KR20090079909A - 태양 전지 모듈 - Google Patents

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유끼히로 요시미네
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Abstract

태양 전지 모듈은 표면 보호재와 이면 보호재 사이에 복수의 태양 전지 셀이 배치되고, 태양 전지 셀의 버스 바 전극(20)끼리를 탭에 의해 서로 전기적으로 접속하여 구성된다. 태양 전지 모듈은 버스 바 전극(20)과 탭(40) 사이에 복수의 도전성 입자(70)를 포함하는 수지(60)로 이루어지는 접착층을 구비하고, 버스 바 전극(20)과 탭(40)은 도전성 입자(70)를 통해 전기적으로 접속하고, 수지(60)는 버스 바 전극(20)의 측면까지 덮어 탭(40)과 광전 변환부(10)의 표면을 접착한다.
태양 전지 모듈, 버스 바 전극, 탭, 도전성 입자, 광전 변환부

Description

태양 전지 모듈 {SOLAR BATTERY MODULE}
본 발명은 표면 보호재와 이면 보호재 사이에 복수의 태양 전지 셀이 배치되고, 태양 전지 셀의 접속용 전극끼리를 탭에 의해 서로 전기적으로 접속하여 이루어지는 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
종래, HIT 태양 전지 모듈에서는, 도 1에 도시한 바와 같이 복수의 태양 전지 셀의 버스 바 전극(bus bar electrode)(20)끼리가 서로 동박 등의 도전재로 이루어지는 탭(40)에 의해 전기적으로 접속된다. 복수의 태양 전지 셀은 유리, 투광성 플라스틱 등의 투광성을 갖는 표면 보호재와, Poly Ethylene Terephtalate(PET) 등의 필름으로 이루어지는 이면 보호재 사이에, EVA 등의 투광성을 갖는 밀봉재에 의해 밀봉되어 있다.
태양 전지 셀은 도전성 페이스트에 의해, 광전 변환부(10) 표면에 버스 바 전극(20) 및 핑거 전극(30)을 형성함으로써 제작된다. 그리고, 버스 바 전극(20) 상에 탭(40)을 땜납에 의해 접착함으로써, 태양 전지 셀을 직렬로 접속하는 것이 일반적이다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
이 납땜의 모습에 대해, 도 2를 사용하여 설명한다. 도 2는 도 1에 있어서의 A-A 단면도이다.
탭(40)은 동박 등의 금속제의 재료로 이루어지고, 이 주위에 미리 땜납 도금(90)이 코팅되어 있다. 은 페이스트로 이루어지는 버스 바 전극(20)에 탭(40)을 납땜하는 경우, 버스 바 전극(20)의 표면, 혹은 탭(40)의 태양 전지 셀측 표면에 플럭스를 도포한 후, 탭(40)을 버스 바 전극(20) 표면에 배치하여 가열한다. 이때, 버스 바 전극(20) 표면의 산화층을 플럭스에 의해 제거하면서 탭(40)의 땜납 부분과 은 페이스트를 합금화시킨 합금층(50)에 의해 납땜을 행함으로써, 탭(40)을 버스 바 전극(20)에 고정하고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2005-217184호 공보
그러나, 상기한 종래 기술에 있어서는, 신뢰성 시험의 하나인 온도 사이클 시험(JIS C8917)에 있어서, 출력이 저하된다는 문제가 있었다. 출력 저하의 하나의 원인으로서, 도전성 페이스트(버스 바 전극)의 파괴, 도전성 페이스트와 광전 변환부의 계면의 박리 및 도전성 페이스트와 합금층의 계면의 박리 등의, 도전성 페이스트부의 파괴에 의한 접촉 저항의 증가가 있다.
이 현상이 일어나는 이유로서는, 다음과 같은 요인이 생각된다. 도 2에 도시하는 종래 구조의 태양 전지 모듈에서는 탭의 열팽창 계수가 약 1.7 × 10-5/℃(Cu)이고, 광전 변환부의 열팽창 계수가 약 3.6 × 10-6/℃(Si)이다. 즉, 이들의 열팽창 계수에는 약 5배의 차가 있다. 이로 인해, 온도 사이클이 가해진 경우, 그 중간에 위치하는 도전성 페이스트에 스트레스가 가해진다. 또한, 온도 사이클이 계속됨으로써, 도전성 페이스트부에 데미지가 축적된다. 그 결과, 도전성 페이스트부가 파괴됨으로써 접촉 저항의 증가에 이른다고 생각된다. 이와 같은 도전성 페이스트의 스트레스에 의한 파괴는 도전성 페이스트 중에 포함되는 금속 입자의 비율을 크게 하고 있기 때문이라고 생각된다. 구체적으로는, 도전성 페이스트의 전기 저항을 최대한 작게 하기 위해 금속 입자의 비율을 크게 하면, 금속 입자끼리의 접착력이나, 도전성 페이스트와 합금부의 접착력, 도전성 페이스트와 광전 변환부의 접착력이 약해진다. 이와 같은 과제는 HIT 구조의 태양 전지 모듈에 한정되지 않고, 광전 변환부의 기재(基材)의 열팽창 계수와, 탭의 코어재의 열팽창 계수와의 차가 큰 경우에 있어서도 발생한다고 생각된다.
그래서, 본 발명은 상기한 문제를 감안하여, 모듈 출력의 저하를 억제하여 신뢰성을 향상시키는 태양 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 특징은 표면 보호재와 이면 보호재 사이에 복수의 태양 전지 셀이 배치되고, 태양 전지 셀의 접속용 전극끼리를 탭에 의해 서로 전기적으로 접속하여 이루어지는 태양 전지 모듈이며, 접속용 전극과 탭 사이에 복수의 도전성 입자를 포함하는 수지로 이루어지는 접착층을 구비하고, 접속용 전극과 탭은 도전성 입자를 통해 전기적으로 접속되고, 수지는 접속용 전극의 측면까지 덮어 탭과 태양 전지 셀의 표면을 접착하는 태양 전지 모듈인 것을 요지로 한다.
