센트로썸 PV AG의 업그레이드 기술

대형 태양광발전소에서 모듈의 성능저하를 막기 위한 노력

편집자 주

반사 방지 코팅(ARC)의 적용은 높은 전지 효율성의 전제조건이며, 태양전지 산업에서 일반적인 생산 단계의 하나로 오래 전부터 인식되어 왔다. ARC를 적용하는 일반적인 기법은 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD)에 의한 SiNx의 증착이다.

센트로썸은 독자적인 기관에서 이미 확인된 바와 같이 결정질 PV 산업에 PECVD 시스템을 공급하는 세계 주요 공급업체 중 하나이다. 센트로썸에서 공급하는 일반적인 직접적 플라즈마 강화 화학 증착 시스템은 다양한 실리콘 질화물 층의 증착과 1.95에서 약 2.7까지 범위의 굴절율을 가진 레이어 적층의 증착용으로 설계되었다. 간단한 업그레이드 적용을 통해 이 범위는 굴절율 1.5의 절연막 증착까지 상당히 확대될 수 있다.

절연 보호막과 반사 방지층 증착 기능을 가진 센트로썸의 PECVD 시스템의 탄력성 덕분에 이 수정된 실리콘 질화물 층은 n 형과 p 형 실리콘 웨이퍼 재질에 모두 최고의 증착 자질을 보장한다. 독립적인 연구 기관들에서 확인된 바와 같이 전지 앞면에 대해 이중층 증착과 함께 수정된 실리콘 질화물의 적용은 넓은 파장 범위에서 전지 효율성을 높이고 전지 외관 개선 효과를 갖는다.

센트로썸 PECVD 시스템의 또 다른 장점은 웨이퍼에 대해 다양한 플라즈마 사전 조건 형성이다. SiN 기포발생을 방지하는 것부터 최고 품질의 피막 형성을 위한 실리콘 절연 인터페이스 최적화까지 플라즈마 전처리는 이제 PECVD 공정에서 표준이 되었다.

주목 받고 있는 현상 PID

ARC는 태양광선의 반사를 줄여주어 그 결과 태양전지 전류를 증가시킬 뿐만 아니라 원치 않는 효과를 줄여주는 효과적인 장치로서 중요한 역할을 하기도 한다. 특히 태양전지 표면에 대전입자의 손실을 줄여주는 기능을 한다(피막 형성). ARC의 이러한 잘 알려진 장점 외에도 최근 주목 받기 시작한 현상에 대응하기 위해 이 공정에서 적절한 솔루션을 적용해야 한다는 인식이 점차 확대되고 있다. 이 현상은 일반적으로 잠재적으로 유도된 기능저하(PID)라고 하며, 고전압 스트레스(HVS)라고 하기도 한다.

PID를 이해하기 위해 중요한 것은 태양전지가 어떤 식으로 작동하며, 모듈에서 다른 물질들과 어떤 식으로 상호작용하는지 아는 것이다. 간단히 말해서 표준형 태양전지는 음전하 도핑된 실리콘의 박막 필름, ‘에미터’가 양전하 도핑된 실리콘의 두꺼운 층의 위에 있는 구조로 되어 있다.

태양광선에 노출될 때 소위 전자 양공쌍이 두꺼운 실리콘 층에 생성되고, 두 층 사이의 공간, 소모 영역 내지는 공간 전하 영역에서 분리된다. 양전하가 부가된 구멍은 양전하 도핑된 반도체의 방향으로 움직이고, 이에 반해 음전하가 부가된 전자는 음전하 도핑된 방향으로 움직인다. 그런 다음에 대전입자가 금속성 앞면 그리드와 뒷면 금속화에 의해 집광되고 다음 전지로 전도된다.

모듈에서 일련의 전지 어레이는 그 모듈에서 전지에서 전지로 전압이 증가한다는 것을 의미한다. 연속으로 연결된 시스템 내의 개별적인 모듈에도 동일한 원칙이 적용된다. 이러한 시스템에서 최대 전압은 1,000볼트까지 쉽게 도달할 수 있다. 이것은 기본적으로 긍정적인 효과이다. 왜냐하면 전압이 높을수록 PV 시스템의 전기 손실 효과는 약화되기 때문이다. 이런 식으로 고전압은 시스템의 성능 향상에 도움이 된다.

