KR20140040761A - 태양광 모듈 - Google Patents

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KR20140040761A
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Abstract

단일 렌즈 태양광 모듈은 태양 복사선을 전기 에너지로 변환하는 태양 전지, 글래스 슬랩, 및 상기 글래스 슬랩 상에 직접 형성되고 태양 전지로부터 이격 분리되는 단일층 홀로그래픽 렌즈를 구비한다. 상기 렌즈는 가시광선을 포함하고 비가시광선을 배제하는 제 1 광 성분을 선택적으로 편향시키며, 제 1 광 성분을 태양 전지 상에 집광시키도록 구성된다.

Description

태양광 모듈{SOLAR MODULE}
본 발명은 일반적으로 태양 에너지에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 빛 에너지로부터 전기를 발생시키기 위한 태양광 패널 또는 태양광 모듈의 사용에 관한 것이다.
태양 에너지 분야에서, 태양 복사선을 전류로 변환하는 원리는 공지되어 있으며 오십 년 이상 동안 사용되어 왔다. 이렇게 빛 에너지를 전류로 변환하는 것은 실리콘, 통상 단결정 또는 다결정 실리콘을 포함하는 태양 전지(solar cell)의 사용을 통해서 가능해졌으며 그 상태가 유지된다. 그러나 이들 태양 전지는 충돌하는 복사선의 제한된 스펙트럼만을 전류로 변환하기 때문에 그 전력이 비교적 낮다.
근년에는 태양 복사선의 약 40%를 변환하는 현저히 높은 효율을 달성하기 위해 갈륨비소와 같은 고품질 반도체 결합(Ⅲ-Ⅳ 반도체 재료)으로 만들어진 고전력 광전지에 의해 큰 성공이 달성되었다. 이는 주로 태양광을 매우 작은 표면적에 집광시킴으로써 달성된다. 보다 구체적으로, 주어진 광전지에 도달하는 태양광을 수집 및 집광하는 것이 보통이며, 이에 따르면 이러한 수집 및 집광 시스템이 없는 경우에 필연적이게 될 매우 넓은 면적의 반도체 재료가 사용될 필요가 없다. 통상적인 과거의 수집 시스템은 렌즈 시스템이 광을 집광시키고 이를 주어진 광전지 상에 포커싱하는 광학계를 구비하였다. 다수의 태양광 유닛은 이 형태의 태양광 발전 시스템의 경제적인 사용을 가능하게 한다.
그러나, 태양광을 태양 전지 상에 직접 충돌시키기 위해 사용되는 이러한 렌즈 시스템은 과거나 지금이나 비교적 고가이며 대형이다. 종래의 시스템은 비교적 긴 초점 길이를 갖는 비교적 큰 프레넬 렌즈를 구비함으로써 주로 작동하며, 이 결과 상당히 두꺼운 모듈이 만들어진다. 이들 대형 구조물은 매우 무거운 태양광 발전 유닛을 초래한다.
따라서, 광범위한 파장의 광을 활용할 수 있고 결국 개선된 전체 효율을 갖는 태양광 모듈을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 모듈의 크기와 제조 비용을 감소시키기 위해 보다 작은 부품을 보다 적은 개수 포함하는 태양광 모듈을 제공하는 것이 바람직하다. 추가로, 본 발명의 다른 바람직한 특징부와 특징은 첨부도면 및 상기 배경기술과 연계하여 이루어지는 하기 상세한 설명과 청구범위로부터 자명해질 것이다.
태양 복사선을 전기 에너지로 변환하는 재료를 포함하는 적어도 하나의 태양 전지, 글래스 슬랩(glass slab), 및 상기 글래스 슬랩 상에 직접 형성되고 전지로부터 이격 분리되는 단일층 홀로그래픽 렌즈를 포함하는 단일 렌즈 태양광 모듈이 제공된다. 상기 렌즈는, 가시광선을 포함하고 비가시광선을 배제하는 제 1 광 성분을 선택적으로 편향시키고 상기 제 1 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지 상에 집광 및 포커싱하도록 구성된다.
단일 렌즈 태양광 모듈용 단일층 홀로그래픽 렌즈를 제조하기 위한 방법도 제공된다. 이 방법은 폴리머 재료를 단일층 홀로그래픽 렌즈를 형성하는 패턴으로 글래스 슬랩 상에 직접 롤 프린팅하는 단계를 포함한다.
