Nomenclature
Voc : Open circuit voltage, [V]
Isc : Short circuit current, [A]
FF : Fill factor, [%]
Pmax : Maximum output power [W]
Subscript
BIPV : Building Integrated Photovoltaics
Si : Silicon
PV : Photovoltaic
PCE : Power conversion efficiency
RB : Transmittance reduction band
1. 서 론
최근 비재생 에너지의 점점 증가하는 희소성과 국가온실가스감축목표(NDC), 탄소발자국 줄이기 등 엄격한 탄소 배출 요건으로 인해 신재생 에너지 활용에 대한 관심이 올라가고 있다. 그중에서도 실생활에 접목할 수 있는 건물일체형태양광 모듈(Building Integrated Photovoltaics, BIPV)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다1-3). BIPV 모듈은 태양에너지를 직접 전기로 변환하여 건물의 에너지 소비를 줄일 수 있으며, 별도의 설치 부지가 필요하지 않아 국토가 좁고 인구밀도가 높은 국내 보급에 적합하다. 하지만 기존의 실리콘(Si) 태양광(PV) 모듈은 태양에너지의 변환을 최대화하기 위해 단조로운 검은색 외관을 사용하였고 이에 따라 디자인 문제점이 지적되면서 시장 활성화에 어려움이 있었다4).
최근 몇 년 동안 BIPV 모듈의 시장화를 위해 색상화 방법이 집중적으로 연구되었다. 일반적으로 PV 모듈의 색상은 태양전지 흡수층이나 구성 층의 파장 의존성에 의해 결정된다. 일부 유기5), 염료감응형6), 페로브스카이트7) 태양전지는 반투명하면서도 색상이 다양한 외관을 나타내지만 낮은 변환 효율(PCE) 및 개인 프라이버시에 대한 수요 증가로 인해 BIPV에서는 불투명한 색상의 Si PV 모듈이 선호된다.
일반적인 불투명한 Si PV 모듈은 대부분 검은색, 청색으로 제작되며 여기에 색상을 추가하는 방법으로는 반사 방지 코팅 수정8), 발광 물질 사용9), 전면 컬러 유리10, 11)나 폴리머12, 13) 소재 변경 등이 있다. 이는 태양전지를 시각적으로 숨기면서 원하는 색상 외관을 생성할 수 있으며, 이는 균일하거나, 패턴이 있거나, 질감이 있거나, 심지어 색상이 인쇄된 그래픽으로 구성될 수도 있어 태양광 시각 예술 및 디자인을 창조할 수 있다14). 하지만 태양전지의 색상은 가시광선이 태양전지에 반사되거나 투과됨으로써 나타나게 되므로 태양 에너지 변환 관점에서는 광학적 손실을 의미한다. 효율성과 심미성 간의 최적의 타협점을 찾기 위해서는 광학 손실을 최소화하고 변환 효율을 극대화하는 방식으로 색상과 밝기를 결정해야 한다. 이런 원리는 태양광 연구 분야에서는 일반적으로 잘 알려졌지만, 색상이 태양광 효율 및 출력에 미치는 영향에 관한 이론적 연구는 거의 없었다. BIPV 시장에서 심미성에 관한 관심이 높아지고 있어 색상과 효율, 출력 등의 상관관계에 대한 많은 연구가 필요하다.
본 연구에서는 제한된 면적에 태양전지를 최대한 집적할 수 있는 슁글드 기술에 폴리머 소재 변경 방법을 이용하여 PV 모듈을 제작하였다. 유리 없이 폴리머만 이용하여 모듈을 제작하면 유연성 있는 모듈을 제작할 수 있어 다양한 형태의 건물에 적용할 수 있는 장점이 있다. 모듈의 전면 소재로는 폴리머 계열인 PET (Poly–ethylene terephthalate) film에 RED, GREEN, BLUE, YELLOW 색상을 접목하였고, 모듈 제작 후 색상에 따른 투과율과 출력의 관계에 대하여 분석하였다.
2. 실험준비 및 방법
모듈에 사용된 컬러 필름은 아크릴계 PSA (Pressure Sensitive Adhesive) 에 컬러 안료(organic 계열)를 나노 분사 방법으로 혼합하여 코팅액을 제조한 다음 250 [㎛] 두께의 PET film에 Slot die 코팅 방법으로 도포 후 110 [°C]에서 2분간 건조 및 경화하였다. 그 다음 코팅층 상부에 250 [㎛] 두께의 PET film을 합지하고 합지 필름 상부에 Slot die 코팅 방법으로 내후성 Top coating 후 UV 경화공정을 진행하였다. 투명 불소 필름은 Slot die 코팅방법으로 PET 필름 전면에 불소 코팅 소재 (FAS-001, DCT material), 후면에 배리어 코팅된 형태로 제작되었다. 제작한 컬러필름 및 투명필름의 구조는 Fig. 1에 나타내었다.
