KR20180108568A - 광의 수광 및 전기 발생을 위한 패널 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 광의 수광 및 전기의 생성을 위한 패널 구조체를 제공한다. 상기 패널 구조체는 수광 면을 갖는 패널 물질을 포함한다. 상기 패널 물질은 가시 파장 범위의 파장을 가지는 광에 대해 적어도 부분적으로 투과성이다. 상기 패널 구조체는 상기 패널 물질 내에 또는 상기 패널 물질에 배치되어 있는 광전지 물질을 포함한다. 상기 광전지 물질은 육안으로는 적어도 대체로 보이지 않을 정도로 충분히 좁은 것을 그것의 특징으로 하도록 광전지 물질이 전혀 없는 투과성 영역들 사이에 분포된다.

Description

광의 수광 및 전기 발생을 위한 패널 구조체
본 발명은 광을 수광하고 전기를 발생하기 위한 패널 구조체(panel structure)에 관한 것으로서, 특히, 이것에 한정되지는 않지만, 창유리(window pane)로 사용하기 위한 패널 구조체에 관한 것이다.
대형 창을 통해 햇빛을 받아들이는 공간들과 같은 실내 공간의 과도한 가열은 에어컨을 이용하여 극복할 수도 있는 문제이다. 대량의 에너지가 실내 공간을 냉각하기 위해 범세계적으로 이용되고 있다. 전기 에너지의 대다수는 지속 불가능한 에너지원을 사용하여 발생 되며, 이에 대한 환경적 관심이 커지고 있다.
PCT 국제특허출원 번호 PCT/AU2012/000778호, PCT/AU2012/000787호 및 PCT/AU2014/000814호(본 출원인에 의해 소유됨)는 창유리로서 사용될 수도 있고, 가시광에 대해 대체로 투과성이지만, 입사광의 일부를 광전소자(photovoltaic elements)들에 의해 흡수되어 전기를 발생하는 패널의 측면 부분들로 방향 전환하는 스펙트럼으로 선택적인 패널(spectrally selective panel)을 개시한다.
본 발명은 추가적인 개선점을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광의 수광 및 전기 발생을 위한 패널 구조체가 제공되는바, 상기 패널 구조체는:
수광 면을 가지며, 가시 파장 범위의 파장을 가지는 광에 대해 적어도 부분적으로 투과성인 패널 물질;
상기 패널 물질 내에, 상기 패널 물질에, 또는 그 근처에 배치되어 있는 광전지 물질로서, 상기 광전지 물질은 육안으로는 적어도 대체로는 보이지 않을 정도로 충분히 좁은 것을 특징으로 하도록 광전지 물질이 전혀 없는 투과성 영역들 사이에 분포되어 있는 것인 광전지 물질을 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 패널 구조체는, 그 패널 구조체를 통한 시계에 어떤 방해도 없거나 단지 최소한의 방해만 존재하면서도, 예를 들어, 창유리로서 역할을 할 뿐만 아니라 전기를 생성할 수 있다는 장점을 제공한다. 더욱이, 상기 패널 구조체의 수광 면과 비교하여 광전지 물질의 표면 영역의 백분율에 따라서, 해당 패널이 육안으로는 적어도 대체로 투명한 것처럼 보이더라도, 그 패널 구조체의 전체 면적 중의 상대적으로 넓은 부분이 전기를 발전하기 위한 용도로 사용될 수 있다.
상기 광전지 물질의 구조적 특징은 100 내지 80, 80 내지 60, 60 내지 40, 40 내지 20, 또는 20 내지 10마이크로미터의 직경을 가질 수도 있다. 이러한 특징들 사이의 투과 영역(transmissive areas)들은 100 내지 80, 80 내지 60, 60 내지 40, 40 내지 20, 또는 20 내지 10마이크로미터의 직경을 가질 수도 있다
광전지 물질은 어떤 패턴을 형성할 수도 있다. 또한, 광전지 물질은 수광 된 광의 일부를 흡수하여 전기를 발생시키고, 그 수광 된 광의 일부를 패널 물질의 적어도 하나의 모서리 면을 향해 편향시키도록 배열된 회절 요소를 형성할 수도 있다. 상기 회절 요소는 광전지 물질의 주기적인 또는 준-주기적(quasi-periodic)인 배열을 포함할 수도 있다.
이 명세서 전체에 걸쳐, "준-주기적 배열(quasiperiodic arrangement)"이라는 용어는 주기적 성분뿐만 아니라, 무작위로 분포될 수도 있는 비 주기적 성분을 모두 망라하는 배열에 대해 사용된다.
상기 회절 요소는, 150, 100, 80, 60 또는 40마이크로미터와 같이, 200마이크로미터 또는 그 이하의 주기를 갖는 회절격자(diffractive grating)일 수도 있다. 회절격자가 주기적인 배열을 포함한다면, 그 회절 요소는 규칙적으로 형성되고 반복적인 특징적 구조를 포함할 수도 있다. 대조적으로 회절 요소가 준-주기적 배열을 포함하는 경우, 그 회절 요소는 불규칙적으로 형성된 특징 또는 무작위적 배향으로 규칙적으로 형성된 특징을 포함할 수도 있고, 인접 특징은 준-주기적 배열의 일 주기를 정의하는 위치들에 분포된다.
