KR20100006205A - Ｃｉｇｓ 태양전지 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CIGS 태양전지 모듈로서, 다각형의 평판 형태로 이루어진 하부 유리판; 상기 하부 유리판 위에 적층되는 EVA 수지로 이루어진 하부 충진재; 상기 하부 충진재 위에 적층되며, 다수개의 CIGS 태양전지가 리본으로 직렬연결되어 그리드 형태를 가진 CIGS 태양전지판; 상기 태양전지판 위에 적층되는 EVA 수지로 이루어진 상부 충진재; 및 상기 상부 충진재 위에 적층되는 다각형의 평판 형태로 이루어진 상부 유리판;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈은 건자재일체형 태양전지 모듈(BIPV)로써, 건축물의 외벽 및 창호 대체용으로 사용될 수 있어 태양전지의 발전 전력을 이용할 수 있으며, 본 발명의 태양전지 모듈은 복층유리 구조이므로 전기적 절연효과가 있다. 또한, 하부 유리판과 태양전지의 기판의 재질이 공통적으로 유리이므로 이후 재생을 위한 분리공정시 태양전지와 하부 유리판의 분리가 용이한 효과가 있다.
CIGS, 태양전지 모듈, 상하부 유리판, 소다석회 유리기판, 광전효율
Description
본 발명은 CIGS 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CIGS 태양전지 모듈에 있어서 상부 유리판과 하부 유리판 사이에 기판이 유리로 된 다수개의 태양전지를 금속 리본을 이용해 직렬연결되고 상부 유리판과 태양전지, 태양전지와 하부 유리판 사이에 충진재가 투입되고 라미네이트 처리하여 완성되는 구성을 가진 CIGS 태양전지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 에너지 및 환경문제로 인하여 태양전지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 건축물의 외벽 및 창호 대체용으로 사용할 수 있는 건자재일체형 태양전지 모듈(BIPV)을 제조함으로써 태양전지의 발전 전력을 이용할 수 있도록 하는 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
또한, 태양전지 모듈은 옥외에서 사용된다는 점에서 긴 수명과 내구성이 요구되기 때문에 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 수지를 태양전지 모듈의 접착제로서 사용하여 표면유리 또는 백시트를 붙이는 것이 통상적이다.
현재 활발하게 사용되고 있는 결정계 실리콘 태양전지 모듈의 구조는 표면유 리/EVA수지/결정계 실리콘 태양전지 디바이스/EVA수지/백시트로 이루어지며, 일정한 전력을 얻기 위해서 다수개의 태양전지 디바이스는 다수개의 태양전지 셀 각각을 2개의 금속리본으로 안밖 또는 상하로 교대로 접속한 구조로 이루어진다.
또한, 태양전지는 빛이 입사되는 수광면 측에 상부전극이 위치되고 유리기판 바로 위에 적층된 물질이 하부전극을 이루도록 구성된다.
그러나, 종래의 이와 같은 결정계 실리콘 태양전지 모듈은 복수개의 셀을 1장씩 고정시키는 공정이 필요하고 또한, 한 셀의 상부전극에 도포된 리본과 이웃한 셀의 하부전극에 도포된 리본의 위치를 맞추는 정교한 공정이 요구된다.
또한, 실리콘 가격의 상승으로 인하여 실리콘 태양전지 모듈은 경쟁력면에서도 합리적이지 않다.
또한, 이와 같은 실리콘 태양전지 모듈은 주로 건축물의 지붕에 설치하는 것에 고려된 모듈구조이므로 건축물 창호대체용으로는 적합하지 않은 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 현재 사용중인 실리콘 태양전지 이외에 차세대 태양전지로 Si박막 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기태양전지 등을 활용하기 위한 방안 및 이와 같은 차세대 태양전지의 광전효율을 높이기 위한 방안이 많이 연구되고 있는 실정이다.
