1. 서 론
태양광 발전은 지속 가능한 에너지원으로 각광받는 신재생 에너지로서 시간이 흐를수록 중요도가 높아지고 있습니다. 최근 태양광 시장에서는 태양광의 단점인 낮은 변환효율을 개선하기위해 슁글드(Shingled) 및 MBB (Multi busbar)와 같은 고밀도, 고효율 기술들을 주로 사용하고있습니다1). 슁글드 기술은 태양전지를 여러 개로 분할하여 ECA (Electrically conductive adhesives)를 사용하여 접합하는 기술입니다. 이는 태양전지 전면 버스바에 의해 발생하는 음영 손실을 최소화하며 분할한 태양전지들이 오버랩되어지기 때문에 공간적인 이득이 발생하는 고밀도 기술입니다. MBB 기술은 전면 버스바의 두께를 최소화하고 개수를 늘려 음영 손실을 줄인 half-cut 태양전지를 다중 wire로 연결하는 기술입니다. 증가한 버스바의 개수만큼 전류 수집률이 높으며 half-cut을 통해 낮아진 저항만큼 출력 이득을 얻을 수 있습니다. 이러한 고밀도 태양광 기술들은 레이아웃 및 배선 설계에 따라 효과를 극대화시킬 수 있습니다. 또한, 건물에 태양광 모듈을 적용하는 BIPV (Building Integrated Photovoltaic)에 대한 관심이 높아지고 있으며 BIPV 시장은 2022년 이후 세계적으로 연간 8.3% 수준의 성장을 이루고 2025년에는 약 415억 달러에 이를 것으로 전망됩니다2). 건물은 공간이 제한적이기 때문에 한정된 공간에서의 출력을 높이기 위하여 모듈 레이아웃 및 배선 설계에 대한 연구가 필요합니다3).
본 연구에서는 M6 (166 × 166 mm2) 태양전지를 사용하였으며 태양광 소재의 폭을 참고하여 면적을 1 m2으로 설계하였습니다4). 모듈의 레이아웃 설계는 오버랩 및 접합 수, 실제 생산되는 커버글라스 사이즈 등을 고려하였으며 배선 설계의 경우 회로 구조 및 바이패스 다이오드 등을 고려하였습니다. PSPice 시뮬레이션(OrCAD 17.2, San Jose, CA, USA)을 통해 모듈의 설계에 따른 특성을 비교하여 고출력 모듈 구조를 제시하였습니다.
2. 실험방법
2.1 모듈의 레이아웃 설계
제한적인 공간에서 고출력 태양광 모듈의 레이아웃을 설계하기 위하여 M6 (166 × 166 mm2) 사이즈의 태양전지를 슁글드는 5분할, MBB는 half-cut 하였다. 모듈 제작에 사용되는 소재의 폭이 1000 mm인 점을 고려하여 스트링 길이 및 모듈의 면적을 계산하였다. 슁글드는 접합 수를 선정하기 위해 오버랩을 0.17 cm로 고정하고 스트링 간격을 0.2 cm, 프레임을 위한 마진 공간을 1 cm로 고려하였다. 접합 수를 선정한 이후, 오버랩을 0.12 cm에서 0.17 cm로 가변하여 면적을 비교하였다. 접합 수 및 오버랩에 따른 Active area 비율을 계산하였으며 이는 실제 제커버글라스의 경우 제작되는 전면부의 유리가 소수점 첫째 자리로 제작이 된다는 점을 고려하였다. MBB의 경우 half-cut 태양전지들이 오버랩되어지지 않기 때문에 태양전지 간 간격을 0.2 cm, 스트링 간격을 0.2 cm로 설정하였으며 프레임 마진 공간은 동일하게 설계하였고 접합 수에 따른 MBB 태양광 모듈의 Active area 비율을 계산하였다.
2.2 모듈의 배선 설계
고출력 태양광 모듈의 배선 설계를 위하여 슁글드 모듈은 각 스트링간의 연결에 H-리본을 사용하였고 바이패스 다이오드 부착을 위한 배선 리본의 경우 5 mm 리본을 사용하였다. Fig. 1은 H-리본의 도면을 나타내었다.
