태양 에너지 관련 주요 장치 및 기술
Guide to Solar Cell
Ⅰ. 태양광발전 시스템
그림 1. 태양광 발전시스템
태양광발전 시스템은 전력 계통 연계유무에 따라 독립형(Stand alone)과 계통 연계형(Grid-Connected)으로 분류할 수 있으며, 일부의 경우 풍력 발전, 디젤발전 등 타 에너지원에 의한 발전 방식과 결합된 하이브리드(Hybrid)형을 별도로 구분하기도 한다.
독립형의 시스템의 경우 주로, 등대, 중계소, 인공위성, 도서, 산간벽지 전원 등에 사용되고, 계통 연계형 시스템의 경우는 주택, 빌딩 등의 옥상, 대규모(수 MW급) 발전 시스템에 사용되고 있다.
(1) 태양광발전 시스템의 구성요소
태양전지 어레이(PV array)
직류 전력 조절장치(DC Power Condition)
인버터(Inverter)
축전지(Battery)
계통 연계 제어
(2) 태양광발전 시스템의 종류
●계통연계형(Grid Connected System)
- 태양광으로 발전된 직류 전기 에너지를 인버터에 공급하여 사용 전력으로 변환시켜 안정된 전원을 수요자에게 공급하는 시스템
- 계통과 연계가 가능하게 하여 야간이나 태양광 발전 전력이 부족할 경우 계통 전압을 유입하여 사용하게 하고 잉여전력이 발생할 경우 계통 전원으로 역 전송하도록 하는 방식
- 가정 및 일반 건물 전원용, 태양광 발전소용 등으로 사용
그림 2. 계통연계형 시스템 구조
그림 3. 계통 연계시스템 개념
●독립형(Stand Alone System)
- 야간이나 태양광이 적을 때 전력을 공급하기 위한 축전 설비를 갖추고 있어, 태양광 발전이 가능한 기간 동안 축전지에 전력용 전력을 저장하였다가 사용하는 방식
- 태양광이 적은 날이 장기화되거나 시스템 고장 등의 문제시 보조용으로 디젤발전기 및 풍력 발전기를 갖춘 복합 발전(Hybrid) 시스템으로 활용 가능
- 산간 지역 및 도서 지역 발전소용, 해양기지 전원용, 등대 전원용, 원거리 통신기지 전원용 등
그림 4. 독립형 시스템 구조
그림 5. 독립형 시스템 개념
Ⅱ. 태양전지 동작원리 및 구성
태양광 발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)이다.
그림과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Bandgap 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 직∙병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광 모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설치하게 된다.
Ⅲ. 태양전지 공정(태양전지는 어떻게 만들어지나)
그림 6. 태양전지 양산공정
현재 상업용 태양광발전소에서 쓰는 90%이상의 전지는 결정질 실리콘 태양전지이다. 태양전지를 만들기 위해선 반도체를 만들 때처럼 실리콘 웨이퍼라는 게 필요하다. 보통 반도체용 웨이퍼는 둥근 형태이지만, 태양전지용 웨이퍼는 사각형이 일반적이다. 웨이퍼를 다이아몬드나 절단용 와이어로 필요한 크기로 자른 뒤 절단 시 발생한 표면 자국을 없애기 위해 특수 화학약품에 담그는 세정작업을 실시하는데, 이를 에칭(Etching) 공정이라고 한다. 에칭 공정을 마친 웨이퍼는 태양광이 닿는 면적을 최대한 넓히기 위해 인위적으로 줄무늬형식의 스크래칭 작업을 거치며 이를 텍스처링(Texturing) 공정이라고 한다. 그 다음과정으로는 웨이퍼에 전도성을 띠게 하기 위해 불인산 등 불순물을 주입하고, 고온 처리하면 반도체와 같은 형태가 된다. 이후 불순물 도포과정에서 발생한 얇은 막(PSG)을 제거하는 에칭 공정을 다시 한번 거치게 된다. 다음으로 태양광 반사를 막아 효율을 높이도록 해주는 반사방지막을 형성시키고, 그 위에 전극 형성을 위해 푸른색의 실크스크린을 인쇄하는 작업을 거친다. 이후 저온에서 두 차례 건조시킨 후, 고온에서 실크스크린 표면을 소재 내부로 접합시키는 `소성(Firing) 공정을 진행하고, 레이저를 이용해 전극을 분리시켜주면 태양전지가 완성된다. 생산된 태양전지는 효율 측정을 거쳐 효율별로 자동 분류돼 출고된다.
