KR101941237B1 - 태양 전지 셀 어레이, 태양 전지 모듈, 그리고 이의 제조 방법 - Google Patents

태양 전지 셀 어레이, 태양 전지 모듈, 그리고 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 셀 어레이는, 다수의 단위 태양 전지; 및 상기 다수의 단위 태양 전지의 버스 전극에 상온 접합하여 상기 다수의 단위 태양 전지를 전기적으로 서로 연결하는 메탈 리본을 포함한다. 상기 메탈 리본 또는 상기 버스 전극은 표면에 액체 금속을 이용하며 열처리되는 페이스트층을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

태양 전지 셀 어레이, 태양 전지 모듈, 그리고 이의 제조 방법{Solar cell array, Solar cell module and Method for manufacturing the same}
본 발명의 태양 전지 모듈에 관한 것으로서, 더 상세하게는 메탈 리본과 버스 전극을 접합시킬 때 재료간의 열팽창 계수 차이로 인한 태양 전지 휨 현상을 제거하는 태양 전지 셀 어레이, 태양 전지 모듈, 그리고 이의 제조 방법에 대한 것이다.
특히, 본 발명은 액체 금속을 이용하여 단위 태양 전지들을 연결하는 태양 전지 셀 어레이, 태양 전지 모듈, 그리고 이의 제조 방법에 대한 것이다.
일반적인 결정질 실리콘 단위 태양 전지의 전면부(미도시)는 음극 전극이, 후면부(미도시)는 양극 전극이 배치된다.
그런데, 단위 태양 전지 하나의 전압은 약 0.65 V 정도이기 때문에 배터리들을 직렬로 연결시켜 전압을 높이듯이 단위 태양 전지들을 직렬로 연결시켜 출력전압을 높인다. 부연하면, 단위 태양 전지의 전면 버스 전극과, 그 다음에 위치한 태양 전지의 후면 버스전극을 직렬로 연결시키는 작업을 태빙(tabbing)이라고 한다.
태빙되어 있는 단위 태양 전지들을 기차와 같이 길게 일렬로 연결한 것을 스트링(string)이라하며, 스트링들을 상호 연결하여 태양 전지 모듈을 제작한다.
이러한 태빙 기술로는 고온 솔더링 방식이 있다. 고온 솔더링 방식의 경우, 전면 혹은 후면 버스 전극과, 리본 형태의 구리의 겉면에는 솔더가 코팅되어 있는
메탈 리본을 접합한다. 구리 코어의 메탈 리본에 코팅되어 있는 솔더의 융점은 약 200도 이상이며, 신속히 솔더링 작업을 수행하기 위해 솔더링 온도는 약 400~450도 정도로 설정된다. 따라서 고온 솔더링 작업 시 열 충격에 의해 태양 전지가 파손되거나, 태양 전지 내부에 마이크로 크랙이 발생할 수 있다.
또한, 고온 솔더링 태빙 작업에 의해 휜 태양 전지를 유리, 봉지재 및 백시트 사이에 넣고 합착하는 작업이 어려워진다. 또한, 메탈 리본과 태양 전지 간의 잔류응력이 태양 전지 내부에 존재하던 마이크로 크랙을 자극하여 성장시킴으로써 결국 태양 전지가 파손될 수 있다. 단위 태양 전지들이 직렬로 연결되어 있기 때문에 하나의 단위 태양 전지만 파손되더라도 태양 전지 모듈 전체의 출력이 심각하게 저하될 수 있다.
다른 태빙 기술로는 전도성 필름을 이용한 방식이 있다. 이러한 전도성 필름 이용 방식의 경우, 저온 태빙 작업을 위해 도전성 볼들이 필름 내에 분산되어 있는 전도성 필름을 이용하기도 하였으나 아직도 180도 정도의 온도가 필요하므로 메탈 리본과 실리콘 태양 전지 간의 열팽창 계수 차이에 휨 현상을 완전히 없앨 수는 없다.
또 다른 태빙 기술로는 저융점 솔더 페이스트를 이용한 방식이 있다. 이러한 저융점 솔더 페이스트 이용 방식의 경우, 태빙 작업 시 용융 솔더가 고형화되면서 메탈 리본과 버스 전극이 1차적으로 접합된다. 태빙 및 스트링 작업 된 태양 전지 셀들을 유리, 봉지재 및 백시트 사이에 끼워놓은 후 열을 가하며 진공 합착공정을 수행할 때 저융점 솔더 페이스트에 포함된 에폭시의 열경화를 통해 최종적으로 접합이 완료된다. 그러나 실제 실험 결과 태빙 작업 시의 1차 접합력이 높지 않아서 스트링 작업이 어렵다는 문제점이 있다.
