박형 태양전지모듈 제작을 위한 저온 CP 공정 최적화에 관한 연구 A Study on the Optimization of CP Based Low-temperature Tabbing Process for Fabrication of Thin c-Si Solar Cell Module원문보기
Thin crystalline silicon (C-Si) solar cell is expected to be a low price energy source by decreasing the consumption of Si. However, thin c-Si solar cell entails the bowing and crack issues in high temperature manufacturing process. Thus, the conventional tabbing process, based on high temperature s...
Thin crystalline silicon (C-Si) solar cell is expected to be a low price energy source by decreasing the consumption of Si. However, thin c-Si solar cell entails the bowing and crack issues in high temperature manufacturing process. Thus, the conventional tabbing process, based on high temperature soldering (> $250^{\circ}C$), has difficulties for applying to thin c-Si solar cell modules. In this paper, a conductive paste (CP) based interconnection process has been proposed to fabricate thin c-Si solar cell modules with high production yield, instead of existing soldering materials. To optimize the process condition for CP based interconnection, we compared the performance and stability of modules fabricated under various lamination temperature (120, 150, and $175^{\circ}C$). The power from CP based module is similar to that with conventional tabbing process, as modules are fabricated. However, the output of CP based module laminated at $120^{\circ}C$ decreases significantly (14.1% for Damp heat and 6.1% for thermal cycle) in harsh condition, while the output drops only in 3% in the samples process at $150^{\circ}C$, $175^{\circ}C$. The peel test indicates that the unstable performance of sample laminated at $120^{\circ}C$ is attributed to weak adhesion strength (1.7 N) between cell and ribbon compared to other cases (2.7 N). As a result, optimized lamination temperature for CP based module process is $150^{\circ}C$, considering stability and energy consumption during the fabrication.
Thin crystalline silicon (C-Si) solar cell is expected to be a low price energy source by decreasing the consumption of Si. However, thin c-Si solar cell entails the bowing and crack issues in high temperature manufacturing process. Thus, the conventional tabbing process, based on high temperature soldering (> $250^{\circ}C$), has difficulties for applying to thin c-Si solar cell modules. In this paper, a conductive paste (CP) based interconnection process has been proposed to fabricate thin c-Si solar cell modules with high production yield, instead of existing soldering materials. To optimize the process condition for CP based interconnection, we compared the performance and stability of modules fabricated under various lamination temperature (120, 150, and $175^{\circ}C$). The power from CP based module is similar to that with conventional tabbing process, as modules are fabricated. However, the output of CP based module laminated at $120^{\circ}C$ decreases significantly (14.1% for Damp heat and 6.1% for thermal cycle) in harsh condition, while the output drops only in 3% in the samples process at $150^{\circ}C$, $175^{\circ}C$. The peel test indicates that the unstable performance of sample laminated at $120^{\circ}C$ is attributed to weak adhesion strength (1.7 N) between cell and ribbon compared to other cases (2.7 N). As a result, optimized lamination temperature for CP based module process is $150^{\circ}C$, considering stability and energy consumption during the fabrication.
따라서 본 연구에서는 저온 CP 공정으로 제작한 모듈의 초기 출력 측정 및 환경시험 평가(damp heat test와 thermal cycle test )를 진행하였다. 환경시험을 통해 CP 공정 시 온도에 따른 소자 특성과 모듈의 신뢰성을 확인하였으며 최적의 lamination 온도 조건을 결정할 수 있었다.
가설 설정
(1) 열에 약한 박형 태양전지의 bowing 현상이나 파손을 줄여 모듈화하기 위한 방법으로 CP를 사용한 저온 tabbing 기술을 제안하였으며, 이를 통해 기존 tabbing 방식 보다 훨씬 적은 파손율로 박형 태양전지모듈을 제작할 수 있을 것으로 보이며, 태양전지와 ribbon 사이의 접합은 lamination 과정을 통하여 이루어진다고 가정하였다.
제안 방법
본 논문에서는 박형 태양전지모듈의 제작을 위해 기존 공정의 전도성 물질을 대체하여 CP를 사용하였으며, 저온 tabbing 공정으로 진행하였다. 이 실험에서 사용한 CP의 물성표를 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
(3) Peel test를 진행하여 태양전지와 ribbon 사이의 접합과 CP의 온도 특성을 확인하였다. 실험 결과, 150℃ 이상에서 peel force의 값이 ~2.
