KR20200063757A - 슁글드 태양전지 셀 어레이, 태양전지 모듈 및 그 제작 방법 - Google Patents

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이정인
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강민구
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Abstract

본 발명은저가이며, 녹는점이 낮아 고온 공정에 따른 태양전지의 스트레스를 최소화하고, ECA와 동일하거나 우수한 성능을 제공하는 저온 융점 전기 전도성 접착제를 이용한 슁글드 태양전지 셀 어레이, 태양전지 모듈 및 그 제작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 접착영역을 형성하며 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀; 및 상기 접착영역에서 서로 대향하는 한 쌍의 태양전지 셀의 면 중 어느 하나 이상의 면에 도포된 저온으로 솔더링(soldering)되는 다수의 저온 융점 전기 전도성 접착제층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이를 제공한다.

Description

슁글드 태양전지 셀 어레이, 태양전지 모듈 및 그 제작 방법{Shingled photovoltaic cell array, photovoltaic cell module and the manufacturing method thereof}
본 발명은 슁글드 태양전지 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 종래기술의 태빙(tabbing) 공정을 위하여, 대부분 고가이며 녹는점이 높은 ECA(Electric Conductive Adhesive)를 대체하여, 저가이며, 녹는점이 낮아 고온 공정에 따른 태양전지의 스트레스를 최소화하고, ECA와 동일하거나 우수한 성능을 제공하는 저온 융점 전기 전도성 접착제를 이용한 슁글드 태양전지 셀 어레이, 태양전지 모듈 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
일반적인 결정질 실리콘 단위 태양 전지의 전면부(미도시)는 음극 전극이, 후면부(미도시)는 양극 전극이 배치된다.
그런데 단위 태양 전지 하나의 전압은 약 0.65 V정도이기 때문에 배터리들을 직렬로 연결시켜 전압을 높이듯이 단위 태양 전지들을 직렬로 연결시켜 출력전압을 높인다. 부연하면, 단위 태양 전지의 전면 버스 전극과, 그 다음에 위치한 태양 전지의 후면 버스전극을 직렬로 연결시키는 작업을 태빙(tabbing)이라고 한다.
태빙되어 있는 단위 태양 전지들을 기차와 같이 길게 일렬로 연결한 것을 스트링(string)이라 하며, 스트링들을 상호 연결하여 태양 전지 모듈을 제작한다.
이러한 태빙 기술로는 리본(Cu 등)의 외피를 감싸는 솔더(SnPb, SnCu 등)를 고온의 인두로 접촉하거나 적외선 램프를 이용하여 열을 가함으로써 솔더가 녹아서 Ag와 합금(alloy)을 형성하고 이를 통해 리본과 태양전지가 결합되는 방식을 들 수 있다.
이러한 방식의 경우, 고온 공정에 따른 스트레스로 휨 또는 크랙 등의 발생에 의해 태양전지가 파손될 수 있는 단점이 있었다.
또한, 리본을 이용하여 서로 인접되는 태양전지 셀들의 어느 하나의 상부 버스와 다른 하나의 하부 버스를 연결하게 되므로, 태양전지 셀 사이의 쇼트 방지를 위해 일정 간격 이격되어야 하므로, 태양전지 셀의 분포 밀도가 낮아져 광전 효율이 낮아진다는 문제점이 있었다.
이러한 이유로, 대한민국 공개특허 제2018-0106442호와 같이, ECA(Electric Conductive Adhesive)를 이용하여 인접된 양측 셀의 상부와 하부를 직접 접착시키는 슁글드 태양전지 셀 어레이(shingled array photovoltaic cells) 제작 기술이 개발되었다.
그러나 상기 ECA는 전도체(약 1-100 ㎛크기의 도전성 물질 입자)와 고분자(예를 들면 에폭시)로 구성된다. 이때, 전도체는 전체 구성의 70 % 내지 80 %의 Ag를 포함한다. 이에 따라, 가격이 매우 높아져, 슁글드 태양전지 모듈의 단가를 낮추는데 한계로 작용하는 문제점을 가진다.
이외에도 ECA 또한 고온에서 작업하기 때문에 열에 의한 스트레스가 발생하여 이종 물질 간의 열팽창 계수 차이에 의한 보윙(bowing) 현상 또는 크랙이 발생할 수 있는 문제점 또한 가진다.
대한민국 공개특허 제2018-0106442호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저가이며, 녹는점이 낮아 고온 공정에 따른 태양전지의 스트레스를 최소화하고, ECA와 동일하거나 우수한 성능을 제공하는 저온 융점 전기 전도성 접착제를 이용한 슁글드 태양전지 셀 어레이, 태양전지 모듈 및 그 제작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 접착영역을 형성하며 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀; 및 상기 접착영역에서 서로 대향하는 한 쌍의 태양전지 셀의 면 중 어느 하나 이상의 면에 도포된 저온 융점 전기 전도성 접착제의 저온 솔더링(soldering)에 의해 형성된 다수의 저온 융점 전기 전도성 접착제층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이를 제공한다.
