태양 전지

태양 전지

 

태양 전지는 태양의 빛에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치이며, 보통 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 되어 있다. 태양 전지는 증기 터빈이나 발전기 없이 직접 전기 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있다.
그림 Ⅳ-21과 같이 반도체를 이용한 태양 전지에서는 원자 속의 전자가 전도띠로 갈 수 있는 에너지를 흡수하면 p형 반도체와 n형 반도체 속에 양공(+)과 전자(-)가 생성된다. p-n 접합에서 만들어진 전기장에 의해 전자(-)는 n형 반도체 쪽으로 이동하고 양공(+)은 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 이때 p형 반도체와 n형 반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전기 에너지를 얻게 된다.

 

 

그림 Ⅳ-21 태양 전지의 원리

 

태양 전지는 기본 단위를 셀이라고 하며, 이 셀들을 연결하여 필요한 전력을 얻기 위한 모듈을 형성한다. 모듈들을 연결하여 설치하면 태양 발전 어레이가 된다.
태양 전지로 전력을 확보하기 위해서는 큰 어레이와 넓은 설치 면적이 필요하다. 소규모 태양 발전 어레이의 경우에도 보통 건물의 옥상을 이용하며 창문이나 벽에 설치하는 방법도 등장하고 있다.

 

그림 Ⅳ-22 태양 전지 단위

 

태양 전지에 처음 사용된 반도체 재료는 단결정 실리콘이다. 단결정 실리콘으로 만든 태양 전지는 에너지 변환 효율이 좋으나 고급 실리콘 재료를 필요로 한다. 다결정 실리콘 재료는 효율 면에서는 떨어지나 저급 실리콘 재료로도 만들 수 있는 장점이 있다.
단결정이나 다결정 태양 전지와 같은 결정 형태의 태양 전지 외에 얇은 막 형태의 비정질 실리콘 박막 태양 전지가 있다. 에너지 변환 효율이 떨어지지만 유리에 투명하게 붙여서 사용할 수 있고 유연성이 높은 얇은 판을 만들 수 있다.

 

그림 Ⅳ-23 실리콘 태양 전지의 종류

 

실리콘 이외의 화합물도 반도체 재료로 사용되며 박막 태양 전지에 많이 사용된다. 구리, 갈륨, 카드뮴, 인듐, 비소, 셀레늄, 텔루륨 등이 재료가 된다. 이러한 재료 이외에 빛에 반응하여 전자를 내놓을 수 있는 염료를 원료로 하는 염료 감응 태양 전지가 있다. 과일즙과 같은 천연 염료를 사용할 수 있기 때문에 친환경적이며 제조 공정이 간단하다. 얇은 투명 유리 판 사이에 염료를 넣어 만들어지기 때문에 투명하고 염료의 색상에 따라 다양한 색도 낼 수 있어 건물, 자동차, 장식품 등 다양한 분야에 활용할 수 있다. 에너지 전환 효율이 떨어지지만 가시광선으로도 작동이 가능하며 유연성이 뛰어난 장점을 가진다.

 

그림 Ⅳ-24 염료 감응 태양 전지

 

*에너지관리공단 : 태양 전지에 의한 발전 원리를 알아보자. → http://www.khrec.co.kr
*태양 전지의 에너지 전환 효율 : 단결정 태양 전지의 에너지 효율은 12~15%이고 다결정 태양 전지의 에너지 효율은 11~14%이며, 비정질 태양 전지의 에너지 효율은 6~8%이다. 또, 염료 감응 태양 전지의 에너지 효율은 4~7 %이다.
*결정: 분자의 규칙적인 배열
*단결정: 하나의 균일한 결정으로 된 고체
*다결정: 부분적으로는 결정이지만 전체로는 단일 결정이 아닌 고체
*비정질: 분자가 무작위로 배열되어 규칙이 없는 고체

태양 전지 원리

태양 빛의 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 전지로, 태양 전지의 원리는 다음과 같다.

 

p-n 접합에 의해 접합부에 전자와 양공이 상쇄되고 전하 운반체가 없어지고

반도체 사이에 전기장만 존재하게 된다.

 

에너지에 의해 반도체 내부에 전자와 양공이 생성되어 전기장 내에서

각각 n형 반도체와 p형 반도체 쪽으로 이동한다.