(2) Lamination의 온도 조건에 따른 CP의 신뢰성을 확인하기 위하여 damp heat test와 thermal cycle test를 진행하였다. 실험 결과, 120℃ 모듈에서의 출력감소율이 damp heat, thermal cycle test에서 각각 14.1%, 6.0%로 나타났으며 평균 약 3%의 출력감소율을 보인 150℃, 175℃에 비해 큰 감소율을 보이는 것을 확인하였다. 이를 통해 CP 모듈은 150℃의 lamination 조건에서 제작되는 것이 가장 적절하다고 판단하였다.
(3) Peel test를 진행하여 태양전지와 ribbon 사이의 접합과 CP의 온도 특성을 확인하였다. 실험 결과, 150℃ 이상에서 peel force의 값이 ~2.7 N으로 나타나 태양전지와 ribbon의 접합이 적절하게 이루어지는 것을 보았고 120℃에서는 1 N 낮은 1.7 N의 peel force 값을 나타내어 접합이 잘 이루어지지 않은 것을 확인하였다. 또한 장기 신뢰성 실험 후 120℃ 공정에서 제작된 CP 기반 모듈은 결합력이 0.
후속연구
위의 결과, 박형 태양전지의 모듈화를 위해 CP를 사용한 저온 tabbing 방식을 적용할 수 있었으며 환경시험과 peel test를 통하여 적절한 lamination 온도 조건 또한 확인할 수 있었다. 이를 통해 저온 CP 공정을 최적화 하였으며, 후에 박형 태양전지모듈에도 또한 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
박형 태양전지의 공정 시, 저온 tabbing 공정을 해야 하는 이유는 무엇인가?
이러한 결함을 해결하기 위해 박형 태양전지의 제조 기술에 대해 다양한 연구가 진행되고 있으며1,2), 그에 따른 박형 태양전지의 모듈화에 대한 연구도 함께 진행되어야 한다. 일반적인 태양전지모듈의 공정 중 태양전지와 ribbon의 tabbing 공정은 전, 후면에 전기적인 열을 가하여 이루어진다. Ribbon의 납땜 시 리본 전극의 온도는 약 250℃ 이상의 고온에서 tabbing이 이루어지는 것을 알 수 있다. 열팽창계수가 다른 태양전지와 ribbon은 고온에서 tabbing 공정을 한 후 상온으로 냉각되는 과정에서 두 물질의 열팽창계수 차이에 의해 물리적인 힘이 가해져 태양전지의 bowing 현상이나 파손이 발생할 수 있다3,4,5).따라서 박형 태양전지는 기존 tabbing 공정의 높은 온도에서 더 손쉽게 파손이 일어날 수 있으므로 저온 tabbing 공정을 해야만 하며, 녹는점이 낮은 전도성 물질을 사용하여 태양전지와 ribbon의 전기적 접합을 이루어야 한다.
저온 CP 공정이란 무엇인가?
CP는 기존 tabbing 과정에서 사용하던 솔더링 물질보다 낮은 온도에서도 전기적 결함이 이루어지기 때문에 저온으로 tabbing이 가능할 것으로 예상된다. 저온 CP 공정은 전도성 페이스트를 태양전지 전극에 인쇄한 후 lamination 과정에서 tabbing 및 스트링이 동시에 수행되는 공정으로 태양전지모듈의 내구성을 고려한다면 lamination 온도 조건 또한 최적화하지 않으면 안 된다.
박형 태양전지의 단점은 무엇인가?
현재 태양광 산업에서 실리콘 및 wafer의 가격 점유율이 40%로 가장 높으며, 따라서 원가 절감을 위해서는 실리콘 웨이퍼의 양을 줄여 박형 결정질 실리콘(c-Si) 태양전지를 제작하고 상용화시키는 것이 가장 효과적인 방법이라고 할 수 있다. 박형 태양전지(< 100 um)는 기존 태양전지(~ 180 um)에 비해 웨이퍼의 두께가 얇아짐에 따라 태양전지의 bowing 현상에 의한 파손이 자주 발생한다. 이러한 결함을 해결하기 위해 박형 태양전지의 제조 기술에 대해 다양한 연구가 진행되고 있으며1,2), 그에 따른 박형 태양전지의 모듈화에 대한 연구도 함께 진행되어야 한다.
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