상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는, 저온 융점을 갖는 마이크로볼 및 전도성 페이스트로 구성될 수 있다.
상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는, 150 ℃ 이하의 융점을 가지는 것일 수 있다.
상기 마이크로볼은, SnBiAg, SnPb, SnPbCu, SnPbSb, SnBiPb, InAg, InPb, InSn, InSnPbCd, SnPbIn, SnPbAg, SnZn, PbSnZn, SnZnBi, SnZnInBi, BiSn, BiPb, InPbAg, SnPbCd, SnInAg, InCd, InBiCd, BiPbSnCdIn, BiPbSnIn, CdSn, 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 혹은 2종 이상의 화합물로 구성될 수 있다.
상기 마이크로볼은, Ag를 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제 중 0 % 내지 20 % 포함할 수 있다.
상기 전도성 페이스트는, 셀롤로오스, 아크릴 계열 고분자, 우레탄 기반 고분자, PVP(Poly Vinyl Pirrolidone), PMMA(polymethyl methacrylate), PVB(polyvinyl butyral), 부틸카르비톨 및 터피네올로으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 화합물일 수 있다.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀들의 접착영역에 위치되는 어느 하나의 태양전지 셀의 면에 저온 융점 전기 전도성 접착제를 도포하는 단계; 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제가 도포된 상기 다수의 태양전지 셀들을 슁글드 구조로 접합시키는 단계; 및 저온 가열에 의해 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제들을 저온으로 솔더링(soldering)하여 상기 접착영역에서 상기 다수의 단위 태양전지 셀들을 통전시키는 다수의 저온 융점 전기 전도성 접착제층을 형성시키는 단계;를 포함하여 구성되는 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 방법을 제공한다.
상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는, 저온 융점을 갖는 마이크로볼 및 전도성 페이스트로 구성되고, 상기 마이크로볼은 SnBiAg, SnPb, SnPbCu, SnPbSb, SnBiPb, InAg, InPb, InSn, InSnPbCd, SnPbIn, SnPbAg, SnZn, PbSnZn, SnZnBi, SnZnInBi, BiSn, BiPb, InPbAg, SnPbCd, SnInAg, InCd, InBiCd, BiPbSnCdIn, BiPbSnIn, CdSn, 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 혹은 2종 이상의 화합물로 구성될 수 있다.
상기 마이크로볼은 Ag를 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제 전체에 대하여 0 % 내지 20 % 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 프레임; 상기 프레임의 내측에 적층되는 투명유리기판; 상기 투명유리기판의 상부에 적층되는 제1봉지재층; 서로 인접되는 모서리 영역의 접착영역에 저온 융점 전기 전도성 접착제의 저온 솔더링(soldering)에 의해 형성된 저온 융점 전기 전도성 접착제층에 의해 통전되는 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀들로 구성되어 상기 제1봉지재층 상부에 적층되는 슁글드 태양전지 셀 어레이; 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이의 상부에 적층되는 제2봉지재층; 및 상기 제2봉지재층의 상부에 적층되는 백시트층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈을 제공한다.
상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는, 저온 융점을 갖는 마이크로볼 및 전도성 페이스트로 구성될 수 있다.
상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는, 150 ℃ 이하의 융점을 가지는 것일 수 있다.
상기 마이크로볼은, SnBiAg, SnPb, SnPbCu, SnPbSb, SnBiPb, InAg, InPb, InSn, InSnPbCd, SnPbIn, SnPbAg, SnZn, PbSnZn, SnZnBi, SnZnInBi, BiSn, BiPb, InPbAg, SnPbCd, SnInAg, InCd, InBiCd, BiPbSnCdIn, BiPbSnIn, CdSn, 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 혹은 2종 이상의 화합물로 구성될 수 있다.
상기 마이크로볼은, Ag를 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제 전체에 대하여 0 % 내지 20 % 포함할 수 있다.