이와 동시에 이러한 높은 시스템 전압은 태양전지, 내장된 물질, 유리, 접지된 모듈 프레임 사이에 원치 않는 누설 전류로 이어질 수도 있다. 특히 대형 태양광발전소 시설(1kWp 이상)에서 이 PID는 빈번한 성능저하 원인의 하나로 지목되어 왔다. 이 특수한 성능 저하는 특정한 유형의 PV 전력 발전기에 대해서는 점차적인 전력 손실을 야기한다. 일부 특정한 경우들에서 PID는 모듈 전력의 총체적인 고장의 주된 원인의 하나였다. 본 연구의 목적은 현장과 연구실 환경에서 실험을 통해 모듈의 성능저하를 야기하는 원인을 규명하는 것이다. 고전압 (>600V) 범위에서 작동하는 시스템에 대해 3~4년 동안 30%까지 성능 저하에 관한 보고서가 발간되었다.

센트로썸의 연구결과

위에서 기술한 성능 저하는 봉지공정 층을 통해서 그리고 유리에서 프레임까지 전지에서 흐르는 누설 전류로 설명할 수 있다. PID 효과는 충전을 축적할 수 있는 (직접적/간접적) PECVD SiN 층의 절연처리를 통해서 일반적으로 한쪽이 보호막 처리가 되는 표준형 p 타입 전지에 대해 관찰된다. SiN 층은 PID에 영향을 미치는 유일한 요인은 아니다. 누설 전류를 차단하거나 감소시키는 모든 특성은 PID에 대한 저항성 증가에 기여하고 있거나 심지어 그 효과를 완벽하게 제거할 수도 있다.

표준형 EVA에 비해 프레임에서 전지까지 누설 전류를 억제하는 내장형 재질의 선택이 한 가지 예가 될 수 있다. 그 효과는 시스템(레이아웃, 인버터)에서 모듈(레이아웃, 재질)과 전지까지 모든 영역에 영향을 미친다. 전지에서는 반사 방지 코팅뿐만 아니라 웨이퍼 저항률과 에미터 도핑이 관련 변수이다. 

PID에 영향을 미치는 설계 부품 외에도 시험조건 또한 중대한 영향을 미친다. 적용된 전압이 중요한 요인이지만 온도, 습도, 노출시간도 얻어지는 결과에 강한 영향을 미친다고 생각할 수 있다. 이러한 분명한 요인들 외에도 접촉 구조(즉, 앞 유리에서 전면 접촉 혹은 프레임 접촉) 같은 변수들도 중요하다. 이 모든 실험 매개변수들 또한 어떤 종류의 샘플 구조가 어디에 스트레스를 받는지 결정한다. 즉, 내장형 재질의 습기 침투 저항성이 실험 조건에 따라 일정 정도 중요한 역할을 한다는 의미이다.

PID에 영향을 미치는 무수한 매개변수들의 규모와 상호 의존성은 실험 조건의 불투명한 대규모 세트의 발전으로 이어졌다. 현장에서 실제 조건을 시뮬레이션 하는데 가장 적합한 조건이 어떤 것인지는 아직도 집중적인 연구대상이다. PID 저항률을 다루는 저작물이나 논문을 비교할 때 다양한 실험 조건은 유사한 조건을 사용하는 결과만이 평가되는 방식으로 철저하고 세부적인 비교를 요한다.

PECVD 증착 비 반사 코팅(ARC) 전문업체인 센트로썸은 PID 효과에 대한 ARC의 영향에 초점을 맞추고 있다. 다양한 설계의 ARC 구조들이 PID에 민감한 샘플(가능한 한 동일한 샘플)을 가지고 여러 실험에서 집중적으로 테스트되면서 직접 비교에 의한 상대적인 ARC 영향이 고찰되었다.

PID는 응용된 ARC 증착 과정의 다양한 접근법을 통해 효율적으로 억제될 수 있었다. 미니 모듈 수준(일반적으로 1 전지 미니 모듈)에서 실험 결과가 대형 60 전지 모듈 실험과 자주 비교되기 때문에 특히 접촉 때문에 피할 수 없는 차이를 억제하는 실험이 선호된다. 유리 표면의 전면 접촉은 이 점에서 유리한 것으로 간주된다.

