KR101526616B1 - 도전 스팟을 구비한 레이어를 포함하는 광전 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 셀을 구비한 광전(PV) 모듈 및 상기 PV 모듈을 만드는 방법에 관한 것으로, 상기 복수의 셀의 각각은 기판, 투명 도전 레이어, 하나 이상의 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어를 구비하는 PV 레이어, 및 후면-전극 레이어를 포함한다. 상기 복수의 셀의 각각은 기판, 투명 도전체 레이어, PV 레이어, 및 후-전극 레이어를 포함하고, 상기 PV 레이어는 하나 이상의 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어를 구비하고, 상기 실리콘 레이어는 ㎠ 당 재결정화된 실리콘의 10 ~ 1000개의 도전 스팟을 포함하고, 각각의 도전 스팟은 10 ~ 2500 ㎛2의 표면을 독립적으로 갖는다. PV 모듈은 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어는 ㎠ 당 10 ~ 1000개의 스팟에서 국부적으로 가열되고, 상기 각각의 스팟의 표면은 독립적으로 10 ~ 2500 ㎛2이고, 상기 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘은 상기 스팟에서 변환되어 도전 스팟을 형성하는 것을 특징으로 하는 PV 모듈을 만드는 방법에 의해 얻어질 수 있다.

Description

도전 스팟을 구비한 레이어를 포함하는 광전 모듈{PHOTOVOLTAIC MODULE COMPRISING LAYER WITH CONDUCTING SPOTS}
본 발명은 복수의 셀을 구비한 광전(PV: photovoltaic) 모듈 및 상기 PV 모듈을 만드는 방법에 관한 것으로, 상기 복수의 셀의 각각은 기판, 투명 도전 레이어, 하나 이상의 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어를 구비하는 PV 레이어, 및 후면-전극 레이어를 포함한다.
복수의 직렬 접속된 셀로 만들어진 PV 모듈이 부분적으로 차광(shade)될 때, 광조사된 셀은 차광된 셀에 대해서 강한 음(역) 전압을 발생시킬 수 있다. 이것은 특히 차광된 셀이 높은 병렬 저항을 가질 경우이다. 차광된 셀에서 전류가 발생하지 않기 때문에, 모듈 전류는 거의 0에 가깝고 차광된 셀은 광조사된 셀의 개방회로 전압에 노출된다. 대형 시스템에서 이러한 전압은 매우 높을 수 있기에 파괴 전압(BV:Break-down Voltage)을 쉽게 초과한다. 차광된 셀에서 강한 국부적 발열이 일어나며(핫 스팟) 이것은 차광된 셀의 국부적 손상을 야기할 수 있다. 최악의 경우에 이러한 핫 스팟(hot sopt)은 화재를 야기할 수 있다.
핫 스팟을 방지하는 가장 일반적인 구제책은 US5,223,044 및 WO 2005/101511에 기술된 것과 같이 일 방향에서 상대적으로 낮은 전압에서 도전을 시작하여 다른 방향에서 절연되는 바이패스 다이오드를 이용하는 것이다. 그러나 바이패스 다이오드의 이용은 고가이다. 특히 상대적으로 낮은 BV(통상은 < 8V)를 갖는 박막 PV 모듈에 있어서, 바이패스 다이오드마다 보호될 수 있는 셀의 개수는 적다, 즉, 박막 a-Si에 대해 대략 10개 보다 적다.
박막 PV-모듈의 경우에, 모놀리식 바이패스 다이오드가 직렬 접속을 위해 매우 복잡한 과정의 비용을 치뤄 만들어질 수 있다.
다른 방법은 US 2003/0159728에 기술된 것과 같이 소위 PV-션트(shunt)를 이용하는 것이다. 이 방법에 따르면, 직렬 접속된 셀로 구성된 복수의 모듈이 병렬로 접속된다. 한 모듈이 부분적으로 차광될 때, 차광된 셀에 걸린 역전압은 충분히 광조사된 모듈의 전압과 함께 감소된다. 그러나 직렬 및 병렬 접속의 조합은 시스템 전압을 감소시키고 시스템 전류를 증가시키며 이것은 시스템 설계의 자유를 제한한다.
