KR20060125772A - 태양 전지 모듈 - Google Patents

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KR20060125772A
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타카시 츠게
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Abstract

최대 응력은 태양 전지에서의 버스 바 전극의 에지와 반도체 기판의 표면 사이의 경계 부근에서 생성되어 응력이 용이하게 집중된다. 따라서, 미세 균열 등의 결함이 반도체 기판에서 발생하여 그 개시점에서와 같은 결함에 의해 큰 크레이즈로 발전된다. 따라서, 내부 리드(8)에 의해 태양 전지에 버스 바 전극(4a 및 5a)을 접속할 시에, 땜납(6)은 버스 바 전극(4a 및 5a)의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리로의 부분(F)과 접촉되지 않고, 충전재(10)와 직접 접촉된다.
태양 전지 모듈, 충전재, 핑거 전극, 버스 바 전극

Description

태양 전지 모듈{SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 태양 전지 모듈에 관한 것이고, 특히 전극이 각각 형성된 복수의 태양 전지가 내부 리드에 의해 반도체 기판에 접속되는 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
태양 전지는 단결정 실리콘 기판 또는 다결정 실리콘 기판을 이용하여 제조된다. 따라서, 태양 전지는 물리적 충격에 약하고, 태양 전지가 외부에 설치될 때 비 등으로부터 보호되어야 한다. 1개의 태양 전지는 전기 출력을 거의 발생시키지 않기 때문에, 복수의 태양 전지는 실질적인 전기 출력이 추출될 수 있도록 직렬로 접속되어야 한다.
따라서, 복수의 태양 전지를 접속하고, 접속된 태양 전지를 투광성 패널과 배면 보호 부재 사이에 삽입하고, 태양 전지 중에서 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(EVA) 등으로 주로 구성된 충전재를 밀봉하여 태양 전지 모듈을 제조하는 방법이 일반적으로 행해진다. 직렬로 선형 접속된 태양 전지는 태양 전지 스트링(solar cell string)으로 언급된다.
이러한 태양 전지 모듈에서, 태양 전지는 내부 리드라 불리는 길고 좁은 도체에 의해 서로 접속되고, 외부 리드라 불리는 길고 좁은 도체는 태양 전지의 양단 에 나타나 있다. 복수의 스트링에서의 외부 리드가 결합 와이어링에 의해 병렬로 서로 접속되어 태양 전지 패널을 제조한다.
이러한 내부 리드, 외부 리드 및 결합 와이어링은 일반적으로 대략 0.1 내지 1.0㎜의 두께 및 2 내지 8㎜의 폭을 갖고 구리 포일(foil)의 전체 표면이 땜납으로 코팅된 땜납-코팅 구리 포일로 형성된다. 그것들은 소정의 길이로 절단되어 사용된다.
땜납은 일반적으로 약 63중량%의 주석과 약 37중량%의 납의 혼합물을 갖는 공융 땜납이다.
내부 리드 및 태양 전지가 땜납을 이용하여 서로 접속될 때, 상술한 바와 같이, 태양 전지의 표면에 형성된 전류 수집 버스 바(bus bar) 전극의 표면에는 땜납에 의한 코팅이 미리 제공되고, 상기 코팅은 내부 리드에서의 땜납에 의한 코팅과 함께 열용접된다.
대안으로 내부 리드에만 땜납에 의한 코팅이 제공되고, 내부 리드에서의 땜납은 플럭스를 이용한 땜납 코팅없이 버스 바 전극에 직접 열용접된다.
종래의 태양 전지에서, 태양 전지의 기판은 때때로 버스 바 전극을 따라 균열된다.
도 9는 태양 전지의 실리콘 기판(1)상의 버스 바 전극과 내부 리드 사이에서의 커넥터의 단면도이다. 실리콘 기판(1)의 단면에 가해지는 응력은 화살표로 도시되어 있다. 단면도는 구성을 용이하게 이해하기 위하여 주요부의 사이즈가 확대되어 도시되고, 그 치수 비율은 실제 치수 비율과 다르다.
도 9에 도시된 바와 같이, 출력 추출 단자인 버스 바 전극(5a)은 버스 바 전극의 세로 방향을 따라 그 에지에 대하여 땜납으로 코팅된다. 이 때, 가장 큰 인장 응력이 버스 바 전극(5a)의 에지와 실리콘 기판(1)의 표면 사이의 경계 부근에서 생성되어 응력이 용이하게 집중된다.
상기 응력은 몇몇 문제를 야기시킨다. 예컨대, 미세 균열 등의 결함은 버스 바 전극(5a) 근처의 실리콘 기판(1)에서 발생되어 후속의 제조 공정에서 큰 크레이즈(craze)로 발전된다. 또한, 출력이 충분히 추출될 수 없거나 저하된다.
특히, 태양 전지 모듈이 일반적으로 외부에 설치되어 일간 온도 사이클에 의한 수축과 팽창이 반복된다. 이 때의 응력은 버스 바 전극(5a)의 에지와 실리콘 기판(1)의 표면 사이의 경계 부근에 인가된다. 따라서, 미세 균열이 태양 전지 상에서 생성되어 장기간의 신뢰성이 감소된다.
태양 전지 모듈의 제조시에, 땜납에 의해 미리 코팅된 내부 리드가 버스 바 전극(5a)에 용접되어 버스 바 전극(5a) 및 내부 리드(8)를 결합시킨다. 이 때, 내부 리드(8)가 시프트되어 땜납이 버스 바 전극에 접속된 표면 핑거 전극에 용접될 때, 미세 균열 등은 땜납과 내부 리드(8)로 이루어진 구리간의 열 팽창, 수축 등의 차이로 야기되는 응력에 의해 실리콘 기판(1)에서 더 심각하게 발생한다.
또한, 최근에 비용 저감의 관점으로부터 실리콘 기판(1)의 두께를 저감시킴으로써 반도체 재료의 소비량을 저감하기 위한 시도가 이루어졌다. 실리콘 기판(1)의 두께가 저감되면, 실리콘 기판(1)이 충격 또는 응력에 대하여 약화된다. 땜납에 의해 야기되는 그러한 응력이 인가되면, 균열의 발생 빈도가 증가된다.
한편, 환경 문제가 중요시되는 한, Sn-Pb계 공융 땜납이 인체에 포함되는 납의 효과는 문제가 되고 있다. 납을 포함하지 않는 무납 땜납이라 칭해지는 땜납 재료가 활발히 시험되어 왔다. 그러나, Sn-Ag-Cu, Sn-Zn, Sn-Cu 또는 Sn-Ag-Ni계 땜납 등의 무납 땜납이 사용되는 경우, 버스 바 전극(5a)의 에지 부근에 인가되는 응력은 확실히 중요해진다.
땜납에 의한 코팅이 버스 바 전극의 표면에 미리 제공되고 코팅된 땜납과 함께 내부 리드(8)가 열용접되는 경우에, 땜납이 버스 바 전극의 표면에 존재할 때, 용접에 이용되는 땜납의 두께가 증가된다. 따라서, 버스 바 전극의 에지 부근에 인가되는 응력은 확실히 중요해진다.
상기 문제를 해결하기 위하여, Fe-Ni 등으로 구성된 인바(Invar) 재료가 Sn-Ag-Cu계 땜납으로 코팅된 구리 포일에 이용되어 응력을 저감시킨다. 그러나, 도체의 저항이 높아 출력의 손실을 유도한다.
본 발명자에 의해 행해진 실험은 태양 전지를 접속하는 땜납 및 내부 리드의 응고에 의한 수축 응력 및 기재로서 구리 포일을 이용한 내부 리드가 땜납의 작업 온도에서 실온으로 냉각될 때의 수축 응력이 내부 응력으로서 축적되고, 축적된 왜곡이 버스 바 전극의 에지와 강도가 가장 약한 태양 전지 사이의 경계 부근 및 반도체 기판에서 미세 균열로서 실현되는 것을 나타냈다.
본 발명의 목적은 태양 전지에서의 버스 바 전극의 에지와 반도체 기판 사이의 경계 부근에 인가되는 응력을 저감하고, 이 응력에 의해 야기되는 미세 균열 등의 결함의 발생을 방지할 수 있는 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 태양 전지 모듈은 땜납이 버스 바 전극의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리로의 부분과 접촉하여 내부 리드에 의해 접속된 태양 전지가 밀봉되는 충전재와 상기 부분이 직접 접촉하도록 구성된다.
상기 버스 바 전극의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리로의 부분이 코팅 부재, 예컨대, 솔더 레지스트로 코팅되어 이 코팅 부재는 충전재와 직접 접촉할 수 있다.
상기 구성에 의해, 상기 부분은 충전재로 직접 코팅되거나 또는 고강성을 갖는 땜납으로 코팅되는 대신에 코팅 부재를 통해서 코팅되어 상기 부분에 인가되는 응력은 용이하게 저감된다. 따라서, 태양 전지의 기판의 표면과 버스 바 전극의 에지 사이의 경계 부근에 인가되는 인장 응력을 저감하는 것이 가능하다. 그 결과, 미세 균열 등의 결함의 발생이 버스 바 전극 근처의 기판에서 방지되어 후속 공정에서의 크레이즈가 방지될 수 있다. 태양 전지가 외부에 설치된 경우에 일간 온도 사이클에 기인한 응력은 전극의 부근에 집중된다. 따라서, 태양 전지가 장기간 동안 이용될 지라도, 버스 바 전극 근처의 부분은 거의 균열되지 않는다.
특히, 버스 바 전극의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리로의 부분이 코팅 부재로 코팅된 구성에서, 내부 리드가 버스 바 전극에 용접될 때, 버스 바 전극의 부분이 코팅 부재로 코팅됨으로써, 땜납이 상기 부분으로 흘러서 이 부분을 커버할 가능성을 제거한다.
버스 바 전극이 가로 방향으로의 그 중앙부에서 땜납에 의해 내부 리드와 결합되면, 땜납은 특히 버스 바 전극의 중앙부에 항상 존재하여 내부 리드에 접속됨으로써 접속의 신뢰성을 향상시킨다.
내부 리드의 폭이 버스 바 전극의 폭보다 작으면, 내부 리드가 버스 바 전극에 열용접될 때 내부 리드에서의 땜납이 버스 바 전극의 에지로 흐르는 것이 어려워진다.
