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문제 정의
- 본 논문에서는 glass와 back sheet와 같은 태양전지 모듈의 구성 요소가 PID에 어떤 영향을 미치는지를 분석하기 위해서 연구를 진행하였다. 그리고 G-to-G타입의 BIPV 모듈의 구조를 고려하여 후면이 glass로 이루어진 모듈의 출력 결과와 비교함으로써 glass의 위치에 따른 PID에 의한 모듈 열화를 분석하였다.
- 본 논문은 결정질 실리콘 태양전지 모듈의 구성요소 중 전면에 사용되는 glass와 후면재료로 사용되는 back sheet와 glass가 PID의 발생에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 모듈의 전면에 glass를 사용한 모든 미니 모듈에서 PID가 발생하는 것을 확인하였으며 그렇지 않은 미니 모듈에서는 초기의 발전출력을 유지하는 것을 확인하였다.
제안 방법
- 모듈 제작에는 T사에서 P 타입의 웨이퍼로 제작된 16%의 발전 효율을 갖는 6인치 크기의 다결정 실리콘 태양전지를 사용하였으며, SiNx가 반사 방지막으로 적용되었다. Sn/Pb/Ag가 62/36/2의 조성인 solder가 적용된 태양광 모듈용 리본을 사용하여 soft touch 방식의 tabbing machine을 이용하여 리본을 태양전지와 전기적으로 연결하였다. 이 태양전지는 vinyl acetate 함량은 28%이고, 0.
- 미니 모듈의 전면에는 그림 1과 같이 구리판 설치하여 표면의 전도성을 확보하고 전압을 인가할 수 있는 전극으로 사용하였다. 구리판은 태양전지 모듈의 표면에 최대한 밀착하여 설치 한 후 절연 테이프를 이용하여 고정하였으며 모든 시료에 동일하게 적용하였다.
- 본 논문에서는 glass와 back sheet와 같은 태양전지 모듈의 구성 요소가 PID에 어떤 영향을 미치는지를 분석하기 위해서 연구를 진행하였다. 그리고 G-to-G타입의 BIPV 모듈의 구조를 고려하여 후면이 glass로 이루어진 모듈의 출력 결과와 비교함으로써 glass의 위치에 따른 PID에 의한 모듈 열화를 분석하였다.
- 모듈 A∼C는 glass와 back sheet가 PID에 미치는 것을 분석하기 위하여 전·후면의 glass 및 back sheet의 유무에 따라 모듈을 제작하였으며, 모듈 D∼F는 전·후면의 glass가 PID에 의한 모듈의 출력 감소에 미치는 영향을 확인하기 위하여 제작하였다.
- 미니 모듈은 솔라 시뮬레이터를 이용하여 출력 값을 측정하여 실험 전후의 출력 특성의 변화를 확인하였다. 태양전지의 파손과 실험 중에 발생할 수 있는 미니모듈의 손상을 확인하고 실험 전⋅후의 출력 변화에 영향을 주는 요인을 확인하기 위하여 EL (electro luminescence) image 측정하였다.
- 태양전지의 파손과 실험 중에 발생할 수 있는 미니모듈의 손상을 확인하고 실험 전⋅후의 출력 변화에 영향을 주는 요인을 확인하기 위하여 EL (electro luminescence) image 측정하였다. 미니 모듈의 전류 전압 특성 및 직렬 저항과 병렬저항의 변화를 확인하기 위한 dark I-V 시험 또한 실험 전 후에 수행하였다.
- 실험은 85℃의 온도와 상대습도 85%의 챔버 조건에서 1,000 V의 전압을 3시간동안 인가하여 이루어졌다. 실험 이후 모듈의 발전출력, EL image, Dark I-V를 다시 측정하여 초기 결과와 비교함으로써 모듈 구성 요소가 위치에 따른 모듈의 PID에 의한 열화 정도를 확인했다.
- 추가로 진행된 태양전지 모듈의 후면재료와 PID의 발생에 관한 실험에서는 후면재료로써 사용된 glass와 back sheet가 PID 발생에 미치는 영향을 확인 하였다. Glass와 back sheet는 PID 발생에 직접적인 영향을 주지는 않았지만 PID가 발생하는 환경일 경우에는 모듈의 출력 감소를 가속화시키는 것을 알 수 있었다.
- 태양전지의 파손과 실험 중에 발생할 수 있는 미니모듈의 손상을 확인하고 실험 전⋅후의 출력 변화에 영향을 주는 요인을 확인하기 위하여 EL (electro luminescence) image 측정하였다.
