태양전지판

태양 전지판은 태양광 전지를 사용하여 햇빛을 전기로 바꾸는 장치입니다.PV 셀은 빛에 노출되면 전자를 발생시키는 물질로 이루어져 있습니다.전자들은 회로를 통해 흐르고 직류(DC) 전기를 생산하는데, 이것은 다양한 장치에 전원을 공급하거나 배터리에 저장하는데 사용될 수 있습니다.태양 전지판은 태양 전지판, 태양 전기판, 또는 PV 모듈로도 알려져 있습니다.

태양 전지판은 보통 배열 혹은 시스템이라 불리는 그룹으로 배열됩니다.태양광 시스템은 하나 이상의 태양 전지판, 직류 전기를 교류(AC) 전기로 변환하는 인버터, 그리고 때로는 제어기, 미터기 및 추적기와 같은 다른 구성 요소로 구성됩니다.태양광 발전 시스템은 원격 가정이나 객실과 같은 오프 그리드 응용 프로그램에 전기를 공급하거나 전력망에 전기를 공급하고 유틸리티 회사로부터 신용 또는 지불금을 받는 데 사용될 수 있습니다.이것은 그리드 연결형 태양광 시스템이라고 불립니다.

태양 전지판의 몇 가지 장점은 재생 가능하고 깨끗한 에너지원을 사용하고, 온실 가스 배출을 줄이며, 전기 요금을 낮춘다는 것입니다.햇빛의 이용 가능성과 강도에 따라 다르며 청소가 필요하고 초기 비용이 많이 든다는 단점이 있습니다.태양 전지판은 주거용, 상업용, 산업용뿐만 아니라 공간 및 교통용 용도로 널리 사용됩니다.

역사

1839년 프랑스 물리학자 에드몽 베크렐(Edmond Beckel)에 의해 빛의 노출로부터 전하를 생성하는 일부 물질의 능력이 처음 관찰되었습니다.^[1]비록 이 초기의 태양 전지판들은 단순한 전기 기기들에 조차도 너무 비효율적이었지만, 그것들은 빛을 측정하는 도구로 사용되었습니다.^[2]

베크렐에 의한 관찰은 1873년에 영국의 전기 기술자 윌로비 스미스가 빛이 셀레늄에 부딪혀 전하가 발생할 수 있다는 것을 발견하기 전까지 다시 복제되지 않았습니다.이 발견 이후 윌리엄 그릴스 애덤스와 리처드 에반스 데이는 1876년 "셀레늄에 대한 빛의 작용"을 출판하며 스미스의 결과를 복제하기 위해 사용한 실험을 설명했습니다.^[1][3]

1881년, 미국의 발명가 찰스 프릿츠는 최초의 상업용 태양 전지판을 만들었는데, 프릿츠는 그것을 "햇빛에 노출되는 것뿐만 아니라 희미하고 확산된 낮에도 지속적이고 일정하며 상당한 힘이 있다"고 보고했습니다.^[4]그러나 이러한 태양 전지판은 특히 석탄 화력 발전소에 비해 매우 비효율적이었습니다.

1939년 러셀 올(Russell Ohl)은 많은 현대 태양 전지판에 사용되는 태양 전지 디자인을 만들었습니다.그는 1941년에 그의 디자인에 특허를 냈습니다.^[5]1954년 벨 연구소는 이 디자인을 최초로 상업적으로 실행 가능한 실리콘 태양 전지를 만들기 위해 사용했습니다.^[1]

태양광 패널 설치 업체는 2008년에서 2013년 사이에 큰 성장을 이루었습니다.^[6]이러한 성장으로 인해 많은 설치자들이 작업하기에 "이상적인" 태양열 지붕이 아닌 프로젝트를 수행했으며 그늘진 지붕과 방향 문제에 대한 해결책을 찾아야 했습니다.^[7]이 문제는 처음에 마이크로 인버터의 재대중화와 나중에 전력 최적화기의 발명으로 해결되었습니다.

태양광 패널 제조업체는 초소형 인버터 업체와 협력해 AC 모듈을, 전력 옵티마이저 업체는 모듈 제조업체와 협력해 스마트 모듈을 만듭니다.^[8]2013년에 많은 태양광 패널 제조업체들이 스마트 모듈 솔루션을 발표하고 출하하기 시작했습니다.^[9]

이론과 구성

태양광 모듈은 많은 수의 태양전지로 구성되어 있으며, 태양광 효과를 통해 전기를 생산하기 위해 태양으로부터 광 에너지(photon)를 사용합니다.대부분의 모듈은 웨이퍼 기반의 결정질 실리콘 셀 또는 박막 셀을 사용합니다.모듈의 구조적(하중 운반) 부재는 최상층 또는 후면층일 수 있습니다.셀은 기계적 손상과 습기로부터 보호되어야 합니다.대부분의 모듈은 견고하지만 박막 셀을 기반으로 한 반유연성 모듈도 사용할 수 있습니다.셀은 일반적으로 전기적으로 직렬로 연결되며, 원하는 전압에 하나씩 연결된 다음 병렬로 전류를 증가시킵니다.모듈의 전력(와트)은 전압(볼트)에 전류(암페어)를 곱한 값이며, 광량과 모듈에 연결된 전기 부하에 따라 달라집니다.태양 전지판의 제조 사양은 일반적으로 태양 전지판이 설치 현장에서 노출되는 실제 작동 조건이 아닌 표준 조건에서 획득됩니다.^[10]

PV 정션 박스는 태양광 패널의 후면에 부착되어 있으며, 그 출력 인터페이스 역할을 합니다.대부분의 태양광 모듈의 외부 연결은 MC4 커넥터를 사용하여 시스템의 나머지 부분에 쉽게 내후성으로 연결할 수 있습니다.USB 전원 인터페이스도 사용할 수 있습니다.^[11]태양 전지판은 또한 랙 구성 요소, 브래킷, 반사판 모양 및 트로프로 구성된 금속 프레임을 사용하여 전지판 구조를 더 잘 지지합니다.

