KR20220023964A - 하이브리드 에너지 장치, 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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KR20220023964A
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energy
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샘 셰르비츠
마지드 팔레바니네자드
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10644137 캐나다 인코포레이티드
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Abstract

다층 장치는 투명 또는 반투명 기판, 기판에 커플링되는 태양-전지 층, 태양-전지 층에 커플링되는 에너지-저장 층, 및 에너지-저장 층에 커플링되는 변환기 층을 가진다. 태양-전지 층은 기판을 통해 광을 수신하고 수신된 광의 에너지를 제 1 전기 에너지로 변환하기 위한 복수의 태양-전지를 가지며, 에너지-저장 층은 제 2 전기 에너지를 저장하기 위한 하나 이상의 에너지-저장 유닛을 가지며, 변환기 층은 그로부터 제 1 전기 에너지 및 제 2 전기 에너지를 수신하고 제 3 전기 에너지를 그의 출력을 통해 출력하기 위해서 태양-전지 층 및 에너지-저장 층에 전기적으로 연결된 하나 이상의 전력 변환기를 가진다.

Description

하이브리드 에너지 장치, 시스템 및 그 방법
본 출원은 2019년 4월 10일자로 출원된 미국 가 특허 출원 일련번호 62/831,828호의 이득을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
본 개시는 에너지 장치, 시스템 및 이를 위한 방법, 특히 다양한 용례를 위한 전기 에너지를 제공하기 위해서 태양-전지 및 배터리와 같은 하이브리드 에너지원을 통합하는 장치 및 시스템에 관한 것이다.
태양 에너지(solar energy)는 다양한 용례를 위한 깨끗하고 실용적인 에너지원으로서 사용되어 왔다. 예를 들어, 태양광 패널(solar panel)은 태양 에너지를 수집하고 수집된 태양 에너지를 다양한 전기 장치에 전력을 공급하기 위한 전력으로 변환하기 위해서 옥상과 같은 햇볕이 잘 드는 위치에 전개될 수 있다. 다양한 형태, 스타일 및 크기의 태양-전지 패널은 태양열 타일(solar tile), 전화 충전기, 주거용 가전제품, 산업 장비 등과 같은 다양한 장치의 에너지원 구성요소로 널리 사용되었다.
예를 들어, 도 1 내지 도 3은 참조 부호 10을 사용하여 전체적으로 표시된 몇몇 종래 기술의 태양 에너지 수확 시스템을 도시한다. 도 1에 도시된 태양 에너지 수확 시스템(10)에서, 태양광 패널(12) 또는 더 구체적으로 광전지(PV) 패널은 태양 에너지를 전기로 변환하고 이를 전자 전력 변환기(14)로 출력하는데 사용된다. 전자 전력 변환기(14)는 부하(16)에 전력을 공급하기 위한 사용 가능한 형태로 수신된 전기를 변환한다.
전자 전력 변환기(14)는 또한, 스위치(18)를 통해 교류(AC) 유틸리티 그리드(utility grid)(20)에 연결된다. 따라서, 스위치(18)가 폐쇄될 때, 전자 전력 변환기(14)는 그에 전기적으로 연결된 다양한 장치(도시되지 않음)에 전력을 공급하기 위해서 또는 전자 전력 변환기(14)의 출력이 불충분할 때 부하(16)에 전력을 공급하도록 AC 유틸리티 그리드(20)을 사용하기 위해서 AC 유틸리티 그리드(20)에 전력을 출력할 수 있다.
에너지-저장은 시스템(10)에 대한 신뢰성을 제공하기 위해서 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 예의 종래 기술 시스템(10)은 다른 전자 전력 변환기(24)를 통해 부하(16) 및 AC 유틸리티 그리드(20)에 연결되는 배터리 조립체와 같은 에너지-저장장치(22)를 더 포함한다. 배터리 조립체(22)의 사용으로, 시스템(10)은 PV 패널(12)로부터 출력되는 태양 에너지의 간헐적인 특성을 보상하고 시스템 신뢰성을 개선할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 것과 유사지만, AC 유틸리티 그리드(20) 대신에 부하(16) 및 직류(DC) 유틸리티 그리드(26)에 연결된 종래 기술의 태양 에너지 수확 시스템(10)을 도시한다.
종래 기술의 태양 에너지 수확 시스템은 다음과 같은 단점 및/또는 과제를 가진다:
- 햇빛의 간헐성으로 인한 태양 에너지 생성의 비신뢰성,
- 일조량이 낮 동안 변하여 시스템의 전체 효율을 크게 저하시키므로, 태양 에너지 수확 시스템의 작동점(예를 들어, 전압, 전류 등)에서 다양한 범위의 변동이 있으며,
- 시스템은 일반적으로, 시스템에 대한 탄력성을 제공하기 위해서 유틸리티 전력망을 요구한다. 즉, 태양 에너지가 불충분하거나 이용 불가능할 때 다양한 부하에 전력을 제공하기 위해서 유틸리티 전력망을 요구한다.
이들 단점 및/또는 과제로 인해서, 종래 기술의 태양 에너지 수확 시스템은 태양열 타일, 태양열 충전기 등과 같은 많은 새로운 용례에 최적 해결책을 제공하지 못 할 수 있다. 따라서, 차선의 또는 심지어 최적화되지 않은 성능을 갖는 종래 기술의 태양 에너지 수확 시스템은 그렇지 않으면 태양 에너지 시스템의 빠른 성장에 부정적인 영향을 미칠 것이다. 따라서 신뢰 가능한 태양 에너지 수확 해결책에 대한 요구가 있다.
