KR100766943B1 - 태양전지의 전극 형성 장치 및 이를 이용한 전극 형성 방법 - Google Patents

Abstract

태양전지의 전극을 형성하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 저항 손실 및 쉐이딩 손실을 최소화하여 태양전지의 효율을 향상시키는 데 있다. 이를 위해 본 발명에서는 태양전지를 일정한 속도로 상승시키거나 하강시키면서 전극을 도금함으로써, 단자로부터 멀어질수록 도금량이 적어지도록 하여, 전극의 형상이 단자로부터 멀어질수록 연속적으로 얇고 좁은 형상이 되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.

태양전지, 도금, 전극

Description

태양전지의 전극 형성 장치 및 이를 이용한 전극 형성 방법 {Device for forming electrode of solar cell and method of forming electrode using the device}

도 1은 일반적인 태양전지의 전극이 도시된 전면전극의 상면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 전극 형성 장치를 이용하여 전극을 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따라 형성된 태양전지의 전극이 도시된 전면전극의 상면도이다.

본 발명은 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지의 전극 면적을 최소화하여 태양전지의 효율을 향상시키는 전극 형성 방법에 관한 것이다.

태양전지는 입사되는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자이다. 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 입사되는 태양광을 최대한으로 흡수할 수 있도록 하여야 한다.

태양전지의 전면에는 입사된 태양광에 의해 생성된 전하를 수집하기 위해 금속 전극을 형성한다. 금속 전극은 입사되는 태양광을 투과시키기 못하고 반사시키며, 이로 인해 금속 전극이 전면에서 차지하는 면적만큼 태양광을 흡수하지 못하여 태양전지의 효율이 떨어지는 쉐이딩 손실(shading loss)이 발생한다. 따라서 이러한 쉐이딩 손실을 줄이기 위해서는 전극의 면적을 최소화하는 것이 필요하다.

그러나, 전극 면적을 줄이기 위해 전극의 폭을 얇게 만들면, 전극에서의 저항이 커져서 전기적인 손실을 초래한다. 따라서, 태양전지는 전극에서의 저항손실과 쉐이딩 손실을 모두 고려하여 최적의 전극 폭과 전극 구조를 결정하여야 한다.

도 1은 일반적인 태양전지의 전극이 도시된 전면전극의 상면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 태양전지의 전극은 전면전극 단자(1)에 연결되어 있는 공통전극(2)으로부터 다수의 분지전극(3)이 일정한 폭으로 평행하게 뻗어있는 형상이다.

태양광에 의해 형성된 전하는 분지전극(3)으로 수집되고, 분지전극(3)에서 수집된 전하는 공통전극(2)을 거쳐 단자(1)에 모인 후, 단자(1)에 연결된 와이어를 통하여 외부로 나감으로써 전기를 공급한다.

이와 같은 금속전극은 전기도금법으로 형성하며, 기존의 전기도금법으로 전극을 형성하면 전극두께가 균일하게 형성된다. 그러나 단자 부위는 전극 밀도가 높으므로, 단위 면적당 제공되는 전류밀도가 낮아서 분지전극보다 얇은 전극이 형성되어, 단자의 전극 폭은 분지전극의 폭에 대해 약 80% 정도가 된다.

그러나, 분지전극에서 수집된 전하는 단자에 모이므로 단자 부위에 가까울수 록 전극의 단위면적당 전하밀도가 높아지고, 따라서 전극에서의 저항이 증가하여 수집된 전하가 저항으로 손실되는 문제점이 있었다. 이를 방지하기 위해서 단자 부위를 저항손실을 최소화할 수 있게 두껍게 만들면, 분지전극의 두께가 두꺼워져 쉐이딩 손실이 커지는 문제점이 있었다.

