KR20140105635A - 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

태양전지 모듈은 복수의 태양전지들; 태양전지들의 전면(front surface) 쪽에 위치하는 광 투과성의 전면 기판; 태양전지들의 후면(back surface) 쪽에 위치하는 후면 기판; 및 전면 기판과 후면 기판 사이에 위치하며, 1층 이상의 밀봉재로 구성된 밀봉 부재를 포함한다. 그리고 후면 기판은 밀봉 부재와 접촉하는 전면과, 전면의 반대쪽에 위치하는 후면을 구비하고, 후면 기판의 전면에는 회절 패턴이 위치한다.

Description

태양전지 모듈{SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것이다.
광전 변환 효과를 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전은 무공해 에너지를 얻는 수단으로서 널리 이용되고 있다. 그리고 태양전지의 광전 변환 효율의 향상에 수반하여, 개인 주택에서도 다수의 태양전지 모듈을 이용하는 태양광 발전 시스템이 설치되고 있다.
통상의 태양전지는 기판 및 기판과 p-n 접합을 형성하는 에미터부를 포함하며, 기판의 한쪽 면을 통해 입사된 빛을 이용하여 전류를 발생시킨다.
따라서, 통상의 태양전지는 빛이 기판의 한쪽 면을 통해서만 입사되므로 전류 변환 효율이 낮다. 이에, 근래에는 기판의 양쪽 면을 통해 빛이 입사되도록 한 양면 수광형 태양전지가 개발되고 있다.
한편, 태양광에 의해 발전하는 태양전지를 복수개 구비하는 태양전지 모듈은 외부 충격 및 습기 등의 외부 환경으로부터 상기 태양전지를 보호하기 위해 태양전지의 상부 및 하부에 배치되는 보호 부재를 포함한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광전 변환 효율이 향상된 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 태양전지 모듈은, 복수의 태양전지들; 태양전지들의 전면(front surface) 쪽에 위치하는 광 투과성의 전면 기판; 태양전지들의 후면(back surface) 쪽에 위치하는 후면 기판; 및 전면 기판과 후면 기판 사이에 위치하며, 1층 이상의 밀봉재로 구성된 밀봉 부재를 포함한다.
그리고 후면 기판은 밀봉 부재와 접촉하는 전면과, 전면의 반대쪽에 위치하는 후면을 구비하고, 후면 기판의 전면에는 회절 패턴이 위치한다.
후면 기판은 350㎚ 내지 1400㎚의 파장 대역에서 80% 이상의 광 투과율을 갖는 것이 바람직하다.
회절 패턴은 경사면 및 경사면과 연결된 수직면을 각각 포함하는 복수의 프리즘으로 형성될 수 있다.
이때, 경사면은 3° 내지 45°의 경사각으로 형성되는 것이 바람직하다.
프리즘은 1㎛ 내지 4㎜의 피치로 형성될 수 있으며, 밀봉 부재보다 작은 굴절률을 갖는 것이 바람직하다.
이때, 밀봉 부재의 굴절률(n1)에 대한 프리즘의 굴절률(n2)의 비(n1/n2)는 1.07 내지 1.43인 것이 바람직하다.
프리즘은 후면 기판의 전면 전체에 위치하거나, 후면 기판의 전면 중 태양전지들의 사이 공간에만 위치할 수 있다.
후면 기판의 후면에는 방열 패턴이 위치할 수 있으며, 방열 패턴은 홈(groove) 또는 역 피라미드(inverted pyramid) 형상으로 형성될 수 있다.
그리고 홈 또는 역 피라미드는 10㎛ 내지 1㎜의 크기로 형성될 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 전면 기판으로 입사되는 빛 중에서 태양전지들의 사이 공간을 통과하는 빛은 후면 기판의 전면에 위치한 회절 패턴에 입사된 후, 후면 기판의 후면에서 전반사된다.
