WO2013105796A1 - 하이브리드형 발전 디바이스 - Google Patents

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WO2013105796A1
WO2013105796A1 PCT/KR2013/000203 KR2013000203W WO2013105796A1 WO 2013105796 A1 WO2013105796 A1 WO 2013105796A1 KR 2013000203 W KR2013000203 W KR 2013000203W WO 2013105796 A1 WO2013105796 A1 WO 2013105796A1
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WO
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power conversion
power generation
irreversible
generation device
conversion element
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PCT/KR2013/000203
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French (fr)
Inventor
이정호
유봉영
박광태
엄한돈
Original Assignee
한양대학교 에리카산학협력단
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/10—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid power generation device. More specifically, the present invention relates to a hybrid power generation device that maximizes power conversion efficiency by connecting a reversible power conversion device and an irreversible power conversion device in series.
  • the solar cell absorbs sunlight to generate electrons and holes, and the generated electrons and holes move to the electrodes to generate electromotive force.
  • Solar cells absorb light in the visible or ultraviolet band rather than the infrared band and convert it into electricity. Therefore, the infrared band of sunlight is not absorbed by the solar cell and is lost, thereby raising the temperature of the solar cell.
  • the generated electrons and holes do not move to the electrodes but recombine, respectively, and thus the photoelectric conversion efficiency is lowered.
  • thermoelectric element converts heat into electricity by the temperature difference between both ends.
  • integrated devices can generate power from both solar cells and thermoelectric devices.
  • the present invention provides a hybrid power generation device capable of maximizing energy conversion efficiency by connecting a reversible power converter and an irreversible power converter in series.
  • a hybrid power generation device includes i) an irreversible power conversion device, and ii) a reversible power conversion device electrically connected in series with the irreversible power conversion device.
  • the open voltage of the irreversible power converter is larger than the open voltage when the same irreversible power converter is used alone.
  • the reversible power conversion device includes: i) one end electrically connected in series with the irreversible power conversion element, and ii) the other end positioned opposite the one end, and the temperature difference between the one end and the other end and the open voltage of the non-reciprocal power conversion element.
  • the size may be proportional.
  • the current density of the irreversible power converter can be kept uniform.
  • the power conversion efficiency of the irreversible power conversion device may be greater than the power conversion efficiency when using the same irreversible power conversion device as the irreversible power conversion device.
  • the reversible power conversion device may be a thermoelectric device.
  • the thermoelectric device may include i) a plurality of p-type semiconductor pillars, and ii) a plurality of n-type semiconductor pillars spaced apart from each other in parallel with the plurality of p-type semiconductor pillars.
  • the number of the plurality of semiconductor pillars may be proportional to the size of the open voltage of the irreversible power conversion device.
  • the average length of the plurality of semiconductor pillars may be proportional to the size of the open voltage of the irreversible power conversion device.
  • the Seebeck coefficient of the material of the plurality of semiconductor pillars and the magnitude of the open voltage of the irreversible power converter may be proportional to each other.
  • the irreversible power converter is a solar cell
  • the solar cell may include i) a photoelectric conversion layer including doped silicon, and ii) an electrode layer positioned on the photoelectric conversion layer and adapted to receive light.
  • Hybrid type power generation device may further include a hollow casing for receiving the irreversible power conversion element and the reversible power conversion element. The other end is exposed to the outside of the hollow casing, one end may be located inside the hollow casing.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a hybrid power generation device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a case in which the irreversible power conversion device of FIG. 1 is used alone.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a hybrid power generation device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic rear perspective view of a hybrid power generation device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in current amount according to an increase in an open voltage of a hybrid power generation device according to Experimental Examples 1 to 5.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in current amount according to an increase in an open voltage of a hybrid power generation device according to Experimental Examples 1 to 5.
  • FIG. 6 is a graph showing the amount of current according to the increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Examples 6 to 8 and the solar cell according to Comparative Example 1.
  • FIG. 6 is a graph showing the amount of current according to the increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Examples 6 to 8 and the solar cell according to Comparative Example 1.
  • FIG. 7 is a graph showing a change in current amount according to an open voltage increase of a hybrid power generation device according to Experimental Examples 9 to 13 and a solar cell according to Comparative Example 1.
  • FIG. 7 is a graph showing a change in current amount according to an open voltage increase of a hybrid power generation device according to Experimental Examples 9 to 13 and a solar cell according to Comparative Example 1.
  • FIG 8 is a graph showing a change in the amount of current according to an increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Examples 14 to 16 and Comparative Example 2 of the present invention.
  • portion When a portion is referred to as being “above” another portion, it may be just above the other portion or may be accompanied by another portion in between. In contrast, when a part is mentioned as “directly above” another part, no other part is intervened in between.
  • non-reversible power conversion device used hereinafter means all devices that can convert other energy into electric energy, but cannot convert electric energy into other energy.
  • reversible power conversion device means a device capable of mutual conversion of other energy and electrical energy.
  • FIG. 1 schematically shows a hybrid power generation device 100 according to a first embodiment of the invention.
  • the structure of the hybrid power generation device 100 of FIG. 1 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the hybrid power generation device 100 may be modified in various forms.
  • the hybrid power generation device 100 includes i) an irreversible power conversion element 10 and a reversible power conversion element 20.
  • the hybrid power generation device 100 may further include other components as necessary.
  • the reversible power conversion element 20 is electrically connected in series with the irreversible power conversion element 10. That is, the reversible power conversion device 20 and the non-reciprocal power conversion device 10 may be positioned in contact with each other or spaced apart from each other using a conductive wire.
  • the non-reciprocal power conversion element 10 receives an open voltage 100Voc. Since the power is calculated as the product of the current and the voltage, the larger the open voltage 100Voc, the higher the power conversion efficiency of the irreversible power conversion element 10.
