KR102316787B1 - 태양 전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 일례에 따른 태양 전지 모듈은 반도체 기판, 반도체 기판과 p-n접합을 형성하는 에미터부, 에미터부에 연결되는 제1 전극, 후면 전계부에 연결되는 제2 전극을 포함하는 복수의 태양 전지; 복수의 태양 전지를 전기적으로 서로 직렬 연결하기 위해 제1 전극 또는 제2 전극과 전기적으로 연결하는 복수의 인터커넥터; 및 제1 전극 또는 제2 전극과 복수의 인터커넥터 사이에 위치하며, 제1 전극 또는 제2 전극과 복수의 인터커넥터를 전기적으로 연결하는 금속 접속층을 포함하고, 금속 접속층과 제1 전극 또는 제2 전극 사이에는 표면 산화막이 위치하지 않을 수 있다.
본 발명의 일례에 따른 태양 전지 모듈은 반도체 기판, 반도체 기판과 p-n접합을 형성하는 에미터부, 에미터부에 연결되는 제1 전극, 후면 전계부에 연결되는 제2 전극을 포함하는 복수의 태양 전지; 복수의 태양 전지를 전기적으로 서로 직렬 연결하기 위해 제1 전극 또는 제2 전극과 전기적으로 연결하는 복수의 인터커넥터; 및 제1 전극 또는 제2 전극과 복수의 인터커넥터 사이에 위치하며, 제1 전극 또는 제2 전극과 복수의 인터커넥터를 전기적으로 연결하는 금속 접속층을 포함하고, 금속 접속층과 제1 전극 또는 제2 전극 사이에는 표면 산화막이 위치하지 않을 수 있다.
Description
본 발명은 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)에 의해 p-n 접합을 형성하는 반도체부, 그리고 서로 다른 도전성 타입의 반도체부에 각각 연결된 전극을 구비한다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되어, 전자는 n형의 반도체부 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 p형의 반도체부와 n형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명은 태양 전지 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일례에 따른 태양 전지 모듈은 반도체 기판, 반도체 기판과 p-n접합을 형성하는 에미터부, 에미터부에 연결되는 제1 전극, 후면 전계부에 연결되는 제2 전극을 포함하는 복수의 태양 전지; 복수의 태양 전지를 전기적으로 서로 직렬 연결하기 위해 제1 전극 또는 제2 전극과 전기적으로 연결하는 복수의 인터커넥터; 및 제1 전극 또는 제2 전극과 복수의 인터커넥터 사이에 위치하며, 제1 전극 또는 제2 전극과 복수의 인터커넥터를 전기적으로 연결하는 금속 접속층을 포함하고, 금속 접속층과 제1 전극 또는 제2 전극 사이에는 표면 산화막이 위치하지 않을 수 있다.
여기서, 금속 접속층은 제1 저융점 금속으로 구성되며, 주석(Sn), 비스무트(Bi), 납(Pb) 또는 SnIn, SnBi, SnPb, SnAg SnSb, SnZn, SnCuAg, SnCu 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 복수의 인터커넥터는 와이어 형태로 구비되고, 전도성 금속과 제2 저융점 금속으로 구성되며, 전도성 금속은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 중 하나를 포함할 수 있다.
더욱이, 제1 저융점 금속과 제2 저융점 금속은 서로 동일한 물질로 이루어지거나 서로 상이한 물질로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제2 저융점 금속은 주석(Sn), 비스무트(Bi), 납(Pb) 또는 SnIn, SnBi, SnPb, SnAg SnSb, SnZn, SnCuAg, SnCu중 하나일 수 있다.
또한, 제1 전극 또는 제2 전극 중 적어도 하나의 전극을 감싸는 절연막을 더 포함할 수 있다.
그리고, 제1 전극 또는 제2 전극 각각은 에미터부 또는 후면 전계부의 후면에 전기적으로 연결되는 접착 금속층, 광반사 금속층 및 확산 방지 금속층을 포함하며, 접착 금속층은 티타늄(Ti) 또는 텅스텐(W)을 포함하고, 광반사 금속층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al), 또는 이들의 합금을 포함하고, 확산 방지 금속층은 니켈-바나듐 합금(NiV)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일례에 따른 태양 전지 모듈 제조 방법은 반도체 기판에 제1 방향으로 형성된 제1 및 제2 전극을 포함하는 복수의 태양 전지를 패드 위에 위치시키는 단계; 제1 및 제2 전극 위에 제1 저융점 금속을 포함하는 금속 솔더를 제1 방향으로 도포하는 단계; 금속 솔더가 용융되어 제1 및 제2 전극 위에 접촉층을 형성하는 단계; 접촉층에 초음파 진동을 발생시키는 단계; 초음파 진동에 의해 접촉층 내부에 캐비테이션(cavitation) 현상이 발생하는 단계; 캐비테이션 현상에 의해 제1 및 제2 전극의 표면에 형성된 표면 산화막을 제거하는 단계; 제1 또는 제2 전극 중 적어도 하나의 표면 금속과 제1 저융점 금속이 용융되어 제1 및 제2 전극의 표면에 금속 접속층을 형성하는 단계; 및 금속 접속층에 제2 방향으로 인터커넥터를 접속시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 패드의 온도는 제1 저융점 금속의 용융점보다 높을 수 있다.
