KR20150001895A - 태양전지 모듈 - Google Patents

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양주홍
심승환
정일형
고지훈
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈은 제1 n형 기판을 구비하는 복수의 제1 태양전지; 및 제1 n형 기판보다 높은 비저항을 갖는 제2 n형 기판을 구비하는 복수의 제2 태양전지를 포함하며, 어느 한 스트링 내에서 제2 태양전지는 제1 태양전지와 서로 번갈아 가며 교대로 배치되고, 서로 이웃한 제1 태양전지와 제2 태양전지는 인터커넥터에 의해 전기적으로 연결된다.

Description

태양전지 모듈{SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 복수의 태양전지를 갖는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양전지가 주목 받고 있다.
일반적으로 태양전지는 제1 도전형 기판(substrate)의 한 표면, 예컨대 수광면에 제2 도전형(conductive type)의 에미터부(emitter layer)가 형성되고, 에미터부의 전면(front surface)과 기판의 후면(back surface)에 제1 전극부 및 제2 전극부가 각각 형성된 구조를 갖는다. 따라서, 제1 전극부와 제2 전극부는 기판의 서로 다른 표면에 각각 형성된다.
이러한 태양전지에 빛이 입사되면 반도체 내부의 전자가 광전 효과(photoelectric effect)에 의해 자유전자(free electron)(이하, '전자'라 함)가 되고, 전자와 정공은 p-n 접합의 원리에 따라 n형 반도체와 p형 반도체 쪽으로, 예를 들어 기판과 에미터부 쪽으로 각각 이동한다. 그리고 이동한 전자와 정공은 기판 및 에미터부에 전기적으로 연결된 각각의 전극부에 의해 수집된다.
이러한 구성의 태양전지에서 생산되는 전압 및 전류는 매우 작은 편이므로 원하는 출력을 얻기 위해서는 여러 개의 태양전지를 직렬 또는 병렬로 연결한 후 패널(panel) 형태로 방수 처리한 형태의 태양전지 모듈을 제조하여 사용한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 효율이 향상된 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈은, 제1 n형 기판을 구비하는 복수의 제1 태양전지; 및 제1 n형 기판보다 높은 비저항(resistivity)을 갖는 제2 n형 기판을 구비하는 복수의 제2 태양전지를 포함하며, 어느 한 스트링 내에서 제2 태양전지는 제1 태양전지와 서로 번갈아 가며 교대로 배치되고, 서로 이웃한 제1 태양전지와 제2 태양전지는 인터커넥터에 의해 전기적으로 연결된다.
태양전지 모듈은 복수의 제1 n형 기판과 복수의 제2 n형 기판의 전면(front surface) 쪽에 위치하는 투명 부재; 및 복수의 제1 n형 기판과 복수의 제2 n형 기판의 후면(back surface) 쪽에 위치하는 후면 시트를 더 포함한다.
제1 태양전지는 제1 n형 기판의 전면(front surface)에 위치하는 p형 에미터부, p형 에미터부와 전기적 및 물리적으로 연결된 P형 전극부, 제1 n형 기판의 후면(back surface)에 위치하는 n형 후면 전계부, 및 n형 후면 전계부와 전기적 및 물리적으로 연결된 N형 전극부를 포함한다.
제1 태양전지에 있어서, P형 전극부 및 N형 전극부는 제1 방향으로 연장된 복수의 핑거 전극(finger electrode)을 각각 포함할 수 있다.
P형 전극부는 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되며 복수의 핑거 전극과 전기적 및 물리적으로 연결된 복수의 버스바 전극(busbar electrode)을 더 포함할 수 있고, N형 전극부는 제2 방향으로 연장되며 P형 전극부의 버스바 전극과 마주보는 위치에 형성되는 버스바 전극을 더 포함할 수 있다.
P형 전극부는 은(Ag)과 알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성될 수 있고, N형 전극부는 은(Ag)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성될 수 있다.
제2 태양전지는 제2 n형 기판의 전면(front surface)에 위치하는 n형 전면 전계부, n형 전면 전계부와 전기적 및 물리적으로 연결된 N형 전극부, 제2 n형 기판의 후면(back surface)에 위치하는 p형 에미터부, 및 p형 에미터부와 전기적 및 물리적으로 연결된 P형 전극부를 포함한다.
따라서, 인터커넥터는 제1 n형 기판의 전면에 위치한 P형 전극부와 제2 n형 기판의 전면에 위치한 N형 전극부를 동일한 평면상에서 일직선으로 연결한다.
제2 태양전지에 있어서, N형 전극부는 제1 방향으로 연장된 복수의 핑거 전극(finger electrode)을 포함하고, P형 전극부는 제2 n형 기판의 후면에 위치하는 시트 전극(sheet electrode)을 포함할 수 있다.
시트 전극은 전면(front surface) 전체가 p형 에미터부와 직접 접촉할 수 있다.
이와는 달리, 제2 n형 기판의 후면과 시트 전극 사이에는 복수의 개구부를 포함하는 유전층이 위치할 수 있고, 이때, 시트 전극은 개구부를 통해 p형 에미터부와 국부적으로 직접 접촉할 수 있다.
