KR101225984B1 - 태양전지용 리본 접합 장치 및 그 방법 - Google Patents

태양전지용 리본 접합 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지용 리본 접합 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 태양전지용 리본 접합 장치는 리본이 태양전지에 접합되도록 상기 리본의 제1 영역을 가열하는 제1 노즐 및 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역을 가열하는 제2 노즐 및 상기 제1 노즐이 상기 제1 영역을 제1 온도로 가열하도록 제어하고, 상기 제2 노즐이 상기 제2 영역을 제2 온도로 가열하도록 제어하는 제어모듈을 포함하고, 상기 제1 온도와 상기 제2 온도가 서로 다를 수 있다. 이에 의해, 저항이 작고, 반사율이 높으며, 크랙이 없어 효율이 높은 태양전지 모듈을 제작할 수 있다.

Description

태양전지용 리본 접합 장치 및 그 방법{Ribbon welding Apparatus and method for solar cells}
본 발명은 태양전지용 리본 접합 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 태양전지 모듈 형성시에 리본을 가열하여 태양전지에 전기적으로 접합하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 반도체 소자를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
이러한 태양전지를 사용하기 위해서는 복수 개의 태양전지를 리본에 의해 직렬 또는 병렬로 연결한 태양전지 모듈을 형성해야 한다. 태양전지 모듈을 형성하기 위해 태양전지와 리본을 접합하는 경우, 태양전지와 리본의 열팽계수의 차이로 인하여, 접합 후에 태양전지에 크랙이 발생하게 되며, 리본의 저항으로 인해 태양전지 모듈의 저항이 증가하게 된다. 따라서, 이러한 원인으로 인해 태양전지 모듈의 효율을 감소시킨다는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 태양전지에 국부적으로 다른 접합강도를 가지도록 리본을 태양전지에 접합하여 태양전지 모듈의 효율을 증가시킬 수 있는 태양전지용 리본 접합 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 태양전지용 리본 접합 장치는 리본이 태양전지에 접합되도록 상기 리본의 제1 영역을 가열하는 제1 노즐 및 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역을 가열하는 제2 노즐 및 상기 제1 노즐이 상기 제1 영역을 제1 온도로 가열하도록 제어하고, 상기 제2 노즐이 상기 제2 영역을 제2 온도로 가열하도록 제어하는 제어모듈을 포함하고, 상기 제1 온도와 상기 제2 온도가 서로 다를 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지용 리본 접합 방법은 리본을 절단하는 단계, 상기 절단된 리본을 태양전지의 일면에 위치시키는 단계 및 상기 리본의 일부를 가열하여, 상기 리본과 상기 태양전지가 전기적으로 연결되도록 접합하는 단계를 포함하고, 상기 리본의 일부를 가열하여 태양전지와 접합하는 단계에 있어서, 상기 리본의 제1 영역을 제1 온도로 가열하고, 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역을 상기 제2 온도와 다른 제2 온도로 가열할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 리본을 국부적으로 서로 다른 온도로 가열하여 리본과 태양전지의 접합강도를 다르게 할 수 있다. 이에 따라 태양전지 모듈의 저항을 감소시키고, 반사율을 높이며, 크랙발생을 방지할 수 있다.
따라서, 태양전지 모듈의 신뢰성을 개선시킬 수 있으며, 태양전지 모듈의 효율 및 출력을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 리본 접합 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 리본 접합 방법을 도시한 도이다.
도 4a 및 도 4b는 비교예와 실험예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 사진이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 도면에서, 각 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니며, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용하기로 한다.
또한, 각 구성요소의 설명에 있어서, "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 리본 접합 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 리본 접합 장치(100)는 제1 노즐(111) 및 제2 노즐(112)을 포함하는 복수의 노즐(110), 상기 노즐(110)이 설치되는 고정부(120), 복수의 노즐(110)을 제어하는 제어모듈(130)을 포함한다.
복수의 노즐(110)은 리본(102)이 태양전지(200)에 접합되도록 리본(102)을 가열할 수 있으며, 핫-에어 분사방식, 레이저 방식, 적외선 방식 등을 이용하여 리본(102)을 가열할 수 있다. 핫-에어 분사방식의 경우, 안정적인 가열작업 및 균일한 분사가 가능하다. 이하에서는 복수의 노즐(110)이 핫-에어 분사방식으로 리본(102)을 가열하는 경우를 일 예로 하여 설명한다.
