KR20190098570A - 정렬이 우수한 태양 전지 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온의 전처리 공정이 필요하지 않아서 태양전지 셀의 손상을 방지할 수 있고 라미네이션과 동시에 솔더링(soldering) 할 수 있는 태양전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 태양전지 모듈의 제조 방법에 따르면, 페로브스카이트층을 포함하는 태양전지 셀들의 각각의 전극 상에 대응되는 각각의 배선재들을 정렬시키는 정렬 단계; 상기 도전성 배선재들을 상기 태양전지 셀상에 가고정시키는 가고정 단계; 상기 도전성 배선재가 가고정된 복수의 태양전지 셀들을 배열하여 스트링을 형성하는 스트링 단계; 상기 태양전지 스트링을 밀봉재 사이에 배열시키는 레이 업(lay-up)단계; 상기 배열된 태양전지 셀들을 라미네이터를 통해 150℃ 이하의 온도에서 합착 및 상기 배선재를 상기 태양전지상에 전기적으로 접합하는 저온 라미네이션 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법을 제공함으로써, 모듈에서의 우수한 광전 변환 효율을 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

정렬이 우수한 태양 전지 모듈 및 그 제조 방법{WELL ALIGNED SOLAR CELL MODULE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 정렬이 우수하여 생산성이 향상된 태양 전지 모듈과 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 에너지 전환소자로, 현재 가장 상업화된 대체 에너지 기술 중 하나이다.
상업적인 태양전지는 다수의 태양전지 셀을 복수 개로 전기적으로 직렬 또는 병렬로써 연결하여 패키징 공정을 거쳐서 태양전지 모듈로써 사용한다.
왜냐하면 각각의 단일 태양 전지 셀은 각 셀에서 발생되는 기전력이 상업적으로 사용하기에는 충분하지 못하기 때문이다.
이러한 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 각각의 태양전지 셀의 양면에 리본을 접합시키는 태빙(tabbing)단계와 셀들을 서로 리본으로 연결하여 스트링(string)을 제작하는 단계를 거친다. 그 이후에, 스트링된 셀 배열을 밀봉재 상에 위치시킨 후 각 스트링을 전기적으로 연결시키는 어레이(array) 단계와 밀봉재와 백시트를 덮는 모듈세팅 단계 이후에 라미네이션 단계를 거친다.
상기의 일반적인 모듈 제조 단계에서의 수율을 결정하는 네크(neck) 공정은 태빙(tabbing)단계이다.
기본적으로 태빙단계는 각 태양전지 셀을 리본으로 전기적으로 접합시키는 단계이다. 보다 구체적으로 태빙단계에서는, 셀 검사된 태양전지 각각의 셀들의 얼라인먼트(alignment)를 맞추고 플럭스(flux)를 도포하고 리본을 버스바에 연접시킨 후 솔더링을 통해 솔더링 합금층이 용융되어 리본과 버스바가 솔더링된다.
종래의 결정질 실리콘 태양전지(crystalline silicon; c-Si) 태양전지의 경우, 라미네이션 단계 전의 상기 태빙단계에서 솔더링를 통해 버스바와 리본을 전기적으로 접합시켜 왔다.
최근 들어 종래의 결정질 실리콘 태양전지의 낮은 효율을 개선하고자 페로브스카이트 태양전지 또는 상기 페로브스카이트 태양전지를 포함한 텐덤 태양전지 등이 활발하게 개발되어 상용화되고 있다.
이러한 페로브스카이트 태양전지 또는 텐덤 태양전지에서는 페로브스카이트 흡수층을 포함하는데, 상기 페로브스카이트 흡수층은 열 및 수분에 매우 취약하다는 단점이 있다.
따라서 페로브스카이트 흡수층을 포함한 태양전지는 페로브스카이트 흡수층의 열에 의한 분해를 방지하기 위해, 태양전지 셀 공정뿐만 아니라 후속 모듈 공정에서도 고온 공정을 반드시 피해야 한다.
특히 종래의 결정질 실리콘 태양전지 모듈 제조방법에서 포함되는 태빙 단계에서의 고온 솔더링 공정은, 페로브스카이트 흡수층을 포함하는 태양전지의 제조 방법에서는, 더 이상 사용할 수 없게 되는 문제점이 발생한다.
한편 태빙단계에서 버스바 전극과 리본과의 얼라인먼트는 태양전지 모듈 공정의 수율을 결정하는 매우 중요한 요소이다. 왜냐하면 버스바 전극과 리본의 얼라인먼트가 맞지 않을 경우, 태양전지 셀에서 생성된 전하 캐리어(carrier)를 효율적으로 모으지 못할 뿐만 아니라 리본 하부의 표면은 태양광이 흡수되지 못하여 유효 표면적의 감소로 인한 광전 변환 효율의 저하를 유발하기 때문이다.
태양전지의 광전 변환 효율향상은 태양전지 셀뿐만 아니라 모듈 차원에서도 많은 개선이 계속해서 요구되고 있다.
특히 최근에 들어 태양전지 모듈의 유효 표면적의 감소를 최소화하여 모듈에서의 광전 변환 효율을 높이고자 하는 노력들이 진행되고 있다. 이러한 노력들 중 하나로, 버스바 전극의 선폭이 계속해서 줄어들고 있는 추세이다. 이는 버스바 전극과 리본의 더욱 정밀한 얼라인먼트를 필요로 한다.
태양전지 모듈에서 빛을 흡수할 수 있는 표면적을 최대화 할 수 있고, 태양전지 셀에서 수집된 전하 캐리어를 보다 낮은 저항으로 외부로 이송하기 위한 기술은 계속해서 요구된다. 이러한 기술들은 모듈 공정에서의 생산성 향상뿐만 아니라 태양전지 모듈의 광전 변환 효율을 개선하여 태양전지의 상용화 및 시장을 더욱 확대할 수 있기 때문이다.
본 발명과 관련된 종래기술로는 대한민국 등록특허 10-1305087호(2013. 09. 10. 등록)가 있다. 상기 특허에서는 태양전지를 모듈화 하는 과정에서 태빙 방법과 장치 등이 개시되어 있다.
