KR20080039873A - 태양전지 연결방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광전소자용 태양전지 서브모듈을 형성하기 위한 태양전지 상호연결 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 실질적으로 길이방향으로 평행하고 전체적으로 공면(co-planar) 구성으로 복수의 세장 태양전지들(101)을 적소에 솔더를 유지하기 위해 사용된 솔더가능한 재료(201)의 패치상의 크로스빔(102)에 장착하는 단계와, 접점(202,203)을 통해 상기 세장 태양전지들을 전기 연결시키기 위해 인접한 태양전지들 사이에 확장되는 하나 이상의 도전 경로(204)를 확립하는 단계를 포함하고, 상기 하나 이상의 도전 경로는 웨이브 솔더링(wave soldering)에 의해 확립된다.
광전소자용 태양전지 서브모듈, 세장 태양전지, 웨이브 솔더링
Description
본 발명은 광전소자용 태양전지 서브모듈을 형성하기 위해 세장 태양전지(elongated solar cells)를 연결하는 태양전지 연결 공정에 관한 것이다.
본 명세서에서, "세장 태양전지(elongated solar cells)"라는 용어는 일반적으로 평행육면체 형태이며 길이(l)가 폭(w)보다 실질적으로 더 큰(일반적으로 수십 내지 수백 배 더 큰) 점에서 고종횡비(high aspect ratio)를 갖는 태양전지를 말한다. 부가적으로, 세장 태양전지의 폭이 두께(t)보다 실질적으로 더 크다(일반적으로 4에서 100배 더 크다). 태양전지의 길이와 폭은 전력생산을 위해 최대 이용가능한 활성 표면적 또는 사용가능한 표면적(태양전지의 작동"면" 또는 "면들")을 정의하는 한편, 태양전지의 길이와 두께는 전지의 광학적 불활성 표면 또는 "에지"를 정의한다. 일반적으로 세장 태양전지는 길이가 10-120㎜이고, 폭이 0.5-5㎜이며, 두께는 15-400㎛이다.
세장 태양전지는 에스. 샤이벤스톡(S. Scheibenstock), 에스. 켈러(S. Keller), 피. 패스(P.Fath), 지. 빌레케(G.Willeke), 및 이. 부허(E. Bucher)가 작성한 논문 "HighVo(High Voltage) Cell Concetp", Solar Energy Materials & Solar Cells Vol. 65(2001), 페이지 179-184("샤이벤스톡") 및 국제특허출원 WO 02/45143("the Silver patent application")에 기술된 바와 같은 공정으로 제조될 수 있다. 국제특허출원 WO 02/45143은 하나의 표준 실리콘 웨이퍼로부터 다수의 얇고(일반적으로 150㎛ 이하) 기다란 실리콘 기판들을 생산하는 공정을 기술하고 있으며, 이 경우 최종적으로 만들어진 얇고 기다란 기판들의 개수와 치수로 인해 총 사용가능한 표면적은 본래의 실리콘 웨이퍼의 표면적 보다 더 크다. 이는 각각의 기다란 기판의 활성표면 또는 이용가능한 표면으로서 본래 웨이퍼 표면에 수직한 새로이 형성된 표면들 중 적어도 하나를 이용하여, 후술되는 바와 같이, 결과적으로 만들어진 기다란 기판들과 상기 기판들 사이에 실제로 가능한 한 작게 제거된 재료 양자의 웨이퍼면에서 더 짧은 치수들을 선택함으로써 달성된다.
이러한 기다란 기판들을 또한 '실버 기판(silver substrates)'이라고도 한다. "실버"란 용어는 Origin Energy Solar Pty Ltd의 등록된 상표이다(호주 상표등록 No.933476호). 실버 특허출원은 또한 실버 기판상에 태양전지를 형성하는 공정을 기술하고 있으며 상기 전지를 '실버 태양전지'라고 한다. 그러나, '실버'란 용어는 일반적으로 하나 이상의 태양전지들을 합체할 수 있거나 합체할 수 없는 실버 기판을 말한다.
일반적으로, 세장 태양전지들은 기본적으로 임의의 태양전지 제조공정을 이용한 기다란 기판상에 형성된 단결정 태양전지 또는 다결정 태양전지일 수 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 기다란 기판들은 바람직하게는 배치공정으로 실리콘 웨이퍼(1804)를 통해 일련의 평행한 기다란 직사각형 슬롯들 또는 개구들(1802)을 (바람직하게는 비등방성 습식 화학에칭에 의해) 완전히 가공함으로써 개구들(1802) 사이에 대응하는 일련의 평행한 평행육면체 기판들 또는 실리콘의 '실버들'(1806)을 정의하도록 형성된다. 슬롯(1802)의 길이는 웨이퍼(1804)의 직경보다 작지만 비슷하므로 기다란 기판들 또는 실버들(1806)이 웨이퍼 프레임(1808)이라고 하는 웨이퍼의 나머지 외주부(1808)에 의해 함께 결합된 채로 있다. 각각의 실버(1806)는 2개의 웨이퍼면과 동일면에 있는 2개의 에지(1810)와, 상기 웨이퍼면에 수직한 2개의 (새로 형성된) 면들(1812)과, 상기 웨이퍼 프레임(1808)에 부착된 양 단부들(1814)을 갖는 것으로 생각된다. 도 18에 도시된 바와 같이, 태양전지는 기다란 기판(1806)으로부터 형성될 수 있는 한편, 웨이퍼 프레임(1808)에 의해 보유된 채로 있다. 그런 후 최종적으로 만들어진 세장 태양전지들(1806)이 서로 그리고 웨이퍼 프레임으로부터 분리되어 일반적으로 긴 에지를 따르는 전극을 갖는 한 세트의 개개의 세장 태양전지들을 형성할 수 있다. 이들 다수의 세장 태양전지들은 태양열 발전모듈(solar power module)을 형성하기 위해 함께 전기적으로 연결되고 조립될 수 있다.
이런 식으로 세장 태양전지들이 형성되면, 웨이퍼면의 평면내에 있는 기다란 슬롯들과 기다란 실리콘 스트립들(실버들)의 폭은 양쪽 다 일반적으로 0.05㎜이므로, 각 실버/슬롯 쌍은 사실상 웨이퍼면으로부터 l×0.1㎜의 표면적을 차지하며, 여기서 l은 기다란 기판의 길이다. 그러나, 실리콘 웨이퍼의 두께는 일반적으로 0.5-2㎜이기 때문에, (웨이퍼면에 수직한) 새로이 형성된 실버의 2개의 면들의 각 표면적은 l×0.5-2㎜이므로, (웨이퍼 프레임의 어떤 이용가능한 표면적을 무시한) 본래 웨이퍼면에 대해 5-20의 인수 만큼 이용가능한 표면적의 증가를 제공한다.
기다란 기판들은 또한 상술한 방식과 유사한 방식으로 하나의 웨이퍼를 복수의 기판들로 분할함으로써 형성될 수 있으나, 최종적으로 만들어진 기다란 기판들의 활성면들 또는 이용가능한 면들은 본래 웨이퍼면 또는 웨이퍼면들의 대응하는 기다란 부분들이다. 이러한 기다란 기판들은 상기 기판들이 형성된 상기 웨이퍼의 두께와 동일한 두께를 가지며 본 명세서에서는 "판(plank)" 기판이라 한다. 이 경우, 판 기판의 총 사용가능한 표면적은 본래 웨이퍼의 표면적보다 더 클 수 없으나, 그럼에도 불구하고 판 기판들로 형성된 판 태양전지들은 종래 웨이퍼 기반의 태양전지보다 이점을 갖고 있다. 판 태양전지는 일반적으로 기다란 에지를 따라 전극들을 가지나, (사용시 태양으로부터 멀리 지향되게) 면들 중 하나에 상반되는 극성들의 전극들을 번갈아 가질 수 있다.
실버 태양전지를 형성하는 실리콘의 기다란 슬라이스들은 부서지기 쉽고 장착 및 전기연결에 대해 조심스럽게 취급해야 할 필요가 있다. 또한, 각 태양전지의 표면적과 경제적 가치는 작기 때문에, 실버 전지들의 사용을 경제적으로 가능하게 하기 위해 신뢰할 수 있는 저가의 전기연결 기술이 요구된다.
광전소자를 형성하기 위해 실버 태양전지를 사용하는 종래의 접근은 광접착제를 사용해 유리와 같은 기판 또는 투명 초상태(transparent superstate)에 전지들을 접착시켜 대규모의 실버 태양전지 어레이를 형성하는 것을 수반하였다. 실버 태양전지는 인접한 전지들 간에 0에서 수 밀리미터에 이르는 규칙적인 간격이 있고, 특별한 전지 및 모듈구성에 따라 모듈 면적의 제곱미터당 대략 1,000개에서 15,000개 정도까지의 태양전지들을 포함할 수 있다. "픽 앤 플레이스(pick and place)" 로봇장치가 기판에 실버 태양전지를 위치시키는데 사용될 수 있다. 그런 후 전지들은 실버 전지들 간에 전기연결을 형성하기 위해 스텐실(stencil)되거나, 분배되거나 다른 경우로는 전사되(transfer)는 도전성 에폭시를 사용해 전기연결된다.
대안으로, 유리와 같은 기판에 접착된 실버 전지들은 상기 유리 기판상에 미리 마련된 금속피복 패드 또는 트랙에 스텐실 또는 분배된 솔더 페이스트(solder paste)를 리플로우잉(reflowing)함으로써 전기적으로 연결된다. 기판 유리에 접합된 은들 간의 이러한 전기연결 확립공정은 금속피복된 트렉 어레이를 만들고, 정렬, 페이스트 양, 및 페이스트 분포와 관련하여 충분한 정확도로 상기 만들어진 금속피복된 패드에 상기 솔더 페이스트를 분배하거나 스텐실한 후, 전체 어셈블리를 상기 솔더 액상 온도 이상으로 가열시키고, 유속 활성화(flux activation), 솔더 플로우, 및 금속피복된 트랙과 실버 전지 금속전극들의 적절한 습윤(wetting)과, 상기 솔더 표면장력 및 습윤성에 의해 결정된 정확한 벌크 분포로 솔더를 흘러보내는데 필요한 금속간 합금의 형성에 필수적인 요구되는 온도-시간 프로파일로 솔더 페이스트를 리플로우시키기 위해 다수의 정밀단계들을 필요로 한다.
도전성 물질의 분배는 면적이 스텐실 및 정렬 정확도 특성에 의해 제한되는 스텐실 애플리케이션에 반대되는 것으로서 임의의 모듈 크기를 수용할 수 있는 확대가능한 대안이나, 분배 동작이 느리고 큰 모듈 면적에 걸쳐 요구되는 분배 지역의 개수들에 대해 고가이다. 스텐실링은 스텐실 물질의 신장력(stretch)과 비틀림(warpage)으로 인해 큰 면적에 걸쳐 스텐실 지역들의 정렬과 합 치(registeration)와 관련한 문제들을 갖는다. 더욱이, 솔더 리플로우 동작을 이용한 양호한 솔더 결합에 필요한 온도-시간 프로파일에 따른 인라인 또는 배치공정에서 큰 열질량을 가열시킴으로써, 액상선(liquidus) 이상의 요구되는 시간으로 인해 실버 전극들로부터 실버 용해(silver dissolution)가 갖는 문제들, 벌크 솔더로 작은 결정구조를 형성하기 위해 유리를 급속 냉각시키는 어려움, 솔더 연결시 합금분리와 금속 이동의 최소화, 및 확장된 주기동안 고온 하에서 UV경화성 광접착제에 대해 있을 수 있는 손상을 포함하여 실제로 극복할 수 없는 난제들이 초래된다. 상기 리플로우 문제들 중 몇몇은 Asscon Quiky® 기상 리플로우 시스템과 같은 기상 솔더 시스템을 이용하여 해결될 수 있으나, 나머지 문제들은 리플로우 동작이 상업적으로 실행가능한 모듈생산에 적합하지 않게 한다.
상기 방법들이 사용되는 것에 무관하게, EVA와 같은 캡슐물질이 유리 또는 유사한 재료의 제 2 층과 함께 사용되어 태양전지 어레이의 어셈블리를 달성하여 태양전지 모듈을 형성하게 한다. 이 기술을 이용하여 광전소자를 형성하는데 따른 가장 큰 난제는 어레이를 형성하기 위해 기판의 비교적 큰 면적에 걸쳐 다수의 실버 전지들 간에 전기연결을 형성하도록 스텐실링 또는 분배를 이용하여, 재료가 솔더이거나 도전성 에폭시 또는 유사 재료의 솔더 또는 일부 형태인지에 무관하게, 도전성 재료를 정확하게 배치해야 할 필요성이다.
판 태양전지는 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘으로 형성된다. 태양전지는 잘 알려진 BCSC 공정과 유사하게 약간 변경한 종래의 전지제조공정을 이용해 제조된다. 판 태양전지 및 판형 태양전지의 주요 이점은 종래 전지들로 가능한 것보다 더 빠르게 전압과 그 결과 전류를 줄이기 위한 연동 효과를 형성하는 것이다. 더욱이, 판 태양전지의 일실시예에서, 이렇게 형성된 전지들은 양면이다. 이 양면 태양전지의 이점은 양면 모듈, 건물일체형 태양광 발전모듈(building integrated photovoltaic modules, BIPV), 고정 집광 어셈블리(static concentrator assemblies)에서의 판 전지 애플리케이션과 또한 통상적인 태양복사의 30배, 또는 50배 또는 그 이상까지 태양광을 집광하는 집광 수용장치의 애플리케이션을 통해 판전지들을 제조하고, 처리하고 조립하는 가외 비용을 상쇄시킨다.
웨이퍼에 형성된 판전지들의 두껍고 상대적으로 협소한 직사각형 어레이, 즉, 표준 웨이퍼 두께는 웨이퍼로부터 제거될 때 독립형 태양전지로서 사용하기에 적합한 형태로, 또는 대안으로 상기 웨이퍼에 포함되도록 적합한 형태로 제조될 수 있으며, 상기 웨이퍼내에서 전지들은 상기 전지들내에 형성된 전류에 대해 고저항 경로를 또한 제공하는 물리적 보유구조를 형성하며 전지들의 각 단부에 있는 실리콘 영역들과 함께 형성되어 있다. 모놀리스(monolithic) 판형 전지들의 한가지 형태가 "Progress in monolithic series connection of wafer-based crystalline silicon cells by the novel 'High Vo'(High Voltage) cell concept", the journal Solar Energy Materials & Solar Cells 65(2001) 페이지 179-184 논문에 거론되어 있다. 대안으로, 판 태양전지는 웨이퍼로부터 제거되고 임의의 소정의 간격 및/또는 전지 극성들과 함께 재조립될 수 있다. 판 전지들은 실버 전지만큼 연약하지는 않으나, 그럼에도 불구하고 실장 또는 전기연결동안 조심스럽게 취급할 필요가 있다. 추가로, 각 전지의 면적과 가격이 작기 때문에, 판 전지의 이용을 경제적으로 가능하게 하기 위해 신뢰할 수 있는 저가의 전기연결 기술이 필요하다
판전지의 활성면들은 연마된 웨이퍼면으로부터 형성되기 때문에, 취급 및 조립이 실버 전지 취급 및 조립보다 상당히 더 직접적이며, 활성이 느린 전지 면들이 웨이퍼면에 수직하게 형성된다. 판 전지 어레이가 최대 효율의 애플리케이션용으로 의도된 경우, 전체 판전지 어레이는 상기 어레이를 진공장치, 접착면 또는 기계적 클램프와 맞물리게 함으로써 웨이퍼로부터 제거될 수 있다. 어레이는 절삭톱, 또는 레이저를 이용하여 판 전지의 단부들을 절단하거나, 기계적 선 긋기 및 골절에 의해 웨이퍼 프레임으로부터 방출된다. 그런 후 실버 전지 보트 어셈블리를 형성하는데 필요한 공정과 유사한 공정을 이용하여 전기연결이 확립되며, 공정은 판 태양전지 보트의 물리적 구조를 또한 제공한다.
판 보트 서브모듈 어셈블리의 독특한 특징은 종래 사각형 또는 정사각형에 근사한 태양전지와 유사한 치수의 직사각형 또는 정사각형에 근사한 태양전지들의 밀집평면 또는 밀집평면유사 어레이, 유닛 어셈블리에 포함된 판 전지들의 개수와 유사한 인수 만큼 종래 전지보다 비례적으로 더 큰 서브모듈 전압, 유닛 어셈블리에 포함된 판 전지들의 개수와 유사한 인수 만큼 종래 전지보다 비례적으로 더 낮은 서브모듈 전류, 및 판 보트 태양전지 전력모듈에 포함될 수 있는 구조를 함께 형성하기 위해 상기 판자 보트들을 한 줄로 배열하듯이 외부 연결하기에 적합한 전기 접점들 포함한다.
