KR101823604B1 - 태양전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에서 태양전지 모듈은 전면 기판, 상기 전면 기판과 마주하는 후면 기판, 상기 전면 기판과 상기 후면 기판 사이에 위치하고, 서로 전기적으로 연결된 복수의 태양전지들, 상기 태양전지들을 밀봉하고 있는 봉지재, 상기 전면 기판의 내면에 형성되고 상기 복수의 태양전지들 사이로 위치해 도전성 패스를 이루는 도전층을 포함해 구성된다.

Description

태양전지 모듈{solar cell module}

본 발명은 내구성을 개선한 태양전지 모듈에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.

태양 전지는 단독으로 사용하기에는 발전량이 적어, 여러 장의 태양전지를 연결시켜 태양전지 모듈을 구성해, 태양광 발전에 이용된다.

태양전지 모듈은 외부 환경에서 설치되고 사용되나 보니, 다양한 외부적 환경 속에서도 태양전지가 보호되고, 발전할 수 있도록 전면기판, 후면 기판 봉지재와 같이 라미네이팅(laminating)되어 있다.

장기 수명과 관련해 태양전지 모듈은 PID(Potential Induced Degradation) 현상으로 인해 출력 특성이 나빠지고 장기적인 관점에서 태양전지 모듈의 사용 수명이 줄어드는 문제가 발생한다.

PID 현상은 유리 성분인 광 투과성 전면 기판의 칼륨 이온(K+) 및 나트륨 이온(Na+)이 태양전지 표면으로 이동하여 태양전지의 내부 전자와 이온이 재결합됨으로 인해 태양전지 내부의 정공이 소멸되고, 이에 따라 태양전지 내부의 전자가 이동되지 않음으로 인해 발전이 되지 않아서 발생되는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 이 같은 기술적 배경에서 창안된 것으로, PID 현상을 줄여 태양전지 모듈의 발전 효율과 수명을 연장하는데 있다.

본 발명의 일 실시예에서 태양전지 모듈은 전면 기판, 상기 전면 기판과 마주하는 후면 기판, 상기 전면 기판과 상기 후면 기판 사이에 위치하고, 서로 전기적으로 연결된 복수의 태양전지들, 상기 태양전지들을 밀봉하고 있는 봉지재, 상기 전면 기판의 내면에 형성되고 상기 복수의 태양전지들 사이로 위치해 도전성 패스를 이루는 도전층을 포함해 구성된다.

상기 도전층은 상기 복수의 태양전지들과 마주하는 위치로 상기 복수의 태양전지들을 노출하는 윈도우(window)를 포함한다.

상기 윈도우는 상기 복수의 태양전지들의 개수와 동일한 개수로 형성된다.

상기 윈도우는 상기 봉지재로 채워져 있다.

상기 도전층은, 금속 입자가 분산된 투광성 폴리머(polymer) 또는 금속 산화물 중 어느 하나를 포함한다.

상기 봉지재와 접하는 상기 도전층의 표면은 요철이 형성되어 있다.

상기 도전층은 상기 전면 기판의 내면 전체에 형성된다.

상기 태양전지 모듈은 복수의 태양전지들 중 이웃한 두 태양전지의 후면에 형성된 제1 전극과 제2 전극에 선택적으로 연결된 제1 및 제2 도전성 배선과, 상기 두 태양전지의 사이에 위치해서 상기 제1 및 제2 도전성 배선을 연결하는 셀간 커넥터를 더 포함하고, 상기 도전층은 상기 두 태양전지 사이에 위치해서 상기 셀간 커넥터를 가린다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전면 기판의 내면에 도전층을 형성함으로써 PID 현상을 일으키는 이온이 태양전지 쪽으로 이동하는 것을 차단해 태양전지의 발전 효율 및 장기 수명을 연장하는 효과가 있다.

또한, 빛은 도전층을 투과하는 과정에서 산란해 이웃한 셀로 공급이 되므로 태양전지로 향하는 빛을 늘려, 태양전지의 발전 효율을 향상할 수 있다.

또한, 도전층은 태양전지와 태양전지 사이를 가려 태양전지 모듈의 디자인을 좋게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 평면 모습을 보여준다.
도 2는 도 1의 A-A'선에 따른 단면 중 태양전지와 와이어만을 선택적으로 보여준다.
도 3은 도 1의 A-A'선에 따른 단면 모습을 보여준다.
도 4는 도 1의 B-B′선을 따른 단면 모습을 보여준다.
도 5는 도 1의 C-C′선을 따른 단면 모습을 보여준다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제조 방법을 모식적으로 보여주는 도면이다.