  • FIG. 2 schematically illustrates a state in which only the irreversible power conversion element 10 of FIG. 1 is used. That is, for comparison with FIG. 1, FIG. 2 shows the same device as the irreversible power conversion device 10 of FIG. 1.
  • the open voltage 10Voc is applied to the non-reciprocal power conversion element 10.
  • the open voltage 10Voc of the non-reciprocal power conversion device 10 is the same as the non-reciprocal power conversion device 10 shown in FIG. 2. It is larger than the open voltage (10Voc) at the time of use. Accordingly, the open voltage 100Voc of the hybrid power generation device 100, which is the sum of the open voltage 10Voc of the irreversible power conversion element 10 and the open voltage 20Voc of the reversible power conversion element 20, is increased. This is due to the reversible power conversion element 20 connected in series to the irreversible power conversion element 10 in the hybrid power generation device 100. That is, as shown in FIG. 1, due to the electrical series connection of the reversible power conversion device 20, the irreversible power conversion device 10 has a larger open voltage (10 Voc).
  • the reversible power conversion element 20 includes one end 201 and the other end 203.
  • one end 201 is electrically connected in series with the irreversible power conversion element 10.
  • the other end 203 is located opposite the one end (201).
  • the temperature difference ⁇ T and the open voltage 100Voc of the irreversible power conversion element 10 are proportional to each other. Therefore, since the open voltage 100Voc of the irreversible power conversion element 10 increases as the temperature difference ⁇ T increases, the power conversion efficiency of the irreversible power conversion element 10 may be increased. The principle is described in more detail below.
  • the irreversible power conversion element 10 may be regarded as a power source V10 and a resistor R10 connected in series. Therefore, in order for the output voltage of the power supply V10 to be high, it is necessary to minimize the resistance R10 of the irreversible power conversion element 10.
  • the reversible power conversion device 20 can be seen that the power supply (V20) and the resistor (R20) is connected in parallel. In the irreversible power conversion element 10, since the power source V20 and the resistor R20 are connected in parallel, the output voltage of the power source V10 is increased. That is, the reversible power conversion device 20 increases the mobility of holes and charges generated by the irreversible power conversion device 10.
  • the reversible power conversion device 20 converts heat and electricity into each other
  • the reversible power conversion device 20 is changed due to a temperature difference.
  • Increase the amount of current flowing in the) which increases the mobility of holes and charges present in the irreversible power conversion element (10).
  • the resistor R20 is large, since the amount of current flowing through the power source R20 increases, the open voltage of the irreversible power conversion element 10 increases, but the current density is kept uniform. As a result, the power conversion efficiency of the irreversible power conversion element 10 can be greatly increased.
  • the irreversible power conversion device 10 is a solar cell. As shown in Fig. 2, when only the irreversible power conversion element 10 is used, its power conversion efficiency is only about 12% at maximum. However, by combining the reversible power conversion device 20 with the irreversible power conversion device 10, the power conversion efficiency of the non-reciprocal power conversion device 10 can be efficiently increased. That is, as shown in FIG. 2, the power conversion efficiency of the non-reciprocal power conversion element included in the hybrid power generation device 100 is greater than the power conversion efficiency when the non-reciprocal power conversion element 10 is used alone. Further, in the hybrid power generation device 100, the power conversion efficiency of the non-reciprocal power conversion element 10 is added in addition to the reversible power conversion element 20. Therefore, the power conversion efficiency of the hybrid power generation device 100 greatly increases.
  • FIG. 3 schematically shows a hybrid power generation device 200 according to a second embodiment of the invention.
  • the structure of the hybrid power generation device 200 of FIG. 3 is merely for illustrating the present invention, but the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the hybrid power generation device 200 can be modified in various forms.
  • the hybrid power generation device 200 includes a solar cell 12 and a thermoelectric element 22.
  • the solar cell 12 functions as an irreversible power conversion element
  • the thermoelectric element 22 functions as a reversible power conversion element. Therefore, by combining the solar cell 12 and the thermoelectric element 22, it is possible to manufacture the hybrid power generation device 200 that maximizes the power conversion efficiency.
  • the solar cell 12 includes a photoelectric conversion layer 121, an upper electrode 123, and a lower electrode 125.
  • the upper electrode 123 positioned on the photoelectric conversion layer 121 is formed of a transparent conductor or a metal grid to inject light into the photoelectric conversion layer 121. Since the photoelectric conversion layer 121 is formed of a semiconductor such as doped silicon, it is excited by light to generate holes and electrons. The generated holes and electrons move to the upper electrode 123 and the lower electrode 125 to generate electromotive force.
  • the lower electrode 125 may be made of metal to maximize the transfer efficiency of holes or electrons.
  • the heat transfer layer 30 is positioned under the solar cell 12.
  • the heat transfer layer 30 transfers heat generated in the solar cell 12 by light to the thermoelectric element 22 thereunder.
  • the heat transfer layer 30 may be made of metal nitride, metal carbide, or resin.
  • the heat sink 230 may be positioned below the thermoelectric element 22. The heat sink 230 releases heat generated from the thermoelectric element 22 to cool the lower portion of the thermoelectric element 22. Therefore, the thermoelectric element 22 may generate an electromotive force by the temperature difference between the upper portion and the lower portion thereof.
  • the thermoelectric element 22 includes semiconductor pillars 223 and 225, thermoelectric electrodes 227 and 228, and a substrate 229.
  • the thermoelectric element 22 may further include other components as necessary.
  • the semiconductor pillars 223 and 225 include p-type semiconductor pillars 223 and n-type semiconductor pillars 223.
  • the p-type semiconductor pillars 223 and the n-type semiconductor pillars 223 are alternately arranged in parallel and spaced apart from each other, and are actually provided through the first thermoelectric electrodes 227 and the second thermoelectric electrodes 228. It has a long continuous shape.
  • the thermoelectric electrodes 227 and 228 include first thermoelectric electrodes 227 and second thermoelectric electrodes 228.