회절 요소는 적외선 파장 범위의 파장을 가지는 광이 대부분 상기 적어도 하나의 모서리 면을 향해 편향되도록 배열될 수도 있다. 회절 요소 및 패널 물질은 편향된 광의 적어도 일부가 패널 물질 내에서 상기 적어도 하나의 모서리 면을 향해 안내되도록 배열될 수도 있다. 상기 패널 구조체는 추가적인 전기가 생성될 수 있도록 상기 편향된 광의 적어도 일부분을 수용하기 위해 상기 패널 물질의 상기 적어도 하나의 모서리 면에 배치되는 추가의 광전지 물질을 포함할 수도 있다. 회절 요소에 의한 적외선 방사의 편향은 (패널이 창유리로서 사용되는 경우) 건물 내로의 적외선 방사의 전달이 감소 될 수 있다는 부가적인 이점을 가지므로, 이것은 결과적으로 건물 내의 공간에 대하여 과도한 가열을 감소시키고 냉방(에어컨디션) 등을 위한 비용을 감소시킬 수 있다.
광전지 물질은 임의의 적합한 형태로 제공될 수도 있으며, 또한 임의의 적합한 물질을 포함할 수도 있다. 본 발명의 특정 실시 예에서, 광전지 물질은 박막 물질의 형태로 제공되며, CIS(Copper Indium Diselenide: 구리 인듐 디셀레니드) 또는 CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide: 구리 인듐 갈륨 디셀레니드)를 포함하거나 그것들로 이루어질 수도 있다.
상기 회절 요소의 광전지 물질은 회절 요소의 일 주기를 결정하는 주기적 또는 준-주기적 배열을 형성할 수도 있다.
광전지 물질은 연속적인 물질의 형태로 제공되거나, 그 회절 요소가 주기적 또는 준-주기적 구조를 갖도록 배열된 상호 연결된 물질 부분들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 회절 요소는 라인들 또는 무작위적으로 형성되거나 배향된 광전지 물질 또는 광전지 물질 사이에 적어도 대부분 투과성인 물질들을 포함하고 상기 회절 요소의 주기를 결정하는 패턴을 포함할 수도 있다. 투과성 물질 영역은 규칙적인 형상을 갖거나 또는 갖지 않을 수도 있다.
상기 투과성 물질 영역들은 임의의 적절한 형상(임의의 다각형 또는 불규칙한 형상과 같은)을 가질 수도 있고, 그리고 회절 요소가 전체적으로 평균 주기를 갖는 어떤 배열을 정의하도록 상기 투과성 물질 영역들이 배치되는 한, 상기 회절 요소는 상이한 형상을 가지는 임의의 수의 투과성 물질 영역들을 포함할 수도 있다. 또한, 회절 요소는 둘 이상의 주기를 가질 수도 있다. 예를 들어, 회절 요소는 상이한 주기를 정의하도록 분포되는 상이한 크기의 투과성 물질 영역들을 포함할 수도 있다.
특정한 일 실시 예에서, 광전지 물질은 평면 내에 하나의 패턴을 형성하고, 패널 물질의 적어도 일부분(대다수와 같은)에 걸쳐서 연장되는 구조적 특징을 포함한다. 상기 광전지 물질의 특징은 회절 요소의 면적의 (패널의 수광 면에 대해 전형적으로 평행한 평면에서) 1% - 5%, 5% - 20%, 20% - 40%, 40% - 60% 또는 60 - 80% 또는 그 이상을 점유할 수도 있다.
광전지 물질은 패널 물질 상에 배치되거나 패널 물질 상에 형성될 수도 있는 물질의 형태로 제공될 수도 있다. 예를 들어, 광전지 물질은 유리 또는 유기 물질로 형성될 수도 있는 패널 물질 상에 형성된 층상 구조의 박막 물질의 형태로 제공될 수도 있다.
일 실시 예에 있어, 광전지 물질은 패널 물질 상에 연속적인 층상 구조의 박막 물질의 형태로 제공되고, 이어서 투과성 물질 영역이, 예를 들어, 레이저 제거술(laser ablation) 또는 적절한 에칭 공정(etching process)을 사용하여 형성된다.
특정한 일 실시 예에서, 회절 요소는 (홈에 의해 형성된) 이빨들(teeth) 및 오목한 부분(recess)들을 갖는 단면 프로파일을 갖는 회절격자(diffractive grating)이다. 광전지 물질은 상기한 오목한 부분에 또는 이빨들 위에 배치될 수도 있다.
추가로, 패널 물질은 입사 광 및/또는 반사된 광의 적어도 일부를 흡수하도록 배치되고 발광에 의해 광을 방출하도록 배열되는 발광 물질을 포함할 수도 있으며, 이것은 패널 물질의 적어도 하나의 모서리 부분을 향하여 입사 광을 안내하는 것을 용이하게 한다.
