KR102348399B1 - 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법 - Google Patents

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Abstract

슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법이 개시된다. 본 발명의 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법은, 슁글드 구조의 전극 패턴을 설계하고, 프로그램상에서 전극 패턴의 성능을 시뮬레이션하는 시뮬레이션 단계; 전극 패턴에 대응되는 홀이 형성된 마스크를 제작하는 제작단계; 마스크를 이용하여 실리콘 웨이퍼의 전면에 전극 패턴을 가진 전면전극을 인쇄하는 인쇄단계; 및 실리콘 웨이퍼를 레이저로 커팅하여 복수의 셀을 형성하는 커팅단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법{FRONT ELECTRODE FORMATION METHOD FOR SOLAR CELL MODULE WITH SHINGLED STRUCTURE}
본 발명은 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양전지 셀의 전면에 전극을 형성하도록 이루어지는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법에 관한 것이다.
태양으로부터 지구가 받는 에너지는 친환경적이며, 무제한적이고 비용이 들지 않는다. 기존의 일반적인 에너지 생산기술과 달리 태양광을 에너지로 사용하기 위해서는 큰 비용이 필요한 발전소를 만들지 않아도 된다.
태양전지를 제조하는 데에 있어 모듈 원가를 줄이기 위해 다양한 시도가 이루어져 왔다. 대규모 증설을 통해 고정비를 절감하는 방법이 대표적이다. 그리고 셀의 두께를 줄이는 등 원재료 사용량을 줄이거나 공정상의 손실을 줄여 실리콘 웨이퍼의 비용의 절감하는 방법 등이 있다. 그러나 더 이상의 대규모 증설이나 원재료 사용량 감축에는 어려움이 있다.
따라서 기업들은 태양전지의 단위당 효율이나 출력을 높이는 연구에 주력하고 있으며, 셀 단위의 효율을 높이는 방안보다는 모듈단위의 구조 변경을 통한 효율 및 출력 증가에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
구조적인 변경에 있어 슁글드 구조를 갖는 모듈 제조 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 이는 6인치 셀을 레이저 가공을 통해 커팅하고, 전기전도율이 높은 전도성 접착제인 ECA(electrically conductive adhesive)를 통해 직렬로 접합하는 방식을 의미한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 셀(1)들은 전면전극(1A)과 후면전극(1B)이 전도성 접착제(1C)에 의해 접착되어 서로 직렬로 접합된다. 직렬연결 방식은 모듈 사이즈 대비 셀의 수량과 기존의 버스바(bus bar)로 인한 저항을 줄일 수 있고, 출력전압이 접합된 셀(1) 수에 비례하여 증가하는 것을 통하여 효율을 증가시킬 수 있다.
슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법 모듈의 효율을 높이기 위해서는 원활한 전자와 정공을 수집할 수 있는 전극형성이 중요하다. 전극 형성을 위한 공정은 스크린 프린팅 공정과 금속 페이스트에 섞여있는 솔벤트를 제거하는 드라이 공정, 페이스트 속에 유기물을 제거하고 옴(ohmic) 접촉을 이루어질 수 있도록 하는 firing 공정으로 구분한다.
도 2는 스크린 스린팅 장치를 나타내는 사진이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 중에서 실리콘 웨이퍼 양면에 금속전극을 형성하기 위해서 스크린 프린팅 방식으로 금속 분말을 인쇄한 후 건조 및 소성 공정을 통해 전극을 형성하는 공정이 현재 결정질 실리콘 태양전지 양산라인에 가장 많이 쓰이고 있는 방식이다.
스크린 프린팅 방식은 인쇄할 전극 패턴이 형성되어있는 스크린 메시(screen mesh) 위에 금속 페이스트를 공급하여 스퀴지(squeegee)에 압력을 가해 패턴을 형성시키는 기술이다.
기존의 공정은 금속분말의 입자의 크기에 따라 스크린 메시에 패턴 두께가 제한적이다. 그리고 와이어로 직조된 구조로 인하여 토출부의 개구율이 50~60%에 불과하므로 인쇄가 제대로 되지 않는 영역이 존재한다. 이를 개선하기 위해 와이어의 직경을 줄이고자 하면 스크린의 제조비용이 증가하게 되는 문제점을 가지게 된다.
