[논문]고온고습시험에 의한 멀티 와이어 PV 모듈의 금속 간 화합물 층의 성장에 관한 연구

문지연; 조성현; 손형진; 전다영; 김성현

doi:10.21218/cpr.2020.8.4.124

[국내논문] 고온고습시험에 의한 멀티 와이어 PV 모듈의 금속 간 화합물 층의 성장에 관한 연구
A Study on Growth of Intermetallic Compounds Layer of Photovoltaic Module Interconnected by Multi-wires under Damp-heat Conditions 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.8 no.4, 2020년, pp.124 - 128

문지연 (신재생에너지연구센터, 한국전자기술연구원) , 조성현 (신재생에너지연구센터, 한국전자기술연구원) , 손형진 (신재생에너지연구센터, 한국전자기술연구원) , 전다영 (신재생에너지연구센터, 한국전자기술연구원) , 김성현 (신재생에너지연구센터, 한국전자기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Output power of photovoltaic (PV) modules installed outdoors decreases every year due to environmental conditions such as temperature, humidity, and ultraviolet irradiations. In order to promote the installation of PV modules, the reliability must be guaranteed. One of the important factors affecting reliability is intermetallic compounds (IMC) layer formed in ribbon solder joint. For this reason, various studies on soldering properties between the ribbon and cell have been performed to solve the reliability deterioration caused by excessive growth of the IMC layer. However, the IMC layer of the PV module interconnected by multi-wires has been studied less than using the ribbon. It is necessary to study soldering characteristics of the multi-wire module for improvement of its reliability. In this study, we analyzed the growth of IMC layer of the PV module with multi-wire and the degradation of output power through damp-heat test. The fabricated modules were exposed to damp-heat conditions (85 ºC and 85 % relative humidity) for 1000 hours and the output powers of the modules before and after the damp-heat test were measured. Then, the process of dissolving ethylene vinyl acetate (EVA) as an encapsulant of the modules was performed to observe the IMC layer. The growth of IMC layer was evaluated using OM and FE-SEM for cross-sectional analysis and EDS for elemental mapping. Based on these results, we investigated the correlation between the IMC layer and output power of modules.

Keyword

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Photograph of fabricated PV module
그림 Fig. 2. OM images of solder joints (a) before damp-heat test and (b) after damp-heat test
그림 Fig. 3. EDS elemental mapping for Ag of PV module (a) before damp-heat test and (b) after damp-heat test
그림 Fig. 4. EDS elemental mapping for Pb of PV module (a) before damp-heat test and (b) after damp-heat test
그림 Fig. 5 EDS elemental mapping for Sn of PV module (a) before damp-heat test and (b) after damp-heat test
그림 Fig. 6 FE-SEM images for comparison between (a) IMC layer before damp-heat test and (b) IMC layer after damp-heat test
그림 Fig. 7. I-V curves with fill factor and P_max values of PV module before and after damp-heat test

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, 멀티 와이어 PV 모듈의 장기신뢰성 평가를 위해 모듈을 제작하여 고온고습시험을 진행하였고, 모듈의 금속 간 화합물 층의 변화와 이로 인한 모듈의 성능 차이를 확인하였다. 멀티 와이어 PV 모듈은 IR 램프를 이용한 soldering 공정과 lamination 공정을 통해 하나의 cell 크기로 제작되었다.