패널 물질은 서로 대체로 평행하게 배치되어 있는 적어도 2개의 이격 된 패널 부분들을 포함할 수도 있다. 회절 요소 및 발광 물질은 적절한 광학 접착제를 사용하여 함께 접착될 수 있는 2개의 패널 부분들 사이에 배치될 수도 있다.
일 실시 예에서, 패널 물질은 또한, 가시 파장 대역 내의 파장을 가지는 광의 적어도 대부분에 대해 대체로 투과성이면서, 적외선(IR) 파장 대역 및/또는 자외선(UV) 파장 대역 내에서, 입사 광을 반사시키도록 배열되는 광학적 간섭 코팅(optical interference coating)을 포함한다. 상기 광학적 간섭 코팅은 사용 시 입사 광이 광학 간섭 코팅에 도달하기 전에 전술한 이격 된 패널 부분들을 관통하도록 배치될 수도 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 광을 수광하고 전기를 발생시키기 위한 패널 구조체가 제공되는바, 상기 패널 구조체는:
수광 면 및 적어도 하나의 모서리 면을 가지며, 가시 파장 범위의 파장을 가지는 광에 대해 적어도 부분적으로 투과성인 패널 물질;
상기 패널 물질 내에, 상기 패널 물질에, 또는 그것의 근방에 배치되는 회절 요소로서, 상기 수광 된 광의 일부를 흡수하여 전기를 발생시키도록 배열되는 광전지 물질의 주기적 또는 준-주기적 배열을 포함하고, 상기 수광 된 광의 일부를 상기 패널 물질의 적어도 하나의 모서리 면을 향하여 편향시키도록 배열되는 회절 요소를 포함한다.
상기 회절 요소의 구조적 특징들은 육안으로 보이지 않도록 충분히 좁을 수도 있다. 대안적으로, 상기 회절 요소의 특징은 크기가 약간 더 클 수 있음을 당해 기술분야의 전문가라면 이해할 것이다. 예를 들어, 회절 요소의 특징은 150마이크로미터 내지 100마이크로미터 또는 100마이크로미터 내지 75마이크로미터의 직경을 가질 수 있다. 이 경우, 회절 요소의 특징적 구조는 근접 검사에 의하면 육안으로 가시적일 수도 있지만, 창유리로서 사용될 때 패널 구조체를 통한 시야를 크게 방해하지 않도록 충분히 좁다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 광을 수광하고 전기를 발생시키기 위한 패널 구조체를 제조하는 방법이 제공되는바, 상기 방법은:
주 표면이 상부 및 하부 표면 부분들을 갖도록 주기적 또는 준-주기적인 구조를 정의하는 홈들 또는 오목한 부분들을 갖는 주 표면을 갖는, 가시광에 대해 적어도 부분적으로는 투과성인 패널을 제공하는 과정;
상기 주 표면 상에 CIS 또는 CIGS 물질을 성장시키는 과정; 및
상기 상부 표면 부분들로부터 CIS 또는 CIGS 물질을 제거하는 과정을 포함한다.
상기 패널을 제공하는 과정은 패널 구조체를 형성하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 패널은 유리 또는 중합체(polymer) 물질로 형성될 수도 있으며, 상기 패널을 형성하는 과정은 유리 또는 중합체 물질을 롤러들 사이에서 압연하는 것을 포함할 수도 있으며, 또한 상기 롤러들 중 적어도 하나는 중합체 물질의 유리가 롤러들 사이에서 압연 될 때 상기한 홈 또는 오목한 부분들이 엠보싱 가공(embossed) 되도록 프로파일이 형성된 면을 가질 수도 있다.
상부 표면 부분으로부터 CIS 또는 CIGS 물질을 제거하는 과정은 상기 상부 표면 부분으로부터 CIS 또는 CIGS 물질을 제거하기 위해 패널의 주 표면을 연마(polishing)하는 과정을 포함할 수도 있다.
상기 패널 구조체는 본 발명의 제1 또는 제2 측면에 따른 패널 구조체일 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 특정 실시 예들에 관한 하기의 설명으로부터 더욱 완전히 이해될 수 있을 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 패널 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패널 구조체의 구성 요소의 개략적인 단면도이다.
도 3은 CIGS 층상 구조의 개략적인 표현도이다.
도 4-6은 본 발명의 실시 예들에 따른 패널 구조체의 구성요소들의 개략적인 표현도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 패널 구조체를 제조하는 방법을 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시 예들은 대체로, 예를 들어, 창유리(window pane)로 사용될 수도 있는 패널 구조체에 관한 것이다. 상기한 패널 구조체는 하나의 패턴을 형성할 수도 있는 패널 물질을 갖는다. 광전지(photovoltaic) 물질은 그 패턴이 육안으로는 적어도 대체로 또는 심지어는 전체적으로 보이지 않도록 충분히 작다는 특징을 갖는다.
일 실시 예에 있어, 광전지 물질은 회절격자(diffractive grating)를 형성한다. 회절격자는 패널 물질의 일부를 형성하거나 패널 물질 상에 또는 그것의 근방에 배치될 수도 있다. 상기 회절격자는 광전지 물질의 주기적(periodic)이거나 또는 준-주기적인(quasiperiodic) 배열로 형성되며, 수광 된 광의 일부를 흡수하여 전기를 생성하고 그 패널 물질의 모서리 면을 향해 수광된 광의 일부를 편향시키도록 구성된다.