본 개시의 실시예는 효율적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 태양-전지, 배터리 셀(battery cell), 및 몇몇 실시예에서 전자 회로를 통합하여 높은 효율을 갖는 신뢰할 수 있는 에너지 장치 또는 모듈을 초래하는 하이브리드 에너지 장치 또는 모듈에 관한 것이다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 다층 에너지 장치가 제공되며, 상기 장치는 투명 또는 반투명 기판; 기판에 커플링(coupling)되고, 기판을 통해 광을 수신하고 수신된 광의 에너지를 제 1 전기 에너지로 변환하기 위한 복수의 태양-전지를 포함하는 태양-전지 층; 태양-전지 층에 커플링되고, 제 2 전기 에너지를 저장하기 위한 하나 이상의 에너지-저장 유닛을 포함하는 에너지-저장 층; 및 에너지-저장 층에 커플링되고, 그로부터 제 1 전기 에너지 및 제 2 전기 에너지를 수신하고 그의 출력을 통해 제 3 전기 에너지를 출력하기 위해서 태양-전지 층 및 에너지-저장 층에 전기적으로 연결된 하나 이상의 전력 변환기를 포함하는 변환기 층을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 기판은 유리 층을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 기판은 가요성(flexible)의 투명 또는 반투명 재료를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 기판은 투명 또는 반투명 플라스틱 재료를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리(에테르 설폰)(PES) 중 적어도 하나를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 태양-전지 층이 기판에 인쇄되거나 침착(depositing)된다.
몇몇 실시예에서, 에너지-저장 층이 태양-전지 층에 인쇄되거나 침착된다.
몇몇 실시예에서, 태양-전지 층은 기판에 커플링된 애노드 하위층(anode sublayer); 애노드 하위층에 커플링된 산화아연(ZnO)의 하위층; ZnO의 하위층에 커플링된 폴리(에틸렌이민) 및 폴리(에틸렌이민) 에톡실레이티드(ethoxylated)(PEIE)의 하위층; PEIE의 하위층에 커플링된 유기 태양-전지의 하위층; 태양-전지의 하위층에 커플링된 삼산화 몰리브덴(MoO3)의 하위층; 및 MoO3의 하위층에 커플링된 캐소드(cathode) 하위층을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 애노드 하위층은 인듐 주석 산화물(ITO)을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 캐소드 하위층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 태양-전지의 하위층은 폴리머(polymer) 태양-전지를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 태양-전지의 하위층은 벌크 이종접합(bulk heterojunction; BHJ)의 하위층을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 에너지-저장층은 하나 이상의 배터리 셀 및 하나 이상의 반도체 커패시터(capacitor) 중 적어도 하나를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 하나 이상의 배터리 셀 각각은 제 1 집전기 하위층; 제 1 집전기 하위층에 커플링된 애노드 하위층; 애노드 하위층에 커플링된 고체-상태 전해질 하위층; 고체-상태 전해질 하위층에 커플링된 캐소드 하위층; 및 캐소드 하위층에 커플링된 제 2 집전기 하위층을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 제 1 및 제 2 집전기 하위층 중 적어도 하나는 알루미늄을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 고체-상태 전해질 하위층은 Al2O3 및 제 1 반-상호침투성(semi-interpenetrating) 폴리머 네트워크(반-IPN) 골격 재료를 갖는 LiBrF4를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 고체-상태 전해질 하위층은 85/15 w/w의 비율로 세바코니트릴(Sebaconitrile)(SBN)과 반-IPN 골격 재료에 1 몰(몰/리터) LiBF4로 제조되고, 60/40 w/w의 비율로 약 300 몰 Al2O3와 혼합된다.
몇몇 실시예에서, 애노드 하위층은 제 1 탄소 재료 및 제 2 반-IPN 골격 재료를 갖는 활성화된 Li4Ti5O12(LTO)를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 캐소드 하위층은 제 2 탄소 재료 및 제 3 반-IPN 골격 재료를 갖는 활성화된 LiCoO2(LCO)를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 제 1 및/또는 제 2 탄소는 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 및 탄소 분말 중 적어도 하나를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 활성화된 LTO는 SWCNT 코팅된 LTO이다.
몇몇 실시예에서, 활성화된 LCO는 SWCNT 코팅된 LCO이다.
몇몇 실시예에서, 반-IPN 골격 재료는 자외선(UV) 경화성 폴리머를 포함한다.
몇몇 실시예에서, UV 경화성 폴리머는 1.0 중량%(wt%)의 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(HMPP)을 혼입(incorporating) 하는 에톡실레이티드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(ETPTA) 및 6몰%(mol%)의 HFP와 75/25 중량별(weight-by-weight; w/w) 비율(ratio)의 ETPTA/PVdF-HFP를 갖는 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(PVdF-HFP)를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 하나 이상의 반도체 커패시터 각각은 (n+1)개의 비소화 갈륨(GaAs) 하위층과 인터리빙(interleaving)된 n 개의 알루미늄 비소화 갈륨(AlGaAs) 하위층을 포함하며, n은 0 초과의 정수(n>0인 정수)이며, 각각의 AlGaAs 하위층이 2 개의 인접한 GaAs 하위층 사이에 끼워진다.
몇몇 실시예에서, 변환기 층은 태양열 입력 변환기(solar-input converter), 배터리 입력 변환기, 및 출력 변환기를 갖는 다중-입력 전자 전력 변환기를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 태양열 입력 변환기, 배터리 입력 변환기, 및 출력 변환기 중 적어도 하나는 강자성 또는 페리자성 코어(ferrimagnetic core) 주위에 권선(winding)되는 코일을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 태양열 입력 변환기, 배터리 입력 변환기, 및 출력 변환기 중 적어도 하나는 페라이트(ferrite) 재료로 제조되고 2 개의 배선(wiring) 층 사이에 끼워진 코어 층을 포함하며; 각각의 배선 층은 베이스(base) 상의 전기 전도성 배선을 포함하며; 2 개의 배선 층의 배선은 그 위의 하나 이상의 비아(via)를 통해 상호 연결되어 페라이트 코어 주위에 권선되는 코일을 형성한다.
