KR102403075B1 - 셀- 대- 셀 상호 연결부 - Google Patents
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Abstract
광전지를 위한 금속 제품이 개시된다. 금속 제품은 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작용하도록 구성된 복수의 전기 주조된 요소를 갖는 제1 영역을 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역과 통합된다. 셀 - 대 - 셀 상호 연결부는 광 - 입사 표면을 넘어 연장되고 금속 제품을 인접한 광전지에 직접 결합하도록 구성된다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 다수의 전기 주조된 곡선의 부속물을 포함한다. 각각의 부속물은 제1 영역의 변부에 결합된 제1 단부 및 제1 단부와 마주보고 변부로부터 멀어지는 제2 단부를 갖는다. 부속물들은 서로 떨어져 있다. 금속제품은 단일의 자유 직립 부분이다.
Description
본 출원은 모든 목적을 위해 여기서 참고로 하고 "셀- 대- 셀 상호 연결부"라는 제목으로 2016년 6월 24일 출원된 미국 특허 출원 제15/192,576호의 부분 계속출원이다.
솔라 셀은 광자를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 셀에 의해 발생된 전기 에너지는 반도체 재료에 결합된 전기 접촉부를 통해 수집되고, 모듈 내의 다른 광전지과 상호 연결부를 통해 라우팅된다. 솔라 셀의 "표준 셀" 모델은 입사 태양 에너지를 흡수하고 이를 전기 에너지로 변환하고, 반사 방지 코팅 (ARC) 층 아래 및 금속 백 시트 위에 배치하기 위해 사용되는 반도체 재료를 가진다. 전기적 접촉은 전형적으로 페이스트가 ARC 층을 통해 확산되어 셀 표면과 접촉하도록 가열되는 금속 페이스트인 연소 페이스트에 의해 반도체 표면에 형성된다. 페이스트는 일반적으로 한 세트의 핑거와 버스 바아로 패터닝되어 모듈을 만들기 위해 다른 셀에 리본으로 납땜된다. 솔라 셀의 또 다른 유형은 투명한 전도성 산화물층 (TCO 's)들사이에 삽입된 반도체 재료를 가지며, 상기 전도성 산화물층은 다음에 핑거/버스 바아 패턴으로 구성된 전도성 페이스트의 최종 층으로 코팅된다.
여러 개의 솔라 셀들이 함께 연결되어 솔라 셀 회로를 형성할 수 있다. 솔라 셀 회로에서, 하나의 솔라 셀의 p- 도핑 된 영역 ("양의 영역")에 연결된 전도성 영역은 인접한 솔라 셀의 n- 도핑된 영역("음의 영역")에 연결된 전도성 영역에 연결된다. 인접한 솔라 셀의 양의 영역은 다음의 인접한 솔라 셀의 음의 영역 등에 연결된다. 솔라 셀 회로의 출력 전압을 높이기 위해 여러 개의 솔라 셀을 직렬로 연결하기 위해 이 솔라 셀의 연쇄 구조가 반복될 수 있다. 솔라 셀은 일반적으로 솔라 셀에 납땜된 납작한 와이어 또는 리본으로 연결된다. 당 업계에 운반, 설치 및 통상의 열 사이클링 동안 셀들 사이의 상호 연결부가 파손되고 휨이 발생하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 솔라 셀 회로는 운반하는 동안 충격이나 진동으로 인해 또는 이용하는 동안 열 사이클링 및 바람 진동 또는 적설에 의한 기계적 응력에 의해 발생할 수 있는 상호 연결부의 피로에 의해 현장에서 고장을 경험할 수 있다. 상호 연결부가 고장나면 아크가 발생하여 화재가 발생할 수 있다.
또한, 보다 높은 열 팽창 계수에 의해, 와이어 또는 리본과 같은 상호 연결부는 납땜으로부터의 냉각시에 솔라 셀보다 훨씬 더 수축하여 연결부에서 솔라 셀에 균열이 발생될 수 있다. 더 큰 관심의 상이한 수축은 솔라 셀에 미세한 균열을 형성할 수 있으며, 균열은 솔라 셀이 응력을 받을 때 확대될 수 있다. 균열은 신뢰성 저하, 기계적 고장 및 전력 감소를 포함한 장기적인 문제를 야기할 수 있다.
통상적으로, 솔라 셀은 세 개의 버스 바 구조에 의해 상호 연결된다. 세 개의 버스 바 상호 연결부는 종종 인접한 솔라 셀 사이에서 자연적인 평면내 비가요성 또는 강성 때문에 솔라 셀내에서 비틀림을 일으킨다. 세 개의 버스 바 구조는 또한 인접한 솔라 셀 사이에 세 개의 상호 연결부의 중복을 갖는다. 따라서 단일 상호 연결이 고장 나면 솔라 셀의 효율이 떨어지고 솔라 셀 과열로 인한 화재 위험이 발생할 수 있다.
광전지를 위한 금속 제품이 개시된다. 금속 제품은 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작용하도록 구성된 복수의 전기 주조된 요소를 갖는 제1 영역을 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역과 통합된다. 셀 - 대 - 셀 상호 연결부는 광 - 입사 표면을 넘어 연장되고 금속 제품을 인접한 광전지에 직접 결합하도록 구성된다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 다수의 전기 주조된 곡선의 부속물을 포함한다. 각각의 부속물은 제1 영역의 변부에 결합된 제1 단부 및 제1 단부와 마주보고 변부로부터 멀어지는 제2 단부를 갖는다. 부속물들은 서로 떨어져 있다. 금속제품은 단일의 자유 직립 부분이다.
광전지를 위한 금속 제품이 또한 공개된다. 금속 제품은 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작용하도록 구성된 복수의 전기 주조된 요소를 갖는 제1 영역을 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역과 통합된다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 광 입사 표면을 넘어 연장되고 인접한 광전지에 금속 제품을 직접 연결시키도록 구성된다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 복수의 부속물을 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역의 변부에 결합된 제1 링크 단부, 상기 제1 영역의 변부로부터 멀어지고 제1 링크 단부와 마주보는 제2 링크 단부를 가진 링크 및 상기 링크의 길이를 따른 테이퍼 구조의 넥을 포함한다. 상기 셀- 대- 셀 상호 연결부는 복수의 부속물을 포함한다. 각각의 부속물은 제1 영역의 변부에 결합된 제1 단부 및 제1 단부와 대향하고 제1 영역의 변부로부터 멀어지는 제2 단부를 갖는다. 부속물의 길이는 링크의 길이보다 길다. 부속물들은 서로 떨어져 있다. 금속 제품은 일체형 자유 직립 부분이다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 양상 및 실시예들 각각은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예가 설명된다.
도 1은 일부 실시예에 따른 전기 주조 맨드릴의 사시도이다.
도 2A-2C는 일부 실시예에 따라 자유 직립형 전기 주조 금속 제품을 제조하는 단계들의 단면도를 도시한다.
도 3은 일부 실시예에 따라 적응가능한 특징부를 갖는 금속 제품의 평면도이다.
도 4A 및 도 4B는 일부 실시예에 따른 셀- 대- 셀 상호 연결부의 확대도이다.
도 4C-4K는 일부 실시예에 따른 다양한 형태의 부속물을 갖는 셀- 대- 셀 상호 연결부의 부분도를 도시한다.
도 4L-4N은 일부 실시예에 따른 셀 - 셀 상호 연결부를 갖는 금속 제품을 도시한다.
도 5A 내지 도 5C는 일부 실시예에 따른 금속 제품의 처리 방법을 도시한다.
도 5D는 일부 실시예에 따른 금속 제품을 도시한다.
도 6은 일부 실시예에 따라 하나의 광전지의 전방 측부 및 인접한 광전지의 후방 측부에 결합된 셀- 대- 셀 상호 연결부의 평면도를 도시한다.
도 7A-7C는 일부 실시예에 따른 두 개의 인접한 광전지들사이의 셀- 대- 셀 상호 연결부의 측면도를 도시한다.
도 8은 일부 실시예에 따른 광전지의 일부분으로서 금속 제품의 사시도를 도시한다.
도 9는 일부 실시예에 따른 모듈 조립체를 형성하고 금속 제품을 갖는 광전지를 도시한다.
도 10은 일부 실시예에 따라 본 공개의 금속 제품을 사용하여 광전지 모듈을 형성하는 방법의 흐름도이다.
도 1은 일부 실시예에 따른 전기 주조 맨드릴의 사시도이다.
도 2A-2C는 일부 실시예에 따라 자유 직립형 전기 주조 금속 제품을 제조하는 단계들의 단면도를 도시한다.
도 3은 일부 실시예에 따라 적응가능한 특징부를 갖는 금속 제품의 평면도이다.
도 4A 및 도 4B는 일부 실시예에 따른 셀- 대- 셀 상호 연결부의 확대도이다.
도 4C-4K는 일부 실시예에 따른 다양한 형태의 부속물을 갖는 셀- 대- 셀 상호 연결부의 부분도를 도시한다.
도 4L-4N은 일부 실시예에 따른 셀 - 셀 상호 연결부를 갖는 금속 제품을 도시한다.
도 5A 내지 도 5C는 일부 실시예에 따른 금속 제품의 처리 방법을 도시한다.
도 5D는 일부 실시예에 따른 금속 제품을 도시한다.
도 6은 일부 실시예에 따라 하나의 광전지의 전방 측부 및 인접한 광전지의 후방 측부에 결합된 셀- 대- 셀 상호 연결부의 평면도를 도시한다.
도 7A-7C는 일부 실시예에 따른 두 개의 인접한 광전지들사이의 셀- 대- 셀 상호 연결부의 측면도를 도시한다.
도 8은 일부 실시예에 따른 광전지의 일부분으로서 금속 제품의 사시도를 도시한다.
도 9는 일부 실시예에 따른 모듈 조립체를 형성하고 금속 제품을 갖는 광전지를 도시한다.
도 10은 일부 실시예에 따라 본 공개의 금속 제품을 사용하여 광전지 모듈을 형성하는 방법의 흐름도이다.
솔라셀의 금속화는 통상적으로 셀의 표면상에 스크린 인쇄된 은 페이스트 및 솔더 - 코팅된 리본을 이용하는 셀- 대- 셀 상호 연결부로 달성된다. 금속 도관의 주어진 종횡비의 경우, 전기 저항은 풋 프린트에 반비례한다. 따라서 셀 금속 화 또는 셀- 대- 셀 상호 연결부 설계는 대개 가장 최적된 솔라셀 모듈 전력 출력을 위해 음영과 저항 사이에서 절충된다. 그리드 또는 메시로 지칭되는 본 발명의 금속 제품은 종래의 은 페이스트 및 땜납 코팅된 리본을 대체하기 위해 사용될 수 있고 기능적 요구 사항들 사이의 절충을 통상적으로 요구하는 요소들의 분리를 허용하는 적응 가능한 특징들을 갖는다.