대안으로, 상기 판전지 어레이가 증가된 비용효율적인 애플리케이션들을 제공하도록 의되되어 있는 경우, 전체 판 전지 어레이는 상기 어레이를 진공장치 또 는 접착면 또는 기계적 클램프를 사용하여 맞물리게 함으로써 웨이퍼로부터 제거될 수 있다. 어레이는 절삭톱, 또는 레이저를 이용하여 판 전지의 단부들을 절단하거나, 기계적 선 긋기 및 골절에 의해 웨이퍼 프레임으로부터 방출된다. 판 전지들이 2X 정적 집광기에 필요한 경우, 예컨대, 판전지 어레이는 하나씩 거른 판 전지를 픽업하는 간단한 진공 시스템을 이용해, 픽업된 전지들로부터 2배 이격된 어레이를 형성하고, 초기 픽업 동작에 의해 건너 뛴 전지들에 의해 형성된 2배 이격된 어레이를 남겨두게 조작된다. 이들 2배 이격된 어레이들은 전기 내부연결을 확립하고 실버 래프트 형성과 유사한 공정으로 판 래프트 서브 어셈블리의 물리적 보유구조를 형성하도록 가공된다. 그리고 나서, 전기연결이 확립되고 공정은 또한 판 태양전지 래프트의 물리적 구조를 제공한다. 예컨대 2개의 단계들로 매 세번째 판 태양전지를 선택하고, 3개의 서브 어셈블리를 완성함으로써, 간단히 3배의 정적 집광기 서브 어셈블리(static concentrator subassembly)가 형성될 수 있다.
판 래프트 서브 어셈블리의 독특한 특성은 종래의 정사각형 또는 정사각형에 근사한 태양전지와 유사한 치수의 직사각형 또는 직사각형에 근사한 태양전지들의 균일하게 이격된 면 또는 균일한 면에 근사한 어레이, 유닛 어셈블리에 포함된 판전지들의 개수와 유사한 인수 만큼 종래 전지보다 비례적으로 더 큰 서브모듈 전압, 유닛 어셈블리에 포함된 판 전지들의 개수와 유사한 인수 만큼 종래 전지보다 비례적으로 더 낮은 서브모듈 전류(어떠한 정적 집광기 특징들 없이, 이 감소된 전류는 상기 정적 집광기 애플리케이션으로부터 얻은 임의의 유효한 집광 인수 만큼 간단히 변경됨), 및 판 래프트 태양전지 전력모듈에 포함될 수 있는 구조를 함께 형성하기 위해 상기 판 래프트들을 한 줄로 잇듯이 외부에 연결하기 적합한 전기 접점들 포함한다.
마찬가지로, 판 태양전지 어레이가 증대된 비용효과적인 애플리케이션들을 형성하도록 의도된 경우, 전체 판전지 어레이는 상기 어레이를 진공장치 또는 접착면, 또는 기계적 클램프와 맞물리게 함으로써 웨이퍼로부터 방출될 수 있다. 어레이는 절삭톱, 또는 레이저를 이용하여 판 전지의 단부들을 절단하거나, 기계적 선 긋기 및 골절에 의해 웨이퍼 프레임으로부터 방출된다. 판전지들이 2X 정적 집광기에 필요한 경우, 예컨대, 판 전지 어레이는 하나씩 거른 판 전지를 픽업하는 간단한 진공 시스템을 이용해, 픽업된 전지들로부터 2배 이격된 어레이를 형성하고, 초기 픽업동작에 의해 건너 뛴 전지들에 의해 형성된 2배 이격된 어레이를 남겨두게 조작된다. 그리고 나서, 이들 2배 이격된 어레이들은 전기 상호연결을 확립하고 실버 메쉬 래프트(silver mesh raft) 형성과 유사한 공정으로 판 메쉬 래프트 서브 어셈블리의 물리적 보유구조를 형성하도록 가공된다. 그런 후, 전기연결이 확립되고 공정은 또한 판 태양전지 메쉬 래프트의 물리적 구조를 제공한다.
판 태양전지 메쉬 래프트 서브모듈 어셈블리의 독특한 특성은 종래의 정사각형 또는 정사각형에 근사한 태양전지와 유사한 치수의 직사각형 또는 직사각형에 근사한 태양전지들의 균일하게 이격된 면 또는 균일한 면에 근사한 어레이, 와이어 연결시 단지 유연성에 의해 제공된 판 태양전지의 길이와 평행하게 이어진 축 주위로의 유연성, 유닛 어셈블리에 포함된 판 전지들의 개수와 유사한 인수 만큼 종래 전지보다 비례적으로 더 큰 서브모듈 전압, 유닛 어셈블리에 포함된 판 전지들의 개수와 유사한 인수 만큼 종래 전지보다 비례적으로 더 낮은 서브모듈 메쉬 래프트 전류(어떠한 정적 집광기 특징들 없이, 이 감소된 전류는 상기 정적 집광기 애플리케이션으로부터 얻은 임의의 유효한 집광 인수만큼 간단히 변경됨), 및 판 메쉬 래프트 태양전지 전력모듈에 포함될 수 있는 구조를 함께 형성하기 위해 상기 판 래프트들을 한 줄로 잇듯이 외부에 연결하기 적합한 전기 접점들 포함한다.
광전소자를 형성하기 위해 판 태양전지 및 판형 태양전지를 이용하는 종래 기술의 접근은 일반적으로, 비교적 저렴하고 작은 태양전지들의 판 및 판형 수집물, 어셈블리, 또는 어레이에 대한 전기연결 및 물리적 구조를 취급하고, 조립하고, 제공하는 비교적 높은 비용으로 인해, 고전압과 같은 특수 애플리케이션, 휴대장치내 배터리 충전용 소형 태양발전모듈, 또는 가동 가능한 전자계산기와 같은 소형 휴대장치에 한정되었다. 실버 태양전지의 취급, 조립 및 전기연결에 대한 종래 기술과 관련된 문제들을 해결하는 본 발명에 기술된 접근들은 판 및 판형 태양전지의 종래 취급, 조립 및 전기연결과 관련된 문제들을 해결하기 위한 직접적인 유사 애플리케이션을 갖는다.
실버 분리, 취급 및 조립 문제에 대한 방안을 고안하기 위해 끌어낸 동일한 취급 및 조립 원칙들이 판 전지 분리, 취급 및 조립문제에 대한 방안, 즉, 가능한 경우 종래 취급과 조립 장비 및 공정들을 채용하는 것과 관련하여 언제든지 "대량"의 전지들의 벌크 이동을 고안하는데 적용되었다. 대부분의 경우, 판 태양전지의 분리, 취급 및 조립을 위해 고안된 방안은 기껏해야 실버 방안의 간단한 변경 또는 맞춤을 포함한다.
일반적으로, 본 발명의 바람직한 실시예를 기술하는데 있어, 참조부호와 도면들은 원칙적으로 공정 및 방법의 이점적인 태양들을 명확히 하기 위해 실버 전지 예들을 이용한다. 판 태양전지 요건들에 대한 참조부호와 도면들은 분리, 취급, 또는 조립 요건들이 실버 태양전지 분리, 취급 및 조립 방안에 대한 공정 및 방법들에 대해 현저하게 또는 실질적으로 다른 경우에만 제공된다.
태양전지의 한가지 애플리케이션은 소위 집광 시스템이다. 대표적인 선형 광전 집광시스템은 약 10 내지 80 배의 기하학적 전지 집광비로 작동한다. 이러한 장치에서, 한 줄의 태양전지가 통상적으로 수용장치에 장착된다. 각각 종래 전지는 폭이 2 내지 5㎝이고, 20 내지 40개의 전지들이 수용장치의 장방향 길이를 따라 직렬로 연결되어 있다. 광 균일성은 일반적으로 수용장치의 길이를 따라 양호하나 횡방향으로는 약하다. 태양전지들은 대개 더 높은 전체 전압출력을 제공하기 위해 직렬로 연결되어 있다. 전류는 일반적으로 전지당 4개의 긴 접점을 통해 중심에서 상부면과 하부면 양측에 있는 각 전지의 2개 에지까지 전도된다. 전류를 이동시키기 위해 각각의 이들 접점들에 대해 연결이 이루어진다. 태양전지들의 직렬연결은 적절한 연결에 의해 수용장치의 에지에서 달성된다. 그러나, 직렬연결은 상당한 면적을 차지한다. 추가로, 수용장치의 길이를 따른 전류 흐름은 각 전지의 중심영역에서 외부 연결로의 에지까지 횡으로 그리고 다시 이웃한 전지의 중심영역까지 전하를 이동시키는 공정이다. 그 결과, 긴 도전경로로 인해 상당한 직렬저항 손실이 발생한다.
상기 난제들 중 하나 이상을 경감하는 태양전지 연결공정을 제공하거나 적어 도 유용한 대안을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 실질적으로 길이방향으로 평행하고 전체적으로 공면(co-planar) 구성으로 세장 태양전지들을 유지하는 구조에 복수의 세장 태양전지들을 장착하는 단계와, 상기 구조를 통해 상기 세장 태양전지들을 전기 연결시키기 위해 확장되는 하나 이상의 도전 경로를 확립하는 단계를 포함하고, 상기 하나 이상의 도전 경로는 웨이브 솔더링(wave soldering)에 의해 확립되는 광전소자용 태양전지 서브모듈을 형성하기 위한 태양전지 상호연결 방법이 제공된다.
본 명세서에 기술된 래프트(raft), 메쉬 래프트(mesh raft), 또는 보트(boat)의 장착 구조는 제조 또는 사용간 열 싸이클링으로 인해 발생한 판 태양전지 또는 실버 태양전지 또는 전기 상호연결부에 손상을 방지한다. 보트의 경우, 이는 전기 상호연결을 확립하기 위해 직렬 또는 병렬 구성을 제공하는 구별되는 패턴들로 기판을 가로질러 확장되는, 하나 이상의 많은 형태들로 종래 솔더 또는 무연 솔더를 이용하여, 열적으로 팽창수축 가능한 기판상에 판 또는 실버 태양전지들을 장착하고 전기 도전경로를 형성함으로써 달성된다. 메쉬 래프트 및 일부 형태의 래프트의 경우, 판 전지 또는 실버 전지들 간의 전기 상호연결은 메쉬 래프트 또는 래프트 또는 보트에 있는 구성 재료들 간의 차등 열팽창이 서브모듈 어셈블리 구조의 임의의 부분에 허용될 수 없는 스트레스를 만들지 않도록 장착구조 또는 프레임 구조를 각각 형성한다.
각 서브 모듈에 있는 실버 태양전지 또는 판 태양전지는 특정한 광전소자에 대한 요건에 따라 이격될 수 있다. 보트와 같은 몇몇 애플리케이션에서, 인접한 실버 또는 판은 각각 전기 연결 뿐만 아니라 보트의 경우에 태양전지를 함께 보유하는 기계적 지지체 또는 구속을 제공하는 솔더 및/또는 고효율의 래프트 또는 보트의 경우에 판 태양전지 또는 실버 태양전지를 상기 기판에 직접 부착하는 기계적 구조를 또한 이루는 전기 연결을 형성하는 솔더와 접한다.
래프트 또는 메쉬 래프트와 같은 다른 애플리케이션에서, 각 판 또는 실버 태양전지 사이의 간격은 태양전지의 폭의 수배 만큼일 수 있고, 인접한 전지들 사이의 전기연결은 크로스빔의 표면에 금속피복 트랙에 합금된 솔더에 의해 확립된다. 메쉬 래프트와 같은 다른 애플리케이션에서, 전지간 어레이의 구조를 형성하는 와이어들이 전기 연결 뿐만 아니라 메쉬 래프트 구조의 물리적 지지체 및 물리적 구속을 제공하기 위해 판 또는 실버 전지전극들에 솔더된다. 특히, 판 태양전지는 양면일 수 있고, 실버 태양전지는 양면일 수 있으며, 일부 애플리케이션에서, 간격은 정적 집광기 애플리케이션의 경우에 적절하게 위치지정된 반사기의 사용에 의해 실버 태양전지의 양측의 조사(照射)를 이용하도록 결정되거나 종래 양면 모듈을 닯은 모듈 구조의 경우에 양측으로부터 조사에 의해 결정된다.
일실시예에서, 기판은 태양전지 또는 판 전지가 소정의 어레이 형태 및 기계적 지그를 이용하는 크로스빔의 바로 가까이에 유지되는 하나 이상의 크로스빔들의 형태를 갖는다. 크로스빔은 완전한 래프트 또는 구조에 대한 기계적 안정성을 제공하여 각각 실버 태양전지 또는 판 태양전지들 간의 전기 상호연결을 지원한다. 크로스빔은 실리콘 또는 임의의 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다.
실버 전지 또는 판 전지가 크로스빔에 장착되는 실시예에서, 각각의 실버 또는 판 태양전지에 부착된 크로스빔의 작은 치수로 인해 기판의 열적 호환성(thermal compatibility)이 달성된다. 즉, 작은 공통영역으로 인해, 크로스빔의 열팽창계수는 본 발명의 몇몇 다른 형태들에 대한 실버 전지 또는 판 전지의 열팽창계수와 엄밀히 일치해야 할 필요가 없다. 이상적으로, 실버 전지 애플리케이션에 대해, 크로스빔은 차등 팽창문제를 없애기 위해 결정 실리콘으로 형성된다. 다결정 판 전지 애플리케이션의 경우, 크로스빔은 이상적으로 차등 열팽창 문제를 없애기 위해 다결정 실리콘으로부터 형성될 수 있다. 솔더 래프트 크로스빔은 바람직하게는 저가이고, (내재적으로 또는 절연 재료로 코팅함으로써) 전기 절연이며 얇고, 전기연결을 위해 솔더가능한 금속피복 도전트랙으로 선택적으로 코팅될 수 있다. 적절한 기판들은 실리콘 및 붕규산 유리를 포함한다.
전기 상호연결을 제공하고 실버 전지 또는 판 전지들을 각각 크로스빔에 기계적으로 고정시키기 위해 솔더를 이용해 형성된 서브모듈들은 사용된 솔더 타입, 솔더를 증착하고 솔더된 전기 상호연결을 형성하는데 사용되는 공정, 또는 솔더 래프트를 구성하기 위해 사용된 태양전지의 타입에 무관하게 "솔더 래프트(solder rafts)"라 한다. 솔더 래프트는 수개에서 수백개의 실버 태양전지 또는 판 태양전지들을 포함할 수 있다. 솔더 래프트는 종래 태양전지보와 유사한 크기로 일반적으로 10cm×10cm 또는 15cm×15cm 또는 더 길게 형성될 수 있다. 또한, 서브모듈 어셈블리는 정사각형 또는 거의 정사각형일 필요는 없다. 서브모듈에서 실버 전지 또는 판 전지의 개수는 예컨대 소정의 서브모듈 전압을 제공하도록 선택될 수 있다. 이는 전지들이 캡슐화 및 전기 연결을 위한 유사한 기술들을 이용해 종래 태양전지들에 현재 사용되고 있는 광전소자에 사용되게 한다. 각 솔더 래프트는 실버 태양전지 또는 판 태양전지들이 직렬 또는 병렬로 연결되는 지에 따라 일반적인 종래 태양전지보다 대개 훨씬 더 높은 전압과 이에 따라 더 낮은 전류를 갖는다는 것이 큰 차이이다.
본 명세서에서 "솔더 보트(solder boats)"라고 하는 또 다른 실시예에서, 실버 태양전지, 또는 판 태양전지는 각각 솔더를 이용해 인접한 태양전지들 간에 전기 상호연결을 제공할 뿐만 아니라 솔더 보트 기판에 태양전지의 기계적 부착을 확립하고 또한 구조의 물리적 안정성을 제공하도록 연속한 기판 또는 반연속 기판상에 장착된다. 솔더를 이용해 전기 상호연결을 제공하고 실버 전지 또는 판 전지를 기계적으로 고정시키기 위해 형성된 서브모듈을 사용된 솔더 타입, 솔더를 증착하고 솔더된 전기 상호연결을 형성하는데 사용되는 공정, 또는 솔더 보트를 구성하기 위해 사용된 태양전지의 타입에 무관하게 본 명세서에서 "솔더 보트(solder boats)"라 한다.
솔더 보트 기판은 열 싸이클링 동안의 스트레스를 방지하기 위해 태양전지에서 실리콘의 열팽창계수와 같은 열팽창계수를 가지고 있기 때문에 열적으로 호환성이 있다. 솔더 보트 기판은 바람직하게는 저가이며, (내재적으로 또는 절연 재료로 코팅함으로써) 전기 절연이며, 얇고, 전기연결을 위해 솔더가능한 금속피복 도전트랙으로 선택적으로 코팅될 수 있다. 적절한 기판들은 실리콘 및 붕규산 유리를 포함한다. 이 서브모듈의 형태는 특히 집광된 태양광 아래에 있는 애플리케이션들에 적합하다.
