하비 세레즈(Harvey Serreze)

스파이어솔라 솔라 시뮬레이터 제품개발 부장

하비 세레즈 박사는 1974년 터프츠대학교에서 전기공학 박사학위 취득 후 모바일-타이코솔라에너지 사에서 최초의 EFG 실리콘 태양전지 제작을 담당했으며, 이 회사의 최초 솔라 시뮬레이터 시험 시스템의 설계와 제작에 관여했다. 그는 1993년에 스파이어솔라 사에 들어와 차세대 시뮬레이터의 개발과 연구에 몰두하고 있다.

솔라 시뮬레이터는 태양광 모듈의 전력 등급을 결정하기 위해 모듈 제조 산업에서 사용되는 중요한 측정 도구이다. 전력 등급 측정상의 오류나 불확실성은 모듈 제조사의 수익에 상당한 타격을 줄 수 있다. 결과적으로 시뮬레이션 되는 실외 가동 조건에서 모듈 시험은 정확한 결과를 주어야만 한다. 솔라 시뮬레이터는 이 목표 달성을 위해 편리한 방법을 제공한다.

여러 장비 제조업체들은 다양한 솔라 시뮬레이터를 제공하고 있기 때문에 어떤 도구를 결정하고 구매하는가 하는 문제는 간단한 문제가 아니다. IEC60904-091과 같은 국제 표준은 성능 등급 충족에 필요한 요건들을 상세히 규정하고 있다. 그러나 해당 시뮬레이터 제조사의 중요한 시뮬레이터 기술 명세서 내용을 간단히 실험하는 것만으로 항상 최적의 도구 선택이 가능한 것은 아니다. 많은 경우 이 작업을 위한 적절한 도구 선정에 있어 단순한 기술 명세서 그 이상을 살펴볼 필요가 있다. 솔라 시뮬레이터는 완벽한 광원이 아니며, 광학적 산출량의 질은 전력 측정의 불확정성에 크게 기여한다.

스펙트럼 체크

시뮬레이터의 스펙트럼 분류는 중요하게 고려해야 할 요인이지만 제조사에 의한 스펙트럼의 결정은 생각만큼 쉬운 것이 아니다. 특히 표준 규정된 가장 높은 성능 수준인 A등급 스펙트럼은 시뮬레이터에서 방출된 스펙트럼이 400~1100nm의 여섯 개의 파장 간격 각각에서 표준 AM1.5G 스펙트럼의 25% 내에 있어야 한다. 대부분의 시뮬레이터가 테스트 중에 모듈 열 발생을 최소화하기 위해 광 펄스를 사용하기 때문에 이 요인은 시뮬레이터 도구의 산출 스펙트럼을 정확하게 측정하는 데 있어서 상당한 문제를 추가한다.

펄스 광원의 거의 3배에 달하는 파장 범위(400~1100nm)에서 산출 스펙트럼의 측정은 상당히 어렵다. 단일 유닛 분광계 중에서 큰 타격 없이 이 파장 범위를 포괄할 수 있는 것은 거의 없다. 일반적으로 사용되는 Xe 플래시램프의 스펙트럼에서 상당히 집중적인 최고점의 존재는 분광계가 포화될 수 있는 것 이상의 최고 민감도를 만든다. 대부분의 분광계가 실리콘 탐지기를 사용하기 때문에, 적절한 장파 민감도를 얻기 위해 불꽃 파장과 같은 적절한 분광계 설계를 선택하는 것은 부적절한 단파 민감도로 이어질 수가 있다. 측정 과정 중에 고려해야 할 또 다른 요인들은 시험조건 하의 시뮬레이터에서 정확한 광 표본을 적절히 수집하고 도구를 적절히 측정하는 것이다.

이러한 어려움을 인식한 미국 골든(Golden) 사의 국가 신재생에너지 연구소(NREL)는 펄스 솔라 시뮬레이터를 시험하기 위한 전문 측정 도구를 개발했다. 이 펄스 분석 스펙트럼 분광복사기 시스템(PASS : Pulse Analysis Spectroradiometer System)은 펄스 시뮬레이터의 스펙트럼을 매우 정확하게 측정할 수 있다. NREL 외에는 이러한 도구가 거의 없다.

