KR101270767B1 - 태양전지의 수분침투에 대한 신뢰성 평가 방법 - Google Patents

태양전지의 수분침투에 대한 신뢰성 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지의 수분침투에 대한 신뢰성을 평가하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지 모듈이 외부에 다양한 각도로 설치되어 있을 경우 외부 환경에 고려한 평가 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 태양전지 모듈 테스트 방법은 복수의 각 태양전지 모듈을 지면을 기준으로 설정된 각도로 설치하는 1단계; 설치된 상기 태양전지 모듈에 증류수, 염수, 산성수, 식용수 중 적어도 하나의 액체를 분사하는 2단계; 액체가 분사된 상태에서 단위 시간당 설정된 온도 단위로 상승하는 과정, 설정된 온도 상태를 유지하는 과정, 단위 시간당 설정된 온도 단위로 하강하는 과정을 반복하는 온도 테스트 과정을 수행하는 3단계; 상기 온도 테스트 과정 후 상기 태양전지 모듈의 단락전류, 개방전압을 포함한 전기적 특성과 수분이 셀까지 침투되는지 여부를 분석하는 4단계를 포함한다.

Description

태양전지의 수분침투에 대한 신뢰성 평가 방법{Method for reliability evaluation of solar cell}
본 발명은 태양전지의 수분침투에 대한 신뢰성을 평가하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지 모듈이 외부에 다양한 각도로 설치되어 있을 경우 외부 환경에 고려한 평가 방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지(solar cell)는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 소자로서, p형 반도체와 n형 반도체의 접합(junction) 형태를 가지며 기본 구조는 다이오드(diode)와 동일하다.
이러한 태양전지의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
대부분 태양전지는 대면적의 pn 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 광전 에너지 변환(photovoltaic energy conversion)을 위해 태양전지가 기본적으로 갖춰야하는 조건은 p형 반도체 영역은 작은 전자밀도(electron density)와 큰 정공밀도(hole density)를 가지고 n형 반도체 영역은 큰 전자밀도와 작은 정공밀도를 가짐으로써, 반도체 구조 내에서 전자들이 비대칭적으로 존재해야 한다는 것이다. 따라서 열적 평행 상태에서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배에 의한 확산으로 전하(charge)의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다. 이와 같은 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드 갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우에 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite)된다. 이때, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되며, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 과잉(excess) 캐리어라고 하며 상기 과잉 캐리어는 전도대 또는 가전자대 내에서 농도 차이에 의해 확산하게 된다. 이때, p형 반도체에서 여기된 전자들과 n형 반도체에서 만들어진 정공은 각각 소수 캐리어(minority carrier)라고 칭하며, 기존 접합 전의 p형 반도체 또는 n형 반도체 내의 캐리어(즉, p형 반도체의 정공 및 n형 반도체의 전자)는 소수 캐리어와 구분하여 다수 캐리어(majority carrier)라고 칭한다.
상기 다수 캐리어들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p형 반도체의 소수 캐리어인 전자는 n형 반도체 쪽으로 각각 이동할 수 있다. 상기 소수 캐리어의 확산에 의해 pn 접합 다이오드 내부에 전압 차(potential drop)가 생기게 되며, 상기 pn 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 태양전지로서 작용하게 된다.
상기와 같은 태양전지는 이에 사용되는 재료에 따라 크게 실리콘 계, 화합물 계, 유기물 계로 분류될 수 있다.
그리고, 실리콘 계 태양전지는 반도체의 상(phase)에 따라 세부적으로 단결정(single crystalline) 실리콘, 다결정(polycrystalline) 실리콘, 비정질(amorphous) 실리콘 태양전지로 분류된다.
또한, 태양전지는 반도체의 두께에 따라 벌크(bulk)형 태양전지와 박막 태양전지로 분류되는데, 박막 태양전지는 반도체층의 두께가 수 10㎛ 내지 수 ㎛ 이하의 태양전지이다.
이와 같이 여러 종류의 태양전지 중에서 에너지 변환효율이 높고 제조 비용이 상대적으로 저렴한 벌크형 실리콘 태양전지가 주로 지상 전력용으로 폭넓게 활용되고 있다.
일반적으로 태양전지모듈은 실외 환경에 노출됨에 따라 다양한 환경 스트레스를 받게 되며 이로 인해 태양전지 모듈의 고장 및 열화 촉진을 일으킬 수 있다. 이를 위해 TUV 등 국제 태양전지 신뢰성 인증기관에서 이에 대한 대책으로 신뢰성 시험법을 개발하여 인증에 적용함으로써 신뢰성 검증을 수행하고 있다. 기존 태양전지 환경시험법은 damp heat, 온도사이클, UV 가 있다.
