KR100785730B1 - 금속 접합을 갖는 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 롤링(rolling)에 의하여 표면 홈(groove)이 형성된 금속 기판 또는 플라스틱 기판 위에 형성된 태양전지를 사용하여 각 셀의 분리와 금속 배선 등의 공정을 거치지 않고, 금속 접합을 사용하여 태양전지 모듈을 제작하는 방법이 게시된다.
본 발명에 따른 태양전지는 표면에 다수의 홈(groove)을 형성하기 위하여 패터닝(patterning)과 에칭(etching) 등의 과정이 필요하지 않고, 태양전지 모듈은 금속 배선과 셀 분리 등의 고가의 공정이 없이 비교적 간단한 태양전지의 절단과 각 태양전지의 금속 접합에 의하여 제작되므로 공정이 단순하고 레이저 스크라이버(laser scriber) 등의 고가의 장비를 사용할 필요가 없어서 저가의 태양전지 모듈을 제작할 수 있으며, 셀 분리와 금속 배선 등이 빛의 입사 면에 나타나지 않으므로 거의 모든 모듈 면적이 발전 면적으로 사용될 수 있는 장점이 있다.
태양전지, 금속기판, 플라스틱 기판, 배면 접합
Description
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지용 금속 기판 제조 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 접합 태양전지 모듈을 나타낸 것으로 도2a는 전극 층으로 투명 전극을 사용한 것이고, 도 2b는 전극층으로 투명 전극 및 금속 전극을 포함하며 반사방지막이 형성된 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 일반적으로 사용되는 종래 태양전지 모듈을 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 금속기판 120 : 홈(groove)이 형성된 롤러
130 : 롤러 140 : 표면 홈(groove)
210 : 태양전지 셀 220 : 홈이 형성된 금속 기판
230 : 태양전지 층 240 : 전도성 산화막
250 : 용접용 금속층 260 : 금속 전극
280 : 반사방지막
310 : 태양전지 셀 320 : 셀 분리영역
330 : 금속 전극 340 : 하부전극
350 : 표면 홈 370 : 발전 영역
380 : 반사방지막
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더 상세하게는 금속 기판 또는 플라스틱 기판을 사용하는 박막형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양전지는 친환경적이고, 반영구적으로 사용이 가능하기 때문에 미래의 중요한 대체 에너지원으로 많은 주목을 받고 있다. 그러나 일반적으로 효율이 높은 태양전지는 실리콘 기판을 사용하는데, 태양전지가 복잡한 회로가 필요하지 않지만 대면적의 소자임으로 인하여 고가의 대 면적 실리콘 기판을 필요로 하게 되어 실용화의 많은 장애가 되어왔다. 이에 대한 대안으로 다결정 실리콘 기판을 사용하는 태양전지나, 금속판이나 유리판과 같이 저가이고 비정질인 기판 위에 비정질의 태양전지 층을 형성하는 박막형 비정질 태양전지에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
일반적인 태양전지의 구조에서 빛이 입사하는 표면의 형태(morphology)는 발전 효율에 큰 영향을 미친다. 박막형 태양전지의 특성 상 발전이 이루어지는 박막의 두께는 얇기 때문에 입사하는 빛이 수직으로 태양전지 영역을 통과할 경우 효율이 낮을 수밖에 없다. 이러한 단점을 해결하는 구조가 표면에 다수의 홈(groove)을 형성하여 입사한 빛이 수직으로 통과하지 않도록 하여 태양전지 영역을 통과하는 거리가 길도록 만들어준다. 일반적인 태양전지에서의 홈(groove)의 형성은 주로 두 가지의 방법이 사용된다. 첫째는 주로 고가의 벌크(bulk) 실리콘에서 사용되는 방법으로 패터닝(patterning)과 에칭(etching) 등의 고가의 공정을 사용하여 효율이 가장 좋은 일정한 모양을 갖도록 표면을 형성하는 방법과, 두 번째는 박막형 태양전지에서 주로 사용하는 공정으로 효율은 낮지만 저가인 무작위적인 에칭(random etching)을 통하여 무작위적인 형태의 홈(groove)가 형성되도록 하는 방법을 사용한다.
