KR20150048841A - Photovoltaic system including light trapping filtered optical module - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 광 랜덤화 유전체 슬랩; 상기 슬랩의 제 1 면에 인접한 것으로서, 상기 유전체 슬랩의 흡수 개시 에너지보다 낮은 에너지의 밴드갭을 갖는 제 1 전지; 상기 유전체 슬랩의 제 2 면과 광학적으로 접촉하는 하나 이상의 필터 구성요소; 및 복수 개의 광전지 서브-전지를 포함하는 서브-전지 어레이로서, 상기 서브-전지들 중 하나 이상이, 상기 하나 이상의 필터 구성요소와 광학적으로 접촉하고 있는 제 1 면을 포함하는, 서브-전지 어레이를 포함하는 광 포획 광학 모듈을 포함하는, 입사광을 전기 에너지로 전환시키는 광전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a photoregulated dielectric slab having a first side and a second side; A first battery adjacent to the first surface of the slab, the first battery having a bandgap of energy lower than the absorption start energy of the dielectric slab; At least one filter component in optical contact with a second surface of the dielectric slab; And a sub-cell array comprising a plurality of photovoltaic cell sub-cells, wherein at least one of the sub-cells comprises a first side in optical contact with the at least one filter component, And more particularly to a photovoltaic system for converting incident light into electrical energy, including a light trapping optical module including a light trapping optical module.
Description
본 발명은 입사광을 전기 에너지로 전환하는 광전 소자(photovoltaic device)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 서브-전지 어레이에 연결된 유전체 슬랩(dielectric slab)을 포함하는 광 포획 광학 모듈을 포함하는 광전 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a photovoltaic device for converting incident light into electrical energy. More specifically, the invention relates to a photoelectric device comprising a light trapping optical module comprising a dielectric slab connected to a sub-cell array.
우선권preference
본 특허 출원은, '풀 스펙트럼, 초고 효율 태양 에너지 전환을 위한 광학 소자'를 제목으로 하는, 2012년 8월 30일자로 출원된, 미국 가특허 출원 제 61/695,216 호, 및 '광 포획 여과 광학 모듈을 포함하는 광전지 시스템'을 제목으로 하는, 2013년 1월 25일자로 출원된, 미국 가특허 출원 제 61/756,804 호를 우선권으로 주장하며, 이들 가특허 출원 전체를 본원에 참고로 인용한다.
This patent application is a continuation-in-part of US Provisional Patent Application No. 61 / 695,216 filed on August 30, 2012 entitled " Optical Element for Full Spectrum, Ultra High Efficiency Solar Energy Conversion & Filed on January 25, 2013, entitled " Photovoltaic System Including Modules, " filed on January 25,2003, which is incorporated herein by reference in its entirety.
태양 전지 또는 PV 전지로도 지칭될 수도 있는 광전지는, 태양광과 같은 입사광을 전기 에너지로 전환하기에 유용하다. 이러한 전지들은, 예를 들어 본질적으로 낮은 전환 효율과 함께 구체적으로 한정된 밴드갭을 전형적으로 제공하는 단일 접합 전지로서 제공될 수 있다. 이것은, 상기 전지의 단일 밴드갭보다 높은 에너지를 갖는 광자만이 유용한 일(work)을 생성하기 위해서 사용될 수 있기 때문이고, 상기 전지의 밴드갭보다 큰 광자의 본질적으로 모든 에너지가 열로 열중성자화(thermalize)되기 때문이다. 따라서, 단일 접합은 광전지적으로 스펙트럼의 단지 일부분에 반응하여, 이것이 반응하는 대부분의 파장에 대해 매우 효율적인 것은 아니다. 따라서 태양 전지의 효율을 증가시키는 많은 방법들이 사용되고 제안되고 있다. Photovoltaic cells, which may also be referred to as solar cells or PV cells, are useful for converting incident light such as sunlight into electrical energy. Such cells can be provided, for example, as a single junction cell, which typically provides a specifically defined bandgap with essentially low conversion efficiency. This is because only photons having energy higher than the single band gap of the cell can be used to produce useful work and essentially all of the energy of the photons greater than the bandgap of the cell is thermally neutralized by heat thermalize). Thus, a single junction is photoelectrically responsive to only a portion of the spectrum, and is not very efficient for most of the wavelengths it reacts to. Therefore, many methods for increasing the efficiency of solar cells have been used and proposed.
보다 높은 광전지 효율을 달성하기 위해 사용되는 하나의 일반적인 방법은, 태양광을 단일 접합 태양 전지보다는 다중접합 태양 전지에 제공하는 것이다. 다중접합 전지는 보다 높은 에너지의 광자가, 높은 밴드갭을 갖는 전지에 의해 전환되도록 하여서, 열중성자화를 최소화하면서, 중간 파장이 중간 밴드갭을 갖는 전지로 가도록 한다. 다중접합 전지는 최적의 단일 접합 전지가 제공하는 것보다 에너지 측면에서 보다 낮은 바닥 접합(bottom junction)을 제공함으로써 전체 스펙트럼 반응을 확대시킨다. 이러한 다중접합 태양 전지는, 밴드갭 에너지가 태양 스펙트럼을 포괄하도록 선택된 특정한 반도체 물질로 구성된다. 최고 밴드갭보다 큰 에너지를 갖는 광자는, 먼저 최고 에너지 갭 서브-전지에 의해 수집된다. 보다 낮은 에너지의 광자는 최고 에너지 밴드갭 서브-전지를 통과하고 그다음 최고 에너지 밴드갭의 서브-전지에 도달한다. 이러한 패턴은 최저 에너지 밴드갭을 갖는 서브-전지까지 계속된다. 이러한 방식으로서, 열중성자화되어 열로서 손실되는 에너지인, 흡수 전지의 밴드갭보다 큰 흡수된 광자의 에너지가 최소화된다. 추가로, 보다 많은 갯수의 밴드갭은 일반적으로, 최적화된 경우에, 총 태양 스펙트럼의 보다 큰 부분이 단일 접합 전지에 비해 다중접합 전지에 의해 흡수될 수 있음을 의미한다. One common method used to achieve higher photovoltaic efficiency is to provide sunlight to multiple junction solar cells rather than single junction solar cells. The multi-junction cell allows higher energy photons to be converted by a cell having a higher band gap, thereby allowing the intermediate wavelength to go to a cell having an intermediate band gap while minimizing thermal neutronization. Multijunction cells expand the overall spectral response by providing a lower bottom junction in terms of energy than the best single junction cell provides. Such a multi-junction solar cell is composed of a specific semiconductor material whose band gap energy is selected to encompass the solar spectrum. Photons with energies greater than the highest band gap are first collected by the highest energy gap sub-cell. The lower energy photons pass through the highest energy band gap sub-cell and then to the sub-cell with the highest energy band gap. This pattern continues to a sub-cell having the lowest energy bandgap. In this way, the energy of the absorbed photons, which is greater than the bandgap of the absorbing cell, which is the energy that is thermally neutronized and lost as heat, is minimized. In addition, a greater number of band gaps generally means that, when optimized, a larger portion of the total solar spectrum can be absorbed by the multiple junction cell compared to a single junction cell.
다중접합 태양 전지가 단일 접합 태양 전지에 비해 장점을 제공하지만, 입사 태양광을 분열하고 상이한 태양 전지로 광을 향하게 하도록 사용되는 광 분열 광학제품의 사용으로 추가 효율 개선이 달성될 수 있다. 광의 보다 좁은 밴드는 상이한 밴드갭을 갖는 서브-전지들로, 및/또는 상이한 세트의 밴드갭을 갖는 다중접합 전지로 향한다. 각각 표적화된 서브-전지는, 에너지 전환의 최적화를 보조하기 위해서, 여기로 향하는 스펙트럼 밴드로 재단된 밴드갭을 갖도록 고안된다. 즉, 분할 광학소자는 입사광을 분절로 또는 슬라이스로 나누고 그다음 상기 슬라이스들이 독립적으로 적절한 밴드갭을 갖는 광전지 서브-전지로 향하도록 한다. Although multiple junction solar cells provide advantages over single junction solar cells, additional efficiency improvements can be achieved through the use of a photomultiplier optical product that is used to split incident solar light and direct the light to a different solar cell. Narrower bands of light are directed to sub-cells having different band gaps, and / or to multiple junction cells having different sets of band gaps. Each targeted sub-cell is designed to have a bandgap tailored to the excitation spectrum to assist in optimizing energy conversion. That is, the split optical element divides incident light into segments or slices, and then allows the slices to independently point toward a photovoltaic sub-cell having an appropriate bandgap.
