WO2022124489A1 - 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 스트링 및 그 모듈 제조 방법 - Google Patents

길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 스트링 및 그 모듈 제조 방법 Download PDF

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bus bar
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정채환
박민준
윤성민
송진호
문대한
정태웅
김한준
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한국생산기술연구원
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Definitions

  • the present invention can control the length and width of the string constituting the photovoltaic module, and can increase the efficiency of photovoltaic module manufacturing by reducing the number of bonding processes of divided cells when processing a bulk silicon substrate to form a string It relates to a high-power shingled solar string capable of controlling the vortex width and a method for manufacturing the same.
  • silicon bulk photovoltaic modules are being widely used in the field of photovoltaic power generation technology, inorganic (silicon thin film, condensing GaAs, CIGS, perovskite structure), organic, and dye-type solar cells are being researched and developed.
  • BIPV building-integrated solar cell module
  • Building exterior wall type BIPV is largely divided into exterior wall attachment type (WAVA), exterior wall finishing type (Siding PV), and roof type (repurposed PV) that has been used as exterior wall material, and the building embedded exterior wall type BIPV module market is continuously increasing.
  • WAVA exterior wall attachment type
  • iding PV exterior wall finishing type
  • repurposed PV roof type
  • a string is manufactured by bonding a plurality of cells 1 in which a bus bar electrode 2 is formed and divided. Since the length of the module is adjusted to the number of junctions of the cell 1, and the bus bar electrode 2 formed on the long side of the cell is constant, there is a problem in that the workability is poor when applied as a building exterior material.
  • a method for manufacturing a high-power shingled solar module capable of controlling length and width, comprising the steps of: (a) preparing a bulk silicon substrate on which a bus bar electrode and a finger electrode are formed; (b) first cutting the bulk silicon substrate along a first cutting line parallel to the bus bar electrode using laser scribing to divide it into unit cells; (c) forming a bonded substrate for intermediate processing by shingled bonding a plurality of unit cells corresponding to the length of the string; (d) seating the bonded substrate for intermediate processing on a substrate fixing jig, and secondarily cutting the bonded substrate for intermediate processing along a second cutting line perpendicular to the bus bar electrode using laser scribing to form a string; and (e) laminating a surface of the plurality of strings with a protective member to form a solar module; including, wherein the first cut line is set to correspond to an interval between the bus bar electrodes, and the second cut line is
  • first cutting line and the second cutting line are formed on the bulk silicon substrate.
  • the primary cutting, bonding, and secondary cutting are performed.
  • the second cutting line is formed using laser scribing.
  • the substrate fixing jig is characterized in that it is provided with a plate having a step formed on the surface of the body corresponding to the shape of the bonded substrate for intermediate processing, or is fixed using a holder for fixing one side of the bonded substrate for intermediate processing.
  • a high-output shingled solar string capable of controlling length and width according to the present invention for achieving the above object is a solar string constituting a solar module, wherein the solar string is parallel to a bus bar electrode formed on a bulk silicon substrate
  • a bonded substrate for intermediate processing obtained by shingled bonding of unit cells cut along the first cut line is formed by cutting along a second cut line perpendicular to the bus bar electrode, wherein the first cut line is at an interval between the bus bar electrodes. It is set correspondingly, and the second cutting line is characterized in that it is set to correspond to the string width constituting the solar module.
  • the cells obtained by first cutting the bulk silicon substrate are joined in a shingled manner to form a bonded substrate for intermediate processing, and a string is formed through a process of secondary cutting of the bonded substrate for intermediate processing.
  • the length and width of the string constituting the solar module can be controlled, so that it can be used for exterior wall and window replacement facilities of buildings, agricultural facilities, urban distributed power sources, solar soundproof walls, soundproof tunnels, and the like.