미국 특허 제8,916,038호로 허여되고 여기서 참고로 하는 바비안 씨 등의 미국 특허 출원 제13/798,123호에서, 광전지와 같은 반도체용 전기 도관이 전기 주조 없는 스탠딩 금속 제품으로 제조된다. 금속 제품은 솔라셀과 별도로 제조되며, 단일 부품으로서 안정적으로 전달될 수 있고 반도체 장치에 쉽게 정렬될 수 있는 핑거 및 버스 바아와 같은 다수의 요소를 포함할 수 있다. 상기 금속 제품의 요소들은 전기 주조 공정에서 서로 일체로 형성된다. 금속 제품은 전기 주조 맨드릴(electroforming mandrel)에서 제조되며, 전기 주조 맨드릴은 솔라셀 또는 다른 반도체 장치용으로 맞춤화된 패턴화된 금속층을 생성한다. 예를 들어, 금속 제품은 솔라셀에 대한 음영을 최소화하는 높이- 대- 폭 종횡비를 갖는 그리드 선을 가질 수 있다. 금속 제품은 셀 금속화, 셀- 대- 셀 상호 연결부 및 모듈 제작을 위해 기존 버스 바 금속화 및 리본 스트링을 대체할 수 있다. 공정 단계들 사이에서 안정적으로 전달될 수 있는 독립 부품으로서 광전지용 금속화층을 제조하는 능력은 재료 비용 및 제조에 다양한 이점을 제공한다.
본 명세서에 광전지용 금속 제품이 공개된다. 금속 제품은 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작용하도록 구성된 복수의 전기 주조된 요소를 갖는 제1 영역을 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역과 통합되어 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 광 - 입사 표면을 넘어 연장되고 금속 제품을 인접한 광전지 셀에 직접 결합하도록 구성된다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 다수의 전기 주조된 곡선의 부속물을 포함한다. 각각의 부속물은 제1 영역의 변부에 결합된 제1 단부 및 제1 단부와 대향하고 변부로부터 떨어진 제2 단부를 갖는다. 부속물은 서로 떨어져 있다. 금속 제품은 단일 자유 직립형 제품이다.
일 실시예에서, 복수의 부속물의 각각의 부속물은 모래시계 형상일 수 있다. 제1 영역은 제1 평면을 포함할 수 있고, 셀- 대- 셀 상호 연결부부는 제1 평면과 다른 제2 평면에 복수의 전기 주조된 부속물의 제2 단부를 배치하는 벤드를 포함할 수 있다. 벤드는 금속 제품의 평면에 대해 5° 내지 85°의 각도로 구성될 수 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 평면에서 0.2-0.4 mm 돌출할 수 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제2 평면에서 0.3-0.6 mm 돌출할 수 있다.
셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역의 변부의 적어도 사분의 일에 걸쳐질 수 있다. 일 실시예에서, 셀- 대- 셀 상호 연결부의 두께는 복수의 전기 주조된 요소의 높이와 상이한 높이를 포함할 수 있다.
복수의 전기 주조된 요소는 복수의 제2 요소와 교차하는 복수의 제1 요소를 포함할 수 있다. 복수의 제1 요소는 제1 영역의 변부에 수직일 수 있다. 각각의 제1 요소의 폭은 제1 요소의 길이를 따라 변할 수 있다.
일 실시예에서, 금속 제품은 셀- 대- 셀 상호 연결부와 일체형이고 다수의 전기 주조된 부속물의 제2 단부에 연결되는 금속 스트립을 더 포함할 수 있다. 금속 스트립은 인접한 광전지의 후면에 결합되도록 구성될 수 있다.
광전지 셀을 위한 전기 부품을 형성하는 방법이 또한 공개된다. 상기 방법은 전기 전도성 맨드릴 상에 금속 제품을 전기 주조하는 것을 포함한다. 전기 전도성 맨드릴은 적어도 하나의 예비 성형된 패턴을 포함하는 외부 표면을 가지며, 복수의 전기 주조된 요소를 갖는 제1 영역 및 제1 영역과 일체인 셀- 대- 셀 상호 연결부를 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 다수의 전기 주조된 곡선 형 부속물을 갖는다. 금속 제품은 전기 전도성 맨드릴로부터 분리된다. 상기 복수의 전기 주조 요소는 상기 금속 제품이 상기 전기 전도성 맨드릴로부터 분리될 때 단일의 자유 직립 부분을 형성하도록 상호 연결된다. 복수의 전기 주조된 요소는 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작동하도록 구성된다. 셀 - 대 - 셀 상호 연결부는 광선- 입사 표면을 지나 연장되고 금속 제품을 인접한 광전지 셀에 직접 결합하도록 구성된다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 복수의 전기 주조된 곡선의 부속물을 포함한다. 각각의 부속물은 제1 영역의 변부에 결합된 제1 단부 및 제1 단부와 대향하고 변부로부터 멀어지는 제2 단부를 갖는다. 부속물들은 서로 떨어져 있다.
본 명세서에 광전지용 금속 제품이 공개된다. 금속 제품은 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작용하도록 구성된 복수의 요소를 갖는 제1 영역을 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역과 통합되어 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 광 입사 표면을 넘어 연장되고 인접한 광전지 셀에 금속 제품을 직접 연결시킨다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역의 변부에 결합된 제1 링크 단부, 제1 링크 단부와 마주보고 제1 영역의 변부로부터 멀어지는 제2 링크 단부, 및 링크의 길이를 따라 위치한 테이퍼구조의 넥을 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 복수의 부속물을 포함한다. 각각의 부속물은 제1 영역의 변부에 결합된 제1 단부 및 제1 단부와 대향하고 제1 영역의 변부로부터 멀어지는 제2 단부를 갖는다. 링크의 길이보다 부속물 길이가 더 크다. 부속물은 서로 떨어져 있다. 금속 제품은 일체형 자유 직립 부분이다.
링크는 선형이며 제1 영역의 변부에 수직이다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 셀- 대- 셀 상호 연결부에 힘이 가해 졌을 때 넥에서 파괴되도록 설계된다.
복수의 부속물의 각각의 부속물은 모래시계 모양, S 자 모양, U 자 모양, W 자 모양, V 자 모양, 구불구불한 모양, 톱니 모양 또는 L 자 모양을 가진다. 일부 실시예에서, 부속물 길이는 부속물을 따른 경로 길이이고, 부속물 길이는 링크 길이의 1.4 내지 3배이다. 부속물의 접선과 제1 영역의 수평 변부 사이의 각도는 적어도 12°이다. 부속물은 센티미터 당 최소 8회, 센티미터 당 최소 10회 또는 센티미터 당 최소 12회 반복된다.
일부 실시예에서, 제1 영역 및 셀- 대- 셀 상호 연결부는 동일한 평면에 위치한다. 금속 제품은 셀- 대- 셀 상호 연결부와 일체형이고 복수의 부속물의 제2 단부에 연결된 금속 스트립을 더 포함한다. 금속 스트립은 인접한 광전지의 배면에 결합되도록 구성된다. 각 부속물은 제1 영역의 변부와 금속 스트립 사이의 수직이 아닌 경로를 가로지른다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 복수의 부속물을 가로 질러 연장되고 하나의 부속물을 인접한 부속물에 연결시키는 크로스바를 더 포함한다.
광전지 셀을 형성하는 방법이 또한 공개된다. 상기 방법은 전기 전도성 맨드릴 상에 금속 제품을 전기 주조하는 단계를 포함한다. 전기 전도성 맨드릴은 적어도 하나의 예비 성형된 패턴을 포함하는 외부 표면을 갖는다. 금속 제품은 복수의 전기 주조된 요소를 갖는 제1 영역과, 제1 영역과 일체인 셀- 대- 셀 상호 연결부를 포함한다. 금속 제품은 전기 전도성 맨드릴로부터 분리된다. 상기 복수의 전기 주조 요소는
상기 금속 제품이 상기 전기 전도성 맨드릴로부터 분리될 때 단일의 자유 직립 단편을 형성하도록 상호 연결된다. 복수의 전기 주조 요소는 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작동하도록 구성된다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 광 입사 표면을 넘어 연장되고 인접한 광전지 셀에 금속 제품을 직접 연결시킨다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역의 변부에 결합된 제1 링크 단부, 제1 링크 단부와 마주보고 제1 영역의 변부로부터 멀어지는 제2 링크 단부, 및 링크의 길이를 따라 테이퍼 구조를 가진 넥을 포함한 링크를 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 복수의 부속물을 포함한다. 각각의 부속물은 제1 영역의 변부에 결합 된 제1 단부 및 제1 단부와 대향하고 제1 영역의 변부로부터 멀어지는 제2 단부를 갖는다. 부속물 길이는 링크의 길이보다 크다. 부속물들은 서로 떨어져 있다.
일부 실시예들이 전기 주조와 관련하여 설명되더라도, 본 금속 제품은 레이저 또는 워터 제트와 같은 기계가공, 에칭, 스탬핑, 와이어의 조립과 같은 다른 방법에 의해 대안적으로 형성될 수 있다.
도 1은 미국 특허 제8,916,038호의 일부 실시예에 따른 전기 주조 맨드릴(100)의 일부의 사시도이다. 맨드릴(100)은 스테인레스 스틸, 구리, 양극화된 알루미늄, 티타늄 또는 몰리브덴, 니켈, 니켈 - 철 합금(예를 들어, 인바), 구리 또는 이들 금속의 임의의 조합과 같은 전기 전도성 재료로 제조될 수 있으며, 높은 도금 전류를 허용하고 높은 처리량을 가능하도록 충분한 면적을 가지도록 설계될 수 있다. 맨드릴(100)은 패턴 요소(110 및 112)를 포함하는 예비 성형된 패턴을 갖는 외부 표면(105)을 가지며, 생성될 전기 도관 요소의 원하는 형상에 대해 맞춤화될 수 있다. 이 실시예에서, 패턴 소자(110 및 112)는 직사각형 단면을 갖는 홈 또는 트렌치이며, 다른 실시예에서 패턴 소자(110 및 112)는 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 패턴 요소(110 및 112)는 격자형 패턴을 형성하기 위해 교차 세그먼트로서 도시되며, 상기 실시예에서 평행한 라인 세트들이 서로 수직으로 교차한다.
패턴 요소(110)는 높이 'H' 및 폭 'W'를 가지며, 높이- 대- 폭 비율은 종횡비를 정의한다. 금속 제품을 형성하기 위해 맨드릴(100) 내의 패턴 요소(110 및 112)를 사용하여, 전기 주조된 금속 부품은 광전지 적용을 위해 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 종횡비는 솔라셀의 음영 제약을 충족시키기 위해 원하는 대로 약 0.01 내지 약 10일수 있다.