셀 접속 기법

태양광 모듈에서는, 전지 자체가 모듈을 형성하기 위해 서로 연결되어야 하는데, 전면 전극이 태양 전지 전면 광학 표면 영역을 약간 차단합니다.제조업체는 태양광에 사용할 수 있는 정면 표면적을 극대화하고 태양 전지 효율을 향상시키기 위해 다양한 후면 전극 태양 전지 연결 기술을 사용합니다.

• PERC(Passivated Emitter Rear Contact)는 빛을 포착하기 위해 고분자 필름을 추가합니다.
• 터널 산화물 패시베이션 접점(TOPCon)은 PERC 필름에 산화층을 추가하여 더 많은 빛을^[12] 포착합니다.
• IBC(^[13]Interdigated Back Contact)

PV 모듈 배열

하나의 태양광 모듈은 제한된 양의 전력만 생산할 수 있으며, 대부분의 설치에는 전압 또는 전류를 추가하는 여러 개의 모듈이 포함되어 있습니다.일반적으로, 태양광 시스템은 태양광 모듈들의 어레이, 인버터, 에너지 저장용 배터리 팩, 충전 제어기, 상호접속 배선, 차단기, 퓨즈, 단선 스위치, 전압계, 및 선택적으로 태양 추적 메커니즘을 포함합니다.출력과 에너지 저장을 최적화하고, 전력 전송 중 전력 손실을 줄이고, 직류에서 교류로 변환할 수 있도록 장비를 신중하게 선택합니다.

스마트 태양광 모듈

스마트 모듈은 기존 태양광 패널과 차별화되는데, 모듈에 내장된 전력전자장치가 패널 수준의 최대 전력점 추적, 모니터링, 안전성 강화 등의 기능을 강화했기 때문입니다.^{[citation needed]}태양광 모듈의 프레임에 부착되거나 커넥터를 통해 태양광 회로에 연결되는 전력 전자 장치는 스마트 모듈로 적절하게 간주되지 않습니다.^[14]

다음과 같은 다양한 내장 전력 전자 장치를 각 PV 모듈에 통합하기 시작한 회사는 다음과 같습니다.

• 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking, MPPT) 전력 최적화기는, 음영 효과를 보상함으로써 태양광 시스템으로부터 전력 수확을 최대화하도록 개발된 DC-DC 컨버터 기술로서, 모듈의 섹션에 떨어지는 그림자는, 모듈 내의 하나 이상의 셀 스트링의 전기 출력을 거의 0으로 떨어지게 하는, 방법.그러나 전체 모듈의 출력이 0으로 떨어지는 것은 아닙니다.^[15]
• 데이터 및 고장 감지를 위한 태양광 성능 모니터

테크놀러지

현재 대부분의 태양광 모듈은 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘으로 이루어진 결정질 실리콘(c-Si) 태양 전지로 생산되고 있습니다.2021년 전 세계 PV 생산량의 95%를 결정질 실리콘이 차지하고 있으며,^[16] 나머지 시장은 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 구리인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS), 비정질 실리콘(a-Si)을 이용한 박막 기술이 주를 이루고 있습니다.^[17]

새롭게 등장하는 3세대 태양열 기술은 첨단 박막 셀을 사용합니다.그들은 다른 태양열 기술에 비해 낮은 비용으로 상대적으로 높은 효율의 변환을 생산합니다.또한, 우주로 들어올려지는 킬로그램당 발전 전력의 가장 높은 비율을 제공하기 때문에, 고비용, 고효율, 그리고 촘촘한 직사각형 다중 접합 (MJ) 전지는 우주선의 태양 전지판에 보통 사용됩니다.MJ-셀은 화합물 반도체이며, 갈륨비소(GaAs)와 다른 반도체 재료로 만들어집니다.MJ-셀을 사용하는 또 다른 떠오르는 PV 기술은, 집광기 광전지(CPV)입니다.

박막

강성 박막 모듈에서 셀과 모듈은 동일한 생산 라인에서 제조됩니다.셀은 유리 기판이나 초기판 위에 형성되고, 전기적 연결은 현장에서 형성되는데, 소위 "모놀리식 통합"입니다.기판 또는 초기판은 전면 또는 후면 시트(일반적으로 다른 유리 시트)에 봉지재로 적층됩니다.이 범주의 주요 셀 기술은 CdTe, a-Si, a-Si+uc-Si 탠덤 및 CIGS입니다.비정질 실리콘은 6~12%^{[citation needed]}의 태양광 전환율을 갖습니다.

광활성층과 기타 필요한 층을 가요성 기판 상에 증착함으로써, 가요성 박막 셀 및 모듈은 동일한 생산 라인 상에 형성됩니다.기판이 절연체(예: 폴리에스테르 또는 폴리이미드 필름)인 경우, 모노리식 집적도를 사용할 수 있습니다.도체일 경우 전기 연결을 위한 다른 기술을 사용해야 합니다.셀들은 전면부의 투명한 무색 플루오로폴리머, 전형적으로 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP)에 적층되고, 다른 측면부의 최종 기판에 접합하기에 적합한 폴리머에 의해 모듈로 조립됩니다.^{[citation needed]}

장착 및 추적

땅

대형 유틸리티 규모의 태양광 발전소는 대개 지상에 설치된 태양광 발전 시스템을 사용합니다.태양광 모듈은 지상 장착 지지대에 부착된 랙이나 프레임에 의해 고정됩니다.^[18][19]지상 기반 마운팅 서포트는 다음과 같습니다.

