[논문]결정계 PV 모듈에 대한 고장 메커니즘 검토

김정연; 김주희; 천성일; 임동건; 김양섭

doi:10.4313/jkem.2014.27.6.343

결정계 PV 모듈에 대한 고장 메커니즘 검토
A Review on the Failure Mechanism for Crystalline Silicon PV Module 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.27 no.6, 2014년, pp.343 - 349

김정연 (전자부품연구원 부품소재물리연구센터) , 김주희 (전자부품연구원 부품소재물리연구센터) , 천성일 (전자부품연구원 부품소재물리연구센터) , 임동건 (한국교통대학교 전자공학과) , 김양섭 (전자부품연구원 소프트웨어디바이스연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

It is summarized that potential causes of performance degradations and failure mechanisms of crystalline silicon photovoltaic (PV) modules installed in Middle East area. In addition, we also reviewed current PV module qualification test (IEC 61215) and the methods for detection of wear-out fault. The failure of PV modules in the extreme environmental conditions such as deserts is mainly due to high temperature, humidity, and dust storms. In particular, cementation phenomenon caused by combination of sand and moisture leads to rapid degradation in the performance of PV modules. In order to evaluate and guarantee the long term reliability of PV modules, specific qualification tests such as sand dust test, salt mist test and potential induce degradation test considering operating environment of PV module should be carried out.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 중동지역 환경에서 발생될 수 있는 결정계 PV 모듈 성능저하 원인과 고장 메커니즘에 대하여 정리하였다. 또한 중동지역 등과 같은 특수 환경에서의 PV 모듈 장기 수명보증을 위한 새로운 품질보증시험의 필요성을 확인하였다.
본 논문에서는 중동지역 환경을 고려하여 결정계 PV 모듈의 필드 고장모드와 메커니즘에 대한 논문을 분석하고 정리하였다. 특히 오염 (pollution) 의한 PV 모듈의 효율저하 메커니즘을 정리하였다.
본 연구에서는 중동지역 환경에서 발생될 수 있는 결정계 PV 모듈 성능저하 원인과 고장 메커니즘에 대하여 정리하였다. 또한 중동지역 등과 같은 특수 환경에서의 PV 모듈 장기 수명보증을 위한 새로운 품질보증시험의 필요성을 확인하였다.
따라서 모래 먼지 등에 의한 성능열화 평가가 필요하다. 이 시험은 실제 환경에서 발생되는 먼지 조성물을 날려 모듈에 침투시키는 시험이다.

가설 설정

○ 중동지역의 특성은 모래바람 등이 발생하는 것이다. 먼지와 모래는 PV 모듈을 오염시켜 광 투과도를 감소한다.

제안 방법

또한 기존 결정질 PV 모듈 품질자격시험 (IEC 61215)과 마모(wear-out) 고장 검출방법 등에 대해 검토하였다. 그리고 고장 메커니즘에 기초하여 중동지역에서 PV 모듈 장기 사용수명 보증을 위한 시험 방법 등을 제안하였다.
두 번째 모듈은 단자강도 시험 진행 후 다양한 방사 조건에서 성능을 결정하는 전기적 특성을 시험한다. 성능평가가 완료되면 PV 모듈의 기능을 결정하는 바이패스 다이오드 시험과 핫스팟 내구 시험을 진행하여 PV 모듈의 전지적인 특성을 확인한다.
특히 오염 (pollution) 의한 PV 모듈의 효율저하 메커니즘을 정리하였다. 또한 기존 결정질 PV 모듈 품질자격시험 (IEC 61215)과 마모(wear-out) 고장 검출방법 등에 대해 검토하였다. 그리고 고장 메커니즘에 기초하여 중동지역에서 PV 모듈 장기 사용수명 보증을 위한 시험 방법 등을 제안하였다.
시험은 무작위로 선택된 8개의 시료의 육안검사, 최대전력 결정, 절연시험, 습윤 누설 전류 시험을 시작으로 각각의 영향력 있는 시험들이 순차적으로 진행된다. 먼저, 1개의 모듈은 기준모듈로 남겨두고, 총 8개의 모듈을 가지고 항목별 시험을 진행한다.
두 번째 모듈은 단자강도 시험 진행 후 다양한 방사 조건에서 성능을 결정하는 전기적 특성을 시험한다. 성능평가가 완료되면 PV 모듈의 기능을 결정하는 바이패스 다이오드 시험과 핫스팟 내구 시험을 진행하여 PV 모듈의 전지적인 특성을 확인한다.
만약 2개 이상의 PV 모듈이 고장판정 기준을 만족하지 못하면 품질자격시험을 만족하지 않은 것으로 판단한다. 시험은 무작위로 선택된 8개의 시료의 육안검사, 최대전력 결정, 절연시험, 습윤 누설 전류 시험을 시작으로 각각의 영향력 있는 시험들이 순차적으로 진행된다. 먼저, 1개의 모듈은 기준모듈로 남겨두고, 총 8개의 모듈을 가지고 항목별 시험을 진행한다.
여러 기후 조건에서 PV 모듈의 장기 사용 중에 발생하는 성능열화 메커니즘을 이해하기 위해 옥외 조건과 실험실 가속시험 조건과의 연관성 실험을 진행하였다. 실험은 IEC61215 환경시험 항목에서 일부를 선택하여 기준 조건 이상으로 확장시켜 진행되었다. 온도 사이클 시험 (thermal cycle test)은 IEC61215기준의 200회 시험의 4배인 800회를 진행하였다.
일부 인증기관에서는 장기적인 신뢰성을 확보하기 위해 독립적인 평가를 진행하여 발표하였다. 여러 기후 조건에서 PV 모듈의 장기 사용 중에 발생하는 성능열화 메커니즘을 이해하기 위해 옥외 조건과 실험실 가속시험 조건과의 연관성 실험을 진행하였다. 실험은 IEC61215 환경시험 항목에서 일부를 선택하여 기준 조건 이상으로 확장시켜 진행되었다.
실험은 IEC61215 환경시험 항목에서 일부를 선택하여 기준 조건 이상으로 확장시켜 진행되었다. 온도 사이클 시험 (thermal cycle test)은 IEC61215기준의 200회 시험의 4배인 800회를 진행하였다. 시험 결과 온도 사이클 200회 시험에서는 모듈의 마모 고장을 확인할 수 없었다.
본 논문에서는 중동지역 환경을 고려하여 결정계 PV 모듈의 필드 고장모드와 메커니즘에 대한 논문을 분석하고 정리하였다. 특히 오염 (pollution) 의한 PV 모듈의 효율저하 메커니즘을 정리하였다. 또한 기존 결정질 PV 모듈 품질자격시험 (IEC 61215)과 마모(wear-out) 고장 검출방법 등에 대해 검토하였다.

