KR20120051031A - 후면 전극 태양 전지들 및 금속 리본을 사용하는 모놀리식 모듈 어셈블리 - Google Patents

후면 전극 태양 전지들 및 금속 리본을 사용하는 모놀리식 모듈 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들은, 신규한 태양 전지 상호접속 구조를 형성하기 위해 사용되는 자동화된 프로세싱 시퀀스를 사용하여 형성된 상호접속된 태양 전지들의 어레이를 포함하는 태양 전지 모듈의 형성을 고려한다. 일 실시예에서, 여기서 설명된 모듈 구조는, 패터닝된 접착 층 위에서 복수의 패터닝된 전도성 리본들을 수용 및 본딩하기 위해 백시트 상에 배치된 패터닝된 접착 층을 포함한다. 다음으로, 본딩된 전도성 리본들은, 태양 전지 모듈의 생성된 전기를 수용할 수 있는 외부 컴포넌트들에 전기적으로 접속될 수 있는 태양 전지 모듈을 형성하도록, 태양 전지 디바이스들의 어레이를 상호접속시키기 위해 사용된다.

Description

후면 전극 태양 전지들 및 금속 리본을 사용하는 모놀리식 모듈 어셈블리{MONOLITHIC MODULE ASSEMBLY USING BACK CONTACT SOLAR CELLS AND METAL RIBBON}
본 발명은 모놀리식 모듈 어셈블리를 사용하여 제작된 광기전력 모듈들에 관한 것이다.
태양 전지들은, 태양광을 전기 전력으로 직접적으로 변환하는 광기전력 디바이스들이다. 각각의 태양 전지는, 특정 양의 전기 전력을 생성하고, 전형적으로는, 원하는 양의 생성된 전기 전력을 전달하도록 크기 설정된 상호접속된 태양 전지들의 어레이 또는 모듈들에 타일링(tile)된다. 가장 통상적인 태양 전지 재료는 단일 또는 다결정질(multicrystalline) 기판들의 형태의 실리콘이며, 상기 기판들은 종종 웨이퍼들이라고 지칭된다. 실리콘-계 태양 전지들을 형성하여 전기를 생성하는 것의 분할 상환(amortized) 비용은 전통적인 방법들을 사용하여 전기를 생성하는 것의 비용보다 더 높기 때문에, 태양 전지들을 형성하기 위한 비용을 감소시키기 위해 노력해 왔다.
태양 전지의 일 타입은 후면 전극 태양 전지(back-contact solar cell) 또는 전후면 전극 태양 전지(all back contact solar cell) 디바이스이다. 후면 전극 태양 전지들은, 형성된 태양 전지 디바이스의 후면 상에 네거티브-극성 및 포지티브-극성 접촉들 양자 모두를 갖는다. 동일한 표면 상의 2개의(both) 극성 접촉들의 배치는 태양 전지들의 전기적인 상호접속을 단순화하고, 또한, 새로운 어셈블리 접근법들 및 새로운 모듈 설계들의 가능성을 개방한다. "모놀리식 모듈 어셈블리"는 동일한 단계에서의 태양 전지 전기 회로 및 광기전력 래미네이트(laminate)의 어셈블리를 지칭하며 이전에 설명되었다(미국 특허 제 5,951,786 호 및 제 5,972,732 호, 및 J.M. Gee, S. E. Garrett, 및 WP. Morgan의, Simplified module assembly using back-contact crystalline-silicon silicon cells, 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anaheim, CA, 29 Sept - 03 October 1997 참조). 모놀리식 모듈 어셈블리는, 전기 전도체 층으로 전형적으로 패터닝된 백시트를 이용하여 시작된다. 가요성 대면적 기판들 상에서의 그러한 패터닝된 전도체 층들의 생성은, 인쇄 회로 기판 및 가요성 회로 산업들로부터 잘 알려져 있다. 픽-앤드-플레이스 툴(pick-and-place tool)을 이용하여 그 백시트 상에 후면 전극 전지들이 배치된다. 그러한 툴들은 잘 알려져 있고, 높은 수율과 더불어 매우 정확하다. 래미네이션 단계 동안에 백시트 상의 패터닝된 전기 전도체들에 태양 전지들이 전기적인 접속을 행하고, 이로 인해, 단일 단계에서 그리고 단순한 자동화로, 래미네이트된 패키지 및 전기 회로를 만든다. 백시트는, 래미네이션 온도-압력 사이클 동안에 전기적인 접속을 형성하는 솔더들 또는 전도성 접착제들과 같은 재료들을 포함한다. 백시트는 선택적으로, 태양 전지 상의 전도체들과 백시트 상의 전기 전도체들의 단락(shorting)을 방지하기 위한 전기 절연체 층을 포함할 수 있다. 피포화(encapsulation)를 위해 백시트와 태양 전지 사이에 폴리머 층이 또한 제공될 수 있다. 이 층은 태양 전지에 대한 백시트의 저-응력 접착을 제공할 것이다. 폴리머 피포화 층은, 백시트와 통합될 수 있거나, 또는 어셈블리 프로세스 동안에 백시트와 전지들 사이에 삽입될 수 있다.
