KR20230020578A - 투명한 윈도우-일체형 광기전력 모듈 - Google Patents

투명한 윈도우-일체형 광기전력 모듈 Download PDF

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이안 밀러드
레이첼 몰라로
리샤 판디
비랄 하데브
데이먼 헤스
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Abstract

전기 생성 윈도우는 제1 글라스 페인, 제2 글라스 페인, 및 제1 글라스 페인의 내측 표면 또는 제2 글라스 페인의 내측 표면 상에 형성된 광기전력 장치를 포함한다. 광기전력 장치는 제1 투명 전극, 제2 투명 전극, 및 가시광선을 투과하고 자외선 또는 근적외선을 흡수하도록 구성된 하나 또는 그 이상의 활성층을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전기 생성 윈도우는 또한 공동에 의하여 제1 글라스 페인과 제2 글라스 페인을 분리시키도록 구성된 스페이서를 포함한다. 일부 실시예들에서, 전기 생성 윈도우는 또한 일렉트로크로믹 층과 같은 하나 또는 그 이상의 기능층 또는 적외선을 반사시키기 위한 로우-E 층을 포함한다.

Description

투명한 윈도우-일체형 광기전력 모듈{WINDOW-INTEGRATED TRANSPARENT PHOTOVOLTAIC MODULE}
관련 출원의 상호 참조
본원은 2017년 1월 10일자로 미국에 출원된 "투명한 윈도우-일체형 광기전력 모듈"이라는 명칭의 미국 임시특허출원 제62/444,577호의 우선권을 주장하고 그 내용을 전체로서 여하한 목적으로 여기에 원용한다.
본 발명은 일반적으로 광기전력 모듈 및 장치에 관한 것으로, 조금 더 상세하게는 투명한 윈도우-일체형 광기전력 모듈에 관한 것이다.
건물 일체형 광기전력(PV) 기술은 건물로 조사된 태양 에너지를 전기 에너지로 전환시키는데 사용되고 있으며 빌딩에 사용되거나 저장되거나 전력 컨택트들에 다시 공급될 수도 있다. 그러나, 이러한 기술은 예를 들어, 비용, 불투명성 및 건물의 창문과 같은 위치에 부착되는 종래의 PV 셀들로 인한 외관적 이슈들로 인하여 폭넓게 사용되지 못하여 왔다.
여기에 개시된 기술은 윈도우 일체형 광기전력 모듈과 같은 광기전력 모듈에 관한 것이다. 이 윈도우 일체형 광기전력 모듈은 가시대역(visible band)의 바깥 부분의 빛을 전기 에너지로 전환시킬 수 있는 가시적으로 투명한 PV층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 가시적으로 투명한 PV층들은 열전달을 줄이기 위하여 갭(gap)에 의해 분리된 두 개 이상의 윈도우 페인(pane)(패널이나 채광층(lites)로 불리기도 하는)을 포함할 수 있는 절연된 글레이징 유닛들(insulted glazing units; IGUs)에 통합될 수 있다. 이러한 가시적으로 투명한 PV층들은 적외선(IR) 및/또는 자외선(UV)을 전기 에너지로 전환시킬 수 있으며, 이렇게 하여 전기 에너지를 생성시키고, 동시에 더 나아가 예를 들어 조명을 위하여 가시광선을 지나가도록 하지만 적외선에 의해 건물이 뜨거워지는 것을 줄일 수 있다. 일부 실시예에서는 IGU에 추가적인 기능을 부가하기 위하여 그리고/또는 IGU의 전체적인 성능을 추가로 향상시키기 위하여 다른 기능층들이 PV층이나 IGU에 통합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 전기 생성 윈도우는 제1 글라스 페인(glass pane), 제2 글라스 페인, 그리고 제1 글라스 페인의 내측 표면 또는 제2 글라스 페인의 내측 표면에 형성된 광기전력 장치를 포함할 수 있다. 광기전력 장치는 제1 투명 전극층, 제2 투명 전극층, 그리고 자외선 또는 근적외광을 전기로 변환시키기 위하여 가시 광선을 송신하고 자외선 또는 근적외광을 흡수하도록 구성된 하나 이상의 활성층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 광기전력 장치는 적외선을 반사시키기 위하여 광기전력 장치 및 로우(low)-E 층의 두 가지 모두로서 기능하도록 구성될 수 있다. 몇몇 구현예에서는, 광기전력 장치가 제1 글라스 페인과 제2 글라스 페인 사이에 적층될 수 있다. 일부 실시예에서는, 전기 생성 윈도우는 또한 광기전력 장치와 전기적으로 연결되는 기능 장치(functional device)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기능 장치는 일렉트로크로믹(electrochromic) 장치를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서는, 전기 생성 윈도우는 또한 제1 투명 전극층과 접합되어 있는 제1 전력 모선(busbar), 제2 투명 전극층과 접합되어 있는 제2 전력 모선, 그리고 제1 글라스 페인와 제2 글라스 페인을 구분하기 위하여 공동(cavity)으로 분리되는 스페이서(spacer)을 포함할 수 있다. 그 스페이서는 광기전력 장치의 둘레의 외측이지만 제1 글라스 페인 또는 제2 글라스 페인의 둘레 내에 폐루프(closed loop)를 형성할 수 있다. 제 1 전력 모선과 제 2 전력 모선은 광기전력 장치의 스페이서에 의해 형성된 둘레 내에 또는 스페이서 아래에 존재할 수 있고, 제 1 전력 모선과 제 2 전력 모선의 각각은 광기전력 장치의 가장자리를 따라 이어지는 것이다. 일부 실시예들에서, 전기 생성 윈도우는 또한 광기전력 장치상에 그리고 스페이서에 의해 형성된 둘레 내에 캡슐화 층을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 캡슐화 층은 하나 이상의 박막 캡슐화 층을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 캡슐화 층은 적외선을 반사하기 위한 저방사율(low emissivity) (로우-E) 층을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 캡슐화 층은 글라스 패널(glass panel) 또는 적층(laminated) 장벽 층을 포함할 수 있다. 일부 구현들에, 전기 생성 윈도우는 또한 두 개 와이어들을 포함할 수 있으며, 각각의 와이어는 제 1 전력 모선 또는 제 2 전력 모선을 전기적으로 연결하고 스페이서 안에서 공기 밀폐 시일(air-tight seal)을 통하여 스페이서 내부를 통과하는 것이다.
일부 실시예들에 따라, 일렉트로크로믹 윈도우(electrochromic window)는 제1 글라스 페인, 제1 글라스 페인의 내측 표면 상에 형성된 광기전력 장치, 장벽층, 제 2 글라스 페인, 그리고 일렉트로크로믹 층을 포함할 수 있다. 광기전력 장치는 제 1 투명 전극층, 제 2 투명 전극층과 그리고 자외선 또는 근적외선을 흡수하고 가시 광선을 투과하기 위해 구성된 하나 이상의 활성층들을 포함할 수 있다. 일렉트로크로믹 층은 상기 장벽 층과 제 2 글라스 페인 사이에 위치될 수 있고, 그리고 제 1 투명 전극층과 제 2 투명 전극층에 전기적으로 연결될 수 있다.
일부 실시예들에 따라, 전기 생성 윈도우를 제조하기 위한 방법은 제1 글라스 페인의 상부 표면에 광기전력 장치를 형성하는 단계, 및 광기전력 장치의 상부에 제 2 글라스 페인을 부착시키는 단계를 포함할 수 있고, 제 2 글라스 페인은 광기전력 장치로부터 소정 거리만큼 이격된다. 광기전력 장치는 제 1 투명 전극층, 자외선 또는 근적외선을 흡수하고 가시 광선을 투과하기 위해 구성된 하나 이상의 활성층들, 그리고 제 2 투명 전극층을 포함할 수 있다.
일부 실시들예에서, 전기 생성 윈도우를 제조하기 위한 상기 방법은 또한 제 1 투명 전극층에 접합되어 제 1 전력 모선을 형성시키는 것, 제2 투명 전극층에 접합되어 제 2 전력 모선을 형성시키는 것, 그리고 광기전력 장치상에 캡슐화 층을 증착시키는(depositing) 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광기전력 장치의 상부에 제 2 글라스 페인을 부착시키는 것은 캡슐화 층상에 스페이서(spacer)를 부착시키고, 그리고 그 스페이서상에 제 2 글라스 페인을 부착시키는 것을 포함할 수 있다. 스페이서는 광기전력 장치의 둘레의 외측이지만 제1 글라스 페인 또는 제2 글라스 페인의 둘레 내에 폐루프(closed loop)를 형성할 수 있다. 제 1 전력 모선과 제 2 전력 모선은 광기전력 장치의 스페이서에 의해 형성된 둘레 내에 또는 스페이서 아래에 있을 수 있고, 제 1 전력 모선과 제 2 전력 모선의 각각은 광기전력 장치의 가장자리를 따라 이어지는 것이다. 일부 실시예들에서, 광기전력 장치상에 캡슐화 층을 증착시키는 것은 하나 이상의 박막층들을 증착시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 방법이 추가로 광기전력 장치의 상부에 제2 글라스 페인을 부착시키기 전에 제 2 글라스 페인의 바닥 표면에 또는 광기전력 장치위에, 적외선을 반사시키기 위하여 로우-E 층을 형성시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 추가로 제 2 글라스 페인상에 또는 광기전력 장치 위에 일렉트로크로믹 층을 형성시키고, 상기 광기전력 장치에 일렉트로크로믹 층을 전기적으로 연결시키는 것을 포함할 수 있다.
다수의 장점들이 종래의 기술을 넘어 본 발명의 방법에 의하여 달성된다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 가시 광선에 의한 빌딩의 내부의 조명에 영향을 미치는 것 없이 열차단과 태양 에너지 수집의 두가지 모두에 사용될 수 있다. IGU에 들어오는 IR선(주요 열소스)을 전력으로 변환시킴으로써, PV 층들은 열 방사율(thermal emissivity)과 태양 열 취득 계수(solar heating coefficient)와 같은 IGUs의 전체적인 열 성능을 향상시킬 수 있고, 이렇게 하여 빌딩의 열 그리고/또는 냉각 비용을 감소시킬 수 있다. PV 층들은 가시 광선에 실질적으로 투명하기 때문에, 광원(예를 들면, 태양)으로부터 가시 광선은 조명 목적을 위하여 거의 손실되지 않은 채 IGUs를 통해 빌딩안으로 들어올 수 있다. 다양한 실시예에서, PV 층들은 또한 다른 구성들에 따라 다른 기능층들(예를 들어, 일렉트로크로믹 층)을 가진 IGUs으로 추가로 통합될 수 있고 그리고 이러한 기능층에 전력을 제공할 수 있다. 따라서, 기존의 윈도우 그리고/또는 글라스 커튼 월의 미학은 건축학적 채택(adoption)을 조금 더 자유롭게 가능하도록 유지되거나 개선될 수 있다. 다수의 상기 장점들 및 특징들에 따른 본 발명의 여러가지 실시예들은 아래의 본문과 첨부도면들과 함께 더욱 상세히 기술된다.
