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문제 정의
- 본 논문에서는 180℃의 저온에서 셀과 리본의 본딩재로 CF를 적용한 저온 본딩공정으로 태양전지 모듈을 제작하여 250℃의 고온에서 기존의 솔더링 공정으로 제작된 태양 전지 모듈의 전기적, 물리적 특성의 비교를 통해 저온 CF 본딩 공정의 기존 솔더링 공정에 대체 가능 여부를 검토하고자 하였다. 또한, 실외 실증 연구를 통해 모듈의 효율손실 여부 및 신뢰성 또한 검토되었다.
- 또한, 표 1과 같은 3종류의 250 Wp급 모듈을 제작하여 3개월간의 실증실험을 통한 모니터링 데이터를 확보하여 출력특성을 비교하였다. 특히 저온본딩 공정을 시행할 경우 도입할 수 있는 광 캡쳐 리본 (light capturing ribbon)은 광산란 효과로 수광 효율을 향상시키고자 하였다.
제안 방법
- 그림 4에서는 저온 CF 본딩 및 기존 솔더링 공정을 통해 PFR 및 SR을 각각 셀에 부착한 10개의 샘플을 제작하여 셀의 휨 정도를 실측하였다. 기존 솔더링 공정 (SR)은 평균 3.
- 기존 솔더링 방식의 대안으로 저온 CF로 본딩된 태양광 모듈을 제조하여 태양전지에 발생하는 불량, 전기적 특성 및 필드테스트를 진행하였다. 그 결과, 셀에 발생하는 휨 현상은 54.
- 5 sec 동안 접합시켰다. 대조군으로 기존 솔더링 공정에 의해 제작된 모듈은 동일한 셀을 이용하여 Sn과 Pb의 함유량이 각각 60%, 40%인 솔더리본으로 250℃온도에서 솔더링되었다.
- 따라서 본딩 공정 후에 셀에 발생하는 불량 현상을 평가하기 위하여 본딩 전후의 셀의 휨 정도인 bow를 측정하였으며, 모듈의 micro-crack 유무를 확인하기 위하여 각각의 모듈공정을 통해 제작한 250 W급 모듈에 대하여 EL (electro luminescence) 측정을 실시하였다.
- 본 논문에서는 180℃의 저온에서 셀과 리본의 본딩재로 CF를 적용한 저온 본딩공정으로 태양전지 모듈을 제작하여 250℃의 고온에서 기존의 솔더링 공정으로 제작된 태양 전지 모듈의 전기적, 물리적 특성의 비교를 통해 저온 CF 본딩 공정의 기존 솔더링 공정에 대체 가능 여부를 검토하고자 하였다. 또한, 실외 실증 연구를 통해 모듈의 효율손실 여부 및 신뢰성 또한 검토되었다. 이를 위해 먼저 CF를 적용한 저온 본딩과 기존의 솔더링 본딩으로 200 ㎛ 두께의 셀에 각각 Pb-free 리본 (PFR)과 솔더리본 (SR)을 본딩하여 셀에 발생하는 휨과 크랙등을 검토하였다.
- 실증 실험은 2013년 7월부터 2013년 10월까지 진행되었고, 시간은 오전 6시부터 오후 7시까지 측정하였다. 또한, 적외선 열화상 카메라 (FLIR, T335)를 이용하여 핫스팟 생성 유무 관찰을 통해 신뢰성 평가를 하였다.
- 이를 위해 먼저 CF를 적용한 저온 본딩과 기존의 솔더링 본딩으로 200 ㎛ 두께의 셀에 각각 Pb-free 리본 (PFR)과 솔더리본 (SR)을 본딩하여 셀에 발생하는 휨과 크랙등을 검토하였다. 또한, 표 1과 같은 3종류의 250 Wp급 모듈을 제작하여 3개월간의 실증실험을 통한 모니터링 데이터를 확보하여 출력특성을 비교하였다. 특히 저온본딩 공정을 시행할 경우 도입할 수 있는 광 캡쳐 리본 (light capturing ribbon)은 광산란 효과로 수광 효율을 향상시키고자 하였다.
