WO2021201342A1 - 디자이너블 슁글드 태양광 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

디자이너블 슁글드 태양광 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2021201342A1
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unit cell
conductive wire
shingled
divided
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정채환
박민준
지홍섭
송진호
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한국생산기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a designable shingled photovoltaic module for manufacturing a photovoltaic module by improving the electrode structure for various photovoltaic module designs, and connecting strings joined in a shingled manner with a flexible connecting wire, and a method for manufacturing the same .
  • Photovoltaic power generation converts light energy from the sun into electrical energy to produce electricity, and unlike fossil fuels, it is a low-carbon, sustainable, eco-friendly energy that will not be depleted in the future.
  • a solar module having a shingled array structure may be manufactured by interposing a conductive adhesive (ECA).
  • ECA electrically conductive adhesives
  • the optical loss caused by the bus bar is reduced because the front side has a busbarless structure.
  • the existing module there is no need for space for cell separation, so more cells can be placed in the same area to produce relatively high output.
  • the rear bus bar electrode 62 of the upper divided cell 7 overlaps the bus bar electrode 61 of the lower divided cell 7 . and electrically connected through the conductive member 9 .
  • the bus bar electrode is formed in a straight line adjacent to the long side of the divided cell divided into rectangles, and when the divided cells are joined, the long side of the upper cell and the long side of the lower cell are overlapped to produce a string. do.
  • the length of the string can be adjusted by bonding more divided cells to correspond to the size of the solar module.
  • the length of the string can be adjusted by bonding more divided cells to correspond to the size of the solar module.
  • BIPV is a solar cell field that is expected to grow rapidly in the future.
  • a dye-sensitized solar cell (DSSC) can be said to be suitable as a BIPV for windows and doors in that it is possible to control the transmittance of the power generation part through the control of the dispersibility and film thickness of the n-type semiconductor nanoparticles and to introduce colors or images.
  • DSSC dye-sensitized solar cell
  • DSSC uses a liquid electrolyte that is very toxic to the human body, and when it breaks, it may cause serious stability problems due to leakage of toxic substances.
  • the length of the string can be adjusted by bonding more divided cells according to the size of the photovoltaic module. There are problems that are difficult to design.
  • An object of the present invention is to provide various types of solar modules by improving the electrode structure of a solar cell and adjusting the width and length of a string in which unit cells are joined in a shingled manner.
  • a designable shingled solar module for achieving the above object includes an electrode member composed of a finger electrode and a bus bar electrode corresponding to the number of divided cells on the front surface of a solar cell, wherein the finger electrode is divided
  • a plurality of collection electrode lines are disposed along a first direction parallel to the short side of the unit cell, and the bus bar electrodes extend in a second direction parallel to the long side of the divided unit cell to connect the ends of the plurality of finger electrodes; It is characterized in that it has a connection electrode line that is branched from an end of the collection electrode line and extends in a first direction in order to electrically connect with another unit cell to be bonded.
  • connection electrode line is arranged adjacent to the short side of the dividing unit cell
  • collection electrode line is characterized in that it is arranged adjacent to the cutting line of the dividing unit cell.
  • connection electrode line is bent vertically at the end of the collection electrode line so that the bus bar electrode forms an L-shape or a T-shape, and the length of the L-shaped connection electrode line is shorter than the length of the T-shaped connection electrode line.
  • the line width of the bus bar electrode is 0.8 ⁇ 1.2 mm
  • the finger electrode is characterized in that the line width is 0.08 ⁇ 0.12 mm.
  • the short side of the divided unit cell is characterized in that 13.3 ⁇ 66.6 mm.
  • a method of manufacturing a designable shingled solar module according to the present invention for achieving the above object includes the steps of (a) preparing a solar cell in which a finger electrode and a bus bar electrode are formed on the front side, and a rear electrode is formed on the rear surface ; (b) cutting into a rectangular shape using laser scribing and dividing into a plurality of unit cells; (c) bonding in a shingled array structure in which the short side of one divided unit cell overlaps the short side of another divided unit cell; A plurality of the bus bar electrodes are disposed along a first direction parallel to the short side, and the bus bar electrode extends in a second direction parallel to the long side of the divided unit cell, a collection electrode line connecting the ends of the plurality of finger electrodes; It is characterized in that it has a connection electrode line that is branched from the end of the collection electrode line and extends in a first direction in order to electrically connect to the unit cell.
  • step (c) it is characterized in that it is bonded using a conductive adhesive between the lower surface electrode of one unit cell and the connection electrode line of the other unit cell.
  • a method for manufacturing a designable shingled solar module according to the present invention for achieving the above object is (a) forming a solar cell in which a front electrode, a finger electrode, and a rear electrode are formed on a semiconductor substrate, and cutting the grid pattern dividing the solar cell into a plurality of unit cells by cutting the solar cell based on the line; (b) forming a string by joining the divided unit cells in a shingled manner; (c) forming a photovoltaic module by connecting a plurality of strings using a conductive wire embedded in a flexible connecting wire; including, wherein the photovoltaic module forming step includes a conductive adhesive on the electrodes of the unit cells formed on both sides of the string It is characterized in that it is electrically connected through a curing process by heat treatment in a state in which the conductive wire is disposed.
  • the number of strings connected by conductive wires in the photovoltaic module forming step is 2 to 200, and the spacing between the strings is 1 to 100 mm.
  • the heat treatment temperature of the curing process in the photovoltaic module forming step is 130 ⁇ 150 °C, it is characterized in that the heat treatment time is 10 seconds or less.
  • the three-stranded first auxiliary conductive wire branched from the conductive wire is directly electrically connected to the electrode of the unit cell, and the conductive wire is connected It is formed to be 2 to 4 times thicker than the electrode of the unit cell, and the first auxiliary conductive wire is characterized in that it is formed with the same diameter as the electrode of the unit cell.
  • the three-stranded first auxiliary conductive wire branched from the conductive wire is connected via the medium and a second auxiliary conductive wire disposed in parallel with the conductive wire
  • the wire is electrically connected to the electrode of the unit cell
  • the conductive wire is 2 to 4 times thicker than the electrode of the unit cell to which it is connected
  • the first and second auxiliary conductive wires have the same diameter as the electrode of the unit cell. characterized in that it is formed.
  • the unit cell cut into a grid pattern in the unit cell division step is characterized in that the horizontal width is 3 ⁇ 50 mm, the vertical width is 3 ⁇ 50 mm.
  • the length of the string formed by the junction of the unit cells is 50 ⁇ 3,000 mm
  • the width of the string is 3 ⁇ 25 mm
  • the output voltage of the string is proportional to the number of unit cells connected in series do it with
  • the conductive wire is a conductor having a circular cross section, and is composed of a composite consisting of a core and a protective film plated on the core, wherein the core uses copper (Cu), and the protective film uses tin (Sn). do.
  • the string bundle sets the number of strings connected in parallel to 5 to 10 to reduce shading loss, and uses a conductive wire to extend the string bundles in series with each other according to the installation area of the photovoltaic module. It is characterized by connecting.
  • the silicon-based window-type translucent flexible solar module according to the present invention is characterized in that it is formed by the manufacturing method of the above-described silicon-based window-type translucent flexible solar module.
  • both the width and length of the string used in the shingled array structure can be adjusted by overlapping the short sides of the unit cells divided in the rectangular shape, so that the solar module made by the electrical connection between the string and the string can be formed in various forms. Because it can be implemented, it is suitable for building structures and vehicles that require facility work of atypical photovoltaic modules.
  • the electrode structure is different depending on the size of the unit cell divided according to the output characteristics of the solar cell. If the short side of the unit cell corresponding to the string width is narrow, an L-shaped bus bar electrode is applied and the short side of the unit cell is narrow. If this is relatively large, by applying the T-shaped bus bar electrode, the role of the bus bar electrode that moves the carriers collected by the finger electrode can be faithfully performed, and the output of the solar module of the shingled array structure can be improved. .
  • the present invention adjusts the length and width of a string by varying the horizontal and vertical widths of the unit cells, and connects a plurality of strings made by bonding these unit cells in parallel with a flexible connecting wire to reduce shading loss as well as to reduce the shading loss. Since the optical module design can be made in various ways, it is possible to provide a window-type solar module suitable for building structures and vehicles.
  • the present invention can manufacture a photovoltaic module suitable for the installation environment by connecting in series with each other for a string bundle in which several strings are bundled, the output of the photovoltaic module can be easily set in accordance with the installation area.
  • the present invention provides a conductive adhesive having an E-type electrical connection pattern or an H-type electrical connection pattern through a curing process made by simple heat treatment after applying a conductive adhesive to the electrodes of the unit cells provided on both sides of the string during wiring work using flexible connecting wires. Because it is electrically connected to the wire, it is possible to reduce cost and work time.
  • FIG. 1 and 2 are views showing a cell junction according to the prior art
  • FIG. 3 is a view showing a front surface of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the rear surface of the solar cell of FIG. 3;
  • Figure 5 is a view showing the junction of the divided unit cells of Figure 3;
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line A-A showing a state in which the divided unit cells of FIG. 3 are joined;
  • FIG. 7 is a view showing a front surface of a solar cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing the rear surface of the solar cell of FIG. 7;
  • FIG. 9 is a view showing the junction of the divided unit cells of FIG. 7;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line B-B showing a state in which the divided unit cells of FIG. 7 are joined;
  • FIG. 11 is a flowchart for manufacturing a solar module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a cross-sectional structure of a solar module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view showing a front surface of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view showing the rear surface of the solar cell of FIG. 13;
  • 15 is a view showing a string of a shingled array structure according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a view for explaining an operation of joining divided unit cells to manufacture the string of FIG. 15;
  • 17 is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 16;
  • FIG. 19 is a view showing the conductive wire structure of FIG. 18;
  • 20 is a view showing strings connected in parallel using a conductive wire having an E-shaped electrical connection pattern according to an embodiment of the present invention
  • 21 is a view showing strings connected in parallel using a conductive wire having an H-shaped electrical connection pattern according to another embodiment of the present invention.
  • 22A to 22C are views illustrating a series of processes for connecting strings in parallel using a conductive wire having an H-shaped electrical connection pattern of FIG. 21;
  • FIG. 23 is a view showing a window-type flexible solar module having a string bundle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a flowchart for explaining a manufacturing process of a solar module according to an embodiment of the present invention.
  • shingled array structure used in the present invention refers to a plurality of unit cells by cutting solar cells provided with front and rear electrodes in order to increase the conversion efficiency and output per unit of the photovoltaic module, and the front surface It refers to a structure connected by bonding the electrode and the rear electrode with a conductive adhesive.
  • solar module means that a plurality of solar cell strings of a shingled array structure are electrically connected on a frame, glass is located on the front side, and EVA sheet is formed on the back side to form a solar cell panel.
  • conductive adhesive is an adhesive with electrical conductivity used for wiring bonding of electrical and electronic products and circuits, and uses a mixture of silver particles with an epoxy resin.
  • the principle that such a conductive adhesive expresses conductivity is that the conductive filler dispersed in the adhesive causes contact between the filler and the filler in the curing or solidification stage to express conductivity.
