KR20210141547A

KR20210141547A - 레이저 빔 전력 검출용 광전지

Info

Publication number: KR20210141547A
Application number: KR1020217032944A
Authority: KR
Inventors: 오르탈 알퍼트; 오리 레파엘 모르; 리오르 골란; 란 사기; 이얄 콘포르티
Original assignee: 위-차지 리미티드.
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2021-11-23
Also published as: US11909224B2; US20220190649A1; WO2020188576A1; EP3942674A4; EP3942674A1; JP2022525631A; CN113906651A

Abstract

송신기 및 수신기를 포함하는 무선 광 전력 전달 시스템으로서, 송신기는 빔을 방출하는 레이저, 상기 수신기 쪽으로 빔을 조종하기 위한 스캐닝 미러 및 수신기 상의 검출 유닛으로부터 신호를 수신하고 빔 파워 및 스캐닝 미러를 제어하는 제어 유닛을 포함한다. 수신기는 0.75 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 광전지를 가지며 빔 수신 표면에 복수의 전도체가 있다. 레이저 파장 밖의 파장의 조명을 차단하는 재료의 커버 층이 광전지에 배치된다. 커버 층은 그의 상부 및 바닥 표면에 반사 방지 코팅을 가질 수 있다. 따라서 검출 유닛은 상기 레이저 빔의 조명 이외의 조명과 무관하게 수신기에 충돌하는 레이저 빔의 파워를 나타내는 신호를 생성한다. 따라서 제어 유닛은 수신기에 영향을 미치는 레이저 전력을 유지할 수 있다.

Description

레이저 빔 전력 검출용 광전지

본 발명은 광전지 분야, 특히 무선 전력 시스템에서 레이저 전원으로부터의 빔을 전기 에너지로 변환하도록 구성된 광전지에 관한 것이다.

PV 전지로서 공지된 광전지는 광(가시적 또는 비가시적)을 전기 에너지로 변환하기 위해서 많은 시스템에서 설계되고 사용된다. 무선 전원 시스템에서, 광전지는 송신기로부터 전지로 지향되는 레이저 광을 사용 가능한 전기로 변환하는데 사용된다. 그러한 시스템에서, 전지에 의해 수신된 레이저 광의 양을 정확하게 측정하는 것은 빔의 정확한 목표를 유지하고 시스템의 안전한 작동을 유지하며 광전지에 의해 생성된 전력을 사용 가능한 안정한 전력으로 효율적으로 변환하는 것과 같은 여러 이유로 중요하다.

전형적인 태양광 전지에서, 광은 하나 이상의 p-n 접합을 사용하여 전기 에너지로 변환되고 두 개의 전극을 사용하여 전지로부터 추출된다. 바닥 전극은 일반적으로 금속 코팅이지만 상부 전극에는 전형적으로 두 가지 옵션이 있다:

(i) 낮은 직렬 저항을 갖지만 격자 자체에 떨어지는 광의 일부를 반사하여 전지로 진입하는 것을 방지하는 전형적으로 알루미늄, 은 또는 금으로 된 금속 격자.

(ii) ITO(Indium Tin Oxide: 인듐 주석 산화물)와 같은 연속적인 거의 투명한 전도성 코팅은 대부분의 광을 전지로 전달하지만 금속 격자 구성보다 저항이 높아, 더 높은 저항 손실을 유발한다.

금속 격자의 경우에는 전형적으로 금속 격자의 반사로 인한 저항 손실과 광학 손실 사이에 절충점이 있다. V²/R로 측정되는 저항 손실(V는 전지의 전압이고 R은 직렬 저항임)은 전지의 금속 커버리지(coverage)가 증가함에 따라 감소하는 반면에, "음영 효과(shading effect)"로서 공지된 광학 손실은 전지의 금속 커버리지가 증가함에 따라 증가한다. 전형적으로 예상되는 전지 조명과 PV 전지의 전류에 의존하는 이들 두 요소 사이에는 최적의 균형이 있다.

Adv. Energy Mater. 2017, 1700345(2017)에서 공개된 Lumb 등의 논문 “GaSb-Based Solar Cells for Full Solar Spectrum Energy Harvesting”에서, 태양광을 전기로 변환 시 44.5% 효율를 달성하는 PV 전지가 개발되었다고 주장한다.

Green 등(Prog. Photovolt: Res. Appl. 2017; 25:3?13, published online 28 November 2016 in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI: 10.1002/pip.2855)에 따르면, 「the 29th. PV Solar Energy Conference and Exhibition, September 2014, Amsterdam, The Netherland」에서 제시된 TND Tibbits 등의 논문 제목 “Comparison of direct growth and wafer bonding for the fabrication of GaInP/GaAs dual-junction solar cells on silicon”에서 공개된 바와 같이 보고된 가장 높은 PV 효율은 46%였다.

「AIP Conference Proceedings 1679, 060001 (2016); doi: 10.1063/1.4931535」에서 공개된 Garcia-Linares의 논문 “Reduction of front-metallization grid shading in concentrator cells through laser micro-grooved cover glass”에서, 전도체 격자에서 이격되게 광을 집중시켜 격자 손실을 최소화하도록 설계된 복잡한 유리 "렌즈릿(lenslet)"이 제안되었다. 그러한 복잡한 렌즈릿 패턴은 금속 격자에 대한 정확한 배치를 요구하며 널리 사용되지 않는다.

그러한 복잡한 "렌즈릿" 광학 장치가 사용되지 않는 한, 저항 손실과 음영 손실 사이에 정상적인 절충점이 존재하며 전형적인 결과는 2 내지 10% 범위의 광학 손실과 고농도 전지의 경우 유사한 저항 손실이다.

「Renewable and Sustainable Energy Reviews, 60 (2016), pp.394?407 (2016), covering currently available PV optics」에서 공개된 K. Shanks 등의 “Optics for concentrating photovoltaics: Trends, limits and opportunities for materials and design”리뷰에서, 금속 격자와 관련하여 정확한 배치를 요구하는 복잡한 구조의 광학기기를 사용하지 않고 전도체 비율과 광학 음영 사이의 절충점이 제거되면 광전지에서 전지 효율의 3 내지 20% 개선이 가능할 것이라고 언급되어 있다.

「the Journal of Applied Physics, Vol 71, 5237 (1992)」에서 공개된 A. W. Blakers의 논문 “Shading losses of solar-cell metal grids”에서, 음영 손실을 최소화하는 시스템이 설명되어 있다. 전형적으로 평평한 직사각형 형상의 전도체보다는 둥근 핑거(finger) 형상의 전도체를 사용하는 것이 제안되며, 핑거 형상은 PV 소자 표면에서 반사된 임의의 입사광의 대부분을 흡수하기 위해 다시 PV 소자 표면으로 지향시킨다.

최적화 스크린은 PV 설계자에 의해서 종래 기술의 PV 전지 전도체를 최적화하는데 사용된다. 격자 계산기의 그러한 한 가지 예는 https://www2.pvlighthouse.com.au/calculators/Grid%20calculator/Grid%20calculator.aspx에서 알 수 있다. 그러한 격자 계산기의 사용 시, 사용자는 전도성 핑거의 다양한 형상(직사각형, 삼각형, 타원형, 유사-직사각형)과 다양한 재료, 폭 및 높이 중에서 선택될 수 있다. 그러나 사용자는 전지에 대한 광학 커버 층을 선택할 수 없으며 그러한 코팅을 최적화할 수 없다. 이러한 도구를 사용하여 격자를 최적화하면 상이한 전지 금속 커버리지 사이의 서로 다른 절충점을 비교할 수 있다. 동일한 사이트에서 음영 손실을 “차광 손실은 광이 태양 전지로 진입하는 것을 방지하는 태양 전지 상부 표면의 금속 존재로 인해 발생한다"라고 정의한다. 음영 손실은 평면 상부 표면의 경우 금속으로 덮인 상부 표면의 비율로 정의되는 상부 표면의 투명도에 의해 결정된다. 투명도는 표면에 있는 금속 라인의 폭과 금속 라인의 간격에 따라 결정된다. 중요한 실제 제한은 특정 금속화 기술과 연관된 최소 선폭이다. 동일한 투명도의 경우 좁은 선폭 기술이 더 가까운 핑거 간격을 가져서, 이미터 저항 손실을 감소시킬 수 있다.

전도체 격자 최적화에 대한 현재의 일반적인 접근방식은 Stuart R. Wenham 등의 책 "Applied Photovoltaics"(2012년 저작권 보호 제 3판)으로부터 또한 배울 수 있다. 온라인 참조의 62 페이지에서, “The optimum width of the busbar (Wb) occurs when the resistive loss in the busbar equals its shadowing loss”라고 명시되어 있으며 그러한 손실을 완화하기 위해 당업계에 공지된 상이한 방법을 보여준다. 전지에서 광의 포획을 증가시키는 상이한 옵션이 논의되지만, 반사광을 재활용하는 옵션은 언급되지 않았다.

그러나 그러한 참조에 설명된 PV 전지가 높은 효율을 제공하지만, 이들은 일반적으로 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 최대 효율을 위해 최적화되어 있으며, 레이저 빔의 전력을 전기 에너지로 변환하는 것과 상이한 기술 요건을 가질 수 있다.

따라서 종래 기술 시스템 및 방법의 단점 중 적어도 일부를 극복하는, 무선으로 전송된 레이저 빔을 전력으로 변환하기 위한 광전지의 필요성이 존재한다.

명세서의 이러한 섹션 및 다른 섹션에서 언급된 각각의 공보의 개시는 각각 그 전체가 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.

본 개시는 레이저 빔의 전력을 전기 에너지로 변환하는데 사용하기 위한, 커버 층을 갖는 PV 전지를 포함하는 무선 레이저 전력 전달 시스템 내에서 사용하기 위한 신규한 예시적인 시스템을 설명한다. 본 개시에 설명된 구성은 동시에 다음의 여러 목표:

a) 금속 핑거 커버리지와 음양(섀도잉(shadowing)) 사이의 의존성 감소

b) 전지로부터 반사되는 광의 양을 감소

c) 반사 광을 전기 에너지로 재활용

d) 전도체의 직렬 저항에서 저항 손실 감소

e) 상이한 각도로부터 조명될 때 광전지를 사용하여 레이저 전력 측정의 정확도를 개선

f) 열원 외부, 내부 또는 근처와 같은 상이한 조명 조건에서 사용될 때, 광전지를 사용하여 레이저 전력 측정의 정확도를 개선

g) 직접 전달된 레이저 파워가 의도한 수신기 및 의도된 전력 수준에 도달하고, 즉 불합리한 수준의 전력이 도중에 "손실"되는 것이 없는 지의 확인을 달성함으로써, 광전지 효율을 개선하고 이들 PV 전지를 사용하여 수행되는 전력 측정의 안전성과 정확성을 증가시키는 것을 추구한다.

