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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.9 pp.528-533
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.9.528

Electrical Characteristics of c-Si Shingled Photovoltaic Module Using Conductive Paste based on SnBiAg

Hee-Sang Yoon1,2, Hyung-Jun Song3, Min Gu Kang2, Hyeon Soo Cho2, Seok-Whan Go2, Young-Chul Ju2, Hyo Sik Chang1†, Gi-Hwan Kang2†
1Graduate School of Energy Science & Technology, Chungnam National University
2Photovoltaic Laboratory, New & Renewable Energy Institute, Korea Institute of Energy Research
3Department of Safety Engineering, Seoul National University of Science and Technology
Corresponding author
E-Mail : hschang@cnu.ac.kr (H. S. Chang, Chungnam Nat'l Univ.)
E-Mail : ghkang@kier.re.kr (G. H. Kang, KIER)
August 20, 2018 September 6, 2018 September 10, 2018

Abstract


In recent years, solar cells based on crystalline silicon(c-Si) have accounted for much of the photovoltaic industry. The recent studies have focused on fabricating c-Si solar modules with low cost and improved efficiency. Among many suggested methods, a photovoltaic module with a shingled structure that is connected to a small cut cell in series is a recent strong candidate for low-cost, high efficiency energy harvesting systems. The shingled structure increases the efficiency compared to the module with 6 inch full cells by minimizing optical and electrical losses. In this study, we propoese a new Conductive Paste (CP) to interconnect cells in a shingled module and compare it with the Electrical Conductive Adhesives (ECA) in the conventional module. Since the CP consists of a compound of tin and bismuth, the module is more economical than the module with ECA, which contains silver. Moreover, the melting point of CP is below 150 °C, so the cells can be integrated with decreased thermal-mechanical stress. The output of the shingled PV module connected by CP is the same as that of the module with ECA. In addition, electroluminescence (EL) analysis indicates that the introduction of CP does not provoke additional cracks. Furthermore, the CP soldering connects cells without increasing ohmic losses. Thus, this study confirms that interconnection with CP can integrate cells with reduced cost in shingled c-Si PV modules.



SnBiAg 전도성 페이스트를 이용한 Shingled 결정질 태양광 모듈의 전기적 특성 분석

윤희상1,2, 송현준3, 강민구2, 조현수2, 고석환2, 주영철2, 장효식1†, 강기환2†
1충남대학교 에너지과학기술대학원
2한국에너지기술연구원 신·재생에너지 연구소 태양광 연구실
3서울과학기술대학교 안전공학과

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    최근 전 세계적으로 급격한 기후 변화와 함께 에너지 절약이 큰 이슈가 되고 있다. 이러한 흐름에 따라 국내 에서는 ‘신·재생에너지 3020’ 정책을 추진하고 있다. ‘신· 재생에너지 3020’ 정책이란, 2030년까지 국내의 신·재 생에너지 비중을 20 %까지 확대하는 정책을 말한다. 그 중 하나인 태양광은 청정하고 재생 가능하며, 거의 무 한대에 가까운 에너지 자원이다.1,2) 태양광 기술은 태양 의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키며, 현재 결정질 실리콘(c-Si)을 기반으로 한 태양전지가 태양광 산업의 많 은 부분을 차지하고 있다. 태양전지를 사용하여 태양광 모듈을 만드는데 있어 가장 중요한 것은 원가 절감과 효 율 향상이다. 원가 절감을 위해 태양전지에서 가격이 가 장 많이 드는 실리콘 웨이퍼의 양을 감소시키거나3) 공 정상의 손실을 줄이는 방법 등 다양한 연구들이 진행되 고 있다.

    기존의 결정질 실리콘을 기반으로 한 태양광 모듈은 각 각의 태양전지를 메탈 리본을 이용하여 직렬연결(interconnection) 시킨다.4) 이때, 고온의 열풍 가열방식 및 접 촉식 인두를 사용하여 메탈 리본을 솔더링 시키는데, 이 과정에서 열팽창계수가 다른 태양전지와 리본은 솔더링 공정이 진행된 후 상온으로 냉각되는 과정에서 두 물질 의 열팽창계수 차이에 의해 물리적인 힘이 가해져 태양 전지가 휘거나 파손 될 수 있다.5,6) 이와 같은 이유 때문 에 공정상의 불량률이 쉽게 줄어들 수 없는 단점이 있다.