상기 광전지 물질은 일 실시 예에서 CIS 또는 CIGS 박막 물질의 형태로 제공되지만, 당해 기술분야의 전문가라면 대안적으로 그 광전지 물질이 다른 형태(중합체(polymeric) 광전지 물질과 같은, 임의의 적합한 통상적인 무기(inorganic) 광전지 물질 및 유기(organic) 물질을 포함함)로 제공될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 광전지 물질은 대체로 투과성 판유리(transparent pane) 상에 증착 또는 배치될 수도 있으며, 레이저 절제기법 또는 적절한 에칭 기술을 사용하여 광전지 재료 내에 투과성 물질의 패턴(라인 또는 임의의 다른 규칙적 또는 불규칙적 형상의)이 형성될 수도 있다. 결과적으로, 상기 패널 구조체는 광전지 물질이 대체로 가시적이지 않아서 투명하게 보이지만, 전기 발생을 위해 햇빛을 수집한다는 장점을 갖는다.
먼저, 도 1을 참조하여, 광을 수광하여 전기를 발생시키는 패널 구조체(100)의 개략적인 단면도가 아래에서 기술된다. 패널 구조체(100)는 이 실시 예에서는 창유리(pane)의 형태로 제공된다. 그러나 당해 기술분야의 전문가라면 그 패널 구조체(100)는 다른 응용 분야를 가질 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 패널 구조체(100)는 제1 패널 부분(102), 제2 패널 부분(104), 및 제3 패널 부분(106)을 포함한다. 이 실시 예에서 제1, 제2 및 제3 패널 부분들(102, 104 및 106)은 유리판의 형태로 제공된다. 그러나 대안적으로는, 상기 유리판은 중합체(폴리머) 물질로 형성될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
상기한 패널 부분들(104 및 106)은 스페이서들(110)에 의해 이격 되어, 어떤 간격(108)이 패널 부분들(104 및 106) 사이에 형성된다. 회절격자(112)는 패널 부분들(102 및 104) 사이에 위치된다. 회절격자(112)는 패턴의 형태로 제공되는 광전지 물질을 포함한다. 이 실시 예에서, 상기한 패턴은 격자 구조(112)가 그 위에 형성되는 패널 부분(104)의 대부분에 걸쳐 연장되는 라인들을 포함한다. 광전지 물질은 그 광전지 물질 및 투과성 물질을 포함하는 주기적 구조의 형태로 제공된다. 투과성 물질은 그 광전지 물질이 육안으로는 보이지 않도록 충분히 작게 구성되는 특징을 갖도록 형성된다. 전형적으로, 상기 광전지 물질은 100 내지 50마이크로미터 미만의 좁은 폭, 예컨대 10 내지 25마이크로미터의 폭을 갖는 라인들 또는 다른 구조들을 포함한다.
당해 기술분야의 전문가라면, 전술한 실시 예의 변형에서 상기 회절격자는 패널 부분들(102 및 104) 사이에 위치하지 않을 수도 있지만, 대안적으로는 패널 부분(102) 위에 또는 패널 부분(106) 아래에 배치될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 회절 요소(112)와 동일한 회절격자(200)의 개략적인 평면도를 도시한다. 이 실시 예에서, 회절격자(200)는 10 내지 25마이크로미터의 폭을 갖는 라인들(202)을 포함한다. 라인들(202) 간의 투과성 물질 부분들(203)은 대략 40 내지 75마이크로미터의 폭을 갖는다. 상기한 라인들(202) 및 투과성 물질 부분들(203)은, 예를 들어, 1000밀리미터의 길이를 가질 수도 있다. 이 실시 예에서, 회절격자(200)의 광전지 물질은 본 실시 예에서는 CIS 또는 CIGS이지만, 텔루르화카드뮴(Cadmium Telluride: CdTe) 또는 비정질 실리콘(amorphous silicon: a-Si)일 수도 있는 박막 적층 구조의 물질의 형태로 제공된다. 도 3은 CIGS 광전지 물질의 층상 구조를 개략적으로 도시한다.
회절격자(200)의 라인들은 직렬접속 된 CIGS 광전지들을 포함한다. 회절격자(200)는 모서리 부분에 배치되고 창유리의 수광 면에 평행하게 배향된 광전지 물질(206)(일련의 CIGS 광전지들을 포함함)을 더 포함한다. 또한, 회절격자(200)는 광전지 물질(204)을 포함하고, 광전지 물질(202, 204 및 206)은 2개의 대향하는 광전지 물질들(204) 사이에 전압이 발생되도록 접속되어 있다.