그림 7. 태양전지 제작과정
Ⅳ. 태양전지 종류
시장의 약 90%를 차지하고 있는 단결정 및 다결정 실리콘계열, 최근에는 카드뮴텔러라이드(CdTe)와 카파인디움다이셀레나이드(CulnSe2:CIS) 반도체들도 활용한다. 단결정실리콘이 가장 비싸며 효율이 높으며, 비정질실리콘 계열은 가격은 낮으나 효율이 떨어지는 단점이 있다. 염료감응 방식이 실리콘태양전지에 비해 효율은 낮지만 가격을 5분의 1 정도로 낮출 수 있고 흐린 날에도 사용할 수 있는 점, 유연하고 반투명하게 만들 수 있어 건축물, 모바일 기기 등에 다양하게 사용할 수 있는 것이 장점이다.
[참고자료]
1. www.symphonyenergy.com
2. 네이버, 구글 검색
태양전지 분야 용어 쉽게 이해하기
● 태양에너지(Solar Energy)
태양으로부터 전자기파의 형태로 방출되는 에너지. 태양이 방출하는 에너지는 막대하지만 지구에 오는 것은 약 20억분의 1에 지나지 않는다. 그 중에서 70%만이 흡수되는데 세계 연간 에너지 소비량은 이 에너지의 겨우 1시간 분에 불과하다. 태양은 거대한 핵융합로와 같다. 태양에너지의 활용방법에는 태양열과 태양광선 이용이 있다. 대체에너지로서 무진장하며, 공해가 없고 지구대기의 열 균형이 보존되는 등 인류에게 절대적인 에너지 원천이다.
● 태양전지(Solar Battery)
태양 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치. 전지라고 하지만 건전지 등의 전지와는 다르며 방송 위성뿐만 아니라 휴대용 전자 계산기, 전자 시스템, 옥외 시계, 무인 등대, 텔레비전∙라디오 중계소 등에 이르기까지 응용 범위가 넓어지고 있다. 인공위성에 태양 전지를 쓰는 것은 우주에는 공기∙구름∙먼지 등이 없기 때문에 지표에 비해 태양 에너지 양이 훨씬 많아 발전 효율이 높기 때문이다. 태양전지는 태양광에너지를 직접 전기로 변환시키는 반도체화합물 소자이다. 대부분의 반도체들은 광기전력효과(photovotaic effect)를 나타내지만 태양전지의 다량생산으로 이어지는 반도체들은 주로 실리콘(Si)과 갈륨아세나이드(GaAs)이며, 실리콘이 가장 많이 활용되고 있다. 그러나 최근에는 카드뮴텔러라이드(CdTe)와 카파인디움다이셀레나이드(CulnSe2 ; CIS) 반도체들이 활용되고 있기도 하다. 이들은 박막형 태양전지로 구분되고 있다. 실리콘이 반도체산업에서 가장 많이 사용되는 이유는 지구상에서 두 번째로 보편화된 화학물질이고, 석영모래로부터 얻을 수 있기 때문이다.
그러나 전자부품이나 태양전지에 사용할 수 있는 것은 고순도의 실리콘을 회수하여야 한다. 실리콘 태양전지는 결정상태에 따라서 단결정실리콘(monocrystalline silicon) 태양전지, 다결정실리콘(multicrystalline silicon) 태양전지, 비정질실리콘(amorphous silicon) 태양전지의 세 가지로 분류한다. 이들 중에서 가격은 단결정실리콘이 가장 비싸고, 다결정, 비정질순으로 가격이 저렴한데 현재 이들이 국내외의 태양전지 시장을 석권하고 있다. 지금까지 개발되었거나 개발 중인 여러 형태의 태양전지들의 실험실 규모와 대량생산 규모에 따른 효율을 표로 비교하였다.