제안 방법

멀티 와이어 PV 모듈은 IR 램프를 이용한 soldering 공정과 lamination 공정을 통해 하나의 cell 크기로 제작되었다. 준비된 모듈의 출력을 고온고습시험 전후로 측정한 후, 각 모듈은 광학현미경(OM), 주사전자현미경(FE-SEM), 에너지 분산 X-선분광법(EDS)를 이용하여 금속 간 화합물 층의 형성 및 성장에 대해 분석하였다. 고온고습시험 전후의 금속 간 화합물 층의 화학적 변화가 모듈 출력에 주는 영향에 대해 평가하였다.
준비된 모듈의 출력을 고온고습시험 전후로 측정한 후, 각 모듈은 광학현미경(OM), 주사전자현미경(FE-SEM), 에너지 분산 X-선분광법(EDS)를 이용하여 금속 간 화합물 층의 형성 및 성장에 대해 분석하였다. 고온고습시험 전후의 금속 간 화합물 층의 화학적 변화가 모듈 출력에 주는 영향에 대해 평가하였다.
와이어와 리본은 300 um 지름의 Cu 와이어와 폭 5 mm, 두께 300 um인 Cu 리본에 각각 60Sn40Pb가 40 um의 두께로 solder가 코팅된 고려 특수 선재사의 제품을 사용하였다. Solder의 표면장력을 억제시켜 퍼짐을 증가시키고 cell 표면의 산화막을 제거하기 위해 flux(920CXF, Kester)를 이용하였다. 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA, EF2N-UVC, SKC), back sheet (TPE-36, ㈜에스에프씨)와 glass (저 철분 PV용 유리, ㈜누리코퍼레이션)는 lamination 공정에 사용되었다.
Tabber 장비의 상부에 위치한 IR 램프는 210℃, 하부에 위치한 hot plate는 100℃로 설정한 후, 공정 시간은 3 초로 하여 진행하였다. Soldering 공정을 통해 half cut cell 두 장을 와이어로 연결하였고, 납땜기(FX-888D, Hakko Corporation)를 이용하여 12 개의 와이어를 리본으로 연결하여 soldered cell을 준비하였다. Lamination 공정을 위하여 laminator (자체 제작)에 glass, EVA, soldered cell, EVA, back sheet를 순서대로 올려놓았다.
Soldering 공정을 통해 half cut cell 두 장을 와이어로 연결하였고, 납땜기(FX-888D, Hakko Corporation)를 이용하여 12 개의 와이어를 리본으로 연결하여 soldered cell을 준비하였다. Lamination 공정을 위하여 laminator (자체 제작)에 glass, EVA, soldered cell, EVA, back sheet를 순서대로 올려놓았다. Laminator의 상부 온도는 75℃, 하부 온도는 160℃, 압력은 0.
Lamination 공정을 위하여 laminator (자체 제작)에 glass, EVA, soldered cell, EVA, back sheet를 순서대로 올려놓았다. Laminator의 상부 온도는 75℃, 하부 온도는 160℃, 압력은 0.04 MPa로 설정하여 18 분 동안 공정을 진행하여 멀티 와이어 PV 모듈을 제작하였다.
제작된 멀티 와이어 PV 모듈의 장기신뢰성 평가를 위해 온도와 습도가 85℃와 85%로 설정된 항온항습기(DS-8054S, 대원 과학)에 제작된 모듈을 1000 시간 동안 넣어두어 고온 고습 시험을 실행하였다.
고온고습시험 전, 후의 모듈은 solder 접합부에 형성된 금속 간 화합물 층의 분석을 위하여 봉지재인 EVA를 녹이는 실험을 실시하였다. 환류냉각기가 장착된 stainless steel 소재의 챔버 (30×30×13 cm³)에 900 ml의 toluene을 담아 초음파 처리가 되는 water bath에서 95℃가 되도록 준비한다.
제작된 멀티 와이어 PV 모듈은 고온고습시험 전후로 solar simulator (K201 Lab 200, McScience Inc.)를 이용하여 출력을 측정하였다. Cell의 전극과 와이어 사이의 solder 접합부에 형성된 금속 간 화합물 층의 분석을 위하여 OM (BX60F5, Olympus Corporation), FE-SEM (JSM-7000F, Jeol Ltd.
)를 이용하여 출력을 측정하였다. Cell의 전극과 와이어 사이의 solder 접합부에 형성된 금속 간 화합물 층의 분석을 위하여 OM (BX60F5, Olympus Corporation), FE-SEM (JSM-7000F, Jeol Ltd.)과 EDS (INCA Energy, Oxford Instruments)를 사용하여 단면 분석과 원소 분석을 진행하였다.
Half cut cell 두 장을 연결하여 하나의 cell 크기로 제작되었으며, 12개의 와이어를 리본으로 연결하였다. 제작된 모듈은 고온고습시험을 진행하였고, 고온고습시험 전후로 출력을 측정하였다. Solder 접합부의 금속 간 화합물 층을 분석하기 위해서 모듈의 봉지재인 EVA를 용해시킨 후 분석 샘플을 준비하여 OM, FE-SEM, EDS로 분석하였다.
제작된 모듈은 고온고습시험을 진행하였고, 고온고습시험 전후로 출력을 측정하였다. Solder 접합부의 금속 간 화합물 층을 분석하기 위해서 모듈의 봉지재인 EVA를 용해시킨 후 분석 샘플을 준비하여 OM, FE-SEM, EDS로 분석하였다.
성분 분석을 위해 EDS를 이용하여 solder 접합부의 원소 mapping을 하였고, Ag에 대한 원소 분석 결과는 Fig. 3에 나타내었다. 고온고습시험 전후로 Ag 원소는 두께 변화나 차이점이 없는 것으로 보인다.
고온고습시험에 의한 금속 간 화합물 층의 성장과 모듈 성능의 관계를 확인하기 위하여 출력을 측정하였다. Fig.
멀티 와이어 PV 모듈을 제작하여 고온고습시험을 진행하였고, solder 접합부에서의 화학적 변화를 분석하여 모듈의 출력 저하에 대해 평가하였다. Half cut cell 두 장과 12개의 와이어를 연결하여 제작된 멀티 와이어 PV 모듈에 대해 고온고습시험 전후로 모듈 성능을 측정하였고, 와이어와 셀의 접합부에 대한 단면 이미지 분석과 성분 분석을 진행하였다.
대해 평가하였다. Half cut cell 두 장과 12개의 와이어를 연결하여 제작된 멀티 와이어 PV 모듈에 대해 고온고습시험 전후로 모듈 성능을 측정하였고, 와이어와 셀의 접합부에 대한 단면 이미지 분석과 성분 분석을 진행하였다.
단면 이미지 분석은 OM과 FE-SEM으로 진행하였으며, 이미지 분석만으로는 금속 간 화합물 층의 형성과 성장에 대한 평가를 할 수 없었기 때문에 EDS를 이용한 단면의 원소 mapping 분석을 동시에 진행하였다. 원소 분석 결과를 통해 solder에 고르게 분포되어 있던 Sn이 고온고습 환경에 의해 Ag 전극으로 확산된 것을 확인하였다.
원소 분석 결과를 통해 solder에 고르게 분포되어 있던 Sn이 고온고습 환경에 의해 Ag 전극으로 확산된 것을 확인하였다. Sn이 Ag 전극으로 확산되며 Ag와 결합하여 금속 간 화합물 층이 형성되었고, 고온고습시험 후에 두꺼워진 금속 간 화합물 층을 확인하였다. 금속 간 화합물 층의 성장에 의해 solder와 Ag 전극의 계면에서 void 형성 및 미세 균열 발생 등의 문제가 발생했을 것이라 판단된다.

