[논문]고출력 태양광 모듈을 위한 분할 셀 종류에 따른 슁글드 스트링 특성 시뮬레이션

박지수; 오원제; 이재형

doi:10.4313/jkem.2020.33.1.10

고출력 태양광 모듈을 위한 분할 셀 종류에 따른 슁글드 스트링 특성 시뮬레이션
Simulation of Shingled String Characteristics Depending on Cell Strips Type for High Power Photovoltaic Modules 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.1, 2020년, pp.10 - 15

박지수 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 오원제 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 이재형 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, with the increase in the use of urban solar power, solar modules are required to produce high power in limited areas. In this report, we proposed the fabrication of a high-power photovoltaic module using shingles technology, and developed accurate string characteristic simulations based on circuit modeling. By comparing the resistance components between the interconnected cells and the cell strips, the ECA resistance was determined to be 0.003 Ω. Based on the equivalent circuit of the modeled shingled string, string simulation was performed according to the type of cell strip. As a result, it was determined that the cell efficiency of the 4-cell strip was the highest at 19.66%, but the efficiency of the string simulated with the 6-cell strip was the highest at 20.48% in the string unit.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Concepts of (a) conventional and (b) shingled string.
그림 Fig. 2. Single-diode model of solar cell.
그림 Fig. 3. Circuit model of shingled string through an electrically conductive adhesive.
그림 Fig. 4. (a) Front and (b) back photographs of passivated emitter and rear cell.
그림 Fig. 5. Laser-scribed lines on the (a) front and (b) rear sides, and (c) photograph of cell strips.
그림 Fig. 6. (a) Cross-sectional image of interconnected cell and (b) ECA image applied on front busbar.
표 Table 1. Properties of interconnected cells and cell strips.
그림 Fig. 7. Change of shingled string efficiency depending on cell strips type.
그림 Fig. 8. Relationship between front metal ratio and efficiency of cell strip and shingled string according to cell strip type.
표 Table 2. Comparison of measured interconnected cells and simulation results.
표 Table 3. Optimized characteristics of cell strips depending on cell strips type.