태양 전환 효율을 개선하기 위해서 스펙트럼-분할 광학 소자를 사용하는 광전지 시스템이 특허 및 기술 문헌에 설명되어 있다. 그 예로는 미국특허 공개공보 제 2011/0284054 호(원래스(Wanlass)); 구(Gu) 등의 문헌[Renewable Energy and the Environment Technical Digest, "Common-Plane Spectrum-Splitting Concentrating Photovoltaic Module Design and Development," pp. 1-3 (2011)]; 이메네스(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)]; 김(Kim) 등의 문헌[Optics Express, "Organic Photovoltaic Cell in Lateral-Tandem Configuration Employing Continuously-Tuned Microcavity Sub-Cells," 16(24) 19987-19994 (2008)]; 고에츠베르거 등의 문헌[Solar Energy Materials and Solar Cells, "Light Trapping, a New Approach to Spectrum Splitting," 92(12) 1570-1578 (2008)]; 및 피터(Peters)의 문헌[Ian Marius, "Photonic Concepts for Solar Cells" (2009), Dissertation, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems]을 들 수 있다.Photovoltaic systems using spectrally-split optical elements to improve solar conversion efficiency are described in the patent and technical literature. Examples include U.S. Patent Application Publication No. 2011/0284054 (Wanlass); Gu, et al., Renewable Energy and Environment Technical Digest, "Common-Plane Spectrum-Splitting Concentrating Photovoltaic Module Design and Development," 1-3 (2011); Imenes et al., "Solar Energy Materials and Solar Cells," Spectral Beam Splitting Technology for Increased Conversion Efficiency in Solar Concentrating Systems, A Review, 84: 19-69 (2004); Optics Express, "Organic Photovoltaic Cell in Lateral-Tandem Configuration Employing Continuously-Tuned Microcavity Sub-Cells," 16 (24) 19987-19994 (2008); Solar Energy Materials and Solar Cells, "Light Trapping, a New Approach to Spectrum Splitting," 92 (12) 1570-1578 (2008); And Peters (Ian Marius, "Photonic Concepts for Solar Cells" (2009), Dissertation, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems).
태양 전지에 의한 스펙트럼 분할 기법을 사용하는 광전지 시스템은 입사광의 전기 에너지로의 전환 효율을 개선시키지만, 보다 높은 효율을 허용하는 시스템을 제공할 필요가 계속되고 있다.
A photovoltaic system using a solar cell spectral resolution technique improves the conversion efficiency of incident light into electrical energy, but there is a continuing need to provide a system that allows for higher efficiency.
본 발명은 광 포획 여과 집광 장치로서 지칭될 수도 있는 것으로서, 입사광을 전기 에너지로 전환시키기 위한 광전지 시스템에 관한 것이다. 이러한 시스템은 태양 전지의 성능을 개선시켜서 보다 높은 전환 효율을 달성할 수 있도록 사용될 수 있다. 본 발명의 실시양태는 일반적으로, 어레이로 배열된 복수 개의 광전지 서브-전지를 갖는 광 포획 광학 모듈, 및 입사광을 포획하여 포획된 광을 광전지 서브-전지로 수송하는 유전체 슬랩을 포함한다. 유전체 슬랩은, 예를 들어 550nm 파장에서, 2.0 초과와 같은 비교적 높은 굴절 지수를 갖는 물질로 구성된다. 추가로, 유전체 슬랩의 바닥에 패턴화되거나 그 위에 침착될 수 있는 필터 구성요소 또는 어레이가 제공되며, 서브-전지들은 이러한 필터 구성요소 또는 어레이에 부착될 수 있다. 다시 말해서, 슬랩 바닥부는 필터로서 작용하도록 특정한 양식으로 구성될 수 있다. 대안으로, 필터 구성요소 또는 어레이는 서브-전지의 상부에 형성되거나 그 위에서 성장될 수 있다. 어느 경우에나, 필터 구성요소는 복수 개의 서브-전지와 유전체 슬랩 사이에 배치되어서, 광이 서브-전지에 도달하기 이전에 광을 목적하는 대로 여과할 수 있다. 필터 구성요소는, 하나 이상의 차원에서 슬랩의 바닥면 위에 패턴화될 수도 있는 광 결정일 수도 있다. 하나의 예에서, 광 결정은 3-차원으로 패턴화되어서 모든 방향으로 간섭을 제공할 수도 있다. 광 포획 광학 모듈은 유전체 슬랩 위에 배치된 전지 및/또는 유전체 슬랩의 상부면에 반사방지 코팅을 포함할 수 있다. The present invention relates to a photovoltaic system for converting incident light into electrical energy, which may be referred to as a light trapping and collecting device. Such a system can be used to improve the performance of a solar cell to achieve higher conversion efficiency. Embodiments of the present invention generally include an optical capture optical module having a plurality of photovoltaic sub-cells arranged in an array, and a dielectric slab for capturing incident light and transporting the captured light to the photovoltaic sub-cells. The dielectric slab is composed of a material having a relatively high refractive index, for example at a wavelength of 550 nm, such as above 2.0. In addition, there is provided a filter element or array that may be patterned or deposited on the bottom of the dielectric slab, and the sub-cells may be attached to such a filter element or array. In other words, the slab bottom can be configured in a specific manner to act as a filter. Alternatively, the filter component or array may be formed on or grown on top of the sub-cell. In any case, the filter component is disposed between the plurality of sub-cells and the dielectric slab, so that the light can be filtered as desired before the light reaches the sub-cell. The filter component may be a photonic crystal that may be patterned on the bottom surface of the slab in one or more dimensions. In one example, the photonic crystal may be patterned in three dimensions to provide interference in all directions. The optical capture optical module may include an antireflective coating on the top surface of the battery and / or dielectric slab disposed over the dielectric slab.
광은, 유전체 슬랩 내부에서 랜덤화(randomize)되어서, 모든 방향으로 산란될 수 있다. 랜덤화는 슬랩의 상부면 및/또는 슬랩 물질 자체 내부에서 발생할 수 있다. 상기 시스템의 서브-전지는 단일 접합 또는 다중접합 전지, 예를 들어 3중 접합 전지일 수 있다. 본 발명의 실시양태에서, 시스템을 위한 다중 서브-전지는 제 1 세트의 밴드갭을 갖는 서브-전지의 제 1 그룹, 및 제 2 세트의 밴드갭을 갖는 서브-전지의 제 2 그룹을 포함할 수 있고, 필터 어레이는 서브-전지의 제 1 그룹 및 제 2 그룹에 각각 해당하는 제 1 및 제 2 필터 영역을 포함한다. 예시적인 실시양태에서, 제 1 및 제 2 필터 영역이 서양 장기판 유형의 패턴으로 배열되어서, 제 1 세트의 서브-전지들은 제 1 세트의 필터와 정렬되고 제 2 세트의 서브-전지들은 제 2 세트의 필터들과 정렬된다. The light is randomized inside the dielectric slab and can be scattered in all directions. Randomization can occur on the top side of the slab and / or inside the slab material itself. The sub-cell of the system may be a single junction or multiple junction cell, for example a triple junction cell. In an embodiment of the present invention, multiple sub-cells for a system include a first group of sub-cells having a first set of band gaps and a second group of sub-cells having a second set of band gaps And the filter array includes first and second filter regions corresponding to the first and second groups of sub-cells, respectively. In an exemplary embodiment, the first and second filter regions are arranged in a pattern of an oblong plate type so that the first set of sub-cells is aligned with the first set of filters and the second set of sub- ≪ / RTI >
광전지 시스템은, 단일 광학 집광 구성요소 또는 다중 광학 집광 구성요소를 포함할 수도 있는 광학 집광 모듈을 선택적으로 포함할 수 있되, 여기서 다중 구성요소를 포함하는 시스템은 비교적 높은 수준으로 집광하면서 비교적 조밀한 집광 모듈을 제공하기 위해서 직렬로 배열될 수 있다. 예를 들면, 광학 집광 모듈은 제 1 광학소자인 프레스넬(Fresnel) 렌즈 및 제 2 광학소자인 복합 포물형 집광장치(compound parabolic concentrator)의 조합을 포함할 수 있다. 광학 집광 모듈의 출력은 비교적 작은 천공일 수 있고, 예를 들어 이것은 이러한 출력을 수용하는 광 포획 광학 모듈의 영역과 정렬된 비교적 작은 천공일 수 있다. The photovoltaic system may optionally include an optical condensing module, which may include a single optical condensing component or multiple optical condensing components, wherein the system comprising multiple components is configured to condense at relatively high levels, May be arranged in series to provide modules. For example, the optical condensing module may comprise a combination of a Fresnel lens, which is a first optical element, and a compound parabolic concentrator, which is a second optical element. The output of the optical condensing module may be a relatively small perforation, for example it may be a relatively small perforation aligned with the area of the optical capturing optical module that accommodates this output.
