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제훈 두
5 years ago
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1 태양광에너지 태양전지, 모듈, 시장분석태양전지및태양전지모듈기술 목 차 Ⅰ. 태양전지 Ⅱ. 태양전지모듈기술 LS 산전

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3 태양전지원리 태양전지란? - 태양으로부터의빛에너지를직접전기에너지로바꾸어주는소자 -P 형반도체와 N 형반도체의접합으로전력이발생 - 햇빛이반도체소자인태양전지판에쏘이면전력이발생되는원리 ( 광전효과, 광기전력효과 ) 이용 광전효과 (Photoelectric effect) - 물질이빛을흡수하여자유전자를생성하는현상 - 이때의자유전자를광전자라고함 광기전력효과 (Photovoltaic effect) - 반도체의 p-n 접합부나정류작용이있는금속과반도체의경계면에강한빛을입사시키면전자와정공이접촉전위차때문에분리되어양쪽물질에서서로다른종류의전기가나타나는광기전력이발생하는현상 2/27

4 태양전지원리 빛 ( 입사광에너지 ) 전면전극 반사방지막 N 형반도체 전자 부하 태양광을직접전기로변환하는반도체소자 광흡수 P 형반도체 후면전극 정공 출력전기에너지 전하생성 전하분리 전하수집 3/27

5 태양전지구조 정공 전자 전면금속전극 텍스쳐된표면 반사방지막에미터층 후면전계층 실리콘기판 후면금속전극 4/27

공정과정 1) 태양전지제조공정흐름도 1. Texture( 피라미드형성 ) 2. Doping (n 층형성 ) 3.

Edge isolation(edge 분리 ) 6. ARC( 반사방지막 ) 7.

Cell testing( 효율측정 ) 1 Single crystalline Silicon Wafer P-type

p-n Junction 4 Dry Etch Edge Isolation 5 Front formation 6

6 공정과정 1) 태양전지제조공정흐름도 1. Texture( 피라미드형성 ) 2. Doping (n 층형성 ) 3. PSG removal 4. Passivation(SiO 2 증착 ) 5. Edge isolation(edge 분리 ) 6. ARC( 반사방지막 ) 7. Metal printing( 전극프린팅 ) 8. Firing( 전극형성 ) 9. Cell testing( 효율측정 ) 1 Single crystalline Silicon Wafer P-type wafer 2 Surface Treatment Surface etching 3 Junction formation p-n Junction 4 Dry Etch Edge Isolation 5 Front formation 6 Electrode formation 7 Firing 8 Solar Cell Anti reflection Coating Front electrode(-) Back electrode(+) Solar Cell 5/27

7 공정과정 2) 4 대제조공정 1Texturing ( 흡수, 생성 ) 목적 : 표면을 texture 함으로써표면적을넓혀빛의흡수를늘린다. 반도체부에입사한빛을이면전극등의반사로다시외부로달아나지않도록가두는방법 current 를증가시킴 Textured pyramid - 표면적증가 - 빛흡수증가 - 빛 path 증가 Current 증가 6/27

8 . 공정과정 3) 4 대제조공정 -2Doping ( 분리 ) p type wafer 에불순물인 (P) 을주입 ( 도핑 ) 하여 n-type 을형성하여 pn 접합을형성하는과정 (n 층또는 emitter 층이라고도함 ). 고온의 PoCl 3 와 O 2 가 furnace 안에서서로반응하여 P 2 O 5 층을형성하고, 고온의열처리에의해 P 가 Si 속으로확산되어 n 층을형성함. Phosphorus 입자수 Boron 입자수 n 층 p 층 n 층의깊이 (junction depth) Boron 도핑된 P-type Si wafer Doping Phosphorus 도핑에의해 n 층형성 도핑증가 도핑감소 n 층깊이증가 n 층깊이감소 7/27

공정과정 4) 4 대제조공정 -3 반사방지막 태양전지의반사도를낮춰효율을올리기위해텍스쳐된표면에얇은막 (700A ~800A ) 을증착하는과정 반사방지막의굴절률 (n) 과두께에따라서빛의반사도나흡수도가달라지므로적절한굴절률과두께가필요함. 태양전지를이용해최종으로모듈을제작하기때문에모듈까지감안하여두과정에서최적인굴절률고려해야함.