AI 본문요약
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제안 방법

7 mm 폭으로 겹쳐 접합하였다. ECA는 온도 150℃에 시간 5s로 경화되었으며, 분할 셀과 접합 셀의 특성은 AM 1.5 조건에서 솔라시뮬레이터로 측정되었다.
첫 번째는 식 (2)에 나타낸 전기저항식을 이용하여 추출되었으며, 여기서 ρ는 제조사에서 제공한 ECA의 비저항, A는 분할 셀의 전면 버스바에 위에 형성된 ECA의 면적, l은 ECA 두께의 수치를 대입하여 추출하였다. ECA의 두께와 면적은 FE-SEM과 광학현미경을통해 측정되었다.
Griddler 프로그램을 통해 15.675 cm × 15.675cm 크기에 두께 200 ㎛, 면저항 85 Ω/sq, p타입의 단결정 웨이퍼로 동일한 조건을 설정한 상태에서 웨이퍼를 3등분한 크기 5.225 cm × 15.675 cm의 3분할 셀, 4등분한 크기 3.918 cm × 15.675 cm의 4분할 셀, 5등분한 크기 3.135 × 15.675 cm의 5분할 셀, 6등분한 크기 2.612 cm × 15.675 cm의 6분할 셀로 종류를 나누어 전면 전극 구조 변경을 통해 분할 셀의 특성을 비교하였다 [14].
그림 1은 기존의 스트링과 슁글드 스트링의 단면 모식도를 나타낸다. 그림 1(b)에서와 같이 슁글드 스트링은 분할 셀이 ECA에 의해 연결되기 때문에 본 연구에서 단일 다이오드 모델을 이용하여 분할 셀의 등가회로를 나타내고 이를 직렬로 연결하여 슁글드 스트링의 특성 시뮬레이션을 진행하였다.
그림 3은 n개의 분할 셀을 연결한 슁글드 스트링의 등가회로를 나타낸 것이다. 단일 다이오드 모델을 이용해 나타낸 분할 셀의 등가회로를 ECA 저항 성분을 통해 직렬로 연결하여 모델링하였다. 여기서 I_L1은 첫 번째 분할 셀의 광 생성전류, D₁은 첫 번째 분할 셀의 다이오드, R_s1은 첫 번째 분할 셀의 직렬저항, R_sh1는 첫 번째 분할 셀의 병렬저항, I_Ln은 n 번째 분할 셀의 광 생성전류, D_n은 n 번째 분할 셀의 다이오드, R_sn은 n 번째 분할 셀의 직렬저항, R_shn는 n 번째 분할 셀의 병렬저항, R_ECA는 ECA의 저항성분, V는 슁글드 스트링의 출력전압이다.
두 번째는 접합 전 두 개의 분할 셀 직렬저항의 합과 ECA로 두 개의 분할 셀이 연결된 접합 셀(interconnected cell)의 직렬저항을 서로 비교하여 ECA의 저항 성분을 추출하였다 [12]. 셀의 직렬 저항은 광조사량 변화에 따른 I-V 커브의 변화를 이용한 측정 방법을 사용하였다 [13].
본 연구에서는 단일 다이오드(single-diode) 모델을 통해 분할 셀을 등가회로로 나타내고 이를 ECA 저항 성분이 추가하여 직렬로 연결함으로써 슁글드 스트링의 등가회로를 모델링하였다. 모델링된 스트링의 등가회로를 기반으로 분할 셀 종류에 따른 접합 시뮬레이션을 통해 고출력 슁글드 스트링 제작을 위한 최적 분할 셀 종류를 도출하였다.
본 연구에서는 단일 다이오드(single-diode) 모델을 통해 분할 셀을 등가회로로 나타내고 이를 ECA 저항 성분이 추가하여 직렬로 연결함으로써 슁글드 스트링의 등가회로를 모델링하였다. 모델링된 스트링의 등가회로를 기반으로 분할 셀 종류에 따른 접합 시뮬레이션을 통해 고출력 슁글드 스트링 제작을 위한 최적 분할 셀 종류를 도출하였다.
그림 7은 분할 셀 종류에 따른 슁글드 스트링의 효율 변화를 나타낸다. 분할 셀 종류에 따른 스트링 효율 비교를 위해 3분할 셀은 17개, 4분할 셀은 22개, 5분할 셀은 28개, 6분할 셀은 33개가 직렬로 연결되어 스트링의 등가회로를 구성하였다. 그림 7의 x축은 분할 셀 연결 개수에 따른 스트링의 길이를 나타낸다.
675 cm의 6분할 셀로 종류를 나누어 전면 전극 구조 변경을 통해 분할 셀의 특성을 비교하였다 [14]. 분할 셀 종류에 따른 전면 버스바 두께를 1.5 mm로 동일하게 고정하였고 핑거의 개수를 70개에서 130개까지 가변하여 가장 높은 출력 특성이 나타나는 핑거 개수를 최적화하였다. 이후 슁글드 스트링의 등가회로를 이용하여 분할 셀 종류에 따른 접합 특성을 시뮬레이션 하였고 고출력 슁글드 스트링 제작을 위한 최적 분할 셀 종류를 도출하였다.
표 1은 단결정 PERC의 분할 셀과 접합 셀의 특성을 나타낸 것이다. 분할 셀과 접합 셀의 직렬 저항 비교를 통해 실험적으로 ECA 저항 성분을 추출하였다. 분할 셀의 직렬 저항은 0.
스크라이빙 조건은 레이저 조사속도 1,300 mm/s, 주파수 50 kHz, 레이저 파워 80%, 조사 횟수 30회로 진행하였다. 분할 셀은 스트링거(genesem inc, Korea)을 사용하여 전면 버스바를 따라 전도성 접착제(ABLESTIC CA-3556 HF, Henkel, USA)를 도포하고 다른 분할 셀의 후면과 1.7 mm 폭으로 겹쳐 접합하였다. ECA는 온도 150℃에 시간 5s로 경화되었으며, 분할 셀과 접합 셀의 특성은 AM 1.
그림 7의 x축은 분할 셀 연결 개수에 따른 스트링의 길이를 나타낸다. 분할 셀의 전면 버스바 폭은 1.5 mm로, 접합에 의한 음영이 발생하지 않도록 오버랩을 1.5 mm로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 분할 셀 종류 중, 4분할 셀이 가장 높은 효율을 보였지만, 스트링 효율은 20.
슁글드 스트링 특성을 시뮬레이션하기 위해 측정된 분할 셀을 등가회로로 나타내고, ECA 저항을 추가하여 셀을 직렬함으로써 스트링의 등가회로를 모델링하였다. ECA 저항성분은 접합 셀과 분할 셀의 저항성분 비교를 통해 추출한 0.
스크라이빙 조건은 레이저 조사속도 1,300 mm/s, 주파수 50 kHz, 레이저 파워 80%, 조사 횟수 30회로 진행하였다. 분할 셀은 스트링거(genesem inc, Korea)을 사용하여 전면 버스바를 따라 전도성 접착제(ABLESTIC CA-3556 HF, Henkel, USA)를 도포하고 다른 분할 셀의 후면과 1.
5 mm로 동일하게 고정하였고 핑거의 개수를 70개에서 130개까지 가변하여 가장 높은 출력 특성이 나타나는 핑거 개수를 최적화하였다. 이후 슁글드 스트링의 등가회로를 이용하여 분할 셀 종류에 따른 접합 특성을 시뮬레이션 하였고 고출력 슁글드 스트링 제작을 위한 최적 분할 셀 종류를 도출하였다.
태양전지를 전기적 등가회로로 나타내기 위해 필요한 파라미터(I_s, R_s, R_sh, I_L, n)는 솔라 시뮬레이터(WXS-155S-LS, Wacom, Japan)와 전류-전압 분석기(DKSCT-3T, Denken, Japan)에 의해 측정된 태양전지의 파라미터(I_sc, V_oc, I_pm, V_pm, R_s, R_sh)를 통해 계산되었다 [11].