보다 구체적으로, 패드의 온도는 제1 저융점 금속의 용융점보다 약 10℃-30℃ 높을 수 있다.
또한, 금속 접속층과 인터커넥터를 접속시키는 단계는, 금속 접속층의 제1 저융점 금속과 인터커넥터의 제2 저융점 금속이 용융되어 서로 결합하는 단계일 수 있다.
아울러, 제2 저융점 금속과 금속 접속층은 서로 동일한 물질 또는 서로 상이한 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 금속 솔더는 제1 및 제2 전극 위에 솔더 공급부를 통해 연속적으로 도포될 수 있다.
여기서, 초음파 진동은 초음파 팁(ultrasonic tip)에 의해 생성되며, 초음파 진동의 주파수는 약 30Hz-40Hz 사이이고, 초음파 팁의 직경은 약 1.0mm~1.5mm일 수 있다.
그리고, 금속 솔더를 도포하기 이전에, 제1 전극 또는 제2 전극 중 적어도 하나의 전극을 감싸는 절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 모듈은 저융점 금속이 포함된 솔더를 초음파를 이용하여 솔더링 공정을 수행함으로써, 전극과 인터커넥터 사이의 결합력이 향상되고 접촉 저항이 최소화되어 태양 전지의 효율을 극대화할 수 있다.
그리고, 초음파를 이용한 솔더링 공정에 의해 생성된 캐비테이션(cavitation) 현상에 의해 플럭스를 이용하지 않고, 전극의 표면에 형성된 산화막을 제거함으로써, 태양 전지의 제조 비용과 시간을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 태양 전지 모듈을 전면에서 바라본 형상을 도시한 도이다.
도 2b는 도 2a의 A'-A' 라인에 따른 단면을 도시한 도이다.
도 2c는 2b에서 AA 부분을 확대 도시한 도이다.
도 3a는 초음파 솔더링 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 3b는 도 3a에 도시한 초음파 생성부의 상세도이다.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시한 태양 전지 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 6a는 본 발명의 일례에 따른 태양 전지 모듈을 전면에서 바라본 형상을 도시한 도이다.
도 6b는 도 6a의 B'-B' 라인 따른 단면을 도시한 도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시한 태양 전지 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 태양 전지 모듈을 전면에서 바라본 형상을 도시한 도이다.
도 2b는 도 2a의 A'-A' 라인에 따른 단면을 도시한 도이다.
도 2c는 2b에서 AA 부분을 확대 도시한 도이다.
도 3a는 초음파 솔더링 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 3b는 도 3a에 도시한 초음파 생성부의 상세도이다.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시한 태양 전지 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 6a는 본 발명의 일례에 따른 태양 전지 모듈을 전면에서 바라본 형상을 도시한 도이다.
도 6b는 도 6a의 B'-B' 라인 따른 단면을 도시한 도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시한 태양 전지 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
또한, 전면이라 함은 직사광이 입사되는 반도체 기판의 일면일 수 있으며, 후면이라 함은 직사광이 입사되지 않거나, 직사광이 아닌 반사광이 입사될 수 있는 반도체 기판의 반대면일 수 있다.
아울러, 어떠한 두 개의 값이 동일하다는 것은 오차 범위 10% 이하에서 동일하다는 것을 의미한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일례에 따른 태양 전지 모듈을 설명하기 위한 도이다.
구체적으로 도 1a는 본 발명에 따른 태양 전지 모듈을 전면에서 바라본 형상을 도시한 도이고, 도 1b는 도 1a의 A'-A' 라인에 따른 단면을 도시한 도이며, 도 1c는 1b에서 AA 부분을 확대 도시한 도이고, 도 2는 도 1에 도시한 태양 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고로 하면, 태양전지 모듈(100)은 복수의 태양전지(C)들, 인접한 태양전지(C)들을 전기적으로 연결하는 인터커넥터(160), 태양전지(C)들을 보호하는 보호막(EVA: Ethylene Vinyl Acetate)(300, 400), 태양전지(110)들의 수광면 쪽으로 전면 보호막(300) 위에 배치되는 투명 부재(200), 및 수광면 반대쪽으로 후면 보호막(400)의 하부에 배치되는 불투명 재질의 후면 시트(back sheet)(500)를 포함할 수 있다.
우선, 투명 부재(200)는 투과율이 높고 파손을 방지하기 위해 강화 유리로 이루어져 있다. 이때, 강화 유리는 철 성분 함량이 낮은 저 철분 강화 유리(low iron tempered glass)일 수 있다. 이러한 투명 부재(200)는 빛의 산란 효과를 높이기 위해서 내측면이 엠보싱(embossing)이나 텍스처링(texturing) 처리될 수 있다.
전면 및 후면 보호막(300, 400)은 태양전지(C)들의 상부 및 하부에 각각 배치된 상태에서 라미네이션 공정에 의해 태양전지(C)들과 일체화되는 것으로, 습기 침투로 인한 부식을 방지하고 태양 전지(C) 및 태양 전지 모듈(100)을 충격으로부터 보호하기 위한 밀봉재(encapsulate material)일 수 있다.
이러한 전면 및 후면 보호막(300, 400)은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA, ethylene vinyl acetate), 폴리비닐부티랄, 규소 수지, 에스테르계 수지, 올레핀계 수지와 같은 물질로 이루어질 수 있다.
