기호 및 약어 설명
IEC : International Electrotechnical Commission
EVA :Ethylene Vinyl Acetate
POE :Poly Olefin Elastomer
EL : Electro Luminescence
DH : Damp Heat
TC : Thermal Cycling
UV : Ultra Violet
DIN : Deutsches Institut für Normung
AF : Acceleration Factor
EOL : End Of Life
1. 서 론
태양전지는 IEC 규격 기반으로 시험 인증이 진행되고 있다. 태양광 모듈의 시험 규격은 1970년대를 시작으로 테스트 방법과 순서가 지속적으로 개정되었다. 기존 절차에 새로운 정보가 추가되면서 각각의 테스트 방법과 순서는 이전 테스트를 기반으로 발전되었고, 태양광 산업이 성장하면서 IEC의 테스트 표준이 모듈 제조업체와 구매자 양측에서 인정하는 유일한 시험 규격이 되었다1). IEC 61215 규격은 결정질 실리콘 태양광 모듈의 다양한 기후 조건에서의 운영을 인증하기 위해 사용한다2). 실리콘 태양전지 모듈에 대한 설계 적격성 확인 및 형식승인 요구사항인 IEC 61215의 경우 태양광 모듈의 온도, 전기적 특성, 온ㆍ습도 복합시험을 수행하고 있으나 실제 옥외 필드 환경조건과 부합하지 않는다. IEC 규격시험에는 태양광 또는 인공 광원과 온도, 습도, 전기적 특성에 대한 복합적인 시험은 없으며 대부분이 부품ㆍ소재 단위의 시험이 확대되어 태양광 모듈 완제품에 적용 중이다. 또한, 온도, 습도, 자외선량, 비 및 바람과 같은 스트레스 요인을 복합적으로 고려하지 않고 단일시험으로 진행하여 실제 환경과 상이하다3). 또한, 태양광 모듈이 현장에 배치된 후 어떤 현상이 발생하는지 20년 또는 25년을 기다릴 수는 없다. 가속화된 신뢰성 테스트를 통해 이러한 태양광 모듈이 출력 성능 저하 없이 정상 작동하는 가능성을 평가해야 한다.
아래와 같은 6가지 접근 방식은 특정 환경에서 최대 25년까지 태양광 모듈의 작동 능력을 평가하는 테스트 시퀀스를 개발하는데 참조할 수 있다. 1) TC 시퀀스를 늘리거나, DH 시간을 늘리는 등 테스트 기간을 늘린다. 2) 더 가혹한 시험 강도를 사용하되, 가혹한 시험을 통한 모듈 고장이 실제 현장에서 일어나는 수준인지 확인한다. 3) DH 시험 중 전압을 가하는 등 응력을 결합한다. 4) DMLT를 통해 바람으로 인한 진동으로 인한 셀 파손을 가속화 하는 등 현장에서 확인된 고장 유형을 가속화하는 새로운 방법을 평가한다4,5). 실물 크기의 모듈을 테스트하기에는 비용이 너무 많이 드는 상황에서는 단위 재료 또는 소형화 형태 테스트를 사용한다6). 초기 응력이 적격성 테스트의 응력 수준에서 시작하여 고장이 나타날 때까지 증가하는 단계 응력을 사용한다.
태양광 모듈 성능 저하를 유발하는 다른 많은 장기적인 스트레스의 경우 적절한 가속 계수를 알 수 없으며, 복합적인 스트레스가 모듈 수명에 미치는 영향도 알려져 있지 않다. 따라서 모듈에 가해진 변화를 평가하고 모듈이 배치되는 다양한 지상 환경에서 모듈의 장기적인 성능을 규명하는 데 도움이 되는 테스트를 개발하기 위해서는 실시간 및 가속 스트레스 테스트가 모두 필요하다5). 기존 규격의 제한과 한계로 현재 많은 시험소에서 태양광 모듈에 대해 가속 테스트를 진행하고 있다6). 이러한 테스트 프로그램은 일반적으로 기존 규격들의 테스트를 반복하여 적용하거나, 더 긴 기간 동안 적용하거나, 순서를 변경하여 적용하는 등 다양한 형태로 진행하고 있다7).
본 논문에서는 기존 IEC 시험과 가속 복합시험의 장기신뢰성 시험을 통해 시험시간에 따른 데이터 분석과 시간적, 경제적 측면에서의 이점 등을 확인하였다.