  • FIG. 1 is a view showing a method of manufacturing a conventional shingled solar string
  • FIG. 2 is a view showing a process of forming first and second cutting lines on a bulk silicon substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view showing a process of forming a unit cell by cutting along a first cutting line with respect to a bulk silicon substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view showing a process of shingled bonding unit cells according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a method of setting a second cutting line for cutting a shingled bonded intermediate processing bonding substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a view showing a process of seating the shingled bonded intermediate processing bonding substrate according to an embodiment of the present invention on a substrate fixing jig;
  • FIG. 7 is a view showing a process of fixing a shingled bonded intermediate processing substrate using a substrate fixing jig and a holder according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a view showing a process of forming a string by cutting a shingled bonded intermediate processing substrate for intermediate processing according to an embodiment of the present invention along a second cutting line;
  • FIG. 9 is a view showing a process of forming a string by cutting along a second cutting line corresponding to a width set for a shingled bonded intermediate processing bonding substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a view for explaining the structure of a solar module according to the prior art and an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a prototype image of a high-power shingled solar string capable of controlling length and width according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a performance test graph for the prototype of FIG. 11;
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a high-output shingled solar module capable of controlling length and width according to an embodiment of the present invention.
  • the length and width of the string constituting the photovoltaic module can be controlled, and when the bulk silicon substrate is processed to form the string, the number of bonding processes of divided cells is reduced, thereby increasing the efficiency of photovoltaic module manufacturing. can be raised
  • the bulk silicon substrate is targeted, but the present invention is not limited thereto, and a string can be formed by bonding the divided cells in a shingled manner, and it can be applied to any solar cell capable of generating solar power.
  • a bulk silicon substrate 100 having a bus bar electrode 120 and a finger electrode 121 formed on the entire surface is used as a raw material for the solar module.
  • a plurality of finger electrodes 121 are arranged in a direction perpendicular to the bus bar electrode 120 , and one side is connected to the bus bar electrode 120 .
  • the finger electrode 121 collects photoelectrically converted carriers and has a line width of 0.08 to 0.12 mm.
  • the bus bar electrode 120 serves to transfer the carrier collected by the finger electrode 121 to an external storage battery or the like.
  • a shingled photovoltaic module can be constructed by bonding cells of a basic unit.
  • a basic unit in order to divide the fragment cell 100-1 having a predetermined length in the x-axis direction and a predetermined width in the y-axis direction, a bulk silicon substrate With respect to 100 , it may be cut along the first cut line L1 parallel to the bus bar electrode 120 and cut again along the second cut line L2 perpendicular to the bus bar electrode 120 .
  • the bonding process increases in proportion to the number of divided operation cells, which is a factor in reducing the efficiency of solar module manufacturing.
  • the length and width of a string can be varied through a processing process of primary cutting, bonding, and secondary cutting of the bulk silicon substrate, and furthermore, it is possible to increase the efficiency of solar module manufacturing by shortening the cell bonding process. let it be
  • the bulk silicon substrate 100 is cut along the first cutting line L1 .
  • the first cutting line L1 is set to be parallel to the bus bar electrode 120 , and the interval of the first cutting line L1 corresponds to the interval of the bus bar electrode 120 .
  • a plurality of unit cells 101 of equal size are obtained by primary cutting along the first cutting line L1 using laser scribing.
  • the laser scribing process conditions can be executed by setting an average power of 10W, a frequency of 50 KHz, and a scan speed of 1,300mm/s in a 20ns laser using a 532nm wavelength.
  • Each unit cell 101 has a bus bar electrode 120 disposed on the front edge of the cell, a plurality of finger electrodes 121 connected to each bus bar electrode 120 , and a rear electrode 140 formed on the rear surface of the cell.
  • the divided plurality of unit cells 101 are bonded in a shingled manner via the conductive adhesive 150, and a bonded substrate 100A for intermediate processing bonded in this shingled manner is obtained.
  • the bus bar electrode 120 formed on the front surface of one divided unit cell 101 and the rear electrode 140 of the other divided unit cell 101 are overlapped, and a conductive adhesive ( 150) through a heat treatment process.
  • the bonding process may be performed under heat treatment conditions of 25 to 35 sec and 130 to 150 °C.
  • the conductive adhesive 150 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), as electrical properties, volume resistivity of 0.0025 ⁇ cm, curing temperature of 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 second cutting line L2 for equally dividing the bonded substrate 100A for intermediate processing to which the single cell 101 is bonded in a shingled manner into five is secondarily cut.
  • the second cutting line L2 is set to correspond to the string width constituting the photovoltaic module, and is for cutting in a direction perpendicular to the bus bar electrode 120 .
  • a substrate fixing jig is used as a method of stably cutting by scanning a laser using laser scribing.
  • the substrate fixing jig 10 has a step formed on the body surface corresponding to the shape of the facing bonding substrate 100A for intermediate processing. The cutting process can be performed in a state in which the bonded substrate 100A for intermediate processing is seated using the substrate fixing jig 10 .