후면 시트(500)는 태양전지 모듈(100)의 후면에서 습기가 침투하는 것을 방지하여 태양전지(110)를 외부 환경으로부터 보호할 수 있다. 이러한 후면 시트(500)는 수분과 산소 침투를 방지하는 층, 화학적 부식을 방지하는 층, 절연 특성을 갖는 층과 같은 다층 구조를 가질 수 있다. 이때, 후면 시트(500)는 FP/PE/FP(fluoropolymer/polyeaster/fluoropolymer)와 같은 절연 물질로 이루어진 얇은 시트로 이루어지지만, 다른 절연 물질로 이루어진 절연 시트일 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 모듈(100)에 적용되는 태양 전지(C)의 일례는 도 2에 도시한 바와 같다.
도 2a 내지 도 2c를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지(C)는 반사 방지막(130), 반도체 기판(110), 에미터부(121), 후면 전계부(172), 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)을 포함할 수 있다.
여기서, 반사 방지막(130)은 생략될 수도 있으나, 구비된 경우 태양 전지의 효율이 더 향상되므로, 이하에서는 구비된 경우를 일례로 설명한다.
반도체 기판(110)은 제 1 도전성 타입의 불순물을 함유하는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 일례로, 반도체 기판(110)은 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성될 수 있다.
여기서, 제1 도전성 타입은 n형 또는 p형 도전성 타입 중 어느 하나일 수 있다.
반도체 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물이 반도체 기판(110)에 도핑(doping)된다. 하지만, 반도체 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물이 반도체 기판(110)에 도핑될 수 있다.
이하에서는 이와 같은 반도체 기판(110)의 제1 도전성 타입이 n형인 경우를 일례로 설명한다.
이러한 반도체 기판(110)의 전면에는 복수의 돌출부를 구비한 텍스처링 표면을 가질 수 있다. 이로 인해 반도체 기판(110)의 전면 위에 위치한 반사 방지막(130) 역시 텍스처링 표면을 가질 수 있다.
이에 따라, 반도체 기판(110)의 전면에서 반사되는 빛의 양이 감소하여 반도체 기판(110) 내부로 입사되는 빛의 양이 증가할 수 있다.
반사 방지막(130)은 외부로부터 반도체 기판(110)의 전면으로 입사되는 빛의 반사를 최소화하기 위하여, 반도체 기판(110)의 전면 위에 위치하며, 알루미늄 산화막(AlOx), 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx) 및 실리콘 산화질화막(SiOxNy) 중 적어도 하나로 형성될 수 있고, 도 2b에 도시한 바와 같이, 단일막으로도 형성이 가능하나, 이와 다르게 복수의 막으로도 형성될 수 있다.
에미터부(121)는 반도체 기판(110)의 후면의 일부에 직접 접촉하며, 서로 이격되어 있고, 복수 개가 제1 방향(x)으로 길게 배치될 수 있다.
이러한 에미터부(121)는 제1 도전성 타입 즉, 반도체 기판(110)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입을 갖는 다결정 실리콘 재질로 형성될 수 있다.
각 에미터부(121)는 반도체 기판(110)과 p-n접합을 형성하므로, 에미터부(121)는 p형의 도전성 타입을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 일례와 달리, 반도체 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(121)는 n형의 도전성 타입을 가진다. 이 경우, 분리된 전자는 복수의 에미터부(121)쪽으로 이동하고 분리된 정공은 복수의 후면 전계부(172)쪽으로 이동할 수 있다.
복수의 에미터부(121)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우 에미터부(121)에는 3가 원소의 불순물이 도핑될 수 있고, 반대로 복수의 에미터부(121)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(121)에는 5가 원소의 불순물이 도핑될 수 있다.
후면 전계부(172)는 반도체 기판(110)의 후면 중에서 전술한 복수의 에미터부(121) 각각과 이격된 일부 영역에 직접 접촉하여, 복수 개가 에미터부(121)와 동일한 제1 방향(x)으로 길게 위치하도록 형성될 수 있다.
이와 같은 후면 전계부(172)는 제1 도전성 타입의 불순물이 반도체 기판(110)보다 고농도로 도핑되는 다결정 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 반도체 기판(110)이 n형 타입의 불순물로 도핑되는 경우, 복수의 후면 전계부(172)는 n+의 불순물 영역일 수 있다.
이러한 후면 전계부(172)는 반도체 기판(110)과 후면 전계부(172)와의 불순물 농도 차이로 인한 전위 장벽에 의해 전자의 이동 방향인 후면 전계부(172) 쪽으로의 정공 이동을 방해하는 반면, 후면 전계부(172) 쪽으로의 캐리어(예, 전자) 이동을 용이하게 할 수 있다.
따라서, 후면 전계부(172) 및 그 부근 또는 제1 및 제2 전극(142)에서 전자와 정공의 재결합으로 손실되는 전하의 양을 감소시키고 전자 이동을 가속화시켜 후면 전계부(172)로의 전자 이동량을 증가시킬 수 있다.
제1 전극(141)은 각각의 에미터부(121)에 접속되어, 해당 에미터부(121) 쪽으로 이동한 캐리어, 예를 들어 정공을 수집할 수 있다.
제2 전극(142)은 각각의 후면 전계부(172)에 접속되어, 해당 후면 전계부(172) 쪽으로 이동한 캐리어, 예를 들어, 전자를 수집할 수 있다.