태양 전지는 하나 이상의 단부가 버스 바 전극에 접속되는 복수의 핑거 전극을 더 포함한다. 태양 전지가 전체 길이에 걸쳐서 충전재와 직접 접촉되어 핑거 전극과 내부 리드가 땜납으로 서로 접속되지 않으면, 핑거 전극과 기판 표면 사이의 응력 집중이 억제되어 미세 균열 등의 결함의 발생이 기판에서 방지될 수 있다.
버스 바 전극에 접속된 핑거 전극의 일단부는 코팅 부재에 의해 코팅될 수 있다. 따라서, 내부 리드가 버스 바 전극에 열용접된 경우에 내부 리드가 접속된 위치가 시프트되면, 핑거 전극의 일단부는 코팅 부재로 커버되어, 핑거 전극과 내부 리드가 땜납으로 서로 접속되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 핑거 전극에서의 코팅 부재가 버스 바 전극에서의 코팅 부재로서의 역할을 하면, 핑거 전극 및 버스 바 전극은 하나의 공정에서 코팅되어 태양 전지 모듈의 제조 비용을 저감할 수 있다.
핑거 전극에서의 코팅 부재가 솔더 레지스트이면, 응력이 저감되기 쉬워져 코팅 부재가 상당히 용이하게 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 태양 전지 모듈에서, 내부 리드와 버스 바 전극을 접속하기 위한 땜납은 Sn을 포함하고 하기 식을 만족한다:
Σ(ViWi)<2.8(%)
[i는 땜납을 구성하는 원소의 수를 나타내고, Vi는 땜납을 구성하는 각 원소의 응고시의 수축 계수를 나타내고, Wi는 땜납을 구성하는 각 원소의 중량 백분율을 나타내고(전체는 1로 간주됨), 합계 Σ는 1 내지 i를 취함].
상기 식의 값은 땜납을 구성하는 원소의 응고시의 수축 계수(%)와 원소의 중량 백분율의 곱의 합이고, 원소의 조합으로 구성되는 땜납의 응고시의 수축 계수와 관련된 값이다.
땜납을 구성하는 각 원소의 응고시의 수축 계수(Vi)는 용액 상태에서 고체 상태로 상전이가 발생할 때 원소의 체적이 변화하는 비[(V1-V2)/V]로 표현된다(V1: 용액시의 체적, 및 V2: 고체시의 체적). 수축 계수(Vi)는 양의 값일 때 체적이 감소되는 것을 나타내는 반면, 음의 값일 때 체적이 증가되는 것을 나타낸다. 본 발명에서, 수축 계수는 음의 값을 가질 수 있으며, 즉, 원소의 체적이 증가될 수 있다.
기재로서의 구리 포일을 이용한 내부 리드 및 버스 바 전극이 상기 범위를 만족하는 땜납으로 서로 결합되면, 땜납의 응고시의 수축 정도가 감소되어 버스 바 전극에 인가되는 응력은 통상의 땜납을 이용한 것과 비교하여 감소될 수 있다. 따라서, 미세 균열 등의 결함의 발생이 버스 바 전극 근처의 기판에서 방지되어 후속 공정에서의 크레이즈가 방지될 수 있다. 태양 전지가 외부에 설치되는 경우에 일간 온도 사이클에 기인한 응력은 전극 부근에 집중되지 않는다. 따라서, 태양 전지가 장시간 동안 이용되지 않더라도, 버스 바 전극은 거의 균열되지 않는다.
땜납은 Bi를 포함하는 것이 바람직하다. Bi는 체적이 응고시에 증가하는 재료이며, 즉, 응고시의 수축 계수가 음의 값을 취할 수 있는 재료이다. 따라서, Bi를 포함하는 땜납의 응고시의 수축 계수와 관련된 상기 식의 값이 저감되어 응력을 저감할 수 있다. 또한, 작업 온도 등의 상태가 완화될 수 있다.
또한, Bi의 함유량이 3 내지 85중량%인 경우에, 응력은 가장 만족스럽게 저감될 수 있다.
버스 바 전극이 Ag로 주로 구성될 때, 땜납은 0.5 내지 6.5중량%의 은을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 구성에 의해, 땜납에 대한 버스 바 전극의 습윤성이 증가한다. 따라서, Ag가 이용되더라도, 땜납에 의한 Ag 여과 현상이 억제되어 땜납의 접속시에 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 태양 전지 모듈은 내부 리드에 의해 서로 접속된 복수의 태양 전지의 단부에 접속된 외부 리드를 접속하는 결합 와이어링을 포함한다. 외부 리드 및 결합 와이어링은 주석, 은, 및 구리로 주로 구성된 땜납으로 서로 전기 접속된다.
버스 바 전극 및 내부 리드는 주석, 비스무트, 및 은으로 주로 구성된 땜납으로 서로 전기 접속된다.
주석, 은, 및 구리로 주로 구성된 땜납은 고접합 강도를 가진다. 따라서, 온도 사이클에 기인한 응력이 외부 리드와 결합 와이어링 사이의 땜납부에 인가되더라도, 균열 및 파손이 그 부분에서 거의 발생하지 않는다. 주석, 은 및 구리로 구성된 땜납은 응고시에 크게 수축한다. 상기 조성을 갖는 땜납은 태양 전지 모듈의 단부, 및 태양 전지의 수광면 및 배면 중 어느 하나의 측면에 근접한 태양 전지에만 이용된다. 따라서, 압력이 태양 전지 모듈의 후속 제조 공정에 연결된 태양 전지에 인가될 때, 태양 전지는 거의 균열되거나 칩(chip)되지 않는다.
태양 전지에서 내부 리드와 버스 바 전극을 서로 접속하는 땜납은 주석, 비스무트, 및 은으로 주로 구성된다. 땜납은 응고시에 거의 수축되지 않는다. 따라서, 버스 바 전극이 납땜에 의해 접속될 때, 태양 전지는 뒤틀리지 않는다. 태양 전지 모듈의 후속 제조 공정에 있어서, 압력이 태양 전지에 인가될 때에도, 태양 전지는 거의 균열되거나 칩되지 않는다.
주석, 은, 및 구리로 주로 구성된 땜납의 조성은 1.0 내지 5.0중량%의 은, 0.4 내지 7.0중량%의 구리, 및 나머지 중량%의 주석이고, 일부에서 발생하는 균열 또는 파손을 저감하는 효과는 온도 사이클에 기인한 응력이 인가될 지라도 보다 신뢰성있게 될 수 있다.
주석, 비스무트, 및 구리로 주로 구성된 땜납의 조성이 20 내지 60중량%의 비스무트, 0.5 내지 5중량%의 은, 및 나머지 중량%의 주석이면, 납땜 후의 응고시의 수축에 기인한 뒤틀림의 발생을 저감하는 효과는 보다 신뢰성있게 될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 태양 전지 모듈을 구성하는 태양 전지(X)의 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 2(a)는 태양 전지의 수광면측(표면)의 전극 형상의 일예를 나타내는 평면도이다.
도 2(b)는 태양 전지의 비수광면측(배면)의 전극 형상의 일예를 나타내는 평면도이다.
도 3(a)는 태양 전지(X)의 결합에 의해 구성된 태양 전지 모듈(Y)의 단면도이다.
도 3(b)는 태양 전지 모듈(Y)의 부분 확대 단면도이다.
도 4는 태양 전지 모듈을 구성하는 태양 전지 중에서의 접속 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 태양 전지의 도 3(a)에 도시된 A-A선에 따른 단면도이다.
도 6은 태양 전지의 다른 실시예의 도 3(b)에 도시된 A-A선에 따른 단면도이다.
도 7(a)는 태양 전지의 도 2(a)에 도시된 D-D방향에서 본 부분 단면도 이다.
도 7(b)는 태양 전지의 다른 구성을 나타내는 도 2(a)에 도시된 D-D방향에서 본 부분 단면도이다.
도 8(a)는 도 2(a)에 도시된 부분(C)의 부분 확대 평면도이다.
도 8(b)는 태양 전지의 다른 구조를 나타내는 도 2(a)에 도시된 부분(C)의 부분 확대 평면도이다.
도 9는 일반적인 태양 전지에서의 도 2(b)에 도시된 A-A선에 따른 단면도이다.
본 발명에 의한 태양 전지 모듈은 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명될 것이 다.
도 1은 본 발명에 의한 태양 전지 모듈을 구성하는 태양 전지(X)의 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에서, 참조 번호 1은 반도체 기판인 p형 실리콘 기판을 나타내고, 참조 번호 1a는 p형 실리콘 기판(1)에서의 n형 확산층을 나타내고, 참조 번호 2는 p형 실리콘 기판의 표면상에 형성된 반사 방지막을 나타내고, 참조 번호 3은 반도체 접합면을 나타낸다.
참조 번호 4a는 배면 버스 바 전극을 나타내고, 참조 번호 4b는 배면 전류 수집 전극을 나타내고, 참조 번호 5a는 표면 버스 바 전극을 나타내고 첨부 번호 5b는 표면 핑거 전극을 나타낸다[도 2(a) 참조]. 표면 버스 바 전극(5a) 및 표면 핑거 전극(5b)은 몇몇 경우에 집합적으로 "표면 전극(5)"으로 언급된다. 배면 버스 바 전극(4a) 및 배면 전류 수집 전극(4b)은 몇몇 경우에 집합적으로 "배면 전극(4)"으로 언급된다.
여기서, 태양 전지(X)의 제조 공정이 설명될 것이다. 우선, 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 등의 p형 반도체로 구성된 실리콘 기판(1)이 준비된다. 실리콘 기판(1)은 붕소(B) 등의 대략 1×1016~1×1018atoms/㎝3의 반도체 불순물을 포함하고 대략 1.0 내지 2.0Ω·㎝의 비저항을 갖는 기판이다. 실리콘 기판(1)은 단결정 실리콘 기판인 경우 풀-업(pull-up)법 등에 의해 형성되는 반면에, 다결정 실리콘 기판인 경우 캐스팅(casting)법 등에 의해 형성된다. 다결정 실리콘 기판은 대량 생 산될 수 있고, 제조 비용의 관점에서 단결정 실리콘 기판보다 유리하다.