본 발명은 이하에서 하기 도면을 참조하여 설명될 것이며, 여러 도면에서 유사한 구성 요소는 유사한 도면 부호로 지칭된다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 태양광의 바람직한 파장이 태양 전지 상에 고효율로 포커싱되는 방식을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 태양광의 바람직하지 않은 파장이 태양 전지 상에 충돌하지 않도록 포커싱되는 방식을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 태양광의 바람직한 파장 및 바람직하지 않은 파장이 각각 태양 전지 상에 고효율로 포커싱되거나, 태양 전지로부터 떨어져 포커싱되고 태양광 모듈로부터 멀리 반사되는 방식을 나타내는 개략도이다.
도 4는 태양광의 일부 바람직하지 않은 파장이 광의 바람직한 파장으로 변형되고 이후 광의 나머지 파장이 그 파장에 따라 상이한 태양 전지 상에 고효율로 포커싱되는 방식을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 하기 상세한 설명은 본래 단순히 예시적이며, 본 발명의 적용 및 사용 또는 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 본 발명의 상기 배경 또는 본 발명의 하기 상세한 설명에서 제시되는 어떤 이론에 의해 얽매이도록 의도되지도 않는다.
이 설명에서, 태양광 패널과 태양광 모듈은 상호 교환 가능한 용어이며, 이들 양자는 다수의 태양 전지를 구비하는 구조물로서 정의되고, 생산되는 전력량은 태양광 모듈에 구비되는 태양 전지의 개수와 정비례 관계를 갖는다. 태양광 모듈은 또한 프레임, 다수의 태양 전지를 연결하는 스트링, 백 시트(back sheet), 및 글래스 슬랩을 구비한다.
본 발명의 일 실시예는, 실리콘 또는 다른 적절한 반도체 재료를 구비하고 태양 전지와 근접하는 렌즈를 사용하여 광을 집광함으로써 전류를 생산하는 태양 전지를 구비하는 태양광 모듈에 관한 것이다. 광학 렌즈는, 렌즈로서 기능하고 태양 스펙트럼의 다양한 성분을 선택적으로 집광, 편향 및 포커싱하도록 구성되는 독특한 홀로그래픽 요소이며, 각각의 상이한 광 성분은 그 광 성분에 포함되는 광의 파장에 따라서 다르게 처리된다.
이하에서 논의하듯이, 신규 홀로그래픽 편향 렌즈와 이 렌즈가 광의 상이한 파장을 소정 방식으로 집광, 포커싱 및 편향하는 능력은 실리콘 및 기타 반도체 재료의 사용량을 최소화할 수 있다. 실제로, 본 발명에 의하면 사용량이 종래의 태양광 패널에 비해 90%까지 감소될 수 있지만, 다량의 전기 에너지를 생산할 수 있다. 광전지의 효과적인 사용은 반도체 재료를 훨씬 덜 요구하는 보통 크기의 태양광 모듈 생산을 가능하게 한다.
또한, 태양 복사선으로부터 전기 에너지를 생산하기 위한 수단으로서 신규 홀로그래픽 편향 렌즈를 채용함으로써, 전기 에너지 생성에 사용되는 태양 복사선의 백분율이 크게 향상된다. 렌즈가 상이한 광 성분들을 다양한 목적을 위해서 집광, 포커싱 및 편향시킬 수 있기 때문에, 본 발명의 태양광 모듈을 사용하여 전체 태양 복사선의 92%까지가 전기로 변환되는 효율이 실현될 수 있다.
또한, 도면을 참조하여 알게 되듯이, 신규 홀로그래픽 편향 렌즈는 렌즈와 실리콘 또는 기타 반도체 재료 사이에 요구되는 거리가 매우 작은 태양광 모듈을 가능하게 만든다. 이는 결과적으로 매우 작은 전체 모듈 높이와 비용 친화적인 생산을 제공한다. 따라서, 전통적인 태양광 패널에 비해서, 구축 및 운반 비용의 상당한 절감이 달성된다.
