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KR101069061B1 - 스택형 태양전지장치 - Google Patents

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KR101069061B1
KR101069061B1 KR1020097010535A KR20097010535A KR101069061B1 KR 101069061 B1 KR101069061 B1 KR 101069061B1 KR 1020097010535 A KR1020097010535 A KR 1020097010535A KR 20097010535 A KR20097010535 A KR 20097010535A KR 101069061 B1 KR101069061 B1 KR 101069061B1
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KR
South Korea
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solar cell
rod
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light receiving
stacked
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죠스케 나카타
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교세미 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 스택형 태양전지장치는, 복수의 태양전지유닛(4)과, 이들 태양전지유닛(4)을 수용하는 금속판제의 외장 케이스와, 부분 원통형의 렌즈부를 형성한 커버유리 등을 가지고, 외장 케이스의 복수의 오목부에 복수의 태양전지유닛(4)이 수용되어 합성 수지제의 밀봉재로 밀봉된다. 태양전지유닛(4)은 평면 수광형 태양전지 모듈(10)과, 로드 수광형 태양전지 모듈(30, 50)을, 감도 파장 대역의 중심파장이 짧은 것일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 적층한 것이다. 태양전지 모듈(10)은 5개의 평면 수광형 태양전지 셀(11)을 4개의 접속 로드(20a, 20b)로 병렬 접속한 것이고, 태양전지 모듈(30, 50)은 5개의 서브모듈(31, 51)을 각각 접속 로드(40a, 40b, 60a, 60b)로 병렬 접속한 것이며, 서브모듈(31, 51)은 복수의 로드형 태양전지 셀(32, 52)을 각각 직렬 접속한 것이다.

Description

스택형 태양전지장치{STACKED SOLAR CELL DEVICE}
본 발명은 태양광의 스펙트럼 중 광범위의 파장성분을 유효하게 이용하기 위하여, 감도(感度) 파장 대역이 다른 복수의 태양전지 모듈을 적층한 스택형 태양전지장치에 관한 것으로, 특히 반도체의 금지대폭이 큰 태양전지 모듈, 즉, 감도 파장 대역의 중심파장이 짧은 태양전지 모듈일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 적층한 스택형 태양전지장치에 관한 것이다.
태양전지장치의 보급을 위해서는, 태양전지 또는 태양전지 모듈의 편리성, 광전변환효율, 제작비용, 품질의 안정성, 수명, 태양전지 제조에 필요한 에너지 소비량, 사용후의 폐기처리 등이 중요한 요소이다.
태양전지로서는 (A) 평면 수광형 태양전지, (B) 입자형상의 태양전지 셀을 복수 행·복수 열로 패널형상으로 배치한 태양전지, (C) 복수의 섬유형 태양전지 셀을 패널형상으로 배치한 태양전지, (D) 탠덤(Tandem)형 태양전지, (E) 스택형 태양전지 등이 공지되어 있다.
상기 (B)의 태양전지는 예컨대, WO 02/35613호 공보, WO 03/017383호 공보, WO 03/036731호 공보 및 WO 2004/001858호 공보 등에 제안되어 있다. 상기 (C)의 태양전지는, 예컨대, 미국특허공보 제3,984,256호 및 제5,437,736호 등에 제안되어 있다. 상기 (D)의 탠덤형 태양전지는, 평면 수광형 태양전지 셀 단독의 광전변환효율의 향상을 도모하기 위해서, 태양광 스펙트럼의 감도 파장 대역을 복수로 구획짓고, 각 감도 파장 대역에 최적의 금지대폭을 가지는 반도체로 pn 접합을 형성하여, 이것을 공통의 반도체기판 상에 연속적으로 결정 성장시킨 것이다.
상기 (E)의 스택형 태양전지는, 태양광 스펙트럼의 이용효율과 광전변환효율을 높이기 위해서, 태양광 스펙트럼의 감도 파장 대역마다 최적인 금지대폭의 반도체를 이용하여 형성한 태양전지 셀로 평판형의 태양전지 모듈을 제작하고, 복수 종류의 태양전지 모듈을 상하방향으로 적층한 것이다.
상기 (A)∼(E)의 태양전지에 있어서, 렌즈나 반사기에 의해 태양광을 집광하여 에너지 밀도를 올리는 기술도 채용되어 있다. 이 경우에는, 광전변환효율의 향상뿐만 아니라, 비교적 작은 수광면적으로 높은 출력을 얻을 수 있기 때문에, 태양전지의 비용을 내릴 수 있다. 이러한 기술에 대해서는 이미 많은 학술문헌이나 특허공보에 개시되어 있다.
예컨대, 태양전지에 있어서 렌즈로 집광하는 기술에 대해서는, 미국특허 제4,834,805호 및 제4,638,110호 등에 개시되어 있다. 집광에 의해 태양전지 셀의 온도가 상승하고, 광전변환효율이 떨어지며, 태양전지 모듈이 쉽게 열화(劣化)되기 때문에, 집광에 의해 발생한 열을 어떻게 효율적으로 방열할지가 중요해진다. 미국특허 제5,482,568호, 제6,252,155호, 제6,653,551호 및 제6,440,769호에서는, 복수의 콘(cone)형상의 반사면의 바닥부에 태양전지 셀을 수용하여 그 반사면에 의해 집광하고, 발생한 열을 방열시키는 구조를 채용한 태양전지가 개시되어 있다.
그러나, 종래의 탠덤형 태양전지나 스택형 태양전지는, 수광면이 평면일 뿐만 아니라, 표면으로부터만 수광하기 때문에, 주위의 여러 방향에서 오는 반사 산란광에 대하여 효과적인 광전변환이 불가능하다. 게다가, 태양전지에 형성된 복수의 평면형상의 pn 접합은, 면적이 동일한 단일 pn 접합이고, 이들은 직렬 접속되어 있다. 이 때문에, 탠덤형 태양전지 또는 스택형 태양전지를 구성하는 복수의 pn 접합 중 가장 출력 전류가 작은 pn 접합에 의해 출력 전류가 제한되기 때문에, 본래, 단독으로는 높은 출력 전류를 낼 수 있는 pn 접합은 그 출력을 최대한 발휘할 수 없다는 문제가 있다.
게다가, 탠덤형 태양전지에서는 공통의 반도체기판 상에 다른 금지대폭의 다른 격자정수의 반도체 결정을 박막성장시켜, 각 층에 pn 접합과 다른 터널 접합을 성형해야만 한다. 이종(異種) 반도체의 연속적 성장을 위해서는 격자정수를 정합시킬 필요가 있어, 선택할 수 있는 반도체에 제약이 있으며, 또한, 박막 결정 성장에 있어서 정밀한 조성 등의 제어가 필요하고 제조장치나 작업에 드는 비용이 높아진다.
복수 종류의 태양전지 모듈을 기계적으로 스택하는 파장분할형의 스택형 태양전지에서는, 터널 접합을 형성하거나 격자정수를 정합시킬 필요는 없지만, 복수의 평판형의 단일 pn 접합의 태양전지를 스택할 때, 태양전지 모듈의 전극의 배치나 태양전지 모듈의 간격과 평행도를 정밀하게 설정하지 않으면 전극에 의한 차폐나 표면의 반사에 의해 출력이 저하될 우려가 있다.
이와 같은 종래의 스택형 태양전지가 가지는 문제를 해결하기 위하여 본원 발명자는, WO 2005/088733호 공보에 나타낸 바와 같이, 평면 수광형 태양전지 모듈과, 금지대폭이 다른 반도체로 형성한 다수의 구형(球狀) 태양전지 셀을 복수 행·복수 열로 조립한 복수 종류의 태양전지 모듈을 독립적으로 제작하고, 이들 태양전지 모듈을, 금지대폭이 큰 모듈일수록 태양광의 입사광측이 되도록 적층한 스택형 태양전지를 제안하였다.
상기 스택형 태양전지에 있어서, 금지대폭이 다른 반도체로 구성된 서로 독립된 태양전지 모듈을 직렬 접속함에 있어서 각 태양전지 모듈을 흐르는 전류의 크기가 일치하도록 태양전지 셀의 직렬수와 병렬수를 선택하여, 전체 출력을 최대화할 수 있도록 하였다.
[특허문헌 1] WO 02/35613호 공보
[특허문헌 2] WO 03/017383호 공보
[특허문헌 3] WO 03/036731호 공보
[특허문헌 4] WO 2004/001858호 공보
[특허문헌 5] 미국특허공보 제3,984,256호
[특허문헌 6] 미국특허공보 제5,437,736호
[특허문헌 7] 미국특허공보 제4,834,805호
[특허문헌 8] 미국특허공보 제4,638,110호
[특허문헌 9] 미국특허공보 제5,482,568호
[특허문헌 10] 미국특허공보 제6,252,155호
[특허문헌 11] 미국특허공보 제6,653,551호
[특허문헌 12] 미국특허공보 제6,440,769호
[특허문헌 13] WO 2005/088733호 공보
그러나, 상기 스택형 태양전지에 있어서는, 구형 태양전지 셀의 수가 많아지면 필연적으로 셀을 전기적으로 접속하는 부분이 많아지기 때문에, 결선의 비용을 포함하는 조립비용이 높아져, 장치의 신뢰성이 쉽게 저하된다. 또한, 다수의 구형 태양전지 셀을 최대한 조밀하게 배치하여도 메워지지 않는 틈새가 발생하고, 특히 렌즈로 집광한 광을 수광하는 경우, 틈새를 통과하는 광을 충분히 이용할 수 없다는 결점이 있었다.