패턴 요소의 단면 형상 및 종 방향 레이아웃뿐만 아니라 종횡비는 전류 용량, 직렬 저항, 음영 손실 및 셀 레이아웃과 같은 원하는 사양을 충족시키도록 설계될 수 있다. 임의의 전기 주조 공정이 사용될 수 있다. 예를 들어, 금속 제품은 전기 도금 공정에 의해 형성될 수 있다. 특히, 전기 도금은 일반적으로 등방성 공정이기 때문에 전기 도금을 패턴 맨드릴로 한정하여 부품의 형상을 맞춤화하는 것이 효율 극대화를 위한 중요한 개선이다. 또한, 특정 단면 형상이 반도체 표면 상에 배치될 때 불안정할 수도 있지만, 맨드릴의 사용을 통해 생성될 수 있는 맞춤형 패턴은 이들 도관에 안정성을 제공하기 위해 상호 연결부 라인과 같은 특징부를 허용한다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 예비 형성된 패턴은 교차 라인을 갖는 연속 그리드로서 구성될 수 있다. 이러한 구성은 그리드를 형성하는 복수의 전기 주조 요소에 기계적 안정성을 제공할 뿐만 아니라, 전류가 더 많은 도관들을 통해 확산되기 때문에 낮은 직렬 저항을 가능하게 한다. 격자형 구조는 또한 셀의 강성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 그리드의 일부가 파손되었거나 작동하지 않는 경우, 전류는 그리드 패턴의 존재로 인해 파손 영역 주위로 흐를 수 있다.
도 2A-2C는 미국 특허 제8,916,038호에 공개된 바와 같이 일부 실시예에 따른 맨드릴을 사용하여 금속층 부분을 제조하는 단계의 단순화된 단면도이다. 도 2A에서, 패턴 요소(110 및 115)를 갖는 맨드릴(102)이 제공된다. 패턴 요소(115)는 맨드릴(102)의 외부 표면(105)을 향하여 넓어지는 테이퍼형 수직 단면을 갖는다. 테이퍼형 수직 단면은 금속의 양을 증가시켜 전기 전도성을 향상시키거나 맨드릴(102)로부터 전기 주조 부분을 용이하게 제거하는 것과 같은 기능적 이점들을 제공할 수 있다. 맨드릴(102)은 전기 주조 공정을 거치며, 전기 주조된 요소(150, 152 및 154)는 도 2B에 도시된 바와 같이 패턴 요소(110 및 115) 내에 형성된다. 전기 주조 요소(150, 152 및 154)는 예를 들어 오직 구리이거나 구리의 합금일 수 있다. 다른 실시예에서, 니켈층은 완성된 반도체 장치의 구리 오염에 대한 장벽을 제공하도록 먼저 맨드릴(102) 상에 도금되고 그 다음에 구리가 도금될 수 있다. 추가의 니켈층은 도 2B의 전기 주조 요소(150)상의 니켈층(160)에 의해 도시된 바와 같이, 구리를 캡슐화하기 위해 전기 주조 요소의 상부 위에 선택적으로 도금될 수 있다. 다른 실시예에서, 생산될 금속 제품의 필요한 특성을 달성하기 위해 원하는 대로 다양한 금속을 사용하여 다수의 층이 패턴 요소(110 및 115) 내에 도금될 수 있다.
도 2B에서, 전기 주조 요소(150, 154)는 맨드릴(102)의 외부 표면(105)과 동일 높이로 형성되는 것으로 도시된다. 전기 주조 요소(152)는 요소들이 오버 플레이팅될 수 있는 다른 실시예를 도시한다. 전기 주조 요소(152)의 경우, 전기 도금은 금속이 맨드릴(102)의 외부 표면(105) 위로 연장될 때까지 계속된다. 전기 주조의 등방성으로 인해 전형적으로 둥근 정상부를 형성하는 오버 플레이트 부분은 맨드릴(102)로부터 전기 주조 요소(152)의 추출을 용이하게 하도록 핸들로서 작동할 수 있다. 전기 주조 요소(152)의 둥근 정상부는 예를 들어 광 수집을 돕기 위한 반사 표면으로서 광전지에서 광학적 이점을 제공할 수도 있다. 도시되지 않은 또 다른 실시예에서, 금속 제품은 예비 성형된 패턴(110, 115) 내에 형성된 부분들 이외에, 버스 바(bus bar)와 같은 맨드릴 외면(105)의 상부에 형성되는 부분을 가질 수 있다.
도 2C에서, 전기 주조된 요소들(150, 152 및 154)은 자유 직립형 금속 제품(180)으로서 맨드릴(102)로부터 제거된다. 도 2A-2C는 전기 주조된 요소들(150, 152 및 154)들의 세 개의 상이한 형태를 나타낸다. 다양한 실시예에서, 맨드릴(102) 내의 전기 주조된 요소는 모두 동일한 유형일 수 있거나 전기 주조된 패턴의 상이한 조합을 가질 수 있다. 금속 제품(180)은 도 1의 교차 부재 패턴 요소(112)에 의해 형성될 수 있는 교차 부재(190)를 포함할 수 있다. 교차 요소(190)는 개별적인 전기 주조 요소(150, 152, 154)가 서로 정렬되도록 유지하면서 다른 처리 단계로 쉽게 전달될 수 있도록 금속 제품(180)을 단일의 자유 직립 부분으로 만드는 것을 도울 수 있다. 부가적인 처리 단계는 자유- 직립 금속 제품(180)을 위한 코팅 단계 및 금속 제품을 반도체 장치에 통합하기 위한 조립 단계를 포함할 수 있다. 자유 직립 부분으로서 반도체의 금속층을 제조함으로써, 전체 반도체 조립의 제조 수율은 금속층의 수율에 의해 영향을 받지 않을 것이다. 또한, 금속층은 다른 반도체 층과 분리된 온도 및 공정을 가질 수 있다. 예를 들어, 금속층은 반도체 조립의 나머지 부분에 영향을 미치지 않는 고온 공정 또는 화학적 욕을 겪을 수 있다.
금속 제품(180)이 도 2C에서 맨드릴(102)로부터 제거된 후에, 맨드릴(102)은 추가 부품을 생산하기 위해 재사용될 수 있다. 맨드릴(102)을 재사용할 수 있다는 것은 전기 도금이 솔라셀에서 직접 수행되는 현재의 기술에 비해 상당한 비용 절감을 제공한다. 직접 전기도금 방법에서 마스크 또는 맨드릴은 셀 자체에 형성되므로 모든 셀에 형성되고 종종 파괴되어야 한다. 재사용 가능한 맨드릴을 갖는 것은 가공 단계를 줄이고 반도체 장치를 패터닝하고 도금해야 하는 기술에 비해 비용을 절감한다. 다른 종래의 방법들에서, 도금 공정을 시작하기 위해 얇은 인쇄된 시드 층은 반도체 표면에 도포된다. 그러나 시드 층 방법은 처리량이 낮다. 대조적으로, 본원에 설명된 재사용 가능한 맨드릴 방법은 고전류 성능을 허용하는 두꺼운 금속의 맨드릴을 사용할 수 있어 높은 도금 전류 및 높은 처리량을 발생시킨다. 금속 맨드릴 두께는 예를 들어 0.2 내지 5mm일 수 있다.
전기 주조 맨드릴에 의해 제조된 금속 제품은 본 출원의 양수인이 소유하고 본원에서 참고하는 미국 특허 제8,936,709호에 공개된 특정 광전지 셀의 원하는 기능 및 제조 요구를 충족시키기 위해 특징부가 맞춤 제조될 수 있다. 예를 들어, 금속 제품 내의 개별 요소 형상은 맞춤 설계될 수 있거나, 금속 제품의 한 영역 내의 요소는 다른 영역의 요소와 기하학적으로 다른 특징부로 설계될 수 있다. 맞춤화된 특징들이 개별적으로 또는 서로 조합하여 사용할 수 있다. 전기 주조 맨드릴의 사용은 특징부가 금속 제품 내의 특정 영역에 대해 최적화될 수 있도록 전체 전기 주조 부분의 치수 제약을 분리시킨다. 또한, 전기 주조 방법에 의해 제조된 금속제품은 저비용 주거용 대 고효율 셀과 같은 특정 유형의 셀을 위해 맞춤화될 수 있다. 금속 제품의 특징부는 또한 상호 연결부 부품의 통합을 허용하여 금속 제품을 전기 도관으로 이용하는 솔라셀이 모듈로 준비된다. 금속 제품에 의해 제공되는 금속화는 은 기반 및 리본 기반 금속화에 비해 비용을 줄이면서 동일한 풋 프린트를 가지며 전통적인 셀 금속화보다 높은 금속화량 및 낮은 저항을 제공한다. 금속 제품은 또한 경량 및 처짐을 허용하는 광전지 셀의 설계를 용이하게 한다.
도 3은 광전지 셀에 적용되는 다양한 특징부의 일부 실시예에 따른 본 발명의 금속 제품(400)을 도시한 평면도이다. 반도체 기판(402)은 광전지 상에 금속 제품의 배치를 설명하기 위해 점선으로 도시되며, 금속 제품(400)은 셀의 전방 측부를 위한 그리드로서 구성된다. 그러나, 여기에 설명된 특징부들은 광전지 셀의 배면 측에 대한 전기 도관에 적용될 수 있다. 본 명세서에서, 반도체 장치 또는 광전지 셀의 형성에서 반도체 재료에 대한 언급은 비정질 실리콘, 결정질 실리콘 또는 광전지 셀의 사용에 적합한 임의의 다른 반도체 재료를 포함할 수 있다. 금속 제품은 광전지 셀 이외의 다른 유형의 반도체 장치에도 적용될 수 있다. 반도체 기판(402)은 도 3에서 둥근 모서리를 갖는 단결정 셀로서 도시되고 의사 사각 형상(pseudosquare shape)으로 설명된다. 다른 실시예에서, 반도체 기판은 완전히 사각형인 다결정일 수 있다. 반도체 기판(402)은 기판(402)에 의해 생성된 전류를 운반하는 은 핑거와 같은 그 표면상에 전기 도관 라인(도시되지 않음)을 가질 수 있다.
금속 제품(400)은 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작동하도록 구성된 복수의 전기 주조된 요소를 갖는 제1 영역(456)을 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 제1 영역(456)과 일체형이다. 은 핑거는 종래의 방법에 따라 반도체 기판(402) 상에 스크린 인쇄될 수 있다. 예를 들어, 은 핑거는 제1 영역(456)에서 그리드 선(410)의 방향에 수직인 선일 수 있다. 금속 제품(400)의 요소는 은 핑거로부터 전류를 전달하기 위한 전기 도관으로서의 역할을 한다. 도 3의 실시예에서, 금속 제품(400)의 제1 영역(456)에서 (도 3에서 수평 방향으로) 그리드 선들(410) 및 (도 3에서 수직 방향으로)세그먼트들(420)은 예를 들어 솔더링에 의해서 반도체 기판(402)에 전기적으로 연결되어 상호 연결부 요소 또는 셀 - 대 - 셀 상호 연결부(440)에 전류를 모으고 전달한다. 그리드 선(410)은 제1 영역(456)의 변부에 수직 일 수 있다. 솔라 배열을 형성하기 위해 셀 - 대 - 셀 상호 연결부(440)는 솔라 모듈을 위한 셀 - 대 - 셀 접속을 가능하게 한다. 구리와 같은 금속으로 금속 제품(400)을 제조하는 것은 은이 모든 전기 도관에 사용되는 셀에 비해 비용을 감소시키며 개선된 도전성으로 인해 셀 효율성을 향상시킬 수도 있다.
