KR20110093836A

KR20110093836A - 박막 반도체 광발전 디바이스

Info

Publication number: KR20110093836A
Application number: KR1020117012731A
Authority: KR
Inventors: 벤카타 에이 바가바투라; 글렌 이 콘케
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2008-11-03
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-08-18
Also published as: EP2356690A2; WO2010062713A3; CN102239569B; US20100108133A1; WO2010062713A2; CN102239569A; AU2009320022A1; JP2012507884A

Abstract

본 발명은 제 1 및 제 2 주표면 및 다수의 측면을 갖는 실질적으로 투명한 기판; 상기 기판의 제 1 주표면에 결합되며, 제 1 및 제 2 주표면 및 그 안에 적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 박막 반도체층; 입사광을 웨이브가이드 모드에서 기판을　통해서　반도체층으로　전파하여　광이　상기　반도체층의　제 1 및 제 2 주표면 사이에서 다수 회 반사하고, p-n접합에 다수 회 충돌하도록 작동하는　광배향　부재(light directing feature)를 제공한다．

Description

박막 반도체 광발전 디바이스{THIN FILM SEMICONDUCTOR PHOTOVOLTAIC DEVICE}

본 출원은 2008년 11월 3일에 출원된 미국 특허 출원 12/263,583의 우선권의 이익을 주장한다.

본 발명은 광발전 디바이스, 예를 들면 박막, 반도체 감광층이 투명한 기판에 결합된 디바이스를 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

광발전 태양전지는 부산물로서 온실 가스를 생생하지 않기 때문에 전기에너지를 발생하기 위한 매력적인 메카니즘이다. 종래의 박막 광발전 태양전지 기술의 2개의 기본 구성: 슈퍼스트레이트 구성 및 기판 구성이 있다. 슈퍼스트레이트 구성에서, 입사광은 투명한 물질 위에 배치된 활성 반도체 물질을 지지하는 투명한 물질을 통과한다. 상기 기판 구성에서, 광이 활성 반도체 물질에 입사된 후 기판에 도달한다. 도 1은 종래의 슈퍼스트레이트 광발전 디바이스(10)를 설명하고 반도체 물질(14)이 배치된 기판(12)을 포함한다. 반도체 물질(결정성 실리콘일 수 있는)은 p-n 접합(16)을 포함하고, 이것은 광이 상기 접합을 통과할 때 결합되지 않은 전하(전자 및 홀)을 형성시키고 한쌍의 도체에 전압 V를 발생시키는 특징을 구비한다. 이 구성에서, 기판은 투명하고 광을 반도체 물질(14)로 통과시킨다.

종래의 태양전지 접근 방법의 주요한 문제는 태양전지 조립에 관련된 비용, 효율 및 형태 인자이다. 다양한 단결정 또는 박막 공정은 이들 문제를 해결하기 위한 시도로 개발되었다. 단결정 태양전지는 높은 효율을 갖지만 공정은 매우 고가이다. 이러한 경우에, 특히 고가의 III-V 태양전지 및 다수의 접합 태양전지를 갖는 경우에, 태양집광기가 사용된다. 박막 반도체 조립 기술은 비싸지 않지만, 에너지 전환 효율이 일반적으로 매우 낮다. 반도체층이 박막(비용을 줄이기 위해서), 즉 실리콘이 약 1㎛ 미만이기 때문에, 전지에 의한 적외선 에너지 흡수가 매우 낮아지고 효율은 매우 현저히 떨어진다.

다시, 도 1을 참조하면, 일부의 종래 기술 구성에서 광 산란층(예를 들면, 거친 투명한 도전성 산화물로부터 형성된)은 기판(12)과 반도체(14) 사이에 배치될 수 있다. 또 다른 불연속(예를 들면 금속화 층)은 반도체 물질(14)의 대향하는 표면에 배치될 수 있다. 산란층 및 금속화층은 광이 각각의 각도 분포에서 각각의 층의 산란하는 경향이 있기 때문에(광산란 및 트랩핑) 약간의 광을 반도체 물질(14) 내에 트랩핑시킬 수 있다. 이러한 접근 방법은 p-n 접합(16)에서 태양 에너지 전환을 개선하지만, 구조 외부로 광 산란 때문에 완전한 광 트랩핑은 가능하지 않다.

비정질, 마이크로- 또는 나노-결정성, 다결정성 및/또는 결정성 물질을 포함하는 실리콘계 태양전지에서, 층 두께는 일반적으로 5㎛ 미만이고 광 트랩핑이 중요하다. 비정질 및 마이크로결정성 실리콘 태양전지에 대해서, 도프된 층의 도전성이 나쁘기 때문에, 일반적으로 투명한 전도성 산화물(TCO) 층이 사용된다. 슈퍼스트레이트 기하에서, TCO층은 조직화되어(상기 검토된) TCO와 실리콘 반도체층 사이에서 광산란 계면을 형성한다. 마이크로결정성 실리콘의 경우에 실리콘의 전기적 수송성과 표면 조직의 광산란 성능 사이의 상충관계가 있다. 이것은 하나의 접합 마이크로결정성 전지 및 비정질/마이크로결정(마이크로모프)성 탠덤 접합 전지의 광트랩핑 성능에 영향을 준다. 이러한 슈퍼스트레이트 기하에 동일한 제한이 적용된다. 다결정성 또는 결정성 박막 Si 태양전지의 경우에, 산란층도 사용된다. 다결정성 전지는 슈퍼스트레이트 기하내에서 기판/Si 계면에서 산란 도입되는 반면, 결정성 Si 태양전지는 일반적으로 평면 기판/Si 계면을 가질 수 있는다. 다시, 조직화된 실리콘은 후면반사기에서 사용되어 산란을 제공한다. 기판 구성에서, 단결정성 및 결정성 실리콘 태양전지는 공기/실리콘 계면 및/또는 실리콘/기판 계면에서 산란을 이용한다. 공정 단계를 없애고 성능을 개선하기 위해서, 조직화된 표면을 이용하는 일없이 광산란을 제공할 필요가 있다.

상술한 이유에 대해서, 태양전지의 비용은 종래의 그리드 전력에 비해서 약 2-3배 이상 고가이다. 일부 태양 에너지 분야에서, 예를 들면 가정, 아파트 단지, 산업 파크에서 루프 탑 적용(roof top application) 또는 그리드 전력이 용이하게 이용될 수 없는 적용에서, 작은 중량 및 형태 요소는 상당한 이점일 수 있다. 따라서, 기술분야에서, 낮은 비용, 고효율, 작은 중량 및 소형 인자의 특성을 갖는 광발전 태양전지를 제공하는 데에 새로운 접근방법이 필요하다.

하나 이상의 실시형태에 따라서, 광발전 디바이스는 제 1 및 제 2 주표면 및 다수의 측면을 갖는 실질적으로 투명한 기판;

상기 기판의 제 1 주표면에 결합하고 제 1 및 제 2 주표면 및 그 안에 적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 박막 반도체층;

웨이브가이드 모드에서 입사광이 기판을 통해서 반도체층으로 전파하여 광을 제 1 및 제 2 주표면 사이에 다수 회 반사시키고 p-n접합에 다수 회 충돌하도록 작동하는 광배향 부재를 포함한다.

반도체층의 두께는 약 2 ㎛ 미만이고, 예를 들면 약 1-2㎛이다. 실질적으로 투명한 기판은 유리, 유리 세라믹 및 폴리머 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.

그외의 형태, 특징, 이점 등은 본 발명의 설명을 수반된 도면과 함께 행해질 때 당업자에게 명백하게 될 것이다.

본 발명의 각종 형태를 설명하기 위해서, 도면에 도시된 형태가 바람직하지만, 본 발명은 도시된 정확한 배열 및 기기로 한정되지 않는 것으로 이해된다.
도 1은 종래 기술에 따르는 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 하나 이상의 형태에 따르는 광발전 디바이스의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 다른 형태에 따르는 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 다른 형태에 따르는 또 다른 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 다른 형태에 따르는 또 다른 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 다른 형태에 따르는 또 다른 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 하나 이상의 다른 형태에 따르는 또 다른 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 하나 이상의 다른 형태에 따르는 또 다른 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 9는 본 발명의 하나 이상의 다른 형태에 따르는 또 다른 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 10은 본 발명의 하나 이상의 다른 형태에 따르는 또 다른 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 11a는 본 발명의 하나 이상의 다른 형태에 따르는 또 다른 광발전 디바이스의 측면도이다.
도 11b는 도 11a의 광발전 디바이스와 함께 사용하기 위한 대안의 광배향 요소의 측면도이다.
도 12a, 12b는 본 발명의 광발전 디바이스의 기본적인 작동 개념에 관련된 장점의 특정한 변수의 시뮬레이션 결과를 설명하는 그래프이다.

