KR20120127588A - 태양전지 모듈 - Google Patents

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저겐 에이치. 워너
리브 프론네케
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슈타인바이스-트랜스퍼젠트룸 안게반테 포토볼텍 운드 뒨쉬히트테크닉
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Abstract

본 발명은 광기전적으로 활성인 부위와 광기전적으로 비활성인 부위를 갖는 베이스를 포함하며, 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 위에는 적어도 하나의 산란 요소(42, 44, 300, 302)가 배치되는 태양전지 모듈(46)에 관한 것이다.

Description

태양전지 모듈{SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 태양전지 모듈 및 태양전지 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 태양전지에 있어서, 마련된 전방 컨택은 금속으로 만들어진다. 이들 전방 컨택에 내리 쬐는 태양 광선은 개개의 태양전지에 충돌할 수 없게 반사되어 각 시스템을 떠난다. 따라서 이들 광자는 광기전력을 발생시키기 위해 소실된다. "컨택 핑거"에 조사되는 광자도 소실된다. 또한 광학적 또는 전기적으로 활성인 표면, 즉 태양전지 사이의 부위 또는 모듈의 가장자리 쪽으로의 부위에 조사되는 광자들도 소실된다. "박막 모듈"에서도 음영효과(shadowing effect) 때문에 손실이 있다. 태양전지가 직렬로 연결되었을 경우, 그 결과 전체 면적의 대략 5 - 10%의 표면 손실이 생긴다. 이론적으로 이들 손실은 2%까지 감소 될 수 있다. 또한 박막 모듈에서 최외측 태양전지 중의 하나와 두 개 사이는 연결되어 있지 않은데, 이는 이들이 전기적으로 활성이 아니라는 것을 의미한다.
컨택 밴드를 광학적으로 개량하기 위해 이미 연구가 행해졌다. 이와 관련하여 미국특허출원공개 제 2007/012415호를 참조하는데, 이는 컨택 밴드를 쐐기 형상의 구조로 만드는 것을 제안한다. 이 구조는 이미 공업적으로 이루어졌다. 또한 선에이지 컴패니(Sunage company)는 태양전지 사이의 부위에 램버시안(Lambertian) 라디에이터 코팅을 도포하는 사업에 몰두하고 있다.
통상적으로 컨택 밴드의 구조는 입사 광자를 높은 각도 의존 방식으로 반사시킨다. 이들은 통상적으로 수직 입사광에 대하여 최적화되어 있다. 그러나 실제 조건하에서는 광원을 따라가도록 움직이지 않는 시스템에서 직접 수직광이 실제로 생기는 일은 매우 드물다. 선에이지사에서 사용되는 램버시안 라디에이터는 모든 입사광의 각도에 대하여 산란(scattering)이 동일하기 때문에 이런 결점을 갖지 않는다. 그러나 이 프로젝트는 태양전지 사이의 부위에 한정되며 각각의 태양전지의 대응하는 전지 커넥터 및 컨택 핑거를 다루지 않는다.
본 발명은 광기전적으로 활성인 부위와 광기전적으로 비활성인 부위를 구비한 베이스로 구성되는 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 또는 태양전지 모듈의 전지 레벨 위에는 전자기 시프트(electromagnetic shift)가 있거나 없는 적어도 하나의 산란 요소가 배치되어 있다.
전자기 시프트가 있는 산란 요소는 입사 광선을 산란시키는 특성 외에도 입사광선을 흡수하고 파장이 변화된 입사광선을 재방출시키는, 즉 입사광선의 전자기 시프트를 실행할 수 있는 산란 요소를 의미한다. 이후의 설명에서, 광선, 태양광선, 광자 및 전자파라는 용어는 동의어로 사용된다.
적어도 하나의 산란 요소 외에도 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 위에는 추가의 산란 요소가 배치됨을 상상할 수 있다.
이 경우, 예를 들어 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소 외에도 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 위에 배치된 전자기 시프트가 없는 산란 요소가 있을 수 있는 경우, 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소는 일반적으로 전자기 시프트가 없는 산란 요소 위에 배치된다. 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소는 통상 형광 색소로서 구성된다. 전자기 시프트가 없는 적어도 하나의 산란 요소는 램버시안 산란체(Lambertian scatterer)로서 구성될 수 있다.
