KR102403051B1 - 고전압 태양광 모듈 - Google Patents

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고팰 크리샨 가르그
승 범 임
피터 존 커즌즈
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맥시온 솔라 피티이. 엘티디.
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Abstract

광기전 모듈은 복수의 고전압 광전지(photovoltaic cell)를 포함하는 고전압 광기전 라미네이트를 포함하며, 고전압 광전지 각각은 복수의 서브 셀을 포함한다. 부스트리스 변환 디바이스(boost-less conversion device)는 고전압 광기전 라미네이트로부터의 제1 전압을 제2 전압으로 변환하도록 구성될 수 있다.

Description

고전압 태양광 모듈{HIGH VOLTAGE SOLAR MODULES}
태양 전지로서 흔히 알려진 광전지(photovoltaic(PV) cell)는 전기 에너지로의 태양 방사선의 변환을 위한 잘 알려진 장치이다. 일반적으로, 태양 전지의 기판의 표면 상에 충돌하고 기판 내로 진입하는 태양 방사선은 기판의 대부분에서 전자 및 정공(hole) 쌍을 생성한다. 전자 및 정공 쌍은 기판 내의 p-도핑된(doped) 영역 및 n-도핑된 영역으로 이동함으로써, 도핑된 영역들 사이에 전압차를 생성한다. 도핑된 영역들은 태양 전지 상의 전도성 영역들에 연결되어, 전지로부터의 전류를 외부 회로로 보낸다. PV 전지들이 PV 모듈과 같은 어레이 내에 조합될 때, 모든 PV 전지들로부터 수집된 전기 에너지는 소정의 전압 및 전류를 갖는 전력을 공급할 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에 따른, 물리적으로 분리된 서브 셀을 형성하기 위한 싱귤레이션(singulation) 이전의 태양 전지의 단면도를 예시한다.
도 2는 일부 실시예들에 따른, 물리적으로 분리된 서브 셀을 형성하기 위한 싱귤레이션 이후의 태양 전지의 단면도를 예시한다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 셀 싱귤레이션을 위한 백-스톱(back-stop)으로서 금속을 이용한 한 쌍의 싱귤레이션(singulate)된 서브 셀의 부분의 단면도를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 셀 싱귤레이션을 위한 백-스톱으로서 버퍼 재료를 이용한 한 쌍의 싱귤레이션된 서브 셀의 부분의 단면도를 예시한다.
도 5 내지 도 9는 일부 실시예들에 따른, 서브-셀들로 다이싱된 각각의 태양 전지를 금속화 측방에서의 다양한 예시적 태양 전지들의 평면도를 예시한다.
도 10은 일부 실시예들에 따른, 고전압 PV 모듈의 예를 예시한다.
도 11은 일부 실시예들에 따른, 고전압 모듈 및 부스트리스 전압 변환 디바이스(boost-less voltage conversion device)를 포함하는 시스템의 블록 다이어그램을 예시한다.
도 12a 내지 도 12c는 일부 실시예들에 따른, 예를 들어 96-셀 고전압 모듈의 예시적 성능을 예시한다.
도 13a 내지 도 13d는 예를 들어 96-셀 고전압 모듈의 예시적인 차광 시나리오(shading scenarios)를 예시한다.
도 14a 내지 도 14c는 일부 실시예들에 따른, 예시적인 60-셀 고전압 모듈의 예시적 성능을 예시한다.
하기의 상세한 설명은 사실상 단지 예시적인 것이며, 출원의 요지의 실시예들 또는 그러한 실시예들의 사용들을 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단어 "예시적인"은 "예, 사례 또는 실례로서 역할하는" 것을 의미한다. 본 명세서에 예시적인 것으로 기술된 임의의 구현예들은 다른 구현예들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 반드시 해석되는 것은 아니다. 또한, 전술한 기술분야, 배경기술, 간략한 요약 또는 하기 상세한 설명에서 제시되는 임의의 표현된 또는 암시된 이론에 의해 구애되도록 의도되지 않는다.
본 명세서는 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"의 언급을 포함한다. 어구 "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 특정 특징부들, 구조들 또는 특성들이 본 발명과 일치하는 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
용어. 하기 단락은 본 개시 내용(첨부된 청구범위를 포함함)에서 발견되는 용어에 대한 정의 및/또는 문맥을 제공한다.
"포함하는". 이 용어는 개방형(open-ended)이다. 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, 이 용어는 추가의 구조 또는 단계를 배제하지 않는다.
"~하도록 구성되는". 다양한 유닛 또는 구성요소가 작업 또는 작업들을 수행"하도록 구성되는" 것으로 기술되거나 청구될 수 있다. 그러한 문맥에서, "~하도록 구성되는"은 유닛/구성요소가 동작 동안 그러한 작업 또는 작업들을 수행하는 구조를 포함하는 것을 나타냄으로써 구조를 함축하는 데 사용된다. 따라서, 유닛/구성요소는 특정된 유닛/구성요소가 현재 동작 중이 아닐 때에도(예컨대, 온(on)/활성(active) 상태가 아님) 작업을 수행하도록 구성되는 것으로 언급될 수 있다. 유닛/회로/구성요소가 하나 이상의 작업을 수행"하도록 구성된다"고 기재하는 것은 해당 유닛/구성요소에 대해 35 U.S.C. §112, 제6절을 적용하지 않도록 명백히 의도된다.
"제1", "제2" 등. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이들 용어는 이들 용어가 선행하는 명사에 대한 라벨로서 사용되며, 임의의 유형의 순서화(예컨대, 공간적, 시간적, 논리적 등)를 암시하지 않는다. 예를 들어, "제1" 광기전 모듈의 언급은, 이 광기전 모듈이 차례에 있어서 첫번째 광기전 모듈임을 반드시 의미하는 것은 아닌데, 대신에 용어 "제1"은 이 광기전 모듈을 다른 광기전 모듈(예컨대, "제2" 광기전 모듈)로부터 구별하기 위해 사용된다.
"~에 기초하여". 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이러한 용어는 결정에 영향을 미치는 하나 이상의 인자를 기술하는 데 사용된다. 이러한 용어는 결정에 영향을 미칠 수 있는 추가 인자를 배제하지 않는다. 즉, 결정이 오직 이들 인자에 기초하거나, 적어도 부분적으로 이들 인자에 기초할 수 있다. 어구 "B에 기초하여 A를 결정한다"를 고려해 보자. B가 A의 결정에 영향을 미치는 인자일 수 있지만, 그러한 어구는 C에 또한 기초하는 것으로부터의 A의 결정을 배제하지 않는다. 다른 경우에, A는 오직 B에 기초하여 결정될 수 있다.
"결합된" - 하기의 설명은 함께 "결합된" 요소들 또는 노드(node)들 또는 특징부들을 언급한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, "결합된"은 하나의 요소/노드/특징부가, 반드시 기계적으로는 아니게, 다른 요소/노드/특징부에 직접적으로 또는 간접적으로 결합됨(또는 그것과 직접적으로 또는 간접적으로 연결됨)을 의미한다.