그리고 전반사된 빛 중에서 일부의 빛은 태양전지의 후면에 입사되고, 나머지 일부의 빛은 태양전지의 사이 공간을 통과한 후 밀봉 부재와 전면 기판의 계면에서 반사되어 태양전지의 전면에 입사된다.
따라서, 태양전지에 입사되는 빛의 양이 증가하고, 이에 따라 태양전지의 광전 변환 효율이 증가한다.
그리고 후면 기판의 후면에 방열 패턴이 위치하므로, 태양전지 모듈의 구동 중에 발생하는 열이 효과적으로 방출되어 태양전지 모듈의 구동 안정성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 변형 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시한 프리즘의 확대도이다.
도 4는 후면 기판의 후면에서 전반사가 일어나도록 하는 경사면의 경사각을 측정한 그래프이다.
도 5는 도 1의 태양전지 모듈에 사용되는 태양전지의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지 모듈의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 6에 도시한 후면 기판의 일 실시예에 따른 배면도이다.
도 8은 도 6에 도시한 후면 기판의 다른 실시예에 따른 배면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "결합되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 빛이 입사되는 면이 기판의 한쪽 면에만 위치하는 통상의 태양전지를 갖는 태양전지 모듈에 적용이 가능하지만, 빛이 입사되는 면이 기판의 양쪽 면에 각각 위치하는 양면 수광형 태양전지를 갖는 태양전지 모듈에도 적용이 가능하다.
또한, 태양전지 모듈의 후면 기판이 전면 기판 쪽으로 빛을 반사시켜야 할 필요가 있는 태양전지 모듈의 경우, 모듈 내부에 위치하는 태양전지의 종류 또는 구조는 특별히 한정되지 않는다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이하에서는 빛이 태양전지의 양쪽 면을 통해 입사되는 양면 수광형 태양전지 및 이 태양전지를 포함하는 양면 수광형 태양전지 모듈에 대해 설명하지만, 위에서 설명한 바와 같이 본 발명은 본 실시예로 제한되지 않는다.도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 변형 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
그리고 도 3은 도 1 및 도 2에 도시한 프리즘의 확대도이며, 도 4는 프리즘의 경사면에 입사되는 빛의 입사각과, 밀봉 부재의 굴절률에 대한 후면 기판의 굴절률의 비에 따른 경사면의 경사각을 측정한 그래프이다.
본 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈은 복수의 양면 수광형 태양전지(10), 복수의 양면 수광형 태양전지(10)를 전기적으로 연결하는 인터커넥터(20), 양면 수광형 태양전지(10)의 전면(front surface) 쪽에 위치하는 광 투과성 전면 기판(30), 양면 수광형 태양전지(10)의 후면(back surface) 쪽에 위치하는 후면 기판(40), 및 전면 기판(30)과 후면 기판(40) 사이에 위치하는 밀봉 부재(50)를 포함한다.
광 투과성 전면 기판(30)은 투과율이 높은 강화 유리로 이루어져 있다. 이때, 강화 유리는 철 성분 함량이 낮은 저 철분 강화 유리(low iron tempered glass)일 수 있다. 이러한 광 투과성 전면 기판(30)은 빛의 산란 효과를 높이기 위해서 내측면이 엠보싱(embossing) 처리될 수 있다.
밀봉 부재(50)는 습기 침투로 인한 금속의 부식 등을 방지하고 양면 수광형 태양전지(10)를 충격으로부터 보호하기 위한 것으로, 밀봉 부재(50)는 제1 굴절률(n1)을 갖는 동일한 재질의 고분자 수지로 각각 형성될 수 있다.
밀봉 부재(50)는 양면 수광형 태양전지(10)와 전면 기판(30) 사이에 위치하는 제1 밀봉재(도시하지 않음)와, 양면 수광형 태양전지(10)와 후면 기판(40) 사이에 위치하는 제2 밀봉재(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
이 경우, 제1 밀봉재와 제2 밀봉재는 단파장 대역, 예컨대 300㎚ 내지 500㎚에서의 광 투과율이 80% 이상인 실리콘 수지(silicone resin) 또는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA: Ethylene vinyl acetate)로 형성될 수 있다.
