KR101206713B1 - 태양전지 모듈의 제조 장치 및 이를 사용한 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압착수단을 사용한 압착공정과 레이저를 사용한 태빙 공정을 동시에 수행할 수 있는 태양전지 모듈의 제조 장치 및 이를 사용한 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 태양전지와 금속 전극을 접합하는 태빙 공정을 레이저에 의한 국부적인 방사에 의하여 수행하여, 가열 부분을 태빙에 필요한 최소한의 범위로만 국한시켜, 공정 시에 발생하는 직접 가열 영역을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 상이한 물질의 다층 구조로 구성되는 태양전지의 열팽창 및 수축에 따른 균열 및 파손 발생과 같은 손상을 줄이고, 접합력 및 접합 균일성을 향상시키며, 공정 시간의 단축 등을 통하여 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
태양전지, 모듈, 실리콘 결정질 태양전지, 레이저, 댐핑 샤프트, 압착 롤, 에어노즐, 세라믹 핀
Description
본 발명은 금속 전극과 태양전지의 접촉부를 레이저에 의해 국부적으로 가열하여 태빙 공정을 수행할 수 있는 태양전지 모듈의 제조 장치 및 이를 사용한 제조 방법에 관한 것이다.
최근 지구 환경 오염 및 화석 에너지 고갈 문제 등으로 인하여, 환경친화형 대체 에너지원 개발 및 미래 에너지원 다원화 등이 국제적인 이슈로 등장하고 있다. 이러한 배경 하에서 태양전지는 유력한 대체 에너지원으로서 주목 받고 있고, 또한 태양전지의 저가화가 진행되면서 관련 세계 시장 규모도 급속도로 증가되고 있다.
태양광 발전 시스템의 핵심 요소인 태양전지 모듈은 수명이 약 20년 이상으로 반영구적인 사용이 가능하고, 설치 장소 및 규모에 따라서 소형에서 대형으로의 자유로운 제작이 가능하다는 이점이 있다. 이러한 태양전지 모듈에서 태양전지를 전력선, 즉 금속 전극으로 서로 연결하여 모듈화하는 열 접합 공정을 태빙(tabbing 또는 soldering) 공정이라고 한다. 기존에 이러한 태빙 공정은 금속 전극(리본)과 태양전지의 접합부를 할로겐 적외선 램프로 가열(IR 태빙)하거나, 작업자가 일일이 납땜하는 방식으로 이루어졌다. 그러나, 상기 방식에서는 적외선 램프 등의 가열원이 태양전지에 직접 방사되는 범위가 태빙에 필요한 접합 범위를 벗어나 지나치게 넓어지고, 이에 따라 공정 중 태양전지 모듈이 손상될 우려가 높다는 문제점이 있다. 통상적으로 실리콘 결정질 태양전지와 같은 태양전지는 상이한 물질로 구성되는 다층(multi layer) 구조(ex, Al 코팅층, Si 웨이퍼층 및 SiN3AR 코팅층)를 갖는다. 따라서, 기존 125mm 크기의 셀의 경우 열팽창 및 수축 거동으로 인해 최대 3 mm까지의 벤딩(bending)이 일어나, 모듈의 균열, 파손, 손상 및 변형(warping) 등의 불량이 발생하게 된다.
상기와 같은 문제점은 특히 최근 요구되고 있는 태양전지의 박형화에 큰 장해가 된다. 즉, 기존에 사용되는 대부분의 실리콘 결정질 태양전지는 약 230 ㎛ 정도의 두께를 가지고 있었으나, 실제 두께가 약 50 ㎛ 정도인 경우에도 태양전지의 효율은 거의 동등하다. 따라서, 실리콘의 수요증가로 인한 재료의 고갈문제 및 생산원가의 상승 문제가 부각되고 있는 최근에는 태양전지의 박형화에 대한 요구가 높다. 이에 따라, 기존 태빙 공정의 문제점은 더욱 부각될 것으로 예상되며, 따라서 태빙 공정 시 태양전지에서 직접 방사되는 영역을 최소화하여, 다층 구조를 구성하는 재료간의 물성(열팽창률 및 수축률 등) 차이로 인한 태양전지의 손상을 방 지하며, 태양전지와 전극의 접합성 및 접합 균일성을 개선하고 생산 효율도 증대시킬 수 있는 태빙 장치의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 태양전지 및 금속 전극의 접합을 레이저에 의한 국부적인 가열에 의해 수행할 수 있는 태양전지 모듈의 제조 장치 및 이를 사용한 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 측면에 따르면, 태양전지가 적재되는 작업대; 작업대에 적재된 태양전지 상에 금속 전극을 압착할 수 있는 압착수단; 및 상기 압착수단에 의하여 압착된 금속전극과 태양전지의 접합부를 향하여 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치를 포함하는 태양전지 모듈의 제조 장치가 제공된다.