태양광 모듈이 표준 단일축 추적 시스템에 사용될 수 있다는 장점도 있다. 집광기 태양광 모듈은 일반적으로 두 방향으로 추적하며, 제 1 방향은 일광 또는 태양의 운동이며, 제 2 방향은 태양의 계절적 또는 여름-겨울 위치이다. 본 발명의 태양광 모듈은 계절적 또는 여름-겨울 변화에 적응하는 홀로그래픽 편향 렌즈를 구비한다. 따라서, 전기 출력을 최적화하기 위해 일광 또는 태양의 운동만 추적될 필요가 있다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따라 태양광의 바람직한 파장이 태양광 모듈 내의 태양 전지 상에 고효율로 포커싱되는 방식을 나타내는 개략도가 사용된다. 도 1에 도시하듯이, 바람직한 파장의 태양광 성분(10), 즉 약 380 내지 약 750 nm, 바람직하게 약 500 내지 약 750 nm, 보다 바람직하게 500 내지 600 nm, 가장 바람직하게 510 내지 580 nm의 범위에 있는 가시광선 파장의 광은, 글래스 슬랩(12) 상에 직접 형성되는 홀로그래픽 편향 렌즈(14)를 통과할 때 굴곡 및 편향된다. 가시 태양광 성분(10)은 렌즈(14)를 지지하는 글래스 슬랩(12)을 통과한다. 도면에 도시되어 있듯이, 렌즈(14)는 글래스 슬랩(12)의 외측이 아니라 내측에 형성된다. 따라서, 글래스 슬랩(12)은 태양광 모듈 내의 렌즈(12)에 대한 커버 및 보호구로서 기능한다.
렌즈(14)는 태양광 성분(10)만 광전 태양 전지(16) 상에 고효율로 집광 및 포커싱되는 식으로 편향시키도록 구성된다. 태양 전지(16)는 단결정 또는 다결정 실리콘 또는 고순도(적어도 99.99999%) 실리콘과 같은 적절한 반도체 재료로 제조된다. 태양 전지(16)는 실리콘 또는 기타 적절한 재료의 스트라이프들의 어레이의 부분이며, 각각의 스트립은 1 mm 내지 3 mm의 폭을 갖는다.
태양광 성분(10)만 태양 전지(16) 상에 집광 및 포커싱되기 때문에, 렌즈(14)를 통과하는 제 1 성분(10)으로부터의 제로 태양광은 사용되지 않는다. 대신에, 렌즈(14)를 통과하는 제 1 성분(10)으로부터의 태양광의 전부, 또는 다른 실시예에서 태양광의 거의 전부(즉 99% 이상)는 실리콘 태양 전지(16) 상에 집광 및 포커싱되며 전류로 변환된다. 일 실시예에 따르면, 아무리 좋은 최상 품질의 글래스 슬랩 및 렌즈 재료라도 그 고유 투광성으로 인해 일부 태양광이 렌즈(14)를 통과하지 못하게 되며, 태양광의 8 내지 10%의 손실이 초래된다. 그러나, 글래스와 렌즈 양자를 통과하지 않는 모든 태양광 성분(10)이 전류로 변환된다.
마찬가지로, 태양광 성분(10)의 일부가 아닌 태양광의 90% 이상은 태양 전지(16)로부터 멀리 방향인도된다. 하기 도면들은, 비가시 태양광이 태양 전지(16)로부터 떨어져 포커싱되며, 멀리 반사되어 다른 영역에 집광 및 포커싱되거나, 태양광 성분(10)의 파장 범위에 들어오는 파장 범위를 갖는 광으로 변형되는 방법을 보다 잘 설명할 것이다. 이들 경우에, 일 실시예에 따른 렌즈(14)는 태양광 성분(10)과 관련하여 방금 설명한 다른 태양광 성분과 동일한 효율을 달성한다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 바람직하지 않은 파장을 갖는 광이 실리콘 태양 전지(16) 상에 충돌하지 않도록 포커싱되는 방식을 도시한다. 이 점에서 바람직하지 않은 광은 가시 스펙트럼 이외의 파장을 갖는 광이다. 보다 구체적으로, 이 점에서 바람직하지 않은 광은 750 nm보다 큰 파장을 갖는 광이다. 가시 태양광 성분(10)은 편향, 집광되어 실리콘 태양 전지(16) 상에 포커싱됨으로써 결속 및 포획되지만, 바람직하지 않은 광 성분(20)은 글래스 슬랩(12) 및 그 위에 지지되는 홀로그래픽 편향 렌즈(14)를 통과하며, 상기 편향 렌즈는 바람직하지 않은 광 성분(20)을 전지(16)로부터 멀리 굴곡 및 편향시키도록 구성되어 있다.
