KR20100134404A - 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
태양전지 모듈이 개시된다. 상기 태양전지 모듈은, 상면에 제1 전극패드가 마련되고, 층간 도통을 위한 제1 비아에 의해 관통되는 제1 태양전지기판; 상기 제1 전극패드와 접속되는 접속패턴, 및 상기 접속패턴과 전기적으로 연결되고 상기 제1 비아와 접속되는 재배선패턴을 포함하며, 상기 제1 태양전지기판의 상면에 결합되는 광투과성 광투과성 집광판; 및 상기 제1 태양전지기판보다 짧은 에너지 밴드갭을 가지며, 상기 제1 태양전지기판의 하면에 결합되는 제2 태양전지기판을 포함한다. 이러한 태양전지 모듈은 높은 변환 효율을 가짐과 동시에 제조가 용이하다.
태양전지, 웨이퍼, 적층
Description
본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 다중 적층 웨이퍼를 이용한 태양에너지 이용의 효율을 높이기 위한 것이다. 태양광전지는 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 반도체 소자 로서 무공해, 무소음, 무한 공급 에너지라는 이유로 최근 들어 대체에너지원으로 각광 받고 있다. 이와 같이 태양광전지는 전도성 리본을 통하여 직병렬로 연결되는 다수의 태양전지 셀에 의해 사용자가 필요로 하는 전력을 발생하고 사용자는 이 전력을 이용하여 상용전원 등으로 사용할 수 있다.
종래의 태양광전지는 종류에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 크게 분류할 수 있으며, 현재 상용화되어 시판되고 있는 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지 등으로 태양전지의 에너지변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 18%, 다결정 실리콘 태양전지 15%, 비정질 실리콘 태양전지 10% 정도이다. 태양전지 제조기술 개발은 주로 신뢰성 및 에너지 변환효율 향상, 저가화에 주요 포인트를 두고 기술개발을 추진하고 있으며, 태양광 발전시스템의 설치비용 중 태양전지가 약 40%이상을 차지하고 있어 태양전지의 저가화는 태양광발전의 핵심기술이라고 할 수 있다.
태양광의 스펙트럼은, 지상에서는 600nm부근을 피크로 하여 자외선부터 원적외선까지 넓은 파장 영역을 가지고 있다. 이와 같은 태양광을 수광하고, 효율적으로 전기 에너지로 변환하기 위해서는, 단일 에너지 밴드갭에 의존하는 태양 전지에서는, 용할 수 있는 스펙트럼 범위가 한정되어서, 광전 변환의 효율을 높이는 데에는 한계가 있다. 그러므로, 태양광의 스펙트럼을 복수의 감도 파장 대역으로 분할하고, 각각의 감도 파장 대역별로 효율적으로 광전 변환할 수 있는 여러 종류의 태양 전지 모듈(또는, 요소 태양 전지, 또는 태양 전지층을 만들어, 그것들을 태양광의 입사측으로부터 감도 파장 대역의 중심 파장이 짧은(밴드갭이 큰) 순서로 적층하고, 광범위한 태양광 스펙트럼을 흡수하여 광전 변환하는 구조를 가지는 태양 전지가 제안되어 있다.
지금까지 제안된 종래의 태양 전지는 다음과 같다.
(a) 광학적 필터 미러를 통해 복수의 파장 대역으로 분할하고, 각각의 감도 파장 대역에 적합한 복수 종류의 독립된 태양 전지 모듈을 각 광로 상에 배치한 태양 전지. 이것은, N.S.Alvi, C.E.Bakus and G.W.Madesen, “Potential For Increasing the Efficiency of Photovoltaic Systems by Using Multiples Cell Concept”, Conf. Proc. 12th IEEE Photovoltaic Specialist Conference 957(1976)에 기재되어 있다.
(b) 공통 기판상에 에너지 밴드갭이 상이한 복수의 반도체층을 축차적으로 결정 성장시켜서 2층의 태양 전지층을 일체로 적층한 태양 전지.
