KR102394750B1 - Sunlight Concentrating Device and Photovoltaic Module Containing the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 양자점층 사이에 단일 또는 복수의 저굴절층을 포함함으로써, 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 효과를 제공한다.The present invention relates to a photovoltaic device and a solar cell module including the same. to provide.
Description
본 발명은 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양자점층 사이에 단일 또는 복수의 저굴절층을 포함함으로써, 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a photovoltaic device and a solar cell module including the same, and more particularly, by including a single or a plurality of low-refractive layers between quantum dot layers, solar light concentrating that can overcome the theoretical light concentration limit It relates to a device and a solar cell module including the same.
최근 들어서 태양 에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전 시설이 점차 보편화되고 있다. 태양전지와 같은 이러한 태양광 발전 시설은 건축물의 외피 마감재로 사용하는 건물 일체화 (BIPV: Building Integrated Photovoltaic) 기술은 21세기 유망 신기술로서 근래 전 세계적으로 주목 받고 있으며, 2014년 초 스위스 로잔 공과대학교 (EPFL)의 컨벤션 센터에 사용된 바 있다.In recent years, solar power generation facilities capable of generating electric power using solar energy have become increasingly common. Building Integrated Photovoltaic (BIPV) technology, which is used as a building envelope finishing material for such photovoltaic power generation facilities such as solar cells, has recently been attracting attention worldwide as a promising new technology in the 21st century. ) was used in the convention center of
특히 집광형 태양전지 (Concentrator Photovoltaic)는 태양광을 작은 면적에 집광시켜 광 변환 효율을 극대화시킨 전지로서, 다중접합 태양전지와 추적 장치를 이용할 경우 300배 이상의 태양광을 집광시킬 수 있다. 집광 장치에 의한 집광을 수행할 경우 양자점의 농도를 증가시키거나, 양자점층의 두께를 증가시킬수록 흡광도가 높아질 것으로 예상할 수 있지만, 증가된 양자점의 농도 및/또는 양자점층의 두께에 의하여 발광된 광자가 재흡수되는 현상이 발생하여 이론적인 광 농축 한계가 존재한다.In particular, a concentrator photovoltaic cell is a cell that maximizes light conversion efficiency by concentrating sunlight on a small area, and when using a multi-junction solar cell and a tracking device, it can condense sunlight 300 times or more. When light collection is performed by a light collecting device, it can be expected that the absorbance increases as the concentration of quantum dots is increased or the thickness of the quantum dot layer is increased. A phenomenon in which photons are reabsorbed occurs, so there is a theoretical light concentration limit.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0101065호는 다중 접합 구조를 통한 태양전지의 효율 증대에 관하여 기재하고 있으나, 여전히 상술한 이론적인 광 농축 한계를 해결하지는 못하고 있다는 문제점이 있다. 이에 따라, 낮은 양자점의 농도 및/또는 양자점층의 두께 하에서도 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 구조의 개발이 필요한 실정이다.Although Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2019-0101065 describes an increase in the efficiency of a solar cell through a multi-junction structure, there is a problem in that the above-mentioned theoretical light concentration limit still cannot be solved. Accordingly, it is necessary to develop a structure capable of overcoming the theoretical light concentration limit even under a low quantum dot concentration and/or a quantum dot layer thickness.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 양자점층 사이에 단일 또는 복수의 저굴절층을 포함함으로써, 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to include a single or a plurality of low-refractive layers between the quantum dot layers, thereby overcoming the theoretical light concentration limit of a solar concentrator and To provide a solar cell module including the same.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양상에 따른 태양광 집광 장치는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층; 상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층; 및 상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object of the present invention, a solar light collecting device according to a first aspect of the present invention, a low-refractive layer having a first surface and a second surface facing each other; a first quantum dot layer in contact with the first surface of the low refractive index layer; and a second quantum dot layer in contact with the second surface of the low refractive index layer.
