[논문]전도성 접착제 물성에 따른 슁글드 어레이 태양전지 특성 평가

지홍섭; 최원용; 이재형; 정채환

doi:10.21218/cpr.2017.5.3.095

전도성 접착제 물성에 따른 슁글드 어레이 태양전지 특성 평가
Characterization of Electrically Conductive Adhesives for Shingled Array Photovoltaic Cells 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.5 no.3, 2017년, pp.95 - 99

지홍섭 (광에너지융합그룹, 한국생산기술연구원) , 최원용 (R&D센터, (주) 제너셈) , 이재형 (정보통신공학부, 성균관대학교) , 정채환 (광에너지융합그룹, 한국생산기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The interconnecting shingled solar cells method shows extremely high ratio active area per total area and has the excellent potential for high power PV (photovoltaic). Compared to the conventional module, it can have much more active area due to busbar-free structure. The properties of ECA (electrically conductive adhesives) are significant to fabricate the shingled array PV since it should be used in terms of electric and structural connection. Various ECA were tried and characterized to optimize the soldiering conditions. The open circuit voltage of shingled array cells showed a three-fold increase and efficiency was also increased by 1.63%. The shingled array cells used in CE3103WLV showed the highest power and in CA3556HF the lowest curing temperature and very fast curing time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서 우리는 슁글드 어레이 공정을 통한 태양전지 모듈 제작에 있어서 핵심이 되는 기술인 솔더링 프로세스에 대해 연구하였다. 6인치 태양전지 셀의 분할전 성능과 분할후 솔더링 프로세스를 통해 접합한 태양전지의 성능을 비교하였으며 솔더링 프로세스에서 다양한 전도성 접착제를 사용하여 비교 분석함으로써 슁글드 어레이 구조에서의 효율을 높이기 위한 최적화된 접착 조건을 찾는 것에 주력하였다^.

제안 방법

이 논문에서 우리는 슁글드 어레이 공정을 통한 태양전지 모듈 제작에 있어서 핵심이 되는 기술인 솔더링 프로세스에 대해 연구하였다. 6인치 태양전지 셀의 분할전 성능과 분할후 솔더링 프로세스를 통해 접합한 태양전지의 성능을 비교하였으며 솔더링 프로세스에서 다양한 전도성 접착제를 사용하여 비교 분석함으로써 슁글드 어레이 구조에서의 효율을 높이기 위한 최적화된 접착 조건을 찾는 것에 주력하였다^.

대상 데이터

나노 세컨드 레이저(532 nm, 20 ns, 30-100 KHz from Coherent)가 6인치 태양전지 셀을 스크라이빙 하기 위해 사용되었다. 최적의 스크라이빙 조건을 찾기 위해서 평균 파워는 10W로 고정한 후레이저의 주파수(30-70 Khz)와 절단횟수(10-40회) 및 레이저 스캔 속도(100-2,500 mm/s)를 바꿔가며 분석하였고 태양전지 셀의 스크라이빙된 깊이 및 폭은 광학 현미경(MF-A101D from Mitutoyo)에 의해 분석되었다.
1은 분할된 셀이 전도성 접착제에 의해 슁글드 어레이 형태로 접합되는 모습을 보여준다. 어레이를 만들기 위해 총 6종류의 전도성 접착제를 사용 하였는데(EL-3012, EL-3556, EL-3653, EL-3655from SKC Panacol; CE3103WLV, CA3556HF from Henkel) 시장에 나와 있는 전도성 접착제중에 본 용도에 사용하기에 알맞은 높은 전도성과 알맞은 점도를 가진 제품을 선별하였다.