도면에 대해서 동일한 부호는 동일한 요소를 설명하고, 도 2에서 본 발명의 하나 이상의 실시형태에 따라서 광발전 디바이스(100)의 사시도가 도시되어 있다. 광발전 디바이스(100)는 제 1 및 제 2 주표면(108, 110) 및 다수의 측면을 갖고 일반적으로 직육면체를 형성하는 실질적으로 투명한 기판(102)을 포함한다. 반도체층(104)은 기판(102)의 제 1 주표면(108)에 결합되고 적어도 하나의 감광성 p-n 접합(106)을 포함한다.

구조(100)는 후술된 바와 같이, 광이 웨이브가이드 모드에서 상기 구조 내에 전파하기 때문에 복합 웨이브가이드 특성을 나타내는 것으로 생각된다. 즉, 광이 하나 이상의 웨이브가이드 모드에서 제 1 및 제 2 주표면 사이에서 반도체층(104) 내에서 전파할 수 있다(광산란에 반대된). 또한, 광이 하나 이상의 웨이브가이드 모드내에서 기판(102) 및 반도체층(104)의 복합 구조 내에서 전파할 수 있다. 하나 이상의 웨이브가이드 모드에서 광 전파는 광산란 또는 트랩핑(종래기술)과 동일하지 않다. 광산란 또는 트랩핑에서, 광은 각각의 각도 분포에서 불연속 반사한다(이것은 전지로부터 상당한 광에너지의 방출을 일으킨다). 반면, 하나 이상의 웨이브가이드 모드에서 광전파는 실질적으로 전체의 내부 반사 특성 및 매우 적거나 거의 없는 에너지의 방출을 나타낸다.

감광성 p-n 접합(106)의 구조적인 및 전기적 세부사항은 비교적으로 복잡하지만 해당 기술분야에 공지되고 이해된다. 따라서, 간단 및 명료하게 위해서, 이러한 세부사항(형성방법, 전도체의 위치 등을 포함)은 본 명세서에서 생략될 것이다. 그러나, 태양전지 기술에서, p-n 접합은 반도체 물질에서 형성되어 태양 복사에너지를 전류로 전환하는 것을 유의한다. 이들 p-n 접합은 복사에너지를 흡수함으로써 형성된 전자-홀 쌍을 분리하여 외부 하중에 대해서 유용한 전류를 발생한다. 사용된 반도체 물질 및 공정에 따라서, 다양한 형태의 태양전지 디자인이 해당 기술분야에서 개발되었다. 일부는 단순한 p-n접합이고, 반면 다른 것은 보다 복잡하고 높은 효율성을 위해서 최적화된다. 이러한 복잡한 접합은 p-i-n 접합을 포함한다. 일부 경우에, p+ 및 n+ 층은 p-n 및/또는 p-i-n 접합에 첨가되어 전하 수집 및 전극/태양전지 조립을 향상시킨다. 이러한 적용에서, p-n 접합은 기존의 문헌 및/또는 후술된 개발된 것으로 공지된 것을 말하는 경우, 이러한 접합은 상기에 나타낸 다양한 접합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

도 2에서 점선의 화살표로 도시된 바와 같이, 입사 태양 에너지(광)가 광선 A로 도시된 바와 같이, 구체적으로 측면 또는 주표면(108, 110) 중 하나를 통해서 기판(102)에 입사할 수 있다. 광선 A의 각도에 따라서 광선 A'은 기판(102)과 반도체(104) 사이에서 임의의 각도로 불연속 반사될 것이고, 광선 B는 특정한 각도로 반도체층(104)에 입사할 것이다. 광선 B는 광선 B'로서 반도체층(104)의 주표면으로 멀리 반사할 것이다. 임의의 산란 구조 없이, 광선 B'는 광선 B의 전체의 내부 반사 특성을 가질 것이다(광선 A'는 반도체층(104)을 등지고 주표면(110)으로 반사할 것이고 전파 패턴을 지속할 것이다). 광선 B'의 각도에 따라서, 광은 광선 C로서 반도체층(104)을 탈출하거나 광선 B, B', B'' 등으로 도시된 바와 같이 웨이브가이드 모드에서 반도체층(104)의 주표면에 평행한 방향으로 전파할 것이다. 본원에서 검토된 바와 같이, 광발전 디바이스(100)는 입사 광선(또는 광선) A을 기판(102)을 통해서 반도체층(104)으로 임계각 이상으로 전파하여 웨이브가이드 작용이 광선 B, B', B'' 등을 일으키도록 작동하는 광배향 부재를 포함할 수 있다. 웨이브가이드 작용은 (상술한 바와 같이) 광선 각도 및 반도체층(104)의 제 1 및 제 2 주표면에 가장 가까운 각각의 유전 상수 불연속을 일으킨다. 따라서, 입사광은 반도체층(104)의 제 1 및 제 2 주표면 사이에서 다수 회 반사하기 때문에, 태양 에너지는 p-n 접합(106)에 다수 회 충돌한다.

초기에 반도체층(104)에 결합되지 않는 임의의 광선에 대해서, 예를 들면, 광선 A', 또는 임의의 광선, 반도체층(104)을 떠나서 기판(102)으로 들어가는 광선; 예를 들면 광선 C, 이러한 광선은 반도체층(104)을 등지고 기판의 주표면(110)으로 반사하는 광선; 예를 들면 광선 D. 초기에 반도체층(104)에 결합되지 않는 광선, 예를 들면 광선 A', 또는 그외의 광선, 예를 들면 광선 C는 전체의 내부의 반사에 의해 표면(110)의 계면으로 반사한다. 따라서, 반사각에 따라서, 이러한 광은 반도체층(104)에 재입사하고 상기 검토된 웨이브가이드 모드에서 전파할 수 있다.

상기 기재된 바와 같이, 광은 하나 이상의 웨이브가이드 모드에서 기판(102) 및 반도체층(104)의 복합 구조내에서 추가로 전파할 것이다. 이 특성은, 광선, 예를 들면 광선 D는 광선 E, E', D', D''가 광선 E'', E''' 등을 일으키도록 기판(102)을 통해서 반도체층(104)으로 임계각 이상으로 전파할 때 달성된다.

p-n 접합(106)에 다수 회 충돌하는 광의 반사 작용은 종래의 방법에 비해서 광발전 디바이스(100)의 효율을 상당히 증가시키는 이로운 효과를 갖는다. 즉, 광발전 디바이스(100)는 수직 웨이브가이드 구성인 것으로 고려되고, 이것은 고효율 및 소형 인자를 위해서 흡수 광로 길이를 증가시킬 수 있다. 이것은 광이 반도체층(104)을 통과하고 각각의 반사에서 부분적으로 흡수되고 결과적으로 전자-홀 쌍을 발생시키기 때문이다. 다수의 반사에 의해, 복사가 매우 효율적으로 흡수될 수 있다. 필수적으로, 이러한 접근방법은 반도체층 두께와 태양광 흡수 사이에서 이전에 수용된 한정된 관계를 분리시킨다. 따라서, 적외선 스펙트럼의 매우 효율적인 광흡수는 박막 구성에서 얻어진다. 따라서, 태양전지의 낮은 비용의 박막 조립은 전지 효율을 떨어뜨리는 일없이 달성될 수 있다.

이러한 접근방법의 원리는 기판(102)에서 촛점을 맞추고 가이드된 광이 기판(102)의 입사각 및 두께, 반도체층(104)의 특성, 광-가이드 물질/구조의 사용, 등에 따라서 p-n 접합(106)을 통해서 다수 회 산란하고 반사하는 것이다. 각각의 충돌에 대해서, 태양 복사는 활성 태양전지를 통과해서 흡수되고, 전자-홀 쌍을 발생한다. 반도체층(104) 내에서 수 mm의 전파(주표면(108, 110)에 평행한 방향으로) 내에서, 광은 다수 회를 산란하고 활성 매체에서 태양광의 효율적인 광로 길이가 증가한다. 광로 길이는 하기 식으로 접근될 수 있다:

(광로)/(반사 횟수)~2*t/sinθ

여기서, θ는 활성 반도체층(104)에서 복사의 내부 각도이고, t는 활성 반도체층(104)의 두께이다. 수 mm의 기판 높이에 대해서도, 활성 반도체층(104)를 통과하는 효율적인 광로 길이는 다수의 활성 반도체층(104) 두께일 수 있고 장파장을 포함하는 태양 복사의 완전한 또는 거의 완전한 흡수를 일으킬 수 있다.