전극 단자에서의 저항 손실을 최소화하는 종래기술로는 2단계 도금 방법이 있는데, 이 방법은 1단계에서 전체전극을 도금하고, 2단계에서 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여 콘택 단자 부위를 제외한 다른 부위는 감광막으로 마스킹한 후, 콘택 단자 부위만을 도금하여 전극 폭을 넓게 해주는 방법이다. 그러나, 이 방법은 고가의 포토리소그래피 공정을 이용하므로 공정비용이 비싸고, 2단계의 도금공정을 수행해야 하므로 작업이 번거롭고 공정시간이 긴 문제점이 있다.

또 다른 종래기술로는 미국특허 제6066359호가 있으며, 여기서는 광촉매법으로 티타늄 산화물을 이용하여 전극을 형성하였다. 그러나, 여기에서 사용된 티타늄 산화물은 금속전극에 비해 저항손실이 커서 전지 효율을 감소시키는 문제점이 있다.

한국 특허 1999-080558호에서는 그리드의 폭을 0.1 내지 1 ㎛이 되도록 하고 그리드의 면적을 태양전지 면적의 8 내지 10%가 되도록 하여 금속전극 패턴을 최적화하고 이로써 태양전지의 효율을 향상시켰다. 그러나, 여전히 전극에 의한 빛의 반사율이 크므로 더욱 전극 면적을 감소시킬 것이 요구된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 저항 손실 및 쉐이딩 손실을 최소화하여 태양전지의 효율을 향상시키는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전극 형성 시간 및 전극에 사용되는 재료의 양을 줄여 공정비용을 최소화하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 태양전지를 일정한 속도로 상승시키거나 하강시키면서 전극을 도금함으로써, 단자로부터 멀어질수록 도금량이 적어지도록 하여, 전극의 형상이 단자로부터 멀어질수록 연속적으로 얇고 좁은 형상이 되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 형성 장치 및 이를 이용한 전극 형성 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 일반적인 도금장비에 태양전지를 들어올리거나 내리는 장치를 설치하였다. 도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 전극 형성 장치를 도시한 공정 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 도금조(plating bath)(10)에는 도금용액(11)이 담겨져 있고, 도금용액(11)에는 도금소스(12)와 피도금체인 태양전지(13)가 담겨져 있다. 태양전지의 상부에는 태양전지를 도금용액으로부터 들어올리거나 내릴 수 있는 장치가 설치되어 있다.

보통 태양전지는 틀(14) 속에 두고 틀(14)을 들어올리거나 내리도록 되어 있으며, 틀(14)은 면들 중 일부 또는 모든 면들이 개방되어 도금용액(11)이 그 내부 로 쉽게 관통되는 다면체의 뼈대 형상이다. 틀(14)의 상부에는 클램프(15)가 설치되어 틀(14)을 잡고, 클램프(15)는 와이어(16)를 매개로 하여 모터(17)와 연결되어 있다.

모터(17)는 와이어(16)를 감거나 풀면서 태양전지(13)를 상승시키거나 하강시키는 동력을 제공한다. 이 때 상승속도 및 하강속도를 제어하는 속도제어부가 있으면 더욱 바람직하다.

태양전지(13)는 틀 속에서 전면전극의 단자(20)를 하방으로 하고 분지전극(21)의 말단을 상방으로 하여 위치함으로써, 단자(20)에 인접한 부분의 분지전극(21)이 보다 오랫동안 도금용액 내에 침지되도록 하여 보다 두껍게 도금되도록 한다.

상기한 틀(14)을 사용하지 않고, 태양전지의 분지전극(21) 말단에 직접 클램프(15)를 연결하여 설치하는 것도 가능하다.

상기한 바와 같은 도금 장치를 이용하여 태양전지의 전극을 형성하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 태양전지(13)를 도금조(10)의 도금 용액(11) 내에 침지시킨다. 이 때 태양전지(13)에는 전극형성을 위해 절연막에 전극패턴이 형성되어 있는데, 전극 패턴의 폭은 분지전극 전체가 동일한 폭으로 형성되어 있다.