도 1을 다시 참조하여, 패널 구조체(100)의 다른 특징들이 이하에서 설명된다. 회절격자(112)는 그 회절격자(112)가 적외선 파장 범위의 파장 범위를 갖는 광을 주로 편향시키도록 선택되는 주기를 갖는다. 따라서 편향된 적외선 광의 적어도 일부분은 패널 부분(102 및 104) 내에서 패널 부분(104)의 모서리 부분들 쪽으로 경로가 안내되는데, 여기서 그 광은 추가의 광전지 요소들(118)에 의해 수집되어 결과적으로 전기 생성을 위해 사용될 수 있다. 또한, 패널 구조체(100)는 패널 부분(104)의 모서리 부분들을 따라 배치되고 패널 구조체(100)의 수광 면에 평행하게 배향된 추가적인 광전지 요소들(116)을 포함한다. 도 1에 도시된 광전지 요소들(116)은 도 2에 도시된 광전지 요소들(204 및 206)과 부합한다. 상기 광전지 요소들(116)은 회절격자(112)에 의해 패널 부분(104)의 모서리 부분들 쪽으로 편향되는 또 다른 광을 수집하고, 직사광선을 또한 수집한다.
상기 패널 부분들(102 및 104)은 회절격자(112)가 그 패널 부분들(102 및 104) 사이에서 샌드위치 형으로 삽입되도록 적절한 광학 접착제를 사용하여 함께 접착된다.
패널 구조체(100)는 유입되는 UV 및 IR 광의 적어도 일부를 반사시키도록 배열되고 가시광선에 대해서는 대체로 투과성인 다층의 필름 구조(114)를 더 포함한다. 상기 다층 필름 구조(114)는 패널 부분(106)의 상부 표면 상에 위치되고 패널 부분들(104 및 102)의 모서리를 향하는 광의 지향을 용이하게 한다.
또한, 상기한 패널 구조체(100)는, 본 실시 예에서, 패널 부분들(104 및 106) 사이에 샌드위치 형으로 끼워지는 발광(luminescent) 및/또는 광 산란(light scattering) 물질(113)을 포함한다. 상기한 발광 및/또는 광 산란 물질(113)은 또한, 광전지 요소들(112)에 의해 수집되는, 패널 부분들(102, 104)의 모서리를 향하는 입사 IR 및 UV 광의 방향을 다시 지향시키는 것을 용이하게 한다.
회절격자(112)의 투과성 물질(203)은 본 실시 예에서는 발광 물질(113)을 포함하는 접착 물질로 채워진다. 이러한 특정 예에서, 상기 접착 물질은 에폭시(epoxy)를 포함하는 발광성 산란 분말(luminescent scattering powder)을 포함한다. 상기 발광성 산란 분말에 의한 입사광의 산란은 패널 물질(100)의 모서리 부분 쪽으로 안내되는 광의 부분을 증가시킨다.
발광 및/또는 산란 물질(113), 및 다층 필름 구조(114)에 대한 더 이상의 세부사항은 PCT 국제출원 번호 PCT/AU2012/000778호 및 PCT/AU2012/000787호(본 출원인에 의해 소유되고, 상호 참고로 본 명세서에 포함됨)에 기술되어 있다.
결과적으로, 패널 구조체(100)는 격자 구조(112)의 광전지 물질에서 입사 광을 흡수함으로써 전기를 생성하고, 패널(104)의 모서리들을 향해 광을 편향시키게 되는데, 여기서 편향된 광은 추가적인 전기를 생성하기 위해 광전지 요소들(118 및 116)에 의해 수집된다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 예들에 따른 추가적인 회절격자들(400, 500, 600)에 대해 설명한다. 상기 회절격자(400, 500 및 600)는 도 1에 도시된 회절격자(112)를 대체할 수도 있다. 상기 회절격자(400)는 직사각형의 투과성 물질 영역들(403)이 형성되도록 배치된 라인들(401 및 402)을 포함한다. 이 실시 예에서, 상기한 라인들(401, 402)은 육안으로는 보이지 않을 정도로 충분히 좁다. 예를 들어, 상기한 라인들(401, 402)은, 10-25 마이크로미터와 같이, 50마이크로미터 미만의 폭을 가질 수도 있다. 이 실시 예에서, 격자 주기 및 라인들(401, 402)은 입사 광의 일부가 상기 라인들(401 및 402)의 광전지 물질에 의해 흡수되고, 그 입사 광의 다른 부분은 사용시에 회절격자(400)가 적용되는 그 패널의 모서리를 향하여 안내되거나 그 경로가 안내되도록 배치된다. 상기 격자 구조(400)는 또한 모서리들에 회절격자(400)의 평면 내에 배열되는 광전지 물질(404, 406)을 포함한다.
