KR20100053439A - 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치 - Google Patents

광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치 Download PDF

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Abstract

광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치가 개시된다. 본 발명은 집광 장치의 일측 또는 태양전지의 일측에 특정 파장대의 광원을 통과 또는 반사시키는 광결정 구조체를 형성하고, 광결정 구조체를 통과 또는 반사된 광원을 전기에너지로 변환하는 태양전지로 구성하여 입사되는 태양광의 스펙트럼을 조절함으로써 태양전지가 소정온도 이상으로 과열되는 것을 방지하고, 태양광 발전장치의 총체적 비용효율을 향상시킬 수가 있는 효과가 있다.
광결정, 태양전지, 흡수, 반사, 파장대, 밴드갭, 집광장치

Description

광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치{PHOTOVOLTAIC CELL DEVICE BY WAVELENGTH SELECTION USING PHOTONIC CRYSTAL STRUCTURE}
본 발명은 광전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광의 스펙트럼을 광결정 구조체로 조절함으로써 태양전지의 과열을 방지하고, 태양광 발전장치의 총체적 비용효율을 향상시킬 수 있는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치에 관한 것이다.
최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두 되면서, 대표적인 환경친화적 그린 에너지(Green Energy)인 태양광 및 풍력에 대한 연구가 활발히 진행중에 있다.
특히, 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양광 발전시스템은 무한하고 청정에너지라는 관점에서 미래의 대체 에너지원으로 상당히 각광받고 있다.
이러한 장점으로 인하여 태양광 발전시스템은 차량, 장난감, 주거용 발전 및 가로등 뿐만아니라 원거리의 무인 등대, 시계탑, 통신장비 등 매우 다양한 분야에 서 활용되고 있다.
태양광 발전시스템은 이용분야, 부하의 종류, 입지 조건 등에 따라 그 구성요소가 달라지지만, 일반적으로 태양전지 모듈, 축전지, 전력 변환기로 구성된다.
태양전지 모듈은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 주고, 축전지는 태양전지 모듈에서 발생한 전기 에너지를 저장하며, 전력 변환기는 태양전지 모듈을 통해 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환시켜 준다.
그러나, 상기 태양전지는 높은 열을 발생시키는 자외선을 포함한 짧은 파장대의 광선이 직접 조사됨으로써, 태양전지의 온도가 올라가는 문제점을 가진다.
이러한 집광 태양광선에 의하여 태양전지가 과열되는 경우에는 전체적으로 태양전지의 광전효율이 저하되며, 과열 현상이 지나친 경우에는 태양전지 자체가 파손되어 수명이 단축된다는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 접근 방법에 있어서, 선택적 광 조사는 온도 상승에 기여하는 특정 파장대의 태양빛을 차단함으로써 과열(cell heating)을 방지할 수 있다.
광발전(PV ;PhotoVoltaic)의 비용 효율을 줄이는데 통상 두 가지 접근법을 선택할 수 있으며, 그 중 하나는 셀의 효율을 향상시키는 것이고, 다른 하나는 태양빛을 집광시키는 것이다.
그러나 실리콘 셀의 효율 향상은 상용화에 따른 경제적, 기술적 한계에 봉착하였고, Multi-Junction 셀은 광전효율이 높으나 아직 실리콘 셀에 비해 수백배 가격이 비싸 상용화와 기술적 한계에 부딪히고 있다.
결국 발전비용효율을 높이기 위해 Multi-Junction 셀에 태양빛을 집광한 경우 집광 배율을 1000배 가량으로 올려야하는데 셀의 과열현상, 제작비용 그리고 집전효율 등을 고려할 때에 셀의 적정 사이즈가 수 ㎟로 알려져 있다.
이러한 적정 셀 사이즈의 조건을 충족하지 못하면 셀의 과열문제와 렌즈 수차(aberration)와 광정밀도(optical precision)문제가 발생하게 되어 결국 비용 효율의 이점이 사라지게 된다.
셀의 사이즈가 이처럼 작은 경우에 태양광의 angular acceptance가 대폭 감소되어 매우 정교하고 섬세한 집광기(concentrator) 디자인과 추적장치(tracking device)가 요구된다. 따라서 이는 총체적 발전비용효율의 저하로 이어진다.
위에 언급한 Ⅲ-Ⅴ족 Multi-Junction 셀에 고집광 조사를 하는 방식의 문제점을 해결하기 위하여는 비교적 단가가 낮은 Si계통의 셀에 비교적 낮은(<1,000) 배율로 태양빛을 조사하는 방식을 생각해 볼 수 있겠다.
Si계통의 셀 가격의 저렴성으로 인한 이점이 집광배율의 완화를 허용할 수 있기 때문이다. 이러한 집광배율의 완화는 초정밀 집광장치와 초정밀 추적장치의 사용을 필요로 하지 않기 때문에 총체적 CPV의 설비비용을 절감할 수 있게 하여 주며 이는 곧 광발전단가의 하락으로 연결된다. 단지 저 집광배율의 광발전은 단위전력당(kW) 필요한 셀의 수를 증가시켜야 하는 문제가 제기될 수 있다.
그러나, 집광배율을 100이상으로 유지하는 한 총체적 설비비용에 비해 셀의 비용이 차지하는 비율이 극히 낮기 때문에 저집광 배율로 인한 단위 전력단가의 증가는 무시할 수 있다.
따라서, 실리콘 CPV는 100 내지 1000사이에서 집광배율을 유지하면 되는 것이다.
또한, 크기의 증가로 인한 열부하의 증가가 하나의 문제점으로 대두될 수 있다.
이러한 열부하의 억제를 위하여 취할 수 있는 하나의 해결책으로서 광발전보다 열부하에 상대적으로 기여도가 높은 짧은 파장 영역대의 태양빛을 차단하는 방법을 고려해 볼 필요가 있겠다.
단 파장의 빛을 적절히 차단하는 방법으로 박막형 광학 필터를 고려해 볼 수 있는 데, 박막형 광학 필터는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)이나 물리증착(Physical Vapor Deposition)으로 대부분 만들어진다. 제조 단가가 비쌀 뿐만 아니라 기계적 스크래치나 chipping에 취약하다. 따라서 박막 광학 필터는 날씨와 제작비용의 영향을 비교적 적게 받는 우주용으로만 한정되었다. 또한 코팅 두께와 재료선택의 다양성이 부족하게 때문에 박막 필터의 스펙트럼 투과 곡선(spectral transmittivity curve)이 자유롭게 조절되지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광전지 장치의 집광렌즈의 일측에 특정 파장대의 태양빛을 선택적으로 통과 또는 반사시키는 박막형 광필터 대신 광결정 구조체를 형성하여 태양전지로 입사되는 파장 대역을 적절히 조절함으로써 태양전지의 과열을 억제하여 허용된 최대 태양전지 온도의 한계 내에서 집광배율을 극대화할 수 있는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치를 제공하는 것을 제1 목적으로 한다.