본 발명의 특징에 관한 태양 전지 모듈에 따르면, 유연성이 높은 수지에 의해 접속용 전극과 탭을 접착하고, 태양 전지 셀과 탭까지도 접착하고 있으므로, 모듈 출력의 저하를 억제하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 특징에 관한 태양 전지 모듈에 있어서, 접속용 전극은 버스 바 전극이고, 접착층은 버스 바 전극에 접속된 핑거 전극의 당해 버스 바 전극과의 접속 부분과 탭 사이에 배치되어도 좋다.
이 태양 전지 모듈에 따르면, 핑거 전극과 탭을 접착할 수 있어 더욱 접착력을 높일 수 있다.
또한, 상기한 태양 전지 모듈에 있어서, 핑거 전극과 탭은 도전성 입자를 통해 전기적으로 접속해도 좋다.
이 태양 전지 모듈에 따르면, 버스 바 전극과 핑거 전극의 접속이 끊긴 경우라도, 핑거 전극으로부터 탭으로 전기적으로 접속할 수 있다.
또한, 본 발명의 특징에 관한 태양 전지 모듈에 있어서, 도전성 입자는 접속용 전극의 측면에 배치된 수지 중에 있어서, 체적률 3 내지 20％의 비율로 함유되어도 좋다.
이 태양 전지 모듈에 따르면, 측면의 영역에 있어서, 내부 응력을 완화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 특징에 관한 태양 전지 모듈에 있어서, 접속용 전극의 표면은 요철 형상을 갖고, 볼록 형상의 부분은 탭에 접해도 좋다.
이 태양 전지 모듈에 따르면, 접속용 전극의 일부가 탭에 접하고 있으므로, 접속용 전극과 탭의 전기적 접속을 양호하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 특징에 관한 태양 전지 모듈에 있어서, 접착층에 포함되는 수지는 접속용 전극에 사용되어 있는 수지 재료와 동일한 종류의 수지라도 좋다.
이 태양 전지 모듈에 따르면, 접속용 전극과 접착층의 접착 친화성(affinity)이 양호해져, 접착력을 더욱 강화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 모듈 출력의 저하를 억제하여 신뢰성을 향상시키는 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 태양 전지 셀의 단면도이다.
도 2는 종래의 태양 전지 셀의 확대 단면도이다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀의 단면도이다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀의 상면도이다.
도 5는 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀의 제1 확대 단면도이다.
도 6은 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀의 제2 확대 단면도이다.
도 7은 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀의 제3 확대 단면도이다.
도 8은 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀의 제4 확대 단면도이다.
도 9는 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀의 제5 확대 단면도이다.
도 10은 제1 실시예에 관한 태양 전지 모듈의 제조 방법을 도시하는 제1 단면도이다.
도 11은 제1 실시예에 관한 태양 전지 모듈의 제조 방법을 도시하는 제2 단면도이다.
도 12는 제1 실시예에 관한 태양 전지 모듈의 제조 방법을 도시하는 제3 단면도이다.
도 13은 제1 실시예에 관한 태양 전지 모듈의 제조 방법을 도시하는 제4 단면도이다.
도 14는 제1 비교예에 관한 태양 전지 셀의 확대 단면도이다.
도 15는 제1 비교예에 관한 태양 전지 모듈의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 16은 제1 실시예에 관한 태양 전지 셀의 상면도이다.
도 17은 온도 사이클 시험 후의 제1 및 제2 비교예에 관한 태양 전지 셀의 확대 단면도이다.
도 18은 온도 사이클 시험 후의 제1 및 제2 비교예에 관한 태양 전지 셀의 상면도이다.
도 19는 제1 실시예에 관한 태양 전지 셀에 있어서, 도전성 입자의 종류 및 밀도를 변화시켰을 때의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
다음에, 도면을 사용하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 붙이고 있다. 단, 도면은 모식적인 것으로, 각 치수의 비율 등은 현실의 것과는 상이한 것에 유의해야 한다. 따라서, 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작하여 판단해야 하는 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
(태양 전지 모듈)
본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀로서, HIT 구조를 갖는 태양 전지 셀을 예로 들어 이하에 대해 설명한다. 도 3은 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀의 단면도이고, 도 4는 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀의 상면도이다.
본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀은, 도 3에 도시한 바와 같이, n형 단결정 실리콘 기판(10d)의 상면측에는 i형 비정질 실리콘층(10c)을 개재하여 p형 비정질 실리콘층(10b)이 형성된다. 또한, p형 비정질 실리콘층(10b) 상에 ITO막(10a)이 형성되어 있다. 한편, n형 단결정 실리콘 기판(10d)의 하면측에는 i형 비정질 실리콘층(10e)을 개재하여 n형 비정질 실리콘층(10f)이 형성된다. 또한, n형 비정질 실리콘층(10f) 상에 ITO막(10g)이 형성되어 있다. ITO막(10a, 10g) 상에는, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 버스 바 전극(20) 및 핑거 전극(30)으로 이루어지는 집전극이 형성되어 있다. 집전극은 에폭시 수지를 바인더로 하는 동시에, 은 입자를 필러로 한 열경화형 도전성 페이스트로 형성되어 있다. 이와 같이, 태양 전지 셀은 광전 변환부(10)와, 광전 변환부(10) 상에 형성된 버스 바 전극(20) 및 핑거 전극(30)으로 이루어지는 집전극을 구비한다.
