태양은 고장 나지 않아도, 태양전지는 고장 난다

[ 태양은 고장 나지 않아도, 태양전지는 고장 난다 ]

 

 1. 서론

현대를 살아가는 우리들은 항상 새롭고 혁신적인 것들에 목말라한다. 새롭고, 신기하고, 이제껏 본 적 없는 것들에 대해 열광적인 태도를 보이면서, 이제껏 우리 삶을 묵묵히 지탱해 온 것들에 대해서는 지나치리만큼 소홀하다. 새로운 것들이 나타나기 위해서 자신의 역할을 다 해오던 것들은 너무나도 손쉽게 골동품이 돼버리고, 우리는 이들을 마치 구석기 시대에서나 쓰일 법한 돌덩이들을 보듯, 혹은 제대로 익지 않은 떫은 감을 맛본 듯한 표정으로 대하기 일쑤다. 하지만 미지의 신대륙을 찾아 떠난 콜럼버스는 수도 없이 나침반으로 자신의 위치를 확인하였고, 자동차에 설치된 내비게이션에는 목적지에 대한 정보보단 ‘현재 위치’에 대한 정보가 가장 크게 표시된다. 언제나 그러했듯이, 더 나아가고 싶다면 현재 상황부터 관찰하는 것에 집중해야만 한다.

그런 맥락에서 우리는 신재생에너지에 대한 착각에 너무 쉽게 빠지곤 한다. 그리드 패리티가 온전히 실현만 된다면 그 순간부터 우리 사회가 송두리째 바뀌고 신재생에너지를 중심으로 완전히 재편될 것이라는 환상 아래, 신재생에너지의 발전소들이 내놓는 발전효율에만 모든 신경을 집중한다. 새로 개발된 태양전지에서 얻어낸 전력생산의 발전단가가 화석에너지의 발전단가보다 얼마나 저렴한지, 바이오에너지로 만들어내는 에너지 발전량이 얼마나 상업성이 있는지 등등. 하지만 이런 태도는 옳지 않다. 너무나도 근시안적이고 안일한 생각이다. 태양은 추락하지 않아도 태양전지는 고장 날 수 있고, 바람은 그치지 않아도 풍력발전기는 고장 날 수 있다. 우리는 신재생에너지의 열렬한 지지자이지만 ‘신재생’이라는 단어가 주는 말장난에 속아선 안 된다. 신재생에너지는 영원해도 신재생에너지 발전소는 영원하지 않다. 우리가 신경 써야 할 것은 단순한 수치 놀음이 아니다. 그 수치들이 고장 나지 않고, 일정량 이상으로 유지될 수 있게끔 꾸준히 감시하고 관리하는 태도가 중요하다. 그렇다면 여러 가지 발전소 중에서 태양전지의 경우는 보통 어떤 식으로 고장이 날까? 무엇이 가장 큰 문제일까? 무엇을 고려해줘야만 할까?

 

[사진 1. 죽은 진시황을 호위하는 병마용의 모습, 그들이 실제로 전투를 할 순 없지만 수 세기가 흐르는 동안에도 그들의 살아생전의 형상 모습이 온전히 남아있단 점 하나만으로도, 우리는 이것이 충분한 가치가 있다고 판단한다]

(출처: 중앙일보, 진시황릉 현재 기술로 발굴 못 해…30~50년 후에 발굴키로)

 

녹슬지 않고, 무뎌지지 않는 칼은 그 성능이 어떻든 간에 존재 자체만으로도 신비롭다. 하루에 천리를 달려도 지치지 않던 말(馬)은 전설로 남아서 천년이 흐른 지금에도 적토마란 이름으로 활자 위를 질주한다. 진시황이 불사를 꿈꾸며 불로초를 찾아 헤매던 그때 이후로 억겁의 세월이 흘렀지만, ‘영원(永遠)’이라는 단어가 주는 마력은 여전히 달콤하며 ‘처음처럼’이 주는 미학은 아직 건재하다. 우리도 사막과 같은 극한환경에서도 늘 한결같은 출력을 자랑하는 태양전지를 위해 차근차근 탐구해보자. 우리가 엄청난 해결방안을 제시하기란 무리가 있겠지만, 적어도 태양전지가 어떤 이유로 고장 나는지 정도는 파악할 수 있을 테니 말이다. 다시 한번 말하지만, 무언가를 해결하고 싶거든 지금 당장의 상황부터 잘 파악하는 것이 중요하다. 마찬가지로 태양전지의 수명을 개선하고자 한다면 언제, 어디서, 무엇이, 어떻게 태양전지를 고장 내는지부터 알아야 한다.