게다가, 소정 용어가 또한 단지 참조의 목적으로 하기 설명에 사용될 수 있으며, 이에 따라 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, "상부", "하부", "위", 및 "아래"와 같은 용어는 참조되는 도면에서의 방향을 지칭한다. "전방", "뒤", "후방", "측방", "외측", 및 "내측"과 같은 용어는 논의 중인 구성요소를 기술하는 본문 및 관련 도면을 참조함으로써 명확해지는 일관된 그러나 임의적인 좌표계 내에서의, 구성요소의 부분들의 배향 및/또는 위치를 기술한다. 그러한 용어는 상기에 구체적으로 언급된 단어, 그것의 파생어, 및 유사한 의미의 단어를 포함할 수 있다.
고전압 태양 전지(본 명세서에서 광전지로도 지칭됨), 태양광 모듈(본 명세서에서 광기전 모듈로도 지칭됨), 및 이들의 응용들이 기술된다. 하기 설명에서, 본 발명의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해, 특정 작업과 같은 다수의 특정 상세 사항이 기재된다. 본 개시 내용의 실시예가 이들 특정 상세 사항 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명의 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않는다.
본 명세서는 우선 고전압 웨이퍼(예컨대, 태양 전지) 및 PV 모듈을 생성하는 예시적 구조물 및 기법들을 기술하고, 이어서 부스트리스 전압 변환 디바이스들을 구비한 다양한 예시적인 고전압 모듈에 대한 기술을 제공한다. 다양한 예들이 본 명세서 전반에 걸쳐 제공된다.
일부 실시예들에서, 태양 전지들은 예컨대, 2개, 4개, 16개, 등의 더 작은 개별적 다이오드들로 다이싱됨으로써, 더 작아진 영역에 의함은 물론, 접촉 핑거를 따른 전류 전송 길이가 더 짧아짐에 의해 전류가 감소된다.
일 실시예에서, 각각의 서브 셀은 다이싱되고 이어서 함께 상호연결될 수 있는 반면, 다른 실시예들에서, 모듈 상호연결을 증가시키거나 더 작은 셀들의 핸들링을 요구하지 않으면서도 태양 전지 웨이퍼의 다이싱 또는 싱귤레이션을 가능하게 할 핸들로서 금속화를 이용함에 의해 고전압 웨이퍼 및 태양 전지가 생성될 수 있다. 예시적 일 실시예에서, 단일의 태양 전지(예컨대, 125 cm, 156 cm, 210 cm)는 모듈 전류 및 전압의 유연성(flexibility)은 물론, 금속화의 유연성을 허용하기 위해 더 작은 셀들로 세분화(subdivide)된다.
모듈 전류 및 전압 유연성을 나타내 줄 예로서, 단일 규소 P/N 다이오드가 0.6 내지 0.74 V의 개방 회로 전압(Voc)을 갖는 시나리오를 고려한다. 일부 태양 전지들의 경우 최대 전력 전압(Vmp)은 대략 0.63V이다. 따라서, 단일 다이오드 셀은 0.63V의 전압을 가질 것이다. 이와 같은 예에서, 10개의 서브-다이오드가 단일의 전체 영역 웨이퍼(full-area wafer) 상에 제조되고 직렬로 연결된 경우(도 9의 예에 예시된 바와 같음), (전류의 대략 10분의 1, 또는 표준 셀에 대해 약 0.5A에서) 전체 셀에 대한 전압은 6.3V가 될 것이다. 이러한 전압의 96개 셀들을 모듈로서 직렬 배치할 경우, 모듈 동작 전압은 ~604.8V DC가 될 것이며, 따라서 표준 모듈 Vmp인 30-65V DC에 대해 반대되는 고전압 모듈을 생성하게 된다. 본 명세서에서 사용되는 고전압 모듈이란 고전압 모듈인 동일 크기의 표준 모듈의 Vmp의 10배의 대략 절반의 Vmp를 갖는 모듈을 의미한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 이러한 전압 범위를 갖는 고전압 모듈에 대한 하나의 응용은 인버터 또는 전력 최적화기 내부의 전력 전자에 대한 필요를 간략화, 감소, 또는 심지어 제거할 수 있는 능력이다.
일부 실시예들에서, 부모 셀(parent cell) 내부에 서브 셀들을 함께 유지하고 이들의 기계적 무결성을 제공하기 위해 금속화 스킴이 이용됨으로써, 모듈을 구성할 때 부가적 핸들링 복잡도가 필수적으로 요구되지 않고, 셀들이 물리적으로 분리된 채로 유지된다. 일부 실시예들은 서브 셀 상호연결 내의 내장형 스트레인 완화부(built-in strain-relief)의 사용을 추가로 수반한다. 기술된 실시예들은 핸들링 복잡도나 제조상의 금속화 문제, 또는 증가된 필드 신뢰성 우려 없이 더 큰 웨이퍼로의 스케일러빌리티(scalability)를 가능하게 할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 모놀리식 금속화 구조물은 싱귤레이션 이전에 서브 셀들을 함께 묶기 위한 백플레인으로서 이용될 수 있다. 이와 같은 실시예들에서, 금속화 구조물의 배면과 구별되는 개별적인 백플레인은 요구되지 않는다. 본 접근법은 개별적 서브 셀 핸들링 또는 금속 상호연결들의 부가적 레벨을 요구하지 않으면서, 대응하는 부모 셀 상의 셀간 연결(inter-cell connection)을 가능하게 한다. 또한, 상호연결의 내장형 금속화를 허용하고 따라서 종래의 상호연결 패드로 인한 죽은 공간을 제거하거나 크게 감소시킨다. 본 발명에 기술된 실시예들에 따르면, 하프 셀, 쿼터 셀, 10-셀 또는 6-셀 설계를 이용한 몇가지 예시적 레이아웃들이 보다 상세히 아래와 같이 기술된다. 일부 배열들에서, 3x3, 4x4, 또는 부모 셀을 포함한 일부의 다른 서브 셀 구성을 포함하는 설계 같은 다른 설계들이 고려됨을 유의한다. 일부 실시예들은 배면 접점 태양 전지에 관한 것으로, 일부 실시예들은 제어가능한 전압 및 전류를 갖는 다이싱된 멀티-다이오드 셀의 제조, 가변 전압 및 전류를 갖는 모듈, 및 비교적 큰 셀들의 제조를 가능하게 한다.
다양한 실시예들에서, 균열(crack)의 위험을 감소시키기 위하여, 셀간 상호연결을 위한 스트레인 완화부를 내장시키는 설계가 전술된 싱귤레이션 접근법과 함께 구현된다. 더 나아가, 일부 실시예들에서, 에지 손실(edge loss)을 감소시키기 위한 접근법들이 구현된다. 이와 같은 일 실시예에서, 태양 전지의 수광 표면을 텍스처화하기 이전에 프리-그루빙(pre-grooving)이 수행된다. 뒤이어 파단 공정(break process), 및 가능하게는 후-격리 패시베이션 공정(post-isolation passivation process)이 따른다.
