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기계적 하중 하에서 복합재료 시험편에 접착된 단결정 실리콘태양전지의 성능평가
Photovoltaic performance evaluation of the bonded single crystalline silicon solar cell on composite specimens under mechanical loading 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.24 no.6, 2011년, pp.56 - 63  

김종천 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원) ,  최익현 (한국항공우주연구원) ,  김대현 (서울과학기술대학교 기계공학과) ,  정성균 (서울과학기술대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 화석에너지 고갈과 환경문제로 인해 새로운 신재생에너지로 주목 받고 있는 태양전지를 대표적인 경량재료인 복합재료에 적용하기 위해 적절한 태양전지 접착 방법에 대한 연구를 진행하였다. 사용된 태양전지는 후면전극 태양전지로 에너지변환 실험실 효율이 약 24.2%인 태양전지를 사용하였다. 하지만, 실리콘계열 태양전지는 재료의 특성상 깨지기 쉽기 때문에 일반적으로 사용되고 있는 동시경화 접착법 대신 접착제를 이용한 이차 접착법을 사용하였다. 접착재료는 태양전지의 충진재 및 접착제로 사용되고 있는 EVA film 과 프리프레그의 수지인 Resin film, 그리고 탄성 접착제를 이용하여 실험을 진행 하였으며, 태양전지가 접착된 복합재료 시험편에 기계적 하중을 부가하여 접착제 종류별 태양전지의 성능변화를 측정하였다. 또한, 기계적 하중 하에서 실시간으로 태양전지의 성능을 평가할 수 있는 측정장치를 설계하여 접착재료별 파단 시점과 특성을 비교 평가 하였다. 파단면분석을 통해 태양전지 효율 감소원인을 분석하여 고찰하였다. 실험결과 태양전지의 접착방법에 따라서 태양전지의 효율이 크게 영향을 받는다는 것을 파악하였다. 또한, 탄성접착제를 사용한 접착 방법이 가장 높은 태양전지 효율 성능을 보여주고 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study is to investigate appropriate bonding methods of solar cells in order to apply solar cells, which have been receiving particular attention as a renewable energy due to fossil energy depletion and environment issues, to composite structures. Back-contact solar cells with a...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만, 이 같은 결과는 EVA film의 경우의 에너지 변환효율 감소량보다 낮은 결과로 경화 후에 상대적으로 탄성(elastic) 특성을 가지는 EVA film의 예상했던 결과와 다른 연구결과를 얻었다. Resin film의 경우에는 기계적 하중 환경에서 태양전지와 복합재료 간에 de-bonding 현상이 발생하여 부분적으로 더 이상의 기계적 하중이 태양전지에 전달되지 않았기 때문으로 이에 대한 분석을 실시하였다.
  • 따라서 복합재료에 접착된 태양전지에 물리적 요소가 태양전지에 전달되지 않고 유지·보수에 용이한 접착제를 이용한 이차접착(secondary-bonding)법을 제안하고자 한다.
  • 본 연구에서는 단결정 실리콘태양전지를 복합재료 구조물에 적용하기 위해 적절한 접착 방법 및 성능평가 방법을 제시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
결정형 실리콘태양전지가 태양전지 시장의 대부분을 차지하는 이유는? 1은 미국의 신재생 에너지 연구소 (NREL; National Renewable Energy Laboratory)에서 발표한 태양전지 효율 평가 보고서로서 현재의 태양광발전 현황을 한눈에 확인할 수 있다[3]. 전세계 태양전지 시장의 약 85%는 결정형 실리콘태양전지(crystalline silicon solar cells)가 차지하고 있으며, 그 이유는 태양전지를 구성하는 원자재의 가격 경쟁력과 생산공정의 안정화로 좋은 품질의 태양전지를 대량으로 생산할 수 있기 때문이다[4,5]. 그러나, 활발한 태양전지 발전 상황에 비해서 태양전지를 적용할 구조물 개발은 아직 미흡한 상태이다.
본 연구에서 단결정 실리콘태양전지를 복합재료 구조물에 적용하기 위해 적절한 접착 방법 및 성능평가 방법을 제시하였고 그 결론은? 1) 태양전지 접착법 개발을 위해 EVA film, Resin film, Elastic adhesive를 이용하여 기계적 하중 조건에서의 태양전지 성능평가를 수행한 결과 EVA film, Resin film을 사용한 경우에는 복합재료 시험편에 부가된 기계적 하중으로 인해 태양전지의 발전성능 감소를 보였다. 반면에 Elastic adhesive를 이용한 방법에서는 발전성능 감소가 발생하지 않았다. 2) 이 같은 결과는 경화 후 접착성능을 유지하면서 탄성(elastic) 성질을 가지고 있는 elastic adhesive 접착층이 기계적 하중을 흡수하여 태양전지의 발전성능에 영향을 주지 않았기 때문이다. 3) 본 연구를 통해 깨지기 쉬운 단결정 실리콘태양전지를 복합재료에 기계적 하중으로부터 안정적으로 접착할 수 있는 기법을 확립하였으며, 추후 다변화 되고 있는 복합재료 구조물에 태양전지를 적용하기 위한 기초 데이터로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
태양전지산업의 화두는 무엇인가? 태양광발전 산업은 화석에너지의 공급한계와 환경문제를 극복하기 위한 방법으로 주목 받고 있는 신 재생에너지의 한 분야로 무한한 태양에너지로부터 우리가 필요한 전기에너지 형태로 에너지를 변환하는 태양전지 기술을 기반으로 발전하고 있다[1]. 태양전지산업의 화두는 지구에 입사되는 태양에너지로부터 보다 높은 에너지 변환효율을 가지는 태양전지를 개발하는 것에 있으며, 그 결과 현재 다양한 종류의 태양전지가 개발되었으며, 사용조건에 따라 적합한 태양전지가 사용되고 있다[2]. Fig.
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참고문헌 (15)