많은 경우에 무선 레이저 전력 전달 시스템의 빔 조준 메커니즘 및/또는 시스템의 안전 메커니즘은 광전지에 의해 수신된 레이저 전력의 정확한 측정에 의존한다. 예를 들어, PV로부터의 최대 전력이 생성될 때까지 레이저 조준이 조정되면, 전지가 한순간 조명되고 조명되지 않는 경우와 같이 일정 시간 동안 측정을 편향시킬 수 있는 태양광에 의해 정확한 조준이 손상될 수 있다. 안전이 전력 측정에 의존하는 시스템에서, 상이한 방향으로부터의 조명은 최적으로 유사한 전력 측정 결과를 제공해야 하며 태양광 또는 열원은 측정 결과를 작은 안전 한계를 넘어서도록 편향되어서는 안 된다. 본 개시의 장치는 측정이 조명 방향 및 시스템을 조명할 수 있는 상이한 파장의 다른 광원과 본질적으로 무관한 것을 허용한다.

전면과 전도체 모두에서 태양광 전지에 의해 반사된 광이 수집되어 금속 격자로 덮이지 않은 전지 영역 쪽으로 지향되는 경우, 금속 격자의 커버리지를 증가시켜 저항 손실을 감소시키는 동시에, 음영 효과를 감소시키고 빔 방향과 무관한 방식으로 생성된 전력을 기반으로 정확한 광 전력 추정 및 심지어 빔 균일성을 허용하는 것이 가능하다. 종래 기술의 전지에서와 같이 좁은 전도체의 경우, 빔이 전지의 일부분만을 조명하면 좁은 전도체는 균일한 조명보다 더 큰 저항 손실을 생성하므로 전력 또는 전류에 기초한 광 전력 추정이 정확하지 않을 것이다. 다른 한편으로, 본 발명에서 설명된 구성은 낮은 저항 손실을 허용하므로 전력 측정을 기반으로 하는 더욱 정확한 광 전력 추정이 가능하다.

그러나 광은 상이한 방향으로부터 광전지에 적용되고 전형적으로 격자의 주기적인 구조로 인해 발생하는 여러 차수의 브래그 반사를 포함할 수 있는 복잡한 패턴으로 격자에 의해 반사된다. 이러한 효과는 많은 문제를 만든다. 첫째, 반사광이 손실되어 효율성을 감소시킨다. 둘째, 반사광은 안전상의 위험일 수 있다. 셋째, 반사된 광의 양이 조명 방향에 의존하기 때문에, 광전지에 의한 광 전력 측정은 부정확하고 안전 및 조준 목적에 덜 유용할 것이다. 많은 경우에, 시스템의 안전 메커니즘은 광전지가 받는 레이저 전력의 정확한 측정에 의존한다.

빔 방향이 변경될 때 PV 재지향을 포함하지 않는, 즉 PV가 전력을 최대화하기 위해 자동으로 기울어지지 않는 전형적인 무선 전력 시스템에서, 레이저는 거의 모든 방향으로부터 전지를 조명할 수 있으며, 전형적으로 그러한 시스템은 전지의 표면에 대한 법선으로부터 최대 60도까지 작동할 것이다. 결과적으로, 전도체로부터 반사된 광은 입사 빔과 반대 각도에서 주 반사와 함께 전지에 대한 법선으로부터 약 ±70도 또는 더 많은 각도로 퍼지는 상이한 각도로 반사될 것이다. 빔이 PV의 어느 측면에서 나올 수 있도록 대칭적인 시야가 유지되어야 하는 경우, 해당 시야 내에 위치된 임의의 수집 시스템은 투명해야 한다(광학 요소의 임의의 지지 구조물 포함하거나 이들 방향으로부터 광을 수집하는 전지의 능력을 방해할 것이다).

효율적인 수집 시스템은 또한, 효율성을 위해 이러한 시야 내 다양한 방향의 상당 부분을 커버해야 하며, 따라서 수집 시스템이 다른 방향으로 반사된 빔을 차단하고 수집하도록 빔이 한 방향에서 입사하고 다른 쪽으로 반사된 빔을 생성하는 경우 다른 방향으로 입사하는 입사 광을 불가피하게 차단해야 하는데, 이는 수집 시스템이 불투명하기 때문이다. 즉, 서비스 시야로 표현하면 시야에 포함된 모든 입사각은 어떤 방향으로 반사를 생성할 수 있다. 이러한 방향(또는 반사)으로 가는 광을 재활용하려면, 불투명 수집 시스템은 반사 방향으로 배치하여 시야에서 이러한 방향을 효과적으로 제거해야 한다.

본 발명의 목적은 그러한 시스템의 효율성, 조준 정확도 및 안전성을 향상시킬 수 있는 그러한 시스템을 도입하는 것이다.

하나의 예시적인 구현예에서, PV 상의 전도체의 형상은 광을 넓은 패턴으로 반사시키도록 선택된다. 전형적인 구조는 주로 제작 능력과 입사 광의 예상 시야, 즉 광이 입사하는 각도에 의존하지만, 일반적인 개념으로서 일반적인 평면 정사각형 또는 직사각형 전도체 격자는 선호되지 않는 반면에 둥근 삼각형 격자가 더 유리하다.

본 시스템은 음영 손실을 방지하기 위해서 최적으로 형상화된 전도체를 가진 PV를 사용할 수 있다. PV의 전도체 형상은 이들이 광을 넓은 패턴으로 반사하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 전도체는 둥글고 핑거 형상이거나 삼각형 형상일 수 있다. 이는 전도체의 반사가 흡수 PV 전지로 지향되게 하거나 전지 위의 덮개 층에 의해 완전히 내부적으로 반사되어, 시스템의 효율성을 증가시킬 수 있다. 이는 또한, 전도체에서 반사된 광이 확산되어 균일한 방식으로 반사되지 않기 때문에 눈에 손상을 줄 수 있는 것과 같이 PV 전지로부터 반사되는 위험한 반사를 방지할 수 있다.

본 개시의 PV 구성은 커버 층이 그의 계면 표면 둘 모두 상의 반사 방지(AR) 코팅, 즉 커버 층과 외부 공기 사이의 외부 AR 코팅 및 PV 전지 재료의 커버 층과 광 흡수 표면 사이의 내부 AR 코팅으로 코팅될 수 있다는 점에서 종래 기술 PV와 상당히 상이하다.

외부 반사 방지(AR) 코팅은 본질적으로 레이저 빔의 파장(전형적으로 적외선)만을 투과하고 외부 조명에 존재할 가능성이 있는 다른 모든 파장을 반사하도록 구성되어 레이저 파장을 측정하는 PV 전지의 능력에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 AR 코팅은 중-적외선 및 원-적외선 또는 UV에 있는 것과 같이 PV 전지가 민감하지 않은 임의의 파장을 반사할 필요가 없는데, 그 이유는 레이저 파장에서 측정에 영향을 미치지 않기 때문이다.

또한, 커버 층은 빔의 파장 이외의 파장을 흡수하는 재료를 포함하여 AR 코팅에 의해 반사되지 않은 임의의 파장이 커버 층에 의해 흡수되어 PV 전지의 p-n 접합(들)에 도달하지 않게 함으로써, 레이저 출력 투과율의 양에 대한 부정확한 판독값을 생성하지 않게 한다. 따라서 PV 전지의 상부 층은 커버 층 자체와 마찬가지로 AR 코팅에 의해 반사되지 않았을 수 있는 가시 파장을 흡수해야 하며, 따라서 반도체 PV 전지 재료 자체의 상부 레벨에 진입할 수 있다. 이는 충분히 낮은 밴드갭을 갖는 PV 전지 재료의 상부 층을 선택함으로써 달성된다.

레이저 빔 이외의 파장이 PV 흡수 전지의 p-n 접합에 도달하는 것을 차단하는 하나의 목적은 수신기가 송신기의 안전 전력계 역할을 할 때 그에 부딪히는 레이저 빔의 양에 대한 정확한 판독값을 제공해야 한다는 것이다. 따라서 다른 입사 조명은 이러한 측정을 방해해서는 안 되므로, 흡수하는 PV 전지에 충돌하기 전에 차단해야 한다.

더욱이, 커버 층은 내부 전반사(TIR)에 대한 임계각을 낮추기 위해서 높은 굴절률을 가져야 하며, 이에 따라 내부 전반사(TIR)에 대한 많은 양의 레이저 빔을 포착해야 하며, 이는 가능한 한 표면과 전도체에서 반사된다. 이러한 효과는 이하에서 보다 완전하게 설명된다. 이는 흡수하는 PV 전지에 도달하는 조명의 양을 최대화하기 위한 것인데, 이는 전도체에서 반사되는 빔의 일부분이 커버 층에서 재반사되어, 덮개 층이 없었다면 발생했을 수 있는 PV 전지 밖으로의 이탈을 방지할 수 있기 때문이다.

이는 또한 PV 전지 표면, 전도체 및 덮개 층 상부의 내부 전반사 사이에서 커버 층 내부의 다중 반사 후 PV 전지를 떠나는 모든 광이 서로 다른 "무작위" 방향 및 위치에 있을 수 있기 때문이다. 이는 더욱 균일한 방식으로 빔을 반사하는 일부 종래 기술의 PV 구성과 반대이다.

커버 층의 바닥인 흡수 PV 층의 상부는 또한, 커버 층으로부터 충돌하는 임의의 광의 PV 전지 재료로의 흡수를 최대화하는 AR 코팅으로 코팅될 수 있다.

추가 구현예에 따르면, 이중 반사 방지 코팅된 커버 층에 의해 제공되는 장점을 사용하여, 송신기, 수신기 및 제어 유닛을 포함하는 무선 광 전력 전달 시스템이 설명되며, 여기서:

a) 송신기는 빔을 방출하도록 구성된 레이저, 및 수신기 쪽으로 빔을 조종하도록 구성된 스캐닝 미러를 포함하며,

b) 수신기는 0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 가지는 적어도 하나의 접합을 갖는 광전지, 및 레이저 빔의 범위 밖의 파장 조명과 무관하게 수신기에 충돌하는 레이저 빔의 전력을 검출하도록 구성된 검출 유닛을 포함하며;

c) 제어 유닛은 검출 유닛으로부터 신호를 수신하고 (i) 레이저에 의해 방출된 빔의 파워 및 (ii) 스캐닝 미러의 위치 중 적어도 하나와 상호 작용하도록 구성된다.

