KR101338801B1 - 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템 - Google Patents

태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지용 I-V 특성 등의 특성 평가 시스템에 관한 것으로, 태양광에 근접한 조명을 제공하고, 방열설계를 통해 측정실의 온도를 일정하게 유지되게 하며, 태양의 다양한 상태를 근접하게 시뮬레이션하여 태양전지의 특성 측정에 있어 오차를 줄이고 좀 더 정확한 특성평가데이터를 얻도록 하고자 하였다.
그에 따라 본 발명은, 태양전지특성 측정 시스템에 장파장 대역에서도 태양광에 유사한 스펙트럼을 나타내는 메탈 할라이드 램프를 채용하고, 나아가 태양광과 거의 동일한 스펙트럼을 나타내도록 파장 대역별로 투과율을 조절한 필터와 램프의 출력을 태양광 출력별로 조절할 수 있게 한 새로운 광량 가변 태양전지 특성 측정 시스템을 제공하였다.

Description

태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템{LIGHTING SYSTEM FOR MEASUREMENT OF SOLAR CELLS}
본 발명은 태양전지 특성 평가를 위한 광 조사 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 광량 가변, 환경 제어가 가능한 태양전지 특성 측정 시스템에 관한 것이다.
신 재생 에너지 사용에 대한 요구가 커짐에 따라 태양전지 연구 개발이 활발하며 그에 따라 제작된 태양전지용 성능시험 기기에 대한 요구도 증가하고 있다. 제작된 태양전지 모듈의 특성 평가를 위한 광 조사 시스템은 외부와 차단된 공간에서 태양광 스펙트럼과 근접한 광원을 점등하여 일정 시간 동안의 조사 광량을 통하여 모듈 성능을 측정 및 평가 할 수 있도록 하는 장치이다. 이러한 광 조사장치 시스템에 지금까지 사용하고 있는 조명등은 Xe램프 또는 PLS램프를 채용하고 있다. 도 1은 램프별 스펙트럼을 자연광과 대비하여 보여준다. 광조사 시스템에서 사용되는 조명등의 스펙트럼은 이와 일치할수록 바람직함은 자명한 사실이다. 그러나 기존의 Xe램프의 경우, 장파장(적색광 및 IR) 영역에서 매우 높은 에너지를 갖는 스펙트럼을 나타내고 있어 태양전지 모듈을 손상시켜고, 실제 자연광에 의한 성능 평가와 동일한 평가를 할 수 없으며, PLS 램프인 경우, 장파장영역의 스펙트럼이 존재 하지 않으므로 이도 역시 자연광에 의한 성능 평가를 할 수가 없다.
또한, 자연광원이 갖는 계절별 시간별 광량을 보면 스펙트럼 형태의 변화 없이 에너지량의 변화만 심하게 일어난다. 즉 광량의 변화에 대처하기위한 시스템이 필요하다. 도 2는 자연 태양광의 계절별 및 시간대별 파장분포를 보여준다. 이러한 광량 변화와 유사한 환경을 갖도록 하는 시스템이 되도록 광 조사 장치에 광량조절 장치가 필요하다. 그러나 외부와 차단된 공간에서 내부온도가 조사광원의 열원 때문에 급격하게 증가 하는 것을 억제 하기위한 시스템 역시 필요하다. 따라서 외부와 차단된 공간에서 조사되는 광원 때문에 열이 적채되면 태양전지 모듈의 온도는 급격하게 상승 하게 되여 자연광 상태에 놓인 모듈의 온도환경과는 큰 차이를 보이게 되어 성능 평가를 할 수가 없다.
