KR20150048826A

KR20150048826A - 스펙트럼 광 분할 모듈 및 집광 광학장치를 포함하는 광전변환 시스템

Info

Publication number: KR20150048826A
Application number: KR1020157007742A
Authority: KR
Inventors: 캐리사 에이슬러; 에밀리 디 코스텐; 해리 에이 앳워터; 에밀리 씨 워만; 캐리 이 호프만; 레베카 케이 파이스트; 제임스 씨 스티븐스; 웨이준 조우; 마이클 밀스; 크리스토퍼 에이 플라우워스; 나라얀 라메쉬
Original assignee: 다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨; 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-05-07
Also published as: JP2015530747A; US20150221800A1; CN105144395A; WO2014036422A1

Abstract

광을 받아들이기 위한 유입 말단, 제 1 측부, 및 제 1 측부로부터 이격된 제 2 측부를 포함하는 입체 광학 요소; 입체 광학 요소의 제 1 측부에 인접한 제 1 태양 전지; 및 입체 광학 요소의 제 2 측부에 인접한 제 2 태양 전지를 포함하는, 입사광을 전기 에너지로 전환시키는 광 분할 광학 모듈이 개시된다. 제 1 태양 전지는 입사광의 제 1 부분집합을 흡수하고 입사광의 제 1 나머지를 입체 광학 요소를 통해 제 2 태양 전지로 반사시키도록 위치된다.

Description

스펙트럼 광 분할 모듈 및 집광 광학장치를 포함하는 광전변환 시스템{SPECTRAL LIGHT SPLITTING MODULE AND PHOTOVOLTAIC SYSTEM INCLUDING CONCENTRATOR OPTICS}

본 발명은 입사광을 전기 에너지로 전환하는 광전변환 소자에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 평행육면체(parallelepiped) 배열로 구성된 복수개의 광전변환 전지와 함께 입체 광학 요소를 포함하는 광전변환 소자에 관한 것이다.

우선권

본원은 2012년 8월 30일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/695,216 호(발명의 명칭: 전체 스펙트럼, 초고효율 태양 에너지 전환을 위한 광학장치) 및 2012년 12월 21일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/740,969 호(발명의 명칭: 스펙트럼 광 분할 모듈 및 집광 광학장치를 포함하는 광전변환 시스템)에 기초한 우선권을 주장하며, 상기 특허 가출원은 본원에 참고로 인용된다.

태양전지 또는 PV 전지로도 일컬어지는 광전변환 전지는 태양광 같은 입사광을 전기 에너지로 전환시키는데 유용하다. 이들 전지는 내재적으로 낮은 전환 효율을 갖는 하나의 특정된 밴드갭을 갖는 단일 접합 태양전지로서 제공될 수 있다. 이는 단일 광전변환 전지가 입사광의 광대역 스펙트럼의 작은 일부에 대해서만 광전변환 응답하고, 따라서 입사광의 작은 일부만 에너지로 전환시키기 때문이다. 따라서, 태양전지의 효율을 증가시키는 다수의 방법을 이용 및 제안해왔다.

더 높은 광전변환 효율을 달성하는데 이용되는 한 가지 통상적인 방법은 다중 밴드갭을 함께 사용하여 다중-접합 태양전지를 형성시키는 것이다. 이러한 다중-접합 태양전지는 태양광 스펙트럼의 상이한 부분에 상응하는 상이한 밴드갭 에너지를 갖는 상이한 반도체 물질의 시스템으로 제조된다. 에너지 갭에 맞춰지거나 또는 그보다 약간 더 큰 에너지를 갖는 광자만이 가장 효율적으로 사용된다. 따라서, 더 넓은 밴드갭 범위를 갖게 되면, 시스템이 비교적 효율적인 방식으로 더 많은 스펙트럼을 전환시키게 된다. 에너지가 갭보다 더 낮은 광자는 흡수되지 않고 후속 전환되며, 몇몇 경우에는 기생적으로 흡수되어 폐열로 전환될 수 있다. 밴드갭보다 더 큰 에너지를 갖는 광자는 그들의 에너지중 에너지 갭에 맞춰지는 부분만 전환시키고 초과하는 에너지는 주로 폐열로서 상실된다.

통상적으로, 다중-접합 전지는 모든 반도체가 그 위의 전지의 밴드갭보다 높거나 낮은 광을 흡수하는 필터로서 작용하도록 모노리식(monolithic) 스틱으로서 성장한다. 전통적인 다중-접합 직렬식(tandem) 태양전지는 단일 접합 태양전지보다 이점을 제공하며, 입사광을 다수개의 스펙트럼 대역으로 분할하고 이들 스펙트럼 대역을 상이한 상응하는 태양전지 쪽으로 향하게 하는데 사용되는 광 분할 광학장치를 사용함으로써 추가적인 효율을 달성할 수 있다. 이러한 방식으로, 부속전지(subcell)가 독립적으로 성장하고 전기적으로 연결되어, 격자 및 전류 매칭 문제를 피할 수 있다. 각각의 표적화된 전지는 에너지 전환을 최대화하는데 도움이 되기 위하여 그로 향하는 스펙트럼 대역에 맞춰진 밴드갭을 갖도록 디자인된다. 즉, 분할 광학장치는 입사광을 분절 또는 슬라이스로 나눈 다음 적절한 밴드갭을 갖는 광전변환 전지로 슬라이스를 독립적으로 유도한다.