다양한 실시예들에서, 기판 또는 웨이퍼(예컨대, 규소) 격리 공정 도중 금속의 손상 위험을 해결하기 위한 접근법들이 기술된다. 일 실시예에서, 어블레이션 스톱(ablation stop)으로서 버퍼 재료를 이용하여 금속이 직접적으로 스크라이브되지 않도록 함에 의해 손상이 제거되거나 또는 적어도 완화된다.
부가적 위험들로서 기부(base)를 통한 분로를 포함할 수 있는데, 이는 예컨대 Si의 완전하지 않은 격리, 또는 격리된 Si 영역들이 사이클 동안 서로에 대해 접촉함에 의한 것이다. 하나 이상의 실시예들에서는, 분로의 위험 및 규소의 마모를 완화하기 위해 개별적 규소 부분들 사이의 그루브를 채우기 위한 봉지재를 도입함에 의해 이러한 문제들을 해결한다. 이러한 일 실시예에서, 에지를 패시베이션하고 절연화하기 위한 일차 또는 이차 반사 방지 코팅(ARC) 층으로서 금속 내성 패시베이션 재료가 이용된다.
도면과 연관하여 아래에서 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 본 발명에 기술된 특정 실시예들은 대략 20 마이크로미터 초과의 두께를 갖는 금속 또는 금속화 구조물들을 이용함으로써, 그렇지 않은 경우 셀을 함께 유지하기 위해 금속을 이용함에 따른 태양 전지 내의 규소(Si)-균열과 연관된 전력 손실을 방지할 수 있다는 이해에 기초하여 구현될 수 있다. 본 발명에 기술된 실시예들은 (예컨대, 도금, 또는 포일, 또는 리본, 등에 의해) 서브 셀들을 갖는 전체 영역 웨이퍼로 접합되는 금속 구조물을 제공한다. 금속은 서브 셀 상호연결부들이 서브 셀 금속화와 동일한 동작으로 형성되게끔 패턴화된다. 추가로, 서브 셀들은 Si가 이격되어 정수 개의 서브-다이오드를 제공하도록 풀 셀(full cell) 내부에 배열되며, 결과적인 금속화 구조물을 통해 연결된다. 충분한 두께의 금속화 구조물을 이용한 연결에 뒤이어 다이오드들이 격리될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 도금 또는 형성 도중 금속이 셀들 사이에 둥근 그루브와 같은 스트레인 완화 특징부를 포함하도록 패턴화될 수 있다. 격리에 이어서, 에지들이 패시베이션 및/또는 절연화될 수 있으며, 이는 둘 다 에지에서의 재조합(recombination)으로 인한 전력 손실을 제한하고, 또한 분로에 대한 절연을 제공하기 위함이다.
본 발명에 수반된 개념들의 일부의 예시적 표현으로서, 도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 물리적으로 분리된 서브 셀을 형성하기 위한 싱귤레이션의 각각 이전과 이후의 태양 전지의 단면도를 예시한다.
도 1을 참조하면, 태양 전지(100)는 그 상에 배치된 금속화 구조물(104)을 갖는 기판(102)을 포함한다. 태양 전지(100)는 교호하는 N형 및 P형 영역을 기판(102) 내부 또는 기판(102) 상에 포함한다. 아래에서 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 일 실시예에서, 금속화 구조물(104)은 모놀리식 금속화 구조물이다. 도 2를 참조하면, 태양 전지(100)는 서로 물리적으로 분리된 서브 셀(108, 110)을 갖는 태양 전지(106)를 제공하기 위해 싱귤레이션 또는 다이싱되었다. 아래에서 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 일 실시예에서, 태양 전지(100)는 레이저 어블레이션을 이용하여 싱귤레이션된다. 일 실시예에서, 싱귤레이션에 따라 형성된 결과적인 그루브(112)는 도 2에 도시된 바와 같이 봉지재 재료(114)를 이용하여 채워진다. 일 실시예에서, 도 2에 또한 도시된 바와 같이, 금속화 구조물(104)의 부분(116)이 2개의 서브 셀(108, 110)을 브리지(bridge)한다. 특정 실시예에서, 서브 셀(108, 110)은 직렬 또는 병렬 다이오드 구조물들을 제공하며, 이들의 예가 이하에 상세히 기술된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 다이싱 도중, 예컨대 기판(102) 재료의 레이저 어블레이션 도중, 금속화 구조물(104)의 부분(116)은 기계적 지지 및 백-스톱 둘 모두로서 이용된다. 특정한 제1의 예에서, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 셀 싱귤레이션을 위한 백-스톱으로서 금속을 이용한 한 쌍의 싱귤레이션된 서브 셀의 부분의 단면도를 예시한다. 도 3을 참조하면, 기판(102)의 싱귤레이션에 따라 서브 셀들(108, 110)이 그 사이에 그루브(112)를 가지고 형성된다. 금속화 구조물(104)의 부분(116)은 기판(102)의 배면 표면 상에 직접적으로 형성되며, 따라서 싱귤레이션 도중 금속 또는 금속성 영역이 백-스톱으로서 이용된다.
특정한 제2의 예에서, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 셀 싱귤레이션을 위한 백-스톱으로서 버퍼 재료(예컨대, 중합체)를 이용한 한 쌍의 싱귤레이션된 서브 셀의 부분의 단면도를 예시한다. 도 4를 참조하면, 기판(102)의 싱귤레이션에 따라 서브 셀들(108, 110)이 그 사이에 그루브(112)를 가지고 형성된다. 그러나, 금속화 구조물(104)의 부분(116)은 중합체 영역(120) 상에 형성되고, 이는 이어서 기판(102)의 배면 표면 상에 직접적으로 형성되며, 따라서 싱귤레이션 도중 버퍼 재료가 백-스톱으로서 이용된다. 아래에서 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 도 3 및 도 4의 어느 경우에서라도, 일 실시예에서, 금속화 구조물(104)은 모놀리식 금속화 구조물로서 간주될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 추가로, 일 실시예에서, 어느 경우에서라도, 서브 셀 상호연결부는 서브 셀 금속과 동일한 동작으로 제조된다. 대안적으로, 서브 셀 상호연결부는 외부에서 적용될 수 있으나, 추가의 공정 동작들이 필요할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 보다 일반적으로, 일 실시예에서, 태양 전지는 복수의 서브 셀을 포함한다. 서브 셀들 각각은 싱귤레이션되고 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분을 갖는다. 싱귤레이션되고 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분 중 인접한 부분들은 그 사이에 그루브를 갖는다. 태양 전지는 또한 금속화 구조물을 포함한다. 금속화 구조물의 부분은 복수의 서브 셀 중의 서브 셀들을 결합시킨다. 또한, 싱귤레이션되고 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분 중의 인접한 부분들 사이의 그루브가 금속화 구조물의 부분을 노출시킨다.
