KR20160094930A - 모놀리식 태양 전지 어레이 및 제조 방법 - Google Patents

모놀리식 태양 전지 어레이 및 제조 방법 Download PDF

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칼-조셉 크라머
톰 스탈컵
마이클 윈거트
제이 아쉬아이
포완 카폴
호미 페이테미
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솔렉셀, 인크.
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Abstract

태양 전지 어레이 해법은 모놀리식 태양 전지 어레이 및 제조 방법을 포함한다. 제1 패턴화 셀 금속화부는 수광 전면과 후면을 구비하는 복수개의 태양 전지의 각각의 베이스 및 이미터 영역과 접촉한다. 전기 절연성 연속 백플레인층은 태양 전지의 후면에 부착되고 태양 전지의 각각의 제1 셀 금속화부를 피복한다. 연속 백플레인층을 관통하는 비아홀은 제1 셀 금속화부에 대한 접근을 제공한다. 제2 셀 금속화부는 태양 전지의 각각의 제1 셀 금속화부에 접속되고 어레이 내의 태양 전지를 전기적으로 상호접속한다.

Description

모놀리식 태양 전지 어레이 및 제조 방법{MONOLITHIC SOLAR CELL ARRAYS AND FABRICATION METHODS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 제61/872,035호(출원일: 2013년 8월 30일)의 유익을 주장하며, 이 기초출원은 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.
발명의 기술분야
본 발명은 일반적으로 광기전(photovoltaic: PV) 태양 전지, 더욱 구체적으로는 태양 전지 어레이 및 모듈의 분야에 관한 것이다.
광기전 태양 전지기술은 점증하는 광범위 규모에 대한 에너지 발전 해법으로서 채택되고 있으므로, 태양 전지 및 모듈 효율, 금속화, 기계적 지지 및 제조에 관한 제조 및 효율 향상이 요구되고 있다. 제조 비용 및 변환 효율 인자는 태양 전지 흡수체(semiconductor absorber)의 더욱 박형화 그리고 더욱 대면적화를 추진하고 있고, 따라서, 기계적 취성을 증가시키고 이들 박형 흡수체 기반 태양 전지의 가공처리 및 취급을 복잡화시킨다 - 취성 효과는 결정성 실리콘 흡수체에 관하여 특히 증가된다. 현행 광기전 모듈 및 어레이 패키지에서의 태양 전지는 모듈 가공처리(예컨대, 모듈 봉합재 적층 또는 셀 대 셀(혹은 전지 대 전지) 상호접속(cell to cell interconnection)을 위한 태빙(tabbing) 및/또는 스트링잉(stringing)) 동안 그리고 후속하여 현장 설치 및 작업 동안 균열 및 파손되기 쉬울 수 있고, 그 결과 전력 손실 및 신뢰성 저하를 초래할 수 있다.
태양 전지 어레이 또는 모듈 레벨에서, 전지 대 전지 상호접속은 흔히 전형적으로 온-셀(on-cell) 납땜 및 땜납 접합부를 필요로 하는 (예컨대, 플럭스 상호접속 리본을 이용하는) 모듈-레벨 전기적 상호접속을 위하여 사전-제작된 전지를 태빙 및/또는 스트링잉하는 것을 포함한다. 몇몇 경우에, 납땜 공정 및 땜납 접합부는 열적/기계적 응력으로 인한 몇몇 성능 열화를 초래할 수 있고, 또한 땜납 접합부 및 전지-대-전지 리본 상호접속 실패로 인한 현장 신뢰성 실패를 초래할 수도 있다. 또한, 태빙 및 스트링잉 재료(예컨대, Cu 리본, 땜납), 공정 및 장비의 비용이 전체적인 자본 지출 및 제조 비용에 추가될 수 있다.
전형적으로, 종래 기술의 결정성 실리콘 모듈에 있어서, (태빙 및 버싱(bussing) 등과 같은 전지-대-전지 상호접속 공정을 위하여) 셀-레벨 금속화 및 모듈-레벨 전기적 상호접속은 별도의 제작 공정을 사용하고 그리고 심지어 상이한 재료(예컨대, 태양 전지용의 은 및 알루미늄 대 전지 대 전지 상호접속용의 땜납 코팅된 구리 리본)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전통적인 전면-접촉 태양 전지(front-contact solar cell)는 흔히 셀-레벨 금속화용의 소성 은 및 알루미늄 페이스트를 사용하고, 모듈은 모듈-레벨 상호접속용의 구리 리본 및 땜납을 사용하며 - 따라서 셀 금속화 공정과 모듈 상호접속(태빙, 버싱) 공정 사이에 전기적 상호접속 공정들 또는 재료들의 공통성 및/또는 공유가 없다. 전통적인 태양광 모듈에 있어서, 태양 전지는 태양광 모듈 제조 전에 미리 완전 제작되고, 시험되어, 선별된다.
종종, 인접한 태양 전지를 상호접속하는 납땜 탭/리본으로 인한 통상의 또는 종래 기술의 태양광 모듈에서, 현장에서 상호접속 실패를 최소화하거나 없앰으로써 현장에서 모듈을 위한 신뢰성 요건을 충족시키기 위하여 인접한 태양 전지들 간의 최소 간격(전형적으로 적어도 1㎜ 내지 2㎜)이 요구된다. 태양 전지들 간의 이 간격은 (보다 대형의 전지-대-모듈 효율 저하로 인한) 전반적인 총 면적 모듈 효율을 저감시킨다.
통상의(종래 기술의) 태양광 모듈은 흔히, 예를 들어, 다음과 같이 제조된다: (i) 전지 제조 공정 흐름의 말기에 제작된 태양 전지를 시험 및 선별; (ii) 전지의 직렬-접속된 스트링을 만들기 위하여 선별된 태양 전지를 태빙/스트링잉; (iii) 세척된 유리 커버, EVA 봉합재 시트 및 배면 시트(예컨대, 비닐계 필름)을 이용한 모듈 봉합재, 버싱 및 제조를 포함하는 모듈 레이업(lay-up); (iv) 모듈 적층; (v) 모듈 봉합재 트리밍(trimming), (vii) 박스/전기 접속부의 프레이밍(framing) 및 접합; (viii) 최종 모듈 시험. 또한, 예를 들어, 결함성 전지는 모듈의 전력 발전을 실질적으로 변경시킬 수 있으므로 제작된 전지는 모듈 태빙/스트링잉 전에 (전지 폐기를 위하여) 사전 선별 및 시험되어야만 하며 - 즉, 태양 전지(예컨대, 결정성 실리콘 태양 전지)는 전지 제조 공정 라인을 통해서 가공처리되고 나서 후속의 태양광 모듈 조립을 위한 제조에서 시험 및 선별된다. 흔히, 모듈 제조 동안 그리고 후에 전지 파손의 증가된 위험이 있고, 그 결과 제조 수율의 저감 및 PV 모듈 제조 비용의 증가를 초래한다.
따라서, 제조 복잡성을 감소시키고 증가된 태양 전지 어레이 성능을 제공하는 광기전 태양 전지 어레이 해법에 대한 요구가 있다. 개시된 본 발명에 따르면, 이전의 광기전 태양 전지 어레이 및 제조 방법과 연관된 결점 및 결함을 실질적으로 제거하거나 저감시킨 광기전 태양 전지 어레이 및 제조 방법이 제공된다.