또한, 스크린 메시를 사용하게 되면 인쇄된 전극의 높이가 상대적으로 높지 않아 종횡비가 낮아지고, 이에 따라 핑거 전극의 선 저항이 증가하여 태양전지의 발전 효율에 적합한 전기전도도를 제공하기 어렵다.
또한, 인쇄 전극의 높이가 일정하지 못하며, 와이어로 인해 저점도 페이스트를 사용해야 하므로 퍼짐성이 증가한다. 따라서, Ag 페이스트의 사용량이 증가하며, 인쇄 후 전면 전극의 도포면적이 증가하여 수광면적을 감소하는 문제점을 가지게 된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래 전면전극(1A)은 실리콘 웨이퍼(2)의 전면에서 핑거 라인(1A1)과 버스바 라인(1A2)이 모두 연결이 되어 있으므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 가공을 통한 컷팅 셀 제작 시 셀 표면에 레이저가 국부적으로 가해져 열 영향부가 생기게 된다. CL은 레이저가 조사되는 라인을 의미한다.
또한, 전면 전극(1A)과 후면 전극(1B)에 레이저가 조사가 되면 용융형성이 일어나 불순물들이 셀(1) 표면에 묻어 수광면적을 줄어들게 하여 효율이 저하되는 문제점을 갖게 된다. 또한, 전극 선폭의 제한으로 인한 다양한 디자인의 전극을 형성하지 못한다.
본 발명의 목적은, 버스바 전극과 핑거 전극을 형성하기 위한 개구부들 사이의 지지 구조를 유지하여 전극 간 단절을 방지하고, 극 형성에 대한 미세 선폭을 구현하여 핑거 전극 개수를 늘리도록 이루어지는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법을 제공하는 것이다.
또한, 페이스트 사용량을 저감하면서도, 높은 종횡비를 형성하고, 전면 전극을 균일한 높이로 형성하여 높은 전기전도도를 제공하며, 수광면적을 증가시키고, 열영향부와 용융형성을 최소화하여 효율 저하가 방지되도록 이루어지는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 슁글드 구조의 전극 패턴을 설계하고, 프로그램상에서 상기 전극 패턴의 성능을 시뮬레이션하는 시뮬레이션 단계; 상기 전극 패턴에 대응되는 홀이 형성된 마스크를 제작하는 제작단계; 상기 마스크를 이용하여 실리콘 웨이퍼의 전면에 상기 전극 패턴을 가진 전면전극을 인쇄하는 인쇄단계; 및 상기 실리콘 웨이퍼를 레이저로 커팅하여 복수의 셀을 형성하는 커팅단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법에 의하여 달성된다.
상기 실리콘 웨이퍼는, 상기 전면전극이 형성되는 제1 영역; 및 상기 레이저로 커팅되는 제2 영역을 포함하고, 상기 전면전극은 상기 제2 영역으로부터 이격되
상기 마스크는 스텐실 마스크로 구비되고, 상기 인쇄단계에서 상기 홀을 통과한 도전성 페이스트가 상기 전면전극을 형성하도록 이루어질 수 있다.
상기 셀들의 후면에 후면전극이 형성되고, 상기 셀들이 직렬로 접합되도록, 상기 전면전극과 상기 후면전극을 전도성 접착제로 접착시키도록 이루어질 수 있다.
상기 접착제의 이탈이 차단되도록, 상기 전면전극 및 상기 후면전극의 가장자리에 돌출부가 형성되도록 이루어질 수 있다.
상기 실리콘 웨이퍼는 15.675×15.675㎠이고, 상기 커팅단계에서 15.675×3.1㎠ 크기로 분할되도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 마스크가 스텐실 마스크로 구비됨으로써, 전면 전극을 형성하기 위한 개구부들 사이의 지지 구조를 유지하여 전극 간 단절을 방지하고, 전면 전극 형성에 대한 미세 선폭을 구현하여 핑거 전극 개수를 늘리도록 이루어지는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법을 제공할 수 있게 된다.
