에너지연-표준연, 협력연구 통해 핵심 인프라기술 개발
선진국 수준의 기술력 확보…측정 정밀도 대등해

한국에너지기술연구원(황주호 원장)과 한국표준과학연구원(김명수 원장)이 의기투합, 태양광 전지 관련 기술 개발에서 뛰어난 성과를 거뒀다. 2009년부터의 공동의 연구를 통해 미국과 독일, 일본 등 태양광 기술 선진국과 대등한 수준의 '1차 기준 태양전지 교정기술'을 개발하는데 성공한 것이다.

에너지연과 표준연 공동 연구팀은 13일 솔라 시뮬레이터의 절대복사도 측정방법과 미분 분광감응도 측정방식을 활용해 세계선도 기관과 측정 일치도가 99.5% 이상인'1차 기준 태양전지 교정기술'을 확보했다고 밝혔다.

1차 기준 태양전지는 태양전지 중 가장 높은 정밀도를 가지고 있어 시험기관이나 생산 현장에서 사용하는 태양전지의 성능을 평가하기 위한 최상위 비교기준으로, 신뢰성에 절대적인 영향을 미친다.
 

▲1차 기준 태양전지 교정시스템(에너지연). ⓒ2011 HelloDD.com

우리나라는 그동안 태양전지 성능을 평가하기 위해 외국에서 교정한 1차 기준 태양전지에 의존해 왔다. 그 결과 측정의 신뢰도나 자립성 부족이 문제점으로 지적돼 왔다. 그러나 표준연이 보유한 광측정 표준기 교정 기술과 에너지연이 보유한 태양전지 성능평가 기술을 결합해 해외 선도기관과 일치하는 결과를 보임으로써 1차 기준 태양전지 교정기술의 국산화를 이루게 됐다.

공동연구팀은 이번에 확보한 1차 기준 태양전지 교정기술을 바탕으로 국제규격으로 정해진 2차 기준 태양전지를 표준 기준물로 개발, 국내 산업체와 시험기관에 보급하고 교정하는 서비스를 제공할 예정이다.

또한 1차, 2차 기준 태양전지 교정에 관한 국제협력프로그램인 WPVS(World Photovoltaic Scale : 세계태양전지눈금)에 참여해 국내에서 생산되는 태양전지 제품의 성능평가 신뢰도를 제고하는데도 기여할 예정이다.
 

▲구축된 1차 기준 태양전지 교정시스템. ⓒ2011 HelloDD.com

연구총괄책임자인 윤경훈 에너지연 박사는 "이 기술을 통해 최근 태양전지 기술개발과 생산에 박차를 가하고 있는 국내 태양광 산업에 세계 최고 수준의 성능평가 서비스를 제공할 수 있게 됐다"며 "이번 연구는 태양전지 성능평가 기술의 자립성을 확보해 국내 태양광산업의 수준을 한 단계 끌어올렸다는 점에서 큰 의미를 가진다"고 말했다.

참여연구원인 이동훈 표준연 박사는 "국가 측정표준 확립 및 보급과 태양광을 연구하는 최고의 기관들이 서로 협력해 국가가 반드시 확보해야 할 인프라 기술을 개발한 사례로 그 의미가 더욱 크다"고 소감을 밝혔다.

◆ 1차 기준 태양전지 교정기술이란?
 

▲1차 기준태양전지 교정 개략도. ⓒ2011 HelloDD.com

태양광을 흡수해 전기를 만들어 내는 태양전지나 태양광 모듈의 출력과 효율 등의 성능은 반드시 국제규격으로 통용되는 표준시험조건(Standard Test Condition; STC)에서 측정한 값으로 표기된다.

빛의 세기는 1kW/㎡, 빛의 파장별 분포는 AM(에어매스) 1.5, 태양전지의 온도는 25 ℃로 정해져 있다. 측정시험은 최대한 이 조건에 맞아야 하고, 그 조건이 벗어나면 그 만큼 보정해야 한다.

공인된 시험기관이나 생산 현장에서 태양전지의 성능을 측정할 때는 자연 태양광 하에서 하지 않고 옥내에서 자연 태양광과 그 세기와 파장 분포가 매우 유사한 솔라 시뮬레이터(인공 태양광원 혹은 모의 태양광원으로 번역)를 이용한다.

그 이유는 자연 태양광이 시간과 장소에 따라 변화가 심해 측정의 정확도가 떨어지고 또 생산현장에서 실시간 측정에 이용할 수 없기 때문이다. 태양전지의 성능을 측정할 때는 그 세기가 항상 1 kW/㎡가 되도록 유지시켜야 하는데, 이런 목적으로 사용하는 것이 기준 태양전지이다.

기준 태양전지는 위의 표준시험조건에서 측정한 전류값이 매겨져 있어, 솔라 시뮬레이터 하에서 이 전류값이 나오도록 솔라 시뮬레이터의 세기를 우선 맞춘 다음에, 실제로 측정하고자 하는 태양전지 시료를 측정하게 되는 것이다.

기준 태양전지는 그 수준에 따라 생산현장에서 사용하는 작업용 기준 태양전지, 공인된 시험기관에서 사용하는 2차 기준 태양전지, 그리고 가장 상위의 교정 정밀도를 가진 1차 기준 태양전지로 나뉘어진다.

상업용과 연구용 태양전지의 성능평가는 보통 작업용 기준 태양전지나 2차 기준 태양전지를 이용하며, 1차 기준 태양전지는 다른 하위의 기준 태양전지를 교정하기 위한 비교 기준으로 사용된다.

이번에 개발된 1차 기준태양전지 교정시스템은 자연 태양광과 유사한 빛을 인공적으로 발생시켜주는 솔라 시뮬레이터, 솔라 시뮬레이터에서 나오는 빛의 전체 세기와 파장별 분포를 측정하는 절대복사계와 분광복사계, 솔라 시뮬레이터에서 나오는 빛에 대응해 태양전지가 출력하는 단락전류 측정기, 그리고 파장별 빛에 대한 태양전지의 감응도를 측정하는 분광응답 측정기로 구성된다.

측정의 정밀도 확보를 위해 분광복사계와 분광응답 측정기는 최상위의 측정표준을 이용해 사전에 교정해야 하는데, 분광복사계는 분광복사조도 측정용 표준전구를, 그리고 분광응답도는 표준 광검출기를 사용해 교정한다.

이 2가지 기술은 표준연에서 이미 세계 최고수준의 기술을 확보하고 있다. 이렇게 다수의 정밀한 장치들이 요구되는 이유는 기준태양전지의 출력 전류신호를 표준시험 조건에서의 값으로 환산하기 위한 것으로, 분광복사계와 절대복사계, 분광응답도 측정기 등은 환산을 위한 보정인자 도출에 사용된다.

각 시스템 구성 요소 외에 1차 기준태양전지 교정의 정밀도에 가장 큰 영향을 끼치는 요인은 기준태양전지를 포함한 측정 장치들의 위치 정렬과 사용된 측정 표준들의 교정 정밀도들로, 이번에 양 기관 이를 모두 정밀하게 제어할 수 있는 기술을 확보해냈다.

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