따라서 태양전지 모듈에서, 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 위에 적어도 하나의 램버시안 산란체가 전자기 시프트가 없는 산란 요소로서 배치될 수 있으며, 결국 산란체 위에는 형광 색소가 전자기 시프트가 있는 산란 요소로서 배치된다.
광기전적으로 비활성 및 활성인 부위를 그 부위의 다양한 성분과 함께 둘러싸는 태양전지 모듈의 베이스는 통상적으로 투명재 속에 매립된다. 상기 산란 요소는 태양전지 모듈을 환경으로부터 분리시키는 투명재의 표면과 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 사이에 배치된다. 전자기 시프트가 있는 산란 요소와 전자기 시프트가 없는 산란 요소가 둘 다 존재하는 경우, 전자기 시프트가 있는 산란 요소는 예를 들어 투명재의 표면과 전자기 시프트가 없는 적어도 하나의 산란 요소 사이에 위치한다. 이 경우, 전자기 시프트가 없는 적어도 하나의 산란 요소는 전자기 시프트가 있는 산란 요소와 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 사이에 위치한다.
태양전지 모듈의 가능한 구조에서, 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위에는 전자기 시프트가 없는 적어도 하나의 산란 요소, 예를 들어 상면에 형광 색소가 적용된 램버시안 산란체가 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소로서 배치된다.
태양전지 모듈에서, 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위는 적어도 광학적 및/또는 전기적으로 비활성인 적어도 하나의 부위를 감쌀 수 있다. 따라서, 본 발명의 구성내에서 광기전적으로 활성인 부위는 광학적 부위에서 전자파 방사선으로부터의 에너지의 변환 및 광의 전기 에너지로의 [변환]이 일어나는 부위다. 광기전적으로 비활성인 부위는 통상적으로 에너지의 광기전적 변환을 방해하거나 방지하는 성분을 포함한다. 태양전지 모듈의 광기전적으로 비활성인 부위는 통상적으로 태양전지 또는 광전지(photovoltaic cell)로서 설계되지 않은 전자 요소를 포함한 태양전지 모듈의 모든 성분을 포함한다. 또한 광기전적으로 비활성인 부위는 또한 예를 들어 태양전지 모듈이 이런 방식으로 설계됨에 의한 결과로서 광학적 및/또는 전기적으로 비활성인 성분을 포함한다. 따라서 광기전적으로 비활성인 부위는 또한 예를 들어 태양전지 모듈의 주변에 위치하며 적어도 부분적으로 광학적으로 비활성이며 따라서 음영 효과(shadowing effect)에 의해 광기전적으로 비활성인 태양전지를 포함할 수 있다.
광기전적으로 비활성인 부위의 성분 또는 광기전적으로 비활성인 부위를 규정하는 성분은 예를 들어 대응 태양전지상에 배치된 컨택 핑거 요소[가 될 수 있거나, 그렇지 않으면 이 성분은], 전지 연결 요소, 태양전지 사이의 공간, 태양전지 모듈의 주변에 위치하는 경계 부위, 또는 적어도 광학적으로 비활성이라서 광기전적으로 비활성이며 단지 전력을 계속 안내하는 태양전지가 될 수 있다. 광기전적으로 비활성인 태양전지는 예를 들어 태양전지 모듈의 프레임에 의해 음영(shaded)될 수 있다. 또한, 연결되지 않은 태양전지는 광기전적으로 비활성인 부위라고도 부를 수 있다.
본 발명에 따르면, 예를 들어 전자기 시프트가 있는 하나의 산란 요소나 전자기 시프트가 없는 하나의 산란 요소, 또는 전자기 시프트가 없는 산란 요소뿐만 아니라 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소의 조합이 태양전지 모듈의 상기 광기전적으로 비활성인 부위의 각각 또는 전부에 제공되거나 배치되는 것을 이제 상상할 수 있다.
전자기 시프트가 있는 산란 요소로서 기능하는 형광 색소는 통상적으로 입사 전자파 방사선의 스펙트럼을 이동시키도록 설계된다. 이는 형광 색소가 광자를 흡수하여 예를 들어 높은 파장을 갖는 광자를 방출하여 전자파 방사선의 스펙트럼을 높은 파장을 갖는 전자파 쪽으로 이동시킨다. 태양전지가 최고 수율의 전기 에너지를 얻을 수 있는 파장에 따라서 형광 색소 형태로 실현된 전자기 시프트가 있는 산란 요소에 의해 방사선의 파장이 증감될 수 있다.