태양광 전환 효율을 개선하기 위하여 광 분할 또는 스펙트럼 분할을 이용하는 광전변환 시스템은 특허 및 기술 문헌에 기재되어 있다. 예로는 미국 특허 공보 제 2009/0056788 호[깁슨(Gibson)] 및 제 2011/0284054 호[원래스(Wanlass)]; 바넷(Barnett) 등의 문헌[Progress in Photovoltaics: Research and Applications, "Very High Efficiency Solar Cell Modules", 17:75-83 (2009)]; 이멘즈(Imenes) 등의 문헌[Solar Energy Materials and Solar Cells, "Spectral Beam Splitting Technology for Increased Conversion Efficiency in Solar Concentrating Systems, A Review", 84:19-69 (2004)]; 맥캠브리지(McCambridge) 등의 문헌[Progress in Photovoltaics: Research and Applications, "Compact Spectrum Splitting Photovoltaic Module With High Efficiency", 19:352-360 (2011)]; 미첼(Mitchell) 등의 문헌[Progress in Photovoltaics: Research and Applications, "Four-junction Spectral Beam-Splitting Photovoltaic Receiver With High Optical Efficiency", 19:61-72 (2011)]; 및 피터즈(Peters) 등의 문헌[Energies, "Spectrally-Selective Photonic Structures for PV Applications", 3:171-193 (2010)]이 있다.

태양 전지와 함께 광 분할 기법을 이용하는 광전변환 시스템이 이론적으로는 통상적으로 입사광을 전기 에너지로 전환시키는 효율을 개선할테지만, 더 우수한 광 분할 광학 구조체와 함께 더욱 더 높은 효율을 실제로 가능케 하는 시스템을 제공할 필요가 있다.

본 발명은 다면체 완전반사 반사장치로 일컬어질 수 있는, 입사광을 전기 에너지로 전환시키기 위한 광전변환 시스템에 관한 것이다. 시스템을 이용하여 광을 일련의 단일 접합 태양 부속전지(subcell) 또는 일련의 직렬 성장 부속전지로 나눌 수 있다. 시스템은 통상적으로 입체 광학 요소의 마주보는 측부에 배열된 태양전지 또는 광전변환 전지의 어레이를 포함하는데, 이는 집광 광학장치와 함께 사용될 수 있다. 이들 시스템의 비교적 높은 효율은 각 부속전지가 전지에 의해 가장 효율적으로 흡수되는 광 스펙트럼의 특정 부분집합을 흡수할 수 있도록 각 부속전지를 위치시키고, 나머지 광을 입체 광학 요소를 통해 그 자신의 광 스펙트럼의 부분집합을 흡수할 수 있는 후속 전지 상으로 반사시킨 결과이다. 임의적인 배면 반사장치(이는 통상 전지 어레이의 유입 말단 반대쪽 말단에 있음)에 도달할 때까지, 각각의 후속 태양 전지에서 흡수 및 반사에 이용될 수 있는 광의 양을 감소시키면서, 각 태양 전지에서 광을 흡수 및 반사시키는 이 과정을 지속시킨다. 입사광이 도달하는 첫번째 전지가 스펙트럼의 가장 높은 에너지를 흡수할 수 있는 반면 도달하는 마지막 전지가 스펙트럼의 가장 낮은 에너지를 흡수할 수 있도록 태양 전지를 위치시킨다. 본 발명의 한 실시양태에서는, 둘 이상의 광전변환 전지를 집광 요소와 함께 사용하는데, 이 때 전지는 입사광의 광결합에 도움이 되는 입체 평행육면체로서 구성된다.

본 발명의 한 양태에서는, 입사광을 전기 에너지로 전환시키는 광 분할 광학 모듈이 제공된다. 모듈은 광을 받아들이기 위한 유입 말단, 제 1 측부 및 제 1 측부와 이격된 제 2 측부를 포함하는 입체 광학 요소; 입체 광학 요소의 제 1 측부에 인접한 제 1 태양 전지; 및 입체 광학 요소의 제 2 측부에 인접한 제 2 태양 전지를 포함한다. 제 1 태양 전지는 입사광의 제 1 부분집합을 흡수하고 입사광의 제 1 나머지를 입체 광학 요소를 통해 제 2 태양 전지로 반사시키도록 위치된다.

본 발명의 다른 양태에서는, 광 분할 광학 모듈이 입사광을 모으고 집광하는 집광 요소와 결합되는데, 이 때 집광 요소는 입체 광학 요소의 유입 말단과 광학적으로 접촉된다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 추가로 설명하는데, 유사한 구조는 여러 개의 도면 전체에서 유사한 번호로 일컬어진다.
도 1은 본 발명의 광전변환 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 태양 전지의 평행육면체 배열의 확대된 측부 개략도이다.
도 3은 모듈로 배열된 도 1에 도시된 유형의 복수개의 광전변환 시스템의 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 모듈의 일부의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 광전변환 시스템을 사용하는 광 손실에 대한 집광의 예시적인 효과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 트로프(trough) 집광장치에 따른 개별적인 전지 집광장치의 평행육면체 배열의 측면도이다.
도 7은 도 6과 유사하지만 별도의 트로프 집광장치가 없는 평행육면체 배열의 측면도이다.

아래 기재되는 본 발명의 실시양태는 모든 것을 포괄하거나 본 발명을 하기 상세한 설명에 개시되는 정밀한 형태로 한정하고자 하지 않는다. 그보다는, 다른 당 업자가 본 발명의 원리 및 실행을 인식하고 이해할 수 있도록 실시양태를 선택하여 기재한다. 본원 전체에 인용된 모든 특허, 계류중인 특허원, 공고된 특허원 및 기술 논문은 개별적으로 본원에 참고로 인용된다.

이제, 도면, 먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 통상 집광장치(12) 및 광 분할 광학 모듈(14)을 포함하는 광전변환 시스템(10)의 예시적인 실시양태가 도시되어 있다. 아래에 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 시스템(10)은 입사광(16)을 전기 에너지로 광전변환시키는데 사용될 수 있다. 시스템(10)은 또한 다면체 완전반사 반사장치로 일컬어질 수도 있다.