- 앞선 실험 결과를 통해 전면이 glass이며, 후면재료가 glass와 back sheet인 경우에도 미니 모듈의 출력감소의 차가 다른 것으로 보아 후면재료에 의한 영향도 있는 것으로 예상할 수 있다. 후면재료로 사용된 glass와 back sheet에 의한 출력 감소의 영향을 자세히 확인하기 위해 모듈 A, D, F와 같은 구조의 미니 모듈을 각각 4장씩 제작하여 반복적으로 동일한 PID 발생 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 5 ㎛ 두께를 갖는 J사의 EVA를 사용하여 lamination하였다. 또한, 모듈 제작에 사용된 back sheet는 tedlar / polyester / tedlar 구조이며, 사용된 glass는 철분 함유량이 200 ppm 이하인 강화유리이다. Junction box 및 알루미늄 프레임은 설치하지 않았다.
- 모듈 제작에는 T사에서 P 타입의 웨이퍼로 제작된 16%의 발전 효율을 갖는 6인치 크기의 다결정 실리콘 태양전지를 사용하였으며, SiNx가 반사 방지막으로 적용되었다. Sn/Pb/Ag가 62/36/2의 조성인 solder가 적용된 태양광 모듈용 리본을 사용하여 soft touch 방식의 tabbing machine을 이용하여 리본을 태양전지와 전기적으로 연결하였다.
- 본 실험에는 표 2에서와 같이 일정한 온도와 습도를 유지해줄 수 있도록 한백과학에서 제작된 온습도챔버 (HB-105SG-O)와 시료에 고전압을 인가해 줄 수 있는 Magna-Power사의 DC power supply (TSD 2000-15)가 사용되었다. 실험은 85℃의 온도와 상대습도 85%의 챔버 조건에서 1,000 V의 전압을 3시간동안 인가하여 이루어졌다.
- 본 연구에서는 표 1에서와 같이 서로 다른 6종류의 구조로 이루어진 태양전지 모듈 (185 mm × 185 mm)을 제작하여 실험하였다.
성능/효과
- 이는 일반적으로 제작되어지는 back sheet 타입의 태양전지 모듈보다 후면에 glass를 사용하는 G-to-G 타입의 태양전지 모듈에서 PID에 의한 모듈 출력이 가장 감소하는 것을 알 수 있다. G-to-G 타입은 주로 BIPV용으로 많이 제작되어 지고 있으며 일반적인 태양 전지 모듈에 비해 BIPV에서 PID의 발생이 쉽게 나타날 것을 본 연구 결과를 통해 예상할 수 있다. Glass와 back sheet는 태양전지 모듈을 구성하는 가장 중요한 요소이며 현실적으로 다른 재료로의 대체가 어려울 만큼 훌륭한 재료이다.
- 그림 7에서는 그림 6의 결과를 바탕으로 출력감소율의 평균값을 나타냈다. Glass를 후면재료로 사용한 모듈에서는 초기 측정값에 비해 평균 71%의 출력 감소율을 보이며, back sheet를 사용한 모듈의 출력 감소 평균인 47%로서 glass가 후면에 있을 때에는 약 1.5배 이상의 출력이 감소하는 것을 확인하였다. 이 결과를 통해 전면의 glass뿐만 아니라 후면의 재료도 PID를 가속시키는 중요한 요소임을 알 수 있다.
- 총 6개의 모듈 중에서 A, D, F는 모두 전면에 glass가 적용된 모듈이며, 이 모듈에서 출력 감소를 확인할 수 있었다. 그 중 F 모듈은 약 81%의 출력이 감소하여 PID가 가장 심하게 발생하였으며, 그 다음으로 A 모듈이 16%, D 모듈이 11%의 출력이 감소하였다.
- 또한 후면에 glass를 적용한 F 모듈의 출력 감소가 가장 많았고, back sheet를 후면에 적용한 D 모듈의 출력이 두 번째로 많이 감소하는 것으로 보아 glass와 back sheet가 모듈 후면에 적용되었을 경우 PID 발생에 영향을 줄 수 있음을 예상할 수 있다.
- 본 논문은 결정질 실리콘 태양전지 모듈의 구성요소 중 전면에 사용되는 glass와 후면재료로 사용되는 back sheet와 glass가 PID의 발생에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 모듈의 전면에 glass를 사용한 모든 미니 모듈에서 PID가 발생하는 것을 확인하였으며 그렇지 않은 미니 모듈에서는 초기의 발전출력을 유지하는 것을 확인하였다. 이를 통해, PID 발생에 태양전지 모듈의 전면에 사용된 glass가 가장 큰 역할을 하는 것을 알 수 있었다.