• 지상에 직접 박히거나 콘크리트에 박히는 폴마운트
• 콘크리트 슬라브나 부은 발판 등의 기초 마운트
• 무게를 사용하여 태양열 모듈 시스템을 제 위치에 고정하고 지면 관통을 필요로 하지 않는 콘크리트 또는 강철 베이스와 같은 밸러스트된 발판 마운트.이러한 유형의 장착 시스템은 매립장 캡과 같은 굴착이 불가능하고 태양광 모듈 시스템의 폐로 또는 재배치를 단순화하는 현장에 적합합니다.

지붕

지붕에 장착된 태양광 발전 시스템은 랙 또는 지붕 기반의 장착 지지대에 부착된 프레임에 의해 제자리에 고정된 태양광 모듈로 구성됩니다.^[20]루프 기반 마운팅 서포트는 다음과 같습니다.

• 레일 마운트는 지붕 구조물에 직접 부착되며 모듈 랙 또는 프레임을 부착하기 위해 추가 레일을 사용할 수 있습니다.
• 패널 시스템을 제 위치에 고정하기 위해 무게를 사용하고 관통이 필요하지 않은 콘크리트 또는 강철 베이스와 같은 밸러스트 발판 마운트.이 장착 방법을 사용하면 지붕 구조에 악영향을 미치지 않고 태양광 패널 시스템을 폐로하거나 재배치할 수 있습니다.
• 인접한 태양광 모듈과 에너지 하베스팅 장비를 연결하는 모든 배선은 해당 지역의 전기 코드에 따라 설치되어야 하며, 기후 조건에 적합한 도관에서 작동되어야 합니다.

휴대용

휴대용 태양광 패널은 USB 포트를 통해 장치(모바일, 라디오 등)를 충전하거나 파워뱅크를 충전하기에 충분한 전류를 확보할 수 있습니다.

이 패널의 특장점은 높은 유연성, 높은 내구성 및 방수 특성을 포함합니다.그것들은 여행이나 캠핑에 좋습니다.

추적

태양광 트랙커는 기계적 복잡성과 유지보수의 필요성 증가로 모듈당 생산되는 에너지를 증가시킵니다.태양의 방향을 감지하고 필요에 따라 모듈을 기울이거나 회전시켜 빛에 최대한 노출되도록 합니다.^[21][22]

또는 고정 랙은 모듈을 지정된 기울기(제니스 각도)로 하루 종일 고정시키고 지정된 방향(방위각)을 향하도록 유지할 수 있습니다.설치의 위도와 동일한 기울기 각도가 일반적입니다.일부 시스템에서는 일 년 중 시간에 따라 기울기 각도를 조정할 수도 있습니다.^[23]

반면, 동서향 어레이(예를 들어 동서향 지붕을 덮음)는 일반적으로 구축됩니다.이러한 설치는 개별 태양 전지판에서 가능한 최대 평균 전력을 생산하지는 않지만, 이제 전지판의 비용은 추적 메커니즘보다 저렴하며, 북쪽 또는 남쪽을 향하는 시스템보다 아침 및 저녁 피크 수요에 더 경제적으로 가치 있는 전력을 제공할 수 있습니다.^[24]

집중기

일부 특수 태양 PV 모듈은 렌즈나 거울에 의해 빛이 더 작은 셀로 집속되는 집광기를 포함합니다.이를 통해 높은 태양 노출 면적을 사용하는 절충점과 함께 매우 효율적이지만 값비싼 셀(예: 비소 갈륨)을 비용 효율적으로 사용할 수 있습니다.^{[citation needed]}햇빛을 집중시키면 효율도 약 45%^[25]까지 높일 수 있습니다.

광포착

태양 전지에 의해 흡수되는 빛의 양은 태양 전지에 닿는 어떤 직사광선의 입사각에 달려 있습니다.이는 패널에 떨어지는 양이 입사각의 코사인에 비례하기 때문이기도 하고, 입사각이 높은 곳에서 더 많은 빛이 반사되기 때문이기도 합니다.총 에너지 출력을 최대화하기 위해 모듈은 종종 남쪽(북반구) 또는 북쪽(남반구)을 향하도록 배치되고 위도에 맞게 기울어집니다.태양 추적은 입사각을 작게 유지하는 데 사용될 수 있습니다.

태양 전지판은 종종 반사 방지 코팅으로 코팅되는데, 반사 방지 코팅은 굴절률이 실리콘과 공기 사이의 중간인 물질의 하나 이상의 얇은 층입니다.이것은 반사된 빛에 파괴적인 간섭을 일으켜 양을 감소시킵니다.태양광 제조업체들은 개선된 반사방지 코팅이나 질감이 있는 유리로 반사율을 낮추기 위해 노력해 왔습니다.^[26][27]

검정력 곡선

일반적으로 개별 태양 전지판의 경우 충분한 전류가 공급되지 않으면 전력이 최대화되지 않습니다.전류가 너무 많이 흐르면 전압이 붕괴됩니다.최적 전류 소모량은 패널에 닿는 태양광의 양에 거의 비례합니다.태양광 패널 용량은 태양광 패널의 MPP(최대 전력점) 값에 의해 지정됩니다.

인버터

태양광 인버터는 패널이 제공하는 직류 전원을 교류 전원으로 변환합니다.

태양광 패널의 MPP(Maximum Power Point)는 MPP 전압(V_mpp)과 MPP 전류(I_mpp)로 구성됩니다.최대전력점 추적(MPPT)을 수행하는 태양광 인버터는 태양전지의 출력(I-V curve)을 샘플링하고 적절한 전기 부하를 인가하여 최대전력을 얻을 수 있습니다.

마이크로 인버터는 각 패널이 주어진 양의 태양광에 대해 가능한 최대 출력을 제공할 수 있도록 독립적으로 작동하지만, 비용이 더 많이 들 수 있습니다.^[28]

모듈 상호 연결

모듈 전기 연결은 모듈에서 전류를 제거하는 도선으로 이루어지며 전류 정격 및 고장 조건에 따라 크기가 조정되며 때로는 인라인 퓨즈가 포함되기도 합니다.

