소자 형상과 모듈

학습 목표

솔버는 두께 방향만 해석하는 1차원 모형이며, 면적을 입력받지 않는다. 결과는 단위 면적당 값(A/m², mA/cm²)으로 계산한다. 실제 소자의 전류와 전력을 구할 때에는 소자 형상 패널에서 면적과 연결 방식을 적용한다.

같은 셀 특성이라도 면적과 연결 방식에 따라 출력이 달라진다.

전류밀도에서 전류로

I = J \times A_{\text{수광}}

전류밀도가 40 mA/cm²인 셀의 면적이 100 cm²이면 전류는 4 A이다. 이 모형에서 전압은 면적에 따라 변하지 않는다. Voc는 재료와 재결합에 의해 결정되므로 면적만 늘려도 같은 값을 유지한다.

큰 셀 하나는 큰 전류를 내고, 작은 셀 여러 개를 직렬로 연결하면 높은 전압을 얻는다. 이때 전력은 같다.

V_{\text{직렬}} = N_s V_{\text{cell}}, \qquad I_{\text{병렬}} = N_p I_{\text{cell}}

P = N_s N_p \times P_{\text{cell}} \quad (\text{연결 방식과 무관})

직렬 연결에서는 셀 수만큼 전압이 증가한다. 60셀 모듈의 Voc가 ~40 V인 이유이다. 인버터가 요구하는 수백 V의 전압대에 맞출 때에도 직렬 연결을 사용한다.
병렬 연결에서는 병렬 수만큼 전류가 증가한다.

전력이 같더라도 연결 방식에 따라 전압과 전류가 달라진다. 실무에서 직렬 연결을 많이 사용하는 이유는 같은 전력을 더 낮은 전류로 전달하면 배선의 저항 손실 ( $I^2R$ )을 줄일 수 있기 때문이다.

직렬 스트링에서는 전류가 가장 작은 셀이 전체 전류를 제한한다. 한 셀에 그늘이 생기면 스트링 전류도 감소한다. 이 모형은 모든 셀이 동일하다고 가정하므로 셀 간 불일치 손실은 다루지 않는다.

전면의 금속 전극인 그리드는 전류를 모으는 역할을 하지만 입사광의 일부를 차단한다. 일반적으로 차광 면적은 전체 면적의 3~6%이다.

A_{\text{수광}} = A_{\text{전체}} \times (1 - f_{\text{그림자}})

이 모형의 차광은 수광면적을 줄여 전류를 감소시킨다. 남은 면적의 재결합 조건은 같으므로 전압에는 영향을 주지 않는다. 스튜디오에서 그림자 비율을 0에서 0.1로 높이면 Isc는 10% 감소하고 Voc의 변화는 소수점 이하 수준이다.

그리드를 촘촘하게 배치하면 직렬저항은 줄지만 차광 면적이 늘어난다. 반대로 간격을 넓히면 차광은 줄고 저항은 증가한다. 그리드 설계에서는 두 손실을 함께 고려한다.

\eta_{\text{전체}} = \frac{P_{max}}{1000\ \mathrm{W/m^2} \times A_{\text{전체}}}, \qquad \eta_{\text{수광}} = \frac{P_{max}}{1000\ \mathrm{W/m^2} \times A_{\text{수광}}}

수광면적 효율은 분모에서 차광 면적을 제외하므로 전체면적 효율보다 높다.

차광 비율이 5%이면 전체면적 효율 20.0%에 대해 수광면적 효율은 21.1%로, 약 5%의 상대 차이가 난다. 효율 기록을 비교할 때에는 면적 기준을 확인해야 한다. 스튜디오는 두 효율을 나란히 표시한다.

셀 크기와 전력: 형상 프리셋을 실험실 셀 (1 cm²)에서 M2 웨이퍼로 바꾼다. Pmax는 244배가 되고 Voc는 같은 값을 유지한다.
모듈의 전압: 60셀 모듈을 선택하면 Voc가 60배가 되어 수십 V에 이른다. 이 값을 실제 모듈 데이터시트와 비교한다.
차광의 영향: 그림자 비율을 0.03에서 0.10으로 높여 전체면적 효율과 수광면적 효율의 변화가 얼마나 다른지 확인한다.

이는 모듈 수준에서 다루어야 하는 2D/3D 문제이다. 자세한 제약은 한계에 있다.

야외 조건에서 하루 동안 생산하는 전기에너지는 하루 발전량에서 다룬다.