집광장치(12)는 유입 말단(20), 유입 말단으로부터 이격되어 있는 유출 말단(22), 및 유입 말단(20)과 유출 말단(22) 사이에 연장되어 있는 집광장치 영역(24)을 포함하는 트로프 집광장치 또는 복합 포물선형 집광장치로서 도시되어 있다. 이 예시된 실시양태의 집광장치(12)는 복합 포물선형으로 생각될 수 있으나, 도시된 상대적인 형상 및 크기는 집광장치가 예컨대 포물선형의 편평한 측부를 갖는 광 터널 같은 다수의 상이한 곡선 형상을 포함할 수 있다는 점에서 대표적인 것으로 의도된다. 복합 포물선형 외의 형상은 종종 광학적으로 효율적이지 않지만 본 발명의 영역 내에 있는 것으로 생각된다. 트로프 집광장치의 요소의 형상 및 크기는 시스템에 들어가는 광의 집광을 최적화하도록 디자인 및 선택된다. 집광장치 영역(24)의 내부 구역은 비어 있을 수 있거나 또는 적어도 부분적으로 채워질 수 있다. 유입 말단(20)은 임의적으로 덮개를 포함할 수 있거나, 또는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 개방되어 있을 수 있다. 집광장치는 1차원 또는 2차원일 수 있으며, 이 때 2차원 실시양태는 흔히 더 많은 트래킹(tracking)을 요구하지만 더 높은 집광을 제공할 수 있다.

집광장치(12)는 넓은 범위에 걸친 소정 집광력을 갖도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 집광장치(12)의 집광력은 1차원 집광장치의 경우 예컨대 10X 내지 20X일 수 있으나, 2차원 집광장치의 경우 훨씬 더 높을 수 있다(예컨대, 100X 내지 400X). 비교적 낮거나 보통 수준의 집광은 구성요소의 열부하 및 비용을 최소화하면서 집광장치(12)가 더욱 소형이 되도록 할 수 있다. 또한, 집광장치로부터의 각도의 벌어짐을 최소화하여 가장 높은 광 분할 효율을 보장하는 것이 바람직하다. 그러므로, 집광에 대한 요구는 광선이 모듈의 상부에서 평면에 대해 수직으로 광학 모듈(14)에 들어가도록 하는 요구와 균형을 이룰 수 있다. 또한, 트로프 집광장치 실시양태를 사용하면, 하나의 차원에서만 태양 트래킹이 제공될 수 있다.

한 실시양태에서, 집광장치(12)는 7X의 집광력 및 수직 방향으로부터 +/- 2°의 수광각을 갖는다. 실제 측정치는 광범위하게 변할 수 있으나, 하나의 예시적인 집광장치(12)는 약 8cm의 높이, 약 14mm의 유입 말단(20)에서의 폭, 및 약 2mm의 유출 말단에서의 폭을 가질 수 있다.

광 분할 광학 모듈(14)은 유출 말단(22)으로부터의 광이 광학 모듈(14)의 유입 구역(40)으로 향하도록 집광장치(12)의 유출 말단(22) 아래에 위치된다. 이 구역(40)은 임의적으로 입사광(16)이 들어가는 유입 구역(40)에서 평행육면체의 상부에 위치되는 반사 방지 코팅 또는 물질(41)을 포함할 수 있다. 반사 방지 코팅(41)은 입사광의 가능한 가장 큰 양이 광학 모듈(14)에 들어가도록 하는데 도움을 준다.

본 발명의 한 실시양태에서, 전지는 광이 평행육면체에 들어가는(즉, 코팅(41)이 도시되어 있는) 말단에 위치될 수 있으며, 이 전지는 전력을 더욱 최적으로 전환시키기 위하여 최고 에너지의 광에 대한 발전기로서 작용하도록 구성될 수 있다. 따라서, 이 전지는 성능을 개선하는 평행육면체에 매우 높은 굴절률의 코어 물질을 사용 가능하게 할 수 있다. 최고 굴절률의 물질은 통상 태양 스펙트럼에서 가장 높은 에너지의 광을 흡수한다. 구조체의 상부에 부속전지가 없으면, 이 높은 에너지의 광이 전력으로 전환될 수 있기 전에 평행육면체 물질에 기생 흡수된다. 다르게는, 더 낮은 굴절률의 코어 물질이 통상 가장 높은 에너지의 광을 흡수하지 않기 때문에 이러한 더 낮은 굴절률의 코어 물질을 선택할 수 있다. 본원에 기재 및 도시되는 입사광(16)이 전형적으로는 집광장치(12)로부터 나오는 백색광임에 주목한다. 예시하기 위하여, 이 입사광(16)은 8개의 상이한 스펙트럼 대역으로 분할되는데, 이들 대역은 도면에서 8가지의 상이한 색상으로 개략적으로 도시되며, 이들 스펙트럼 대역은 아래 기재되는 시스템의 태양 전지에 의해 가공된다. 그러나, 상이한 수의 전지를 평행육면체 구조체에 사용할 수 있으며, 이러한 경우 대표적인 예는 광을 상응하는 수의 스펙트럼 대역으로 분할한다.