본 발명의 목적은, 부분 원통형의 pn 접합과 띠형상의 한 쌍의 전극을 가지는 복수의 로드형 태양전지 셀로 이루어진 적어도 1종류의 태양전지 모듈을 내장한 스택형 태양전지장치를 제공하는 것과, 로드형 태양전지 셀을 이용하여 태양전지 셀의 수와 결선 부분의 수를 적게 하여 조립비용을 절감할 수 있는 스택형 태양전지장치를 제공하는 것과, 렌즈와 반사면에 의한 집광에 의해 광전변환효율을 향상시키면서 제작비용을 절감할 수 있는 스택형 태양전지장치를 제공하는 것과, 금속제의 외장 케이스에 의해 방열성을 향상할 수 있는 스택형 태양전지장치를 제공하는 것 등이다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명에 관한 스택형 태양전지장치는, 복수의 태양전지 모듈을 복수층으로 적층한 스택형 태양전지장치로서, 감도 파장 대역이 다른 복수 종류의 태양전지 모듈이며, 감도 파장 대역의 중심파장이 짧은 태양전지 모듈일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 적층된 복수 종류의 태양전지 모듈을 구비하고, 적어도 1종류의 태양전지 모듈은, 복수의 로드형 태양전지 셀을 각각 내장한 복수의 로드 수광형 서브모듈로 구성되며, 상기 로드형 태양전지 셀은, p형 또는 n형의 반도체로 이루어진 원형 또는 부분 원형의 단면을 가지는 로드형의 반도체 결정으로 이루어진 기재(基材)와, 상기 기재의 표면층 중 상기 기재의 축심과 평행한 띠형상 부분을 제외한 부분에 형성되면서 상기 기재의 도전형과는 다른 도전형의 별개의 도전층과, 상기 기재와 별개의 도전층으로 형성된 부분 원통형의 pn 접합과, 상기 기재의 띠형상 부분의 표면에 오믹 접속된 띠형상의 제 1 전극과, 상기 기재의 축심을 사이에 두고 제 1 전극과 반대측에서 상기 별개의 도전층의 표면에 오믹 접속된 띠형상의 제 2 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
(발명의 효과)
로드형 태양전지 셀은, 로드형의 기재와, 기재의 도전형과 다른 도전형의 별개의 도전층과, 부분 원통형의 pn 접합과, 기재의 축심을 사이에 두고 셀의 양단에 형성되어 pn 접합에 접속된 띠형상의 제 1, 제 2 전극을 가지기 때문에, pn 접합의 각 점으로부터 제 1, 제 2 전극까지의 거리를 거의 일정한 작은 값으로 유지할 수 있다. 이에 따라, pn 접합의 전체가 균등하게 광기전력을 발생하므로, 로드형 태양전지 셀 광전변환효율을 높게 유지할 수 있다.
복수의 로드형 태양전지 셀을 평행하게 배열하고, 제 1, 제 2 전극을 통해 직렬 접속한 로드 수광형 서브모듈을 구성하는 경우에, 기재의 직경을 바꿈으로써 복수의 로드형 태양전지 셀의 수를 바꾸어, 서브모듈에서 발생하는 전압을 바꿀 수 있다.
복수의 로드 수광형 서브모듈로 이루어진 태양전지 모듈에서는, 복수의 로드 수광형 서브모듈을 병렬 접속하는 구성을 채용하여, 그 병렬 접속되는 서브모듈의 수를 바꿈으로써, 태양전지 모듈에서 발생하는 전류를 바꿀 수 있다.
로드형 태양전지 셀에서는, 그 축심방향의 길이를 기재의 직경의 수배∼십수 배의 크기로 설정할 수 있기 때문에, 입자형상의 태양전지 셀에 비해, 수광면적을 매우 크게 할 수 있는 데다가, 복수의 로드형 태양전지 셀을 조밀하게 평행으로 배열하여 로드 수광형 서브모듈을 구성할 수 있어, 태양광의 투사 면적에 대한 수광면적의 비율을 크게 하여, 태양광을 수광하는 수광효율을 높일 수 있다.
게다가, 로드 수광형 서브모듈에서는, 복수의 입자형상의 태양전지 셀을 내장한 서브모듈에 비해, 태양전지 셀을 전기적으로 접속하는 결선 부분의 수를 매우 적게 할 수 있기 때문에, 그 결선비용을 포함하는 서브모듈의 조립비용을 대폭 절감할 수 있다.
상기 태양전지장치는, 감도 파장 대역이 다른 복수 종류의 태양전지 모듈로서, 감도 파장 대역의 중심파장이 짧은 태양전지 모듈일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 적층된 복수 종류의 태양전지 모듈을 구비하고 있기 때문에, 태양광의 스펙트럼 중 넓은 파장범위의 태양광을 광전변환할 수 있다.
파장이 짧은 광일수록 투과성이 약하기 때문에, 상기한 바와 같이 감도 파장 대역의 중심파장이 짧은 태양전지 모듈일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 복수 종류의 태양전지 모듈을 적층함으로써, 각 태양전지 모듈의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
상기 태양전지장치에 있어서, 상하방향으로 적층되는 복수 종류의 태양전지 모듈을 직렬 접속하고, 이들의 출력 전류를 거의 같은 전류로 맞춤으로써, 복수 종류의 태양전지 모듈의 발전 능력을 최대한 발휘시킬 수 있다.
적어도 1종류의 태양전지 모듈을 복수의 로드 수광형 서브모듈로 구성하기 때문에, 각 서브모듈에서의 로드형 태양전지 셀의 직렬 접속수를 바꿈으로써, 로드 수광형 서브모듈의 출력전압을 조정할 수 있고, 복수의 로드 수광형 서브모듈을 병렬 접속하는 병렬 접속수를 바꿈으로써, 그 태양전지 모듈의 출력 전류를 조정할 수 있기 때문에, 상하방향으로 적층되는 복수 종류의 태양전지 모듈의 출력 전류를 쉽게 일치시킬 수 있게 된다.
본 발명의 종속 청구항의 구성으로서, 다음과 같은 다양한 구성을 채용해도 된다.
(1) 적어도 1종류의 태양전지 모듈은, 평면형상의 pn 접합을 가지는 평면 수광형 태양전지 셀로 각각 구성된 복수의 평면 수광형 서브모듈로 구성되었다.
(2) 3종류의 태양전지 모듈을 구비하여, 2종류의 태양전지 모듈은 복수의 로드 수광형 서브모듈로 각각 구성되고, 1종류의 태양전지 모듈은 복수의 평면 수광형 서브모듈로 구성되며, 복수의 평면 수광형 서브모듈로 구성된 태양전지 모듈이 최상단 위치에 배치되었다.
(3) 각 로드 수광형 서브모듈과 각 평면 수광형 서브모듈은, 태양광을 수광하는 수광면적이 동등해지도록 형성되었다.
(4) 로드 수광형 서브모듈에 있어서의 복수의 로드형 태양전지 셀은, 제 1, 제 2 전극을 잇는 도전방향을 수평방향으로 정렬하여 평행하게 배치되는 동시에, 제 1, 제 2 전극을 통해 전기적으로 직렬 접속되었다.
(5) 태양전지 모듈을 구성하는 복수의 로드 수광형 서브모듈을 병렬 접속하고 또한 일체적으로 연결하는 한 쌍의 제 1 접속 로드를 형성하는 동시에, 태양전지 모듈을 구성하는 복수의 평면 수광형 서브모듈을 병렬 접속하고 또한 일체적으로 연결하는 두 쌍의 제 2 접속 로드를 설치하였다.
(6) 하방으로 오목하게 들어간 오목부를 가지는 금속판제의 외장 케이스를 형성하고, 상기 외장 케이스의 오목부에 복수 종류의 태양전지 모듈을 적층상태로 하여 수용하였다.
(7) 상기 외장 케이스는, 상기 오목부의 폭방향에 수평으로 배열한 평행한 복수의 오목부를 가지고, 복수의 오목부의 각각에 복수 종류의 태양전지 모듈을 적층상태로 하여 수용하였다.
(8) 상기 외장 케이스의 오목부는, 그 폭이 상방일수록 넓어지는 실질적으로 역사다리꼴 단면을 가지고, 상기 오목부의 한 쌍의 측벽과 바닥벽의 내면은 광 반사면으로 형성되었다.
(9) 복수의 태양전지 모듈보다 태양광 입사측에, 복수의 태양전지 모듈쪽으로 태양광을 집광하는 집광기능을 갖는 렌즈부를 가지는 렌즈부재를 설치하였다.
(10) 상기 외장 케이스의 복수의 오목부 내의 틈새에 투명합성수지제의 밀봉재가 충전되어, 상기 외장 케이스와 렌즈부재로 패키징되었다.
(11) 상기 외장 케이스의 바닥벽에는, 상방으로 소정의 높이를 가지고 약간 돌출하는 사다리꼴형상의 돌출대가 형성되었다.
(12) 상기 외장 케이스의 오목부의 단부를 막는 사이드 마개 블록을 형성하고, 상기 사이드 마개 블록에 상기 제 1, 제 2 접속 로드의 단부를 삽입하여 전기적으로 접속하는 복수의 금속제 접속 파이프를 설치하고, 이들 접속 파이프를 사이드 마개 블록의 외측으로 돌출시켜 외부단자로 구성하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지장치에 내장되는 평면 수광형 태양전지 셀(서브모듈)의 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II선 단면도이다.
도 3은 도 1의 태양전지 셀의 저면도이다.
도 4는 로드형 태양전지 셀의 사시도이다.
도 5는 로드형 태양전지 셀(32)의 단면도이다.
도 6은 도 5의 태양전지 셀(32)의 우측면도이다.
도 7은 도 5의 태양전지 셀(32)의 좌측면도이다.
도 8은 로드형 태양전지 셀(52)의 단면도이다.
도 9는 도 8의 태양전지 셀(52)의 우측면도이다.
도 10은 도 8의 태양전지 셀(52)의 좌측면도이다.
도 11은 태양전지 유닛의 분해 사시도이다.
도 12는 태양전지장치의 평면도이다.
도 13은 도 12의 XIII-XIII선 단면도이다.
도 14는 도 12의 XIV－XIV선 단면도이다.
도 15는 도 13의 XV-XV선 단면 부분도이다.
도 16은 사이드 마개 블록의 사시도이다.
도 17은 사이드 마개 블록의 정면도다.
도 18은 태양전지장치의 주요부의 확대 단면도다.
도 19는 태양전지장치의 등가 회로도이다.
도 20은 태양전지 스펙트럼과 태양전지장치의 분광감도 특성의 설명도이다.
