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문제 정의
- [1] 현재 가장 주 에너지로 사용되는 석탄 석유 천연가스와 같은 화석 연료는 지구 온난화 문제를 야기 시키고 매장량에도 한계가 있기 때문에 최근 정부의 시책과 함께 전 세계적으로 신재생에너지에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.[2] 그 중에서도 지구에 입사되는 태양에너지를 이용하는 것에 대해 이목이 집중되고 있으며 광전효과를 이용하여 태양광을 전기에너지로 전환하기위해 Photovoltaic module(PV모듈)을 제작하여 높은 효율과 높은 신뢰성을 가진 지속가능한 에너지원으로 개발하고자 노력중이다.
- 본 연구에서는 실리콘 태양전지의 Ribbon 접합부의 장기 신뢰성 확보를 위해 Ribbon의 두께와 솔더 조성에 따른 신뢰성 평가를 수행하였다.
제안 방법
- solder 조성이 같은A, B-Type(60Sn40Pb)과 C, D-Type(62Sn2Ag36Pb)의 Ribbon 두께에 따른 I-V 특성곡선 및 EL Image를 비교하였다. Ribbon두께 0.
- 열충격 시험 후 효율 감소율이 발생한 원인을 분석하기 위해 I-V 특성곡선을 측정하여 PV 모듈의 전기적 특성변화를 관찰하였다. 또한, EL Image 를 통하여 표면의 변화를 비교 분석하였다.
- 실제 PV 모듈은 6×10(60장) 또는 6×12(72장)의 배열로 규모가 크지만, 본 실험에서는 열 부하에 의한 Ribbon 접합부 파괴에 따른 성능저하를 정확하게 파악하기 위해 낱장 단위의 PV 모듈을 제작하여 실험을 수행하였다.
- 열충격 시험 후 효율 감소율이 발생한 원인을 분석하기 위해 I-V 특성곡선을 측정하여 PV 모듈의 전기적 특성변화를 관찰하였다. 또한, EL Image 를 통하여 표면의 변화를 비교 분석하였다.
- 열충격 시험 후 효율 변화를 비교 분석하기 위해 태양광 시뮬레이터를 이용하여 I-V 특성곡선을 측정하였으며, Electro Luminescence(EL)촬영을 통해 표면의 변화를 관찰하였다.
- 태양광 Ribbon의 두께와 사용된 solder 조성을 달리하여 A-Type(60Sn40Pb, 2.0mm), B-type(60Sn40Pb, 2.5mm), C-Type(62Sn2Ag36Pb, 2.0mm), D-Type(62Sn2Ag36Pb, 2.5mm)으로 시편을 제작 한 후 장기적 신뢰성 평가를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 태양광 모듈의 신뢰성 평가를 위해 태양광 모듈을 모사하여 시편을 제작하였으며, 반복적인 연간 온도의 변화 및 일교차에 의한 열 부하를 가하기 위해 열충격 시험을 수행하였다.
- 태양전지 Ribbon 접합부에 열 이력을 모사하기 위해 열충격 시험을 수행하였다.
대상 데이터
- Table 2에 나타낸 것과 같이 실험에 사용된 Ribbon의 조성은 SnPb(60:40)와 SnAgPb(62:2:36)이며, 두께는 0.2mm와 0.25mm의 두 가지 조건으로 각각 시편 4개씩 총 16개를 제작하였다.
- 실제 PV 모듈은 6×10(60장) 또는 6×12(72장)의 배열로 규모가 크지만, 본 실험에서는 열 부하에 의한 Ribbon 접합부 파괴에 따른 성능저하를 정확하게 파악하기 위해 낱장 단위의 PV 모듈을 제작하여 실험을 수행하였다. 또한, 태양광 Ribbon의 두께 및 조성에 따른 영향성을 비교 분석하기 위해 4가지 Type의 Ribbon을 준비하였다. Table 2에 나타낸 것과 같이 실험에 사용된 Ribbon의 조성은 SnPb(60:40)와 SnAgPb(62:2:36)이며, 두께는 0.
- 본 시험에 사용된 시편은 단결정(Single-crystalline) Solar Cell을 이용하여 3-line의 Ag전면전극과 Gridfinger가 형성된 Solar cell을 준비하였다. Fig.
이론/모형
- 온도조건은 현재 PV 모듈의 성능시험 규격인 KS C 61215의 규격을 인용하여 고온(Tmax) 85℃ 15분, 저온(Tmin) -40℃ 15분, 총 30분을 1 cycle로 하여 600 cycle을 수행하였다.
성능/효과
- (1) 시편의 초기효율을 측정한 결과, A-Type이 15.0%, B-Type 15.4%, C, D-Type이 이 15.8% , 62Sn2Ag36Pb 을 나타내었으며 solder를 C, D-Type 사용한 시편의 초기효율이 더 높게 측정되었다.