광학 모듈(14)은 광 스펙트럼의 소정 부분집합을 광전변환 흡수하고 전력으로 전환시킨 다음 그에 가해진 광의 나머지를 반사하도록 독립적으로 조정된 둘 이상의 광전변환 전지를 포함한다. 즉, 전지에 의해 흡수되지 않은 광은 일련의 전지중 다음 전지로 이동하게 된다. 이 이동 과정으로부터의 손실을 최소화하기 위하여, 필터를 사용하여 전지에서 전환될 수 없는 광을 반사시키고 전지를 통해 이동하지 못하도록 할 수 있다. 일반적으로, 적어도 제 1 광전변환 전지는 입사광의 제 1 스펙트럼 대역폭 부분에 가장 효율적으로 광전변환 응답하고, 제 2 광전변환 전지는 입사광의 제 2 스펙트럼 대역폭 부분에 가장 효율적으로 광전변환 응답하는 등이며, 이 때 대역은 가장 높은 에너지에서 가장 낮은 에너지의 순서로 배열된다. 예시하기 위하여, 광학 모듈(12)은 제 1 전지(42), 제 2 전지(44), 제 3 전지(46), 제 4 전지(48), 제 5 전지(50), 제 6 전지(52), 제 7 전지(54) 및 제 8 전지(56)를 비롯한 8개의 상이하게 조정된 광전변환 전지를 포함하지만, 상이한 수의 광전변환 전지를 사용할 수 있는 것으로 생각된다. 8개의 광전변환 전지 각각은 단일 또는 다중 접합 광전변환 전지일 수 있다.

도시된 바와 같이, 광학 모듈(12)의 광전변환 전지는 전지중 4개가 평행육면체 지지 구조체의 한쪽 측부(60)를 따라 일렬로 서로 인접하게 위치하고 나머지 4개의 전지가 지지 구조체의 반대쪽 측부(56)를 따라 일렬로 서로 인접하게 위치하도록 배열된다. 이 열은 일반적으로 광학 모듈(12)의 유입 구역(40)에 대해 소정 각도(예컨대, 약 45°)로 배열된다. 도시된 광 유입각(즉, 수직 입사)은, 집광장치가 사용되는 경우, 광의 적어도 일부가 광이 시스템에 들어가는 평면에 대해 수직이 아닌 각도로 들어가게 된다는 점에서, 집광장치를 통해 통과하지 않은 광에 전형적이다. 이러한 방식으로, 입사광(16)이 광학 모듈(12)의 유입 구역(40)에 들어갈 때, 이는 지지 구조체(56)를 향하는 제 1 전지(42)의 표면에 대해 45°로 유도되고, 이 표면으로부터 반사되는 광은 동일한 각도(즉, 약 45°)로 제 2 전지(44)를 향해 유도된다. 즉, 전지가 이러한 방식으로 배열되는 경우, 반사되는 광은 통상 이전 광전변환 전지와 접촉하는 각도에 대해 수직인 각도로 지지 구조체(60)를 통해 이동하게 된다.

광전변환 전지는 통상 지지 구조체(60)를 가로질러 서로 평행한 것으로 생각되지만, 이들은 서로에 대해 적어도 약간 각이 질 수 있다(예를 들어, 서로에 대해 1 내지 2°로 각을 이루거나 1° 미만 또는 2°보다 큰 각도로 각을 이룰 수 있다). 이러한 실시양태에서는, 광이 수직 입사에 매우 가깝게 입사하는 경우, 광 스펙트럼의 다양한 부분집합의 흡수 및 반사가, 전지가 서로 평행한 광학 모듈에서보다 적어도 약간 덜 효율적인데, 반사되는 광이 취하는 경로가 전지가 평행할 때와 평행하지 않을 때 약간 상이하기 때문이다. 즉, 본원에 도시 및 기재된 구조체는 일반적으로 평행육면체에 관한 것이지만, 구조체를 따라 광의 유사한 이동을 제공할 수 있는 다른 기하학적 형태도 고려된다.

본 발명의 실시양태의 지지 구조체(60)는 예를 들어 유리, 플라스틱 또는 GaP 같은 고체 물질로 제조될 수 있으나, 다른 물질도 고려된다. 일반적으로 지지 구조체(60)의 물질은 태양 스펙트럼의 대부분에 걸쳐 투명한, 비교적 높은 굴절률을 갖는 임의의 물질일 수 있다. 비교적 높은 굴절률을 갖는 지지 구조체를 사용하면 유리하게도 들어가는 광의 더 높은 굴절을 제공할 수 있으며, 이는 구조체가 들어가는 광의 더 높은 집광을 받아들이고 들어가는 광의 각 전파를 최소화하게 한다. 이는 광 손실을 최소화하는데 도움이 된다. 지지 구조체(60)의 물질은 또한 투명하고 산란성이지 않아서, 모듈(14)을 통한 광의 이동이 순조롭도록 한다.

광학 모듈(14)은 임의적으로 배면 반사장치(58)를 추가로 포함하여, 임의의 흡수되지 않은 광을 전환시키기 위해 구조체를 통해 다시 반사시킨다. 반사장치(58)는 일반적으로 광 분할 모듈(14)의 유입 구역(40)에 평행하지만, 그 유입 구역에 대해 적어도 약간 각이 질 수 있다. 이러한 배열에서, 배면 반사장치(58)는 또한 그에 인접한 광전변환 전지(예를 들어, 이 도면의 광전변환 전지(54, 56))에 대해 약 45°의 각도를 취한다. 배면 반사장치(58)는 광을 그의 원래 경로로부터 반대로 구조체를 통해 유도하기 위하여 평면일 수 있거나, 또는 구조체를 통한 광의 반대 경로를 무작위화시키도록 텍스쳐화되거나 달리 구성될 수 있다. 배면 반사장치(58)는 임의적으로는 최저 에너지의 광을 흡수하는 광전변환 전지로 대체될 수 있고, 필터를 추가로 포함할 수 있다.

