JP2010028120A - 電球型集光式の太陽電池モジュール - Google Patents

電球型集光式の太陽電池モジュール Download PDF

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光洙 薛
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Won-Joo Kim
元住 金
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暎究 陳
Seung-Hoon Lee
承勳 李
Suk-Pil Kim
錫必 金
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Abstract

【課題】電球型集光式の太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】凹状に形成され、太陽光を受けて内側に反射し、その底に第1ホールが形成された反射ミラー部と、反射ミラー部からの光を受けて電気的エネルギーを生成する太陽電池と、第1ホールの下部に前記反射ミラー部に固定されたソケットと、ソケット内で太陽電池に連結されて電力を生産する出力調整部とを具備する電球型集光式の太陽電池モジュールである。太陽電池は、第1ホールの上方に配され、反射ミラー部で反射された光が直接照射される。
【選択図】図1

Description

本発明は、電球型集光式の太陽電池モジュールに係り、さらに詳細には、交換しやすく、光電効率の向上した電球型の集光式太陽電池モジュールに関する。
太陽電池モジュールは、一般的に、直列に連結された複数の光電セル(photovoltaic cell)を具備する。光電セルは、結晶質シリコンまたはポリシリコンを使用する薄膜型と、太陽光を集光して使用する集光式とに分けられる。
集光式太陽電池モジュールは、太陽光を集光し、集積された光を太陽電池(solar cell)に照射するので、光電効率が向上する。集光式太陽電池モジュールは、アレイ状に配され、別途のインバータを介して電力を生産する。1つの集光式太陽電池モジュールが作動しない場合、全体の太陽電池システムの発電効率が低下しうる。また、欠陥のある1つの集光式太陽電池モジュールを交換することも容易ではない。
また、集光式太陽電池モジュールは、光電効率がほぼ30〜40%に留まっている。かような光電効率を向上させる技術が必要である。
本発明の目的は、容易に交換できる電球型集光式の太陽電池モジュールを提供することである。
また、本発明の目的は、集光用に使われる反射膜を利用して電気を生産することによって、太陽電池モジュールの電力効率を向上させることである。
また、本発明の目的は、太陽電池表面での電子の再結合を防止し、太陽電池モジュールの電力効率を向上させることである。
本発明の模範的実施形態による電球型集光式の太陽電池モジュールは、凹状に形成され、太陽光を受けて内側に反射し、その底に第1ホールが形成された反射ミラー部と、前記反射ミラー部からの光を受けて電気的エネルギーを生成する太陽電池と、前記第1ホールの下部に前記反射ミラー部に固定されたソケットと、前記ソケット内で前記太陽電池に連結されて電力を生産する出力調整部とを具備する。
本発明の一局面によれば、前記太陽電池は、前記第1ホールの上方に配され、前記反射ミラー部で反射された光が直接照射される。
本発明の他の局面によれば、前記太陽電池は、前記第1ホールの位置に配され、前記第1ホールの上方に配され、前記反射ミラー部からの光を受けて前記太陽電池に反射させる第2反射ミラーをさらに具備する。
本発明によれば、前記反射ミラー部は、凹状の基板と、前記基板上の熱電セルとを具備し、前記熱電セルは、p型スタックとn型スタックとを具備し、前記p型スタックは、前記基板上の第1電極、第1電極上のp型熱電物質膜、及び前記p型熱電物質膜上の第2電極を具備し、前記n型スタックは、前記基板上の第1電極、第1電極上のn型熱電物質膜、及び前記n型熱電物質膜上の第2電極を具備する。
前記p型スタックの第1電極と前記n型スタックの第1電極は、前記出力調整部のp型端子及びn型端子にそれぞれ連結される。
本発明によれば、前記熱電セルは、直列に連結された複数の熱電セルであり、最初の熱電セルのp型スタックの第1電極と、最後の熱電セルのn型スタックの第1電極は、それぞれ前記出力調整部のp型端子及びn型端子に連結される。
前記p型熱電物質膜は(Bi,Sb)Te、CaCo、(BiTe0.2(SbTe0.8−y(SbSe(0≦y≦0.07)のうち、選択された少なくともいずれか一つからなり、前記n型熱電物質膜は、Bi(Te,Se)、NbドープトSrTiO、CaMn0.98Mo0.02、(BiTe0.9(SbTe0.05(SbSe0.05のうち、少なくともいずれか1つの物質によって形成される。
本発明によれば、前記p型熱電物質膜及び前記n型熱電物質膜は、それぞれナノワイヤでありうる。