- 모듈의 발전량 및 전기적 특성은 EKO사의 I-V Curve Tracer (Model : MP-160)를 통해 얻었고, 단락전류 (Isc), 개방전압 (Voc), 최대출력 (Pmax), 정격 전류 (Ipm), 정격전압 (Vpm), 충진율 (fill factor), 광전변환효율 (Eff.)과 같은 실측된 정보를 모니터링 PC에 매 10분 간격으로 저장하여 데이터를 수집하였다.
- 그림 2는 온도, 압력, 본딩 시간 등 본딩 조건의 예비실험을 통해 최적화된 CF를 적용한 저온 본딩의 세부 공정 과정을 나타내었다. 스트링 형성을 위해 셀 (6인치, 3버스바, 단결정 실리콘) 상단 및 하단의 전극에 CF (히타치케미컬, CF-SX)를 정렬하고, 1MPa의 압력과 70℃ 온도에서 1 sec 동안 CF를 가본딩하여 실온에서 CF가 접착된 전지에 PFR 혹은 광 LCR을 정렬한 후 2 MPa의 압력과 185℃ 온도에서 7.5 sec 동안 접합시켰다. 대조군으로 기존 솔더링 공정에 의해 제작된 모듈은 동일한 셀을 이용하여 Sn과 Pb의 함유량이 각각 60%, 40%인 솔더리본으로 250℃온도에서 솔더링되었다.
- 또한, 실외 실증 연구를 통해 모듈의 효율손실 여부 및 신뢰성 또한 검토되었다. 이를 위해 먼저 CF를 적용한 저온 본딩과 기존의 솔더링 본딩으로 200 ㎛ 두께의 셀에 각각 Pb-free 리본 (PFR)과 솔더리본 (SR)을 본딩하여 셀에 발생하는 휨과 크랙등을 검토하였다. 또한, 표 1과 같은 3종류의 250 Wp급 모듈을 제작하여 3개월간의 실증실험을 통한 모니터링 데이터를 확보하여 출력특성을 비교하였다.
- 표 1에서 언급한 바와 같이 250 W급 모듈을 기존 솔더링 공법으로 제조된 SR 모듈과 CF에 의하여 제조된 CF-PFR 및 CF-LCR 모듈을 제조하여 솔라 시뮬레이터를 통해 전기적 특성을 측정하였다.
- 표 1에서 언급한 바와 같이 기존 솔더링 공법으로 제조된 SR 모듈과 CF에 의하여 제조된 CF-PFR 및 CF-LCR 모듈을 그림 3과 같이 태양광 모니터링 구조물에 부착하여 실증 실험을 진행하였다. 구조물의 위치는 위도 34° 81‘.
대상 데이터
- 실증 실험은 2013년 7월부터 2013년 10월까지 진행되었고, 시간은 오전 6시부터 오후 7시까지 측정하였다. 또한, 적외선 열화상 카메라 (FLIR, T335)를 이용하여 핫스팟 생성 유무 관찰을 통해 신뢰성 평가를 하였다.
- 여기에 빛의 ∼5% 내외의 광산란 증진 효과 [11] 로 효율 증진이 예상되는 LCR을 이용한 CF-LCR의 경우 본 특성 평가에서는 오차 범위 내의 결과를 보여 향후 LCR 공정에 대한 최적화 및 세부적인 평가가 필요할 것으로 사료된다. 이와 같이 측정한 모듈을 그림 3과 같이 실외에 설치하여 2013년 7월부터 2013년 10월까지 실증 실험을 실시하였다.
데이터처리
- 그림 7에 나타낸 데이터는 EKO사의 I-V Curve Tracer (Model: MP-160)에 의해 매 10분 간격으로 측정된 출력값 중 11:00～16:00의 출력값 (36개)을 평균하여 일일 평균 출력값 [W]으로 계산하였다.
성능/효과
- 2%의 일일 평균 출력값 비를 보였다. CF 저온 본딩된 모듈은 일반 솔더 모듈과 거의 유사한 출력 특성이 필드에서도 확인되었으며, LCR 모듈의 광산란 증진 효과는 특히 일조량이 뛰어난 날에 그 효과가 높음이 확인되었다.
