KR20120016243A - 광기전력 장치 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판(10) 상에 피착되어 분할되지 않은 액티브 박층들(15)을 구비하는 적어도 하나의 광기전력 셀(60) 및 각각의 광 기전력 셀(60)과 연관된 적어도 하나의 정적 컨버터(50)를 포함하는 광기전력 장치에 관한 것이다. 각각의 광기전력 셀(60)은 최대 전류(ICC) 및 공칭 전압(VP)으로 전력을 공급하며, 각각의 정적 컨버터(50)는 광기전력 셀에 의해 공급되는 전력을 부하(100)를 향해 전송하고, 전송되는 전류를 감소시키고, 전송되는 전압을 증가시키도록 적응된다. 따라서, 동일 패널 상에서 광기전력 셀들의 레이저 분할이 제한되거나 완전히 배제된다. 따라서, 광기전력 장치 제조의 수율이 향상되고, 무효 표면이 감소한다.
Description
본 발명은 광기전력 장치들, 구체적으로는 소위 박막 기술로 생산된 광기전력 셀들을 포함하는 장치들의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 또한 박막 광기전력 장치의 제조에 관한 것이다.
본래 알려진 바와 같이, 광기전력 장치는 직렬 및/또는 병렬로 접속된 하나 이상의 광기전력(PV) 셀들을 포함한다. 무기 재료들의 경우, 광기전력 셀은 본질적으로 반도체 재료로 제조된 다이오드(p-n 또는 p-i-n 접합)로 구성된다. 이러한 재료는 광 에너지를 흡수하는 성질을 가지며, 그 에너지의 상당 부분은 전하 캐리어들(전자들 및 정공들)로 전달될 수 있다. 옵션으로서 ("진성" 영역으로 지칭되고, p-i-n 접합이라는 표현에서 "i"로 지시되는) 비도핑 영역에 의해 분리된 2개의 영역을 각각 n형 및 p형으로 도핑함으로써 다이오드(p-n 또는 p-i-n 접합)를 형성하는 것은 광기전력 셀과 함께 제공된 전극들을 통한 전하 캐리어들의 분리에 이은 수집을 가능하게 한다. 광기전력 셀이 제공할 수 있는 전위차(개회로 전압 VOC) 및 최대 전류(단락 전류 ISC)는 셀 조립체를 형성하는 데 사용된 재료들 및 이 셀이 노출된 환경 조건들(조명의 스펙트럼 강도, 온도 등을 포함함) 양자에 의존한다. 유기 재료들의 경우, 모델들이 실질적으로 다르며, 엑시톤(exciton)이라고 하는 전자-정공 쌍들을 생성하는 도너 및 억셉터 재료들의 개념을 더 많이 사용한다. 최종 결과는 동일하여, 전류를 수집하고 생성하도록 전하 캐리어들을 분리한다.
광기전력 셀들을 제조하기 위한 다수의 공지 기술이 존재한다. 1975년 이후부터 산업적 관점에서 소위 박막 기술들이 개발되었으며, 이러한 기술들은 PVD(physical vapor deposition) 또는 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)에 의해 기판 상에 다양한 재료를 박막들로서 피착하는 단계로 이루어진다. 현재 최대 산업 생산량을 나타내는 소위 결정-실리콘 기술과 같은 다른 제조 기술들이 나중에 출현하였다. 이러한 기술들은 단결정 또는 다결정 실리콘의 잉곳들을 생산한 후에 잉곳들을 웨이퍼들로 커팅하고, 웨이퍼를 도핑하여 p-n 또는 p-i-n 접합을 형성하는 단계로 구성된다. 최신 기술들은 유기 셀들 또는 합성 재료들을 이용한다.
박막 광기전력 셀 기술들은 많은 이점을 갖는다. 이들은 결정-실리콘 기술들에 비해 큰 영역들에 대한 높은 처리량의 제조 프로세스들을 가능하게 한다. 박막 광기전력 셀들은 또한 이들이 모듈로 조립될 때 우수한 에너지 효율을 갖는다. "광기전력 모듈"이라는 표현은 복수의 광기전력 셀의 조립체를 의미하는 것으로 이해한다. 더구나, 모듈은 통상적으로 정적 컨버터(SC) 및 옵션으로서 최대 전력 포인트 추적기(MPPT)를 포함하는 제어 전자 장치와 연관될 수 있다.
도 1은 박막 광기전력 셀 장치를 제조하기 위한 통상적인 방법의 단계들을 나타낸다. 도 1의 도면에서, 다양한 막들의 두께들은 축척으로 도시되지 않는다.