또 다른 태빙 기술로는 전도성 접착제를 이용한 방식이 있다. 이러한 전도성 접착제 이용 방식의 경우, 열경화 타입의 전도성 접착제를 사용하여 메탈 리본과 버스전극을 인터커넥션할 수 있다. 그러나 열경화 타입의 전도성 접착제의 전도성이 좋지 않으며 (50~200 μΩㆍcm), 열경화를 위해 약 140도 정도의 온도가 요구된다는 문제점이 있다.
또 다른 태빙 기술로는 스마트 와이어 커넥션을 이용한 방식이 있다. 이러한 스마트 와이어 커넥션 이용 방식은 태양 전지 셀에서 버스전극을 없애고 필름에 부착되어 있는 와이어들을 핑거전극과 직접 연결시킨다. 그러나 태양 전지 셀들을 유리, 봉지재 및 백시트 사이에 끼워놓은 후 140도의 온도로 가열하며 진공 합착공정을 수행할 때 와이어가 늘어나서 위치를 이탈할 수가 있으므로 와이어 위치를 고정시키기 위해 높은 진공압을 걸어 합착을 해야한다. 또한, 박형 웨이퍼를 사용할 경우, 높은 진공압을 걸어 합착시킬 때 대기압과의 차압에 의해 와이어가 웨이퍼를 누르면서 국부적 스트레스가 발생하며, 이로 인해 박형 웨이퍼가 파손될 가능성이 있다.
또 다른 태빙 기술로는 솔더 페이스트를 이용한 와이어 접합 방식이 있다. 이러한 와이어 접합 방식의 경우, 태양 전지 셀 제작 시 전극패드를 인쇄하고, 태양 전지 모듈 제작 시 전극패드에 솔더 페이스트를 인쇄 후 와이어를 놓고 약 170도에서 솔더링 작업이 요구된다. 따라서 약 170도 솔더링 작업때문에 태양 전지 휨 현상이 완벽하게 제거되지 않는다는 문제점이 있다.
부연하면, 위에서 기술되는 방식들에 따를 경우 다음과 같은 문제점들이 발생한다.
메탈 리본과 태양 전지 버스전극을 접합시킬 때 재료 간의 열팽창계수 차이로 인한 태양 전지 휨 현상을 원천적으로 제거하기 위해서는 상온에서 접합공정을 수행할 필요가 있다.
상온에서 접합이 가능한 전도성 접착제의 경우 구형 전도성 파우더가 주요 구성 성분인데, 전도성 파우더와 메탈 리본, 전도성 파우더와 버스전극, 전도성 파우더와 전도성 파우더 계면에서의 접촉이 점접촉에 불과하기 때문에 액상으로 녹여서 융합시키기 전에는 전기적 저항이 높아서 태양 전지 모듈의 효율이 심각하게 저하되는 문제점이 있다.
또한, 구형이 아닌 판상 전도성 재료가 함유된 전도성 접착제의 경우, 판상 전도성 재료가 메탈 리본, 버스전극, 전도성 재료의 계면에서 면접촉을 함으로써 전기적 저항을 다소 낮출 수 있다. 그러나 솔더 페이스트와 같이 솔더를 용융시켜 접합한 경우보다는 전기적 저항이 높아서 상온 접합공정에 부적합하다.
1. 한국공개특허번호 제10-2015-0136169호 2. 한국공개특허번호 제10-2016-0051594호 3. 한국등록특허번호 제10-1647023호(등록일자: 2016.08.03)
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 상온(약 25도)에서 접합이 가능한 태양 전지 셀 어레이, 태양 전지 모듈, 그리고 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 메탈 리본과 태양 전지의 전극을 접합할 때 발생하는 열 충격에 따른 내부의 마이크로 크랙 발생을 방지할 수 있는 태양 전지 셀 어레이, 태양 전지 모듈, 그리고 이의 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 태양 전지 모듈의 사용중 마이크로 크랙이 성장하여 단위 태양 전지를 파손하는 시키는 것을 방지할 수 있는 태양 전지 셀 어레이, 태양 전지 모듈, 그리고 이의 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 상온에서 접합이 가능한 태양 전지 셀 어레이를 제공한다.
