태양 전지 어셈블리.
- 제73항에 있어서,상기 복수의 내부 반사기 내의 내부 반사기는 반사성 재료의 층이 위에 퇴적되어 있는 플라스틱 케이싱을 포함하는 태양 전지 어셈블리.
- 제75항에 있어서,상기 반사성 재료의 층은 연마된 알루미늄, 알루미늄 합금, 은, 니켈, 또는 강철인 태양 전지 어셈블리.
- 제73항에 있어서,상기 복수의 내부 반사기 내의 내부 반사기는 반사성 재료로 만들어진 단일 부품(single piece)인 태양 전지 어셈블리.
- 제77항에 있어서,상기 반사성 재료는 연마된 알루미늄, 알루미늄 합금, 은, 니켈, 또는 강철인 태양 전지 어셈블리.
- 제73항에 있어서,상기 복수의 내부 반사기 내의 내부 반사기는 금속 포일 테이프가 위에 층을 이루고 있는 플라스틱 케이싱을 포함하는 태양 전지 어셈블리.
- 제79항에 있어서,상기 금속 포일 테이프는 알루미늄 포일 테이프인 태양 전지 어셈블리.
- 제73항에 있어서,상기 복수의 내부 반사기 내의 내부 반사기의 단면 형상은 별모양(asteroid) 또는 신개선(involute)인 태양 전지 어셈블리.
- 제73항에 있어서,상기 복수의 내부 반사기 내의 내부 반사기의 단면 형상은 4변이고(four-sided);상기 4변의 단면 형상의 변은 직선형, 포물선형, 오목형, 원형 또는 타원형인 태양 전지 어셈블리.
- 제73항에 있어서,상기 복수의 내부 반사기 내의 내부 반사기의 단면 형상은 4변이고;상기 4변의 단면 형상의 변은 상기 내부 반사기 상의 확산 표면을 정의하는 태양 전지 어셈블리.
- 제73항에 있어서,상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 제1 태양 전지 유닛 및 제2 태양 전지 유닛은 전기적으로 직렬로 배열되는 태양 전지 어셈블리.
- 제73항에 있어서,상기 복수의 태양 전지 유닛 내의 제1 태양 전지 유닛 및 제2 태양 전지 유닛은 전기적으로 병렬로 배열되는 태양 전지 어셈블리.
- 제1항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서,상기 태양 전지는 모놀리식으로 집적되는(monolithically integrated) 태양 전지 유닛.
- 태양 전지 유닛으로서,(A) 태양 전지 - 상기 태양 전지는, 기판 - 상기 기판의 적어도 일부분은 단단하고 비평면임 - 과, 상기 기판 상에 원주로 배치된 후방 전극과, 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된 반도체 접합과, 상기 반도체 접합 상에 원주로 배치된 투명 도전층을 포함함 - ;(B) 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된 필러 층; 및(C) 상기 필러 층 상에 원주로 배치된 투명 케이싱을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제87항에 있어서,상기 기판은 속이 빈 코어를 갖는 태양 전지 유닛.
- 제87항 또는 제88항에 있어서,상기 기판은 플라스틱, 금속 또는 유리로 만들어진 태양 전지 유닛.
- 제87항 또는 제88항에 있어서,상기 기판은 알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리, 다이크로익 유리, 게르마늄/반도체 유리, 유리 세라믹, 실리케이트/용융 실리카 유리, 소다 석회 유리, 석영 유리, 칼코겐화물/황화물 유리, 플루오르화물 유리, 유리계 페놀릭, 플린트 유리, 또는 세리에이트 유리를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제87항 내지 제90항 중 어느 한 항에 있어서,상기 반도체 접합은 흡수재 층 및 접합 파트너 층을 포함하고, 상기 접합 파트너 층은 상기 흡수재 층 상에 원주로 배치되고, 상기 흡수재 층은 상기 후방 전극 상에 원주로 배치되는 태양 전지 유닛.
- 제91항에 있어서,상기 흡수재 층은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(copper-indium-gallium-diselenide)이고, 상기 접합 파트너 층은 CdS, SnO2, ZnO, ZrO2, 또는 도핑된 ZnO인 태양 전지 유닛.
