[논문]양면수광형 태양전지 성능평가를 위한 이중광원활용 측정 방법

김수민; 정상훈; 김용배; 최규석

[국내논문] 양면수광형 태양전지 성능평가를 위한 이중광원활용 측정 방법 원문보기

태양광발전학회 = Bulletin of the Korea Photovoltaic Society, v.4 no.2, 2018년, pp.6 - 13

김수민 (태양광테스트베드센터 구미전자정보기술원) , 정상훈 (태양광테스트베드센터 구미전자정보기술원) , 김용배 (태양광테스트베드센터 구미전자정보기술원) , 최규석 (태양광테스트베드센터 구미전자정보기술원)

초록
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최근 산업용 태양광 발전시장에서 주목 받고 있는 양면수광형 태양전지의 경우 지면 반사광(Albedo)의 영향으로 추가적인 광생성(Photogeneration)이 발생하여 태양전지의 전환효율(Conversion efficiency)을 증가시켜 주기 때문에 시장에서 수요가 증가하고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 몇 가지 문제에 대한 논의가 진행되고 있는데 그 중에서 가장 중요한 부분은 양면수광형 태양전지의 효율을 정의하는 부분이다. 양면수광형 태양전지의 효율을 정의하기 위하여 여러 가지 연구가 진행되었지만 현재까지 국제적인 기준이 제정되지 않아 정확한 효율의 정의가 어려운 상황이다. 양면수광형 태양전지의 성능 확인을 위한 측정 방식은 단일광원(Single light source) 조사 방식, 단일광원 분할(Single light splitter) 조사 방식, 이중광원(Double light source) 조사 방식으로 나눌 수 있다. 본고에서는 이중광원 조사 방식을 이용하여 후면 반사광의 광원을 개별적으로 정의함으로써 실제 발전 환경과 동일한 조건의 광량 정의를 통하여 다양한 지면 반사 조건에 대하여 정확한 태양전지의 전환효율을 측정하고 이를 통하여 다이오드 특성을 추출할 수 있는 측정 방식에 대하여 논하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 문제들에 대하여 양면수광형 태양전지의 성능을 정확하게 분석하기 위하여 본고에서는 태양전지의 전면과 후면에 독립적인 광원을 정의하여 실제 옥외 설치 조건과 유사한 형태로 성능 분석을 수행하는 이중광원 측정법에 대하여 논하고자 한다.

가설 설정

양면수광형 태양전지의 성능을 분석하기 위한 단일광원측정방식의 경우 Singh et. al.에서 시도하였다.^[10,11] 기본적으로 태양전지를 One-diode 모델로 정의하여 양면수광형 태양전지의 특성을 해석하려고 시도하였으며, 후면광원의 크기에 비례하여 선형적으로 전류가 증가하는 것을 가정하였다. 하지만 실제 양면수광형 태양전지의 성능은 후면 광원에 선형적으로 반응하지 않기 때문에 이러한 특성을 확인하고자 본고에서는 단일광원모델과 이중광원측정 결과를 비교하였다.