제1 밀봉재 및 제2 밀봉재가 실리콘 수지로 형성되는 경우, 상기 실리콘 수지는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 또는 폴리디알킬실록산(PDAS, polydialkylsiloxane)과 같은 실록산으로 이루어질 수 있다.
제2 밀봉재는 태양전지(10)의 후면과 직접 접촉하며, 태양전지(10)들의 사이 공간에서 제1 밀봉재와 직접 접촉한다.
제2 밀봉재가 광 확산 성능을 갖도록 하기 위해, 제2 밀봉재는 나노 크기, 예를 들어 0.1㎚ 내지 10㎚의 입경을 갖는 복수의 확산 입자가 내부에 분산된 고분자 수지 조성물, 예컨대 에틸렌 비닐 아세테이트로 형성될 수 있다.
제2 밀봉재의 확산 성능을 효과적으로 얻기 위해서는 확산 입자가 조성물의 총 중량%에 대해 0.001 중량% 내지 20 중량%로 함유될 수 있다.
확산 입자는 이산화규소(SiO2), 알루미나(Al2o3), 산화마그네슘(MgO), 이산화티탄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화아연(ZnO), 산화인듐(In2O3), 산화주석(SnO2), 산화안티몬(Sb2O5), 황화아연(ZnS) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
확산시키고자 하는 파장대역에 따라 확산 입자의 입경을 조절할 수 있다. 이때, 확산 입자의 입경은 확산시키고자 하는 파장의 대략 0.5배 정도로 선택할 수 있다.
양면 수광형 태양전지 모듈에서는 후면 기판(40)의 후면을 통해서도 빛이 입사되도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 후면 기판(40)은 350㎚ 내지 1400㎚의 파장 대역에서 80% 이상의 광 투과율을 갖는 물질, 예컨대 저철분 강화 유리 또는 고분자 수지로 형성될 수 있으며, 밀봉 부재보다는 작고 공기의 굴절률보다는 큰 굴절률을 갖는 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
후면 기판(40)은 밀봉 부재(50)와 접촉하는 전면과, 전면의 반대쪽에 위치하는 후면을 구비하며, 후면 기판(40)의 전면에는 회절 패턴(P1)이 위치한다.
회절 패턴(P1)은 경사면(42a) 및 경사면(42a)과 연결된 수직면(42b)을 각각 포함하는 복수의 프리즘(42)으로 형성된다.
여기에서, 수직면(42b)은 후면 기판(40)의 후면에 대해 직교하는 방향으로 형성된 면을 말하며, 경사면(42a)은 후면 기판(40)의 후면에 대해 일정한 경사각(θ2)으로 형성된 면을 말한다.
이때, 태양전지(10)의 사이 공간을 통과하여 프리즘(42)의 경사면(42a)으로 입사된 빛이 후면 기판(40)의 후면에서 전반사 되도록 하기 위해, 경사면(42a)의 경사각(θ2)은 도 4에 도시한 그래프에 따라 형성하는 것이 바람직하다.
도 4에 도시한 그래프는 밀봉 부재(50)의 굴절률이 n1(n1=1.4)이고, 후면 기판(40)의 굴절률이 n2이며, 밀봉 부재(50)의 굴절률(n1)에 대한 후면 기판(40)의 굴절률(n2)의 비(n1/n2)가 1.07, 1.14, 1.21, 1.29, 1.36, 1.43인 경우에 대해 경사면(42a)에 입사되는 빛의 입사각(θ1)의 크기에 따른 경사면(42a)의 크기를 측정한 것이다.
여기에서, 입사각(θ1)은 경사면(42a)에 수직한 가상선(IL)에 대해 빛이 입사되는 각도를 말한다.
