1. 서 론

슁글드(shingled) 태양광 모듈은 태양전지의 분할, 접합을 통해 제작되는 고밀도, 고출력 태양광 모듈이다⁽¹⁾. 이 기술은 실리콘 태양전지를 레이저를 이용하여 분할하고, 분할된 태양전지를 전도성 접착제(Electrically Conductive Adhesive, ECA)로 접합하여 슁글드 스트링(string)으로 제작한다⁽²⁾. 이 슁글드 스트링을 직병렬로 연결하여 태양광 모듈로 제조할 수 있다.

슁글드 태양광 모듈은 여러 이점을 가지게 된다. 일반 태양광 모듈의 경우, 태양전지를 상호 연결하기 위해 금속 리본(ribbon)을 납땜한다. 이 금속 리본은 입사하는 빛을 차단하기 때문에 음영 손실이 발생한다. 음영 손실 이외에도, 납땜 하는 과정에서 국부적인 열과 압력으로 인해 태양전지에 스트레스를 야기할 수 있으며, 열로 인한 리본의 수축과 팽창으로 인해 태양전지가 손상될 수 있다. 또한 태양전지가 상호 연결될 때 전기적 절연을 위해 일정한 간격이 필요한데, 이 영역은 전기를 생산하지 않으므로 태양광 모듈의 효율을 낮추는 원인이 된다. 반면에 슁글드 모듈은 분할된 태양전지를 ECA로 접합한 긴 스트링으로 제작된다. 이 때문에 금속 리본에 의한 태양전지의 손상 혹은 상호 연결에 필요한 간격, 금속 리본으로 인한 음영 등이 최소화되어 고효율 모듈 제조가 가능하다⁽³⁾.

이 기술을 이용한 모듈은 상용화되어 판매도 이루어지고 있다. 하지만 분할, 접합을 위한 공정이 추가되며, 전도성 접착제의 주성분이 은(Ag)으로 되어있기 때문에 일반 태양광 모듈 제조 단가에 비해 슁글드 모듈이 상대적으로 높은 실정이다.

슁글드 모듈은 태양전지를 분할과 접합을 통해 고출력 모듈 제작이 가능한 기술이지만 추가적인 공정과 ECA 재료 추가로 모듈 단가가 증가하게 된다. 따라서 경제성이 높은 슁글드 모듈을 제작하기 위해서는 단가 절감이 필수적이다. 본 논문에서는 슁글드 태양광 모듈의 원가를 낮추기 위해 태양전지의 Ag 페이스트의 사용량 절감할 수 있는 전극 구조를 설계하였다. 시뮬레이션을 통해 Ag 페이스트의 사용량 절감과 동시에 태양전지의 효율은 감소되지 않는 전극 구조를 설계하였다. 또한 이러한 전극 구조를 갖는 태양전지를 스크린 인쇄를 통해 제조하고, 일반 전극 구조의 태양전지와 특성을 비교 분석하였다.

2. 실험방법

3. 결과 및 고찰

전극 구조에 따른 태양전지 특성을 확인하기 위해 그림 1의 도면과 표 1의 파라미터를 기반으로 시뮬레이션하였고, 결과를 표 2에 나타내었다. Ag 페이스트 절감형 전극 구조가 일반 전극 구조에 비해 효율이 0.1% 상승한 것을 확인할 수 있다. 절감형 전극 구조의 버스바는 dash-type으로 일반 전극 구조의 line-type 버스바 음영에 의해 빛을 흡수하지 못하는 면적이 수광 영역으로 변환됨에 따라 더 많은 수광 면적을 가질 수 있다. 즉, 수광 면적 증가에 따라 단락전류밀도(short-circuit current density, Jsc)가 증가하였고, 이는 효율 향상으로 나타난 것이다. 그러나 충진률(fill factor)은 반대로 감소하는데, 이는 버스바의 배치와 관련이 있다. 생성된 전류는 핑거를 통해 버스바로 이동하게 된다. 전류가 핑거를 통해 이동함에 따라 핑거 저항에 의한 전력 손실이 발생한다. 이를 최대한 줄이기 위해서는 동일한 간격으로 버스바가 배치되어야 전류가 최소한의 거리를 이동하여 전력 손실을 최소화 할 수 있다. 하지만 분할, 접합용 전극 구조의 경우, 버스바가 한쪽으로 치우쳐져 있는 비대칭적인 형태를 이루고 있다. 따라서 일반전극 구조에 비해 직렬 저항이 다소 증가하여 곡선인자가 다소 감소하는 것으로 확인된다.

