KR20160112150A - 광전 열전 융합 발전소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 집광형 태양전지모듈과 수평형 열전모듈의 결합을 통해 집광형 태양전지모듈에 인가되는 열을 수평형 열전모듈에 효과적으로 전달함과 함께 수평형 열전모듈에 의한 기전력 발생을 최대화하여 집광형 태양전지 모듈과 수평형 열전모듈 각각에 의한 전기 에너지 생산을 향상시킬 수 있는 광전 열전 융합 발전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 광전 열전 융합 발전소자는 집광형 태양전지모듈 및 수평형 열전모듈을 포함하여 이루어지며, 상기 수평형 열전모듈은, 기판과, 상기 기판의 중심부에 구비되는 열 흡수층과, 상기 열 흡수층의 둘레를 따라 구비되며, 상기 기판 상에 원형 또는 다각형의 띠 형태로 배치되는 복수의 열전 셀과, 상기 기판의 주변부에 구비된 히트싱크를 포함하여 구성되며, 상기 집광형 태양전지모듈은, 태양광을 집광하는 집광장치와, 상기 집광장치에 의해 집광된 태양광을 광전변환하는 태양전지를 포함하여 구성되며, 상기 태양전지는 상기 열 흡수층 상에 구비되며, 상기 태양전지의 열은 상기 열 흡수층을 매개로 상기 수평형 열전모듈로 수직 확산되며, 상기 수평형 열전모듈로 전달된 열은 수평형 열전모듈의 기판을 따라 수평 확산되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 광전 열전 융합 발전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집광형 태양전지모듈과 수평형 열전모듈의 결합을 통해 집광형 태양전지모듈에 인가되는 열을 수평형 열전모듈에 효과적으로 전달함과 함께 수평형 열전모듈에 의한 기전력 발생을 최대화하여 집광형 태양전지 모듈과 수평형 열전모듈 각각에 의한 전기 에너지 생산을 향상시킬 수 있는 광전 열전 융합 발전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지(solar cell)는 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 태양전지는 태양광을 직접 전기로 광전변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다. 태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 반도체층에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
최근, 태양전지의 광전변환효율을 높이기 위해 집광형 태양전지(CPV, concentrated photovoltaic) 모듈이 제안되었다(한국등록특허 제1438130호 참조). 집광형 태양전지 모듈은 태양광이 집광장치에 의해 집광되어 태양전지에 조사되도록 함으로써 입사광 및 광전변환효율을 증대시키는 기술이다. 집광형 태양전지 모듈에 적용되는 태양전지로는 일반적으로 널리 사용되는 실리콘 기반 태양전지보다는 GaAs 기반 태양전지 등의 화합물반도체 태양전지가 보다 효과적인 것으로 알려져 있다. 실리콘 기반 태양전지의 경우 약 20%의 효율을 갖고 있는 반면, GaAs 기반 태양전지는 약 35% 이상의 효율을 나타내는 것으로 보고되고 있다.
한편, 집광형 태양전지 모듈의 경우, 태양광의 집광을 통해 광전변환효율의 증대를 기대할 수 있으나, 집광된 빛에 의해 태양전지 자체의 온도가 상승되는 현상이 발생되고 일정 수준 이상의 온도 상승은 광전변환효율의 저하를 야기한다. 따라서, 집광형 태양전지 모듈은 온도 상승으로 인한 광전변환효율 저하의 문제점을 내포하고 있다(도 5 참조).
미국공개특허공보 US 2013/0291919 A1은 집광형 태양전지 모듈과 열전모듈을 결합하여 집광형 태양전지 모듈에 인가되는 열이 열전모듈에 이용되도록 하는 기술을 제시하고 있다. 또한, 미국공개특허공보 US 2011/0048489 A1은 보다 구체적인 구조로, 집광형 태양전지 모듈의 하부에 p형 열전소자와 n형 열전소자가 수직 배치된 열전모듈을 배치되는 구조를 제시하고 있다. 상기 2건의 미국특허 모두 집광형 태양전지 모듈의 하부에 열전모듈이 구비되고, 열전모듈의 하단에 냉각핀 또는 냉각플레이트가 구비되는 구조를 이룬다.