풀-업법 또는 캐스팅법에 의해 형성된 반도체 잉곳(ingot)은 대략 10㎝×10㎝ 내지 15㎝×15㎝의 크기로 절단되고 대략 300㎛의 두께로 슬라이스되어 실리콘 기판(1)을 형성한다. 그 후, 실리콘 기판(10)의 절단면을 청정화하기 위하여, 그 표면은 플루오르화 수소산이나 플루오르 질산 등을 이용하여 미량 에칭된다.
그 다음, 실리콘 기판(1)은 확산로에 배치되고 옥시염화인(POCl3) 등의 불순물 원소를 포함하는 가스에서 열처리됨으로써 실리콘 기판(1)의 표면상에 인 원자를 확산시켜서 대략 30 내지 300Ω/□의 시트 저항을 갖는 n형 확산층(1a)를 형성한다. 실리콘 기판(1)을 구성하는 n형 확산층(1a)과 p형 반도체 사이의 경계면은 반도체 접합면(3)이다.
실리콘 기판(1)의 표면에만 n형 확산층(1a)이 남겨져 다른 부분이 제거된 후, 이온수로 세정된다. n형 확산층(1a)은 실리콘 기판(1)의 표면상에 레지스트막을 도포하고, 플루오르화 수소산과 질산의 혼합액을 이용하여 실리콘 기판(1)의 배면상에서 n형 확산층(1a)을 에칭 제거함으로써 제거된다. n형 확산층이 에칭 제거된 후, 레지스트막이 제거된다.
또한, 반사 방지막(2)은 실리콘 기판(1)의 표면상에 형성된다. 상기 반사 방지막(2)은 예컨대, 질화 실리콘 막 등으로 구성된다. 질화 실리콘막은 실란(SiH4) 및 암모니아(NH3)의 혼합 가스를 글로우(glow) 방전 분해에 의해 플라스마로 변화시키고, 실리콘 기판(1)을 퇴적시킴으로써 형성된다. 상기 방법은 플라스마 CVD법으 로 언급된다. 상기 반사 방지막(2)은 그 굴절율이 실리콘 기판(1)의 굴절율 차이를 고려하여 대략 1.8 내지 2.3이 되도록 형성되고, 대략 500 내지 1000Å의 두께로 형성된다. 상기 반사 방지막(2)은 형성시에 패시베이션(passivation) 효과를 갖고, 반사 방지의 기능과 함께 태양 전지의 전기 특성을 향상시키는 효과를 갖는다.
표면 전극(5) 및 배면 전극(4)은 각각 실리콘 기판(1)의 표면 및 배면에 형성된다.
도 2(a)는 태양 전지(X)의 수광면측(표면)의 전극 형상을 나타내는 도면이고, 도 2(b)는 태양 전지(X)의 비수광면측(배면)의 전극 형상을 나타내는 도면이다.
표면 전극(5)은 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 표면으로부터 출력을 추출하기 위한 표면 버스 바 전극(5a) 및 거기에 직교하도록 제공되는 전류 수집의 표면 핑거 전극(5b)으로 이루어진다.
배면 전극(4)은 예컨대, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 고체 형상으로 형성된 배면 버스 바 전극(4a) 및 배면 전류 수집 전극(4b)으로 이루어진다.
버스 바 전극 표면(5a), 배면 버스 바 전극(4a), 및 표면 핑거 전극(5b)을 제조하기 위하여, 100 중량부의 은 분말에 10 내지 30 중량부의 유기 비히클(vehicle) 및 0.1 내지 5 중량부의 글래스 플릿(glass flit)을 각각 첨가함으로써 페이스트상으로 제조된 은 페이스트가 준비된다. 반사 방지막(2)이 형성된 실리콘 기판(1)의 표면 전극(5)에 대응하는 부분은 에칭 제거되어 은 페이스트가 예컨대, 스크린 인쇄법에 의해 인쇄, 건조된 후, 600 내지 800℃에서 1 내지 30분 동안 소결된다. 은 페이스트는 우선 반사 방지막(2)상에서 파이어 스루(fire through)라 불리는 방법에 의해 직접 베이킹될 수 있다.
그 다음, 배면 전류 수집 전극(4b)은 배면 버스 바 전극(4a)의 적어도 에지 부분의 상부에 있도록 형성된다.
배면 전류 수집 전극(4b)으로서는 100 중량부의 알루미늄 분말에 10 내지 30 중량부의 유기 비히클 및 0.1 내지 5 중량부의 글래스 플릿을 각각 첨가함으로써 페이스트상으로 제조된 알루미늄 페이스트가 준비된다. 알루미늄 페이스트는 예컨대, 스크린 인쇄법에 의해 실리콘 기판(1)의 적어도 배면 버스 바 전극(4a)의 에지 부분을 포함하는 부분에 인쇄되어 건조된다. 알루미늄 페이스트가 건조된 후 600 내지 800℃에서 1 내지 30분 동안 소결되어 실리콘 기판(1)상에서 알루미늄을 베이킹할 수 있다. 따라서, 배면 전류 수집 전극(4b)이 형성된다. 소결시에, 알루미늄이 실리콘 기판(1)내로 확산되어 배면에서 발생된 캐리어가 재결합되는 것을 방지할 수 있다.
배면 버스 바 전극(4a) 및 배면 전류 수집 전극(4b)은 역순서로 형성될 수 있다. 또한, 배면 전극(4)은 상술한 구조를 갖는 것이 아니라, 표면 전극(5)과 마찬가지로 은으로 주로 구성된 버스 바 전극 및 핑거 전극으로 구성된 구조를 가질 수 있다.
상기 방식으로 제조된 1개의 태양 전지에 의해 발생되는 전기 출력이 작기 때문에, 복수의 태양 전지가 직렬 및 병렬로 접속되어, 실질적인 전기 출력을 추출할 수 있다. 복수의 태양 전지를 직렬 및 병렬로 접속함으로써 구성되는 모듈은 태 양 전지 모듈로 언급된다.
태양 전지 모듈(Y)의 단면도는 도 3(a)에 도시되어 있다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 복수의 태양 전지(X)는 내부 리드(8)에 의해 서로 전기 접속되고, 투광성 패널(9)과 배면 보호 재료(11) 사이에 끼워진다. 에텔렌 비닐 아세테이트 공중합체(EVA) 등으로 주로 구성된 충전재(10)는 투광성 패널(9)과 배면 보호 재료(11) 사이에서 기밀하게 밀봉된다. 마지막 태양 전지 모듈(X)은 외부 리드(12)를 통해서 결합 와이어링(13)에 접속된다.
도 3(b)는 도3(a)에 도시된 태양 전지 모듈(Y)의 내부 구조의 부분 확대도이다. 복수의 태양 전지(X)는 X1, X2, 및 X3으로 지시된다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 태양 전지(X1)에서의 표면 버스 바 전극(5a) 및 인접한 태양 전지(X2)에서의 배면 버스 바 전극(4a)은 내부 리드(8)에 의해 서로 접속되고, 태양 전지(X2)에서의 표면 버스 바 전극(5a) 및 인접한 태양 전지(X3)에서의 배면 버스 바 전극(4a)은 내부 리드에 의해 서로 접속된다. 상기 방식에서는 복수의 태양 전지(X)가 직렬로 서로 전기 접속된다.
내부 리드(8) 및 외부 리드(12)는 배면 버스 바 전극(4a) 및 표면 버스 바 전극(5a)의 전체 길이에 걸쳐서 또는 복수의 부분에서 열풍 용접 등의 열용접에 의해 배면 버스 바 전극(4a) 및 표면 버스 바 전극(5a)에 접속된다.
내부 리드(8) 및 외부 리드(12)의 예는 전체 표면이 20 내지 70㎛의 두께를 갖는 땜납으로 코팅된 두께 100 내지 300㎛ 정도의 두께를 갖는 구리 포일을 소정의 길이로 절단함으로써 얻어지는 것이다.
도 4는 태양 전지 모듈(Y)에서의 접속 상태를 나타내는 평면도이다. 도 4는 상술한 바와 같이, 직렬로 선형 접속된 2개의 스트링이 태양 전지(X)를 각각 갖는 결합 와이어링(13)을 통해 직렬 접속된 상태를 예시한다. 도 4에서, 결합 와이어링(13)은 스트링의 각 단부에서 외부 리드(12)를 서로 연결한다.
본 발명에서, 태양 전지(X)에서의 내부 리드(8) 및 버스 바 전극(4a 및 5a)은 버스 바 전극(4a 및 5a)의 표면을 땜납으로 미리 코팅하지 않고, 내부 리드의 상면에서 땜납을 용융시킴으로써 서로 접속되는 것이 바람직하다.
따라서, 버스 바 전극(4a 및 5a)의 표면이 땜납으로 코팅되지 않고 내부 리드(8)의 땜납이 용융되어 접합을 이루는 전제하에 설명이 계속된다.
도 5는 도 3(b)에 도시된 A-A선에 따른 단면도이다. 한편, 단면도는 구성을 용이하게 이해하기 위해서 주요부의 사이즈를 확대하여 도시되고, 그 치수 비율은 실제 치수 비율과 다르다.
도 5의 단면도에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 배면 버스 바 전극(4a) 및/또는 표면 버스 바 전극(5a)의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리(a)로의 부분(F)은 땜납으로 코팅되지 않고 충전재(10)와 직접 접촉된다. 버스 바 전극(4a 및 5a)의 전체 표면이 고강성을 갖는 땜납(6)으로 종래에 코팅되어 있었지만, 상기 부분(F)은 본 발명에서 그 대신에 충전재(10)로 코팅된다. 따라서, 버스 바 전극(4a 및 5a)에 인가되는 응력이 용이하게 저감된다. 따라서, 버스 바 전극(4a 및 5a)의 세로 방향에 따른 에지와 실리콘 기판(1) 표면 사이의 경계 부근에 인가되는 인장 응력을 저감할 수 있고, 실리콘 기판(1)상에서 응력 집중을 억제할 수 있다. 이것은 미세 균열 등의 결함이 버스 바 전극(4a 및 5a) 근처의 실리콘 기판(1)에서 발생되는 것을 방지하여 후속 제조 공정에서 크레이즈를 방지할 수 있다.