  1. Miro Zeman, "New trends in thin-film silicon solar cell technology," ASDAM, 2002, pp. 353-362. 

  2. Sik, B.D., "Trends of the solar cell technology," KCERS, 2010, pp. 20-27. 

  3. Peter L.M. Phill. Trans. R. Soc. A 2011;369;1840-1856. 

  4. Nijs, J.F., Szlufcik, J., Poormans, J., Sivoththaman, S., and Mertens, R.P., "Advanced cost-effective crystalline silicon solar cell technologies," Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 65, Issues 1-4, 2001, pp. 249-259. 

  5. Razykov, T.M., Ferekides, C.S., Morel, D., Stefanakos, E., Ullal, H.S., and Upadhyaya, H.M., "Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects," Solar Energy, Vol.85, Issues 8, 2011, pp. 1580-1608. 

  6. Noth, A., Siegwart, R., and Engel, W., "Design of solar powered airplanes for continuous flight," Autonomous System Laboratory, 2007, Ver.1.1. 

  7. Frulla, G., and Cestino, E., "Design, manufacturing and testing of a HALE-UAV structural demonstrator," Composite Structures, Vol. 83, Issues 2, 2008, pp. 143-153. 

  8. Kim, J.C., Choi, I.H., Kim, D.H., and Cheong, S.K., "Development of single crystalline silicon solar cells lay-downprocess on composites," 18th ICCM, 2011. 

  9. Lee, Y.S., Kim, J.C., Lee, J.H., Choi, I.H., Kim, D.H., and Cheong, S.K., "Failure characteristics of the solar cell bonded on the CFRP laminate by co-curing process," 한국복합재료학회 추계학술대회, 2010.10, pp. 306-310. 

  10. Jenny Nelson, "The physics of solar cells," Imperial College Press, 2003, pp. 177-198. 

  11. Govaerts, J., Robbelein, J., Gonzalez, M., Gordon, I., and Baert, K., "Development an advanced module for back-contact solar cells," IEEE TRANSACTION ON COMPONENTS, Vol. 1, No. 9, 2011, pp. 1319-1327. 

  12. Maung, K.Jason, Hahn,, H.Thomas, and Ju, Y.S., "Multifunctional integration of thin-film silicon solar cells on carbon-fiber-reinforced epoxy composites," Solar Energy, Vol. 84, Issues 3, 2010, pp. 450-458. 

  13. Kim, J.C., Lee, Y.S., Lee, J.H., Choi, I.H., Kim, D.H., and Cheong, S.K., "A study on the solar cell lay-down for solar powered aircraft using secondary-bonding method," 대한기계학회 추계학술대회, 2010.11, pp. 399-403. 

  14. Aberle, A.G., Wenham, S.R., and Green, M.A., "A new method for accurate measurements of the lumped series resistance of solar cells," Photovoltaic Specialists Conference, Issues 10-14, 1993, pp. 133-139. 

  15. Geoffrey, A.Landis, "High-temperature solar cell development," NASA John Glenn Research Center, 2005, pp. 241-247. 

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