KR20100135200A - Ⅲ―ⅴ 반도체 태양 전지용 집광형 광기전 시스템 리시버 - Google Patents

Ⅲ―ⅴ 반도체 태양 전지용 집광형 광기전 시스템 리시버 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따르면, 태양 에너지를 전기로 변화시키는 태양전지 리시버는 세라믹 기판, 태양전지 및 히트싱크를 포함한다. 세라믹 기판은 제1 금속화 표면 및 반대되는 제2 금속화 표면을 갖는다. 세라믹 기판의 제1 금속화 표면은 분리된 전도성 영역을 갖는다. 태양전지는 세라믹 기판의 전도성 영역의 제1 영역에 연결된 전도성 제1 표면, 및 전도성 영역의 제2 영역에 연결된 전도성 접촉 영역을 갖는 반대되는 제2 표면을 갖는다. 히트싱크는 금속-충진 에폭시 접착제 또는 땜납과 같은 열전도성 부착 매체에 의하여 세라믹 기판의 제2 금속화 표면에 결합된다.

Description

Ⅲ―Ⅴ 반도체 태양 전지용 집광형 광기전 시스템 리시버{CONCENTRATED PHOTOVOLTAIC SYSTEM RECEIVER FOR Ⅲ―Ⅴ SEMICONDUCTOR SOLAR CELLS}
본 출원은 태양전지 리시버(solar cell receiver), 특히 태양전지(solar cell), 금속화 세라믹 기판(metallized ceramic substrate) 및 히트싱크(heat sink)를 포함하는 태양전지 리시버에 관한 것이다.
역사적으로, 태양열 발전(우주 및 지구상에서 모두)은 실리콘 태양전지에 의하여 주로 제공되었다. 그러나 지난 수년간, 우주 적용을 위한 고효율 Ⅲ―Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 태양전지(multijunction solar cell)의 대량 생산은 지구상에서의 발전(power generation)에 있어서 이러한 대체적인 기술을 고려할 수 있도록 하였다. 실리콘과 비교하여, Ⅲ―Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 전지는 일반적으로 더 방사 저항적이고(radiation resistant), 더 높은 에너지 변환 효율(energy conversion efficiencies)을 가지지만, 제조하는데 더 많은 비용이 든다. 현재 일부 Ⅲ―Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 전지는 27%를 넘는 에너지 효율을 갖는 반면, 실리콘 기술은 일반적으로 단지 약 17% 효율성에 그친다. 집광(concentration) 하에서, 현재 일부 Ⅲ―Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 전지는 37%를 넘는 에너지 효율을 갖는다.
일반적으로 말하면, 다중접합 전지는 n-on-p 극성(polarity)이며, InGaP/(In)GaAs/Ge 반도체 구조의 수직 스택(vertical stack)으로 이루어진다. Ⅲ―Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 태양전지 층은 게르마늄(Ge) 기판 상에서 금속-유기화학 기상 증착(metal-organic vapor deposition, MOCVD)을 통하여 전형적으로 성장된다. Ge 기판을 이용함으로써 접합이 n-형 및 p-형 Ge 사이에 형성되어, 기판을 바닥 또는 저 밴드갭 서브전지(bottom or low band gap subcell)를 형성하는데 이용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 태양 에너지를 전기(electricity)로 변환시키는 태양전지 리시버(solar cell receiver)는 세라믹 기판(ceramic substrate), 태양전지(solar cell) 및 히트싱크(heat sink)를 포함한다. 세라믹 기판은 제1 금속화 표면(first metallized surface) 및 반대되는 제2 금속화 표면(opposing second metallized surface)을 갖는다. 세라믹 기판의 제1 금속화 표면은 분리된 전도성 영역들(separated conductive regions)을 갖는다. 태양전지는 세라믹 기판의 전도성 영역의 제1 영역과 연결된 전도성 제1 표면, 및 전도성 영역의 제2 영역과 연결된 전도성 접촉 영역(conductive contact area)을 갖는 반대되는 제2 표면을 갖는다. 히트싱크는 금속-충진 에폭시 접착제(metal-filled eopxy adhesive) 또는 땜납(solder)과 같은 고 열전도성 부착 매체(attach media)로 세라믹 기판의 제2 금속화 표면에 결합된다.