제2 태양전지에 있어서, N형 전극부는 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되며 복수의 핑거 전극과 전기적 및 물리적으로 연결된 복수의 버스바 전극을 더 포함할 수 있고, P형 전극부는 제2 방향으로 연장되며 N형 전극부의 버스바 전극과 마주보는 위치에서 시트 전극의 후면에 위치하는 패드(pad)를 더 포함할 수 있다.
이때, N형 전극부는 은(Ag)과 알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성될 수 있고, 시트 전극은 알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성될 수 있으며, 패드는 주석(Sn)으로 형성될 수 있다.
제1 n형 기판은 0.5Ω㎝ 내지 8Ω㎝의 비저항을 갖는 기판일 수 있다. 이 경우, 제2 n형 기판은 8Ω㎝ 초과 및 13Ω㎝ 이하인 비저항을 갖는 기판일 수 있다.
다른 예로, 제1 n형 기판은 0.5Ω㎝ 내지 6Ω㎝의 비저항을 갖는 기판일 수 있다. 이 경우, 제2 n형 기판은 6Ω㎝ 초과 및 13Ω㎝ 이하인 비저항을 갖는 기판일 수 있다.
일반적으로, p형 잉곳(ingot)의 경우 도 1에 도시한 바와 같이 좁은 범위의 비저항, 예컨대 1Ω㎝ 내지 3Ω㎝의 비저항을 갖는 복수의 p형 기판을 생산할 수 있다.
하지만, n형 잉곳의 경우에는 불순물, 예컨대 인(phosphorous)의 편석 계수(segregation coefficient)가 1에서 많이 떨어져 있기 때문에 도 2에 도시한 바와 같이 p형 잉곳에 비해 매우 넓은 범위의 비저항을 갖는 기판을 생산하게 된다.
여기에서, 도 1은 p형 잉곳의 불순물 도핑 농도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 2는 n형 잉곳의 불순물 도핑 농도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
따라서, 태양전지 모듈에 구비된 복수의 태양전지가 각각 p형 기판으로 제조된 경우에는 각 기판의 비저항 산포가 작으므로 태양전지의 효율 산포가 좁게 형성된다.
하지만, 태양전지 모듈에 구비된 복수의 태양전지가 각각 n형 기판으로 형성된 경우에는 위에서 설명한 바와 같이 각 n형 기판의 비저항 산포가 매우 크므로, 비저항이 상대적으로 낮은 n형 기판, 예컨대 1Ω㎝의 비저항을 갖는 기판과 비저항이 상대적으로 큰 기판, 예컨대 13Ω㎝의 비저항을 갖는 기판이 한 개의 태양전지 모듈에 함께 사용될 수 있다.
따라서, 위에서 설명한 바와 같이 비저항이 상대적으로 낮은 n형 기판과 비저항이 상대적으로 큰 기판이 한 개의 태양전지 모듈에 함께 사용된 경우에는 모듈 내에 구비된 각 태양전지의 효율 산포가 매우 크게 형성된다.
그리고, P형 전극부와 N형 전극부 중 어느 한 전극부는 기판의 전면(front surface)에 위치하고 나머지 한 전극부는 기판의 후면(back surface)에 위치한 태양전지를 구비하는 통상의 태양전지 모듈에서는 인터커넥터를 사용하여 인접한 태양전지들을 전기적으로 연결할 때, 인터커넥터가 대략 길이방향의 중간 부분에서 태양전지들의 사이 공간을 통해 벤딩(bending)된다.
따라서, 인터커넥터의 대략 1/2은 어느 한 태양전지의 전면에 위치한 전극부에 접합되고, 인터커넥터의 나머지 1/2은 다른 한 태양전지의 후면에 위치한 전극부에 접합된다.
그런데, 이러한 전기적 연결 구조에 따르면, 태양전지 모듈을 제조하기 위한 라미네이션(lamination) 공정을 실시할 때 기판에 크랙 (crack)이 발생할 우려가 있으며, 상기 크랙은 인터커넥터의 두께가 증가할수록, 그리고 기판의 두께가 감소할수록 더 크게 발생한다.
따라서, 크랙 발생을 감소시키기 위해서는 인터커넥터의 두께를 증가시키거나 기판의 두께를 감소시키는 것이 제한적으로 이루어질 수 밖에 없어 태양전지의 효율을 높이는데 한계가 있다.
그러나 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈은 모듈에 사용될 기판들의 비저항 크기에 따라 제1 n형 기판 및 제2 n형 기판으로 구분하고, 제1 n형 기판에 비해 높은 비저항을 갖는 제2 n형 기판을 사용한 제2 태양전지의 구조와 제1 n형 기판을 사용한 제1 태양전지의 구조를 다르게 형성함으로써, 태양전지 모듈에 사용된 복수의 태양전지들의 효율 산포를 줄일 수 있으며, 인터커넥터를 사용한 전기적 연결 구조를 변경하는 것에 의해 기판의 두께를 감소시킬 수 있고, 또한 인터커넥터의 두께를 증가시킬 수 있다. 따라서, 태양전지 모듈의 효율이 증가한다.