 

n형 반도체와 p형 반도체에 전자와 양공이 쌓여 음극과 양극을 형성한다.

 

도선을 연결하여 전기 에너지를 사용할 수 있다.

 

 

자료출처 : 천재학습백과

 

태양전지 solar cell , 太陽電池

 

실리콘·갈륨비소·황화카드뮴과 같은 소재로 p-형과 n-형의 반도체를 만들고 그 접합면에 태양빛을 쬐면 광자를 흡수하여 1쌍의 전자와 양공이 생긴다. 이때 전자는 n-형, 양공은 p-형 부분으로 이동하기 때문에 외부회로를 통해 n-형에서 p-형으로 향하는 전류가 발생한다. 이 방식에는 태양광을 직접 태양전지의 수광면으로 끌어들이는 것과 반사경이나 프레넬 렌즈를 사용하여 집광하는 방식이 있으며 또 태양빛을 추적하는 방식과 정지식이 있다.

 

태양전지는 이미 전자식 탁상용 계산기나 시계와 같은 가정용품, 등대, 인공위성용 전원에 사용되고 있으며 21세기에는 본격적인 태양광발전시대가 될 것으로 전망된다.

 

태양광발전이 종래의 화석이나 원자력발전과 경쟁하기 위해서는 발전비용을 kWh당 현재의 25센트에서 6센트 정도로 낮추어야 한다. 그 방법은 햇빛을 전기로 바꾸는 광전자 변환효율을 크게 높이거나 값이 싼 새로운 소재를 찾아내는 일이다.

 

종래의 태양전지는 결정형과 비결정형 등의 2종류로 크게 나뉜다. 높은 순도의 실리콘 단결정을 소재로 하는 결정형은 지난 10년간 광전자변환효율이 7~12％로 개선되고 수명도 50％ 정도 늘어나 20년으로 연장되었으나 생산비가 많이 들어 값이 비싸다는 단점이 있다(㎏당 78달러). 이에 비해 비결정성 실리콘은 단결정 실리콘보다 생산비가 수십분의 1밖에 들지 않아 값이 싼 대신 광전자변환효율이 크게 뒤진다는 단점이 있다. 그러나 최근 비결정성 실리콘의 광전자변환율을 높이는 연구개발이 활발하게 이루어지고 있어 전망은 매우 밝다.

 

한편 종래와는 다른 종류의 태양전지 개발도 주목을 받고 있다.

 

예를 들면 미국 텍사스인스트루먼트사와 서던캘리포니아에디슨사가 개발한 실리콘 알갱이(지름 약 1㎜)를 소재로 한 태양전지는 광전자변환효율이 10％정도이지만 품질이 낮은 실리콘(㎏당 2.2달러)을 이용할 수 있어 실용성의 전망은 매우 밝다. 이밖에도 보잉사가 우주용으로 개발한 이중층(갈륨비소 및 갈륨안티몬)의 집광형 탠덤 광전지(Tandem cell)는 광전자 변환효율이 37％에 이른다. 태양전지의 생산공정은 로봇을 포함하여 자동화가 빠르게 진전되는 한편, 소재의 생산비용도 크게 줄어들 것으로 전망되어 유가상승이나 환경오염에 대한 관심이 커지면서 태양전지의 사용이 급격히 증가할 것으로 보인다.

 

태양 전지(太陽電池)

 

태양 전지(太陽電池) 또는 광전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 장치를 말한다. PN 접합면을 가지는 반도체 접합 영역에 금지대폭보다 큰 에너지의 빛이 조사되면 전자와 정공이 발생하여 접합영역에 형성된 내부전장이 전자는 N형 반도체로, 정공은 P형 반도체로 이동시켜 기전력이 발생한다. N형 반도체, P형 반도체 각각 부착된 전극이 부극과 정극이 되어 직류전류를 취하는 것이 가능해진다. 태양 전지 반도체의 재료로서는 실리콘뿐만이 아니라 갈륨비소, 카드뮴텔루르, 황화카드뮴, 인듐인 또는 이 재료들 사이의 복합체를 사용하고 있으나, 일반적으로 실리콘을 쓴다.