모듈(14)의 광전변환 전지 각각은 중앙 전지 활성 영역(62)(태양 전지(52)에 대해 도시됨, 그러나 구조체의 모든 전지에 이 설명이 적용될 수 있음), 배면 접촉 및 반사장치(64), 하나 이상의 접촉 격자 구역(66) 및 반사 방지 코팅/필터 및 접착제를 포함할 수 있는 층(68) 같은 다수의 특징부를 포함할 수 있다. 광전변환 전지 각각은 일반적으로 그에게 가해지는 입사광의 특정 스펙트럼 대역폭 부분을 흡수하도록 조정되거나 또는 그러한 특정 밴드갭 특징을 가지며, 제 1 경로에서 흡수되지 않은 부분을 반사하도록 하는 반사장치를 포함한다. 전지는 또한 시스템의 광 포획능을 개선하기 위하여 추가적인 광학장치(예를 들어, 플라즈몬 구조체)를 가질 수 있다. 시스템(10)의 예시적인 실시양태의 광전변환 전지 각각은 아래에 일반적으로 기재되지만, 이 실시양태의 파장 및 색상은 입사광이 분할될 수 있는 다수의 방식중 하나만을 나타내는 것으로 이해된다. 광선의 색상은 예시하기 위한 것일 뿐이지만, 각각의 스펙트럼 광 대역은 그 위의 대역보다 더 낮은 에너지의 광자로 구성되며, 이것이 전지가 흡수되지 않은 광에 대해 투과성인 이유이다. 본원에 기재되는 밴드갭은 특정 평행육면체의 전지의 수를 수용하도록 조정될 수 있다. 또한, 시스템을 두 세트의 전지로 분할할 수 있는데, 이로 인해 디자인에 다른 광 분할 요소를 추가할 수 있다(예를 들어, 이색성 분할장치).

필터는 다수의 방식으로 제공될 수 있다. 한 예로서, 나노임프린팅을 이용하여 각 전지용 광학 필터를 전지가 아니라 평행육면체 상에 패턴화시킬 수 있다. 다른 예로서, 필터를 성형할 수 있다. 또한, 이용되는 임의의 구조체와 함께, 연성 회로를 사용하여 조립을 용이하게 할 수 있는데, 이 경우 전지는 평행육면체 또는 다른 기하학적 형태에 딱 맞도록 형성될 수 있는 시트 상으로 조립될 수 있다.

본 발명의 시스템과 함께 사용되는 부속전지는 전기적으로 독립적이고, 전지 상호간의 근접성 때문에 이들 사이에 절연 물질(예를 들어, 절연 중합체)을 포함할 수 있다. 광학 모듈의 구조가 전지 사이에서 광자 재순환을 허용할 수 있는 것으로 또한 생각되는데, 왜냐하면 이들 전지는 서로 광학 활성이기 때문이다.

본원에 기재 및 도시되는 바와 같이, 부속전지를 사용하여, 그 자체로 광을 분할하거나(즉, 이들의 밴드갭 위의 것만 흡수하고 배면 반사장치를 사용하여 나머지는 모두 반사시키거나) 또는 부속전지 앞에 필터를 두어 기생 손실이 있는 경우에 도움이 되도록 할 수 있다. 예를 들어, 보라색 광을 흡수하도록 디자인된 전지가 일부 적색 광을 기생 흡수한다면, 적색 광자가 이 전지에 도달할 때 이를 흡수할 수 있고 따라서 그 반사장치에서 손실된다. 필터를 가지면 보라색 광자만이 통과하고 적색 광자는 들어가지 못하도록 차단되기 때문에 손실을 완화시키는데 도움이 된다. 각각의 전지가 그 자신의 집광장치(이후 논의됨)를 갖는 구성에서는, 필터를 사용하여, 집광장치가 광이 올바른 부속전지에 도달할 때까지 광이 구조체 아래로 계속 이동하도록 하는 대신 광이 구조체 밖으로 나가지 못하게 한다.

제 1 광전변환 전지(42)는 280nm 내지 470nm의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분(이는 인디고색 광선으로 표시됨)을 흡수하도록 조정된다(예컨대, 그렇게 하도록 하는 밴드갭 특징을 갖는다). 이 파장 범위 외의 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분은 이상적으로는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 광전변환 전지(44)를 향해 반사된다.

제 2 광전변환 전지(44)는 470nm 내지 561nm의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분(이는 청색 광선으로 표시됨)을 흡수하도록 조정된다(예컨대, 그렇게 하도록 하는 밴드갭 특징을 갖는다). 이 파장 범위 외의 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분은 이상적으로는 광전변환 전지(46)를 향해 반사된다.

제 3 광전변환 전지(46)는 561nm 내지 663nm의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분(이는 청록색 광선으로 표시됨)을 흡수하도록 조정된다(예컨대, 그렇게 하도록 하는 밴드갭 특징을 갖는다). 이 파장 범위 외의 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분은 이상적으로는 광전변환 전지(48)를 향해 반사된다.

제 4 광전변환 전지(48)는 663nm 내지 761nm의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분(이는 녹황색 광선으로 표시됨)을 흡수하도록 조정된다(예컨대, 그렇게 하도록 하는 밴드갭 특징을 갖는다). 이 파장 범위 외의 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분은 이상적으로는 광전변환 전지(50)를 향해 반사된다.

제 5 광전변환 전지(50)는 761nm 내지 899nm의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분(이는 황색 광선으로 표시됨)을 흡수하도록 조정된다(예컨대, 그렇게 하도록 하는 밴드갭 특징을 갖는다). 이 파장 범위 외의 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분은 이상적으로는 광전변환 전지(52)를 향해 반사된다.

제 6 광전변환 전지(52)는 899nm 내지 1078nm의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분(이는 주황색 광선으로 표시됨)을 흡수하도록 조정된다(예컨대, 그렇게 하도록 하는 밴드갭 특징을 갖는다). 이 파장 범위 외의 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분은 이상적으로는 광전변환 전지(54)를 향해 반사된다.

제 7 광전변환 전지(54)는 1078nm 내지 1319nm의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분(이는 주홍색 광선으로 표시됨)을 흡수하도록 조정된다(예컨대, 그렇게 하도록 하는 밴드갭 특징을 갖는다). 이 파장 범위 외의 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분은 이상적으로는 광전변환 전지(56)를 향해 반사된다.

