KR20080048952A - 태양 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 태양 전지 모듈은, 제1 및 제2 주면을 갖는 광전 변환부 (10)과, 제1 주면 상에 배치된, 도전성 페이스트로 이루어진 제1 전극 (20)과, 제1 주면 또는 제2 주면 상에 배치된, 제1 전극 (20)과 반대 극성을 갖는 제2 전극을 갖는 2개의 태양 전지와, 2개의 태양 전지 중 한쪽 태양 전지의 제1 전극 (20)과 다른쪽 태양 전지의 제2 전극을 전기적으로 접속하는 배선재 (40)과, 제1 전극 (20)과 배선재 (40) 사이에 배치된, 복수의 도전성 입자 (70)을 포함하는 수지 (60)으로 이루어진 절연층 (80)을 구비하고, 제1 전극 (20)과 배선재 (40)은 도전성 입자 (70)에 의해 전기적으로 접속되고, 접속층 (80)에 접하는 제1 전극 (20)의 표면에 요철 형상이 형성되며, 도전성 입자 (70)은 제1 전극 (20)의 표면의 오목부보다 돌출되어 있다.
태양 전지 모듈, 광전 변환부, 배선재, 절연층, 접속층

Description

태양 전지 모듈 {Solar Battery Module}
<관련 출원의 교차 참조>
본원은 전체 내용이 본원에 참조로 포함되는 일본 특허 출원 제2006-322097호(2006년 11월 29일 출원)의 우선권에 기초한 것이며, 상기 우선권의 이점을 청구한다.
본 발명은 태양 전지의 접속용 전극끼리를 배선재에 의해 서로 전기적으로 접속하여 이루어지는 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
종래, 태양 전지 모듈은, 복수의 태양 전지의 접속용 전극끼리 서로 동박 등의 도전재를 포함하는 배선재에 의해 전기적으로 접속되고, 유리, 투광성 플라스틱 등의 투광성을 갖는 표면 보호재와, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 등의 필름을 포함하는 배면 보호재 사이에 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트) 등의 투광성을 갖는 밀봉재에 의해 밀봉되어 있다.
태양 전지는, 광전 변환부의 주면 상에 출력 취출용의 한쌍의 전극을 형성함으로써 제조된다. 통상은 광전 변환부의 광입사면 및 배면에 한쌍의 전극이 형성된다. 이 경우, 광입사면 상에 설치되는 전극은, 도전성 페이스트를 사용하여 복 수의 핑거 전극 및 버스바 전극을 갖는 빗 형상으로 형성된다. 또한, 하나의 태양 전지의 표면에 설치된 버스바 전극 상과, 별도의 태양 전지의 배면에 설치된 버스바 전극 상에 배선재를 땜납을 통해 접착함으로써, 복수의 태양 전지를 직렬로 접속시킨다(예를 들면, 일본 특허 공개 제2005-217148호 공보 참조).
종래에는 버스바 전극에 배선재를 땜납으로 접착할 때, 우선 버스바 전극의 표면 또는 배선재의 셀측 표면에 플럭스를 도포한다. 또한, 배선재를 버스바 전극 상에 배치한 후, 가열한다. 이에 따라, 배선재 표면의 땜납층과 버스바 전극 중의 금속부가 합금화되어, 버스바 전극과 배선재는 양호한 접착력으로 접착된다.
그러나, 상기의 접착 방법에서는 플럭스의 잔사가 버스바 전극과 배선재의 합금층에 개재되어 저항 성분이 된다. 따라서, 태양 전지 모듈의 출력이 저하되어 버린다는 과제가 있다.
이러한 과제는 특허 문헌 1에 기재된 구조로 한정되지 않으며, 태양 전지의 전극과 태양 전지끼리를 접속하는 배선재를 납땜하는 경우나, 태양 전지의 전극과 취출 전극을 땜납에 의해 접속하는 경우에 공통적으로 발생한다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은 태양 전지 셀의 전극과 인터커넥터 사이의 전기 저항을 감소시켜, 출력의 저하를 억제하는 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1의 특징은, 제1 및 제2 주면을 갖는 광전 변환부와, 제1 주면 상에 배치된, 도전성 페이스트로 이루어진 제1 전극과, 제1 주면 또는 제2 주면 상에 배치된, 제1 전극과 반대 극성을 갖는 제2 전극을 갖는 2개의 태양 전지와, 2개의 태양 전지 중 한쪽 태양 전지의 제1 전극과 다른쪽 태양 전지의 제2 전극을 전기적으로 접속하는 배선재와, 제1 전극과 배선재 사이에 배치된, 복수의 도전성 입자를 포함하는 수지로 이루어진 접속층을 구비하고, 제1 전극과 배선재는 도전성 입자에 의해 전기적으로 접속되고, 접속층에 접하는 제1 전극의 표면에 요철 형상이 형성되며, 도전성 입자는 제1 전극 표면의 오목부보다 돌출되어 있는 태양 전지 모듈인 것을 요지로 한다.
본 발명의 제2의 특징은 본 발명의 제1의 특징에 관한 것이며, 제1 전극의 표면에 수직인 절단면에 나타나는 제1 전극의 표면 길이 1 mm의 범위에 있어서, 도전성 입자의 장경의 평균치로 규정되는 도전성 입자의 평균 입경을, 십점 평균 높이로 규정되는 제1 전극의 표면 조도로 나누어 얻어지는 값이 0.2 이상 1.5 이하의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 제3의 특징은 본 발명의 제2의 특징에 관한 것이며, 도전성 입자의 평균 입경을 제1 전극의 표면 조도로 나누어 얻어지는 값이 0.5 이상 1.2 이하의 범위일 수 있다.