전형적인 제작 시퀀스는, 태양 전지 회로의 형성, 층 구조(layered structure)(글래스, 폴리머, 태양 전지 회로, 폴리머, 백시트)의 어셈블리, 및 다음으로, 층 구조의 래미네이션을 포함한다. 최종 단계들은 모듈 프레임 및 접합 박스의 설치, 및 모듈의 테스트를 포함한다. 태양 전지 회로는 전형적으로, 구리(Cu) 평탄 리본 와이어들("상호접속부들")을 이용하여 전기적인 직렬로 태양 전지들을 접속시키는 자동화된 툴들("스트링어/태버들(stringer/tabbers)")을 이용하여 만들어진다. 다음으로, 회로를 완성하기 위해, 직렬 접속된 태양 전지들의 여러 스트링들이 넓은 Cu 리본들("버스들")을 이용하여 전기적으로 접속된다. 이들 버스들은 또한, 바이패스 다이오드들을 위해 그리고 케이블들에 대한 접속을 위해, 회로에서의 여러 포인트들로부터 접합 박스로 전류를 유인한다.
이러한 종래의 광기전력 모듈 설계 및 어셈블리 접근법은 산업에서 잘 알려져 있고, 다음의 불리한 점들을 갖는다. 첫번째로, 직렬로 태양 전지들을 전기적으로 접속시키는 프로세스는 자동화하기 어려워서, 스트링어/태버들이 제한된 수율을 가지며 고가이다. 두번째로, 태양 전지들의 어레이 사이에 형성된, 어셈블링된 태양 전지 회로는 래미네이션 단계 전에 매우 부서지기 쉽다(fragile). 세번째로, 구리(Cu) 리본 상호접속부에 높은 응력이 가해지고, 따라서, 구리 상호접속부의 전도성이 제한되고, 상호접속부로 인한 전기적인 손실들이 크다. 네번째로, 상호접속된 및 응력이 가해진 구리 리본들의 사용은 얇은 결정질-실리콘 태양 전지들과 함께 사용하기 어려우며, 얇은 결정질-실리콘 태양 전지들은, 태양 전지 비용을 감소시키기 위해, 산업이 발전함에 따라 계속 더 얇아진다. 다섯번째로, 태양 전지들 사이의 간격은 Cu 상호접속 와이어에 대한 응력 완화를 수용하기에 충분히 커야만 하며, 이는, 태양 전지들 사이의 비-사용 공간으로 인해 모듈 효율성을 감소시킨다. 이는, 대향하는 표면들 상에 포지티브 및 네거티브 극성 접촉들을 갖는 실리콘 태양 전지들을 사용하는 경우에 특히 해당된다. 마지막으로, 이들 방법들을 사용하여 태양 전지를 형성하는 이러한 프로세스는, 높은 제조 비용을 산출하는 다수의 단계들을 갖는다.
다양한 접근법들이 태양 전지의 활성 영역들 및 태양 전지들의 전류 운반 금속 라인들 또는 전도체들을 제작하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 종래의 제조 방법들과 관련하여 여러 문제들이 존재한다. 예컨대, 형성 프로세스들은, 태양 전지들을 완성하는데 요구되는 비용들에 부가되는 복잡한 다단계 노동 집약적인 프로세스들이다.
따라서, 상호접속된 태양 전지들의 어레이 상에 형성된 활성 및 전류 운반 영역들 사이에 상호접속부를 형성하기 위한 개선된 방법들 및 장치에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 일반적으로 태양 전지 모듈을 제공하며, 그 태양 전지 모듈은, 탑재(mounting) 표면을 갖는 백시트, 탑재 표면 상에 배치된 복수의 접착 영역들을 포함하는 패터닝된 접착 층, 형성된 접착 영역들 위에 배치된 복수의 패터닝된 전도성 리본들, 패터닝된 전도성 리본 및 탑재 표면 위에 배치된 패터닝된 층간 유전체 재료, 및 상호접속된 태양 전지 어레이를 형성하기 위해, 패터닝된 전도성 리본들 위에 배치된 복수의 태양 전지들을 포함하며, 여기서, 복수의 태양 전지들의 각각은, 전도성 재료의 사용에 의해, 패터닝된 전도성 리본의 일부에 전기적으로 접속된다.
본 발명의 실시예들은 또한, 태양 전지 디바이스를 형성하는 방법을 제공할 수 있으며, 그 방법은, 백시트의 탑재 표면 상에 패터닝된 접착 층을 증착하는 단계 ? 패터닝된 접착 층은 탑재 표면 상에 복수의 접착 영역들을 형성함 ?, 형성된 접착 영역들의 각각 위에 패터닝된 전도성 리본을 배치하는 단계, 패터닝된 전도성 리본들 및 탑재 표면 위에 패터닝된 층간 유전체 층을 증착하는 단계 ? 패터닝된 층간 유전체 층은 패터닝된 전도성 리본들의 각각 위에 형성된 하나 이상의 비아들을 가짐 ?, 형성된 비아들 내에 전도성 재료를 증착하는 단계, 및 상호접속된 태양 전지 어레이를 형성하기 위해, 비아들 내에 배치된 전도성 재료 위에 복수의 태양 전지들을 배치하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기된 특징들이 상세히 이해될 수 있도록, 위에서 간단히 요약된 본 발명의 더 특정한 설명이 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 실시예들 중 몇몇이 첨부된 도면들에서 예시된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 예시하는 저부도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 예시하는 저부도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 형성하기 위해 사용되는 다양한 프로세싱 단계들을 예시하는 개략적인 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도 2a 내지 도 2f에서 예시된 태양 전지 모듈을 형성하기 위해 사용되는 프로세싱 단계들을 예시한다.