(c) 감도 파장 대역(밴드갭)이 상이한 반도체를 사용하여 복수 종류의 태양 전지 패널을 개별적으로 만들어, 태양광의 광로 상에 이들 태양 전지 패널을 배치한 태양 전지.
상기 (b)와 (c)는, A.W.Bett, F.Dimroth, G.Stollwerck, O.V.Sulima “III－V Compounds For Solar Cell Applications” Appl.Phys.A69, 119-129(1999)에 기재되어 있다.
상기 (a) ~ (c)에서, 적층형 태양 전지를 구성하는 요소 태양 전지는, 모두 평면형의 반도체 웨이퍼 또는 반도체층에 pn접합이 형성되어 있다. 상기 (a)의 태양 전지는, 필터 미러의 광학적 손실에 의한 성능 저하와 비용이 많이 들며, 복수의 요소 태양 전지 사이의 공간이 크고, 그들의 위치 결정과 고정 등이 곤란한 문제점이 있다.
상기 (b)의 태양 전지는, 하나의 기판상에 결정 성장 가능한 반도체의 종류가 결정 구조나 격자 상수의 차이에 의해 제약을 받고, 밴드갭이 상이한 바람직한 형태의 pn접합 형성이 곤란하다. 게다가, 적층된 태양 전지층 사이에 전류가 흐르도록 터널 접합이 필요하지만, 상기 터널 접합의 부분의 저항이 높다. 또한, 적층된 복수의 태양 전지층의 광 전류의 크기가 고르지 않기 때문에, 태양 전지 전체의 출력 전류가 가장 낮은 쪽의 태양 전지층에 의하여 제한되는 문제점이 있다.
상기 (c)의 태양 전지는, (b)의 태양 전지와 같은 결정 성장상의 제약은 없지만, 태양광 입사측의 요소 태양 전지에는, 상기 요소 태양 전지로 흡수하지 않는 파장 대역의 광을 통하는 창이 필요하다. 요소 태양 전지의 적층 수나 수광 면적을 증가시키면, 빗형의 전극 부분의 면적 증가, 요소 태양 전지끼리의 위치가 어긋나서 유효한 수광 면적이 감소되는 결점이 있다. 또, (b)의 태양 전지의 경우와 마찬가지로, 단일 pn접합으로 이루어지는 요소 태양 전지를 적층하기 위해, 각 요소 태양 전지의 출력 전류의 크기가 고르지 않고 태양 전지 전체의 출력이 출력 전류가 적은 요소 태양 전지에 의해 제한되는 문제점이 남게 된다.
본 발명은 높은 변환 효율을 가짐과 동시에 제조가 수월한 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상면에 제1 전극패드가 마련되고, 층간 도통을 위한 제1 비아에 의해 관통되는 제1 태양전지기판; 상기 제1 전극패드와 접속되는 접속패턴, 및 상기 접속패턴과 전기적으로 연결되고 상기 제1 비아와 접속되는 재배선패턴을 포함하며, 상기 제1 태양전지기판의 상면에 결합되는 광투과성 집광판; 및 상기 제1 태양전지기판보다 짧은 에너지 밴드갭을 가지며, 상기 제1 태양전지기판의 하면에 결합되는 제2 태양전지기판을 포함하는 태양전지 모듈이 제공된다.
상기 제1 태양전지기판과 상기 제2 태양전지는 웨이퍼 레벨일 수 있으며, 상 기 광투과성 집광판에는 상기 제1 태양전지기판으로의 집광을 위한 렌즈가 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 비아의 위치에 상응하는 제2 태양전지기판에는, 층간 도통을 위한 제2 비아가 마련되고, 상기 제1 비아와 상기 제2 비아는 도전성 매개물에 의해 접속될 수 있다. 이 때, 상기 도전성 매개물은 솔더범프일 수 있다.
한편, 상기 제1 태양전지기판과 상기 제2 태양전지기판 사이에는 접착제가 개재되며, 상기 접착제에는 상기 제1 태양전지기판을 투과한 빛이 산란되도록 비드(bid)가 포함될 수도 있다.