패널은 일반적으로 하나 이상의 패널을 직렬로 연결하여 원하는 출력 전압을 달성하기 위한 스트링을 형성하고, 스트링은 병렬로 연결하여 PV 시스템의 원하는 전류 용량(암페어)을 제공할 수 있습니다.

스트링 연결에서 모듈의 전압은 추가되지만 전류는 가장 낮은 성능의 패널에 의해 결정됩니다.이것은 "크리스마스 빛 효과"라고 알려져 있습니다.병렬 연결에서는 전압이 동일하지만 전류가 추가됩니다.배열은 인버터의 전압 요구 사항을 충족하고 전류 한계를 크게 초과하지 않도록 연결됩니다.

블록킹 및 바이패스 다이오드는 출력을 극대화하기 위해 모듈 내에 통합되거나 외부에서 부분 배열 음영 처리에 사용될 수 있습니다.직렬 연결의 경우 전류가 음영이 있는 모듈을 우회할 수 있도록 모듈과 병렬로 바이패스 다이오드를 배치하여 그렇지 않으면 전류가 심각하게 제한됩니다.병렬 연결의 경우 각 모듈의 스트링에 직렬로 차단 다이오드를 배치하여 음영이 있는 스트링을 통해 역류하는 전류를 방지하여 다른 스트링을 단락시킬 수 있습니다.

커넥터

실외 태양 전지판은 대개 MC4 커넥터를 포함합니다.자동차 태양광 패널에는 보조 전원 콘센트 및/또는 USB 어댑터도 포함될 수 있습니다.실내 패널(태양광 PV 안경, 박막 및 윈도우 포함)은 마이크로 인버터(AC Solar 패널)를 통합할 수 있습니다.

효율성.

각 모듈은 표준 테스트 조건(STC)에서 DC 출력 전력으로 정격이 정해지므로 온필드 출력 전력이 달라질 수 있습니다.전력 범위는 일반적으로 100~365와트(W)입니다.모듈의 효율성에 따라 동일한 정격 출력이 제공되는 모듈의 면적이 결정됩니다. 효율이 8%인 230W 모듈은 효율이 16%인 230W 모듈의 면적보다 두 배나 큽니다.일부 상용 태양광 모듈은 효율이 24%를 초과합니다.^[30][31]현재 가장 ^{[needs update]}잘 달성된 태양광 전환율(태양광 모듈 효율)은 신제품에서 일반적으로 격리된^[32] 셀의 효율보다 낮은 약 21.5%입니다.가장 효율적인 양산형 태양광 모듈은^{[disputed – discuss]} 최대 175W/m²(16.22W/ft²)의 전력 밀도 값을 갖습니다.^[33]

모듈의 전류 대 전압 곡선은 모듈의 전기적 성능에 대한 유용한 정보를 제공합니다.^[34]제조 공정은 동일한 유형의 셀에서도 종종 상이한 모듈 광전지의 전기적 파라미터에 차이를 유발합니다.따라서 I-V 곡선의 실험적 측정만이 태양광 발전 장치의 전기적 파라미터를 정확하게 설정할 수 있습니다.이 측정은 태양광 시스템의 설계, 설치 및 유지보수와 관련성이 높은 정보를 제공합니다.일반적으로 태양광 모듈의 전기적 파라미터는 실내 테스트에 의해 측정됩니다.그러나 실외 테스트는 값비싼 인공 광원이 필요 없고, 샘플 크기 제한이 없으며, 보다 균일한 샘플 조도를 제공하는 등의 중요한 이점을 가지고 있습니다.

보잉사의 자회사인 스펙트롤랩의 과학자들은 효율이 40%가 넘는 다중접합 태양 전지를 개발했다고 발표했습니다. 이는 태양 광전지의 세계 신기록입니다.^[35]Spectrolab 과학자들은 또한 농축 태양 전지가 미래에 45% 또는 50% 이상의 효율을 달성할 수 있을 것으로 예측하고 있으며, 이론적 효율은 세 개 이상의 접합부가 있는 전지에서 약 58%입니다.

태양 전지판의 용량은 주로 지리적 위도에 따라 제한되며 구름 덮개, 먼지, 낮의 길이 및 기타 요인에 따라 크게 달라집니다.영국에서는 계절별 용량 요소가 2%(12월)에서 20%(7월)에 이르며, 연평균 용량 요소는 10~11%인 반면 스페인에서는 18%^[36]에 달합니다.전 세계적으로, 유틸리티 규모 PV 농장의 용량 요소는 2019년에 16.1%였습니다.^[37]

과열은 태양 전지판의 효율을 높이는 가장 중요한 요소입니다.^[38]

방사선 의존 효율

건설에 따라, 태양광 모듈은 다양한 광의 주파수로부터 전기를 생산할 수 있지만, 일반적으로 전체 태양 복사 범위(특히 자외선, 적외선 및 저광 또는 확산광)를 커버할 수는 없습니다.따라서 입사되는 태양광 에너지의 대부분이 태양광 모듈에 의해 낭비되며, 단색광으로 비추면 훨씬 더 높은 효율을 얻을 수 있습니다.따라서 또 다른 설계 개념은 빛을 6~8개의 다른 파장 범위로 나누어 다른 색의 빛을 만들어 내고, 그 범위에 맞춰 조정된 다른 세포에 빛을 지향시키는 것입니다.^[39]

성능 및 저하

모듈 성능은 일반적으로 표준 시험 조건(STC) 하에서 평가됩니다(1,000 W/m의² 조사 조도, AM 1.5의 태양 스펙트럼, 25 °C의 모듈 온도).^[40]모듈의 실제 전압 및 전류 출력은 조명, 온도 및 부하 조건이 변화함에 따라 변하므로 모듈이 작동하는 특정 전압이 하나도 없습니다.성능은 지리적 위치, 시간대, 일년 중 요일, 일사량, 모듈의 방향 및 기울기, 클라우드 커버, 음영, 오염, 충전 상태, 온도 등에 따라 다릅니다.모듈 또는 패널의 성능은 DC 클램프 미터 또는 션트를 사용하여 서로 다른 시간 간격으로 측정할 수 있으며 차트 기록기 또는 데이터 로거를 사용하여 기록, 그래프 또는 차트화할 수 있습니다.