제작된 컬러필름의 색차 측정을 위해 분광측색계(KONICA MINOTA, CM-5)를 사용하여 색 좌표(CIE 1976 기준)를 측정하였으며 광학적 특성을 확인하기 위하여 UV-visible spectrometer (Jasco, V-670)를 사용하여 300 ~ 1200 nm 파장에서 필름의 투과율 및 반사율을 측정하였다.
모듈을 제작하기 위해 M6 (166 [mm]*166 [mm])사이즈의 Jollywood社 P-PERC (5분할 Shingled type) cell을 이용하여 IR laser (Zhuhai lailian Photoelectric Technology Co., Ltd, LGS-FB-AUTO-600-210)로 주파수 140 [kHz], 파워 16.47 [W], 스캔속도 500 [mm/s]에서 셀 분할을 진행하였다. 분할 셀은 31접합(32분할 셀 이용)하여 슁글드 스트링을 제작하였으며, 제작한 스트링을 이용하여 2 직렬 3 병렬 구조의 1050 × 1030 [mm2] 크기의 모듈을 제작하였다. 제작한 모듈 구조는 Fig. 2에 나타냈으며, 모듈 봉지재로 EVA를 사용하였고, 전면부에 필름, 후면부에 White backsheet를 이용하여 유연 모듈로 제작하였다.
제작한 모듈은 투명 불소필름 모듈, RED 컬러필름 모듈, GREEN 컬러필름 모듈, BLUE 컬러필름 모듈, YELLOW 컬러필름 모듈 총 5개이며 1 Sun (1000 [W/m2]) 조건에서 솔라 시뮬레이터로 모듈의 전기적 특성을 측정하여, 광학적 특성과의 상관관계를 분석하였다.
3. 실험결과 및 논의
3.1 투명 필름 및 컬러 필름의 광학적 특성
제작된 컬러필름 및 투명 불소필름은 Fig. 3에 나타냈으며, 컬러 필름의 균일성을 확인하기 위하여 색차계 분석을 진행하였으며 색 차표 값은 Table 1 및 Fig. 4에 나타내었다. 색차계의 L, a, b 값은 각각 +L: White, －L: Black, +a : Red, －a: Green, +b: Yellow, －b: Blue를 나타낸다. 컬러 필름의 CIE 색차계 L, a, b 평균값은 각각 RED (87.224, 12.748, －0.626), GREEN (90.582, －18.094, －1.620), BLUE (83.756, －18.562, －17.528), YELLOW (94.660, －9.100, 28.020)이었다. RED 필름이 경우 L, b 색차계 값의 표준편차가 0.1 이상으로, 육안 상으로는 균일한 색상으로 보이나 광학적으로 약간의 색 불균형이 있는 것으로 보여 진다.
Table 1.
Colorimeter value of color films
컬러 필름 및 투명 불소필름의 평균 투과율은 Fig. 5에 나타냈으며 380~780 [nm] 가시광 영역에서 투명, YELLOW, RED, GREEN, BLUE 순으로 높았고 각각 RED 75.30 [%], GREEN 69.00 [%], BLUE 57.78 [%], YELLOW 77.15 [%], 투명 89.86 [%]로 측정되었다. 투명 불소필름과 BLUE 필름의 경우 최대 약 22 [%]까지 차이가 났다. 색깔에 의한 투과율 감소 대역 (Transmittance reduction band, RB)이 없는 800~1200 nm 파장대역에서 컬러 필름은 평균 88.3 %에서 89. 3%의 투과율을 보였으며 투명 필름의 경우 90.8%의 투과율을 보여 약 1~2% 정도 투과율 차이가 났다. 이것은 필름 자체의 두께 차이에 의한 영향(컬러 필름 약 515 [㎛], 투명 필름 약 188 [㎛])으로 보여 진다. 효율에 영향을 미치는 파장대역의 효율적인 분석을 위하여 선행 문헌에서 활용되었던 RB 모델 분석법을 활용하여 분석하도록 하겠다. [13] RED 필름의 경우 585 [nm]에서 투과율 감소가 일어나다가 490 [nm]에서 투과율이 다시 증가하였으며 RB에서의 투과율은 62.05 [%]였다.