상기 전도성 페이스트는, 셀롤로오스, 아크릴 계열 고분자, 우레탄 기반 고분자, PVP(Poly Vinyl Pirrolidone), PMMA(polymethyl methacrylate), PVB(polyvinyl butyral), 부틸카르비톨 및 터피네올로으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 화합물일 수 있다.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예들은, 서로 인접되는 모서리 영역의 접착영역에 도포된 저온 융점 전기 전도성 접착제의 저온 솔더링(soldering)에 의해 형성된 저온 융점 전기 전도성 접착제층에 의해 통전되는 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀들로 구성되는 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 단계; 핫플레이트 상부에 프레임을 위치시킨 후, 상기 프레임의 내측에 투명유리기판을 적층하는 단계; 상기 투명유리기판의 상부에 제1봉지재층을 적층하는 단계; 상기 제1봉지재층의 상부에 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이를 적층하는 단계; 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이의 상부에 제2봉지재층를 적층하는 단계; 상기 제2봉지재층의 상부에 백시트를 적층하는 단계; 및 상기 프레임, 상기 투명유리기판, 상기 제1봉지재층, 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이, 상기 제2봉지재층 및 상기 백시트의 적층체를 가열 가압하여 일체형으로 적층 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈 제작 방법을 제공한다.
상기 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 단계는, 상기 슁글드 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀들의 상기 접착영역에서 서로 대향하는 한 쌍의 태양전지 셀의 면들 중 어느 하나 이상의 면에 저온 융점 전기 전도성 접착제를 도포하는 단계; 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제가 도포된 상기 다수의 태양전지 셀들을 슁글드 구조로 접합시키는 단계; 및 저온 가열에 의해 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제들을 솔더링(soldering)하여 상기 접착영역에서 상기 다수의 단위 태양전지 셀들을 통전시키는 다수의 저온 융점 전기 전도성 접착제층을 형성시키는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는, 저온 융점을 갖는 마이크로볼 및 전도성 페이스트로 구성될 수 있다.
상기 마이크로볼은, SnBiAg, SnPb, SnPbCu, SnPbSb, SnBiPb, InAg, InPb, InSn, InSnPbCd, SnPbIn, SnPbAg, SnZn, PbSnZn, SnZnBi, SnZnInBi, BiSn, BiPb, InPbAg, SnPbCd, SnInAg, InCd, InBiCd, BiPbSnCdIn, BiPbSnIn, CdSn, 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 혹은 2종 이상의 화합물로 구성될 수 있다.
상기 마이크로볼은, Ag를 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제 전체에 대하여 0 % 내지 20 % 포함할 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들은, 저온 융점 전기 전도성 접착제를 이용하는 것에 의해 저가이며, 녹는점이 낮아 고온 공정에 따른 태양전지의 스트레스를 최소화하고, ECA와 동일하거나 우수한 성능을 제공하는 슁글드 태양전지 셀 어레이 및 태양전지 모듈을 저비용으로 용이하게 제작할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 상술한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들은, 태양전지 셀을 슁글드 구조를 결합시키는 것에 의해, 리본을 적용하는 경우에 발생하는 이격 공간을 필요로 하지 않게 되어, 단위 면적당의 태양광 발전 효율을 향상시키는 효과 또한 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)의 측단면도.
도 2는 도 1의 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)의 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 방법의 순서도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 슁글드 태양전지 모듈의 측단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 슁글드 태양전지 모듈 제작 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 6은 Ag와 Tin 및 Bi의 가격 비교 그래프.
도 7은 종래기술의 ECA와 본 발명의 Ag를 0.4 % 함유하는 저온 융점 전기 전도성 접착제의 충진률(Fill Factor), 전력(Power), 전류(I) 및 전압(V) 출력 특성 비교 그래프.
도 8은 종래기술의 ECA와 본 발명의 Ag를 0.4 % 함유하는 저온 융점 전기 전도성 접착제의 저항을 비교한 그래프.
도 9는 종래기술의 ECA(a)와 본 발명의 Ag를 0.4 % 함유하는 저온 융점 전기 전도성 접착제(b)를 이용하여 제작된 슁글드 태양전지 셀 어레이의 크랙발생의 확인을 위한 전계발광(EL: Electroluminiscence) 측정 비교 사진.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 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. 또한, 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)의 측단면도이고, 도 2는 도 1의 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)의 평면도이다.
도 1 및 도 2와 같이, 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)는. 서로 인접되는 모서리 영역에 접착영역을 형성하며 슁글드 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀(10) 및 상기 접착영역의 상기 태양전지 셀(10)의 면에 도포된 저온 융점 전기 전도성 접착제의 저온 솔더링(soldering)에 의해 형성된 다수의 저온 융점 전기 전도성 접착제층(20)들을 포함하여 구성된다.