본 발명의 제4의 특징은 본 발명의 제1의 특징에 관한 것이며, 접속층에 접하는 배선재의 표면에는 도전성 입자보다 부드러운 층이 배치될 수도 있다.
<발명의 상세한 설명>
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 도면의 기재에 있어서 동일 부분에는 동일 부호를 붙였다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 태양 전지 모듈의 구성을 설명한다. 태양 전지 모듈은, 복수(예를 들면 3개)의 태양 전지 (50)을 구비한다. 태양 전지 (50)의 각각은, 인접하는 다른 태양 전지 (50)과 동박의 표면에 주석 도금을 실시한 배선재 (40)을 통해 직렬로 접속되어 있다. 태양 전지 (50)은 광입사에 의해 광 생성 캐리어를 발생하는 광전 변환부 (10)과, 광전 변환부 (10)에서 발생한 광 생성 캐리어를 취출하기 위한 정부 한쌍의 전극을 구비하고 있다.
정부 한쌍의 전극은 통상 광전 변환부 (10)의 광입사면 및 배면에 각각 설치된다. 이 경우, 한쌍의 전극 중 광입사면에 설치되는 전극은 입사광을 차단하는 면적을 될 수 있는 한 작게 하기 위해, 복수의 폭이 좁은 핑거 전극 (30)과 폭이 넓은 버스바 전극 (20)을 조합하여, 예를 들면 빗 형상으로 형성된다. 핑거 전극 (30)은 광전 변환부 (10)에서 생성된 광 생성 캐리어의 수집용 전극이다. 광전 변환부 (10)의 광입사면의 거의 전역에 걸쳐, 예를 들면 100 ㎛ 정도의 폭을 갖는 라 인상의 핑거 전극 (30)이 2 mm마다 배치되어 있다. 또한, 버스바 전극 (20)은 복수의 핑거 전극 (30)에서 수집된 광 생성 캐리어의 집전용 전극이며, 예를 들면 약 1 mm의 폭으로 모든 핑거 전극 (30)과 교차하도록 라인상으로 형성된다. 또한, 버스바 전극 (20)의 수는 태양 전지의 크기나 저항을 고려하여 적절하게 적당한 수로 설정된다.
또한, 다른쪽 전극은 통상 광전 변환부 (10)의 배면 상에 설치되기 때문에 입사광을 고려할 필요가 없다. 따라서, 다른쪽 전극은 광전 변환부 (10)의 배면의 대략 전체면을 덮도록 형성할 수도 있고, 광입사측의 전극과 마찬가지로 빗 형상으로 형성할 수도 있다.
다른쪽 전극을 광전 변환부 (10)의 배면의 대략 전체면을 덮도록 형성한 경우, 광전 변환부 (10)의 「제1 주면」은 광입사면에 해당하고, 「제2 주면」은 배면에 해당한다. 한편, 다른쪽 전극을 광전 변환부 (10)의 배면에 광입사측의 전극과 마찬가지로 빗 형상으로 형성한 경우, 「제1 주면」 및 「제2 주면」은 광입사면 및 배면 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 정부 한쌍의 전극의 양쪽이 광전 변환부 (10)의 배면에 설치되는 태양 전지도 있다. 이 경우, 광전 변환부 (10)의 배면에 설치되는 정부 한쌍의 전극의 양쪽은 복수의 핑거 전극과 버스바 전극을 갖는 빗 형상으로 형성되어 있다.
이 경우, 광전 변환부 (10)의 「제1 주면」은 배면에 해당하고, 「제2 주면」은 광입사면에 해당한다.
본 발명은 정부 한쌍의 전극이 배치되는 면을 한정하는 것은 아니지만, 본 실시 형태에서는 광전 변환부 (10)의 광입사면 및 배면의 각각에 정부 한쌍의 전극을 갖는 태양 전지에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명은 광전 변환부 (10)의 배면 상에 설치되는 전극의 형상을 한정하는 것은 아니지만, 도 1에서는 광전 변환부 (10)의 배면 상에도 복수의 핑거 전극 (30) 및 버스바 전극 (20)을 구비하는 태양 전지 (50)을 예로 들어 설명한다.
태양 전지 (50)은 수광에 의해 광 생성 캐리어를 생성하는 광전 변환부 (10)과, 광전 변환부 (10)이 생성하는 광 생성 캐리어를 집전하는 핑거 전극 (30) 및 버스바 전극 (20)을 구비한다. 또한, 도시는 생략했지만, 도 1에 나타낸 태양 전지 (50)은 유리, 투광성 플라스틱 등의 투광성을 갖는 표면 보호재와, PET 등의 필름 또는 Al박을 수지 필름 사이에 샌드위치시킨 구조의 적층 필름 등을 포함하는 배면 보호재와의 사이에 EVA 등의 투광성을 갖는 밀봉재에 의해 밀봉되어 있다.
도 2를 참조하여, 도 1의 태양 전지 모듈을 구성하는 태양 전지 (50)의 평면 구성을 설명한다. 본 발명의 실시 형태에서는, 태양 전지 (50)으로서 HIT 구조를 갖는 태양 전지를 예로 들어 설명한다. 광전 변환부 (10)의 표면 상에는 광전 변환부 (10)이 생성하는 광 생성 캐리어를 집전하는 핑거 전극 (30)과, 복수의 핑거 전극 (30)에 접속된 버스바 전극 (20)이 형성되어 있다. 복수의 직선상의 핑거 전극 (30)은 서로 평행하게 광전 변환부 (10)의 표면에 균일한 간격으로 배치된다. 버스바 전극 (20)은 핑거 전극 (30)에 대하여 수직인 방향으로 배치되고, 복수의 핑거 전극 (30)이 수집한 광 생성 캐리어를 더 집전한다. 광전 변환부 (10)이 생성하는 광 생성 캐리어를 집전하는 핑거 전극 (30) 및 버스바 전극 (20)을 합쳐서 「집전극」이라고 한다. 집전극은, 예를 들면 에폭시 수지를 결합제, 은 입자를 충전재로 한 열경화형 도전성 페이스트로 형성되어 있지만, 이것으로 한정되는 것이 아니다. 도 1은 도 2의 I-I 절단면에 따른 단면도이다.