2. 실 험
2.1 실험 방법
신뢰성 시험 진행에 앞서 기존의 72셀이나 144셀 모듈이 아닌 프로토타입 미니 테스트 모듈을 먼저 제작하였다. 그 이유로는 상용화된 모듈로 시험을 진행하는 게 아니라, 직접 제작한 모듈로 시험을 진행하기에 박리로 인한 수분 침투, 냉납 현상, 크랙, 국부적 변색, 기포, 균열, 뒤틀림 등의 현상이 있는지 파악하기 위함이다. 또한, 모듈 제작에 앞서 다른 자재들과는 다르게 봉지재의 경우 EVA 2종류, POE 1종류를 사용하였다. 그 이유로 EVA는 초산 발생으로 인한 직렬 저항 증가 및 수분 침투로 인한 셀-와이어 사이의 부식, EL 이미지상의 결점, 상대적으로 높은 반사율과 투과율, 외관상 갈변화의 단점이 있다. 비교군인 POE는 초산을 포함하고 있지 않으며, 가시광선 및 자외선 영역에서의 투과율이 더 낮고 높은 체적저항과 낮은 수분 침투율의 이점이 있어 채택하였다8,9). 비교군 시험을 위해 봉지재를 제외한 모든 자재는 동일하게 사용하게 사용했다.
2.2 시험 조건
외부 시험소의 연구 사례 및 다양한 가속 테스트 조건과 각종 기후에서 진행한 외부 모니터링 데이터를 기반으로 실내 가속 복합 테스트 모델을 구상하였으며, 외부 환경의 스트레스(눈, 비, 먼지, 나뭇잎 등)요인과 IEC 61215 규격을 기반으로 실제 필드와 유사한 인공광원ㆍ온도ㆍ습도 조건 구현을 목표로 실내 가속 복합 테스트를 진행하였다. 실내 가속 복합 테스트 조건은 크게 3종류의 데이터를 기반으로 도출하였는데 첫째는 해외 실증 모니터링 데이터, 둘째는 충북테크노파크에 설치된 옥외노출 모니터링 데이터, 셋째는 IEC, DIN 규격을 참조하였다. 시험 조건은 Tables 1, 2와 같다.
Table 1.
IEC test condition
Table 2.
Indoor accelerated complex test condition
시험 후 테스트 분석 모델로는 대표적으로 온도를 스트레스 인자로 사용하는 가속시험의 경우 아레니우스(Arrhenius) 모델을 활용하여 분석하고 온도 외 전압과 전류 그리고 압력 등의 스트레스 인자의 경우에는 역거듭제곱(inverse power law) 모델을 활용하여 분석하고 있다. 다음으로 아레니우스와 역거듭제곱 모델을 결합한 형태인 일반화 아이링(Generalized eyring) 모델은 온도 외 스트레스 인자를 추가한 형태이고 이 모델에서 온도 외 스트레스 인자가 습도로 적용될 경우에는 펙(Peck) 모델이라고 명명하여 분석하고 있다10). 본 연구에서 제시하는 실내 가속 복합 테스트 분석 모델로는 다양한 스트레스 요인을 동시에 적용하기에 아레니우스-아이링 결합 모델을 사용하였다. 온도에 따른 활성화 에너지를 반영한 부분은 아레니우스 모델을, 습도와 광조사량에 따른 스트레스 부분은 아이링 모델을 참조하여 아래와 같은 결합 모델을 사용하였다.
AF는 가속계수, A는 상수, Ea는 활성화에너지, kb는 볼츠만 상수, T는 유효온도, H는 습도 스트레스, n은 습도 지수, p는 광조사량 지수를 뜻한다. 또한 가속계수 산출 후 EOL을 계산하여 환산 수명과의 연계로 분석을 진행하였다.
3. 결과 및 토의
앞서 언급한 결합모델을 사용하여 가속계수를 Table 3과 같이 산출하였다.
Table 3.
Acceleration factor per test
| Tset | AF | Test Time (h) | Equivalent Field Time (h) | Equivalent Field Time (y) |
| DH | 163.23 | 1000 | 163225.15 | 18.63 |
| TC | 48.01 | 800 | 38406.91 | 4.38 |
| UV | 118.22 | 168 | 19861.49 | 2.27 |
| IAC | 97.62 | 600 | 58573.96 | 6.69 |
여기서 DH 시험 기준 가속계수 163.23이란 뜻은, 가속시험 조건에서 발생하는 노화나 열화가 실제 사용 환경에서의 열화속도보다 163.23배 빠르게 진행된다는 의미이다. 즉, 1시간의 시험 조건은 실제 환경에서 163.23시간과 유사한 효과를 나타낸다고 해석할 수 있다. 각 시험의 가속계수를 시험시간과 곱해주면 소요시간 및 소요년수를 계산할 수 있다. DH 시험으로 보면 소요년수가 약 18.63년으로 계산되는데, 이는 DH 1회 시험 진행 시 실제 필드에서 18.63년 동안 발전한 것과 비슷한 효과를 나타낸다고 계산할 수 있다.