본 출원인은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 CIGS 박막 태양전지를 이용한 모듈제조에 관하여 꾸준하게 연구한 결과 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 CIGS 태양전지 모듈에 있어서 건자재일체형 태양전지 모듈(BIPV)로서 사용될 수 있도록, 상부 유리판과 하부 유리판 사이에 기판이 유리로 된 다수개의 태양전지를 금속리본을 이용해 직렬연결하고 상부 유리판과 태양전지, 태양전지와 하부 유리판 사이에 충진재가 투입되고 라미네이트 처리하여 완성되는 구성을 가진 CIGS 태양전지 모듈 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈은
다각형의 평판 형태로 이루어진 하부 유리판;
상기 하부 유리판 위에 적층되는 EVA 수지로 이루어진 하부 충진재;
상기 하부 충진재 위에 적층되며, 다수개의 CIGS 태양전지가 리본으로 직렬연결되어 그리드 형태를 가진 CIGS 태양전지판;
상기 태양전지판 위에 적층되는 EVA 수지로 이루어진 상부 충진재; 및
상기 상부 충진재 위에 적층되는 다각형의 평판 형태로 이루어진 상부 유리판;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CIGS 태양전지판의 CIGS 태양전지는
소다석회 유리기판;
상기 소다석회 유리기판 위에 증착된 하부전극층인 몰리브덴(Mo)층;
상기 몰리브덴층 위에 증착된 p형 태양광 흡수층인 CIGS층;
상기 CIGS층 위에 증착된 n형 버퍼층인 CdS층;
상기 CdS층 위에 증착된 ZnO층; 및
상기 ZnO층 위에 증착된 투명전극층;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양전지는 하나 또는 다수개의 태양전지 셀로 구성되는 것을 ㅌ특징으로 한다.
또한, 상기 태양전지는 일측에는 상부전극과 접속되는 리본이 연결되고 이에 대응되는 타측에는 하부전극과 접속되는 리본이 연결되도록, 상기 하부전극인 몰리브덴층은 상기 CIGS층 내지 상기 투명전극층이 증착되지 않는 일부분이 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 n형 버퍼층은 ZnS, ZnSe, ZnO, 또는 In-Se 화합물 또는 In-S 화합물에서 선택된 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 CIGS 태양전지는
상기 소다석회 유리기판으로부터 나트륨(Na)이 확산되는 양을 조절할 수 있도록, 상기 소다석회 유리기판과 몰리브덴(Mo)층 사이에 크롬 또는 니켈 또는 크롬과 니켈의 합금 중 어느 하나로 구성된 매개층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈 제조방법은,
다각형 평판형태의 하부 유리기판 위에 하부 EVA 충진재를 배치하고,
상기 하부 EVA 충진재 위에 다수개의 CIGS 태양전지들이 리본으로 직렬 연결 된 그리드 형태의 CIGS 태양전지판을 배치하며,
상기 CIGS 태양전지판 위에 상부 EVA 충진재를 배치하고,
상기 상부 EVA 충진재 위에 다각형 평판형태의 상부 유리기판을 배치한 다음, 라미네이터를 이용하여 100~120℃에서 압축시켜 모듈을 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈은 건자재일체형 태양전지 모듈(BIPV)로써, 건축물의 외벽 및 창호 대체용으로 사용될 수 있어 태양전지의 발전 전력을 이용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 태양전지 모듈은 복층유리 구조이므로 전기적 절연효과가 있다.
또한, 하부 유리판과 태양전지의 기판의 재질이 공통적으로 유리이므로 이후 재생을 위한 분리공정시 태양전지와 하부 유리판의 분리가 용이한 효과가 있다.
또한, CIGS 태양전지 구조에 매개층을 더 포함시킴으로서 몰리브덴층과 유리기판과의 접착력을 향상되어 고온공정 중 몰리브덴층이 유리기판으로부터 박리되는 현상을 방지할 수 있고, 조절되는 나트륨 확산량에 의해 광전효율이 향상되는 효과가 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈의 바람직한 실시예를 보인 사시 도, 도 2는 도 1의 CIGS 태양전지의 구조 단면 및 리본 연결을 나타내는 예시도, 도 3은 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈의 분해사시도, 도 4의(a) 및 (b)는 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈의 리본 연결상태 예시를 나타내는 간략도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈은 다각형의 평판 형태로 이루어지고, 그 내부에 다수개의 태양전지(320)들이 리본(340)에 의해 직렬로 연결된 그리드 형태로 되어 있다.