이 실시예에서, 실버 태양전지 또는 판 태양전지는 가까이 위치해 있거나 멀리 이격되어 있을 수 있다. 바람직하기로, 솔더 보트 기판은 태양전지들이 기판을 통한 열전달을 통해 냉각될 수 있도록 열싱크상에 장착된다. 구조는 또한 열싱크 또는 열싱크 부착의 가외 기계적 안전성을 제공하기 위해 필요하다면 추가 접착제를 포함할 수 있다. 접착제는 또한 장치의 열싱크 특성을 강화하도록 열 전도도로 도울 수 있다.
또 다른 실시예로, 서브모듈의 실버 태양전지 또는 판 태양전지들 간의 전기적 기계적 상호연결은 크로스빔 또는 기판에 대한 필요성 뿐만 아니라 기판에 상호연결된 금속피복 전기 트랙들을 제거하여 인접한 태양전지의 전극들에 그리고 사이에 솔더된 와이어에 의해서만 형성된다. 솔더 와이어를 이용하여 형성된 서브모듈은 전기 상호연결을 제공하도록 상호연결되고, 실버 전지 또는 판 전지를 기계적으로 고정시키기 위해 서브모듈 어셈블리의 물리적 전기적 구조들을 본 명세서에서는 형성된 서브모듈을 사용된 솔더 타입, 솔더를 증착하고 솔더된 전기 상호연결을 형성하는데 사용되는 공정, 또는 솔더 메쉬 래프트를 구성하기 위해 사용된 태양전지의 타입에 무관하게 본 명세서에서 "솔더 메쉬 래프트(solder mesh rafts)"라 한다.
실버 태양전지와 판 태양전지 모두는 특히 집광 애플리케이션에 사용하는데 적합한데, 이는 본 발명에 따라 구성된 솔더 래프트, 솔더 매쉬 래프트, 및 솔더 보트가 고전압 능력을 갖기 때문이다. 집광하에 있는 실버 태양전지 또는 판 태양전지의 최대 전력전압은 약 0.7볼트이다. 집광기 실버 태양전지의 경우, 전지의 일반적인 폭은 약 0.7mm이다. 따라서, 전압은 대응하는 작은 전류에 유리하게 실버 전지 어레이를 따르는 방향으로 직선cm 당 약 10볼트의 비율로 형성된다. 집광기 판 전지의 경우, 전지의 일반적인 폭은 1 또는 2 밀리미터까지 구성될 수 있다. 따라서, 전압은 대응하는 작은 전류에 유리하게 판 전지 어레이를 따르는 방향으로 직선cm 당 약 5볼트의 비율로 형성된다. 일반적으로, 판 태양전지는 실버 태양전지보다 더 넓기 때문에, 집광기 판 어셈블리는 통상적으로 은 집광기 수용장치에 비해 더 낮은 집광도의 수용장치 애플리케이션에 사용된다.
따라서 실버 태양전지 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트와 판 태양전지 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트는 특히 종래 태양전지 대신 선형 집광기 시스템에 사용하는데 적합하다. 이에 대해, 각 실버 태양전지 또는 판 태양전지는 각각 솔더 기반의 전기 상호연결을 이용해 각 에지의 (연속하거나 간헐적인) 길이를 따라 이웃에 연결된 시리즈(series)일 수 있다. 따라서 전류는 종래 태양전지들이 사용될 때 발생하는 나선형 전류를 기본적으로 형성하며, 횡방향 및 길이방향의 혼합이라기 보다는, 실버 태양전지 또는 판 태양전지의 길이에 횡방향으로 수용장치의 길이를 따라 연이어 움직인다. 추가로, 실버 전지 또는 판 전지인 경우 태양전지들 간의 직렬 상호연결에 의해 차지된 공간이 매우 작아서 태양광이 거의 전지 연결시 흡수에 의해 상실되지 않는다.
또한, 집광기 애플리케이션에 매우 상당히, 상술한 바와 같은 집광기 애플리케이션에 이용된 실버 태양전지 또는 판 태양전지들 간의 솔더 기반의 전기 연결로 전지와 수용장치 직렬 저항손실이 조사된 영역의 폭에 거의 무관해진다.
본 명세세에서 기술된 상호연결 공정은 전기 연결이 각각의 실버 태양전지의 에지에서만 필요로 하는 대부분의 판 전지의 수단들과 함께 실버 전지의 특징에서 나온 이점을 갖는다. 본 명세서에 기술된 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트에서, 전지 연결은 판 또는 실버 태양전지의 좁은 단부들에 해당하는 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트의 열의 외부 에지에서 또는 에부 에지를 따를 필요가 없는데, 이는 기능적인 전기연결이 기판 또는 크로스빔 또는 와이어 메쉬 보유구조상에 또는 그 내의 도전경로에 의해 제공되기 때문이다. 이는 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트의 다수의 평행한 열들이 각 열 사이의 단지 좁은 간격으로 단일 수용장치상에 이용될 수 있다는 것을 의미한다. 이 좁은 간격의 폭은 단지 열팽창, 전기전열, 및 어셈블리 제약을 수용할 필요가 있으며 종래 집광기 시스템에 의해 필요로 하는 집광기 전지들의 양측을 따라 흐르는 넓은 전류 버스들(current buses)을 포함하지 않는다.
따라서, 실버 태양전지 또는 판 태양전지 집광기 수용장치는 수십 센티미터까지 비교적 넓을 수 있고, 전지 대 수용장치 표면적 적용범위의 매우 높은 비율로 수개에서 수 많은 열들의 집광기 전지들을 포함한다. 이는 향상된 영역 이용을 통해 집광기 수용장치의 유효 효율을 높일 뿐만 아니라 상당히 감소된 크기의 전기 연결 및 버스바(busbar)와 같은, 에너지 변환이 아닌, 열흡수 구성요소들의 부착을 통해 수용장치상에 부여된 열부하(heat-loading)를 줄인다. 이는 특히 다수의 미러들 또는 넓은 미러들이 단일 고정 수용장치에 광을 반사하는 애플리케이션에 유리하다. 이 애플리케이션에서, 각각의 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트는, 조사 수준이 각 열에 대해 다르지만, 수용장치의 실이를 따라 길이방향으로 꽤 균일한 조사를 갖게 된다. 이 애플리케이션에서는, 종래 집광기 태양전지들이 사용되는 경우, 가능하게는 적어도 실버 또는 판 집광기 태양전지 정도까지는 직렬 저항을 제어하기가 어렵고, 열들과 전지들 간의 낭비된 공간을 최소화하는 것이 불가능하다. 이는 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트로부터 구성된 태양전지 수용장치 모듈에 따른 경우가 아니다.
본 명세서에 기술된 서브모듈의 또 다른 이점은 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트가 실버 전지 또는 판 전지로 형성될 수 있기 때문에, 수용장치 전압이 높게 될 수 있으므로 광전 시스템과 연결된 (DC를 AC로 변환시키는데 사용된) 인버터의 전압 상승변환단이 제거될 수 있다. 본 발명의 또 다른 이점은 각 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트가 다른 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트에 전기적으로 병렬로 동작될 수 있다는 것이다. 대안으로, 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트의 그룹이 직렬연결될 수 있고 상기 그룹은 다른 그룹과 병렬로 구동될 수 있다. 이 병렬연결 능력은 예컨대 집광기 시스템 구조요소들에 의해 주어진 쉐도우로 인해 발생한 조사시 비균일성 또는 선형 집광 시스템의 양단에서 광손실의 수용장치 출력에 대한 영향을 크게 줄일 수 있다.
본 명세서에 기술된 솔더 기반의 무접착제 상호연결에 의해 형성된 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트는 실버 태양전지와 판 태양전지의 종래기술의 사용보다 상당히 이점을 제공하는 것이 상기 설명에서 명백해진다. 특히, 하나씩 실버 전지 또는 판 전지를 광전모듈에 배치하거나, 사용동안 웨이퍼를 형성하는데 있어 보유된 판형 태양전지들의 모놀리스 수단에 의해 받게 되는 성능 불이익이 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트의 사용으로 방지되고, 각각의 서브모듈 어셈블리는 10개에서 100개의 개별 실버 전지 또는 개별 판 태양전지로 구성된다.
또한, 접착제를 사용하여 조립된 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보트에 비하면/비하거나 적용을 위한 스텐실 또는 분배 공정을 필요로 하는 도전성 에폭시 또는 유사한 도전성 접착제 재료를 이용하여 확립된 전기 상호연결에 비하면, 솔더 기반의 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트는 새로운 재료를 배제하는 또 다른 이점을 갖는다. 이러한 새로운 재료는 태양열 모듈내에 애플리케이션으로 인해 발생한 미지의 또는 불확실한 장기 안정성과 재료 특성 신뢰도를 가질 수 있다. 예컨대, 도전성 에폭시의 특성은 종래 애플리케이션에 매우 잘 알려져 있는 반면에, 태양열 모듈 설치를 위한 대표적인 조건에 이 재료의 장기 노출에 대하여 이용가능한 어떠한 데이터도 없다. 가속 수명 테스트로부터 일부 이해가 될 수 있으나, 실제 현장적용을 위해 장기간에 걸친 세이(say), 습도, UV 노출, 및 열 싸이클링의 씨너지 효과를 신뢰할 수 있게 결정할 수 있는 어떠한 단기 테스트도 없다.
필요로 하는 관련된 제조 기반구조에 따라 실버 전지 및 판 전지 서브모듈 제조공정의 비용, 생산량, 신뢰도, 및 강건도 시각에서 본 훨씬 더 큰 이점은 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트가 전기 상호연결의 확립 공정 및 서브모듈 어셈블리 구조의 형성과 고정에 사용된 솔더 재료의 스텐실링 또는 분배의 임의의 형태를 제거하기 위해 제시된 상황이다. 각각의 이러한 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트는 작기 때문에, 구성요소들의 배치시 충분한 정확도를 허용하는 기계적 지그로 저렴하게 조립될 수 있다. 형성된 물리적 구조의 무결성과 서브 모듈 어셈블리의 필요로 하는 전기적 특성들은 하나의 빠르고 저렴한 솔더 공정에 의해 제공된다. 그런 후, 임의의 필요로 하는 형태, 면적 및 전력을 갖는 광전 모듈을 형성하기 위해 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트의 필요로 하는 개수가 배치된다.
본 명세서에 기술된 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트는 얇은 실버 태양전지의 가요성을 이용함으로써 유연한 광전모듈들을 형성하도록 테프젤(Tefzel)과 같은 가요성 재료에 캡슐화되고 장착될 수 있다. 제한된 가요성이 또한 전지에 평행한 축을 따르는 판 전지들을 이용하여 조립된 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트에 제공될 수 있다. 서브 어셈블리는 판 전지기반의 모듈을 구성하는데 사용된 크로스빔 또는 와이어의 가요성을 이용함으로써 한 축 주위로 제한된 가요성 광전모듈을 형성하도록 테프젤과 같은 가요성 재료에 캡슐화되고 장착될 수 있다. 인접한 실버 전지들과 판 전지들 간의 솔더 상호연결은 크로스빔의 요구되는 휨을 제공하기에 충분히 얇다. 더 큰 정도의 휨이 바람직한 경우, 솔더 상호연결은 인터 커넥트 재료에서 특정 최대 전류밀도를 초과하지 않게 요구되는 도체 황단면을 제공하도록 더 큰 가요성을 위해 더 얇고 넓게 만들어질 수 있다.
얇고 휘어 질 수 있는 태양전지와 크로스빔 또는 기판을 이용하여 제조된 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트의 가요성을 이용하는 또 다른 방법은 강체의 만곡된 지지구조상에 일치하게 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트를 장착하는 것이다. 솔더 기반의 솔더 모듈 어셈블리 구조의 특별한 이점은 이 장착이 솔더 상호연결이 확립되기 전에, 확립되는 동안 또는 확립된 후 중 어느 하나로 수행될 수 있다는 것이다. 태양전지를 어셈블리하기 위한 로봇 "픽 앤드 플레이스 장치(pick and place machine)"의 몇몇 형태를 이용하여 이러한 목표를 달성는 것이 매우 어려울 수 있다. 또한, 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트는 완전한 서브모듈 어셈블리가 소정의 곡률 프로파일을 갖도록 만곡된 전 구조에 어셈블리되고 처리될 수 있다. 대안으로, 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트는 평평한 지지구조에 장착되고 그런 후 소정 공간에 만곡될 수 있다. 실버 전지 솔더 메쉬 래프트 또는 솔더 래프트는 상당한 가요성을 나타낸다. 캡슐화되지 않은 어셈블리는, 명백히 동시에 모두가 아니라, 실버 길이방향에 평행하거나 수직한 방향으로 10cm 크기의 곡률반경을 수용할 수 있다. 판 어셈블리의 경우, 곡률반경은 더 작고, 판 전지길이에 평행한 축 주위 방향으로 제한된다.
적절한 지지 구조의 일예는 건축 애플리케이션에 사용하기 위한 만곡된 유리이다. 또 다른 예는 선형 집광기용의 만곡 돌출된 알루미늄 수용장치에 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트를 장착하는 것이다. 이렇게 하는 이점은 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트에 있는 각각의 태양전지들이 구성을 이루는 실버 전지의 전체 길이를 따라 심지어 선형 집광기 광학 요소들의 에지로부터 반사되거나 굴절된 태양광으로부터 거의 수직 입사하는 조사를 수용한다는 것이다. 이 특별한 애플리케이션에서, 실버 전지들은 판 전지들보다 더 적합할 수 있다.
본 명세서에 기술된 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트의 또 다른 이점은 서브모듈 어셈블리 효율 및 이에 따라 구성을 이루는 실버 전지 또는 판 태양전지의 집합 효율의 용이한 측정에 의해 제공되다. 대다수의 개개의 작은 태양전지들의 효율 측정은 불편하고, 시간소비적이며 고가이다. 본 발명은 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트의 전체 솔더된 서브모듈 어셈블리가 한번의 동작으로 측정되는 효율을 가능하게 하고, 이에 따라 수십개에서 수백개의 작은 태양전지들이 함께 효율적으로 측정되게 한다. 이러한 접근은 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트를 (장애 카테고리를 포함하여) 성능 카테고리로 분류하고, 다른 성능특성을 갖는 광전모듈을 조립하기 위해 적절한 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트를 이용할 수 있도록 비용을 줄인다.
솔더 서브모듈 어셈블리의 또 다른 큰 이점은 구조에서 접착제 없이 솔더 전기 상호연결이 서브모듈의 재처리 가능성을 허용한다는 것이다. 서브모듈 어셈블리에서 결함있거나 기대에 못미치는 실버 전지, 판 전지, 실버 전지의 그룹 또는 판 전지의 그룹은 간단히 솔더를 녹여 고장난 장치 또는 장치들을 제거하고 좋은 전지 또는 전지들로 대체함으로써 교체될 수 있다. 재처리되거나 수리된 서브모듈 어셈블리의 전기 상호연결은 국소화된 솔더 리플로우 공정에 의해 확립된다. 대안으로, 선택된 수준 이하의 성능을 갖는 이들 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트는 폐기되거나 서브섹션들로 분할되어 재측정될 수 있다. 불량 성능을 유발하는 각각의 태양전지가 이 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트의 일부에 주로 있는 경우, 몇몇 서브섹션들은 양호한 성능을 가질 수 있으나, 다른 서브섹션은 성능이 충분히 양호하지 못하기 때문에 페기될 필요가 있을 수 있다.
솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트는 또한 작은 태양전지상에 몇가지 단계들을 실행하기가 여럽거나 불가능한 태양전지의 제조간 발생할 수 있는 문제들을 제기한다. 예컨대, 전지들 또는 전지들의 그룹은 여전히 실리콘 웨이퍼에 내장되어 있으면서 일면에 반사기를 만들기 위해 실버 태양전지 또는 전지 그룹의 면들 중 하나를 금속피복하기가 어렵거나 불가능하다. 또 다른 예는 반사방지 코팅의 적용으로, 몇몇 상황에서 전극들의 금속피복이 완료된 후에 더 편하게 행해질 수 있는 반사방지 코팅의 도포이다. 그러나, 이는 반사방지 코팅이 금속피복을 덮게되어 각 전지에 전기연결을 확립하기 어렵게 하는 위험을 지니고 있다. 솔더가 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보트 구조용으로 전기 연결을 확립하고 물리적 제한재료를 형성하도록 하는 재료로 선택된 경우, 반사방지 코팅 및 반사 코팅과 같은 연이은 층들은 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트 구조가 어셈블리되는 동안 또는 그 이후로 실버 또는 판 서브어셈블리 구조에 증착, 화학적 기상증착, 스프레이 증착, 또는 다른 수단들에 의해 증착될 수 있다. 이러한 추가 공정들 모두는 솔더 전기 상호연결의 신뢰도 또는 기능에 악영향을 끼치지 않고 완료될 수 있다.