또한, 본 실시 형태에 관한 태양 전지 모듈은 복수의 태양 전지 셀의 버스 바 전극(20)끼리가 서로 동박 등의 도전재로 이루어지는 탭에 의해 전기적으로 접속된다. 서로 전기적으로 접속된 복수의 태양 전지 셀은 유리, 투광성 플라스틱 등의 투광성을 갖는 표면 보호재와, PET 등의 필름으로 이루어지는 이면 보호재 사이에, EVA 등의 투광성을 갖는 밀봉재에 의해 밀봉되어 있다.
다음에, 본 실시 형태에 관한 태양 전지 모듈에 있어서, 버스 바 전극(20)과 탭(40)의 접착에 대해 상세하게 설명한다.
본 실시 형태에 관한 태양 전지 모듈은, 도 5에 도시한 바와 같이 버스 바 전극(20)과 탭(40) 사이에, 복수의 도전성 입자(70)를 포함하는 수지(60)로 이루어지는 접착층을 구비한다. 버스 바 전극(20)과 탭(40)은 도전성 입자(70)를 통해 전기적으로 접속된다. 또한, 수지(60)는 버스 바 전극(20)의 측면까지 덮어 탭(40)과 광전 변환부(10)의 표면을 접착한다. 또한, 탭(40)은 동박 등의 금속제의 재료로 이루어지고, 이 주위에 주석 도금이 실시되어 있다.
수지(60)는, 예를 들어 에폭시계의 열경화형 수지이다. 도전성 입자(70)는, 예를 들어 니켈이다. 도 5에서는, 버스 바 전극(20)과 탭(40) 사이에는 일렬의 니켈 입자가 끼워져 있다. 버스 바 전극(20)과 탭(40)은 일렬의 니켈 입자를 통해 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 도 5에서는 일렬의 니켈 입자가 버스 바 전극(20)과 탭(40)을 전기적으로 접속하고 있으나, 복수열의 니켈 입자끼리가 연결됨으로써, 버스 바 전극(20)과 탭(40)이 전기적으로 접속되어도 좋다.
또한, 도전성 입자(70)로서는, 전기 전도성을 갖는 구리, 은, 알루미늄, 니켈, 주석, 금 등으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 입자, 혹은 이들의 합금 입자나 혼합 금속 입자 등을 적용할 수 있다. 또한, 알루미나, 실리카, 산화티탄, 유리 등으로부터 선택되는 1종 이상의 무기 산화물에 금속 코팅을 실시한 것이라도 좋고, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지 등으로부터 선택되는 1종 이상, 혹은 이들 수지의 공중합체, 혼합체 등에 금속 코팅을 실시한 것이라도 좋다. 또한, 도전성 입자(70)의 형상으로서는, 플레 이크 형상의 것과 구 형상의 것을 혼합하거나, 사이즈가 상이한 것을 혼합하거나, 혹은 표면에 요철 형상을 형성함으로써, 전기 전도성을 높이는 고안을 실시할 수도 있다.
또한, 버스 바 전극(20)의 주위를 코팅하는 수지(60)는 탭(40)의 온도 사이클에 의한 신축에 의한 스트레스를 완화하는 목적으로부터, 탭(40)에 사용하고 있는 재료보다도 유연성이 높은 재료인 것이 바람직하다. 또한, 탭(40)의 접착을 동시에 행하는 것도 고려하면, 수지(60)로서는, 열경화형의 수지 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 수지(60)는, 신뢰성을 유지하기 위해서는 내습성이나 내열성이 우수한 것이 요구된다. 이들을 만족시키는 수지로서는, 예를 들어 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지 등으로부터 선택되는 1종, 혹은 이들 수지의 혼합, 공중합 등을 적용할 수 있다.
또한, 버스 바 전극(20)과의 접착 친화성을 고려하면, 수지(60)는 버스 바 전극(20)에 사용되어 있는 수지 재료와 동일한 종류의 수지인 것이 바람직하다. 또한, 저온이고 또한 단시간에 경화시킬 수 있다는 점에서, 에폭시 수지나 아크릴 수지를 사용하는 것이 제조상 바람직하다. 또한, 이들 수지(60)가 필름 형상이고, 가열에 의해 용착할 수 있는 것이라도 좋다.
또한, 수지(60)와 도전성 입자(70)의 비율은 전기 전도성을 고려하여, 도전성 입자(70)가 수지(60)의 70 중량％ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 도전성 입자(70)는, 도 6에 도시한 바와 같이 버스 바 전극(20)의 측면에 배치된 수지 중(도 6에 있어서의 ×부분)에 있어서, 체적률 3 내지 20％의 비율로 함유되어 있는 것이 바람직하다. 이 체적률은 단면 SEM에 의해 관찰되는, 수지 중의 도전성 입자(70)의 면적률에 의해 측정할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀에 있어서, 도 7에 도시한 바와 같이, 접착층은 버스 바 전극(20)에 접속된 핑거 전극(30)의 당해 버스 바 전극(20)과의 접속 부분과 탭(40) 사이에 배치되어도 좋다. 또한, 도 8에 도시한 바와 같이, 핑거 전극(30)과 탭(40)은 도전성 입자(70)를 통해 전기적으로 접속되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시 형태에 관한 태양 전지 셀은, 도 9에 도시한 바와 같이, 버스 바 전극(20)의 표면은 요철 형상을 갖고, 볼록 형상의 부분은 탭(40)에 접해도 좋다.