한편, 현재에 상용화된 박막형 태양전지는 하나의 기판위에서 셀과 셀을 분리하기 위한 영역을 형성하고 전하의 수집과 전도를 위한 금속 배선 등이 필요하여 고가의 장비와 복잡한 공정이 필요하게 되므로 박막형 태양전지의 제작비용의 중요한 비율을 차지하고 있으며, 셀과 셀을 분리하는 영역과 금속 배선 등은 일반적으로 태양전지 모듈에서 빛이 입사하는 방향에 존재하게 되므로 태양전지 모듈에서 상당한 영역을 차지하여 태양전지 모듈의 크기에서 빛은 입사하지만 발전을 하지 않는 영역을 갖는 단점이 있다.
일반적으로 사용되는 박막형 태양전지 모듈은 도 3과 같다. 각 태양전지 셀(310)은 다이오드로 이루어지는 발전영역(370)과, 표면에서 전하를 수집하기 위한 금속 전극(330)과 하부 전극(340)을 가지며, 셀과 셀 사이에는 셀을 분리하는 영역(320)과 셀과 셀을 접합하는 배선영역(350)이 존재한다. 또한 반사를 방지하기 위한 반사 방지막(380)과, 입사하는 빛의 경로를 길게 하여 효율을 향상시키기 위 한 표면 홈(360)이 존재한다. 위와 같은 배치의 태양전지 모듈에서 표면 홈의 형성은 패터닝과 에칭 등의 고가의 공정이 필요하며, 금속 전극(330)은 입사하는 빛을 가리게 되는 구조이며 또한 셀 분리 영역(320) 또한 빛이 입사하지만 발전이 이루어지지는 않는 영역이다. 따라서 표면 홈을 간단하게 형성시키는 방법과, 발전이 이루어지지 않는 영역을 최소화 하기위한 방법들에 대한 연구가 여러 방향에서 시도되고 있다. 대표적인 경우는 금속 전극(330)을 태양전지의 내부, 혹은 광 입사면의 후면에 설치하는 방법들이 사용된다. 또한 이러한 방법으로 제조되는 태양전지 모듈은 셀 분리 영역과 금속 전극 등을 정의하기위하여 감광성 수지 패터닝(PR patterning), 잉크 인쇄(ink jet printing) 등이나 레이져 절삭(laser scribe) 등의 공정이 필요하여 저가의 모듈 제작에 중요한 공정비용과 시간의 장애 요인으로 작용한다. 따라서 일반적으로는 이와 같은 공정상의 복잡성을 피하기 위하여 하나의 셀이 하나의 기판에 제작되는 형태를 사용하게 되는데, 이러한 방법은 대면적의 모듈을 제작하기 위하여 대량의 기판을 외부에서 연결하여 사용하여야하는 제한으로 작용한다. 즉, 위와 같은 방법을 사용하는 태양전지 모듈은 사용하고자 하는 목적에 적합한 다양한 모듈의 제작이 어렵게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 박막형 태양전지에서 효율을 높이기 위한 구조인 표면 홈을 간단한 방법으로 가장 최적의 형태로 형성하기 위한 태양전지 기판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 태양전지 모듈에서 태양전지 셀의 분리와 금속 배선 등의 패턴 형성이 필요 없으며 발전 면적을 증대시키기 위한 경제적이고 효율적인 태양전지 모듈의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명은 태양전지 또는 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더 상세하게는 금속 기판 또는 플라스틱 기판을 사용하는 박막형 태양전지 또는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 복수의 태양전지 셀로 이루어지는 태양전지 모듈에 있어서, 상기 태양전지 셀은 기판, 상기 기판 상에 형성되는 태양전지층 및 상부에 전극층을 포함하며, 태양전지 셀의 기판의 일부가 또 다른 태양전지 셀의 전극층의 일부와 겹쳐지고, 상기 겹쳐지는 영역에서 금속 접합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은 금속 또는 플라스틱 재질의 기판, 상기 기판 상에 형성되는 태양전지층 및 상부에 전극층을 포함하며, 상기 금속 기판 하부 또는 플라스틱 기판 상부에 용접용 금속층을 더욱 포함하는 박막형 태양전지 셀을 제공한다.