일 실시예에서, 금속화 구조물은 포일(예컨대, 전도성 포일, 예컨대 부가적 시드층을 구비하거나 구비하지 않은 알루미늄 포일)로 제조되거나 도금 공정에 의해 제조된다. 이러한 일 실시예에서, 비교적 두꺼운(예컨대, >25um) 백 메탈(back metal)이 이용되는 경우, 부분적 레이저 어블레이션에 대한 얼마간의 허용오차가 금속 내로 수용될 수 있다. 그러나, 얇은 금속화 구조물(예컨대, <25um)이 이용되는 경우, 신뢰성 테스트를 통과하기 위해 요구되는 금속의 전자적 및 물리적 완전성을 유지하기 위해, 금속화 구조물의 임의의 스크라이브 없이 어블레이션이 중지되어야 할 필요가 있다. 금속화 구조물은 도금, 인쇄에 의해, 접합 절차를 사용하여(예컨대, 포일의 경우) 제조될 수 있고, 또는 침착, 리소그래피, 및 에치 접근법에 의해 제조될 수 있다.
일 실시예에서, (도 4와 연관하여 기술된 바와 같이) 버퍼 스톱이 구현된 경우, 버퍼 스톱은 폴리이미드와 같은 중합체이다. 중합체는 전체적으로 침착되고 난 후 패턴화되거나, 또는 다만 요구될 경우에만 예컨대 인쇄에 의해 침착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 이러한 버퍼 스톱은 유전체 재료, 한정되는 것은 아니나 예컨대 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiN) 또는 산질화규소(SiON)로 구성된다. 이와 같은 일 실시예에서, 유전체 재료는 저압 화학 증착(LPCVD), 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD), 고밀도 플라즈마 화학 증착(HDPCVD) 또는 물리 증착(PVD)과 같은 그러나 이로 한정되지 않는 침착 기술을 이용하여 형성된다.
본 발명에 기술된 하나 이상의 실시예들은 모든 서브 셀들에 걸쳐 단일-레벨 '모놀리식'인 금속화의 구현을 수반함을 이해해야 할 것이다. 따라서, 결과적인 셀 금속화는 상호연결 금속화와 동일할 수 있으며, 동시에 동일한 공정으로 제조될 수 있다. 이와 같은 일 실시예에서, 모놀리식 금속화 구조물의 이용은 모든 다이오드의 금속화에 후속하여 완료된 셀 이격화의 구현으로 이어진다. 그러나 다른 실시예들에서, 다단계 공정이 이용될 수 있다. 좀 더 상세한 실시예들에서, 모놀리식 금속화 접근법은 모놀리식 금속화 구조물이 그 위에 형성된 버퍼 또는 보호층(예컨대, 도 4에 기술된 바와 같음)과 함께 구현된다. 아래에서 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 이와 같은 실시예들은 금속 자체의 노출 없이 버퍼 또는 보호층 상에서 어블레이션이 정지하도록 허용할 수 있다.
도 2와 연관하여 기술되는 바와 같이, 다이싱된 태양 전지는 싱귤레이션되고 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분 중 인접한 부분들 사이의 그루브 내에 배치된 봉지재 재료(예컨대, EVA, 폴리-올레핀, 등)를 추가로 포함한다. 이와 같은 일 실시예에서, 봉지재는 인접한 서브 셀 부분 사이의 내마모성은 물론 분로 내성을 제공한다. 일 실시예에서, 봉지재 재료는 대략 1000V/cm 초과의 절연파괴 강도를 가짐으로써, 재료가 인접한 서브 셀들 사이에 적절히 분로 보호를 제공한다. 일 실시예에서, 적용된 봉지재는 봉지재 재료가 싱귤레이션의 결과인 얇은 그루브 내로 확실히 흘러 들어가게 하기 위해, 충분히 낮은 점성, 또는 높은 용융-흐름(melt-flow)을 가진다. 일 실시예에서, 봉지재에 의해 그루브를 채우는 것은 Si/금속/중합체 복합재의 형성을 통해 시스템의 기계적 강도를 개선하는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다이싱된 태양 전지의 각각의 서브 셀은 대략적으로 동일한 전압 특성과 대략적으로 동일한 전류 특성을 갖는다. 일 실시예에서, 복수의 서브 셀은 복수의 병렬 다이오드(in-parallel diode), 직렬 다이오드(in-series diode), 또는 이들의 조합이다. 일 실시예에서, 태양 전지, 그리고 이에 따라 서브 셀 부분들은 배면 접점 태양 전지이고, 금속화 구조물은 싱귤레이션되고 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분들 각각의 배면 표면 상에, 수광 표면에 대향하여 배치된다. 이와 같은 일 실시예에서, 서브 셀들 각각의 배면 표면은 대략적으로 동일한 표면적을 갖는다. 아래에서 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 특정 실시예에서, 서브 셀들 각각의 수광 표면은 텍스처화된 표면이다. 다른 실시예들에서, 태양 전지는 전면 접점 태양 전지이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 싱귤레이션되고 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분 각각은 N형 단결정 기판으로 제조된 것과 같은 벌크 단결정 규소 기판 부분이다. 이와 같은 일 실시예에서, 각각의 규소 부분은 기판 자체에 형성된, 하나 이상의 N+ 영역(예컨대, 인 또는 비소 도핑 영역) 및 하나 이상의 P+ 영역(예컨대, 붕소 도핑 영역)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 각각의 규소 부분은 규소 기판 위에 형성된, 하나 이상의 다결정 규소 N+ 영역 및 하나 이상의 다결정 규소 P+ 영역을 포함한다.
싱귤레이션된 태양 전지 내의 서브 셀들의 수와 전기적 결합의 다양한 배열들이 본 발명에 기술된 실시예들의 기술 사상 또는 권리 범위 내에서 고려될 수 있음이 이해될 것이다. 또한 비록 도 5 내지 도 9의 예들이 다양한 예(예컨대, 2x2 또는 2x1)의 서브 셀 배열들을 예시하고 있으나, 일부 실시예들에서, 다른 배열들(예컨대, 3x3, 4x4, 등)이 이용될 수도 있다. 추가적으로, 비록 도 5 내지 도 9의 예들이 직렬 또는 병렬 배열들을 예시하고 있으나, 일부 실시예들에서, 직렬 및 병렬 배열의 조합이 구현될 수 있다.
제1의 예에서, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 4개의 서브 셀들로 다이싱된 태양 전지(400A)의 금속화 측방에서의 평면도를 예시한다. 도 5를 참조하면, 태양 전지(400A)가 싱귤레이션되어 4개의 서브 셀(402A, 404A, 406A, 408A)을 제공한다. 서브 셀들 각각이 만나는 곳에 쿼드-셀 설계를 함께 유지하기 위해 금속화 라인들(410A)이 이용된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 스트레스-완화 특징부들(420A)이 금속화 라인들(410A) 내에 포함된다. 추가적으로, 제1 다음 셀 위치(412A) 및 제2 다음 셀 위치(414A)에 결합하는 금속화가 도시된다.
다시 도 5를 참조하면, 다이오드 개략도(450A)는 병렬 쿼드-셀 설계의 전기적 구성을 예시한다. 일 실시예에서, 개별적 서브 셀들은 풀-사이즈 단일 다이오드 셀의 ¼ 전류이고, 단일 다이오드 셀과 동일한 전압을 갖는 반면, 조합된 4-다이오드 풀 셀은 풀-사이즈 단일 다이오드 셀과 동일한 전류 및 동일한 전압을 갖는다. 최저 재조합 포스트 격리를 이용하여 확산 영역 상에 스크라이브 절단이 수행될 수 있다. 금속 라인 길이는 ¼ 셀 브리지를 가진 표준 셀의 ½로서, 동일 크기 셀에 대해 금속 두께의 감소를 가능케 하거나, 금속 두께의 증가를 필요로 하지 않으면서 더 큰 웨이퍼로 스케일링(scale)을 허용할 수 있다.
