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적외선 램프 가열방식을 이용한 태양전지 셀의 솔더링 공정 및 열처리 조건 별 특성 평가
Characterization of Soldering Property on Heating Condition by Infrared Lamp Soldering Process for C-Si Photovoltaic Modules 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.4 no.2, 2016년, pp.59 - 63  

손형진 (나노소재부품연구센터, 전자부품연구원) ,  이정진 (나노소재부품연구센터, 전자부품연구원) ,  김성현 (나노소재부품연구센터, 전자부품연구원)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A key point of a soldering process for photovoltaic (PV) modules is to increase an adhesive strength leading a low resistivity between ribbon and cell. In this study, we intended to optimize a heating condition for the soldering process and characterize the soldered joint via physical and chemical a...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 연구에서는, 적외선 램프를 이용해 태양전지의 솔더링 공정을 진행하였다. Fig. 1과 같이 셀 하부에 위치한 hot plate를 이용해 공정 전 preheating 을 진행하였고, 상부에 위치한 IR 램프의 출력을 이용해 공정을 마무리하였다. 공정조건으로 hot plate온도, IR 램프 출력 및 유지시간을 조절하였으며, 그에 따른 리본셀 간 접합특성을 peel test 를 통하여 비교분석 해보았다.
  • 5는 앞서 솔더링 된 셀들의 접합계면에 대해, 물리적·화학적 차이를 비교 분석한 이미지이다. 공정 완료된 시편들을 에폭시로 경화시켜 한 차례 폴리싱(polishing) 후, 납땜계면(soldered interface)을 횡단으로 관측하였다. 그 결과, 공정출력조건이 높아짐에 따라 솔더 층의 Pb 성분이 점차 응집(aggregation)되는 것을 볼 수 있었다.
  • 지금까지 적외선 램프를 이용한 솔더링 공정 실험을 진행해보았다. 공정조건에 따른 땜납리본-셀 간 접합력 추이를 통해 적정 솔더링 조건을 찾고, 각 공정 조건에 대한 솔더 계면을 현미경을 통해 확대 분석해 보았다.
  • 1과 같이 셀 하부에 위치한 hot plate를 이용해 공정 전 preheating 을 진행하였고, 상부에 위치한 IR 램프의 출력을 이용해 공정을 마무리하였다. 공정조건으로 hot plate온도, IR 램프 출력 및 유지시간을 조절하였으며, 그에 따른 리본셀 간 접합특성을 peel test 를 통하여 비교분석 해보았다. 또한, SEM 및 EDX 분석 장비를 이용해 공정 조건 별 접합특성에 대한물리적 화학적 차이를 관측해보았다.
  • 공정조건으로 hot plate온도, IR 램프 출력 및 유지시간을 조절하였으며, 그에 따른 리본셀 간 접합특성을 peel test 를 통하여 비교분석 해보았다. 또한, SEM 및 EDX 분석 장비를 이용해 공정 조건 별 접합특성에 대한물리적 화학적 차이를 관측해보았다.
  • 본 연구에서는, 적외선 램프를 이용해 태양전지의 솔더링 공정을 진행하였다. Fig.
  • 솔더링 공정 후 90°peel test를 통하여 셀-리본 간 접합력을 측정하였고, 해당 셀들의 시편을 에폭시로 경화시킨 후 SEM 과 EDX를 이용해 접합계면을 분석해보았다.
  • 지금까지 적외선 램프를 이용한 솔더링 공정 실험을 진행해보았다. 공정조건에 따른 땜납리본-셀 간 접합력 추이를 통해 적정 솔더링 조건을 찾고, 각 공정 조건에 대한 솔더 계면을 현미경을 통해 확대 분석해 보았다.
  • 5%)를 사용하였다. 태양전지 셀을 미리 예열된 hotplate 위에 배치하고, IR 램프의 출력 및 유지시간을 제어하여 공정을 진행하였다. 이때, hot plate 온도는 170~200℃까지 10℃ 간격으로, 그리고 IR 램프는 150~190 V까지 10 V 간격으로 2~4초간 공정시간을 조절하였다.