또한, 본 발명은 금속 기판 또는 플라스틱 기판을 홈이 형성된 롤과 롤 사이로 통과시켜 압연함으로써 상기 기판의 일면 또는 양면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 기판의 제조방법 및 이의 제조방법에 따라 제조된 태양전지 기판을 제공한다. 상기 태양전지 기판은 금속 기판 하부 또는 플라스틱 기판 상부에 용접용 금속층을 더 포함한 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.
또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 복수의 태양전지 셀로 이루어지는 태양전지 모듈에 있어서, 상기 태양전지 셀은 기판, 상기 기판 상에 형성되는 태양전지층 및 상부에 전극층을 포함하며, 태양전지 셀의 기판의 일부가 또 다른 태양전지 셀의 전극층의 일부와 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 모듈을 제공한다. 상기 기판은 금속 기판 또는 플라스틱 기판에서 선택되며, 롤링에 의하여 다수의 홈이 형성된 기판인 경우 더욱 바람직하다. 또한 금속 기판의 경우 기판 하부에 용접용 금속층을 더 포함하는 것이 바람직하고, 플라스틱 기판을 사용하는 경우 플라스틱 기판의 상부에 용접용 금속층을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 플라스틱 기판을 사용할 경우 상기 용접용 금속층 상에 전도성 금속층을 더욱 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기판의 일부가 전극층과 겹쳐지는 부분은 기판 하부 또는 상부에 용접층을 더 구비하여 용접층에 의한 금속접합이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 플라스틱 기판을 사용하는 경우 이러한 접합시 플라스틱 성분이 녹으면서 플라스틱 기판 상부의 용접용 금속층과 또 다른 태양전지 셀의 전극층과의 전도성 접합이 형성되는 방법을 사용할 수 있다.
상기 기판 중에서 금속 기판은 그 종류를 한정할 필요는 없으나, 가공성 또는 상용성 등을 고려할 때, 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈-철 합금 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속 기판은 롤링(rolling)에 의하여 홈(groove)이 형성되며, 태양광이 입사되는 면에 다수의 홈(groove)이 형성되어 있는 경우 입사되는 빛이 수직으로 통과하지 않고 태양전지를 통과하는 영역이 길어지므로 발전 효율이 증가하는 장점을 가진다.
상기 태양전지층은 p-형 반도체 층과 n-형 반도체 층을 포함하며, p-형 반도체 층은 반도체 물질 예를 들어, Si, Ge 또는 이의 합금에 보론(B)과 같은 3족 원소를 도핑하여 제조하며, n-형 반도체 층은 상기와 같은 반도체 물질층에 인(P)와 같은 5족 원소를 도핑하여 제조할 수 있다.
상기 전극층은 전도성 산화막, 금속 전극 또는 전도성 산화막 상에 형성되는 금속전극을 사용할 수 있다. 전도성 산화막은 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐망간옥사이드(IMO), 인듐아연옥사이드(IZO)등의 투명한 전도성 산화막을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 투명 전도성 산화막 상부에 빛의 반사를 감소시키기 위한 반사방지막을 코팅하는 것이 바람직하다. 또한 상기 금속 전극은 태양 전지층 상의 일부 영역에 도전성 금속으로 형성하며 태양전지층과 전기적으로 연결된다. 또한, 전극층이 전도성 산화막 및 전도성 산화막 상에 형성되는 금속 전극을 모두 포함할 수 있 는데, 이 경우에 금속 전극은 전도성 산화막 상의 일부 영역에 형성되며, 전도성 산화막과 전기적으로 연결된다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은 하기의 제조방법에 따라 제조된 태양전지 셀을 포함한다.
(a) 금속 기판 또는 플라스틱 기판 상에 표면 홈을 형성하는 단계;
(b) 상기 금속 기판 하부 또는 플라스틱 기판 상부에 용접용 금속층을 형성하는 단계;
(c) 표면 홈이 형성된 기판 상에 태양 전지층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 태양 전지층 상에 전도성 산화막을 형성하는 단계.
본 발명에 따른 태양전지 모듈에 포함되는 태양전지 셀의 또 다른 제조방법은 하기의 단계를 포함하여 이루어진다.
(a) 금속 기판 또는 플라스틱 기판 상에 표면 홈을 형성하는 단계;
(b) 상기 금속 기판 하부 또는 플라스틱 기판 상부에 용접용 금속층을 형성하는 단계;
(c) 표면 홈이 형성된 기판 상에 태양 전지층을 형성하는 단계;
(d) 상기 태양 전지층 상에 전도성 산화막을 형성하는 단계;
(e) 상기 전도성 산화막 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 및
(f) 상기 반사 방지막 상의 일부 영역에 상기 전도성 산화막과 접하는 금속 전극층을 형성하는 단계.