도 1의 (A)는 절연된 글레이징 유닛 (IGU) 예시의 상면도이다;
도 1의 (B)는 IGU 예시의 단면도이다;
도 2의 (A)는 특정 실시예들에 따른 예시의 투명한 광기전력 (PV) 모듈을 보여 준다;
도 2의 (B)는 특정 실시예들에 따른 투명한 PV 모듈이 IGU로 통합되는 것을 보여 준다;
도 2의 (C)는 특정 실시예들에 따른 투명한 PV 모듈과 함께 IGU가 빌딩들의 윈도우로 통합되는 것을 보여 준다;
도 3의 (A)는 AM 1.5 전체적 태양 스펙트럼과 사람눈의 광순응 반응(photopic response)을 보여 준다;
도 3의 (B)는 특정 실시예들에 따른 전지 에너지 밴드 갭의 기능으로서 투명한 엑시톤(excitonic) 태양 전지의 단일접합 전력 변환 효율(single-junction power conversion efficient)을 나타낸다;
도 3의 (C)는 특정 실시예들에 따른 태양 전지에서 투명한 접합부의 수의 기능으로써 전력 변환 효율을 보여 준다;
도 3의 (D)는 CIE 색상 공간 색도도(chromaticity diagram)를 보여 준다;
도 4a 내지 도 4d는 특정 실시예들에 따른 이중-페인(dual-pane) IGU에서 PV 층(들)의 다양한 구성들을 보여 준다;
도 5a 내지 도 5d는 특정 실시예들에 따른 다중-페인(multiple-pane) IGU에서 PV 층(들)의 다양한 구성을 보여 준다;
도 6a 내지 도 6d는 특정 실시예에 따른 PV 층과 캡슐화 층을 IGUs의 다양한 구성들을 보여 준다;
도 7a 내지 도 7c는 특정 실시예들에 따른 PV 층을 캡슐화하기 위하여 여러 가지 방법들을 보여 준다;
도 8a 내지 도 8d는 특정 실시예들에 따라 IGU를 조립하기 전후에 PV 층을 캡슐화하기 위한 여러 가지 방법들을 보여 준다;
도 9의 (A) 내지 (F)는 특정 실시예들에 따른 PV 층, 캡슐화 층, IGU 스페이서와 PV컨택트들(contacts)을 포함하는 IGU 예시를 보여 준다;
도 10의 (A) 내지 (G)는 특정 실시예들에 따른 PV 층, 캡슐화 층, IGU 스페이서와 PV컨택트들(contacts)을 포함하는 IGU 예시를 보여 준다;
도 11의 (A) 내지 (F)는 특정 실시예들에 따른 PV 층, 캡슐화 층, IGU 스페이서와 PV컨택트들(contacts)을 포함하는 IGU예시를 보여 준다;
도 12의 (A) 내지 (F)는 특정 실시예들에 따른 PV 층, 캡슐화 층, IGU 스페이서와 PV컨택트들(contacts)을 포함하는 IGU예시를 보여 준다;
도 13a는 특정 실시예들에 따른 통합된 일렉트로크로믹 모듈을 가진 IGU예시를 보여 준다;
도 13b는 특정 실시예들에 따른 통합된 센서(들)을 가진 IGU예시를 보여 준다;
도 13c는 특정 실시예들에 따른 통합된 내부 블라인드들을 가지는 IGU 예시를 보여 준다;
도 13d는 특정 실시예들에 따른 통합된 재충전형 배터리를 가지는 IGU 예시를 보여 준다;
도 14의 (A)는 특정 실시예들에 따른 스페이서를 통해 지나가는 전선들을 가지는 IGU 예시의 상면도를 보여 준다;
도 14의 (B)는 특정 실시예들에 따라 스페이서를 통해 지나가는 전선들을 IGU예시의 단면도를 보여 준다;
도 15의 (A) 내지 (D)는 특정 실시예들에 따른 IGU 스페이서를 통해 IGU 외부로 전기 에너지를 전달하기 위한 여러 가지 방법들을 보여 준다;
도 16의 (A) 및 (B)는 특정 실시예들에 따라 IGU 스페이서의 외부에 PV컨택트들을 가지는 IGU 예시를 보여 준다;
도 17의 (A) 및 (B)는 특정 실시예들에 따른 IGU 외부 표면에 PV컨택트들을 가지는 IGU예시를 보여 준다;
도 18a 내지 도 18f는 특정 실시예들에 따른 예시적인 IGUs 상의 PV컨택트들의 다양한 구성들을 보여 준다;
도 19a 및 도 19b는 특정 실시예들에 따른 PV층에 추가로 다른 기능층(들)을 포함하는 IGUs예시를 보여 준다;
도 20a 내지 도 20d는 특정 실시예들에 따른 PV층에 추가로 다른 기능층(들)을 포함하는 IGUs예시의 다양한 구성들을 보여 준다;
도 21a 및 도 21b는 특정 실시예들에 따른 동일한 IGU 글라스 페인상에 기능층과 PV층을 포함하는IGUs 예시를 보여 준다;
도 22a 내지 도 22c는 특정 실시예들에 따른 다른 IGU 글라스 페인들상에 기능층과 PV층을 포함하는IGUs 예시를 보여 준다;
도 23a는 특정 실시예들에 따른 다중 기능층들을 포함하는 IGU 예시를 보여 준다;
도 23b는 특정 실시예들에 따른 다중 PV 층들을 포함하는 IGU 예시를 보여 준다;
도 24a 및 도 24b는 특정 실시예들에 따라 저방사율 (로우-E) 층을 포함하는 IGUs 예시를 보여 준다;
도 25는 특정 실시예들에 따른 IGU예시의 분해도이다;
도 26은 특정 실시예들에 따른 일렉트로크로믹 층을 포함하는 IGU 예시의 분해도이다;
도 27은 특정 실시예들에 따른 일렉트로크로믹 층을 포함하는 IGU 예시의 분해도이다;
도 28은 특정 실시예들에 따른 IGU예시의 분해도이다;
도 29는 특정 실시예들에 따른 IGU예시의 구성들을 보여 준다;
도 30a 내지 도 30d는 특정 실시예들에 따른 도 29에서 보여준 IGU 예시의 여러 구성 요소들을 보여 준다;
도 31a 내지 도 31d는 특정 실시예들에 따른 도 29의 완전히 조립된 IGU 예시를 보여 준다;
도 32a는 특정 실시예들에 따른 두 개 예시의 PV 물질들의 투과 스펙트라(spectra)을 보여 준다;
도 32b는 특정 실시예들에 따른 두 개 예시의 PV 물질들의 정면 반사 스펙트라(spectra)을 보여 준다;
도 33a는 IGU예시를 보여 준다;
도 33b는 로우-E 층을 포함하는 IGU 예시를 보여 준다; 그리고
도 33c는 특정 실시예들에 따른 PV 층을 포함하는 IGU 예시를 보여 준다.
투명한 광기전력 (PV) 모듈(들)을 포함하는 개선된 윈도우들이 여기에 기술된다. 하나 이상의 가시적으로 투명한 PV 층들은 빌딩 또는 다른 구조물(예를 들어, 차량)의 윈도우들에서 사용되는 절연된 글레이징 유닛들 (IGUs)로 통합될 수 있다. IGUs으로 통합된 PV 층들은 빌딩 또는 다른 설치 위치에서 가시영역(visible band)의 바깥 부위의 광선(예를 들어, 적외선 (IR) 또는 자외선 (UV))을 전력으로 변환시킴으로써 전력을 생성시키는 데 이용될 수 있다. IGU에 들어오는 IR 광을 전력으로 변환시킴으로써, PV 층들은 열 방사율과 태양 열 취득 계수와 같은 IGUs의 전체적인 열 성능을 향상시킬 수 있고, 이렇게 하여 빌딩의 열 그리고/또는 냉각 비용들을 감소시킬 수 있다. PV 층들은 가시 광선에 실질적으로 투명하기 때문에, 광원(예를 들면, 태양)으로부터 가시 광선은 빌딩의 내부를 밝히는 목적을 위하여 거의 손실되지 않고 IGUs를 통해 빌딩안으로 들어올 수 있다. 다양한 실시예들에서, PV 층들은 또한 다른 구성들에 따라 다른 기능층들과 함께 IGUs에 통합될 수 있고 이러한 기능층에 전력을 공급할 수 있다. 일부 실시예들에서, PV 층은 또한 다중 기능층들로서 구성될 수 있다. 통합된 투명한 PV 층(들)을 가진 IGUs의 다양한 실시예들은 아래 상술된다.
여기에 사용된 바와 같이, 투명한 용어는 가시 광선의 적어도 부분적 투과를 의미한다. 예를 들어20%, 30%, 50%, 60%, 75%, 80%, 90%, 95%, 또는 더 크거나 또는 더 높은, 상대적으로 높은 투과 비율(transmission rate)을 가진 물질을 통해 지나간다면 그 물질은 광빔(light beam)에 투명할 수 있고, 그 광빔의 다른 부분들은 그 물질에 의하여 산란되거나 반사되거나 흡수될 수 있다. 투과 비율(즉, 투과율(transmissivity))는 파장의 범위를 넙는 광순응적으로(photopically) 가중되거나 가중되지 않은 평균 투과 비율이나, 또는 예를 들어 가시 파장 범위와 같은 파장범위를 넘는 가장 낮은 투과 비율 중 하나에 의하여 표시될 수 있다.
절연 글레이징 유닛은 일반적으로 빌딩의 윈도우 전반에 걸쳐 열 전달을 감소시키기 위하여 진공 또는 가스 채워진 갭(스페이스 또는 공동로서 언급되기도 하는)에 의해 분리된 둘 이상의 글라스 윈도우 페인들(패널 또는 채광층(lites)로 불리기도 하는)을 포함한다. IGUs는 또한 소음 차단을 위하여 사용될 수도 있다. 절연 글라스 유닛들은 소정의 두께를 갖는 글라스, 예를 들어, 약 1 내지 10 mm 범위의 두께, 또는 일부 특수 애플리케이션들을 위하여 더 두께를 갖는 글라스를 사용하여 제조될 수 있다. 하나 이상의 스페이서들은 글라스 윈도우 페인들은 분리시키고 그리고 글라스 윈도우 페인들 사이의 거리를 설정하기 위하여 사용될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, IGU의 내측(inner), 내부(interior) 또는 내부 표면(internal surface) 또는 IGU의 글라스 페인의 내측, 내부 또는 내부 표면은, 진공 또는 가스로 채워진 갭 또는 스페이스에 마주하거나 인접하는 글라스 페인의 표면으로 언급될 수 있다. IGU의 외측(outer), 외부(exterior) 또는 외부 표면(external surface) 또는 IGU의 글라스 페인의 외측, 외부 또는 외부 표면은, 빌딩이나 다른 구조물들의 내부나 외부 환경과 마주하거나 인접하는 글라스 페인의 표면으로 언급될 수 있다.
도 1의 (A)는 절연된 글레이징 유닛 (IGU) 100 예시의 상면도이다. 도 1의 (B)는 IGU 100예시의 단면도이다. IGU 100은 두개의 IGU 글라스 페인들 110, 스페이서 120과 가장자리 밀폐제(edge sealant) 130을 포함하는 이중 글레이징 유닛이다. IGU 글라스 페인들 110은 애플리케이션에 따라 임의의 적합한 두께로 될 수 있다. 스페이서 120은 IGU 글라스 페인들 110을 분리시키고 IGU 글라스 페인들 110와 함께 갭(스페이스 또는 공동으로 언급되기도 함)을 표시한다. 스페이서 120은 또한 스페이서 시일(spacer seal)로서 언급될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 스페이서 120은 IGU 글라스 페인들110 사이에 갭에서 수분을 제거하기 위해 제습제를 포함할 수 있다. 그 갭 또는 스페이스는 진공이나 가스로 채워질 수도 있으며, 그리고 빌딩의 안으로 혹은 밖으로 전달되는 열을 감소시키는 데 도움이 될 수도 있다. 다양한 종류의 가스는 IGU 내부의 갭 또는 스페이스를 채우기 위하여 사용될 수 있다. 가스의 일부 실시예들은 아르곤(Argon) 또는 기타 불활성가스(noble gas)를 포함할 수 있다. 여기에 사용된 것으로, 용어 "공극(air gap)"과 "갭"은 임의의 가스 또는 어떤 가스도 포함하지 않는(진공) 것을 포함하여 공동(cavity)으로 언급될 수 있다. 가장자리 밀폐제 130은 IGU 100 내부로 수분이 들어가는 것을 방지하는 데어 도움이 될 수 있다. 스페이서 120과 가장자리 밀폐제(edge sealant) 130은 집합적으로 스페이서 시일이라고 불릴 수도 있다. 일부 실시예들에서, 여러 가지 물질들의 필름들이 예를 들어 빌딩 열을 감소시키기 위하여 UV선을 막거나 IR 반사를 위한, 다른 목적들을 위하여 추가로 IGU 글라스 페인들에 증착될 수 있다.
하나 이상의 PV 층들은 또한 예를 들어, IGUs 글라스 페인들에 증착된 것과 같이, IGUs로 통합될 수 있다. 광기전력 에너지-수집(harvesting) 윈도우를 생산하기 위한 이전 노력들은 일반적으로 가시 스펙트럼에서 빛 흡수를 하는 광학적-박막(optically-thin) 활성층 또는 공간적으로 분절된 무기성의 PVs의 둘 중의 하나에 초점을 맞추고 있었다. 이러한 접근법들은 전력 변환 효율 (PCE)와 가시 투과(visible transmittance, VT)사이에서 내재된 거래(inherent tradeoff)로 인하여 어려움이 있었으며, 이유는 두 개의 파라미터들이 동시에 최적화되기 어렵기 때문이다. 통상의 PV 전지들의 건축학의 채택은 가시 스펙트럼 내에서 비 균일한 광흡수 때문에 추가로 지장을 받으며, 이것은 열악한 연색평가 지수 (color rendering index, CRI) (예를 들면, 높은 유색의 착색)와 열악한 자연 채광 품질을 초래할 수 있다.
특정 실시예들에 따라, 가시적으로 투명한 PV 층은 태양 에너지를 수집하고, 빌딩으로의 태양 열 투과를 컨트롤하기 위한 두가지 모두를 위하여 IGUs에 사용될 수 있다. 게다가, 가시적으로 투명한, UV/NIR-선택적 PV 층은 건축학의 채택에 지정을 주는 미적 거래들(tradeoffs)(낮은 VT 또는 CRI)을 피할 수 있다. 일부 실시예들에서, 투명한 PV 층은 반투명하거나, 착색되거나, 또는 유색(colorful)을 포함하여, 다른 방법들로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 투명한 PV 층은 발광성 태양열 집광 장치들(luminescent solar concentrators), 분절된(segmented) 무기성, 실리콘, GaAs, CIGS, CdTe, 양자점, 유기적 또는 다른 물질들을 포함할 수 있다. PV 층을 위한 상기 물질과 구조들의 더 자세한 사항들은 예를 들어, "투명한 광기전력 전지(Transparent Photovoltaic Cells)"라는 명칭을 가진 미국 특허 번호 9,728,735에서 찾을 수 있으며, 그것의 전체 내용은 여기에 참조에 의해 편입된다.
도 2의 (A)는 특정 실시예들에 따른 투명한 광기전력 (PV) 모듈 210(또한 PV층으로 언급되기도 하는) 예시를 보여 준다. PV 모듈 210은 하나 이상의 활성층들, 그리고 하나 이상의 투명 전극층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, PV 모듈 210은 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, PV 모듈 210은 또한 하나 이상의 반사층들을 포함할 수 있다. 상기 활성층들은 IR 또는 UV 광에서 광자를 흡수하고 전류를 생성할 수 있는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 전극층들은, 인듐-주석 산화물 (indium tin oxide, ITO), 알루미늄 아연 산화물(aluminum zinc oxide, AZO), 안티몬 주석 산화물(antimony tin oxide, ATO), 불소 주석 산화물 (fluorine tin oxide, FTO) 및 인듐 아연 산화물 (indium zinx oxide, IZO)와 같은 전도성 산화물 물질들의 예를 들어, 물리 기상 증착 (PVD) (예를 들면, 열 증착(thermal evaporation), 전자 빔 물리 기상 증착법(electron beam physical vapor deposition, EBPV), 스퍼터 증착(sputter deposition) 또는 기타 등등)에 의해 제조될 수 있는 투명 전도성 전극들(transparent conducting electrodes, TCE)을 포함할 수 있다. 상기 투명 전극들은 또한 다양한 용액 증착 기술들(예를 들어, 스핀-코팅, 블레이드-코팅, 스프레이-코팅)을 사용하여 증착될 수 있는 은 나노 와이어들 및 나노-클러스터들과 같은 다른 금속 나노구조물들로부터 만들어질 수 있다. 투명 전극들은 또한 그래핀(graphene) 또는 탄소 나노 튜브 층(carbon nanotube layers)들으로부터 만들어질 수 있다. 금속들은 또한 투명 전극들을 만들기 위해 다공성의 그리드 또는 네트워크 구조물을 형성하기 위해 구조화되거나 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 투명 전극들은 광전송을 개선시키기 위하여 넓은 범위의 두께(예를 들면, 1 nm-300 nm )을 통한 유기성(예를 들면, 저분자) 또는 무기성의 유전층들(dielectric layers)(예를 들면, 산화 금속류)과 결합되는 것으로 알루미늄, 은 또는 금과 같은 얇은 금속층들(예를 들면, 4 nm-12 nm )을 포함할 수 있다. 반사 층들은 IR광을 위한 예를 들어, 4%만큼 또는 더 낮은, 열 발산을 감소시킬 수 있는 예를 들어, 저방사율 (로우-E) 코팅과 같은 반사 코팅들을 포함할 수 있다.