구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈은 하부 유리판(100), 하부 충진재(200), CIGS 태양전지판(300), 상부 충진재(400), 및 상부 유리판(500)이 순차적으로 적층된 후, 라미네이트 처리하여 제조된다.
상부 유리판(500) 및 하부 유리판(100)은 태양광 투과율이 높으면서도 유리파손이 방지되는 저철분 강화유리가 바람직하다.
상/하부 충진재(200,400)는 상부 유리판(500)과 CIGS 태양전지판(300), CIGS 태양전지판(300)과 하부 유리판(100) 사이에 게재되는 것으로서, 태양전지를 외부 충격으로부터 보호해주는 역할과 습기 침입 및 태양전지 전극의 부식방지 등의 역할을 한다.
상/하부 충진재(200,400) 재질로는 투명성, 완충성, 탄성, 인장강도가 우수하고 접착력과 투과율이 우수하며 자외선에 강한 합성수지재인 EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 필름이 바람직하다.
CIGS 태양전지판(300)은 다수개의 CIGS 태양전지(320)를 금속리본(340)으로 직렬연결하여 그리드 형태로 구성된 것으로, CIGS 태양전지(320)는 기판으로 소다 석회 유리기판(10)이 사용되고, 그 위에 하부전극으로 몰리브덴(Mo)층(20), 그 위에 태양광흡수층인 CIGS층(30), 버퍼층인 CdS층(40), 윈도우층인 ZnO층(50) 및 투명전극층(60)이 순차적으로 적층되며, 최상부에 포집효율을 높이도록 상부전극(미도시)이 연결된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 태양전지(320)는 2개의 태양전지 셀로 구성되며, 태양전지(320) 일측에는 상부전극과 접속되는 리본이 연결되고 이에 대응되는 타측에는 하부전극과 접속되는 리본이 연결된다.
비록 본 발명에서는 하나의 태양전지(320) 내에 2개의 태양전지 셀이 구성되도록 하였으나, 이에 국한되지 않고 1개 또는 다수개의 태양전지 셀이 하나의 태양전지 내에 구성될 수도 있음은 물론이다.
또한, 하부전극인 몰리브덴층(20)이 금속리본(340)과 납땜 등으로 연결될 수 있도록, 태양전지 일측의 몰리브덴층 위에는 상기 CIGS층 내지 상기 투명전극층이 증착되지 않는 일정 폭을 가진 일부분을 형성하는 것이 바람직하다.
이것은 몰리브덴층에 일정 폭의 여유분을 남기고 CIGS층(30)으로부터 투명전극층(60)을 순차적으로 적층함으로써 형성될 수 있다.
도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 태양전지 모듈을 제조하기 위해 다수개의 태양전지들을 직렬로 연결되도록 배치시, 어느 하나의 태양전지의 상부전극에 연결된 리본과 이웃한 태양전지의 하부전극에 연결된 리본을 서로 연결한다. 또한, 상기 리본(340)의 단부는 외부로 인출되어 정션박스(미도시)내 케이블에 연결된다.
물론 별도의 와이어(미도시)를 이용하여 상부전극의 리본(340)과 하부전극의 리본(340)을 연결할 수 있음은 물론이다.
또한, 태양전지들의 직렬연결 방법은 예시된 방법에 국한되지 않고 다양한 연결방법에 따라 수행될 수 있음은 물론이다.
이하에서, 도 2의 CIGS 태양전지의 제조에 사용되는 적층물질을 간략하게 설명한다.
소다석회 유리기판(10)은 열팽창계수가 20~300℃에서 대략 9×10-6/K이고 최대 600℃까지 견딜 수 있는 소재로서, 나트륨(Na)과 칼륨(K)을 함유하고 있다.
몰리브덴(Mo)층(20)은 스퍼터링법에 의해 유리기판(10) 위에 증착된 하부전극층이다. 몰리브덴층(30)의 열팽장계수는 20~600℃에서 대략 4.8×10-6/K ~ 5.9×10-6/K 정도로 매우 낮은 편이기 때문에 박리현상이 일어나지 않도록 직류 스퍼터링법에 의해 증착한다.
CIGS층(30)은 동시증착법에 의해 Cu(In,Ga)Se2 반도체가 증착된 p형 태양광 흡수층이다.