상기 p-n 접합(106)에 다수 회 충돌하는 광의 반사 작용은 종래의 방법에 비해서 광발전 디바이스(100)의 효율을 상당히 증가시키는 이로운 효과를 갖는다. 이것은 반도체층(104)이 박막 구성, 예를 들면 약 1㎛ 미만일 때이다. 일반적으로 해당기술 분야에서 허용된 바와 같이, 박막 및 후막 태양전지는 태양전지에 사용된 활성 반도체층의 공정 및 물리적인 두께로 한정된다. 본 출원에서 기재된 웨이브가이드 태양전지의 문맥에서, 전지는 싱글 패스(single pass)에 대해서 흥미있는 태양 복사의 흡수에 기초해서 구분된다. 지반 수준에서 태양 복사는 UV에서 근적외선 까지의 파장 범위로 이루어진다.

사용된 반도체 물질(104) 및 그 밴드갭에 따라서 태양전지에 의해서 커버되는 파장 범위가 있다. 흡수 계수는 태양 파장의 함수로서 매우 큰 값으로부터 매우 작은 값으로 변화하고, 구체적으로 밴드 엣지 근방이다. 예를 들면, 하나의 결정 실리콘에 대해서, 흥미있는 파장 범위는 약 350nm 내지 약 1100 nm이다. 400 nm에서 단결정 실리콘의 흡수 계수는 8.89E+04cm-1이다. 반면, 900 nm에서 단결정 실리콘의 흡수계수는 2.15E+02cm-1이다. 900nm 복사가 1㎛ (0.0001cm) 두꺼운 단결정 실리콘 태양전지에 있으면, 복사의 약 2%가 이러한 전지를 통해서 싱글 패스에서 흡수되는 반면, 광의 99%는 400 nm에서 흡수된다. 이 경우에, 1㎛ 두께 전지는 싱글 패스에서 900nm에서 대부분의 복사를 흡수할 수 없고 싱글 패스 기하에 대해서 너무 얇다고 여겨질 수 있다. 이러한 태양전지는 본원에 개시된 웨이브가이드 태양전지의 문맥에서 "박막" 태양전지라고 여겨진다. 싱글 패스에서 1100 nm 이하의 대부분의 복사를 흡수하기 위해서 약 100-200 ㎛의 실리콘 두께가 필요하고 이러한 두께의 전지는 이 문맥에서 "후막"이라고 여겨진다.

본원에 기재된 하나 이상의 실시형태에서, 층(104)의 반도체 물질은 비정질, 마이크로 또는 나노 결정성, 다결정성, 또는 실질적으로 단결정성 물질의 형태일 수 있다. "실질적으로"는 반도체 물질이 일반적으로 본래 또는 의도적으로 첨가된, 적어도 일부의 내부 또는 표면 결함, 예를 들면 격자 결함 또는 약간의 입자 경계를 함유하는 사실을 고려하기 위해서 층(104)의 기재에 사용된다. "실질적으로"는 특정 도펀트가 반도체 물질의 결정 구조를 왜곡하거나 그렇지 않으면 영향을 줄 수 있다는 사실을 반영한다. 이를 검토하기 위해서, 반도체층(104)은 실리콘으로 형성되는 것을 가정할 수 있다. 상기 부재(및 본원에 후술된 것)는 그외의 무기 반도체 물질, 예를 들면 III-V GaAs, 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드, InP, 등을 사용하여 적용될 수 있다. 또 다른 반도체 물질은, 예를 들면 IV-IV(즉, SiGe, SiC), 원소(즉, Ge), 또는 II-VI(즉, ZnO, ZnTe, 등)을 사용할 수 있다. 박막 유기 반도체는 적당히 고려해서 사용될 수 있다.

실질적으로 투명한 기판(102)은 유리, 유리-세라믹, 폴리머 등으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 기판(102)은 산화물 유리, 또는 산화물 유리-세라믹, 예를 들면 알칼리 토류 이온을 함유하는 유리 기판으로 형성될 수 있다. 유리는 실리카계, 예를 들면 "CORNING INCORPORATED GLASS COMPOSITION NO.1737 or CORNING INCORPORATED GLASS COMPOSITION NO. EAGLE 2000®" 로 제조된 기판일 수 있다.

반도체층(104)은 예를 들면 실리콘이고 기판(102)은 유리 또는 유리 세라믹 물질로 형성되면, 반도체층(104)은 종래의 방법 중 어느 하나를 사용하여 기판(102)에 결합될 수 있다. 적당한 방법은 애노드 결합 공정을 사용하여 결합하는 것이다. 적당한 애노드 결합 공정은 미국 특허 7,176,528에 기재되고, 전체 내용은 참조로 포함되어 있다.

타일 접근 방법이 사용될 수 있고, 다수의 반도체층(104)은 이격된 관계에서 기판(102)의 하나 이상의 주표면에 배치된다. 이러한 구성에서, 각각의 전극은 병렬 및/또는 직렬로 결합되어 소망의 전압 및 전류 크기를 달성한다.

도 3을 참조하면, 도 3은 대안의 광발전 디바이스(100A)의 측면도이고, 디바이스의 구조적인 특성 변화가 행해져서 광에너지의 전력으로의 전환을 향상시킬 수 있다. 광발전 디바이스(100A)는 도 2의 광발전 디바이스(100)와 유사한 구성이지만, 디바이스(100A)는 적어도 2개의 박막 반도체층(104A, 104B), 기판(102)의 제 1 및 제 2 주표면(108, 110)의 각각에 결합된 적어도 하나의 이러한 층(104), 및 적어도 하나의 감광성 p-n 접합(106A, 106B)을 포함하는 각각의 층(104)을 포함한다. 이러한 구성하에서, 복합 웨이브가이드 구조의 웨이브가이드 특성은 반도체층(104A, 104B) 각각 내에 웨이브가이드 작용 및 광 반사를 박막 반도체층(104A, 104B) 각각의 p-n 접합(106A, 106B)에 다수 회 충돌하도록 작동한다.

도시된 반도체층(104A, 104B) 각각에서 광전파는 검토하기 위해서 간략화되었다. 그러나, 반도체층(104A, 104B)만 또는 하나 이상의 복합 구조내에서 웨이브가이드 작용이 달성되는 것을 유의한다(도 2에 대해서 검토된). 도 3의 도시된 실시형태에서, 복합 구조의 일례는 기판(102) 및 반도체층(104A)의 결합(웨이브가이딩은 도 2-광선 C, D, E, E', D', D'', E'', E''' 등에 대해서 검토된 바와 같이 복잡한 구조를 통해서 발생한다). 또한, 또 다른 복한 구조는 기판(102) 및 반도체층(104B)의 결합일 수 있고, 다시 웨이브가이딩은 복합 구조를 통해서 발생한다. 복합 구조의 또 다른 예는 기판(102) 및 반도체층(104A, 104B)을 포함한다. 이러한 경우에, 웨이브가이드 모드 전파는: (i) 기판(102)으로부터 반도체층(104A)으로 향하는 광선, (ii) 반도체층(104A)으로부터 기판(102) 및 또한 반도체층(104B)으로 향하는 반사광선, (iii) 반도체층(104B)으로부터 기판(102) 및 또한 반도체층(104A)으로 향하게 하는 반사광선 및 (iv)반복을 포함할 수 있다.

도 4을 참조하면, 이것은 본 발명의 하나 이상의 형태에 따라서 광발전 디바이스(100B)의 측면도이다. 도시된 구조(100B)에서 광전파는 반복을 피하기 위해서 간략화되지만, 반도체층(104) (및/또는 복합 구조)내의 웨이브가이드 작용은 도 2에 대해서 검토된 바와 같이 달성될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 추가의 광메카니즘이 사용되어 태양 에너지의 흡수 및 전력 발생을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 웨이브가이드 작용 및 광트랩핑을 향상시키기 위해서 태양 복사를 재배향하는 하나 이상의 렌즈, 프리즘, 반사기, 산란 표면, 등이 사용될 수 있다. 또한, 집광기 광은 투과, 반사, 또는 회절될 수 있고 화상화 또는 비-화상화 구조일 수 있다.

보다 구체적으로, 광발전 디바이스(100B)는 태양광을 기판(102)의 다수의 측면 중 하나를 향하게 하여 태양광이 웨이브가이드 모드에서 기판(102)에 결합되도록 작동하는 집광 디바이스를 포함한다. 집광 디바이스는 기판(102)의 다수의 측면 중 하나를 향하게 하는 촛점 축 F를 갖는 태양집광기(120)일 수 있다. 촛점 축 F는 광발전 디바이스(100B)의 수직축 N의 횡축이다(및 수직축 N에 거의 직교할 수 있다).