9 공정과정 4) 4 대제조공정 -3 반사방지막 태양전지의반사도를낮춰효율을올리기위해텍스쳐된표면에얇은막 (700A ~800A ) 을증착하는과정 반사방지막의굴절률 (n) 과두께에따라서빛의반사도나흡수도가달라지므로적절한굴절률과두께가필요함. 태양전지를이용해최종으로모듈을제작하기때문에모듈까지감안하여두과정에서최적인굴절률고려해야함. SiNx : 실리콘나이트라이드막은보통 CVD( 화학기상증착 ) 을통해이루어지며현재는플라즈마를이용한 PECVD 가사용된다. 굴절률과두께에따라반사도가달라지고, SiH 4 gas 의주입량을늘리면굴절률이상승한다. H 의함유로 passivation 효과가커별도의산화막 passivation 이필요없다. SiNx 육안두께검사 적정두께 8/27

10 공정과정 5) 4 대제조공정 -4Printing( 수집 ) Printing 목적? Wafer 표면에금속전극형성 전면전극 전극에의한빛흡수손실 (shadowing loss) 과면저항을고려하여설계 Spacing Printing 유의사항 면저항값이올라갈수록높은저항때문에표면에서전자가전극으로빠져나가기가어려움. finger 와 finger 사이의공간 (spacing) 을줄여야한다. 9/27

11 태양전지의종류 실리콘태양전지 단결정실리콘태양전지다결정실리콘태양전지비정질실리콘태양전지 구분 (single crystalline silicon solar cell) (poly crystalline silicon solar cell) (amorphous silicon solar cell) 구조 PN 접합 PN 접합 pin 구조, nip 구조 용도지상용태양전지지상용태양전지지상용태양전지 효율약 24% 약 19% 약 12% 두께약 200um 약 200~300um 약 0.2um 변환효율이높으나비용고가. - 단결정실리콘보다제조공정이간단하고비용이저렴. - 성공한최초의박막형태의태양전지. - 광흡수율이더우수. 특징 실리콘태양전지는광흡수대역이좁아효율이제한. - 실리콘순도가낮고결정이불규칙해단결정태양전지에비해낮은효율. 웨이퍼를더얇게만듬. 10/27

12 태양전지의종류 : 세대별분류 세대 대표분류 실제태양전지형태 형태 단결절실리콘태양전지 1세대 결정질실리콘태양전지 다결정실리콘태양전지 2 세대박막태양전지 2.5 세대유기염료, 태양전지 실리콘박막태양전지 CulnGaSe2계박막태양전지 CdTe 박막태양전지염료감응형태양전진유기태양전지 3 세대나노, 양자점태양전지 Hot carrier 태양전지 중간밴드태양전지 11/27

에너지보다매우큰에너지를가지는빛을흡수하면여기된전자들은열로소멸, 낮은에너지를가지는빛은투과 좁은흡수대역으로인한큰손실

13 세대별빛의광흡수대역 1 세대태양전지 2 세대태양전지 < 태양전지구조에따른광흡수대역 > ( 지표상에도달하는태양광스펙트럼 ) 이론적태양전지최대효율 30% 단일접합구조 현시장의 85% 이상점유 Band gap 에너지보다매우큰에너지를가지는빛을흡수하면여기된전자들은열로소멸, 낮은에너지를가지는빛은투과 좁은흡수대역으로인한큰손실 이론적태양전지최대효율 59% 대면적모듈제조, BIPV 적합 광흡수대역이서로다른단일접합태양전지를적층함으로써광흡수대역증가 빛흡수를극대화하기위해빛흡수대역을넓혀광흡수율을높이는구조 12/27

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15 태양광모듈기술분류 14/27

16 태양광모듈이란? - 태양전지를직렬또는병렬로회로를구성한후, 진공상태에서열봉합하여외부에노출시장기간동안태양전지를보호하고, 구조물또는다양한설치장소에태양광발전시스템을설치하기용의하게제작된태양전지판. 태양광모듈제조형태 - 태양광모듈은일반적으로사용자의요구또는설치장소및형태에따라서소형 ~ 대형 ( 수 W 급 ) 까지제작되고있으며제조사마다다양한모델을보유하고있음 15/27