상기 2건의 미국특허는 집광형 태양전지 모듈과 열전모듈의 결합을 통해 집광형 태양전지 모듈의 온도 상승 문제점을 해결하는 방안으로 활용될 수 있으나, 열전모듈의 상단과 하단의 온도차를 이용하는 수직형 열전모듈 방식이고, 열전모듈의 하단에 냉각핀 또는 냉각플레이트가 구비되더라도 열전모듈의 상단과 하단의 온도차가 실질적으로 크지 않음에 따라 열전변환효율이 우수하지 못한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 집광형 태양전지모듈과 수평형 열전모듈의 결합을 통해 집광형 태양전지모듈에 인가되는 열을 수평형 열전모듈에 효과적으로 전달함과 함께 수평형 열전모듈에 의한 기전력 발생을 최대화하여 집광형 태양전지 모듈과 수평형 열전모듈 각각에 의한 전기 에너지 생산을 향상시킬 수 있는 광전 열전 융합 발전소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광전 열전 융합 발전소자는 집광형 태양전지모듈 및 수평형 열전모듈을 포함하여 이루어지며, 상기 수평형 열전모듈은, 기판과, 상기 기판의 중심부에 구비되는 열 흡수층과, 상기 열 흡수층의 둘레를 따라 구비되며, 상기 기판 상에 원형 또는 다각형의 띠 형태로 배치되는 복수의 열전 셀과, 상기 기판의 주변부에 구비된 히트싱크를 포함하여 구성되며, 상기 집광형 태양전지모듈은, 태양광을 집광하는 집광장치와, 상기 집광장치에 의해 집광된 태양광을 광전변환하는 태양전지를 포함하여 구성되며, 상기 태양전지는 상기 열 흡수층 상에 구비되며, 상기 태양전지의 열은 상기 열 흡수층을 매개로 상기 수평형 열전모듈로 수직 확산되며, 상기 수평형 열전모듈로 전달된 열은 수평형 열전모듈의 기판을 따라 수평 확산되는 것을 특징으로 한다.
상기 띠 형태로 배치되는 복수의 열전 셀(이하, '열전 셀 띠'라 칭함)이 복수개 구비되며, 상기 복수개의 열전 셀 띠는 상기 기판 상에 동심원의 형태로 배치될 수 있다.
상기 열전 셀은 p형 열전소자와 n형 열전소자의 쌍이며, p형 열전소자와 n형 열전소자, 이웃하는 열전 셀은 금속배선에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 열 흡수층은 W, V, Co 중 어느 한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 집광장치는 태양광을 1차적으로 집광하는 집광렌즈와, 집광렌즈에 의해 집광된 태양광을 태양전지에 균일하게 분배하는 균질기(homogenizer)로 구성될 수 있다. 또한, 상기 태양전지는 화합물반도체 기반 태양전지이며, InGaP, InGaSbN, GaAsSbN 중 어느 하나의 단일층 구조 또는 이들의 다단 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법은 중심부에 열 흡수층이 구비되고, 주변부에 히트싱크가 구비된 기판을 준비하는 단계; 상기 열 흡수층의 둘레를 따라 구비되도록 하며, 상기 기판 상에 원형 또는 다각형의 띠 형태를 이루도록 복수의 열전 셀을 형성하는 단계; 상기 열 흡수층 상에 태양전지를 적층하는 단계; 및 상기 태양전지의 상부에 태양광을 집광하는 집광장치를 장착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광전 열전 융합 발전소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
수평형 열전모듈 상에 집광형 태양전지모듈을 결합함으로써 집광형 태양전지모듈에 의한 광전변환 및 수평형 열전모듈에 의한 열전변환이 가능하다. 또한, 집광형 태양전지모듈로부터 수직 방향으로 전달된 열이 수평형 열전모듈 내에서 수평 확산되어 외부로 방출되도록 함으로써 집광형 태양전지모듈의 온도 상승으로 인한 광전변환효율 저하 현상을 방지함과 함께 수평형 열전모듈의 제벡 효과를 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합 발전소자의 단면 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평형 열전모듈의 평면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4는 복수의 열전 셀 띠가 구비된 수평형 열전모듈의 평면도.