박막 기술들에서, 다양한 재료들은 PVD(physical vapor deposition)에 의해 또는 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)에 의해 또는 심지어 스퍼터링 또는 LPCVD(low-pressure chemical vapor deposition)에 의해 기판(10) 상에 박막들로서 피착된다. 이러한 방식으로, 제1 도전성 전극(11), 하나 이상의 접합들을 형성하는 소위 액티브 막들(15) 및 제2 도전성 전극(12)이 연속적으로 피착된다. 전극들(11, 12)은 액티브 막들(15)에 의해 생성되는 전류를 수집하는 것을 의도한다. 박막 기술들에서는, 주어진 기판 상에 복수의 광기전력 셀을 형성하기 위해 순차적인 단계들이 필요하다. 특히, 제조 수율을 향상시키기 위하여, 큰 영역 위에 연속적인 피착들을 수행함으로써 주어진 기판 상에 다수의 셀을 생성하는 것으로 목표로 하며, 통상적으로는 연구 단계에서의 수 cm2 정도 내지 생산 단계에서의 1 m2 이상 정도의 시트 상에 수십 내지 수백 개의 셀이 제조되고, 이어서 이 셀들은 장치의 출력 전압을 높이기 위해 직렬로 접속된다. 광기전력 셀 장치의 전기적 비유가 도 4 내지 6과 관련하여 아래에 더 상세히 설명된다.
도 1은 기판(10) 상에 제1 전극(11)을 피착하는 제1 단계 (a)를 도시한다. "기판"(10)이라는 용어는 광기전력 셀의 액티브 요소들을 지지하는 부품을 의미하는 것으로 이해한다. 기판은 단단할 수 있거나, 즉 유리 판으로 제조될 수 있거나, 유연할 수 있으며, 즉 폴리머 또는 스테인리스 스틸 또는 티타늄의 시트로 제조될 수 있으며, 액티브 막들에 대해 입사 광의 경로 내에 배치되는지의 여부에 따라 투명하거나 불투명할 수 있다. 최종 제품을 캡슐화하는 시트들 중 적어도 하나를 형성하도록 기판이 선택되는 것도 가능한데, 예를 들어 단단한 광기전력 모듈의 경우에는 유리 기판도 가능하다. 이 분야의 기술자는 제조될 장치의 다양한 액티브 막들의 피착에 가장 적합한 기판(유리, 폴리머 또는 금속 기판)을 선택할 수 있을 것이다.
제1 전극(11)은 예를 들어 인듐 주석 산화물(ITO)과 같이 광에 투명한 산화물 막 또는 인듐 산화물(In2O3), 알루미늄 도핑된 아연 산화물(ZnO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물(SnO2)과 같은 투명한 도전성 산화물(TCO)로 형성될 수 있다. 특히, 기판(10)이 투명하고, 입사광이 기판 반대 면을 통해 셀을 투과할 때에는, 제1 전극 전에 기판(10) 상에 바로 (도 2에서 20으로 참조되는) 역 반사막(back reflective film)을 피착하도록 설계하는 것이 가능하다. 역 반사막은 예로서 구리, 은 또는 알루미늄으로 형성된 막일 수 있다.
도 1은 기판(10)에 의해 경계가 정해지는 주어진 패널 내에 대응하는 수의 개별 다이오드를 형성할 스트립들을 정의하기 위해 제1 전극 층(11)을 분할하는 제2 단계 (b)를 도시하며, 전극들의 면적은 이러한 방식으로 형성되는 다이오드에 의해 전달될 수 있는 최대 전류를 정의한다. 통상적으로, 분할은 예를 들어 Nd:YAG(neodymium-doped yttrium aluminum garnet) 레이저를 이용하는 레이저 에칭에 의해 수행된다.
도 1은 액티브 막들(15)을 피착하는 제3 단계 (c)를 도시한다. 예로서, 수소 처리된 비정질 실리콘(a-Si:H), 다형 실리콘(pm-Si:H) 또는 미세 결정 실리콘(μc-Si:H)의 박막들을 피착하여, 하나 이상의 중첩된 p-n 또는 p-i-n 접합들을 형성할 수 있다. 이 분야의 기술자는 이용 가능한 산업용 장비 및/또는 필요한 광전 효율에 따라 p-n 또는 p-i-n 접합을 형성하는 데 적합한 임의의 재료를 선택할 수 있을 것이다. 액티브 막들(15)은 제1 전극(11)의 스트립들 사이의 갭들을 채우며, 따라서 각각의 전극 세그먼트를 격리한다.