본 발명은 집광장치에 일반적으로 사용되는 고가의 Ⅲ-Ⅴ족 Multi-Junction(혹은 Hetero-Junction) 태양전지를 가격이 저렴한 실리콘 계통(결정질, 비결정질 또는 Tandem 형)의 태양전지로 대체함으로써 Multi-Junction(혹은 Hetero-Junction) 태양전지 집광기에 적용되는 고배율 집광조건(＞1,000)을 완하한 광결정 구조체(photonic crystal)를 사용한 파장 제한 광전지 장치를 제공하는 것을 제2 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 박막형 (thin film) 실리콘 셀에 대량 생산이 가능한 (제조가격이 저렴한) 광결정 구조체를 사용하여 셀의 온도 상승을 억제하는 파장 제한 광전자 장치를 제공하는 것을 제 3의 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 비집광형 실리콘 광발전에 적용하여 실리콘 태양전지에 걸리는 열부하를 제한할 수 있는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치를 제공하는 것을 제4 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치는 광원을 집광시키는 집광장치와, 상기 집광장치에서 집광된 광원에서 특정 파장대의 광원을 통과시키는 광결정 구조체 및 상기 광결정 구조체에서 통과된 광원을 전기에너지로 변환시키는 태양전지를 포함하여 구성할 수 있다.
상기 광결정 구조체는 상기 태양전지의 상면에 일체로 형성되도록 하며, 상기 집광장치에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 직진되도록 안내하는 평행렌즈를 더 포함하게 구성하되 상기 광결정 구조체는 상기 평행 렌즈의 출사광에서 특정 파장대의 광원을 통과하도록 구성한다.
또한, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치는 특정 파장대의 광원을 통과시키는 광결정 구조체와, 상기 광결정 구조체에서 통과된 특정 파장대의 광원을 집광시키는 집광장치 및 상기 집광장치에서 통과된 광원을 전기에너지로 변환시키는 태양전지를 포함하여 구성할 수도 있다.
상기 광결정구조체는 상기 집광장치와 굴절성물질로 일체 성형되어 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 집광장치에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 직진되도록 안내하는 평행렌즈를 더 포함하게 구성하여 상기 태양전지는 상기 평행렌즈에서 출사되는 특정 파장대의 광원을 전기에너지로 변환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치는 특정 파장대의 광원을 반사하는 광결정 구조체와 및 상기 광결정 구조체에서 반사된 광원을 전기에너지로 변환시키는 태양전지를 포함하여 구성할 수 있다. 또, 광원을 집광시키는 집광장치를 더 포함하도록 구성하여 상기 광결정 구조체는 상기 집광장치에서 집광된 광원에서 특정 파장대의 광원을 반사시키는 것을 특징으로 한다.
상기 집광장치에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 직진되도록 안내하는 평행렌즈를 더 포함하게 구성하여 상기 광결정 구조체는 상기 평행 렌즈의 출사광에서 특정 파장대의 광원을 반사하도록 구성한다.
이러한 집광장치는 집광거울 또는 프레즈널 렌즈로 구성할 수 있으며, 상기 셀에 전달되는 빛의 파장대는 밴드 갭 에너지(BAND GAP ENERGY)에 해당하는 파장 보다 조금 길거나 그 근처의 파장대를 상한으로 하며, 그보다 짧은 컷오프(Cut-Off) 파장을 하한으로 하는 파장대역으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 컷오프파장은 UV와 1.1㎛ 사이의 영역에서 취하는 것이 바람직하다.
이러한 광결정 구조체는 굴절성 물질이 가시광선 파장 전후의 피치로 구성되는 다수개의 기본단위체와, 상기 기본 단위체가 X,Y방향으로 다수개 형성된 기본요소층이 Z방향으로 적층되어 형성하도록 한다.
이러한 기본단위체는 "T"자 형상 단면을 가지거나, 요형 형상을 가지거나, 또는 삼차원 형상으로 구성할 수 있다.
상기 집광장치, 상기 광결정 구조체 그리고 상기 태양전지가 순서대로 조립 되는 조립 모듈을 포함하여 구성하거나, 평행렌즈가 추가되는 경우 그 위치에 따라 상기 집광장치, 상기 평행렌즈, 상기 광결정 구조체 그리고 상기 태양전지가 순서대로 조립되는 조립 모듈을 포함하여 구성하거나, 또는 상기 광결정 구조체, 상기 집광장치, 그리고 상기 태양전지가 순서대로 조립되는 조립 모듈을 포함하여 구성할 수 있다.
또한, 조립모듈의 조립 순서에 따라 상기 광결정 구조체, 상기 집광장치, 상기 평행렌즈 그리고 상기 태양전지가 순서대로 조립되는 조립 모듈을 포함하여 구성할 수 있으며, 더욱 구체적으로는, 상기 조립 모듈은 상기 집광장치의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더, 상기 광결정 구조체를 지지하는 기판, 상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트 및 상기 렌즈홀더와 상기 기판 그리고 상기 셀마운트가 결합되는 베이스 패널을 포함하여 구성할 수 있다.
또는 상기 조립 모듈을, 상기 집광장치와 상기 평행렌즈의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더, 상기 광결정 구조체를 지지하는 기판, 상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트 및 상기 렌즈홀더와 상기 셀마운트가 결합되는 베이스 패널을 포함하여 구성할 수도 있으며, 상기 조립 모듈을, 상기 광결정 구조체와 상기 집광장치의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더, 상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트 및 상기 렌즈홀더와 상기 셀마운트가 결합되는 베이스 패널을 포함하여 구성할 수도 있다.
또한, 평행렌즈가 추가되는 경우에 상기 조립 모듈은, 상기 광결정 구조체와 상기 집광장치의 외주연을 상부에서 지지하고 그 내부에는 상기 평행렌즈를 지지하는 렌즈 홀더, 상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트 및 상기 렌즈홀더와 상기 셀마 운트가 결합지지되는 베이스 패널을 포함하여 구성할 수도 있다.