도 3을 참조하여, 도 2의 태양 전지 (50)의 적층 구조를 설명한다. 도 3은 도 2의 III-III 절단면에 따른 태양 전지 (50)의 단면도이다. 상술한 바와 같이, 태양 전지 (50)은 복수의 층(10a 내지 10g)을 포함하는 적층 구조를 갖는 광전 변환부 (10)과, 광전 변환부 (10)의 윗면 및 밑면에 형성된 집전극, 즉 핑거 전극 (30) 및 버스바 전극 (20)을 구비한다.
광전 변환부 (10)은 n형 단결정 실리콘 기판 (10d)와, 기판 (10d)의 윗면에 형성된 i형 비정질 실리콘층 (10c)와, i형 비정질 실리콘층 (10c)의 윗면에 형성된 p형 비정질 실리콘층 (10b)와, p형 비정질 실리콘층 (10b)의 윗면에 형성된 ITO막 (10a)와, n형 단결정 실리콘 기판 (10d)의 밑면에 형성된 i형 비정질 실리콘층 (10e)와, i형 비정질 실리콘층 (10e)의 밑면에 형성된 n형 비정질 실리콘층 (10f)와, n형 비정질 실리콘층 (10f)의 밑면에 형성된 ITO막 (10g)를 구비한다. ITO막 (10a)의 윗면 및 ITO막 (10g)의 밑면에는, 버스바 전극 (20) 및 핑거 전극 (30)을 포함하는 집전극이 형성되어 있다. 이와 같이 단결정 실리콘층 (10d)과 비정질 실리콘층 (10b, 10f)의 사이에 실질적으로 발전에 기여하지 않을 정도의 두께를 갖는 실질적으로 진성의 비정질 실리콘층 (10c, 10e)를 끼운 구조를 「HIT 구조」라고 한다. HIT 구조에 의해, 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층의 계면에서의 결정 결함을 감소시켜, 헤테로 접합 계면의 특성이 개선된다(일본 특허 제2614561호 공 보 등 참조).
도 4를 참조하여, 버스바 전극 (20)과 배선재 (40)의 접속 부분에 대하여 설명한다. 버스바 전극 (20)과 배선재 (40)의 사이에 복수의 도전성 입자 (70)을 포함하는 수지 (60)으로 이루어진 접착층 (80)이 배치되어 있다. 버스바 전극 (20)과 배선재 (40)은 도전성 입자 (70)을 통해 전기적으로 접속된다. 또한, 수지 (60)은 버스바 전극 (20)과 배선재 (40)을 접착한다.
수지 (60)은, 예를 들면 에폭시계의 열경화형 수지이고, 도전성 입자 (70)은, 예를 들면 니켈이다. 도 4에서는 버스바 전극 (20) 및 배선재 (40)의 양쪽에 접하는 도전성 입자 (70)이 복수개이다. 버스바 전극 (20) 및 배선재 (40)은 각 도전성 입자 (70)을 통해 전기적으로 접속되어 있다.
접속층 (80)에 접하는 버스바 전극 (20)의 표면에 요철 형상이 형성되어 있다. 도전성 입자 (70)은 버스바 전극 (20) 표면의 오목부보다 돌출되어 있다. 도전성 입자 (70)의 돌출 부분이 배선재 (40)에 접속되어 있다. 즉, 접속층 (80)에 포함되는 복수의 도전성 입자 (70) 중, 버스바 전극 (20) 표면의 오목부 상에 배치된 도전성 입자 (70)은, 주위 볼록부의 정점보다 배선재 (40)측으로 돌출되어 배치된다. 도전성 입자 (70)의 돌출 부분이 배선재 (40)에 접해 있다. 이와 같이 하여 도전성 입자 (70)을 통해 버스바 전극 (20)과 배선재 (40)이 전기적으로 접속됨으로써, 종래의 납땜에 의한 접속과 비교하여 버스바 전극 (20)과 배선재 (40) 사이의 전기 저항이 감소되기 때문에, 태양 전지 모듈의 출력 저하를 억제할 수 있다.
또한, 버스바 전극 (20)의 볼록부와 배선재 (40)의 사이에는 수지 (60)이 개재되어 있다. 이에 따라, 버스바 전극 (20)과 배선재 (40)의 접착력이 높아짐과 동시에, 도전성 입자 (70)을, 버스바 전극 (20)과 배선재 (40) 사이의 스페이서로서 기능시킬 수 있다. 따라서, 버스바 전극 (20)과 배선재 (40)의 거리를 쉽게 제어할 수 있다.
또한, 이와 같이 수지 (60)에 의해 배선재 (40)을 접착하기 때문에, 수지 (60) 중의 도전성 입자 (70)은 서로 분산하여 존재하는 것이 바람직하다.