상기 태양 전지 셀 어레이는,
다수의 단위 태양 전지; 및
상기 다수의 단위 태양 전지의 버스 전극에 상기 다수의 단위 태양 전지를 전기적으로 서로 연결하는 메탈 리본;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 메탈 리본 및 상기 버스 전극간 상온 접합이 이루어지도록 상기 메탈 리본 또는 상기 버스 전극은 표면에 액체 금속을 포함한 페이스트층을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 페이스트층은 상기 버스 전극과 메탈 리본이 전기적으로 접합되는 부분에 도포되어 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 메탈 리본은 상기 페이스트층을 제외한 영역에는 상기 단위 태양 전지와 접착되는 접착제층을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 메탈 리본의 표면에는 상기 액체 금속이 외부로 유출되지 않게 덴트홈이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 액체 금속은 상온 15도(℃) 내지 25도(℃)에서 액체 상태인 금속인 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 액체 금속은 갈륨과 인듐을 주요 구성 성분으로 하고, 필요에 따라 주석과 아연 등을 함유한 합금인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 페이스트층은 액체 금속 페이스트 물질이 도포되어 상기 열처리에 의해 솔벤트를 제거한 후 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 액체 금속 페이스트 물질은 액체 금속 분산상(dispersion) 및 캐리어 비히클의 연속상(continuous phase)으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 캐리어 비히클은 젤 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 태양 전지 셀 어레이는, 상기 메탈 리본을 상기 태양 전지의 표면에 고정시키는 외부 고정 접착부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 외부 고정 접착부는 상기 메탈 리본 및 태양 전지의 상부 표면에 저온 경화성 접착제를 도포한 후 저온 경화를 통해 접착시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 외부 고정 접착부는 상기 메탈 리본 및 태양 전지의 상부 표면에 광경화성 접착제를 도포한 후 광경화를 통해 접착시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 접착제는 저온 열경화성 접착제, 투명 UV 광경화성 접착제, 투명 접착 테이프 및 투명 접착 필름 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 외부 고정 접착부는 투명한 접착 테이프 혹은 필름을 이용하여 상기 메탈 리본을 태양 전지의 상부 표면에 고정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 메탈 리본의 중앙에는 길이방향의 절반과 나머지 절반이 서로 다른 높이를 갖도록 단차부가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 열처리는 100도에서 5분간 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상온 접합은 미리 정해진 압력에 의해 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 위에 기술된 태양 전지 셀 어레이; 상기 태양 전지 셀 어레이를 밀봉하기 위해 상단에 배치되는 상단 봉지재; 상기 태양 전지 셀 어레이를 밀봉하기 위해 하단에 배치되는 하단 봉지재; 상기 상단 봉지재의 표면에 배치되는 투명 유리판; 및 상기 하단 봉지재의 표면에 배치되어 장파장의 적외선을 반사하는 백시트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 상기 태양 전지 모듈은 외관을 형성하는 프레임;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 투명 유리판 및 백시트가 배치된후 160도에서 미리 정해진 진공압으로 합착되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상단 봉지재 및 하단 봉지재는 EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer) 시트 또는 2액형 액상 실리콘인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 액체 금속을 페이스트화하여 페이스트 물질을 생성하는 단계; (b) 다수의 단위 태양 전지의 버스 전극 또는 메탈 리본 표면에 상기 페이스트 물질을 도포하는 단계; 및 (c) 상기 페이스트 물질을 열처리하여 페이스트층을 형성하는 단계; (d) 상온 접합을 통해 상기 다수의 단위 태양 전지를 전기적으로 서로 연결하기 위해 상기 다수의 단위 태양 전지의 버스 전극에 메탈 리본을 배치하는 단계; 및 (e) 메탈 리본과 태양 전지 간의 추가적인 고정이 필요한 경우 외부 고정 접착부를 적용하는것을 특징으로 하는 태양 전지 셀 어레이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 상온 접합은 미리 정해진 압력에 의해 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 페이스트 물질은 공압 혹은 스크류 펌프 방식의 디스펜서, 혹은 젯 밸브 방식의 토출식 디스펜서를 통해 도포되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 장파장의 적외선을 반사하는 백시트를 배치하는 단계; (b) 하단 봉지재를 백시트의 상단에 배치하는 단계; (c) 상기 하단 봉지재의 상단에 태양 전지 셀 어레이를 배치하는 단계; (d) 상기 태양 전지 셀 어레이를 밀봉하기 위해 상단 봉지재를 태양전지 셀 어레이의 상단에 배치하는 단계; (e) 상단 봉지재의 표면에 투명 유리판을 배치하는 단계; 및 (f) 미리 정해진 진공압으로 상기 백시트 및 투명 유리판을 합착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상온(약 25도)에서 액체 상태인 금속을 이용하여 단위 태양 전지간 상온 접합이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 메탈 리본과 태양 전지의 전극을 접합할 때 발생하는 열 충격에 따른 내부의 마이크로 크랙 발생을 방지할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 태양 전지 모듈의 사용 중 마이크로 크랙이 성장하여 단위 태양 전지를 파손하는 시키는 것을 방지할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 모듈(100)의 구성 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 단위 태양 전지(111)의 전면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 단위 태양 전지(111)의 후면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 단위 태양 전지를 서로 연결(inter-connection)하는 일예시이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 태양 전지를 서로 연결하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 도 5의 단계 S510에 따라 액체 금속 페이스트의 상태를 보여주는 조직도이다.