  • the conductive adhesive is applied using a micro dispenser, and the discharge amount from the needle must be constant and does not flow down.
  • metal powder such as gold, platinum, silver, copper, nickel, carbon fiber, graphite, and composite powder may be used.
  • the solar cell used in the embodiment of the present invention has a semiconductor substrate having a substantially rectangular shape, a plurality of finger electrodes and bus bar electrodes formed on the semiconductor substrate.
  • the solar cell shows a square-shaped semiconductor substrate, and an octagonal semiconductor substrate may be used by chamfering the four corners.
  • the divided cell used in the embodiment of the present invention may be formed by dividing the semiconductor substrate into a plurality of pieces, and the rectangular unit cells are formed in the same shape according to the number of divisions.
  • the size of a solar cell is 156.75 mm X 156.75 mm.
  • the solar cell can be divided into 3 to 12 unit cells, and the short side of the divided unit cell 10 is 13.3 to 66.6 mm.
  • the solar cell is divided into four unit cells 10 , and may be divided into equal sizes along the cutting line Ct using laser scribing.
  • An electrode member including the bus bar electrode 20 and the finger electrode 40 may be formed on the front surface of the solar cell to correspond to the number of divided cells. That is, the divided unit cells 10 may have the same size and shape, and the same electrode pattern may be formed.
  • a plurality of finger electrodes 40 are disposed along the first direction parallel to the short side of the divided unit cell 10 , and serve to collect photoelectrically converted carriers.
  • the line width of the finger electrode 40 is 0.08 to 0.12 mm.
  • the bus bar electrode 20 serves to transfer the carrier collected by the finger electrode 40 to an external storage battery or the like.
  • the bus bar electrode 20 includes a collection electrode line 21 for connecting the ends of the plurality of finger electrodes 40 and a connection electrode line 22 for electrically connecting to other unit cells.
  • the collection electrode line 21 extends along a second direction parallel to the long side of the divided unit cell 10 , and the connection electrode line 22 is branched from the end of the collection electrode line 21 and extends along the first direction. is extended
  • the collection electrode line 21 and the connection electrode line 22 may be disposed along the edge of the divided unit cell 10 , and the collection electrode line 21 is a cutting line Ct of the divided unit cell 10 . and the connection electrode line 22 is disposed adjacent to the short side of the divided unit cell 10 .
  • connection electrode line 22 is vertically bent at the end of the collection electrode line 21 , and the collection electrode line 21 and the connection electrode line 22 may form an L-shape as a whole.
  • the line width of the bus bar electrode 20 is 0.8 to 1.2 mm.
  • a rear electrode 30 may be formed on the rear surface of the divided unit cell 10 to correspond to the number of divided cells.
  • the rear electrode 30 may be formed in the same manner as the electrode pattern of the bus bar electrode 20 formed on the front surface.
  • the rear electrode 30 is electrically and physically connected to the connection electrode line 22 of the other unit cell 10 .
  • the divided unit cells 10 may be bonded through a heat treatment process through a conductive adhesive 50 as a medium to form a solar module having a shingled array structure.
  • a string array structure may be formed by overlapping the short side of one unit cell 10 and the short side of the other unit cell 10 .
  • the rear electrode 30 of the upper unit cell 10 and the lower unit cell 10 By disposing a conductive adhesive 50 between the connection electrode lines 22 of the bus bar electrode 20 of the It becomes an electrically conducting state in which current flows.
  • the electrode structure of the bus bar electrode 20 may be changed.
  • the divided cell used in the embodiment of the present invention may be formed by dividing the semiconductor substrate into a plurality of pieces, and the rectangular unit cells are formed in the same shape according to the number of divisions.
  • a solar cell can be divided into two unit cells.
  • it may be divided into equal sizes along the cutting line Ct using laser scribing.
  • An electrode member including the bus bar electrode 20 and the finger electrode 40 may be formed on the front surface of the solar cell to correspond to the number of divided cells. That is, the divided unit cells 10A may have the same size and shape, and the same electrode pattern may be formed.
  • a plurality of finger electrodes 40 are disposed along the first direction parallel to the short side of the divided unit cell 10 , and the line width of the finger electrodes 40 is 0.08 to 0.12 mm.
  • the bus bar electrode 20 serves to transfer the carrier collected by the finger electrode 40 to an external storage battery or the like.
  • the bus bar electrode 20 includes a collection electrode line 21 for connecting the ends of the plurality of finger electrodes 40 and a connection electrode line 22 for electrically connecting to other unit cells.
  • the collection electrode line 21 extends along a second direction parallel to the long side of the divided unit cell 10 , and the connection electrode line 22 is branched from the end of the collection electrode line 21 to both sides in the first direction. is extended along
  • the collection electrode line 21 and the connection electrode line 22 may be disposed along the edge of the divided unit cell 10 , and the collection electrode line 21 is a cutting line Ct of the divided unit cell 10 . and the connection electrode line 22 is disposed adjacent to the short side of the dividing unit cell 10 .
  • connection electrode line 22 In a form in which the connection electrode line 22 is vertically bent in both directions at the end of the collection electrode line 21 , the collection electrode line 21 and the connection electrode line 22 may form a T-shape as a whole.
  • the line width of the bus bar electrode 20 is 0.8 to 1.2 mm.
  • a rear electrode 30 may be formed on the rear surface of the divided unit cell 10A to correspond to the number of divided cells.
  • the rear electrode 30 may be formed in the same manner as the electrode pattern of the bus bar electrode 20 formed on the front surface.
  • the rear electrode 30 is electrically and physically connected to the connection electrode line 22 of the other unit cell 10A.
  • the divided unit cells 10A may be bonded through a heat treatment process through a conductive adhesive 50 as a medium to form a solar module having a shingled array structure.
  • a string array structure may be formed by overlapping the short side of one unit cell 10A and the short side of the other unit cell 10A.
  • the rear electrode 30 of the upper unit cell 10A and the lower unit cell 10A By disposing a conductive adhesive 50 between the connection electrode lines 22 of the bus bar electrode 20 and bonding through a heat treatment process, the two unit cells 10A are integrated and the current collected from the finger electrode 40 is in an electrically energized state in which it moves.
  • a method of manufacturing a solar module according to an embodiment will be described with reference to FIG. 11 .
  • a solar cell in which the finger electrode 40 and the bus bar electrode 20 are formed on the front surface and the rear electrode 30 is formed on the rear surface is prepared (S10).
  • a plurality of finger electrodes 40 are disposed along a first direction parallel to the short side of the divided unit cell, and the bus bar electrode 20 extends in a second direction parallel to the long side of the divided unit cell to form a plurality of finger electrodes 40 .
  • the solar cell includes, for example, a semiconductor substrate, an emitter formed on a front surface that is an incident surface of the semiconductor substrate, an antireflection film formed on the emitter, and a plurality of passivation layers formed on a rear surface opposite to the front surface of the semiconductor substrate. ), an electrode member composed of a plurality of bus bar electrodes 20 and a finger electrode 40 electrically connected to the emitter, an integral rear electrode 30 formed between the plurality of protective films and the semiconductor substrate, a rear electrode 30 and It may include a plurality of backside electric layers formed between the semiconductor substrates.
  • the semiconductor substrate may be a semiconductor made of silicon of a first conductivity type, for example n-type or p-type conductivity type, and the emitter may be of a second conductivity type opposite to the conductivity type of the semiconductor substrate, for example p-type or As an n-type conductivity type impurity, it forms a pn junction with a semiconductor substrate.
  • the anti-reflection film may be formed by depositing a silicon nitride film (SiNx) or a silicon oxide film (SiOx) on the emitter. to have a reducing function.
  • the plurality of bus bar electrodes 20 and the finger electrodes 40 are formed on the emitter, are electrically connected to the emitter, are arranged in a predetermined direction to be spaced apart from each other, and electric charges that have moved toward the emitter, for example, finger electrodes (40) has a function of collecting these holes/electrons and outputting the bus bar electrode 20 to an external device (load), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), tin (Sn), zinc (Zn), indium (In), titanium (Ti), gold (Au) and at least one selected from the group consisting of combinations thereof, in the present invention, the bus bar electrode 20 and the finger electrode ( 40) applies a configuration made of silver (Ag).
  • the rear electrode 30 is made of a conductive material, and may be integrally formed on the rear surface of the semiconductor substrate with a plurality of protective layers, and includes nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), and tin. At least one selected from the group consisting of (Sn), zinc (Zn), indium (In), titanium (Ti), gold (Au), and combinations thereof, in consideration of the manufacturing cost, etc. in the present invention, the rear electrode 30 ) applies a configuration made of aluminum (Al).
  • the rear electric field layer may be formed between the rear electrode 30 and the semiconductor substrate, and prevents hole/electron movement toward the rear surface of the substrate from recombination and disappearance of electrons and holes on the rear surface of the semiconductor substrate.
  • the solar cell prepared in step S10 is cut in a rectangular shape and divided into a plurality of unit cells 10 and 10A (S20).
  • the cutting in step S20 may be performed by, for example, a nano-second laser (532 nm, 20 ns, 30-100 KHz from coherent). That is, it can be executed by setting an average power of 10W, a frequency of 50 KHz, and a scan rate of 1,300mm/s in a 20ns laser using a 532nm wavelength.
  • a nano-second laser 532 nm, 20 ns, 30-100 KHz from coherent. That is, it can be executed by setting an average power of 10W, a frequency of 50 KHz, and a scan rate of 1,300mm/s in a 20ns laser using a 532nm wavelength.
  • a conductive adhesive 50 is applied to either one of the short sides of the upper one unit cell 10, 10A and the other lower unit cell 10, 10A prepared in step S20 to form a shingled array structure. do (S30).
  • the conductive adhesive 50 is a product having high conductivity and suitable viscosity suitable for the present invention among conductive adhesives on the market, for example, EL-3012, EL-3556, EL-3653, EL-3655 of SKC Panacol and Henkel's CE3103WLV, CA3556HF can be applied, for example, viscosity at 25°C of 28,000-35,000 mPa ⁇ s (cP), electrical properties, volume resistivity of 0.0025 ⁇ cm, curing temperature 130-150°C, curing time 25 Apply an adhesive with a characteristic of ⁇ 35 sec.
  • the conductive filler may include at least one material selected from Au, Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, and carbon.
  • the application of the conductive adhesive in step S30 is performed by controlling the discharge amount of the conductive adhesive discharged from the needle of the micro dispenser.
  • Application of the conductive adhesive described above is, for example, a viscosity of 28,000 to 35,000 mPa ⁇ s (cP) at 25° C., as an electrical property, a volume resistivity of 0.0025 ⁇ cm, a curing temperature of 130 to 150° C., and a curing time of 25 to 35 seconds.
  • the discharge amount of the conductive adhesive from the needle of the micro-dispenser having a diameter of 250 ⁇ m is performed under the control of RPM.
  • the application of the conductive adhesive described above is a connection electrode line between the short side rear electrode 30 of one of the upper unit cells 10 and 10A and the short side bus bar electrode 20 of the other lower unit cell 10, 10A. (22) may be performed for either one or both, respectively. Positioning of such application may be determined according to the characteristics and discharge amount of the conductive adhesive.
