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[태양광에너지 보급 및 기술개발 동향 2] 태양전지 모듈의 신뢰성 평가 기술의 확립과 보급을 향해 - 실용 사이즈 태양전지 모듈에 대응 가능한 일본 국내 유일의 시험제작 및 평가 거점

2014-07-01

[태양광에너지 보급 및 기술개발 동향 2] 태양전지 모듈의 신뢰성 평가 기술의 확립과 보급을 향해 실용 사이즈 태양전지 모듈에 대응 가능한 일본 국내 유일의 시험제작 및 평가 거점 일본 국내 연구기관으로서는 유일무이하게 실용 사이즈에 대응한 태양전지 모듈의 시험제작 및 평가 플랫폼이라고 하는 주된 기능과 동시에 태양전지 부재(部材) 제조업체의 기술력을 집결시키기 위한 컨소시엄의 운영, 그리고 공동연구 및 기술토의를 통한 기술적·인적교류, 인재 육성에 큰 기여를 하는 ‘태양전지 모듈 신뢰성 평가 연구단체’에 대해 소개한다. 번역·정리 김대근 기자 사가현(佐賀縣) 도수시(島栖市)([그림 1] 참조)에는 태양전지 모듈(=태양전지 패널)의 발전량 평가와 더불어 장기 신뢰성 평가를 실시하고, 내구성 향상 및 열화기구의 해명 연구를 진행하는「태양전지 모듈 신뢰성 평가 연구단체」가 있다. 일반가정에서 태양광 발전에 소요되는 비용은 1kWh당 약 40엔대로 나오고 있으며, 이를 개선하기 위해 △태양전지셀의 발전효율 향상 △모듈의 제조 비용 절감 △모듈의 신뢰성 향상에서의 검토가 필요하다. 이 연구단체에서는 이 중 특히 모듈의 신뢰성 향상에 주목하여 가정용 모듈의 경우 20년이라고 하는 현재의 수명을 30년, 혹은 그 이상으로 연장하는 것을 목표로 하고 있다. 컨소시엄을 기반으로 한 제휴와 인재 육성 독립행정법인 산업기술 종합연구소인 태양광 발전공학 연구센터의 연구개발 대상에는 재료, 기기장치, 시스템 등 태양광 발전에 관한 거의 모든 주제를 망라하고 있다. 이곳 규슈센터([그림 2] 참조)에 있는 태양전지 모듈 신뢰성 평가 연구단체는 태양광 발전 공학 연구센터의 한 조직이며, 이 중 모듈의 신뢰성 향상과 평가를 연구대상으로 하고 있다. 태양광 발전에 직접 관여하는 태양전지셀 및 태양광 발전 시스템 전체가 아닌, 이들 사이에 위치하는 이른바 모듈 제작의 후공정(後工程)과 그 평가에 초점을 맞춘 연구조직이다. 저탄소 사회로의 이행은 전 세계가 안고 있는 과제이다. 일본에서는 동일본 대지진 이후 에너지 문제에 대한 재인식이 확실하게 이루어져 왔다.「 태양광 발전의 보급이 이루어져 진정한 에너지원이 되기 위해서는 그 비용을 낮추지 않으면 안 된다. 현재, 모듈의 수명은 20년 정도이지만, 이것은 통상 건물 수명의 절반에도 못 미친다. 따라서 모듈 수명을 보다 큰 폭으로 연장시킬 필요가 있다」며, 이 연구단체의 마스다 박사는 이 과제에 대해 신뢰성 향상이라는 도전을 말하고 있다. 태양전지 모듈의 신뢰성과 수명을 결정짓는 것은 무엇인가.「 태양전지 모듈의 수명을 결정짓는 것은 발전을 하는 태양전지셀이 아닌, 모듈화 시에 이용되는 주변 부재가 지배적이다」 [그림 3]에 나타낸것은 결정 실리콘형 태양전지 모듈의 구조이다. 셀을 고정시키기 위한 충전 밀봉재, 백시트, 단자함 안을 충전하기 위한 포팅재, 알루미늄 프레임과 적층체 사이에 넣는 실(Seal)재 등 꽤 많은 고분자 부재들이 사용되고 있다. 이것들과 셀 사이를 연결하는 배선이 장기간 옥외에서 사용되어 자외선에 의해 열화된다. 또 온도 상승 및 하강을 반복하는 온도 사이클에 의해 셀 사이를 결합하는 전극에 변형이 생기기도 하며, 지역에 따라서는 소금물 및 산성비의 영향도 적지 않다. 이와 같은 환경에 장기간 노출되어 생기는 부재의 열화가 모듈의 수명을 단축시키는 주된 원인이 되고 있다. 우선적으로 태양전지 모듈의 신뢰성을 보다 향상시키는 부재의 개발을 생각하지 않을 수 없다. 그리하여 본 연구단체는 컨소시엄을 결성하여 시험제작 및 평가 플랫폼([그림 4] 참조)을 부재 제조업체에 개방하고 있다. 이 고신뢰성 태양전지 모듈의 개발 및 평가 컨소시엄(제1기)에는 민간기업만 33개사가 참가하여 2500장이 넘는 모듈의 시험제작 및 평가를 통해 신뢰성 시험에 관한 지식을 얻고,‘ 신규 신뢰성 시험법의 개발’ 및‘ 모듈 열화요인의 추정’이라고 하는 성과를 달성하였다. 