또한, 집광 디바이스는 기판(102)의 측면 중 하나 이상의 볼록한 엣지(122) 특성을 포함할 수 있다. 엣지(122)의 곡선 특성은 광의 수집을 웨이브가이드 모드에서 단독으로 또는 집광기(120)와 조합하여 향상시키는 경향이 있을 것이다.

복합 웨이브가이드는 투명한 기판(102) 및 반도체층(104)을 포함한다. 또한, 복합 웨이브가이드는 각종 다른 기능을 하는 각종 다른 중간체층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 복합 웨이브가이드는 기판(102)와 반도체층(104) 사이에서 하나 이상의 투명한 도체층 또는 그외의 유전체층을 함유할 수 있다. 이들 층은 전하 수집 전극 및/또는 반사방지 코팅 또는 결합제의 기능을 할 수 있다.

중간체층 또는 그외의 층은 바람직하게 종래에서와 같이 전체의 도시된 p-n 접합 표면에 대면하는 최적 위치에서 선택적인 산란/회절 부재를 배치하는 옵션을 포함할 수 있다. 산란/회절 부재가 사용되어 반도체층(104) 내에서 웨이브가이드를 유도한다. 이들은 추가의 광트랩핑이 용이하도록 작동할 수 있다. 복합 웨이브 가이드의 중간체 층상에 제한 중 하나는 이들이 불필요한 손실을 제공하지 않도록 해야하고 이들이 최대 효율의 p-n 접합(106)에서 가능한 많은 흡수를 용이하게 할 필요가 있다.

도 5는 본 발명의 하나 이상의 형태에 따라서 광발전 디바이스(100C)의 측면도이다. 상술한 흡수 광로 길이의 증가를 증폭하고 및/또는 낮은 비용의 활성 반도체층(104)(도 5에서 수직 차원)의 높이를 줄이기 위해서, 기판(102)의 바닥에서 측면에 도달하는 광은 광반사 요소(124)를 사용하여 반사되거나 산란될 수 있다. 도 5에서 광반사 요소(124)의 확장된 도면은 적어도 하나의 광반사요소(124)가 기판(102)의 다수의 측면(예를 들면, 측면의 바닥) 중 적어도 하나에 가장 가깝게 배치된다. 광반사 요소(124)는 웨이브가이드 모드에서 제 1 및 제 2 주표면(108, 110) 사이에서 다수 회 반사하는 광을 전파 방향으로 반전시키거나 재배향시키고 웨이브가이드 모드에서 제 1 및 제 2 주표면(108, 110) 사이에서 다수 회 반사시키고 p-n 접합에 다수 회 충돌시키도록 작동한다. 광반사 요소는 많은 형태를 가질 수 있지만, 일례는 프리즘 구조(산란)구조이다. 그외의 형태는 렌즈, 프리즘, 반사기, 산란 표면, 회절 표면 등을 포함할 수 있다. 패널의 길이는 약 수십 cm이고 모든 또는 거의 모든 입수가능한 태양 복사를 흡수할 수 있다.

상기 광을 기판(102)의 긴차원을 따라서 재배향시키고 복합 웨이브가이드의 수치적 개구 내에 있는 것이 바람직하다. 프리즘 및 회절 특성은 랜덤 산란 구조에 비해서 더욱 양호하게 될 수 있다. 이들 구조의 목적은 광을 재배향시켜서 p-n 접합에서 효율적인 흡수를 증가시키고 복합 웨이브가이드 태양전지의 외부로 재산란시키지 않는 것이다.

일반적으로, 반도체층(104)의 두께는 약 1-10㎛의 범위인 반면, 기판(102)의 두께는 약 수백 마이크론이다. 기판(102) 및 반도체층 (104)의 굴절율은 구조의 웨이브가이드 광선의 산란 사이의 거리가 상술한 식에 의해서 결정되도록 한다. 기판(102)의 높이는 p-n 접합(106)에서 얻어진 높은 광흡수 및 상당한 산란을 얻기 위해서 수 mm 내지 수 cm 사이에 있을 필요가 있다. 흡수는 광이 1-2㎛의 반도체층(104) 내에 웨이브가이드될 때 실질적으로 개선될 수 있다. 이러한 경우에, 각각의 산란은 수 ㎛을 취하고 기판(102)의 높이는 수십 내지 수백 ㎛이며 상당한 산란 및 높은 흡수를 달성할 필요가 있다.

도 5는 입사 패셋(facet)에 가까운 선택적인 회절 또는 선택적인 산란 부재(125)를 배치하는 것(이 경우에 복합 웨이브가이드 구조(100C)의 상부 엣지 근방에서)은 반도체층(104) 내에서 웨이브가이드를 용이하게 하는 것을 도시한다. 반도체층(104)으로 제 1 입사 후에 광선이 회절/선택적 산란 표면(125)에 의해 더 얕은 각도로 재배향되면(이것은 기판(102) 및 반도체층(104)의 굴절율에 의해서 나타낸 임계각보다 더 큰), 광선은 기판(102)으로 재입사되지 않을 것이다. 그 대신에, 광선은 반도체층(104) 내에 전체적으로 내부에 반사하고 웨이브가이드가 달성될 것이다. 웨이브가이드가 시작하고 재산란되지 않기 위해서, 산란 부재(125)는 입사점 근방에서 수십 ㎛의 넓은 갭을 갖는 수 ㎛의 밴드내에 있을 필요가 있다. 실리콘층(104)이 기판(102)에 결합되면, 실리콘층(104)의 외측 표면은 더욱 처리하기 전에 이러한 패터닝에 접근가능하다. 회절 또는 산란 부재는 또한 추가의 투명한 유전체 또는 패시베이션층에 추가로 배치될 수 있다.

도 2를 참조하면, 기판(102)에 필요한 총높이를 줄이기 위해서, 산란은, 예를 들면 주표면(110)에서 공기/기판 계면에 첨가될 수 있다. 이러한 산란은 기판(110)의 전체 길이 또는 광이 입사하고 반대의 엣지를 향해서 확장하는 엣지에서 시작하는 길이의 일부를 따라서 존재할 수 있다. 이것은 124에서 광 재배향 표면을 제공할 필요를 제거할 수 있고(도 5), 124의 매우 얇은 엣지를 처리하는 것보다 더 간단하게 실행할 수 있다.

도 6은 본 발명의 하나 이상의 형태에 따라서 광발전 디바이스(100D)의 측면도이다. 본 실시형태에서, 적어도 한쌍의 광발전 디바이스(100-1, 100-2), 도 2의 광발전 디바이스(100)와 실질적으로 동일한 구성이 사용된다. 다시, 도시된 구조(100D)에서 광전파는 반복을 피하기 위해서 간략화되지만, 반도체층(104-1), 반도체층(104-2)(및/또는 복합 구조) 내에서 웨이브가이드 작용은 도 2에 대해서 검토된 바와 같이 달성될 수 있다. 적어도 제 1 및 제 2 반도체층(104-1, 104-2)은 이들 사이에 갭 G를 형성하는 이격된 구성에서 서로 대면하도록 배치된다. 갭은 각각의 로드(130A, 130B)를 통해서 형성된다. 갭 G에서 배치된 로드(130A, 130B)는 제 1 및 제 2 반도체층(104A, 104B)를 이격하고 및/또는 적어도 일부의 태양광을 갭 G에 촛점을 맞춰서 광이 갭을 따라서 웨이브가이드 모드에서 전파하고 각각의 p-n 접합에 다수 회 충돌하도록 작동될 수 있다. 갭 부피는 높은 인덱스 물질로 채워지거나 기체 또는 유체, 예를 들면 공기로 채워질 수 있다. 따라서, 각각의 기판(102)의 엣지를 통해서 입사하는 광을 통해서 각각의 반도체층(104) 내에서 다수의 반사를 얻는 것 이외에, 입사광을 갭에 입사함으로써 반도체층(104)에 입사하고 그 안에서 웨이브가이드하며 각각의 p-n 접합에서 다수 회 충돌할 것이다. 이것은 약 0.5-1.0㎛의 얇은 반도체층(104)으로도 흡수를 증가시킨다. 이 갭은 약 0.1-0.7mm 사이일 수 있다.