이와 같은 제1 전극(141) 및 제2 전극(142) 각각은 도 2c를 참고하면, 접착 금속층(CTL), 광반사 금속층(RFL), 확산 방지 금속층(ADL)을 포함할 수 있다.
우선, 접착 금속층(CTL)은 에미터부(121) 또는 후면 전계부(172)의 후면 위에 직접 접속하여 위치하며, 광투과성일 수 있다. 접착 금속층(CTL)의 광투과성은 50% 내지 100%의 투과도를 가질 수 있고, 좀더 구체적으로는, 80% 내지 100%의 투과도를 가질 수 있다.
이와 같은 접착 금속층(CTL)은 실리콘 재질이 포함된 에미터부(121) 또는 후면 전계부(172)과 광반사 금속층(RFL) 사이의 열팽창 계수 차이에 의한 열팽창 스트레스를 최소화하기 위하여, 에미터부(121) 또는 후면 전계부(172)의 열팽창 계수와 광반사 금속층(RFL)의 열팽창 계수 사이의 열팽창 계수를 가질 수 있다. 이에 따라, 에미터부(121) 또는 후면 전계부(172)과 광반사 금속층(RFL) 사이의 열팽창 계수 차이에 의한 열팽창 스트레스를 최소화하여 접촉 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
일례로, 이와 같은 접착 금속층(CTL)은 전술한 바와 같은 열팽창 계수를 갖는 티타늄(Ti) 또는 텅스텐(W)을 포함할 수 있다.
이와 같은 접착 금속층(CTL)의 두께는 에미터부(121) 또는 후면 전계부(172)과 광반사 금속층(RFL) 사이의 열팽창 스트레스를 충분히 완화하기 위하여, 일례로, 50nm 이하일 수 있고, 바람직하게는 5nm ~ 10nm 사이로 형성될 수 있다.
광반사 금속층(RFL)은 접착 금속층(CTL)의 후면 위에 위치하여, 접착 금속층(CTL)과의 계면에서 빛을 반사하는 기능을 할 수 있다. 따라서, 광반사 금속층(RFL)이 접착 금속층(CTL)의 후면에 바로 접속하여 배치되는 경우, 반도체 기판(110)과 에미터부(121) 또는 후면 전계부(172)을 투과한 장파장 대역의 빛을 다시 반도체 기판(110) 방향으로 반사시켜, 태양 전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 광반사 기능을 확보하기 위하여, 광반사 금속층(RFL)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al), 또는 이들의 합금을 포함하여 형성될 수 있다.
이와 같은 광반사 금속층(RFL)의 두께는 광반사 기능을 충분히 확보하기 위하여, 접착 금속층(CTL)의 두께와 동일하거나 더 크게 형성될 수 있다.
확산 방지 금속층(ADL)은 광반사 금속층(RFL)의 후면 위에 위치할 수 있다. 일례로, 확산 방지 금속층(ADL)은 광반사 금속층(RFL)과 직접 접촉하여 형성될 수 있다. 여기서, 확산 방지 금속층(ADL)은 니켈-바나듐 합금(NiV) 또는 주석(Sn)을 포함할 수 있다.
이와 같은 확산 방지 금속층(ADL)의 두께는 광반사 금속층(RFL)의 두께(TRF)와 동일하거나 더 클 수 있다.
금속 접속층(192)은 제1 및 제2 전극(141, 142)과 인터커넥터(160) 사이에 위치하며, 제1 및 제2 전극(141, 142)과 인터커넥터(160)를 전기적으로 연결할 수 있다.
금속 접속층(192)은 제1 및 제2 전극(141, 142)과, 제1 전극(141) 또는 제2 전극(142)을 감싸서 형성된 절연막(180)을 제외한 에미터부(121) 및 후면 전계부(172)의 일부 영역에 직접 접촉할 수 있다.
이러한 금속 접속층(192)은 제1 및 제2 전극(141, 142)과 인터커넥터(160) 중 적어도 하나와 금속 용융 접합을 형성하는 저융점 금속으로 이루어질 수 있다.
금속 접속층(192)는 제1 또는 제2 전극(141, 142) 중 적어도 하나의 표면 금속과 저융점 금속이 용융되어 제1 및 제2 전극(141, 142)의 표면에 형성될 수 있다. 이러한 저융점 금속으로는 주석(Sn), 비스무트(Bi), 납(Pb), 카드뮴(Cd) 또는 SnIn, SnBi, SnPb, SnAg SnSb, SnZn, SnCuAg, SnCu와 같은 화학식을 갖는 금속물질로 이뤄져 있거나, 또는 이들이 혼합된 것일 수 있다. 이때, 주석(Sn)의 융점은 232℃이고, 비스무트(Bi)의 융점은 271℃이며, 납(Pb)의 융점은 327℃이고, 카드뮴(Cd)의 융점은 321℃이다. SnIn의 융점은 117℃이고, SnBi의 융점은 138℃이며, SnPb의 융점은 186℃이다.
인터커넥터(160)는 복수의 태양 전지(C)들을 전기적으로 연결하며, 금속 접속층(192)과 전기적 및 물리적으로 연결될 수 있다. 이때, 인터커넥터(160)는 서로 인접한 태양 전지(C1, C2)를 전기적으로 직렬 연결할 수 있다.