본 발명의 제2 양상에 따른 태양광 집광 장치는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층; 및 상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 양자점층을 포함하는 단위 태양광 집광 장치가 n개 적층된 적층체와, 상기 n번째 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하는 것을 특징으로 한다.A photovoltaic device according to a second aspect of the present invention includes: a low refractive index layer having a first surface and a second surface facing each other; and a laminate in which n unit solar concentrators including a quantum dot layer in contact with the first surface of the low refractive index layer are stacked, and a second quantum dot layer in contact with the second surface of the n-th low refractive index layer. characterized in that
본 발명의 제3 양상에 따른 태양광 집광 장치는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층; 상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층; 및 상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하는 단위 집광 장치가 n개 적층된 적층체를 포함하되, 상기 적층체를 구성하는 상기 n개의 단위 집광 장치 사이에는 공기층이 형성되는 것을 특징으로 한다.A photovoltaic device according to a third aspect of the present invention includes: a low refractive index layer having a first surface and a second surface facing each other; a first quantum dot layer in contact with the first surface of the low refractive index layer; and a laminate in which n unit light collecting devices including a second quantum dot layer in contact with the second surface of the low refractive layer are stacked, wherein an air layer is formed between the n unit light collecting devices constituting the stack. characterized by being
본 발명의 제4 양상에 따른 태양전지 모듈은, 상기 제1 내지 제3 양상 중 어느 하나에 따른 태양광 집광 장치의 측면을 감싸는 형태로 배치되고 전기적으로 연결된 복수의 태양전지 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.A solar cell module according to a fourth aspect of the present invention, comprising a plurality of solar cells electrically connected and disposed in a form surrounding the side surface of the photovoltaic device according to any one of the first to third aspects do it with
본 발명에 따르면, 양자점층 사이에 단일 또는 복수의 저굴절층을 포함함으로써, 이론적인 광 농축 한계를 극복할 수 있는 효과를 제공한다.According to the present invention, by including a single or a plurality of low-refractive layers between the quantum dot layer, it provides an effect that can overcome the theoretical light concentration limit.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광 장치의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 실리카 입자형태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광 장치의 작동 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 이동 경로를 나타낸 도면.1 to 3 are views showing the structure of a solar concentrator according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing the shape of a hollow silica particle according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing an operating state of the solar concentrator according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a photon movement path according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 대해서 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention in describing the present invention, the detailed description will be omitted. .
본원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terminology used herein is used only to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, element, or combination thereof described in the specification exists, and includes one or more other features or It should be understood that the possibility of the presence or addition of numbers, steps, acts, elements, or combinations thereof is not precluded in advance.
도 1은 본 발명의 제1 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)의 구조 및 작동 상태를 나타낸다.1 shows a structure and an operating state of a photovoltaic device 100 according to a first aspect of the present invention.
본 발명의 용어 ‘태양광 집광 장치’의 용어는 발광 태양 집광기, 발광 태양 농축기 (Luminescent solar concentrator)라고도 하며, 입사하는 태양광을 발광체가 흡수하여 낮은 에너지의 빛으로 재발광 (Photoluminescence, PL)시키는 장치를 의미한다. 상기 발광체는 가시광선 혹은 적외선을 발광할 수 있는 물질이다. 이 때 발광체로 발광된 빛은 공기와 유리 혹은 플라스틱 기판의 굴절률 차이로 인해 발광된 빛이 전반사하여 기판을 따라서 도파 (wave guiding)하여 이동하게 되고, 이동된 빛은 태양전지로 집광되어 전기로 변환된다.The term 'solar concentrator' in the present invention is also referred to as a luminescent solar concentrator or a luminescent solar concentrator. means the device. The light emitting body is a material capable of emitting visible light or infrared light. At this time, the light emitted from the luminous body is totally reflected due to the difference in refractive index between the air and the glass or plastic substrate and is wave guiding along the substrate to move, and the moved light is condensed by a solar cell and converted into electricity. do.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층(110); 상기 저굴절층(110)의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층(120); 및 상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층(130)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130)은 서로 같거나 다른 양자점을 포함하고, 상기 저굴절층(110)의 굴절률은 상기 제1 양자점층(120)의 굴절률 및 상기 제2 양자점층(130)의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮은 값을 갖는다.Referring to FIG. 1 , a photovoltaic device 100 according to a first aspect of the present invention includes a low
도 2는 본 발명의 제2 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)의 구조 및 작동 상태를 나타낸다.2 shows a structure and an operating state of a photovoltaic device 100 according to a second aspect of the present invention.
본 발명의 제2 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층(110); 및 상기 저굴절층(110)의 상기 제1면에 접하는 양자점층(120)을 포함하는 단위 태양광 집광 장치가 n개 적층된 적층체와, 상기 n번째 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층(130)을 포함하고, 상기 n개의 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130)은 각각 서로 같거나 다른 양자점을 포함하며, 상기 n개의 저굴절층의 굴절률의 최대값은, 상기 n개의 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률의 최소값보다 더 낮으며, 상기 n은 2 이상의 정수이다. n은 2 이상 10 이하의 정수인 것이 더 바람직하다.The photovoltaic device 100 according to the second aspect of the present invention includes a low
도 3은 본 발명의 제3 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)의 구조 및 작동 상태를 나타낸다.3 shows a structure and an operating state of a photovoltaic device 100 according to a third aspect of the present invention.