  • a conductive adhesive is applied and joined in a shingled array structure to form a solar cell string.
  • string formation may be performed under heat treatment conditions of 25 to 35 seconds and 130 to 150° C.
  • the photovoltaic module 1 is formed by bonding a plurality of divided single cells 10 - 1 with a conductive adhesive 7 (ECA) to form a shingled array structure. form a string
  • the conductive adhesive 7 is an adhesive having electrical conductivity used for wiring bonding of electrical and electronic products or circuits, and uses a mixture of silver particles with an epoxy resin.
  • the principle that such a conductive adhesive expresses conductivity is that the conductive filler dispersed in the adhesive causes contact between the filler and the filler in the curing or solidification stage to express conductivity.
  • the conductive adhesive is applied using a micro dispenser, and the discharge amount from the needle must be constant and does not flow down.
  • metal powder such as gold, platinum, silver, copper, nickel, carbon fiber, graphite, and composite powder may be used.
  • a first encapsulant (4) and a front cover (2) are laminated on the upper part of the string, a second encapsulant (5) and a rear back sheet (3) are laminated on the lower part of the string, and then sequentially using lamination equipment Lamination is performed to integrate the entire stacked module components (front cover, first encapsulant, string, second encapsulant, and rear backsheet).
  • the lamination process may be carried out at a low temperature of 140 ⁇ 160 °C.
  • the front cover 2 serves to protect the solar cell from external impact.
  • the material of the front cover 2 may be a transparent material such as ETFE (ethylene tetrafluoroethylene), ECTFE (ethylene chlorotrifluoroethylene), PC (polycarbonate), acrylic (acrylic).
  • ETFE ethylene tetrafluoroethylene
  • ECTFE ethylene chlorotrifluoroethylene
  • PC polycarbonate
  • acrylic acrylic
  • the front cover 2 may have waterproof, insulating and UV protection functions, and may be manufactured in various shapes such as a square or a circle according to an installation environment or design.
  • the rear backsheet 3 may be made of TPT (Tedlar Polyester Tedlar) or PET-type transparent synthetic resin based on fluororesin, and functions such as waterproofing, insulating and UV blocking.
  • TPT Tedlar Polyester Tedlar
  • PET-type transparent synthetic resin based on fluororesin and functions such as waterproofing, insulating and UV blocking.
  • a protective film may be formed on one side of the front cover 2 and the rear back sheet 3 , respectively.
  • a UV blocking film may be used, and it may help to extend the lifespan of the solar cell by blocking UV rays transmitted to the solar cell through the glass.
  • the first and second encapsulants 4 and 5 are materials for maintaining a long lifespan of the solar module. 2) and the back sheet 3 are attached and sealed, and EVA, POE, Ionomer, etc. may be used as the material of the encapsulant.
  • the solar cell is divided into several pieces in order to design the shape of the solar module in various ways.
  • a checkerboard may be cut along the cutting line Ct to be divided into unit cells 10 - 1 of various sizes.
  • the divided unit cell 10-1 has a horizontal width m1 of 3 to 50 mm, and a vertical width n1 of 25 to 170 mm.
  • the front electrode 20 and the finger electrode 40 may be formed on the front surface of the solar cell as an electrode member, and the divided unit cells 10-1 may have substantially the same size and shape and the same electrode pattern may be formed. .
  • the solar cell is formed on a semiconductor substrate.
  • the semiconductor substrate may be a semiconductor made of silicon of a first conductivity type, for example n-type or p-type conductivity type, and the emitter is of a second conductivity type opposite to the conductivity type of the semiconductor substrate, for example p-type or n-type.
  • the plurality of finger electrodes 40 are connected to the front electrode 20 to collect photoelectrically converted carriers, and the line width of each finger electrode 40 is 0.08 to 0.12 mm.
  • the front electrode 20 serves as a bus bar electrode for transferring the carriers collected by the finger electrode 40 to an external storage battery.
  • the line width of the front electrode 20 is 0.8 to 1.2 mm.
  • Materials of the front electrode 20 and the finger electrode 40 are nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), tin (Sn), zinc (Zn), indium (In), and titanium. It is made of at least one selected from the group consisting of (Ti), gold (Au), and combinations thereof, and in an embodiment, the front electrode 20 and the finger electrode 40 are made of silver (Ag).
  • a rear electrode 30 may be formed on the rear surface of the divided unit cell 10 - 1 corresponding to the number of divided cells.
  • the rear electrode 30 may be formed in the same manner as the electrode pattern formed on the front surface.
  • the rear electrode 30 is electrically and physically connected to the front electrode 20 of the other unit cell 10 - 1 .
  • the material of the rear electrode 30 is a conductive material and includes nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), tin (Sn), zinc (Zn), indium (In), and titanium (Ti). , gold (Au), and at least one selected from the group consisting of combinations thereof, and in an embodiment, the rear electrode 30 is made of aluminum (Al) in consideration of manufacturing cost.
  • the string of the shingled array structure is formed by bonding a plurality of unit cells 10 - 1 , and - and + electrodes respectively formed on both sides of the string are electrically connected to an external storage battery.
  • a certain portion overlaps the short side of one unit cell 10-1 and the short side of the other unit cell 10-1, and as the length of the string increases, the overlapping portion H1 of the unit cells 10-1 ) will increase.
  • the divided unit cells 10 - 1 may be joined through a heat treatment process through a conductive adhesive 7 as a medium to form a string of a shingled array structure.
  • a string may be formed by overlapping the short side of one unit cell 10-1 and the short side of the other unit cell 10-1.
  • the two unit cells 10-1 are integrated by placing a conductive adhesive 7 between the front electrode 20 of 1) and the rear electrode 30 of the upper unit cell 10-1 and bonding through a heat treatment process. At the same time, it is in an electrically conducting state in which the current collected by the finger electrode 40 moves.
  • the solar module according to the embodiment can be applied for windows and doors that are superior in terms of stability as well as securing light by using a semi-transparent, high-efficiency silicon solar cell.
  • a double-sided light-receiving type photovoltaic module that can be implemented is presented.
  • a window-type solar module may be configured by connecting a plurality of strings S in parallel according to various shapes and sizes.
  • Each string S is composed of unit cells 10 - 1 bonded in a shingled array structure.
  • the length w1 of the string S is 50 to 3,000 mm, and the width of the string S is 3 to 25 mm.
  • the output voltage of each string S corresponds to the number of unit cells 10 - 1 connected in series.
  • a plurality of strings (S) may be arranged in consideration of the installation environment of the window-type solar module.
  • the spacing e1 between the strings (S) is 1 to 100 mm, both sides of each string (S) serve as a - electrode and a + electrode, and these electrodes are the connecting wiring 100 in which the conductive wire 110 is embedded. ) to be electrically connected.
  • the connection wiring 100 may be formed of an annular flexible material.
  • the number of strings (S) connected in series or parallel by the connection wiring 100 made of a flexible material is 2 to 200.
  • the conductive wire 110 may use a conductor having a circular cross-section and excellent electrical conductivity, and may be composed of a composite including a core 111 and a protective film 120 .
  • the core 111 may selectively use any one of copper (Cu) and aluminum (Al).
  • the protective layer 112 is formed on the surface of the core 111 , and any one of tin (Sn), high purity indium (In), and silver (Ag) may be selectively used.
  • copper (Cu) is used as the core 111
  • it is manufactured by plating tin (Sn) as the protective layer 112 .
  • the diameter B1 of the core 111 and the thickness C1 of the protective layer 112 may be changed according to the connection area and electrical characteristics of the electrodes of the strings to be connected.
  • the conductive wire 110 may be implemented as a single metal as a conductor.
  • Types in which the flexible connection wiring 100 is connected to the electrodes on both sides of the string S can be divided into two types. Classified according to shape.
  • the first auxiliary conductive wire 101 branched from the conductive wire 110 is a single cell 10- It may be directly connected to the rear electrode 30 of 1).
  • the thin first auxiliary conductive wire 101 branched into three strands from the thick conductive wire 110 may be connected to the rear electrode 30 of each single cell 10 - 1 .
  • the diameter d2 of the branched first auxiliary conductive wire 101 is the same as the width of the rear electrode 30
  • the diameter d1 of the conductive wire 110 is 2 to 4 times the width of the rear electrode 30 . It can be made thick.
  • the second auxiliary conductive wire 102 via the first auxiliary conductive wire 101 is a single It may be directly connected to the rear electrode 30 of the cell 10 - 1 .
  • the conductive wire 110 and the second auxiliary conductive wire 102 are arranged in parallel, and the first auxiliary conductive wire 101 is connected between the conductive wire 110 and the second auxiliary conductive wire 102 .
  • the diameter d2 of the first auxiliary conductive wire 101 and the diameter d3 of the second auxiliary conductive wire 102 are the same as the width of the rear electrode 30, and the diameter d1 of the conductive wire 110 may be formed to be 2 to 4 times thicker than the width of the rear electrode 30 .
  • a manufacturing process for connecting to a single cell of a string using a conductive wire having an H-shaped electrical connection pattern will be described.
  • the second auxiliary conductive wire 102 of the conductive wire 110 having an H-shaped electrical connection pattern prepared in advance is placed on the conductive adhesive 50 and cured through heat treatment. .
  • the curing process may be performed for a predetermined time (10 seconds or less) at 130 ⁇ 150 °C.
  • the second auxiliary conductive wire 102 arranged in parallel with the conductive wire 110 connects the single cells 10-1 constituting the plurality of strings in parallel to electrically can connect.
  • the window-type flexible solar module according to the embodiment may connect a plurality of string bundles (G1, G2, G3, G4) with flexible conductive wires (110A) (110B).
  • Each of the string bundles G1, G2, G3, and G4 is configured by connecting a plurality of strings in parallel to reduce shading loss.
  • the number of strings is set by optimizing the output current of the photovoltaic module in response to the installation area, and can be usually composed of 5 to 10 strings.
  • String bundles (G1, G2, G3, G4) are connected in series with each other to implement an extended window-type flexible solar module, which is a conductive wire having an E-type or H-type electrical connection pattern described in FIGS. 20 and 21 above. It is possible to minimize damage to strings and unit cells by connecting them.
  • the output can be varied according to the aperture ratio in 1 m 2 windows and doors.
  • the table below is the expected output value according to the aperture ratio.
  • a method of manufacturing a solar module according to the embodiment will be described with reference to FIG. 24 .
  • the solar cell prepared in step S100 is cut into a rectangular shape and divided into a plurality of unit cells 10 - 1 ( S200 ).
  • the cutting in step S200 may be performed by, for example, a nano-second laser (532 nm, 20 ns, 30-100 KHz from coherent). That is, it can be executed by setting an average power of 10W, a frequency of 50 KHz, and a scan rate of 1,300mm/s in a 20ns laser using a 532nm wavelength.
  • a string is formed by partially overlapping the unit cells 10-1 prepared in step S200, applying a conductive adhesive 7 to either side, and bonding them in a shingled array structure (S300).
