KR20220013964A - 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크는, 기판에 형성될 핑거 전극 위치에 대응하여 수평방향으로 단속적으로 형성되어 핑거 전극 개구부 행을 구성하는 복수의 핑거 전극 개구부들과, 상기 기판에 대응하는 스텐실 마스크 하부면에 형성되며, 적어도 두 개의 핑거 전극 개구부들과 연결되는 적어도 하나의 오목부를 포함하며, 상기 오목부에는 연결된 핑거 전극 개구부들 각각을 통해 토출된 금속 페이스트가 수용되고, 전기적으로 연결되어 핑거 전극을 구성한다.

Description

태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크{STENCIL MASK FOR PRINTING ELECTRODE OF SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지의 전면전극 형성 시 금속 페이스트의 확산을 제어하여 금속 페이스트들 간의 전기적 연결성을 향상시킬 수 있는 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크에 관한 것이다.
최근, 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 매장량이 감소하고 기존 에너지 자원에 의한 환경 오염이 심각해지면서, 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중 태양전지는 무한히 제공되는 태양빛을 이용하고, 환경 오염을 유발하지 않는 친환경 에너지 장치로서 관련 기술들이 활발하게 연구되고 있다.
태양전지는 태양 에너지를 전기로 변환하는 전기소자로서, 현재 실리콘 태양전지가 주로 사용되고 있다.
태양전지의 기본 구조는 P형 및 N형 반도체가 접합되고 그 양면에 전면 전극과 후면 전극이 각각 형성된 구조이다. 전면 전극과 후면 전극은 실리콘 기판(wafer) 상에 은(Ag)이나 알루미늄(Al)과 같은 전도성을 갖는 금속 페이스트(paste)를 도포하고 열처리를 수행하는 방법에 의해 형성된다.
전면 전극과 후면 전극은 외부 도선과 전기적으로 연결되며, 태양전지에 흡수된 빛 에너지에 의해 셀 내부에서 발생하는 전류를 수집하여 외부로 전달하는 경로가 된다.
전면 전극은 매트릭스 형태로 배열된 셀(cell)들로부터 효과적으로 전하를 수거하기 위해, 서로 수직으로 교차 배열되는 복수의 핑거(finger) 전극 및 복수의 버스 바(bus bar) 전극으로 구성된다.
일반적으로, 전면 전극의 인쇄는 스크린 인쇄 기술에 의해 수행되는데, 도면을 참조하여 종래의 스크린 인쇄 방법과 스크린 마스크에 대해 설명하도록 하겠다.
도 1은 종래의 스크린 인쇄 기술에 사용되는 스크린 마스크의 일 예를 도시한 도면이고, 도 2는 에멀전으로 개구부가 패터닝된 메쉬의 일부를 도시한 도면이다.
스크린 마스크(10)는 마스크 프레임(11)과 메쉬(mesh, 12)를 포함한다.
메쉬(12)는 와이어(12a)가 그물망 형태로 직조된 것으로, 각 와이어(12a)들은 일정한 장력을 유지한 상태로 마스크 프레임(11)에 고정된다. 와이어(12a)는 폴리에스테르, 스테인리스 강(stainless steel) 등 다양한 소재로 제조될 수 있다.
메쉬(12) 상에는 에멀전(emulsion, 15)이 도포되어 버스 바 전극을 인쇄하기 위한 버스 바 전극 개구부(13)들 및 핑거 전극을 인쇄하기 위한 핑거 전극 개구부(14)들이 형성된다. 에멀전(15)은 버스 바 전극 개구부(13)들과 핑거 전극 개구부(14)들이 형성될 영역 외에 포토 리소그라피(photo lithography) 방법에 의해 메쉬(12) 위에 도포된다. 이후, 노광 및 건조 과정을 거치면 에멀전(15)은 메쉬(31) 위에 고착되어 메쉬(12) 상에는 버스 바 전극과 핑거 전극의 위치에 대응하는 전면전극 개구부(12b,13,14) 패턴만 제외하고 모든 영역이 에멀전(15)에 의해 가려지게 된다.
도 3을 참조하여 이후 과정을 살펴보면, 실리콘 기판(30)을 스크린 인쇄 장비의 지지대(20)에 올려놓고, 실리콘 기판(30) 위에 에멀전(15)에 의해 전면전극 개구부가 패터닝된 메쉬(12)를 올린다. 그리고, 메쉬(12) 위에 금속 페이스트(31)를 올린 다음, 스퀴지(squeegee, 21)를 이동시킴으로써 금속 페이스트에 수직 방향으로 힘을 가한다. 이에 따라, 금속 페이스트(31)는 메쉬(12)의 전면전극 개구부들을 통해 토출되어 실리콘 기판(30)에 도포된다. 이때, 버스 바 전극 개구부들을 통해 토출된 금속 페이스트(31)에 의해 버스 바 전극이 인쇄되고, 핑거 전극 개구부들을 통해 토출된 금속 페이스트(31)에 의해 핑거 전극이 인쇄된다.
