태양광 모듈의 출력 특성 해석을 위한 태양전지의 휨 및 크랙 분석 :Bowing and crack analysis of c-Si solar cell for electrical characteristics of PV module

임종록

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자료유형: 학위논문

저자정보: 임종록 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 안형근

발행연도: 2017

저작권: 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

건물일체형 양면 태양전지 모듈의 후면환경에 따른 전기적 출력 특성 분석

임종록 , 신우균 , 강민구 외 2명 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2022.04 학술대회자료

2020

후면 환경을 고려한 창호형 양면 태양광 모듈의 출력 특성 분석

임종록 , 신우균 , 이충근 외 5명 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2020.06 학술대회자료

2017

태양광 모듈의 출력 특성 해석을 위한 태양전지의 휨 및 크랙 분석

임종록 전기공학과 2017.01 학위논문

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일반적으로 태양전지는 결정질 웨이퍼 전면에 ARC(Anti reflecting coating)와 전면 페이스트 그리고 후면에는 알루미늄 페이스트를 프린팅 한 이후 소성 공정을 통해서 최종적으로 만들어 지게 된다.
결정질 웨이퍼를 중심으로 페이스트가 증착하게 될 경우 이종 물질간의 열팽창 계수의 차이에 의해서 휨(bowing) 현상이 발생하게 되는데, 이 현상은 웨이퍼의 두께가 180[μm]에서는 3[mm] 이하로 큰 영향을 주지 않지만 최근 원가 절감을 위해서 많은 연구가 진행되고 있는 박형 태양전지의 경우 심한 휨 현상으로 인해 수율 저하와 마이크로 크랙에 의한 발전 저하가 발생하고 있다.
대부분의 휨 현상에 대한 연구는 후면 페이스트에 집중 되어있을 뿐, 전면의 ARC인 SiNx, 전면 페이스트에 대한 영향에 대해서는 크게 고려하지 않는다. 실제로 소성 공정 이후 측정한 휨 값을 확인해 본 결과 전면 페이스트는 후면 페이스트의 휨 방향과 서로 다른 방향을 나타내며, 알루미늄 페이스트에 SiNx를 증착시킨 경우 휨 값이 더 커진다는 것을 확인 하였다.
본 논문에서는 120[μm]부터 180[μm]사이 20[μm] 간격으로 웨이퍼를 사용하여 SiNx/전면 페이스트/후면 페이스트를 이용한 부분공정 태양전지를 제작하였다. 제작한 태양전지를 통하여 각 물질과 실리콘 웨이퍼와의 휨 상관관계를 분석 하였고, 이를 바탕으로 휨과 응력의 관계를 나타내는 Stoney식을 이용하여 웨이퍼와 각 물질의 응력(Stress)을 분석하였다. 또한 태양전지의 휨 현상을 해석 할 때, 이종물질이 아닌 다중물질임을 고려하여 변형된 Stoney식을 사용하여 휨 값을 예측 하였다. 이론적으로 접근한 결과를 바탕으로 전후면 전극의 두께를 가변하며, 그 결과를 바탕으로 통계적 방법을 이용하여 태양전지의 휨 최소화를 시도 하였다.
박형화 된 결정질 웨이퍼를 이용하여 제작한 태양전지는 강도의 변화가 발생하게 되는데, 특수 제작된 4점 굽힘 시험(4bending tester) 장비를 이용하여 일반 태양전지와 박형 태양전지의 강도 특성을 확인 하였다.
또한 실제 태양전지를 제작하면서 발생하는 문제점을 확인하였으며, 최종적으로는 태양전지의 크랙이 발생한 경우의 전기적 출력 특성에 대한 연구를 진행 하였다.