제안 방법

단일광원 방식과 이중광원 방식을 비교하기 위하여 양면수광형 태양전지의 전/후면에 각각 단일광원을 활용하여 측정하고 이를 이용하여 모델링을 통한 효율 예측과, 후면광원의 크기를 변경시키면서 측정한 이중광원의 결과를 확보하였다. 이중광원의 경우 후면 광원의 크기를 0.
이중광원 분석을 통하여 기존의 단일광원 분석에서 정확히 정의하기 어려웠던 다이오드 이상계수를 정확히 추출할 수 있었으며, 태양전지의 성능 분석 결과와 추출된이상계수의 특성이 유사함을 확인할 수 있었다. 또한 후면광원의 크기를 0.1SUN 단위로 변화시켜서 양면수광형 태양전지의 성능을 분석함으로써 단일광 태양전지 분석에서 가정하는 양면수광형 태양전지 성능의 선형성에 대한 검증을 진행하였다. 이중광원을 이용한 분석결과 단락전류와 전력의 경우 선형성을 나타내는 것으로 확인되었지만 개방전압과 충진도는 비선형성을 가지는 것으로 측정되었으며, 이로 인하여 양면수광형 태양전지의 전환효율 특성이 비선형적 특성이 뚜렸하게 나타나는 결과를 확인하였다.
양면수광형 태양전지 2 종류를 STC 조건에 맞추어 개별적으로 전면과 후면에 대하여 측정하였다. 결론적으로 양면수광형 태양전지 제조사에 따라 다른 특성을 확인할 수 있었으며 표 2에 나타낸 바와 같이 전/후면 성능비율(Bifaciality) 특성도 96%와 86.
^[10,11] 기본적으로 태양전지를 One-diode 모델로 정의하여 양면수광형 태양전지의 특성을 해석하려고 시도하였으며, 후면광원의 크기에 비례하여 선형적으로 전류가 증가하는 것을 가정하였다. 하지만 실제 양면수광형 태양전지의 성능은 후면 광원에 선형적으로 반응하지 않기 때문에 이러한 특성을 확인하고자 본고에서는 단일광원모델과 이중광원측정 결과를 비교하였다.

대상 데이터

후면 광원으로 사용된 LED 램프는 표 1에 나타낸 바와 같이 C class의 정합도를 가지고 있으며 최종적인 광원 등급은 Class CBA 를 나타낸다. 양면수광형 태양전지는 (100)면을 기준으로 하는 p-type 태양전지를 이용하였으며, 특성을 비교하기 위하여 2개의 기업 제품을 대상으로 비교하였다.

데이터처리

본고에서는 전면과 후면에 독립적으로 적용되는 이중광원 분석법을 이용하여 양면수광형 태양전지의 특성을 분석하였다. 분석의 신뢰성을 확인하기 위하여 2종류 이상의 기업에서 제조된 양면수광형 태양전지를 사용하였으며, 기존에 사용되던 단일광원 분석의 One-diode 모델과의 비교를 진행하였다. 이중광원 분석을 통하여 기존의 단일광원 분석에서 정확히 정의하기 어려웠던 다이오드 이상계수를 정확히 추출할 수 있었으며, 태양전지의 성능 분석 결과와 추출된이상계수의 특성이 유사함을 확인할 수 있었다.

이론/모형

단일광원 분석 방법을 이용할 경우 상기에 정의한 바와 같이 모델링을 이용하여 계산하게 되는데 전/후면의 STC 측정 자료와 해당 양면수광형 태양전지의 다이오드 이상계수(diode ideality factor, n)가 반드시 필요하게 된다. 본고에서는 여기에 사용되는 태양전지의 다이오드 이상계수를 구하기 위하여 이중광원 분석 방식을 이용하여 측정된 태양전지 성능을 통하여 선형회귀 방식을 이용한 추출법으로 One-diode 모델의 다이오드 이상계수를 계산하여 표 2에 나타내었다. 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 태양전지의 다이오드 이상 계수는 전면광 태양전지 효율이 더 높은 B-type 태양전지에서 더 낮은 다이오드 특성을 보고하였으며, 실제 태양전지의 특성을 잘 반영하는 것으로 판단된다.
하지만 반사면의 특성으로 인하여 미세한 후면광 분할이 어려우며 대면적으로 적용할 수 없다는 점이 단점으로 지적되었다. 본고에서는 전면과 후면에 독립적으로 적용되는 이중광원 분석법을 이용하여 양면수광형 태양전지의 특성을 분석하였다. 분석의 신뢰성을 확인하기 위하여 2종류 이상의 기업에서 제조된 양면수광형 태양전지를 사용하였으며, 기존에 사용되던 단일광원 분석의 One-diode 모델과의 비교를 진행하였다.

