[논문]단결정, 다결정 실리콘 태양전지의 전기적 특성 분석

홍창우; 최용성; 이경섭; 조수영

doi:10.4313/jkem.2011.24.9.744

[국내논문] 단결정, 다결정 실리콘 태양전지의 전기적 특성 분석
Analysis of Electrical Characteristics for Single Crystalline and Poly-crystalline Solar Cell 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.9, 2011년, pp.744 - 749

홍창우 (동신대학교 전기공학과) , 최용성 (동신대학교 전기공학과) , 이경섭 (동신대학교 전기공학과) , 조수영 (성화대학교 항공전기전자과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, annual usage of energy is dramatically increasing because industrialization is going faster and more electricity is needed due to various electronic devices. This study focused on the performance characteristics of solar cell using the impedance technique. The experiment measured an impedance according to frequency's from 2 mHz until 1 MHz. It could know that the impedance was decreased according to the frequency increases in solar cell. The imaginary part was changed from capacitance component to inductance component.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 태양전지의 효율을 높이기 위하여 임피던스 측정기를 이용하여 주파수 변화에 따른 전력패턴을 분석하고, 내부적 요인인 저항 성분, 캐패시터 성분, 리액턴스 성분에 대하여 연구하였다. 리액턴스의 경우 태양전지 내부의 원인이 아닌 태양광모듈과 임피던스 측정기를 연결할 때 나타난 성분이다.
본 논문에서는 단결정, 다결정 실리콘 태양전지의 전기적 특성을 분석하였으며, 태양전지의 효율을 감소시키는 원인인 임피던스에 대한 연구하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

이 실험의 시스템은 단결정, 다결정 태양광전지, 임피던스 측정기, 할로겐램프, 오실로스코프로 이루어져 있다. 본 실험에 사용한 태양전지의 내부저항의 정확한 측정을 위하여 임피던스 측정기와 모듈의 접속선을 최대한 짧게 하여 측정하였다. 할로겐램프와 모듈 간의 거리를 40 cm, 30 cm, 20 cm, 10 cm로 변화를 주며 측정한 조도의 세기는 40 cm 경우 121.
본 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.
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.
표 2는 실험에 사용된 장치 사양을 나타내고 있다. 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 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 측정하였다. 이 밖의 측정 조건은 온도 29℃, 습도 18%를 유지하였다.
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 lux이었다.
그림 5는 태양전지에 빛의 세기가 515 [lux]일 때 임피던스 측정기를 이용하여 주파수 변화에 따른 전기적 특성을 나타낸 결과이다. 주파수 변화를 0.02 Hz에서 1 MHz까지 변화시키며 측정하였다. 주파수가 0.
그림 6은 태양전지에 빛의 세기가 437 lux일 때 임피던스 측정기를 이용하여 주파수 변화에 따른 전기적 특성을 나타낸 그림이다. 주파수 변화를 0.02 Hz에서 1 MHz까지 변화를 주면 측정하였다. 주파수가 0.
그림 7은 태양전지에 빛의 세기가 210 lux일 때 임피던스 측정기를 이용하여 주파수 변화에 따른 전기적 특성을 나타낸 그림이다. 주파수 변화를 0.02 Hz에서 100 Hz까지 변화를 주며 측정하였다. 주파수가 0.
9 lux일 때 임피던스 측정기를 이용하여 주파수 변화에 따른 전기적 특성을 분석한 결과이다. 주파수 변화를 0.02 Hz에서 100 Hz까지 변화를 주면 측정하였다. 주파수가 0.

대상 데이터

본 실험에 쓰인 태양전지는 100×100 mm² 크기의 단결정 Si 태양전지이다.
이 실험의 시스템은 단결정, 다결정 태양광전지, 임피던스 측정기, 할로겐램프, 오실로스코프로 이루어져 있다. 본 실험에 사용한 태양전지의 내부저항의 정확한 측정을 위하여 임피던스 측정기와 모듈의 접속선을 최대한 짧게 하여 측정하였다.
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.