도 4를 참조하면, 입사각(θ1)이 커질수록, 그리고 굴절률의 비(n1/n2)가 커질수록 경사면(42a)의 경사각(θ2)을 작게 형성하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있으며, 경사면(42a)의 경사각(θ2)은 3° 내지 45°로 형성하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있고, 굴절률의 비(n1/n2)는 1.07 내지 1.43로 형성하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
프리즘(42)은 1㎛ 내지 4㎜의 피치(p)로 형성될 수 있다. 여기에서, 피치(p)는 이웃한 프리즘(42)의 수직면(42b) 사이의 간격을 말하며, 프리즘(42)의 피치(p)는 일정할 수도 있고, 일정하지 않을 수도 있다.
양면 수광형 태양전지 모듈에 사용되는 양면 수광형 태양전지(10)는 도 5에 도시한 바와 같이, 기판(110), 기판(110)의 전면, 예컨대 빛이 입사되는 면에 위치하는 에미터부(120), 에미터부(120) 위에 위치하는 제1 전극부(130), 제1 전극부(130)가 위치하지 않는 에미터부(120) 위에 위치하는 제1 유전층(140), 수광면의 반대쪽 면, 즉 기판(110)의 후면에 위치하는 제2 전극부(150)를 포함한다.
기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 p형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 반도체 기판이다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘일 수 있다. 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 함유한다
기판(110)의 표면은 복수의 요철을 갖는 텍스처링(texturing) 표면으로 형성될 수 있다.
기판(110)의 표면이 텍스처링 표면으로 형성되면 기판(110)의 수광면에서의 빛 반사도가 감소하고, 텍스처링 표면에서 입사와 반사 동작이 이루어져 태양전지의 내부에 빛이 갇히게 되어 빛의 흡수율이 증가된다.
따라서, 태양전지의 효율이 향상된다. 이에 더하여, 기판(110)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 기판(110)으로 입사되는 빛의 양은 더욱 증가한다.
에미터부(120)는 기판(110)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, n형의 도전성 타입을 구비하고 있는 불순물이 도핑(doping)된 영역으로서, 기판(110)과 p-n 접합을 이룬다.
에미터부(120)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(120)는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 기판(110)에 도핑하여 형성될 수 있다.
이에 따라, 기판(110)에 입사된 빛에 의해 반도체 내부의 전자가 에너지를 받으면 전자는 n형 반도체 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 따라서, 기판(110)이 p형이고 에미터부(120)가 n형일 경우, 분리된 정공은 기판(110)쪽으로 이동하고 분리된 전자는 에미터부(120)쪽으로 이동한다.
이와는 반대로, 기판(110)은 n형 도전성 타입일 수 있고, 실리콘 이외의 다른 반도체 물질로 이루어질 수도 있다. 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(110)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
에미터부(120)는 기판(110)과 p-n접합을 형성하므로, 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우 에미터부(120)는 p형의 도전성 타입을 가진다. 이 경우, 분리된 전자는 기판(110)쪽으로 이동하고 분리된 정공은 에미터부(120)쪽으로 이동한다.
에미터부(120)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(120)는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 기판(110)에 도핑하여 형성할 수 있다.
기판(110)의 에미터부(120) 위에는 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiO2) 또는 이산화티탄(TiO2) 등으로 이루어진 막(layer)을 적어도 1층 이상 포함하는 제1 유전층(140)이 형성되어 있다.
제1 유전층(140)은 태양전지(10)로 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜 태양전지(10)의 효율을 높이는 반사방지막의 기능을 수행할 수 있다.
이와는 달리, 제1 유전층(140)은 패시베이션막의 기능을 수행할 수도 있으며, 필요에 따라 반사방지막 및 패시베이션막의 기능을 동시에 수행할 수도 있다.
제1 전극부(130)는 제1 방향(X-X')으로 연장된 복수의 제1 핑거 전극(131)과, 제1 방향과 교차하는 제2 방향(Y-Y')으로 연장된 복수의 제1 버스바 전극(133)을 포함한다.