또한 통상적으로 광기전적으로 비활성인 부위를 규정하는 태양전지 모듈의 베이스의 적어도 한 성분과 그 성분 위에 배치된 적어도 하나의 산란 요소가 적어도 광학적으로 투명한 재료 속에 적절히 매립된다. 그러나 이와 관련하여 예를 들어 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소는 또한 다른 방법으로서 또는 보충적으로 투명 재료의 상측면이나 하측면에도 배치될 수 있다.
게다가 태양전지 모듈은 베이스의 적어도 한 성분이 매립된 플라스틱으로 구성된 제 1 투명재료와 제 1 투명재료상에 배치 또는 설치된 유리로 구성된 제 2 투명재료를 포함할 수 있다. 투명재료중의 적어도 한 재료의 부위에, 예를 들어 제 1 및/또는 제 2 투명재료 위, 속 또는 아래에, 예를 들어 두 개의 투명재료 사이의 경계에는 적어도 하나의 산란 요소가 놓일 수 있다. 제 1 투명재료는 예를 들어 EVA 포일, 즉 에틸렌-비닐 아세테이트 포일로 만들어질 수 있다. 제 2 투명재료는 또한 모듈 유리라고도 부를 수 있다. 이는 본 발명이 예를 들어 플라스틱에 용접된 유연한 태양전지 모듈에도 사용될 수 있음을 의미한다.
전자파로부터의 에너지가 본 발명에 따라서 설명한 것 같은 태양전지 모듈의 실시형태를 사용하여 전기 에너지로 변환될 때, 태양전지 모듈의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위에 부딪히는 전자파는 램버시안 산란체 같은 전자기 시프프가 없는 산란 요소를 사용하여 반사될 수 있으며, 그 스펙트럼은 전자기 시프트가 없는 산란 요소 위에 배치되어 전형적으로 전자기 시프트가 없는 산란 요소 위에 적용된 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소, 전형적으로는 형광 색소에 의해 시프트될 수 있다. 이렇게 반사되고 스펙트럼이 이동된 전자파는 태양전지 모듈의 광학적으로 투명한 재료의 표면의 내측면에서 반사되어 높은 양자 효율을 갖는 부위쪽으로 향할 수 있다.
또한, 본 발명은 태양전지 모듈을 제조하는 방법을 포함한다.
태양전지 모듈을 제조하는 방법에 있어서, 광기전적으로 활성인 부위와 광기전적으로 비활성인 부위를 갖는 베이스를 태양전지 모듈용으로 공급한다. 이와 관련하여 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 위에는 전자기 시프트가 있거나 없는 적어도 하나의 산란 요소가 놓여지는데, 전자기 시프트가 있는 산란 요소는 형광 색소일 수 있다.
게다가, 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 위에는 적어도 하나의 추가의 산란 요소가 배치될 수 있다. 이와 관련하여 전자기 시프트가 없는 산란 요소 위에 형광 색소 형태의 전자기 시프트가 있는 추가의 산란 요소를 배치하는 것을 생각할 수 있다.
예를 들어 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위에는 전자기 시프트가 없는 적어도 하나의 산란 요소가 배치된다. 그리고 예를 들어 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소는 전자기 시프트가 없는 적어도 하나의 산란 요소 위에 적용된다.
베이스의 성분들은 제조 중에 적어도 하나의 광학적으로 투명한 재료의 계면이나 속에 매립될 수 있다.
전자기 시프트가 없는 산란 요소에 의해 입사각과는 관계없이 이루어지는 산란 외에도 전자기 시프트가 있는 산란 요소로서 작용하는 형광 색소의 전자기 시프트가 없는 산란 요소 위에 적용하면 입사 방사선의 스펙트럼을 태양전지에 보다 유익한 스펙트럼으로 이동시킬 수 있다. 적외선 또는 청색 형광 색소가 사용될 때, 태양전지 모듈의 표면이 광기전적으로 비활성인 성분으로서 태양전지에 인접하게, 태양전지상에 그리고/또는 태양전지 사이에 배치된 이전에 사용된 은색 컨택 밴드 또는 컨택 밴드 요소 및 컨택 핑거의 경우보다 균일하게 보이도록 태양전지 모듈의 외관이나 설계를 추가로 수정할 수 있다.