제2의 예에서, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 4개의 서브 셀들로 다이싱된 다른 태양 전지(400B)의 금속화 측방에서의 평면도를 예시한다. 도 6을 참조하면, 태양 전지(400B)가 싱귤레이션되어 4개의 서브 셀(402B, 404B, 406B, 408B)을 제공한다. 서브 셀들 각각이 만나는 곳에 쿼드-셀 설계를 함께 유지하기 위해 금속화 라인들(410B)이 이용된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 스트레스-완화 특징부들(420B)이 금속화 라인들(410B) 내에 포함된다. 추가적으로, 제1 다음 셀 위치(412B) 및 제2 다음 셀 위치(414B)에 결합하는 금속화가 도시된다.
다시 도 6을 참조하면, 다이오드 개략도(450B)는 병렬 쿼드-셀 설계의 전기적 구성을 예시한다. 일 실시예에서, 개별적 서브 셀들은 풀-사이즈 단일 다이오드 셀의 ¼ 전류이고, 단일 다이오드 셀과 동일한 전압을 갖는 반면, 조합된 4-다이오드 풀 셀은 풀-사이즈 단일 다이오드 셀과 동일한 전류 및 동일한 전압을 갖는다. 최저 재조합 포스트 격리를 이용하여 확산 영역 상에 스크라이브 절단이 수행될 수 있다. 금속 라인 길이는 표준 셀의 ¼로서, 동일 크기 셀에 대해 금속 두께의 감소를 가능케 하거나, 금속 두께의 증가를 필요로 하지 않으면서 더 큰 웨이퍼로의 스케일링을 허용할 수 있다.
제3의 예에서, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 병렬 배열의 2개 서브 셀들로 다이싱된 태양 전지(500A)의 금속화 측방에서의 평면도를 예시한다. 도 7를 참조하면, 태양 전지(500A)가 싱귤레이션되어 2개의 서브 셀(502A, 504A)을 제공한다. 서브 셀들 각각이 만나는 곳에 듀얼-셀 설계를 함께 유지하기 위해 금속화 라인(510A)이 이용된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 스트레스-완화 특징부들(520A)이 금속화 라인들(510A) 내에 포함된다. 추가적으로, 제1 다음 셀 위치(512A) 및 제2 다음 셀 위치(514A)에 결합하는 금속화가 도시된다.
다시 도 7을 참조하면, 다이오드 개략도(550A)는 병렬 듀얼-셀 설계의 전기적 구성을 예시한다. 일 실시예에서, 개별적 서브 셀들은 단일 다이오드 풀 셀의 ½ 전류이고, 단일 다이오드 셀과 동일한 전압을 갖는 반면, 조합된 2-다이오드 풀 셀은 풀-사이즈 단일 다이오드 셀과 동일한 전류, 동일한 전압을 갖는다. 최저 재조합 포스트 격리를 이용하여 확산 영역 상에 스크라이브 절단이 수행될 수 있다. 금속 라인 길이는 표준 셀의 ½로써, 2개의 하프 셀을 함께 유지하는 단일의 금속 조인트를 제공한다.
제4의 예에서, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 직렬 배열의 2개 서브 셀들로 다이싱된 태양 전지(500B)의 금속화 측방에서의 평면도를 예시한다. 도 8을 참조하면, 태양 전지(500B)가 싱귤레이션되어 2개의 서브 셀(502B, 504B)을 제공한다. 서브 셀들 각각이 만나는 곳에 듀얼-셀 설계를 함께 유지하기 위해 금속화 라인(510B)이 이용된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 스트레스-완화 특징부들(520B)이 금속화 라인들(510B) 내에 포함된다. 추가적으로, 제1 다음 셀 위치(512B) 및 제2 다음 셀 위치(514B)에 결합하는 금속화가 도시된다.
다시 도 8을 참조하면, 다이오드 개략도(550B)는 직렬 듀얼-셀 설계의 전기적 구성을 예시한다. 일 실시예에서, 서브 셀은 단일 다이오드 풀 셀 ½ 전류, 동일 전압으로서, 조합된 풀 셀은 동일 크기의 단일 다이오드 셀의 전류의 ½이나, 2배 전압이다. 스크라이브 절단이 이미터 접합을 따라 수행될 수 있다. 금속 라인 길이는 표준 셀의 ½로써, 2개의 하프 셀을 함께 유지하는 단일의 금속 조인트를 제공한다.
도 9를 참조하면, 다른 예가 도시된다. 예시된 바와 같이, 도 9는 직렬 연결로 배열된 10개의 서브-다이오드를 이용하여 제조된 풀-사이즈 셀을 도시한다. 이러한 조합된 셀의 전압은 동일 크기의 단일 다이오드-셀의 10배(10x)이다. 일 예시로서, 그러한 전압은 6.3 Vmp일 수 있다. 조합된 셀의 전류는 원래 셀의 전류의 1/10(예컨대, 약 0.5A)이 될 수 있다. 이러한 유형의 고전압 전지는 모듈, 예컨대, ~600V의 모듈 전압을 생성할 수 있는 96 셀 모듈에 이용될 수 있다. 이러한 유형의 셀 설계에 있어 10배(10x)의 전류 감소는 저항 가열에 의해 초래되는 피크 온도의 감소를 통해 신뢰성과 안정성을 개선할 수 있게 한다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 인버터를 이용한 AC 전력 응용, 또는 DC 전압 최적화기를 이용한 응용에서 이와 같은 고전압 전지 및 고전압 모듈을 이용함으로써, 인버터 또는 전력 최적화기 출력에 부합하도록 전압을 스케일링하여 구성 요소 비용의 절약이라는 결과를 가져올 수 있다(예컨대, 승압 전력 전자의 경우 표준 패널 전압(예컨대, ~30-65V)으로부터 전형적인 주거용 또는 상업용 전력 필요(예컨대, ~240Vrms AC)로 변환해야 할 필요를 감소시키거나 제거하는 결과를 가져옴).
이제 도 10을 참조하여 고전압 모듈의 예를 예시한다. PV 모듈은 정상 작동 동안에 태양에 대면하는 전면, 및 전면의 반대편에 있는 후면을 갖는다. PV 모듈은 프레임, 및 복수의 PV 전지를 포함하는 라미네이트를 포함할 수 있다. 라미네이트는 PV 전지를 둘러싸고 봉입하는 하나 이상의 봉지 층(encapsulant layer)을 포함할 수 있다. 커버(예컨대, 유리, 또는 투명하거나 또는 실질적으로 투명한 몇몇 다른 재료)가 봉지 층에 라미네이팅(laminate)될 수 있다. 층들은 라미네이트의 최후방 층인 백시트를 가질 수 있고, 라미네이트의 나머지를 보호하는 내후성의 전기적 절연 층을 제공한다. 백시트는 중합체 백시트일 수 있으며, 라미네이트의 봉지 층(들)에 라미네이팅될 수 있거나, 봉지 층들 중 하나와 일체일 수 있다.