성능/효과

그림 9(a)는 단결정 태양전지의 충 ⦁ 방전상태의 V_max, V_T, 저항과 시정수와의 관계를 나타낸 결과이다. 저항이 증가함에 따라 V_max , V_T는 감소하였으며, 시정수는 5 Ω까지 증가하다 저항이 5 Ω 이상으로 증가시 급격하게 시정수 값이 감소함을 알 수 있다. 이는 저항이 커질수록 시정수가 줄어들어 인가전압에 좀더 빨리 도달함을 알 수 있다.
1. 임피던스는 저주파 영역에서 고주파 영역으로 갈수록 저항이 감소함을 나타내었다.
2. 어느 일정 주파수영역에서 최소 임피던스 값을 나타낸 후 그 주파수 영역을 벗어나면 임피던스 값이 증가함을 보였다.
3. 태양전지는 반도체 소자로써 빛의 세기가 강해지면 모듈의 온도가 증가함에 따라 전도대로 전이되는 전자가 늘어나 전도성이 좋아져 전자가 증가하여 보다 높은 효율을 나타내었다.
4. 주파수가 고주파에서 저주파로 변함에 따라 용량성 리액턴스와 유도성 리액턴스의 변화를 알 수 있었다.
5. 고주파 영역에서는 유도성 리액턴스의 영향으로 반원을 그리며 변화한다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

외부적인 조건을 통해 효율을 높이는 것도 중요하지만 내부적인 요인을 찾아 효율을 높이는 것 또한 중요하다. 이처럼 많은 연구를 통해 신재생에너지원의 장점을 부각시키고 화석에너지원에 비해 효율을 높여 화석에너지의 발전량을 줄이고 신재생에너지의 발전량을 증가하여 보다 쾌적한 환경을 만들어 나가야할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지의 효율을 감소시키는 요인은?	태양광발전의 경우 넓은 부지를 필요로 하며 일사량에 의존하는 발전방식이므로 날씨에 많은 영향을 받으며 효율에 있어서 화석연료에 비해 효율이 떨어지는 건 사실이다. 태양전지의 효율을 감소시키는 요인에는 표면에서 빛이 반사되거나 흡수되지 않을 때 생기는 광학적 손실, 재결합 손실, 각종 저항성분에 의한 손실 등 여러 가지가 있다. 이러한 요인을 비교해 볼 때 아직까지 화석연료를 대신 할 만큼의 효율이 나오고 있지 않아 화석에너지를 주 에너지원으로 사용하는 것이 현재 실정이다 [3].
	태양전지가 친환경 대체에너지원인 이유는?	현재 그린에너지를 중요시하는 이 시점에서 신재생에너지원으로 태양광발전, 풍력발전, 연료전지, 바이오에너지, 소수력 등 여러 가지 에너지원이 연구 및 개발 중에 있다 [1]. 이 중 태양전지의 경우 태양이 있는 한 외부전원을 필요치 않고 발전할 수 있으며 환경오염 문제에 있어 전혀 문제점이 없는 대표적인 친환경 대체에너지원이라 할 수 있다.
	대체에너지원인 태양광 발전의 단점은?	이처럼 많은 태양광 발전시스템의 설치가 늘어남에 따라 문제점 또한 나타나고 있다. 태양광발전의 경우 넓은 부지를 필요로 하며 일사량에 의존하는 발전방식이므로 날씨에 많은 영향을 받으며 효율에 있어서 화석연료에 비해 효율이 떨어지는 건 사실이다. 태양전지의 효율을 감소시키는 요인에는 표면에서 빛이 반사되거나 흡수되지 않을 때 생기는 광학적 손실, 재결합 손실, 각종 저항성분에 의한 손실 등 여러 가지가 있다.

참고문헌 (6)

T. Lambert, P. Gilman, and P. Lilienthal, Integration of Alternative Sources of Energy (John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2006) p. 415.
P. Campbell and M. A. Green, J. Appl. Phys., 62, 243 (1987).

상세보기
S. S. Kim, D. G. Lim, D. Y. Kim, J. M. Kim, C. Y. Won, and J. S. Yi, J. KIEEME, 10, 1034 (1997).
W. A. Lynch and M. Salameh, Sol. Energy, 45, 65 (1990).

상세보기
N. H. Reich, W. G. J. H. M. van Sark, W. C. Turkenburg, Renew. Energ., 36, 642 (2011).

상세보기
R. Garcia-Valverde, C. Miguel, R. Martinez-Bejar, and A. Urbina, Int. J. Hydrog. Energy, 33, 5352 (2008).

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