17 설계기술 모듈의구조 16/27

18 제조공정 공정과정 완성된 Cell 의 Bus 전극과 Ribbon 을접합시켜필요한전력에맞추어한줄의직렬로연결하는공정 직렬연결된 Cell 을외부환경으로보호하기위하여 glass, EVA Film, Back sheet 를 Assembling 하는공정 Cell 검사 Auto-Tabbing Layup Stacking 전압측정 Laminating Trimming & Tapping Frame 조립 Module 검사 출력검사 Glass, EVA Film, Back sheet 로 Cell 을감싸열과진공을이용하여외부환경으로부터밀폐시키는공정 Lamination 완료된 Module 에전기를외부장치로전달시켜주는 Junction Box 부착과강성및체결성확보를위해 Frame 을결합 Module 제조공정을마친제품의최종성능을확인하여출력별등급을결정하는공정 17/27

19 제조공정 Laminating 공정 태양전지모듈제조에있어서가장중요한공정 Glass, EVA Film, Back sheet 로 Cell 을감싸열과진공을이용하여외부환경으로부터밀폐시키는공정 제조조건에따라서내구성과수명에크게영향을줌 다른공정에서불량이발생하더라도손실부분이많지않지만 Lamination 과정에서발생되는불량은재생이불가능하기때문에많은경제적손실을줌 18/27

20 구성재료 부자재설명 저철분강화유리 유리자체의광흡수손실을줄임 투과도를높이기위해서철성분함량이낮은것을사용 ( 빛의직진성을방해 ) EVA sheet Back sheet 장기간외부에노출될경우습기침투로인한금속전극의부식을방지하기위한재료 광투과율이높아야함 급변하는온도에따른변화가적음 태양전지셀을방수, 절연및자외선차단시키는역할 태양전지모듈의수명을연장시키기위하여높은온도및습도에서도잘견딜수있어야함 내구성확보 외부환경과닿아있기에수증기투과율이적어야함 Ribbon 태양전지표면에있는전극에납땜으로연결하기위해서사용하는얇은금속판띠 J-box 태양광모듈의출력을부하에공급하는데필요한단자 바이패스다이오드등을함께배치하여밀폐시킬수있는구조의함 string 태양전지모듈화를위해서태양전지를직렬로연결하여형성한것으로여러태양전지가한줄로연결된다발 19/27

21 구성재료 부자재불량에따른발전성능저해요인 백화현상 원인 태양전지상부에덮힌 EVA sheet 의접착력이약해져서서로분리됨에따라발생하는현상으로서정상적인부분과달리흰색의표면이관찰됨 현상 황변현상 원인 현상 1. EVA 물질조성 (VA 함량이높은제품일수록황변현상에대한내성이부족 ) 2. 시간에따른 UV 흡수제의감소 3. 산소침투에따른광표백현상 4. EVA film 의 De-lamination 현상발생 20/27

22 성능평가 모듈노화및불량사례 국부적열화 변색 Back sheet 탈착 셀깨짐 전극부식 셀탈착 Back sheet 탈착 신뢰성평가프로세스 (19 개항목 ) 21/27

23 성능평가 모듈전기적특성측정 Simulator 는아래와같은구조를가지며모듈의특성을측정할수있음. Maximum power determination Measurement of Temperature coefficient Performance at low Irradiance 자외선시험 환경시험을수행하기전에자외선열화에민감한 EVA 의내구성을검증함. UV 측정장비 22/27 Test time : 480hr Module temperature : 60

24 성능평가 내환경테스트 모듈의장기내구성을검증하기위하여가속스트레스시험을통하여검증함 < 환경시험 chamber> 고온 고습, 영하의저온등의가혹한환경에서시험 -40 to 85 에서의온도변화를줌 우박충돌테스트얼음볼을사용하여모듈이우박의충격에견딜수있는지를검증함 < 환경시험챔버테스트중모듈의전기적연속성체크 > 얼음볼조건 Diameter : 25mm Mass : 7.53g Test velocity : 23m/s 23/27

25 성능평가 기계적하중테스트 Simulation 을통한시스템설계및해석 기계적하중평가시스템제작 바람, 눈및얼음에의한하중에기계적내구성시험 판정기준 하중시험 ( 2400, 5400Pa ) 현저한육안결함이없어야함. 최대출력전력의저하가시험전에측정된값의 5% 를초과하지않아야함. 24/27

26 성능평가 절연시험테스트 DC 전압공급장치로 1000V 전압인가후출력단자와패널또는접지단자사이의절연특성을시험 옥외노출시험 < 옥외모듈마운트 > < 전기부하 > STC의모듈의최대전력점에서적산일사량 60kWh/m2 도달시까지모듈방치후전기성능테스트 25/27