도 21은 변경예에 따른 로드형 태양전지 셀의 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 태양전지장치
2 : 외장 케이스
2a : 측벽
2b : 바닥벽
2c : 돌출대
3 : 오목부
4 : 태양전지 유닛
5 : 커버유리(렌즈부재)
5a: 렌즈부
6 : 사이드 마개 블록
10 : 평면 수광형 태양전지 모듈
11 : 태양전지 셀(서브모듈)
20a, 20b : 접속 로드
20A, 20B : 접속 파이프
30 : 태양전지 모듈
31 : 로드 수광형 서브모듈
32 : 태양전지 셀
33 : 기재
35 : p형 GaAs층(별개의 도전층)
36 : p형 GaAlAs층
37 : pn 접합
38 : 음전극
39 : 양전극
40a, 40b : 접속 로드
40A, 40B : 접속 파이프
50 : 태양전지 모듈
51 : 로드 수광형 서브모듈
52 : 태양전지 셀
53 : 기재
55: n형 Ge 확산층(별개의 도전층)
56 : pn 접합
57 : 양전극
58 : 음전극
60a, 60b : 접속 로드
60A, 60B : 접속 파이프
63 : 밀봉재
본 발명에 따른 태양전지장치는, 복수의 태양전지 모듈을 복수층으로 적층한 스택형 태양전지장치로서, 감도 파장 대역이 다른 복수 종류의 태양전지 모듈이며, 감도 파장 대역의 중심 파장이 짧은 태양전지 모듈일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 적층된 복수 종류의 태양전지 모듈을 구비하고, 적어도 1종류의 태양전지 모듈은, 복수의 로드형 태양전지 셀을 각각 내장한 복수의 로드 수광형 서브모듈로 구성되며, 로드형 태양전지 셀은 후술하는 바와 같은 특유의 구성을 가진다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면에 기초하여 설명한다.
도 11 ∼ 도 15에 나타낸 바와 같이, 이러한 집광형의 스택형 태양전지장치(1)는, 금속판제의 외장 케이스(2)와, 상기 외장 케이스(2)의 3개의 오목부(3)에 각각 수용된 스택형 태양전지 유닛(4)과, 오목부(3) 내에 충전된 밀봉재(63; 도 13에서는 도시생략)와, 상기 태양광 입사측에 배치된 커버유리(5)와, 외장 케이스(2) 의 오목부(3)의 단부에 배치된 사이드 마개 블록(6) 등으로 구성되어 있다.
스택형 태양전지 유닛(4)은, 감도 파장 대역이 다른 3종류의 태양전지 모듈(10, 30, 50)로서, 감도 파장 대역의 중심파장이 짧은 태양전지 모듈일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 적층된 3종류의 태양전지 모듈(10, 30, 50)을 구비하고 있다. 제 1 태양전지 모듈(10)은, 평면 수광형 태양전지 셀인 평면 수광형 서브모듈(11)을 5개 병렬 접속한 것이며, 최상단에 배치되어 있다.
제 2 태양전지 모듈(30)은, 4개의 로드형 태양전지 셀(32)을 직렬 접속한 로드 수광형 서브모듈(31)을 5개 병렬 접속한 것이며, 최상단의 다음 단(段)에 배치되어 있다. 제 3 태양전지 모듈(50)은, 8개의 로드형 태양전지 셀(52)을 직렬 접속한 로드 수광형 서브모듈(51)을 5개 병렬 접속한 것이며, 최하단에 배치되어 있다. 태양전지 유닛(4)에 있어서, 3종류의 태양전지 모듈(10, 30, 50)은 소정의 소(小)간격을 두고 평행하게 배치되어 있다.
최초로, 평면 수광형 서브모듈(11)에 대해서 도 1 ∼ 도 3에 기초하여 설명한다.
상기 평면 수광형 서브모듈(11)은, 평면 수광형의 GaAsP/GaP 태양전지 셀로 구성되어 있다. 상기 GaAsP/GaP 태양전지 셀은, 주지된 오렌지색 광을 발하는 발광 다이오드의 제조방법과 동일한 방법으로 제작할 수 있다.
GaAsP/GaP 태양전지 셀(서브모듈(11))에서는, n형의 GaP 단결정의 웨이퍼를 기판(12)으로서 이용하여, 상기 기판(12) 상에 예컨대 기상 에피택셜 성장법(VPE)에 의해 n형의 GaAsP층(13)을 성장시킨다. 이 경우, n형 GaP기판(12)의 표면으로 부터 서서히 P에 대한 As의 비율을 늘리는 경사층을 형성하면서, 최종적으로 조성이 일정한 n형의 GaAs0.4P0.6층(13)을 성장시킨다. 다음으로 n형 GaP기판(12)의 하측 표면에 불순물 확산을 위한 확산 마스크로서 실리콘 질화막(Si3N4)을 피착한 후, GaAsP층(13)의 표면 전체에 p형 불순물인 아연을 확산하여 깊이 0.5∼1.0㎛까지 p형의 GaAs0.4P0.6층(14)으로 하여 평면형상의 pn 접합(15)을 형성한다.
다음에 n형의 GaP기판(12)의 하측 표면의 실리콘 질화막을 제거한 상태에서, 그 하측 표면에 Au-Ge를 증착하는 동시에, p형의 GaAs0.4P0.6층(14)의 표면에 Au-Zn을 증착하고 포토에칭함으로써, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, GaAsP/GaP 태양전지 셀(11)의 상하 양면에 가늘고 긴 직사각형 슬릿형상의 복수의 슬릿 윈도우(16, 17)가 상하 양면에 대향하도록 형성되고, 다음에 소결(Sintering)에 의해 각각의 표면에 오믹 접속된 양전극(18)과 음전극(19)을 형성한다. 또, 도시는 생략하였지만, 양음의 전극(18, 19)을 제외한 표면의 전체 영역을 SiO2 등의 반사방지막(도시생략)으로 덮는다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 제 1 태양전지 모듈(10)은, 예컨대 5장의 서브모듈(11)을 양전극(18)을 상면측으로 하고, 슬릿 윈도우(16, 17)의 방향을 맞추어 평면 상에 1열로 배열하여 병렬 접속한 것이다. 상기 제 1 태양전지 모듈(10)을 조립하는 경우, 구리 또는 니켈·철합금제(製)의 직경이 0. 5∼1.0mm인 로드(rod)재로 이루어진 접속 로드(20a, 20b)를 4개 준비하고, 5개의 서브모듈(11)의 일단부에 상하 한 쌍의 접속 로드(20a, 20b)를 배치하는 동시에 타단부에 상하 한 쌍의 접속 로드(20a, 20b)를 배치한다.
5개의 서브모듈(11)의 상면측의 양전극(18)의 양단부를 양극 리드로서의 한 쌍의 접속 로드(20a)에 납땜 또는 도전성 접착제로 전기적으로 접속하고, 5개의 서브모듈(11)의 하면측의 음전극(19)의 양단부를 음극 리드로서의 한 쌍의 접속 로드(20b)에 납땜 또는 도전성 접착제로 전기적으로 접속한다.
상기 서브모듈(11)에서의 GaAsP층(13)과 pn 접합(15)은, 기상 에피택셜 성장법에 한정되지 않으며, 유기금속화학 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피택셜 성장법(MBE)에 의해 형성할 수도 있다. 또한, 필요에 따라, p형의 GaAs0.4P0.6층(14) 상에 P의 비율을 높게 한 얇은 p형의 윈도우층을 추가적으로 형성하고, 표면에서의 발생 캐리어의 재결합 속도를 적게 하여 광전변환효율의 향상을 도모하는 것도 유효하다.
GaAsP/GaP 태양전지 셀로 이루어진 평면 수광형 서브모듈(11)은, 도 20에 곡선 A로 나타낸 분광 감도 범위(파장 감도 대역) 내의 광을 흡수하여 광전변환하지만, 이보다 긴 파장의 광은 GaAsP/GaP 태양전지 셀(11)의 슬릿 윈도우(16, 17)를 투과하여 하방으로 진행한다. 상기 서브모듈(11)의 사이즈는, 예컨대, 세로 7mm, 가로 6mm, 두께 0.4mm 정도이다.
단, 사이즈가 큰 공통의 GaP 기판(12) 상에 다수의 태양전지 셀을 동시에 형성하고, 이후 상기 사이즈의 태양전지 셀로 분할하여 셀 생산의 생산성을 올릴 수 있다. 이 경우, 사이즈가 큰 GaP 기판(12)을 이용하여 사이즈가 큰 단일 태양전지 셀을 만드는 것보다, 부분적으로 특성이 나쁜 부분을 제거할 수 있어, 기판(12)의 깨짐에 의해 태양전지 셀 전체가 불량해지는 경우가 없어, 고가의 화합 반도체를 유효하게 이용할 수 있다.
다음으로, 제 2, 제 3 태양전지 모듈(30, 50)의 로드 수광형 서브모듈(31, 51)에 채용하는 로드형 태양전지 셀(32, 52)의 구조를 설명하기 위해서, 이들과 같은 구조의 로드형 태양전지 셀(70)에 대하여 설명한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 로드형 태양전지 셀(70)은 단면이 원형인 로드로 된 Si, Ge 등의 단일 원소로 이루어진 반도체 결정, 또는 III－V족 원소나 II-VI족 원소 등의 화합물 반도체 결정을 기재(基材)(71)로 하여 제작한다.
상기 로드형의 반도체 결정은, 예컨대, Ge나 Si에서는 로드형의 종(種)결정을 도가니의 직경이 가는 노즐을 통해 융액(融液)(멜트)과 접촉시켜, 상방으로 끌어 올리거나 또는 하방으로 끌어 내리면서, 냉각하여 단결정의 로드를 가늘고 길게 연속적으로 성장시키는 방법으로 제작한다. Si, Ge, GaAs, GaSb 등의 반도체에서는 이러한 방법에 의해 직경이 0.5 ∼ 2.5mm인 단결정의 로드를 제조할 수 있다.