  • the substrate fixing jig 20 of another embodiment further includes a holder 21 for fixing one side of the bonding substrate 100A for intermediate processing, and the holder 21 is a predetermined height from the jig body.
  • One side of the bonding substrate 100A for intermediate processing in the can be fixed.
  • a plurality of strings 102 are obtained when the secondary cutting is equally divided into five, and each string 102 has five pieces of cells 100-1 having a predetermined width W5. It becomes a shingled jointed structure.
  • the length of the string 102 increases or decreases according to the number of single cells 101 to be shingled as described with reference to FIG. 3 , and the width of the string 102 is set by the second cutting line L2.
  • the secondary cutting is not performed with respect to the bonding substrate 100A for intermediate processing, and has a string width W1 corresponding to the length of the bus bar electrode 120 .
  • FIG. 9 (b) is a case in which secondary cutting is performed equally divided into three on the bonded substrate 100A for intermediate processing, and is narrower than the length of the bus bar electrode 120 and the string width W5 equally divided into five ) has a wider string width (W3).
  • the string width can be varied by cutting along the second cutting line corresponding to the width set for the shingled bonded intermediate processing bonding substrate 100A according to the embodiment of the present invention, so that it is possible to produce a designer solar module. can be used appropriately.
  • Fig. 10 (a) when manufacturing a solar module with a width of 1400 mm and a length of 400 mm, the width and length of the cell 3 are reduced because the module is constructed by connecting cells 3 of a certain size that are not divided in the prior art. Failure to do so will result in poor constructability.
  • a photovoltaic module of the same size when constructing a photovoltaic module of the same size, it can be configured by connecting a plurality of strings 102 that can be adjusted in length and width, so that the constructability is excellent.
  • the raw material (bulk silicon substrate) of the prototype has five first cut lines (L1) and five second cut lines (L2). ) is formed.
  • the first and second cutting lines L1 and L2 correspond to the process of digging a groove of a certain depth on the surface of the substrate, and thereafter, according to the corresponding cutting lines in the first and second cutting processes, cutting equipment such as a punch Cells can be divided and cleaved using a group.
  • the single cells 101 and 101a are obtained by equally dividing into five along the first cutting line L1.
  • the unit cells 101 are shingled to form a bonded substrate 100A for intermediate processing.
  • the left side is the front image 101 of the substrate 100A and the right side is the substrate 100A back image 101a, which is obtained by shingled bonding of ten divided cells 101.
  • an open circuit voltage (Voc) of 6.697V, a short circuit current (Isc) of 1.842A, a measured power (Pm) of 8.396W, and a curve factor (FF) of 0.681 were obtained as shown in FIG. 12 (a).
  • a string is obtained by dividing the bonded substrate 100A for intermediate processing along the laser scanning direction, which is a second cutting line perpendicular to the bus bar electrode. It can be seen from FIG. 11 (d) that the ten-piece cells are shingled in the front image 102 and the back image 102a of the string.
  • an open circuit voltage (Voc) of 6.678V, a short circuit current (Isc) of 0.364A, a measured power (Pm) of 1.920W, and a curve factor (FF) of 0.787 were obtained as shown in FIG. 12(b).
  • a module prototype 103 is obtained by connecting the three strings 102 divided in FIG. 11 (e), and as a result of a performance test on this module prototype, an open circuit voltage (Voc) 19.7V, short circuit as shown in FIG. 12 (c) A current (Isc) of 0.3557A, a measured power (Pm) of 5.382W, and a curve factor (FF) of 0.768 were obtained.
  • the curve factor (FF) 0.768 which is a characteristic evaluation parameter for this module prototype, it can be confirmed that it is possible to manufacture a high-power solar module.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a high-output shingled solar module capable of controlling length and width according to an embodiment of the present invention.
  • the bulk silicon substrate 100 on which the bus bar electrode 120 and the finger electrode 121 are formed is prepared (S10).
  • the bulk silicon substrate 100 is first cut along the first cutting line L1 parallel to the bus bar electrode 120 by using laser scribing to divide it into unit cells 101 ( S20 ).
  • the laser scribing process conditions 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.
  • the first cutting line L1 and the second cutting line L2 for cutting using laser scribing were separately formed, but with respect to the bulk silicon substrate 100, the first cutting line L1 and After forming the second cutting line L2 at once, the primary cutting, shingled bonding, and secondary cutting may be performed.
