KR20130076985A - 태양전지 모듈의 수명 평가 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 모듈의 수명 평가 방법에 관한 것으로, 태양전지 모듈의 각 부품을 고장이 발생할 수 있는 환경에 노출시켜 고장이 발생할 확율인 고장율을 계산하는 (a)단계, 상기 계산된 각 부품의 고장율을 미리 설정된 태양전지 모듈의 고장율을 계산하는 수식에 적용하여 상기 태양전지 모듈의 고장율을 계산하는 (b)단계를 포함한다.
이를 통해 본 발명은 태양전지 모듈을 형성하는 각 부품들이 고장을 일으킬 수 있는 환경을 조성하여, 태양전지 모듈 내 각 부품들의 고장율을 계산하고, 이를 바탕으로 태양전지 모듈의 사용 수명을 계산할 수 있어, 태양전지 모듈의 사용 수명을 평가 및 예측할 수 있는 효과가 있다.
이를 통해 본 발명은 태양전지 모듈을 형성하는 각 부품들이 고장을 일으킬 수 있는 환경을 조성하여, 태양전지 모듈 내 각 부품들의 고장율을 계산하고, 이를 바탕으로 태양전지 모듈의 사용 수명을 계산할 수 있어, 태양전지 모듈의 사용 수명을 평가 및 예측할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 태양전지 모듈의 수명 평가 방법에 관한 것으로, 특히 태양전지 모듈을 사용하는 환경에서 발생할 수 있는 태양전지 모듈 내 부품의 고장율을 판단하여 태양전지 모듈의 수명을 예측할 수 있는 태양전지 모듈의 수명 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 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.
다수 캐리어들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p형 반도체의 소수 캐리어인 전자는 n형 반도체 쪽으로 각각 이동할 수 있다. 소수 캐리어의 확산에 의해 pn 접합 다이오드 내부에 전압 차(potential drop)가 생기게 되며, 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 태양전지 모듈은 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 있으나, 태양전지 모듈의 사용수명을 평가 및 예측할 수는 없었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 태양전지 모듈을 형성하는 각 부품들이 고장을 일으킬 수 있는 환경을 조성하여, 태양전지 모듈 내 각 부품들의 고장율을 계산하고, 이를 바탕으로 태양전지 모듈의 사용 수명을 평가 및 예측할 수 있는 태양전지 모듈의 수명 평가 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 태양전지 모듈의 수명 평가 방법은 태양전지 모듈의 각 부품을 고장이 발생할 수 있는 환경에 노출시켜 고장이 발생할 확율인 고장율을 계산하는 (a)단계, 상기 계산된 각 부품의 고장율을 미리 설정된 태양전지 모듈의 고장율을 계산하는 수식에 적용하여 상기 태양전지 모듈의 고장율을 계산하는 (b)단계를 포함한다.
또한 상기 태양전지 모듈의 각 부품은 백시트, EVA시트, 전극, 리본와이어를 포함하며, 상기 백시트 및 상기 EVA시트는 결로현상이 일어날 수 있는 환경에 노출하여 박리현상이 일어나는 확율인 고장율을 계산하고, 상기 리본 와이어 및 전극은 열사이클 테스트 환경에 적용하여 균열이 발생하는 확율인 고장율을 계산한다.
본 발명은 태양전지 모듈을 형성하는 각 부품들이 고장을 일으킬 수 있는 환경을 조성하여, 태양전지 모듈 내 각 부품들의 고장율을 계산하고, 이를 바탕으로 태양전지 모듈의 사용 수명을 계산할 수 있어, 태양전지 모듈의 사용 수명을 평가 및 예측할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지 모듈의 내부 구성도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지 모듈 내 각 부품별 고장율을 계산하는 방법을 설명하기 위한 표,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지 모듈 내 각 부품들의 고장율 및 태양전지 모듈의 사용 수명을 예측하기 위한 수식을 나타낸 도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지 모듈 내 각 부품별 고장율을 계산하는 방법을 설명하기 위한 표,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지 모듈 내 각 부품들의 고장율 및 태양전지 모듈의 사용 수명을 예측하기 위한 수식을 나타낸 도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지 모듈의 내부 구성도이다.
