1. 서 론

재생에너지는 무공해하고 고갈될 염려가 없으며, 화석 연료와 원자력을 대체할 수 있는 에너지이다. 전세계의 모든 재생 가능 에너지 기술로는 바이오 연료, 태양열, 태양광, 풍력, 수력, 파도, 조력, 지열 등이 있으며,¹⁾ 그 중 태양광 발전은 2015년 약 63 GW, 2016년 약 82 GW, 2017년 98 GW로 연간 설치되는 양이 증가하고 있다.²⁾ 이에 따라 태양광 시스템의 원가 절감과 효율 상승에 대 한 연구가 진행 중에 있으며, 특히 원가 절감을 위해서 결정질 실리콘 웨이퍼(c-Si wafer)의 두께를 줄이는 다 양한 연구가 진행 되고 있다. 태양광산업에서 결정질 실 리콘 태양전지가 차지하는 비율은 90 % 이상이며, 모듈 의 생산단가에서 잉곳(Ingot) 및 결정질 실리콘 웨이퍼 의 비율은 38 %를 차지하기 때문에 결정질 실리콘 웨 이퍼의 두께를 줄이면 태양광 모듈의 원가절감이 가능 할 것으로 예상된다.³⁾ 현재는 결정질 실리콘 웨이퍼의 두 께는 약 180 ~ 200 μm를 사용하지만 최근 원가 절감을 위해서 결정질 실리콘 웨이퍼의 두께를 100 μm 이하로 줄이는 박형 태양전지에 대한 연구가 활발히 이루어지 고 있다.^4-6)

박형 태양전지는 결정질 실리콘 웨이퍼의 두께가 얇 기 때문에 기계 강도가 약하며, 이로 인해 태빙(tabbing) 공정에서 미세 균열(micro crack)이 발생할 가능성이 높 다. 일반적인 결정질 실리콘 태양광 모듈 공정은 셀 등 급 분류(cell sorting), 셀 납땜 및 직결연결(tabbing & string), 모듈 시트 적층(lay-up), 적층 및 큐어링(lamination & curing), 프레임 및 단자박스 조립(assembly), 모듈 출하시험(module testing)로 이루어지는데,⁷⁾ 이중 셀 납땜 및 직렬연결(tabbing & string) 공정은 태양전 지에 플럭스를 도포한 후에 리본을 올리고 고온으로 납 땜하여 태양전지를 서로 직렬로 연결한다. 이 과정에 서 박형 태양전지와 리본의 열 팽창계수 차이로 미세 균열이 생기거나 기존 미세 균열이 커지는 현상이 발 생한다.⁸⁾ 미세 균열이 생기면 태양전지의 전류가 낮아 져서 태양광모듈 출력의 손실이 발생한다. 박형 태양 전지를 태빙하기 위한 방안으로는 고온 납땜 공정 과 정을 생략하고 적층(lamination)만으로 태양전지와 리본 을 결합시키는 저온 태빙 공정이 제안되고 있다. 저온 태빙 공정에서는 전도성 페이스트(conductive paste, CP)를 이용한 연구가 진행되고 있다.^9,10) 전도성 페이 스트는 Sn57.6Bi0.4Ag성분을 함량하고 150 °C의 융점으 로 전기적 결합이 가능하며 태양광 모듈 제조 공정에서 태양전지의 손실을 최소화 할 수 있다. 하지만 전도성 페이스트에 대한 연구는 모듈화 공정 이후 신뢰성 테스 트에 대한 연구만 진행 되었을 뿐, 가장 중요한 도포량 에 대한 연구는 이루어지지 않고 있다. 태양전지에 전 도성 페이스트를 도포할 때, 도포량에 따라서 태양광 모 듈의 출력 변화가 발생한다. 도포량이 많을 경우, 과도 포로 인한 전기적 단락 현상이 발생하며, 전도성 페이 스트가 태양전지 전면에 흘러서 전도성 페이스트에 의 한 태양전지에 음영이 발생하는 경우가 발생한다. 또한 도포량이 적을 경우에는 소도포로 인해 리본과 태양전 지의 접합 문제가 발생하며, 이로 인해 전기적 결합의 문 제가 발생하여 직렬 저항이 증가할 가능성 있다. 이에 본 논문에서는 전도성 페이스트의 최적 도포량을 위한 연구 를 진행 하였다. 먼저 디스펜서(dispenser)의 도포 속도와 도포량에 대한 분석을 진행하였으며, 이를 바탕으로 도포 량에 따른 출력 특성을 분석하였다. 또한 알파스텝(alphastep) 과 광학 현미경(optical microscope)를 이용하여 도포 량에 따른 도포 폭과 두께를 분석하였다. 그 결과로 태 양전지의 출력이 높은 최적의 도포량을 도출할 수 있었다.