본 발명의 제3 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)는, 서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층; 상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층; 및 상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하는 단위 집광 장치가 n개 적층된 적층체를 포함하되, 상기 적층체를 구성하는 상기 n개의 단위 집광 장치 사이에는 공기층이 형성되고, 상기 n개의 제1 양자점층 및 상기 n개의 제2 양자점층은 각각 서로 같거나 다른 양자점을 포함하고, 상기 단위 태양광 집광 장치를 각각 구성하는 상기 저굴절층의 굴절률은 상기 제1 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮으며, 상기 n은 2 이상의 정수이다. n은 2 이상 10 이하의 정수인 것이 더 바람직하다.A photovoltaic device 100 according to a third aspect of the present invention includes: a low refractive index layer having a first surface and a second surface facing each other; a first quantum dot layer in contact with the first surface of the low refractive index layer; and a laminate in which n unit light collecting devices including a second quantum dot layer in contact with the second surface of the low refractive layer are stacked, wherein an air layer is formed between the n unit light collecting devices constituting the stack. and the n first quantum dot layers and the n second quantum dot layers each include the same or different quantum dots, and the refractive index of the low refractive index layers constituting the unit solar concentrator, respectively, is the first quantum dot layer is lower than the lower of the refractive index of the second quantum dot layer and the refractive index of the second quantum dot layer, and n is an integer of 2 or more. It is more preferable that n is an integer of 2 or more and 10 or less.
본 발명의 제3 양상에 있어서, 상기 ‘공기층’의 용어는 미세한 공기가 순환하는, 굴절률이 1인 층을 의미한다. 상기 공기층의 낮은 굴절률로 인하여, 저굴절층과 동일한 기능을 수행할 수 있다.In the third aspect of the present invention, the term 'air layer' refers to a layer having a refractive index of 1 in which fine air circulates. Due to the low refractive index of the air layer, the same function as the low refractive index layer can be performed.
본 발명자들은 본 발명의 구현 양상과 같이 양자점층(120, 130) 사이에 단일 또는 복수의 저굴절층(110)이 포함될 경우, 흡광도를 유지시키면서, 이론적인 광 농축 한계를 나타내는 양자점의 농도 및/또는 양자점층의 두께의 임계값 이하로 태양광 집광 장치를 구성할 수 있음을 지견하여 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention, when a single or a plurality of low-
구체적으로, 상기 ‘저굴절층’의 용어는 본 발명의 제1 양상에 있어서는 상기 저굴절층의 굴절률이 상기 제1 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮은 것을 의미하고, 본 발명의 제2 양상에 있어서는 상기 단위 태양광 집광 장치를 각각 구성하는 상기 저굴절층의 굴절률의 최대값은, 상기 n개의 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률의 최소값보다 더 낮은 것을 의미하고, 본 발명의 제3 양상에 있어서는 상기 단위 태양광 집광 장치를 각각 구성하는 상기 저굴절층의 굴절률은 상기 제1 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮은 것을 의미한다.Specifically, the term 'low refractive index layer' in the first aspect of the present invention means that the refractive index of the low refractive index layer is lower than the lower value of the refractive index of the first quantum dot layer and the refractive index of the second quantum dot layer. And, in the second aspect of the present invention, the maximum value of the refractive index of the low-refractive layer constituting the unit solar concentrator, respectively, is more than the minimum value of the refractive index of the n quantum dot layers and the refractive index of the second quantum dot layer means low, and in the third aspect of the present invention, the refractive index of the low refractive index layer constituting the unit solar concentrator, respectively, is higher than the lower value of the refractive index of the first quantum dot layer and the refractive index of the second quantum dot layer means low.