도 10은 PV 모듈(1000)의 배면을 예시한다. PV 전지, 버스바, 및 커넥터와 같은 소정 컴포넌트들이 도 10에 파선으로 예시되는데, 이는 이들 컴포넌트들이 백시트에 의해 적어도 부분적으로 덮일 수 있으며 따라서 배면에서 보면 도시된 바와 같이 가시화되지 않을 수 있음을 표현하기 위함을 유의한다. 도 10의 이와 같은 도시는 PV 모듈(1000)의 다양한 컴포넌트들에 대한 이해의 용이를 위해 제공된 것이다.
도시된 바와 같이, 고전압 모듈(1000)은 복수의 고전압 PV 전지를 포함할 수 있다. 비록 PV 모듈(1000)은 48 PV 전지(1002)의 어레이로 예시되었으나, 다른 PV 모듈은 다른 수의 PV 전지, 예컨대, 60 셀, 96 셀, 128 셀, 등을 포함할 수 있다. 게다가, 상세히 도시되지 않았으나, 6개 열들은 주어진 열 내의 인접한 PV 셀(1002)들이 열 내의 하나 이상의 다른 인접한 PV 셀(1002)들과 직렬 연결되도록 상호연결된다. 도시된 바와 같이, PV 전지(1002)의 2개 열의 그룹들이 전지 연결 편들(1004)에 의해 직렬로 연결되어 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 고전압 태양 전지들은 예를 들어 기술된 모놀리식 금속화/싱귤레이션 기법에 따라, 또는 종래의 기법들에 따라 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 서브 다이오드들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 고전압 모듈(1000)은 96셀 모듈로서, 셀들이 도 9에 기술된 서브 셀 배열을 가짐으로써 결과적으로 ~600V의 Vmp를 가진 모듈이 될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 서브 셀들이 상호연결된 방식(예컨대, 직렬, 병렬, 또는 이들의 일부 조합)과는 무관하게, 그와 같은 상호연결된 서브 셀을 포함한 셀은 직렬로 연결될 수 있다.
셀의 각각의 열/스트링의 일단에서, 버스바(1006)는 셀의 스트링을 접속함(1008)에 전기적으로 결합시킨다. 이에 따라 접속함(1008)은 PV 모듈(1000)의 백시트(또는 프레임)에 기계적으로 결합된다. 이러한 실시예에서, 버스바(1006)가 백시트를 관통함에 따라 버스바(1006)가 접근가능해지며 접속함(1008)으로 결합될 수 있다. 접속함(1008)은 또한 DC 전력 최적화기의 인버터(예컨대, 마이크로인버터)와 같은 전력 변환 디바이스(1010)에 (예컨대, 케이블을 통해) 결합될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전력 변환 디바이스(1010)는 접속함(1008)의 하우징 내부/내에 하우징될 수 있으나, 다른 실시예들에서, 전력 변환 디바이스(1010)는 접속함(1008)의 외부에 위치될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 고전압 모듈의 이용은 전력 변환 디바이스에서 전력 전자에 대한 필요를 최소화함으로써 전력 변환 디바이스에 요구되는 공간의 양을 감소시킬 수 있다. 상세하게는, 일 실시예에서, 전력 변환 디바이스는 부스트리스 전압 변환 디바이스일 수 있다. 결과적으로, 일 실시예에서, 전력 변환 디바이스의 전자(electronics)는 전력 변환 디바이스가 접속함(1008) 내에 맞도록 충분히 작을 수 있다.
이제 도 11을 참조하면, 고전압 모듈(1100a-1100n) 및 부스트리스 전압 변환 디바이스(1110a-1100n)를 포함하는 시스템(1100)의 블록 다이어그램이 예시되어 있다. 도시된 바와 같이, 고전압 모듈(1100a)은 출력으로서의 고전압(1130a)(예컨대, 300V DC, 600V DC, 등)을 부스트리스 전압 변환 디바이스(1110a)에 제공한다. 전압은 이미 고전압이기 때문에, 부스트리스 변환 디바이스(1110a)는 부스트 스테이지, 또는 벅-부스트 스테이지 및 금속 필름 저장소를 포함하지 않는다.
다양한 실시예들에서, 부스트리스 변환 디바이스(1110a)는 제1 전압(예컨대, 고전압 DC)으로부터 제2 전압으로 변환하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 부스트리스 변환 디바이스(1110a)는 제2 전압으로부터 제3 전압으로 추가로 변환할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 전압은 고전압 모듈로부터의 고전압 DC(예컨대, ~600V)일 수 있고, 제2 전압은 반파 정류의 중간 전압일 수 있고, 제3 전압은 그리드-대비 AC 전압(grid-ready AC voltage)(예컨대, 120/240V AC)일 수 있다. 이러한 예에서, 제2 전압은 중간 전압이다. 일부 실시예들에서, 예를 들어 DC 전력 최적화기 응용에서, 제1 및 제2 전압 둘 모두가 DC 전압이며, 부스트리스 변환 디바이스에 대한 입력 및 출력 사이의 중간 전압은 없을 수 있다. 다양한 실시예들에서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 Vmp > 1.43 Vgrid를 갖는다.
예시된 바와 같이, 부스트리스 변환 디바이스(1110a)는 고주파수 격리 변압기(1112a) 및 AC 언폴딩 스테이지(AC unfolding stage, 1114a)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 부스트리스 변환 디바이스(1110a)가 (예컨대, 격리를 이용한) DC 전력 최적화기인 실시예들에서, AC 언폴딩 스테이지(1114a)는 존재하지 않을 수 있음을 유의한다.
일 실시예에서, 고주파수 격리 변압기(1112a)는 다운스트림 컴포넌트들로부터 고전압 모듈(1100a)을 격리시키면서, 고전압(1130a)을 전송하도록 구성된다. 고주파수 격리 변압기(1112a)는 대략 100 ㎑ 초과의 스위칭 주파수를 가지므로 고주파수로 지칭되며, 따라서 100 ㎑ 초과의 주파수에서 스위치하도록 구성된다. 스위칭은 고전압에서 이루어지므로 고주파수 격리 변압기가 이용될 수 있다. 게다가, 고주파수 스위칭을 이용함에 의해, 보다 작은 자기가 이용될 수 있고, 이에 의해 보다 적은 열 소산(heat dissipation)을 갖는 보다 작은 격리 변압기가 허용된다. 따라서, 보다 작은 전압 변환 디바이스가 이용될 수 있으며, 이는 접속함 내부로의 통합을 허용할 수 있다.