이와 같은 방법으로, 태양전지 셀 위에 수직으로 교차되도록 형성되는 버스 바 전극과 핑거 전극은 태양전지에서 생산되는 전류를 수집하여 전달하는 역할을 수행한다. 이 전면전극들은 전류 수집과 전달을 위해 필요한 구성 요소이지만, 실리콘 기판 위에 인쇄되기 때문에 전면전극들이 차지하는 면적만큼 실리콘 기판의 수광 면적을 감소시키게 된다.
이에 따라, 최근에는 전면전극들의 전류 수집 및 전달 능력은 유지하되 실리콘 기판의 수광 면적을 최대한 확보하기 위해, 전면전극들의 선 폭을 미세화하는 연구가 활발히 진행 중이다.
스크린 인쇄 기술에서 전극의 선 폭을 미세화하려면, 메쉬(12)의 와이어들이 더 촘촘한 간격으로 직조되어야 한다.
그런데, 메쉬(12)를 사용하는 스크린 마스크는 와이어 자체의 면적 때문에 개구율 확보에 태생적인 한계를 갖고 있다. 와이어로 직조된 구조로 인해 개구율 손실을 감수해야 하는데, 개구율이 50∼60%에 불과하다. 게다가, 와이어들의 교차 간격이 더 촘촘해지면, 스크린 마스크의 개구율은 더 감소하게 된다. 이에 따라, 개구부(13,14)로 주입되는 금속 페이스트(31)와 와이어들 사이의 마찰 저항이 더 증가하여 금속 페이스트(31) 주입이 더 어려워진다.
이를 해결하기 위해 스퀴지(21)가 금속 페이스트(31)를 누르는 힘을 증가시키거나 와이어와의 마찰 저항을 줄이기 위한 저점도 금속 페이스트(31)를 사용하기도 한다.
그러나, 이 방법들은 실리콘 기판(30)으로 토출되는 페이스트(31) 양을 증가시킬 수는 있으나, 새로운 문제점을 초래할 수 있는데 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
전면전극 개구부(13,14)들을 통해 토출된 금속 페이스트(31)는 실리콘 기판(30)에 도포되어 버스 바 전극(33)과 핑거 전극(34)이 된다. 이 버스 바 전극(33)의 폭과 핑거 전극(34)의 폭은 각각 버스 바 전극 개구부(13)의 폭과 핑거 전극 개구부(14)의 폭에 상응할 것으로 기대하지만, 실제로는 각 개구부(13,14)의 폭보다 더 넓게 형성된다.
스퀴지(21)의 힘을 증가시키는 경우 실리콘 기판(30)으로 토출되는 금속 페이스트(31)의 양이 늘어나면서 주변으로 넓게 퍼지게 된다. 또한, 저점도 금속 페이스트(31)를 사용하는 경우 금속 페이스트(31)가 실리콘 기판(30)으로 쉽게 토출될 수는 있으나, 낮은 점성으로 인해 주변으로 넓게 퍼지게 된다.
이와 같이, 금속 페이스트(31)가 주변으로 확산되면, 금속 페이스트(31)가 불필요하게 소모되고 실리콘 기판(30)의 수광 면적을 감소시킨다. 이는 태양전지의 전기 생산성 감소를 초래한다.