도 5는 온도에 따른 집광형 태양전지모듈의 광전변환효율을 나타낸 참고도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평형 열전모듈의 평면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4는 복수의 열전 셀 띠가 구비된 수평형 열전모듈의 평면도.
도 5는 온도에 따른 집광형 태양전지모듈의 광전변환효율을 나타낸 참고도.
본 발명은 태양전지모듈과 열전모듈이 결합된 발전소자에 관한 기술을 제시하며, 열전모듈은 태양전지모듈에 인가되는 열을 이용하여 열전변환한다. 태양전지모듈에 의한 광전변환효율을 향상시키기 위해 집광형 태양전지모듈이 적용되며, 열전모듈의 제벡(Seebeck) 효과를 최대화하기 위해 수평형 열전모듈을 적용한다.
집광된 태양광에 의해 발생된 열은 집광형 태양전지모듈의 하부에 구비된 수평형 열전모듈로 전달되며, 수평형 열전모듈은 집광형 태양전지모듈로부터 열이 전달되는 중심부와 수평형 열전모듈의 주변부 사이의 온도차를 이용하여 열전변환한다. 종래의 수직형 열전모듈이 적용되는 경우, 수직형 열전모듈의 상단과 하단의 온도차가 크지 않음에 비해, 수평형 열전모듈이 적용됨으로써 수평형 열전모듈의 중심부와 주변부 사이의 온도차가 크게 유지되어 열전변환효율을 향상을 기대할 수 있다. 수직형 열전모듈의 온도차보다 수평형 열전모듈의 온도차를 상대적으로 크게 유지할 수 있는 이유는, 수평형 열전모듈의 중심부와 주변부 사이의 열 확산거리가 존재하기 때문이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합 발전소자 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합 발전소자는 집광형 태양전지모듈(10)과 수평형 열전모듈을 포함하여 구성된다.
상기 집광형 태양전지모듈(10)은 상기 수평형 열전모듈의 중심부 상에 결합된 형태를 이룬다. 상기 수평형 열전모듈 및 집광형 태양전지모듈(10)의 구조를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 수평형 열전모듈은 도 2에 도시한 바와 같이 기판(21)을 구비한다. 상기 기판(21)은 내열성 및 절연성을 구비한 물질로 구성되며, 일 실시예로 실리콘 웨이퍼, 유리, 금속산화물 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 기판(21) 상에는 복수의 열전 셀(22)이 구비된다. 열전 셀(22)은 p형 열전소자(22a)와 n형 열전소자(22b)의 쌍으로 이루어지며, 상기 복수의 열전 셀(22)은 기판(21)의 중심으로부터 일정 거리 이격된 위치에 띠 형태로 배치된다. 즉, 복수의 열전 셀(22)은 기판(21)의 중심으로부터 일정 거리 이격된 위치에 원형의 띠 형태로 배치되거나, 다각형의 띠 형태로 배치될 수 있다. 이와 같이 띠 형태로 배치되는 복수의 열전 셀(22)(열전 셀(22) 띠)은 동심원의 형태로 여러 열 배치될 수 있다. 구체적으로, 제 1 열, 제 2 열, ···, 제 n 열의 열전 셀(22) 띠가 동심원의 형태로 배치될 수 있다(도 4 참조).
한편, 열전 셀(22)을 구성하는 p형 열전소자(22a)와 n형 열전소자(22b)는 금속배선(23)에 의해 전기적으로 연결되며, 이웃하는 열전 셀(22) 역시 금속배선(23)에 의해 서로 전기적으로 연결된다.
