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태양전지를 구성하는 재료의 종류에 따라 태양전지를 구분할 수 있는데, 대표적인 것이 '''실리콘 태양전지'''이다. 실리콘 태양전지 중에서도 실리콘의 결정 상태에 따라 '''단결정''' 실리콘 태양전지, '''다결정''' 실리콘 태양전지, '''비정질''' 실리콘 태양전지가 있다. 일반적으로 단결정 실리콘 태양전지의 광변환 효율이 가장 좋으나, 태양전지 제작 비용이 비싼 단점이 있다. 반면 다결정, 비정질 실리콘으로 갈수록 생산 단가는 낮아지게 되나, 단결정 실리콘 태양전지에 비해 광변환 효율이 낮다. 이와 같은 실리콘 기반의 태양전지를 1세대 태양전지라고 한다. 2세대 태양전지는 재료의 소모량을 극소화시켜 박막이 형태로 제작한 태양전지를 말한다. 이와 같은 '''박막 태양전지'''는 재료면에 있어 실리콘을 사용할 수 도 있고, 다른 화합물 반도체를 사용할 수도 있으나, 모두 박막의 형태로 제작된다는 점이 1세대 태양전지와의 차이점 이다. 박막 태양전지에서 대표적으로 활용되는 화합물 반도체는 copper indium gallium selenide (CIGS)가 있다. CIGS를 기반으로하는 태양전지의 경우, 기존 실리콘 태양전지보다 효율면에서 우수한 특성을 보인다. 3세대 태양전지는 2세대 박막 태양전지를 기반으로 하나, 사용되는 반도체 소재가 유기물 반도체 등과 같은 새로운 소재이다. 유기물 반도체를 활용함으로써, 공정온도를 낮출수가 있으며, 이에따라 태양전지를 제작하는 기판 선택의 폭이 넓어졌다. 플라스틱과 같은 유연한 기판에 태양전지를 제작할 수 있어, 그림 5와 같이 구부러지는 태양전지 또는 웨어러블 태양전지등과 같은 새로운 응용처에 적용이 가능하다.
 
태양전지를 구성하는 재료의 종류에 따라 태양전지를 구분할 수 있는데, 대표적인 것이 '''실리콘 태양전지'''이다. 실리콘 태양전지 중에서도 실리콘의 결정 상태에 따라 '''단결정''' 실리콘 태양전지, '''다결정''' 실리콘 태양전지, '''비정질''' 실리콘 태양전지가 있다. 일반적으로 단결정 실리콘 태양전지의 광변환 효율이 가장 좋으나, 태양전지 제작 비용이 비싼 단점이 있다. 반면 다결정, 비정질 실리콘으로 갈수록 생산 단가는 낮아지게 되나, 단결정 실리콘 태양전지에 비해 광변환 효율이 낮다. 이와 같은 실리콘 기반의 태양전지를 1세대 태양전지라고 한다. 2세대 태양전지는 재료의 소모량을 극소화시켜 박막이 형태로 제작한 태양전지를 말한다. 이와 같은 '''박막 태양전지'''는 재료면에 있어 실리콘을 사용할 수 도 있고, 다른 화합물 반도체를 사용할 수도 있으나, 모두 박막의 형태로 제작된다는 점이 1세대 태양전지와의 차이점 이다. 박막 태양전지에서 대표적으로 활용되는 화합물 반도체는 copper indium gallium selenide (CIGS)가 있다. CIGS를 기반으로하는 태양전지의 경우, 기존 실리콘 태양전지보다 효율면에서 우수한 특성을 보인다. 3세대 태양전지는 2세대 박막 태양전지를 기반으로 하나, 사용되는 반도체 소재가 유기물 반도체 등과 같은 새로운 소재이다. 유기물 반도체를 활용함으로써, 공정온도를 낮출수가 있으며, 이에따라 태양전지를 제작하는 기판 선택의 폭이 넓어졌다. 플라스틱과 같은 유연한 기판에 태양전지를 제작할 수 있어, 그림 5와 같이 구부러지는 태양전지 또는 웨어러블 태양전지등과 같은 새로운 응용처에 적용이 가능하다.
  
최근에는 태양전지의 변환효율을 높이기 위헤 다양한 반도체 소재를 개발하고 있다. Perovskite 소재 및 양자점 바도체 소재 등이 차세대 반도체 소재로 많은 연구가 이루어지고 있다. Pefovskite소재를 활용한 태양전지는 그 효율이 2014년에 20%를 달성하는 등, 급속한 발전이 이루어지고 있으며, 양자점을 기반으로하는 태양전지는 변환효율이 약 14%를 달성하는 등 지속적인 발전이 있다.
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최근에는 태양전지의 변환효율을 높이기 위헤 다양한 반도체 소재를 개발하고 있다. Perovskite 소재 및 양자점 반도체 소재 등이 차세대 반도체 소재로 많은 연구가 이루어지고 있다. Pefovskite소재를 활용한 태양전지는 그 효율이 2014년에 20%를 달성하는 등, 급속한 발전이 이루어지고 있으며, 양자점을 기반으로하는 태양전지는 변환효율이 약 14%를 달성하는 등 지속적인 발전이 있다.
  