현재 결정계 태양전지들의 두께는0.3~0.5mm로 제작되는데, 이 두께 정도면 기계적 강도를 만족시킴은 물론 태양전지의 표면에 조사되는 일사량을 충분하게 흡수할 수 있다. 비정질계는 광에너지의 흡수율이 더 우수하기 때문에 태양전지로 수 마이크론의 두께로 제작이 가능하다. 그러나 비정질계의 경우 장시간 사용시에는 점차 퇴화가 빨라져서 효율이 감소한다는 단점이 있다. 일반적인 태양전지의 구조와 원리를 살펴보면 단결정실리콘 태양전지의 경우에는 실리콘에 5가의 원소들인 인, 비소, 안티몬 등을 함침시켜 만든 p형 반도체로 이루어진 p-n 결합구조이다. 이와 같이 p형 반도체와 n형 반도체가 하나의 단결정으로 접합이 되면 불순물의 농도차에 의하여 n형 반도체의 잉여전자(electron)가 p형의 반도체로 확산해 가고, 반대로 정공(hole)은 p형에서 n형으로 확산한다. 이에 따라서 p형 반도체의 전도대(conduction band) 내에 있는 전자의 에너지는 n형보다 좁아지고 n형 반도체의 가전자대(valence band)에 있는 정공이 갖는 에너지는 p형 반도체보다 높아지게 되므로써 내부 전위차가 발생하게 된다. 이때 금지대폭 이상의 광에너지가 흡수되면 가전자대에 있는 전자가 여기 되어 금지대폭을 건너뛰어 전도대로 이동하게 된다. 이와 같은 상황으로 인하여 가전자대에 있었던 전자의 자리가 비게 되어 양전하처럼 행동하는 정공이 형성되므로 양전하(정공)와 음전하(전자)의 쌍이 생기게 된다. 이렇게 생성된 전자-정공 쌍은 각각의 농도차와 전위차에 의하여 각각 전자는 n형으로, 정공은 p형으로 이동하여 외부회로에 의하여 전류가 흐르게 되는 것이다. 일반적으로 cell은 태양광 방사에너지를 조사했을 때 전기를 발생하는 반도체 소자를 일컫고 module은 복수의 태양전지 셀을 전기적으로 접속하고 내구환경을 고려하여 제작된 최소단위의 발전유닛을 말한다.
● 태양전지모듈
한 개의 태양전지는 0.6V 전압과 3A 이상의 전류를 생성한다. 적절한 전압과 전류를 생성하기 위하여 여러 개의 태양전지를 서로연결하고 외부환경으로부터 보호하기 위하여 충진재, 유리 등과 함께 압축한 것이 모듈이다. 모듈이란 보통 2~100개의 태양전지를 연결한 것을 말하며 이러한 모듈을 연결하여 어레이를 제작한다. 태양전지를 모듈화하기 위해서는 모듈의 광학적 성질, 전기적 성질을 만족해야 하며, 특히 내구성, 신뢰성 등이 요구된다. 모듈을 만드는데 필요한 태양전지의 수는 축전지 입력 전압축전지 직렬 개수/태양전지 모듈의 출력 전압으로 결정한다. 태양전지 모듈은 일반적인 결정질 실리콘 태양전지 모듈 구조와 박막태양전지 모듈이 있다. 결정질 실리콘 태양전지 모듈은 여러 개의 태양전지를 얇은 선으로 연결하여 충진재와 유리기판, Back sheet 등과 함께 압축시켜 제조한다. 이와 달리 박막 태양전지 모듈은 태양전지 자체가 모듈형태로 제작되며, 후에 보호막을 입히는 과정만이 들어간다.
● 다결정 실리콘 태양전지
다결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말하는 것으로 다결정 실리콘은 재료 내부의 원자가 규칙적으로 배열 되어있는 방향이 서로 다른 부분으로 구성되어 있다. 따라서 원자 배열의 불연속면이 존재하게 되고 이러한 불연속면 때문에 전력변환효율이 단결정에 비해 낮다. 제조공정이 간단하고 대량 생산이 가능하여 가격이 저렴하다는 장점이 있다.
● 단결정 실리콘 태양전지
단결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말하는 것으로 재료 내부의 원자 배열의 방향이 균일한 상태이므로 태양전지의 전력변환효율이 우수하나 제조가격이 비싸다.