스파이어(Spire) 사는 그림 1에 제시된 바와 같이 PASS의 복사본을 갖고 있다. 해마다 NREL에서 새롭게 측정되는 도구를 이용해 이 회사는 부차적 도구들의 측정상황을 확인할 수 있다. 이들 부차적 도구들의 대부분은 이중 분광계이다. 제품 판매 전에 시뮬레이터의 내부 측정을 정확하게 완료하는 것이 중요하고, 전 세계에서 고객들이 현장에서 사용하기 위해 스펙트럼을 체크하고 확인하는 것이 중요하다.

방사조도 불균일성

매우 자주 간과되거나 오해를 일으키는 또 다른 변수는 시험 단계에서 방사조도의 공간적 불균일성이다. 불균일성을 위한 분류 표준은 위에서 언급한 60904-09 문서에서 IEC와 같은 기관에서 이미 설정되었지만, 모호하거나 아직 규정되지 않은 몇 가지 문제들이 있다. 특히 대형 면적 시뮬레이터를 위한 등급 A 불균일성 지정에는 측정 공간 해상도가 개별적인 픽셀을 이용하거나 400cm2 미만의 테스트 점을 이용해야 한다. 즉, 1.5×2m 면적의 시뮬레이터는 75점에서 반드시 측정해야 한다. 게다가 시험 대상은 픽셀 영역의 최소한 80%를 커버해야 한다. 따라서 이 특정한 표본에서는 크기가 320cm2는 되어야 한다는 것이다.

그러나 더 높은 불균일성 측정 해상도가 필요하거나 사용되는 상황도 있다. 티유브이라인란드(TUV Rheinland)는 1.5×2m에서 248픽셀 정도의 해상도를 갖는 균일성 시험 시스템을 사용한다. 스파이어 사는 각 픽셀 당 약 17cm2의 크기를 갖고 1,728개 이상의 픽셀 해상도로 동일한 1.5×2m 면적을 측정할 수 있는 고해상도 시험 측정 시스템을 개발했다. 이 시스템에 대한 사진은 그림 2에 제시되어 있고, 새로운 첨단 시뮬레이터에 대한 일반적인 마이크로 균일성 지도는 그림 3에 제시되어 있다. 이 새로운 소형 도구의 탁월한 고해상도 균일성은 의심의 여지가 없다.

시뮬레이터에 있어서 방사조도 불균일성 값은 방사조도 패턴의 통계적인 분석보다는 방사조도 최대값과 최소값을 사용해 결정된다. 결과적으로 개별적인 테스트 포인트의 크기와 픽셀의 수에 따라서 해당 도구의 보고되는 불균일성 값에는 상당한 차이가 있다고 봐야 할 것이다. 이는 IEC 표준에 의거해 측정이 이루어지는 경우에도 그러하다. 이러한 값의 변화의 한 예는 그림 4에 제시되어 있다. 붉은 점으로 표시된 점선의 오른쪽 전체 구역은 IEC 표준에서 정한 범위 내에 있기 때문에, 균일성은 낮은 해상도에서 1% 하에서의 값이(등급 A 규정으로 정해진 최대 2% 하에서의 값이) 합법적으로 보고 된다. 그러나 더 높은 해상도에서는 이 수치가 약 1.5%까지 올라간다. 개별적인 셀의 크기가 크고 일반적으로 사각형 모양인 단결정 혹은 다결정 Si와 같은 애플리케이션에서는 고해상도 균일성의 필요성이 비교적 거의 없다. 그러나 개별적인 셀이 매우 좁거나(1cm 이하) 상당히 넓은(1m 이상) 박막 필름 애플리케이션에 있어서는 고해상도 균일성에 대한 필요성이 훨씬 더 중요해진다.