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, 필요한 경우 설명의 편의를 위해 각 구성요소는 발명의 특징을 헤치지 않는 범위로 실제와 다르게 편집해 사용한다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조로 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 평면 모습을, 도 2는 도 1의 A-A'선에 따른 단면 중 태양전지와 와이어만을 선택적으로 보여주며, 도 3은 도 1의 A-A'선에 따른 단면 모습을 보여준다.

이 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈에서 다수의 태양전지들(10)은 와이어(20)에 의해 이웃한 것끼리 연결되며, 전체적으로는 6×10 행렬 모양으로 배치되고, 또한 서로는 전기적으로 연결돼 있다.

일 예에서, 와이어(20)에 의해 행 방향으로 10개의 태양전지가 연결돼 스트링(string)을 구성하며, 6개의 스트링은 버싱 바(21)에 의해 서로 연결돼 있다.

일 예에서, 이웃하고 있는 태양전지를 서로 연결시키고 있는 와이어(20)는 전극과 와이어의 접합성, 전하의 수집 효율 등을 고려해 태양전지의 발전효율이 최적화 될 수 있도록 10개 내지 25개가 사용되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 태양전지의 크기, 발전 효율, 개수 등을 변수로 조정될 수 있다.

와이어(20)는 이웃한 두 태양전지 중 제1 태양전지(C1)의 전면에 형성된 전면 전극(113)에 접합되고, 또한 제1 태양전지(C1)에 이웃한 제2 태양전지(C2)의 후면에 형성된 후면 전극(115)에 접합된다. 마찬가지로, 다른 와이어(20)는 제2 태양전지(C2)의 전면 전극(113)에 접합되고, 제2 태양전지(C2)에 이웃한 제3 태양전지(C3)의 후면 전극(115)에 접합된다. 이에 따라, 하나의 스트링에 배열된 태양전지들은 와이어(20)에 의해 직렬 연결된다.

그리고 버싱 바(21)는 1행 스트링의 일단에 연결된 와이어와 2행 스트링의 일단에 연결된 와이어를 연결시킨다. 마찬가지로, 다른 버싱 바(21)는 2행 스트링의 타단에 연결된 와이어를 3행 스트링의 일단에 연결된 와이어(20)에 연결시킨다. 4행 내지 6해 스트링 역시 와이어(20)에 의해 서로 연결된다. 이에, 모든 태양전지들(10)이 서로 직렬 연결된다.

이처럼 연결된 복수의 태양전지들은 전면 봉지재(30)와 후면 봉지재(40)에 의해 보호를 위해 실링(sealing)되고, 전면 기판(50)과 후면 기판(60) 사이에 배치된 상태에서 이들과 라미네이팅되어 일체화된다.

전면 기판(50)은 태양전지의 전면(빛이 들어오는 수광면)으로 위치하며, 충격 보호를 위해 유연성이 없는 딱딱한 재질로 만들어진다. 일 예로, 이 전면 기판(50)은 투과율이 높고 파손 방지 기능이 우수한 강화 유리 등으로 형성될 수 있다.

후면 기판(60)은 태양전지의 후면(빛이 들어오지 않는 비수광면)으로 위치하며, 전면 기판(50)과 다르게 유연성을 갖는 재질로 만들어진다. 이 후면 기판(60)은 후면에서 습기가 침투하는 것을 방지하여 태양 전지를 외부 환경으로부터 보호한다. 후면 기판(40)은 수분과 산소 침투를 방지하는 층, 화학적 부식을 방지하는 층과 같은 다층 구조를 가질 수 있고, FP(fluoropolymer), PE(polyeaster), FP(fluoropolymer)와 같은 절연 물질로 이루어진 얇은 시트로 이뤄져 있다.

전면 봉지재(30)는 전면 기판(50)과 태양전지(10)의 전면 사이에 위치하고 빛이 투과하는 투명한 물질로 만들어진다. 이 전면 봉지재(30)는 습기 침투 방지와 태양전지를 충격으로부터 보호하기 위해서 충격 흡수가 가능한 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA, ethylene vinyl acetate), 폴리올레핀(polyolefin)과 같은 수지 제품이 사용된다.

또한, 전면 봉지재(30)는 딱딱한 전면 기판(50)이 와이어(20)에 의해 물리적으로 충격받지 않도록 와이어(20)를 완전히 매립하는 두께를 갖도록 만들어진다.