제 8 광전변환 전지(56)는 1319nm 내지 1797nm의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 대역폭 부분(이는 적색 또는 암적색 광선으로 표시됨)을 흡수하도록 조정된다(예컨대, 그렇게 하도록 하는 밴드갭 특징을 갖는다). 전지(56)에 의해 흡수된 후 잔류하는 입사광의 스펙트럼 대역폭의 임의의 부분이 존재한다면, 광의 이 부분은 이상적으로는 임의적인 배면 반사장치 또는 태양 전지(58)로 유도된다. 모든 입사광이 수직으로 평행육면체에 들어가는 시스템에서는, 이 반사장치(58)에 도달할 때까지 충분히 높은 에너지의 광자를 갖는 광이 모두 또는 대부분 흡수된다. 그러나, 시스템에서의 집광 및 비이상적인 상황으로 인해, 광의 일부가 그를 흡수할 수 있는 전지로 향하지 않게 된다. 이것이 반사장치에 도달하여 평행육면체 내로 다시 반사되는 광 부분이며, 이는 전지중 하나에 의해 흡수되거나 시스템으로부터 나갈 때까지 반대 순서로(즉, 최저 밴드갭으로부터 최고 밴드갭으로) 전지를 통해 반사될 수 있다. 그러므로, 특정 시스템에서는, 사용가능한 광이 거의 또는 전혀 반사장치(58)에 도달하지 않는다.

작동시, 8개의 광전변환 전지(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56)는 들어가는 광 및 반사되는 광이 최고 에너지로부터 최저 에너지로 흡수 및 반사되도록(즉, 자외선광이 제일 먼저 흡수되고 적외선광이 제일 나중에 흡수되도록) 배열된다. 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 입사광 부분의 각각의 연속적인 흡수 및 반사에 따라, 더 적은 스펙트럼 대역폭 부분이 연속적으로 다음 광전변환 전지로 이동하게 된다. 따라서, 흡수 및/또는 반사되는 최종 색상이 광학 모듈(14)을 통해 가장 긴 거리를 이동하게 된다. 각각의 광전변환 전지로부터 흡수된 광은 하나 이상의 전기 리드(66)와 작동가능하게 연통된다.

하기 표는, 실시예 III 내지 V의 물질 및 성장 기판(격자 매칭을 위해)과 함께, 상기 기재된 것과 같은 광학 모듈의 8개 전지 평행육면체 디자인의 예시적인 밴드갭을 보여준다.

이들 합금은 예시하고자 하는 것일 뿐이며, 고품질 성장/직접적인 밴드갭으로 인해 우수한 흡수 및 성능을 제공할 수 있는 III 내지 V 군에서의 선택을 제공한다. 또한, 이들 합금은 더 높은 물질 품질을 위해 격자-매치되어(즉, 성장 기판에서의 결함 없이) 성장하는 능력을 제공할 수 있다. 물질은, 구체적으로 밴드갭이 약간 변하더라도 효율이 비슷하게 유지되는 것과 같이, 목적하는 상태의 +/- 0.1eV 내의 전지 밴드갭으로 조정될 수 있는 특성을 포함할 수 있다.

도면에서 도시되는 광전변환 전지는 단일 접합 전지로서 도시되어 있으나, 전지는 대신 다중-접합 전지일 수 있는 것으로 생각된다. 전지는 예를 들어 박막 전지 또는 에피택셜 리프트 오프(epitaxially lifted off) 전지일 수 있다. 본 발명의 실시양태는 또한 태양 전지와 함께 좁은 필터 및/또는 반사 방지 코팅(들)의 사용을 포함할 수 있다. 반사-방지 물질이 사용되는 경우, 이들은 예컨대 3 내지 10개의 층을 포함할 수 있고, 다수개의 굴절률의 물질을 포함할 수 있다.

한 예시적인 실시양태에서, 특정 광 분할 광학 모듈(14)의 전체 높이는 약 8mm일 수 있고, 구조체의 광전변환 전지는 약 2.8mm의 길이를 갖는다. 특정 광학 모듈(14)의 광전변환 전지 각각은 동일한 물리적 치수를 가질 수 있거나, 또는 하나 이상의 전지가 구조체의 다른 전지와는 적어도 약간 상이한 치수를 가질 수 있다. 전지 크기 및 면적을 조정하여 스펙트럼을 독립적으로 조정할 수 있어서, 이 실시양태가 임의의 직렬/병렬 전기적 구성에 매우 잘 맞춰질 수 있다.

광학 모듈(14)이 8개의 태양 전지를 갖는 것으로 도시 및 기재되어 있지만, 특정 광학 모듈의 경우 이러한 태양 전지를 8개보다 많이 또는 8개보다 적게 제공할 수 있으며, 각 전지가 흡수 및 반사하는 광 스펙트럼의 특정 부분집합은 8개 셀 구조체에 대해 상기 기재된 것과 상이하다. 또한, 상기 기재된 8개의 태양 전지 각각에 관련된 파장 범위는 사용되는 특정 물질, 시스템의 조정, 상이한 파장에 대한 광학 디자인의 효율 등에 따라 더 작거나 더 클 수 있다.

본 발명의 광전변환 시스템에 의해 달성될 수 있는 비교적 높은 효율은 많은 이유에서 발생된다. 즉, 더 높은 굴절률의 물질은 광 굴절을 통해 입사하는 광선을 "강화"시키는데 도움을 줄 수 있으며, 이는 목적하는 경로를 따라 광을 유도하는데 도움을 줌으로써 더 높은 집광을 가능케 한다. 더 높은 집광은 더 높은 부속전지 성능을 가능케 하고, 따라서 집광과 높은 굴절률의 지지 구조체를 결합시켜 가장 높은 효율을 달성하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시양태에서는 다수개의 전지를 사용할 수 있는데, 이들 전지는 각각 태양 전지로부터 이용할 수 있는 전압을 최대화하는데 더 우수한 흡수 및 더 얇은 전지를 제공하는 반사장치를 가질 수 있다.