모델링한 슁글드 스트링을 바탕으로 각 6직렬, 3병렬 2직렬, 6병렬 구조를 비교하였으며 각 구조마다 H-리본 및 배선 리본의 솔더링을 Figs. 2, 3, 4와 같이 다르게 진행하였다. 슁글드 스트링 제작에 사용된 ECA 저항은 2.2 mΩ을 적용하였다. 배선 설계에 사용된 5 mm 리본의 경우 11 mΩ/m의 저항 성분을 가지며 정션 박스 부착을 위해 설계한 배선의 길이가 다르기 때문에 Table 1과같이 각 구조에 따라 저항을 달리 적용하여 시뮬레이션하였다.
Table 1
Wiring resistance values for different structures
| Structures | Wiring length (m) | Resistance (mΩ) |
| 6 series | 1 | 11 |
| 3 parallel 2 series | 0 | 0 |
| 6 parallel | 1 | 11 |
MBB 태양광 모듈은 슁글드 모듈과 달리 태양전지 전면 및 후면에 wire가 솔더링되어 제작되기 때문에 일반적으로 배선을 태양전지 후면으로 빼기 어렵다. 출력 측정을 위한 단순한 배선의 경우 프레임 마진 내의 공간에서 해결이 가능하지만 바이패스 다이오드를 적용하기 위하여 다른 형태의 모듈 구조가 필요하다. 바이패스 다이오드의 배선이 모듈의 중앙에서 이루어지며 직, 병렬 구조에 따른 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션의 경우 Fig. 5와 같이 더블 다이오드 모델을 사용하였고 각 모듈에서 발생하는 손실은 문헌을 참고하였다. 시뮬레이션에 사용된 분할 셀의 파라미터 및 저항값은 Table 2에 나타내었다5,6,7,8,9).
3. 결과 및 고찰
슁글드 태양광 모듈의 접합 수에 따른 모듈 면적을 아래 Table 3에 나타내었다. 슁글드 태양광 모듈의 경우 31접합에서 모듈의 가로 길이가 998.2 mm로 소재 폭인 1000 mm 이내로 제작이 가능하였다. Fig. 6은 슁글드 태양광 모듈의 접합 수 증가에 따른 Active area 비율을 계산하여 나타낸 것이다. Active area란 슁글드 스트링의 면적만을 계산한 것으로 실제 생산 가능한 커버 글라스의 사이즈와 같이 고려하였다. 실제 커버글라스 사이즈가 소수점 첫째 자리로 제작이 가능하다는 점을 감안하여 이상적인 비율과 실제 비율을 비교하였다. 접합 수가 증가함에 따라 Active area의 비율이 높아지는 것을 확인하였고 이에 따라 접합 수를 31접합으로 결정하였다.
Table 3
Module area of shingled PV according to number of bonding
Table 4는 오버랩에 따른 슁글드 태양광 모듈의 면적을 나타내었다. 슁글드 태양광 모듈의 경우 오버랩을 감소시킬 경우 수광면적이 증가하고 상단부 셀과 하단부 셀의 전류 불일치가 작아져 효율 상승을 기대할 수 있다. 하지만 오버랩을 0.16 cm 이하로 감소시킬 경우 소재의 폭보다 모듈의 가로 길이가 길어지기 때문에 30접합으로 접합 수를 줄여 제작해야한다. 이런 경우 오버랩을 감소시키는 것보다 0.17 cm의 31접합 스트링과 같이 접합 수를 증가시켜 제작하는 것이 더 높은 출력을 기대할 수 있다.
Table 4
Module area of shingled PV according to cell overlap area
접합 수와 동일하게 오버랩에 따른 Active area 비중의 변화도 계산하였다. Fig. 7은 31접합에서 오버랩에 따른 슁글드 태양광 모듈의 Active area 비율 및 슁글드 태양광 모듈의 도면을 나타내며 오버랩의 경우 접합 수보다 낮은 폭의 변화를 나타내었다. 또한, M6 5분할 태양전지를 31접합한 이후 오버랩을 가변하여 비교하면 슁글드 스트링의 가로 길이의 소수점 둘째 자리가 2로 끝나기 때문에 이상적인 경우와 실제의 비율 경향성이 동일하게 나타났다.
