KR102532346B1 - 확장된 개구 면적을 갖는 태양광 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 평면 기판과 두 개의 도체 트랙들 사이에 직렬로 연결되고 상기 기판의 제1 면에 배열된 복수의 태양 전지들이 있는 태양광 모듈로서, 태양 전지들은 광학적으로 비활성인 모듈 에지 영역으로 둘러싸인 광학적으로 활성인 모듈 내부 영역을 형성하며, 여기서 기판의 홀, 기판의 제2 면 상의 정션 박스, 도체 트랙 상의 탭핑 포인트와 정션 박스의 연결 포인트 사이의 전기 연결부가 각각의 도체 트랙과 연관되어 있고, 여기서 상기 홀은 도체 트랙 상의 탭핑 포인트가 홀의 정렬 연장선 외부에 위치하도록 모듈 내부 영역에 적어도 부분적으로 위치하고 적어도 하나의 태양 전지는 분할되거나 짧아진 길이를 갖는다.
Description
본 발명은 광전에너지(photovoltaic energy) 발전 기술분야에 관한 것이고 동일한 크기의 종래의 태양광 모듈의 개구 면적과 비교해서 확장된 개구면적을 갖는 태양광 모듈에 관한 것이다.
광전(photovoltaics)으로 전류를 생성하는 비용은 다양한 요인들에 좌우된다. 전체 시스템 구성 요소들의 생산 비용 외에도 전력 출력, 온도 계수 및 저조도 성능과 같은 태양광 모듈의 특성들이 고려된다. 또한 구성 요소 및 전체 시스템의 서비스 수명은 상당한 영향 요인들이다. 발전 비용은 궁극적으로 광전 시스템의 경제적 성공에 중요하고 풍력 에너지, 화석 연료 또는 원자력 에너지와 같은 다른 에너지 형태와의 경쟁에 상당한 영향을 미치기 때문에 태양광 모듈 개발에서 비용 및 전력 출력 외에도 신뢰성과 서비스 수명을 최적화해야 한다. 비용, 전력 출력 및 서비스 수명에 대한 요구 사항을 만족스럽게 충족하려면 타협을 해야만 하는데, 왜냐하면 종종 필요한 조치들이 이러한 요구 사항들에 반하는 영향을 미치기 때문이라는 것이 입증되었기 때문이다.
원칙적으로, 태양광 모듈에서, 유용한 광활성 면적(개구 면적)은 태양광 모듈의 외부 치수보다 작은데, 왜냐하면 태양광 모듈의 가장자리 영역은 가장자리 밀봉에 의해 습기로부터 보호되어야 하므로 광전지 에너지 생산에 사용할 수 없기 때문이다. 또한 태양광 모듈의 내부와 외부 사이의 절연 부분은 모든 기술 표준을 준수하고 인증 테스트를 통과할 수 있을 만큼 충분히 커야한다. 여기에 직렬로 연결된 태양광 모듈의 접촉을 위한 면적 요구 사항이 더해진다. 태양전지의 모놀리식 직렬 연결이 있는 박막 태양광 모듈의 경우, 전력은 모듈의 두개의 긴 쪽에 배열된 두 개의 버스 바에 의해 출력된다. 상기 버스 바는 일반적으로 접촉 스트립 형태로 구현된다. 태양광 모듈의 외부 전기 접촉을 위해 일반적으로 두 개의 정션 박스(junction box)가 모듈의 뒷면에 제공되며, 종래 설계에 의하면 접촉 스트립은 접촉 스트립과 겹쳐서 배열되는 유리 기판의 두 홀을 통해 접촉된다.
개구 면적을 가능한 한 크게 만들려면 광학적으로 비활성인 가장자리 영역이 가능한 한 좁아야 한다. 그러나 가장자리 밀봉은 가장자리에서 침투하는 습기로부터 태양광 모듈 내부를 장기간 보호할 수 있을 만큼 충분히 넓어야 한다. 또한, 접촉 스트립은 가장자리 영역이 좁아짐에 따라 바깥쪽으로 더 멀리 이동하고, 접촉 스트립과 겹치는 유리 기판의 홀들도 도체 트랙(conductor track)과 접속 배선함을 접촉하게 하기위해 그렇다는 것을 고려하여야 한다. 그러나 홀이 모듈 가장자리에 가까워지면 생산 중 또는 실제 사용시 바람과 눈 부하로 인한 기계적 스트레스로 유리 파손 위험이 크게 증가한다.
또한 태양광 모듈에서는 두 개의 접촉 스트립들이 각각 모듈 측면 가장자리를 따라 기판 유리의 홀으로 연결되고, 이를 통해 꿰어져서, 공통 정션 박스에서 접촉되는 것이 공지되어 있다. 이러한 방식의 불리한 점은 모듈 가장자리에 있는 두 개의 접촉 스트립을 위해 비교적 큰 공간이 필요하다는 점이며, 그 결과 광학적으로 활성화된 유용한 면적이 크게 감소한다. 또한 생산 과정이 비교적 복잡하다. 문제를 더하는 것은 어셈블리 유형 (프레임 유무, 후면 레일 또는 클램프 포함)에 따라 짧은 모듈 측면에서 더 높은 기계적 응력이 발생하여 실제 사용시에 파손될 수 있다는 사실이다.
또한 태양광 모듈에서 접촉 스트립이 태양광 모듈의 두 기판 사이의 측면에서 밖으로 나와서 후면 기판의 중앙으로 함께 라우팅되는 것도 알려져 있다. 그러나 이것은 접촉 스트립과 출구 영역이 전기적으로 적절하게 절연되고 습기로부터 보호된다고 가정하는 것이다. 이것은 일반적으로 뒷면 필름에 의해 실현되지만 상대적으로 높은 비용이 추가로 발생한다.
대조적으로, 본 발명의 목적은 공지의 태양광 모듈에 앞서 설명한 단점들 없이 확대된 개구 면적을 유리하게 제공하는 데에 있다. 또한 기존의 방법을 사용하여 경제적이고 효율적인 태양광 모듈의 산업 연속 생산이 가능해야만 한다.
이들 및 다른 목적들은 독립항에 따른 태양광 모듈에 의해 본 발명의 제안에 따라 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속항들의 특성을 통해 표시된다.
본 발명에 따라 전기적으로 직렬로 연결된 광전 에너지 발전용 태양 전지를 갖는 태양광 모듈이 제시된다. 원칙적으로, 본 발명에 따른 태양광 모듈은 임의의 유형의 태양광 모듈일 수 있다. 바람직하게는, 모놀리식으로 통합된 형태로 직렬로 연결된 태양 전지를 갖는 박막 태양광 모듈이다. 바람직하게는, 박막 태양광 모듈은 복합 판유리 구조를 가지며, 여기서 후면 캐리어 기판 및 전면 커버링(예를 들어, 유리 시트)은 열가소성 또는 엘라스토머 중간층 (예를 들어, PVB 층)을 통해 서로 고정적으로 결합된다. 바람직하게는, 박막 태양광 모듈은 기판 구성을 가지며, 기판 구성에서는 태양 전지를 형성하기 위한 층 구조가 광 입사 측을 향하는 후면 캐리어 기판의 표면에 적용된다. 캐리어 기판 및 커버링(covering)은 예를 들어 유리, 플라스틱, 금속 또는 금속 합금으로 만들어질 수 있다. 전형적으로, 적어도 캐리어 기판은 강성 시트로 구현된다. 바람직하게는, 캐리어 기판은 유리로 만들어진다. 바람직하게는, 커버링도 유리로 만들어진다.
