태양 전지

태양 전지판

태양 전지(太陽電池) 또는 광전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 장치를 말한다. 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. 태양 전지 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.

태양전지의 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,한국의 주도하에 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.

최근에 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.

태양전지의 발전

태양전지의 효율을 결정하는 변수는 option-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.

같이 보기

• 태양 에너지
• 대체 연료, 재생가능 에너지
• 환경 기술
• 에너지 개발
• 반도체
• 갈륨비소