본 개시의 실시예는 이제, 상이한 도면에서 동일한 참조 부호가 동일한 요소를 나타내는 다음 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 부하 및/또는 교류(AC) 유틸리티 그리드에 연결되는 종래 기술의 태양 에너지 수확 시스템을 도시하는 개략도로서, 태양 에너지 수확 시스템은 태양 에너지를 수확하기 위한 태양-전지 패널을 가지며;
도 2는 부하에 연결 및/또는 AC 유틸리티 그리드에 연결되는 종래 기술의 태양 에너지 수확 시스템을 도시하는 개략도로서, 태양 에너지 수확 시스템은 태양-전지 패널 및 에너지-저장장치를 가지며;
도 3은 부하 및/또는 직류(DC) 유틸리티 그리드에 연결되는 종래 기술의 태양 에너지 수확 시스템을 도시하는 개략도로서, 태양 에너지 수확 시스템은 태양-전지 패널 및 에너지-저장장치를 가지며;
도 4는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 하이브리드 에너지 장치를 가지며 부하 및/또는 AC 유틸리티 그리드에 연결되는 태양 에너지 수확 시스템을 도시하며;
도 5는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 하이브리드 에너지 장치를 가지며 부하 및/또는 DC 유틸리티 그리드에 연결되는 태양 에너지 수확 시스템을 도시하며,
도 6a는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 도 4 및 도 5에 도시된 태양 에너지 수확 시스템의 하이브리드 에너지 장치의 물리적 구조를 도시한 개략도로서, 하이브리드 에너지 장치는 에너지-저장장치로서 배터리 셀의 층을 포함하며,
도 6b는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 도 4 및 도 5에 도시된 태양 에너지 수확 시스템의 하이브리드 에너지 장치의 물리적 구조를 도시한 개략도로서, 하이브리드 에너지 장치는 에너지-저장장치로서 슈퍼 커패시터(super capacitor)의 층을 포함하며;
도 7a는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 도 6a 및 도 6b에 도시된 하이브리드 에너지 장치의 태양-전지 층 및 기판을 도시하는 개략도로서, 기판은 유리로 제조되며;
도 7b는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 도 6a 및 도 6b에 도시된 하이브리드 에너지 장치의 태양-전지 층 및 기판을 도시하는 개략도로서, 기판은 투명 또는 반투명 플라스틱으로 제조되며;
도 8은 복수의 태양-전지를 형성하기 위해서 기판 상에 대규모로 인쇄된 도 7b에 도시된 태양-전지 층의 복수의 하위층을 도시하는 개략도이며;
도 9는 기판 상에 도 6a 및 도 6b에 도시된 하이브리드 에너지 장치의 태양-전지 층 및 에너지-저장 층의 프린팅을 도시하는 개념도이며;
도 10은 도 6b에 도시된 슈퍼 커패시터의 구조를 도시하며;
도 11a는 도 6a에 도시된 하이브리드 에너지 장치의 에너지-저장 층의 배터리 셀의 구조를 도시하는 개략도이며;
도 11b는 리튬 이온 배터리 셀 형태의 도 11a에 도시된 배터리 셀의 구조를 도시하는 개략도이며;
도 12는 직렬로 서로의 상부에 인쇄되고 그 사이에 공통 집전기 하위층을 공유하는 2 개의 배터리 셀을 도시하는 개략도이며;
도 13은 스텐실 프린터(stencil printer) 장치로서 냉각 수동 라미네이터를 사용하여 배터리 셀을 만들기 위한 스텐실 프린팅 기술을 도시하며;
도 14는 임의의 처리 용매가 없는 도 13에 도시된 스텐실 프린팅 기술을 사용하여 알루미늄 집전기 하위층의 상부에 애노드 하위층의 제작 공정을 도시하며;
도 15는 도 6a 및 도 6b에 도시된 하이브리드 에너지 장치의 상세를 도시하는 개략도이며;
도 16a 및 도 16b는 AC 및 DC 용례를 위한 통합 전자 전력 변환기를 갖는 태양 에너지 수확 시스템의 블록도이며;
도 17a는 도 16a 및 도 16b에 도시된 통합 전자 전력 변환기의 기능적 구조를 도시하는 개략도로서, 통합 전자 전력 변환기는 태양열 입력 변환기, 배터리 입력 변환기, 및 출력 변환기를 포함하며;
도 17b는 도 17a에 도시된 태양열 입력 변환기, 배터리 입력 변환기, 및 출력 변환기의 기능적 구조를 도시하는 개략도이며;
도 17c는 도 16a 및 도 16b에 도시된 통합 전자 전력 변환기의 회로도이며;
도 18a는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 도 16a 및 도 16b에 도시된 통합 전자 전력 변환기의 물리적 구현을 도시하는 개략도이며;
도 18b는 A-A 단면선을 따른 도 18a에 도시된 통합 전자 전력 변환기의 단면도이며;
도 18c는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 도 18a에 도시된 통합 전자 전력 변환기의 일부분의 개략적인 사시도이다.
이제 도 4를 참조하면, 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 태양 에너지 수확 시스템이 도시되고 전체적으로 참조 부호 100을 사용하여 구별된다. 도시된 바와 같이, 태양 에너지 수확 시스템(100)은 부하(104)에 전력을 공급하기 위한 하이브리드 에너지 장치(102)를 포함한다.
하이브리드 에너지 장치(102)는 또한, 스위치(108)를 통해 교류(AC) 유틸리티 그리드(106)에 연결된다. 따라서, 스위치(108)가 폐쇄될 때, 하이브리드 에너지 장치(102)는 그에 전기적으로 연결된 다양한 장치(도시되지 않음)에 전력을 공급하기 위해서, 또는 하이브리드 에너지 장치(102)의 출력이 불충분할 때 부하(104)에 전력을 공급하도록 AC 유틸리티 그리드(106)를 사용하기 위해서 AC 유틸리티 그리드(106)에 전력을 출력할 수 있다.
이들 실시예에서 하이브리드 에너지 장치(102)는 태양 에너지를 수확하고 제 1 에너지원으로서 작용하는 복수의 태양-전지를 갖는 광전지(PV) 패널과 같은 태양-전지(112) 세트를 포함하고 제 2 에너지원으로서 에너지-저장장치(114)를 포함한다. 태양-전지(112) 및 에너지-저장장치(114)는 다중-입력 전자 전력 변환기(116)로 전력을 출력한다. 다중-입력 전자 전력 변환기(116)는 부하(104)에 전력을 공급하고/하거나 AC 유틸리티 그리드(106)로 출력하기 위해서 수신된 전력을 적합한 형태(예를 들어, 적합한 전압, 전류, 주파수, 위상 등을 가짐)로 변환하고 태양-전지(112)의 출력을 사용하여 에너지-저장장치(114)를 충전한다. 또한, 다중-입력 전자 전력 변환기(116)는 상이한 구성요소 사이의 전력 흐름을 제어한다.