 

 2. 본론

 2-1. 사막의 태양전지

UAE처럼 사막이 국토 대부분을 차지하고 있는 경우, 대용량 태양광 플랜트를 건설하고자 하는 노력이 꾸준하게 이어져 오고 있다. 물론 발전소 설치에서 주로 고려해야 할 사안은 발전효율이 맞지만, 발전소의 수명을 무시할 수는 없다. 발전소는 하루 이틀 사용하고 버릴 일회용 나무젓가락이 아니기 때문에 장기적으로 봐야 한다. 우사인 볼트가 100M 거리에서는 제왕일지 몰라도, 마라톤에 출전한다면 이야기가 달라지는 것처럼, 태양광 발전소 또한 마찬가지다. 모든 제품은 사용 환경에 따라서 고려해야 할 고장변수들이 시시각각으로 변하는데, 특히나 사막과 남극, 아마존 등과 같은 극한지방에서는 더욱 변동치가 크기 때문에 조심해야 한다. 그렇다면 무엇이 태양전지를 고장 내는가? 우리의 분석이 비록 전문가의 역량에 비할 바는 아닐지라도 전반적인 큰 그림은 유추할 수 있다. 차근차근 시도해보자.

 

 2-2. 태양전지의 고장모드

우선 고장 판정을 내리는 데에 대한 기준은 각자마다 다를 수 있다. 만약 내가 태양전지의 효율을 영구적으로 향상하고자 하는 연구원이라면 고장에 대한 기준은 다소 까다로울 것이고, 그저 내 집 옥상에 태양전지를 설치하고자 하는 일반인이라면 고장에 대한 기준은 다소 너그러울 것이다. 하지만 신뢰성이란 단어를 곱씹어보면 주어진 환경에서 특정 아이템이 자신의 역할을 얼마나 오랫동안 수행하는지를 따지기 때문에 개개인의 기준에 따라 효율저하가 얼마나 진행되는지에 따라 고장 유무를 판정내릴 수 있을 것이다.

 

[표 1. 태양전지 고장모드 비율]

(출처: 태양전지 Ribbon 두께와 조성에 따른 Ribbon 접합부의 장기 신뢰성 특성에 관한 연구 - 한국에너지공학회)

 

[표 1]에서 보다시피, 태양전지의 고장모드는 크게 두 가지로 나뉜다. 1) 부식 현상, 2) 셀 또는 연결 부위 문제. 하지만 부식현상은 흔히 산성이나 물과 같은 용액과 산소, 미생물 등이 특정 금속과 만나 반응하여 발생한다. 물론 이는 Pourbaix diagram(; 풀베이 다이어그램)을 기반으로 하여 거동하지만, 좌우지간 우리는 건조한 사막에 설치된 태양전지에 관하여 고찰할 것이기 때문에 부식 현상은 극히 미미하여 ‘무시’할 수 있을 정도라고 가정해두자(실제로는 절대습도와 상대습도 간의 관계에 의해 전극에 응결된 이슬로 인하여 부식 현상이 발생할 수 있다). 따라서 우리는 2) 셀 또는 연결 부위 문제만 따진다고 가정해보자.

 

 2-3. 태양전지의 성능평가

목표로 삼은 아이템의 고장유무를 판정하기 위해서 성능을 평가할 때, 그 기준이 무엇인지부터 상정할 필요가 있다. 예를 들어, 자동차 타이어의 고장을 판정하고자 한다면 타이어의 성능을 결정하기 위해 마모도를 기준으로 잡고, ‘무엇’이 ‘어떻게’, ‘얼마나’ 마모도에 영향을 주는지 질량, 부피, 미세구조 등의 정량적 수치들을 이용하여 평가하는 것이다. 위의 과정을 통해 무엇이 아이템의 성능을 저하하는지 정확히 파악하고 나면 그 해결책을 강구하여 대상 제품의 수명 및 경제성을 향상을 향해 한 발짝 나아가게 된다.