대상 데이터

PV 모듈 제작에는 12 busbar 전극의 half cut cell (PERC cell, ㈜신성이엔지)을 사용하였고 cell의 전극은 각 와이어 당 6개의 전면 패드와 3개의 후면 패드를 가진다. 와이어와 리본은 300 um 지름의 Cu 와이어와 폭 5 mm, 두께 300 um인 Cu 리본에 각각 60Sn40Pb가 40 um의 두께로 solder가 코팅된 고려 특수 선재사의 제품을 사용하였다.
패드와 3개의 후면 패드를 가진다. 와이어와 리본은 300 um 지름의 Cu 와이어와 폭 5 mm, 두께 300 um인 Cu 리본에 각각 60Sn40Pb가 40 um의 두께로 solder가 코팅된 고려 특수 선재사의 제품을 사용하였다. Solder의 표면장력을 억제시켜 퍼짐을 증가시키고 cell 표면의 산화막을 제거하기 위해 flux(920CXF, Kester)를 이용하였다.
Solder의 표면장력을 억제시켜 퍼짐을 증가시키고 cell 표면의 산화막을 제거하기 위해 flux(920CXF, Kester)를 이용하였다. 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA, EF2N-UVC, SKC), back sheet (TPE-36, ㈜에스에프씨)와 glass (저 철분 PV용 유리, ㈜누리코퍼레이션)는 lamination 공정에 사용되었다. 단면 분석을 위해 PV 모듈의 EVA를 녹이는 유기용매로는 toluene (99.
에틸렌 비닐 아세테이트(EVA, EF2N-UVC, SKC), back sheet (TPE-36, ㈜에스에프씨)와 glass (저 철분 PV용 유리, ㈜누리코퍼레이션)는 lamination 공정에 사용되었다. 단면 분석을 위해 PV 모듈의 EVA를 녹이는 유기용매로는 toluene (99.5%, 삼전순약공업㈜)을 사용하였다.
고온고습시험 전, 후의 모듈을 준비된 챔버에 넣고 450 W의 초음파를 4 시간 동안가 하였다. 분리가 된 cell을 채취하여 단면 분석용 샘플을 준비하였다.

성능/효과

4는 Pb에 대한 원소 분석 결과로, 고온 고습 시험 전에는 Pb가 solder에 고르게 퍼져있지만, 고온 고습 시험 후에는 Pb가 응집된 것을 볼 수 있다. 그리고 Ag와 Pb의 분석 결과를 통해 전극과 solder의 위치를 구분할 수 있음을 확인하였다. Fig.
6은 EDS 분석에서 나타난 Ag 전극과 solder의 계면과 Sn 확산층을 바탕으로 금속 간 화합물 층을 FE-SEM 이미지에 나타낸 것이다. 금속 간 화합물 층은 고온고습시험 전후로 모두 형성되어 있는 상태였으며, 한 샘플 내에서의 금속 간 화합물 층의 두께가 일정하지 않은 것으로 나타났다. 금속 간 화합물 층의 가장 두꺼운 부분을 측정한 결과, 고온고습시험 전은 5.
08 um로 측정되었다. 그리고 금속 간 화합물층의 특정 부분만 성장한 것이 아니라 전체적으로 두께가 증가한 것으로 확인하였다. 이를 통해, 고온고습 환경에 의해 금속 간 화합물 층의 과도한 성장이 이루어진 것으로 보여 진다.
V_oc의 감소는 cell 접합부의 균열이나 연결된 와이어와 리본의 부식에 의해 발생한 것으로 보인다¹⁵⁾. 고온고습시험 후에 fill factor는 80.66%에서 79.74%로 감소한 것으로 보아, 고온 고습의 환경에서 금속 간 화합물 층이 과도하게 성장하여 직렬 저항을 증가시켰고, 이에 따라 fill factor가 감소한 것으로 판단된다. 또한, 고온고습시험 후의 출력도 5157.
동시에 진행하였다. 원소 분석 결과를 통해 solder에 고르게 분포되어 있던 Sn이 고온고습 환경에 의해 Ag 전극으로 확산된 것을 확인하였다. Sn이 Ag 전극으로 확산되며 Ag와 결합하여 금속 간 화합물 층이 형성되었고, 고온고습시험 후에 두꺼워진 금속 간 화합물 층을 확인하였다.

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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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