후면 봉지재(40)는 후면 기판(60)과 태양전지(10)의 후며 사이에 위치하고 빛이 투과하는 투명한 물질로 만들어진다. 이 후면 봉지재(40) 역시 습기 침투 방지와 태양전지를 충격으로부터 보호하기 위해서 충격 흡수가 가능한 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA, ethylene vinyl acetate), 폴리올레핀(polyolefin)과 같은 물질로 만들어진다.

또한, 후면 봉지재(40)는 열화되는 것을 방지하기 위해 자외선을 흡수하는 물질을 포함하도록 구성되는 반면, 전면 봉지재(30)는 태양전지의 발전 효율을 좋게 하기 위해 모든 빛이 투과될 수 있게 자외선 흡수제는 포함되지 않는다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 PID 문제를 해결하고, 각 태양전지로 입사되는 빛의 양을 늘리기 위해서 도전층(71)이 더 형성된다.

이 도전층(71)은 전면 기판(50)을 외부를 향하는 외면(51)과 이와 반대되는 방향으로 안쪽을 향하는 내면(53)으로 나눴을 때, 전면 봉지재(30)와 마주하는 내면(53) 위에 얇은 막으로 형성되어 있다. 막 두께는 특별한 제한이 없으며, 선택에 맞춰 다양한 두께를 가지도록 구성될 수 있다.

이 도전층(71)은 형성되는 물질에 따라, PECVD와 같은 박막 증착 공정을 이용하거나, 페이스트를 인쇄해 만드는 스크린 프린팅법 등 다양한 방법을 통해 만들어진다.

바람직한 한 형태에서, 도전층(71)은 박막 증착 공정을 이용해 ZnO, SnO₂, Cu₂O, NiO, TiO₂, TCO, IGZO와 같은 금속 산화물 반도체로 만들어지거나, 금속 입자가 분산된 페이스트를 스크린 인쇄해서 만들 수 있다.

금속 산화물 반도체는 투명하므로 전면기판(50)을 통해 입사되는 빛을 차단하지 않으면서도, 이온들이 전면 기판(50)에서 태양전지(10)로 이동하는 이온들을 차단하는 도전성 패스(conducting path)를 만들어 PID 문제가 발생하는 것을 차단할 수가 있다.

도전층(71)을 스크린 인쇄법으로 형성하는 경우에, 태양전지(10)를 향해 입사되는 빛을 차단하지 않도록 투광성 폴리머가 바람직하게 사용되며, 투광성 폴리머는 잘 알려진 다양한 물질들이 제한없이 사용될 수 있다.

스크린 인쇄는 잘 알려진 바와 같이, 페이스트를 스크린 마스크를 통해 기판 위에 도포해 막을 형성하는 방법으로, 이 스크린 인쇄에서 사용되는 페이스트는 금속 입자, 바인더 수지, 경화제, 용매 등을 포함한다. 도전층(71)을 만들기 위해, 일 예로, 페이스트는 은 페이스트(Ag paste), 구리 페이스트(Cu paste)처럼 금속 파우더를 유기 바인더에 분산시켜 만든 것을 이용할 수 있다.

선택적으로, 도전층(71)은 반투명 처리를 위해 착색제를 포함하거나, 도전층(71) 형성 물질 자체를 반투명한 물질로 만들 수도 있다. 도전층(71)이 반투명하면, 태양전지들 사이를 보이지 않도록 처리할 수 있어 태양전지 모듈의 디자인을 좋게 하는 부가적 효과를 얻을 수 있다.

이하, 도전층(71)에 대해 첨부한 도면을 참고로, 보다 상세히 설명한다. 도 4는 도전층(71)의 패턴을, 도 5는 도 4의 일부를 확대해서 보여준다.

이 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 도전층(71)은 전면 기판(50)의 내면 전체에 형성되는 것이 바람직하다. 상술한 바처럼, 이 도전층(71)은 PID 방지를 위해 전면기판(50)에서 태양전지(10)로 향하는 이온들의 이동을 차단하기 위한 도전성 패스를 형성하기 위한 것이므로, 최대한 넓은 면적을 갖는 것이 바람직하다.

도전층(71)은 윈도우(71a)를 포함해 이뤄진다. 윈도우(71a)는 태양전지를 노출하기 위한 영역으로, 도전층(71)이 형성되지 않는 영역이다. 이 윈도우(71a)는 태양전지로 입사되는 빛이 도전층(71)에 의해 줄어들거나 차단되는 것을 방지하기 위해 형성된 것이므로, 도전층(71)이 빛이 투과하는 물질로 형성된다면, 반드시 필요한 구성은 아니다.