도 5 및 도 6은 전술한 회절격자의 변형을 도시한다. 회절격자(500)는 또한 CIS 또는 CIGS로 형성된다. 주기적 패턴이 형성되도록 CIS 또는 CIGS 물질을 통해 실질적으로 원형의 투과성 물질 영역들(503)이 형성된다. 이 실시 예에서, 투과성 물질 영역들(503) 사이에 남아있는 CIS 또는 CIGS 물질은 육안으로는 보이지 않도록 충분히 좁다. 원형의 투과성 물질 영역들(503)은, 이 실시 예에서는, 30 내지 75마이크로미터의 직경을 가지며, 남아있는 CIS 또는 CIGS 물질(502)은 10 내지 25마이크로미터의 직경을 갖는다. 상기한 격자 구조(500)는 모서리 부분에 그리고 회절격자(500)의 평면에 배열된 광전지 물질(504 및 506)을 또한 포함한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회절격자를 도시한다. 상기 회절격자(600)는 회절격자(500)와 연관되지만, 이 경우에는 불규칙한 형상 및 크기를 갖는 투과성 물질 영역들(603)을 갖는다. 그러나 투과성 물질 영역들(603)은 주기적 구조를 형성한다. 상기 투과성 물질영역(603)은 이 예에서 약 30 내지 70마이크로미터의 직경을 가지며, 투과성 물질 영역들(603) 사이의 남아있는 CIS 또는 CIGS 물질(602)은 10 내지 25마이크로미터 정도의 직경을 갖는다. 또다시, 회절격자(600)는 육안으로는 보이지 않는 특징을 갖는다. 상기 격자 구조(600)는 또한 모서리 부분들에 그리고 회절격자(600)의 평면에 배열되는 광전지 물질(604 및 606)을 포함한다.
그러나 전술한 실시 예의 변형에 있어, 회절 요소들(112, 200, 400, 500, 600)은 대안적으로는 육안으로 보일 수도 있는 약간 더 큰 특징들을 포함할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 회절 요소들은 대안적으로 100 내지 200마이크로미터의 직경을 갖는 투과성 물질 영역들 사이의 구조적 특징을 가질 수도 있다. 이 경우, 상기한 구조적 특징은 근접 검사한다면 그것들이 육안으로 보일 수도 있는 정도의 크기로 이루어질 수도 있지만, 그것들은 패널 구조체를 통한 시야를 현저하게 방해하지 않을 정도로 충분히 작다.
또한, 당해 기술분야의 전문가라면, 전술한 실시 예들의 변형들에서, 상기 광전지 물질은 회절 요소를 위한 것이 아닐 수도 있으나, 무작위적으로 배열될 수도 있고 어떤 패턴을 형성하거나 형성하지 않을 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
상술 한 바와 같이, 일 실시 예에 따른 회절격자(112, 200, 400, 500 및 600)는 CIS 또는 CIGS로 형성된다. 회절격자의 형성 과정은 CIS 또는 CIGS가 그 위에 형성되는 투명한 판(유리판)들을 제공하는 과정을 시초에 포함할 수도 있다. 이어서, 회절격자들의 특징은 그 회절격자의 전술한 투과성 물질 영역들을 형성하도록 CIS 또는 CIGS 물질의 일부를 제거함으로써 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기한 제거는 하나 또는 다수의 레이저를 사용하는 광열 제거기술(photothermal ablation)을 포함할 수도 있다. 레이저 제거기술(laser ablation)을 사용하여, 20마이크로미터 미만의 직경을 갖는 구조체의 형성이 가능하다. 구체적으로는, 충분한 전력의 UV 파장 레이저가 국부적으로 CIS 또는 CIGS 물질을 제거하는데 사용되며, 이것은 분자들 사이의 화학적 결합을 파괴하고, 잔류물은 표면으로부터 제거되어 투과성 물질 영역(구멍)을 남긴다. 당해 기술분야의 전문가라면, 이러한 방식으로 회절격자를 레이저 빔에 대해 이동시킴으로써 연장된 구조가 형성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 일련의 레이저가 평행 제거 공정(parallel ablation process)에 사용될 수도 있으며, 이것은 생산 시간을 단축시킨다.
대안으로서, 회절격자는, 딥(deep) RIE와 같은, 반응성 이온 에칭(reactive ion etching: RIE)을 이용하여 형성될 수도 있다. 이 경우, 초기에 CIS 또는 CIGS 태양 전지가 투명한 패널 부분 상에 형성되고, 이어서 이것은 적절한 마스크로 덮인다. CIS 또는 CIGS 물질 및 마스크를 갖는 패널 부분은 이어서 고주파 전력 소스를 사용하여 플라즈마 에칭을 위해 적절한 가스가 도입되는 챔버에 놓여진다.
습식 에칭(wet etching)이 또한 회절격자들 내에 투과성 물질 영역들을 형성하는데 사용될 수도 있다. 투명한 창유리 상에 형성된 상기 CIS 또는 CIGS 물질은 선택된 습식 에칭 공정에 대해 대체로 저항하는 적절한 마스크를 사용하여 덮인다. 특히, 작은 구조체를 형성할 경우에, 습식 에칭에 대해 알려진 문제점인, 마스크에 의해 덮인 영역 아래쪽에서의 에칭은 적절한 스프레이 에칭 기술을 사용함으로써 감소 가능하다.
대안적으로, 에칭 물질의 작은 방울들이 CIS 또는 CIGS 재료 상에 직접 배치되어 투과성 물질 영역을 형성하는 잉크젯 인쇄술(ink jet printing)과 유사한 기술을 사용하여 마스크 없이 습식 에칭이 수행될 수도 있다.