도 7은 도 5의 단계 S530에 따라 열처리 후의 상태를 보여주는 조직도이다.
도 8은 도 5의 단계 S540에 따라 액체 금속들이 서로 융합되어 연속상(continuous phase)을 구성으로써 메탈 리본과 태양전지 버스 전극을 전기적으로 연결하는 조직도이다.
도 9는 도 1에 도시된 단위 태양 전지를 서로 연결하는 다른 일예시이다.
도 10은 도 9에 따른 태양 전지 모듈의 효율을 종래 기술과 비교한 그래프이다.
도 11은 종래의 고온 솔더링을 이용한 태양 전지 모듈과 본 발명의 일실시예에 따른 상온 접합하여 제작한 태양 전지 모듈의 실험 결과 화면예이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 셀 어레이, 태양 전지 모듈, 그리고 이의 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 모듈(100)의 구성 개념도이다. 도 1을 참조하면, 태양 전지 모듈(100)은, 태양 전지 셀 어레이(110), 상기 태양 전지 셀 어레이(110)를 밀봉하기 위해 상단에 배치되는 상단 봉지재(121), 상기 태양 전지 셀 어레이(110)를 밀봉하기 위해 하단에 배치되는 하단 봉지재(122), 상기 상단 봉지재(121)의 표면에 배치되는 투명 유리판(130), 및 상기 하단 봉지재(122)의 표면에 배치되어 장파장의 적외선을 반사하는 백시트(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
태양 전지 셀 어레이(110)는 다수개의 단위 태양 전지(111)를 메탈 리본을 이용하여 서로 연결된 형태이다. 물론, 다수개의 단위 태양 전지(111)는 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
제 1 및 제 2 봉지재(121,122)는 태양 전지를 환경적 요인으로부터 보호하기 위해 태양 전지 셀 어레이(110)의 위 및 아래에 배치된다. 봉지재의 재질로는 EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer) 시트, 2액형 액상 실리콘 등이 사용될 수 있다. 2액형 액상 실리콘의 경우 약 80도(℃) 이하의 온도에서 낮은 진공압으로 합착을 하여 태양 전지 모듈을 완성한다. 박형 웨이퍼를 사용할 경우 파손의 위험때문에 낮은 진공압으로 모듈을 합착하는 것이 선호된다.
투명 유리판(130)은 상단 봉지재(121)의 상단 표면에 배치되며, 외부의 태양광을 투과하도록 가장 전면부에 배치된다.
백시트(140)는 태양 전지에 흡수되지 않은 장파장의 적외선을 반사시켜 태양 전지에 흡수할 수 있도록 반사판의 기능을 수행한다.
상기 투명 유리판(130), 백시트(140)가 배치된 후 약 160도 정도에서 미리 정해진 진공압으로 합착을 수행하여 태양 전지 모듈(100)을 완성한다.
또한, 저온에서 합착을 하고자 할 경우 EVA 시트 대신에 2액형 액상 실리콘을 이용하여 80도 이하의 온도에서 미리 정해진 진공압으로 합착을 수행하여 태양 전지 모듈(100)을 완성한다.
또한, 상기 태양 전지 모듈(100)은 상기 투명 유리판(130), 봉지재(121,122), 태양 전지 셀 어레이(110), 백시트(140)를 합착시킨 후 프레임 외관을 형성하는 프레임(미도시)을 조립한다. 물론, 태양 전지 셀 어레이(110)에서 생성되는 전기를 외부를 출력하기 위한 정션 박스(미도시)가 조립된다.
도 2는 도 1에 도시된 단위 태양 전지(111)의 전면도이다. 도 2를 참조하면, 일반적으로 단위 태양 전지(111)의 전면부는 음극, 후면부는 양극이다. 전면부는 태양빛을 받아들이는 부분으로 가늘지만 두께는 두꺼운 핑거전극(210)들이 형성되어 태양 전지에서 발생한 전자(-)들을 수집한다. 또한, 핑거 전극(210)들에서 수집된 전자들은 전면 버스 전극(220)으로 전달된다.
도 3은 도 1에 도시된 단위 태양 전지(111)의 후면도이다. 도 3을 참조하면, 태양빛을 직접 받지 않는 후면에는 알루미늄 전극(310)이 형성되어 있으며, 알루미늄 전극(310)으로 수집된 정공(+)들은 후면 버스 전극(320)으로 전달된다.