상기 용접용 금속층은 Au, Sn, Pb 또는 Ag에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 용접용 금속층은 금속 기판 하부 또는 플라스틱 기판 상부의 일부 또는 전체에 형성될 수 있다. 용접용 금속층을 형성하는 방법은 통상적으로 스퍼터방법 또는 증착방법이 사용될 수 있으며, 둘 이상의 금속을 다층으로 형성하거나 하나의 층에 2개 이상의 금속 성분이 포함되도록 할 수도 있다.
또한, 기판이 플라스틱 기판일 경우에는 상기 용접층 상에 전도성 금속층을 더 형성하는 것이 태양전지 셀과 셀 사이의 전기적 접합시에 전도성이 우수하여 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈의 제조방법에서 상술한 바와 같은 두가지 방법에 의해 제조된 태양전지 셀을 서로 접합하여 태양전지 모듈을 제조할 때, 태양전지 셀 하부 기판의 일부가 다른 태양전지 셀 상부의 전극층의 일부와 겹쳐지도록 위치시킨 후 기판 하부 또는 상부에 형성된 용접층을 통하여 용접됨으로써 전기적으로 접합이 이루어진다. 이때 기판이 금속 기판일 경우에는 용접층이 기판 하부에 위치하고, 기판이 플라스틱 기판일 경우에는 용접층이 플라스틱 기판 상부에 위치한다. 용접에 의해여 셀과 셀 사이에 전기적 접합을 형성하는 경우 용접되는 부분의 플라스틱을 미리 제거하거나, 플라스틱을 제거하지 않는 경우 열융착에 의하여 겹쳐지는 영역의 플라스틱 성분은 용출되어 플라스틱 기판 상부의 용접층이 전극층과 금속 접합이 형성되는 방법을 사용할 수 있다. 용접하는 공정은 통상적으로 사용하는 열융착, 가압융착, 땜납 등의 방법을 사용할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명에 의한 하나의 실시예에 따른 태양전지 모듈은 금속 기판을 사용하여 제작되고, 금속 기판 표면의 홈은 홈이 형성된 롤과 롤사이로 통과시켜 압연함으로써 형성된다. 도 1에는 본 발명에 따른 태양전지용 금속 기판의 표면 홈(surface groove)을 형성하는 방법이 예시되어 있다. 일정한 표면 패턴(surface pattern)을 롤러(roller)(120,130)중의 하나에 새겨 넣고 금속 기판(110)을 롤링(rolling)하여 통과시키면 금속 기판의 표면에는 일정한 패턴의 표면 홈(surface groove)(140)이 형성된다. 도 1에서는 하나의 롤러에만 표면 패턴을 형성하였으나, 두 개의 롤러 모두에 표면 패턴을 형성하여 금속 기판 양면에 모두 표면 홈을 형성할 수도 있다.
상기의 방법으로 제조된 표면 홈(surface groove)이 형성된 금속 기판을 사용하여 제작되는 금속판 박막형 태양전지가 도 2에 개시되어 있다. 도 2를 참조하면, 금속판 박막형 태양전지(210)는 표면에 홈이 형성된 금속 기판(220)과, 상기의 금속 기판과 접하는 태양전지 층(230) 그리고 표면에 전도성 산화 막(240), Au, Sn, Pb, Ag 등이나 이들의 합금으로 이루어지는 용접용 금속 박막(250)으로 이루어 진다. 또한 보다 효율적인 빛의 흡수를 위하여 반사방지막(280)을 더 형성하고, 발생한 전하의 수집을 보다 용이하게 하기 위하여 적당한 간격으로 Al, Ag 등으로 이루어진 금속 전극(260)을 형성할 수 있다. 상기 방법으로 제조된 금속판 태양전지를 적당한 폭으로 절단하여 금속판 태양전지 셀을 형성하고, 하나의 금속판 태양전지 셀의 후면은 다른 금속판 태양전지의 전면에 일정한 길이만큼 접합되게 된다. 전극층으로 투명 전극 즉, 전도성 산화막 만을 사용하는 경우(도 2a)에는 태양전지 셀 하부의 용접용 금속층이 상기 투명전극과 용접에 의해 접합되고, 전극층으로 투명전극 상에 형성된 금속 전극을 더욱 포함하는 경우(도 2b)에는 용접용 금속층이 금속 전극과 투명 전극에 동시에 접합되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 박막형 태양전지는 단순한 구조를 가지므로 대 면적이나 긴 길이로 저가에 제작할 수 있고, 또한, 박막형 태양전지 판을 절단, 겹침 및 용접공정을 통하여 태양전지 모듈의 사용 목적에 가장 적합한 전압과 전류를 갖는 태양전지 모듈을 쉽게 제작할 수 있게 된다. 또한 도 2와 같은 구조의 태양전지 모듈은 도3의 일반적으로 사용되는 태양전지 모듈과 비교하여 볼 때 표면에 셀 분리 영역이 존재하지 않으므로 빛을 받는 모든 면에서 발전이 이루어지므로 발전 효율이 높아지는 장점이 있다.
