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  1. (LK Solar Tech., Korea.)



Bifacial Module, PV Power Plant, Power Conversion Rate(PCR), Irradiation Reflectance rate(IR)

1. 서 론

2020년 이후의 태양광 시장은 글로벌 상위 국가들의 수요 증가, 지속적인 원가 하락, 그리드 패러티 도달에 대한 기대감 및 기후변화 이슈로 큰 폭의 성장이 가능할 것으로 전망되고 있으며, 국내 태양광 시장은 미・중 무역 상계관세로 우리 기업이 수혜를 보고 있는 PV 모듈 분야에 있어서 2020년 상반기 수출 3.3억 달러로 전년 동기 대비 92[%] 증가하였다(1).

그러나 세계 최대 생산량을 자랑하는 중국 태양광 제조기업 300여 곳이 합병하는 등 매출 감소 및 기술경쟁력에서 밀려나 파산하는 기업들이 증가하고 있고, 우리나라의 경우도 국내 최대 폴리 실리콘 제조사인 OCI 군산공장에서는 폴리실리콘 생산을 포기하는 등 코로나-19로 인한 국내 상황도 예전처럼 좋은 환경만은 아니다(1).

이러한 상황을 타개하기 위해 국내외 기업들은 양면 모듈의 출시를 본격화하고 있으며 2019년에 LG는 국내 최초 양면 모듈의 국내 인증을 완료하고 해외시장을 적극 공략하고 있으며, 한화솔루션, 현대에너지 솔루션, 신성에너지 또한 양면 모듈의 인증을 완료한 제품을 출시하여 국내 태양광 시장도 양면 태양광 시대로 접어들고 있다.

2. 실험방법

2.1 실증 TEST 지역 선정

양면 모듈 태양광 발전시스템을 설치한 실증현장 위치는 전남 강진군에 위치한 태양광 발전소(2018년 9월 준공, 북위 34.4952, 동경 126.7221)이다. 이곳의 지형은 약간의 경사가 있으면서 일사량이 풍부한 지역으로 단면 태양광 모듈이 설치되어 전력을 생산하고 있으며, 본 연구를 위해 기존에 설치되어 있던 단면 모듈의 일부를 비슷한 용량의 양면 모듈로 대체하여 설치한 후 인버터에 접속하여 동일한 환경에서 단면 모듈과 양면 모듈 태양전지에서 발생하는 전력량 패턴을 분석하였다.

양면 모듈 설치 시 후면 발전을 최적화하기 위해서 모듈과 구조물 사이 중간축에 의한 음영이 없도록 상하부 및 모듈 중간을 110[mm] 이격하였으며 경사는 남향 10°로 프레임 고정 세트로 고정하고. 양면 모듈 간 남북(앞뒤) 간격은 1.1[m]를 이격하고, 단면 모듈은 앞뒤 1.6[m]를 이격하였다.

그림 1은 현재 운영 중인 태양광 발전소 전경이며, 그림 2는 태양광 발전소 일부에 설치되어 있는 양면 태양광 모듈의 모습을 나타내고 있다.

그림. 1. (a) 발전소 전경, (b) 설치된 양면 태양광 모듈

Fig. 1. (a) The panoramic view of PV power plant, (b) Install- ation of bifacial solar modules

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실험의 전력계통은 그림 2와 같으며, 측정값은 인버터의 DC 입력 기준값이며, 발전시스템은 양면 모듈과 단면 모듈을 동일 인버터에 연결하여 인버터의 전압, 전류, 전력값의 변화를 비교하였다. 인버터는 양면모듈에 적용 가능한 인버터이며 MPP 전압범위가 200 ~ 1,000[V]인 multi-MPPT string inverter (Sungrow, SG110CX)를 사용하였다(8).

그림. 2. 실험의 전력 계통

Fig. 2. Power system diagram

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2.2 양면 모듈과 단면 모듈 특성

본 실험에서 사용한 양면 모듈은 Almaden(China, Single Crystal 72Cell, 4 Busbar)사 제품으로 380[W] 단결정 태양전지 16개를 직렬연결한 6.08[kWp]의 용량으로 전, 후면 모두 2[mm]의 Glass로 마감하여 제작되었다(9). 기존에 설치되어 있는 단면 모듈은 국내 LS산전(Korea, Single Crystal 72Cell, 4 Busbar) 제품으로 340[W] 단결정 태양전지 18개를 직렬연결한 6.12[kWp] 용량으로(10) 양면 모듈과 단면 모듈의 발전특성 차이는 비교를 위하여 보정 작업을 하였다. 표 1에 양면 모듈과 단면 모듈의 특성을 나타내었다.

