[논문]고효율 태양광 모듈 제작을 위한 스트링 공정 최적화

지홍섭; 문대한; 송진호; 정채환

doi:10.21218/cpr.2018.6.4.119

고효율 태양광 모듈 제작을 위한 스트링 공정 최적화
Shingled String for the High Performance Photovoltaic Module 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.6 no.4, 2018년, pp.119 - 123

지홍섭 (광에너지융합그룹, 한국생산기술연구원) , 문대한 (광에너지융합그룹, 한국생산기술연구원) , 송진호 (광에너지융합그룹, 한국생산기술연구원) , 정채환 (광에너지융합그룹, 한국생산기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The High Performance Module With The Shingled String Has Several Advantages Such As The Larger Active Area, Higher Open-Circuit Voltage And Smaller Cell To Module (Ctm) Loss. To Obtain Increase Of Power In Pv Shingled Module, The Detailed Condition Of Various Parameters Related To Cutting And Bonding Process Were Investigated In This Study. We Searched The Optimized Cutting Conditions Of Laser Scan Speed, The Number Of Laser-Scribing And Also Bonding Conditions Of Electrically Conductive Adhesives (Eca) By Varying Amount Of Eca, Curing Time And Curing Temperature. The Shingled Pv Module Showed 25.4W of Maxmimum Power At 60 Rpm Of Dipensing Motor Speed, 30 Seconds Of Curing Time And $140^{\circ}C$ Of Curing Temperature, Respectively.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematics of string array
그림 Fig. 2. Top view of laser-scribed cells with scan speed
그림 Fig. 3. Cross-sectional views of laser-scribed cells with scan sped
그림 Fig. 4. Cross-sectional views of laser scribed cells with the repetition number of scan
그림 Fig. 5. Output power difference between theocratical and measured samples with dispensing speed
그림 Fig. 6. Output power difference between theocratical and measured samples with curing time
그림 Fig. 7. Output power difference between theocratical and measured samples with curing temperature