하나의 구체적인 실시양태에서, 입사광을 전기 에너지로 전환시키는 광전지 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 제 1 면과 제 2 면을 갖는 광 랜덤화 유전체 슬랩을 포함하는 광 포획 광학 모듈, 및 유전체 슬랩의 제 1 면에 인접한 제 1 전지를 포함하되, 여기서 상기 제 1 전지는 유전체 슬랩의 흡수 개시의 에너지보다 낮은 에너지의 밴드갭을 갖는다. 상기 시스템은 추가로 유전체 슬랩의 제 2 면과 광학적 접촉하고 있는 하나 이상의 필터 구성요소, 및 복수 개의 광전지 서브-전지를 포함하는 서브-전지 어레이를 포함하되, 상기 서브-전지들 중 하나 이상이 하나 이상의 필터 구성요소와 광학적으로 접촉하고 있는 제 1 면을 포함한다.
In one specific embodiment, a photovoltaic system is provided for converting incident light into electrical energy. The system includes a light capturing optical module comprising a photoregulated dielectric slab having a first side and a second side, and a first battery adjacent the first side of the dielectric slab, wherein the first cell is a dielectric slab And has a bandgap of energy lower than the energy of initiation of absorption. The system further includes a sub-cell array comprising one or more filter components and a plurality of photovoltaic sub-cells in optical contact with a second side of the dielectric slab, wherein one or more of the sub- And a first surface in optical contact with the filter component.
본 발명은 첨부된 도면을 참고하여 추가로 설명될 것이며, 여기서 몇몇의 도면 전반에서 유사한 구조는 유사한 번호로 표시된다.
도 1은, 광학 집광 구성요소를 포함하는, 본 발명의 광전지 시스템의 일부의 투시도이다.
도 2는, 도 1의 광학 집광 구성요소와 함께 도시된 유형의 광 포획 여과 집광 장치의 확대 투시도이다.
도 3은, 도 2에 도시된 유형의 광전지의 확대 투시도이다.
도 4는, 상부 흡수 전지를 포함하지 않는, 광 포획 여과 집광 장치의 확대 투시도이다.
도 5는, 인쇄된 회로판으로 도입될 수 있는 본 발명의 광 포획 여과 집광 장치의 투시도이다.
도 6은, 유전체 광 포획 슬랩의 굴절 지수 및 전지의 갯수와 관련하여 광학 효율을 최대화하기 위한 디자인 공간을 나타내는 3차원 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 개념 및 장치를 사용하여, 집광 기능으로서 예시적인 장치의 효율을 나타내는 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be further elucidated with reference to the accompanying drawings, wherein like structure throughout the several figures are represented by like numerals.
1 is a perspective view of a portion of a photovoltaic system of the present invention, including an optical focusing component;
Figure 2 is an enlarged perspective view of a light trapping and filtering light concentrating device of the type shown with the optical focusing component of Figure 1;
Figure 3 is an enlarged perspective view of the photovoltaic cell of the type shown in Figure 2;
Fig. 4 is an enlarged perspective view of a light trapping and filtering light condensing device which does not include an upper absorption cell.
5 is a perspective view of a light trapping and filtering light concentrating device of the present invention which can be introduced into a printed circuit board.
6 is a three-dimensional graph showing a design space for maximizing optical efficiency with respect to the refractive index of the dielectric light trapping slab and the number of cells.
Fig. 7 is a graph showing the efficiency of an exemplary apparatus as a light collecting function, using the concept and apparatus of the present invention. Fig.
후술하는 본 발명의 실시양태는 하기 상세한 설명에서 개시한 구체적인 형태로 본 발명을 제한하거나 완전한 것으로 하고자 하지 않는다. 오히려, 당업계의 다른 숙련자들이 본 발명의 원리 및 수행을 이해하고 인식할 수도 있도록 상기 실시양태들이 선택되고 설명된다. 이 명세서 전반에 걸쳐서 인용된, 모든 특허, 계류중인 특허 출원, 특허 공개 공보, 및 기술적 문헌들은, 모든 목적을 위해서 이들의 각각의 전체가 참고문헌으로 본원에서 인용된다. The embodiments of the present invention described below do not intend to limit or complete the present invention in the specific form disclosed in the following detailed description. Rather, the embodiments are chosen and described so that others skilled in the art may understand and appreciate the principles and practice of the invention. All patents, pending patent applications, patent publications, and technical literature cited throughout this specification are herein incorporated by reference in their entirety for all purposes.