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== 태양광 전기차 ==
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최초의 태양광 자동차는 제너럴 모터스의 윌리엄 G.코브가 만든 장난감 자동차 크기의 '썬모바일'로, 1955년 8월 31일 미국 시카고의 한 전시장에서 공개됐다. 태양광 자동차는 가솔린이나 디젤 차량에 비해 친환경적이고, 전기차나 수소차에 비해 충전이 편리하다는(사실상 충전이 거의 필요하지 않다) 장점이 있는 반면, 비가 오는 날이나 해가 없는 밤에는 사용할 수 없다는 단점이 있다. 그런데 최근 자동차 제조업체들이 태양이 없을 때에도 주행이 가능한 태양광 자동차 콘셉트디자인을 공개해 이목을 집중시키고 있다.
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[[메르세데스 벤츠]]는 지난 2014년 태양력과 풍력을 동력으로 하는 친환경 자동차 '비전 G-코드(Vision G-Code)'의 콘셉트디자인을 공개했다. 외관에 입혀진 다기능 페인트가 태양전지처럼 작동해 태양광을 흡수하고, 자연풍으로 충전이 가능하다. 또한 3가지 주행모드가 제공되며, 주행모드에 따라 전면 그릴의 색상이 변경된다. 그뿐만 아니라 스마트폰 앱을 사용해 주행을 시작할 수 있으며, 헤드업 디스플레이를 통해 주행 정보를 직관적으로 확인할 수 있다. 여기에 3D 신체 스캐너를 갖춘 4개의 좌석이 적용돼 측정된 값에 따라 마사지 및 냉난방 기능이 자동 활성화돼 피로를 예방할 수도 있다.
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별도의 충전 없이 순수하게 태양광만으로도 달릴 수 있는 '태양광 전기차'의 상용화가 코앞으로 다가왔다. 미국 전기자동차 스타트업 [[압테라]]는 충전이 필요 없는 태양광 전기차를 공개해 전 세계의 주목을 받았다. 압테라가 공개한 2인승 삼륜 전기차는 비행기 몸체에서 날개를 뺀 것과 같은 형태가 특징으로, 1마일당 100Wh의 에너지만을 소비한다. 100KWh의 대형 배터리팩을 탑재했으며, 최대 거리 약 1610km의 주행거리를 이동할 수 있다. 지붕에는 태양 전지판이 부착돼 별도 충전 없이 약 64km를 주행할 수 있으며, 후드 및 해치에 추가 태양열 패널 설치가 옵션으로 적용된다. 해당 옵션을 적용할 경우 약 38km의 추가 주행거리가 생겨 무충전 상태 최대 주행거리는 약 102km에 달한다.
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독일 전기 모빌리티 스타트업 [[소노 모터스]](Sono Motors)는 CES 2021에서 태양광 전기차 '''더 시온'''을 공개했다. 시온은 소노 모터스가 독점 보유한 태양열 처리 기술을 통해 만든 '셀프 충전' 태양열 전기차다. 스스로 충전도 가능하지만 다른 전기차처럼 충전소에서도 전력을 보충할 수 있다. 소노 모터스 측의 설명에 따르면 태양광으로 하루를 충전하면 34km를 주행할 수 있다.
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현대자동차의 2021년 첫 전기차 [[아이오닉5]]도 특히 태양광으로 배터리를 충전하는 솔라루프가 장착될 것으로 알려졌다. 지붕 면적이 2.2 제곱미터인 현대 아이오닉 일렉트릭 (Hyundai Ioniq Electric)의 경우 473 킬로와트시(kWh)와 3428km의 범위를 가질 수 있다. 솔라루프 장착은 옵션 선택 여부에 따라 제공될 것으로 여겨진 가운데 업계에서는 기존 배터리 안정성에 대한 개선 방법 중 하나라고 보고 있다.
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지붕 면적이 1.7 평방미터이고 모듈 출력이 평방미터당 200와트인 르노 [[조이]](Zoe)는 1년에 366 킬로와트시(kWh)의 에너지를 생산할 수 있으므로 나무나 집의 그림자가 없는 경우 2068km의 추가주행 범위를 생성할 수 있다. 
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[[아우디 e-트론]](Audi e-tron)의 2.3 평방미터 지붕 면적은 연간 495 킬로와트시(kWh)를 가능하게 하지만 무거운 차량이 많은 에너지를 소비하기 때문에 달성 범위는 2063km에 불과하다.
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네덜란드의 신생 자동차 제조업체인 [[라이트이어]](Lightyear)는 태양광을 사용한 자체 충전 자동차 '원(One)'의 콘셉트디자인을 선보였다. 상단에 태양광을 흡수하는 솔라루프가 적용돼 별도 충전 없이도 수개월 동안 주행할 수 있으며, 약 400~800km의 거리를 달릴 수 있다는 것이 라이트이어의 설명이다. 내부에는 운전석을 포함해 총 5개의 좌석이 마련돼 있다. 한편 라이트이어는 최초의 원 10대를 2019년에 출시할 계획이다. 이에 라이트이어의 웹사이트에는 원의 구체적인 사양이 공개돼 있으며, 사전 예약을 진행하고 있다. 다만 사전 예약한 차량은 2021년쯤에나 받아볼 수 있다.