다른 실시예에 따르면, 태양 에너지를 전기로 변환시키는 태양전지 리시버는 세라믹 기판, 태양전지, 바이패스 다이오드(bypass diode) 및 히트싱크를 포함한다. 세라믹 기판은 제1 금속화 표면 및 반대되는 제2 금속화 표면을 갖는다. 세라믹 기판의 제1 금속화 표면은 분리된 전도성 영역들을 갖는다. 태양전지는 세라믹 기판의 전도성 영역의 제1 영역과 전기적으로 연결된 애노드 단자(anode terminal), 및 전도성 영역의 제2 영역과 전기적으로 연결된 캐소드 단자(cathode terminal)를 갖는다. 바이패스 다이오드는 제1 및 제2 전도성 영역을 가로질러 상기 태양전지와 병렬로(in parallel) 연결된다. 히트싱크는 금속-충진 에폭시 접착제 또는 땜납과 같은 고 열전도성 부착 매체로 세라믹 기판의 제2 금속화 표면에 결합된다.
다른 실시예에 따르면, 태양전지 리시버는 제1 금속화 표면 및 반대되는 제2 금속화 표면을 갖는 세라믹 기판을 제공함으로써 제조되며, 상기 제1 금속화 표면은 분리된 전도성 영역들을 갖는다. 태양전지의 전도성 제1 표면은 세라믹 기판의 전도성 영역의 제1 영역과 연결되고, 태양전지의 반대되는 제2 표면의 전도성 접촉 영역은 전도성 영역의 제2 영역과 연결된다. 히트싱크는 금속-충진 에폭시 접착제 또는 땜납과 같은 고 열전도성 부착 매체로 세라믹 기판의 제2 금속화 표면에 결합된다.
물론, 본 발명은 전술한 특징 및 이점에 제한되지 않는다. 당업자는 하기 상세한 설명을 읽는 경우, 및 첨부된 도면을 보는 경우 부가적인 특징 및 이점을 인지할 것이다.
도 1은 태양전지, 금속화 세라믹 기판 및 히트싱크를 포함하는 태양전지 리시버의 일 실시예의 부분 분해사시도이다.
도 2는 도 1의 태양전지 및 금속화 세라믹 기판을 더욱 상세하게 나타낸다.
도 3은 도 1에 나타낸 태양전지, 금속화 세라믹 기판 및 히트싱크의 단면도이다.
예시적인 측면 및 그의 실시예를 포함하는 본 발명의 상세한 설명이 기재될 것이다. 도면 및 하기 기재를 참조하여, 동일한 참조부호는 동일한 또는 기능적으로 유사한 구성요소를 확인하기 위하여 이용되며, 예시적인 실시예의 주요 특징을 매우 단순화된 도식화 방식으로 설명하기 위한 것이다. 또한, 도면은 실제 실시예의 모든 특징이나 도시된 구성요소의 상대적인 크기를 나타내기 위한 것이 아니며, 일정한 비율로 도시되지 않는다.
태양전지 리시버는 태양 에너지를 전기로 변환시키는 태양전지를 포함한다. 본 명세서에 기재된 다양한 구현예에서, 삼중-접합(triple-junction) Ⅲ―Ⅴ 화합물 반도체 태양전지가 채용되었으나, 어플리케이션에 따라 다른 형태의 태양전지가 이용될 수 있다. 태양전지 리시버는 종종 부가적인 구성요소, 예를 들어 출력 장치 또는 다른 태양전지 리시버에 결합하기 위한 커넥터를 포함한다.
일부 어플리케이션에서, 태양전지 리시버는 태양전지 모듈의 부분으로서 실시될 수 있다. 태양전지 모듈은 태양전지 리시버 및 상기 태양전지 리시버에 결합된 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈는 수용된 광을 태양전지 리시버에 집중시키기 위하여 이용된다. 렌즈의 결과로, 더 많이 집광된 태양 에너지가 태양전지 리시버에 의하여 수용될 수 있다. 일부 구현예에서, 렌즈는 400 이상의 인자(factor)로 태양 에너지를 집광시키도록 조절된다. 예를 들어, 500 sun 집광(concentration)에서, 1 ㎠의 태양전지 면적은 집광 없이 500 ㎠의 태양전지 면적이 생산할 수 있는 전력과 동일한 양을 생산한다. 따라서, 집광의 이용은 더욱 비용이 많이 드는 반도체 전지 물질을 렌즈 및 거울과 같은 비용효율적 물질로 대체할 수 있도록 한다. 2 이상의 태양전지 모듈은 어레이로 함께 그룹화될 수 있다. 이러한 어레이는 때때로 "패널(panels)", 또는 "태양전지판(solar panels)"로 나타내어진다.
도 1은 태양전지(102)를 포함하는 태양전지 리시버(100)의 일 실시예를 나타낸다. 일 실시예에서, 태양전지(102)는 직렬로(in series) 배열된 상부 전지, 중간부 전지 및 하부 전지를 포함하는 삼중-접합 Ⅲ―Ⅴ 화합물 반도체 태양전지이다. 다른 실시예에서, 태양전지(102)는 n-on-p 극성을 갖는 다중접합 태양전지이고, Ge 기판 상의 InGaP/(In)GaAs Ⅲ―Ⅴ 화합물로 구성된다. 각 경우에, 태양전지(102)는 2차적 광학 구성요소(secondary optical element)(104)로부터 집중된 태양 에너지를 수용하기 위하여 위치된다.
