산업기술종합연구소(AIST, 회장: 추바치 료지) 광전지 기술 연구 센터(RCPVT, 소장: 니키 시게루) 공동 연구 팀의 마스다 아츠시(리더)와 공동 모듈 신뢰성 연구 팀의 하라 코지로(선임 연구원)가 개발한 Sustainable Titania Technology Inc(STi, 사장: 오가타 시로)와 협력하여 유리 기판에 산화티탄 기반 복합 금속 화합물의 박막을 코팅하여 PID(전위 열화)로 인한 결정질 실리콘 태양전지의 바카라 룰 저하를 억제하는 기술을 개발했습니다
이 기술은 광전지 모듈에 사용되는 유리 기판에 산화티타늄 기반 복합 금속 화합물의 박막 코팅을 적용하는 기술입니다 이는 PID의 주요 원인으로 간주되는 유리 기판에서 나트륨 이온 등의 확산을 억제합니다(그림 1) 개발된 기술은 결정질 실리콘 태양광 모듈의 신뢰성을 더욱 향상시키고 가까운 미래에 설치가 가속화될 것으로 예상되는 메가 태양광 및 기타 태양광 발전 시스템의 장기적인 신뢰성을 향상시키는 데 도움이 될 것으로 예상됩니다
기술에 대한 자세한 내용은 2013년 6월 4~5일 츠쿠바 국제 회의 센터(이바라키현 츠쿠바)에서 개최되는 2013년 태양광 기술 바카라 룰 센터 바카라 룰 결과 보고 회의와 6월에 개최되는 제4회 유무기 전자 재료 및 관련 나노기술에 관한 국제 심포지엄(EM-NANO 2013)에서 발표될 예정입니다 17-20, 2013년 이시카와 온가쿠도(이시카와현 가나자와시)
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| 그림 1: PID 처리된 결정질 실리콘 광전지 모듈(18cm × 18cm)의 모습(왼쪽)과 PID 처리 결과에 따른 태양광 모듈의 전류 및 전압 특성 변화(오른쪽) |
일본에서 재생 에너지로 생산된 전력에 대한 발전차액지원제도가 시작되면서 일본에서는 메가 태양광 발전소를 포함한 태양광 발전 시스템 설치가 급속히 확대되고 있습니다 동시에 최근 몇 년 동안 일본 이외의 대형 태양광 발전소에서는 PID로 인해 태양광 모듈 및 시스템의 바카라 룰이 크게 감소한다는 보고가 있습니다 이 현상은 수년에 걸친 장기적인 성능 저하와는 다릅니다 오히려 수개월에서 수년이라는 비교적 짧은 기간에 발생할 수도 있는 것으로 알려졌다 태양광 발전 시스템의 장기적인 신뢰성을 높이고 설치를 확대하려면 PID 메커니즘의 해명과 이에 대한 저비용 기술 개발이 필요합니다
현재까지 AIST(AIST 큐슈, 사가현 도스)의 RCPVT 공동 모듈 신뢰성 바카라 룰 팀은 태양 전지 모듈의 신뢰성과 수명을 높이고 발전 비용을 더욱 낮추기 위한 바카라 룰 프로젝트를 수행해 왔습니다 여기에는 기존 태양광 모듈의 성능 저하 메커니즘을 규명하고, 모듈 신뢰성을 향상시키기 위한 부품 및 모듈 구조를 개발하고, 새로운 평가 기술을 개발하는 것이 포함되었습니다 이러한 노력 중 바카라 룰팀은 최근 태양광 모듈 및 시스템의 신뢰성을 크게 저하시켜 문제가 되고 있는 PID의 메커니즘을 규명하고 이에 대한 기술을 개발하기 위해 노력해 왔다
STi(사가현 우레시노)는 세라믹 기술의 중심지 중 하나인 사가현에 사업장을 두고 있으며 무기 산화물과 같은 재료를 사용한 코팅 기술에 대한 전문 지식을 보유하고 있습니다 예를 들어, 유리 등의 표면에 산화티타늄 기재를 사용하여 전하 형성 산화물 박막을 코팅하여 표면 오염 억제, 빛 반사 방지 등의 기술을 보유하고 있습니다 다른 제조업체에서는 STi의 기술을 채택했습니다
AIST와 STi는 사가현의 지역 산업과 기술을 활용하여 태양전지 모듈의 신뢰성을 높이고 태양전지 모듈의 유리 기판에 산화물 기반 화합물 박막을 코팅하여 PID에 대한 기술을 개발하기 위해 협력했습니다
개발된 기술은 태양광 모듈에 사용되는 유리 기판에 STi의 산화티타늄 기반 복합 금속 화합물을 박막 코팅하는 기술입니다 이는 PID의 주요 원인으로 꼽히는 나트륨 이온 등이 유리 기판에서 확산되는 것을 막아 태양전지 모듈의 바카라 룰 저하를 억제한다 그림 2는 본 연구에서 생산된 표준 결정질 실리콘 광전지 모듈과 PID 저항 모듈의 구성을 개략적으로 보여줍니다 산화티타늄계 복합금속화합물박막은 출발물질이 포함된 용액을 유리기판의 표면(결정질 실리콘 셀측)에 닥터블레이드법을 이용하여 코팅하고 건조시킨 후 어닐링하여 형성된다 복합금속화합물박막으로 코팅된 유리기판과 EVA필름(봉지재), 결정질 실리콘 셀, 백시트를 적층하고 진공적층하여 모듈을 구성한다
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| 그림 2: 표준 모듈 구성(왼쪽) 및 PID 처리 모듈(오른쪽) |
표준 모듈과 모듈의 속성은 각각 PID 테스트 전후에 평가되었습니다 그림 3은 PID 테스트(테스트 조건: -1000V, 85℃, 2시간) 전후에 시뮬레이션된 햇빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 보여줍니다 표준 모듈(박막 코팅 없음)의 태양 에너지-전기 변환 효율은 PID 테스트 후 159%에서 06%로 크게 감소했습니다 반면, 산화티타늄 기반 복합 금속 화합물의 박막으로 코팅된 유리 기판을 사용하는 모듈은 PID 테스트로 인해 효율이 매우 약간만 저하되었습니다 PID의 주요 원인으로 여겨지는 나트륨 이온 등의 유리로부터의 확산이 실험에 사용된 산화티타늄계 복합금속화합물 박막에 의해 차단되어 PID로 인한 바카라 룰 저하가 억제된 것으로 판단됩니다
이 기술은 산화티타늄 기반의 복합 금속 화합물이 상대적으로 저렴하고, 간단한 코팅 방법과 저온에서 어닐링으로 막을 형성할 수 있으며, 소량의 재료가 사용된다는 점에서 저렴한 비용으로 PID 현상을 처리할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다
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| 그림 3: PID 테스트 전후의 표준 모듈 및 처리된 모듈의 전류 및 전압 특성 |