대상 데이터

면적 15.675 cm × 15.675cm에 두께 210 ㎛, 붕소가 도핑된 단결정 p타입 웨이퍼에서 제조되었다.
셀의 직렬 저항은 광조사량 변화에 따른 I-V 커브의 변화를 이용한 측정 방법을 사용하였다 [13]. 실험에 사용된 셀은 단결정 PERC(passivated emitter and rear cell, shinsungeng, korea)으로 셀 전면은 텍스쳐(texture) 처리된 표면에 실리콘 질화막으로 반사방지 및 패시베이션(passivation)층이 형성되었고 후면은 산화알루미늄과 실리콘 질화막으로 패시베이션층이 존재한다. 면적 15.

이론/모형

두 번째는 접합 전 두 개의 분할 셀 직렬저항의 합과 ECA로 두 개의 분할 셀이 연결된 접합 셀(interconnected cell)의 직렬저항을 서로 비교하여 ECA의 저항 성분을 추출하였다 [12]. 셀의 직렬 저항은 광조사량 변화에 따른 I-V 커브의 변화를 이용한 측정 방법을 사용하였다 [13]. 실험에 사용된 셀은 단결정 PERC(passivated emitter and rear cell, shinsungeng, korea)으로 셀 전면은 텍스쳐(texture) 처리된 표면에 실리콘 질화막으로 반사방지 및 패시베이션(passivation)층이 형성되었고 후면은 산화알루미늄과 실리콘 질화막으로 패시베이션층이 존재한다.

