KR20240059666A - 투명 태양광 모듈 및 이를 포함하는 대상체 - Google Patents

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KR20240059666A
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신명훈
윤영빈
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한국항공대학교산학협력단
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Abstract

본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈은, 양면발전 가능하게 제공되고 면 법선 방향이 전후 방향과 직교하게 배치되는 제1 태양전지; 양면발전 가능하게 제공되고 면 법선 방향이 전후 방향과 직교하게 배치되되, 상기 제1 태양전지와 면 법선 방향 중 타측 방향으로 간격을 두고 배열되는 제2 태양전지; 상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이에 전후 방향에 대하여 면이 기울어진 상태로 배치되되, 제1 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 투과하고 상기 제1 파장 영역과는 다른 제2 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 반사하도록 구비되는 광학 구조체; 상기 제1 태양전지 및 상기 제2 태양전지에서 생성되는 전력을 외부로 전달하도록 상기 제1태양전지 및 상기 제2 태양전지 각각과 전기적으로 연결되는 전극부; 및 상기 제1 태양전지, 상기 제2 태양전지 및 상기 광학 구조체를 지지하도록 제공되고, 광 투과성을 가지는 모재부를 포함할 수 있다.

Description

투명 태양광 모듈 및 이를 포함하는 대상체{TRANSPARENT PHOTOVOLTAIC MODULE AND OBJECT CONTAINING THIS}
본원은 투명 태양광 모듈 및 이를 포함하는 대상체에 관한 것이다.
태양광은 임의의 방향으로 넓은 영역에 골고루 퍼지는 특성을 갖는다. 따라서 태양광을 포집하여 전력 생산의 효율을 높이는 것은 태양광발전의 기본적인 아이디어이다.
투명 태양전지 모듈은 특성상, 시각적 투명성을 확보하기 위해 가시광선 영역의 빛을 투과시켜야 하는데, 이는 태양전지 발전 효율의 손실을 의미한다. 이를 보완하기 위해서, 근적외선(NIR) 이상의 장파장 영역의 빛을 최대한 활용할 필요가 있다. 이를 구현하기 위해서는 가시광선 영역의 빛은 최대한 투과시키고 NIR 이상의 빛은 최대한 반사시킬 수 있도록 만드는 광학 구조체의 설계가 필수적이다. 또한, 반사된 빛이 태양전지에 최대한 집광 되도록 광학 구조체를 적절하게 배치하는 것 역시 중요하다.
또한, 태양전지 모듈은 발전 효율을 높이기 위해, 집광 장치를 활용하여 태양광에 대한 집광 능력을 개선하는 방법을 취하는 경우가 있으며, 개선 방법의 대부분이 집광 기능을 담당하는 광학 구조체의 형상을 개선하는 방식을 취하고 있다. 주로, 종래의 태양전지 모듈은 포물선과 같이 곡율을 갖는 형태로 광학 구조체를 설계하여 집광 능력을 높였다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국특허공개공보 제10-2022-0053298호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 파장 선택적 기능을 갖는 편평한 광학 구조체를 모듈 내에 적절하게 배치함으로써, 투명 태양전지 모듈이 높은 집광 효율과 이를 통한 높은 발전 효율을 갖도록 하는 투명 태양광 모듈 및 이를 포함하는 대상체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들도 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈은, 양면발전 가능하게 제공되고 면 법선 방향이 전후 방향과 직교하게 배치되는 제1 태양전지; 양면발전 가능하게 제공되고 면 법선 방향이 전후 방향과 직교하게 배치되되, 상기 제1 태양전지와 면 법선 방향 중 타측 방향으로 간격을 두고 배열되는 제2 태양전지; 상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이에 전후 방향에 대하여 면이 기울어진 상태로 배치되되, 제1 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 투과하고 상기 제1 파장 영역과는 다른 제2 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 반사하도록 구비되는 광학 구조체; 상기 제1 태양전지 및 상기 제2 태양전지에서 생성되는 전력을 외부로 전달하도록 상기 제1태양전지 및 상기 제2 태양전지 각각과 전기적으로 연결되는 전극부; 및 상기 제1 태양전지, 상기 제2 태양전지 및 상기 광학 구조체를 지지하도록 제공되고, 광 투과성을 가지는 모재부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 모재부는, 상기 투명 태양광 모듈의 전방 영역의 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지는 재료로 모듈 내부가 채워지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 광학 구조체의 면 기울기는, 상기 전방 영역으로부터 입사되어 상기 광학 구조체에 대하여 반사된 반사광이 상기 전방 영역과 상기 모재부 사이의 계면에서 다시 모듈 내부로 전반사되는 임계각을 고려하여 설정되고, 상기 임계각은 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 광학 구조체의 면 기울기(θA)는 상기 임계각(θC)과 하기 [수학식 1]의 관계를 만족하도록 설정되고,
[수학식 1]
θA<90˚-θC
여기서, θA는 예각인 면 기울기이고, θC는 임계각으로서 하기 [수학식 2]로 계산되며,
[수학식 2]
θC=sin-1(n1/n2)
여기서, n1은 상기 제1 굴절률이고, n2는 상기 제2 굴절률이고, n1<n2일 수 있다.