  • a plurality of unit cells 101 are shingled according to the string length to form a bonded substrate 100A for intermediate processing ( S30 ).
  • the bus bar electrode 120 formed on the front surface of one of the divided unit cells 101 and the rear electrode 140 of the other divided unit cell 101 are overlapped, and the overlapping portion is formed.
  • the conductive adhesive 150 is interposed and joined by a heat treatment process.
  • the bonding process may be performed under heat treatment conditions of 25 to 35 sec and 130 to 150 °C.
  • the bonding substrate 100A for intermediate processing is seated on the substrate fixing jigs 10 and 20, and for intermediate processing along the second cutting line L2 perpendicular to the bus bar electrode 120 using laser scribing.
  • a string 102 is formed by second cutting the bonded substrate 100A ( S40 ).
  • the second cutting line L2 is set to correspond to the width of the string constituting the solar module.
  • a photovoltaic module is formed by laminating the surface of the plurality of strings 102 with a transparent protective member (S50).
  • a transparent protective member S50
  • 5mm thick glass, ETFE (ultra-thin fluororesin film), etc. were used as the transparent protective member, but it is not limited thereto, and is coated on the front and rear surfaces of the 0.2mm thick cell string 110 to prevent external impact and penetrate foreign substances. Any protective element to prevent
  • the present invention can increase the efficiency of solar module manufacturing by reducing the number of bonding processes of divided cells when forming a string constituting a solar module, and can control the length and width of the string, so it is possible to replace the exterior wall and window of a building , agricultural equipment, urban distributed power supply, solar power soundproof wall, soundproof tunnel, etc.

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Abstract

길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 스트링 및 그 모듈 제조 방법이 개시된다. 고출력 슁글드 태양광 모듈 제조 방법은, 레이저 스크라이빙을 이용하여 버스바 전극과 나란한 제1절단선을 따라 벌크 실리콘 기판을 1차 절단하여 단위 셀로 분할하고, 스트링 길이에 대응하여 복수개의 단위 셀을 슁글드 접합하여 중간 가공용 접합 기판을 형성하며, 기판 고정지그에 안착된 중간 가공용 접합 기판을 버스바 전극과 수직하고 스트링 폭에 대응하여 설정된 제2절단선을 따라 2차 절단하여 스트링을 형성하고, 복수개 스트링의 표면에 보호부재로 라미네이팅하여 태양광 모듈을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 스트링 및 그 모듈 제조 방법
본 발명은 태양광 모듈을 구성하는 스트링의 길이와 폭을 제어할 수 있고, 벌크 실리콘 기판을 가공하여 스트링을 형성 시 분할된 셀의 접합공정 횟수를 줄여 태양광 모듈 제작의 효율성을 높일 수 있는 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 스트링 및 그 모듈 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 연구 개발되고 있다.
최근 에너지 및 환경 문제로 인하여 건축물의 외벽 및 창호 대체용으로 사용할 수 있는 건물일체형 태양전지 모듈(BIPV)을 제조함으로써 태양전지의 발전 전력을 이용할 수 있도록 하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
건물 외벽형 BIPV는 크게 외벽부착형(WAVA), 외벽마감형(Siding PV), 및 외벽재로 용도 변경된 지붕형(Repurposed PV)이 있으며, 건물 임베디드 외벽형 BIPV 모듈 시장이 지속적으로 증가하는 추세이다. 이러한 배경하에서 건물의 부위에 따라 다양한 구조와 형태에 적합한 디자이너블한(designable) 태양광 모듈의 수요가 늘어나는 실정이며, 건물 외장재로서 입면과 지붕에 적용하도록 길이와 폭을 가변할 수 있는 고출력 슁글드 방식 태양광 모듈이 요구되고 있다.