  • One of the first thermoelectric electrodes 227 and the second thermoelectric electrodes 228 may be an anode, and the other electrode may be a cathode.
  • Second thermoelectric electrodes 228 are positioned over substrate 229.
  • the number of semiconductor pillars 223 and 225 included in the thermoelectric element 22 is proportional to the magnitude of the open voltage of the solar cell 12. Therefore, the number of semiconductor pillars 223 and 225 may be increased to maximize power conversion efficiency of the solar cell 12.
  • the average length h of the semiconductor pillars 223 and 225 is also proportional to the magnitude of the open voltage of the solar cell 12. Therefore, the average length h of the semiconductor pillars 223 and 225 may be increased to maximize the power conversion efficiency of the solar cell 12.
  • the Seebeck coefficient of the material of the semiconductor pillars 223 and 225 and the magnitude of the open voltage of the solar cell 12 are proportional to each other. Therefore, the magnitude of the open voltage of the solar cell 12 can be improved by using a metal material such as Bi or Te having a high Seebeck coefficient.
  • FIG. 4 schematically shows a rear perspective view of a hybrid power generation device 300 according to a third embodiment of the present invention.
  • the structure of the hybrid power generation device 300 of FIG. 4 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the hybrid power generation device 300 can be modified in various forms.
  • the hybrid power generation device 300 further includes a hollow casing 40.
  • the hollow casing 40 accommodates an irreversible power conversion element 13 (dotted line, below) and a reversible power conversion element 23 (dotted line, below).
  • the reversible power conversion element 23 includes one end 231 and the other end 233.
  • One end 231 is in direct contact with the irreversible power conversion element 13 and is located inside the hollow casing 400.
  • the other end 233 is exposed to the outside of the hollow casing (40).
  • the irreversible power conversion element 13 is a solar cell
  • the end 231 is surrounded by the hollow casing 400
  • the other end 233 is located on the opposite side to which light is irradiated, and is exposed to the outside of the hollow casing 400 so that the other end 233 is cooled well to be at a low temperature side.
  • the light concentrating device may be attached to the hybrid power generation device 300 to condense light more efficiently.
  • thermoelectric element including a crystalline silicon solar cell and a thermoelectric device having a power conversion efficiency of 13.6% was prepared.
  • the size of the thermoelectric element was 4 cm ⁇ 4 cm, the length of the semiconductor pillar included in the thermoelectric element was 1.5 mm, and thermoelectric elements including 36 and 256 semiconductor pillars, respectively, were used.
  • the filling factor (FF) of the thermoelectric element including 36 semiconductor pillars was 91.1, and the filling factor of the thermoelectric element including 256 semiconductor pillars was 54.1.
  • thermoelectric element A temperature controller was used to control the temperature difference between the hot side and the low temperature side of the thermoelectric element at 0 ° C., or the solar simulator was irradiated with light for a long time, and the lower portion of the thermoelectric element was cooled using a heat sink to form a temperature difference. And the temperature of the high temperature side and low temperature side of a thermoelectric element was measured using the thermocouple.
  • the open voltage and power conversion efficiency of the hybrid power generation device were measured using solar simulators (AM 1.5, 1sun) while varying the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element. Details of the experiment will be described in more detail below.
  • thermoelectric elements with 36 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 0 ° C.
  • thermoelectric elements with 36 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 3.5 ° C.
  • thermoelectric elements with 36 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 6.0 ⁇ ⁇ .
  • the remaining experimental conditions were the same as the experimental example 1 described above.
  • thermoelectric elements with 36 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 10.5 ° C.
  • the remaining experimental conditions were the same as the experimental example 1 described above.
  • thermoelectric elements with 36 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 12.1 ° C.
  • the remaining experimental conditions were the same as the experimental example 1 described above.
  • thermoelectric elements with 36 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 25 ° C.
  • the remaining experimental conditions were the same as the experimental example 1 described above.
  • thermoelectric elements with 36 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 22 ° C.
  • the remaining experimental conditions were the same as the experimental example 1 described above.
  • thermoelectric elements with 36 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 40 ° C.
  • the remaining experimental conditions were the same as the experimental example 1 described above.
  • a silicon crystalline solar cell was prepared. The rest of the experiment was the same as in Experiment 1 described above.
  • the efficiency of the hybrid-type power generation device manufactured according to Experimental Examples 3 to 8 was 13.9% to 19.4%, respectively, far superior to the efficiency of the solar cell of Comparative Example 1, 13.6%. Therefore, it was confirmed that the power conversion efficiency of the solar cell is increased by integrating the solar cell and the thermoelectric element in the hybrid power generation device.
  • thermoelectric element As shown in FIG. 5, it can be seen that as the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element increases, the open voltage of the hybrid power generation device increases significantly. That is, by combining the thermoelectric element with the solar cell it was possible to significantly increase the power conversion efficiency of the solar cell. Therefore, it was found that high power conversion efficiency can be obtained without using expensive and difficult processes such as solar cell process surface passivation, selective emitter and fine finger electrode.
  • FIG. 6 illustrates a change in current amount according to an increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Examples 6 to 8 and the solar cell according to Comparative Example 1.
  • FIG. 6 illustrates a change in current amount according to an increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Examples 6 to 8 and the solar cell according to Comparative Example 1.
  • thermoelectric element As shown in FIG. 6, it can be seen that as the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element increases, the open voltage of the hybrid power generation device increases more. Therefore, it was confirmed that the power conversion efficiency of the hybrid power generation device is proportional to the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element.
  • thermoelectric elements with 256 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 0 ° C.
  • thermoelectric elements with 256 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 7 ° C.
  • thermoelectric elements with 256 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 8 ° C.
  • thermoelectric elements with 256 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 8.2 ⁇ ⁇ .
  • thermoelectric elements with 36 semiconductor pillars.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element was maintained at 12.6 ° C.