그 다음, 검출 유닛은 수신기에 충돌하는 레이저 빔의 전력을 나타내는 신호를 생성하며, 이는 유리하게 레이저 빔 외부의 파장 조명과 무관하다.

그런 다음, 제어 유닛은 이러한 신호를 사용하여 기능적으로 구별되는 두 가지 방식으로 작동할 수 있다. 하나의 구현예에서, 제어 유닛은 신호를 사용하여 (i) 빔의 전력 및 (ii) "스캐닝" 미러의 위치 중 적어도 하나를 제어함으로써 수신기에 최적의 목표 출력을 제공하도록 조정된다. 이는 시스템, 즉 수신기의 궁극적인 목표인 최적의 전력 입력을 제공하기 위해서 시스템을 긍정적으로 제어하거나 "조정"하도록 작동하는 제어 시스템의 일반적인 역할이다.

"스캐닝 미러(scanning mirror)"라는 용어는 주변을 스캔하기 보다는 충전 빔을 수신기에 조준하고 계속 조준하기 위해서 다소 제 위치에 고정되거나 천천히 움직이는 미러를 포함하도록 의도된 임의의 이동 가능한 미러를 나타내기 위해 본 명세서에서 사용되며, 이는 다른 기능의 "스캐닝" 미러에 대한 대체 설명이다.

제 2 구성에 따르면, 제어 시스템은 또한, 안전 검증 시스템으로 작동하여 레이저 파워 빔이 손상을 일으킬 수 있는 의도하지 않은 방향으로 우회하지 않도록 할 수 있다. 시스템은 레이저 빔이 수신기에 특정 출력의 빔을 지향시키고 있다고 가정하지만, 수신기가 해당 출력의 전부 또는 일부를 수신하지 못하는 상황에 대한 경고를 제공하여 빔 출력의 적어도 일부가 의도하지 않은 방향으로 전환되고 있음을 나타낸다. 이는 제어 시스템이 일반적으로 작동하는 것과 반대의 역할, 즉 시스템의 제어가 아닌 시스템 상태의 검증을 위해 제어 시스템을 사용함으로써 달성된다. 이러한 모드에서, 제어 시스템은 레이저가 제공하도록 지시받은 출력 전력과 관련하여 레이저로부터 데이터를 입력하거나 송신기에서 측정에 의해 표시된 대로 실제로 제공하고 있는 데이터를 입력하고 그 빔이 겨냥되는 방향과 관련된 스캐닝 미러로부터 데이터를 입력한다. 그런 다음 이들 데이터는 제어기에서 조합되고 거기에서 수신된 실제 레이저 전력과 관련하여 검출기 유닛에서 생성된 신호와 비교될 수 있다. 이들 두 데이터 세트로부터 예상되는 레이저 출력 사이에서 미리 결정된 오류 또는 손실 한계보다 더 큰 임의의 편차는 잘못된 빔 전송, 또는 의도된 빔을 감소 또는 전환시키는 빔 경로에 있는 장애물의 존재에 관한 안전 경고 상태를 트리거하는데 사용될 수 있다.

커버 층

커버 층은 전도체에 유리하게 적용될 수 있으며, 커버 층은 전형적으로 1.5 초과, 바람직하게 1.6 또는 1.65 초과, 또는 심지어 2 초과, 그러나 확실히 1.3 초과의 굴절률을 갖는 반도체 코팅층의 높은 굴절률을 가진다.

일 구현예에서, 커버 층은 유리 층으로 덮인 폴리머 또는 유전체 층으로 구성된다. 커버 층은 구성이 균일할 수 있는 광학 층이지만, 전형적으로 상부 체적과 바닥 체적을 가지며, 다양한 투명 또는 반투명 층으로 구성될 수 있으며 다음의 특성을 가진다.

광학 커버 층의 상부 체적은 주변 환경, 전형적으로 공기와 접촉하지만 다른 재료와도 접촉할 수 있다. 상부 체적은 종종 단단한 유리 층으로, 커버 층의 부드러운 내부 체적보다 더 보호된다. 또한, 내부 광선이 전반사를 겪을 확률을 높이기 위해서 상부 체적이 주 체적보다 더 높은 굴절률을 갖도록 선택될 수 있다. 광학 커버 층의 바닥은 전형적으로 AR 코팅을 포함하는 PV의 표면 및 위에서 설명한 전도체 모두와 접촉한다. 커버 층은 입사 빔 파장에 대해 가능한 한 투명해야 하며 빔의 파장에 대해 2 미만의 광학 밀도가 필요하고 1 미만 또는 심지어 0.5 미만의 광학 밀도가 선호된다. 몇몇 재료는 0.1 미만 또는 심지어 0.01 미만의 광학 밀도를 허용할 수도 있지만, 동시에 커버 층은 빔의 파장을 제외한 대부분의 다른 파장을 차단, 흡수 또는 반사하여 태양광 또는 다른 조명원으로부터 다가올 수 있는 다른 파장이 p-n 접합에 도달하는 것을 방지하도록 구성해야 한다. 따라서 이들 파장에 대해 적어도 0.5의 광학 밀도를 가져야 한다. PV의 상부는 일반적으로 AR 코팅으로 코팅되며, AR 코팅은 전형적으로 종래 기술 PV에서 공기(굴절률 ~1)와 PV(전형적인 굴절률 2 내지 4) 사이의 반사를 최소화하도록 조정된다.

본 발명의 전지의 경우, 하부 AR 코팅은 빔의 파장에 대해 PV(굴절률 2 내지 4)와 광학 커버 층(굴절률 1.5 내지 2) 사이의 레이저 파장 반사를 최소화하는 동시에 전지로부터 더 짧고 더 긴 파장을 반사하도록 설계되어야 한다. 두 AR 코팅 모두는 원치 않는 파장을 거부하는데 사용할 수 있다. 커버 층의 상부는 다른 파장의 반사를 증가시키면서 공기(굴절률 ~1)와 커버 층의 상부 사이의 빔 반사를 최소화하도록 구성된 AR 코팅으로 코팅될 수 있다.

커버 층은 레이저 빔 자체가 아닌 광으로부터 P-N 접합을 "차폐(shield)"하며, 이는 안전과 조준 측정 정확도에 매우 중요하다. 이는 원치 않는 광을 흡수하거나 PV 전지에서 반사함으로써 달성될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 커버 층의 AR 코팅은 레이저 대역 외부의 외부 조명을 반사하고 커버 층은 반사되지 않은 것을 더 흡수한다. 많은 경우에, P-N 접합은 매우 긴 파장에 대해 비효율적이어서 그러한 파장을 차단할 필요가 없다.

격자 자체의 전체 구조

격자 라인의 밀도는 아래에서 설명되는 바와 같이 다양한 매개변수에 따라서 선택되어야 한다.

이는 격자 라인 사이의 간격이 2*커버 층의 굴절률로 나눈 작동 파장보다 더 큰 경우에 유리하다:

여기서, d는 전도체 라인 사이의 공간, λ는 진공에서 작동 파장, n은 커버 층 굴절률이다.

격자 라인 사이의 간격이 진공에서 작동 파장의 100배 미만인 경우에도 유리하다:

.

광학 커버 층이 작동 파장에 대해 최소 흡수를 가지지만 더 짧은 파장을 흡수하도록 광학 커버 층이 선택되는 것이 또한 바람직하다.

전도체를 확산 코팅으로 코팅하면, 위의 치수 제약이 완화될 수 있다.

물리학의 설명

빛이 종래의 광전지의 격자로부터 반사되면, 알 수 없는 각도로 반사되어 일반적으로 복구할 수 없으며, 입사 빔을 방해하지 않는 광에 대한 수집 시스템의 구성이 불가능하지 않지만 어렵다. 동시에, 종래 기술의 광전지를 직사광선에 두면, 100 mW/cm²의 태양광을 전력으로 변환하여 레이저 전력 판독값이 정확하지 않게 되어 안전과 조준에 영향을 미칠 수 있다.

본 개시의 광전지는 종래 기술 PV 전지의 전술한 많은 단점을 극복하는 4 개의 별도 설계 특징을 이용한다.

1. 입사 빔은 사용된 커버 층의 높은 굴절률로 인해 감소된 시야에서 전도체에 부딪힌다. Snell의 법칙에 따라서, 빔 각도는 sin(θ1) = n1/n2*sin(θ2)만큼 감소하므로, 커버 층 내부의 최대 시야각보다 더 큰 각도로 반사된 광이 시야를 차단함이 없이 전지 쪽으로 조작되고 다시 반사될 수 있다.

2. 격자 구조는 그의 조밀한 격자 라인과 각각의 전도체의 구조에 의해서 입사 광선의 시야 밖에서 반사되는 광의 양을 증가시키는 역할을 한다.

3. 대부분의 빔이 커버 층에 의해 내부 전반사를 겪고 광전지 쪽으로 다시 반사되기 때문에 커버 층은 집광 및 반사 시스템의 역할을 한다.

4. 태양광은 커버 층 및 그의 관련 AR 코팅에 의해 흡수/반사되므로, 전력 측정에 영향을 미치지 않는다.

커버 층의 사용과 위에 설명된 특징은 레이저 빔에 대한 감소된 광학 손실을 허용한다. 광의 일부를 재활용할 수 있는 능력이 전도체의 적용 영역을 증가시켜 저항 손실을 줄이고, 최대 전력 지점 전압 및 전류뿐만 아니라 전지의 충전율을 증가시킬 수 있기 때문에 장치를 더욱 개선할 수 있다.

광전지에 대한 효율적인 반사를 용이하게 하기 위해서, 커버 층의 두께는 광전지의 폭보다 작아야 한다. 두께가 두꺼우면 커버 층의 측면에서 광이 빠져나간다.

위의 모든 설계 특징은 종래 기술에 설명된 정상적인 음영과 비교하여 더 많은 "음영"을 갖는 격자의 구축을 허용한다.

전형적으로 위에서 설명한 대로, 격자로부터 고차 반사를 최대화하려면 단일 전도체 라인의 형상을 선택해야 한다.

상부 체적은 공기 또는 물이나 진공과 같은 예상되는 주변 재료에 대한 AR 코팅을 가져야 한다.

적외선 레이저로 전지를 조명할 때의 장점

본 발명에서 설명된 특징은 적외선 레이저를 전기 에너지로 변환하도록 설계된 광전지에 특히 유용한데, 그 이유는 그러한 전지에 의해 제공된 몇 가지 장점 때문이다.