도 1은 제1 전극(11)이 노출될 때까지 액티브 막들(15)을 분할하는 제4 단계 (d)를 도시한다. 액티브 막들(15)의 분할은 제1 전극(11)의 분할에 대해 시프트되며, 따라서 단계 (e)에서 피착될 제2 전극 및 제1 전극이 접촉하게 될 수 있고, 따라서 인접하는 스트립들에 의해 형성되는 다이오드들이 직렬로 접속되는 것을 보증한다. 후술하는 바와 같이, 주어진 패널의 다이오드들을 직렬로 접속하는 것은 직렬로 접속되는 각각의 다이오드의 기본 전압들의 합과 동일한 더 높은 전압이 얻어지는 것을 가능하게 한다. 액티브 막들(15)의 분할은 통상적으로 예컨대 Nd:YAG 레이저를 이용하는 레이저 에칭에 의해 수행된다.
도 1은 제1 전극(11)과 더불어 셀의 액티브 막들(15)을 둘러싸도록 제2 전극(12)을 피착하는 제5 단계 (e)를 도시한다. 제2 전극(12)은 제1 전극(11)과 동일한 조성 또는 상이한 조성을 가질 수 있으며, 예를 들어 ITO 또는 임의의 투명한 도전성 산화물(TCO)로 구성될 수 있다. 제2 전극(12)은 입사광이 기판(10)을 통해 셀을 투과하는 경우에는 역 반사기로 커버될 수도 있으며, 제2 전극(12)은 적절한 조성을 갖는 경우, 예를 들어 ITO, 은 및 니켈의 합금으로 형성되는 경우에는 역 반사기로서 이용될 수도 있다. 제2 전극(12)은 액티브 막들(15)의 분할 갭들을 채워, 인접 스트립들이 직렬로 접속되는 것을 보증한다.
도 1은 마지막으로 액티브 층들이 노출될 때까지 제2 전극(12)을 분할하는 제6 단계 (f)를 도시한다. 제2 전극(12)의 분할은 또한 액티브 막들(15)의 분할에 대해 그리고 제1 전극(11)의 분할에 대해 시프트되어, 단계 (b)의 제1 분할과 더불어 개별 다이오드들의 스트립들의 액티브 영역들을 정의한다. 제2 전극(12)의 분할은 통상적으로 예를 들어 Nd:YAG 레이저를 이용하는 레이저 에칭에 의해 또는 기계적 에칭에 의해 수행된다.
도 2는 도 1과 관련하여 설명된 제조 단계들을 흐름도로 요약한다. 먼저, 기판(10)을 세정하고 테스트하여, 기판의 표면 상에 균열 또는 먼지 또는 결함이 존재하는지를 검사하거나, 심지어 매우 단순히 기판이 깨지지 않았는지를 검사한다. 이어서, 반사기(20)가 피착될 수 있고, 이어서 제1 전극(11)이 피착될 수 있다. 이어서, 제1 전극(11)은 예를 들어 피착된 분자들에 동일 결정 배향을 제공하도록 어닐링함으로써 텍스처를 갖게 되고, 분할된다. 분할의 품질, 예를 들어 폭, 측벽 각도, 깊이 등이 검사되며, 에칭으로부터 발생하는 금속 찌꺼기들을 제거하기 위해 기판이 한번 더 세정되어야 한다. p-i-n 접합들 또는 다른 접합들을 형성하는지에 관계없이, 액티브 막들(15)이 피착되고 분할되며, 이어서 제2 전극(12)이 피착되고 분할된다. 이어서, 최종 검사가 수행된다.
도 1 및 2와 관련하여 설명된 것과 다른 순서로 박막 광기전력 셀 장치들을 제조하기 위한 다른 방법들이 존재한다. 예를 들어, 액티브 막들 및 제1 전극 막이 함께 분할될 수 있고, 절연성 잉크가 스크린 인쇄될 수 있다. 이어서, 제2 전극이 피착되고 분할된다. 마지막으로, 예를 들어 은으로 형성되는 접촉 그리드가 제2 전극 상에 스크린 인쇄되고, 그리드의 리플로우 단계를 이용하여, 2개의 인접하는 광기전력 스트립이 직렬로 접속되는 것을 보증한다. 레이저를 이용하여 금속 막을 리플로우한다.
따라서, 박막 광기전력 셀 장치를 제조하기 위한 통상적인 방법에서는, 방법이 어떻게 구현되는지 그리고 피착되는 막들의 성질 또는 두께가 어떠한지에 관계없이, 통상적으로 3개의 레이저 분할 단계가 존재한다. 각각의 분할 단계는 필요한 막 또는 막들을 분할하기 위해 상이한 레이저로, 즉 파장, 분해능 및 파괴 각도 면에서 상이한 설정들로 수행되어야 한다. 이러한 분할 단계들은 박막 광기전력 셀 장치를 제조하기 위한 방법에 대한 높은 비용을 나타내며, 생산 능력을 제한하는 인자들이다. 게다가, 이러한 분할 단계들은 민감하며, 전체 장치들의 파쇄를 유발하는 많은 결함의 원인이 되므로 생산 수율을 저하시킨다.