  • the application of the conductive adhesive may be performed on either or both of the rear electrode 30 of the upper one unit cell 10-1 and the front electrode 20 of the other lower unit cell 10-1, respectively.
  • Determination of the application position of the conductive adhesive may be determined according to the characteristics and discharge amount of the conductive adhesive.
  • the conductive adhesive is applied, it is joined in a shingled array structure by a heat treatment process (25 to 35 seconds, 130 to 150° C.) to form a string.
  • a plurality of strings (S) are connected with a connecting wire (100) to form a window-type flexible solar module (S400).
  • One side of the conductive wire 110 is electrically connected to - and + electrodes formed on both sides of each string (S).
  • the first auxiliary conductive wire 101 branched from the conductive wire 110 is a single cell 10- It may be directly connected to the rear electrode 30 of 1).
  • the thin first auxiliary conductive wire 101 branched into three strands from the thick conductive wire 110 may be connected to the rear electrode 30 of each single cell 10 - 1 .
  • the diameter d2 of the branched first auxiliary conductive wire 101 is the same as the width of the rear electrode 30
  • the diameter d1 of the conductive wire 110 is 2 to 4 times the width of the rear electrode 30 . It can be made thick.
  • the second auxiliary conductive wire 102 via the first auxiliary conductive wire 101 is a single cell ( 10-1) may be directly connected to the rear electrode 30.
  • the conductive wire 110 and the second auxiliary conductive wire 102 are arranged in parallel, and the first auxiliary conductive wire 101 is connected between the conductive wire 110 and the second auxiliary conductive wire 102 .
  • the diameter d2 of the first auxiliary conductive wire 101 and the diameter d3 of the second auxiliary conductive wire 102 are the same as the width of the rear electrode 30, and the diameter d1 of the conductive wire 110 may be formed to be 2 to 4 times thicker than the width of the rear electrode 30 .
  • the present invention is applicable to the field of manufacturing a solar module.

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Abstract

개시된 발명은 태양전지의 전극 구조를 개선하여 슁글드 방식으로 단위 셀들을 접합한 스트링의 폭과 길이를 조절함으로써 다양한 형태의 태양광 모듈을 제공한다. 상기 태양광 모듈은, 태양전지 전면에 분할 셀의 개수에 대응하여 핑거 전극과 버스바 전극으로 구성된 전극부재를 포함하되, 핑거 전극은 분할된 단위 셀의 단변과 평행한 제1 방향을 따라 복수 개가 배치되고, 버스바 전극은 분할된 단위 셀의 장변과 평행한 제2 방향으로 연장되어 복수 개의 핑거 전극의 끝을 연결하는 수집 전극라인, 접합하는 다른 단위 셀과 전기적으로 접속하기 위하여 수집 전극라인의 끝에서 분기되어 제1 방향을 따라 연장되는 접속 전극라인을 구비한다.

Description

디자이너블 슁글드 태양광 모듈 및 그 제조 방법
본 발명은 다양한 태양광 모듈 설계를 위해 전극 구조를 개선하고, 슁글드 방식으로 접합된 스트링을 유연한 연결배선으로 연결하여 태양광 모듈을 제조하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양광 발전은 태양으로부터 빛에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하며 화석연료와 다르게 저탄소, 미래에도 고갈되지 않는 지속 가능한 친환경 에너지이다.
기존의 태양광 모듈 제작은 셀과 셀을 금속 리본(metal ribbon)으로 연결하여 제작하는 것으로 셀들을 금속 리본으로 연결하여 스트링 제작 시 셀들을 전기적으로 분리하기 위한 공간이 필요하다. 이로 인해 모듈에 전류를 생성하지 않는 빈 여백이 있어 출력 손실이 발생한다. 또한 셀에 전면 버스바(busbar)를 포함하고 있기 때문에 이 부분에는 전류 생성이 불가능하여 출력 손실을 유발한다.
다른 방식은 전도성 접착제(ECA)를 개재하여 슁글드 어레이 구조의 태양광 모듈이 제작될 수 있다. 예를 들어 분할 셀의 전면 버스바에 ECA(electrically conductive adhesives)를 도포하여 다른 분할 셀의 후면 전극 패드(Ag)와 접합하는 방식은 전면에 버스바가 없는(busbarless) 구조이기 때문에 버스바에 의한 광학적 손실을 감소시킬 수 있고 기존 모듈과 달리 셀 분리를 위한 공간이 필요 없어 동일 면적에 보다 많은 셀이 들어가 상대적으로 높은 출력을 생산할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어 (특허문헌1)에서 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 아래쪽 분할 셀(7)의 버스바 전극(61)에 위쪽 분할 셀(7)의 후면 버스바 전극(62)이 겹쳐지도록 하고 도전성 부재(9)를 통해 전기적으로 접속한다.
일본등록특허 10-6467549호에서는 직사각형으로 분할되는 분할 셀의 장변에 인접하여 버스바 전극이 직선 라인으로 형성되고, 분할 셀들을 접합 시 위쪽 셀의 장변과 아래쪽 셀의 장변을 겹쳐지게 하여 스트링을 제작한다.
종래기술에 따르면 태양광 모듈의 크기에 대응하여 더 많은 분할 셀을 접합하여 스트링의 길이를 조절할 수 있지만, 분할 셀의 장변에 대응하여 스트링의 폭이 제한되기 때문에 스트링과 스트링의 조합으로 만들어지는 태양광 모듈의 형태를 다양하게 설계하기 어려운 문제가 있다.
태양에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전설비의 사용이 점차 보편화되고 있다. 이러한 태양에너지를 이용하는 태양전지는 석탄이나 석유와 같은 화석연료를 사용하지 않고, 무공해이며 무한의 에너지원인 태양광을 이용하므로 미래의 새로운 대체 에너지원으로서 각광을 받고 있으며 현재에는 태양광 발전소나, 건축물, 자동차 등의 발전 전력을 얻는데 이용되고 있다.
다양한 태양전지의 응용 분야 중에서 건물일체형 태양광 발전(BIPV)은 향후 급속한 시장 성장이 예측되는 태양전지 분야이며 특히 창호형 태양전지는 높은 발전 효율뿐만 아니라 높은 광 투과율 또한 요구되는 차세대 태양전지 분야라고 할 수 있다. 염료감응형 태양전지(DSSC)는 n형 반도체 나노입자의 분산성 및 막두께 조절을 통하여 발전부의 투과율 조절이 가능하고 색상이나 이미지를 도입할 수 있다는 점에서는 창호용 BIPV로 적합하다고 할 수 있다. 하지만 DSSC는 태양전지가 갖추어야 하는 가장 기본적인 요구사항인 안정성 문제가 아직 해결되지 않아, 실제 적용까지는 많은 시간이 필요할 것으로 예상된다. 또한 DSSC는 인체에 매우 유독한 액체 전해질이 사용되고 있어 파손 시 유독 물질의 누수로 인한 심각한 안정성 문제를 유발할 수도 있다.
종래기술에 따르면 태양광 모듈의 크기에 대응하여 더 많은 분할 셀을 접합하여 스트링의 길이를 조절할 수 있지만, 스트링의 폭이 제한되기 때문에 스트링과 스트링의 조합으로 만들어지는 태양광 모듈의 형태를 다양하게 설계하기 어려운 문제가 있다.
이러한 배경하에서 반투명 고효율 실리콘 태양전지를 이용하여 채광성 확보뿐만 아니라 안정성 면에서도 월등한 창호용 BIPV 태양전지를 제조하는 것이 필요하다. 또한 건물, 차량의 창호에 양면수광으로 롤러블하게 구현할 수 있는 새로운 태양전지 구조 및 제조 공정이 요구된다.
[문헌 1] 일본등록특허 10-6467549(2019.01.18 등록)
[문헌 2] 한국공개특허 10-2019-0031995(2019.03.27 공개)
본 발명의 목적은 태양전지의 전극 구조를 개선하여 슁글드 방식으로 단위 셀들을 접합한 스트링의 폭과 길이를 조절함으로써 다양한 형태의 태양광 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디자이너블 슁글드 태양광 모듈은, 태양전지 전면에 분할 셀의 개수에 대응하여 핑거 전극과 버스바 전극으로 구성된 전극부재를 포함하되, 상기 핑거 전극은 분할된 단위 셀의 단변과 평행한 제1 방향을 따라 복수 개가 배치되고, 상기 버스바 전극은 분할된 단위 셀의 장변과 평행한 제2 방향으로 연장되어 복수 개의 핑거 전극의 끝을 연결하는 수집 전극라인, 접합하는 다른 단위 셀과 전기적으로 접속하기 위하여 상기 수집 전극라인의 끝에서 분기되어 제1 방향을 따라 연장되는 접속 전극라인을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 접속 전극라인은 분할하는 단위 셀의 단변과 인접 배치되고, 상기 수집 전극라인은 분할하는 단위 셀의 절단선과 인접 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 접속 전극라인은 수집 전극라인의 끝에서 수직으로 꺽여 상기 버스바 전극이 L자 형상 또는 T자 형상을 형성하고, L자 형상의 접속 전극라인 길이는 T자 형상의 접속 전극라인 길이 보다 짧은 것을 특징으로 한다.