또한 도 3 및 도 4를 참조하면, 격자 같은 패턴으로 배열된 다수개의 광전변환 시스템(110)을 포함하는 모듈(100)이 도시되어 있다. 광전변환 시스템 각각은 광전변환 시스템(10)에 대해 상기 기재된 것과 같은 그 자체의 집광장치(예를 들어, 트로프 집광장치) 및 광 분할 광학 모듈을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 시스템(110)은 비교적 조밀하게 팩킹된 방식으로 열 및 행으로 배열되는데, 하나의 예시적인 실시양태는 14cm의 폭(120) 및 15cm의 깊이(122)를 갖는다. 그러나, 시스템(110)은 특정 모듈(100) 내에서 서로 적어도 약간 이격될 수 있다. 이러한 유형의 모듈은 유리하게는 소정 면적에 걸쳐 비교적 많은 수의 집광장치를 입사광에 노출시킬 수 있다. 1개 또는 다수개의 모듈이 다시 공통의 틀에 장치될 수 있는데, 전체 틀 및/또는 개별적인 모듈은 트래킹 또는 비-트래킹 특징부를 포함할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 모듈은 유체 및/또는 공기가 평행육면체 사이에서 유동하여 전지의 배면을 냉각시키도록 배열된다. 본 발명의 실시양태에서는, 1축 트래킹을 이용할 수 있고, 다른 실시양태에서는 2축 트래킹을 또한 이용할 수 있는 낮은 수준의 집광(예를 들어, 5X 내지 6X) 또는 높은 수준의 집광(예컨대, 100X 이상) 같은 상이한 수준의 집광 및 트래킹을 이용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 광전변환 시스템을 사용하는 광 손실에 대한 집광의 예시적인 효과를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 이 그래프는 상이한 굴절률을 갖는 물질에 대한 1차원 복합 포물선형 집광장치로부터의 집광 수준 증가에 있어서 광 손실의 백분율을 도시한다. 도시된 바와 같이, 집광이 증가함에 따라 광 손실을 최소화하기 위하여, 더 높은 굴절률의 슬래브(slab)의 중요성도 증가한다(예를 들어, 공기보다 더 높은 굴절률). 이는 더 높은 집광이, 입사광이 도 2에 도시된 것(예컨대, 45° 각도로 제 1 태양 전지에 도달함)과 유사한 광 경로를 허용하는 수직 유입각으로부터 더 벗어나도록 한다는 사실에 기인한다. 제한된 유출각 범위와 함께 더 높은 굴절률의 슬래브 및/또는 집광장치가 이 문제를 최소화할 수 있다. 또한, 더 우수한 부속전지 성능을 위해 더 높은 집광이 요구된다고 해도, 광 분할을 효과적으로 수행하기 위해 광 손실을 바람직하게 최소화한다.

도 6은 일반적으로 집광장치(112), 광 분할 광학 모듈(114) 및 일련의 2차 집광장치(115)를 포함하는 본 발명에 따른 다른 광전변환 시스템(110)을 도시한다. 시스템(10)에 대해 상기 논의된 바와 같이, 모듈(114)은 통상 평행육면체 구조로 배열된 둘 이상의 광전변환 전지(118)를 포함하는데, 도 6은 각각 하나 이상의 필터를 포함하는 이러한 전지(118) 7개를 갖는 예시적인 실시양태를 도시한다. 이러한 전지중 6개는 평행육면체의 측부에 있고, 하나의 전지는 바닥에 있다. 이 실시양태에 따라, 추가적인 또는 2차 집광장치(115)를 제공하여 각 필터 또는 전지(118)로부터의 광을 집광함으로써, 1차 집광, 광 분할, 및 2차 집광을 포함하는 광 경로를 제공한다.

도 7은 통상 광 분할 광학 모듈(214) 및 일련의 집광장치(215)를 포함하는 본 발명에 따른 다른 광전변환 시스템(210)을 도시한다. 시스템(110)에 대해 상기 논의된 바와 같이, 모듈(214)은 둘 이상의 광전변환 전지(218)를 포함하는데, 도 7은 각각 하나 이상의 필터를 포함하는 이러한 전지(218) 7개를 갖는 예시적인 실시양태를 제공한다. 이 실시양태에 따라, 집광장치(215)를 제공하여 각 필터 또는 전지(218)로부터의 광을 집광함으로써, 광의 1차 또는 초기 집광 없이 광 분할 및 집광을 포함하는 광 경로를 제공한다.

몇 가지 실시양태를 참조하여 본 발명을 기재하였다. 본원에서 밝힌 임의의 특허 또는 특허원의 전체 개시내용은 본원에 참고로 인용된다. 단지 이해의 명료성을 위해 상기 상세한 설명 및 실시예를 기재하였다. 이로부터 불필요한 제한을 생각하지 않아야 한다. 당 업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않으면서 기재된 실시양태에 다수의 변화를 만들 수 있음을 알게 될 것이다. 그러므로, 본 발명의 영역은 본원에 기재된 구조로 한정되지 않아야 하며, 특허청구범위의 용어에 의해 기재된 구조 및 이들 구조의 등가물에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims

광을 받아들이기 위한 유입 말단, 제 1 측부, 및 제 1 측부로부터 이격된 제 2 측부를 포함하는 입체 광학 요소(solid optical element);
입체 광학 요소의 제 1 측부에 인접한 제 1 태양 전지; 및
입체 광학 요소의 제 2 측부에 인접한 제 2 태양 전지
를 포함하는, 입사광을 전기 에너지로 전환시키는 광 분할 광학 모듈로서, 이 때
상기 모듈은,
입사광의 제 1 부분집합(subset)을 흡수하고 입사광의 제 1 나머지를 입체 광학 요소를 통해 제 2 태양 전지로 반사시키도록 위치하는 제 1 태양 전지, 또는
입체 광학 요소의 제 1 측부에 인접한 제 1 필터 및 입체 광학 요소의 제 2 측부에 인접한 제 2 필터
를 사용하여, 상기 전지들 중 하나 이상에 상기 입사광이 흡수되도록 구성되고,
상기 제 1 태양 전지는 제 2 태양 전지보다 더 높은 밴드갭(bandgap)을 갖고,
상기 제 1 필터는 입사광의 제 1 부분집합을 투과시키고 입사광의 제 1 나머지를 입체 광학 요소를 통해 제 2 필터로 반사시키는, 광 분할 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 광학 모듈이, 입사광을 모으고 집광하는 집광 요소(optical concentrator element)와 조합되며,
상기 집광 요소가 광을 입체 광학 요소의 유입 말단으로 향하게 하는, 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 광학 모듈이,
입체 광학 모듈의 폭을 가로질러 서로 이격된 제 1 태양 전지 및 제 2 태양 전지를 포함하는 제 1 태양 전지 쌍; 및
입체 광학 요소의 폭을 가로질러 서로 이격된 제 3 태양 전지 및 제 4 태양 전지를 포함하는 제 2 태양 전지 쌍
을 추가로 포함하고,
상기 제 1 태양 전지 쌍이 제 2 태양 전지 쌍에 인접하며,
상기 제 1 태양 전지 쌍 및 제 2 태양 전지 쌍이 평행육면체(parallelepiped) 구조체의 일부를 구성하는, 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 광학 모듈이, 광의 부분집합이 각각의 태양 전지에 의해 연속적으로 흡수되고 광의 나머지가 반사되도록 직렬로 배열된 제 1 태양 전지와 제 2 태양 전지 및 둘 이상의 추가적인 태양 전지를 추가로 포함하며, 이 때
각 후속 태양 전지에서 흡수 및 반사에 이용될 수 있는 광의 양이 감소하는, 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
입체 광학 요소의 유입 말단 반대쪽 말단에 배면 반사장치를 추가로 포함하는 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
입체 광학 요소의 유입 말단 반대쪽 말단에 태양 전지를 추가로 포함하는 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 태양 전지 및 제 2 태양 전지 각각이 활성 전지 영역, 활성 전지 영역의 제 1 측부에 인접한 반사 방지 표면, 및 활성 전지 영역의 제 2 측부에 인접한 반사장치 표면을 포함하는, 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 태양 전지 및 제 2 태양 전지 각각이 전기적으로 독립적인, 광학 모듈.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 태양 전지 쌍 및 제 2 태양 전지 쌍 각각의 태양 전지가 서로에 대해 평행하고, 입체 광학 요소의 유입 말단에 대해 약 45°로 배열되는, 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 태양 전지가 제 1 필터와 광학적으로 접촉되고, 제 2 태양 전지가 제 2 필터와 광학적으로 접촉되는, 광학 모듈.
제 10 항에 있어서,
제 1 필터와 제 1 태양 전지 사이에 위치하는 제 1 집광 요소를 추가로 포함하는 광학 모듈.
제 10 항에 있어서,
상기 광학 모듈이, 입사광을 모으고 집광하는 제 2 집광 요소와 조합되며,
상기 집광 요소가 광을 입체 광학 요소의 유입 말단으로 향하게 하는, 광학 모듈.
제 11 항에 있어서,
상기 광학 모듈이, 입사광을 모으고 집광하는 제 2 집광 요소와 조합되며,
상기 집광 요소가 광을 입체 광학 요소의 유입 말단으로 향하게 하는, 광학 모듈.
유입 말단 및 유출 말단을 포함하는, 들어가는 입사광을 모으고 집광하기 위한 집광 요소; 및
집광 요소의 유출 말단과 광학적으로 연통되는 유입 말단, 제 1 측부, 및 제 1 측부와 이격된 제 2 측부를 포함하는 입체 광학 요소; 입체 광학 요소의 제 1 측부에 인접한 제 1 태양 전지; 및 입체 광학 요소의 제 2 측부에 인접한 제 2 태양 전지를 포함하는 광 분할 광학 모듈
을 포함하는, 입사광을 전기 에너지로 전환시키는 광전변환 시스템으로서,
상기 제 1 태양 전지가, 입사광의 제 1 부분집합을 흡수하고 입사광의 제 1 나머지를 입체 광학 요소를 통해 제 2 태양 전지로 반사시키도록 위치하는, 광전변환 시스템.
제 14 항에 있어서,
상기 입사광이 광 스펙트럼의 복수개의 부분집합을 포함하고,
상기 광 스펙트럼을 갖는 집광된 광이 집광 요소의 유출 말단에서 나오며,
상기 광전변환 시스템이,
광의 제 1 나머지로부터의 광 스펙트럼의 제 2 부분집합을 흡수하고 광의 제 2 나머지를 반사시키기 위한 제 2 태양 전지,
광의 제 2 나머지로부터의 광 스펙트럼의 제 3 부분집합을 흡수하고 광의 제 3 나머지를 반사시키기 위한 제 3 태양 전지, 및
광의 제 3 나머지로부터의 광 스펙트럼의 제 4 부분집합을 흡수하고 광의 제 4 나머지를 반사시키기 위한 제 4 태양 전지
를 추가로 포함하며,
상기 광학 모듈이, 집광된 광을 굴절시키는 입체 평행육면체 구조체를 포함하는, 광전변환 시스템.