개시된 본 발명의 일 양상에 따르면, 광기전 태양 전지 어레이가 제공된다. 제1 패턴화 셀 금속화부(first patterned cell metallization)는 수광 전면(light receiving frontside)과 후면(backside)을 구비하는 복수개의 태양 전지의 각각의 베이스 및 이미터 영역과 접촉한다. 전기 절연성 연속 백플레인층(electrically insulating continuous backplane layer)은 태양 전지의 각각의 후면에 부착되고 태양 전지의 각각의 제1 셀 금속화부를 피복한다(cover). 연속 백플레인층을 관통하는 비아홀(via hole)은 제1 셀 금속화부에 대한 접근을 제공한다. 제2 셀 금속화부는 태양 전지의 각각의 제1 셀 금속화부에 접속되고 어레이 내의 복수개의 태양 전지를 전기적으로 상호접속한다.
본 발명의 이들 및 기타 양상뿐만 아니라 추가의 신규한 특성은 본 명세서에서 제공되는 설명으로부터 명백할 것이다. 본 요약의 의도는 청구된 주제의 이해를 돕기 위한 설명이 아니라 오히려 본 발명의 기능성의 일부의 간단한 개요를 제공하는 것이다. 여기에서 제공되는 기타 시스템, 방법, 특징 및 이점들은 이하의 도면 및 상세한 설명을 검토하면 당업자에게 명백해질 것이다. 이 설명 내에 포함되는 이러한 모든 추가적인 시스템, 방법, 특징 및 이점들은 임의의 청구항의 범위 내인 것이 의도된다.
본 발명의 특성, 속성 및 이점들은 도면과 관련하여 취할 때 이하에 제시되는 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이며, 도면에 있어서 동일한 참조부호는 동일한 특성부를 지칭한다:
도 1은 태양 전지 어레이/모듈에서의 대표적인 깍지형 후면 접촉(interdigitated back contact: IBC) 후면 접합 태양 전지의 단면도;
도 2는 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 어레이/모듈의 단면도;
도 3a는 대표적인 5×6 태양 전지 어레이/모듈의 평면도를 도시한 선도;
도 3b는 대표적인 4×6 태양 전지 어레이의 전지 상호접속 및 전류 흐름의 개략적 평면도;
도 4는 연속 백플레인 부착형 모놀리식 태양 전지 어레이/모듈을 형성하기 위한 공정 흐름도;
도 5 및 도 6은 각각 제1 레벨 금속 및 제2 레벨 금속을 나타내는 깍지형 후면 접촉 태양 전지의 후면의 도면;
도 7a 및 도 7b는 대표적인 2×2 태양 전지 어레이의 전지 상호접속 및 전류 흐름의 개략적 평면도;
도 8 및 도 9는 각각 직교 M1/M2 이미터 접속 및 직교 M1/M2 베이스 접속을 도시한 단면축을 따른 후면-접촉 태양 전지의 부분들의 선택된 단면도; 및
도 10 및 도 11은 모놀리식 태양 전지 어레이/모듈을 형성하기 위한 공정 흐름도.
이하의 설명은 제한적인 의미로 취해진 것은 아니고, 본 발명의 일반적인 원리를 기술할 목적으로 이루어진 것이다. 본 발명의 범위는 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다. 본 발명의 예시적인 실시형태는 도면에 예시되어 있으며, 도면에서 동일한 참조 부호는 각종 도면의 동일 및 대응하는 부분을 지칭하는데 이용되고 있다. 제공된 도면의 치수는 일정 축척으로 도시된 것은 아니다.
본 발명이 구체적인 실시형태 및 부품, 예컨대, 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 참조하여 기술되고 있지만, 당업자라면, 본 명세서에서 논의된 원리를 과도한 실험 없이도 기타 태양 전지 구조(예컨대, 전면 접촉 또는 이미터 랩 쓰루(emitter wrap through: EWT) 태양 전지), 제조 공정(예컨대, 각종 금속화 방법 및 재료, 예를 들어 도금)뿐만 아니라, 연속 백플레인 재료 및 형성, 예를 들어 유전체 재료 증착), 기술적 분야, 및/또는 실시형태에 적용할 수 있을 것이다.
중요하게는, 금속화 패턴 및 태양 전지 단면의 양상들을 도시하고 있는 본 명세서에서 제공되는 도면은 일정 축척으로 그려진 것은 아니다. 부가적으로, 도시된 금속화 도면은 설명의 목적으로 제시되었으며 상이한 x축 및 y축 스케일을 가질 수 있다. 이하는 예시적인 치수 실시형태로서 제공되지만, 개별적인 태양 전지, 금속화 재료 및 각종 요건이 연속 백플레인 및 금속화 패턴 치수를 기술할 수 있다.
본 출원은 실질적으로 개선된 제조 방법 및 광기전 구조 이점을 가진 효과적이면서도 효율적인 태양 전지 어레이 및 모듈 해법을 제공한다. 본 명세서에 기술된 신규한 태양 전지 및 금속화 구조는 다층 금속화 구조, 예컨대, 온-셀 베이스 및 이미터 금속화 제1 레벨 금속(M1) 및 해당 제1 레벨 금속으로부터의 전력(전압 및 전류)을 집속하고(여기서, 태양 전지 금속화를 완성함) 또한 전체적인 전지 대 전지 상호접속을 형성하는 제2 레벨 금속(M2)을 포함하는 2-레벨 금속화 구조를 이용한다. 제2 레벨 금속(M2)은 베이스 및 이미터 전류 집속 핑거의 깍지형 패턴 및 경우에 따라 태양 전지 베이스 버스바(base busbar) 및 이미터 버스바를 포함할 수 있다. 제1 레벨 금속(M1)은, 비교적 미세한 피치(제2 레벨 금속 피치보다 훨씬 더 미세함)를 가진 깍지형 후면 접촉 금속화 구조를 포함할 수 있고, M2의 깍지형 핑거 및 경우에 따라 베이스 및 이미터 M2 버스바에 대해서 직교/평행하거나 또는 몇몇 경우에 평행하다. M1과 M2 사이에 형성되고 태양 전지에 부착된 비교적 박형의 연속 전기 절연성 백플레인은 태양 전지 구조적 지지체인 M1 전기 절연부를 제공하고, 그리고 태양 전지 제조(특히 M2 제조 및 태양 전지 전면 가공처리) 가공처리 개량을 허용한다. 본 명세서에서 제공되는 태양 전지 어레이 실시형태는, 예를 들어, 나머지 태양 전지(및 모놀리식 모듈) 제조 공정 단계의 완결 전에 복수개의 후면-접촉/후면-접합 태양 전지에 적층되거나 또는 다르게는 부착된 태양 전지 반도체 기판 재료(예컨대, 실리콘 태양 전지용의 결정성 실리콘)와 밀접하게 CTE-정합된 연속 백플레인 시트, 바람직하게는 가요성 재료를 사용한다. 예를 들어, 본 명세서에서 제공되는 적층된 백플레인 실시형태는 가변적인 용이하게 적응 가능한 M2 금속화 패턴을 허용하고 후속의 가공처리 동안 태양 전지 후면 및 M1 보호 - 나머지 태양 전지 제조 단계를 위한 플라즈마 증착 가공처리, 열 가공처리 및/또는 습식 화학 가공처리에서의 주된 이점을 제공한다.