전술한 바와 같이, 스크린 마스크가 갖고 있는 태생적인 개구율 한계를 극복하기 위해 여러 개선책들이 도출되고 있지만 이 개선책들은 새로운 문제점들을 초래하고 있다. 따라서, 스크린 마스크의 개구율 한계를 근본적으로 해결하고, 전류 수집 능력은 유지하되 태양전지의 수광 면적 더 확보할 수 있는 전면전극들을 인쇄할 수 있는 방법들이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전면전극 인쇄 시 개구부들을 통해 실리콘 기판으로 토출되는 금속 페이스트들이 불필요하게 주변으로 확산되는 것을 억제하여 불필요한 금속 페이스트 소모를 감소시킬 수 있는 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전면전극 인쇄 시 개구부들을 통해 실리콘 기판으로 토출되는 금속 페이스트들 간의 전기적 연결성을 향상시켜 좀 더 안정적으로 핑거 전극을 형성할 수 있는 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 핑거 전극들과 그 사이에 형성되는 외곽 전극들 간의 전기적 연결성을 향상시켜 핑거 전극과 버스 바 전극 간의 전류 우회 경로를 안정적으로 형성할 수 있는 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른, 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크는, 기판에 형성될 핑거 전극 위치에 대응하여 수평방향으로 단속적으로 형성되어 핑거 전극 개구부 행을 구성하는 복수의 핑거 전극 개구부들과, 상기 기판에 대응하는 스텐실 마스크 하부면에 형성되며, 적어도 두 개의 핑거 전극 개구부들과 연결되는 적어도 하나의 오목부를 포함하며, 상기 오목부에는 연결된 핑거 전극 개구부들 각각을 통해 토출된 금속 페이스트가 수용되고, 전기적으로 연결되어 핑거 전극을 구성한다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른, 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크는, 기판에 형성될 핑거 전극의 위치에 대응하여 수평방향으로 형성되며, 수직방향으로 일정한 간격으로 배열되는 핑거 전극 개구부 행들을 구성하는 복수의 핑거 전극 개구부들과, 상기 핑거 전극 개구부 행들 각각의 말단부 사이에 형성되는 적어도 하나의 외곽 전극 개구부와, 상기 기판에 대응하는 스텐실 마스크 하부면에 형성되며, 상기 핑거 전극 개구부 행들의 말단부들과 상기 외곽 전극 개구부들 중 적어도 두 개 이상과 연결되는 적어도 하나의 오목부를 포함하며, 상기 오목부에는 연결된 개구부들 각각을 통해 토출된 금속 페이스트가 함께 수용되어 전기적으로 연결된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전면전극 인쇄 시 개구부들을 통해 토출되는 금속 페이스트들을 설정된 공간으로 수용하여 금속 페이스트들의 불필요한 주변 확산을 억제함으로써, 태양전지의 생산 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스텐실 마스크 하부면의 오목부를 이용하여 핑거 전극 개구부들 각각을 통해 토출되는 금속 페이스트들을 수용함으로써, 금속 페이스트들을 전기적으로 연결하여 핑거 전극을 구성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스텐실 마스크 하부면의 오목부를 이용하여 전면전극들 간의 전류 우회 경로를 형성함으로써, 핑거 전극의 단선 시에도 태양전지에서 생산되는 전류를 핑거 전극과 버스 바 전극 간에 안정적으로 전송할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 스크린 인쇄 기술에 사용되는 스크린 마스크의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 에멀전으로 개구부가 패터닝된 메쉬의 일부를 도시한 도면이다.
도 3은 스크린 인쇄 방법의 개요를 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 스크린 인쇄 방법을 이용한 인쇄 결과를 보여주기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 스텐실 마스크의 일부를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 전면전극 개구부들이 패터닝된 스텐실 마스크를 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 고립영역이 없도록 전면전극 개구부들이 패터닝된 스텐실 마스크를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제 1실시예에 따라 핑거 전극 개구부들에 대응하여 오목부가 형성된 스텐실 마스크와 이를 이용하여 인쇄된 전면전극을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 전면전극 개구부들이 오픈드 패턴(opened pattern)으로 형성된 스텐실 마스크를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 전면전극 개구부들이 클로즈드 패턴(closed pattern)으로 형성된 스텐실 마스크를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 전면전극 개구부들이 하프-클로즈드 패턴(half-closed pattern)으로 형성된 스텐실 마스크를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 외곽 전극 개구부의 다양한 배치 형태를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 제 2실시예에 따라 외곽 전극 개구부들에 대응하여 오목부가 형성된 스텐실 마스크와 이를 이용하여 인쇄된 전면전극을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 제 2실시예에 따라 외곽 전극 개구부들에 대응하여 오목부가 형성된 스텐실 마스크와 이를 이용하여 인쇄된 전면전극을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 스텐실 마스크에 대해 상세히 설명하도록 하겠다.
종래의 스크린 인쇄 기술의 단점을 개선하기 위하여 메쉬를 사용하지 않는 스텐실 인쇄 기술이 사용될 수 있다. 스텐실 인쇄 기술은 전극 패턴 개구부가 형성된 스텐실 마스크를 이용하여 실리콘 기판 위에 전극 패턴을 인쇄하는 기술이다.
도 5는 본 발명에 따른 스텐실 마스크의 일부를 도시한 도면이다.
스텐실 마스크(100)는 와이어 메쉬(mesh)를 사용하지 않고, 레이저를 이용하여 금속 재질의 판을 직접 가공하여 버스 바 전극과 핑거 전극 위치에 대응하는 개구부(101)들을 형성하는 방법에 의해 제조된다. 따라서, 스텐실 마스크는 100%의 높은 개구율을 가지며, 금속 재질로 구성되어 제품의 수명이 길다. 또한, 스텐실의 제조 공정은 종래의 스크린 제조 공정보다 단순하기 때문에 제조 원가 절감도 가능하다.