도면들을 참고하면, 우선 도 1 내지 3을 참고하면, 본 발명의 광전지 시스템(10)의 예시적인 실시양태가 도시되어 있되, 이는 일반적으로 선택적인 광 집광장치 또는 광학 집광 모듈(12), 및 광 포획 광학 모듈(14)을 포함한다. 시스템(12)은 하기에서 추가로 상세하게 설명하는 바와 같이, 입사광을 전기 에너지로 광전지 전환시키기 위해서 사용될 수 있다. 집광 장치가 제공되면, 상기 시스템(10)은 선택적으로 광 포획 여과 집광 장치로 지칭될 수도 있다. Referring to the drawings, there is shown an exemplary embodiment of a
광학 모듈(14)은 일반적으로 (예를 들어 광학 집광 모듈에 의해 또는 태양에 의해 직접) 제공된 광을 포획하고 상기 광을 복수 개의 광전지들 또는 서브-전지들(22,22')로 수송할 수 있는 유전체 슬랩 또는 층(24)을 포함한다. 본원에 사용된 서브-전지들은 그의 구조 측면에서 변할 수 있지만, 일반적으로, 광 스펙트럼-분할 또는 여과 구성요소로부터 특정 범위의 파장의 광을 수용하고 그 위에 영향을 주는 일정 범위의 파장에 매칭되는 밴드갭 또는 일련의 밴드갭을 갖는, 단일 접합 또는 다중접합 광전지 태양 전지를 포함한다. 하나의 예를 들면, 적색 파장은 적색광을 위해 최적화된 밴드갭을 갖는 서브-전지를 향하고, 녹색 파장은, 녹색광을 위해 최적화된 서브-전지를 향한다. 필터들은, 밴드갭 전지의 경우에, 선택적으로 사용될 수 있되, 전지에서의 기생 흡수에 따라, 개선된 효율을 제공할 수 있다.The
본 발명의 실시양태에서, 유전체 슬랩(24)의 한쪽과 접촉하는 상부 전지(26)가 제공되는 반면, 서브-전지들은 유전체 슬랩(24)의 다른쪽과 광학적으로 접촉되어 있다. 일반적으로, 모듈(14)의 구성요소들이 서로 광학적으로 접촉하고 있는 경우, 이들은 물리적으로 밀접하게 접촉하고, 바람직하게는 임의의 간격이 광의 파장보다도 상당히 작아서, 이는 종종 본원에서 "유효 접촉(operative contact)"으로 지칭한다. 임의의 경우에, 다양한 표면들 사이의 굴절 지수의 차이 또는 간격을 최소화하고/하거나 반사를 줄이기 위해서 여러층의 코팅을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the sub-cells are in optical contact with the other side of the
유전체 슬랩(24)의 하나의 실시양태는, 전기적으로 비-전도체이고 높은 굴절 지수(즉, 550nm에서 2.0 초과, 또는 바람직하게는 550nm에서 3.0 초과)의 고체 물질, 예를 들어 GaP 또는 티타니아이며, 다른 물질도 고려된다. 일반적으로, 유전체 슬랩(24)을 위한 물질은 대부분의 태양광 스펙트럼 전체에 걸쳐서 관심있는 파장(즉, 상부 전지에 의해 흡수되고 전기 에너지로 전환된 파장에 비해 에너지 측면에서 보다 낮은 파장)에 대해 투과성인 비교적 높은 굴절 지수를 갖는 임의의 물질일 수 있다. 이러한 높은 굴절 지수는, 광이 서브-전지들 중 하나에 의해 흡수되기 이전에, 슬랩(24)으로 도입되는 광을 포획하는 것을 보조할 것이다. 유전체 슬랩(24)은 입사광이 모든 방향으로 산란되도록 입사광을 랜덤화하도록 슬랩 내부에 산란기 및/또는 상부면 위의 텍스쳐링(texturing)을 포함한다. 이러한 텍스쳐링은 슬랩의 표면 위에 물리적 텍스쳐로서 제공될 수 있되, 여기서 텍스쳐 그 자체는 마이크로복제된(microreplicated) 표면(예를 들어, 에칭되고 마이크로복제된 표면)으로 달성될 수 있는 것과 같이, 불규칙하거나 더욱 질서-정연할 수 있다. 본원에서 구체적으로 설명된 것 이외에, 광의 랜덤화을 제공하기 위해서 많은 유형의 구조 및 배열이 사용될 수 있다. One embodiment of the
유전체 슬랩의 두께는, 특정 성능 특성을 달성하도록 하는 특성을 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 적어도 서브-전지들의 폭과 같은 두께를 갖는 슬랩을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 하나의 예에서, 시스템은 각각의 측면에서 약 1mm인 서브-전지, 및 약 1mm 두께를 갖는 유전체 슬랩을 포함한다. 비교적 얇은 슬랩의 경우, 일정 열에서 동일한 전지 유형을 2회씩 때리는 광선의 분획이, 보다 두꺼운 슬랩에 비해 비교적 높다. The thickness of the dielectric slab may be selected to have characteristics that allow it to achieve certain performance characteristics. For example, it may be desirable to provide a slab having a thickness at least equal to the width of the sub-cells. In one example, the system includes a sub-cell of about 1 mm on each side, and a dielectric slab having a thickness of about 1 mm. For relatively thin slabs, the fraction of light rays striking the same cell type twice in a given row is relatively high compared to the thicker slab.
본원에서 기술하는 바와 같이, 광학 효율은 일반적으로, 스펙트럼 분할 구성요소를 통과하여 특정 서브-전지에 침착되는 광자의 갯수를, 광 포획 광학 모듈의 상부층에 영향을 미치는 태양광 광자의 전체 갯수로 나눈 값을 지칭한다. 상기 시스템 효율은, 상기 장치에 유입되는 태양 에너지의 전체 양으로 나눈, 상기 장치에 의해 생성된 전기 에너지의 양으로 특징화될 수 있다. 예를 들어, 1000W/m2의 직사일광 조도 하에서, 500W의 전기 에너지를 생성하는 장치의 총 효율은 50%이다.As described herein, optical efficiency is generally determined by dividing the number of photons that have passed through the spectral division component and deposited in a particular sub-cell by the total number of photons photons affecting the top layer of the optical capture optical module Lt; / RTI > The system efficiency can be characterized by the amount of electrical energy generated by the apparatus divided by the total amount of solar energy entering the apparatus. For example, under direct daylight illumination of 1000 W / m 2 , the total efficiency of the device producing 500 W of electrical energy is 50%.
유전체 슬랩(24)의 상부면(20)은, 슬랩에 도달한 입사광이 상기 슬랩(24)으로부터 반사되지 않도록 제공된 반사-방지 코팅 또는 층인 층(25) 및/또는 접착제 층에 인접할 수도 있다. 슬랩(24)은 추가로 상부면(20) 위에, 광-흡수성일 수 있는, 예를 들어 2.2 eV GaP 전지일 수 있고 "예비-청색(pre-blue)" 흡수체로 지칭될 수도 있는 상부 또는 제 1 전지(26)를 추가로 포함한다. 본 발명의 실시양태에서, 제 1 전지(26) 및 슬랩(24)의 굴절 지수는, 전체 내부 반사가 슬랩(24) 및 제 1 전지(26) 내에 입사광을 포획하도록 하여서, 이것이 서브-전지에 도입되기 이전에 여과된 서브-전지 위에 1회 초과로 영향을 미칠 수 있다. 전지(26)에 대해 "제 1" 및 "상면"이 사용될 때, 이러한 용어들은 제한하고자 하는 것이 아니며, 다만 이러한 전지의 상부 또는 외부 위에 하나 이상의 부가적인 층들이 제공될 수 있음이 이해되어야만 한다. 유전체 슬랩과 함께 전지(26)를 사용하면, 슬랩(24)의 굴절 지수가 보다 높아지는데, 그 이유는 광의 적어도 일부(예를 들어, 청색광 및 UV광의 적어도 일부)가 흡수될 것이기 때문이다. 즉, 그렇지 않으면 슬랩에 흡수될 고-에너지 광의 적어도 일부는, 대신 제 1 또는 상부 전지(26)에 의해 흡수되어서, 이것은 슬랩에서 손실되지 않는다. 따라서, 본 발명의 실시양태에서, 제 1 또는 상부 전지(26)는 유전체 슬랩의 제 1 면에 인접하게 위치하고, 여기서 상기 제 1 또는 상부 전지(26)는 유전체 슬랩의 흡수 에너지 개시보다 낮은 밴드갭을 갖고, 흡수 에너지 개시는 물질 내에 유의적인 흡수가 존재하는 최저 에너지(즉, 가장 긴 파장)에서 발생한다. 일반적으로, 물질 내의 광의 흡수 길이가 슬랩의 두께의 10배 미만이면, 흡수가 유의적인 것으로 고려된다. 제 1 또는 상부 전지(26)는 추가로 반사-방지 코팅을 포함할 수 있다. The
