KR101613364B1 - 태양전지의 전면전극 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핑거라인전극과 버스바전극 사이에서의 캐리어 이송거리를 최소화하여 캐리어의 재결합률을 저하시켜 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킴과 함께 전극 형성에 필요한 도전성 물질의 사용량을 절감하고 수광면적 확대 효과를 기대할 수 있는 태양전지의 전면전극 구조에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지의 전면전극 구조는 태양전지 기판의 전면 상에 직교하는 형태로 구비되는 핑거라인전극 및 버스바전극을 포함하여 이루어지며, 상기 버스바전극은 복수의 단위쌍 버스바전극으로 구성되며, 상기 복수의 단위쌍 버스바전극은 수직 방향으로 이격, 배치되며, 상기 단위쌍 버스바전극은 수평 방향으로 이격된 2개의 단위버스바전극으로 구성되며, 수직 방향으로 이격된 단위버스바전극들은 세로 연결패턴에 의해 전기적으로 연결되며, 수평 방향으로 이격된 단위버스바전극들은 가로 연결패턴에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지의 전면전극 구조{Front electrode structure of solar cell}

본 발명은 태양전지의 전면전극 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핑거라인전극과 버스바전극 사이에서의 캐리어 이송거리를 최소화하여 캐리어의 재결합률을 저하시켜 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킴과 함께 전극 형성에 필요한 도전성 물질의 사용량을 절감하고 수광면적 확대 효과를 기대할 수 있는 태양전지의 전면전극 구조에 관한 것이다.

태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다. 태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 실리콘 기판 내부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.

이와 같은 태양전지는 일반적으로 p형 기판의 상부에 n형 반도체층이 구비되고, n형 반도체층의 상부와 p형 기판의 하부에 각각 전면전극, 후면전극이 구비되는 구조를 이룬다. 전면전극 및 후면전극은 스크린 인쇄법(screen printing) 등을 통해 형성된다.

태양전지의 전면전극은 세부적으로, 핑거라인전극(finger line electrode)(21)과 버스바전극(busbar electrode)(22)으로 구분된다(도 1 참조). 핑거라인전극(21)은 태양전지 기판(10)의 전면 상에 배치되어 광전변환된 캐리어(carrier)를 수집하는 역할을 하고, 버스바전극(22)은 핑거라인전극(21)에 의해 수집된 캐리어를 외부의 축전지 등으로 이송시키는 역할을 한다.

태양전지의 광전변환 효율에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나는, 핑거라인전극에 의해 수집된 캐리어가 재결합(recombination)되지 않고 버스바전극에 전달되는 것이다. 핑거라인전극과 버스바전극 사이의 캐리어 재결합률을 최소화하기 위해서는 핑거라인전극과 버스바전극 사이의 전기적 저항이 작아야 하며, 이를 위해 핑거라인전극과 버스바전극의 폭을 증가시키는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 핑거라인전극과 버스바전극의 폭을 일정 수준 이상 증가시키는 것은 고가의 도전성 물질의 소모가 증가됨을 의미함에 따라 제조비용 상승이 뒤따르며, 수광면적이 작아지는 단점이 있다.

한국등록특허 제1371865호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 핑거라인전극과 버스바전극 사이에서의 캐리어 이송거리를 최소화하여 캐리어의 재결합률을 저하시켜 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킴과 함께 전극 형성에 필요한 도전성 물질의 사용량을 절감하고 수광면적 확대 효과를 기대할 수 있는 태양전지의 전면전극 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지의 전면전극 구조는 태양전지 기판의 전면 상에 직교하는 형태로 구비되는 핑거라인전극 및 버스바전극을 포함하여 이루어지며, 상기 버스바전극은 복수의 단위쌍 버스바전극으로 구성되며, 상기 복수의 단위쌍 버스바전극은 수직 방향으로 이격, 배치되며, 상기 단위쌍 버스바전극은 수평 방향으로 이격된 2개의 단위버스바전극으로 구성되며, 수직 방향으로 이격된 단위버스바전극들은 세로 연결패턴에 의해 전기적으로 연결되며, 수평 방향으로 이격된 단위버스바전극들은 가로 연결패턴에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 세로 연결패턴은 수직 방향으로 마주보는 단위버스바전극의 모서리를 서로 연결하며, 상기 가로 연결패턴은 수평 방향으로 마주보는 단위버스바전극의 모서리를 서로 연결한다.