다음, 전기도금(electroplating) 또는 무전해도금(electroless plating)을 수행하여 태양전지의 전극 패턴에 도금 소스로부터 금속을 도금시킨다.

이러한 도금 공정의 진행 중에 모터(17)를 작동하여 와이어(16)를 감고 내부 에 태양전지(13)가 들어있는 틀(14)을 서서히 상승시켜 도금 용액(11)으로부터 태양전지를 꺼낸다. 즉, 금속 도금 중에 태양전지를 상승시키면서 전극을 형성하는데, 태양전지(13)는 틀(14) 내에서 단자(20)가 하방으로 위치하고 단자(20)로부터 먼 분지전극(21)의 말단이 상방으로 위치하고 있으므로, 분지전극(21)의 말단부터 도금용액(11)으로부터 빠져나오게 되며, 따라서 분지전극(21)의 말단부분에는 금속도금이 얇게 되고 단자(20)에 가까워질수록 금속이 두껍게 도금된다.

도금 금속으로는 Cu, Ag, Ni, Cr, Co, 또는 Ti 등을 사용한다.

이 때, 전기도금 또는 무전해도금을 진행하는 중에 태양전지를 서서히 하강시켜 태양전지를 도금 용액 내에 침지시키면서 전극을 형성할 수도 있다. 이 경우에는 도금조의 도금 용액 내에 태양전지를 침지시키기 전에 전기도금 또는 무전해도금 공정을 진행하고, 도금 공정의 진행 중에 모터를 작동하여 와이어를 풂으로써 태양전지를 일정한 속도로 하강시켜 도금 용액 내로 침지시키는 것이다.

이와 같이 하강시키면서 전극을 형성할 때에도, 상승시키는 경우에서와 마찬가지로, 전극 단자부터 먼저 침지시켜 단자에 가까운 부분의 분지전극이 더 두껍게 도금되고 단자에서 멀수록 도금되는 금속의 두께가 얇게 되도록 한다.

이와 같이 태양전지를 상승시키거나 하강시켜 전극을 형성할 때, 상승속도 또는 하강속도를 일정하게 하여 도금되는 금속의 두께가 연속적으로 변하도록 하는 것이 좋다.

예를 들면, 본 발명의 일실시예에서는, 단자에 인접한 분지전극의 폭을 10㎛로 하고 말단부를 2㎛로 하여, 분지전극이 폭이 10㎛에서 2㎛까지 연속적으로 변하 도록 하였으며, 분지전극의 길이를 6cm로 하고 총10분 동안 태양전지를 상승시켜 도금함으로써 상승속도를 0.6 cm/분으로 하였다.

상승속도 및 하강속도는 전극물질, 도금조건 및 목적하는 전극의 폭 등에 따라 조절할 수 있다.

도금 용액 내의 전지 면적은 상승속도 또는 하강속도에 따라 변하며, 전기도금을 위해 가하는 전류의 양을 전지 면적에 따라 조절을 해야 한다. 태양전지를 상승시키면 도금 용액 속에 담긴 전지 면적이 감소하며, 감소된 면적에 따라 전류의 양을 줄여 주어야한다. 만약, 전류의 양을 줄이지 않으면 도금속도가 빨라져서 전극 표면 형상이 거칠어지고 도금된 전극의 금속밀도가 감소하게 된다.

상기한 바와 같은 방법으로 제조된 태양전지의 전극은 도 3에 도시된 바와 같이, 단자에 가까운 분지전극이 가장 두껍고 넓으며 단자에서 멀어질수록 폭이 좁고 두께가 얇은 형상으로 이루어진다. 이로써, 전극에서의 저항손실을 최소화하면서 쉐이딩 손실을 최소화하는 최적의 구조를 가진 태양전지의 전극을 제조하였다.