접속층 (80)에 접하는 배선재 (40)의 표면에는, 도전성 입자 (70)보다 부드러운 층이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서, 배선재 (40)은 동박 등의 금속제 재료를 포함하고, 이 주위에 주석 도금이 실시되어 있다. 이 주석 도금은 니켈 입자 (70)보다 부드러운 층을 형성한다. 이에 따라, 배선재 (40)을 버스바 전극 (20)에 접속시킬 때 가하는 압력을 도전성 입자 (70)보다 부드러운 층(주석 도금)이 흡수할 수 있다. 또한, 배선재 (40)의 표층의 재료와 도전성 입자 (70)의 재료의 조합은, 상기한 니켈과 주석으로 한정되지 않는다. 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 금속 원소의 경도에 기초하여 여러가지 조합이 가능하다. 일반적으로 물질의 경도는 프리넬 경도, 로크웰 경도, 빅커스 경도, 모오스 경도 등의 방법에 의해 측정하여 비교할 수 있다. 표 1은 주요 금속 원소의 모오스 경도의 값을 정리한 것이다. 도전성 입자 (70)이 니켈인 경우, 니켈보다 부드러운 주석(Sn)이나 은(Ag)으로 배선재 (40)의 표면을 도금할 수 있다. 여기서 「모오스 경도」란, 주로 광물에 대한 경도의 척도이며, 경도를 계측하는 시료 물질로 표준 물질을 문질러 스크래치 흠집의 유무로 경도를 측정한다.
Figure 112007085594620-PAT00001
도전성 입자 (70)은 버스바 전극 (20)과 배선재 (40) 사이의 충분한 전기 전도성을 얻는 것을 목적으로 한다. 도전성 입자 (70)의 조성은 니켈 외에, 구리, 은, 알루미늄, 주석, 금 등으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 입자, 또는 이들의 합금, 혼합 등을 적용할 수 있다. 또한, 알루미나, 실리카, 산화티탄, 유리 등으로부터 선택되는 1종 이상의 무기 산화물에 금속 코팅을 실시한 것일 수도 있고, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지 등으로부터 선택되는 1종 이상, 또는 이들 수지의 공중합체, 혼합체 등에 금속 코팅을 실시한 것일 수도 있다. 도전성 입자 (70)의 형상은 그 중심을 통과하는 단면이 원형 또는 타원상인 구형으로 할 수 있다. 또한, 도전성 입자 (70)의 표면에 요철 형상을 설치하여 표면적을 늘림으로써, 전기 전도성을 높이는 고안을 행할 수도 있다.
수지 (60)은 배선재 (40)의 온도 사이클에 의한 신축에 따른 스트레스를 완화할 목적으로부터, 배선재 (40)에 사용하고 있는 재료보다 유연성이 높은 재료인 것이 바람직하며, 배선재 (40)의 접착을 동시에 행하는 것도 고려하면, 열경화형 수지 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 수지 (60)으로는 신뢰성을 유지하기 위해서 내습성이나 내열성이 우수한 것이 요구된다. 이들을 충족하는 수지로서는, 예를 들면 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지 등을 들 수 있다. 수지 (60)에는, 이들로부터 선택되는 1종 이상, 또는 이들 수지의 혼합, 공중합 등을 적용할 수 있다. 버스바 전극 (20)과의 접착 상성을 고려하면, 수지 (60)은 버스바 전극 (20)에 사용되고 있는 수지 재료와 동종의 수지인 것이 바람직하다. 또한, 저온에서 단시간만에 경화할 수 있다는 점으로부터 에폭시 수지나 아크릴 수지를 사용하는 것이 제조상 바람직하다. 또한, 이들 수지 (60)이 필름상이고, 가열에 의해 용착할 수 있는 것일 수도 있다.
또한, 상술한 바와 같이 집전극(핑거 전극 (30) 및 버스바 전극 (20))은 에폭시 수지를 결합제, 은 입자를 충전재로 한 열경화형 도전성 페이스트로 형성되어 있는데, 이것은 집전극 조성의 일례이며, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 집전극의 충전재는 전기 전도성을 얻는 것을 목적으로 하고 있으며, 그 조성은 구리, 은, 니켈, 알루미늄, 주석, 금 등으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 입자, 또는 이들의 합금, 혼합 등을 적용할 수 있다. 충전재의 형상은 프레임상의 것과 구형의 것을 혼합하거나, 크기가 상이한 것을 혼합함으로써 전기 도전성을 높이는 고안을 행할 수도 있다. 또한, 집전극의 결합제는 충전재를 접착하는 것을 주목적으로 하고 있으며, 신뢰성을 유지하기 위해서는 내습성이나 내열성이 우수한 것이 요구된다. 이들을 충족하는 결합제의 재료로서는, 예를 들면 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지 등을 들 수 있으며, 이들로부터 선택되는 1종 이상, 또는 이들 수지의 혼합, 공중합 등을 적용할 수 있다. 결합제와 충전재의 비율은, 전기 도전성을 고려하여 충전재가 70 중량％ 이상인 것이 바람직하다.
(태양 전지 모듈의 제조 방법)
이어서, 본 실시 형태에 관한 태양 전지 모듈의 제조 방법에 대하여 설명한다.
우선, 광전 변환부 (10)의 제조 방법은 종래와 동일하기 때문에 여기서는 설명을 생략한다. 이어서, 광전 변환부 (10) 상에 에폭시계 열경화형 은 페이스트로 버스바 전극 (20) 및 핑거 전극 (30)을 형성한다. 구체적으로는 광전 변환부 (10)의 수광면측에 은 페이스트를 스크린 인쇄하고, 150 ℃에서 5 분간 가열하여 가경화시킨다. 그 후, 광전 변환부 (10)의 배면측에 은 페이스트를 스크린 인쇄하고, 150 ℃에서 5 분간 가열하여 가경화시킨다. 그 후, 200 ℃에서 1 시간 가열함으로써, 은 페이스트를 완전히 경화시켜 태양 전지 (50)을 형성한다.