상기 태양전지 셀(10)은 서로 반대의 전자 정공 이동 특성을 가지는 제1반도체 층(11)과 제2반도체층(13)이 접합된 구성을 가진다. 또한, 상기 태양전지 셀(10)들은 슁글드 구조를 형성하기 위하여, 태양전지모듈(100, 도 4 참조)을 구성하는 프레임(200)의 내측에 안착될 수 있도록 프레임(200)의 내측면 가로 폭에 대응하거나 작은 가로 폭을 가지는 직사각형의 판형으로 제작된다. 이때, 상기 태양전지 셀(10)들은 CIGS(CuInxGa1-xSe2) 태양전지 셀 등 다양한 구조의 태양전지 셀들이 적용될 수 있다. 또한, 상기 슁글드 구조로 배치되는 태양전지 셀(10)들은 직렬 또는 병렬 중 어느 하나의 방식으로 배치될 수 있다.
상기 저온 융점 전기 전도성 접착제층(20)은 상기 접착영역에서 서로 대향하는 한 쌍의 태양전지 셀(10)의 면 중 어느 하나 이상의 면에 저온 융점 전기 전도성 접착제를 도포한 후 120 ℃ 내지 150 ℃의 저온 솔더링에 의해 형성되어, 상기 접착영역에서 서로 접합된 태양전지 셀(10)들을 통전시키며 접착시킨다.
상기 저온 융점 전기 전도성 접착제층(20)은 저온 융점을 갖는 마이크로볼 및 전도성 페이스트(CP: conductive paste)로 구성된다.
상기 저온 융점을 갖는 마이크로볼은 저온 솔더링을 위해 융점이 150℃ 이하인, SnBiAg, SnPb, SnPbCu, SnPbSb, SnBiPb, InAg, InPb, InSn, InSnPbCd, SnPbIn, SnPbAg, SnZn, PbSnZn, SnZnBi, SnZnInBi, BiSn, BiPb, InPbAg, SnPbCd, SnInAg, InCd, InBiCd, BiPbSnCdIn, BiPbSnIn, CdSn, 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 혹은 2종 이상의 화합물로 구성될 수 있다.
상기 마이크로볼이 Ag를 포함하는 경우, 상기 Ag는 0% 내지 20%로 포함되어 저온 융점 특성을 유지하며, 접착제의 가격을 현저히 줄일 수 있도록 한다.
그리고 상기 전도성 페이스트는, 상기 마이크로볼로 제조된 필러 및 캐리어 비히클(carrier vehicle)로 이루어진다. 상기 필러 및 캐리어 비히클의 조성의 예로는, 필러(즉 마이크로볼): 10~90 중량%, 캐리어 비히클: 10~90 중량%가일 수 있다.
상기 캐리어 비히클은 외력이 주어지지 않을 경우 흐름성이 없고, 외력이 가해졌을 때만 흐름성을 가지는, 즉 항복응력을 가지는 유동성 물질일 수 있다.
상기 캐리어 비히클은 다시 산포제(dipersant), 바인더, 유변성 조절체(rheolgocal modifier), 솔벤트(co-solvent)로 이루어지며 이들 조성비도 액체 금속 페이스트 전체 중량 대비 산포제: 0.5~1.0 중량%, 바인더: 1~5 중량%, 유변물성 조절제: 4 중량%, 솔벤트: 0.3~1 중량%일 수 있다.
따라서 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는 마이크로 볼: 90 중량%, 페이스트: 9 중량%, Solvent: 1중량% 내외의 조성을 가질 수 있으며, 여기서, 페이스트는 산포제(dispersant), 바인더, 유변물성 조절제(rheological modifier)의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 바인더 및 솔벤트는 특별히 한정되지 않지만, 테르피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨아세테이트, 텍사놀, 에틸렌글리콜, 아세톤, 파인오일, 이소프로필알콜 및 에탄올 중에서 선택된 하나 이상의 용매를 사용하거나, 상기 용매 중에 에틸셀룰로스, 메틸셀룰로스, 니트로셀룰로스 등의 셀룰로스계 수지, 아크릴산 에스테르 등의 아크릴계 수지 및 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 부티랄 등의 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 하나 이상의 수지를 첨가하여 사용할 수 있다.
또한, 유변물성 조절제로는 로진(Rosin), 로진에스테르(Rosin ester), 폴리실록산, 사이클로실록산(Cyclosiloxane) 등의 실록산계 화합물(Siloxane compounds), 실리카(Silica) 분말, 지방족 아민(Aliphatic amine), 카르복실산 아마이드(carboxylic acid amide), 이들의 조합 등일 수 있다.
상술한 구성에 의해 본 발명의 슁글드 태양전지 셀 어레이는, 접착영역에서 서로 대향하는 태양전지 셀의 면 중 어느 하나 이상의 면에 상술한 조성을 가지는 저온 융접 전기 전도성 접착제를 도포하여 슁글드 구조로 접합시킨 후, 120 ℃ 내지 150 ℃의 저온 솔더링을 수행하는 것에 의해 슁글드 고조를 이루며 통전되는 태양전지 셀 어레이를 제작할 수 있도록 한다.