첫째, 그러한 전지는 종래의 태양 전지가 그에 전형적으로 노출되는 단일 태양 조건과 비교하여 단위 면적당 10 내지 100배의 전력으로 조명된다. CPV 전지와 비교하여, 본 설계는 시야가 넓고 태양광에 대한 의도적으로 감소된 효율성을 가진다.

둘째, 적외선 레이저는 더 낮은 에너지 광자를 지시하는데, 이는 p-n 접합에서 더 낮은 밴드갭을 필요로 하며, 이는 정상적인 태양 스펙트럼에 최적화된 전지에 비해 더 낮은 전압과 더 높은 전류를 생성한다. 전류가 높기 때문에 저항 손실이 더욱 중요하다.

그러한 전지의 p-n 접합은 충분히 낮은 밴드갭을 가지는 재료를 선택함으로써 레이저 빔보다 더 긴 장파장 광자를 "무시"하도록 조정되어, 수신기가 가열 소자 또는 백열등과 같은 열원 근처에 배치되면 전력, 전류, 전압과 같은 출력 매개변수가 장파장 적외선 광자의 영향을 훨씬 덜 받게 된다.

셋째, 전형적으로 전지 영역에 걸쳐 균일한 태양 방사선과 달리, 레이저 방사선은 집중된 반점을 형성하고 전지를 "언더필(underfill)"하는 경향이 있다. 레이저 빔은 일반적으로, 많은 경우에 가우스 또는 고차 가우스(high order Gaussian)의 감쇠 전력 프로파일을 갖는 대략 원형, 타원형 또는 직사각형 형상을 가진다. 균일하지 않은 전력 프로파일은 전도체 두께의 최적화를 더욱 복잡하게 만들고, 스캐닝 미러에 의해 PV에 중심을 둔 전력 프로파일은 전형적으로, 대부분의 광 전력이 집중되는 전지의 중앙에서 생성된 전자가 더 적은 광 전력이 존재하는 전지의 가장자리 근처에서 흡수되는 광자에 필요한 전도체와 비교하여 더 높은 전류를 생성하고 그에 따라 더 큰 두께와 더 낮은 저항을 가지는 전도체를 요구함을 의미한다.

넷째, 고출력 레이저 전지의 정반사(specular reflection)는 안전 문제를 제기할 수 있으며 차단 또는 확산을 필요로 할 수 있다. 여하튼, 본 개시의 전지로부터의 반사는 전력이 더 낮아서 안전 문제를 상당히 감소시킨다.

무선 전력 빔 시스템을 사용하여 전지를 조명할 때의 장점

본 발명의 전지는 무선 전력 시스템의 구성요소로 사용될 때 많은 장점을 가진다. 전형적으로, 그러한 시스템은 1 내지 100 와트시 용량의 배터리가 장착된 휴대용 전자 장치에 전력을 공급할 수 있다. 전형적으로, 필요한 충전 전력은 0.5 내지 10 W 정도이며, 이는 1 내지 30 W의 충전 빔이 사용될 것을 요구한다.

빔의 전형적인 직경은 수 mm이고, 더 작은 빔은 1 내지 10 m 범위에서 초점을 유지하기 어려우며, 따라서 빔의 2 내지 10%의 비확산 반사는 상당한 위험(20 mW 내지 1 W)을 수반할 수 있다. 따라서 전도체에 의해 반사되는 광의 총량을 감소시키는 동시에 이를 확산시키는 것이 필수적이다. 전지로부터의 반사를 감소시키는 것도 필수적이다. 본 발명의 전지는 일반적인 2 내지 10% 대신에, 전형적으로 최대 1% 반사를 제공한다.

따라서, 본 개시에 설명된 장치의 예시적인 구현예에 따라서 레이저 빔을 사용하여 광 전력을 광 무선 전력 전달에 적합한 전력으로 변환하는 전력 변환 장치가 제공되며, 전력 변환 장치는:

(ⅰ) 레이저 빔을 수신하도록 구성된 표면에 복수의 전도체를 가지고, 0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 적어도 하나의 접합을 가지는 광전지; 및

(ⅱ) 광전지에 배치된 커버 층으로서, 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명의 전달을 흡수 또는 반사에 의해 제한하고 레이저 빔을 광전지 쪽으로 전달하도록 구성된 재료를 포함하는, 커버 층을 포함하며;

레이저 빔은 700 nm 내지 1500 nm의 파장을 가지며;

레이저 빔의 파장 범위 밖의 조명의 파장은 550 nm 내지 700 nm의 범위에 속하며;

레이저 빔의 파장에 대한 커버 층의 투과율은 550 nm 내지 700 nm 범위 내의 파장에 대한 투과율보다 적어도 50% 더 높아서, 전력 변환 장치는 550 nm 파장에서의 효율보다 적어도 2.5배 더 높은 레이저 빔의 파장에서 전력으로의 변환 효율을 가진다.

그러한 전력 변환 장치에서, 밴드갭 에너지는 레이저의 파장보다 적어도 25%만큼 긴 임의의 파장에 대한 전력으로 광 전력을 변환하는 효율이 레이저 파장에서의 변환 효율보다 4배 이상 적도록 레이저의 파장으로 조정될 수 있다. 위에서 설명된 장치 중 하나에서, 커버 층은:

(ⅰ) 광전지로부터 멀리 떨어진 커버 층의 표면에 배치된 제 1 반사 방지 코팅으로서, 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 반사하고 레이저 빔을 커버 층으로 전달하도록 구성되는, 제 1 반사 방지 코팅, 또는

(ⅱ) 광전지의 표면과 커버 층 사이에 배치된 제 2 반사 방지 코팅으로서, 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 반사하고 레이저 빔을 광전지로 전달하도록 구성되는, 제 2 반사 방지 코팅 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 개시에서 설명된 또 다른 구현예는 송신기, 수신기 및 제어 유닛을 포함하는 무선 광 전력 전달 시스템의 안전 시스템에 대한 것이며,

(i) 송신기는:

빔을 방출하도록 구성된 레이저; 및

수신기 쪽으로 빔을 조종하도록 구성된 스캐닝 미러를 포함하며;

(ii) 수신기는:

레이저 빔을 수신하도록 구성된 표면에 복수의 전도체를 가지고, 0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 적어도 하나의 접합을 가지는 광전지; 및

광전지에 배치된 커버 층으로서, 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 흡수 또는 반사에 의해 제한하고 레이저 빔을 광전지 쪽으로 전달하도록 구성된 재료를 포함하는, 커버 층을 포함하며;

(iii) 제어 유닛은 스캐닝 미러의 위치를 나타내는 제 1 데이터를 수신하고, 레이저에 의해 방출된 빔의 전력을 나타내는 송신기로부터 제 2 데이터를 수신하고, 제 1 및 제 2 데이터로부터 광전지에 입사하는 예상 전력을 결정하고, 광전지에 의해 측정된, 수신기에 충돌하는 레이저 빔의 전력과 예상 전력을 비교하고, 예상 전력이 측정된 전력으로부터 미리 결정된 수준 초과만큼 벗어나는 경우 잠재적인 안전 문제를 나타내도록 구성된다.

본 출원의 또 다른 실시예에 따라서, 송신기 및 수신기를 포함하는 무선 광 전력 전달 시스템이 제공되며,

송신기는:

빔을 방출하도록 구성된 레이저;

수신기 쪽으로 빔을 조종하도록 구성된 스캐닝 미러; 및

수신기 상의 검출 유닛으로부터 신호를 수신하고, (i) 레이저에 의해 방출된 빔의 전력 및 (ii) 스캐닝 미러의 위치 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하며;

수신기는:

레이저 빔을 수신하도록 구성된 표면에 복수의 전도체를 가지고, 0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 적어도 하나의 접합을 가지는 광전지를 포함하며, 광전지는 광전지에 도달하는 레이저 빔의 전력을 검출하도록 구성되며;

수신기는 광전지에 배치된 커버 층으로서, 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 흡수 또는 반사시키고 레이저 빔을 광전지 쪽으로 전달하도록 구성된 재료를 포함하는, 커버 층; 및

(i) 광전지로부터 멀리 떨어진 커버 층의 표면에 배치된 제 1 반사 방지 코팅으로서, 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 반사하고 레이저 빔을 커버 층으로 전달하도록 구성되는, 제 1 반사 방지 코팅과,

(ii) 광전지의 표면과 커버 층 사이에 배치된 제 2 반사 방지 코팅으로서, 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 반사하고 레이저 빔을 광전지로 전달하도록 구성되는, 제 2 반사 방지 코팅 중 적어도 하나를 포함하며;

검출 유닛은 레이저 빔의 조명 이외의 다른 파장의 조명과 무관하게, 수신기에 충돌하는 레이저 빔의 전력을 나타내는 신호를 생성하며, 제어 유닛은 수신기에 영향을 미치는 전력을 유지하기 위해 (i) 빔 및 (ii) 스캐닝 미러의 위치 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된다.

레이저 빔을 사용하여 광 전력을 광 무선 전력 전달에 적합한 전력으로 변환하는 또 다른 전력 변환 장치는:

0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 가지는 적어도 하나의 접합을 가지고, 레이저 광이 적어도 하나의 접합 쪽으로 전달되는 외부 층을 가지는 광 변환 장치를 포함할 수 있으며, 외부 층은 외부 층의 표면에 대한 법선에 대해 ±20° 사이의 임의의 방향으로부터 외부 층을 통해 조명될 때 적어도 80% 효율로 적어도 하나의 접합으로 적어도 제 1 파장을 전달하도록 구성되며;

(i) 제 1 파장에 대한 전력 변환 장치의 변환 효율은 적어도 30%이며, 제 1 파장은 700 nm 내지 1500 nm의 근-적외선 파장이며;

(ii) 전력 변환 장치 외부 층은 550 nm 내지 700 nm의 제 2 파장에서 입사 조명의 일부분을 반사하거나 흡수하도록 구성되어서, 제 2 파장에서 조명의 60% 미만이 외부 층(들)의 표면에 대한 법선에 대해 ±20° 사이의 임의의 방향으로부터 외부 층을 통해 조명될 때 적어도 하나의 접합에 도달하도록 구성되고 제 2 파장에 대한 전력 변환 장치 변환 효율은 20% 미만이며;

(ⅲ) 전력 변환 장치 외부 층은 300 nm 내지 550 nm의 적어도 제 3 파장을 흡수하거나 반사하도록 구성되어서, 제 3 파장의 전력의 적어도 50%가 외부 층의 표면에 대한 법선에 대해 ±20° 사이의 임의의 방향으로부터 외부 층을 통해 조명될 때 적어도 하나의 접합에 도달하기 전에 흡수되며, 제 3 파장에 대한 전력 변환 장치 변환 효율은 10% 미만이며;

(ⅳ) 1500 nm 내지 2000 nm의 제 4 파장에 대한 전력 변환 장치 변환 효율이 5% 미만이다.