그러니까 일단은 태양전지도 성능평가부터 해보자. 태양전지의 성능은 변환효율로 흔히 표현되고, 변환효율은 전압, 전류, 저항 등을 통해 정량 표현할 수 있으므로, 우리는 전압, 전류, 저항 등을 중심으로 해서 태양전지의 거동을 측정해보자.

 

 1) 온도

[그래프 1, 2. 서울과 제다사막의 온도, 습도 차이]

(출처: 결정계 PV 모듈에 대한 고장 메커니즘 검토- 전자부품연구원 부품소재물리센터)

 

우선 태양전지가 사용되고 있는 실제 사용조건부터 파악해보자. 우리는 사막에 설치된 태양전지에 관하여 조사할 예정이기 때문에 사막의 환경 특성을 먼저 알아야만 한다. 위의 그래프에서도 볼 수 있다시피 제다 사막은 서울보다 고온의 환경을 유지하고 있다. 그리고 태양전지는 온도가 상승할수록 발전효율이 감소함을 관찰 할 수 있다. 아래의 [그래프 3]은 태양전지 제조사인 Tynsolar 사(社)에서 제공한 온라인 카탈로그의 I-V curve 그래프다. STC(표준시험조건)에서 수행하였고, 수직복사에너지는, 전지온도는 , 공기 질량은 AM 1.5에서 시험을 진행하였다. 보다시피 전압의 특정 임계를 지나면 전류가 급격히 감소하고, 출력이 급감하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 온도가 태양전지의 효율에 큰 영향을 미치는 변수임을 알 수 있다.

 

[그래프 3. TYN-210P6의 전기적 특성]

(출처: Tynsolar 사(社) 홈페이지, Tynsolar.com)

이러한 출력감소가 발생하는 이유는 역포화전류의 증가 때문인데, 일반적으로 태양전지는 PN접합으로 구성돼있다. 이 접합에 태양광이 조사되면 바이어스 전압(V) 하에서 전류밀도가 형성되는데 이에 따른 공식은 아래와 같다.

 

 

여기서  는 단락전류밀도(태양광에 의해 생성된 광전류)이고,  는 포화전류밀도이다. 즉, 순수전류는 상수  와 바이어스 전압(V)에 의해 지수적으로 증가하는 역방향의 전류로 구성된다. 일반적으로 바이어스에 가해지는 전압이 증가하면 전력 또한 증가하지만, 바이어스의 전압이 너무 높으면 개방전압 에서 두 전류의 크기가 같아진다. 이 경우, 태양전지에 의해 만들어진 전압은 최대가 되지만, 순전류는 0이 되기 때문에 얻을 수 있는 전력 또한 0이 된다. 이를 좀 더 쉽게 얘기하자면 절대온도의 증가는  (; 역포화전류)와 비례하고, 역포화전류와 반비례 관계에 있는  (; 개방전압)가 크게 감소하여 전력이 감소하게 되는 것이다. 이를 최대출력의 공식에 적용하면, 태양 전지의 출력이 왜 감소하는지 좀 더 자세히 알 수 있다.

 

[그래프 4. PN 접합의 Forward & Reverse bias에 따른 I-V curve]

(출처: www.britannica.com)

 

[공식 1, 2, 3. 태양전지 효율에 관한 계산 공식]

(출처: 태양 전지 모듈의 soiling에 의한 성능 저하 – 오원욱, 천성일)

 

일반적으로 온도가 1 ℃ 상승하면 효율은 약 0.5%가량 감소하기 때문에 태양전지의 자체 온도가 약 45℃일 때의 효율감소는 약 9.964%이다.

 

 2) 먼지(; Soiling)

사막은 알다시피 바람이 많이 불고, 모래들이 많다. 이는 태양전지의 표면에 달라붙어 전지에 입사하는 태양광의 양을 감소시키는 데 일조하게 되는데 이로 인해 태양전지의 효율이 감소할 수도 있다.