박막 태양광 모듈의 층 구조는 그 자체로 공지된 방식으로 후면 전극층, 전면 전극층, 및 후면 전극층과 전면 전극층 사이에 배열된 광학적(광전기적으로) 활성 흡수체 층을 포함한다. 빛이 층 구조에 까지 통과할 수 있어야 하기 때문에 전면 전극층은 광학적으로 투명하다. 전면 전극층은 전형적으로 도핑된 금속 산화물 (TCO = 투명 전도성 산화물), 예를 들어 n-전도성, 특히 알루미늄 도핑된 산화 아연(AZO)을 포함하거나 그것으로 만들어진다. 바람직하게는, 흡수체 층은 칼코피라이트 반도체, 유리하게는 구리 인듐/이황화 갈륨/디젤레나이드(Cu(In,Ga)(S,Se)2) 군으로부터의 3원 I-III-VI-화합물 반도체를 포함하거나 그것으로 제조된다. 상기 식에서 인듐과 갈륨은 각각 단독으로 또는 조합하여 존재할 수 있다. 황과 셀레늄도 마찬가지이며, 각각은 단독으로 또는 조합하여 존재할 수 있다. 흡수체 층은 전형적으로 제1 도체 유형(즉, 전하 캐리어 유형)의 도핑을 가지며, 전면 전극은 반대의 도체 유형 도핑을 갖는다. 일반적으로, 흡수체 층은 p 전도성(p 도핑), 즉 과잉의 결함 전자를 가지고 있다. 전면 전극층은 n 전도성(n 도핑)이므로 자유 전자가 과도하게 존재한다. 버퍼층(buffer layer)은 전형적으로 흡수체 층과 전면 전극층 사이에 배열된다. 이는 특히 Cu(In,Ga)(S,Se)2 기반 흡수체 층의 경우에 해당되며, 일반적으로 p 전도성 Cu(In,Ga)(S,Se)2 흡수체 층과 n 전도성 전면 전극 사이에 버퍼층이 필요하다. 버퍼층은 흡수체와 전면 전극 사이의 전자적 적응을 가능하게 한다. 또한, 버퍼층은 예를 들어 DC 마그네트론 스퍼터링에 의한 전면 전극 증착의 후속 공정 단계에서 스퍼터링 손상으로부터 보호한다. n 전도성 전면 전극층, 버퍼층 및 p 전도성 흡수층의 연속에 의해, p-n 이종 접합, 즉 반대의 도체 유형의 층들 사이의 접합이 형성된다. 예를 들어, 흡수체 층은 또한 카드뮴 텔루라이드 (CdTe)로 만들어질 수 있다. 후면 전극층은 전형적으로 캐리어 기판 상에 증착된다. 후면 전극층은 일반적으로 몰리브덴(Mo)을 포함하거나 그것으로 만들어지지만 다른 금속들도 사용될 수 있다.
패터닝 라인에 의해 직렬로 연결된 태양 전지들은 박막 태양광 모듈의 층 구조에 형성된다. 여기서, (적어도) 후면 전극층은 제1 패터닝 라인들 (P1 라인들)에 의해 섹션으로 분할되며, 이 섹션들은 태양 전지들의 후면 전극들을 형성한다. 또한, (적어도) 흡수체층은 제2 패터닝 라인들 (P2 라인들)에 의해 섹션으로 분할되고, 이 섹션들은 태양 전지의 광학적으로 활성화된 영역들(흡수체들)을 형성하고, (적어도) 전면 전극층은 세 번째 패터닝 라인들(P3 라인들)에 의해 섹션으로 분할되고, 이 섹션들은 태양 전지의 전면 전극들을 형성한다. 인접한 태양 전지들은 제2 패터닝 라인들에서 전기 전도성 물질을 통해 직렬 연결로 서로 전기적으로 연결되며, 여기서 하나의 태양 전지의 전면 전극은 인접한 태양 전지의 후면 전극에 전기적으로 연결되며, 일반적으로는 그러나 반드시 그런 것은 아니지만, 직접적인 물리적 접촉이 있다. 각각의 패터닝 구역은 각각의 경우에 P1-P2-P3의 순서로 3 개의 패터닝 라인들 P1-P2-P3의 직접적인 연속(succession)을 포함한다.
관례적인 사용에 따라, 용어 "태양 전지"는 전면 전극, 흡수체 및 후면 전극을 갖고 서로 직접 인접한 2 개의 패터닝 영역에 의해서 구획되는 층 구조의 영역을 지칭한다. 이는 모듈의 가장자리 영역에서도 유사하게 적용되고, 가장자리 영역에는 패터닝 구역 대신 태양 전지들의 직렬 연결을 전기적으로 접촉하기 위한 연결 부분이 있다.
본 발명에 따른 태양광 모듈은 태양 전지들에 의해 형성되는 광학적으로(광전지적으로) 활성인 내부 영역과 내부 영역을 (모듈 레벨에서) 둘러싸는 광학적으로(광전지적으로) 비활성 에지 영역을 포함한다. 물론, 광학적으로 활성인 내부 영역은 또한 광학적으로 비활성인 영역들, 특히 태양 전지들을 형성하기 위한 P1/P2/P3 라인을 갖는 패터닝 구역들을 포함한다. 내부 영역은 태양광 모듈의 광학적 활성 유효 영역(개구 영역)에 해당한다. 일반적으로 내부 영역 (개구 영역)은 태양 전지들의 직사각형 모양에 해당하는 직사각형 모양을 갖는다. 일반적으로 말하면, 층 구조는 관례적으로 "에지 디코팅(edge de-coating)"으로 지칭되는 모듈 에지에 인접한 구역 내의 에지 영역에서 완전히 제거되거나 증착되지 않는다. 더욱이, 모듈 에지에 인접한 가장자리 밀봉 및 더 안쪽에 위치해 있는, 태양 전지들의 전기적 접촉을 위한 두 개의 버스 바 또는 도체 트랙들이 가장자리 영역에 위치해 있다. 태양 전지들은 두 도체 트랙들 사이에 직렬 연결로 배열된다. 예를 들어 도체 트랙들은 접촉 스트립 형태로 구현된다. 유리하게는, 후면 전극층은 광학적으로 불활성인 에지 영역으로 연장되고, 거기서 2 개의 도체 트랙들은 태양 전지들에 의해 생성된 전류를 뽑아내기 위해 후면 전극층 상에 그리고 그것과 전기적으로 접촉하여 각각의 경우에 배열된다.
일반적으로, 본 발명에 따른 태양광 모듈은 평평한 (캐리어) 기판, 바람직하게는 경질 유리 시트뿐만 아니라 제1 도체 트랙과 제2 도체 트랙 사이에 직렬로 연결되고 기판의 제1 면(내측면)에 배열된 복수의 태양 전지를 포함한다. 바람직하게는, 기판은 편평하고 직사각형 형상을 갖는다. 마찬가지로, 태양광 모듈은 바람직하게는 직사각형 형상을 갖는다. 태양 전지들은 바람직하게는 각각의 경우에 직사각형 형상을 갖는다. 바람직하게는, 2 개의 도체 트랙들은 각각의 경우 접촉 스트립이다. 바람직하게는, 2 개의 도체 트랙들은 일반적으로 각각의 경우 태양광 모듈의 길이인 모듈 또는 기판의 제1 치수를 따라 연장되는 반면, 태양 전지들은 일반적으로 태양광 모듈의 (통상 더 짧은) 폭인 제2 치수를 따라 배열된다. 일반적으로 두 번째 치수는 첫 번째 치수에 수직으로 배치된다. 바람직하게는, 2 개의 도체 트랙들은 각각의 경우 후면 전극층에 전기적으로 연결되고, 특히 후면 전극층 상에 직접 배열된다. 태양광 모듈은 태양 전지로부터 나오는 광학적 활성 (모듈) 내부 영역과 (모듈 수준에서) (기판을 통해 볼 때 수직인) 내부 영역을 둘러싸는 광학적으로 비활성 (모듈) 에지 영역을 포함한다. 전형적으로, 내부 영역 및 내부 영역에 의해 형성된 개구 영역은 직사각형 형상을 갖는다.
본 발명에 따른 태양광 모듈에서,
- 기판의 (관통) 홀,
- 기판의 제2 면에 있는 정션 박스(junction box),
- 도체 트랙 상의 탭핑 포인트(tapping point)와 정션 박스의 연결 포인트 사이의 전기 연결부가 각각의 경우에 2 개의 도체 트랙들과 (즉, 각각의 도체 트랙과 분리되어) 연관된다.
2 개의 정션 박스들은 각각의 경우 기판의 (외부) 제2 면에 배열된다. 전형적으로 각 정션 박스는 기판의 관련 홀을 덮는다.
본 발명의 맥락에서, 용어 "탭핑 포인트"는 전류가 도체 트랙으로부터 탭핑되고 연관된 연결 포인트로 전도되는 각각의 도체 트랙상의 지점을 지칭한다. 탭핑 포인트에서 전류는 각 도체 트랙의 방향과 다른 방향, 즉, 도체 트랙의 방향에 대해 대각선 또는 직각으로 도체 트랙에서 전환된다.