부스트리스 변환 디바이스(1110a)가 마이크로인버터인 실시예에서, 고주파수 격리 변압기(1112a)는 전송된 고전압을 AC 언폴딩 스테이지(1114a)로 제공할 수 있다. 격리 변압기의 경우에서와 마찬가지로, AC 언폴딩 스테이지(1114a)는 고주파수(예컨대, > 100 ㎑) 스위칭 디바이스를 이용하여 설계될 수 있다. 일 실시예에서, AC 언폴딩 스테이지(1114a)는 사이클로-컨버터 기반 AC 언폴딩 스테이지일 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, AC 언폴딩 스테이지(1114a)는 전압을 그리드-대비 AC 전압으로 변환시키도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 여러개의 고전압 패널 및 대응하는 부스트리스 변환 디바이스들이 시스템의 일부가 될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 고전압 PV 모듈이 제1 부스트리스 마이크로인버터에 결합되고, 제2 고전압 PV 모듈이 제2 부스트리스 마이크로인버터에 결합되고, 등이다. 제2 부스트리스 마이크로인버터로부터의 출력은 직렬 또는 병렬로 함께 결합되고 이어서 그리드에 묶여질 수 있다. 따라서, 시스템은 다수의 고전압 패널 및 부스트리스 변환 디바이스를 스트링 내에 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 각각의 고전압 패널 및 부스트리스 변환 디바이스는 그리드에 직접적으로 결합된다. 다른 실시예들에서, 기술된 시스템은 그리드리스(grid-less) 응용으로 구현될 수 있다.
도 11은 고전압 모듈과 부스트리스 변환 디바이스와의 일대일 대응을 예시하였으나, 다른 실시예들에서, 다수의 고전압 모듈이 특정의 부스트리스 변환 디바이스에 결합될 수 있고(예컨대, 마이크로인버터 당 2개의 고전압 모듈), 또는 다수의 부스트리스 변환 디바이스가 특정의 고전압 모듈에 결합될 수 있다(예컨대, 고전압 모듈 당 2개의 마이크로인버터). 일 실시예에서, 마이크로인버터 당 고전압 모듈의 구성은 VIN<1 ㎸을 충족하도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 고전압 모듈이 1 ㎸ DC의 Vmp를 갖는 경우, 다만 하나의 고전압 모듈이 특정 마이크로인버터에 출력할 수 있는 반면, 각각의 고전압 모듈이 300V의 Vmp를 갖는 경우, 1개, 2개, 또는 3개의 고전압 모듈이 단일의 공유 마이크로인버터로 출력할 수 있다. 다른 예들이 또한 존재한다.
도 12a 내지 도 12c는 예를 들어 도 13a 내지 도 13d의 차광 시나리오에서의 96-셀 고전압 모듈의 예시적 성능을 예시한다. 도시된 바와 같이, 도 13a 내지 도 13d는 각각의 셀이 9개의 서브 셀로 다이싱된, 8열의 12셀을 갖는 96-셀 모듈 상의 차광을 예시한다. 도 13a, 도 13b, 도 13c, 및 도 13d는 2%, 5%, 9%, 및 17% 차광을 각각 예시한다. 이러한 차광은 나무, 빌딩 구조물(예컨대, 굴뚝, 위성 접시, 등)으로부터 나온 것일 수 있으며, 하루의 경과에 따라 크기 및 패턴이 변경될 수 있다. 이에 따라, 차광 패턴은 특정 고전압 모듈의 성능을 예시하는 간단한 예가 된다. 도 12a 내지 도 12c의 전체 직렬(all series) 선은 각각의 셀이 자신의 서브 셀들 모두를 직렬로 가지고 있다는 의미이고, 전체 병렬(all parallel) 선은 각각의 셀이 자신의 서브 셀들 모두를 병렬로 가지고 있다는 의미, 그리고 3x3은 각각의 서브 셀이 3개의 병렬 서브 셀의 3개의 직렬 스트링을 가지고 있음을 의미한다. 전술된 바와 같은 전체 직렬, 전체 병렬, 및 3x3 외에도 다른 예들이 또한 존재함을 유의한다.
도 12a는 이들 특정 차광 패턴에서, 전체 직렬 구성에 대한 최대 전력 백분율(max power percentage)은 특히 보다 낮은 레벨의 차광에서 일반적으로 더 큼을 예시한다. 도 12b는 전체 직렬 구성에서, 백분율로서의 Vmp/Voc는 보다 낮은 차광 레벨에서 다른 구성에 비해 더 높고, 보다 높은 차광 레벨에서 더 낮음을 예시한다. 도 12c는 대부분의 예시적 차광 레벨에서 다른 구성에 비해 전체 직렬 구성에서 Vmp가 일반적으로로 더 높음을 예시한다.
도 12a 내지 도 12c와 유사하게, 도 14a 내지 도 14c는 도 13a 내지 도 13d의 것들과 유사한 차광 시나리오에서, 예를 들어 각각의 셀이 16개 서브 셀로 다이싱된 60-셀 고전압 모듈에 대한 예시적 성능을 예시한다.
도 12a 내지 도 12c의 경우에서와 같이, 도 14a 내지 도 14c는 이들 특정 차광 패턴에서 직렬 구성은 보다 낮은 레벨의 차광에서 특히 더 나은 성능을 가짐을 일반적으로 예시한다. 게다가, 96-셀 및 60-셀 모듈 둘 모두는 차광이 없거나 부분적 차광인 경우 고전압 셀을 가진 모듈이 종래의 모듈에 비해 더 높은 Vmp를 제공할 수 있다는 것과, 서브 셀의 모든 직렬 연결은 전력 및 Vmp 손실을 고려할 때 부분적 차광에 대해 비교적 좋은 허용오차를 제공할 수 있다는 것(손실은 형태나 세기와 같은 차광 조건들에 의존함)을 일반적으로 예시한다.
예시적 구성 어느 경우에서라도, Vmp는 여전히 대략 10% 차광에서 약 ~300V이므로, 부스트리스 전압 변환 디바이스와 함께 이용될 수 있는 고전압 모듈로서 여전히 동작할 수 있음을 유의한다. 일 실시예에서, 전압 변환 디바이스는 부스트리스 모드에서 동작하도록 구성될 수 있으나, 예를 들어, 차광이 소정 값(예컨대, 300V, 260V, 등) 미만의 Vmp로 강하할 경우, 모듈의 출력을 여전히 고전압으로 유지하도록 부스트모드로 스위치하여 동작할 수 있도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 부스트모드로 스위치하여 동작하는 대신, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 모듈을 바이패스하기 위한 바이패스 모드로 동작하도록 구성될 수 있다.
기술된 고전압 태양 전지, 모듈은 비용, 부피 및 무게를 줄일 수 있으며, 부스트리스 전압 변환 디바이스의 효율을 증가시킬 수 있다.
특정 실시예들이 상기에 기술되었지만, 이들 실시예는 단일 실시예만이 특정 특징에 대해 기술된 경우에도 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에 제공된 특징의 예는, 달리 언급되지 않는 한, 제한적이기보다는 예시적인 것으로 의도된다. 상기의 설명은, 본 발명의 이익을 갖는 당업자에게 명백할 바와 같이, 그러한 대안, 변경 및 등가물을 포괄하도록 의도된다.