도 5는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 태양 에너지 수확 시스템(100)을 도시한다. 이들 실시예의 태양 에너지 수확 시스템(100)은 하이브리드 에너지 장치(102)가 직류(DC) 유틸리티 그리드(118)에 연결된 것을 제외하면 도 4에 도시된 것과 유사하다. 다중-입력 전자 전력 변환기(116)는 또한, 상이한 구성요소 사이의 전력 흐름을 제어한다.
태양-전지(112), 에너지-저장장치(114), 및 다중-입력 전자 전력 변환기(116)를 포함하는 도 4 및 5에 도시된 하이브리드 에너지 장치(102)는 인쇄, 침착되거나, 아니면 기판에 커플링된 통합 장치이고 상이한 실시예에서 상이한 구현을 가질 수 있다. 도 6a 및 도 6b는 상이한 실시예에서 다양한 에너지-저장장치(114)를 갖는 하이브리드 에너지 장치(102)의 물리적 구조를 도시하는 개략도이다.
도 6a에 도시된 실시예에서, 하이브리드 에너지 장치(102)는 유리, 투명 또는 반투명 플라스틱, 투명 또는 반투명 폴리머 등과 같은 하나 이상의 적합한 투명 또는 반투명 재료로 제조된 기판(132)을 포함한다. 태양-전지(112)의 층("태양-전지 층"으로도 표기됨)이 인쇄, 침착되거나 아니면 기판(132)에 커플링된다. 따라서, 투명 기판(132)은 태양-전지 층(112)이 주변 광 또는 입사 광에 노출되게 하고 태양-전지 층(112) 및 이에 커플링된 다른 층에 지지 및 보호를 제공한다.
이들 실시예에서, 에너지-저장장치(114)("에너지-저장 층"으로도 표기됨)는 인쇄, 침착되거나 아니면 태양-전지 층(112)에 커플링된 배터리 셀(136)의 층을 포함한다. 다중-입력 전자 전력 변환기(116)의 회로 층("회로 층"으로 표기됨)은 에너지-저장 층(114)에 커플링된다. 태양-전지 층(112), 에너지-저장 층(114), 및 회로 층(116)은 도 4 또는 도 5에 따라서 전기적으로 연결(도시되지 않음)된다.
도 6b에 도시된 실시예의 하이브리드 에너지 장치(102)는 이들 실시예에서 에너지-저장 층(114)이 하나 이상의 커패시터(138) 또는 슈퍼 커패시터(즉, 큰 정전용량을 갖는 커패시터)를 포함하는 것을 제외하면 도 6a에 도시된 것과 유사하다.
도 7a는 유리와 같은 적합한 강성의, 투명 또는 반투명 재료로 제조된 기판(132) 상의 태양-전지 층(112)을 도시하는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 태양-전지 층(112)은 기판(132)으로부터 명명되는, 기판(132)에 인쇄, 침착되거나 아니면 커플링된 ITO(인듐 주석 산화물)와 같은 적합한 재료로 제조된 애노드 하위층(142), 산화아연(ZnO)의 하위층(144), 폴리(에틸렌이민)와 폴리(에틸렌이민) 에톡실레이티드의 하위층(즉, PEIE)(146), 폴리머 태양-전지의 하위층, 예컨대 벌크 이종접합(BHJ)의 하위층과 같은 유기 태양-전지의 하위층(148), 삼산화 몰리브덴(MoO3)의 하위층(150), 및 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)과 같은 적합한 재료로 제조된 캐소드 하위층(152)과 같은 복수의 하위층을 포함한다. 애노드(142) 및 캐소드(152)는 에너지-저장 층(114)(즉, 배터리 셀(136) 또는 커패시터(138)의 층) 및/또는 통합 변환기 층(116)과 같은 상부 층에 전기적으로 연결된다.
도 7b는 투명 또는 반투명 플라스틱 재료, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)로도 표기됨), 폴리(에테르 설폰)(PES) 등과 같은 가요성, 투명 또는 반투명 재료로 제도된 기판(132) 상의 태양-전지 층(112)을 도시하는 개략도이다. 태양-전지 층(112)은 도 7a에 도시된 것과 동일하다.
강성 기판은 강성 구조의 태양-전지를 초래하는 반면에, 가요성 기판은 가요성 태양-전지 구조를 초래한다. 당업자는 가요성 기판이 다음과 같은 많은 장점을 제공한다는 것을 이해할 것이다:
1) 태양-전지를 만들기 위한 롤-투-롤(roll-to-roll) 코팅 기술 및 배터리를 만들기 위한 스텐실 인쇄 기술과 같은 대규모 제작 기술에서의 사용 용이성; 및
2) 모든 층의 단순화된 제작 공정을 허용하는 가요성 태양-전지.
몇몇 실시예에서, 태양-전지 층(112), 에너지-저장 층(114)(즉, 배터리 셀(136) 또는 커패시터(138)의 층), 및 집적 변환기 층(116)은 대규모로 인쇄될 수 있다.
도 8은 복수의 태양전지를 형성하기 위해서 기판(132) 상에 대규모로 인쇄된 태양-전지 층(112)의 전술한 하위층(142 내지 152)을 도시하는 개략도이다. 먼저, 애노드(ITO) 하위층(142)이 매트릭스 형태와 같은 적합한 패턴으로 복수의 ITO 블록으로서 PET 기판(132)에 인쇄된다. 그 다음, 각각의 ZnO 블록(144)이 인접한 행의 ITO 블록(142)과 같은 복수의 인접한 ITO 블록(142)에 커플링되어 병렬 연결 구조를 형성하는 ITO 하위층의 상부에 복수의 ZnO 하위층(144)이 인쇄된다. 그 다음, PEIE, BHJ 및 MoO3 하위층(146, 148, 150)이 서로의 상부에 복수의 블록으로서 순차적으로 인쇄된다. PEIE, BHJ 및 MoO3 하위층(146, 148, 150)의 각각의 세트는 애노드 하위층(142)에 인쇄된 태양-전지(애노드 및 캐소드 하위층에 계산되지 않음)를 형성한다.