인터커넥터(160)는 와이어 형태로 구비되고, 전도성 금속(162) 및 전도성 금속(162)의 표면에 피복된 솔더(solder)로 이루어진 코팅막(164)을 포함할 수 있다. 이때, 인터커넥터(160)의 직경은 약 300-380㎛이고, 코팅막(164)의 두께는 약 5-20㎛일 수 있다. 이러한 인터커넥터(160)는 10-18개 사이로 형성될 수 있다.
전도성 금속(162)은 도전성이 좋은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al)과 같은 도전성 물질로 이루어져 있고, 코팅막(164)은 저융점 금속으로 구성될 수 있다.
코팅막(164)이 저융점 금속으로 구성되므로, 인터커넥터(160)와 태양 전지(C)를 접합하는 공정에서 가해지는 열로 인해 금속 접속층(192) 및 코팅막(164) 중 적어도 하나가 용융되어 금속 접속층(192)과 금속 용융 접합을 형성할 수 있다. 이러한 저융점 금속으로는 주석(Sn), 비스무트(Bi), 납(Pb), 카드뮴(Cd) 또는 SnIn, SnBi, SnPb, SnAg SnSb, SnZn, SnCuAg, SnCu와 같은 화학식을 갖는 금속물질로 이뤄져 있거나, 또는 이들이 혼합된 것일 수 있다. 이때, 주석(Sn)의 융점은 232℃이고, 비스무트(Bi)의 융점은 271℃이며, 납(Pb)의 융점은 327℃이고, 카드뮴(Cd)의 융점은 321℃이다. SnIn의 융점은 118℃이고, SnBi의 융점은 138℃이며, SnPb의 융점은 186℃이다.
금속 접속층(192)의 저융점 금속과 코팅막(164)의 저융점 금속은 동일한 물질로 이루어지거나, 서로 상이한 물질로 이루어질 수 있다. 금속 접속층(192)의 저융점 금속(162)과 코팅막(164)의 저융점 금속은 동일한 물질로 이루어지는 경우 인터커넥터(160)와 금속 접속층(192) 사이의 결합력이 향상되어 접촉 저항이 최소화될 수 있다. 이에 따라, 태양 전지의 효율을 극대화할 수 있다.
한편, 금속 접속층(192)의 저융점 금속(162)과 코팅막(164)의 저융점 금속이 모두 저융점 금속을 포함하므로, 서로 상이한 물질로 이루어지는 경우에도 인터커넥터(160)와 금속 접속층(192) 사이의 결합력이 유지될 수 있다. 아울러, 인터커넥터(160)는 절연막(180)에 의해 제1 전극(141) 또는 제2 전극(142)과 교차하는 부분에서 제1 전극(141) 또는 제2 전극(142)과 서로 절연될 수 있다. 여기서, 절연막(180)은 에폭시(epoxy)와 같은 절연성 수지를 포함하여 형성될 수 있다.
도 3은 초음파 솔더링 장치를 나타내는 도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 초음파 솔더링 장치(2)는 태양 전지(C)가 위치하는 패드(1), 초음파 솔더링 장치(2)에 전원을 공급하는 전원부(10), 초음파 솔더링 장치(2)를 제어하는 제어부(20), 제어부(20)의 명령에 따라 구동하는 구동부(30), 구동부(30)의 동작에 따라 솔더(42)를 공급하는 솔더 공급부(40) 및 초음파를 생성하는 초음파 생성부(50)로 이루어질 수 있다.
솔더 공급부(40)는 금속 접속층(192)을 형성하는 솔더(42)를 공급할 수 있다. 이때, 솔더(42)는 고체 상태로 공급되며, 일정한 크기로 복수개로 공급될 수 있다.
솔더 공급부(40)는 솔더(42)의 공급 속도를 조절하여 공급되는 솔더(42)의 크기를 제어할 수 있다.
구체적으로, 솔더(42)의 공급 속도가 빠른 경우 솔더(42)의 크기가 작게 공급됨으로써, 솔더 공급부(40)는 얇은 두께를 갖는 제1 및 제2 전극(141, 142) 위에 용이하게 솔더(42)를 위치시킬 수 있다.
한편, 솔더(42)의 공급 속도가 느린 경우 솔더(42)의 크기가 크게 공급될 수 있다.
패드(1)는 금속 접속층(192)의 저융점 금속보다 높은 온도로 예열 될 수 있다. 예를 들어, 금속 접속층(192)의 저융점 금속이 주석(Sn)으로 이루어진 경우 패드(1)는 약 260℃까지 가열될 수 있다. 즉, 패드(1)는 금속 접속층(192)의 저융점 금속의 용융 온도보다 약 10℃-20℃ 높게 설정될 수 있다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 초음파 생성부(50)는 초음파 진동 에너지를 발생하는 본체(51) 및 초음파 팁(52)을 포함할 수 있다. 여기서, 초음파 진동은 약 20 Hz -50Hz 사이의 주파수를 가질 수 있다.
초음파 진동이 20Hz 보다 낮은 경우 캐비테이션 강도가 높아지고, 공기 입자가 크게 형성되어 제1 및 제2 전극(141, 142)의 표면에 형성된 표면 산화막(SL)이 완전히 제거되지 않을 수 있다.
한편, 초음파 진동이 40Hz 보다 높은 경우 캐비테이션 강도가 낮아지고, 공기 입자가 미세해지므로, 제1 및 제2 전극(141, 142)의 표면에 형성된 표면 산화막(SL)뿐만 아니라 제1 및 제2 전극(141, 142)의 표면이 파괴될 수 있다.