한편, 상기 집광장치, 상기 평행렌즈, 상기 광결정 구조체가 순서대로 조립되고 상기 태양전지는 상기 광결정 구조체에서 일정 거리 이격되어 설치되는 조립 모듈일 수 있으며, 상기 조립 모듈을, 상기 집광렌즈의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더, 상기 평행렌즈를 지지하는 기판 및 상기 홀더와 상기 광결정 구조체 및 상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트가 결합되는 베이스 패널을 포함하여 구성되며, 이때 상기 태양전지는 상기 광결정구조체에서 64.2°의 각도로 기울어져 형성하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치에 따르면, 집광 장치의 일측 또는 태양전지의 일측에 특정 파장대의 광원을 통과 또는 반사시키는 광결정 구조체를 형성하여, 태양전지가 소정온도 이상으로 과열되는 것을 방지한다.
본 발명의 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치는 태양전지를 일정온도 이상으로 과열되지 않게 함으로써, 태양전지를 이루는 각 셀의 발전 효율 감소를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치는 집광조건을 완화시킴으로써, 집광 허용 범위를 넓혀주고, 색수차의 문제를 완화해주며, 극도의 정밀도를 갖춘 고가의 트래커(tracker)의 사용을 불필요하게 하여 총체적 발전 비용을 크게 절감할 수 있게 하는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치는 태양전지의 과열을 방지함으로써, 과열에 의하여 태양전지가 파손되는 것을 미연에 방지하고, 또한 태양전지의 내구성을 증대시켜 저렴한 비용으로 대량생산이 가능한 광결정구조체를 사용하기 때문에 총체적 발전비용을 크게 절감할 수 있다.
또한, 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치는 광결정 구조체를 사용하기 때문에 재료의 선택과 결합구조(structural geometry)의 선택에 무제한적인 자유도를 갖게 하는 효과가 있다.
또한, 실리콘 태양전지에 걸리는 열부하를 억제하여 태양전지의 온도상승을 억제하여 광발전기의 일간 평균 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 집광형 광 발전기에 가격이 저렴한 광결정구조체와 Si계통의 셀을 사용함으로써 총체적 광발전 비용효율을 현저히 높일 수 있는 효과가 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
먼저 본 발명에서 사용될 광결정 구조체에 대하여 전반적이고도 구체적인 설명을 한 다음 각 실시 예에서는 이러한 광결정 구조체의 특성을 이용한 장치에 대 해서만 설명하기로 한다.
본 발명의 광결정 구조체(130)는 태양광에서 특정 파장대의 광원을 투과시켜 태양전지(120)로 공급하거나 특정파장대의 광원을 반사시켜 태양전지(120)에 공급하도록 구성할 수 있다.
광결정 구조체(130)의 물질로는 굴절성을 가진 글래스나 폴리머가 사용되나 통상 일회용으로는 폴리머가 사용되고 영구용으로는 쿼츠(Quartz)나 글래스가 사용된다.
도 15는 본 발명의 광결정 구조체의 구성 단면도를 예시한 도면으로, 본 발명에서의 광결정 구조체(130)는 폴리머 격자 프레임(Polymer Lattice Frame)(132)에 X,Y 방향으로 가시광선 파장 전후의 피치로 구성되는 다수 개의 사각형 형상의 기본 단위체(134)가 Z방향으로 적층되어 기본요소층(136)을 형성하는 구조로서, 기본 단위체(138)는 사각형 형상, "T"자 형상 단면, 요형 단면, 그리고 삼차원구조의 어느 하나의 형상으로 형성할 수 있다.
폴리머 격자 프레임(Polymer Lattice Frame)(132)은 굴절성 물질로 구성되며 기본 단위체(134)에는 공기가 채워지는 구조로 형성된다.
이러한 다수 개의 기본 단위체(138)는 기본 요소층(136)을 형성하도록 구성된다. 기본요소층(136)은 역 임프린팅 기법에 의하여 형성된다.
도 16은 역 임프린트 방법(Reversal imprinting lithography; RIL)을 이용한 광결정 구조체를 형성하는 과정의 공정 개념도로서, 통상의 나노 임프린트 방법은 단층에 한정되어 있지만 역 임프린트 공정은 도시된 바와 같이, 다양한 패턴을 적 층할 수 있는 광결정 구조체를 만들기 위해 사용된다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 RIL에 의한 광결정 구조체(130)의 제조방법은 기본요소층 제조단계와 적층단계로 구성되는데, 기본요소층 제조단계는, 기본단위체(134)를 나노 임프린팅 기법을 사용하여 X,Y방향으로 배열하여 기본요소층(136)을 형성하는 단계이다.
사각 형상의 기본단위체(134)는 높이(Hp), 폭(Wa), 기본단위체(134) 사이의 간격(W-Wa)은 모두 가시광선 파장 전후의 피치로 구성하는 것이 바람직하다.
이러한 RIL기법은 기판(subtrate)상에 상술한 바와 같이 제1 요소층을 형성하고, 상판 몰드에 제2 요소층을 형성하여 기판과 상판몰드를 적치하고 프레스하여 제1, 2 요소층을 성형하고 경화시킨 다음 제3 요소층을 동일한 방법으로 성형하여 다양한 패턴을 적재할 수 있도록 하는 것이다.
경화는 열을 인가하거나 자외선을 조사하여 실행하며, 본 실시예에서는 1~15분간 자외선을 조사하거나, 1~10분간 40~150℃로 가열하여 경화를 촉진하는 방법을 사용한다.
이때, 기판과 상판 몰드의 요소층은 각각 음각 복제하여 형성된다.
새로운 기본요소층을 기 적층된 기본요소층 상면에 적층하는 경우, 적층된 기본요소층에 특정 파장의 빛을 소정의 각도로 조사하고 반사되는 파장과 패턴을 확인하여 정렬하거나, 적층된 기본요소층에 백색광을 소정 각도로 조사하여 반사되는 색상과 패턴을 확인한 후 새로운 기본요소층을 배열, 적층하여 2차원 포토닉 크 리스탈 또는 3차원 포토닉 크리스탈 구조를 제작한다. 정 파장대의 광원을 통과시키거나 반사하도록 구성하는 것이다.