이어서, 디스펜서를 사용하여 니켈 입자를 약 5 부피％ 포함한 에폭시 수지를, 버스바 전극 (20) 상에 약 30 ㎛의 두께가 되도록 도포한다. 복수의 태양 전지 (50)에 대하여, 광전 변환부 (10)의 수광면측 및 배면측의 양면에 수지 (60)을 도포하였다. 그 후, 각각 도포된 수지 (60) 상에 배선재 (40)을 배치하고, 약 2 MPa로 가압하면서 200 ℃에서 1 시간 가열함으로써 스트링을 형성한다.
이어서, 복수개의 스트링끼리를 접속하였다. 이어서, 유리, 밀봉 시트, 스트링, 밀봉 시트, 배면 시트의 순서로 적층하고, 진공으로 한 후 150 ℃에서 10 분간 가열 압착함으로써 가압착한다. 그 후, 이 가압착체를 150 ℃에서 1 시간 가열함으로써 완전히 경화시킨다. 그 후, 단자 박스, 금속 프레임을 부착하여 태양 전지 모듈로 한다.
또한, 상기에서는 에폭시 수지를 버스바 전극 (20)에 도포하고, 그 위에 배선재 (40)을 배치했지만, 금속 입자를 포함하는 수지 필름을 버스바 전극 (20) 상에 배치하고, 그 위에 배선재 (40)을 배치함으로써 스트링을 형성할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 태양 전지 셀의 전극과 인터커넥터 사이의 전기 저항을 감소시켜, 출력의 저하를 억제하는 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 관한 태양 전지 모듈에 대하여, 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 나타낸 것으로 한정되는 것이 아니며, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절하게 변경하여 실시할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시예에 관한 태양 전지 (50)으로서, 도 1 내지 도 4에 나타낸 태양 전지 모듈을 이하와 같이 제조하였다. 이하의 제조 방법에서는 공정을 공정 1 내지 4로 나누어 설명한다.
<공정 1> 광전 변환부 형성
우선, 세정함으로써 불순물이 제거된 약 1 Ωㆍcm의 저항률과 약 300 ㎛의 두께를 갖는 n형 단결정 실리콘 기판 (10d)를 준비하였다. 이어서, RF 플라즈마 CVD법을 이용하여 n형 단결정 실리콘 기판 (10d)의 윗면 상에 약 5 nm의 두께를 갖는 i형 비정질 실리콘층 (10c)와, 약 5 nm의 두께를 갖는 p형 비정질 실리콘층 (10b)를 이 순서대로 형성하였다. 또한, RF 플라즈마 CVD법에 의한 i형 비정질 실리콘층 (10c) 및 p형 비정질 실리콘층 (10b)의 구체적인 형성 조건은 주파수: 약 13.65 MHz, 형성 온도: 약 100 내지 250 ℃, 반응 압력: 약 26.6 내지 80.0 Pa, RF 파워: 약 10 내지 100 W였다.
이어서, n형 단결정 실리콘 기판 (10d)의 밑면 상에 약 5 nm의 두께를 갖는 i형 비정질 실리콘층 (10e)와, 약 5 nm의 두께를 갖는 n형 비정질 실리콘층 (10f)를 이 순서대로 형성하였다. 또한, 이 i형 비정질 실리콘층 (10e) 및 n형 비정질 실리콘층 (10f)는, 각각 상기한 i형 비정질 실리콘층 (10c) 및 p형 비정질 실리콘층 (10b)와 동일한 공정에 의해 형성하였다.
이어서, 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여, p형 비정질 실리콘층 (10b) 및 n형 비정질 실리콘층 (10f)의 각각의 위에 약 100 nm의 두께를 갖는 ITO막 (10a, 10g)을 각각 형성하였다. 이 ITO막 (10a, 10g)의 구체적인 형성 조건은 형성 온도: 약 50 내지 250 ℃, Ar 가스 유량: 약 200 sccm, O2 가스 유량: 약 50 sccm, 파 워: 약 0.5 내지 3 kW, 자장 강도: 약 500 내지 3000 Gauss였다.
<공정 2> 집전극 형성
스크린 인쇄법을 이용하여, 에폭시계 열경화형 은 페이스트를 수광면측의 투명 도전막의 소정 영역 상에 전사하였다. 그 후, 150 ℃에서 5 분간 가열하고, 가경화시켰다. 이어서, 200 ℃에서 1 시간 가열함으로써 완전히 경화시켜 집전극을 형성하였다. 이에 따라, 투명 도전막(ITO막)의 윗면 상에 소정의 간격을 두고 서로 평행하게 연장하도록 형성된 복수의 핑거 전극 (30)과, 핑거 전극 (30)에 의해 수집된 전류를 집합시키는 버스바 전극 (20)을 포함하는 집전극을 형성하였다. 여기서는 버스바 전극 (20)의 폭이 약 1.0 mm, 높이가 약 50 ㎛였다.
<공정 3> 스트링 영역
우선, 버스바 전극 (20) 상에 디스펜서로 에폭시계 열경화형 니켈 페이스트를 도포하였다. 구체적으로는 버스바 전극 (20) 상에 약 30 ㎛의 두께가 되도록 도포하였다. 또한, 니켈 페이스트 중의 니켈 입자의 함유량은, 부피율 약 5 ％의 것을 사용하였다.
수광면측, 배면측의 양쪽에 니켈 페이스트를 도포한 후, 버스바 전극 (20) 상에 배선재 (40)이 되는 폭 약 1.5 mm의 주석 도금 동박을 배치하였다. 또한, 복수의 태양 전지 (50)이 접속되도록 배열하였다. 그 후, 1장의 태양 전지 (50)마다 상하로부터 가열부를 끼웠다. 이어서, 2 MPa의 압력을 가하면서 약 200 ℃에서 1 시간 가열함으로써 니켈 페이스트를 경화시켜 스트링을 형성하였다. 이와 같이 압력을 가하면서 경화함으로써, 니켈 입자를 주석 도금 동박과 버스바 전극 (20) 사 이에 끼울 수 있었다. 따라서, 양호한 전기 전도성이 얻어졌다. 또한, 니켈 페이스트를 눌러 퍼지게 하여 배선재 (40)과 거의 동등한 폭으로 넓혔다.