플래시 지속시간

광 펄스의 지속시간의 길이는 어떤 표준에서도 고려되지 않는 변수이다. 최소한 펄스의 지속시간은 전류전압(I-V) 특성의 완전한 범위를 실행할 만큼 충분히 길어야 한다. 원하는 기준점 수와 데이터 표본율에 따라서 최소 펄스 지속시간은 일반적으로 10ms 범위이다. 일반적인 결정질 Si와 같은 애플리케이션에서 셀이 이 10ms 시간대 내에서 다시 한 번 안정적인 균형 상태에 도달할 수 있으려면 이러한 짧은 펄스 지속시간이 적절하다.

그러나 새로운 첨단 박막 필름 구조와 일부 고효율 Si 구조는 이러한 짧은 펄스 중에 균형 상태에 도달하지 못한다. 이는 결국 전력 생산 능력의 정확한 진단을 어렵게 한다. 이러한 결과의 요인으로는 ‘높은 정전 용량’ 또는 ‘긴 확산거리’, ‘느린 트래핑/디트래핑 시간’ 등 다양하다. 이 요인들에 대해서는 전 세계의 수많은 연구소에서 연구 중에 있다. 첨단 CIGS 생산 모듈에 있어서 이러한 느린 반응의 예는 그림 5에 제시되어 있다. 꾸준한 전력 생산이 일반적인 10~20ms 지속시간 광 플래시 중에 불가능하다는 것은 자명하다. 적절한 펄스 지속 시간(이 경우에는 약 100ms)을 가진 시뮬레이터를 사용하지 않음으로써 제조사는 거의 2% 내지는 그 이상으로 생산 전력을 과소평가할 것이고, 이로 인해 잠재적인 판매 수익에 상당한 손실을 경험할 것이다.

또 다른 문제들

마지막으로 많은 관심을 받고 있지는 않지만 최고의 시뮬레이터 선택에 중요한 다른 요인들도 있다. 그 대표적인 예가 생산 환경에서 직렬 저항을 측정할 수 있는 능력이다. IEC608914에 명시된 것은 태양광 모듈의 내부 직렬 저항을 결정하는 절차 권고이다. 이러한 절차는 세 가지의 다른 방사조도 수준에서 I-V 특징의 측정을 요한다. 이것은 세 가지의 연속적인 플래시 시험 조건에 세 모듈을 배치함으로써 가능할 수 있지만 생산 환경에서 이것은 생산량의 속도를 상당히 늦출 것이다. 대안 방법으로 시뮬레이터가 그림 6에 제시된 단일 플래시 안에서 세 가지의 휘도 수준을 제공한다면 이 측정은 생산량에 타격을 주지 않고 이루어질 수 있다. 그러나 이를 달성하기 위해서는 시뮬레이터는 하나의 태양에서 100ms 이상 혹은 더 낮은 휘도에서 그 이상의 펄스 지속시간을 제공할 수 있는 성능이 필요할 것이다.

요약하자면 특정한 애플리케이션과 테스트 환경을 위한 최고의 솔라 시뮬레이터의 선택은 기본적인 기술 명세서보다는 더 많은 요소들을 고려함으로써 이루어져야 한다. 스펙트럼 측정 정확도, 방사조도 균일성, 펄스 지속시간 같은 몇 가지 중요한 품질 변수들을 고려, 평가해야 한다. 스펙트럼과 측정 도구의 균일성을 정확하게 측정, 보고하는 제조사의 능력에 대한 신뢰도가 중요하다. 방사조도의 불균일성의 효과를 알고 이해하는 것 또한 중요하다. 특히 비표준 셀 크기를 이용하고 구성을 서로 연결하는 애플리케이션의 경우에는 그러하다. 많은 새로운 첨단 기술의 박막 필름과 결정질 실리콘 기술에 있어서 적절한 지속시간을 가진 광 펄스의 사용은 매우 중요하다. 마지막으로 생산량에 타격을 주지 않으면서도 직렬저항과 같은 부차적인 변수들을 결정하는 기능들도 매우 중요한 문제가 될 수 있다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

SOLAR TODAY 편집국 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com

SolarToday 다른기사 보기