스텐실 마스크(100) 제조에는 레이저 절삭법(laser cutting)이 주로 사용되는데, 전기 주조법(electroforming), 화학적 에칭법(chemical etching)에 비해 제조 공정이 단순하여 제조 시간이 짧고, 제조 비용이 적다는 장점이 있다.
이와 같이, 스텐실 마스크(100)는 100%의 개구율을 갖기 때문에 스크린 마스크와 비교하여 개구부와 금속 페이스트 간의 마찰 저항이 거의 없다. 따라서, 스퀴지의 압력을 증가시키거나 저점도 금속 페이스트를 사용하지 않아도 금속 페이스트가 개구부들을 통해 원활하게 토출될 수 있다.
그런데, 스크린 인쇄 기술에서는 메쉬가 에멀전으로 패터닝된 개구부들을 지지하는 역할을 하지만, 스텐실 인쇄 기술에서는 단일 금속 판인 스텐실 마스크(100)를 직접 가공하여 개구부들을 형성하기 때문에 개구부가 넓게 형성될 경우 기계적인 지지력이 약화될 수 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 스텐실 마스크(100)에는 복수의 버스 바 전극 개구부(102)들과 핑거 전극 개구부(104)들이 종횡으로 교차되도록 형성된다. 이때, 스텐실 마스크(100)에는 버스 바 전극 개구부(102)와 핑거 전극 개구부(104)에 의해 둘러싸인 고립영역(108)들이 만들어진다. 이 고립영역(108)은 기계적인 지지 구조가 없기 때문에 스텐실 마스크(108)로부터 분리될 수 있다. 따라서, 스텐실 마스크(100)에 전면전극 개구부(102,104)들을 패터닝할 때에는 이러한 고립영역(108)이 생기지 않도록 개구부(102,104) 패턴을 설계해야 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 고립영역이 없도록 전면전극 개구부들이 패터닝된 스텐실 마스크를 도시한 평면도이다.
도시된 바와 같이, 스텐실 마스크(100)는 수직방향으로 형성되는 복수의 버스 바 전극 개구부(102)들과 수평방향으로 단속적으로 배열되는 복수의 핑거 전극 개구부(104)들을 포함한다.
핑거 전극 개구부(104)들은 도 6의 핑거 전극 개구부들과는 다르게 단속적으로 배열되기 때문에 스텐실 마스크(100)는 기계적인 지지 영역을 확보할 수 있고, 고립영역의 발생을 막을 수 있다. 반면, 단속적으로 배열된 핑거 전극 개구부들을 통해 토출된 금속 페이스트들은 실리콘 기판 상에 단속적으로 도포되기 때문에 전기적으로 연결된 일체형의 핑거 전극을 구성할 수 없다.
이는 전면전극 인쇄시 스퀴지에 의해 스텐실 마스크(100)의 하부면이 실리콘 기판에 밀착되어 각 핑거 전극 개구부(104)들을 통해 토출된 금속 페이스트들이 주변으로 확산되지 못하기 때문이다.
본 발명에서는 단속적으로 형성된 핑거 전극 개구부(104)들을 통해 토출된 금속 페이스트들을 전기적으로 연결시킬 수 있는 스텐실 마스크(100)를 제안한다.
도 8은 본 발명의 제 1실시예에 따라 핑거 전극 개구부들에 대응하여 오목부가 형성된 스텐실 마스크와 이를 이용하여 인쇄된 전면전극을 도시한 도면이다.
(a)는 하부면에 오목부가 형성된 스텐실 마스크를 도시한 평면도이고, (b)는 (a)의 수직방향 절단면(Y-Y')을 도시한 단면도이다. 그리고, (c)는 이 스텐실 마스크(200)를 사용하여 인쇄된 핑거 전극을 도시한 도면이고, (d)는 이 스텐실 마스크(200)를 사용하여 인쇄된 전면전극들을 도시한 평면도이다.
먼저, (a)를 보면, 스텐실 마스크(200)는 실리콘 기판에 형성될 버스 바 전극의 위치에 대응하여 수직방향으로 형성된 버스 바 전극 개구부(202)들과, 실리콘 기판에 형성될 핑거 전극의 위치에 대응하여 수평방향으로 단속적으로 배열되며, 수직방향으로 일정한 간격으로 배열되어 핑거 전극 개구부 행들을 구성하는 복수의 핑거 전극 개구부(204)를 포함한다. 동일한 핑거 전극 개구부 행을 구성하는 핑거 전극 개구부(204)들 중 서로 인접한 핑거 전극 개구부(204)들 사이의 빈 공간의 위치에 대응하여 스텐실 마스크(200)의 하부면에 오목부(206)가 형성된다.
