BC 태양전지가 휨과 뒤틀림에 더 취약한 이유

빠른 답변: 후면 접촉 셀은 양극성 접촉이 모두 후면에 위치하기 때문에 전면 접촉 셀보다 휨과 뒤틀림에 더 취약합니다. 따라서 후면 금속화 부피와 그것이 유발하는 응력이 전면과 불균형을 이룹니다. 소성 후 셀이 냉각될 때 후면 금속은 금속화되지 않은 전면을 향해 수축하며, 그 결과 182mm 또는 105mm 셀에서 밀리미터의 분수 단위로 측정될 수 있는 곡률이 발생합니다. 관련된 공정 온도 — 후속 단계에서 약 110°C, 주변 기준 온도 약 22°C — 는 차등 수축이 얼마나 누적되는지를 결정합니다. 휨이 중요한 이유는 휜 셀이 스트링거나 라미네이트에 평평하게 놓이지 않아 위치 오류, 라미네이션 후 불균일한 봉지재 두께, 최악의 경우 접합부에서 미세 균열을 발생시키기 때문입니다.

PV 모듈 제조 · Ooitech의 Jerry 작성

BC 태양전지 휨과 뒤틀림

태양광 기술 경로 간의 치열한 경쟁 속에서 BC(후면 접촉) 태양전지는 효율적이고 시각적으로 깔끔한 디자인으로 두각을 나타내고 있습니다. 전면에 금속 그리드 라인이 없는 BC 셀은 업계에서 가장 주목받는 기술 방향 중 하나가 되었습니다.

그러나 그 깔끔한 외관 뒤에는 제조상의 어려운 문제가 숨어 있습니다. BC 셀은 본질적으로 휨과 뒤틀림이 발생하기 쉽습니다.

업계 전문가들이 지적한 바와 같이, 모든 전극이 후면에 위치하기 때문에 셀은 본질적으로 변형되기 쉽습니다. 모듈 조립 과정에서 절연 접착제, 솔더 리본s, 솔더 페이스트 등 더 많은 재료가 후면에 지속적으로 추가됩니다. 이러한 층이 쌓이면서 휨 문제는 점점 더 심각해질 수 있습니다.

그렇다면 왜 BC 셀은 기존 태양전지보다 휨과 뒤틀림에 더 취약할까요?

1. 구조적 비대칭성으로 인한 본질적인 휨 위험

BC 셀의 가장 독특한 특징은 양극과 음극이 모두 후면에 배치된다는 점입니다. 전면에는 금속 그리드 라인이 없습니다. 이 디자인은 빛 흡수를 개선하지만, 동시에 본질적인 구조적 약점을 도입합니다.

연구에 따르면 BC 셀은 전면과 후면에 전극이 분포된 TOPCon 셀보다 훨씬 더 큰 휨을 보입니다. 유사한 후면 구조에서 전면 그리드 라인은 후면 수축으로 인한 변형을 부분적으로 상쇄할 수 있습니다.

BC 셀에는 이러한 전면 그리드 라인이 없습니다. 그 결과 전면과 후면 사이의 응력 불균형으로 인해 제조 및 사용 중 원통형 변형이 발생할 가능성이 더 높아집니다.

이러한 구조적 비대칭성은 본질적으로 불균일한 응력의 결과입니다. 이는 해바라기가 그늘진 쪽과 빛을 받는 쪽의 성장 속도 차이로 인해 햇빛을 향해 휘어지는 것과 유사합니다. BC 셀에서는 후면의 여러 층에 의해 발생하는 수축 응력이 전면의 응력보다 훨씬 크기 때문에 자연스럽게 웨이퍼가 휘어지게 됩니다.

2. 후면 재료 간 열팽창 불일치

BC 셀의 후면에는 여러 기능성 층이 적용되어야 합니다. 기존의 금속 전극 외에도 절연 재료, 솔더 페이스트, 솔더 리본 등이 포함될 수 있습니다. 이러한 재료 간 열팽창 계수의 차이는 휨의 주요 원인입니다.

• 금속과 실리콘 사이의 팽창 차이는 특히 큽니다. 은의 열팽창 계수는 실리콘의 약 7배입니다. 셀 제조 과정에서 이 차이는 은 금속화와 실리콘 기판 사이에 상당한 열 응력을 발생시킬 수 있습니다. 솔더 페이스트가 인쇄된 후에는 휨이 더욱 심해질 수 있습니다.

• 절연 재료도 중요한 역할을 합니다. 후면의 양극과 음극을 분리하려면 절연이 필요하지만, 절연 재료의 열팽창 계수는 실리콘 웨이퍼와 다릅니다. 절연과 셀 사이의 접촉 면적이 너무 크면 재료 소비가 증가하고 열팽창 불일치로 인한 응력도 증가합니다. 이는 셀 휨을 심화시키고 셀 파손, 취급 중 셀 들러붙음 또는 겹침과 같은 공정 위험을 초래할 수 있습니다.