본 발명에 따른 태양광 모듈에서, 기판의 2 개의 홀들은 각각 적어도 부분적으로, 특히 완전히 모듈의 내부 영역에 위치하여 도체 트랙의 관련 탭핑 포인트가 홀의 정렬된 확장부 외부에 위치한다. 따라서, 기판의 홀은 도체 트랙의 관련 탭핑 포인트와 겹치지 않고, 즉 탭핑 포인트 위에 있지 않다. 대신, 탭핑 포인트는 평평한 기판에 수직인 첫 번째 홀의 확장으로 인해 발생하는 영역 외부에 위치한다. 따라서 탭핑 포인트는 관련 홀을 통해 직접 볼 수 없다. 또한, 두 개의 홀들은 각각 안쪽으로 이동하여 적어도 하나의 태양 전지, 특히 복수의 태양 전지들이 각각 두 개의 태양 전지 서브셀(solar sub-cell)들로 분할되거나, 각 홀의 가장자리 방향으로 위치하여 (홀의 영향을 받지 않는 태양 전지들과 대조적으로) 각 경우에 짧은 길이를 갖는다. 또한, 완전히 분할된 태양 전지에 인접한 추가 태양 전지는 짧아질 수 있다. 홀들을 형성할 때, 기판 상에 위치한 후면 전극층이 동시에 제거되어, 두 홀들 아래의 층 영역은 원칙적으로 광기전력 에너지 생성(photovoltaic energy generation)에 더 이상 사용될 수 없다
따라서, 본 발명에 따르면, 기판 내의 2개의 홀의 위치는 도체 트랙 상의 각각의 연관된 태핑 포인트(tapping point)의 위치로부터 물리적으로 분리된다. 유리하게는, 이는 도체 트랙(conductor track)을 태양 모듈의 에지(edge) 상에 더 멀리 위치시키는 것을 가능하게 하며, 여기서, 광학적으로 비활성인 에지 영역의 감소된 폭을 갖는 태양 모듈이 충분한 절연 강도 및 기후 안정성을 갖는다는 것에도 주의해야 한다. 명백하게, 두 개의 홀들의 내향 이동은 (적어도 하나의 태양 전지를 두 개의 태양전지 서브-셀들로 분할하거나 적어도 하나의 태양 전지의 길이를 단축함으로써) 태양 모듈의 광학적 활성 영역을 감소시킨다. 그러나, 에지 영역의 협소화에 의해 전체적으로 개구 면적이 크게 확대될 수 있다. 이러한 방식으로, 주어진 모듈 크기로 더 많은 전류가 생성될 수 있고, 그리고 전류의 발생 비용이 절감되는 이점이 있다. 이는 종래 기술의 태양 모듈과 비교하여 본 발명에 따른 태양 모듈의 중요한 장점이며, 여기서 두 개의 도체 트랙의 탭핑 포인트는 기판에서 관련 홀의 정렬 연장부에서 각 경우에 위치된다.
본 발명에 따른 태양 모듈의 유리한 실시예에서, 기판 내의 2개의 홀들은 각각의 경우에 각각의 관련된 도체 트랙으로부터 2개의 도체 트랙들 사이의 거리의 1% 내지 10%, 특히 5% 내지 10%의 거리를 갖도록 충분히 안쪽으로 이동된다. 그 결과, 태양 전지의 광학적 활성 면적은 2개의 홀의 위치에 의해 비교적 적게 감소되지만, 전체적으로, 에지 영역을 좁힘으로써 개구 면적의 특히 양호한 확대가 달성될 수 있다.
유리하게는, 층 구조가 기판 상에 적용된 박막 태양광 모듈에서, 기판의 2 개의 홀들은 층 구조의 (디코팅)(de-coating) 구역 내에 또는 위에 각각 배열된다 (모듈을 통해 직각으로 본 모듈 레벨에서), 여기서 모든 층이 제거되거나 적어도 후면 전극층까지, 특히 후면 전극층까지 적용되지 않는다. 바람직하게는, (디코팅) 구역은 내부 영역의 오목부(indentation)형태로 구현되는 섹션을 포함한다. 내부 영역에 두 개의 홀을 위치시키는 것은, 적어도 하나의 태양 전지, 특히 복수의 태양 전지가 각각의 (디코팅) 구역에 의해 각각의 경우에 두 개의 태양 전지 서브셀들로 분할되거나, (디코팅) 구역의 에지 위치(edge position)의 경우에 각각의 경우에 짧아진 길이를 갖는다는 것을 초래한다. 분할된 태양 전지에 인접한 태양 전지는 짧게 절단될 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 모듈의 유리한 실시예에서, 기판에 있는 2 개의 홀들과 각각 연관된 전기적 연결은 기판의 제1 측면에서 연관된 도체 트랙에 전기적으로 연결된 평면 접촉 요소(flat contact element)를 갖는다. 접촉 요소는 적어도 부분적으로, 특히 관련 관통 구멍에 완전히 걸쳐 있다. 예를 들어, 두 개의 평면 접촉 요소는 접촉 패드(contact pad) 또는 접촉 스트립(contact strip)으로 구현된다. 평면 접촉 요소는 관련 도체 트랙과 구별될 수 있지만, 대안적으로는 관련 도체 트랙의 일부(단면 또는 중간 부분)가 될 수도 있다.
두 개의 평면 접촉 요소들은 각각의 경우 관련 도체 트랙에 전기적으로 연결되며, 각 탭핑 포인트에 의해 전환된 전류를 라우팅하기 위해 기판의 관련 홀을 통해 밀어 넣는 접촉 스탬프(contact stamp)에 의해 외부로부터 관련 정션 박스에 아주 간단하게 접촉하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명에 따른 태양광 모듈의 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 부분적으로, 특히 완전히 기판의 관련 홀에 걸치는 평면 접촉 요소는 홀을 통해 연장하는 정션 박스의 접촉 스탬프에 의해 전기적으로 접촉된다. 2 개의 접촉 스탬프는 각각의 경우 연관된 정션 박스의 구성 요소이고 홀을 통한 직접적인 시선(direct line of sight), 즉 홀과 정렬된 연장된 영역 내의 각각의 평면 접촉 요소와 접촉한다. 이러한 정션 박스는 예를 들어 유럽 특허 출원 EP 12778258.9에서 찾을 수 있으며, 그 전체 내용은 여기에서 참조된다.
본 발명에 따른 태양 광 모듈의 일 실시예에 따르면, 평면 접촉 요소는 연관된 도체 트랙에 전기적으로 연결된 후면 전극층의 층 섹션과 직접 접촉한다. 여기서 핵심은 적어도 내부 영역에서 층 섹션은 태양 전지의 단락을 방지하기 위해 태양 전지로부터 전기적으로 절연된다는 사실이다. 이는 후면 전극층을 관통해 절단하는 분리 라인에 의해 간단한 방식으로 수행될 수 있으며, 이는 라인이 후면 전극층의 나머지 섹션으로부터 적어도 내부 영역에서 층 섹션을 전기적으로 절연시킨다. 유리하게는, 태양 전지로부터 층 섹션의 이러한 전기적 분리는 또한 에지 영역에서 수행되며, 이를 위해 예를 들어 분리 라인이 연관된 도체 트랙까지 연장된다.
평면 접촉 요소들은 각각의 경우에 후면 전극층과 물리적으로 접촉하여 배열된다, 즉 후면 전극층과 직접 접촉한다. 바람직하게는, 2개의 접촉 요소들은 각각의 경우에 후면 전극층에 고정되고, 이는 바람직하게는 납땜(soldering), 용접(welding), 또는 접착(gluing)에 의해 행해질 수 있다. 이러한 방법은 특히 정션 박스의 컨택트 스탬프(contact stamp)에 의한 외부 접촉의 경우에 평면 접촉 요소의 기계적 스트레싱(stressing)의 경우에 유리하다.
본 발명의 전기 실시예의 제1 변형예에 따르면, 평면 접촉 요소는 상기 접촉 요소에 의해 전기적으로 접촉되는 후면 전극층의 층 섹션(layer section)을 통해 이루어지는 상기 전도체 트랙에 대한 전기적 연결과 함께, 관련된 도체 트랙으로부터 물리적으로 이격된다. 이러한 변형예는 층 스택의 높이가 도체 트랙의 영역에서 증가되지 않는다는 특별한 이점을 갖는다. 또한, 재료를 절약할 수 있다.
본 발명의 상기 실시예의 제2 변형예에 따르면, 상기 평면 접촉 요소는 관련된 도체 트랙과 물리적으로 접촉되고, 특히 겹쳐진다. 이는, 평면 접촉 요소가 연관된 도체 트랙까지 완전히 연장한다는 것을 의미한다. 유리하게는, 2개의 평면 접촉 요소는 각각의 경우에 예를 들어 납땜, 용접, 또는 접착에 의해 관련 도체 트랙에 고정된다. 평면 접촉 요소는 선택적으로 광 입사측 표면 또는 연관된 도체 트랙의 광 입사측으로부터 멀어지는 쪽을 향하는 표면 중 어느 하나에 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 태양 모듈의 다른 실시예에 따르면, 2개의 도체 트랙이 접촉 스트립(contact strip)으로서 구현되고 기판의 제1 치수를 따라 각 경우에 연장되며, 태양 전지가 제2 치수를 따라 배열되고, 전기 연결부는 각 경우에 관련된 도체 트랙의 단부 섹션(end section) 또는 중간 섹션(intermediate section)을 포함하며, 상기 섹션은 제1 치수를 따른 방향으로부터 벗어나 제1 치수에 대해 대각선 또는 직각으로 연장된다. 여기서, 단부 섹션 또는 중간 섹션은 기판의 제 2 측면 상의 연관된 홀을 통해 라우팅되고 연관정션 박스의 연결 포인트에 전기적으로 연결된다. 유리하게는, 본 발명의 이 실시예의 경우, 별도의 평면 접촉 요소가 필요하지 않고, 전류는 접촉 스트립으로서 구현되는 도체 트랙의 각각의 단부 섹션 또는 중간 섹션을 통해 전환될 수 있다. 이러한 실시예의 이점은 버스바 상에 장착된 비교적 긴 접촉 러그(lug)의 회피이며, 이는 아마도 라미네이션(lamination) 동안 폴리머 유동에 의해 그 목표 위치로부터 가압될 수 있다. 또한, 접촉 러그(lug)와 버스바 사이의 연결, 특히 용접이 분리될 위험이 없다.