도 2에 도시하듯이, 렌즈(14)의 편향 특징은 바람직하지 않은 광 성분(20)이 두 가지를 수행하게 한다. 한편으로, 바람직하지 않은 광 성분(20)으로부터의 광의 다수 또는 대부분은 실리콘 태양 전지(16) 상에 충돌하지 않도록 구조물을 통해서 직진한다. 다른 한편으로, 바람직하지 않은 광 성분(20)으로부터의 광의 적은 부분이 포커싱되지만, 이 포커스는 전지(16)로부터 먼 위치로 방향인도된다. 예시적 실시예에 따르면, 적외선 광은 실리콘 태양 전지(16)와 홀로그래픽 편향 렌즈(14) 사이에 포커싱된다. 그 초점에 도달한 후, 적외선 광은 발산성 다발을 형성하며, 그 결과 실리콘 태양 전지(16)가 고정되는 보드 레벨에서는 매우 분산적이 된다. 따라서, 적외선 광을 포함하는 바람직하지 않은 광 성분(20)은 그 일부라도 전지(16)에 거의 충돌하지 않도록 실리콘 광전지(16)로부터 떨어져 포커싱된다.
바람직하지 않은 광 성분(20)은 전지(16)에 인접한 미러에 의해 반사될 수도 있다. 그러나, 상세하게 설명하듯이, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 바람직하지 않은 광 성분(20)으로부터의 적외선 광은, 열 차이를 광자에 의해 전기로 변환하도록 구성된 시스템의 일부인 게르마늄 열광전 셀(thermophotovoltaic cell) 상에 포커싱되도록 홀로그래픽 편향 렌즈(14)에 의해 굴곡 및 편향된다. Ge 대신에 또는 Ge와 함께 GaAs, CdS, CdSe와 같은 하나 이상의 다른 전지 재료도 사용될 수 있다.
따라서, 홀로그래픽 편향 렌즈(14)는 태양 스펙트럼의 상이한 성분(10, 20)을 선택적으로 집광, 편향 및 포커싱하도록 독특하게 구성된다. 명료함을 위해서, 렌즈(14)는 상이한 광 성분(10, 20)을 그 광 성분에 포함되는 광의 파장에 따라서 선택적으로 다르게 굴곡시키는 홀로그램인 것을 알아야 한다. 보다 구체적으로, 렌즈(14)를 구성하는 구조물은 렌즈(14)에 충돌하는 광의 파장에 종속되는 편향 각도와 편향 효율 양자를 생성하도록 정밀하게 형성 및 구성된다. 이는 실리콘 및 기타 태양 전지 재료의 필요량을 최소화하면서 다량의 전기 에너지를 생성할 수 있게 한다.
일 실시예에 따르면, 바람직하지 않은 광 성분(20)은 또한 자외선 범위의 파장을 구비하는 광을 포함한다. 이 실시예에서, 홀로그래픽 편향 렌즈(14)는 약 380 nm 미만의 파장을 갖고, 바람직하게 약 500 nm 미만의 파장을 갖는 광을 포함하는 자외선 광을 앞서 논의된 적외선 광과 다소 유사한 방식으로 처리하도록 구성된다. 한편으로, 바람직하지 않은 광 성분(20)으로부터의 자외선 광의 다수 또는 대부분은 실리콘 태양 전지(16) 상에 충돌하지 않도록 구조물을 통해서 직진한다. 다른 한편으로, 바람직하지 않은 광 성분(20)으로부터의 자외선 광의 적은 부분은 포커싱되지만, 이 포커스는 다시 전지(16)로부터 먼 위치로 방향인도된다. 예시적 실시예에 따르면, 자외선 광은 실리콘 태양 전지(16)를 지나서 포커싱되며, 그 결과 실리콘 태양 전지(16)가 고정되는 보드 레벨에서 광선은 분산된다. 따라서, 자외선 광을 포함하는 바람직하지 않은 광 성분(20)은 그 일부라도 전지(16)에 거의 충돌하지 않도록 실리콘 광전지(16)로부터 떨어져 포커싱된다.