또한 상기 버스바 전극의 선폭은 0.8 ~ 1.2 mm, 상기 핑거 전극의 선폭은 0.08 ~ 0.12 mm 인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 분할되는 단위 셀의 단변은 13.3 ~ 66.6 mm 인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법은, (a) 전면에 핑거 전극과 버스바 전극을 형성하고, 후면에 후면 전극을 형성한 태양전지를 준비하는 단계; (b) 레이저 스크라이빙을 이용하여 직사각 형태로 절단하여 복수 개의 단위 셀로 분할하는 단계; (c) 분할된 어느 한 단위 셀의 단변과 분할된 다른 단위 셀의 단변을 중첩시키는 슁글드 어레이 구조로 접합하는 단계;를 포함하되, 상기 (a) 단계에서 상기 핑거 전극은 분할된 단위 셀의 단변과 평행한 제1 방향을 따라 복수 개가 배치되고, 상기 버스바 전극은 분할된 단위 셀의 장변과 평행한 제2 방향으로 연장되어 복수 개의 핑거 전극의 끝을 연결하는 수집 전극라인, 접합하는 다른 단위 셀과 전기적으로 접속하기 위하여 상기 수집 전극라인의 끝에서 분기되어 제1 방향을 따라 연장되는 접속 전극라인을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (c) 단계에서 어느 한 단위 셀의 하면 전극과 다른 단위 셀의 접속 전극라인 사이에 전도성 접착제를 이용하여 접합하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법은, (a)반도체 기판에 전면 전극, 핑거 전극, 및 후면 전극이 형성된 태양전지 셀을 형성하고, 격자무늬의 절단선을 기준으로 태양전지 셀을 절단하여 복수의 단위 셀로 분할하는 단계; (b)분할된 단위 셀들을 슁글드 방식으로 접합하여 스트링을 형성하는 단계; (c) 유연한 연결배선에 매설된 전도성 와이어를 이용하여 복수의 스트링을 연결하여 태양광 모듈을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 태양광 모듈 형성 단계는 스트링 양측에 형성된 단위 셀의 전극에 전도성 접착제를 도포하고, 전도성 와이어를 배치한 상태에서 열처리에 의한 경화 공정을 통해 전기적으로 접속하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양광 모듈 형성 단계에서 전도성 와이어에 의해 연결되는 스트링의 개수는 2 ~ 200개 이고, 스트링들간 이격 간격은 1 ~ 100mm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양광 모듈 형성 단계에서 경화 공정의 열처리 온도는 130 ~ 150℃이고, 열처리 시간은 10초 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양광 모듈 형성 단계에서 E형 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어를 적용시 상기 전도성 와이어에서 분기된 3가닥 제1 보조 전도성 와이어가 단위 셀의 전극에 직접 전기접속되고, 상기 전도성 와이어는 접속되는 단위 셀의 전극보다 2 ~ 4배 굵은 직경으로 형성되고, 상기 제1 보조 전도성 와이어는 단위 셀의 전극과 동일한 직경으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양광 모듈 형성 단계에서 H형 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어를 적용시 전도성 와이어에서 분기된 3가닥 제1 보조 전도성 와이어를 매개로 연결되고 상기 전도성 와이어와 평행하게 배치된 제2 보조 전도성 와이어가 단위 셀의 전극에 전기접속되고, 상기 전도성 와이어는 접속되는 단위 셀의 전극보다 2 ~ 4배 굵은 직경으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 보조 전도성 와이어는 단위 셀의 전극과 동일한 직경으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단위 셀 분할 단계에서 격자무늬로 절단되는 단위 셀은 가로 폭이 3 ~ 50 mm 이고, 세로 폭이 3 ~ 50 mm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스트링 형성 단계에서 단위 셀들의 접합에 의해 형성된 스트링의 길이는 50 ~ 3,000 mm 이고, 스트링의 폭은 3 ~ 25 mm 이고, 스트링의 출력 전압은 직렬 연결된 단위 셀의 개수에 비례하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 와이어는 단면이 원형인 도체로서 코어, 코어에 도금된 보호막으로 이루어진 복합체로 구성하되, 상기 코어는 구리(Cu)를 사용하고, 상기 보호막은 주석(Sn)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양광 모듈 형성 단계에서 스트링 번들은 쉐이딩 손실을 줄이기 위하여 병렬 연결하는 스트링 개수를 5~10개로 설정하고, 태양광 모듈의 설치 면적에 따라 확장시 전도성 와이어를 이용하여 스트링 번들 상호간 직렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 실리콘 기반 창호형 반투명 유연태양광 모듈은 상술한 실리콘 기반 창호형 반투명 유연태양광 모듈의 제조 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 직사각 형태로 분할되는 단위 셀들의 단변을 겹치게 접합하여 슁글드 어레이 구조에 사용되는 스트링의 폭과 길이를 모두 조절할 수 있어 스트링과 스트링의 전기적 연결에 의해 만들어지는 태양광 모듈이 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 비정형 태양광 모듈의 설비 작업이 필요한 건축 구조물과 차량에 적합하다.
본 발명은 태양전지의 출력 특성에 따라 분할하는 단위 셀의 크기에 따라 전극 구조를 다르게 하는데, 스트링 폭에 대응한 단위 셀의 단변이 좁으면 L자 형상의 버스바 전극을 적용하고 단위 셀의 단변이 상대적으로 크면 T자 형상의 버스바 전극을 적용함으로써 핑거 전극에 의해 수집된 캐리어를 이동시키는 버스바 전극의 역할을 충실히 수행할 수 있어 슁글드 어레이 구조의 태양광 모듈의 출력을 향상할 수 있다.
본 발명은 단위 셀의 가로 폭과 세로 폭을 가변하여 스트링의 길이와 폭을 조절하고, 이러한 단위 셀을 접합한 만든 복수의 스트링을 유연한 연결배선으로 병렬 연결하여 쉐이딩 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 태양광 모듈 설계가 다양하게 이루어질 수 있어 건축 구조물과 차량에 적합한 창호형 태양광 모듈을 제공할 수 있다.
본 발명은 여러 스트링이 묶여진 스트링 번들에 대해서는 상호간 직렬 연결하는 것에 의해 설치 환경에 적합한 태양광 모듈을 제조할 수 있기 때문에 설치 면적에 대응하여 태양광 모듈의 출력을 용이하게 설정할 수 있다
본 발명은 유연한 연결배선을 이용한 배선 작업시 스트링 양측에 마련되는 단위 셀의 전극에 전도성 접착제를 도포한 후 간단한 열처리에 의해 이루어지는 경화 공정을 통해 E형 전기접속 패턴 또는 H형 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어와 전기적으로 접속하기 때문에 비용과 작업 시간을 단축할 수 있다.
도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 셀 접합을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지의 전면을 나타내는 도면,
도 4는 도 3의 태양전지 후면을 나타내는 도면,
도 5는 도 3의 분할된 단위 셀들의 접합을 나타내는 도면,
도 6은 도 3의 분할된 단위 셀들이 접합된 상태를 나타내는 A-A선 단면도,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양전지의 전면을 나타내는 도면,
도 8은 도 7의 태양전지 후면을 나타내는 도면,
도 9는 도 7의 분할된 단위 셀들의 접합을 나타내는 도면,
도 10은 도 7의 분할된 단위 셀들이 접합된 상태를 나타내는 B-B선 단면도,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 모듈을 제조하기 위한 흐름도,
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 모듈의 단면 구조를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지의 전면을 나타내는 도면,
도 14는 도 13의 태양전지 후면을 나타내는 도면,
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 슁글드 어레이 구조의 스트링을 나타내는 도면,
도 16은 도 15의 스트링을 제조하기 위하여 분할된 단위 셀들을 접합하는 동작을 설명하기 위한 도면,
도 17은 도 16의 A-A선 단면도,
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 유연한 연결배선을 이용하여 병렬 연결한 스트링들을 나타내는 도면,
도 19는 도 18의 전도성 와이어 구조를 나타내는 도면,
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 E 형태의 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어를 이용하여 병렬 연결하는 스트링들을 나타내는 도면,
도 21은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 H 형태의 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어를 이용하여 병렬 연결하는 스트링들을 나타내는 도면,
도 22a 내지 도 22c는 도 21의 H 형태의 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어를 이용하여 스트링을 병렬 연결하는 일련의 공정을 나타내는 도면,
도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 스트링 번들을 구비한 창호형 유연태양광 모듈을 나타내는 도면,
도 24는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 모듈의 제조 공정을 설명하기 위한 흐름도.
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.
본 발명에서 사용하는 용어 "슁글드(shingled) 어레이 구조"는 태양광 모듈의 단위당 변환 효율과 출력을 높이기 위해 전면 전극과 후면 전극이 마련된 태양전지 셀을 절단하여 복수의 단위 셀을 형성하고 이 전면 전극과 후면 전극을 전도성 접착제로 접착하여 연결된 구조를 의미한다.
또 "태양광 모듈"은 프레임 상에서 다수개의 슁글드 어레이 구조의 태양전지 스트링이 전기적으로 연결되고, 전면에 유리가 위치하고, 후면에는 EVA 시트가 형성되어 태양전지 패널을 형성하는 것을 의미한다.
또 "전도성 접착제(ECA)"는 전기 전자 제품이나 회로의 배선 접합에 사용하는 전기 전도성을 가진 접착제로, 에폭시 수지에 은 입자를 배합한 것을 사용한다. 이러한 전도성 접착제가 전도성을 발현하는 원리는 접착제 중에 분산되어 있는 전도성 필러가 경화 또는 고화 단계에서 필러와 필러의 접촉이 일어나 전도성을 발현하는 것이다. 또 전도성 접착제는 마이크로 디스펜서를 이용하여 도포하며 니들로부터의 토출량이 일정해야 하고 흘러내리지 않게 된다. 전도성 충진제로는 금, 백금, 은, 구리, 니켈 등의 금속분말, 카본 섬유, 흑연 및 복합 분말 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서 사용되는 태양전지 셀은 대략 직사각형 모양의 반도체 기판, 반도체 기판 상에 형성된 복수 개의 핑거 전극 및 버스바 전극을 가진다. 도 3에서 태양전지 셀이 사각형 모양의 반도체 기판을 나타내고 있는데, 네군데 모서리에 모따기 하여 8각형 모양의 반도체 기판을 사용할 수도 있다.
본 발명의 실시 예에서 사용되는 분할 셀은 반도체 기판을 복수 개로 분할하여 형성할 수 있는데, 분할 개수에 따라 직사각 형태의 단위 셀들이 동일한 모양으로 형성된다. 예를 들어 태양전지 셀의 크기는 156.75 mm X 156.75 mm 이다.
태양전지 셀의 출력 특성을 고려하면 3~12개 단위 셀로 분할할 수 있는데, 분할된 단위 셀(10)의 단변은 13.3 ~ 66.6 mm 이다.
일 실시 예는 도 3에 도시된 바와 같이 태양전지 셀을 4개 단위 셀(10)로 분할하는데, 레이저 스크라이빙을 이용하여 절단선(Ct)을 따라 균등한 크기로 분할할 수 있다. 태양전지 전면에 분할 셀의 개수에 대응하여 버스바 전극(20)과 핑거 전극(40)으로 구성된 전극부재가 형성될 수 있다. 즉 분할된 단위 셀(10)들은 동일한 크기와 모양을 가지고 동일한 전극 패턴이 형성될 수 있다.
핑거 전극(40)은 분할된 단위 셀(10)의 단변과 평행한 제1 방향을 따라 복수 개가 배치되는데, 광전변환된 캐리어(carrier)를 수집하는 역할을 한다. 핑거 전극(40)의 선폭은 0.08 ~ 0.12 mm 이다.
버스바 전극(20)은 핑거 전극(40)에 의해 수집된 캐리어를 외부의 축전지 등으로 이송시키는 역할을 한다. 버스바 전극(20)은 복수 개의 핑거 전극(40)의 끝을 연결하기 위한 수집 전극라인(21), 다른 단위 셀과 전기적으로 접속하기 위한 접속 전극라인(22)으로 구성된다.
수집 전극라인(21)은 분할된 단위 셀(10)의 장변과 평행한 제2 방향을 따라 연장되고, 접속 전극라인(22)은 수집 전극라인(21)의 끝에서 분기되어 제1 방향을 따라 연장된다.
수집 전극라인(21)과 접속 전극라인(22)은 분할된 단위 셀(10)의 가장자리를 따라 배치될 수 있는데, 수집 전극라인(21)은 분할하는 단위 셀(10)의 절단선(Ct)과 인접 배치되고, 접속 전극라인(22)은 분할하는 단위 셀(10)의 단변과 인접 배치된다.
접속 전극라인(22)이 수집 전극라인(21)의 끝에서 수직으로 꺽여진 형태로 수집 전극라인(21)과 접속 전극라인(22)는 전체적으로 L자 형상을 형성될 수 있다. 이러한 버스바 전극(20)의 선폭은 0.8 ~ 1.2 mm 이다.
