1. 서 론

최근 태양전지, 열전소자, 이차전지(secondary battery)를 활용하여 전력 생산과 에너지 저장 기능을 통합하는 융합 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다^1-9). 특히 태양전지(PV, photovoltaic)와 배터리(battery, BAT) 소자를 하이브리드 방식^{3, 6)}, 또는 모노리식(monolithic) 기술⁸⁾ 집적함으로써, 자체 충·방전 기능과 무선 원격 제어가 가능한 지속 가능한 전력 솔루션을 구현할 수 있다. 이러한 기술은 인공지능(artificial intelligence, AI) 기반의 사물인터넷(internet-of-things, IOT) 센서 시스템¹⁰⁾과 같은 차세대 재생에너지 서비스 및 관련 산업의 확장을 촉진할 수 있다. PV-BAT 융합전원 소자는 태양전지와 이차전지를 동일한 플랫폼에 집적함으로써 소형화, 기능의 독립화, 그리고 무선화를 실현할 수 있다. 최근에는 페롭스카이트^{11, 12)} 및 실리콘^{13, 14)}, 기반 태양전지가 높은 에너지 전환 효율과 유연한 물리적 특성을 바탕으로 다양한 에너지 저장 소자와의 집적화를 가능하게 하고 있다. 저장 장치로는 리튬이온배터리(lithium-ion battery, LIB)가 주류를 이루고 있으나, 박막형 유기¹⁵⁾, 무기¹⁶⁾ 배터리 및 고체 전해질 배터리^{17, 18)}는 향상된 안전성과 확장성을 제공함으로써 태양전지와의 통합을 더욱 가속화하고 있다.

이처럼 태양광 발전과 에너지 저장을 통합한 융합전원 장치는 에너지 생태계를 재편하고, 탄소중립 사회를 위한 확장 가능하며 지능적이고 지속 가능한 전력 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 PV-BAT 융합전원에 대한 집적 설계 기준, 에너지 변환 효율 분석, 실내외 환경에 따른 구동 특성 평가 등은 아직 충분히 연구되지 않아, 이에 대한 체계적인 접근이 요구된다.

본 연구에서는 GaInP/GaAs/Ge 기반 솔라셀 4개로 구성된 2(직렬) × 2(병렬) PV 모듈과 LIB-BAT를 폴리이미드 인쇄회로기판(polyimide flexible printed circuit board, PI-FPCB) 위에 집적하여 PV-BAT 융합전원을 제작하였다. 이를 통해 태양전지와 이차전지 간의 결합에 따른 전기적 특성 변화와 에너지 전환 효율을 평가하고, 실내 및 실외 환경에서의 일사량 변화에 따른 충·방전 특성을 관측하였다.

2. PV-BAT 융합 전원 특성

2.1 융합전원의 제작 및 회로 구성

Fig. 1은 PV-BAT 융합 전원의 개략적인 구조도와 함께, 제작된 모듈의 실장 사진을 제시한다. PV(전면) 및 BAT(후면) 소자는 Fig. 1에 도시된 바와 같이 PI-FPCB 상에 집적되며, 음극을 공유하는 구조로 설계되었다. PV 모듈에서 생성된 광전류는 PI-FPCB 플랫폼에 형성된 마이크로스트립선 실장 회로의 도전성 비아(Via) 홀을 통해 후면의 BAT로 전달되어 충전이 이루어진다. 해당 플랫폼 회로는 PV 모듈로부터 발생한 광전류(또는 광전력)를 후면의 BAT에 저장하거나, 외부 부하(load)로 방전할 수 있도록 구성되었다.

전면에는 Ge 기판 위에 제작된 상용 GaInP/GaAs/Ge 집광형 태양전지(AZUR, 3C40, 10 × 11 mm²)를 적용하였으며, 후면에는 PV 모듈의 전압 특성에 맞추어 최대 충전 전압이 4.2 V인 리튬인산철(LiFePO₄) 이차전지를 사용하였다⁶⁾. PV 모듈은 반도체 패키징 공정인 다이 본딩(die bonding) 및 다중 금선(Au-wire) 연결을 통해 2×2 배열의 총 4셀로 집적되었으며, 이때 셀-모듈 간 집적 손실(cell-to-module, CTM)은 1% 미만으로 측정되었다. Fig. 1의 하단에는 전면의 PV 모듈과 후면의 BAT가 실장된 실제 장치의 모습을 제시하였다.