本発明によれば、本発明の太陽電池モジュールは、前記反射ミラー部の上部に設けられ、密封された空間を形成する透明カバーと、前記密封された空間を充填する第1ガスとをさらに具備し、前記太陽電池は、複数の単位セルを具備し、各単位セルは、前記反射ミラー部に向かって形成された第3電極と、前記第3電極と対向するように形成された第4電極と、前記第3電極の周囲に前記第3電極と離隔された第5電極とを具備し、前記第1ガスの電子親和度は、前記第3電極の電子親和度より高く、前記第5電極は、前記第1ガスより電子親和度が高い金属物質によって形成される。
前記第3電極と前記第5電極は、前記出力調整部に共にn型端子に連結され、前記第4電極は、前記出力調整部のp型端子に連結される。
前記第1ガスは、F、Cl、Iのうち、選択された1つのガスから形成されうる。
前記第5電極は、Pt、Pd、TaNからなるグループのうち、選択されたいずれか1つの金属から形成されうる。
本発明によれば、本発明の太陽電池モジュールは、前記反射ミラー部の上部に設けられ、密封された空間を形成する透明カバーと、前記密封された空間に充填された不活性ガスとをさらに具備し、前記太陽電池は、複数の単位セルを具備し、各単位セルは、前記反射ミラー部に向かって形成された第3電極と、前記第3電極の向かい側に形成された第4電極と、前記第3電極の表面に吸着されたCoFまたはF−TCNQのであるフッ素系分子と、前記第3電極の周囲に前記第3電極と離隔された第5電極とを具備し、前記第5電極は、前記CoFまたはF−TCNQのようなフッ素系分子より電子親和度が高い金属物質である。
本発明によれば、容易に交換できる電球型集光式の太陽電池モジュールを提供することが可能である。
また、本発明によれば、集光用に使われる反射膜を利用して電気を生産することによって、太陽電池モジュールの電力効率に向上させることが可能である。
また、本発明によれば、太陽電池表面での電子の再結合を防止し、太陽電池モジュールの電力効率に向上させることが可能である。
本発明の第1実施形態による電球型集光式の太陽電池モジュールの概略的構造を示す断面図である。 図1の太陽電池モジュールが着脱されるモジュール装着パネルを示す図面である。 図1の太陽電池の単位セルの一例を示す断面図である。 図1の太陽電池の単位セル表面での電子の作用を説明する図面である。 本発明による太陽電池の作用を説明する図面である。 図1の反射ミラー部の構造の変形例を示す断面図である。 図1の出力調整部のブロック図の一例を示す図面である。 本発明の第2実施形態による電球型集光式太陽電池モジュールの断面図である。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明による電球型集光式の太陽電池モジュールの実施形態について説明する。この過程で、図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されて図示されている。以下では、同じ構成要素に対して同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
図1は、本発明の第1実施形態による電球型集光式の太陽電池モジュール100の概略的構造を示す断面図である。
図1を参照すれば、太陽電池モジュール100は、光を受けて電気的エネルギーを生成する太陽電池110と、太陽電池110の下部に設けられ、光を受けて太陽電池110に集束させる反射ミラー部120とを具備する。反射ミラー部120は凹状の形状であり、太陽電池110は、反射ミラー部120で反射された光が集束される位置に配される。
反射ミラー部120の底の中央には、第1ホール121が形成されている。太陽電池110は、第1ホール121の上方に配される。反射ミラー部120の下部に、第1ホール121の孔を塞ぎ込むようにソケット130が設けられている。ソケット130は、反射ミラー部120に固設される。ソケット130の内部には、出力調整部140が設けられる。出力調整部140は、太陽電池110からの2つの電極と連結され、直流電流を交流電流に変換するインバータ(図示せず)を具備する。出力調整部140には、太陽電池110からの電子が流入するn型端子141と、太陽電池110からの正孔が流入するp型端子142と、外部の負荷または蓄電器に電気を供給する端子143とが設けられている。
反射ミラー部120の上部には、凸状の透明カバー150が設けられる。透明カバー150は、反射ミラー部120と結合され、内部に密封された空間152を形成する。前記密封された空間152には、後述するガスが充填されうる。透明カバー150は、ガラスまたはプラスチックから形成されうる。
図2は、図1の太陽電池モジュール100が着脱されるモジュール装着パネル200を示す図面である。モジュール装着パネル200には、複数の溝210が形成される。複数の溝210は、アレイ状に配列されうる。各溝210には、図1の太陽電池モジュール100のソケット130が装着されうる。各溝210の下部には、出力調整部140の端子142が貫通されるホール212が形成されうる。該ホール212の端には、接点220が設けられている。該接点220を介して、複数の出力調整部140からの電力が合わせられ、また、外部の負荷(図示せず)、または蓄電バッテリ(図示せず)に連結されうる。