본 발명의 특정한 실시양태에서, 제 1 또는 상부 전지(26)는 스펙트럼의 청색 부분으로 최적화되는데, 그 이유는 유전체 슬랩 내 광 포획의 효율이 굴절 지수가 증가함에 따라 증가하고, 높은 굴절 지수를 갖는 물질이 일반적으로, 보다 높은 에너지 파장, 예를 들어 UV 및 청색광에 대해 투과성이기보다는, 이러한 영역을 흡수하는 경향이 있기 때문이다. 따라서, 청색/UV 광이 제 1 전지에 의해 흡수되지 않으면, 이것은 슬랩에서 기생적으로 흡수될 것이고 손실될 것이다. 유전체 슬랩의 상부 위에서 고-에너지 광 흡수 전지를 사용하면, 광의 나머지가 유전체 슬랩으로 유입되기 이전에, 청색광이 선택적으로 전기로 전환되는 것을 허용한다. 이러한 방식으로, 높은 지수의 슬랩으로 청색/UV 광이 기생 흡수되는 것을 피함으로써, 보다 높은 총 효율이 달성될 수 있다. In a particular embodiment of the present invention, the first or
제 1 또는 상부 전지(26)는 단일 접합 전지 또는 다중접합 전지일 수 있다. 이러한 전지(26) 및 서브-전지(22, 22')는 적층되거나 그렇지 않으면 유전체 슬랩(24)에 부착되어서, 전지와 슬랩 사이의 계면의 갯수를 최소화한다. 예를 들어서, 슬랩(24)와 서브-전지들 및/또는 광 흡수 전지 사이에 공기 계면을 가지면, 이것은 원치않는 반사에 의해서 광 손실을 유도할 수 있다. 이러한 구성요소들을 서로 부착하기 위해서 사용될 수 있는 하나의 예시적인 접착제가 TiO2 졸 겔이며, 이는 비교적 높은 지수를 제공하여서, 계면에서의 원치않는 반사를 피한다. The first or
제 1 또는 상부 전지(26) 없이 본 발명의 광학 모듈의 배열이 제공될 수 있으며, 이러한 경우에, 슬랩(24)의 굴절 지수는 적어도 약간 낮아지기 쉬워서, 슬랩(24) 내의 보다 높은 에너지 파장의 기생 흡수를 최소화하거나 피할 수 있다. 상기 시스템은 제 1 또는 상부 전지(26)를 포함하는 배열에 비해서, 태양 에너지 전환 측면에서 덜 효율적일 것이다. 이러한 실시양태는 도 4에 도시되어 있으며, 이는 도 3과 유사한 구조로 제공되되, 광의 일부가 슬랩(24)에 도달하기 이전에 흡수되지 않는다는 점 때문에, 상기 슬랩(24)의 굴절 지수가 제한되거나 보다 낮을 수도 있다. The refractive index of the
도 2를 다시 참조하면, 광학 모듈(14)에 상부 전지(26)가 장착되면, 이러한 전지는 임의의 갯수의 방법, 예를 들어 접착제 층(25)(예를 들어, 티타니아 졸-겔 접착제)에 의해 슬랩(24)에 부착되거나, 다르게는 단일체 구조로서 슬랩(24)의 상부 위에서 직접 성장될 수 있다. 이러한 접착제 층(25)은, 사용되는 경우, 바람직하게는 높은 굴절 지수를 가져서, 광이 이를 통해 이동하여 비교적 용이하게 슬랩(24)에 도달할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 제 1 또는 상부 전지(26)는 단일 접합 태양 전지 또는 광전지일 수 있거나 다중접합 전지일 수 있다. Referring again to FIG. 2, when the
슬랩 내 광 포획을 최대화하기 위해서, 그의 하나 이상의 측면에 부가적인 반사장치가 제공될 수 있다. 다르게는, 전지 또는 전지 스택들이 슬랩의 하나 이상의 측면에 제공될 수 있되, 상기 측면들에는 바람직하게는 이러한 배열을 위한 필터들이 장착될 수 있고, 여기서 이러한 필터들은 슬랩(24)의 측면 및/또는 서브-전지 위에 패턴화된 표면으로서 제공될 수 있다. In order to maximize the light trapping in the slab, an additional reflecting device may be provided on at least one side thereof. Alternatively, cells or cell stacks may be provided on one or more sides of the slab, with the sides preferably being fitted with filters for such an arrangement, wherein these filters are arranged on the side of the
광 포획 광학 모듈(14)은 추가로 복수 개의 광전지 서브-전지들(22, 22')을 포함하며, 이들 각각은 광 스펙트럼의 예정된 하부 세트를 광발전적으로 흡수하도록 조율되어 있다. 도시된 바와 같이, 서브-전지들(22, 22') 각각은 다중접합 태양 전지일 수 있거나, 보다 구체적으로 3중-접합 태양 전지일 수 있다. 도 3에서 가장 잘 도시한 바와 같이, 제 1 전지 스택(22)은 제 2 전지 스택(22')에 인접하게 배치되어 있고, 각각의 전지 스택은 단일 전지 구조물 내에서 3개의 접합을 갖는 3개의 적층된 전지를 포함하며, 이로써 전체 시스템에 대해 6개의 상이하게 조율된 광전지를 제공한다(상부 전지가 제공되는 경우, 이는 상기 시스템의 7번째 광전지를 제공할 것이며, 이것은 다른 6개의 전지들 중 임의의 전지와 다르게 조율될 수도 있다). 이격된 배열로 전지를 유지하는 절연 물질(예를 들어, UV-경화된 유전체 중합체 또는 기능상 동등물)이 장착되는 것과 같이, 전지들을 전기적으로 절연화하기 위해서, 전지들(22) 각각과 인접 전지(22') 사이에 공간이 제공될 수도 있다. 하나의 실시양태에서, 전지들은 실질적으로 서로 전기 접촉되지 않으면서, 이들이 서로 밀접하게 배치되어 있다는 측면에서, 전지들은 서로 인접한 것으로 고려된다. 즉, 전지들을 서로 1㎛ 내지 1mm 사이의 거리로 서로 이격될 수 있거나, 예를 들어 1 내지 100㎛의 범위와 같이 서로 보다 밀접할 수도 있다. 일반적으로, 각각의 전지 적층물은 이를 향하는 입사광의 광의 특정 파장에 가장 효율적으로 반응하도록 고안된다. The optical capture
도시된 예시적인 실시양태에서, 제 2 전지 적층물(22')은, 제 1 접촉 그리드(50), 제 1 전지(52), 제 2 전지(56), 및 제 3 전지(60)를 비롯한 복수 개의 층들을 포함하며, 제 1 전지(52)와 제 2 전지(56) 사이의 제 1 터널 접합(54), 제 2 전지(56)와 제 3 전지(60) 사이의 제 2 터널 접합(58), 및 후방 접점(62)이 있다. 인접한 제 1 전기 적층물(22)은 또한 전방 접촉 그리드(70), 제 1 전지(72), 제 2 전지(76), 및 제 3 전지(80)를 비롯한 복수 개의 층들을 포함하고, 여기서 제 1 전지(72)와 제 2 전지(76) 사이의 제 1 터널 접합(74), 제 2 전지(76)와 제 3 전지(80) 사이의 제 2 터널 접합(78), 및 후방 접점(82)이 있다. In the illustrated exemplary embodiment, the second battery stack 22 'includes a
도 3의 전지 적층물의 예시적인 실시양태를 계속 참고하면, 이러한 적층물(22')의 최상부 전지인 제 2 전지 적층물(22')의 제 1 전지(52)는 670 nm 내지 564 nm 범위의 파장을 포함한 입사광의 스펙트럼 밴드폭 부분을 흡수하도록 조율되고(예를 들어, 이것은 밴드갭 특성을 가짐), 1.85 eV 밴드갭을 가질 수 있다. 이러한 파장 범위를 벗어나는 입사광의 스펙트럼 밴드폭 부분은 인접한 전지(56)로 이동할 것이다. 이러한 적층물(22')의 중간 전지인, 제 2 전지 적층물(22')의 제 2 전지(56)는, 785 nm 내지 670 nm의 범위의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 밴드폭 부분을 흡수하도록 조율되고(예를 들어, 이것은 밴드갭 특성을 가짐), 1.58 eV 밴드갭을 가질 것이다. 이러한 파장 범위를 벗어나는 입사광의 스펙트럼 밴드폭 부분은 인접한 전지(60)로 이동할 것이다. 이러한 스택(22')의 최저부 전지인 제 2 전지 적층물(22')의 제 3 전지(60)는 898 nm 내지 785 nm의 범위의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 밴드폭 부분을 흡수하도록 조율되고(예를 들어, 이것은 밴드갭 특성을 가짐), 1.38 eV 밴드갭을 가질 것이다. 3, the