2. 실험 방법

일반적인 태양광 공정에서는 고온의 열을 가하기 때문 에 전도성 페이스트를 사용하지 않는다. 하지만 박형 태 양전지를 사용하여 태양광 모듈을 만들기 위해서는 고 온 공정이 불가능하므로 전도성 페이스트 사용이 필요 하다. 즉, 기존에 태양광 분야에서는 전도성 페이스트를 사용하지 않았기 때문에 전도성 페이스트 도포량에 대 한 연구는 진행 되지 않았다. 본 실험에서는 전도성 페 이스트 도포량에 대한 연구를 진행하였으며 먼저 도포 량을 조절하여 측정하였다. 도포량 조절은 디스펜서의 공 기압, 주사기 니들 크기, 도포속도로 조절할 수 있는데 공기압과 니들 크기는 일정하게 유지하고 속도만 변화 를 주었다. 이를 통해서 디스펜서의 속도와 도포량의 상 관관계를 알 수 있었다. 도포량의 측정 방법은 도포전 과 후에 태양전지(6inch, 3BB c-Si cell)의 질량을 정밀 저울을 이용하여 측정하였고, 그 값의 차이를 도포량으 로 정의하였다. 즉, 도포 후 태양전지 질량 값 - 도포 전 태양전지 질량 값 = 태양전지 면적당 전도성 페이 스트의 도포량(g/cell)로 정의하였다. 디스펜서와 도포량과 의 상관관계를 먼저 분석한 이후, 도포량에 따른 태양 광 모듈을 제작 하였다.

실험에 사용된 전도성 페이스트는 25 °C에서 210,000 cP(= mPa · s)의 점도를 갖는 Sn57.6Bi0.4Ag를 사용하였 다. 디스펜서 장비는 MUSASHI, SuperΣ^®CM III를 사용 하였으며, 공기압 500 kPa, 주사기 니들 크기 22 G(니들 외경 0.72Ø, 니들 내경 0.42Ø)로 고정시키고 도포속도 만을 조절하였다. 실험에 사용한 태양전지 버스바 전극 은 총 6개였으며 전극 길이는 15.675 mm, 전극 폭은 1.5 mm라서 전도성 페이스트를 15.6 mm로 도포하였다. 전면 강화유리/Ethylene Vinyl Acetate(EVA) /태양전지/ EVA/백시트(Backsheet) 순으로 레이업을 한 후에 라미 네이션 공정을 진행 하였으며, 모듈 제작 후에 솔라 시 뮬레이터(K201 LAB160 – McScience, Class AAA)로 모듈의 발전성능을 분석하였다. 또한 도포량의 단면과 두 께와 폭을 분석하기 위해서 태양전지 위에 전도성 페이 스트를 도포하고 핫 플레이트에 150 °C로 5분간 가열하 여 용융시킨 후 나노 세컨드 레이저(InnoLas)를 이용하 여 1 cm²로 절단하였다. 절단한 시료를 갖고 광학현미경 과 알파스텝(KP10 SURFACE PROFILER)을 사용하여 전도성 페이스트 도포량에 따른 특성을 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 전도성 페이스트의 도포속도와 도포량의 상관관계