(시)제작된 태양전지모듈은 조사된 광원에 의해서 전류-전압을 생성 하게 되는데 이때 자체적으로 발열이 존재한다. 이러한 자체 발열 이외 조사 광원에 의한 누적 발열이 추가되면 태양전지모듈은 높은 온도로 인해 실제 효율 보다 낮게 되는 특징을 보여준다. 실험의 오차 및 환경 오차를 최소화 하기위해 국제 표준 ISO는 측정 시 모듈온도는 25℃, 그리고 성능평가 시 모듈온도는 50℃로 규정하고 있다. 따라서 모듈 성능 평가 및 측정 시 필요한 온도를 자유자재로 제어할 수 있는 시스템 또한 필요하다.
최근 형광체를 도입하여 적외선이나 자외선 영역의 빛을 이용해서라도 태양전지의 광전변환효율을 향상시키려는 노력이 나타나고 있는 만큼 자연 태양광과 유사한 광원으로 조사하고, 외부 온도 환경으로 제어되고, 측정 시 모듈의 온도를 제어 할 수 있도록 하여 허용오차 한도를 낮출 수 있는 개선이 필요하며, 이러한 기술이 도입된 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템이 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템에 있어서, 태양광에 근접한 조명을 제공하고, 측정 분위기 또한 일정한 조건으로 유지되게 하며, 태양의 다양한 상태를 근접하게 시뮬레이션하여 태양전지의 성능 평가에 있어 오차를 줄이고 좀 더 정확한 측정데이터를 얻도록 하고자 함이다.
그에 따라 본 발명은, 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템에 장파장 대역에서도 태양광에 유사한 스펙트럼을 나타내는 메탈 할라이드 램프를 채용하고, 나아가 태양광과 거의 동일한 스펙트럼을 나타내도록 파장 대역별로 투과율을 조절한 필터와 램프의 출력을 태양광 출력별로 조절할 수 있게 한 새로운 광량 가변 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템을 제공하였다.
즉, 본 발명은, 태양전지에 광선을 조사하는 램프로서 광량을 가변할 수 있는 메탈 할라이드 램프를 포함하되,
상기 메탈 할라이드 램프의 광량은 인가 전력을 제어하여 가변 되며, 특정 계절의 특정 시간의 태양 광량을 기준치로 설정하고 이를 기준으로 스케일링하여 가변 될 수 있으며, 상기 기준치를 1.0 태양으로 하고, 0.1 태양 단위로 광량을 가변 및 유지할 수 있는 광량 가변 메탈 할라이드 램프로 태양광을 모사하여 조사하면서 태양전지의 특성을 측정하게 하며,
태양광 스펙트럼과 메탈 할라이드 램프의 발광 스펙트럼을 대비하여 광도 차이를 분석하고, 상기 차이를 보완할 수 있는 투과 스펙트럼에 따라 투과율을 제어하는 다층박막 코팅 필름을 구현하여 램프에 적용되는 필터를 제작하여 구비시키고, 필터를 통해 나타나는 스펙트럼과 태양광 스펙트럼을 다시 비교하여 이를 피드백으로 하여 대역별 광도 제어를 반복 보정 하여 완성되는 필터를 더 구비한 것을 특징으로 하는 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 상기 필터는 상기 메탈 할라이드 램프의 적외선 피크를 일부 흡수하는 필터인 것을 특징으로 하는 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 상기 메탈 할라이드 램프가 설치되는 측정실에 방열용 송풍 팬 및 송풍구를 설치하여 측정실의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 자연의 태양광과 거의 동일한 스펙트럼을 갖도록 하고, 측정 분위기 또한 일정한 상태로 제어할 수 있어 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템의 오차를 극소화하여 신뢰도 높은 태양전지 특성 평가가 가능하다.
도 1은 램프별 스펙트럼을 자연태양광과 대비하여 보여주는 그래프들이다.