복수의 전기 주조 요소는 복수의 제2 요소와 교차하는 복수의 제1 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 그리드 라인(410) 및 세그먼트(420)는 서로 교차하고 서로 대략 직각으로 도시된다. 그러나, 다른 실시예에서, 이들은 서로 수직이 아닌 각도를 가질 수 있다. 그리드 선들(410) 및 세그먼트들(420) 모두는 전류를 운반할 수 있지만, 그리드 선들(410)은 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)에 대한 최소 저항을 가진 경로를 제공하고 전류의 주요 캐리어로서 작동할 것이다. 세그먼트(420)는 강도 및 그리드의 치수 사양을 유지하는 면에서 자유 직립형 금속 제품(400)을 위한 기계적 지지부를 제공할 수 있다. 그러나, 세그먼트(420)는 또한 그리드 선(410)이 고장 나는 경우에 여분을 제공하는 것과 같이 전기 도관으로서 작동할 수 있다. 일부 실시예에서, 그리드 선(410) 및 세그먼트(420)는 각각 기계적 강도를 최적화하거나 셀에 대해 원하는 충전 인자를 달성하도록 서로 다른 폭(412,422)을 각각 가질 수 있다. 예를 들어, 그리드 선(410)의 폭(412)은 세그먼트(420)의 폭(422)보다 작을 수 있어서, 그리드 선(410)이 가능한 높은 충전 인자를 달성하도록 맞춰지는 동안 금속 제품(400)에 충분한 기계적 안정성을 제공한다. 다른 실시예에서, 특정 그리드 선(410)은 기계적 강도 또는 특정 영역의 전기적 용량을 처리하기 위해 다른 그리드 선(410)과 다른 폭을 가질 수 있다. 그리드 선(410)의 피치는 또한 세그먼트(420)와 다를 수 있거나, 필요한 장치 전도 요건을 충족시키기 위해 금속 제품(400) 내의 상이한 영역에서 서로 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 더 거칠거나 더 미세한 메쉬 피치가, 예를 들어 웨이퍼의 은 핑거 설계, 은 스크린 프린팅 공정의 정밀도 또는 사용되는 셀의 유형에 기초하여 선택될 수 있다.
다른 실시예에서, 금속 제품(400)의 상호 연결부 요소에 전류를 수집하고 전달하기 위해 제1 영역(456)의 요소들의 패턴은 반도체 기판(402)에 전기적으로 연결된 (수평 방향의) 그리드 선 및 (수직 방향의) 그리드 선으로 구성될 수 있다. 수직 방향의 그리드 라인은 수직 방향의 그리드 선이 금속 제품(400)의 하나의 변부 부재(450)로부터 금속 제품(400)의 다른 변부 부재(450)까지 형성되고 수평 그리드 선에 실질적으로 수직인 점에서 도 3의 세그먼트(420)와 다를 수 있다. 수평 그리드 선과 수직 그리드 선은 메시 구성을 형성한다.
맞춤화될 수 있는 추가 특징부는 금속 제품이 제조되는 전기 주조 맨드릴 내에 설계될 수 있다. 예를 들어, 금속 제품은 금속 제품의 제1 영역(456)의 대부분에 걸쳐 메쉬 구조를 형성하는 교차 그리드 선을 가질 수 있다. 그리드 선은 그 길이를 따라 불균일한 폭을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 수평 그리드 선의 폭은 셀의 전류 수집 단부인 상호 연결부 요소(또는 셀- 대- 셀 상호 연결부(440))에 더 가까운 위치에서 더 크다. 이 증가된 너비는 전류가 제1 영역(456)의 표면을 가로 질러 금속 제품에 의해 수집됨에 따라 상기 단부에서 더 높은 전류를 수용한다. 따라서, 증가된 너비는 저항 손실을 감소시킨다. 그리드 선의 높이는 증가된 폭의 영역에서 원하는 대로 조정할 수도 있다.
또한, 길이 방향 프로파일은 폭이 변화할 뿐만 아니라 형상이 변경될 수 있다. 수평 및 수직 그리드 선은 그리드 선이 길이 방향으로 확장되도록 하는 비선형 패턴으로 구성될 수 있으며, 따라서 확장 세그먼트로서 작용한다. 일부 실시예에서, 수평 및 수직 그리드 선은 모두 그리드 선(410) 및 세그먼트(420)에 의해 예시된 것처럼 파형 패턴을 가질 수 있다. 파형 패턴은 예를 들어, 사인파 또는 다른 곡선형 또는 기하학적 형상으로서 구성될 수 있다. 파형 패턴은 금속 제품과 금속 제품이 결합되는 반도체 기판 사이의 열 팽창 계수(CTE)의 차이에 대한 스트레인 릴리프(strain relief)를 제공하기 위해, 금속 제품이 팽창 및 수축하도록 솔더 포인트 사이에 여분의 길이를 제공할 수 있다. 예를 들어, 구리는 실리콘보다 약 5배의 CTE를 갖는다. 따라서, 실리콘 기판에 솔더링된 구리 금속 제품은 서브 - 조립체를 최종 완성된 솔라셀로 제조하는 것과 관련된 가열 및 냉각 단계 동안 상당한 변형을 가지게 된다. 다른 실시예에서는 특정 그리드 선만이 확장 세그먼트로 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단일 그리드 선의 특정 부분만이 확장 세그먼트로서 구성될 수 있는 반면, 길이의 나머지 부분은 선형이다.
도 3의 실시예에서, 그리드 선(410)은 파형 패턴을 갖는다. 또한, 세그먼트(420)는 파형 패턴을 갖는다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440) 근처에서, 추가적인 수평 섹션들(430)이 존재할 수 있다. 추가적인 수평 섹션(430)은 추가적인 전류 운반 능력을 제공한다. 다른 실시예에서, 그리드 선(410) 및 세그먼트(420)는 선형이거나 파형 패턴과 선형의 조합일 수 있다. 그리드 선들(410) 및 세그먼트들(420)은 또한 솔라 셀의 주변부 근처에 위치하도록 구성된 변부 부재들(450,455)을 포함한다. 예를 들어, 변부 부재(450,455)는 웨이퍼의 변부로부터 1 내지 3 mm에 위치할 수 있다. 변부 부재(450,455)가 금속 제품(400)의 주변을 형성하기 때문에, 변부 부재(450,455)는 추가적인 구조적 지지를 제공하기 위해 금속 제품(400)의 내부에서 다른 그리드 선(410) 및 세그먼트(420) 보다 넓을 수 있다. 변부 부재(455)는 도 3의 실시예에서 주요 변부 부재(450)로부터 각을 형성하는 코너 버스 바아로서 구성된다. 즉, 변부 부재(450)는 본 실시예에서 의사 정사각형 형상을 수용하도록 길이를 따라 도관 방향으로 변화를 갖는다. 이러한 방향의 변화는 전기 주조 맨드릴에 의해 일체로 형성될 수 있고, 기계적 강도를 향상시키고 저항 손실을 감소시키기 위해 코너 버스 바(455)의 폭을 맞추는 것을 포함할 수 있다. 금속 제품(400)의 주변부에서 더 넓은 버스 바들(450,455)은 또한 금속 제품(400)을 반도체 기판(402)에 부착할 때 결합 강도를 향상시킬 수 있다.
셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 금속 제품(400)의 변부 근처에 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 제1 영역(456)과 일체형이다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 제1 영역(456)의 광 - 입사면을 지나 연장되고 인접한 광전지에 금속 제품(400)을 직접 결합시킨다. 도 4A 및 도 4B는 일부 실시예에 따른 셀- 대- 셀 상호 연결부의 확대도이다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 복수의 전기주조된 부속물(460)을 포함한다. 각각의 부속물(460)은 제1 영역(456)의 변부(464)에 결합 된 제1 단부(462) 및 제1 단부(462)에 대향하고 변부(464)로부터 멀어지는 제2 단부(466)를 갖는다. 즉, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 금속 스트립(470)에 제2 단부(466)가 연결된다. 상기 부속물(460)들은 서로 이격된다. 인접한 부속물(460)들이 이격되면 즉 서로 연결되지 않으면 각각의 부속물의 독립적인 굴곡 및 열팽창으로 인해 응력 완화가 향상된다.
일부 실시예에서, 각 부속물(460)은 제1 영역(456)의 변부(464)와 금속 스트립(470) 사이에서 수직이 아닌 경로를 횡단한다. 부속물(460)의 패턴은 예리하거나 직선인 변부 또는 각도가 거의 또는 전혀 없고 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 원래 평면 내에서 곡면들로 구성된 모래시계 또는 볼링 핀 형상의 윤곽을 형성한다. 대칭 또는 비대칭 형상, S 자형, U 자형, W 자형, V 자형, 구불구불한 형상, 톱니 모양과 같은 정현파 형태; L 자형 또는 다른 곡선 형상 또는 선형으로 구부러진 구성과 같은 다른 형태의 부속물(460)이 사용될 수 있다. 형상의 선택은 셀이 노출될 기계적 굴곡 및 온도 변화의 양과 같이 광전지가 사용될 적용예에 달려 있다. 예를 들어, 상대적으로 높은 기계적 및 열적 응력 환경에 대해 부속물을 따라 증가 된 수 또는 곡선(또는 굴곡)의 크기가 선택될 수 있다.
부속물(460)의 곡률은 다른 단부와 비교하여 제1 단부(462) 또는 제2 단부(466)에서 더 클 수 있다. 부속물들(460)은 서로 이격될 수 있고 부속물들(460)의 패턴은 머리- 대- 꼬리(head-to-tail) 방식 또는 머리- 대- ㅁ앞머리(head-to-head) 방식으로 차례로 반복될 수 있다. 부속물(460)은 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)를 가로 질러 반복적인 패턴 또는 비 반복적인 패턴을 가질 수 있다. 부속물(460)은 기계적 및 열적 응력에 기인한 변형 완화를 위한 횡 방향 컴플라이언스 및 스프링 형상의 구조를 가능하게 한다.
도 4C-4K는 일부 실시예에 따라 다양한 형태의 부속물을 갖는 셀 상호 연결부(440)의 부분도를 도시한다. 예를 들어, 도 4C는 W 자형상의 부속물을 가지며, 도 4D는 L 자형 부속물을 가지며, 도 4E는 V 자형 부속물을 가지며, 도 4F는 U자형 부속물을 가지며, 도 4G는 세 개의 U 자형 곡선을 가진 구불구불한 모양의 부속물을 가진다. 도 4H 및 4I는 도 4G와 유사하지만, 도 4G에 도시된 것과 상이한 크기의 곡선을 갖는다. 도 4J는 S 자형 부속물을 가지며, 도 4K는 세 개의 S 자형 곡선을 가진 구불구불한 모양의 부속물을 가진다.