본 발명은 복수의 태양 전지로 구성되는 태양 전지 모듈 및 제조 방법에 있어서, 고온의 전처리 공정이 필요하지 않아서 태양전지 셀의 손상을 방지할 수 있고 라미네이션과 동시에 솔더링(soldering) 할 수 있어 생산성을 향상시킨 태양전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이에 더하여 본 발명은 저온 라미네이션 공정을 적용하여 태양전지 셀의 열화를 방지할 수 있는 태양전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 버스바 전극과 배선재와의 정밀한 얼라인먼트(alignment)를 제공하여 모듈의 불량(failure) 및 유효 표면적 감소를 방지할 수 있는 태양전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더 나아가 본 발명에서는 유효 표면적 감소를 최대로 억제할 수 있어서 그 결과 외관 불량 및 단락 전류의 감소를 억제할 수 있는 태양 전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
고온의 전처리 공정이 필요하지 않고 저온 라미네이션을 통해 태양전지 셀의 손상을 방지할 수 있고, 또한 라미네이션과 동시에 솔더링(soldering) 할 수 있으며, 버스바 전극과 배선재와의 정밀한 얼라인먼트(alignment)를 제공하여 모듈의 불량(failure)을 방지할 수 있는 본 발명의 태양전지 모듈의 제조 방법에 따르면, 페로브스카이트층을 포함하는 태양전지 셀들의 각각의 전극 상에 대응되는 각각의 배선재들을 정렬시키는 정렬 단계; 상기 도전성 배선재들을 상기 태양전지 셀상에 가고정시키는 가고정 단계; 상기 도전성 배선재가 가고정된 복수의 태양전지 셀들을 배열하여 스트링을 형성하는 스트링 단계; 상기 태양전지 스트링을 밀봉재 사이에 배열시키는 레이 업(lay-up)단계; 상기 배열된 태양전지 셀들을 라미네이터를 통해 150℃ 이하의 온도에서 합착 및 상기 배선재를 상기 태양전지상에 전기적으로 접합하는 저온 라미네이션 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 가고정 단계는, 배선재들의 길이 방향에 대해 교차하는 방향으로 일련의 정렬된 상기 배선재들 상에 가고정 테이프를 부착하여 고정하는 단계인 것;을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또는, 상기 가고정 단계는, 일련의 정렬된 각각의 상기 배선재들과 버스바들 사이에 위치하는 전기 전도성 접착제(electro conductive adhesive, ECA)로 고정하는 단계인 것;을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법이 제공될 수 있다.
이때, 상기 전기 전도성 접착제는 상기 배선재들의 길이 방향으로 불연속적으로 위치하는 것;을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법이 제공될 수 있다.
특히, 상기 배선재들의 길이 방향에서 상기 전기 전도성 접착제가 위치하는 길이의 비율은 1~25% 인 것;을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또는, 상기 전기 전도성 접착제는 상기 배선재들의 길이 방향으로 연속적으로 위치하는 것;을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법이 제공될 수도 있다.
또한 본 발명에서는 유효 표면적 감소를 최대로 억제할 수 있어서 그 결과 외관 불량 및 단락 전류의 감소를 억제할 수 있는 본 발명의 태양전지 모듈에 따르면, 페로브스카이트층, 제1 전극, 제2 전극을 포함하는 복수의 태양전지; 상기 복수의 태양전지들 중 이웃한 셀의 제 1전극과 제 2전극을 전기적으로 접속되는 복수의 배선재;를 포함하고, 상기 전극과 상기 배선재 사이 계면에 존재하는 전기 전도성 접착제층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 배선재들의 길이 방향에서 상기 전기 전도성 접착제층이 위치하는 길이의 비율은 1~25% 인 것;을 특징으로 하는 태양전지 모듈이 제공될 수 있다.
또는 상기 전기 전도성 접착제층은 상기 배선재들의 길이 방향으로 연속적으로 위치하는 것;을 특징으로 하는 태양 전지 모듈이 제공될 수도 있다.
또는 상기 배선재들의 길이 방향에서 불연속적으로 위치하는 상기 전기 전도성 접착체층 사이에는 공융혼합물이 존재하는 것;을 특징으로 하는 태양 전지 모듈이 제공될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 전기 전도성 접착제층의 폭은 상기 전극의 폭보다 작은 것;을 특징으로 하는 태양 전지 모듈이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 배선재들은 단면이 원형, 타원형 또는 다각형인 것;을 특징으로 하는 태양 전지 모듈이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 태양전지는 페로브스카이트 태양전지 또는 페로브스카이트 태양전지를 포함하는 텐덤 태양전지인 것;을 특징으로 하는 태양 전지 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양전지 모듈을 제조하는 방법에 있어서 고온의 전처리 공정이 필요하지 않고 저온 라미네이션 공정을 적용함으로써 열에 의한 태양전지 셀의 손상 내지는 퇴화를 막을 수 있다. 이로 인해 본 발명의 태양전지 모듈은 태양전지 셀의 광전 변환 효율의 저하를 유발하지 않아 모듈에서의 우수한 광전 변환 효율을 유지할 수 있다.
또한 본 발명의 태양전지 모듈 제조 방법에서는 라미네이션과 동시에 솔더링 할 수 있다. 그 결과 본 발명의 태양전지 모듈은 전체 생산시간(tact time)을 단축시켜 생산성이 높은 장점을 가진다.
또한 본 발명에 따른 태양전지 모듈 제조 방법에서는 전극과 배선재와의 정밀한 얼라인먼트(alignment)를 제공할 수 있다. 그로 인해 본 발명의 제조 방법은 모듈의 불량(failure)를 방지하여 공정 수율을 높여 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 미스얼라인먼트(misalignment)로 인한 태양전지 셀의 유효 표면적 감소를 방지함으로써 태양전지 모듈의 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
더 나아가 본 발명에 따른 태양전지 모듈 및 그 제조 방법에서는 전극과 배선재 이외에는 태양전지 셀의 유효 표면적의 손실이 발생하지 않게 된다. 그 결과 태양전지 모듈의 외관 불량 및 단락 전류의 감소를 억제할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명을 포함한 일반적인 태양전지 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도3은 종래의 태양전지 모듈의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명의 태양전지 모듈의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 5는 본 발명의 가고정 단계에서 가고정 테이프를 이용하여 정렬된 배선재들의 가고정 상태를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예인 전기 전도성 접착제를 불연속적으로 도포하여 정렬된 배선재들의 가고정 상태를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예인 전기 전도성 접착제를 8연속적으로 도포하여 정렬된 배선재들의 가고정 상태를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예인 전기 전도성 접착제를 이용하여 정렬된 배선재들을 라미네이션 한 후 연결상태를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에서 이용되는 다양한 단면 형상의 배선재들을 도시한 것이다.
도 10은 은(Ag)과 안티몬(Sb)의 이원계 상태도이다.
도 11은 은(Ag)과 주석(Sn)의 이원계 상태도이다.
도 12는 본 발명에 따른 태양전지 셀 및 모듈을 나타낸 단면도이다.
이하, 본원에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탠덤 태양전지와 이를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.
도 1은 본 발명을 포함한 일반적인 태양전지 모듈을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 태양전지 모듈(100)은 복수의 태양전지(150)와, 복수의 태양전지(150)를 전기적으로 연결하는 배선재(142)를 포함한다. 그리고 태양전지 모듈(100)은 복수의 태양전지(150)와 이를 연결하는 배선재(142)을 둘러싸서 밀봉하는 제1 봉지재(131) 및 제2 봉지재(132)를 포함한 봉지재(130)와, 봉지재(130) 위에서 태양 전지(150)의 제1 면에 위치하는 제1 보호부재(110)과, 봉지재(130) 위에서 태양 전지(150)의 제2 면에 위치하는 제2 보호부재(120)를 포함한다.
이 때, 제1 보호부재(110) 및 제2 보호부재(120)는 각기 외부의 충격, 습기, 자외선 등으로부터 태양 전지(150)를 보호할 수 있는 절연 물질로 구성될 수 있다.