물론, 도 2 및 도 3의 경우, 태양 전지 셀 하나를 나타내는 단위 태양 전지(111)를 결정질 실리콘 태양 전지로 가정하고 설명하였으나, 비결정질 실리콘 태양 전지, 또는 다른 형태의 태양 전지도 될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 단위 태양 전지를 서로 연결(inter-connection)하는 일예시이다. 도 4를 참조하면, 태양 전지 셀 어레이(도 1의 110)를 만들기 위해서는 여러 개의 단위 태양 전지(111)를 메탈 리본(410)으로 접합하여 일렬로 연결하게 된다. 즉, 서로 다른 단위 태양 전지(111)에 형성되어 있는 전면 버스 전극(220) 및/또는 후면 버스 전극(320)을 메탈 리본(410)으로 연결한다.
메탈 리본(410)은 전도성 재질로서, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 황동, 스테인레스 판 등이 사용될 수 있다.
메탈 리본(410)의 표면에 도포된다. 메탈 리본 표면에는 버스 전극과의 합착 시 페이스트 물질이 외부로 유출되지 않게 덴트홈(미도시)이 형성되어 있다. 이 덴트홈에 메탈 리본(410)과 버스 전극(220,320)을 접합하는 페이스트층(430)이 형성된다. 이 페이스트층(430)은 액체 금속을 포함하여 생성되는 페이스트 물질을 도포하여 열처리함으로써 형성된다.
특히, 덴트홈은 메탈 리본(410)과 버스 전극(220,320)이 접합할 때 페이스트 물질이 압착(일정한 압력을 가함)되어 버스 전극 외부로 새어 나오는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉, 페이스트 물질이 도포될 곳에 덴트홈이 형성되어 있다. 따라서 덴트홈을 따라 페이스트 물질의 퍼짐 방향이 유도된다. 도 4의 경우, 페이스트층(430)의 안쪽에 덴트홈이 형성되어 있다.
페이스트층(430)은 메탈 리본의 표면에 형성되는 것으로 도시하였으나, 버스 전극(220,320)의 표면에 형성되는 것도 가능하다. 즉, 페이스트 물질을 버스 전극(220,230)의 표면에 도포한다.
특히, 페이스트층(430)은 상기 버스 전극과 메탈 리본이 전기적으로 접합되는 부분에 도포되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
메탈 리본(410)의 중앙에는 길이방향의 절반과 나머지 절반이 서로 다른 높이를 갖도록 단차부(411)가 형성된다. 부연하면, 길이방향의 절반은 단위 태양 전지의 전면에 형성되는 전면 버스 전극과 접합되고, 길이방향의 나머지 절반은 다른 단위 태양 전지의 후면에 형성되는 후면 버스 전극과 접합된다.
단차부(411)는 경사를 가질 수 있으며, 경사각은 예를 들면 25도 내지 45도가 될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 페이스트 물질이 도포되지 않은 페이스트층(430)을 제외한 영역에는 단위 태양 전지와 접착되는 접착제층(420)이 형성된다. 물론, 접착제층(420)은 에폭시, 실리콘, 양면 테이프 등을 이용하여 형성될 수 있다. 특히, 에폭시, 실리콘 등의 접착제를 사용하는 경우, 이 접착제의 도포를 통해 형성된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 태양 전지를 서로 연결하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 먼저 액체 금속을 페이스트화하여 페이스트 물질을 생성한다(단계 S510). 이러한 페이스트 물질의 구조를 보여주는 도면이 도 6에 도시된다. 도 6에 대해서는 후술하기로 한다.
여기서, 액체 금속은 상온 15도(℃) 내지 25도(℃)에서 액체 상태인 금속으로서, 갈륨과 인듐을 주요 구성 성분으로 하고, 필요에 따라 주석과 아연 등을 함유한 합금(즉 갈리스탄)이 될 수 있다.
갈륨(Ga)은 융점이 29.76도이고, 인듐(In)은 융점이 156.6도이며 이들의 공융점(eutectic point)은 약 15도 정도로 상온에서 액체 상태이므로 액체 금속의 베이스 재료로 적합하다. 특히, Ga-In-Sn계열의 합금은 15도보다 더 낮은 융점을 갖는다. 이를 표로 설명하면 다음과 같다 (단위: 중량%).
Ga In Sn Zn 합계 융점(℃) 저항(μΩ-cm) 웨이팅
40 60 solid
61 25 13 1 100 7.6 33 우수
62 22 16 100 10.7
62.5 21.5 16 100 16.3 28.9
66.5 20.5 13 0 100 10.7 28.9 중간
68.5 21.5 10 100 6 불량
75.5 24.5 100 15.7 29.4
92 8 100 25
95 5 100 25 20
98 2 100 28
100 100 29.78 14.85
여기서, 젖음성(wetting)은 액체 금속이 금속 표면에 얼마나 잘 묻는지를 나타낸다.