- (2) 열충격 시험 후 A-Type은 초기효율 15.0%에서 13.8%로 감소하여 초기효율대비 8.0%의 효율감소율을 확인하였다. B-Type은 15.
- (3) Ribbon 두께가 각각 0.2mm, 0.25mm 시편의 I-V 특성곡선 및 표면을 분석한 결과, Ribbon 두께 0.2mm인 A, C-Type의 시편에서는 직렬저항이 증가하였고, 표면 변화는 열충격 시험 전·후 큰 차이가 없는 것으로 확인 되었다.
- (4) Ribbon의 두께가 0.2mm로 같고 조성이 다른 A, C-Typle의 시편을 비교 분석한 결과, C-Type의 I-V 특성곡선 Current 저하 시작점이 A-Type보다 0.05(V)빠르며, Ribbon 접합부 및 Output Busbar에서의 저항 증가로 인하여 효율감소율도 크게 나타난 것을 확인하였다.
- (5) SnAgPb계열 숄더를 사용한 시편이 초기 접합성 및 효율 측면에서 우수하였으나, 장기신뢰성에서 취약한 것을 확인 할 수 있었으며, Ribbon 두께가 두꺼울수록 Ribbon 접합부의 손상이 가속되어 장기적 관점에서의 성능이 저하되는 것을 확인 할 수 있었다. 향후 수치해석 및 시뮬레이션을 통하여 Ribbon두께에 따른 열응력 차를 분석하고, Ribbon 조성에 따른 태양전지 전면적극 Ag Paste의 접합 계면에서의 금속간화합물 생성 영향성에 대한 원인 규명 및 DB를 확보해야 할 것이다.
- 0%의 효율 감소율을 확인하였다. B-Type 시편에서는 15.4%의 효율 감소율을 C-Type에서는 15.3%, D-Type에서는 16.2%의 효율 감소율을 확인하였다. D-Type의 시편이 열충격 시험 후 효율 감소율이 가장 크게 나타났다.
- 0%의 효율감소율을 확인하였다. B-Type은 15.4%에서 13.0%로 15.4%의 효율감소율, C-Type은 15.8%에서 12.9%로 15.3%의 효율감소율, D-Type은 15.8%에서 13.2%로 16.2%의 효율감소율을 확인하였다.
- B-type의 I-V 특성 곡선은 A-TYPE의 I-V 특성 곡선보다 상대적으로 다양한 경향성을 보였다. Fig. 6의 PB 600 Cycle 2와 같이 Curent의 저하 시점이 빠르게 나타나는 직렬저항의 증가 및 PB 600 Cycle 1과 같이 Current의 초기 값이 저하된 병렬저항의 감소를 확인 할 수 있었다.[4] 여기서, 직렬저항의 증가는 Fig 7,②와 같이 Ribbon 접합부 손상에 의해 Ribbon이 박리되는 시점으로 전류의 흐름이 원활하지 못한 결과이며, 병렬저항의 감소는 Fig 7,③과 같이 Ribbon 접합부의 단락으로 Silicon pn층이 손상되어 전류 생산이 불가능하게 되어 나타난 결과로 분석 할 수 있다.
- 10에 나타내었다. I-V특성곡선 분석결과, B-Type에서 보였던 경향성과 비슷한 병렬저항의 감소 및 직렬저항 증가에 따른 I-V특성곡선 변화가 모두 나타났다 표면의 변화 또한, B-Type의 Fig 7,③과 같이 Ribbon 접합부의 단락으로 Silicon pn층이 손상된 것을 확인할 수 있었다.
- 2mm인 A, C-Type의 시편에서는 직렬저항이 증가하였고, 표면 변화는 열충격 시험 전·후 큰 차이가 없는 것으로 확인 되었다. Ribbon 두께 0.25mm B, D-Type에서는 직렬저항 증가 및 병렬저항 감소의 복합적인 효율 저하 특성이 나타났으며, Ribbon 접합부의 단락에 의한 Cell 손상도 확인할 수 있었다.
- solder 조성이 같은A, B-Type(60Sn40Pb)과 C, D-Type(62Sn2Ag36Pb)의 Ribbon 두께에 따른 I-V 특성곡선 및 EL Image를 비교하였다. Ribbon두께 0.2mm의 A, C-Type(Fig. 5, 9)의 시편보다 0.25mm인 D-Type(Fig. 7, 11) 시편의 표면에서 더 많은 부분의 음영변화 및 큰 효율 감소율을 확인 할 수 있었다. 또한, I-V 특성곡선 Fig 6, 10을 통하여 Ribbon 접합부의 손상으로 인한 직렬저항 증가 및 병렬저항 감소의 복합적인 특성을 확인 할 수 있었다.