여기서, 상기 압착수단은 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍의 압착 롤, 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭되며, 태양전지와 금속전극의 접합부를 향하여 에어를 분사하는 한 쌍의 에어노즐 또는 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍 이상의 세라믹 핀인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 한 쌍을 에어노즐을 포함하는 제조 장치를 사용하여 태양전지와 금속전극의 접합부를 향하여 150 ℃ 내지 250 ℃ 의 에어를 분사하여 압착시키는 단계; 및 상기 접합부에 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 한 쌍의 세라믹 핀을 포함하는 제조 장치를 사용하여 태양전지와 금속전극의 하나 이상의 접합부를 간격이 4mm 내지 6mm 이격된 복수의 세라믹(ZrO2)핀으로 압착하는 단계; 및 상기 상기 접합부에 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 제조 방법이 제공된다.
본 발명에서는 레이저에 의한 국부적 가열에 의해 태양전지 및 금속 전극(리본)의 접합(태빙)을 수행하여, 가열 부분을 최소한의 필요 영역에만 국한시킴으로써 태빙 공정 시 열에너지의 직접 방사 영역을 최소화할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 태양전지의 다층 구조를 구성하는 재료간 물성(열팽창률 및 수축률 등) 차이에 의해 유발되는 불량(균열, 파손 및 손상의 발생)을 줄이고, 태양전지 및 금속 전극의 접합부에 높고 균일한 접합력을 부여하며, 공정 시간 단축 등을 통해 생산 효율의 향상을 도모할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조장치를 구체적으로 설명한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지 모듈 제조장치를 나타내며, 제 1 압착수단이 설치된 상태를 나타낸다. 이와는 다르게 도 6 내지 도 8 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지 모듈 제조장치를 나타내며, 제 2 압착수단이 설치된 상태를 나타낸다. 이와는 다르게 도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지 모듈 제조장치를 나타내며, 제 3 압착수단이 설치된 상태를 나타낸다.
보다 구체적으로, 도 3는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조장치를 나타내는 사시도이고, 도 4은 도 3의 C 부분의 확대 사시도이며, 도 5은 도 4의 측면도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지 모듈 제조장치(이하, "제조 장치"라 한다)는 태양전지(1)가 적재되는 작업대(8); 상기 태양전지(1) 상에 금속 전극(2)을 압착하는 제 1 압착수단; 및 상기 제 1 압착수단에 의하여 압착된 금속전극(2)과 태양전지(1)의 접합부를 향하여 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치(11)를 포함한다.
여기서, 제 1 압착수단은 상하 방향으로 탄성 회복 가능한 댐핑 샤프트(12) 및 댐핑 샤프트(12)의 일 종단부에 장착되며, 태양전지(1)와 금속 전극(2)의 접합 부에 대응되는 압착 롤(13)을 포함할 수 있다.
즉, 압착 롤(13)로 가압하며, 댐핑 샤프트(12)를 통하여 태양전지(1)와 압착 롤의 거리를 조절하고, 압착 롤(13)에 탄성력을 제공할 수 있다.
또한, 제 1 압착수단은 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 한 쌍의 압착 롤(13)을 사용하여 태양전지(1)와 금속전극(2)을 압착하고, 압착 롤(13) 사이에 레이져를 조사함으로써 태빙 공정을 수행할 수 있다. 이때 한 쌍의 압착수단은 그 간격이 2 내지 10mm 일 수 있으며, 보다 바람직하게 4 내지 6mm 일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 금속 전극(2)의 폭 및 레이저 조사 장치(11)의 코어 직경을 고려하여 태양전지(1)와 금속전극(2)의 충분한 접촉부가 형성될 수 있도록 다양하게 간격을 조절할 수 있다. 이와 같이 구성된 제조 장치에서는 레이저의 조사 방향 및 각도의 자유로운 제어가 가능하고, 특히 접촉부의 동일 수직 평면 상에서의 레이저 조사가 가능해 진다.