도포속도가 변화할 때 도포량의 변화를 확인 하기 위 해서 디스펜서의 속도를 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60 mm/s로 도포하였으며, 이에 따른 도포량 측정 결과는 Fig. 1과 Table 1에 나타내었다. 도포속도가 느릴 경우, 태양전지에 도포하는 시간이 증가하기 때문에 도포량이 증가하였으며, 도포속도 5 mm/s일 때 도포량이 가장 높 게 측정되었다. 반대로 도포속도가 빠르면 디스펜서가 태 양전지 위에 머무는 시간이 짧기 때문에 도포량은 감소 하였다. 도포속도와 도포량의 상관관계 분석을 위해서 각 시료 마다 총 5회씩 실험을 진행하였으며, 도포속도가 증 가할수록 도포량의 편차가 줄어드는 경향을 확인 할 수 있었다. 즉, 도포속도가 비교적 빠른 40 mm/s, 50 mm/s, 60 mm/s은 도포속도가 느린 부분에 비해 도포량 변화 차 이가 감소하였다. 실험결과 디스펜서의 도포속도와 도포 량의 연관성을 확인할 수 있었으며 도포속도와 도포량 은 반비례하고 40 mm/s부터는 도포량 편차가 줄어든 것 을 확인하였다.

Fig. 1

Amount graph of CP by different dispenser speed.

Table 1

Amount values of CP by different dispenser speed.

3.2 전도성 페이스트의 도포량에 따른 PV module 의 전기적 특성 분석

도포량에 따른 태양광 모듈의 출력을 분석하기 위해서 디스펜서의 속도를 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60 mm/s로 모듈을 제작하였고 솔라 시뮬레이터(K201 LAB160 – McScience, Class AAA)를 사용해 표준시험조건(1,000 W/m², 온도 25 °C, Air Mass 1.5 조건)에서 전기적 출 력을 측정하였다. 도포량에 따른 태양광 모듈 제작 전 에 초기 태양전지의 출력 값을 0.5 % 미만으로 맞추어 서 솔팅하였다. Fig. 2(a)는 도포량에 따른 결정질 태양 광 모듈의 직렬 저항 값을 나타낸 그래프이다. 60 mm/ s일때 직렬저항이 가장 높게 측정되었으며, 20 mm/s에서 가장 낮은 직렬저항이 측정되었다. 30 mm/s는 20 mm/s 와 0.022 mΩ 차이로 20 mm/s 다음으로 낮았다. Fig. 2(b)는 도포량에 따른 결정질 태양광 모듈의 출력 값을 나타낸 그래프이다. 출력은 도포량에 따라 다르게 나타 났으며, 20 mm/s는 4.554 ± 0.015W로 출력이 가장 높게 측정되었으며, 40 mm/s 이후부터는 평균 출력이 감소하 였다. 직렬 저항과 전기적 출력 모두 도포량에 따라서 그 값이 변화 하였으며, 도포량에 의한 전기적 출력 변 화와 직렬 저항은 서로 반비례 하는 경향을 보였다. 즉, 전도성 페이스트의 도포량에 따라서 태양광 모듈의 전 기적 출력이 변화하였으며, 그것은 직렬 저항의 변화로 나타남을 알 수 있었다.

Fig. 2

(a) R_s and (b) P_max in PV module by different dispenser speed.

또한 도포량이 많은 5 mm/s는 직렬저항이 높게 나왔 고 출력은 낮게 측정되었다. 도포량이 많을 경우에는 접 촉되는 면적이 넓기 때문에 저항은 감소해야 한다. 하 지만 도포량이 많을 경우, 직렬 저항이 증가하고 감소 하였는데, 그 원인으로는 전도성 페이스트의 과도포에 의 한 음영이 원인으로 추측된다. 이에 대한 실험으로 음 영 면적이 변화할 때 출력과 직렬저항의 차이를 분석하 였고 이를 바탕으로 전도성 페이스트의 과도포에 적용 시켜서 도포속도 1, 1.5, 2 mm/s로 나눠서 출력과 저항 의 차이를 비교 분석하였다. Table 2

Table 2

Values on R_s and P_max in PV module by different dispenser speed.