도 1을 참고하면, 태양전지 모듈(100)은 PET필름(110), 태양전지(120), 태양전지 어레이(130), 제1 EVA 시트(140), 제2 EVA 시트(141), 백시트(150), 제1 리본 와이어(160), 제2 리본 와이어(161)을 포함한다.
PET필름을 커버로 하는 태양전지 모듈(100)은 태양 광을 이용하여 전기를 발전하는 태양전지(120)를 갖는다. 이와 같은 태양전지(120)는 다수의 태양전지 어레이(130)로 이루어질 수도 있는데, 이와 같이 태양전지 어레이(130)로 이루어지면, 각각의 태양전지(120)들은 리본 와이어(160, 161)를 이용하여 서로 연결된다.
PET필름(110)은 태양전지(130)의 상부 면에 위치하며, 전기 전도성, 주름형상이나 구김, 고온의 열에도 열변형, 내습성 및 내수성이 적으며, 열전도율이 낮고, 충격흡수력이 뛰어나다.
제1 및 제2 EVA시트(140, 141)는 태양전지(120)와 PET필름(110) 사이 및 태양전지(120)와 백시트(150)사이에 각각 위치하며, 일정온도 예를 들면 150℃에서 가열 용융됨으로써 PET필름(110)과 태양전지(120) 및 백시트(150)를 일체로 봉합하고, 그 사이에서 태양전지(120)의 파손을 방지하는 완충재 역할을 한다.
백시트(150)는 태양전지(120)의 하부면에 위치하며, 방수, 절연 및 자외선 차단효과를 갖는다.
즉, 본 발명은 PET필름(110)을 상부 보호용 덮개로 하고, 기존 PCB 또는 플라스틱 판의 하부 층을 백시트(150)로 대신하는 태양전지 모듈이다.
제1 및 제2 리본 와이어(160, 161)는 태양전지 어레이(130)들 간의 전기적 접속을 위한 것으로, 리본 형태의 도체 표면에 솔더(solder)가 도금된 형태로 제공된다.
통상적으로 태양전지 모듈용 리본 와이어는 도체의 TPC(터프피치 동)이나 OFC(무산소 동)에 의해 형성되고, 솔더 도금막은 Pb를 포함하지 않는 솔더나 SnPb에 의해 형성된다.
최근에는 태양전지 모듈의 제조비용을 절감하기 위하여 태양전지용 실리콘 웨이퍼를 가능한 한 박형화하는 추세에 있으며, 이에 따라 리본 와이어의 두께도 박형화가 요구되고 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지 모듈 내 각 부품별 고장율을 계산하는 방법을 설명하기 위한 표이다.
도 2을 참조하면, 태양전지 모듈을 구성하는 부품은 크게 백시트(150), EVA 시트(140, 141), 전극(미도시), 리본 와이어(160, 161), 칩(chip)(미도시)로 구분할 수 있다.
이때 칩의 성능열화는 태양전지 모듈(100)의 수명에 영향을 미치지 않으므로, 태양전지 모듈의 수명을 계산하는 데에서는 제외한다.
먼저, 본 발명에서 태양전지 모듈의 수명을 평가하기 위해서는 백시트(150)의 고장율을 판단한다.
백시트(150)의 고장율은 수분을 포함한 대기의 온도가 이슬점 이하로 떨어져 대기가 함유하고 있던 수분이 물체 표면에서 물방울로 맺히는 현상인 결로(dew condensation)가 나타날 수 있는 환경을 조성하여 백시트(150)에서 박리현상이 일어나는지 판단함으로써 계산할 수 있다.
즉, 다수의 백시트(150)를 결로 현상이 일어날 수 있는 환경에 노출한 후 백시트(150)에서 기자재의 각 층간 또는 기저금속(동박) 사이에 발생할 수 있는 박리(분리)현상이 일어나는 확율 즉 백시트(150)의 고장율을 계산한다.
EVA시트(140, 141)의 고장율은 백시트(150)의 고장율을 계산하는 방법과 마찬가지로 수분을 포함한 대기의 온도가 이슬점 이하로 떨어져 대기가 함유하고 있던 수분이 물체 표면에서 물방울로 맺히는 현상인 결로가 나타날 수 있는 환경을 조성하고, 다수의 EVA시트(140, 141)를 결로 현상이 일어날 수 있는 환경에 노출시켜, 다수의 EVA시트(140, 141)에서 박리(분리)현상이 일어나는 확율 즉 고장율을 계산한다.