2차적 광학 구성요소(104)는 태양전지(102), 및 렌즈와 같은 1차적인 집중 구성요소(primary focusing element)(도시되지 않음) 사이에 위치된다. 2차적 광학 구성요소(104)는 태양전지(102)의 상부 표면을 향하는 상응하는 렌즈에 의하여 집중된 태양 에너지를 수집하도록 일반적으로 설계된다. 2차적 광학 구성요소(104)는 상응하는 렌즈로부터 광 빔(light beam)을 수용하는 입구 개구부(entry aperature)(105), 및 광 빔을 태양전지(102)로 전달하는 출구 개구부(exit aperature)(107)를 포함한다. 2차적 광학 구성요소(104)는 개구부(105) 및 개구부(107) 사이에 중간 영역(intermediate region)(112)을 포함한다. 이상적 조건하에서, 2차적 광학 구성요소(104)에 관련된 렌즈는 2차적 광학 구성요소(104)에 대한 라이트 히팅(light hitting) 없이, 광을 태양전지(102)에 직접적으로 집중시킨다.
대부분의 환경에서, 렌즈는 광을 태양전지(102) 상에 직접적으로 집중시키지 않는다. 이는 굴절형 렌즈 디자인(refractive lens design)의 색수차(chromatic aberration), 구성(constsruction) 중 렌즈에 대한 태양전지(102)의 미스얼라인먼트(misalignment), 트랙커 오류(tracker error)에 기인하는 동작(operation) 중 미스얼라인먼트(misalignment), 구조적 플렉싱(structural flexing) 및 풍하중(wind raod)을 포함하나 이에 제한되는 것은 아닌 다양한 원인에 기인하여 발생할 수 있다. 따라서, 대부분의 조건하에서, 렌즈는 광이 2차적 광학 구성요소(104)에 반사되도록 광을 집중한다. 이상적인 설정(ideal setup)과 미스얼라인된 설정(misaligned setup) 사이의 차이는 1°보다 작은 렌즈 위치의 미세한 변화일 수 있다.
따라서, 2차적 광학 구성요소(104)는 상응하는 렌즈가 태양전지(102) 상에 광을 직접적으로 집중시키지 않는 조건에서, 더 많은 광이 태양전지(102)에 도달되도록 하는 광 흘림 방지제(light spill catcher)로서 작용된다. 2차적 광학 구성요소(104)는 전체적으로 참조로 본 명세서에 병합되는, 2009년 3월 12일에 출원된 미국특허출원 제12/402814호에 개시된 종류와 같은 반사형 다층 중간 영역(reflective multi-layer intermediate region)을 포함할 수 있다. 반사형 다층 중간 영역은 2차적 광학 구성요소(104)에서 태양전지(102)로 전달되는 광 빔의 반사율(reflectivity)이 입사 태양 스펙트럼(incident solar spectrum)에 걸쳐 태양전지(102)의 표면에 응집 방사 조도(aggregate irradiance)를 최적화하도록, 상이한 물질로 형성될 수 있고, 상이한 광학적 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 2차적 광학 구성요소(104)의 몸체(112) 내부 표면은 은 또는 다른 고반사율 물질로 코팅될 수 있다. 일부 경우, 반사 코팅(reflective coating)은 2차적 광학 구성요소(104)를 산화, 변색(tarnish) 또는 부식(corrosion)에 대하여 보호하기 위하여, SiO2와 같은 패시베이션 코팅(passivation coating)에 의하여 보호된다.
2차적 광학 구성요소(104)의 몸체(112)는 일 이상의 패스너(fastener)(118)를 통하여 몸체(112)를 브래킷(bracket)(116)에 부착시키기 위한 일 이상의 마운팅 탭(mounting tab)(114)을 갖는다. 브래킷(116)은 일 이상의 패스너(122)를 통하여 2차적 광학 구성요소(104)를 히트싱크(120)에 탑재하기 위하여 제공된다. 브래킷(116)은 작동 중에 2차적 광학 구성요소(104)에 의하여 생성된 열 에너지가 히트싱크(120)로 이동되어 소멸되도록, 열전도성(thermally conductive)이다. 이 구현예에서 나타내어진 바와 같이, 2차적 광학 구성요소(104)는 4개의 반사벽(reflective wall)을 갖는다. 다른 구현예에서, 상이한 형태(예를 들어, 삼각형 단면을 형성하기 위한 3면)이 채용될 수 있다. 2차적 광학 구성요소(104)는 금속, 플라스틱 또는 유리 또는 다른 물질로 만들어질 수 있다.