도 4를 참고하여 분할하는 단위 셀(10)의 후면에는 분할 셀의 개수에 대응하여 후면 전극(30)이 형성될 수 있다. 후면 전극(30)은 전면에 형성된 버스 바 전극(20)의 전극 패턴과 동일하게 형성될 수 있다. 후면 전극(30)은 다른 단위 셀(10)의 접속 전극라인(22)에 전기적 물리적으로 접속된다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 슁글드 어레이 구조의 태양광 모듈을 형성하기 위하여 분할 단위셀(10)들은 전도성 접착제(50)를 매개로 하여 열처리 공정을 통해 접합될 수 있다. 예를 들어 어느 한 단위 셀(10)의 단변과 다른 단위 셀(10)의 단변을 겹쳐서 스트링 어레이 구조를 만들 수 있는데, 위쪽 단위 셀(10)의 후면 전극(30)과 아래쪽 단위 셀(10)의 버스바 전극(20)의 접속 전극라인(22) 사이에 전도성 접착제(50)를 배치하고 열처리 공정을 통해 접합함으로써 두 개의 단위 셀(10)이 일체화됨과 동시에 핑거 전극(40)에 의해 수집된 전류가 이동하게 되는 전기적 통전 상태가 된다.
앞서 설명한 실시예와 다르게 상대적으로 분할 셀의 크기를 증가시킬 필요가 있는 경우, 버스바 전극(20)의 전극 구조를 변경할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 분할 셀은 반도체 기판을 복수 개로 분할하여 형성할 수 있는데, 분할 개수에 따라 직사각 형태의 단위 셀들이 동일한 모양으로 형성된다. 예를 들어 태양전지 셀은 2개 단위 셀로 분할할 수 있다. 예를 들어 2개 단위 셀(10A)로 분할 시 레이저 스크라이빙을 이용하여 절단선(Ct)을 따라 균등한 크기로 분할할 수 있다. 태양전지 전면에 분할 셀의 개수에 대응하여 버스바 전극(20)과 핑거 전극(40)으로 구성된 전극부재가 형성될 수 있다. 즉 분할된 단위 셀(10A)들은 동일한 크기와 모양을 가지고 동일한 전극 패턴이 형성될 수 있다.
핑거 전극(40)은 분할된 단위 셀(10)의 단변과 평행한 제1 방향을 따라 복수 개가 배치되는데, 핑거 전극(40)의 선폭은 0.08 ~ 0.12 mm 이다.
버스바 전극(20)은 핑거 전극(40)에 의해 수집된 캐리어를 외부의 축전지 등으로 이송시키는 역할을 한다. 버스바 전극(20)은 복수 개의 핑거 전극(40)의 끝을 연결하기 위한 수집 전극라인(21), 다른 단위 셀과 전기적으로 접속하기 위한 접속 전극라인(22)으로 구성된다.
수집 전극라인(21)은 분할된 단위 셀(10)의 장변과 평행한 제2 방향을 따라 연장되고, 접속 전극라인(22)은 수집 전극라인(21)의 끝에서 양쪽으로 분기되어 제1 방향을 따라 연장된다.
수집 전극라인(21)과 접속 전극라인(22)은 분할된 단위 셀(10)의 가장자리를 따라 배치될 수 있는데, 수집 전극라인(21)은 분할하는 단위 셀(10)의 절단선(Ct)과 나란하게 배치되고, 접속 전극라인(22)은 분할하는 단위 셀(10)의 단변과 인접 배치된다.
접속 전극라인(22)이 수집 전극라인(21)의 끝에서 수직으로 양쪽 방향으로 꺽여진 형태로 수집 전극라인(21)과 접속 전극라인(22)는 전체적으로 T자 형상을 형성될 수 있다. 이러한 버스바 전극(20)의 선폭은 0.8 ~ 1.2 mm 이다.
도 8을 참고하여 분할하는 단위 셀(10A)의 후면에는 분할 셀의 개수에 대응하여 후면 전극(30)이 형성될 수 있다. 후면 전극(30)은 전면에 형성된 버스 바 전극(20)의 전극 패턴과 동일하게 형성될 수 있다. 후면 전극(30)은 다른 단위 셀(10A)의 접속 전극라인(22)에 전기적 물리적으로 접속된다.
도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이 슁글드 어레이 구조의 태양광 모듈을 형성하기 위하여 분할 단위셀(10A)들은 전도성 접착제(50)를 매개로 하여 열처리 공정을 통해 접합될 수 있다. 예를 들어 어느 한 단위 셀(10A)의 단변과 다른 단위 셀(10A)의 단변을 겹쳐서 스트링 어레이 구조를 만들 수 있는데, 위쪽 단위 셀(10A)의 후면 전극(30)과 아래쪽 단위 셀(10A)의 버스바 전극(20)의 접속 전극라인(22) 사이에 전도성 접착제(50)를 배치하고 열처리 공정을 통해 접합함으로써 두 개의 단위 셀(10A)이 일체화됨과 동시에 핑거 전극(40)에서 수집된 전류가 이동하게 되는 전기적 통전 상태가 된다.
실시 예에 따른 태양광 모듈의 제조 방법을 도 11에 따라 설명한다.
먼저, 전면에 핑거 전극(40)과 버스바 전극(20)을 형성하고, 후면에 후면 전극(30)을 형성한 태양전지 셀을 준비한다(S10). 여기서 핑거 전극(40)은 분할된 단위 셀의 단변과 평행한 제1 방향을 따라 복수 개가 배치되고, 버스바 전극(20)은 분할된 단위 셀의 장변과 평행한 제2 방향으로 연장되어 복수 개의 핑거 전극의 끝을 연결하는 수집 전극라인(21), 접합하는 다른 단위 셀과 전기적으로 접속하기 위하여 수집 전극라인(21)의 끝에서 분기되어 제1 방향을 따라 연장되는 접속 전극라인(22)을 갖는다.
상기 태양전지 셀은 예를 들어 반도체 기판, 반도체 기판 중에서 빛이 입사되는 입사면인 전면에 형성된 에미터, 에미터 위에 형성된 반사 방지막, 반도체 기판의 전면과 대향하는 후면에 형성된 다수의 보호막(passivation layer), 에미터와 전기적으로 연결된 다수의 버스바 전극(20)과 핑거 전극(40)으로 구성된 전극부재, 다수의 보호막과 반도체 기판 사이에 형성된 일체의 후면 전극(30), 후면 전극(30)과 반도체 기판 사이에 형성된 다수의 후면 전계층을 포함할 수 있다.
상기 반도체 기판은 제1 도전성 타입, 예를 들면 n형 또는 p형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 반도체일 수 있고, 상기 에미터는 반도체 기판의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어 p형 또는 n형의 도전성 타입의 불순물로서, 반도체 기판과 p-n 접합을 형성하게 된다.
상기 반사 방지막은 에미터 위에 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiOx)이 증착되어 형성될 수 있으며, 상기 다수의 보호막은 반도체 기판의 후면에 형성되며, 반도체 기판의 후면 근처에서 전하의 재결합율을 감소시키는 기능을 갖도록 한다.
상기 다수의 버스바 전극(20)과 핑거 전극(40)은 에미터 위에 형성되어 에미터와 전기적으로 연결되고, 서로 이격되게 정해진 방향으로 정렬되고, 에미터 쪽으로 이동한 전하, 예를 들면 핑거 전극(40)이 정공/전자를 수집하여 버스바 전극(20)이 외부 장치(부하)로 출력하는 기능을 가지며, 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어지며, 본 발명에서 버스바 전극(20)과 핑거 전극(40)은 은(Ag)으로 이루어진 구성을 적용한다.
상기 후면 전극(30)은 도전성 물질로 이루어져 있고, 다수의 보호막과 반도체 기판의 후면에 일체로 형성될 수 있으며, 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어지며, 본 발명에서 제조 비용 등을 고려하여 후면 전극(30)은 알루미늄(Al)으로 이루어진 구성을 적용한다.
상기 후면 전계층은 후면 전극(30)과 반도체 기판 사이에 형성될 수 있으며, 기판의 후면 쪽으로의 정공/전자 이동이 방해되어 반도체 기판의 후면에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되는 현상을 방지하는 기능을 갖는다.
다음에, 상기 단계 S10에서 마련된 태양전지 셀을 직사각 형태로 절단하여 복수 개의 단위 셀(10)(10A)로 분할한다(S20).
상기 단계 S20에서의 절단은 예를 들어 나노 세컨드 레이저(532nm, 20ns, 30~100 KHz from coherent)에 의해 실행될 수 있다. 즉 532nm 파장을 사용하는 20ns 레이저에서 평균 파워 10W, 주파수 50 KHz, 스캔 속도 1,300mm/s로 설정하여 실행될 수 있다.
이어서 상기 단계 S20에서 마련된 위쪽 어느 한 단위 셀(10)(10A)의 단변과 아래쪽 다른 단위 셀(10)(10A)의 단변 중 어느 한쪽에 전도성 접착제(50)를 도포하여 슁글드 어레이 구조로 접합한다(S30).
이러한 전도성 접착제(50)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.
상기 단계 S30에서 전도성 접착제의 도포는 마이크로 디스펜서의 니들에서 토출되는 전도성 접착제의 토출량을 제어하여 실행된다. 상술한 전도성 접착제의 도포는 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 전도성 접착제를 250㎛의 직경을 갖는 마이크로 디스펜서의 니들에서 토출량을 RPM의 제어로 실행된다.
상술한 전도성 접착제의 도포는 위쪽 어느 한 단위 셀(10)(10A)의 단변측 후면 전극(30)과 아래쪽 다른 단위 셀(10)(10A)의 단변측 버스바 전극(20)의 접속 전극라인(22) 중 어느 한쪽에 대해 실행되던가 양쪽 모두에 각각 실행될 수 있다. 이러한 도포의 위치 결정은 전도성 접착제의 특성 및 토출량에 따라 결정될 수 있다.
전도성 접착제가 도포되고 슁글드 어레이 구조로 접합되어 태양전지 스트링을 형성하게 된다. 이때 스트링 형성은 25~35초 및 130~150℃의 열처리 조건에서 실행될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 모듈(1)은 복수의 분할된 단일 셀(10-1)을 전도성 접착제(7)(ECA)로 접합하여 슁글드 어레이 구조의 스트링을 형성한다.
전도성 접착제(7)는 전기 전자 제품이나 회로의 배선 접합에 사용하는 전기 전도성을 가진 접착제로, 에폭시 수지에 은 입자를 배합한 것을 사용한다. 이러한 전도성 접착제가 전도성을 발현하는 원리는 접착제 중에 분산되어 있는 전도성 필러가 경화 또는 고화 단계에서 필러와 필러의 접촉이 일어나 전도성을 발현하는 것이다. 또 전도성 접착제는 마이크로 디스펜서를 이용하여 도포하며 니들로부터의 토출량이 일정해야 하고 흘러내리지 않게 된다. 전도성 충진제로는 금, 백금, 은, 구리, 니켈 등의 금속분말, 카본 섬유, 흑연 및 복합 분말 등이 사용될 수 있다.