또한, 상기 투명 태양광 모듈은, 상기 전방 영역으로부터 상기 계면에 대해 입사되는 빛의 입사각 중 상기 광학 구조체의 면 기울기에 대응하는 입사각을 상한 입사각으로 하고, 상기 상한 입사각을 기준으로 180˚-(θA+θC)만큼 뺀 입사각을 하한 입사각으로 하는 입사각도 범위 내로 입사되는 빛에 대하여 상기 입사각도 범위를 벗어나 입사되는 빛보다 상기 제1 태양전지 및 상기 제2 태양전지 중 하나 이상에 대한 집광 효율을 높이도록 제공될 수 있다.
또한, 상기 투명 태양광 모듈은, 상기 모재부에서 상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지의 면 법선 방향 양측 중 적어도 일측에 형성되는 반사층을 포함하고, 상기 반사층은, 계면에서 다시 모듈 내부로 전반사된 반사광 중 상기 제1 태양전지 또는 상기 제2 태양전지에 미도달된 반사광 중 적어도 일부를 재반사하도록 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 파장 영역은 400 nm 내지 700 nm 파장을 포함하는 가시광선 영역이고, 상기 제2 파장 영역은 700 nm 내지 1200 nm 파장을 포함하는 근적외선(NIR) 이상의 장파장 영역일 수 있다.
또한, 상기 광학 구조체는, 제1 물질 및 상기 제1 물질보다 상대적으로 굴절률이 낮은 제2 물질을 교번하여 적층한 다층 구조로 제공될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 대상체는 본원의 일 실시예에 따른 태양광 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 대상체는 구조물, 자동차, 열차, 및 항공기 중 어느 하나일 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈은 제1 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 투과하고 제2 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 반사하도록 구비되는 광학 구조체를 포함함으로써, 가시광선 영역의 빛은 투과하여 시각적 투명성은 확보하고, 근적외선(NIR) 이상의 장파장 영역의 빛은 최대한 활용하여 태양전지 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈은 광학 구조체의 면 기울기가 전방 영역으로부터 입사되어 광학 구조체에 대하여 반사된 반사광이 전방 영역과 모재부 사이의 계면에서 다시 모듈 내부로 전반사되는 임계각을 고려하여 설정됨으로써, 태양전지에 포집되지 않고 모듈 외부로 새어나가는 빛이 모듈 내부에서 다시 전반사돼서 태양전지에 다시 포집되는 효과가 발휘될 수 있으며, 이에 따라 광학 구조체의 편평한 단순한 형상으로도 모듈의 집광 능력을 높일 수 있고, 결과적으로 모듈의 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈은 시각적인 투명성을 확보하고 집광 효율을 높이기 위한 광학 구조체를 양면발전 태양전지와 결합함으로써, 높은 발전 효율과 가시광 대역에서 높은 투과도를 갖는 투명 태양전지 모듈 제작이 가능할 수 있다
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈을 설명하기 위한 전체 모식도(3D 이미지)이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈을 설명하기 위한 전체 모식도(측면 이미지)이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 설계를 설명하기 위한 광학 구조체의 파장 선택적 특성의 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 설계를 설명하기 위한 광학 구조체의 기울기 조건에 관한 개략적인 개념도이다.