(작용 및 효과)
본 실시 형태에 관한 태양 전지 모듈에 따르면, 유연성이 높은 수지(60)에 의해 버스 바 전극(20)과 탭(40)을 접착하고, 또한 수지(60)에 의해 광전 변환부(10)와 탭(40)까지도 접착되어 있으므로, 탭(40)과 광전 변환부(10)의 선팽창계수의 차이로부터 발생하고 있던 스트레스를 수지(60)에 의해 완화할 수 있다. 이로 인해, 도전성 페이스트(버스 바 전극)의 파괴, 도전성 페이스트와 광전 변환부의 계면의 박리 및 도전성 페이스트와 합금층의 계면의 박리를 억제할 수 있다. 이로 인해, 도전성 페이스트부의 파괴에 의한 접촉 저항의 증가를 방지하여, 모듈 출력의 저하를 억제할 수 있다. 이 결과, 태양 전지 모듈의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래, 버스 바 전극(20)이 연장하는 방향과 핑거 전극(30)이 연장하는 방향이 직교하므로, 이들의 교점에도 스트레스가 가해지고 있었다. 그로 인해, 이 교점 부분이 파괴됨으로써, 버스 바 전극(20)과 핑거 전극(30)의 접촉 불량이 발생하여, 모듈 출력의 저하를 일으키고 있었다. 본 실시 형태에 있어서는, 접착층은 버스 바 전극(20)에 접속된 핑거 전극(30)의 당해 버스 바 전극(20)과의 접속 부분과 탭(40) 사이에 배치된다. 이로 인해, 핑거 전극(30)과 탭(40)을 접착할 수 있어 더욱 접착력을 높일 수 있다.
또한, 핑거 전극(30)과 탭(40)은 도전성 입자(70)를 통해 전기적으로 접속된다. 이로 인해, 버스 바 전극(20)과 핑거 전극(30)의 접속이 끊긴 경우라도, 핑거 전극(30)으로부터 탭(40)으로 전기적으로 접속할 수 있다.
또한, 버스 바 전극(20)의 측벽에 배치한 수지 영역에 있어서는, 수지가 경화될 때에 수축함으로써 잔류하는 내부 응력이 존재하므로, 탭(40)과 수지(60)의 계면의 박리의 요인이 되기 쉽다. 본 실시 형태에서는, 도전성 입자(70)는 버스 바 전극(20)의 측면에 배치된 수지 중에 있어서, 체적률 3 내지 20％의 비율로 함유된다. 이로 인해, 측면의 영역에 있어서, 수지 중의 내부 응력을 완화시킬 수 있다. 즉, 도전성 입자(70)가 수지(60)끼리의 분자의 결합을 분단함으로써, 수지의 경화에 의한 수축은 억제된다. 그 결과, 수지 내에 잔류하는 응력을 작게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 버스 바 전극(20)의 표면은 요철 형상을 갖고, 볼록 형상의 부분은 탭(40)에 접해도 좋다. 이와 같이, 버스 바 전극(20)의 일부 가 탭(40)에 접하고 있으므로, 버스 바 전극(20)과 탭(40)의 전기적 접속을 양호하게 할 수 있다.
또한, 버스 바 전극(20)과 탭(40) 사이에 배치되는 접착층에 포함되는 수지는 버스 바 전극(20)에 사용되어 있는 수지 재료와 동일한 종류의 수지인 것이 바람직하다. 이와 같은 수지 구성으로 함으로써, 버스 바 전극(20)과 접착층의 접착 친화성이 양호해져, 접착력을 더욱 강화할 수 있다.
(태양 전지 모듈의 제조 방법)
다음에, 본 실시 형태에 관한 태양 전지 모듈의 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, 광전 변환부(10)의 제조 방법은 종래와 마찬가지이므로, 여기서는 설명을 생략한다. 다음에, 도 3에 도시한 바와 같이, 광전 변환부(10) 상에 에폭시계 열경화형 은 페이스트로 버스 바 전극(20) 및 핑거 전극(30)을 형성한다. 구체적으로는 광전 변환부(10)의 수광면측에 은 페이스트를 스크린 인쇄한 후, 150℃에서 5분간 가열함으로써 은 페이스트를 가경화시킨다. 계속해서, 광전 변환부(10)의 이면측에 은 페이스트를 스크린 인쇄한 후, 150℃에서 5분간 가열함으로써 은 페이스트를 가경화시킨다. 그 후, 200℃에서 1시간 가열함으로써 은 페이스트를 완전히 경화시킨다. 이에 의해, 태양 전지 셀이 형성된다.
다음에, 디스펜서를 사용하여, 도 5에 도시한 바와 같이 니켈 입자를 약 5체적％ 포함한 에폭시 수지를, 버스 바 전극(20) 상에 약 30㎛의 두께가 되도록 도포하는 동시에, 버스 바 전극(20) 측면을 약 100㎛씩 덮도록 도포한다.
복수의 태양 전지 셀에 대해, 수광면측 및 이면측의 양면에 수지를 도포한 후, 각각 도포된 수지 상에 탭(40)을 배치한다. 수광면측 및 이면측의 탭(40)을 태양 전지 셀을 향해 약 2㎫로 가압하면서 200℃에서 1시간 가열함으로써 스트링을 형성한다.
다음에, 복수개의 스트링을 전기적으로 접속한다. 계속해서, 유리, 밀봉 시트, 복수개의 스트링, 밀봉 시트, 이면 시트의 순으로 적층함으로써 적층체를 형성한다. 다음에, 이와 같은 적층체를, 진공 분위기에 있어서 150℃에서 10분간 가열 압착함으로써 가압착한다. 그 후, 150℃에서 1시간 가열함으로써, 밀봉재를 완전히 경화시킨다. 그 후, 단자 박스, 금속 프레임을 설치하여 태양 전지 모듈로 한다.