한편, 상기 제2 태양전지기판보다 짧은 에너지 밴드갭을 가지며, 상기 제2 태양전지기판의 하면에 결합되는 제3 태양전지기판을 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 집광판에는 상기 렌즈가 복수 개 마련되며, 상기 제1 태양전지기판과 상기 제2 태양전지기판은, 상기 복수 개의 렌즈 각각의 하면에 결합될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 높은 변환 효율을 가짐과 동시에 제조가 수월한 태양전지 모듈을 제공할 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈(100)을 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 제1 태양전지기판(110), 제1 전극패드(112), 제1 비아(114), 절연물질(116), 제2 태양전지기판(120), 솔더범프(122), 제2 비아(124), 접착제(126), 집광판(140), 접속패턴(142), 재배선패턴(114)이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 태양전지 모듈(100)은, 태양광 방향에 배치되는 광투과성 집광판(140)의 하면에 제1 태양전지기판(110)과 제2 태양전지기판(120)이 순차적으로 적층되는 구조를 갖는다. 이 때, 제2 태양전지기판(120)은 그 상측에 위치한 제1 태양전지기판(110)보다 짧은 에너지 밴드갭을 가진다.
단결정 실리콘을 이용한 태양전지 구조는 주어진 반도체 물질의 밴드갭(Eg) 보다 매우 큰 에너지(E)가 공급되면 그 에너지 차이만큼은 (E-Eg) 전력으로 변환되지 못하고 열이나 다른 형태의 에너지로 소모된다는 단점이 있다. 따라서 단결정 실리콘(Eg = 1.17 eV)의 경우 이론적인 최고 효율은 33% 이하일 것으로 예측되며 실제 효율도 25% 수준이다.
하지만 도 1에 도시된 바와 같이 상측에서 하측으로 에너지 밴드갭이 감소하는 태양전지기판(110, 120)을 적층하게 되면, 태양광에 가까운 태양전지기판부터 짧은 파장의 빛을 흡수하므로 각 태양전지기판에 대해서 에너지 밴드갭을 초과하는 에너지의 공급을 최소화 하므로 전체적인 태양전지모듈의 효율을 높일 수 있다.
한편, 이와 같이 에너지 밴드갭이 상이한 적층구조를 구현하기 위하여 공통 기판 상에 에너지 밴드갭이 상이한 복수의 반도체층을 차례로 결정 성장시키는 방법을 활용할 수도 있을 것이나, 이는 하나의 기판 상에 결정 성장이 가능한 반도체의 종류가 결정 구조나 격자 상수의 차이에 의해 제약을 받게 되고, 에너지 밴드갭이 상이한 바람직한 형태의 pn접합 형성이 곤란한 문제가 있다. 게다가, 적층된 태양전지 사이에 전류가 흐르도록 터널 접합이 필요하지만, 터널 접합의 부분의 저항이 높다. 또한, 적층된 복수의 태양전지의 광 전류의 크기가 고르지 않기 때문에, 태양전지모듈 전체의 출력 전류가 가장 낮은 쪽의 태양전지에 의하여 제한되는 문제점이 있다.
이러한 점을 고려하여, 본 실시예에 따른 태양전지 모듈은 각각 별개로 준비된 태양전지기판이 단순히 적층되어 전기적으로 접속되는 구조를 제시함으로써, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 하였을 뿐만 아니라, 제조과정 역시 용이하게 수행될 수 있도록 하였다.
제1 태양전지기판(110)의 상면에는 제1 전극패드(112)가 마련되고, 가장자리 부근에는 층간 도통을 위한 제1 비아(114)가 형성되어 추후 설명할 재배선패턴(144)과 제2 태양전지기판(120)을 전기적으로 연결한다.
제1 태양전지기판(110)의 상측에는 집광판(140)이 적층된다. 집광판(140)은 유리, 석영, 또는 인듐주석 산화물 등과 같이 빛을 투과시킬 수 있는 재질로 이루어져 제1 태양전지기판(110)에 빛이 도달되도록 한다. 또한, 집광판(140)에는 제1 태양전지기판(110)으로의 집광을 위한 렌즈가 형성된다. 이러한 볼록렌즈 구조를 통하여 태양광을 제1 태양전지기판(110)에 집광할 수가 있어서, 전력 변환 효율을 크게 개선할 수 있으며, 동일한 출력을 제공하기 위한 태양전지모듈의 크기를 줄일 수 있게 되어 소형화에 유리하다. 뿐만 아니라, 소형화에 따라 재료비용을 절감할 수도 있게 된다.