이에 따라, 고온 솔더링 시의 스트레스에 의한 태양전지 셀의 변형 또는 파손을 방지할 수 있게 된다. 또한, Ag의 함량이 전체 접착제 물질의 20% 이하로 되는 것에 의해 저가로 태양전지 셀 어레이(1)를 제작할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 방법의 순서도이다.
상술한 구성을 가지는 슁글드 구조를 가지는 상기 태양전지 셀 어레이(1)의 제작 방법은, 도 3과 같이, 서로 인접되는 모서리 영역에 접착영역을 형성하며 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀(10)들의 상기 접착영역에 위치되는 어느 하나의 태양전지 셀(10)의 면에 저온 융점 전기 전도성 접착제를 도포하는 단계(S111), 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제가 도포된 상기 다수의 태양전지 셀(10)들을 슁글드 구조로 접합시키는 단계(S113) 및 저온 가열에 의해 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제들을 저온으로 솔더링(soldering)하여 상기 접착영역에서 상기 다수의 단위 태양전지 셀(10)들을 통전시키는 다수의 저온 융점 전기 전도성 접착제층(20)을 형성시키는 단계(S115)를 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 저온 융점 전기 전도성 접착제는 도 1 및 도 2에서 설명된 저온 융점 전기 전도성 접착제가 사용된다.
상술한 다수의 태양전지 셀(10)들을 슁글드 구조로 접합시키는 단계(S113)에서 상기 저온 솔더링은 150 ℃ 이하의 온도로 수행될 수 있으며, 바람직하게는, 120 ℃ 내지 150 ℃ 범위의 저온에서 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 슁글드 태양전지 모듈(100)의 측단면도이다.
도 4와 같이, 본 발명의 일 실시예의 슁글드 태양전지 모듈(100)은, 프레임(200), 상기 프레임의 내측에 적층되는 투명유리기판(50), 상기 투명유리기판의 상부에 적층되는 제1봉지재층(41), 상기 제1봉지재층(41)의 상부에 적층되는 슁글드 태양전지 셀 어레이(1), 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)의 상부에 적층되는 제2봉지재층(43), 상기 제2봉지재층(43)의 상부에 적층되는 백시트층(30), 상기 투명유리기판(50)과 상기 제1봉지재층(41)의 사이의 영역에 형성되는 제1인출바(60) 및 상기 백시트(30)와 상기 제2봉지재층(43)의 사이 영역에 형성되는 제2인출바(70)를 포함하여 구성된다.
상기 프레임(200)은, 상기 태양전지 모듈(100)의 외관을 형성하는 태양전지 모듈(100)의 틀을 형성한다.
상기 투명유리기판(50)은 외부의 태양광을 투과시키는 것으로서, 저철분 유리 등일 수 있다.
상기 제1봉지재층(41) 및 제2봉지재층(43)을 형성하는 봉지재(40)는 태양 전지 어레이(1)를 환경적 요인으로부터 보호하기 위해 태양 전지 셀 어레이(1)의 아래 및 위에 배치된다. 즉, 태양전지 모듈(100)의 수명을 길게 유지하기 위한 필수소재로 태양전지 셀 어레이(1)의 전 후면에 위치하여 태양전저 셀 어레이(1)를 구성하는 단위 태양전지 셀(10)들의 파손을 막는 완충재 역할 및 전면의 투명유리기판(50)과 후면의 백시트(Back sheet)(30)를 접착해 봉입하는 역할을 한다. 봉지재(40)의 재질로는 EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer) 시트, 2액형 액상 실리콘 등이 사용될 수 있다. 2액형 액상 실리콘의 경우 약 80(℃) 이하의 온도에서 낮은 진공압으로 합착을 하여 태양 전지 모듈을 완성한다. 박형 웨이퍼를 사용할 경우 파손의 위험 때문에 낮은 진공압으로 모듈을 합착하는 것이 선호된다.
상기 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)는 도 1 내지 도 3에서 설명되었으므로 그 상세한 설명은 생략한다.
상기 백시트(30)는 태양 전지에 흡수되지 않은 장파장의 적외선을 반사시켜 태양전지 셀(10)에 흡수할 수 있도록 반사판의 기능을 수행한다. 백시트(Back sheet)는 불소수지 계열의 TPT(Tedlar/PET/Tedlar), PET(poly-ethylene terephthalate) 타입의 합성 수지가 사용될 수 있으며, 방수, 절연 및 자외선 차단 등의 기능을 한다.