그리고 모듈화 공정에서의 수율을 향상시킬 수 있고, 인터커넥터를 이용한 전기적 연결 작업에 걸리는 시간을 단축할 수 있다.
또한 태양전지 사이의 공간을 최대한으로 축소할 수 있으므로, 태양전지 모듈의 데드 스페이스(dead space)를 축소하여 모듈의 크기를 줄이는 것이 가능하다.
도 1은 p형 잉곳의 불순물 도핑 농도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 n형 잉곳의 불순물 도핑 농도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 제1 태양전지의 일부 사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 제2 태양전지의 일부 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 태양전지의 일부 단면도이다.
도 7은 도 4에 도시한 제1 태양전지와 도 5에 도시한 제2 태양전지의 배열 구조 및 전기적 연결 구조를 나타내기 위한 측면도이다.
도 8은 도 4에 도시한 제1 태양전지의 특성(효율, 개방전압, 단락전류밀도, 충진 팩터)를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 6에 도시한 제2 태양전지의 특성(효율, 개방전압, 단락전류밀도, 충진 팩터)를 나타내는 그래프이다.
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.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 3을 참고로 하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈은 복수의 제1 태양전지(110), 복수의 제2 태양전지(210), 인접한 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)을 전기적으로 연결하는 인터커넥터(10), 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)을 보호하는 보호막(EVA: Ethylene Vinyl Acetate)(20a, 20b), 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)의 전면(front surface) 쪽으로 전면 보호막(20a) 위에 배치되는 투명 부재(30), 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)의 후면(back surface) 쪽으로 후면 보호막(20b)의 하부에 배치되는 후면 시트(back sheet)(40), 라미네이션 공정에 의해 일체화 된 상기 부품들을 수납하는 프레임(도시하지 않음)을 포함한다.
여기에서, 후면 시트(40)는 태양전지 모듈의 후면에서 습기가 침투하는 것을 방지하여 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)을 외부 환경으로부터 보호한다. 이러한 후면 시트(40)는 수분과 산소 침투를 방지하는 층, 화학적 부식을 방지하는 층, 절연 특성을 갖는 층과 같은 다층 구조를 가질 수 있다.
보호막(20a, 20b)은 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)의 전면 쪽 및 후면 쪽에 각각 배치된 상태에서 라미네이션 공정에 의해 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)과 일체화 되는 것으로, 습기 침투로 인한 부식을 방지하고 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)을 충격으로부터 보호한다. 이러한 보호막(20a, 20b)은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA, ethylene vinyl acetate)와 같은 물질로 이루어질 수 있다.
전면 보호막(20a)의 상부에 위치하는 투명 부재(30)는 투과율이 높고 파손 방지 기능이 우수한 강화 유리 등으로 이루어져 있다. 이때, 강화 유리는 철 성분 함량이 낮은 저 철분 강화 유리(low iron tempered glass)일 수 있다. 이러한 투명 부재(30)는 빛의 산란 효과를 높이기 위해서 내면이 엠보싱(embossing) 처리될 수 있다.
이러한 태양전지 모듈은 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)을 테스트하는 단계, 테스트가 완료된 복수의 제1 및 제2 태양전지들(110, 210)을 인터커넥터(10)에 의해 전기적으로 연결하는 단계, 상기 부품들을 순차적으로, 예컨대 하부로부터 후면 시트(40), 후면 보호막(20b), 제1 및 제2 태양전지들(110, 210), 전면 보호막(20a) 및 투명 부재(30)의 순서로 배치하는 단계, 진공 상태에서 라미네이션 공정을 실시하여 상기 부품들을 일체화 하는 단계, 에지 트리밍(edge trimming) 단계 및 모듈 테스트를 실시하는 단계 등의 공정 순서에 따라 제조된다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참고로 하여 제1 태양전지 및 제2 태양전지에 대해 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 제1 태양전지의 사시도를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 제2 태양전지의 사시도를 도시한 것이며, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 태양전지의 사시도를 도시한 것이다.
먼저, 도 4를 참고하여 제1 태양전지(110)에 대해 설명하면, 제1 태양전지(110)는 제1 도전형, 예를 들어 n형 실리콘으로 이루어진 제1 n형 기판(112)을 포함한다. 제1 n형 기판(112)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
제1 n형 기판(112)의 표면을 요철면인 텍스처링 표면(texturing surface)으로 형성하기 위해 상기 제1 n형 기판(112)은 텍스처링(texturing) 처리될 수 있다.
제1 n형 기판(112)의 표면이 텍스처링 표면으로 형성되면 수광면에서의 빛 반사도가 감소하고, 텍스처링 표면에서 입사와 반사 동작이 이루어져 태양전지 내부에 빛이 갇히게 되므로 빛의 흡수율이 증가된다. 따라서, 태양전지의 효율이 향상된다. 이에 더하여, 제1 n형 기판(112)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 제1 n형 기판(112)으로 입사되는 빛의 양은 더욱 증가한다.