한편, 본 발명의 제조 장치에서 태양전지가 적재되는 작업대(8)는 일방향 또는 양방향으로 왕복하여 상기 작업대(8)를 일정 속도로 정밀하게 이동시킬 수 있는 이동 수단(ex. Linear stepping motor, 10)을 구비하고 있을 수 있고, 이에 따라 장착된 태양전지(1)를 일정 속도로 이동시켜 접촉부를 정밀하게 스캐닝(scanning)하면서 태빙 공정을 수행할 수 있다. 또한, 작업대(8)는 적재된 태양전지(1)를 가열할 수 있는 열판(ex. 진공 가열 플레이트)과 같은 가열 수단을 상부에 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 가열 수단 상에 태양전지(1)를 적재한 후, 가열하면서 태빙 공정을 수행하여, 실리콘 결정질 태양전지의 높은 열전도도로 인한 열 손실 현상을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조장치를 나타내는 사시도이고, 도 7은 도 6의 D 부분의 확대 사시도이며, 도 8은 도 7의 측면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 제조장치는 태양전지가 적재되는 작업대(8)와 상기 태양전지의 일면에 금속 전극을 압착하는 제 2 압착수단 및 상기 제 2 압착수단에 의하여 압착된 금속전극과 태양전지의 접합부를 향하여 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치를 포함한다.
제 2 실시예에 따른 제조장치는 제 2 압착수단을 사용한다는 점에서만 제 1 실시예에 따른 제조장치와 차이가 있으며, 그 밖의 작업대, 레이저 조사 장치, 작업대 이동 수단 등의 세부 구성 부재의 구성 및 기능은 제 1 실시예의 그것과 동일하다.
상기 제 2 압착수단은 태양전지(1)와 금속전극(2)의 접합부를 향하여 압축된 공기를 분사하는 에어노즐(21)일 수 있다. 또한, 상기 에어노즐(21)은 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍일 수 있으며, 이때 한 쌍의 에어노즐(21)의 간격은 3 내지 10mm 일 수 있으며, 보다 바람직하게 4 내지 6mm 일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 금속 전극(2)의 폭 및 레이저 조사 장치(11)의 코어 직경을 고려하여 태양전지(1)와 금속전극(2)의 충분한 접촉 부가 형성될 수 있도록 다양하게 간격을 조절할 수 있다.
또한, 에어노즐(21)은 온도가 150 내지 250 ℃ 인 압축된 공기를 분사할 수 있으며, 에어노즐(21)과 접합부의 간격은 1 내지 2mm 일 수 있고, 에어노즐의 분사구의 직경은 0.5 내지 2mm일 수 있으며, 이 밖에도 금속 전극(2)의 폭 및 레이저 조사 장치(11)의 코어 직경을 고려하여 태양전지(1)와 금속전극(2)의 충분한 접촉부가 형성될 수 있도록 다양하게 간격을 조절할 수 있다.
이와는 다르게, 제 2 압착수단은 태빙 방향을 따라 소정의 간격으로 배치된 복수의 에어노즐(도시되지 않음, 도 9참조)을 포함할 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 세라믹 핀(31)과 같이 에어노즐을 복수로 배치하여 복수의 접합부를 형성할 수 있다. 이때에는 레이져 조사 장치가 작업대를 포함하는 평면의 수직선을 기준으로 소정의 각도로 이격 배치된다. 따라서, 복수의 에어노즐이 복수의 접합부를 압착하고 있는 상태에서 레이저 조사 장치가 이동하면서 각 접합부에 레이저를 조사할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시에에 따른 태양전지 모듈 제조 장치의 요부 사시도로서, 제 3 실시예에 따른 태양전지 모듈 제조장치는 태양전지(1)가 적재되는 작업대(8)와 상기 태양전지(1)의 일면에 금속 전극(2)을 압착하는 제 3 압착수단 및 상기 제 2 압착수단에 의하여 압착된 금속전극과 태양전지의 접합부를 향하여 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치를 포함한다.