다시, 디바이스(100D) 내에서 광전파의 다양한 형태로 돌아가서, 복합 구조는 2개의 반도체층(104-1, 104-2) 및 갭 G을 포함하도록 한정할 수 있다. 이러한 예에서, 하나 이상의 웨이브가이드 모드에서 광전파는: 갭 G로부터 반도체층(104-1)으로 향하는 광선 B(각각의 광선은 전파 모드를 시작한 갭으로 산란할 수 있다), (ii)반도체층(104-1)으로부터 갭 G 및 반도체층(104-2)으로 향하는 반사광선, (iii)반도체층(104-2)으로부터 갭 G 및 반도체층(104-1)으로 향하게 하는 반사광선으로 한정될 수 있다.

당업자는 그외의 복합구조가 예를 들면 (i)제 1 기판(102-1) 및 제 1 반도체층(104-1), (ii)제 2 기판(102-2) 및 제 2 반도체층(104-2), (iii) 갭 G 및 제 1 반도체층(104-1), (iv) 갭 G 및 제 2 반도체층(104-2), 및 (v)갭 G 및 제 1 및 제 2 반도체층(104-1, 104-2); 및 (vi) 이들의 조합 중 적어도 하나와 같이 디바이스(100D) 내에서 한정될 수 있는 것을 상기로부터 인지할 것이다.

도 7은 본 발명의 하나 이상의 형태에 따라서 광발전 디바이스(100E)의 측면도이다. 기판(102)와 반도체층(104)의 결합은 상술한 구성의 적당한 것 또는 본원에 후술된 것일 수 있다. 광발전 디바이스(100E)는 태양광을 기판(102)의 다수의 측면 중 하나를 향하게 하여 태양광이 웨이브가이드 모드에서 기판(102), 그 다음에 반도체층(104)에 결합되도록 작동하는 집광 디바이스(132)를 더욱 포함한다. 일례로서, 집광 디바이스(132)는 그 벽을 따라서 확장하는 장축 슬롯(134)을 갖는 실질적으로 원통형 로드를 포함한다. 기판(102) 및 반도체층(104)는 기판(102)의 다수의 측면 중 하나를 슬롯(134)의 바닥(136)에 인접하도록 슬롯(134) 내에 위치된다. 슬롯(134)는 과장된 형태(기판(102) 및 층(104)을 갖는 갭을 도시)로 도시되지만, 실제의 디바이스에서 스너그 피트(snug fit)가 바람직하다.

슬롯(134)의 깊이는 기판(102) 및 층(104)이 최적의 집광의 로드(132)의 상부로부터 적당한 거리에 위치되도록 한다. 이 점에서, 로드(132)는 태양광을 파장모드에서 기판(102)에 결합하는 광특성을 포함한다. 예를 들면, 로드(132)는 트래킹 또는 비트래킹형 집광기 변화일 수 있고, 로드(132)의 물질은 높은 인덱스(높은 NA) 물질, 예를 들면 유리, 투명한 폴리머, 및/또는 플렉시글래스일 수 있다. 로드(132)는 양호한 팩킹 배열 및 변형 감소를 위해서 성형될 수 있다. 또한, 로드(132) 표면의 일부가 태양광을 기판(102)의 주표면 중 하나에 결합하는 광특성을 위해서 변형될 수 있다. 예를 들면, 광을 재배향하고 트랩핑하기 위해서 요소(138)는 조도화, 홈형성, 코팅, (반사 및/또는 산란), 등을 행할 수 있다. 이것은 로드(132)를 출발하는 광을 기판(102) 및 층(104)을 향해서 재배향시킬 수 있다. 또한, 요소(138)는 로드(132)의 외측 표면에 가장 가깝게 위치하는 하나 이상의 반사기를 포함하고, 이것은 로드(132)의 벽을 탈출하는 광을 기판(102) 및 반도체층(104)을 향하게 할 수 있다. 많은 로드 집광기(132)는 영역의 스케일 업을 위해서 나란히 적층될 수 있다.

하나 이상의 반사기(139A, 139B)(도 8)는 제 2의 테이퍼된 집광기이며 이것은 단독으로 또는 로드(132) 및/또는 집광기(120)와 조합하여 사용되어 실시형태(100F)를 형성할 수 있다. 제 2의 테이퍼된 집광기(139A, 139B)가 사용되어 기판(102)에 촛점을 맞추지 않고 트랩핑된 광을 수집할 수 있다. 이것은 특히 비트랙킹 집광기(132)와 함께 특히 바람직하다. 반사기(139A, 139B)는 광 트랩핑 구조를 갖는 1-D 굴절 또는 반사된 테이퍼 및/또는 광 깔대기를 포함할 수 있다. 이들은 회절 또는 굴절 촛점 요소를 갖는 광량에 대해서 1-D 선형 또는 포물선 광깔대기를 주름잡을 수 있다. 내측 표면 테이퍼는 높은 반사성 피복 또는 유전체 미러로 코팅될 수 있다. 이러한 설계는 낮은 농도 요소에 적당하다.

반사기(139A, 139B)는 각각 기판(102) 및 반도체층(104)에 가장 가깝게 위치된 제 1 엣지(137A, 137B)를 포함한다. 반사기(139A, 139B)는 각각의 반대의 엣지(135A, 135B)를 향해서 각각의 제 1 엣지(137A, 137B)로부터 기울어져 있다. 이러한 배열은 반사기(139A, 139B)가 광을 기판(102) 및 반도체층(104)을 향해서 반사하고 기판(102)의 주표면(108, 110) 중 하나에 결합하도록 작동한다.

원통형 렌즈의 장축은 긴 길이의 로드(132)가 태양이 낮동안 지평선으로 이동할 때 태양 복사를 수집하도록 동쪽-서쪽 방향으로 배향될 수 있다. 낮은 농도 설계에 대해서, 로드(132)의 높은 NA는 조명이 지평선상에 태양의 위치의 계절 변화 동안 축에 있지 않더라도 상당한 효율 저하없이 복사에너지를 수집할 수 있다.

도 9는 본 발명의 하나 이상의 형태에 따라서 광발전 디바이스(100G)의 측면도이다. 본 실시형태에서, 집광 디바이스(140)는 모노리식 방법으로 결합된 굴절, 촛점, 테이퍼된 집광기를 포함한다. 특히 집광 디바이스(140)는 그 좁은 엣지를 따라서 확장하는 장축 슬롯(134)를 갖는 웨지 형상 로드를 포함한다. 기판(102) 및 반도체층(104)은 기판(102)의 다수의 측면 중 하나가 슬롯(134)의 바닥(136)에 인접하도록 슬롯(134) 내에 위치된다. 웨지 형상 로드(140)는 투명한 폴리머 또는 유리 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 플렉시글래스 또는 폴리머 물질은 낮은 비용, 용이한 성형 및 가벼운 중량을 제공할 수 있지만, 이들은 내구성을 갖지 않고 태양 복사의 단파장 흡수를 가질 수 있다. 유리는 잠재적으로 내구성을 갖고 낮은 UV 또는 청색 흡수를 갖지만 성형하는 것은 곤란하고 높은 인덱스 물질에 대해 고가일 수 있다.

웨지 형상 로드(140)는 태양광을 기판(102)의 다수의 측면 중 하나를 향하게 하고 기판(102)에 결합되지 않는 광을 기판(102) 및 반도체층(104)을 향하게 하는 광특성을 포함한다. 웨지 형상 로드(140)는 기판(102)의 측면을 향하는 촛점 축을 한정하는 슬롯(134)을 대면하는 볼록한 둠형 표면(142)을 포함할 것이다. 웨지 형상 로드(140)는 적어도 하나의 측면, 및 바람직하게 한쌍의 표면(144, 146)을 포함하고, 이는 로드(140)의 좁은 엣지 또는 말단으로부터 외부로 확장하고 기판(102) 및 반도체층(104)로부터 볼록한 둠형 표면(142)의 각각의 엣지(142A, 142B)를 향해서 기울어져 있다. 각각의 측면(144, 146)은 기판(102)에 결합되지 않는 광을 기판(102) 및 반도체층(104)을 향하도록, 예를 들면 기판(102)의 주표면(108, 110) 중 하나에 결합되도록 작동한다. 측면(144, 146)은 소망의 방향에서 광을 촛점을 맞추기 위해서 회절될 수 있다.

도 10은 본 발명의 하나 이상의 형태에 따라서 광발전 디바이스(100H)의 측면도이다. 기판(102) 및 반도체층(104)의 결합은 상술한 구성의 적당한 것 또는 본원에 후술되는 것일 수 있다. 도시된 구조는 도 2의 기초의 광발전 디바이스(100)이다. 광발전 디바이스(100H)는 태양광이 웨이브가이드 모드에서 기판(102) 및 반도체층(104)에 결합하도록 태양광을 기판(102)의 다수의 측면 중 하나를 향하도록 작동하는 집광 디바이스(150)을 포함한다.

