KR20180001203A - 태양전지 모듈 - Google Patents

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오훈
경도현
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현대중공업그린에너지 주식회사
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Abstract

본 발명은 이웃하는 태양전지의 전기적 연결 방식을 금속성와이어 및 도전성패드로 대체함으로써 수광면적을 증대시킴과 함께 전기저항을 최소화할 수 있는 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지 모듈은 제 1 태양전지 및 제 2 태양전지를 포함하며, 이웃하여 배치되는 복수의 태양전지; 및 제 1 태양전지의 전면전극과 제 2 태양전지의 후면전극을 전기적으로 연결하는 복수의 금속성와이어;를 포함하여 이루어지며, 상기 태양전지는 전면전극 및 후면전극을 포함하여 구성되며, 상기 전면전극은 전면 수집전극과 복수의 전면 도전성패드로 구성되고, 후면전극은 후면 수집전극과 복수의 후면 도전성패드로 구성되며, 상기 금속성와이어는 제 1 태양전지의 전면 도전성패드 상에 구비됨과 함께 연장되어 제 2 태양전지의 후면 도전성패드 상에 구비되며, 복수의 전면 도전성패드는 태양전지의 전면 상에 이격, 배치되고, 복수의 후면 도전성패드는 태양전지의 후면 상에 이격, 배치되며, 최외곽에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적은 내측에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 모듈{Solar cell module}
본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이웃하는 태양전지의 전기적 연결 방식을 금속성와이어 및 도전성패드로 대체함으로써 수광면적을 증대시킴과 함께 전기저항을 최소화할 수 있는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양전지 모듈은 복수의 태양전지(solar cell)로 구성되어 태양광을 수광하여 광전변환시키는 장치이다. 태양전지 모듈을 구성하는 각각의 태양전지는 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다.
태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 p-n 접합부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다. 태양전지의 전면과 후면에는 기판 내부로부터 전자, 정공을 수집하기 위한 전면전극과 후면전극이 구비된다.
한편, 태양전지 모듈을 구성하는 복수의 태양전지는 전기적으로 연결되는데, 예를 들어 제 1 태양전지의 전면전극은 제 2 태양전지의 후면전극과 접속되는 형태로 연결된다. 이 때, 이웃하는 태양전지의 전면전극과 후면전극은 리본 형태의 인터커넥터(interconnector)에 의해 연결된다(한국등록특허 제1138174호 참조).
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 인터커넥터(120)에 의해 이웃하는 태양전지(110)의 전면전극과 후면전극이 연결됨에 있어서, 전면전극과 후면전극은 세부적으로 버스바전극(111)을 포함하여 구성되며 인터커넥터(120)는 전면전극의 버스바전극(111)과 후면전극의 버스바전극(111)을 연결한다. 버스바전극은 전면전극과 후면전극의 핑거전극 등으로부터 수집된 캐리어를 인터커넥터로 전달한다.
이상, 태양전지 모듈의 구조에 대해 개괄적으로 설명하였는데, 상술한 바와 같이 태양전지들의 전기적 연결을 위해 버스바전극 및 인터커넥터가 필수적으로 요구된다. 또한, 전기저항을 줄이기 위해 버스바전극과 인터커넥터는 태양전지 면적 대비 적지 않은 면적을 차지한다.
태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위한 조건 중 하나는 수광면적 증대이다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이 버스바전극과 인터커넥터가 상당한 면적을 차지하고 있어 수광면적이 감소되는 문제점이 있으며, 버스바전극 및 인터커넥터 형성에 소요되는 재료 또한 증가되어 제조비용이 상승되는 단점이 있다.
한국등록특허 제1138174호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 이웃하는 태양전지의 전기적 연결 방식을 금속성와이어 및 도전성패드로 대체함으로써 수광면적을 증대시킴과 함께 전기저항을 최소화할 수 있는 태양전지 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지 모듈은 제 1 태양전지 및 제 2 태양전지를 포함하며, 이웃하여 배치되는 복수의 태양전지; 및 제 1 태양전지의 전면전극과 제 2 태양전지의 후면전극을 전기적으로 연결하는 복수의 금속성와이어;를 포함하여 이루어지며, 상기 태양전지는 전면전극 및 후면전극을 포함하여 구성되며, 상기 전면전극은 전면 수집전극과 복수의 전면 도전성패드로 구성되고, 후면전극은 후면 수집전극과 복수의 후면 도전성패드로 구성되며, 상기 금속성와이어는 제 1 태양전지의 전면 도전성패드 상에 구비됨과 함께 연장되어 제 2 태양전지의 후면 도전성패드 상에 구비되며, 복수의 전면 도전성패드는 태양전지의 전면 상에 이격, 배치되고, 복수의 후면 도전성패드는 태양전지의 후면 상에 이격, 배치되며, 최외곽에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적은 내측에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적보다 큰 것을 특징으로 한다.