상기 제1인출바(60)와 제2인출바(70)는 각각 상기 태양전지 셀 어레이(1)의 제1반도체층(11)과 제2반도체층(13)에 접속되도록 각각 형성되는 비아홀전극과 일단이 접촉되고 타단은 태양전지 모듈(100)의 외부로 인출되어 정션박스(미도시)에 접속되는 전극바로 형성되어, 상기 태양전지셀 어레이(1)를 통해 생산된 전력을 외부로 인출하도록 구성된다.
상술한 구성의 태양전지 모듈(100)은 투명유리기판(50)이 태양을 향하도록 설치되어 태양광에 의한 발전을 수행하도록 구성된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 슁글드 태양전지 모듈 제작 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 5와 같이, 상기 슁글드 태양전지 모듈 제작 방법은,
서로 인접되는 모서리 영역의 접착영역에 도포된 저온 융점 전기 전도성 접착제의 저온 솔더링(soldering)에 의해 형성된 저온 융점 전기 전도성 접착제층(20)에 의해 통전되는 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀(10)들로 구성되는 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)를 제작하는 단계(S110), 핫플레이트 상부에 프레임(200)을 위치시킨 후, 상기 프레임(200)의 내측에 투명유리기판(50)을 적층하는 단계(S120), 상기 투명유리기판(50)의 상부에 제1봉지재층(41)을 적층하는 단계(S130), 상기 제1봉지재층(41)의 상부에 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이를 적층하는 단계(S140), 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)의 상부에 제2봉지재층(43)을 적층하는 단계(S150), 상기 제2봉지재층(43)의 상부에 백시트(30)를 적층하는 단계(S160) 및 상기 프레임(200)과 상기 프레임(200)의 내부에 적층된 상기 투명유리기판(50), 상기 제1봉지재층(41), 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이(1), 상기 제2봉지재층(43) 및 상기 백시트(30)의 적층체를 가열 가압 후 상온 하에서 냉각하여 일체형으로 적층 성형하는 단계(S170)을 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 처리 단계에서, 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 단계(S110)는, 도 3의 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 방법과 동일하므로, 그 설명은 생략한다.
상기 적층체를 가열 가압 후 상온 하에서 냉각하여 일체형으로 적층 성형하는 단계(S170)는 봉지재에 따라 60 ℃ 내지 160 ℃ 의 온도에서 미리 정해진 진공압으로 합착을 수행한 후 상온에서 냉각시키는 단계일 수 있다.
이때, 봉지재(40)가 EVA인 경우에는 약 160도 정도에서 미리 정해진 진공압으로 합착을 수행하게 된다. 이와 달리, 봉지재(40)가 2액형 액상 실리콘인 경우에는 약 80 ℃ 이하의 온도에서 미리 정해진 진공압으로 합착을 수행할 수 있게 된다.
<실험예>
본 발명의 일 실시예로서, Ag가 0.4 % 함유된 SnBiAg를 마이크로 볼로 포함하는 저온 융점 전기 전도성 접착제층과 종래기술의 ECA를 적용하여 슁글드 태양전지 셀 어레이(1)를 제조한 후, 가격, 충진률(FF: Fill Factor)m, 발전된 출력 전원의 전력, 전류, 저항, 전계발광(EL: Electroluminiscence) 측정에 의한 크랙발생율 측정한 후 비교하였다.
도 6은 Ag와 Tin 및 Bi의 가격 비교 그래프이다. 도 6과 같이, Ag가 Tin 이나 Bi에 비해 가격이 약 27배 이상 비싸므로, 본 발명의 실시예의 저온 융점 전기 전도성 접착제를 적용하는 경우 태양전지 모듈의 생산 단가를 현저히 절감시킬 수 있음이 자명하였다.
도 7은 종래기술의 ECA와 본 발명의 Ag를 0.4 % 함유하는 저온 융점 전기 전도성 접착제의 충진률(Fill Factor)(a), 전력(Power)(b), 전류(I)(c) 및 전압(V)(d) 출력 특성 비교 그래프이다.
도 7의 (a)에서와 같이, 충진률의 경우, 종래기술의 ECA의 경우 73.76±1.31 % 였고, 본 발명의 실시예의 저온 융점 전기 전도성 접착제(CP)의 경우 73.16±1.46 %로 측정되었다.
도 7의 (b)와 같이, 발전 전력(P)의 최대 값은, 종래기술의 ECA의 경우 4.186±0.052 W였고, 본 발명의 실시예의 저온 융점 전기 전도성 접착제(CP)의 경우 4.166±0.093 W로 측정되었다.
도 7의 (c) 및 (d)와 같이, 발전 전력(P)의 전류 및 전압의 경우, 종래기술의 ECA와 본 발명의 실시예의 저온 융점 전기 전도성 접착제(CP)에서 거의 동일한 출력 특성을 나타내었다.