Fig. 1

Schematic of the PV-BAT integrated power source, showing the structural configuration and component layout (top), corresponding photographs (middle), and a simplified circuit diagram (bottom)

Fig. 2는 (a) 2×2 구조의 PV 모듈에 대한 전류-전압(I–V) 특성과 (b) LFP-BAT 셀의 galvanostatic 충·방전 동작 특성을 각각 나타낸다. 각 패널 내 삽입된 이미지는 해당 소자의 실제 모습을 보여준다. PV 모듈의 전기적 특성은 개방전압(V_OC) 4.86 V, 단락전류(I_SC) 24.49 mA, 충진율(fill factor, FF) 81.1%, 에너지 변환 효율(power conversion efficiency, PCE) 26.8%로 관측되었다. PV 모듈은 5회 연속 수시간 동안 충전 이후에도 특성 값의 변화가 관찰되지 않아 안정적인 성능을 유지함을 확인하였다. 한편, LFP-BAT 셀의 최대 충전 전압(V_f)은 4.2 V였으며, galvanostatic 방식의 전원 공급에 따른 5회 반복 충·방전 이후 특성이 빠르게 안정화되었다.

Fig. 2

(a) Current–voltage (I-V) characteristics of the 2×2 concentrator photovoltaic (PV) module. (b) Galvanostatic charge-discharge behavior of the lithium iron phosphate (LiFePO₄, LFP) battery cell. Inset images show the physical appearance of each device

2.2 충·방전의 전류-전압 거동

Fig. 3은 태양광을 이용한 PV-BAT 융합전원의 동작 특성을 나타낸 전류-전압(I-V) 그래프이다. 집적된 PV 모듈은 생성된 광전류를 도전성 비아(Via)를 통해 최소한의 전송 손실로 BAT에 전달한다. 광전류에 의한 충전이 진행됨에 따라 BAT의 전압은 상승하며, 최대 전압(V_f = 4.0 V)에 도달한다. 이때 V_f 값은 BAT 전극 (양극 및 음극)의 선택에 따라 조정될 수 있다.

PV 모듈에서 생성된 광전류에 의해 유도된 BAT의 전압은 충전 전압 곡선(파란색)을 따라 점진적으로 상승한다. BAT의 충전 전압은 시작 시간 t_i에서 V_i = 2.8 V로 시작하여 종료 시간 t_f 에서 V_f = 4.0 V에 도달하며, 이 구간을 충전 구간으로 그리고 충전 시간은 Δt = t_f − t_i로 나타낼 수 있다. 이 충전 구간 동안 BAT의 충전 전류(○)는 Fig. 3에 제시된 PV 모듈의 전류-전압(I–V) 특성 곡선을 따라 변화하는 거동을 보였다.

BAT의 최대 충전 용량(V_f, 에너지 밀도 Wh/g 등)이 주어진 경우, 고효율 PV 모듈은 평탄한 광전류를 제공할 수 있는 최적의 전압 구간 ΔV = V_f − V_i 및 충전 시간 Δt를 결정한다. 따라서 융합 전원의 충전 효율을 극대화하기 위해서는, 초기 및 최종 광전류가 거의 동일한 I_PVⁱ ≅ I_PV^f 조건을 만족하는 PV 모듈의 전압 구간 ΔV를 적절히 설정하는 것이 중요하였다.

Fig. 3의 측정 결과에 따르면 BAT의 최대 충전 전압(V_f)은 태양전지의 최대 전력 전압점(V_m)보다 낮게 설정되어야 하며, 본 실험에서는 V_f = 0.8 V_OC로 설정하였다. 한편 V_f가 V_m 에서 V_OC 방향으로 설정될 경우 급격한 광전류 감소로 인하여 충전시간이 대폭 길어지게 된다. 결론적으로 융합전원의 최적 충전 성능 확보를 위하여 PV 및 BAT 소자의 정합은 V_f ≤ V_m 이 되도록 설계하는 것이 바람직하다.