이 컨소시엄에 참여하는 부재의 제조업체에게는 다른 부재와 조합하여 모듈의 종합적인 평가를 할 수 있는 절호의 기회가 주어진 것이다. 물론 이러한 평가의 피드백은 최종적으로 태양전지 제조업체에게 전달되지 않으면 안 된다. 이 점에 관해서는 태양광발전 기술연구조합이 제휴기관으로 참여함으로써 목적을 달성하고 있다. 결과적으로 부재의 제조업체와 태양전지 제조업체와의 제휴의 장을 제공하고 있는 셈이다. 한편, 컨소시엄의 참가기업에서 파견된 공동 연구원은 모듈의 제작 및 평가의 기능을 습득하며, 이를 통해 인재육성으로 이어지는 효과도 거두고 있다. 본 컨소시엄의 제1기(2009년 10월~2011년 3월) 이후, 보다 내용을 확충시킨 제2기(2011년 4월~2014년 3월)에서는 총 64기관이 참여하였다. 신뢰성 높은 모듈을 정당하게 평가할 수 있는 시험법 개발 모듈의 장기 수명화를 달성하는 부재는 컨소시엄의 참가기업들이 개발하는 것이지만, 모듈의 시험제작·평가·인재육성의 장만 제공하면 연구단체로서의 역할을 다하는 것일까.「 컨소시엄 제2기에서는 참가회원들이 A, B, C의 3종류로 나뉘어져 있다. 이 중 A회원은 산업기술 종합연구소와 함께 3개의 핵심 테마 중 하나의 연구에 종사하게 된다. 이 세 가지 핵심 테마란 아래 [표 1]의 내용과 같다. 즉, A회원은 모듈의 열화기구를 해명함과 동시에 그 지식을 바탕으로 신규 신뢰성 시험법의 개발을 실시한다. 또, B회원은 모듈의 △신뢰성 향상 △장기 수명화 △효율 향상 △제조비용의 저감을 목적으로 각사가 정한 목표를 향해 연구를 실시하며, 공통과제를 해결하기 위해 모듈 부재의 기준 책정에 도움이 되는 자료를 수집하고 공유한다. 또 C 회원제도는 산학연의 태양광 발전 분야의 저변을 확대하고, 산업기반을 강화하기 위해 마련되었다. 이처럼 컨소시엄은 단순히 부재 제조업체를 위한 플랫폼 개방 및 인적교류의 장뿐만이 아니라, 연구단체의 주도하에 최종적으로는 일본의 산업 경쟁력으로 연결되는 기초연구를 수행하기 위한 장이다. 시험제작·평가라인을 정비하는 일도 물론 중요하지만, 그 이상으로 △왜 모듈에 결함이 생기는가, △왜 발전성능이 떨어지는가, △그것을 어떻게 검증할 것인가에 대해 해명하는 일이 더 중요하다. 나아가 최종적으로는 신규 신뢰성 시험법을 개발하고, IEC(국제전기표준회의)가 정하는 국제규격에 반영시켜 일본의 산업 경쟁력을 높이는 것을 목표로 하고 있다. 현재의 IEC 규격에서 정하는 인증시험은 신뢰성을 충분히 반영할 수 없다고 한다. 그 이유는 다음과 같다. 첫 번째로 시험은 고온고습(85℃, 85%)의 또는 85℃~-40℃ 온도 사이클하의 가속시험으로 되어 있지만, 그 기준이 느슨해 신뢰성이 높지 않은 모듈도 인증을 취득할 수 있다는 점, 두 번째로 시험조건이 실태와 맞지 않는다는 점, 예를 들면 광조사(光照射)에 의해 전압이 발생되어 모듈 내에 전류가 흐르고 나서야 나타나는 결함도 있겠지만, 빛과 온도·습도의 쌍방의 요인을 복합시킨 시험은 아직 고려되고 있지 않다는 점이다. 이러한 이유에서 IEC규격에서 정하는 시험조건의 엄격화 및 옥외 폭로 환경에 가까운 복합 가속시험의 개발이 필요하다고 하겠다.「 신뢰성이 낮은 제품이라도 현재의 시험법에서는 합격을 받게 될 우려가 존재한다. 소비자를 위해서라도 이러한 제품들을 잘 선별하고, 나아가 일본 제품의 우위성을 확보하기 위해서라도 신뢰성 높은 모듈을 정당하게 평가 받을 수 있는 시험법의 개발이 필수 불가결하다」며 마스다 박사는 말하고 있다. 옥외 평가 거점으로서의 연구단체 옥외로 나가면 결정 실리콘계 2종류, 박막 실리콘계 4종류, 화합물 박막계 2종류의 태양전지 모듈이 설치된 약 30kW 상당의 옥외폭로설비를 볼 수 있다.([그림 5] 참조) 발전량과 장기 신뢰성 평가를 위해서는 옥외참조데이터가 불가결한데. 사가현(佐賀縣)은 일사조건이 좋아 이를 위한 데이터 취득에 최적의 입지라고 할 수 있다. 발전량의 평가에 관해서는 취득한 옥외참조데이터(전류-전압 특성)를 근거로 모드 발전량을 1개월간의 측정기간 동안 5% 미만의 정밀도로 산출하는 측정법을 개발하고 있다. 장기 신뢰성 평가에 관해서는 분기에 한번 꼴로 모듈을 떼내어 옥내의 솔라 시뮬레이터에 의한 측정을 실시하고, 이 결과를 바탕으로 모듈 열화의 모델을 구축한다. 이 모델이 상기의 신규 신뢰성 시험법의 개발에 큰 역할을 하게 된다. < Energy News >