도 2의 (B)는 특정 실시예들에 따른 IGU 220으로 투명한 PV 모듈 210의 통합을 보여 준다. PV 모듈 210이 IGU 220의 IGU 글라스 페인들상에 예를 들어 IGU의 내부 갭이나 스페이스를 형성할 수 있는 내부 표면과 같이, 다양한 위치들에 부착될 수 있다. PV 모듈 210은 IGU 220으로 들어오는 IR 또는 UV 광을 전력으로 변환시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 일렉트로크로믹 물질층과 같은, 다른 기능층들은, IGU 220으로 추가로 통합될 수 있다.
도 2의 (C)는 빌딩 230의 윈도우들로 투명한 PV 모듈 210를 가지는 IGU 220의 통합을 보여 준다. 빌딩 230의 윈도우들 상에 설치된 IGUs으로 통합된 PV 모듈 210은 가시 영역의 밖의 태양 광(예를 들면, 적외선 (IR) 또는 자외선(UV))을 전력으로 변환시킴으로써 빌딩 230을 위한 전력을 생성할 수 있다. IGU로 들어오는 IR광을 전력으로 변환시킴으로써, PV 모듈 210은 열 방사율과 태양 열 취득 계수와 같은 IGUs의 열 성능을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있으며, 이렇게 빌딩 230의 난방 그리고/또는 냉각 비용들을 감소시킬 수 있다. PV 모듈은 가시 광선에 실질적으로 투명하기 때문에, 태양 또는 다른 광원으로부터의 가시광선은 빌딩 내부를 밝히기 위하여 적은 손실로 IGUs를 통해 빌딩으로 들어올 수 있다. 게다가 IGUs에 통합된 예를 들어 일렉트로크로믹 층들과 같은, 다른 기능층들은 PV 모듈 210에 의해 생성되는 전력에 의해 예를 들어, 윈도우나 빌딩의 색을 바꾸기 위하여, 구동될 수 있다.
일부 실시예들에서, 투명한 PV 모듈들(또는 층들)은 하나 이상의 투명한 PV 물질막들(또는 코팅층들)을 포함할 수 있으며, 그것은 근적외선(NIR) 그리고/또는 UV에서 구조화된 흡수 피크를 가지도록 엑시톤(excitonic) 분자 반도체의 이형 접합을 포함할 수 있고 태양 전력 변환 효율 (PCE), 가시투과(visible transmittance, VT), 및 연색평가 지수(color rendering index, CRI)를 동시에 최적화하도록 한다. 파장-선택적 반사 장치(wavelength-selective reflector)는 PV 필름 내에서 적외선 광전류(photocurrent)를 극대화하기 위해 투명한 PV 모듈로 추가로 통합될 수 있으며, 동시에 상기 윈도우를 통해 불필요한 적외선 태양열의 투과를 배제할 수 있다. UV 그리고/또는 NIR 광자들로부터 생성된 전기들은 이형 접합 계면(heterojunction interface)에서 분리되고 투명 전극들에 의해 수집될 수 있으며, 그것이 외부 전자 장치 그리고/또는 전력 저장 디바이스 (예를 들면, 재충전형 배터리(rechargeable battery)에 상기 윈도우 조립체(assembly)를 통해 서로 연결될 수 있다. 발생된 전기는 이후 지역 DC 네트워크(local DC networks)(예를 들어, 조명)을 구동하기 위해 사용되거나 또는 빌딩 전력 그리드를 보충하기 위해 교류 전력(AC power)으로 전환될 수 있다. 건축학의 채택을 조금 더 자유롭게 할 수 있도록, 투명한 PV 모듈은 기존의 윈도우 그리고/또는 글라스 커튼 월의 미학을 유지하거나 개선할 수 있다.
도 3의 (A)는 AM 1.5 전체적(AM 1.5 G) 태양 스펙트럼과 사람 눈의 광순응반응을 보여 준다. 도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 사람의 눈은 약 380 nm 내지 약 700 nm의 범위에서 파장을 가지는 빛에 민감할 수 있으며, 그리고 푸른 및 청색광(예를 들면, 약 555 nm 녹색광에서 피크를 가지는)에 대해 최대 민감도를 가질 수 있다. 반면에, 태양 광은 가시광 범위보다 훨씬 더 넓은 파장 범위안에서 상대적으로 강한 광자 유동(flux)를 가질 수 있다. 예를 들면, 근적외선 범위(예를 들면, 700 nm이상에서 약 1800까지 또는 그 이상) 및 UV범위에서, 태양 광의 광자 유동은 또한 매우 높다. 일반적으로, 태양광에서 전체적인 광자 유동의 약 1/3은 가시 범위(visible range)안에 있으며, 전체적인 광자 유동의 나머지 2/3은 UV나 적외선 범위안에 있다. NIR광은 빌딩의 내부 조명에 기여를 하지 않을 것이며, 그러나 창문을 통하여 투과된다면 빌딩의 내부를 뜨겁게 할 수 있을 것이다.
도 3의 (B)는 특정 실시예들에 따른 전지 에너지 밴드 갭의 기능으로서 투명한 엑시톤(excitonic) 태양 전지의 단일접합 전력 변환 효율을 보여 준다. 도 3의 (B)에서 볼 수 있는 바와 같이, 투명한 엑시톤 태양 전지는 이론상으로 그리고 실질상으로 모두 약 2.8eV(UV광과 같은) 보다 더 크거나 또는 약 2.0eV(NIR광과 같은) 보다 더 적은 광자 에너지를 가지는 광에 대하여 높은 전력 변환 효율을 가질 수 있다. 이렇게, 투명한 엑시톤 태양 전지는 선택적으로 부수적인 자외선(UV) 그리고/또는 근적외선(NIR)광을 전기로 전환시킬 수 있고, 이렇게 선택적으로 가시광을 투과시키면서 원하지 않는 태양 열의 투과를 막을 수 있다.
도 3의 (C)은 특정 실시예들에 따른 태양 전지내의 투명 접합부의 수의 기능으로써 태양 전지 300의 전력 변환 효율을 보여 준다. 일부 실시예에서, 태양 전지 300은 선택적인 기판 또는 지지층, 두개의 투명 전극들, 다중 접합부, 그리고 선택적(optional) 가시적 투명한 NIR 반사 장치(reflector)를 포함할 수 있다. 도 2의 (A)에 대하여 투명 전극들과 NIR 반사 장치는 상기에 기술된 투명 전극들과 NIR 반사 장치와 유사할 수 있다. PV 모듈에서 다중 투명 접합부로, 20% 이상의 PV 전력 변환 효율이 실질적으로 달성될 수 있다.
도 3의 (D)는 CIE 색상 공간 색도도(color space chromaticity)를 보여 준다. 삼각형은 NTSC 표준을 표시한다. 크로스바가 투명한 태양 전지(94의 연색 평가 지수(CRI)를 가진)에 AM 1.5 G 건(incident)의 색도를 보여 준다.
전체적으로, 태양 전지 300은 예를 들어, 활용 시점에서 DC 빌딩 전기의 약 10-40%를 생산하거나, DC-AC-DC 전력 전자 기기(power electronics)에 대한 수요를 제거하고, 동시에 적외선 태양열의 배제를 통하여 약 10 ~30% 가량 빌딩의 냉각 수요를 감소시키고, 5% (절대적)이상까지 효과적인 PV 효율을 증가시키고, 물질들을 활용하고, 설치, 프레이밍(framing), 고객 획득, 그리고 현존하는 빌딩 외관을 유지하고, 그리고 50% 이상까지 비-모듈 비용을 감소시킴으로써 약 0.05-0.1 $/k Whr의 균등화된(levelized) PV 에너지 비용 (Levelized Energy Costs, LECs)를 달성할 수 있다.
투명한 PV 모듈들(또는 층들)과 IGUs의 다양한 실시예들은 아래 상세히 기술된다. 설명의 목적을 위하여, 세부 사항들은 특정 발명의 실시예들의 충분한 이해를 제공하기 위하여 제시된다. 그러나, 다양한 실시예들이 이러한 특정 세부 사항들 없이 다양한 실시예들이 실행될 수 있는 것은 분명할 것이다. 도면과 설명은 제한하기 위한 것으로 제한하기 위한 것은 아니다. 단어 "예시"는 "예시, 사례 또는 설명의 역할을 하는 것"을 의미하기 위해 여기에 사용된다. "예시"로 여기에 기술된 임의의 실시예나 디자인은 다른 실시예들 또는 디자인들보다 더 선호되거나 유리한 것으로 간주되는 것은 반드시 아니다. 일부 도면들에서, IGU는 단순성을 위하여 상기 스페이서, 캡슐화 또는 실링(sealing) 구성들 없이 설명된다. 대부분의 IGUs는 도면들에서 이중 글레이징 유닛들로 보여지며, 그러나 통상의 지식을 가진 자는 이미 여기에 개시된 상기 기술들이 삼중, 사중, 또는 더 높은 수의 글라스 페인들 또는 채광창들을 가지는 글레이징 유닛들에 적용될 수 있음을 이해하고 있다.
도 4a-4d는 특정 실시예들에 따른 이중-페인 IGU에서 PV 층 430의 다양한 구성들을 설명한다. 이중-페인 IGU는 갭 440을 중간에 형성하는 제1 글라스 페인 410과 제 2 글라스 페인 420을 포함할 수 있다. 제1 글라스 페인 410은 외부 환경에 더 가까운 글라스 페인이 될 수 있고, 제 2 글라스 페인 420는 빌딩에 설치된 이후 빌딩의 내부에 더 가까울 수 있다. 태양 광은 먼저 제1 글라스 페인 410을 통해 IGU로 들어올 수 있다. PV 층 430은 하나 이상의 활성층들과 두 개의 투명 전극층들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, PV 층 430은 또한 NIR 반사 층과 같은, 하나 이상의 반사 층들을 포함할 수 있다. 도 4a-4d에 도시된 바와 같이, PV 층 430은 임의의 IGU 글라스 페인 410 또는 420의 임의의 표면 상에 증착될 수 있고, IGU의 외부 표면상에 또는 IGU의 내부 표면(예를 들어, 갭 440을 형성하는 표면들)상에 IGU 스택(stack)으로 통합될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에서, PV 층 430은 갭 440과 마주하는 제1 글라스 페인 420의 표면에 증착될 수 있다. 도 4b에서, PV 층 430은 갭 440과 마주하는 제 2 창 글라스 페인 420의 표면 상에 증착될 수 있다. 도 4c에서, PV 층 430은 외부 환경과 마주하는 제1 글라스 페인 410의 표면 상에 증착될 수 있다. 도 4d에서, PV 층 430은 빌딩의 내부와 마주하는 제 2 글라스 페인 420의 표면 상에 증착될 수 있다.
일부 실시예들에서, PV 층은 글라스의 두 개 페인들보다 더 많은 하나의 IGU(예를 들어, 삼중 글레이징 유닛들)내부에 임의의 위치에 놓여 질 수 있다. 예를 들어, PV 층이 글라스 페인들의 전방 또는 후방의 임의의 위치에 놓여질 수 있을 뿐 아니라 삼중의 글레이징 유닛에 대해 임의의 내부 글라스 단편의 어느 쪽 단면에도 놓여 질 수 있다. PV층은 또한 n 글라스 페인들을 가지는 다중 글레이징 유닛들의 글라스 페인들의 임의의 어느 단면에도 놓여 질 수 있다.
도 5a-5d는 특정 실시예들에 따른 다중-페인 IGU에서 PV 층(들) 540의 다양한 구성을 보여 준다. 다중-페인 IGU는 복수의 갭 550을 형성할 수 있는 글라스 페인들 510, 520 및 530을 포함할 수 있다. 글라스 페인 520은 내부 글라스 페인일 수 있다. 도 5a에서, PV 층(들) 540은 글라스 페인 510의 임의의 표면, 또는 글라스 페인 530의 임의의 표면 상에 위치될 수 있다. 도 5b에서, PV 층 540은 외부 환경에 더 가까운 내부 글라스 페인 520의 표면 상에 위치될 수 있다. 도 5c에서, PV 층 540은 빌딩의 내부에 더 가까운 내부 글라스 페인 520의 표면 상에 위치될 수 있다. 도 5d가 하나 이상의 PV 층들 540은 다중-페인 IGU의 임의의 글라스 페인의 임의의 표면 상에 위치될 수 있다는 것을 보여 준다.
도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이 PV 층이 내부 갭을 형성하는 글라스 페인의 내측 표면 상에 위치된 일부 실시예들에서, PV 층은 IGU의 나머지를 보호하는 밀봉재(sealing material)와 제습제(descant)에 의해 수분과 산소로부터 보호될 수 있다. 다른 실시예들에서, PV 층은 부가적인 캡슐화 층, 예를 들어 글라스층, 적층 장벽 필름, 피복된 박막 등과 같은 층,에 의해 예를 들어, 수분과 산소로부터 보호될 수 있다. 예를 들어, 글라스의 또 하나의 다른 단편이 장벽으로써 기능하기 위하여 글라스 페인에 반대되는 PV 층의 표면에 부착될 수 있다. 장벽 필름은 IGU의 글라스 페인에 반대되는 PV층의 표면에 부착되거나 적층될 수 있고 수분이나 산화화합물(예를 들어 산소)에 장벽으로 작용한다. 박막 필름의 일부 형태들은 또한, 그것이 스퍼터링, 원자층 증착, 스핀 코팅, 열 증착, 화학적 증기 증착, 또는 다른 증기와 용액 처리 방법 들을 통해 증착되는 하나 이상의 층들을 포함할 수 있는 것으로 또는 수분과 산소로부터 PV층들을 보호하기 위한 장벽으로 사용될 수 있다. 해당 층들은 예를 들어 이산화 규소(silicon dioxide), 알루미늄 산화물(aluminum oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 및 기타 등등과 같은, 산화물(oxides) 또는 질화물(nitrides)을 포함할 수 있다.