Fig. 3

Charge and discharge characteristics of a PV-BAT integrated power source

PV-BAT 융합전원은 충·방전의 I-V 특성상 과충전 방지 및 안전성 측면에서 장점을 가진다. 실제 응용에서 BAT의 과충전에 따른 폭발 및 화재 위험을 근본적으로 방지할 수 있으며, 이는 PV 모듈의 I-V 곡선 특성에 따라 BAT의 V_f가 V_m보다 크더라도 광전류가 급격히 감소하기 때문이다. 또한 BAT의 V_f는 V_OC를 초과할 수 없으며, V_m ≤ V_f ≤ V_OC구간에서는 장시간 태양에 노출시켜도 과충전이 발생하지 않는다는 것을 의미한다.

이러한 과충전 제한 기능은 외부 부하(예, 집적형 IOT 센서 시스템)와 함께 실장되는 전자회로의 구성을 단순화하며, 충전기의 불안정성에 따른 위험 요소를 근본적으로 차단하는 이점을 제공한다.

3. 충·방전 동작 특성 및 분석

3.1 측정 시스템

PV-BAT 융합전원의 동작특성은 표준조건(100 mW/cm², 25°C)에서 솔라시뮬레이터(McScience, Polaronix K201 LAB50)와 자체 제작한 충·방전 동시 측정 시스템(Ontest, PV-BAT test system)을 이용하여 평가하였다. Fig. 4(a)는 PV-BAT의 충·방전 특성 평가를 위한 측정 시스템의 구성도와 실제 사진을 나타낸다. PV-BAT 융합전원의 전압 및 전류는 두 대의 디지털 멀티미터(DMM, Keysight 34460A)를 통해 측정하였으며, BAT에 저장된 전력은 외부 DC 전자 부하(electric load, Maynuo, M9811)를 통해 소모하였다. 시간에 따라 PV 모듈에 의한 BAT의 충전과 DC 전자 부하에 의한 방전이 교차로 이루어졌으며, 충·방전 프로그램은 Switching Unit을 통해 제어하였다. 이 과정에서 PV 모듈과 BAT의 전류 및 전압 데이터를 실시간으로 기록하였다.

Fig. 4(b)는 융합전원 시스템의 측정 데이터를 예시로 보여준다. 1 sun 조건에서 2×2 배열의 4셀 PV 모듈은 BAT의 전압구간 ΔV = 3.2–4.2 V에서 충전하였으며, 이때 PV모듈에 의한 충전 광전류(I_PV)는 약 +12.6 mA로 일정하게 유지되었으며 DMM으로 측정하였다. 한편, BAT의 방전 전류(I_BAT)는 –13.2 mA (constant current, CC 모드)로 설정하여 전자부하에서 측정하였다. 검정색 그래프는 BAT의 전압 변화 곡선을, 파란색 그래프는 광전류의 거동을 나타낸다. PV 모듈에 의한 BAT의 충전 및 방전 시간은 약 60분으로 유지되었다.

Fig. 4

(a) Photograph of the measurement system for PV charging and battery discharging. (b) Representative data from the PV-BAT device under 1 Sun illumination; the black line indicates battery voltage, and the blue line represents photocurrent

3.2 실내 동작 특성

(2×2) PV 모듈과 LFP-BAT 셀로 구성된 PV-BAT 융합전원을 이용하여 총 10회의 충·방전 사이클을 수행하였다. Fig. 5(a)는 시간(hour)에 따른 충·방전 전압의 변화를 나타낸다. 1회 및 2회 사이클은 솔라 시뮬레이터를 이용한 PV 모듈의 광전류(I_PV ≅ 24 mA)에 의해 BAT 셀이 충전된 결과이다. 3회부터 10회까지의 충전과 방전 과정은 Galvanostatic 전원의 CC 모드(I_BAT = 10 mA)을 이용하여 DC 전자 부하를 이용하여 측정하였다. 높은 광전류는 BAT 셀의 충전 시간을 현저히 단축시키는 효과로 나타났다.