수직 방향으로 이웃하는 단위버스바전극들은 버스바전극의 외부 방향을 향해 돌출된 형상을 갖는 세로 연결패턴에 의해 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 세로 연결패턴은 버스바전극의 외부 방향을 향해 꺽쇠 또는 반구 형태로 돌출된 형상을 이룰 수 있다. 또한, 상기 세로 연결패턴과 단위버스바전극 각각에 핑거라인전극이 연결되며, 상기 세로 연결패턴에 연결되는 핑거라인전극의 길이가 상기 단위버스바전극에 연결되는 핑거라인전극보다 상대적으로 짧을 수 있다.

본 발명에 따른 태양전지의 전면전극 구조는 다음과 같은 효과가 있다.

버스바전극을 복수의 단위버스바전극으로 구성하고, 단위버스바전극들을 수평 및 수직 방향으로 이격되도록 함으로써 버스바전극 형성에 소모되는 도전성 물질의 양을 절감함과 함께 버스바전극의 폭이 확대되는 효과를 통해 핑거라인전극의 길이를 줄일 수 있게 된다. 이를 통해 핑거라인전극과 버스바전극 사이의 전기적 특성을 향상시켜 궁극적으로 태양전지의 광전변환 효율을 개선할 수 있게 된다.

또한, 수직 이웃하는 단위버스바전극을 연결하는 세로 연결패턴을 돌출된 형태로 설계하여 캐리어 이동거리를 축소시키는 효과를 얻을 수 있으며, 단위버스바전극들 사이의 빈 공간을 통해 추가적인 수광면적 확대 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 핑거라인 전극 및 버스바 전극이 구비된 태양전지 기판의 모식도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 전면전극 구조를 나타낸 구성도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 전면전극 구조를 나타낸 구성도.

본 발명은 핑거라인전극에 직교하는 방향으로 배치되는 버스바전극을 구성함에 있어서, 복수의 단위쌍 버스바전극을 일 방향을 따라 이격, 배치하고, 이웃하는 단위쌍 버스바전극들을 세로 연결패턴에 의해 연결되도록 함과 함께 단위쌍 버스바전극을 구성하는 2개의 단위버스바전극은 가로 연결패턴에 의해 연결되도록 하여 수광면적의 감소 없이 버스바전극의 폭이 확대되는 효과를 통해 핑거라인전극에 의해 수집된 캐리어의 버스바전극으로의 이동거리를 최소화할 수 있는 기술을 제시한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 전면전극 구조에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 전면전극 구조는 핑거라인전극(220) 및 버스바전극(230)을 구비한다. 상기 핑거라인전극(220) 및 버스바전극(230)은 태양전지 기판(210)의 전면 상에 구비되며, 상기 핑거라인전극(220)은 태양전지 내부의 반도체층에서 발생된 캐리어(carrier) 즉, 전하 또는 전자를 수집하고 상기 버스바전극(230)은 핑거라인전극(220)에 의해 수집된 캐리어를 외부의 캐패시터 등으로 이송하는 역할을 한다.

상기 핑거라인전극(220)과 버스바전극(230)은 직교하는 형태로 배치되는데, 구체적으로 하나 이상의 버스바전극(230)이 태양전지 기판(210)의 전면 상에 일 방향을 따라 배치되고, 상기 버스바전극(230)의 양측부에 버스바전극(230)과 직교하는 방향으로 복수의 핑거라인전극(220)이 배치되는 구조를 이룬다.