또한, 상기에서는 에폭시 수지를 버스 바 전극(20)에 도포하고, 그 위에 탭(40)을 배치하였으나, 금속 입자를 포함하는 수지 필름을 버스 바 전극(20) 상에 배치하고, 그 위에 탭(40)을 배치함으로써 스트링을 형성해도 좋다.
(그 밖의 실시 형태)
본 발명은 상기한 실시 형태에 의해 기재하였으나, 이 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것이라고 이해해서는 안된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시 형태, 실시예 및 운용 기술이 명백해질 것이다.
예를 들어, 본 발명은 광전 변환부(10)의 기재와, 복수의 태양 전지 셀을 접속하는 탭(40)의 코어재와의 선팽창계수의 차이가 존재하는 경우에 일어나는 문제를 해결하기 위해, 상기한 실시 형태에 기재한 구조로 한정되지 않는 것은 물론이다. 예를 들어, 이하의 경우에 있어서도, 본 발명을 적용할 수 있다. 구체적으로 는, 광전 변환부(10)의 기판으로서, 단결정 Si, 다결정 Si 등의 Si 기판, 혹은 스테인리스 기판이나 유리 기판 등의 비교적 선팽창계수가 작은 재료를 사용한다. 당해 기판 상에는 열확산이나 플라즈마 CVD법 등의 방법에 의해, 각종 광전 변환층이 형성된다. 광전 변환부 상에는 도전성 페이스트에 의해 전력 취출 기구가 형성된다. 도전성 페이스트 상에는 구리, 은, 알루미늄, 니켈, 주석, 금, 혹은 이들의 합금 등의 비교적 선팽창계수가 큰 재료를 코어재로 한 리드선이 접착된다. 이와 같은 구조를 갖는 태양 전지 셀에 있어서도, 본 발명은 적용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 여기서는 기재되어 있지 않은 다양한 실시 형태 등을 포함하는 것은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 상기한 설명으로부터 타당한 특허청구의 범위에 관한 발명 특정 사항에 의해서만 정해지는 것이다.
(실시예)
이하, 본 발명에 관한 박막계 태양 전지 모듈에 대해, 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 나타낸 것으로 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 변경하지 않는 범위에 있어서, 적절하게 변경하여 실시할 수 있는 것이다.
(제1 실시예)
본 발명의 제1 실시예에 관한 태양 전지 셀로서, 도 3, 도 4 및 도 6에 도시하는 태양 전지 셀을 이하와 같이 제작하였다. 이하의 제작 방법에서는, 공정을 공정 1 내지 4로 나누어 설명한다.
<공정 1> 광전 변환부 형성
우선, 도 3에 도시한 바와 같이, 세정함으로써 불순물이 제거된 약 1Ωㆍ㎝의 저항률과 약 300㎛의 두께를 갖는 n형 단결정 실리콘 기판(10d)을 준비하였다. 다음에, RF 플라즈마 CVD법을 사용하여 n형 단결정 실리콘 기판(10d)의 상면 상에 약 5㎚의 두께를 갖는 i형 비정질 실리콘층(10c)과, 약 5㎚의 두께를 갖는 p형 비정질 실리콘층(10b)을 이 순서로 형성하였다. 또한, RF 플라즈마 CVD법에 의한 i형 비정질 실리콘층(10c) 및 p형 비정질 실리콘층(10b)의 구체적인 형성 조건은 주파수 : 약 13.65㎒, 형성 온도 : 약 100 내지 250 ℃, 반응 압력 : 약 26.6 내지 80.0 ㎩, RF 파워 : 약 10 내지 100W였다.
다음에, n형 단결정 실리콘 기판(10d)의 하면 상에 약 5㎚의 두께를 갖는 i형 비정질 실리콘층(10e)과, 약 5㎚의 두께를 갖는 n형 비정질 실리콘층(10f)을 이 순서로 형성하였다. 또한, 이 i형 비정질 실리콘층(10e) 및 n형 비정질 실리콘층(10f)은 각각 상기한 i형 비정질 실리콘층(10c) 및 p형 비정질 실리콘층(10b)과 동일한 프로세스에 의해 형성하였다.
다음에, 마그네트론 스퍼터법을 사용하여 p형 비정질 실리콘층(10b) 및 n형 비정질 실리콘층(10f)의 각각의 위에, 약 100㎚의 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 200sccm, O2 가스 유량 : 약 50sccm, 파워 : 약 0.5 내지 3㎾, 자장 강도 : 약 500 내지 3000Gauss였다.
<공정 2> 집전극 형성
스크린 인쇄법을 사용하여, 에폭시계 열경화형의 은 페이스트를 수광면측의 투명 도전막의 소정 영역 상에 전사한 후, 150℃에서 5분간 가열함으로써 가경화시키고, 200℃에서 1시간 가열함으로써 완전히 경화시켰다. 이에 의해, 도 4에 도시한 바와 같이, 투명 도전막의 상면 상에 소정의 간격을 이격하여 서로 평행하게 연장되도록 형성된 복수의 핑거 전극(30)과, 핑거 전극(30)에 의해 수집된 전류를 집합시키는 버스 바 전극(20)으로 이루어지는 집전극을 형성하였다. 여기서는, 버스 바 전극(20)의 폭이 약 1.0㎜, 높이가 약 50㎛였다.