캐소드(Ag 또는 Al) 하위층(152)은 각각의 캐소드 블록이 직렬로 연결되도록 이웃한 태양-전지의 애노드 층(142)으로 연장하는 복수의 블록으로서 태양-전지에 최종적으로 인쇄된다.
도 9는 기판(132) 상에 태양-전지 층(112)의 ZnO, PEIE 및 BHJ 하위층(144, 146, 148)과 같은 몇몇 하위층의 인쇄를 도시하는 개념도이다. 이들 실시예에서, MoO3 및 Ag 하위층(150 및 152)은 열 증발기를 사용하여 침착된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 기판(132)은 플랫폼(172)의 평평한 표면에 배열된다. 슬롯-다이 헤드(slot-die head)(174)를 갖는 인쇄 장치(도시되지 않음)는 하위층/층을 인쇄하기 위해 사용된다. 슬롯-다이 헤드(174)는 각각의 "잉크(ink)"로 채워진 잉크 카트리지(176)를 포함하고 기판(132)(또는 인쇄된 층)에서 이동하여(화살표 178로 표시됨) 잉크 카트리지(176)로부터 재료를 기판에 침착하여 태양-전지(112) 또는 에너지-저장 셀(배터리 셀(136) 및/또는 커패시터(138); 도시되지 않음)을 형성한다. 특히, 태양-전지는 먼저 기판(132)에 인쇄되어 태양-전지 층(112)을 형성한 다음 에너지-저장 층(114)(즉, 배터리 셀(136) 및/또는 커패시터(138))이 태양-전지 층(112) 상에 인쇄된다. 그 다음, 다중-입력 전자 전력 변환기(116)(인쇄 회로 기판 형태)가 에너지-저장 층(114)에 커플링된다.
여기서, "잉크"는 하위층/층의 제작을 위한 전구체로서 사용되는 용액, 겔 또는 분말과 같은 적합한 형태의 하위층/층 재료를 지칭한다. 예를 들어, 부탄올에 용해된 ZnO의 잉크는 태양-전지 층(112)의 ZnO 하위층(144)을 형성하기 위해서 슬롯-다이 코팅에 의해 침착될 수 있다. 각각의 하위층의 슬롯 다이 제작 동안, 열처리는 일반적으로 용매를 증발시키거나 제작된 하위층을 고화시키기 위해서 분말을 용융시키는데 사용된다.
도 6b에 도시된 실시예에서, 슈퍼 커패시터(138)는 에너지-저장 층(114)으로서 사용된다. 도 10은 슈퍼 커패시터(138)의 구조를 도시한다. 도시된 바와 같이, 에너지-저장 층(114) 또는 슈퍼 커패시터(138)는 n AlGaAs 층(n > 0은 정수) 및 (n+1)GaAs와 같은 복수의 비소화 갈륨(GaAs)/알루미늄 비소화 갈륨(AlGaAs) 하위층을 포함하며, 여기서 각각의 AlGaAs 층은 두 개의 인접한 GaAs 층 사이에 끼워져 복수의 반도체 커패시터를 형성한다.
각각의 GaAs 또는 AlGaAs 하위층은 DC 스퍼터링, 무선 주파수(RF) 스퍼터링, 열 증발 등과 같은 적합한 기술을 사용하여 침착될 수 있다.
도 11a는 도 6a에 도시된 실시예에서 에너지-저장 층(114)의 배터리 셀(136)의 구조를 도시하는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 각각의 배터리 셀(136)은 각각 애노드 하위층(204) 및 캐소드 하위층(208)에 커플링된 한 쌍의 집전기 하위층(202 및 210)을 포함한 복수의 하위층, 및 애노드와 캐소드 하위층(204 및 208) 사이에 끼워진 고체-상태 전해질 하위층(206)을 포함한다.
전류는 집전기 하위층(202), 애노드 하위층(204), 고체-상태 전해질 하위층(206), 캐소드 하위층(208), 및 집전기 하위층(210)을 통해 흐른다. 애노드 하위층(204)은 전자를 외부 회로로 방출하고 전기 화학 반응 중에 산화하는 음극 또는 환원 전극이다. 캐소드 하위층(208)은 외부 회로로부터 전자를 획득하고 전기화학 반응 동안 환원되는 양극 또는 산화 전극이다.
고체-상태 전해질 하위층(206)은 배터리 셀(136)의 캐소드(208)와 애노드(204) 사이에 이온 수송 메커니즘을 제공하는 매질이다. 이온 전도를 위해 염, 산 또는 알칼리를 용해하는 용매를 포함하고 일반적으로 가연성인 액체 형태 전해질과 비교하여, 고체-상태 전해질은 더 안전하며 결과적인 배터리 조립체는 더 적은 안전 모니터링 및/또는 안전-예방(safety-prevention) 구성요소 및/또는 하위시스템이 필요하므로 더 소형화될 수 있다. 고체-상태 전해질을 사용하는 배터리는 또한, 개선된 에너지 및 전력 밀도를 제공한다.
도 11b는 리튬 이온 배터리 셀 형태의 배터리 셀(136)의 구조를 도시하는 개략도이다. 이러한 실시예에서, 집전기 하위층(202, 210)은 알루미늄 호일의 얇은 층이고, 애노드 하위층(204)은 탄소(단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 및 탄소 분말 포함; 아래에서 더 자세히 설명됨) 및 반-상호침투 폴리머 네트워크(SIPN 또는 반-IPN) 골격(skeleton)를 갖는 활성 Li4Ti5O12(즉, LTO)을 포함하며, 캐소드 하위층(208)은 탄소(SWCNT 및 탄소 분말 포함; 아래에서 더 자세히 설명됨) 및 반-IPN 골격을 갖는 활성 LiCoO2(즉, 리튬 코발트 산화물 또는 LCO)를 포함하며, 고체-상태 전해질 하위층(206)은 Al2O3 및 반-IPN 골격을 갖는 LiBrF4를 포함한다.
반-IPN 골격은 1.0 중량%(wt%)의 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(HMPP)을 광개시제로서 혼입하는 에톡실레이티드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(즉, ETPTA)와 6몰%(mol%)의 HFP 함량 및 75/25 중량별(w/w) 비율의 ETPTA/PVdF-HFP를 갖는 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(즉, PVdF-HFP))로 구성되는 자외선(UV) 경화성 폴리머이다. 반-IPN 골격은 전극 및 전해질의 다른 재료에 대한 결합제로서의 역할을 한다.