본 발명에 따른 태양 모듈의 전기 실시예의 제1 변형예에 따르면, 각각의 도체 트랙의 단부 섹션 또는 중간 섹션은 도체 트랙에 전기적으로 연결된 후면 전극층의 층 섹션에 직접 접촉하고, 층 섹션은 적어도 내부 영역에서, 예를 들어, 분리 라인에 의해 태양 전지로부터 전기적으로 절연된다.
본 발명에 따른 태양 모듈의 전기 실시예의 제2 변형예에 따르면, 층 구조의 모든 층은 도체 트랙의 단부 섹션 또는 중간 섹션의 영역에서 제거되거나 적용되지 않는다.
본 발명에 따른 태양 모듈의 또 다른 실시예에 따르면, 탭핑 포인트는 연관된 도체 트랙의 단부로부터 도체 트랙의 길이의 20% 내지 50%에 대응하는 거리만큼 이격된다. 이렇게 함으로써, 도체 트랙을 따른 전류 경로의 평균 길이가 짧아지므로 도체 트랙에서의 옴 손실(ohmic loss)이 유리하게 감소될 수 있다. 이는 바람직하게는, 캡슐화에 대한 이점 뿐만 아니라, 특히 유리하게는, 광학적 활성 면적(개구 면적)의 추가 확대에 대한 이점과 함께 폭 및/또는 두께를 감소시킴으로써 도체 트랙의 단면 표면의 감소를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 태양 전지 모듈은 기판에 두 개의 홀을 위치시킴으로써, 각 경우에 적어도 하나의 태양 전지를 두 개의 태양 전지 서브셀로 분할하거나 길이가 짧아진다. 특히, 태양 전지는 동일한 크기의 광학적 활성 면적(optically active area)을 갖도록 구현된다. 특히, 이를 위해, 기판에 두 개의 홀을 위치시킴으로써 두 개의 태양 전지 서브셀로 분할되거나, 길이가 짧아지는 태양 전지는 각각의 경우에 나머지 태양 전지에 비해 더 큰 폭(태양 전지의 직렬 연결 방향의 치수)을 갖는다. 이렇게 함으로써, 모든 태양 전지가 그 특성 곡선(characteristic curve) 상에서 적어도 거의 동일한 작동점(operating point)에서 작동되어 홀의 배열에 의해 영향을 받는 태양 전지의 효율이 나머지 태양 전지에 비해 저하되지 않는 것이 유리하게 달성될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들은 개별적으로 또는 원하는 임의의 조합으로 실현될 수 있다. 특히, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 상기 언급한 특징 및 하기에서 설명될 특징들은 본 발명의 범위 내에서 지시된 조합 뿐만 아니라 다른 조합 또는 분리된 형태로 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그들은 실제의 크기로 아니고 단순하게 표현한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 예시적인 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고,
도 2는 정션 박스가 없는 도 1의 박막 태양광 모듈의 개략적인 배면도이고,
도 3은 정션 박스를 갖는 도 1의 박막 태양광 모듈의 개략적인 배면도이고,
도 4는 도 2의 절단선 A-A에 따른 도 1의 박막 태양광 모듈의 제1 변형예의 개략적인 단면도이고,
도 5는 도 4의 개략 단면을 나타내는 영역의 평면도이고,
도 6은 도 2의 절단선 A-A에 따른 도 1의 박막 태양광 모듈의 제2 변형예의 개략적인 단면도이고,
도 7은 도 2의 절단선 A-A에 따른 도 1의 박막 태양광 모듈의 제3 변형예의 개략적인 단면도이고,
도 8은 도 1의 박막 태양광 모듈의 제 4 변형예의 평면도의 개략도이고,
도 9는 도 1의 박막 태양광 모듈의 제5 변형예의 평면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 예시적인 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고,
도 2는 정션 박스가 없는 도 1의 박막 태양광 모듈의 개략적인 배면도이고,
도 3은 정션 박스를 갖는 도 1의 박막 태양광 모듈의 개략적인 배면도이고,
도 4는 도 2의 절단선 A-A에 따른 도 1의 박막 태양광 모듈의 제1 변형예의 개략적인 단면도이고,
도 5는 도 4의 개략 단면을 나타내는 영역의 평면도이고,
도 6은 도 2의 절단선 A-A에 따른 도 1의 박막 태양광 모듈의 제2 변형예의 개략적인 단면도이고,
도 7은 도 2의 절단선 A-A에 따른 도 1의 박막 태양광 모듈의 제3 변형예의 개략적인 단면도이고,
도 8은 도 1의 박막 태양광 모듈의 제 4 변형예의 평면도의 개략도이고,
도 9는 도 1의 박막 태양광 모듈의 제5 변형예의 평면도이다.
도 1은 (모듈 표면에 수직으로 절단된) 단면도에서 전체적으로 번호 1로 참조된 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 구조를 개략적으로 도시한다. 박막 태양광 모듈(1)은 통합된 형태로 서로 직렬로 연결된 복수의 태양 전지들(12)을 포함하고, 여기서 매우 단순화된 방식으로 단지 2 개의 태양 전지들(12)만이 도시된다. 물론, 일반적으로 박막 태양광 모듈(1)은 다수의 태양 전지들(12) (예를 들어, 약 100 ~ 150 개)가 직렬로 연결되어 있다.
박막 태양광 모듈(1)은 기판 구성에서 복합 판유리 구조를 갖는다. 상기 모듈은 기판 상에 적용된 얇은 층들의 층 구조(3)를 구비한 후면 캐리어 기판(2)을 포함하고, 층 구조(3)는 캐리어 기판(2)의 광-입구측 표면 상에 배열된다. 캐리어 기판(2)의 반대 표면은 후면을 형성한다. 여기서, 캐리어 기판(2)은 예를 들어 상대적으로 광 투과성이 높은 단단한 (평면) 유리 시트로 구현되는 반면, 이루어지는 공정에 대해 원하는 안정성 및 불활성 거동을 갖는 다른 전기 절연 재료들이 마찬가지로 사용될 수 있다.
층 구조(3)는 예를 들어 몰리브덴(Mo)과 같은 가벼운 불투과성 금속으로 만들어지고 기상 증착 또는 마그네트론 강화 음극 스퍼터링(스퍼터링)에 의해 캐리어 기판(2)에 직접 도포된 불투명한 후면 전극층(4)을 포함한다. 후면 전극층(4)은 예를 들어 300nm 내지 600nm 범위의 층 두께를 갖는다. 후면 전극층(4)상에는 밴드 갭이 태양광을 최대한 흡수할 수 있는 금속 이온들로 도핑된 반도체로 만들어진 광학적(광전지적) 활성 흡수체층(optically(photovoltaically) active absorber layer)(5)이 적용된다. 흡수체층(5)은 p 전도성 칼코피라이트 반도체, 예를 들어 Cu(In/Ga)(S/Se)2 , 특히 나트륨(Na) 도핑된 Cu(In/Ga)(S/Se)2 그룹의 화합물로 만든다. 흡수체층(5)은 예를 들어 1 내지 5㎛ 범위에 있고, 특히 약 2μm의 층 두께를 갖는다. 전형적으로, 흡수체층(5)을 제조하기 위해, 예를 들어 스퍼터링에 의해 다양한 재료 층들이 도포되고, 이 층들은 이어서 가열로에서, 선택적으로는 S 및/또는 Se를 포함하는 분위기에서 가열함으로써 화합물 반도체를 형성하도록 열 변환된다(RTP(rapid thermal processing)= 빠른 열처리). 화합물 반도체의 이러한 제조 방법은 당해 분야 통상의 기술자들에게 공지되어 있으므로 여기서 상세히 논의할 필요가 없다. 흡수체층(5) 상에 증착된 버퍼층(6)이 증착되어 있으며, 여기서 버퍼층은 예를 들어, 황화 카드뮴(CdS) 단일 층 및 진성 산화 아연(i-ZnO) 단일 층으로 이루어진다(도 1에 자세히 설명되어 있지는 않음). 버퍼층(6) 위에, 예를 들어 스퍼터링에 의해 전면 전극층(7)을 도포한다. 전면 전극층(7)은 들어오는 태양광이 단지 약간만 약화되도록 가시 스펙트럼 범위("창 전극")의 복사에 투명하다. 전면 전극층(7)은 예를 들어 n 전도성 알루미늄(Al) 도핑된 산화 아연 (ZnO)과 같은 도핑된 금속 산화물을 기반으로 한다. 이러한 전면 전극층(7)은 일반적으로 TCO층 (TCO = 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide))이라고 한다. 전면 전극층(7)의 층 두께는, 예를 들어 약 500nm이다. 버퍼층(6) 및 흡수체층 (5)과 함께 전면 전극층(7)은 이종 접합(즉, 반대 전도체 유형의 연속된 층들)을 형성한다.