이제 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따라 태양광의 바람직한 파장 및 바람직하지 않은 파장이 각각 태양 전지(16) 상에 고효율로 포커싱되거나, 태양 전지(16)로부터 떨어져 포커싱되고 태양광 모듈로부터 멀리 반사되는 방식을 나타내는 개략도가 사용된다. 도시하듯이, 바람직한 광(10)은 굴곡되어 태양 전지(16) 상에 포커싱된다. 동시에, 적외선 광(‥- 패턴으로 도시) 및 자외선 광(-- 패턴으로 도시)을 포함하는 바람직하지 않은 광은 전지(16)에 충돌하지 않도록 태양 전지(16)의 앞과 뒤에 각각 포커싱된다.
바람직하지 않은 광 성분(20)으로부터의 광선이 전지(16)로부터 멀리 반사되도록 보장하기 위해, 미러들의 독특한 조립체를 포함하는 미러 요소(18)가 사용된다. 미러 요소(18)는 전지(16) 근처에 형성되는 것이 바람직한 미러 코팅을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 미러 코팅은 단일 층이거나, 태양 전지(16)가 고정되는 동일 보드 상에 형성되는 복수 층이다. 미러 요소는 구리, 주석, 또는 주석-도금된 구리와 같은 임의의 적절한 광 반사성 재료로 형성될 수 있다.
다음으로, 자외선 광을 포함하는 바람직하지 않은 광이 도 2 및 도 3에 도시하듯이 태양 전지(16)로부터 멀리 반사되지 않고 오히려 바람직한 파장을 갖는 광으로 변형되는 다른 대체 실시예를 논의할 것이다. 도 4는 태양광의 일부 바람직하지 않은 파장이 광의 바람직한 파장으로 변형되고 광의 나머지 파장이 그 파장에 따라 상이한 태양 전지 상에 고효율로 선택적으로 포커싱되는 방식을 나타내는 개략도이다.
도 4에 도시하듯이, 태양광 스펙트럼의 가시 부분, 바람직하게 약 400 내지 약 750 nm의 파장을 갖는 광은 글래스(12)를 통과하며 홀로그래픽 편향 렌즈(14)에 의해 굴곡된다. 이 가시광선은 전술한 방식으로 실리콘 태양 전지(16) 상에 포커싱된다.
실리콘 태양 전지(16)와 동일한 기판 상에는 게르마늄 열광전 셀(22)도 장착된다. Ge 대신에 또는 Ge와 함께, GaAs, CdS, CdSe와 같은 하나 이상의 다른 전지 재료도 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 적외선 광을 포함하는, 750 nm 이상의 높은 파장을 갖는 가시광선은 굴곡되지 않는다. 오히려, 적외선 광은 글래스(12)와 그 위에 형성된 홀로그래픽 편향 렌즈(14)를 통과하며, 더 높은 파장의 광으로부터의 열은 게르마늄(또는 기타 적절한 재료) 열광전 셀(22)에 의해 전류로 변환된다. 게르마늄 전지의 사용을 통해서 열이 폐기되는 대신에 사용되며, 태양 전지와 열광전 셀(22)을 채용하는 태양광 모듈의 효율은 전반적으로 증가된다.
다른 실시예에 따르면, 적외선 광을 포함하는, 750 nm 이상의 높은 파장을 갖는 가시광선은 열광전 셀(22) 상에 포커싱되도록 편향된다. 홀로그래픽 편향 렌즈(14)는 태양광을 최대 효율로 사용하기 위해 도 2 및 도 3에 도시하듯이 태양 전지(16)로부터 떨어져서 높은 파장의 광을 포커싱할 뿐만 아니라 이러한 광을 열광전 셀(22) 상에 포커싱하도록 구성된다.
실리콘 태양 전지를 사용하는 최적의 광 파장 영역은 500 nm 내지 750 nm이다. 실리콘 태양 전지로부터의 전기 출력을 최적화하기 위해, 홀로그래픽 편향 렌즈(14)는 광을 변형하도록 구조적으로 구성된다. 자외선 광을 포함하는, 태양광의 짧은 파장은 홀로그래픽 편향 렌즈(14)를 통과할 때 500 nm 내지 750 nm의 최적한 광 파장 영역으로 변형된다.