양면 모듈은 태양 일사량이 전면 모듈에서 흡수되고, cell과 cell 사이로 투과된 빛은 바닥 표면에서 반사된 후 후면 모듈에서 흡수하여 전력을 발생하기 때문에 투과율을 높이기 위해서는 제작시 셀과 셀 사이의 간격을 더 이격시켜야 할 뿐만 아니라 투명 Back Sheet가 적용된다.

표 1. 양면, 단면 모듈 특성

Table 1. Characteristics of Bifacial Module, Monofacial Module

구 분

양면 모듈

단면 모듈

비고

용 량[Wp]

380(단결정)

340(단결정)

Cell 크기[m]

158.75×158.75

156.75×156.75

전 압(Vmp), [V]

39.84

38.5

전 류(Imp), [A]

9.65

8.84

전 압(VOC), [V]

48.41

47.1

전 류(ISC), [A]

10.04

9.49

직렬회로(1회로)

16직렬

18직렬

최대전압(1회로[V])

637.44

693.0

최대전력(1회로[kW])

6.08

6.12

면적효율[%]

19

17.31

온도계수[%/℃]

-0.3904

-0.44

NOCT 조건

면적 효율[%]은 모듈 용량[kWp]을 모듈 면적[mm]으로 나눈 값으로 면적 효율이 높을수록 좁은 면적에 많은 용량을 설치할 수 있다.

일출 후 태양의 고도가 높아지면 일사량이 상승하고, 인버터는 스타트 기동 전압에 도달 후 인버터의 가동과 함께 전류가 상승, 하락한다. 이때 인버터 스타트 기동 전압에 빠르게 도달하고, 일몰 때까지 최소 기동 전압으로 유지하도록 모듈의 직렬회로(SC) 구성을 검토하며, 관계식은 아래와 같다.

(1)
$S C[E A] \leq \frac{I-P P T-V[V]}{M V_{o c}[V] \times\left(1+25\left[{ }^{\circ} C\right]-L T\left[{ }^{\circ} C\right] \times Y\left[\% /{ }^{\circ} C\right]\right)}$

식 (1)에서 I-PPT-V, M-Voc, LT, Ƴ는 각각 인버터 최대 기동전압, 모듈 개방전압, 발전소지역 10년 평균 최저 온도, 모듈 최대전력 온도계수를 나타낸다. 식에서 25[℃]는 STC(standard test conditions) 기준 온도이다.

한편 입력값의 기초가 되는 양면・단면 모듈에 조사되는 일사량 면적(DiA)는 다음과 같이 정의된다.

(2)
$Di A[㎡]=mono M(Bi M)\times SC[EA]\times(Mpp/Ms)[\%]$

식 (2)에서 monoM(BiM)은 단면(양면) 모듈의 크기[$m^{2}$]이고, SC는 모듈의 직렬회로수[EA], Mpp는 모듈의 최대용량[kW], Ms는 모듈의 크기[$m^{2}$]을 나타내며, 여기서 (Mpp/Ms)[%]는 모듈의 면적 효율로 표현된다. 각각 계산된 일사량 면적 값은 6.12[$m^{2}$]로 양면・단면 모듈의 전면에 도달하는 태양 일사량은 동일하다. 또한 에너지 변환율은 아래와 같이 계산되며 에너지 변환율은 이론적으로 1을 넘을 수 없다.

(3)
$ER[\%]=\dfrac{(PBi[k W]-PMo[k W])\times Ir_{-}front[W/m^{2}]}{P Mo[k W]\times Ir_{-}rear[W/m^{2}]}$

여기서 PBi는 양면 모듈의 전력[kW], PMo는 단면 모듈의 전력[kW], Ir_front는 전면 일사량[W/m], Ir_rear는 후면 일사량[W/m]을 나타낸다.