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호주의 [[EVX 벤처스]]는 2인승 태양광 스포츠카 '''이모투스'''(Immotus)의 콘셉트디자인을 내놓았다. 10kWh의 리튬이온배터리가 동력원으로 장착됐지만, 상단에 배터리 충전을 위한 태양광 패널이 부착돼 태양광만으로도 시속 60km/h로 주행이 가능하다. 물론 시속 60km/h 이상으로 주행할 수도 있다. 단 속도를 높이면 주행거리가 줄어든다. EVX 벤처스에 따르면 시속을 85km/h로 올릴 경우 최대 547km까지 주행이 가능하며, 태양광을 얻기 어려운 흐린 날이나 야간에는 400km 가량 달릴 수 있다.
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중국의 [[하너지]](Hanergy)는 4대의 태양광 자동차 '''Uveils 4'''의 콘셉트디자인을 발표했다. 4대의 자동차 지붕과 보닛에는 태양광 패널이 부착돼 태양광만 사용할 경우 6시간 동안 주행이 가능하며, 잔여 에너지는 리튬이온 배터리에 저장된다. 하너지는 태양광 패널 기술이 빠르게 발전하고 있어 향후 주행 범위가 급격히 확대될 것이라고 말하면서도, 그것이 얼마큼 확대될 수 있는지에 대해서는 밝히지 않았다. 다만 2020년부터 Uveils 4를 도로에서 볼 수 있게 될 것이라고 전했다.
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네덜란드 에인트호번(eindhoven) 대학에서 100% 태양광 발전으로 구동하는 전기 자동차 '''스텔라 비'''(stella vie)를 개발했다. 스텔라 비는 사뭇 다른 수려한 디자인 라인을 가지고 있다. 날렵하게 빠진 바디 디자인은 공기 역학을 9% 증가로 바람의 저항을 최소화 시켜 전력 소모를 최소화 시키며 지붕루프에는 전력을 얻기 위한 태양전지 판으로 이루어져 있다 날씨가 좋은 화창한 날에는 이동하면서 태양광으로 충전을 하면서 최대 1000km 주행이 가능하다. 자전거 바퀴처럼 보이는 얇은 타이어 또한 주행시 바닥의 마찰력을 줄여 적은 전력으로 긴 거리를 주행할 수 있도록 개발 되었다. 뒤끝이 빠진 쿠페형 디자인을 가지고 있지만 기존 자동차와 같은 4도어 디자인으로 최대 승차 인원은 5인승이다.<ref>고선호 기자, 〈[https://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=1444683 태양광 전기차, 언제쯤 달릴 수 있을까]〉, 《이뉴스투데이》, 2021-01-18</ref> <ref>안혜선 기자, 〈[https://news.appstory.co.kr/smartcar12097 밤에도 달릴 수 있다는 태양광 자동차]〉, 《앱스토리》, 2019-08-22</ref><ref>모비티, 〈[https://cdwfight.tistory.com/29 100% 태양광 충전으로 움직이는 전기자동차 스텔라 비(stella vie)]〉, 《티스토리》, 2017-06-29</ref>
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|파일:메르세데스 벤츠 비전 G-코드.png|메르세데스 벤츠 비전 G-코드
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|파일:더시온 태양열 전기차.png|더시온 태양열 전기차
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|파일:라이트이어 원, 2021년 본격 출시.png|라이트이어 원, 2021년 본격 출시
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|파일:압테라 태양광 자동차.png|압테라 태양광 자동차
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|파일:언뜻보기에는 거의 알아볼 수없는 현대 쏘나타 하이브리드의 태양광 지붕..png|언뜻보기에는 거의 알아볼 수없는 현대 쏘나타 하이브리드의 태양광 지붕
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|파일:태양광 스포츠카 '이모투스(Immotus)' 콘셉트디자인.png|태양광 스포츠카 '이모투스(Immotus)' 콘셉트디자인
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|파일:하너지가 공개한 4대의 태양광 자동차.png|하너지가 공개한 태양광 자동차
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|파일:스텔라 비.png|스텔라 비 태양광 자동차
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== 참고자료 ==
 