제1 n형 기판(112)의 수광면, 즉 전면(front surface)에는 p형 에미터부(114)가 위치한다. p형 에미터부(114)는 제1 n형 기판(112)의 도전형과 반대인 제2 도전형, 예를 들어, p형의 불순물이 도핑(doping)된 영역으로서, 제1 n형 기판(112)과 p-n 접합을 이룬다.
도 4는 p형 에미터부(114)의 불순물 도핑 농도가 기판 전면의 전체 영역에 걸쳐 균일한 구조를 도시하고 있지만, p형 에미터부(114)는 P형 전극부가 위치하는 영역과 나머지 영역의 불순물 도핑 농도가 서로 다른 선택적 구조로 형성될 수도 있다. 이 경우, P형 전극부가 위치하는 영역에는 상대적으로 불순물 도핑 농도가 높은 고농도 불순물부가 위치할 수 있다.
p형 에미터부(114)는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 제1 n형 기판(112)의 전면(front surface)에 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.
이에 따라, 제1 n형 기판(112)에 입사된 빛에 의해 반도체 내부의 전자가 에너지를 받으면 전자는 n형 반도체 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 따라서, 분리된 정공은 p형 에미터부(114) 쪽으로 이동하고, 분리된 전자는 n형 기판(112) 쪽으로 이동한다.
p형 에미터부(114) 위에는 P형 전극부(116, 118)가 위치한다. P형 전극부는 제1 방향(X-X')으로 연장된 복수의 핑거 전극(116)과, 제1 방향(X-X')과 직교하는 제2 방향(Y-Y')으로 연장된 복수의 버스바 전극(118)을 포함할 수 있다.
하지만, P형 전극부의 버스바 전극(118)은 필요에 따라 선택적으로 제거될 수 있다.
핑거 전극(116)은 p형 에미터부(114)와 전기적 및 물리적으로 연결되고, 인접하는 핑거 전극(116)과 서로 이격한 상태로 제1 방향(X-X')으로 형성된다. 각각의 핑거 전극(116)은 p형 에미터부(114) 쪽으로 이동한 전하, 예를 들면 정공을 수집한다.
핑거 전극(116)은 적어도 하나의 도전성 물질을 포함하고, 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 있다.
하지만, 핑거 전극(116)은 은(Ag)/알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트에 의해 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 핑거 전극(116)이 은(Ag)/알루미늄(Al)을 포함하면, 핑거 전극(116)은 알루미늄에 의해 p형 에미터부(114)와의 접촉 특성이 향상되며, 은에 의해 인터커넥터와의 접촉 특성이 향상된다.
p형 에미터부(114) 위에는 복수의 버스바 전극(118)이 위치한다. 버스바 전극(118)은 핑거 전극(116)과 교차하는 제2 방향(Y-Y')으로 형성되며, 핑거 전극(116) 및 p형 에미터부(114)와 전기적 및 물리적으로 연결된다. 따라서, 핑거 전극(116)과 버스바 전극(118)은 p형 에미터부(114) 위에 그리드 패턴(grid pattern)으로 형성된다.
버스바 전극(118) 또한 은(Ag)/알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성되어 있고, p형 에미터부(114) 및 핑거 전극(116)과 연결되어 있다. 따라서, 버스바 전극(118)은 핑거 전극(116)으로부터 전달되는 전하, 예를 들면 정공을 외부 장치로 출력한다.
핑거 전극(116) 및 버스바 전극(118)는 은(Ag)/알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트를 도 4에 도시한 형태로 유전층(120) 위에 도포한 후, 이를 소성하는 과정에서 p형 에미터부(114)와 전기적으로 연결될 수 있다.
핑거 전극(116) 및 버스바 전극(118)이 위치하지 않는 p형 에미터부(114) 위에는 유전층(120)이 형성되어 있다.
유전층(120)은 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiO2) 등으로 이루어지며, 태양전지(110)로 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜 태양전지(110)의 효율을 높이는 반사 방지막으로 작용할 수 있다. 하지만, 유전층(120)을 복층 구조로 형성하여 상기 유전층(120)이 반사 방지막 기능에 더하여 패시베이션(passivation) 기능을 수행하도록 할 수도 있다.
제1 n형 기판(112)의 후면에는 N형 전극부(122, 124)가 형성되며, N형 전극부(122, 124)는 제1 방향으로 연장된 복수의 핑거 전극(122) 및 제2 방향으로 연장된 복수의 버스바 전극(124)을 포함할 수 있다. 따라서, N형 전극부(122, 124)는 그리드 패턴으로 형성된다.
이때, N형 전극부의 버스바 전극(124)은 P형 전극부의 버스바 전극(118)과 마주보는 위치에 형성되고, N형 전극부의 핑거 전극(122)은 P형 전극부의 핑거 전극(116)보다 많은 개수로 형성될 수 있다.