본 발명의 이 실시예 및 모든 실시예에서, 글래스 슬랩(14)은 0.4 내지 0.6 cm 범위의 두께인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 글래스 슬랩(14)은 약 0.5 cm의 두께이다.
전술했듯이, 신규 홀로그래픽 편향 렌즈(14)는 실리콘 전지 및 열광전 셀 중 임의의 전지와 렌즈(14) 사이에 매우 작은 거리가 요구되는 태양광 모듈을 가능하게 만든다. 이 거리(d)는 도 3에 도시되어 있지만, 본 명세서에서 논의되는 모든 실시예에 적용된다. 렌즈(14)와 태양 전지(16)(및 임의의 열광전 셀) 사이의 거리(d)는 1.1 cm 이하이며, 0.5 cm 이하인 것이 바람직하다. 일 실시예에 따른 거리(d)는 0.4 cm 내지 1.1 cm이며, 바람직하게 0.5 내지 1.0 cm, 가장 바람직하게 0.5 cm 내지 0.7 cm이다. 이는 결과적으로 매우 작은 전체 모듈 높이와 비용 친화적인 생산을 제공한다. 따라서, 전통적인 태양광 패널에 비해서, 구축 및 운반 비용의 상당한 절감이 달성된다.
전술했듯이, 홀로그래픽 편향 렌즈(14)는 태양 스펙트럼의 상이한 성분들을 선택적으로 집광, 편향, 및 포커싱하도록 독특하게 구성된다. 또한 방금 논의했듯이, 동일 렌즈(14)는 자외선 광을 포함하는, 낮은 파장의 광으로부터의 일부 광 성분을 가시광선 파장의 특정 범위로 선택적으로 변형시키도록 독특하게 구성된다.
홀로그래픽 렌즈(14)는 각각의 상이한 광 성분을 그 광 성분에 포함되는 광의 파장에 따라서 선택적으로 굴곡 및/또는 변형시키도록 정밀하게 구성되는 매우 미세한 렌즈 구조물을 갖는 단일-층상(single-layered) 시스템이다. 이는 다량의 전기 에너지를 생성하기 위한 실리콘 및 기타 태양 전지 재료의 필요량을 최소화할 수 있게 할 뿐 아니라, 홀로그래픽 편향 렌즈(14)의 단일-층상 속성은 전반적으로 렌즈에 간단한 복제성을 부여한다. 종래의 홀로그래픽 그리드는 필름 또는 포일을 코팅, 노광 및 현상하는 반복적인 단계에 의해 제조된다. 다수의 포일이 홀로그래픽 포일 클러스터에 적층되며, 종래 시스템에서는 네 개 또는 그 이상의 포일이 하나의 포일에 적층된다. 이 제조 방법은 다수의 기계를 요구하기 때문에 비싸고, 매우 느리다.
대조적으로, 홀로그래픽 편향 렌즈(14)는, 그리드 구조지만 전술했듯이 각각의 제조에서 비싸게 노광되어야 하는 홀로그래픽 그리드와는 다른, 프린팅된 홀로그램인 것이 바람직하다. 대신에, 본 발명의 편향면 릴리스 구조는 몇 번이라도 반복적으로 복제될 수 있다. 이 신규 방법은 모듈의 글래스(12) 상에 홀로그램을 롤-대-롤 공정으로 프린팅하는 단계를 포함한다. 홀로그램은 바람직하게는 하나의 단일 프린팅 단계에서, 보다 바람직하게는 폴리머 재료를 사용하여 프린팅된다. 또한, 홀로그램은 하나의 간단한 롤링 프린트 공정으로 프린팅되는 단일 층이다. 포일을 코팅, 노광 및/또는 현상할 필요는 없다. 이 방법의 단순성 및 단일 프린트 롤링 단계 속성으로 인해, 홀로그래픽 편향 렌즈(14)는 글래스 슬랩(12)의 내부에 복제될 수 있다.
홀로그래픽 편향 렌즈(14)는 실리콘 또는 경화 UV-접착제로 제조될 수 있다. 일 측에 표면 릴리프를 갖는 포일의 제조는 렌즈(14)의 속성으로 인해 가능하기도 하다. 포일은 또한 글래스(12) 상에 접착되거나 그 위에 적층될 수 있다. 따라서, 글래스(12)는 홀로그래픽 편향 렌즈(14)에 대한 지지 재료로서 기능할 수 있으며, 렌즈(14)를 파괴적 환경 영향으로부터 보호한다.