<공정 4> 모듈화
유리 기판을 포함하는 표면 보호재 상에 EVA 시트를 포함하는 충전재를 얹은 후, 배선재 (40)에 의해 접속한 복수의 태양 전지 (50)을 배치하였다. 또한, 그 위에 EVA 시트를 포함하는 충전재를 더 얹었다. 그 후, PET/알루미늄박/PET의 3층 구조를 갖는 배면 보호재를 배치하였다. 이들을 진공으로 한 후, 150 ℃에서 10 분간 가열 압착함으로써 가압착하였다. 그 후, 150 ℃에서 1 시간 가열함으로써 완전히 경화시켰다. 여기에 단자 박스, 금속 프레임을 부착하여, 실시예에 관한 태양 전지 모듈을 제조하였다.
<비교예>
비교예에 관한 태양 전지 모듈로서, 종래의 납땜에 의한 접착에 의해 복수의 태양 전지를 접속한 태양 전지 모듈을 이하와 같이 제조하였다.
<공정 1> 실시예의 공정 1과 동일한 방법으로 형성하였다.
<공정 2> 실시예의 공정 2와 동일한 방법으로 형성하고, 버스바 전극의 폭이 약 1.5 mm가 되도록 형성하였다.
<공정 3> 버스바 전극 상에 배선재가 되는 폭 약 1.5 mm의 Sn-Ag-Cu 땜납 도금 동박을 배치하고, 복수의 태양 전지 (50)이 접속되도록 배치하였다. 또한, 버스바 전극과 배선재를 땜납으로 접속함으로써 스트링을 형성하였다.
<공정 4> 실시예의 공정 4와 동일한 방법으로 형성하였다.
(실험)
버스바 전극 (20)의 표면의 요철 형상을 「표면 조도」라고 생각하고, 버스바 전극 (20)의 표면 조도와 접속층 (80) 중의 도전성 입자 (70)의 평균 입경이 태양 전지 모듈의 출력에 미치는 영향을 조사하기 위해, 발명자들은 이하에 나타내는 실험을 행하였다.
상기 실시예에 나타낸 제조 방법에 의해, 버스바 전극 (20)의 표면 조도가 약 10 ㎛, 약 20 ㎛, 약 30 ㎛인 3종의 태양 전지 (50)을 제조하였다. 태양 전지 (50)의 각각에 대하여 도전성 입자 (70)의 평균 입경이 약 2.5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 10 ㎛, 약 12 ㎛, 약 15 ㎛인 5종의 접속층 (80)을 사용하여 모듈화하였다. 즉, 3×5=15종의 태양 전지 모듈을 제조하였다. 또한, 접속층 (80) 중에서 차지하는 도전성 입자 (70)의 부피율이 동등해지도록 조정하였다.
여기서, 버스바 전극 (20)을 포함하는 「집전극의 표면 조도」를, 집전극의 표면에 수직인 절단면에 나타나는 집전극의 표면 길이 1 mm의 범위에 있어서, 도전성 입자 (70)의 장경의 평균치로서 규정하였다. 다시 말하면, 「JIS B0601」에 있는 바와 같이, 집전극의 표면 조도를, 집전극의 단면 형상에 있어서 기준 길이 1 mm의 추출 부분에서의 십점 평균 높이로 규정하였다. 실제로는 버스바 전극 (20)의 표면 조도의 측정은, 버스바 전극 (20)의 단면을 SEM으로 관찰하고, 버스바 전극 (20)의 표면 요철에 대하여 가장 높은 데에서 5번째까지의 볼록부의 정점의 높이의 평균치와, 가장 낮은 데에서 5번째까지의 오목부의 골짜기 바닥의 높이의 평균치와의 차이를, 「버스바 전극 (20)의 표면 조도」로서 산출하였다.
또한, 버스바 전극 (20)의 표면 조도의 조정은, 버스바 전극 (20)을 스크린 인쇄할 때 사용하는 메쉬의 형상(메쉬의 수, 와이어 직경)을 변화시킴으로써 행하였다. 버스바 전극 (20)의 표면 조도와 메쉬의 형상과의 관계를 하기 표 2에 나타내었다.
Figure 112007085594620-PAT00002
표 2에 나타낸 바와 같이, 버스바 전극 (20)의 표면 조도를 약 10 ㎛로 하기 위해서는, 스크린 인쇄시에 사용하는 메쉬의 1 인치당 메쉬수를 380개로 하고, 사용하는 와이어의 직경을 Φ14 ㎛로 한다. 표면 조도를 약 20 ㎛로 하는 경우, 메쉬수를 290개로 하고, 와이어의 직경을 Φ20 ㎛로 한다. 표면 조도를 약 30 ㎛로 하는 경우, 메쉬수를 250개로 하고, 와이어의 직경을 Φ30 ㎛로 한다.
상기의 비교예에 나타낸 제조 방법에 의해, 종래의 납땜에 의한 접속 구조를 갖는 태양 전지 모듈을 제조하였다.
상기 15종의 실시예에 관한 태양 전지 모듈과, 비교예에 관한 태양 전지 모듈에 대하여 AM 1.5, 100 mW/cm2의 광 조사하에서 각각의 출력을 측정하였다.