복수의 노즐(110)은 핫-에어를 분사하기 위한 가는 관으로 형성될 수 있으며, 노즐(110)의 내경에 따라 노즐(110)에 의하여 가열되는 영역의 크기가 정해질 수 있다.
또한, 복수의 노즐(110)은 고정부(120)에 서로 이격되게 설치되어 리본(102)의 서로 다른 영역을 서로 다른 온도로 국부적으로 가열할 수 있다.
고정부(120)는 복수의 노즐(110)이 설치되어 복수의 노즐(110)을 안정적으로 고정하며, 도시하지는 않았지만 복수의 노즐(110) 간의 간격을 조정할 수 있도록 노즐(110)을 이동시키는 구동부(미도시)를 포함할 수 있다.
제어모듈(130)은 복수의 노즐(110)이 리본(102)을 가열하는 온도를 제어하는데, 복수의 노즐(110)이 각각 서로 다른 온도로 리본(102)을 가열하도록 제어할 수 있으며, 복수의 노즐(110)이 핫-에어를 분사하는 압력이나 분사량, 분사시간 등을 서로 다르게 제어할 수 있다.
상기와 같이 제어함에 따라, 리본(102)이 태양전지(200)에 접합되는 강도를 국부적으로 다르게 할 수 있다.
즉, 큰 접합강도를 갖기 위한 영역에서는 상기 영역에 대응되는 노즐(110)에서 분사되는 핫-에어의 온도, 분사하는 압력 및 분사량을 증가시키도록 제어하고, 상대적으로 작은 접합강도를 갖기 위한 영역에서는 상기 영역에 대응되는 노즐(110)에서 분사되는 핫-에어의 온도, 분사하는 압력 및 분사량을 감소시키도록 제어할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 리본 접합 방법을 도시한 도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 리본 접합 방법에 사용되는 태양전지(200)는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자로써, 예를 들어, 제1 도전형의 실리콘 기판과, 실리콘 기판상에 형성되며 제1 도전형과 반대 도전형을 가지는 제2 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층의 일부면을 노출시키는 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하며 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 반사방지막과, 적어도 하나 이상의 개구부를 통해 노출된 제 2 도전형 반도체층의 일부면에 접촉하는 전면전극(201)과, 상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극(202)을 포함하는 실리콘 태양전지(silicon solar cell)일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니며, 태양전지(200)는 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell), 적층형 태양전지(tandem solar cell) 등일 수 있다.
리본(102)은 이러한 복수의 태양전지(200)를 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결할 수 있으며, 구체적으로, 리본(102)은 태양전지(200)의 수광면 상에 형성된 전면 전극(201)과, 인접한 다른 태양전지(200)의 이면 상에 형성된 후면 전극(202)을 전기적으로 연결할 수 있다.
우선, 리본(102)을 태양전지(200)에 접합하기 위해 일정한 길이로 절단할 수 있다. 태양전지(200)의 크기에 따라 리본의 절단길이가 달라질 수 있으며, 300 내지 400mm로 절단할 수 있다.
절단된 리본(102)을 태양전지(200)의 일면과 접하도록 위치시킬 수 있으며,복수의 태양전지(200)를 전기적으로 연결하기 위하여 태양전지(200)의 전면 전극(201) 또는 후면 전극(202)과 접하도록 위치시킬 수 있다.
또한, 복수의 태양전지(200)는 플럭스가 도포된 태양전지(200)일 수 있다. 태양전지(200)와 리본(102)을 접합하기 전에 리본(102)이 접합될 태양전지(200)의 일면에 플럭스(flux)를 도포할 수 있다. 태양전지(200)에 플럭스를 도포함으로써, 리본(102)과 태양전지(200)의 접합면의 산화를 방지하고, 접합면의 습윤성(wettability)를 향상시킬 수 있어 전류의 흐름을 최적화할 수 있으며, 접합의 신뢰성을 확보할 수 있다.
제1 노즐(111) 및 제2 노즐(112)은 리본(102)의 일부를 가열하여 리본(102)과 태양전지(200)가 전기적으로 연결되도록 접합한다.
제1 노즐(111)은 제1 온도로 리본(102)의 제1 영역을 가열할 수 있으며, 제2 노즐(112)은 제2 온도로 리본(102)의 제1 영역과 이격된 제2 영역을 가열할 수 있으며, 제1 온도 및 제2 온도는 서로 다를 수 있다.