전면 도전성패드의 개수와 후면 도전성패드의 개수는 동일하거나, 후면 도전성패드의 개수는 전면 도전성패드의 개수보다 많을 수 있다.
복수의 전면 도전성패드와 복수의 후면 도전성패드는 동일 간격으로 이격, 배치될 수 있으며, 전면 도전성패드 또는 후면 도전성패드 사이의 간격은 15mm 이하이다. 또한, 최외곽에 배치되는 전면 도전성패드 또는 후면 도전성패드는 태양전지 기판 끝단으로부터 2.5mm 이상 떨어진 곳에 배치된다.
상기 금속성와이어의 개수는 6개 이상 핑거전극의 개수 이하이다.
최외곽에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적은 내측에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적보다 4∼8배 크다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은 다음과 같은 효과가 있다.
종래의 리본 및 버스바전극을 금속성와이어 및 도전성패드로 대체함에 따라, 금속성와이어의 개수를 버스바전극의 개수보다 늘릴 수 있어 태양전지 모듈의 전기적 특성을 향상시킬 수 있으며, 버스바전극보다 폭이 좁은 금속성와이어를 적용함으로써 수광면적을 증대시킬 수 있다.
또한, 도전성패드의 개수, 면적, 위치 등을 최적 설계함으로써 금속성와이어와 도전성패드 간의 부착특성 및 태양전지의 휨(bowing) 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 태양전지 모듈의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 전면 및 후면을 나타낸 참고도.
본 발명은 태양전지 모듈을 구성함에 있어서 리본 형태의 인터커넥터를 대체하는 기술을 제시한다. '발명의 배경이 되는 기술'에서 설명한 바와 같이, 리본 형태의 인터커넥터는 각 태양전지의 버스바전극을 전기적으로 연결한다. 본 발명은 금속성와이어와 도전성패드의 조합으로 리본 형태의 인터커넥터 연결 방식을 대체한다.
도전성패드는 태양전지 모듈을 구성하는 각 태양전지의 전면 및 후면에 구비되며, 각 태양전지에 구비된 도전성패드는 금속성와이어에 의해 전기적으로 연결된다. 도전성패드는 태양전지의 전면과 후면에 각각 구비되어, 전면측의 전극과 후면측의 전극에 의해 수집된 캐리어를 금속성와이어에 전달하는 역할을 한다.
리본 형태의 인터커넥터 방식의 경우, 2∼4개의 버스바전극이 태양전지의 전면과 후면에 구비되고 버스바전극과 동일한 개수의 인터커넥터가 적용된다. 이에 반해, 본 발명의 경우 태양전지 기판의 전면과 후면 각각에 복수의 도전성패드를 이격, 배치시키고, 버스바전극의 폭보다 작은 폭을 갖는 금속성와이어가 복수의 도전성패드와 전기적으로 연결되도록 한다.
금속성와이어의 폭이 버스바전극의 폭보다 작기 때문에 수광면적의 감소를 최소화하는 수준에서 금속성와이어의 수를 종래의 인터커넥터 방식의 버스바전극 개수보다 늘릴 수 있으며, 버스바전극의 개수보다 많은 수의 금속성와이어가 배치됨에 따라 태양전지간의 전기적 연결특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 금속성와이어와 도전성패드 간의 부착공정 즉, 태빙공정(tabbing)을 진행함에 있어서, 금속성와이어와 도전성패드 간의 부착특성 및 태양전지의 휨(bowing) 특성을 향상시키는 기술을 제시한다.
태빙장치의 특성상 태양전지 전면에 비해 후면의 열전달 효율이 상대적으로 떨어지는 점을 고려하여 후면에 배치되는 도전성패드의 개수를 전면과 동일하게 하거나 전면의 도전성패드의 개수보다 많도록 설계한다. 이를 통해, 금속성와이어와 도전성패드 간의 부착특성 및 태양전지의 휨 특성을 향상시킬 수 있다. 전면과 후면의 도전성패드의 개수가 서로 다르면 휨 현상이 발생될 수 있다.
금속성와이어와 도전성패드 간의 부착특성을 향상시키기 위한 추가적인 방안으로, 최외곽에 배치되는 도전성패드의 면적을 다른 도전성패드(내측에 배치되는 도전성패드)의 면적보다 넓게 설계하는 기술을 제시한다. 이와 함께, 최외곽에 배치되는 도전성패드가 태양전지 기판 끝단으로부터 2.5mm 이상 떨어진 곳에 배치되도록 함으로써 기판의 크랙(crack) 가능성을 낮추는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 복수의 태양전지(200)를 구비하며, 복수의 태양전지(200)는 금속성와이어(10)에 의해 전기적으로 연결된다.