환경적 영향으로부터 보호하기 위해, 특히 층 구조(3)를 캡슐화하는 역할을 하는 (플라스틱) 접착제층(8)이 전면 전극층(7) 위에 적용된다. 캐리어 기판(2)은 접착제층(8)에 의해 전면 커버링에 고정적으로 결합("적층")된다. 접착제층(8)은 예를 들어 가열에 의해 소성적으로 재성형될 수 있고 냉각 시 커버링(9)과 캐리어 기판(2)을 서로 고정적으로 결합시키는 열가소성 접착층으로 구현된다. 여기서 접착제층(8)은 예를 들어 PVB로 만들어진다. 커버링(9)은 햇빛에 투명하고, 예를 들어 낮은 철 함량을 갖는 극히 하얀 유리로 된 단단한 (평면) 유리 시트로서 구현된다. 커버링(9)은 층 구조(3)의 밀봉 및 기계적 보호 역할을 하며 태양광 모듈(1)의 외부 표면(11)을 형성한다. 박막 태양광 모듈(1)은 전력을 생성하기 위해 외부 표면(11)을 통해 태양광을 흡수할 수 있다. 이로써 발생하는 전류의 경로는 직렬로 배열된 화살표로 도 1에 나타나 있다.
태양 전지들(12)을 만들어 직렬 연결하기 위해, 층 구조(3)는 적절한 패터닝 기술, 예를 들어 레이저 스크라이빙(laser scribing) 및/또는 기계적 절제(mechanical ablation)를 사용하여 패터닝된다. 이를 위해, 각각의 경우에 일련의 3 개의 패터닝 라인들(P1-P2-P3)이 층 구조(3)에 도입된다. 패터닝 라인들 P1은 적어도 후면 전극층(4)을 서로 완전히 분리된 섹션으로 분할하고, 이로써 태양 전지들(12)의 후면 전극들이 만들어진다. 패터닝 라인들 P2는 적어도 흡수체층(5)을 서로 완전히 분리된 섹션으로 분할하며, 이로써 태양 전지들(12)의 광학적 활성 영역(optically active regions) 즉 흡수체들이 만들어진다. 패터닝 라인들 P3는 적어도 전면 전극층(7)을 분할하며, 이로써 태양 전지들(12)의 전면 전극들이 만들어진다. 각각의 경우에, 제2 패터닝 라인들(P2)을 통해, 태양 전지(12)의 전면 전극은 인접한 태양 전지(12)의 후면 전극에 전기적으로 연결되고, 도시된 바와 같이 전면 전극은 유리하게 후면 전극과 직접 접촉한다.
이제 도 2 및 3을 참조한다. 정션 박스가 없거나(도 2) 정션 박스가 있는(도 3), 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈(1)의 개략적 후면도가 도시되어 있다.
박막 태양광 모듈(1)은 평면도로 봐서(즉 모듈 평면에서) 긴 치수, 즉 길이(L) 및 더 짧은 치수, 즉 폭(B)를 갖는 직사각형 형상을 갖는다. 박막 태양광 모듈(1)은 마찬가지로 직사각형 형상인 광학적으로 활성인(optically active) 내부 영역(13)과 내부 영역(13)을 둘러싸고 한정하는 에지 영역(14)을 포함한다. 내부 영역(13)의 면적은 박막 태양광 모듈(1)의 개구 면적에 상응한다. 태양 전지들(12)는 제1 도체 트랙(15)과 제2 도체 트랙(15') 사이에서 직렬로 연결된다. 2 개의 도체 트랙들(15, 15')은 각각 태양 전지들(12)에 의해 생성된 전류에 대한 버스바(busbar)로서 역할을 한다. 상호 평행한 도체 트랙들(15, 15')은 각각의 경우에 광학적으로 비활성 에지 영역(14)에 배열되고 박막 태양광 모듈(1)의 길이(L)을 따라 선형으로 연장된다. 여기서, 전도체 트랙들(15, 15')은 예를 들어 얇은 접촉 스트립 형태로 구현되고 전기 전도성 재료, 특히 알류미늄(Al)과 같은 금속 재료로 만든다.
광학적으로 비활성인 에지 영역(14)은 광학적으로 활성인 내부 영역(13)을 원주 방향으로 (완전히) 둘러싼다. 층 구조(3)는 모듈 에지(31)에 인접한 에지 디코팅(edge-decoating) 구역(22)의 에지 영역(14)에서 제거된다(도 4 참조). 에지 영역(14)은 또한 모듈 에지(31)에 인접한 원주 에지 씰(edge seal)(16)을 가지며, 에지 씰은 박막 태양광 모듈(1)로 수분이 유입되는 것을 방지하고 안정성을 장기적으로 향상시킨다.
도 2에서 식별할 수 있는 바와 같이, 후면 캐리어 기판(2)은 2 개의 도체 트랙들(15, 15')의 전기적 접촉을 위해 작용하는 제1 (관통)홀(17) 및 제2 (관통)홀(17')을 갖는다. 도 2에서, 2 개의 도체 트랙들(15, 15')은 홀(17, 17') 아래에 위치하지 않으며, 즉, 홀(17, 17')의 (캐리어 기판(2)에 수직)정렬 연장에 있지 않다. 대신에, 2 개의 홀(17, 17')은 내부 영역(13) 내에 완전히 배열된다. 도 2에 도시된 예에서, 2 개의 홀(17, 17')은 각각의 경우에 그들이 2 개의 도체 트랙 (15, 15') 사이의 거리의 1 % 내지 10 % 범위에 있는 거리를 갖도록 관련 도체 트랙(15, 15')으로부터 충분히 안쪽으로 이동된다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 박막 태양광 모듈(1)은 제1 정션 박스(junction box)(18) 및 제2 정션 박스(18')를 포함한다. 2 개의 정션 박스(18, 18')는 각각의 경우 캐리어 기판(2)의 후면(10)에 배치되며, 여기서 제1 정션 박스(18)는 제1 홀(17)과 중첩하고 제2 정션 박스(18')는 제2 홀(17')과 중첩한다. 따라서, 2 개의 홀(17, 17')의 확실한 밀봉이 달성될 수 있다. 제1 정션 박스(18)는 연결 케이블(20)을 갖고, 제2 정션 박스(18')는 대응되게 연결 케이블(20')를 갖는데, 이 케이블들은 박막 태양광 모듈(1)을 전기 부하에 연결하거나 박막 태양광 모듈(1)을 다른 모듈에 직렬 연결하는 역할을 한다. 2 개의 정션 박스(18, 18') 사이에는 통합된 프리휠링(freewheeling) 다이오드 또는 바이패스 다이오드 (도시되지 않음)가 있는 다이오드 케이블(19)이 있으며, 이는 박막 태양광 모듈(1)이 전류를 전달하는 정상 동작 상태에서 역 바이어스된다. 이것은 예를 들어 그림자 또는 모듈 결함으로 인해 전류가 전달되지 않는 경우 전류가 생성되지 않을 때 박막 태양광 모듈(1)이 손상되는 것을 방지한다. 다른 태양광 모듈에 의해 전달되는 전류는 프리휠링 다이오드를 통해 흐를 수 있다.
이제 도 4 및 5를 참조하여, 도 1의 박막 태양광 모듈(1)의 예시적인 실시예가 도 2의 A-A 단면선에 따른 개략적인 단면 및 횡단면 영역의 평면도 표시를 사용하여 도시되어 있다. 제1 도체 트랙(15)과 연관된 구성 요소가 유사하게 구성되어 있는 두 개의 도체 트랙(15,(15'))과 연관된 구성 요소와 함께 도시되어 있다. 괄호 안의 참조 문자는 제2 도체 트랙(15')에 대한 각각의 구성 요소에 대응한다.
캐리어 기판(2)의 홀(17(17'))은 박막 태양광 모듈(1)의 내부 영역(13) 내에 완전히 놓여서 광학적으로 활성인 태양 전지(12)의 영역이 홀(17(17'))의 단면에 수직인 양방향에 위치하도록 한다. 도체 트랙(15(15')) 및 에지 디코팅(edge de-coating) 구역(22)은 광학적으로 비활성인 에지 영역(14)에 위치한다. 도체 트랙(15(15'))은 후면 전극층(4)과 전기적으로 접촉하여 후면 전극층 위에 직접적으로 배치된다. 에지 디코팅 구역(22) 만큼 감소된 에지 영역(14) 부분에서, 층 구조(3)는 후면 전극층(4)에까지 완전히 디코팅된다. 에지 디코팅 구역(22)의 영역에서, 층 구조(3)는 완전히 디코팅된다. 이것은 그 자체로 알려진 기계적 디코팅 방법을 사용하여 간단한 방식으로 수행될 수 있으며 여기에서 자세히 설명할 필요는 없다. 후면 전극층(4)은 홀(17(17'))의 영역에 위치하지 않는다. 이것은 캐리어 기판(2) 상에 도포되고 홀(17(17'))을 형성하는 중에 캐리어 기판(2)과 함께 제거되었기 때문이다.