(a)와 (b)를 보면, 스텐실 마스크(200)의 하부면에 형성된 오목부(206)는 인접한 두 개의 핑거 전극 개구부(204)들과 연결된다.
스텐실 마스크(200) 하부면에 오목부(206)를 형성하는 이유는 전면전극 인쇄 시 실리콘 기판에 밀착되는 스텐실 마스크(200)에서 오목부(206)를 핑거 전극 개구부(204)들 각각을 통해 토출되는 금속 페이스트를 수용하기 위한 수용 공간으로 활용하기 위함이다. 오목부(206)는 토출된 금속 페이스트들의 확산을 제한하며, 금속 페이스트들은 오목부(206) 내에서 전기적으로 연결되어 일체화된 핑거 전극을 구성한다.
(c)와 (d)를 보면, 전면전극 인쇄가 완료된 후, 버스 바 전극(212)들과 핑거 전극(214)들은 모두 전기적으로 연결된 형태로 형성된다.
도 8에서는 두 개의 서로 인접한 핑거 전극 개구부(204) 사이의 빈 공간의 위치에 대응하여 오목부(206)가 형성되는 것으로 도시되었지만, 더 많은 핑거 전극 개구부(204)들과의 연결을 위해 오목부(206)를 수평방향으로 더 길게 형성할 수도 있다.
한편, 실리콘 기판 상에는 태양전지에서 생산되는 전류의 수집과 전달을 보다 효율적으로 수행하기 위해 많은 버스 바 전극들과 핑거 전극들이 인쇄된다. 스텐실 마스크의 전면전극용 개구부들은 태양전지의 수광 면적과 전류 수집 능력 등을 고려하여 다양한 패턴으로 설계된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 전면전극 개구부들이 오픈드 패턴(opened pattern)으로 형성된 스텐실 마스크를 도시한 도면이다.
스텐실 마스크(400)에는 복수의 버스 바 전극 개구부 열이 일정한 간격으로 수평방향으로 배열되고, 복수의 핑거 전극 개구부 행이 일정한 간격으로 수직방향으로 배열된다. 도면에는 버스 바 전극 개구부 열이 하나의 버스 바 전극 개구부(402)로 구성되고, 핑거 전극 개구부 행이 하나의 핑거 전극 개구부(404)로 구성된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 버스 바 전극 개구부 열은 복수의 버스 바 전극 개구부(402)들로 구성될 수 있고, 핑거 전극 개구부 행은 복수의 핑거 전극 개구부(404)들로 구성될 수 있다. 이는 태양전지 셀에서 기대하는 수광 면적과 전류 수집 능력을 고려하여 설계될 것이다.
오픈드 패턴은 수직 교차되는 버스 바 전극 개구부 열들과 핑거 전극 개구부 행들 각각의 말단부가 오픈되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 오픈드 패턴 스텐실 마스크(400)를 이용하여 실리콘 기판에 인쇄된 버스 바 전극들과 핑거 전극들도 오픈드 패턴을 갖게 된다.
이러한 오픈드 패턴으로 인쇄된 핑거 전극의 일부에서 단선이 발생하는 경우 단선된 핑거 전극을 통해 흐르던 전류는 일부 또는 모든 버스 바 전극에 전달되지 못할 수 있다. 이는 각 핑거 전극이 버스 바 전극과 연결되는 전류의 유일한 이동 경로이기 때문이다.
따라서, 오픈드 패턴으로 인쇄된 전면전극들에서 핑거 전극에 단선이 생기면, 태양전지의 전류 전달 능력이 저하되어 태양전지의 전지 생산 수율이 저하될 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 클로즈드 패턴(closed pattern)과 하프-클로즈드 패턴(half-closed pattern)이 도입되었다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 전면전극 개구부들이 클로즈드 패턴(closed pattern)으로 형성된 스텐실 마스크를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 스텐실 마스크(500)에는 실리콘 기판에 형성될 버스 바 전극의 위치에 대응하여 복수의 버스 바 전극 개구부 열이 일정한 간격으로 수평방향으로 배열된다. 그리고, 실리콘 기판에 형성될 핑거 전극의 위치에 대응하여 복수의 핑거 전극 개구부 행이 일정한 간격으로 수직방향으로 배열된다. 또한, 핑거 전극 개구부 행들 사이에는 외곽전극 개구부(505)들이 형성된다.
도면에는 버스 바 전극 개구부 열이 하나의 버스 바 전극 개구부(402)로 구성되고, 핑거 전극 개구부 행이 하나의 핑거 전극 개구부(404)로 구성된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 버스 바 전극 개구부 열은 복수의 버스 바 전극 개구부(402)들로 구성될 수 있고, 핑거 전극 개구부 행은 복수의 핑거 전극 개구부(404)들로 구성될 수 있다.