일례로서, 집광 디바이스(150)는 내부의 부피(154)를 한정하는 원통형 벽(152)을 갖는 통합형 공동 실린더를 포함한다. 기판(102) 및 박막 반도체층(104)는 내부의 부피(154) 내에 적어도 부분적으로 위치된다. 원통형 벽(152)은 태양광이 내부 부피(154)에 입사하기 위한 개구를 한정하는 장축으로 확장하는 슬롯(156)을 포함한다. 원통형 벽(152)은 태양광을 웨이브가이드 모드에서 기판(102)에 결합하도록 광을 기판(102)의 다수의 측면 중 하나를 향하게 하는 반사 내부 표면을 포함한다. 또한, 벽(152)의 반사 내부 표면은 광을 기판(102) 및 반도체층(104)을 향하게 하고 기판(102)의 주표면(108, 110) 중 하나에 결합하게 할 수 있다.

슬롯(156)은 낮동안 촛점 스폿 운동을 하도록 작동하고, 이것은 상당한 효율 감소없이 비트랙킹 태양 패널을 허용한다. 또한, 광발전 디바이스(110H)는 광을 슬롯(156)으로 향하게 하기 위해서 본원에서 상술한 바와 같이 태양 집광기(120)를 포함할 수 있다.

도 11a는 본 발명의 하나 이상의 형태에 따라서 광발전 디바이스(100I)의 측면도이다. 이러한 실시형태는 웨이브가이드 및 트랩핑 기하의 변화이고, 광발전 디바이스는 수직 배향보다 수평 배향이다. 광발전 디바이스(100I)는 제 1 및 제 2 주표면(108, 110) 및 다수의 측면을 갖는 기판(102)을 포함한다. 하나 이상의 반도체층(104A, 104B, 104C)는 기판(102)의 제 1 주표면(108)에 결합되고 적어도 하나의 감광성 p-n 접합(106)을 포함한다.

이러한 실시형태(또한 상술한 본 발명의 그외의 실시형태)는 하나 이상의 p-n 접합(106)을 지지하는 것을 유의한다. 이들 접합은 동질성 또는 이질성 형태일 수 있다. 반도체층(104)은 모든 태양 스펙트럼의 효율적인 용도를 위한 광범위한 파장을 커버하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 단결정 실리콘은 비정질 실리콘, Si-Ge, Ge, GaAs 등으로 사용될 수 있다. 단결정 실리콘은 폴리머 반도체와 결합될 수 있다. 이러한 접근방법은 반도체층(104)이 싱글패스에서 불충분한 흡수를 갖는 임의의 태양전지에서 이점을 제공한다.

도 11a에 도시된 바와 같이, 반도체층(104)은 적층된 다수의 접합 구성(104D, 104E)를 포함하거나 반도체층(104)은 공간적으로 분리될 수 있다(104A, 104B, 104C).

구조(101I)의 집광 디바이스는 하나 이상의 태양집광기(120A, 120B)를 포함하고, 각각은 태양광을 기판(102)의 제 1 주표면(108)을 향하도록 작동하는 촛점 축 F를 갖는다. 기판(102)의 표면(108)상에 광 입사 영역은 다른 입사각 및 다른 스펙트럼에서 광을 수집하기 위해서 AR 코팅을 포함할 수 있다. 집광 디바이스는 제 1 주요면(108)을 통해서 기판(102)에 입사하는 광을 태양집광기(120A, 120B)의 촛점 축에 대해서 횡축으로 향하게 하여 태양광을 웨이브가이드 모드에서 반도체층(104)에 결합하도록 작동하는 하나 이상의 상응하는 반사 요소(121A, 121B)를 포함한다.

상술한 그외의 실시형태 중 일부에 대해서, 도시된 구조(100I)에서 광전파는 반복을 피하기 위해서 간략화되지만, 임의의 반도체층(104) 및/또는 수많은 복합 구조내에서 웨이브가이드 작용은 상기 검토된 바와 같이 달성될 수 있다.

수평 웨이브가이드 구성(101I)은 여러 실시형태에서 실시될 수 있다. 도 11a의 실시형태에서, 광 재배향 요소(121)는 기판(102)에 설치된다. 이것은 성형된 반사/회절 공동일 수 있다.

대안의 성형된 공동이 사용되면 기판 강도가 더 양호하게 유지될 수 있어서 더욱 바람직하다. 이러한 대안의, 적당한 물질의 성형된 "리드로운 케인(redrawn cane)"은 적당한 위치에서 기판(102)의 바닥에 접착된다. 예를 들면, 도 11b에 도시된 바와 같이, 프리즘 케인(123)은 큰 유리 블랭크로부터 드로운되고 프리즘으로 성형되고 가열되어 약 1-2mm의 최종 차원으로 리드로운될 수 있다. 섬유 리드로운 방법과 유사한 낮은 비용의 방법이 사용되어 재배향 구조를 생성할 수 있다. 프리즘(123)의 외측 패셋은 배치공정에서 금속 또는 유전 반사 코팅으로 도포될 수 있다. 재배향 프리즘(123)의 크기 및 패셋 각도는 기판(102)의 변수, 집광기 렌즈(120) 변수 및 지평선 위에 태양의 움직임의 계절 변화에 기초해서 설정될 수 있다. 재배향 프리즘(123) 패셋의 어느 측에 따라서, 태양 복사가 촛점을 맞추고, 광은 반도체층(104)를 향해서 좌측 또는 우측에 재배향될 것이다. 이것은 지평선 위에 태양의 움직임의 계절 변화에서도 복사에너지를 수집하고 효율을 유지하는 데에 이점이 있다.

수평 복합 웨이브가이드 태양전지 구조(101I)의 이점은:

더 큰 패널로의 확장성. 기판(102)은 매우 크고 반도체층(104)이 1-2mm 갭을 갖는 수 mm 또는 수 cm 폭을 갖는 긴 길이에서 결합되거나 증착될 수 있다. (도 11a)

수직의 웨이브가이드 구성에 비해서 감소된 높이. 이것은 이전의 집광기 디자인이 실용적이지 않다고 여겨지는 루프-탑 적용 일부에서 중요하게 될 수 있다.

수평 접근방법으로서 잠재적으로 낮은 조립 및 처리 비용은 도 2의 수직 설계에 수반된 바와 같이 큰 패널을 5-10 mm 높이 스트립으로의 절단 또는 와이어 쏘 공법(wire sawing)을 수반하지 않는다.

본 기하에서 AR 코팅 및 전기적인 상호 접속 단계의 일부를 통합하는 것이 용이하게 될 수 있다. 종래의 광트랩핑 구조에 비해서 복합 웨이브가이드 접근 방법의 현저한 특징은 태양전지의 광 웨이브 가이딩 영역으로부터 광 입사 위치의 분리이다. 종래기술, 기판(또는 슈퍼 스트레이트) 구성(예를 들면, 도 1)에서, 광은 태양전지의 전체의 활성 표면을 통과한다. 사용되면, 광 트랩핑/산란 부재는 전체의 활성 표면 전체에 배치될 필요가 있다. 임의의 부분이 이러한 특성을 갖지 않는 경우, 이러한 영역에 입사되는 광은 산란되지 않고 p-n 접합을 통해서 싱글 패스를 가질 것이다. 또한, 하나의 영역에 트랩핑된 임의의 광은 인접한 영역에서 산란 부재에 의해서 태양전지의 외부로 재산란될 수 있다.

반면, 하나 이상의 실시형태에서 광 입사 및 웨이브가이드 부분이 분리된다. 예를 들면, 도 2에서, 광의 입사점은 복합 웨이브가이드의 엣지 패셋(기판(102)의 상부 엣지)이고 활성 p-n 접합 표면은 이러한 패셋으로부터 분리되고 이것과 직교한다. 마찬가지로, 도 11a에서 광 입사표면 및 활성 p-n 접합 표면이 분리된다. 광 입사는 광(121)을 복합 웨이브가이드로 재배향시킴으로써 용이하게 된다. 이것은 낮은 농도의 광, 예를 들면 도 4에 도시된 120과 결합될 수 있다. 이러한 접근 방법은 종래기술에 비해서 많은 이점을 제공한다. 현저한 이점은 광트랩핑이 산란 부재에 의존하지 않는다는 사실이다. 이것은 종래 기술의 디자인에 존재하는 재산란의 문제를 제거한다. 이러한 접근방법은 p-n 접합 배치에 유연성을 제공한다. 예를 들면, p-n 접합은 도 3에 도시된 바와 같이 투명한 기판의 양측에 조립될 수 있다. 복합 웨이브가이드 접근방법은 재산란 문제없이 반도체층내에서 웨이브가이딩을 향상시키기 위해서 선택적인 위치에서만 산란, 회절 표면의 배치에 유연성을 제공한다. 일반적으로 반도체층은 1-2㎛이기 때문에, 전체의 기판 복합 웨이브가이드보다 층내의 웨이브가이딩은 달리 필요로 되는 수 mm보다 100-200㎛내의 광흡수를 일으킨다.(도 5를 참조하여 설명됨). 또한, 입사 패셋은 매우 높은 인덱스 반도체층을 포함하지 않기 때문에, 투명한 기판의 입사 패셋의 AR 코팅을 설계하는 것이 용이하고, 이러한 투명한 기판은 일반적으로 낮은 인덱스 유리 또는 폴리머이다. 이것은 넓은 파장 및 각도 범위에 걸쳐서 양호하게 최적화한다.

