Recently, the installation capacity of PV (photovoltaic) systems has been increasing not only field installation but also floating PV, farm land, BIPV/BAPV. For this reason, the new design and materials of PV module are needed. In particular, in order to apply a PV system to a building, lightweight ...
Recently, the installation capacity of PV (photovoltaic) systems has been increasing not only field installation but also floating PV, farm land, BIPV/BAPV. For this reason, the new design and materials of PV module are needed. In particular, in order to apply a PV system to a building, lightweight of the PV module is essential. PV modules made of generally used texturing glass are excellent in output and reliability, but there is a limit to the weight that can be reduced. For the lightweight of the PV module, it necessary to use a film instead of a glass. However, the application of film rather than a glass may cause various problems such as decrease in photocurrent by decrease in transmittance and a increase of CTM (cell to module) loss, a degradation of the reliability, and so on. In this paper, PV modules using Ultra barrier film, which is recently a lot of interest as a substitute for a glass, its characteristic analysis and reliability test were conducted. The transmittance and UV characteristics of each material were verified, and the output of the fabricated 1 cell PV module was measured. In addition, 24 cell PV modules were fabricated at the lab-scale and its reliability tests were conducted. As a result of the experiment, the reliability characteristics of the ultra barrier film PV module were excellent, and it was confirmed that it could be used as the front material of the PV module instead of glass
Recently, the installation capacity of PV (photovoltaic) systems has been increasing not only field installation but also floating PV, farm land, BIPV/BAPV. For this reason, the new design and materials of PV module are needed. In particular, in order to apply a PV system to a building, lightweight of the PV module is essential. PV modules made of generally used texturing glass are excellent in output and reliability, but there is a limit to the weight that can be reduced. For the lightweight of the PV module, it necessary to use a film instead of a glass. However, the application of film rather than a glass may cause various problems such as decrease in photocurrent by decrease in transmittance and a increase of CTM (cell to module) loss, a degradation of the reliability, and so on. In this paper, PV modules using Ultra barrier film, which is recently a lot of interest as a substitute for a glass, its characteristic analysis and reliability test were conducted. The transmittance and UV characteristics of each material were verified, and the output of the fabricated 1 cell PV module was measured. In addition, 24 cell PV modules were fabricated at the lab-scale and its reliability tests were conducted. As a result of the experiment, the reliability characteristics of the ultra barrier film PV module were excellent, and it was confirmed that it could be used as the front material of the PV module instead of glass
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문제 정의
본 논문에서는 damp heat과 thermal cycle 시험을 진행 하였으며, 국제 규격인 IEC 61215기준의 신뢰성 평가를 수행 하였다. Damp heat 시험은 고온 고습 상태에서 태양광 모듈의 열적 스트레스와 접합 재료의 저하를 시험 하는 것으로 온도(85 ± 2℃), 상대 습도(85 ± 5%RH)로 1000시간 시험한다.
본 논문에서는 고분자 보호필름의 태양광 모듈 전면재료로 적용 가능성을 분석 하였다. 먼저 저철분 강화 유리와 비교하여 고분자 보호필름의 투과율 및 무게 등 특성을 확인 하였으며, 1 cell 태양전지 모듈을 제작하여 전기적 출력 측정 하였다.
이에 본 논문에서는 최근 태양광 모듈의 경량화를 위해 전면재료로 적용 가능성이 있는 고분자 보호필름의 특성 분석을 진행 하였으며, 태양광 모듈을 제작하여 전기적 출력 및 신뢰성 특성을 분석 하였다. 태양광 모듈의 경량화를 위해서는 단순히 무게를 줄이는 것뿐만 아니라 전면 재료의 광 투과 특성과 모듈 제작 이후의 damp heat, thermal cycle(TC), 기계강도 등 신뢰성 특성에 대한 분석이 필요하다.
제안 방법
(1) 고분자 보호필름이 태양광 모듈의 전면재료로 적용을 위한 분석을 진행 하였으며, 1 cell 모듈과 lab scale의 24 cell 태양광 모듈을 제작하여 출력 및 신뢰성 특성 시험을 실시하였다.
4% 낮았으나 무게는 약 32배, 두께는 16배 얇은 특성을 가지고 있었다. 고분자 보호필름을 태양광 모듈에 적용할 경우, 모듈의 경량화가 가능 할 것으로 판단되었으며, 전면 소재에 따른 태양광 모듈의 신뢰성 특성 분석을 진행 하였다.