한편 제1 보호부재(110)는 광이 투과할 수 있는 투광성 물질로 구성되고, 제2 보호부재(120)는 투광성 물질, 비투광성 물질, 또는 반사 물질 등으로 구성되는 시트로 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 보호부재(110)는 유리 기판 등으로 구성될 수 있고, 제2 보호부재(120)는 TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입을 가지거나, Glass 또는 베이스 필름(예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET))의 적어도 일면에 형성된 폴리불화비닐리덴(poly vinylidene fluoride, PVDF) 수지층을 포함할 수 있다.
이 때, 제1 보호부재(110)는 태양광, 특히 파장 범위가 380~1,100㎚ 범위에서의 태양광의 투과율을 높이기 철분(Fe)의 함유량을 낮춘 소위 말하는 백유리를 주로 사용한다. 아울러 전면 유리판(110)용 유리는 필요한 경우 강화처리를 하여 외부로부터의 충격이나 이물로부터 태양 전지(150)를 보호할 수 있다.
제1, 2보호부재를 모두 투명한 재료로 사용할 경우 양면에서 빛이 수광되기 때문에 발전량을 증가시킬 수 있다.
본 발명에서의 복수 개의 태양전지(150)는 배선재(142)에 의하여 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있으며, 특별히 전기적인 연결방식에 대해서는 본 발명에서는 제한하지 않는다. 배선재(142) 및 태양 전지(150)에 대해서는 추후에 좀더 상세하게 설명한다.
버스리본(145)은 배선재(142)에 의하여 연결되어 하나의 열(列)을 형성하는 태양 전지(150)(즉, 태양 전지 스트링(string))의 배선재(142)의 양 끝단을 교대로 연결한다. 버스리본(145)은 태양 전지 스트링의 단부에서 이와 교차하는 방향으로 배치될 수 있다. 이러한 버스리본(145)은, 서로 인접하는 태양 전지 스트링들을 연결하거나, 태양 전지 스트링 또는 태양 전지 스트링들을 전류의 역류를 방지하는 정션 박스(미도시)에 연결할 수 있다. 버스리본(145)의 물질, 형상, 연결 구조 등은 다양하게 변형될 수 있고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도1 및 도2를 참고하면, 봉지재(130)는 배선재(142)에 의하여 연결된 태양전지(150)의 제1 면에 위치하는 제1 봉지재(131)와, 태양전지(150)의 제2 면에 위치하는 제2 봉지재(132)를 포함할 수 있다.
제1 봉지재(131)와 제2 봉지재(132)는 수분과 산소의 유입되는 것을 방지하며 태양전지 모듈(100)의 각 요소들을 화학적으로 결합한다. 제1 및 제2 봉지재(131, 132)는 투광성 및 접착성을 가지는 절연 물질로 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 봉지재(131)와 제2 봉지재(132)로 에틸렌초산비닐 공중합체 수지(EVA), 폴리비닐부티랄, 규소 수지, 에스테르계 수지, 올레핀계 수지 등이 사용될 수 있다.
제1 및 제2 봉지재(131, 132)를 이용한 라미네이션 공정 등에 의하여 제2 보호부재(120), 제2 봉지재(132), 태양전지(150), 제1 봉지재(131), 제1 보호부재(110) 가 일체화되어 태양전지 모듈(100)을 구성할 수 있다. 태양전지 모듈(100)의 제조 방법은 아래에서 보다 자세히 설명한다.
도 3은 종래의 태양전지 모듈의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 먼저 셀 검사에 의해 효율 및 색깔을 기준으로 등급별로 분류된 태양전지 셀들의 각각의 전극 위에 대응되는 각각의 배선재들을 정렬한다(S 100).
다음으로 분류된 태양전지 각 셀들은 태빙 단계(S 200)에서 수광면 및 그 반대면을 포함하는 양면에 배선재가 접합된다. 이 때 상기 배선재는 버스바 전극에 연접된 후 가열되면, 배선재의 솔더링 합금층이 용융되어 상기 배선재와 버스바 전극이 솔더링된다.
다음으로 스트링 단계(S 300)와 레이 업(lay-up) 단계(S 400)에서는 상기 배선재가 접합된 태양전지 셀들을 각각 직렬 연결하여 스트링(string)을 형성한다. 그 이후 상기 태양전지 스트링을 제1 보호부재(110) 및 제2 보호부재(120) 상에 위치하는 밀봉재들(131, 132) 사이에 복수열 위치시킨 후, 상기 각 스트링을 전기적으로 연결시킨다.
다음으로 라미네이션 단계(S 500)에서는 상기 밀봉재들로 덮여진 스트링을 진공에서 충분한 높은 온도로 압착가열하여 제1 보호부재, 밀봉재, 태양전지 셀, 밀봉재 및 제2 보호부재를 고정시키는 단계이다.
한편 앞서 살펴본 바와 같이, 종래의 일반적인 태양전지 모듈 제조 방법에서는, 태빙 단계에서 배선재와 버스바 전극을 고온의 솔더링을 통해 고정하게 된다. 그런데 본 발명에서의 태양전지는 열에 매우 취약하므로, 종래의 고온 솔더링을 포함하는 모듈 제조 방법은 적용이 곤란한 문제가 있다.
반면 배선재와 버스바 전극이 상호 고정되지 않는다면, 이는 모듈 공정 상의 불량(failure)을 유발한다. 보다 구체적으로 만일 버스바 전극과 배선재와의 정렬(alignment)이 정확하게 맞지 않는 상태에서 서로 전기적으로 접촉된 후 라미네이션 된다면, 태양전지에서 발생된 전하 캐리어(carrier)가 효율적으로 수집되지 못하게 될 뿐만 아니라 미스얼라인 된(misaligned) 배선재는 태양광을 투과시키지 못하므로 태양전지 셀의 유효 표면적을 감소시키게 된다. 그리고 이러한 문제는 결국 태양전지 모듈의 광전 변환 효율의 감소뿐만 아니라 심한 경우 불량(failure)을 유발하여 모듈 수율 감소를 초래하게 된다.
특히 최근에 들어서는 배선재에 의한 태양전지 유효 표면적 감소를 최소화하기 위해, 버스바 전극 및 배선재의 선폭까지도 점점 줄어들고 있는 추세이다. 따라서 버스바 전극과 배선재의 정렬의 정확성이 더욱 요구되고 있다.
도 4는 본 발명에서의 태양전지 모듈의 제조 방법을 간략히 도시한 것이다.
본 발명에서의 태양전지 모듈의 제조 방법에서는, 라미네이션 단계(S' 500) 이전까지는 가열공정을 포함하지 않는 것과 이에 더하여 라미네이션 단계(S' 500)를 150℃이하의 저온에서 수행하는 것을 특징으로 한다. 이를 보다 구체화한 본 발명의 태양전지 모듈의 제조 방법에서는, 셀 검사 단계(S 100) 이후에 가고정 단계(S' 200)를 포함하며, 저온 라미네이션 단계(S'' 500)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서의 저온 라미네이션 단계(S'' 500)에 대해서는 추후 설명하기로 한다.
본 발명에서의 가고정 단계란 별도의 고온 공정 없이 버스바 전극과 배선재를 라미네이션 단계 이전까지 임시적으로 고정시키는 단계를 말한다.