N형 전극부의 핑거 전극(122)은 제1 n형 기판(112) 쪽으로 이동하는 전하, 예를 들어 전자를 수집한다.
핑거 전극(122)은 적어도 하나의 도전성 물질을 포함할 수 있다. 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, 바람직하게는 은(Ag)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성될 수 있다.
버스바 전극(124)은 핑거 전극(122)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있다. 따라서, 버스바 전극(124)는 핑거 전극(122)으로부터 전달되는 전하, 예를 들면 정공을 외부 장치로 출력한다.
버스바 전극(124)은 핑거 전극(122)과 마찬가지로 은(Ag)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성될 수 있다.
도 4는 제1 n형 기판(112)의 후면에 위치한 N형 전극부와 전면에 위치한 P형 전극부가 각각 그리드 패턴으로 형성된 구조를 도시하고 있지만, N형 전극부는 핑거 전극(122) 대신에 제1 n형 기판(112)의 후면을 덮는 시트 전극(sheet electrode)를 포함할 수 있다. 이때, 시트 전극은 버스바 전극(124)이 위치한 영역을 제외한 나머지 영역의 기판 후면 전체에 형성될 수 있다.
제1 태양전지(110)는 제1 n형 기판(112)의 후면 전체에 형성되는 n형 후면전계(back surface field, BSF)부(115)를 더 포함할 수 있다. n형 후면전계부(115)는 제1 n형 기판(112)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 제1 n형 기판(112)보다 고농도로 도핑된 영역, 예를 들면, n+ 영역이다.
이러한 n형 후면전계부(115)는 전위 장벽으로 작용하게 된다. 따라서, 제1 n형 기판(112)의 후면 쪽에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되는 것이 감소되므로 태양전지(110)의 효율이 향상된다.
그리고 N형 전극부가 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역의 n형 후면전계부(115)의 후면에는 유전층(126)이 형성될 수 있으며, 유전층(126)은 유전층(120)과 마찬가지로 반사방지 기능 및 패시베이션 기능을 수행할 수 있다.
이하, 제2 태양전지(210)의 구성에 대해 도 5를 참고하여 설명한다.
제2 태양전지(210)는 제1 n형 기판(112)과 마찬가지로 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유하는 제2 n형 기판(212)을 구비한다.
하지만, 제1 태양전지(110)와는 달리, 제2 태양전지(210)의 제2 n형 기판(212)의 전면(front surface) 전체에는 n형 전면전계부(215)가 형성된다. N형 전면전계부(215)는 제1 태양전지(110)의 n형 후면전계부(115)와 동일하게 구성될 수 있다.
n형 전면전계부(215) 위에는 그리드 패턴으로 형성된 N형 전극부가 형성된다. N형 전극부는 복수의 핑거 전극(222)과 복수의 버스바 전극(224)으로 구성되며, 제1 태양전지(110)의 P형 전극부와 마찬가지로 은(Al)/알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트에 의해 형성된다. 이때, 버스바 전극(224)은 필요에 따라 선택적으로 제거될 수 있다.
그리고 N형 전극부(222, 224)가 위치한 영역을 제외한 나머지 영역의 n형 전면전계부(215)의 전면(front surface)에는 반사방지 기능 및 패시베이션 기능을 수행하는 유전층(220)이 형성된다.
위에서 설명한 바와 같이, 제2 n형 기판(212)의 전면에 n형 전면전계부(215)가 형성되므로, 제2 n형 기판(212)의 후면 전체에는 제2 n형 기판(212)과 p-n 접합을 형성하는 p형 에미터부(214)가 형성된다. p형 에미터부(214)는 제1 태양전지(110)의 p형 에미터부(114)와 동일하게 구성될 수 있다.
그리고 p형 에미터부(214)의 후면에는 P형 전극부가 형성된다. 본 실시예에서, P형 전극부는 p형 에미터부(214)의 후면 전체에 형성되는 시트 전극(216)과, N형 전극부의 버스바 전극(224)과 마주하는 위치의 시트 전극(216)의 후면에 형성되는 패드(218)로 구성된다. 따라서, 시트 전극(216)의 전면(front surface) 전체는 p형 에미터부(214)와 직접 접촉한다.
이때, 시트 전극(216)은 알루미늄(Al)을 포함한 도전성 페이스트로 형성되고, 패드(218)는 주석(Sn)으로 형성된다.
이와 같이, 시트 전극(216)을 알루미늄으로 형성하면, 가격이 비싼 은(Ag)의 사용량을 줄일 수 있으므로, 태양전지의 제조 원가가 감소한다.
이러한 구성의 제1 태양전지(110) 및 제2 태양전지(210)에서, 분리된 전자는 n형 전계부(115, 215) 쪽으로 이동하고, 분리된 정공은 p형 에미터부(114, 214) 쪽으로 이동한다.