도 2는 자연 태양광의 스펙트럼을 나타낸 그래프들이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템에 채용된 램프의 스펙트럼 대비 자연 태양광의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템에 채용된 램프의 광량 가변 상태의 안정도를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템에 채용된 램프의 안정도를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템의 전체 구성을 설명하는 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템의 세부 구성과 기능에 대하여 좀 더 상세히 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 태양전지 평가용 광 조사시스템에서 기류의 순환을 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 태양전지 평가용 광 조사시스템을 가동시키는 과정을 나타낸 순서도 이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템은 캐비넷 형태로 구성하여 측정실을 만들고 측정실 안에 메탈 할라이드(metal halide) 램프를 채용하였다. 메탈 할라이드 램프는 태양광과 매우 비슷한 스펙트럼을 나타내며, 램프 소비전력은 1000W에서 4000W 내외의 것으로 하였고, 그 조도는 500 내지 1200W/m2로 되었으며, 이러한 전력 등의 사양은 예시적이다. 메탈 할라이드 램프의 발광 스펙트럼은 도 2에 나타난 것처럼 태양광과 매우 유사하나 장파장 영역에서 태양광에 비해 다소 높은 피크가 나타난다. 따라서 장파장 영역에서의 피크를 감쇄하는 것이 태양광에 근접시키는 결과가 되므로 본 발명은 이를 위하여 다수의 ND(Neutral Density) 필터를 사용하여 300~1100nm 영역의 스펙트럼을 제어하며, 특히, 300~ 400nm 영역의 스펙트럼을 보정·제어했다.
ND 필터는, 태양광 스펙트럼과 메탈 할라이드 램프의 발광 스펙트럼을 대비하여 광도 차이를 분석하고 그에 따라 파장 대역별로 광도를 제어하는 필터의 투과 스펙트럼을 전산모사를 통해 구한 다음, 그에 맞는 파장영역별 필터를 선정하여 구성한 것으로, 이를 메탈 할라이드 램프에 적용하면 자연광에 유사한 광원을 만들 수 있다. 상기와 같은 ND 필터는, 전산모사로 구한 투과 스펙트럼에 따라 투과율을 제어하는 다층박막 코팅 필름을 구현하여 제작할 수 있으며, 실제 제작된 필터를 통해 나타나는 스펙트럼과 태양광 스펙트럼을 다시 비교하여 이를 피드백으로 하여 대역별 광도 제어를 보정 하는 과정을 반복하여 좀 더 완성도 높은 자연광 유사 광원을 얻을 수 있다.
또한, 태양광은 계절별, 시간대별로 그 발광 스펙트럼이 달라지므로, 이에 따라 특정 시간, 특정 계절의 태양 광량으로 하나의 기준치를 정하여 이를 1.0 태양이라 부르고, 이에 대하여 광량별로 0.1 태양, 1.2 태양 등으로 스케일링하여 부른다. 따라서 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템에서도 일별 내지는 계절별 광전변환 효율 예측을 위하여 램프의 광량을 가변제어 할 수 있음이 바람직하다. 그에 따라 본 발명은 램프의 전력을 제어하여, 도 4와 같이 0.5 태양에서부터 단차를 두고 1.2 태양에 이르기까지 광량을 가변 제어할 수 있게 구성하였다. 이러한 구성은 옥외 설치될 태양전지의 발전량을 계절별 하루 단위로 예측할 수 있게 한다.
한편, 태양전지의 광전변환 효율 측정 분위기는 항온 상태임이 바람직하다. 대부분의 램프는 점등지속과 함께 발열이 되므로 측정실 내의 온도가 상승하고 그에 따라 측정되는 태양전지의 저항이 상승하며, 40 ℃를 넘게 되면 피 측정 태양전지가 열화 되는 문제가 생긴다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 캐비넷 형태로 구성된 광 조사 시스템의 측정실 내 메탈 할라이드 램프로부터 발생 되는 열을 방열시킬 수 있는 송풍팬과 송풍구를 설치하였다. 송풍팬 및 송풍구의 위치와 형상에는 특별한 제한이 없으나, 가급 공기의 순환을 좋게 할 수 있는 상대적 위치를 택한다. 태양전지의 성능 측정 동안 상기 송풍 팬을 가동함으로써 측정실 내의 온도는 20 내지 40℃를 유지하며, 이러한 항온은 또한 본 발명의 메탈 할라이드 램프의 안정된 출력 특성(도 4 참조)에도 기인한다.