바람직한 한 형태에서, 윈도우(71a)는 태양전지에 대응하는 위치로 태양전지마다 형성이 된다. 따라서, 윈도우(71a)는 태양전지의 배열에 맞춰 6 × 10 행렬 형태로 배열된다.

또한, 도 6에서 예시하는 바처럼, 태양전지 사이로 입사되는 빛을 도전층(71)이 산란시켜 태양전지 쪽으로 입사되게 할 수가 있다. 보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에서 도전층(71)은 금속 입자(713)를 포함해 구성되며, 바람직하게 도전층(71) 전체에 걸쳐 균일하게 분산되어 있다. 때문에, 도전층(71)을 향해 입사되는 빛은 도전층(71)을 투과하는 과정에서 금속 입자(713)에 의해 빛이 굴절되거나 산란되어 여러 방향으로 나눠지게 되고, 그 결과 태양전지 사이로 입사되던 빛은 도전층(71)을 투과하면서 진행 방향이 바뀌면서 이웃한 태양전지로 입사가 된다.

이에 따라, 도전층(71)은 PID 현상을 줄이거나 없애는 한편, 또한 태양전지로 입사되는 빛의 양을 늘려 태양전지의 발전 효율을 향상시킬 수가 있다.

빛의 산란 효과를 더욱 강화하기 위해서, 도전층(71)의 표면은 요철(713)을 포함해 구성되는 것이 바람직하다. 여기서, 도전층(71)의 표면은 상부 봉지재(30)와 도전층(71)이 접하는 면을 말한다.

윈도우(71a)는 전면 봉지재(30)로 채워져 전면 기판(50)과 전면 봉지재(30) 사이에 공간이 형성되는 것을 방지한다. 전면 기판(50)과 전면 봉지재(30) 사이에 공간이 존재하면, 이 공간으로 수분이나 공기가 침투해 장기 수명에 영향을 줄 수 있다.

주지하는 바처럼, 전면 봉지재(30)와 후면 봉지재(40)는 딱딱한 시트 형태로 존재하다 라미네이팅 과정에서 열과 압력에 의해 연화(softening)되었다 경화가 이뤄진다. 이 과정에서, 윈도우(71a)는 전면 봉지재(30)에 의해 채워질 수 있다.

한편, 바람직하게 윈도우(71a)의 가로폭(Wa)과 세로폭(Wb)은 태양전지(10)의 가로폭(Ca)과 세로폭(Cb)보다 큰 것이 바람직하다. 만약, 윈도우(71a)의 가로폭(Wa)과 세로폭(Wb)은 태양전지(10)의 가로폭(Ca)과 세로폭(Cb)보다 작게 되면, 윈도우(71a)에 의해 태양전지(10)가 가려지므로, 태양전지(10)로 입사되는 빛의 양이 줄어 태양전지의 발전효율이 오히려 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 도전층(71)에 의해 태양전지가 가려지더라도 태양전지의 발전 효율에 영향을 주지 않는 범위 내에서, 도전층(71)은 태양전지의 가로폭(Ca)과 세로폭(Cb)보다 작게 형성되는 것도 가능하다.

이상의 설명은 태양전지가 전면과 후면에 각각 전극이 배치된 일반적 구조의 태양전지를 사용한 태양전지 모듈을 가지고, 도전층(71)에 대해 설명했으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되고자 함은 아니다. 본 발명의 도전층(71)은 도 7과 같은 태양전지 모듈에서도 상술한 바와 동일하게 적용될 수 있다. 도 7에서는 전극의 모두 태양전지의 후면에 배치된 후면 접촉형 태양전지로 구성된 태양전지 모듈의 일 예를 보여준다.

도 7에서 예시하는 바처럼, 이 실시예의 태양전지 모듈은, 복수의 태양 전지들, 태양 전지의 후면에 접합되는 복수의 제1, 2 도전성 배선(200), 복수의 태양 전지를 제1 방향(x)으로 서로 직렬 연결하는 셀간 커넥터(300)를 포함한다.

복수의 태양 전지는, 각각이 열로 배열된 방향인 제1 방향(x)으로 배열되며, 태양전지의 후면에 복수의 제1 전극(141)과 제2 전극(142)을 구비한다.