본 발명의 가능한 실시형태에 있어서, 특히 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소로서 적어도 하나의 형광 색소가 적어도 광학적으로 비활성인 태양전지 모듈의 베이스의 부위 또는 모듈의 모든 부위에 적용된다. 또한 전자기 시프트가 없는 산란 요소를 베이스와 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소 사이에 배치하여 적용하는 것을 생각할 수 있다.
또한 전자기 시프트가 없는 하나의 산란 요소만을 태양전지 모듈의 베이스의 각각의 광기전적으로 비활성인 성분에 제공하는 것도 생각할 수 있다. 태양전지 모듈의 베이스의 광기전적으로 비활성인 성분은 개개의 태양전지 및 태양전지 사이의 공간에 배치된 컨택 핑거 요소 및 컨택 밴드를 포함한다. 어느 경우라도 전자기 시프트가 있거나 없는 적어도 하나의 산란 요소 또는 전자기 시프트가 있는 하나의 산란 요소 및 전자기 시프트가 없는 하나의 산란 요소의 조합을 모든 광기전적으로 비활성인 성분에 제공하는 것이 유리할 수 있다.
전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소, 예를 들어 형광 색소는 입사광은 태양전지 모듈의 태양전지에 보다 유리한 스펙트럼으로 이동시킨다. 게다가 이 광은 전자기 시프트가 없는 산란 요소[에 광이 조사되는 것]와 유사하게 모든 방향으로 방사된다. 전자기 시프트가 없는 형광 색소는 또한 태양전지 사이에 적용 또는 배치될 수 있지만, 가능한 일 변형예에서는 태양전지의 레벨이 아니라 모듈 유리의 하측면에 적용 또는 배치될 수 있다. 이는 상방으로 산란된 광선만이 전반사에 의해 태양전지 위로 반사되는 것이 아니라 하방으로 방사되는 광선도 태양전지에 의해 사용될 수 있음을 의미한다.
가능한 실시형태에 있어서, 본 발명은 태양전지 모듈의 태양전지 사이뿐만 아니라 태양전지상의 박막 모듈의 적어도 광학적으로 비활성인 부위를 활성화시키는데 사용될 수 있다. 게다가 산란 외에도 광자를 태양전지가 높은 양자 효율을 갖는 곳에 방출하는 입사광의 스펙트럼 이동이 제공될 수 있다.
단결정 실리콘 태양전지가 240.48 cm2 의 총면적을 갖고 그 위에 위치하는 컨택 밴드가 9.6 cm2 을 차지한다고 가정하면, 양자 효율 측정치로부터 계산된 단락 전류밀도 JSC = 1.7 mA/cm2 는 은을 함유하는 종래의 컨택 밴드에서 14.64%의 효율이 된다.
본 발명은 산란 및 스펙트럼 이동 형광 색소를 사용하여 그리고 베이스의 광기전적으로 비활성이고 적어도 광학적 및/또는 전기적으로 비활성인 부위에 전자기 시프트가 있는 산란 요소를 사용함에 의해 결정형 및 비정질 태양전지를 갖는 태양전지 모듈의 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명은 또한 박막 모듈의 표면이나 적어도 광학적 및/또는 전기적으로 비활성인 부위를 광기전적으로 활성화시킬 수 있게 한다.
본 발명의 추가적인 이점 및 실시형태들은 상세한 설명 및 첨부 도면으로 명백하다.
상기 참조한 특징들과 이하에 설명될 특징들은 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 각각 주어진 조합으로뿐만 아니라 다른 조합이나 그 자체로 사용될 수 있음을 이해할 수 있다.
도 1은 태양전지 모듈의 태양전지의 종래기술의 제 1 실시형태의 개략평면도.
도 2는 태양전지 모듈의 종래기술의 제 2 실시형태의 개략평면도.
도 3은 태양전지 모듈의 구성요소의 예의 개략측면도.
도 4는 태양전지 모듈의 구성요소의 추가 예의 개략측면도.
도 5는 다양한 태양전지 모듈의 양자효율을 보여주는 그래프.
본 발명은 실시형태를 사용하여 도면에 도식적으로 도시되어 있으며, 도면을 참조하여 이하에 상세하게 설명된다.
도면은 일관되고 포괄적으로 설명되는데, 동일한 참조 번호는 동일 구성요소를 참조하는 것이다.