도 5는 광학 구조체의 배치 별 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 구현예를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 광학 구조체의 반사 코팅 활용의 예시를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈(이하 '본 모듈'이라 함)에 대해 설명한다. 본원에서 '투명'이란 완전히 투명한 경우뿐만 아니라 소정의 광 투과성을 갖는 반투명한 경우까지 포괄하는 넓은 의미로 해석될 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 전체 모식도를 설명하기 위한 개략적인 개념도(3D 이미지)이며, 도 2는 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 전체 모식도를 설명하기 위한 개략적인 개념도(측면 이미지)이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 모듈(100)은 제1 태양전지(110), 제2 태양전지(120), 광학 구조체(130), 전극부, 모재부(140)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 태양전지(110)는 양면발전 가능하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 태양전지(110)는 발전 가능한 양면을 갖는 판형으로 구비될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 태양전지(110)는 면 법선 방향(제1 태양전지의 양면 중 어느 한 면의 법선 방향)이 전후 방향과 직교하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 기준으로, 전후 방향은 3시-9시 방향일 수 있으며, 더욱 자세하게, 전방(실외)은 9시 방향, 후방(실내)는 3시 방향일 수 있다.
또한, 도 1 및 도2를 참조하면, 제2 태양전지(120)는 양면발전 가능하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 제2 태양전지(120)는 발전 가능한 양면을 갖는 판형으로 구비될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 제2 태양전지(120)는 면 법선 방향(제2 태양전지의 양면 중 어느 한 면의 법선 방향)이 전후 방향과 직교하게 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 2를 기준으로 설명하면, 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)는 발전 가능한 양면의 면 방향이 수평방향(도 2 기준 3시-9시 방향)을 향하게, 다시 말해, 양면 각각의 법선 방향이 수직방향(도 2 기준 12시-6시 방향)을 향하도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)의 면 법선 방향은 도 2를 기준으로 12시-6시 방향, 전후 방향은 도2를 기준으로 3시-9시 방향일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)는 필요에 따라 그 면 법선 방향이 수직방향이 아닌 다른 방향을 향하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)는 그 면 법선 방향이 수평방향(도2 기준 3시-9시 방향)을 향하게 배치되거나, 비스듬한 경사방향을 향하게 배치될 수 있으며, 이러한 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)의 배치에 대응(각각의 면 법선 방향이 서로 직교하도록 대응)되게 본 모듈(100)의 전후방향 또한 배치될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 제2 태양전지(120)는 제1 태양전지(110)와 면 법선 방향 중 타측 방향으로 간격을 두고 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 기준으로, 제1 태양전지(110)의 그 면 법선 방향 중 타측은 6시 방향일 수 있다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 설계를 설명하기 위한 광학 구조체의 파장 선택적 특성의 그래프이며, 도 4a는 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 설계를 설명하기 위한 광학 구조체의 기울기 조건에 관한 개략적인 개념도이고, 도 4b는 도 4a의 (d)의 영역을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 2 내지 도 4a를 참조하면, 광학 구조체(130)는 제1 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 투과하고 제1 파장 영역과는 다른 제2 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 반사하도록 구비될 수 있다. 예를 들어, 광학 구조체(130)는 특정 파장 대역의 빛을 투과 또는 반사하는 파장 선택적 특성을 가질 수 있다. 또한, 예를 들면, 광학 구조체(130)는 특정 파장 대역의 빛을 투과 또는 반사하는 특성을 가지는 파장 선택적 기능을 갖는 필터(혹은 반사체)일 수 있다.
도 3을 참조하면, 광학 구조체(130)는 제1 물질 및 제1 물질보다 상대적으로 굴절률이 낮은 제2 물질을 교번하여 적층한 다층 구조로 제공될 수 있다. 예를 들어 도 3을 참조하면, 광학 구조체(130)의 파장 선택적 특성은 광학 구조체(130)를 상대적으로 굴절률이 높은 물질(도 3 기준 NH1, NH2)과 낮은 물질(도 3 기준 NL)로 교번하여 적층한 다층 박막(DBR, Distributed Bragg Reflector)으로 구비됨으로써 구현할 수 있다.