- 반면, 전면에 glass를 사용하지 않은 모듈 B, C, E는 모두 약 2% 정도의 출력 변화가 확인되었으며, 이 결과는 측정오차 범위 이내에 포함되는 것으로 PID가 발생하지 않은 것으로 보인다. 전면에 glass를 사용한 모든 모듈에서 출력 감소가 나타나는 이유는 고전압에 의해 glass에 포함된 sodium 양이온이 태양전지 표면으로 이동하여 쌓이게 되고, 태양전지 표면에 쌓인 sodium 양이온이 전자 수집을 방해하기 때문으로 판단된다 [10].
- 앞선 실험 결과를 통해 전면이 glass이며, 후면재료가 glass와 back sheet인 경우에도 미니 모듈의 출력감소의 차가 다른 것으로 보아 후면재료에 의한 영향도 있는 것으로 예상할 수 있다. 후면재료로 사용된 glass와 back sheet에 의한 출력 감소의 영향을 자세히 확인하기 위해 모듈 A, D, F와 같은 구조의 미니 모듈을 각각 4장씩 제작하여 반복적으로 동일한 PID 발생 실험을 진행하였다.
- 이 결과를 통해 전면의 glass뿐만 아니라 후면의 재료도 PID를 가속시키는 중요한 요소임을 알 수 있다.
- 01 V 이내의 미미한 변화가 발생하는 것을 볼 수 있다. 이는 PID가 발생 초기에는 광생성 전자의 재결합을 증가시켜 주로 단락전류의 감소로 나타나지만, PID가 심하게 발생할 경우에는 태양전지의 공핍층 부근까지 영향을 받아 단락 전류뿐만 아니라 개방전압 또한 감소하게 되는 것을 본 실험으로써 확인할 수 있다 [11].
- 모듈의 전면에 glass를 사용한 모든 미니 모듈에서 PID가 발생하는 것을 확인하였으며 그렇지 않은 미니 모듈에서는 초기의 발전출력을 유지하는 것을 확인하였다. 이를 통해, PID 발생에 태양전지 모듈의 전면에 사용된 glass가 가장 큰 역할을 하는 것을 알 수 있었다.
- 그림 2는 PID 실험 전과 후에 솔라 시뮬레이터를 이용하여 측정한 각 모듈의 출력 변화를 나타내고 있다. 총 6개의 모듈 중에서 A, D, F는 모두 전면에 glass가 적용된 모듈이며, 이 모듈에서 출력 감소를 확인할 수 있었다. 그 중 F 모듈은 약 81%의 출력이 감소하여 PID가 가장 심하게 발생하였으며, 그 다음으로 A 모듈이 16%, D 모듈이 11%의 출력이 감소하였다.
- 태양전지 모듈의 표면의 전도도를 높여줌으로써 비교적 짧은 시간에 PID에 의한 모듈 출력 변화를 명확하게 볼 수 있었다. 미니 모듈의 전면에는 그림 1과 같이 구리판 설치하여 표면의 전도성을 확보하고 전압을 인가할 수 있는 전극으로 사용하였다.
- Glass와 back sheet는 PID 발생에 직접적인 영향을 주지는 않았지만 PID가 발생하는 환경일 경우에는 모듈의 출력 감소를 가속화시키는 것을 알 수 있었다. 후면재료는 glass를 사용한 모듈이 back sheet를 사용한 모듈에 비해 모듈의 출력 감소가 크게 나타났다. 이는 일반적으로 제작되어지는 back sheet 타입의 태양전지 모듈보다 후면에 glass를 사용하는 G-to-G 타입의 태양전지 모듈에서 PID에 의한 모듈 출력이 가장 감소하는 것을 알 수 있다.
후속연구
- Glass와 back sheet는 태양전지 모듈을 구성하는 가장 중요한 요소이며 현실적으로 다른 재료로의 대체가 어려울 만큼 훌륭한 재료이다. 각 재료들과 PID 발생에 관한 추가적인 연구가 진행되어 PID 발생에 의한 손실을 최소화해야 할 것이다.
- 이 결과를 통해 전면의 glass뿐만 아니라 후면의 재료도 PID를 가속시키는 중요한 요소임을 알 수 있다. 후면 재료가 PID 발생에 영향을 주게 되는 원인에 대해서는 아직까지 밝혀진 바가 없으며 이에 대한 추가 적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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