KR20220081808A - 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈 구조 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
셀을 지그재그로 배치하고 슁글드 방식으로 접합하여 빛이 투과하는 개구부를 형성한 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈이 개시된다. 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈은 버스바 전극과 핑거 전극이 형성된 벌크 실리콘 기판을 절단하여 단위 셀로 분할하고, 서로 어긋난 지그재그 형태로 배열한 복수 개 단위 셀을 슁글드 방식으로 접합하여 셀 스트링을 형성하며, 셀 스트링을 연결하여 단위 셀에 의해 둘러싸이고 빛이 투과하는 개구부를 형성하고, 그 셀 스트링 표면에 보호부재로 라미네이팅하여 태양광 모듈을 형성한다.
Description
본 발명은 셀을 지그재그로 배치하고 슁글드 방식으로 접합하여 셀 스트링을 형성하고, 셀 스트링을 연결하여 셀에 둘러싸이고 빛이 투과하는 개구부를 형성함으로써 투광성이 우수한 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양광 발전 기술 분야에서 실리콘 벌크 태양광 모듈이 광범위하게 사용되고 있는 가운데 무기형(실리콘 박막, 집광형 GaAs, CIGS, 페로브스카이트 구조), 유기형, 염료형 태양전지가 활발히 연구 개발되고 있다.
최근 들어 건축물의 외벽 및 창호 대체용으로 사용할 수 있는 건물일체형 태양전지 모듈(BIPV)의 수요 증가로 태양광 발전과 동시에 건물 내부로 채광성 확보가 용이한 태양광 발전모듈이 요구되고 있다. 또 농지와 영농 하우스에 태양광 발전설비를 설치하여 영농과 발전을 동시에 할 수 있는 투광성이 우수한 영농형 태양광 발전모듈에 대한 관심이 늘어나고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 투광형 태양광 모듈(1)은 셀(2)의 간격을 벌려 격자 무늬의 개구 영역(4)을 형성하며, 버스바 전극(3)의 노출로 인하여 심미성이 매우 떨어지기 때문에, 태양광 발전과 동시에 빛의 투과가 요구되는 건축물의 외벽 및 창호 대체설비, 영농설비에 적용하는데 한계가 있다.
없음
본 발명의 목적은 셀을 지그재그로 배치하고 슁글드 방식으로 접합한 셀 스트링을 연결하여 빛이 투과하는 개구부를 형성함으로써 투광성이 우수한 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈 구조 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법은, (a) 버스바 전극과 핑거 전극이 형성된 벌크 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 벌크 실리콘 기판을 절단하여 단위 셀로 분할하는 단계; (c) 상기 복수개 단위 셀이 서로 어긋난 지그재그 형태로 배열하고 상기 단위 셀을 슁글드 방식으로 접합하여 셀 스트링을 형성하는 단계; (d) 상기 셀 스트링을 연결하여 단위 셀에 의해 둘러싸이고 빛이 투과하는 개구부를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 복수개 셀 스트링의 표면에 보호부재로 라미네이팅하여 태양광 모듈을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 개구부를 형성하는 단계는 사방으로 셀 스트링을 연결하여 확장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 셀 스트링을 형성하는 단계는 서로 어긋나게 배열된 어느 하나의 단위 셀의 전면과 다른 하나의 셀의 하면 사이에 전도성 접착제를 개재시켜 열처리하여 접합하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈 구조는, 벌크 실리콘 기판을 절단한 복수개 단위 셀이 서로 어긋난 지그재그 형태로 배열하고 어느 하나의 단위 셀의 전면과 다른 하나의 단위 셀의 후면 사이에 전도성 접착제를 개재시켜 슁글드 방식으로 복수개 셀 스트링을 포함하되, 상기 셀 스트링 양측은 단위 셀이 접합되는 확장 방향을 따라 요철 형상으로 돌출되고, 상기 복수개 셀 스트링을 연결하여 빛이 투과하는 개구부를 형성하며, 상기 개구부는 상기 셀 스트링을 구성하는 단위 셀에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 개구부는 사각형으로 형성되고, 인접된 어느 하나의 개구부와 다른 하나의 개구부는 대각 방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 셀을 지그재그로 배치하고 슁글드 방식으로 접합한 셀 스트링을 연결하여 개구부가 형성된 태양광 모듈을 구성함으로써 우수한 투광성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면 버스바 전극이 노출되지 않아 심미성과 효율성을 동시에 달성할 수 있어 건물의 외벽과 창호 대체설비, 영농설비, 도심 분산전원용, 태양광 방음벽, 방음터널용 등에 사용할 수 있다.