== 참고자료 ==
 
* 〈[https://namu.wiki/w/%ED%83%9C%EC%96%91%EC%A0%84%EC%A7%80 태양전지]〉, 《나무위키》
 
* 〈[https://namu.wiki/w/%ED%83%9C%EC%96%91%EC%A0%84%EC%A7%80 태양전지]〉, 《나무위키》
 
* 〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%83%9C%EC%96%91_%EC%A0%84%EC%A7%80 태양 전지]〉, 《위키백과》
 
* 〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%83%9C%EC%96%91_%EC%A0%84%EC%A7%80 태양 전지]〉, 《위키백과》
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* 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5662724&cid=62802&categoryId=62802 태양 전지]〉, 《화학백과》
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* 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5810487&cid=60217&categoryId=60217 태양전지]〉, 《물리학백과》
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* 〈[https://www.itfind.or.kr/WZIN/jugidong/1001/100102.htm 태양전지 기술 및 시장 동향]〉, ''ITFIND''
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* 고선호 기자, 〈[https://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=1444683 태양광 전기차, 언제쯤 달릴 수 있을까]〉, 《이뉴스투데이》, 2021-01-18
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* 안혜선 기자, 〈[https://news.appstory.co.kr/smartcar12097 밤에도 달릴 수 있다는 태양광 자동차]〉, 《앱스토리》, 2019-08-22
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* 모비티, 〈[https://cdwfight.tistory.com/29 100% 태양광 충전으로 움직이는 전기자동차 스텔라 비(stella vie)]〉, 《티스토리》, 2017-06-29
  
 
== 같이 보기 ==
 
== 같이 보기 ==
* [[광기전효과]]
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* [[태양]]
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* [[전지]]
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* [[배터리]]
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* [[페로브스카이트]]
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* [[태양광패널]]
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* [[규소]]
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* [[빛에너지]]
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* [[전기에너지]]
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* [[태양광발전]]
  
 
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{{배터리|검토 필요}}

2022년 1월 23일 (일) 01:51 기준 최신판

태양전지판

태양전지(太陽電池, Solar Cell, Photovoltaic cell(PV-cell))는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 장치를 말한다. 광전지라고도 한다. P-N 접합면을 가지는 반도체 접합 영역에 금지대폭보다 큰 에너지의 빛이 조사되면 전자와 양공이 발생하여 접합영역에 형성된 내부전기장이 전자는 N형 반도체로, 양공은 P형 반도체로 이동시켜 기전력이 발생한다. N형 반도체, P형 반도체 각각 부착된 전극이 부극과 정극이 되어 직류전류를 취하는 것이 가능해진다. 태양전지 반도체의 재료로서는 실리콘뿐만이 아니라 갈륨비소, 카드뮴텔루르, 황화카드뮴, 인듐인 또는 이 재료들 사이의 복합체를 사용하고 있으나, 일반적으로 실리콘을 쓴다.

과거 2007년에는 태양광전지로 만드는 전기 비용이 우리가 지금 집에서 사용하고 있는 전기 값보다 5배정도 비쌌지만, 그 단가는 점점 낮아져서 경제성을 갖춰가고 있다.

개요[편집]

태양전지는 태양의 빛 에너지를 이용해서 전기를 만들어내는 장치를 말한다. 반도체 물질과 광기전효과를 이용한 것으로 반도체의 '밴드갭(Eg)'보다 같거나 큰 에너지를 가진 빛이 물질에 조사될 경우 전자가 높은 에너지준위로 들떠 외부회로에서 일을 하는 구조다. 실제 현상은 이렇지만 전자가 빠져나가고 남은 부분을 설명할 때 수많은 전자를 동시에 계산하려면 어림도 없으므로 전자가 빠져나간 빈 부분을 양전하로 취급하는 양공의 개념을 도입해 전자-양공쌍(electron-hole pair), 혹은 엑시톤(Exciton)[3]이 발생하고 p-n 접합구조가 기본적으로 가진 내부 전기장에 의해 분리되어 외부회로로 흘러가 일을 하게 만드는 것이라고 설명하는게 보통. LED는 거꾸로 소자에 전기를 흘려 빛을 생성하는 것으로, LED와 태양전지는 동작방향이 정반대다. 대부분의 발전방식과는 달리 직류를 만들어내는 게 기본이다.

광기전효과(光起電效果, photovoltaic effect)는 광전효과(光電效果, photoelectric effect)와는 유사하나 다른 현상이다. 광전효과는 빛의 입자설에 대한 증거로 물질에 그것의 일함수 이상의 에너지를 가진 전자기파가 조사될 경우 외부(주로 진공)로 전자를 방출하는 효과를 의미하며 광기전효과는 빛에 의해 들뜬 전자정공이 기전력(起電力)을 가져 전류 뿐만 아니라 전압, 즉 일을 할 수 있는 상태가 되는 것을 말한다.