Ga-In-Sn계열의 합금은 메탈 리본이나 버스 전극을 잘 적시지 않고 구슬처럼 뭉치는 성질이 강하다. 따라서 디스펜서를 이용하여 메탈 리본이나 버스 전극에 도포하기 위해서는 캐리어 비히클과 섞어서 페이스트화하여야 한다. 이러한 Ga-In-Sn계열의 합금을 페이스트화하여 페이스트 물질을 생성하면 페이스트 물질의 조성은 필러(즉 Ga-In-Sn계열의 합금) 및 캐리어 비히클로 이루어진다. 이들 조성비는 예를 들면 필러: 10~95 중량%, 캐리어 비히클: 5~90 중량%가 된다.
캐리어 비히클은 외력이 주어지지 않을 경우 흐름성이 없고, 외력이 가해졌을 때만 흐름성을 가지는, 즉 항복응력을 유동성 물질인인 것을 특징으로 할 수 있다.
캐리어 비히클은 다시 분산제(dispersant), 바인더, 유변물성 조절제(rheological modifier), 솔벤트(solvent)로 이루어지며 이들 조성비도 액체 금속 페이스트 전체 중량 대비 산포제: 0.1~5 중량%, 바인더: 0.1~5 중량%, 유변물성 조절제: 0.1~5 중량%, 솔벤트: 2~10 중량%가 된다.
필러 캐리어 비히클
액체 금속
(갈린스탄)		 분산제 바인더 유변물성 조절제 솔벤트
PD-2246 에틸 셀룰로스 Thixatrol Max 터핀올 부틸 카비톨 아세테이트
95 wt% 0.95 wt% 0.28 wt% 0.48 wt% 2.3 wt% 0.99 wt%
여기서, 바람직하게 크로다(Croda Inc.)로부터 구매 가능한 비이온성 중합체 폴리에스테르 공중합체인 제프림(ZEPHRYM) PD-2246를 사용 가능하다. 다른 적합한 분산제로는 제프림(ZEPHRYM) PD-2206, PD-1000이 있고, BYK(BYK USA, Inc.)로부터 구매 가능한 BYK W9010, BYK 180, BYK 2152 등으로 이루어진 분산제 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 사용할 수 있다. 여기서 분산제는 캐리어 비히클의 표면장력을 낮추고 액체 금속의 분산성을 향상시킬 수 있는 한 특정 분산제에 한정되지 않는다.
또한, 바인더는 에틸 셀루로스(ethyl cellulose), 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스와 페놀 수지의 혼합물, 알키드 수지, 페놀계 수지, 아크릴산 에스테르계 수지, 크실렌계 수지, 폴리부텐계 수지, 폴리에스테르계 수지, 요소계 수지, 멜라민계 수지, 초산비닐계 수지, 목재 로진(rosin) 또는 알코올의 폴리메타크릴레이트 등이 사용될 수 있으며, 페이스트 물질의 점도를 조절함과 동시에 건조할 시 갈라짐 현상을 방지해주는 역할을 수행하는 한 특정 물질에 한정되지 않는다.
또한, 유변물성 조절제는 씩사트롤 맥스(thixatrol) 등이 사용될 수 있으며, 외력이 없을 시 페이스트 물질이 흐르지 않도록 하는 항복응력을 부여할 수 있는 한 특정 물질에 한정되지 않는다.
또한, 솔벤트는 터핀올(terpineol) 및 부틸 카비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate) 등이 공동으로 사용될 수 있으며, 본 발명의 페이스트 물질의 제조에 적합하다면 부틸 카비톨, 부틸 셀로솔브, 자일렌, 톨루엔 등 페인트 및 잉크에 사용되는 다양한 솔벤트들을 제한 없이 적용할 수 있다.
도 5를 계속 참조하면, 메탈 리본 또는 버스전극에 디스펜서를 이용하여 페이스트 물질을 도포한다(단계 S520). 이때, 메탈 리본이나 버스 전극의 다른 표면에는 접착제가 미리 도포되어 있는 것이 바람직하다. 그러나 필요한 경우 페이스트 도포 이후 페이스트 물질이 도포되지 않은 메탈 리본이나 버스 전극의 다른 표면에 접착제를 도포할 수 있다. 이러한 접착제가 도포되는 영역도 메탈 리본이 태양 전지 표면에 접촉하는 부분이거나 버스 전극이 메탈 리본에 접촉하는 영역에 한정될 수 있다.
이후, 도포된 페이스트 물질을 열처리하여 페이스트층을 형성한다(단계 S530). 즉, 열처리를 통해 액체 금속 페이스트를 건조한다. 이러한 열처리(약 100에 5분 동안 실행됨)에 따라 솔벤트가 제거되어 페이스트층이 형성되며, 이후 메탈 리본과 버스 전극이 합착되면서 페이스트층에 분포되어 있는 액체 금속들이 서로 연결되어 연속상이 됨으로써 메탈 리본과 버스 전극을 상온 접합한다(단계 S540). 상온 접합은 미리 정해진 압력에 의해 이루어지며, 압력의 범위는 0.05 기압에서 2기압의 범위, 좀더 바람직하게는 0.1기압에서 1기압의 범위를 가진다.