3.2.1 전도성 페이스트의 과도포에 따른 태양광 특성 분석

일반적으로 전도성 페이스트의 양이 증가하면 접촉이 증가하기 때문에 저항이 감소하며, 이로 인해 출력이 증 가한다. 하지만 전도성 페이스트가 과도포 될 경우, 버 스바라인 옆에 전도성 페이스트에 의한 음영이 발생하 며, 전기적 출력이 감소하고 저항은 증가한다. 전도성 페 이스트 과도포에 따른 출력 저하 원인을 분석하기 위해 서 음영과 전기적 출력에 대한 상관관계에 대한 실험을 진행하였다. 음영 면적은 0, 6, 12.5, 25, 50, 75, 100 %로 시료를 제작 하였으며, Fig. 3은 음영 면적에 따른 태양광 모듈을 나타낸다. Fig. 4(a)는 태양광 모듈 의 음영에 따른 전류 값, (b)는 음영 면적에 따른 P_max 값, (c)는 음영 면적에 따른 R_s측정값을 나타낸다. 음영 면적이 넓어질수록 태양전지에 빛이 흡수되는 면적이 줄 어들어서 전류는 감소하였고 그에 따라 출력도 감소하 였다. 음영 면적이 넓어지면 R_s는 증가하는 추세였고 50 % 이상부터는 급격히 증가하였다. 이를 바탕으로 전 도성 페이스트가 음영역할을 할 때 어떤 변화가 발생하 는지를 확인 하기 위해서 모듈을 제작한 후 출력 및 직 렬저항을 분석하였다.

Fig. 3

Image of shaded PV module by (a) 0 %, (b) 6 %, (c) 12.5 %, (d) 25 %, (e) 50 %, (f) 75 %, (g) 100 %.

Fig. 4

Graphs of depending on shaded PV module: (a) I_sc (b) P_max (c) R_s.

과도포 실험은 이전 실험의 5 mm/s보다 느린 1, 1.5, 2 mm/s로 진행 하였으며, Fig. 5는 실험 결과를 나타낸 다. 그래프를 보면 도포속도가 감소하면 도포량이 많아 지고, 이에 따라 음영이 증가하여 출력은 낮아지고 저 항이 증가하는걸 확인 할 수 있다. 위에 실험한 음영에 따른 출력과 저항 실험을 바탕으로 도포량이 증가할수 록 음영면적이 늘어나고 출력과 저항에 영향을 미치는 걸 확인 할 수 있었다. 즉 도포속도가 느리면 도포량이 증가하게 되는데 과 도포될 경우, 전도성 페이스트가 태 양전지를 가리는 범위가 증가하게 된다. 결과적으로 전 도성 페이스트 음영 범위가 증가하여 직렬저항은 증가 하고 출력은 감소하므로 도포 속도 10 mm/s 이하로 도 포할 경우에는 태양광 모듈의 출력이 저하함을 의미한다.

Fig. 5

Output and resistance values for 1, 1.5, 2 mm/s PV module.

3.3 도포속도에 따른 전도성 페이스트의 특성분석

3.3.1 전도성 페이스트의 도포량에 따른 광학현미경을 이용한 특성 분석

Fig. 6은 태양전지 위에 전도성 페이스트를 도포속도 변화에 따라서 도포하고 핫 플레이트에 150 °C로 5분간 가열하여 용융시킨 전면을 광학 현미경으로 촬영한 사 진이다. (a)는 5 mm/s, (b)는 10 mm/s, (c)는 20 mm/s, (d)는 30 mm/s, (e)는 40 mm/s, (f)는 50 mm/s, (g)는 60 mm/s의 전면사진이다. 사진을 보면 (a)와 (b)는 전도 성 페이스트가 서로 뭉친걸 확인할 수 있고 옆으로 전 도성 페이스트가 퍼진 걸 볼 수 있다. (c)와 (d)는 일정 하게 도포가 이루어졌고 (e), (f), (g)는 부분부분 끊어진 걸 확인 할 수 있다. Fig. 7은 광학 현미경으로 도포속 도에 따른 시료의 측면을 찍은 사진이다. 전면 사진 비 교 결과 도포속도에 따라 크게 3분류로 나뉘어 (a) 5 mm/s, (b) 20 mm/s, (c) 50 mm/s만 측면 두께를 비교하 였고 태양전지의 두께가 180 μm라서 180 μm 뺀 나머지 부분을 두께로 측정하였다. 그 결과 (a) 의 측면 두께는 228.096 μm로 두께가 높았고 (b)의 측면 두께가 104.371 μm로 5 mm/s보다 2배 정도 낮았다. (c)의 측면 두께는 62.036 μm로 두께가 낮았다. 이를 통해서 도포량이 증가 하면 도포두께도 증가하고 도포량이 감소하면 도포두께 도 감소하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 6