도 2에 도시된 일 실시예에서, 집광기(concentrator)(106)는 2차적 광학 구성요소(104)의 출구 개구부(107)와 태양전지(102) 사이에 배치된다. 집광기(106)는 유리인 것이 바람직하며, 광학적 입구(optical inlet)(108) 및 광학적 출구(optical outlet)(110)를 갖는다. 일 실시예에서, 집광기(106)는 고체 유리(solid glass)이다. 집광기(106)는 2차적 광학 구성요소(104)를 나오는 광을 증폭하고, 증폭된 광을 태양전지(102)로 향하도록 한다. 일부 구현예에서, 집광기(106)는 입구(108)로부터 출구(110)로 점점 가늘어지는 일반적으로 사각형의 단면을 갖는다. 일부 구현예에서, 집광기(106)의 광학적 입구(108)는 사각형이고, 약 2 ㎝ × 2 ㎝이며, 광학적 출구(110)는 약 0.9 ㎝ × 0.9 ㎝이다. 집광기(106)의 크기는 태양전지 모듈 및 리시버의 디자인에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 광학적 출구(110)의 크기는 태양전지(102)의 크기와 거의 동일하다. 일 실시예에서, 집광기(106)는 2X 집광기이다. 집광기(106)의 하부 표면은 실리콘 접착제와 같은 접착제를 이용하여 태양전지(102)의 상부 표면에 직접적으로 부착될 수 있다. 태양전지(102)는 광기전 효과(photovoltaic effect)에 의하여 입사된 태양광을 직접적으로 전기(electricity)로 변환시킨다.
바이패스 다이오드(bypass diode)(124)는 태양전지(102)와 병렬로 연결된다. 일부 구현예에서, 다이오드(124)는 쇼트키 바이패스 다이오드(Schottky bypass diode) 또는 에피택셜 성장된 p-n 접합(epitaxially grown p-n junction)과 같은 반도체 소자이다. 설명을 위하여, 바이패스 다이오드(124)는 쇼트키 바이패스 다이오드이다. 외부 연결 단자(125, 127)는 태양전지(102)와 다이오드(124)를 다른 장치, 예를 들어 인접한 태양전지 리시버(도시되지 않음)와 연결시키기 위하여 제공된다.
바이패스 다이오드(124)의 기능성은 직렬로 연결된 다중 태양전지(102)를 고려함으로써 인식될 수 있다. 각각의 태양전지(102)는 배터리(battery)로서 그려질 수 있으며, 각각의 다이오드(124)의 캐소드(cathode)는 관련된(associated) "배터리"의 양극 단자(positive terminal)에 연결되고, 각각의 다이오드(124)의 애노드(anode)는 관련된 "배터리"의 음극 단자(negative terminal)에 연결된다. 직렬 연결된 태양전지 리시버(100)의 하나가 손상되거나, 그늘지게 되는(shadowed) 경우, 그 전압 출력(voltage output)이 감소되거나 제거된다(예를 들어, 다이오드(124)에 관련된 문턱 전압(threshold voltage) 이하로). 따라서, 관련된 다이오드(124)는 포워드 바이어스되고(forward biased), 바이패스 전류(bypass current)는 그 다이오드(124)(태양전지(102)가 아닌)를 통해서만 흐른다. 이러한 방식으로, 손상되지 않은, 또는 그늘지지 않은 태양전지 리시버(100)는 그러한 태양전지에 의하여 수용된 태양 에너지로부터 계속하여 전기를 생성한다. 바이패스 다이오드(124)가 아닌 경우, 다른 태양전지 리시버에 의하여 생성된 전기의 실질적으로 전부가 그늘진 또는 손상된 태양전지 리시버를 통과하여, 그를 파괴하고 예를 들어 패널(panel) 또는 어레이(array) 내에 개회로(open circuit)를 생성한다. 태양전지 리시버(100)는 태양전지(102)를 탑재하기 위한 알루미나 기판과 같은 세라믹 기판(126), 및 작동 중에 태양전지(102)에 의하여 생성된 열을 소멸시키기 위한 히트싱크(120)를 포함한다.
