태양광 발전 일반사항

가. 개요

1839년 프랑스의 물리학자 Edmond Becquerel은 처음으로 전해질 (electrolyte)에 담근 전극(electrode)사이에서 재료들이 빛을 받을 때 작은 양의 전류가 흐르는 것을 발견하였다. 또한, 1876년Heinrich Hertz가 Selenium 과 같은 고체에서도 같은 현상이 발생됨을 관찰하였 다. 이런 현상을 광전효과(photovoltaic effect)라고 하며 그 같은 재 료를 태양전지(solar cells or PV cells) 라고 부른다. 당시의 빛 전환 전류 효율은 1% ~ 2% 정도였을 뿐이다. 본격적인 PV system의 상업화는 1940년대와 1950년대 사이에서 이루어 졌는데, 1941년 적정한 효율을 내는 실리콘(Si) 태양전지가 연구되었고, 1954년에 이르러 고순도 결정 질 실리콘을 생산할 수 있는 Czochralski 방법이 개발되어 Bell 연구소 에서 4%의 효율을 내는 첫번째 결정질 실리콘 태양전지가 만들어졌다. 그 후 태양전지의 연구가 다소 둔화되며 진행되다가 1970년대 에너지 위 기를 직면하여 미국 정부와 산업계에서는 효율이 높고 상업화 가능성이 큰 태양전지를 개발할 필요성이 크게 요구되었다. 이 후로 태양전지는 점점 더 대면적화 하게 되고 생산단가도 계속 낮아지는 발전경로를 거치 게 된다. 1980년대에 이르러 새로운 재료의 태양전지, 즉 CdTe, CuInSe2 ,TiO2등이 탄생하게 되었고 현재 그 연구가 활발히 진행되고 있다.

나. 태양전지의 원리

태양전지는 크게 태양열 전지와 태양광 전지로 나눌 수 있다. 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는 데 필요한 증기를 발생시키는 장치는 태양열 분야(solar thermal electricity)이고, 태양빛(photons)을 반도체의 성질을 이용하여 전기에너지로 변환시키는 장치가 태양광 분야(photovoltaic solar cells) 이다. 태양광 전지의 작동원리는 전기에너지를 빛 에너지로 변환시키는 발광 다이오드(lighting emitting diode, LED)나 레이저 다이오드(laser diode)와 반대라고 생각하면 된다. 태양에너지 기술은 꾸준히 발전하여 현재 일부 시스템이 상용화 되었거나 상용화를 서두르는 단계에 와 있다.
대부분 보통의 태양전지는 대면적의 p-n 접합 다이오드(p-n junction diode)로 이루어져 있다. 광전 에너지 변환(photovoltaic energy conversion)을 위해 태양전지가 기본적으로 갖춰야 하는 요건은 반도체 구조 내에서 전자들이 비 대칭적으로 존재해야 한다는 것이다. 그림1은 p-n 접합의 비 대칭성을 나타낸 것이다. n-type 지역은 큰 전자밀도 (electron density)와 작은 정공밀도(hole density) 를 가지고 있고 p-type 지역은 그와 정반대로 되어있다. 따라서 열적 평형상태에서 p-type반도체와 n-type반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐 리어(carrier)의 농도 구배에 의한 확산으로 전하(charge) 의 불균형이 생기고 이 때문에 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 carrier 의 확산이 일어나지 않게 된다. 이 다이오드에 그 물질의 전도대 (conduction band) 와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우, 이 빛 에너 지를 받아서 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite) 된다. 이때 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되며, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 excess carrier라 고 하며 이 excess carrier들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이 에 의해서 확산하게 된다. 이때 p-type반도체에서 여기된 전자들과 n-type반도체에서 만들어진 정공을 각각의 minority carrier라고 부르 며, 기존 접합전의 p-type또는 n-type반도체내의 carrier(p-type의 정 공, n-type의 전자) 는 이와 구분해 majority carrier라고 부른다. 이 때 majority carrier들은 전기장으로 생긴energy barrier 때문에 흐름 의 방해를 받지만 p-type의 minority carrier인 전자는 n-type쪽으로 각각 이동할 수 있다. Minority carrier의 확산에 의해 재료 내부의 charge neutrality가 깨짐으로써 전압차(potential drop)가 생기고 이 때 p-n접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 태양전지로서 작용하게 된다.

태양광 발전시스템은 태양으로부터 지상에 내리쪼이는 방사에너지를 태양전지(반도체)로 직접 전기로 변환해서 출력을 얻는 발전방식이다.