한편, 집광판(140)에는 제1 태양전지기판(110)의 제1 전극패드(112)와 접속되는 접속패턴(142)과, 접속패턴(142)을 제1 태양전지기판(110)의 제1 비아(114)와 전기적으로 연결하기 위한 재배선패턴(144)이 마련된다. 접속패턴(142)은 폴리이미드 또는 에폭시 등의 고분자 화합물을 이용하거나 포토레지스터 등을 이용하여 집광판(140)의 하면에 패터닝을 한 뒤, 그 표면에 구리 등과 같은 전도성 물질을 코팅함으로써 형성될 수 있으며, 재배선패턴(144)과 연결된다.
재배선패턴(144)의 일측은 전술한 접속패턴(142)과 연결되고, 타측은 제1 태양전지기판(110)에 형성된 제1 비아(114)와 연결되어 양자를 서로 전기적으로 연결하는 기능을 한다.
제1 태양전지기판(110)과 집광판(140) 사이에는 에폭시, 폴리이미드 등과 같 은 절연물질(116)이 개재될 수 있으며, 이 때 제1 비아(114)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 절연물질(116)을 관통하여 재배선패턴(144)과 접속될 수 있다. 이와 같이 집광판(140)에 형성된 재배선 구조를 통하여, 제조공정이 간단할 뿐만 아니라, 집적률이 높은 3차원 구조가 구현될 수 있다.
제1 태양전지기판(110)의 하면에는 제1 태양전지기판(110)보다 짧은 에너지 밴드갭을 가지는 제2 태양전지기판(120)이 결합된다. 이 때, 제1 태양전지기판(110)에 형성된 제1 비아(114)의 위치에 상응하는 제2 태양전지기판(120)에는 층간 도통을 위한 제2 비아(124)가 마련되고 제1 비아(114)와 제2 비아(124)는 도전성 매개물에 의해 접속될 수 있다. 이러한 도전성 매개물로는 솔더범프(122)를 이용할 수 있으나, 이 외에도 ACF 등과 같은 다른 재료를 이용할 수도 있음은 물론이다.
제1 태양전지기판(110)과 제2 태양전지기판(120)은 접착제(126)에 의해 서로 부착될 수 있는데, 도 2에 도시된 바와 같이 접착제(126)에는 제1 태양전지기판(110)을 투과한 빛이 산란되도록 비드(128)가 포함될 수도 있다. 이러한 구조를 갖게 되면, 제1 태양전지기판(110)을 투과한 빛이 제2 태양전지기판(120)에 흡수되기에 앞서 비드(128)에 의해 산란되며, 이러한 산란과정을 통해 제2 태양전지기판(120)으로의 빛의 집광효율을 높일 수 있게 되어, 제1 태양전지기판(110)에서의 효율 증가와 더불어 제2 태양전지기판(120)에서의 효율증가 역시 기대할 수 있게 된다.
각각의 태양전지기판(110, 120)은 소정의 크기로 재단된 형태일 수도 있으 나, 웨이퍼 레벨 즉, 별도의 재단 공정이 이루어지지 않은 웨이퍼 원판 크기일 수도 있다. 본 실시예의 경우, 별개로 준비된 태양전지기판들(110, 120)을 단순히 적층하고 전기적으로 접속하는 방법을 통해 모듈화를 구현하므로, 각각의 태양전지기판들(110, 120)의 크기가 상이하다 하더라도, 단순히 재배선을 형성함으로써 용이하게 상호간의 접속을 구현할 수 있는 장점이 있다.