CdS층(40)은 CIGS층(30) 위에 용액성장법을 이용하여 증착된 n형 버퍼층이다. CdS층(40)은 CIGS층(30)의 p형 반도체인 Cu(In,Ga)Se2와 윈도우 역할을 하는 ZnO층(50)을 이루는 n형 반도체인 ZnO와의 격자상수 및 에너지밴드 갭 차이가 너무 크므로 이를 완화해주기 위해 사용된다. CdS의 에너지밴드값은 p형 반도체와 n형 반도체의 에너지밴드갭 값의 중간 정도의 크기를 가진다.
물론, CdS의 Cd가 중금속이므로, CdS 대신에 환경적 영향을 고려하여 ZnS, ZnSe, ZnO, 또는 In-Se 화합물 또는 In-S 화합물이 사용될 수 있음은 물론이다.
ZnO층(50) 및 투명전극층(60)은 스퍼터링법에 의해 순차적으로 증착된 전극층으로, 광투과율과 전기전도성이 높아야 한다. 또한, ZnO층(50) 및 투명전극층(60)은 광투과율과 전기전도성이 높도록, ZnO층(50)의 산화아연은 무첨가(intrinsic) 산화아연인 ZnO:i 가 사용되는 것이 바람직하며, 투명전극층(60)은 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 또는 산화인듐주석(ITO) 등으로 구성될 수 있으나, 바람직하게는 광투과율과 전기전도성이 높은 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연인 AZO(ZnO:Al)가 많이 사용된다.
이때, 전극층에서의 전도율을 높일 수 있도록 투명전극층(60)이 증착된 이후에 최상부에 금속선 전극을 배치하여 상부전극을 형성한다. 금속으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같은 반사율이 높은 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이와 같은 투명전극층(60)은 하부의 몰리브덴층(20)과 금속리본으로 연결되어 태양전지들이 전기적으로 직렬로 연결되도록 한다.
상술한 바와 같이 적층된 구조의 CIGS 태양전지는, 소다석회 유리기판(10)의 나트륨 확산량을 조절하여 태양전지의 광전효율을 향상시키고 또한, 몰리브덴층(20)과 CIGS층(30)간의 접착력도 향상되도록 유리기판(10)과 몰리브덴층(20) 사이에 매개층(미도시)을 구비하는 것도 바람직하다.
매개층은 소다석회 유리기판(10)위에 몰리브덴층(20)을 증착하기 전에 스퍼터링법에 의하여 매우 얇게 증착시킨 층으로서, 매개층의 성분은 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 또는 크롬과 니켈의 합금(alloy)으로 구성된다. 층 두께는 대략 5Å ~ 1000Å이 바람직하다.
이와 같은 매개층은 열팽창계수의 차이가 큰 몰리브덴층(20)과 유리기판(10) 사이의 접착력을 향상시켜 몰리브덴층(20)이 유리기판(10)으로부터 박리되는 것을 방지하며, 유리기판(10)으로부터의 나트륨(Na)의 확산량을 정밀조절하여 태양전지의 광전효율을 높인다.
상술한 구조를 가진 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈은 다음의 단계를 따라 제조된다.
우선, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, CIGS 태양전지들이 금속리본으로 직렬 연결된 그리드 형태의 CIGS 태양전지판(300)을 준비한다. 이때, 상기 리본(340)의 단부는 외부로 인출되어 정션박스(미도시)내 케이블에 연결될 수 있도록 적절한 크기를 갖춘다.
그런 다음, 다각형 평판형태로 된 일정 두께의 하부 유리기판(100)을 준비한다.
다음, 상기 하부 유리기판(100) 위에 하부 EVA 충진재(200)를 배치한다.
다음, 하부 EVA 충진재(200) 위에 본 발명에 따른 CIGS 태양전지판(300)을 배치한다. 이때 상기 리본(340)의 단부가 외부로 인출되도록 한다.
그런 다음, 그 위에 상부 EVA 충진재(400)를 다시 배치한다.
마지막으로 상기 상부 EVA 충진재(400) 위에 다각형 평판형태로 된 일정 두께의 상부 유리기판(500)을 배치한 다음, 라미네이션을 이용하여 100~120℃에서 일정시간 압축시켜 상/하부 EVA 충진재(200,400)들을 녹여 압축시키면 상부 유리기판(500)과 CIGS 태양전지판(300) 및 하부 유리기판(100)이 강력하게 라미네이팅 처리되어 CIGS 태양전지 모듈이 완성된다.