최적의 성능을 위해 태양 전지판은 직사광선에 수직인 동일한 방향으로 배열된 유사한 모듈로 제작되어야 합니다.바이패스 다이오드는 파손되거나 음영이 있는 패널을 우회하고 출력을 최적화하는 데 사용됩니다.이러한 바이패스 다이오드들은 연속적인 흐름을 만들기 위해 보통 태양 전지 그룹들을 따라 배치됩니다.^[41]

전기적 특성으로는 공칭 전력(P_MAX, W로 측정), 개방 전압(V_OC), 단락 전류(I_SC, 암페어로 측정), 최대 전력 전압(V_MPP), 최대 전력 전류(I_MPP), 피크 전력(Watt-peak, W_p), 모듈 효율(%) 등이 있습니다.

개방 회로 전압 또는 V는_OC 전기 회로 또는 시스템에 연결되지 않았을 때 모듈이 생성할 수 있는 최대 전압입니다.^[42]V는_OC 조명이 켜진 모듈의 단자 또는 연결되지 않은 케이블에서 직접 전압계로 측정할 수 있습니다.

최대 전력 정격 W는_p 표준 테스트 조건에서 최대 출력입니다(가능한 최대 출력이 아님).일반적인 모듈은 약 1 x 2m(3ft x 7ft)로 측정할 수 있으며, 효율성에 따라 최저 75W에서 최고 600W까지 등급이 매겨집니다.테스트 시 테스트 모듈은 테스트 결과에 따라 빈(bin) 처리되며 일반 제조업체는 모듈을 5W 단위로 평가하고 +/- 3%, +/- 5%, +3/-0% 또는 +5/-0%^[43][44][45]로 평가합니다.

온도의 영향

태양광(PV) 모듈의 성능은 환경 조건에 따라 달라지는데, 주로 모듈 평면에서 글로벌 입사 조사조도 G에 따라 달라집니다.그러나 p-n 접합의 온도 T는 단락 전류 ISC, 개방 회로 전압 VOC 및 최대 전력 Pmax와 같은 주요 전기적 매개 변수에도 영향을 미칩니다.일반적으로 VOC는 T와 유의한 역상관관계를 보이는 반면 ISC의 경우 이 상관관계는 직접적이지만 약하여 이러한 증가가 VOC의 감소를 보상하지 못하는 것으로 알려져 있습니다.결과적으로 T가 증가하면 Pmax는 감소합니다.이러한 태양전지의 출력과 접합부의 작동 온도 사이의 상관관계는 반도체 물질에 따라 달라지며, T가 고유 캐리어, 즉 전자와 갭의 농도, 수명, 이동성에 미치는 영향에 기인합니다.태양광 전지 안에.

온도 민감도는 일반적으로 온도 계수로 설명되며, 각 계수는 접합 온도에 대해 참조하는 매개 변수의 도함수를 나타냅니다.이러한 매개 변수 값은 태양광 모듈의 모든 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다. 다음과 같습니다.

- β: ∂VOC/∂T에 의해 주어진, T에 대한 VOC 변동 계수.

- α: ∂ ISC/ ∂T에 의해 주어진 T에 대한 ISC의 변동 계수.

- δ: ∂Pmax/ ∂T에 의한 T에 대한 Pmax 변동계수.

실험 데이터로부터 이러한 계수를 추정하는 기술은 문헌에서^[46] 찾을 수 있습니다.

퇴화

태양광 모듈이 비, 우박, 폭설 부하, 열과 추위의 주기에 의한 손상을 견디는 능력은 제조사에 따라 다르지만, 미국 시장의 대부분의 태양광 패널은 우박에 견디기 위한 테스트를 거쳤다는 것을 의미합니다.^[47]

전위 유도 열화(potential-induced degradation, PID라고도 함)는 소위 스트레이 전류(stray currents)에 의해 발생하는 결정성 태양광 모듈에서 전위 유도 성능 저하입니다.^[48]이 영향으로 최대 30%^[49]의 전력 손실이 발생할 수 있습니다.

태양광 기술의 발전은 활성화 에너지를 낮추기 위해 실리콘 기판을 "도핑(doping)"하는 과정을 가져왔고, 이를 통해 패널은 광자를 회수 가능한 전자로 더 효율적으로 변환할 수 있게 되었습니다.^[50]

보론(p-type)과 같은 화학 물질은 원자가 및 도체 대역에 실질적으로 더 가까운 도너 및 억셉터 에너지 레벨을 생성하기 위해 반도체 결정에 적용됩니다.^[51]그렇게 함으로써, 붕소 불순물을 첨가하면 활성화 에너지가 1.12 eV에서 0.05 eV로 20배 감소할 수 있습니다.전위차(E_B)가 매우 낮기 때문에, 붕소는 실온에서 열 이온화될 수 있습니다.이를 통해 전도 및 원자가 대역의 자유 에너지 운반체를 허용하여 광자를 전자로 더 많이 변환할 수 있습니다.