본 발명에 있어서, 상기 버스바전극(230)은 복수의 단위쌍 버스바전극(231)으로 이루어지며, 복수의 단위쌍 버스바전극(231)은 핑거라인전극(220)에 직교하는 방향을 따라 이격, 배치된다. 또한, 상기 단위쌍 버스바전극(231)은 동일한 형상을 갖는 2개의 단위버스바전극(231a)으로 구성되며, 2개의 단위버스바전극(231a)은 핑거라인전극(220)에 평행하는 방향을 따라 이격, 배치된다. 즉, 복수의 단위쌍 버스바전극(231)은 수직 방향으로 이격, 배치되고, 단위쌍 버스바전극(231)을 구성하는 2개의 단위버스바전극(231a)은 수평 방향으로 이격, 배치되는 형태를 이룬다.

복수의 단위쌍 버스바전극(231)이 하나의 버스바전극(230) 기능을 수행하기 위해, 복수의 단위쌍 버스바전극(231)은 서로 전기적으로 연결되어야 한다. 이를 위해, 이웃하는 단위쌍 버스바전극(231)들은 세로 연결패턴(232)에 의해 전기적으로 연결되며, 각 단위쌍 버스바전극(231)을 구성하는 2개의 단위버스바전극(231a)은 가로 연결패턴(233)에 의해 전기적으로 연결된다. 상기 세로 연결패턴(232)은 수직 방향으로 마주보는 단위버스바전극(231a)의 모서리를 서로 연결하며, 상기 가로 연결패턴(233)은 수평 방향으로 마주보는 단위버스바전극(231a)의 모서리를 서로 연결하는 형태로 구비된다.

상기 세로 연결패턴(232)과 가로 연결패턴(233)은 단위버스바전극(231a)과 마찬가지로 도전성 물질로 이루어지며, 세로 연결패턴(232)과 가로 연결패턴(233) 각각은 단위버스바전극(231a)에 대비하여 그 폭이 매우 작게 설계된다. 이에 따라 수직 이웃하는 단위버스바전극(231a)들 사이(또는 세로 연결패턴(232) 사이) 및 수평 이웃하는 단위버스바전극(231a)들 사이(또는 가로 연결패턴(233) 사이)는 도전성 물질이 구비되지 않는 빈 공간을 이룬다.

복수의 단위쌍 버스바전극(231)이 수직 방향으로 이격, 배치되고, 단위쌍 버스바전극(231)을 이루는 2개의 단위버스바전극(231a)이 수평 방향으로 이격, 배치되며, 수평 방향의 단위버스바전극(231a)들 사이 및 수직 방향의 단위버스바전극(231a)들 사이에 최소한의 도전성 물질(가로 연결패턴(233), 세로 연결패턴(232))이 구비되는 구조임에 따라, 종래 기술에 대비하여 버스바전극(230)을 형성하기 위한 도전성 물질의 소모량이 절감될 수 있으며, 수직 및 수평 이웃하는 단위버스바전극(231a)들 사이의 빈 공간을 통해 추가적인 수광면적 증대효과를 얻을 수 있게 된다.

이에 근거하여, 종래 기술과 동일한 면적의 버스바전극(230)을 구성하더라도 단위쌍 버스바전극(231)을 구성하는 2개의 단위버스바전극(231a)이 수평 방향으로 이격되어 있음에 따라, 버스바전극(230)의 폭을 확대 설계할 수 있는 마진(margin)이 확보되며, 이를 통해 단위버스바전극(231a) 및 세로 연결패턴(232)에 연결되는 핑거라인전극(220)의 길이를 짧게 설계할 수 있게 된다. 핑거라인전극(220)의 길이가 짧아짐은 핑거라인전극(220)에서 버스바전극(230)으로의 캐리어 이동거리가 짧아짐을 의미하며, 이를 통해 캐리어의 재결합률을 저하시킬 수 있게 된다. 일 실시예로, 단위버스바전극(231a)의 폭은 0.05∼0.5mm로 설계하고, 수평 이웃하는 단위버스바전극(231a)의 이격거리는 0.05∼0.5mm, 수직 이웃하는 단위버스바전극(231a)의 이격거리는 0.1∼1mm로 설계할 수 있다.