성능/효과

그러나 개방전압과 충진도의 경우는 예측 모델과 실측 결과가 매우 상이함을 확인할 수 있다. 결론적으로 양면수광형 태양전지 성능분석에서 발견할 수 있는 이러한 비선형성으로 인하여 태양전지의 효율은 기존의 단일광원 분석 방식으로는 예측하기 어려운 결과를 나타냄을 알 수 있다. 이러한 이유로 단일광원 태양전지의 다이오드 이상계수를 추출할 수는 있지만 이러한 추출 값의 경우 선형회귀를 위한 분산의 정도가 매우 크기 때문에 신뢰성이 낮아지는 문제점을 동시에 보여주고 있다.
양면수광형 태양전지 2 종류를 STC 조건에 맞추어 개별적으로 전면과 후면에 대하여 측정하였다. 결론적으로 양면수광형 태양전지 제조사에 따라 다른 특성을 확인할 수 있었으며 표 2에 나타낸 바와 같이 전/후면 성능비율(Bifaciality) 특성도 96%와 86.5%로 다름을 확인할 수 있으며 태양전지의 성능과 비례하지 않음을 알 수 있다.
결론적으로, 양면수광형 태양전지의 경우 기존의 단일광원 측정 혹은 단일광원 분할 측정 방식을 사용할 경우 정확한 성능을 예측하기가 어려우며, One-diode 모델을 이용한 예측이 실제와 차이가 많기 때문에 더 정확한 성능분석을 위해서는 이중광원 분석법이 더 유용할 것으로 생각된다. 이러한 비이상성은 양면수광형 태양전지 셀에서만 발생되는 것이 아니라 G2G 양면수광형 태양전지 모듈에서도 동일하게 발생될 것으로 사료된다.
이러한 다이오드의 특성을 추출하기 위하여 이중광원을 이용한 양면수광형 태양전지 효율 분석을 그림 3과 같이 수행하였다. 기존의 단일광원 연구 결과와 달리 양면수광형 태양전지 성능은 후면 광원에 선형적으로 반응하지 않는 것을 확인하였다. 단일광원 연구에서 정의한 바와 같이 후면광원의 증가에 따라 양면수광형 태양전지 내부의 광생성(Photogeneration)은 거의 선형인 것으로 그림 3(a), 3(f)에서 확인되는 바와 같이 분석되며, 전력의 경우도 유사하다.
분석의 신뢰성을 확인하기 위하여 2종류 이상의 기업에서 제조된 양면수광형 태양전지를 사용하였으며, 기존에 사용되던 단일광원 분석의 One-diode 모델과의 비교를 진행하였다. 이중광원 분석을 통하여 기존의 단일광원 분석에서 정확히 정의하기 어려웠던 다이오드 이상계수를 정확히 추출할 수 있었으며, 태양전지의 성능 분석 결과와 추출된이상계수의 특성이 유사함을 확인할 수 있었다. 또한 후면광원의 크기를 0.
1SUN 단위로 변화시켜서 양면수광형 태양전지의 성능을 분석함으로써 단일광 태양전지 분석에서 가정하는 양면수광형 태양전지 성능의 선형성에 대한 검증을 진행하였다. 이중광원을 이용한 분석결과 단락전류와 전력의 경우 선형성을 나타내는 것으로 확인되었지만 개방전압과 충진도는 비선형성을 가지는 것으로 측정되었으며, 이로 인하여 양면수광형 태양전지의 전환효율 특성이 비선형적 특성이 뚜렸하게 나타나는 결과를 확인하였다. 이러한 비선형적 특성은 양면수광형 태양전지 모듈에서도 그대로 나타날 것으로 예상되며 이를 해결하기 위하여 구미전자정보기술원에서는 양면수광형 태양전지 모듈의 이중광원 분석을 위한 시스템을 구축하였다.

