[논문]고효율 태양전지모듈의 성능측정 방법

김경수; 강기환; 유권종; 윤순길

doi:10.7836/kses.2011.31.1.093

고효율 태양전지모듈의 성능측정 방법
Performance Measurement Method of Several Types of Photovoltaic Module Depending on Efficiency 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.31 no.1, 2011년, pp.93 - 99

김경수 (한국에너지기술연구원) , 강기환 (충남대학교 재료공학과) , 유권종 (충남대학교 재료공학과) , 윤순길 (충남대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To guarantee more exact maximum power of solar cell module, it is absolutely required to have performance characteristics of various solar cells. Today, there are many types of solar simulator for large area measurement. But it is very opaque how to select the best one for various solar cell module like crystalline silicon solar cell, high efficiency solar cell, amorphous silicon thin film solar cell, CdTe and CIGS solar cell module. So, in this paper 4 types of photovoltaic module were selected to compare the electrical characteristics by changing light pulse duration time and voltage scan direction. Light pulse duration time was varied from 10msec to 800msec. And two types of voltage scan directions, Voc->Isc and Isc->Voc were selected. From this results, optimum measuring condition was suggested and electrical variation was analysed for each types of solar cell module. The detail description is specified as the following paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 인공광원의 Pulse Duration Time과 Voltage Scan Direction 변화에 따른 태양전지의 기술에 따른 반응 특성을 관찰하였으며 이를 통하여 적합한 쏠라시뮬레이터 선택의 기준을 제안하였다.
따라서 본 논문에서는 최근 개발되고 있는 다른 기술로 제작된 4종류의 태양전지모듈을 이용하여 PulseDurationTime및 Voltage Scan Direction등을 변화하여 최대출력(Pmax), 개방전압(Voc) 및 단락전류(Isc)등의 태양전지모듈의 특성을 비교하였으며 이를 통하여 적합한 쏠라시뮬레이터 선택에 기본적인 정보를 제공하고자 하였다.
본 논문에서는 결정질실리콘태양전지,고효율 태양전지(HIT,후면전극), 실리콘 박막 태양전지모듈을 이용하여 Pulse Duration Time과 Voltage Scan Direction 변화에 따른 태양전지의 기술에 따른 반응 특성을 관찰하였다.
본 논문을 통하여 태양전지모듈의 기술에 따른 효율 및 전기적 파라미터를 측정하고자 하는 분야에 기본적인 정보를 제공함으로 올바른 제품 선택의 길잡이가 되고자 하였다.

제안 방법

Pulse Duration Time 및 Scan Direction 의존도에 따른 출력 특성 변화를 관찰하기 위하여 최대 모듈 사이즈 1.5m x 2.0m까지 측정가능하며 방사균일도 ±2%, 방사안정도가 ±2%인 A급 Long-Pulse Solar Simulator (일본 W社)를 사용하였으며 측정조건은 측정 온도 25℃, AM(AirMass)1.5,방사조도 1kW/m2 조건에서 미국 VLSI社에서 검교정된 기준셀을 이용하여 I-V curve를 측정하였다.
구조는 그림 2과 같은 형태의 단일접합구조(Single Junction) 태양전지를 후면 EVA와 Backsheet를 라미네이션 공정을 통하여 모듈화 하였다. 사양은 아래 표 2와 같다.
그리고 Voltage Scan형태는 그림 7에서와 같이 Voc->Isc방향의 경우와 Isc->Voc방향으로 Scan Direction을 달리하여 측정 방식에 따른 차이를 확인하였다.
본 실험에서는 Pulse Duration Time을 10msec, 20msec, 30msec, 40msec, 50msec, 60msec, 100msec, 300msec, 500msec, 800msec로 점진적으로 시간을 변화하며 Voltage Scan 형태에 따른 Voc(개방전압), Isc(단락전류), Pmax(최대출력)의 변화를 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용되어진 태양전지모듈은 총 4종류로 아래와 같다.
일본 S社에서 제작된 것으로 HIT의 구조의 170W급의 태양전지모듈이며 표 4와 같은 전기적 특징을 가지고 있다.
Back Sheet의 형태로 라미네이션 공정을 이용하여 제작되었으며 사양은 아래 표 1과 같다. 태양전지는 다결정 실리콘 태양전지를 사용하였으며 모듈은 200W급이다.