명료함을 위해, 도면들 사이에서 공통인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해, 적용 가능한 경우에, 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 실시예의 특징들이 추가의 기재 없이도 다른 실시예들에 통합될 수 있다는 것이 고려된다.
본 발명의 실시예들은, 신규한 태양 전지 상호접속 구조를 형성하기 위해 사용되는 자동화된 프로세싱 시퀀스를 사용하여 형성된 상호접속된 태양 전지들의 어레이를 포함하는 태양 전지 모듈의 형성을 고려한다. 일 실시예에서, 여기서 설명되는 모듈 구조는, 패터닝된 접착 층 상에서 복수의 패터닝된 전도성 리본들을 수용 및 본딩하기 위해 백시트 상에 배치된 패터닝된 접착 층을 포함한다. 다음으로, 태양 전지 모듈의 생성된 전기를 수용할 수 있는 외부 컴포넌트들에 전기적으로 접속될 수 있는 태양 전지 모듈을 형성하기 위하여, 태양 전지 디바이스들의 어레이를 상호접속하기 위해, 본딩된 전도성 리본들이 사용된다. 전형적인 외부 컴포넌트들 또는 외부 로드들 "L"(도 1a 및 도 1b)은, 전기 전력 그리드, 위성들, 전자 디바이스들, 또는 다른 유사한 전력 요구 유닛들을 포함할 수 있다. 본 발명으로부터 특히 이익을 얻는 태양 전지 구조들은, 디바이스의 배면(rear surface) 상에만 포지티브 및 네거티브 접촉들 양자 모두가 형성된 태양 전지들과 같은, 후면 전극 태양 전지들을 포함한다. 여기서 개시되는 아이디어들로부터 이익을 얻을 수 있는 태양 전지 디바이스들은, 단결정 실리콘, 다결정질 실리콘, 폴리결정질 실리콘, 게르마늄(Ge), 갈륨 비소(GaAs), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 황화 카드뮴(CdS), 구리 인듐 갈륨 셀렌화물(CIGS), 구리 인듐 셀렌화물(CuInSe2), 갈륨 인듐 인화물(GaInP2), 뿐만 아니라, 헤테로 접합 전지(heterojunction cell)들, 예컨대 GaInP/GaAs/Ge, ZnSe/GaAs/Ge, 또는 태양광을 전기 전력으로 변환하기 위해 사용될 수 있는 다른 유사한 기판 재료들과 같은 재료들을 함유하는 디바이스들을 포함할 수 있다.
도 1a는, 백시트(103)의 저부 표면(103B)(도 2a)을 통해 본, 백시트(103)의 상부 표면(103A)(도 2e) 위에 배치된 상호접속된 태양 전지들(101)의 어레이를 갖는 태양 전지 모듈(100A)의 일 실시예의 저부도이다. 일 실시예에서, 태양 전지 모듈(100A)에서의 태양 전지들(101)은, 태양 전지(101)의 전면(front surface)(101C)(도 2e) 상에서 수용된 광이 전기적인 에너지로 변환되는 후면 전극형 태양 전지들이다. 일반적으로, 도 1a에서의 참조 번호들 105A 및 105C, 또는 도 2b 내지 도 2f에서의 참조 번호 105와 같은, 전도성 리본들의 사용에 의해, 태양 전지 어레이(101A)에서의 태양 전지들(101)이 원하는 방식으로 접속된다. 일 예에서, 접속된 모든 태양 전지들의 생성되는 전압이 합산되고 생성되는 전류가 비교적 일정하게 유지되도록, 태양 전지 어레이(101A)에서의 태양 전지들(101)이 직렬로 접속된다. 이 구성에서, 전도성 리본들(105A)의 사용에 의해, 각각의 상호접속된 태양 전지 내에 형성된 n-타입 및 p-타입 영역들이 인접한 태양 전지들 내에 형성된 반대의 도펀트 타입을 갖는 영역들에 개별적으로 접속된다. 당업자는, 태양 전지 어레이(101A)의 각각의 로우의 시작 및 끝에서, 인접한 로우들을 결합하기 위해, 전도성 리본들(105C) 및 상호접속부들(106)이 사용될 수 있으며, 태양 전지 어레이(101A)의 출력을 외부 로드 "L"에 접속시키기 위해, 상호접속된 태양 전지 어레이(101A)의 시작 및 끝에서 발견되는 태양 전지들(101)에 접속된 상호접속부들(107) 및 전도성 리본들(105C)이 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이 구성에서, 유사하게 구성된 태양 전지들(101)에 있어서, 인접한 전지들 내의 n-타입 및 p-타입 영역들이 직선 전도성 리본들(105A)을 사용하는 용이한 접속을 위해 정렬되도록, 2개의 태양 전지마다 하나는 백시트(103)의 표면에 대하여 180°회전된다. 