이와 같은 구성을 가진 CIGS 태양전지 모듈은 건자재일체형 태양전지 모듈(BIPV)로써, 건축물의 외벽 및 창호 대체용으로 태양전지의 발전 전력을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 태양전지 모듈은 복층유리 구조이므로 전기적 절연효과가 있다.
또한, 하부 유리판과 태양전지의 기판의 재질이 공통적으로 유리이므로 이후 재생을 위한 분리공정시 태양전지와 하부 유리기판의 분리가 용이한 장점이 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정이나 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈의 바람직한 실시예를 보인 사시도.
도 2는 도 1의 CIGS 태양전지의 구조 단면 및 리본 연결을 나타내는 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈의 분해사시도.
도 4의(a) 및 (b)는 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 모듈의 리본 연결상태 예시를 나타내는 간략도.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
10: 유리기판 20: 몰리브덴층
30: CIGS층 40: CdS층
50: ZnO층 60: 투명전극층
100: 하부 유리기판 200: 하부 충진재
300: CIGS 태양전지판 320: CIGS 태양전지
340: 리본 400: 상부 충진재
500: 상부 유리판
Claims (7)
- 다각형의 평판 형태로 이루어진 하부 유리판;상기 하부 유리판 위에 적층되는 EVA 수지로 이루어진 하부 충진재;상기 하부 충진재 위에 적층되며, 다수개의 CIGS 태양전지가 리본으로 직렬연결되어 그리드 형태를 가진 CIGS 태양전지판;상기 태양전지판 위에 적층되는 EVA 수지로 이루어진 상부 충진재; 및상기 상부 충진재 위에 적층되는 다각형의 평판 형태로 이루어진 상부 유리판;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지 모듈.
- 제 1 항에 있어서,상기 CIGS 태양전지판의 CIGS 태양전지는소다석회 유리기판;상기 소다석회 유리기판 위에 증착된 하부전극층인 몰리브덴(Mo)층;상기 몰리브덴층 위에 증착된 p형 태양광 흡수층인 CIGS층;상기 CIGS층 위에 증착된 n형 버퍼층인 CdS층;상기 CdS층 위에 증착된 ZnO층; 및상기 ZnO층 위에 증착된 투명전극층;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지 모듈.
- 제 2 항에 있어서,상기 CIGS 태양전지는 하나 또는 다수개의 CIGS 태양전지 셀로 구성되는 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지 모듈.
- 제 2 항에 있어서,상기 태양전지 일측에는 상부전극과 접속되는 리본이 연결되고 이에 대응되는 타측에는 하부전극과 접속되는 리본이 연결되도록, 상기 하부전극인 몰리브덴층은 상기 CIGS층 내지 상기 투명전극층이 증착되지 않는 일부분이 형성되는 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지 모듈.
- 제 2 항에 있어서,상기 n형 버퍼층은 ZnS, ZnSe, ZnO, 또는 In-Se 화합물 또는 In-S 화합물에서 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지 모듈.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 CIGS 태양전지는상기 소다석회 유리기판으로부터 나트륨(Na)이 확산되는 양을 조절할 수 있도록, 상기 소다석회 유리기판과 몰리브덴(Mo)층 사이에 크롬 또는 니켈 또는 크롬과 니켈의 합금 중 어느 하나로 구성된 매개층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지 모듈.
- 다각형 평판형태의 하부 유리기판 위에 하부 EVA 충진재를 배치하고,상기 하부 EVA 충진재 위에 다수개의 CIGS 태양전지들이 리본으로 직렬 연결된 그리드 형태의 CIGS 태양전지판을 배치하며,상기 CIGS 태양전지판 위에 상부 EVA 충진재를 배치하고,상기 상부 EVA 충진재 위에 다각형 평판형태의 상부 유리기판을 배치한 다음, 라미네이터를 이용하여 100~120℃에서 압축시켜 모듈을 제조하는 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지 모듈 제조방법.
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- 2008-07-09 KR KR1020080066335A patent/KR20100006205A/ko not_active Application Discontinuation
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