본 개시에서 설명된 바와 같이, 광 파워 빔을 전력으로 변환하는 전력 변환 장치의 또 다른 실시예는:

(i) 광 파워 빔을 흡수하도록 구성된 p-n 접합을 가지는 반도체 장치,

(ii) 반도체 장치와 전기적으로 접촉하는 상부 및 바닥 전도체로서, 상부 전도체가 반도체 장치의 상부 표면의 일부분을 덮는, 상부 및 바닥 전도체; 및

(ⅲ) 반도체 장치의 상부 표면에 배치된 광학 층을 포함하며; 광학 층은 상부 체적 및 바닥 체적를 포함하며, 바닥 체적는 반도체 장치의 상부 표면 및 반도체 장치의 상부 전도체와 광학 접촉하며, 상부 체적은 공기와 광학적으로 접촉하며;

(a) 상부 전도체는 그에 충돌하는 광의 적어도 30%를 반사하도록 구성되며;

(b) 광학 층은 2 미만의 광학 전력 빔에 대한 광학 밀도를 가지며;

(c) 상부 전도체는 그에 의해 반사된 광의 적어도 25%를 sin^-1(1/바닥 체적의 굴절률)보다 더 큰 각도로 지향시키도록 구성된다.

그러한 전력 변환 장치에서, 전도체에 의해 반사된 광의 적어도 일부분은 상부 체적의 상부 표면으로부터 내부 전반사를 겪는 각도로 반사된다. 광학 층의 상부 체적은 굴절률이 대략 1인 매질로부터 오는 광 파워 빔의 반사를 감소시키도록 구성된 반사 방지 코팅일 수 있다. 광학 층의 상부 체적은 추가로 스크래치 저항 코팅일 수 있다. 반사 방지 코팅인 경우에, 상부 표면에 대한 법선에 대해 적어도 -10도 내지 +10도의 각도에 걸쳐 광 파워 빔의 반사를 감소시키도록 추가로 구성될 수 있다.

또한, 전술한 전력 변환 장치 중 어느 하나에서, 상부 전도체에 의해 덮인 상부 표면의 커버리지의 일부분은 적어도 4%일 수 있다. 전도체는 금속으로 만들어질 수 있고 적어도 부분적으로 알루미늄, 금, 은 또는 구리를 포함할 수 있다.

또한, 전술한 전력 변환 장치에서, 반도체 장치의 상부 표면으로 적어도 sin^-1(1/바닥 체적의 굴절률)의 각도로 정렬된 전도체의 일부분의 기하학적 투영 면적은 상부 전도체에 의해 덮인 상부 표면의 커버리지 부분을 곱한 반도체 장치의 면적의 적어도 25%일 수 있다.

그러한 전력 변환 장치의 또 다른 구현예에 따라서, 전력 변환 장치로부터의 레이저 반사가 확산될 수 있다. 그러한 경우에, 전력 변환 장치로부터의 확산 반사는 적어도 1.5 밀리라드의 각도 서브텐스를 가질 수 있다. 또한, Meter² 단위로 측정된 반도체 장치의 면적에 주울 제곱 단위로 측정된 접합부의 밴드갭을 곱하고 제 3 전력에 대해 와트 단위로 측정된 전지의 설계된 최대 전력을 곱한 값은

이 되도록 214*10^-30보다 작다.

전술한 전력 변환 장치 중 어느 하나에서, 상부 전도체는 핑거 형상 프로파일을 갖는 전도성 격자, 또는 삼각형 형상 프로파일을 갖는 전도성 격자를 포함할 수 있다.

마지막으로, 본 개시에서 설명된 또 다른 구현예에 따라서, 레이저 빔을 사용하여 광 전력을 광 무선 전력 전달에 적합한 전력으로 변환하는 전력 변환 장치가 또한 제공되며, 전력 변환 장치는:

레이저 빔을 수신하도록 구성된 표면에 복수의 전도체를 가지고, 0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 적어도 하나의 접합을 가지고, 그에 배치된 커버 층을 가지는 광전지를 포함하며;

레이저 빔의 파장에 대한 커버 층의 투과율은 550 nm 내지 700 nm 범위 내의 파장에 대한 투과율보다 적어도 50% 더 높아서,

전력 변환 장치는 550 nm 파장에서의 효율보다 적어도 2.5배 더 높은 레이저 빔의 파장에서 전력으로의 변환 효율을 가진다.

본 발명은 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 더 완전하게 이해되고 인식될 것이다.
도 1은 종래 기술의 광전지의 전형적인 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 유형의 종래 기술의 직사각형 격자 광전지 상의 입사 빔의 브래그 반사의 처음 2차 반사를 개략적으로 도시한다.
도 3은 적어도 20차 반사가 보이는 광전지의 표면으로부터의 전형적인 다중 차수 반사의 표현을 도시한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 PV 전지에 사용되는 대안적인 격자 프로파일, 및 각각의 프로파일에 의해 생성된 반사 빔 패턴의 개략도를 개략적으로 예시한다.
도 5는 사용된 용어를 예시하는, 본 개시내용과 관련된 광전지의 특징을 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 광전지에 충돌하는 입사 빔 각도의 입사에 대한 고-굴절률 커버 층의 효과를 도시한다.
도 7a는 본 개시에 따른 광전지에 충돌하는 대표적인 광선에 대한 전도체 핑거의 형상 및 커버 층의 효과를 도시한다.
도 7b는 커버 층의 양쪽에 반사 방지 코팅이 추가된, 본 개시에 따른 광전지의 구현예를 도시한다.
도 7c 및 도 7d는 눈의 수정체에 충돌하는 시준된 광 빔과 확산 광 빔 사이의 각도 서브텐스를 개략적으로 예시한다.
도 8a 및 도 8b는 광전지로부터 인간의 눈에 충돌할 때 반사된 시준된 빔의 경로를 따르는 반사를 개략적으로 도시한다.
도 8c는 본 개시의 실시예에서 광전지의 커버 층을 탈출하는 몇몇 대표적인 반사 확산 빔의 경로를 도식화한다.
도 9는 레이저 빔이 수신기의 방향으로 특정 파워의 빔을 지향시키는 것으로 가정하지만, 수신기가 그 파워의 전부 또는 일부를 수신하지 않는 상황의 경고를 제공하여, 빔이 의도하지 않은 방향으로 전환되고 있음을 나타내기 위한 안전 제어 시스템을 도시한다.

이제, n-형 반도체(11)에 부착되거나 때로는 근접하지만 여전히 다른 층에 의해 분리되는 p-형 반도체(13)로 만들어져서 p-n 접합(12)을 형성하는 광전지의 전형적인 구조를 개략적으로 도시하는 도 1을 참조한다. 완전한 금속 접점이 전지(14)의 후면에 위치되고 격자(또는 유사한 구조물)(15) 형태의 부분 금속 접점이 전지 전면에 위치되어 광이 전도체 사이의 공간을 통과하게 한다. 입사 조명은 부하를 통해 전류(16)를 생성한다.

이제, 종래 기술의 직사각형 격자 광전지(21) 상의 입사 빔(23)의 브래그 반사의 처음 2차 반사를 개략적으로 도시하는 도 2를 참조한다. 광전지(21)의 금속 빔(21)의 파워의 약 2 내지 10%인 격자(22)에 충돌하는 입사 빔(23)은 도 2에 도시된 0 차수(24) 및 1 차수(25)와 같은 여러 차수를 포함하는 브래그 패턴(Bragg pattern)으로 전도체 격자(22)에 의해 반사된다.

이제, 적어도 20 차수의 반사가 보일 수 있는 종래 기술의 광전지의 표면(32)으로부터 그러한 전형적인 다중 차수 반사(31)의 표현을 도시하는 도 3을 참조한다. 각각의 "차수"의 파워는 조명 각도에 아주 크게 의존하여, 안전 및 조준 문제를 일으킨다. 전반사는 0 차 반사로부터 약 5도에 걸쳐 있으며 0 차 반사가 가장 강한 반사이다. 더 높은 차수의 반사는 더 낮은 차수에 비해 훨씬 적은 파워를 포함한다. 이는 특히 광학 커버 층의 임계 각도 초과의 고-차수 모드로의 반사를 선호하는 현재 전지와 다르다.

이제 PV 전지에 사용되는 대안적인 격자 프로파일을 개략적으로 예시하는 도 4a, 도 4b 및 도 4c를 참조한다. 도 4a는 입사 빔 각도와 반대 각도로 생성되는 직사각형 전도체 격자로부터의 반사를 도시한다. 도 4b는 빔을 2 개의 각도 빔으로 나누고 작은 시야(FOV)에 잘 작동하는 삼각형 반사기의 반사율을 도시한다. 도 4c는 넓은 각도로 퍼져 있는 둥근 전도체의 반사를 도시한다. 바람직한 구현예(도 4a 내지 도 4c에 도시되지 않음)는 매우 넓은 패턴으로 방사선을 확산시킬 수 있는 확산 상부 층으로 덮인 전도체이다.

도 4b 및 도 4c에 도시된 구조물뿐만 아니라 전도체 상의 확산 코팅은 격자로부터의 고-차수 반사를 향상시키고 따라서 반사광의 "재활용"을 향상시킨다. 완벽한 기하학적 형상은 전형적으로 제작하는 것이 불가능하며 그러한 예시는 단순한 예로서 역할을 한다는 것을 이해해야 한다. 확산, 원형 또는 삼각형 형상과 같이 넓은 FOV에 광을 퍼뜨리는 패턴을 선택하는 것이 선호된다. 임계값 각도보다 더 큰 반사기 경사를 갖는 삼각형과 같이 상당한 비율의 광을 광각으로 반사하는 형상이 선호된다. 전도체는 재료 위에 떨어지는 광의 적어도 30%를 반사하는, 전형적으로 금속과 같은 반사 재료, 전형적으로 알루미늄, 은 또는 금과 같이 광의 적어도 90%를 반사하는 재료로 만들어진다. 전도체는 확산 코팅으로 코팅될 수 있다.