또한, 예를 들어, 도 3의 (b) 및 (c)의 그래프는 광학 구조체(130)를 굴절률이 상대적으로 높은 물질((Al2O3, TiO2)과 낮은 물질(SiO2)로 다층 박막을 형성한 경우의 스펙트럼 특성을 나타낼 수 있다. 도 3의 (b) 및 (c)를 참조하면, 광학 구조체(130)는 가시광선 영역(400~700[nm])에서는 높은 투과율을, NIR 이상의 장파장 영역(700~1200[nm])에서는 높은 반사율을 가질 수 있다.
다른 예로, 광학 구조체(130)는 다층 박막 구조가 아닌, 얇은 단일 금속이나 금속과 산화물을 적층한 구조로도 파장 선택적 특성을 갖도록 구현될 수 있다.
광학 구조체(130)의 제1 파장 영역은 400 nm 내지 700 nm 파장을 포함하는 가시광선 영역이고, 제2 파장 영역은 700 nm 내지 1200 nm 파장을 포함하는 근적외선(NIR) 이상의 장파장 영역일 수 있다. 예를 들어, 광학 구조체(130)는 가시광선 영역의 빛은 투과하여 시각적인 투명성을 확보할 수 있으며, NIR 이상의 장파장 영역의 빛은 반사하여 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)로 집광시키고 발전에 사용할 수 있다.
도 2 내지 도 4a를 참조하면, 광학 구조체(130)는 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120) 사이에 전후 방향에 대하여 면이 기울어진 상태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 광학 구조체(130)는 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120) 사이에 미리 설정된 각도 조건으로 기울어진 상태로 배치될 수 있다. 이는 본 모듈(100)의 발전 효율을 높이기 위한 설계일 수 있다.
예를 들어, 도 3 및 도 4a를 참조하면, 광학 구조체(130)는 제2 파장 영역(NIR 이상의 장파장 영역)의 빛을 반사하여, 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)로 집광할 수 있도록 도와주는 역할을 하도록 구비될 수 있다.
광학 구조체(130)의 면 기울기에 관한 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 도 1 및 도 2를 참조하면, 모재부(140)는 제1 태양전지(110), 제2 태양전지(120) 및 광학 구조체(130)를 지지하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 모재부(140)가 제1 태양전지(110), 제2 태양전지(120) 및 광학 구조체(130)를 지지한다는 것은, 물리적으로 지지한다는 것일 수 있다.
또한, 모재부(140)는 광 투과성을 가질 수 있다. 예를 들어, 모재부(140)는 광 투과성을 가지는 유리 혹은 폴리머 재질을 포함하는 재질(재료)들이 모재로 사용될 수 있다. 예를 들어, 모재부(140)는 광 투과성을 가지는 재질을 모재로 사용하여 본 모듈(100)의 내부를 채우도록 구비될 수 있다.
또한, 도 4a를 참조하면, 모재부(140)는 본 모듈(100)의 전방 영역의 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지는 재료로 모듈 내부가 채워지게 형성될 수 있다. 참고로, 도 4a의 (a)를 기준으로, 전방 영역은 9시 방향일 수 있다.
또한, 예를 들어, 모재부(140)는 본 모듈(100) 내부에 채워지며, 외부의 공기보다 높은 굴절률 값을 갖도록 구비될 수 있다. 이에 따라, 본 모듈(100)은 전반사 발생의 조건을 가질 수 있다. 참고로, 도 4a의 (a)는 전반사가 일어나기 위한 조건을 설명하기 도면일 수 있으며, 도 4a의 (a)를 참조하면, 전반사는 본 모듈(100)의 외부와 내부의 굴절률이 달라야 하고, 본 모듈(100)의 내부가 외부보다 높은 굴절률 값을 가져야 한다. 즉, 도 4a의 (a)를 기준으로, n1<n2일 수 있다. 여기서, n1은 제1 굴절률이고, n2는 제2 굴절률일 수 있다.
도 4a를 참조하면, 광학 구조체(130)의 면 기울기는, 전방 영역으로부터 입사되어 광학 구조체(130)에 대하여 반사된 반사광이 전방 영역과 모재부(140) 사이의 계면(경계면)에서 다시 모듈 내부로 전반사되는 임계각을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 임계각(Critical Angle)은 전반사가 일어나기 시작하는 각도일 수 있다. 또한, 임계각은 제1 굴절률(n1)과 제2 굴절률(n2)에 의해 결정될 수 있다.