2.3 실험 방법

본 실험에서 일사량 측정은 그림 3과 같이 모듈의 전면과 후면에 각각 1개씩의 일사량계를 설치하여 측정한 일사량 값[W/$m^{2}$]을 기준으로 하여 발전량을 비교・분석하였다.

일사량은 2020년 8월~9월, 10시~14시까지 2~5분 내외로 측정하였으며, 분석에 사용한 데이터는 기후 변화를 고려하여 운량이 적고, 일사량 값의 편차가 적은 2020년 8월 23일 측정된 값을 기준으로 양면 모듈과 단면 모듈에서 발생하는 전력량을 비교・분석하였다. 모듈 온도는 비접촉 온도계를 이용하여 일사량값 측정시점에 동일하게 모듈 전・후면에서 측정하여 일사량 변화에 따른 온도특성을 분석하였다.

그림. 3. 일사량 측정(전면, 후면)

Fig. 3. Measurement of irradiance (front, Rear)

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또한, 본 논문에서는 바닥에서의 반사조건에 따른 양면 모듈의 일사량 반사율(IR), 전력변환율(PCR)의 분석을 하기 위하여 운량이 적고 일사량이 500[W/m] 이상인 기상상태에서 바닥 반사막으로 차광막, 은색반구, 은박비닐을 그림 4와 같이 설치하였다.

그림 4(a)는 400[cm]×400[cm] 크기의 차광막을 바닥면에 설치한 모습이며, 그림 4(b)는 구조물 및 모듈 뒷면의 오염으로 인한 worst 조건을 가정하여 양면 모듈의 뒷면을 차광막으로 차단한 모습이다. 그림 4(c)는 바람에 의하여도 쉽게 흔들리지 않고 실용적으로 적용이 가능한 37[cm]×37[cm] 크기의 은색반구 2개를 설치한 모습이며, 그림 4(d)는 400[cm]×400[cm] 크기의 은박비닐을 바닥면 위에 설치한 모습으로, 차광막이나 은박비닐은 바닥면이 고른 상태가 가장 좋은 조건이지만 풀이 자라면서 쉽게 형태가 변형되고, 먼지가 쌓이면서 일사량 변화가 심해 유지 보수가 필요하다. 그러나 본 실험에서는 실증사이트의 상황을 그대로 반영하여 바닥면은 풀밭인 상태로 실험하였다.

본 논문에서는 양면 모듈과 단면 모듈이 모두 n타입 단결정 모듈이지만 동일 제조사가 아니기 때문에 동일 성능으로 비교 가능하도록 데이터를 보정하였고, 소일링 현상에 의한 먼지나, Air Mass의 대기질량 조건은 동일하다는 가정하에 진행하였다(11).

그림. 4. 바닥면 반사판 설치 (a) 차광막 바닥 설치, (b) 차광막 뒷면 덮기, (c) 은색 반구 설치, (d) 은박 비닐 설치

Fig. 4. Installation of floor reflector (a) bifacial module floor shading net laying, (b) covering the shading net on the back of the bifacial module, © silver semisphere reflector, (d) reflective vinyl

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3. 결과 및 고찰

3.1 일사량 반사율 (Irradiance reflectance)

일사량 반사율(IR)은 전면 일사량[W/m]에 대비 후면 일사량[W/m]의 비로 정의되며, 일사량 반사율(IR)의 변화는 양면 모듈 전력변화의 기준이 될 뿐만 아니라 전력변환율(PCR)에도 영향을 미치는 요소이다.

그림 5에 전면 일사량, 후면 일사량 및 일사량 비율을 나타내었는데, 전면 일사량의 증감에 비해 후면 일사량은 큰 변화를 보이지 않았으며 13시 15분에 전면 일사량이 213[W/m]로 큰 폭으로 감소하였지만, 후면 일사량은 20.7[W/m]로 약간 감소하였고 오히려 일사량 반사율은 9.72[%]로 상승하는 결과를 나타내었다. 후면 일사량은 양면 모듈을 통과한 후 그림자 부분에서의 직달 일사량과 양면 모듈의 후면 그림자 이외의 부분에서 들어오는 산란 일사량으로 구분된다. 따라서 이러한 결과는 전면 일사량은 감소하였지만 후면 일사량 중 직달 일사량보다 산란 일사량의 비율이 증가하였기 때문이다(7). 직달 일사량과 산란 일사량은 바닥의 조건에 따라 양면 모듈에서 후면 발전의 전력변환율(PCR)을 상승시킨다.