상기 기판(21)의 중심부에는 열 흡수층(24)이 구비되며, 상기 열 흡수층(24) 상에는 집광형 태양전지모듈(10)이 구비된다. 즉, 기판(21)의 중심부에 집광형 태양전지모듈(10)이 구비되고, 집광형 태양전지모듈(10)로부터 일정 거리 이격된 위치에 복수의 열전 셀(22)이 띠 형태로 배치된다. 상기 열 흡수층(24)은 집광형 태양전지모듈(10)의 열을 흡수하는 역할을 하며, 적외선 흡수 특성이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예로, 상기 열 흡수층(24)은 W, V, Co 중 어느 한 물질로 구성될 수 있다. 한편, 상기 기판(21)의 주변부에는 히트싱크(25)가 구비되며, 상기 히트싱크(25)는 집광형 태양전지모듈(10)로부터 열 흡수층(24)에 전달된 열을 기판(21) 외부로 방출하는 역할을 한다.
상기 기판(21) 중심부의 열 흡수층(24) 상에 구비되는 집광형 태양전지모듈(10)의 구조를 살펴보면 다음과 같다. 상기 집광형 태양전지모듈(10)은 집광장치(12)와 태양전지(11)를 포함하여 구성된다.
상기 집광장치(12)는 태양광을 집광하는 것으로서, 태양광을 1차적으로 집광하는 집광렌즈와, 집광렌즈에 의해 집광된 태양광을 태양전지(11)에 균일하게 분배하는 균질기(homogenizer)로 구성될 수 있다. 상기 집광렌즈 및 균질기는 태양전지(11)의 상부에 구비되며 소정의 고정수단에 의해 고정될 수 있다.
상기 태양전지(11)는 집광장치(12)를 통해 입사되는 빛을 광전변환하여 전기를 생산하는 것으로서, 실리콘 기반 태양전지 또는 화합물반도체 기반 태양전지로 구성될 수 있다. 화합물반도체 기반 태양전지로 구성되는 경우, InGaP, InGaSbN, GaAsSbN의 단일층 구조 또는 다단 구조로 태양전지를 구성할 수 있다. 또한, 상기 태양전지(11) 상에는 반사방지막(도시하지 않음)이 구비된다.
이상의 구성을 갖는 광전 열전 융합 발전소자의 광전변환 및 열전변환 과정에 대해 설명하면 다음과 같다. 태양광이 집광장치(12)에 의해 집광되어 태양전지(11)의 전면 상에 조사되면, 태양전지(11)의 광전변환에 의해 전기가 생산된다. 태양전지(11)의 광전변환이 진행되는 과정에서 집광된 태양광에 의해 태양전지(11)의 온도가 상승하게 되는데, 온도 상승으로 인한 태양전지(11)의 열은 태양전지(11)의 하단에 구비된 열 흡수층(24)을 통해 수평형 열전모듈로 전달된다. 수평형 열전모듈로 전달된 열은 수평형 열전모듈의 주변부에 구비된 히트싱크(25)를 통해 외부로 방출된다. 수평형 열전모듈로 열이 전달되고 전달된 열이 외부로 방출되는 과정에서 열 흡수층(24)이 구비된 수평형 열전모듈의 중심부와 히트싱크(25)가 구비된 수평형 열전모듈의 주변부 사이의 온도차에 의해 제벡(Seebeck) 효과가 발생되며, 이를 통해 열전변환이 진행된다.