도 1은 종래의 투광형 태양광 모듈을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈을 나타내는 도면,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 공정을 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈을 구성하는 단위 셀에 대한 시제품 이미지 및 시제품의 성능 시험 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈을 구성하는 단위 셀을 슁글드 접합한 시제품 이미지 및 시제품의 성능 시험 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈을 나타내는 도면,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 공정을 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈을 구성하는 단위 셀에 대한 시제품 이미지 및 시제품의 성능 시험 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈을 구성하는 단위 셀을 슁글드 접합한 시제품 이미지 및 시제품의 성능 시험 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈(200, 이하 태양광 모듈이라 한다)은 복수개 셀 스트링(110)을 구비하며, 각각의 셀 스트링(110) 일측에 마련된 버스바 전극(120)을 통하여 서로 전기적으로 연결된다.
태양광 모듈(200) 전면에 복수개 개구부(130)가 일정 간격으로 배치될 수 있고, 개구부(130)는 모듈의 전면과 후면이 뚫린 사각형 구멍으로 형성되어 있어 전면에서 입사된 빛이 후면으로 투과될 수 있다. 태양광 모듈(200)에서 개구부(130)의 개수와 구멍 크기에 따라 투광성이 변경된다. 즉, 개구부(130)의 개구 영역이 확장되면 넓어진 개구 영역에 대응하여 투과성이 증가될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 3a에서, 버스바 전극(120)과 핑거 전극(121)이 형성된 벌크 실리콘 기판(100)을 준비한다. 핑거 전극(121)은 버스바 전극(120)과 수직한 방향으로 복수개 배열되어 일측이 버스바 전극(120)에 연결된다. 핑거 전극(121)은 광전 변환된 캐리어(carrier)를 수집하며, 선폭은 0.08~0.12mm이다. 버스바 전극(120)은 핑거 전극(121)에 의해 수집된 캐리어를 외부의 축전지 등으로 이송시키는 역할을 한다.
다음으로, 도 3b에서 벌크 실리콘 기판(100)을 절단하여 단위 셀로 분할한다. 즉, 레이저 스크라이빙을 이용하여 절단선(L1)을 따라 균등한 크기로 분할하고, 도 3c에서와 같이 분할된 복수개 단위 셀(101)을 얻는다. 여기서 레이저 스크라이빙 공정조건은 532nm 파장을 사용하는 20ns 레이저에서 평균 파워 10W, 주파수 50 KHz, 스캔 속도 1,300mm/s 로 설정하여 실행시킬 수 있다.
각각의 단위 셀(101)은 셀의 전면 가장자리에 배치된 버스바 전극(120), 각각의 버스바 전극(120)에 연결된 복수개 핑거 전극(121), 및 셀의 후면에 형성된 후면 전극(140)을 포함한다.
다음으로, 도 3d에서 분할된 단위 셀(101)이 서로 어긋난 지그재그 형태로 배열하고, 전도성 접착제(150)를 매개로 슁글드 방식으로 접합한다. 예를 들어 분할된 어느 하나의 단위 셀(101)의 전면에 형성된 버스바 전극(120)과 분할된 다른 하나의 단위 셀(101)의 후면 전극을 겹치고, 그 겹친 부분에 전도성 접착제(150)를 개재하여 열처리 공정으로 접합한다. 접합 공정은 25~35sec 및 130~150℃의 열처리 조건에서 실행될 수 있다.
이러한 전도성 접착제(150)로서는 시장에 나와 있는 전도성 접착제 중에 본 발명에 적합한 높은 전도성과 알맞은 점도를 가진 제품으로서, 예를 들어 SKC Panacol의 EL-3012, EL-3556, EL-3653, EL-3655과 Henkel의 CE3103WLV, CA3556HF을 적용할 수 있으며, 예를 들어 25℃에서의 점도 28,000~35,000 mPa·s(cP), 전기적 특성으로서, 체적 저항률 0.0025 Ω·cm, 경화 온도 130~150℃, 경화 시간 25~35초의 특성이 있는 접착제를 적용한다. 또 전도성 접착제에서 전도성 충진제는 Au, Pt, Pd, Ag, Cu, Ni 및 카본 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 분할된 단위 셀(101)이 지그재그 형태로 배열되고 슁글드 방식으로 접합되어 확장된 셀 스트링(110)을 형성한다. 단위 셀(101)의 버스바 전극(120)은 일부가 겹치게 되는데, 다른 단위 셀(101)의 후면 전극(140)과 겹치지 않고 노출된 버스바 전극(120a) 위에 마스킹 테이프를 부착하여 마감할 수 있다.