태양광(PV) 장치의 전력 출력은 시간이 지남에 따라 감소합니다.이러한 감소는 태양 복사와 다른 외부 환경에 노출되기 때문입니다.태양광 발전소의 장기 생산량을 결정하는 핵심 요소는 출력 손실의 연간 비율로 정의되는 열화 지수입니다.이 열화를 추정하기 위해 각 전기적 매개변수와 관련된 감소율(%)입니다.태양광 모듈의 개별 열화는 완전한 스트링의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.또한, 동일한 설치의 모든 모듈이 동일한 속도로 성능이 저하되는 것은 아닙니다.장기간 실외 조건에 노출된 모듈 세트를 고려할 때, 주요 전기 파라미터의 개별적인 열화와 그 분산의 증가를 고려해야 합니다.각 모듈의 성능이 서로 다르게 저하되는 경향이 있기 때문에 시간이 지남에 따라 모듈의 동작이 점점 더 달라지게 되어 공장의 전체 성능에 부정적인 영향을 미치게 됩니다.

문헌에서 이용 가능한 다양한 태양광 기술을 기반으로 한 모듈의 전력 열화 분석을 다루는 여러 연구가 있습니다.최근 연구에 따르면,^[52] 결정질 실리콘 모듈의 열화는 매우 규칙적이며, 매년 0.8%에서 1.0% 사이에서 진동합니다.

한편, 박막 태양광 모듈의 성능을 분석하면 초기 몇 달, 심지어 2년까지 지속될 수 있는 강력한 열화가 관찰되고, 이후에 열화가 안정화되어 결정질 실리콘과 유사한 단계로 진행됩니다.^[53]태양 스펙트럼의 영향이 훨씬 더 크기 때문에 이러한 박막 기술에서도 계절적인 변화가 강하게 관찰됩니다.예를 들어, 비정질 실리콘, 마이크로모픽 실리콘 또는 카드뮴 텔루라이드 모듈의 경우, 3%에서 4%^[54] 사이의 첫 해에 대한 연간 열화율에 대해 이야기하고 있습니다.그러나 CIGS와 같은 다른 기술은 초기에도 훨씬 낮은 열화율을 보여줍니다.

유지

일반적으로 20% 범위의 태양 전지판 변환 효율은 태양 전지판에 먼지, 먼지, 먼지, 꽃가루 및 기타 미립자가 축적됨으로써 감소되며, 이를 총칭하여 토양이라고 합니다."더러운 태양 전지판은 높은 먼지/오염이 심한 지역이나 사막 지역에서 전력 성능을 최대 30%까지 줄일 수 있습니다."라고 Houston 대학 물리학 부교수이자 나노 구조물의 설계, 엔지니어링 및 조립을 전문으로 하는 나노 에너지 연구소 소장인 Seamus Curran은 말합니다.^[55]2018년 세계 평균 토양 손실은 최소 3%에서 4%^[56]로 추정됩니다.

2019년 현재 많은 지역에서 태양 전지판을 청소하기 위해 비용을 지불하는 것은 좋은 투자입니다.^[56]그러나 일부 지역에서는 청소가 비용 효율적이지 않습니다.2013년 현재 캘리포니아에서는 오염으로 인한 재정적 손실이 패널 세척 비용을 감당하기에 충분하지 않았습니다.평균적으로, 캘리포니아의 패널들은 하루 전체 효율의 0.05%보다 약간 적게 손실을 입었습니다.^[57]

태양 전지판 설치 및 유지 보수 작업 시 작업상의 위험도 있습니다.영국의 2015-2018년 연구는 80건의 PV 관련 화재 사건을 조사했으며, 국내 건물 37개와 태양광 발전소 6개를 포함하여 PV 설치로 인해 직접적으로 발생한 20건 이상의 "심각한 화재"를 조사했습니다.1 ⁄3의 사고는 근본 원인이 밝혀지지 않았으며, 대부분의 사고는 설치 불량, 제품 결함 또는 설계 문제로 인해 발생했습니다.화재를 유발하는 가장 빈번한 단일 요소는 DC 격리기였습니다.^[58]

kWh Analytics의 2021년 연구에 따르면 PV 시스템의 연간 평균 성능 저하는 주거용의 경우 1.09%, 비주거용의 경우 0.8%로 이전에 가정했던 것의 거의 두 배에 달합니다.^[59]2021년 모듈 신뢰성 연구에서는 제조업체의 30%가 정션 박스와 관련된 안전 고장을 경험(20%에서 증가)하고 26%의 자재 대금 청구서 고장(20%^[60]에서 증가)하는 등 태양광 모듈 고장률이 증가하는 추세를 보였습니다.

태양광 패널의 청소 방법은 수동 공구, 기계화 공구(트랙터 장착 브러시 등), 설치된 유압 시스템(스프링클러 등), 설치된 로봇 시스템, 배치 가능한 로봇 등 5가지 그룹으로 나눌 수 있습니다.수동 세척 도구는 단연코 가장 일반적인 세척 방법이며, 이는 구매 비용이 낮기 때문일 가능성이 높습니다.그러나 2014년에 수행된 사우디 아라비아의 한 연구에서 "설치된 로봇 시스템, 기계화된 시스템, 설치된 유압 시스템이 태양 전지판을 청소하는 데 사용될 가장 유망한 세 가지 기술일 가능성이 있습니다."^[61]라고 밝혀졌습니다.