마찬가지로, 본 명세서에 기술된 솔더기반의 공정들은 태양전지 면의 전기 패시베이션을 위해 더욱 더 종래 접근을 제공할 수 있다. 전기 패시베이션은 때로 플라즈마 화학 기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 또는 비정질 실리콘층을 증착함으로써 증착된 실리콘 질화물과 같은 재료를 이용하여 수행된다. 이러한 코팅은 양호한 표면 패시베이션을 달성하기 위해 고온 처리 필요성을 없앤다. 몇몇 경우에서는 통상의 태양전지 공정동안 이 단계를 수행하기가 어렵거나 불가능하다. 예컨대, 플라즈마 화학 기상증착에 의한 실리콘 질화물 증착이 일치하지 않는다. 따라서, 실리콘 웨이퍼에 여전히 포함되어 있는 동안 실버 태양전지의 표면을 성공적으로 코팅하기가 어렵다. 그러나, 공정은 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트의 어셈블리동안 또는 어셈블리 후에 성공적으로 수행될 수 있다.
태양 선형 집광기용 광전장치는 실버 태양전지 또는 판 태양전지로 구성된 복수의 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트를 포함할 수 있으며, 서브모듈 어셈블리들은 전류경로와 전류 흐름이 수용장치를 따라 실질적으로 길이방향으로 발생하도록 가까이 인접한 배열에 위치된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 필요로 하는 임계치 이하로 전류밀도와 저항을 줄이는데 필요한 금속의 두께가 실버 전극 또는 판 전극을 확립하는 방법에 제공된다. 실버 태양전지의 경우, 실버 태양전지의 세트를 포함하는 웨이퍼가 실버 전극의 베이스를 형성하는 금속피복의 얇은 층 또는 박막을 확립하도록 처리된다. 이 공정은 베리언(Varian) 또는 유사장치로 수행될 수 있고, 상기 금속박막은 니켈, 구리, 은 또는 몇몇 다른 적절한 금속, 또는 예컨대 알루미늄 베이스 위에 있는 구리, 알리미늄 위의 니켈 위의 구리 또는 니켈 위에 주석과 같이 이종 금속들의 층들의 몇가지 선택이다. 증착은 꽤 비싸고 낭비적인 공정이며, 이 초과 재료중 일부가 재활용되기는 하나, 진공챔버의 큰 면적들도 또한 전극재료와 함께 코팅된다. 그런 후, 실버 전극위에 증착된 금속의 얇은 층이 필요로 하는 낮은 저항과 낮은 전류밀도 전극들을 제공하기 위해 도금될 수 있다. 전기도금 또는 무전기도금의 현재 사용된 공정을 포함하여 이를 달성하는 다수의 방법들이 있다. 한 전지 면상에 양 전극들을 갖는 판 전지와 같이 판 전지의 몇몇 형태들의 경우에, 종래 스크린 프린팅 기술이 전극을 형성하는데 사용될 수 있다.
더 편리하고, 신뢰가능하며 저렴한 방법은 솔더를 이용해 얇게 제조된 증착된 금속기반의 전극들을 도금하는 것이다. 웨이퍼 프레임에서 실버 또는 판 위의 금속면들은 융제로 코팅되고 웨이퍼는 용융된 솔더조에 담그어져 제거된다. 전극 금속 베이스에 부착되고 이와 함께 합금을 형성하는 과잉 솔더는 핫에어 나이프(hot-air knife)로 제거된다. 솔더는 금속솔더 합금 및 코팅과 함께 관련한 전극들의 금속피복된 영역들에만 부착된다. 인접한 전지 전극들 간에 브릿지를 형성하는 임의의 솔더를 포함하는 과잉 솔더는 웨이퍼가 솔도조로부터 제조될 때 핫에어 나이프에 의해 제거된다.
전지 전극들을 도금하는 방법들로, 증착된 금속박막과 접촉한 솔더가 도금공정동안 금속도금된 전극들을 형성하는 액체 솔더에 용해되는 전극상에 있는 금속박막의 두께를 줄이기 위해 액상선(liquidus) 위에 있는 시간을 제한하는 것이 중요하다. 전극 베이스를 형성하는데 필요한 증착된 금속재료의 두께는 솔더 금속 합금의 타입, 증착된 전극 베이스의 표면에 사용된 금속 타입, 솔더 온도, 융제 타입, 솔도조 위로 웨이퍼를 둘러싼 가스의 타입, 및 증착된 금속박막과 접촉한 솔더가 이 액상선 위에 있는 시간의 함수이다.
예컨대, 전극 베이스에 필요로 하는 금속의 일반적인 두께는 은에 대해서는 약 1마이크론이고, 구리에 대해서는 3 내지 4 백 나노미터이며, 니켈에 대해서는 1 내지 2 백 나노미터이다. 이들 숫자는 다층 베이스가 예컨대, 주석 또는 구리 아래에 있는 니켈 장벽층, 또는 알루미늅 베이스층 위에 주석 또는 구리를 이용함으로써 다른 금속들을 사용하여 형성되는 경우에 실질적으로 변경될 수 있다. 몇몇 경우에서, 마감된 전극 표면금속의 선택에 따라, 금 플래쉬(gold flash)를 수 나노미터 두께로 도포하는 것이 이점적일 수 있다.
전지 전극을 도금하기 위해 사용된 솔더조는 일반적으로 주석/납 솔더에 대해서는 약 265℃이고 무연 솔더에 대해서는 295℃ 이상까지 일 수 있는 반면에, 핫에어 나이프 온도는 대략 사용되는 솔더의 용융점이다. 에어 나이프 온도와 기류 유량은 솔더 도금 전극의 두께를 제어하는데 도움되도록 조절될 수 있다. 두꺼운 전극이 필요한 경우, 나이프 온도 및/또는 기류 유량은 감소된다. 반대로, 얇은 전극이 필요한 경우, 에어 나이프 온도, 개시 각도 및 유량이 증가된다. 질소와 같은 불활성 가스의 사용은 도금된 층 특성의 보다 더 정확한 제어를 도울 수 있다. 융제의 선택은 금속의 선택, 금속표면의 상태 및 솔더 타입에 의해 결정된다. 전극 재료의 무연 솔더 도포가 온도, 융제 타입, 및 시간을 포함한 대부분의 공정 파라미터들에 대한 변경을 필요로 하는 다는 것이 당업자에게 명백하나, 이 공정은 또한 무연 솔더 애플리케이션에 매우 적합하다. 몇몇 애플리케이션에서, 핫에어 나이프에서 질소를 사용하는 것이 이점적일 수 있다.
전체적으로 유사한 절차가 판 태양전지의 특별 요건에 대한 상기 공정을 적용함으로써 구성될 수 있다.
초기 처리 및 웨이퍼로부터 실버 전지의 분리를 위한 상세한 절차와 분리된 실버 전지들을 래프트, 메쉬 래프트, 및 보트에 어셈블리하기 위한 방법이 국제특허출원 PCT/AU2005/001193에 제공되어 있다. 필요로 하는 상대 위치들에서 실버 전지들의 어레이를 확립하는 이들 방법들이 본 명세서에서 반복되지 않는다. 그러나, 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 웨이퍼 프레임으로부터 이미 제거되고 래프트, 메쉬 래프트 또는 보트의 물리적 형태로 결합되지 않은 어레이 포맷 또는 평면 어레이 구조 또는 배열로 나타나 있는 실버 태양전지를 보유하는 여러가지 방법이 본 명세서에 제공되어 있다. 평면 배열은 완전한 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트 어레이에서 실버 태양전지의 소정 상대 위치와 방향을 구현한다.
판 보트와 같이 전면 커버 어레이에 이상적으로 적합한 별개의 판 태양전지들의 어레이 또는 전지들 간의 간격이 형성 웨이퍼에 있는 전지 폭 또는 피치의 소정 정수배인 이격된 어레이를 확립하기 위해 초기에 상세히 설명한 진공 분리 및 스탬프 장치 이외에, 그리고 제한된 이격 비율(ratio spacing) 이외에, 판 태양전지들이 임의의 소정의 피치들과 함께 어레이 이격에 형성될 수 있는 공정이 고안되었다. 이 고정에서, 판 태양전지들은 래프트, 메쉬 래프트, 및 보트들이 구성된 평면 어레이 형태로 다수의 실버 전지들을 분산하는데 사용된 공정과 동일한 공정으로 슬롯 멀티스택 카세트로부터 빼내어 진다. 멀티 스택 카세트의 슬롯 벽들은 국제특허출원 PCT/AU2005/001193에 기술된 실버 전지 래프트 어셈블리 기술과 함께 어레이 이격을 형성한다. 판 전지 어셈블리에 필요로 한 유일한 함수 변화는 멀티 스택 카세트에서 슬롯의 베이스에서 보유방식은 실버 전지들에 비하면 판 전지들의 감소된 가요성을 보상하기 위해 유연해져야 할 필요가 있다는 것이다.
대안으로, 반드시 바람직한 것은 아니나, 디스택킹 루틴(destacking routine)이 카세트의 베이스로부터 한번의 루틴 순서로 카세트내 슬롯의 개수와 동일한 판들의 평면 어레이를 만드는 멀티스택 카세트의 각 슬롯으로부터 판자를 싱귤레이트하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 이러한 형태에서, 디스택킹은 진공 헤드 또는 점착성 헤드와 바닥 판을 결합하게 하는 것과, 상기 판의 일단을 제거하는 카세트의 베이스에 있는 보유 립(retaining lip)보다 약간 더 먼 거리로 상기 판을 슬롯에 수직하게 이동하게 하는 것을 포함한다. 수평 슬롯의 치수로 인해 판의 일단에 있는 판 프로파일은 최대 치수 허용 판과 함께 슬롯내에 간격을 가지나, 2개의 최대 치수 판들에 대해서 슬롯 내에 공간이 충분하지 않다. 이는 하나 및 단 하나의 판이 디스택킹 메카니즘을 통해 제거될 수 있음을 보장한다.
다른 모든 면에서, 평면 전지 어셈블리의 형성 및 표현방법들, 평면 또는 준평면 어셈블리의 수용 및 처리, 연이은 전기연결 방법 및 실버 전지와 판 전지에 대한 공정은 판 및 실버 크기에서 물리적 차이를 수용하기 위해 예컨대 지그 및 진공 헤드의 최소 적용만을 필요로 하며 기본적으로 상호변경가능하다.
독립형 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 솔더 보트 제조능력은 실버 태양전지 및 PV 모듈의 구성의 처리 및 어셈블리를 간략히 한다. 예컨대 지그, 클램프, 또는 진공 헤드에 대한 치수 변경만을 대부분 포함하는 이들 방법의 적용은 판 태양전지를 처리하고 어셈블리할 때 동일한 간략화 수준을 제공한다. 실버 전지 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보트 평면 어레이의 어셈브릴와 판 전지 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보트 면 어레이 배열의 어셈블리는 이전에 실버 태양전지 모듈 어셈블리에 필요한 것으로 생각되나 큰 규모 판 전지 어셈블리에 광범위하게 보상되지 않는 장치들과 같은 큰 규모의 정확도와 자동화를 필요로 하지 않는 작고 저렴한 장치들을 이용해 달성될 수 있다.
더욱이, 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보트를 한 줄로 배열하고 캡슐화하는 태양 모듈의 어셈블리에 필요로 하는 작업들은 서브 어셈블리가 판 태양전지 또는 실버 태양전지로 구성되는지 여부에 무관한게 매우 약간 변형된 종래 PV 어셈블리 장비를 이용해 수행될 수 있다. 부가된 매우 매력적인 특징은 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트와 같은 실버 태양전지 서브모듈 어셈블리와 판 태양전지 서브모듈 어셈블리가 종래 재료를 이용해 제조될 수 있으며, 이에 따라 모듈의 장기간의 신뢰도에 훨씬 더 큰 신뢰를 제공한다는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부도면을 참조로 예로써 하기에 기술되어 있다:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 "솔더 래프트" 서브모듈의 개략도 이다.
도 2는 솔더 전기연결의 일형태를 도시한 도 1에 도시된 솔더 래프트의 일부 개략도이다.
도 3은 "솔더 보트"용 솔더 전기연결의 일형태를 도시한 도 2와 유사한 도면이다.
도 4는 크로스빔 또는 기판상에 솔더 기반의 도전경로가 실버 전지의 두 에지를 함께 연결시키는 솔더 래프트 또는 솔더 보트에 솔더 전기연결의 또 다른 형태를 도시한 도 2 및 도 3과 유사한 도면이다.
도 5는 기판상에 실버 태양전지의 장착, 고정 및 전기연결을 도시한 본 발명에 따른 태양전지 솔더 래프트 또는 솔더 보트의 단면도이다.
도 6은 태양열 집광기 시스템에 사용을 위한 본 발명에 따른 솔더 보트의 일형태의 태양전지 솔더 서브모듈의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 7은 솔더링 공정중에 솔더 래프트용 실버 전지 및 크로스빔의 평면 배열을 물리적으로 보유하는데 사용된 기계적 클램프 및 어셈블리 지그의 평면도이다.
도 8은 크로스빔에 대한 솔더 전기연결을 도시한 솔더 래프트의 이미지로서, 솔더와 크로스빔이 솔더 래프트 서브 어셈블리 구조를 형성하기 위해 적소에 실버 전지들을 보유하고 있다.
도 9는 솔더 연결 패드의 상세 이미지를 도시한 것으로, 솔더 분포를 포함한 솔더 패드의 외형과 프로파일은 도면의 상세한 설명에 더 상세히 기재되어 있는 중요 특징이다.
도 10은 솔더 래프트의 실버 에지, 실버 전극 및 솔더 조인트의 상세도이다.
도 11은 솔더 래프트 조인트의 솔더, 실버 전극, 실버, 및 크로스빔을 포함한 솔더 조인트의 상세 횡단면도이다.
도 12는 전체 솔더간 연결 및 래프트 크로스빔의 횡단면도로서, 이 횡단면도는 조인트내 솔더 분포 제어에 있어 솔더 연결에서 솔더의 분포를 도시하고 금속피복 패드 토폴로지의 중요성을 강조한다.
도 13은 솔더 래프트와 솔더 외부연결을 이용하여 구성된 기능적 미니모듈의 이미지로서, 이 미니모듈은 실리콘 실버, 솔더 전기연결, 및 솔더 기반의 물리적 어셈블리 제약을 바탕으로 한 기술을 입증한다. 이 미니모듈은 종래 태양열 모듈 재료들 만을 포함한다.
도 14는 솔더 보트 어셈블리에 대한 솔더 실버 연결을 도시한 것이다.
도 15는 솔더 보트 어셈블리에 대한 솔더 실버 연결의 상세도이다.
도 16은 실버 태양전지 래프트 어셈블리의 형성을 위해 진공 실버 어레이 추출 헤드와 크로스빔 기계 지지물, 위치지정 테이블 및 수용 테이블을 갖는 멀티스택 카세트를 도시한 것이다.
도 17은 적소에 형성된 실버 태양전지 래프트 어셈블리와 함께 진공 실버 어레이 추출 헤드, 크로스빔 기계 지지물, 위치지정 테이블 및 수용 테이블을 갖는 멀티스택 카세트의 상세도이다.
도 18은 웨이퍼 프레임내에 보유되어 있고, 실버의 반쪽을 도시하기 위해 웨이퍼 프레임의 1/4이 제거된 실버 태양전지 세트의 개략 사시도이다.
상술한 공정들은 2개의 제품, 즉, 정적 집광기 태양열 발전모듈에 합체하는데 적합한 실버 태양전지 솔더 래프트와 집광기 수용장치 적용에 적합한 실버 태양전지 솔더 보트를 형성하기 위한 실버 태양전지의 이용을 포함한다. 이들 제품 모두의 형성에 기술된 공정들은 사용되는 장비에 요구되는 간단한 치수의 변경으로 판 태양전지 솔더 래프트와 판 태양전지 솔더 보트에도 동일하게 잘 적용된다. 판 태양전지와 실버 태양전지 분리, 취급 및 어셈블리 방법, 공정 및 제품들 간의 상호교환가능성에 대한 동일한 제공이 또한 래프트, 메쉬 래프트, 및 보트들에도 적용된다.