도 6a-6d는 특정 실시예들에 따른 PV 층 630과 캡슐화 층 640을 가지는 IGUs의 다양한 구성을 보여 준다. 상술한 바와 같이, 캡슐화 층 640은, 예를 들어, 글라스층, 적층 장벽 필름, 또는 적층된 박막 필름을 포함할 수 있다. 캡슐화 층 640은 IGU의 외측 표면에 대한 물리적 및 화학적 장벽 보호대를 제공하거나 또는 조립된 IGU에서 공극 내부에 추가의 장벽으로 역할을 할 수 있다. IGU가 제1 글라스 페인 610과 제 2 글라스 페인 620을 포함할 수 있고, 그것은 스페이서(도 6a-6d에 도시되지 않은)와 함께, 갭 650을 형성한다. 도 6a에 도시된 실시예에서, PV 층 630이 제1 글라스 페인 610의 내측 표면 상에 위치되고, 갭 650안에 있을 수 있는 어떠한 수분과 산화 화합물로부터 캡슐화 층 640에 의해 보호될 수 있다. 도 6b에 도시된 실시예에서, PV 층 630이 제1 글라스 페인 610의 외측 표면 상에 위치될 수 있고, 외부 환경에 있을 수 있는 어떠한 수분과 산화 화합물로부터 캡슐화 층 640에 의해 보호될 수 있다. 도 6c에 도시된 실시예에서, PV 층 630이 제 2 글라스 페인 620의 내측 표면 상에 위치될 수 있고, 갭 650안에 있을 수 있는 어떠한 수분과 산화 화합물로부터 캡슐화 층 640에 의해 보호될 수 있다. 도 6d에 도시된 실시예에서, PV 층 630은 제 2 글라스 페인 620의 외측 표면 상에 위치될 수 있고, 빌딩 내부에 있을 수 있는 어떠한 수분과 산화 화합물로부터 캡슐화 층 640에 의해 보호될 수 있다.
캡슐화 층 640은 많은 다양한 방식에서 PV 층 630에 부착될 수 있다. 예를 들어, 글라스층을 포함하는 캡슐화 층 640에 대해, PV 층 630이 IGU의 글라스 페인 또는 캡슐화 층 640의 글라스층의 둘 중의 하나에 증착될 수 있고, 그리고 나서 캡슐화 층 640의 글라스층이나 글라스 페인에 각각 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, PV 630은 IGU의 글라스 페인에 증착되고 그리고 나서 장벽필름과 함께 적층되거나(laminated), 또는 장벽 필름에 직접적으로 증착되고 그리고 나서 장벽필름과 함께 글라스 페인에 적층되거나(laminated) 할 수 있다. 일부 실시예들에서, PV 층 630은 IGU의 글라스 페인에 증착될 수 있고 그리고 나서 단일-층 또는 다중-층 박막필름이 PV층 630의 상부에 증착될 수 있다.
도 7a-7c는 특정 실시예들에 따른 PV 층 720을 캡슐화하기 위하여 여러 가지 방법들을 보여 준다. 도 7a에 도시된 실시예들에서, PV 층 720은 글라스 페인 710상에 먼저 형성될 수 있고, 그리고 나서 예를 들어, 글라스층, 장벽층, 또는 박막 필름과 같은 캡슐화 층 730 상에 예를 들어, 직접적인 부착, 라미네이션, 또는 증착공정,에 의하여 PV 층 720상에 형성될 수 있다. 도 7b에 도시된 실시예에서, PV 층 720은 캡슐화 층 730 (예를 들면, 글라스층 또는 장벽층) 상에 먼저 형성될 수 있고, 그리고 나서 PV 층 720과 캡슐화 층 730은 글라스 페인 710 상에 부착되거나 적층될 수 있다. 도 7c에 도시된 실시예에서, PV 층 720은 먼저 글라스 페인 710상에 형성될 수 있고, 그리고 나서 하나 이상 박막 필름층들 740이 예를 들어, 열 증착(thermal evaporation), 전자빔 물리적 기상 증착법(elelctron beam physical vapor deposition, EBPV), 스퍼터 증착(sputter deposition)과 기타 등등의 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD) 기술들, 또는 스핀-코팅(spin-coating), 블레이드 코팅(blade-coating), 스프레이 코팅(spray-coating), 그리고 기타 등등의 용액-증착(solution-deposition) 기술들,을 사용하여 PV층 720상에 증착되거나 코팅될(coated) 수 있다.
캡슐화 층은 IGU의 조립 전 또는 후에 IGU으로 통합될 수 있다. 예를 들어, PV 층은 전체 IGU가 조립되기 전에 IGU의 하나의 글라스 페인과 캡슐화 층에 의해 캡슐화될 수 있다. 해당 실시예에서, 캡슐화 층은 IGU 조립동안 뿐만 아니라 IGU 조립 이후에도 PV 층을 보호할 수 있다. PV 층이 IGU의 각각의 글라스 페인의 외측 표면에 있다면, 캡슐화는 IGU 조립 이후에 수행될 수 있다.
도 8a-8d는 특정 실시예들에 따른 IGU를 조립하기 전이나 이후에 PV 층 830을 캡슐화하기 위한 여러 가지 방법들을 보여 준다. 상술한 바와 같이, IGU는 제1 글라스 페인 810과 제 2 글라스 페인 820을 포함할 수 있다. 도 8a에 도시된 실시예에서, 도 7a-7c에 대해 상술한 바와 같이 PV 층 830은 제 2 글라스 페인 820과 캡슐화 층 840에 의해 캡슐화될 수 있다. 결합된 제2 글라스 페인 820, PV 층 830, 그리고 캡슐화 층 840은 완전히 조립된 IGU를 형성하기 위해 제1 글라스 페인 810과 함께 이후 조립될 수 있다.
도 8b에 도시된 실시예에서, 제1 글라스 페인 810과 제 2 글라스 페인 820은 이중-페인 IGU를 먼저 형성하기 위하여 조립될 수 있다. PV 층 830은 이후에 조립된 이중-페인 IGU의 제 2 글라스 페인 820의 외측 표면상에 형성될 수 있다. 마지막으로, 캡슐화 층 840은 도 7a에 대해 상기에 기술된 것처럼, 예를 들어, 직접적인 부착, 라미네이션, 증착 또는 코팅,에 의하여 PV 층 830에 부착될 수 있다.
도 8c에 도시된 실시예에서, 제1 글라스 페인 810과 제 2글라스 페인 820은 이중-페인 IGU를 형성하기 위하여 조립될 수 있다. PV 층 830은 캡슐화 층 840(예를 들면, 글라스층 또는 라미네이션 장벽 층) 상에 형성될 수 있다. 이후 캡슐화 층 840으로 캡슐화된 PV층 830은 도 7b에 대해 상술한 바와 같이 예를 들어, 직접적인 부착 또는 적층(lamination)에 의하여 이중-페인 IGU의 제 2 글라스 페인 820의 외측 표면상에 부착될 수 있다.
도 8d에 도시된 실시예에서, 제1 글라스 페인 810과 제 2 글라스 페인 820은 이중-페인 IGU를 형성하기 위해 조립될 수 있다. PV 층 830이 캡슐화 층 840과 장벽층 850(또는 두 개의 글라스층들)에 의하여 캡슐화될 수 있고, 그리고 캡슐화된 PV 층 830은 PV 필름을 형성하기 위해 접착층 860과 함께 적층되거나 코팅될 수 있다. PV 필름은 접착층 860을 통해 제 2 글라스 페인 820의 외측 표면에 부착될 수 있다. PV 필름은 예를 들어, 캡슐화 층 840 그리고/또는 장벽층 850과 같은, 중간층들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 임의의 상기 장벽 층들 또는 캡슐화 층은 변경되거나 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 장벽층 850은 박막 글라스 또는 플라스틱 층을 포함할 수 있거나, 또는 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캡슐화 층 840은 박막 글라스 또는 플라스틱 층을 포함할 수 있거나, 또는 제거될 수 있다. 접착층 860은 IGU에 PV 필름을 부착시키기 위하여 IGU의 글라스 패널에 부착할 수 있는 어떤 종류의 광학적으로 투명한 접착제일 수 있다. 일부 실시예들에서, PV 필름이 다른 접착제들이나 테이프들과 유사하게 시트 또는 롤 형태로 제공될 수 있고, 그리고 IGU의 표면부 또는 원하는 면적을 맞추기 위하여 펼쳐지고 커팅될 수 있다.
따라서, 도 8b-8d와 관련하여 상기에 기술된 기술들은 임의의 PV 층을 포함하지 않는 기존의 IGUs에 PV 층 그리고/또는 캡슐화 층을 추가하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 8c와 8d에 보여진 PV 층 및 캡슐화 층 (그리고 접착층) 조립체는 기존의 IGU의 외측 표면에 적층(laminated)되거나 또는 그렇지 않으면 부착될 수 있고, 그리고 필요에 따라 쉽게 설치, 제거, 또는 교체될 수 있다.
상술한 바와 같이, 스페이서는 글라스 페인들을 분리시키고 내부 공기 갭을 형성하기 위해 IGU에서 사용될 수 있다. 캡슐화 그리고/또는 조립하는 기술들의 일부는 IGU의 상기 층 스택업(stack up)에 따라서, 스페이서를 수용하기 위해 조절되거나 변경될 수 있다.
도 9의 (A) 내지 (F)는 특정 실시예들에 따른 글라스 페인 910상에 PV 층 920, 캡슐화 층 940, IGU 스페이서 950과 PV 컨택트들 930을 포함하는 IGU 900 예시를 보여 준다. 도 2(A)와 도 3의 (C)에 대해 상술한 바와 같이, PV 층 920은 하나 이상의 활성층들과 하나 이상의 투명 전극층들(도 9의 (A) 내지 (F)에 도시되지 않은)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, PV 층 920은 또한 하나 이상의 반사 층들(도 9의 (A) 내지 (F)에 도시되지 않은) 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, PV 컨택트들 930은 실버 잉크나 실버 페이스트에 의해 형성된 실버층과 같은, 금속 박막층의 형태로 전력 모선들(busbars)을 포함할 수 있다.
도 9의 (A)는 캡슐화 층 940과 IGU 스페이서 950이 없는 IGU 900의 상면도이다. 도 9의 (B)는 캡슐화 층 940과 IGU 스페이서 950이 없는 IGU 900의 단면도이다. 도 9의 (B)에 도시된 바와 같이, 일부 구현들에서, PV 층 920은 글라스 페인 910의 전체 영역을 커버하지 않을 수도 있다. 오히려, PV 층 920은 PV 컨택트들(contacts) 930의 외부 가장 자리와 일직선으로 정렬될 수 있고, PV 컨택트들 930의 외부 가장자리를 넘어 연장되지 않을 수 있다. 일부 구현들에서, PV 층 920의 모든 층들이 아닌 일부(예를 들면, 전극층)는 영역 960에 도시된 바와 같이, 전기적 접속(electrical connection)을 만들기 위한 PV 컨택트들 930아래에 있을 수 있다. 예를 들어, 하나의 PV 컨택트 930은 영역 960에서 PV 층 920의 제1 전극층과 접촉할 수 있고 또 하나의 PV 컨택트 930은 영역 970에서 PV 층 920의 제2 전극층과 접촉할 수 있다. 도 9의 (C)는 PV 컨택트들 930 내부에 형성된 캡슐화 층 940을 가진 IGU 900의 상면도이다. 도 9의 (D)는 PV 컨택트 930 내부에 형성된 캡슐화 층 940을 가진 IGU 900의 단면도이다. 도 9의 (E)는 IGU 스페이서 950 내부에 캡슐화 층 940과 PV 컨택트들 930을 가진 IGU 900의 상면도이다. 도 9의 (F)는 IGU 스페이서 950 내부에 캡슐화 층 940과 PV 컨택트 930을 가진 IGU 900의 단면도이다. 도 9의 (E)와 (F)는 또한 도 1의 (A)와 (B)에 대해 상술한 바와 같이 가장자리 밀폐제 980을 보여 준다. PV 컨택트들 930이 IGU 스페이서 950의 내부에 있기 때문에, 와이어들은 일부 애플리케이션들에 있어서 외부 접속을 위하여 IGU 스페이서 950을 통해 지나갈 필요가 있을 수 있다. IGU 900은 다른 구성들을 가지는 일부 다른 IGUs보다 일부 장점을 가지고 있을 수 있다. 예를 들어, 전류(charges)가 긴 전극 또는 전력 모선(busbar) 경로를 통해 스페이서 아래로 지나갈 필요가 없을 수 있고, 그리고 더 긴 거리는 더 높은 저항 손실을 유도할 수 있기 때문에 따라서 저항 손실(resistive loss)이 감소될 수 있다. IGU 900의 외부 프로파일(profile)은 모든 추가 층들과 구성들(components)(예를 들어, 캡슐화 층, 와이어링(wiring), 기타 등등)이 IGU의 내부에 있는 표준 IGUs에 유사할 수 있다. 게다가, 일부 실시예들에서, IGU 스페이서가 PV 컨택트들을 만들기 위하여 사용할 수 있다.
IGU 900의 일부 구현들에서, PV 층 920은 글라스 페인 910의 전체 영역을 커버할 수 있다. 예를 들어, 특정 구현들에서, PV 층 920은 글라스 페인 910의 외부 가장자리들과 일직선으로 정렬될 수 있다. 특정 구현들에서, PV 층 920의 모든 층들은 아니지만 일부는 PV 컨택트들(contacts) 930 그리고/또는 IGU 스페이서 950의 외부 가장자리들을 지나 연장될 수 있다.
도 10의 (A) 내지 (G)는 특정 실시예들에 따른 글라스 페인 1010상에 PV층 1020, 캡슐화 층 1040, IGU 스페이서 1050과 PV 컨택트들 1030을 포함하는 IGU 1000 예시를 보여 준다. PV 층 1020은 하나 이상의 활성층들(active layers)과 하나 이상의 투명 전극층들(도 10의 (A)-(G)에 도시되지 않은)을 포함할 수 있다. PV 컨택트들 1030은 PV 층 1020의 가장자리들 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, PV 컨택트들 1030이, 실버 잉크 또는 실버 페이스트에 의해 형성된 실버층,과 같은 금속 박막층 안에 예를 들어, 전력 모선들(busbars)을 포함시킬 수 있다.