[그림 1. 오염물질이 태양전지에 증착되는 예시]

(출처: 결정계 PV 모듈에 대한 고장 메커니즘 검토- 전자부품연구원 부품소재물리센터)

 

물론 사막에는 비가 많이 오진 않는다. 하지만 사막은 일교차가 크기 때문에 새벽에는 반드시 이슬이 발생할 수밖에 없고, 이러한 수분들이 사막에 즐비한 모래알갱이들과 만나면 오염물질이 되어 태양전지의 표면에 증착된다. 특히나 이런 Soiling에 의한 투과도 감소는 입자의 크기가 작을수록 더 심해진다.

 

[그림 2. Cementation의 원리]

(출처: Cementation of sand soil by microbially induced calcite precipitation at various degrees of saturation - Liang Cheng, Ralf Cord-Ruwisch, Mohamed A. Shahin, Canadian Geotechnical Journal)

 

게다가 일반적으로 태양전지의 표면은 절연물질이기 때문에 정전기를 모으는 경향성을 갖게 되어 먼지를 잡아당기는 성질을 띠기 때문에, Soiling에 의한 출력저하도 중요하다. 뿐만 아니라 Cementation 현상은 외부로 향하는 열방출까지 저해하기 때문에 더 큰 문제를 야기한다. 태양전지 자체온도를 45℃로 유지하고 Soiling에 의한 효율감소를 실제 측정한 결과, 효율감소는 약 8.41%였다.

[그래프 5. Soiling에 의한 출력감소]

(출처: 태양 전지 모듈의 soiling에 의한 성능 저하 – 오원욱, 천성일)

 

 3) 열 충격

[그림 3. 태양전지의 구성]

(출처: Dupont 社)

 

[그림 3]에서 보다시피, 태양전지는 각종 부속품으로 이루어진 복합적인 아이템이다. 열팽창과 수축이 큰 폭으로 반복되다 보면 각 재료 간의 열팽창계수의 차이에 의해 Miss fit(; 어긋남)이 심화되는데, 특히나 아이템에 포함되는 재료와 종류가 다양하면 다양할수록 Miss fit의 변동치도 복잡해진다. 그러므로 사막처럼 일교차가 크게 날 경우, 각 재료의 열팽창계수의 차이에 따른 Miss fit이 초래하는 문제점을 집중해야 할 필요가 있다. Miss fit이 심해지면 재료의 내에서 Crack이 발생할 수 있고 이는 아이템의 전체적인 물성 저하에 기여하기 때문이다. 그렇다면 열팽창에 의해 태양전지의 전기적 특성에 가장 많은 영향을 주는 부품은 어디일까?

 

[사진 2. PV ribbon]

(출처: Comparison of the 60Sn40Pb and 62Sn2Ag36Pb Solders for a PV Ribbon Joint in Photovoltaic Modules Using the Thermal Shock Test - 중앙대 기계공학부)

 

사실 태양전지를 좀 더 자세히 들여다보면 PV ribbon이라는 접합부가 존재한다. 이는 실리콘 웨이퍼들을 서로 전기적으로 연결해주는 Solder(납땜용 합금)인데, 금속 재료는 실리콘 웨이퍼나 유리와 같은 세라믹 재료보다 더욱 열팽창이 쉽게 일어날 뿐만 아니라 납(Pb) 자체의 열팽창계수가 약 2.93으로 큰 편에 속하기 때문에 일교차가 큰 사막에서 PV ribbon은 더욱 크게 팽창과 수축을 반복하게 된다.

 

[사진 3. Solder 내부에서 진행된 Micro crack]

(출처: 결정계 PV 모듈에 대한 고장 메커니즘 검토- 전자부품연구원 부품소재물리센터)

 

물론 열팽창 수축이 한두 번 일어나는 것으로는 태양전지의 물성에 직접적인 영향을 미치지 못한다. 따라서 열충격에 의한 효율감소를 단시간에 평가하기 위해서 실제 환경보다 좀 더 가혹한 조건에서 가속시험을 진행해보았다. 또한 Solder에 사용되는 합금의 조성과 Solder의 두께를 변화시키면서 각 조건에 따른 효율 변화를 관찰했다.