도 5는 버스바 전극 (20)의 표면 조도별로, 도전성 입자 (70)의 평균 입경을 횡축으로, 규격화 출력을 플롯한 그래프이다. 규격화 출력이란, 비교예에 관한 태양 전지 모듈의 출력을 1로서 규격화했을 때의 실시예에 관한 태양 전지 모듈의 출력치이다. 도 5에 나타낸 결과로부터, 도전성 입자 (70)의 입경이 큰 쪽이 출력이 높아지는 것을 알 수 있다. 이것은 도전성 입자 (70)의 입경이 큰 쪽이 집전극의 오목부보다 돌출되고, 배선재 (40)과 접촉하고 있는 도전성 입자 (70)의 비율이 많아지기 때문에, 접촉 저항이 작아지기 때문이다.
도 5에 나타낸 실험 결과를, 집전극의 표면 조도와 도전성 입자 (70)의 평균 입경과의 비율로 정리하였다. 도 6은 도전성 입자 (70)의 평균 입경을, 십점 평균 높이로 규정되는 집전극의 표면 조도로 나누어 얻어지는 값(평균 입경/표면 조도)을 횡축으로 하여, 규격화 출력을 플롯한 그래프이다. 평균 입경/표면 조도가 0.2 미만인 영역에서는 출력이 비교예보다 작은, 즉 1 미만이라는 것을 알 수 있다. 이것은 도전성 입자 (70)의 대부분이 집전극의 오목부에 메워져 도전성 입자 (70)이 오목부로부터 돌출되어 있지 않기 때문에, 배선재 (40)과의 접촉이 불충분하기 때문이다. 한편, 평균 입경/표면 조도가 0.2 이상인 영역에서는, 출력이 비교예보다 큰, 즉 1 이상이 되는 것을 알 수 있다. 이것은 도전성 입자 (70)의 일부가 집전극의 오목부보다 돌출되어, 배선재 (40)과의 접촉이 충분히 얻어지기 때문이다. 또한, 플럭스를 사용하지 않음으로써, 플럭스의 잔사에 의한 저항 성분이 제거되었기 때문이다. 또한, 평균 입경/표면 조도가 0.2 내지 0.5인 영역에서는 출력이 상승 경향에 있고, 평균 입경/표면 조도가 0.5 이상 1.2 이하인 영역에서는 비교예의 1.005배 이상의 출력이 얻어진다. 이것은 집전극의 표면 조도에 대한 도전성 입자 (70)의 입경이 커짐에 따라, 집전극의 오목부로부터 돌출되어, 배선재 (40)과 접촉하는 도전성 입자 (70)의 비율이 많아지기 때문에, 접촉 저항이 작아지기 때문이다. 또한, 평균 입경/표면 조도가 1.5보다 큰 영역에서는, 반대로 출력 저하의 경향이 있다. 이것은 도전성 입자 (70)이 집전극과 배선재 (40) 사이에 끼워짐으로써, 집전극과 배선재 (40)의 거리가 커져 저항 손실이 커졌기 때문이다. 따라서, 평균 입경/표면 조도가 더 커진 경우에는, 보다 저항 손실이 커져 출력 저하가 발생하는 것이라고 추측된다. 또한, 이들 출력 변화의 경향은 집전극의 오목부보다 돌출되어 있는 도전성 입자 (70)의 비율이나, 집전극과 배선재 (40)의 거리에 기인하기 때문에, 도전성 입자의 재질과는 관련이 없다고 추측된다. 단, 출력의 절대치는 도전성 입자 (70)의 비저항에 따라 상이한 결과가 된다고 추정된다.
상기 실시예와 비교예의 대비로부터, 다음의 사실을 알 수 있었다. 즉, 집전극과 태양 전지 (50)끼리를 접속하는 배선재 (40)을 도전성 페이스트에 의해 접속함으로써, 플럭스를 사용하지 않고 접속할 수 있다. 따라서, 저항 성분이 되는 플럭스 잔사가 접합부에 개재되는 경우가 없기 때문에, 양호한 전기적 접속을 얻을 수 있다는 것을 알았다.
또한, 도전성 입자 (70)의 평균 입경을 집전극의 표면 조도로 나누어 얻어지는 값을 0.2 이상 1.5 이하의 범위로 함으로써, 종래의 납땜에 의한 접속과 비교하여 전기 저항을 감소시킬 수 있고, 0.5 이상 1.2 이하의 범위로 함으로써 전기 저항을 더 감소시킬 수 있다는 것을 알았다.
(작용 및 효과)
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태 및 그 실시예에 따르면, 이하의 작용 효과가 얻어진다.
태양 전지 모듈은, 광전 변환부 (10)의 광입사면 및 광입사면에 대향하는 배면 상에 각각 배치된, 도전성 페이스트로 이루어진 집전극(핑거 전극 (30) 및 버스바 전극 (20))을 구비한 복수의 태양 전지 (50)과, 복수의 태양 전지 (50)의 버스바 전극 (20)끼리를 전기적으로 접속하는 배선재 (40)과, 버스바 전극 (20)과 배선재 (40) 사이에 배치된 접속층 (80)을 구비한다. 접속층 (80)은 복수의 도전성 입자 (70)을 포함하는 수지 (60)으로 이루어진다. 버스바 전극 (20)과 배선재 (40)은 도전성 입자 (70)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 접속층 (80)에 접하는 버스바 전극 (20)의 표면에 요철 형상이 형성되고, 도전성 입자 (70)은 버스바 전극 (20)의 표면의 오목부보다 돌출되어 있다.
이에 따라, 종래의 납땜에 의한 접속과 비교하여, 버스바 전극 (20)과 배선재 (40) 사이의 전기 저항을 감소시켜, 모듈 출력의 저하를 억제할 수 있다.