더구나, 분할은 장치의 유효 영역을 줄인다. 이것은 분할 그루브에 의해 파괴되는 모든 영역들이 광기전력 에너지를 생성하는 데 사용될 수 없기 때문이다. 광기전력 셀의 액티브 영역은 제1 및 제3 분할 그루브들에 의해 경계가 정해진다. 따라서, 예를 들어, 폭이 12mm인 스트립들의 경우, 그 면적의, 따라서 셀에 의해 전달되는 전류의 약 5 내지 6%가 분할로 인해 손실된다.
도 3은 직렬로 상호접속된 인접하는 광기전력 셀들을 갖는 박막 광기전력 장치의 일부의 개략 단면도를 나타낸다. 다양한 막들 및 분할 그루브들의 치수들은 도 3에서 축척으로 도시되지 않는다. 도 3은 기판(10), 제1 전극(11), 액티브 광기전력 막들(15) 및 제2 전극(12)을 도시한다.
도 3은 또한 2개의 인접하는 광기전력 셀의 전기적 절연을 가능하게 하는 제1 분할 그루브(1)를 나타내며, 이 제1 그루브(1)는 제1 전극(11) 및 액티브 막들(15) 내에 파이고, 절연 잉크로 채워진다. 제2 분할 그루브(2)가 액티브 막들(15) 내에 파이고, 제2 전극(12)의 피착 동안에 제2 전극의 재료로 채워진다. 제3 분할 그루브(3)가 제2 전극(12)을 스트립들로 분할한다. 광기전력 셀의 전류(I)는 제2 전극, 제2 그루브 및 제1 전극을 통해 다음 셀로 흐른다는 것을 도 3(굵은 화살표)에서 알 수 있다. 따라서, 제1 및 제3 그루브들(1, 3)에 의해 경계가 정해지는 각각의 광기전력 셀은 제2 그루브(2)에 의해 인접 셀과 직렬로 접속된다.
광기전력 장치의 셀들의 직렬 접속은 장치의 출력 전압을, 장치가 접속되도록 의도되는 외부 DC 또는 AC 부하들에 적합한 전압 레벨들로 증가시키기 위해 필요하다.
그러나, 광기전력 장치의 박막들의 분할은 시간 및 하드웨어의 양면에서 비용이 큰 단계이며, 이러한 단계는 장치의 유효 영역을 줄인다.
따라서, 제조 수율을 향상시킬 수 있고 장치의 무효 영역을 줄일 수 있는 박막 광기전력 장치 제조 방법이 필요하다.
이러한 목적을 위해, 본 발명은 박막 광기전력 장치 제조 방법에서 레이저 분할 단계를 줄이거나 없애는 대신에, 하나 또는 소수의 큰 셀들이 장치의 전체 영역을 차지하고, 제한된 전압에서 높은 전류를 공급하는 것을 제안한다. 전류를 줄이고, 이에 비례하여 전압을 증가시키기 위해, 각각의 셀의 단자들을 가로질러 적어도 하나의 정적 컨버터가 배치된다. 따라서, 적절한 변환 전자 장치를 추가함으로써, 광기전력 장치 제조 방법의 제한 단계를 없애는 것이 가능하다.
본 발명은 더 구체적으로
- 기판 상에 피착된 액티브 박막들을 포함하는 적어도 하나의 광기전력 셀 - 상기 액티브 막들은 분할되지 않음 -; 및
각각의 광기전력 셀과 연관된 적어도 하나의 정적 컨버터
를 포함하고,
- 각각의 광기전력 셀은 최대 전류 및 공칭 전압으로 전력을 공급하고,
- 각각의 정적 컨버터는 전송되는 전류를 감소시키고, 전송되는 전압을 증가시킴으로써, 상기 광기전력 셀에 의해 공급되는 상기 전력을 부하로 전송할 수 있는 광기전력 장치에 관한 것이다.
실시예들에 따르면, 상기 정적 컨버터는 DC/DC 컨버터 및/또는 DC/AC 컨버터이다.
