적용분야

실리콘 태양전지는 작동 원리 측면에서 포토다이오드와 유사합니다. 일반적으로 얇은 두께의 p형 도핑 웨이퍼와 n형 도핑 웨이퍼를 접합하여 제작됩니다. 이렇게 형성된 p-n 접합부는 n측에 실리콘 나이트라이드(SiNx) 층으로 덮여 있으며, 이 층은 반사 방지 코팅 역할을 합니다. 태양전지에서 생성된 전류를 수집하기 위한 전극은 전면에 은(Ag) 라인 그리드 형태로 형성되고, 후면에는 전면적 알루미늄(Al) 전극이 적용됩니다. 공정 중 발생할 수 있는 단락(short circuit)을 방지하기 위해, 태양전지의 가장자리는 레이저 가공이나 화학적 식각 공정을 통해 전기적으로 절연되어야 합니다.

태양전지 공정 중 발생하는 균열이나 스크래치로 인해 p-n 접합부가 손상되거나, 가장자리 부분에 이상이 생기면 고장이 발생할 수 있습니다. 이러한 결함의 상당수는 원치 않는 누설 전류를 유발합니다. 이와 같은 고장은 공정 유발 션트(process-induced shunts)라 불립니다. 한편, 다결정 실리콘에는 침전물(precipitate)이 존재할 수 있으며, 이는 태양전지 내부에서 단락을 일으키는 재료 유발 션트(material-induced shunts)의 원인이 될 수 있습니다. 태양전지에서 션트는 암전류(dark current)가 증가하는 영역을 의미하며, 이는 전지의 효율을 크게 저하시킬 수 있습니다. 기원에 관계없이 모든 유형의 션트는 태양전지 효율에 부정적인 영향을 미치므로, 가능한 한 철저히 방지해야 합니다.

션트는 대부분 육안으로 확인하기 어렵지만, 태양전지 제조사는 전지 효율을 향상시키기 위해 이러한 결함을 반드시 찾아내고 제거해야 합니다. 또한 션트는 국부적인 발열을 유발하여 핫스팟을 형성하며, 장기적으로 태양전지 또는 모듈 전체에 손상을 줄 수 있습니다. 이는 태양광 모듈의 조기 열화나 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 션트를 정확히 식별하고 제거하여 션트가 없는 태양전지를 공급하는 것은 제품의 신뢰도 유지와 시장 경쟁력 확보를 위해 필수적입니다.

션트는 국부적으로 전류가 증가하는 영역을 형성하며, 이로 인해 국소적인 발열이 발생합니다. 션트의 크기에 따라 배경 온도 대비 수 mK에서 수 켈빈(K)에 이르는 열적 핫스팟이 생성될 수 있습니다. 일반적인 적외선 카메라의 노이즈 한계가 현실적으로 약 40~100 mK 범위에 있기 때문에, 비교적 강한 국부 열원은 검출이 가능합니다. 이는 강한 션트를 식별하는 데에는 충분한 수준입니다.

그러나 미세한 태양전지 결함은 기존의 정상 상태 열화상(steady-state thermography) 방식으로는 확인되지 않을 수 있습니다. 또한 태양전지 내부의 횡방향 열전도(lateral heat conduction)로 인해, 국부적인 열원이 정상 상태 열화상에서는 번져 보일 수 있습니다.

태양전지 내 매우 미세한 션트를 영상화하기 위해서는 일루미네이티드 록인 기법(ILIT, Illuminated Lock-in Thermography)을 사용해야 합니다. 일루미네이티드 록인 열화상은 태양전지 생산 라인에 적용할 수 있을 만큼 빠른 속도를 갖춘 비파괴 특성화 방법입니다.

이 기법의 기본 개념은 션트가 갖는 동적이고 시간에 따라 변하는 열 거동을 드러내는 데 있습니다. 션트는 주변 영역과는 다른 열적 물성치를 가지므로, 태양전지 접합부의 다른 부분과는 열적으로 상이한 반응을 보입니다. 입력된 에너지 파동이 물체 표면으로 침투하면 흡수되면서 위상 이동이 발생합니다. 이 에너지 파동이 물체 내부에서 주변 재료와 열물성이 다른 영역을 만나면, 파동의 일부가 반사됩니다. 반사된 파동은 표면에서 유입되는 파동과 간섭을 일으켜, 국부적인 표면 온도에 열파와 동일한 주파수로 진동하는 간섭 패턴을 형성합니다. 따라서 태양전지에는 일정한 주파수의 주기적 자극이 가해지며, 그에 따른 시간 의존적 열 거동을 여러 주기에 걸쳐 관찰합니다. 이 과정에서 션트는 태양전지의 다른 부분과는 다른 진폭과 위상 응답으로 열 자극에 반응하게 됩니다.

광 펄스는 조명 강도가 주기적으로 상승과 하강을 반복하는 스텝 함수(step function) 형태로, 해당 주파수 성분을 가진 열을 대상에 지속적으로 전달합니다. 이때 열화상 카메라는 태양전지에서 방출되는 열 반응을 모니터링합니다. 품질 시험의 하나로 수행되는 태양전지 플래시 ILIT 공정에서는 태양광 패널에 고강도의 빛을 조사합니다. 플래시 테스트 동안 PV 모듈은 크세논 충전 아크 램프, 메탈 할라이드 램프 또는 LED에서 발생하는 짧지만 매우 강한 빛에 노출됩니다. 이들 램프에서 방출되는 광 스펙트럼은 태양광 스펙트럼과 최대한 유사해야 합니다.