시험방법은 PV 모듈 성능시험 규격인 KS C 61215를 인용하여 고온( )에서 15분, ()에서 15분, 총 30분은 1 Cycle로 하여 총 600 cycle을 수행하였다.

 

[그래프 6. 가속 Cycle 조건]

[표 2. 열충격 시험에 사용된 시편들의 조성, 두께]

 

[표 3. 각 시편들의 조성과 두께에 따른 효율감소 비교]

(출처: 태양전지 Ribbon 두께와 조성에 따른 Ribbon 접합부의 장기 신뢰성 특성에 관한 연구 - 한국에너지공학회)

 

일반적으로 Ag가 함유된 Solder가 열화 전 효율이 훨씬 좋은 것으로 평가되었는데 이는 Ag가 전지와의 접합성을 향상하기 때문이라 판단된다. 하지만 장기적인 출력감소율이 매우 높기 때문에 장기적 관점에서 더 큰 성능저하가 예상됐다. 또한 Solder의 두께가 두꺼울수록 열충격에 의한 효율감소도 커지는 것으로 관찰됐다.

 

 3. 해결방안

문제가 무엇인지 파악됐으니, 이젠 해결책을 강구할 때다. 사실 여러 가지 해결방안이 이미 세상에 많이 나와 있지만 간단히 몇 개만 알아보도록 하자!

 

 1) 스프링클러

[사진 4. 태양전지 전·후면에서 가동 중인 스프링클러]

(출처: 태양 전지 모듈의 전후면 온도변화에 따른 출력에 관한 연구 - 한국기계재료연구원)

태양전지의 표면에 스프링클러를 장착시켜 물을 뿌리고 이를 통해 태양전지의 온도를 감소시키는 방안인데, 시험해본 결과 약 7℃가량의 온도 감소 효과를 기대할 수 있었고, 태양전지 전면의 경우는 2.8%의 효율증가, 후면의 경우 4.3%가 상승했다. 또한 전면에 물을 뿌리게 되면, Cementation 현상이 심화될 가능성이 있기 때문에 후면에 물을 분사하는 것이 더 효율적인 방법이다. 하지만 똑같은 시간 동안 물을 분사했을 때, 후면은 전면에 비하여 면적 중 약 70%만 물이 접촉되므로, 동일한 냉각 효과를 얻고자 한다면 후면을 전면보다 약 1/3 시간 더 길게 설정하여 물을 분사해야 한다.

 

 2) Filter

태양전지는 태양에너지 중 58%의 비중을 차지하는 200~800nm대의 자외선과 가시광선 영역만을 이용한다는 점에 착안하여 태양전지의 표면에 태양광의 선택적 투과성 Filter를 설치하는 방안이다. 이를 이용하면 온도상승에 크게 기여하는 적외선 영역은 이용하지 않게 되므로 온도 상승이 줄어들게 되고, 태양 전지의 효율감소를 억제하는 데 도움이 된다.

[그림 4. 선택적 투과성 필터]

(출처: 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템, 특허번호 WO 2013168855 A1)

 

 3) PV ribbon의 조성 및 두께 조정

위에서 언급했다시피, 동일조성의 soler의 경우 두께가 두꺼울수록 열충격에 의한 효율감소가 더욱 크게 나타났고, SnAgPb 계열 solder가 SnPb 계열에 비해 초기 접합성 및 효율 측면에서는 우수했지만 장기적인 신뢰성 문제로 봤을 때, SnAgPb 계열이 더욱 취약한 것으로 밝혀졌다. 따라서 수치해석 및 시뮬레이션을 통하여 Ribbon 두께에 따른 열응력 차이를 분석하고, Ribbon 조성에 따른 출력변화를 면밀히 조사할 필요가 있다. 전자부품연구원부품소재물리연구센터에서 주도한 ‘유무연 용융도금 리본에 따른 결정질 실리콘 태양전지 모듈 열화거동’ 연구에 따르면 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성의 SAC305 Solder의 경우, Pb가 포함되지 않는 무연솔더로서 기존에 사용되는 SnPbAg soler에 비하여 고온고습 시험에서 출력저하가 적게 일어나는 것으로 관찰됐다.