따라서, 버스 바 전극(4a 및 5a)의 정면 부분(F)이 땜납으로 코팅되지 않도록, 버스 바 전극(4a 및 5a)이 내부 리드(8)에 의해 서로 접속되는 경우 내부 리드(8)는 버스 바 전극(4a 및 5a)의 중앙부에만 용접될 수 있다. 예컨대, 내부 리드(8)의 폭이 버스 바 전극(4a 및 5a)의 폭보다 작게 되면, 내부 리드(8)가 버스 바 전극(4a 및 5a)에 열용접되는 경우, 버스 바 전극(4a 및 5a)의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리로의 부분(F)은 내부 리드(8)에서 땜납(6)으로 커버하기 어려워질 수 있다.
또한, 플럭스(flux)는 배면 버스 바 전극(4a) 및/또는 표면 버스 바 전극(5a)의 중앙부에 도포되고, 어떠한 플럭스도 상기 부분(F)에 인가되지 않아서 버스 바 전극(4a 및 5a)의 중앙부는 땜납(6)으로 코팅될 수 있고 상기 부분(F)은 땜납으로 코팅될 수 없다.
대안으로, 버스 바 전극(4a 및 5a)의 중앙부만이 땜납으로 미리 코팅될 수 있다.
본 발명에서, 충전재와 직접 접촉되는 버스 바 전극의 세로 방향에 따른 에지 및 그 내부의 소정 거리로의 부분(F)의 길이(a)는 인장 응력을 저감하기 위하여 버스 바 전극의 에지로부터 50㎛이상인 것이 바람직하다.
길이(a)가 너무 크면, 버스 바 전극(4a 및 5a)과 내부 리드(8) 사이의 접속 을 보장하는 것이 어렵다. 즉, 버스 바 전극과 내부 리드 사이의 접속 강도를 충분히 얻기 위하여 버스 바 전극(4a 및 5a)은 적어도 중앙부의 내부 리드(8)에 접합되는 것이 바람직하다. 따라서, 길이(a)의 상한값은 버스 바 전극의 사이즈 등에 따라 다르고 유일하게 결정되지 않는다. 그러나, 후술되는 예에 나타낸 버스 바 전극(폭이 대략 2㎜임)의 경우에, 상한값은 폭이 4분의 1일 수 있다(버스 바 전극의 폭이 2㎜인 경우에 500㎛).
결국, 버스 바 전극의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리로의 부분(F)의 길이(a)는 하기 식을 만족할 수 있다:
50㎛ < a < (버스 바 전극 폭의 4분의 1)
내부 리드(8) 및 버스 바 전극(4a 및 5a)가 중앙부에 접합될 때, 중앙부 모두가 반드시 접합되는 것은 아니다.
몇몇 경우에, 인쇄 및 소결 방법을 이용하여 형성된 전극의 에지와 마찬가지로 전극의 에지가 얇기 때문에 기판과 전극 사이의 경계를 명확히 판단하는 것이 어려울 수 있다. 이러한 경우에, 상기 부분(F)의 길이(a)는 실리콘 기판(1)의 마지막 표면상의 주요 성분이 전극을 형성하는 재료인 부분을 에지로 간주함으로써 상술한 범위에 있을 수 있다.
도 6은 내부 리드(8)와 버스 바 전극(4a 및 5a) 사이의 다른 접속 구조를 예시한다. 또한, 도 6은 도 5와 마찬가지로 도 3(b)에 도시된 A-A선에 따른 단면도이다.
본 실시형태에서, 배면 버스 바 전극(4a) 및/또는 표면 버스 바 전극의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 길이로의 부분(F)은 솔더 레지스트(7)로 코팅된다. 상기 부분(F)은 솔더 레지스트(7)가 그 사이에 끼워진 상태에서 충전재(10)와 접촉된다.
솔더 레지스트(7)로서 유기 경화 수지가 이용된다. 유기 경화 수지의 예는 자외선 경화 수지 및 열경화성 수지를 포함한다.
따라서, 상기 부분(F)이 솔더 레지스트(7)를 통해 충전재(10)와 접촉되므로, 상기 부분(F)은 통상적인 예에서와 같이 고강성을 갖는 땜납(6)으로 버스 바 전극(4a 및 5a)의 전체 상면을 코팅하는 대신에 솔더 레지스트(7)와 충전재(10)로 코팅된다. 따라서, 버스 바 전극(4a 및 5a)의 에지와 실리콘 기판(1)의 표면 사이의 경계 부근에 인가되는 인장 응력을 저감하고 실리콘 기판(1)상에서 응력 집중을 완화하는 것이 가능하여, 버스 바 전극(4a 및 5a) 근처에 위치한 실리콘 기판에서 미세 균열 등의 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 6에 도시된 접속을 실현하기 위하여, 버스 바 전극(4a 및 5a)의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리(a)로의 부분(F)이 미리 솔더 레지스트(7)로 코팅된 후 땜납으로 코팅된 내부 리드(8)가 버스 바 전극(4a 및 5a)에 열용접된다. 따라서, 땜납(6)이 내부 리드(8)로부터 버스 바 전극(4a 및 5a)으로 흐르더라도, 땜납(6)은 버스 바 전극(4a 및 5a)의 에지를 커버하지 않는다.
내부 리드(8)의 폭이 배면 버스 바 전극(4a) 및/또는 표면 버스 바 전극(5a)의 폭보다 작게 되면, 내부 리드(8)가 버스 바 전극(4a 및 5a)에 열용접될 때, 버스 바 전극(4a 및 5a)의 부분(F)은 내부 리드(8)에서 땜납(6)으로 커버하는 것이 어려워질 수 있다.
또한, 배면 버스 바 전극(4a) 및/또는 표면 버스 바 전극(5a)의 중앙부에 플럭스를 코팅함으로써 및 그 부분(F)에 플럭스를 코팅하지 않음으로써, 중앙부는 땜납(6)으로 커버될 수 있는 반면, 상기 부분(F)은 땜납(6)으로 커버될 수 없다.
본 발명에 의한 태양 전지 모듈에서의 내부 리드(8)와 표면 핑거 전극(5b) 사이의 접속 구조에 대한 설명이 이루어진다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 도 2(a)에 도시된 D-D 방향에서 본 부분 단면도이고, 내부 리드(8)는 태양 전지의 표면에 접속된다. 표면 핑거 전극(5b)은 세로 방향으로 절단된 형태로 예시된다.
태양 전지 모듈은 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 표면 버스 바 전극(5a)과 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 표면 핑거 전극(5b)을 갖는다. 표면 핑거 전극(5b)은 적어도 표면 버스 바 전극(5a)에 접속되는 단부를 갖는다.
본 발명은 표면 핑거 전극(5b) 및 내부 리드(8)가 서로 직접 접합되지 않는 것을 특징으로 한다. 표면 핑거 전극(5b) 및 내부 리드(8)를 포함하는 영역은 도 7(a) 및 (b)에서 "E"로 지시된다.
상기 영역(E)에서, 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)만이 서로 접촉될 수 있다. 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)은 형상 및 각 부재의 배열 상태에 따라 정해지는 소정 거리에 의해 서로 이격될 수 있다. 태양 전지 모듈의 형성시에 충전재(10)로 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)을 기밀하게 밀봉하는 공정에서, 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)은 흐르는 EVA 등의 충전재(10)를 통하여 서로 이격될 수 있다. 그러나, 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)이 땜납으로 서로 접합되지 않는 것이 필요하다.
도 7(a) 및 7(b)는 정면에서 보았을 때 내부 리드가 좌측으로 시프트된 상태를 예시한다. 내부 리드(8)는 이와 같이 땜납으로 내부 리드(8)를 접속시키는 장치[터브(tub) 부착 장치]의 위치 결정 정밀도에 따라 표면 핑거 전극(5b)상에 빈번하게 돌출된다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 내부 리드(8) 및 표면 버스 바 전극(5a)을 서로 전기 접속하는 땜납(6)은 내부 리드(8)와 표면 버스 바 전극(5a)사이에 존재한다. 그러나, 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)이 땜납으로 서로 직접 접속되지 않는다. 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)은 땜납으로 서로 직접 접속되지 않기 때문에, 표면 핑거 전극(5b)과 실리콘 기판(1)의 표면 사이의 응력 집중이 억제되어 실리콘 기판(1)에서 미세 균열 등의 결함이 발생하게 한다.
내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)이 이와 같이 땜납으로 서로 접속되지 않는 상태를 이루기 위하여, 내부 리드(8)를 이용하여 땜납을 용융시킴으로써 복수의 태양 전지가 서로 열용접될 때, 예컨대, 플럭스는 접속되고자 하는 표면 버스 바 전극(5a)에 미리 인가될 수 있고 어떤 플럭스도 표면 핑거 전극(5b)에 인가될 수 없다. 플럭스가 인가되는 부분은 가열에 의해 표면 활성화되고 산화막이 제거되어 땜납의 습윤성이 향상된다. 한편, 어떤 플럭스도 인가되지 않는 부분에서 표면 산화막이 제거되지 않으므로 땜납의 습윤성이 악화될 수 있다. 따라서, 어떤 플럭스도 표면 핑거 전극(5b)에 인가되지 않으면, 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b) 이 땜납으로 서로 접속되지 않는 본 발명의 구성을 얻을 수 있다. 특히, 명확한 효과는 전극의 표면이 땜납으로 코팅되지 않는 소위 무땜납형 태양 전지를 접속시킴으로써 발생된다.
땜납은 표면 핑거 전극 자체에 부착될 수 있다. 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)이 땜납으로 서로 접합되지 않으면 본 발명의 효과가 발생된다.
도 7(b)에 도시된 바와 같이, 표면 핑거 전극(5b) 및 표면 버스 바 전극(5a)을 코팅하는 코팅 부재(14)는 표면 핑거 전극(5b)이 표면 버스 바 전극(5a)에 접속되는 부분(E')에 제공되어 내부 리드(8) 및 표면 핑거 전극(5b)이 땜납으로 서로 접속되지 않는다.
도 8(a)는 도 2(a)에 도시된 부분(C)의 부분 확대 평면도이다.
도 8(a)에 도시된 바와 같이, 표면 핑거 전극(5b)이 표면 버스 바 전극(5a)에 접속되는 부분은 코팅 부재(14)로 코팅된다.
도 8(b)는 표면 핑거 전극(5b)이 표면 버스 바 전극(5a)에 접속될 뿐만 아니라 표면 버스 바 전극(5a)의 세로 방향에 따른 전체 에지가 코팅 부재(14')로 코팅되는 부분의 상태를 나타낸 평면도이다.
