[논문]경량화 태양광 모듈의 내구성 보완에 관한 연구

정태웅; 박민준; 김한준; 송진호; 문대한; 홍근기; 정채환

doi:10.4313/jkem.2021.34.2.110

경량화 태양광 모듈의 내구성 보완에 관한 연구
A Study on the Durability Complement of Lightweight Photovoltaic Module 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.34 no.2, 2021년, pp.110 - 114

정태웅 (한국생산기술연구원 스마트에너지나노융합연구그룹) , 박민준 (한국생산기술연구원 스마트에너지나노융합연구그룹) , 김한준 (한국생산기술연구원 스마트에너지나노융합연구그룹) , 송진호 (한국생산기술연구원 스마트에너지나노융합연구그룹) , 문대한 (한국생산기술연구원 스마트에너지나노융합연구그룹) , 홍근기 ((주) 신성이엔지 R&D 센터) , 정채환 (한국생산기술연구원 스마트에너지나노융합연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we fabricated light-weight solar module for various applications such as building integrated photovoltaics (BIPV), vehicles, trains, etc. Ethylene tetra fluoro ethylene (ETFE) film was applied as a material to replace the cover glass, which occupies more than 65% of the weight of the PV module. Glass fiber reinforced plastic (GRP) was applied to the ones with a low durability by replacing the cover glass to ETFE. Moreover, to achieve a high solar power conversion in this study, we applied a shingled design to weight reduced solar modules. The shingled module with GRP shows 183.7 W of solar-to-power conversion, and the output reduction rate after weight load test was 1.14%.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic of shingled design string manufacturing process.
그림 Fig. 2. The difference between a normal pattern of solar cells and a shingled pattern of solar cells.
그림 Fig. 3. Schematic of lightweight PV module.
그림 Fig. 4. Schematic of (a) 17 cells string × 12 and (b) 11 cells string × 18.
그림 Fig. 5. I-V curves of (a) 17 cells string × 12 and (b) 11 cells string × 18.
표 Table 1. Weight comparison by module cover material (1 m²).
그림 Fig. 6. Bending degree with and without GRP.
그림 Fig. 7. EL image of module (a) with GRP and (b) without GRP.
표 Table 2. Output power reduction rate with or without GRP after load test.

AI 본문요약
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문제 정의

ETFEe 실리콘 태양광 모듈의 경량화를 위하여 적용되었던 물질이다 [2, 3], 하지만 전면 cover glass에 비하여 물리적 강도가 매우 낮아 내구성 보완에 대한 숙제를 갖고 있다. ETFE를 적용한 실리콘 태양광 모듈의 내구성 향상을 위해, 본 연구에서는 GRP (glass fiber reinforced plastic)를 모듈 후면에 접목하여 물리적 강성을 증가시켰다. GRP는 재료 특유의 가벼운 무게와 높은 강성으로 항공.
본 연구에서는 건물 적용이 용이한 태양광 모듈 제작을 위한 모듈 경량화에 관한 연구를 진행하였으며, 경량화에 따른 cover glass 부재로 인한 모듈의 내구성 보완에 관한 연구도 동시적으로 진행하였다. Cover glass 대체재로 ETFE를 적용하고 cover glass 부재로 인한 모듈의 내구성 보완을 위해 모듈 후면에 GRP 를 적용한 모듈을 제작함으로써 동일 면적의 glass to backsheet 방식의 모듈 대비 약 46%의 중량을 감소하였다.
본 연구에서는 기존 실리콘 태양광 모듈의 적용 범위를 넓히기 위하여 물리적 내구성이 보완된 경량화 실리콘 태양광 모듈을 제작하였다. 우선 모듈 전체 무게의 65% 이상을 차지하는 전면 cover glass를 대체하기 위하여 ETFE (ethylene tetra fluoro ethylene)을적용하였다.

가설 설정

그림 5(a)는 17 접합 스트링을 3장씩 병렬연결 하여 semi module을 형성하고 각 semi module을 직렬연결 하여 총 12장의 스트링이 모듈 제작에 사용되었고, (b)는 11접합 스트링 3장씩 병렬로 연결한 semi module 6장을 직렬연결하여 11접합 스트링 18장이 모듈 제작에 사용되었다. (a) 모듈은 (b) 모듈에 비해 1/5 분할셀 6장을 더 사용 가능하였고, 더 많은 분할셀을 사용한 (a) 모듈의 출력값이 (b) 모듈의 출력값보다 높은 것을 확인할 수 있다. 그림 6은 ETFE를 적용하여 제작한 모듈의 후면 GRP 유무에 따른 굽힘 정도 시험 결과 그래프이다.