다중-레벨 금속화 설계, 예를 들어, 제1 레벨 온-셀 금속(M1)(예를 들어, 알루미늄 또는 다른 적절한 금속을 포함하는 미세-피치 깍지형 금속화 구조) 및 제2 레벨 금속(M2)(예를 들어, 알루미늄 또는 구리 또는 다른 적절한 금속을 포함하는 성긴-피치 깍지형 금속화 구조)를 포함하는 2-레벨 금속에 있어서, (M1)은 깍지형 베이스 및 이미터 라인(예를 들어, 베이스-이미터 핑거 피치 < 2㎜, 바람직하게는 < 1㎜를 지님)을 포함할 수 있고, (M2)(바람직하게는 M1 핑거에 대해서 실질적으로 직교/수직인 그의 핑거를 지니고 그리고 M1에 비해서 훨씬 성긴 베이스-이미터 피치를 지님)는 M1 베이스 및 이미터 라인들 간에 전기 커넥터로서 역할한다(즉, M1 패턴은 버스바가 없지만, 선택적 전지 버스바가 M2 패턴 상에 배치될 수 있다). 개시된 다중-레벨 금속 설계에서의 금속층은 유전체 또는 전기 절연성 층, 예컨대, 수지/섬유계 프레프레그 재료 또는 대안적으로 적절한 플라스틱 또는 중합체계 재료에 의해 분리되어, 연속 백플레인 상에 배치된 태양 전지 어레이 중 복수개의 태양 전지 각각에 대해서 연속 백플레인을 형성한다. 중요하게는, 연속 백플레인은 열 가공처리 동안 CTE(열팽창 계수: Coefficient of Thermal Expansion) 부정합 응력 또는 휨 효과를 최소화하기 위하여 반도체 흡수체(예컨대, 결정성 실리콘)의 CTE와 정합된 비교적 밀접한 CTE이어야 하며 - 예를 들어 특별히 조제된 아라미드 섬유 수지 프리프레그 재료(prepreg material)는 실리콘과 정합하는 근사한 CTE를 제공하는 한편 가요성, 전기 절연, 열적 및 화학적 안정성, 및 기타 바람직한 가공처리 및 신뢰성 특성, 예컨대, 효과적인 균열-없는 적층을 제공한다. M1/M2 상호접속 구조는 M1과 M2 사이에 위치된 - 패턴화된 M2층의 형성 후 태양 전지의 후면에 적층되거나 부착된 절연층(예컨대, 프리프레그 백플레인 등과 같은 절연성 유전체층)을 관통하는 도전성 재료 충전된 비아를 포함한다.
복수개의 태양 전지의 후면에 부착되고 패턴화된 M1층과 M2층 사이에 배치된 연속 백플레인 재료는 태양 전지 어레이 상에 과도한 열 유도 응력 및 휨을 초래하는 것을 회피하기 위하여 반도체 흡수체층의 것과 밀접하게 정합된 충분히 낮은 열팽창 계수(CTE)를 가진 중합체 재료의 얇은(예컨대, 대략 25 마이크론 내지 1㎜, 바람직하게는 대략 25 마이크론 내지 250 마이크론) 시트일 수 있다. 또한, 백플레인 재료는 백엔드 전지 제조 공정들을 위한 공정 통합 요건, 전지 전면의 습식 텍스처화 동안 화학적 내성과 반사방지 코팅(anti-reflection coating: ARC)층 및 전면 부동태화의 PECVD 증착 동안의 열 안정성을 충족시켜야 한다. 게다가, 전기 절연성 백플레인 재료는 또한 모듈-레벨 적층 공정 및 장기간 신뢰성 요건을 충족시켜야 한다. 각종 적절한 중합체(예컨대, 플라스틱, 플루오로중합체, 프리프레그 등) 및 적절한 비-중합체 재료(예컨대, 유리, 세라믹 등)가 백플레인 재료로서 이용될 수 있지만, 백플레인 재료 선택은 재료 비용, 공정 통합의 용이성, 신뢰성, 굽힘성, 질량 밀도 등을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌 많은 고려사항에 좌우된다.
백플레인 재료용의 바람직한 재료 선택은 프리프레그, 더욱 구체적으로는 아라미드 섬유 수지계 프리프레그이다. 몇몇 경우에, 부직포 아라미드 섬유가 특히 유리하다. 프리프레그 시트는 인쇄회로기판의 빌딩 블록으로서 사용되고, 수지와 CTE-저감 섬유 또는 입자의 조합으로 만들어질 수 있다. 백플레인 재료는 저렴하고 낮은-CTE(전형적으로 CTE < 10 ppm/℃, 또는 바람직하게는 CTE < 5 ppm/℃를 지님), 박형(예를 들어 25 내지 250 마이크론, 더욱 구체적으로는 약 50 내지 150 마이크론의 범위) 프리프레그 시트일 수 있고, 이것은 텍스처화 약물에 대해서 비교적 화학적으로 내성이 있고 적어도 180℃(또는 바람직하게는 비산화 분위기 중에서 적어도 약 300℃까지)까지의 온도에서 열적으로 안정하다. 일반적으로, 프리프레그는 수지가 사전 함침되어 복합재 부품을 제조하는데 사용할 준비가 된 보강 재료이다(프리프레그는 습식 레이업 시스템에서보다 더 빠르고 더 용이하게 복합재를 제조하기 위하여 이용될 수 있다). 프리프레그는 점조도(consistency)를 보증하도록 설계된 장비를 이용해서 특별히 조제된 사전 촉매화된 수지와 보강 섬유 또는 직물을 배합함으로써 제조될 수 있다. 가요성 배접지(backing paper)에 의해 피복함으로써, 프리프레그는 용이하게 취급될 수 있고, 그리고 실온에서 소정의 시간 기간(아웃-라이프(out-life)) 동안 휜 채로 있을 수 있다. 또한, 프리프레그 진행은 보관 동안 냉장을 필요로 하지 않는 재료, 보다 긴 보존 수명을 가진 프리프레그, 및 낮은 온도에서 경화되는 제품을 제조하였다. 프리프레그 적층체는 압력 하에 가열함으로써 경화될 수 있다. 통상의 프리프레그는 가압멸균 경화 동안 조제되는 한편 저온 프리프레그는 훨씬 더 낮은 온도에서 단독으로 진공 백 압력을 이용해서 완전히 경화될 수 있다.
연속 프리프레그 시트는 진공 적층기를 이용해서 태양 전지 후면에 부착될 수 있다. 열과 압력의 조합의 적용 시, 박형 프리프레그 시트가 복수개의 부분-가공처리된(또는 심지어 완전-가공처리된) 태양 전지의 후면에 영구적으로 적층되거나 부착된다. 부분-가공처리된 태양 전지의 경우에, 후속의 적층후 제조 공정은 이하를 포함할 수 있다: (i) 태양 전지의 태양면(sunnyside)(전면) 상에 텍스처 공정과 부동태화 공정의 완료, (ii) 태양 전지의 후면(태양 전지 백플레인의 부분을 포함할 수 있음) 상에 높은 전도성 금속화부(M2)의 완성. 이미터 극성과 베이스 극성을 둘 다 포함하는 높은 전도성 금속화 M2 층(예를 들어 알루미늄, 구리 또는 은을 포함하되, 알루미늄 및/또는 구리는 훨씬 낮은 재료 비용 때문에 은에 비해서 선호되고 있음)은 태양 전지의 후면에 부착된 적층된 백플레인 상에 형성된다.
