기호 및 약어 설명

IEC : International Electrotechnical Commission

EVA :Ethylene Vinyl Acetate

POE :Poly Olefin Elastomer

DH : Damp Heat

TC : Thermal Cycling

HF : Humidity Freeze

LID : Light Induced Degradation

UV : Ultra Violet

PID : Potential Induced Degradation

DIN : Deutsches Institut für Normung

1. 서 론

전 세계적으로 탄소중립에 관한 관심과 정책적 제도가 증가하는 추세이며 지구 온난화로 폭염, 폭설, 산불 등 이상기후 현상이 세계 곳곳에서 나타나고 있다. 국제사회는 기후변화 문제의 심각성을 인식하고 이를 해결하기 위해 2050년 탄소중립을 선언했고 2015년 파리협정에서 탄소중립 달성을 위한 중간목표로써 협정에 따라 참가국이 스스로 정하는 국가 온실가스 감축목표를 설정했으며, 대민한국은 2030년까지 2018년 기준 총배출량 대비 40% 감축을 목표로 잡았다. 화석 연료를 대체하는 재생에너지 중 태양광은 전 세계 전력수요의 약 5%를 차지하고 있으며 호주를 비롯하여 유럽 국가(스페인, 그리스, 온두라스, 네덜란드, 칠레, 독일 등)는 태양광으로 연간 자가 소비율 10% 대체가 가능한 태양광 설비 용량을 보유 중이지만, 탄소중립 실현을 위해선 현재 태양광 용량의 10배 이상이 필요한 상황이다¹⁾. 실리콘 태양전지는 IEC 규격 기반으로 시험ㆍ인증이 진행되고 있으나 관련분야 전문가들은 초기에 고장이 나거나 과도하게 열화되기 쉬운 모듈을 식별하기 위해 실내가속 테스트의 필요성을 인지하였다²⁾. 기존 IEC 61215와 유사한 모듈 성능을 검증하기 위한 표준화된 테스트는 1990년대 중ㆍ후반에 시작되어 수년에 걸쳐 개정을 거쳐왔다³⁾. 그러나 장기적이고 점진적인 저하를 예측하도록 설계되어 있지는 않으며, 연구에 따르면 대부분의 태양광 모듈은 심각한 출력 저하 없이 IEC 61215 인증 테스트를 통과한다고 알려져 있다⁴⁾. IEC 규격이 실제 옥외 필드 환경과 얼마나, 어떻게 일치하는지에 대한 명확한 의도는 아직도 정의되어 있지 않다⁵⁾. 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 상이하다.

본 연구에서는 실제 옥외 필드 환경조건을 모사하며, 단일시험이 아닌 복합시험 적용으로 절대적인 시간도 줄일 수 있는 실내 가속 복합 테스트 모델을 제시한다. 가속 테스트 사례로 3개의 동일한 모듈을 각각 다른 기후에서 모니터링 하였다. 첫 번째는 해양기후인 스페인 그란카나리아, 두번째는 건조기후인 이스라엘 네게브, 세번째는 고산기후인 독일 츄크슈피체. 모니터링 결과, 평균온도 및 최고온도가 가장 높은 건조기후(네게브)에서 태양광 모듈에 가장 열악하고 가혹한 환경이 조성되었으며 출력 저하율도 0.74%/year로 가장 높았다. 즉, 장기 신뢰성 측면에서 온도가 가장 주요한 인자이며, 일사량도 영향이 있었다⁶⁾. 외부 환경의 스트레스 요인과 IEC 61215 규격을 기반으로 실제 필드와 유사한 인공광원ㆍ온도ㆍ습도 조건 구현을 목표로 실내 가속 복합 테스트를 진행하였다.

2. 실 험

2.1 실내 가속 복합 테스트 모듈 제작 및 사용 기자재 Datasheet

실내 가속 복합 테스트를 위한 태양광 모듈은 25 W를 타겟으로 A타입 EVA로 8매, B타입 EVA로 8매, POE로 8매 총 24매를 직접 제작하였다. 제작한 모듈에 사용한 자재에 대한 정보는 Table 1과 같다. 테스트 모듈은 최근 주로 생산되는 M6 Half Cut 144Cell 대면적화 모듈에 맞춰 기존 M6 사이즈(166 × 166 mm)의 태양전지를 레이저 분할 장비를 통해 166 × 83 mm 크기로 제작 후, 4 × 4배열 8직렬 연결을 하였다. 레이저 분할 장비는 AUTOWELL사의 HC40A 장비이며 분할 조건으로는 이송 속도 4,800 mm/s, 주파수 350 kHz, 파장 길이 10 μs, 반복 횟수 8회 조건을 사용했다. 셀간 연결 간극은 1 mm로 진행하였으며 라미네이팅 조건은 EVA와 POE가 상이하다. 라미네이터는 Boostsolar사의 23360AC 장비이며 2챔버 타입으로 라미네이팅 조건으로 EVA는 1단챔버에서 온도 135℃ 6분 진행 후 2단챔버로 이동하여 온도 150℃에서 8분 진행되었고, POE의 경우 1단챔버에서 온도 143℃ 6분 진행후 2단챔버로 이동하여 온도 147℃에서 8분 진행되었다.