하지만 현재 IEC_61215에서 수행되고 있는 신뢰성시험은 이슬, 강우, 산성비, 바다 염수액이 모듈에 고여 있는 환경조건을 반영하고 있는 시험법이 없다. 이로 인해, 다양한 액체성분이 태양전지 모듈의 유리와 프레임이 만나는 모서리에 고여 있는 상태에서 수분이 내부로 침투하고 있음에도 이를 검증하지 못하고 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 태양전지모듈의 모서리에 고여있는 수분에 의한 태양전지모듈의 성능을 테스트하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 태양전지모듈의 모서리에 고여있는 수분에 의한 태양전지모듈의 성능을 테스트하기 위한 최적을 환경조건을 제안함에 있다.
이를 위해 본 발명의 태양전지 모듈 테스트 방법은 복수의 각 태양전지 모듈을 지면을 기준으로 설정된 각도로 설치하는 1단계; 설치된 상기 태양전지 모듈에 증류수, 염수, 산성수, 식용수 중 적어도 하나의 액체를 분사하는 2단계; 액체가 분사된 상태에서 단위 시간당 설정된 온도 단위로 상승하는 과정, 설정된 온도 상태를 유지하는 과정, 단위 시간당 설정된 온도 단위로 하강하는 과정을 반복하는 온도 테스트 과정을 수행하는 3단계; 상기 온도 테스트 과정 후 상기 태양전지 모듈의 단락전류, 개방전압을 포함한 전기적 특성과 수분이 셀까지 침투되는지 여부를 분석하는 4단계를 포함한다.
이를 위해 본 발명의 태양전지 모듈 테스트 방법은 남향을 향하는 복수의 각 태양전지 모듈을 지면을 기준으로 설정된 각도로 설치하는 1단계; 설치된 상기 태양전지 모듈에 증류수, 염수, 산성수, 식용수 중 적어도 하나의 액체를 분사하여 상기 태양전지 모듈의 모서리에 상기 액체가 고이도록 하는 2단계; 액체가 분사된 상태에서 단위 시간당 설정된 온도 단위로 상승하는 과정, 설정된 온도 상태를 유지하는 과정, 단위 시간당 설정된 온도 단위로 하강하는 과정을 반복하는 온도 테스트 과정을 수행하는 3단계; 상술한 3단계를 나머지 액체에 대해서는 순차적으로 하나씩 반복하여 수행하는 4단계; 상기 온도 테스트 과정 후 상기 태양전지 모듈의 단락전류, 개방전압을 포함한 전기적 특성과 수분이 셀까지 침투되는지 여부를 분석하는 5단계를 포함한다.
종래의 고온고습 조건에서는 태양전지 모듈의 모서리로 침투되어 성능열화를 일으키는 문제를 검증하였으나 재현이 쉽지 않은바, 본 발명에서 제안한 태양전지 모듈 모서리에 액체를 분사하여 고이게 한 후 온도 사이클로 흡수력을 극대화시킴으로 수분침투에 대한 문제를 효과적으로 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 태양전지 모듈을 테스트하기 위한 모듈 설치 각도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 각 모듈별 테스트 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 태양전지의 전류-전압 특성을 도시한 그래프이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
태양전지는 실리콘 등의 반도체 소자가 빛 에너지를 받아서 전기 에너지로 변환되는 특성인 광기전력 효과와 광전류 효과를 이용하여 다이오드접합 구조를 갖는 반도체 소자이다. 실리콘 태양전지의 구조는 주기율표 상의 4가 원소에 5가 원소를 첨가시킨 n-type 반도체와 3가 원소를 첨가시킨 p-type 반도체를 접합시켜 p-n 접합 다이오드 형태인 태양전지가 만들어진다.
이러게 p-n 접합이 이루어지면 불순물의 농도차에 의해 n-type 반도체에서 높은 농도의 전자가 p-type 반도체로 확산되어 가고 동시에 p-type 반도체에서는 정공이 n-type 반도체로 확산된다. p-type 반도체로 확산된 전자는 전도대에서 에너지가 n-type 반도체 내의 전자보다 높고, 반면에 n-type 반도체로 확산된 정공의 에너지는 가전자대에서 p-type 반도체의 정공에 비하여 에너지가 높아짐으로 내부 전위차가 형성된다. 이때 금지대폭 이상의 에너지를 갖는 광자가 태양전지 내에 인입되면 광흡수 층인 n-type 반도체에 흡수되면서 가전자대의 전자를 여기시켜 전도대로 이동시키고 가전자대에는 전자를 잃은 정공이 생성된다. 이를 전자-정공쌍이라 하는데 이 전자-정공쌍이 내부의 소수전하의 농도차를 발생시켜 이러한 전하들은 새로운 확산력에 의해 광기전력이 발생한다.