 

과거 2007년 에는 태양광전지로 만드는 전기 비용이 우리가 지금 집에서 사용하고 있는 전기 값보다 5배정도 비싸지만, 2010년 이후면 경쟁력 확보가 가능할 것으로 예측하였다

 

 

태양전지의 발전효율

 

1954년 미국의 벨 연구소에서 발명한 태양전지는 4년 후 뱅가드 우주선에 사용했다. 그 당시 태양전지는 발전효율 4%였다.[2]

 

2008년 현재 NASA, 유럽 우주국 등에 태양전지를 납품하고 있는 미국의 EMCORE사는, 최근 발전효율이 최고 37%에 달하는 지상용 고집광 태양전지 수신모듈 (Concentrating PhotoVoltaic(CPV) System)을 개발했다. 이는 박막필름방식의 6~12% 효율보다 3배가 넘는 고효율의 태양광 발전기술로, 박막필름방식에 이어 제3세대 태양전지 기술로 인정받고 있다.(독일 Fichtner사 평가)[3]

 

2008년, 대한민국의 3SOFT사는 NASA로부터 태양전지 핵심기술을 이전받는다는 보도가 있었다. 이 기술은 NASA가 상용화시킨 트리플정션 모듈을 업그레이드한 기술로 최대 28% 이상의 발전효율을 지니고 있다고 한다.[4]

 

최근에 태양전지 제조사업에 진출한 신성이엔지(대표 이완근)도 관련 연구로 잘 알려진 호주 뉴사우스웨일스 대학교(UNSW)의 태양전지 리서치연구소 출신의 조영현 박사를 최고기술책임자(CTO)로 영입했다. UNSW 연구소는 24%에 달하는 태양전지 발전효율 기술을 가지고 있는 곳으로 현재 태양전지 연구기관 가운데 세계 최고 권위를 인정받고 있다. 태양전지 기업으로 급성장해 주목받고 있는 중국의 선테크를 비롯해 난징솔라 등의 CEO는 모두 UNSW의 박사 출신들이며 이들 모두 UNSW 마틴 그린 교수의 제자들이다.[5]

 

2008년 7월에 본격 가동에 들어간 LG 태안 태양광 발전소는 대한민국 최대의 태양광 발전소이다. 발전효율은 17%이다.

 

 

태양전지의 효율

 

태양전지의 효율을 결정하는 변수는 open-circuit voltage(Voc), short-circuit current(Isc), 그리고 fill factor(FF) 등이다. open-circuit voltage(Voc) 는 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다. 동종접합(homojunction) 의 경우를 예로서 설명하자면, 얻을 수 있는 최대한의 Voc값은 p형 반도체와 n형 반도체 사이의 일함수 값(work function) 의 차이로 주어지며, 이 값은 반도체의 밴드갭에 의해 결정되므로 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 대체로 높은 Voc값이 얻어진다. Short-circuit current(Jsc)는 회로가 단락된 상태, 즉 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(음의 값) 의 전류밀도 이다. 이 값은 우선적으로 입사광의 세기와 파장분포(spectral distribution)에 따라 달라지지만, 이러한 조건이 결정된 상태에서는 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합(recombination) 하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지 내부에서 외부회로 쪽으로 보내어지는가에 의존된다. 이때 재결합에 의한 손실은 재료의 내부에서나 계면에서 일어날 수 있다. 또한 Jsc를 크게 하기 위해선 태양전지 표면에서의 태양 빛의 반사를 최대한으로 감소 시켜야 한다. 이를 위해 Antireflection coating을 해주거나 metal contact을 만들 때 태양 빛을 가리는 면적을 최소화 해주어야 한다. 가능한 모든 파장의 빛을 흡수하기 위해선 반도체의 밴드갭 에너지가 작을수록 유리하지만 그렇게 되면 Voc도 감소하게 되므로 적정한 밴드갭을 가진 재료가 필요하다. 따라서 최대크기의 Voc와Jsc값을 얻기 위해 계산된 이론적인 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV가 된다. Fill factor(FF) 는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을 Voc와Jsc의 곱으로 나눈 값이다. 따라서 fill factor는 빛이 가해진 상태에서 J-V곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 값이다.