또한, 상기한 CIS 또는 CIGS는 투명한 판 상에 회절격자의 형태로 직접 증착되어도 좋다. 이 경우, 상기한 투명한 판은 투과성 물질 영역에 해당하는 영역에서 고체 물질을 갖는 적절한 마스크로 덮여 있다. 그 다음, 일련의 CIS 또는 CIGS 광전지들이 투명판 및 마스크 상에 통상의 방식으로 증착된다. 이어서, 마스크가 제거되어 투과성 물질 영역들을 노출한다. 그 다음, 개별적인 CIS 또는 CIGS 광전지는 100마이크로미터의 길이와 25마이크로미터의 두께를 가질 수도 있는 얇은 몰리브덴(molybdenum) 와이어를 사용하여 전기적으로 연결되며, 따라서 이것은 육안으로는 보이지 않는다.
이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 패널 구조를 형성하는 방법이 설명된다. 상기 방법은 유리 기판(700)을 제공하는 초기 단계를 포함한다. 유리 기판은 가시광선에 대해 투과성이며, 당해 기술분야의 전문가라면 대안으로서 적절한 중합체 물질로 형성된 패널이 사용될 수도 있음을 이해할 것이다. 그 다음, 연화된(softened) 유리 패널은 압연 되어 아일랜드들(706) 사이에 홈 또는 오목한 부분(704)들을 형성하고, 패턴이 형성된 유리 기판(702)을 형성한다. 상기한 홈 또는 오목한 부분(704)들은 약 25㎛의 폭과 약 20㎛의 깊이를 갖는다. 유리 기판은 2개의 롤러 사이에서 압연 되고, 그 중 하나의 롤러는 상기한 홈 또는 오목한 부분(704)들에 부합하는 돌출부들을 갖는다.
이어서, CIS 또는 CIGS 물질(708) 층이 유리 기판 (702)의 패턴이 형성된 표면에 형성되어 코팅된 패턴화 유리 기판(707)을 형성한다. 상기 CIS 또는 CIGS 물질(708)은 약 3㎛ 정도의 두께를 가질 수도 있다.
그 다음, CIS 또는 CIGS 물질(708)은 패널 구조를 형성하도록 아일랜드(706)의 최상부 3㎛를 제거할 수도 있는 통상적인 연마 공정(polishing process)을 사용하여 상기 아일랜드(706)로부터 떨어지게 연마된다. 당해 기술분야의 전문가라면, 상기 홈 또는 오목한 부분(704)들은 그 홈 또는 오목한 부분들에 형성된 CIS 또는 CIGS 물질이 전기적으로 상호 연결되도록 서로 연결된다는 것을 이해할 것이다.
당해 기술분야의 전문가라면 전술한 회절격자의 구조를 형성하는데 사용될 수도 있는 다양한 다른 방법들이 존재한다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 PCT 국제출원번호 PCT/AU2012/000778호, PCT/AU2012/000787호 및 PCT/AU2014/000814호에 대해 참조를 하더라도 이들 문서가 호주 또는 기타 국가에서 통상의 일반적 지식의 일부라는 인정으로 여겨지는 것은 아니다.

Claims (26)

  1. 광의 수광 및 전기 생성을 위한 패널 구조체에 있어서,
    수광 면과 적어도 하나의 모서리 면을 가지며, 가시 파장 범위에서의 파장을 가지는 광에 대해 적어도 부분적으로 투과성인 패널 물질;
    상기 패널 물질 내에, 상기 패널 물질에, 또는 그 근처에 배치되어 있는 광전지 물질로서, 상기 광전지 물질은 육안으로는 적어도 대체로 보이지 않을 정도로 충분히 좁은 것을 특징으로 하도록 광전지 물질이 전혀 없는 투과성 영역들 사이에 분포되어 있는 광전지 물질을 포함하는 패널 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광전지 물질의 구조적 특징은 100 내지 80마이크로미터의 직경을 갖는 것인 패널 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광전지 물질의 구조적 특징은 60 내지 40마이크로미터의 직경을 갖는 것인 패널 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광전지 물질의 구조적 특징은 40 내지 20마이크로미터의 직경을 갖는 것인 패널 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광전지 물질의 구조적 특징은 20 내지 10마이크로미터의 직경을 갖는 것인 패널 구조체.
  6. 선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전지 물질은 수광된 광의 일부를 흡수하여 전기를 발생하고 상기 패널 물질의 상기 적어도 하나의 모서리 면을 향해 상기 수광된 광의 일부를 편향시키도록 배열되는 회절 요소를 형성하는 것인 패널 구조체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 회절 요소는 광전지 물질의 주기적 또는 준-주기적 배열을 포함하는 것인 패널.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 회절 요소는 회절 요소의 일 주기를 결정하는 규칙적인 형상의 반복적인 구조적 특징들을 포함하는 것인 패널 구조체.
  9. 제5항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소는 무작위적인 배향으로 불규칙적 형상의 특징 또는 규칙적으로 형성된 특징들을 포함하며, 또한 인접한 특징들은 상기 회절 요소의 일 주기를 정의하는 위치들에 분포되어 있는 것인 패널 구조체.