도 2는 태양전지(102) 및 세라믹 기판(126)을 좀더 상세하게 나타낸다. 세라믹 기판(126)은 금속화 상부 및 하부 표면(128, 130)을 갖는다. 세라믹 기판(126)의 양 표면(128, 130)은 금속화되어 세라믹 기판(126)의 열전달용량(heat transfer capacity)을 증가시켜, 태양전지 리시버(100)가 태양전지 작동 조건의 갑작스런 변화에 기인하여 일어나는 급속한 온도 변화를 더욱 적절하게 다룰수 있도록 한다. 예를 들어, 태양전지(102)는 광을 전기로 변환시킬 때 열 에너지를 생성한다. 세라믹 기판(126)의 상부 및 하부 표면(128, 130)의 모두를 금속화함으로써, 태양전지(102)로부터 히트싱크(120)로 열 에너지를 더 빠르게 전달하여 소멸시키게 된다. 태양전지(102)가 갑자기 그늘지게 되는 경우, 반대 상황이 일어난다. 즉, 태양전지(102)는 전기 생성을 중단하고, 2차적 광학 구성요소(104)와 같이 급속히 냉각된다. 세라믹 기판(126)의 금속화 상부 및 하부 표면(128, 130)은 열 에너지를 히트싱크(120)로부터 태양전지(102)로, 및 열적 조건에 따라 2차적 광학 구성요소(104)로 전달함으로써, 태양전지(102)가 너무나 급속하게 냉각되는 것을 방지한다. 태양전지 리시버(100)의 증가된 열전달용량은 급속한 온도 변화 중에 태양전지(102)와 세라믹 기판(126) 사이의 인터페이스(interface)에 주어지는 스트레스(stress)의 양을 감소시켜, 태양전지-대-기판 인터페이스를 신뢰성 있게 한다.
세라믹 기판(126)의 금속화 상부 표면(128)은 태양전지(102)와 접촉하고, 태양전지(102)에 대한 격리된 전기전도성 경로(isolated electrically conductive paths)를 제공하기 위한 분리된 전도성 영역(separated conductive regions)(132, 134)을 갖는다. 제1 전도성 영역(132)은 태양전지(102)에 대한 애노드 전기적 접점(anode electrical contact point)을 제공하고, 제2 전도성 영역(134)은 태양전지(102)에 대한 캐소드 전기적 접점(cathode electrical contact point)을 제공한다. 태양전지(102)는 도 2에는 보이지 않으나, 도 3의 단면에 보이며, 세라믹 기판(126)의 금속화 상부 표면(128)의 제1 전도성 영역(132) 상에 위치하고, 이에 연결되는, 전도성 하부 표면(136)을 갖는다. 태양전지(102)의 반대되는 상부 표면(138)은 세라믹 기판(126)의 제2 전도성 영역(134)에 연결된 전도성 접촉 영역(conductive contact area)(140)을 갖는다.
일 실시예에서, 태양전지(102)의 전도성 하부 표면(136)은 태양전지(102)의 애노드 단자(anode terminal)를 형성하고, 태양전지(102)의 상부 표면(138)에 배치된 전도성 접촉 영역(140)은 캐소드 단자(cathode terminal)를 형성한다. 이 실시예에 따르면, 태양전지(102)의 전도성 하부 표면(136)은 세라믹 기판(126)의 제1 전도성 영역(132) 상에 위치하며, 태양전지(102)의 적절한 작동을 위하여 제2 전도성 영역(134)으로부터 전기적으로 분리된다. 일 실시예에서, 세라믹 기판(126)의 제1 전도성 영역(132)은 세라믹 기판(126)의 주변 영역 주위에 제2 전도성 영역(134)에 의하여 3면이 적어도 부분적으로 둘러싸인다.
일 실시예에서, 태양전지(102)의 상부 표면(138)에 배치된 전도성 접촉 영역(140)은 태양전지(102)의 주위를 차지한다. 일부 구현예에서, 상부 전도성 접촉 영역(140)은 원하는 연결 형태(connection type)를 수용하기 위하여 더 작거나 클 수 있다. 예를 들어, 상부 전도성 접촉 영역(140)은 태양전지(102)의 단지 1면, 2면 또는 3면(또는 그 일부)과 접촉할 수 있다. 일부 구현예에서, 전기적 연결을 가능하게 하면서, 상부 전도성 접촉 영역(140)은 태양 에너지를 전기로 변환시키는 영역을 최대화하기 위하여 가능한 한 작게 만들어진다. 태양전지(102)의 특정 크기는 어플리케이션에 따라 달라지나, 표준 크기는 약 1 ㎠이다. 예를 들어, 표준 크기 설정은 전체적으로 약 12.58 ㎜ × 12.58 ㎜, 두께는 약 0.160 ㎜, 총 활성 영역(total active area)은 약 108 ㎟일 수 있다. 예를 들어, 약 12.58 ㎜ × 12.58 ㎜인 태양전지(102)에서, 상부 전도성 접촉 영역(140)은 폭이 약 0.98 ㎜이고, 활성 영역이 약 10 ㎜ × 10 ㎜일 수 있다.