따라서, 초음파 진동이 약 30Hz-40Hz일 때 제1 및 제2 전극(141, 142)의 표면에 형성된 표면 산화막(SL)만을 완전히 제거할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
초음파 진동 에너지가 캐비테이션(cavitation)(CA)(공동 현상)을 일으켜 제1 및 제2 전극(141, 142)의 표면에 형성된 표면 산화막(SL)을 제거할 수 있다.
여기서, 초음파 팁(52)의 직경(W)은 약 1.0mm~1.5mm사이 일 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지 모듈의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
우선, 도 4a에 도시한 것처럼, 반도체 기판(110)의 후면에 서로 이격되어 교대로 위치하는 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)이 형성된 태양 전지(C)를 패드(1) 위에 위치시킬 수 있다. 여기서, 패드(1)는 솔더 공급부(40)를 통해 도포될 금속 솔더(42)보다 약 10-20℃ 정도 높은 온도로 예열되어 있을 수 있다.
한편, 반도체 기판(110)의 전면에 복수의 돌출부를 구비한 텍스처링 표면이 형성될 수 있다.
제1 전극(141) 및 제2 전극(142)의 표면에는 전극 형성시에 생성된 불순물인 산화막(SL)이 존재할 수 있다. 여기서, 표면 산화막(SL)은 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)의 전체면, 부분적 또는 일부분에만 형성될 수 있다.
제1 전극(141) 및 제2 전극(142)의 표면에 산화막(SL)이 존재하면 인터커넥터(160)에 접착할 때 접착력이 저하될 수 있다. 따라서, 인터커넥터(160)를 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)에 접착하기 전에 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)의 표면 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
제1 전극(141) 및 제2 전극(142)의 표면 처리하는 방법에 대해서는 도 5c에서 보다 구체적으로 설명한다.
다음으로, 도 4b에 도시한 것처럼, 제1 전극(141) 또는 제2 전극(142)을 감싸는 절연막(180)을 형성할 수 있다. 이때, 절연막(180)에 의해 제1 전극(141) 또는 제2 전극(142)과 교차하는 부분에서 제1 전극(141) 또는 제2 전극(142)과 서로 절연될 수 있다. 여기서, 절연막(180)은 에폭시(epoxy)와 같은 절연성 수지를 포함하여 형성될 수 있다.
다음으로, 초음파 솔더링 장치(2)를 이용하여 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)의 표면 처리 후 금속 접속층(192)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 도 5a에 도시한 것처럼, 솔더 공급부(40)를 이용하여 고체 상태의 금속 솔더(42)를 제1 방향(x)으로 제1 전극(141) 또는 제2 전극(142)과 절연막(180) 위에 도포할 수 있다. 여기서, 금속 솔더(42)는 저융점 금속으로 이루어질 수 있다.
제1 전극(141) 또는 제2 전극(142) 위에 제1 방향으로 금속 솔더(42)를 도포하고, 절연막(180) 위에 금속 솔더(42)를 도포할 수 있다.
다음으로, 도 5b에 도시한 것처럼, 도포된 금속 솔더(42)가 제1 전극(141) 또는 제2 전극(142)과 절연막(180) 위에 용융되어 접속층(190)을 형성할 수 있다. 이때, 패드(1)는 금속 솔더(42)의 저융점 금속의 용융 온도보다 약 10℃-20℃ 높게 설정되어 있음으로써, 금속 솔더(42)를 용이하게 용융시킬 수 있다.
다음, 도 5c에 도시한 것처럼, 초음파 생성부(50)를 이용하여 접촉층(190) 내부에 초음파 진동을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 접촉층(190) 내부에 캐비테이션(cavitation) 현상이 발생하여 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)의 표면에 형성된 표면 산화막(SL)을 제거할 수 있다.
케비테이션(Cavitation) 방법은 초음파공동현상(ultrasonic cavitation)으로 공기 방울을 생성하여, 공기 방울이 터지는 충격파 에너지를 이용하여 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)의 표면의 표면 산화막(SL)을 제거하는 기술이다.
종래에는 금속 표면의 산화막을 효과적으로 제거하기 위한 일반적인 방법으로 플럭스(flux)를 사용하였다. 플럭스는 로진, 유동성 첨가제, 솔벤트 그리고 활성제(염소, 불소, 부름 등의 할로겐)등으로 구성되며, 산화막 표면에 플럭스를 도포한 후, 소성 공정을 통해 솔더링을 방해하는 산화막을 제거하였다.
하지만, 본원 발명은 플럭스없이 캐비테이션 현상을 이용하여 산화막을 제거하고, 금속 접속층(192)을 이용하여 제1 및 제2 전극(141, 142)과 인터커넥터(160)가 균일한 접착력을 유지할 수 있다.
이에 따라, 종래와 같이 플럭스를 이용하여 산화막을 제거하는 경우 산화막 제거 이후, 금속 표면에 잔존하는 물질(예를 들어, 로진)을 제거하는 공정이 추가로 필요하다. 또한, 제거하는 공정에서 금속 표면이 손상될 수도 있다. 이에 따라, 플럭스를 이용하여 금속 표면의 산화막을 제거하는 방법은 공정 수가 많아지고, 그만큼 생산성 저하와 원가 상승을 초래할 수 있다.