앞에서 논의한 바와 같이, 제 1 전지 적층물(22)은 제 2 전지 적층물(22')에 인접하고, 여기서 제 1 전지 적층물(22)의 제 1 전지(72)(이러한 적층물(22)의 최상부 전지임)는, 1088 nm 내지 898 nm의 범위의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 밴드폭 부분을 흡수하도록 조율되고(예를 들어, 이것은 밴드갭 특성을 가짐), 1.14 eV 밴드갭을 가질 것이다. 이러한 파장 범위를 벗어나는 입사광의 스펙트럼 밴드폭 부분은 인접한 전지(76)로 이동할 것이다. 제 1 전지 적층물(22)의 제 2 전지(76)(이는 이러한 적층물(22)의 중간 전지임)는, 1333 nm 내지 1088 nm의 범위의 파장을 포함하는 입사광의 스펙트럼 밴드폭 부분을 흡수하도록 조율되고(예를 들어, 이것은 밴드갭 특성을 가짐), 0.93 eV 밴드갭을 가질 것이다. 이러한 파장 범위를 벗어나는 입사광의 스펙트럼 밴드폭 부분은 인접한 전지(80)로 이동할 것이다. 이러한 적층물(22)의 최저부 전지인, 제 1 전지인, 제 1 전지 적층물(22)의 제 3 전지(80)는, 1771 nm 내지 1333 nm 범위의 파장을 포함한 입사각의 스펙트럼 밴드폭 부분을 흡수하도록 조율되고(예를 들어, 이것은 밴드갭 특성을 가짐), 0.70 eV 밴드갭을 가질 수 있다. 이렇게 기술한 파장 범위 및 관련 밴드갭은 단지 예시적인 장치 배열을 제공하고자 하는 것이며, 본 발명의 실시양태는 이러한 설명된 실시양태의 것과 적어도 약간 상이한 특성을 갖는 전지 또는 전지 적층물을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. As discussed above, the
제 1 전지 또는 전지 적층물(22)은 추가로 비교적 낮은 밴드갭을 갖는 전지를 위해 제공될 수 있는 버스 바(40), 및 제 2 전지 또는 전지 적층물(22')은 비교적 높은 밴드갭을 갖는 전지를 위해 제공될 수 있는 버스 바(42)를 포함할 수 있다. 단리된 교차점(44)은, 버스바(40, 42)가 상호교차하는 지점에 위치한다. 대안으로, 다른 접촉 방법 및 배열이 사용될 수 있으며, 예를 들면 후면 전도성 경로에 대한 비-교차점 단리된 접점을 들 수 있다. The first battery or
도시한 바와 같이, 서브-전지(22, 22')는 광학 모듈(14)의 길이 및 폭을 가로질러 교대형 또는 "서양장기판" 유형의 패턴으로 배열된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광학 모듈(14)은 유전체 슬랩(24)과 서브-전지(22, 22') 사이에 일반적으로 배치된 하나 이상의 필터(30)를 포함할 수 있다. 이러한 필터(들)(30)은 광이 보정 서브-전지들로 향하는 것을 보장하도록 제공되되, 여기서 보정 서브-전지를 향하지 않는 광은 반사되어야만 한다. 목적하는 여과를 제공하기 위해서, 텍스쳐링화 슬랩에는 상기 전지 배열에 상응하고 여기에 정렬되어 있는 서양 장기판 패턴의 필터들이 장착될 수도 있어서, 제 1 세트의 서브-전지는 제 1 세트의 필터들과 정렬되고 제 2 세트의 서브-전지는 제 2 세트의 필터들과 정렬된다. 대안의 배열에서, 서양 장기판 패턴은 비교적 낮은 밴드갭을 갖는 전지 또는 전지 적층물(예를 들어, 전지 또는 전지 적층물(22)) 위의 필터들로 구성될 수도 있되, 여기서 낮은 에너지를 갖는 일부 광자들은 비교적 높은 밴드갭을 갖는 전지 또는 전지 적층물(예를 들어, 전지 적층물(22'))에 의해 기생적으로 흡수될 것이다. 광전지 시스템의 실시양태에서, 서양 장기판 패턴의 인접한 전지들은 스펙트럼 스플리터로부터의 상이한 파장에 대해 수용적이다. 이는, 목적하는 파장을 갖는 광자가 유전체 슬랩(24) 내부에서 최소 갯수의 내부 반사만을 가진 채 특정한 서브-전지를 때릴 가능성을 증가시킨다. 필터들은 복수 개의 상이한 실시양태, 예를 들어 다층 유전체 적층물, 그레이팅(grating), 및 광 결정을 가질 수 있으며, 이들 전부는 완전히 주기적이거나 그렇지 않을 수도 있다. As shown, the sub-cells 22, 22 'are arranged in a pattern of an oversized or "chessboard" type across the length and width of the
모듈(14)과 함께 사용되는 필터들은 예를 들어 2차원 또는 3차원 광 결정 유형 필터들일 수 있으며, 예를 들어 이는 단일층 필터 또는 1차원 광 결정에 비해 우수한 전방향성(omindirectionality)을 달성하도록 선택될 수 있다. 1차원 광 결정이 전방향성 성능을 달성할 수도 있는 반면, 이러한 필터는, 광이 높은 지수 물질로부터 입사되는 경우, 예를 들어 본원에 기술된 고 지수 슬랩인 경우 덜 효율적일 수도 있고, 따라서, 본 발명의 사용을 위해 고려된다. 광 결정은 여러 가지의 상이한 구조 및 특성을 가질 수 있지만, 본원에서 기술하는 바와 같이, 허용- 및 금지-전자 에너지 밴드를 한정함으로써 전자기파의 진행에 영향을 미치는 주기적 유전체 나노구조물로 일반적으로 구성된다. 본질적으로, 광 결정은 높은 유전 상수 및 낮은 유전 상수의 규칙적으로 반복되는 내부 영역을 포함한다. 광자(파장과 같이 거동함)는, 그의 파장에 따라, 그의 구조물을 통해 진행할 수도 있다. 이동되는 것이 허용된 광의 파장은 모드로서 공지되고, 허용된 모드의 그룹들이 밴드를 형성할 수 있다. 파장의 허용되지 않은 밴드는 광학 밴드갭으로 지칭하며, 이는 뚜렷한 광학 현상, 예를 들어 자발적 발광의 금지, 전방향성 거울의 고도-반사, 및 낮은 도파관 손실을 발생시킨다. 기본적인 물리적 현상이 회절에 기초하기 때문에, 유전체 특징부 및 광 결정 구조의 주기성은 광 결정 물질 내 전자기판과 거의 동일한 길이-스케일(즉, 1차원 광 결정 거울의 경우 물질 내 파장의 1/4)일 수 있다.The filters used with
모듈(14)의 광전지 각각은 복수 개의 특징부들, 예를 들어 중앙 전지 활성 영역, 후방 접점과 반사장치, 하나 이상의 접촉 그리드 영역, 반사방지 코팅/필터를 포함할 수 있는 층, 및/또는 접착제를 포함할 수 있다. 광전지 각각은 일반적으로 조율되거나 여기에 적용되는 입사광의 특정한 스펙트럼 밴드폭을 흡수하는 것을 허용하는 밴드갭 특성을 갖고, 흡수되지 않은 부분을 이것이 반사하는 것을 허용하는, 전지의 상부 또는 바닥부에서의 반사장치를 포함할 수 있다. 실행 중에, 각각의 전지 적층물로 유입되어 반사되는 광이 흡수되고 최고 에너지로부터 최저 에너지로 반사되도록, 광 전지가 배열된다(예를 들어, 청색이 녹색 이전에 흡수되고, 주황색이 적색 이전에 흡수된다).Each of the photovoltaic cells of the
앞에서 설명한 바와 같이, 광학 모듈(14)은 2개의 상이한 전지 적층물을 갖되, 이들 각각이 3개의 밴드갭을 포함해서, 제 1 전지가 고려되지 않은 경우, 모듈 내에 6개의 상이한 태양 전지를 사용하도록 도시되고 설명된다. 그러나, 이러한 전지 적층물 중 2개보다 많거나 적은 전지가, 대신 특정한 광학 모듈을 위해 제공될 수 있으며, 여기서 각각의 전지가 흡수하고 반사하는 광 스펙트럼의 특정한 하부세트들은 그다음 6개의 접합 구조물에 대해 앞에서 설명된 것과는 상이할 것이다. 추가로, 전술한 태양 전지 각각과 관련된 파장 범위는, 사용되는 구체적인 물질, 시스템의 조율, 및 시스템의 위치 등에 따라 보다 작거나 클 수 있을 것이다. As described above, the
본 발명의 하나 이상의 광전지 시스템은 복수 개의 시스템들을 포함하는 모듈로 제조될 수 있다. 상기 시스템 그 자체 및/또는 이들이 포함되는 모듈은 다시 공통 틀에 탑재될 수 있되, 여기서 전체 틀 및/또는 개별적인 모듈은, 시스템 및 그의 목적하는 성능에 따라, 트랙킹 또는 비-트랙킹 특징부를 포함할 수 있다.One or more photovoltaic systems of the present invention may be fabricated from modules comprising a plurality of systems. The system itself and / or the modules in which it is included may again be mounted in a common framework, wherein the entire frame and / or individual modules may include tracking or non-tracking features, depending on the system and its desired performance have.