3.2 양면/단면 모듈과 전력변환율(PCR)

양면 모듈이 단면 모듈 대비 상승값에 대한 단면 모듈의 전력비를 전력변환율(Power conversion rate)이라 하며 전면 일사량 상승과 후면 일사량이 상승하면 양면 모듈은 단면 모듈보다 순간전력이 상승하게 되어 전력변환율이 증가하게 되며 그림 6에 이를 나타내었다. 후면 일사량의 영향으로 양면 모듈에서 더 많은 전력이 발생하고 있음을 알 수 있으며 전력변환율도 더 높게 나타난다. 가장 낮은 전력변환율은 전면 일사량이 크게 감소한 13시 15분임을 알 수 있으며 본 실험에서 일사량 값이 200[W/m] 이하로 하락시에는 전력변환율이 급락하는 현상이 두드러지게 나타났다.

그림. 5. 전면 일사량, 후면 일사량 및 일사량 비율

Fig. 5. Front solar irradiance, rear irradiance and irradiance reflectance rate

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그림. 6. 단면 모듈과 양면 모듈의 전력변환율

Fig. 6. Power Conversion Rate with Bifacial Module and Monofacial Module

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3.3 전류, 전압특성과 전력변환율(PCR)

본 실험에서 사용한 양면 모듈은 2020년 8월에 설치한 제품이고, 단면 모듈은 2018년 9월 설치하여 2년 경과된 제품으로 양면 모델의 발전기준을 단면 모듈과 동일하게 비교하기 위하여 보정을 하였다.

양면 모듈의 품질보장 조건은 초기 1년 동안 -3[%] 효율이 감소하며, 그 후부터는 -0.5[%/년]의 비율로 감소, 30년 뒤에는 82.5[%]의 효율을 보장하고 있다. 따라서, 양면 모듈의 전압, 전류 특성 중 전류값에 효율 감소율 3.5[%]를 적용하였다(9-10).

또한, 양면 모듈(6.08[kWp])과 단면모듈(6.12[kWp])의 용량차이에 있어서 양면 모듈 용량이 0.65[%]만큼 낮기 때문에 양면 모듈의 전류값에 +0.65[%] 보정값을 적용하였다. 따라서, 양면 모듈의 총 보정값은 2년 효율 감소율 -3.5[%]와 출력 보정값 0.65[%]를 더한 -2.85[%]이며 이를 양면 모듈에 적용하여 전류특성과 전력변환율을 그림 7에 나타내었다(12).

그림. 7. 전류특성과 전력변환율(PCR) 비교

Fig. 7. Comparison of current characteristics and PCR

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그림. 8. 전압특성과 전력변환율(PCR) 비교

Fig. 8. Comparson of Voltage characteristics and PCR

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그림 7로부터 출력을 보정한 양면 모듈의 전류 평균값은 8.32[A], 발생된 전력의 평균은 4.66[kWp]이며, 단면 모듈의 평균 전류값은 7.62[A], 발생 전력의 평균은 4.31[kWp]으로 양면 모듈의 평균 전류값과 평균 전력변환율이 각각 9.14[%], 8.07[%] 높게 나타났는데 이러한 이유는 양면 모듈이 단면 모듈과 달리 후면 일사량이 전력상승에 추가되었기 때문이다.

그림 8에는 양면 모듈과 단면 모듈의 전압 특성과 PCR과의 관계를 나타내었는데 표 1의 최대 전압(1회로 [V])와 같이 양면 모듈은 637.44[V]의 최대 전압에서의 실험 평균 전압은 560.58[V]로 87.94[%] 하락하여 측정되었고, 단면 모듈 최대 전압은 693[V]에서 실험 평균 전압은 566.19[V]로 81.7[%] 하락하여 양면 모듈의 실험 평균 전압은 단면 모듈의 보다 6.24[%] 작게 하락하였으며, 그림 8과 같이 전압과 전력변환율의 상관관계는 전류의 영향만큼 크지 않았다.