이렇게 슁글드 방식으로 접합하여 형성된 셀 스트링(110) 양측은 단위 셀(101)이 접합되는 방향을 따라 들죽날쭉한 요철 형상으로 돌출된다. 도 2를 참고하여, 복수개 스트링(110)이 사방으로 연결되어 태양광 모듈의 사이즈를 확장하는데, 어느 하나의 스트링(110)과 다른 하나의 스트링(110)을 연결 시 단일 셀(101)에 둘러싸이는 직사각형 개구부(130)가 형성된다. 실시예에서 윗쪽 단일 셀(101)에 의해 아래쪽 단일 셀(101)의 버스바 전극(120)이 50% 정도가 겹쳐지는데, 겹친 부분이 줄어들면 양측의 돌출 부분에 대응하는 변 길이가 늘어난 직사각형 개구부(130)가 형성될 수 있다.
이와 같이 복수개 스트링(110)을 연결하여 개구부(130)를 형성한 이후 그 셀 스트링 표면에 투명한 보호부재를 라미네이팅하는 마감 공정을 거쳐 태양광 모듈(200)을 제조할 수 있다. 투명한 보호부재는 5mm 두께의 유리, ETFE(초극박막 불소수지 필름) 등이 사용되었으나, 이에 한정하는 것은 아니며 0.2mm 두께의 셀 스트링(110)의 전면과 후면에 각각 입혀져 외부의 충격 방지 및 이물질 침투를 방지하는 어떠한 보호부재를 적용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈을 구성하는 단위 셀에 대한 시제품 이미지 및 시제품의 성능 시험 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈을 구성하는 단위 셀을 슁글드 접합한 시제품 이미지 및 시제품의 성능 시험 그래프이다.
도 4 (a)에서 죄측의 단위 셀(101)은 버스바 전극(120)이 형성된 시제품 전면 이미지이고, 우측의 단위 셀(101a)은 시제품 후면 이미지이다. 이 시제품에 대해 성능 시험한 결과, 도 4 (b)에서와 같이 개방전압(Voc) 0.655V, 단락전류(Isc) 1.931A, 측정 전력(Pm) 0.995W, 곡선인자(FF) 0.784 를 얻었다. 이러한 시험을 반복하여 실행하고, 도 4 (c)에서와 같이 10회 시험하여 평균한 평균 측정 전력(Pm) 0.976W를 얻었다.
도 5 (a)에서와 같이 3세트 셀 스트링을 연결한 시제품으로서, 각각의 셀 스트링은 7개 단위 셀(101)이 슁글드 방식으로 접합되어 있다. 도 5 (b)에서 시제품을 대상으로 성능 시험한 결과 개방전압(Voc) 13.74V, 단락전류(Isc) 1.468A, 측정 전력(Pm) 12.45W, 곡선인자(FF) 0.617 를 얻었다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 버스바 전극(120)과 핑거 전극(121)이 형성된 벌크 실리콘 기판(100)을 준비하고(S10), 도 3b에 도시된 바와 같이 레이저 스크라이빙을 이용하여 벌크 실리콘 기판(100)의 절단선(L1)을 따라 균등한 크기로 분할하여 도 3c에서와 같이 분할된 복수개 단위 셀(101)을 얻는다(S20). 여기서 레이저 스크라이빙 공정조건은 532nm 파장을 사용하는 20ns 레이저에서 평균 파워 10W, 주파수 50 KHz, 스캔 속도 1,300mm/s 로 설정하여 실행시킬 수 있다.
다음으로, 도 3d에서와 같이 분할된 단위 셀(101)이 서로 어긋난 지그재그 형태로 배열하고, 전도성 접착제(150)를 매개로 슁글드 방식으로 접합하여 셀 스트링(110)을 형성한다(S30). 예를 들어 분할된 어느 하나의 단위 셀(101)의 전면에 형성된 버스바 전극(120)과 분할된 다른 하나의 단위 셀(101)의 후면 전극을 겹치고, 그 겹친 부분에 전도성 접착제(150)를 개재하여 열처리 공정으로 접합한다. 접합 공정은 25~35sec 및 130~150℃의 열처리 조건에서 실행될 수 있다.