제1 핑거 전극(131)은 라인 형상으로 형성되며, 에미터부(120) 위에 형성되어 에미터부(120)와 전기적 및 물리적으로 연결되고, 인접하는 제1 핑거 전극(131)과 서로 이격된 상태로 어느 한 방향으로 형성된다.
그리고 제1 버스바 전극(133)은 제1 핑거 전극(131)보다 큰 폭으로 형성되며, 인접한 제1 핑거 전극(131)들을 물리적 및 전기적으로 연결하고, 에미터부(120)와 물리적 및 전기적으로 연결된다.
각각의 제1 핑거 전극(131) 및 각각의 제1 버스바 전극(133)은 에미터부(120) 쪽으로 이동한 전하, 예를 들면 전자를 수집한다.
복수의 제1 핑거 전극(131) 및 복수의 제1 버스바 전극(133)은 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어져 있고, 이들 도전성 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있지만, 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 제1 핑거 전극(131) 및 제1 버스바 전극(133)은 납(Pb)을 포함하는 은(Ag) 페이스트로 이루어질 수 있다. 이 경우, 제1 핑거 전극(131) 및 제1 버스바 전극(133)은 스크린 인쇄 공정을 이용하여 은 페이스트를 제1 유전층(140) 위에 그리드 패턴(grid pattern)으로 도포하고, 기판(110)을 약 750℃ 내지 800℃의 온도에서 소성(firing)하는 과정에서 에미터부(120)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이때, 전술한 전기적 연결은 소성 과정에서 은(Ag) 페이스트에 포함된 납 성분이 제1 유전층(140)을 식각하여 은(Ag) 입자가 에미터부(120)와 접촉하는 것에 따라 이루어진다.
기판(110)의 후면에는 제2 유전층(170)이 형성되고, 제2 유전층(170)이 위치하지 않는 영역의 후면에는 제2 전극부(150)가 형성된다.
본 실시예에서, 제2 전극부(150)는 복수의 제2 핑거 전극(151) 및 복수의 제2 버스바 전극(153)을 포함한다.
복수의 제2 핑거 전극(151)은 제1 핑거 전극(131)과 마찬가지로 제1 방향(X-X')으로 연장된 라인 형상으로 형성되며, 인접한 제2 핑거 전극(151)들과 소정의 간격을 두고 서로 이격된다.
그리고 복수의 제2 버스바 전극(153)은 제1 버스바 전극(133)과 마주하는 위치에서 제2 방향으로 연장되며, 인접한 제2 핑거 전극(151)들을 물리적 및 전기적으로 연결한다.
이러한 구성의 양면 수광형 태양전지(10)에 있어서, 기판(110)의 전면을 통해 입사되는 빛의 양이 후면을 통해 입사되는 빛의 양에 비해 많으므로, 후면에는 제1 핑거 전극(131)들에 비해 많은 개수의 제2 핑거 전극(151)들이 형성될 수 있다.
이 경우, 제2 핑거 전극(151)간의 간격, 즉 피치(pitch)는 제1 핑거 전극(131)간의 간격보다 작을 수 있다.
그리고 기판(110)의 후면에는 제2 전극부(150)가 형성된 영역에 국부적(locally) 또는 부분적(partially)으로 후면 전계(back surface field, BSF)부 (160)가 형성된다.
여기에서, 후면 전계부가 국부적 또는 부분적으로 형성된다는 것은 기판(110)의 후면 전체에 후면 전계부가 형성되지 않는 것을 의미한다. 따라서, 인접한 후면 전계부(160)들 사이에는 기판(110)이 위치한다.
후면 전계부(160)는 기판(110)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 도핑된 영역, 예를 들면, p+ 영역이다.
이러한 후면 전계부(160)는 기판(110)의 후면부 쪽에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되는 것을 감소시킨다.
각각의 제2 핑거 전극(151) 및 각각의 제2 버스바 전극(153)은 후면 전계부(160) 쪽으로 이동한 전하, 예를 들면 전자를 수집한다. 이를 위해, 제2 핑거 전극(151) 및 제2 버스바 전극(153)은 후면 전계부(160)와 전기적 및 물리적으로 연결된다.