또한, 상기 ‘저굴절층’의 용어는 25℃에서 1.0 내지 1.5의 굴절률을 가지는 것을 의미할 수 있다. 굴절률은 바람직하게는 1.0 내지 1.4이고, 더 바람직하게는 1.0 내지 1.3이며, 가장 바람직하게는 1.0 내지 1.2이다. 굴절률의 범위가 상기 범위를 만족시키면 전반사 특성이 향상되고, 이론적인 광 농축 한계를 나타내는 양자점의 농도 및/또는 양자점층의 두께의 임계값 이하로 태양광 집광 장치를 구성하여도, 흡광도 및 효율을 유지할 수 있다.In addition, the term "low refractive index layer" may mean having a refractive index of 1.0 to 1.5 at 25 ℃. The refractive index is preferably 1.0 to 1.4, more preferably 1.0 to 1.3, and most preferably 1.0 to 1.2. When the range of refractive index satisfies the above range, total reflection characteristics are improved, and even if the solar concentrator is configured below the threshold value of the quantum dot concentration and/or the quantum dot layer thickness, which indicates the theoretical light concentration limit, the absorbance and efficiency are improved. can keep
본 발명의 제1 내지 제3 양상에 있어서 상기 저굴절층(110)은 각각 독립적으로 중공 실리카 입자, 중공 이산화티타늄 입자 및 불소계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다. 특히, 상기 실리카 입자 및/또는 이산화티타늄 입자는 굴절률을 낮추어 전반사 특성을 높이기 위하여 중공을 형성시키기 위하여, 중공 실리카 입자 및/또는 중공 이산화티타늄 입자를 사용한다. 내스크래치성을 높일 수 있다는 점에서 중공 실리카 입자를 사용하는 것이 바람직하다.In the first to third aspects of the present invention, the low
상기 중공 실리카 입자는 결정질 입자이거나 비결정질 입자일 수 있고, 단분산 입자인 것이 바람직하다. 형태에 있어서는 구형 입자인 것이 바람직하나, 부정형의 입자도 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 실리카 입자형태를 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)으로 각기 다른 배율에서 촬영한 사진을 도 4에 나타내었다.The hollow silica particles may be crystalline particles or amorphous particles, preferably monodisperse particles. In terms of shape, it is preferable that the particles are spherical, but amorphous particles can also be used without limitation. 4 shows the hollow silica particle shape according to an embodiment of the present invention taken at different magnifications with a scanning electron microscope (SEM).
본 발명의 제1 내지 제3 양상에 있어서 상기 저굴절층(110)은 각각 독립적으로 0.5 μm 내지 5mm의 두께를 가진다. 두께는 바람직하게는 1 μm 내지 1 mm이고, 더 바람직하게는 2 μm 내지 500 μm이며, 가장 바람직하게는 5μm 내지 50μm이다. 두께의 범위가 상기 범위를 만족시키면 가시광 파장 범위뿐만 아니라 보다 넓은 파장 범위의 적외선 영역까지 투과도를 증가시킬 수 있고, 광대역의 전반사 효과를 얻을 수 있다.In the first to third aspects of the present invention, each of the low
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 중공 실리카 입자의 수평균 입경은 30 nm 내지 10 μm이다. 수평균 입경은 바람직하게는 30 nm 내지 5 μm이고, 더 바람직하게는 50 nm 내지 2 μm이며, 가장 바람직하게는 50 nm 내지 1 μm이다. 수평균 입경이 상기 범위를 만족시키면 중공부의 비율이 높아지고 표면 상에 미세한 요철이 형성되어 저굴절률이 향상되며, 이로써 최적의 전반사 효능이 달성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the number average particle diameter of the hollow silica particles is 30 nm to 10 μm. The number average particle diameter is preferably 30 nm to 5 μm, more preferably 50 nm to 2 μm, and most preferably 50 nm to 1 μm. If the number average particle size satisfies the above range, The ratio of the hollow part is increased and fine irregularities are formed on the surface to improve the low refractive index, and thus the optimal total reflection efficiency can be achieved.