제 3 실시예에 따른 제조장치는 제 3 압착수단을 사용한다는 점에서만 제 1 실시예에 따른 제조장치와 차이가 있으며, 그 밖의 작업대, 레이저 조사 장치, 작업대 이동 수단 등의 세부 구성 부재의 구성 및 기능은 제 1 실시예의 그것과 동일하다.
여기서, 제 3 압착수단은 상하 방향으로 탄성 이동이 가능한 댐핑 샤프트(32) 및 댐핑 샤프트(32)의 일 종단부에 장착되며, 태양전지와 금속전극의 접합부에 대응되는 세라믹 핀(31)을 포함한다.
또한, 제 3 압착수단은 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍일 수 있다. 즉, 한 쌍 이상의 세라믹 핀(31)으로 구성된 가압 핀을 사용하여 태양전지와 금속전극의 접합부를 형성하고, 레이저를 조사함으로써 태빙 공정을 수행할 수 있다. 이때 다수의 세라믹 핀(31)의 간격은 2 내지 10mm 간격일 수 있으며, 보다 바람직하게 4 내지 6mm의 간격 일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 금속 전극과 태양전지가 충분한 접촉부를 형성하여 균일한 접합을 형성할 수 있도록 다양하게 세라믹 핀(31) 간격을 조절할 수 있다. 이와 같이 구성된 제조 장치에서는 측면 상방에서 레이저가 조사되며 조사 각도는 0 내지 90도 사이에서 조절가능하고 가장 바람직하게는 45도 각도에서 측면조사가 이루어지는 것이 좋다.
한편, 본 발명에 사용된 세라믹 핀(31)으로는 지르코니아(ZrO2)를 사용할 수 있으며, 녹는점이 2000 내지 3000℃ 사이에 형성되는 결정계 지르코니아 이며 모노 클리닉, 테트라고날, 큐빅 구조의 다양한 지르코니아가 사용될 수 있으나 가장 바람직하게는 초내열성을 가진 큐빅 구조의 지르코니아를 사용할 수 있다.
또한, 세라믹 핀(31)에 의해 가압시 태양전지에 가해 지는 충격을 최소화 하기 위해 완충용 스프링(도시되지 않음)이 각각의 세라믹 핀(31) 상부에 구성되어 있어 전체적인 가압 공정은 0.3 내지 0.6 N/m의 압력에서 태빙 공정이 수행된다.
본 발명에 사용되는 세라믹 핀(31)의 경우 지르코니아에 한정되는 것은 아니며 레이저 빔에 의해 열 손상을 받지 않는 고내열성 세라믹 소재라면 그 한정을 두지 아니한다.
본 발명에 따른 제 1 내지 제 3 실시예의 태빙 장치에 포함되는 레이저 조사 장치(11)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 본 발명에서 사용될 수 있는 레이저 조사 장치의 예로는 파이버 다이오드 레이저(fiber diode laser), 루비(Cr3+:Al2O3), YAG(Nd3+:Y3Al5O12), 포스페이트 글래스(phosphate glass), 실리케이트 글래스(silicate glass) 또는 YLF(Nd3+:LiYF4) 등을 들 수 있다. 특히, 본 발명에서는 우수한 내구성을 가져 반영구적인 사용이 가능하고, 가격이 저렴하다는 측면에서 파이버 다이오드 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 레이저 조사 장치는 포커싱 헤드(focusing head)(11), 광섬유(optical fiber) 및 레이저원(laser source)를 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같은 레이저 조사 장치는, 조 사 각도의 용이한 제어의 관점에서, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 동공형 H 프레임 등을 매개로 장착된 지지프레임(14)에 상기 제 1 압착수단 또는 제 2 압착수단과 함께 본 발명에 따른 제조장치에 설치되어 있는 것이 바람직하고, 특히 태빙 시에 태양전지와 금속 전극이 이루는 접촉부의 폭 방향에 대하여 수직 상부에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 그러나, 상기는 본 발명의 하나의 예에 불과하며, 본 발명에서는 조사각의 제어가 용이하고, 레이저가 접촉부의 동일 수직 평면 상에서 조사될 수 있도록 구성된다면, 상기 구조에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 장치에서는 또한 작업대의 좌우로 두 개의 레이저 조사 장치가 설치되어 있을 수 있으며, 이러한 조사 장치가 일방향 또는 양방향으로 이동 가능하도록 구성될 수도 있다. 또한, 경우에 따라서는 좌측 및/또는 우측 방향에서 각각 두 개 이상의 레이저 조사 장치를 사용하여, 금속 전극의 전체 길이에 동시에 레이저 조사가 가능하도록 장치(라인빔)를 구성할 수도 있다.