도 4C, 4D 및 4E에 도시된 설계는, 부속물(460)의 샘플 치수를 도시한다. 부속물(460)은 제1 영역(456)의 변부(464)와 금속 스트립(470) 사이에서 도 4C의 거리("X")라고 표시된 거리를 가지며 형성된다. 제1 영역(456)의 변부(464)와 금속 제품(400) 내에 설계될 금속 스트립(470) 사이의 직교 거리(X)는 모듈 내에 조립될 때 솔라셀들 사이의 갭 및 모듈이 견디도록 설계되는 굴곡 정도와 같은 인자들에 의존한다. 예를 들어, 거리 X는 6mm와 같은 4mm 내지 10mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 부속물의 경로(도 4C에서 경로 "Z")를 따라 부속물(460)의 길이는 제1 영역(456)의 변부(464)와 금속 스트립(470) 사이의 거리 X의 1.4 배보다 크다. X가 6 mm인 예시에서, 부속물 길이 Z는 적어도 1.4 x 6mm = 8.4 mm이다. 다른 실시예에서, 부속물(460)의 부속물 길이는 제1 영역(456)의 변부(464)와 금속 스트립(470) 사이의 거리의 3배까지이다. 추가 실시예에서, 부속물(460)의 부속물 길이는 적어도 거리 X, 즉 제1 영역(456)의 변부(464)와 금속 스트립(470)사이의 거리의 1.5 내지 2배이다.
일부 실시예에서, 평면도에서 부속물(460)의 폭 "W"는 적어도 80㎛ 내지 350㎛일 수 있다. 부속물(460)의 폭은 부속물(460)의 총 개수 및 부속물(460)에 의해 운반되어야 하는 광전지의 전류 용량에 의존할 것이다. 부속물(460)의 형상에 따라, 부속물(460)의 폭은 가변적일 수 있다. 예를 들어, 도 4E에서 부속물(460)의 폭은 일부분에서 190㎛이고 반경 부분과 같은 다른 부분에서 300㎛이다. 다른 실시예에서, 평면도에서 부속물(460)의 폭은 걸쳐서 일정하다. 예를 들어, 도 4F 및 도 4H에서, 부속물(460)의 폭은 전체 형상에 걸쳐 200㎛이다. 일부 실시예에서, 부속물(460)의 두께는 적어도 90㎛ 및 150㎛ 미만이다.
제1 영역(456)의 수평 변부(464)에 대한 부속물(460)의 접선 각도가 계산되고 도 4C에 도시된 것처럼 형성된다. 더 큰 접선 각도는 서로 근접하게 위치한 부속물(460)들의 더 조밀한 네스팅 및 패킹을 가능하게 하는 부속물(460)의 형상을 발생시킨다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)에 통합될 수 있는 부속물(460)의 수가 많을수록 전기 저항을 최소화하면서 금속 제품(400) 사이의 전류의 가능한 양이 커진다. 예를 들어, 도 4C에서, 부속물에 대한 임의의 접선과 제1 영역의 수평 변부 사이의 각은 각도 Y = 18°이고, 각도 Y = 19°이며, 각도 Y = 23.2°이다. 일부 실시예에서, 부속물(460)의 접선과 제1 영역(456)의 수평 변부(464) 사이의 각은 적어도 12°이다. 다른 실시예에서, 상기 각도는 75°보다 작다.
도 4F-4K에 도시된 설계는, 접선 각도(Y)가 0°와 같이 매우 작은 부속물(460)의 형상을 도시한다. 이러한 형상의 기하학적 구조 때문에, 부속물(460)은 센티미터 당 밀접하게 네스팅되지 않지만 도 4C- 4E에 도시된 형상에 비해 부속물 길이(Z)의 증가로 인해 부속물(460)은 더 큰 유연성, 탄력 및 내구성을 가질 수 있고 여전히 충분한 전기적 특성을 제공한다. 부속물(460)의 형상을 설계할 때, 기계적 특성과 전기적 특성 사이에는 절충(trade-off)이 존재한다. 즉, 부속물(460)의 기계적 유연성/내구성 및 셀- 대- 셀 상호 연결부를 따라 부속물(460)을 조밀하게 패킹하여 광전지 사이의 전기 저항 및 전류 흐름을 감소시킨다.
도 4A-4K에 도시된 바와 같은 특정 부속물 형태의 사용은, 광전지 모듈이 설계되는 사양에 의존한다. 예를 들어, 기계적 처짐의 양 및 방향 및, 열 팽창 및 수축의 양은 금속 제품(400)상의 응력을 수용하기 위해 필요한 부속물 길이(Z)에 영향을 미칠 것이다. 다른 예에서, 광전지 모듈에 대한 비틀림 응력 크기는 부속물의 곡선에 사용된 반지름 선택에 영향을 줄 수 있다. 일반적으로, 팽창 및/또는 굴곡의 양이 클수록, 이러한 응력을 수용하기 위해 스프링 요소로서 작용하도록 부속물 길이(Z)가 더 커져야 한다. 또한, 모듈의 전류 용량이 클수록, 전류를 운반하기 위해- 부속물의 수 및/또는 부속물의 폭에 의해 제공되는- 부속물 내의 재료의 양이 더 많아진다.
도 4L-4N은 일부 실시예에 따른 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)를 보여 주며, 부속물의 네스팅 및 금속 제품의 내구성을 개선하기 위한 부가적인 특징부를 도시한다. 도 4L은 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 W 형 부속물(460)을 도시하며, 도 4M은 도 4L의 확대도를 도시한다. 도 4N은 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 U 자형 부속물(460)을 도시한다. 부속물(460)은 하나의 부속물(460)이 다른 부속물(460)의 공간에 적어도 부분적으로 끼워져 네스팅되도록 구성되어, 특정 길이, 폭 또는 거리에 위치한 부속물(460)의 갯수를 최대화한다. 일부 실시예에서, 부속물(460)은 센티미터 당 적어도 8회, 센티미터 당 적어도 10회, 또는 센티미터 당 적어도 12회 반복될 수 있다. 도 4M 내지 도 4N과 비교할 때, 도 4M의 W 형 부속물(460)은 도 N의 U 형 부속물(460)보다 센티미터 당 훨씬 더 조밀하게 포장된다. 예를 들어, W 형 부속물(460)은 도 4C에서 설명된 바와 같이 대략 18°의 접선 각도(Y)를 가지며, U 자 모양의 부속물(460)은 실질적으로 0°의 접선 각도(Y)를 갖는다. 접선 각도(Y)가 매우 작거나 12°보다 작을 때, 도 4M 내지 도 4N과 비교할 때 도시된 바와 같이 부속물(460)들을 서로 네스팅시키는 것은 어렵다.
도 4L-4N은 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)가 하나 이상의 링크(474)를 갖는 금속 제품의 내구성 및 제조 가능성을 향상시키기 위해 사용될 수 있는 추가적인 특징부를 도시한다. 각각의 링크(474)는 제1 영역(456)의 변부(464)에 연결되는 제1 링크 단부 및 제1 영역(456)의 변부(464)로부터 멀어지고 제1 단부와 마주보는 제2 링크 단부를 가진다. 제2 링크 단부는 금속 스트립(470)에 연결된다. 링크(474)는 직선형이며 제1 영역(456)의 변부와 수직이다. 일부 실시예에서, 부속물 길이는 링크(474)의 길이보다 크다. 일부 실시예에서, 링크의 길이는 거리(X)- 즉, 제1 영역(456)의 변부(464) 및 금속 스트립(470)사이의 거리이다.
각각의 링크(474)는 링크(474)에 대해 지정된 파손 지점을 제공하기 위해, 링크(474)의 폭보다 좁은 폭을 가지며 테이퍼 구조를 가진 넥(neck)(476)을 갖는다. 넥(476)은 상기 실시예에서 링크(474)의 제2 단부에 도시되어, 테이퍼형상 넥은 링크의 길이를 따르지만, 넥(476)은 원하는 대로 링크(474)를 따라 임의의 위치에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 평면도에서, 링크(474)의 폭은 200㎛ 미만이고, 넥(476)은 50㎛ 미만이다. 평면도에서, 넥(476)의 폭은 링크(474)의 폭보다 적어도 1.5 배 더 얇다.
링크(474)는 금속 제품(400)에 안정성을 제공하고, 힘을 흡수하고, 제조 중에 부속물(460)에 가해지는 장력 또는 토크와 같은 힘으로부터의 파손을 방지한다. 금속 제품(400)이 전형적으로 분리, 리프팅 또는 박리에 의해 전기 주조 맨드릴로부터 제거될 때, 링크(474)는 금속 제품(400)에 안정성을 제공하고 복수의 부속물(460)들이 늘어나거나 파손되는 것을 방지한다. 제거 공정은 미국 특허 제8,916,038호의 일부 실시예에서 설명된다. 링크(474)는 또한 다른 방법(예를 들어, 스탬핑)을 사용하여 금속 제품을 제조하거나 제품이 솔라셀에 결합되기 전에 자유 직립형 금속 제품을 처리할 때 안정성을 제공한다.
도 4M을 참고할 때, 링크(474)의 제2 단부에서 넥(476)은 링크(474)의 나머지 부분보다 좁아지며 테이퍼 구조를 가지고 필요한 경우 제어된 형태로 파손되도록 설계되는 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 약한 부분이다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 힘이 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)에 가해질 때 링크(474)의 넥(476)에서 파괴되도록 설계된다. 링크(474)의 넥(476)은 부속물(460)의 파괴 강도보다 작은 하중에 파괴되도록 설계된다. 링크(474)는 금속 제품(400)이 제조 중에 취급되는 동안 부속물(460)에 대한 응력을 방지한다. 그러나, 일단 금속 제품(400)이 솔라 모듈로 조립되면, 부속물(460)이 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 작동 굴곡 영역을 제공하기 때문에 링크(474)가 손상되지 않도록 유지할 필요가 없다. 링크(474)가 부속물(460)와 비교하여 수적으로 적기 때문에, 상기 링크(474)가 파손되면 부속물(460)과 금속 스트립(470) 사이의 전기 전도성은 단지 약간 감소될 것이다. 예를 들어, 솔라 모듈 배열은 열 사이클링으로 인해 운송 중이거나 사용 중하는 동안 충격 및 진동을 가질 수 있고 기계적 스트레스가 발생할 수 있다. 부속물(460)이 전류를 전도시키는 연성의 가요성 스프링으로서 작용할 수 있고 운송, 설치 및 일반적인 열 사이클링 동안 균열되거나 파손되지 않기 때문에 복수의 부속물(460)을 갖는 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 인접한 솔라셀들사이의 자연적인 평면 내부로 및 평면 외부로 비가요성 또는 강성을 개선시킨다.
도 4L-4N의 실시예는 부속물(460)의 열의 한 단부에서 두 개의 링크(474), 열의 중간에서 두 개의 링크(474) 및 대향 단부(도시되지 않음)에서 두 개의 링크(474)를 가진다. 각각의 위치에서 하나의 링크 또는 부속물(460)의 열을 따라 다양한 위치에서 하나 이상의 링크(474) 또는 전체 열에 대해 단지 하나의 링크(474)(예를 들어, 열의 중앙에 배치된 하나의 링크(474)와 같은 다른 구조가 가능하다.
