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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 태양전지 모듈에 무연솔더 리본 적용 가능성 연구를 위하여, 유연솔더 및 중 · 저온계 융점을 갖는 무연솔더를 이용하여 고온고습 환경에 따른 태양전지 모듈의 내구신뢰성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 태양전지 모듈용 Sn-40Pb 도금된 리본을 대체하기 위하여 SAC305, Sn-48Bi-2Ag 도금된 리본을 이용하여 접합한 후 고온고습시험을 진행하였다. 태양전지 모듈의 전기적 특성 및 리본/셀 접합부의 열화특성을 비교 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- I-V 특성 곡선 분석은 모듈 시뮬레이터(DKSMT1520SYK, Denken Co., Ltd., Oita, Japan)를 사용하였으며, 표준시험조건(일사량: 1,000 W/m2, 모듈 온도: 25 °C 및 AM 1.5G(IEC 60904-3))에서 측정하였다.
- 고온고습시험 전 · 후에 따른 모듈의 EL 이미지를 분석하였다.
- 고온고습시험 전 · 후의 무전해 용융 도금된 리본 종류에 따른 결정질 실리콘 태양전지 모듈의 전기적 특성 변화를 관찰하기 위해 전류-전압(I-V) 특성을 측정하였으며, 균열 발생 여부를 검사하기 위해 전기장발광분석기(Electroluminescence, EL)를 사용하여 분석하였다.
- 고온고습시험 후, 유 · 무연 용융솔더 도금된 리본에 따른 태양전지의 출력 저하를 상대 비교 분석하였다.
- 5G(IEC 60904-3))에서 측정하였다. 또한, EL(K3200 ELX, McScience, Seoul, Korea)분석을 진행하여 태양전지 셀의 균열 및 전면 전극의 손상을 검사하였다. 마지막으로 태양전지 솔더 접합부에서의 열화특성을 분석하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 단면분석을 진행하였다.
- 또한, EL(K3200 ELX, McScience, Seoul, Korea)분석을 진행하여 태양전지 셀의 균열 및 전면 전극의 손상을 검사하였다. 마지막으로 태양전지 솔더 접합부에서의 열화특성을 분석하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 단면분석을 진행하였다.
- 2에 나타내었다. 신뢰성을 높이기 위해서 각 조건별 샘플은 5개씩 준비하여, 하나의 샘플은 초기 태양전지 모듈의 단면을 분석하기 위해 사용되었으며, 4개의 샘플은 내구 신뢰성 시험을 진행하였다.
- 유 · 무연 솔더를 적용하여 제작된 결정질 실리콘 태양전지 모듈의 열화 특성을 비교분석 하기 위해 고온고습시험(damp heat test, DH)을 진행하였다.
- 따라서 본 논문에서는 태양전지 모듈에 무연솔더 리본 적용 가능성 연구를 위하여, 유연솔더 및 중 · 저온계 융점을 갖는 무연솔더를 이용하여 고온고습 환경에 따른 태양전지 모듈의 내구신뢰성을 검증하였다. 이를 기반으로 고온고습 환경 조건에서 무연솔더의 적용 가능성에 대한 비교분석을 진행하였다.
- 일반적으로 고온고습시험은 장기간 습기 침투에 대한 모듈 내구성을 평가하기 위해 진행되며, 본 연구에서는 85 °C, 85% RH 조건에서 1,000 시간 동안 Fig. 3과 같이 진행하였다.
- 본 연구에서는 태양전지 모듈용 Sn-40Pb 도금된 리본을 대체하기 위하여 SAC305, Sn-48Bi-2Ag 도금된 리본을 이용하여 접합한 후 고온고습시험을 진행하였다. 태양전지 모듈의 전기적 특성 및 리본/셀 접합부의 열화특성을 비교 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 시험조건은 태양전지 모듈의 시험방법인 IEC 61215 규격에서 제시한 조건을 적용하여 시험하였다. DH 시험은 항온항습 챔버(ALISTA EC Chamber, Chicago, USA)를 이용하였다. 일반적으로 고온고습시험은 장기간 습기 침투에 대한 모듈 내구성을 평가하기 위해 진행되며, 본 연구에서는 85 °C, 85% RH 조건에서 1,000 시간 동안 Fig.