도 10의 (A)는 캡슐화 층 1040과 IGU 스페이서 1050이 없는 IGU 1000의 상면도이다. 도 10의 (B)는 캡슐화 층 1040과 IGU 스페이서 1050이 없는 IGU 1000의 단면도이다. 도 10의 (C)는 PV 컨택트들 1030 내부에 형성된 캡슐화 층 1040을 가진 IGU 1000의 상면도이다. 도 10의 (D)는 PV 의트들 1030 내부에 형성된 캡슐화 층 1040을 가진 IGU 1000의 단면도이다. 캡슐화 층 1040은 PV 컨택트들 1030로부터 소정 거리 이격될 수 있다. 도 10의 (E)는 캡슐화 층 1040과 PV 컨택트들 1030 사이에 IGU 스페이서 1050을 가진 IGU 1000의 상면도이다. 도 10의 (F)는 라인 A-A를 따라 캡슐화 층 1040과 PV 컨택트 1030 사이에 IGU 스페이서 1050을 가진 IGU 1000의 단면도이다. 도10의 (G)는 라인 B-B를 따라 캡슐화 층 1040과 PV 컨택트들 1030 사이에 IGU 스페이서 1050을 가진 IGU 1000의 단면도이다. IGU 1000에서, PV 컨택트들 1030은 IGU 스페이서 1050의 외부에 있고, 이렇게 하여 전기적 와이어링(electrical wiring)은 IGU 스페이서 1050을 통과하여 지나갈 필요가 없게 된다. 일부 구현들에서, PV 층 1020의 모든 층들은 아니지만 일부(예를 들면, 전극층)은 PV 컨택트들 1030와 전기적 접촉을 만들기 위하여 글라스 페인 1010의 가장자리로 연장되거나 PV 컨택트들 1030에 일직선으로 정렬할 수 있다. 도 10의 (E)에 도시된 바와 같이, 캡슐화 층 1040은 IGU 스페이서 1050내부에 부분적으로 있을 수 있고, IGU 스페이서 1050의 외부에 부분적으로 있을 수 있다. IGU 1000은 다른 구성들을 가지는 일부 다른 IGUs보다 일부 장점을 가지고 있을 수 있다. 예를 들어, 전기적 와이어링은 IGU 스페이서 1050을 통과하여 지나갈 필요가 없다. 캡슐화 층 1040의 두 개의 가장자리들(예를 들면, 글라스층)은 더 쉬운 조립(assembly)을 위하여, 글라스 페인 1010의 가장 자리들과 일직선으로 정렬될 수 있다. 또한 PV 컨택트들를 위하여 IGU 스페이서 1050을 사용하는 것도 가능하다.
도 11의 (A) 내지 (F)는 특정 실시예들에 따른 글라스 페인 1110상에 PV층 1120, 캡슐화 층 1140, IGU 스페이서 1150과 PV 컨택트들 1130을 포함하는 IGU 1100예시를 보여 준다. PV 컨택트들 1130은 IGU 1000에서와 같이 PV 층 1120의 가장자리들 상에 형성될 수 있다. 도 11의 (A)는 캡슐화 층 1140과 IGU 스페이서 1150이 없는 IGU 1100의 상면도이다. 도 11의 (B)는 캡슐화 층 1140과 IGU 스페이서 1150이 없는 IGU 1100의 단면도이다. 도 11의 (C)는 PV 컨택트들 1130의 내부에 형성된 캡슐화 층 1140을 가진 IGU 1100의 상면도이다. 도 11의 (D)는 PV 컨택트들 1130 내부에 형성된 캡슐화 층 1140을 가진 IGU 1100의 단면도이다. 캡슐화 층 1140은 PV 컨택트들 1130과 접촉할 수 있다. 도 11의 (E)는 캡슐화 층 1140상부에 IGU 스페이서 1150을 가진 IGU 1100의 상면도이다. 도 11의 (F)는 캡슐화 층 1140상부에 IGU 스페이서 1150을 가진 IGU 1100의 단면도이다. IGU 1100에서, PV 컨택트들 1130은 IGU 스페이서 1150의 외부에 있을 수 있고, 이렇게 하여 전기적 와이어링은 IGU 스페이서 1150을 통과하여 지나갈 필요가 없다. 일부 구현들에서, PV 층 1120의 모든 층들은 아니지만 일부(예를 들면, 전극층)는 PV 컨택트들 1030와 전기적 접촉을 만들기 위하여 글라스 페인 1110의 가장자리로 연장될 수 있거나 또는 PV 컨택트들 1030와 일직선으로 정렬될 수 있다. 캡슐화 층 1040은 IGU 스페이서 1050내부에 부분적으로 있을 수 있고, IGU 스페이서 1050의 외부에 부분적으로 있을 수 있다. IGU 1100은 다른 구성들을 가지는 일부 다른 IGUs보다 일부 장점을 가지고 있을 수 있다. 예를 들어, 전기적 와이어링은 IGU 스페이서 1150을 통과하여 지나갈 필요가 없다. 캡슐화 층 1040의 두 개의 가장자리들(예를 들면, 글라스층)은 더 쉬운 조립(assembly)을 위하여, 글라스 페인 1110의 가장 자리들과 일직선으로 정렬될 수 있다. 게다가, 스페이서 1150가 전체적으로(entirely) 캡슐화 층 1140 상에 위치될 수 있기 때문에 IGU 스페이서 1150는 IGU 1000에서처럼 다른 위치들에서 다른 높이를 가질 필요가 없다.
도 12의 (A) 내지 (F)는 특정 실시예들에 따른 글라스 페인 1210상에 PV 층 1220, 캡슐화 층 1240, IGU 스페이서 1250,과 PV 컨택트들 1230을 포함하는 IGU 1200예시를 보여 준다. IGU 1200에서, PV 층 1220은 글라스 페인 1210의 외측 표면 상에 형성될 수 있고, 그리고 캡슐화 층 1240은 빌딩의 내부 또는 외부 공기에 존재하는 수분 그리고/또는 산소로부터 PV 층 1220을 보호하기 위해 PV 층 1220 상에 형성될 수 있다. PV 컨택트들 1230은 IGUs 1000과 1100에서와 같이 PV 층 1220의 가장자리 상에 형성될 수 있다. 도 12의 (A)는 캡슐화 층 1240의 상면도이다. 도 12의 (B)는 캡슐화 층 1240의 단면도이다. 도 12의 (C)는 PV 층 1220, 캡슐화 층 1240과 글라스 페인 1210의 외측 표면상에 형성된 PV 컨택트들 1230를 가진 IGU 1200의 상면도이며, 이때 캡슐화 층 1240은 PV 컨택트들 1230안쪽에 있을 수 있다. 도 12의 (D)는 PV 층 1220, 캡슐화 층 1240과 글라스 페인 1210의 외측 표면 상에 형성된 PV 컨택트들 1230을 가진 IGU 1200의 단면도이며, 이때 캡슐화 층 1240은 PV 컨택트들 1230 안쪽에 있을 수 있다. 캡슐화 층 1240은 PV컨택트들 1230과 접촉될 수 있다. 도 12의 (E)는 글라스 페인 1210의 내측 표면상에 IGU 스페이서 1250을 가진 IGU 1200의 상면도이다. 도 12의 (F)는 글라스 페인 1210의 내측 표면상에 IGU 스페이서 1250을 가진 IGU 1200의 단면도이다. 따라서, 캡슐화 층 1240과 IGU 스페이서 1250은 글라스 페인 1210의 반대면 쪽에 있다. 일부 구현들에서, PV 층 1220의 모든 층들은 아니지만 일부(예를 들면, 전극층)은 PV 컨택트들 1230과 전기적 접촉들을 만들기 위하여 글라스 페인 1210의 가장자리들까지 연장될 수 있거나 또는 PV 컨택트들 1230와 일직선으로 정렬될 수 있다. IGU 1200은 다른 구성들을 가지는 일부 다른 IGUs 보다 일부 장점을 가지고 있을 수 있다. 예를 들어, 전기적 와이어링은 PV 컨택트 1230는 글라스 페인 1210의 반대 쪽에 있기 때문에 IGU 스페이서 1250를 통해 지나갈 필요가 없다. 캡슐화 층 1240의 두 개의 가장자리들(예를 들면, 글라스층)은 더 쉬운 조립이 가능하도록 글라스 페인 1210의 두 개 가장자리들과 일직선으로 정렬될 수 있다. 추가로, IGU 스페이서 1250은 IGU 스페이서 1250가 전체적으로 글라스 페인 1210 상에 위치될 수 있기 때문에 IGU 1000에서와 같이 다른 위치들에서 다른 높이를 가질 필요가 없다.
일부 실시예에서, 일부 와이어링 또는 다른 전기적 접속부들은 PV 층에 의해 생성된 전력을 그 전력이 사용되거나 또는 전력 기기에 의하여 저장될 수 있는 위치로 전송되기 위하여 사용될 수 있다. 일부 애플리케이션들에서, 태양 전력으로부터 생성된 전기 전력은 직접적으로 IGU 스페이서 내부에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 애플리케이션들에서, 일부 IGUs(예를 들면, 글라스 페인들사이의 간의 갭에)에 내부 기능 장치가 있을 수 있고, 그 PV 층은 IGU로 기능 장치(functional device)와 임의의 지원 전자 기기들(supporting electronics)에 직접적으로 유선으로 되거나 또는 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 기능 장치들은 윈도우 착색, 다양한 종류의 센서들, 내부 블라인드들를 위한 전력 제어, 또는 전력을 필요로 하는 기타 장치을 위하여 일렉트로크로믹 층/장치를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, PV 층은 재충전형 배터리에 연결될 수 있으며, 이것은 필요할 때 나중에 내부 장치로 돌아가 구동시킬 수 있다.
도 13a는 특정 실시예들에 따른 통합된 일렉트로크로믹 모듈 1340을 가지는 IGU 1302예시를 보여 준다. IGU 1302는 글라스 페인과 PV 층을 포함하는 조립체 1310을 포함할 수 있다. 일렉트로크로믹(eletrochromic) 모듈 1340은 일렉트로크로믹 층 형태로 존재할 수 있고 전자조립체 1310과 스페이서 1320에 의해 형성된 내부 공동(cavity)에 위치될 수 있다. 조립체 1310의 PV 층은 전자크롬의 모듈 1340을 구동시키기 위하여 전선들 1330을 통해 일렉트로크로믹 모듈 1340에 연결될 수 있다. 일부 구현들에서, 와이어들 1330은 스페이서 1320에 의해 내장(embedded)되거나 커버되거나, 또는 그렇지 않으면 스페이서 1320에 의해 가려져(hidden) 있을 수 있다.
도 13b는 특정 실시예들에 따른 일체형(integrated) 센서(들) 1350을 가지는 IGU 1304예시를 보여 준다. IGU 1304는 조립체 1310과 스페이서 1320을 포함할 수 있다. 일체형 센서(들) 1350은 조립체 1310과 스페이서 1320에 의해 형성된 내부 공간(cavity)에서 위치될 수 있다. 조립체 1310의 PV 층은 일체형 센서(들) 1350을 구동시키기 위하여 전선들 1330을 통해 일체형 센서(들) 1350에 연결될 수 있다. 일부 구현들에서, 전선들 1330이 스페이서 1320에 의해 내장되거나 커버되거나, 또는 그렇지 않으면 스페이서 1320에 의해 가려져 있을 수 있다.
도 13c는 특정 실시예들에 따른 통합된 내부 블라인드들 1360을 가지는 IGU 1306 예시를 보여 준다. IGU 1306은 조립체 1310과 스페이서 1320을 포함할 수 있다. 내부 블라인드들 1360은 조립체 1310과 스페이서 1320에 의해 형성된 내부 공동에 위치될 수 있다. 조립체 1310의 PV 층은 내부 블라인드들 1360의 제어기(controller)를 구동시키기 위하여 전선들 1330을 통해 내부 블라인드들 1360의 제어기에 연결될 수 있다. 일부 구현들에서, 전선들 1330은 스페이서 1320에 의해 내장되거나 커버되거나, 또는 그렇지 않으면 스페이서 1320에 의해 가려져 있을 수 있다.
도 13d는 특정 실시예들에 따른 일체형 재충전형 배터리 1370을 가지는 IGU 1308예시를 보여 준다. IGU 1308은 조립체 1310과 스페이서 1320을 포함할 수 있다. 재충전형 배터리 1370은 조립체 1310과 스페이서 1320에 의해 형성된 내부 공동에 위치될 수 있다. 조립체 1310의 PV 층은 재충전형 배터리 1370을 충전시키기 위해 전선들 1330을 통해 재충전형 배터리 1370에 연결될 수 있다. 재충전형 배터리 1370은 필요할 때 다른 내부 또는 외부 장치들을 구동시키기 위하여 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 전선들 1330은 스페이서 1320에 의해 내장되거나 커버되거나, 또는 그렇지 않으면 스페이서 1320에 의해 가려져 있을 수 있다.
일부 애플리케이션들에서, 태양 전력으로부터 생성된 전기 전력은 전력 소비 장치가 내부 갭에 있지 않거나 또는 PV 컨택트들이 내부 갭과 스페이서의 바깥에 위치하고 있지 않다면 IGU의 내부 갭의 바깥으로 전송될 필요가 있을 수 있다. 스페이서를 통하여 IGU의 바깥으로 PV층에 의해 생성된 전력을 전송하는 일부 기술들은 아래 상세히 기술된다.
도 14의 (A)는 특정 실시예들에 따른 스페이서 1420과 밀폐제 1410을 통해지나가는 전선들 1440을 가진 IGU 1400 예시의 상면도이다. 도 14의 (B)는 IGU 1400의 단면도이다. IGU 1400은 글라스 페인과 PV 층을 포함하는 조립체 1430을 포함할 수 있다. 전선들 1440이 PV 층에 연결될 수 있으며, 그리고 IGU 1400의 외측으로 스페이서 1420과 밀봉제 1410을 통해 지나갈 수 있다.