국제특허 출원번호 PCT/AU2005/001193는 기다란 기판들의 어셈블리 또는 서브 어셈블리를 형성하는 공정을 개시하고 있다. 이러한 서브모듈은 기다란 기판들의 취급 및 더 큰 모듈로의 어셈블리를 용이하게 한다. 특히, 이러한 서브모듈은 수월하게 하기 위해 그리고 몇몇 경우에 표준 공정 및 취급장비의 이용을 가능하게 하도록 표준 웨이퍼 기반의 태양전지 크기와 실질적으로 동일한 크기로 제공될 수 있다. 어셈블리 또는 서브모듈의 3가지 형태가 특히 이점적인 것을 알았다. 편의상 "래프트(raft)" 서브모듈이라고 하는 일형태에서, 평행한 세장 태양전지들의 어레이가 상기 세장 태양전지에 수직한 크로스빔상에 지지된다. "메쉬 래프트(mesh raft)" 서브모듈이라고 하는 두번째 형태에서, 평행한 세장 태양전지 어레이는 어레이면에 놓여있는 커넥터들에 의해 상호연결된다. "보트(boat)" 서브모듈이라고 하는 세번째 형태에서, 복수의 평행한 세장 태양전지들은 상기 세장 전지들이 어레 이 아래에 뻗어있는 평면 기판상에 지지된다.
도 1을 참조하면, 판 태양전지 또는 실버 태양전지 중 어느 하나인 세장 태양전지(101)와 크로스빔(102)이 본 명세서에서 "솔더 래프트(solder raft)"(100)라고 하는 서브모듈 어셈블리를 형성하게 조립된다. 태양전지(101)들 간의 간격은 각 전지의 폭의 0 에서 수 배에 이를 수 있다. 크로스빔(102)은 바람직하게는 얇으며, 전기 절연되거나 절연물질로 코팅되고, 후술되는 바와 같은 솔더가능한 금속피복된 도전성 트랙 또는 패드로 쉽게 코팅될 수 있는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 예컨대, 두께가 30 에서 100마이크로이고, 폭은 1에서 3mm이며, 길이는 2 에서 20cm인 얇은 실리콘 실버(silver)가 적합한 크로스빔이다.
크로스빔상에 트랙 또는 패드를 형성하는데 사용된 금속은 은(silver), 니켈, 주석, 구리 또는 다른 적절한 솔더가능한 금속 또는 이러한 금속이나 표면에 금속이 솔더될 수 있는 금속들의 다른 조합들로 된 합성 층들일 수있다. 예컨대, 상단에 증착되는 구리, 주석, 또는 은과 같이 쉽게 솔더가능한 금속을 이용해, 크롬 또는 니켈 장벽층이 크로스빔 또는 베이스층 금속에 도포될 수 있다. 금속 또는 금속층은 진공증착에 의해 크로스빔에 직접 도포될 수 있거나, 솔더링 온도를 견디는 접착제에 의해 크로스빔 표면에 요구되는 위치에 접합되는 작고, 적합한 형태의 호일(foil) 또는 심(shim) 조각들로 형성될 수 있다. 태양전지(101)는 인접한 실버 또는 판 전극 사이에 또는 몇몇 솔더 보트 형태의 경우 전극들 또는 전극들의 일부 사이에 전기 연결 형성하는 솔더에 의해 크로스빔(102)에 기계적으로 부착된다.
대안으로, 전기적 비도전성 재료나 적절한 절연재료 장벽으로 코팅된 전기 도전성 재료인 얇은 재료로 만들어진 크로스빔(102)이 금속피복된 도전성 트랙 또는 패드를 형성하기 위해 금속이 든(metal-loaded) 에폭시, 금속이 든 잉크, 금속이 든 페이스트, 금속이 든 폴리머, 또는 금속이 든 페인트와 같은 솔더가능한 화합물질을 이용해 선택적으로 코팅될 수 있다.
폴리머 범위내에 있는 적절한 물질들로는 뛰어난 전기 전도도와 열 전도도를 가지며 "활성" 스크린 프린트 가능하고 분배될 수 있는 재료를 만드는 다우 코닝(Dow Corning) PI-1000 Solder-able Polymer Thick Film을 포함한다. 패드 또는 전기 연결 트랙은 어떠한 표면제조 또는 금속피복을 하지 않고도 직접 솔더될 수 있다. 페인트 범위내에 있는 다른 재료로는 솔더가능한 공기건조 변형 아크릴 실버 페이트인 E-KOTE3030을 포함한다. 다시, 패드 프린트, 스크린 프린트 또는 마스크 스프레이일 수 있는 페인트가 다른 표면제조 또는 금속피복 없이 직접 솔더될 수 있다. 도전성 에폭시 범위내에 있는 재료들로는 솔더가능한 표면을 도전성 벌크에 제공하는 전기 도전성, 은충진 에폭시 접착제인 TRA-DUCT 2902를 포함한다. 상기 예들에 대해 대체될 수 있으면서, 만족스러운 결과를 도출하는 당업자에게 알려진 적절한 재료들의 범위는 넓다. 대안으로, Ferro-Corp 3347ND 실버 도전성 페이스트와 같은 종래 전지에 대한 솔더가능한 표면접점들을 형성하기 위해 PV 산업에 널리 사용된 종래 솔더가능한 재료들이 솔더가능한 표면을 형성하기 위해 스크린 프린트되고 가열될 수 있다. 또한, 쉽게 구매가능하고 당업자에게 알려진 이러한 제품에 대한 많은 대용물들이 있다.
패드와 트랙 정보에 대한 재료의 이러한 타입들이 갖는 이점은 패드가 솔더 공정동안 전극들을 브릿지 하게 하지 않고도 실버 폭의 거의 절반 정도가 실버 아래로 돌출될 수 있기 때문에 패드 위치와 크기 정확도 요건들이 상당히 줄어든다는 것이다. 또 다른 이점은 단지 트랙 또는 패드 용도만이 솔더가능한 표면에 형성되게 하기 때문에 고가의 재료 사용이 최소화도는 것이다. 패드 또는 트랙 자체는 솔더 연결의 횡단면이 대부분의 전류를 전달하기 때문에 어떤 측정가능한 전류를 전달할 필요가 없다.
예컨대, 두께가 30 에서 100 마이크론이고, 폭이 1 에서 3mm이며, 길이가 2 에서 20cm인 얇은 실리콘 실버들이 크로스빔에 적합하다. 금속피복 폴리머, 페인트, 에폭시 또는 페이스트와 같은 크로스빔에 트랙 또는 패드를 형성하는데 사용된 재료가, 예컨대, 가공된 표면이 솔더가능하도록 선택된 재료에 적합한 마스크 스프레잉, 스크린 페인팅, 패드 페인팅 또는 스텐실링과 같은 공정에서 도포된다. 예를 들면, EKOTE3030과 같은 실버가 든 페인트가 크로스바 기판에 패드 프린트되고 솔더 공정을 위한 준비로 공기 건조된다. 태양전지(101)는 전기 연결을 형성하는 솔더에 의해 크로스빔(102)에 기계적으로 부착된다.
도 2를 참조하면, 태양전지(101)들 간에 직렬 또는 병렬 전기연결은 인접한 실버 또는 판 전극 간에 솔더 브리지를 형성함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 솔더 브리지(204)를 이용해 n접점(202)을 인접한 전지의 P접점(203)에 연결함으로써 직렬연결들이 형성될 수 있다. 솔더 브리지(204)는 실질적으로 실버 또는 판 전극에 섞인 벌크 솔더를 통한 전기 연결을 형성하기 위해 적절한 위치에 용용된 솔더를 보유는데 사용되는 솔더가능한 표면을 형성하기 위해 크로스빔에 도포되는 금속 또는 솔더 가능한 재료(21)의 간헐적 패턴을 이용하여 만들어 진다. 솔더가능한 표면에 또한 섞인 솔더는 솔더 서브모듈 어셈블리를 고정하기 위해 물리적 구속력을 제공할 뿐만 아니라 필요한 전기 연결을 제공하는 이중기능을 수행한다. 바이패스 다이오드 또는 논리장치와 같은 전자장비들이 동일한 물리적 전기적 기능을 제공하는 기존의 또는 추가 솔더연결로 회로에 포함될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에서, 태양전지(101)는 하기에서 "솔더 보트(solder boat)"라고 하는 서브모듈(300)을 형성하기 위해 연속 또는 반연속 기판(301)상에 어셈블리될 수 있다. 태양전지들 간의 간격은 각 전지의 폭의 0 에서 수 배에 이를 수 있다. 기판(301)은 바람직하게는 비도전성 금속이거나(또는 절연물질로 코팅되거나), 금속피복 트랙(201), 또는 솔더가능한 페인트, 폴리머, 또는 페이스트(201)로 쉽게 코팅될 수 있고, 실리콘과 유사한 열팽창계수를 갖는다. 실리콘과 붕규산 유리(borosilicate glass)가 적합한 기판들이다. 대안으로, 열 사이클링동안 솔더 보트에 과도한 열팽창 불일치 스트레스에 놓이지 않는 페인트 물질이 사용될 수 있다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 실버 태양전지 또는 판 태양전지와 같은 복수의 작은 태양전지가 광전 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트를 형성하기 위해 사용될 수 있으며, 상기 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트는 종래 태양전지와 크기가 비슷하며 종래 태양전지에 바로 대체될 수 있다. 서브모듈 어셈블리를 갖는 태양전지들은 소정의 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트 전압을 전달하기 위해 직렬 또는 병렬 또는 직렬 및 병렬 혼랍 중 어느 하나로 연결될 수 있다. 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트가 병렬 연결된 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트 전압이 충분히 큰 경우, 하나 이상이 (예컨대, 부분 쉐이딩(shading) 또는 서브모듈 불일치에 의해 야기된) 낮은 전류를 갖는 이러한 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트 장치로 구성된 모듈의 모듈출력에 대한 효과가 종래 광기전 모듈에서 보다 미약하게 된다.
크로스빔 또는 기판에 대한 도전성 트랙에 대한 추가 사용은 한 실버 또는 판 전지 전극을 동일한 실버 전지 또는 판 전지 각각의 필요에 따라 동일한 극성 또는 반대 극성의 다른 에지 전극에 전기 연결시키는 것이다. 예컨대, 실버 전지의 한 에지에 n접점은 동일한 전지의 다른 에지상에 있는 n접점에 연결될 수 있다. 실버 전지의 한 에지상에 있는 p접점은 동일한 전지의 다른 에지상에 있는 p접점에 연결될 수 있다. 실버 위에 있는 n과 p 접점은 전지 단락을 방지하기 위해 서로 전기 절연된 채 있게 된다. 이 구성에서, 금속피복된 트랙 또는 솔더가능한 물질은 전극과 트랙 각 단부 사이의 솔더가 트랙에 대한 전기 연결 뿐만 아니라 기판에 실버를 부착하는 물리적 기능을 하며 충분한 고유 전도도(intrinsic conductivity)를 갖는 것이 필요하다. 이는 또한 이러한 구성의 판 태양전지에도 적용된다.
대안으로, 금속피복되거나 솔더가능한 트랙 또는 패드가 래프트 또는 보트를 어셈블리하기 전에 솔더를 이용해 주석도금되는 2단계 솔더링 공정이 사용될 수 있다. 이는 이미 패드 또는 트랙에 걸쳐 적소에 있는 태양전지와 함께 단일 단계의 솔더링 공정으로 실버 또는 판 태양전지 아래에 놓인 전체 패드나 트랙영역을 코팅 할 수 없는 솔더가 있음으로 인해 충분한 전도도를 보장한다.
동일한 협소한 태양전지의 2개 에지들을 함께 전기적으로 연결시키는 한가지 이유는 전기저항 손실을 줄이기 위한 것이다. 이는 특히 넓은 실버 전지 또는 집광된 태양광 하에서 사용하도록 구성된 실버 전지에 특히 중요하며 유사한 환경에 있는 판 태양전지에 훨씬 더 중요하다. 저항손실은 전극들 간의 태양전지 폭의 제곱에 비례한다. n 및/또는 p 접점이 태양전지 에지 양측에 있으면, (전기저항 목적의) 전지의 유효폭은 반이되며 저항손실은 1/4이 된다. 따라서, 태양전지는 한 에지에 n 접점만이 있고 다른 에지에 p 접점만이 있는 태양전지에 대해 폭이 2배일 수 있으나 동일한 저항손실을 가질 수 있다.
도 4는 솔더 래프트의 크로스빔(407)이 세장 태양전지의 동일한 극성(401)의 양 에지를 함께 전기 연결시키는데 사용되는 일구성을 도시한 것이다. 동일한 기능은 크로스빔보다는 솔더 보트 기판을 이용해 달성될 수 있다. 이 경우, 실버 전지(101)의 각 에지상에 있는 n 확산구역(403)의 n 접점(401)만이 크로스빔(407)상의 트랙(405)을 이용해 전기연결된다. 이는 (각각의 실버 태양전지와 양면 판 태양전지의 넓은 면을 덮고 있는) n타입 확산 이미터에 있는 전기저항이 태양전지의 총 전기저항보다 우세한 전지에 적합하다. 기판내 전기저항이 또한 중요한 고려대상인 경우, n과 p 접점 모두가 태양전지의 각 에지에 있을 수 있고 이런 식으로 별개로 전기연결될 수 있다.
인접한 태양전지(102)들 간의 직렬연결은 한 전지의 p확산구역(303)상에 있는 p 접점(408)으로부터 트랙 금속피복(406)을 통해 인접한 전지상에 있는 n 접 점(402)까지 확립된다.
실버 태양전지 같은 몇몇 태양전지들과 많은 형태들의 판 태양전지들은 태양전지 에지상에 금속피복을 갖는다. 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트 어셈블리 동안( 그리고 다른 목적으로), 태양전지 금속피복이 에지에 바로 인접한 태양전지의 면 주위로 감겨있는 것이 때로 편리하다. 어떻게 이것이 예컨대 실버 전지에 달성될 수 있는 지에 대한 상세한 내용이 국제특허출원 PCT/AU2005/001193에 개시되어 있다.
도 5를 참조하면, 태양전지 면(501)상에 부분적인 금속피복을 갖는 태양전지(101)는 상기 태양전지가 크로스빔 또는 기판(503)상의 도전성 트랙(502)에 직접 솔더되거나 전기연결되게 한다. 솔더가능한 표면을 나타내는 도전성 트랙은 그 전에 스크린 프린팅, 증착, 패드 프린팅, 스텐실링, 분산, 스프레이 마스크 페인팅 또는 유사한 기술에 의해 크로스빔이나 기판에 도포될 수 있다. 태양전지와 크로스빔 또는 기판 간의 연결(502)은 전기연결, 열적 연결 및 비스듬한 증착 전극에 솔더를 통해 기판 또는 크로스빔에 실버 전지 또는 판 전지의 접착을 제공한다.
크로스빔 또는 기판상에 장착시 태양전지가 서로 이격되어 있는 경우, 태양광 중 일부가 크로스빔 또는 기판에 부딪히게 된다. 크로스빔 또는 기판은 크로스빔 또는 기판이 실리콘인 경우에 쉽게 취해지는 공정으로 짜질 수 있거나 울퉁불퉁해질 수 있고, 전기연결이 쇼트되지 않는 식으로 반사재료로 코팅될 수 있어, 대부분이 광기전 모듈내에 가두어 지고 태양전지를 교차하는 높은 가능성을 갖는 이런 식으로 이 빛의 대부분이 반사되고 산란된다. 특히, 크로스빔이 태양전지 또는 판 전지의 태양면으로부터 멀리 장착되어 있는 경우, 크로스빔의 유효 쉐이딩이 줄어든다.
서로 이격되게 태양전지를 이격시키는 것이 이점적일 수 있다. 재료의 저항에 의해 결정된 솔더 상호연결의 횡단면적을 증가시킴으로써 확장된 트랙의 필요한 전도도가 쉽게 달성된다. 예컨대, 이는 제곱미터당 필요로 하는 태양전지의 수를 줄이게 한다. 반사기가 태양전지 아래에 위치해 있는 경우, 갭들 사이를 지나는 광의 대부분이 반사되고 태양전지를 가로지른다. 솔더의 표면에 부딪힌 광은 반사되고, 충분히 큰 각도 반사는 모듈표면에 의해 내부에 전반사되며, 상기 반사광은 연이은 반사시 전지에 부딪힐 가능성이 높다. 태양추적 집광기의 경우, 입사광의 각 범위는 비추적 광기전 시스템의 경우에서 보다 상당히 작다. 이는 적절한 반사기가 (광학의 기본법칙에 의해 허용되는) 비추적 시스템의 경우에서보다 훨씬 더 큰 성능을 갖도록 설계되게 한다.
양면 태양전지의 각 표면에 광의 더 균일한 분포를 특별히 보장하기 위해 서로 이격된 태양전지를 분리시키는 것이 이점적일 수 있다. 예컨대, 집광기 시스템에서, 양면 실버 태양전지 또는 판 태양전지의 이미터에서 전기 직렬저항 손실이 큰 손실 구조이다. 광의 절반이 태양으로부터 표면으로 향해질 수 있다면, 직렬저항손실은 절반이 된다.