한편, 상기 세로 연결패턴(232)은 상술한 실시예와 같이 수직 이웃하는 단위버스바전극(231a)들을 직선 연결하는 방식 이외에 버스바전극(230)의 외부 방향을 향해 꺽쇠(도 3 참조) 또는 반구 형태(도 4 참조)로 돌출된 형태로 구성할 수도 있다. 세로 연결패턴(232)이 버스바전극(230)의 외부 방향을 향해 꺽쇠 또는 반구 형태로 돌출된 형상을 이룸에 따라, 세로 연결패턴(232)에 연결되는 핑거라인전극(220)의 길이는 단위버스바전극(231a)에 연결되는 핑거라인전극(220)에 대비하여 그 길이가 짧아지며, 이를 통해 캐리어 이동거리를 축소시킬 수 있다. 이 경우, 단위버스바전극(231a)의 폭은 0.1∼0.5mm로 설계하고, 연결패턴의 최대폭은 2∼5mm로 설계할 수 있다. 단위버스바전극(231a)의 폭이 0.1mm보다 작게 되거나 연결패턴의 최대폭이 2mm보다 작으면 캐리어 재결합률이 증가되는 문제가 발생되며, 단위버스바전극(231a)이 0.5mm를 넘거나 연결패턴의 최대폭이 5mm를 초과하게 되면 도전성 물질의 소모량이 증가된다.

210 : 태양전지 기판 220 : 핑거라인 전극
230 : 버스바전극 231 : 단위쌍 버스바전극
231a : 단위버스바전극 232 : 세로 연결패턴
233 : 가로 연결패턴

Claims (7)

1. 태양전지 기판의 전면 상에 직교하는 형태로 구비되는 핑거라인전극 및 버스바전극을 포함하여 이루어지며,
   상기 버스바전극은 복수의 단위쌍 버스바전극으로 구성되며,
   상기 복수의 단위쌍 버스바전극은 수직 방향으로 이격, 배치되며,
   상기 단위쌍 버스바전극은 수평 방향으로 이격된 2개의 단위버스바전극으로 구성되며,
   수직 방향으로 이격된 단위버스바전극들은 세로 연결패턴에 의해 전기적으로 연결되며, 수평 방향으로 이격된 단위버스바전극들은 가로 연결패턴에 의해 전기적으로 연결되며,
   수직 방향으로 이웃하는 단위버스바전극들은 버스바전극의 외부 방향을 향해 돌출된 형상을 갖는 세로 연결패턴에 의해 전기적으로 연결되며,
   상기 세로 연결패턴은 수직 방향으로 마주보는 단위버스바전극의 모서리를 서로 연결하며, 상기 가로 연결패턴은 수평 방향으로 마주보는 단위버스바전극의 모서리를 서로 연결하며,
   상기 세로 연결패턴과 단위버스바전극 각각에 핑거라인전극이 연결되며, 상기 세로 연결패턴에 연결되는 핑거라인전극의 길이가 상기 단위버스바전극에 연결되는 핑거라인전극보다 상대적으로 짧은 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 구조.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 세로 연결패턴은 버스바전극의 외부 방향을 향해 꺽쇠 또는 반구 형태로 돌출된 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 구조.
   
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 단위버스바전극의 폭은 0.05∼0.5mm, 수평 이웃하는 단위버스바전극의 이격거리는 0.05∼0.5mm, 수직 이웃하는 단위버스바전극의 이격거리는 0.1∼1mm인 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 구조.
   
7. 제 1 항에 있어서, 상기 단위버스바전극의 폭은 0.1∼0.5mm이고, 상기 세로 연결패턴의 최대폭은 2∼5mm인 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 구조.

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