본 발명의 광전지 시스템에 의해 달성될 수 있는 비교적 고 효율은 여러 가지의 이유로 발생된다. 하나의 이유로는, 유전체 슬랩의 고체 물질이, 입사광을 태양 전지에 광학적으로 결합하는 측면에서 개선된 효율을 제공할 수 있고, 광을 랜덤화하면, 상단 위의 전지(예를 들어, 청색 전지)로 인한 가능한 높은 굴절 지수로 인하여 슬랩 내부에 이것이 포획되는 것을 허용한다. 또다른 이유에서, 광 스펙트럼의 효율적인 분할이, 각각의 태양 전지가 이에 의해 가장 효율적으로 흡수되는 광 스펙트럼의 특별한 하부세트를 수용하도록 하는 방식으로 수행된다. 사용되는 필터들은, 이들이 넓은 각도에 걸쳐서 비교적 효율적으로 광의 적절한 파장을 절단할 수 있도록 전방향성 필터일 수 있다. 이러한 전방향성 필터를 사용하면, 각도-평균 반사 및 투과가 관련 밴드에서 비교적 높을 것이다. The relatively high efficiency that can be achieved by the photovoltaic system of the present invention occurs for a variety of reasons. For one reason, the solid material of the dielectric slab can provide improved efficiency in terms of optically coupling incident light to the solar cell, and randomizing the light can result in a top-level cell (e.g., a blue cell) Allowing it to be trapped inside the slab due to the high index of refraction possible. For another reason, efficient partitioning of the optical spectrum is performed in a manner that allows each solar cell to accommodate a particular subset of the optical spectrum in which it is most efficiently absorbed. The filters used can be omnidirectional filters so that they can cut the appropriate wavelength of light relatively efficiently over a wide angle. With such an omni-directional filter, the angle-average reflection and transmission will be relatively high in the associated band.
전술한 광학 모듈(14)이 선택적으로 하나 이상의 집광 장치를 포함할 수 있는 광학 집광 모듈(12)을 갖추고 있을 수 있다. 2개의 집광 장치를 사용하는 예시적인 시스템에서, 제 1 광학장치 또는 집광 장치(16) 및 제 2 광학장치 또는 집광 장치(18)가 제공된다. 도시된 제 1 집광 장치(16)는 프레스넬 렌즈인 반면, 제 2 집광 장치(18)는 복합 포물형 집광장치이다. 제 1 집광 장치(16)와 관련하여, 프레스넬 렌즈가, 통상적인 렌즈보다 상당히 가벼운 렌즈와 함께, 비교적 넓은 면적의 렌즈(예를 들어, 30cm 폭×30cm 길이)로부터 상대적으로 좁은 면적으로의 입사광을 집광하는 효율적인 방식을 제공할 수 있지만, 임의의 유형의 렌즈 또는 집광 장치가 프레스넬 렌즈 대신에 사용될 수 있다. 따라서, 표준 렌즈 또는 프레스넬 렌즈는 넓은 면적으로부터 좁은 면적으로 광을 효율적으로 집중시켜서 목적하는 수준의 집광을 제공할 수 있는 반면, 가벼운 무게의 프레스넬 렌즈가 일부 구조적인 이점을 제공할 수도 있다. 제 2 집광 장치 또는 광학 장치는, 요구되는 경우, 그다음, 제 1 집광 장치로부터 출력되는 이러한 집광된 광을 사용하고 이것을 추가로 집광할 수 있다. 이러한 예시적인 실시양태에서, 제 2 집광 장치(16)는, 그의 상부면이 약 30cm의 거리로 프레스넬 렌즈의 바닥면으로부터 이격되도록 배치하되, 상기 거리는 제 1 집광 장치(12)의 특성 및 시스템의 목적하는 효율에 따라 상당히 변할 수 있다. 프레스넬 렌즈와 같은 집광 장치를 사용하면, 렌즈의 큰 표면적이 입사광에 노출되고 제 2 집광 렌즈(18)의 입력 영역에 해당하는 영역으로 집중된다. The
제 2 집광 장치(18)는 이러한 실시양태에서 복합 포물형 집광 장치로서 도시되어 있지만, 다른 또는 부가적인 제 2/제 3 집광 장치가 대신 또는 부가적으로 사용될 수 있다. 하나의 예로서, 제 2 집광 장치는, 복합 포물형 집광장치보다 낮은 광학 효율을 전형적으로 제공하지만 여전히 허용가능한 효율을 제공할 수 있는, 편평 라이트 페널로서 특징화되는 포물선형 집광 장치일 수 있다. 도시되는 제 2 집광 장치(18)의 상대적인 형태 및 크기는, 도시된 형태 이외에 그의 집광 장치 영역을 위한 복수 개의 상이한 곡선 형태를 포함할 수 있다. 제 2 집광 장치(18)의 특징부의 형태 및 크기는 시스템에 도입되고 광학 모듈(14)에 제공되는 광의 농도를 최적화하도록 고안되고 선택된다. 본 발명의 대안의 양태에서, 상기 시스템(10)은 직렬로 작동하는 복수 개의 광학 집광 장치를 포함하지 않지만, 대신에 단지 하나 또는 제 1 광학 집광 장치, 예를 들어 복합 포물형 집광 장치를 사용하여 집광함을 포함하는 시스템을 포함할 것이다. 추가로, 부가적인 집광 장치(예를 들어, 제 3 집광 장치)가 이러한 예시적인 실시양태와 비교하여 설명되고 도시된 제 1 및 제 2 집광 장치와 직렬로 사용될 수도 있음이 추가로 이해되어야만 한다. Although the
특정한 광학 집광 모듈(12)의 경우 제공되는 집광 장치의 품질 및 유형은, 특정 범위에서 예정된 목적하는 집광 파워를 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 집광 장치(12)의 집광 파워는 100배 내지 1000배의 집광을 포함할 수 있다. 그러나, 100배 미만 또는 1000배 초과의 집광 수준도 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 고려된다. 선택된 수준의 집광은 열 부하 및 구성성분의 가격을 최소화하면서 비교적 조밀한 집광 모듈(12)을 제공할 수 있다. 도시된 집광 모듈은 단지 하나의 예시적인 집광 장치 또는 시스템이며, 여기서 많은 유형의 집광 시스템이 도시되고 기술된 집광 장치의 대안으로서 또는 이것 이외에 추가로 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 광 포획 광학 모듈(14)이 집광 모듈(12)의 출력단 밑에 배치되고, 모듈(12)의 출력단이 광 포획 모듈(14)과 광학 연통되도록 배치되며, 이는 예를 들어 도 2의 확대 도면에 가장 잘 도시되어 있다. In the case of a particular
도 5는 여러층의 인쇄된 회로판(90)에 도입될 수 있는 본 발명의 광 포획 여과된 집광 장치의 투시도이다. 구체적으로, 광 포획 광학 모듈(14)은, 상부 전지 버스 바로의 상호연결부(92), 및 상부 전지의 후방 접점으로의 상호연결부(93), 및 뒷 또는 후방 접점으로의 상호연결부(94)와 함께 도시되어 있다. 후방-탑재된 히트싱크(96)는 또한 모듈(14)의 전지 적층물(22, 22')에 대해 예시적인 관계로 도시되어 있다. 5 is a perspective view of a light trapped filtered light concentrator of the present invention that may be incorporated into multiple layers of printed
도 6은, 광 포획 유전체 슬랩의 굴절 지수 및 전지의 갯수와 관련하여, 광 효율을 극대화하기 위한 디자인 공간을 표현하는 3차원 그래프이다. 구체적으로, 상기 그래프는 비교적 높은 광학 효율을 달성하기 위해서, 슬랩을 위한 높은 지수의 물질 및 비교적 적은 갯수의 서브-전지들이 필요함을 도시한다. 하나의 예에서, 1.5의 굴절 지수를 갖는 슬랩(예를 들어, 유리(SiO2)) 밑에 2개의 서브-전지가 장착된 시스템은 약 69%의 광학 효율을 갖도록 계산된 반면, 1.5의 굴절 지수를 갖는 슬랩 밑에 5개의 서브-전지들을 갖는 시스템은 약 36%의 광학 효율을 갖는 것으로 계산되었다. 또다른 예에서, 약 3.5의 굴절 지수를 갖는 슬랩(예를 들어, GaP) 밑에 2개의 서브-전지가 장착된 시스템은 약 92%의 광학 효율을 갖는 것으로 계산되었다. Fig. 6 is a three-dimensional graph expressing a design space for maximizing light efficiency, in relation to the refractive index of the light trapping dielectric slab and the number of cells. Specifically, the graph shows that a high index of material for the slab and a relatively small number of sub-cells are required to achieve a relatively high optical efficiency. In one example, a system with two sub-cells under a slab (e.g., glass (SiO 2 )) with a refractive index of 1.5 was calculated to have an optical efficiency of about 69%, while a refractive index of 1.5 Lt; RTI ID = 0.0 > 36% < / RTI > optical efficiency. In another example, a system with two sub-cells under a slab (e.g., GaP) with an index of refraction of about 3.5 was calculated to have an optical efficiency of about 92%.