태양전지들이 열싱크인 것을 필요로 하는 광전 모듈에서, 태양전지는 태양전지들 간에 전기연결을 이루는 솔더 재료를 이용해 열적으로 연결될 뿐만 아니라 크로스빔 또는 기판에 전기적으로 연결될 수 있다. 차례로, 크로스빔 또는 기판은 적절한 열싱크에 부착될 수 있다. 이 공정은 전기 전도 없이 태양전지와 열싱크 사이에 양호한 열 연결을 획득하기 위해 얇은 전기 절연층의 별개의 도포를 필요로하지 않는다. 전기 연결한 패드 또는 트랙과 동시에 전기적으로 절연된 솔더 도트 또는 패드는 전기회로 집적도를 저해하지 않고 기판을 갖는 실버 전지 간에 또는 판 전지와 기판 사이에 열접촉을 집적 제공하는데 사용될 수 있다.
실리콘은 높은 열도전성 물질이다. 집광된 태양광에 의해 조사될 때에도, 태양전지의 일 표면 전체가 열싱크에 집적 연결될 필요가 없다. 열은 실리콘 태양전지내에서 열싱크가 수행되는 영역으로 측방향으로 전도될 수 있다. 솔더 래프트와 솔더 보트의 경우, 열싱크는 필요에 따라 절연된 전극 대 기판 솔더 열 연결에 점재된 솔더 전기 상호연결에 의해 달성될 수 있다. 태양전지가 전기연결된 에지 대 에지인 경우, 모든 태양전지가 열싱크에 연결될 필요가 없으며, 열싱크로의 연결은 솔더 보트형태로 실버 전지 또는 판 전지의 전체 길이를 따라 형성될 필요가 없다. 열은 한 태양전지로부터 전기연결을 통해 열싱크가 부착된 또 다른 태양전지로 흐른다.
대안으로, 열은 태양전지의 조사된 영역에서 부터 열싱킹이 발생되는 태양전지의 조사되지 않은 부분으로 전도될 수 있다. 도 6을 참조하면, 한 줄의 태양전지(101)는 실리콘과 같은 일치된 열팽창계수를 갖는 기판(610)에 기계적으로 결합된다. 태양전지의 양 표면에 조사(照射)를 하기 위해 실버 태양전지와 같은 몇몇 태양전지의 양면 특성과 판 태양전지의 양면 형태들이 이점적일 수 있다. 태양전지에서 이웃한 태양전지로 전기 전도가 발생한다. 태양전지를 가로질러 발생하는 전 기 전도에 직각으로 전지의 길이를 따라 열전도가 발생한다. 열은 기판(601)으로 그리고 그에 따라 (고체 또는 액체(604)일 수 있는) 열싱크(603)로 전해진다. 태양전지의 최적 길이는 특히 열싱크로부터 떨어져 있는 태양전지 단부에서 태양전지의 온도, 열싱크 자체의 온도 및 태양전지의 길이에 의해 결정된다.
한 세트의 실버 전지가 WO 02/45143에 기술된 기술에 따라 웨이퍼에 형성된다. 정확한 배향 및 인접한 실버 전지들 사이의 정확한 이격으로 웨이퍼로부터 실버 전지 추출, 연이은 처리 및 버퍼 저장, 어셈블리 절차 및 실버 전지의 평면 어레이를 형성하는데 사용되는 구조에 대한 상세한 방법이 국제특허출원 PCT/AU2005/001193에 개시되어 있다.
상술한 문서에 제공된 판 태양전지에도 동일하게 적용될 수 있는 실버 전지 어레이를 형성하는 한가지 방법은 버퍼 저장 카세트 어레이로부터 이전에 추출된 실버 전지의 어레이 웨이퍼 어레이로부터 실버 전지 어레이를 추출하고 이송하여, 도 1에 도시된 바와 같은 솔더 래프트(100)의 물리적 배열을 형성하기 위해 크로스빔상에 상기 어레이를 배치하는 것과 같이 상기 어레이를 서브모듈 어셈브리의 다음 단계에 이동시키기 위한 진공 결합도구의 이용을 포함한다. 이러한 도구가 도 16에 도시되어 있다. 래프트 크로스빔(102)은 분산, 스텐실 프린팅, 진공증착, 스크린 프린팅, 마스크 스프레잉, 스탬핑 또는 소정량의 금속을 필요로 하는 위치에 전달하는 다른 잘 알려진 방법을 이용해 솔더가능한 폴리머, 에폭시, 페이스트 또는 잉크로부터 금속패드(201), 금속피복 패드 또는 트랙(201), 또는 솔더가능한 패드 또는 트랙(201)을 이용해 사전 제조하였다. 그런 후 도 1 및 도 17에 도시된 바 와 같이 느슨한 형태의 서브모듈 어레이(100)가 은 어레이에서 은의 상대 위치와 방향 및 연이은 솔더링 공정동안 크로스빔을 보존하도록 도 7에 도시된 바와 같이 기계적으로 고정된다.
도 7을 참조하면, 래프트 어셈블리(100)가 솔더 래프트 클램프(700)에 전달된다. 솔더 래프트 클램프(700)는 일련의 평행한 상호 이격된 세장 후미부 또는 홈(701)이 형성된 평면 클램프 베이스(703)를 포함한다. 클램프(700)는 또한 지지 암(705)의 일단에 지지된 2개의 고정빔(702)을 포함한다. 각 지지암(705)의 타단은 상기 고정빔(702)이 후술되는 바와 같이 흔들거리게 하는 힌지 또는 피봇(704)에 부착된다. 이점적으로, 태양전지 어레이(100)가 솔더 래프트 클램프(700)에 이송되고, 상기 솔더 래프트 클램프상에서 크로스빔(102)은 상기 크로스빔의 상단면을 클램프면 위로 약간 올린 홈(701)을 위치 파악하게 이전에 배치되어 있다. 전지 어레이(100)는 크로스빔(102)의 상단면에 그리고 실질적으로 수직하게 배치되어 있고, 고정빔(702)은 상기 고정빔(702)이 어레이(100)의 각각의 세장 태양전지의 상호 이격된 부분들과 결합하여 어레이(100)와 크로스빔(102)을 고정시키고 이에 의해 상대 방향 및 위치를 유지하도록 지지암(705)과 힌지(704)에 의해 흔들거린다. 지지암(705)은 바람직하게는 후미지거나 굽혀져 있고, 상기 지지암(705)은 상기 지지암(705)의 어떠한 부분들도 솔더링 공정동안 선택적인 웨이브 솔더장치(wave solder fountain)에 의해 취해진 라인을 따라 고정된 태양전지(100) 면 위로 돌출하도록 클램프 베이스(703)에 있는 슬롯이나 홈에 끼워진다.
도 7에 도시된 기계적 클램프(700)는 솔더링 공정을 위한 준비 및 솔더링 공 정동안 적절한 상대 위치에 미완성 솔더 래프트 실버 어레이(100)와 크로스빔(102)을 물리적으로 고정하기 위한 다수의 가능한 장치들 중 하나이다. 다른 대안들은 실버 태양전지(100)가 상술한 크로스빔을 수용하나 평면 또는 후미부에 있는 구멍들을 통한 진공을 포함하기 위한 후미부와 평면 또는 거의 평면 위치에 보유되는 진공 클램프를 포함하고, 상기 진공유지 구멍들은 실버 전지 또는 판 전지 또는 크로스빔의 위치와 일치한다. 대안으로, 후미부가 생략될 수 있다: 왜냐하면 크로스빔들은 단지 두께가 30 내지 50 마이크론이므로, 세장 전지들이 크로스빔을 전체에 걸쳐 약간 휘어진 대부분의 평면 위로 진공에 의해 보유될 수 있다. 진공 보유 어셈블리 판의 이점은 전체 태양전지 래프트 표면이 솔더링 공정을 위한 준비로 래프트 표면에 걸쳐 방해받지 않는다는 것이다.
또 다른 대안으로, 느슨한(즉, 솔더되지 않은) 태양전지 어셈블리와 크로스빔이 솔더공정 준비 및 솔더공정 동안 점착성 표면상에 유지된다. 점착성 표면은 바람직하게는 재사용가능하고, 실리콘, 폴리머 또는 매트릭스 재료와 같은 영구 또는 반영구 코팅에 내구성이 있고 세척가능한 표면을 제공할 수 있다. 대안으로, 점착성 표면은 일회 사용될 수 있다. 이는 솔더공정을 준비하고 솔더공정 동안 태양전지 어셈블리와 크로스빔을 보유하기 위해 어셈블리 클램프의 일부분을 선택하기 위해 도포된 UV 열화가능한 접착제 또는 용매제거가능한 접착제에 의해 제공될 수 있다. 대안으로, 느슨한 태양전지 어셈블리와 크로스빔들은 솔더공정을 준비하고 솔더공정 동안 양면 접착 테이프 또는 유사한 재료에 의해 보유될 수 있다.
대안으로, 느슨한 태양전지 어셈블리와 크로스빔들은 캡톤(Kapton) 접착 테 이프 또는 유사한 내열 접착재료의 사용의 해 어셈블리 클램프상에 보유될 수 있다. 캡톤 테이프는 내열성이며, 인접한 태양전지의 상대 위치, 전체 태양전지 어레이 및/또는 크로스빔 교번이 발생할 수 있는 수축 및 변형 등의 솔더 온도하에서 테이프 수축 및 변형을 막는다. 또한, 캡톤 테이프상의 접착 재료는 손상 또는 열화되지 않거나 래프트 솔더링 공정동안 솔더링 온도에 노출됨으로써 성능이 악영향을 받는다. 캡톤 테이프가 사용되는 경우, 느슨한 태양전지 어셈블리와 크로스빔들이 인쇄회로기판 구성체 또는 블랭크(blank)에 테이프 붙여진다. 인쇄회로기판 재료는 솔더 온도를 견디게 설계되어 있고, 수회 재사용될 수 있으며, 또한 태양전지와 크로스바 재료는 클램프 또는 베이스 형성 금속에 비해 솔더와 태양전지 전극 재료 온도가 솔더 액상선보다 위에 있는 시간 길이를 최소화하기 위해 신속히 솔더링 온도로 올라가게 한 후 솔더링 온도 이후로 급속히 떨어지는 낮은 비열을 갖는다.
웨이브 솔더링 공정은 그렇지 않으면 솔더를 증착시키고 페이스트를 금속피복 또는 솔더가능한 패드에 흐르게 하는데 사용되는 분산 또는 스텐실링 또는 프린팅 공정을 방지하는데 사용되고, 전기 상호연결과 서브모듈 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 또는 솔더 보트의 물리적 안정을 형성하도록 연이은 리플로우를 위해 상호연결된다. 선택적 웨이브 솔더링은 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 솔더 보트상에 접착제 없이 전기 상호연결을 확립하고 물리적 안정을 제공하는 우수한 결과를 제공하는 것을 알았다.
선택적 웨이브 솔더공정은 EBSO SPA 250 또는 EBSO SPA400 선택적 웨이브 솔 더링 시스템 또는 유사한 선택적 웨이브 솔더 장치를 이용하여 수행된다. 이들 장치는 프로그램가능한 트랙 트래버스(track traverse)를 특징으로 하며, 무연(lead-free)이며 종래 솔더링에 적합한 티타늄 솔더조(solder bath) 장치를 구비하고, 솔더분사(solder fountain) 주위로 불활성 질소분위기를 제공한다. 기본적인 수동구동 공정에서 완전자동화 인라인 공정에 이르는 선택적 웨이브 솔더 공정을 실행하는 많은 방법들이 있는 것이 당업자에게 명백하다.
실버 태양전지 래프트, 메쉬 래프트, 및 보트와 판 태양전지 래프트, 메쉬 래프트, 및 보트를 솔더링하는 공정은 주류 전자공학 및 회로솔더링 기술에서 훨씬 벗어난 것이며 다수의 고유하고 상당한 도전과제들을 제시한다. 특히, 매우 얇은 증착 또는 전지 대 전지 상호연결 간에 전극을 따라 전지 전류를 운반하기에 충분히 두꺼운 판 전극들은, 때때로 1초 미만으로, 전극들과 상호연결 패드 또는 트랙들의 양호한 습윤(wetting)을 보장하는데 필요한 온도로 솔더에 용해될 수 있다. 이는 조인트에 있는 솔더가 액상선 위에 있는 시간간격이 가능한 한 짧게 유지되게, 바람직하게는 1초 미만으로, 그리고 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.5초 범위내에 있게 할 필요가 있음을 의미한다. 이는 실버 전지전극들이 조인트가 액상선 위에 있는 시간동안 전극의 용해와 관련된 문제를 없애기에 충분히 두껍게 도금되지 않는다면 종래 리플로우 공정들을 배제한다. 이는 전극 재료와 증착 공정비용을 허용불가능한 높은 수준으로 상승시킨다.
실버 태양전지들의 경우, 실버 태양전지와 크로스빔들은 크기가 50㎛ 에서 100㎛로 매우 얇기 때문에, 실버 전지 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보투의 열질량이 매우 작다. 또한, 실리콘은 훌륭한 열 전도체이므로, 용융 솔더 장치에 침지된 영역보다 더 멀리 심지어 수 십 밀리미터 까지 크로스빔의 온도가 솔더 액상선 온도 위에 여전히 있게 된다. 시간 함수로서 솔더링 공정동안 솔더 조인트 전기연결의 실제 온도 프로파일은 용융된 솔더 온도, 솔더 장치를 통한 서브 어셈블리의 횡단속도, 파운턴에 있는 용융된 솔더의 폭과 깊이와 유속, 크로스빔으로의 실버 전지의 열질량 및 열 접속(thermal connectivity) 및 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보트 서브모듈이 웨이브 솔더 공정동안 장착되는 베이스 클램프의 열싱크 특성에 따른다.
판 태양전지의 경우, 요건들은 판 태양전지들이 실질적으로 더 두꺼우나, 크로스빔들은 여전히 50㎛ 에서 100㎛로 매우 얇을 수 있기 때문에 약간 다르다. 이 경우, 판 태양전지 래프트, 메쉬 래프트, 보트의 열질량은 여전히 매우 작으나, 실버 태양전지 만큼 작지 않다. 그러나, 판 태양전지의 경우에 열질량은 매우 넓으나 짧은 연속한 증분들로 효과적으로 분할된다. 실리콘은 우수한 열 전도체이므로, 솔더 장치로부터 상기 장치에 침지된 판 전지로 가해진 열이 조인트로부터 멀리 전지를 따라 전해진다. 이 경우, 조인트로부터 멀리 판 전지를 따른 온도 프로파일은 여전히 시간과 거리 함수이나, 실버 전지의 경우보다 더 강한 시간함수이다. 이러한 고려조건들은 상당히 큰 열질량에도 불구하고 판 전지에 대한 솔더 액상선 온도 위에 소비되는 시간을 감소시키는데 매우 강한 강조를 둔 것이다.
로컬 솔더링 지점 아래의 물리적 현상과 래프트, 메쉬 래프트 또는 보트가 솔더 장치를 지나는 동안 시간함수로서 실버 전지 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보트 서브 어셈블리 및 판 전지 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보트 서브 어셈블리의 래프트-와이드 열 프로파일을 이해하는 것이 솔더링 공정을 전개하는데 중요하다. 종래 인쇄회로기판 및 전자 솔더링으로, 패드와 구성요소들은 일반적으로 열적으로 절연되어 있고, 열전도는 불량 도체인 유리섬유 기판을 통해 지배적으로 진행된다. 더욱이, 일반적으로 꽤 두꺼운 구리 또는 주석도금 구리인 패드를 용해하는데 관련된 문제들은 일반적으로 문제가 아니며, 적어도 "두꺼운"은 판 전지 또는 실버 전지상에 금속피복된 전극의 두께에 대한 것으로 이해된다. 이들 및 다른 이유에 대해, 실버 태양전지 및 판 태양전지 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트의 선택적 웨이브 솔더링에 대한 종래 접근은 적합하지 않다.
매우 작은 열질량과 높은 열 전도도를 갖는 래프트와 같은 장치들에 대한 시간 함수로서 정확한 가공품의 온도 프로파일을 확립하기 위해, 처리 운송속도는 종래 솔더링 파라미터를 초과해 증가된다. 예컨대, 선택적 웨이브 솔더링 장치의 EBSO 범위와 유사한 장치에 대한 래프트, 메쉬 레프트, 또는 보트 서브 어셈블리의 선택적 웨이브 솔더링을 위한 유용한 한 세트의 장치 셋업 파라미터는 종래 보드들에 요구된 약 20%의 융제 설정(flux setting), 종래 구성부품들에 요구되는 약 30~50%의 적외선 사전예열 주기, 및 종래 선택적 웨이브 솔더 애플리케이션보다 약 6배 더 빠른 전송속도이며, 솔더조 온도는 265℃이고, 상기 선택적 웨이브 솔더공정은 질소 분위기에서 수행된다.