이하, 위와 같이 구성된 제조 장치를 사용하여 태양전지 모듈을 제조하는 방법을 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴본다.
본 발명은, 금속 전극을 태양전지에 압착하는 제 1 단계; 및
상기 금속 전극과 태양전지의 접촉부에 레이저를 조사하여 태빙을 수행하는 제 2 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 제 1 단계는 금속 전극을 태양전지에 압착하여 태빙 공정을 준비하는 단계이다. 이 때 금속 전극이 압착되는 태양전지의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 그 예에는 실리콘 단결정 및 다결정 태양전지와 같은 실리콘 결정질 태양전지 등이 포함된다.
본 발명에서는 태빙 시 태양전지에 직접 가해지는 방사 영역 및 이로 인해 발생하는 기계적 응력(열응력) 등을 최소화하여, 매우 박형화된 태양전지에도 효과적으로 적용될 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 방법이 적용되는 상기 태양전지의 두께는 80 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있다. 상기 두께가 80 ㎛ 보다 작으면, 태양전지 효율이 저하될 우려가 있고, 200 ㎛를 초과하면, 경제성이 떨어져 바람직하지 않다.
본 발명의 제 1 단계에서 압착되는 금속 전극(리본)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 그 예에는 태양전지 분야에서 통상적으로 사용되는 모든 금속 전극이 포함된다. 이와 같은 금속 전극의 대표적인 예로는 구리 전극을 들 수 있다. 일반적으로 이와 같은 구리 전극은 상부 및 하부에 녹는점이 약 260℃ 정도인 저융점 합금(ex, 구리, 주석 및 은의 합금)층이 존재한다. 금속 전극은 통상적으로 폭이 1.5 mm 내지 2.5 mm이며, 두께가 80 ㎛ 내지 300 ㎛이지만, 본 발명에서는 상기에 한정되지 않고 다양한 금속 전극을 사용할 수 있다. 다만, 상기 전극의 두께가 얇을 경우, 태빙에 사용되는 레이저의 출력 또는 이동(scanning) 속도를 줄일 수 있는 이점이 있으나, 전극 저항의 증가로 인한 태양전지 모듈의 효율 저하 문제가 발생할 우려가 있으므로, 용도에 따라서 적절한 크기의 전극을 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 단계에서는 압착수단을 사용하여 금속 전극을 태양전지에 압 착하게 되는데, 이 때 상기 금속 전극은 전체적으로 균일한 압력으로 태양전지 상에 압착되는 것이 바람직하다. 균일한 압착이 이루어지지 않을 경우, 불균일 접합 등의 불량이 발생하고, 그 경우 전기적 손실이 발생하여 태양전지의 효율이 저하될 우려가 있다. 이에 따라 본 발명에서는 도 5, 도 8 및 도 9에 나타난 바와 같이, 상하방향으로 탄성 회복 가능한 댐핑 샤프트(12) 및 상기 댐핑 샤프트(12)의 일 종단부에 장착되며, 태양전지와 금속 전극의 접합부에 대응되는 압착 롤(13)을 포함하는 제 1 압착수단 또는 태양전지와 금속전극의 접합부를 향하여 압축 공기를 분사하는 에어노즐(21)을 포함하는 제 2 압착수단 또는 상하 방향으로 탄성 이동 가능한 다수의 세라믹 핀(31)을 사용하여 압착을 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 압착수단은 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍인 것이 바람직하고, 제 2 압착수단은 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍인 것이 바람직하며, 제 3 압착수단은 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍 이상인 것이 바람직하다. 그러나 이와 같은 제 1 내지 제 3 압착수단은 본 발명의 하나의 실시태양에 불과하며, 금속 전극을 태양전지 상에 균일하고, 긴밀하게 압착할 수 있다면, 그 구체적인 수단은 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 제 1 단계에서는 또한 금속 전극을 태양전지의 표면 및 이면에 동시에 압착하는 것이 바람직하다. 즉, 도 1에 나타난 바와 같이 금속 전극(2)은 태양전지(1)의 좌우 방향에 태빙되고, 이 때 상기 좌우에서 태양전지의 표면은 물론 이면에도 금속 전극(2-1, 2-2)이 접합된다. 이에 따라 본 발명에서는 단일 태양전 지의 좌우 방향의 표면 및 이면에 모두 4개의 금속 전극을 동시에 압착할 수 있다. 그 후, 태양전지의 좌우 각각에서 레이저를 조사하여 태빙을 진행할 수 있다. 이와 같은 공정을 수행하게 되면, 태양전지의 상부로 가해진 레이저에 의해 발생할 열이 하부로 전도되어, 태양전지의 상부 및 하부에서 동시에 태빙을 수행할 수 있게 된다. 본 발명의 제 1 단계에서는 이와 같은 금속 전극의 압착을 0.3 N/m 내지 0.6 N/m의 압력으로 수행하는 것이 바람직하다. 상기 압력이 0.3 N/m보다 작으면, 금속 전극의 접촉 불량이 발생할 우려가 있으며, 0.6 N/m을 초과하면, 과도한 압력으로 인해 태양전지에 손상이 가해질 우려가 있다.