성능/효과

(1) Type의 다결정 실리콘 태양전지모듈의 경우 그림 8와 같이 Pmax값은 최대 1.3%의 측정 차이를 보였으며 Voc 및 Isc는 0.5%의 이내로 Pulse Duration Time과 Scan Direction에 따라서 큰 차이를 보이지 않았다.
(2) Type의 비정질 실리콘 박막 태양전지모듈의 경우 그림 9의 결과처럼 Pmax값은 최대 2.1%, Voc 및 Isc는 1%의 측정 차이를 나타내었다.
(3) Type의 고효율 후면전극 태양전지모듈의 경우 그림 10의 결과처럼 Pmax값은 Pulse Duration Time이 최소 50msec이상에서 Voltage Scan Direction에 무관하게 동일한 최대 출력 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 그리고 Pulse Duration Time이 50msec 미만의 시간에서는 최대 9.
(4) Type의 HIT구조의 태양전지모듈의 경우 그림 11의 결과처럼 Pmax값은 Pulse Duration Time이 최소 60msec이상에서 Voltage Scan Direction에 무관하게 동일한 최대 출력값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 그리고 Pulse Duration Time이 60msec미만의 시간에서는 최대 13.
국내외 생산 업체 및 연구소에서는 300msec이상의 Pulse Duration Time이 가능한 장비와 결정질 실리콘 태양전지에 Filter를 덮은 상태로 레퍼런스 태양전지를 이용하여 최대 출력 측정을 하고 있다. 그러나 본 실험을 통하여 확인한 결과 Pulse Duration Time의 영향은 미미하며 아래 그림과 같이 초기 레퍼런스 모듈을 이용하여 레퍼런스 태양전지의 전기적 사양을 매칭을 하게 되면 그림 12와 같이 10msec(KIER)와 300msec(U社)의 Pulse Duration Time을 가지는 두 종류의 쏠라시뮬레이터에서 0.5%이내의 오차범위에서 측정이 가능함을 확인할 수 있었다.
그러나 비정질 실리콘 박막 태양전지모듈의 경우 Pmax값은 최대 2.1%을 보였으며 이는 Pulse Duration Time의 영향은 미미하여 레퍼런스 태양전지의 전기적 사양을 매칭을 하게 되면 비록 10msec의 Pulse Duration Time을 가지는 시뮬레이터에서 0.5%이내의 오차범위에서 측정이 가능함을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 최소 60msec의 Pulse Duration을 가지는 쏠라시뮬레이터라면 현재 기술의 태양전지 측정에 어려움 없이 측정 가능할 것으로 예상된다.
(4) Type의 HIT구조의 태양전지모듈의 경우 그림 11의 결과처럼 Pmax값은 Pulse Duration Time이 최소 60msec이상에서 Voltage Scan Direction에 무관하게 동일한 최대 출력값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 그리고 Pulse Duration Time이 60msec미만의 시간에서는 최대 13.5%의 측정 오차가 발생함을 알 수 있었다. 이는 그림 11에서와 같이 Vmp 및 Imp의 값이 Voltage Scan Direction에 따른 측정 결과의 차이로 기인하는 것이다.
이를 통하여 고효율 태양전지(C Type, D Type)의 경우 최소 50msec∼60msec의 Pulse Duration이 필요하였고 그 이하의 경우 최대 출력(Pmax)값을 측정하여 비교할 경우 최대 9.4%∼13.5%의 출력 오차가 발생할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

5%이내의 오차범위에서 측정이 가능함을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 최소 60msec의 Pulse Duration을 가지는 쏠라시뮬레이터라면 현재 기술의 태양전지 측정에 어려움 없이 측정 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지모듈은 보통 어떤 공정을 거쳐 제작되는가?	태양전지모듈은 태양전지를 외부의 기계적, 전기적 및 재료적으로 다양한 외부 스트레스로부터 보고하기 위하여 보통 라미네이션(lamination)공정을 거쳐 제작한다. 국내의 경우 모듈의 최대출력(Pmax)는 공칭규격 이상이어야 하며, 평균을 기준으로 ±3% 범위에 분포되어야 출력에 대한 적합한 제품으로 판정된다.
	국내의 태양전지 모듈의 적합한 제품 판정 기준은 무엇인가?	태양전지모듈은 태양전지를 외부의 기계적, 전기적 및 재료적으로 다양한 외부 스트레스로부터 보고하기 위하여 보통 라미네이션(lamination)공정을 거쳐 제작한다. 국내의 경우 모듈의 최대출력(Pmax)는 공칭규격 이상이어야 하며, 평균을 기준으로 ±3% 범위에 분포되어야 출력에 대한 적합한 제품으로 판정된다. 그러나 기술적인 진보에 의하여 기존의 bulk형의 결정질 실리콘 태양전지뿐 아니라 CdTe, a-Si, CIGS, HIT, 후면전극 형태의 태양전지가 개발 및 상용화가 되고 있다.
	태양전지와 모듈의 기술적인 진보를 이끌어낸 것은 무엇인가?	기존 저효율의 결정질 실리콘 태양전지가 태양광산업을 주도하고 있었으나 최근 수년 사이에 고효율의 태양전지 및 박막태양전지 등 다양한 기술로 개발된 제품이 대량 생산되고 있다. 이는 태양전지 및 이를 이용한 태양전지모듈의 효율 및 전기적 성능 측정에 기술적인 진보를 이끌어내었다.

참고문헌 (5)

Yshihiro HISHIKAWA, "Precise Performance MeasurementofHigh-Efficiency Crystalline Silicon Solar Cells", IEEE, p.1279-1282, 2006
Frederik C. Krebs, "A roundrobinstudy of flexible large-areroll-to-rollprocessed polymer solar cell modules", Solar Energy Materials & Solar Cell 93 (2009)1968-1977

상세보기
Arivid van der Heide, "comparision between large reference cells calibrated by ESTI-JRC, NREL and PTB, performed at ECN", 20th EU-PVSEC Conference
KS C IEC 60904-1- IEC60904-10
KS C IEC 60904-1- IEC60904-10

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