당업자는, 몇몇 실시예들에서, 생성된 전압을 제한하거나 또는 모듈의 출력 전류를 증가시키기 위해, 태양 전지들(101)이 또한 직렬보다는 병렬로 접속될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도 1b는, 백시트(103)의 저부 표면(103B)(도 2a)을 통해 본, 백시트(103)의 상부 표면(103A)(도 2e) 위에 배치된 상호접속된 태양 전지들(101)의 어레이를 갖는 태양 전지 모듈(100B)의 일 실시예의 저부도이다. 일 실시예에서, 태양 전지 모듈(100B)에서의 태양 전지들(101)은 후면 전극형 태양 전지들이다. 상술된 바와 같이, 도 1b에서의 참조 번호들 105B 및 105C, 또는 도 2b 내지 도 2f에서의 참조 번호 105와 같은, 전도성 리본들의 사용에 의해, 태양 전지 어레이(101B)가 원하는 방식으로 접속될 수 있다. 일 실시예에서, 패터닝된 전도성 리본들(105B)의 사용에 의해, 각각의 상호접속된 태양 전지 내에 형성되는 형성된 n-타입 및 p-타입 영역들이 인접한 태양 전지들 내에 형성된 반대의 도펀트 타입을 갖는 영역들에 개별적으로 접속되도록 하는 방식으로, 태양 전지 어레이(101A)에서의 태양 전지들(101)이 직렬로 접속된다. 당업자는, 태양 전지 어레이(101A)의 각각의 로우의 시작 및 끝에서, 인접한 로우들을 결합하기 위해, 전도성 리본들(105C) 및 상호접속부들(106)이 사용될 수 있으며, 태양 전지 어레이(101A)의 출력을 외부 로드 "L"에 접속시키기 위해, 상호접속된 태양 전지 어레이(101A)의 시작 및 끝에서 발견되는, 태양 전지들(101)에 접속된 상호접속부들(107) 및 전도성 리본들(105C)이 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이 예에서, 유사하게 구성된 태양 전지들에 있어서, 인접한 전지들 내의 n-타입 및 p-타입 영역들이 패터닝된 전도성 리본(105B)의 사용에 의해 접속될 수 있도록, 각각의 태양 전지(101)는 백시트(103)의 표면에 대하여 유사하게 배향된다. 이 구성에서, 패터닝된 전도성 리본들(105B)은, 인접하게 위치된 태양 전지들에서의 원하는 영역들을 접속시키도록 형상화된다. 일 실시예에서, 도 1b에서 도시된 바와 같이, 패터닝된 전도성 리본들은, 태양 전지 모듈(100B)에서의 태양 전지들(101)의 단순화된 위치설정(positioning), 배향, 및 상호접속을 허용하도록 s자로 형상화된다. 위에서 주의된 바와 같이, 몇몇 구성들에서, 태양 전지 모듈(100B)에서의 태양 전지들(101) 중 적어도 일부를 직렬보다는 병렬로 접속시키는 것이 바람직할 수 있다.
태양 전지 모듈 형성 프로세스들
도 2a 내지 도 2f는 태양 전지 모듈(100)을 형성하기 위해 사용되는 프로세싱 시퀀스의 상이한 스테이지들을 예시하는 개략적인 단면도들이다. 도 3은 도 1a 및 도 1b에서 도시된 태양 전지 모듈들(100A, 100B) 중 어느 하나의 태양 전지 모듈과 유사한 태양 전지 모듈(100)을 형성하기 위해 사용되는 프로세스 시퀀스(300)를 예시한다. 도 3에서 발견되는 시퀀스는 도 2a 내지 도 2f에서 도시된 스테이지들에 대응하며, 여기서 도 2a 내지 도 2f에서 도시된 스테이지들이 논의된다.
박스(302)에서, 그리고 도 2a에서 도시된 바와 같이, 백시트(103)의 상부 표면(103A) 상에 원하는 패턴으로 접착 재료(104)가 증착된다. 일 실시예에서, 복수의 이산 접착 영역들(104A)을 형성하기 위한 패턴으로, 상부 표면(103A) 상에, 증착된 접착 재료(104)가 증착된다. 일 실시예에서, 후속하는 프로세싱 단계에서 그 상부에 배치되는 전도성 리본들(105)에 의해 실질적으로 커버될 형상(들)으로, 접착 영역들(104A)에 배치된 접착 재료가 증착된다. 전도성 리본들(105)에 의해, 패터닝된 접착 재료(104)가 커버되므로, 후속하는 프로세싱 단계들 동안에 접착 재료가 다른 태양 전지 모듈 컴포넌트들(예컨대, ILD 층(108), 태양 전지들(101))과 상호 작용할 기회가 감소된다. 접착 재료와 다른 태양 전지 모듈 컴포넌트들 사이의 감소된 상호 작용은, 접착 재료의 임의의 탈-가스(out-gassing) 또는 접착 재료 자체의 접착 특성들이, 형성된 태양 전지 모듈에서의 컴포넌트들 증 하나 이상을 오염시키거나 또는 공격하고, 그리고/또는 태양 전지 모듈 제조 프로세스들 및 디바이스 수율(yield)에 영향을 미치는 것을 방지한다.