대상 데이터

  • 본 실험에서는 3 bus bar 용 결정질 실리콘 셀과 젖음성이 좋고 융점이 낮은 Sn60Pb40 솔더 리본을 사용하여 실험을 진행하였고, 셀 표면의 산화막 제거를 위한 용제로 kester 사의 920CXF(고형분 4.5%)를 사용하였다. 태양전지 셀을 미리 예열된 hotplate 위에 배치하고, IR 램프의 출력 및 유지시간을 제어하여 공정을 진행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
적외선 램프(IR lamp) 가열방식은 무엇이고 어떤 장점이 있는가? 현재까지가장 널리 사용되고 있는 솔더링 방식은 접촉 식 인두 및 열풍 가열방식으로, 비록 생산단가는 낮지만 셀과의 물리적 접촉 및 열응력에 의한 미세균열(micro crack) 발생으로 셀이 얇을수록 그 파손확률이 더욱 높아진다6). 반면, 적외선 램프(IR lamp) 가열방식은 장파장의 복사열을 이용하여 수초 내에 대상 체를 가열하므로, 가열 성능이 우수하고 셀의 열적 변형을 최소화시킬 수 있어 태양전지의 박막화 추세에 적합한 방식이라 할 수 있겠다7).
현재까지 가장 널리 사용되고 있는 솔더링 방식은 무엇인가? 특히 솔더링(soldering) 공정은 태양전지 모듈의 주요공정 중 하나로 불량발생률이 가장 높은 것으로 알려진다4,5). 현재까지가장 널리 사용되고 있는 솔더링 방식은 접촉 식 인두 및 열풍 가열방식으로, 비록 생산단가는 낮지만 셀과의 물리적 접촉 및 열응력에 의한 미세균열(micro crack) 발생으로 셀이 얇을수록 그 파손확률이 더욱 높아진다6). 반면, 적외선 램프(IR lamp) 가열방식은 장파장의 복사열을 이용하여 수초 내에 대상 체를 가열하므로, 가열 성능이 우수하고 셀의 열적 변형을 최소화시킬 수 있어 태양전지의 박막화 추세에 적합한 방식이라 할 수 있겠다7).
금속간 화합물은 어떠한 경우에 형성 및 성장이 이루어지는가? 또한, 솔더링 공정 시 땜납과 모재 사이에는 금속간 화합물(IMC) 이 생성되는데, 이는 솔더의 접합 강도측면에서 필수적인 요소로 작용한다10). 이런 IMC 층은 솔더링 시간이 길어지거나 온도가 높아졌을 때 형성 및 성장이 이루어지는데11), 태양전지의 경우 보통 리본 땜납의 Sn 이 확산하여 Ag3Sn 금속 화합물을 형성하게 된다. 하지만, 이런 금속간 화합물 자체는 취성이 강하기 때문에 오히려 과도한 성장은 접합 및 피로강도 측면에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다12,13).
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참고문헌 (14)

  1. J. S. Yeon, G. B. Kim, "Investigation of Laser Scattering Pattern and Defect Detection Based on Rayleigh Criterion for Crystalline Silicon Wafer Used in Solar Cell", Journal of the Korean Society for Precision Engineering Vol. 28, No. 5, pp.606-613, 2011. 

  2. M. Heimann, R. Bakowskie, M. Kohler, J. Hirsch, M. Junghanel, A. Hussack, S. Sachert, Energy Procedia Vol. 55, pp. 456-463, 2014. 

  3. B. M. Kim, K. S. Lee, M. K. Kim, G. H. Kang, G. Lee, "A Study on manufacturing process of PV Module According to Solar Cell thickness", The Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 1255-1256, 2010. 

  4. H. H. Hsieh, F. M. Lin, F. Y. Yeh, M. H. Lin, Solar Energy Materials and Solar Cells Vol. 93, pp. 864-868, 2009. 

  5. S. J. Kim, J. Y. Choi, J. H. Kong, J. H. Moon, S. H. Lee, W. H. Shim, E. H. Lee, E. J. Lee, H. S. Lee, "Soldering Process of PV Module Manufacturing and Reliability", Proc. of 2011 KSES Fall Conference, pp. 303-306, 2011. 

  6. G. H. Kang, G. J. Yu, H. K. Ahn, D. Y. Han, "Development of PV Module Process Using Automatic Arrangement Tool", Vol. 23, No.4, Journal of the Korean Solar Energy Society, pp.1-9, 2003. 

  7. T. J. Lho, S. J. Kim, M. Y. Park, "A Study on the Development of Noncontact Soldering Device of PV Cells Using Infrared Lamp", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 1, pp. 45-50, 2013. 

  8. K. S, "Advances in lead-free electronics soldering", Current Opinion in Solid State and Materials Science Vol. 5, No. 1, pp. 55-64, 2001. 

  9. T. J. Lho, J. H. Lee, "A Study on deformation and electrical efficiency of PV cell according to hot-air temperature at soldering process", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 7, pp. 4065-4071, 2014. 

  10. H. T. Lee, M. H. Chen, "Influence of intermetallic compounds on the adhesive strength of solder joints", Materials Science and Engineering, A333, pp. 24-34, 2002. 

  11. P. Schmitt, P. Kaiser, C. Savio, M. Tranitz, U. Eitner, "Intermetallic Phase Growth and Reliability of Sn-Ag-Soldered Solar Cell Joints", Energy Procedia Vol. 27, pp. 664-669, 2012. 

  12. L. Yang, K. Y. Huang, S. Yang, H. H. Hsieh, C. R. Kao, "Growth kinetics of $Ag_3Sn$ in silicon solar cells with a sintered Ag metallization layer", Solar Energy Materials & Solar Cells Vol. 123, pp. 139-143, 2014. 

  13. S. Kim, S. H. Huh, K. Suganuma, "Effects of intermetallic compounds on properties of Sn-Ag-Cu lead-free soldered joints", Journal of Alloys and Compounds Vol. 352, pp. 226-236, 2003. 

  14. Yoon. J. I, Ye. B. H, Heo. J. H, Kim. H. J and Lee. H. S, Performance analysis of 20 kW OTEC power cycle using various working fluids, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 37, No. 8, pp. 836-842, 2013. 

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