기술된 태양 전지는 바람직하게는 연속 백플레인 적층 전의 각 태양 전지의 후면 상에 직접 형성된 비교적 박형 패턴화 금속(예컨대, 알루미늄 페이스트의 스크린 인쇄 또는 알루미늄 잉크의 잉크젯 인쇄, 또는 대안적으로 알루미늄 표적으로부터의 플라즈마 스퍼터링에 이은 레이저 삭마 또는 습식 에칭 패턴화에 의해 형성된 박형 알루미늄)을 이용하는 버스바 없는(그러나 선택적 버스바는 이용될 수 있음) 제1-레벨 접촉 금속화부(M1), 및 복수개의 태양 전지에 연속 백플레인 적층 후에 형성된 제2 레벨 박형 패턴화 금속(M2)(예컨대, 대략 3 내지 5 마이크론 두께의 Al 또는 대안적으로, 약 1 내지 수 마이크론의 구리를 포함함, 어느 경우에도 바람직하게는 주석 등과 같은 땜납 가능한 코팅으로 캐핑됨)을 포함하는 2-레벨 금속화 방식을 이용한다. 패턴화된 M2층은 또한 높은 전도성 금속박(구리 또는 알루미늄을 포함함)의 도금 또는 적층 및 패턴화를 이용해서 형성될 수 있다. M1층과 M2층은 연속 백플레인에 의해 분리되고 전도성 비아 플러그(conductive via plug)를 통해서 지정된 영역에서 상호접속된다(전도성 비아 플러그는 (M2)의 형성 동안 형성된다). (M1)은 미세-피치 패턴을 지니고 (M2)는 바람직하게는 (M1)에 대해서 직교(또는 실질적으로 수직)하며, 성긴 피치 패턴(그러므로, (M1)에 비해서 더 적은 수의 베이스 및 이미터 핑거)을 지닌다. 패턴화된 M2는 연속 백플레인에 적층된 모든 태양 전지를 위하여 셀-레벨과 셀(즉, 전지) 어레이 또는 모듈-레벨 모놀리식 전기적 상호접속을 완성하며- 따라서 몇몇 경우에 개별의 태빙/버싱/납땜의 필요성을 제거한다. 또한, (M2)는 어레이/모듈 전기적 상호접속 설계를 요망할 경우 어레이/모듈 레벨 버싱 또는 상호접속을 형성할 수 있다. 연속 백플레인-부착된 모놀리식 모듈(또는 태양 전지의 어레이, 예를 들어 몇몇 경우에 개시된 본 발명에 따라 형성된 많은 태양 전지 어레이는 보다 대형이고 보다 높은 전력 태양광 모듈을 구성하기 위하여 함께 스티칭될 수 있음)은 이어서 프레임 없는 가요성 및/또는 경량 PV 모듈(커버 글라스 없음)로서 또는 강고한 유리 피복된 PV 모듈로서 적층될 수 있다.
몇몇 경우에, 전압 및 전류 스케일링(예를 들어, 보다 높은 전압과 보다 낮은 전류 태양 전지)은 M2 전도성 요건과 제한을 완화하고 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 기타 인자를 고려해서, 보다 두꺼운 M2 금속화부(예컨대, 약 50 내지 80 마이크론 두께의 전착된 구리)에 비해서 M2 금속(예컨대, PVD에 의한 약 2 내지 5 마이크론 두께의 증발된 알루미늄 또는 플라즈마 스퍼터링 또는 증발에 의해 형성된 구리의 약 1 내지 수 마이크론)을 이용한다. 중요하게는, M1 및 M2 금속화층의 두께는 또한 M1 층 및 M2 층 상의 깍지형 핑거의 개수, 치수 및 형상에 기초하여 조절될 수 있다. 대부분의 용도에서, (M1)이 (M2)의 깍지형 핑거에 비해서 더 미세한 깍지형 핑거를 가지고 패턴화되는 것이 바람직하다. 그러나, 제공된 전지 구조 및 제조 실시형태는 연속 백플레인 및 M2 금속화 층을 이용해서 각종 이중 레벨 금속화 방식에 적용 가능하다.
도 1은 개시된 본 발명에 따른 태양 전지 어레이/모듈 내의 대표적인 깍지형 후면 접촉(IBC) 후면 접합 태양 전지의 단면도이다. 온-셀 금속화부(또는 (M1) 또는 제1 레벨 금속이라 지칭됨)(14)는 반도체 흡수체(10)(예컨대, 표준 크기의 태양 전지, 예를 들어 156㎜×156㎜, 210㎜×210㎜, 정사각형 또는 유사 정사각형 태양 전지 - 또는 임의의 소망의 형상과 크기의 태양 전지)의 후면 상의 베이스 및 이미터 영역(도시 생략)에 접촉한다. 연속 백플레인(12)은 온-셀 금속화부(14) 및 반도체(10)의 후면에 부착된다. 제2 레벨 금속(16)(또한 (M2)라고도 지정)은 연속 백플레인(12) 상에 위치결정되고, (M1)에 전기 접속된다(또시하지 않은 M1 대 M2 전기 접속 또는 전도성 비아 플러그). 예를 들어, (M2)는 연속 백플레인(12)을 통한 전도성 비아에 의해 (M1)에 접속될 수 있다. 제2 레벨 금속(16)은 부가적인 후면 접촉 후면 접합 태양 전지에 전기 접속되므로 복수개의 태양 전지를 포함하는 어레이 또는 모듈 내에 전기적 상호접속을 제공한다. 부동태화 및 반사방지 코팅(ARC)(18)은 반도체 흡수체(10)의 전면(태양면) 상에 위치결정된다.
반도체 흡수체(10)는 박형의 결정성 실리콘(예를 들어 대략 10 내지 100 마이크로미터 범위의 두께를 지님) 후면 접촉 후면 접합 태양 전지 흡수체일 수 있다. 반도체(10)용의 베이스 및 이미터 금속화부를 형성하는 온-셀 금속화부(M1)(14)는 반도체 흡수체(10)의 후면 상의 베이스 및 이미터 영역을 전기 접속하는 깍지형 금속화 패턴(예컨대, 하나의 경우에, 인쇄 또는 PVD에 의해 형성된 베이스/이미터 깍지형 핑거의 버스바 없는 박형 알루미늄 층)일 수 있다. 온-셀 금속화부(14)는, 예를 들어, 패턴화된 PVD 또는 스크린-인쇄된(또는 잉크젯-인쇄된) 금속층, 예컨대, 알루미늄 또는 기타 적절한 전도성 금속, 예를 들어, 니켈일 수 있다. 연속 백플레인(12)은, 예컨대, 대략 50 내지 200 마이크로미터 두께 범위의 두께를 지니고 베이스 및 이미터 금속화부 패턴을 가진 복수개의 반도체 흡수체를 가로질러 형성된 프리프레그일 수 있다. 제2 레벨 금속(M2)(16)은 또한 경우에 따라 각 태양 전지에 대해서 베이스 버스바와 이미터 버스바를 가진 베이스/이미터 깍지형 핑거의 패턴화된 구조일 수 있다. 중요하게는, 도 1에서는 병렬 M1/M2 패턴으로서 도시되어 있지만, (M2)는 (M1)에 대해서 직교 패턴으로 형성될 수 있으며 - 즉, (M1)(온-셀 금속화부(14))의 깍지형 핑거는 (M2)(제2 레벨 금속(16))의 깍지형 핑거에 대해서 실질적으로 수직/직교하게 된다. 제2 레벨 금속(16)은 증발 및/또는 플라즈마 스퍼터링 등과 같은 PVD 가공처리에 의해 형성된(또는 구리 도금 등과 같은 기타 방법에 의해 형성된) 알루미늄 및/또는 구리 등과 같은 높은 전기 전도성 금속의 패턴화 금속 층일 수 있다. 부동태화 및 반사방지 코팅(ARC) 층(18)은 반도체 흡수체(10)의 전면/태양면(그리고 경우에 따라 텍스처화된 표면) 상에 형성된다. 예를 들어, 부동태화 및 ARC 층(18)은 PECVD 부동태화 및 질화규소 ARC 스택일 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 연속 백플레인은, 태양 전지의 어레이 또는 모듈을 형성하는 복수개의 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 가로질러 형성된다(예컨대, 적층되거나 또는 다르게는 부착된다). 도 2는 개시된 본 발명에 따른 도 1의 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 어레이/모듈의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연속 백플레인(12)은 4개의 태양 전지(C1, C2, C3 및 C4)의 각각의 후면 상에 위치된다. 각각의 태양 전지(C1, C2, C3 및 C4)의 흡수체는 간격 폭(20)에 의해 분리된다. 각 연속 백플레인 시트에 적층되거나 부착된 태양 전지의 실제 개수는 N x M일 수 있으며, 여기서 N 및 M은 바람직하게는 정수이고 N x M = 2이다. 예를 들어, N x M = 6 x 5 = 30 또는 N x M = 6 x 10 = 60(또는 제조 툴세트에 의해 뒷받침될 수 있는 기타 임의의 바람직한 형태).