이와 같이, 집광형 태양전지모듈(10)에 의한 광전변환이 진행됨과 함께 수평형 열전모듈에 의한 열전변환이 진행되며, 수평형 열전모듈에 의한 열전변환이 진행됨에 있어서 집광형 태양전지모듈(10)로부터 수직 방향으로 전달된 열이 수평형 열전모듈의 수평 방향으로 확산되어 방출되는 구조임에 따라 수평형 열전모듈의 중심부와 주변부 사이의 온도차를 최대화할 수 있어 열전변환효율을 향상시킬 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합 발전소자는 집광형 태양전지모듈(10)과 수평형 열전모듈을 각각 제조하고, 수평형 열전모듈 상에 집광형 태양전지모듈(10)을 장착하는 과정을 통해 제조된다.
수평형 열전모듈의 제조과정을 살펴보면(도 3 참조), 먼저 절연성의 기판(21)을 준비하고(S301) 기판(21) 상에 복수의 열전 셀(22)을 형성한다(S302). 상기 복수의 열전 셀(22)은 상기 기판(21)의 중심으로부터 일정 거리 이격된 위치에 띠 형태로 배치되도록 형성될 수 있다. 상기 띠 형태는 원형 또는 다각형의 형태를 이룰 수 있다. 상기 열전 셀(22)은 이격 배치된 p형 열전소자(22a)와 n형 열전소자(22b)의 쌍을 의미하며, p형 열전소자(22a)와 n형 열전소자(22b)는 기상증착 공정 및 패터닝 공정을 이용하여 형성하거나 벌크 형태의 소결체를 기판(21) 상에 적층하여 형성할 수도 있다.
p형 열전소자(22a)와 n형 열전소자(22b)는 열전재료에 p형 불순물 또는 n형 불순물이 첨가된 것이며, 상기 열전재료로는 Bi-Te계, Sb-Te계, Pb-Te계, Pb-Se계, Si-Ge계, In-Co계, Bi-Te-Se계, Bi-Te-Sb계 및 In-Co-Sb계 열전재료 중 어느 하나가 이용될 수 있다. 일 실시예로, Bi-Te계 열전재료에 셀레늄(Se)을 첨가하여 n형 열전소자(22b)를 구성하고, Bi-Te계 열전재료에 안티몬(Sb)을 첨가하여 p형 열전소자(22a)를 구성할 수 있다.
띠 형태를 이루는 복수의 열전 셀(22)(열전 셀(22) 띠)는 상기 기판(21) 상에 동심원의 형태로 복수개 구비될 수 있다. 즉, 기판(21) 상에 동심원을 이루는 복수의 열전 셀(22) 띠가 구비될 수 있으며, 이 경우도 마찬가지로 기상증착 공정 및 패터닝 공정을 통해 복수의 열전 셀(22) 띠를 형성할 수 있다.
기판(21) 상에 복수의 열전 셀(22) 또는 복수의 열전 셀(22) 띠를 형성한 상태에서, 금속배선(23) 증착공정을 진행하여 수평형 열전모듈을 완성한다(S303). 상기 금속배선(23)은 p형 열전소자(22a)와 n형 열전소자(22b)를 전기적으로 연결시킴과 함께 열전 셀(22)과 열전 셀(22) 사이를 전기적으로 연결되도록 형성된다. 또한, 복수의 열전 셀(22) 띠가 형성된 경우, 상기 금속배선(23)은 각각의 열전 셀(22) 띠가 서로 전기적으로 연결되도록 형성된다.
열전 셀(22) 및 금속배선(23) 형성이 완료된 상태에서, 기판(21)의 중심부에 열 흡수층(24)을 형성한다. 상기 열 흡수층(24)은 화학기상증착 공정 물리기상증착 공정을 통해 형성할 수 있으며, 열 흡수층(24)의 재료로는 적외선 흡수 특성이 우수한 W, V, Co 중 어느 한 물질을 이용할 수 있다. 이 때, 상기 열 흡수층(24)은 열전 셀(22) 및 금속배선(23) 형성 전에 기판(21) 상에 미리 형성할 수도 있다.
수평형 열전모듈이 제조된 상태에서, 상기 수평형 열전모듈의 중심부에 구비된 열 흡수층(24) 상에 집광형 태양전지모듈(10)을 장착하면 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합 발전소자가 완성된다.