집전극(버스바 전극 (20))의 표면에 수직인 절단면에 나타나는 버스바 전극 (20)의 표면 길이 1 mm의 범위에 있어서, 도전성 입자 (70)의 장경의 평균치로 규정되는 도전성 입자 (70)의 평균 입경을, 십점 평균 높이로 규정되는 버스바 전극 (20)의 표면 조도로 나누어 얻어지는 값을 0.2 이상 1.5 이하의 범위로 한다. 이에 따라, 종래의 납땜에 의한 접속과 비교하여 전기 저항을 감소시킬 수 있다.
도전성 입자 (70)의 평균 입경을 버스바 전극 (20)의 표면 조도로 나누어 얻어지는 값을 0.5 이상 1.2 이하의 범위로 한다. 이에 따라, 0.2 이상 0.5 미만, 및 1.2 이상 1.5 이하인 경우보다 전기 저항을 더 감소시킬 수 있다.
접속층 (80)에 접하는 배선재 (40)의 표면에는 도전성 입자 (70)보다 부드러운 층(주석 도금)이 배치되어 있다. 이에 따라, 배선재 (40)을 버스바 전극 (20)에 접속시킬 때 가하는 압력을 도전성 입자 (70)보다 부드러운 층이 흡수할 수 있다.
(그 밖의 실시 형태)
상기한 바와 같이, 본 발명은 하나의 실시 형태 및 그 실시예에 의해 기재했지만, 이 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것이라고 이해해서는 안된다. 이 개시로부터 당업자에게는 여러가지 대체 실시 형태, 실시예 및 운용 기술이 명확해질 것이다.
도 2에 나타낸 집전극의 평면 구성(전극 패턴)은 일례에 지나지 않으며, 그 밖의 구성일 수도 있다. 예를 들면, 복수의 핑거 전극 (30)은 서로 평행하게 배치되는 경우로 한정되지 않고, 방사상으로 배치될 수도 있다. 이 경우, 복수의 핑거 전극 (30)이 모이는 중심 부분 또는 그 도중 부분에 있어서, 버스바 전극 (20)에 접속시킬 수 있다. 이와 같이, 광전 변환부 (10)의 수광 면적을 필요 이상으로 좁히지 않고, 광전 변환부 (10)의 수광면으로부터 생성되는 전기를 효율적으로 집전하기 위한 여러가지 집전극의 전극 패턴이 가능하다.
또한, 본 발명은 도 3에 예시한 HIT 구조를 갖는 태양 전지로 한정되지 않는다. 그 밖의 HIT 구조를 갖는 태양 전지, 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘 등의 결정 실리콘계 태양 전지, 비정질 실리콘이나 미소결정 실리콘 등의 박막 실리콘계 태양 전지, GaAs나 CuInSe 등의 화합물계 태양 전지, 색소 증감 등의 유기계 태양 전지, 또는 이들의 하이브리드형 태양 전지 등의 여러가지 태양 전지에서의 전극간의 접속에 대하여 적용 가능하다.
이와 같이 본 발명은 여기서는 기재하지 않은 여러가지 실시 형태 등을 포함한다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 이 개시로부터 타당한 특허 청구 범위에 관한 발명 특정 사항에 의해서만 한정되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 태양 전지 모듈의 구성을 나타내며, 도 2의 I-I 절단면에 따른 단면도이다.
도 2는 도 1의 태양 전지 모듈을 구성하는 하나의 태양 전지 (50)을 확대한 평면도이다.
도 3은 도 2의 태양 전지 (50)의 적층 구조를 나타내며, III-III 절단면에 따른 단면도이다.
도 4는 버스바 전극 (20)과 배선재 (40)의 접속 부분을 확대한 단면도이다.
도 5는 버스바 전극 (20)의 표면 조도별로, 도전성 입자 (70)의 평균 입경을 횡축으로, 규격화 출력을 플롯한 그래프이다.
도 6은 도전성 입자 (70)의 평균 입경을, 십점 평균 높이로 규정되는 집전극의 표면 조도로 나누어 얻어지는 값(평균 입경/표면 조도)을 횡축으로 하여, 규격화 출력을 플롯한 그래프이다.

Claims (4)

  1. 제1 및 제2 주면을 갖는 광전 변환부와,
    상기 제1 주면 상에 배치된, 도전성 페이스트로 이루어진 제1 전극과,
    상기 제1 주면 또는 상기 제2 주면 상에 배치된, 상기 제1 전극과 반대 극성을 갖는 제2 전극
    을 갖는 2개의 태양 전지와,
    상기 2개의 태양 전지 중 한쪽 태양 전지의 상기 제1 전극과 다른쪽 태양 전지의 상기 제2 전극을 전기적으로 접속하는 배선재와,
    상기 제1 전극과 상기 배선재 사이에 배치된, 복수의 도전성 입자를 포함하는 수지로 이루어진 접속층을 구비하고,
    상기 제1 전극과 배선재는 상기 도전성 입자에 의해 전기적으로 접속되고,
    상기 접속층에 접하는 상기 제1 전극의 표면에 요철 형상이 형성되고,
    상기 도전성 입자는 상기 제1 전극 표면의 오목부보다 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 표면에 수직인 절단면에 나타나는 상기 제1 전극의 표면 길이 1 mm의 범위에 있어서, 상기 도전성 입자의 장경의 평균치로 규정되는 상기 도전성 입자의 평균 입경을, 십점 평균 높이로 규정되는 제1 전극의 표면 조도로 나누어 얻어지는 값이 0.2 이상 1.5 이하의 범위인 것을 특징으로 하 는 태양 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도전성 입자의 평균 입경을 상기 제1 전극의 표면 조도로 나누어 얻어지는 값이 0.5 이상 1.2 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 접속층에 접하는 상기 배선재의 표면에는, 상기 도전성 입자보다 부드러운 층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
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