투광형 a-Si BIPV 모듈의 제조와 적용

BIPV의 변신은 무죄~

정 상 호 솔브레인이엔지 광학팀장

연세대학교에서 기계공학으로 학·석사를 마쳤으며, 현재 솔브레인이엔지에서 레이저 및 비전 응용 장비 개발을 책임지고 있다.

오 민 석 단국대학교 산학협력단 연구교수

단국대학교에서 건축공학으로 학·석·박사를 마쳤으며, 현재 단국대학교

산학협력단에서 건물 에너지, 태양광, 자연채광 및 조명 분야의 다양한 연구에 참여하고 있다.

비정질 실리콘(a-Si) BIPV

최근 태양광발전에 있어 주요한 화두 중 하나는 건물일체형 태양광발전 시스템(BIPV : Building Integrated Photovoltaic)일 것이다. 건물의 외피를 구성하는 요소로 통합된 BIPV 시스템은 전력 생산이라는 본래의 기능에, 건물의 외피재료로의 새로운 기능을 추가함으로써 시스템의 설치에 드는 비용을 절감하는 이중 효과를 기대할 수 있다. 또한 기존의 독립형 태양광발전 시스템과 같이 설치공간을 위한 별도의 부지확보가 필요 없기 때문에 경제성 측면에서 더욱 유리한 기술이다.

하지만 기존 대부분의 BIPV 제품의 경우 c-Si 태양전지 모듈을 이용한 점박이 형태로 투박한 외관으로 인해 건축물 적용에 제한 사항이 많았으며, 건축물의 미적인 면에서 건축가 및 수요에 외면을 받아 저변 확대 보급에 많은 문제점이 있었다. 그러나 a-Si BIPV는 기본적으로 조절 가능한 투광성을 가져, 채광 및 가시성 측면에서 건축 외장재로 전혀 손색이 없어, 향후 BIPV 시장에 있어 그 활용도가 급격히 높아질 것으로 예상된다.

How to Make See Through

a-Si 태양전지를 BIPV 모듈로 활용하기 위해서는 투광성의 확보를 위해 완제품 형태의 태양전지에 추가적인 가공을 통해 셀의 일부분을 제거하는 공정을 추가하는 것이 일반적이다. 그림 1은 a-Si 태양전지의 기본 구조를 나타내는데, 단일정션의 경우에는 갈색, 더블정션(탠덤) 이상은 검갈색으로, 기본적으로 불투명한 상태로 출하된다.

BIPV를 위한 투과성의 확보는 여러 박막 태양전지 중에서 하부의 투명 전극층을 제외한 나머지 불투명 층을 제거함으로써 이루어진다. 그림 2는 a-Si 태양전지의 가공 전후 모습을 보여준다. 가공 전에는 검은색의 박막과 정션을 구현하기 위한 가로 패턴만 존재하며, 전반적으로 투광성이 거의 제로이다. 투광성의 부여는 이 태양전지에 세로로 불투명층(a-si 및 메탈레이어)을 제거한 슬릿형 패턴을 만들어, 그 틈새로 가시광이 투과하게 만듦으로써 확보된다.

불투명층의 제거 기술에는 화학적 식각 혹은 레이저를 이용한 애블레이션 기술이 있으며, 화학적 식각은 국내의 주성엔지니어링 등이 제안한 기술로, 배면 전극으로 Al 대신 Ag를 이용해야 하는 점과, 더블정션 이상의 멀티정션 셀의 경우에는 식각 자체가 어려운 점 등의 이유로 적용이 줄어들고 있는 추세이다.

반면에 레이저를 이용한 박막 제거 기술은 식각 대비 단순한 공정, 화학적 공정이 아닌 친환경 공법, Al 배면 전극 및 더블정션까지도 양산성이 확보되어 있는 점 등의 장점으로 현재 대부분의 a-Si 박막 BIPV 제조공정에서 활용되고 있다.

레이저를 이용한 a-Si 박막 애블레이션

레이저를 이용한 a-Si BIPV 공정은 532nm 파장의 레이저를 이용해 금속층과 a-Si층을 동시에 제거하는 공정으로, 제거한 패턴은 약 200~220㎛ 정도의 폭을 갖게 된다. 박막 제거의 기저원리는 레이저 마이크로폭발(Micro Explosive) 리프트오프(Lift-off)원리를 이용한다. 레이저 리프트오프 공정은 박막 경계면에서 아주 작은 양의 재료를 기화 시켜서 전체 박막을 제거하는 기술이다. 즉, 조사된 레이저 빔은 글라스와 투명 전극층을 투과해 a-Si 표면에서 기화를 유발하며, 이때의 폭발적인 기체 팽창을 이용해 a-Si 층과 Al층을 제거한다(그림 3)

BIPV를 위한 레이저 공정에서 가장 중요한 부분은 개구율에 따른 효율 손실 최소화라고 할 수 있다. 기본적으로 많은 영역을 제거할수록(개구율이 높을수록) 가시성은 높아지나, 효율은 떨어지게 된다. 따라서 개구율 대비 효율 손실을 최소로 되는 지점을 찾아야 하며, 각 개구율에서의 레이저 공정 조건도 최적화해야 한다.

그림 5는 레이저 공정 조건 중 레이저 주파수가 효율에 미치는 영향을 개구율별로 실험한 결과를 보여 준다.