 

 

태양광 발전

 

태양 전지 (“태양광 발전 전지”라고도 부름)는 광전 효과를 사용하여 빛을 직류로 바꾸는 장치를 말한다. 최초의 태양 전지는 찰스 프리츠(Charles Fritts)가 1880년대에 조립하였다.[57] 프로토토아비 셀렌 전지가 1%가 채 안 되는 입사광선을 전기로 변환했지만 에른스트 베르너 폰 지멘스(Ernst Werner von Siemens)와 제임스 클럭 맥스웰 두 사람 다 이 발견의 중요성을 인식하였다.[58] 1940년대에 러쎌 올(Russell Ohl)의 근본적인 노고에 이어 제럴드 피어슨, 캘빈 퓰러, 데릴 채핀(Daryl Chapin)은 1954년에 규소 태양 전지를 개발하였다.[59] 이러한 초기의 태양 전지는 한 와트에 286 USD의 비용이 들었고 효율성은 4.5~6%에 다다랐다.[60]

 

태양 에너지에서 맨 처음에 나온 중대한 응용은 예비 전원을 뱅가드 1호 위성에 사용하는 것을 들 수 있다. 이로써 화학 전지가 떨어져도 위성이 지속적으로 한 해가 넘도록 전송을 지속할 수 있다.[61]

 

이렇게 태양 전지를 운용하는 데에 성공하자 수많은 소비에트 연방, 미국 위성에 이와 같은 방법을 채용하게 되었고 1960년대 말 즈음에 태양광 발전이 위성의 주된 전력의 원천이 되었다.[62] 태양광 발전은 텔스타와 같은 초기의 상업 위성의 성공에 중요한 역할을 하였으며 오늘날 전자통신 인프라에 필수적이라고 할 수 있다.[63]

 

태양 에너지를 설치하는 데에는 비용이 많이 들어서 1960년대에 걸쳐 지상에서 사용은 제한 받았다. 그러다가 1970년대 초에 태양광 발전이 파워 그리드를 접근하지 않고도 먼 거리에서 사용할 수 있을만큼 가격이 떨어졌다. 지상에서 초기 이용은 전력 전기통신국, 앞바다 석유 굴착 장치, 부표 및 철길 건널목을 포함한다.[64] 이러한 것들과 다른 오프 그리드의 응용을 통해 2004년에 이르기까지 전 세계 절반 이상이 성공적으로 설치되었음을 입증하고 있다

 

1973년 유류 파동은 1970년대와 1980년대 초 동안에 태양열 발전의 생산을 촉진하였다.[65] 체계적인 성능에 개선을 가져다 주면서 생산성을 높이는 결과를 낳는 규모의 경제는 태양열 발전의 비용을 1971년에 와트당 100 달러(USD)에서 1985년에 와트당 7 달러로 낮추는 데 기여하였다.[66] 1980년대 초에 기름값이 꾸준히 떨어지면서 태양광 발전 R&D에 투자하는 비용을 줄이고 1978년 에너지 세금 법안과 더불어 세액공제를 중단하게 되었다. 이러한 요인들은 1984년에서 1996년에 걸쳐 한 해에 거의 15%씩 성장률을 가라앉혔다.[67]

 

1990년대 중반 이후로 태양열 발전 분야의 선도적 위치가 미국에서 일본, 독일로 옮겨가게 되었다. 1992년에서 1994년까지 일본은 R&D 투자를 늘렸고 넷 미터링[68] 가이드라인을 설립하였으며, 또 보조금 제공 프로그램을 도입하여 가정에 태양열 발전 시스템을 설치하는 것을 장려하였다.[69] 그 결과, 이 나라에서 태양열 발전 설치는 1994년에 31.2 MW에서 1999년에 318 MW로 올라설 수 있었으며[70] 세계적인 생산 성장률은 1990년대 말에 30%까지 성장하였다.[71]

 

독일은 발전 차액 지원 제도(feed-in tariffs) 시스템을 재생가능한 에너지 자원의 일부로 개정한 뒤로 세계적으로 앞서가는 태양열 발전 시장이 되었다. 설치된 태양열 용량은 2000년에 100 MW에서 2007년 말에 거의 4,150 MW로까지 늘었다[72][73]

 

스페인은 2004년에 이와 비슷한 발전 차액 지원 제도를 도입한 뒤로 세 번째로 가장 큰 태양열 발전 시장이 되었으며 프랑스, 이탈리아, 대한민국, 미국 또한 최근의 다양한 인센티브 프로그램과 지역 시장 조건으로 말미암아 빠른 성장을 보이고 있다.