- 본 실험에 사용된 무연솔더의 합금조성으로는 융점(액상선) 220 °C의 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305)와 융점(액상선) 163 °C의 Sn-48Bi-2Ag를 선정하였으며, 유 · 무연 도금 리본에 따른 영향을 확인하기 위해 Sn-40Pb솔더를 적용한 리본을 포함하여 총 3가지 종류의 태양전지 모듈을 제작하였다.
- 이 때, 사용되는 솔더는 융점 183 °C의 Sn-40Pb 유연솔더로 납(Pb)이 포함되어 있다.
이론/모형
- 유 · 무연 솔더를 적용하여 제작된 결정질 실리콘 태양전지 모듈의 열화 특성을 비교분석 하기 위해 고온고습시험(damp heat test, DH)을 진행하였다. 시험조건은 태양전지 모듈의 시험방법인 IEC 61215 규격에서 제시한 조건을 적용하여 시험하였다. DH 시험은 항온항습 챔버(ALISTA EC Chamber, Chicago, USA)를 이용하였다.
성능/효과
- 1) 동일한 리본/셀 tabbing 공정 적용 시, 무연리본 적용 태양전지 모듈 특성이 유연리본 대비 동등수준 이상임을 확인하였다. 고온고습시험 후, 솔더 리본 종류에 따라 태양전지 모듈의 출력이 20% 이상 저하 되었으며, 출력 저하의 주원인은 리본 접합부의 직렬저항 증가로 판단된다.
- 2) 유 · 무연 솔더 재료에 따른 태양전지 모듈의 fill factor 감소율을 비교하면 Sn-48Bi-2Ag 도금된 리본이 상대적으로 FF 저하가 크게 나타났다.
- 3) 고온고습시험 후, 태양전지 모듈의 출력 특성 및 솔더 접합부의 열화 특성을 토대로 SAC305 솔더 도금된 리본이 Sn-40Pb 및 Sn-48Bi-2Ag 리본에 비해 상대적으로 안정된 출력 특성을 나타내었다.
- 1) 동일한 리본/셀 tabbing 공정 적용 시, 무연리본 적용 태양전지 모듈 특성이 유연리본 대비 동등수준 이상임을 확인하였다. 고온고습시험 후, 솔더 리본 종류에 따라 태양전지 모듈의 출력이 20% 이상 저하 되었으며, 출력 저하의 주원인은 리본 접합부의 직렬저항 증가로 판단된다. 이러한 유․무연 리본 적용 태양전지 모듈 모두에서 출력 및 FF의 감소가 발생한 것은 향후 tabbing 및 모듈 lamination 공정 최적화를 통해 개선 가능할 것으로 판단된다.
- Pm 값의 저하는 유 · 무연 리본에서 대부분 유사한 값을 나타내었다. 반면, FF 값의 변화를 보면, 미비하게 SAC305 솔더 도금된 리본을 적용한 태양전지 출력 저하의 변화가 작은 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 5 및 Table 2의 결과를 보면 고온고습시험 후, 태양전지 성능인자 중에서 개방전압(VOC) 과 FF의 감소가 큰 것을 알 수 있다. 이러한 Pm 저하의 주원인은 리본 접합계면에서의 균열 또는 부식으로 판단되며, tabbing 공정 최적화를 통해서 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다. 고온고습시험 후, 유 · 무연 용융솔더 도금된 리본에 따른 태양전지의 출력 저하를 상대 비교 분석하였다.
- 고온고습시험 후, 솔더 리본 종류에 따라 태양전지 모듈의 출력이 20% 이상 저하 되었으며, 출력 저하의 주원인은 리본 접합부의 직렬저항 증가로 판단된다. 이러한 유․무연 리본 적용 태양전지 모듈 모두에서 출력 및 FF의 감소가 발생한 것은 향후 tabbing 및 모듈 lamination 공정 최적화를 통해 개선 가능할 것으로 판단된다.
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