백플레인 적층 전에, 태양 전지베이스 및 이미터 접촉 금속화 패턴은, 전지 후면 상에 직접, 예를 들어, 스크린 인쇄된 또는 인크젯 인쇄된 또는 플라즈마 스퍼터링(PVD)된 또는 증발된 알루미늄(또는 알루미늄 실리콘 합금 또는 Al/NiV/Sn 스택) 재료 층의 박형 층을 이용해서 형성된다. 이 제1층의 금속화부(여기서는 (M1이라 지칭됨)는 태양 전지 접촉 금속화 패턴, 예를 들어, IBC 전지의 베이스 및 이미터 영역을 획정하는 미세-피치 깍지형 후면-접촉(IBC) 컨덕터 핑거를 획정한다. M1 층은 태양 전지 전류 및 전압(따라서 태양 전지 전력)을 추출하고 백플레인에 형성된 전도성 비아 플러그를 통해서 (M1) 후에 형성된 높은 전도성 태양 전지 금속화부((M2)라고도 지칭됨)의 제2 레벨/층에 태양 전지 전력을 이송한다. 전도성 비아 플러그는 백플레인 층에 비아홀의 레이저 드릴링 후에 패턴화된 M2 층의 형성 동안에 동시에 형성될 수 있다.
태양 전지는 복수개의 태양 전지(예컨대, N행 및 M열은 N x M 전지의 어레이로 됨)가 백플레인(예컨대, 가요성 대략 50 내지 250㎛ 두께의 프리프레그 시트) 재료의 연속 시트에 부착되는 경우 비교적 대형 형태 구조로 적층되어, 후속의 모놀리식 M2 금속화부(즉, 연속 백플레인 시트 상에 복수개의 태양 전지를 가로질러 형성된 M2 금속화 층)가 전지 및 모듈 금속화부를 완성한다. 동작 시, 매우 낮은 비용의 백플레인 층이, 예를 들어, 태양 전지의 각각의 높은 전도성 셀 금속화부를 지지할 뿐만 아니라 영구적 지지 및 보강을 위하여 복수개의 태양 전지에 결합될 수 있다. 백플레인 재료는 박형(예를 들어, 대략 50 내지 250 마이크론, 몇몇 경우에 50 내지 150 마이크론 범위의 두께), 가요성 및 전기 절연성 중합체 재료 시트, 예컨대, 전지 공정 통합 및 신뢰성 요건을 충족시키는 인쇄회로기판에서 통상 이용되는 저렴한 프리프레그 재료로 제조될 수 있다. 연속 백플레인은, 예를 들어, 전면 텍스처화, 그리고 부동태화 및 반사방지 코팅(ARC) 증착 공정을 포함하는 전면/태양면 가공처리를 위하여 태양 전지 후면 및 제1 레벨 금속화부(M1)를 피복하여 보호한다.
(M1 층 상에, 내에 그리고 둘레에) 백플레인의 형성 후, 더 높은 전도성 M2 층이 백플레인 상에 형성된다. 비아홀(몇몇 경우에 태양 전지 당 수백 내지 수천개까지의 비아홀)이 (예를 들어 레이저 드릴링에 의해) 백플레인 내로 드릴링되고, 대략 50 내지 500 마이크론(특히 약 100 내지 300 마이크론 범위의 직경)의 범위의 직경을 지닐 수 있다. 이들 비아홀은, 이들 비아홀에 형성된 전도성 플러그를 통해서 패턴화된 M2층과 M1 층 사이의 전기 접속을 위하여 (M1)의 미리-특정된 랜딩 패드 영역 상에 착지한다. 이어서 또는 비아홀 충전 및 전도성 플러그 형성과 함께, 패턴화된 높은 전도성 금속화 층(M2)이 (예를 들어, 플라즈마 스퍼터링, 도금, 증발, 또는 이들의 조합에 의해 - 예를 들어, 알루미늄, Al/NIV, Al/NiV/Sn, 또는 구리 또는 땜납-코팅된 구리를 포함하는 M2 재료를 이용해서) 형성된다. (M1) 상의 미세-피치 IBC 핑거(예를 들어, 수백개의 핑거)를 가진 깍지형 후면-접촉(IBC) 태양 전지에 대해서, 패턴화된 M2 층은 (M1)에 대해서 직교하여 설계될 수 있다 - 즉, 직사각형 또는 테이퍼 형상 M2 핑거가 M1 핑거에 대해서 실질적으로 수직이다. 이 직교 변환 때문에, 패턴화된 깍지형 M2 층은 M1 층보다 (예를 들어, M1 핑거에 관하여 약 10 내지 50개 적은 M2 핑거 비율로) 훨씬 더 소수이지만 넓은 IBC 핑거를 지닐 수 있다. 그러므로, M2 층은 M1 층보다 넓은 IBC 핑거를 가진 훨씬 성긴 패턴으로 형성될 수 있다. 선택적 태양 전지 버스바는, 온-셀 버스바에 연관된 전기 쉐이딩 손실을 제거하기 위하여, M2 층 상에 위치될 수 있지만, M1 층(즉, 버스바 없는 M1) 상에는 없을 수 있다. 베이스 및 이미터 상호접속과 버스바 둘 다는 태양 전지 후면 백플레인 상의 M2 층 상에 위치될 수 있으므로, 전기적 접근이 태양 전지의 후면으로부터 백플레인 상의 태양 전지의 베이스 단자 및 이미터 단지 둘 다에 제공된다.
도 3a는 개시된 본 발명에 따른 대표적인 5×6(N x M = 5 x 6 = 30) 태양 전지 어레이/모듈의 평면도를 도시한 도면이다. 연속 백플레인(24)(예컨대, 연속 적층된 프리프레그 시트)은 후면 접촉 태양 전지(C11 내지 C56)의 후면에 부착된다. 연속 백플레인(24)은, 기타 이점 중에서도, 취급 요소를 제공할 뿐만 아니라 백엔드 전면 가공처리(예컨대, 텍스처화 및 부동태화 공정들) 동안 태양 전지(C11 내지 C56)에 대한 기계적 지지, M1 후면 금속화 층과 M2 후면 금속화 층 사이의 전기적 절연, 및 태양 전지 후면 및 온-셀 금속화부(M1)의 보호 등과 같은 제조 이점을 제공한다. 예를 들어, 이하의 치수가 예로서 제공된다: 패널 백플레인 두께는 대략 0.2㎜ 정도일 수 있고; 전지 들 간에 1㎜ 간격을 가진 156㎜×156㎜ 태양 전지의 경우에, 모듈은 784㎜(도 3a에서의 치수(a')) ×941㎜(도 3a에서의 치수(b'))의 능동 태양광 어레이/모듈 면적과 814㎜(도 3a에서의 폭 치수(a)) 및 941㎜(도 3a에서의 높이/길이 치수(b))의 치수를 가진 연속 백플레인(24)을 제공한다. 연속 백플레인 핸들 주변부(handle perimeter)는 태양 전지 어레이/모듈을 둘러싸고, 모듈 봉합재 내에 이어서 적층될 수 있는 태양 전지 매립된 전력 전자기기의 배치를 위한 구조(예컨대, 랜딩 패드)뿐만 아니라 태양 전지를 보호하기 위하여 제조 동안 가공처리 핸들로서 작용할 수 있다. 중요하게는, 만약 모듈 버싱이 예를 들어 혼성 병렬 직렬(hybrid parallel series) 접속된 태양 전지 어레이/모듈에서 요망된다면, 모듈 버싱은 연속 백플레인 핸들 상에 위치될 수 있고 M2 금속화부로서 모놀리식으로 형성될 수 있으며 - 즉, (M2)는 모듈 버싱 또는 전력 전자기기 부품 배치 등과 같은 용도를 위한 능동 전지 영역 외부에 형성될 수도 있다.