Table 4-1 ~ 4는 8셀 시험 데이터이며, Fig. 1은 x축을 시험 횟수(1회 ~ 10회), y축을 출력 감소율로 정규화하여 표현하였다. 데이터에서 확인할 수 있듯이 DH, IAC 시험의 경우 일정 구간이 지나면 출력 저하율이 급격하게 발생하는데, TC와 UV 시험의 경우 10회까지 시험을 지속하여도 별다른 출력의 변화가 없는 것을 확인 할 수 있다. TC의 경우 극한의 온도변화에 따른 재료의 열팽창 및 수축으로 인해 피로도 누적이 발생하여 출력 저하가 크게 발생할 것으로 예상했으나, 실질적으로는 출력 저하가 눈에 띄게 발생하지 않았다. 반복적인 열 충격으로는 주로 재료의 피로 누적이나 구조적 변형을 유도하지만, 이로 인한 전기적 출력 저하로 직결되기에는 상대적으로 미비할 것이라 생각한다. UV의 경우 자외선 환경하에 모듈의 내구성 및 열화가 발생할 것으로 예상했으나, 갈변현상 등의 외관적인 문제가 주로 발생하고 수분 침투나 열화에 의한 출력 저하가 발생하지 않았다.
IEC 규격상 각 시험(DH, TC, UV, HF 등)은 방법과 목적성이 각기 다르지만, 1회 시험 후 초기 출력 대비 5%의 출력 저하가 발생하지 않을 경우 시험에 통과했다고 판단한다. 위 데이터에서 확인할 수 있듯이 DH 시험의 경우 다른 시험들과 비슷하게 약 4회(4000 h) 시험까지는 큰 출력 저하가 일어나지 않았으며, IAC 시험의 경우 약 8회(4800 h) 시험까지 큰 출력 저하가 일어나지 않았다. 하지만, 일정 이상 임계점에 도달한 시점부터는 출력 저하가 급격하게 일어났는데 DH 시험의 경우 약 5회(5000 h) 시점과 IAC 시험의 경우 약 9회(5400 h) 시점으로 볼 수 있다. Fig. 2은 DH 시험과 IAC 시험의 시험 횟수에 따른 필팩터를 나타낸다. 여기서 DH 시험과 IAC 시험이 약 5000 h 시점을 약간 초과한 기준으로 저하율이 20%에 도달하는데, 이는 EOL 개념과 연계하여 해석할 수 있다.
Table 4.
8cell test data_Total
각 시험들은 각각의 단위가 다른데 이를 시간으로 환산하여 계산했으며 Table 5와 같다. 정확한 EOL 설정 기준까지의 시간을 계산하기 위해, 선형 외삽(Linear Extrapolation)을 사용하여 임계치 도달 시점에 따른 구간의 편차, 감소량, 감소율을 산출하여 Table 6과 같이 EOL 시간을 구하였다.
Table 5.
Equivalent time by test method
Table 6.
EOL and equivalent lifetime of 8cell modules under DH and IAC tests
| Test | Criteria | Type | EOL (h) | AF | Equivalent Lifetime (h) | Equivalent Lifetime (y) |
| DH | 80% | EVA_A | 5392.26 | 163.23 | 880178.61 | 100.48 |
| IAC | 80% | EVA_A | 5539.76 | 97.62 | 540791.50 | 61.73 |
두 시험의 EOL80%기준 시험시간이 5392 h, 5539 h로 거의 비슷해 보이지만(약 2.8% 차이), 각 시험의 가속계수 차이가 실제 환경에서의 열화 속도를 크게 달라지게 한다. DH의 경우 1시간의 시험시간이 실제 163시간에 해당하므로, 시험시간 5392 h가 실제 880,178 h 약 100년에 해당한다. IAC의 경우 1시간의 시험시간이 실제 97시간에 해당하므로, 시험시간 5539 h가 실제 540,791 h 약 61년에 해당한다. 즉, DH 시험은 단위 시험 시간당 훨씬 많은 실제 시간이 누적된다고 해석 할 수 있으며, 그 결과 DH 조건에서는 모듈이 상대적으로 ‘덜 가혹한’ 열화 환경을 모사하는 반면 IAC 조건은 복합 스트레스로 인해 실제 열화가 더 빠르게 진행된다고 볼 수 있다. 가속시험은 실제 사용 조건보다 훨씬 가혹한 환경에서 모듈의 열화를 촉진하여, 단기간에 장기 열화 효과를 평가하기 위한 방법이다. 여기서 중요한 점은 ‘환산 수명’이라는 용어가 실제 제품의 수명과는 다르다는 것이다. DH대비 IAC시험에서 ‘환산 수명이 40% 단축된다’라고 표현하는 것은, IAC 시험 조건이 DH 시험보다 훨씬 복합적인 스트레스를 동시에 가하여 열화를 더 빠르게 촉진시킨다는 것을 의미한다. 