도 1은 다수의 태양전지(4)가 배치되는 베이스를 갖는 종래기술의 결정 실리콘 태양전지 모듈(2)의 한 구간의 개략평면도인데, 여기서는 하나의 태양전지(4)가 도시되어 있다. 게다가, 베이스는 여기서 점선으로 도시한 소위 전지 연결요소(6), 및 각 태양전지(4)에 배치된 컨택 핑거 요소(8)를 포함한다. 베이스는 태양전지(4)의 각각을 둘러싸는 무가공 모듈 표면(10)을 포함하는데, 이 표면은 특히 인접 태양전지에 대한 경계로서 또는 태양전지 모듈(2)의 프레임에 대한 경계로서 작용한다.
후자의 구성요소, 즉 전지 연결 요소(6), 컨택 핑거 요소(8) 및 여기서는 단면이 해치로 도시된 무가공 모듈 표면(10)은 광기전적으로 활성인 태양전지(40)와는 대조적으로 광기전적으로 비활성이다. 따라서 태양전지 모듈(2)과 관련된 전지 연결 요소(6), 컨택 핑거 요소(8) 및 무가공 모듈 표면(10)은 특히 적어도 광학적으로도 비활성이다. 태양전지 모듈(2)에서 태양전지(4)의 전지 연결 요소(6)는 금속으로 구성된다. 컨택으로서 설계된 이들 전지 연결 요소(6)에 조사되는 태양광선은 태양전지(4)와 충돌할 수 없게 반사되어 태양전지 모듈(2)을 떠난다. 따라서 이들 광자는 광기전력을 발생시키기 위해 소실된다. 마찬가지로 컨택 핑거 요소(8)에 충돌하는 광자도 소실된다. 태양전지(4) 사이에 그리고 태양전지 모듈(2)의 프레임 부위에는 광기전적으로 사용되지 않은 추가의 부위가 있는데, 이들 부위에 충돌하는 광자들도 태양전지(4)와 부딪힐 수 없기 때문에 전력을 발생시키기 위해 소실된다.
도 2는 광기전적으로 활성인 부위가 연결된 태양전지(22)를 포함하는 박막 모듈로서 설계된 태양전지 모듈(20)의 개략평면도다. 여기서 태양전지 모듈(20)의 광기전적으로 비활성인 부위는 전지 연결 요소(24)를 포함하는데, 이들 요소는 태양전지(22), 및 외측 태양전지(26)를 직렬로 연결하는 작용을 하며, 외측 태양전지는 여기서 단면이 해치로 도시되어 있으며 단지 전력을 추방하기 위해 제공되었지만 이들은 적어도 광학적으로 그리고 광기전적으로도 비활성이다. 박막 모듈에서도 음영효과 때문에 손실이 있는데, 전체 면적의 대략 5 - 10% 사이에 달하는 직렬 연결에 의한 면적 손실이 있다. 이론적으로 이들 손실은 2%까지 감소될 수 있다. 한편, 외측 태양전지(26)의 하나 또는 두 개가 연결되고 따라서 전기적 또는 광기전적으로 활성이 아닌데 이는 수집된 전력이 외측 태양전지(26)에 의해 추방되기 때문이다.
도 3은 태양전지 모듈(46)의 구성요소로서 설계되어 태양전지와 함께 태양전지 모듈(46)의 베이스의 일부를 구성하는 전지 연결 요소(40, 42, 44, 300)의 설계에 대한 다수의 예를 구비한 장치의 개략도다. 전지 연결 요소(40, 42, 44, 300) 및 태양전지(48)는 제 1 투명재(50)를 구성하는 에틸렌-비닐 아세테이트 포일에 매립되어 있다. 제 2 투명재료(52)를 구성하는 모듈 유리는 이 포일상에 놓여있다. 종래기술에 알려진 제 1 전지 연결 요소(40)(블랙)는 종래의 반사성, 예를 들어 금속 표면을 갖는다. 제 2 전지 연결 요소(42)(화이트)의 표면상에는 램버시안 산란체(Lambertian scatterer) 같은 전자기 시프트 없는 산란 요소가 놓여져 있다.