도 12a, 12b는 본 발명의 광발전 디바이스의 기본적인 작동 개념에 관련된 장점의 특정 변수의 시뮬레이션 결과를 설명하는 그래프이다. 이러한 결과는 도 2 및 3의 구성에서 집광기 광없이 전지의 상면에서 최대의 달성가능한 전류 밀도(MACD) 대 입사각을 도시한다. 이들 결과는 본원에 기재된 광발전 구조가 약 2 mm만큼 작은 수직 높이 및 약 1㎛ 보다 적은 반도체층 두께에서도 장파장을 포함하는 태양광의 상당한 양을 흡수하도록 작동한다. 300-1200 nm의 모델에서 고려되는 파장 범위에 대해서, 최대의 MACD 값은 45.9mA/㎠이다. 30mA/㎠를 초과한 값은 양호하다고 여겨지고 35mA/㎠를 초과하는 값은 매우 양호하다고 여겨진다. 도 12a 및 12b의 그래프에 수평축은 기판(102)의 엣지 표면에서 입사각을 나타낸다(예를 들면, 도 2 참조). 0 및 45° 사이에서 각도 범위는 잠재적인 집광기(120), 예를 들면 도 4에 도시된 집광기에 관련된 각도를 나타낸다. 도 12a는 도 5의 124에 위치한 램버티안 반사기의 성능(라인(204)) 및 평면 반사기의 성능(라인(202))을 설명한다. 이 시뮬레이션은 0.7mm 및 폭 10mm 높이의 기판(102)의 경우에 대한 것이다. 반도체 물질(104)는 약 1㎛ 두꺼운 실리콘층이다. 도 12b는 하나의 측면 구조(100)(라인(206))과 이중 측면 구조(100A)(라인(208)) 사이에서 차이를 도시한다. 이 시뮬레이션은 도 5의 124에서 램버티엔 반사기 및 폭 0.7 mm 및 높이 2 mm의 기판(102)에 대한 것이다. 디바이스 성능은 기판(102)의 폭의 현저한 기능이다. 좁은 기판(102)에 대해서, 낮은 높이는 넓은 기판에 비해서 매우 양호한 성능을 필요로 한다. 0.2mm의 기판 두께 및 5.0mm의 유리 높이를 갖는 디바이스는 40 mA/㎠를 초과하는 MACD 값을 갖는다. 모델은 매우 도프된 실리콘 손실, 접촉 쉐도잉 손실 및 금속 접촉 흡수 손실을 포함하는 여러 잠재적인 손실 메카니즘에 대해서는 고려하지 않는다.

본 발명은 특별한 실시형태에 대해서 기재되어 있지만, 이들 실시형태는 본 발명의 원리 및 적용을 설명하는 것으로 이해된다. 많은 변경은 설명하는 실시형태에 대해서 행해지고 그외의 배열은 첨부된 청구범위로 정의된 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나는 일없이 고안되는 것으로 이해된다.