본 발명의 제1 양상에 있어서 상기 제1 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 본 발명의 제2 양상에 있어서 상기 n개의 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 또는 본 발명의 제3 양상에 있어서 상기 n개의 제1 양자점층(120) 및 상기 n개의 제2 양자점층(130)은 서로 같거나 다른 양자점(140)을 포함한다. 상기 ‘양자점 (quantum dot, QD)’의 용어는 1 나노미터 내지 수십 나노미터 범위의 크기를 갖는 입자로 구성된 단물질 반도체 또는 화합물 반도체를 의미한다. 양자점(140)은 특정한 파장의 광 에너지를 다른 파장의 광 에너지로 변환시킨다.The first
본 발명의 양자점(140)은 코어-쉘 구조를 가질 수 있고, 코어와 쉘 각각은 1 이상의 층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 양자점(140)은 코어-코어-쉘 구조 또는 코어-쉘-쉘 구조를 가질 수 있다.The
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양자점(140)은 Cd, Zn, In, Ga, Al, Si, Hg 계열로서, 3원계 또는 4원계의 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물, I-III-VI족 반도체 화합물, IV-VI족 반도체 화합물, IV족 원소 또는 화합물, 전이금속 (transition metal)이 도핑된 II-VI, III-V, I-III-VI 족 화합물, IV-VI족 화합물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있고, 구체적으로, CdZnS/ZnS, CdS, CdSe, CdSe/ZnS, PbS, PbSe CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC. CuInS2, AgInS2, ZnCuInS 및 ZnAgInS를 들 수 있고, 카본 (Carbon) 양자점, 그래핀 (graphene) 양자점, 페로브스카이트 (Perovskite, CH3NH3PbI3) 양자점, 그 중에서도 CuInS2/ZnS인 것이 더 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양자점(140) 대신 유기 염료 (organic dye)를 사용하여도 되며, 그 예로 루모겐 레드 (LUMOGEN RED, 적색을 발하는 페릴렌디카르복시이미드 형광제, BASF사, 상품명), 루모겐 옐로우 (LUMOGEN YELLOW, 황색을 발하는 페릴렌디카르복시이미드 형광제, BASF사, 상품명), 루모겐 오렌지(LUMOGEN ORANGE, 오렌지색을 발하는 페릴렌디카르복시이미드 형광제, BASF사, 상품명) 등을 들 수 있다.In one embodiment of the present invention, an organic dye may be used instead of the
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양자점(140)은 태양광 집광 장치(100) 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%로 함유된다. 상기 양자점(140)은 바람직하게는 3 내지 40 중량%로 함유되고, 더 바람직하게는 5 내지 30 중량%로 함유되며, 가장 바람직하게는 10 내지 30 중량%로 함유된다. 양자점(140)의 함량이 상기 범위를 만족시키면 양자점(140)의 함량 대비 발광 특성이 효율적으로 발휘될 수 있고, 원하는 도광 (light guiding)을 구현시킬 수 있다. 한편, 양자점(140)이 상기 범위를 초과하여 함유될 경우, 발광된 광자가 재흡수되는 문제가 발생될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
본 발명의 제1 양상에 있어서 상기 제1 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 본 발명의 제2 양상에 있어서 상기 n개의 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 또는 본 발명의 제3 양상에 있어서 상기 n개의 제1 양자점층(120) 및 상기 n개의 제2 양자점층(130)의 두께는 각각 독립적으로 1 μm 내지 3 cm이다. 두께는 바람직하게는 3 μm 내지 1 cm이고, 더 바람직하게는 10 μm 내지 500 μm 이며, 가장 바람직하게는 15 μm 내지 300 μm이다. 두께가 상기 범위 미만인 경우, 일정 수준의 도광 (light guiding)을 구현하기 위하여 양자점(140)이 더 높은 밀도로 존재하여야 하는데, 이러한 경우 양자점(140)들 간의 간격이 매우 좁아져 발광 시 발생하는 열에 의한 양자점(140)들의 열화 (degradation)가 가속화되어 발광 효율이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 두께가 상기 범위를 초과할 경우 제조 공정에서의 두께 균일도 저하 문제가 발생될 수 있고, 생산 비용이 증대되는 등의 경제성의 문제가 발생될 수 있다.The first
한편, 본 발명의 목적은 전체 태양광 집광 장치(100)의 각 양자점층의 농도를 낮추어 재흡수를 억제함으로써, 이론적인 광 농축 한계를 극복하고 효율을 증가시키는 것이며, 이 때, 본 발명의 제1 내지 제3 양상에 있어서 상기 저굴절층(110)은 은 각각 독립적으로 1 μm 내지 300 μm의 두께를 가지면서, 동시에, 본 발명의 제1 양상에 있어서 상기 제1 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 본 발명의 제2 양상에 있어서 상기 n개의 양자점층(120) 및 상기 제2 양자점층(130), 또는 본 발명의 제3 양상에 있어서 상기 n개의 제1 양자점층(120) 및 상기 n개의 제2 양자점층(130)은 각각 독립적으로 1 μm 내지 3 cm의 두께를 가지도록 구성된다.On the other hand, an object of the present invention is to suppress the reabsorption by lowering the concentration of each quantum dot layer of the entire solar light collecting device 100, thereby overcoming the theoretical light concentration limit and increasing the efficiency. In the first to third aspects, the low
도 5는 본 발명의 제1 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)를 포함하는, 본 발명의 제4 양상에 따른 태양전지 모듈(200)의 작동 상태를 나타낸 도면이다. 본 발명의 제4 양상에 있어서, 본 발명은 본 발명의 제1 내지 제3 양상에 따른 태양광 집광 장치(100)의 측면을 감싸는 형태로 배치되고 전기적으로 연결된 복수의 태양전지 셀(150)을 포함하는 태양전지 모듈(200)을 제공한다.5 is a view showing an operating state of the
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광 장치(100)가 사각평면 형상을 갖는 경우에는, 태양광 집광 장치(100)의 네 측면을 감싸는 형태로 배치될 수 있다. 복수의 태양전지 셀(150)은 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 태양전지 셀(150)은 실리콘 (Si) 계열, 갈륨아세나이드 (GaAs) 계열의 태양전지 셀(150)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.When the photovoltaic device 100 according to an embodiment of the present invention has a rectangular planar shape, it may be disposed in a shape surrounding the four sides of the photovoltaic device 100 . The plurality of
{실시예}{Example}
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of Examples. However, the following examples are only examples to help the overall understanding of the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.