이 때 p-n 접합 양단 전극에 외부의 도선을 연결시키면 n-type 반도체에는 전자가, p-type 반도체에는 정공이 외부 도선으로 흐르게 된다. 그러므로 태양전지에서 발생한 전류의 흐름은 p-type 반도체에서 외부도선을 통해 n-type 반도체로 흘러 들어가게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 태양전지 모듈을 테스트하기 위한 모듈 설치 각도를 도시하고 있다. 이하 도 1을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 태양전지 모듈을 테스트하기 위한 모듈의 설치 각도에 대해 알아보기로 한다.
도 1에 의하면, 태양전지 모듈을 테스트하기 위한 설치 각도는 지면을 기준으로 5˚, 25˚, 34˚, 45˚의 각도로 설치한다. 상술한 각도는 태양으로부터 태양광을 수신하기 위한 최적의 각도 중 대표적인 각도이다. 물론 상술한 각도 이외에 다른 각도로 태양전지 모듈을 설치할 수 있다. 또한, 태양전지 모듈을 태양을 남쪽을 향하도록 설치하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 각 모듈별 테스트 방법을 도시한 흐름도이다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 각 모듈별 테스트 방법에 대해 알아보기로 한다.
S200단계는 액체를 분사하여 태양전지 모듈 모서리에 액체가 고이게 한다. 액체의 종류는 DI(증류수), 염수, 산성수, 식용수를 포함한다. S200단계는 상술한 액체 중 어느 하나의 액체를 분사하여 태양전지 모듈 모서리에 액체가 고이게 한다.
S202단계는 온도 테스트 과정 중 고온 상승 단계를 수행한다. 고온 상승 과정은 분당 1 내지 3℃의 비율로 온도를 상승시킨다.
S204단계는 온도 테스트 과정 중 고온 유지 단계를 수행한다. 고온 유지 단계는 85℃의 온도에서 15분 내지 30분간 유지하는 단계이다.
S206단계는 온도 테스트 과정 중 저온 하강 단계를 수행한다. 저온 하강 단계는 분당 1 내지 3℃ 비율로 온도를 하강시킨다.
S208단계는 온도 테스트 과정 중 저온 유지 단계를 수행한다. 저온 유지 단계는 4℃의 온도에서 15분 내지 30분간 유지하는 단계이다. 상술한 바와 같이 본 발명은 4℃에서 85℃의 범위 내에서 온도 테스트를 수행한다. 물론 상술한 온도 범위를 초과하여 수행할 수 있다.
S210단계는 상술한 온도 테스트 과정을 10회 수행하였는지 판단한다. 온도 테스트 과정을 10회 수행하지 않았으면 S202단계로 이동하고, 10회를 수행하였으면 S212단계로 이동한다.
S212단계는 태양전지 모듈에 대한 전기적 특성을 분석하여 불량 여부를 판단한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 설치 각도별로 상술한 과정을 수행하여 태양전지 모듈에 대한 전기적 특성을 분석하여 불량 여부를 판단한다.
상술한 바에 의하면, 온도 범위는 일반적으로 미국 애리조나의 경우 태양전지 모듈의 온도가 80℃에서 85℃까지 올라가며, 국내의 경우 70℃까지 올라가는 것을 고려하여 설정한다.
이하에서는 태양전지의 전기적 특성에 대해 알아보기로 한다.
태양전지의 발전 효율을 증가시키기 위해서는 태양전지로부터 최대의 전력을 도출할 수 있도록 최적 동작 전압으로 전환할 필요가 있다. 일반적으로 태양전지의 출력은 도 3과 같이 발생하는 전류와 전압의 상관관계 곡선ㅇ로 나타낼 수 있다.
전압-전류 특성은 태양전지를 평가하는 중요한 특성으로서 사용되는 용어들은 다음과 같이 정의된다.
