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태양전지

[태양광발전이란? 태양전지(太陽電池, solar cell, photovoltaic cell), 광전지 효과(photovoltaic effect), 태양전지의 숙원인 효율향상과 원가절감에 도전하는 기업들(26/Mar/2008)]지난 주에는 태양열 발전(Solar Thermal Power))에 관한 원리 및 이에 도전하는 기업들을 소개했고, 이번 주에는 또 다른 태양 에너지인 태양광 발전(photovoltaic power)에 관한 내용으로, 태양광 발전이란 무엇이고, 어떤 원리를 이용하는 것이며, 태양전지의 종류, 태양전지를 만드는 방법, 기존 실리콘 태양전지의 문제점, 그리고 태양전지의 숙원인 효율향상과 원가절감에 도전하는 기업들을 소개하고자 한다. 내용이 상당히 많지만, 천천히 공부하시다 보면, 태양광 발전에 관한한 전문가가 될 것이라 확신하면서...-------------------------------------------------[목차]1. 태양전지(太陽電池, solar cell, photovoltaic cell)의 원리와 특징2. 광전지 효과(photovoltaic effect) 및 태양전지의 역사3. 태양 전지->모듈->어레이 만드는 방법4. 태양전지의 종류5. 효율(%, efficiency)이란?6. 태양전지에 사용되는 부품 및 기구7. 태양전지의 숙원, 효율향상과 원가절감8. 태양전지 많은 기술적 진보 이뤄9. 실리콘 태양전지의 혁신 및 다른 물질을 이용하여 태양전지에 도전하는 사례들9-1. 일본의 Clean Venture 21, 육각형 반사경(hexagonal reflectors) 실리콘 구슬 태양전지에 도전(27/Nov/2007), 문제는 지금의 10%효율을 15%로 끌어 올리는 것9-2. 한국과학기술연구원(KIST)-염료감응형(DSC) 반투명의 태양전지 필수부품 국산화성공(19/Jan/2008), 문제는 지금의 10.6%의 효율을15%로 끌어 올리는 것.9-3. 광주과학기술원 이광희 교수와 앨런 히거(Heeger) 교수팀, 6.5% 효율의 voltaic effect) 및 태양전지의 역사광전지(photovoltaic)란 단어는 그리스어의 빛(light)을 의미하는'φwc:phos'에서 유래된 말이고, 전지(Voltaic)는 전기(electrical)를 의미하는데, 이탈리아의 물리학자인 Alessandro Volta)가 볼트(volt)를 측정한 후 전지(Voltaic)라는 말을 사용했다.광-전지(photo-voltaic)란 말은 1849년부터 영어로 사용하기 시작했다(Alfred Smee, 1849))태양전지는 1839년 프랑스의 과학자 베크렐(Alexandre-Edmond Becquerel, 1820-1891))이, 전해질 속에 담긴 2개의 전극에서 발생되는 전력이 빛에 노출되면 증가하는 현상, 즉 광전지 효과(photovoltaic effect))를 발견하면서 비롯됐다. 태양전지는 이 현상을 응용해 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는, 에너지 변환소자라 할 수 있다. 그러나 이 광전지 현상이 발견되고 난 후 1883년이 되어서야 반도체인 원자번호 34번인 2-8-18-6의 전자층을 가진 셀레늄(selenium)) 반도체에 극미세 금(gold) 층을 코팅하여 접합(junctions)을 만든 Charles Fritts)에 의해 최초의 태양전지가 탄생했다. 이 태양전지의 효율은 고작 1%였다. 그 후 Russell Ohl)은 1946년에 빛 감지 디바이스(Light sensitive device)로 미국 특허(U.S. Patent 2,402,662))를 받았고, Sven Ason Berglund는 효율을 증대시키는 광민감전지(photosensitive cells)를 만드는 방법으로 특허를 받았다. 근대의 태양전지 기술은 1954년에 들어와서야 미국의 Bell Laboratories에 의해 실리콘에 어떤 불순물(이물질)을 도핑하여 빛에 대한 민감도를 높이는 기술로 나타났다.이러한 연구 결과를 바탕으로 최초의 6%의 효율을 가진 실제적인 태양전지가 생산되기 시작했다. 미·소(美蘇)간 우주개발 경쟁이다.2000년대 이후에는 태양전지 재료비를 획기적으로 낮출 수 있는 대안으로 유기물 태양전지가 주목받고 있다. 식물의 광합성 작용을 응용한 염료감응형 태양전지와 유기물 반도체를 이용한 유기박막 태양전지가 대표적이다. 셀 효율이 향상되었으나, 상업적 응용 수준의 효율과 안정성은 부족한 것으로 평가받고 있다.최근에는 3세대라 할 수 있는 높은 에너지를 흡수한 전자·정공인 핫 캐리어(hot carrier)를 이용한 태양전지 연구와 양자점(quantum dot·전자 운동을 제한하는 몇 나노미터nm 크기의 미세물질)의 양자구속(量子拘束·에너지 상태가 불연속적으로 되는 현상·Quantum confinement) 효과를 이용해 양자점의 크기별로 적층시킨 적층형 태양전지 등 태양전지의 이론적인 한계 효율(29%)을 뛰어넘는 고효율 전지가 개발되고 있다.8. 태양전지 많은 기술적 진보 이뤄본 7절의 내용은 2007년 6월 22일자 조선일보에 삼성종합기술원 전문연구원인 박상철 박사가 기고한 [태양전지가 떠오른다]의 내용 중 관련 내용을 그대로 인용한 것이다.)