그러나, 이와 같은 직경이 가는 로드형 결정을 성장시키기 어려운 재료에서는, 벌크 결정으로부터 기계적으로 잘라내어 로드형으로 가공해도 된다. 이렇게 가늘고 긴 로드형의 반도체 결정은, 그 직경의 약 3배 ∼ 10배 정도의 길이로 분단하여, 로드형 태양전지 셀(70)을 만드는 반도체 결정 기재로 한다. 또, 상기 약 3배 ∼ 10배의 길이로 한정되는 것이 아니라, 기재(71) 직경의 10배 이상 또는 수 10배의 길이로 분단해도 된다. 이렇게 분단할 때에는 로드의 축심에 대하여 수직으로 절단한다. 로드형 태양전지 셀(70)은, 상기 단면이 원형인 로드형의 반도체 결정을 기재로 하여 다음과 같이 제작한다.
최초로, 예컨대, 도 4에 나타낸 바와 같이, n형 반도체 결정의 기재(71)를 준비하고, 다음에 그 기재(71)의 표면부분의 일부를 축심과 평행하게 절단하여 축심과 평행한 띠형상의 평탄면(72; 띠형상 부분)을 형성한다. 또, 상기 평탄면(72)의 폭은 기재(71) 직경의 0.4∼0.6배 정도로 한다. 다음에, 상기 평탄면(72)과 그 양측 근방 부분을 제외하고, 기재(71)의 표면층에 부분 원통형상의 p형층(73; 별개의 도전층)을 설치하고, 부분 원통형상의 pn 접합(74)을 기재(71)의 전체 길이에 걸쳐 형성한다. 기재(71)의 평탄면(72)에는 n형 반도체 결정(기재(71))에 오믹 접속되면서 기재(71)의 축심과 평행한 띠형상의 음전극(75)을 형성한다. 기재(71)의 축심을 사이에 두고 음전극(75)과 반대측에 있어서 p형층(73)의 표면에 오믹 접속되고 또한 기재(71)의 축심과 평행한 띠형상의 양전극(76)을 형성한다. 다음에, 양음의 전극(76, 75) 이외의 표면의 전체면을 투명한 절연성 반사방지막(77)으로 피복한다.
상기 로드형 태양전지 셀(70)에 있어서는, 양음의 전극(76, 75)과 평탄면(72) 및 그 근방부분을 제외한 표면의 대부분이 수광 가능한 표면이며, 평탄면(72)을 제외하고, 기재(71)의 축심(78)과 직교하는 방향에서 바라본 투영 단면적은 거의 일정하며, 직사광에 대한 수광면적은 입사 각도에 상관없이 거의 일정하다. pn 접합(74)의 각 점(P, Q, R)으로부터 양음의 전극(76, 75)을 잇는 직선 거 리의 합(a+b), (a’+b’), (a”+b”)은 거의 일정하고, pn 접합(74)을 흐르는 전류분포의 대칭성 및 균일성이 우수하며, 입사광에 대한 지향성이 적어, 고효율의 광전변환이 가능해진다.
단, 기재를 p형 반도체로 구성하고, 그 표면층에 부분 원통형상의 n형 반도체층(별개의 도전층)을 형성해도 된다. 로드형 태양전지 셀(70)의 pn 접합(74)을 형성하는 형성방법으로서, 공지된 선택적인 불순물 확산, 이온 주입, 기상 또는 액상 에피택셜 성장법을 활용할 수 있다. 전극형성, 반사방지막 형성에 대해서도 공지된 기법을 이용하여 형성할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 제 2 태양전지 모듈(30)의 로드 수광형 서브모듈(31)에 채용하는 로드형 태양전지 셀(32)에 대해서 도 5 ∼ 도 7에 기초하여 설명한다.
GaAs 로드형 태양전지 셀(32)의 기재(33)로서, 단면이 원형인 n형 GaAs 단결정에 기재(33)의 축심과 평행한 띠형상의 평탄면(34)을 형성한 것을 준비한다. 상기 기재(33)의 표면 중 평탄면(34)과 그 양측 근방부를 Si3N4 피막으로 마스크한 상태에서, 기재(33)의 표면에 Ga를 용액으로 하는 GaAs의 멜트를 고온에서 접촉시킨 후 온도를 내리고, 기재(33)의 표면 중 마스크하지 않은 부분 원통면 상에 두께가 균일한 n형의 GaAs층(도시생략)을 에피택셜 성장시킨다.
다음에, GaAs 멜트를 교체하여, 아연을 도핑한 Ga0.8Al0.2As의 멜트를 접촉시키면서 더 온도를 내려, p형의 Ga0.8Al0.2As층(36)을 연속적으로 성장시킨다. 상기 p형의 Ga0.8Al0.2As층(36)을 성장시키고 있는 동안에 Ga0.8Al0.2As의 멜트로부터 아연이 상기 부분 원통형의 n형 GaAs층의 중간 깊이까지 열확산되어 p형 GaAs층(35; 별개의 도전층)이 형성되고, 상기 p형 GaAs층(35)과 인접하는 n형 GaAs층과의 경계에 부분 원통형의 pn 접합(37)이 형성된다.
이렇게 하여, 예컨대, 직경이 약 1.7mm인 직경이 가는 n형 GaAs 단결정으로 이루어진 기재(33)의 표면층 중 상기 마스크를 하지 않은 부분 원통형상의 영역에, 두께 20∼50㎛의 n형 GaAs층(도시생략)과, 1∼2㎛의 p형 GaAlAs층(36)을 연속적으로 성장시키는 동시에 양쪽의 성장계면에서 n형 GaAs층쪽의 0.5∼1.0㎛의 위치까지 p형 GaAs층(35)이 형성되어, 에피택셜 성장에 의해 형성한 n형 GaAs층(도시생략)과 p형 GaAs층(35)과의 경계에 부분 원통형의 pn 접합(37)을 형성한다. p형 GaAlAs층(36)은, 광이 투과하는 윈도우층으로서 기능하고, 또한 p형 GaAs층(35)과 GaAlAs층(36)의 경계면의 헤테로 접합에 의해, 태양전지 셀(32)의 표면에서의 소수 캐리어의 재결합 속도가 작아져, GaAs 태양전지 셀의 광전변환효율이 향상한다.
다음으로, 상기 Si3N4 피막의 마스크를 화학적 에칭에 의해 제거하고, 기재(33)의 n형 GaAs층의 표면을 평탄면(34)에 노출시켜, n형 GaAs층이 노출되어 있는 평탄면(34)에 기재(33)의 축심과 평행한 띠형상의 음전극(38)으로서 n형 GaAs층에 전기적으로 접속된 음전극(38)을 형성한다. 기재(33)의 축심을 사이에 두고 음전극(38)과 반대측에 있어서, p형 GaAlAs층(36)의 표면에 음전극(38)과 평행한 띠형상의 양전극(39)을 형성한다. 상기 양음의 전극(39, 38)의 형성시, p형 GaAlAs층(36)의 표면에는 Zn을 도핑한 금, 평탄면(34)에 노출한 n형 GaAs층의 표면에는 Ge를 도핑한 금을, 각각 증착하여 소결(sinter)하고, p형 GaAlAs층(36)에 오믹 접촉된 양전극(39)과, 기재(33)에 오믹 접촉된 음전극(38)으로 한다. 또, 양음의 전극(39, 38)은 수 ㎛의 두께를 갖는 전극이다. 이렇게 하여, 로드형 태양전지 셀(32)의 연속체를 제작할 수 있다.
다음에, 상기 로드형 태양전지 셀(32)의 연속체를 와이어 소(wire saw) 등의 절단장치를 이용하여 예컨대 길이 약 8mm 마다 절단하고 로드형 태양전지 셀(32)로 한다. 복수의 로드형 태양전지 셀(32)을 내산성 왁스로 다발을 지은 후 절단 표면을 노출시키고, 약품으로 에칭하여 산화 피막을 형성하고 단면에서의 pn 접합(37) 표면의 리크 전류를 적게 한다. 또, 도시는 생략하였으나, 양음의 전극(39, 38)을 제외한 전체 표면을 SiO2 등의 반사방지막(도시생략)으로 덮어 로드형 태양전지 셀(32)을 완성시킨다. 도 20에는, 상기 로드형 GaAs 태양전지 셀(32)의 분광감도 특성이 곡선 B로 도시되어 있다.
단, 상기의 예에서는 pn 접합(37)을 형성할 때에 Si3N4 피막의 마스크를 채용하였지만, 단면이 원형인 n형 GaAs 단결정으로 이루어진 기재를 채용하여, 상기 기재의 전체 표면에 상기한 바와 같이 하여 n형 GaAs층, Zn을 도핑한 p형 GaAlAs층을 형성하고, 원통형의 pn 접합을 형성하고, 그 후 기재의 축심과 평행한 띠형상 부분을 절삭가공에 의해 제거하여 평탄면(34)을 형성하고, 축심과 평행한 띠형상의 n형 GaAs층을 노출시켜, 그 평탄면(34)에 띠형상의 음전극(38)을 형성해도 된다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 로드 수광형 서브모듈(31)을 제작할 때에는, 4개 의 로드형 태양전지 셀(32)을 양전극(39)으로부터 음전극(38)을 향하는 도전방향을 정렬시켜 수평방향으로 향하게 하고, 이들 태양전지 셀(32)을 평면 상에 근접형상으로 평행하게 배치한다. 다음으로, 인접하는 태양전지 셀(32)의 양음의 전극(39, 38)을 맞닿게 하여 납땜 또는 도전성 접착제에 의해 접착함으로써 서브모듈(31)을 제작한다.
제 2 태양전지 모듈(30)은, 예컨대, 5개의 서브모듈(31)을 도전방향과 축심방향을 정렬시켜 평면 상에 1열로 배열하여 병렬 접속한 구조인 것이다. 상기 제 2 태양전지 모듈(30)을 조립하는 경우, 구리 또는 니켈 · 철 합금제의 직경이 0.5∼1.0mm인 로드재로 이루어진 2개의 접속 로드(40a, 40b)를 준비하고, 5개의 서브모듈(31)의 양단측에 한 쌍의 접속 로드(40a, 40b)를 배치하고, 서브모듈(31)의 일단측의 양전극(39)을 양극 리드로서의 접속 로드(40a)에 납땜 또는 도전성 접착제로 전기적으로 접속하는 동시에, 서브모듈(31)의 타단측의 음전극(38)을 음극 리드로서의 접속 로드(40b)에 납땜 또는 도전성 접착제로 전기적으로 접속한다.