도 15의 (A) 내지 (D)는 특정 실시예들에 따른 IGU 스페이서 1520을 통해 IGU 1500 바깥으로 전기 에너지를 전송하기 위한 여러 가지 방법들을 보여 준다. IGU 1500은 글라스 페인 1510, IGU 스페이서 1520과 글라스 페인 1510안에 형성된 PV층 1530을 포함할 수 있다. 도 15의 (A)는 IGU 스페이서 1520안에 사전에 설치된(pre-installed)/실링된(sealed) 커넥터(connector) 1550가 IGU 스페이서 1520의 안에 PV 층으로부터 외부 코드들(cords) 또는 다른 전기적 접속부들(connections) 1540로 전력을 전달하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 보여 준다. 도 15의 (B)는 전선들(electrical wires) 1545가 IGU 스페이서 1520에서 형성되는 모서리(corner) 갭을 통해 지나갈 수 있다는 것을 보여 준다. 도 15의 (C)는 전선들 1545가 IGU 스페이서 1520의 한가운데의 홀(hole) 1560을 통과할 수 있다는 것을 보여 준다. 도 15의 (D)는 전선들 1545가 IGU 스페이서 1520의 가장자리에 있는 홀(hole) 1570을 통과할 수 있다는 것을 보여 준다.
일부 실시예들에서, PV 층은 IGU내부에 있을 수 있고, PV 층의 PV 컨택트들은 스페이서의 밖에 있을 수 있지만, 밀폐제에 의해 커버될 수 있다. PV 층에 의해 생성된 전력은 IGU의 내측으로부터 전송될 수 있지만, 그러나 스페이서을 통해 지나갈 필요는 없을 수 있다.
도 16의 (A) 및 (B)는 특정 실시예들에 따른 IGU 스페이서 1620의 외부에 PV 컨택트들을 가지는 IGU 1600예시를 보여 준다. 도 16의 (A)는 IGU 1600 상면도이고 도 16의 (B)는 IGU 1600의 단면도이다. IGU 1600은 글라스 페인과 PV 층을 포함하는 조립체 1630을 포함할 수 있다. 전선들 1640은 스페이서 1620의 영역 외부에서 PV 층에 연결될 수 있고, 그리고 IGU 1600의 외부로 밀폐제 1610을 통해 지나갈 수 있다.
일부 실시예들에서, PV 층은 IGU의 외부 표면 상에 위치될 수 있다. 해당 경우들에서, 전선들은 스페이서을 통과하여 지나갈 필요가 없고, 그리고 그 스페이서를 커버하는 상기 영역들의 내부 또는 외측의 임의의 위치에서 PV 층에 연결될 수 있다.
도 17의 (A)와 (B)는 특정 실시예들에 따른 IGU 1700의 외부 표면상에 PV 컨택트들를 가지는 IGU 1700예시를 보여 준다. 도 17의 (A)는 IGU 1700의 상면도이고, 도 17의 (B)는 IGU 1700의 단면도이다. IGU 1700는 글라스 페인 및 글라스 페인의 외측 표면 상의 PV층을 포함하는 조립체 1730, 스페이서 1720, 및 밀폐제 1710 을 포함할 수 있다. 전선들 1740은 스페이서 1720를 내부, 외부 임의의 위치에서 또는 상기 영역에서 PV 층에 연결될 수 있다.
PV 층을 가지는 컨택트들은 원하는 애플리케이션에서 전력이 와이어링 또는 다른 전자 부품들(electronic components)에 전송되게 할 수 있다. 많은 다른 기술들은 PV층이 IGU의 내측 또는 외측 표면 상에 있던 간에 PV층과 접촉되게 하도록 사용될 수 있다. 이들 기술들의 예시들은 내장되거나(embedded) 스페이서 구성요소(예를 들어, 접착제)에 직접 연결되는 컨택트들, 납땜된(soldered) 접속부들을 통한 컨택트들, 전도성 프레스 용구(conducting press fittings)을 통해 컨택트들, 전도성 테이프들을 사용하는 컨택트들, 또는 플럭스 커넥터(flux connector)을 통한 컨택트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 와이어링 보다는 전력 모선이 기능적 장치가 위치하거나 부착되는 PV층의 하나 위치로부터 동일 표면상에 또 다른 위치로 전류들을 전송하기 위하여 사용될 수 있다.
도 18a-18f는 특정 실시예들에 따른 IGUs예시에 PV 컨택트들의 다양한 구성들을 보여 준다. IGUs는 글라스 페인과 PV 층을 포함하는 조립체 1810을 포함할 수 있다. 도 18a에 도시된 실시예에서, 전도성 에폭시 또는 접착제는 조립체 1810에서 PV층과 컨택트 되도록 접촉을 만들기 위하여 스페이서 1820 상에 형성될 수 있다. 도 18b는 전도성 프레스 용구(conductive press fitting) 1830이 조립체 1810의 가장자리에서 PV층과 컨택트되고 전선들 1840을 사용하여 전력을 전송할 수 있도록 조립체 1810의 가장자리에 부착될 수 있다는 것을 보여 준다. 도 18c에 도시된 실시예에서, 플렉스-온-글라스(flex-on-glass, FOG) 이방성 도전 접착제(anisotropic conductive adhesive) 1850은 조립체 1810에서 PV층을 커넥터에 연결하기 위하여 조립체 1810의 가장자리에 부착될 수 있다. 도 18d는 납땜(soldered) 접속부들이 조립체 1810에서 PV 층과 컨택트되도록 사용될 수 있으며, 전선 1840을 사용하여 전력을 전송할 수 있다. 도 18e는 전도성 테이프들이 조립체 1810에서 PV 층과 컨택트되고 전선 1840을 사용하여 전력을 전송할 수 이도록 하기 위하여 사용될 수 있다. 도 18f는 전력 모선이 조립체 1810에서 PV 층과 컨택트를 할 수 있도록 사용될 수 있으며, 전선 1840을 사용하여 PV층의 어느 한 영역에서 전력 소비 장치(power-consuming device)가 위치될 수 있는 PV층의 다른 영역으로 전력을 전송할 수 있다.
상술한 바와 같이, PV 층에 부가하여, 다른 물질층들은 IGUs으로 추가로 통합될 수 있다. PV 층은 하나 이상의 기능을 수행할 수 있는 이들 물질층들에 전력을 제공하기 위하여 이러한 물질층들과 쌍을 이룰(paired) 수 있다. 이러한 물질층들의 일부 실시예들은 IR 반사를 위하여 저방사율 (로우-E) 물질들/층들, 다른 반사 물질들/층들, 컬러 틴트 물질들/층들, 색 중성화(neutrality) 밸런싱(balancing) 물질들/층들, 비반사 물질들/층들, 다른 물질들/층들, 태양열을 변경시키기 위한 전도성 조정(conductivity modification)층들, 표면 에너지 변경 층들(어떻게 물질들이 하지층으로 성장한 것에 영향을 미칠 수 있는), 표면 일 함수 변경 층(surface work-function modification layers), 표면 거칠기 변경 층(surface roughness modification layers), 기타 등등을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기능층들의 하나 이상 또는 PV층은 다중-기능적일 수 있다.
도 19a 및 도 19b는 특정 실시예들에 따른 PV층에 추가로 다른 기능층(들)을 포함하는 IGUs 예시를 보여 준다. 도 19a는 제1 글라스 페인 1910, 제 2 글라스 페인 1920, PV 층 1930과 PV 층 1930와 쌍을 이루는(paired) 기능층을 가지는 IGU 1900 예시를 보여 준다. 기능층 1940과 PV 층 1930의 쌍을 이루는 층들은 태양력을 전력에 변환시키는 것 외에 다른 부가적인 기능(들)을 수행할 수 있다. 예를 들어, 추가적 기능층은 로우-E 또는 무반사성(anti-reflective) 소재로서 작용할 수 있고, 추가로 색 중성화를 균형화시킬 수 있는 컬러 틴트(color tint) 재료를 포함할 수 있다. 도 19b는 제1 글라스 페인 1910, 제 2 글라스 페인 1920과 다중-기능층 1960을 포함하는 IGU 1950 예시를 보여 준다. 다중-기능층 1960은 다중 기능을 수행할 수 있는 하나 이상의 물질층들(material layers)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중-기능층은 PV 층으로 작용할 수 있고, 로우-E, 컬러 틴트 그리고/또는 반사 층, 기타 등등으로 추가로 작용할 수 있다.
추가적 기능층들은 다양한 조합들에서 PV 층과 함께 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 층들은 IGU의 글라스 페인의 동일한 내측 또는 외측 표면 상에 임의의 순서로 배열될 수 있다.
도 20a 내지 도 20d는 특정 실시예들에 따른 PV층에 추가로 다른 기능층(들)(예를 들면, 로우-E 층)을 포함하는 IGUs 예시를 보여 준다. 예를 들어, 도 20a에 도시된 실시예에서, IGU는 갭 2050을 형성하는 제1 글라스 페인 2010과 제 2 글라스 페인 2020을 포함할 수 있다. PV 층 2030은 갭 2050과 대면하는 제1 글라스 페인 2010의 내측 표면에 부착되고, 그리고 기능층 2040은 제1 글라스 페인 2010에 정반대(opposite)의 PV 층 2030 표면에 연결된다. 도 20b에 도시된 실시예에서, 기능층 2040은 갭 2050과 대면하는 제 2 글라스 페인 2020의 내측 표면에 부착되고, 그리고 PV 층 2030은 제 2 글라스 페인 2020에 정반대(opposite)의 기능층 2040의 표면에 연결된다. 도 20c에 도시된 실시예에서, 기능층 2040은 외부 환경과 대면하는 제1 글라스 페인 2010의 외측 표면에 부착되고, PV 층 2030은 제1 글라스 페인 2010의 정반대의 기능층 2040의 표면에 연결된다. 도 20d에 도시된 실시예에서, PV 층 2030은 빌딩의 내부와 대면하는 제 2 글라스 페인 2020의 외측 표면에 부착되고, 그리고 기능층 2040은 제 2 글라스 페인 2020의 정반대의 PV 층 2030의 표면에 연결된다.
일부 실시예들에서, 부가적 기능층과 PV 층은 IGU의 임의의 글라스 페인의 정반대 표면들 상에 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 부가적 기능층과 PV 층은 IGU의 다른 글라스 페인들 상에 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다중 기능층들은 같은 IGU내에서 사용될 수 있으며, 그리고 임의의 적합한 구성에 따라 PV 층과 배열될 수 있다. 아직 일부 실시예들에서, 다중 PV 층들은 하나의 IGU에서 사용될 수 있고, 임의의 적합한 구성에 따라 (있다면 기능층들과) 배열될 수 있다. 기능층들은 본 발명에서 상기와 하기에 기술된 바와 같이 여러 가지 기능들(functions)를 수행할 수 있다.
도 21a 및 도 21b는 특정 실시예에 따른 동일한 IGU 글라스 페인상에 기능층 2140과 PV 층 2130을 포함하는 IGUs예시를 보여 준다. IGUs예시는 각각 갭 2150을 형성하는 제1 글라스 페인 2110과 제 2 글라스 페인 2120을 포함할 수 있다. 도 21a에 도시된 실시예에서, PV 층 2130은 외부 환경과 대면하는 제1 글라스 페인 2110의 외측 표면상에 위치될 수 있고, 기능층 2140은 갭 2150에 인접한 제 1 글라스 페인 2110의 내측 표면 상에 위치될 수 있다. 도 21b에 도시된 실시예에서, 기능층 2140은 외부 환경에 대면하는 제 1 글라스 페인 2110의 외측 표면 상에 위치될 수 있고, 동시에 PV 층 2130은 갭 2150에 인접한 제1 글라스 페인 2110의 내측 표면 상에 위치될 수 있다.
도 22a 내지 도 22c는 특정 실시예들에 따른 IGU의 다른 글라스 페인들상에 기능층 2240과 PV 층 2230을 포함하는 각각의 IGUs 예시를 보여 준다. IGUs예시는 각각 갭 2250을 형성하는 제1 글라스 페인 2210과 제 2 글라스 페인 2220을 포함할 수 있다. 도 22a에 도시된 실시예에서, PV 층 2230은 외부 환경과 대면하는 제1 글라스 페인 2210의 외측 표면상에 위치될 수 있고, 기능층 2240은 갭 2250에 인접한 제 2 글라스 페인 2220의 내측 표면 상에 위치될 수 있다. 도 22b에 도시된 실시예에서, PV 층 2230은 갭 2250에 인접한 제1 글라스 페인 2210의 내측 표면 상에 위치될 수 있고, 동시에 기능층 2240은 갭 2250에 인접한 제 2 글라스 페인 2220의 내측 표면 상에 위치될 수 있다. 도 22c에 도시된 실시예에서, 기능층 2240은 외부 환경과 대면하는 제1 글라스 페인 2210의 외측 표면 상에 위치될 수 있고, 동시에 PV 층 2230은 빌딩의 내부와 대면하는 제 2 글라스 페인 2220의 외측 표면 상에 위치될 수 있다.
도 23a는 특정 실시예들에 따른 다중 기능층들을 포함하는 IGU 2300예시를 보여 준다. IGU 2300은 갭 2350을 형성하는 제1 글라스 페인 2310과 제 2 글라스 페인 2320을 포함할 수 있다. PV 층 2330은 갭 2350에 인접한 제1 글라스 페인 2310의 내측 표면 상에 위치될 수 있다. 제 1 기능층 2340은 외부 환경과 대면하는 제1 글라스 페인 2310의 외측 표면 상에 위치될 수 있다. 제 2 기능층 2360은 PV 층 2330의 옆에 위치될 수 있다. 제 3 기능층 2370은 빌딩의 내부와 대면하는 제 2 글라스 페인 2320의 외측 표면 상에 위치될 수 있다.
도 23b는 특정 실시예들에 따른 다중 PV 층들을 포함하는 IGU 2305예시를 보여 준다. IGU 2305는 갭 2350을 형성하는 제1 글라스 페인 2310과 제 2 글라스 페인 2320을 포함할 수 있다. 제 1 PV 층 2380은 갭 2350에 인접한 제1 글라스 페인 2310의 내측 표면에 위치할 수 있고, 그리고 제 2 PV 층 2390은 2350에 인접한 제 2 글라스 페인 2320의 내측 표면 상에 위치될 수 있다.