추가적으로 외부 고정 접착부를 적용할 수 있다(단계 S550). 외부 고정 접착부는 저온 열경화성 접착제, 투명 UV 광경화성 접착제, 투명 접착 테이프 혹은 필름 등과 같은 접착제를 이용하여 고정한다.
도 6은 도 5의 단계 S510에 따라 액체 금속 페이스트의 상태를 보여주는 조직도이다. 도 6을 참조하면, 페이스트화된 페이스트 물질은 Ga-In-Sn계열의 합금 분산상(dispersion phase)(610)과 캐리어 비히클의 연속상(continuous phase)(620)로 구성된다.
도 7은 도 5의 단계 S530에 따라 열처리 후의 상태를 보여주는 조직도이다. 도 7을 참조하면, 페이스트화된 페이스트 물질을 디스펜서(미도시)로 태양 전지의 버스전극 혹은 메탈 리본에 도포한 후 100도에서 5분간 열처리하여 솔벤트를 제거한다. 이때 분산상(610)들의 거리가 가까워지면서 뭉치게 된다.
도 8은 도 5의 흐름도에 따라 액체 금속들이 서로 융합되어 연속상(continuous phase)을 구성하는 조직도이다. 도 8을 참조하면, 태양 전지와 버스전극을 접합할 때 가해진 압력에 의해 분산상(phase)들이 서로 융합되어 연속상(phase)(810)을 구성하여 전기적으로 연결된다.
도 9는 도 1에 도시된 단위 태양 전지를 서로 연결하는 다른 일예시이다. 도 9를 참조하면, 도 4에 연결된 이후, 상기 메탈 리본(910)을 상기 태양 전지의 표면(930)에 좀더 견고히 고정시키기 위해 외부 고정 접착부(920)를 형성하였다.
이 외부 고정 접착부(920)는 상기 메탈 리본 및 태양 전지의 상부 표면에 저온 경화성 접착제를 도포한 후 저온 경화를 통해 접착시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 접착제는 투명 UV 광경화성 접착제인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 외부 고정 접착부는 투명 접착 테이프 혹은 필름인 것을 특징으로 할 수 있다.
도 10은 도 9에 따른 태양 전지 모듈의 효율을 종래 기술과 비교한 그래프이다. 이 그래프에서 가로축은 전압이고 세로축은 전류를 나타낸다. 도 10을 참조하면, 기존 솔더링에 따른 전지 모듈의 효율(1020)과 본 발명의 일실시예에 따른 전지 모듈의 효율(1010)이 동등하다.
도 11은 종래의 고온 솔더링을 이용한 태양 전지 모듈과 본 발명의 일실시예에 따른 상온 접합하여 제작한 태양 전지 모듈의 실험 결과 화면예이다. 특히, 도 11은 태양 전지 모듈의 EL 이미지이다. 도 11을 참조하면, 좌측 화면예(1110)는 기존 고온 솔더링을 이용하여 메탈 리본과 태양 전지 셀을 접합할 경우 열 충격에 의해 태양 전지 셀 내부에 마이크로 크랙이 발생함을 보여준다. 이와 달리, 우측 화면예(1120)는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 금속으로 상온 접합함으로써 열 충격이 발생하지 않기 때문에 마이크로 크랙의 발생 및 성장에 의한 태양 전지 셀 파손현상이 없다.
100: 태양 전지 모듈
110: 태양 전지 셀 어레이
111: 단위 태양 전지
121,122: 제 1 및 제 2 봉지재
130: 투명 유리판
140: 백시트

Claims (20)

  1. 다수의 단위 태양 전지; 및
    상기 다수의 단위 태양 전지의 버스 전극에 상기 다수의 단위 태양 전지를 전기적으로 서로 연결하는 메탈 리본;을 포함하며,
    상기 메탈 리본 및 상기 버스 전극간 상온 접합이 이루어지도록 상기 메탈 리본 또는 상기 버스 전극은 표면에 액체 금속을 포함한 페이스트층을 가지며,
    상기 페이스트층은 상기 버스 전극과 메탈 리본이 전기적으로 접합되는 부분에 도포되어 형성되며,
    상기 메탈 리본은 상기 페이스트층을 제외한 영역에는 상기 단위 태양 전지와 접착되는 접착제층을 가지며,
    상기 메탈 리본의 표면에는 상기 액체 금속이 외부로 유출되지 않게 덴트홈이 형성되며,
    상기 액체 금속은 갈륨과 인듐을 주요 구성 성분으로 하고, 상기 주요 구성 성분에 주석 및 아연 중 적어도 하나를 추가로 함유한 합금이고,
    상기 페이스트층은 페이스트화된 페이스트 물질이 도포되어 열처리 후 생성되고,
    상기 페이스트 물질은 액체 금속 분산상(dispersion) 및 캐리어 비히클의 연속상(continuous phase)으로 이루어지며,
    상기 캐리어 비히클은 젤 형태이며,
    상기 접착제는 투명 UV 광경화성 접착제인 것을 특징으로 하는 태양 전지 셀 어레이.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 메탈 리본을 상기 태양 전지의 표면에 고정시키는 외부 고정 접착부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 셀 어레이.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 9 항에 있어서,
    상기 외부 고정 접착부는 상기 메탈 리본 및 태양 전지의 상부 표면에 접착제를 도포한 후 경화를 통해 접착시키는 것을 특징으로 하는 태양 전지 셀 어레이.