다. 태양광 발전장치의 구성 및 종류

1. 태양전지의 구성

태양전지 집합체와 직류-교류 변환장치(직류출력을 교류로 변환하는 변환장치), 제어장치, 축전지설비로 구성된다.

1-1. 태양전지의 모듈로 사용되는 재료

유리, 강화유리, 저철분강화유리
아크릴 뚜껑케이스를 사용하여 엑폭시액, 실리콘액으로 만드는 방법
폴리카버네이트를 사용하여 실리콘액 UV필름으로 만든 방법
밑을 P.C.B로 사용하여 E.V.A를 가지고 UV필름 코팅 방법
알미늄 밑판을 사용
P.C.B밑판을 사용하여 위에 엑폭시몰딩 방법

2. 태양전지의 종류

2-1. 결정질 실리콘 태양전지(Crystalline Silicon Cells)

실리콘 태양전지는 크게 단결정(single crystal) 형태와 다결정 (polycrystalline) 형태의 재료로 나뉘며 기본적으로 p-n 동종접합 (homojunction)으로서 태양전지에 사용된다. 단결정은 순도가 높고 결 정결함밀도가 낮은 고품위의 재료로서 당연히 높은 효율을 달성할 수 있으나 고가이고, 다결정 재료는 상대적으로 저급한 재료를 저렴한 공 정으로 처리하여 상용화가 가능한 정도의 효율의 전지를 낮은 비용으로 생산하려는 의도로 사용된다. 단결정 실리콘을 사용한 전지는 집광장치 를 사용하지 않은 경우의 기록이 약 24%정도이며 집광장치를 사용한 전 지는 28%이상의 효율이 발표되었다. 다결정 실리콘 전지는 약 18%효율 이 발표되었는데, 효율의 도달 한계치는 단결정이 35%, 다결정이 19%정 도인 것으로 예측된 바 있다.

2-2. 비정질 실리콘 태양전지(Amorphous Silicon Cells)

비정질 실리콘 태양전지(a-Si) 는 가장 상업적으로 성공한 최초의 박막 형태의 태양전지이다. 그러나, 이 태양전지는 아직은 1980년대부터 예 상되어왔던 만큼의 효율은 현재 보이지 않고 있다. 그 이유는 빛을 받 을 때 a-Si이 상당히 intrinsic degradation 되기 때문이다. 빛을 쪼 여줄 때 발생하는 intrinsic degradation은 약 20%정도로 제한될 수 있다. 따라서 재료의 가공기술과 디바이스 디자인을 얼마나 발전시키는 가 가 a-Si의 효율을 안정화 시키는 관건이 된다. 다중접합 (multijunction) 을 이용하는 디바이스(복합셀 내에서 더욱더 얇은 흡 수층을 가능케 한다.) 와 빛을 잡아두는 방식은 안정된 효율의 태양전 지를 제작하게 할 수 있다. 현재 이런 방법으로 비정질 실리콘 태양전 지의 효율은 약 12%이상 그리고 모듈(module, 1평방 피트) 로서는 10% 이상의 고효율을 기록하고 있다.

CuInSe2태양전지(CIS Cells)

다결정 박막CuInSe2전지는 p-n이종접합 구조를 기본으로하며 약 1eV의 밴드갭을 가지고 있고 보통 0.5V이하의 open-circuit voltage(Voc) 를 나타낸다. 몰리브덴(Mo) 으로 코팅된 유리기판 위에 p-type 반도체인 CIS층을 증착하고 그 위에 n-type CdS를 주로 화학적 용액성장법 (chemical bath deposition, CBD 또는 "Dip-Coating") 으로 입히고 투 명전극 층인 ZnO를 스퍼터링법으로 증착한 후 금속전극을 입힌다. 이미 4ft2 모듈(module)에서 11%의 효율이 기록된 바 있으며 실험실에서는 17%를 상회하는 효율이 재현성 있게 기록되고 있다. CIS층은 진공증착 또는 금속막을 증착한 후 selenization공정을 거치는 2단계 방법 등으 로 만들어진다. CIS의 밴드갭이 작은 편이므로 다른 종류의 전지보다 Jsc가 크고 Voc가 낮다. 최근의 경향은 Voc를 증가 시키기 위하여 Ga등의 원소를 합금시켜(e.g. CuIn1-xGaxSe2) 물성 및 전지효율에 대한 영향을 조사하는 것이다.