에너지원이 사실상 무한한 태양광이라는 메리트와 친환경발전이라는 점에 의해 재생에너지로 각광 받고 있으나 낮은 효율과 상대적으로 높은 생산단가, 월등히 높은 부지 면적 요구도, 그리고 태양광이 가장 강렬하게 내려쬐는 적도나 고온 지방이 아닌 이상 충분한 전력량을 확보하는게 힘든 태양광의 불연속성에 의해 단점도 많아 많은 연구가 필요한 에너지원이다. 여기서도 메이드 인 차이나의 위엄은 여전해서 중국이 본격적으로 참여하자 가격이 급격히 떨어졌으며, 연구가 아닌 단순 제조는 중국으로 넘어가는 추세다. 중국은 세계 최대 태양광 제품 제조국이자 수출국이다.

이걸 다루는 자격증으로 신재생에너지발전설비기능사(태양광), 신재생에너지발전설비기사(태양광)가 있다. 2013년에 개설되어서 인지도가 바닥을 달린다.

우주에서 원자로 다음으로 가성비가 좋은 발전기이기도 하다. 물론 원자로를 우주에 올리는 건 비용 문제 뿐만 아니라 핵 미사일 발사나 다름없는 정치적 부담이 문제라, 우주 발전기 중 끝판왕이다.

영어로는 Solar Cell 혹은 Photovoltaic cell(PV-cell, PVC)이라고 한다. 이쪽은 주로 재료공학 쪽 전공자나 경제 증권 뉴스 쪽이 사용한다.

역사[편집]

솔라셀(solar cell) 또는 포토볼타익(photovoltaic)으로 불리는 태양전지의 역사는 1839년 프랑스 물리학자 Edmond Becquerel이 처음으로 어떤 물질이 빛에 노출될 경우 전류가 발생된다는 사실을 발견하면서부터 시작된다. 이후 1870년 Heinrich Hertz에 의해 셀레니움(Se)과 같은 고체물질에 대한 포토볼타익 특성 연구가 시작되었으며, 셀레니움을 사용한 태양전지는 약 1~2%의 에너지 변환효율(태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 비율)을 보였다. 본격적인 태양전지의 상품화는 1940년 말과 1950년 대 초에 단결정 실리콘을 성장시키는 초콜라스키(Czochralski)법이 개발되면서 활기를 띠기 시작하였다. 1954년 Bell Lab. 의 Chapin에 의하여 처음으로 결정성 실리콘 물질을 이용하여 약 4%의 에너지 변환 효율을 갖는 태양전지가 개발되어 태양전지 연구개발의 서막이 시작되었다.

지구는 태양으로부터 단위 면적(㎡ ) 당 매초 1,353 줄(joul)의 에너지를 받는데, 이는 단위 면적 당 1.35 킬로와트에 해당된다. 대기권에 의한 굴절과 반사에 의해 소실되는 에너지를 고려할 경우 약 800~1,000 와트의 에너지를 매초 받게 된다.

지구표면에 도달하는 연간 태양에너지의 총량은 795,000×1012kWh 이다. 이는 전세계가 연간 소비하는 에너지 총량(82.83×1012kWh)의 10,000배에 해당된다. 보다 현실적인 표현을 빌면, 10% 의 에너지 변환 효율을 갖는 태양전지로 지구 전체의 0.1%만 채워도 인류가 사용하는 에너지를 전부 공급할 수 있게 되는 것이다.

태양전지는 1958년 뱅가드, 익스플로러, 스푸트닉크 등 위성에 장착되면서 항공우주 및 위성통신의 발달과 함께 본격적인 연구가 시작되었다. 1970년대 오일 파동은 태양전지의 중요성을 한층 부각시키는 계기가 되었다. 현재 많은 석유회사들이 태양전지 연구개발에 참여하고 있는 이유도 이러한 데서 연유한 것이다. 1990년 초 대두되었던 이산화탄소에 의한 온실효과의 심각성과 1997년 일본 쿄토에서 지구 온난화 방지를 위한 이산화탄소 발생량의 규제를 위한 국제협정은 그린 에너지의 필요성과 함께 태양전지의 실용화를 서두르는 계기가 되었다. 이동통신과 인터넷의 발달로 21세기에는 무선통신의 주 동력원으로서 공간적 지배를 받지 않는 태양전지의 중요성이 더욱 확산되는 추세이다.

발전효율[편집]

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

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)

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

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.

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

2016년 5월 18일, 호주 뉴사우스웨일스대학(UNSW) 연구팀은 34.5%의 효율을 달성했다. 이론상 53%까지 가능하다고 한다. 마틴 그린 교수는 자국의 기술이 타국에 비해 수 년 앞서있다고 말했다.