각 태양전지(200)는 전면전극과 후면전극을 구비한다. 전면전극은 태양전지(200)의 전면측에 구비되며, 후면전극은 태양전지(200)의 후면측에 구비된다. 전면전극과 후면전극 각각은 세부적으로, 수집전극과 도전성패드로 이루어진다. 즉, 전면전극은 전면 수집전극(211)과 전면 도전성패드(212)로 구성되고, 후면전극은 후면 수집전극(221)과 후면 도전성패드(222)로 구성된다. 상기 수집전극은 광전변환에 의해 생성된 캐리어(carrier)를 수집하는 역할을 하며, 상기 도전성패드는 수집전극에 의해 수집된 캐리어를 금속성와이어(10)로 전달하는 역할을 한다.
상기 수집전극은 평행하여 이격, 배치되는 형태로 구성되거나 판형의 형태로 구성될 수 있다. 일 실시예로, 전면수광형 태양전지의 전면전극 또는 양면수광형 태양전지의 전면전극과 후면전극을 구성하는 경우, 수집전극은 평행하여 이격, 배치되는 핑거전극 형태(finger-line electrode)로 구성할 수 있으며, 전면수광형 태양전지의 후면전극을 구성하는 경우 수집전극은 후면전계층(back surface field) 형성을 유도하는 Al전극(이하, BSF전극이라 칭함)과 같이 판 형태로 구성할 수 있다.
한편, 도전성패드는 태양전지의 구조와 무관하게 태양전지의 전면과 후면 상에 일정 간격 이격되어 반복, 배치된다. 세부적으로, 복수의 도전성패드는 가로 방향 및 세로 방향으로 동일 간격으로 이격 배치된다. 상술한 바와 같이 수집전극이 핑거전극의 형태를 이루는 경우, 핑거전극과 금속성와이어(10)는 직교하며, 핑거전극과 금속성와이어(10)의 교차점에 도전성패드가 배치되는 형태를 이룬다. 이 경우, 상기 도전성패드는 핑거전극과 금속성와이어(10)의 모든 교차점에 구비되거나, 전체 교차점 중 일부 교차점에 선택적으로 구비될 수 있다. 반면, 수집전극이 BSF전극과 같이 판 형태를 이루는 경우, 복수의 도전성패드가 가로 방향 및 세로 방향으로 동일 간격 이격 배치되고 도전성패드가 구비되지 않은 영역에는 BSF전극이 구비되며, 복수의 금속성와이어(10)가 도전성패드 상에 구비되는 구조를 이룬다.
도전성패드 사이의 간격은 제한되지는 않으나 금속성와이어(10)와 도전성패드의 부착특성, 수광면적 감소, 도전성패드 형성을 위한 도전성물질(예를 들어, Ag)의 사용량 및 전기적 특성을 고려하여 15mm 이내로 설계하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 핑거전극 및 도전성패드는 Ag를 주성분으로 구성할 수 있으며, 상기 금속성와이어(10)는 구리(Cu)과 주석(Sn) 기반의 금속화합물로 이루어질 수 있다.
전면 도전성패드(212)와 후면 도전성패드(222)를 구성함에 있어서, 최외곽에 배치되는 도전성패드(이하, 최외곽 도전성패드라 칭함)의 면적은 내측에 배치되는 도전성패드의 면적보다 크도록 설계한다. 태빙공정시 내측의 도전성패드에는 균일한 열이 공급되어 금속성와이어(10)와 도전성패드의 접착특성이 양호하나 최외곽 도전성패드의 경우 셀의 가장자리에 위치함에 따라 열 공급이 원활하지 않아 금속성와이어(10)와의 접촉특성이 저하되며 이를 보완하기 위해, 최외곽 도전성패드의 면적을 내측의 도전성패드의 면적보다 크게 설계할 필요가 있다. 금속성와이어(10)와 최외곽 도전성패드의 부착특성 향상을 위해 최외곽 도전성패드의 면적은 내측의 도전성패드의 면적 대비 4∼8배로 설계할 수 있으며, 도전성패드의 폭은 동일하게 하고 도전성패드의 길이만 4∼8배로 설계할 수 있다.
