소자 형상과 모듈

학습 목표

솔버는 면적을 모릅니다. 1차원 모형이라 두께 방향만 보고, 결과를 단위 면적당 값(A/m², mA/cm²)으로 돌려줍니다. 실제 소자를 만들려면 면적과 연결 방식을 붙여야 합니다. 소자 형상 패널이 그 일을 합니다.

같은 물리가 세 가지 완전히 다른 제품이 됩니다.

전류밀도에서 전류로

I = J \times A_{\text{수광}}

40 mA/cm²인 셀을 100 cm²로 만들면 4 A입니다. 전압은 면적과 무관합니다 — Voc는 재료와 재결합이 정하는 값이라 셀을 크게 만들어도 그대로입니다.

이것이 태양전지의 근본 성질입니다. 큰 셀 하나는 전류가 크고, 작은 셀 여러 장을 직렬로 쌓으면 전압이 큽니다. 전력은 같습니다.

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 — 전압을 곱합니다. 60셀 모듈이 Voc ~40 V를 내는 이유입니다. 인버터가 요구하는 전압대(수백 V)를 맞추려면 직렬이 필요합니다.
병렬 — 전류를 곱합니다.

전력은 어느 쪽이든 같으므로, 연결 방식은 전기적 편의의 문제입니다. 실무에서 직렬이 압도적으로 많은 이유는 같은 전력을 낮은 전류로 보내면 배선 저항 손실 ( $I^2R$ )이 훨씬 작기 때문입니다.

주의 — 직렬의 대가: 직렬 스트링은 가장 약한 셀이 전체 전류를 제한합니다. 한 장에 그늘이 지면 스트링 전체가 그 셀의 전류로 떨어집니다. 이 모형은 모든 셀이 동일하다고 가정하므로 그 불일치 손실은 다루지 않습니다.

전면에 금속 전극(그리드)이 있어야 전류를 모을 수 있는데, 그 금속이 빛을 가립니다. 전형적으로 전체 면적의 3~6% 입니다.

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

그림자는 전류만 깎고 전압은 건드리지 않습니다. 빛이 줄어든 만큼 광전류가 줄지만, 남은 부분의 재결합 조건은 그대로이기 때문입니다. 스튜디오에서 그림자를 0에서 0.1로 올려 보면 Isc만 10% 줄고 Voc는 소수점 아래에서만 움직입니다.

여기에 설계 트레이드오프가 있습니다. 그리드를 촘촘하게 하면 직렬저항이 줄지만 그림자가 늘고, 성기게 하면 반대입니다. 최적 그리드 설계가 셀 제조의 큰 주제입니다.

\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 효율이 항상 더 높습니다. 그림자를 분모에서 뺐기 때문입니다.

5% 그림자면 두 값이 5% 차이 납니다 — 20.0% vs 21.1%. 셀 효율 기록을 비교할 때 이 차이를 확인하지 않으면 잘못된 비교가 됩니다. 스튜디오가 두 값을 나란히 보여주는 이유입니다.

셀 크기와 전력 — 형상 프리셋을 실험실 셀 (1 cm²)에서 M2 웨이퍼로 바꿔 보세요. Pmax가 244배 커지고 Voc는 그대로입니다.
모듈로 가기 — 60셀 모듈을 고르면 Voc가 60배가 되어 수십 V가 됩니다. 실제 모듈 데이터시트와 비교해 보세요.
그림자 대가 — 그림자를 0.03에서 0.10으로 올리면 전체면적 효율이 얼마나 떨어지는지, 수광면적 효율은 얼마나 안 떨어지는지 확인하세요.

전부 모듈 수준의 2D/3D 문제입니다. 자세한 것은 한계에 있습니다.

실제 야외에서 이 소자가 하루에 얼마나 발전하는지는 하루 발전량에서 다룹니다.