본 발명에서 저온 라미네이션 단계(S' 500) 이전까지는 가열공정을 포함하지 않는 이유는, 본 발명에서 사용하는 태양전지들은 종래의 결정질 실리콘 태양전지의 낮은 광전 변환 효율을 개선한 태양전지들이기 때문이다.
특히, 본 발명에서 채택한 유무기 페로브스카이트 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지나 페로브스카이트 태양전지를 포함하는 텐덤 태양전지, 그리고 종래의 결정질 실리콘 태양전지들 가운데에서도 고효율의 HIT(hetero-junction with intrinsic thin film) 태양전지의 경우는, 저온 공정이 필수적이다.
왜냐하면 페로브스카이트 흡수층은 열 및 수분에 매우 취약하여, 200℃ 이상의 고온의 제조 공정에서는 페로브스카이트 흡수층이 열에 의해 분해되기 때문이다.
한편 HIT 실리콘 태양전지에서는 비정질 실리콘 버퍼층 내에 존재하는 결함 내지는 끊어진 실리콘 결합(dangling bond)이 많이 존재한다. 상기의 결함 내지는 끊어진 결합을 안정화시키고자 수소를 도펀트로 첨가한 진성 비정질 실리콘 버퍼층(i-a-Si:H)이 사용된다. 그런데 만일 후속 공정 중에 200℃ 이상의 고온 공정이 포함되면, 상기 도핑된 버퍼층 내의 수소가 확산에 의해 버퍼층으로부터 빠져 나가게 된다. 결국 HIT 실리콘 태양전지 또는 이를 포함하는 텐덤 태양전지에서도 저온 공정은 필수적인 공정이다.
따라서 이러한 고효율 태양전지 셀을 이용하여 모듈을 제조하는 방법 역시, 가급적 150℃ 이상의 고온 공정은 가급적 배제시켜야 한다.
본 발명에서의 버스바 전극과 배선재와의 가고정은 다양한 공정을 통해 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명에서의 가고정 단계의 하나의 양태인, 가고정 테이프를 이용하여 버스바 전극에 대해 정렬된 배선재들을 가고정한 상태를 도시한 것이다.
본 발명에서는, 먼저 버스바 전극 위에 배선재를 정렬시킨 후 가고정 테이프를 이용하여 버스바 전극 위의 배선재들을 가고정한다. 본 발명에서 "고정"이 아닌 "가고정"이라는 용어를 사용한 것은, 버스바 전극과 배선재의 기계적으로 및/또는 전기적으로의 완전한 고정은 후속 라미네이션 단계에서 솔더링을 통해 진행되기 때문이다.
이때, 본 발명에서의 가고정 테이프는 배선재 상에서 배선재의 길이 방향에 대해 교차하는 방향으로 배선재들을 가고정하는 것이 바람직하다.
만일 가고정 테이프가 배선재의 길이 방향으로 배선재를 가고정하게 되면, 태양전지 셀의 표면에서 가고정 테이프가 위치하는 분율이 지나치게 커지게 된다. 가고정 테이프가 차지하는 표면적이 커지게 되면, 이는 결국 태양전지 표면에서 태양광을 흡수할 수 있는 면적의 감소를 유발하게 되어 결과적으로 태양전지 모듈의 광전 변환효율에 악영향을 끼치게 된다.
또한 가고정 테이프가 배선재 상에서 길이 방향에 대해 교차하는 방향으로 배선재들을 가고정시키게 되면, 복수 개의 배선재들은 한번에 가고정시킬 수 있어 단위 공정 시간(lead time)의 단축을 통한 생산성 향상을 도모할 수 있다.
한편 본 발명에서의 가고정 테이프는 태양광의 투과도가 우수한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 그에 더하여 후속 라미네이션 단계(S' 500)에서도 배선재들의 위치를 안정적으로 고정시켜야 하므로, 온도저항성 및 접착성이 높은 것이 보다 바람직하다.
가고정 테이프의 재질에 대한 비한정적인 예로서는, 테이프의 베이스는 PE(polyethylene), PP(polypropylene), PET(polyethylene terephthalate), PVC(polyvinyl chloride) 등을 사용할 수 있다. 또한 접착제는 아크릴계, 셀룰로오스계, 또는 실리콘계 수지를 사용하여 투명성과 절연성, 접착특성을 갖는 가고정 테이프를 제작할 수 있다.
한편 비록 도 5에서는 하나의 예시로써 3개의 버스바 전극이 하나의 태양전지 셀에 위치하는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 원칙적으로 하나의 태양전지 셀에는 1개 이상의 버스바 전극들이 위치한다. 그리고 버스바 전극들에 대응되는 개수만큼의 배선재들이 위치한다.
다시 도 5를 참조하여, 도 5에서의 복수의 배선재(142)들은 태양전지 모듈 내에서는 물론, 모듈을 구성하는 각각의 태양전지 셀 내에서 일정 간격으로 배치된다. 비한정적이 예로써, 하나의 셀당 배선재(142)들의 개수는 1개 내지 38개일 수 있다.
한편 배선재는 기계적인 치수를 가진다. 특히 배선재의 폭은 배선재의 개수 및 형상과 맞물려서, 버스바 전극과의 접착력뿐만 아니라 후술할 태양전지 모듈에서의 태양광의 흡수 및 반사에도 영향을 끼친다.
배선재의 폭(W1)은, 배선재의 개수가 하나의 셀당 1 내지 5개 정도인 경우, 0.5 내지 1.5㎜인 것이 바람직하다. 반면 하나의 셀당 배선재의 개수가 6개 이상인 경우, 배선재의 폭은 250 내지 500 um인 것이 바람직하다.
구체적으로 만일 배선재(142)들의 폭(W1)이 250um미만이면, 배선재(142)의 강도가 충분하지 않을 수 있고, 버스바 전극과의 연결 면적이 매우 적어 전기적 연결 특성이 좋지 않고 부착력이 낮을 수 있다. 반면, 배선재(142)들의 폭(W1)이 500um를 초과하면, 배선재(142)들의 비용이 증가하고 배선재(142)들이 태양 전지(150)의 전면으로 입사되는 광의 입사를 방해하여 광 손실(shading loss)이 증가할 수 있다. 또한, 배선재(142)들에서 버스바 전극과 이격되는 방향으로 가해지는 힘이 커져 배선재(142)들과 버스바 전극 사이의 부착력이 낮을 수 있고 버스바 전극 또는 반도체 기판(150)에 균열 등의 문제를 발생시킬 수 있다.
도 6 및 7은 본 발명의 또 다른 실시예인 전기 전도성 접착제를 이용하여 정렬된 배선재들의 가고정 상태를 도시한 것이다. 도 6에서 (a), (b)는 전기 전도성 접착제가 불연속적으로 도포된 형상을 도시한 것이고, 도 7에서 (a), (b)는 전기 전도성 접착제가 연속적으로 도포된 것을 도시한 것이다.
상기 전기 전도성 접착제 상에는 도시하지는 않았지만 배선재(142)가 위치한다. 따라서 버스바 전극보다는 배선재의 폭이 더 좁다.