도 7과 같이, 종래기술의 ECA와 본 발명의 실시예의 저온 융점 전기 전도성 접착제(CP)를 적용한 경우, 충진률, 발전전력의 최대값, 전류 및 전압에서 거의 동을한 수준의 발전 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
도 8은 종래기술의 ECA와 본 발명의 Ag를 0.4 % 함유하는 저온 융점 전기 전도성 접착제(CP)의 저항을 비교한 그래프이다.
도 8에서 태양전지셀이 2개, 4개, 6개 접착된 태양전지 셀 어레이에 대하여 저항을 측정하였다. 측정 결과, 종래기술의 ECA와 본 발명의 실시예의 저온 융점 전기 전도성 접착제(CP)를 적용한 경우 모두 저항이 거의 동일한 것으로 측정되었다.
도 9는 종래기술의 ECA(a)와 본 발명의 Ag를 0.4 % 함유하는 저온 융점 전기 전도성 접착제(b)를 이용하여 제작된 슁글드 태양전지 셀 어레이의 크랙(C) 발생의 확인을 위한 전계발광(EL: Electroluminiscence) 측정 비교 사진이다.
도 9의 경우에도 태양전지셀이 2개, 4개, 6개 접착된 태양전지 셀 어레이에 대하여 솔더링에 의한 스트레스에 의해 발생된 크랙(C)을 전계발광 측정을 수행하여 촬영하였다.
도 9의 (a)와 (b) 모두에서 크랙(C)의 분포가 거의 유사하게 나타남일 확인할 수 있었다.
즉, 도 6 내지 도 9의 실험 결과에서 Ag 함량이 적은 SnBiAg 또는 전혀 포함하지 않는 저온 융점 전기 전도성 접착제를 적용하여 태양전지 셀 어레이를 슁글드 구조로 접합하는 경우, ECA를 이용하여 태양전지 셀 어레이를 슁글드 구조로 접합하는 경우에 비해서 더 낮은 가격으로 동등한 특성을 가지는 슁글드 태양전지 셀 어레이를 제작할 수 있음을 확인하였다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 직접 접착식 태양전지셀 어레이
10: 단위 태양전지셀
11: 제1반도체층
13: 제2반도체층
20: 저온 전도성 접착제 층
30: 백시트
40: 봉지제(EVA)
41: 제1 봉지재층
43: 제2 봉지재층
50: 투명유리판
60: 제1인출버스바
70: 제2인출버스바
100: 태양전지모듈
200: 프레임

Claims (20)

  1. 접착영역을 형성하며 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀; 및
    상기 접착영역에서 서로 대향하는 한 쌍의 태양전지 셀의 면 중 어느 하나 이상의 면에 도포된 저온 융점 전기 전도성 접착제의 저온 솔더링(soldering)에 의해 형성된 다수의 저온 융점 전기 전도성 접착제층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는,
    150 ℃ 이하의 융점을 가지는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는,
    저온 융점을 갖는 마이크로볼 및 전도성 페이스트로 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 마이크로볼은,
    SnBiAg, SnPb, SnPbCu, SnPbSb, SnBiPb, InAg, InPb, InSn, InSnPbCd, SnPbIn, SnPbAg, SnZn, PbSnZn, SnZnBi, SnZnInBi, BiSn, BiPb, InPbAg, SnPbCd, SnInAg, InCd, InBiCd, BiPbSnCdIn, BiPbSnIn, CdSn, 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 혹은 2종 이상의 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 마이크로볼은,
    Ag를 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제 중 0 % 내지 20 % 포함하는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 전도성 페이스트는,
    셀롤로오스, 아크릴 계열 고분자, 우레탄 기반 고분자, PVP(Poly Vinyl Pirrolidone), PMMA(polymethyl methacrylate), PVB(polyvinyl butyral), 부틸카르비톨 및 터피네올로로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이.
  7. 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀들의 접착영역에 위치되는 어느 하나의 태양전지 셀의 면에 저온 융점 전기 전도성 접착제를 도포하는 단계;
    상기 저온 융점 전기 전도성 접착제가 도포된 상기 다수의 태양전지 셀들을 슁글드 구조로 접합시키는 단계; 및
    저온 가열에 의해 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제들을 저온으로 솔더링(soldering)하여 상기 접착영역에서 상기 다수의 단위 태양전지 셀들을 통전시키는 다수의 저온 융점 전기 전도성 접착제층을 형성시키는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는,
    저온 융점을 갖는 마이크로볼 및 전도성 페이스트로 구성되고,
    상기 마이크로볼은,
    SnBiAg, SnPb, SnPbCu, SnPbSb, SnBiPb, InAg, InPb, InSn, InSnPbCd, SnPbIn, SnPbAg, SnZn, PbSnZn, SnZnBi, SnZnInBi, BiSn, BiPb, InPbAg, SnPbCd, SnInAg, InCd, InBiCd, BiPbSnCdIn, BiPbSnIn, CdSn, 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 혹은 2종 이상의 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로볼은,
    Ag를 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제 전체에 대하여 0 % 내지 20 % 포함하는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 방법.