이러한 전도성 접착제(150)로서는 시장에 나와 있는 전도성 접착제 중에 본 발명에 적합한 높은 전도성과 알맞은 점도를 가진 제품으로서, 예를 들어 SKC Panacol의 EL-3012, EL-3556, EL-3653, EL-3655과 Henkel의 CE3103WLV, CA3556HF을 적용할 수 있으며, 예를 들어 25℃에서의 점도 28,000~35,000 mPa·s(cP), 전기적 특성으로서, 체적 저항률 0.0025 Ω·cm, 경화 온도 130~150℃, 경화 시간 25~35초의 특성이 있는 접착제를 적용한다. 또 전도성 접착제에서 전도성 충진제는 Au, Pt, Pd, Ag, Cu, Ni 및 카본 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
그런 다음 도 3e에 도시된 바와 같이, 분할된 단위 셀(101)이 지그재그 형태로 배열되고 슁글드 방식으로 접합된 복수개 셀 스트링(110)을 연결하여 도 2에 도시된 바와 같이 단일 셀(101)에 둘러싸이는 개구부(130)가 형성된다(S40). 예를 들어 복수개 스트링(110)이 사방으로 연결되는 경우, 어느 하나의 스트링(110)과 다른 하나의 스트링(110)을 연결 시 단일 셀(101)에 둘러싸이는 직사각형 개구부(130)가 형성된다.
복수개 스트링(110)을 연결하여 개구부(130)를 형성한 이후 그 셀 스트링 표면에 투명한 보호부재를 라미네이팅하는 마감 공정을 거쳐 태양광 모듈(200)을 형성한다(S50). 투명한 보호부재는 5mm 두께의 유리, ETFE(초극박막 불소수지 필름) 등이 사용되었으나, 이에 한정하는 것은 아니며 0.2mm 두께의 셀 스트링(110)의 전면과 후면에 각각 입혀져 외부의 충격 방지 및 이물질 침투를 방지하는 어떠한 보호부재를 적용할 수 있다.
이상과 같이 실시예에서 셀을 지그재그로 배치하고 슁글드 방식으로 접합한 셀 스트링을 연결하여 개구부가 형성된 태양광 모듈을 구성함으로써 우수한 투광성을 확보할 수 있고, 버스바 전극이 노출되지 않아 심미성과 효율성을 동시에 달성할 수 있어 건물의 외벽과 창호 대체설비, 영농설비, 도심 분산전원용, 태양광 방음벽, 방음터널용 등에 사용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 벌크 실리콘 기판 101, 101a : 단위 셀
110 : 셀 스트링 120 : 버스바 전극
121 : 핑거 전극 130 : 개구부
110 : 셀 스트링 120 : 버스바 전극
121 : 핑거 전극 130 : 개구부
Claims (5)
- (a) 버스바 전극과 핑거 전극이 형성된 벌크 실리콘 기판을 준비하는 단계;
(b) 상기 벌크 실리콘 기판을 절단하여 단위 셀로 분할하는 단계;
(c) 상기 복수개 단위 셀이 서로 어긋난 지그재그 형태로 배열하고 상기 단위 셀을 슁글드 방식으로 접합하여 셀 스트링을 형성하는 단계;
(d) 상기 셀 스트링을 연결하여 단위 셀에 의해 둘러싸이고 빛이 투과하는 개구부를 형성하는 단계; 및
(e) 상기 복수개 셀 스트링의 표면에 보호부재로 라미네이팅하여 태양광 모듈을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 개구부를 형성하는 단계는 사방으로 셀 스트링을 연결하여 확장하는 것을 특징으로 하는 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 셀 스트링을 형성하는 단계는 서로 어긋나게 배열된 어느 하나의 단위 셀의 전면과 다른 하나의 셀의 하면 사이에 전도성 접착제를 개재시켜 열처리하여 접합하는 것을 특징으로 하는 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법. - 벌크 실리콘 기판을 절단한 복수개 단위 셀이 서로 어긋난 지그재그 형태로 배열하고 어느 하나의 단위 셀의 전면과 다른 하나의 단위 셀의 후면 사이에 전도성 접착제를 개재시켜 슁글드 방식으로 복수개 셀 스트링을 포함하되,
상기 셀 스트링 양측은 단위 셀이 접합되는 확장 방향을 따라 요철 형상으로 돌출되고,
상기 복수개 셀 스트링을 연결하여 빛이 투과하는 개구부를 형성하며,
상기 개구부는 상기 셀 스트링을 구성하는 단위 셀에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈 구조. - 제4항에 있어서,
상기 개구부는 사각형으로 형성되고, 인접된 어느 하나의 개구부와 다른 하나의 개구부는 대각 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 투광형 실리콘 슁글드 태양광 모듈 구조.
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