본 발명의 제 2 단계에서는 상기 제 1 단계에서 압착된 금속 전극과 태양전지의 접합부에 레이저를 조사하여 태빙 공정을 수행한다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제 2 단계의 수행 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도 1는 본 발명의 일례에 따라 태빙 공정을 수행하는 상태를 나타내는 모식도이다. 도 1에 나타난 바와 같이 제 2 단계에서는 태양전지(1)와 금속 전극(2-1, 2-2)의 접촉부를 레이저(5)로 국부적으로 가열함으로써 태빙 공정을 수행한다. 이와 같은 제 2 단계에서 조사되는 레이저(5)는 비초점화 레이저(defocused laser)인 것이 바람직하다. 본 발명의 태빙을 초점화된 레이저(focused laser)를 사용하여 수행할 경우에는 접촉부에 가해지는 에너지가 지나치게 높아서 변형 등 태양전지의 불량이 발생할 우려가 있다.
본 발명의 제 2 단계에서는 또한 상기와 같은 비초점화된 레이저가 접촉부에 서 확산되는 코어의 직경(defocused core size)(6)이 상기 금속 전극(2-1, 2-2)의 폭과 동일하게 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 이와 같은 제어를 통해 레이저에 의한 직접 가열 영역을 태빙에 필요한 최소한의 영역으로 국한시킬 수 있다. 상기 직경이 금속 전극의 폭보다 작으면, 접촉부의 균일한 가열이 어려워질 우려가 있고, 금속 전극의 폭을 초과하면, 접촉부 외의 태양전지 표면에도 레이저가 직접 조사되어 태양전지가 손상될 우려가 있다. 상기한 바와 같이 금속 전극의 폭은 대체로 1.5 mm 내지 2.5 mm 정도이므로, 본 발명에서는 상기 코어 직경을 1.5 mm 내지 2.5 mm로 제어할 수 있다. 그러나, 상기는 하나의 예에 불과하면, 본 발명에서는 상기 코어 직경이 금속 전극의 폭과 동일하도록 제어된다면, 그 구체적인 수치는 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 제 2 단계에서는 또한 사용되는 레이저의 파장이 700 nm 내지 1,000 nm인 것이 바람직하고, 800 nm 내지 900 nm인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 레이저의 최대 출력은 20 W 내지 150 W의 범위에 있는 것이 바람직하고, 90 W 내지 110 W의 범위에 있는 것이 보다 바람직하다. 상기 조사되는 레이저의 파장이 700 nm보다 작으면, 빠른 태빙 속도에서 접합력 등에 문제가 생겨 불량률이 증가할 우려가 있다. 또한, 상기 파장이 1,000 nm를 초과하면, 태빙 공정이 원활히 수행되지 않을 우려가 있다. 그러나, 상기 레이저 파장 등은 본 발명의 하나의 예에 불과하며, 상기는 태양전지의 규격 및/또는 금속 전극의 두께 등에 따라 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법이 5 인치의 태양전지 및 150 ㎛ 두께의 금속 전극을 사용하여 수행될 경우, 상기 레이저의 파장은 약 808 nm인 것이 바람 직하고, 최대 출력은 약 60 W인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 또한, 첨부된 도 1에 나타난 바와 같이, 태양전지가 적재된 작업대 또는 레이저를 태빙 방향으로 이동시키면서 상기 제 2 단계를 수행할 수 있다. 본 발명에서 사용된 용어 『태빙 방향』은 금속 전극 및 태양전지의 접촉부 길이 방향을 의미하며, 이와 같은 이동에 의해 레이저는 상기 접촉부를 순차적으로 스캐닝하며 가열시킬 수 있다. 이 때의 이동은 태양전지가 장착된 작업대 또는 조사되는 레이저 자체를 이동시켜 수행할 수 있다. 이 때 이동 속도는 레이저의 출력, 비초점화된 코어 직경(defocused core sizze), 태양전지 및/또는 금속 전극의 종류 등에 따라 레이저 조사 시간 대비 태빙 효율을 고려하여 조정되는 것으로 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 폭이 2 mm이고, 두께가 150 ㎛인 금속 전극을 사용하고, 출력이 60 W인 비초점화 레이저(defocused laser)를 사용하여 태빙을 수행하는 경우, 상기 이동(scanning) 속도는 약 25 mm/sec 내지 125 mm/sec일 수 있고, 바람직하게 약 62.5mm/sec 내지 125 mm/sec일 수 있다. 