일 실시예에 따르면, 상기 정적 컨버터는 상기 전송되는 전류의 감소 및 상기 전송되는 전압의 증가를 제어할 수 있는 제어 전자 장치와 연관된다. 상기 정적 컨버터와 연관된 상기 제어 전자 장치는 최대 전력 포인트 추적기(MPPT)를 포함할 수 있다. 상기 제어 전자 장치는 상기 부하와 통신할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 장치는 각각의 광기전력 셀과 상기 부하 사이에 직렬로 배열되는 복수의 정적 컨버터를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 장치는 단일 광기전력 셀을 포함한다. 상기 광기전력 셀의 상기 액티브 막들은 상기 기판의 영역의 95% 이상을 커버할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 장치는 적어도 하나의 정적 컨버터에 의해 각각 상기 부하에 병렬로 접속되는 복수의 광기전력 셀을 포함한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따르면, 직렬 및/또는 병렬로 접속되는 복수의 광기전력 장치를 포함하는 광기전력 발전기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 광기전력 장치를 제조하기 위한 방법으로서,
- 기판 상에 연속적으로 박막들을 피착함으로써 적어도 하나의 광기전력 셀을 제조하는 단계; 및
- 적어도 하나의 정적 컨버터를 각각의 셀의 단자들에 접속시키는 단계
를 포함하고,
상기 방법은 상기 박막들을 분할하여 직렬 상태의 복수의 기본 광기전력 셀을 생성하는 단계를 포함하지 않는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 예시적으로 제공되는 본 발명의 실시예들에 대한 아래의 설명을 첨부 도면들을 참조하여 읽을 때 명백해질 것이다.
도 1은 전술한 종래 기술에 따른 광기전력 셀 장치를 제조하기 위한 단계들의 도면.
도 2는 전술한 종래 기술에 따른 광기전력 셀 장치를 제조하기 위한 단계들의 흐름도.
도 3은 전술한 종래 기술에 따른 광기전력 셀 장치의 도면.
도 4는 본 발명에 따른 광기전력 장치의 도면.
도 5는 장치의 전체 영역을 커버하는 단일 광기전력 셀의 전기적 비유를 나타내는 도면.
도 6은 도 4의 셀에 비해 면적이 감소된 광기전력 셀의 전기적 비유를 나타내는 도면.
도 7은 직렬로 접속된 복수의 광기전력 셀의 전기적 비유를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 광기전력 장치의 전기적 비유를 나타내는 도면.
도 1은 전술한 종래 기술에 따른 광기전력 셀 장치를 제조하기 위한 단계들의 도면.
도 2는 전술한 종래 기술에 따른 광기전력 셀 장치를 제조하기 위한 단계들의 흐름도.
도 3은 전술한 종래 기술에 따른 광기전력 셀 장치의 도면.
도 4는 본 발명에 따른 광기전력 장치의 도면.
도 5는 장치의 전체 영역을 커버하는 단일 광기전력 셀의 전기적 비유를 나타내는 도면.
도 6은 도 4의 셀에 비해 면적이 감소된 광기전력 셀의 전기적 비유를 나타내는 도면.
도 7은 직렬로 접속된 복수의 광기전력 셀의 전기적 비유를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 광기전력 장치의 전기적 비유를 나타내는 도면.
본 발명은 적어도 하나의 정적 컨버터와 관련된 적어도 하나의 광기전력 셀을 포함하는 박막 광기전력 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 장치의 각각의 광기전력 셀은 적어도 하나의 정적 컨버터에 의해 부하에 전기적으로 접속된다. "부하"라는 용어는 광기전력 장치가 그의 성질(DC 또는 AC)에 관계없이 공급하려고 의도하는 전기적 응용을 의미하는 것으로 이해한다.
본 발명에 따른 광기전력 장치는 단일 광기전력 셀, 또는 각자가 제어 전자 장치와 연관되고 부하에 병렬로 접속되는 복수의 대형 셀을 포함할 수 있다. 따라서, 주어진 패널에 대해, 레이저 분할들이 제한되거나, 심지어는 완전히 배제된다. "대형" 광기전력 셀이라는 표현은 여러 기본 셀이 직렬로 접속되도록 액티브 막들이 분할되지 않은 셀을 의미하는 것으로 이해한다. 따라서, 광기전력 장치의 제조 수율이 향상되고, 무효 영역들이 감소한다.
또한, 그러한 "대형" 셀은 일반적으로 부하에 의해 요구되는 것보다 높은 전류를, 일반적으로 부하에 의해 요구되는 것보다 낮은 제한된 전압으로 공급한다. 또한, 각각의 정적 컨버터는 그와 관련된 광기전력 셀에 의해 공급되는 전류를 팩터 N에 의해 줄이고, 부하에 공급되는 전압을 기껏해야 팩터 N에 의해 증가시키도록 설계된다. 컨버터에 의해, 광기전력 장치의 셀에 의해 수신되는 입력 전력은 컨버터에 의해 부하로 공급되는 출력 전력과 실질적으로 동일하며, 출력 전력은 열 손실 및 컨버터에서의 손실(예로서, 스위칭 손실)로 인해 입력 전력보다 약간 낮을 수도 있다. 컨버터는 출력 전압을 부하의 응용에 적합한 값들에 매칭시키기 위해 광기전력 셀로부터 수신되는 에너지를 변환한다.
