태양전지

▒ 태양전지 동작원리 및 구성 태양광발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)이다. 아래 그림과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력 : Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.   이러한 태양전지는 필요에 따라 직병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설치하게 된다.     ▒ 태양전지의 종류 1980년대 이후 태양전지 제조에 가장 먼저 사용된 반도체 재료가 단결정실리콘이다. 현재 태양전지 시장에서 차지하는 비중이 이후 많이 떨어지긴 하였지만 현재로서도 시장, 특히 대규모 발전시스템 분야에서 가장 널리 이용되고 있다. 이는 단결정실리콘으로 만든 태양전지의 효율이 기타 재료로 만든 태양전지에 비해 변환효율이 높기 때문이다. 반면에 가격은 아직 높은데, 그 해결방안으로 보다 저급의 실리콘을 이용하는 방법, 대량생산 및 공정 개선에 의한 방법 등이 시도 또는 계획되고 있다. 다결정실리콘 태양전지는 원재료로 저급의 실리콘 웨이퍼를 사용하는데, 따라서 효율은 단결정실리콘에 비해 낮은 반면 가격은 싸다. 그리고 이용분야도 주택용 시스템 등이 주 대상이다. 단결정 및 다결정실리콘은 bulk 상태의 원재료로부터 태양전지를 만들기 때문에 원재료비가 비싸고, 공정 자체가 복잡하여 가격의 절감측면에서는 한계가 있을 수밖에 없다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 방안으로 기판의 두께를 혁신적으로 줄이는 기술, 또는 유리와 같이 값싼 기판위에 박막형태의 태양전지를 증착시키는 기술이 주목을 받고 있다. 기존의 박막 제조공정을 이용할 경우 보다 값싼 방법으로 태양전지의 대량생산이 가능하기 때문이다. 박막 태양전지 중 가장 처음으로 개발된 것이 비정질실리콘으로 기존 결정질실리콘 태양전지의 약 1/100에 해당하는 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다. 하지만 결정질실리콘 태양전지에 비해 효율이 낮고, 특히 초기 빛에 노출될 경우 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 따라서 대규모 발전용으로는 사용되지 못하고, 시계, 라디오, 완구 등 소규모 가전제품의 전원용으로 주로 사용되고 있었는데, 최근 효율의 향상과 함께 초기 열화현상을 최소화할 수 있는 다중접합 구조의 비정질실리콘 태양전지의 개발과 함께 일부 전력용으로 이용이 되기 시작하였다.   뒤이어 출현한 박막 태양전지가 CdTe, CuInSe2 계의 화합물반도체를 소재로 한 것이다. 비정질실리콘에 비해 효율이 높고, 또한 초기 열화현상이 없는 등 비교적 안정성이 높은 태양전지로 현재 CdTe는 대규모 전력용으로 사용을 위한 실증시험 중에 있다. CuInSe2는 실험실적으로 만든 박막 태양전지 중에서 가장 높은 변환효율을 기록하고 있는데, 아직까지 파일럿 생산단계로 대량생산단계에 까지는 이르지 못하고 있다. 이들 박막 태양전지는 전력용으로 사용되기까지에는 앞으로도 더 많은 연구개발이 필요할 것으로 예상되고 있다. 다결정 박막 실리콘은 최근에 주목을 받기 시작하였는데, 부존량이 풍부한 실리콘을 원재료로 하고 있고, 또한 박막 태양전지 제조공정을 이용하여 대량생산을 통해 가격을 획기적으로 절감할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 최근 일본의 Kaneka에서 제품을 생산하고 있지만, 아직 가격 측면에서 기존 결정질실리콘 태양전지와 차이를 보이지 못하고 있다. GaAs, InP 등의 단결정으로부터 만든 화합물 태양전지는 결정질실리콘 태양전지 보다 더 높은 효율을 나타내는데, 가장 큰 단점은 가격이 매우 비싸다는 점이다. 따라서 그 용도도 지상 발전용보다는 우주선 등의 전원공급용에 국한되어 있는데, 가격도 지상용 태양전지의 수백 배에 이른다. 가격을 절감하여 지상용으로 사용하기 위해서는 값싼 기판위에 박막으로 제조하여야 하는데, 아직까지 실용화단계에 이르지 못하고 있다. 1990년대 초반부터는 100% 무기 반도체 대신 유무기 혼합 또는 순수 유기 태양전지가 주목받고 있다. 1991년 스위스 로잔 공과대학의 Gratzel 그룹에서 개발한 염료를 소재로 광합성원리를 이용한 염료감응 광전기화학 태양전지는 제조단가가 기존 실리콘 태양전지에 비해 현저히 낮아 가격경쟁력이 우수하나 아직 소면적에서 최고 변환효율이 11% 내외이다. 얇고 가벼운 플라스틱 태양전지로서의 가능성을 지닌 유기분자형 태양전지 역시 최근 활발히 연구가 진행되고 있으나 최고 효율 2-3% 정도로 매우 낮다.   <출처> 태양전지연구센터

 

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