Claims

제 1 및 제 2 주표면 및 다수의 측면을 갖는 실질적으로 투명한 기판;
제 1 및 제 2 주표면을 갖고, 상기 기판의 제 1 주표면에 결합되며, 제 1 및 제 2 주표면 및 그 안에 적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 박막 반도체층;
입사광을 웨이브가이드 모드에서 상기 기판을　통해서　상기 반도체층으로　전파하여 광이　상기　반도체층의　제 1 및 제 2 주표면 사이에서 다수 회 반사하고, p-n접합에 다수 회 충돌하도록　작동하는　광배향　부재(light directing feature)를　포함하는　광발전　디바이스．
청구항 1에 있어서, 상기 광배향 부재는 입사광을 웨이브가이드 모드에서 상기 디바이스의 적어도 하나의 복합 구조를 통해서 전파하도록 작동하고, 상기 복합 구조는 상기　기판 및 상기　반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 1에 있어서, 상기 반도체층의 두께는 약 2 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 1에 있어서, 상기 실질적으로 투명한 기판은 유리, 유리 세라믹 및 폴리머 중 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 1에 있어서, 상기 광발전 디바이스는 상기 기판의 제 2 주표면에 결합되고 그　사이에　적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 박막 반도체층을 더욱 포함하고,
상기 광배향 부재는 입사광을 웨이브가이드 모드에서 상기 기판을 통해서 상기 반도체층으로 전파하고 p-n 접합에 다수 회 충돌하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 1에 있어서, 상기 광발전 디바이스는 태양광이 웨이브 가이드　모드에서 상기 기판 및 상기 반도체 층에 결합하도록 태양광을　기판의 다수의 측면 중 하나를 향하도록 작동하는 집광 디바이스를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 6에 있어서, 상기 집광 디바이스는 상기 기판의 다수의 측면 중 하나를 향하게 하는 촛점 축을 갖는 태양집광기인 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 6에 있어서, 상기 집광 디바이스는 상기 기판의 다수의 측면 중 하나의 볼록한 엣지 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 1에 있어서, 상기 광발전 디바이스는 상기 기판의 다수의 측면 중 적어도 하나에 가장 가깝게 배치된 적어도 하나의 광 재배향 요소를 더욱 포함하고, 상기 적어도 하나의 광 재배향 요소는 적어도 하나의 측면에 웨이브가이드 모드에서 상기 반도체층의 제 1 및 제 2 주표면 사이에서 다수 회 반사하는 광을 반전시키고 웨이브가이드 모드에서 상기　반도체층의 제 1 및 제 2 주표면 사이에서 다수 회를 반사시키며， p-n 접합에 다수 회 충돌하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 9에 있어서, 상기 광 재배향 요소는 적어도 하나의 측면 상에서 형성된 프리즘 구조, 렌즈 구조, 반사기 구조, 산란 표면 구조 및 회절 표면 구조 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
제 1 및 제 2 주표면 및 다수의 측면을 갖는 제 1 실질적으로 투명한 기판;
상기 제 1 기판의 제 1 주표면에 결합되고 그 안에 적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 제 1 박막 반도체층;
제 1 및 제 2 주표면 및 다수의 측면을 갖는 제 2 실질적으로 투명한 기판; 및
상기 제 2 기판의 제 1 주표면에 결합되고 그 안에 적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 제 2 박막 반도체층을 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 박막 반도체층은 그 사이에 갭을 형성하는 이격된 구성에서 서로 대면하여 배치되고,
입사광을 각각의 웨이브가이드 모드에서 각각의 제 1 및 제 2 기판을 통해서 각각의　제 1 및 제 2 반도체층으로 전파하여 광이 그 제 1 및 제 2 주표면 사이에서 다수 회 반사하고 각각의 p-n 접합에 다수 회 충돌하도록 작동하는 적어도 하나의 광배향 부재를 갖는 광발전 디바이스.
청구항 11에 있어서, 상기 광배향 부재는 입사광을 웨이브가이드 모드에서 디바이스의 적어도 하나의 복합 구조를 통해서 전파하도록 작동하고, 상기 적어도 하나의 복합 구조는 (i) 제 1 기판 및 제 1 반도체층; (ii) 제 2 기판 및 제 2 반도체층; (iii) 갭 및 제 1 반도체층; (iv) 갭 및 제 2 반도체층; (v) 갭 및 제 1 및 제 2 반도체층; 및 (vi) 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 11에 있어서, 상기 갭은 약 0.1~0.7mm 사이인 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 11에 있어서, 상기 광발전 디바이스는 각각의 제 1 및 제 2 반도체층 사이의 갭에 배치된 적어도 하나의 로드를 더욱 포함하고, 상기 적어도 하나의 로드는 제 1 및 제 2 반도체층의 적어도 하나를 이격하고 적어도 일부의 태양광을 갭에 촛점을 맞춰서 광을 웨이브가이드 모드에서 갭 및 각각의 반도체층으로 전파하고 각각의 p-n 접합에 다수 회 충돌하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
제 1 및 제 2 주표면 및 다수의 측면을 갖는 실질적으로 투명한 기판; 및
제 1 및 제 2 주표면을 갖고 상기 기판의 제 1 주표면에 결합되며, 그 안에 적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 박막 반도체층; 및
태양광을 웨이브가이드 모드에서 상기 기판, 상기 기판을 통해서 반도체층에 결합시켜서 광을 상기 반도체층의 제 1 및 제 2 주표면 사이에서 다수 회 반사시키고 p-n 접합에 다수 회 충돌하도록 태양광을 기판의 다수의 측면 중 하나를 향하도록 작동하는 집광 디바이스를 포함하는 광발전 디바이스.
청구항 15에 있어서, 상기 광배향 부재는 입사광을 웨이브가이드 모드에서 디바이스의 적어도 하나의 복합 구조를 통해서 전파하도록 작동하고, 상기 복합 구조는 상기 기판 및 상기 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 15에 있어서,
상기 집광 디바이스는 그 벽을 따라서 확장하는 장축 슬롯을 갖는 실질적으로 원통형 로드를 포함하고,
상기 기판 및 박막 반도체층은 기판의 다수의 측면 중 하나가 슬롯의 바닥과 인접하도록 슬롯 내에 위치되며,
상기 로드는 상기 태양광을 상기 웨이브가이드 모드에서 상기 기판 및 반도체층에 결합시키는 광특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 16에 있어서, 상기 로드는 태양광을 상기 기판의 주표면 중 하나에 결합시키는 광특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 16에 있어서, 상기 로드는 유리, 투명한 폴리머, 및/또는 플렉시글래스로 형성된 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 16에 있어서, 상기 집광 디바이스는 상기 로드의 외측면의 가장 근방에 위치되고 로드벽을 방출하는 광을 상기 기판 및 박막 반도체층으로 향하게 하는 적어도 하나의 반사기를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 15에 있어서,
상기 집광 디바이스는 그 좁은 엣지를 따라서 확장하는 장축 슬롯을 갖는 웨지 형상 로드를 포함하고;
상기 기판 및 박막 반도체층은 기판의 다수의 측면 중 하나가 슬롯의 바닥에 인접하도록 슬롯 내에 위치되며;
상기 웨지 형상 로드는 태양광이 기판의 다수의 측면 중 하나를 향하게 하고 기판에 결합되지 않는 광을 상기 기판 및 박막 반도체층으로 향하게 하는 광특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 21에 있어서, 상기 웨지 형상 로드는 기판의 다수의 측면 중 하나를 향하게 하는 촛점 축을 한정하는 슬롯을 대면하는 볼록한 둠형 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 22에 있어서, 상기 웨지 형상 로드는 그 좁은 엣지로부터 외부로 확장하고 상기 기판 및 박막 반도체층으로부터 상기 볼록한 둠형 표면의 엣지를 향해서 기울어진 적어도 하나의 측면을 포함하고,
상기 적어도 하나의 측면은 기판에 결합되지 않는 광을 상기 기판 및 박막 반도체층을 향하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 23에 있어서, 상기 적어도 하나의 측면은 태양광을 상기 기판 및 박막 반도체층을 향해서 반사시키고 상기 기판의 주표면 중 하나에 결합하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 21에 있어서, 상기 웨지 형상 로드는 유리, 투명한 폴리머, 및/또는 플렉시글래스로부터 형성된 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 15에 있어서, 상기 집광 디바이스는 기판의 다수의 측면 중 하나를 향하게 하는 촛점 축을 갖는 태양집광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 26에 있어서,
상기 집광 디바이스는 상기 기판 및 박막 반도체층의 가장 근방에서 위치된 제 1 엣지를 갖고 이들로부터 적어도 하나의 반사기의 대향하는 엣지 및 태양집광기를 향해서 기울어진 적어도 하나의 반사기를 포함하고,
상기 적어도 하나의 반사기는 기판에 결합되지 않는 광을 상기 기판 및 박막 반도체층으로 향하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 27에 있어서, 상기 적어도 하나의 반사기는 광을 상기 기판 및 박막 반도체층을 향해서 반사시키고 상기 기판의 주표면 중 하나에 결합하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 15에 있어서, 상기 집광 디바이스는 내부의 부피를 한정하는 원통형 벽을 갖는 통합형 공동 실린더를 포함하고, 상기 기판 및 박막 반도체층은 상기 내부의 부피 내에서 적어도 부분적으로 위치되고 상기 원통형 벽은 태양광이 상기 내부의 부피에 입사하는 개구를 한정한 벽을 따라서 확장하는 장축을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 15에 있어서, 상기 원통형 벽은 광을: (i) 태양광이 웨이브가이드 모드에서 상기 기판 및 반도체층에 결합되도록 기판의 다수의 측면 중 하나; 및 (ii) 상기 기판 및 박막 반도체층 중 적어도 하나에 향하도록 하여 상기 기판의 주표면 중 하나에 결합시키도록 작동하는 반사의 내부 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 15에 있어서, 상기 집광 디바이스는 장축 슬롯을 향해서 이를 통과하는 촛점 축을 갖는 태양집광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
제 1 및 제 2 주표면 및 다수의 측면을 갖는 실질적으로 투명한 기판; 및
상기 기판의 제 1 주표면에 결합하고 그 안에 적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 박막 반도체층; 및
(i) 태양광을 기판의 제 1 및 제 2 주표면 중 하나를 향하도록 작동하는 촛점 축을 갖는 적어도 하나의 태양집광기, 및 (ii) 제 1 및 제 2 주표면 중 하나를 통해서 기판에 입사하는 광을 태양집광기의 촛점 축에 대해서 횡축으로 향하게 하여 태양광을 웨이브가이드 모드에서 상기 기판 및 반도체층에 결합하도록 작동하는 적어도 하나의 상응하는 재배향 요소를 포함하는 집광 디바이스를 포함하고,
상기 반도체층의 제 1 및 제 2 주표면의 가장 근방에 각각의 유전상수 불연속은 입사광을 웨이브가이드 모드에서 반도체층의 제 1 및 제 2 주표면 사이에서 다수 회 반사시키고 p-n 접합을 다수 회 충돌시키도록 작동하는 광발전 디바이스.
청구항 32에 있어서, 상기 광배향 부재는 입사광을 웨이브가이드 모드에서 디바이스의 적어도 하나의 복합 구조를 통해서 전파시키고, 상기 복합 구조는 상기 기판 및 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 32에 있어서,
상기 디바이스는 상기 기판의 제 1 및 제 2 주표면 중 적어도 하나에서 서로 이격된 다수의 박막 반도체층을 포함하고,
다수의 집광 디바이스는 각각 광을 제 1 및 제 2 주표면 중 하나를 통해서 기판으로 향하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 34에 있어서, 상기 광발전 디바이스는 적어도 일부의 박막 반도체층 사이에서 상기 기판의 제 1 주표면에 AR 코팅을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 32에 있어서, 상기 재배향 요소는 반사 요소 및 프리즘 요소 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 32에 있어서, 상기 광발전 디바이스는 다수의 박막 반도체층, 상기 기판의 제 1 주표면에 결합되고 제 1 및 제 2 주표면을 포함하는 적어도 하나의 제 1 반도체층, 및 그 사이에 적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 37에 있어서, 적어도 2개의 박막 반도체층은 한 층을 다른 층위에 적층하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
제 1 및 제 2 주표면 및 다수의 측면을 갖는 실질적으로 투명한 기판;
기판의 제 1 주표면에 결합되고 제 1 및 제 2 주표면을 포함하는 적어도 하나의 제 1 반도체층, 및 그 사이에 적어도 하나의 감광성 p-n 접합을 포함하는 반도체층인 다수의 박막 반도체층, 및
입사광을 웨이브가이드 모드에서 상기 기판과 다수의 반도체층으로 전파시켜서 광이 다수의 반도체층의 제 1 및 제 2 주표면 사이에서 다수 회 반사하고 p-n 접합을 다수 회 충돌하도록 작동하는 광배향 부재를 포함하는 광발전 디바이스.
청구항 39에 있어서, 상기 광배향 부재는 입사광을 웨이브가이드 모드에서 디바이스의 적어도 하나의 복합 구조를 통해서 전파하도록 작동하고, 상기 복합 구조는 상기 기판 및 적어도 하나의 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.
청구항 39에 있어서, 적어도 2개의 박막 반도체층은 한층을 다른 층위에 적층하는 것을 특징으로 하는 광발전 디바이스.