EP 1 079 441에는 부분적으로 차광된 PV 모듈의 Ⅳ 특성을 적용하기 위한 방법이 기술되어 있다. 이 방법에 따르면, 셀은 전류가 증가하기 시작할 때까지 바이어스된 AC 전압의 증가에 노출된다. 상기 처리 후에, 셀은 비선형 도전을 나타내며, 이것은 차광된 셀이 상대적으로 낮은 전압에서 광조사된 셀의 단락 전류를 도전하는 것을 허용한다. 그러나 이 방법은 비선형 도전이 도입될 수 있는 PV 셀의 우연한 스팟의 존재에 좌우된다. 또한 모든 셀의 직접 접촉이 필요하다.
US 5,810,945는 전자 마이크로패터닝된 장치, 특히 태양 전지를 제조하는 방법에 있어서, 적극들 중 적어도 하나에는 패턴이 제공되는 방법을 기재한다. 차광의 문제점은 상기 문헌에서 해결되지 않는다.
Toet 외(D. Toet 외, Thin solid films 296 (1977) 49-52)는 유리 기판 위에 다결정질 실리콘 박막의 성장을 위한 두 단계 기술을 설명한다. 이 문헌에서도 차광의 문제점은 해결되지 않는다.
Wohlgemuth 외(J. Wohlgemuth와 W. Herrmann, Hot spot test for crystalline silicon modules, Photovoltaic Specialists Conference, 2005, Piscataway, NJ, USA, 2005년 1월 3-7일, IEEE, US, 2005년 1월 3일, 1062-1063 페이지)는 핫 스팟 테스트를 수행하는 방법을 기술한다. 핫 스팟 형성의 방지는 논의되지 않는다.
복수의 셀을 구비한 광전(PV) 모듈에 있어서, 상기 복수의 셀의 각각은 기판, 투명 도전체 레이어, PV 레이어, 및 후면-전극 레이어를 포함하고, 상기 PV 레이어는 하나 이상의 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어를 구비하고, 상기 실리콘 레이어는 ㎠당 10 ~ 1000개의 재결정화된 실리콘의 도전 스팟을 포함하고, 각각의 도전 스팟은 10 ~ 2500 ㎛2의 표면을 독립적으로 갖는다.
PV 모듈은 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어는 ㎠당 10 ~ 1000개의 스팟에서 국부적으로 가열되고, 상기 각각의 스팟의 표면은 독립적으로 10 ~ 2500 ㎛2이고, 상기 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘은 상기 스팟에서 변환되어 도전 스팟을 형성하는 것을 특징으로 하는 PV 모듈을 만드는 방법에 의해 얻어질 수 있다.
도 1은 단일 셀의 전압에 대한 8개의 셀 모듈의 전압의 그래프를 도시하고(표 2에 수치 데이터 제공),
도 2는 모듈의 전류에 대한 모듈의 전압을 나타내는, 8개의 셀 모듈의 JV 곡선을 도시한다(표 2에 수치 데이터 제공).
따라서, 본 발명의 목적은 상기된 어떤 단점도 나타내지 않는 핫 스팟을 방지하는 구제책을 제공하는 것으로, 이것은 쉽고 값싼 방식으로 적용될 수 있다. 동일한 잘 한정된 비선형 도전 스팟을 정확하게 한정된 위치에 도입하여 박막 PV 셀의 Ⅳ 특성을 적용함으로써 상기 목적이 달성될 수 있다는 것을 발견하였다. 이를 위해서, 본 발명은 복수의 셀을 구비한 태양광 발전(PV) 모듈에 있어서, 상기 복수의 셀의 각각은 기판, 투명 도전체 레이어, PV 레이어, 및 후면-전극 레이어를 포함하고, 상기 PV 레이어는 하나 이상의 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어를 구비하고, 상기 실리콘 레이어는 ㎠당 10 ~ 1000개의 재결정화된 실리콘의 도전 스팟을 포함하고, 각각의 도전 스팟은 10 ~ 2500 ㎛2의 표면을 독립적으로 갖는 것을 특징으로 한다.