또한, 예를 들어, 반사광은 전방 영역으로부터 입사되어 광학 구조체(130)에 대하여 반사된 제2 파장 영역의 빛(NIR 이상의 장파장 영역의 빛)일 수 있다. 즉, 예를 들어, 본 모듈(100)은 모듈 외부로 빠져나가는 빛을 다시 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)로 포집하기 위해서 반사광이 본 모듈(100) 내부에서 전반사가 일어나도록 설계할 필요가 있으며, 광학 구조체(130)는 임계각을 고려하여 설정(특정 각도 조건으로 기울어지도록 설정)될 수 있다.
또한, 예를 들어, 도 4a를 참조하면, 반사광의 대부분은 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)로 향하지만, 경우에 따라 일부가 태양전지(제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120))로 향하지 않고 본 모듈(100) 외부로 빠져나갈 수 있다.
또한, 예를 들어, 도 4a의 (b)를 참조하면, 빛이 법선(a) 방향으로 광학 구조체(130)에 입사(입사광)하게 되면, 도 4a의 (c)를 참조하여, 빛이 반사(반사광)하게 될 수 있다. 또한, 도 4a의 (c)를 참조하면, 본 모듈(100) 외부와 본 모듈(100) 내부 사이의 계면에 반사광이 임계각(θc) 보다 크게 입사하면, 해당 빛은 전반사가 발생하여 본 모듈(100) 내부로 다시 반사될 수 있다. 따라서, 제1 태양전지(110) 또는 제2 태양전지(120)에 다시 포집되어 본 모듈(100)의 발전 효율을 높일 수 있다.
도 4a를 참조하면, 광학 구조체(130)의 면 기울기(θA)는 임계각(θc)과 하기 [수학식 1]의 관계를 만족하도록 설정될 수 있다.
[수학식 1]
θA<90˚-θC
예를 들어, 도 4a의 (a)를 참조하면, 광학 구조체(130)에 법선(a) 방향으로 입사하는 빛은 반사되어, 계면에서 법선(b)를 기준으로 90˚-θC의 각도를 갖게될 수 있다. 이때, 임계각(θC)보다 90˚-θA가 더 큰 각도를 가질 때, 모듈 내부의 빛은 전반사가 일어날 수 있으며, 이에 따라, 광학 구조체의 기울기는 θA<90˚-θC를 만족할 수 있다.
여기서, 도 4a의 (a)를 참조하면, θA는 예각인 면 기울기이고, θC는 임계각으로서 하기 [수학식 2]로 계산될 수 있다.
[수학식 2]
θC=sin-1(n1/n2)
즉, 예를 들어, 도 4a의 (a)를 참조하면, n1은 모듈 외부의 굴절률 값이며, n2는 모듈 내부의 굴절률 값으로, 임계값 θC는 상기 [수학식 2]로 계산될 수 있다. 단, 이때, n1은 n2보다 작아야 한다(n1<n2).
또한, 도 4a의 (c)를 참조하면, 광학 구조체(130)의 기울기는 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 정리하면 아래 [수학식 3]을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
θA<90˚-sin-1(n1/n2)
도 4a의 (d)를 참조하면, 본 모듈(100)은 전방 영역으로부터 계면에 대해 입사되는 빛의 입사각 중 광학 구조체(130)의 면 기울기에 대응하는 입사각을 상한 입사각으로 하고, 상한 입사각을 기준으로 180˚-(θA+θC)만큼 뺀 입사각을 하한 입사각으로 하는 입사각도 범위 내로 입사되는 빛에 대하여 입사각도 범위를 벗어나 입사되는 빛보다 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120) 중 하나 이상에 대한 집광 효율을 높이도록 제공될 수 있다. 즉, 예를 들어, [수학식 1], [수학식 2], 및 [수학식 3]에 따라 광학 구조체(130)를 배치하였을 때, 입사각도 범위에 대한 영역은 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120) 중 하나 이상에 대한 높은 집광 효과를 기대할 수 있는 입사광의 입사각도 범위를 의미할 수 있으며, 해당 각도 범위 내에서 입사하는 빛에 대하여, 본 모듈(100) 외부로의 광 손실을 최소화하고 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)의 광 포집을 높일 수 있다.