외곽전극 개구부(505)는 스텐실 마스크(500)의 둘레에 형성되며, 각 버스 바 전극 개구부 열의 말단부 및 각 핑거 전극 개구부 행의 말단부를 연결하는 패턴으로 형성된다.
도면에는 버스 바 전극 개구부 열들, 핑거 전극 개구부 행들 및 외곽 전극 개구부(505)가 일체화된 패턴으로 형성된 것처럼 도시되었지만, 실제로는 각각 복수의 개구부들로 구성된다.
클로즈드 패턴 스텐실 마스크(500)를 보면, 핑거 전극 개구부 행의 양 말단부 각각은 상하로 인접한 핑거 전극의 말단부들 사이에 외곽 전극 개구부(505)가 형성된다.
이와 같은 클로즈드 패턴 스텐실 마스크(500)를 이용하여 실리콘 기판에 전면전극들을 인쇄하면, 핑거 전극의 양 말단부 각각은 상하로 인접한 핑거 전극의 말단부들과 전기적으로 연결된다. 즉, 각 핑거 전극은 외곽 전극을 통해 버스 바 전극과 연결되는 전류 우회 경로를 갖게 되므로, 핑거 전극의 일부가 단선되어도 단선된 핑거 전극을 흐르던 전류는 외곽 전극을 통한 우회 경로로 정상적으로 버스 바 전극들에 전달될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 전면전극 개구부들이 하프-클로즈드 패턴(half-closed pattern)으로 형성된 스텐실 마스크를 도시한 도면이다.
하프-클로즈드 패턴은 클로즈드 패턴과 유사하기 때문에 중복적인 설명은 생략하고, 그 차이점에 대해 설명하도록 하겠다.
하프-클로즈드 패턴 스텐실 마스크(500)을 보면, 핑거 전극 개구부 행의 양 말단부 중 하나의 말단부와 위로 인접한 핑거 전극 개구부 행의 말단부 사이에 외곽 전극 개구부(505)가 형성된다. 그리고, 다른 하나의 말단부와 아래로 인접한 핑거 전극 개구부 행의 말단부 사이에 외관 전극 개구부(505)가 형성된다.
이와 같은 하프-클로즈드 패턴 스텐실 마스크(500)를 이용하여 실리콘 기판에 전면전극들을 인쇄하면, 각 핑거 전극의 양 말단부 각각은 위로 인접한 핑거 전극의 말단부 또는 아래로 인접한 핑거 전극의 말단부와 전기적으로 연결된다. 즉, 각 핑거 전극은 외곽 전극을 통해 버스 바 전극과 연결되는 전류 우회 경로를 갖게 된다. 따라서, 핑거 전극의 일부가 단선되어도 단선된 핑거 전극을 흐르던 전류는 외곽 전극을 통한 우회 경로로 정상적으로 버스 바 전극들에 전달될 수 있다.
이와 같이, 클로즈드 패턴 또는 하프-클로즈드 패턴으로 실리콘 기판에 버스 바 전극들 및 핑거 전극들을 인쇄하는 경우, 태양전지는 단선에 의한 전류 수송 능력 저하를 막을 수 있어서 좀 더 안정적으로 태양전지 셀에서 생산하는 전류를 수집할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 외곽 전극 개구부의 다양한 배치 형태를 도시한 도면이다.
(a)를 보면, 스텐실 마스크에는 복수의 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)들이 배열되고, 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)들 사이에는 복수의 외곽 전극 개구부(605)들이 형성된다. 각 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)은 적어도 하나의 핑거 전극 개구부(604)로 구성된다. 도면에는 하나의 핑거 전극 개구부(604)만 도시되어 있지만, 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)은 복수의 핑거 전극 개구부(604)들로 구성될 수 있다.
제 2핑거 전극 개구부 행(L2)을 보면, 제 2핑거 전극 개구부 행(L2)의 양 말단부 각각과 상하로 인접한 핑거 전극 개구부 행(L1, L2)의 말단부들 사이에 복수의 외곽 전극 개구부(605)들이 형성된다.
(b)를 보면, 복수의 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)들이 배열되고, 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)들 사이에는 복수의 외곽 전극 개구부(605)들이 형성된다. 각 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)은 적어도 하나의 핑거 전극 개구부(604)로 구성된다.
제 2핑거 전극 개구부 행(L2)을 보면, 제 2핑거 전극 개구부 행(L2)의 양 말단부들 중 우측 말단부와 위로 인접한 핑거 전극 개구부 행(L1)의 말단부 사이에 복수의 외곽 전극 개구부(605)들이 형성되고, 좌측 말단부와 아래로 인접한 핑거 전극 개구부 행(L3)의 말단부 사이에 복수의 외곽 전극 개구부(605)들이 형성된다.