이 방법은 대부분의 PV 셀이 양측에 전극 레이어를 갖는 활성 반도체 레이어로 구성된다는 사실에 기초한다. 이들 전극 레이어들 중 하나 이상은 투명하기 때문에 빛이 활성 레이어에 도달할 수 있다.
본 발명에 따르면, PV 셀의 활성 레이어가 국부적으로 가열되어 활성 레이어는 적어도 부분적으로 다른 상(phase)으로 변환된다. 변환된 물질은 PV 특성을 잃지만, 반도체 특성은 열의 총량을 조심스럽게 투입함으로써 유지될 수 있다. 그 결과, 변환된 스팟은 낮은 전압에서 상대적으로 낮은 도전율을 갖고 높은 전압에서 상대적으로 높은 도전율을 갖는 2개의 전극 레이어 사이에서 비선형 도전 경로로서 동작한다. 특히, 1V의 전압에서 스팟의 도전율은 0.2 ㎃/㎠보다 작지만, 8V의 전압에서 도전율은 10 ㎃/㎠보다 크다.
본 명세서에서, 변환된 물질은 때때로 재결정화된 실리콘으로 표시되며, 형성 과정은 때때로 용해 이후 재결정화가 뒤따르는 것으로 표시된다. 그러나, 이 설명은 결코 본 발명의 본질을 한정하는 것으로 간주되어선 안된다. 본 발명의 요점은 도전 스팟의 존재와 열 처리에 의한 스팟의 형성에 있다는 것이 명백한 것이다. 이것은 실리시움(silicium)의 결정 형태 또는 용해 또는 재결정화의 발생 여부에 귀속하지 않는다.
국부적 열 생성을 최소화하기 위해서, 복수의 이러한 비선형 도전 스팟은 스팟 당 전류가 적도록 만들어져야만 한다.
비선형 도전 스팟에 흐르는 전류는 다음의 홀수 급수 전개식으로 기술될 수 있다:
Figure 112009064102220-pct00001
여기서 Jconducting spots(V)은 전압(V)에서 도전 스팟을 통과하는 단위 표면당 전류 [A/㎠]이다; V는 2개의 전극 사이의 전압 [V]이고; 1/Rn은 급수 전개식의 n차 계수이다. Rn의 차원은 [Vn.㎠/A]이다.
전압 V=0의 바로 주변부는 주로 R1에 의해 결정되고, 그 인접부는 또한 R3에 의해 결정되며, 이와 같은 방식으로 나머지도 결정된다. PV 셀의 JV 곡선의 주요 부분의 설명에 있어서, 계수 R1, R3로 충분하다. R1은 선형 도전이 저전압에서 손실을 야기하기 때문에 가능한 커야만 한다. R3는 최대 가능 전류가 BV보다 낮은 전압에서 도전되도록 선택되어야만 한다.
비선형 도전 스팟의 도입없이, 차광된 셀에 걸린 역전압은 모듈이 쇼트될 때 28개의 셀을 구비한 모듈의 경우에 -19V 정도일 수 있다(R1=10,000, R3=1,000,000). 셀이 더 많은 경우, 차광된 셀에 걸린 역전압은 증가한다. 이런 높은 전압은 BV를 크게 초과한다. 비선형 도전 스팟(R1=2,500, R3=10,000)의 경우, 차광된 셀에 걸린 전압은 BV보다 작은 -5V로 제한된다. R1은 R3의 도입과 관련된 감소를 나타낸다. 일반 조건(차광 없음)하의 JV 곡선은 비선형 도전 스팟에 의해 거의 영향받지 않는다. 셀 수가 증가하는 경우에도, 차광된 셀에 걸린 역전압은 모듈이 쇼트될 때 약 -5V인 상태이다.