일부 실시예에서, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 부속물(460)를 가로 질러 연장되고 하나의 부속물(460)를 인접한 부속물(460)에 연결시키는 하나 이상의 크로스바(478)를 가질 수 있다. 도 4M 및 도 4N를 참고할 때, 크로스바(478)들은 부속물(460)들사이에서 수평으로 위치하고 또한 부속물(460) 및 링크(474)사이에 위치한다. 선택적으로, 크로스바(478)는 링크(474)들사이에 위치될 수 있다. 크로스바(478)는 금속 제품(400)에 안정성을 제공하여 금속제품(400)이 맨드릴(100)로부터 분리되는 동안 부속물이 손상되는 것을 방지하고 부속물(460)이 단일상태로 구부러지고 이동하며 부속물(460)의 전체 탄력성을 유지한다. 도 4N에 도시된 것과 같은 한 줄의 크로스바(478) 또는 도 4M에 도시된 것과 같은 복수의 크로스바(478)들이 존재할 수 있다. 부속물에 대한 크로스바(478)의 배치는 균일하거나 무작위 일 수 있다. 도 4M 및 도 4N의 실시예에서, 크로스바(478)는 부주의한 처리로 인한 손상이 가장 쉽게 발생할 수 있는 부속물(460) 내의 곡선의 피크에 위치한다.
제1 영역(456) 및 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)를 포함하는 금속 제품(400)은 전기 전도성 맨드릴 상에서 전기주조될 수 있고, 미리 형성된 패턴에 의해 형성되어 전기 전도성 맨드릴로부터 분리될 때 단일의 자유 직립 부분을 형성한다. 일부 실시예에서, 금속 제품(400)의 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 제1 영역(456)과 평면으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 금속 제품(400)의 셀- 대- 셀 상호 연결부(440) 제1 영역(456)의 평면으로부터 구부림 또는 각도를 형성하도록 구성될 수 있다. 도 5A 내지 도 5C는 일부 실시예에 따라 금속 제품(400)을 처리하는 방법을 도시한다. 예를 들어, 도 5A는 고정구(468)에 배치된 제1 영역(456) 및 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)를 포함하는 금속 제품(400)을 도시한다. 고정구(468)는 유압식, 기계식 또는 공압식 메커니즘에 의해 압력의 적용에 의해 공작물의 형상을 변화시키는 성형 프레스 일 수 있다. 고정구(468)의 상부 및 하부는 패턴으로 미리 형성될 수 있거나 프레스가 닫힐 때 압력이 가해 져서 공작물을 예비 성형된 형상으로 변형시키도록 사용될 수 있다. 도 5A 내지 도 5C에서, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)에서 상응하는 벤드 형상을 형성하기 위해, S 자형 벤드(472)가 고정구(468)에 제공된다. 도 5B는 폐쇄된 위치에서 금속 제품(400)에 압력을 가하는 고정구(468)를 나타낸다. 도 5C는 금속 제품(400)의 새로운 형상을 나타내는 개방 위치의 고정구(468)이다.
도 5D는 일부 실시예에 따라 고정구(468)에 의해 형성된 후에 400a가 있는 두 개의 금속 제품(400a,400b)을 도시한다. 금속 제품(400a)은 광전지의 전면에 대해 구성될 수 있는 반면, 금속 제품(400b)은 후면을 위한 것이다. 금속 제품(400a)은 셀 - 대 - 셀 상호 연결부(440)를 통해 금속 제품(400b)에 연결되며, 셀 평면에 수직인 방향의 굽힘은 전방- 대- 후방 연결을 용이하게 한다. 금속 제품(400)의 제1 영역(456)은 제1 평면을 포함할 수 있고, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 제1 평면과 다른 제2 평면에서 복수의 전기 주조된 부속물(460)의 제2 단부(466)를 배치하는 굽힘부를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 굽힘부는 금속 제품의 평면에 대해 5° 내지 85°의 각도로 구성될 수 있다(도 7A 내지 도 7B의 각도 N을 참조).
셀- 대- 셀 상호 연결부(440)가 광 입사 표면을 넘어 연장되고 금속 제품(400)을 인접한 광전지 셀에 직접 결합하도록 구성된다. 예를 들어, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 광전지 및 제2 광전지가 인접할 때 광전지의 전방 측부 및 인접한 광전지의 후방 측부에 결합될 수 있다. 따라서 전류가 금속 제품(400)과 제2 금속 제품 사이에서 흐를 수 있다. 도 6은 일부 실시예에 따라 하나의 광전지의 전방 측부 및 인접한 광전지의 후방 측부에 결합 된 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 평면도를 도시한다.
셀- 대- 셀 상호 연결부(440)가 광전지의 전방 측부 및 제2 광전지의 후방 측부에 결합될 때, 전기 주조된 부속물(460)은 광전지를 가진 평면 및 제2 광전지를 가진 평면으로부터 돌출되거나 팽창하도록 구성된다. 도 7A-7C는 일부 실시예에 따른 두 개의 인접한 광전지들사이의 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 측면도를 도시한다. 도 7A는 솔라셀 모듈 내에 조립된 상호 연결된 셀들의 단순화 된 측면도를 제공한다. 도 7B는 상호 연결된 솔라셀의 측면도를 제공하고, 도 7C는 상호 연결된 금속 제품의 사시도이다. 도 7A에서 설계에서 스트레인 릴리프 측면을 최대화하기 위해 긴밀한 곡선들이 회피된다. 화살표 K 및 L은 인접한 광전지들사이에 장착될 때 광전지를 가진 평면 및 제2 광전지를 가진 평면으로부터 벗어난 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 돌출부를 나타낸다. 화살표 J 및 M은 금속 제품(400)의 제1 영역(456)에 결합하기 전의 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 경미한 곡선을 나타낸다. 각도 N은 예를 들어 5° 내지 85°일 수 있는 굽힘 각을 나타낸다.
도 7B는 일부 실시예에 따른 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)이다. 각각 제1 영역(456)을 갖는 두 개의 인접한 광전지들은 예를 들어 대략 1.0 mm 내지 3.0 mm 떨어져 있거나 상기 실시예에서 2.0 mm 떨어져 있을 수 있는 거리(P)에 위치한다. 일부 실시예에서, 부속물(460)의 길이는 인접한 광전지들사이의 간격 거리의 적어도 4배이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 인접한 광전지들이 2.0 mm인 거리 P에 위치하면, 부속물(460)의 길이는 4x 2.0 mm = 8.0mm이다. 이것은 제1 영역(456) 및 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)가 동일한 평면에 위치하거나 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)가 제1 평면과 다른 제2 평면에서 복수의 부속물(460)의 제2 단부(466)를 배열하는 굽힘부를 포함한다.
셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 부속물(460)의 제1 단부(462)는 제1 광전지의 제1 영역(456)을 가진 평면내에 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 굴곡부(N)가 형성되고 두 개의 인접한 광전지 셀들 사이에 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)가 장착되기 때문에, 화살표 K로 표시된 제1 돌출부는 제1 광전지의 제1 영역(456a)으로부터 약 0.2 mm 내지 0.4 mm 또는 이 실시예에서, 0.3 mm와 같은 높이(Q)를 가지며 평면으로부터 수직으로 벗어난다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 부속물(460)의 제2 단부(466)는 제2 광전지의 제1 영역(456b)을 가진 평면내에 있다. 화살표 L은 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 제2 돌출부를 지시한다. 이 경우, 제2 돌출부는 제2 광전지의 제1 영역(456b)으로부터 대략 0.3 mm 내지 0.6 mm 또는 이 실시예에서는 0.5 mm와 같은 높이(R)를 가지며 평면으로부터 수직으로 벗어난다. 제1 돌출부 및 제2 돌출부는 상호 연결부의 내구성을 최대화하기 위해 상이한 높이를 가지며 평면으로부터 수직으로 벗어날 수 있다.
도 7C는 두 개의 인접한 금속 제품 사이의 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 사시도를 도시한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 각 부속물(460) 내의 제1 돌출부 및 제2 돌출부는 금속 제품(400)내에서 응력 완화 굽힘부를 제공한다. 광전지들사이의 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 유연성은 운송, 설치 또는 정상적인 열 사이클링 동안 파손 또는 비틀림의 문제를 완화시킨다. 전통적인 세 개의 버스 바 상호 연결부는 종종 셀들사이의 자연적인 비유연성으로 인해 광전지에 대해 뒤틀림을 일으킨다.
일부 실시예에서, 금속 제품(400)은 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)와 일체형이고 다수의 전기 주조된 부속물(460)의 제2 단부(466)에 결합된 금속 스트립(470)을 더 포함한다. 금속 스트립(470)은 인접한 광전지의 후방 측부에 결합된다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 금속 스트립(470)은 인접한 셀의 후방부를 위한 땜납 패드로서 작용하는 반면, 부속물(460)은 솔라셀 들사이의 전기 도관으로서 작용한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 설계는 세 개의 버스 리본이 사용되는 종래의 솔더 리본에 비해 넓은 표면적을 갖는다는 것을 유의해야 한다. 결과적으로, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 설계는 낮은 직렬 저항 및 최소 전압 강하를 제공함으로써 모듈 레벨에서 효율을 향상시킨다. 예를 들어, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 폭(432)은 그리드 선(410) 및 세그먼트(420)에 대해 50-100㎛의 폭과 비교하여 6-8mm와 같은 5-10mm 일 수 있다.
셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 길이는 다결정 셀의 전체 변부와 같은 광전지의 변부길이 또는 단결정 셀의 코너들 사이의 길이와 근사할 수 있다. 다른 실시예에서, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 광전지의 제1 영역(456)의 변부의 적어도 1/4에 걸쳐 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 광전지의 대략 변부 길이의 비 연속적인 부분들에 걸쳐 있을 수 있다. 예를 들어, 도 8은 일부 실시예에 따른 광전지의 일부로서의 금속 제품(400)의 사시도를 도시한다. 이 실시예에서, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 광전지의 변부 길이의 비 연속부분(440a,440b)들에 걸쳐 있다. 또 다른 실시예에서, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 광전지의 변부 전체 길이 또는 광전지의 부분 변부 길이의 비 연속적 또는 연속적인 부분들에 걸쳐 있을 수 있다. 금속 스트립(470)은 광전지의 전체 길이에 걸쳐있다. 다른 실시예에서, 금속 스트립(470)은 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 길이에 걸쳐 있을 수 있다. 광전지의 제1 영역(456)의 변부의 적어도 1/4에 걸쳐 있게 되면, 복수의 전류 경로들이 솔라 모듈 내에서 인접한 셀들사이에 위치하며 기존의 세 개 버스 바 구성에 비해 잉여분을 향상시킨다. 이것은 세 개의 버스 바 구성에서 흔한 것처럼 상호 연결부 고장으로 인한 광전지 손실 문제를 완화한다.
셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 또한 전기 주조 맨드릴로부터 금속 제품(400)을 제거하기 위한 제조 보조물로서 작용할 수 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 셀들 사이에 전방- 대- 후방 연결을 가능하게 하는 것과 같이 전기 주조 후에 구부러지거나 각을 형성할 수 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 그리드 선(410) 및 세그먼트(420)와 일체로 형성될 수 있어서 결합 단계를 제거함으로써 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 별도의 부품으로 형성될 수 있고, 다음에 상이한 그리드 설계를 가진 상호 연결부 요소와 상호 교환 가능성을 허용하기 위해 제1 영역(456)에 결합될 수 있다.
셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 금속 제품(400)의 나머지 부분과 다를 수 있는 높이- 즉 두께를 가질 수 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)의 두께는 복수의 전기 주조된 요소들의 높이와 상이한 높이를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)는 80-100㎛의 높이를 가질 수 있는 반면, 그리드 선(410)은 100-200㎛, 예컨대 100-150㎛의 두께 또는 높이를 가질 수 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)가 모듈 내의 셀들 사이에서 기계적 연결뿐만 아니라 전기적 연결을 제공하기 때문에, 높이는 특정 굴곡 검사 요건을 충족시키기 위해 특정 두께로 맞추어 질 수 있다. 더 얇은 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)가 전류를 위한 큰 표면적을 제공함으로써 전압 손실을 최소화하면서- 운반시 굴곡 및 주위 하중에 노출과 같은- 피로 파괴에 대한 저항을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 기재된 셀- 대- 셀 상호 연결부를 갖는 금속 제품에 대해 굴곡 사이클 시험을 수행하였다. 굴곡 사이클 테스트는 x 축과 y 축 모두에서 샘플에 응력을 주며, x는 셀 사이의 이동 길이이고 y는 이동 폭이다. 그 결과, 종래의 세 개의 버스 바 설계의 제어 샘플보다 20배 이상의 셀- 대- 셀 상호 연결부의 '평균 고장 시간' 또는 피로도가 개선되었다. 따라서, 다수의 부속물 및 굴곡부를 갖는 셀- 대- 셀 상호 연결부를 갖는 금속 제품은 인접한 솔라셀 사이의 자연적 평면내 비유연성 또는 강성을 향상시킬 뿐만 아니라 운반, 설치 및 일반적인 열 사이클링 동안 광전지의 파손 및 뒤틀림의 위험을 개선시킨다. 광전지 및 솔라셀 모듈 배열의 수명은 종래의 세 개의 버스 바 기술과 비교할 때 셀들간의 진동 및 응력의 감소로 인해 증가될 수 있다. 솔라 모듈 배열은 열 사이클링으로 인해 운송 또는 서비스 동안 충격 및 진동을 받을 수 있으며 바람 노출(wind buffeting) 또는 적설(snow loading)과 같은 기계적 응력을 경험할 수 있다.
이 설계의 다른 이점은 광전지의 증가 및 작동하는 동안 열 사이클링에 관한 솔라셀 배열의 내구성에 있다. 과열 및/또는 아크의 위험은 현재 세 개의 버스 바 설계과 비교하여 현저히 감소되거나 제거된다. 종래의 세 개의 버스 바 설계는 세 개의 버스 바 구성에서 상호 연결부의 고장 또는 파손으로 인해 과열되거나 아크가 발생하는 것으로 알려져 있다. 극단적인 상황에서, 심지어 현재의 셀- 대- 셀 상호 연결부의 부속물의 1/3까지 고장이 나면 화재 위험이 없이 나머지 부속물이 발생된 전기 에너지를 인접한 광전지로 라우팅할 수 있으므로 잉여를 유지하고 효율성을 유지할 수 있다.
도 9는 모듈용으로 조립될 수 있는 일부 실시예에 따른 광전지의 모듈(900)을 도시한다. 임의의 수의 셀(예를 들어, 36-96)이 원하는 대로 모듈에서 이용될 수 있더라도, 다수의 셀이 도 9에 도시된다. 각각의 이웃한 셀 쌍은 본원에 설명된 바와 같이 함께 결합된다. 그러나, 도 9의 실시예에서, 일부 광전지는 이전 셀로부터 90° 회전될 수 있다. 예를 들어, 셀(920)은 셀(910)로부터 반 시계 방향으로 90° 회전되어 셀(930)에 연결된다. 따라서, 내부에 공개된 메시 설계는 셀 상에 다양한 방향을 허용하는 대칭구조로 설계될 수 있고, 모듈내부의 셀들을 원하는 대로 순서대로 연결시킬 수 있다. 모듈(900)의 다수의 광전지는 그들 사이에 갭(960)을 가지고 조립된다. 갭(960)은 전체 모듈의 굴곡을 허용하고, 또한 완성된 모듈을 캡슐화할 때 라미네이트 재료의 흐름을 돕는다.
도 10은 전술한 일부 실시예에 따라 금속 제품을 사용하여 광전지를 위한 전기 부품을 형성하는 방법의 흐름도(1000)이다. 전기 주조가 금속 제품을 제조하기 위해 설명되어야 하지만, 에칭, 스탬핑, 와이어의 조립 또는 레이저 또는 워터 제트를 사용하는 것과 같은 기계 가공과 같은 다른 방법이 가능하다는 것을 유의해야 한다. 단계(1010)에서, 금속 제품이 전기 전도성 맨드릴 상에서 전기 주조된다. 전기 전도성 맨드릴은 적어도 하나의 예비 성형된 패턴을 포함하는 외부 표면을 갖는다. 금속 제품은 복수의 전기 주조 요소를 갖는 제1 영역과, 제1 영역과 일체인 셀- 대- 셀 상호 연결부를 포함한다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 다수의 전기 주조된 부속물을 갖는다. 일부 실시예에서, 금속 제품은 광전지 내에서 전기 도관으로서 기능하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 금속 제품은 솔라 모듈의 광전지들사이의 연결을 가능하게 하는 일체형 특징부를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상호 연결부 특징부는 개별적으로 제조되어 금속 제품에 결합될 수 있다. 개별적으로 형성되는 경우, 상호 연결부 특징부는 예를 들어 시트 재료의 전기 주조 또는 스탬핑(stamping)에 의해 형성될 수 있다. 완성된 전기 주조된 금속 제품의 적어도 일부는 예비 성형된 패턴 내에 생성된다.
금속 제품은 a) 제1 요소의 제1 길이를 따르는 불균일한 폭, b) 제1 요소의 제1 길이를 따른 도관 방향의 변화, c) 상기 제1 요소의 제1 길이를 따른 팽창 세그먼트, d) 상기 복수의 전기 주조 요소들내에서 제2 요소의 제2 폭과 다른 제1 폭, e) 상기 복수의 전기 주조 요소들내에서 제2 요소의 제2 높이와 다른 제1 높이 및 f) 텍스쳐링 된 상부 표면 중 하나 이상을 포함할 수 있는 맞춤화된 특징부를 갖는 복수의 전기 주조된 요소를 갖는다. 금속 제품은 광전지를 위한 전기 그리드 선, 버스 바, 셀- 대- 셀 상호 연결부 및 솔더 패드로서 기능하도록 구성될 수 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 제1 영역의 변부에 결합 된 제1 링크 단부, 제1 링크 단부와 대향하고 제1 영역의 변부로부터 멀어지는 제2 링크 단부 및 링크의 길이를 따라 테이퍼 구조의 넥을 갖는 링크를 포함할 수 있다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 또한 복수의 부속물을 포함할 수 있다. 각각의 부속물은 제1 영역의 변부에 결합 된 제1 단부 및 제1 단부와 대향하고 제1 영역의 변부로부터 멀어지는 제2 단부를 갖는다. 부속물 길이는 링크의 길이보다 길다. 부속물들은 서로 떨어져 있다.
단계(1010)는 전기 주조 맨드릴의 외부 표면을 제1 금속의 염을 포함하는 용액과 접촉시키는 것을 포함할 수 있으며, 제1 금속은 예를 들어 구리 또는 니켈일 수 있다. 제1 금속은 전체 금속 제품을 형성할 수 있거나, 다른 금속 층을 위한 금속 전구체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 금속을 포함하는 염의 용액이 제1 금속 위에 도금될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 금속은 니켈 일 수 있고 제2 금속은 구리 일 수 있으며, 니켈은 구리 확산을 위한 장벽을 제공한다. 제 3 금속은 제2 금속 위에 선택적으로 도금될 수 있고, 제3 금속은 니켈의 제1 금속 위에 도금된 구리의 제2 금속 위에 니켈이다. 상기 세 개 층 구조에서, 구리 도관은 니켈에 의해 캡슐화되어 반도체 장치 내로의 구리 오염에 대한 장벽을 제공한다. 단계(1010)에서의 전기 주조 공정 파라미터는 예를 들어, 평방 피트(ASF) 당 1 내지 3000암페어 범위의 전류 및 예를 들어 1분 내지 200분 범위의 도금 시간일 수 있다. 주석, 주석 합금, 인듐, 인듐 합금, 비스무스 합금, 니켈 텅스텐산염 또는 코발트 니켈 텅스텐산염과 같은 다른 전기 도전성 금속이 접착을 촉진하거나, 습윤성을 촉진하거나, 확산 장벽 역할을 하거나, 전기 접촉을 향상시키기 위해 도포될 수 있다.
금속 제품이 형성된 후에, 상호 연결된 다수의 전기 주조 요소를 갖는 금속 제품이 단계(1020)에서 전기 전도성 맨드릴로부터 분리되어 단일의 자유 직립 부품이 된다. 복수의 전기 주조 요소는 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서의 역할을 하도록 구성된다. 셀 - 대 - 셀 상호 연결부는 광 - 입사 표면을 넘어 연장되고 금속 제품을 인접한 광전지에 직접 결합하도록 구성된다. 셀- 대- 셀 상호 연결부는 복수의 전기 주조 부속물을 포함한다. 각각의 부속물은 제1 영역의 변부에 연결된 제1 단부 및 제1 단부와 대향하고 변부로부터 떨어진 제2 단부를 갖는다. 부속물은 서로 떨어져 있다.
분리는 수동으로 또는 진공 처리와 같은 도구의 도움으로 맨드릴로부터 제품을 들어올리거나 박리하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 도 3의 셀- 대- 셀 상호 연결부(440)와 같은 상호 연결부 요소를 금속 제품을 시작하고 들어올리기 위한 핸들로서 사용함으로써 박리가 용이해 질 수 있다. 상술한 링크(474)와 같은 셀- 대- 셀 상호 연결부에 일체 구성되는 링크는 금속 제품을 맨드릴로부터 제거하는 동안 부속물의 손상을 방지하는 것을 돕기 위해 포함될 수 있다. 다른 실시예에서, 제거는 열 또는 기계적 충격 또는 초음파 에너지를 포함하여 제조된 부품을 맨드릴로부터 구속해제하는 것을 돕는다. 자유 직립형 금속 제품은 후술되는 바와 같이 제품을 부착하고 전기적으로 결합시킴으로써 광전지 또는 다른 반도체 장치내 형성될 준비가 된다. 다양한 제조 단계로 금속 제품을 전달하는 것은 지지 요소를 필요로하지 않고 수행될 수 있다.