도 7(a) 및 7(b)에 도시된 바와 같이, 내부 리드(8)를 표면 버스 바 전극(5a)에 열용접하도록 코팅 부재(14 또는 14')가 제공되는 경우에, 내부 리드(8)가 접속되는 위치가 시프트되더라도, 표면 핑거 전극(5b)의 부분이 코팅 부재(14)로 커버되어 표면 핑거 전극(5b) 및 내부 리드(8)가 땜납으로 서로 접합되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 표면 핑거 전극(5b)과 기판(1)의 표면 사이의 응력 집중 이 억제되어 미세 균열 등의 결함이 실리콘 기판(1)에서 발생하는 것을 방지할 수 있다.
코팅 부재(14)는 열이 태양 전지 모듈을 형성하는 공정에서 그것에 인가되므로, 내열 수지로 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 솔더 레지스트가 이용되면, 표면 핑거 전극(5b)은 솔더 레지스트인 코팅 부재(14)를 통해 충전재로 코팅된다. 그 결과, 응력이 용이하게 저감된다.
게다가, 솔더 레지스트는 그 사용에 의해 소정의 형상을 갖는 코팅 부재가 인쇄 또는 포토리소그래피에 의해 상당히 용이하게 형성되게 하고 땜납에 내성을 가지도록 하기 때문에 바람직하다.
코팅 부재(14')가 도 8(b)의 형상으로 형성될 때, 코팅 부재(14')는 도 6의 설명에 상세히 기술된 표면 버스 바 전극(5a)의 에지에 따른 부분을 코팅하는 솔더 레지스트의 기능을 동시에 가질 수 있다. 따라서, 이것은 공정의 수가 저감될 수 있도록 코팅 부재(14')가 솔더 레지스트로 동시에 형성될 수 있기 때문에 비용의 면에서 바람직하다.
코팅 부재(14 또는 14')가 제공되는 영역의 길이(s)는 표면 핑거 전극(5b)이 표면 버스 바 전극(5a)에 접속된 일단부로부터 5㎜ 이하의 범위인 것이 바람직하다. 상기 이유는 길이(s)가 상기 범위를 초과하면 광조사 영역을 차단함으로써 변환 효율을 저감시키는 기능이 현저해지기 때문이다. 길이(s)의 하한값으로서는 내부 리드(8)를 땜납으로 접속하는 장치(터브 부착 장치)의 위치 결정 정밀도의 범위, 즉, 내부 리드(8)가 시프트되어 돌출될 수 있는 범위가 확실히 코팅 부재로 코 팅되도록 하한값이 설정될 수 있다.
도 7 및 도 8에 기술된 핑거 전극을 표면의 것으로 한정함으로써 설명이 이루어졌지만, 배면상의 전극이 표면상의 전극과 마찬가지로 은으로 주로 구성된 버스 바 전극 및 핑거 전극일 때, 핑거 전극과 내부 리드가 표면상의 것들과 전적으로 동일한 방식으로 땜납으로 서로 접속되지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 태양 전지 모듈에서 내부 리드(8) 및 배면 버스 바 전극(4a)을 서로 접합하고 내부 리드(8) 및 표면 버스 바 전극(5a)을 서로 접합하는 땜납의 구성에 대한 설명이 이루어진다.
내부 리드(8)는 대략 100 내지 300㎛의 두께를 갖는 구리 포일이고, 그 전체 표면은 대략 20 내지 70㎛의 두께를 갖는 땜납으로 코팅된다.
본 발명에서, ∑(ViWi) < 2.8(%)를 만족하는 Sn계 땜납은 내부 리드(8)가 코팅된 땜납으로 선택된다. 여기서, i는 땜납을 구성하는 원소의 수를 나타내고, Vi는 땜납을 구성하는 각 원소의 응고시의 수축 계수(%)를 나타내고, Wi는 땜납을 구성하는 각 원소의 중량 백분율을 나타내고(전체가 1로 간주됨), 합계 ∑는 1 내지 i를 취한다. 상기 식에서의 값은 땜납을 구성하는 원소의 각 중량 백분율과 용액에서 고체로의 원소의 상전이가 발생되는 경우에 체적이 변화되는 수축 계수(%)의 곱의 합이다.
상기 식에서의 값은 원소의 조합에 의해 구성되는 땜납이 응고된 경우에 수축 계수에 관한 값이다.
표 1은 일반적으로 공지된 단일 원소의 응고시의 수축 계수를 나타낸다.
Figure 112006037021351-PCT00001
예컨대, 일반적으로 사용되는 Sn-Pb계 땜납은 대략 6 내지 4의 중량 비율로 Sn 및 Pb를 혼합함으로써 얻어지는 합금이고, 공융점인 대략 183℃ 이상의 온도에서 용융된다. 표 1로부터, Sn의 응고시의 수축 계수는 2.8%이고 Pb의 응고시의 수축 계수는 3.5%이므로 상기 식 ∑(ViWi)은 2.8×0.6+3.5×0.4 = 3.08(%)이 된다(본 발명의 범위 외의 값임).
내부 리드(8)는 기재로서 구리 포일(선팽창 계수: 1.62×10-5/K)을 이용하고, 작동 온도인 200℃ 부근에서 열풍 용접 등의 열용접에 의해 버스 바 전극(4a 및 5a)에 접속된다. 내부 리드(8)는 실온(대략 20℃)으로 냉각될 때, 대략 0.3% 까지만 수축한다. 종래에 이용된 Sn-Pb계 땜납의 응고시의 수축은 그것에 부가되고, 내부 응력은 태양 전지에서의 버스 바 전극(4a 및 5a)과 반도체 기판(1) 사이에서 강도가 가장 낮은 경계 부근에서 미세 균열이 발생되게 하는 땜납 내부에 축적된다.
한편, 본 발명에 의한 내부 리드(8)는 냉각시의 땜납의 응고시에, 상기 식 ∑(ViWi) < 2.8의 관계를 만족시키는 구성을 가지는 땜납을 선택함으로써 수축 계수가 감소한다. 그 결과, 버스 바 전극(4a 및 5a) 및 반도체 기판(1)의 표면 사이의 경계 부근에서의 인장 응력이 완화되어, 일간 온도 사이클 응력에 기인한 태양 전지 모듈의 전극 부근에서 균열을 방지할 수 있다.
본 발명이 이와 같은 효과를 가지는 이유는 하기와 같이 추정될 것이다.
우선, 내부 리드(8)에서 기재로서 이용되는 구리 포일의 수축 계수는 매우 낮고, 즉, 땜납의 응고시의 수축 계수의 대략 10분의 1이다. 땜납의 온도가 융점(예컨대, 작동 온도가 200℃)에서 공융점까지 저감되는 기간에서, 땜납의 응고시의 뒤틀림 에너지는 통상 저장되는 것 없이 땜납의 점도에 의해 소비되어야 한다. 그러나, 땜납의 점도는 땜납의 온도가 공융점에 근접함에 따라 점차 상승하거나 용액이 완전한 공융 조성으로부터 약간 벗어나, 용액과 퇴적된 결정이 공존한다. 따라서, 용액에서 고체로의 상 전이가 발생하는 동안, 응고시의 수축에 기인한 뒤틀림 에너지가 완전히 흡수되어 저장되는 것은 아니다.
땜납의 응고시의 수축에 기인한 뒤틀림이 내부 리드(8)의 냉각시의 수축에 기인한 뒤틀림에 부가되는 것이 고려된다. 응력은 단단하고 부서지기 쉬운 금속간 화합물, 예컨대, 내부 리드(8)의 기재이고 땜납의 구성 요소(Sn)인 구리의 반응에 대하여 경계면에 형성된 η상(Cu6Sn5) 또는 ε상(Cu3Sn)의 존재에 의해 저감되는 것이 방지될 수 있다.
상기 식(ViWi)에서의 값은 땜납을 구성하는 원소의 각 중량 백분율과 원소의 응고시의 수축 계수(%)의 곱의 합이고, 선형 관계가 땜납을 구성하는 원소 중에서 유지되는 가정에서 판명된 가상값이다. 실제의 땜납이 대체형 고체 용액의 공융 합금이고, 예컨대, 금속 원소의 부분이 조성에서 약간의 시프트에 기인하여 분리되기 때문에, 선형 관계는 확실하게 유지되지 않는다. 그러나, 본 발명자는 본 발명의 범위에서 원소의 조합으로 구성된 땜납이 응고되는 경우에 가상값이 수축 계수에 매우 깊게 관계되는 것을 실험의 결과로서 발견하였다. 측정이 실제로 이루어지지 않더라도, 그 값이 비교되어 땜납이 본 발명의 적용에 적절한지의 여부를 판단할 수 있다.
상기 상태를 만족하는 땜납은 Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Bi, Sn-Bi-Ag, Sn-Cu-Bi, Sn-Cu, Sn-Zn-Bi, 및 Sn-Sb계 땜납 등의 Sn을 포함하는 조성을 갖는 땜납에서 표 1을 참조하여 적절한 융점이 얻어지는 구성 요소의 결합을 갖는 땜납 중에서 선택될 수 있다.
특히, 상술한 구성을 갖는 땜납 중에서 Bi를 포함하는 땜납이 바람직하다. 상기 이유는 Bi가 물 등과 마찬가지로 응고될 때 체적이 증가하는 재료이므로, 응고시의 수축 계수가 상술한 땜납에서 Bi를 포함함으로써 저감될 수 있어서 응고시의 수축 계수와 관련된 상기 식 ∑(ViWi) < 2.8의 관계를 만족시키기 때문이다.
재료 중에서 땜납 합금을 형성하는 Sn과 함께 체적이 응고시에 증가되는 Bi 외의 재료가 공지되어 있지 않아서 상당히 섬세한 조성이 Bi를 포함하지 않은 구성에서 필요하다. Pb를 포함하지 않는 땜납을 얻기 위하여 Bi를 포함하는 것이 용이해져, 자연 환경을 고려한 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다.
Bi의 함유량은 전체 땜납의 3 내지 85중량%인 것이 바람직하다. 상술한 범위에서는 응력이 가장 만족스럽게 저감될 수 있다. 그것에 더하여, 공융 조성이 Sn과 Bi 사이에 형성되기 때문에 작업 온도가 저감될 수 있다.