상기 집광형 태양전지모듈(10)은 태양전지(11) 제조과정과 집광장치(12) 장착과정을 통해 완성된다. 태양전지 제조과정을 살펴보면, 화합물반도체 기판을 준비하고, 화합물반도체 기판 상에 희생층을 적층한 다음, 희생층 상에 화합물반도체층을 적층한다. 이어, 희생층을 제거하여 화합물반도체 기판과 화합물반도체층을 분리하면 화합물반도체층으로 이루어진 태양전지(11)를 제조할 수 있다. 이 때, 화합물반도체 기판 및 화합물반도체층은 InGaP, InGaSbN, GaAsSbN 중 어느 한 물질로 이루어지며, 상기 화합물반도체층은 InGaP, InGaSbN, GaAsSbN의 단일층 구조 또는 다단 구조로 형성할 수 있다. 상기 희생층 및 화합물반도체층은 기판(21) 상에 에피택셜 증착공정을 통해 형성할 수 있으며, 화합물반도체층은 p-n 접합을 형성하기 위해 3족 원소, 5족 원소가 선택적으로 도핑된다.
완성된 태양전지(11)를 상기 수평형 열전모듈의 열 흡수층(24) 상에 고정한 후(S304), 집광장치(12)를 장착하면(S305) 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 열전 융합 발전소자의 제조는 완료된다.
10 : 집광형 태양전지모듈 11 : 태양전지
12 : 집광장치 20 : 수평형 열전모듈
21 : 기판 22 : 열전 셀
22a : p형 열전소자 22b : n형 열전소자
23 : 금속배선 24 : 열 흡수층
25 : 히트싱크
12 : 집광장치 20 : 수평형 열전모듈
21 : 기판 22 : 열전 셀
22a : p형 열전소자 22b : n형 열전소자
23 : 금속배선 24 : 열 흡수층
25 : 히트싱크
Claims (12)
- 집광형 태양전지모듈 및 수평형 열전모듈을 포함하여 이루어지며,
상기 수평형 열전모듈은,
기판과,
상기 기판의 중심부에 구비되는 열 흡수층과,
상기 열 흡수층의 둘레를 따라 구비되며, 상기 기판 상에 원형 또는 다각형의 띠 형태로 배치되는 복수의 열전 셀과,
상기 기판의 주변부에 구비된 히트싱크를 포함하여 구성되며,
상기 집광형 태양전지모듈은,
태양광을 집광하는 집광장치와,
상기 집광장치에 의해 집광된 태양광을 광전변환하는 태양전지를 포함하여 구성되며,
상기 태양전지는 상기 열 흡수층 상에 구비되며,
상기 태양전지의 열은 상기 열 흡수층을 매개로 상기 수평형 열전모듈로 수직 확산되며, 상기 수평형 열전모듈로 전달된 열은 수평형 열전모듈의 기판을 따라 수평 확산되는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 띠 형태로 배치되는 복수의 열전 셀(이하, '열전 셀 띠'라 칭함)이 복수개 구비되며, 상기 복수개의 열전 셀 띠는 상기 기판 상에 동심원의 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열전 셀은 p형 열전소자와 n형 열전소자의 쌍이며,
p형 열전소자와 n형 열전소자, 이웃하는 열전 셀은 금속배선에 의해 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열 흡수층은 W, V, Co 중 어느 한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 집광장치는 태양광을 1차적으로 집광하는 집광렌즈와, 집광렌즈에 의해 집광된 태양광을 태양전지에 균일하게 분배하는 균질기(homogenizer)로 구성되는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 태양전지는 화합물반도체 기반 태양전지이며, InGaP, InGaSbN, GaAsSbN 중 어느 하나의 단일층 구조 또는 이들의 다단 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자.