- 하지만, Fig 9,④의 표면 변화는 Fig 5,①과 같은 Gridfinger의 부분적 손상과 같으며, 음영 변화 및 저항이 증가하였다. 따라서, Ribbon의 두께는 동일하지만, Ribbon 접합부의 solder 조성에 따라 열충격 시험 후 접합계면에서의 저항 변화에 차이가 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 2mm로 같으며, solder 조성이 다른 A, CType 시편모두 Fig 4, 8에 타나낸 것과 같이 직렬저항이 증가한 I-V 특성곡선의 변화를 보였다. 또한, C-Type I-V 특성곡선의 Current 저하 시작점이 A-Type보다 0.05(V)빠르게 나타났으며, 효율감소율도 큰 것으로 나타났다. 하지만, Fig 5, 9를 통해 표면변화를 분석한 결과 열충격 시험 전·후 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.
- 하지만, Fig 5, 9를 통해 표면변화를 분석한 결과 열충격 시험 전·후 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Cell에서의 Crack이 없는 것으로 확인 되었으며, 직렬저항의 증가 원인은 Ribbon 접합부 및 Output Busbar에서의 저항이 증가하여 나타난 결과로 판단된다.
- 7, 11) 시편의 표면에서 더 많은 부분의 음영변화 및 큰 효율 감소율을 확인 할 수 있었다. 또한, I-V 특성곡선 Fig 6, 10을 통하여 Ribbon 접합부의 손상으로 인한 직렬저항 증가 및 병렬저항 감소의 복합적인 특성을 확인 할 수 있었다. 이는 같은 조성의 solder에서도 Ribbon의 두께에 따라 효율감소율에 큰 차이를 가지며, Ribbon 두께가 두꺼울수록 반복적인 열응력에 의해 큰 응력집중이 발생하여 접합부에서 박리 손상이 발생되는 것으로 판단된다.
- 05(V)빠르며, Ribbon 접합부 및 Output Busbar에서의 저항 증가로 인하여 효율감소율도 크게 나타난 것을 확인하였다. 또한, Ribbon 두께가 0.25mm인 시편 B, D-Type에서도 C-Type과 같은 조성의 D-Type 시편이 B-Type 시편보다 효율감소율이 큰 것을 확인 할 수 있었다.
- 열 충격 시험 후 각각의 시편을 비교 분석한 결과, Ribbon 두께가 0.2mm로 같으며, solder 조성이 다른 A, CType 시편모두 Fig 4, 8에 타나낸 것과 같이 직렬저항이 증가한 I-V 특성곡선의 변화를 보였다. 또한, C-Type I-V 특성곡선의 Current 저하 시작점이 A-Type보다 0.
- 열충격 시험 후 효율 변화는 Table 3에 나타내었다. 열충격 시험 600Cycle 후 A-Type 시편은 초기 15.0%에서 시험 후 13.8%로 측정되었으며, 초기 효율 대비 8.0%의 효율 감소율을 확인하였다. B-Type 시편에서는 15.
- 4에 나타내었다. 열충격 시험 후 Current 값이 감소되는 시점이 빨라지는 곡선의 특성은 직렬저항이 증가할 경우 나타나는 현상[4]으로 A-Type 시편의 효율 감소율은 직렬저항이 증가하여 나타난 현상으로 분석할 수 있다. EL촬영을 통해 표면의 이상유·무를 관찰한 결과, Fig.
- 제작된 시편의 초기 효율은 Fig. 3과 같이 A-type이 15.0%, B-type은 15.4% C, D-Type은 15.8%의 측정값을 확인하였다.
- 3(V)이하로 측정되는 것을 확인 할 수 있었다. 효율감소율 또한, 열충격 시험 후 A-Type의 8% 보다 큰 15.3%의 효율 감소율을 나타내었다. 하지만, Fig 9,④의 표면 변화는 Fig 5,①과 같은 Gridfinger의 부분적 손상과 같으며, 음영 변화 및 저항이 증가하였다.
후속연구
- [5] 이와 같이 매년 발생하는 효율 저하를 예방하고, 고신뢰성을 확보하기 위해 태양광 Ribbon 접합부의 장기 신뢰성을 분석하며, 태양광 모듈이 받는 내 · 외적인 요인에 대한 신뢰성 평가 데이터베이스를 구축하여 정확한 신뢰성 평가방법이 정립 되어야 한다.
- (5) SnAgPb계열 숄더를 사용한 시편이 초기 접합성 및 효율 측면에서 우수하였으나, 장기신뢰성에서 취약한 것을 확인 할 수 있었으며, Ribbon 두께가 두꺼울수록 Ribbon 접합부의 손상이 가속되어 장기적 관점에서의 성능이 저하되는 것을 확인 할 수 있었다. 향후 수치해석 및 시뮬레이션을 통하여 Ribbon두께에 따른 열응력 차를 분석하고, Ribbon 조성에 따른 태양전지 전면적극 Ag Paste의 접합 계면에서의 금속간화합물 생성 영향성에 대한 원인 규명 및 DB를 확보해야 할 것이다.
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