고분자 보호필름의 특성을 비교하기 위해서 일반적으로 태양광 모듈에 사용되는 저 철분 강화 유리와 상호비교 하였다. 먼저 각 시료의 투과율과 UV 시험 이후의 투과율을 비교 분석하였으며, 이후 1 cell 태양광 모듈을 전면 재료를 제외한 다른 조건을 모두 동일하게 제작 하여 전기적 출력 측정 하였으며, lab scale의 24 cell 태양광 모듈의 전기적 출력 및 신뢰성 특성을 분석하였다.
광 투과도가 좋은 재료라도 UV 시험 이후의 투과도가 크게 저하될 경우, 태양광 모듈의 전면 재료로는 사용이 불가능하다. 그러므로 본 논문에서는 먼저 경량화 고분자 보호필름의 UV 특성을 분석 하였다. 고분자 보호필름은 PET나 폴리카보네이트에 비해 투과율이 우수하며12), 투습도와 신뢰성 특성이 좋은 물질로 알려져 있다.
먼저 저철분 강화 유리와 비교하여 고분자 보호필름의 투과율 및 무게 등 특성을 확인 하였으며, 1 cell 태양전지 모듈을 제작하여 전기적 출력 측정 하였다. 또한 lab scale의 24 cell 태양광 모듈 제작하여 전기적 출력 및 신뢰성 특성을 분석 하였다. 사용된 전면 재료는 강화유리와 고분자 보호필름 이였으며, 태양광 모듈의 적층 구조는 전면 재료를 제외하고 모두 같은 구조로 실험을 진행 하였다.
고분자 보호필름의 특성을 비교하기 위해서 일반적으로 태양광 모듈에 사용되는 저 철분 강화 유리와 상호비교 하였다. 먼저 각 시료의 투과율과 UV 시험 이후의 투과율을 비교 분석하였으며, 이후 1 cell 태양광 모듈을 전면 재료를 제외한 다른 조건을 모두 동일하게 제작 하여 전기적 출력 측정 하였으며, lab scale의 24 cell 태양광 모듈의 전기적 출력 및 신뢰성 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 고분자 보호필름의 태양광 모듈 전면재료로 적용 가능성을 분석 하였다. 먼저 저철분 강화 유리와 비교하여 고분자 보호필름의 투과율 및 무게 등 특성을 확인 하였으며, 1 cell 태양전지 모듈을 제작하여 전기적 출력 측정 하였다. 또한 lab scale의 24 cell 태양광 모듈 제작하여 전기적 출력 및 신뢰성 특성을 분석 하였다.
그러므로 태양광 모듈의 전면 재료 선정을 위해서는 투과율뿐만 아니라 UV 시험이 필수적이다. 본 논문에서는 KS C 8561기준에 따라 280 nm에서 385 nm까지 방사조도 15 kWh/m2의 조건에서 시험을 진행 하였으며, 이후 저철분 강화 유리와 고분자 보호필름의 투과율을 측정 하였다. Fig.
태양광 모듈의 일반적인 구조는 유리/EVA/태양전지/EVA/후면시트 이며, 순서대로 적층한 이후 lamination 공정을 통해서 최종적으로 태양광 모듈이 제작된다. 본 논문에서는 전면 재료만 변경하였으며, 적층 순서와 lamination 공정은 모두 동일하게 진행 하였다. Fig.
즉, 실제 옥외에서 발전 하는 것은 1 cell 단위의 태양광 모듈이 아니라 다수의 태양전지가 직렬로 연결된 태양광 모듈이다. 본 논문에서는 전면 재료에 따른 출력 및 신뢰성 특성을 확인하기 위해서 lab scale의 태양광 모듈을 제작하였으며, 실제 제작된 태양광 모듈은 Fig. 4와 같다.
최근 태양광 모듈은 다양한 종류의 전면 재료를 사용하고 있나 일반적인 양산 모듈은 대부분 전면에 유리를 사용하여 제작한다. 본 논문에서는 전면 재료에 따른 태양광 모듈의 신뢰성 특성 분석을 위해서 유리/고분자 보호필름을 사용하여 모듈을 제작하였으며, 전면에 유리가 아닌 고분자 보호필름을 사용한 태양광 모듈의 신뢰성 분석을 위해서 먼저 일반적인 유리 기반의 태양광 모듈의 신뢰성 특성을 분석 하였다. 이후, 고분자 보호필름 태양광의 신뢰성 시험을 하여 유리 기반의 태양광 모듈과 비교 분석 하였다.
앞서 태양광 모듈의 전면 재료의 특성을 비교 분석 하였다. 하지만 실제로 옥외에서 발전하는 것은 완성된 형태의 태양광 모듈이므로 먼저 고분자 보호필름과 저철분 강화유리를 전면 재료로 사용하여 1장짜리 태양광 모듈을 제작하였다.