Fig. 5(b)는 Fig. 5(a)의 시간-전압 데이터를 기반으로 BAT 셀의 충전 전압과 specific capacity (mAh/cell)의 관계로 변환한 충·방전 곡선을 보여준다. 이 Specific capacity는 1g의 배터리(BAT) 전극 물질이 저장하거나 방출할 수 있는 전하량을 나타내는 지표로, 해당 물질의 충전 및 방전 지속 시간을 평가하는 데 활용된다. 본 연구에서 BAT 충전에 사용된 PV모듈 광전류(24 mA)는 Galvanostatic 전원 보다 약 2배 높은 값을 나타냈으며, 이에 따라 동일 용량의 BAT 셀에 대한 충전 시간은 상대적으로 약 50% 단축되는 경향을 보였다. Fig. 5(c)는 10회 반복 실험에서 각 충·방전 사이클에 대해 BAT 셀의 specific capacity 값을 나타낸다. 주어진 BAT 셀에 대해 모든 사이클에서 충전과 방전 시 specific capacity가 거의 동일하게 측정되었다(Fig. 5(b)). 단, 첫 번째(1회) 사이클에서는 광전류에 의한 급격한 충전으로 인해 충전과 방전 간의 specific capacity 값에 차이가 발생하였으며, 이는 높은 광전류에 의한 초기 BAT 셀의 불안정화로 인한 것으로 해석된다.

Fig. 5

Cyclic charge/discharge measurements of the PV-BAT device: (a) Variation of battery cell voltage over time (hour) during 10 consecutive cycles. (b) Charging voltage as a function of specific capacity per cell as derived from voltage-time data. (c) Change in specific capacity over repeated cycles

Fig. 6는 PV-BAT 융합전원의 첫 번째(1회) 충·방전 측정결과를 나타낸 것이다. PV모듈에 의한 광전류 충전과 BAT 셀의 충전용량의 비교를 보인다. BAT 셀의 동일한 충전용량에 비하여 광전류의 방전전류의 차이는 충전시간의 차이로 나타났다;Δt= 0.42 hrs (광전류, 24 mA) 1.0 hr(방전전류, 10 mA).

PV-BAT 융합전원의 에너지 전환 효율, PSE (Power conversion/Storage Efficiency)^{8, 9)}는 태양광에너지가 일정 효율의 태양전지에 의하여 전력 변환하여 최대로 충전된 이차전지를 충분히 방전시킬 때, 이차전지의 방전전력(E_d)을 입사 광에너지와 비교함으로써 결정할 수 있다. 즉, Fig. 6의 충·방전 측정 결과로부터 BAT 셀의 방전전력(E_d)은 대략 33.2 mWh로 산출되었다. 이와 같은 결과 값으로부터 식 (1)에 의하여 PV-BAT의 PSE(η₂) = 22.0% 로 계산되었다.

Fig. 6

Battery voltage versus specific capacity during the first cycle of solar charging and battery discharging in the PV-BAT device

3.3 옥외 동작 측정

Fig. 7은 옥외 일사 조건에서 관측한 시간 변화에 따른 PV-BAT 융합전원의 충·방전 거동을 나타낸다. Fig. 7(a)는 통합 측정 장치와 설치된 융합전원 모듈의 실물 사진이며, 일사량 조건과의 비교를 위해 경사 일사량계가 결합된 일반 태양광 패널면과 동일한 조건에서 측정하였다. Fig. 7(b)는 옥외 PV 패널 측정 시스템(Ontest, Capturstar™)을 통해 관측된 시간에 따른 경사 일사량을 보여준다. 경사 일사량의 급격한 변화는 구름 등에 의한 태양광 차폐로 인해 발생하였으며, 오후 2시 이후 일사량이 급격히 감소하였다. 관측은 오전 10시 54분부터 오후 3시 55분까지 약 5시간 동안 진행하였으며, 이 기간 동안 총 3회의 충·방전 실험을 수행할 수 있었다.