<공정 3> 스트링 형성
우선, 버스 바 전극(20) 상에, 디스펜서로 에폭시계 열경화형의 니켈 페이스트를 도포하였다. 구체적으로는, 도 10에 도시한 바와 같이, 버스 바 전극(20) 상에 약 30㎛의 두께가 되도록 니켈 페이스트를 도포하였다. 이때, 버스 바 전극(20)의 측면 외측을 니켈 페이스트가 약 100㎛씩 덮도록 니켈 페이스트를 도포하였다. 또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 핑거 전극(30)의 근원의 부분도 동시에 덮도록 도포하였다. 또한, 니켈 페이스트 중의 니켈 입자의 함유량은 체적률 약 5％의 것을 사용하였다.
수광면측, 이면측의 양쪽에 니켈 페이스트를 도포한 후, 버스 바 전극(20) 상에 탭(40)이 되는 폭 약 1.5㎜의 주석 도금 동박을 배치하였다. 그리고, 도 12에 도시한 바와 같이, 복수의 태양 전지 셀이 접속되도록 배열하였다. 가열부(80)에 의해 1매의 태양 전지 셀마다 상하로부터 끼우고, 2㎫의 압력을 가하면서 약 200℃에서 1시간 가열하였다. 이에 의해, 니켈 페이스트는 경화되어 스트링이 형 성되었다. 이와 같이 압력을 가하면서 경화함으로써, 니켈 입자를 주석 도금 동박과 버스 바 전극(20) 사이에 끼울 수 있으므로, 양호한 전기 전도성이 얻어졌다. 또한, 니켈 페이스트가 눌려 퍼져서, 탭(40)과 대략 동등한 폭으로 넓혀졌다. 또한, 도 13에 도시한 바와 같이, 핑거 전극(30)의 근원 부분이 약 200㎛에 걸쳐, 두께 약 20㎛의 니켈 페이스트로 덮인 구조로 되었다.
<공정 4> 모듈화
유리 기판으로 이루어지는 표면 보호재 상에 EVA 시트로 이루어지는 밀봉재를 적재한 후, 탭에 의해 접속한 복수의 태양 전지 셀을 배치하였다. 그리고, 그 위에, EVA 시트로 이루어지는 밀봉재를 더 적재한 후, PET/알루미늄박/PET의 3층 구조를 갖는 이면 보호재를 배치하였다. 이들을 진공 분위기에 있어서, 150℃에서 10분간 가열 압착함으로써 가압착하였다. 그 후, 150℃에서 1시간 가열함으로써 밀봉재를 완전히 경화시켰다. 이것에, 단자 박스, 금속 프레임을 설치하여, 제1 실시예에 관한 태양 전지 모듈을 제작하였다.
(제1 비교예)
제1 비교예에 관한 태양 전지 셀로서, 도 14에 도시하는 태양 전지 셀을 이하와 같이 제작하였다.
<공정 1> 제1 실시예와 동일한 방법으로 형성하였다.
<공정 2> 제1 실시예와 동일한 방법을 사용함으로써, 버스 바 전극(20)의 폭이 약 1.5㎜로 되도록 형성하였다.
<공정 3> 제1 비교예에서는 접착층이 버스 바 전극(20)으로부터 밀려나오지 않도록 형성하였다.
우선, 버스 바 전극(20) 상에 디스펜서로 에폭시계 열경화형의 니켈 페이스트를 도포하였다. 구체적으로는, 도 15에 도시한 바와 같이 버스 바 전극(20) 상에 폭 약 1.2㎜, 두께 약 30㎛가 되도록 도포하였다. 또한, 니켈 페이스트 중의 니켈 입자의 함유량은 체적률 약 5％의 것을 사용하였다.
수광면측, 이면측의 양쪽에 니켈 페이스트를 도포한 후, 버스 바 전극(20) 상에, 탭(40)이 되는 폭 약 1.5㎜의 주석 도금 동박을 배치하였다. 그리고, 도 12에 도시한 바와 같이, 복수의 태양 전지 셀이 접속되도록 배열하고, 가열부(80)에 의해 1매의 태양 전지 셀마다 상하로부터 끼우고, 2㎫의 압력을 가하면서 약 200℃에서 1시간 가열하였다. 이에 의해 니켈 페이스트를 경화시켜 스트링을 형성하였다. 이와 같이 압력을 가하면서 경화함으로써, 니켈 입자를 주석 도금 동박과 버스 바 전극(20) 사이에 끼울 수 있으므로, 양호한 전기 전도성이 얻어졌다. 또한, 니켈 페이스트가 눌려 펴져서, 탭(40)과 대략 동등한 폭으로 넓혀졌다.
<공정 4> 제1 실시예와 동일한 방법으로 형성하였다.
(제2 비교예)
제2 비교예에 관한 태양 전지 셀로서, 종래의 납땜에 의한 접착을 행한 태양 전지 셀을 이하와 같이 제작하였다.
<공정 1> 제1 실시예와 동일한 방법으로 형성하였다.
<공정 2> 제1 실시예와 동일한 방법을 사용함으로써, 버스 바 전극(20)의 폭이 약 1.5㎜로 되도록 형성하였다.
<공정 3> 버스 바 전극(20) 상에 탭(40)이 되는 폭 약 1.5㎜인 Sn-Ag-Cu 땜납 도금 동박을 배치하였다. 다음에, 도 12에 도시한 바와 같이 복수의 태양 전지 셀이 접속되도록 배치하였다. 그리고, 버스 바 전극(20)과 탭(40)을 땜납 접속함으로써 스트링을 형성하였다.
<공정 4> 제1 실시예와 동일한 방법으로 형성하였다.