  • the efficiency of the hybrid power generation device manufactured according to Experimental Examples 10 to 13 was 13.5% to 23.2%, respectively, far superior to the efficiency of the solar cell of Comparative Example 1, 13.6%. Furthermore, the efficiency of the hybrid power generation device according to Experimental Examples 10 to 13 including many semiconductor pillars under the temperature difference condition of the same thermoelectric device was superior to that of the hybrid power generation device according to Experimental Examples 3 to 8. Therefore, as the number of semiconductor pillars of the thermoelectric element was increased, the efficiency of the hybrid power generation device could be increased.
  • FIG. 7 shows changes in the amount of current according to an increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Examples 9 to 13 and the solar cell according to Comparative Example 1.
  • FIG. 7 shows changes in the amount of current according to an increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Examples 9 to 13 and the solar cell according to Comparative Example 1.
  • thermoelectric element As shown in FIG. 7, it can be seen that as the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element increases, the open circuit voltage of the hybrid power generation device increases significantly. In addition, when the number of semiconductor pillars included in the thermoelectric element is large, the open voltage of the hybrid power generation device is further increased to obtain high power conversion efficiency.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element included in the hybrid power generation device was maintained at 15 ° C.
  • the solar cell included in the hybrid power generation device was manufactured to have a Schottky bond, and no light collecting device was used. Under these conditions, the characteristics of the hybrid power generation device were measured.
  • thermoelectric element included in the hybrid type power generation device manufactured in Experimental Example 14 was maintained at 25 ° C.
  • the remaining experimental conditions were the same as in Experimental Example 14.
  • thermoelectric element included in the hybrid power generation device manufactured in Experimental Example 14 was maintained at 40 ° C.
  • the remaining experimental conditions were the same as in Experimental Example 14.
  • Table 3 below shows the results of the characteristic experiments of the hybrid type power generation device according to Experimental Example 14 to Experimental Example 16 and the solar cell according to Comparative Example 2.
  • the efficiency of the hybrid power generation device manufactured according to Experimental Examples 14 to 16 was 10.6%, 11.5%, and 12.5%, respectively, far superior to the 8.6% efficiency of the solar cell of Comparative Example 2. It was. On the other hand, the amount of current flowing through the hybrid power generation device manufactured according to Experimental Examples 14 to 16 was kept the same.
  • FIG. 8 illustrates a change in current amount according to an increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Examples 14 to 16 and the solar cell according to Comparative Example 2.
  • FIG. 8 illustrates a change in current amount according to an increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Examples 14 to 16 and the solar cell according to Comparative Example 2.
  • the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element included in the hybrid power generation device was maintained at 19 ° C.
  • the packing density of the hybrid power generation device was 38% and the Seebeck coefficient was 0.04 V / K. And the characteristic of the hybrid type power generation device was measured.
  • thermoelectric element included in the hybrid power generation device The temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element included in the hybrid power generation device was maintained at 19 ° C.
  • the leg length of the thermoelectric element included in the hybrid power generation device was adjusted to 1.5 times the leg length of the thermoelectric element of Experimental Example 17, and the cross-sectional area of the thermoelectric element was adjusted to 1.5 times the cross-sectional area of the thermoelectric element of Experimental Example 17.
  • the charge density of hybrid-type power generation devices increased to 83%.
  • FIG. 9 shows changes in the amount of current and the amount of power according to the increase in the open voltage of the hybrid type power generation device according to Experimental Example 17 and Experimental Example 18 and the solar cell according to Comparative Example 3.
  • the solid line indicates the relationship between the current density and the voltage of the device
  • the dotted line indicates the relationship between the current density and the amount of power of the device.
  • the voltage or power amount of the hybrid power generation device could be further improved as compared with Experimental Example 17. That is, the design of the hybrid power generation device was changed to improve the Seebeck coefficient of the hybrid power generation device. As a result, the voltage and power amount of the hybrid power generation device have increased significantly.

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Abstract

가역형 전력변환소자와 비가역형 전력변환소자를 직렬 연결하여 전력 변환 효율을 최대화한 하이브리드형 발전 디바이스를 제공하고자 한다. 하이브리드형 발전 디바이스는 i) 비가역형 전력변환소자, 및 ii) 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결된 가역형 전력변환소자를 포함한다. 비가역형 전력변환소자의 개방전압은 비가역형 전력변환소자와 동일한 비가역형 전력변환소자를 단독 사용시의 개방전압보다 크다.

Description

하이브리드형 발전 디바이스
본 발명은 하이브리드형 발전 디바이스에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 가역형 전력변환소자와 비가역형 전력변환소자를 직렬 연결하여 전력 변환 효율을 최대화한 하이브리드형 발전 디바이스에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하고, 생성된 전자와 정공은 각각 전극으로 이동하여 기전력을 발생시킨다. 태양전지는 적외선 대역 보다는 가시광선 대역 또는 자외선 대역의 광을 흡수하여 전기로 변환시킨다. 따라서 태양광의 적외선 대역은 태양전지에 흡수되지 못하고 손실되며, 태양전지의 온도를 상승시킨다. 태양전지의 온도가 상승하는 경우, 생성된 전자와 정공이 각각 전극으로 이동하지 못하고 재결합하므로, 광전변환효율이 저하된다.
따라서 태양전지가 이용하지 못하는 열을 이용하여 전력을 생성하기 위해 태양전지와 열전소자를 결합한 통합 소자가 연구되고 있다. 열전소자는 그 양단의 온도차에 의해 열을 전기로 변환시킨다. 따라서 통합 소자는 태양전지 및 열전소자로부터 모두 전력을 생산할 수 있다.
가역형 전력변환소자와 비가역형 전력변환소자를 직렬 연결하여 에너지 변환 효율을 최대화할 수 있는 하이브리드형 발전 디바이스를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스는, i) 비가역형 전력변환소자, 및 ii) 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결된 가역형 전력변환소자를 포함한다. 비가역형 전력변환소자의 개방전압은 비가역형 전력변환소자와 동일한 비가역형 전력변환소자를 단독 사용시의 개방전압보다 크다.