이제, 본 개시에서 사용된 용어를 예시하는 도 5를 참조한다. 이는 전도체(52) 이외에, 후면 전극과 p-n 접합을 가지는 PV(51)의 핑거-형상 전도체에 대한 입사 광의 함수로서 반사광의 각도 의존성을 보여준다. 각도(55)는 전도체 상의 한 지점(56)에서 핑거 전도체의 표면에 접하는 라인(57)과 법선(58)의 교차에 의해 형성된 국부 각도(local angle)이다. 전도체(52)에 의해 PV의 상부 표면(59)에 투영된 영역은 PV 아래에 표시되고 도면 부호 53으로 지정된다. 각도가 임계값보다 더 작은 전도체(52) 일부에 의해 PV 표면에 투영된 영역은 PV 아래에 표시되고 도면 부호 54로 지정된다.

이제, 본 출원에서 제안된 바와 같이, 고-굴절률 커버 층이 없는 공지된 PV 전지(62)의 입사 빔 각도(61a)와 고-굴절률 커버 층(63)이 있는 전지(64)의 입사 빔 각도(61b) 사이의 차이를 예시하는 도 6a 및 도 6b를 참조한다. 각각은 도 6a의 빔(61a) 또는 도 6b의 빔(61b)인 광 빔에 의해 조명된다. 빔(61b)은 투명 코팅층인 커버 층(63)을 통과하며, 광학 커버 층으로 지칭된다. 광학 커버 층(63)의 상부는 반사 방지 코팅되어 빔(61b)의 반사를 감소시키고 빔(61b)의 대부분이 광학 커버 층(63)으로 진입할 수 있게 한다. 광학 커버 층(63)의 바닥 표면(65)은 전지(64)의 P-N 접합의 상부뿐만 아니라 전지(64) 상의 전도체(도시되지 않음) 모두와 접촉한다. 광학 커버 층(63)의 바닥(65)과 전지(64) 사이에는 반사 방지 코팅이 있으며, 이는 광학 커버 층(63)의 바닥 부분(65)의 굴절률로부터 전지(64)의 상부로 횡단할 때 광 빔(61b)의 반사를 감소시키도록 구성된다. 광학 커버 층(63)은 전형적으로 높은 굴절률을 가지며, 바람직하게 적어도 80%의 파워가 그를 통과하게 하는 광학 밀도를 가지며, 광학 빔(61b)에 대해 측정할 때 2 미만의 광학 밀도를 가진다. 광학 빔(61b)은 코팅 층(63)의 높은 굴절률로 인해 빔(61b)에 평행한 빔(61a)이 전지(62)에 부딪히는 각도와 비교하여 감소된 입사각으로 전지(64)의 상부 표면에 도달한다. 코팅 층(63)의 두께는 전지(64)의 폭보다 더 작아야 한다.

이제, 커버 층(78)이 추가된, 위의 도 5에 도시된 것과 유사한 광전지(71)를 도시하는 도 7a를 참조한다. 이러한 도면은 PV 구조물에 충돌할 때 입사 빔이 취할 수 있는 상이한 경로를 보여준다. 빔(79a, 79b, 79c 및 79g)은 동일한 전도체 커버리지를 갖는 공지된 PV 전지 상에 있을 것이기 때문에 전지(71)에 의해 흡수된 것으로 도시된다. 다른 한편으로, 빔(79d)은 전도체(72)의 측면에 의해 반사된 것으로 도시되고 전지(71)에 의해 즉시 흡수된다. 빔(79e)은 전도체(72)의 상부에 의해 반사되어 장치로부터 탈출하는 것으로 도시되는데, 이는 종래 기술의 직사각형 전도체에 충돌하는 경우 발생할 수 있는 것과 유사한 방식이다. 따라서 이는 손실되고 전기 에너지로 변환되지 않는다. 빔(79f)은 종래 기술의 PV 전지에서 빔이 손실되는 결과를 낳을 수 있는 각도로 전도체에서 반사되는 것으로 도시된다. 그러나, 현재 PV가 커버 층(78)에 의해 덮이기 때문에, 빔(79f)은 이제 커버 층(78)의 상부 표면의 내부 측에 그 상부 표면 계면에 대한 임계 각도보다 더 큰 입사각으로 충돌하고, 따라서 빔(79f')으로서 PV 표면을 향해 다시 반사되고, 손실되는 대신에 도 7a에 전형적으로 예시된 바와 같이 추가 반사 후에도 전지에 의해 흡수된다. 광학 전도체(72)는 종래 기술의 전지에서 유사한 전도체보다 더 넓고 따라서 종래 기술의 전도체에 비해 더 낮은 저항 및 더 높은 반사를 가진다. 광학 전도체(72)의 형상은 광학 커버 층(78)의 바닥 부분의 굴절률에 기초하여 계산된 바와 같이, 임계각의 80% 초과의 각도로 기울어진 전도체 부분의 투영 영역을 최대화하도록 설계된다. 그러한 각도에서의 반사는 결국 다시 전지에 도달하여 전지에 의해 흡수되어 전력으로 변환될 높은 가능성을 가진다. 전도체(72)는 전형적으로 80% 내지 90%보다 더 큰 반사율을 가지지만 몇몇 경우에 이들은 덜 반사할 수 있다. 전도체(72)는 알루미늄, 은, 금, 몰리브덴, 구리, 니켈 또는 텅스텐과 같은 금속으로 만들어질 수 있고, 오팔 코팅(opal coating)과 같은 확산 코팅으로 코팅될 수 있다. 대안적으로, 전도체는 그 위에 증착된 작은 반사 구조물 또는 입자를 가질 수 있다. 전도체(72)는 광학 커버 층(78)의 바닥 부분의 굴절률에 기초하여 계산된 바와 같이 임계각의 80% 초과의 차수로 이들로부터의 반사가 최대화되도록 이격된다. 그러한 간격은 전형적으로 0.5 파장/굴절률 초과 및 100 파장 미만이다.

도 7a 및 이전 도 5 그리고 후속 도 7b 및 도 8c의 전도체가 핑거 형상으로 도시되지만, 도 4b의 삼각형 형상과 같이 커버 층(78) 내에서 빔의 다중 내부 반사를 제공하기 위해서 임의의 다른 적합한 프로파일을 가질 수도 있음을 이해해야 한다.

이제, 커버 층(78)의 상부 및 하부 표면에 반사 방지 코팅(73, 74)이 추가된, 본 개시에 따른 도 7a의 PV 전지를 도시하는 도 7b를 참조한다.

이제, 공간의 한 지점으로부터 보았을 때 겉보기 광원이 마주하는 각도 서브텐스(subtence)인 겉보기 광원의 각도 서브텐스의 중요성을 예시하는 도 7c를 참조한다. 특히, 인간의 눈의 해상도는 전형적인 망막 광-수용체가 약 1.1 밀리라드(millirad)의 주변 환경의 각도 서브텐스를 이루는 정도이다. 이러한 계산은 단일 망막 광-수용체 세포 외부 세그먼트의 반경이 ~25 미크론이고 인간 눈의 유효 초점 길이가 공기 중에서 ~22 mm에 해당하는 수성 환경에서 ~17 mm인 사실로부터 파생된다. 1.1 밀리라드의 각도 서브텐스를 갖는 광원은 단일 망막 세포에 초점이 맞춰질 수 있으며, 따라서 광원으로부터의 전체 파워는 동일한 세포에 의해 흡수될 수 있다. 각도 서브텐스가 더 작은 광원은 여전히 단일 광-수용체에 의해 흡수된다. 그러나 열악한 광학 품질로 인해 각도 서브텐스가 높은 소스는 작은 지점에 초점을 맞출 수 없다. 따라서 단일 생물학적 세포에 그러한 소스를 집중시키는 것은 불가능할 것이며, 결과적으로 더 높은 각도 서브텐스를 갖는 소스는 덜 위험할 것이다. 즉, 단일 망막 세포는 ~4*10^-6 스테라디안(steradian)을 차지한다. 각도 서브텐스가 1.5 스테라디안인 확산 소스로부터의 방사선은 적어도 2 개의 망막 세포에 분포될 것으로 예상되므로 망막 위험의 약 절반을 운반하고 더 안전하다.

이제 도 7c의 세부사항을 참조하면, PV(71a)는 확산 방식으로 이를 조명하는 광의 일부를 반사한다. PV(71a) 전방의 창 표면에서 100 mm에 위치된 렌즈(75)는 렌즈의 초점에 있는 광의 지점(77)으로 광 빔을 수렴한다. PV(71a)가 TEM₀₀ 레이저와 유사한 고품질 광학 빔을 반사하면, 렌즈(75)는 회절 제한 지점에 광을 집중시킬 것이다. 이미지의 상부, 렌즈의 중심 및 이미지의 바닥 사이에 해당하는 각도(70)는 0에 가까울 것이다.

PV(71a)가 원래 레이저 빔의 광학 품질을 유지하는 대신에 확산 이미지를 반사하는 다른 가능한 시나리오가 도 7d에 도시된다. 그러한 경우에, 렌즈(75)는 회절 제한 지점을 생성하지 않고 오히려 PV(71a)의 이미지(76)를 생성하고 각도(70)는 분명히 더 클 것이다.

전형적으로 렌즈(75)는 특정 거리에서 빔의 각도 서브텐스를 결정하기 위해 빔의 최소 각도 서브텐스 지점을 찾기 위해 PV 전지 주위로, 더 가깝고 더 멀게 이동된다.

위의 요건 이외에도, PV가 조명 수준의 변화에 반응하는 것이 중요하다. 빔 출력이 높을수록, 안전 시스템이 조명 수준 검출을 기반으로 하게 하기 위해서 광전지의 반응성이 높아야 한다. PV가 응답하려면, 전지 구조가 다음 공식에 따라 의도한 파워 수준과 일치하도록 조정되어야 한다:

여기서, d는 미터 단위로 측정된 광전지에서 빔의 광자를 흡수하는 층의 두께이며,

밴드갭은 주울 단위로 측정된 p-n 접합의 밴드갭 에너지이며,

A는 Meter² 단위로 측정된 광전지의 면적이다.

너무 큰 전지가 사용되면, 전지의 응답성이 떨어지고 조명 수준의 변화에 충분히 빠르게 반응할 수 없다.

d가 일반적으로 300 미크론 두께 미만이고 항상 1000 미크론 두께 미만이므로, 이는 다음과 같이 단순화될 수 있다:

또는, 더 편리한 형태로

.