종래의 태양광 모듈 제작하기 위한 스트링 제조 공정은 도 1에 도시된 바와 같이, 버스바 전극(2)이 형성되고 분할된 복수개 셀(1)을 접합하여 스트링을 제조한다. 셀(1)의 접합 개수에 모듈 길이를 조절할 뿐, 셀의 장변에 형성된 버스바 전극(2)은 일정하기 때문에 건물 외장재로 적용시 시공성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 태양광 모듈을 구성하는 스트링의 길이와 폭을 제어할 수 있고, 벌크 실리콘 기판을 가공하여 스트링을 형성 시 분할된 셀의 접합공정 횟수를 줄여 태양광 모듈 제작의 효율성을 높일 수 있는 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 스트링 및 그 모듈 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 모듈 제조 방법은, (a) 버스바 전극과 핑거 전극이 형성된 벌크 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 레이저 스크라이빙을 이용하여 버스바 전극과 나란한 제1절단선을 따라 벌크 실리콘 기판을 1차 절단하여 단위 셀로 분할하는 단계; (c) 스트링 길이에 대응하여 복수개의 단위 셀을 슁글드 접합하여 중간 가공용 접합 기판을 형성하는 단계; (d) 기판 고정지그에 중간 가공용 접합 기판을 안착시키고, 레이저 스크라이빙을 이용하여 버스바 전극과 수직한 제2절단선을 따라 중간 가공용 접합 기판을 2차 절단하여 스트링을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 복수개 스트링의 표면에 보호부재로 라미네이팅하여 태양광 모듈을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 제1절단선은 상기 버스바 전극들의 간격에 대응하여 설정되고, 상기 제2절단선은 상기 태양광 모듈을 구성하는 스트링 폭에 대응하여 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벌크 실리콘 기판에 제1절단선과 제2절단선을 형성한 후 1차 절단과 접합 및 2차 절단을 실행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벌크 실리콘 기판을 단위 셀로 분할한 후 레이저 스크라이빙을 이용하여 제2절단선을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판 고정지그는 중간 가공용 접합 기판의 형상에 대응하여 몸체 표면에 단차가 형성된 플레이트를 구비하거나, 중간 가공용 접합 기판의 일측을 고정하는 홀더를 이용하여 고정하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 스트링은, 태양광 모듈을 구성하는 태양광 스트링으로서, 상기 태양광 스트링은 벌크 실리콘 기판에 형성된 버스바 전극과 나란한 제1절단선을 따라 절단된 단위 셀을 슁글드 접합한 중간 가공용 접합 기판을 버스바 전극과 수직한 제2절단선을 따라 절단하여 형성하되, 상기 제1절단선은 상기 버스바 전극들의 간격에 대응하여 설정되고, 상기 제2절단선은 상기 태양광 모듈을 구성하는 스트링 폭에 대응하여 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 벌크 실리콘 기판을 1차 절단한 셀들을 슁글드 방식으로 접합하여 중간 가공용 접합 기판을 형성하고, 이 중간 가공용 접합 기판에 대해 2차 절단하는 공정을 통하여 스트링을 형성하기 때문에 셀의 접합공정 횟수가 줄어 태양광 모듈 제작의 효율성을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면 태양광 모듈을 구성하는 스트링의 길이와 폭을 제어할 수 있어 건물의 외벽과 창호 대체설비, 영농설비, 도심 분산전원용, 태양광 방음벽, 방음터널용 등에 사용할 수 있다.
도 1은 종래의 슁글드 태양광 스트링의 제조 방법을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예예 따른 벌크 실리콘 기판에 제1 및 제2절단선을 형성하는 과정을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 벌크 실리콘 기판에 대해 제1절단선을 따라 절단하여 단위 셀을 형성하는 과정을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단위 셀을 슁글드 접합하는 과정을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 접합된 중간 가공용 접합 기판을 절단하기 위한 제2절단선의 설정 방법을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 접합된 중간 가공용 접합 기판을 기판 고정지그에 안착하는 과정을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 접합된 중간 가공용 접합 기판을 기판 고정지그와 홀더를 이용하여 고정하는 과정을 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 접합된 중간 가공용 접합 기판을 제2절단선을 따라 절단하여 스트링을 형성하는 과정을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 접합된 중간 가공용 접합 기판에 대해 설정된 폭에 대응하는 제2절단선에 따라 절단하여 스트링을 형성하는 과정을 나타내는 도면,
도 10은 종래기술과 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈 구조를 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 스트링에 대한 시제품 이미지,
도 12는 도 11의 시제품에 대한 성능 시험 그래프,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 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.
본 발명의 실시예에 따르면 태양광 모듈을 구성하는 스트링의 길이와 폭을 제어할 수 있고, 벌크 실리콘 기판을 가공하여 스트링을 형성 시 분할된 셀의 접합공정 횟수를 줄여 태양광 모듈 제작의 효율성을 높일 수 있다. 실시예에서 벌크 실리콘 기판을 대상으로 하였으나, 이에 한정하는 것은 아니며 분할 셀을 슁글드 방식으로 접합하여 스트링을 형성할 수 있고 태양발전이 가능한 어떠한 태양전지 셀에 적용할 수 있다.