일 실시예에서, 접착 재료(104)는, 상당히 탈-가스되지는 않은 저온(예컨대, <180℃) 경화가능 접착제이다. 일 실시예에서, 접착 재료(104)는, 백시트(103)의 상부 표면(103A) 상의 원하는 위치들에 적용되는 압감 접착제(pressure sensitive adhesive; PSA)이다. 스크린 프린팅, 스텐실링(stenciling), 잉크젯 프린팅, 고무 스탬핑, 또는 백시트(103) 상의 원하는 위치들에서 접착 재료의 정확한 배치를 제공하는 다른 유용한 적용(application) 방법들을 사용하여, 백시트(103)에 접착 재료(104)가 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 접착 재료(104)는, 단계(302) 동안에 UV 광의 적용에 의해 적어도 부분적으로 경화될 수 있는 UV 경화가능 압감 접착제(PSA) 재료이다. 몇몇 실시예들에서, 연속적인 롤-투-롤(roll-to-roll) 프로세스를 허용하도록 형성된 백시트 상에, 접착 재료(104)의 프린팅 및 경화가 행해질 수 있다. 다른 실시예들에서, 또한, 접착 재료(104)의 적용 전에 원하는 크기로 커팅되었던 백시트들(103)에 접착 재료(104)가 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 백시트(103)는, 100-200 μm 두께의 폴리머릭(polymeric) 재료, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리비닐 플루오르화물(PVF), 캡톤(kapton), 또는 폴리에틸렌을 포함한다. 일 예에서, 백시트(103)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 125-175 μm 두께의 시트이다. 다른 실시예에서, 백시트(103)는, 폴리머릭 재료들 및 금속들(예컨대, 알루미늄)을 포함할 수 있는 재료의 하나 이상의 층들을 포함한다. 일 예에서, 백시트(103)는, 150 μm 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 시트, 상표명 DuPont 2111 TedlarTM 하에서 구입되는 폴리비닐 플루오르화물의 25 μm 두께의 시트, 및 얇은 알루미늄 층을 포함한다. 백시트(103)의 더 낮은 표면(103B)은 일반적으로 환경에 면할 것이고, 따라서 백시트(103)의 부분들이 UV 또는 증기 장벽으로서 작용하도록 구성될 수 있다는 것이 주의되어야 한다. 따라서, 백시트(103)는 일반적으로, UV 방사(radiation)에 대한 장기간 노출 하에서 백시트(103)의 특성들을 유지하기 위한 백시트(103)의 탁월한 기계적인 특성들 및 능력으로 인해 선택된다. PET 층의 탁월한 장기간 기계적인 안정성 및 전기적인 격리 특성들 때문에, PET 층이 선택될 수 있다. 백시트는, 전체적으로, 광기전력 모듈에서의 사용을 위한 IEC 및 UL 요건들을 만족시키는 것이 바람직하게 보증된다.
다음으로, 단계(304)에서, 그리고 도 2b에서 도시된 바와 같이, 전도성 리본들(105)이 원하는 형상 및/또는 길이로 커팅되며, 패터닝된 접착 재료(104) 상에 배치된다. 접착 재료 상에 전도성 리본들(105)을 배치시키는 프로세스는, 백시트(103)에 전도성 리본들(105)이 충분히 부착되도록 보장하기 위해, 전도성 리본들(105)에 압력을 가하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 리본들(105)은, 약 25 내지 250 μm 두께, 예컨대 약 125 μm 두께인 두께(205)(도 2b)를 갖는 얇은 소프트 어닐링된 구리 재료를 포함한다. 일 실시예에서, 전도성 리본들(105)은, 아래에서 설명되는 전도성 재료(110)와 전도성 리본들(105) 사이의 전기적인 접촉을 촉진하기 위해 주석(Sn)의 층으로 코팅된 구리 재료이다. 다른 실시예에서, 전도성 리본들(105)은 니켈(Ni)의 층으로 코팅된 알루미늄 재료를 포함한다. 일 예에서, 전도성 리본들(105)은 전형적으로, 넓이가 6.0 mm이지만, 다른 폭들이 용이하게 사용될 수 있다. 전도성 리본들(105)은 전형적으로, 리본 재료의 연속적인 롤로부터 원하는 형상 및 길이로 커팅되고, 픽 앤드 플레이스(pick and place) 로봇 또는 다른 유사한 디바이스를 사용하여, 백시트(103) 상에 배치될 수 있다.