도 4는 본 발명에 따른 광기전력 장치를 나타낸다. 본 설명의 나머지에서는, 본 발명에 따른 광기전력 장치가 단일 광기전력 셀과 관련하여 설명된다. 그러나, 설명되는 장치는 모듈로 배열되고 부하에 병렬로 접속되는 복수의 광기전력 셀 및 정적 컨버터를 갖도록 복제될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 4에서, 본 발명의 장치는 단일 광기전력 셀(60)을 포함한다. 이 단일 박막 광기전력 셀은 기판(10), 제1 전극(11), 적어도 하나의 접합을 형성하는 액티브 막들(15), 및 제2 전극(12)을 포함한다. 이 광기전력 셀(60)은 피착된 막들을 분할하는 단계들이 배제되는 것을 제외하고는 전술한 방법들 중 하나를 이용하여 제조된다. 본 발명에 따른 장치의 셀(60)은 분할 그루브들을 포함하지 않는데, 즉 그의 액티브 막들 및 전극들은 종래 기술에서 통상적으로 그러하듯이 직렬로 접속되는 복수의 기본 셀을 형성하기 위해 분할되지는 않는다. 따라서, 셀의 액티브 막들(15)은 기판(10)의 영역의 거의 전부, 약 95% 이상을 커버한다. 그럼에도, 그의 에지들을 정의하고 최대 전류를 설정하기 위해 셀을 분할하는 것을 구상할 수 있다.
본 발명의 장치는 셀(60)의 단자들 양단에 접속되는 적어도 하나의 정적 컨버터(50)를 더 포함한다. 응용들에 따라서, 정적 컨버터(50)는 DC/AC 컨버터 및/또는 DC/DC 컨버터일 수 있다. 정적 컨버터(50)는 광기전력 셀(60)에 의해 공급되는 전력을 외부 응용의 부하(100) - 배터리, 전기 또는 그리드 -로 전송하도록 설계된다. 본 발명에 따른 장치의 컨버터(50)는 전송되는 전류를 감소시키고, 전송되는 전압을 증가시키도록 설계된다.
도 4는 복수의 컨버터(50)가 직렬로 배열될 수 있음을 보여준다. 셀(60)은 태양광에 의존하는 전류 및 접합의 임계 전압과 동일한 공칭 전압으로 전력을 공급한다. 제1 컨버터가 전류를 제1 팩터 N에 의해 감소시키고, 전압을 기껏해야 제1 팩터 N에 의해 증가시킴으로써 이 전력을 변환할 수 있으며, 이어서 제2 컨버터가 전류를 제2 팩터 N'에 의해 더 감소시키고, 전압을 기껏해야 제2 팩터 N'에 의해 더 증가시킴으로써 이 전력을 변환할 수 있다. 이러한 캐스케이드 배열은 적은 컨버터들을 이용하여 고전압들을 얻는 것을 가능하게 한다.
각각의 컨버터(50)는 전류를 감소시키고 전압을 증가시키는 팩터를 제어하는 제어 전자 장치와 연관될 수 있다. 제어 전자 장치는 셀의 모든 컨버터들에 공통일 수 있다. 그러한 제어 전자 장치는 셀에 대한 최대 전력 포인트 추적(MPPT) 제어를 통합할 수도 있다. 구체적으로, 제어 전자 장치는 예를 들어 부하(100)의 요구들이 바뀌거나 또는 더 양호한 제어 알고리즘이 이용 가능하게 되는 경우에 각각의 컨버터(50)의 동작을 다시 프로그래밍하는 것을 가능하게 한다. 그러한 전자 장치는 셀(60) 및 컨버터들(50) 양자에 대해 동작 장애를 검출하고, 전력 전송을 중지하고, 그리고/또는 부하(100) 및/또는 그리드 관리자와 같은 외부 관찰자에게 경고할 수도 있다. 이러한 정보는 예를 들어 전력 라인 통신(PLC)을 통해 또는 무선 링크에 의해 제어 전자 장치와 부하(100) 사이에 전송된다.
그러나, 컨버터들(50)의 제어 전자 장치는 본 발명의 구현에 필수적인 것은 아니며, 부하의 전압 요구들이 정해지면, 컨버터(50)는 셀(60)의 에너지 생산 능력에 적합한 동작 범위 내에서 전압을 공급하도록 구체적으로 설계될 수 있다.