개구율에 따른 효율 손실에 있어, 주요 인자 중 하나는 레이저 가공 선폭이며 일반적으로 선폭이 좁을수록 개구율 대비 효율 손실이 커지는 경향이 있으며, 200㎛ 이상의 선폭이 가시성 및 효율 측면에서 많이 선호되고 있다. 국내에서는 솔브레인이엔지에서 국책과제를 통해 레이저 가공 기술을 개발해 상용화했으며, 200㎛의 선폭에서 5% 개구율에서의 효율 감소는 약 5% 중반 정도로 알려져 있다(표 1).

레이저 애블레이션 기술의 응용

레이저 공정의 장점은 스캐너 등을 이용해 고속 가공을 할 수 있을 뿐 아니라, 간단한 소프트웨어 처리를 통해 다양한 패턴을 만들어 낼 수 있다는 점에 있다. BIPV의 경우 건물 외장재로 사용되기 때문에 미적인 측면도 상당히 중요하다. 건물 특성에 맞는 다양한 이미지나 패턴들이 가능하다면 다양한 디자인의 BIPV 시공이 가능하게 될 것이다.

사진 2, 3은 레이저를 이용한 BIPV 가공의 예로, 태양전지 셀이 건축 디자인과의 결합을 통해 기존의 획일적인 외관에서 벗어나, 에너지 절전과 외적 미를 겸비한 다양한 형태의 건물이 출현 가능함을 알 수 있게 해준다.

대면적 a-Si 투광형 모듈의 필요성

건축물의 적용을 위해서는 BIPV 모듈의 면적이 넓을수록 시공에 유리하다. 때문에 적용 모듈의 면적을 파악하고 적용부위와 방법을 계획하는 것은 BIPV 설계에 있어 필수적인 요소로 판단된다. 그러나 현재까지 가장 많이 사용되는 a-Si 의 치수는 일반형의 경우 가로 세로 1m(1100×1300×6.5) 내외의 사이즈이다. 대면적의 사이즈 옵션을 위해 일반형 모듈을 여러 장 합체한 형태의 조립기술을 적용하고 있다. 현재까지의 이와 같은 기술은 고층 건축물의 강한 풍압 등에 견디는 구조적 성능에서 많은 검증이 필요하다.

원판 크기로 현재 상용화 제작 가능한 대면적 모듈(1100×2200×7)로 모듈 업체의 대표적 사이즈 옵션의 특징은 아래와 같으며 최근 국내업체들도 이와 같은 대면적 제작기술에 대한 결과를 일부 보유하고 있다.

대면적 a-Si 투광형 모듈의 건축물 적용 방안

적용된 투광형 a-Si 모듈의 경우 c-Si 태양전지와 달리 레이저 패터닝이 된 좁고 긴 형태의 스트립 모양으로, 투광성 약 10~50%로 제작 가능하다. 또한, 정방형의 고정된 사이즈 옵션으로 BIPV 입면구성이 단조로워질 수 있다. 다양한 입면구성을 원한다면 a-Si의 표준 모듈의 약 2배 크기의 직사각형 대면적 모듈을 함께 사용하면 된다. 그러나 현재까지 다양한 크기의 모듈을 사용하는 것은 출력이 다른 모듈의 결합을 의미하는 것으로 인버터의 추가에 대한 부담과 서로 다른 모듈의 구성에 따른 발전량 저하와 같은 문제로 제한이 있다.

따라서, 투광형 a-Si 모듈을 활용한 다양한 입면구성을 위해서는 대면적 모듈이 표준모듈과 같은 출력이 나올 수 있게 정션을 두 개 뽑아 구성하면 된다. 이러한 구성은 다양한 크기의 모듈을 함께 사용하더라도 인버터를 하나로 할 수 있으며, 따라서 입면의 다양성을 보다 용이하게 할 수 있다. 대면적 투광형 a-Si 모듈을 건축물에 적용하는데 있어서 건축가들의 중요한 이슈는 디자인이며 대면적 a-Si 투광형 태양전지 모듈은 이와 같은 측면에서 매우 효과적이다. 또한, 외장재 고유의 특성인 자연채광 및 열환경 성능의 검토가 반드시 이루어 져야 한다. 이와 같은 성능을 고려하면 a-Si를 활용한 BIPV 시스템은 건축 디자인적인 면에서 상당한 강점을 가지고 있다.

천공상태에 따른 자연채광 성능분석

투과도의 선택은 다양하며 일반적으로 투광형 a-Si 모듈은 청천공 시 균일한 자연채광 성능을 도출하는데 유리하나 담천공이나 우천 시는 결정질에 비해 상대적으로 어두워 인공조명과 연계한 조명성능 개선방안이 검토되어야 한다.

투광형 a-Si BIPV시스템의 단열 성능분석

기본적으로 단열성능은 모듈 두께와 관련한 스펙이 결정적으로 작용하며 배선처리에 따른 결로 성능 및 일사차폐효과의 열부하 영향도 종합적으로 고려되어야 한다. 일반적으로 a-Si 투광형 모듈의 경우 여름철 냉방부하에 매우 유리하나 겨울철 난방부하에는 큰 도움이 되지 못하는 특징을 가지고 있다.

각도별 계절별 시뮬레이션의 예

그림 8은 투광형 a-Si (0.26kW급), c-Si(0.48kW급) BIPV를 각도별, 계절별로 시뮬레이션 발전량을 나타낸 것이다.

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