이제 도 8a 및 도 8b를 참조하며, 도 8a는 공지된 특성을 갖는 기준 PV 전지(81a)를 예시하고, 도 8b는 인간의 눈에 반사되고 시준된 레이저 광의 영향을 도시한다. 도 8a에서, 광 빔(84)은 PV 전지(81a)를 조명하고, 대부분의 광이 전지(81a)에 의해 흡수되는 동안, 입사 빔의 일부는 눈(85)을 향해 전지에 의해 반사된다. 전지(81a)는 전형적으로 전지에 충돌하는 광의 약 2 내지 10%를 대부분 1 차 반사로 반사하며, 여기서 평평한 표면에 부딪치는 광은 반사와 같은 미러를 생성하며 입사각은 복귀각과 동일하다. 반사된 광은 인간의 눈(85)의 수정체(88)에 의해 수집되고 몇 개의 분리된 작은 라인을 형성하며, 이는 망막(86) 상의 전도체의 이미지이다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 각막 및 수정체는 더 큰 초점 손상을 야기할 가능성이 있는 시준된 빔으로부터 작은 지점으로 광의 스트립(89)을 집중시킬 수 있다. 시준된 빔으로부터의 반사가 최소한으로 발산하고 빔이 각막(87)과 렌즈(88)에 의해 굴절됨에 따라서, 도 7c에 예시된 바와 같이, 민감한 안구 조직에 수렴될 수 있는 강력한 광 에너지 빔의 포커싱이 초래된다. 그러한 집속된 빔은 빔이 망막(86)에 충돌하는 지점(80)에서 손상(80)을 야기할 상당한 잠재력을 가진다.

이제, 본 개시의 구현예에 따른 PV 전지(81b)를 개략적으로 예시하는 도 8c를 참조한다. PV 전지(81a)와 대조적으로, PV 전지(81b)는 직사각형이 아닌 고도로 볼록한 프로파일 전도체(82b) 및 커버 층(83)을 사용한다. 전지(81b)은 일반적으로 광의 약 10%까지 반사하는 전도체(82b)를 포함하며, 전도체가 전형적인 직사각형 전도체보다 더 넓지만 전도체(82b)가 비스듬히 빔을 반사하기 때문에, 대부분의 1 차 반사는 광학 커버 층의 내부 전반사 각도보다 높고 따라서 전지 쪽으로 다시 반사되고, 여기서 그 중 약 90%가 흡수된다. 원래 빔의 약 0.04% 내지 2%가 전도체에 의해 두 번째로 반사되고 이들 광선(89b)은 광학 커버 층(83) 외부에서 반사될 수 있지만 지금은 확산 방식으로 반사된다. 눈 렌즈(88)는 확산 방출된 광(89b)의 소량을 수집하고 망막에 세포(81b)의 상을 형성할 수 있다. 그러나 해당 이미지는 단위 면적당 파워가 훨씬 적기 때문에 망막에 대한 위험이 훨씬 적다. 눈으로 가장 많이 수집되는 광은 가장 가까운 거리에 있을 것이다. 인간의 눈의 최소 초점 거리는 ~100 내지 150 mm이므로 가장 위험한 수집 위치는 세포에서 약 100 내지 150 mm 거리이다.

도 8a의 기준 PV 전지로부터의 반사광을 도 8c에 개략적으로 도시된 본 개시의 구현예와 비교하면, 빔(84)은 전지(81a)에 충돌하는 것으로 도시된 것과 동일한 각도에서 전지(81b)에 접근한다. 대조적으로, 도 8c에서, 빔은 커버 층(83) 바닥의 반사 지수에 기초하여 계산된 임계각의 80% 초과의 각도로 전도체(82b)에 의해 반사되기 전에 커버 층(83)을 횡단한다. 반사하는 광선은 전지(81a)에 비해 더 높은 효율로 전지(81b)에 의해 흡수되고, 결국 광학 커버 층(83)의 상부를 통해 방출되는 빔의 백분율은 전도체(82a)에 의해 반사된 백분율에 비해 더 낮다. 또한, 광학 커버 층(83)의 상부로부터 방출된 광선(89b)은 확산되어 각각 다른 방향으로 방출된다. 따라서, 도 8c의 눈(85)에 충돌하는 광의 파워는 도 8a의 눈(85)에 의해 수집된 광의 파워와 비교하여 더 낮다. 도 8c에서, 광선이 동일한 방향으로 진행하지 않기 때문에 동일한 위치에 수렴하지 않을 것이며, 따라서 도 7d에 예시된 바와 같이 눈(85)의 망막에 확산 이미지를 형성하여 망막에 대한 위험이 훨씬 더 낮다.

현재 설명된 장치는 전형적으로 1 cm x 1 cm 크기의 전지가 확산된 역반사를 반사하게 하여, TEM₀₀ 레이저 빔의 전도체로부터의 반사가 1/e 직경, 최소 1.5 mRad, 그리고 전형적으로 훨씬 더 큰 직경과 밀리라드에서 한정하는, 세포 표면에서 100 mm에 배치된 af = 25 mm 렌즈로 초점을 맞출 때 최소 이미지를 형성하여, 망막에 훨씬 덜한 위험을 부여한다. 더욱이, 빔을 확산시킴으로써, 본 발명의 전지 구성은 레이저 소스로부터 수신된 전형적으로 중심 가중된 빔이 덜 중앙에 있고 더 균일하게 되도록 한다. 따라서 조명의 개선된 균일성은 전류가 더 짧은 거리에서 전지 가장자리의 집전체로 흐르게 함으로써 전지의 완전한 활용을 허용한다. 본 발명의 전지는 또한 더 두꺼운 금속 전도체 핑거를 허용하여 대부분의 레이저 전력 변환기의 경우와 같이 높은 광속의 경우에 유리한 특징인 낮은 저항 손실을 초래한다.

이제, 전형적으로 레이저인 송신기(95)가 예상되는 방향으로 특정 파워의 빔을 지향시키지만, 수신기가 해당 파워의 전부 또는 일부를 수신하지 않는 상황의 경우에 빔이 의도하지 않은 방향으로 전환되고 있음을 나타내는 경고를 제공하도록 구성된 안전 제어 시스템(90)을 도시하는 도 9를 참조한다. 제어 시스템(90)은 전송된 레이저 빔이 의도된 수신기에 도달하지 않거나 정확한 수신기에 도달하지만 과도하게 감소된 파워 때문에 주변환경에 위험을 제공할 수 있다는 표시 또는 경고를 제공한다. 가장 유리하게 송신기(95)에 위치되지만 도 9에 도시된 바와 같이 시스템의 다른 곳에 위치되거나 송신기에 의해 서비스되는 공간에 위치될 수도 있는 제어기 유닛(97)은 일반적으로 수신기의 PV 전지인 수신기의 검출 유닛(91)으로부터 신호 입력(92)을 수신한다. PV 전지로부터의 전력 출력(93)으로부터 샘플링될 수 있는 신호(92)는 다른 소스, 예컨대 태양광(94)으로부터 상당한 수준의 전력이 PV 전지(91)에 떨어질 수 있는 상황에서도 레이저 파장을 갖는 조명의 전력 수준의 일부분이 PV 전지에 떨어짐을 나타낸다. 제어 유닛(97)은 레이저에 의해 그리고 스캐닝 미러(96)의 위치로부터 레이저 빔의 전력이 방출됨을 나타내는 신호를 송신기의 레이저 전원(95)으로부터 수신하도록 구성되며, 시스템의 이들 구성요소의 설정 모두는 수신기에 빔 레이저 전력을 공급하기 위한 작동 요건에 의해 결정된다. 특정 출력 수준이 검출기 유닛으로부터 예상되는 레이저 파워 설정 및 미러 스캔 위치가 보여주고 제어 유닛에 대한 실제 입력이 미리 결정된 양 이상으로 예상되는 수준보다 낮은 출력 수준을 보여주는 경우에, 빔의 일부가 차단되고 의도된 수신기 타겟에 도달하지 않아 시스템에 의해서 안전 경고를 트리거하는 것으로 가정된다.

제어 시스템은 검출기 유닛에 의해 측정된 파워에 따라서, 스캐닝 미러 설정을 최적화하고, 레이저 빔을 수신기 PV의 중심에 유지하고, 의도된 레이저 파워를 공급하도록 레이저를 제어하기 위해서 종래의 방식, 즉 역방향으로 작동할 수도 있음을 이해해야 한다.

본 발명이 위에서 구체적으로 도시되고 설명된 것에 의해 제한되지 않는다는 것이 당업자에 의해 이해된다. 오히려, 본 발명의 범주는 전술한 다양한 특징의 조합 및 하위 조합뿐만 아니라 위의 설명을 읽을 때 당업자에게 발생하고 종래 기술에 없는 변형 및 수정을 모두 포함한다.