도 3b는, 태양 전지(C41 내지 C46)를 포함하는, 연속 백플레인 상에 제작된 대표적인 4×6 태양 전지 어레이/모듈의 전지 상호접속 및 전류 흐름의 개략적 평면도이다. 제2 레벨 금속(M2)은 태양 전지의 직렬 접속을 위하여 전지 대 전지 상호접속, 예를 들어 이미터 대 베이스 및 베이스 대 이미터 상호접속을 제공한다. 도 3b의 태양 전지 어레이의 태양 전지는 전체-직렬(all-series) 상호접속 패턴으로 직렬로 접속된다. 대안적으로, 어레이 내의 이들 전지 또는 전지의 그룹은 병렬로 또는 병렬과 직렬의 조합으로 접속될 수 있다. 또한, 입력과 출력의 개수 및 위치는, 예를 들어, 셀 금속화 전류 요건에 따라서 조절될 수 있다. 중요하게는, 본 명세서에서 제공되는 모놀리식 태양 전지 어레이(즉, 동일 백플레인 및 M2를 공유하는 연속 백플레인 상에 형성된 태양 전지)는 모듈 자체를 형성할 수 있거나, 또는 나중에 봉입된 모듈 구조(예를 들어 6×10 어레이 또는 5×12 어레이를 형성하기 위하여 함께 조합/스티칭된 2개의 6×5 어레이) 내로 통합될 수 있다. 따라서, 금속화 패턴은 더 많은 출력 전력을 가진 보다 대형의 태양 PV 모듈을 제조하기 위하여 최종 모듈 적층 전에 적어도 2개의 모놀리식 어레이/모듈의 후속의 스티칭을 가능하게 하도록 설계될 수 있다. 결과적으로, 금속화 패턴은 보다 작은 태양 PV 모듈을 제조하기 위하여 적어도 2개의 보다 작은 모놀리식 전지 어레이/모듈로 최종 모듈 적층 전에 모놀리식 전지 어레이/모듈의 후속의 절단을 가능하게 하도록 설계될 수 있다.
즉, M2 금속화 패턴은, 모놀리식 어레이/모듈을 위한 전류 및 전압의 바람직한 조합을 달성하기 위하여 전체-직렬 또는 혼성 병렬-직렬 등과 같은 소망의 전기적 상호접속 형태로 모놀리식 어레이/모듈 내의 태양 전지들을 상호접속하기 위하여, 예를 들어, 레이저 삭마 패턴 설계에 의해 효율적으로 프로그래밍될 수 있다. 이 프로그래밍은 어레이 내 각 셀에 대응하는 가변적 M2 설계를 포함하며 - 즉, 어레이/모듈 내 태양 전지 1과 태양 전지 2는, 예를 들어, 역전된 금속화 패턴화, 상이하게 정형화된 깍지형 핑거, 및/또는 가변 버스바 형상 및 배치를 포함하는 상이한 M2 금속화 설계를 지닐 수 있다. M2 금속화 패턴은 레이저 금속 삭마 패턴화를 이용해서 그리고 최종-시장 및 적용 요건(예컨대, 모듈 전류 및 전압)에 의존하여 전체-직렬 또는 혼성 병렬-직렬 형태 등과 같은 전지 대 전지 상호접속 패턴을 형성할 수 있다. 몇몇 경우에, 모놀리식 모듈 내 전지를 위한 바람직한 상호접속 배열은 태양 전지의 전체-직렬 상호접속이고, 다른 경우에는 혼성 병렬-직렬 전지 상호접속 조합을 이용하는 전류 및 전압을 스케일링하는 거이 바람직할 수 있다.
전력 전자기기는 본 명세서에서 제공되는 모놀리식 태양 전지 어레이 및 모듈에 통합되고 매립될 수 있다. M2 금속화 설계 유연성과 연결된 연속 백플레인의 조합은 전력 전자 통합을 허용한다. 예를 들어, 매립된 전자기기 요소들은 연속 백플레인 상에 실장될 수 있고 그리고 연속 백플레인 상에 패턴화된 M2 금속화 구조의 완성 후에 그리고 최종 모듈 조립 적층 전에 패턴화된 M2 영역에 납땜(또는 전도성 접착제에 의해 부착)될 수 있다. 매립된 전자기기 요소들은 이하에 열거한 것들 중 하나 또는 조합을 포함할 수 있다: (i) 태양 전지 상의 셰이드 관리 바이패스 스위치(예컨대, 쇼트키 장벽 정류기), (ii) 태양 전지용이 최대 전력점 트래킹(Maximum Power-Point Tracking)(MPPT) DC-대-DC 또는 DC-대-AC 전력 최적화기 전자기기, (iii) 안전 및 조절 순응성용의 원격 접근 모듈 스위치(Remote Access Module Switch)(RAMS) 전자기기. 부가적으로, 연속-백플레인-부착 모놀리식 어레이및 모듈이 또한 DC-대-AC 마이크로컨버터 또는 스트링 인버터를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌 외부 밸런스-오브-시스템(Balance-of-System)(BOS)과 함께 이용될 수 있다.
도 4는 패턴화된 후면 M1(온-셀 제1 레벨) 금속화부를 가진 사전 선별된 깍지형 후면 접촉 후면 접합 태양 전지에서 시작하는 본 발명에 따른 연속 백플레인 부착된 모놀리식 태양 전지 어레이/모듈을 형성하기 위한 공정 흐름도이다. 먼저 대형 모듈-크기 연속 프리프레그 시트 상의 복수개의 부분 가공처리된 태양 전지의 레이업 또는 배열이 준비된다. 이것은 열 응력을 저감시키기 위하여 프리프레그 백플레인 및 흡수체 재료에 대해서 밀접하게 정합된 열팽창 계수(CTE)를 가진 적층 보드를 포함할 수 있다. 다음에, 사전 선별된 태양 전지는 배취 적층기(batch laminator)를 이용해서 가열 공정에서 연속 프리프레그 시트에 적층된다. 경우에 따라, 연속 백플레인이 기계적 지지체를 제공하고 또한 감광성 태양 전지 흡수체 후면 및 온-셀 금속화부(M1)를 보호하므로 후속의 태양 전지 전면 가공처리가 수행될 수 있다. 후속의 적층후 전면 가공처리는 웨이퍼 박형화(예를 들어 실리콘 습식 에칭), 표면 텍스처 에칭, 및 PECVD를 이용한 전면 부동태화 및 ARC 형성을 포함할 수 있다. 비아홀은 셀 M1 금속화부(온-셀 제1 레벨 금속)에 접근하도록, 예를 들어 레이저 드릴링을 이용해서 연속 프리프레그 백플레인에 형성된다. M2 금속화부(제2 레벨 금속)는, (M1), 예를 들어, 알루미늄 증발 + 스퍼터링된 니켈 바나듐(NiV)층을 전기 접속시키기 위하여, 프리프레그 시트의 이면 상에 형성되고 비아를 충전시킨다. 몇몇 경우에, 비아는 금속화부로 피복되거나 적어도 부분적으로 충전될 수 있고, (M2)는 별개의 단계에서 침착될 수 있고, 다른 경우에 M2 침착은 동일한 M2 침착 또는 형성 단계에서 비아를 적어도 부분적으로 피복하거나 부분적으로 충전시킨다. 그 후 전지 및 전지 어레이 접속을 위한 통합된 M2 금속화 패턴화(예컨대, 레이저 삭마 패턴화 또는 마스킹된 습식 에칭 패턴화)가 수행된다.