태양전지(102)의 상부 전도성 접촉 영역(140)은 다양한 전도성 물질, 예를 들어, 구리, 은, 및/또는 금-코팅된 은으로 형성될 수 있다. 이 구현예에서, 광을 수용하는 것은 태양전지(102)의 n-전도도 캐소드(n-conductivity cathode)(즉, 이미터(emitter))이고, 따라서, 상부 전도성 접촉 영역(140)은 태양전지(102)의 캐소드 측에 배치된다. 일 실시예에서, 태양전지(102)의 상부 전도성 접촉 영역(140)은 일 이상의 본딩 와이어(bonding wire)(142)를 통하여 세라믹 기판(126)의 금속화 상부 표면(128)의 제2 전도성 영역(134)에 와이어 본딩된다(wire bonded).
바이패스 다이오드는 세라믹 기판(126)의 금속화 상부 표면(128)의 제1 전도성 영역(132)을 제2 전도성 영역(134)에 결합시킨다. 일 실시예에서, 바이패스 다이오드(124)의 캐소드 단자는 세라믹 기판(126)의 제1 전도성 영역(132)을 통하여 태양전지(102)의 애노드 단자에 연결되고, 바이패스 다이오드(124)의 애노드 단자는 세라믹 기판(126)의 제2 전도성 영역(134)을 통하여 태양전지(102)의 캐소드 단자에 전기적으로 연결된다. 태양전지(102)의 애노드 단자는 전술한 바와 같이 태양전지(102)의 하부 전도성 표면(136)에 의하여 형성되고, 도 2에는 보이지 않으나 도 3의 단면에 보인다. 태양전지(102)의 캐소드 단자는 전술한 바와 같이 태양전지(102)의 상부 전도성 접촉 영역(140)에 의하여 형성된다. 세라믹 기판(126)의 금속화 상부 표면(128) 상에 배치된 외부 연결 단자(125, 127)는 소자와, 태양전지(102) 및 바이패스 다이오드(124)와의 전기적 결합(electrical coupling)을 제공한다. 일부 구현예에서, 연결기 단자(connector terminals)(125, 127)는 애노드 단자 및 캐소드 단자에 상응하고, 인접한 태양전지 리시버에 대한 연결을 위하여 리셉터클 플러그(receptacle plug)(도시되지 않음)를 수용하도록 설계된다.
세라믹 기판(126)의 상부 표면(128)은 금속화 층(metallization layers)(132, 134)을 기판에 부착함으로써 금속화될 수 있다. 일 실시예에서, 홀(hloes)(144)이 금속화 층(132, 134) 내에 형성된다. 도 2는 상부 기판 표면(128)에 부착된 2개의 금속화 층(132, 134)을 갖는 세라믹 기판(126)을 나타낸다(하부 금속화 표면은 도 2에 보이지 않으며 도 3의 단면에 보여진다). 상응하는 범프(bumps)(146)(도 2에 보이지 않으며, 도 3의 단면에 보여짐)는 세라믹 기판(102) 상에 형성될 수 있다. 범프(146)는 금속화 층(132, 134) 내에 형성된 홀(144) 내에 적어도 부분적으로 놓여진다. 다음으로, 금속화 층(132, 134) 내의 홀(144)은 땜납(solder) 또는 접착제와 같은 다른 형태의 결합 물질(bonding material)로 채워져, 금속화 층(132, 134)을 세라믹 기판(126)의 상부 표면(128)에 부착시킨다. 세라믹 기판(126)의 하부 표면(130)은 유사하게 금속화될 수 있다. 대안적으로, 범프가 세라믹 기판(126) 상에 제공되지 않고, 기판은 정상적인 제작 공차(manufacturing tolerances) 내에서 상대적으로 평면이다.
도 3은 도 1에 X-X'으로 표시된 선을 따라 태양전지 리시버(100)의 태양전지(102), 세라믹 기판(126) 및 히트싱크(120)의 단면도를 나타낸다. 2차적 광학 구성요소(104), 집광기(light concentrator)(106) 및 단자(125, 127)는 설명을 쉽게 하기 위하여 도 3에 도시되지 않는다. 세라믹 기판(126)의 상부 및 하부 표면(128, 130)은 전술한 바와 같이 금속화 층을 세라믹 기판(126)에 부착시키기 위하여 금속화 층(132, 134, 148) 내에 형성된 홀(144) 내에 적어도 부분적으로 놓여지는 범프(146)를 가질 수 있다. 대안적으로, 세라믹 기판(126)은 정상적인 제작 공차 내에서 상대적으로 평평하다. 어떠한 경우에도, 세라믹 기판(126)의 상부 및 하부 표면(128, 130)은 금속화된다. 세라믹 기판(126)의 상부 금속화 표면(128)은 전술한 바와 같이 태양전지(102)에 대한 전기적으로 분리된 애노드 및 캐소드 연결을 제공하기 위하여, 분리된 전도성 영역(132, 134)을 갖는다.
