[논문]결정질 태양전지의 Micro-crack 패턴에 따른 PV모듈의 전기적 특성에 관한 연구

송영훈; 강기환; 유권종; 안형근; 한득영

doi:10.5370/kiee.2012.61.3.407

[국내논문] 결정질 태양전지의 Micro-crack 패턴에 따른 PV모듈의 전기적 특성에 관한 연구
A Study on the Electrical Characteristics of Photovoltaic Module Depending on Micro-Crack Patterns of Crystalline Silicon Solar Cell 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.3, 2012년, pp.407 - 412

송영훈 (건국대학교 전기공학과) , 강기환 (한국에너지기술연구원 태양에너지연구단) , 유권종 (한국에너지기술연구원 태양에너지연구단) , 안형근 (건국대학교 전기공학과) , 한득영 (건국대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the process of thermal-induced growth of micro-crack developed at the crystalline solar cell using EL image, determined the output characteristic according to the pattern of micro-crack, analyzed the I-V characteristic according to the pattern of crack growth, and predicted the output value using simulation. The purpose of this study was, therefore, to investigate the process of thermal-induced growth of micro-crack developed at the early stage of PV module completion using EL image, to analyze the resulting decrement of output and predict the output value using simulation. It was observed that the crack grew increasingly by the thermal condition, and accordingly the lowering of output was accelerated. The output values of crack patterns with various direction were predicted using simulation, resulting in close I-V curve with only around 4% of error rate. It is considered that it is possible to predict the electric characteristic of solar cell module using only pattern of micro-crack occurred at solar cell based on our results.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 논문에서는 PV모듈의 태양전지에 생성된 micro-crack의 성장 원인에 대해 살펴보고, 결정질 태양전지의 micro-crack 패턴을 EL image를 통해 분석하고 이를 시뮬레이션 하여 그 출력 값을 예측하고자 하였다.
본 논문에서는 micro-crack을 내포하고 있는 태양전지가 PV모듈로서 옥외에 노출되었을 때 crack이 성장하는 원인에 대해 알아보고, crack 패턴 형상에 따른 전기적 출력 특성을 분석하여 모델링 값과 그 출력 값을 비교하였다.

가설 설정

하지만 finger 전극을 따라 모인 전하들은 busbar 전극과 붙어있는 외부 도선인 리본 도선을 따라 ①번 영역과 ②번 영역에서 각각 수집된 전하들이 원활히 이동하게 될 것이다. 즉, 리본도선에 의해 태양전지는 병렬회로가 되어 전압은 일정하게 유지되고, 전류는 I_① + I_② = I_total = I_out과 같게 되어 출력에는 큰 변화가 없을 것이다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 crack을 3가지 패턴으로 가정하여 수학적 모델링을 유도해 보았다.
또한, 결정질 태양전지의 전면 금속 전극은 태양전지에서 생성된 전하를 효율적으로 수집 하기위한 최적의 패턴으로 설계되어 crack과의 상호 패턴에 따라서 전하의 수집양이 달라진다. 따라서 본 논문에서는 crack의 방향에 기인하여 세 가지 패턴 형상으로 분류하고 이를 시뮬레이션 하여 I-V Curve를 얻었다. 이때 실제 측정된 출력 값 대비 시뮬레이션 오차율은 3% 내외의 매우 근접한 결과를 얻을 수 있었다.

데이터처리

따라서 태양전지 micro-crack이 적용된 PV모듈의 실측값과 EL image로 관찰하여 세 가지 패턴 형상으로 기인한 시뮬레이션 결과는 그림 10과 같이 비교하였다.

성능/효과

위와 같이 비교한 결과 실제 측정된 출력 값 대비 시뮬레이션 오차율은 3% 내외의 결과를 얻을 수 있었다.
표 1에서 확인할 수 있듯이 패턴을 분류하여 모델링한 값과 실측한 값의 차이는 크게 4% 내외로 매우 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 실측값과 시뮬레이션 결과 값이 오차를 갖는 이유는 육안으로 확인되지 않은 비활성 영역 면적의 누락과 성장 중에 있는 micro-crack의 저항 성분에 의한 것으로 사료된다.
표 1에서 확인할 수 있듯이 패턴을 분류하여 모델링한 값과 실측한 값의 차이는 크게 4% 내외로 매우 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 실측값과 시뮬레이션 결과 값이 오차를 갖는 이유는 육안으로 확인되지 않은 비활성 영역 면적의 누락과 성장 중에 있는 micro-crack의 저항 성분에 의한 것으로 사료된다.
따라서 본 논문에서는 crack의 방향에 기인하여 세 가지 패턴 형상으로 분류하고 이를 시뮬레이션 하여 I-V Curve를 얻었다. 이때 실제 측정된 출력 값 대비 시뮬레이션 오차율은 3% 내외의 매우 근접한 결과를 얻을 수 있었다.실측값과 시뮬레이션 결과에서의 오차는 육안으로 확인되지 않은 비활성 영역 면적의 누락에 의한 것이라 사료된다.

