KR101417668B1 - 대면적 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 셀로 이루어진 대면적화된 태양전지 모듈 전체의 양자효율을 측정할 수 있는 측정시스템을 제공하고자 하였다.
이를 위해, 모듈 전체를 암실에 넣고 하나의 셀을 선택하여 해당 셀을 제외한 나머지 셀들을 통전용 와이어로 기능 하게 하고, 해당 셀에 광을 조사하여 양자효율을 측정하고, 또 다른 셀에 대해 순차로 양자효율을 측정하도록 하여 태양전지 모듈 전체의 양자효율을 측정하는 대면적 태양전지 모듈의 양자효율 측정 시스템을 제공하였다.

Description

대면적 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템{QUANTUM EFFICIENCY MEASUREMENT SYSTEM FOR LARGE SCALE SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 태양전지 모듈에 대한 양자효율 측정 시스템에 관한 것으로, 특히 대면적화된 태양전지 모듈 전체의 양자효율을 측정하는 장치 구성과 그에 따른 측정 방법에 관한 것이다.
태양전지는, 제작 후 발전 설비로 설치되기 전에 양자효율을 측정하게 된다. 기존의 태양전지 양자효율은 도 1과 같은 측정 장치에 의해 측정되고 있으며, 모듈화되기 전 셀 단위로 측정되고 있다. 태양광을 대신할 광원(100)에서 나오는 빛을 분광기(101)로 거치게 하고 렌즈 등의 광학장치(102)로 집속하여 반사 미러(103)로 경로(104)를 바로잡아 태양전지 셀(106)에 조사되게 하며, 이때 보조광원(105)을 켜 광원(100)에 의한 양자효율을 좀 더 정확하게 관찰할 수 있게 한다. 상기와 같은 종래의 양자효율 측정 시스템은 개개의 셀 단위 측정에 적용되는 것으로 실험연구 단계에서 사용될 수 있지만 실제 발전 설비에 적용되기 위해 다수의 셀을 집적하여 모듈화된 태양전지 모듈(도 2 참조)에는 그대로 사용하지 못한다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0096832호는 상술한 바와 같은 태양전지 셀에 대한 양자효율 측정 시스템을 개시한다.
따라서 본 발명의 목적은 대면적으로 모듈화된 태양전지 모듈에 대해 전체적인 양자효율을 측정할 수 있는 태양전지 양자효율 측정 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 다수의 셀로 이루어진 대면적화된 태양전지 모듈 전체의 양자효율을 측정하기 위해, 모듈 전체를 암실에 넣고 하나의 셀을 선택하여 해당 셀을 제외한 나머지 셀들은 통전용 와이어로 기능 하게 하고, 해당 셀에 광을 조사하여 양자효율을 측정하고, 또 다른 셀에 대해 순차로 양자효율을 측정하도록 하여 태양전지 모듈 전체의 양자효율을 측정할 수 있는 대면적 태양전지 모듈의 양자효율 측정 시스템을 제공하였다.
즉, 본 발명은,
태양전지 모듈의 양자효율을 측정하는 측정시스템으로서,
태양전지 모듈이 배치되는 암실;
상기 태양전지 모듈에 포함된 셀의 양자효율을 측정하기 위해 측정 대상 셀에 조사되는 빛을 발생하는 양자효율 측정용 광원;
상기 측정 대상 셀을 제외한 모든 다른 셀들이 통전용 와이어로 기능하도록 하기 위해 모듈 전체에 빛을 조사하기 위한 하나 이상의 통전용 광원; 및
상기 측정 대상 셀에 대해서만 양자효율 측정용 광원의 빛이 조사되도록 측정 대상 셀을 한정하여 커버하되, 상기 양자효율 측정용 광원의 빛이 입사되는 입사부를 구비하는 암상자;를 포함하고,
상기 양자효율 측정용 광원과 통전용 광원 및 상기 암상자는 상기 암실에 배치되고,
상기 양자효율 측정용 광원을 켜고,
상기 통전용 광원을 켜되, 측정 대상 셀은 상기 암상자로 커버 되어 통전용 광원의 빛으로부터 차단되고 상기 양자효율 측정용 광원의 빛만 조사되고,
측정 대상 셀의 양자효율을 측정한 다음, 상기 암상자의 위치에 다른 셀이 오도록 하여 순차로 모든 셀들에 대해 양자효율을 측정하여 태양전지 모듈 전체의 양자효율을 측정하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템을 제공하였다.