성능/효과

이 방식은 버스바 free구조로 동일한 설치면적에서 더 많은 셀을 사용할 수 있어 단위면 적당 높은 출력을 가져올 수 있다. 3분할후 만들어진 슁글드 어레이 셀은 3배의 V_oc 와 약 9% 증가한 셀 효율을 나타냈으며 분석된 여러종류의 전도성 접착제중 CE3103WLV가 가장 좋은 출력특성을 보여주었으며 CA3556HF는 낮은 경화온도와 매우 빠른 경화시간으로 대량생산에 유리한 특성을 보여주었다.
기존의 태양전지 모듈 제작 방법에서 사용되던 땜납과 와이어를 사용하지 않고, 레이저 스크라이빙 프로세스로 태양전지 셀을 분할하여 전도성 접착제를 분할된 셀 전면전극에 분사하여 슁글드 어레이 구조 셀을 만들었다. 이 방식은 버스바 free구조로 동일한 설치면적에서 더 많은 셀을 사용할 수 있어 단위면 적당 높은 출력을 가져올 수 있다. 3분할후 만들어진 슁글드 어레이 셀은 3배의 V_oc 와 약 9% 증가한 셀 효율을 나타냈으며 분석된 여러종류의 전도성 접착제중 CE3103WLV가 가장 좋은 출력특성을 보여주었으며 CA3556HF는 낮은 경화온도와 매우 빠른 경화시간으로 대량생산에 유리한 특성을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 일반적인 에너지 생산기술과 비교하여 태양 에너지를 이용하는 것의 장점은 무엇인가?	태양은 열과 방사선의 형태로 매순간 막대한 양의 에너지를 생산하고 있으며 이 에너지는 친환경적이며 무제한적이고 비용이 들지 않는다.1,2) 기존의 일반적인 에너지 생산기술과 달리 태양광을 에너지로 사용하기 위해서는 큰 비용이 필요한 발전소를 만들지 않아도 작은 크기의 태양전지를 사용하는 것만으로 태양광을 직접 에너지의 형태로 변환할 수 있다는 점에서 큰 장점을 갖는다.3,4) 태양전지를 사용한 태양광 모듈을 제조하는데 있어서 일반적으로 대규모 증설을 통한 고정비의 절감, 실리콘 웨이퍼의 비용을 줄이기 위해 셀의 두께를 줄이는 것5)과 같은 원재료 사용량을 줄이거나 공정상의 loss를 줄이는 방법 등으로 모듈 원가를 절감하는 것이 유효했지만 더 이상 대규모 증설과 원재료 사용량 감축은 쉽지 않아지고 있다.
	슁글링 구조를 통한 모듈 제조방식은 무엇인가?	이러한 상황에서 기업들은 단위당 효율이나 출력을 높이는 것에 주력하고 있는 상황이며 셀 단위의 효율을 높이는 작업이 아닌 모듈 단위의 구조 변경을 통한 효율 및 출력 증가에 대해 연구를 하고 있다. 최근 미국의 Cogenra Solar, Solaria 및 Sunpower 에서 사용하는 슁글링 구조를 통한 모듈 제조방식이 제안되었는데 각각의 셀을 절단하여 직렬로 연결시켜 줌으로써 모듈 사이즈 대비 셀의 수량과 기존의 버스바로 인한 저항을 줄이는 방식으로 효율을 증가시킬 수 있는 방법이다. 이 방식에서 가장 중요한 요소인 솔더링 프로세스는 완성된 모듈의 신뢰도와 효율에 영향을 미치는 중요한 요소인데6) 기존의 접촉식 인두 및 열풍 가열방식은 미세균열 때문에 셀이 얇을수록 파손될 위험이 매우 높으며 이와 같은 이유 때문에 모듈 제작시 셀의 종류에 있어서 제한을 받는다.
	슁글링 구조를 통한 모듈 제조방식에서 가장 중요한 요소는 무엇인가?	최근 미국의 Cogenra Solar, Solaria 및 Sunpower 에서 사용하는 슁글링 구조를 통한 모듈 제조방식이 제안되었는데 각각의 셀을 절단하여 직렬로 연결시켜 줌으로써 모듈 사이즈 대비 셀의 수량과 기존의 버스바로 인한 저항을 줄이는 방식으로 효율을 증가시킬 수 있는 방법이다. 이 방식에서 가장 중요한 요소인 솔더링 프로세스는 완성된 모듈의 신뢰도와 효율에 영향을 미치는 중요한 요소인데6) 기존의 접촉식 인두 및 열풍 가열방식은 미세균열 때문에 셀이 얇을수록 파손될 위험이 매우 높으며 이와 같은 이유 때문에 모듈 제작시 셀의 종류에 있어서 제한을 받는다.7)

참고문헌 (9)

Chu, Y. and Meisen, P., Review and Comparison of Different Solar Energy Technologies. Report of Global Energy Network Institute(GENI), Diego, 2011.
Choubey, P.C., Oudhia, A., and Dewangan, R., A Review: Solar Cell Current Scenario and Future Trends. Recent Research in Science and Technology, 4, 99-101, 2012.
McEvoy, A., Castaner, L., and Markvart, T. , Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation. 2nd Edition, Elsevier Ltd., Oxford, 3-25, 2012.
Fahrenbruch, A.L. and Bube, R.H., Fundamentals of Solar Cells. Academic Press Inc., New York, 1983.
J. Song, Y. Nam, M. Park, B. Yoo, J. Cho, and R. B. Wehrspohn, Toward a planar black silicon technology for $50{\mu}m$ -thin crystalline silicon solar cells, Opt. Express 24, A1224-A1233, 2016.

상세보기
Materials Science and Engineering: R: Reports, Volume 27, Issues 5-6, 1 June 2000, pp. 95-141, 2000.

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