도 6, 7에서 도시된 바와 같이, 먼저 본 발명의 가고정 단계에서는 각각의 버스바 전극들과 배선재들 사이에 전기 전도성 접착제(electro-conductive adhesive, ECA)를 위치시켜 버스바 전극들과 배선재들을 가고정한다.
여기서 전기 전도성 접착제란 에폭시계, 폴리우레탄계, 실리콘계, 폴리이미드계, 페놀계, 폴리에스테르계 등의 점착성 고분자에 마이크로(micro), 메조(meso) 또는 나노(nano) 크기의 금속 입자가 분산된 혼합물이다. 이때, 금속입자는 은, 구리, 알루미늄, 주석 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
본 발명에서의 전기 전도성 접착제는 버스바 전극 및 배선재의 길이 방향으로 위치하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 본 발명에서의 전기 전도성 접착제는 접착제를 이루는 구성물질로 인해 광투과율이 일반적으로 낮다. 따라서 배선재 및 버스바 전극 사이에만 전기 전도성 접착제를 위치시킴으로써 접착제에 의한 태양전지의 유효 표면적의 저하를 막을 수 있기 때문이다.
한편 본 발명에서의 전기 전도성 접착제는 버스바 전극 위에 미리 도포된 후 배선재를 정렬시키면서 버스바 전극과 배선재를 가고정 시킬 수 있다. 또는 배선재의 일면에 미리 도포되거나 또는 코팅된 후, 배선재의 정렬과 함께 버스바 전극과 배선재의 가고정을 동시에 수행할 수도 있다.
도 6 및 7에서는 버스바전극이 투명전극상에 형성된 핑거 전극과 교차하면서 위치하는 것으로 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서의 버스바 전극은 핑거전극 없이도 하나의 태양전지 셀에 복수 개 위치할 수도 있으며, 별도의 버스바전극 없이 핑거전극과 교차하는 방향으로 배선재가 고정될 수도 있다.
이와 같이 버스바 전극과 가고정된 배선재를 포함하는 태양전지 셀들은 이어서 스트링 단계(S 300), 레이업 단계(S 400)와 라미네이션 단계(S' 500)를 거친다.
도 8은 본 발명의 전기 전도성 접착제에 의해 가고정된 배선재를 라미네이션(S' 500) 한 이후, 버스바 전극과 배선재와의 연결상태를 묘사한 그림이다.
도 8에서 도시된 바와 같이 버스바 전극과 가고정된 배선재는, 본원 발명에서의 열과 압력을 가하는 저온 라미네이션 단계(S' 500) 이후에는 버스바 전극과 전기적으로 및/또는 기계적으로 결합 내지는 고정된다.
이 때 버스바 전극과 배선재 사이의 계면은, 라미네이션(S' 500) 전/후 단계에서 확연히 대별된다.
먼저 가고정 후 및 라미네이션 전 단계에서의 상기 계면은, 도 6에서와 같이, 버스바 전극과 배선재 사이에는 전기 전도성 접착제와 경우에 따라 빈 공간만이 존재한다.
도 6에서는 전기 전도성 접착제가 배선재의 길이 방향(버스바의 길이 방향과 동일)으로 불연속적으로 존재하는 것으로 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 도 7에서와 같이 전기 전도성 접착제가 배선재의 길이 방향으로 연속적으로 존재 또는 도포되어도 무방하다. 다만 이 경우 전기 전도성 접착제의 도포량 또는 도포 두께 등을 조절하는 것이 전하 캐리어를 셀 외부로 추출하기 위한 전기 전도성 측면에서 보다 바람직하다.
만일 상기 전기 전도성 접착제가 배선재의 길이 방향으로 불연속적으로 존재하는 경우, 전기 전도성 접착제층이 위치하는 길이의 비율은 전체 배선재의 길이에 대해 1~25%인 것이 바람직하다. 만일 전기 전도성 접착제층의 길이가 1%보다 작다면, 버스바 전극과 배선재와의 접착력이 지나치게 작아 버스바 전극에 대해 가고정된 배선재의 탈락 가능성이 발생한다. 이와는 반대로 전기 전도성 접착제층의 길이가 25%보다 길다면, 접착제층의 두께 등을 조절하지 않으면 버스바 전극과 배선재와의 전기 전도도가 낮아져서 전하 캐리어 추출 효율의 감소로 인한 태양전지 모듈의 광전 변환 효율의 감소를 유발할 가능성이 있다.
반면 열과 압력을 가하는 라미네이션 단계(S' 500) 후에서의 상기 계면은, 도 8에서와 같이, 버스바 전극과 배선재 사이에는 전기 전도성 접착제뿐만 아니라 라미네이션 단계 이전에는 존재하지 않는 금속간화합물(inter-metallic compound)을 포함하는 공융혼합물(eutectic mixture)이 새롭게 형성된다.
본 발명에서 상기 계면에 금속간화합물이 형성되는 이유는 다음과 같다.
먼저 태양전지에서 사용되는 배선재는 태양전지 셀간 전기적 연결을 위해, 도 9에서 도시된 바와 같이, 구리(Cu)를 베이스(142a)로 하여 표면에 Sn, Ag, Pb 등이 혼합된 합금(142b)을 플레이팅(plating), 디핑(dipping) 등의 다양한 방법들을 통해 코팅해서 제조된다.
주석(Sn)이 포함된 피복 재료는 비 한정적인 예로써, Sn, SnIn, SnBi, SnBiPb, SnPb, SnPbAg, SnCuAg, SnCu 등으로 구성될 수 있다.
납이 포함된 재료로는 납(Pb)에 안티몬(Sb)이 약 1~10 중량% 포함된 안티모니납 또는 경납(hard lead)이 배선재와 같은 케이블의 피복 재료로 널리 사용된다.
그리고 이와 같은 성분을 포함하는 배선재는 상기 저온 라미네이션 단계(S' 500)를 통해 150℃ 이하의 온도에서 열과 압력을 가하여 라미네이션 된다.
본원 발명에서의 저온 라미네이션(S' 500)에서 공정온도의 상한을 150℃로 한정한 이유는 다음과 같다.
앞에서 설명한 바와 같이 본원 발명의 태양전지 셀은 페로브스카이트 태양전지 또는 비정질실리콘을 이용한 헤테로 졍션 태양전지들과 같은 고효율의 태양전지이다.
위와 같은 본 발명의 고효율 태양전지는, 특히 페로브스카이트 태양전지는, 수분 및 열적 불안정성에 의한 페로브스카이트 재료의 분해의 가속화가 보고되고 있다.
페로브스카이트 재료는 특히 고온에서는 매우 취약하여, 진공상태에서도 150℃ 이상에서는 3시간 후 CH3NH3PbI3 광 흡수 층이 분해되어 셀의 열화가 발생하는 것이 보고되고 있다. 반면 85℃에서는 24시간 노출시켜도 분위기가 진공이나 N2, O2 분위기에서는 안정적으로 유지되는 것으로 보고되고 있다. 이는 본 발명에서 채택한 페로브스카이트 태양전지는 열에 매우 취약하며, 라미네이션 단계도 150℃를 넘지 않도록 조절한 저온 라미네이션 단계(S' 500)를 수행해야 함을 의미한다.