도 2 (a)에 도시한 바와 같이 태양광 모듈의 원재료로서 버스바 전극(120)과 핑거 전극(121)이 전면에 형성된 벌크 실리콘 기판(100)을 사용한다. 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.
슁글드 방식 태양광 모듈은 기본 단위의 셀을 접합하여 구성할 수 있다. 예를 들어 도 2 (b)에서 조각 셀(100-1)이 기본 단위인 경우 x축 방향으로 일정 길이와 y축 방향으로 일정 폭을 갖는 조각 셀들(100-1)로 분할하려면, 벌크 실리콘 기판(100)에 대해 버스바 전극(120)과 나란한 제1절단선(L1)에 따라 절단하고 버스바 전극(120)에 수직한 제2절단선(L2)에 따라 다시 절단할 수 있다. 이 기본 단위인 복수개 조각 셀(100-1)을 접합하여 스트링을 제작시 분할된 조작 셀의 개수에 비례하여 접합 공정이 증가하고 이는 태양광 모듈 제작의 효율성 저하 요인이 된다.
본 발명의 실시예에서는 벌크 실리콘 기판에 대해 1차 절단과 접합 및 2차 절단하는 가공 공정을 통하여 스트링의 길이와 폭을 가변하고, 나아가 셀 접합 공정을 단축하여 태양광 모듈 제작의 효율성을 높일 수 있도록 한다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 벌크 실리콘 기판(100)에 대해 제1절단선(L1)을 따라 절단한다. 제1절단선(L1)은 버스바 전극(120)과 나란하게 설정하며, 제1절단선(L1)의 간격은 버스바 전극(120)의 간격에 대응된다. 레이저 스크라이빙을 이용하여 제1절단선(L1)을 따라 1차 절단하여 균등한 크기의 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.
그런 다음 도 4에 도시된 바와 같이, 분할된 복수개 단위 셀(101)은 전도성 접착제(150)를 매개로 슁글드 방식으로 접합되고, 이 슁글드 방식으로 접합된 중간 가공용 접합 기판(100A)을 얻는다. 예를 들어 분할된 어느 하나의 단위 셀(101)의 전면에 형성된 버스바 전극(120)과 분할된 다른 하나의 단위 셀(101)의 후면 전극(140)을 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 5에 도시된 바와 같이 단일 셀(101)이 슁글드 방식으로 접합된 중간 가공용 접합 기판(100A)을 5개로 균등 분할하기 위한 제2절단선(L2)에 따라 2차 절단한다. 제2절단선(L2)은 태양광 모듈을 구성하는 스트링 폭에 대응하여 설정하며, 버스바 전극(120)에 수직 방향으로 절단하기 위한 것이다.
슁글드 방식으로 접합된 중간 가공용 접합 기판(100A)의 하면은 계단 형태로 고르지 않기 때문에, 레이저 스크라이빙을 이용하여 레이저를 주사하여 안정적으로 절단하는 방법으로 기판 고정 지그를 이용한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 기판 고정지그(10)는 대면하는 중간 가공용 접합 기판(100A)의 형상에 대응하여 몸체 표면에 단차가 형성된다. 이 기판 고정지그(10)를 이용하여 중간 가공용 접합 기판(100A)을 안착시킨 상태에서 절단 공정을 실행할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 다른 실시예의 기판 고정지그(20)는 중간 가공용 접합 기판(100A)의 일측을 고정하는 홀더(21)를 더 포함하고, 이 홀더(21)는 지그 몸체로부터 일정 높이에 있는 중간 가공용 접합 기판(100A)의 일측을 고정할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 2차 절단하여 5개로 균등 분할시 복수개 스트링(102)이 얻어지고, 각각의 스트링(102)은 일정 폭(W5)을 갖는 5개 조각 셀(100-1)이 슁글드 접합된 구조가 된다.