이때, 제1 온도와 제2 온도의 차이가 너무 크면 제1 영역 및 제2 영역에의 접합강도의 차이가 너무 커서 태양전지 모듈의 특성이 국부적으로 많은 차이가 있게 되고 따라서, 신뢰성이 저하될 수 있으므로, 제1 온도와 제2 온도의 차이는 1 내지 50℃ 일 수 있다.
제1 노즐(111)이 가열하는 제1 영역의 폭(W1)은 제1 노즐(111)의 내경, 제1 노즐(111)에서 분사되는 핫-에어의 분사량, 분사압력 등에 의해 결정될 수 있으며, 마찬가지로 제2 노즐(112)이 가열하는 제2 영역의 폭(W2) 역시 제2 노즐(112)에서 분사되는 핫-에어의 분사량, 분사압력 등에 의해 결정될 수 있다.
이때, 제1 영역의 폭(W1) 및 제2 영역의 폭(W2)이 2mm보다 작으면, 가열되는 범위가 너무 작아서, 리본(102)이 제대로 용융되지 않아 리본(102)과 태양전지(200)의 접합이 제대로 일어나지 않을 수 있으며, 20mm보다 크면, 동일한 접합 강도를 가지는 범위가 너무 커질 수 있다. 따라서, 제1 영역의 폭(W1) 및 제2 영역의 폭(W2)은 2 내지 20mm일 수 있다.
제1 영역의 중심과 제2 영역의 중심 사이의 거리(d)는 제1 노즐(111) 및 제2 노즐(112)이 이격된 거리로 결정될 수 있다. 이때, 제1 노즐(111) 및 제2 노즐(112)이 2mm보다 가깝게 이격되어 있으면, 노즐(110) 간의 간격이 너무 가까워 제1 노즐(111) 및 제2 노즐(112)에서 분사되는 핫-에어가 서로 간섭을 일으켜, 원하는 온도로 가열할 수 없으며, 제1 노즐(111)에 대응되는 제1 영역 내 또는 제2 노즐(112)에 대응되는 제2 영역 내에서 일정한 온도로 가열할 수 없다. 또한, 20mm보다 멀리 이격되어 있으면, 리본이 가열되지 못하는 영역의 범위가 많아져 리본과 태양전지의 접합이 충분히 일어나지 않을 수 있다. 따라서, 제1 영역의 중심과 제2 영역의 중심 사이의 거리(d)는 2 내지 20mm일 수 있다.
이하, 실험예에 의하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 본 발명을 좀 더 명확하게 설명하기 위한 예시로 제시한 것에 불과할 뿐, 본 발명이 이러한 실험예에 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
복수의 노즐이 서로 다른 온도로 리본을 가열하여 태양전지에 접합하는 방법에 의해 제작된 태양전지 모듈의 특성을 측정하였다.
<비교예>
종래의 일정한 온도로 리본을 가열하여 태양전지에 접합하는 방법에 의해 제작된 태양전지 모듈의 특성을 측정하였다.
아래의 표 1은 비교예와 실험예에서 태양전지 모듈의 특성을 측정한 결과값을 나타낸다.
Rs(병렬저항)[Ohm] 반사율(상대값) 효율[%] 출력저하 여부
비교예 0.470 1 14 출력 저하 있음
실험예 0.410 1.3 15 출력 저하 없음
상기 표 1을 참조하면, 우선 병렬저항(Rs)의 경우 실험예가 비교예보다 더 작은 병렬저항을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 리본이 태양전지와 국부적으로 서로 다른 접합강도를 가지게 되어 리본과 태양전지 사이의 접촉저항은 커질 수 있으나 후술하는 바와 같이, 태양전지의 크랙발생을 줄일 수 있어 전체적인 태양전지의 전기적인 손실이 줄어들게 되므로 전체적인 태양전지 모듈의 병렬저항은 감소할 수 있기 때문이다.
반사율의 경우, 실험예가 비교예보다 더 높은 반사율을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 리본을 국부적으로 다른 온도로 가열하여 태양전지와 접합하면, 리본의 표면이 요철형상을 가지기 때문이다.
구체적으로 설명하면, 태양전지의 전면 기판(미도시)을 통해 입사한 광 중 일부는 태양전지로 흡수되지 않고, 리본 등에 흡수되거나 반사되게 된다. 태양전지와 리본의 접합시에 리본의 표면을 가열하는 온도를 다르게 하면, 가열하는 온도를 높게 한 부분과 낮게 한 부분의 녹았다 굳어지는 형상에 있어서 차이가 있고, 따라서 접합후에 리본의 표면이 평평한 형상을 갖지 않고 요철형상을 가지게 된다.