도 5 및 도 6은 각각 제1 레벨 금속 및 제2 레벨 금속을 도시하는 깍지형 후면 접촉 태양 전지의 후면의 도면이다. 도 5는 다수 및 소수 캐리어 수집용의 후면 접촉 태양 전지의 부피에 걸쳐서 패턴화된 베이스 핑거(32) 및 이미터 핑거(34)의 온-셀 제1 레벨 금속 베이스 및 이미터 금속화부 패턴(M1)를 도시한 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 후면의 도면이다(금속화 패턴은 일정 축척으로 도시되어 있지 않다). 노출된 후면 표면(30)은 온-셀 제1 레벨 금속(M1)에 의해 피복되지 않은 후면 표면의 일부를 포함한다. 여기에 도시된 제1 레벨 금속 베이스 및 이미터 금속화부 패턴은 태양 전지(도시 생략)의 베이스 영역 및 이미터 영역에 대응할 수 있다.
도 6은 연속 백플레인(46)(예컨대, 프리프레그 백플레인) 상에 제2 레벨 금속화부(M2)를 도시한 깍지형 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 후면의 도면이다. 깍지형 M2 패턴은, 후면 접촉 태양 전지의 부피에 대해서 패턴화되고 전기 전도성 비아 플러그(40)에 의해 (M1)의 베이스 및 이미터 금속화부에 각각 접속된 베이스 핑거(42) 및 이미터 핑거(44)의 깍지형 패턴을 포함한다(금속화 패턴은 일정 축척으로 도시되어 있지 않음). 또한, 베이스 버스바(36)는 밑에 있는 베이스 핑거(32)에 접속되고 이미터 버스바(38)는 전도성 비아 플러그에 의해 밑에 있는 이미터 핑거(34)에 접속된다. 여기서 하나의 전도성 비아(40)가 이송을 위하여 도시되어 있고 각 이송이 도면에 제공되어 있지만, 다수의 비아 플러그 및/또는 비아 크기는 M1/M2 전기적 상호접속 요건에 따라서 조정될 수 있는 것에 유의해야 한다.
중요하게는, 베이스 핑거(42)와 이미터 핑거(44)는 직사각 형상을 지닌 것으로 도시되어 있지만, 베이스 핑거(42)와 이미터 핑거(44)는 많은 기하학적 또는 비기하학적 디자인으로 설계될 수 있다. 특히, 베이스 핑거(42)와 이미터 핑거(44)는 전류 집속 효율을 향상시키고 기생 옴 손실을 저감시키기 위하여 버스바에 대응하는 핑거 부근이 더 넓은 측면(즉, 도 6에서의 베이스 버스바(36) 부근에 있는 더 넓은 베이스 핑거(42))을 지니는 테이퍼 형상일 수 있다. 도 5 및 도 6의 깍지형 핑거와 버스바는 일정 축척 및 치수로 그려져 있는 것은 아니고 핑거의 개수는 변할 수 있는 것에 유의해야 한다(예를 들어, M1은 수백개 정도의 깍지형 핑거를 포함할 수 있고 M2 버스바는 전류 요건에 따라서 다양한 폭 두께를 지닐 수 있다).
도 7a 및 도 7b는 도 6의 태양 전지의 대표적인 2×2 태양 전지 어레이의 전지 상호접속 및 전류 흐름의 평면도이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 제2 레벨 금속(M2)은 태양 전지(C11 내지 C12), 예를 들어, 베이스로부터 이미터(그리고 그 역) 상호접속으로의 전지 대 전지 상호접속을 제공한다. 도 7a의 태양 전지 어레이의 태양 전지는 전체-직렬 상호접속 패턴으로 직렬로 접속된다. 대안적으로, 어레이 내의 이들 전지 또는 전지의 그룹은 병렬 또는 병렬과 직렬의 조합(소위 혼성 병렬-직렬 상호접속 패턴)으로 접속될 수 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 제2 레벨 금속(M2)은 태양 전지(C11 내지 C21), 예를 들어, 베이스로부터 이미터(그리고 그 역) 상호접속으로의 전지 대 전지 상호접속을 제공한다. 도 7b의 태양 전지 어레이의 태양 전지는 조합/혼성 병렬 및 직렬 상호접속 패턴으로 직렬로 접속된다.
도 8 및 도 9는 각각 직교 M1/M2 이미터 접속 및 직교 M1/M2 베이스 접속을 나타내는 단면축을 따른 후면-접촉 태양 전지의 부분의 선택된 단면도이고, 개시된 본 발명에 따라 이용될 수 있는 더욱 상세한 전지 구조에 대한 설명적인 실시형태로서 제공된다. 도 8은, M1/M2 이미터 접속의 부분을 도시한 단면도이고 - 예를 들어, 도 5 및 도 6을 참조하여 비아(40)에 의한 M1 이미터 핑거(34)와 직교 M2 이미터 핑거(44) 간의 접속을 도시한 도 6의 A축을 따른 단면도이다. 도 9는 M1/M2 베이스 접속의 부분의 단면도이고 - 예를 들어 도 5 및 도 6 를 참조하여, 비아(40)에 의한 M1 베이스 핑거(32)와 직교 M2 베이스 핑거(42)간의 접속을 도시한 도 6의 B축을 따른 단면도이다.
도 10 및 도 11은 개시된 본 발명에 따른 모놀리식 태양 전지 어레이/모듈을 형성하기 위한 공정 흐름도이다. 도 10 및 도 11의 공정 흐름도에 따른 제조로부터 얻어지는 예시적인 태양 전지 어레이/모듈의 부분들이 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 도 10은 실리콘 웨이퍼, 예를 들어, CZ 또는 다결정성 실리콘 웨이퍼에서 시작하는 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 어레이/모듈을 제조하는 공정 흐름도이다. 도 11은 박형의 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위하여 에피택셜 이형(또는 리프트-오프) 공정을 이용해서 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 어레이/모듈을 제조하기 위한 공정 흐름도이다.
발명자를 공통으로 하는 태양 전지 제조 방법 및 구조는 미국 특허 공개 제2014-0158193호(공개일: 2014년 6월 12일), 미국 특허 공개 제2013-0288425호(공개일: 2013년 10월 31일), 미국 특허 제13/807631호(출원일 2012년 12월 28일), PCT 특허 공개 제WO2013022479호(2013년 2월 14일) 및 미국 특허 공개 제2013-0000715호(공개일: 2013년 1월 3일)에서 발견할 수 있으며, 이들은 모두 참고로 그들의 전문이 본 명세서에 편입된다.
본 명세서에서 제공되는 태양 전지 어레이 및 모듈의 전지 대 전지 상호접속 및 모듈 버싱은 태양 전지들 사이에 추가의 태빙이나 납땜을 필요로 하는 일 없이 모놀리식 패턴화된 M2 금속화부에 의해 제공될 수 있다. 즉, 제2 레벨 금속(M2)은 복수개의 N x M 태양 전지를 포함하는 연속 백플레인을 가로질러 침착되고 패턴화되고(그리고 몇몇 경우에 온-셀 제1 레벨 금속(M1)에 대한 전기 접속을 형성하기 위하여 연속 백플레인 내의 비아를 적어도 부분적으로 피복하거나 충전함으로써 전도성 비아 플러그를 동시에 형성하며) 그리고 이어서 패턴화되어 셀 레벨 금속화부를 완성하고, 전지 대 전지 전기 접속부를 형성할 뿐만 아니라 목적으로 하는 모듈 버싱 패드를 형성할 수 있다. 따라서, M2 구조는 연속 백플레인에 적층된 복수개의 태양 전지를 이용해서 태양 전지 어레이 통한 전압 및 전류용의 패턴화된 전도성 경로를 제공한다. 중요하게는, 모듈 버싱이 요망된다면, 예를 들어, 혼성 병렬 직렬 접속된 태양 전지 어레이/모듈의 경우, 모듈 버싱은 (도 3a에 도시된 바와 같은) 연속 백플레인 핸들 상에 위치결정되어, M2 금속화부로서 모놀리식으로 형성될 수 있으며 - 즉, (M2)는 모듈 버싱 또는 전력 전자기기 등과 같은 적용을 위한 능동 셀 영역 외측에 형성될 수 있다.