다음으로, 단계(306)에서, 그리고 도 2c에서 도시된 바와 같이, 백시트(103)의 상부 표면(103A) 및 전도성 리본들(105) 위에 층간 유전체(ILD) 재료(108)가 배치된다. 일 실시예에서, 층간 유전체(ILD) 재료(108)는, 전도성 리본들(105)의 표면(105D)(도 2c) 위에 형성된, 복수의 비아들(109) 또는 홀들을 갖는 패터닝된 층 또는 불연속적인 층이다. 스크린 프린팅, 스텐실링, 잉크젯 프린팅, 고무 스탬핑, 또는 그 원하는 위치들 상에 층간 유전체(ILD) 재료(108)의 정확한 배치를 제공하는 다른 유용한 적용 방법을 사용하여, 백시트(103) 및 전도성 리본들(105)에, 패터닝된 층간 유전체(ILD) 재료(108)가 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 층간 유전체(ILD) 재료(108)는, 아크릴 또는 페놀 재료와 같이, 낮은 온도들에서 신뢰성 있게 프로세싱될 수 있는 UV 경화가능 재료이다. 일 실시예에서, 전도성 리본들(105) 위에 약 18 내지 25 μm 두께의 층을 형성하기 위해, 층간 유전체(ILD) 재료(108)가 증착된다. 이 구성에서, 전도성 리본(105)과 태양 전지들(101) 사이에 배치된 전도성 재료(110)(도 2d)를 통해, 생성된 전류가 흐르기 때문에, 생성된 전류가 통과해야만 하는 경로 길이를 최소화하도록 ILD 재료(108)의 두께가 제어된다.
다음으로, 단계(308)에서, 그리고 도 2d에서 도시된 바와 같이, 층간 유전체(ILD) 재료(108) 내에 형성된 비아들(109) 내에 전도성 재료(110)가 배치된다. 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 볼 애플리케이션(ball application), 시린지 디스펜스(syringe dispense), 또는 그 원하는 위치들에서 전도성 재료(110)의 정확한 배치를 제공하는 다른 유용한 적용 방법을 사용하여, 비아들(109) 내에 전도성 재료(110)가 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 재료(110)는, 스크린 인쇄가능 전기적 전도성 접착(ECA) 재료, 예컨대, 금속 충진된 에폭시, 금속 충진된 실리콘(silicone), 또는 형성된 태양 전지(101)에 의해 생성된 전기를 전도하기에 충분히 높은 도전율을 갖는 다른 유사한 재료이다. 일 예에서, 전도성 재료(110)는 약 1 × 10-5 옴-센티미터 이하인 저항률을 갖는다.
단계(308)의 대안적인 실시예에서, 태양 전지들(101)의 후면(101B) 상에서 발견되는 전지 본드 패드들 상에 전도성 재료(110)가 디스펜스(dispense)되어, 추후의 단계에서, ILD 재료(108) 내에 형성된 비아들(109)과 이들 증착된 영역들이 메이팅(mate)될 수 있도록 한다.
다음으로, 단계(310)에서, 그리고 도 2d에서 도시된 바와 같이, 백시트(103)와 태양 전지들(101) 사이에 형성된 영역으로의 환경 침해(environmental encroachment)를 방지하기 위해, 백시트(103), 층간 유전체(ILD) 재료(108), 및 전도성 리본들(105) 위에 모듈 봉지재 재료(미도시)가 선택적으로 배치된다. 모듈 봉지재 재료는, 후속하는 래미네이션 프로세스 동안에 액화할 것이고, 백시트에 전지들을 본딩하는 것을 돕게 될 폴리머릭 시트이다. 모듈 봉지재 재료는 에틸렌 비닐아세테이트(EVA) 또는 다른 적합한 피포화 재료를 포함할 수 있다. 재료는, 바람직하게, 전도성 리본들(105) 주위를 충진하고, PV 전지들과 전도성 리본들(105) 사이에 기계적인 장벽을 제공하기에 충분한 두께로 이루어진다. 모듈 봉지재 시트가 백시트의 에지들을 지나서 연장하게 하는 크기로 모듈 봉지재 시트가 바람직하게 커팅된다. 일 실시예에서, 백시트(103) 위에서의 배치 전에, 전도성 재료(110)로 하여금 태양 전지들(101)과 전도성 리본들(105) 사이에서 연장되게 허용하기 위해, 모듈 봉지재 재료 내에 홀들이 펀칭된다. 전도성 리본들(105)과 전도성 재료(110) 사이에 형성되는 상호접속부를 위해 요구되는 면적의 양에 의해, 홀들의 직경이 결정된다. 홀들을 형성하기 위한 모듈 봉지재 재료의 펀칭 또는 제거의 프로세스는, 기계적인 펀칭 프로세스들 또는 레이저 절제(ablation) 프로세스들과 같은 여러 방식들로 수행될 수 있다. 모듈 봉지재가 펀칭되면, 모듈 봉지재가 전도성 리본들(105) 위에서 백시트(103) 상에 놓여지고, 모듈 봉지재 내의 홀들이 전도성 리본들(105) 상에 형성된 비아들(109)과 일렬로 배열(line up)되도록 합치(register)된다.
다음으로, 단계(312)에서, 도 2e에서 도시된 바와 같이, 태양 전지(101) 내에 형성된 활성 영역들(102A 또는 102B)에 커플링된 태양 전지 본드 패드들과 전도성 재료(110)가 정렬되도록, 태양 전지들(101)이 전도성 리본들(105) 위에 배치된다. 일 실시예에서, 활성 영역(102A)은 제 1 태양 전지 내의 n-타입 영역이며, 활성 영역(102B)은 제 2 태양 전지 내에 형성된 p-타입 영역이다.