다음으로, 제 3 태양전지 모듈(50)의 로드 수광형 서브모듈(51)에 채용하는 로드형 태양전지 셀(52)에 대해서 도 8 ∼ 도 10에 기초하여 설명한다.
최초로, Ge 로드형 태양전지 셀(52)의 기재(53)로서, 직경이 0.9mm 정도인 단면이 원형인 로드형의 p형 Ge 단결정에 기재(53)의 축심과 평행한 띠형상의 평탄면(54)을 형성한 것을 준비한다. 상기 로드형 Ge 단결정은, 예컨대 게르마늄을 녹인 그라파이트제의 도가니 바닥의 노즐에서 직경이 가는 종결정을 게르마늄의 융액과 접촉시켜 하방으로 끌어내도록 하여 만든다. 이것을 일정한 직경의 원기둥이 되도록 표면의 요철을 없애도록 연마하고 약품으로 에칭한다.
이후, 상기 기재(53)의 표면 중, 평탄면(54)과 그 양측 근방부를 Si3N4 피막으로 마스크한 상태에서, 로드형의 p형 게르마늄을 안티몬을 포함하는 가스 분위기 중에서 가열하여 표면으로부터 깊이 0.5∼1.0㎛의 n형 확산층(55; 별개의 도전층)을 형성하여 부분 원통형의 pn 접합(56)을 형성한다. 이후, Si3N4 피막으로 이루어진 마스크를 에칭으로 제거하고, p형 Ge가 노출되어 있는 평탄면(54)의 중앙부에 주석을 포함하는 은을 증착하며, 축심을 사이에 두고 반대측의 n형 Ge로 이루어진 확산층(55)의 표면에 안티몬을 포함하는 은을 증착하고, 소결을 수행하여, p형 Ge층이 노출되어 있는 평탄면(54)에 오믹 접촉된 띠형상의 양전극(57)과, n형의 확산층(55)에 오믹 접촉된 띠형상의 음전극(58)을 설치한다. 또, 양음의 전극(57, 58)은 수 ㎛의 두께를 가진 전극이다. 이와 같이 하여, 로드형 태양전지 셀(52)의 연속체를 제작한다.
다음으로, 상기 로드형 태양전지 셀(52)의 연속체를 와이어 소 등의 절단장치를 이용하여 길이 약 10mm 마다 절단하고 태양전지 셀(52)로 한다. 상기 복수개의 태양전지 셀(52)을 내산성 왁스로 다발을 지어 둘레면을 마스크하여 절단한 표면을 공지된 기법에 의한 화학약품으로 에칭하여 산화 피막을 형성하고 절단면에서의 pn 접합(56)의 리크 전류를 적게 한다. 도 20에는, 상기 Ge 로드형 태양전지 셀(52)의 분광감도 특성이 곡선 C로 도시되어 있다.
또, 상기의 예에서는 pn 접합(56)을 형성할 때에 Si3N4 피막의 마스크를 채 용하였으나, 단면이 원형인 p형 Ge 로드의 전체 표면에 원통형의 pn 접합을 형성하고, 이후 로드형 Ge 단결정의 표면 부분 중 축심과 평행한 띠형상 부분을 절삭가공에 의해 제거함으로써, 축심과 평행한 띠형상의 평탄면(54)을 형성하고, 상기 평탄면(54)에 p형 Ge기재를 노출시키며, 상기 평탄면(54)에 띠형상의 양전극(57)을 설치하고, 상기 양전극(57)과 반대측에 있어서 n형 Ge층에 접속된 띠형상의 음전극(58)을 설치해도 된다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 로드 수광형 서브모듈(51)을 제작할 때에는, 8개의 로드형 태양전지 셀(52)을 양전극(57)으로부터 음전극(58)을 향하는 도전방향을 정렬시켜 수평방향으로 향하게 하고, 이들의 태양전지 셀(52)을 평면 상에 근접형상으로 평행하게 배치한다. 다음에, 인접하는 태양전지 셀(52)의 양음의 전극(57, 58)을 맞닿게 하여 납땜 또는 도전성 접착제에 의해 접착함으로써 서브모듈(51)을 제작한다. 또, 서브모듈(11, 31, 51)은 이들의 세로, 가로의 치수, 즉 수광면적이 동등하거나 또는 거의 같아지도록 구성되어 있다.
제 3 태양전지 모듈(50)은, 예컨대, 5개의 서브모듈(51)을 도전방향과 축심방향을 정렬시켜 평면 상에 1열로 배열하여 병렬 접속한 구조이다. 상기 제 3 태양전지 모듈(50)을 조립하는 경우, 구리 또는 니켈 · 철 합금제의 직경이 0.5∼1.0 mm인 로드재로 이루어진 2개의 접속 로드(60a, 60b)를 준비하고, 5개의 서브모듈(51)의 양단측에 한 쌍의 접속 로드(60a, 60b)를 배치하여, 서브모듈(51)의 일단측의 양전극(57)을 양극 리드로서의 접속 로드(60a)에 납땜 또는 도전성 접착제로 전기적으로 접속하는 동시에, 서브모듈(51)의 타단측의 음전극(58)을 음극 리드로 서의 접속 로드(60b)에 납땜 또는 도전성 접착제로 전기적으로 접속한다.
다음으로, 이상 설명한 서브모듈(11, 31, 51)을 내장한 집광형의 스택형 태양전지장치(1)의 구조에 대해서 설명한다.
도 12 ∼ 도 18에 나타낸 바와 같이, 상기 스택형 태양전지장치(1)는, 예컨대 3세트의 태양전지 유닛(4)을 가지고, 이들 3세트의 태양전지 유닛(4)은, 외장 케이스(2)와, 6개의 사이드 마개 블록(6)과, 커버유리(5)로 패키징되어 있다.
외장 케이스(2)는, 스테인리스 스틸의 박판(두께 0.5 ∼1.5mm)을 프레스 성형하여 평면에서 봤을 때 직사각형으로 제작된다. 외장 케이스(2)에는, 홈통형상의 3개의 오목부(3)가 그 폭방향으로 배열되어 평행하게 형성되고, 각 오목부(3)는 그 폭이 상방일수록 넓어지는 실질적으로 역사다리꼴 단면을 가지며, 태양전지 유닛(4)으로 광을 집광하기 위해서, 오목부(3)의 한 쌍의 측벽(2a)과 바닥벽(2b)의 내면은 광 반사면으로 형성되고, 바닥벽(2b)의 양단부분을 제외한 부분에는 상방으로 소정의 높이를 가지고 약간 돌출하는 단면이 사다리꼴형상인 돌출대(突出台)(2c)가 형성되어 있다.
오목부(3)의 측벽(2a)과 바닥벽(2b)의 표면은, 광 반사효과를 높이기 위해 경면 가공되거나 또는 은 등의 금속피막이 형성되거나 또는 산화마그네슘 분말이 부착되어 있다. 인접하는 오목부(3)의 한 쌍의 측벽(2a)의 상단부에는 공통의 수평한 지지부(2d)가 형성되어 있다. 외장 케이스(2)의 좌우단 부분에는, 평탄한 플랜지부(2e)와 상기 플랜지부(2e)의 단부로부터 소정 높이 수직으로 상승한 둘레벽(2f)이 형성되어 있다.
사이드 마개 블록(6)은, 백색의 절연성 세라믹 재료로 구성되며, 외장 케이스(2)의 오목부(3)의 양단부에 각각 장착된다. 도 16 및 도 17에 나타낸 바와 같이, 사이드 마개 블록(6)에는, 태양전지 모듈(10, 30, 50)의 접속 로드(20a, 20b, 40a, 40b, 60a, 60b)의 단부가 각각 삽입되는 복수의 금속제 접속 파이프(20A, 20B, 40A, 40B, 60A, 60B)가 앞에 도시한 바와 같이 설치되고, 이들 접속 파이프(20A, 20B, 40A, 40B, 60A, 60B)는, 사이드 마개 블록(6)의 내측으로 소정 길이 돌출되는 동시에, 사이드 마개 블록(6)의 외측으로 소정 길이 돌출되어 있다. 상기 접속 파이프는 Fe 58% - Ni 42% 합금 등으로 구성되며, 사이드 마개 블록(6)을 기밀하게 관통하고 있다.
각 태양전지 유닛(4)에 있어서, 태양전지 모듈(10, 30, 50)을 직렬 접속하기 위해서, 사이드 마개 블록(6)의 외면측에는 접속 로드(20b, 40a)가 삽입되는 접속 파이프(20B, 40A)를 직렬 접속하는 커넥터(61)와, 접속 로드(40b, 60a)가 삽입되는 접속 파이프(40B, 60A)를 직렬 접속하는 커넥터(62)가 설치되어 있다.
도 12 ∼ 도 14, 도 18에 나타낸 바와 같이, 커버유리(5)는 투명한 유리 재료로 구성되고, 커버유리(5)는, 3개의 오목부(3)로 향하게 하여 각각 집광하는 3개의 부분 원통형의 렌즈부(5a)와, 외장 케이스(2)의 좌우 양단부의 플랜지부(2e)에 고정하기 위한 좌우 한 쌍의 평판부(5b)와, 오목부(3)의 상단부에 끼움결합되는 역사다리꼴형상의 높이가 작은 끼움결합부(5c)와, 외장 케이스(2)의 2개의 지지부(2d)에 걸림결합되는 2개의 걸림결합 홈(5d)을 가지며, 커버유리(5)의 하면은 거의 평탄하게 형성되어 있다.
다음으로, 스택형 태양전지장치(1)의 조립 방법에 대해서 설명한다.
각 오목부(3)의 후단부분에 사이드 마개 블록(6)을 미리 접착한 상태에 있어서, 태양전지 모듈(50)의 접속 로드(60a, 60b)의 후단측 부분을 상기 사이드 마개 블록(6)의 접속 파이프(60A, 60B)에 각각 삽입하고, 태양전지 모듈(30)의 접속 로드(40a, 40b)의 후단측 부분을 상기 사이드 마개 블록(6)의 접속 파이프(40A, 40B)에 각각 삽입하며, 태양전지 모듈(10)의 접속 로드(20a, 20b)의 후단측 부분을 상기 사이드 마개 블록(6)의 접속 파이프(20A, 20B)에 삽입하여, 태양전지 모듈(10, 30, 50)을 평행한 수평자세로 유지한다.