봉지재는 태양전지 셀을 둘러쌓아 습기, 먼지로부터 내부의 셀을 보호하고 접착 및 완충 기능을 한다. 다른 자재들과는 다르게 봉지재의 경우 EVA 2종류, POE 1종류를 사용하였는데 그 이유로 EVA는 초산 발생으로 인한 직렬저항 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 채택하였다^7,8). 비교군 시험을 위해 봉지재를 제외한 모든 자재는 동일하게 사용하게 사용했다.

2.2 시험 조건

제작한 모듈은 봉지재 타입별 8개씩으로 각 1개씩은 컨트롤모듈로 지정하여 매 시험이 종료될 때마다 솔라시뮬레이터 교정 후 컨트롤모듈을 측정하여 데이터의 2차 검증 개념으로 활용하였다. 시험은 Table 2와 같이 IEC 61215 기반 고온ㆍ고습 환경에서 수분 침투에 의한 장기신뢰성, 온도 변화 반복에 따른 열적 스트레스, 광 노출에 의한 전기적 특성 변화를 위한 5가지(DH, TC, HF, LID, UV) 시험과 IEC TS 62804-1 기반 고온ㆍ고습 환경에서 시스템 고전압 인가를 통한 전기적 특성 변화 확인을 위한 PID 시험을 진행했다.

실내 가속 복합 테스트 시험은 독일공업규격인 DIN75220을 참조하였으며, 세부적인 시험 조건의 경우 기존 IEC 시험 진행 시 온도기록계를 활용하여 산정하였다. DH 시험의 경우 2,000시간의 시험에서 평균적으로 온도 85.21℃, 습도 84.79%를 유지하였으며, TC시험의 경우 400 Cycle의 시험에서 평균적으로 저온 구간 온도 –39.18℃, 고온 구간 온도 84.72℃를 유지하였고, UV시험의 경우 30 kW의 시험에서 평균적으로 온도 59.95℃를 유지하였다. 해당 온도 데이터를 기반으로 실내 가속 복합 테스트(Indoor Accelerated Complex : IAC) 시험 조건을 도출하였으며 광량은 1 Sun을 기준으로 Table 3과 같이 시험을 진행하였다.

각 시험은 IEC 규격에 의거하여 봉지재별로 1개씩 동일한 챔버, 조건, 시간에서 진행하였다. 규격에서 제시한 1회의 시험으로는 단일시험이 아닌 복합시험 적용을 위한 근거 데이터와 절대적인 시간을 감소시킬 수 있는 지표가 부족하다고 판단하여 각 3배수씩 추가 시험을 진행하였다. 태양광 모듈의 내구성을 조사하는 목적하에 Table 4의 HF의 시험의 경우 DH, TC 시험과 내용 및 조건상 비슷하여도 1회에 해당하는 시험 주기가 짧아 추가시험을 진행해도 전기적 특성변화 데이터를 확보하기 어려우며, Table 5의 UV 시험의 경우 추가시험을 진행할수록 UV시험과 유사한 부분이 있어 1회씩만 진행하였다. 앞서 언급한 것처럼 각 시험이 종료될 때마다 솔라시뮬레이터를 레퍼런스모듈로 교정 후, 가속 테스트를 위해 제작한 컨트롤 모듈로 2차 검증을 매번 진행하였다. 최대출력측정을 위한 솔라시뮬레이터는 Denken사의 DKSMT-1520SUL장비를 사용하였다.