이러한 적층구조에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 17은 광결정 구조체의 단일 T형을 도시한 도면으로, 상기와 같은 방법으로 폴리머 격자 프레임(Polymer Lattice Frame)에 X,Y 방향으로 가시광선 파장 전후의 피치로 구성되는 다수 개의 "T"자 형상 단면의 기본 단위체가 Z방향으로 적층되어 형성할 수 있는 것이며,
도 18은 광결정 구조체의 서로 다른 재료층을 사용한 T형 적층구조를 도시한 도면(T on t in Each Cell )으로, 각 셀의 첫 번째 T위에 놓여져 전체 시스템은 T가 두 개의 layer로 이루어지게 되는 구조이며 이러한 구조(PET 또는 PC400)에서의 피크(Peak)치는 0.57nm에서 형성됨을 실험을 통하여 확인할 수 있다.
즉, 도 21의 광결정 구조체의 서로 다른 재료층을 사용한 T형 적층구조에서의 반사 PEAK 파장대를 도시한 실험그래프를 참조하면 시물레이션 결과 PET on PC400 two layer의 peak치는 0.57mm에서 나타남을 확인할 수 있다. 또한 PC400만 있을 때는 0.55mm에서 나타난 것을 알 수 있다.
도 19는 광결정 구조체의 동일 층재료를 사용한 경우에 T형을 역으로 적층한 구조(Overturned T on T in Each Cell)를 도시한 도면으로, 이 경우 반사 PEAK 파장대는 가시광선 영역에서 많은 피크(Peak)가 나타나고 반사 칼라(reflective color)가 명확하지 않음을 알 수 있었다.
도 20은 광결정 구조체의 서로 다른 층재료를 사용한 경우에 T형을 역으로 적층한 구조(Overturned T on T in Each Cell)를 도시한 도면으로, two layer를 다른 재료로 사용한 경우, 상술한 실험치에서와 같이 그 층의 재료를 PET on PC400로 구축한 경우 두 재료가 서로 도와주는 것처럼 보이지 않음을 확인할 수 있었다.
즉, 서로 다른 굴절률 값을 갖는 레진(resin)에 의해 특정 크기의 패턴을 적층함으로써 공기/폴리머/공기/폴리머와 같이 반복 구조가 가능하며, 이로 인해 특정 파장대의 광원을 통과시키거나 반사하도록 구성할 수 있기 때문에 결국 특정 파장의 선택적인 반사나 투과를 위한 구조물 형성이 가능한 것이다.
구체적으로 셀의 밴드 갭 에너지(BAND GAP ENERGY)에 해당하는 파장대를 반사 또는 흡수시킬 수가 있다. 이러한 파장대는 폴리실리콘인 경우는 약 700㎚의 파장대이며, 비정질인 아모퍼스 실리콘(AMORPHOUS-SILICON)의 경우는 약 500㎚의 파장대이고, 그리고 단결정 실리콘의 경우는 1,100㎚의 파장대이다.
이하에서는 단결정 실리콘에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
단결정 실리콘 셀의 경우 밴드갭 에너지가 1.1eV(즉, Eg=1.1eV)인 바 이는 1,100㎚의 파장에 해당된다. 다시 말해 λg=hc/Eg(h=플랑크 상수, c=진공에서의 광속)에 Eg=1.1eV을 대입하면 계산하면 된다. 이러한 단결정 실리콘의 밴드갭 에너지에 해당하는 파장인 1,100㎚보다 긴 파장의 빛은 광자 에너지가 충분하지 못해서 셀에 흡수될 확률이 아주 낮으며, 따라서 전자정공쌍(electron-hole pair)을 생성하기가 거의 불가능하다.
그와 반대로 1,100㎚보다 짧은 파장의 빛은 그 에너지가 밴드갭 에너지보다 높으므로 셀 내에서 흡수되어 전자정공쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있다.
그러나 광자에너지의 초과분(Ev-Eg)은 대부분 셀 내부의 전자를 열화(thermalization)하는 데에 낭비될 뿐만 아니라 셀의 온도상승을 유발함으로써 셀의 광전 변환 효율을 떨어뜨리는 데 기여하게 된다.
셀에 흡수된 광자 중에서도 에너지가 아주 높은 광자(Ev≥Eg)는 전자정공쌍(electron-hole pair)의 생성에 기여하지만 더 많은 에너지를 셀 가열에 소모하게 된다.
천연태양광 스펙트럼의 최대꼭지(peak)가 보통 500㎚의 파장대에 머물러 있는 사실을 고려하면 단결정 실리콘 셀의 경우 상당량(~50%)의 입사 태양광 에너지가 열손실로 변환되고 그 이유로 인하여 실리콘 셀의 성능 저하가 초래된다.
따라서, 단결정 Si 셀의 경우 광결정 구조체(130)를 통과하는 광원의 파장대를 1.1㎛ 이상 혹은 그 이하를 포함하는 영역에서 차단하고 기타 영역으로 구성한다.
또한, 광결정 구조체(130)가 적층형 실리콘 형으로 형성되는 경우에는 UV대역을 차단한 파장대 대역으로 하고 갈륨-비소 형 광전지 장치인 경우에는 청색파장을 차단하는 파장대 대역으로 구성할 수 있다.
이러한 1.1㎛의 파장은 포톤 에너지가 1.1eV에 해당하는 파장이며 단결정 Si셀내에서 흡수되기 시작하는 임계 파장수치이다.
1.1㎛보다 짧은 즉, 1.1eV를 초과하는 포톤이 광결정 구조체(130)에 흡수된 다면, 초과된 에너지 모두가 열 부하로 전환된다.
즉, 과도하게 짧은 파장의 빛을 차단함으로써 불필요한 파장에 의한 열 발생을 제어하고, 적절한 에너지 영역의 빛만을 셀에 입사시킴으로써, 광발전의 총체적 효율 상승을 도모할 수 있다.
따라서, 태양빛을 어느 파장대에서 제한하느냐가 총체적 광발전 비용 효율을 결정하는 관건이 된다 할 것이다.
이의 분석을 위하여 도 22를 참조하여 설명하기로 한다. 도 22는 단결정 Si 셀의 경우 집광시의 열부하(Thermal load)를 계산한 결과를 근거로 도출한 그래프로서, 도시된 바와 같이 태양빛이 1000nm에서 제한된다면 셀 크기는 10배 가량 감소된다. 이러한 크기의 감소는 최대 차단 파장이 증가함에 따라 같이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
제 1 실시예
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도로서, 광전지 장치(100)는 집광장치(110), 광결정 구조체(photonic crystal;130), 태양전지(120)를 포함하여 구성하여, 집광장치(110)에서 집광된 광원을 광결정 구조체(130)에서 특정 파장대의 광원을 통과시켜 태양전지(120)에서 전기가 생성되도록 구성된다.