또한, 본 발명은, 상기에서, 상기 암상자 안에 보조광원이 더 포함되어 상기 바이어스 전원을 켜기 전에 보조광원을 켜서 측정 대상 셀을 조사하면서 양자효율을 측정하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템을 제공하였다.
또한, 본 발명은, 상기에서, 상기 태양전지 모듈에 바이어스 전압을 인가하기 위한 전원;을 더 포함하여, 상기 바이어스 전원을 켜 태양전지 모듈에 바이어스 전압을 인가하여 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템을 제공하였다.
또한, 본 발명은, 상기에서, 상기 양자효율 측정용 광원의 광 경로에는 분광기를 배치하여 파장 별로 양자효율을 측정하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템을 제공하였다.
또한, 본 발명은, 상기에서,
상기 통전용 광원의 세기는 0.3 SUN 내지 1.0 SUN으로 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템을 제공하였다.
또한, 본 발명은, 상기에서, 바이어스 전압은, 측정 대상 셀의 I-V 특성곡선에서 최대전력을 나타내는 전압 값 Vmax 내지 개방전압 Voc 이하의 전압 값을 인가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템을 제공하였다.
또한, 본 발명은, 상기에서, 상기 양자효율 측정용 광원은 태양전지 모듈이 배치되는 암실과 다른 별도의 암실에 내장되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템을 제공하였다.
본 발명에 따르면, 태양전지 셀들을 발전 설비로 이용하기 위해 모듈화한 대면적 태양전지 모듈 전체에 대해 양자효율을 편리하게 측정할 수 있으며, 개개의 셀에 대한 양자효율의 측정 데이터도 알 수 있어 발전 설비 적용에 대해 유용한 정보를 습득할 수 있게 하였다.
또한, 본 발명에 따르면, 측정 셀에 대해 조사되는 광원은 분광 광원으로 각 파장 대역별 양자 효율에 대한 정보를 얻을 수 있게 하였으며, 측정의 용이함과 정확성을 위해 측정 셀에 대해 보조 광원을 추가하여 보조 광원에 의한 셀의 전제적인 여기 상태를 기반으로 분광 광원에 의한 양자 효율이 차별화되도록 함으로써 양자효율 측정용 분광 광원의 에너지가 균등화된 조건 하에 가해지도록 하였다.
도 1은 종래 셀 단위의 태양전지에 대해 양자효율을 측정하는 측정장치에 대한 개략구성도이다.
도 2는 다수의 셀로 이루어진 태양전지 모듈의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 대면적 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 바이어스 전압 인가의 타당성을 보여주는 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 통전용 광원의 세기를 변화시켜가며 최적의 세기를 찾아내는 것을 설명하기 위한 스펙트럼이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3과 같이 다수의 개별 셀들이 직렬연결된 태양전지 모듈(305) 전체를 커버할 수 있는 제1 암실(304)을 설치하고 제1 암실(304) 안에 태양전지 모듈(305)을 배치한다. 제1 암실(304) 내부에는 개별 셀의 양자 효율을 좀 더 용이하고 정확하게 측정하기 위해 하나의 셀만을 조사하는 보조광원(301)을 내장하는 암상자(300)가 배치되며, 상기 암상자(300)는 셀 위를 이동할 수 있도록 제어장치에 연결되어 있다. 상기 암상자(300)에는 분광 된 광이 입사되는 입사부가 형성되어 보조광원(301) 조사 하에 분광 된 광을 조사하여 양자효율을 측정하게 된다. 보조광원(301)은 양자효율 측정용의 주된 광원(100)만으로는 변별이 쉽지 않은 파장 대역별 응답을 좀 더 명확히 드러나게 해주는 역할을 하므로 사용하는 것이 바람직하나 필수적인 것은 아니다.
제1 암실(304)에는 통전용 광원(302)이 다수 설치되며, 양자 효율을 측정하게 되는 셀을 커버 하는 암상자(300)의 경로 및 분광 광의 입사부와 충돌하지 않도록 통전용 광원(302)의 위치를 설정한다. 태양전지 모듈의 개별 셀의 양자효율의 측정을 위한 분광 광을 조사하기 위해, 광원(100)과 분광기(101), 광학계(102) 및 반사미러(103)를 제2 암실(107)에 배치하여 상기 제2 암실(107)을 제1 암실(304) 윗편에 탑재하고, 광원(100)으로부터 발생 된 분광 광을 상기 암상자(300) 입사부로 입사되게 위치를 조정한다. 또한, 도면에 도시하지는 않았지만 광원(100) 전방에 쵸퍼(chopper)를 설치하여 쵸퍼 회전수에 의해 주파수를 갖는 교류를 발생시키도록 할 수 있다.