한편, 제2 태양전지기판(120)의 하면에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 태양전지기판(120)보다 짧은 에너지 밴드갭을 가지는 제3 태양전지기판(130)이 결합될 수도 있으며, 그 이상의 태양전지기판들이 추가로 결합될 수도 있다. 제3 태양전지기판(130)에는 제3 비아(134)가 형성될 수 있으며, 하면에는 솔더볼(150)이 결합될 수 있다.
제3 태양전지기판(130)은 제2 태양전지기판(120)보다 짧은 에너지 밴드갭을 가지며, 제1 태양전지기판(110)과 제2 태양전지기판(120)의 경우와 마찬가지로 웨이퍼 레벨로 이루어질 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 태양전지기판(110, 120, 130) 사이에 위치하는 접착제(126)에 비드(128)가 포함될 수도 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 태양전지기판(120)보다 제3 태양전지기판(120)의 크기가 작은 경우에는, 제2 태양전지기판(120)의 하면에도 재배선패턴(136)을 마련하여, 제2 태양전지기판(120)과 제3 태양전지기판(130)이 서로 접속되도록 할 수 있다.
도 6에는 각 태양전지기판으로 이용될 수 있는 재질 및 해당 구조의 변환효 율이 제시되어 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 복수 개의 태양전지기판이 적층된 단위 모듈(100)이 수평방향으로 복수 개 배치될 수도 있다. 각 개별 구성의 기능은 전술한 바와 동일하므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
이러한 구조는, 커다란 하나의 집광판에 단위 모듈에 상응하는 복수 개의 집광렌즈를 형성하고, 각각의 집광렌즈의 위치에 대응되는 집광판의 하면에 복수 개의 태양전지기판을 차례로 적층하는 방법을 통해 제조될 수 있다. 이로써 대면적, 고효율의 태양전지 모듈을 확보할 수 있게 된다.
한편, 도 7에는 도 1에 도시된 태양전지 모듈이 단위 모듈로 적용된 모습이 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 도 2 내지 도 5에 도시된 태양전지 모듈이 단위 모듈로 적용될 수도 있음은 물론이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따른 태양전지 모듈의 에너지 효율도를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 제1 태양전지기판 112: 제1 전극패드
114: 제1 비아 116: 절연물질
120: 제2 태양전지기판 122: 솔더범프
124: 제2 비아 126: 접착제
128: 비드 130: 제3 태양전지기판
140: 집광판 142: 접속패턴
144: 재배선패턴
Claims (7)
- 상면에 제1 전극패드가 마련되고, 층간 도통을 위한 제1 비아에 의해 관통되는 제1 태양전지기판;상기 제1 전극패드와 접속되는 접속패턴, 및 상기 접속패턴과 전기적으로 연결되고 상기 제1 비아와 접속되는 재배선패턴을 포함하며, 상기 제1 태양전지기판의 상면에 결합되는 광투과성 집광판; - 상기 집광판에는 상기 제1 태양전지기판으로의 집광을 위한 렌즈가 형성됨 -상기 제1 태양전지기판보다 짧은 에너지 밴드갭을 가지며, 상기 제1 태양전지기판의 하면에 결합되는 제2 태양전지기판을 포함하는 태양전지 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 제1 태양전지기판과 상기 제2 태양전지기판은 웨이퍼 레벨인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 제1 비아의 위치에 상응하는 제2 태양전지기판에는, 층간 도통을 위한 제2 비아가 마련되고,상기 제1 비아와 상기 제2 비아는 도전성 매개물에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제3항에 있어서,상기 도전성 매개물은 솔더범프인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈
- 제1항에 있어서,상기 제1 태양전지기판과 상기 제2 태양전지기판 사이에는 접착제가 개재되며,상기 접착제에는 상기 제1 태양전지기판을 투과한 빛이 산란되도록 비드(bid)가 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 제2 태양전지기판보다 짧은 에너지 밴드갭을 가지며, 상기 제2 태양전지기판의 하면에 결합되는 제3 태양전지기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 집광판에는 상기 렌즈가 복수 개 마련되며,상기 제1 태양전지기판과 상기 제2 태양전지기판은, 상기 복수 개의 렌즈 각각의 하면에 결합되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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