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태양전지
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
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
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
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
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
태양전지는 크게 반도체접합(p-n junction)과 광전기화학(photoelectrochemical) 태양전지로 나눌 수 있다.
반도체접합 태양전지
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.
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광전기화학적 태양전지
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.
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재료에 따른 종류
참고자료
같이 보기