예시적인 실시형태의 이상의 설명은 당업자가 청구된 주제를 만들고 이용하는 것을 가능하게 하기 위하여 제공된다. 이들 실시형태의 각종 변형은 당업자에게 용이하게 명백할 것이고, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는 혁신적인 기능의 사용 없이도 다른 실시형태들에 적용될 수 있다. 따라서, 청구된 주제는 본 명세서에 나타낸 실시형태로 제한되도록 의도된 것이 아니라 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특성과 일치하는 가장 넓은 범위에 부합되어야 한다.

Claims (22)

  1. 광기전 태양 전지 어레이(photovoltaic solar cell array)로서,
    복수개의 태양 전지로서, 상기 태양 전지의 각각은 적어도,
    수광 전면(light receiving frontside)과 후면(backside);
    상기 태양 전지의 베이스 영역과 이미터 영역을 접촉시키는, 상기 후면 상의 제1 패턴화 셀 금속화부(first patterned cell metallization)를 구비하는, 상기 복수개의 태양 전지;
    상기 복수개의 태양 전지의 상기 후면에 부착되고 상기 태양 전지의 각각의 상기 제1 셀 금속화부를 피복하는 전기 절연성 연속 백플레인층(electrically insulating continuous backplane layer);
    상기 연속 백플레인층을 관통해서 상기 제1 셀 금속화부로 연결되는 비아홀(via hole); 및
    상기 태양 전지의 각각의 상기 제1 셀 금속화부에 접속되고 상기 어레이 내의 상기 복수개의 태양 전지를 전기적으로 상호접속하는 제2 셀 금속화부를 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 태양 전지는 복수개의 후면 접촉 태양 전지(back contact solar cell)인, 광기전 태양 전지 어레이.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수개의 후면 접촉 태양 전지는 깍지형 후면 접촉 태양 전지(interdigitated back contact solar cell)인, 광기전 태양 전지 어레이.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 셀 금속화부는 베이스 버스바(base busbar) 및 이미터 버스바를 더 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 셀 금속화부는 베이스 버스바 및 이미터 버스바를 더 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연속 백플레인층은 프리프레그 시트(prepreg sheet)인, 광기전 태양 전지 어레이.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연속 프리프레그 시트는 아라미드 섬유 수지계 프리프레그 시트인, 광기전 태양 전지 어레이.
  8. 제6항에 있어서, 상기 연속 프리프레그 시트는 대략 250 마이크로미터 미만의 두께를 가진, 광기전 태양 전지 어레이.
  9. 제1항에 있어서, 상기 태양 전지는 대략 100 마이크로미터 미만의 두께를 가진 반도체 흡수체(semiconductor absorber)를 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이.
  10. 제1항에 있어서, 제2 셀 금속화부는 상기 복수개의 태양 전지를 전체-직렬 접속(all-series connection)으로 전기적으로 접속하는, 광기전 태양 전지 어레이.
  11. 제1항에 있어서, 제2 셀 금속화부는 상기 복수개의 태양 전지를 혼성 병렬-직렬 접속(hybrid parallel-series connection)으로 전기적으로 접속하는, 광기전 태양 전지 어레이.
  12. 제1항에 있어서, 상기 연속 백플레인층은 상기 복수개의 태양 전지 둘레에 핸들 주변부(handle perimeter)를 형성하는, 광기전 태양 전지 어레이.
  13. 광기전 태양 전지 어레이를 제조하는 방법으로서,
    복수개의 태양 전지의 후면에 연속 백플레인을 적층하는 단계;
    상기 연속 백플레인을 관통해서 상기 복수개의 태양 전지의 각각의 상기 후면 상의 베이스 및 이미터 금속화부까지 비아를 형성하는 단계;
    상기 연속 백플레인 상에 제2 레벨 금속(M2)을 형성하는 단계로서, 상기 제2 레벨 금속(M2)은 상기 연속 백플레인 내의 상기 비아를 통해서 상기 베이스 및 이미터 금속화부를 접촉시키는, 상기 제2 레벨 금속(M2)을 형성하는 단계; 및
    상기 복수개의 태양 전지의 각각의 상기 후면 상의 상기 베이스 및 이미터 금속화부에 접속하는 베이스 및 이미터 금속화부 패턴으로 상기 제2 레벨 금속(M2)을 패턴화하고, 그리고 상기 어레이 내의 상기 복수개의 태양 전지를 전기 접속하는 상호접속 패턴을 패턴화하는 단계를 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이를 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 비아홀은 레이저 드릴링에 의해 형성되는, 광기전 태양 전지 어레이를 제조하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 연속 백플레인 상에 상기 제2 레벨 금속(M2)의 형성은 상기 비아 내에 전기 전도성 비아 플러그(electrically conductive via plug)를 형성하는, 광기전 태양 전지 어레이를 제조하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제2 레벨 금속(M2)의 형성 전에 또는 후에 상기 비아에 전기 전도성 재료를 적어도 부분적으로 충전하는 단계를 더 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이를 제조하는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 연속 백플레인의 적층 후에 태양 전지 전면 가공처리를 더 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이를 제조하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 태양 전지 전면 가공처리는 태양 전지 박형화 에칭을 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이를 제조하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 태양 전지 전면 가공처리는 태양 전지 텍스처화 에칭(texturization etch)을 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이를 제조하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 태양 전지 전면 가공처리는 PECVD에 의한 전면 부동태화(frontside passivation)를 포함하는, 광기전 태양 전지 어레이를 제조하는 방법.
  21. 광기전 태양 전지 어레이로서,
    복수개의 깍지형 후면 접촉 태양 전지로서, 상기 태양 전지의 각각은 적어도,
    수광 전면과 후면;
    상기 태양 전지의 베이스 영역 및 이미터 영역과 접촉하는 상기 후면 상의 깍지형 제1 셀 금속화부를 구비하는, 복수개의 깍지형 후면 접촉 태양 전지;
    상기 복수개의 태양 전지의 상기 후면에 부착되고 상기 태양 전지의 각각의 상기 제1 셀 금속화부를 피복하는 전기 절연성 연속 백플레인층;
    상기 연속 백플레인 프리프레그 시트를 관통해서 상기 제1 셀 금속화부로 연결되는 비아홀; 및
    상기 태양 전지의 각각의 상기 제1 셀 금속화부에 전기적으로 접속되고 상기 어레이 내의 상기 복수개의 태양 전지를 전기적으로 상호접속하는 깍지형 제2 셀 금속화부를 포함하되,
    상기 깍지형 제2 셀 금속화부는 상기 깍지형 제1 셀 금속화부에 대해서 직교하고 상기 태양 전지의 각각에 대응하는 적어도 베이스 버스바 및 이미터 버스바를 구비하는, 광기전 태양 전지 어레이.
  22. 제22항에 있어서, 상기 프리프레그 시트는 아라미드 섬유 수지계 프리프레그 시트인, 광기전 태양 전지 어레이.
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