단계(1030)에서, 금속 제품은 기계적 및 전기적으로 반도체 기판에 결합된다. 단계(1030)는 반도체 웨이퍼의 전방 측면에 전방 그리드를 결합시키는 과정 및 웨이퍼의 후방 측부에 후방 격자를 결합하는 과정을 포함할 수 있다. 결합과정은 수동 또는 자동 솔더링과 같은 솔더링 일 수 있다. 웨이퍼 상에 인쇄된 은 땜납 패드와 같은 땜납이 특정 지점에 도포될 수 있다. 일부 실시예에서, 땜납은 도금 또는 침지에 의해 금속 제품 전체 또는 일부에 사전 도포될 수 있다. 다음에 미리 준비된 땜납이 단계(1030)의 결합공정 동안 다시 흐를 수 있다. 다른 실시예에서, 땜납은 활성 솔더일 수 있으며, 본 발명의 양수인이 소유하고 "금속 제품을 광전지에 결합시키기 위해 활성 땜납의 사용"이라는 제목으로 2013년 8월 21일 출원된 미국 가특허출원 제61/868,436호에 설명된 바와 같이 웨이퍼의 비- 금속화 부분에서 본딩을 가능하게 할 수 있다.
단계(1030)에서 반도체에 금속 제품을 결합시키는 것은 예를 들어 초음파, 적외선, 핫 바(hot bar) 또는 급속 열 처리 기술을 이용할 수 있다. 본딩은 한 번에 하나의 접합부 또는 웨이퍼의 영역 또는 전체 웨이퍼에서 즉시 수행될 수 있다. 금속 제품은 접합 공정 중에 유발된 열 응력으로부터 발생할 수 있는 휘어짐 또는 파손을 감소시키기 위한 팽창 세그먼트를 포함할 수 있다.
반도체 웨이퍼는 반사 방지 코팅을 도포하기 위해 단계(1030) 이전 또는 이후에 부가적인 처리 단계를 거칠 수 있다. 특정 코팅은 제조되는 셀의 유형에 의존하며, 예를 들어, 질화물과 같은 유전체 반사 방지 코팅 또는 인듐 - 주석 - 산화물과 같은 투명한 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
그 다음, 준비된 광전지는 단계(1040)에서 함께 연결된다. 상호 연결부는 전방- 대 후방 - 직렬 연결을 위해 본원에 설명된 바와 같이 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 셀은 전방- 대 - 전방 및 후방- 대 - 후방 연결부와 병렬로 배선될 수 있다.
단계(1050)에서, 모듈 조립체가 함께 적층된다. 일부 실시예에서, 조립체는 백킹 시트 상에 배치된 적층 재료(예를 들어, EVA)를 갖는 폴리비닐 플루오 라이드(PVF) 필름과 같은 백킹 시트를 포함할 수 있다. 광전지는 EVA 시트에 놓여지고 또 다른 EVA 시트는 셀 위에 배치된다. 마지막으로 유리 시트가 상부 EVA 시트 위에 있다. 다른 실시예에서, 상이한 재료가 유리 및 EVA 대신에 사용되어 모듈에 대해 원하는 유연성, 내구성 및 중량을 달성할 수 있다. 적층된 전체 스택이 적층기내에 넣어지고 열 및 진공이 가해져서 조립체를 적층화한다. 모듈을 완성하기 위해 셀의 전기적 연결부는 연결 박스에 연결된다.
본 명세서에 기재된 자유 직립형 금속 제품은 다양한 셀 유형에 적용 가능하고 솔라셀의 제조 시퀀스 내의 상이한 지점에 삽입될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 전기 도관은 솔라셀의 전면 또는 후면 중 하나 또는 모두에서 이용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 셀- 대- 셀 상호 연결부를 갖는 금속 제품은 가요성 솔라셀 모듈 응용예에 적합하다. 유연한 솔라셀 모듈은 편리하고 가볍고 휴대할 수 있다. PDA, 휴대 전화, 랩톱 및 무전기와 같은 장치를 위한 배터리 충전기와 같은 유연한 솔라셀 패널을 위한 많은 응용예들이 있다. 또한, 캠핑 장비, 현장 통신 라디오 및 GPS 시스템에 전원을 공급하거나 건축용 패브릭 및 금속 루핑과 통합될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예가 광전지 응용예에 대하여 주로 설명되었지만, 상기 방법 및 장치는 재분배층(RDL's) 또는 플렉스 회로와 같은 다른 반도체 응용예에도 적용될 수 있다. 또한, 플로우차트 단계는 대체 시퀀스로 수행될 수 있으며, 도시되지 않은 추가적인 단계를 포함할 수 있다. 전체 크기의 셀에 대하여 설명했지만, 절반 크기 또는 사분의 일 크기 셀에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 금속 제품 설계는 단결정 완전 의사 정사각형에서처럼 모따기된 모든 네 개의 모서리 대신에 단지 하나 또는 두 개의 모따기된 모서리를 갖는 셀을 수용하기 위한 배치를 가질 수 있다.
본 명세서는 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 상세하게 설명되었지만, 당업자라면 전술한 내용을 이해함에 따라 상기 실시예들의 변형, 변경, 및 동등예를 용이하게 이해할 수 있음을 알 것이다. 본 발명에 대한 이들 및 다른 변형 및 변경은 첨부된 청구 범위에서 보다 구체적으로 설명되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있다. 또한, 당업자는 전술한 설명이 단지 예로서, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니라는 것을 이해할 것이다.
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- 광전지용 금속 제품으로서,
광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작용하도록 구성된 복수의 요소를 갖는 제1영역; 및
제1영역과 일체로 형성되고 상기 광 입사면을 넘어 연장되며 상기 금속 제품을 인접한 광전지에 직접 연결하는 셀- 대- 셀 상호 연결부를 포함하며, 상기 셀- 대- 셀 상호 연결부는:
i) 제1 영역의 변부에 연결된 제1 링크 단부, ii) 제1 영역의 변부로부터 멀어지고 제1 링크 단부와 마주보는 제2 링크 단부, 및 iii) 링크의 길이를 따라 테이퍼 구조를 가진 넥을 갖는 링크를 포함하며, 상기 테이퍼 구조를 가진 넥은 상기 셀- 대- 셀 상호 연결부에 힘이 가해질 때 파손 지점이고;
복수의 부속물을 포함하고, 각각의 부속물은 i) 제1 영역의 변부에 연결된 제1 단부, ii) 제1 단부와 마주보고 제1 영역의 변부로부터 멀어지는 제2 단부 및 iii) 상기 링크의 길이보다 긴 부속물 길이를 가지며, 상기 부속물들은 서로 이격되며; 및
상기 금속 제품은 단일의 자유 직립형 부분인 것을 특징으로 하는 금속 제품.
- 제21항에 있어서, 상기 링크는 선형이고 상기 제1 영역의 변부에 수직인 것을 특징으로 하는 금속 제품.
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- 제21항에 있어서, 부속물은 센티미터 당 적어도 8회, 센티미터 당 적어도 10회, 또는 센티미터 당 적어도 12회 반복되는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
- 제21항에 있어서, 상기 복수의 부속물의 각각의 부속물은 모래시계 모양, S 자 모양, U 자 모양, W 자 모양, V 자 모양, 구불구불한 모양, 톱니 모양 또는 L 자 모양인 것을 특징으로 하는 금속 제품.
- 제21항에 있어서, 부속물 길이는 부속물을 따르는 경로 길이이고, 부속물 길이는 링크 길이의 1.4 내지 3배인 것을 특징으로 하는 금속 제품.
- 제21항에 있어서, 상기 부속물의 접선과 상기 제1 영역의 수평 변부 사이의 각도는 적어도 12°인 것을 특징으로 하는 금속 제품.
- 삭제
- 제21항에 있어서,
상기 셀- 대- 셀 상호 연결부와 일체형이고 상기 복수의 부속물의 상기 제 2 단부에 결합되는 금속 스트립을 더 포함하며, 상기 금속 스트립은 상기 인접한 광전지의 후방 측부에 결합되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
- 제29항에 있어서, 각각의 부속물은 제1 영역의 변부와 금속 스트립 사이의 수직이 아닌 경로를 횡단하는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
- 제21항에 있어서, 상기 셀- 대- 셀 상호 연결부는 상기 복수의 부속물을 가로 질러 연장되고 하나의 부속물을 인접한 부속물에 연결시키는 크로스바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 제품.
- 광전지용 전기 부품을 형성하는 방법으로서,
전기 전도성 맨드릴 상에 금속 제품을 전기 주조하는 단계로서, 상기 전기 전도성 맨드릴은 적어도 하나의 예비 성형된 패턴을 포함하는 외부 표면을 가지며, 상기 금속 제품은 복수의 전기 주조된 요소를 갖는 제1 영역 및 상기 제1 영역과 일체로 형성된 셀- 대- 셀 상호 연결부를 포함하고; 및
상기 금속 제품을 상기 전기 전도성 맨드릴로부터 분리시키는 단계를 포함하며, 상기 복수의 전기 주조된 요소가 상호 연결되어 상기 금속 제품이 상기 전기 전도성 맨드릴로부터 분리될 때 단일의 자유 직립형 부분편을 형성하고;
상기 복수의 전기 주조된 요소는 상기 광전지의 광 입사 표면을 위한 전기 도관으로서 작용하도록 구성되며;
상기 셀- 대- 셀 상호 연결부는 광 입사 표면을 넘어 연장되고 상기 금속 제품을 인접한 광전지에 직접 연결하고,
i) 제1 영역의 변부에 연결된 제1 링크 단부, ii) 제1 영역의 변부로부터 멀어지고 제1 링크 단부와 마주보는 제 2 링크 단부, 및 iii) 링크의 길이를 따라 테이퍼 구조를 가진 넥을 갖는 링크를 포함하고, 상기 테이퍼 구조를 가진 넥은 상기 셀- 대- 셀 상호 연결부에 힘이 가해질 때 파손 지점이고;
복수의 부속물을 포함하며, 각각의 부속물은 i) 제1 영역의 변부에 연결된 제1 단부, ii) 제1 단부와 마주보고 제1 영역의 변부로부터 멀어지는 제2 단부, 및 iii) 링크의 길이보다 긴 부속물 길이를 가지며, 상기 부속물은 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제32항에 있어서, 상기 링크는 선형이며 상기 제1 영역의 변부에 수직인 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 제32항에 있어서, 상기 부속물은 센티미터 당 적어도 8회, 센티미터 당 적어도 10회, 또는 센티미터 당 적어도 12회 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제32항에 있어서, 상기 복수의 부속물의 각각의 부속물은 모래시계 모양, S 자 모양, U 자 모양, W 자 모양, V 자 모양, 구불구불한 모양, 톱니 모양 또는 L 자 모양인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제32항에 있어서, 상기 부속물의 접선과 상기 제1 영역의 수평 변부 사이의 각도는 적어도 12°인 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 제32항에 있어서,
상기 셀- 대- 셀 상호 연결부와 일체로 형성되고 상기 복수의 부속물의 상기 제 2 단부에 결합되는 금속 스트립을 더 포함하며, 상기 금속 스트립은 상기 인접한 광전지의 후방 측부에 결합되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제32항에 있어서, 상기 셀- 대- 셀 상호 연결부는 상기 복수의 부속물을 가로 질러 연장되고 하나의 부속물을 인접한 부속물에 연결시키는 크로스바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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