本発明による太陽電池モジュール100は電球型であり、必要な電力によって、モジュール装着パネル200の溝210に配される太陽電池モジュール100の数を調節でき、また、各太陽電池モジュール100は、機能低下時に容易に交換されうる。
図3は、図1の太陽電池110の単位セル111の構成の一例を示す断面図である。図3を参照すれば、太陽電池110は、複数の単位セル111から構成されうる。単位セル111は、第1電極112及び第2電極117と、それらの間に形成された複数の層、例えば3層114,115,116からなる光電層113を具備する。第2電極117は、光が入射される面に形成され、第1電極112は、第2電極117と対向する面に形成される。参照番号118は、2つの単位セル111を直列に連結する導線である。
第1電極112及び第2電極117は、一般的な電極物質、例えば、アルミニウムなどが使われうる。また、第2電極117は、太陽光が透過するようにITO(indium tin oxide)のような透明導電性酸化物(TCO:transparent conductive oxide)などの透明導電材料によっても形成されうる。
第1電極112と接触する第1層114と、第2電極117と接触する第3層116と、第1層114及び第3層116間の第2層115は、半導体物質によって形成される。第3層116のバンドギャップが最も大きく、第1層114のバンドギャップが最も小さい。そして、第2層115のバンドギャップは、第1層114のバンドギャップ及び第3層116のバンドギャップの中間にある。このように、第3層116から第1層114に行くほどに、バンドギャップ・エネルギーが小さくなるので、太陽光のうち、第3層116のバンドギャップより大きいエネルギーを有する光電子は、第3層116のバンドギャップのエネルギーが電気に使われ、余分のエネルギーは熱に転換される。第3層116のバンドギャップ・エネルギー未満のエネルギーを有する光電子は、第2層115で電気と熱とに転換される。また、第2層115のバンドギャップ・エネルギー未満のエネルギーを有する光電子は、第1層114で電気及び熱に変換され、第1層114のバンドギャップ・エネルギー未満のエネルギーを有する光は、熱に変わる。第1層114、第2層115、第3層116は、それぞれGe、GaAs、GaInPから形成され、それらのバンドギャップ・エネルギーは、それぞれ0.7eV、1.4eV、1.8eVを有している。
単位セル111の光電層は、4層以上の層から形成され、物質層も多様に変更されうる。
太陽電池110は、前述のマルチ・ジャンクション・セルに限定されるものではなく、シリコン材質からなるセルでもありうる。
太陽電池110は、前述の単位セル111が複数個に直列に連結されている。そして、太陽電池110の一端の単位セル111の第1電極112は、出力調整部140のp型端子142に連結され、他端の単位セル111の第2電極117は、出力調整部140のn型端子141に連結される。
図4は、太陽電池110の単位セル111の表面での電子の作用について説明する図面である。図4を参照すれば、光が入射される第3層116の表面は、多くの光が吸収されるように、ピラミッド状を有する。光電層113で形成された電子のうち、第2電極117に近接して形成された電子は、第2電極117に容易に移動する。しかし、第2電極117から離れて生成された電子は、第2電極117に移動しているうちに、第3層116の表面のコーナーAで正孔と再結合されて失われ、従って太陽電池100の発電効率が低下しうる。
本発明の太陽電池110の単位セル111で、第3層116の周囲には、第5電極160がさらに設けられる。そして、密封された空間152内に、第3層116より電子親和度が高い第1ガスを充填しておく。
第5電極160は、第1ガスより電子親和度が高い物質によって形成する。第1ガスは、F、Cl、Iが使われうる。第5電極160としては、Pt、Pd、TaNが使われうる。
図5は、本発明による太陽電池の作用について説明する図面である。
図4及び図5を参照すれば、光が単位セル111に照射されれば、光電層113で電子−正孔対が生成され、電子は第2電極117に移動し、正孔は第1電極112を介して、出力調整部140のp型端子142に移動する。一方、光電層113で第2電極117から離れて形成された電子は、第3層116の表面に移動する。第3層116の表面にある第1ガスBは、電子親和度が高いために電子を吸収し、従って電子が表面のコーナーAで再結合されることを防止する。また、第3層116の表面から抜け出して第1ガスBに吸着された電子は、電子親和度が高い第5電極160に移動することになる。第5電極160に移動した電子は、第5電極160に連結された導線によって出力調整部140のn型端子141に移動する。従って、第2電極117及び第5電極160に移動した電子は、共にn型端子141に移動する。
図5では、エネルギーバンド・ダイヤグラムをそれぞれ示すために、第1電極112を二つに分離したが、実際は、第1電極112は一つに形成されうる。