복수의 제1, 2 도전성 배선(200)은 제1 전극(141)과 제2 전극(142)이 형성된 방향과 교차하는 방향에서 제1 전극(141)끼리 또는 제2 전극(142)끼리를 연결시킨다. 복수의 제1, 2 도전성 배선(200)은 각 도전성 배선이 연결하는 제1 전극(141) 또는 제2 전극(142)에 따라 제1 도전성 배선(210) 또는 제2 도전성 배선(220)으로 나눌 수 있다.

복수의 태양 전지 각각에서 제1 전극(141)과 제2 전극(142)에 선택적으로 접합된 복수의 제1, 2 도전성 배선(200)은 태양전지(C1, C2) 사이에서 셀간 커넥터(300)에 공통으로 연결되어, 선형으로 배열된 태양전지들이 제1 방향(x)으로 직렬 연결된다.

제1, 2 도전성 배선(200) 각각은 제1, 2 태양 전지(C1, C2)에 구비된 반도체 기판(110)의 후면에 위치해, 제1 전극(141)과 제2 전극(142)을 선택적으로 연결한다.

도전성 배선(200)은 각 태양전지(C1, C2)에서 제1 전극(141)하고만 접합된 복수 개의 제1 도전성 배선(210), 제2 전극(142)하고만 접합된 복수 개의 제2 도전성 배선(220)을 포함한다.

각 태양전지(C1, C2)에서 제1 도전성 배선(210)은 제1 전극들(141)과 교차되는 교차점에서 도전성의 제1 도전성 접착제(251)에 의해 제1 전극들(141)에 접합되고, 제2 전극들(142)과 교차되는 복수의 교차점에서 절연성의 절연층(252)에 의해 제2 전극(142)과 절연된다.

반대로, 제2 도전성 배선(220)은 제2 전극들(142)과 교차되는 복수의 교차점에서 제2 전극들(142)에 제1 도전성 접착제(251)에 의해 접합되고, 제1 전극들(141)과 교차되는 복수의 교차점에서 절연층(252)에 의해 제1 전극들(141)과 절연된다.

이 실시예의 태양전지 모듈은 태양전지 사이로 셀간 커넥터(300)를 배치하고 있어, 외부에서 보았을 때 디자인이 좋지 않은 단점이 있다. 하지만, 상술한 도전층(71)이 배치되면, 도전층(71)으로 셀간 커넥터(300)를 가려 디자인을 좋게 할 수가 있다.

이 같은 점을 고려해, 셀 사이로 배치되는 도전층의 너비(D1)는 셀간 커넥터(300)를 가릴 수 있도록 태양전지 사이의 너비(D2)보다는 작고, 셀간 커넥터(300)의 너비(D3)와 같거나 크게 형성되는 것이 바람직하다.

그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 도전층(71)에 의해 태양전지가 가려지더라도 태양전지의 발전 효율을 줄이지 않는 범위 내에서 태양전지 사이의 너비보다 큰 것도 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

1. 전면 기판;
   상기 전면 기판과 마주하는 후면 기판;
   상기 전면 기판과 상기 후면 기판 사이에 위치하고, 서로 전기적으로 연결된 복수의 태양전지들;
   상기 태양전지들을 밀봉하고 있는 봉지재; 및,
   상기 전면 기판의 내면에 형성되고, 상기 복수의 태양전지들 사이로 위치해 도전성 패스를 이루는 도전층,
   상기 도전층은 상기 복수의 태양전지들과 마주하는 위치로 상기 복수의 태양전지들을 노출하는 윈도우(window)를 포함하고,
   상기 도전층은, 금속 입자가 분산된 투광성 폴리머(polymer)를 포함하고,
   상기 복수의 태양전지들 중 이웃한 두 태양전지의 후면에 형성된 제1 전극과 제2 전극에 선택적으로 연결된 제1 및 제2 도전성 배선과,
   상기 두 태양전지의 사이에 위치해서 상기 제1 및 제2 도전성 배선을 연결하는 셀간 커넥터를 더 포함하고,
   상기 도전층은 상기 두 태양전지 사이에 위치해서 상기 셀간 커넥터를 가리는 태양전지 모듈..
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 윈도우는 상기 복수의 태양전지들의 개수와 동일한 개수로 형성된 태양전지 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 윈도우는 상기 봉지재로 채워진 태양전지 모듈.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 봉지재와 접하는 상기 도전층의 표면은 요철이 형성된 태양전지 모듈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 도전층은 상기 전면 기판의 내면 전체에 형성된 태양전지 모듈.
8. 삭제

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