집광장치(110)는 외부 광원인 태양광을 받아 집광시키는 기능을 가진 것으로, 집광 거울 또는 볼록 렌즈 형태의 집광 렌즈로 구성한다. 특히 본 발명에서는 집광 렌즈를 프레즈널(Fresnel)렌즈로 구성하여 외부 광원인 태양광을 집광하여 광결정 구조체(130)로 공급하도록 구성한다.
프레즈널 렌즈는 등대, OHP 및 자동차의 미등 등에 사용되는 렌즈로, 볼록렌즈와 같은 집광 작용을 하면서도 두께가 얇은 렌즈이다. 이러한 프레즈널 렌즈는 렌즈의 면을 다수개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에 프리즘작용을 가지게 하여 수차(收差)를 작게 함으로서 두께가 얇으면서도 볼록렌즈와 동일한 기능을 가지도록 하면서도 일반적인 볼록렌즈를 사용하는 경우보다 전체적인 크기를 크게 감소시킨다는 장점을 가진다.
광결정 구조체(130)는 태양전지(120)의 온도 상승을 방지하는 목적으로 사용되며, 집광장치(110)에서 집광된 외부 광원인 태양광에서 특정 파장대의 광원을 통과시키도록 형성되며 나노임프린트 리소그래피 기술에 의하여 매우 값싸게 제조가 가능하다. 이러한 공정은 롤 임프린트 방식으로 대량 생산도 가능하기 때문에 생산비용이 매우 싸지게 된다.
집광 장치(110)를 통과한 태양광 중에서 특정 파장대의 광원을 제외한 대부분의 광원은 광결정 구조체(130)에 의하여 외부로 반사된다.
이러한 광결정 구조체(130)는 상술한 바와 같으므로 그 설명은 생략하고 이하에서는 투과되는 파장대에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 8은 c-Si 셀의 외부 광전 효율을 파장대별로 도시한 것으로, 빛이 흡수된 경우 광자 하나가 셀에 전자정공쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 효율을 도시한 것으로, X축은 파장대를 Y축은 외부 광전 효율을 도시한 것이다.
본 비교도면에서는 기준 셀(reference cell)과 좋은 셀(good cell) 그리고 매우 좋은 셀(very good cell)을 비교하였다. 이것은 셀 비용을 고려할 때 실리콘의 경우는 셀 비용이 전체 비용에 비해 미비하므로 서로 비교한 것임을 밝혀둔다.
도면을 참조하면 기준 셀(reference cell)이 가장 넓은 파장 대역에서 높은 효율을 나타내는 것을 알 수 있다.
여기서, 기준 셀(reference cell)은 실험실에서 제작된 Si-cell중에서 가장 효율이 높은 것을 말한다.
도 9는 투과효율을 파장대별로 도시한 도면으로, X축은 파장대를 Y축은 투과효율을 도시한 것으로서, 아크릴(ACRYLITE)은 약 750nm파장대에서는 반사효율이 제로에 가까우나 전 파장대에서 투과효율이 거의 유사하게 나타나고 PHOTONIC CRYSTAL TYPE과 COMBINATION TYPE은 특정 파장대 이후 즉, 약 800nm 파장대 이후부터는 거의 동일한 투과효율을 나타내는 것을 알 수 있으며, PHOTONIC CRYSTAL TYPE이 일정한 높은 투과효율을 유지하고 있음을 알 수 있다.
도 10은 프레즈널 렌즈를 사용한 경우의 투과 광결정 구조체에서의 광 POWER와 열부하 에너지를 파장대별로 도시한 도면으로 X축은 파장대를 Y축은 광 POWER를 도시한 것으로서, 프레즈널 렌즈를 사용한 투과 광결정 구조체는 800~1100nm 파장대에서 광 POWER가 가장 높고 열부하도 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 광결정 구조체(130)를 통과한 특정 파장대 대역의 광원은 태양전지(Solar cell 혹은 Photovoltaic Cell)(130)에 의하여 전기에너지로 변환되어 전력원으로 공급된다.
또한, 본 발명에서는 특정 파장대의 빛을 사용하므로 높은 효율을 갖는 크리스탈 Si cell을 사용하여 광결정 구조체(130)를 형성하도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 집광장치(110), 광결정 구조체(130) 그리고 태양전지(120)는 순서대로 조립 모듈에 조립된다.
조립 모듈은 집광장치(110)의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더(112), 광결정 구조체(130)를 지지하는 기판(132), 태양전지(120)를 지지하는 셀 마운트(122), 렌즈홀더(112)와 기판(140) 그리고 셀마운트(132)가 결합되는 베이스 패널(140)로 구성된다.
특히, 광결정 구조체(130)는 기판(132)에 탈부착이 가능하도록 형성되어, 오염이 되거나 파손이 된 경우 용이하게 교환할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
이러한 조립 모듈의 크기는 수 센티미터에서 수 미터 사이이며 조립 모듈의 전체적인 모양은 방위각으로 대칭적(원통형) 또는 수직으로 구성한다.
도 4를 참조하면 상술한 구성에 평행렌즈를 추가하여 집광 효율을 더 높힐 수 있는 방법이 개시되어 있다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도로서, 도시된 바와 같이 집광장치(110)와 광결정 구조체(130) 사이에 집광장치(110)에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 직진되도록 안내하는 평행렌즈(160)를 구비하도록 하는 것이다.
따라서, 이때의 조립 모듈은 집광장치(110), 평행렌즈(160), 광결정 구조체(130) 그리고 태양전지(120)를 순서대로 조립되게 구성한다. 구체적으로는 집광장치(110)와 평행렌즈(160)를 지지하는 기판(162)의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더(112), 광결정 구조체(130)를 지지하는 기판(132), 태양전지(120)를 지지하는 셀 마운트(122) 및 렌즈홀더(112)와 셀마운트(122)가 결합지지되는 베이스 패널(150)을 포함하여 구성할 수 있다.
제 2 실시예
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도로서, 광전지 장치(100)는 집광장치(110), 광결정 구조체(130), 태양전지(120)를 포함하여 구성하되 광결정 구조체(130)를 태양전지(120)와 일체로 성형되게 하여 그 구조를 더욱 더 간단하게 형성할 수도 있다. 도시된 바와 같이 태양전지(120)의 상면에 일체로 광결정 구조체(130)를 형성함으로써, 보다 콤펙트한 사이즈로 광전지 장치를 구성할 수 있다.