p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어가 ㎠당 10 ~ 1000개의, 각각 독립적으로 10 ~ 2500㎛2의 표면을 갖는 재결정화된 실리콘의 도전 스팟을 포함하도록, 비선형 도전 스팟이 모듈의 모든 셀에 인가될 때, 차광은 직렬 접속된 셀의 개수와 무관하게 손상을 야기하지 않는다. 복수의 정규 분산된 도전 스팟이 도입되기 때문에, 차광된 셀의 발산된 에너지는 또한 PV 셀에 걸쳐 정규적으로 분산된다. 단일 스팟의 과도한 가열이 피해진다. 일반 상태하의 모듈 성능은 비선형 도전 스팟에 의해 거의 영향받지 않는다.
일 바람직한 실시예에 있어서, PV 모듈은 ㎠당 20 ~ 500개의 도전 스팟, 바람직하게는 ㎠당 30 ~ 300개의 도전 스팟, 더욱 바람직하게는 ㎠당 80 ~ 120개의 도전 스팟을 포함한 실리콘 레이어를 갖는다. 또 다른 바람직한 실시예에서, PV 모듈은 도전 스팟이 30 ~ 300㎛2, 바람직하게는 50 ~ 150㎛2, 더욱 바람직하게는 60 ~120㎛2의 표면을 갖는 실리콘 레이어를 갖는다.
스팟이 일반 동작 조건하에서 전류 생성에 기여하지 않기 때문에, 도전 스팟의 전체 표면 영역이 상대적으로 작은 것이 바람직하다. 특히, 도전 스팟의 표면 영역 대비 태양 셀의 전류 생성 부분의 표면 영역의 비는 0.01:1 미만, 바람직하게는 0.001:1보다 작다. 바람직한 최소값으로서, 0.00001:1의 비가 언급될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 PV 모듈을 만드는 방법을 제공하는 것이다. 비선형 도전 스팟은 여러 방법으로 얻어질 수 있다. 일 방법은 긴 전극에 직접 접촉되어 있는 셀에 증가하는 AC 전압을 인가함으로써 비선형 스팟을 얻는 것이다. 그러나 그렇게 함으로써 스팟은 랜덤하게 분산되고, 스팟의 특성은 PV 셀의 활성 레이어의 부수적인 국부적 조건에 좌우된다.
잘 한정된 스팟은 한정된 량의 에너지를 한정된 위치에 PV 셀의 활성 레이어에 가져옴으로서 얻어진다. 일 바람직한 방법에 따라서, p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어는 ㎠당 10 ~ 1000개의 스팟에서 국부적으로 가열되며, 각각의 스팟은 10 ~ 2500㎛2의 표면을 독립적으로 갖고, 그에 의해 상기 실리콘은 이러한 스팟에서 적어도 부분적으로 다른 상으로 변환된다. 예를 들면, 이것은 펄스 레이저의 집속된 빔에 의해 수행될 수 있고, 이 펄스 레이저의 파장은 PV 셀의 활성 레이어에 흡수된다. 비결정질 Si PV 셀에 있어서, 배가된 주파수 Q-스위치된 Nd-YAG, Nd-YFL, 또는 Nd-YVO4 레이저가 사용될 수 있다(λ=532㎚). 이러한 레이저의 펄스 지속 기간은 짧으며, 보통 50 ㎱보다 짧고, 더욱 일반적으로는 약 15 ㎱이어서, 직접적으로 광조사된 스팟은 열 전도에 의한 손실 없이 모든 에너지를 흡수한다. 펄스 에너지는 좁은 범위에서 일정하고 초점의 빔 웨이스트(waist)의 직경은 다음 수학식 2에 따라서 작을 수 있다:
Figure 112009064102220-pct00002
여기서 d는 빔 웨이스트의 직경;
λ는 레이저 광의 파장;
F는 집속 렌즈의 초점 길이; 및
D는 렌즈로 입사하기 전 병렬 레이저 빔의 직경이다.