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

최적의 스캔 속도를 찾기 위해서 먼저 레이저의 스캔 속도를 500 mm/s에서 6000 mm/s 까지 500 mm/s 씩 증가시키며 레이저 스크라이빙을 1회 실시하였고, 광학 현미경을 통해 top view를 분석하여 스캔 속도의 변화에 따른 셀 표면에 조사된 레이저 폭의 변화를 분석하였다. 레이저 스캔 속도에 따른 절단면 분석을 위해, 스크라이빙 횟수를 35회로 고정한채, 이전과 동일하게 스캔 속도를 500 mm/s에서 6000 mm/s 까지 500 mm/s씩 증가시켰고, 분할된 셀은 광학 현미경을 통하여 절단면 분석을 하였다. 최적의 스크라이빙 횟수를 찾기 위해서 스캔 속도를 3000 mm/s로 고정한채 스크라이빙 횟수를 5회에서 50회까지, 5회씩 증가시킨 후 셀을 분할하였고 광학 현미경으로 절단면 분석을 하였다.
이를 위해 dispenser 모터의 속도를 40 revolutions per minutes (RPM), 60 RPM, 90 RPM, 120RPM으로 바꿔가며 스트링을 제작하여 출력을 측정하였고 경화 조건에 따른 변화 분석을 위해 경화 시간을 5초, 30초, 60초, 120초로 증가시킨 후 스트링의 출력을 측정하였다. 마지막으로 경화 온도에 따른 스트링의 출력 변화를 분석하기 위해 경화 온도를 100, 120, 140, 160로 바꿔가며 스트링을 제작하였다. 스트링의 분석은 태양광 시뮬레이터(Long pulse solar simulator from WACOM)를 사용하였다.
본 연구에서, 직렬로 연결된 스트링을 사용하여 60셀 태양광 모듈을 만들기 위해 길이 약 80 cm의 스트링을 사용 하였으며 이를 위해 폭 3.01 cm로 분할된 태양전지 27개가 직렬로 연결되었다.
슁글드 구조의 태양전지 스트링을 만들기 위해 먼저, 6인치 태양전지 셀을 ultraviolet (UV) 레이저(wavelength: 355 nm, frequency : 150 KHz from Coherent)를 사용하여 분할하였다. 최적의 레이저 분할 조건을 찾기 위해서 레이저의 스캔 속도와 스크라이빙 횟수를 변경하며 실험을 진행하였고 분할된 셀은 광학 현미경(MF-A101D from Mitutoyo)에 의해 분석되었다.
때문에 최소한의 ECA를 사용하면서도 적절한 전기적 특성을 갖는 조건을 찾는 것이 높은 모듈 출력을 유지하면서 공정비용을 감소시키는 데에 매우 중요하다. 이러한 접합 조건을 찾기 위해 먼저 분사되는 ECA의 양에 따른 스트링 출력 특성을 분석해보았다. 각각의 스트링은 개별적으로 분할된 27개의 셀이 직렬로 연결된 형태이며 theoretical Pmax는 분할된 개별 셀의 출력을 측정하여 산술적으로 모두 더했을 때 나올 수 있는 이론상의 최대 출력 값이며 measured Pmax는 ECA를 사용하여 스트링을 제작한 후에 출력을 측정한, 제작되어진 스트링의 실제 출력 값이다.
최적화 된 접합 조건을 찾기 위해 ECA를 분사하는 모터의 속도에 의해 결정되는 ECA의 양, 분사 후 ECA를 경화 시키는 온도 및 경화 시간에 따른 분석을 하였다. 이를 위해 dispenser 모터의 속도를 40 revolutions per minutes (RPM), 60 RPM, 90 RPM, 120RPM으로 바꿔가며 스트링을 제작하여 출력을 측정하였고 경화 조건에 따른 변화 분석을 위해 경화 시간을 5초, 30초, 60초, 120초로 증가시킨 후 스트링의 출력을 측정하였다. 마지막으로 경화 온도에 따른 스트링의 출력 변화를 분석하기 위해 경화 온도를 100, 120, 140, 160로 바꿔가며 스트링을 제작하였다.
슁글드 구조의 태양전지 스트링을 만들기 위해 먼저, 6인치 태양전지 셀을 ultraviolet (UV) 레이저(wavelength: 355 nm, frequency : 150 KHz from Coherent)를 사용하여 분할하였다. 최적의 레이저 분할 조건을 찾기 위해서 레이저의 스캔 속도와 스크라이빙 횟수를 변경하며 실험을 진행하였고 분할된 셀은 광학 현미경(MF-A101D from Mitutoyo)에 의해 분석되었다. 최적의 스캔 속도를 찾기 위해서 먼저 레이저의 스캔 속도를 500 mm/s에서 6000 mm/s 까지 500 mm/s 씩 증가시키며 레이저 스크라이빙을 1회 실시하였고, 광학 현미경을 통해 top view를 분석하여 스캔 속도의 변화에 따른 셀 표면에 조사된 레이저 폭의 변화를 분석하였다.
최적의 레이저 분할 조건을 찾기 위해서 레이저의 스캔 속도와 스크라이빙 횟수를 변경하며 실험을 진행하였고 분할된 셀은 광학 현미경(MF-A101D from Mitutoyo)에 의해 분석되었다. 최적의 스캔 속도를 찾기 위해서 먼저 레이저의 스캔 속도를 500 mm/s에서 6000 mm/s 까지 500 mm/s 씩 증가시키며 레이저 스크라이빙을 1회 실시하였고, 광학 현미경을 통해 top view를 분석하여 스캔 속도의 변화에 따른 셀 표면에 조사된 레이저 폭의 변화를 분석하였다. 레이저 스캔 속도에 따른 절단면 분석을 위해, 스크라이빙 횟수를 35회로 고정한채, 이전과 동일하게 스캔 속도를 500 mm/s에서 6000 mm/s 까지 500 mm/s씩 증가시켰고, 분할된 셀은 광학 현미경을 통하여 절단면 분석을 하였다.
레이저 스캔 속도에 따른 절단면 분석을 위해, 스크라이빙 횟수를 35회로 고정한채, 이전과 동일하게 스캔 속도를 500 mm/s에서 6000 mm/s 까지 500 mm/s씩 증가시켰고, 분할된 셀은 광학 현미경을 통하여 절단면 분석을 하였다. 최적의 스크라이빙 횟수를 찾기 위해서 스캔 속도를 3000 mm/s로 고정한채 스크라이빙 횟수를 5회에서 50회까지, 5회씩 증가시킨 후 셀을 분할하였고 광학 현미경으로 절단면 분석을 하였다. 위의 실험을 통해 찾은 최적의 조건으로 분할된 셀은 스트링 제작을 위해서 ECA (CA-3556HF from Henkel)를 사용하여 직렬로 연결되었는데, 실험에 사용된 ECA는 약 35,000 mPa･s 의 점도와 0.
일반적으로 태양광 모듈 제조시솔더링 공정은 모듈의 신뢰도에 큰 영향을 끼치는⁶⁾ 공정인데 기존의 접촉식 인두나 열풍 가열방식은 얇은 셀을 사용할 경우 공정중 파손 위험이 크지만⁷⁾ ECA를 사용하는 본 방식은 위와 같은 위험에서 상대적으로 자유롭다는 장점이 있다. 최적화 된 접합 조건을 찾기 위해 ECA를 분사하는 모터의 속도에 의해 결정되는 ECA의 양, 분사 후 ECA를 경화 시키는 온도 및 경화 시간에 따른 분석을 하였다. 이를 위해 dispenser 모터의 속도를 40 revolutions per minutes (RPM), 60 RPM, 90 RPM, 120RPM으로 바꿔가며 스트링을 제작하여 출력을 측정하였고 경화 조건에 따른 변화 분석을 위해 경화 시간을 5초, 30초, 60초, 120초로 증가시킨 후 스트링의 출력을 측정하였다.

