[논문]단결정 실리콘 태양전지 최적 운전조건을 위한 전기적 특성 분석

김지웅; 최용성; 이경섭; 조수영; 황종선

doi:10.4313/jkem.2011.24.8.654

[국내논문] 단결정 실리콘 태양전지 최적 운전조건을 위한 전기적 특성 분석
Analysis of Electrical Properties for Optimal Operating Conditions of Mono-crystalline Si Solar Cell 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.8, 2011년, pp.654 - 658

김지웅 (동신대학교 전기공학과) , 최용성 (동신대학교 전기공학과) , 이경섭 (동신대학교 전기공학과) , 조수영 (성화대학 항공전기전자과) , 황종선 (전남도립대학 신재생에너지전기과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper was investigated the electrical properties for optimal operating conditions of monocrystalline silicon solar cell. The output of electricity for monocrystalline solar cell was investigated according to the distances between solar cell and halogen lamp and to the resistances by the variabl...

주제어

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문제 정의

할로겐램프와 태양전지간 거리가 가까워질수록 할로겐램프에서 방사되는 열에 의해 전지의 온도도 상승하게 된다. 따라서 램프-전지 간 거리가 가까워질수록 일사량뿐만 아니라 온도에 의해서도 출력이 상승하게 됨을 알 수 있으나, 본 실험에서는 이러한 영향을 무시하고 실험하였다.
본 실험에 쓰인 할로겐램프는 스펙트럼을 분석하였을 때 그림 2에서 보이는 것처럼 자연 태양광과 오차가 발생하게 된다. 따라서 이 오차를 보정해야 하지만, 본 실험은 파장에 따른 출력을 측정한 것이 아니라 빛의 세기에 따른 출력의 대소만을 비교하였기 때문에 이를 무시하였다.
본 논문은 단결정 실리콘 태양전지의 최대전력 전달조건을 찾기 위한 기초 연구로서 거리 및 외부저항에 따른 전류-전압 특성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
태양전지의 내부 전기적 특성을 평가하기 위하여 단결정 실리콘 태양전지에 할로겐 램프을 이용하여 빛을 조사하며 측정한 결과이다. 태양전지와 할로겐램프 거리를 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm로 각각 변화를 주었다.

가설 설정

3. 빛의 세기가 세질수록 포화되는 광전류의 크기가 커진다. 또한 광전류의 크기는 방출된 전자의 수와 비례하므로 결국 빛의 세기는 방출되는 전자의 수와 비례한다고 생각할 수 있다.

제안 방법

또한, 태양전지와 광원 사이의 거리를 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm로 변화를 주었다. 각 거리에서 외부저항 값을 바꾸어 가며 측정함으로써 거리에 따른 단결정 실리콘 태양광 전지의 출력 전압 및 전력을 측정 하였다. 이 밖의 측정 조건은 온도 29℃, 습도 18%를 유지하였다.
본 논문에서는 태양전지에 외부저항을 직렬로 연결하여, 그 외부저항에 걸리는 전압-전류를 측정해서 출력전력을 구하였다. 그런 뒤, 최대전력전달조건 (Z_S: 내부 임피던스, Z_L: 부하임피던스일 때, Z_S=Z_L이면 출력은 최대가 된다는 이론)에 의하여 외부임피던스와 출력전력과의 관계를 토대로 내부임피던스를 유추해서 태양 전지의 회로 상 최적운전조건을 구하기 위해 광원과 태양전지 간의 거리에 따른 I-V특성을 측정하였다.
먼저, 외부 저항에 따른 단결정 실리콘 태양광 전지의 출력 전압 및 전력을 측정하기 위하여 태양전지와 가변저항을 직렬 연결하였다. 그리고 전류계를 가변저항과 직렬연결하고 전압계를 병렬 연결하여 외부저항에 대한 전류와 전압을 측정할 수 있도록 하였다. 광원은 230 V, 100 W의 할로겐램프를 사용하였으며 가변저항의 조정범위는 100 Ω, 50 Ω, 20 Ω, 10 Ω, 5 Ω, 3 Ω, 2 Ω, 1 Ω, 0.
3 Ω이다. 동일한 거리에서 가변저항을 이용하여 저항을 변화시켜가며 출력 전압과 전류를 측정 후, P=VI 라는 식을 이용하여 출력 전력을 측정하였다.
또한, 태양전지와 광원 사이의 거리를 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm로 변화를 주었다. 각 거리에서 외부저항 값을 바꾸어 가며 측정함으로써 거리에 따른 단결정 실리콘 태양광 전지의 출력 전압 및 전력을 측정 하였다.
실험에 쓰인 태양전지는 100×100 mm² 크기의 단결정 Si 태양전지이다. 먼저, 외부 저항에 따른 단결정 실리콘 태양광 전지의 출력 전압 및 전력을 측정하기 위하여 태양전지와 가변저항을 직렬 연결하였다. 그리고 전류계를 가변저항과 직렬연결하고 전압계를 병렬 연결하여 외부저항에 대한 전류와 전압을 측정할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 태양전지에 외부저항을 직렬로 연결하여, 그 외부저항에 걸리는 전압-전류를 측정해서 출력전력을 구하였다. 그런 뒤, 최대전력전달조건 (Z_S: 내부 임피던스, Z_L: 부하임피던스일 때, Z_S=Z_L이면 출력은 최대가 된다는 이론)에 의하여 외부임피던스와 출력전력과의 관계를 토대로 내부임피던스를 유추해서 태양 전지의 회로 상 최적운전조건을 구하기 위해 광원과 태양전지 간의 거리에 따른 I-V특성을 측정하였다.
이 밖의 측정 조건은 온도 29℃, 습도 18%를 유지하였다. 조도는 태양전지 중심에서 측정하였으며, 태양전지와 광원 사이의 거리가 20 cm일 때는 330 lux, 30 cm일 때는 132 lux, 40 cm일 때는 99 lux, 50 cm일 때는 53 lux였다. 표 1은 실험에 사용된 장치 사양을 나타내고 있다.
태양전지의 내부 전기적 특성을 평가하기 위하여 단결정 실리콘 태양전지에 할로겐 램프을 이용하여 빛을 조사하며 측정한 결과이다. 태양전지와 할로겐램프 거리를 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm로 각각 변화를 주었다. 태양전지의 전기적 특성을 분석하기 위하여 가변저항을 이용하여 동일한 거리에서 저항을 100 Ω, 50 Ω, 20 Ω, 10 Ω, 5 Ω, 3 Ω, 2 Ω, 1 Ω, 0.