도 24a 및 도 24b는 특정 실시예들에 따른 저방사율 (로우-E) 층 2440을 포함하는 IGUs 예시를 보여 준다. 로우-E 코팅들(low-E coatings)은 IR 광을 반사하는 데에 매우 효과적일 수 있다. PV 모듈이 태양 광 경로에서 PV층 이후에 있는 로우-E 코팅과 통합되었을 때, 로우-E 코팅에 의해 반사된 IR광은 PV층으로 다시 가고 PV층에서 NIR 흡수를 증가시킬 수 있고 이는 PV층의 전체적인 전력 변환 효율에서의 증가와 빌딩으로의 열 투과의 감소를 유도할 수 있다. 도 24a는 갭 2450을 형성하는 제1 글라스 페인 2410과 제 2 글라스 페인 2420을 포함하는 IGU 2400예시를 보여 준다. PV 층 2430은 갭 2450에 인접한 제1 글라스 페인 2410의 내측 표면 상에 위치될 수 있다. 로우-E 층 2440은 PV 층 2430의 옆에 위치될 수 있다. 제1 글라스 페인 2410을 통과하고 PV 층 2430에 도달하는 태양 광은 PV 층 2430에 의해 부분적으로 흡수될 수 있다. 로우-E 층 2440에 도달할 수 있는 태양 광의 부분은 로우-E 층 2440에 의해 PV 층 2430으로 다시 반사될 수 있고, 그리고 적어도 부분적으로 PV 층 2430에 의해 흡수될 수 있다. 도 24b에 도시된 IGU 2405에서, PV 층 2430은 갭 2450에 인접한 제1 글라스 페인 2410의 내측 표면 상에 위치될 수 있다. Low-E 층 2440은 갭 2450에 인접한 제 2 글라스 페인 2420의 내측 표면 상에 위치될 수 있다. 제1 글라스 페인 2410을 통과하고 PV 층 2430에 도달하는 태양 광은 PV 층 2430에 의해 부분적으로 흡수될 수 있다. 갭 2450을 통과하고 로우-E 층 2440에 도달할 수 있는 태양 광의 부분은 로우-E 층 2440에 의해 PV 층 2430으로 다시 반사될 수 있고, 그리고 적어도 부분적으로 PV 층 2430에 의해 흡수될 수 있다.
도 25는 특정 실시예들에 따른 IGU 2500 예시의 분해도이다. IGU 2500은 채광창 조립체(skylight assembly)로 통합될 수 있고, IGU 2500에서 PV 모듈은 채광창 기계적 리프트(skylight mechanic lift)을 구동시키고, 다른 구성 요소들을 구동시키고, 또는 빌딩에서 전력 그리드으로 반환(feed back)시키는데 사용될 수 있다. IGU 2500은 빌딩의 내부와 대면하는 제1 글라스 페인 2510 (또는 글라스 채광창), 그리고 빌딩의 외부 환경과 대면하는 제 2 글라스 페인 2560을 포함할 수 있다. PV 장벽층 2550은 PV 층 2540으로 코팅될 수 있고, 제 2 글라스 페인 2560의 내측 표면에 부착될 수 있다. PV 층 2540은 전력 모선들 2542과 전선들(전기 와이어들) 2544에 전기적으로 연결될 수 있다. 제 3 글라스 페인 2530은 캡슐화시키기 위하여 PV 층 2540에 부착될 수 있고 PV 층 2540을 보호할 수 있다. 제 2 글라스 페인 2560, PV 장벽층 2550, PV 층 2540, 전력 모선들 2542, 전선들 2544와 제 3 글라스 페인 2530은 하나의 PV 조립체를 형성할 수 있다. PV 조립체, 제1 글라스 페인 2510과 IGU 스페이서 2520는 IGU를 형성하기 위해 함께 조립될 수 있으며, 여기서 IGU 스페이서 2520는 IGU에서 내부 갭을 형성하기 위하여 PV 조립체와 제1 글라스 페인 2510을 분리시킬 수 있다.
도 26은 특정 실시예들에 따른 일렉트로크로믹 층 2620을 포함하는 IGU 2600 예시의 분해도이다. IGU 2600은, 예를 들어, 차량을 위한 선루프(sunroof) 조립체 또는 차량 또는 빌딩의 윈도우로서 사용될 수 있다. IGU 2600은 자동 윈도우 착색을 구동시키거나 선루프나 윈도우 근처의 다른 구성 요소들을 구동시키는 데 사용 될 수 있는 PV 모듈을 포함할 수 있다. 생성된 전력은 자동차가 엔진이 꺼졌을 때, 켜졌을 때 또는 둘 다의 경우에 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, IGU 2600은 차량의 내부와 대면하는 제1 글라스 페인 2610 (또는 글라스 채광창), 그리고 차량의 외부 환경과 대면하는 제 2 글라스 페인 2650을 포함할 수 있다. PV 층 2640은 제 2 글라스 페인 2650 상에 코팅될 수 있고, PV 장벽층 2630에 의해 커버될 수 있고 보호될 수 있다. PV 층 2640은 전력 모선들 2642와 전선들 2644에 전기적으로 연결될 수 있다. 일렉트로크로믹 층 2620는 제1 글라스 페인 2610과 PV 장벽층 2630 사이에 위치될 수 있고, 전원으로부터 전력을 수신하기 위하여 전선들 2622에 연결될 수 있다. 예를 들어, 전선들 2622는 PV 층 2640으로부터 전력을 수신하기 위해 전선 2644에 연결될 수 있다. 일렉트로크로믹 층 2620은 다른 전압 레벨이 그것에 적용되었을 때 연속적(continual) 그러나 가역적(reversible) 형태로 컬러, 광전송, 흡수, 반사도, 그리고/또는 방출(emittance)와 같은 광학 특성을 변경시킬 수 있다.
도 27은 특정 실시예들에 따른 일렉트로크로믹 층 2720을 포함하는 IGU 2700 예시의 분해도이다. IGU 2700은 빌딩 또는 다른 구조물을 위한 스마트 윈도우 조립체로 사용될 수 있다. IGU 2700은 일렉트로크로믹 윈도우를 직접적으로 구동시키거나 일렉트로크로믹 윈도우에 전력을 공급하기 위한 내부 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있는 PV 모듈을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, IGU 2700은 빌딩 또는 다른 구조물들의 내부와 대면하는 제1 글라스 페인 2710(또는 글라스 채광창), 그리고 빌딩 또는 상기 구조물들의 외부 환경과 대면하는 제 2 글라스 페인 2750을 포함할 수 있다. PV 층 2740은 제 2 글라스 페인 2750 상에 코팅될 수 있다. PV 층 2740은 전력 모선들 2742와 전선들 2744에 전기적으로 연결될 수 있다. 일렉트로크로믹 층 2720은 제1 글라스 페인 2710의 내측 표면 상에 위치될 수 있고, 전원으로부터 전력을 수신하기 위하여 전선들 2722에 연결될 수 있다. 예를 들어, 전선들 2722는 PV 층 2740으로부터 전력을 수신하기 위해 전선들 2744에 연결될 수 있다. 일렉트로크로믹 층 2720은 다른 전압 레벨이 그것에 적용되었을 때 연속적(continual) 그러나 가역적(reversible) 형태로 컬러, 광전송, 흡수, 반사도, 그리고/또는 방출(emittance)와 같은 광학 특성을 변경시킬 수 있다. PV 층 2740으로 코팅된 제2 글라스 페인 2750, 일렉트로크로믹 층 2720으로 코팅된 제1 글라스 페인 2710과 IGU 스페이서 2730는 IGU를 형성하기 위해 함께 조립될 수 있으며, 여기서 IGU 스페이서 2730는 IGU에서 내부 갭을 형성하기 위하여 제1 글라스 페인 2710과 제2 글라스 페인 2750을 분리시킬 수 있다.
도 28은 특정 실시예들에 따른 IGU 2800 예시의 분해도이다. IGU 2800은 빌딩 IGU로서 사용될 수 있다. PV 모듈은 IGU 2800으로 통합될 수 있다. PV 모듈에 의해 생성된 PV 전력은 이후 직류/교류 변환기(DC-to-AC inverter)에 연결되고 빌딩의 전력 그리드나 스마트 그리드로 공급될 수 있다. 일부 실시예들에서, IGU 2800은 빌딩의 내부와 대면하는 제1 글라스 페인 2810 (또는 글라스 채광창), 그리고 빌딩의 외부 환경과 대면하는 제 2 글라스 페인 2840을 포함할 수 있다. PV 층 2830은 제 2 글라스 페인 2840 상에 형성될 수 있다. PV 층 2830은 전력 모선들 2832와 전선들 2834에 전기적으로 연결될 수 있다. 전선들 2834는 DC 전자 기기(electrical device) 또는 직류/교류 변환기에 연결될 수 있다. PV 층 2830으로 코팅된 제2 글라스 페인 2840, 제1 글라스 페인 2810과 IGU 스페이서 2820는 IGU 2800을 형성하기 위해 함께 조립될 수 있으며, 여기서 IGU 스페이서 2820는 IGU에서 내부 갭을 형성하기 위하여 제1 글라스 페인 2810과 제2 글라스 페인 2840을 분리시킬 수 있다.
상기의 IGUs예시에서, 기재된 특징들을 분명하기 위하여 위하여 설령 기능층들, 로우-E 층들, 캡슐화 층들, 그리고/또는 밀폐제들이 도에 나타내어지거나 명시적으로 기술되지 않았다고 할지라도, 통상의 지식을 가진 자가 상기 층들이나 밀폐제들의 다양한 조합이 상기에 기술된 임의의 IGU에 사용될 수 있음은 쉽게 이해될 것이다.
도 29는 특정 실시예에 따른 IGU 2900 예시의 구성을 보여 준다. IGU 2900은 제1 글라스 페인 2910(예를 들면, 글라스의 12"×12"×1.1 mm 피이스(piece)) 상에 증착된 PV 층(들) 2930을 포함한다. 캡슐화 글라스(예를 들면, 글라스의 12"×11.5"×2.5 mm 피이스)는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcol, PVA), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral, PVB), 또는 열가소성 폴리우레탄계(thermoplastic polyurethane, TPU)와 같은, 광학적으로 투명한 UV-경화성 에폭시(curably epoxy), 열 경화성 에폭시(thermal curably epoxy), 또는 압력-열 접착제(pressure-thermal adhesive)를 사용하여 PV 층(들) 2930의 상부 표면에 결합될 수 있다. 전력 모선들(도 29에 도시되지 않은)은 캡슐화된 이후 노출된 채 있을 수 있는 PV 층(들) 2930의 두 개의 가장자리들을 따라 실버 페이스트로 추가될 수 있다. 전기 컨택트를 위한 와이어들이 납땜(soldering) 그리고/또는 동 테이프(copper tape)를 통해 IGU 2900의 양측에 고정될 수 있다. 스페이서 2950(예를 들면, 11.5"×11.5"×0.5"의 면적으로)이 직접적으로 캡슐화 글라스 2940과 제 2 글라스 페인 292 (예를 들면, 글라스의 12"×12"×2.5 mm 피이스)에 결합될 수 있다.
도 30a 내지 도 30d는 특정 실시예들에 따른 IGU 2900예시의 여러 구성 요소들을 보여 준다. 도 30a는 PV 층(들) 2930과 제1 글라스 페인 2910을 포함하는 조립체 3010을 보여 준다. 조립체 3010은 추가로 PV 층(들)에 연결된 전선들 3012를 포함할 수 있다. 도 30b는 캡슐화 글라스 2940가 PVA, PVB, 또는 TPU와 같은, 광학적으로 투명한 UV-경화성 에폭시, 열 경화성 에폭시 또는 압력-열 접착제를 사용하여 PV 층(들) 2930의 상부 표면에 결합될 수 있다는 것을 보여 준다. 캡슐화 글라스 2940는 하나 방향(예를 들어, 도 30b에 도시된 수직 방향)으로 제1 글라스 페인 2910과 동일한 면적을 가질 수 있고, 다른 방향(예를 들면, 수평 방향)으로 제1 글라스 페인 2910보다 약간 더 짧은(예를 들면, 약 0.5") 것일 수 있다. PV 층(들) 2930의 두 수직의 가장자리들 근처의 일정한 영역은 캡슐화 글라스 2940이 PV 층(들) 2930에 결합된 후 노출될(커버되지 않을) 수 있다. 전력 모선들 또는 다른 전기 접속부들은 PV 층(들) 2930과 접촉이 될 수 있도록 노출된 영역들 상에 형성될 수 있다. 도 30c는 스페이서 2950이 캡슐화 글라스 2940에 결합될 수 있음을 보여 준다. 도 30d는 스페이서 2950이 양쪽 방향에서 조립체 3010보다 약간 더 짧은(예를 들면, 약 0.5") 것일 수 있다는 것을 보여 준다. 따라서, PV 층(들) 2930에 대한 전기 접속부가 스페이서 2950의 밖에 만들어 질 수 있고 그리고 발생된 전력을 IGU 2900의 외부로 가져오기 위하여 스페이서 2950을 통과하여 지나갈 필요가 없다. IGU 2900은 PV 층(들) 2930과의 전기적 컨택트를 위하여 전선들 3012를 노출된 채 두고, 예를 들어, 실리콘 밀봉제를 사용하여 스페이서 2950의 외부 가장자리들 주위로 밀폐될 수 있다.
도 31a 내지 도 31d는 특정 실시예들에 따른 도 29의 완전하게 조립된 IGU 2900 예시를 보여 준다. 도 31a는 완전하게 조립된 IGU 2900의 사시도이다. 도 31b는 IGU 2900의 일부의 확대(zoom-in) 사시도이다. 도 31c는 IGU 2900의 수평 단면도이다. 도 31c는 IGU 2900의 수직 단면도이다. 도 31b와 도 31d에 도시된 바와 같이, 밀폐 글라스 2940의 상부 가장자리는 조립체 3010와 정렬될(aligned) 수 있고, 그렇게 하여 IGU를 조립하기 쉽게 할 수 있다. 도 31b와 도 31c에 도시된 바와 같이, 조립체 3010의 좌우 가장자리들 근처의 영역은 캡슐화 글라스 2940 또는 스페이서 2950에 의해 커버되지 않을 수 있고, 이렇게 하여 스페이서 2950을 통과하여 지나갈 필요 없이 PV 층(들) 2930과 전기적 접속들을 만들기 위하여 사용될 수 있게 된다.