특히, 하기의 선택적 웨이브 솔더공정 파라미터가 바람직하다:
(ⅰ)IR 예열 10-40초(더 바람직하게는 20초);
(ⅱ)전송속도 250~400mm/초(더 바람직하게는 340~360mm/초);
(ⅲ)2%AgSn/Pb 공정솔더(Eutectic Solder)에 대해 250~280℃의 솔더 온도( 더 바람직하게는 265℃);
(ⅳ)3.0mm 직경 노즐을 통과하는 3.2mm의 파운터 높이;
(ⅴ)독립구조(free standing) 파운틴의 상단 아래로 1.4mm 침지된 가공품; 및
(ⅵ)증착되는 유속량은 EBSO 선택적 웨이브 솔더링 장치에 의해 정해지지 않고, 최소의 신뢰가능한 일정한 수송량 부근이도록 조작자에 의해 설정된다.
솔더 래프트의 경우, 크로스빔의 단부는 열전달 공정에 의해 솔더 장치 및 이에 따라 패드상의 솔더의 실제 도달에 앞서 진행되고 솔더 웨이브에 걸쳐 구성요소 수송동안 상호연결되는 가열 프로파일을 개시하기 위해 0.4 내지 0.6초 유지시간(dwell time)동안 솔더 장치에 침지된다. 이러한 유효 사전가열시간과 시간함수로서 솔더 지역의 해당 온도 프로파일은 크로스빔을 따른 열전도에 의해 발생되고, 솔더링 웨이브에 앞선 이동은 냉각 프로파일에 의해 반영되며, 솔더링 웨이브에 뒤이은 이동은 솔더 온도, 솔더 유량(flow rate), 솔더 장치의 유효량, 래프트 태양전지 부재와 접촉한 파운턴의 면적, 전송속도, 클램프와 접촉한 래프트, 메쉬 래프트, 보트의 면적과 위치, 접촉부의 열전달 특성 및 클램프의 열싱크 특성에 의해 제어될 수 있다.
당업자는 상당히 큰 공정 윈도우를 이용해 상기 파라미터들의 가능한 조합들이 적절한 제조공정이 선택될 수 있는 넓은 선택범위를 제공하는 것을 알게 된다.
대안으로, 액상선 위의 속도, 온도, 및 시간에 대한 상술한 요건들이 종래 솔더 웨이브 환경에 포함되어 있다면 솔더공정은 종래 웨이드 솔더링을 이용해 수행될 수 있다. 이 경우, 전체 래프트 어셈블리는 기본적으로 수평 솔더 웨이브를 통해 전해져, 전극과 좁은 전지의 전체 길이가 솔더에 일정시간 침지된다. 래프트, 메쉬 래프트, 또는 보트는 바람직하게는 실버 또는 판 태양전지가 솔더 웨이브내 동요를 줄이고 솔더 웨이브에 노출될 필요가 있는 구성요소 위치들의 "쉐이딩(shading)"을 방지하기 위해 이동방향과 정렬되도록 지향된다. 이 방법의 이점은 전기 연결을 확립하고 물리적 구속력과 서브 어셈블리의 구조를 제공하도록 사용된 동일한 단계로 "도금"될 수 있다는 것이다. 단점은 동작의 복잡도 증가와, 서브 어셈블리의 온도 프로파일 제어의 어려움과, 태양전지 전극에 증착된 솔더의 양 제어의 어려움을 포함한다. 또한, 온도 제어문제로 인해 주로 발생하는 솔더 서브어셈블리상에 있는 솔더 면들로부터 "미부(tails)"와 작은 드롭렛들의 제거가 문제가 될 수 있다. 당업자들은 이들 어려움의 영향을 최소화하기 위해 다수의 접근들이 있음을 인식할 것이다.
도 8은 실버 태양전지를 이용해 구성된 경우의 솔더 래프트 서브어셈블리(800)의 상세 단면도를 도시한 것이다. 실버(801)는 솔더 패드(803)를 통해 크로스빔(802)에 솔더된 선택적 웨이브이다. 실버는 어떠한 접착제 없이 실버 전극(805)에 솔더 연결(803)에 의해서만 크로스빔에 유지된다. 전기연결을 확립할 뿐만 아니라 물리적 서브어셈블리 구조를유지하기 위한 솔더 사용은 매우 중요하며 유용한 특징이다. 이 특징은 스텐실링하거나 관련된 정렬 및 정확도 요건없이 뿐만 아니라 서브어셈블리와 태양열 모듈구조에 새로운 물질의 함유를 없애는 다수의 비용 및 시간소비적인 정확도 공정단계들에 대한 필요를 없앤다.
제거되는 정확도 단계는 금속피복 패드들 사이의 크로스빔상에 정확한 위치에 정확한 접착양의 스텐실링 또는 프린팅을 포함한다. 위치 및 양에 있어 정밀도는 실버와 크로스빔 간의 접착제 압출, 누출, 또는 위킹(wicking) 가능성을 없애기 위해 필수적이다. 접착제는 브릿징을 방지하기 위해 유전체이어야 한다. 두번째 정밀동작은 금속피복 패드에 정확한 솔더 페이스트양의 분주, 스텐실링 또는 프린팅이다. 그런 후, 전기연결을 형성하기 위해 솔더 페이스트가 리플로우된다. 솔더 페이스트의 도포는 접착제가 있음으로 인해 또 다른 복잡도를 유발한다.
대안으로, 솔더 페이스트가 먼저 도포될 수 있고, 이는 솔더 페이스트가 있는 상태에서 접착제의 도포에 대해 문제를 일으킨다. 리플로우 동작은 사용된 특별한 솔더 페이스트의 요건에 따른 소정의 시간한계 내에 실행되어야 하고, 제조된 서브 어셈블리들은 융제(flux)와 페이스트가 열화되지 않도록 제어 상태하에 저장되어야 할 필요가 있다. 더욱이, 리플로우 동작은 시간, 온도 및 앞서 논의된 전극 용해에 따른 온갖 어려움들을 끌어들인다.
솔더 페이스트 스텐실링 또는 분주 공정에 따른 상기 예에 도시된 정확도 단계는 또한 국제특허출원 PCT/AU2005/001193에 상세히 설명된 도전성 에폭시와 같은 서브모듈 어셈블리로의 전기연결과 물리적 제한구조의 다른 방법들에도 적용된다. 본 명세서에 기술된 솔더 웨이브 공정에 대한 모든 다른 방법들은 양 측정, 위치 식별, 및 적소에 재료의 측정된 양의 증착과 같은 몇몇 형태를 포함한다. 솔더 웨 이브 공정은 값싸고, 통상적이며, 신뢰가능하고, 잘 알고 있는 재료들을 이용해 저가로 쉽게 제어되고, 신속하며, 신뢰가능하고, 반복가능하며, 저렴하게 "자동화"로 이들 모든 작업들을 수행한다. 추가적인 이점은 부수적인 생산량 문제에 대하여 시간소비적인 공정단계와 고가의 장비를 없애는 것이다.
솔더 웨이브 공정은 판 태양전지 또는 실버 태양전지로부터 구성된 서브어셈블리를 형성하는데 있어 어셈블리 및 전기연결의 이전 방법들에 대한 모든 알려진 문제들을 해결한다.
금속피복 패드의 토폴로지 설계가 공정의 또 다른 중요 특징이다. 금속피복 패드의 형태, 패드 면적, 및 패드의 단면의 상대면적의 제어 뿐만 아니라 솔더 온도, 속도 및 유속 타입과 양에 대한 공정 파라미터들은 서브모듈 어셈블리에서 태양전지에 대한 전기적 내부연결 및 물리적 제한을 형성하도록 보유된 솔더의 양과 분배를 제어하는데 모두 사용될 수 있다. 솔더 조인트(804)에서 솔더의 분포 및 양은 실버 에지에서 양호한 전기연결과 양호한 물리적 강도를 달성하기 위해 중요하다. 도 8에 도시된 샘플에서 솔더 조인트(804)는 솔더 분포의 양호한 제어를 나타내며, 솔더는 실버 전극의 에지에서 비드(bead)처럼 되어 있고 솔더 조인트의 양호한 젖음(wetting)을 나타내는 전극면들과 함께 양호한 필렛(fillets)을 형성한다. 전체 솔더 조인트의 수직 프로파일이 실버의 상단면의 평면 아래에 놓여 있다. 이는 모듈내 적층동안 서브어셈블리에 도입된 스트레스를 최소화하기 위해 실버 서브어셈블리의 두께를 최소화하고 가능한 한 평면으로 프로파일을 유지하는 것이 중요하다. 이러한 제어 메카니즘이 없는 경우, 솔더는 과도한 솔더로 내부 연결의 중심 에 비드처럼 되는 경향이 있다. 이 경우, 금속피복 패드상에 보유된 솔더양을 제어하기가 매우 어렵다. 과도한 솔더는 비드 드롭렛의 표면장력이 더 많은 솔더를 비드로 끌어들여 비드의 크기를 증가시키게 작용하기 때문에 상기 경향을 악화시킨다. 이는 태양전지면의 상단면 위에 솔더의 프로파일이 실질적으로 돌출하게 하고, 적층동안 도입된 스트레스가 고장을 유발하여 크로스빔을 부러뜨리거나 적층 또는 모듈의 연이은 사용 중 어느 하나의 연속한 장애를 초래하여 크로스빔을 약화시킬 수 있다.
도 9는 크로스빔(900)상에 솔더된 금속피복 패드(901)의 평면도이다. 패드는 길이가 약 1.4mm이고, 양단에서 폭이 0.4mm이며 중앙영역을 가로지르는 폭이 약 0.3mm이다. 상술한 패드 형태 및 다른 파라미터들에 의해 제어된 솔더 분포를 명백히 볼 수 있다. 솔더 공정은 질소 분위기에서 수행되며 깨끗한 면(903)이 된다. 고배율로 확대하면 솔더는 급속 냉각의 결과 매우 작은 결정구조를 하고 있음이 나타난다. 금속피복 패드, 이 경우 크롬(chromium) 위에 실버의 부분 용해가 좌측 에지(902)에서 볼 수 있다. 이 영역에서의 용해는 주로 증착된 은 금속이 증착동안 사용된 증착 마스크로부터 부분적인 쉐이딩으로 인해 이 에지 부근에서 더 얇아졌기 때문이다.
도 10을 참조하면, 도 8의 솔더 조인트가 더 상세히 도시되어 있다. 좁은 태양전지(1001)와 전지전극(102)은 태양전지 전극의 실버를 깨끗히 습윤시키는 솔더 패드(103)에 의해 크로스빔에 솔더된다. 이미지는 폭이 약 0.15mm이고 높이가 0.1mm이다.
도 11은 태양전지 전극에서 솔더 조인트의 상세 횡단면도를 도시한 것이다. 솔더(1101)는 태양전지 전극(1102)의 상단 높이까지 올라간다. 솔더는 또한 크로스빔(1006)을 따라 태양전지(1105) 아래로 돌출한 패드(1104) 영역을 적신다. 솔더는 전기 연결 뿐만 아니라 물리적으로 상기 태양전지(1105)를 크로스빔(1106)에 부착시키는 것을 마친다.
도 11 및 도 12에서 횡단면으로 도시된 샘플들은 다이아몬드 휠 절단톱을 이용해 솔더 패드의 중간에 길이를 따라 솔더 래프트의 크로스빔을 잘라 만들었다.
도 12는 크로스빔(1202)상에 솔더 상호연결(1201)의 횡단면 수직 프로파일을 도시한 것이다. 솔더 두께는 태양전지(1204)의 에지에서 전극(1203)의 전체 두께를 덮도록 전지전극 부근에서 증가된다. 솔더 프로파일은 항상 실버의 상단면 평면 아래에 유지된다.
도 13은 완성된 기능 솔더 래프트 미니모듈을 도시한 것이다. 모듈은 면적이 100mm이고, 직렬연결된 폭이 1mm, 두께가 60㎛, 길이가 60mm인 26개 실버들이다. 모듈은 단지 종래 재료들, 즉, 실리콘 태양전지 및 실리콘 크로스빔과는 별도로 전기연결을 위한 솔더 및 캡슐화를 위한 EVA를 포함한다. 모듈은 개구 효율이 13%이고, 단지 50%만 실버 태양전지 적용범위이며 동작전압은 MPP에서 약 15V이다.
도 14는 솔더 보트 서브모듈 어셈블리의 일부의 고확대 평면도이다. 좁은 태양전지(1401)가 솔더 조인트(1403)에 의해 실버 전지의 에지면을 따라 이어지는 전극(1402)의 전체 길이를 따라 전기연결되어 있다. 솔더 조인트(1403)는 또한 기판을 따라 태양전지의 길이에 따른 좁은 금속피복 스트립에 연결되고 실버 전극들 사 이의 갭과 정렬된다. 금속피복 스트립은 솔더 래프트의 크로스빔상에 금속피복 패드를 확립하는데 사용된 공정과 유사한 방식으로 형성된다. 이미지는 폭이 약 3mm 이고 높이가 2mm인 솔더 보트의 일부를 도시한 것이다.
솔더 보트에서 솔더 비드의 두께는 솔더 래프트의 비드 두께와 유사한 방식으로 제어될 수 있다. 또한, 전기연결 위치 및 길이는 선택적 웨이브 솔더분사솔더분사전송단계에 의해 또는 기판상에 금속피복 스트립의 위치와 유무에 의해 제어될 수 있다. 다른 변화로서, 솔더는 기판상에 금속피복의 폭을 확대함으로써 도 11의 1104와 유사한 방식으로 태양전지의 에지 아래로 지향될 수 있다. 이러한 제어방법들은 집광기 애플리케이션에서 솔더 보트용의 열싱크 위치 및 유효성을 "튜닝(tunning)"하는데 사용된다. 태양전지 아래에 있는 넓은 솔더 패드의 열 전도도는 태양전지 전극들에까지 태양전지 면상에 금속을 증착시킴으로써 상기 태양전지 면의 표면을 따르는 스트립을 금속피복시켜 더 증가될 수 있다. 하단 면의 전극 에지를 향해 전지 길이가 이어져 있는 금속피복 면적들 사이에 전지 하단면의 길이가 이어져 있는 좁은 태양전지의 중간에 있는 갭이 충분히 넓어지고, 기판상의 금속피복 스트립들과 겹치지 않고, 크로스 전극 솔더 브릿징을 허용하지 않는다면 태양전지 전극을 브릿징하는데 어떠한 위험도 없다. 본 명세서에 기술된 이러한 향상된 물리적, 열적, 전기 연결방법을 이용해, 좁은 태양전지의 기판에 대한 부착력, 이들 태양전지의 열싱크로의 열 전도도, 및 서브모듈 어셈블리의 전기 전도도 요건들은 집광기 수신 애플리케이션용으로 실버 태양전지 솔더 보트와 판 태양전지 솔더 보트를 포함한 임의의 솔더 보트 애플리케이션에 대해 강화될 수 있다.
도 15는 솔더 보트상에 2개의 세장 태양전지(1502)들 건에 솔더 전기연결(1501)의 일부에 대한 고확대 평면도를 도시한 것이다. 이미지는 폭이 약 0.4mm, 높이가 0.3mm인 솔더 보트(1500)의 일부를 도시한 것이다. 2개의 인접한 태양전지들 간의 솔더 조인트(1501)는 폭이 약 0.1mm이다. 조인트가 실질적으로 더 좁은 경우, 한번의 공정으로 완전한 솔더공정을 수행하기가 어려운데, 이는 솔더의 점성으로 인해 선택적 웨이브 솔더분사로부터의 솔더가 갭을 침투해 기판상의 금속피복 표면을 습윤시키지 못하게 하기 때문이다.
그러나, 조인트는 기판상의 트랙들이 제 1 단계에서 사전 주석도금되는 2단계 솔더링 공정을 이용해 훨씬 더 좁게 만들어질 수 있다. 이 경우, 선택적 웨이브 솔더는 보트 서브모듈 실버의 외부면에 솔더를 증착시킨다. 즉, 태양전지의 면 부근의 전극 표면이 솔더분사를 향하게 지향되고, 그런 후, 전극 표면을 습윤시키고 기판 주석도금 트랙상에 솔더와 접촉하여 합금을 만드는 태양전지의 후면에 모세관 작용에 의해 위크(wick)된다. 이 경우, 열에 의해 제어된 감소된 솔더 점성과 융제에 의해 제어된 솔더 표면장력 감소라기 보다 모세관 작용이 작은 갭을 통해 솔더를 도입시키는데 활용된다. 그러나, 적절한 융제와 질소 분위기의 사용에 의한 표면장력의 감소는 전극의 외부영역의 솔더에 의한 완전한 습윤을 보장함으로써 모세관 작용을 개시하는 것을 용이하게 한다.