가역형 전력변환소자는, i) 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결된 일단, 및 ii) 일단의 반대편에 위치한 타단을 포함하고, 일단과 타단간의 온도차와 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기가 비례할 수 있다. 비가역형 전력변환소자의 전류 밀도는 균일하게 유지될 수 있다. 비가역형 전력변환소자의 전력변환효율은 비가역형 전력변환소자와 동일한 비가역형 전력변환소자를 단독 사용시의 전력변환효율보다 클 수 있다.
가역형 전력변환소자는 열전 소자일 수 있다. 열전 소자는, i) 복수의 p형 반도체 기둥들, 및 ii) 복수의 p형 반도체 기둥들과 상호 이격되어 병렬 배치된 복수의 n형 반도체 기둥들을 포함할 수 있다. 복수의 반도체 기둥들의 수는 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기에 비례할 수 있다. 복수의 반도체 기둥들의 평균 길이는 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기에 비례할 수 있다. 복수의 반도체 기둥들의 소재의 제베크 계수(Seebeck coefficient)와 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기가 상호 비례할 수 있다.
비가역형 전력변환장치는 태양전지이고, 태양전지는, i) 도핑된 실리콘을 포함하는 광전변환층, 및 ii) 광전변환층의 상부에 위치하고 광이 입사되도록 적용된 전극층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스는 비가역형 전력변환소자와 가역형 전력변환소자를 수납하는 중공형 케이싱을 더 포함할 수 있다. 타단은 중공형 케이싱의 외부로 노출되고, 일단은 중공형 케이싱의 내부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스를 이용하여 전력 변환 효율을 최대화할 수 있다. 그 결과, 비가역형 전력변환소자 단독으로는 도출할 수 없는 높은 전력변환효율을 얻을 수 있다. 또한, 비가역형 전력변환소자와 가역형 전력변환소자를 저가로 제조해도 높은 효율을 얻을 수 있으므로, 하이브리드형 발전 디바이스의 제조 비용을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 비가역형 전력변환소자를 단독으로 사용하는 경우를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개략적인 배면 사시도이다.
도 5는 실험예 1 내지 실험예 5에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.
도 6은 실험예 6 내지 실험예 8에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 그래프이다.
도 7은 실험예 9 내지 실험예 13에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예 14 내지 실험예 16에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 2에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.
도 9는 실험예 17 및 실험예 18에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 3에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량과 전력량의 변화를 나타낸 그래프이다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 좀더 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90ㅀ회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 사용하는 "비가역형 전력변환소자"라는 용어는 타에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있지만, 전기에너지를 타에너지로 변환시킬 수 없는 모든 소자를 의미한다. 또한, "가역형 전력변환소자"라는 용어는 타에너지와 전기에너지와의 상호 변환이 가능한 소자를 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 하이브리드형 발전 디바이스(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드형 발전 디바이스(100)의 구조를 다양한 형태로 변형시킬 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이. 하이브리드형 발전 디바이스(100)는 i) 비가역형 전력변환소자(10) 및 가역형 전력변환소자(20)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 하이브리드형 발전 디바이스(100)는 다른 부품들을 더 포함할 수 있다. 가역형 전력변환소자(20)는 비가역형 전력변환소자(10)와 전기적으로 직렬 연결된다. 즉, 가역형 전력변환소자(20)와 비가역형 전력변환소자(10)는 상호 접해 있거나 도선 등을 이용하여 상호 이격된 상태로 위치할 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드형 발전 디바이스(100)가 작동하는 경우, 비가역형 전력변환소자(10)에는 개방전압(100Voc)이 걸린다. 전력은 전류와 전압의 곱으로 계산되므로, 개방전압(100Voc)이 클수록 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율은 증가한다.
도 2는 도 1의 비가역형 전력변환소자(10)만을 사용하는 상태를 개략적으로 나타낸다. 즉, 도 1과의 비교를 위하여 도 2에는 도 1의 비가역형 전력변환소자(10)와 동일한 소자를 나타낸다. 도 2의 비가역형 전력변환소자(10)가 작동하는 경우, 비가역형 전력변환소자(10)에는 개방전압(10Voc)이 걸린다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드형 발전 디바이스(100)가 작동되는 경우, 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압(10Voc)은 도 2에 도시한 비가역형 전력변환소자(10)를 단독 사용시의 개방전압(10Voc)보다 크다. 따라서 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압(10Voc)과 가역형 전력변환소자(20)의 개방전압(20Voc)의 합인 하이브리드형 발전 디바이스(100)의 개방전압(100Voc)이 증대된다. 이는 하이브리드형 발전 디바이스(100)에서 비가역형 전력변환소자(10)에 가역형 전력변환소자(20)가 직렬 연결된 것에 기인한다. 즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 가역형 전력변환소자(20)의 전기적인 직렬 연결로 인하여 비가역형 전력변환소자(10)는 더 큰 개방전압(10Voc)을 가진다.
도 1에 도시한 바와 같이, 가역형 전력변환소자(20)는 일단(201)과 타단(203)을 포함한다. 여기서, 일단(201)은 비가역형 전력변환소자(10)와 전기적으로 직렬 연결된다. 그리고 타단(203)은 일단(201)의 반대편에 위치한다. 가역형 전력변환소자(20)의 일단(201)과 타단(203)간에는 온도차(△T)가 존재한다. 여기서, 온도차(△T)와 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압(100Voc)은 상호 비례한다. 따라서 온도차(△T)가 클수록 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압(100Voc)이 증가하므로, 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율을 증대시킬 수 있다. 이하에서는 그 원리를 좀더 상세하게 설명한다.