● 태양광 발전
태양광 발전은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 기본 원리는 반도체 pn 접합으로 구성된 태양전지(solar cell)에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자-양공 쌍이 생겨나고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다. 이러한 태양 전지는 필요한 단위 용량으로 직∙병렬 연결하여 기후에 견디고 단단한 재료와 구조의 만들어진 태양전지 모듈(solar cell module)로 상품화 된다. 그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량의 강도에 따라 균일하지 않은 직류가 발생한다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직∙병렬로 연결한 태양전지 어레이(array)와 전력 저장용 축전지(storage battery), 전력 조정기(power controller) 및 직∙교류 변환장치(inverter)등의 주변장치로 구성된다.
● 플라스틱 태양전지(Plastic Solar Cell)
플라스틱의 한 종류인 고분자와 플러린이라는 물질을 이용해 빛을 전기로 만드는 전지. 기존의 태양 전지는 실리콘이나 화합물반도체 등의 무기물을 이용한 것으로 제조공정이 복잡하고 제작 단가가 비싸다는 단점이 있었다. 그에 반해 플라스틱 태양 전지는 유기물인 식물의 광합성 작용 원리를 응용한 것으로 무기물 태양 전지에 비해 값이 싸고 가벼우면서 제작 공정은 간편하다.
● 아모르퍼스 태양전지(Amorphous Solar Battery)
태양의 빛 에너지를 전력으로 변환시키는 소자로서 아모르퍼스(非晶質) 실리콘을 이용한 태양전지. 태양전지의 소자로서는 현재 단결정(單結晶) 실리콘이 주류를 이루고 있는데 비정질 실리콘을 사용하면 실리콘 원료가 소량으로 가능해지므로 생산비가 100분의 1로 낮아진다. 이 전지를 넣은 탁상전자계산기 등이 이미 판매되고 있으며 현재 전력용으로도 연구 개발되고 있다.
● 태양로
태양로란 태양열을 모아 화로를 만드는 것이다. 빛을 모으는 부 분은 높이 40m, 폭 54m의 건물에 45cm x 45cm 크기의 평면경 9500개를 붙여 만든 초점 거리 17,7m의 포물면경이다. 태양빛을 한 점에 모으기 위하여 항상 이 포물면경의 축에 평행하게 햇빛을 보내야 하는데 이것은 포물면경의 정면에 높이 6m x 7m의 평면경 63개를 8계단으로 층층이 세워 태양의 위치에 따라 평면경의 각도를 컴퓨터로 자동 조절함으로 이루어진다. 반사 평면경 하나하나는 50 x 50cm의 작은 거울로 조립되어 있다. 포물 면경에 도달하는 태양빛은 17.7m의 초점에 맞추어 세워진 27m 건물꼭대기에 직경 60cm 정도의 원형으로 모아진다. 최고 3000℃까지 온도를 얻을 수 있다. 태양로는 고온 물리화학의 연구, 융점의 측정, 단일 결정의 생성 연구 등에 이용되고 있다.
● 태양열 발전
태양열로 증기 원동기를 작동시킨 힘으로 발전하는 것을 의미한다. 이것은 태양으로부터 입사되는 햇빛을 수없이 많은 거울 등의 반사체로 한 점에 집광시켜 고온을 얻고, 이 높은 열로써 태양로에서 증기를 발생시켜 터빈을 돌리는 것을 말한다.
● 태양열발전소(Solar Thermal Power Station)
태양열을 열 매체에 전달하여 수집된 열에너지를 전기에너지로 바꾸도록 설계된 발전시설. 태양열 탑 발전소(Solar tower power station)는 태양열을 집열하기 위한 탑을 세우고 다수의 거울로 태양광을 탑에 반사시켜 집열된 고온의 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 태양열 발전소의 일종이다.
● 염료감응 태양전지
값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양 전지. 가시광선을 투과시킬 수 있어 건물의 유리창이나 자동차 유리에 그대로 붙여 사용할 수도 있다. 1971년 스위스 연방 기술원(EPFL) 화학과의 마이클 그랏젤 교수가 개발하였고, 국내에서는 한국전자통신연구원(ETRI)이 처음으로 10~20nm 크기의 산화물 표면에 유기 염료를 흡착해 수십um 필름을 만들고 전극화하는 데 성공했다.
[참고자료]
1. 태양전지 어떻게 만들어지나(디지털 타임즈, 2008. 4)
2. 네이버, 구글 지식검색
Source : IT SoC
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