저저항을 갖는 Ag로 주로 구성된 배면 버스 바 전극(4a) 및 표면 버스 바 전극(5a)이 이용되는 경우에 땜납은 0.5 내지 6.5중량%의 Ag를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 이유는 땜납에 Ag를 포함함으로써 은(Ag)이 작업시에 땜납에서 얻어지는 상기 Ag 여과 현상이 억제될 수 있어서 땜납 접속의 신뢰성을 향상시키기 때문이다.
땜납에서의 Ag의 함유량이 0.5중량%보다 낮을 때, 습윤성의 향상 효과가 충분히 얻어질 수 없는 반면에, Ag가 6.5중량%보다 많으면, 부서지기 쉬운 Ag3Sn의 퇴적량이 땜납 및 버스 바 전극(5a 및 4a)의 경계면에서 증가되어 땜납은 충격에 대하여 약해진다. 따라서, Ag의 함유량이 0.5중량% 이상 또는 6.5중량%보다 많은 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 내부 리드(8)로서 이용되는 것은 미량의 불순물을 배제하고 주석, 비스무트, 및 은으로 주로 구성된 땜납으로 코팅된 것이 바람직하다.
주석, 비스무트, 및, 은으로 구성된 땜납은 납을 포함하지 않은 땜납으로서 용융점이 상대적으로 낮고, 또한 냉각 후 응고시에 거의 수축하지 않는다. 따라서, 내부 리드(8)와 기판(1) 사이의 열 팽창 계수의 차이가 거의 없고, 납땜 후 응고시의 수축에 의해 거의 뒤틀리지 않는다.
상기 내부 리드(8)를 제조하기 위해서, 구리 포일 등이 땜납 터브에 미리 침지되어, 대략 20 내지 40 미크론의 두께를 갖는 땜납으로 구리 포일의 한쪽면을 코팅하고 적합한 길이로 구리 포일을 절단한다.
주석, 비스무트, 및 은으로 구성된 땜납의 조성은 20 내지 60중량%의 비스무트, 0.5 내지 5중량%의 은, 및 나머지 중량%의 주석(예컨대, 42중량%의 주석, 57중량%의 비스무트, 및 1중량%의 은).
이와 같이, 본 발명에 의하면, 응고시의 수축 계수가 낮은 값인 땜납의 조성을 선택함으로써 버스 바 전극(5a 및 4a)의 단부와 실리콘 기판(1)의 표면 사이의 경계 부근에 인가되는 인장 응력을 저감하는 것과 응력 집중을 억제하는 것이 가능하다. 따라서, 미세 균열 등의 결함이 버스 바 전극(5a 및 4a) 근처의 실리콘 기판(1)에서 발생하는 것을 방지할 수 있다. 태양 전지가 외부에 설치되는 경우에 일간 온도 사이클에 기인한 응력은 버스 바 전극의 부근에서 집중되지 않으므로, 버스 바 전극은 긴 시간 동안 이용되지 않더라도 균열되지 않는다.
게다가, 내부 리드(8)가 코팅된 땜납이 Bi인 것으로 가정하면, Pb를 전혀 포함하지 않은 땜납일 수 있으므로, 자연 환경을 고려한 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다.
본 발명에서, 태양 전지(X)에서의 버스 바 전극(5a 및 4a)의 표면은 땜납이 아닌 플럭스로 미리 코팅되어 태양 전지(X)에서의 버스 바 전극(5a 및 4a) 및 내부 리드(8)는 상기 설명에서 특별히 언급되지 않은 땜납을 용융함으로써 내부 리드(8)가 코팅된 땜납에 의해서만 서로 접속될 수 있다.
도 4를 이용하여 설명된 스트링들간의 결합 와이어링(13)을 접속시키기 위한 땜납의 조성에 대한 설명이 이루어진다.
결합 와이어링(13)이 은, 구리, 알루미늄, 또는 철 등의 양호한 도전율을 갖는 금속으로 제조될 지라도, 그 도전율 및 땜납으로의 코팅의 용이성을 고려하여 구리로 적절히 제조된다. 결합 와이어링(13)의 두께 및 폭이 태양 전지 모듈의 출력을 고려하여 결정되지만, 예컨대, 두께 및 폭은 다수의 경우에 각각 0.2 내지 1.0㎜ 및 3 내지 8㎜이다.
실질적으로 결합 와이어링(13)의 전체 표면은 주석, 은, 및 구리로 주로 구성된 땜납으로 미리 코팅되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 1.0 내지 5.0중량%의 은, 0.4 내지 7.0중량%의 구리, 및 나머지 중량%의 주석의 조성을 갖는 땜납은 큰 효과를 발생시키므로 효과적이다.
예컨대, (a) 98.5%의 주석, 1%의 은, 및 0.5%의 구리, (b) 97.5%의 주석, 2%의 은, 및 0.5%의 구리, (3) 95%의 주석, 1%의 은, 및 4%의 구리, (4) 96.5%의 주석, 3%의 은, 및 0.5%의 구리, 및 (5) 92%의 주석, 2%의 은, 및 6%의 구리인 땜납이 이용된다.
상기 이유는 주석, 은, 및 구리로 주로 구성된 땜납이 접합 강도가 높아서, 온도 사이클에 기인한 응력이 외부 리드(12) 및 결합 와이어링(13)의 납땜부에 인가될 지라도, 접합부가 거의 균열되거나 파손되지 않는다. 따라서, 태양 전지 모듈의 출력이 저감되는 것을 방지할 수 있다.
주석, 은, 및 구리로 구성된 땜납은 상기 식 ∑(ViWi)에서의 값 또는 응고시의 수축 계수가 상대적으로 높다. 그러나, 주석, 은, 및 구리로 구성된 땜납이 결합 와이어링(13)에 이용될 지라도, 결합 와이어링(13)에 접속된 부분이 태양 전지 소자의 정면 또는 배면측의 외부 리드(12)에만 있다. 따라서, 태양 전지는 거의 균열되거나 칩되지 않는다.
외부 리드(12) 및 결합 와이어링(13)은 땜납 터브에서 구리 포일 등을 미리 침지함으로써 이용되어 20 내지 70 미크론의 두께를 갖는 땜납으로 구리 포일의 한쪽면을 코팅하고 구리 포일을 적절한 길이로 절단한다.
본 발명의 실시예는 상술한 예에만 한정되지 않는다. 다양한 변화는 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 범위에서 이루어질 수 있다.
예컨대, 버스 바 전극 및 핑거 전극의 수 및 형상은 상술한 것에 한정되지 않는다. 버스 바 전극은 내부 리드에 접속되고, 버스 바 전극에 접속되는 전극은 전력의 수집을 위한 핑거 전극이다.
표면 핑거 전극의 일단부가 표면 버스 바 전극에 접속되어 그것에 실질적으로 수직이 되는 예에 의해 기술이 이루어졌지만, 그것은 수직이 아닌 경사 방향으로 접속될 수 있다. 또한, 표면 핑거 전극의 양단부는 표면 버스 바 전극에 접속되어 밀폐 형상을 가질 수 있다.
p형 실리콘 기판을 이용한 태양 전지에 대한 설명이 이루어졌지만, 본 발명의 구성은 극성이 상기 설명에서 역이면 n형 실리콘 기판이 이용되는 경우에도 동일한 공정에 의해 얻어질 수 있다. 단일 접합형 태양 전지의 경우에 대한 설명이 이루어졌지만, 본 발명은 반도체 다층막이 벌크(bulk) 기판에 적층된 다중 접합형 태양 전지에도 적용가능하다.
캐스팅법을 이용한 다결정 실리콘 기판을 일예로서 채용함으로써 설명이 이루어졌지만, 기판은 캐스팅법을 이용한 것에 한정될 필요가 없다. 기판을 구성하는 재료는 다결정 실리콘에 한정될 필요가 없거나 실리콘 재료에 한정되지 않는다. 그것은 일반적으로 반도체에 적용가능하다. 즉, 본 발명은 화합물 및 유기 반도체를 이용한 태양 전지에도 적용가능하다.
[실시예 1]
15㎝×15㎝의 외부 형상을 갖고 1.5Ω·㎝의 상대 저항을 갖는 p형 다결정 실리콘 기판(1)의 표면상의 손상층은 에칭되어 알칼리에 의해 세척된다. 그 다음, 실리콘 기판(1)은 확산로에 배열되고 옥시염화인(POCl3)에서 가열됨으로써 1×1017atoms/㎝3의 농도를 갖도록 실리콘 기판의 표면상에 인원자를 확산시켜 n형 확산층(1a)을 형성한다. 반사 방지막(2)의 역할을 하는 850Å의 두께를 갖는 실리콘 질화막은 플라스마 CVD법에 의해 형성되었다.
실리콘 기판(1)의 배면상에 배면 전류 수집 전극(4b)을 형성하기 위하여, 100부분 중량의 알루미늄 분말에 20중량부의 유기 비히클 및 3중량부의 글래스 플릿을 각각 첨가함으로써 페이스트상으로 제조된 알루미늄 페이스트가 도포되어 스크린 인쇄법에 의해 건조되었다. 실리콘 기판(1)의 배면상에 배면 버스 바 전극(4a)을 형성하고 그 표면상에 표면 전극(5)[표면 버스 바 전극(5a) 및 표면 핑거 전극(5b)]을 형성하기 위하여, 은 분말에 20중량부의 유기 비히클 및 3중량부의 글래스 플릿을 각각 첨가함으로써 페이스트상으로 제조된 은 페이스트가 도포되고 스크린 인쇄법에 의해 건조된 후 15분 동안 750℃에서 베이킹되어, 2㎜의 폭을 갖도록 표면 및 배면상에 표면 버스 바 전극(5a) 및 배면 버스 바 전극(4a)을 동시에 형성하였다.
여기서, 제 1 샘플로서, 솔더 레지스트(7)는 표면 버스 바 전극(5a)의 에지를 포함하는 부분(F)상에 인쇄되어 건조되고, 전극은 침지법에 의해 땜납으로 코팅되어 도 7에 도시된 태양 전지를 형성하였다.
제 2 샘플로서, 표면 버스 바 전극(5a)의 전체 표면은 솔더 레지스트(7)의 이용없이 침지법에 의해 땜납(6)으로 마찬가지로 코팅되어, 도 9에 도시된 종래의 형상으로 태양 전지를 형성하였다. Sn-3Ag-0.5Cu계 무납 땜납이 땜납(6)으로서 이용되었다.