비가역형 전력변환소자(10)는 전원(V10) 및 저항(R10)이 직렬 연결된 것으로 볼 수 있다. 따라서 전원(V10)의 출력전압이 높기 위해서는 비가역형 전력변환소자(10)의 저항(R10)을 최소화할 필요가 있다. 반면에, 가역형 전력변환소자(20)는 비가역형 전력변환소자(10)와는 달리 전원(V20)과 저항(R20)이 병렬 연결된 것으로 볼 수 있다. 비가역형 전력변환소자(10)에서는 전원(V20)과 저항(R20)이 병렬 연결되므로, 전원(V10)의 출력전압이 증대된다. 즉, 가역형 전력변환소자(20)는 비가역형 전력변환소자(10)에서 생성된 정공과 전하의 운동성을 증대시킨다. 예를 들어, 가역형 전력변환소자(20)가 열과 전기를 상호 변환시키는 소자라고 가정하면, 가역형 전력변환소자(20)에서는 열과 전기가 같이 움직이므로, 온도차에 의해 가역형 전력변환소자(20)에 흐르는 전류량을 증가시키고, 이는 비가역형 전력변환소자(10) 내에 존재하는 정공과 전하의 운동성을 증대시킨다. 저항(R20)이 커지는 경우, 전원(R20)을 통해서 흐르는 전류의 양이 증가하므로, 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압이 증가하되 그 전류 밀도는 균일하게 유지된다. 그 결과, 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율을 크게 증가시킬 수 있다.
비가역형 전력변환소자(10)의 대표적인 예로서 태양전지를 들 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 비가역형 전력변환소자(10)만 사용하는 경우, 그 전력변환효율은 최대 12% 정도밖에 되지 않는다. 그러나 가역형 전력변환소자(20)를 비가역형 전력변환소자(10)와 결합시킴으로써 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율을 효율적으로 증대시킬 수 있다. 즉, 하이브리형 발전 디바이스(100)에 포함된 비가역형 전력변환소자의 전력변환효율은 도 2에 도시한 바와 같이, 비가역형 전력변환소자(10)를 단독으로 사용시의 전력변환효율보다 크다. 나아가, 하이브리형 발전 디바이스(100)에서는 가역형 전력변환소자(20) 이외에 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율이 추가된다. 따라서 하이브리형 발전 디바이스(100)의 전력변환효율은 크게 증가한다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리형 발전 디바이스(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 하이브리형 발전 디바이스(200)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리형 발전 디바이스(200)의 구조를 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 하이브리형 발전 디바이스(200)는 태양전지(12) 및 열전소자(22)를 포함한다. 태양전지(12)는 비가역적 전력변환소자로서 기능하고, 열전소자(22)는 가역적 전력변환소자로서 기능한다. 따라서 태양전지(12)와 열전소자(22)를 상호 결합하여 전력변환효율을 극대화한 하이브리형 발전 디바이스(200)를 제조할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 태양전지(12)는 광전변환층(121), 상부전극(123) 및 하부전극(125)을 포함한다. 광전변환층(121)의 상부에 위치하는 상부전극(123)은 투명 전도체 또는 메탈 그리드로 형성되어 광을 광전변환층(121)으로 입사시킨다. 광전변환층(121)은 도핑된 실리콘 등의 반도체로 형성되므로, 광에 의해 여기되어 정공 및 전자가 생성된다. 생성된 정공 및 전자는 각각 상부전극(123) 및 하부전극(125)으로 이동하여 기전력을 발생시킨다. 여기서, 하부 전극(125)은 정공 또는 전자의 이송 효율을 최대화할 수 있도록 금속으로 제조할 수 있다.
한편, 도 3에 도시한 바와 같이, 태양전지(12)의 하부에는 열전달층(30)이 위치한다. 열전달층(30)은 광에 의해 태양전지(12)에서 생성되는 열을 그 하부의 열전소자(22)로 전달한다. 열전달층(30)은 금속질화물, 금속탄화물 또는 수지로 제조될 수 있다. 열전소자(22)의 하부에는 히트 싱크(230)가 위치할 수 있다. 히트 싱크(230)는 열전소자(22)로부터 발생되는 열을 방출하여 열전소자(22)의 하부를 냉각시킨다. 따라서 열전소자(22)는 그 상부와 그 하부의 온도차에 의해 기전력을 발생시킬 수 있다.
열전소자(22)는 반도체 기둥들(223, 225), 열전 전극들(227, 228) 및 기판(229)을 포함한다. 이외에, 열전소자(22)는 필요에 따라 다른 부품들을 더 포 함할 수 있다. 여기서, 반도체 기둥들(223, 225)은 p형 반도체 기둥들(223) 및 n형 반도체 기둥들(223)을 포함한다. p형 반도체 기둥들(223) 및 n형 반도체 기둥들(223)은 교번하여 상호 이격된 상태로 병렬 배치되며, 실제로는 제1 열전 전극들(227) 및 제2 열전 전극들(228)을 통하여 길게 이어진 형상을 가진다. 한편, 열전 전극들(227, 228)은 제1 열전 전극들(227) 및 제2 열전 전극들(228)을 포함한다. 제1 열전 전극들(227)과 제2 열전 전극들(228) 중 어느 한 전극은 양극이고, 다른 한 전극은 음극일 수 있다. 제2 열전 전극들(228)은 기판(229) 위에 위치한다.