본 발명에서의 버스바 전극과 가고정된 배선재는 본 발명에서의 저온 라미네이션 단계(S'500) 동안, 버스바 전극의 주성분인 Ag와 배선재의 코팅층(142b) 합금의 성분인 주석(Sn) 또는 안티몬(Sb)이 서로 반응을 하게 된다. 왜냐하면 배선재의 코팅층(142b)의 합금은 통상 용융온도가 150℃ 이하이므로, 상기 라미네이션 단계 동안 용융되어 버스바 전극의 Ag와 반응을 발생시키게 된다.
Ag와 Pb는 금속간화합물을 형성하지 않는 것과는 달리, 도 10의 Ag-Sb 상태도에서 나타난 바와 같이, Ag와 Sb는 중간 조성영역에서 사방정계(orthorhombic system)의 결정구조를 가지는 금속간화합물(inter-metallic compound)을 포함한다.
또한, 도 11의 Ag-Sn 상태도에서 나타난 바와 같이, Ag와 Sn 합금계 역시 중간 조성영역에서 Ag3Sn 조성의 금속간화합물(inter-metallic compound)을 포함한다.
따라서 본 발명에서의 저온 라미네이션 단계(S'500)에서는, 배선재와 버스바 사이에서 상기 Ag-Sb 및 Ag-Sn 금속간화합물들을 포함하고 배선재와 버스바 전극의 주요 성분들인 Sb 또는 Sn이 상기 금속간화합물들과 혼합된 공융혼합물(eutectic mixture)을 형성하게 된다. 본 발명에서의 기본적으로 전기 전도성 접착제 대비 결합력이 높을 뿐만 아니라 본질적으로는 금속에 속하므로 전기 전도성 측면에서도 유리한 장점이 있다.
결국 전기 전도성 접착제를 배선재의 길이 방향으로 불연속적으로 위치시켜 버스바 전극과 배선재를 가고정 시킨 본 발명의 일 실시예는(도 6), 라미네이션(S' 500)에 의해 버스바 전극과 배선재 사이에 상기 전기 전도성 접착제와 공융혼합물이 교번하는 계면 구조를 가지게 된다(도 7).
이때, 라미네이션 단계(S' 500) 이후에 상기 계면층에서 상기 전기 전도성 접착제 층과 공융혼합물의 면적 비율(또는 배선재의 길이 방향에서 길이 비율)은 각각 (1~25):(75~99)인 것이 바람직하다.
만일 상기 전기 전도성 접착제 층의 비율이 1%보다 작은 경우(또는 공융혼합물의 비율이 99%보다 큰 경우), 가고정 단계에서 버스바 전극과 배선재 사이의 접착력을 담보할 수 없어 가고정에 문제가 발생한다. 반면 전기 전도성 접착제 층의 비율이 25%를 넘어가는 경우(또는 공융혼합물의 비율이 75%보다 작은 경우), 라미네이션 이후 버스바 전극과 배선재와의 전기 전도성을 높게 확보할 수 없어서 전하 캐리어의 수집에 문제가 발생한다.
다시 도 9를 참조하면, 본 발명에서는 다양한 형상의 배선재가 이용될 수 있다. 구체적인 예로써, 단면이 원형, 타원형 또는 다각형의 배선재가 이용될 수 있다.
이 중 원형 또는 타원형의 배선재는 다각형의 배선재 대비 버스바 전극과의 접촉 면적이 기하학적으로 좁다. 이로 인해 가고정 단계에서 가고정 테이프 또는 전기 전도성 접착제층이 상기 계면에서 차지하는 면적 또는 길이 비율이 높아진다는 단점이 있다. 반면 원형 또는 타원형 배선재는 태양광의 산란 내지는 굴절을 조장하고 광 경로를 길게 하여 태양광의 흡수 효율을 증가시킨다는 장점을 가진다.
반면 다각형(예: 사각형)의 배선재는 버스바 전극과의 접촉 면적을 최대화할 수 있어 가고정 테이프 또는 전기 전도성 접착제층의 상기 계면에서의 분율을 최소화할 수 있는 장점을 가진다. 이에 반해 다각형 배선재는 그 형상으로 인해 입사된 태양광의 일부를 아래의 태양전지 셀로 산란 내지는 굴절시키지 못하고 그대로 반사시켜 그로 인해 태양광의 흡수 효율을 감소시킨다는 단점도 동시에 가진다.
도 12는 본 발명의 태양전지 모듈의 제조 방법에 의해 제조된 태양전지 셀 및 모듈의 단면도이다.
설명의 편의상 도 12에서는 태양전지 셀의 아래 부분에 아무런 구성요소가 없는 것으로 도시되어 있으나, 실제로는 셀의 윗부분과 동일하게 아래 부분에도 제2 밀봉재 및 제2 보호부재가 존재한다.
먼저 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 텐덤(tandem) 태양전지를 본 발명의 태양전지 모듈의 셀로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 태양전지 셀은 결정질 실리콘 태양전지 또는 페로브스카이트 태양전지와 같은 단일 접합(single junction)태양전지 또는 상기 단일 접합 태양전지를 중간층을 매개로 접합시킨 텐덤(tandem) 태양전지 모두 사용 가능하다.
본 발명의 일 실시예인 도 12에서의 텐덤 태양전지는, 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지(120)와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 실리콘 태양전지(110)가 중간층(116)(이하 "터널 접합층", "중간층", "inter-layer"라고도 한다)을 매개로 하여 직접적으로 터널 접합된 2-단자 탠덤 태양전지(150)의 구조를 도시한다.
이에 따라, 탠덤 태양전지(150)로 입사된 광 중 단파장 영역의 광은 상부에 배치된 페로브스카이트 태양전지(120)에 흡수되어 전하를 생성하며, 페로브스카이트 태양전지(120)를 투과하는 장파장 영역의 광은 하부에 배치된 결정질 실리콘 태양전지(110)에 흡수되어 전하를 생성하게 된다.
또한 하부에 배치된 결정질 실리콘 태양전지(110)에서 장파장 영역의 광을 흡수하여 발전함으로써 문턱 파장(threshold wavelength)을 장파장 쪽으로 이동시킬 수 있으며, 결과적으로 전체 태양전지가 흡수하는 파장대를 넓힐 수 있다는 부가적인 이점이 있다.
이 때, 상기 결정질 실리콘 태양전지(110)와 전자전달층(123) 사이에도 전하 이동을 위하여 중간층(116)을 필요에 따라 삽입할 수도 있다. 이 경우 중간층(116)은 페로브스카이트 태양전지(120)를 투과하는 장파장의 광을 투과 손실 없이 하부에 배치된 실리콘 태양전지(110)로 입사될 수 있도록 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 또는 금속성 소재를 사용하여 구현될 수 있다. 또한, 접합층(116)에 n형 또는 p형 물질을 도핑하여 사용할 수 있다.
한편 단일접합 태양전지에서 표면에서의 입사광의 반사율을 줄이고, 태양전지로 입사된 광의 경로를 증가시키기 위해 표면에 텍스쳐 구조를 도입하는 것이 일반적이다. 따라서 본 발명에서의 탠덤 태양전지(150)에서의 결정질 실리콘 태양전지(110) 역시 표면에(적어도 후면에) 텍스쳐를 형성할 수 있다.