Claims

레이저 빔을 사용하여 광 전력을 광 무선 전력 전달에 적합한 전력으로 변환하는 전력 변환 장치로서,
상기 레이저 빔을 수신하도록 구성된 표면에 복수의 전도체를 가지고, 0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 적어도 하나의 접합을 가지는 광전지; 및
상기 광전지에 배치된 커버 층으로서, 상기 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명의 전달을 흡수 또는 반사에 의해 제한하고 상기 레이저 빔을 상기 광전지 쪽으로 전달하도록 구성된 재료를 포함하는, 커버 층을 포함하며;
상기 레이저 빔은 700 nm 내지 1500 nm의 파장을 가지며;
상기 레이저 빔의 상기 파장 범위 밖의 상기 조명의 파장은 550 nm 내지 700 nm의 범위에 속하며;
상기 레이저 빔의 상기 파장에 대한 상기 커버 층의 투과율은 550 nm 내지 700 nm 범위 내의 파장에 대한 투과율보다 적어도 50% 더 높아서, 상기 전력 변환 장치는 550 nm 파장에서의 효율보다 적어도 2.5배 더 높은 상기 레이저 빔의 상기 파장에서 전력으로의 변환 효율을 가지는,
전력 변환 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 밴드갭 에너지는 상기 레이저의 상기 파장보다 적어도 25%만큼 긴 임의의 파장에 대한 전력으로 광 전력을 변환하는 효율이 레이저 파장에서의 변환 효율보다 4배 이상 적도록 상기 레이저의 상기 파장으로 조정되는,
전력 변환 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 커버 층은:
상기 광전지로부터 멀리 떨어진 상기 커버 층의 표면에 배치된 제 1 반사 방지 코팅으로서, 상기 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 반사하고 상기 레이저 빔을 상기 커버 층으로 전달하도록 구성되는, 제 1 반사 방지 코팅, 또는
상기 광전지의 표면과 상기 커버 층 사이에 배치된 제 2 반사 방지 코팅으로서, 상기 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 반사하고 상기 레이저 빔을 상기 광전지로 전달하도록 구성되는, 제 2 반사 방지 코팅 중 적어도 하나를 더 포함하는,
전력 변환 장치.
송신기, 수신기 및 제어 유닛을 포함하는 무선 광 전력 전달 시스템의 안전 시스템으로서,
(i) 상기 송신기는:
빔을 방출하도록 구성된 레이저; 및
상기 수신기 쪽으로 상기 빔을 조종하도록 구성된 스캐닝 미러를 포함하며;
(ii) 상기 수신기는:
상기 레이저 빔을 수신하도록 구성된 표면에 복수의 전도체를 가지고, 0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 적어도 하나의 접합을 가지는 광전지; 및
상기 광전지에 배치된 커버 층으로서, 상기 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 흡수 또는 반사에 의해 제한하고 상기 레이저 빔을 상기 광전지 쪽으로 전달하도록 구성된 재료를 포함하는, 커버 층을 포함하며;
(iii) 상기 제어 유닛은 상기 스캐닝 미러의 위치를 나타내는 제 1 데이터를 수신하고, 상기 레이저에 의해 방출된 상기 빔의 전력을 나타내는 상기 송신기로부터 제 2 데이터를 수신하고, 상기 제 1 및 제 2 데이터로부터 상기 광전지에 입사하는 예상 전력을 결정하고, 상기 광전지에 의해 측정된, 상기 수신기에 충돌하는 상기 레이저 빔의 전력과 상기 예상 전력을 비교하고, 상기 예상 전력이 상기 측정된 전력으로부터 미리 결정된 수준 초과만큼 벗어나는 경우 잠재적인 안전 문제를 나타내도록 구성되는,
무선 광 전력 전달 시스템의 안전 시스템.
송신기 및 수신기를 포함하는 무선 광 전력 전달 시스템으로서,
상기 송신기는:
빔을 방출하도록 구성된 레이저;
상기 수신기 쪽으로 상기 빔을 조종하도록 구성된 스캐닝 미러; 및
상기 수신기 상의 검출 유닛으로부터 신호를 수신하고, (i) 상기 레이저에 의해 방출된 상기 빔의 전력 및 (ii) 상기 스캐닝 미러의 위치 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하며;
상기 수신기는:
상기 레이저 빔을 수신하도록 구성된 표면에 복수의 전도체를 가지고, 0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 적어도 하나의 접합을 가지는 광전지를 포함하며, 상기 광전지는 상기 광전지에 도달하는 상기 레이저 빔의 전력을 검출하도록 구성되며;
상기 수신기는 상기 광전지에 배치된 커버 층으로서, 상기 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 흡수 또는 반사시키고 상기 레이저 빔을 상기 광전지 쪽으로 전달하도록 구성된 재료를 포함하는, 커버 층; 및
(i) 상기 광전지로부터 멀리 떨어진 상기 커버 층의 표면에 배치된 제 1 반사 방지 코팅으로서, 상기 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 반사하고 상기 레이저 빔을 상기 커버 층으로 전달하도록 구성되는, 제 1 반사 방지 코팅과,
(ii) 상기 광전지의 표면과 상기 커버 층 사이에 배치된 제 2 반사 방지 코팅으로서, 상기 레이저 빔의 파장 범위 밖의 파장을 가지는 조명을 반사하고 상기 레이저 빔을 상기 광전지로 전달하도록 구성되는, 제 2 반사 방지 코팅 중 적어도 하나를 포함하며;
상기 검출 유닛은 상기 레이저 빔의 조명 이외의 다른 파장의 조명과 무관하게, 상기 수신기에 충돌하는 상기 레이저 빔의 전력을 나타내는 신호를 생성하며, 상기 제어 유닛은 상기 수신기에 영향을 미치는 상기 전력을 유지하기 위해 (i) 상기 빔 및 (ii) 상기 스캐닝 미러의 상기 위치 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되는,
무선 광 전력 전달 시스템.
레이저 빔을 사용하여 광 전력을 광 무선 전력 전달에 적합한 전력으로 변환하는 전력 변환 장치로서,
0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 가지는 적어도 하나의 접합을 가지고, 레이저 광이 적어도 하나의 접합 쪽으로 전달되는 외부 층을 가지는 광 변환 장치를 포함하며, 상기 외부 층은 상기 외부 층의 표면에 대한 법선에 대해 ±20° 사이의 임의의 방향으로부터 상기 외부 층을 통해 조명될 때 적어도 80% 효율로 상기 적어도 하나의 접합으로 적어도 제 1 파장을 전달하도록 구성되며;
상기 제 1 파장에 대한 상기 전력 변환 장치의 변환 효율은 적어도 30%이며, 상기 제 1 파장은 700 nm 내지 1500 nm의 근-적외선 파장이며;
상기 전력 변환 장치 외부 층은 550 nm 내지 700 nm의 제 2 파장에서 입사 조명의 일부분을 반사하거나 흡수하도록 구성되어서, 상기 제 2 파장에서 조명의 60% 미만이 상기 외부 층(들)의 표면에 대한 법선에 대해 ±20° 사이의 임의의 방향으로부터 상기 외부 층을 통해 조명될 때 적어도 하나의 접합에 도달하도록 구성되고 상기 제 2 파장에 대한 상기 전력 변환 장치 변환 효율은 20% 미만이며;
상기 전력 변환 장치 외부 층은 300 nm 내지 550 nm의 적어도 제 3 파장을 흡수하거나 반사하도록 구성되어서, 상기 제 3 파장의 전력의 적어도 50%가 상기 외부 층의 표면에 대한 법선에 대해 ±20° 사이의 임의의 방향으로부터 상기 외부 층을 통해 조명될 때 상기 적어도 하나의 접합에 도달하기 전에 흡수되며, 상기 제 3 파장에 대한 상기 전력 변환 장치 변환 효율은 10% 미만이며;
1500 nm 내지 2000 nm의 제 4 파장에 대한 상기 전력 변환 장치 변환 효율이 5% 미만인,
전력 변환 장치.
광 파워 빔을 전력으로 변환하는 전력 변환 장치로서,
상기 광 파워 빔을 흡수하도록 구성된 p-n 접합을 가지는 반도체 장치,
상기 반도체 장치와 전기적으로 접촉하는 상부 및 바닥 전도체로서, 상기 상부 전도체가 상기 반도체 장치의 상부 표면의 일부분을 덮는, 상부 및 바닥 전도체; 및
상기 반도체 장치의 상기 상부 표면에 배치된 광학 층을 포함하며; 상기 광학 층은 상부 체적 및 바닥 체적를 포함하며, 상기 바닥 체적는 상기 반도체 장치의 상기 상부 표면 및 상기 반도체 장치의 상기 상부 전도체와 광학 접촉하며, 상기 상부 체적은 공기와 광학적으로 접촉하며;
상기 상부 전도체는 그에 충돌하는 광의 적어도 30%를 반사하도록 구성되며;
상기 광학 층은 2 미만의 상기 광학 전력 빔에 대한 광학 밀도를 가지며;
상기 상부 전도체는 그에 의해 반사된 광의 적어도 25%를 sin^-1(1/상기 바닥 체적의 굴절률)보다 더 큰 각도로 지향시키도록 구성되는,
전력 변환 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 전도체에 의해 반사된 상기 광의 적어도 일부분은 상기 상부 체적의 상부 표면으로부터 내부 전반사를 겪는 각도로 반사되는,
전력 변환 장치.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 광학 층의 상기 상부 체적은 굴절률이 대략 1인 매질로부터 오는 상기 광 파워 빔의 반사를 감소시키도록 구성된 반사 방지 코팅인,
전력 변환 장치.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 층의 상기 상부 체적은 스크래치 저항 코팅인,
전력 변환 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 상부 표면에 대한 법선에 대해 적어도 -10도 내지 +10도의 각도에 걸쳐 상기 광 파워 빔의 반사를 감소시키도록 추가로 구성되는,
전력 변환 장치.
제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부 전도체에 의해 덮인 상기 상부 표면의 상기 커버리지의 일부분은 적어도 4%인,
전력 변환 장치.
제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전도체는 금속으로 만들어지는,
전력 변환 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 전도체는 적어도 부분적으로 알루미늄, 금, 은 또는 구리를 포함하는,
전력 변환 장치.
제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 장치의 상기 상부 표면으로 적어도 sin^-1(1/상기 바닥 체적의 굴절률)의 각도로 정렬된 상기 전도체의 일부분의 기하학적 투영 면적은 상기 상부 전도체에 의해 덮인 상기 상부 표면의 상기 커버리지 부분을 곱한 상기 반도체 장치의 면적의 적어도 25%인,
전력 변환 장치.
제 7 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 변환 장치로부터의 레이저 반사가 확산되도록 구성되는,
전력 변환 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 전력 변환 장치로부터의 상기 확산 반사는 적어도 1.5 밀리라드의 각도 서브텐스를 가지는,
전력 변환 장치.
제 7 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
Meter² 단위로 측정된 반도체 장치의 면적에 주울 제곱 단위로 측정된 접합의 밴드갭을 곱하고 제 3 전력에 대해 와트 단위로 측정된 전지의 설계된 최대 전력을 곱한 값은
이 되도록 214*10^-30보다 작은,
전력 변환 장치.
제 7 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부 전도체는 핑거 형상 프로파일을 갖는 전도성 격자를 포함하는,
전력 변환 장치.
제 7 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부 전도체는 삼각형 형상 프로파일을 갖는 전도성 격자를 포함하는,
전력 변환 장치.
레이저 빔을 사용하여 광 전력을 광 무선 전력 전달에 적합한 전력으로 변환하는 전력 변환 장치로서,
상기 레이저 빔을 수신하도록 구성된 표면에 복수의 전도체를 가지고, 0.75 eV 내지 1.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 적어도 하나의 접합을 가지고, 그에 배치된 커버 층을 가지는 광전지를 포함하며;
상기 커버 층은 550 nm 내지 700 nm 범위의 파장을 갖는 조명을 흡수 또는 반사하고, 상기 광전지 쪽으로 상기 레이저 빔을 전달하도록 구성된 재료를 포함하며, 상기 레이저 빔은 700 nm 내지 1500 nm의 파장을 가지며;
상기 레이저 빔의 상기 파장에 대한 상기 커버 층의 투과율은 550 nm 내지 700 nm 범위 내의 파장에 대한 투과율보다 적어도 50% 더 높아서, 상기 전력 변환 장치는 550 nm 파장에서의 효율보다 적어도 2.5배 더 높은 상기 레이저 빔의 상기 파장에서 전력으로의 변환 효율을 가지는,
전력 변환 장치.