도 4a의 (d) 및 도 4b를 참조하면, 입사각도 범위에 대한 영역은 면 기울기(θA) 및 임계각(θC)에 의해, θA+θc+(90˚-θA-θc)+(90˚-θA-θc)과 같은 각도 계산 과정에 따라 180˚-(θA+θC)로 계산될 수 있다.
상기 상술한 내용은, 본 모듈(100)의 외부가 공기인 경우로 가정하였으며, 본 모듈(100)의 외부는 공기뿐만 아니라 다른 매질일 수 있으며, 이에 따라 본 모듈(100)의 광학 구조체(130)의 면 기울기와 같은 설계는 상기 [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]에 따른 조건에 맞게 광학 구조체(130)의 면 기울기를 설정할 수 있음은 물론이다.
도 5는 광학 구조체의 배치 별 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 구현예를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
또한, 도 5를 참조하면, 본 모듈(100)의 광학 구조체(130)는 상기 [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]에 따른 광학 구조체(130)의 면 기울기 조건을 만족하면서 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 광학 구조체(130)의 방향 및 위치는 다양하게 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 5의 (a)를 참조하면, 광학 구조체(130)는 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120) 사이의 영역에서 좌우(도 5의 (a) 기준 3시-9시 방향) 위치를 자유롭게 설정할 수 있다. 또한, 다른 예로, 도 5의 (b)를 참조하면, 광학 구조체(130)는 상하 방향(도 5의 (b) 기준 12시-6시 방향)을 바꾼 후, 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120) 사이의 영역에서 좌우(도 5의 (b) 기준 3시-9시 방향) 위치를 자유롭게 설정할 수 있다.
또한, 다른 예로, 도 5의 (c) 및 (d)를 참조하면, 광학 구조체(130)는 방향을 엇갈리게 배치할 수 있으며, 이 또한 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120) 사이의 영역에서 좌우(도 5의 (a) 기준 3시-9시 방향) 위치를 자유롭게 설정할 수 있다. 또한, 다른 예로, 도 5의 (e) 및 (f)를 참조하면, 광학 구조체(130)는 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120) 사이 간격에 따라 크기가 자유롭게 조절되어 배치될 수 있다.
예를 들어, 본 모듈(100)은 가시광선 영역의 빛은 투과시키기 때문에 시각적인 투명성은 확보할 수 있으며, 반사된 NIR 이상의 장파장 영역의 빛은 태양전지의 발전에 사용될 수 있다. 또한, 광학 구조체(130)는 모듈 내에 결합되는 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120) 사이에 기울어진 형태로 배치될 수 있으며, 이러한 배치는 빛을 태양전지에 집광시키는 효과를 주기 때문에 본 모듈(100)의 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 모듈(100)의 광학 구조체(130)가 배치되는 기울기는 특정 각도 조건을 갖는데, 이는 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)에 포집되지 않고 본 모듈(100) 외부로 새어나가는 빛이 모듈 내부에서 전반사되도록 만들기 위함일 수 있다. 또한, 전반사 되는 빛은 최종적으로 태양전지에 포집되므로 본 모듈(100)의 발전 효율 향상에 도움을 줄 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 모듈(100)은 전극부를 포함할 수 있다. 전극부는 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)에서 생성되는 전력을 외부로 전달하도록 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120) 각각과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전극부는, 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)와 연결되는 전극층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극층은 투명 전극층일 수 있으며, 다른 예로, 전극층은 불투명 전극층일 수 있다.
즉, 본 모듈(100)은 양면발전이 가능한 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지, 광학 구조체(130), 이를 물리적으로 지지하고 본 모듈(100) 내부를 채우는 모재부(140), 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지를 전기적으로 연결하는 투명(혹은 불투명) 전극부를 포함할 수 있다.