従って、本発明による太陽電池モジュール100は、太陽電池110の表面での電子の再結合を抑制するので、単位セル111の電力効率を上昇させる。
一方、第1ガスBの代わりに、CoF、tetrafluorotetracyanoquinodimethane(F4−TCNQ)のようなフッ素系分子を単位セル111の表面、特に、第3層116の表面に形成し、空間152を真空に維持したり、または不活性ガスを充填しても、前記ガスの効果が現れるが、詳細な説明は省略する。
また、酸化物半導体を太陽電池として使用する場合、第1ガスBは、Oでありうる。
図6は、図1の反射ミラー部120の構造の変形例を示す断面図である。
図6を参照すれば、反射ミラー部120は、凹状の基板129と、基板129に配された複数の熱電セル122とを具備する。各熱電セル122は、基板129上に形成されたp型スタック123とn型スタック124とを具備する。各スタック123,124は、基板129上の第3電極125と、第3電極125上の熱電物質膜127,128と、熱電物質膜127,128上の第4電極126とを具備する。p型スタック123には、p型熱電物質膜127が形成され、n型スタック124には、n型熱電物質膜128が形成されるので、熱電セル122は、P−N構造を形成する。基板129は、ガラスまたは透明なプラスチックから形成されうる。
熱電セル122の各スタック123,124の第4電極126は、互いに連結されて1つの第4電極126として形成され、2つの連続する熱電セル122のn型スタック124の第3電極と、連続する熱電セル122のp型スタック123の第3電極は、互いに連結されように、1つの第3電極125として形成されることも可能である。
複数の熱電セル122の最初の熱電セル122のp型スタック123の下部の第3電極125と、最後の熱電セル122のn型スタック124の第3電極125は、出力調整部140のp型端子142及びn型端子141にそれぞれ連結される。
前記n型熱電物質膜128は、Bi(Te,Se)、NbドープトSrTiO、CaMn0.98Mo0.02、(BiTe0.9(SbTe0.05(SbSe0.05のうち、少なくともいずれか1つの物質によって形成され、前記p型熱電物質膜127は、(Bi,Sb)Te、CaCo、(BiTe0.2(SbTe0.8−y(SbSe(0≦y≦0.07)のうち、選択された少なくともいずれか一つによって形成されうる。
第4電極126は、基板129のように凹状に形成され、反射ミラー部120の反射面を形成する。
熱電セル122は、光を受ければ、n型熱電物質膜128では、電子が生成されて第3電極125に移動し、p型熱電物質膜127では、正孔が第3電極125に移動する。複数の熱電セル122は、そのセルの数によって、数十ボルトまたは数百ボルトの直流電圧を出力調整部140に供給する。
p型熱電物質膜127とn型熱電物質膜128は、それぞれナノワイヤの形態によって形成されることも可能である。
図7は、図1の出力調整部140のブロック図の一例を示す図面である。
図7を参照すれば、出力調整部140は、最大パワートラッキング回路144と、昇圧器145と、インバータ146とを具備する。
最大パワートラッキング回路144は、太陽電池110及び熱電セル112から直流電流が入力される。最大パワートラッキング回路144は、入力される電流から最大の出力電圧が出てくるように抵抗を調節し、最大電圧を出力する。
昇圧器145は、最大パワートラッキング回路144の直流電圧を所定の直流電圧に昇圧させる。これは、インバータ146での直流−交流変化効率を向上させるためである。
インバータ146は、入力された直流電圧を交流電圧に変換し、連結される負荷147または蓄電バッテリ(図示せず)に電気を供給する。
図8は、本発明の第2実施形態による電球型集光式太陽電池モジュール300の断面図である。図1の構成要素と実際的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
図8を参照すれば、太陽電池モジュール300の太陽電池110は、第1ホール121の位置に配され、太陽電池110の上方には、第2反射ミラー310が配される。第2反射ミラー310は、反射ミラー部120からの光を受けて太陽電池110にさらに送る。第2反射ミラー310は、太陽電池110に向かって凹状に形成され、小型サイズの太陽電池110に照射される太陽光の集積効率を向上させることができる。一方、太陽電池110の第3層116は、第2反射ミラー120に向かうように配される。
本発明は、図面を参照しつつ実施形態を参考にして説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、当分野で当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な実施形態が可能であるという点を理解することが可能であろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲に限って決まるものである。
100,300 太陽電池モジュール