로우-E 기능과 결합된 이중-페인(dual-pane) 윈도우로 통합된 투명한 PV 층들이 난방 및 냉각을 위한 전체 빌딩의 에너지 소비에 대해 가질 수 있는 영향을 추정하기 위해, 빌딩 에너지 시뮬레이션을 수행 할 수 있다. 아래 기술된 예시에서, 일련의 매년 빌딩 에너지 시뮬레이션이 빌딩의 에너지 절감에 대한 로우-E 기능이 가해진 투명한 PV 층을 이중-페인 윈도우에 통합시키는 것의 영향력을 예측하기 위하여 세 개의 다른 기후 지대에서 통상적인 중간 크기의 사무용 건물 상에서 수행된다. 투명한 PV층은 NIR 범위에서 선택적인 흡수와 반사를 하도록 선택된다.
독립형(standalone) 로우-E 층("Low-E"로서 언급된)과 로우-E기능이 추가된 투명한 PV(transparent PV, TPV)층 적재(stack) ("TPV+Low-E"로서 언급된) 예시가 이중-페인 윈도우들로의 통합을 위하여 사용된다. 로우-E와 TPV+Low-E 코팅들의 광학 특성들(예를 들어, 투과와 반사)이 측정된다.
도 32a는 특정 실시예들에 따른 두 개의 물질들(Low-E와 TPV+Low-E)의 투과 스펙트럼을 보여 준다. 로우-E 코팅의 투과 스펙트럼(transmission spectra)은 커브(curve) 3210에 의해 도시되고, TPV+Low-E 코팅의 투과 스펙트럼은 커브 3220에 의해 도시된다. 도 32b는 양쪽 코팅들이 가시 광선에 대해 높은 투과율(transmission rate)를 가지고, TPV+Low-E는 또한 NIR 광에 대해 낮은 투과율을 가진다는 것을 보여 준다.
도 32b는 특정 실시예들에 따른 두 개의 물질들(Low-E와 TPV+Low-E)의 반사 스펙트라를 보여 준다. 반사 스펙트라는 PV 물질 전면으로부터 입사광선(light incident)에 대한 PC층의 반사율(reflection rate)을 보여 준다. 로우-E 코팅의 반사 스펙트럼은 커브 3230에 의해 도시되고, TPV+로우-E 코팅의 반사 스펙트럼은 커브 3240에 의해 도시된다. 도 32b는 양쪽 물질들이 1200 nm보다 더 큰 파장을 가지는 IR 광에 대하여 높은 반사율을 가지고, TPV+로우-E 코팅은 또한 1200 nm이하의 파장을 가지는 NIR광에 대하여 높은 반사율을 가질 수 있다는 것을 보여 준다.
로렌스 버클리 내셔널 실험실(Lawrence Berkeley National Lab)로부터의 소프트웨어 "광학(optics) 6"가 로우-E와 TPV+로우-E 코팅의 측정된 광학 특성들(예를 들면, 투과율, 전방 및 뒷방의 반사도와 방사율 기타 등등)을 사용하여 로우-E와 TPV+로우-E 코팅의 윈도우 시뮬레이션 값을 결정하기 위해 사용된다. 다음에, 클리어 글라스(clear glass)와 로우-E 글라스에 대한 윈도우 조립체를 디자인하기 위하여 사용될 수 있는 주요한 물리적 매개 변수(physical parameters)가 로렌스 버클리 내셔널 실험실의 윈도우 데이터베이스로부터 얻어질 수 있다. 표 1은 클리어 글라스, 로우-E 글라스와 TPV+로우-E 코팅을 가지는 글라스에 대한 이러한 파라미터들의 비교를 보여 준다. 표 1의 하첨자(subscripts)는 태양 스펙트럼의 부분(예를 들면, "솔(sol)" 은 태양광(solar)을 가리키고, "비스(vis)"는 가시(visible)를 가리킴)을 표시한다. 표 1에서 상기 파라미터들에서 숫자(numerals)은 전방 ("1")과 후방("2") 표면을 표시하고, ε가 적외선 방사율을 나타내고, k가 열전도율을 나타낸다.
표 1: 다른 유형의 글라스들의 시뮬레이션 파라미터들
Figure pat00001
로렌스 버클리 내셔널 실험실로부터의 "버클리 실험실 윈도우(Berkeley Lab WINDOW)" 소프트웨어는 아래 기술되는 것으로 다른 윈도 구성의 열(thermal) 및 광학(optical) 성능을 분석하기 위하여 사용된다. 윈도우 특성들을 사용하여, TPV 코팅들을 갖는 그리고 갖지 않는 세 개의 윈도우 구성들의 가시광 투과(visible transmission), 태양 열 취득 계수 (solar heat gain coefficient, SHGC)와 U-값(총괄 열 전달 계수(overall heat transfer coefficient)를 나타내는)의 표준 메트릭스들(standard metrics)이 계산된다. 빌딩 시뮬레이션의 목적을 위하여, 참고 빌딩(reference building)은 이러한 윈도우가 새로운 산업 표준이기 때문에 이중-페인(dual pane) 윈도우를 포함한 것으로 가정된다. 이중-페인 윈도우는 또한 두 개 6-mm 두께의 글라스 페인들을 포함하고 글라스 페인들 사이의 공기 간격이 약 6 mm라는 것으로 가정된다.
도 33a는 클리어 글라스로 IGU 3300 예시를 설명한다. IGU 3300은 내부 갭 3330을 형성하는 제1 글라스 페인 3310과 제 2 글라스 페인 3320을 포함할 수 있다. 제1 글라스 페인 3310은 빌딩의 외부 환경과 대면할 수 있고, 제 2 글라스 페인 3320은 빌딩의 내부와 대면할 수 있다. 도 33b는 로우-E 층 3340을 포함하는 IGU 3302예시를 설명한다. IGU 3302는 내부 갭 3330을 형성하는 제1 글라스 페인 3310과 제 2 글라스 페인 3320을 포함할 수 있다. Low-E 층 3340은 제1 글라스 페인 3310의 내측 표면 상에 위치될 수 있다. 도 33c는 특정 실시예들에 따른 투명한 PV 층을 포함하는 IGU 3304예시를 설명한다. IGU 3304는 내부 갭 3330을 형성하는 제1 글라스 페인 3310과 제 2 글라스 페인 3320을 포함할 수 있다. TPV 코팅 3350(그것이 또한 로우-E 층을 포함할 수 있는)이 제1 글라스 페인 3310의 내측 표면 상에 형성될 수 있다.
시뮬레이션은 윈도우의 에너지 특성들을 디자인하기 위해 표 1으로부터 데이터를 사용하는 정교한(sophisticated) 모델을 사용한다. 모델은 윈도우 특성들에서 각도 변화(angular variation)를 고려하고, 태양 스펙트럼의 각각의 부분을 별도로 처리한다. 표 2는 도 33a-33c에서 보여준 IGU 예시에서 계산된 U-값, SHGC과 VT 값들을 보여 준다.
표 2: 다른 윈도우 구성들에 대하여 계산된 파라미터들
Figure pat00002
표 2에서 U-값은 빌딩의 열판(element)이 얼마나 잘 열을 전도하고 있는지를 기술하는 총괄 열전달 계수(overall heat transfer coefficient)를 나타낸다. 더 낮은 U-값은 보다 높은 수준의 절연(insulation)을 의미하고, 그러므로 윈도우 조립체에 대해 일반적으로 더 적합하다. 표 2에 도시된 바와 같이, 이중-페인 윈도우에 로우-E 또는 TPV+로우-E 코팅의 추가는 실질적으로 이중-페인 윈도우의 U-값을 감소시킬 수 있다.
SHGC가 직접적으로 투과된 부분과 먼저 흡수되고 나중에 안으로 방출되는 두가지 모두를 포함하여, 윈도우를 통해 들어오는 입사 태양열(incident solar radiation)의 비(fraction)을 표시한다. 윈도우의 SHGC가 더 낮을 수록, 윈도우가 투과하는 태양열이 더 적고 그렇게 때문에 여름에 냉각 수요가 더 낮다. 태양열 획득이 글레이징 유형, 페인의 수, 그리고 임의의 글라스 코팅들에 의해 영향을 받을 수 있다. 통상의 이중-페인 윈도우는 0.72 근처의 SHGC를 가질 수 있다. 이 값은 로우-E 코팅을 추가함으로써, 현저하게, 예를 들어, 약 0.5까지 감소될 수 있다. 표 2에 도시된 바와 같이, TPV+로우-E 코팅을 가진 이중-페인 윈도우는 로우-E코팅에 의하여 1200 nm보다 더 적은 파장을 가지는 NIR광의 선택적인 흡수와 반사 그리고 1200 nm 보다 더 큰 파장을 가진 적외선의 반사 때문에 약 0.29의 현저하게 낮은 SHGC 값을 가진다.
이러한 표준 윈도우 메트릭스들이 넓게 받아 들여 지고 이해된다고 할지라도, 그들은 상기 윈도우에서 전력을 생성하는 층과 같은, 첨단 기술의 일부 장점을 확보하는 것에 실패한다. 이러한 문제들을 다루기 위하여, 매년 전체의 빌딩 에너지 시뮬레이션들이 윈도우에 PV 층을 추가하는 것의 장점들을 충분히 평가하기 위하여 미국 전반에 걸쳐 세 개의 대표적인 기후들에서 에너지 성능을 모의 실험하기 위해 수행된다.
미국 에너지부(Department of Energy, DOE)에 의해 개발된 중간 크기의 상업적 참고 건물 모형이 세 가지의 기후에서 에너지 성능을 모의 실험하기 위해 사용된다: 애리조나주(Az), 피닉스(phoenix), 일리노이주(IL), 시카고(Chicago),와 매릴랜드주(MD), 발티모어(baltimore). 이 빌딩 모델은 ASHRAE 90.1-2004빌딩 에너지 코드를 준수하고 통상의 새로운 건축을 나타내도록 설계된다. 중간 크기의 참고 건물 모형은 3 층을 포함하고 전체 모형된 바닥면적은 약 53,600 ft2 이다. 모델은 약 33%의 벽 대비 윈도우(window-to-wall) 비율을 나타내는 약 7027 ft2의 윈도 영역을 갖는다. 상기 윈도우들은 네 개의 정면들(facades)을 따라 고르게 분포된다. 각 층은 네 개의 둘레 존(perimeter zone)들과 하나의 중심 존(core zone)을 가진다. 둘레와 중심 존은 각각 전체 영역의 40%와 60%를 포함한다. 층 대 층(floor-to-floor) 높이는 약 13 ft이고 바닥에서 천장까지의 높이는 약 9 ft이다. 높이에서의 차이는 플레넘(plenum) 높이를 나타낸다.
에너지 플러스 소프트웨어(Energy Plus Software)는 빌딩 에너지 시뮬레이션을 실시하기 위해 사용된다. 각각의 윈도우 구조와 각 위치에 대한 전체 빌딩의 냉각 및 난방 에너지 소비는 에너지 플러스 소프트웨어(Energy Plus software)를 사용하여 계산된다. TPV-코팅된 윈도우에 의해 생산된 전력은 내셔널 리뉴어블 에너지 실험실(National Renewable Energy Lab, NREL)로부터 얻어지는 각 위치에 대한 평균 태양 조명(illumination) 데이터를 사용하여 추정된다.
표 3은 다른 지리적인 위치에서 다른 윈도우 구성들에 대한 난방, 통풍과 공기 조절 장치 (heating, ventilation, and air conditioning, HVAC) 에너지 소비를 설명한다. 매년 난방과 냉방 에너지 수요는 원하는 항온 설정 지점(thermostat set point)를 유지하기 위하여 ＨＶＡＣ 시스템에 의해 빌딩으로부터 전달되거나 제거되는 열적 에너지의 양을 나타낸다. 두 가지의 로우-E와 TPV+로우-E-코팅된 윈도우는 베이스라인 이중-페인 윈도우와 비교되어 모든 기후들에서 HVAC 에너지에 대한 감소된 수요를 초래하고, TPV+Low-E-코팅된 윈도우에 대하여는 현저하게 더 높은 HVAC의감소를 가져왔다. 추가로, TPV-코팅된 윈도우에 의해 생성된 PV 전력은 NREL으로부터 평균 태양 조명 세기 데이터를 사용하고 5% PV 효율을 가정하여 추정된다. 생성된 PV 전력과 HVAC 절약의 조합으로, TPV 코팅을 포함하는 윈도우가 통상 빌딩들보다 전력 소비에서 약 40-50% 감소까지 이어질 수 있다. 이는 빌딩 에너지 소비에서 절약의 상당한 양이고, TPV 코팅이 빌딩-통합 광 기전력 모듈에 가질 수 있는 큰 효과를 보여 준다.
표 3: 다른 윈도우 구성들에 대한 난방과 냉각 에너지 수요들
Figure pat00003
본 명세서에 기술된 특정 단계들와 기기들은 본 발명의 실시예들에 따른 가시적으로 투명한 광기전력 모듈을 만드는 특정한 방법을 제공한다는 점이 이해되어야 한다. 또한 단계들의 다른 시퀀스들은 또한 대체 가능한 실시예에 따라 수행될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다른 대안적인 실시예는 다른 순서로 상기에 개략화된 상기 단계들을 수행할 수 있다. 더욱이, 여기에 기술된 개별적 단계들과 기기들은 개별적 실시예에 적합하게 다양한 시퀸스들로 수행될 수 있는 서브-단계들을 포함할 수 있다. 게다가, 추가적 단계들과 구성요소들은 특정 애플리케이션에 따라 추가되거나 제거된다. 해당 기술분야에서 통상의 지식의 자는 많은 변형, 수정과 대안을 인지할 것이다.
또한 여기에 기술된 예시들과 실시예들이 단지 설명의 목적을 위한 것이고 그 측면에서 다양한 수정 또는 변화가 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 제안되고 본 출원의 목적과 범위 그리고 첨부된 청구범위에 포함된다.

Claims (1)

  1. 전기 생성 윈도우에 있어서,
    내측 표면을 포함하는 제 1 글라스 페인;
    내측 표면을 포함하는 제 2 글라스 페인; 및
    상기 제 1 글라스 페인의 내측 표면 또는 상기 제 2 글라스 페인의 내측 표면 상에 형성된 광기전력 장치
    를 포함하되,
    상기 광기전력 장치는,
    제 1 투명 전극층;
    제 2 투명 전극층; 및
    자외선 또는 근적외광을 흡수하고 가시 광선을 투과하도록 구성된 하나 또는 그 이상의 활성층들을 포함하는,
    전기 생성 윈도우.
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