전극은 열사이클 테스트 방법을 통해 전극에 균열이 발생하는지 판단하여 전극의 고장율을 계산한다.
열사이클 테스트 방법은 태양전지 모듈의 사용온도에 따른 온도변화로 인하여 전극에 균열(crack)이 발생하여 파손되는 현상을 조사하는 실험으로, 예를 들어, 상온(1시간)→고온(1시간)→상온(20±3℃, 1시간)→저온(1시간)→상온이라는 열사이클을 수 차례 반복하여 냉각 후에 육안 또는 확대경으로 전극의 균열 유무 및 균열 정도를 조사하는 것이다.
즉 다수의 전극에 다양한 온도변화를 적용한 후 전극에서 균열이 발생한 확율을 계산하여 고장율을 계산한다.
리본 와이어(160, 161)의 고장율을 판단하는 방법으로는 전극과 마찬가지로 열사이클 테스트 방법을 사용한다.
리본 와이어(160, 161)는 솔더링하는 경우에 솔더를 용융시키기 위한 가열 온도나 태양전지의 사용온도에 따른 온도변화로 인하여 접합체가 휘거나, 균열(crack) 등이 발생하여 파손되는 현상이 발생하는 문제가 있다.
때문에 다수의 리본 와이어(160, 161)를 열사이클 테스트 방법을 통해 다양한 온도변화를 적용한 후 리본 와이어(160, 161)에서 균열이 일어날 확율인 고장율을 계산한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지 모듈 내 각 부품들의 고장율 및 태양전지 모듈의 사용 수명을 예측하기 위한 수식을 나타낸 도이다.
도 3을 참고하면, 도 2의 과정을 통해 태양전지 모듈 내 각 부품 즉, 백시트(150), EVA(140, 141), 리본 와이어(160, 161), 전극의 고장율을 각각 계산하였다면, 이를 도 3에 도시된 수식에 적용하여 태양전지 모듈의 고장율을 예측할 수 있다.
예를 들어, 백시트(150)의 고장율이 2%, EVA(140, 141)의 3%, 리본 와이어(160, 161)의 고장율이 4%, 전극의 고장율이 5%일 경우 도 3의 수식을 통해 태양전지 모듈의 수명은 7년 정도인 것으로 예측할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에서는 PET 필름을 커버로 하는 태양전지 모듈에 대해 예를 들어 설명하였으나, PET 필름을 커버로 하지 않는 태양전지 모듈의 수명을 평가하는데 본 발명이 사용될 수 있음은 물론이다.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 태양전지 모듈 110: PET 필름
120: 태양전지 130: 태양전지 어레이
140: 제1 EVA 수지 141: 제2 EVA 수지
150: 백 시트 160: 제1 리본 와이어
161: 제2 리본 와이어
120: 태양전지 130: 태양전지 어레이
140: 제1 EVA 수지 141: 제2 EVA 수지
150: 백 시트 160: 제1 리본 와이어
161: 제2 리본 와이어
Claims (3)
- 태양전지 모듈의 각 부품을 고장이 발생할 수 있는 환경에 노출시켜 고장이 발생할 확율인 고장율을 계산하는 (a)단계;
상기 계산된 각 부품의 고장율을 미리 설정된 태양전지 모듈의 고장율을 계산하는 수식에 적용하여 상기 태양전지 모듈의 고장율을 계산하는 (b)단계를 포함하는 태양전지 모듈의 수명 평가 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 태양전지 모듈의 각 부품은 백시트, EVA시트, 전극, 리본와이어를 포함하며,
상기 백시트 및 상기 EVA시트는 결로현상이 일어날 수 있는 환경에 노출하여 박리현상이 일어나는 확율인 고장율을 계산하고,
상기 리본 와이어 및 전극은 열사이클 테스트 환경에 적용하여 균열이 발생하는 확율인 고장율을 계산하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 수명 평가 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 태양전지 모듈의 고장율을 계산하는 수식은,
이며,
k는 태양전지 모듈 내의 부품 종류의 수이고,
는 태양전지 모듈의 고장율이며,
는 i번째 부품의 고장율인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 수명 평가 방법.
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