110 太陽電池
111 単位セル
112 第1電極
113 光電層
114 第1層
115 第2層
116 第3層
117 第2電極
120 反射ミラー部
121 第1ホール
122 熱電セル
123 p型スタック
124 n型スタック
125 第3電極
126 第4電極
127 p型熱電物質膜
128 n型熱電物質膜
129 基板
130 ソケット
140 出力調整部
141 n型端子
142 p型端子
143 電気を供給する端子
144 最大パワー・トラッキング回路
145 昇圧器
146 インバータ
147 負荷
150 透明カバー
152 密封された空間
160 第5電極
200 モジュール装着パネル
210 溝
212 ホール
220 接点
310 第2反射ミラー
A コーナー
B 第1ガス

Claims (10)

  1. 凹状に形成され、太陽光を受けて内側に反射し、その底に第1ホールが形成された反射ミラー部と、
    前記反射ミラー部からの光を受けて電気的エネルギーを生成する太陽電池と、
    前記第1ホールの下部で前記反射ミラー部に固定されたソケットと、
    前記ソケット内で前記太陽電池に連結されて電力を生産する出力調整部と、を具備する電球型集光式の太陽電池モジュール。
  2. 前記太陽電池は、前記第1ホールの上方に配され、前記反射ミラー部で反射された光が直接照射されることを特徴とする請求項1に記載の電球型集光式の太陽電池モジュール。
  3. 前記太陽電池は、前記第1ホールの位置に配され、
    前記第1ホールの上方に配され、前記反射ミラー部からの光を受けて前記太陽電池に反射させる第2反射ミラーをさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の電球型集光式の太陽電池モジュール。
  4. 前記反射ミラー部は、凹状の基板と、前記基板上の熱電セルと、を具備し、
    前記熱電セルは、p型スタックとn型スタックとを具備し、
    前記p型スタックは、前記基板上の第1電極、前記第1電極上のp型熱電物質膜、及び前記p型熱電物質膜上の第2電極を具備し、
    前記n型スタックは、前記基板上の第1電極、前記第1電極上のn型熱電物質膜、及び前記n型熱電物質膜上の第2電極を具備することを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の電球型集光式の太陽電池モジュール。
  5. 前記熱電セルは、直列に連結された複数の熱電セルであり、
    最初の熱電セルのp型スタックの第1電極と、最後の熱電セルのn型スタックの第1電極は、それぞれ前記出力調整部のp型端子及びn型端子に連結されることを特徴とする請求項4に記載の電球型集光式の太陽電池モジュール。
  6. 前記反射ミラー部の上部に設けられ、密封された空間を形成する透明カバーと、
    前記密封された空間を充填する第1ガスと、をさらに具備し、
    前記太陽電池は、複数の単位セルを具備し、各単位セルは、前記反射ミラー部に向かって形成された第3電極と、前記第3電極と対向するように形成された第4電極と、前記第3電極の周囲に前記第3電極と離隔された第5電極とを具備し、前記第1ガスの電子親和度は、前記第3電極の電子親和度より高く、
    前記第5電極は、前記第1ガスより電子親和度が高い金属物質であることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の電球型集光式の太陽電池モジュール。
  7. 前記第3電極と前記第5電極は、前記出力調整部のn型端子に共に連結され、前記第4電極は、前記出力調整部のp型端子に連結されることを特徴とする請求項6に記載の電球型集光式の太陽電池モジュール。
  8. 前記反射ミラー部の上部に設けられ、密封された空間を形成する透明カバーと、
    前記密封された空間に充填された不活性ガスと、をさらに具備し、
    前記太陽電池は、複数の単位セルを具備し、各単位セルは前記反射ミラー部に向かって形成された第3電極と、前記第3電極の向かい側に形成された第4電極と、前記第3電極の表面に吸着されたCoFまたはF4−TCNQであるフッ素系分子と、前記第3電極の周囲に前記第3電極と離隔された第5電極とを具備し、
    前記第5電極は、前記CoFまたはF4−TCNQであるフッ素系分子より電子親和度が高い金属物質であることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の電球型集光式の太陽電池モジュール。
  9. 前記第3電極と前記第5電極は、前記出力調整部のn型端子に連結され、前記第4電極は、前記出力調整部のp型端子に連結されることを特徴とする請求項8に記載の電球型集光式の太陽電池モジュール。
  10. 前記第5電極は、Pt、Pd、TaNからなるグループのうち、選択されたいずれか1つの金属からなることを特徴とする請求項8または9に記載の電球型集光式の太陽電池モジュール。
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