LCO 및 LTO의 전도도를 증가시키기 위해서, 전극 활성 LCO 또는 LTO 분말(예를 들어, 나노 입자)이 SWCNT과 코팅된다. 구체적으로, LCO 또는 LTO 분말은 SWCNT-현탁액(99.75/0.25 w/w 비율의 LCO/SWCNT, 99.35/0.65 w/w 비율의 LTO/SWCNT)에 첨가되어 혼합된다. 혼합된 용액이 여과되어 고체를 얻은 다음 헹궤지고 건조되어 SWCNT 코팅된 LCO(즉, 활성 LCO) 또는 SWCNT 코팅된 LTO(즉, 활성 LTO)를 얻는다.
캐소드 하위층(208)을 만들기 위한 전극 페이스트(paste)는 SWCNT 코팅 LCO 나노입자를 카본 블랙(즉, 탄소 분말)과 반-IPN 골격(55/6/39 w/w/w의 비율)을 혼합함으로써 형성된다. 애노드 하위층(204)을 만들기 위한 전극 페이스트는 그런 다음 SWCNT 코팅 LTO 나노입자를 카본 블랙(즉, 탄소 분말)과 반-IPN 골격(30/7/63 w/w/w의 비율)을 혼합함으로써 형성된다. 여기서, 전극의 전도도를 증가시키기 위해서 카본 블랙이 사용된다.
고체-상태 전해질 하위층(206)은 85/15 w/w의 비율로 세바코니트릴(Sebaconitrile)(SBN)과 반-IPN 골격에 1 몰(몰/리터; M) LiBF4를 포함하며, 이의 응집체는 60/40 w/w의 비율로 Al2O3(약 300 몰)와 혼합된다. Al2O3는 전극의 임의의 단락을 방지하기 위한 스페이서로서 사용된다.
도 12는 직렬로 서로의 상부에 인쇄되고 그 사이에 공통 집전기 하위층(202/210으로 표기됨)을 공유하는 2 개의 배터리 셀(136)을 도시하는 개략도이다. 각각의 배터리 셀(136)은 α볼트(V)의 출력 전압을 가지며, 2 개의 배터리 셀(136)의 조합 전압은 2αV이다.
도 13은 스텐실 프린터 장치로서 냉각 수동 라미네이터를 사용하여 배터리 셀(136)을 제조하기 위한 스텐실 인쇄 기술을 도시한다. 특히, 한 쌍의 롤러(222)는 화살표(224)로 표시된 대로 회전하여 제작될 하이브리드 에너지 장치(참조 부호 102'를 사용하여 구별됨, 기판(132) 및 기판 위에 인쇄된 태양-전지 층(112)을 가짐)에 압력을 가하며, 이는 화살표(228)로 표시된 바와 같이 롤러(222)에 공급된다. 공급 하이브리드 에너지 장치(102')는 그 위에 덮여 씌워진 구리 마스크(도시되지 않음)로 준비된다. 그 다음, 하위층(204 내지 208) 각각의 하나의 전술한 재료를 갖는 겔 또는 페이스트가 마스킹된 하이브리드 에너지 장치(102')에 도포된다. 롤러(222)를 통과한 후에, 겔의 얇은 층(230)(약 100μm의 두께를 가짐)이 따라서 마스킹된 하이브리드 에너지 장치(102')에 인쇄되거나 코팅된다.
도 14는 임의의 처리 용매 없이 전술한 스텐실 인쇄 기술을 사용하여 알루미늄 집전기 하위층(202) 상부에 애노드 하위층(204)을 제작하는 공정을 도시한다. 도시된 바와 같이, LTO 애노드 페이스트(252)는 알루미늄 집전기 하위층(202)(도시되지 않음)을 갖는 공급 하이브리드-에너지 장치(102')에 적용되고, 회전 롤러(222)는 이를 통과하는 애노드 페이스트(252)에 압력을 가하여 얇은 LTO 필름(204)을 형성하며, 얇은 LTO 필름(204)은 다음에 30초 동안 약 2000 mW.cm-2의 조사 피크 강도(irradiation peak intensity)를 갖는 Hg UV-램프(256)로부터의 UV 조사(254)에 노출되어 인쇄된 LTO 애노드 하위층(204)을 고화시켜 형성한다.
그 다음, 하이브리드 에너지 장치(102')는 마스킹되고 전해질 페이스트로 도포될 수 있고, 양극 하위층(204)에 고체-상태 전해질 하위층(206)을 인쇄하기 위해서 전술한 바와 유사한 스텐실 인쇄 및 UV 경화 공정에서 롤러(222)를 통해 공급될 수 있다. 캐소드 하위층(208)은 그 다음에 하이브리드 에너지 장치(102')의 고체-상태 전해질 하위층(206)에 캐소드 페이스트를 인쇄함으로써 제작되고 UV 조사에 의해 경화될 수 있다. Al 집전기 하위층(210)이 인쇄된 캐소드 하위층(208)의 상부에 배치된 후에, 모노 풀 셀(mono full cell), 즉 단일 배터리 셀을 포함하는 전체 배터리-셀 층(136)일 수 있는 이음매 없이 통합된 전고체 배터리 셀 층(136)이 얻어진다.
전술한 공정은 상부에 다른 배터리-셀 층(136)을 인쇄하여, 인쇄된 양극성 배터리-셀(136)을 발생시키도록 반복될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 도 9에 도시된 슬롯 다이 헤드(174)를 갖는 전술한 인쇄 장치는 배터리 셀(136)의 하위층을 인쇄하기 위해서 사용될 수 있다. 이들 실시예에서, 슬롯-다이 코팅을 사용하여 고체 배터리 셀(136)의 모든 하위층을 인쇄하기 위해서 특정 헤드(174)가 사용될 수 있다. 그러나 스텐실 인쇄(도 13 참조)는 고점도 잉크와 함께 사용하는 것이 훨씬 쉽다. 또한, 본 명세서에 개시된 배터리를 제작하기 위해서 얇은(즉, nm 규모) 층을 코팅할 필요가 없다. 배터리 셀(136)의 하위층은 스텐실 인쇄를 사용하여 쉽게 달성될 수 있는 마이크로미터 범위에서 비교적 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
도 15는 하이브리드-에너지 장치(102)의 세부사항을 도시한다. 이러한 예에서, 에너지-저장 층(114)은 전술한 바와 같이 복수의 반도체 커패시터를 형성하는 복수의 GaAs/AlGaAs 하위층(138)을 포함하는 슈퍼 커패시터 층이다.