- 중심부에 열 흡수층이 구비되고, 주변부에 히트싱크가 구비된 기판을 준비하는 단계;
상기 열 흡수층의 둘레를 따라 구비되도록 하며, 상기 기판 상에 원형 또는 다각형의 띠 형태를 이루도록 복수의 열전 셀을 형성하는 단계;
상기 열 흡수층 상에 태양전지를 적층하는 단계; 및
상기 태양전지의 상부에 태양광을 집광하는 집광장치를 장착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 띠 형태로 배치되는 복수의 열전 셀(이하, '열전 셀 띠'라 칭함)을 복수개 형성하며, 상기 복수개의 열전 셀 띠는 상기 기판 상에 동심원의 형태로 배치되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 열전 셀은 p형 열전소자와 n형 열전소자의 쌍이며,
p형 열전소자와 n형 열전소자, 이웃하는 열전 셀을 서로 전기적으로 연결하는 금속배선을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 열 흡수층은 W, V, Co 중 어느 한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 태양전지는 p-n 접합을 이루는 화합물반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 화합물반도체층은 InGaP, InGaSbN, GaAsSbN 중 어느 하나의 단일층 구조 또는 이들의 다단 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전 열전 융합 발전소자의 제조방법.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108879924A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-11-23 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 一种激光传能接收器 |
| KR20180137327A (ko) * | 2017-06-16 | 2018-12-27 | 울산과학기술원 | 광 열전 소자용 구조체 및 그 제조방법과 그를 이용한 광 열전 소자 |
| KR101956682B1 (ko) | 2017-12-15 | 2019-03-12 | 한국에너지기술연구원 | 태양전지 열전 융합소자 |
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| WO2020129539A1 (ja) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 太陽電池および熱電変換素子を有する複合発電装置 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101001328B1 (ko) * | 2010-04-26 | 2010-12-14 | 한국기계연구원 | 태양에너지를 이용한 복합발전장치 |
| US20110048489A1 (en) | 2009-09-01 | 2011-03-03 | Gabriel Karim M | Combined thermoelectric/photovoltaic device for high heat flux applications and method of making the same |
| KR101135583B1 (ko) * | 2010-10-27 | 2012-04-17 | 한국광기술원 | 집광렌즈 기판을 구비하는 태양전지 및 그 제조방법 |
| US20130291919A1 (en) | 2012-05-03 | 2013-11-07 | Hamilton Sundstrand Space Systems International, Inc. | Concentrated photovoltaic/quantum well thermoelectric power source |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110048489A1 (en) | 2009-09-01 | 2011-03-03 | Gabriel Karim M | Combined thermoelectric/photovoltaic device for high heat flux applications and method of making the same |
| KR101001328B1 (ko) * | 2010-04-26 | 2010-12-14 | 한국기계연구원 | 태양에너지를 이용한 복합발전장치 |
| KR101135583B1 (ko) * | 2010-10-27 | 2012-04-17 | 한국광기술원 | 집광렌즈 기판을 구비하는 태양전지 및 그 제조방법 |
| US20130291919A1 (en) | 2012-05-03 | 2013-11-07 | Hamilton Sundstrand Space Systems International, Inc. | Concentrated photovoltaic/quantum well thermoelectric power source |
| KR101438130B1 (ko) | 2013-03-08 | 2014-09-16 | (주)애니캐스팅 | 집광형 태양전지모듈 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180137327A (ko) * | 2017-06-16 | 2018-12-27 | 울산과학기술원 | 광 열전 소자용 구조체 및 그 제조방법과 그를 이용한 광 열전 소자 |
| KR101956682B1 (ko) | 2017-12-15 | 2019-03-12 | 한국에너지기술연구원 | 태양전지 열전 융합소자 |
| KR20190072366A (ko) | 2017-12-15 | 2019-06-25 | 한국에너지기술연구원 | 태양전지 열전 융합소자 효율 측정방법 및 측정장치 |
| CN108879924A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-11-23 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 一种激光传能接收器 |
| WO2020129539A1 (ja) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 太陽電池および熱電変換素子を有する複合発電装置 |
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