성능/효과

표 3은 분할 셀의 종류에 따라 최적화된 셀의 특성을 나타내며, 3분할 셀은 핑거 개수가 117개, 4분할 셀은 96개, 5분할 셀은 86개, 6분할 셀은 83개에서 가장 높은 출력을 보였다. 4분할 셀이 19.66%로 가장 높은 셀 효율이 나타났으며, 6분할 셀은 19.48%로 가장 낮은 셀 효율이 나타났다.
16%까지 증가하였다. 그래서 6분할 셀이 전면 금속 비율이 가장 높아 수광면적이 낮기 때문에 19.48%로 가장 낮은 셀 효율이 나타났다. 하지만 6분할 셀을 이용하여 슁글드 스트링을 제작 시, 셀 전면 버스바가 수광영역으로 바뀌는 비율이 가장 크게 작용하면서 20.
47%로 가장 높은 스트링 효율이 나타났다. 따라서 6분할 셀을 이용하여 슁글드 스트링 및 모듈 제작 시, 고출력 및 고효율 태양광 모듈을 제작할 수 있을 것으로 보인다.
47%로 가장 높았다. 따라서 6분할 셀을 이용한 슁글드 모듈 제작을 통해 태양광 모듈의 고출력 및 고효율화가 가능할 것으로 보인다.
0254 Ω으로 나타났다. 따라서 ECA 저항성분을 추출하는 두 번째 방법으로 R_ECA는 셀 접합 후 ECA 저항성분에 의해 추가적으로 발생한 0.003 Ω임을 알 수 있었다. 접합 셀의 출력은 분할 셀 두 개가 연결되었기 때문에 분할 셀 출력의 두 배에 가깝게 나타났지만 추가적인 ECA 저항으로 인해 접합 전 분할 셀의 FF(fill factor) 78.
따라서 ECA 저항성분을 추출하는 첫 번째 방법으로 ECA의 두께, 면적, 제조사에서 제공한 비저항(0.0025 Ω⋅cm)을 전기저항식 (2)에 대입하여, RECA는 16 µΩ으로 계산되었다.
모델링된 슁글드 스트링 등가회로를 기반으로 분할 셀의 종류에 따른 접합 시뮬레이션을 진행했으며 그 결과, 4 분할 셀에서 19.66%로 가장 높은 셀 효율을 보였으나 스트링 단위에서는 6분할 셀로 시뮬레이션 된 스트링 효율이 20.47%로 가장 높았다. 따라서 6분할 셀을 이용한 슁글드 모듈 제작을 통해 태양광 모듈의 고출력 및 고효율화가 가능할 것으로 보인다.
17%로 포화되었다. 반면에, 6분할 셀은 가장 낮은 셀 효율을 보였지만 스트링 효율은 20.47%로 포화되면서 가장 높게 나타났다.
5 mm로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 분할 셀 종류 중, 4분할 셀이 가장 높은 효율을 보였지만, 스트링 효율은 20.17%로 포화되었다. 반면에, 6분할 셀은 가장 낮은 셀 효율을 보였지만 스트링 효율은 20.
분할 셀과 접합 셀의 직렬 저항 비교를 통해 실험적으로 ECA 저항 성분을 추출하였다. 분할 셀의 직렬 저항은 0.0112 Ω이고 접합 셀의 직렬 저항은 분할 셀 두 개가 연결되었기 때문에 분할 셀의 두 배인 0.0224 Ω으로 예상할 수 있으나, 실제 측정된 접합 셀의 직렬 저항은 이보다 두 배 이상 높은 0.0254 Ω으로 나타났다. 따라서 ECA 저항성분을 추출하는 두 번째 방법으로 R_ECA는 셀 접합 후 ECA 저항성분에 의해 추가적으로 발생한 0.
003 Ω임을 알 수 있었다. 접합 셀의 출력은 분할 셀 두 개가 연결되었기 때문에 분할 셀 출력의 두 배에 가깝게 나타났지만 추가적인 ECA 저항으로 인해 접합 전 분할 셀의 FF(fill factor) 78.04%에서 접합 후 77.44%로 감소하였다. 하지만 FF의 감소에도 불구하고 셀 오버랩에 의한 분할 셀의 전면 버스바가 수광영역으로 바뀌면서 접합 후 효율은 20.
표 3은 분할 셀의 종류에 따라 최적화된 셀의 특성을 나타내며, 3분할 셀은 핑거 개수가 117개, 4분할 셀은 96개, 5분할 셀은 86개, 6분할 셀은 83개에서 가장 높은 출력을 보였다. 4분할 셀이 19.
48%로 가장 낮은 셀 효율이 나타났다. 하지만 6분할 셀을 이용하여 슁글드 스트링을 제작 시, 셀 전면 버스바가 수광영역으로 바뀌는 비율이 가장 크게 작용하면서 20.47%로 가장 높은 스트링 효율이 나타났다. 따라서 6분할 셀을 이용하여 슁글드 스트링 및 모듈 제작 시, 고출력 및 고효율 태양광 모듈을 제작할 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전이란 무엇인가?	전기에너지의 주요 공급원인 화력발전이 온실가스 및 환경오염의 주범으로 부각되면서, 신재생에너지 개발은 유럽과 북미지역을 중심으로 주목되고 있다 [1]. 특히, 태양광 발전은 방대한 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 친환경 에너지원으로, 2018년 세계 태양광수요는 전년대비 9% 증가한 108 GW를 달성하면서 세계 태양광 시장은 100 GW 시대로 돌입하였다 [2]. 최근에는 도심형 발전으로 건물 옥상에 설치하는 루프탑(roof top)과 건물집적형 태양전지(building integrated photovoltaic, BIPV) 등이 주목받고 있으며, 이를 ESS (energy storage system)와 접목하여 특정 시간대에 한시적으로 부족한 전력수요를 충당하면서 발전사업자에게는 발전수익을 가져다주는 이점이 부각되고 있다 [3,4].
	태양과시장의 정확도 높은 출력 예측이 요구되는 이유는 무엇인가?	특히, 태양광 발전은 방대한 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 친환경 에너지원으로, 2018년 세계 태양광수요는 전년대비 9% 증가한 108 GW를 달성하면서 세계 태양광 시장은 100 GW 시대로 돌입하였다 [2]. 최근에는 도심형 발전으로 건물 옥상에 설치하는 루프탑(roof top)과 건물집적형 태양전지(building integrated photovoltaic, BIPV) 등이 주목받고 있으며, 이를 ESS (energy storage system)와 접목하여 특정 시간대에 한시적으로 부족한 전력수요를 충당하면서 발전사업자에게는 발전수익을 가져다주는 이점이 부각되고 있다 [3,4]. 이로 인해 현재 태양광시장은 제한된 면적에서 높은 출력을 생산하기 위한 고출력 모듈과 발전 수익을 보장하기 위한 정확도 높은 출력 예측이 요구되고 있다 [5].
	기존의 태양광 모듈의 제작방식은 무엇인가?	기존의 태양광 모듈은 6인치 크기의 태양전지를 금속 리본(metal ribbon)으로 연결하여 제작하는 방식이다. 따라서 다수의 셀들을 연결하여 스트링(string)을 제작할 때 셀들 사이에 전기적으로 절연하기 위한 공간이 필요하다.

참고문헌 (14)

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J. Wong, 2013 IEEE 39th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) (IEEE, Tampa, USA, 2013) p. 933. [DOI: https://doi.org/10.1109/PVSC.2013.6744296]

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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