다음으로, 단계(314)에서, 도 2f에서 도시된 바와 같이, 후속하는 래미네이션 프로세스 동안에 전체 구조가 피포화될 수 있도록, 태양 전지 모듈(100) 위에 하나 이상의 인클로저(enclosure) 컴포넌트들이 위치된다. 일 실시예에서, 인클로저 컴포넌트들은, 전면 봉지재(115)의 시트, 커버 글래스(116), 및 선택적인 외측-백시트(117)를 포함한다. 전면 봉지재(115)는 상술된 모듈 봉지재와 유사할 수 있고, 에틸렌 비닐아세테이트(EVA) 또는 다른 적합한 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 선택적인 외측-백시트(117)는, 증기 및 UV 장벽으로서 작용하는, 폴리비닐 플루오르화물(예컨대, DuPont 2111 TedlarTM)의 시트 및 얇은 알루미늄 층을 포함할 수 있다. 외측-백시트(117) 내의 알루미늄 층은 주로 증기 장벽으로서 기능하며, 전형적으로 35 내지 50 μm 두께이지만, 우수한 환경 격리를 유지하면서 더 우수한 유연성(flexibility)을 제공하기 위해 더 얇은 장벽이 사용될 수 있다. 또한, 1 × 10-4 g/m2/day 미만(below)의 수증기 투과율(water vapor transmission rate; WTVR)을 제공하는 특성들을 갖는 비금속 막을 사용하는 것이 가능하다.
다음으로, 단계(316)에서, 인클로저 컴포넌트들의 적층(stack-up)이 완성되면, 완성 어셈블리가 프레스 래미네이터(press laminator) 내에 배치된다. 래미네이션 프로세스는, 단일 프로세싱 단계에서, 봉지재로 하여금 패키지 내의 모든 표면들에 대해 부드러워 지게 하고, 모든 표면들로 흐르게 하고, 모든 표면들에 본딩되게 하고, 접착 층(104) 및 전도성 재료(110)로 하여금 경화되게 한다. 래미네이션 프로세스 동안에, 전도성 재료(110)는 경화될 수 있고, 태양 전지들(101) 및 전도성 리본들(105)의 접속 영역들 사이에서 전기적인 본드들을 형성할 수 있다. 래미네이션 단계는, 완성 어셈블리 주위에 진공 압력이 유지되는 동안에, 글래스(116), 봉지재(115), 태양 전지들(101), 전도성 재료(110), 전도성 리본(105), 접착 재료(104), 및 백시트(103)와 같은 완성 어셈블리에 압력 및 온도를 적용한다. 래미네이션 단계 후에, 용이한 취급, 기계적인 견고성, 및 광기전력 모듈을 탑재하기 위한 위치들을 위해, 피포화된 태양 전지 모듈 주위에 프레임(frame)이 배치된다. 완성 광기전력 시스템의 다른 컴포넌트들("케이블들")에 대한 전기적인 접속이 이루어지는 "접합 박스"가 또한 래미네이트된 완성 어셈블리에 부가될 수 있다.
이러한 구성 방법의 이점은, 구성 방법이 상업적으로 입수 가능한 재료들을 사용하고, 종래의 PV 모듈 어셈블리 프로세스들과 연관된 문제들을 회피하면서 프로세싱한다는 것이다. 전지의 상부 및 저부 표면들 사이에서 리본이 지나가지 않아서 전지들은 평탄하다. 이는, 전지의 상부로부터 저부로 리본들이 지나가는 경우에 에지들에 응력을 가하는 것을 회피하면서, 전지들로 하여금 더 근접하게 함께 배치되게 허용한다. 평탄한 구성은 또한, 필드에 설치되는 경우에 모듈이 매일 겪을 열 순환 동안의 더 낮은 기계적인 응력들을 제공한다.
이들 바람직한 실시예들을 특히 참조하여, 본 발명이 상세히 설명되었지만, 다른 실시예들이 동일한 결과들을 달성할 수 있다. 본 발명의 변화들 및 변형들은 당업자에게 자명할 것이고, 본 발명은 모든 그러한 변형들 및 균등물들을 커버하도록 의도된다. 위에서 인용된 모든 특허들, 참조 문헌들, 및 발행물들의 전체 개시들은 여기서 참조로써 통합된다. 여기서 설명된 태양 전지 모듈의 이점들은 다음을 포함한다. 첫번째로, 프로세싱 단계들의 수를 감소시키고, 태양 전지 제조 비용을 감소시키기 위해, 태양 전지 모듈을 피포화하는데, 단일 열 프로세싱 단계 또는 래미네이션 단계가 사용된다. 두번째로, 형성된 태양 전지 모듈의 평탄형 기하 형상은 자동화하기에 더 용이하며, 이는, 비용을 감소시키고, 생산 툴들의 수율을 개선하면서, 또한, 형성된 디바이스에서 더 적은 응력을 도입하고, 얇은 Si 태양 전지들의 사용을 가능하게 한다. 세번째로, 구리 리본 상호접속부들을 갖는 종래의 광기전력 모듈들과 비교하여, 태양 전지들 사이의 더 작은 간격이 사용될 수 있으며, 이는, 모듈 효율성을 증가시키고, 태양 전지 모듈 비용을 감소시킨다. 몇몇 구성들에서, 모듈들의 끝에서의 구리 버스들이 또한 감소 또는 제거될 수 있으며, 이는 또한, 감소된 비용 및 개선된 효율성을 위해 모듈 사이즈를 감소시킨다. 네번째로, 기하 형상이 패터닝 기술에 의해서만 제한되므로, 태양 전지 상에 형성된 접촉 포인트들의 수 및 위치가 용이하게 최적화될 수 있다. 이는, 부가적인 구리 상호접속 스트랩들 또는 접촉 포인트들이 비용을 증가시키는 스트링어/태버 설계들과 다르다. 최종적인 결과는, 전지 및 상호접속 기하 형상이 모놀리식 모듈 어셈블리를 이용하여 더 용이하게 최적화될 수 있다는 것이다. 다섯번째로, 백시트 상의 전기적인 회로가 거의 전체 표면을 커버할 수 있다. 유효한 상호접속부가 훨씬 더 넓기 때문에, 전기적인 상호접속부들의 도전률이 더 높게 만들어질 수 있다. 한편, 더 넓은 전도체가 더 얇게 만들어질 수 있고(전형적으로, 50 μm 미만), 여전히 낮은 저항을 가질 수 있다. 더 얇은 전도체는 더 유연하고 응력을 감소시킨다. 마지막으로, 두꺼운 구리 상호접속부들의 응력 완화를 제공할 필요가 없으므로, 태양 전지들 사이의 간격이 작게 만들어질 수 있다. 이는, 모듈 효율성을 개선하고, 모듈 재료 비용을 감소시킨다(감소된 면적으로 인한 더 적은 글래스, 폴리머, 및 백시트).