<시험예 1> 양자점 효율 평가<Test Example 1> Quantum dot efficiency evaluation
본 발명에 따른 각각 500 μm 두께의 양자점층 사이에 500 μm 두께의 저굴절층을 위치시킨 총 1500 μm 두께의 태양광 집광 장치 (실시예 1), 및 저굴절층을 포함하지 아니하는 총 1000 μm 두께의 양자점층 단일층으로 이루어진 태양광 집광 장치 (비교예 1)를 사용하여 양자점 효율을 평가하였다. 양자점은 CuInS2/ZnS를 사용하였으며, 중공 실리카 입자가 포함된 저굴절층을 사용하였다.A total of 1500 μm thick solar concentrator (Example 1) in which a 500 μm thick low refractive layer is placed between each 500 μm thick quantum dot layer according to the present invention, and a total of 1000 μm without the low refractive index layer Quantum dot efficiency was evaluated using a solar concentrator (Comparative Example 1) consisting of a single-layer thick quantum dot layer. For quantum dots, CuInS 2 /ZnS was used, and a low refractive layer containing hollow silica particles was used.
효율 분석은 몬테 카를로 시뮬레이션 (Monte-Carlo simulation)을 사용하여 수행하였으며, 그 결과는 아래 표 1에 나타내었다 (단위: %).Efficiency analysis was performed using Monte-Carlo simulation, and the results are shown in Table 1 below (unit: %).
(단위: %)(unit: %)
<용어 설명><Glossary>
광흡수: 빛이 태양광 집광 장치의 옆면으로 전달되어 태양전지에 전달되는 현상 (예를 들어, 실시예 1에서의 광흡수 39.1%는 상부 양자점층에 100개의 태양광 광자가 입사되면 평균적으로 39.1개의 광자가 태양전지에 전달됨을 의미함),Light absorption: A phenomenon in which light is transmitted to the side surface of the solar concentrator and transmitted to the solar cell (for example, 39.1% of light absorption in Example 1 is 39.1% on average when 100 solar photons are incident on the upper quantum dot layer means that two photons are transmitted to the solar cell),
위로 출광: 빛이 태양광 집광 장치의 윗면을 뚫고 탈출(escape)하는 현상,upward emission: the phenomenon in which light escapes through the top surface of the solar concentrator;
아래로 출광: 빛이 태양광 집광 장치의 아랫면을 뚫고 탈출(escape)하는 현상,Downward emission: the phenomenon in which light escapes through the underside of the solar concentrator;
반사: 빛이 태양광 집광 장치의 계면에서 반사되어 양자점에 전달되지 아니하는 현상,Reflection: A phenomenon in which light is reflected at the interface of the solar concentrator and is not transmitted to the quantum dots;
투과: 빛이 양자점에 흡수되지 아니하는 현상,Transmission: a phenomenon in which light is not absorbed by quantum dots;
층 내 소광: 빛이 태양광 집광 장치 내의 층에 의하여 소광되는 현상,Intra-layer quenching: the phenomenon in which light is quenched by a layer within the solar concentrator;
양자점 내 소광: 양자점이 발광하지 못하는 현상.Extinction in Quantum Dots: A phenomenon in which quantum dots do not emit light.