다음으로, 태양전지 모듈(10, 30, 50)의 접속 로드(20a, 20b, 40a, 40b, 60a, 60b)의 전단측 부분을, 전방측의 사이드 마개 블록(6)의 접속 파이프(20A, 20B, 40A, 40B, 60A, 60B)에 각각 삽입한 후, 그 사이드 마개 블록(6)을 오목부(3)의 전단부분에 위치결정하여 접착한다. 이렇게 하여, 각 태양전지유닛(4)의 태양전지 모듈(10, 30, 50)은, 외장 케이스(2)의 오목부(3) 내에 소정의 소간격을 둔 상태로 하여 상하방향으로 적층(단(段)적층)된다.
이후, 접속 파이프(20A, 20B, 40A, 40B, 60A, 60B)를 코킹함으로써, 이들 접속 파이프(20A, 20B, 40A, 40B, 60A, 60B)와 접속 로드(20a, 20b, 40a, 40b, 60a, 60b)를 전기적으로 접속한다. 단, 도전성 접착제로 접착함으로써 전기적으로 접속해도 된다. 또, 접속 파이프(20A, 20B, 40A, 40B, 60A, 60B)는 외부단자로서도 활용된다.
다음으로, 태양전지 모듈(10, 30, 50)을 수용한 오목부(3) 내에 투명한 합성 수지(예컨대, 실리콘 고무 등)를 충전한 후, 거품을 제거(脫泡)하고 가열경화를 수행하여 합성수지를 중합시키고, 모든 서브모듈(11, 31, 51)을 합성수지 밀봉재(63) 내에 매립한 상태로 한다. 이후, 커버유리(5)의 하면에 투명한 실리콘 수지 등을 도포하고 난 후, 커버유리(5)를 상측으로부터 씌우고, 지지부(2d)를 걸림결합 홈(5d)에 걸림결합시켜 접착하고, 평판부(5b)를 플랜지부(2e)에 접착한다. 커버유리(5)와 외장 케이스(2) 및 합성수지 밀봉재(63) 사이의 틈새는 투명한 실리콘 수지(64)로 밀봉된다.
다음으로 도 12 ∼ 도 14에 나타낸 바와 같이, 좌우 양단부에 있어서 커버유리(5)의 평판부(5b)와 외장 케이스(2)의 플랜지부(2e)를 4개의 볼트(65)와 너트(66)로 각각 체결한다. 상기 볼트 체결부에서는 부틸 고무제의 패킹(67)과 와셔(68)를 통해 체결한다.
다음으로, 이상 설명한 태양전지장치(1)의 작용에 대해서 설명한다.
도 19는, 상기 스택형 태양전지 유닛(4)의 등가회로를 나타낸 도면이며, 상기 태양전지 셀(11, 32, 52)을 다이오드(11A, 32A, 52A)로 도시하고 있다. 태양전지 모듈(10, 30)은, 전후 양측에 있어서 접속 파이프(20B, 40A)를 전기적으로 접속하는 커넥터(61)에 의해 직렬 접속되어 있다.
태양전지 모듈(30, 50)은, 전후 양측에 있어서 접속 파이프(40B, 60A)를 전기적으로 접속하는 커넥터(62)에 의해 직렬 접속되어 있다. 또, 중앙의 1세트의 태양전지유닛(4)에 대하여, 도 13 및 도 14에 있어서의 좌우 양측의 태양전지유닛(4)은, 접속 파이프(20A, 20B, 40A, 40B, 60A, 60B)와 리드선을 통해 병렬 접속 되어 있다. 접속 파이프(20A)에 접속된 리드선의 중앙부에 양극단자(80)가 형성되고, 접속 파이프(60B)에 접속된 리드선의 중앙부에 음극단자(81)가 형성되어 있다.
도 20에 나타낸 태양전지 셀(11, 32, 52)의 분광감도 특성과 같이, 태양전지 셀(11, 32, 52)의 종류에 따라 그 광전기 변환이 가능한 감도 파장 대역과 에너지 밀도가 다르다. 지상에서의 태양광의 에너지 밀도는 100mW/cm2이며, 이 태양광에 의한 태양전지 셀 단독의 개방 전압은, GaAsP/GaP 태양전지 셀(11; 서브모듈)에서 약 1.2볼트, GaAs 태양전지 셀(32)에서 약 0.9볼트, Ge 태양전지 셀(52)에서 약 0.4볼트이다.
태양전지 모듈(10, 30, 50)이 직렬 접속되어 있는 관계상, 가령, 태양전지 모듈(10, 30, 50)의 출력 전류에 큰 편차가 있는 경우에는, 출력 전류가 최소가 되는 태양전지 모듈의 출력 전류의 제약을 받아, 그 이외의 태양전지 모듈도 그 이상의 출력 전류를 발생할 수 없다. 여기서, 상기 태양전지장치(1)에서는 GaAsP/GaP태양전지 셀(11)은 수광면적당의 출력 전류가 가장 작기 때문에, 다른 서브모듈(31, 51)의 출력 전류의 크기를 GaAsP/GaP 태양전지 셀(11)의 출력 전류의 크기와 거의 동등하게 하여, 태양전지 모듈(10, 30, 50)의 출력 전류가 거의 같은 값이 되도록 설정하고 있다. 이 때문에, 태양전지 셀(11, 32, 52)은 각각의 발전 능력을 최대한 발휘할 수 있다.
태양전지 모듈(10)에 있어서는, 서브모듈(11)의 수(병렬 접속수)를 증감함으로써 출력 전류를 증감시킬 수 있고, 또한, 서브모듈(11)의 수광면적을 증감함으로 써 출력 전류를 증감시킬 수 있다. 태양전지 모듈(30, 50)에 있어서는, 서브모듈(31, 51)의 수(병렬 접속수)를 증감함으로써 출력 전류를 증감시킬 수 있고, 또한, 서브모듈(31, 51)에 내장하는 태양전지 셀(32, 52)의 수(직렬 접속수)를 증감함으로써 서브모듈(31, 51)의 출력전압을 증감시킬 수 있다.
상기 집광형의 태양전지장치(1)에 있어서는, 커버유리(5)의 렌즈부(5a)에 의한 굴절과 외장 케이스(2)의 반사집광에 의한 집광작용을 이용하여, 소형의 태양전지 모듈(10, 30, 50)로 큰 출력을 얻을 수 있다. 도 18은, 중앙의 1세트의 태양전지유닛(4)을 예로 들어 그 집광작용을 설명하는 도면이다. 태양의 직사광이 커버유리(5)에 대하여 수직으로 입사하면 광은 렌즈부(5a)에 의해 굴절을 받아서 집광한다. 많은 직사광은, 최상부의 GaAsP/GaP 태양전지 셀(11; 서브모듈(11))의 표면에 입사하고, 도 20의 곡선 A의 감도 파장 대역의 광이 흡수되어, 이보다 긴 파장의 광이 그 아래의 GaAs 태양전지 셀(32)로 이루어진 서브모듈(31)의 표면에 입사한다.
상기 서브모듈(31)에 의해, 도 20의 곡선 B의 감도 파장 대역의 광이 흡수되고, 이보다 긴 파장의 광이 그 아래의 Ge 태양전지 셀(52)로 이루어진 서브모듈(51)의 표면에 입사하며, 도 20의 곡선 C의 감도 파장 대역의 광이 흡수되고, 이보다 긴 파장의 광이 그 아래의 돌출대(2c)의 표면에 입사되어 반사나 흡수가 생긴다. 각각의 태양전지 셀(11, 32, 52)에 있어서 흡수된 광으로부터 전기 에너지로 광전변환되어, 각 태양전지 모듈(10, 30, 50)의 외부단자(80, 81)로부터 전기적 출력을 얻을 수 있다.
렌즈부(5a)를 투과한 광이 GaAsP/GaP 태양전지 셀(11; 서브모듈(11))의 표면에 직접 입사되지 않고 기울어진 측벽(2a)으로 입사하는 광은, 여기서 반사되어 서브모듈(31, 51)의 표면에 입사된다. 이 표면에서 그대로 흡수되는 것 이외에 반사되어 다른 방향을 향하는 광도 생긴다. 이 광은 외장 케이스(2), 사이드 마개 블록(6), 커버유리(5), 각 서브모듈(11, 31, 51)의 사이를 다중반사된 후 서브모듈(11, 31, 51)의 표면에 도달한 광이 흡수되어 광전변환된다.
서브모듈(11, 31, 51)간의 사이 및 Ge 서브모듈(51)과 돌출대(2c)의 사이에는 작은 간격이 있어 광이 진입할 수 있다. 이 광은, 로드형 태양전지 셀(32, 52)의 표면이 원통면이기 때문에, 수광면이 평면인 태양전지 셀(11)보다 흡수되는 비율이 높고, 상기 태양전지장치(1)의 출력 업이 달성되어 있다.
또, 도 18에서는 도면 작성상, 오목부(3)의 측벽(2a)은 평면적으로 그려져 있지만, 반사광의 대부분이 효과적으로 태양전지 셀(11, 31, 51)에 집광하도록 곡면형상으로 설계해도 된다. 또한, GaAs 서브모듈(31)과 Ge 서브모듈(51)은, 여기를 투과하는 파장의 광(흡수할 수 없는 파장의 광)에 대하여 렌즈부(5a)와 같이 집광하는 작용을 가지므로, 집광한 광이 그 앞의 태양 전지 서브모듈에 입사하도록 태양전지 셀의 배치를 광학적 견지에서 연구할 수 있다.
태양전지 모듈(10, 30, 50)에서 광전변환되지 않은 광 에너지는 열 에너지로 변환된다. 상기 열 에너지에 의해 태양전지 셀(11, 32, 52)의 온도가 상승하면 광전변환효율이 저하되다. 이 때문에 외장 케이스(2)의 방열 능력을 높여 온도상승을 적게 하는 것이 중요하다. 따라서, 본 실시예에서는 외장 케이스(2)를 홈통형 상으로 하여 표면적을 크게 함으로써 태양전지 셀(11, 32, 52)로부터 발생한 열을 외부로 쉽게 방열하도록 하고 있다. 또, 외장 케이스(2)의 외측을 둘러싸는 표면에 커버부재(도시생략)를 마련하여 덕트를 형성하고, 외장 케이스(2)와 커버부재의 사이에 냉각 매체를 유통시키도록 구성하여 냉각 효과를 높일 수도 있다.