대상 데이터

광원은 230 V, 100 W의 할로겐램프를 사용하였으며 가변저항의 조정범위는 100 Ω, 50 Ω, 20 Ω, 10 Ω, 5 Ω, 3 Ω, 2 Ω, 1 Ω, 0.5 Ω, 0.3 Ω이다.
이 중 실리콘 태양전지가 현재 상용화되고 있으며 광전변환 효율이 우수한 이점이 있다 [7]. 본 실험에 쓰인 태양전지는 단결정 Si 태양전지이다. Si를 깨끗하게 정제시켜주면 그것이 진성 반도체가 되고, 여기에 최외각 전자가 5개짜리 원소를 도핑 시켜주면 N형 반도체가 된다.
실험에 쓰인 태양전지는 100×100 mm² 크기의 단결정 Si 태양전지이다.

성능/효과

1. 태양전지와 광원 간의 거리가 가까워질수록 조도가 높아졌다. 20 cm에서는 330 lux, 30 cm에서는 132 lux, 40 cm에서는 99 lux, 50 cm에서는 53 lux였다.
2. 본 실험에 쓰인 단결정 Si 태양전지는 외부저항이 아무리 증가하여도 출력 전압은 2.1 V∼2.2 V를 초과하지 않았다.
태양전지의 전기적 특성을 분석하기 위하여 가변저항을 이용하여 동일한 거리에서 저항을 100 Ω, 50 Ω, 20 Ω, 10 Ω, 5 Ω, 3 Ω, 2 Ω, 1 Ω, 0.5 Ω, 0.3 Ω으로 변화시켜 가며 측정한 결과 태양전지와 광원간 거리 50 cm에서는 외부 저항이 10 Ω일 때 0.32 W의 최대전력이 나타났으며, 40 cm일 때는 5 Ω 일 때 0.49 W, 30 cm일 때는 3 Ω일 때 0.77 W, 20 cm일 때는 2 Ω일 때 1.08 W의 최대 출력값이 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화석연료를 사용하는 에너지 발전의 문제점은?	오늘날까지 전 세계 에너지 수요의 대부분은 석유, 석탄, 그리고 천연가스와 같은 화석연료의 연소에 의해 충족되어 왔다. 그러나 유한한 매장량의 화석 연료는 급격히 고갈되고 그것들의 연소는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 대기 중에 축적시키며 지구온난화를 가속하여 기후변화 등의 심각한 문제를 야기하고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 이산화탄소의 발생을 억제해야할 뿐만 아니라, 태양, 풍력, 수력, 조력 및 지열에너지와 같은 신재생에너지원의 시급한 개발이 필요하다.
	오늘날까지 전 세계 에너지 수요의 대부분은 무엇에 의해 충족되어 왔는가?	오늘날까지 전 세계 에너지 수요의 대부분은 석유, 석탄, 그리고 천연가스와 같은 화석연료의 연소에 의해 충족되어 왔다. 그러나 유한한 매장량의 화석 연료는 급격히 고갈되고 그것들의 연소는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 대기 중에 축적시키며 지구온난화를 가속하여 기후변화 등의 심각한 문제를 야기하고 있는 실정이다.
	신재생에너지원에는 어떤 것들이 있는가?	그러나 유한한 매장량의 화석 연료는 급격히 고갈되고 그것들의 연소는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 대기 중에 축적시키며 지구온난화를 가속하여 기후변화 등의 심각한 문제를 야기하고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 이산화탄소의 발생을 억제해야할 뿐만 아니라, 태양, 풍력, 수력, 조력 및 지열에너지와 같은 신재생에너지원의 시급한 개발이 필요하다. 다행스럽게도 현재까지 알려진 청정 에너지원 중에서 태양 에너지는 차세대 에너지원으로 커다란 가능성을 보여주고 있다 [1-3].

참고문헌 (11)

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S. T. Kim, C. H. Park, G. H. Kang, W. C. K. Lawrence, H. K. Ahn, G. J. Yu, and D. Y. Han, J. KIEEME, 21, 12 (2008).

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A. D. Pasquier, S. Miller, and M. Chhowalla, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 90, 1828 (2006).

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