그러나, 상기는 하나의 예에 불과하며, 본 발명에서는 스팟 빔(spot beam)을 사용할 경우에 필요한 상기 이동(scanning)을 수행하지 않고, 태빙될 금속 전극의 전체 길이를 동시에 가열할 수 있도록 하나 이상의 레이저 조사 장치로 라인빔(line beam)을 구성하여, 한번의 조사로서 태빙 공정이 수행되도록 할 수도 있다. 본 발명에서 사용한 용어 『스팟 빔(spot beam)』은 태양전지 상의 금속 전극의 일정 점 영역에 레이저가 조사되도록 장치가 구성된 경우를 의미하고, 『라인 빔(line beam)』은 태양전지 상 의 금속 전극의 전 영역에 레이저에 의한 열 에너지가 동시에 인가될 수 있도록 장치가 구성된 경우를 의미한다. 이와 같은 라인 빔에 의해, 금속 전체 길이를 한번에 동시 가열하여 태빙 공정을 수행할 경우에는, 하나의 태양전지에 대한 공정 시간을 약 1초 내지 2초 정도로 단축할 수 있다.
본 발명에서는 또한 금속 전극이 압착된 태양전지의 하부를 일정 온도로 가열하면서 상기 제 2 단계를 수행하는 것이 바람직하고, 이 때 가열 온도는 110℃ 내지 180℃인 것이 바람직하다. 즉, 실리콘 결정질 태양전지 등은 높은 열전도도를 가지기 때문에, 전극 접합부에서 흡수된 열이 태빙에 사용되지 않고 빠르게 소실될 우려가 있다. 이에 따라 적절한 가열 수단에 의해 태양전지 하부를 가열하면서 태빙 공정을 수행함으로써, 태빙 공정의 효율을 보다 개선할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 본 발명에서 태양전지의 표면 및 이면에 금속 전극을 동시 압착하여 태빙 공정을 수행할 경우에는, 레이저에 의한 열 인가(heat input)만으로는 태빙에 필요한 에너지가 불충분할 수 있는데, 상기 하부 가열 공정은 이와 같이 부족한 에너지를 보충할 수 있는 이점도 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 가열 수단의 종류 및 가열 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 태양전지가 적재되는 작업대의 상부에 진공 가열 플레이트 등의 수단을 설치하고, 그 위에 태양전지를 장착하여 태빙을 수행하면서 태양전지를 가열하는 방법을 들 수 있다. 또한 본 발명에서는, 두 개의 레이저 조사 장치(도시되지 않음)를 설치하여, 금속 전극이 압착된 태양전지의 좌우 방향에서 동시에 레이저를 조사할 수 있다. 이에 의하여 한번의 공정으로 태양전지 좌우의 금속 전극을 동시에 태빙할 수 있어 공정 효율성 을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
이상 설명한 본 발명의 방법에 의하면, 태빙 공정 시에 접촉부의 국부적인 가열이 가능하여, 접촉부로의 직접 방사 영역을 최소화할 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 다층 구조로 구성된 태양전지의 열팽창 및 수축률 등의 상이로 인한 불량을 방지하고, 신속하고 효율적으로 공정을 진행할 수 있다. 첨부된 도 2는 기존의 적외선 램프에 의한 태빙 공정(도 2(A)) 및 본 발명의 일태양에 따른 태빙 공정(도 2(B))에서 태양전지(1) 상에 나타나는 직접 방사 영역(HAZ)(도면 중 점 표시 부분) 차이 및 이에 따른 태양전지(1)에 변형 상태를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타난 바와 같이 본 발명에서는 직접 방사 영역을 기존에 비하여 현저하게 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 공정 중 또는 냉각 시에 태양전지 다층 구조의 불균일한 팽창 및 수축에 의한 불량 발생을 효율적으로 방지할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 다른 태양에 따라 레이저 조사에 의한 태빙 공정이 수행되는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 기존의 적외선 램프에 의한 태빙 공정 및 본 발명에 따른 태빙 공정 시의 HAZ 영역의 차이 및 태양전지의 변형 상태를 나타내는 모식도이다.