여기서, 입사광의 스펙트럼 분포는 장소나 날씨의 상태에 따라 변동하기 때문에, 스택형 태양전지장치(1)를 구성하는 태양전지 셀의 출력 전류도 변동한다. 이에 대응하여 서브모듈(11, 31, 51)의 병렬 접속수, 직렬 접속수를 변경하고, 전체 출력의 최대화를 유지하도록 구성할 수도 있다. 태양전지 모듈(10, 30, 50)에는, 각각 독립된 외부단자(접속 파이프)를 가지므로, 병렬 접속수, 직렬 접속수를 변경하는 복수의 전자스위치장치를 설치하고, 이들 전자스위치장치의 온·오프를 제어함으로써, 스펙트럼 변동에 따라 자동적으로 출력의 최대화를 도모할 수도 있다.
또한, 태양전지 모듈(10, 30, 50)에 외부단자로서의 접속 파이프를 설치하고 있기 때문에, 상황이 변화되는 태양광에 대하여, 각 태양전지 모듈의 출력 특성을 개별적으로 측정하여 성능을 평가할 수 있다. 그리고, 그 측정 데이터를 기초로 태양전지장치(1)의 각 태양전지 모듈의 렌즈부(5a)나 외장 케이스(2)의 내면의 반사구조 및 태양전지 셀의 배치나 병렬 접속수, 직렬 접속수에 관하여 최적 설계가 가능해진다.
서브모듈(31)에 있어서는, 복수의 로드형 태양전지 셀(32)을 평행하게 배열하고, 양음의 전극(39, 38)을 통해 직렬 접속한 로드 수광형 서브모듈(31)을 구성 하고 있기 때문에, 기재(33)의 직경을 바꿈으로써 복수의 로드형 태양전지 셀(32)의 수를 바꾸어, 서브모듈(31)에서 발생하는 전압을 바꿀 수 있다. 이것은, 서브모듈(51)에 있어서도 동일하다. 그리고, 태양전지 모듈(30)에서는 복수의 서브모듈(31)을 병렬 접속하고 있기 때문에, 그 병렬 접속하는 서브모듈(31)의 수를 바꿈으로써, 태양전지 모듈(30)에서 발생하는 전류를 바꿀 수 있다. 이것은, 태양전지 모듈(50)에 있어서도 동일하다
로드형 태양전지 셀(32)에서는, 그 축심방향의 길이를 기재(33) 직경의 수 배∼십수 배의 크기로 설정할 수 있기 때문에, 입자형상의 태양전지 셀에 비해, 수광면적을 매우 크게 할 수 있는 데다가, 복수의 로드형 태양전지 셀(32)을 조밀하게 평행으로 배열하여 로드 수광형 서브모듈(31)을 구성할 수 있고, 태양광의 투사면적에 대한 수광면적의 비율을 크게 하여, 태양광을 수광하는 수광효율을 높일 수 있다. 이것은 로드형 태양전지 셀(52)에 있어서도 동일하다.
게다가, 로드 수광형 서브모듈(31, 51)에서는, 복수의 입자형상의 태양전지 셀을 내장한 서브모듈에 비해, 태양전지 셀을 전기적으로 접속하는 결선 부분의 수를 매우 적게 할 수 있기 때문에, 그 결선비용을 포함하는 서브모듈의 조립비용을 대폭 절감할 수 있다.
상기 태양전지장치(1)는, 감도 파장 대역이 다른 복수 종류의 태양전지 모듈(10, 30, 50)로서, 감도 파장 대역의 중심파장이 짧은 태양전지 모듈일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 적층된 복수 종류의 태양전지 모듈을 구비하고 있기 때문에, 태양광의 스펙트럼 중 넓은 파장범위의 태양광을 광전변환할 수 있다. 파장 이 짧은 광일수록 투과성이 약하기 때문에, 상기한 바와 같이 감도 파장 대역의 중심파장이 짧은 태양전지 모듈일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 복수 종류의 태양전지 모듈(10, 30, 50)을 적층함으로써, 각 태양전지 모듈의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
상기 태양전지장치(1)에 있어서, 상하방향으로 적층되는 복수 종류의 태양전지 모듈(10, 30, 50)을 직렬 접속하고, 이들의 출력 전류를 거의 동일하게 맞추기 때문에, 이들 태양전지 모듈의 발전 능력을 최대한 발휘시킬 수 있다.
3종류의 태양전지 모듈 중 2종류의 태양전지 모듈(30, 50)을 복수의 로드 수광형 서브모듈(31, 51)로 각각 구성하기 때문에, 각 서브모듈(31, 51)에서의 로드형 태양전지 셀(32, 52)의 직렬 접속수를 바꿈으로써, 로드 수광형 서브모듈(31, 51)의 출력전압을 조정할 수 있고, 복수의 로드 수광형 서브모듈(31, 51)을 병렬 접속하는 병렬 접속수를 바꿈으로써, 그 태양전지 모듈(30, 50)의 출력 전류를 조정할 수 있기 때문에, 상하방향으로 적층되는 복수 종류의 태양전지 모듈(10, 30, 50)의 출력 전류를 쉽게 일치시킬 수 있게 된다.
로드형 태양전지 셀(32, 52)의 기재는, 반도체의 융액으로부터 종결정을 이용하여 끌어 올리거나 또는 끌어 내림으로써, 가는 원기둥형상의 단결정을 용이하게 성장시킬 수 있고, 평면형상, 구형상의 태양전지 셀의 기재를 위한 반도체 단결정을 제조하는 것보다 용이하게 저비용으로 제작할 수 있다.
로드형 태양전지 셀(32, 52)을 제작할 때에 pn 접합과 전극의 형성 후에 필요한 길이로 컷팅하여 사용할 수 있어 대량생산에 적합하다.
로드형 태양전지 셀(32, 52)은, 부분 원통형의 pn 접합과, 그 축방향으로 평행하고 또한 p형 영역과 n형 영역의 표면 중심부에 각각 접속된 띠형상의 한 쌍의 전극을 설치한 것이다. 기재의 축심에 수직방향의 표면에 있어서 태양광의 지향성은 거의 없으며, 직사광뿐만 아니라 반사나 산란된 방향의 광도 이용할 수 있다.
로드형 태양전지 셀(32, 52)에서는, 띠형상의 긴 전극(38, 39, 57, 58)을 형성하기 때문에, 외부 리드와의 접속 부분을 적게 할 수 있다. 또한, 태양전지 셀(32, 52)의 전극끼리를 직접 납땜이나 도전성 합성수지로 역학적인 스트레스 없이 접합할 수 있다. 서브모듈(31, 51)에 있어서는, 태양전지 셀(32, 52)을 직렬 접속하는 수를 자유롭게 설정할 수 있기 때문에, 고전압의 출력을 용이하게 실현할 수 있다.
로드형 태양전지 셀(32, 52)에서는, 평면 수광형 태양전지 셀(11)에 비해 전극이 수광면에서 차지하는 비율이 적고, 음영에 의한 손실이 적으며, 전류는 전극의 두께방향과 수직으로 흐르기 때문에 저항이 적다. 서브모듈(31, 51)에서는, 로드형 태양전지 셀을 조밀하게 평행으로 배열하여 셀들을 직접 접속하여 모듈화하고, 그 수광면적을 자유롭게 확장할 수 있다. 서브모듈은, 투영 면적에 대하여 수광표면적의 비율을 크게 할 수 있기 때문에, 콤팩트한 크기의 서브모듈을 만들 수 있다.
구형 태양전지 셀을 배열하여 결선한 모듈에서는, 셀들 사이에 틈새가 발생하지만 로드형 태양전지 셀(32, 52)에서는, 대부분 틈새 없이 셀을 배열하여 접속할 수 있고, 수직방향의 직사광에 대하여 단위면적당의 출력을 크게 할 수 있다. 이것은 렌즈에 의해 집광한 태양전지 모듈을 만드는 경우에 유리하다. 서브모듈(31, 51)과 같이, 직경이 다른 로드형의 셀을 이용하여 같은 면적으로 직렬수가 다른 서브모듈을 만들 수 있다.
외장 케이스(2)의 오목부(3) 내에서는, 감도 파장 대역이 다른 서브모듈(11, 31, 51)이 투명한 합성 수지를 통해 일정 간격으로 배치되어 있고, 각 태양전지 셀이 광을 흡수하여 발생하는 열은 위치적으로 분산되어 있다. 이 때문에 온도상승이 부분적으로 집중되지 않아 태양전지 셀(11, 32, 52)의 온도상승이 적다.
외장 케이스(2)는, 내면이 광 반사면, 외면이 방열면으로서 구성되고, 집광과 온도상승 억제를 겸비하여 양쪽의 상반관계를 개선하는 데 도움이 된다. 사이드 마개 블록(6)을 광반사 혹은 광산란 가능한 백색 세라믹으로 구성하고, 오목부(3)의 내부에 광을 가두고 있다. 이에 따라 간접적으로 광이 로드형 태양전지 셀(32, 52)에 입사하여 광의 이용효율이 향상한다.
복수의 태양전지유닛(4)을 접속 파이프(20A, 20B, 40A, 40B, 60A, 60B; 외부단자)를 통해 병렬 접속할 수 있기 때문에, 태양전지 모듈(10, 30, 50)을 직렬 접속하면서 병렬 접속하여, 필요한 출력전압이나 전류를 가지는 전원을 구성할 수 있다.
커버유리(5)의 렌즈부(5a)의 중심과 오목부(3)의 중심을, 커버유리(5)의 걸림결합 홈(5d)과 외장 케이스(2)의 지지부(2d)의 걸림결합에 의해 용이하게 위치맞춤하는 것이 가능하다. 외장 케이스(2)의 오목부(3)의 바닥벽(2b)에 돌출대(2c)를 형성하고 있기 때문에, 외장 케이스(2)의 강성을 높이고, 방열 면적을 증대시킬 수 있다. 또한, 사이드 마개 블록(6)과, 커버유리(5)의 렌즈부(5a)에 의해서도, 태양전지장치(1) 전체의 기계적 강도를 향상시키고 있다.