가. 단락전류
특정한 온도와 일조 강도에서 단락 조건에 있는 태양전지나 모듈 등 태양광 발전 장치의 출력 전류
나. 개방전압
특정한 온도와 일조 강도에서 부하를 연결하지 않은 개방상태에서의 태양광 발전 장치 양단에 걸리는 전압
다. 최대 출력
전압-전류 특성에서 전류와 전압의 곱이 최대인 점에서의 태양광발전 장치의 출력
라. 충진율 또는 곡선 인자
개압 전압과 단락 전류의 곱에 대한 최대 출력의 비율. 태양전지로서의 전류-전압 특성 곡선의 질을 나타내는 지표이며, 주로 내부의 직, 병렬 저항과 다이오드 성능지수에 따라 달라진다.
마. 변환 효율
태양전지의 최대 출력을 발전하는 면적과 규정된 시험 조건에서 측정한 입사 조사 강도의 곱으로 나눈 값을 백분율로 나타난 것으로서, %로 표시한다.
본 발명은 상술한 온도 테스트 과정을 수행한 후 전기적 특성을 분석하여 불량 여부를 판단한다. 부가하여 본 발명은 태양전지의 전기적 특성 이외에 수분이 셀까지 도달했는지 여부로 함께 판단하여 태양전지의 불량 여부를 결정한다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (7)

  1. 복수의 각 태양전지 모듈을 지면을 기준으로 설정된 각도로 설치하는 1단계;
    설치된 상기 태양전지 모듈에 증류수, 염수, 산성수, 식용수 중 적어도 하나의 액체를 분사하는 2단계;
    액체가 분사된 상태에서 단위 시간당 설정된 온도 단위로 상승하는 과정, 설정된 온도 상태를 유지하는 과정, 단위 시간당 설정된 온도 단위로 하강하는 과정을 반복하는 온도 테스트 과정을 수행하는 3단계;
    상기 온도 테스트 과정 후 상기 태양전지 모듈의 단락전류, 개방전압을 포함한 전기적 특성과 수분이 셀까지 침투되는지 여부를 분석하는 4단계를 포함함을 특징으로 하는 태양전지 모듈 테스트 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 온도 테스트 과정은,
    4℃ 내지 85℃ 범위 내에서 테스트함을 특징으로 하는 태양전지 모듈 테스트 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 태양전지 모듈의 설치 각도는,
    5˚, 25˚, 34˚, 45˚ 중 어느 하나임을 특징으로 하는 태양전지 모듈 테스트 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 온도 테스트 과정은,
    분당 1 내지 3℃의 비율로 온도를 상승시키는 고온 상승 과정, 85℃의 온도에서 15 내지 30분간 유지하는 고온 유지 과정, 분당 1 내지 3℃의 비율로 온도를 하강시키는 저온 하강 과정, 4℃의 온도에서 15 내지 30분간 유지하는 저온 유지 과정을 수행함을 특징으로 하는 태양전지 모듈 테스트 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 증류수, 염수, 산성수, 식용수에 대해 순차적으로 하나씩 3단계 내지 4단계를 수행함을 특징으로 하는 태양전지 모듈 테스트 방법.
  6. 남향을 향하는 복수의 각 태양전지 모듈을 지면을 기준으로 설정된 각도로 설치하는 1단계;
    설치된 상기 태양전지 모듈에 증류수, 염수, 산성수, 식용수 중 적어도 하나의 액체를 분사하여 상기 태양전지 모듈의 모서리에 상기 액체가 고이도록 하는 2단계;
    액체가 분사된 상태에서 단위 시간당 설정된 온도 단위로 상승하는 과정, 설정된 온도 상태를 유지하는 과정, 단위 시간당 설정된 온도 단위로 하강하는 과정을 반복하는 온도 테스트 과정을 수행하는 3단계;
    상술한 3단계를 나머지 액체에 대해서는 순차적으로 하나씩 반복하여 수행하는 4단계;
    상기 온도 테스트 과정 후 상기 태양전지 모듈의 단락전류, 개방전압을 포함한 전기적 특성과 수분이 셀까지 침투되는지 여부를 분석하는 5단계를 포함함을 특징으로 하는 태양전지 모듈 테스트 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 온도 테스트 과정은,
    분당 1 내지 3℃의 비율로 온도를 상승시키는 고온 상승 과정, 85℃의 온도에서 15 내지 30분간 유지하는 고온 유지 과정, 분당 1 내지 3℃의 비율로 온도를 하강시키는 저온 하강 과정, 4℃의 온도에서 15 내지 30분간 유지하는 저온 유지 과정을 수행함을 특징으로 하는 태양전지 모듈 테스트 방법.
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