즉, 고분자 보호필름으로 제작된 태양광 모듈의 정확한 비교를 위해서 먼저 처짐이 발생하지 않은 1 cell 태양광 모듈을 제작하여 일반적인 태양광 모듈과 출력 특성을 비교 분석 하였다. 이후 lab scale의 24 cell 태양광 모듈을 제작하였으며, 신뢰성 특성을 분석하여 고분자 보호필름의 전면 재료로서 적용 가능성을 분석하였다. 실험에 사용된 태양전지는 S사의 다결정 태양전지를 사용하였으며, lab scale의 태양광 모듈에 태양전지간의 미스매치가 발생할 것을 고려하여 먼저 sorting을 진행한 이후 태양광 모듈을 제작 하였다.
본 논문에서는 전면 재료에 따른 태양광 모듈의 신뢰성 특성 분석을 위해서 유리/고분자 보호필름을 사용하여 모듈을 제작하였으며, 전면에 유리가 아닌 고분자 보호필름을 사용한 태양광 모듈의 신뢰성 분석을 위해서 먼저 일반적인 유리 기반의 태양광 모듈의 신뢰성 특성을 분석 하였다. 이후, 고분자 보호필름 태양광의 신뢰성 시험을 하여 유리 기반의 태양광 모듈과 비교 분석 하였다.
고분자 보호필름은 필름 계열의 물질로 lab scale로 모듈을 제작할 경우, 처짐이 발생할 가능성이 있다. 즉, 고분자 보호필름으로 제작된 태양광 모듈의 정확한 비교를 위해서 먼저 처짐이 발생하지 않은 1 cell 태양광 모듈을 제작하여 일반적인 태양광 모듈과 출력 특성을 비교 분석 하였다. 이후 lab scale의 24 cell 태양광 모듈을 제작하였으며, 신뢰성 특성을 분석하여 고분자 보호필름의 전면 재료로서 적용 가능성을 분석하였다.
실험에 사용된 태양전지는 S사의 다결정 태양전지를 사용하였으며, lab scale의 태양광 모듈에 태양전지간의 미스매치가 발생할 것을 고려하여 먼저 sorting을 진행한 이후 태양광 모듈을 제작 하였다. 태양전지의 출력 편차는 1% 미만으로 출력차이가 거의 없는 태양전지를 선택하여 실험을 진행하였으며, 출력을 측정하는 시뮬레이터는 광 class AAA, 온도는 25℃, 레퍼런스 셀의 전류 값 변화는 0.05[A] 이내의 환경에서 측정을 하였다.
앞서 태양광 모듈의 전면 재료의 특성을 비교 분석 하였다. 하지만 실제로 옥외에서 발전하는 것은 완성된 형태의 태양광 모듈이므로 먼저 고분자 보호필름과 저철분 강화유리를 전면 재료로 사용하여 1장짜리 태양광 모듈을 제작하였다. 고분자 보호필름은 필름 계열의 물질로 lab scale로 모듈을 제작할 경우, 처짐이 발생할 가능성이 있다.
대상 데이터
또한 lab scale의 24 cell 태양광 모듈 제작하여 전기적 출력 및 신뢰성 특성을 분석 하였다. 사용된 전면 재료는 강화유리와 고분자 보호필름 이였으며, 태양광 모듈의 적층 구조는 전면 재료를 제외하고 모두 같은 구조로 실험을 진행 하였다.
Table 1은 실험에 사용된 고분자 보호필름과 저철분 강화유리의 특성을 나타낸다. 실험에 사용된 고분자 보호 필름은 3M사의 ultra barrier solar film 이며, 투과율 측정 장비는 J사의 V-670 UV-spectrometer를 사용하였다. 또한 실험의 재현성을 확인하기 위해서 각 시료 마다 5회씩 측정을 하였으며, 측정 재현성은 0.
이후 lab scale의 24 cell 태양광 모듈을 제작하였으며, 신뢰성 특성을 분석하여 고분자 보호필름의 전면 재료로서 적용 가능성을 분석하였다. 실험에 사용된 태양전지는 S사의 다결정 태양전지를 사용하였으며, lab scale의 태양광 모듈에 태양전지간의 미스매치가 발생할 것을 고려하여 먼저 sorting을 진행한 이후 태양광 모듈을 제작 하였다. 태양전지의 출력 편차는 1% 미만으로 출력차이가 거의 없는 태양전지를 선택하여 실험을 진행하였으며, 출력을 측정하는 시뮬레이터는 광 class AAA, 온도는 25℃, 레퍼런스 셀의 전류 값 변화는 0.