다음으로, 도 5d에 도시한 것처럼, 표면 산화막(SL)이 제거된 제1 전극(141) 및 제2 전극(142) 중 적어도 하나의 전극 표면과 접속층(190)이 용융되어 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)의 표면에 금속 접속층(192)을 형성할 수 있다.
다음으로, 금속 접속층(192) 위에 인터커넥터(160)를 위치시킴으로써, 제1 및 제2 전극(141, 142)과 인터커넥터(160)를 전기적으로 연결할 수 있다.
구체적으로, 금속 접속층(192)과 인터커넥터(160)를 접합하기 이전에 인터커넥터(160)가 흐트러지지 않도록 고정시키는 예비 접합(pre-bonding)하는 단계와, 금속 접속층(192)과 인터커넥터(160)를 최종 접합하는 최종 접합(final-bonding)하는 단계에 따라 이루어질 수 있다.
예를 들면, 예비 접합 단계에서의 테이프를 이용하여 인터커넥터(160)를 가고정할 수 있고, 최종 접합 단계에서의 금속 접속층(192) 또는 인터커넥터(160)의 코팅막(164)가 경화되는 온도 범위, 예컨대 140℃ 내지 180℃의 범위로 설정할 수 있다.
여기서, 금속 접속층(192)의 저융점 금속과 인터커넥터(160)의 코팅막(164)의 저융점 금속이 서로 용융되어 용이하게 연결될 수 있다. 금속 접속층(192)의 저융점 금속과 코팅막(164)의 저융점 금속이 동일한 물질로 이루어지는 경우 인터커넥터(160)와 금속 접속층(192) 사이의 결합력이 향상되어 접촉 저항이 최소화될 수 있다. 이에 따라, 태양 전지의 효율을 극대화할 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 7을 참조하여 본원 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 설명한다.
제2 실시예에 따른 태양 전지는 반도체 기판의 전면과 후면을 통해 외부의 빛을 각각 수광하는 양면형 태양 전지(bifacial solar cell)이다. 이에 따라, 반도체 기판의 전면에는 제1 전극(140)이 형성되고, 반도체 기판(110)의 후면에는 제2 전극(150)이 형성될 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양 전지 모듈에서 복수의 인터커넥터(162)는 제2 방향(y)으로 길게 배치되어, 제3 태양 전지(C3)의 제1 전극(140)과 제4 태양 전지(C4)의 제2 전극(150)을 서로 직렬 연결할 수 있다.
여기서, 금속 접속층(192)은 제1 전극(140)을 제외한 에미터부(120)의 일부 영역에 직접 접촉하여 형성될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 초음파 생성부(50)를 이용하여 접촉층(190) 내에 캐비테이션(CA) 현상을 발생시킬 수 있다.
이에 따라, 도 7b를 참조하면, 캐비테이션(CA) 현상에 의해 제1 전극(140)의 표면에 형성된 표면 산화막(SL)이 제거되어 금속 접속층(192)을 형성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 태양전지 모듈 200: 투명 부재
300: 전면 보호막 400: 후면 보호막
500: 후면 시트 C, C1, C2: 태양 전지
110: 기판 130: 반사 방지막
121: 에미터부 172: 후면 전계부
141: 제1 전극 142: 제2 전극
CTL: 접착 금속층 RFL: 광반사 금속층
ADL: 확산 방지 금속층 192: 금속 접속층
180: 절연막 160: 인터커넥터
162: 전도성 금속 164: 코팅막
패드: 1 초음파 솔더링 장치: 2
전원부: 10 제어부: 20
구동부: 30 솔더 공급부: 40
금속 솔더: 42 초음파 생성부: 50
본체: 51 초음파 팁: 52
표면 산화막: SL
300: 전면 보호막 400: 후면 보호막
500: 후면 시트 C, C1, C2: 태양 전지
110: 기판 130: 반사 방지막
121: 에미터부 172: 후면 전계부
141: 제1 전극 142: 제2 전극
CTL: 접착 금속층 RFL: 광반사 금속층
ADL: 확산 방지 금속층 192: 금속 접속층
180: 절연막 160: 인터커넥터
162: 전도성 금속 164: 코팅막
패드: 1 초음파 솔더링 장치: 2
전원부: 10 제어부: 20
구동부: 30 솔더 공급부: 40
금속 솔더: 42 초음파 생성부: 50
본체: 51 초음파 팁: 52
표면 산화막: SL
Claims (21)
- 반도체 기판, 상기 반도체 기판과 p-n접합을 형성하는 에미터부, 제1 방향으로 연장되며 상기 에미터부에 연결되는 복수의 제1 전극, 후면 전계부에 연결되는 제2 전극을 포함하는 복수의 태양 전지;
상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되며, 상기 제2 방향으로 서로 이웃한 2개의 태양 전지를 전기적으로 서로 직렬 연결하기 위해 상기 2개의 태양 전지 중 어느 한 태양 전지의 상기 복수의 제1 전극을 다른 한 태양 전지의 상기 제2 전극과 전기적으로 연결하는 복수의 인터커넥터; 및
상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 인터커넥터 사이에 위치하며, 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 인터커넥터를 전기적으로 연결하는 금속 접속층을 포함하고,
각각의 제1 전극은 표면 산화막을 구비하지 않는 복수의 제1 영역과, 표면 산화막을 구비하는 복수의 제2 영역을 포함하고,
상기 복수의 제1 영역은 상기 각각의 제1 전극과 상기 복수의 인터커넥터가 서로 중첩하는 영역에 형성되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 방향으로 서로 이웃한 2개의 인터커넥터의 사이 영역에 형성되는 태양 전지 모듈. - 제1항에서,