다음으로 본 발명의 태양광 모듈의 일부 다른 장점을 프레넬 렌즈를 포함하는 종래의 시스템에 비해서 설명하는 것은 가치가 있다. 임의의 특정한 파장의 선택성이 없는 프레넬 렌즈에서는 태양광이 그 파장 전체에서 수백 배로 파괴 및 확대된다. 적외선 광 및 자외선 광조차도 파괴 및 확대되기 때문에, 프레넬 렌즈 모듈에는 여러가지 단점이 내재된다. 적외선 광을 포함하는, 태양광 파장 전체의 확대에 의해 생성되는 열은 막대한 양의 열을 생성한다. 따라서, 종래의 태양광 모듈은 반도체 재료를 포함하는 태양광 모듈 부품뿐 아니라 태양광 패널의 조기 마모 및 파괴를 전반적으로 방지하기 위해 특정 종류의 냉각 시스템을 구비해야 한다. 추가로, 프레넬 렌즈는 20 cm까지의 비교적 큰 초점 길이를 가지며, 이 결과 상당히 두꺼운 모듈이 만들어진다. 이들 대형 구조물은 매우 무거운 태양광 발전 유닛을 초래한다.
대조적으로, 본 발명의 태양광 모듈은 상이한 태양광 성분을 각각의 성분에 포함된 광의 파장에 따라서 다르게 처리한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적 태양광 모듈은 특정 파장 범위, 바람직하게 500 내지 600 nm 범위, 보다 바람직하게 510 내지 580 nm 범위를 갖는 가시광선의 선택된 성분을 굴곡 및 집광시키고 이 광을 태양 전지(16) 상에 집광시키도록 구성된다. 따라서, 광이 프레넬 렌즈에 의해 파괴 및 확대되는 대신에 굴곡 및 집광되기 때문에, 렌즈(14)와 태양 전지(16) 사이의 거리는 0.4 내지 0.5 cm인 것이 가장 바람직하다.
추가로, 적외선 광을 포함하는 고주파 광 성분은 동일한 홀로그래픽 렌즈(14)를 사용하여 일 실시예에서 태양 전지(16)로부터 멀리 반사되거나 다른 실시예에서 선택적으로 굴곡되어 열광전 셀 상에 집광되기 때문에, 본 발명의 태양광 모듈에는 어떠한 냉각 구조물도 구비될 필요가 없다.
마지막으로, 자외선 광을 포함하는 저주파 광 성분은 일 실시예에서 태양 전지(16)로부터 멀리 반사되거나 다른 실시예에서 바람직한 파장 범위의 가시광선으로 변형되기 때문에, 프레넬 렌즈, 추가 홀로그래픽 렌즈, 또는 태양광 모듈에 구비되는 임의 형태의 다른 렌즈가 전혀 없이 단일의 홀로그래픽 렌즈(14)에 의해 본질적으로 전체 태양광 스펙트럼으로부터 전기를 생성할 수 있다. 즉, 태양광 모듈은, 사용되는 유일한 렌즈가, 글래스 슬랩(12) 상에 직접 고정되어 글래스 슬랩에 의해 지지되는 편향 홀로그래픽 렌즈(14)인 단일 렌즈 시스템이다. 또한, 이러한 태양 전지를 포함하는 태양광 모듈은 단일 렌즈 홀로그래픽 렌즈(14)로 구성된다.
본 발명의 상기 상세한 설명에서는 적어도 하나의 예시적 실시예를 설명했지만, 상당수의 변형예가 존재함을 알아야 한다. 또한 단수 또는 복수의 예시적 실시예는 단지 예에 불과하며 본 발명의 범위, 이용가능성 또는 구성을 어떤 식으로든 제한하도록 의도되지 않음을 알아야 한다. 오히려, 상기 상세한 설명은 당업자에게 본 발명의 예시적 실시예를 수행하기 위한 편리한 로드맵을 제공할 것이며, 청구범위와 그 법적 등가물에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 예시적 실시예에 기재된 요소들의 기능 및 구성에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다.