2017년 5월 25일, 유니스트에서 핫프레싱 공법을 이용한 페로브스카이트 태양전지로 3세대 태양전지 중 유일하게 광전변환 효율 22%를 달성했다. 이론상 66%까지 가능하며 안정성이 매우 높고 무한한 바닷물을 사용하기 때문에 리튬 이온전지 대비 생산 비용을 4분의 1 이하로 절감할 수 있다.

효율[편집]

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 저항이 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(Isc)는 회로가 단락된 상태, 즉 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(음의 값)의 전류밀도이다. 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 Isc를 크게 하기 위해선 태양전지 표면에서의 태양 빛의 반사를 최대한으로 감소시켜야 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 Voc와 Isc값을 얻기 위해 계산된 이론적인 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV가 된다. Fill factor(FF)는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Imp) 을 Voc와 Isc의 곱으로 나눈 값이다. 따라서 fill factor는 빛이 가해진 상태에서 I-V곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 값이다.

개념 및 종류[편집]

태양전지는 크게 반도체접합(p-n junction)과 광전기화학(photoelectrochemical) 태양전지로 나눌 수 있다.

반도체접합 태양전지[편집]

반도체접합 태양전지는 n-형 반도체와 p-형 반도체를 접합하여 제조된 것이다. n-형 반도체는 전자 전달체 역할을, p-형 반도체는 홀 전달체 역할을 한다. (그림 1)은 n-형과 p-형 물질간의 접합에 따른, 밴드로 본 태양전지 작동 원리와 태양전지의 구조를 나타내고 있다.

그림에서 보듯이 태양전지를 구성하는 반도체의 밴드갭(전도띠와 가전자띠 간의 갭) 보다 큰 에너지를 갖는 광자를 태양전지가 흡수하게 되면 전자(electron)-홀(hole) 쌍이 형성되고, 전자는 n-형 반도체로 유입되며 홀은 p-형 반도체로 전이되어 전류를 발생하게 된다. 반도체 접합 태양전지는 대개 밴드갭이 1.1~1.7eV인 물질들을 사용하는데, 현재까지 상품화 되었거나 연구되고 있는 물질로는 Si(실리콘), GaAs(갈륨비소), CuInSe2(CIS), CdS/CdTe 등이며 이론적인 에너지 변환 효율은 GaAs가 가장 좋은 것으로 알려져 있다. 그러나 이들 물질은 원료 가격이 비싼 것이 단점이다.

그림1 : 반도체접합 태양전지 작동 원리  
그림2 : 반도체접합 태양전지 구조  

광전기화학적 태양전지[편집]

반도체접합 태양전지와는 달리 광합성 원리를 이용한 광전기화학적 태양전지가 있다. 최근(1991년) 스위스 Gartzel 그룹에서 발표한 염료감응 나노입자 산화물 광전기화학 태양전지(dye-sensitized nanocrystalline solar cell)는 비정질 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 변환 효율과 함께 매우 저렴한 제조단가로 인하여 연구계 및 산업계의 비상한 관심을 모으고 있다. (그림 3)은 염료감응 나노입자 산화물 태양전지의 작동 원리를 보여주고 있다.

표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n-형 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양 빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성된다. (그림 4)는 염료감응 나노입자 산화물을 기초로 한 광전기화학 태양전지의 구조이다.

그림3 : 염료감응 나노입자 산화물 광전기화학 태양전지 작동원리  
그림4 : 염료감응 나노입자 산화물 광전기화학 태양전지 구조  

재료에 따른 종류[편집]

그림5 : 유연한 태양전지

태양전지를 구성하는 재료의 종류에 따라 태양전지를 구분할 수 있는데, 대표적인 것이 실리콘 태양전지이다. 실리콘 태양전지 중에서도 실리콘의 결정 상태에 따라 단결정 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지가 있다. 일반적으로 단결정 실리콘 태양전지의 광변환 효율이 가장 좋으나, 태양전지 제작 비용이 비싼 단점이 있다. 반면 다결정, 비정질 실리콘으로 갈수록 생산 단가는 낮아지게 되나, 단결정 실리콘 태양전지에 비해 광변환 효율이 낮다. 이와 같은 실리콘 기반의 태양전지를 1세대 태양전지라고 한다. 2세대 태양전지는 재료의 소모량을 극소화시켜 박막이 형태로 제작한 태양전지를 말한다. 이와 같은 박막 태양전지는 재료면에 있어 실리콘을 사용할 수 도 있고, 다른 화합물 반도체를 사용할 수도 있으나, 모두 박막의 형태로 제작된다는 점이 1세대 태양전지와의 차이점 이다. 박막 태양전지에서 대표적으로 활용되는 화합물 반도체는 copper indium gallium selenide (CIGS)가 있다. CIGS를 기반으로하는 태양전지의 경우, 기존 실리콘 태양전지보다 효율면에서 우수한 특성을 보인다. 3세대 태양전지는 2세대 박막 태양전지를 기반으로 하나, 사용되는 반도체 소재가 유기물 반도체 등과 같은 새로운 소재이다. 유기물 반도체를 활용함으로써, 공정온도를 낮출수가 있으며, 이에따라 태양전지를 제작하는 기판 선택의 폭이 넓어졌다. 플라스틱과 같은 유연한 기판에 태양전지를 제작할 수 있어, 그림 5와 같이 구부러지는 태양전지 또는 웨어러블 태양전지등과 같은 새로운 응용처에 적용이 가능하다.