제 3 샘플로서, 땜납 페이스트는 솔더 레지스트(7)의 이용없이 디스펜서(dispenser)를 이용하여 버스 바 전극(4a 및 5a)의 가로 방향으로의 중앙부에만 도포되어 태양 전지를 형성하였다.
또한, 제 4 및 제 5 샘플로서, 전극이 땜납(6)으로 코팅되지 않은 샘플이 제조되었다.
상술한 제 1 내지 제 5 태양 전지에 관하여, 대략 30㎛의 두께를 갖는 땜납층이 제공되는 1.8㎜의 폭과 200㎛의 두께를 갖는 구리 포일로 이루어진 내부 리드(8)가 버스 바 전극(4a 및 5a)의 각 전체 길이에 걸쳐서 열풍 용접 등의 열용접에 의해 부착되어 태양 전지를 접속하고 배선하였다.
이 때, 제 3 및 제 4 샘플에서는, 내부 리드(8)의 중앙부에서만 열용접에 의해 고정되었다.
제 5 샘플에서는, 내부 리드(8)로서 폭이 2.2㎜이고 접속될 전극의 폭보다 큰 것이 이용되었다. 내부 리드(8)는 전극의 전체 표면에 열용접되었다.
그 후, 도 3(a)에 도시된 단면 구조를 갖는 태양 전지 모듈은 상술한 바와 같이, 태양 전지를 접속하고 배선함으로써 그리고 도 3(a)에 도시된 바와 같이, EVA(에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체)를 이용한 투광성 패널(9)과 배면 보호 재료(11) 사이의 충전재(10)로 태양 전지를 밀봉함으로써 형성되었다.
태양 전지에 관하여, 4점 벤딩(bending)에 의한 파괴 강도 테스트가 행해져 파열 강도(N)를 발견하였다.
또한, 3000N/㎡의 압력이 인가된 정부하 테스트에서 밀봉된 태양 전지에서의 미세 균열의 발생 비율은 태양 전지 모듈(Y)에서 조사되었다. "미세 균열의 발생 비율"이 40배 배율의 쌍안 현미경을 이용하여 조사되었고, 정부하 테스트에 이용되는 태양 전지 모듈(Y)에서의 모든 태양 전지(X)의 총수에 대한 미세 균열이 발생되는 태양 전지(X)의 수의 비율을 나타낸다.
그 결과는 표 2에 기재되어 있다.
Figure 112006037021351-PCT00002
제 1 샘플은 표면 버스 바 전극(5a)의 세로 방향에 따른 에지와 충전재(10)인 EVA 사이에 끼워진 솔더 레지스트(7)를 갖는 본 발명의 도 6에 도시된 구성을 갖는 샘플이다. 파괴 강도는 25N이었고 미세 균열의 발생 비율은 0%이어서, 본 발명의 효과가 확인되었다.
제 2 샘플은 모든 버스 바 전극(4a 및 5a)의 에지가 땜납(6)으로 코팅되고, 충전재(10)인 EVA와 직접 접촉되지 않거나, 또는 솔더 레지스트(7)를 통해서 그것과 접촉하지 않는 본 발명의 범위 외의 샘플이다. 파괴 강도는 15N이었고 미세 균열의 발생 비율은 50%이어서, 결과가 만족되지 않았다.
제 3 샘플은 내부 리드(8)의 중앙부을 용접하도록 땜납(6)으로 버스 바 전극(4a 및 5a)의 중앙부만을 코팅한 결과로서 완료된 태양 전지 모듈이다. 샘플은 버스 바 전극의 에지와 충전재가 서로 직접 접촉되는 본 발명에 의한 도 5에 도시된 형상을 갖는다. 상기 경우에, 태양 전지의 파괴 강도는 23N이었고 미세 균열의 발생 비율은 0%이어서, 본 발명의 효과가 확인되었다.
제 4 샘플은 버스 바 전극(4a 및 5a)이 땜납으로 코팅되지 않은 샘플이다. 내부 리드(8)가 코팅되어 내부 리드(8)의 중앙부을 용접하는 땜납을 이용한 결과로서 완료된 태양 전지 모듈은 전극의 에지 및 충전재(10)가 서로 직접 접촉되는 본 발명에 의한 도 5에 도시된 형태를 갖는다. 상기 경우에, 태양 전지의 파괴 강도는 24N이었고 미세 균열의 발생 비율은 0%이어서, 본 발명의 효과가 확인되었다.
제 5 샘플은 버스 바 전극(4a 및 5a)이 땜납(6)으로 코팅되지 않고, 전체 표면이 버스 바 전극(4a 및 5a)의 폭보다 2.2㎜ 큰 폭을 갖는 내부 리드를 이용하여 열풍에 의해 용접될 때 버스 바 전극(4a 및 5a)의 에지가 땜납으로 코팅되어, 전극의 에지 및 충전재(10)가 서로 직접 접촉되지 않는 본 발명의 범위 외의 구성을 갖는 샘플이다. 그 결과, 파열 강도는 15N이었고 미세 균열의 발생 비율은 40%이어서, 결과가 만족되지 않았다.
따라서, 본 발명에 의하면, 버스 바 전극(4a 및 5a)의 에지가 땜납(6)으로 코팅되지 않고, 직접 또는 솔더 레지스트(7)를 통해 충전재(10)와 접촉됨으로써, 버스 바 전극의 에지와 기판의 표면 사이의 부근에서의 응력 집중이 억제될 수 있어서, 파괴 강도가 증가되고 버스 바 전극 근처의 기판에서 미세 균열의 발생이 억제될 수 있다는 것을 확인하였다.
[실시예 2]
태양 전지가 실시예 1과 동일한 방법으로 형성되었다. 그 후, 솔더 레지스트는 표면 핑거 전극(5b)이 1㎜의 거리로 표면 버스 바 전극(5a)에 접속되는 일단부로부터 표면 핑거 전극(5b)의 측상의 영역에 도 8(b)에 나타낸 패턴으로 인쇄 및 도포되고, 열경화되어, 코팅 부재(14')를 형성하였다. 그 후, 땜납으로 코팅된 구리 포일을 이용한 내부 리드(8)가 열용접되었다. 상기 경우에, 내부 리드(8)의 위치를 의도적으로 시프트시켜 내부 리드(8)가 표면 버스 바 전극(5a)으로부터 돌출되게 하여 그것들을 땜납으로 의도적으로 접속시키기는 시도가 이루어졌다. 그러나, 솔더 레지스트인 코팅 부재(14')가 제공되는 샘플에 관하여, 그것들은 어떠한 방법으로도 서로 접속되지 않았다. 또한, 코팅 부재(14')가 제공되지 않은 샘플에 관하여, 그것들을 플럭스가 표면 핑거 전극(5b)에 도포되는 경우에 서로 접합되었다. 구리 포일이 코팅된 땜납으로서 Sn-3Ag-0.5Cu계 무납 땜납이 이용되었다.
제 6 샘플은 코팅 부재(14')가 제공되지 않고, 내부 리드(8)가 표면 버스 바 전극(5a)으로부터 시프트되지 않는 샘플이다. 제 7 샘플은 코팅 부재(14')가 제공되고, 내부 리드(8)가 표면 버스 바 전극(5a)으로부터 시프트되지 않는 샘플이다. 제 8 및 제 9 샘플은 코팅 부재(14')가 제공되지 않고, 내부 리드(8)가 표면 버스 바 전극(5a)으로부터 0.3㎜ 시프트되는 샘플이다. 제 11 및 제 12 샘플은 코팅 부재(14')가 제공되지 않고, 내부 리드(8)가 표면 버스 바 전극(5a)으로부터 0.5㎜ 시프트되는 샘플이다. 제 13 샘플은 코팅 부재(14')가 제공되고, 내부 리드(8)가 표면 버스 바 전극(5a)으로부터 0.5㎜ 시프트되는 샘플이다.
이와 같이 제조되는 제 6 내지 제 13 샘플에 관하여, 평가는 실시예 1에 기재된 미세 균열의 발생 비율로 행해졌다. 결과는 표 3에 기재되어 있다.
Figure 112006037021351-PCT00003
제 6 및 제 7 샘플에서, 내부 리드(8)는 표면 버스 바 전극(5a)으로부터 시프트되지 않는다. 땜납과의 접속은 솔더 레지스트인 코팅 부재(14')의 존재 또는 부재에 관계없이 내부 리드(8)와 표면 핑거 전극(5b) 사이에서 이루어지지 않아서 균열이 발생하지 않았다.
내부 리드(8)가 표면 핑거 전극(5b)을 향하여 0.3㎜ 시프트되는 제 8 내지 제 10 샘플은 하기와 같다:
솔더 레지스트인 코팅 부재가 제공되는 경우(제 10 샘플), 땜납과의 어떠한 접속도 내부 리드(8)와 표면 핑거 전극(5b) 사이에서 이루어지지 않아서 균열이 발생하지 않았다.
솔더 레지스트인 코팅 부재(14')가 제공되지 않는 경우에, 플럭스가 표면 핑거 전극(5b)에 도포되어 납땜을 내부 리드(8)와 표면 핑거 전극(5b) 사이에서 의도적으로 접속할 때(제 9 샘플), 미세 균열의 발생 비율은 30%이었다. 어떠한 플럭스도 도포되지 않는 경우에(제 8 샘플), 땜납과의 어떠한 접속도 내부 리드(8)와 표면 핑거 전극(5b) 사이에서 이루어지지 않아서, 균열이 발생하지 않았다.
내부 리드(8)가 표면 핑거 전극(5b)을 향하여 0.5㎜ 시프트되는 제 11 내지 제 13 샘플은 하기와 같다:
솔더 레지스트인 코팅 부재(14')가 제공되는 경우에(샘플 제 13), 땜납과의 어떠한 접속도 내부 리드(8)와 표면 핑거 전극(5b) 사이에서 이루어지지 않아서, 균열이 발생하지 않았다. 솔더 레지스트인 코팅 부재가 제공되지 않은 경우에, 플럭스가 표면 핑거 전극(5b)에 도포되어 납땜을 내부 리드(8)와 표면 핑거 전극(5b) 사이에서 의도적으로 접속할 때, 미세 균열의 발생 비율은 50%이었다. 그러나, 어떠한 플럭스도 도포되지 않은 경우에(샘플 제 11), 땜납과의 어떠한 접속도 내부 리드(8)와 표면 핑거 전극(5b) 사이에서 이루어지지 않아서, 균열이 발생하지 않았다.