D=5㎜, F=100㎜ 그리고 λ=532㎚ 일 때, d=13㎛이다. 웨이스트에서 레이저 빔은 상기 레이저로 만들어진 비선형 스팟의 크기가 더욱 작도록 가우스 강도 프로파일을 가진다.
본 발명은 본 발명의 특정 실시예의 한정적이지 않은 다음 설명에 의해 추가로 기술된다.
작은 사이즈의 모듈(1x7.5㎠의 8개의 셀)과 큰 모듈(1x30㎠의 28개의 셀)이 ND-YVO4 펄스 레이저로 처리되었다. 셀 당 단일 행의 비선형 도전 스팟(2개의 스팟 사이의 거리 50㎛)이 만들어졌다.
레이저 처리는 수학식 1의 Rn값으로 결정될 수 있는 셀의 비선형 컨덕턴스를 도입한다. Rn을 결정하는 방법이 아래 기술된다. 단일 셀의 JV-곡선은 잘 알려진 다이오드 방정식(S.R Wenham 외, Applied Photovoltaics, ISBN 0 86758 909 4, 33페이지 참조)으로 기술되고, 이 방정식은 광 유도 전류 및 비선형 병렬 저항에 대한 항에 따라 확장된다:
Figure 112009064102220-pct00003
여기서 J는 전류 밀도[A/㎡],
J0는 암전류 밀도[A/㎡],
JL은 광 유도 전류 밀도[A/㎡],
q는 기본 전하량,
k는 볼츠만 상수,
n은 다이오드 품질 팩터,
T는 온도[K],
V는 셀 당 전압이다.
완전히 광조사된 모듈의 JV-곡선은 통상적인 셀의 Rn의 값의 변화에 대해서는 단지 약간만 민감하다. 셀 중 하나가 차광될 때 JV-곡선은 심하게 변한다. 차광된 셀의 광 유도 전류는 (거의) 0이다. 광조사된 셀은 외부 전압원에 의해 변화되는 역전압을 차광된 셀에 인가한다. 차광된 셀은 모듈의 광조사된 셀에 대해서 일종의 부하 저항으로서 역할을 한다. 광조사된 셀의 이론적인 JV 곡선은 셀이 심하게 션트(shunt)되지 않는 한 Rn에 대해 민감하지 않다. 반면에, 차광된 셀의 JV 곡선은 Rn에 따라 매우 달라지며, 또한 하나의 차광된 셀을 갖는 모듈의 JV 곡선도 그러하다.
먼저 완전히 광조사된 모듈의 JV 곡선이 측정된다. Rn을 포함한 평균 셀 파라미터는 상기 곡선에 의해 결정된다. 다음으로 하나의 셀이 차광되는 동안 모듈의 JV 곡선이 기록된다. 차광된 셀의 Rn 값은 곡선 맞춤 절차(curve fitting procedure)로 얻어진다. 차광된 셀의 광 유도 전류는 JL, shaded cell=0이고 차광된 셀의 Rn만이 적절한 맞춤을 얻도록 조정되어야만 한다. 맞춤 절차로부터의 결과인 차광된 셀의 R1과 R3의 평균값 및 R1과 R3의 값이 표 1에 열거되어 있다.