박막 태양광 모듈(1)은, 여기서 접촉 스트립(접촉 브리지)의 형태로 구현되는, 평면 접촉 요소(flat contact element)(24(24'))를 포함한다. 접촉 요소(24(24'))는 후면 전극층(4)과 직접 접촉하고, 구멍(17(17'))에 완전히 걸쳐있고, 도체 트랙(15(15')) 끝까지 완전히 연장된다. 평면 접촉 요소(24(24'))는 예를 들어 용접, 납땜, 또는 접착에 의해 후면 전극층(4)뿐만 아니라 도체 트랙(15(15'))의 광-입사측 표면 상에 고정된다. 평면 접촉 요소(24(24'))는 전기 전도성 물질, 특히 금속 물질, 예를 들어 알루미늄을 포함하거나 또는 이러한 물질로 이루어진다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 평면 접촉 요소(24(24'))는 도체 트랙(15(15'))과 중첩된다. 평면 접촉 요소(24(24'))가 광-입사측으로부터 멀리 향하는 도체 트랙(15(15'))의 대향 표면과 중첩하는 것도 가능할 것이다. 이 경우, 예를 들어 후면 전극층(4)의 용접, 납땜 또는 접착에 의해 평면 접촉 요소(24(24'))가 후면 전극층(4) 상에 먼저 고정되고, 이어서, 예를 들어, 용접, 납땜 또는 접착에 의해, 도체 트랙(15(15'))이 평면 접촉 요소(24(24')) 상에 고정된다.
평면 접촉 요소(24(24'))의 외부로부터의 전기적 접촉은, 정션 박스(18(18'))로부터 돌출되어 홀(17(17'))을 관통하여, 광 입사측으로부터 대향하는 평면 접촉 소자(24(24'))의 표면에 직접 접촉하는 접촉 스탬프(contact stamp)(23(23'))에 의해 이루어진다. 접촉 스탬프(23(23'))는 전기 전도성 물질, 특히 금속 물질을 포함하거나 또는 이러한 물질로 이루어진다. 예를 들어, 접촉 스탬프(23(23'))는 돌출된(금속성) 스프링 형태로 구현된다. 이러한 설계는, 정션 박스(18(18'))가 자동화를 사용하여 캐리어 기판(2)의 후면(10) 상에 간단한 방식으로 고정될 수 있고, 여기서 접촉 스탬프(23(23'))는 자동으로 평면 접촉 요소(24(24'))와 물리적으로 접촉하게 되는 특별한 이점을 갖는다. 정션 박스(18(18'))에서, 접촉 스탬프(23(23'))는 접속 케이블(20)(20')과, 예를 들어, 클램프 또는 플러그 접속(도 4에 상세히 도시되지 않음)에 의해 전기적으로 접속된다.
도 4에 도시된 변형예에서, 도체 트랙(15(15'))과 접촉 스탬프(23(23')) 사이의 전기 연결부(21(21'))는 평면 접촉 요소(24(24'))로 구성되며, 여기서 평면 접촉 요소(24(24'))는 탭핑 포인트(25(25'))에서 도체 트랙(15(15'))에 (물리적 접촉으로) 전기적으로 접촉하고 연결 포인트(26(26')에서 접촉 스탬프(23(23'))에 (물리적 접촉으로) 전기적으로 접촉한다. 이 경우, 연결 포인트(26(26'))는 정션 박스(18(18')) 외부에 위치한다.
또한, 도 5의 도면을 고려하면, 박막 태양광 모듈(1)의 내부 영역(13)과 에지 영역(14)은 경계선으로 구분된다. 내부 영역(13)은 영역 경계(32(32'))에서 에지 영역(14)으로 전이한다. 에지 영역(14)은 에지 디코팅 영역(22)을 포함하며, 디코팅 영역에서 에지 씰(16)이 모듈 에지(31)에 인접하게 구현된다. 디코팅 영역(22)에서, 층 구조(3)는 캐리어 기판(2)의 광 입구측 표면까지 완전히 제거된다. 에지 디코팅 영역(22)과 내부 영역(13) 사이에서, 층 구조(3)가 후면 전극층(4) 까지 완전히 제거되어서 도체 트랙(15(15'))에 의한 직접적인 전기 접촉을 (물리적 접촉으로) 허용하는 디코팅 구역(30(30'))이 생긴다.
캐리어 기판(2)의 홀(17(17')은 박막 태양광 모듈(1)의 내부 영역(13)에 완전히 위치하며, 여기서 층 구조(3)는 홀(17(17')) 영역에서 후면 전극층(4)에까지 완전히 제거된다. 디코팅 영역(30(30'))은 이를 위해 디코팅 영역(30(30'))의 돌출부에 대응하는 영역 경계(32(32'))에서 내부 영역(13)의 직사각형 오목부(indentation)(33(33')을 포함한다. 디코팅 영역(30(30')의 이러한 돌출 부분은 디코팅 영역(30(30'))을 만드는 동안 유리하게 생성될 수 있다.
홀(17(17')의 위치와 이로써 발생하는 내부 영역(13)의 오목부(33(33'))의 위치를 통해, 적어도 하나의 태양 전지(12), 여기서 예를 들어 3 개의 태양 전지들(12)이 짧게 절단되고, 예를 들어, 여기에서는 완전히 분할된다. 더 쉽게 참조하기 위해, 분할된 태양 전지들(12)은 "A"로, 분할되지 않은 태양 전지들은 "B"로 식별된다. 각각의 태양 전지(A)는 홀(17(17')) 또는 내부 영역(13)의 오목부(33(33'))에 의해 2 개의 서브-셀들(12-1, 12-2)로 분할된다.
각각의 태양 전지 A는 2 개의 서브-셀들(12-1, 12-2)의 광활성 면적(optically active area)들의 합으로 생기는 광활성 (전체) 영역을 갖는다. 모든 태양 전지들 A는 동일한 크기의 광활성 (전체) 면적을 갖는다. 또한, 모든 태양 전지들 B는 동일한 크기의 광활성 면적을 갖는다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 태양 전지들 A의 서브 셀들(12-1, 12-2)은 태양 전지들 B보다 폭이 더 넓고, 그 폭은 태양 전지 A와 태양 전지 B가 동일한 크기의 광활성 면적을 갖도록 확장되어 있다. 이것은 태양 전지 A의 2 개의 서브 셀들(12-1, 12-2)이 전체적으로 하나의 태양 전지 B의 광활성 면적에 대응하는 광활성 면적을 갖는다는 것을 의미한다. 따라서, 태양 전지들은 태양 전지들 A의 효율이 태양 전지들 B에 비해 저하되지 않도록 특성 곡선에서 적어도 거의 동일한 동작 지점에서 동작될 수 있다는 것이 유리하게 달성될 수 있다.
홀(17(17'))과 겹치는 접촉 요소(24 (24'))는 긴 형상, 예를 들어 직사각형 형상을 갖는 접촉 브리지(contact bridge)이다. 오목부(33(33')) 내부에서 접촉 요소(24(24'))에 의한 태양 전지들(A)의 전기적 단락을 방지하기 위해, 접촉 요소(24(24'))와 접촉하는 후면 전극층(4)의 제1 층 섹션(28(28'))은 분리 라인(27(27'))에 의해 후면 전극층(4)의 제2 층 섹션(29(29'))과 전기적으로 분리된다. 이를 위해, 분리 라인(27(27'))은 내부 영역(13) 또는 오목부(33(33')) 내의 프레임과 같이 접촉 요소(24(24'))를 둘러싼다. 분리 라인(27(27'))은 제1 층 섹션(28(28') 및 제2 층 섹션(29(29'))이 내부 영역(13)에서 서로 전기적으로 완전히 절연되도록 전체 층 두께로 후면 전극층(4)을 절단한다. 모듈 차원에서, 분리 라인(27(27')은 접촉 요소(24(24'))와 (작은) 거리가 있지만 접촉 요소(24(24')에 직접 인접할 수도 있다. 분리 라인(27(27'))은 어떤 경우에도 내부 영역(13)에 만들어지며, 이로써 제1 층 섹션(28(28'))이 제2 층 섹션(29 (29'))과 만족스럽게 전기 절연된다. 도 5의 실시예에서, 분리 라인(27(27'))은 에지 영역(14)으로 약간 연장되는데, 도체 트랙(15(15'))에까지도 연장될 수 있으며, 이로써 제1 층 섹션(28(28'))과 제2 층 섹션(29 (29 '))이 내부 영역(13) 및 에지 영역(14) 모두에서 전기적으로 완벽하게 절연된다.