결정질 실리콘 태양전지의 단기간 고전압인가 스트레스 시험방법인 PID의 경우 KS C IEC TS 62804에서 제시한 기본 시험 조건인 모듈 온도 (60 ± 2)℃ 보다는 더 높은 가혹도와 추가 가속을 위해 모듈 온도 (85 ± 2)℃를 타겟으로 시험을 진행하였다. 최근 상용화되는 봉지재들의 경우 기본적으로 전기 절연성 등 기능성을 부여하여 설치환경에서 모듈의 출력 저하를 억제시키는 Anti-PID 기술이 적용되어 Table 6과같이 약 1% 정도의 낮은 출력 저하율을 나타내었다. 온ㆍ습도 변화 반복에 따른 열적 스트레스 시험인 DH과 TC 시험의 경우 Tables 7, 8과 같이 약 3% 정도의 출력 저하율을 나타냈고 광 노출에 의한 전기적 특성을 확인하는 UV의 경우 Table 9와 같이 약 1% 정도의 출력 저하율을 나타냈다. 실제 필드와 유사한 온도ㆍ습도ㆍ광 3가지 요소가 복합되어 있는 실내 가속 복합 테스트의 경우 Table 10과 같이 약 3%의 출력 저하율을 보였다. Fig. 1은 EVA_A타입과 POE 두 가지 봉지재의 시험 횟수에 따른 출력 저하율 정규화 데이터며, 실내 가속 복합 테스트는 단일시험으로 진행된 DH, TC, UV 시험과 비슷한 출력 저하율을 나타내었다.

Fig. 1

Power degradation rate data according to the number of tests for EVA and POE

비교군 시험을 위한 봉지재에 따른 특성으로는 UV 시험을 제외한 다른 시험들은 POE가 낮은 출력 저하율을 나타내었는데, 이는 상대적으로 EVA가 시험을 진행할수록 노화에 따른 투과율, 반사율 저하와 수분 침투에 따른 직렬저항 증가 및 캐리어 생성 능력 저하로 볼 수 있다⁹⁾.

3. 결과 및 토의

Fig. 2과 같이 태양광 발전은 여러 자연적 요소와 환경적 요소의 영향을 받기 때문에 이러한 요소들을 반영하여 신뢰성을 검증하는 시험이 필요하다. 그러나 기존의 IEC 규격은 각 요소별로 독립 시험을 진행하기에 완전히 실제 환경과 일치하지 않을 수 있다. 이에 반해 실내 가속 복합 테스트는 다양한 스트레스 요인을 동시에 적용하여 보다 실제 환경과 유사한 조건에서 신뢰성을 검증할 수 있다. 또한, Fig. 3과 같이 IEC 61215 규격 1회씩 시험 진행 시 DH 시험은 41일, TC 시험은 33일, UV 시험은 7일로 개별 진행 시 총합 81일이 소요되는데, 실내 가속 복합 테스트의 경우 1회 시험 진행 시 25일이 소요된다. 점진적으로 장기 시험을 진행할수록 시험시간에 대한 편차는 커지며, 결과적으로 실내 가속 복합 테스트는 IEC 대비 약 3.24배의 시간 절감이 된다. 따라서 복합적인 시험이 없는 IEC 규격과는 별개로 외부환경과 비슷하게 스트레스 요인이 작용하는 실내 가속 복합 테스트 시험은 향후 태양광 신뢰성 시험에도 효용성을 나타낸다고 생각한다.

Fig. 2

Characteristics for each IEC, Indoor Accelerated complex test and Field

Fig. 3

Test procedure to time

4. 결 론

현재 IEC 61215 규격 내의 시험 항목에는 태양광 또는 인공 광원과 온도, 습도, 전기적 특성에 대한 복합적인 시험은 없으며, 그렇기에 외부 환경의 스트레스 요인을 고려하지 않은 단일 시험이 진행되었다. 본 연구에서는 실제 필드 환경조건을 모사하며, 인공 광원ㆍ온도ㆍ습도 복합시험 적용으로 기존 IEC 규격과 유사하게 출력 저하율 데이터를 확보하며 IEC 시험 대비 약 3배 정도의 시간을 단축할 수 있는 가속 시험을 진행하였다. 외부환경과 비슷하게 스트레스 요인이 작용하는 실내 가속 복합 테스트는 향후 태양광 신뢰성 시험에도 효용성을 나타낸다고 생각한다.

추후에는 M6 144 Cell 모듈을 제작 후 옥외노출 시험과 IEC, 가속 테스트 3개의 시험을 동시에 진행하여 가속테스트 시험 조건에 대한 교차 검증 및 지표들을 확보하고, 시험데이터 측면에서는 단순 출력 저하율뿐만 아니라 Dark I-V, Rsh, Rs 등과 같은 전기적특성들도 분석할 수 있는 지표들을 제시하겠다. 또한, 국내뿐만 아니라 해외의 여러 기후에서 발전하는 태양광 모듈들의 데이터를 참고하여 가속 테스트 모델을 개선한다면 보다 정확하고 유의미한 태양광 모듈의 신뢰성 평가를 진행할 수 있을 것이다.