Optical microscope images of the front of CP applied solar cell by (a) 5 mm/s (b) 10 mm/s (c) 20 mm/s (d) 30 mm/s (e) 40 mm/ s (f) 50 mm/s (g) 60 mm/s.

Fig. 7

Optical microscope images side thickness by (a) 5 mm/s (b) 20 mm/s (c) 50 mm/s.

3.3.2 전도성 페이스트의 도포량에 따른 알파스텝을 이 용한 특성분석

본 실험은 도포량 변화에 따라서 표면 단차를 확인하기 위한 실험이다. 알파스텝(KP-10 SURFACE PROFILER) 은 바늘로 시료 표면을 긁어 단차를 전기적 시그널로 증 폭하여 기록, 측정하는 장비로 시료의 단면의 형태, 폭 을 확인할 수 있다. Fig. 8는 알파스텝측정 결과 그래프 를 나타낸 그림이다. (a)는 5 mm/s, (b)는 10 mm/s, (c) 는 20 mm/s, (d)는 30 mm/s, (e)는 50 mm/s 시료를 측 정한 그래프이다. (a)는 최고 두께가 179.2 μm로 높게 측 정됐다. 또한 도포 폭은 1,600 μm로 실험에 사용한 태 양전지 버스바 라인은 1.5 mm인데 이 보다 크다. 때문 에 과도포로 태양전지 출력에 영향을 준다. (b)는 도포 두께는 95 μm로 5 mm/s보다 84 μm 낮다. 이는 도포량 이 적은걸 볼 수 있다. 하지만 도포가 일정하지 않아서 출력에 영향을 준다. (c)는 일정하게 도포가 이루어졌으 며 도포두께는 10 mm/s와 비슷하다. 이는 태양전지와 리 본의 결합이 잘 이루어질 수 있다. (d)는 20 mm/s랑 똑 같이 일정하게 도포가 이루어졌고 도포 폭도 비슷하지 만 도포두께가 27.4 μm 낮은걸 볼 수 있다. 도포량이 20 mm/s보다 낮기 때문에 도포두께도 낮아졌다. (e) 도 포두께는 62.6 μm로 30 mm/s와 비슷하지만 도포 폭이 400 μm가 줄어들었다.

Fig. 8

Alpha step measurement graphs by (a) 5 mm/s (b) 10 mm/s (c) 20 mm/s (d) 30 mm/s (e) 50 mm/s.

4. 결 론

본 논문은 박형 결정질 실리콘 태양광 모듈의 제조공 정 중 하나인 저온 태빙 공정에 이용하는 전도성 페이 스트 도포량에 대한 연구이다. 도포량은 디스펜서의 속 도만을 조절하였고 도포량에 따른 모듈을 제작하였다. 도 포량에 따른 모듈의 전기적 출력을 비교 분석하고 도포 된 두께와 폭을 분석하여 최적의 도포량을 찾았다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

이러한 분석을 통해서 최적의 도포량을 찾았고 전도성 페이스트 기반의 모듈을 제작할 때 기준이 되는 최적의 도포량을 도출하였다. 위와 같은 결론들을 보았을 때, 추 후에는 전도성 페이스트의 에폭시 함유량, 조성 같은 성 분의 조건을 변경하는 연구를 통해 더욱 최적화된 모듈 을 만들 수 있을 것으로 판단 할 수 있다.