추가의 전지 연결 요소(44)(화이트)의 표면상에는 또한 예를 들어 램버시안 산란체 형태의 전자기 시프트가 없는 산란 요소가 놓여져 있다. 게다가, 전자기 시프트가 없는 산란 요소에는 전자기 시프트가 없는 산란 요소, 예를 들어 형광 색소(54)가 적용된다. 추가의 전지 연결 요소(300)(단면 해치)에는 전자기 시프트가 있는 단지 하나의 산란 요소, 예를 들어 형광 색소(302)가 적용되는데, 즉 전자기 시프트가 있는 산란 요소에 추가하여 추가의 산란 요소는 제공되지 않는다.
도 3은 종래의 전방 컨택으로서 설계된 제 1 전지 연결 요소(40)에 조사되는 광선(56)이 수직하게 반사되는 광선(58)으로서 태양전지 모듈(46)에서 나오는 것을 보여준다.
전자기 시프트가 없는 산란 요소를 구비한 제 2 전지 연결 요소(42)에 조사되는 광선(60)은 위에 위치하는 절반 공간에서 산란될 것이다. 램버시안 산란체의 경우, 이는 모든 방향에서 동등하게 발생한다. 전반사각 이상의 각도로 모듈 유리의 표면에 부딪히는 광선(62)은 태양 전지(48)에 도달한다. 전반사의 광선(66)은 손실콘(loss cone) 내의 광선(66)은 전달될 것이다. 전지 연결 요소(300)에 조사되는 광선(304)은 스펙트럼이 변화하거나 이동된 광선(308)으로서 반사될 것이다.
전자기 시프트가 있는 산란 요소인 형광 색소(54, 302)는 예를 들어 태양전지 모듈(46)의 스펙트럼 거동에 보다 알맞은 높은 파장을 갖는 흡수 광자를 방출한다. 이는 태양전지 모듈(46)이 보다 양호한 효율을 얻게 되는 영역으로 파장이 이동된다는 것을 의미할 수 있다. 전자기 시프트가 있는 산란 요소로서 작용하는 형광 색소에 의해 흡수되지 않은 광선은 형광 색소 자체 또는 그 아래에 위치하는 산란 요소의 산란 특성에 따라서 산란될 것이다(광선(72, 306)). 전지 연결 요소(300)의 경우에서처럼 형광 요소하의 산란 요소로서 구체적으로 지정된 재료가 없는 경우, 흡수되지 않은 광자는 그 반사특성에 따라서 이 재료에 의해 산란될 것이다.
따라서, 추가적으로 적용된 형광 색소(54, 302)는 태양전지(48)가 높은 에너지 효율을 얻을 수 있는 스펙트럼의 영역으로 입사광이나 입사광선(70, 304)을 반사광선(74)으로서 이동시킨다. 제 3 전지 연결 요소(44)에 적용된 산란 요소는 흡수되지 않은 광선(72)을 그 위에 위치하는 절반 공간 속으로 산란시킨다. 형광 색소(302)에 의해 흡수됨 없이 전지 연결 요소(300)에 수직하게 조사되는 광선(304)은 수직하게 반사되는 광선(306)으로서 태양전지 모듈(46)에서 나온다.
전자기 시프트가 있는 산란 요소인 형광 색소(54, 302)는 예를 들어 태양전지(48)가 보다 양호한 효율을 나타내는 높은 파장을 갖는 흡수 광자를 방출한다. 전지 연결 요소(44)의 경우에, 형광 색소(54, 302)에 의해 흡수되지 않은 광선은 그 반사 특성에 따라서 그 아래에 설치된 산란 요소에 의해 또는 전지 연결 요소(300)를 구성하는 재료에 의해 산란된다.
도 4는 태양전지 모듈(80)의 다른 예의 개략측면도다. 이는 광기전적으로 비활성 부위인 공간(84)에 의해 서로 분리된 태양전지(82)를 갖는 베이스를 포함한다. 이 공간(84)에는 전자기 시프트가 없는 산란 요소(86)가 놓여져 배치되어 있다. 태양전지 모듈(80)은 태양전지(82)가 매립된 에틸렌-비닐 아세테이트로 만들어진 포일인 제 1 투명재(88)를 포함한다. 모듈 유리인 다른 투명재(90)는 포일 위에 위치한다. 전자기 시프트가 없는 산란 요소(86) 및 두 개의 제 1 공간(84) 위에는 포일로의 전이 [부위]에서 포일 내의 모듈 유리 아래에 형광 색소(92)가 매립되어 있다. 형광 색소(92)는 전자기 시프트가 없는 산란 요소 및 제 3 공간 위에 모듈 유리 형태의 제 2 투명재(90)의 표면(106)에 적용된다.