  10. 프레임;
    상기 프레임의 내측에 적층되는 투명유리기판;
    상기 투명유리기판의 상부에 적층되는 제1봉지재층;
    서로 인접되는 모서리 영역의 접착영역에 저온 융점 전기 전도성 접착제의 저온 솔더링(soldering)에 의해 형성된 저온 융점 전기 전도성 접착제층에 의해 통전되는 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀들로 구성되어 상기 제1봉지재층 상부에 적층되는 슁글드 태양전지 셀 어레이;
    상기 슁글드 태양전지 셀 어레이의 상부에 적층되는 제2봉지재층; 및
    상기 제2봉지재층의 상부에 적층되는 백시트층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는,
    150 ℃ 이하의 융점을 가지는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는,
    저온 융점을 갖는 마이크로볼 및 전도성 페이스트로 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 마이크로볼은,
    SnBiAg, SnPb, SnPbCu, SnPbSb, SnBiPb, InAg, InPb, InSn, InSnPbCd, SnPbIn, SnPbAg, SnZn, PbSnZn, SnZnBi, SnZnInBi, BiSn, BiPb, InPbAg, SnPbCd, SnInAg, InCd, InBiCd, BiPbSnCdIn, BiPbSnIn, CdSn, 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 혹은 2종 이상의 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 마이크로볼은,
    Ag를 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제 중 0 % 내지 20 % 포함하는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 전도성 페이스트는,
    셀롤로오스, 아크릴 계열 고분자, 우레탄 기반 고분자, PVP(Poly Vinyl Pirrolidone), PMMA(polymethyl methacrylate), PVB(polyvinyl butyral), 부틸카르비톨 및 터피네올로으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈.
  16. 서로 인접되는 모서리 영역의 접착영역에 도포된 저온 융점 전기 전도성 접착제의 저온 솔더링(soldering)에 의해 형성된 저온 융점 전기 전도성 접착제층에 의해 통전되는 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀들로 구성되는 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 단계;
    핫플레이트 상부에 프레임을 위치시킨 후, 상기 프레임의 내측에 투명유리기판을 적층하는 단계;
    상기 투명유리기판의 상부에 제1봉지재층을 적층하는 단계;
    상기 제1봉지재층의 상부에 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이를 적층하는 단계;
    상기 슁글드 태양전지 셀 어레이의 상부에 제2봉지재층를 적층하는 단계;
    상기 제2봉지재층의 상부에 백시트를 적층하는 단계; 및
    상기 프레임과 상기 프레임의 내부에 적층된 상기 투명유리기판, 상기 제1봉지재층, 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이, 상기 제2봉지재층 및 상기 백시트의 적층체를 가열 가압 후 일체형으로 적층 성형하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈 제작 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 슁글드 태양전지 셀 어레이 제작 단계는,
    상기 슁글드 구조로 배치되는 다수의 단위 태양전지 셀들의 상기 접착영역에서 서로 대향하는 한 쌍의 태양전지 셀의 면들 중 어느 하나 이상의 면에 저온 융점 전기 전도성 접착제를 도포하는 단계;
    상기 저온 융점 전기 전도성 접착제가 도포된 상기 다수의 태양전지 셀들을 슁글드 구조로 접합시키는 단계; 및
    저온 가열에 의해 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제들을 솔더링(soldering)하여 상기 접착영역에서 상기 다수의 단위 태양전지 셀들을 통전시키는 다수의 저온 융점 전기 전도성 접착제층을 형성시키는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈 제작 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제는,
    저온 융점을 갖는 마이크로볼 및 전도성 페이스트로 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈 제작 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 마이크로볼은,
    SnBiAg, SnPb, SnPbCu, SnPbSb, SnBiPb, InAg, InPb, InSn, InSnPbCd, SnPbIn, SnPbAg, SnZn, PbSnZn, SnZnBi, SnZnInBi, BiSn, BiPb, InPbAg, SnPbCd, SnInAg, InCd, InBiCd, BiPbSnCdIn, BiPbSnIn, CdSn, 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 혹은 2종 이상의 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈 제작 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 마이크로볼은,
    Ag를 상기 저온 융점 전기 전도성 접착제 전체에 대하여 0 % 내지 20 % 포함하는 것을 특징으로 하는 슁글드 태양전지 모듈 제작 방법.
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