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문제 정의
- 1) 두 종류의 전도성 물질을 사용하여 shingled 모듈을 만들었으며, 전도성 페이스트(conductive paste)는 전도성 접착제(electrically conductive adhesives)보다 은(silver) 함유량이 매우 적으므로 가격이 1/10 수준임을 확인하였다. 이는 CP를 사용한 솔더링 공정이 동등한 수준의 효율 및 발전성능이 나오면 ECA 경화 공정의 대체 물질로 쓰일 수도 있는 가능성을 제시하였다.
제안 방법
- 위와 같은 솔라 시뮬레이터를 이용해 측정하였으며, 컷팅된 2, 4, 6개의 태양전지 조각을 전도성 물질의 접합공정을 이용하여 모듈화 시켰을 때의 직렬저항 값을 각각 비교하였다.
- 본 논문에서는 기존의 결정질 실리콘 태양광 모듈 단위의 구조 변경의 한 방법인 shingled 구조의 모듈을 만드는 실험을 하였고, shingled 구조의 모듈을 만들기 위해서는 컷팅한 각각의 태양전지를 직렬연결 해야 한다. 이 때, 사용되는 전도성 물질인 ECA와 CP를 사용하여 shingled 모듈을 만들어 비교 및 분석을 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 실험에서는 나노 세컨드 레이저(1064 nm, 45.8 W, duration 60 ms, scanner jump speed 8 m/s, scanner mark speed 24 m/s, 400 KHz from InnoLas)를 이용하여 태양전지를 컷팅하였다.
- 본 논문에서는 기존의 결정질 실리콘 태양광 모듈 단위의 구조 변경의 한 방법인 shingled 구조의 모듈을 만드는 실험을 하였고, shingled 구조의 모듈을 만들기 위해서는 컷팅한 각각의 태양전지를 직렬연결 해야 한다. 이 때, 사용되는 전도성 물질인 ECA와 CP를 사용하여 shingled 모듈을 만들어 비교 및 분석을 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이러한 CP 기반의 shingled 모듈을 기존 ECA 기반 모듈과 비교 분석을 통해, CP를 이용한 저온 솔더링 공정의 실현 가능성을 확인하고, 안정적인 shingled 모듈의 구현이 가능한 공정 조건을 도출하였다.
- 이에 본 논문에서는 저가의 금속화합물이면서 저온 공정이 가능한 SnBiAg 기반의 전도성 페이스트(conductive paste; CP)9,10)를 사용해 shingled 모듈을 제작한 후, 이를 기존 ECA 기반의 공정으로 만들어진 모듈과 비교 분석하였다. CP는 기존 솔더링 공정에서 사용하던 물질보다 낮은 온도에서도 전기적 결합이 이루어지기 때문에 shingled 모듈이 받는 열에 의한 응력을 최소화 할 수 있다.
- ECA는 70 %이상이 은(silver)으로 이루어져 있으며, 마찬가지로 150 ℃에서 경화 되는 성질을 가지고 있다. 전도성 물질들의 도포는 공압을 이용하는 장비인 디스펜서(MUSASHI, SM200SX-3A)를 사용하였으며, 솔라 시뮬레이터(PASAN Sun Simulator III-Labo version 2.0)와 Electroluminescence(EL; ITES PVX100)를 사용하여 shingled 모듈의 발전성능 및 EL을 분석하였다.12)
- 컷팅 후, 기존 shingled 모듈의 제작·연구에 사용되었던 ECA와 새로운 물질인 CP를 컷팅된 태양전지 위에 같은 양을 도포한 후, 150 ℃의 hot plate에서 10분간 올려놓아 접합시켜 직렬연결 시켰다.
대상 데이터
- 또한 ECA는 Henkel사의 ABLESTIK CA3556HF 모델을 사용하였다.
- 본 실험에서 사용한 CP는 Hojeonable사의 ESP150PT4 모델을 사용하였으며, 150 ℃에서 녹아 솔더링 되는 성질을 가지고 있다. 특히 SnBiAg 금속화합물의 용융점(eutectic point)이 138 ℃ 이기에, 열에 의한 응력을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
성능/효과
- 1) 두 종류의 전도성 물질을 사용하여 shingled 모듈을 만들었으며, 전도성 페이스트(conductive paste)는 전도성 접착제(electrically conductive adhesives)보다 은(silver) 함유량이 매우 적으므로 가격이 1/10 수준임을 확인하였다. 이는 CP를 사용한 솔더링 공정이 동등한 수준의 효율 및 발전성능이 나오면 ECA 경화 공정의 대체 물질로 쓰일 수도 있는 가능성을 제시하였다.
- 그 중 하나인 태양광은 청정하고 재생 가능하며, 거의 무한대에 가까운 에너지 자원이다.1,2) 태양광 기술은 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키며, 현재 결정질실리콘(c-Si)을 기반으로 한 태양전지가 태양광 산업의 많은 부분을 차지하고 있다. 태양전지를 사용하여 태양광모듈을 만드는데 있어 가장 중요한 것은 원가 절감과 효율 향상이다.
- 2) 솔라 시뮬레이터를 이용하여 두 종류의 전도성 물질을 접합시켜 만든 shingled 모듈의 발전 성능을 측정하였으며, 두 물질은 거의 동등한 수준의 발전 성능이 측정되었다.
- 3) 컷팅한 각각의 2, 4, 6개의 셀을 두 종류의 전도성 물질을 접합시켜 모듈을 만들었으며, 직렬저항 값은 전체적으로 CP 솔더링 공정을 한 shingled 모듈과 ECA 경화 공정을 통해 만든 shingled 모듈은 거의 동등한 수준의 직렬저항 값을 가지는 것을 확인하였다.