최근에는 태양전지의 변환효율을 높이기 위헤 다양한 반도체 소재를 개발하고 있다. Perovskite 소재 및 양자점 반도체 소재 등이 차세대 반도체 소재로 많은 연구가 이루어지고 있다. Pefovskite소재를 활용한 태양전지는 그 효율이 2014년에 20%를 달성하는 등, 급속한 발전이 이루어지고 있으며, 양자점을 기반으로하는 태양전지는 변환효율이 약 14%를 달성하는 등 지속적인 발전이 있다.

태양광 전기차[편집]

최초의 태양광 자동차는 제너럴 모터스의 윌리엄 G.코브가 만든 장난감 자동차 크기의 '썬모바일'로, 1955년 8월 31일 미국 시카고의 한 전시장에서 공개됐다. 태양광 자동차는 가솔린이나 디젤 차량에 비해 친환경적이고, 전기차나 수소차에 비해 충전이 편리하다는(사실상 충전이 거의 필요하지 않다) 장점이 있는 반면, 비가 오는 날이나 해가 없는 밤에는 사용할 수 없다는 단점이 있다. 그런데 최근 자동차 제조업체들이 태양이 없을 때에도 주행이 가능한 태양광 자동차 콘셉트디자인을 공개해 이목을 집중시키고 있다.

메르세데스 벤츠는 지난 2014년 태양력과 풍력을 동력으로 하는 친환경 자동차 '비전 G-코드(Vision G-Code)'의 콘셉트디자인을 공개했다. 외관에 입혀진 다기능 페인트가 태양전지처럼 작동해 태양광을 흡수하고, 자연풍으로 충전이 가능하다. 또한 3가지 주행모드가 제공되며, 주행모드에 따라 전면 그릴의 색상이 변경된다. 그뿐만 아니라 스마트폰 앱을 사용해 주행을 시작할 수 있으며, 헤드업 디스플레이를 통해 주행 정보를 직관적으로 확인할 수 있다. 여기에 3D 신체 스캐너를 갖춘 4개의 좌석이 적용돼 측정된 값에 따라 마사지 및 냉난방 기능이 자동 활성화돼 피로를 예방할 수도 있다.

별도의 충전 없이 순수하게 태양광만으로도 달릴 수 있는 '태양광 전기차'의 상용화가 코앞으로 다가왔다. 미국 전기자동차 스타트업 압테라는 충전이 필요 없는 태양광 전기차를 공개해 전 세계의 주목을 받았다. 압테라가 공개한 2인승 삼륜 전기차는 비행기 몸체에서 날개를 뺀 것과 같은 형태가 특징으로, 1마일당 100Wh의 에너지만을 소비한다. 100KWh의 대형 배터리팩을 탑재했으며, 최대 거리 약 1610km의 주행거리를 이동할 수 있다. 지붕에는 태양 전지판이 부착돼 별도 충전 없이 약 64km를 주행할 수 있으며, 후드 및 해치에 추가 태양열 패널 설치가 옵션으로 적용된다. 해당 옵션을 적용할 경우 약 38km의 추가 주행거리가 생겨 무충전 상태 최대 주행거리는 약 102km에 달한다.

독일 전기 모빌리티 스타트업 소노 모터스(Sono Motors)는 CES 2021에서 태양광 전기차 더 시온을 공개했다. 시온은 소노 모터스가 독점 보유한 태양열 처리 기술을 통해 만든 '셀프 충전' 태양열 전기차다. 스스로 충전도 가능하지만 다른 전기차처럼 충전소에서도 전력을 보충할 수 있다. 소노 모터스 측의 설명에 따르면 태양광으로 하루를 충전하면 34km를 주행할 수 있다.

현대자동차의 2021년 첫 전기차 아이오닉5도 특히 태양광으로 배터리를 충전하는 솔라루프가 장착될 것으로 알려졌다. 지붕 면적이 2.2 제곱미터인 현대 아이오닉 일렉트릭 (Hyundai Ioniq Electric)의 경우 473 킬로와트시(kWh)와 3428km의 범위를 가질 수 있다. 솔라루프 장착은 옵션 선택 여부에 따라 제공될 것으로 여겨진 가운데 업계에서는 기존 배터리 안정성에 대한 개선 방법 중 하나라고 보고 있다.