 

 4. 결론

다들 신기술의 발견에 환호한다. 이전의 것들보다 더 나은 것들이 개발되면 모두들 그 신기술의 훌륭함에 대해 찬사를 보내기 바쁘고, 기존의 기술들이 우리를 얼마나 ‘안전’하고 ‘편리’하게 했는지에 대한 관심은 너무도 쉽게 묵살돼버린다. 최신기술의 개발만이 마치 우리 인류를 더 나은 미래로 나아가게끔 한다는 착각 때문인지 몰라도, 다들 진보의 ‘속도’에만 열광할 뿐, 우리 기술이 어디까지 왔는지, 혹은 이 기술이 얼마나 ‘지속가능한지’에 관해서는 잘 알지 못한다.

 

[사진 5. 스웨이한 사막에 지어진 대용량 태양광 발전소]

(출처: 녹색경제-사막에 세계 최대 규모 태양광 발전소 들어선다..."태양광 발전소 하나로 20만세대 전력 책임")

 

하지만 이런 태도는 옳지 않다. 어디론가 향하고 싶다면 지금 내 위치부터 파악하는 게 우선이다. 출발점이 없는 결승점은 어떤 의미도 갖지 못한다. 마찬가지다. 하늘을 찌를 듯 높게 세워진 빌딩에서는 먼 곳을 관찰할 수는 있을지언정, 정작 자신의 발밑은 까마득하여 볼 수 없고, 너무 먼 곳을 사냥하려는 새는 바로 발밑의 먹잇감조차 알지 못한다. 자신의 위치를 알고자 시선을 향하는 곳에서도 ‘제대로’ 볼 수는 없다는 것은 비극이다.

태양전지의 효율향상 또한 다를 바 없다. 무언가를 개선하고자 한다면 현재 상황부터 파악해야만 시작할 수 있다. 더 좋은 출력을 내는 태양전지의 개발도 좋지만, 얼마나 오랫동안 그 효율을 유지할 수 있을지에 대한 관점도 반드시 필요하다. 잊지 말자. 신재생에너지는 고장 나지 않아도 신재생에너지 발전소는 고장 날 수 있고, 태양은 고장 나지 않아도 태양전지는 언젠가 고장 난다. 신재생에너지가 진정 반영구적으로 지속개발 가능한 에너지로서 거듭나고 싶다면, 발전소 및 발전장치들의 효율뿐만 아니라 각종 악조건에서도 이들의 출력을 안정시킬 수 있도록 이들의 작동 수명부터 확보해야 할 것이다.

참고 문헌

1) 중앙일보, 진시황릉 현재 기술로 발굴 못 해…30~50년 후에 발굴키로

2) 태양전지 Ribbon 두께와 조성에 따른 Ribbon 접합부의 장기 신뢰성 특성에 관한 연구 - 한국에너지공학회

3) 결정계 PV 모듈에 대한 고장 메커니즘 검토- 전자부품연구원 부품소재물리센터

4) Tynsolar 사(社) 홈페이지, Tynsolar.com

5) 온라인 브리태니카 www.britannica.com

6) 태양 전지 모듈의 soiling에 의한 성능 저하 – 오원욱, 천성일

7) Cementation of sand soil by microbially induced calcite precipitation at various degrees of saturation - Liang Cheng, Ralf Cord-Ruwisch, Mohamed A. Shahin, Canadian Geotechnical Journal

8) Comparison of the 60Sn40Pb and 62Sn2Ag36Pb Solders for a PV Ribbon Joint in Photovoltaic Modules Using the Thermal Shock Test - 중앙대 기계공학부

9) 태양 전지 모듈의 전후면 온도변화에 따른 출력에 관한 연구 - 한국기계재료연구원

10) 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템, 특허번호 WO 2013168855 A1

11) 녹색경제-사막에 세계 최대 규모 태양광 발전소 들어선다..."태양광 발전소 하나로 20만세대 전력 책임"