몇몇 실시예에서, 다중-입력 전자 전력 변환기(116)는 배터리 셀(136)의 층(도 6a 및 도 6b 참조)에 인쇄, 침착되거나 아니면 통합될 수 있는 통합 전자 전력 변환기일 수 있다. 통합 전자 전력 변환기의 블록도는 AC 및 DC 용례를 위한 통합 전자 전력 변환기(116)를 각각 갖는 태양 에너지 수확 시스템(100)을 도시하는 도 16a 및 도 16b에 도시된다.
도 17a는 통합 전자 전력 변환기(116)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 통합 전자 전력 변환기(116)는 태양열 입력(282)에서 태양-전지 층(112)의 출력을 수신하고 태양열 입력(282)을 출력 변환기(288)로 출력하기 위해서 제 1 중간 형태(전압, 전류, 주파수, 위상 등)로 변환하기 위한 태양열 입력 변환기(284)를 포함한다. 통합 전자 전력 변환기(116)는 또한, 배터리 입력(290)에서 에너지-저장 층(114)의 출력을 수신하고 배터리 입력(290)을 출력 변환기(288)로 출력하기 위해서 제 2 중간 형태(전압, 전류, 주파수, 위상 등)로 변환하기 위한 배터리 입력 변환기(286)를 포함한다. 출력 변환기(288)는 태양열 입력 변환기(284) 및 배터리 입력 변환기(286)로부터의 전기 출력을 수신 및 조합하고 조합된 전기 에너지를 부하 및/또는 유틸리티 그리드(도시되지 않음)로 출력(292)하기 위해서 적합한 형태(전압, 전류, 주파수, 위상 등)로 변환한다.
이들 실시예에서, 태양열 입력 변환기(284), 배터리 입력 변환기(286), 및 출력 변환기(288)는 고주파 회로이고 도 17b에 도시된 것과 유사한 기능적 구조를 가진다. 알 수 있는 바와 같이, 각각의 변환기(284, 286, 288)는 전기 입력을 수신하기 위한 전력 회로(312)를 포함한다. 전력 회로(312)는 전기를 출력하기 위한 구동 회로(314)에 커플링된다. 제어 및 감지 모듈(316)은 전기 출력을 제어하고 태양열 입력(282)과 배터리 입력(290) 사이의 균형을 맞추기 위해서 구동 회로(314)에 커플링된다.
도 17c는 통합 전자 전력 변환기(116)의 회로도이다. 도시된 바와 같이, 태양열 입력 변환기(284), 배터리 입력 변환기(286), 및 출력 변환기(288)는 강자성 또는 페리자성 코어(ferrimagnetic core)를 갖는 변압기(322)를 통해 전기적으로 커플링된다.
도 18a 내지 도 18c에 도시된 바와 같이, 통합 전자 전력 변환기(116)는 몇몇 실시예에서 복수의 가요성 인쇄 회로 기판(PCB)(330) 상의 인쇄 회로에 의해 형성될 수 있다.
이들 실시예에서, 통합 전자 전력 변환기(116)는 집적 회로(IC) 칩으로 구현되고 페라이트(ferrite) 재료로 제조된 코어 층(334)을 포함하여 페라이트 코어를 형성한다. 페라이트 코어(334)는 2 개의 실리콘계 배선 층(330) 사이에 끼워진다. 도 18c는 통합 전자 전력 변환기(116)의 일부분의 개략적인 사시도이다. 예시의 편의를 위해서, 통합 전자 전력 변환기(116)의 구조는 페라이트 코어(334)와 배선 층(330) 사이에 갭이 있는 것으로 도시된다. 그러나, 당업자는 그러한 갭이 단지 예시를 위한 것이며 실제 통합 전자 전력 변환기(116)는 페라이트 코어(334)와 배선 층(330) 사이에 어떠한 갭도 갖지 않을 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 페라이트 코어(334)는 배선 층(330) 중 어느 하나에 인쇄, 침착되거나 아니면 통합될 수 있다.
페라이트 코어(334)는 각각 태양열 입력, 배터리 입력 및 출력 변환기(284, 286, 288)의 인덕터(Ls)의 코어로서 작용하기 위한 3 개의 페라이트 루프(336A, 336B, 336C)를 포함한다.
332A, 332B, 33C를 포함하는 전도성 배선(332)이 배선 층(330)에 분포되어 태양열 입력, 배터리 입력 및 출력 변환기(284, 286, 288)를 연결한다. 도 18b 및 도 18c에 도시된 바와 같이, 대향 배선 층(330) 상의 전도성 배선(332)은 비아(342)(배선 층(330) 상의 전도성 홀)를 통해 연결되고 페라이트 코어(334)에 권선된다.
몇몇 실시예에서, 통합 전자 전력 변환기(116)는 가요성 PCB로 제도된 2 개의 배선 층(330) 및 도 18a 내지 도 18c에 도시되고 전술된 것과 유사한 방식으로 구조화된 코어 층(334)을 갖는 회로 기판으로서 구현된다. 332A, 332B, 33C를 포함하는 전도성 배선(332)은 가요성 PCB(330) 상에 에칭된 전도성 층으로 제도된다. 대향 가요성 PCB(330) 상의 전도성 배선(332)은 비아(342)를 통해 연결되고 페라이트 코어(334)에 권선된다.
위의 실시예에서, 태양-전지 층(112)은 ZnO 하위층(144) 및 PEIE 하위층(146)을 포함하지만, 몇몇 대안적인 실시예에서 태양-전지 층(112)은 ZnO 하위층(144) 또는 PEIE 하위층(146)만을 포함할 수 있다. 그러나, 이들 실시예에서 태양-전지 층(112)의 성능은 감소될 수 있다.