복수의 제2 핑거 전극(151) 및 복수의 제2 버스바 전극(153)은 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어져 있고, 이들 도전성 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있지만, 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 제2 핑거 전극(151) 및 제2 버스바 전극(153)은 납(Pb)을 포함하는 은(Ag) 페이스트로 이루어질 수 있다. 이 경우, 제2 핑거 전극(151) 및 제2 버스바 전극(153)은 스크린 인쇄 공정을 이용하여 은 페이스트를 제2 유전층(170) 위에 그리드 패턴(grid pattern)으로 도포하고, 기판(110)을 약 750℃ 내지 800℃의 온도에서 소성(firing)하는 과정에서 후면 전계부(160)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이때, 전술한 전기적 연결은 소성 과정에서 은(Ag) 페이스트에 포함된 납 성분이 제2 유전층(170)을 식각하여 은(Ag) 입자가 후면 전계부(160)와 접촉하는 것에 따라 이루어진다.
이상에서는 제1 전극부(130) 및 제2 전극부(150)가 각각 도전성 입자를 포함하는 도전성 페이스트를 도포 및 소성하여 형성되는 것을 예로 들어 설명하였지만, 제1 전극부(130) 및 제2 전극부(150)는 도금법에 의해 형성될 수도 있다.
그리고 제1 전극부(130) 및 제2 전극부(150) 중 적어도 하나는 버스바 전극을 구비하지 않는 논-버스 구조로 형성될 수 있다.
논-버스 구조의 전극부는 핑거 전극들을 물리적 및 전기적으로 연결하는 버스바 전극이 없으므로, 핑거 전극들이 인터커넥터(20)와 에미터부(120) 또는 인터커넥터와 후면전계부(160)에 의해서만 전기적으로 연결된다.
한편, 도 5에 도시한 도면부호 60은 인터커넥터(20)와 버스바 전극(133, 153)을 접합하기 위한 것으로, 도전성 접착 필름(60)은 수지 내에 복수의 도전성 입자가 분산된 필름 형상으로 형성된다.
수지는 접착성을 갖는 재질이면 특별히 한정되지 않는다. 단 접착 신뢰성을 높이기 위해서는 열경화성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
열경화성 수지로는 에폭시(epoxy) 수지, 페녹시(phenoxy) 수지, 아크릴(acryl) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 폴리카보네이트(polycarbonate) 수지 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 수지를 사용할 수 있다.
수지는 열 경화성 수지 이외의 임의 성분으로서, 공지의 경화제 및 경화 촉진제를 함유할 수 있다.
예를 들면, 수지는 버스바 전극(133, 153)와 인터커넥터(20)의 접착성을 향상시키기 위해 실란(silane)계 커플링(coupling)제, 티타네이트(titanate)계 커플링제, 알루미네이트(aluminate)계 커플링제 등의 개질 재료를 함유할 수 있으며, 도전성 입자의 분산성을 향상시키기 위해 인산 칼슘이나 탄산칼슘 등의 분산제를 함유할 수 있다. 또한 수지는 탄성률을 제어하기 위해 아크릴 고무, 실리콘 고무, 우레탄 등의 고무 성분을 함유할 수 있다.
그리고 도전성 입자는 도전성을 갖는 것이라면 그 재료는 특별히 한정되지 않는다. 도전성 입자는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 철(Fe), 니켈(Ni), 납(Pb), 아연(Zn), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 및 마그네슘(Mg)으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 주성분으로 포함할 수 있으며, 금속 입자만으로 이루어지거나, 금속 피복 수지 입자로 이루어질 수 있다. 이러한 구성의 도전성 접착 필름(60)은 박리 필름을 더 포함할 수 있다.
도전성 입자의 압축 응력을 완화하고 접속 신뢰성을 향상시키기 위해서는 도전성 입자로 금속 피복 수지 입자를 사용하는 것이 바람직하다.