스트링의 상부에 제1봉지재(4)와 전면 커버(2)를 적층하고 스트링 하부에 제2봉지재(5)와 후면 백시트(3)를 적층하며, 그런 다음 라미네이션 장비를 이용하여 순차적으로 적층된 전체 모듈 구성요소(전면 커버, 제1봉지재, 스트링, 제2봉지재, 후면 백시트)를 일체화하기 위한 라미네이션을 진행하게 된다. 라미네이션 공정은 140 ~ 160℃의 저온에서 실행될 수 있다.
전면 커버(2)는 외부의 충격 등으로부터 태양전지 셀을 보호하는 역할을 한다. 전면 커버(2)의 소재는 ETFE(ethylene tetrafluoroethylene), ECTFE(ethylene chlorotrifluoroethylene), PC(polycarbonate), 아크릴(acrylic) 등 투명 소재가 사용될 수 있다. 전면 커버(2)는 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 가질 수 있고, 설치 환경이나 설계에 따라 사각형이나 원형 등 다양한 모양으로 제조될 수 있다.
후면 백시트(3)는 불소수지 계열의 TPT(Tedlar Polyester Tedlar) 및 PET 타입의 투명한 합성 수지가 사용될 수 있으며, 방수, 절연 및 자외선 차단 등의 기능을 한다.
전면 커버(2)와 후면 백시트(3)의 일측에 보호 필름이 각각 형성될 수 있다. 보호 필름으로는 자외선 차단 필름 등이 사용될 수 있으며 유리를 통해 태양전지 셀로 전달되는 자외선 따위를 차단하여 태양전지 셀의 수명을 늘이는데 도움을 줄 수 있다.
제1 및 제2 봉지재(4)(5)는 태양광 모듈의 수명을 길게 유지하기 위한 소재로 분할 셀(10-1)의 전후면에 위치하여 셀의 파손을 막는 완충제 역할 및 전면 커버(2) 및 후면 백시트(3)를 접착하여 봉입하는데, 봉지재의 소재로는 EVA, POE, Ionomer 등이 사용될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이 태양광 모듈의 형태를 다양하게 설계하기 위하여 태양전지 셀을 여러 조각으로 분할한다. 레이저 스크라이빙을 이용하여 절단선(Ct)을 따라 격자무늬(checkerboard)로 절단하여 다양한 크기의 단위 셀(10-1)로 분할할 수 있다. 예를 들어 분할된 단위 셀(10-1)은 가로 폭(m1)이 3 ~ 50 mm이고, 세로 폭(n1)은 25 ~ 170 mm이다. 태양전지의 전면에 전극부재로서 전면 전극(20)과 핑거 전극(40)이 형성될 수 있으며, 분할된 단위 셀들(10-1)은 거의 동일한 크기와 모양을 가지고 동일한 전극 패턴이 형성될 수 있다.
태양전지 셀은 반도체 기판에 형성된다. 반도체 기판은 제1 도전성 타입, 예를 들면 n형 또는 p형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 반도체일 수 있고, 에미터는 반도체 기판의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어 p형 또는 n형의 도전성 타입의 불순물로서, 반도체 기판과 p-n 접합을 형성하게 된다.
복수의 핑거 전극(40)은 광전 변환된 캐리어(carrier)를 수집하기 위하여 전면 전극(20)에 연결되는데, 각 핑거 전극(40)의 선폭은 0.08 ~ 0.12mm 이다.
전면 전극(20)은 핑거 전극(40)에 의해 수집된 캐리어를 외부의 축전지 등으로 이송시키는 버스 바 전극의 역할을 한다. 전면 전극(20)의 선폭은 0.8 ~ 1.2mm 이다. 전면 전극(20)과 핑거 전극(40)의 소재는 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어지며, 실시 예에서 전면 전극(20)과 핑거 전극(40)은 은(Ag)으로 이루어진다.
도 14를 참고하여, 분할된 단위 셀(10-1)의 후면에는 분할 셀의 개수에 대응하여 후면 전극(30)이 형성될 수 있다. 후면 전극(30)은 전면에 형성된 전극 패턴과 동일하게 형성될 수 있다. 후면 전극(30)은 다른 단위 셀(10-1)의 전면 전극(20)에 전기적 물리적으로 접속된다. 후면 전극(30)의 소재는 도전성 물질로서 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어지며, 실시 예에서 제조 비용 등을 고려하여 후면 전극(30)은 알루미늄(Al)으로 이루어진다.
도 15에 도시된 바와 같이, 슁글드 어레이 구조의 스트링은 복수의 단위 셀(10-1)을 접합하여 형성하는데, 스트링의 양측에 각각 형성된 -전극과 +전극이 외부의 축전지와 전기적으로 연결된다. 여기서 어느 한 단위 셀(10-1)의 단변과 다른 한 단위 셀(10-1)의 단변이 일정 부분이 중첩되고, 스트링의 길이가 확장됨에 따라 단위 셀들(10-1)의 중첩 부분(H1)이 늘어나게 된다.
도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 슁글드 어레이 구조의 스트링을 형성하기 위하여 분할된 단위 셀들(10-1)은 전도성 접착제(7)를 매개로 하여 열처리 공정을 통해 접합될 수 있다. 예를 들어 어느 한 단위 셀(10-1)의 단변과 다른 한 단위 셀(10-1)의 단변을 겹쳐서 스트링을 만들 수 있는데, 서로 마주보고 겹쳐지는 부분(H1)에서 아래쪽 단위 셀(10-1)의 전면 전극(20)과 위쪽 단위 셀(10-1)의 후면 전극(30) 사이에 전도성 접착제(7)를 배치하고 열처리 공정을 통해 접합함으로써 두 개의 단위 셀(10-1)이 일체화됨과 동시에 핑거 전극(40)에서 수집된 전류가 이동하게 되는 전기적 통전 상태가 된다.
실시예에 따른 태양광 모듈은 반투명 고효율 실리콘 태양전지를 이용하여 채광성 확보뿐만 아니라 안정성 면에서도 월등한 창호용으로 적용할 수 있으며, 도 18에 예시한 바와 같이 건물과 차량의 창호에 롤러블하게 구현할 수 있는 양면수광형 태양광 모듈을 제시한다.
도 18에서, 창호형 태양광 모듈은 다양한 모양과 크기에 따라 복수의 스트링(S)을 병렬 연결하여 구성할 수 있다. 각각의 스트링(S)은 슁글드 어레이 구조로 접합된 단위 셀들(10-1)로 구성된다. 스트링(S)의 길이(w1)은 50 ~ 3,000mm이고, 스트링(S)의 폭은 3 ~ 25mm이다. 여기서 각 스트링(S)의 출력 전압은 직렬 연결된 단위 셀들(10-1)의 개수에 대응한다.
스트링(S)의 출력 전압(Vs) = 0.6V × (직렬 연결된 단위 셀의 개수)
창호형 태양광 모듈의 설치 환경을 고려하여 복수의 스트링(S)이 배치될 수 있다. 스트링들(S)간 이격 간격(e1)은 1 ~ 100mm 이고, 각각의 스트링(S) 양측이 -전극과 +전극의 역할을 하며, 이 전극들은 전도성 와이어(110)가 매설된 연결배선(100)을 이용하여 전기적으로 연결된다. 연결배선(100)은 환형의 유연한 재질로 형성될 수 있다. 유연한 재질의 연결배선(100)에 의해 직렬 또는 병렬로 연결되는 스트링(S)의 개수는 2 ~ 200개 이다.
도 19를 참고하여, 전도성 와이어(110)는 단면이 원형으로 전기 전도성이 우수한 도체를 사용할 수 있고, 코어(111)와 보호막(120)으로 이루어진 복합체로 구성할 수 있다.
코어(111)는 구리(Cu)와 알루미늄(Al) 중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다. 보호막(112)은 코어(111)의 표면에 형성되는데 주석(Sn), 고순도 인듐(In), 은(Ag) 중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다. 실시 예에서 코어(111)로서 구리(Cu)를 사용하는 경우 보호막(112)으로서 주석(Sn)을 도금하여 제조하게 된다. 코어(111)의 직경(B1)과 보호막(112)의 두께(C1)는 연결하는 스트링의 전극의 접속 면적과 전기적 특성에 따라 변경할 수 있다. 실시예와 다르게 전도성 와이어(110)가 전도체로서 단일 금속으로 구현할 수도 있다.
유연한 연결배선(100)이 스트링(S) 양측의 전극들에 연결되는 유형은 2종류로 구분할 수 있는데, 전도성 와이어(110)와 단일 셀(10-1)의 전극 사이를 연결하는 전기접속 패턴의 형상에 따라 구분한다. 예를 들어 도 20에 도시된 바와 같이 E 형태의 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어(110)를 사용하는 경우, 전도성 와이어(110)에서 분기된 제1 보조 전도성 와이어(101)가 단일 셀(10-1)의 후면 전극(30)에 직접 접속될 수 있다. 여기서 굵은 전도성 와이어(110)에서 3가닥으로 분기된 가는 제1 보조 전도성 와이어(101)는 각각의 단일 셀(10-1)의 후면 전극(30)에 연결될 수 있다. 분기된 제1 보조 전도성 와이어(101)의 직경(d2)은 후면 전극(30)의 폭과 동일하고, 전도성 와이어(110)의 직경(d1)은 후면 전극(30)의 폭보다 2~4배 굵게 형성할 수 있다.
다른 예로서, 도 21에 도시된 바와 같이 H 형태의 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어(110)를 사용하는 경우, 제1 보조 전도성 와이어(101)를 매개로 제2 보조 전도성 와이어(102)가 단일 셀(10-1)의 후면 전극(30)에 직접 접속될 수 있다. 전도성 와이어(110)와 제2 보조 전도성 와이어(102)가 평행하게 배열되고, 전도성 와이어(110)와 제2 보조 전도성 와이어(102) 사이에 제1 보조 전도성 와이어(101)가 연결된다. 여기서 제1 보조 전도성 와이어(101)의 직경(d2)과 제2 보조 전도성 와이어(102)의 직경(d3)은 후면 전극(30)의 폭과 동일하고, 전도성 와이어(110)의 직경(d1)은 후면 전극(30)의 폭보다 2~4배 굵게 형성할 수 있다.
H 형태의 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어를 이용하여 스트링의 단일 셀과 연결하는 제조 공정을 설명한다. 먼저, 도 22A에 도시된 바와 같이 스트링을 구성하는 단일 셀들(10-1)을 준비하고, 각각의 단일 셀(10-1)의 후면 전극(30)에 전도성 접착제(50)을 도포한다.
그런 다음 도 22B에 도시된 바와 같이 사전 제조된 H 형태의 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어(110)의 제2 보조 전도성 와이어(102)가 전도성 접착제(50)에 배치된 상태에서 열처리를 통해 경화시킨다. 경화 공정은 130 ~ 150℃에서 일정 시간(10초 이하) 수행할 수 있다. 경화 공정이 완료되면 도 22C에 도시된 바와 같이 전도성 와이어(110)와 평행하게 배열된 제2 보조 전도성 와이어(102)는 복수의 스트링을 구성하는 단일 셀들(10-1)을 병렬 연결하여 전기적으로 접속할 수 있다.