또한, 태양전지가 대면적화됨에 따라 본 발명에서 사용한 메탈 할라이드 램프는 벌브 형이 아닌 선형으로 구성된 것(이른바, 더블 엔드 타입(double end type))을 채용하였다. 이는 벌브 형의 경우, 램프의 연직 하방 지점으로부터 벗어날수록 광량이 상당히 감소함에 따라 측정유효면적이 매우 좁아진다는 단점을 극복하기 위한 것이다. 벌브 형 램프를 다수 채용하여 면 광원 화할 수도 있으나 이러한 구성은 고비용, 복잡성 및 방열 문제를 일으키므로 본 발명은 그보다 간편하면서도 측정상 유효면적을 효과적으로 증가시킬 수 있는 선형 램프를 택한 것이다. 선형 램프의 개수를 증가시키되, 발열량을 고려하여 2개 정도 병렬로 하여 유효면적을 넓힐 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따라 태양전지 특성 평가를 위한 광 조사 시스템의 구체적 구현 및 동작 특성에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템의 전체 구성을 설명하는 개략도이고, 그의 세부 구성과 기능에 대하여 도 7에 좀 더 상세히 나타내었다.
상기 광 조사 시스템은, 램프 제어부, 셔터제어부, 환경제어부, 전류-전압측정기 및 냉온순환기를 포함하며, 이들을 컴퓨터에 연결해 컴퓨터 내 모듈로 구성하여 제어하도록 하였다.
램프 제어부는 상기 선형 램프로부터 방출되는 광량의 세기를 조절하는 기능을 구비하며, 이그니터와 전자식안정기로 구성되어 있다. 태양전지 시편이 놓여지는 곳에 배치된 광량 센서(7)가 조사되는 광량을 센싱 하여 램프 제어부에 신호를 전달하면, 램프제어부에서 광량을 자동적으로 조절한다.
서터 제어부는 태양전지 모듈이 빛에 장시간 노출되지 않고 짧은 시간 동안 산발적으로 노출되게 할 때 셔터(4)를 개폐하도록 제어하며, 또한 캐비넷(11) 내부온도가 실험 준비 중에 과도하게 상승하는 것을 막고자 할 때에도 셔터(4)를 닫아놓도록 제어한다.
환경 제어부는 캐비넷(11) 내부의 상부온도와 하부온도를 온도센서(5)로 감지하고 미리 설정한 온도에 도달/유지하도록 송풍팬(6)의 속도를 자동 제어하도록 한다.
그 밖의 냉온순환기는 냉각수와 온수를 태양전지 시편을 척킹하는 지그 척(9) 내부로 순환시키며, 지그 척(9)의 온도를 설정온도에 도달/유지시키기 위해 제어된다.
전류전압 측정기는 캐비넷(11) 내부 측정 환경이 적절한 환경이 되었을 때 태양전지 모듈의 성능 평가 및 측정을 할 수 있게 하는 장치이다.
또한, 상기 환경 제어부는 캐비넷(11)에 설치된 송풍팬(6)의 속도를 조절하여 태양전지 시편 주위온도가 20 ℃에서 50 ℃가 되도록 한다. 그 중 바람직한 시편 온도는 30℃ 이내가 되도록 한다.
시편을 중심으로 양쪽에 설치된 송풍팬(6)들이 각각 기류의 유입과 출구 역할을 하여 조사되는 광량에 의해 뜨거워진 공기가 시편에 머물지 못하도록 함과 동시에 시편 위쪽 공기는 캐비넷(11) 상단의 송풍구(8)를 통해 빠져나가게 하여 캐비넷(11) 내부의 온도 상승을 억제하도록 한다.