3.4 모듈 온도와 전력변환율(PCR)

일반적으로 양면 모듈의 경우 후면 일사량에 의해서 전류량은 증가하고 이에 따라 모듈 온도가 상승하며 전압은 하락하게 된다.

그림 9에 모듈 온도와 전력변환율을 나타내었는데, 모듈의 온도는 후면 일사량의 변화에 따른 증감을 보이고 있으며 양면 모듈의 평균온도는 50.1[℃], 단면모듈의 평균온도는 55.6[℃]로 양면 모듈이 단면 모듈에 비해 평균 5.5[℃] 낮았다. 표 1에서 양면 모듈의 Pmpp에 대한 온도계수가 NOCT 조건하에서 양면 모듈은 -0.3904[%/℃], 단면 모듈은 -0.44[%/℃]이기 때문에 양면 모듈의 출력감소가 0.0496[%] 낮아지며 양면 모듈 평균 온도 5.5[℃]가 낮게 측정된 차이로 인하여 0.27[%]((-0.3904)-(-0.44))×5.5[%/℃])의 전력이 양면 모듈에서 추가 생산됨을 알 수 있다.

그림. 9. 후면일사량, 전력변환율, 온도(양면, 단면)

Fig. 9. Rear irradiance, PCR, temperature with bifacial module and monofacial module)

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1016/fig9.png

3.5 바닥면에서의 반사조건 변화에 따른 일사량 반사율(IR) 및 에너지 변환율(ER)

표 2로부터 바닥면을 차광막으로 하였을 때 일사량 반사율의 변화를 보면 차광막 설치전, 차광막 바닥설치, 차광막 모듈 후면 설치순으로 감소하여 모듈 후면에 설치하였을 때가 2.80[%]를 나타내었다. 이러한 경향은 양면 모듈 및 단면 모듈에서 발생되는 전력 및 전력변환율의 경우에도 동일하게 나타나지만, 에너지 변환율은 차광막 바닥설치시 이론치보다 높은 106[%]를 보이는데 이러한 이유로는 바닥 차광막이 설치되어 있지 않는 바닥에서 반사된 산란일사량이 양면 모듈에 영향을 주었기 때문이다.

은색반구의 경우, 설치 전과 설치 후 일사량 반사량 값이 7.88[%]에서 8.23[%], 전력 변환율은 7.67[%]에서 8.13[%], 에너지 변환율도 97[%]에서 99[%]로 각각 상승하였다.

은박비닐의 경우 일사량 반사율이 설치 전과 후에 8.53[%]에서 10.36[%], 전력변환율은 7.22[%]에서 8.80[%]로 증가하였다. 에너지 변환율은 은박비닐 설치 후 85[%]로 증가하였지만 유의미한 변화는 아니어서 은박비닐 설치는 에너지변환율에 크게 영향을 주지 못하였다.

표 2로부터 후면 일사량 평균은 은색반구 설치 후가 73.2 [W/m], 일사량 반사율은 은박비닐 설치 후가 10.36[%], 전력변환율은 은박비닐 설치 후 8.80[%], 에너지 변환율의 경우 비정상인 차광막 바닥 설치를 제외하면 은색반구 설치 후가 98.8[%]로 가장 높았다.

건물 옥상에서 실험을 진행한 연구의 경우 건물 옥상의 콘크리트 바닥으로부터 반사 및 옆 건물로부터 빛의 반사가 추가로 나타나는 등 건물 형태에 따라 다양한 빛 반사가 존재하기 때문에 평지보다 높은 발전량이 발생됨을 보고하고 있다(2-6).