태양전지(102)는 세라믹 기판(126)의 금속화 상부 표면(128)의 전도성 영역(132)에 연결된 전도성 하부 표면(136)을 갖는다. 일 실시예에서, 태양전지(102)의 전도성 하부 표면(136)은 태양전지(102)의 애노드 단자를 형성하고, 태양전지(102)의 상부 표면(138)에 배치된 전도성 접촉 영역(140)은 태양전지(102)의 캐소드 단자를 형성한다. 태양전지(102)의 전도성 하부 표면(136)은 세라믹 기판(126)의 금속화 상부 표면(128)의 제1 전도성 영역(132) 상에 위치하고, 태양전지(102)가 적절하게 작동하도록 하기 위하여 제2 전도성 영역(134)으로부터 전기적으로 분리된다.
세라믹 기판(102)의 하부 표면(130)은 금속-충진 에폭시 접착제(metal-filled epoxy adhesive) 또는 땜납과 같은 고 열전도성 부착 매체(highly thermally conductive attach media)(150)로 히트싱크(120)에 결합된 금속화 층(148)을 갖는다. 실리콘과 같은 에폭시 접착제에 금속을 충진시키면 세라믹 기판(126)과 히트싱크(120) 사이의 인터페이스의 열전도도(thermal conductivity)가 증가되고, 태양전지 리시버(100)의 열 전달 특성이 향상된다. 일 실시예에서, 고 열전도성 부착 매체(150)는 약 1 내지 3 밀(mils)의 두께 t epoxy 를 갖는 금속-충진 에폭시 접착제이다. 금속-충진 에폭시 접착제는 세라믹 기판(126)의 하부 금속화 표면(130), 히트싱크(120), 또는 양쪽 모두에 적용될 수 있고, 다음으로 경화되어 히트싱크(120)를 기판(126)에 결합시킨다. 일 실시예에서, 히트싱크(120)는 도 1에 나타내어진 바와 같이 단일편 압출 알루미늄 히트싱크(single-piece extruded heat sink)이다.
태양전지 리시버(100)는 금속화 세라믹 기판(126)을 제공하고, 태양전지(102)의 전도성 하부 표면(136)을 기판(126)의 금속화 상부 표면(138)의 제1 전도성 영역(132)에 연결함으로써 제조될 수 있다. 태양전지(102)의 상부 표면(138)에 배치된 전도성 접촉 영역(140)은 예를 들어, 일 이상의 본드 와이어(bond wire)(142)를 통하여 세라믹 기판(126)의 금속화 상부 표면(128)의 제2 전도성 영역(134)에 연결된다. 히트싱크(120)는 금속-충진 에폭시 접착제(120)에 의하여 세라믹 기판(126)의 하부 금속화 표면(130)에 결합된다.

Claims (23)

  1. 분리된 전도성 영역(separated conductive regions)을 갖는 제1 금속화 표면(first metallized surface), 및 반대되는 제2 금속화 표면(opposing second metallized surface)을 갖는 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판의 전도성 영역의 제1 영역과 연결된 전도성 제1 표면(conductive first surface), 및 상기 전도성 영역의 제2 영역과 연결된 전도성 접촉 영역(conductive contact area)을 갖는 반대되는 제2 표면(opposing second surface)을 갖는 태양전지; 및
    열전도성 부착 매체(thermally conductive attach media)에 의하여 상기 세라믹 기판의 제2 금속화 표면에 결합된 히트싱크를 포함하는
    태양 에너지를 전기로 변환시키는 태양전지 리시버(solar cell receiver).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지의 애노드 단자(anode terminal)는 상기 세라믹 기판의 제1 전도성 영역에 연결되고, 상기 태양전지의 캐소드 단자(cathode terminal)는 상기 세라믹 기판의 제2 전도성 영역에 연결되는
    태양전지 리시버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 기판의 제1 전도성 영역은 상기 세라믹 기판의 주변 영역 주위에 상기 세라믹 기판의 제2 전도성 영역에 의하여 3면이 적어도 부분적으로 둘러싸이는
    태양전지 리시버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지의 전도성 제1 표면은 상기 세라믹 기판의 제1 전도성 영역 상에 위치하고, 상기 세라믹 기판의 제2 전도성 영역으로부터 전기적으로 분리되는
    태양전지 리시버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지의 전도성 접촉 영역은 상기 세라믹 기판의 제2 전도성 영역에 와이어 본딩되고(wire bonded), 상기 세라믹 기판의 제1 전도성 영역으로부터 전기적으로 분리되는
    태양전지 리시버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지는 다중접합 태양전지(multijunction solar cell)인
    태양전지 리시버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크는 압출 알루미늄 히트싱크(extruded aluminum heat sink)인
    태양전지 리시버.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열전도성 부착 매체는 금속-충진 에폭시 접착제(metal-filled epoxy adhesive)를 포함하는
    태양전지 리시버.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속-충진 에폭시 접착제는 약 1 내지 3 밀(mils)의 두께를 갖는
    태양전지 리시버.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 기판의 제1 전도성 영역을 상기 세라믹 기판의 제2 전도성 영역에 결합(coupling)시키는 바이패스 다이오드(bypass diode)를 더 포함하는
    태양전지 리시버.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지에 인접하여 위치되고, 상기 히트싱크에 열적으로 연결되는 2차적 광학 구성요소(second optical element)를 더 포함하고,
    상기 2차적 광학 구성요소는 일 이상의 반사 표면(reflective surfaces), 상기 태양전지로부터 반대로 향하는(face away) 확대된 입구(enlarged inlet), 및 상기 태양전지를 향하는 더 작은 출구(smaller outlet)를 포함하는
    태양전지 리시버.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 태양전지 및 2차적 광학 구성요소 사이에 배열된 집광기(light concentrator)를 더 포함하는
    태양전지 리시버.