<곡선 맞춤 절차로부터 얻어진 R1과 R3의 값>
R1, average R3, average R1, cell 4 R3, cell 4
레이저 처리 전 20,000 2,000,000 6,000 66,000
레이저 처리 후 3,500 20,000 2,500 13,500
R1의 평균 값의 감소는 실제로 일어나지만, 완전히 광조사된 모듈의 계산된 곡선이 상기 값에 의해 거의 영향을 받지 않기 때문에 R3의 평균 값의 감소는 다소 임의적이다. 차광된 셀의 R1과 R3의 감소는 수용가능한 정확도로서 결정된다. R5는 R5 값이 충분히 크게 선택되는 한 JV 곡선의 관련된 부분을 맞추는데 중요한 역할을 하지 않는다.
개별 셀의 R1과 R3값은 레이저 처리 프로세스의 품질을 특징짓는데 사용될 수 있다. 적절하게 동작하는 셀을 위한 값의 범위는 두 파라미터에 대하여 정의될 수 있다: R1>1000, 특히 R1>2000; 1000<R3<50000, 특히 10000<R3<50000 (이 값은 변할 수 있다).
표 2는 8개의 셀을 갖는 모듈의 J-V 곡선을 도시한다. 제 1 열은 모듈 전압을 나타낸다. 제2 열과 제3 열은 모듈 전압에 대한 하나의 셀에 걸린 모듈 전류 및 전압을 각각 나타낸다(차광 없음). 제 4 및 제 5 열은 모듈 전압에 대한 차광 표준 셀에 걸린 모듈 전류 및 전압을 나타낸다(하나의 셀이 차광됨). 제6 및 제7 열은 모듈 전압에 대한 도전 스팟을 가진 차광된 셀에 걸린 모듈 전류 및 전압을 나타낸다(하나의 셀이 차광됨).
차광된 표준 셀에 걸린 전압은 모듈 전압과 함께 거의 선형으로 증가하지만 도전 스팟을 포함한 차광된 셀에 걸린 역 전압은 제한된다는 것이 명확하다.
Figure 112013034454963-pct00009

Claims (10)

  1. 복수의 셀을 구비한 광전(PV) 모듈에 있어서,
    상기 복수의 셀의 각각은 기판, 투명 도전체 레이어, PV 레이어 및 후면-전극 레이어를 포함하고,
    상기 PV 레이어는 하나 이상의 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어를 구비하며,
    상기 실리콘 레이어는 ㎠당 10 ~ 1000개의 재결정화된 실리콘의 도전 스팟을 포함하고, 각각의 도전 스팟은 10 ~ 2500 ㎛2의 표면을 독립적으로 가지며, 1V의 전압에서 상기 스팟의 도전율은 0.2 ㎃/㎠보다 작지만, 8V의 전압에서 도전율은 10 ㎃/㎠보다 큰 것을 특징으로 하는 PV 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 레이어는 ㎠당 20 ~ 500개의 도전 스팟을 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 레이어는 ㎠당 30 ~ 300개의 도전 스팟을 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 레이어는 ㎠당 80 ~ 120개의 도전 스팟을 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 스팟의 표면은 30 ~ 300 ㎛2 인 것을 특징으로 하는 PV 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 스팟의 표면은 50 ~ 150 ㎛2 인 것을 특징으로 하는 PV 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 스팟의 표면은 60 ~ 120 ㎛2 인 것을 특징으로 하는 PV 모듈.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항의 PV 모듈의 제조 방법에 있어서,
    상기 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘 레이어는 ㎠당 10 ~ 1000개의 스팟에서 국부적으로 가열되고, 상기 각각의 스팟은 독립적으로 10 ~ 2500 ㎛2의 표면을 갖고, 상기 p-i-n 또는 n-i-p 실리콘은 상기 스팟에서 변환되어 도전 스팟을 형성하는 것을 특징으로 하는 PV 모듈을 만드는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가열은 펄스 레이저에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 PV 모듈을 만드는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가열은 520 ~ 550㎚ 사이의 파장 λ와 펄스 지속 시간이 50㎱ 보다 짧은, 주파수 배가된 Nd-YAG, Nd-YLF, 또는 Nd-VO4 레이저에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 PV 모듈을 만드는 방법.
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