또한, 인쇄단계에서 홀을 통과한 도전성 페이스트가 전면전극을 형성함으로써, 페이스트 사용량을 저감하면서도, 전면 전극이 높은 종횡비를 가지면서 균일한 높이로 형성되어 높은 전기전도도를 제공하고, 수광면적을 증가시키도록 이루어지는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법을 제공할 수 있게 된다.
아울러, 전면전극이 제2 영역으로부터 이격됨으로써, 열영향부와 용융형성을 최소화하여 효율 저하가 방지되도록 이루어지는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈을 나타내는 도면.
도 2는 스크린프린팅 장치를 나타내는 사진.
도 3은 종래 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈을 나타내는 도면.
도 4는 레이저 장치를 나타내는 사진.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법을 나타내는 순서도.
도 6은 슁글드 구조의 전극 패턴을 설계하는 프로그램 화면을 나타내는 그림.
도 7은 도 5의 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법에 인쇄단계에서 전면전극이 형성된 실리콘 웨이퍼를 나타내는 도면.
도 8은 도 5의 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법의 커팅단계에서 커팅된 태양전지 셀을 나타내는 도면.
도 9는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 부분단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법은, 버스바 전극과 핑거 전극을 형성하기 위한 개구부들 사이의 지지 구조를 유지하여 전극 간 단절을 방지하고, 극 형성에 대한 미세 선폭을 구현하여 핑거 전극 개수를 늘리도록 이루어진다.
또한, 본 발명의 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법은, 페이스트 사용량을 저감하면서도, 높은 종횡비를 형성하고, 전면 전극을 균일한 높이로 형성하여 높은 전기전도도를 제공하며, 수광면적을 증가시키고, 열영향부와 용융형성을 최소화하여 효율 저하가 방지되도록 이루어진다.
도 1은 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈을 나타내는 도면이다. 도 2는 스크린프린팅 장치를 나타내는 사진이다. 도 3은 종래 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈을 나타내는 도면이다. 도 4는 레이저 장치를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법(S100)을 나타내는 순서도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법(S100)은 태양전지 셀(200)의 전면에 전극을 형성하도록 이루어지며, 시뮬레이션 단계(S110), 제작단계(S120), 인쇄단계(S130) 및 커팅단계(S140)를 포함하여 구성된다.
시뮬레이션 단계(S110)는 슁글드 구조의 전극 패턴(310)을 설계하고 프로그램(300)상에서 전극 패턴(310)의 성능을 시뮬레이션하는 단계이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 슁글드 구조는 분할된 태양전지를 ECA(electrically conductive adhesive)로 접합하고 나서 직렬 또는 병렬로 배열하여 태양전지 모듈을 제작하게 된다.
슁글드 모듈에 적용되는 태양전지는 분할 패턴에 따라 셀(200)의 특성이 변화되고 결과적으로 이를 이용한 모듈의 출력이 제한된다.
도 6은 슁글드 구조의 전극 패턴(310)을 설계하는 프로그램(300) 화면을 나타내는 그림이다. 도 7은 도 5의 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법(S100)에 인쇄단계(S130)에서 전면전극(110)이 형성된 실리콘 웨이퍼(100)를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 프로그램(300)상에서 전극 패턴(310)은 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 설계된다. 실리콘 웨이퍼(100)는 15.675×15.675㎠으로 세팅된다. 커팅단계(S140)에서 15.675×3.1㎠ 크기로 5 분할된다.
프로그램(300)은 Griddler 시뮬레이션 프로그램(300) 등의 전극 패턴(310) 시뮬레이션 프로그램(300)이 사용될 수 있다.
도 6에서 좌측에는 각종 입력 매개변수(Input parameters)을 입력하는 칸이 있고, 우측에는 전극 패턴(310)이 표시된다. 각종 입력 매개변수는 Finger sheet resistance, Busbar sheet resistance, Finger contact resistance, Emitter sheet resistance를 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션 단계(S110)가 완료되면, 제작단계(S120)가 수행된다. 제작단계(S120)는 전극 패턴(310)에 대응되는 홀이 형성된 마스크를 제작하는 단계이다.