즉, IAC 시험은 단순히 시험시간을 줄이는 것뿐만 아니라 실제 사용 환경에서 발생할 수 있는 여러 스트레스 요인의 상호작용을 반영하기 위해 의도적으로 더 가혹한 조건을 적용한 것이다. 이로 인해 시험 상의 열화 속도는 빨라지고, 환산 수명이 낮아지게 된다. 이는 단점이 아니라 오히려 가속시험의 목적에 부합하는 결과로 볼 수 있다. 반면 TC, UV의 경우 각각 10회분의 시험을 진행하더라도 Table 4에서 확인할 수 있듯이 출력 저하율이 약 3 ~ 4% 정도로 미비한 수치를 나타낸다. 즉, 수명예측을 위해 설정하는 EOL80%의 설정값을 만족하지 못해 EOL을 구할 수 없다. 단순 모델 피팅을 적용한다면 80%까지 수만 시간 소요된다는 비현실적인 결과값을 확보할 수는 있지만, 현재까지 진행한 10회분까지의 데이터로는 열화가 거의 진행되지 않아 의미 있는 EOL 시간을 산출하기 어렵다. 또한, 봉지재 측면에서는 EVA_A의 경우 비교적 빠른 열화시점이 관찰되었지만, 가속계수와 환산수명 관점에서 생각하면 실 환경에서 안정적인 성능 유지의 가능성을 확인할 수 있었다. EVA_B의 경우 다른 봉지재에 비해 EOL이 크게 계산되었는데, 이는 환산수명도 커지며 열화가 더디게 발생한다는 의미에서 가속시험과는 적합하지 않았다. POE의 경우 EVA_A와 마찬가지로 일관된 열화패턴을 보이며 비슷한 EOL 계산이 가능하였다. Table 7에서 확인할 수 있다.
Table 7.
EOL and equivalent lifetime of 8cell modules by encapsulant under DH, IAC test
4. 결 론
결과적으로 8셀 모듈 제작 후 신뢰성 시험 및 가속시험을 진행하였다. 전체 IEC 시험 결과를 고려할 때, 가속시험을 통한 열화 평가에 큰 영향을 주는 것은 DH 시험이며 TC와 UV의 경우는 가속시험의 목적인 시간을 단축하여 열화를 촉진하여 열화 평가와 수명 등을 계산한다는 관점에서는 적합하지 않다는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 가속시험 측면에서 전체 IEC 시험 결과를 고려할 때, 실제 열화 평가에 큰 영향을 주는 DH 시험을 IEC 시험 대표로 하여 IAC와 비교한다. IEC 시험의 경우 DH 시험은 1회당 1000 h, TC 시험은 1회당 800 h, UV 시험은 1회당 7 h가 소요된다. 즉, IEC 시험 1회 수행하는 데 소요되는 시간은 총 1807 h이다. 반면, IAC 시험은 복합 조건으로 1회 수행하는 데 소요되는 시간은 600 h이다. 즉, IAC 시험으로 대체할 경우 IEC 시험 전체를 수행하는 데 필요한 시험 시간이 약 67%, 3배 정도 절감된다고 볼 수 있다. 결과적으로 IEC 시험은 여러 개별 시험을 모두 진행해야 하므로 총 시험 소요시간이 길고 비용도 많이 발생하지만, IAC 시험은 복합가속시험으로 이를 대체할 수 있어 약 3배정도의 시간적, 경제적 측면에서 이점이 있다. 동시에 IAC 시험이 실제 열화 속도를 보다 현실적으로 반영하여, EOL 및 환산수명 예측을 제공하므로, 모듈 신뢰성 평가에 더 유리하다. 또한, 가속시험의 목적인 빠른 열화를 통해 초기 결함 파악이나 수명예측, EOL, 환산 수명 등을 빠르게 산출할 수 있다는 점에서 소재의 내구성 테스트에도 적합하다. 그에 따른 결과로는 봉지재 측면에서는 EVA_A와 POE 두종류의 봉지재가 가속시험 측면에서 데이터를 확보하기에 더 용이하였고, 데이터 측면에서는 DH 대비 IAC에서 가속시험 측면에서의 이점을 확인할 수 있었고 정량적으로 표현하자면 IAC 시험에서 약 40%의 환산수명의 단축을 확인할 수 있었다.
추후에 더 다양한 종류의 봉지재와 상용화 크기 모듈로 시험을 진행한다면 보다 정확하고 유의미한 신뢰성 시험 데이터로 활용이 가능할 것이라 생각하며, 봉지재 측면에서 IEC 시험만으로는 필드에서의 광열화나 복합스트레스 효과를 충분히 반영하지 못할 수 있으므로, IAC 시험을 병행하여 테스트를 진행한다면 더욱 현실적인 장기 열화 예측이 가능할 것이라 생각된다.