도 23에 도시된 바와 같이, 실시 예에 따른 창호형 유연태양광 모듈은 복수의 스트링 번들(G1, G2, G3, G4)을 유연한 전도성 와이어(110A)(110B)로 연결할 수 있다.
각각의 스트링 번들(G1, G2, G3, G4)은 쉐이딩 손실(shading loss)을 줄이기 위하여 복수의 스트링을 병렬 연결하여 구성한다. 스트링의 개수는 설치 면적에 대응하여 태양광 모듈의 출력 전류를 최적화하여 설정하는데, 통상 5~10개 스트링으로 구성할 수 있다.
스트링 번들(G1, G2, G3, G4) 상호간 직렬로 연결하여 확장된 형태의 창호형 유연태양광 모듈을 구현하는데, 앞서 도 20 및 도 21에서 설명한 E형 또는 H형 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어로 연결함으로써 스트링 및 단위 셀의 파손을 최소화할 수 있다.
도 23에 예시한 창호형 유연태양광 모듈은 1㎡ 창호에서 개구율에 따라 출력이 가변될 수 있다. 아래의 표는 개구율에 따른 출력 예상값이다.
태양광모듈 스펙 개구율 출력
-. 1㎡ 창호-. 선탠 창호의 투과율 20~30%-. 단위 셀 5.2W/장 적용시 전체 영역 213.6W 50% 106.9W
40% 128.2W
30% 149.5W
실시 예에 따른 태양광 모듈의 제조 방법을 도 24를 참조하여 설명한다.먼저, 전면에 핑거 전극(40)과 전면 전극(20)을 형성하고, 후면에 후면 전극(30)을 형성한 태양전지 셀을 준비한다(S100). 다음에, 상기 단계 S100에서 마련된 태양전지 셀을 직사각 형태로 절단하여 복수 개의 단위 셀(10-1)로 분할한다(S200). 상기 단계 S200에서의 절단은 예를 들어 나노 세컨드 레이저(532nm, 20ns, 30~100 KHz from coherent)에 의해 실행될 수 있다. 즉 532nm 파장을 사용하는 20ns 레이저에서 평균 파워 10W, 주파수 50 KHz, 스캔 속도 1,300mm/s로 설정하여 실행될 수 있다.
상기 단계 S200에서 마련된 단위 셀들(10-1)을 일부 겹치게 하고 어느 한쪽에 전도성 접착제(7)를 도포하여 슁글드 어레이 구조로 접합하여 스트링을 형성한다(S300). 여기서 전도성 접착제의 도포는 위쪽 어느 한 단위 셀(10-1)의 후면 전극(30)과 아래쪽 다른 단위 셀(10-1)의 전면 전극(20) 중 어느 한쪽에 대해 실행되던가 양쪽 모두에 각각 실행될 수 있다. 전도성 접착제의 도포 위치 결정은 전도성 접착제의 특성 및 토출량에 따라 결정될 수 있다. 전도성 접착제가 도포되면 열처리 공정(25~35초, 130~150℃)에 의해 슁글드 어레이 구조로 접합되어 스트링을 형성하게 된다.
이어서 복수의 스트링(S)을 연결배선(100)으로 연결하여 창호형 유연태양광 모듈을 형성한다(S400). 각각의 스트링(S)의 양측에 형성되는 -전극과 +전극에 전도성 와이어(110)의 일측을 전기적으로 접속한다.
예를 들어 도 20에 도시된 바와 같이 E 형태의 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어(110)를 사용하는 경우, 전도성 와이어(110)에서 분기된 제1 보조 전도성 와이어(101)가 단일 셀(10-1)의 후면 전극(30)에 직접 접속될 수 있다. 여기서 굵은 전도성 와이어(110)에서 3가닥으로 분기된 가는 제1 보조 전도성 와이어(101)는 각각의 단일 셀(10-1)의 후면 전극(30)에 연결될 수 있다. 분기된 제1 보조 전도성 와이어(101)의 직경(d2)은 후면 전극(30)의 폭과 동일하고, 전도성 와이어(110)의 직경(d1)은 후면 전극(30)의 폭보다 2~4배 굵게 형성할 수 있다.
다른 예로서 도 21에 도시된 바와 같이 H형 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어(110)를 사용하는 경우, 제1 보조 전도성 와이어(101)를 매개로 제2 보조 전도성 와이어(102)가 단일 셀(10-1)의 후면 전극(30)에 직접 접속될 수 있다. 전도성 와이어(110)와 제2 보조 전도성 와이어(102)가 평행하게 배열되고, 전도성 와이어(110)와 제2 보조 전도성 와이어(102) 사이에 제1 보조 전도성 와이어(101)가 연결된다. 여기서 제1 보조 전도성 와이어(101)의 직경(d2)과 제2 보조 전도성 와이어(102)의 직경(d3)은 후면 전극(30)의 폭과 동일하고, 전도성 와이어(110)의 직경(d1)은 후면 전극(30)의 폭보다 2~4배 굵게 형성할 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.
본 발명은 태양광 모듈을 제조하는 분야에 적용이 가능하다.

Claims (17)

  1. 태양전지 전면에 분할 셀의 개수에 대응하여 핑거 전극과 버스바 전극으로 구성된 전극부재를 포함하되,
    상기 핑거 전극은 분할된 단위 셀의 단변과 평행한 제1 방향을 따라 복수 개가 배치되고,
    상기 버스바 전극은 분할된 단위 셀의 장변과 평행한 제2 방향으로 연장되어 복수 개의 핑거 전극의 끝을 연결하는 수집 전극라인, 접합하는 다른 단위 셀과 전기적으로 접속하기 위하여 상기 수집 전극라인의 끝에서 분기되어 제1 방향을 따라 연장되는 접속 전극라인을 가지는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접속 전극라인은 분할하는 단위 셀의 단변과 인접 배치되고,
    상기 수집 전극라인은 분할하는 단위 셀의 절단선과 인접 배치되는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접속 전극라인은 수집 전극라인의 끝에서 수직으로 꺽여 상기 버스바 전극이 L자 형상 또는 T자 형상을 형성하고,
    L자 형상의 접속 전극라인 길이는 T자 형상의 접속 전극라인 길이 보다 짧은 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 버스바 전극의 선폭은 0.8 ~ 1.2 mm,
    상기 핑거 전극의 선폭은 0.08 ~ 0.12 mm 인 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분할되는 단위 셀의 단변은 13.3 ~ 66.6 mm 인 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈.
  6. (a) 전면에 핑거 전극과 버스바 전극을 형성하고, 후면에 후면 전극을 형성한 태양전지를 준비하는 단계;
    (b) 레이저 스크라이빙을 이용하여 직사각 형태로 절단하여 복수 개의 단위 셀로 분할하는 단계;
    (c) 분할된 어느 한 단위 셀의 단변과 분할된 다른 단위 셀의 단변을 중첩시키는 슁글드 어레이 구조로 접합하는 단계;를 포함하되,
    상기 (a) 단계에서 상기 핑거 전극은 분할된 단위 셀의 단변과 평행한 제1 방향을 따라 복수 개가 배치되고, 상기 버스바 전극은 분할된 단위 셀의 장변과 평행한 제2 방향으로 연장되어 복수 개의 핑거 전극의 끝을 연결하는 수집 전극라인, 접합하는 다른 단위 셀과 전기적으로 접속하기 위하여 상기 수집 전극라인의 끝에서 분기되어 제1 방향을 따라 연장되는 접속 전극라인을 가지는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 스트링 구조를 갖는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 어느 한 단위 셀의 하면 전극과 다른 단위 셀의 접속 전극라인 사이에 전도성 접착제를 이용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  8. (a) 반도체 기판에 전면 전극, 핑거 전극, 및 후면 전극이 형성된 태양전지 셀을 형성하고, 격자무늬의 절단선을 기준으로 태양전지 셀을 절단하여 복수의 단위 셀로 분할하는 단계;
    (b) 분할된 단위 셀들을 슁글드 방식으로 접합하여 스트링을 형성하는 단계;
    (c) 유연한 연결배선에 매설된 전도성 와이어를 이용하여 복수의 스트링을 연결하여 태양광 모듈을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 태양광 모듈 형성 단계는 스트링 양측에 형성된 단위 셀의 전극에 전도성 접착제를 도포하고, 전도성 와이어를 배치한 상태에서 열처리에 의한 경화 공정을 통해 전기적으로 접속하는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 태양광 모듈 형성 단계에서 전도성 와이어에 의해 연결되는 스트링의 개수는 2 ~ 200개 이고, 스트링들간 이격 간격은 1 ~ 100mm 인 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 태양광 모듈 형성 단계에서 경화 공정의 열처리 온도는 130 ~ 150℃이고, 열처리 시간은 10초 이하인 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 태양광 모듈 형성 단계에서 E형 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어를 적용시 상기 전도성 와이어에서 분기된 3가닥 제1 보조 전도성 와이어가 단위 셀의 전극에 직접 전기접속되고,
    상기 전도성 와이어는 접속되는 단위 셀의 전극보다 2 ~ 4배 굵은 직경으로 형성되고, 상기 제1 보조 전도성 와이어는 단위 셀의 전극과 동일한 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 태양광 모듈 형성 단계에서 H형 전기접속 패턴을 갖는 전도성 와이어를 적용시 전도성 와이어에서 분기된 3가닥 제1 보조 전도성 와이어를 매개로 연결되고 상기 전도성 와이어와 평행하게 배치된 제2 보조 전도성 와이어가 단위 셀의 전극에 전기접속되고,
    상기 전도성 와이어는 접속되는 단위 셀의 전극보다 2 ~ 4배 굵은 직경으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 보조 전도성 와이어는 단위 셀의 전극과 동일한 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 단위 셀 분할 단계에서 격자무늬로 절단되는 단위 셀은 가로 폭이 3 ~ 50 mm 이고, 세로 폭이 3 ~ 50 mm 인 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 스트링 형성 단계에서 단위 셀들의 접합에 의해 형성된 스트링의 길이는 50 ~ 3,000 mm 이고, 스트링의 폭은 3 ~ 25 mm 이고, 스트링의 출력 전압은 직렬 연결된 단위 셀의 개수에 비례하는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 전도성 와이어는 단면이 원형인 도체로서 코어, 코어에 도금된 보호막으로 이루어진 복합체로 구성하되,
    상기 코어는 구리(Cu)를 사용하고, 상기 보호막은 주석(Sn)을 사용하는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 태양광 모듈 형성 단계에서 스트링 번들은 쉐이딩 손실을 줄이기 위하여 병렬 연결하는 스트링 개수를 5~10개로 설정하고, 태양광 모듈의 설치 면적에 따라 확장시 전도성 와이어를 이용하여 스트링 번들 상호간 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법.
  17. 청구항 제8항의 디자이너블 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 디자이너블 슁글드 태양광 모듈.
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