도 6을 참조한다. 여기서 박막 태양광 모듈(1)의 또 다른 예시적인 실시예가 도 2의 절단선 A-A에 따른 개략적인 단면을 사용하여 도시되어 있다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 전기 예시적인 실시예에 대한 차이점 만이 설명되고, 그렇지 않으면 위에서 한 설명을 참조한다.
도 6에 도시된 변형예에서, 이전 변형예와는 대조적으로, 접촉 요소(24(24'))는 도체 트랙 (15(15'))까지 끝까지 연장되지 않고, 대신에 도체 트랙(15(15'))에서 일정한 거리에 있다. 접촉 요소(24(24'))와 도체 트랙(15(15')) 사이의 전기적 연결은 접촉 요소(24(24'))와 도체 트랙(15(15')) 사이에 위치한 후면 전극층(4)의 접촉 섹션(34(34'))에 의해 이루어진다. 따라서 도체 트랙(15(15'))과 접촉 스탬프(23(23')) 사이의 전기 연결부(21(21'))는 접촉 요소(24(24'))와 후면 전극층(4)의 접촉 섹션(34(34')으로 구성된다. 도체 트랙(15 (15'))의 탭핑 포인트(25(25'))는 도체 트랙(15(15'))이 후면 전극층(4)의 접촉 섹션(34(34'))에 물리적으로 놓여지는 지점에서 발생한다.
이제 도 7을 참조한다. 여기서, 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈(1)의 또 다른 예시적인 실시예가 도 2의 절단선 A-A에 따른 개략적인 단면을 사용하여 예시된다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 앞선 예시적인 실시예와 관련된 차이점 만이 설명되고, 그렇지 않으면 위에서 한 설명을 참조한다.
따라서, 박막 태양광 모듈(1)은 도체 트랙(15(15'))의 단부 섹션(36(36'))의 형태로 구현되는 평면 접촉 요소(24(24'))를 포함한다. 이를 위해, 도체 트랙(15(15'))은 예를 들어 직각으로 접히고 (도 7의 단면 표시에서 식별할 수 없음), 홀(17(17')) 방향으로 라우팅되어 홀(17(17')을 통해 엮여진다. 단부 섹션(36(36'))의 전기 접촉은 예를 들어 클램프(clamp) 또는 크림프(crimp) 형태의 연결 요소 (35)를 갖는 정션 박스(18(18'))에서 이루어진다. 도 7에 도시된 변형예에서 도체 트랙(15(15'))과 정션 박스(18(18')) 사이의 전기 연결부(21(21')는 도체 트랙(15(15'))의 단부 섹션(36(36'))으로 구성된다. 도체 트랙(15(15'))이 접히고 길이 방향의 치수(L) 방향 코스에서 이탈하는 지점이 탭핑 포인트(25(25'))이다. 연결 포인트(26(26'))는 단부 섹션(36(36'))이 연결 요소(35)로 전이되는 지점이다. 본 발명의 이 변형예에서, 추가 평면 접촉 요소와 접촉 스탬프는 생략될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 단부 섹션(36(36'))은 후면 전극층(4) 상에 직접 놓일 수 있다. 그러나 층 구조(3)가 단부 섹션(36,(36'))의 영역에서 완전히 디코팅되는 것도 생각할 수 있다.
이제 도 8을 참조한다. 여기서, 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈(1)의 4번째 변형예가 평면도로 개략적으로 도시되어 있다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 앞선 예시적인 실시예와 관련된 차이점 만이 설명되고, 그렇지 않으면 위에서 한 설명을 참조한다.
따라서, 박막 태양광 모듈(1)은 도체 트랙(15(15'))의 중간 섹션(37(37'))의 형태로 구현되는 평면 접촉 요소(24(24'))를 포함한다. 이를 위해, 도체 트랙(15(15'))은 안쪽에 위치한 영역에서 예를 들어 직각으로 여러번 접히는데, 홀(17(17')) 방향으로 라우팅되어 홀(17(17')을 통해 엮여진다. 중간 섹션(37(37'))의 전기 접촉은 도 7의 변형예와 유사하게 정션 박스(18(18'))에서 이루어진다. 도 8에 도시된 변형예에서 도체 트랙(15(15'))과 정션 박스(18(18')) 사이의 전기 연결부(21(21')는 도체 트랙(15(15'))의 중간 섹션(37(37'))으로 구성된다. 도체 트랙(15(15'))이 처음으로 접히고 길이 방향 치수(L)의 방향의 코스에서 이탈하는 지점이 탭핑 포인트(25(25'))이다. 연결 포인트는 중간 섹션(37(37'))이 연결 요소(35)(도 8에 도시되지 않음)로 전이되는 지점이다. 중간 섹션(37(37'))은 후면 전극층(4) 상에 직접 놓일 수 있다. 그러나 층 구조(3)가 중간 섹션(37,(37'))의 영역에서 완전히 디코팅되는 것도 생각할 수 있다.
이제 도 9를 참조한다. 여기서, 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈(1)의 5번째 변형예가 평면도로 개략적으로 도시되어 있다. 도 9에 도시된 변형예는 도 5의 변형예의 변형이다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 앞선 예시적인 실시예와 관련된 차이점 만이 설명되고, 그렇지 않으면 위에서 한 설명을 참조한다.
도 9의 변형은 3 개의 태양 전지들(12)이 완전히 분할되고 제4 태양 전지(12)가 내부 영역(13)의 오목부(33(33'))에 의해 짧게 절단(즉, 완전히 분할되지 않음)된다는 점에서 도 5와 다르다. 홀(17(17'))과 겹치는 접촉 요소 (24 (24'))는 가늘고 긴 형상과 둥근 모서리를 가진 접촉 브리지이다.
본 발명의 상기 설명에서 알 수 있듯이, 2 개의 홀(17, 17')의 위치는 내부 영역(13) 내부의 캐리어 기판(2)에 위치하여 2 개의 도체 트랙(15, 15')이 박막 태양 광 모듈 (1)의 모듈 에지(31)에서 더 멀리 위치 할 수 있다. 한편으로, 태양 전지들(A)의 광활성 면적은 오목부들(33, 33')에 의해 감소된다; 그러나, 이러한 단점은 전체적으로 개구 면적이 확대될 수 있도록 더 외측으로 배치된 도체 트랙들(15, 15')에 의해 과잉 보상될 수 있다.
이것은 예시적인 계산을 사용하여 명확히 할 수 있다.
예를 들어, 에지 씰(16)의 폭은 현재 12.5mm에서 6mm로 좁아질 수 있다. 이렇게하면 개구 면적이 2 * 6.5mm * 1560mm (= 202cm2) 증가한다. 내부 영역(13)의 오목부(33, 33')는 이 이득을 다시 감소시킨다. 홀 직경이 4mm이고 평면 접촉 요소(24, 24')의 너비가 4mm + 3 x 3mm = 10mm (기계적/전기적 접점의 경우 + 3mm) 인 경우, 오목부(33, 33')에서 전지의 면적은 약 2 x 10mm x 10mm = 2cm2 만큼 감소한다. 따라서 약 200cm2의 순이득이 남는다. 9600cm2의 개구 면적으로 150 와트 모듈의 경우 모듈 출력이 2%, 즉 3 와트 증가하는 것에 해당한다. 이 경우 재료 비용은 약간만 증가하는 반면 층 구조(3)를 패터닝하기 위한 그리고 선택적으로 평면 접촉 요소(24, 24')를 도포하기 위한 추가 단계가 필요하다.
도 1의 홀(17, 17')의 위치로부터 식별할 수 있는 바와 같이, 탭핑 포인트(25, 25')는 2 개의 도체 트랙(15, 15')의 대략 중앙에 위치한다. 따라서, 도체 트랙(15, 15')을 따른 전류 경로의 길이가 단축되기 때문에, 도체 트랙(15, 15')에서의 옴 손실(ohmic loss)이 감소될 수 있다. 이로써 도체 트랙의 폭을 감소하여 도체 트랙(15, 15')의 단면적의 감소를 가능하게 함으로써 특히 개구 면적이 특히 유리한 방식으로 더 확대될 수 있다.
본 발명은 동일한 모듈 크기의 종래 기술 모듈들에 비해 태양광 모듈의 장기적인 안정성 및 서비스 수명에 불리하게 영향을 주지 않으면서 더 높은 발전을 가능하게 하는, 확대된 개구 면적을 갖는 개선된 태양광 모듈을 제공한다. 태양광 모듈 생산에 필요한 단계는 기존 공장에서 간단한 방식으로 실현할 수 있다.