성능/효과
(2) 태양광 모듈의 전면 재료인 유리와 고분자 보호필름 모두 UV 전후 투과율의 변화가 거의 없었으며, 광투과율은 유리가 약 1.4% 우수하였다. 이에 따라 1 cell 태양광 모듈의 광 생성 전류 값과 출력 또한 유리기반의 태양광 모듈이 약 0.
(3) 모듈 제작 이후 유리와 고분자 보호필름의 신뢰성 시험은 인증 기준 내로 통과가 가능 하였으며, 고분자보호필름의 경우 고온 고습 시험 결과가 유리 기반의 태양광 모듈에 비해 우수 하였다.
UV 시험 이후, 고분자 보호필름은 육안으로 표면의 변색을 확인 할 수 있었으며, 400 nm ~ 1200 nm의 투과율은 약 2% 감소하였다. 하지만 저철분 강화 유리의 경우, UV 시험 전후의 투과율 차이는 거의 발생하지 않았다.
7은 고분자 필름을 적용한 태양광 모듈의 신뢰성 실험 결과를 나타낸다. 고온 고습 시험 전후 출력 변화는 약 2.16%로 전면에 유리를 사용한 태양광 모듈에 비해 출력 저하가 적었으며, 온도 사이클 시험 결과는 약 2.42%로 신뢰성 인증 기준인 5% 이하로 우수한 특성을 나타냈다. 즉, 태양광 모듈의 전면재료로 고분자 보호필름을 사용할 경우, 태양광 모듈의 전면에 유리를 사용한 태양광 모듈에 비해 신뢰성 특성이 동등한 수준인 것을 확인 할 수 있었다.
1[W] 높은 특성을 확인 할 수 있었다. 또한 EL 측정 결과 film 계열인 고분자 보호필름은 약간의 crack이 발견되었으며, 이를 통해 film 계열을 태양광 모듈의 전면 재료로 적용할 때는 후면에 기계 강도의 보강이 필요한 것을 확인 할 수 있었다.
실험에 사용된 고분자 보호 필름은 3M사의 ultra barrier solar film 이며, 투과율 측정 장비는 J사의 V-670 UV-spectrometer를 사용하였다. 또한 실험의 재현성을 확인하기 위해서 각 시료 마다 5회씩 측정을 하였으며, 측정 재현성은 0.2% 미만으로 매우 우수하였다.
신뢰성 시험은 태양광 인증 시험에서 가장 대표적인 damp heat과 thermal cycle 시험을 실시하였으며, 고분자 보호필름의 고온고습 시험 이후 출력 저하는 유리 기반의 태양광 모듈에 비해 낮았으며, 온도 사이클 시험은 유리에 비해 약 0.7% 높은 특성을 보였으나 고온 고습 시험과 온도 사이클 시험의 출력 저하는 3% 이하로 우수한 특성을 보였다. 결론을 정리하면 다음과 같다.
실험 결과 고분자 보호필름의 투과율을 저철분 강화 유리에 비해 2.4% 낮았으나 무게는 약 32배, 두께는 16배 얇은 특성을 가지고 있었다. 고분자 보호필름을 태양광 모듈에 적용할 경우, 모듈의 경량화가 가능 할 것으로 판단되었으며, 전면 소재에 따른 태양광 모듈의 신뢰성 특성 분석을 진행 하였다.
실험 결과 고분자 보호필름의 투과율이 저철분 강화 유리에 비해 약 1.4% 낮았으며, 이로 인해 1 cell 모듈의 광생성 전류가 0.3[A], 출력은 0.1[W]가 낮았다. 제작된 lab scale의 태양광 모듈도 유리 기반의 태양광 모듈의 광 생성 전류 값이 고분자 보호필름 태양광 모듈에 비해 높았으며, 이로 인한 출력 또한 유리 기반의 태양광 모듈이 약 5.
6은 전면 유리를 사용한 태양광 모듈의 신뢰성 시험 결과 이다. 전면 유리 태양광 모듈의 신뢰성 실험 결과, damp heat 시험 후 출력 변화는 약 2.8%였으며, thermal cycle 시험 이후 출력 변화는 1.71%로 인증 시험 기준인 5% 이하의 출력 변화를 보였다.
전면 재료에 따른 태양광 모듈의 출력 특성은 전면에 유리를 사용한 태양광 모듈의 출력이 고분자 보호필름 태양광 모듈에 비해 약 5.1[W] 높았다. Fig.