마스크는 기존의 스크린 프린팅 방식의 스크린 메시(screen mesh) 타입이 아닌 스텐실 마스크(stencil mask)로 제작된다.
스텐실 마스크는 버스바(111) 전극과 핑거(112) 전극을 형성하기 위한 개구부들 사이의 지지 구조를 유지하면서 전극 간 단절을 방지할 수 있도록 전극 패턴(310)을 형성시킬 수 있는 기술이다.
스텐실 마스크는 전면 전극 형성에 대한 미세 선폭을 구현할 수 있어 핑거(112) 전극 개수를 늘릴 수 있다. 이는 전자의 수집을 원활하게 한다.
스텐실 마스크는 100%의 높은 개구율을 가진다. 따라서 퍼짐 현상이 적은 높은 점도의 Ag paste를 사용하는 것으로 페이스트 사용량을 감소시킬 수 있다. 또한, 인쇄된 전면전극(110)은 높은 종횡비를 가질 수 있어 원하는 전기전도도를 얻을 수 있다.
따라서 스텐실 마스크를 통한 전면 전극 형성은 균일한 높이를 가진다. 또한, 원하는 전기전도도를 제공하면서 전극으로 인해 차지하는 수광면적을 증가시켜 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제작단계(S120)가 완료되면, 인쇄단계(S130)가 수행된다. 인쇄단계(S130)는 마스크를 이용하여 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 전극 패턴(310)을 가진 전면전극(110)을 인쇄하는 단계이다.
인쇄단계(S130)에서 스텐실 마스크의 홀을 통과한 도전성 페이스트가 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 전면전극(110)을 형성하게 된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(100)는 제1 영역(A) 및 제2 영역(B)을 포함한다.
제1 영역(A)은 전면전극(110)이 형성되는 영역을 의미한다. 제2 영역(B)은 레이저로 커팅되는 영역을 의미한다. CL은 레이저가 조사되는 라인을 의미한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래 전면전극(1A)은 실리콘 웨이퍼(2)의 전면에서 핑거 라인(1A1)과 버스바 라인(1A2)이 모두 연결이 되어 있다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 가공에 의한 셀(1) 제작시 셀(200) 표면에 레이저의 열 에너지가 국부적으로 가해져 전면전극(1A)에 열 영향부(Heat Affected Zone)가 발생하게 된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 전면전극(110)은 물론 후면전극(120)도 제2 영역(B)으로부터 이격된다. 따라서 열영향부와 용융 형성을 차단 및 감소시켜 효율 저하를 보완할 수 있다.
그리고 스텐실 마스크 사용에 의해 Ag paste 사용량을 절감하여 제조단가를 낮출 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 인쇄단계(S130)가 완료되면, 커팅단계(S140)가 수행된다. 커팅단계(S140)는 실리콘 웨이퍼(100)를 레이저로 커팅하여 복수의 셀(200)을 형성하는 단계이다.
도 8은 도 5의 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법(S100)의 커팅단계(S140)에서 커팅된 태양전지 셀(200)을 나타내는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 셀(200)들의 후면에는 후면전극(120)이 형성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 슁글드 구조는 분할된 태양전지를 ECA(electrically conductive adhesive)로 접합하고 나서 직렬 또는 병렬로 배열하여 태양전지 모듈을 제작하게 된다.
도 9는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 부분단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 셀(200)들은 전면전극(110)과 후면전극(120)을 전도성 접착제(210)로 접착시켜서 직렬로 접합된다.
이때, 전도성 접착제(210)는 전면전극(110)과 후면전극(120)에 모두 공급될 수 있다. 또는, 전도성 접착제(210)는 전면전극(110)과 후면전극(120) 중 하나에 공급될 수 있다. 그리고 나서 접합 공정이 수행될 수 있다.