Claims (16)

  1. 단일 렌즈 태양광 모듈에 있어서,
    태양 복사선을 전기 에너지로 변환하는 재료를 포함하는 적어도 하나의 태양 전지(16);
    글래스 슬랩(glass slab)(12); 및
    상기 글래스 슬랩 상에 직접 형성되며 적어도 하나의 태양 전지로부터 이격 분리되는 단일층 홀로그래픽 렌즈(14)를 포함하고,
    상기 단일층 홀로그래픽 렌즈(14)는, 가시광선을 포함하며 비가시광선을 배제하는 제 1 광 성분을 선택적으로 편향시키도록, 그리고 상기 제 1 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지 상에 집광 및 포커싱하도록 구성되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 태양 전지는 실리콘을 포함하는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일층 홀로그래픽 렌즈는 상기 적어도 하나의 태양 전지로부터 1.1 cm 이하의 거리만큼 분리되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단일층 홀로그래픽 렌즈는 상기 적어도 하나의 태양 전지로부터 0.5 cm 이하의 거리만큼 분리되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일층 홀로그래픽 렌즈는, 500 nm 내지 600 nm 범위의 가시광선으로 구성되는 제 1 광 성분을 선택적으로 편향시키도록, 그리고 상기 제 1 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지 상에 집광 및 포커싱하도록 구성되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단일층 홀로그래픽 렌즈는, 510 nm 내지 580 nm 범위의 가시광선으로 구성되는 제 1 광 성분을 선택적으로 회절시키도록, 그리고 상기 제 1 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지 상에 집광 및 포커싱하도록 구성되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일층 홀로그래픽 렌즈는 적외선 광을 포함하는 제 2 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지로부터 멀리 선택적으로 편향시키도록 구성되고, 자외선 광을 포함하는 제 3 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지로부터 멀리 선택적으로 편향시키도록 추가로 구성되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 단일층 홀로그래픽 렌즈는 상기 제 2 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지로부터 떨어져 있는 제 1 지점 상에 선택적으로 집광 및 포커싱하도록 구성되고, 상기 제 3 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지로부터 떨어져 있으면서 상기 제 1 지점과 다른 제 2 지점 상에 선택적으로 집광 및 포커싱하도록 추가로 구성되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 지점은 상기 홀로그래픽 렌즈와 상기 태양 전지 사이의 지점이며, 상기 제 2 지점은 태양 전지를 넘어서 있는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 광 성분과 상기 제 3 광 성분 중 적어도 하나를 반사시키도록 배치되는 미러 요소를 추가로 포함하는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  11. 제 7 항에 있어서,
    열을 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나의 재료를 포함하는 적어도 하나의 열광전 셀(thermophotovoltaic cell)을 추가로 포함하고, 상기 단일층 홀로그래픽 렌즈는 상기 제 2 광 성분을 적어도 하나의 열광전 셀 상에 집광 및 포커싱하도록 추가로 구성되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일층 홀로그래픽 렌즈는 적외선 광을 포함하는 제 2 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지로부터 멀리 선택적으로 편향시키도록 구성되고, 자외선 광을 포함하는 제 3 광 성분을 선택적으로 가시광선으로 변형시키도록, 그리고 제 1 광 성분 및 변형된 제 3 광 성분을 적어도 하나의 태양 전지 상에 집광 및 포커싱하도록 구성되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    열을 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나의 재료를 포함하는 적어도 하나의 열광전 셀을 추가로 포함하며, 상기 단일층 홀로그래픽 렌즈는 상기 제 2 광 성분을 적어도 하나의 열광전 셀 상에 집광 및 포커싱하도록 추가로 구성되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일층 홀로그래픽 렌즈와 상기 태양 전지는 글래스 슬랩의 동일한 측에 배치되는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양광 모듈은 일체의 냉각 시스템이 전혀 없는
    단일 렌즈 태양광 모듈.
  16. 단일 렌즈 태양광 모듈용 단일층 홀로그래픽 렌즈를 제조하는 방법에 있어서,
    폴리머 재료를, 단일층 홀로그래픽 렌즈를 형성하는 패턴으로 글래스 슬랩 상에 직접 롤 프린팅(roll printing)하는 단계를 포함하는
    단일층 홀로그래픽 렌즈 제조 방법.
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