GREEN 필름의 경우 840 [nm]부터 투과율 감소가 일어나다가 565 [nm]에서 투과율이 다시 증가하였으며 RB에서 투과율은 49.15 [%] 였다. BLUE 필름의 경우 815 [nm]부터 투과율 감소가 일어나다가 480 [nm]에서 투과율이 다시 증가하였다. BLUE 필름의 경우 RB가 2개였으며 각각 41.92 [%], 36.58 [%]의 투과율을 보였다. YELLOW 필름의 경우 490 [nm]에서 투과율이 감소하기 시작하였으며 가장 좁은 폭의 투과율 감소대역이 있었다. RB에서의 투과율은 42.02 [%]였다. 컬러필름 중 YELLOW 필름이 가장 좁은 투과율 감소대역을 보였으며, BLUE 필름이 가장 넓은 투과율 감소대역과 높은 투과율 감소율을 보였다. 투명 불소 필름의 경우 흡수단 영역 (~380 [nm])까지 RB는 없었다.
반사율은 380~780 [nm] 가시광 영역에서 모든 필름이 7.36~ 9.48 [%] 의 반사율을 보였으며 투명 불소 필름이 약 7.36 [%]로 가장 낮은 반사율을 보였고, YELLOW 필름이 9.48 [%]로 가장 높은 반사율을 보였다. 반사율 영역에서의 RB는 RED 필름의 경우 420~600 [nm], GREEN 필름의 경우 500~860 [nm], BLUE 필름의 경우 445~869 [nm], YELLOW 필름의 경우 410~ 490 [nm]였다.
각 필름이 적용된 모듈은 Fig. 6에 나타내었으며 모듈 측정 결과는 Fig. 7에 나타내었다. 제작된 모듈의 특성을 나타내기 위해 최대출력(Pmax), 개방전압(Voc), 단락전류(Isc), 충진율(FF), 모듈 면적(m2)을 표기하였다. 전압에서는 43. 63~44.05 [V]로 투명 불소필름-PV 대비 컬러-PV의 변화율이 ±1 [%] 미만, FF의 경우 77.26 [%]~78.29 [%]로 변화율이 ±2 [%] 미만으로 차이가 미미했으나 전류 값은 4.03~6.04 [A]로 변화율이 최대 34 [%]까지 차이가 났다. Isc의 감소가 출력 저하에 큰 영향을 미친 것으로 보인다.
가시광 영역에서의 평균 투과율이 89.96 [%]로 가장 높고 RB 영역도 존재하지 않았던 투명 불소필름-PV의 경우 Isc 6.04 [A] 및 Pmax 209.5 [W]로 가장 좋은 성능을 보였으며, 이후 평균 투과율에 따라서 YELLOW필름-PV (투과율 77.15 [%], Isc 5.80 [A], Pmax 200.3 [W]), RED필름-PV (투과율 75.30 [%], Isc 5.59 [A], Pmax 188.4 [W]), GREEN필름-PV (투과율 69 [%], Isc 5.20 [A], Pmax 178.7 [W]), BLUE필름-PV (투과율 57.78 [%], Isc 4.03 [A], Pmax 138.4 [W])순으로 출력 값을 나타냈다. 필름의 투과율과 모듈의 전류는 서로 비례 관계에 있음을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 논문에서는 컬러 안료를 이용하여 PET 필름에 색상을 구현하고 유연 슁글드 모듈에 적용하여 전면 필름의 투과율과 모듈 출력의 상관관계에 대하여 분석하였다.
컬러가 없는 전면 투명 불소 필름 및 실험군 4개 필름(RED, GREEN, BLUE, YELLOW)에 대하여 투과율 및 반사율을 분석하였다(가시광 영역 평균 투과율 57.78~89.96 [%], 가시광 영역 평균 반사율 7.36~9.48 [%]).
제작한 모듈의 출력 분석 결과 컬러 필름 중에서는 YELLOW 필름을 적용한 모듈이 기존 모듈 출력 대비 95.6 [%] (기존 대비 출력 저하율 4.4 [%])의 성능을 보였다.
컬러 필름 적용 시 색상별로 주요 파장대역에서 광 흡수(RED: 585~490 [nm], GREEN: 565~840 [nm], BLUE: 480~815 [nm], YELLOW: 410~490 [nm])가 일어나는 것을 확인하였다. 투과율 감소 대역은 컬러 필름에서 전류 감소 및 출력 감소에 가장 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
YELLOW 필름에서 투과율 감소대역이 가장 좁고, 투과율의 감소 폭의 가장 작아 기존 투명 불소필름 대비 가장 출력 저하율을 최소화할 수 있었다.
모듈 전면의 광학적 손실을 최소화하고 심미성을 극대하게 하기 위하여 컬러필름의 색상과 밝기의 선택이 중요하다는 것을 확인할 수 있었다. 효율성과 심미성 사이의 균형을 찾는다면 BIPV 모듈 시장이 더욱 확대될 수 있을 것으로 기대된다.