(평가 방법)
제1 실시예 및 제1, 제2 비교예에 관한 태양 전지 모듈에 대해, 각각 온도 사이클 시험(JIS C8917)을 행하였다. 시험 전후에 있어서의 태양 전지 모듈의 출력의 비교, 탭 접속부의 단면 관찰 및 일렉트로 루미네센스법에 의한 발광 비교를 행하였다. JIS 규격에서는 200사이클 후의 출력 변화율로 규정되어 있으나, 금회에는, 또한 장기간의 내구성을 평가하기 위해, 400사이클의 시험을 행하였다. 태양 전지 모듈의 출력은 AM 1.5, 100㎽/㎠의 광조사 하에서 측정하였다.
단면 관찰은 도 16에 도시하는 화살표의 면으로 단면을 잘라내어, SEM 관찰을 행하였다. 1개의 샘플에 대해, 10개소씩 관찰을 행하였다.
일렉트로 루미네센스법은 Characterization of Polycrystalline Silicon Solar Cells by Electroluminescence(PVSEC-15, Shanghai, China : Oct. 2005.)를 참고로 행하였다. 구체적으로는, 태양 전지 모듈로 약 2A의 전류를 주입하고, CCD 카메라에 의해 그때의 적외 발광을 관찰하였다. 이 방법에 따르면, 전류의 저항이 크기 때문에 전류가 흐르기 어려운 영역이나, 소수 캐리어의 확산 길이가 짧은 영역에 있어서, 발광이 약해지기 때문에 어두운 부분으로서 표시된다.
(실험 결과)
표 1에 온도 사이클 시험에 의한 규격화 출력 저하율을 나타낸다.
Figure 112009025237080-PCT00001
출력 저하율은 (1 － 시험후 출력/시험전 출력) × 100(％)의 식으로부터 산출하고, 제2 비교예에 있어서의 출력 저하율을 1.00으로서 규격화하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예에 있어서의 규격화 출력 저하율은 제1 및 제2 비교예에 비해 작은 것을 알 수 있다.
또한, 단면 SEM 관찰을 한 결과, 온도 사이클 시험 전의 샘플에서는, 특별히 이상은 보이지 않았으나, 온도 사이클 시험 후의 샘플에서는 제1 및 제2 비교예에 있어서, 도 17에 도시한 바와 같은 균열이 관찰되었다. 한편, 제1 실시예에 있어서, 균열은 관찰되지 않았다. 표 1에서는, 균열이 관찰되지 않았던 샘플은 ○표로, 균열이 관찰된 샘플은 ×표로 표시하였다.
또한, 일렉트로 루미네센스법에 의한 발광을 본 결과, 온도 사이클 시험 전의 샘플에서는, 특별히 이상은 보이지 않았으나, 온도 사이클 시험 후의 샘플에서는 제1 및 제2 비교예에 있어서, 도 18에 도시한 바와 같은 암부가 보였다. 한편, 제1 실시예에 있어서는, 온도 사이클 시험 후에도 이와 같은 암부는 나타나지 않았다. 표 1에서는, 암부가 나타나지 않았던 샘플은 ○표로, 암부가 나타난 샘플은 ×표로 표시하였다.
(고찰)
제1 및 제2 비교예에 있어서는, 온도 사이클 시험 후에 버스 바 전극(20) 내의 균열이 관찰되었다. 또한, 제1 및 제2 비교예에서는 온도 사이클 시험 후의 일렉트로 루미네센스법에 의한 발광 시험에서 암부가 보이고 있다. 도 18의 A부에 도시한 바와 같은 핑거 전극(30)을 따라서 보이는 암부는 핑거 전극(30)의 근원(버스 바 전극과의 접속부)에서 단선이 발생하였으므로, 근원으로부터 끝까지 전류가 흐르기 어려운 것에 의해, 일렉트로 루미네센스법에 의한 발광이 약한 것이라고 생각된다. 또한, B부에 도시한 바와 같은 버스 바 전극(20)을 따라서 보이는 암부는 단면 SEM에서도 관찰된 버스 바 전극(20) 내의 균열에 의한 것이라고 생각된다. 이와 같은 균열은 온도 사이클 시험이 반복된 것에 의해, 선팽창계수가 크게 상이한 탭과 실리콘 기판 사이에 위치하는 버스 바 전극에 데미지가 축적되었기 때문에 발생한 것이라고 생각된다. 즉, 제1 및 제2 비교예에 있어서, 온도 사이클 시험에 의해 상술한 2종류의 집전극 손상이 일어나고 있는 것이라고 생각된다. 이와 같은 집전극의 손상에 의해 출력의 저하를 초래하고 있다고 생각된다.
한편, 제1 실시예에 있어서는, 버스 바 전극(20) 내의 균열 및 일렉트로 루미네센스법에서의 암부가 관찰되지 않았다. 또한, 제1 실시예에서는 온도 사이클 시험에서의 출력 저하가 대폭으로 경감되어 있다. 즉, 제1 실시예에서는 버스 바 전극(20)이 수지부에 의해 덮여 보강되어 있음으로써, 온도 사이클에 의해 일어나는 버스 바 전극(20) 내의 균열이 억제되어 있다. 또한, 제1 실시예에서는 핑거 전극(30)의 근원의 부분이 수지부에 덮여 있음으로써, 온도 사이클에 의해 일어나는 핑거 전극 근원 부분의 단선이 억제되어 있다. 그 결과, 온도 사이클 시험에 의한 출력 저하가 대폭으로 경감된 것이라고 생각된다.
(도전성 입자의 밀도에 관한 실험)
다음에, 도전성 입자의 입자량을 변화시킨 경우의 영향에 대해 조사하였다.
수지 영역 중의 도전성 입자의 종류와 도전성 입자의 밀도를 변화시킨 샘플을 상기 제1 실시예와 동일한 방법으로 제작하였다.