스크린 인쇄로 제작된 일반 전극 구조와 Ag 페이스트 절감형 전극 구조를 갖는 태양전지의 특성을 측정하여 표 2 에 나타내었다. 일반 전극 구조 태양전지는 시뮬레이션 결과와 측정값에 큰 차이가 없음을 확인하였다. 그러나 Ag 페이스트 저감형 태양전지의 경우, 실제 셀 효율 측정 결과는 17.87%로, 시뮬레이션 결과인 18.03% 보다 0.16% 낮게 측정되었다. Ag 페이스트 저감형 전극 패턴은 line-type이 아닌 dash-type의 버스바를 갖는다. 따라서 시뮬레이션 결과에서는 더 넓은 수광 면적으로 인해 Jsc 상승효과를 얻었다. 하지만 실제 태양전지 특성 측정 시 접촉 지그(Zig)에 의한 음영으로 인해 버스바의 형태와 관계없이 수광 영역에 음영을 일으킨다. 따라서 시뮬레이션 결과에 비해 측정 결과는 더 낮은 Jsc를 나타내고 약간의 효율차이를 보였다⁽⁹⁾.

Ag 전극 페이스트 절감율을 측정하기에 앞서, 먼저 전극 페이스트의 절감률을 면적 계산을 통해 예측하였다. 일반 전극 구조에서 전면 전극 면적은 1394.7 mm², 후면 Ag pad 면적은 619 mm²이다. 이와 비교하여 절감형 전극 구조는 전면 1125.37 mm², 후면 Ag pad는 없으므로, 일반 전극 구조와 비교하여 사용된 전극 은(Ag) 페이스트는 44.115% 감소하였다. 그리고 태양전지에 사용되는 Ag 전극 페이스트의 절감률을 계산하기 위해 태양전지의 중량을 측정하여 Ag 페이스트의 중량을 계산하였다. 먼저 전극이 포함된 태양전지의 총 중량을 A라 할 때, 후면 알루미늄(Al) 전극만 인쇄된 태양전지를 B라 한다. 그리고 태양전지의 실버 전극의 중량을 C라 하면, A-B=C가 성립한다. 따라서 각 태양전지의 중량을 측정하고 계산 과정을 거쳐 일반적인 태양전지의 실버 전극의 중량과 페이스트 절감형 전극 구조의 실버 전극의 중량을 계산하여 절감률을 계산하였다. 태양전지의 중량은 전자저울을 사용하여 측정하였으며, 표 3에 나타내었다. 일반 태양전지의 경우, 후면 알루미늄 전극은 Ag pad가 인쇄되는 영역에는 인쇄되지 않는다. 하지만 후면 Ag pad가 제거된 절감형 전극의 후면 알루미늄은 후면 전체 영역에 인쇄된다. 이 때문에 두 종류 태양전지의 후면 알루미늄 전극은 중량 차이가 발생한 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 일반 태양전지의 실버 전극 중량은 0.439 g, 페이스트 절감형 태양전지의 실버 전극 중량은 0.248 g으로 확인되었다. 전극은 일반 전극 구조에 비해 페이스트 절감형 전극 구조가 실버 전극 페이스트 사용량이 43.556% 절감될 수 있음을 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 슁글드 모듈의 원가 절감을 위한 실버 페이스트를 절감할 수 있는 전극 구조를 설계하였다. 먼저, 분할, 접합용 전극 구조의 버스바 형태를 라인 타입이 아닌 dash-type으로 형성하여 시뮬레이션을 진행하였다. 일반 전극 구조를 가진 태양전지와 비교하여 오히려 높은 효율을 보였다. 이는 수광 면적의 증가로 인해 Jsc가 상승하여 특성이 향상되었다. 시뮬레이션 기반으로 제작된 전극 패턴을 스크린 인쇄를 통해 다결정 실리콘 태양전지에 적용하였다. 새롭게 고안된 페이스트 절감형 전극 구조 태양전지와 일반적인 태양전지 측정을 통해 시뮬레이션 결과와 비교를 통해 검증하였다. 그 후 중량 측정을 통해 일반 전극 구조에 사용되는 실버 전극 페이스트와 페이스트 절감형 전극 구조를 비교한 결과, 43.556%의 실버 페이스트가 절감될 수 있음을 확인하였다. 슁글드 모듈 제작에 사용되는 분할, 접합 태양전지는 접합되어 단위 셀들이 연결된다. 이 때문에 일반 태양 전지와는 다르게 금속 리본을 납땜하기 위한 라인 타입의 버스바를 필요로 하지 않는다. 따라서 추후 전극 구조에 따른 시뮬레이션을 통해 분할, 접합용 태양전지에 최적화된 버스바 타입에 대한 개발도 수반되어야 할 것으로 여겨진다.