이 때 본 발명에서의 상기 결정질 실리콘 태양전지(110)는 이종접합(hetero-junction)실리콘 태양전지 또는 동종접합(homo-junction)실리콘 태양전지로 구현될 수 있다.
이종접합 실리콘 태양전지인 경우, 결정질 실리콘 태양전지는, 제2 면에 텍스쳐 구조를 가지는 결정질 실리콘 기판(111), 상기 결정질 실리콘 기판의 제1 면 및 제2 면에 각각 위치하는 제1 면 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(112) 및 제2 면 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(113); 상기 제1 면 진성 비정질 실리콘층(112) 상에 위치하는 제1 도전형 비정질 실리콘층(114); 및 상기 제2 면 i형 비정질 실리콘층(113)의 상에 위치하는 제2 도전형 비정질 실리콘층(115)을 포함한다.
이 때 도 12에 도시한 바와 같이, 상기 제1 면은 상기 결정질 실리콘 기판의 전면으로 상기 페로브스카이트 층이 형성되는 면이고 제2 면은 제1 면의 반대 면일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 먼저 n 타입 결정질 실리콘 기판의 전후면에 매우 얇은 진성 비정질 실리콘(i-a-Si:H)을 패시배이션(passivation) 층으로 형성하고, p 타입의 고농도 비정질 실리콘(p-a-Si:H) 층을 에미터층(114)으로 전면에 형성하며 후면에는 고농도 비정질 실리콘 (n+-a-Si:H) 층을 후면전계(back surfacefield, 이하 BSF라 함) 층(115)으로 형성하는 구조를 가질 수 있다.
본 발명에서의 진성 비정질 실리콘층은 수소화된 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이는, 수소화(hydrogenation) 반응에 의해, 비정질 실리콘 내에 수소가 들어가서 비정질 실리콘의 미결합 상태(dangling bond)와 에너지 밴드 갭 내의 국부화된(localized) 에너지 상태를 감소시킬 수 있기 때문이다.
다만 수소화된 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)을 사용하는 경우 후속 공정온도는 200℃ 이하, 보다 바람직하게는 150℃ 이하로 제한된다. 이는 공정온도가 150℃보다 높은 경우, 비정질 실리콘 내부의 수소결합이 파괴되기 때문이다. 따라서 후속 공정, 특히 금속 재질의 그리드 전극(grid electrode) 형성을 위한 공정에서의 소성(firing)도 낮은 온도에서 진행하여야 하는 제약이 있다.
한편 본 발명에서의 실리콘 태양전지(110)는 동종접합(homojuction) 결정질 실리콘 태양전지로 구현될 수도 있다. 구체적으로, 에미터층(114)으로는 결정질 실리콘 기판(111)과 상이한 도전형을 갖는 불순물 도핑층이 사용되고, 후면 전계층(115)으로는 결정질 실리콘 기판(111)과 동일한 도전형을 갖는 불순물 도핑층이 사용됨으로써 동종접합 결정질 실리콘 태양전지(110)를 구현할 수 있다.
결정질 실리콘 기판(111)의 제2 면에는 투명전극층(117)과 그리드 전극(118)을 포함하는 제2 전극이 위치한다.
만일 이종접합 실리콘 태양전지인 경우, 앞에서 설명한 바와 같이, 비정질 실리콘 내부의 수소결합 파괴를 방지하기 위해, 제2 전극 (보다 자세하게는 버스바 전극(118))의 공정온도는 제1 전극(보다 자세하게는 버스바 전극(127))의 공정온도와 같이 150℃ 이하로 제한된다. 따라서 이 경우, 제2 전극은 제1 전극보다 먼저 형성되거나 또는 제2 전극과 제1 전극은 동시에 형성될 수 있다.
제2 전극은 상기 후면 전계층(115) 위에 위치하는 투명전극층(117)을 포함한다. 투명전극층 재료로 ITO (Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide) 등의 투명 전도성 산화물을 사용할 경우, 투명전극층(117)은 스퍼터링을 통해 증착될 수 있다.
상기 투명전극층(117) 상에는, 버스바 전극(118)이 위치한다. 물론, 상기 투명전극층(117)을 형성하지 않고 후면전계층(115) 위에 바로 그리드 전극(118)를 형성할 수도 있으나, 비정질 실리콘은 금속 그리드를 통해 캐리어(carrier)를 모으기에는 상대적으로 캐리어(carrier) 이동도가 낮으므로 투명전극층(117)을 형성하는 것이 보다 바람직하다.
또한 버스바 전극(118)은 도 6에서 설명한 바와 같이 투명전극 상에 위치하는 핑거전극 위에도 배치될 수 있다.
이와는 달리, 동종접합 실리콘 태양전지인 경우, 제2 전극 및 제1 전극을 동시에 형성하는 것이 아니라, 700℃ 이상의 고온 소성 공정으로 제2 전극을 형성하는 공정과 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 이용하여 250℃ 이하의 저온 소성으로 제1 전극을 형성하는 공정을 이원화하여 진행할 수 있다.
이와 같이 결정질 실리콘 태양전지(110)를 형성한 후에, 그 위에 필요에 따라 중간층(116)을 형성한 후 보통의 페로브스카이트 태양전지(110)를 형성함으로써, 본 발명에서의 보통의 텐덤 태양전지(150)를 구현할 수 있다.
다음으로 상기 중간층(116) 상에 위치하는 전자전달층(123)은 페로브스카이트 층(124)에서 광전 변환된 전자를 태양전지 내의 다른 구성요소(예를 들면 도전성 구조물)로 전달해 주는 역할을 수행한다.
이 때, 전자전달층(123)은 전자 전도성 유기물 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층으로 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 텐덤 태양전지에서는 상기 전자전달층(123)과 상기 페로브스카이트층(124) 사이에서 전자 전달 특성을 개선하고, 전자전달층(123)과 페로브스카이트층(124)의 서로 다른 성분 및 결정구조 차이로 인한 계면에서의 결함을 최소화하는 기능을 수행할 수 있도록 버퍼층(123')을 추가할 수 있다. 더 나아가 만일 상기 전자전달층(123)이 전자전달의 기능을 충분히 수행하지 못하게 되더라도, 상기 버퍼층(123') 단독으로도 어느 정도는 전자전달층의 기능을 수행할 수도 있다.
다음으로 본 발명의 보통의 텐덤 태양전지는 페로브스카이트 (흡수)층을 포함한다.
본 발명에서의 페로브스카이트 층은 MA(Methylamminium) 성분 또는 FA(Formamidinium) 성분을 포함한다. 보다 구체적으로 ABX3로 대표되는 페로브스카이트 흡수층에서, A는 +1가의 C1-20의 알킬기, 아민기 치환된 알킬기, 유기 아미디늄 또는 알칼리 금속 중 하나 또는 둘 이상을 포함하고, B는 Pb2 +, Sn2 +, Cu2 +, Ca2 +, Sr2+, Cd2 +, Ni2 +, Mn2 +, Fe2 +, Co2 +, Pd2 +, Ge2 +, Yb2 +, Eu2 + 중 하나 또는 둘 이상을 포함하고 X는 F-, Cl-, Br-, I- 중 하나 이상을 포함한다.