- 제91항에 있어서,상기 흡수재 층은 <110> 결정 방위, 또는 <112> 결정 방위를 갖거나, 또는 결정 방위가 없는 CIGS를 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제87항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서,상기 태양 전지 유닛은,(D) 상기 투명 케이싱 상에 원주로 배치된 반반사성 코팅을 더 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제94항에 있어서,상기 반반사성 코팅은 MgF2, 실리콘 질산염, 티탄 질산염, 실리콘 일산화물, 또는 실리콘 산화물 질산염을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제87항에 있어서,상기 태양 전지는 원통 형상이고,이고,
여기서,는 상기 태양 전지의 반경이고;
는 상기 투명 케이싱의 반경이고;
은 상기 투명 케이싱의 굴절률인 태양 전지 유닛.
- 제87항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서,상기 투명 케이싱은 제1 투명 케이싱 층 및 제2 투명 케이싱 층을 포함하는 복수의 투명 케이싱 층을 포함하고, 상기 제1 투명 케이싱 층은 상기 필러 층 상에 원주로 배치되고, 상기 제2 투명 케이싱 층은 상기 제1 투명 케이싱 층 상에 원주로 배치되는 태양 전지 유닛.
- 태양 전지 유닛으로서,(A) 태양 전지 - 상기 태양 전지는, 기판 - 상기 기판의 적어도 일부분은 단단하고 비평면임 - 과, 상기 기판 상에 원주로 배치된 후방 전극과, 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된 반도체 접합과, 상기 반도체 접합 상에 원주로 배치된 투명 도전층을 포함함 - ;(B) 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된 방수층;(C) 상기 방수층 상에 원주로 배치된 필러 층; 및(D) 상기 필러 층 상에 원주로 배치된 투명 케이싱을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제98항에 있어서,상기 기판은 관(tube)인 태양 전지 유닛.
- 제98항에 있어서,상기 태양 전지는 원통 형상이고,이고,
여기서,는 상기 태양 전지의 반경이고;
는 상기 투명 케이싱의 반경이고;
은 상기 투명 케이싱의 굴절률인 태양 전지 유닛.
- 제98항 내지 제100항 중 어느 한 항에 있어서,상기 투명 케이싱은 제1 투명 케이싱 층 및 제2 투명 케이싱 층을 포함하는 복수의 투명 케이싱 층을 포함하고, 상기 제1 투명 케이싱 층은 상기 필러 층 상에 원주로 배치되고, 상기 제2 투명 케이싱 층은 상기 제1 투명 케이싱 층 상에 원주로 배치되는 태양 전지 유닛.
- 태양 전지 유닛으로서,(A) 태양 전지 - 상기 태양 전지는, 기판 - 상기 기판의 적어도 일부분은 단단하고 비평면임 - 과, 상기 기판 상에 원주로 배치된 후방 전극과, 상기 후방 전극 상에 원주로 배치된 반도체 접합과, 상기 반도체 접합 상에 원주로 배치된 투명 도전층을 포함함 - ;(B) 상기 투명 도전층 상에 원주로 배치된 필러 층;(C) 상기 필러 층 상에 원주로 배치된 방수층; 및(D) 상기 방수층 상에 원주로 배치된 투명 케이싱을 포함하는 태양 전지 유닛.
- 제102항에 있어서,상기 태양 전지는 원통 형상이고,이고,
여기서,는 상기 태양 전지의 반경이고;
는 상기 투명 케이싱의 반경이고;
은 상기 투명 케이싱의 굴절률인 태양 전지 유닛.
- 제102항에 있어서,상기 기판은 관인 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 태양 전지는 원통 형상이고,이고,
여기서,는 상기 태양 전지의 반경이고;
는 상기 투명 케이싱의 반경이고;
은 상기 투명 케이싱의 굴절률인 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서,상기 투명 케이싱은 제1 투명 케이싱 층 및 제2 투명 케이싱 층을 포함하는 복수의 투명 케이싱 층을 포함하고, 상기 제1 투명 케이싱 층은 상기 반도체 접합 상에 원주로 배치되고, 상기 제2 투명 케이싱 층은 상기 제1 투명 케이싱 층 상에 원주로 배치되는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서,상기 투명 도전층은 형광 재료로 코팅되는 태양 전지 유닛.
- 제1항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서,상기 투명 케이싱의 내강 표면(luminal surface) 또는 외부 표면은 형광 재료로 코팅되는 태양 전지 유닛.
- 제41항에 있어서,상기 방수층 또는 상기 필러 층은 형광 재료로 코팅되는 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 플라스틱 봉(rod)인 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 유리 봉인 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 유리 관인 태양 전지 유닛.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 플라스틱 관인 태양 전지 유닛.
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