높은 온도가 태양전지의 성능에 어떻게 영향을 미치는지 그리고 이를 개선하기 위해 무엇을 할 수 있는지

고온이 태양전지 성능에 미치는 영향

변환 효율 저하

대부분의 태양전지(결정질 실리콘 태양전지 등)는 온도가 상승함에 따라 변환 효율이 감소합니다. 이는 고온에서 반도체 재료인 실리콘 등의 내부 특성이 변화하기 때문입니다. 온도가 상승하면 반도체의 밴드갭 폭이 감소하여 본래의 흥분으로 인해 더 많은 캐리어(전자-홀 쌍)가 생성됩니다. 그러나 이러한 추가적인 캐리어 재결합 확률도 증가하여 전극으로 수집될 수 있는 효과적인 캐리어 수가 상대적으로 감소하게 되어, 결국 배터리의 단락 회로 전류, 개방 회로 전압 및 충전 계수가 감소하고, 결과적으로 변환 효율이 낮아집니다. 예를 들어, 결정질 실리콘 태양전지는 약 -0.4% /°C에서 -0.5% /°C의 온도 계수를 가지며, 이는 온도가 1°C 상승할 때마다 변환 효율이 0.4%에서 0.5% 감소한다는 것을 의미합니다.

수명 단축

고온은 태양 모듈 내부 재료의 노화 과정을 가속화시킵니다. 배터리 포장 재료의 경우, 고온은 포장 필름(EVA 필름 등)의 노화, 황변, 분리 등의 문제를 초래할 수 있습니다. 배터리 자체에 있어서, 고온은 실리콘 웨이퍼 내 격자 결함의 증가를 유발하여 배터리의 장기 안정성과 수명에 영향을 줄 수 있습니다.

고온에서 태양전지의 성능 향상 방법

열 방출 설계

수동 열 방출

태양전지 모듈의 구조 설계는 열 방출에 유리합니다. 예를 들어, 패널 뒷면과 공기 사이의 접촉 면적을 늘리거나, 열전도율이 좋은 재료를 패널 후면판으로 사용하는 것입니다. 금속 후면판이나 높은 열전도율을 가진 복합 후면판을 사용하면 배터리에서 발생한 열이 외부 환경으로 더 쉽게 전달됩니다. 또한, 배터리 구성 요소의 포장 구조를 합리적으로 설계하고, 통기성이 좋은 포장 재료를 사용하여 열 방출을 용이하게 합니다.

주동 열 방출

팬과 같은 강제 공기 냉각 장치를 사용할 수 있습니다. 소형 팬을 태양열 배열에 설치하여 공기의 강제 대류를 통해 배터리 표면의 열을 제거할 수 있습니다. 대규모 태양광 발전소의 경우, 물이나 특수 냉각재가 관을 통해 순환하는 액체 냉각 시스템을 사용할 수도 있습니다. 이 방법은 열 방출 효율이 높지만 비용이 상대적으로 높으며, 대규모 발전소나 높은 발전 효율이 요구되는 특수 응용 사례에 적합합니다.

재료 개선

새로운 반도체 재료

더 나은 온도 특성을 가진 새로운 반도체 재료의 연구와 개발을 통해 태양전지를 제작합니다. 예를 들어, 페로브스카이트 태양전지는 고온에서 상대적으로 좋은 성능 안정성을 보이고 있으며, 결정질 실리콘 셀보다 온도 계수가 낮습니다. 페로브스카이트 배터리는 여전히 일부 기술적 도전과제를 가지고 있지만, 고온 성능 향상에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

고온 내구성 포장 재료

고온 내구성 포장 재료의 개발 및 사용. 예를 들어, 새로운 폴리올레핀 포장 재료를 전통적인 EVA 필름 대신 사용하면, 이 재료는 고온에서 더 나은 안정성을 가지며, 포장 재료의 노화가 배터리 성능에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.

광학 관리 및 온도 보상 기술

광학 관리

광학 설계를 통해 배터리가 흡수하는 과도한 열을 줄입니다. 예를 들어, 선택적 흡수 코팅 또는 광학 반사기를 사용하여 태양전지가 전기를 생성할 수 있는 특정 파장 범위의 빛만 흡수하고, 열이 쉽게 발생하는 다른 파장 범위의 빛은 반사하여 셀 온도를 낮춥니다.

온도 보상 기술

태양전지의 회로 설계에 온도 보상 기술을 사용합니다. 예를 들어, 회로에 온도 센서와 보상 회로를 추가하여 배터리의 온도에 따라 배터리의 작업 상태를 실시간으로 조정합니다. 예를 들어, 부하 저항 변경이나 역방향 바이어스 적용 등을 통해 고온이 배터리 성능에 미치는 부정적인 영향을 줄입니다.