    이러한 상황에서 단위 면적당 더 많은 전력을 생산하 고 손실을 최소화 할 수 있는 shingled 구조의 태양광 모듈 제조 방식이 제안되었다. shingled 구조란, 기존의 태양전지를 컷팅 후 메탈 리본을 사용하지 않고 ECA와 같은 물질을 이용하여 각각 직렬로 연결시켜 동일한 사 이즈의 기존 모듈 대비 효율을 증가시킬 수 있는 방법 이다.7) 기존 구조의 모듈 대비 전류가 낮아 손실이 줄 어들고, 기존 모듈에서 태양전지와 태양전지 사이의 영 역까지 작은 크기의 단위 태양전지로 덮을 수 있어 단 위면적에서 더 많은 전력 생산이 가능하다.

    Shingled 모듈은 전기 전도도가 높으면서도 저온에서 공정이 가능한 은(silver) 나노 입자 기반의 전도성 접착 제(electrically conductive adhesives; ECA)8)가 널리 사 용되고 있다. 하지만 은의 가격이 기존에 사용되는 금속 물질 대비 매우 비싸기 때문에, ECA를 이용한 shingled 구조 모듈은 생산 가격을 줄이는 데에 한계가 있다.

    이에 본 논문에서는 저가의 금속화합물이면서 저온 공 정이 가능한 SnBiAg 기반의 전도성 페이스트(conductive paste; CP)9,10)를 사용해 shingled 모듈을 제작한 후, 이 를 기존 ECA 기반의 공정으로 만들어진 모듈과 비교 분 석하였다. CP는 기존 솔더링 공정에서 사용하던 물질보 다 낮은 온도에서도 전기적 결합이 이루어지기 때문에 shingled 모듈이 받는 열에 의한 응력을 최소화 할 수 있다. 또한 태양전지의 휘는 현상과 파손을 줄일 수 있 고, 모듈의 단가도 절감할 수 있다.

    이러한 CP 기반의 shingled 모듈을 기존 ECA 기반 모듈과 비교 분석을 통해, CP를 이용한 저온 솔더링 공 정의 실현 가능성을 확인하고, 안정적인 shingled 모듈 의 구현이 가능한 공정 조건을 도출하였다.

    2. 실험 방법

    결정질 실리콘을 기반으로 한 태양광 모듈은 메탈 리 본과 태양전지를 직렬연결 시키기 위해 고온의 솔더링 공정이 진행이 된다. 하지만 이 과정에서 태양전지가 휘 거나 파손 될 수 있다. 모듈 단위의 구조 변경 방식인 shingled 구조의 모듈은 컷팅한 태양전지를 솔더링 방식 이 아닌 ECA를 이용하여 모듈을 제작해 왔으나 ECA 에는 은의 함량이 매우 높아 가격이 비싼 문제가 있다.

    기존의 shingled 모듈 제작에 사용되는 ECA의 경우, 구성 요소의 70~80 % 정도가 은(silver)으로 이루어져 있 기 때문에 가격이 매우 비싸 모듈의 단가 상승의 원인 이 될 수 있다. 이와 반대로 본 실험에 사용된 CP의 구 성 요소는 대부분 주석(tin, 42 %)과 비스무스(bismuth, 57.6 %)로 이루어져 있으며, 소량의 은(0.4 %)의 무게비 율로 구성 되어있다. Fig. 1은 CP의 구성 요소인 은, 주 석, 비스무스의 원가를 나타내었으며,11) SnBiAg 기반의 CP는 ECA에 비해 은의 함량이 매우 적기 때문에 보다 낮은 가격으로 모듈 제작이 가능함을 제시하였다.

    본 실험에서는 나노 세컨드 레이저(1064 nm, 45.8W, duration 60 ms, scanner jump speed 8m/s, scanner mark speed 24 m/s, 400 KHz from InnoLas)를 이용하여 태 양전지를 컷팅하였다. 컷팅 후, 기존 shingled 모듈의 제 작·연구에 사용되었던 ECA와 새로운 물질인 CP를 컷 팅된 태양전지 위에 같은 양을 도포한 후, 150 °C의 hot plate에서 10분간 올려놓아 접합시켜 직렬연결 시켰다. 그 후, EVA(ethylene vinyl acetate) sheet, Back Sheet, 강 화유리 순서로 레이업(lay-up)을 한 후, 라미네이션 공정 을 하여 마무리 하였다. Fig. 2(a)는 shingled 모듈의 구 조를 그림으로 나타내었고, Fig. 2(b)는 150 °C의 hot plate에서 컷팅한 태양전지에 CP를 도포 후 솔더링하는 사진을 나타내었다. 그리고 Fig. 3은 레이업을 마무리 한 상태와 완성된 shingled 모듈을 나타내었다.