또한, 태양전지 기판(201)의 크랙을 방지하기 위해 최외곽 도전성패드는 태양전지 기판(201) 끝단으로부터 2.5mm 이상 떨어진 곳에 배치하는 것이 바람직하다. 최외곽 도전성패드의 구비위치가 기판(201) 끝단에 가까울수록 태양전지의 출력은 향상되나 금속성와이어의 절곡 각도가 커져 기판 끝단에서의 크랙 발생 가능성이 커진다. 종래의 리본 형상의 인터커넥터를 적용하는 경우 버스바전극의 일단은 기판 끝단으로부터 6mm 이상 이격 배치하였으나, 본 발명의 금속성와이어를 적용하는 경우 금속성와이어의 유연한 절곡 특성 때문에 최외곽 도전성패드를 기판 끝단에 가까운 위치에 구비시킬 수 있다. 이와 같은 점을 고려하여, 최외곽 도전성패드는 기판 끝단으로부터 2.5∼6mm 떨어진 곳에 배치하는 것이 바람직하다.
전면 도전성패드(212)의 개수와 후면 도전성패드(222)의 개수는 동일하게 설계하는 것이 바람직하다. 전면 도전성패드(212)와 후면 도전성패드(222)를 동일 개수로 설계하는 이유는 태양전지 기판(201)의 휨 현상을 방지하기 위함이며, 태양전지 후면측으로의 열전달 효율이 상대적으로 떨어지는 태빙(tabbing)장치의 특성을 고려하여 후면 도전성패드(222)의 개수를 전면 도전성패드(212)보다 많도록 할 수도 있다.
각 태양전지(200)의 전면전극 및 후면전극이 상술한 바와 같은 구조를 갖는 상태에서, 금속성와이어(10)는 이웃하는 태양전지(200)의 전면전극과 후면전극을 연결한다. 일 실시예로, 제 1 태양전지(200)와 제 2 태양전지(200)가 배치되는 경우, 금속성와이어(10)는 제 1 태양전지(200)의 전면전극과 제 2 태양전지(200)의 후면전극을 연결한다(또는 제 1 태양전지(200)의 후면전극과 제 2 태양전지(200)의 전면전극이 금속성와이어(10)에 의해 연결된다).
구체적으로, 제 1 태양전지(200)의 전면 도전성패드(212) 상에 배치된 금속성와이어(10)는 연장되어 제 2 태양전지(200)의 후면 도전성패드(222) 상에 배치되는 형태를 이룬다. 제 1 태양전지(200)의 전면전극과 제 2 태양전지(200)의 후면전극을 연결하는 금속성와이어(10)의 수는 제한되지는 않으나, 6개 이상이고 핑거전극의 개수 이하로 구성하는 것이 바람직하다.
10 : 금속성와이어
200 : 태양전지 201 : 기판
211 : 전면 수집전극 212 : 전면 도전성패드
221 : 후면 수집전극 222 : 후면 도전성패드

Claims (11)

  1. 제 1 태양전지 및 제 2 태양전지를 포함하며, 이웃하여 배치되는 복수의 태양전지; 및
    제 1 태양전지의 전면전극과 제 2 태양전지의 후면전극을 전기적으로 연결하는 복수의 금속성와이어;를 포함하여 이루어지며,
    상기 태양전지는 전면전극 및 후면전극을 포함하여 구성되며,
    상기 전면전극은 전면 수집전극과 복수의 전면 도전성패드로 구성되고, 후면전극은 후면 수집전극과 복수의 후면 도전성패드로 구성되며,
    상기 금속성와이어는 제 1 태양전지의 전면 도전성패드 상에 구비됨과 함께 연장되어 제 2 태양전지의 후면 도전성패드 상에 구비되며,
    복수의 전면 도전성패드는 태양전지의 전면 상에 이격, 배치되고, 복수의 후면 도전성패드는 태양전지의 후면 상에 이격, 배치되며,
    최외곽에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적은 내측에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 전면 도전성패드의 개수와 후면 도전성패드의 개수는 동일한 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.

  3. 제 1 항에 있어서, 후면 도전성패드의 개수는 전면 도전성패드의 개수보다 많은 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 복수의 전면 도전성패드와 복수의 후면 도전성패드는 동일 간격으로 이격, 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 전면 도전성패드 또는 후면 도전성패드 사이의 간격은 15mm 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 최외곽에 배치되는 전면 도전성패드 또는 후면 도전성패드는 태양전지 기판 끝단으로부터 2.5mm 이상 떨어진 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속성와이어의 개수는 6개 이상 핑거전극의 개수 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 태양전지는 양면수광형 태양전지이며, 에미터층이 기판 전면부에 위치하고 기판 후면부에 후면전계층이 구비되는 전면접합형 양면수광형 태양전지인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 태양전지는 양면수광형 태양전지이며, 에미터층이 기판 후면부에 위치하고 기판 전면부에 전면전계층이 구비되는 후면접합형 양면수광형 태양전지인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 태양전지는 전면수광형 태양전지인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 최외곽에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적은 내측에 배치되는 전면 도전성패드의 면적 또는 후면 도전성패드의 면적보다 4∼8배 큰 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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