- 4) shingled 모듈의 EL 분석 결과, CP 솔더링 공정을 한 shingled 모듈은 ECA 경화 공정 모듈과 동등하게 직렬연결이 가능하고, 파손도 일어나지 않음을 확인하였다.
- shingled 구조란, 기존의 태양전지를 컷팅 후 메탈 리본을 사용하지 않고 ECA와 같은 물질을 이용하여 각각 직렬로 연결시켜 동일한 사이즈의 기존 모듈 대비 효율을 증가시킬 수 있는 방법이다.7) 기존 구조의 모듈 대비 전류가 낮아 손실이 줄어들고, 기존 모듈에서 태양전지와 태양전지 사이의 영역까지 작은 크기의 단위 태양전지로 덮을 수 있어 단위면적에서 더 많은 전력 생산이 가능하다.
- ECA 경화 공정을 한 shingled 모듈의 충진율(fill factor)은 73.76 ± 1.31 %로 측정되었고, CP 솔더링 공정을 한 shingled 모듈의 충진율은 73.16 ± 1.46 %로 측정되었다.
- EL 분석 결과, 태양전지의 핑거 라인 초기 불량 문제를 제외하고 ECA와 CP를 접합 하여 만든 shingled 모듈의 EL은 큰 차이가 없었다. 이는 CP 솔더링 공정과 ECA 경화 공정을 비교하였을 때, 동등한 수준의 직렬연결이 가능하고 공정에서 파손율도 거의 발생하지 않음을 확인하였다.
- 본 실험에서 사용한 CP에서 구성하고 있는 물질의 비율이나 에폭시의 양, 접합력과 같은 CP의 특성에 관하여 추가적인 연구가 이루어질 경우, 더 나아진 효율 개선도 가능할 것으로 예상된다. 또한, 이전 연구에서 CP솔더링 공정을 한 태양광 모듈은 150 ℃의 온도에서 솔더링이 되었고, 메탈 리본과 솔더링 후에도 기계적으로 안정적인 접착력을 보여주었다.13) 한편 본 실험에서는 기존의 6인치 태양전지를 컷팅하여 직렬로 연결했기 때문에, Voc는 증가하고 Isc는 감소한 것으로 나타났다.
- 012 A으로 동등한 성능이 측정되었다. 이 결과를 보았을 때, 전체적으로 CP 솔더링 공정 모듈은 ECA 경화 공정 모듈 대비 거의 동등한 수준의 발전성능을 가지는 것을 확인 할 수 있었다.
- 직렬저항 값은 전체적으로 CP 솔더링 공정을 한 모듈과 ECA 경화 공정으로 제작된 모듈이 동등한 수준의 직렬저항 값을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 CP가 도입된 모듈은 생산된 전력들을 전기적 손실 없이 전달 가능하다는 것을 알 수 있었다.
- 027 Ω으로 측정되었다. 직렬저항 값은 전체적으로 CP 솔더링 공정을 한 모듈과 ECA 경화 공정으로 제작된 모듈이 동등한 수준의 직렬저항 값을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 CP가 도입된 모듈은 생산된 전력들을 전기적 손실 없이 전달 가능하다는 것을 알 수 있었다.
- 4(a)는 모듈화 하기 전의 컷팅한 태양전지의 I-V curve를 나타내었다. 컷팅한 단위 태양전지의 평균 Voc는 0.651 V, Isc는 1.512 A, 충진율(fill factor)은 73.53%로 측정되었다. Fig.
후속연구
- 위와 같은 결론들을 보았을 때, 추후에는 CP의 에폭시 함유량, 조성, 도포량 조절과 같은 성분 및 공정조건의 변경의 연구를 통해 최적화된 shingled 구조의 모듈을 만들 수 있을 것으로 판단 할 수 있다. 따라서 추후에는 CP 솔더링 방식을 이용한 shingled 모듈 제작방식은 기존 태양광 모듈과 비교하였을 때 충분한 경쟁력을 갖출 수 있을 것이라 생각된다.
- 본 실험에서 사용한 CP에서 구성하고 있는 물질의 비율이나 에폭시의 양, 접합력과 같은 CP의 특성에 관하여 추가적인 연구가 이루어질 경우, 더 나아진 효율 개선도 가능할 것으로 예상된다. 또한, 이전 연구에서 CP솔더링 공정을 한 태양광 모듈은 150 ℃의 온도에서 솔더링이 되었고, 메탈 리본과 솔더링 후에도 기계적으로 안정적인 접착력을 보여주었다.
- 위와 같은 결론들을 보았을 때, 추후에는 CP의 에폭시 함유량, 조성, 도포량 조절과 같은 성분 및 공정조건의 변경의 연구를 통해 최적화된 shingled 구조의 모듈을 만들 수 있을 것으로 판단 할 수 있다. 따라서 추후에는 CP 솔더링 방식을 이용한 shingled 모듈 제작방식은 기존 태양광 모듈과 비교하였을 때 충분한 경쟁력을 갖출 수 있을 것이라 생각된다.
- shingled 모듈은 구조상 메탈 리본을 이용하여 솔더링한 태양광 모듈보다 직렬저항이 높은 특성을 갖는다. 하지만 shingled 모듈을 직렬연결 시킬 때 사용되는 본 실험의 CP의 비율이나 구성 요소, 최적 도포량과 같은 연구가 추가적으로 진행되면 현재 수준보다는 더 낮은 직렬저항 값을 가질 것으로 판단된다.
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