도 7은 본 발명의 장치 및 개념을 사용하여 집광의 함수로서 예시적인 장치 효율을 표현한 그래프이다. Figure 7 is a graphical representation of exemplary device efficiency as a function of light collection using the apparatus and concepts of the present invention.
본 발명은 그의 몇몇의 실시양태를 참고하여 설명되고 있다. 본원에서 확인된 임의의 특허 또는 특허 출원의 전체 개시내용이 참고문헌으로서 본원에서 인용된다. 전술한 상세한 설명 및 실시예는 단지 명확하게 이해하기 위해서 제공되었다. 이로부터 어떠한 불필요한 제한도 이해되어서는 안된다. 당업계의 숙련자들에게는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 기술된 실시양태에서 많은 변화가 가능함이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 본원에서 설명된 구조로 제한되지 않으며, 단지 특허청구범위의 언어에 의해 기술된 구조 및 이러한 구조의 동등물로만 제한되어야 한다.The present invention has been described with reference to several embodiments thereof. The entire disclosure of any patent or patent application identified herein is incorporated herein by reference. The foregoing detailed description and examples have been presented for purposes of clarity and understanding only. No unnecessary limitations from this should be understood. It will be apparent to those skilled in the art that many changes can be made in the embodiments described without departing from the scope of the invention. Accordingly, the scope of the present invention is not limited to the structures described herein, but should be limited only to the structures described by the language of the claims and to the equivalents of such structures.
Claims (15)
상기 유전체 슬랩의 제 1 면에 인접한 것으로서, 상기 유전체 슬랩의 흡수 개시 에너지보다 낮은 에너지의 밴드갭을 포함하는 제 1 전지;
상기 유전체 슬랩의 제 2 면과 광학적으로 접촉하는 하나 이상의 필터 구성요소(element); 및
복수 개의 광전지 서브-전지(sub-cell)를 포함하는 서브-전지 어레이로서, 상기 서브-전지들 중 하나 이상이, 상기 하나 이상의 필터 구성요소와 광학적으로 접촉하고 있는 제 1 면을 포함하는, 서브-전지 어레이
를 포함하는 광 포획 광학 모듈을 포함하는, 입사광을 전기 에너지로 전환시키는 광전지 시스템. A photoregulated dielectric slab having a first side and a second side;
A first cell adjacent to the first side of the dielectric slab and having a bandgap of energy lower than an absorption start energy of the dielectric slab;
At least one filter element in optical contact with a second surface of the dielectric slab; And
A sub-cell array comprising a plurality of photovoltaic sub-cells, wherein at least one of the sub-cells includes a first surface in optical contact with the at least one filter component, - Battery array
And a light trapping optical module including the light trapping optical module.
상기 제 1 전지의 밴드갭이 상기 복수 개의 서브-전지들 중 하나 이상의 밴드갭보다 큰, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein a bandgap of the first cell is larger than a bandgap of at least one of the plurality of sub-cells.
상기 유전체 슬랩의 제 2 면이 복수 개의 필터 구성요소를 포함하고, 상기 복수 개의 필터 구성요소 각각이 상기 복수 개의 서브-전지들 중 하나와 광학적으로 접촉하고 있는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the second side of the dielectric slab comprises a plurality of filter elements, each of the plurality of filter elements being in optical contact with one of the plurality of sub-cells.
상기 유전체 슬랩의 제 2 면이 상기 하나 이상의 필터 구성요소를 포함하는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
And wherein the second side of the dielectric slab comprises the at least one filter component.
상기 복수 개의 서브-전지들 중 하나 이상의 제 1 면이 상기 하나 이상의 필터 구성요소를 포함하는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein at least one first side of the plurality of sub-cells comprises the at least one filter element.
상기 하나 이상의 필터 구성요소가 다층 유전체 스택, 그레이팅(grating), 및 광 결정(photonic crystal) 중 하나를 포함하는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the at least one filter component comprises one of a multilayer dielectric stack, a grating, and a photonic crystal.
상기 하나 이상의 필터 구성요소가 전방향성(omnidirectional) 필터 구성요소를 포함하는, 광전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the at least one filter component comprises an omnidirectional filter component.
상기 복수 개의 서브-전지 중 각각이 다중접합(multijunction) 전지를 포함하는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein each of said plurality of sub-cells comprises a multijunction cell.
상기 복수 개의 서브-전지가, 적층된 광전지의 어레이를 포함하는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the plurality of sub-cells comprises an array of stacked photovoltaic cells.
상기 복수 개의 서브-전지가, 제 1 밴드갭을 갖는 복수 개의 제 1 서브-전지 및 제 2 밴드갭을 갖는 복수 개의 제 2 서브-전지를 포함하고,
상기 하나 이상의 필터 구성요소가, 각각 상기 복수 개의 제 1 및 제 2 서브-전지들 중 하나에 상응하는 제 1 및 제 2 필터 구성요소들을 포함하는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the plurality of sub-cells comprises a plurality of first sub-cells having a first band gap and a plurality of second sub-cells having a second band gap,
Wherein the at least one filter component comprises first and second filter components, each corresponding to one of the plurality of first and second sub-cells.
상기 제 1 전지의 제 1 표면이 반사방지 물질을 포함하는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the first surface of the first cell comprises an antireflective material.
인쇄 회로판과 조합된, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
A photovoltaic system, in combination with a printed circuit board.
상기 유전체 슬랩의 굴절 지수가 550nm에서 2.0 초과이고, 상기 유전체 슬랩 및 상기 제 1 전지의 굴절 지수가, 상기 유전체 슬랩 및 상기 제 1 전지에서 입사광을 포획하는 총 내부 반사를 제공하는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the refractive index of the dielectric slab is greater than 2.0 at 550 nm and the index of refraction of the dielectric slab and the first cell provides total internal reflection that captures incident light in the dielectric slab and the first cell.
입사광이 집광 모듈로 유입되는 입력 영역, 및 집광된 광이 집광 모듈로부터 빠져나오는 출력 영역을 포함하는 광학 집광 모듈을 추가로 포함하되, 상기 출력 영역이 상기 광학 모듈과 광학 연통(optical communication)되어 있는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Further comprising an optical condensing module including an input area into which incident light enters the light collecting module and an output area through which the condensed light exits the light collecting module, wherein the output area is in optical communication with the optical module , Photovoltaic systems.
상기 서브-전지 어레이의 서브-전지 각각이, 절연 물질에 의해 각각 인접한 서브-전지로부터 전기적으로 절연되고 이격되어 있는, 광전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein each sub-cell of the sub-cell array is electrically insulated and spaced from an adjacent sub-cell by an insulating material.
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