전술한 바가 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 및 추가의 실시예들이, 본 발명의 기본적인 범주로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 발명의 범주는 다음의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (11)

  1. 태양 전지 모듈로서,
    탑재 표면을 갖는 백시트;
    상기 탑재 표면 상에 배치된 복수의 접착 영역들을 포함하는 패터닝된 접착 층;
    형성된 접착 영역들 위에 배치된 복수의 패터닝된 전도성 리본들;
    상기 패터닝된 전도성 리본 및 상기 탑재 표면 위에 배치된 패터닝된 층간 유전체 재료; 및
    상호접속된 태양 전지 어레이를 형성하기 위해, 상기 패터닝된 전도성 리본 위에 배치된 복수의 태양 전지들을 포함하며,
    상기 복수의 태양 전지들의 각각은, 전도성 재료의 사용에 의해, 패터닝된 전도성 리본의 일부에 전기적으로 접속되는,
    태양 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 백시트는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리비닐 플루오르화물(PVF), 및 폴리에틸렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는, 태양 전지 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 백시트는 증기 장벽을 더 포함하는, 태양 전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 패터닝된 접착 층은 UV 경화가능 압감 접착제(pressure sensitive adhesive)를 포함하는, 태양 전지 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 패터닝된 접착 층은, 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅 프로세스에 의해 상기 탑재 표면에 적용되는, 태양 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 패터닝된 전도성 리본들은 비선형 형상을 갖는, 태양 전지 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 패터닝된 전도성 리본들은, 구리 함유 재료 위에 배치된 주석의 층, 또는 알루미늄 함유 재료 위에 배치된 니켈의 층을 포함하는, 태양 전지 모듈.
  8. 태양 전지 디바이스를 형성하는 방법으로서,
    백시트의 탑재 표면 상에, 패터닝된 접착 층을 증착하는 단계 ? 상기 패터닝된 접착 층은 상기 탑재 표면 상에 복수의 접착 영역들을 형성함 ?;
    상기 형성된 접착 영역들의 각각의 위에, 패터닝된 전도성 리본을 배치하는 단계;
    상기 패터닝된 전도성 리본들 및 상기 탑재 표면 위에, 패터닝된 층간 유전체 층을 증착하는 단계 ? 상기 패터닝된 층간 유전체 층은 상기 패터닝된 전도성 리본들의 각각의 위에 형성된 하나 이상의 비아들을 가짐 ?;
    형성된 비아들 내에 전도성 재료를 증착하는 단계; 및
    상호접속된 태양 전지 어레이를 형성하기 위해, 상기 비아들 내에 배치된 상기 전도성 재료 위에 복수의 태양 전지들을 배치하는 단계를 포함하는,
    태양 전지 디바이스를 형성하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 패터닝된 접착 층은, 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅 프로세스에 의해 상기 탑재 표면에 적용되는, 태양 전지 디바이스를 형성하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 태양 전지들 위에 봉지재(encapsulant) 및 글래스 시트를 배치하는 단계; 및
    상호접속된 태양 전지 어레이에 상기 글래스 시트 및 상기 봉지재를 래미네이트(laminate)하는 단계를 더 포함하며,
    상호접속된 태양 전지 어레이에 상기 글래스 시트 및 상기 봉지재를 래미네이트하는 프로세스는, 상기 패터닝된 접착 층을 경화시키기 위해 사용되는, 태양 전지 디바이스를 형성하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 패터닝된 전도성 리본들의 각각은, 제 1 인접 태양 전지 내에 형성된 n-타입 영역 및 제 2 인접 태양 전지 내의 p-타입 영역에 커플링되는, 태양 전지 디바이스를 형성하는 방법.
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