현재까지 대표적인 페로브스카이트 (흡수)층으로 사용되는 MA(Methylamminium)PbI3의 밴드 갭은 약 (1.55~1.6)eV인 것으로 알려져 있다. 반면 또 다른 페로브스카이트 흡수층으로 사용하는 FA계의 밴드 갭은 상기 MA 계열의 밴드 갭보다 더 작은 것으로 알려져 있다. 일례로, FAPbI3의 밴드 갭은 약 1.45eV이다. 그러나 Br의 첨가는 FA계 페로브스카이트 흡수층의 밴드 갭을 기존 MA계 페로브스카이트 흡수층의 밴드 갭과 유사한 정도로 크게 할 수 있다. 밴드 갭 에너지가 높은 범위까지 포함하게 되면, 기존 실리콘 태양전지 대비, 단파장의 빛을 고밴드갭 페로브스카이트층이 흡수함으로써 광자 에너지와 밴드갭과의 차이로 생기는 열적 손실을 줄여 높은 전압을 발생시킬 수 있다. 그로 인해 종국적으로는 태양전지의 효율이 높아지게 된다.
한편 상기 페로브스카이트 층을 구성하는 페로브스카이트 상(phase)은 열에 매우 취약하다. ABX3로 대표되는 페로브스카이트 층은 통상 AX 조성의 유기물과 BX2 조성의 무기물을 열처리하여 ABX3 성분의 전환된다. 따라서 상기 전환을 열처리나 후속 공정에서의 열처리시 온도 및 시간이 지나치게 높거나 길게 되면 전환된 ABX3의 열분해가 일어나게 되고, 그로 인한 광전 변환 효율의 저하가 발생할 수 있다.
본 발명에서는 상기 페로브스카이트 층을 형성한 후 정공전달층(125)를 추가로 형성할 수 있다. 상기 정공전달층(125)은 페로브스카이트 층(124)에서 광전 변환된 정공을 태양전지 내 다른 구성요소로 전달해주는 역할을 수행한다.
이 때, 정공전달층(125)는 정공 전도성 유기물 층, 정공 전도성 금속 산화물 또는 실리콘(Si)을 포함한 층으로 형성될 수 있다.
상기 정공전달층 상에는 다시 필요에 따라 전면 투명 전극층(126) 및 전면 투명 전극층(126) 상의 버스바 전극(127)을 포함한 제1 전극이 위치한다. 물론, 버스바 전극(127)은 도 6에서 설명한 바와 같이 투명전극 상에 위치하는 핑거전극 위에도 배치될 수 있다.
이때, 투명 전극층(126)은 페로브스카이트 태양전지(120)의 상면 전체에 형성되어, 페로브스카이트 태양전지(120)에서 생성된 전하를 포집하는 역할을 한다. 이러한 투명 전극층(126)은 다양한 투명 전도성 소재로서 구현될 수 있다. 즉, 투명 전도성 소재로는 중간층(116)의 투명 전도성 소재와 동일한 것이 이용될 수 있다.
이 때, 제1 전극(구체적으로 버스바 전극(127))은 투명 전극층(126) 상에 배치되며, 투명 전극층(126) 중 일부 영역에 배치된다.
제1 전극(구체적으로 버스바 전극(127))은 유리 프릿을 포함하지 않는 제1 전극 페이스트를 선택적으로 도포한 후, 제1 온도에서 저온 소성하는 것에 의해 제조될 수 있다. 여기서, 이러한 제1 전극 페이스트는 금속 입자와 저온소성용 바인더인 유기물이 포함되어 있을 수 있으며, 제1 전극 페이스트에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 특히, 제1 온도는 150℃ 이하, 보다 구체적으로는 100 ~ 150℃일 수 있다.
이와 같이 제조된 태양전지 셀은, 앞에서의 도 5에서 도시된 본 발명의 태양전지 모듈의 제조 방법인 셀 검사 단계, 가고정 단계, 레이업 단계, 라미네이션 단계 등을 거쳐서 도 12와 같은 본 발명의 태양전지 모듈로 완성된다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (14)

  1. 페로브스카이트층을 포함하는 태양전지 셀들의 각각의 전극 상에 대응되는 각각의 배선재들을 정렬시키는 정렬 단계;
    상기 도전성 배선재들을 상기 태양전지 셀상에 가고정시키는 가고정 단계;
    상기 도전성 배선재가 가고정된 복수의 태양전지 셀들을 배열하여 스트링을 형성하는 스트링 단계;
    상기 태양전지 스트링을 밀봉재 사이에 배열시키는 레이 업(lay-up)단계;
    상기 배열된 태양전지 셀들을 라미네이터를 통해 150℃ 이하의 온도에서 합착 및 상기 배선재를 상기 태양전지상에 전기적으로 접합하는 저온 라미네이션 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가고정 단계는, 배선재들의 길이 방향에 대해 교차하는 방향으로 일련의 정렬된 상기 배선재들 상에 가고정 테이프를 부착하여 고정하는 단계인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가고정 단계는, 일련의 정렬된 각각의 상기 배선재와 전극 사이에 위치하는 전기 전도성 접착제로 고정하는 단계인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전기 전도성 접착제는 상기 배선재들의 길이 방향으로 불연속적으로 위치하는 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배선재들의 길이 방향에서 상기 전기 전도성 접착제가 위치하는 길이의 비율은 1~25% 인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전기 전도성 접착제는 상기 배선재들의 길이 방향으로 연속적으로 위치하는 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조 방법.
  7. 페로브스카이트층, 제1 전극, 제2 전극을 포함하는 복수의 태양전지;
    상기 복수의 태양전지들 중 이웃한 셀의 제 1전극과 제 2전극을 전기적으로 접속되는 복수의 배선재;를 포함하고,
    상기 전극과 상기 배선재 사이 계면에 존재하는 전기 전도성 접착제층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  8. 페로브스카이트층, 제1 전극, 제2 전극을 포함하는 복수의 태양전지;
    상기 복수의 태양전지들 중 이웃한 셀의 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 접속되는 복수개의 배선재;를 포함하고,
    상기 배선재 상에 상기 배선재를 가로지르는 방향으로 형성된 접착테이프층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 배선재들의 길이 방향에서 상기 전기 전도성 접착제층이 위치하는 길이의 비율은 1~25% 인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 배선재들의 길이 방향에서 불연속적으로 위치하는 상기 전기 전도성 접착체층 사이에는 공융혼합물이 존재하는 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전기 전도성 접착제층은 상기 배선재들의 길이 방향으로 연속적으로 위치하는 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 전기 전도성 접착제층의 폭은 상기 전극의 폭보다 작은 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  13. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 배선재들은 단면이 원형, 타원형 또는 다각형인 금속코어와, 상기 금속코어 표면에 코팅된 솔더층을 포함하는 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  14. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 태양전지는 페로브스카이트 태양전지 또는 페로브스카이트 태양전지를 포함하는 텐덤 태양전지인 것;
    을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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