(본 발명의 일부를 형성하는 것이 아니라, 이해의 목적으로 제공되는) 도 5는 장치의 전체 영역을 커버하는 단일 광기전력 셀의 전기적 비유를 개략적으로 도시한다. 전술한 바와 같이, 광기전력 셀은 본질적으로 다이오드로 구성되며, 따라서 그의 출력 전압은 다이오드의 임계 전압에 대응하고, 출력 전류는 셀의 크기에 그리고 셀을 제조하는 재료들에 그리고 환경 팩터들에 직접 의존한다. 따라서, 그러한 셀은 예를 들어 약 1m2의 면적을 갖는 실리콘 박막들로 형성된 액티브 층들에 대해 약 150A의 높은 최대 전류(ISC)를, 통상적으로 1V보다 낮은 임계 전압(VOC)으로 공급할 수 있다. 그러한 출력 전압은 광기전력 장치가 의도하는 외부 부하들에 일반적으로 적합하지 않다. 예를 들어, 배터리 충전 응용에서 필요한 출력 전압은 약 12V이다. 또한, 주 전원 응용의 경우, 필요한 출력 전압은 약 240V이다. 이러한 전압들은 장치의 전체 영역을 커버하는 단일 광기전력 셀을 이용하여 공급될 수 있는 전압들보다 훨씬 높다. 더구나, 몇몇 응용들은 단일 대면적 셀에 의해 공급되는 것만큼 높은 전류를 필요로 한다.
이것이 종래 기술의 광기전력 장치들이 직렬로 접속된 복수의 셀을 포함하는 이유이다. 각각의 셀은 장치의 전체 영역에 비해 작은 크기를 가지며, 따라서 출력 전류는 감소하지만, 직렬 접속은 출력 전압을 증가시킨다.
(본 발명의 일부를 형성하는 것이 아니라, 이해의 목적으로 제공되는) 도 6은 광기전력 장치의 세그먼트의 셀의 전기적 비유를 개략적으로 도시한다. 광기전력 장치가 도 5의 장치의 영역과 동일한 전체 영역을 차지하는 셀들의 N개 스트립을 포함하는 경우, 최대 출력 전류(ISC)는 팩터 N 마이너스 그루브들에 의해 점유되는 영역에 의해 감소할 것이고, 셀의 출력 전압은 셀을 형성하는 다이오드의 임계 전압과 여전히 동일할 것이다.
(본 발명의 일부를 형성하는 것이 아니라, 이해의 목적으로 제공되는) 도 7은 직렬로 접속될 때의 도 6의 복수의 기본 광기전력 셀의 전기적 비유를 개략적으로 도시한다. 최대 전류(ISC)는 각 셀의 감소된 면적으로 인해 감소되지만, 출력 전압은 팩터 N에 의해 증가하는데, 이는 기본 셀들이 직렬로 접속되기 때문이다. 또한, 출력 전압은 외부 응용에 적합할 수 있다.
그럼에도, 전술한 바와 같이, 광기전력 장치의 막들의 분할은 시간 소모적이고, 비용을 증가시키며, 생산 능력을 제한하는 팩터를 형성한다. 게다가, 광기전력 셀들을 직렬로 접속하는 것은 장치의 출력 전류를 가장 덜 양호하게 조명되는 셀의 전류로 제한한다.
따라서, 본 발명은 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이 적어도 하나의 정적 컨버터(50)와 연관된 단일 광기전력 셀(60)을 포함하는 광기전력 장치를 제공한다.
도 8은 본 발명에 따른 광기전력 장치의 전기적 비유를 개략적으로 도시한다. 전술한 바와 같이, 장치의 광기전력 셀은 전기적으로 다이오드와 유사한 것으로 간주될 수 있으며, 따라서 그의 전력 특성은 도 5와 관련하여 설명된 것과 동일하여, 다이오드의 임계 전압에 대응하는 공칭 출력 전압(VP)과, 셀의 크기 및 셀을 형성하는 재료들 및 환경 팩터들에 직접 의존하는 최대 출력 전류(ISC)를 가질 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 장치의 셀은 전류를 팩터 N에 의해 감소시키고 전력을 기껏해야 팩터 N에 의해 증가시킴으로써 셀에 의해 공급되는 전력을 변환하는 정적 (DC/DC 또는 DC/AC) 컨버터와 연관된다. 컨버터의 출력 전력은 입력 전력과 실질적으로 동일하지만(전력 변환은 입력 전력이 제한되는 경우에도 손실을 유발한다), 출력 전압은 아마도 부하의 요구들에 적합한 값들로 증가한다.