폐기물 및 재활용

2021년에는 3만 톤의 PV 폐기물이 있었으며, Bloomberg NEF는 연간 양이 2035년에는 100만 톤 이상, 2050년에는 1000만 톤 이상으로 증가할 것으로 추정했습니다.^[62]비교를 위해 2022년 석탄 발전으로 7억 5천만 톤의 플라이애쉬 폐기물이 생산되었습니다.^[63]미국에서는 2023년 기준으로 폐로된 태양 전지판의 약 90%가 매립지에 버려집니다.^[64]태양열 모듈의 대부분의 부품은 특정 반도체 물질 또는 유리와 다량의 철 및 비철 금속을 포함하여 95%까지 재활용할 수 있습니다.^[65]일부 민간 기업과 비영리 단체는 현재 수명 종료 모듈에 대한 회수 및 재활용 작업을 진행하고 있습니다.^[66]유럽연합 법은 제조업자들이 태양 전지판이 제대로 재활용되는지 확인하도록 요구하고 있습니다.일본, 인도, 호주에서도 유사한 법안이 진행 중입니다.^[67]2023년 호주 보고서는 품질 좋은 중고 패널 시장이 있으며 재사용율을 높이기 위해 권장 사항을 제시했습니다.^{[68]: 33}

Harvard Business Review의 2021년 연구에 따르면 재사용되지 않는 한 2035년까지 폐기된 패널이 새 장치보다 2.56배 이상 많을 것으로 나타났습니다.그들은 그때까지 단일 PV 패널을 재활용하는 비용이 $20–30에 이를 것이며, 이는 PV의 LCOE를 인자 4만큼 증가시킬 것으로 예측했습니다.HBR은 2021년 현재 EU와 유사한 법안이 없는 미국 시장을 분석하면서 의무적인 재활용 법안이 없고 매립지로 보내는 비용이 $1-2에 불과하므로 해체된 패널을 폐기할 상당한 재정적 인센티브가 있다고 지적했습니다.이 연구는 소비자들이 수익을 내기 위해 30년 수명의 중간에 패널을 교체할 것이라고 가정했습니다.^[69]하지만 새로운 패널의 가격은 연구가 끝난 다음 해에 상승했습니다.^[70]2022년 연구에서는 모듈이 이전에 추정했던 것보다 더 오래 지속되는 것으로 나타났으며, 생각했던 것보다 PV 폐기물이 더 적게 발생할 수 있다고 말했습니다.^[71]

재활용 가능성은 모듈에 사용되는 기술의 종류에 따라 달라집니다.

• 실리콘 기반 모듈: 알루미늄 프레임과 정션 박스는 공정 초기에 수동으로 해체됩니다.그런 다음 모듈을 공장에서 파쇄한 후 유리, 플라스틱 및 금속 등의 다양한 분율을 분리합니다.^[72]들어오는 무게의 80% 이상을 회수할 수 있습니다.^[73]PV 모듈의 형태 및 구성은 건물 및 자동차 산업에서 사용되는 플랫 글라스와 유사하므로 플랫 글라스 재활용자가 이 공정을 수행할 수 있습니다.예를 들어, 회수된 유리는 유리 폼 및 유리 단열재 업계에서 쉽게 받아들여지고 있습니다.
• 비실리콘 기반 모듈: 다양한 반도체 재료를 분리하기 위해 화학조 사용과 같은 특정 재활용 기술이 필요합니다.^[74]텔루라이드 카드뮴 모듈의 경우 모듈을 파쇄한 후 서로 다른 분율을 분리하여 재활용 공정을 시작합니다.이 재활용 공정은 유리의 최대 90%와 함유된 반도체 물질의 95%를 회수할 수 있도록 설계되었습니다.^[75]최근 몇 년간 민간 기업들이 상업적인 규모의 재활용 시설을 만들어 왔습니다.^[76]알루미늄 평판 반사판의 경우: 재활용되지 않은 플라스틱 식품 패키지 내부에 존재하는 알루미늄 코팅의 얇은 층(약 0.016mm ~ 0.024mm)을 사용하여 반사판을 제작함으로써 반사판의 유행을^{[clarification needed]} 선도했습니다.^[77]

2010년부터 매년 유럽 회의를 개최하여 제조업체, 재활용 업체 및 연구원들이 모여 PV 모듈 재활용의 미래를 연구하고 있습니다.^[78][79]

생산.

출하된 용량(기가와트)별로 상위 PV 시스템 생산업체 수

모듈생산자	발송물 2019년도에 (GW)[80]
진코솔라	14.2
제이에이 솔라	10.3
트리나 솔라	9.7
롱기 솔라	9.0
캐나디안 솔라	8.5
한화큐셀	7.3
라이젠 에너지	7.0
퍼스트 솔라	5.5
GCL 시스템	4.8
순펑 태양광 발전소	4.0

PV 시스템의 생산은 고전적인 학습 곡선 효과를 따랐으며, 효율성과 생산 생산량의 큰 증가와 함께 상당한 비용 절감이 이루어졌습니다.^[81]

PV 시스템 설치가 전년 대비 100% 이상 성장함에 따라 PV 모듈 제조업체들은 2019년 태양광 모듈 출하량을 크게 늘렸습니다.이들은 적극적으로 역량을 확장해 기가와트 GW 플레이어로 변신했습니다.^[82]펄스솔라에 따르면 2019년 태양광 모듈 상위 10개 업체 중 5개 업체가 2019년 대비 태양광 패널 생산량이 최소 25% 증가했습니다.^[83]

태양 전지판을 생산하는 기초는 실리콘 전지의 사용을 중심으로 합니다.^[84]이러한 실리콘 셀은 일반적으로 태양광을 전기로 변환하는 데 10-20%의^[85] 효율성을 가지며, 현재 새로운 생산 모델은 22%^[86]를 초과합니다.

2018년 세계 5대 태양광 모듈 생산업체는 2018년 한 해 동안 출하용량 기준으로 진코솔라, JA솔라, 트리나솔라, 롱기솔라, 캐나디안솔라였습니다.^[87]

가격.