제안 방법

모듈 경량화를 위해 전면 cover glass 대체재로 ETFE를 사용하였다. BIPV 시스템에 주로 사용되는 glass to glass, glass to backsheet 방식과 달리 cover glass 부재로 인하여 저하된 내구성 보완을 위하여 후면에 GRP를 적용한 모듈을 동일 면적의 크기로 제작하고 무게를 측정하여 전면 cover glass를 ETFE로 대체한 모듈과의 무게를 표 1에 비교하였다. 모듈 무게의 65% 이상 차지하는 glass 대체재로 ETFE와 GRP를 사용하여 약 1 m²면적에서 glass to glass 대비 70% 중량 감소, glass to backsheet 대비 10.
ETFE film을 사용하면서 전면 cover glass의 부재로 인한 모듈의 내구성 저하 문제를 해결하기 위하여 모듈의 후면에 GRP를 적용하였다. GRP는 강도 높은 복합소재로 기계강도가 우수하며 충진성, 유동성이 높아 glass-free 태양광 모듈의 내구성을 향상시켜 줄 수 있는 기대를 할 수 있다.
그림 6은 ETFE를 적용하여 제작한 모듈의 후면 GRP 유무에 따른 굽힘 정도 시험 결과 그래프이다. 각 모듈은 바닥부터 17.5 cm 높이의 시험대 위에 설치하였고, 설치된 모듈의 중심부에 500 g 중량의 시험편의 개수를 하나씩 늘려가며 바닥과 중심부와의 높이를 측정하였다. 후면에 GRP를 적용하여 제작한 모듈에 500 g씩 총 4 kg의 하중을 가하는 동안 설치된 높이로부터 1.
[4]. 마지막으로 우리는 고출력의 태양광 모듈 제작을 위해 슁글드 구조를 접목시켰다. 슁글드 구조는 기존 태양광 소자를 분할 및 접합하여 모듈을 제작하는 방법으로, 기존 태양광 모듈보다 단위면적당 태양광 소자의 고집적화가 가능하여 최근 고출력 태양광 모듈 제작 기술로 각광받고 있다.
분할공정에서는 레이저 스크라이버 장비를 이용하여 6 inch 5 버스바 PERC 태양전지[(주)신성이엔지, 평균 효율: 약 20.5%] 의 전후 면 버스바에 손상이 가지 않도록 5 분할하였으며 532 nm, 50 kHz, 20 ns, 10 W, coherent의 레이저 소스를 이용하여 1, 400 mm/s의 스캔속도로 30회 scribing했다. 그 후, scribing 부분을 물리적으로 절단하였다.
제작에 유리하다. 우리는 고출력 모듈 제작을 위하여 슁글드 스트링을 사용하였으며, 동일 면적에서 가능한 많은 1/5 분할 셀 투입과 그에 따른 출력 향상을 비교하기 위해 10~20접합의 스트링 배열 디자인을 시뮬레이션 하였고, 그 중 분할셀 투입량이 가장 높았던 두 가지 배열 방식을 분석하였다.
태양광 모듈을 제작하였다. 우선 모듈 전체 무게의 65% 이상을 차지하는 전면 cover glass를 대체하기 위하여 ETFE (ethylene tetra fluoro ethylene)을적용하였다. ETFEe 실리콘 태양광 모듈의 경량화를 위하여 적용되었던 물질이다 [2, 3], 하지만 전면 cover glass에 비하여 물리적 강도가 매우 낮아 내구성 보완에 대한 숙제를 갖고 있다.
본 연구에서 두께는 2 mm, 크기는 약 1 m² (1, 040 mm × 970 mm)의 GRP를 사용하여 위의 shingled 스트링 배열이 적용 가능하게 하였다. 후면 GRP 적용에 따른 모듈의 내구성 분석을 위하여 GRP를 적용한 태양광 모듈과 GRP를 적용하지 않은 모듈 중심부에 500 g 단위로 일정 하중을 늘려가며 바닥과 모듈의 중심부와의 높이를 측정하며 모듈의 굽힘 정도를 시험하였다.

대상 데이터

모듈 경량화를 위해 전면 cover glass 대체재로 ETFE를 사용하였다. BIPV 시스템에 주로 사용되는 glass to glass, glass to backsheet 방식과 달리 cover glass 부재로 인하여 저하된 내구성 보완을 위하여 후면에 GRP를 적용한 모듈을 동일 면적의 크기로 제작하고 무게를 측정하여 전면 cover glass를 ETFE로 대체한 모듈과의 무게를 표 1에 비교하였다.
GRP는 강도 높은 복합소재로 기계강도가 우수하며 충진성, 유동성이 높아 glass-free 태양광 모듈의 내구성을 향상시켜 줄 수 있는 기대를 할 수 있다. 본 연구에서 두께는 2 mm, 크기는 약 1 m² (1, 040 mm × 970 mm)의 GRP를 사용하여 위의 shingled 스트링 배열이 적용 가능하게 하였다. 후면 GRP 적용에 따른 모듈의 내구성 분석을 위하여 GRP를 적용한 태양광 모듈과 GRP를 적용하지 않은 모듈 중심부에 500 g 단위로 일정 하중을 늘려가며 바닥과 모듈의 중심부와의 높이를 측정하며 모듈의 굽힘 정도를 시험하였다.
접합공정에서는 레이저 스크라이버로 분할된 1/5 분할셀을 전도성 접착제(ECA)를 사용하여 150℃ hot plate 위에서 접합을 진행하였다. 이 연구에는 슁글드 디자인의 전극 패턴을 갖는 6 inch 태양전지를 사용하였다(그림 2).