그런데, 제1 태양전지(110)의 경우 p형 에미터부(114)가 제1 n형 기판(112)의 광 입사면, 즉 전면(front surface)에 위치하고 n형 후면전계부(115)가 제1 n형 기판(112)의 후면(back surface)에 위치하지만, 제2 태양전지(210)의 경우 n형 전면전계부(215)가 제2 n형 기판(212)의 전면에 위치하고 p형 에미터부(215)가 제2 n형 기판(212)의 후면에 위치한다.
따라서, 제1 태양전지(110)에서는 정공의 이동 거리가 전자의 이동 거리보다 짧지만, 제2 태양전지(210)에서는 정공의 이동 거리가 전자의 이동 거리보다 길다.
일반적으로, 태양전지를 구성하는 기판의 비저항이 낮은 경우에는 정공 이동 거리가 커질수록 태양전지에서 생산되는 전류량이 감소하는 특징이 있다.
따라서, 제1 태양전지(110)과 제2 태양전지(210)를 제조할 때, 제1 태양전지(110)의 제1 n형 기판(112)으로는 낮은 비저항, 예컨대 0.5Ω㎝ 내지 8Ω㎝의 비저항, 바람직하게는 0.5Ω㎝ 내지 6Ω㎝의 비저항을 갖는 기판을 사용하고, 제2 태양전지(210)의 제2 n형 기판(212)으로는 제1 n형 기판(112)보다 높은 비저항, 예컨대 8Ω㎝ 초과 및 13Ω㎝ 이하의 비저항, 바람직하게는 6Ω㎝ 초과 및 13Ω㎝ 이하의 비저항을 갖는 기판을 사용한다.
도 8은 도 5에 도시한 제1 태양전지(110)의 특성(효율, 개방전압, 단락전류밀도 및 충진 팩터)을 도시한 것이고, 도 9는 도 7에 도시한 제2 태양전지(210)의 특성(효율, 개방전압, 단락전류밀도 및 충진 팩터)을 도시한 것으로, 제1 n형 기판(112)으로는 6Ω㎝ 이하의 비저항을 갖는 기판을 사용하고, 제2 n형 기판(212)으로는 6Ω㎝를 초과하는 비저항을 갖는 기판을 사용하여 실험한 것이다.
도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(210)의 효율, 개방전압, 단락전류밀도 및 충진 팩터는 서로 유사하다. 따라서, 비저항이 낮은 제1 n형 기판(112)을 사용한 제1 태양전지(110)와 제1 n형 기판(110)에 비해 높은 비저항을 갖는 제2 태양전지(210)를 함께 사용하여 태양전지 모듈을 구성하더라도 각 태양전지의 효율 산포가 매우 좁게 형성되므로, 태양전지 모듈의 고효율화가 가능하다.
위에서는 제1 태양전지(110)에 사용되는 제1 n형 기판(112)과 제2 태양전지(210)에 사용되는 제2 n형 기판(212)이 6Ω㎝ 및 8Ω㎝의 비저항 중 하나의 비저항을 기준으로 구분되는 것으로 설명하였지만, 이는 제한적이지 않으며, 제1 n형 기판(112)과 제2 n형 기판(212)을 구분하는 기준은 4Ω㎝ 내지 10Ω㎝의 범위 내에서 적절히 설정할 수 있다.
이와 같이, 제2 n형 기판(212)은 제1 n형 기판(112)의 비저항보다 높은 비저항을 가지므로, 정공 이동 거리가 길게 형성되더라도 기판의 비저항으로 인한 전류량 감소가 억제된다.
제2 태양전지(210)는 도 6에 도시한 구조로 형성될 수 있다. 도 6에 도시한 제2 태양전지(210)는 p형 에미터부(214)의 후면 전체에 시트 전극(216)이 형성된 도 5의 태양전지와 달리, p형 에미터부(214)의 후면에 유전층(228)이 형성되고, 유전층(228)에는 p형 에미터부(214)의 후면 일부를 노출하는 개구부가 형성된다.
그리고 유전층(228)의 후면에는 시트 전극(216)이 형성되고, 시트 전극(216)은 개구부의 내측에도 형성된다. 따라서, 시트 전극(216)은 개구부를 통해 노출된 p형 에미터부(214)와 국부적으로(locally) 직접 접촉하며, 이에 따라 시트 전극(216)이 p형 에미터부(214)와 전기적 및 물리적으로 연결된다.
이상에서 설명한 구성을 제외한 나머지 구성은 도 5에 도시한 제2 태양전지와 동일하게 구성되므로, 나머지 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
도 7은 도 4에 도시한 제1 태양전지와 도 5에 도시한 제2 태양전지의 배열 구조 및 전기적 연결 구조를 나타내기 위한 측면도를 도시한 것이다.
제1 태양전지(110)들 및 제2 태양전지(210)들은 도 1에 도시한 바와 같이 행렬 구조로 배열되어 있으며, 필요에 따라 행과 열 방향으로 배치되는 태양전지들의 개수는 조정이 가능하다.
이때, 제2 방향(Y-Y')으로 형성된 스트링(string)에는 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(210)가 서로 번갈아 가며 교대로 배치되어 있다.