본 발명을 사용한 태양전지용 기판은 표면의 홈이 간단한 롤링 방법에 의하여 형성되므로 패터닝과 에칭 등의 과정이 없이 균일한 표면 홈을 얻을 수 있고, 위와 같이 홈이 형성된 기판을 사용하여 제작된 태양전지는 구조가 단순하므로 박막형 태양전지의 제조 과정이 단순하고 저가의 공정만을 사용할 수 있어 태양전지의 생산 비용이 절감되는 장점이 있다. 또한, 태양전지 모듈의 제조는 박막형 태양전지를 사용하여 이를 절단, 겹침 및 용접의 단순 공정을 사용하여 목적에 맞는 최적의 모듈 생산이 가능하고, 또한 제조된 모듈은 빛이 입사하는 표면에 금속 배선과 모듈의 분리 및 접합영역이 존재하지 않으므로 동일한 크기를 갖는 다른 방법으로 제작된 모듈에 비하여 발전이 효과적으로 이루어지는 장점이 있다.
Claims (9)
- 복수의 태양전지 셀로 이루어지는 태양전지 모듈에 있어서,상기 태양전지 셀은 금속 또는 플라스틱 재질의 기판, 상기 기판 상에 형성되는 태양전지층 및 상부에 전극층을 포함하며, 태양전지 셀의 기판의 일부가 또 다른 태양전지 셀의 전극층의 일부와 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 기판은 전극층과 겹쳐지는 부분에 용접용 금속층을 포함하는 것을 특징으로하는 태양전지 모듈.
- 제 2항에 있어서,상기 용접용 금속층은 Au, Sn, Pb 또는 Ag에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속으로 이루어지며, 금속 기판의 하부 또는 플라스틱 기판의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 전극층은 전도성 산화막 또는 금속 전극이거나, 전도성 산화막 및 전도성 산화막 상에 형성된 금속전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 기판은 태양광이 입사되는 면에 다수의 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서, 태양전지 셀은(a) 금속 기판 또는 플라스틱 기판 상에 표면 홈을 형성하는 단계;(b) 표면 홈이 형성된 기판 상에 태양 전지층을 형성하는 단계; 및(c) 상기 태양 전지층 상에 전도성 산화막을 형성하는 단계;를 포함하는 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 6항에 있어서, 태양전지 셀은(a) 금속 기판 또는 플라스틱 기판 상에 표면 홈을 형성하는 단계;(b) 표면 홈이 형성된 기판 상에 태양 전지층을 형성하는 단계;(c) 상기 태양 전지층 상에 전도성 산화막을 형성하는 단계;(d) 상기 전도성 산화막 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 및(e) 상기 반사 방지막 상의 일부 영역에 상기 전도성 산화막과 접하는 금속 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 6항 또는 제 7항에 있어서,태양 전지 셀의 제조방법은 상기 a)단계 후 금속 기판 하부 또는 플라스틱 기판 상부에 용접용 금속층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 태양의 복사에너지를 받아들여 전기에너지로 변환하는 태양전지용 금속 기판또는 플라스틱 기판을 홈이 형성된 롤과 롤사이로 통과시켜 압연함으로써 상기 기판의 일면 또는 양면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 기판의 제조방법.
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