- 기존 솔더링 방식의 대안으로 저온 CF로 본딩된 태양광 모듈을 제조하여 태양전지에 발생하는 불량, 전기적 특성 및 필드테스트를 진행하였다. 그 결과, 셀에 발생하는 휨 현상은 54.9% 억제 가능하였으며, EL 검사에서도 미세 크랙이 검출되지 않았다. 솔더 물질이 사용되지 않은 리본 (PFR)을 사용하여 180℃의 저온에서 본딩을 하였음에도 불구하고, 동등 수준의 전기적 특성을 얻을 수 있었으며, 수광 증진 효과가 있는 리본 (LCR)을 사용할 경우 필드 테스트에서 1.
- 9% 억제 가능하였으며, EL 검사에서도 미세 크랙이 검출되지 않았다. 솔더 물질이 사용되지 않은 리본 (PFR)을 사용하여 180℃의 저온에서 본딩을 하였음에도 불구하고, 동등 수준의 전기적 특성을 얻을 수 있었으며, 수광 증진 효과가 있는 리본 (LCR)을 사용할 경우 필드 테스트에서 1.2%의 출력 증진 효과를 확인하였다. 적외선 열화상 카메라 검사를 통해 3개월간의 옥외 테스트 후에도 제조 당시 모듈 특성을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 일일 평균 출력값은 그날의 평균 일조량과 같은 경향으로 움직이고 있음을 알 수 있으며 CF-LCR의 출력값이 가장 높았으며, CF-PFR, SR은 유사하였다. 이때 LCR 모듈의 최고 발전량은 상용화 모듈의 발전량에 비해 최고 9.5 W 향상된 결과를 확인할 수 있었다. 이를 보다 명확한 비교를 위해, 그림 8에 저온 본딩된 모듈의 일일 평균 출력값과 일반 솔더링 된 모듈의 출력값의 비를 나타내었다.
- 일반 솔더링으로 제조된 모듈을 기준으로 볼 때 CF 저온 본딩된 모듈의 경우 평균 99.5%, LCR 모듈은 평균 101.2%의 일일 평균 출력값 비를 보였다. CF 저온 본딩된 모듈은 일반 솔더 모듈과 거의 유사한 출력 특성이 필드에서도 확인되었으며, LCR 모듈의 광산란 증진 효과는 특히 일조량이 뛰어난 날에 그 효과가 높음이 확인되었다.
- 따라서 실제 정량적 발전량 데이터는 아니나 각각의 모듈에 대한 발전 역량을 이해하기에는 충분할 것으로 사료된다. 일일 평균 출력값은 그날의 평균 일조량과 같은 경향으로 움직이고 있음을 알 수 있으며 CF-LCR의 출력값이 가장 높았으며, CF-PFR, SR은 유사하였다. 이때 LCR 모듈의 최고 발전량은 상용화 모듈의 발전량에 비해 최고 9.
- 2%의 출력 증진 효과를 확인하였다. 적외선 열화상 카메라 검사를 통해 3개월간의 옥외 테스트 후에도 제조 당시 모듈 특성을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 표 2에 나타낸 결과와 같이 먼저 SR과 CF-PFR을 비교해 보면 기존 솔더링 방식과 전도성 필름을 이용한 저온 본딩으로 제조된 모듈간의 전기적 특성 차이는 대동소이함을 알 수 있다. 즉, 이는 저온 공정임에도 기존 솔더링 방식을 대체할 수 있으며 납이나 플럭스와 같은 솔더 물질을 사용하지 않을 수 있으므로 환경 친화적임을 의미한다.
후속연구
- 따라서, 저온 CF 공정은 셀에 발생하는 잔류응력을 줄여 불량을 효과적으로 억제 가능하여 향후 수요가 증가될 것으로 예상되는 박형셀에 적용 시에도 기존 솔더링 공정 대비 생산성 향상이 기대된다. 또한, 솔더 물질을 사용하지 않으므로 친환경적인 차세대 공정기술로 사료된다.
- 여기에 빛의 ∼5% 내외의 광산란 증진 효과 [11] 로 효율 증진이 예상되는 LCR을 이용한 CF-LCR의 경우 본 특성 평가에서는 오차 범위 내의 결과를 보여 향후 LCR 공정에 대한 최적화 및 세부적인 평가가 필요할 것으로 사료된다.
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