대상 데이터

모듈 제작에 사용되는 스트링을 제작하기 위해서는 먼저 6인치 태양전지를 분할하고 ECA를 사용하여 접합하게 되는데 이때 최적화 된 분할/접합 조건을 찾는 것은 결과적으로 높은 출력의 모듈 제작을 가능하게 한다. 분할에 사용된 레이저는 355 nm의 UV 레이저이며 스캔 속도 3000 mm/s, 스크라이빙 횟수 35회일 때 가장 이상적으로 6인치 태양전지를 분할할수 있었다. 이렇게 분할된 태양전지는 dispenser에 의해 분사된 ECA에 의해 직렬로 접합되게 되는데 dispenser RPM이 60일 때 적은 분사량에 비해 좋은 출력 특성을 나타냈다.
위의 실험을 통해 찾은 최적의 조건으로 분할된 셀은 스트링 제작을 위해서 ECA (CA-3556HF from Henkel)를 사용하여 직렬로 연결되었는데, 실험에 사용된 ECA는 약 35,000 mPa･s 의 점도와 0.0025 Ω･cm의 전기 저항 값을 갖고 있으며 태양광 모듈의 양산을 고려했을 때 시장에 존재하는 여러 ECA들에 비해 빠른 경화시간과 낮은 전기 저항 값을 갖는 등, 매우 우수한 광학적 특성을 갖고 있어 스트링 제작에 사용하게 되었다.

이론/모형

마지막으로 경화 온도에 따른 스트링의 출력 변화를 분석하기 위해 경화 온도를 100, 120, 140, 160로 바꿔가며 스트링을 제작하였다. 스트링의 분석은 태양광 시뮬레이터(Long pulse solar simulator from WACOM)를 사용하였다.