집광장치(110)는 외부 광원인 태양광을 받아 집광시키는 기능을 가진 것으 로, 볼록 렌즈 형태의 집광 렌즈로 구성한다. 특히 본 발명에서는 집광 렌즈를 프레즈널(Fresnel)렌즈로 구성하여 외부 광원인 태양광을 집광하여 광결정 구조체(130)로 공급하도록 구성한다.
집광 장치(110)를 통과한 태양광 중에서 특정 파장대의 광원을 제외한 대부분의 광원은 광결정 구조체(130)에 의하여 외부로 반사된다.
프레즈널 렌즈는 제1 실시예와 동일하고, 광결정 구조체(130)도 상술한 바와 같으므로 역시 그 설명은 생략한다.
따라서, 광결정 구조체(130)를 통과한 특정 파장대 대역의 광원은 태양전지(Solar cell 혹은 Photovoltaic Cell)(130)에 의하여 전기에너지로 변환되어 전력원으로 공급된다.
이러한 경우에도 도 6과 같이 집광장치(110)와 광결정 구조체(130) 사이에 집광장치(110)에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 직진되도록 안내하는 평행렌즈(160)를 더 구비하도록 하여 집광 효율을 높일 수가 있다.
그리고, 광결정 구조체(130)와 태양전지(120)가 일체로 성형된 경우에는 조립모듈에서 광결정 구조체(130)를 지지하는 기판(132)은 별도로 추가하지 않고도 셀마운트가 광결정 구조체(130)와 태양전지(120)를 지지하게 할 수도 있음은 물론이다.
제 3 실시예
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위 한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도로서, 특정 파장대의 광원을 통과시키는 광결정 구조체(130)와 광결정 구조체(130)에서 통과된 특정 파장대의 광원을 집광시키는 집광장치(110) 및 집광장치(110)에서 통과된 광원을 전기에너지로 변환시키는 태양전지(120)를 포함하여 구성할 수 있다.
또한, 광결정구조체(130)는 집광장치(110) 상면의 굴절성 물질에 일체로 성형하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때의 성형 방법은 굴절성 기판에 상면에는 광결정 구조체를 형성하기 위한 스탬퍼로 광결정 구조체를 형성하고 그 하면에는 프레즈널 렌즈를 형성하기 위한 스탬퍼로 문형을 형성하게 하여 일체로 성형할 수 있다.
또한, 도 5의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도를 참고하면, 집광 효율을 높이기 위하여 평행렌즈(160)를 사용함으로써, 집광장치(110)에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 직진되도록 안내하여 태양전지(120)가 평행렌즈(160)에서 출사되는 특정 파장대의 광원을 전기에너지로 변환하도록 한다.
이러한 광결정 구조체(130)의 물질로는 굴절성을 가진 글래스나 폴리머가 사용되나 통상 일회용으로는 폴리머가 사용되고 영구용으로는 쿼츠나 글래스가 사용된다.
이러한 광결정 구조체(130)의 상세 구조는 상술한 바와 같으므로 그 설명을 생략하기로 한다.
따라서, 광결정 구조체(130)를 통과한 특정 파장대 대역의 광원은 집광장 치(110)에서 집광되어 태양전지(Solar cell 혹은 Photovoltaic Cell)(120)에 의하여 전기에너지로 변환되어 전력원으로 공급된다.
또한, 본 발명에서는 특정 파장대의 빛을 사용하므로 높은 효율을 갖는 크리스탈 Si cell을 사용하여 광결정 구조체(130)를 형성하도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 광결정 구조체(130)와 집광장치(110) 그리고 태양전지(120)는 순서대로 조립 모듈에 조립되며 평행렌즈(160)가 구비된 경우에는 광결정 구조체(130)와 집광장치(110), 평행렌즈(160) 그리고 태양전지(120)를 순서대로 조립 모듈에 조립한다.
상세하게는 조립 모듈은 광결정 구조체(130)와 일체로 성형된 집광장치(110)의 외주연을 지지하는 렌즈홀더(112), 태양전지(120)를 지지하는 셀 마운트(122) 및 렌즈홀더(112)와 셀마운트(122)가 결합지지되는 베이스 패널(150)에 의하여 조립되고 필요에 따라 렌즈 홀더(112)는 집광장치(110)와 태양전지(120) 사이에 평행렌즈(160)를 지지하는 기판(162)을 더 지지하도록 구성할 수 있다.
제 4 실시예
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 특정 파장대의 광원을 반사시키기 위한 광전지 장치의 사시도로서, 광전지 장치(100)는 집광장치(110), 평행렌즈(120), 광결정 구조체(130), 그리고 태양전지(140)를 포함하여 구성된다.
집광장치(110)는 외부 광원인 태양광을 받아 집광시키는 기능을 가진 것으로, 볼록 렌즈 형태의 집광 렌즈로 구성한다. 특히 본 발명에서는 집광 렌즈를 프레즈널(Fresnel)렌즈로 구성하여 외부 광원인 태양광을 집광하여 광결정 구조체(120)로 공급하도록 구성한다. 기타 설명은 제 1실시예의 집광장치와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
평행렌즈(120)는 집광장치(110)에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 출사되도록 하여 광결정 구조체(130)로 안내하는 기능을 수행하도록 구성된다.
광결정 구조체(130)는 평행렌즈(120)에서 출사된 광원에서 특정 파장대의 광원을 일정 각도로 반사하도록 구성된다.
이를 위하여 집광기의 반사막 표면에 특정한 기능성을 갖는 나노급 패턴을 형성함으로써 발전에 필요한 파장만을 선택적으로 반사할 수 있다. 이렇게 선택적으로 반사된 빛(실리콘의 경우 1.1eV 근방의 에너지를 갖는 파장)을 전지에 집광시킴으로써 불필요한 파장에 의한 열 발생을 제어하고, 고에너지 입사광에 의한 여기 전자의 산란을 제어하여 최종적으로 태양전지 효율을 상승할 수 있다.
즉, 평행렌즈(120)를 통과한 태양광 중에서 특정 파장대의 광원을 제외한 대부분의 광원은 광결정 구조체(130)에 의하여 흡수되고 특정 파장대의 광원을 일정 각도로 반사하도록 구성된다.
광결정 구조체(130)의 구체적인 설명도 상술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.
태양전지(Solar cell 혹은 Photovoltaic Cell)(140)는 광결정 구조체(130)에 서 반사된 광원을 수신하여 전기에너지로 변환되어 전력원으로 공급된다.
