태양 전지 - 20세기 발명품

과거 2007년에는 태양광 전지로 만드는 전기 비용이 우리가 지금 집에서 사용하고 있는 전기료보다 5배 정도 비쌌지만, 그 단가는 점점 낮아져서 경제성을 갖춰가고 있다. 태양 전지 또는 광전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 장치를 말한다. P-N 접합 면을 가지는 반도체 접합 영역에 금지 대폭보다 큰 에너지의 빛이 조사되면 전자와 양공이 발생하여 접합영역에 형성된 내부 전기장이 전자는 N형 반도체로, 양공은 P형 반도체로 이동시켜 기전력이 발생한다. N형 반도체, P형 반도체 각각 부착된 전극이 부극과 정국이 되어 직류전류를 취하는 것이 가능해진다. 태양 전지 반도체의 재료로서는 실리콘뿐만이 아니라 갈륨비소, 카드뮴 텔루르, 황화카드뮴, 인듐인 또는 이 재료들 사이의 복합체를 사용하고 있으나, 일반적으로 실리콘을 쓴다. 태양광의 발전효율에 대해서 알아보면, 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, 최근 발전효율이 최고 37%에 달하는 지상용 고잡광 태양전지 수신 모듈 Voltaic을 개발했다. 이는 박막 필름 방식의 6~12% 효율보다 3배가 넘는 고효율의 태양광 발전 기술로, 박막 필름 방식에 이어 제3세대 태양전지 기술로 인정받고 있다. 2008년, 대한민국의 3 SOFT 사는 NASA로부터 태양전지 핵심기술을 이전받는다는 보도가 있었다. 이 기술은 NASA가 상용화시킨 삼중정선 모듈을 업그레이드한 기술로 최대 28% 이상의 발전효율을 지니고 있다고 한다. 2008년 7월에 본격 가동에 들어간 LG 태안 태양광 발전소는 대한민국 최대의 태양광 발전소이다. 발전효율은 17%이다. 최근에 태양전지 제조사업에 진출한 신성이엔지도 관련 연구로 잘 알려진 호주 뉴사우스웨일스 대학교의 태양전지 리서치연구소 출신의 조영현 박사를 최고기술책임자로 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 난 장소라 등의 CEO는 모두 UNSW의 박사 출신들이며 이들 모두 UNSW 마틴 그린 교수의 제자들이다. 2016년 5월 18일, 호주 뉴사우스웨일스대학 연구팀은 34.5%의 효율을 달성했다. 이론상 53%까지 가능하다고 한다. 마틴 그린 교수는 자국의 기술이 타국에 비해 수년 앞서있다고 말했다. 태양 에너지 발전은 태양 전지를 사용하여 햇빛을 전기로 바꾸는 것, 혹은 태양열을 집적하여 물이나 공기를 데우는 것, 혹은 창문을 통해 들어오는 태양열로 난방을 하는 것이 포함된다. 태양 전지는 태양광 조사량이 가장 많은 곳에 설치된다. 미국의 전기 수요량은 연당 3.7×1012 kW·h이다. 그러므로, 20% 효율을 가정하면, 3500제곱마일의 대지를 태양 전지로 가득 채울 경우 미국 전 지역에 전기를 공급할 수 있다. 2017년 5월 25일, 유니스트에서 핫 프레싱 공법을 이용한 페로브스카이트 태양전지로 3세대 태양전지 중 유일하게 광전변환 효율 22%를 달성했다. 이론상 66%까지 가능하며 안정성이 매우 높고 무한한 바닷물을 사용하기 때문에 리튬이온전지 대비 생산 비용을 4분의 1 이하로 절감할 수 있다. 2009년 말, 태양광 발전량은 21기가와트를 넘어섰으며 태양광 발전소는 독일과 스페인에서 널리 쓰이고 있다. 태양열 에너지 발전소는 미국과 스페인에 있으며, 이 중 모하비 사막에 있는 것이 354메가와트로 가장 많은 전기를 생산하고 있다. 중국은 2008년 7월까지 2000톤의 실리콘 회로를 생산하고, 2010년 말까지는 6000톤을 생산하여 태양 전지를 본격적으로 제작할 준비를 하고 있다. 이를 위해 많은 국제 자본이 중국 내로 유입되고 있다. 또 중국은 팬 바이 유와 동탄 환경 도시에 대규모 독립 태양 에너지 도시들을 짓고 있다. 디자인 대부분은 윌리엄 맥도너 등의 미국인들이 맡았다. 마지막으로 태양전지의 효율에 대해서 알아보면, 태양전지의 효율을 결정하는 변수는 open-circuit voltage, short-circuit current, 그리고 fill factor 등이다. open-circuit voltage는 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 저항이 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다. 동종접합의 경우를 예로써 설명하자면, 얻을 수 있는 최대한의 Voc 값은 p형 반도체와 n형 반도체 사이의 일함수 값의 차이로 주어지며, 이 값은 반도체의 밴드갭에 의해 결정되므로 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 대체로 높은 Voc 값이 얻어진다. Short-circuit current는 회로가 단락된 상태, 즉 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향의 전류밀도이다. 이 값은 먼저 입사광의 세기와 파장 분포에 따라 달라지지만, 이러한 조건이 결정된 상태에서는 광 흡수에 의해 들뜬상태가 된 전자와 정공이 재결합하여 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 Anti reflection coating을 해주거나 metal contact를 만들 때 태양 빛을 가리는 면적을 최소화해주어야 한다. 가능한 모든 파장의 빛을 흡수하기 위해선 반도체의 밴드갭 에너지가 작을수록 유리하지만 그렇게 되면 Voc도 감소하게 되므로 적정한 밴드갭을 가진 재료가 필요하다. 따라서 최대크기의 Voc과 ISC 값을 얻기 위해 계산된 이론적인 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV가 된다. Fill factor는 최대전력 점에서의 전류밀도와 전압값의 곱을 Voc과 ISC의 곱으로 나눈 값이다. 따라서 fill factor는 빛이 가해진 상태에서 I-V 곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 값이다.