한편, 열전소자(22)에 포함된 반도체 기둥들(223, 225)의 수는 태양전지(12)의 개방전압의 크기에 비례한다. 따라서 반도체 기둥들(223, 225)의 수를 늘려서 태양전지(12)의 전력변환효율을 최대화할 수 있다. 그리고 반도체 기둥들(223, 225)의 평균 길이(h)도 태양전지(12)의 개방전압의 크기에 비례한다. 따라서 반도체 기둥들(223, 225)의 평균 길이(h)를 늘려서 태양전지(12)의 전력변환효율을 최대화할 수 있다. 또한, 반도체 기둥들(223,225)의 소재의 제베크 계수와 태양전지(12)의 개방전압의 크기는 상호 비례한다. 따라서 제베크 계수가 높은 Bi 또는 Te 등의 금속 소재를 사용하여 태양전지(12)의 개방전압의 크기를 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리형 발전 디바이스(300)의 배면 사시도를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 하이브리형 발전 디바이스(300)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리형 발전 디바이스(300)의 구조를 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 하이브리형 발전 디바이스(300)는 중공형 케이싱(40)을 더 포함한다. 중공형 케이싱(40)에는 비가역형 전력변환소자(13)(점선 도시, 이하 동일) 및 가역형 전력변환소자(23)(점선 도시, 이하 동일)를 수납한다. 가역형 전력변환소자(23)는 일단(231) 및 타단(233)을 포함한다. 일단(231)은 비가역형 전력변환소자(13)와 직접 접촉하고, 중공형 케이싱(400)의 내부에 위치한다. 또한, 타단(233)은 중공형 케이싱(40)의 외부로 노출된다. 예를 들면, 비가역형 전력변환소자(13)가 태양전지인 경우, 광이 하이브리드형 발전 디바이스(30) 위에 조사되면, 일단(231)은 중공형 케이싱(400)에 의해 둘러싸이므로, 외부로의 방열이 불가능하여 그 온도가 크게 상승한다. 즉, 일단(231)은 고온측이 된다. 반대로, 타단(233)은 광이 조사되는 반대편에 위치하고, 중공형 케이싱(400)의 외부에 노출되므로 잘 냉각되어 저온측이 된다. 그 결과, 일단(231)과 타단(233)의 온도차를 크게 조절할 수 있다. 한편, 도 4에는 도시하지 않았지만, 집광 장치를 하이브리형 발전 디바이스(300)에 부착하여 좀더 광을 효율적으로 집광할 수도 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예
13.6%의 전력변환효율을 가지는 결정질 실리콘 태양전지와 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 준비하였다. 열전소자의 크기는 4cmㅧ4cm이었고, 열전소자에 포함된 반도체 기둥의 길이는 1.5mm 이었으며 각각 36개 및 256개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자를 사용하였다. 36개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자의 충진인자(filling factor, FF)는 91.1이었고, 256개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자의 충진인자는 54.1이었다. 온도 컨트롤러를 이용하여 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 0℃로 제어하거나 솔라 시뮬레이터에서 광을 장시간 조사하고, 열전소자의 하부를 히트 싱크를 사용해 냉각시켜서 온도차를 형성하였다. 그리고 열전쌍을 이용해 열전소자의 고온측 및 저온측 각각의 온도를 측정하였다. 열전소자의 고온측과 저온측의 온도차를 변화시키면서 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압 및 전력변환효율 등을 솔라 시뮬레이터(AM 1.5, 1sun)를 이용해 측정하였다. 상세한 실험내용은 이하에서 좀더 구체적으로 설명한다.
36개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자를 구비한 하이브리드형 발전 디바이스의 특성 실험
실험예 1
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 0℃로 유지하였다.
실험예 2
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 3.5℃로 유지하였다.
실험예 3
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 6.0℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 4
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 10.5℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 5
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 12.1℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 6
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 25℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 7
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 22℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 8
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 40℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 1
실리콘 결정질 태양전지를 준비하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 1 내지 실험예 8 및 비교예 1의 실험 결과
전술한 실험예 1 내지 실험예 8 및 비교예 1에 따른 실험 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.
표 1
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표 1에 기재한 바와 같이, 실험예 3 내지 실험예 8에 따라 제조한 하이브리드형 발전 디바이스의 효율은 각각 13.9% 내지 19.4%로서 비교예 1의 태양전지의 효율인 13.6%보다 훨씬 우수하였다. 따라서 하이브리드형 발전 디바이스에서 태양전지와 열전소자를 통합함으로써 태양전지의 전력변환효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 5은 실험예 1 내지 실험예 5에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화를 나타낸다.
도 5에 도시한 바와 같이, 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차가 커질수록 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압이 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉, 열전소자를 태양전지와 결합시켜서 태양전지의 전력변환효율을 크게 증가시킬 수 있었다. 따라서 태양전지공정 표면 패시베이션, 선택적 에미터 및 침형 전극(fine finger electrode) 등의 고가 및 고난이도 공정을 사용하지 않고도 높은 전력변환효율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
도 6은 실험예 6 내지 실험예 8에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화를 나타낸다.
도 6에 도시한 바와 같이, 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차가 커질수록 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압이 더욱 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 하이브리드형 발전 디바이스의 전력변환효율이 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차에 비례하는 것을 확인할 수 있었다.
256개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자를 구비한 하이브리드형 발전 디바이스의 특성 실험
실험예 9
256개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 0℃로 유지하였다.
실험예 10
256개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 7℃로 유지하였다.
실험예 11
256개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 8℃로 유지하였다.
실험예 12
256개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 8.2℃로 유지하였다.
실험예 13
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 12.6℃로 유지하였다.
실험예 9 내지 실험예 13의 실험 결과
전술한 실험예 9 내지 실험예 13에 따른 실험 결과를 하기의 표 2에 나타낸다.
표 2
Figure PCTKR2013000203-appb-T000002
표 2에 기재한 바와 같이, 실험예 10 내지 실험예 13에 따라 제조한 하이브리드형 발전 디바이스의 효율은 각각 13.5% 내지 23.2%로서 비교예 1의 태양전지의 효율인 13.6%보다 훨씬 우수하였다. 나아가 동일한 열전소자의 온도차 조건하에서 반도체 기둥들을 많이 포함하는 실험예 10 내지 실험예 13에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 효율이 실험예 3 내지 실험예 8에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 효율보다 우수하였다. 따라서 열전소자의 반도체 기둥들의 수를 늘릴수록 하이브리드형 발전 디바이스의 효율을 증대시킬 수 있었다.
도 7은 실험예 9 내지 실험예 13에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화를 나타낸다.