따라서, 본 발명에 따른 장치의 광기전력 셀(60)은 1V보다 통상적으로 낮은 공칭 전압(VP)으로 150A 또는 그 이상에 이를 수 있는 높은 전류(ISC)를 공급한다. 본 발명에 따른 장치의 컨버터(50)는 응용에 따라 10 내지 50의 범위일 수 있는 팩터 N에 의해 이 전압을 증가시키고, 이에 대응하여 전류는 감소한다. 부하(100)의 요구들을 충족시키는 데 필요한 전압 증가/전류 감소 팩터가 높은 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 여러 개의 (DC/DC 및/또는 DC/AC) 컨버터(50)가 캐스케이드 방식으로 배치될 수 있다. 본 발명과 관련하여, 부스트(Boost), 벅(Buck), 벅-부스트 또는 쿡(Cuck) 컨버터들이 사용될 수 있다.
셀의 막들을 손상시키지 않고 본 발명에 따른 장치의 광기전력 셀(60)을 통해 높은 전류들이 흐를 수 있다. 전극들(11, 12)을 형성하는 막들의 재료들 및 그들의 두께들은 전극들이 제한된 비저항(resistivity) 및 발열성을 갖도록 적절히 선택될 수 있다. 또한, 셀의 각각의 전극(11, 12)으로부터 전류를 수집하도록 제공되는 전기 접속 버스들(31, 32)의 재료들 및 단면적들은 높은 전류들을 전도하도록 설계될 수 있다.
물론, 본 발명은 예로서 설명된 실시예들로 한정되지 않는다. 특히, 셀의 다양한 막들을 제조하기 위한 전술한 재료들은 예시적으로 제공되었을 뿐이며, 이용되는 제조 프로세스들 및 장비에 의존한다. 또한, 전류 및 전압 값들은 예시적으로 제공되었을 뿐이며, 광기전력 셀의 타입에 그리고 장치가 의도하는 부하에 의존한다.
Claims (11)
- 광기전력 장치(photovoltaic device)로서,
기판(10) 상에 피착된 액티브 박막들(15)을 포함하는 적어도 하나의 광기전력 셀(60) - 상기 액티브 박막들은 분할되지 않음 -; 및
각각의 광기전력 셀(60)과 연관된 적어도 하나의 정적 컨버터(static converter)(50)
를 포함하고,
각각의 광기전력 셀(60)은 최대 전류(ICC) 및 공칭 전압(VP)으로 전력을 공급하고,
각각의 정적 컨버터(50)는 전송되는 전류를 감소시키고 전송되는 전압을 증가시킴으로써, 상기 광기전력 셀에 의해 공급되는 상기 전력을 부하(100)로 전송할 수 있는 광기전력 장치. - 제1항에 있어서, 상기 정적 컨버터(50)는 DC/DC 컨버터 및/또는 DC/AC 컨버터인 광기전력 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정적 컨버터(50)는 상기 전송되는 전류의 감소 및 상기 전송되는 전압의 증가를 제어할 수 있는 제어 전자 장치와 연관되는 광기전력 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 정적 컨버터(50)와 연관된 상기 제어 전자 장치는 최대 전력 포인트 추적기(MPPT; maximum power point tracker)를 포함하는 광기전력 장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제어 전자 장치는 상기 부하(100)와 통신할 수 있는 광기전력 장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 광기전력 셀(60)과 상기 부하(100) 사이에 직렬로 배열되는 복수의 정적 컨버터들(50)을 포함하는 광기전력 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단일 광기전력 셀(60)을 포함하는 광기전력 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 광기전력 셀(60)의 상기 액티브 박막들(15)은 상기 기판(10)의 영역의 95%보다 많은 영역을 커버하는 광기전력 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 정적 컨버터(50)에 의해 각각 상기 부하(100)에 병렬로 접속되는 복수의 광기전력 셀들(60)을 포함하는 광기전력 장치.
- 직렬 및/또는 병렬로 접속되는, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 복수의 광기전력 장치들을 포함하는 광기전력 발전기(photovoltaic generator).
- 광기전력 장치를 제조하기 위한 방법으로서,
기판 상에 연속적으로 박막들을 피착함으로써 적어도 하나의 광기전력 셀을 제조하는 단계; 및
적어도 하나의 정적 컨버터를 각각의 셀의 단자들에 접속시키는 단계
를 포함하고,
상기 방법은 상기 박막들을 분할하여 직렬 상태의 복수의 기본(elementary) 광기전력 셀들을 생성하는 단계를 포함하지 않는 광기전력 장치 제조 방법.
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