일본 산요(Sanyo)는 단결정 실리콘의 양면에 비정질(非晶質) 박막을 형성, 박막 태양전지와 결정질 실리콘이 결합된 하이브리드 태양전지 연구를 통해 양산 단계에서 19.7%의 셀 효율을 얻었다. 2006년에는 보잉 계열의 스펙트로랩 사는 적층형 화합물 반도체 태양전지에 집광장치(concentrator)를 사용해 40.7%의 효율을 달성했다는 보고도 나왔다.태양전지 공정 기술 연구도 활발히 이뤄지고 있다. 박막공정 대신 화합물을 입자로 합성해 고효율의 셀을 대면적화(大面積化)가 용이한 프린팅 공정(NanoSolar) 연구를 비롯해 실리콘 웨이퍼나 유리기판이 아닌 플라스틱 같은 플렉서블 기판에 박막을 증착해 제조하는 롤투롤(roll to roll) 방식도 개발 중이다. 태양전지의 무게를 줄이고 기판을 휠 수 있어서 비행선과 건물 일체형 태양전지 제작이 가능하다. 지붕 위에 설치하는 전통적인 방식이 아닌 창문, 건축자재를 대신niversity of Tsukuba의 Hideki Shirakawa(1936~) 교수가 공동으로 처음 개발하여, 이들은 이를 발견한 공로(for the discovery and development of conductive polymers)를 인정 받아 2000년에 노벨 화학상을 수상했다.) 하지만 1977년에 개발된 전도성 플라스틱은 일반적으로 '전기를 통하는 플라스틱'으로 알려진 전도성 고분자(Conducting Polymer)이지만 약간의 전기를 흐르게 할 수 있는 게 대부분이며, 여름과 겨울의 온도에 따라 전도율이 달라 상용화하기가 어려웠다.[그림(02166-05) : 다아오드에 불이 들어오다]2006년 5월 4일에 부산대 이광희 교수와 아주대 이석현 교수는 스스인 2000년 노벨 화학상 수상자인, 앨런 히거(Alan J. Heeger) 교수와 고동으로, 100% 전기가 통하는 플라스틱을 개발했다. 전기가 흐르는 플라스틱은 30년 전에 개발됐지만 순수한 금속성을 가진 것은 이번이 처음이어서 잘 휘어지는 디스플레이의 실현 시기를 앞당길 것으로 기대하고 있다. 이들은 자기안정화 분산중합반응기법(Self-stabilized dispersion polymerization)이라는 독창적인 합성법으로 전도성의 고분자(Conducting polymer)인 폴리아닐린(Polyaniline)을 개발하여, 두루마리 디스플레이나 입는 컴퓨터와 같은 제품의 실용화를 앞당길 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 영국 과학저널 '네이처'지의 2006년 5월 4일자에 "재료과학 : 고분자 플라스틱이 금속임을 보이다(Materials science: Plastics show they're metal)")라는 편집자의 별도 해설(News and Views)이 포함된 주요 논문인 "폴리아닐린 고분자내에서의 금속성 전도 발견(Metallic Transport in Polyaniline)"(Lee & Heeger et al., 2006))이라는 논문으로 게재했다. 네이처지는 "플라스용하므로 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 바로 미국 캘리포니아주 Fremont 소재 신생기업인 Solaria)사로 이미 최초의 파넬을 공급하기 시작했으며 2008년 상반기 중에는 연간 25메가와트의 전기를 생산할 수 있는 솔라 파넬을 생산할 공장을 가동할 예정이다.현재 태양 전지 시장의 95%를 석권하고 있는 실리콘 태양전지는 워낙 비싸 전통적인 솔라 파넬의 가격을 부추기고 있다. 그러나 Solaria사가 개발한 솔파 파넬은 기존 실리콘 태양전지를 이용한 솔라 파넬이 생산해내는 전기의 90%까지 생산하면서, 여기에 들어가는 실리콘의 양을 50%로 줄였다고 이 회사의 CTO인 Kevin Gibson는 말한다.9-4-2. 어떤 기술인가?기존 실리콘 태양 파넬은 파넬 안에 있는 실리콘 표면이 빛을 모은다. 그러나 Solaria사는 기존 실리콘을 더욱 작고 얇은 조각(strips)으로 자르고, 이들 조각들의 위치 공간을 조금 벌려(apart), 기존의 파넬 영역을 반으로 줄였다. 그 다음 투명한 플라스틱으로 몰딩하여, 전체 파넬로부터 오는 빛을 모아 실리콘 조각들로 보내는 것이다. 이러한 방법 및 생산 방법은 기존의 생산비용을 획기적으로 줄여,경쟁사들보다 생산비용을 10-30%까지 줄일 수 있다.[그림 : 길고 가느다란 조각으로 잘라진 솔라(Stripped-down solar). 실리콘을 조각으로 잘라 배열(왼쪽 그림)하고 투명 플라스틱으로 몰딩하여 빛을 실리콘 조각으로 모이게 함. 이와 같은 방법으로 Solaria사는 실리콘의 양을 반으로 줄여 솔라 파넬의 비용을 30%까지 줄임. Credit: Solaria]기존의 실리콘 솔라 파넬은 전기를 모으기 위해 태양 전지의 위에 선(wires)들을 깔아야 하는데, 이게 바로 빛의 흡수를 방해한다. 그러나 Solaria사는 선들을 실리콘 조각들 사이에 연결함으로써 빛의 흡수 방해가 없다. 따라서 더욱 작아진 셀 크기들은 효율을 높이는 것이다.[그림 : 로보 솔라(Robo solar) : Solaria사는 로봇과 같은 장비

공학/기술| 2008.11.25| 30페이지| 3,000원| 조회(635)

대체에너지, 태양전지, 태양광 발전, solar cell, solar

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