3. 단면 솔더링으로 인한 불균형 기계적 응력

BC 모듈은 일반적으로 단면 솔더링을 사용하며, 모든 솔더 리본이 후면에 집중됩니다. 이는 기존의 양면 솔더링과 근본적으로 다릅니다.

예를 들어, 182 mm × 105 mm 셀에 21개의 솔더 리본을 부착하면 온도가 110°C에서 22°C로 떨어질 때 상당한 휨이 발생합니다. 이는 셀 두께가 0.13 mm, 0.15 mm 또는 0.18 mm인 경우에도 마찬가지입니다.

변형은 주로 솔더링 중 발생하는 불균일한 열 응력에서 비롯됩니다. 이는 BC 셀에 사용되는 단면 상호 연결과 관련된 고유한 구조적 문제입니다.

더 우려되는 점은 셀 두께를 늘려도 문제가 효과적으로 해결되지 않는다는 것입니다.. 시뮬레이션 결과는 단면 솔더링이 최대 4.9mm의 휨을 발생시킬 수 있음을 보여줍니다. 셀 두께를 0.18mm로 늘려도 휨은 약 18%만 감소합니다. 동일한 조건에서 양면 솔더링으로 인한 최대 휨은 0.07mm에 불과합니다.

이는 웨이퍼 두께 증가만으로 양면 솔더링 수준의 휨을 달성하려면 0.18mm를 훨씬 초과하는 두께가 필요하다는 것을 의미합니다. 그러면 실리콘 소비와 재료 비용이 크게 증가할 것입니다.

이 문제는 라미네이션 단계까지 이어질 수 있습니다. 단면 솔더링으로 인한 비대칭 휨은 셀 가장자리와 중앙 영역 주변의 봉지재 을(를) 압축할 수 있습니다. 봉지재는 얇아지거나 심지어 관통되어 국부적인 응력 집중 지점을 생성하여 구조적 무결성과 장기적인 모듈 신뢰성을 위협할 수 있습니다.

4. 더 얇고 더 큰 셀이 문제를 증폭시킵니다

태양광 산업은 실리콘 비용을 줄이기 위해 더 얇은 웨이퍼를, 모듈 출력을 높이기 위해 더 큰 셀 포맷을 계속 추구하고 있습니다. 두 추세 모두 BC 셀 휨을 더 심각하게 만들 수 있습니다. 연구에 따르면 셀 두께를 줄이고 셀 크기를 늘리면 변형이 크게 증가합니다.

210mm × 210mm 셀의 경우 두께를 150μm에서 70μm로 줄이면 보고된 휨이 1.69mm에서 8.25mm로 거의 5배 증가합니다.

이 수치는 웨이퍼 박형화가 만들어내는 과제를 명확히 보여줍니다. 더 높은 효율과 더 낮은 비용을 동시에 추구하는 산업에서, 실리콘 두께를 줄이면서 휨을 제어하는 것은 반드시 해결해야 할 기술적 장벽이 되었습니다.

6. 산업계 완화 전략 및 전망

산업계는 이미 BC 셀 휨을 관리하기 위한 여러 방법을 모색하고 있습니다. 일반적인 접근 방식은 다음과 같습니다:

• 하프셀 모듈 설계: 더 작은 셀 크기는 절대적인 휨 높이를 줄일 수 있습니다.

• 최적화된 그리드 라인 재료 및 폭: 금속화 구조를 조정하면 후면 응력을 관리하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 저온 솔더링: 더 낮은 공정 온도는 인터커넥션 중 열 응력을 줄일 수 있습니다.

• 전도성 접착제 핫 프레싱: 이는 기존의 고온 솔더링 공정에 대한 대안을 제공합니다.

• 곡면 가압 블록 보정 메커니즘: 특수 보정 구조를 탭버 및 스트링거 장비에 통합하여 공정 중 셀 형상을 제어할 수 있습니다.

저온 솔더 리본 인터커넥션

참고문헌

• 동펑, 고효율 N형 후면 접촉 태양전지 공정 연구

• MeCan Solar, 대형 박형 BC 셀의 휨 거동 및 그리드 라인 구조 최적화

• 태양광 및 에너지 저장 리뷰, 단면 솔더링의 매력적인 외관은 휨과 관련 위험을 숨길 수 없습니다

Ooitech의 견해

휨 제어는 단순한 셀 두께 문제가 아니라 완전한 모듈 공정 문제로 취급되어야 합니다. 솔더링 온도, 리본 배치, 압력 제어, 핸들링 및 라미네이션이 함께 조정되어야 하며, 특히 박형 대형 BC 셀을 사용할 때 더욱 중요합니다. 인터커넥션 단계에서 제어되지 않은 작은 변형은 생산 라인 후반부에서 수율 또는 신뢰성 문제가 될 수 있습니다.