1 박막 태양광 모듈(thin-film solar module)
2 캐리어 기판(carrier substrate)
3 층 구조(layer structure)
4 후면 전극층(back electrode layer)
5 흡수체층(abosorber layer)
6 버퍼층(buffer layer)
7 전면 전극층(front electrode layer)
8 접착제층(adhesive layer)
9 커버링(covering)
10 후면(back side)
11 전면(front side)
12 태양 전지(solar cell)
12-1, 12-2 서브 셀(sub-cell)
13 내부 영역(inner region)
14 에지 영역(edge region)
15, 15' 도체 트랙(conductor track)
16 에지 씰(edge seal)
17, 17' 홀(hole)
18, 18' 정션 박스(junction box)
19 다이오드 케이블(diode cable)
20, 20' 연결 케이블(connection cable)
21, 21' 전기 연결부(electrical connection)
22 에지 디코팅 구역(edge de-coating zone)
23, 23' 접촉 스탬프(contact stamp)
24, 24' 평면 접촉 요소(flat contact element)
25, 25' 탭핑 포인트(tapping point)
26, 26' 연결 포인트(connection point)
27, 27' 분리 라인(separating line)
28, 28' 제1 층 섹션(first layer section)
29, 29' 제2 층 섹션(second layer section)
30, 30' 디코팅 구역(de-coating zone)
31 모듈 에지(module edge)
32, 32' 영역 경계(region boundary)
33, 33' 오목부(indentation)
34, 34' 접촉 섹션(contact section)
35 연결 요소(connection element)
36, 36' 단부 섹션(end section)
37, 37' 중간 섹션(intermediate section)
2 캐리어 기판(carrier substrate)
3 층 구조(layer structure)
4 후면 전극층(back electrode layer)
5 흡수체층(abosorber layer)
6 버퍼층(buffer layer)
7 전면 전극층(front electrode layer)
8 접착제층(adhesive layer)
9 커버링(covering)
10 후면(back side)
11 전면(front side)
12 태양 전지(solar cell)
12-1, 12-2 서브 셀(sub-cell)
13 내부 영역(inner region)
14 에지 영역(edge region)
15, 15' 도체 트랙(conductor track)
16 에지 씰(edge seal)
17, 17' 홀(hole)
18, 18' 정션 박스(junction box)
19 다이오드 케이블(diode cable)
20, 20' 연결 케이블(connection cable)
21, 21' 전기 연결부(electrical connection)
22 에지 디코팅 구역(edge de-coating zone)
23, 23' 접촉 스탬프(contact stamp)
24, 24' 평면 접촉 요소(flat contact element)
25, 25' 탭핑 포인트(tapping point)
26, 26' 연결 포인트(connection point)
27, 27' 분리 라인(separating line)
28, 28' 제1 층 섹션(first layer section)
29, 29' 제2 층 섹션(second layer section)
30, 30' 디코팅 구역(de-coating zone)
31 모듈 에지(module edge)
32, 32' 영역 경계(region boundary)
33, 33' 오목부(indentation)
34, 34' 접촉 섹션(contact section)
35 연결 요소(connection element)
36, 36' 단부 섹션(end section)
37, 37' 중간 섹션(intermediate section)
Claims (15)
- 평면 기판(2)과 두 개의 도체 트랙들(15, 15') 사이에 직렬로 연결되고 상기 기판(2)의 제1 면에 배열된 복수의 태양 전지들(12)이 있는 태양광 모듈(1)로서, 태양 전지들(12)는 광학적으로 비활성인 에지 영역(14)으로 둘러싸인 광학적으로 활성인 내부 영역(13)을 형성하며, 여기서
- 기판(2)의 홀(17, 17'),
- 기판(2)의 제2 면에 있는 정션 박스(18, 18'),
- 도체 트랙(15, 15') 상의 탭핑 포인트(25, 25')와 정션 박스(18, 18')의 연결 포인트(26, 26') 사이에 전기 연결부(21, 21')가 각각 구성되며 각각의 전기 연결부(21, 21')는 도체 트랙들(15, 15')에 연결되어 있고,
여기서 도체 트랙(15, 15') 상의 탭핑 포인트(25, 25')가 홀(17, 17')의 정렬 연장선 외부에 위치하도록 내부 영역(13)에 적어도 부분적으로 홀(17, 17')을 위치하고
복수의 태양 전지들(12) 중 적어도 하나의 태양 전지(12)는 내부 영역(13)에 적어도 부분적으로 위치한 홀(17, 17')에 의해 두 개의 태양전지 서브셀(12-1, 12-2)로 분할되거나 짧아진 길이를 갖는, 태양광 모듈(1).
- 제1항에있어서,
기판(2) 상에 적용된 층 구조(3)를 가지며, 층 구조는 후면 전극층(4), 전면 전극층(7), 상기 후면 전극층 및 상기 전면 전극층 사이에 배열된 흡수체층(5)을 포함하며,
여기서 홀(17, 17')은 모든 층들이 제거되거나 적어도 후면 전극층(4)에까지제거되어 후면 전극층(4)이 적용되지 않은 층 구조(3)의 영역(30, 30') 위에 배열되는, 태양광 모듈(1).
- 제2항에 있어서,
상기 영역(30, 30')은 내부 영역(13)의 오목부(33, 33')를 포함하는, 태양 광 모듈(1).
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
기판(2)의 제1면 상의 전기 연결부(21, 21')는 홀(17, 17')에 적어도 부분적으로 걸쳐있는 접촉 요소에 의해 도체 트랙(15, 15')에 전기적으로 연결된 평면 접촉 요소(24, 24')를 갖는, 태양광 모듈(1).
- 제4항에 있어서,
상기 평면 접촉 요소 (24, 24')는 상기 홀(17, 17')을 통해 밀어내는 물리적인 접촉으로 정션 박스(18, 18')의 접촉 스탬프(23, 23')에 의해 도체 트랙(15, 15')에 전기적으로 접촉되는, 태양광 모듈(1).
- 제4항에 있어서,
평면 접촉 요소(24, 24')는 도체 트랙(15, 15')에 전기적으로 연결된 후면 전극층(4)의 제1 층 섹션(28, 28')과 접촉하며, 여기서 제1 층 섹션(28, 28')은 적어도 내부 영역(13)에서 태양 전지들(12)로부터 전기적으로 절연되는, 태양광 모듈(1).
- 제6항에있어서,
적어도 내부 영역(13)에서, 후면 전극층(4)의 제1 층 섹션(28, 28')은 후면 전극층(4)를 관통하여 절단하는 분리 라인(27, 27')에 의해서 후면 전극층(4)의 나머지 제2 층 섹션(29, 29')과 전기적으로 분리되는, 태양광 모듈(1).
- 제6항에 있어서,
평면 접촉 요소(24, 24 ')는 도체 트랙(15, 15')과 물리적으로 이격된, 태양광 모듈(1).
- 제4항에 있어서,
평면 접촉 요소(24, 24')는 도체 트랙(15, 15')과의 물리적 접촉으로 도체 트랙(15, 15')과 겹치는, 태양광 모듈(1).
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
도체 트랙(15, 15')은 기판(2)의 길이 방향(L)을 따라 연장되고, 전기 연결부(21, 21')는 기판(2) 길이 방향(L)에 대하여 직각 또는 대각선 방향으로 연장되는 단부 섹션(36, 36') 또는 도체 트랙(15, 15 ')의 중간 섹션(37, 37')을 포함하며, 기판(2) 제2 면의 홀(17, 17') 방향으로 라우팅되는, 태양광 모듈(1).
- 제10항에 있어서,
도체 트랙(15, 15')의 단부 섹션(36, 36') 또는 중간 섹션(37, 37')이 도체 트랙(15, 15')에 전기적으로 연결된 후면 전극층(4)의 제1 층 섹션(28, 28')에 직접 접촉하며, 여기서 적어도 내부 영역(13)에서 제1 층 섹션(28, 28 ')은 태양 전지들(12)과 전기적으로 절연되는, 태양광 모듈(1).
- 제10항에 있어서,
층 구조(3)의 모든 층들이 제거되거나 도체 트랙(15, 15')의 단부 섹션(36, 36') 또는 중간 섹션(37, 37')의 영역에 적용되지 않는, 태양광 모듈(1).
- 제1항에 있어서,
탭핑 포인트(25, 25')는 도체 트랙(15, 15')의 단부로부터 도체 트랙(15, 15') 길이의 20% 내지 50%에 상응하는 거리에 이격되어 있는, 태양광 모듈(1).
- 제1항에 있어서,
기판(2)의 홀(17, 17') 방향으로 연장된 도체 트랙(15, 15')으로부터 두 도체 트랙들(15, 15') 사이의 길이는 도체 트랙(15, 15') 길이의 1% 내지 10%에 상응하는 거리에 이격되어 있는 태양광 모듈(1).
- 제1항에 있어서,
모든 태양 전지들(12)은 동일한 크기의 광학적으로 활성인 면적을 갖는, 태양광 모듈(1).
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| EP18174444.2 | 2018-05-25 | ||
| EP18174444.2A EP3573110A1 (de) | 2018-05-25 | 2018-05-25 | Solarmodul mit vergrösserter aperturfläche |
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