본 발명의 범위 내에서 제공된 산란의 원리는 전지 연결 요소에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 태양전지 모듈(80)의 태양전지(82) 사이의 다양한 컨택 핑거 요소 및 부위에도 적용될 수 있다. 태양전지(82)의 레벨에서 파장의 스펙트럼 시프팅이 없는 위치에서는 오히려 모듈 유리의 하측면 또는 상측면상에 배치된 전자기 시프트(92)가 있는 산란 요소에 의해 일어난다. 태양전지 모듈(80)에 들어가는 광선(94)으로부터는 상향 산란 광선(96)이 전반사를 통하여 태양전지(82)상으로 향할 뿐만 아니라, 형광 색소(92) 및 전자기 시프프가 있는 산란 요소를 통과하는 광선(98) 또는 광자가 태양전지에 의해 사용된다. 손실콘(102) 내에 들어가는 광선(100)은 사용되지 않은 채로 유지된다. 표면(106)에서 전반사되었지만 전자기 시프트가 있는 산란 요소, 즉 형광 색소(92)에 의해 흡수되지 않은 광선(104)은 태양전지(82)와 부딪히는 전지의 레벨에 놓여진 산란 요소(86)에 의한 방식으로 산란될 수 있다.
스펙트럼 시프트 때문에, 형광 색소(92)의 추가의 적용에 의해, 다양한 산란 요소(86)가 사용된 경우보다도 양자효율이 높아진다.
모듈 유리하에서 전자기 시프트가 있는 산란 요소인 형광 색소(92)에 조사되는 광선(94)은 상측 절반 공간내에서 균등하게 분포되는 방식으로 산란될 것이며, 전반사 각도 이상의 각도로 모듈 유리의 표면(106)과 부딪히는 광선(96)은 태양전지(82)에 도달할 것이다. 전반사 손실콘(102) 내의 광선(100)은 전달될 것이다. 하방으로 산란된 광선(98)은 또한 적절한 각도로 산란되는 경우 태양전지(82)와 접촉할 것이다. 형광 색소(92)에 의해 흡수되지 않은 광선(94)은 재료의 반사 특성에 따라서 전지 레벨 또는 베이스에 적용된 재료, 본 경우에는 전자기 시프트가 없는 산란 요소인 램버시안 산란체(86)에 의해 산란될 것이다.
전자기 시프트가 있는 산란 요소인 형광 색소(92)는 모듈 유리상 또는 모듈 유리내의 제 3 공간(84) 위에 배치되며, 전자기 시프트가 없는 산란 요소인 램버시안 산란체(86)는 전지의 레벨에 배치된다. 태양전지 모듈(80)에 들어가는 광선(400)은 전자기 시프트가 있는 산란 요소, 즉 형광 색소(92)에 의해 바른 각도로 산란된다면 산란광(402)으로서 태양전지(82)에 도달할 것이다. 형광 색소(92)에 의해 흡수되지 않은 광선(404)은 상기 산란 요소(86)의 반사 특성에 따라서 전지 레벨에 적용된 산란 요소(86)에 의해 산란된다.
도 5에 도시한 도표는 nm로 나타낸 전자파 방사선의 파장(λ) 위에 양자 효율(QE)을 퍼센트로 구성한다. 제 1 곡선(110)은 태양전지 모듈의 실리콘 태양전지상의 광기전적으로 비활성 영역인 종래의 전방 컨택트에 대한 양자 효율을 보여준다. 제 2 곡선(112)은 전자기 시프트가 없는 백색 산란 요소가 전방 컨택트에 적용된 경우의 양자 효율을 도시한다. 제 2 곡선(112)보다 높은 양자 효율을 포함하는 제 3 곡선(114)은 자외선 영역에서 전자기 시프트가 있는 산란 요소인 형광 색소가 전반 컨택상의 전자기 시프트가 없는 백색 산란 요소상에 추가로 적용된 경우에 얻어진다. 비교로서 제 4 곡선(116)은 태양전지의 광기전적으로 활성인 표면에 대한 양자 효율을 보여준다. 모든 측정치에 있어서, 조사되고 있는 표면은 유리 속에 매립되어 있었다.