플래시 램프는 약 5500K에서 6200K의 색온도를 갖는 연속적인 분광 파워 분포를 생성하며, 200 nm에서 1200 nm에 이르는 파장 범위를 커버합니다. 시험 중 태양전지의 온도는 일반적으로 실온 수준이며, 태양광 패널의 최적 동작 온도는 약 25 °C입니다. 광원 방출과 동일한 분광 영역에서 단파장 적외선 카메라를 사용하는 경우, 신호 간섭(crosstalk) 가능성과 비교적 낮은 온도 범위로 인해 적용이 어려울 수 있습니다. 따라서 장파장(LT) 대역의 기존 적외선 카메라가 최적의 선택이 됩니다.

록인 주파수(lock-in frequency)에 맞춰 광 펄스가 인가되며, 이는 빛을 방출하는 태양 시뮬레이터를 트리거합니다. 록인 주파수는 적외선 카메라의 프레임 레이트에 따라 결정됩니다. 섀넌–나이퀴스트 샘플링 정리와 입력 신호, 열 자극, 그리고 열 응답 간의 2상 상관 관계로 인해, 사용 가능한 최대 록인 주파수는 적외선 카메라 프레임 레이트의 1/4 수준입니다. 비냉각식 적외선 카메라의 경우, 볼로미터 검출기의 응답 시간이 제한적이기 때문에 볼로미터의 열 시간 상수는 약 8~15 ms 범위에 있으며, 이로 인해 물리적으로 의미 있는 샘플링 주파수는 약 125 Hz로 제한됩니다. 따라서 30 Hz 이하의 록인 주파수 또는 30~50 ms 수준의 노출 시간이 가능합니다. 다만 IR 카메라는 록인 공정과 직접적으로 동기화할 수는 없지만, 광 펄스 트리거는 적외선 카메라의 프레임 트리거 신호로부터 쉽게 생성할 수 있습니다.

기록이 완료되면, 열화상 이미지 스택에는 자극 신호와 높은 동기성을 유지한 상태에서의 가열 및 냉각 단계가 나타납니다. 각 픽셀에 대한 시간에 따른 신호(time series)를 추출하여 입력 신호와 연관시키며, 서로 다른 수학적 방법을 통해 두 신호 간의 전달 함수(transfer function)를 평가할 수 있습니다. 일반적으로 최대 가열 진폭을 정량화하기 위해 전력 스펙트럼 밀도(power spectral density)를 사용하고, 두 신호 간의 위상 지연을 확인하기 위해 상호 상관(cross-correlation) 분석을 활용합니다.

신호 대 잡음비(SNR)는 반복 횟수를 늘리거나, 자극 강도를 높이거나, 열 잡음이 더 낮은 적외선 카메라를 사용함으로써 향상시킬 수 있습니다.

일루미네이티드 록인 열화상(illuminated lock-in thermography)은 태양전지를 분석하는 데 매우 높은 감도를 제공하는 도구로, 국부적인 효율과 고장 메커니즘에 대한 상세한 정보를 제공합니다. 미세한 열원까지 감지하고 정량적 평가를 수행할 수 있는 이 기술은, 매우 약한 션트까지 위치를 정확히 파악하여 태양전지 성능을 개선하는 데 큰 가치를 지닙니다.

션트의 심각도와 유형에 따라, 제조사는 영향을 받은 태양전지를 수리하려고 시도할 수 있습니다. 이 과정에는 레이저 기반 기술을 활용해 션트가 발생한 영역을 전기적으로 분리하거나, 결함이 표면과 관련된 경우 전지를 재공정하는 방법이 포함될 수 있습니다. 션트를 효과적으로 복구할 수 없는 경우에는, 해당 결함 전지는 일반적으로 생산 라인에서 제거되어 모듈로 조립되는 것을 사전에 방지합니다.

Optris는 모든 생산 공정이 서로 다르기 때문에 록인 알고리즘에 대한 평가 소프트웨어를 별도로 제공하지 않습니다. 측정 결과 데이터는 정상 전지와의 비교를 통해 해석되어야 하며, 이에 대한 전문적인 판단이 필요합니다. 록인 알고리즘은 본질적으로 재료 간의 차이를 식별하는 데 목적이 있으며, 션트의 크기나 정도를 정량화하는 기능은 아닙니다. 따라서 재료에 대한 통찰을 극대화하기 위해서는, 록인 알고리즘을 반복적으로 조정하고 개선하는 과정이 일반적으로 필요합니다.

냉각식 적외선 카메라는 일반적으로 더 낮은 열 잡음과 더 높은 프레임 레이트를 제공하여, 훨씬 높은 비용에도 불구하고 보다 선명한 록인(lock-in) 이미지를 구현할 수 있습니다. 그러나 본 애플리케이션에서는 사용된 Xi400 적외선 카메라가 충분한 성능을 입증하였으며, 대량 생산 환경의 시험 장비에서는 가격 대비 성능 비율이 무엇보다 중요합니다.

Optris Xi400 적외선 카메라의 80 Hz 고프레임 레이트와 태양 시뮬레이터의 플래시 광원을 트리거할 수 있는 기능은 본 적용 사례에서 특히 중요한 요소였습니다. 또한 광범위한 SDK와 MATLAB 또는 Python과의 연동 기능을 통해, 엔지니어들이 열화상 데이터에 쉽게 접근하고 이를 활용한 기능 구현이 가능하도록 지원합니다.