MBB 태양광 모듈은 M6 태양전지에 대해 half-cut을 적용하였기 때문에 슁글드와 달리 분할되는 방향이 다르므로 가로가 아닌 세로 폭을 1000 mm 내로 가능하게 설계하였다. 아래 Table 5는 접합 수에 따른 M6 MBB 태양광 모듈의 면적을 나타냈으며 11접합에서 세로의 폭이 953 mm로 1000 mm 내 모듈을 제작이 가능함을 확인하였다. MBB 모듈의 경우 가로 및 세로의 길이가 소수점 둘째 자리까지 계산되지 않기 때문에 접합 수가 늘어남에 따라 Active area 비율이 Fig. 8과 같이 증가하였다.
Table 5
Module area of MBB PV according to number of bonding
설계한 슁글드 및 MBB 도면을 각 6병렬, 3병렬 2직렬, 6직렬 형태의 다양한 구조로 연결하여 출력 특성을 시뮬레이션한 결과를 Table 6에 나타냈다. 슁글드 모듈은 3병렬 2직렬에서 20.877%로, MBB 모듈은 6직렬에서 19.772%로 가장 높은 특성을 얻었다. MBB의 경우 병렬 구조가 더해짐에 따라 전류값이 슁글드에 비해 약 2.5배 이상으로 증가하여 직렬 저항에 의한 손실이 커져 직렬 구조에 비해 약 1.2% 낮은 효율이 나타났다.
Table 6
Characteristics of shingled and MBB module circuit
정션 박스 부착을 위하여 가장 효율이 높았던 3병렬 2직렬 구조에서 슁글드 태양광 모듈의 배선의 전면 및 후면을 Fig. 9와 같이 설계하였다. 정션 박스는 모듈의 정중앙에 위치할 수 있도록 하였고 각 배선의 길이를 50 cm로 정션박스의 접속까지 고려하였다.
MBB의 경우 바이패스 6직렬에서 가장 효율이 높았지만 다이오드를 부착하기 위하여 3병렬 2직렬 구조를 선택하였다. 레이아웃 설계 당시 11접합 1개 스트링을 선정하였으나 배선 설계 시 상, 하부의 태양전지 개수가 달라지기 때문에 1.1 cm 간격을 지닌 5접합 스트링 2개로 Fig. 10과 같이 설계하였다. MBB의 경우 가로방향 폭은 동일하기 때문에 향후 1000 mm 폭 이상의 소재가 개발된다면 동일한 형태의 구조에서 세로 길이를 증가시켜 대면적 모듈 제작이 가능할 것으로 예상된다.
4. 결 론
본 연구에서는 고밀도, 고출력 태양광 기술은 슁글드와 MBB 모듈의 레이아웃 및 배선설계를 진행하고 시뮬레이션을 통해 출력값을 비교하였다. 슁글드 모듈은 오버랩 및 접합 수에 따라 모듈 사이즈가 결정되며 생산되는 태양광 소재의 폭을 고려하였을 때, M6 태양전지 5분할 기준 31접합에 오버랩 0.17 cm가 가장 유리하였다. 각 접합 수 및 오버랩에 따라 Active area와 실제 면적을 비교하였으며 스트링의 직, 병렬 구조를 변경하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과 3병렬 2직렬에서 가장 특성이 우수하였으며 후면으로 바이패스 다이오드 2개가 적용된 정션 박스를 후면 정중앙에 배치하여 배선하였다. MBB 모듈은 슁글드와 달리 가로 폭이 아닌 세로 폭이 접합 수에 영향을 받으며 소재의 폭을 고려하였을 때, 95.3 cm로 11접합이 가장 유리하였다. 시뮬레이션에 따라 6직렬에서의 효율이 19.77%로 가장 높았지만 바이패스 배선 연결을 위하여 3병렬 2직렬로 설계하였다. 배선 연결을 위해 11접합 스트링을 2개의 스트링으로 나눌 필요가 있으며 접합 수를 동일하게 가져가기 위해 5접합 스트링 2개로 상부 및 하부 스트링으로 변경하였다. 이러한 구조는 양면수광형 태양전지에도 사용이 가능하며 이후 양면 및 대면적 고출력 태양광 모듈에 적용할 예정이다.
