[논문]Shingled 모듈 적용을 위한 태양전지 전극 구조 최적화

오원제; 박지수; 황수현; 이수호; 정채환; 이재형

doi:10.4313/jkem.2018.31.5.290

Shingled 모듈 적용을 위한 태양전지 전극 구조 최적화
Optimization of Solar Cell Electrode Structure for Shingled Module 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.5, 2018년, pp.290 - 294

오원제 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 박지수 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 황수현 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 이수호 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 정채환 (한국생산기술연구원 태양전지R&D센터) , 이재형 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The shingled photovoltaic module can be produced by joining divided solar cells into a string of busbarless structure and arranging them in series and parallel to produce a module, in order to produce a high output per unit area. This paper reports a study to optimize solar cell electrode structure for shingled photovoltaic module fabrication. The characteristics of each electrode structure were analyzed according to the simulation program as follow: 80.62% fill factor in the six-junction solar cell electrode structure and 19.23% efficiency in the five-junction electrode structure. Therefore, the split electrode structure optimized for high-density and high-output shingled module fabrication is the five-junction solar cell electrode structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Shingled 모듈에 적용 가능하기 위해서는 시뮬레이션뿐만 아니라 실제 셀을 분할/접합하여 특성 변화를 확인해 보아야 한다. 따라서 태양전지의 분할 전후의 특성 변화와 접합 전/후의 특성 변화에 대해 분석하였다.
분할된 태양전지를 ECA로 접합된 태양전지를 제작했다. 본 논문에서는 4분할 전극 구조의 태양전지를 분할/접합하여 특성 변화를 확인하고 분할 전후와 접합 전후의 특성 변화에 대해 분석하였다.
본 논문에서는 shingled 모듈에서 적용 가능한 태양전지 전극 구조 최적화에 대해 연구를 진행하였다. 3분할에서 6분할까지의 전극 구조를 설계하고 시뮬레이션 한 결과, 5분할 전극 구조에서 19.

제안 방법

또한 리본의 저항으로 인한 전기적 손실을 감소시켜 면적당 에너지 생산량을 늘려 모듈 단위에서 효율을 상승시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 shingled 모듈에 적용 가능한 태양전지의 전극 구조들을 설계하였고 시뮬레이션을 통해 각각의 특성을 비교, 분석하여 최적화된 전극 구조를 최적화하였다. 또한 분할 전극 구조 셀을 제작하여 측정한 결과와 시뮬레이션 결과와 비교하여 유사성을 검증하였다.
최적화된 분할 패턴의 태양전지를 shingled 모듈에 적용하기에 앞서 시뮬레이션을 통해 분할 전후의 태양전지 특성을 비교 분석하였고 실제로 분할 태양전지를 제작한 후에 특성을 변화를 조사하였다. 또한 분할된 태양전지를 ECA로 접합하여 접합된 셀의 특성 변화를 분석하였다.
먼저 셀 분할 장비를 사용하여 태양전지를 분할하였다. 분할 장비에는 green 레이저를 사용했으며 레이저의 파장은 532 nm, scan-speed는 1,300 mm/s, 주파수는 50 ㎑이다.
Shingled 모듈에 적용되는 태양전지는 분할 패턴에 따라 셀의 특성이 변화되고 결과적으로 이를 이용한 스트링 또는 모듈의 출력이 제한된다. 본 논문에서는 3분할에서 6분할 패턴까지의 태양전지 전극 구조를 설계하고, Griddler 시뮬레이션 프로그램 [4]을 이용하여 셀 특성 변화를 조사하였다. 그림 2는 분할 패턴의 전극구조 중 5분할 전극 패턴을 예를 들어 나타낸 것으로 빨간색 선은 전면 핑거(finger)와 버스바, 파란색은 후면 Ag 패드를 나타낸 것이다.
분할 장비에는 green 레이저를 사용했으며 레이저의 파장은 532 nm, scan-speed는 1,300 mm/s, 주파수는 50 ㎑이다. 분할된 태양전지를 ECA로 접합된 태양전지를 제작했다. 본 논문에서는 4분할 전극 구조의 태양전지를 분할/접합하여 특성 변화를 확인하고 분할 전후와 접합 전후의 특성 변화에 대해 분석하였다.
최적화된 분할 패턴의 태양전지를 shingled 모듈에 적용하기에 앞서 시뮬레이션을 통해 분할 전후의 태양전지 특성을 비교 분석하였고 실제로 분할 태양전지를 제작한 후에 특성을 변화를 조사하였다. 또한 분할된 태양전지를 ECA로 접합하여 접합된 셀의 특성 변화를 분석하였다.

대상 데이터

먼저 셀 분할 장비를 사용하여 태양전지를 분할하였다. 분할 장비에는 green 레이저를 사용했으며 레이저의 파장은 532 nm, scan-speed는 1,300 mm/s, 주파수는 50 ㎑이다. 분할된 태양전지를 ECA로 접합된 태양전지를 제작했다.
그림 2는 분할 패턴의 전극구조 중 5분할 전극 패턴을 예를 들어 나타낸 것으로 빨간색 선은 전면 핑거(finger)와 버스바, 파란색은 후면 Ag 패드를 나타낸 것이다. 셀 크기는 가로, 세로 156.75 mm, 핑거의 개수는 104개, 핑거의 폭은 50 ㎛이다. 절단 선은 노란색 점선으로 표현했으며 분할 전극구조의 특성상 절단되어 다른 분할 셀과 접합되는 부분의 Ag 버스바는 3 mm이며, 절단이 이루어지지 않는 양 끝단의 버스바의 폭은 1.