GaAs 태양전지

태양전지 재료 중에서 가장 높은 효율을 달성하였고 현재 우주용으로 상용화에 성공하여 흑자를 기록하고 있는 재료이다. GaAs는 최적의 밴 드갭(1.45eV) 및 높은 광 흡수계수와 가장 높은 이론 효율치(39%) 등의 장점과 In, Al등과 쉽게 합금을 형성하여(InGaAs, AlGaAs) 밴드갭을 조 절할 수 있다는 특성을 지녔다. 현재 단일 접합으로 28.7% (200 sun concentrator) 이 기록이며 GaAs/GaSb 중첩전지로는 34.2% (100 sun concentrator) 가 기록이다. 단점은 재료의 가격이 매우 높아(Ga의 희 소성) 상업적으로 실용화하기에 어렵고 As의 유해성이 지적되고 있다.

CdTe태양전지

CdTe는 밴드갭이 1.45eV로서 이론적으로 이상적인 값을 갖고 있으며 전기적 및 광학적 특성이 태양전지재료로서 적합한 것으로 알려져 있 으나 무엇보다도 중요한 성질은 물질의 합성이 쉽다는 점이다. 현재까 지 다양한 방법, 즉 근접승화법(Closed-Spaced Sublimation, CSS), 진 공증착법, 전착법, screen printing, spray pyrolysis, metallorganic chemical vapor deposition(MOCVD) 등의 방법이 사용되어 10%이상의 효율이 입증되었다. CdTe층의 합성방법에 상관없이 화학양론비에 맞는 막을 형성하고 CdCl2 용제를 표면에 입힌 후 400oC 정도에서 열처리하 면 대략 10%의 효율을 쉽게 얻을 수 있다고 알려져 있다. CdTe물성에 관한 일반적인 사항은 Zanio에 의해 정리된 바 있다. CdTe전지 기술은 소위 "superstrate" 구조가 제안되고 마지막으로 화학적 용액 성장법으 로 CdS를 입히는 공정이 제안되었을 때 각각 전지의 효율이 획기적으로 증가되었다.

표준화된 태양전지 크기
태양전지 원판(100 X 100mm)를 가지고 80조각 2 조으로 35가지 크기로 절당된 상태이며(도표와 같습니다)
*도표에 있는 여러가지 크기 태양전지에 interconnect Ribon을 납땜하여 판매할 수도 있습니다.

다. 특성

1. 태양전지의 효율

태양전지의 효율을 특징 지워주는 변수로는 open-circuit voltage(Voc), short-circuit current(Jsc), 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 p-type 반도체와 n-type 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. 이 때 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 지표이다. 태양전지의 효율 η은 전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광 에너지 Pin 사이의 비율이다.

라. 특징

1. 장점

태양에너지원이 무진장이고 깨끗하다.
시스템도 단순하고 보수가 용이하다.
수용가에 설치하여 분산형 전원으로 적용이 기대된다.

2. 단점

에너지밀도가 낮다.
기상조건의 영향을 심하게 받게 되며 발전능력이 저하한다.
설치비가 고가

다. 적용

태양광을 이용한 충,발전은 작게는 손목시계에서부터 대형빌딩의 전원설비까지 다양하게 사용할 수있으며, 현재는 전력설비로서의 적용에 경제성의 문제로 그 사용이 제한되어 있으나, 장래에는 한정 지구촌의 한정된 에너지원의 고갈로 무한 에너지인 태양에너지의 활용도가 점차 높아질 것이다.

전자계산기, 시계,
레저용, 군사용
도로경고등, 자동차
건축물의 예비전원설비
항공기용, 인공위성, 우주정거장

라. 효과

최근에 창원시청과 삼성건설기술원 건물에 설치되어 운용중에 있으며, 태양전지 집합체를 건자재와일체화하여 건물 외벽이나 유휴공간에 설치하고, 태양전지에서 발생된 전력을 건물 내부의 전원으로 사용하고 있다. 이와같이 분산형 신전원을 이용하여 상용시에 자체 발전함으로써 수용가의 전력관리를 도모할 수 있고, 특히 최대수요전력 제어도 가능하며 다음과 같은 효과가 기대된다.

전원의 이중화
최대수요전력을 억제로 전기요금의 기본요금을 절감
부하율 개선
기존시설의 경우 변압기 시설용량의 여유도 증가
수용가의 전력관리 효과