본 발명에서는 특정 파장 빛을 사용하므로 높은 효율을 갖는 크리스탈 Si cell을 사용한다.
이하, 상술한 구조의 광결정 구조체(130)의 반사 파장대에 대하여 설명한다.
도 11은 반사효율을 파장대별로 도시한 도면으로, X축은 파장대를 Y축은 반사효율을 도시한 것이다. 아크릴(ACRYLITE)은 전 파장대에서 반사효율이 거의 유사하나 PHOTONIC CRYSTAL TYPE과 COMBINATION TYPE은 특정 파장대 즉, 1100nm(1.1㎛) 파장대에서 가장 높은 반사효율을 나타내는 것을 알 수 있으며, PHOTONIC CRYSTAL TYPE이 가장 효율이 높음을 알 수 있다.
도 12는 프레즈널 렌즈를 사용한 반사 광결정 구조체에서의 광 POWER와 열부하 에너지를 파장대별로 도시한 도면으로, X축은 파장대를 Y축은 광 POWER를 도시한 것으로서, 프레즈널 렌즈를 사용한 반사 광결정 구조체는 1000~1100nm 파장대에서 광 POWER가 가장 높고 열부하도 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
도 13은 구체적으로 설명하면 X축은 투사각도(입사각)을 Y축은 반사효율을 나타낸 것으로, 먼저 W=H=1㎛, a=0.4㎛, h=0.15㎛, w=0.2㎛, refractive index=1.55인 Single-T configuration을 reference로 고려한다. reference는 575nm에서 가장 높은 스펙트럼 peak가 나타나고, 가시광선은 370~730nm이다. 도면을 참조하면 세가지 파장의 빛과 1000nm 타장의 빛에 대한 전반사의 입사각 의존도를 계산할 수 있다. 커브는 입사각이 증가함에 따라 90도에서 최대에 도달하는 증가 경향을 나타낸다. 좀 더 자세히 살펴보면 반사광의 색깔은 입사각에 크게 영향을 받 음을 알 수 있다. 도면 분석을 통해 파장이나 입사각이 변함에 따라 다른 색깔의 빛이 반사되는 것을 알 수 있다. 따라서 single-T configuration은 단색 반사에 적합하지 않다는 것을 알 수 있다.
도 14는 삼차원(3D) 광결정 구조체에 대한 투사각도에 따른 반사효율을 도시한 도면으로, 0도, 30도, 45도, 60도의 입사각에 대한 전반사 파장을 계산할 수 있다.
도면을 참조하면, 30도 일때 반사가 0도 일때 보다 약하고(단, 파장이 1㎛~2.5㎛일때), 그 외의 영역에서는 입사각이 30도 이상 틀어진다면 더 강해지는 것을 알 수 있다.
이러한 집광장치(110), 평행렌즈(120), 광결정 구조체(130)는 순서대로 조립 모듈에 조립되고 태양전지(140)는 광결정 구조체(130)에서 일정 거리 이격되어 설치된다.
상세하게는 조립 모듈은 집광렌즈(110)의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더(112), 평행렌즈(120)를 지지하는 기판(122) 및 렌즈홀더(112)와 광결정 구조체(130) 및 태양전지(140)를 지지하는 셀 마운트(130)가 결합지지되는 베이스 패널(150)에 의하여 조립된다.
특히, 광결정 구조체(120)는 기판(122)에 탈부착이 가능하도록 형성되어, 오염이 되거나 파손이 된 경우 용이하게 교환할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
이러한 조립 모듈의 크기는 수 센티미터에서 수 미터 사이이며 조립 모듈의 전체적인 모양은 방위각으로 대칭적(원통형) 또는 수직으로 구성한다.
이때 태양전지(140)는 광결정구조체(130)에서 64.2°의 각도로 기울어져 형성되어야 한다.
입사, 반사각의 의존성은 제품의 질에 매우 중요하다. 가장 이상적인 것은 입사 및 반사각에 영향을 받지 않는 표면 구조일 것이다. 실제로, 완전히 각도에 무관하게 하는 것은 불가능하다. 그러나 우리는 적당한 cell의 구조를 선택하여 각도 영향을 최소화할 것이다. 그 방법으로 Single-T와 3-D checkboard 모양을 시험함으로써 입사각의 의존성에 대한 이슈에 접근할 수 있다. 두 경우 모두에서, 전반사는 입사각이 증가함에 따라 증가하는 것으로 보여진다. 반사된 빛은 몇 개의 분리된 반사각으로 분산된다. Single-T에서, 가장 큰 반사는 파란 빛이나 빨간 빛에 대해 반사각이 60도 일 때이고, 노란 빛일 때는 0도일 때이다.