성능/효과

Cover glass 대체재로 ETFE를 적용하고 cover glass 부재로 인한 모듈의 내구성 보완을 위해 모듈 후면에 GRP 를 적용한 모듈을 제작함으로써 동일 면적의 glass to backsheet 방식의 모듈 대비 약 46%의 중량을 감소하였다. 모듈의 내구성 보완을 위한 후면 GRP 적용의 영향으로 load test에 따른 출력 감소율이 GRP 적용 여부에 따라 7.
GRP를 적용하지 않은 모듈에서 육안으로 보기에도 crack이 많이 발생한 것을 확인할 수 있다. 대부분의 crack이 스트링을 이루고 있는 분할 셀의 접합부에서 발생한 것을 확인할 수 있는데, 이는 모듈에 가해진 하중으로 모듈이 굽혀질 때 셀의 접합부에서 crack이 발생한 것으로 보이며 이에 따라 모듈의 출력이 7.08% 감소한 것을 확인할 수 있다. 반면에 GRP를 적용한 모듈에서는 가해진 하중을 후면 GRP 층에서 지탱하여 굽힘 정도가 낮아 crack 발생이 상대적으로 적고 출력 감소율은 1.
BIPV 시스템에 주로 사용되는 glass to glass, glass to backsheet 방식과 달리 cover glass 부재로 인하여 저하된 내구성 보완을 위하여 후면에 GRP를 적용한 모듈을 동일 면적의 크기로 제작하고 무게를 측정하여 전면 cover glass를 ETFE로 대체한 모듈과의 무게를 표 1에 비교하였다. 모듈 무게의 65% 이상 차지하는 glass 대체재로 ETFE와 GRP를 사용하여 약 1 m²면적에서 glass to glass 대비 70% 중량 감소, glass to backsheet 대비 10.6 kg에서 5.66 kg으로 46% 중량 감소를 확인하였다.
오른쪽의 모식도에서는 11개의 1/5 분할셀을 사용하여 제작한 11접합 스트링 18장 투입이 가능하다. 모듈에 투입되는 1/5 분할셀의 총 개수로 보면 17접합 스트링을 사용한 모듈에 분할셀 6개를 더 집적할 수 있다는 것을 알 수 있다.
Cover glass 대체재로 ETFE를 적용하고 cover glass 부재로 인한 모듈의 내구성 보완을 위해 모듈 후면에 GRP 를 적용한 모듈을 제작함으로써 동일 면적의 glass to backsheet 방식의 모듈 대비 약 46%의 중량을 감소하였다. 모듈의 내구성 보완을 위한 후면 GRP 적용의 영향으로 load test에 따른 출력 감소율이 GRP 적용 여부에 따라 7.08%에서 1.14%로 크게 개선되는 것을 확인하였다.
08% 감소한 것을 확인할 수 있다. 반면에 GRP를 적용한 모듈에서는 가해진 하중을 후면 GRP 층에서 지탱하여 굽힘 정도가 낮아 crack 발생이 상대적으로 적고 출력 감소율은 1.14%로 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다.

참고문헌 (7)

S. M. Lee and J. H. Huh, J. Korean Sol. Energy Soc., 36, 53 (2016). [DOI: https://doi.org/10.7836/kses.2016.36.2.053]

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W. Shin, J. Lim, S. Ko, G. Kang, Y. Ju, and H. Hwang, J. Korean Sol. Energy Soc., 40, 13 (2020). [DOI: https://doi.org/10.7836/kses.2020.40.4.013]

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A. C. Martins, V. Chapuis, A. Virtuani, H. Y. Li, L. E. Perret-Aebi, and C. Ballif, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 187, 82 (2018). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.07.015]

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H. Jee, D. Moon, J. Song, and C. Jeong, Curr. Photovoltaic Res., 6, 119 (2018). [DOI: https://doi.org/10.21218/CPR.2018.6.4.119]

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J. Song, H. Jee, D. Moon, D. H. Kim, O. B. Yang, and C. Jeong, Curr. Photovoltaic Res., 7, 51 (2019). [DOI: https://doi.org/10.21218/CPR.2019.7.2.051]

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W. J. Oh, J. S. Park, S. H. Hwang, S. H. Lee, C. H. Jeong, and J. H. Lee, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 31, 290 (2018). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2018.31.5.290]

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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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