후속연구

이러한 비선형적 특성은 양면수광형 태양전지 모듈에서도 그대로 나타날 것으로 예상되며 이를 해결하기 위하여 구미전자정보기술원에서는 양면수광형 태양전지 모듈의 이중광원 분석을 위한 시스템을 구축하였다. 상기의 연구를 통하여 향후 개발될 양면수광형 태양전지 모듈의 정확한 분석에 도움이 될 것으로 전망한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양면수광형 태양전지의 수요가 증가하는 이유는?	최근 산업용 태양광 발전시장에서 주목 받고 있는 양면수광형 태양전지의 경우 지면 반사광(Albedo)의 영향으로 추가적인 광생성(Photogeneration)이 발생하여 태양전지의 전환효율(Conversion efficiency)을 증가시켜 주기 때문에 시장에서 수요가 증가하고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 몇 가지 문제에 대한 논의가 진행되고 있는데 그 중에서 가장 중요한 부분은 양면수광형 태양전지의 효율을 정의하는 부분이다.
	양면수광형 태양전지의 성능 확인을 위한 측정 방식은?	양면수광형 태양전지의 효율을 정의하기 위하여 여러 가지 연구가 진행되었지만 현재까지 국제적인 기준이 제정되지 않아 정확한 효율의 정의가 어려운 상황이다. 양면수광형 태양전지의 성능 확인을 위한 측정 방식은 단일광원(Single light source) 조사 방식, 단일광원 분할(Single light splitter) 조사 방식, 이중광원(Double light source) 조사 방식으로 나눌 수 있다. 본고에서는 이중광원 조사 방식을 이용하여 후면 반사광의 광원을 개별적으로 정의함으로써 실제 발전 환경과 동일한 조건의 광량 정의를 통하여 다양한 지면 반사 조건에 대하여 정확한 태양전지의 전환효율을 측정하고 이를 통하여 다이오드 특성을 추출할 수 있는 측정 방식에 대하여 논하고자 한다.
	태양전지의 효율증진이 투자에 비해 상승폭이 현저하게 낮아지는 상황에서 이를 해결하기 위한 대안책은?	하지만 태양전지의 효율이 이론적으로 달성 가능한 쇼클리-콰이저 한계(Shockley-Queisser limit) 가까이 도달하게 됨에 따라 효율 증진을 위한 투자에 비해 그 상승폭이 현저하게 낮아지게 되는 문제점이 발생하였다.[2] 이러한 문제를해결하기 위하여 최근에는 양면수광형 태양전지(Bifacial solar cell)의 개념이 주목 받고 있는데, 양면수광형 태양전지는 1960년대부터 고안되었으며 다양한 형태로 적용되었지만 최근에 태양광 발전 효율을 높이는 수단으로 연구가 집중되고 있다.[3]

참고문헌 (11)

IW GROUP, et al. International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) 2017 Results. SEMI, Berlin, Germany, 2017.
SHOCKLEY, William; QUEISSER, Hans J. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. Journal of applied physics, 1961, 32.3: 510-519.

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HIROSHI, Mori. Radiation energy transducing device. U.S. Patent No 3,278,811, 1966.
STANDARD, I. E. C. 60904-3, Photovoltaic Devices-Part 3: Measurement Principles for Terrestrial Photovoltaic (PV) Solar Devices with Reference Spectral Irradiance Data, International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland. International Electrotechnical Commission, Geneva Google Scholar, 2007.
P. Corporation, Bifacial photovoltaic module bifacial photovoltaic module VBHN225DJ06 HIT double 225, 2014.
P. S. Technologies, Prism Solar Installation Manual, B265(L), B260, B255, B250, B245, B200, B150, HB180, 2015.
H. Ohtsuka, M. Sakamoto, M. Koyama, K. Tsutsui, T. Uematsu, and Y. Yazawa, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 9, 1 (2001).
EDLER, A. et al. Flasher setup for bifacial measurements. In: prpsente a BIFIPV workshop, Konstanz. 2012.
SINGH, Jai Prakash; ABERLE, Armin G.; WALSH, Timothy M. Electrical characterization method for bifacial photovoltaic modules. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2014, 127: 136-142.

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SINGH, Jai Prakash; ABERLE, Armin G.; WALSH, Timothy M. Electrical characterization method for bifacial photovoltaic modules. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2014, 127: 136-142.

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SINGH, Jai Prakash; WALSH, Timothy M.; ABERLE, Armin G. A new method to characterize bifacial solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2014, 22.8: 903-909.

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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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