성능/효과

그러나 400회∼600회 사이에서 마이크로 크랙과 finger 결함과 같은 마모 고장을 확인할 수 있었다. EL분석 결과 횟수가 증가됨에 따라 크랙 발생률도 증가되었으며, 이러한 몇몇 균열의 결과로 활성영역이 busbar로부터 셀 부분의 분리를 유도하는 것을 확인하였다. 그 결과 단락전류와 fill-factor가 저하되어 급격한 출력 저하를 발생시켰다.
PV 모듈의 출력은 5% 이상의 감소하였다. 고장 원인 분석 결과 고온 고습환경 조건에 의해 수분이 백시트로 침투되어 크랙을 유발한 것으로 확인되었다. 또 다른 고장으로는 항반사성 코팅이 변질되거나 박리 현상이 일어난 것을 확인하였다.
○ TÜV 등과 같은 인증기관에서는 장기적인 신뢰성 확보를 위해 IEC 61215 일부 환경시험 항목에서 기준 이상의 시험을 실시하였다. 그 결과 IEC61215의 환경시험 기준 조건 및 시간이 불충분하다는 것을 확인할 수 있었다.
[13]의 먼지 밀도에 따른 투과도에 대한 연구 결과 먼지 밀도가 증가함에 따라 투과도가 급격하게 감소되는 것을 확인하였다. 그리고 먼지제거 (cleaning)를 실시한 모듈과 먼지 제거를 하지 않은 (uncleaning) 모듈의 출력을 비교한 결과 1년 동안 최대 5 W까지 출력 차이 확인할 수 있었다.
온도 사이클 시험 (thermal cycle test)은 IEC61215기준의 200회 시험의 4배인 800회를 진행하였다. 시험 결과 온도 사이클 200회 시험에서는 모듈의 마모 고장을 확인할 수 없었다. 그러나 400회∼600회 사이에서 마이크로 크랙과 finger 결함과 같은 마모 고장을 확인할 수 있었다.
그림 1은 사우디아라비아와 국내의 온도와 습도 비교 검토 결과이다. 중동지역 사우디아라비아 (제 다)의 온도는 국내 (김포)와 비교하여 평균 13℃ 이상 높게 분포하는 것을 확인할 수 있다. 습도는 국내 습도 분포와 비슷한 수준인 것을 알 수 있다.

후속연구

향후 중동지역에서의 결정질 PV 모듈 성능과 장기 사용수명 보증을 위한 PV 모듈 신뢰성과 필드 검증에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PV 모듈 사용 수명 보증방법으로는 무엇이 있을까?	PV 모듈 사용 수명 보증방법으로는 실험실에서의 시험 보증방법과 필드시험 보증방법으로 구분할 수 있다. 그리고 필드시험 보증방법은 PV 모듈 수명 검증을 위한 가장 정확한 방법이다.
	옥외 필드에서 PV 모듈의 수명과 신뢰성을 결정짓는 요소는?	옥외 필드에서의 PV 모듈의 수명과 신뢰성은 일사량, 온도, 습도, 바람, 그리고 동작 전압 등의 환경에 의해 결정된다. 특히 중동지역의 경우 고온다습한 기후와 모래 폭풍의 영향을 많이 받는다.
	가속 시험 프로토콜의 한계점은?	특히 국제 전기기술위원회 (IEC)에서 제정된 가속 시험 프로토콜은 PV 모듈의 품질 및 신뢰성 기준을 평가하는 공식시험으로 인정되었다 [1]. 그러나 이러한 기준들은 PV 모듈의 재료 또는 공정 등의 초기결함 (infant defects)을 검출하기 위한 시험으로 마모고장 메커니즘 (wear-out failure mechanism)을 반영하여 설계되지 않았다 [2]. 그러므로 현재 IEC 기준에 의한 PV 모듈의 수명보증은 장기 사용수명 보증방법으로 충분하지 않다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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G. Tamizhmani and J. Kuitche, Accelerated Lifetime Testing of Photovoltaic Modules, www.solarABCs.org (2013).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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