일례로 본 발명에 따라 형성된 전극으로는 쉐이딩 손실이 3% 감소하였고, 결과적인 태양전지의 성능이 5% 이상 향상되었으며, 효율은 1% 이상 향상되었다. 또한, 전극재료가 20% 정도 절감되었으며, 전극형성에 걸리는 시간이 20% 정도 단축되었다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 전극 형성을 위해 전기도금 또는 무전해도금법으로 전극 금속을 도금하는 중에 도금 용액 내에 태양전지를 서서히 담그거나, 도금 용액으로부터 태양전지를 서서히 상승시키기 때문에, 분지전극이 단자에서 멀수록 좁고 얇은 형상인 최적의 구조로 도금되는 효과가 있다.

본 발명에서는 태양전지의 전극을 단자에서 멀수록 좁고 얇은 형상으로 형성하므로, 단자와 가까운 넓고 두꺼운 부분에서는 저항손실을 최소화하고, 좁고 얇은 분지전극의 말단부분에서는 쉐이딩 손실을 최소화하여 태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 분지전극의 말단부는 좁고 얇은 형상으로 형성되므로, 분지전극의 말단부까지 일정한 폭으로 형성되었던 종래에 비해 전극으로 사용되는 재료가 절감되는 효과가 있으며, 전극을 형성하는 데 걸리는 공정시간이 단축되는 효과가 있으며, 이로 인해 생산비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 도금 용액 및 도금 소스가 담겨져 있는 도금조;

   상기 도금조 내에 침지되는 태양전지;

   상기 태양전지의 상부에서 상기 태양전지의 분지전극 말단과 연결되도록 설치된 클램프;

   일단이 상기 클램프와 연결되고 타단이 모터와 연결되는 와이어;

   상기 와이어를 감거나 풀면서 상기 태양전지를 상기 도금 용액으로부터 상승시키거나 상기 도금 용액 내로 하강시키는 동력을 제공하는 모터

   를 포함하는 태양전지의 전극 형성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 모터와 연결되도록 설치되어 상기 태양전지의 상승 속도 및 하강 속도를 제어하는 속도제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 태양전지는 면이 개방되어 상기 도금 용액의 출입이 자유로운 다면체 뼈대 형상의 틀 내에 상기 태양전지의 단자가 하방을 향하고 분지전극 말단이 상방을 향하도록 두고, 상기 클램프는 상기 틀에 체결되는 것을 특징으로 하는 태양전 지의 전극 형성 장치.
4. 제 1 항의 장치를 이용하여 태양전지의 전극을 형성하는 방법에 있어서,

   상기 도금조의 도금 용액 내에 태양전지를 침지시키는 단계;

   도금 공정을 진행하여 상기 태양전지의 전극 패턴에 상기 도금 소스로부터 금속을 도금시키는 단계;

   상기 도금 공정의 진행 중에 상기 모터를 작동하여 상기 와이어를 감음으로써 상기 태양전지를 일정한 속도로 상승시켜 상기 도금 용액으로부터 꺼내는 단계

   를 포함하는 태양전지의 전극 형성 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 도금조의 도금 용액 내에 태양전지를 침지시키기 전에 상기 도금 공정을 진행하고, 상기 도금 공정의 진행 중에 상기 모터를 작동하여 상기 와이어를 풂으로써 상기 태양전지를 일정한 속도로 하강시켜 상기 도금 용액 내로 침지시키는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 태양전지의 상승속도는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 태양전지의 하강속도는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.
8. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 도금 공정은 전기도금(electroplating) 및 무전해도금(electroless plating) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.
9. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 태양전지의 전극 패턴에는 Cu, Ag, Ni, Cr, Co, Ti로 이루어진 군에서 선택된 한 금속을 도금하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.
10. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

    상기 태양전지를 상기 도금 용액 내로 침지시킬 때에는 전극 단자부터 먼저 침지시키고, 상기 도금 용액으로부터 꺼낼 때에는 분지 전극의 말단부터 먼저 꺼내는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.

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