(c)를 보면, 복수의 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)들이 배열되고, 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)들 사이에는 복수의 외곽 전극 개구부(605)들이 형성된다. 각 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)은 복수의 핑거 전극 개구부(604)들로 구성된다.
제 2 핑거 전극 개구부 행(L2)을 보면, 제 2 핑거 전극 개구부 행(L2)의 양 말단부, 즉, 양쪽 끝에 배열된 핑거 전극 개구부(604)들 중 가장 우측 개구부(604)와 위로 인접한 핑거 전극 개구부 행(L1)에서 가장 우측 개구부(604) 사이에 복수의 외곽 전극 개구부(605)들이 형성된다. 그리고, 제 2 핑거 전극 개구부 행(L2)의 가장 좌측 개구부와 아래로 인접한 핑거 전극 개구부 행(L3)에서 가장 좌측 개구부(604) 사이에 복수의 외곽 전극 개구부(605)들이 형성된다.
도 12에서 외곽 전극 개구부(605)들은 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)들 사이에 각각 일정한 간격으로 배열된다. 이와 같이 외곽 전극 개구부(605)들을 배열한 것은 스텐실 마스크에서 지지 구조를 확보하기 위함이다. 그러나, 실리콘 기판에 전면전극을 인쇄할 때에는 핑거 전극 개구부 행(L1∼L3)과 외곽 전극 개구부(605)들이 전기적으로 연결되어야 전류 우회 경로가 구성된다.
도 13은 본 발명의 제 2실시예에 따라 외곽 전극 개구부들에 대응하여 오목부가 형성된 스텐실 마스크와 이를 이용하여 인쇄된 전면전극을 도시한 도면이다.
제 2실시예에서 스텐실 마스크(700) 하부면에 형성되는 오목부(706)는 핑거 전극 개구부 행의 말단부와 외곽 전극 개구부(705)들 각각을 통해 토출되는 금속 페이스트를 수용하기 위한 수용 공간으로 활용하기 위함이다. 금속 페이스트들은 오목부(706) 내에서 전기적으로 연결되어 전면전극들 간의 전류 우회 경로를 구성한다.
(a)를 보면, 스텐실 마스크(700)에는 일정한 간격으로 복수의 핑거 전극 개구부 행들이 배열되고, 그 핑거 전극 개구부 행들 사이에는 복수의 외곽 전극 개구부(705)들이 형성된다. 그리고, 핑거 전극 개구부 행들의 말단부 및 이들 사이에 형성되는 외곽 전극 개구부(705)들 위치에 대응하여 스텐실 마스크(700) 하부면에 오목부(706)가 형성된다. 오목부(706)는 핑거 전극 개구부 행들의 말단부와 외곽 전극 개구부(705)과 연결된다.
핑거 전극 개구부 행이 하나의 핑거 전극 개구부로 구성되는 경우 개구부 행의 말단부는 핑거 전극 개구부의 좌우측 말단 영역을 가리킨다. 그리고, 핑거 전극 개구부 행이 단속적으로 형성되는 복수의 핑거 전극 개구부들로 구성되는 경우 개구부 행의 말단부는 가장 좌측의 핑거 전극 개구부와 가장 우측의 핑거 전극 개구부를 가리킬 수 있다.
핑거 전극 개구부 행들은 도시된 바와 같이, 각각 하나의 핑거 전극 개구부(704)로 구성될 수도 있지만, 복수의 핑거 전극 개구부(704)들로 구성될 수도 있다.
따라서, 이 스텐실 마스크(700)를 사용하여 전면전극 인쇄 시 핑거 전극 개구부 행들의 말단부와 외곽 전극 개구부(705)들 각각을 통해 토출되는 금속 페이스트들은 오목부(706)에 수용되어 전기적으로 연결된다.
(b)를 보면, 전면전극 인쇄 후 핑거 전극(714)과 외곽 전극(712)이 전기적으로 연결되어 있다. 이에 따라, 외곽 전극(712)으로 연결된 핑거 전극(714)들 사이에는 전류 우회 경로가 확보된다.
도 14는 본 발명의 제 2실시예에 따라 외곽 전극 개구부들에 대응하여 오목부가 형성된 스텐실 마스크와 이를 이용하여 인쇄된 전면전극을 도시한 도면이다.
도 14는 도 13과 나머지는 동일하고 오목부의 형성 위치에서만 차이가 존재하므로, 중복되는 설명은 생략하고 이 부분에 대해서만 설명하도록 하겠다.