그리고 제1 태양전지(110)는 P형 전극부(116, 118)가 광원을 향하도록 배치되고, 제2 태양전지(210)는 N형 전극부(222, 224)가 광원을 향하도록 배치된다.
따라서, 제1 태양전지(110)의 P형 전극부 중 버스바 전극(118)과 제2 태양전지(210)의 N형 전극부 중 버스바 전극(224)이 동일 평면상에 위치하며, 제1 태양전지(110)의 N형 전극부 중 버스바 전극(124)과 제2 태양전지(210)의 P형 전극부 중 패드(218)가 서로 동일한 평면상에 위치한다.
그리고 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(210)를 배열할 때, 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(210)는 제1 태양전지(110)의 P형 전극부의 버스바 전극(118)과 제2 태양전지(210)의 N형 전극부의 버스바 전극(222)의 길이 방향(Y-Y')이 서로 일치함과 동시에, 제1 태양전지(110)의 N형 전극부의 버스바 전극(124)과 제2 태양전지(210)의 P형 전극부의 패드(218)의 길이 방향(Y-Y')이 서로 일치하도록 배열된다.
이에 따라, 제1 태양전지(110)의 P형 전극부의 버스바 전극(118)의 한쪽 단부는 제2 태양전지(210)의 N형 전극부의 버스바 전극(224)의 한쪽 단부와 서로 마주하게 되고, 제1 태양전지(110)의 N형 전극부의 버스바 전극(124)의 한쪽 단부는 제2 태양전지(210)의 P형 전극부의 패드(218)의 한쪽 단부와 서로 마주하게 된다.
따라서, 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(210)가 전술한 구조로 배치된 태양전지 모듈에서는 도 7에 도시한 바와 같이 제1 태양전지(110)의 P형 전극부의 버스바 전극(118)과 제2 태양전지(210)의 N형 전극부의 버스바 전극(224)를 전기적으로 연결하는 인터커넥터(10)가 동일 평면상에서 일직선으로 배치되며, 또한 제2 태양전지(210)의 P형 전극부의 패드(218)와 제1 태양전지(110)의 N형 전극부의 버스바 전극(124)을 전기적으로 연결하는 인터커넥터(10)가 동일 평면상에서 일직선으로 배치될 수 있다.
즉 본 실시예의 태양전지 모듈은 제1 태양전지(110)의 P형 전극부의 버스바 전극(118)과 제2 태양전지(210)의 N형 전극부의 버스바 전극(224)이 동일 평면상에 위치하고, 제2 태양전지(210)의 P형 전극부의 패드(218)와 제1 태양전지(110)의 N형 전극부의 버스바 전극(124)이 동일 평면상에 위치하므로, 인터커넥터(10)를 이용한 전기적 연결 작업을 매우 용이하게 실시할 수 있다. 따라서 모듈화 공정에서의 수율 향상이 가능하며, 인접한 태양전지(110, 210) 간의 사이 공간을 1㎜ 이하로 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 인터커넥터(10)가 제1 태양전지(110)와 제2 태양전지(210)의 사이 공간에서 벤딩되지 않으므로, 인터커넥터(10)의 두께를 종래에 비해 증가시키거나 기판의 두께를 종래에 비해 감소시키더라도 모듈화 작업에서 기판 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 태양전지 모듈의 고효율화를 달성할 수 있다.
인터커넥터(10)는 기판(112, 212)의 표면과 마찬가지로 텍스처링 표면으로 형성될 수 있다. 이때, 태양전지(110, 210)의 전면 쪽에 배치된 인터커넥터의 경우, 즉 도 7에 도시한 바와 같이 텍스처링 표면이 인터커넥터(10)의 전면(front surface)에 형성될 수 있고, 태양전지(110, 210)의 후면 쪽에 배치된 인터커넥터의 경우 텍스처링 표면이 인터커넥터(10)의 후면(back surface)에 형성될 수 있다.
이 경우, 인터커넥터(10)에 형성된 텍스처링 표면에 의해 빛의 반사가 이루어져 태양전지로 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
이와는 달리, 태양전지(110, 210)의 전면 쪽에 배치된 인터커넥터의 경우, 텍스처링 표면이 인터커넥터(10)의 후면(back surface)에 형성될 수 있고, 태양전지(110, 210)의 후면 쪽에 배치된 인터커넥터의 경우 텍스처링 표면이 인터커넥터(10)의 전면(front surface)에 형성될 수 있다.