성능/효과

스캔 속도가 500 mm/s~1500 mm/s일 때는 느린 스캔 속도 때문에 셀의 측면이 burn in 되고 damage를 받은 것을 볼 수 있다. 2000 mm/s 이상부터 잘린 측면이 매끄러워 지는 것을 알 수 있는데 이상적으로 셀을 커팅하기 위해서는 셀 두께의 약 60%에 해당하는 깊이로 잘리는 것이 좋으며, 스캔 속도 2500 mm/s ~ 3000 mm/s일 때 약 110 um의 깊이로 셀이 잘리는 것을 확인할 수 있었다.
47로 증가함을 알 수 있다. 60 RPM (ECA 0.0129 g)일 때와 비교해서 120 RPM (ECA 0.0265 g)은 약 2배의 ECA를 사용하게 되는데 측정된 스트링의 출력 값은 크게 차이가 나지 않지만 공정비용을 생각할 때 절반의 사용량으로 비슷한 출력 값을 갖는 60 RPM 이 최적화 된 분사 조건임을 알 수 있었다. Fig.
이렇게 분할된 태양전지는 dispenser에 의해 분사된 ECA에 의해 직렬로 접합되게 되는데 dispenser RPM이 60일 때 적은 분사량에 비해 좋은 출력 특성을 나타냈다. 경화 온도가 140℃일 때 경화 시간은 30초에서 가장 좋은 출력 특성을 나타냈으며, 경화 온도가 100℃에서 증가하면 출력특성이 점점 좋아지다가 140℃에서 가장 좋은 특성을 나타냈으며 140℃ 이상이 되면 오히려 출력 특성이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이는 ECA의 주성분인 Ag, solvent, resin이 경화 조건에 따라 셀과 접합될 때의 물리적 특성이 변하게 되며 이에 따라 전기적 특성이 바뀌기 때문이다.
51 um (20 00 mm/s)로 점점 줄어들다가 3000 mm/s 이상에서는 약 18~20 um의 폭으로 스크라이빙 된다. 스캔 속도가 3500 mm/s 이상일 때는 지나치게 빠른 스캔 속도 때문에 레이저에 조사된 영역이 스팟 형태로 나타나기 때문에 레이저 분할 조건에 적합하지 않다는 것을 알 수 있으며 최대 스캔 속도는 3000 mm/s를 넘지 말아야 한다는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
스크라이빙 횟수가 15회 이하일 때는 스크라이빙 된 깊이가 셀을 분할하기에 충분하지 않아 정상적으로 셀을 분할할 수 없었다. 스크라이빙 횟수가 20회 이상일 때 셀을 분할할 수 있었는데, 스크라이빙 깊이는 20회일 때 55 um, 25회일 때 66 um로 점점 깊어지다가 35회일 때 셀 두께의 약 60%인 101 um가 되는 것을 알 수 있었다. 스크라이빙 횟수가 35회 이상일 때 셀이 자연스럽게 분할이 되기 때문에 35회보다 큰 스크라이빙 횟수는 전체 공정시간의 지연을 초래하기 때문에 셀 분할에 최적화된 횟수는 35회임을 알 수 있다.
스캔 속도가 3500 mm/s 이상일 때는 레이저에 의해 잘린 깊이가 100 um 이하로 점점 얕아지다가 6000 mm/s일 때는 잘린 깊이가 62 um가 되는 것을 확인할 수 있다. 실험에서 확인한 바와 같이, 셀에 무리를 주지 않으면서 셀 분할에 필요한 스크라이빙 깊이를 갖기 위해서는 스캔 속도가 2500 mm/s에서 3000mm/s일 때 가장 적합함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슁글드 구조를 사용하여 태양전지 스트링을 만드는 것은 어떤 방식인가?	실리콘 태양전지를 사용한 태양광 모듈의 제작은 친환경적이며 무제한적인 에너지를 생산하는 태양 에너지를 사용하는 가장 일반적이면서 적극적인 방법이라고 할 수 있으며1,2) 이 방법의 가장 큰 특징은 태양광을 에너지로 사용하기 위해 다른 발전소와 같이 큰 비용을 필요로 하지 않으며 집 지붕과 같이 작은 면적에도 설치가 가능하다는 장점이 있다. 태양광 모듈 제작 방식중 최근 주목을 받고 있는 것은 슁글드 구조를 사용하여 태양전지 스트링을 만드는 것인데, 이 방식은 태양전지를 레이저를 사용하여 절단한 뒤 전도성 접착제를 사용하여 직렬로 연결된 태양광 스트링을 제작한 후, 이 스트링을 이용하여 태양광 모듈을 만드는 방식이다. 이 방식의 장점은, 모듈 설치면적 대비 설치된 셀의 수량과 active area를 증가시킴으로써 더 큰 출력을 갖게 된다는 것인데, 이러한 특징때문에 도심과 같은 한정된 설치면적을 갖는 곳에서 효과적으로 발전할 수 있다는 장점이 있다.
	실리콘 태양전지를 사용한 태양광 모듈의 제작의 장점은 무엇인가?	실리콘 태양전지를 사용한 태양광 모듈의 제작은 친환경적이며 무제한적인 에너지를 생산하는 태양 에너지를 사용하는 가장 일반적이면서 적극적인 방법이라고 할 수 있으며1,2) 이 방법의 가장 큰 특징은 태양광을 에너지로 사용하기 위해 다른 발전소와 같이 큰 비용을 필요로 하지 않으며 집 지붕과 같이 작은 면적에도 설치가 가능하다는 장점이 있다. 태양광 모듈 제작 방식중 최근 주목을 받고 있는 것은 슁글드 구조를 사용하여 태양전지 스트링을 만드는 것인데, 이 방식은 태양전지를 레이저를 사용하여 절단한 뒤 전도성 접착제를 사용하여 직렬로 연결된 태양광 스트링을 제작한 후, 이 스트링을 이용하여 태양광 모듈을 만드는 방식이다.
	슁글드 구조를 사용하여 태양전지 스트링을 만드는 것의 장점은 무엇인가?	태양광 모듈 제작 방식중 최근 주목을 받고 있는 것은 슁글드 구조를 사용하여 태양전지 스트링을 만드는 것인데, 이 방식은 태양전지를 레이저를 사용하여 절단한 뒤 전도성 접착제를 사용하여 직렬로 연결된 태양광 스트링을 제작한 후, 이 스트링을 이용하여 태양광 모듈을 만드는 방식이다. 이 방식의 장점은, 모듈 설치면적 대비 설치된 셀의 수량과 active area를 증가시킴으로써 더 큰 출력을 갖게 된다는 것인데, 이러한 특징때문에 도심과 같은 한정된 설치면적을 갖는 곳에서 효과적으로 발전할 수 있다는 장점이 있다.3,4) Fig.

참고문헌 (9)

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상세보기
G.H. Kang, G.J. Yu, H.K. Ahn, D.Y. Han, "Development of PV Module Process Using Automatic Arrangement Tool," Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 23, No. 4, 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, 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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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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