리본의 표면이 요철형상을 가지면, 입사한 태양광이 리본에 의해 흡수되기보다는 난반사를 일으키게 되며, 난반사 된 광은 진행경로가 변경되어, 전면 기판에서의 재반사를 통해 용이하게 태양전지로 흡수될 수 있다.
따라서, 리본의 표면에서 광 반사율이 증가할 수 있으며, 태양전지 모듈의 효율이 향상될 수 있다.
효율 및 출력의 경우 실험예가 비교예보다 효율이 높으며, 출력저하가 없는 것을 알 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 실험예가 병렬저항이 작으며, 반사율이 높고, 후술하는 바와 같이 태양전지의 크랙발생을 방지할 수 있기 때문이다.
도 4a 및 도 4b는 비교예 및 실험예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 사진이다.
도 4a는 비교예에서의 태양전지 모듈을 나타내는 사진이고, 도 4b는 실험예에서의 태양전지 모듈을 나타내는 사진이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 비교예의 태양전지 모듈에는 태양전지의 일부가 깨지는 크랙이 발생한 것을 알 수 있으며, 실험예에서는 크랙 발생이 없는 것을 알 수 있다.
이는 태양전지와 리본의 열팽창계수가 달라 태양전지와 리본의 접합시에 동일한 접합강도로 접합되면 완충되는 부분이 없어 크랙이 발생하게 되는 반면, 실시예와 같이 국부적으로 가열온도를 다르게 하여 접합하면, 접합강도가 달라지기 되고, 접합강도에 차이가 있으면 서로 완충되어 크랙이 발생하지 않게 된다.
따라서, 태양전지의 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지하여 신뢰성을 향상시키며, 이에 따라, 태양전지 모듈의 효율을 증가시키고 출력저하를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지용 리본 접합장치 및 그 방법은 상기한 바와 같이 설명한 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 서로 다른 제1 온도 및 제2 온도만을 기재 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 제1 온도 및 제2 온도와 다른 제3 온도 등의 적용도 가능하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 태양전지용 리본 접합 장치 102: 리본
111: 제1 노즐 112: 제2 노즐
130: 제어모듈 200: 태양전지

Claims (11)

  1. 리본이 태양전지에 접합되도록 상기 리본의 제1 영역을 가열하는 제1 노즐 및 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역을 가열하는 제2 노즐; 및
    상기 제1 노즐이 상기 제1 영역을 제1 온도로 가열하도록 제어하고, 상기 제2 노즐이 상기 제2 영역을 제2 온도로 가열하도록 제어하는 제어모듈을 포함하고,
    상기 제1 온도와 상기 제2 온도가 서로 다른 태양전지용 리본 접합 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 노즐과 제2 노즐의 이격거리는 2 내지 20mm인 리본 접합 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐은 핫에어(Hot-Air)를 분사하여 상기 제1 영역 및 제2 영역을 가열하는 리본 접합 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 차이는 1 내지 50℃인 리본 접합 장치.
  5. 리본을 절단하는 단계;
    상기 절단된 리본을 태양전지의 일면에 위치시키는 단계; 및
    상기 리본의 일부를 가열하여, 상기 리본과 상기 태양전지가 전기적으로 연결되도록 접합하는 단계를 포함하고,
    상기 리본의 일부를 가열하여 태양전지와 접합하는 단계에 있어서, 상기 리본의 제1 영역을 제1 온도로 가열하고, 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역을 상기 제2 온도와 다른 제2 온도로 가열하는 태양전지용 리본 접합 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 영역 또는 상기 제2 영역의 폭은 2 내지 20mm인 태양전지용 리본 접합 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 영역의 중심과 상기 제2 영역의 중심 사이의 거리는 2 내지 20mm인 태양전지용 리본 접합 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 태양전지의 일면에 플럭스(flux)를 도포하는 단계를 더 포함하고, 상기 플럭스가 도포된 면에 상기 절단된 리본을 위치시키는 태양전지용 리본 접합 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 리본은 상기 태양전지의 전면전극 또는 후면전극과 접합하는 태양전지용 리본 접합 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 리본을 가열하는 방식은 핫-에어(Hot-Air)방식인 태양전지용 리본 접합 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 차이는 1 내지 50℃인 태양전지용 리본 접합 방법.
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