후속연구

본 연구를 통해 얻은 결과로 볼 때 태양전지의 micro-crack은 온도 변화에 따른 열적 스트레스에 의해 지속적으로 성장된 것을 확인하였으며, 이러한 영향을 줄이기 위해서는 PV모듈에 사용되는 구성 재료들의 열적 안정성이 고려되어야 할 것이며, 열팽창을 고려한 PV모듈 구조의 최적 설계가 필요하다고 판단된다. 또한 본 논문에서 제안한 세 가지 패턴을 적용하여 초기 micro-crack의 EL image를 분석한다면 전기적 출력 변화가 예측 가능할 것으로 기대된다.
본 연구를 통해 얻은 결과로 볼 때 태양전지의 micro-crack은 온도 변화에 따른 열적 스트레스에 의해 지속적으로 성장된 것을 확인하였으며, 이러한 영향을 줄이기 위해서는 PV모듈에 사용되는 구성 재료들의 열적 안정성이 고려되어야 할 것이며, 열팽창을 고려한 PV모듈 구조의 최적 설계가 필요하다고 판단된다. 또한 본 논문에서 제안한 세 가지 패턴을 적용하여 초기 micro-crack의 EL image를 분석한다면 전기적 출력 변화가 예측 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 결정질 태양전지를 여러 장의 태양전지를 직렬연결 후 모듈화하여 사용하는 이유는 무엇인가?	실리콘 결정질 태양전지는 200㎛ 내외의 얇은 기판으로 연성이 작아 약한 충격에도 쉽게 파손되며 태양전지 한 장은 약 0.6V의 매우 낮은 출력을 갖기 때문에 여러 장의 태양전지를 직렬연결 후 모듈화 하여 사용 한다.
	태양전지는 외부에 노출되어 발전을 수행하는 동안 무엇에 의해 micro-crack이 생성될 수 있는가?	얇은 결정질 웨이퍼가 태양전지, 모듈로 완성되기까지는 수많은 공정을 요하게 되는데 이때 지속적으로 받게 되는 기계적 스트레스에 의해 태양전지는 micro-crack이 발생될 수 있다. 또한 외부에 노출되어 발전을 수행하는 동안 눈, 비, 바람, 우박과 같은 자연환경에 의해 micro-crack이 생성될 수 있으며 더욱이 이런 영향으로 인해 crack으로 성장하게 된다.[1]
	micro-crack이 있는 PV모듈도 정상모듈로 소비자에게 공급되는 이유는 무엇인가?	PV모듈 내부에 생성된 태양전지 micro-crack은 수㎛ 내·외의 실금 형태로 육안으로는 식별이 어렵고 초기 전기적 출력 값 또한 안정적이어서 정상 모듈로 소비자에게 공급된다. 하지만 태양전지를 직렬 회로로 구성하고 있는 PV모듈 특성상 micro-crack을 내포하고 있는 태양전지는 장기적으로 crack으로 성장하여 모듈에 출력 부정합(mismatch)을 가져와 단일 모듈은 물론 시스템 전체적으로 발전 성능에 영향을 주게 되며, micro-crack을 내포하고 있는 태양전지는 열점 현상으로 인해 노화 현상이 가속되어 모듈 수명을 단축시키는 주요 원인이 될 수 있다.

참고문헌 (6)

송영훈, 강기환, 유권종, 안형근, 한득영 "PV모듈에서 온도 영향에 의한 micro-crack 성장과 전기적 특성 분석" 대한 전기 학회 하계학술대회 논문집 2011
M. Kontges, I. Kunze, S. Kajari-Schroder, X. Breitenmoster, B. Bjorneklett "The risk of power loss in crystalline silicon based photovoltaic modules due to micro-cracks", Solar Materials & Solar cells, 2010
C. Hilmersson, D.P. Hess, W. Dalls, S. Ostapenko,"Crack dection in single-crystalline silicon wafers using impact testing", SienceDirect, 2007
강기환 외, "태양전지모듈 제조를 위한 요소기술 기초 연구", 대한 전기 학회 하계학술대회 논문집, 2003
이재형, 임동건, 이준신, "태양전지 원론", 홍릉과학 출판사, 2005
한득영, "전자기학", 도서출판 인터비젼, 2000

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