데이터처리

따라서 본 논문에서는 shingled 모듈에 적용 가능한 태양전지의 전극 구조들을 설계하였고 시뮬레이션을 통해 각각의 특성을 비교, 분석하여 최적화된 전극 구조를 최적화하였다. 또한 분할 전극 구조 셀을 제작하여 측정한 결과와 시뮬레이션 결과와 비교하여 유사성을 검증하였다.

성능/효과

본 논문에서는 shingled 모듈에서 적용 가능한 태양전지 전극 구조 최적화에 대해 연구를 진행하였다. 3분할에서 6분할까지의 전극 구조를 설계하고 시뮬레이션 한 결과, 5분할 전극 구조에서 19.23%의 가장 높은 효율을 나타내었으며 분할 후에도 특성 변화는 거의 없는 것으로 조사되었다.
64%로 증가하였다. 그 결과 전면 전극으로 인한 음영으로 발생되는 전류량이 감소하여 그림 5와 같이 분할 셀 수가 많아질수록 Shading Jsc가 감소하는 것을 볼 수 있다.
한편 실제 셀 분할 및 접합 실험을 통해 태양전지 효율이 향상됨을 할 수 있었고, 이러한 분할/접합 구조의 스트링으로 모듈을 제작할 경우, 출력이 증가할 것으로 예상된다. 향후 PERC (passivated emitter and rear cell) 셀과 같은 고효율 태양전지에 적용할 전극 최적화에 대한 연구를 진행하고자 한다.

후속연구

한편 실제 셀 분할 및 접합 실험을 통해 태양전지 효율이 향상됨을 할 수 있었고, 이러한 분할/접합 구조의 스트링으로 모듈을 제작할 경우, 출력이 증가할 것으로 예상된다. 향후 PERC (passivated emitter and rear cell) 셀과 같은 고효율 태양전지에 적용할 전극 최적화에 대한 연구를 진행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	출력저하를 일으키는 몇 가지 문제점은?	이 방법은 공정상 설비가 단순하여 신뢰성이 높지만 출력저하를 일으키는 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 먼저 태양전지 전면 리본으로 인해 전류 수집에 손실을 야기하며, 또한 솔더링 과정에서 태양전지에 국부적인 열전달과 압력으로 인한 스트레스와 미세 균열을 일으킬 수 있다, 그리고 여러 태양전지에서 출력되는 전류들이 리본을 통해 이동하면서 리본 저항에 의한 전류 손실이 발생할 수 있다 [3]. 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 모듈 제작 기술들이 개발되고 있다.
	shingled 모듈 제작기술 이란?	이러한 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 모듈 제작 기술들이 개발되고 있다. 이들 가운데 고효율, 고출력을 위한 새로운 태양전지 연결 방식인 shingled 모듈 제작기술은 셀의 분할/접합을 통해 버스바가 없는(busbar-less) 장점을 가진다. 이러한 버스바가 없는 분할/접합 구조의 스트링은 음영에 따른 출력 저하와 리본 솔더링으로 인한 스트레스를 제거할 수 있다.
	일반적인 태양광 모듈은 어떻게 연결하는가?	일반적인 태양광 모듈은 태양전지의 전면에 있는 Ag 버스바(busbar)를 인접한 다른 태양전지 후면에 금속 리본을 납땜하여 연결한다. 이 방법은 공정상 설비가 단순하여 신뢰성이 높지만 출력저하를 일으키는 몇 가지 문제점을 가지고 있다.

참고문헌 (7)

C. H. Park, Latest Technology Trends and Market / Policy Status in Photovoltaic Field (Ministry of Environment, KEITI, Sejong, Seoul, 2017) p. 2.
W. S. Han, H. S. Kim, B. S. Choi, and D. K. Oh, Electron. Telecommun. Res. Inst., 22, 86 (2007). [DOI: https://doi.org/10.22648/ETRI.2007.J.220509]

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G. Beaucarne, Energy Procedia, 98, 115 (2016). [DOI: https:// doi.org/10.1016/j.egypro.2016.10.087]

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J. W. Ho, The Handy Solar cell Simulator, http://www. seris.nus.edu.sg/activities/griddler-2.5.html (2017).
I. Zafirovska, M. K. Juhl, J. W. Weber, J. Wong, and T. Trupke, IEEE J. Photovoltaics, 7, 1496 (2017). [DOI: https:// doi.org/10.1109/JPHOTOV.2017.2732220]

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J. Wong, Proc. 2013 IEEE 39th Photovoltaic Specialists Conference (IEEE, Tampa Bay, 2013) p. 933.
A. Khanna, T. Mueller, R. A. Stangl, B. Hoex, P. K. Basu, and A. G. Aberle, IEEE J. Photovoltaics, 3, 1170 (2013). [DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2270348]

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