최근에 프라운호퍼 CSP는 전면 접촉이 있는 대형 60 전지 모듈에서 일련의 실험을 실시했고 이 실험 결과가 발간되었다. 13개의 참여 업체들 중 4개의 업체만이 이 실험에서 성공했다(1000V, 50°C, 50% rH, 48시간 이후 5% Pmpp 성능 저하).

센트로썸에서 현재 홍보 중인 첨단 전지 유형은 켄타우루스 전지(PERC-구조)이다. 현재의 레이아웃 디자인을 갖춘 센트로썸의 켄타우루스 전지를 가진 모든 미니 모듈 샘플들은 최근에 프라운호퍼 CSP에서 발간하고, 위에서 기술한 모든 조건들을 손쉽게 통과했다. 모든 센트로썸 샘플들은 표준 조건들을 성공적으로 통과했을 뿐만 아니라 최소한 시험 기간 동안 그 상태를 그대로 유지했다. 시험 대상이 된 대부분의 샘플들은 훨씬 더 긴 시간 동안 본래의 상태를 유지했고 1주일 혹은 그 이상의 시험 기간 중 모든 시험 기준을 충족했다. 

센트로썸 PV AG의 업그레이드

독일 블라우보이렌에 본사를 둔 센트로썸 PV AG는 PV 부문에서 세계 주도적인 기술 및 장비 제공업체이다. 이 회사는 유명한 태양광 업체들과 새로운 시장 참여업체들에게 일괄 생산 라인과 단일한 설비를 제공해 실리콘 및 결정질 태양전지와 모듈을 생산할 수 있도록 하고 있다.

신재생에너지 정책의 변화로 인해 야기된 상당한 시장 변화와 그에 따른 주요한 생산 프로젝트의 지연과 실리콘 가격의 하락, 그 결과 시스템 수준에서 비용 경쟁력 면에서 제공되는 박막 필름 기술이 겪는 어려움 때문에 센트로썸 내에서도 상당한 사업적 변화가 있었다.

2011년은 약 700M유로 규모의 수익으로 센트로썸으로선 가장 성공적인 한 해였지만, 지난해 4분기와 올해 1분기의 결과는 향후 전개될 잠재적인 시나리오(상황)를 예측할 수 있는 지표였다. 센트로썸은 가까운 미래에 현금 흐름 문제를 예상할 수 있었기 때문에 2012년 7월 11일 ESUG에 의거해 파산 보호를 자발적으로 신청하기로 결정했다.

ESUG는 독일 InsO-법에 의거한 새로운 법으로 2012년 3월에 효력을 발생하기 시작했다. 이 법은 기본적으로 구조개편 과정 중에 다양한 보호정책을 제공하면서도 회사들의 구조개편을 간편화한다. 이 법은 여러 측면에서 미국의 ‘챕터 11’ 파산 보호법과 유사하다. 이 법에 의해 제너럴 모터스와 크라이슬러뿐만 아니라 미국의 모든 주요한 항공사들이 100% 구조조정에 성공하고 각 산업에서 제 위치를 되찾을 수 있었다. 이 새로운 법 덕분에 독일 정부는 업체들이 시장 환경의 큰 변화를 견뎌낼 수 있도록 사업 환경을 안정적으로 만들었다. 그 결과 센트로썸은 이제 자체의 운영을 통해, 그리고 국제적으로 경험이 많은 경영 컨설팅 회사와 협력해 회사의 구조개편을 할 수 있게 되었다.

센트로썸이 구조 개편 노력을 감행하는 주된 목적은 기술력과 핵심적인 사업 분야에 집중하면서 능률적이고 효율적인 조직을 만드는 것이다. 이 과정에서 센트로썸은 지불능력을 완벽하게 유지했고, 90백만유로 이상으로 유동성을 늘리는 신용단계를 구축할 수 있었다. 시장에서 주도적인 위치를 유지하면서도 최근에는 아시아의 주요 시장들의 고객들로부터 새로운 주문을 받았고 중국, 대만, 동남아시아 지역에서 프로젝트를 현재 진행 중이거나 이제 시작하는 단계에 있다. 궁극적으로 센트로썸의 비전은 세계적인 에너지 혁명을 위해 기술과 효율성의 전도자가 되는 것이다.

본 기사는 센트로썸 PV AG(www.centrotherm.de)에서 기고한 것입니다.

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