지붕 면적이 1.7 평방미터이고 모듈 출력이 평방미터당 200와트인 르노 조이(Zoe)는 1년에 366 킬로와트시(kWh)의 에너지를 생산할 수 있으므로 나무나 집의 그림자가 없는 경우 2068km의 추가주행 범위를 생성할 수 있다.

아우디 e-트론(Audi e-tron)의 2.3 평방미터 지붕 면적은 연간 495 킬로와트시(kWh)를 가능하게 하지만 무거운 차량이 많은 에너지를 소비하기 때문에 달성 범위는 2063km에 불과하다.

네덜란드의 신생 자동차 제조업체인 라이트이어(Lightyear)는 태양광을 사용한 자체 충전 자동차 '원(One)'의 콘셉트디자인을 선보였다. 상단에 태양광을 흡수하는 솔라루프가 적용돼 별도 충전 없이도 수개월 동안 주행할 수 있으며, 약 400~800km의 거리를 달릴 수 있다는 것이 라이트이어의 설명이다. 내부에는 운전석을 포함해 총 5개의 좌석이 마련돼 있다. 한편 라이트이어는 최초의 원 10대를 2019년에 출시할 계획이다. 이에 라이트이어의 웹사이트에는 원의 구체적인 사양이 공개돼 있으며, 사전 예약을 진행하고 있다. 다만 사전 예약한 차량은 2021년쯤에나 받아볼 수 있다.

호주의 EVX 벤처스는 2인승 태양광 스포츠카 이모투스(Immotus)의 콘셉트디자인을 내놓았다. 10kWh의 리튬이온배터리가 동력원으로 장착됐지만, 상단에 배터리 충전을 위한 태양광 패널이 부착돼 태양광만으로도 시속 60km/h로 주행이 가능하다. 물론 시속 60km/h 이상으로 주행할 수도 있다. 단 속도를 높이면 주행거리가 줄어든다. EVX 벤처스에 따르면 시속을 85km/h로 올릴 경우 최대 547km까지 주행이 가능하며, 태양광을 얻기 어려운 흐린 날이나 야간에는 400km 가량 달릴 수 있다.

중국의 하너지(Hanergy)는 4대의 태양광 자동차 Uveils 4의 콘셉트디자인을 발표했다. 4대의 자동차 지붕과 보닛에는 태양광 패널이 부착돼 태양광만 사용할 경우 6시간 동안 주행이 가능하며, 잔여 에너지는 리튬이온 배터리에 저장된다. 하너지는 태양광 패널 기술이 빠르게 발전하고 있어 향후 주행 범위가 급격히 확대될 것이라고 말하면서도, 그것이 얼마큼 확대될 수 있는지에 대해서는 밝히지 않았다. 다만 2020년부터 Uveils 4를 도로에서 볼 수 있게 될 것이라고 전했다.

네덜란드 에인트호번(eindhoven) 대학에서 100% 태양광 발전으로 구동하는 전기 자동차 스텔라 비(stella vie)를 개발했다. 스텔라 비는 사뭇 다른 수려한 디자인 라인을 가지고 있다. 날렵하게 빠진 바디 디자인은 공기 역학을 9% 증가로 바람의 저항을 최소화 시켜 전력 소모를 최소화 시키며 지붕루프에는 전력을 얻기 위한 태양전지 판으로 이루어져 있다 날씨가 좋은 화창한 날에는 이동하면서 태양광으로 충전을 하면서 최대 1000km 주행이 가능하다. 자전거 바퀴처럼 보이는 얇은 타이어 또한 주행시 바닥의 마찰력을 줄여 적은 전력으로 긴 거리를 주행할 수 있도록 개발 되었다. 뒤끝이 빠진 쿠페형 디자인을 가지고 있지만 기존 자동차와 같은 4도어 디자인으로 최대 승차 인원은 5인승이다.[1] [2][3]

메르세데스 벤츠 비전 G-코드  
더시온 태양열 전기차  
라이트이어 원, 2021년 본격 출시  
압테라 태양광 자동차  
언뜻보기에는 거의 알아볼 수없는 현대 쏘나타 하이브리드의 태양광 지붕  
태양광 스포츠카 '이모투스(Immotus)' 콘셉트디자인  
하너지가 공개한 태양광 자동차  
스텔라 비 태양광 자동차  

각주[편집]

  1. 고선호 기자, 〈태양광 전기차, 언제쯤 달릴 수 있을까〉, 《이뉴스투데이》, 2021-01-18
  2. 안혜선 기자, 〈밤에도 달릴 수 있다는 태양광 자동차〉, 《앱스토리》, 2019-08-22
  3. 모비티, 〈100% 태양광 충전으로 움직이는 전기자동차 스텔라 비(stella vie)〉, 《티스토리》, 2017-06-29

참고자료[편집]

같이 보기[편집]


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