도전성 입자로서는, 은, 니켈의 2종류를 준비하고, 평균 입경을 10㎛로 하였다. 입자량은 수지 중의 체적률 0 내지 50％ 사이에서 조정하였다. 입자의 체적률이 50％를 초과하면, 수지의 접착 성능이 현저하게 떨어지므로, 0 내지 50％라는 범위로 하였다.
상기와 같이 제작한 태양 전지 모듈에 대해, 각각 온도 사이클 시험(JIS C8917)을 행하여, 시험 전후의 태양 전지 모듈의 출력을 측정하고, 출력 저하율을 비교하였다. 태양 전지 모듈의 출력은 AM 1.5, 100㎽/㎠의 광조사 하에서 측정하였다.
(실험 결과 및 고찰)
도 19에 있어서, 횡축은 수지 성분의 단면 SEM으로부터 관찰되는 도전성 입자의 면적률을 나타낸다. 또한, 종축은 규격화 출력 저하율을 나타낸다. 도전성 입자의 면적률은 단면 SEM으로부터 관찰되는 버스 바 전극의 측면 외측 영역(도 6의 ×부분)에 있어서의 도전성 입자 단면이 차지하는 비율을 산출하였다. 출력 저하율은 (1 － 시험후 출력/시험전 출력) × 100(％)의 식으로부터 산출하고, 제2 비교예에 있어서의 출력 저하율을 1.00으로서 규격화하였다.
도 19에 도시한 바와 같이, 수지 영역의 입자 면적률이 30％ 이상인 경우에 있어서는, 온도 사이클에 의한 규격화 출력 저하율이 제2 비교예와 동일한 정도로 되어 있다. 한편, 수지 영역의 입자 면적률이 25％ 이하인 경우에 있어서는, 온도 사이클에 의한 규격화 출력 저하율이 제2 비교예에 비해 작은 것을 알 수 있다. 이는, 수지 영역의 입자 면적률이 30％ 이상인 경우에는 도전성 입자가 밀하게 존재하는 버스 바 전극 영역과 마찬가지로 벌크의 결합력이 비교적 약하기 때문에, 온도 사이클에 의한 스트레스에 의해 균열이 발생하기 쉬운 것이라고 생각된다. 이와 같은 결합력이 강한 수지에 의해 버스 바 전극을 코팅함으로써, 버스 바 전극을 보강하는 효과가 얻어졌다고 생각된다.
또한, 수지 영역의 입자 면적률이 3 내지 20％의 범위에 있어서는, 온도 사이클에 의한 출력 저하를 억제하는 효과가 더욱 높게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이는, 수지 영역의 입자 면적률이 큰 경우(25％ 이상)에는, 전술한 바와 같이 벌크의 결합력이 약해지기 때문에, 온도 사이클에 의한 스트레스에 의해 균열이 발생하기 쉬운 것이라고 생각된다. 그 결과, 온도 사이클 시험에 의한 출력 저하를 초래하기 쉬운 경향이 보이고 있다고 생각된다. 또한, 반대로 수지 영역의 입자 면적률이 작은 경우(0％)에는 경화 시에 발생한 수축 응력이 크기 때문에, 탭이나 광전 변환부와 수지의 계면의 박리가 발생하기 쉽게 되어 있다고 생각된다. 그 결과, 온도 사이클 시험에 의한 출력 저하를 초래하기 쉬운 경향이 보이고 있다고 생각된다. 즉, 수지 중에 적절히 입자를 포함함으로써, 수지 중의 분자의 결합을 분단할 수 있으므로, 수지 중에 내재하는 내부 응력을 완화할 수 있다. 이 결과, 수지 영역과 광전 변환부의 계면, 혹은 수지 영역과 탭의 계면에서의 박리를 억제할 수 있다. 이상으로부터, 온도 사이클 내성이 더욱 우수한 태양 전지 모듈을 얻을 수 있다.
또한, 일본 특허 출원 제2006-265871 호(2006년 9월 28일 출원)의 전체 내용이 참조에 의해 본원 명세서에 포함되어 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 태양 전지 모듈에 따르면, 모듈 출력의 저하를 억제함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있으므로, 태양광 발전에 있어서 유용하다.

Claims (6)

  1. 표면 보호재와 이면 보호재 사이에 복수의 태양 전지 셀이 배치되고, 상기 태양 전지 셀의 접속용 전극끼리를 탭에 의해 서로 전기적으로 접속하여 이루어지는 태양 전지 모듈이며,
    상기 접속용 전극과 상기 탭 사이에 복수의 도전성 입자를 포함하는 수지로 이루어지는 접착층을 구비하고,
    상기 접속용 전극과 상기 탭은 상기 도전성 입자를 통해 전기적으로 접속되고,
    상기 수지는 상기 접속용 전극의 측면까지 덮어 상기 탭과 상기 태양 전지 셀의 표면을 접착하는 것을 특징으로 하는, 태양 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접속용 전극은 버스 바 전극이고,
    상기 접착층은 상기 버스 바 전극에 접속된 핑거 전극의 당해 버스 바 전극과의 접속 부분과 상기 탭 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 태양 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 핑거 전극과 상기 탭은 상기 도전성 입자를 통해 전기적으로 접속하는 것을 특징으로 하는, 태양 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도전성 입자는 상기 접속용 전극의 측면에 배치된 수 지 중에 있어서, 체적률 3 내지 20％의 비율로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는, 태양 전지 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접속용 전극의 표면은 요철 형상을 갖고, 볼록 형상의 부분은 상기 탭에 접하는 것을 특징으로 하는, 태양 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 접착층에 포함되는 수지는 상기 접속용 전극에 사용되어 있는 수지 재료와 동일한 종류의 수지인 것을 특징으로 하는, 태양 전지 모듈.
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