    본 실험에서 사용한 CP는 Hojeonable사의 ESP150PT4 모델을 사용하였으며, 150 °C에서 녹아 솔더링 되는 성 질을 가지고 있다. 특히 SnBiAg 금속화합물의 용융점 (eutectic point)이 138 °C 이기에, 열에 의한 응력을 최 소화 할 수 있는 장점이 있다. 또한 ECA는 Henkel사의 ABLESTIK CA3556HF 모델을 사용하였다. ECA는 70 % 이상이 은(silver)으로 이루어져 있으며, 마찬가지로 150 °C 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)

    3. 결과 및 고찰

    3.1 shingled 모듈 효율 및 발전성능 측정

    Fig. 4(a)는 모듈화 하기 전의 컷팅한 태양전지의 I-V curve를 나타내었다. 컷팅한 단위 태양전지의 평균 Voc 는 0.651 V, Isc는 1.512 A, 충진율(fill factor)은 73.53 %로 측정되었다. Fig. 4(b)에는 단위 태양전지 6조각을 ECA와 CP 접합 공정을 통해 만든 shingled 모듈의 I-V curve를 나타내었다. 그리고 Fig. 55장의 shingled 모 듈을 제작 후, 솔라 시뮬레이터(Sun Simulator III-Labo version 2.0)를 사용해 표준시험조건(1,000 W/m2, 온도 25 °C, Air Mass 1.5 조건)에서 발전성능을 측정한 값을 나타내었다.

    ECA 경화 공정을 한 shingled 모듈의 충진율(fill factor)은 73.76 ± 1.31 %로 측정되었고, CP 솔더링 공정 을 한 shingled 모듈의 충진율은 73.16 ± 1.46 %로 측정 되었다. ECA 경화 공정 모듈의 Pmax값은 4.186 ± 0.052 W, CP 솔더링 모듈은 4.166 ± 0.093W의 Pmax값이 측정 되었다. Voc는 ECA 경화 공정 모듈은 3.888 ± 0.002 V, CP 솔더링 공정 모듈은 3.89 ± 0.004 V로 측정되었으며, Isc는 ECA 경화 공정 모듈이 1.455 ± 0.01 A, CP 솔더링 공정 모듈이 1.458 ± 0.012 A으로 동등한 성능이 측정되 었다. 이 결과를 보았을 때, 전체적으로 CP 솔더링 공 정 모듈은 ECA 경화 공정 모듈 대비 거의 동등한 수 준의 발전성능을 가지는 것을 확인 할 수 있었다.

    본 실험에서 사용한 CP에서 구성하고 있는 물질의 비 율이나 에폭시의 양, 접합력과 같은 CP의 특성에 관하 여 추가적인 연구가 이루어질 경우, 더 나아진 효율 개 선도 가능할 것으로 예상된다. 또한, 이전 연구에서 CP 솔더링 공정을 한 태양광 모듈은 150 °C의 온도에서 솔 더링이 되었고, 메탈 리본과 솔더링 후에도 기계적으로 안정적인 접착력을 보여주었다.13) 한편 본 실험에서는 기 존의 6인치 태양전지를 컷팅하여 직렬로 연결했기 때문 에, Voc는 증가하고 Isc는 감소한 것으로 나타났다.

    3.2 shingled 모듈 직렬저항 측정

    Fig. 6은 shingled 모듈의 직렬저항 값을 나타내었다. 위와 같은 솔라 시뮬레이터를 이용해 측정하였으며, 컷 팅된 2, 4, 6개의 태양전지 조각을 전도성 물질의 접합 공정을 이용하여 모듈화 시켰을 때의 직렬저항 값을 각 각 비교하였다. ECA 경화 공정을 한 2셀 shingled 모듈 의 직렬저항 값은 0.145 ± 0.027 Ω이고, 4셀은 0.277 ± 0.036 Ω, 6 cell은 0.357 ± 0.027 Ω의 저항 값이 측정되었 다. CP 솔더링 공정을 한 2셀 shingled 모듈의 직렬저 항 값은 0.18 ± 0.014 Ω이고, 4셀은 0.283 ± 0.025 Ω, 6 cell은 0.357 ± 0.027 Ω으로 측정되었다. 직렬저항 값은 전 체적으로 CP 솔더링 공정을 한 모듈과 ECA 경화 공정 으로 제작된 모듈이 동등한 수준의 직렬저항 값을 가지 는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 CP가 도입된 모 듈은 생산된 전력들을 전기적 손실 없이 전달 가능하다 는 것을 알 수 있었다.

    shingled 모듈은 구조상 메탈 리본을 이용하여 솔더링 한 태양광 모듈보다 직렬저항이 높은 특성을 갖는다. 하 지만 shingled 모듈을 직렬연결 시킬 때 사용되는 본 실 험의 CP의 비율이나 구성 요소, 최적 도포량과 같은 연 구가 추가적으로 진행되면 현재 수준보다는 더 낮은 직 렬저항 값을 가질 것으로 판단된다.