분산성을 향상시키기 위해 도전성 입자는 2㎛ 내지 30㎛의 입경을 갖는 것이 바람직하다.
수지가 경화한 뒤의 접속 신뢰성 측면에서, 수지 내에 분산되는 도전성 입자의 배합량은 도전성 접착 필름(60)의 전체 체적에 대하여 0.5 체적% 내지 20 체적%로 하는 것이 바람직하다.
도전성 입자의 배합량이 0.5 체적% 미만이면 버스바 전극(133, 153)과의 물리적인 접점이 감소하므로 전류 흐름이 원활하게 이루어지지 않을 수 있으며, 상기 배합량이 20 체적%를 초과하면 수지의 상대적 양이 감소하여 접착 강도가 저하될 수 있다.
도전성 접착 필름(60)을 이용하여 태빙(tabbing) 작업을 실시할 때, 전기적 접속 확보 및 접착력 유지가 가능한 범위라면 가열 온도 및 가압 압력의 조건은 특별히 제한되지 않는다.
예를 들면, 가열 온도는 수지가 경화되는 온도 범위, 예컨대 150℃ 내지 180℃의 범위로 설정할 수 있고, 가압 압력은 버스바 전극(133, 153), 도전성 접착 필름(60) 및 인터커넥터(20)가 상호간에 충분히 밀착되는 범위로 설정할 수 있다. 또한 가열 및 가압 시간은 버스바 전극(133, 153) 및 인터커넥터(20) 등이 열로 인한 손상 또는 변질되지 않는 범위로 설정할 수 있다.
이러한 구성의 양면 수광형 태양전지를 갖는 양면 수광형 태양전지 모듈에서, 전면 기판(30)의 전면(front surface)을 통해 입사되는 빛(light) 중 90% 내지 97%의 빛은 양면 수광형 태양전지(10)의 전면(front surface)에 직접 입사되지만, 대략 3% 내지 10%의 빛은 태양전지(10)의 사이 공간을 통과하여 프리즘(42)의 경사면(42a)에 입사된다.
따라서, 프리즘(42)의 경사면(42a)에 입사된 빛은 경사면(42)에서 회절되고, 이후 후면 기판(40)의 후면에서 전반사된다.
이에 따라, 후면 기판(40)의 후면에서 전반사된 빛 중에서 일부의 빛(①)은 태양전지(10)의 후면에 입사되고, 나머지 일부의 빛(②)은 태양전지(10)의 사이 공간을 통과한 후 밀봉 부재(50)와 전면 기판(30)의 계면에서 반사되어 태양전지(10)의 전면에 입사되므로, 태양전지에 입사되는 빛의 양이 증가하고, 이에 따라 태양전지의 광전 변환 효율이 증가한다.
그리고 도시하지는 않았지만, 후면 기판(40)의 후면을 통해서도 빛이 입사될 수 있으며, 후면 기판(40)이 광 투과성 재질로 형성되기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈은 BIPV()로 사용이 가능하다.
이상에서는 태양전지 모듈의 내부에 양면 수광형 태양전지가 위치한 것을 예로 들어 설명하였지만, 태양전지 모듈의 내부에는 기판의 전면을 통해서만 빛이 입사되는 구조의 태양전지가 위치할 수도 있다.
한편, 프리즘(42)은 도 1에 도시한 바와 같이 후면 기판(40)의 전면(front surface) 전체에 위치할 수 있지만, 도 2에 도시한 바와 같이 후면 기판(40)의 전면 중 양면 수광형 태양전지(10)들의 사이 공간에만 위치할 수도 있다.
이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지 모듈에 대해 설명한다.
본 실시예의 태양전지 모듈은 후면 기판의 후면에 냉각 패턴이 형성된 것을 제외하면 나머지 구성은 전술한 제1 실시예와 동일하므로, 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 태양전지 모듈에 있어서, 후면 기판(40)의 후면에는 방열 패턴(P2)이 위치한다.