핑거 전극 개구부 행의 말단부와 외곽 전극 개구부(705) 사이의 빈 공간의 위치 및 외곽 전극 개구부(705)들 사이의 빈 공간의 위치에 대응하여 스텐실 마스크(700)의 하부면에 오목부(706)가 형성된다. 도 13의 실시예에서는 오목부(706)가 두 개의 핑거 전극 개구부 행 사이에 걸쳐 형성되었다면, 도 14의 실시예에서는 오목부(706)가 개구부들 사이에 각각 형성된다.
따라서, 이 스텐실 마스크(700)를 사용하여 전면전극 인쇄 시 핑거 전극 개구부 행들의 말단부와 외곽 전극 개구부(705)들 각각을 통해 토출되는 금속 페이스트들은 오목부(706)에 수용되어 전기적으로 연결된다.
(b)를 보면, 전면전극 인쇄 후 핑거 전극(714)과 외곽 전극(712)이 전기적으로 연결되어 있다. 이에 따라, 외곽 전극(712)으로 연결된 핑거 전극(714)들 사이에는 전류 우회 경로가 확보된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 스텐실 마스크는 하부면에 복수의 개구부들과 연결되는 오목부를 형성하여 개구부들 각각을 통해 토출되는 금속 페이스트들을 수용하는 수용 공간으로 사용한다. 이 오목부를 사용하여 전면전극들 간의 전기적 연결성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 1실시예를 보면, 스텐실 마스크 하부면에 형성되는 오목부를 이용하여 단속적으로 형성되는 핑거 전극 개구부들을 통해 토출되는 금속 페이스트들을 수용함으로써, 금속 페이스트들이 전기적으로 연결되어 하나의 핑거 전극을 구성할 수 있다.
그리고, 제 2실시예를 보면, 스텐실 마스크 하부면에 형성되는 오목부를 이용하여 핑거 전극 개구부 행들과 이들 사이에 형성되는 외곽 전극 개구부들 각각을 통해 토출되는 금속 페이스트들을 수용함으로써, 금속 페이스트들이 전기적으로 연결되어 핑거 전극 개구부 행들이 외곽 전극을 통해 전기적으로 연결되는 전면전극 패턴을 구성할 수 있다.
200,400,500,700: 스텐실 마스크
202,402: 버스 바 전극 개구부
204,404,504,604,704: 핑거 전극 개구부
505,605,705: 외곽 전극 개구부
206,705: 오목부
210,710: 실리콘 기판

Claims (7)

  1. 기판에 형성될 핑거 전극 위치에 대응하여 수평방향으로 단속적으로 형성되어 핑거 전극 개구부 행을 구성하는 복수의 핑거 전극 개구부들과,
    상기 기판에 대응하는 스텐실 마스크 하부면에 형성되며, 적어도 두 개의 핑거 전극 개구부들과 연결되는 적어도 하나의 오목부를 포함하며,
    상기 오목부에는 연결된 핑거 전극 개구부들 각각을 통해 토출된 금속 페이스트가 수용되고, 전기적으로 연결되어 핑거 전극을 구성하는 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오목부는 상기 핑거 전극 개구부들 사이의 빈 공간의 위치에 대응하여 상기 스텐실 마스크 하부면에 형성되는 것인 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크.
  3. 기판에 형성될 핑거 전극의 위치에 대응하여 수평방향으로 형성되며, 수직방향으로 일정한 간격으로 배열되는 핑거 전극 개구부 행들을 구성하는 복수의 핑거 전극 개구부들과,
    상기 핑거 전극 개구부 행들 각각의 말단부 사이에 형성되는 적어도 하나의 외곽 전극 개구부와,
    상기 기판에 대응하는 스텐실 마스크 하부면에 형성되며, 상기 핑거 전극 개구부 행들의 말단부들과 상기 외곽 전극 개구부들 중 적어도 두 개 이상과 연결되는 적어도 하나의 오목부를 포함하며,
    상기 오목부에는 연결된 개구부들 각각을 통해 토출된 금속 페이스트가 함께 수용되어 전기적으로 연결되는 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 핑거 전극 개구부 행은 하나의 핑거 전극 개구부로 구성되고, 상기 핑거 전극 개구부 행의 말단부는 상기 핑거 전극 개구부의 좌우측 말단 영역인 것인 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 핑거 전극 개구부 행은 복수의 핑거 전극 개구부로 구성되고, 상기 핑거 전극 개구부 행의 말단부는 가장 좌측의 개구부 및 가장 우측의 개구부인 것인 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 오목부들은 각각 상기 핑거 전극 개구부 행의 말단부와 외곽 전극 개구부와 연결되고, 상기 외곽 전극 개구부들과 연결되는 것인 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 오목부는 두 개의 핑거 전극 개구부 행들의 각 말단부와 이들 사이에 형성된 모든 외곽 전극 개구부들과 연결되는 것인 태양전지의 전극 인쇄용 스텐실 마스크.
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