스트링(102)의 길이는 도 3을 참고하여 설명한 바와 같이 슁글드 접합되는 단일 셀(101)의 개수에 대응하여 증감하고, 스트링(102)의 폭은 제2절단선(L2)에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어 도 9 (a)는 중간 가공용 접합 기판(100A)에 대해 2차 절단을 실행하지 않은 경우로서 버스바 전극(120)의 길이에 대응하는 스트링 폭(W1)을 가진다. 다른 예로서 도 9 (b)는 중간 가공용 접합 기판(100A)에 대해 3개로 균등 분할하는 2차 절단을 실행한 경우로서 버스바 전극(120)의 길이보다 좁고 5개로 균등 분할한 스트링 폭(W5)보다 넓은 스트링 폭(W3)을 가진다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 접합된 중간 가공용 접합 기판(100A)에 대해 설정된 폭에 대응하는 제2절단선에 따라 절단하여 스트링 폭을 가변할 수 있어 디자이너블한 태양광 모듈 제작에 적합하게 사용할 수 있다. 도 10 (a)에 도시된 바와 같이 가로 1400mm, 세로 400mm 로 태양광 모듈 제작시 종래기술에서는 분할되지 않은 일정 크기의 셀(3)을 연결하여 모듈 구성하기 때문에 셀(3)의 폭과 길이가 맞지 않아 시공성이 떨어진게 된다.
실시예에 따르면 도 10 (b)에 도시된 바와 같이, 동일한 크기의 태양광 모듈을 구성시 길이와 폭 조절이 가능한 복수개 스트링(102)을 연결하여 구성할 수 있어 시공성이 우수하다.
도 11 (a)에서 전면 이미지(100) 및 후면 이미지(100a)로부터 알 수 있는 바와 같이 시제품의 원재료(벌크 실리콘 기판)에는 5개 제1절단선(L1)과 5개 제2절단선(L2)이 형성되어 있다. 이 제1 및제2절단선(L1)(L2)은 기판 표면에 일정 깊이의 홈을 파는 공정에 해당하며, 이후 1차 절단과 2차 절단 공정에서 해당하는 절단선에 따라 절단장비 예를 들어 펀치기를 이용하여 셀을 분할 절단할 수 있다. 도 11 (b)에 도시된 바와 같이 제1절단선(L1)에 따라 5개로 균등 분할하여 단일 셀(101)(101a)을 얻는다.
그런 다음, 단위 셀(101)을 슁글드 접합하여 중간 가공용 접합 기판(100A)을 형성한다. 도 11 (c)에서 좌측은 기판(100A) 전면 이미지(101)이고 우측은 기판(100A) 후면 이미지(101a)로서 10개의 분할 셀(101)을 슁글드 접합하여 얻는다. 이 시제품에 대해 성능 시험한 결과 도 12 (a)와 같이 개방전압(Voc) 6.697V, 단락전류(Isc) 1.842A, 측정 전력(Pm) 8.396W, 곡선인자(FF) 0.681 를 얻었다.
중간 가공용 접합 기판(100A)에 대해 버스바 전극에 수직한 제2절단선인 레이저 주사 방향을 따라 분할하여 스트링을 얻는다. 도 11 (d)에서 스트링의 전면 이미지(102)와 후면 이미지(102a)에서 10개 조각 셀이 슁글드 접합된 구조임을 알 수 있다. 이 시제품에 대해 성능 시험한 결과 도 12 (b)와 같이 개방전압(Voc) 6.678V, 단락전류(Isc) 0.364A, 측정 전력(Pm) 1.920W, 곡선인자(FF) 0.787 를 얻었다.
도 11 (e)에서 분할된 3개 스트링(102)을 연결하여 모듈 시제품(103)을 얻고, 이 모듈 시제품에 대해 성능 시험한 결과 도 12 (c)와 같이 개방전압(Voc) 19.7V, 단락전류(Isc) 0.3557A, 측정 전력(Pm) 5.382W, 곡선인자(FF) 0.768 를 얻었다. 이 모듈 시제품에 대한 특성 평가 파라미터인 곡선인자(FF) 0.768 로서 고출력 태양광 모듈 제조가 가능함을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 버스바 전극(120)과 핑거 전극(121)이 형성된 벌크 실리콘 기판(100)을 준비한다(S10).