Generally, the solar cell is finally produced by the firing process after printing the ARC(Anti reflecting coating) and paste on the front of c-Si wafer and the aluminum paste on the backside.
When a paste is deposited around a c-Si wafer, a bowing occurs due to a difference in thermal expansion coefficient between the dissimilar materials, when the thickness of the wafer is 180[um], this phenomenon occurs less than 3[mm] and does not have a great influence. However, in recent years, thin solar cells, which has been many studied for cost reduction, the yield is lowered due to the severe bowing phenomenon and the power generation is deteriorated due to micro crack.
Most of studies on bowing phenomenon are concentrated in backside paste, but the effects of the SiNx and paste on front are not considered.
As a result of checking the bowing value measured after the firing process, it is confirmed that the front paste shows a different direction from the bowing direction of the back paste, and the bowing value is larger when SiNx is deposited on the aluminum paste.
In this paper, fabricated a partial process solar cell using wafer with SiNx / front paste / back paste at intervals of 120 [μm] and 180 [μm] at 20 [μm]. the bowing correlation between each material and the silicon wafer was analyzed using the manufactured solar cell, and analyzed the stresses of the wafer and each material using Stoney''s equation showing the relationship between bowing and stress. when analyzing bowing phenomenon of solar cell, the modified Stoney''s equation was used to predict the bowing value, considering it was a multiple material rather than a heterogeneous material. based on the theoretical results, the thickness of the front and backside metal was varied, and based on that results, tried to minimize the bowing of the solar cell by the statistical method.
The solar cell manufactured using thinned c-Si wafer has a change in strength, the strength characteristics of general solar cell and thin solar cell were confirmed by using specially manufactured 4bending test equipment.
Also confirmed the problems that arise from the manufacturing solar cells, finally, investigated the electrical output characteristics of cracks in solar cells.

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제1장 서론 1
제2장 박형 태양전지를 이용한 PV 모듈의 제작시 문제점 분석 3
제1절 태양전지 동작원리 3
1. 빛의 흡수와 전하 생성의 원리 3
2. 태양전지의 전기적 출력 특성 5
제2절 결정질 태양전지와 태양광 모듈 제조 공정 12
1. 태양전지 제조 공정 12
2. 태양광 모듈 제조 공정 15
제3절 박형 태양전지를 이용한 기존 태빙 방식의 문제점 분석 18
1. 연구배경 18
2. 박형 태양전지를 이용한 기존 태빙 방식의 문제점 분석 18
제3장 박형 태양전지의 휨 현상과 강도 특성 36
제1절 박형 태양전지의 휨 현상 연구 36
1. 연구배경 36
2. 태양전지의 휨 현상과 이론적 해석 37
3. 태양전지의 휨 현상 분석과 휨 최소화 48
4. 박형 태양전지의 휨 현상 해석 결과 79
제2절 100[um]급 박형 태양전지의 강도 특성에 관한 연구 80
1. 연구배경 80
2. 박형 태양전지의 강도 특성 실험 방법 및 조건 81
3. 박형 태양전지의 강도 특성 측정 결과 86
제4장 태양전지의 크랙 발생시 전기적 특성 연구 91
제1절 박형 태양전지 제작 중 파손 분석 91
1. SDR과 택스처링 공정 시 파손 분석 91
2. Handling 과정에서의 파손 93
3. 도핑 공정에서의 파손 분석 94
4. 프린팅 공정에 의한 파손 분석 95
5. 소성 공정의 파손 분석 96
6. 전류-전압측정에 의한 파손 분석 98
제2절 태양전지의 크랙과 음영 발생시 전기적 출력 특성 비교 101
1. 광생성 전류를 고려한 크랙과 음영 발생시 전기적 출력 특성 비교 101
2. 크랙과 음영 발생 시 전류 전압 곡선 비교 105
3. 광생성 전류를 고려한 크랙의 전기적 출력 특성 분석의 한계 109
제3절 크랙 발생시 전기적 출력 특성 해석 112
1. 태양전지의 크랙 발생시 전기적 출력 112
2. 실험 및 시뮬레이션 결과 120
3. 박형 태양전지의 크랙 발생시 전기적 출력 특성 해석 결과 123
제5장 결론 124
참고문헌 127
국문초록 133

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