상기와 같은 구성은 제2 암실(107) 전체가 제1 암실(304) 안에 내장되게 변형될 수 있고, 제2 암실(107) 내부의 반사 미러(103)를 생략하고 직진하는 빛이 그대로 암상자(300)에 입사되게 변형될 수도 있으며, 미러를 암상자(300) 안에 둘 수도 있다. 그러나 암상자(300)는 이동식이므로 가급 미러의 민감성을 고려하여 도 3의 실시예와 같이 구성함이 바람직하다.
이와 같이 구성된 대면적 태양전지 모듈의 양자효율 측정 시스템은 다음과 같이 동작 된다.
먼저, 제1 암실(304) 안에 양자효율을 측정할 태양전지 모듈(305)을 넣고 위치를 바르게 잡아준다. 상기 모듈(305)에 바이어스 전압을 인가할 전원(303)을 연결하고, 전류증폭기(200)와 로크인(Lock In) 증폭기(201)을 연결하며, 제어용 컴퓨터(203)도 연결한다.
제1 암실(304) 안에 설치된 통전용 광원(302)을 켜(ON) 모듈 전체에 빛이 조사되게 하여 인가된 바이어스 전압에 대해 각 셀들이 통전용 와이어로 기능하게 한다. 이때 통전용 광원(302)의 세기는 태양전지 모듈 마다 빛의 세기에 응답하는 전류의 세기가 다르기 때문에 약 0.3 SUN ~ 1.0 SUN 이내의 세기 정도로 할 수 있으며, 이러한 수치는 셀이 지닌 고유의 시리즈저항을 극복할 수 있는 정도라야 한다는 점과 너무 강한 빛의 세기는 발열을 일으켜 오히려 열저항을 높이는 역효과가 생긴다는 점을 모두 고려하여 선택된 것이다.
양자효율 측정을 시작할 하나의 셀을 선택하여 암상자(300)를 그 위에 배치한다. 암상자(300) 안에 있는 보조광원(301)을 켜고, 전류증폭기(200)로부터 얻은 신호가 최대가 되도록 바이어스 전압(303)을 인가한다.
즉, 상기 전원(303)을 켜 바이어스 전압 Vmax 내지 Voc 이내에서 인가하며 바람직하게는 Vmax를 인가한다. Vmax는 통전용 광원(302)에 의해 측정 셀 자체의 양자효율에 노이즈가 될 수 있는 전압 생성을 상쇄시키는 역할을 하여 좀 더 정확한 양자효율을 측정하게 한다.
상기 Vmax를 인가함이 타당하다는 점은 도 4의 스펙트럼을 통해 알 수 있다. 바이어스 전압을 인가하지 않고 양자효율을 측정하였을 때 나타난 파장 대역별 응답 스펙트럼은 해당 셀을 기존의 측정장비로 측정한 스펙트럼에 비해 전류의 세기가 약하게 나타남을 보여주며, Vmax를 바이어스로 인가한 경우, 기존의 개별 셀에 대한 양자효율 측정 결과와 비슷하거나 약간 넘어서는 세기를 나타내는 것을 볼 수 있다. 따라서 Vmax를 바이어스로 인가하여 양자효율을 측정하는 것이 측정의 용이성과 정확성을 나타냄을 확인할 수 있다. 특히, 광원(100)에 쵸퍼를 설치하여 교류 전압을 생성하는 경우, 노이즈가 클 수 있어 Vmax의 바이어스 전압 인가는 노이즈 제거에는 필수적이라 할 수 있다. 그러나 전원(303)에 의한 바이어스 전압을 인가하지 않아도 통전용 광원(302)에 의해 태양전지 모듈 셀 전체가 통전용 와이어로 기능할 수 있으므로 경우에 따라 생략가능하다.
이와 같은 Vmax 인가를 전제로 하여, 통전용 광원의 세기의 최적화 또한 실험을 통해 도 5에서 확인하였다. 즉, 도 5에는 통전용 광원의 세기를 0.01SUN(10W/m2), 0.03SUN, 0.3SUN, 1.0SUN으로 변화시켜가며 파장 응답을 살펴본 결과 0.1SUN보다는 강한 세기이자 1.0SUN 미만, 바람직하게는 0.3SUN(300W/m2)을 통전용 광원의 세기로 하였을 때 충분한 응답 전류를 측정할 수 있으며, 1.0SUN의 경우, 측정 시간이 지체되면 발열로 인한 저항 증가로 곧 스펙트럼이 변형된다. 따라서 0.3 SUN 근방의 세기로 조사할 수 있다.