이 경우, 인터커넥터(10)와 전극부를 접합하는 도전성 접착제와 인터커넥터의 접합 면적이 증가한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
110: 제1 태양전지 112: 제1 n형 기판
210: 제2 태양전지 212: 제2 n형 기판

Claims (17)

  1. 제1 n형 기판을 구비하는 복수의 제1 태양전지; 및
    상기 제1 n형 기판보다 높은 비저항을 갖는 제2 n형 기판을 구비하는 복수의 제2 태양전지
    를 포함하며,
    어느 한 스트링 내에서 상기 제2 태양전지는 상기 제1 태양전지와 서로 번갈아 가며 교대로 배치되고, 서로 이웃한 제1 태양전지와 제2 태양전지는 인터커넥터에 의해 전기적으로 연결되는 태양전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 제1 n형 기판과 상기 복수의 제2 n형 기판의 전면(front surface) 쪽에 위치하는 투명 부재; 및
    상기 복수의 제1 n형 기판과 상기 복수의 제2 n형 기판의 후면(back surface) 쪽에 위치하는 후면 시트
    를 더 포함하는 태양전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 태양전지는 제1 n형 기판의 전면(front surface)에 위치하는 p형 에미터부, 상기 p형 에미터부와 전기적 및 물리적으로 연결된 P형 전극부, 상기 제1 n형 기판의 후면(back surface)에 위치하는 n형 후면 전계부, 및 상기 n형 후면 전계부와 전기적 및 물리적으로 연결된 N형 전극부를 포함하는 태양전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 태양전지에 있어서,
    상기 P형 전극부 및 상기 N형 전극부는 제1 방향으로 연장된 복수의 핑거 전극(finger electrode)을 각각 포함하는 태양전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 P형 전극부는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되며 상기 복수의 핑거 전극과 전기적 및 물리적으로 연결된 복수의 버스바 전극(busbar electrode)을 더 포함하고, 상기 N형 전극부는 상기 제2 방향으로 연장되며 상기 P형 전극부의 버스바 전극과 마주보는 위치에 형성되는 버스바 전극을 더 포함하는 태양전지 모듈.
  6. 제4항에서,
    상기 P형 전극부는 은(Ag)과 알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성되고, 상기 N형 전극부는 은(Ag)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성되는 태양전지 모듈.
  7. 제3항에서,
    상기 제2 태양전지는 상기 제2 n형 기판의 전면(front surface)에 위치하는 n형 전면 전계부, 상기 n형 전면 전계부와 전기적 및 물리적으로 연결된 N형 전극부, 상기 제2 n형 기판의 후면(back surface)에 위치하는 p형 에미터부, 및 상기 p형 에미터부와 전기적 및 물리적으로 연결된 P형 전극부를 포함하는 태양전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 인터커넥터는 상기 제1 n형 기판의 전면에 위치한 상기 P형 전극부와 상기 제2 n형 기판의 전면에 위치한 상기 N형 전극부를 동일한 평면상에서 일직선으로 연결하는 태양전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 제2 태양전지에 있어서,
    상기 N형 전극부는 제1 방향으로 연장된 복수의 핑거 전극(finger electrode)을 포함하고,
    상기 P형 전극부는 상기 제2 n형 기판의 후면에 위치하는 시트 전극(sheet electrode)을 포함하는 태양전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 시트 전극의 전면(front surface) 전체가 상기 p형 에미터부와 직접 접촉하는 태양전지 모듈.
  11. 제9항에서,
    상기 제2 n형 기판의 후면과 상기 시트 전극 사이에는 복수의 개구부를 포함하는 유전층이 위치하며, 상기 시트 전극은 상기 개구부를 통해 상기 p형 에미터부와 국부적으로 직접 접촉하는 태양전지 모듈.
  12. 제9항에서,
    상기 N형 전극부는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되며 상기 복수의 핑거 전극과 전기적 및 물리적으로 연결된 복수의 버스바 전극을 더 포함하고, 상기 P형 전극부는 상기 제2 방향으로 연장되며 상기 N형 전극부의 버스바 전극과 마주보는 위치에서 상기 시트 전극의 후면에 위치하는 패드(pad)를 더 포함하는 태양전지 모듈.
  13. 제9항에서,
    상기 N형 전극부는 은(Ag)과 알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성되고, 상기 시트 전극은 알루미늄(Al)을 포함하는 도전성 페이스트로 형성되는 태양전지 모듈.
  14. 제7항에서,
    제1 태양전지의 상기 P형 전극부는 상기 제1 n형 기판의 전면에 위치하고, 상기 제2 태양전지의 상기 N형 전극부는 상기 제2 n형 기판의 전면에 위치하며, 상기 제1 태양전지의 상기 N형 전극부는 상기 제1 n형 기판의 후면에 위치하고, 상기 제2 태양전지의 상기 P형 전극부는 상기 제2 n형 기판의 후면에 위치하는 태양전지 모듈.
  15. 제14항에서,
    상기 인터커넥터는 상기 제1 n형 기판의 전면에 위치한 상기 P형 전극부와 상기 제2 n형 기판의 전면에 위치한 상기 N형 전극부를 동일한 평면상에서 일직선으로 연결하는 태양전지 모듈.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 n형 기판은 0.5Ω㎝ 내지 8Ω㎝의 비저항을 갖는 태양전지 모듈.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 n형 기판은 0.5Ω㎝ 내지 6Ω㎝의 비저항을 갖는 태양전지 모듈.
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KR20210070418A (ko) 2019-12-04 2021-06-15 한국철도기술연구원 직선 기본레일을 임시 지지하는 모듈형 패널을 이용한 급속 갱환 레일 분기기 및 그 시공방법

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