도 8에는 본 발명의 태양전지 평가용 광 조사시스템에서 기류의 순환, 특히, 가열된 공기의 상승 및 송풍구(8)를 통한 배출, 송풍팬(6) 동작에 의한 통풍을 나타내고 있다. 이러한 기류의 움직임으로 태양전지 성능 특성 평가 시 소자가 과열되어 열화 되거나 특성 평가 오차가 커지는 문제를 예방할 수 있다.
도 9는 본 발명의 태양전지 평가용 광 조사시스템을 가동시키는 과정을 순서도로 나타내고 있다.
램프를 켜고, 광량 세기를 확인한 후, 특성 평가에 사용되는 광량의 세기를 램프 제어부에 설정하여 놓는다. 설정 후 다시 광량의 세기를 확인하고, 냉온순환기를 동작시키면서 지그 척(9)의 온도를 확인한 후, 특성 평가 동안 유지될 지그 척(9)의 온도를 설정하여 컴퓨터에 입력해 두고, 온도 센서(5)로 지그 척(9)의 온도를 계속 감시한다.
광량의 세기와 지그 척(9)의 온도 설정이 완료되면, 셔터(4)를 열어 조명을 발하는 가운데, 캐비넷(11)의 상부와 하부 온도를 온도 센서(5)들을 통해 확인하고, 평가도중 유지되어야 할 태양전지 시편 주변온도 기준치를 설정하여 컴퓨터에 입력시키고, 캐비넷(11)의 하부 온도를 확인한다. 캐비넷(11)의 하부에 설치된 온도 센서(5)의 온도 정보는 지속적으로 컴퓨터로 입력되게 하고, 환경제어부에서 상기 온도를 예정해 놓은 온도로 유지되게 송풍팬(6)의 가동과 그 속도를 제어하도록 구성한다.
환경 설정이 이루어지고 원활하게 유지시키면서, 전류-전압 측정 장치를 온(ON)시켜 태양전지의 특성을 측정, 평가한다.
상기와 같이하여 태양광 스펙트럼과 유사한 발광스펙트럼을 지닌 광량 가변 태양전지 모듈 특성 평가를 위한 광 조사 시스템을 구성할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
1: 램프 하우징
2: 램프
3: 필터
4: 셔터
5: 온도센서
6: 송풍팬
7: 광량 센서
8: 송풍구
9: 지그 척
10: 태양전지
11: 캐비넷
12: 산란 광

Claims (5)

  1. 태양전지에 광선을 조사하는 램프로서 광량을 가변할 수 있는 메탈 할라이드 램프; 및
    상기 램프에 적용되는 필터;를 포함하되,
    상기 메탈 할라이드 램프의 광량은 인가 전력을 제어하여 가변 되며, 특정 계절의 특정 시간의 태양 광량을 기준치로 설정하고 이를 기준으로 스케일링하여 가변 될 수 있으며, 상기 기준치를 1.0 태양으로 하고, 0.1 태양 단위로 광량을 가변 및 유지할 수 있는 광량 가변 메탈 할라이드 램프로 태양광을 모사하여 조사하면서 태양전지의 특성을 측정하게 하며,
    상기 필터는,
    태양광 스펙트럼과 메탈 할라이드 램프의 발광 스펙트럼을 대비하여 광도 차이를 분석하고, 상기 차이를 보완할 수 있도록 투과 스펙트럼에 따라 투과율을 제어하는 다층박막 코팅 필름을 구현하여 제작되고, 상기 필터를 통해 나타나는 스펙트럼과 태양광 스펙트럼을 다시 비교하여 이를 피드백으로 하여 대역별 광도 제어를 반복 보정 하여 완성된 것임을 특징으로 하는 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필터는 상기 메탈 할라이드 램프의 적외선 피크를 일부 흡수하는 필터인 것을 특징으로 하는 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메탈 할라이드 램프가 설치되는 측정실에는 방열용 송풍 팬 및 송풍구가 더 구비되어 측정실의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 태양전지 특성 평가용 광 조사 시스템.
  5. 삭제
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