본 발명의 범주는, 본 명세서에서 다루어진 문제들 중 임의의 것 또는 전부를 완화시키든지 또는 그렇지 않든지 간에, (명시적으로 또는 묵시적으로) 본 명세서에 개시된 임의의 특징 또는 특징들의 조합, 또는 이들의 임의의 일반화를 포함한다. 따라서, 새로운 청구항이 본 출원(또는 이에 대한 우선권을 주장하는 출원)의 절차 진행 동안 임의의 그러한 특징들의 조합에 대해 만들어질 수 있다. 특히, 첨부된 청구범위와 관련하여, 종속 청구항으로부터의 특징이 독립 청구항의 특징과 조합될 수 있고, 각각의 독립 청구항으로부터의 특징들이 단지 첨부된 청구범위에 열거된 특정 조합이 아닌 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
일 실시예에서, 광기전 모듈은 복수의 고전압 광전지를 포함하는 고전압 광기전 라미네이트를 포함하며, 복수의 고전압 광전지 각각은 복수의 서브 셀을 포함한다. 광기전 모듈은 또한 고전압 광기전 라미네이트로부터의 제1 전압을 제2 전압으로 변환하도록 구성된 부스트리스 전압 변환 디바이스를 포함한다.
일 실시예에서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 부스트리스 마이크로인버터로서, 제1 전압은 직류(DC) 전압이고 제2 전압은 교류(AC) 전압이다.
일 실시예에서, 광기전 모듈은 접속함을 추가로 포함하며, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 접속함의 하우징 내부에 위치된다.
일 실시예에서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 100 ㎑ 초과의 스위칭 주파수를 갖는 고주파수 격리 변압기를 포함한다.
일 실시예에서, 광전지 중의 특정한 광전지를 위한 복수의 서브 셀은 직렬로 연결되며, 복수의 광전지 또한 직렬로 연결된다.
일 실시예에서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 제2 전압을 제3 전압으로 변환하도록 추가로 구성된다.
일 실시예에서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 Vmp > 1.43 Vgrid를 갖는다.
일 실시예에서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 격리(isolation)를 이용한 부스트리스 직류(DC) 전력 최적화기로서, 제1 및 제2 전압 둘 모두는 DC 전압이다.
일 실시예에서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 제2 전압을 전력 그리드로 변환하도록 구성된다.
일 실시예에서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 임계치 값 미만에 해당하는 고전압 광기전 모듈의 Vmp에 의존한 바이패스 모드에서 동작하도록 추가로 구성된다.
일 실시예에서, 광기전 시스템은 제1 고전압 광기전 모듈, 및 제1 고전압 광기전 모듈에 결합된 제1 부스트리스 마이크로인버터를 포함하며, 제1 부스트리스 마이크로인버터는 직류(DC) 전압을 교류(AC) 전압으로 변환하도록 구성되고, 제1 부스트리스 마이크로인버터는 제2 고전압 광기전 모듈에 결합된 제2 부스트리스 마이크로인버터에 결합된다.
일 실시예에서, 광기전 시스템은 제1 고전압 광기전 모듈에 결합된 접속함을 추가로 포함하며, 제1 부스트리스 마이크로인버터는 접속함 내에 위치된다.
일 실시예에서, 제1 부스트리스 마이크로인버터는 100 ㎑ 초과의 스위칭 주파수를 갖는 고주파수 격리 변압기를 포함한다.
일 실시예에서, 제1 고전압 광기전 모듈은 복수의 광전지를 포함하며, 복수의 광전지 각각은 복수의 서브 셀을 포함한다.
일 실시예에서, 광기전 시스템은 제2 고전압 광기전 모듈을 추가로 포함하며, 제2 부스트리스 마이크로인버터는 제2 고전압 광기전 모듈에 결합되고, 제2 부스트리스 마이크로인버터는 제3 고전압 광기전 모듈에 결합된 제3 부스트리스 마이크로인버터에 결합되고, 상기 제1, 제2, 및 제3 고전압 광기전 모듈은 직렬로 연결된다.
일 실시예에서, 제1 부스트리스 마이크로인버터는 Vmp > 1.43 Vgrid를 갖는다. 일 실시예에서, 제1 부스트리스 마이크로인버터는, 적어도 부분적으로, 임계치 값 미만에 해당하는 제1 고전압 광기전 모듈의 Vmp에 기초하여 상이한 모드로 스위치하도록 추가로 구성된다.
일 실시예에서, 접속함은 광기전 라미네이트에 결합된 하우징 및 하우징 내의 부스트리스 마이크로인버터를 포함하며, 마이크로인버터는 직류(DC) 전압을 교류(AC) 전압으로 변환하도록 구성된다.
일 실시예에서, 광기전 라미네이트는 고전압 광기전 라미네이트이다. 일 실시예에서, 마이크로인버터는 100 ㎑ 초과의 스위칭 주파수를 갖는 격리 변압기를 포함한다.

Claims (20)

  1. 광기전(photovoltaic) 모듈로서,
    복수의 고전압 광전지(photovoltaic cell)를 포함하는 고전압 광기전 라미네이트 - 복수의 고전압 광전지 각각은 복수의 서브 셀을 포함함 -; 및
    고전압 광기전 라미네이트로부터의 제1 전압을 제2 전압으로 변환하도록 구성된 부스트리스 전압 변환 디바이스(boost-less voltage conversion device)를 포함하고,
    상기 복수의 서브 셀 각각은, 싱귤레이션되고 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분을 포함하고, 인접한 상기 싱귤레이션되고 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분들은 그 사이에 그루브를 갖고, 상기 복수의 고전압 광전지 각각은 금속화 구조물을 포함하고, 상기 금속화 구조물의 부분은 상기 복수의 서브 셀의 서브 셀을 결합시키고, 인접한 상기 싱귤레이션되고 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분들 사이의 상기 그루브는 상기 금속화 구조물의 부분을 노출시키고,
    접속함을 추가로 포함하며, 상기 부스트리스 전압 변환 디바이스는 상기 접속함의 하우징 내부에 위치되는, 광기전 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 부스트리스 마이크로인버터로서, 제1 전압은 직류(DC) 전압이고 제2 전압은 교류(AC) 전압인, 광기전 모듈.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 100 ㎑ 초과의 스위칭 주파수를 갖는 고주파수 격리 변압기(isolation transformer)를 포함하는, 광기전 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 광전지 중의 특정한 광전지를 위한 복수의 서브 셀은 직렬로 연결되며, 복수의 광전지 또한 직렬로 연결되는, 광기전 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 제2 전압을 제3 전압으로 변환하도록 추가로 구성되는, 광기전 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 Vmp(최대 전력 전압) > 1.43 Vgrid(그리드-대비 AC 전압)를 갖는, 광기전 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 격리(isolation)를 이용한 부스트리스 직류(DC) 전력 최적화기로서, 제1 및 제2 전압 둘 모두는 DC 전압인, 광기전 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 제2 전압을 전력 그리드로 제공하도록 구성되는, 광기전 모듈.
  10. 제1항에 있어서, 부스트리스 전압 변환 디바이스는 임계치 값 미만에 해당하는 고전압 광기전 모듈의 최대 전력 전압(Vmp)에 의존한 바이패스 모드에서 동작하도록 추가로 구성되는, 광기전 모듈.
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