방열 패턴(P2)은 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 후면 기판(40)의 후면에서 전면을 향해 파여진 홈(groove)(44a)을 포함하며, 홈(44a)은 격자무늬로 형성될 수 있다. 이때, 홈(44a)은 10㎛ 내지 1㎜의 크기로 형성될 수 있다. 여기에서, 홈(44a)의 크기는 폭을 말한다.
그리고 홈(44a) 사이에 위치하는 돌출부(44b)는 사각 형상의 단면으로 형성될 수 있다.
그러나 돌출부(44b)는 역 피라미드(inverted pyramid) 형상의 단면으로 형성될 수도 있다. 여기에서, 역 피라미드 형상은 피크(peak)가 후면 기판(40)의 후면 아래쪽에 위치하는 형상을 말한다.
이와는 달리, 돌출부(44b)는 반원 형상의 단면으로 형성될 수도 있다. 이와 같이, 돌출부(44b)의 단면 형상 및 평면 형상은 다양한 형태로 변형될 수 있다.
한편, 사각 형상 또는 역 피라미드 형상의 단면으로 형성된 돌출부(44b)의 크기는 10㎛ 내지 1㎜일 수 있다.
여기에서, 돌출부(44b)의 크기는 도 5 및 도 6에서 수평 방향 또는 수직 방향으로 이웃한 홈(44a) 사이의 최단 거리를 말한다.
한편, 방열 패턴(P2)은 도 7에 도시한 바와 같이 후면 기판(40)의 후면으로부터 아래쪽으로 돌출된 돌출부(44b')만 포함할 수도 있으며, 돌출부(44b')는 사각형상 또는 역 피라미드 형상의 단면으로 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (13)

  1. 복수의 태양전지들;
    상기 태양전지들의 전면(front surface) 쪽에 위치하는 광 투과성의 전면 기판;
    상기 태양전지들의 후면(back surface) 쪽에 위치하는 후면 기판; 및
    상기 전면 기판과 상기 후면 기판 사이에 위치하며, 1층 이상의 밀봉재로 구성된 밀봉 부재
    를 포함하며,
    상기 후면 기판은 상기 밀봉 부재와 접촉하는 전면과, 상기 전면의 반대쪽에 위치하는 후면을 구비하고, 상기 전면에는 회절 패턴이 위치하는 태양전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 후면 기판은 350㎚ 내지 1400㎚의 파장 대역에서 80% 이상의 광 투과율을 갖는 태양전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 회절 패턴은 복수의 프리즘을 포함하는 태양전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 프리즘은 경사면 및 상기 경사면과 연결된 수직면을 포함하는 태양전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 경사면은 3° 내지 45°의 경사각으로 형성되는 태양전지 모듈.
  6. 제4항에서,
    상기 프리즘은 1㎛ 내지 4㎜의 피치로 형성되는 태양전지 모듈.
  7. 제4항에서,
    상기 프리즘은 상기 밀봉 부재보다 작은 굴절률을 갖는 태양전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 밀봉 부재의 굴절률(n1)에 대한 상기 프리즘의 굴절률(n2)의 비(n1/n2)는 1.07 내지 1.43인 태양전지 모듈.
  9. 제4항에서,
    상기 프리즘은 상기 후면 기판의 상기 전면 전체에 위치하는 태양전지 모듈
  10. 제4항에서,
    상기 프리즘은 상기 후면 기판의 상기 전면 중 상기 태양전지들의 사이 공간에만 위치하는 태양전지 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,
    상기 후면 기판의 상기 후면에는 방열 패턴이 위치하는 태양전지 모듈.
  12. 제11항에서,
    상기 방열 패턴은 홈(groove) 또는 역 피라미드(inverted pyramid) 형상으로 형성되는 태양전지 모듈.
  13. 제12항에서,
    상기 홈 또는 역 피라미드는 10㎛ 내지 1㎜의 크기로 형성되는 태양전지 모듈.
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