전도성 접착제(210)는 전기 저항이 낮아야 한다. 전도성 접착제(210)는 고분자 매트릭스의 수축도 증가, 은 플레이크 표면의 윤활유 막 대체, 환원제 첨가, 저온 천이 액상 필러 사용, 저온 소결 등의 처리를 하여 전기적 저항을 더욱 감소시킬 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 접착제(210)의 이탈이 차단되도록, 전면전극(110) 및 후면전극(120)의 가장자리에 각각 돌출부(P)가 형성될 수 있다. 돌출부(P)는 전면전극(110) 및 후면전극(120)의 가장자리에 전도성 접착제(210)의 이탈을 차단하는 벽을 형성하게 된다.
전면전극(110) 및 후면전극(120)의 돌출부(P)들은 서로 마주할 수 있다. 돌출부(P)들은 도전체나 절연체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 돌출부(P)들은 eutectic solder, High lead solder, lead-free solder 중 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 마스크가 스텐실 마스크로 구비됨으로써, 전면 전극을 형성하기 위한 개구부들 사이의 지지 구조를 유지하여 전극 간 단절을 방지하고, 전면 전극 형성에 대한 미세 선폭을 구현하여 핑거 전극 개수를 늘리도록 이루어지는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법을 제공할 수 있게 된다.
또한, 인쇄단계에서 홀을 통과한 도전성 페이스트가 전면전극을 형성함으로써, 페이스트 사용량을 저감하면서도, 전면 전극이 높은 종횡비를 가지면서 균일한 높이로 형성되어 높은 전기전도도를 제공하고, 수광면적을 증가시키도록 이루어지는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법을 제공할 수 있게 된다.
아울러, 전면전극이 제2 영역으로부터 이격됨으로써, 열영향부와 용융형성을 최소화하여 효율 저하가 방지되도록 이루어지는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법을 제공할 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
S100 : 전극 형성방법
S110 : 시뮬레이션 단계
S120 : 제작단계
S130 : 인쇄단계
S140 : 커팅단계
100 : 실리콘 웨이퍼 1 : 셀
A : 제1 영역 1A : 전면전극
B : 제2 영역 1B : 후면전극
110 : 전면전극 1C : 접착제
111 : 버스바 2 : 실리콘 웨이퍼
112 : 핑거바 1A1 : 핑거 라인
120 : 후면전극 1A2 : 버스바 라인
P : 돌출부 CL : 커팅라인
200 : 셀
210 : 접착제
300 : 프로그램
310 : 전극 패턴

Claims (6)

  1. 슁글드 구조의 전극 패턴을 설계하고, 프로그램상에서 상기 전극 패턴의 성능을 시뮬레이션하는 시뮬레이션 단계;
    상기 전극 패턴에 대응되는 홀이 형성된 마스크를 제작하는 제작단계;
    상기 마스크를 이용하여 실리콘 웨이퍼의 전면에 상기 전극 패턴을 가진 전면전극을 인쇄하는 인쇄단계; 및
    상기 실리콘 웨이퍼를 레이저로 커팅하여 복수의 셀을 형성하는 커팅단계를 포함하되,
    상기 실리콘 웨이퍼는, 상기 전면전극이 형성되는 제1 영역; 및 상기 레이저로 커팅되는 제2 영역을 포함하고,
    상기 전면전극은 상기 제2 영역으로부터 이격되고,
    상기 셀들의 후면에 후면전극이 형성되고,
    상기 셀들이 직렬로 접합되도록, 상기 전면전극과 상기 후면전극을 전도성 접착제로 접착시키고,
    상기 전면전극 및 상기 후면전극의 가장자리에 돌출부가 형성되고,
    상기 돌출부는 상기 전면전극 및 상기 후면전극의 가장자리에 상기 전도성 접착제의 이탈을 차단하는 벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마스크는 스텐실 마스크로 구비되고,
    상기 인쇄단계에서 상기 홀을 통과한 도전성 페이스트가 상기 전면전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼는 15.675×15.675㎠이고, 상기 커팅단계에서 15.675×3.1㎠ 크기로 분할되는 것을 특징으로 하는 슁글드 구조를 갖는 태양전지 모듈의 전면 전극 형성방법.
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