태양열 전력의 가격은 계속 하락하여 2012년 이후 많은 국가에서 그리드 패리티로 알려진 현상인 전력망의 화석 연료 전력보다 저렴해졌습니다.^[90]

평균 가격 정보는 소량(연간 킬로와트 범위의 모든 크기의 모듈) 구매자, 중간 범위 구매자(일반적으로 연간 최대 10MWp), 대량 구매자(자체 설명 및 최저 가격 접근 가능)의 세 가지 가격 범주로 나뉩니다.장기적으로 보면 셀과 모듈의 가격은 분명히 체계적으로 하락합니다.예를 들어, 2012년의 경우 와트당 수량 비용이 약 US$0.60으로 1970년의 US$150보다 250배나 낮았습니다.^[91][92]2015년 연구에 따르면 1980년 이후 kWh당 가격이 매년 10%씩 하락하고 있으며 2030년까지 태양광이 전체 전력 소비의 20%를 차지할 것으로 예측되는 반면, 국제 에너지 기구는 2050년까지 16%를 차지할 것으로 예측하고 있습니다.^[93]

실제 에너지 생산 비용은 현지 기상 조건에 크게 좌우됩니다.영국과 같은 흐린 나라에서는 스페인과 같은 화창한 나라보다 kWh당 생산 비용이 더 높습니다.

RMI, BoS(Balance of System) 요소에 이어, 비마이크로 인버터 태양광 모듈(배선, 컨버터, 랙킹 시스템 및 다양한 부품)의 비모듈 비용이 전체 설치 비용의 약 절반을 차지합니다.

송전망에 전력을 판매하고 있는 상업용 태양광 발전소의 경우, 태양 에너지 비용은 도매 전력 가격과 일치해야 할 것입니다.이 지점을 '도매 그리드 패리티' 또는 '버스바 패리티'라고 부르기도 합니다.^[90]

옥상 시설과 같은 일부 태양광 시스템은 전기 사용자에게 직접 전력을 공급할 수 있습니다.이러한 경우에는 출력 비용이 사용자가 전기 소비에 대해 지불하는 가격과 일치할 때 설치가 경쟁력을 가질 수 있습니다.이러한 상황을 '소매 그리드 패리티', '소켓 패리티' 또는 '동적 그리드 패리티'라고 부르기도 합니다.^[95]2012년 UN-Energy가 수행한 연구에 따르면 이탈리아, 스페인, 호주와 같이 전기료가 비싼 양지바른 국가와 디젤 발전기를 사용하는 지역이 소매 그리드 패리티에 도달했다고 합니다.^[90]

기준

태양광 모듈에 일반적으로 사용되는 표준:

• IEC 61215 (결정 실리콘 성능), 61646 (박막 성능) 및 61730 (모든 모듈, 안전), 61853 (태양광 모듈 성능 테스트 및 에너지 등급)
• ISO 9488 태양 에너지—어휘.
• UL 1703 from Underwriters Laboratories
• UL 1741 from Underwriters Laboratories
• UL 2703 from Underwriters Laboratories
• CE마크
• EST(Electrical Safety Tester) 시리즈(EST-460, EST-22V, EST-22H, EST-110)

적용들

태양 전지판이나 광전지의 사용을 위한 많은 실용적인 응용들이 있습니다.농업에서 관개용 동력원으로 우선 사용될 수 있습니다.의료 분야에서는 의료 용품을 냉장 보관하는 데 태양 전지판을 사용할 수 있습니다.인프라스트럭처에도 사용할 수 있습니다.PV 모듈은 태양광 시스템에 사용되며 다양한 전기 장치를 포함합니다.

• 태양운하
• 태양광발전소
• 옥상태양광발전시스템
• 독립형 PV 시스템
• 태양광 하이브리드 전력계통
• 집중광전
• 부유식 태양광; 수상 태양광 패널
• 태양열 비행기
• 태양열 정수기
• 태양열 펌프 레이저
• 태양광 자동차
• 태양열 난방
• 우주선과 우주정거장의 태양전지판

한계

전력망에 미치는 영향

옥상 태양광 시스템의 수준이 높아짐에 따라 에너지 흐름은 양방향으로 전환됩니다.지역 발전량이 소비량보다 많을 때, 전력은 그리드로 수출됩니다.그러나, 전통적으로 전기 네트워크는 양방향 에너지 전달을 처리하도록 설계되지 않았습니다.따라서 기술적인 문제가 발생할 수 있습니다.예를 들어, 퀸즈랜드 오스트레일리아의 경우, 2017년 말까지 30% 이상의 가구가 옥상 PV를 사용했습니다.오리 곡선은 2015년 이후로 많은 지역사회에서 자주 나타났습니다.전기가 PV 가구에서 네트워크로 다시 흘러들어감에 따라 과전압 문제가 발생할 수 있습니다.^[96]PV 인버터 역률 조정, 배전기 수준의 새로운 전압 및 에너지 제어 장비, 전선 재실시, 수요측 관리 등 과전압 문제를 해결할 수 있는 방안이 있습니다.종종 이러한 솔루션과 관련된 제한과 비용이 있습니다.

옥상 태양광이 전력 공급이 중단되는 동안 충분한 예비 전력을 공급하기 위해서는 배터리도 필요한 경우가 많습니다.^[97]

태양광 모듈 품질보증

태양광 모듈 품질 보증에는 태양 전지와 태양 전지 패널의 품질 요구 사항이 충족되는지 확인하기 위한 테스트 및 평가가 포함됩니다.태양광 모듈(또는 패널)의 수명은 20년에서 40년 사이로 예상됩니다.^[98]이들은 다양한 온도에서 사용할 때 예상되는 동력을 지속적으로 안정적으로 전달하고 전달해야 합니다.태양광 모듈은 물리적 테스트, 실험실 연구, 수치 분석의 조합을 통해 테스트 될 수 있습니다.^[99]또한 태양광 모듈은 수명 주기의 여러 단계에 걸쳐 평가가 필요합니다.Southern Research Energy & Environment, SGS Consumer Testing Services, TüV Rheinland, Sinovolatics, CEA(Clean Energy Associates), CSA Solar International, Enertis 등 다양한 기업이 태양광 모듈 품질 보증 서비스를 제공하고 있습니다."PV 모듈을 보호하고 품질을 보장하기 위해 일관된 추적 가능하고 안정적인 제조 공정의 구현이 의무화됩니다."

시험단계