서브모듈(11, 31, 51)은, 유연성이 있는 투명한 실리콘 수지내에 매몰시켜, 외장 케이스(2)와 커버유리(5)를 패킹(67)을 통해 볼트(65)와 너트(66)로 체결하여 밀봉하고 있기 때문에, 기계적 강도와 분위기에 대한 기밀성과 태양광에 대한 내후(耐候)성이 확보된다.
스택형 태양전지장치(1)가 불필요하게 된 경우에는, 볼트(65)와 너트(66)의 체결을 해제하고, 커버유리(5)와 외장 케이스(2)로 분해하며, 또 유기용제 혹은 고온 스팀을 가하여 투명한 실리콘 수지로 이루어진 밀봉재(63)로부터 서브모듈(11, 31, 51)을 용이하게 분리 회수할 수도 있다.
다음으로, 상기 실시예를 부분적으로 변경하는 예에 대해서 설명한다.
1) 외장 케이스(2)에 3개의 오목부(3)를 형성하고, 3세트의 태양전지유닛(4)을 내장한 예에 대해서 설명하였으나, 이것은 일례에 지나지 않으며, 필요에 따라 4개 이상의 오목부(3)를 형성하고, 4세트 이상의 태양전지유닛(4)을 내장하는 경우도 있다.
또한, 태양전지 모듈(10, 30, 50)에는 5개의 서브모듈(11, 31, 51)을 내장한 예에 대해서 설명하였으나, 태양전지 모듈(10, 30, 50)에 내장한 서브모듈의 수는 적절히 설정할 수 있고, 6개 이상의 서브모듈(11, 31, 51)을 내장하는 경우도 있다. 이렇게 하여, 태양전지장치(1)의 출력 전압과 출력 전류를 자유롭게 설정하는 구성이 가능하다.
2) 서브모듈(31)에 내장하는 태양전지 셀(32)의 수도 4개에 한정되는 것은 아니고, 5개 이상의 셀(32)을 내장하는 경우도 있다. 이것은 서브모듈(51)에 대해서도 동일하며, 서브모듈(51)에 9개 이상의 태양전지 셀(52)을 내장하는 경우도 있다.
3) 최상단의 GaAsP/GaP 태양전지 셀(11) 대신에 GaP, InGaP, SiC, GaN, InGaN, ZnO의 결정을 기재로 하는 평면 수광형 태양전지 셀을 채용해도 되고, 이들 중 어느 하나의 반도체 결정으로 기재를 구성한 태양전지 셀로 이루어진 로드 수광형 서브모듈을 채용해도 된다.
4) 최하단의 서브모듈(51)의 로드형 Ge 셀(52) 대신에, GaSb, InGaAs, InGaAsSb의 결정을 기재로 하는 태양전지 셀을 채용해도 된다.
5) 중단부의 서브모듈(31)의 로드형 태양전지 셀(32) 대신에, GaAlAs, Si, InP의 결정을 기재로 하는 평면 수광형 태양전지 셀, 또는 이들 중 어느 하나의 반도체 결정으로 기재를 구성한 로드형 태양전지 셀을 채용해도 된다.
6) 상기 실시예의 태양전지장치(1)에서는, 감도 파장 대역이 다른 3종류의 태양전지 모듈(10, 30, 50)을 적층형상으로 내장한 예에 대해서 설명하였으나, 감도 파장 대역이 다른 2종류의 태양전지 모듈을 적층형상으로 내장한 태양전지장치여도 된다. 이 경우, 적어도 1종류의 태양전지 모듈은 로드 수광형 서브모듈로 구성하는 것으로 한다. 또, 감도 파장 대역이 다른 4종류 이상의 태양전지 모듈을 적층형상으로 내장한 태양전지장치도 제작할 수 있다.
7) 상기 커버유리(5) 대신에, 투명한 폴리카보네이트나 아크릴 등의 합성수 지재료로 구성한 커버부재를 채용하고, 그 커버부재에 상기 렌즈부(5a)와 동일한 렌즈부를 형성한다.
8) 상기 외장 케이스(2)의 재료로서, 내측 표면을 은이나 니켈 등의 반사율이 높은 금속을 도금한 Fe 58% - Ni 42% 합금판, 표면을 방식(防食) 처리한 알루미늄판이나 알루미늄 합금판이나 마그네슘 합금판을 채용해도 된다.
9) 상기 로드형 태양전지 셀(32, 52)에서는, 기재에 띠형상의 평탄면(34, 54)을 형성하고, 그 평탄면에 한 쪽의 전극(38, 57)을 형성하였으나, 도 21에 나타낸 로드형 태양전지 셀(70A)과 같이, 상기 평탄면을 생략하고, 단면이 원형인 기재(71A)의 표면에 기재(71A)에 오믹 접촉된 한쪽의 띠형상의 전극(75A)을 형성해도 된다. 단, 이 경우, 양음의 전극의 재료, 색상, 형상 등을 다르게 함으로써, 양음의 전극을 식별가능하게 구성하는 것이 바람직하다. 기타, 도 4의 태양전지 셀(70)과 동일한 것에 동일 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
상기 스택형 태양전지장치는 태양광을 이용하여 발전하는 다양한 발전장치에 이용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 복수의 평면 수광형 서브모듈로 구성되는 태양전지 모듈과, 복수의 로드형 태양전지 셀을 각각 내장한 복수의 로드 수광형 서브모듈로 구성되는 태양전지 모듈을 포함하는 복수의 태양전지 모듈을 복수층으로 적층한 스택형 태양전지장치로서,
    상기 로드형 태양전지 셀은, p형 또는 n형의 반도체로 이루어진 원형 또는 부분 원형의 단면을 가지는 로드형의 반도체 결정으로 이루어진 기재와, 상기 기재의 표면층 중 상기 기재의 축심과 평행한 띠형상 부분을 제외한 부분에 형성되면서 상기 기재의 도전형과는 다른 도전형의 별개의 도전층과, 상기 기재와 별개의 도전층으로 형성된 부분 원통형의 pn 접합과, 상기 기재의 띠형상 부분의 표면에 오믹 접속된 띠형상의 제 1 전극과, 상기 기재 축심을 사이에 두고 제 1 전극과 반대측에서 상기 별개의 도전층의 표면에 오믹 접속된 띠형상의 제 2 전극을 구비하고,
    상기 로드 수광형 서브모듈은, 복수의 로드형 태양전지 셀을, 제 1, 제 2 전극을 잇는 도전방향을 수평방향으로 정렬시켜 평면상에 평행하게 배열하고 또한 인접하는 로드형 태양전지 셀의 제 1, 제 2 전극을 맞닿은 상태로 접속함으로써, 복수의 로드형 태양전지 셀을 전기적으로 직렬 접속하여 구성된 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 태양전지 모듈은 감도 파장 대역이 다른 복수 종류의 태양전지 모듈이며, 감도 파장 대역의 중심 파장이 짧은 태양전지 모듈일수록 태양광의 입사측에 위치하도록 적층된 복수 종류의 태양전지 모듈로 이루어지고,
    적어도 1종류의 태양전지 모듈은, 평면형상의 pn 접합을 가지는 평면 수광형 태양전지 셀로 각각 구성된 복수의 평면 수광형 서브모듈로 구성된 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    3종류의 태양전지 모듈을 구비하여, 2종류의 태양전지 모듈은 복수의 로드 수광형 서브모듈로 각각 구성되고, 1종류의 태양전지 모듈은 복수의 평면 수광형 서브모듈로 구성되며, 복수의 평면 수광형 서브모듈로 구성된 태양전지 모듈이 최상단 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    각 로드 수광형 서브모듈과 각 평면 수광형 서브모듈은, 태양광을 수광하는 수광면적이 동등해지도록 형성된 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  5. 삭제
  6. 제 2항에 있어서,
    태양전지 모듈을 구성하는 복수의 로드 수광형 서브모듈을 병렬 접속하고 또한 일체적으로 연결하는 한 쌍의 제 1 접속 로드를 설치하는 동시에, 태양전지 모듈을 구성하는 복수의 평면 수광형 서브모듈을 병렬 접속하고 또한 일체적으로 연결하는 두 쌍의 제 2 접속 로드를 설치한 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    하방으로 오목하게 들어간 오목부를 가지는 금속판제의 외장 케이스를 설치하고,
    상기 외장 케이스의 오목부에 복수 종류의 태양전지 모듈을 적층상태로 하여 수용한 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 외장 케이스는, 상기 오목부의 폭방향에 수평으로 배열한 평행한 복수의 오목부를 가지고,
    복수의 오목부의 각각에 복수 종류의 태양전지 모듈을 적층상태로 하여 수용한 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 외장 케이스의 오목부는, 그 폭이 상방일수록 넓어지는 실질적으로 역사다리꼴 단면을 가지고,
    상기 오목부의 한 쌍의 측벽과 바닥벽의 내면은 광 반사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    복수의 태양전지 모듈보다 태양광 입사측에, 복수의 태양전지 모듈쪽으로 태양광을 집광하는 집광기능을 갖는 렌즈부를 가지는 렌즈부재를 설치한 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 외장 케이스의 복수의 오목부 내의 틈새에 투명합성수지제의 밀봉재가 충전되어, 상기 외장 케이스와 렌즈부재로 패키징된 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 외장 케이스의 바닥벽에는, 상방으로 돌출하는 사다리꼴형상의 돌출대가 형성된 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 외장 케이스의 오목부의 단부를 막는 사이드 마개 블록을 설치하고, 상 기 사이드 마개 블록에 상기 제 1, 제 2 접속 로드의 단부를 삽입하여 전기적으로 접속하는 복수의 금속제 접속 파이프를 설치하고, 이들 접속 파이프를 사이드 마개 블록의 외측으로 돌출시켜 외부단자로 구성한 것을 특징으로 하는 스택형 태양전지장치.
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