표 2. 바닥조건에 따른 평균 일사량 및 전력변환율(PCR)

Table 2. Average solar irradiance and PCR according to floor conditions

환경조건

일사량평균

[W/$m^{2}$]

일사량

반사율

[%]

양면

전력

[kW]

단면

전력

[kW]

전력 변환율[%]

에너지변환율

[%]

전면

후면

설치 전

690.1

58.2

8.47

3.99

3.7

7.73

91.3

바닥설치

831.9

48.9

5.88

4.55

4.28

6.25

106.2

후면설치

815.5

22.8

2.80

4.28

4.19

2.12

75.8

은색

반구

설치 전

796.3

62.7

7.88

4.52

4.2

7.67

97.8

설치 후

888.8

73.2

8.23

4.85

4.49

8.13

98.8

은박

비닐

설치 전

596.8

50.8

8.53

3.85

3.25

7.22

84.7

설치 후

566.2

58.5

10.36

3.40

3.12

8.80

85.0

다만, 본 실험에서 설치한 은색 반구와 은박비닐의 경우 은박 비닐 설치 시 전력변환율이 8.80[%]로 은색 반구의 7.22[%]보다 더 좋았지만, 이는 은색 반구 면적이 1.77[2m], 은박 비닐 면적은 16[$m^{2}$]로 면적의 차이에서 기인한 것으로 은색 반구의 면적과 은박 비닐의 면적을 동일하게 설계한다면 전력변환율은 은색 반구가 훨씬 더 클 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 논문에서는 단면 모듈을 준공한 태양광 발전소 현장에 비슷한 전력 생산량을 갖는 양면 모듈을 설치하고 양면 모듈의 전력 발생에 영향을 미치는 바닥면을 다양한 형태의 빛 반사가 가능하도록 차광막, 은색 반구, 은박 비닐을 설치하여 단면 모듈과 양면 모듈의 전력 발생 패턴을 분석한 결과, 단면 모듈 및 양면 모듈에서 발생하는 전력은 일사량의 변화를 추종하고 있음을 알 수 있었으며 일사량 반사율은 큰 차이를 나타내지 않았다. 양면 모듈의 전류와 전력변환율은 후면 일사량의 영향으로 단면 모듈에 비해 각각 9.14[%], 8.07[%] 상승하였고 최대 전압(1회로 [V]) 대비 실험에서 측정한 평균 전압은 양면 모듈 87.94[%], 단면 모듈은 80.89[%] 하락하여, 양면 모듈은 6.24[%]의 전압 하락이 작게 측정되었으며 전압과 전력변환율과의 상관관계는 전류의 영향만큼 크지 않았으며 모듈의 평균 온도는 양면 모듈이 50.1[℃], 단면 모듈이 55.6[℃]로 나타나 양면 모듈의 평균 온도가 5.5[℃] 낮았으며 이로 인해 0.27[%]의 전력이 추가 발생함을 알 수 있었다.

바닥에서의 반사면을 차광막, 은색 반구, 은박 비닐로 하였을 때 전력 발생은 은색 반구, 은박 비닐의 경우 설치 후에 전력변환율 및 에너지변환율이 모두 증가하였다. 차광막일 경우에는 설치 전의 전력변환율이 가장 높았고, 차광막 바닥 설치 및 차광막 뒷면 설치 시 일사량 감소로 인해 전력변환율이 감소하였다. 대용량 발전소 환경에 적용이 가능한 바닥면에서의 반사조건 결과 은색 반구 비닐은 전력변환율이 설치 전보다 설치 후에 0.46[%p] 상승하였고, 은박 비닐은 전력변환율이 설치 전 보다 설치 후에 1.58[%p] 상승하였다. 그러나 은박 비닐(16[$m^{2}$])과 은색 반구(1.77[$m^{2}$])의 면적 차이에 기인한 영향이 크고 은색 반구의 면적과 은박 비닐의 면적을 동일하게 설계한다면 전력변환율은 은색 반구가 훨씬 더 클 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This research was approved partially supported by Dongshin University's academic research fund.

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저자소개

박흔명 (Heun-Myeong Park)
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He graduated from the Chosun College of Science & Technology, Gwangju, Korea in 2002.

He worked at the New Technology De- velopment Lab of the POSCO Plantec, Pohang City, Korea, in 2008~2013.

He is currently works at LK Solar-Tech, Gwangju, Korea. He is an engineer in PV plant systems

조재철 (Jae-Cheol Cho)
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He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from the Chonnam National University, Gwangju, Korea in 1986, 1988, and 2005, respectively.

He is currently a professor at the Dept. of Electrical Enginee- ring at DongShin University, Naju City, Korea.

His research include solar power energy and semiconductor materials.