실시예가 첨부 도면을 참조하여 위에서 설명되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 그의 범위를 벗어남이 없이 변형 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (28)

  1. 다층 에너지 장치로서,
    투명 또는 반투명 기판;
    기판에 커플링(coupling)되고, 기판을 통해 광을 수신하고 수신된 광의 에너지를 제 1 전기 에너지로 변환하기 위한 복수의 태양-전지를 포함하는 태양-전지 층;
    태양-전지 층에 커플링되고, 제 2 전기 에너지를 저장하기 위한 하나 이상의 에너지-저장 유닛을 포함하는 에너지-저장 층; 및
    에너지-저장 층에 커플링되고, 그로부터 제 1 전기 에너지 및 제 2 전기 에너지를 수신하고 그의 출력을 통해 제 3 전기 에너지를 출력하기 위해서 태양-전지 층 및 에너지-저장 층에 전기적으로 연결된 하나 이상의 전력 변환기를 포함하는 변환기 층을 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 유리 층을 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 가요성(flexible)의 투명 또는 반투명 재료를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 투명 또는 반투명 플라스틱 재료를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리(에테르 설폰)(PES) 중 적어도 하나를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양-전지 층이 기판에 인쇄되거나 침착(depositing)되는,
    다층 에너지 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지-저장 층이 태양-전지 층에 인쇄되거나 침착되는,
    다층 에너지 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양-전지 층은:
    기판에 커플링된 애노드 하위층(anode sublayer);
    애노드 하위층에 커플링된 산화아연(ZnO)의 하위층;
    ZnO의 하위층에 커플링된 폴리(에틸렌이민) 및 폴리(에틸렌이민) 에톡실레이티드(ethoxylated)(PEIE)의 하위층;
    PEIE의 하위층에 커플링된 유기 태양-전지의 하위층;
    태양-전지의 하위층에 커플링된 삼산화 몰리브덴(MoO3)의 하위층; 및
    MoO3의 하위층에 커플링된 캐소드(cathode) 하위층을 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 애노드 하위층은 인듐 주석 산화물(ITO)을 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 캐소드 하위층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양-전지의 하위층은 폴리머(polymer) 태양-전지를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  12. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양-전지의 하위층은 벌크 이종접합(bulk heterojunction; BHJ)의 하위층을 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지-저장 층은 하나 이상의 배터리 셀 및 하나 이상의 반도체 커패시터(capacitor) 중 적어도 하나를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 셀(battery cell) 각각은:
    제 1 집전기 하위층;
    제 1 집전기 하위층에 커플링된 애노드 하위층;
    애노드 하위층에 커플링된 고체-상태 전해질 하위층;
    고체-상태 전해질 하위층에 커플링된 캐소드 하위층; 및
    캐소드 하위층에 커플링된 제 2 집전기 하위층을 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 집전기 하위층 중 적어도 하나는 알루미늄을 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 고체-상태 전해질 하위층은 Al2O3 및 제 1 반-상호침투성(semi-interpenetrating) 폴리머 네트워크(반-IPN) 골격 재료를 갖는 LiBrF4를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  17. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 고체-상태 전해질 하위층은, 60/40 중량별(weight-by-weight)(w/w) 비율로 약 300 몰 Al2O3와 혼합된 85/15 w/w 비율의 세바코니트릴(Sebaconitrile)(SBN)과 제 1 반-IPN 골격 재료 내의 1 몰(몰/리터) LiBF4로 제조되는,
    다층 에너지 장치.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 하위층은 제 1 탄소 재료 및 제 2 반-IPN 골격 재료를 갖는 활성화된 Li4Ti5O12(LTO)를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드 하위층은 제 2 탄소 재료 및 제 3 반-IPN 골격 재료를 갖는 활성화된 LiCoO2(LCO)를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 및/또는 제 2 탄소는 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 및 탄소 분말 중 적어도 하나를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  21. 제 18 항을 인용하는 제 20 항에 있어서,
    상기 활성화된 LTO는 SWCNT 코팅된 LTO인,
    다층 에너지 장치.
  22. 제 19 항을 인용하는 제 20 항에 있어서,
    활성화된 LCO는 SWCNT 코팅된 LCO인,
    다층 에너지 장치.
  23. 제 17 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반-IPN 골격 재료는 자외선(UV) 경화성 폴리머를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 UV 경화성 폴리머는 1.0 중량%(wt%)의 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(HMPP)을 혼입(incorporating)하는 에톡실레이티화된 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(ETPTA) 및 6 몰%(mol%)의 HFP와 75/25 중량별(w/w) 비율(ratio)의 ETPTA/PVdF-HFP를 갖는 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(PVdF-HFP)를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  25. 제 13 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반도체 커패시터 각각은 (n+1)개의 비소화 갈륨(GaAs) 하위층과 인터리빙(interleaving)된 n 개의 알루미늄 비소화 갈륨(AlGaAs) 하위층을 포함하며, n은 0 초과의 정수(n>0인 정수)이며, 각각의 AlGaAs 하위층이 2 개의 인접한 GaAs 하위층 사이에 끼워지는,
    다층 에너지 장치.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환기 층은 태양열 입력 변환기(solar-input converter), 배터리 입력 변환기, 및 출력 변환기를 갖는 다중-입력 전자 전력 변환기를 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 태양열-입력 변환기, 배터리-입력 변환기, 및 출력 변환기 중 적어도 하나는 강자성 또는 페리자성 코어(ferrimagnetic core) 주위에 권선(winding)되는 코일을 포함하는,
    다층 에너지 장치.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 태양열 입력 변환기, 배터리 입력 변환기, 및 출력 변환기 중 적어도 하나는 페라이트(ferrite) 재료로 제조되고 2 개의 배선(wiring) 층 사이에 끼워진 코어 층을 포함하며; 상기 각각의 배선 층은 베이스(base) 상의 전기 전도성 배선을 포함하며; 상기 2 개의 배선 층의 배선은 그 위의 하나 이상의 비아(via)를 통해 상호 연결되어 페라이트 코어 주위에 권선되는 코일을 형성하는,
    다층 에너지 장치.
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