  11. 삭제
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 9 항에 있어서,
    상기 외부 고정 접착부는 투명 접착 테이프 혹은 필름인 것을 특징으로 하는 태양 전지 셀 어레이.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 메탈 리본의 중앙에는 길이방향의 절반과 나머지 절반이 서로 다른 높이를 갖도록 단차부가 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 셀 어레이.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이스트 물질에 대한 열처리는 100도(℃)에서 5분간 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양 전지 셀 어레이.
  15. 제 1 항, 제 9 항, 제 10 항, 및 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 태양 전지 셀 어레이;
    상기 태양 전지 셀 어레이를 밀봉하기 위해 상단에 배치되는 상단 봉지재;
    상기 태양 전지 셀 어레이를 밀봉하기 위해 하단에 배치되는 하단 봉지재;
    상기 상단 봉지재의 표면에 배치되는 투명 유리판; 및
    상기 하단 봉지재의 표면에 배치되어 장파장의 적외선을 반사하는 백시트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  16. ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 15 항에 있어서,
    외관을 형성하는 프레임;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 투명 유리판 및 백시트가 배치된후 160도(℃) 이하의 온도에서 미리 정해진 진공압으로 합착되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 상단 봉지재 및 하단 봉지재는 EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer) 시트 또는 2액형 액상 실리콘인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  19. (a) 액체 금속을 페이스트화하여 페이스트 물질을 생성하는 단계;
    (b) 다수의 단위 태양 전지의 버스 전극 또는 메탈 리본 표면에 상기 페이스트 물질을 도포하는 단계; 및
    (c) 상기 페이스 트 물질을 열처리하여 페이스트층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상온 접합을 통해 상기 다수의 단위 태양 전지를 전기적으로 서로 연결하기 위해 상기 다수의 단위 태양 전지의 버스 전극에 메탈 리본을 배치하는 단계;를 가지며,
    상기 페이스트층은 상기 버스 전극과 메탈 리본이 전기적으로 접합되는 부분에 도포되어 형성되며,
    상기 메탈 리본은 상기 페이스트층을 제외한 영역에는 상기 단위 태양 전지와 접착되는 접착제층을 가지며,
    상기 메탈 리본의 표면에는 상기 액체 금속이 외부로 유출되지 않게 덴트홈이 형성되며,
    상기 액체 금속은 갈륨과 인듐을 주요 구성 성분으로 하고, 상기 주요 구성 성분에 주석 및 아연 중 적어도 하나를 추가로 함유한 합금이고,
    상기 페이스트층은 페이스트화된 페이스트 물질이 도포되어 열처리 후 생성되고,
    상기 페이스트 물질은 액체 금속 분산상(dispersion) 및 캐리어 비히클의 연속상(continuous phase)으로 이루어지며,
    상기 캐리어 비히클은 젤 형태이며,
    상기 접착제는 투명 UV 광경화성 접착제인 것을 특징으로 하는 태양 전지 셀 어레이의 제조 방법.
  20. (a) 제 1 항, 제 9 항, 제 10 항, 및 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 태양 전지 셀 어레이를 제작하는 단계;
    (b) 장파장의 적외선을 반사하는 백시트를 작업대 상부에 배치하는 단계;
    (c) 하단 봉지재를 백시트의 상단에 배치하는 단계;
    (d) 상기 태양 전지 셀 어레이를 상기 하단 봉지재의 상부에 배치하는 단계;
    (e) 상기 태양 전지 셀 어레이를 밀봉하기 위해 상단 봉지재를 상기 태양 전지 셀 어레이의 상부에 배치하는 단계;
    (f) 상기 상단 봉지재의 표면에 투명 유리판을 배치하는 단계; 및
    (g) 미리 정해진 진공압으로 상기 백시트 및 투명 유리판을 합착하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈의 제조 방법.
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