[실시예 3]
태양 전지는 실시예 1과 동일한 방식으로 형성되었다.
대략 30㎛의 두께를 갖는 땜납층이 제공되는 2㎜의 폭과 200㎛의 두께를 갖는 구리 포일을 이용한 내부 리드(8)는 이 때 플럭스가 도포되는 버스 바 전극(5a 및 4a)의 전체 길이에 걸쳐서 열풍 용접 등의 열용접에 의해 부착되어 상술한 태양 전지를 접속하고 배선하였다.
이 때, 땜납의 조성은 복수 형태의 조성으로 변화되었다. 제 21 내지 28 샘플에 이용되는 땜납은 1 내지 90중량%의 Bi, 2중량%의 Ag, 및 나머지 중량%의 Sn로 구성된 것이다. 제 29 내지 32 샘플에 이용되는 땜납은 50중량%의 Bi, 0.1 내지 9중량%의 Ag, 및 나머지 중량%의 Sn로 구성된 것이다. 제 33 샘플의 땜납은 Sn-5Ag-Cu의 구성을 갖고, 샘플 제 34에서의 땜납은 Sn-5Ag-0.5Cu의 조성을 갖고, 제 35 샘플의 땜납은 Sn-0.4Pb의 조성을 갖는다.
제 34 샘플에서만, 구리 포일에서 유지되는 Fe-36Ni로 구성된 인바 재료를 갖는 내부 리드는 구리 포일의 중앙부에서 이용되었다. 다른 샘플에서는, 구리 포일을 이용한 내부 리드가 이용되었다.
∑(ViWi) < 2.8[Vi; 땜납을 구성하는 각 원소의 응고시의 수축 계수(%) 및 Wi; 땜납을 구성하는 원소의 중량 백분율(전체가 1로 간주됨)]이 만족되는지의 여부를 고려하는 동안 각 샘플이 선택되었다.
그 후, 내부 리드(8)가 각 태양 전지의 표면 및 배면상의 버스 바 전극(5a 및 4a)에 부착되어 태양 전지를 접속하고 배선하였고, 태양 전지는 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 투광성 패널(9)과 배면 보호 재료(11) 사이에서 충전재(10)로서 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체)를 이용하여 밀봉되어 태양 전지 모듈을 형성하였다.
전기적 특성은 태양 시뮬레이터를 이용하여 25℃ 및 Am-1.5의 조건하에 측정되었고, 태양 전지 모듈의 제조시의 수율이 발견되었다.
Figure 112006037021351-PCT00004
표 4로부터, 제 33 내지 제 35 샘플은 본 발명에 의한 ∑(ViWi) < 2.8 조건이 만족되지 않은 본 발명의 범위 외의 샘플이다. 샘플 중 어느 것은 태양 전지 특성 또는 수율에 열등하였고, 결과가 만족되지 않았다.
한편, 본 발명에 의한 ∑(ViWi) < 2.8 조건을 만족하는 Sn-Bi-Ag계 땜납으로 코팅된 구리 포일을 이용한 제 21 내지 제 32 샘플은 태양 전지 특성에 우수하였고, 그 수율은 90% 이상이었다. 특히, Bi의 함유량이 3 내지 85중량%인 제 22 내지 제 27 샘플에 관하여, 태양 전지 모듈의 수율은 93% 이상이고, 전기적 특성이 저하되지 않아서, 본 발명의 효과가 만족스럽게 발생되는 것이 확인되었다.
또한, 제 21 또는 제 28 샘플에 관하여, 작업 온도가 Bi의 함유량에 따라 상승되어, 수율이 열 응력에 의해 약간 저하되는 것이 고려되었다.
제 29 샘플에 관하여, Ag의 함유량이 0.1중량%이어서, 전극부의 습윤성이 향상되지 않았다. 따라서, 내부 리드와 버스 바 전극 사이의 부착이 약해져 전기적 특성이 약간 저하되는 것으로 고려되었다.
또한, 제 32 샘플에 관하여, Ag의 함유량은 9중량%이었다. 따라서, 부서지기 쉬운 Ag3Sn가 퇴적되기 때문에, 수율이 약간 저하되는 것으로 고려되었다.

Claims (26)

  1. 평판 형상의 복수의 태양 전지, 및 상기 태양 전지 중 하나의 수광면상에 제공되는 버스 바 전극 및 거기에 인접한 다른 태양 전지의 비수광면상에 제공되는 버스 바 전극을 전기 접속하는 내부 리드를 포함하는 태양 전지 모듈로서:
    상기 내부 리드에 의해 서로 접속되는 태양 전지는 충전재로 밀봉되고;
    상기 버스 바 전극의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리로의 부분은 상기 충전재와 직접 접촉되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극은 가로 방향으로의 그 중앙부에서 땜납에 의해 내부 리드와 결합되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 리드의 폭은 상기 버스 바 전극의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양 전지는 하나 이상의 단부가 수광면 및/또는 비수광면상에 형성된 버스 바 전극에 접속되는 복수의 핑거 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 핑거 전극은 그 전체 길이에 걸쳐서 충전재와 직접 접촉되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극에 접속된 상기 핑거 전극의 일단부는 코팅 부재로 코팅되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 핑거 전극에서의 상기 코팅 부재는 솔더 레지스트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극과 내부 리드를 결합시키는 땜납은 Bi를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극과 내부 리드를 결합시키는 땜납은 Sn을 포함하고, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
    ∑(ViWi) < 2.8(%)
    [여기서 i는 땜납을 구성하는 원소의 수를 나타내고, Vi는 땜납을 구성하는 각 원소의 응고시의 수축 계수(%)를 나타내고, Wi는 땜납을 구성하는 각 원소의 중량 백분율을 나타내고(전체는 1로 간주됨), 합계 ∑는 1 내지 i를 취함]
  10. 평판 형상의 복수의 태양 전지, 및 상기 태양 전지 중 하나의 수광면상에 제공되는 버스 바 전극 및 거기에 인접한 다른 태양 전지의 비수광면상에 제공되는 버스 바 전극을 전기 접속하는 내부 리드를 포함하는 태양 전지 모듈로서:
    상기 내부 리드에 의해 서로 접속되는 태양 전지는 충전재로 밀봉되고;
    상기 버스 바 전극의 세로 방향에 따른 에지 및 상기 에지에서 그 내부의 소정 거리로의 부분은 코팅 부재로 코팅되고;
    상기 코팅 부재는 상기 충전재와 직접 접촉되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극에서의 상기 코팅 부재는 솔더 레지스트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극은 가로 방향으로의 그 중앙부에서 땜납에 의해 내부 리드에 결합되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양 전지는 하나 이상의 단부가 수광면 및/또는 비수광면상에 형성된 버스 바 전극에 접속되는 복수의 핑거 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극에 접속된 상기 핑거 전극의 일단부는 코팅 부재로 코팅되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 핑거 전극에서의 상기 코팅 부재는 버스 바 전극에서의 코팅 부재 역할도 하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 핑거 전극에서의 상기 코팅 부재는 솔더 레지스트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  17. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극 및 내부 리드를 결합시키는 땜납은 Bi를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  18. 제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극 및 내부 리드를 결합시키는 땜납은 Sn을 포함하고, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
    ∑(ViWi) < 2.8(%)
    [여기서 i는 땜납을 구성하는 원소의 수를 나타내고, Vi는 땜납을 구성하는 각 원소의 응고시의 수축 계수(%)를 나타내고, Wi는 땜납을 구성하는 각 원소의 중량 백분율을 나타내고(전체는 1로 간주됨), 합계 ∑는 1 내지 i를 취함]
  19. 평판 형상의 복수의 태양 전지, 및 상기 태양 전지 중 하나의 수광면상에 제공되는 버스 바 전극 및 거기에 인접한 다른 태양 전지의 비수광면상에 제공되는 버스 바 전극을 전기 접속하는 내부 리드를 포함하는 태양 전지 모듈로서:
    상기 내부 리드 및 버스 바 전극은 땜납으로 서로 전기 접속되고;
    상기 땜납은 Sn을 포함하고, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
    ∑(ViWi) < 2.8(%)
    [여기서 i는 땜납을 구성하는 원소의 수를 나타내고, Vi는 땜납을 구성하는 각 원소의 응고시의 수축 계수(%)를 나타내고, Wi는 땜납을 구성하는 각 원소의 중량 백분율을 나타내고(전체는 1로 간주됨), 합계 ∑는 1 내지 i를 취함]
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 땜납은 Bi를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 땜납은 3 내지 85중량%의 Bi를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극은 Ag로 주로 구성되고, 상기 땜납은 0.5 내지 6.5중량%의 Ag를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  23. 평판 형상의 복수의 태양 전지;
    상기 태양 전지 중 하나의 수광면상에 제공되는 버스 바 전극 및 거기에 인접한 다른 태양 전지의 비수광면상에 제공되는 버스 바 전극을 전기 접속하는 내부 리드;
    상기 내부 리드에 의해 서로 접속되는 복수의 태양 전지의 단부에 접속된 외 부 리드; 및
    상기 외부 리드를 접속하는 결합 와이어링으로 이루어지고;
    상기 외부 리드 및 결합 와이어링은 주석, 은, 및 구리로 주로 구성된 땜납으로 서로 전기 접속되고,
    상기 버스 바 전극 및 내부 리드는 주석, 비스무트, 및 은으로 주로 구성된 땜납으로 서로 전기 접속되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 버스 바 전극 및 외부 리드는 주석, 비스무트, 및 은으로 주로 구성된 땜납으로 서로 전기 접속되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 주석, 은, 및 구리로 주로 구성된 땜납의 조성은 1.0 내지 5.0중량%의 은, 0.4 내지 7.0중량%의 구리, 및 나머지 중량%의 주석인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  26. 제 23 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주석, 비스무트, 및 은으로 주로 구성된 땜납의 조성은 20 내지 60중량%의 비스무트, 0.5 내지 5중량%의 은, 및 나머지 중량%의 주석인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
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