즉, 반사막 표면에 특정한 기능성을 갖는 나노급 패턴을 형성함으로써 발전에 필요한 파장만을 선택적으로 반사할 수 있도록 할 수 있는 것이다. 이렇게 선택적으로 반사된 빛(실리콘의 경우 1.12eV 근방의 에너지를 갖는 파장)을 태양전지에 집광시킴으로써 불필요한 파장에 의한 열 발생을 제어하고, 고에너지 입사광에 의한 여기 전자의 산란을 제어하여 최종적으로 태양전지 효율의 상승을 도모할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 특정 파장대의 광원을 통과시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 특정 파장대의 광원을 반사시키기 위한 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치의 단면도,
도 8는 c-Si 셀의 외부 광전 효율을 파장대별로 도시한 것이며,
도 9는 투과효율을 파장대별로 도시한 도면,
도 10은 프레즈널 렌즈를 사용한 경우의 투과 광결정 구조체에서의 광 POWER와 열부하 에너지를 파장대별로 도시한 도면,
도 11은 반사효율을 파장대별로 도시한 도면,
도 12는 반사 광결정 구조체에서의 광 POWER와 열부하 에너지를 파장대별로 도시한 도면,
도 13은 3개의 파장 빛과 1000㎚ 파장의 빛에 대한 전반사의 입사각 의존도를 도시한 그래프,
도 14는 3차원 구조로 구성한 경우의 입사각에 대한 전반사 파장을 예시한 도면,
도 15는 본 발명의 광결정 구조체의 구성 단면도를 예시한 도면,
도 16은 역 임프린트 방법을 이용한 광결정 구조체를 형성하는 과정을 설명하기 위한 공정도,
도 17은 광결정 구조체의 단일 T형을 도시한 도면,
도 18은 광결정 구조체의 서로 다른 재료층을 사용한 T형 적층구조를 도시한 도면,
도 19는 광결정 구조체의 동일 층재료를 사용한 경우에 T형을 역으로 적층한 구조를 도시한 도면,
도 20은 광결정 구조체의 서로 다른 층재료를 사용한 경우에 T형을 역으로 적층한 구조를 도시한 도면,
도 21은 도 18의 광결정 구조체의 서로 다른 재료층을 사용한 T형 적층구조에서의 반사 PEAK 파장대를 도시한 실험그래프,
그리고,
도 22는 단결정 Si 셀의 경우 집광시의 열부하(Thermal load)를 계산한 결과 를 근거로 도출한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 광전지 장치 110 : 집광장치
112 : 렌즈홀더 120 : 태양전지
122 : 셀마운트 130 : 광결정구조체
132 : 제1 기판 136 : 기본 요소층
138 : 기본 단위체 140 : 베이스 기판
160 : 평행렌즈 162 : 평행렌즈기판

Claims (30)

  1. 광원을 집광시키는 집광장치;
    상기 집광장치에서 집광된 광원에서 특정 파장대의 광원을 통과시키는 광결정 구조체; 및
    상기 광결정 구조체에서 통과된 광원을 전기에너지로 변환시키는 태양전지;
    를 포함하여 구성되는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광결정 구조체는 상기 태양전지의 상면에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 집광장치에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 직진되도록 안내하는 평행렌즈;
    를 더 포함하게 구성하되 상기 광결정 구조체는 상기 평행 렌즈의 출사광에서 특정 파장대의 광원을 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  4. 특정 파장대의 광원을 통과시키는 광결정 구조체;
    상기 광결정 구조체에서 통과된 특정 파장대의 광원을 집광시키는 집광장치; 및
    상기 집광장치에서 통과된 광원을 전기에너지로 변환시키는 태양전지;
    를 포함하여 구성되는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 광결정구조체는
    상기 집광장치와 굴절성물질로 일체 성형되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 집광장치에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 직진되도록 안내하는 평행렌즈;
    를 더 포함하게 구성하여 상기 태양전지는 상기 평행렌즈에서 출사되는 특정 파장대의 광원을 전기에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용 한 파장 제한 광전지 장치.
  7. 특정 파장대의 광원을 반사하는 광결정 구조체; 및
    상기 광결정 구조체에서 반사된 광원을 전기에너지로 변환시키는 태양전지;
    를 포함하여 구성되는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    광원을 집광시키는 집광장치;
    를 더 포함하도록 구성하여 상기 광결정 구조체는 상기 집광장치에서 집광된 광원에서 특정 파장대의 광원을 반사시키는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 집광장치에서 집광된 광원을 일방향으로 서로 평행하게 직진되도록 안내하는 평행렌즈;
    를 더 포함하게 구성하여 상기 광결정 구조체는 상기 평행 렌즈의 출사광에서 특정 파장대의 광원을 반사하도록 하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  10. 제 1항, 제 4항, 제 8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 집광장치는
    집광거울 또는 프레즈널 렌즈인 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  11. 제 1항, 제 4항, 또는 제 7항에 있어서,
    상기 특정 파장대는
    밴드 갭(BAND GAP) 에너지에 해당하는 파장대인 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 특정 파장대는
    1.1㎛과 그보다 짧은 컷오프(Cut-Off) 파장 사이의 파장대인 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 컷오프파장은
    UV대역의 파장인 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 컷오프파장은
    청색파장대역의 파장인 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 컷오프파장은
    그 파장이 0.8㎛ 인 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  16. 제 1항, 제 4항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 광결정 구조체는
    굴절성 물질이 가시광선 파장 전후의 피치로 구성되는 다수개의 기본단위체 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 광결정 구조체는
    상기 기본 단위체가 X,Y방향으로 다수개 형성된 기본요소층이 Z방향으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 기본단위체는
    "T"자 형상 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 기본단위체는
    요형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 기본단위체는
    삼차원 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 집광장치, 상기 광결정 구조체 그리고 상기 태양전지가 순서대로 조립되는 조립 모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  22. 제 3항에 있어서,
    상기 집광장치, 상기 평행렌즈, 상기 광결정 구조체 그리고 상기 태양전지가 순서대로 조립되는 조립 모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  23. 제 4항에 있어서,
    상기 광결정 구조체, 상기 집광장치, 그리고 상기 태양전지가 순서대로 조립되는 조립 모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  24. 제 6항에 있어서,
    상기 광결정 구조체, 상기 집광장치, 상기 평행렌즈 그리고 상기 태양전지가 순서대로 조립되는 조립 모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  25. 제 21항에 있어서,
    상기 조립 모듈은
    상기 집광장치의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더;
    상기 광결정 구조체를 지지하는 기판;
    상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트; 및
    상기 렌즈홀더와 상기 기판 그리고 상기 셀마운트가 결합되는 베이스 패널;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  26. 제 22항에 있어서,
    상기 조립 모듈은
    상기 집광장치와 상기 평행렌즈의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더;
    상기 광결정 구조체를 지지하는 기판;
    상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트; 및
    상기 렌즈홀더와 상기 셀마운트가 결합되는 베이스 패널;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  27. 제 23항에 있어서,
    상기 조립 모듈은
    상기 광결정 구조체와 상기 집광장치의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더;
    상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트; 및
    상기 렌즈홀더와 상기 셀마운트가 결합되는 베이스 패널;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  28. 제 24항에 있어서,
    상기 조립 모듈은
    상기 광결정 구조체와 상기 집광장치의 외주연을 상부에서 지지하고 그 내부에는 상기 평행렌즈를 지지하는 렌즈 홀더;
    상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트; 및
    상기 렌즈홀더와 상기 셀마운트가 결합지지되는 베이스 패널;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  29. 제 9항에 있어서,
    상기 집광장치, 상기 평행렌즈, 상기 광결정 구조체가 순서대로 조립되고 상기 태양전지는 상기 광결정 구조체에서 일정 거리 이격되어 설치되는 조립 모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
  30. 제 29항에 있어서,
    상기 조립 모듈은
    상기 집광렌즈의 외주연을 지지하는 렌즈 홀더;
    상기 평행렌즈를 지지하는 기판; 및
    상기 홀더와 상기 광결정 구조체 및 상기 태양전지를 지지하는 셀 마운트가 결합되는 베이스 패널;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광결정 구조체를 이용한 파장 제한 광전지 장치.
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