도 3는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조장치를 나타내는 사시도이다.
도 4은 도 3의 C 부분의 확대 사시도이다.
도 5은 도 4의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조장치를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 D 부분의 확대 사시도이다.
도 8은 도 7의 측면도이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조장치를 나타내는 사시도이다.
Claims (13)
- 태양전지가 적재되는 작업대;상기 작업대의 상방에 위치하여 상기 태양전지 상에 금속 전극을 압착할 수 있는 압착수단; 및상기 압착수단에 의하여 압착된 금속전극과 태양전지의 접합부를 향하여 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치를 포함하고,상기 압착수단은 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍의 압착 롤; 및상기 압착 롤의 일 종단부에 장착되고, 상기 압착 롤에 가압력을 제공하는 댐핑 샤프트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,한 쌍의 압착 롤은 그 간격이 4mm 내지 6mm 인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조장치.
- 삭제
- 태양전지가 적재되는 작업대;상기 작업대의 상방에 위치하여 상기 태양전지 상에 금속 전극을 압착할 수 있는 압착수단; 및상기 압착수단에 의하여 압착된 금속전극과 태양전지의 접합부를 향하여 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치를 포함하고,상기 압착수단은 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭되며, 태양전지와 금속전극의 접합부를 향하여 에어를 분사하는 한 쌍의 에어노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조장치.
- 태양전지가 적재되는 작업대;상기 작업대의 상방에 위치하여 상기 태양전지 상에 금속 전극을 압착할 수 있는 압착수단; 및상기 압착수단에 의하여 압착된 금속전극과 태양전지의 접합부를 향하여 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치를 포함하고,상기 압착수단은 태빙 방향을 따라 소정의 간격으로 배치된 복수의 에어노즐을 포함하고,상기 레이져 조사 장치는 작업대를 포함하는 평면의 수직선을 기준으로 소정의 각도로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조장치.
- 태양전지가 적재되는 작업대;상기 작업대의 상방에 위치하여 상기 태양전지 상에 금속 전극을 압착할 수 있는 압착수단; 및상기 압착수단에 의하여 압착된 금속전극과 태양전지의 접합부를 향하여 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치를 포함하고,상기 압착수단은 상하 방향으로 왕복 이동 가능하고, 태양전지와 금속 전극의 접합부를 가압할 수 있으며, 레이저가 조사되는 접합부를 중심으로 태빙 방향을 따라 대칭된 한 쌍 이상의 세라믹 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 장치.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서,상기 세라믹 핀은 큐빅 구조를 갖는 지르코니아로 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조장치.
- 제 5 항에 따른 제조장치를 사용하여 태양전지와 금속전극의 접합부를 향하여 150 ℃ 내지 250 ℃ 의 에어를 분사하여 압착시키는 단계; 및상기 접합부에 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 에어는 접합부와 1mm 내지 2mm 이격 배치된 상태에서 분사되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,간격이 4mm 내지 6mm 이격된 복수의 에어노즐이 하나 이상의 접합부를 향하여 차례로 또는 동시에 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제 7 항에 따른 제조장치를 사용하여 태양전지와 금속전극의 하나 이상의 접합부를 간격이 4mm 내지 6mm 이격된 복수의 세라믹(ZrO2)핀으로 압착하는 단계; 및상기 접합부에 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
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