  13. 분리된 전도성 영역(separated conductive regions)을 갖는 제1 금속화 표면(first metallized surface), 및 반대되는 제2 금속화 표면(opposing second metallized surface)을 갖는 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판의 전도성 영역의 제1 영역과 전기적으로 연결된 애노드 단자(anode terminal), 및 상기 전도성 영역의 제2 영역과 전기적으로 연결된 캐소드 단자(cathode terminal)를 갖는 태양전지;
    상기 세라믹 기판의 제1 및 제2 전도성 영역을 가로질러 상기 태양전지와 병렬로(in parallel) 연결되는 바이패스 다이오드(bypass diode); 및
    열전도성 부착 매체(thermally conductive attach media)에 의하여 상기 세라믹 기판의 제2 금속화 표면에 결합된 히트싱크를 포함하는
    태양 에너지를 전기로 변환시키는 태양전지 리시버(solar cell receiver).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 태양전지의 애노드 단자는 상기 세라믹 기판의 제1 전도성 영역 상에 위치하고, 상기 세라믹 기판의 제2 전도성 영역으로부터 전기적으로 분리되는
    태양전지 리시버.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 태양전지 캐소드 단자는 상기 세라믹 기판의 제2 전도성 영역에 와이어 본딩되고, 상기 세라믹 기판의 제1 전도성 영역으로부터 전기적으로 분리되는
    태양전지 리시버.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 태양전지는 다중접합 태양전지인
    태양전지 리시버.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 열전도성 부착 매체는 금속-충진 에폭시 접착제를 포함하는
    태양전지 리시버.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 금속-충진 에폭시 접착제는 약 1 내지 3 밀(mils)의 두께를 갖는
    태양전지 리시버.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 바이패스 다이오드의 애노드 단자는 상기 태양전지의 캐소드 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 바이패스 다이오드의 캐소드 단자는 상기 태양전지의 애노드 단자에 연결되는
    태양전지 리시버.
  20. 제13항에 있어서,
    점점 가늘어지는 형태를 갖는 2차적 광학 구성요소를 더 포함하고,
    상기 2차적 광학 구성요소는 상기 태양전지로부터 반대로 향하는 입구, 및 상기 태양전지를 향하는 출구를 포함하는
    태양전지 리시버.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 2차적 광학 구성요소는 상기 히트싱크에 열적으로 연결되는
    태양전지 리시버.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 태양전지 및 상기 2차적 광학 구성요소 사이에 위치하는 집광기를 더 포함하고,
    상기 집광기는 상기 2차적 광학 구성요소의 출구를 향하는 확대된 제1 말단, 및 상기 태양전지를 향하는 축소된 제2 말단을 갖는 점점 가늘어지는 형태를 포함하는
    태양전지 리시버.
  23. 분리된 전도성 영역(separated conductive regions)을 갖는 제1 금속화 표면(first metallized surface), 및 반대되는 제2 금속화 표면(opposing second metallized surface)을 갖는 세라믹 기판을 제공하는 단계;
    태양전지의 전도성 제1 표면을 상기 세라믹 기판의 전도성 영역의 제1 영역에 연결시키는 단계;
    태양전지의 반대되는 제2 표면의 전도성 접촉 영역을 상기 전도성 영역의 제2 영역에 연결시키는 단계; 및
    금속-충진 에폭시 접착제에 의하여 히트싱크를 상기 세라믹 기판의 제2 금속화 표면과 결합시키는 단계를 포함하는
    태양전지 리시버의 제조방법.
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