단결정 실리콘 태양전지가 240.48 cm2 의 총면적을 갖고 그 위에 위치하는 컨택트 밴드가 9.6cm2 를 차지한다고 가정하면, 양자 효율로부터 계산된 단락 [전류밀도] JSC = 1.7 mA/cm2 는 은을 함유하는 종래의 컨택 밴드에 대하여 효율이 14.64%가 된다.
도 5의 도표는 전자기 시프트가 없는 산란 요소에 대한 단락 전류밀도가 전자기 시프트가 있는 산란 요소인 추가적으로 적용된 형광 색소에 대한 양자 효율 JSC = 13.3 mA/cm2 (제 2 곡선(112)) 및 JSC = 14.3 mA/cm2 (제 3 곡선(114))까지 증가하는 것을 보여준다. 그 결과 계산된 효율은 각각 14.84% 및 14.86% 증가하였다. 미리 광기전적으로 그리고 광학적으로 사용되지 않은 태양전지 모듈에서 표면 또는 부위의 분담율이 클수록 효율 향상이 크다. 발광재료를 형광 색소로서, 따라서 전자기 시프트가 있는 산란 요소로서 사용하면 태양전지 모듈의 적어도 광학적 특성을 향상시키지만 전기적 특성에는 영향을 주지 않기 때문에, 광자의 개수의 증가는 바로 높은 효율로 이어진다. 이는 효과는 또한 박막 모듈로서 설계된 태양전지 모듈에서도 일어난다.
도 5의 도표는 전자기 시프트가 있는 산란 요소인 적절한 형광 색소가 단결정 실리콘 태양전지의 컨택 밴드상의 전자기 시프트 없는 산란 요소에 추가로 적용되는 경우 전력을 발생시키는 광자의 개수가 스펙트럼의 청색 파장 범위에서 증가되는 것도 보여주기 위해 양자 효율 측정치를 이용한다. 상당량의 추가 전력을 발생시키기 위해 전자기 시프트가 없는 백색 산란 요소는 또한 스스로 충분한 광자를 태양전지 부위 위로 안내할 수 있다. 입사광은 전자기 시프트가 없는 산란 요소와 전자기 시프트가 있는 산란 요소인 형광 페인트 코팅 형태의 형광 색소로 덮여진 단결정 실리콘 태양전지의 컨택 밴드의 경우에 스펙트럼의 청색광 범위로 더욱 이동된다.

Claims (10)

  1. 광기전적으로 활성인 부위와 광기전적으로 비활성인 부위를 갖는 베이스를 포함하며, 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 위에는 전자기 시프트가 있거나 없는 적어도 하나의 산란 요소가 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 산란 요소 외에도 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 위에 추가의 산란 요소가 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소는 형광 색소(54, 92)의 형태로 실현되고, 전자기 시프트가 없는 적어도 하나의 산란 요소는 램버시안 산란체(86)의 형태로 실현되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 한 항에 있어서, 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위는 적어도 하나의 광학적 및/또는 전기적 비활성 부위를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 한 항에 있어서, 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위는, 전지 연결 요소(44), 컨택 핑거 요소, 적어도 하나의 태양전지(48, 82)에 인접하여 배치된 공간(84), 및/또는 단지 전력을 추방하는 음영(shadowed) 태양전지(26)로서 실현되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 한 항에 있어서, 전자기 시프트가 있는 적어도 하나의 산란 요소는 입사 전자파 방사선(72, 94)의 스펙트럼을 이동시켜서 통상적으로 광자를 흡수하여 다른 파장을 갖는 광자를 방출하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 한 항에 있어서, 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위와 상기 광학적으로 비활성인 부위 위에 배치된 적어도 하나의 산란 요소는 둘 다 광학적으로 투명한 재료(50, 52, 88, 90)의 부위에 매립되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위가 매립된 플라스틱제의 제 1 투명재(50, 88) 및 상기 제 1 투명재 상에 배치된 유리제의 제 2 투명재를 포함하며, 상기 투명재(52, 90) 중의 적어도 하나의 투명재의 부위에는 적어도 하나의 산란 요소가 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  9. 광기전적으로 활성인 부위와 광기전적으로 비활성인 부위를 갖는 베이스를 태양전지 모듈(46, 80)용으로 제공하고 전자기 시프트가 있거나 없는 적어도 하나의 산란 요소를 베이스의 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위 위에 배치하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈(46, 80)의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 산란 요소 외에도 적어도 하나의 광기전적으로 비활성인 부위에 추가의 산란 요소를 배치하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법.
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