따라서 상술한 바와 같이 Vmax를 바이어스로 인가하고 통전용 광원을 0.3SUN의 세기로 조사하여 준 상태에서, 측정 대상이 된 셀에 보조광원(301)을 조사하고 광원(100)의 분광된 광을 조사하여 양자효율을 정확하게 측정할 수 있다. 분광 된 빛을 조사하므로 파장 대역별로 전류 응답을 얻을 수 있으며, 그들을 조합하여 전체 파장 대역에 걸친 양자효율을 얻는다.
하나의 셀에 대해 측정이 끝나면 동일한 조건과 방식으로 다른 셀에 대해 측정한다. 측정 장비인 암상자(300)와 제2 암실(107)을 이동시킬 수도 있으나 편리성과 광학장비의 민감도를 고려하여 모듈(305)을 이송하는 것이 바람직하다.
참고로 본 실시예에서 사용된 태양전지 모듈의 사양은 다음과 같으나, 본 발명의 기술사상이 이에 제한되는 것은 아니다.
4×9 셀 매트릭스,
개방전압(Voc)=20.63V
단락 전류(Isc)=7.59A
Vmax=16.66V
Imax=7.21A
효율=11.9%
크기=1505×670×35(mm3)
이와 같이 하여 대면적 태양전지 모듈의 양자효율을 편리하고 정확하게 측정할 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.
100: 광원
101: 분광기
102: 광학계
104: 광경로
107: 제1 암실
200: 전류증폭기
201: 로크인 증폭기
203: 컴퓨터
300: 제2 암실
301: 보조광원
302: 통전용 광원
303: (바이어스) 전원
304: 암상자

Claims (7)

  1. 태양전지 모듈의 양자효율을 측정하는 측정시스템으로서,
    태양전지 모듈이 배치되는 암실;
    상기 태양전지 모듈에 포함된 셀의 양자효율을 측정하기 위해 측정 대상 셀에 조사되는 빛을 발생하는 양자효율 측정용 광원;
    상기 측정 대상 셀을 제외한 모든 다른 셀들이 통전용 와이어로 기능하도록 하기 위해 모듈 전체에 빛을 조사하기 위한 하나 이상의 통전용 광원;
    상기 측정 대상 셀에 대해서만 양자효율 측정용 광원의 빛이 조사되도록 측정 대상 셀을 한정하여 커버하되, 상기 양자효율 측정용 광원의 빛이 입사되는 입사부를 구비하는 암상자; 및
    상기 태양전지 모듈에 바이어스 전압을 인가하기 위한 바이어스 전원;을 포함하고,
    상기 양자효율 측정용 광원과 통전용 광원 및 상기 암상자는 상기 암실에 배치되고,
    상기 양자효율 측정용 광원을 켜고,
    상기 통전용 광원을 켜되, 측정 대상 셀은 상기 암상자로 커버 되어 통전용 광원의 빛으로부터 차단되고 상기 양자효율 측정용 광원의 빛만 조사되고,
    상기 바이어스 전원을 켜 태양전지 모듈에 바이어스 전압을 인가하여 노이즈를 제거하고,
    측정 대상 셀의 양자효율을 측정한 다음, 상기 암상자의 위치에 다른 셀이 오도록 하여 순차로 모든 셀들에 대해 양자효율을 측정하여 태양전지 모듈 전체의 양자효율을 측정하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 암상자 안에 보조광원이 더 포함되어 상기 바이어스 전원을 켜기 전에 보조광원을 켜서 측정 대상 셀을 조사하면서 양자효율을 측정하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 양자효율 측정용 광원의 광 경로에는 분광기를 배치하여 파장 별로 양자효율을 측정하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 통전용 광원의 세기는 0.3 SUN 내지 1.0SUN으로 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템.
  6. 제1항에 있어서, 바이어스 전압은, 측정 대상 셀의 I-V 특성곡선에서 최대전력을 나타내는 전압 값 Vmax 내지 개방전압 Voc 이하의 전압 값으로 인가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 양자효율 측정용 광원은 태양전지 모듈이 배치되는 암실과 다른 별도의 암실에 내장되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 양자효율 측정시스템.








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