Fig. 7(c)는 충·방전 시 BAT 전압과 시간의 관계를 나타낸다. 솔라 충전은 BAT 전압이 3.5–4.0 V 구간에서 수행되었으며, 종단 전압(Vf)이 4.0 V에 도달하면 자동으로 방전이 시작되도록 설정하였다. 방전은 23 mA의 일정한 전류(constant current Mode)를 유지하며 DC 전자 부하를 이용하여 수행하였다.

Fig. 7

Outdoor measurements: (a) photograph of the integrated measurement system and the PV-BAT hybrid power module; (b) solar irradiance on the inclined surface of the 2×2 PV module over the course of the day; (c) temporal profiles of photo-current (blue) and battery voltage (black) during solar charging under outdoor conditions, with automatic discharge triggered upon reaching the maximum charging voltage (V_f = 4.0 V).

Table 1은 3회 충·방전 실험의 전류(관측 값 및 설정 값) 와 동작 시간에 대한 데이터 요약이다. 1회 및 2회의 솔라 충전 시간은 각각 49분, 50분이었으며, 3회 충전 시간은 오87후 2시 이후 일사량의 급격한 감소로 인해 1시간 12분으로 증가하였다. 한낮(1회 및 2회)에 비해 충전 광전류는 최대 7 mA 감소하였으나, Fig. 2(a)의 PV 모듈 I–V 특성에 따르면 1 sun 조건에서 충전 전압 구간(3.5–4.0 V) 내 광전류 변화는 약 0.5 mA로 매우 작았다.

PV-BAT 융합전원의 옥외 사용은 1 sun 일사량 조건을 만족하기 매우 어렵다. 따라서 융합전원의 충전 전압구간과 함께 사용하게 될 기능소자의 소비전력 (주로 PV모듈의 광전류)에 따라서 크게 영향을 받을 수 있음을 알 수 있었다. 즉, 효과적인 융합전원의 설계를 위해서는 BAT 셀의 충전전력(부하의 전압 및 전류)과 이를 만족하는 PV모듈의 전압구간의 정합이 필요하며, 또한 PV-BAT 융합전원이 필요한 외부 부하(예, IOT 센서 시스템)의 일일 사용회수에 따른 적절한 광전류의 설정이 따라야 한다.

4. 결 론

본 연구에서는 4개의 GaInP/GaAs/Ge 솔라셀로 구성된 2(직렬) × 2(병렬) 구조의 PV 모듈과 1개의 LFP BAT를 PI-FPCB 기반 공통 플랫폼에 집적한 PV-BAT 융합 전원을 제작하였다. LFP BAT의 최대 충전 전압(V_f = 4.0 V)을 달성하기 위해, PV 모듈의 최대 전력 전압(V_m)보다 낮게(≤ 0.8V_OC) 설정할 필요가 있음을 확인하였다. 고효율(PCE = 26.8%) PV 모듈은 충전 전압 구간에서 일정한 광전류(I_PV ≅ 24 mA)를 안정적이며 큰 값(고효율)을 유지함으로써 BAT의 충전 시간을 단축하는 효과로 나타냈다.

충·방전 실험 결과, PV-BAT 융합 전원의 에너지 전환 효율(PSE)은 약 22.0%로 측정되었으며, 옥외 환경에서 수행된 측정에서는 태양의 이동 및 불규칙한 일사 조건에 따라 충전 전류가 더 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 PV-BAT 융합 전원의 설계 시 BAT 셀의 특성(전압 범위, 충전 용량, 충·방전 반복성 등)과 이를 만족하는 PV 모듈의 I–V 특성(균일한 광전류, V_m > V_f) 간의 정합이 필수적임을 시사한다.

따라서 본 연구는 자율 구동형 하이브리드 PV-BAT 융합 전원의 최적화를 위해 PV 및 BAT 요소 간의 통합적 고려가 에너지 사용의 효율성과 안정성 향상에 기여할 수 있음을 보여준다.