레이저 스크라이빙을 이용하여 버스바 전극(120)과 나란한 제1절단선(L1)을 따라 벌크 실리콘 기판(100)을 1차 절단하여 단위 셀(101)로 분할한다(S20). 레이저 스크라이빙 공정조건은 532nm 파장을 사용하는 20ns 레이저에서 평균 파워 10W, 주파수 50 KHz, 스캔 속도 1,300mm/s 로 설정하여 실행시킬 수 있다. 실시예에서 레이저 스크라이빙을 이용하여 절단하기 위한 제1절단선(L1)과 제2절단선(L2)을 개별적으로 형성하였으나, 벌크 실리콘 기판(100)에 대해 제1절단선(L1)과 제2절단선(L2)을 일괄적으로 형성한 후 1차 절단과, 슁글드 접합 및 2차 절단을 실행할 수도 있다.
다음, 스트링 길이에 대응하여 복수개의 단위 셀(101)을 슁글드 접합하여 중간 가공용 접합 기판(100A)을 형성한다(S30). 이러한 슁글드 접합 공정은 분할된 어느 하나의 단위 셀(101)의 전면에 형성된 버스바 전극(120)과 분할된 다른 하나의 단위 셀(101)의 후면 전극(140)을 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.
다음, 기판 고정지그(10)(20)에 중간 가공용 접합 기판(100A)을 안착시키고, 레이저 스크라이빙을 이용하여 버스바 전극(120)과 수직한 제2절단선(L2)을 따라 중간 가공용 접합 기판(100A)을 2차 절단하여 스트링(102)을 형성한다(S40). 이 제2절단선(L2)은 태양광 모듈을 구성하는 스트링 폭에 대응하여 설정된다.
다음, 복수개 스트링(102)을 연결하고, 복수개 스트링(102)의 표면에 투명한 보호부재로 라미네이팅하여 태양광 모듈을 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.
본 발명은 태양광 모듈을 구성하는 스트링을 형성 시 분할된 셀의 접합공정 횟수를 줄여 태양광 모듈 제작의 효율성을 높일 수 있고, 스트링의 길이와 폭을 제어할 수 있어 건물의 외벽과 창호 대체설비, 영농설비, 도심 분산전원용, 태양광 방음벽, 방음터널용 등에 사용할 수 있다.

Claims (5)

  1. (a) 버스바 전극과 핑거 전극이 형성된 벌크 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    (b) 레이저 스크라이빙을 이용하여 버스바 전극과 나란한 제1절단선을 따라 벌크 실리콘 기판을 1차 절단하여 단위 셀로 분할하는 단계;
    (c) 스트링 길이에 대응하여 복수개의 단위 셀을 슁글드 접합하여 중간 가공용 접합 기판을 형성하는 단계;
    (d) 기판 고정지그에 중간 가공용 접합 기판을 안착시키고, 레이저 스크라이빙을 이용하여 버스바 전극과 수직한 제2절단선을 따라 중간 가공용 접합 기판을 2차 절단하여 스트링을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 복수개 스트링의 표면에 보호부재로 라미네이팅하여 태양광 모듈을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 제1절단선은 상기 버스바 전극들의 간격에 대응하여 설정되고,
    상기 제2절단선은 상기 태양광 모듈을 구성하는 스트링 폭에 대응하여 설정되는 것을 특징으로 하는 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 모듈 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벌크 실리콘 기판에 제1절단선과 제2절단선을 형성한 후 1차 절단과 접합 및 2차 절단을 실행하는 것을 특징으로 하는 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 모듈 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벌크 실리콘 기판을 단위 셀로 분할한 후 레이저 스크라이빙을 이용하여 제2절단선을 형성하는 것을 특징으로 하는 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 모듈 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판 고정지그는 중간 가공용 접합 기판의 형상에 대응하여 몸체 표면에 단차가 형성된 플레이트를 구비하거나, 중간 가공용 접합 기판의 일측을 고정하는 홀더를 이용하여 고정하는 것을 특징으로 하는 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 모듈 제조 방법.
  5. 태양광 모듈을 구성하는 태양광 스트링으로서,
    상기 태양광 스트링은 벌크 실리콘 기판에 형성된 버스바 전극과 나란한 제1절단선을 따라 절단된 단위 셀을 슁글드 접합한 중간 가공용 접합 기판을 버스바 전극과 수직한 제2절단선을 따라 절단하여 형성하되,
    상기 제1절단선은 상기 버스바 전극들의 간격에 대응하여 설정되고,
    상기 제2절단선은 상기 태양광 모듈을 구성하는 스트링 폭에 대응하여 설정되는 것을 특징으로 하는 길이와 폭 제어가 가능한 고출력 슁글드 태양광 스트링.
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