  10. 제6항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소는 150마이크로미터 이하의 주기를 갖는 회절격자인 것인 패널 구조체.
  11. 제6항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소의 적어도 일부의 광전지 물질은 그 패턴이 육안으로는 적어도 대체로 보이지 않도록 충분히 작은 구조적 특징을 갖는 패턴을 형성하는 것인 패널 구조체.
  12. 제6항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소는 대체로 적외선 파장 범위의 파장을 가지는 광이 상기 적어도 하나의 모서리 면을 향해 편향되도록 배열되는 패널 구조체.
  13. 선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 패널 물질의 상기 적어도 하나의 모서리 면에 위치하여 상기 편향된 광의 적어도 일부를 수광하는 추가적인 광전지 물질을 포함하는 패널 구조체.
  14. 선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전지 물질은 박막 물질의 형태로 제공되며, CIS(Copper Indium Diselenide: 구리 인듐 디셀레니드) 또는 CIGS(Copper Indium Gallium Diselenide: 구리 인듐 갈륨 디셀레니드)를 포함하는 것인 패널 구조체.
  15. 선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소의 광전지 물질은 상기 회절격자의 주기를 결정하는 주기적 또는 준-주기적 배열구조를 형성하는 것인 패널 구조체.
  16. 제6항 또는 제6항에 종속하는 경우 제7항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소는 상기 광전지 물질 사이의 적어도 대체로 투과성 물질들 및 상기 광전지 물질의 라인들을 포함하는 것인 패널 구조체.
  17. 제6항 또는 제7항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소는 상기 광전지 물질 및 가시 광에 대해 적어도 대체로 투과성인 투과성 물질들로 형성되는 패턴을 포함하고, 상기 투과성 물질들은 다각형의 형상을 갖는 것인 패널 구조체.
  18. 제6항 또는 제6항에 종속될 경우 제7항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소는 상기 광전지 물질 및 가시 광에 대해 적어도 대체로 투과성인 투과성 물질들로 형성되는 패턴을 포함하고, 상기 투과성 물질들은 원형의 형상을 갖는 것인 패널 구조체.
  19. 제6항 또는 제6항에 종속될 경우 제7항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소는 상기 광전지 물질 및 가시 광에 대해 적어도 대체로 투과성인 투과성 물질들로 형성되는 패턴을 포함하고, 상기 투과성 물질들은 불규칙적 형상을 갖는 것인 패널 구조체.
  20. 제6항 또는 제6항에 종속될 경우 제7항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 요소는 상기 광전지 물질 및 가시 광에 대해 적어도 대체로 투과성인 투과성 물질들로 형성되는 패턴을 포함하고, 상기 투과성 물질들은 상이한 주기들을 정의하는 상이한 크기들을 갖는 것인 패널 구조체.
  21. 광을 수광하고 전기를 발생시키기 위한 패널 구조체에 있어서,
    수광 면 및 적어도 하나의 모서리 면을 가지며, 가시 파장 범위에서의 파장을 가지는 광에 대해 적어도 부분적으로 투과성인 패널 물질;
    상기 패널 물질 내에, 상기 패널 물질에, 또는 그 근방에 배치되는 회절 요소로서, 상기 수광 된 광의 일부를 흡수하여 전기를 발생시키도록 배열되는 광전지 물질의 주기적 또는 준-주기적 배열을 포함하고, 상기 수광 된 광의 일부를 상기 패널 물질의 상기 적어도 하나의 모서리 면을 향하여 편향시키도록 배열되는 회절 요소를 포함하는 패널 구조체.
  22. 광의 수광 및 전기의 발생을 위한 패널 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    주 표면이 상부 및 하부 표면 부분들을 갖도록 주기적 또는 준-주기적인 구조를 정의하는 홈 또는 오목한 부분들을 갖는 주 표면을 갖는, 가시광에 대해 적어도 부분적으로는 투과성인 패널을 제공하는 과정;
    상기 주 표면 상에서 CIS 또는 CIGS 물질을 성장시키는 과정; 및
    상기 상부 표면 부분들로부터 CIS 또는 CIGS 물질을 제거하는 과정을 포함하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 패널을 제공하는 과정은 상기 패널을 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 패널은 유리 또는 중합체(폴리머) 물질로 형성되며, 상기 패널을 형성하는 과정은 유리 또는 중합체 물질을 롤러들 사이에서 압연하는 동작을 포함하되, 상기 롤러들 중 적어도 하나는 중합체 물질의 유리가 상기 롤러들 사이에서 압연 될 때 상기한 홈 또는 오목한 부분들이 엠보싱(embossed) 가공되도록 프로파일이 형성된 면을 갖는 것인 방법.
  25. 제22항 내지 제24항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상부 표면 부분으로부터 상기 CIS 또는 CIGS 물질을 제거하는 과정은 상부 표면 부분으로부터 상기 CIS 또는 CIGS 물질을 제거하기 위해 상기 패널의 주 표면을 연마하는 동작을 포함하는 것인 방법.
  26. 제20항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 패널 구조체는 청구항 제1항 내지 제21항 중의 어느 한 항에 따른 패널 구조체인 것인 방법.
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