    3.3 shingled 모듈 Electroluminescence(EL) 측정 및 분석

    Electroluminescence(EL)는 완성된 태양광 모듈에 전류 를 인가했을 때 태양전지가 갖는 고유한 파장대의 빛을 방출하는 효과를 이용한 검사방식이다. 이때 발광하는 EL 의 양은 인가되는 전압에 비례하기 때문에 이 검사 방 식은 태양전지나 태양광 모듈의 마이크로크랙, 파손과 같 은 결함을 쉽게 찾을 수 있다. Fig. 7(a)는 ECA 경화 공정을 이용한 2, 4, 6셀 shingled 모듈을 나타내었고, Fig. 7(b)는 CP 솔더링 공정을 이용한 shingled 모듈의 EL을 분석한 사진을 나타내었다.

    EL 분석 결과, 태양전지의 핑거 라인 초기 불량 문제 를 제외하고 ECA와 CP를 접합 하여 만든 shingled 모 듈의 EL은 큰 차이가 없었다. 이는 CP 솔더링 공정과 ECA 경화 공정을 비교하였을 때, 동등한 수준의 직렬 연결이 가능하고 공정에서 파손율도 거의 발생하지 않 음을 확인하였다.

    4. 결 론

    본 논문에서는 기존의 결정질 실리콘 태양광 모듈 단 위의 구조 변경의 한 방법인 shingled 구조의 모듈을 만 드는 실험을 하였고, shingled 구조의 모듈을 만들기 위 해서는 컷팅한 각각의 태양전지를 직렬연결 해야 한다. 이 때, 사용되는 전도성 물질인 ECA와 CP를 사용하여 shingled 모듈을 만들어 비교 및 분석을 하였으며, 다음 과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 두 종류의 전도성 물질을 사용하여 shingled 모듈 을 만들었으며, 전도성 페이스트(conductive paste)는 전 도성 접착제(electrically conductive adhesives)보다 은 (silver) 함유량이 매우 적으므로 가격이 1/10 수준임을 확인하였다. 이는 CP를 사용한 솔더링 공정이 동등한 수 준의 효율 및 발전성능이 나오면 ECA 경화 공정의 대 체 물질로 쓰일 수도 있는 가능성을 제시하였다.

    • 2) 솔라 시뮬레이터를 이용하여 두 종류의 전도성 물 질을 접합시켜 만든 shingled 모듈의 발전 성능을 측정 하였으며, 두 물질은 거의 동등한 수준의 발전 성능이 측정되었다.

    • 3) 컷팅한 각각의 2, 4, 6개의 셀을 두 종류의 전도성 물질을 접합시켜 모듈을 만들었으며, 직렬저항 값은 전 체적으로 CP 솔더링 공정을 한 shingled 모듈과 ECA 경화 공정을 통해 만든 shingled 모듈은 거의 동등한 수 준의 직렬저항 값을 가지는 것을 확인하였다.

    • 4) shingled 모듈의 EL 분석 결과, CP 솔더링 공정을 한 shingled 모듈은 ECA 경화 공정 모듈과 동등하게 직 렬연결이 가능하고, 파손도 일어나지 않음을 확인하였다.

    위와 같은 결론들을 보았을 때, 추후에는 CP의 에폭 시 함유량, 조성, 도포량 조절과 같은 성분 및 공정조 건의 변경의 연구를 통해 최적화된 shingled 구조의 모 듈을 만들 수 있을 것으로 판단 할 수 있다. 따라서 추 후에는 CP 솔더링 방식을 이용한 shingled 모듈 제작방 식은 기존 태양광 모듈과 비교하였을 때 충분한 경쟁력 을 갖출 수 있을 것이라 생각된다.

    Acknowledgment

    This research was supported by Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) funded by the Ministry of Commerce, Industry and Energy (grant number: 20163020010890).

    Figure

    MRSK-28-528_F1.gif

    Market price of raw Silver, Tin, and Bismuth.

    MRSK-28-528_F2.gif

    (a) Schematic drawing of shingled modules and (b) interconnection of cut cells using conductive materials, which are annealed at 150 °C.

    MRSK-28-528_F3.gif

    Image of shingled module after (a) lay-up and (b) lamination processes.

    MRSK-28-528_F4.gif

    I-V characteristics of (a) cut cell and (b) shingled module(consist of 6 cut cell) connected by ECA or CP.

    MRSK-28-528_F5.gif

    Fill Factor, Pmax, Isc and Voc of shingled modules(series connected 6 cut cells) integrated by ECA(Red) and CP(Blue) soldering processes, respectively.

    MRSK-28-528_F6.gif

    Series resistance value of module consisted of 2, 4, 6 shingled cells.

    MRSK-28-528_F7.gif

    Electroluminescence(EL) images of shingled modules connected by (a) ECA and (b) CP soldering methods.

    Table

    Reference

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