또한, 예를 들어, 전극부는 본 모듈(100)의 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)를 직렬 및 병렬의 다양한 형태로 연결할 수 있으며, 출력전압과 출력 전류의 조절이 가능할 수 있다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 투명 태양광 모듈의 광학 구조체의 반사 코팅 활용의 예시를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
또한, 도 6을 참조하면, 본 모듈(100)은 반사층(160)을 포함할 수 있다. 반사층(160)은 모재부(140)에서 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120)의 면 법선 방향으로 양측 중 적어도 일측에 형성될 수 있다. 반사층(160)은 계면에서 다시 모듈 내부로 전반사된 반사광 중 제1 태양전지(110) 또는 제2 태양전지(120)에 미도달된 반사광 중 적어도 일부를 재반사하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 반사층(160)은 광학 구조체(130)에 반사된 빛이 모듈 내부로 전반사하도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 (a)를 참조하면, 본 모듈(100)의 제1 태양전지(110) 또는 제2 태양전지(120)에 미도달된 반사광이 본 모듈(100)의 측면부(전후 방향)가 아닌 본 모듈(100)의 상하부(태양전지의 면 법선 방향)로 향하는 경우, 본 모듈(100)의 외부로 빛이 빠져나갈 수 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해, 도 6의 (b)를 참조하면, 본 모듈(100)은 모재부(140)에서 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120)의 면 법선 방향으로 양측에 대해 반사층(160)을 형성할 수 있으며, 이에 따라, 모듈의 상하부(태양전지의 면 법선 방향)로 빠져나갈 수 있는 빛을 다시 제1 태양전지(110) 또는 제2 태양전지(120)에 도달되어 빛을 포집할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 예를 들어, 도 6의 (b)를 참조하면, 본 모듈(100)의 반사층(160)은 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120)의 면 법선 방향으로 양측 중 적어도 일측에 편평한 형태로 반사 코팅 처리할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니며, 다른 예로, 도 6의 (c) 및 (d)를 참조하면, 반사층(160)은 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(120)의 면 법선 방향으로 양측 중 적어도 일측에 대해 태양전지의 광 포집에 유리하게 설계될 수 있다.
본 모듈(100)은 광학 구조체(130)가 제1 파장 영역(가시광선 영역)의 빛은 투과시키면서 제2 파장 영역(NIR 이상의 장파장 영역)의 빛은 반사하는 파장 선택적 기능을 갖는다는 점에서 큰 특징을 가지지만, 무엇보다도 광학 구조체(130)의 형상을 편평하게 단순화할 수 있다는 점에서 모듈 제작의 큰 이점을 가질 수 있다. 또한, 이는 빛의 전반사 특정을 활용하여 구현이 가능하며, 광학 구조체(130)를 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(120)의 사이에 특정 각도 조건을 가지도록 배치되면, 태양전지에 포집되지 않고 모듈 외부로 새어나가는 빛이 모듈 내부에서 다시 전반사돼서 태양전지에 다시 포집되는 효과를 부여할 수 있다. 따라서, 본 모듈(100)은 광학 구조체의 편평한 단순한 형상으로도 모듈의 집광 능력을 높일 수 있고, 결과적으로 모듈의 발전 효율을 높일 수 있다.
한편, 이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 태양광 모듈을 포함하는 대상체(이하 '본 대상체'라 함)에 대해 설명하기로 한다. 다만, 본 대상체는 전술한 본 모듈(100)과 동일하거나 상응하는 기술적 특징을 공유하는 것으로서, 본 모듈(100)의 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하며 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
본 대상체는 구조물, 자동차, 열차 및 항공기 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 본 모듈(100)은 높은 시각적 투명성을 가지면서도, 집광 효율을 높음으로써 고효율의 에너지 생산이 가능할 수 있으며, 본 모듈(100)의 이러한 특성은, 건축 분야를 비롯한 자동차, 열차, 항공기 등의 다양한 분야에 활용될 수 있다. 또한, 본 모듈(100)은 주요 에너지 소비원의 에너지자립도를 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 국가적으로도 에너지 비용을 크게 절감하는데 도움을 줄 수 있다.