솔더와 실리콘 간의 열팽창 계수를 달리 함으로 인한 차등 팽창에 의해 야기된 서브모듈 어셈블리 스트레스가 갖는 문제들은 태양전지 전극을 따라 솔더런(solder runs)의 길이를 단축함으로써 줄어들거나 제거될 수 있다. 예컨대, 전극 의 전체 길이를 잇는 대신에, 솔더런은 "대시선(dashed line)"의 형태로 기판상에 금속피복을 설치함으로써 또는 태양전지의 에지상에 있는 금속피복 전극에 갭을 만들거나 이들 2개의 접근들의 조합에 의해 짧은 연속 솔더의 집합들로 분할될 수 있다. 대안으로, 예컨대, 연속한 선 연결이 점들이 전지의 길이를 따라 소정 간격씩 이격되어 있는 "점선(dotted line)"으로 실행될 수 있다. 이 경우, 전기적, 물리적, 열적 연결부가 좁은 태양전지의 길이의 소정 비율을 차지한다.
다른 경우, 전지 전극들 간의 전기 연결은 예컨대 전기 연결이 전지들 사이에 필요하지 않은 영역에 있는 기판에 금속피복된 영역을 갖지 않음으로써 기판에 대한 열적 물리적 연결보다 더 빈번할 수 있으나, 물리적 열적 연결이 필요로 하지나 않는다. 많은 가능한 변형들이 있다.
벤치톱 멀티스택 카세트(bench-top multi-stack cassette)인 도 16을 참조하면, 래프트 서브어셈블리를 형성하기 위한 공정이 기술될 수 있다. 도 17에 더 상세히 도시된 진공헤드(1603)가 멀티스택 카세트(1601)의 슬롯 또는 홈에서 평면 어레이로 유지된 세장 전지들의 바닥면에 맞물린다. 진공이 켜지고, 진공 헤드(1603)가 좁은 전지들의 어레이를 제거하며 수직하게 뒤로 후퇴한 후 크로스빔 지지구조(1701)에 배치된다. 진공 헤드(1603)과 크로스빔 지지구조(1701) 모두는 서로에 직각으로 설정된 각각의 선형 이동 스테이지들상에 옮겨지고, 상기 크로스빔 지지구조용 선형 이동 스테이지(1703)를 도 17에서 볼 수 있다. 세장 전지 어레이가 크로스빔에 배치된 후, 진공 헤드(1603)는 어셈블리가 진공 헤드의 상단면을 제거할 때까지 아래방향으로 더 후퇴한다. 그런 후, 크로스빔 지지구조(1701)는 전방으로 이동되어 세장 전지 어레이(100)가 제거되고 연이은 솔더공정을 위해 클램프로 옮겨지게 된다.
상술한 공정은 래프트, 메쉬 래프트, 및 보트의 형태로 어셈블리된 복수의 세장 태양전지들에 대한 전기 상호연결 및 물리적 구조 제약을 제공하며, 형성 및 어셈블리가 국제특허출원 PCT/AU2005/001193에 기술되어 있다. 결과적으로 발생한 구조들을 이하 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트라 한다.
특히, 이들은 복수의 얇고/얇거나 좁은 세장 태양전지들의 물리적 구조를 확립하기 위한 어셈블리, 전기 연결, 및 수단들이 해당기술의 실버 또는 판 세장 태양전지 어셈블리의 현재 상태에 필요로 하는 단계들의 수를 크게 줄이고, 서브어셈블리 및 이에 따라 연이어 해당 태양열 모듈로 임의의 접착제나 새로운 물질의 도입 또는 사용을 필요하지 않게 형성된 모든 방법, 절차 및 제품들로 서브어셈블리를 형성하게 한다.
본 명세서에 기술된 방법, 구조 및 공정은 서브모듈 어셈블리동안 세장 태양전지의 배향 및 극성을 유지하고, 연속한 광기전 모듈 어셈블리 공정을 취급하고 처리하는 세장 태양전지 서브어셈블리의 상당한 간략화를 제공하며, 필요한 각각의 어셈블리와 공정단계들의 대폭 감소로 쉽게 취급되는 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 솔더 보트 서브어셈블리를 생산하고, 솔더 래프트, 솔더 메쉬 래프트, 및 솔더 보트를 취급하고 한줄로 배열하기 위한 종래 광기전 모듈 어셈블리 장비의 용이한 사용을 가능하게 하며, 실버 태양전지 모듈 및 좁은 전지 태양모듈 제조시 오로지 종래 광기전 모듈 재료들의 사용을 가능하게 한다.
상술한 공정들은 예컨대 낮은 융점의 주석/납 솔더, 높은 융점의 주석/납 솔더, 공융 솔더 합금, 납/주석/ 솔더, 종래 무연 솔더의 전체 범위 및 또한 새로운 아연/주석, 안티몬 또는 인듐 또는 비스무스 무연 합금과 같은 광범위한 솔더 사양들을 이용할 수 있다.
보다 중요하게는, 공정들은 또한 2006년 7월1일 이후 EC에 필요로 하는 신세대 무연 솔더에도 적합하다. 더욱이, 공정들은 태양발전 모듈들에 광전소자를 형성하는데 필요로 하는 서브모듈 어셈블리, 서브모듈 어셈블리의 그룹, 서브모듈 어셈블리와 버스바 상호연결, 및 또한 버스바 대 버스바 상호연결을 이루기 위해 사용될 수 있다.
많은 변형들은 첨부도면을 참조로 앞서 기술된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백해진다.
본 발명의 상세한 설명에 포함됨.
Claims (62)
- 실질적으로 길이방향으로 평행하고 전체적으로 공면(co-planar) 구성으로 세장 태양전지들을 유지하는 구조에 복수의 세장 태양전지들을 장착하는 단계와,상기 세장 태양전지들을 전기 상호연결시키기 위해 상기 구조를 통해 확대되는 하나 이상의 도전 경로를 확립하는 단계를 포함하고,상기 하나 이상의 도전 경로는 웨이브 솔더링(wave soldering)에 의해 확립되는 광전소자용 태양전지 서브모듈을 형성하기 위한 태양전지 연결방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 하나 이상의 도전 경로들이 선택적 웨이브 솔더링에 의해 확립되는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,온도 변화동안 상기 세장 태양전지들 또는 하나 이상의 도전경로들에 손상을 방지하기 위해 열적으로 호환가능한 지지체(thermally compatibile support)에 세장 태양전지를 장착하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 세장 태양전지들과 하나 이상의 도전경로들이 상기 구조를 형성하는 태 양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하나 이상의 도전경로들은 상기 태양전지 서브모듈의 출력전압을 증가시키기 위해 직렬로 상기 세장 태양전지들을 전기 연결하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하나 이상의 도전경로들은 상기 서브모듈의 출력부에 세도우 효과(shadow effect)를 줄이기 위해 병렬로 상기 세장 태양전지들을 전기 연결시키는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하나 이상의 도전경로들은 병렬로 전기 연결된 그룹들에 세장 태양전지들을 전기 연결시키고, 각 그룹에 있는 상기 세장 태양전지들은 직렬로 전기 연결되는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 장착된 신장 태양전지들이 서로 접해 있는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 세장 태양전지들이 상호 이격되어 있는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 각각의 세장 태양전지들은 2개의 작용면을 포함하고, 세장 태양전지들 간의 간격은 상기 세장 태양전지들의 작용면들의 조사(照射)와 상기 서브모듈내 세장 태양전지들의 개수를 기초로 선택되는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 구조는 상기 세장 태양전지들이 장착되는 적어도 하나의 지지체를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 적어도 하나의 지지체 상에 금속피복 영역을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속피복된 영역의 형성은 각 금속피복된 영역의 단부에서 지배적으로 솔더를 보유하도록 형성되는 태양전지 연결방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 각각의 금속피복된 영역의 형태는 중앙영역 주위로 배치된 단부 영역들을 포함하고, 상기 단부영역들의 면적은 상기 중앙영역의 면적보다 실질적으로 더 큰 태양전지 연결방법.
- 제 12 항 또는 제 13 항 에 있어서,각각의 금속피복된 영역은 실질적으로 I빔 이나 도그본(dog-bone) 형태인 태양전지 연결방법.
- 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 장착단계는 상기 세장 태양전지들 중 인접한 전지들의 전극들이 실질적으로 해당 금속피복 영역의 각 단부에 위치되도록 복수의 세장 태양전지들을 배열하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하나 이상의 도전경로를 확립하는 단계는 세장 태양전지들의 인접한 전지들의 전극들을 상호연결시키기 위해 각각의 금속피복된 영역에 선택적인 솔더 웨이브 분사(solder wave fountain)를 실시하는 단계를 포함하고, 상기 선택적 솔더 웨이브 분사에 의해 증착된 솔더가 상기 전극들에서 실질적으로 비드를 형성하는 태양전지 연결방법.
- 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 적어도 하나의 지지체는 상기 세장 태양전지의 열팽창을 수용하는데 적합한 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,투명 캡슐재료내에 상기 구조를 캡슐화하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 구조는 상기 세장 태양전지들이 장착되는 하나 이상의 크로스빔들을 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 19 항에 있어서,상기 하나 이상의 크로스빔들에 금속피복 영역을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속피복 영역들의 형태는 각 금속피복된 영역의 단부에 우세하게 솔더를 보유하도록 형성되는 태양전지 연결방법.
- 제 20 항에 있어서,각각의 금속피복된 영역의 형태는 중앙영역 주위로 배치된 단부 영역들을 포함하고, 상기 단부영역들의 면적은 상기 중앙영역의 면적보다 실질적으로 더 큰 태양전지 연결방법.
- 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,상기 각각의 금속피복된 영역은 실질적으로 I빔 이나 도그본(dog-bone) 형태인 태양전지 연결방법.
- 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 장착단계는 세장 태양전지들의 인접한 전지들의 전극들이 실질적으로 해당하는 금속피복된 영역들의 각 단부에 위치되도록 복수의 세장 태양전지들을 배열하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하나 이상의 도전경로를 확립하는 단계는 세장 태양전지들의 인접한 전지들의 전극들을 상호연결시키기 위해 각각의 금속피복된 영역에 선택적인 솔더 웨이브 분사를 실시하는 단계를 포함하고, 상기 선택적 솔더 웨이브 분사에 의해 증착된 솔더가 상기 전극들에서 실질적으로 비드를 형성하는 태양전지 연결방법.
- 제 19 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하나 이상의 크로스빔들은 실리콘인 태양전지 연결방법.
- 제 19 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하나 이상의 크로스빔들은 폴리머, 세라믹, 금속 또는 유리를 포함하는태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 구조의 크기는 대응하는 표준 태양전지의 크기와 실질적으로 동일하도록 선택되는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 장착단계는 전기 절연 연속 지지체 또는 반도체 지지체상에 세장 태양전지들을 장착하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 28 항에 있어서,상기 하나 이상의 도전성 경로들이 상기 전기 절연 지지체상에 형성되는 태양전지 연결방법.
- 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,상기 전기 절연 지지체는 실질적으로 실리콘인 태양전지 연결방법.
- 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,상기 전기 절연 지지체는 실질적으로, 붕규산 유리(borosilicate glass), 플라스틱, 또는 세라믹인 태양전지 연결방법.
- 제 28 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지체는 열싱크에 장착되는 태양전지 연결방법.
- 제 29 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지체는 상당한 열 전도도를 갖고 열싱크로서 작동하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 세장 태양전지들과 상기 하나 이상의 도전경로가 실질적으로 구조를 형성하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,광전소자의 효율을 향상시키기 위해 상기 세장 태양전지 뒤로 상기 세장 태양전지들 사이의 갭을 지나는 빛을 반사시키도록 상기 태양전지 서브모듈 뒤에 반사기를 장착하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 각각의 세장 태양전지들은 상기 태양전지의 적어도 2개의 인접한 표면들에 전기 도전 접점들을 포함하고, 상기 하나 이상의 도전경로들은 상기 세장 태양전지들의 전기 도전접점들에 장착되어 상기 세장 태양전지들을 전기 연결시키는 실질적으로 평면의 전기도전 영역들을 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,탄성 태양전지 서브모듈을 제공하기 위해 상기 구조에 유연한 재료로 된 시트를 장착하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,만곡된 태양 전지 서브모듈을 형성하기 위해 실질적인 강체의 만곡된 지지체에 상기 태양전지 서브모듈을 확고히 장착하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,실질적인 강체의 평면 지지체에 상기 구조를 단단히 장착하고, 비평면 태양전지 서브모듈을 형성하기 위해 상기 결과적으로 발생한 어셈블리를 변형하는 것을 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 38 항 또는 제 39 항에 있어서,상기 실질적인 강체 지지체는 투명한 태양전지 연결방법.
- 제 38 항에 있어서,상기 실질적인 강체의 만곡된 지지체는 유리인 태양전지 연결방법.
- 제 38 항에 있어서,상기 실질적인 강체의 만곡된 지지체는 선형 집광기용의 만곡 압축된 알루미늄 수용장치인 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 태양전지 서브모듈에서 상기 각 세장 태양전지들 중 하나 이상의 면들 중 적어도 일부를 처리하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 43 항에 있어서,상기 처리는 상기 하나 이상의 면들 중 적어도 일부에 코팅을 증착하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 44 항에 있어서,상기 코팅은 반사방지 코팅, 패시베이션 코팅 및 금속피복 중 적어도 하나를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,선형 집광기 시스템에 복수의 태양전지 서브모듈들을 장착하는 단계를 포함 하는 태양전지 연결방법.
- 제 46 항에 있어서,상기 하나 이상의 도전경로는 상기 세장 태양전지들에 의해 발생된 전류가 상기 세장 태양전지들의 직렬 저항을 줄이기 위해 상기 선형 집광기 시스템의 길이방향 축에 실질적으로 평행방향으로 흐르도록 직렬로 상기 세장 태양전지들을 전기 연결하는 태양전지 연결방법.
- 제 46 항 또는 제 47 항에 있어서,상기 서브모듈의 장착은 상기 선형 집광기 시스템의 수용장치에 장착된 밀접하게 인접한 열들로 상기 태양전지 서브모듈을 배열하는 단계를 포함하고, 상기 열들은 상기 수용장치의 광축에 평행한 태양전지 연결방법.
- 제 48 항에 있어서,상기 선형 집광기 시스템은 상기 시스템의 광축 부근에 위치한 제 1 부분과 제 2 부분을 갖는 열 도전성 기판을 포함하고, 상기 서브모듈의 장착으로 인해 상기 세장 태양전지들이 실질적으로 상기 열 도전성 기판의 제 1 부분에 서로 인접하게 장착되고, 상기 열 도전성 기판의 제 2 부분은 상기 세장 태양전지들에 의해 발생된 열이 상기 시스템의 광축에 실질적으로 수직한 방향으로 상기 세장 태양전지들로부터 멀리 전도되도록 활발히 냉각되는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하나 이상의 도전경로를 확립하는 단계는 1초 미만의 주기동안 용융된 솔더에 상기 세장 태양전지들의 전극들을 침지하는 것을 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 50 항에 있어서,상기 주기는 적어도 0.3초이고 많아야 0.5초인 태양전지 연결방법.
- 제 50 항 또는 제 51 항에 있어서,상기 서브모듈의 크로스빔의 단부는 상기 전극들을 침지하기 전에 0.4 에서 0.6초의 주기동안 용융된 솔더에 침지되는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 52 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 세장 태양전지들의 에지상에 전극들을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 전극들을 형성하는 단계는상기 세장 태양전지의 에지상에 전기 도전층을 증착하는 단계와,상기 전기 도전층을 솔더 층으로 코팅하기 위해 상기 태양전지들을 용융조에 침지하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,웨이퍼로부터 복수의 기다란 기판들을 형성하는 단계와, 상기 기다란 기판들의 각 기판들로부터 상기 세장 태양전지들을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 54 항에 있어서,상기 세장 태양전지들의 작용면들은 상기 웨이퍼의 평면에 수직 형성된 상기 기다란 기판들의 면들에 형성되는 태양전지 연결방법.
- 제 54 항에 있어서,상기 세장 태양전지들의 작용면들은 상기 웨이퍼의 평면의 각 영역들에 해당하는 상기 기다란 기판들의 면들에 형성되는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,웨이브 솔더링에 의해 상기 태양전지 서브모듈과 또 다른 서브모듈 사이에 전기 연결을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 57 항 중 어느 한 항에 있어서,웨이브 솔더링에 의해 상기 태양전지 서브모듈과 상기 광전소자의 버스바 (busbar) 사이에 전기 연결을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 58 항 중 어느 한 항에 있어서,웨이브 솔더링에 의해 상기 광전소자의 버스바들 간에 전기 연결을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 57 항 내지 제 59 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 웨이브 솔더링은 선택적 웨이브 솔더링을 포함하는 태양전지 연결방법.
- 제 1 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 따라 형성된 태양전지 서브모듈.
- 제 1 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 따라 형성된 복수의 태양전지 서브모듈을 포함하는 광전소자.
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