상기 금속 접속층은 제1 저융점 금속으로 구성되는 태양 전지 모듈. - 제2항에서,
상기 제1 저융점 금속은 주석(Sn), 비스무트(Bi), 납(Pb) 또는 SnIn, SnBi, SnPb, SnAg SnSb, SnZn, SnCuAg, SnCu 중 적어도 하나인 태양 전지 모듈. - 제2항에서,
상기 복수의 인터커넥터는 와이어 형태로 구비되고, 전도성 금속과 제2 저융점 금속으로 구성되는 태양 전지 모듈. - 제4항에서,
상기 전도성 금속은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 중 하나인 태양 전지 모듈. - 제4항에서,
상기 제1 저융점 금속과 상기 제2 저융점 금속은 서로 동일한 물질로 이루어지거나 서로 상이한 물질로 이루어진 태양 전지 모듈. - 제6항에서,
상기 제2 저융점 금속은 주석(Sn), 비스무트(Bi), 납(Pb) 또는 SnIn, SnBi, SnPb, SnAg SnSb, SnZn, SnCuAg, SnCu 중 하나인 태양 전지 모듈. - 제1항에서,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 적어도 하나의 전극을 감싸는 절연막을 더 포함하는 태양 전지 모듈. - 제1항에서,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 각각은 상기 에미터부 또는 상기 후면 전계부의 후면에 전기적으로 연결되는 접착 금속층, 광반사 금속층 및 확산 방지 금속층을 포함하는 태양 전지 모듈. - 제9항에서,
상기 접착 금속층은 티타늄(Ti) 또는 텅스텐(W)을 포함하고,
상기 광반사 금속층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al), 또는 이들의 합금을 포함하고,
상기 확산 방지 금속층은 니켈-바나듐 합금(NiV)을 포함하는 태양 전지 모듈. - 반도체 기판에 제1 방향으로 형성된 복수의 제1 전극을 포함하는 태양 전지를 패드 위에 위치시키는 단계;
제1 저융점 금속을 포함하는 금속 솔더를 상기 복수의 제1 전극 위에 도포하는 단계;
상기 금속 솔더를 용융시켜 상기 복수의 제1 전극 위에 접촉층을 형성하는 단계;
상기 접촉층에 초음파 진동을 발생시켜 상기 복수의 제1 전극의 표면의 표면 산화막을 제거하는 단계;
상기 복수의 제1 전극의 표면 금속과 상기 제1 저융점 금속이 용융된 금속 접속층을 상기 복수의 제1 전극의 표면에 형성하는 단계; 및
상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상기 금속 접속층에 인터커넥터를 접속시키는 단계를 포함하며,
각각의 제1 전극은 표면 산화막을 구비하지 않는 복수의 제1 영역과, 표면 산화막을 구비하는 복수의 제2 영역을 포함하고,
상기 복수의 제1 영역은 상기 각각의 제1 전극과 상기 복수의 인터커넥터가 서로 중첩하는 영역에 형성되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 방향으로 서로 이웃한 2개의 인터커넥터의 사이 영역에 형성되는 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제11항에서,
상기 패드의 온도는 상기 제1 저융점 금속의 용융점보다 높은 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제12항에서,
상기 패드의 온도는 상기 제1 저융점 금속의 용융점보다 10℃-30℃ 높은 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제11항에서,
상기 복수의 제1 전극의 표면의 표면 산화막을 제거하는 단계는,
상기 제1 영역에 위치한 상기 접촉층의 표면에 초음파 진동을 발생시키는 단계;
상기 초음파 진동에 의해 상기 제1 영역에 위치한 접촉층 내부에 캐비테이션(cavitation) 현상이 발생하는 단계;
상기 캐비테이션 현상에 의해 상기 제1 영역에 위치한 복수의 제1 전극의 표면에 형성된 표면 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제12항에서,
상기 금속 접속층과 상기 인터커넥터를 접속시키는 단계는,
상기 금속 접속층의 제1 저융점 금속과 상기 인터커넥터의 제2 저융점 금속이 용융되어 서로 결합하는 단계인 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제15항에서,
상기 제2 저융점 금속과 상기 금속 접속층은 서로 동일한 물질 또는 서로 상이한 물질로 이루어지는 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제12항에서,
상기 금속 솔더는 솔더 공급부를 통해 상기 복수의 제1 전극 위에 연속적으로 도포되는 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제12항에서,
상기 초음파 진동은 초음파 팁(ultrasonic tip)에 의해 생성되는 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제18항에서,
상기 초음파 진동의 주파수는 30Hz-40Hz사이인 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제18항에서,
상기 초음파 팁의 직경은 1.0mm~1.5mm인 태양 전지 모듈 제조 방법. - 제12항에서,
상기 태양 전지는 상기 제2 방향을 따라 상기 복수의 제1 전극과 교대로 위치하는 복수의 제2 전극을 더 포함하고,
상기 금속 솔더를 도포하기 이전에,
상기 복수의 제2 전극을 감싸는 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 모듈 제조 방법.
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