1[W]가 낮았다. 제작된 lab scale의 태양광 모듈도 유리 기반의 태양광 모듈의 광 생성 전류 값이 고분자 보호필름 태양광 모듈에 비해 높았으며, 이로 인한 출력 또한 유리 기반의 태양광 모듈이 약 5.1[W] 높은 특성을 확인 할 수 있었다. 또한 EL 측정 결과 film 계열인 고분자 보호필름은 약간의 crack이 발견되었으며, 이를 통해 film 계열을 태양광 모듈의 전면 재료로 적용할 때는 후면에 기계 강도의 보강이 필요한 것을 확인 할 수 있었다.
42%로 신뢰성 인증 기준인 5% 이하로 우수한 특성을 나타냈다. 즉, 태양광 모듈의 전면재료로 고분자 보호필름을 사용할 경우, 태양광 모듈의 전면에 유리를 사용한 태양광 모듈에 비해 신뢰성 특성이 동등한 수준인 것을 확인 할 수 있었다.
1[W] 높았는데, 이것은 태양광 모듈의 광 투과에 의한 차이로 발생하였다. 즉, 태양광 모듈의 출력 특성은 전면 재료의 투과율이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 또한 각 전면 소재의 투과율 차이는 광 생성 전류의 차이와 다른데, 그 원인은 태양광 모듈의 광 생성 전류는 후면 소재에 의한 반사, 여백 등에 의해서 달라지기 때문이다.
출력 측정 결과 투과율이 우수한 저철분 강화유리를 사용한 태양광 모듈의 광 생성 전류가 9.2[A]로 가장 높았으며, 고분자 보호필름을 전면 재료로 사용한 태양광 모듈의 광 생성 전류가 8.9[A]였다. 개방 전압은 약 0.
후속연구
(5) 결론적으로 고분자 보호필름은 후면에 대한 기계적 강도 보완이 가능하다면 충분히 태양광 모듈의 전면 재료로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
본 논문에서 분석한 전면 재료의 특성과 고분자 보호필름모듈의 신뢰성 분석 결과가 추후 경량화 및 새로운 태양광 모듈을 연구하는데 활용 될 수 있을 것으로 기대한다.
이미지에 나타난 것처럼 고분자 보호필름을 적용한 태양광 모듈은 약간의 crack이 발생하였다. 즉, 태양광 모듈의 전면 재료로 유리가 아닌 film 계열의 물질을 사용할 경우에는 후면에 다른 재료를 부착하여 기계강도 및 파손 절감에 대한 기술 확보가 필요 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 보호필름의 특성은?
그러므로 본 논문에서 는 먼저 경량화 고분자 보호필름의 UV 특성을 분석 하였다. 고분자 보호필름은 PET나 폴리카보네이트에 비해 투과율이 우수하며12), 투습도와 신뢰성 특성이 좋은 물질로 알려져 있다.
BIPV 태양광 모듈의 심미성이 중요한 요소로 개발된 기술을 무엇이 있는가?
BIPV 태양광 모듈은 전기적 출력뿐만 아니라 심미성이 매우 중요한 요소로 전면 유리를 코팅하거나 색소를 첨가하는 방법, 중간에 interlayer를 삽입 하는 방법, MWT (metal wrap through)를 적용한 모자이크 태양광 모듈 등 다양한 기술이 개발 되고 있으며5-7), 최근에는 BIPV 태양광 모듈 및 시스템의 심미성뿐만 아니라 경량화를 통해서 보급을 확대하고자 다양한 연구가 진행되고 있다. 태양광 모듈의 경량화는 기반이 약한 장소나 노후화된 건축물에 설치를 보다 용이하게 할 수 있어 glass fiber reinforce polymer를 적용한 경량화 태양광 모듈이 개발 되었으며8), 전면에 유리 대신 필름을 사용하고, 후면에 기계 강도를 보완하기 위해서 샌드위치 패널을 사용한 경량화 태양광 모듈이 연구/개발 되고 있다9-11).
태양광 모듈의 경량화를 위해 강화 유리가 아닌 대체재를 사용해야하는 이유는?
태양광 모듈의 경량화를 위해서는 전면에 강화 유리가 아닌 다른 대체재를 적용할 필요가 있다. 그 이유는 태양광 모듈에서 유리의 무게는 약 65%를 차지하기 때문에 모듈 전면에 유리가 아닌 필름이나 플라스틱 계열의 물질을 사용할 경우, 태양광 모듈의 무게를 크게 줄일 수 있다. 최근에는 폴리카보네이트나 ETFE 등을 전면 재료에 적용한 경량화 태양광 모듈에 대한 연구가 지속 되고 있다12,13).
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