도 7에 도시한 바와 같이, 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차가 커질수록 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압이 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 더욱이, 열전소자에 포함된 반도체 기둥들의 수가 많은 경우, 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압은 더 크게 증가하여 높은 전력변환효율을 얻을 수 있었다.
쇼트키 태양전지를 이용한 하이브리드형 발전 디바이스의 특성 실험 결과
실험예 14
하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 15℃로 유지하였다. 하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 태양전지는 쇼트키 결합을 가지도록 제조하였으며, 집광 장치는 사용하지 않았다. 이러한 조건하에서 하이브리드형 발전 디바이스의 특성을 측정하였다.
실험예 15
실험예 14에서 제조한 하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 25℃로 유지하였다. 나머지 실험 조건은 실험예 14와 동일하였다.
실험예 16
실험예 14에서 제조한 하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 40℃로 유지하였다. 나머지 실험 조건은 실험예 14와 동일하였다.
비교예 2
실험예 14의 하이브리드형 발전 디바이스에서 사용한 태양전지의 특성을 측정하였다. 나머지 실험 조건은 실험예 14와 동일하였다.
하기의 표 3은 실험예 14 내지 실험예 16에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 2에 따른 태양전지의 특성 실험 결과를 나타낸다.
표 3
Figure PCTKR2013000203-appb-T000003
표 3에 기재한 바와 같이, 실험예 14 내지 실험예 16에 따라 제조한 하이브리드형 발전 디바이스의 효율은 각각 10.6%, 11.5% 및 12.5%로서 비교예 2의 태양전지의 효율인 8.6%보다 훨씬 우수하였다. 한편, 실험예 14 내지 실험예 16에 따라 제조한 하이브리드형 발전 디바이스에 흐르는 전류량은 동일하게 유지되었다.
도 8은 실험예 14 내지 실험예 16에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 2에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화를 나타낸다.
도 8에 도시한 바와 같이, 열전소자의 온도차가 증가할수록 태양전지의 개방전압이 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 열전소자의 온도차가 증가함에 따라 태양전지의 전력변환효율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이로써 저가의 쇼트키 태양전지를 사용하더라고 효율면에서 우수한 하이브리드형 발전 디바이스를 제조할 수 있었다.
디자인을 변경한 하이브리드형 발전 디바이스의 특성 실험 결과
실험예 17
하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 19℃로 유지하였다. 하이브리드형 발전 디바이스의 충전 밀도(packing density)는 38%이었고, 그 제벡 계수는 0.04V/K이었다. 그리고 하이브리드형 발전 디바이스의 특성을 측정하였다.
실험예 18
하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 19℃로 유지하였다. 하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 레그 길이를 실험예 17의 열전소자의 레그 길이의 1.5배로 조절하고, 열전소자의 단면적을 실험예 17의 열전소자의 단면적의 1.5배로 조절하였다. 이러한 디자인 변경에 따라 하이브리드형 발전 디바이스의 충전 밀도는 83%로 증가하였다.
비교예 3
실험예 17의 하이브리드형 발전 디바이스에서 사용한 태양전지의 특성을 측정하였다. 나머지 실험 조건은 실험예 17과 동일하였다.
도 9는 실험예 17 및 실험예 18에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 3에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량과 전력량의 변화를 나타낸다. 도 9에서 실선은 소자의 전류밀도와 전압과의 관계를 나타내고, 점선은 소자의 전류밀도와 전력량과의 관계를 나타낸다.
도 9에 도시한 바와 같이, 실험예 18에서는 실험예 17에 비해 하이브리드형 발전 디바이스의 전압 또는 전력량을 더욱 향상시킬 수 있었다. 즉, 하이브리형 발전 디바이스의 디자인을 변경하여 하이브리형 발전 디바이스의 제벡 계수를 향상시켰다. 그 결과, 하이브리형 발전 디바이스의 전압과 전력량이 크게 증가하였다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 비가역형 전력변환소자, 및
    상기 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결된 가역형 전력변환소자
    를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스로서,
    상기 비가역형 전력변환소자의 개방전압은 상기 비가역형 전력변환소자와 동일한 비가역형 전력변환소자를 단독 사용시의 개방전압보다 큰 하이브리드형 발전 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가역형 전력변환소자는,
    상기 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결된 일단, 및
    상기 일단의 반대편에 위치한 타단
    을 포함하고,
    상기 일단과 상기 타단간의 온도차와 상기 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기가 비례하는 하이브리드형 발전 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비가역형 전력변환소자의 전류 밀도는 균일하게 유지되는 하이브리드형 발전 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비가역형 전력변환소자의 전력변환효율은 상기 비가역형 전력변환소자와 동일한 비가역형 전력변환소자를 단독 사용시의 전력변환효율보다 큰 하이브리드형 발전 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가역형 전력변환소자는 열전 소자인 하이브리드형 발전 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열전 소자는,
    복수의 p형 반도체 기둥들, 및
    상기 복수의 p형 반도체 기둥들과 상호 이격되어 병렬 배치된 복수의 n형 반도체 기둥들
    을 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 기둥들의 수는 상기 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기에 비례하는 하이브리드형 발전 디바이스.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 기둥들의 평균 길이는 상기 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기에 비례하는 하이브리드형 발전 디바이스.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 기둥들의 소재의 제베크 계수(Seebeck coefficient)와 상기 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기가 상호 비례하는 하이브리드형 발전 디바이스.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 비가역형 전력변환장치는 태양전지이고, 상기 태양전지는,
    도핑된 실리콘을 포함하는 광전변환층, 및
    상기 광전변환층의 상부에 위치하고 광이 입사되도록 적용된 전극층
    을 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 비가역형 전력변환소자와 상기 가역형 전력변환소자를 수납하는 중공형 케이싱을 더 포함하고,
    상기 타단은 상기 중공형 케이싱의 외부로 노출되고, 상기 일단은 상기 중공형 케이싱의 내부에 위치하는 하이브리드형 발전 디바이스.
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