표 1에서 확인되는 바와 같이, 양자점층 사이에 저굴절층을 위치시킨 태양광 집광 장치 (실시예 1)를 사용할 경우, 저굴절층을 포함하지 아니하는 양자점층 단일층으로 이루어진 태양광 집광 장치 (비교예 1)에 비하여, 4.4%의 현저하게 향상된 광흡수 효율 즉, 전반사 효율을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.As can be seen in Table 1, when using the photovoltaic device (Example 1) in which the low refractive index layer is positioned between the quantum dot layers, the solar light collecting device consisting of a single quantum dot layer not including the low refractive index layer ( Compared to Comparative Example 1), it can be confirmed that a remarkably improved light absorption efficiency of 4.4%, that is, total reflection efficiency can be achieved.
<시험예 2> 광자 이동 경로확인<Test Example 2> Photon movement path confirmation
본 발명에 따른 상기 실시예 1의 태양광 집광 장치에 대하여, 몬테-카를로 시뮬레이터 (Monte-Carlo simulator)를 사용하여, 광자 이동 경로를 확인하였다. 그 결과는 도 6에 나타내었다 (단위: μm).With respect to the solar concentrator of Example 1 according to the present invention, a photon movement path was confirmed using a Monte-Carlo simulator. The results are shown in FIG. 6 (unit: μm).
도 6의 x, y, z는 μm 단위로 총 5 cm x 5 cm x 1.5 mm의 크기의 태양광 집광 장치에 무작위 (random)로 입사되는 광자의 이동경로를 나타낸다. 다른 층으로 광자가 이동하면 다른 색깔로 나타내었다.6, x, y, and z indicate the movement path of photons randomly incident on the solar concentrator having a total size of 5 cm x 5 cm x 1.5 mm in μm. When a photon moves to another layer, it is indicated by a different color.
본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 청구범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the above-mentioned preferred embodiments, various modifications and variations are possible without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, it is intended that the appended claims cover such modifications and variations as fall within the scope of the present invention.
100: 태양광 집광 장치 110: 저굴절층
120: 제1 양자점층 130: 제2 양자점층
140: 양자점 150: 태양전지 셀
200: 태양전지 모듈100: solar light concentrator 110: low refractive layer
120: first quantum dot layer 130: second quantum dot layer
140: quantum dot 150: solar cell
200: solar cell module
Claims (16)
서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층;
상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층; 및
상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하고,
상기 제1 양자점층 및 상기 제2 양자점층은 서로 같거나 다른 양자점을 포함하고,
상기 저굴절층의 굴절률은 상기 제1 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮은
태양광 집광 장치.In the solar concentrating device,
a low refractive index layer having first and second surfaces opposite to each other;
a first quantum dot layer in contact with the first surface of the low refractive index layer; and
A second quantum dot layer in contact with the second surface of the low refractive index layer,
The first quantum dot layer and the second quantum dot layer include the same or different quantum dots,
The refractive index of the low refractive index layer is lower than the lower value of the refractive index of the first quantum dot layer and the refractive index of the second quantum dot layer.
solar concentrator.
서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층; 및
상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 양자점층을 포함하는 단위 태양광 집광 장치가 n개 적층된 적층체와,
상기 n번째 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하고,
상기 n개의 양자점층 및 상기 제2 양자점층은 각각 서로 같거나 다른 양자점을 포함하며,
상기 n개의 저굴절층의 굴절률의 최대값은, 상기 n개의 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률의 최소값보다 더 낮으며,
상기 n은 2 이상의 정수인
태양광 집광 장치.In the solar concentrating device,
a low refractive index layer having first and second surfaces opposite to each other; and
A laminate in which n unit solar concentrators including a quantum dot layer in contact with the first surface of the low refractive layer are stacked;
A second quantum dot layer in contact with the second surface of the n-th low refractive index layer,
The n quantum dot layers and the second quantum dot layer each include the same or different quantum dots,
The maximum value of the refractive index of the n low refractive index layer is lower than the minimum value of the refractive index of the n quantum dot layer and the refractive index of the second quantum dot layer,
Wherein n is an integer of 2 or more
solar concentrator.