오늘날 태양전지가 여러 산업 분야에서 활용됨에 따라, 에너지 생산이라는 본래의 기능 이상으로 다양한 목적과 용도에 맞춰 다른 기술들과 접목 및 활용하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 이러한 차세대 태양전지들은 각종 분야에 활용되어 다양한 부가 가치를 창출할 수 있다. 차세대 태양전지 개발의 일환으로서, 본 모듈(100)은 높은 시각적 투명성을 가지면서도, 집광 효율을 높임으로써 고효율의 에너지 생산을 가능하게 할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 투명 태양광 모듈
110: 제1 태양전지
120: 제2 태양전지
130: 광학 구조체
140: 모재부
150: 반사층

Claims (10)

  1. 투명 태양광 모듈에 있어서,
    양면발전 가능하게 제공되고 면 법선 방향이 전후 방향과 직교하게 배치되는 제1 태양전지;
    양면발전 가능하게 제공되고 면 법선 방향이 전후 방향과 직교하게 배치되되, 상기 제1 태양전지와 면 법선 방향 중 타측 방향으로 간격을 두고 배열되는 제2 태양전지;
    상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지 사이에 전후 방향에 대하여 면이 기울어진 상태로 배치되되, 제1 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 투과하고 상기 제1 파장 영역과는 다른 제2 파장 영역의 빛 중 적어도 일부를 반사하도록 구비되는 광학 구조체;
    상기 제1 태양전지 및 상기 제2 태양전지에서 생성되는 전력을 외부로 전달하도록 상기 제1태양전지 및 상기 제2 태양전지 각각과 전기적으로 연결되는 전극부; 및
    상기 제1 태양전지, 상기 제2 태양전지 및 상기 광학 구조체를 지지하도록 제공되고, 광 투과성을 가지는 모재부를 포함하는 투명 태양광 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모재부는, 상기 투명 태양광 모듈의 전방 영역의 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지는 재료로 모듈 내부가 채워지게 형성되는 것인, 투명 태양광 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광학 구조체의 면 기울기는, 상기 전방 영역으로부터 입사되어 상기 광학 구조체에 대하여 반사된 반사광이 상기 전방 영역과 상기 모재부 사이의 계면에서 다시 모듈 내부로 전반사되는 임계각을 고려하여 설정되고,
    상기 임계각은 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률에 의해 결정되는 것인, 투명 태양광 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학 구조체의 면 기울기(θA)는 상기 임계각(θC)과 하기 [수학식 1]의 관계를 만족하도록 설정되고,
    [수학식 1]
    θA<90˚-θC
    여기서, θA는 예각인 면 기울기이고, θC는 임계각으로서 하기 [수학식 2]로 계산되며,
    [수학식 2]
    θC=sin-1(n1/n2)
    여기서, n1은 상기 제1 굴절률이고, n2는 상기 제2 굴절률이고, n1<n2인 것인, 투명 태양광 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 투명 태양광 모듈은, 상기 전방 영역으로부터 상기 계면에 대해 입사되는 빛의 입사각 중 상기 광학 구조체의 면 기울기에 대응하는 입사각을 상한 입사각으로 하고, 상기 상한 입사각을 기준으로 180˚-(θA+θC)만큼 뺀 입사각을 하한 입사각으로 하는 입사각도 범위 내로 입사되는 빛에 대하여 상기 입사각도 범위를 벗어나 입사되는 빛보다 상기 제1 태양전지 및 상기 제2 태양전지 중 하나 이상에 대한 집광 효율을 높이도록 제공되는 것인, 투명 태양광 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 투명 태양광 모듈은, 상기 모재부에서 상기 제1 태양전지와 상기 제2 태양전지의 면 법선 방향 양측 중 적어도 일측에 형성되는 반사층을 포함하고,
    상기 반사층은, 계면에서 다시 모듈 내부로 전반사된 반사광 중 상기 제1 태양전지 또는 상기 제2 태양전지에 미도달된 반사광 중 적어도 일부를 재반사하도록 제공되는 것인, 투명 태양광 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 영역은 400 nm 내지 700 nm 파장을 포함하는 가시광선 영역이고,
    상기 제2 파장 영역은 700 nm 내지 1200 nm 파장을 포함하는 근적외선(NIR) 이상의 장파장 영역인 것인, 투명 태양광 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광학 구조체는, 제1 물질 및 상기 제1 물질보다 상대적으로 굴절률이 낮은 제2 물질을 교번하여 적층한 다층 구조로 제공되는 것인, 투명 태양광 모듈.
  9. 제1항에 따른 태양광 모듈을 포함하는 대상체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 대상체는 구조물, 자동차, 열차, 및 항공기 중 어느 하나인 것인 대상체.
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