서로 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 저굴절층;
상기 저굴절층의 상기 제1면에 접하는 제1 양자점층; 및
상기 저굴절층의 상기 제2면에 접하는 제2 양자점층을 포함하는 단위 집광 장치가 n개 적층된 적층체를 포함하되,
상기 적층체를 구성하는 상기 n개의 단위 집광 장치 사이에는 공기층이 형성되고,
상기 n개의 제1 양자점층 및 상기 n개의 제2 양자점층은 각각 서로 같거나 다른 양자점을 포함하고,
상기 저굴절층의 굴절률은 상기 제1 양자점층의 굴절률 및 상기 제2 양자점층의 굴절률 중 낮은 값보다 더 낮으며,
상기 n은 2 이상의 정수인
태양광 집광 장치.In the solar concentrating device,
a low refractive index layer having first and second surfaces opposite to each other;
a first quantum dot layer in contact with the first surface of the low refractive index layer; and
Including a laminate in which n units of a light collecting unit including a second quantum dot layer in contact with the second surface of the low refractive layer are stacked,
An air layer is formed between the n unit light collecting devices constituting the laminate,
The n first quantum dot layers and the n second quantum dot layers each include the same or different quantum dots,
The refractive index of the low refractive index layer is lower than the lower value of the refractive index of the first quantum dot layer and the refractive index of the second quantum dot layer,
Wherein n is an integer of 2 or more
solar concentrator.
상기 n은 2 이상 10 이하의 정수인, 태양광 집광 장치.4. The method of claim 2 or 3,
Wherein n is an integer of 2 or more and 10 or less, the solar concentrator.
상기 저굴절층은 25℃에서 1.0 내지 1.5의 굴절률을 가지는, 태양광 집광 장치.The method of claim 1,
The low refractive layer has a refractive index of 1.0 to 1.5 at 25 ℃, solar light collecting device.
상기 저굴절층은 각각 독립적으로 25℃에서 1.0 내지 1.5의 굴절률을 가지는, 태양광 집광 장치.4. The method of claim 2 or 3,
The low-refractive layer each independently has a refractive index of 1.0 to 1.5 at 25 ℃, a solar concentrator.
상기 저굴절층은 중공 실리카 입자, 중공 이산화티타늄 입자 및 불소계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 태양광 집광 장치.The method of claim 1,
The low-refractive layer includes at least one selected from the group consisting of hollow silica particles, hollow titanium dioxide particles, and fluorine-based compounds.
상기 저굴절층은 각각 독립적으로 중공 실리카 입자, 중공 이산화티타늄 입자 및 불소계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 태양광 집광 장치.4. The method of claim 2 or 3,
The low-refractive layer each independently comprises at least one selected from the group consisting of hollow silica particles, hollow titanium dioxide particles, and fluorine-based compounds, solar concentrating device.
상기 저굴절층은 0.5 μm 내지 5 mm의 두께를 가지는, 태양광 집광 장치.The method of claim 1,
The low-refractive layer has a thickness of 0.5 μm to 5 mm, solar concentrating device.
상기 저굴절층은 각각 독립적으로 0.5 μm 내지 5 mm의 두께를 가지는, 태양광 집광 장치.4. The method of claim 2 or 3,
The low refractive index layer each independently has a thickness of 0.5 μm to 5 mm, a solar light collecting device.
상기 양자점은 각각 독립적으로 CdZnS/ZnS, CdS, CdSe, CdSe/ZnS, PbS, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb 및 SiC로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 태양광 집광 장치.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The quantum dots are each independently CdZnS/ZnS, CdS, CdSe, CdSe/ZnS, PbS, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb and At least one selected from the group consisting of SiC, a solar concentrator.
상기 태양광 집광 장치에 포함되는 전체 양자점은 태양광 집광 장치 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%로 함유되는, 태양광 집광 장치.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The total amount of quantum dots included in the photovoltaic device is contained in an amount of 1% to 50% by weight based on the total weight of the photovoltaic device.
상기 제1 양자점층 및 상기 제2 양자점층은 각각 독립적으로 1 μm 내지 3 cm의 두께를 가지는, 태양광 집광 장치.The method of claim 1,
The first quantum dot layer and the second quantum dot layer each independently have a thickness of 1 μm to 3 cm, a solar light collecting device.
상기 n개의 양자점층 및 상기 제2 양자점층은 각각 독립적으로 1 μm 내지 3 cm의 두께를 가지는, 태양광 집광 장치.3. The method of claim 2,
The n quantum dot layers and the second quantum dot layer each independently have a thickness of 1 μm to 3 cm, a solar concentrator.
상기 n개의 제1 양자점층 및 상기 n개의 제2 양자점층은 각각 독립적으로 1 μm 내지 3 cm의 두께를 가지는, 태양광 집광 장치.4. The method of claim 3,
The n first quantum dot layers and the n second quantum dot layers each independently have a thickness of 1 μm to 3 cm, a solar concentrator.
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