태양전지

영어 : Solar Cell
한국어 : 태양 전지
비슷한 계통 : 광전지

• 관련 문서 : 태양광 발전, 반도체, 솔라글래스

1 개요

반도체 물질과 광기전효과(Photovoltaic effect)를 이용한 것으로 반도체의 '밴드갭(Eg)'보다 같거나 큰 에너지를 가진 빛이 물질에 조사될 경우 전자가 들떠 p-n 접합구조가 기본적으로 가진 내부 전기장을 거슬러 움직여 외부회로에서 일을 하는 구조다. 실제 현상은 이렇지만 전자가 빠져나가고 남은 부분을 설명할 때 수많은 전자를 동시에 계산하려면 어림도 없으므로 전자가 빠져나간 빈 부분을 양전하로 취급하는 양공의 개념을 도입해 전자-양공쌍(electron-hole pair), 혹은 엑시톤(Exciton)이 발생하고 p-n 접합구조가 기본적으로 가진 내부 전기장에 의해 분리되어 외부회로로 흘러가 일을 하게 만드는 것이라고 설명하는게 보통. LED는 거꾸로 소자에 전기를 흘려 빛을 생성하는 것으로, LED와 태양전지는 동작방향이 정반대다. 대부분의 발전방식과는 달리 직류를 만들어내는 게 기본이다.

광기전효과(photovoltaic effect)는 고등학교 과정을 거쳤으면 익숙할 광전효과(photoelectric effect)와는 다르다. 광전효과는 빛의 입자설에 대한 증거로 물질에 그것의 일함수(work function) 이상의 에너지를 가진 전자기파가 조사될 경우 외부로 전자를 방출하는 효과를 의미하며 광기전효과는 빛에 의해 생성된 전자정공이 기전력(electromotive force)을 가져 전류 뿐만 아니라 전압, 즉 일을 할 수 있는 상태가 되는 것을 말한다.

에너지원이 사실상 무한한 태양광이라는 메리트와 친환경발전이라는 점에 의해 재생에너지로 각광 받고 있으나 이론대비 낮은 효율과 상대적으로 높은 생산단가 그리고 태양광의 불연속성에 의해 단점도 많아 많은 연구가 필요한 에너지원이다. 여기서도 메이드 인 차이나의 위엄은 여전해서 중국이 본격적으로 참여하자 가격이 급격히 떨어졌으며, 연구가 아닌 단순 제조는 중국으로 넘어가는 추세다.

이걸 다루는 자격증으로 신재생에너지발전설비기능사(태양광), 신재생에너지발전설비기사(태양광)가 있다. 2013년에 개설되어서 인지도가 바닥을 달린다(...).

2 태양 전지의 종류

2.1 구성 물질 기준

2.1.1 Si 계통

실리콘을 의미한다. 절대로 프로그래머가 죽어나가는 그곳이 아니다. 에너지 밴드 구조가 indirect이기 때문에 에너지의 일부가 원자핵의 진동(phonon)으로 새어나가 효율은 좋지 않으나 가장 널리 쓰인다. 이유는 싸고, 전자쪽에서 많이 쓰기 때문에 소자제조기술이 발전되어있으며 산화만 시키면 바로 절연체를 만들 수 있어 제어가 쉽고 다른 물질들보다 독성이 적은 동시에, 최대로 반응하는 빛의 에너지 대역이 indirect 물질중에서는 대기를 통과한 햇빛과 유사해 효율이 가장 좋기 때문.

2.1.2 기타 화합물 반도체

II-VI족 ; CdTe, CIS, CuInSe², CdS, ZnS 등
III-V족 ; GaAs, InP, GaInAs, GaAlAs 등

Si와는 달리 전부 direct 밴드구조를 갖는다. 원자핵의 진동으로 에너지가 새어나가는게 적어져 효율이 높기 때문. 많은 소자가 단일물질 반도체로 유명한 14족을 중심으로 대칭이지만, 꼭 이렇게 결합한 화합물만 반도체라는 건 아니다. 이중에서 GaAs계열은 인공위성용으로 사용되는 등 훌륭한 성능과 내구력을 자랑한다. 그만큼 당연히 가격도 비싸다(...)

이외에 CIGS 소자는 구리 인듐 갈륨 셀레늄이 구성물로, 연구소 수준에선 다결정 Si의 효율보단 좋다. 실리콘 태양전지보다도 가격이 저렴하고 박막화가 가능해 더 낮출수도 있어 실용화되면 보급형으로 잘 먹힐 수 있다. CdTe 태양전지는 독극물인 Cd(카드뮴)을 사용하나 제조시에 사용되는 에너지가 적고, 환경성능이 좋으며 화합물 반도체중에선 저가여서 미국이나 RU에서 대규모 발전소에 이용하기 시작했다. 폐기시엔 제조회사에서 책임진다는 모양이다.

제조할 땐 사파이어 재질 기판 위에 증착시켜 성장하게 하는 방법을 취하는데, 화합물과 사파이어의 결정 크기가 가장 비슷하기 때문이나 완전히 같지 않아 공정을 위해 열을 가하면 열팽창 정도 차이로 쩍쩍 갈라지는 문제가 있었다. 이 부분을 해결한 것이 2014년 노벨물리학 수상자들의 연구과제였다. 수상제목은 LED에 대한 것이지만, 태양전지에도 해당한다.

2.1.3 유기물

무기물을 사용한 소자들에 비해 출발이 매우 늦은 계열. 유기물을 둘러 싼 고체의 반도체 박막을 이용한다. 상온에서 도포하는 것 만으로 제조 가능하며 색상이 좋고, 가볍다.

무기계가 발전이 일어나는 접합부에 무기물을 사용한 반면에 유기물을 사용했으며 효율은 10%내외로 무기태양전지가 20%를 넘는 것에 비해 많이 뒤쳐져있고 유기물은 무기물에 비해 분해되기가 쉬운 만큼 수명문제가 있다. 그럼에도 유기태양전지를 연구하는 이유는 유기물은 플렉서블한 걸 찾기가 쉽고 무기물에 비해 원료가 싸며 공법 역시 저비용에 비진공공법이기 때문에 단가를 낮출 수 있기 때문이다. OPV에 주로 이용되는 PCBM, P3HT의 경우 실리콘보다 가격이 비싸지만, 실리콘은 결정을 만들때 특정 공정을 거쳐야 되고, p형/n형으로 전기적인 특성을 부여할 때 어떤 방식의 공정이더라도 높은 수준의 진공이 필수다. 원료가격은 시장규모만 커지면 대량생산으로 가격을 낮출 수 있다.라고 유기태양전지연구자들은 말한다

페로브스카이트(Perovskite)라는 결정구조를 가진 물질을 이용한 유기태양전지 엄격하게는 유무기하이브리드 태양전지 효율이 급격히 좋아지고 있어 학계가 흥분하고 있다. 페로브스카이트 유기태양전지의 경우 2015년 기준으로 최고 20.1%의 효율을 보여주고 있다 그것도 우리나라에서. KRICT 한국화학연구원의 작품으로 미국의 국립 재생에너지 연구원 NREL에서 제공하는 공인인증효율 차트에 당당히 올라있다. 여담으로 이 차트에 한국기반 연구소는 LG전자(단결정 GaAs와 비정질실리콘)와 KRICT(페로브스카이트) 뿐이다. 다만 안정성에 대해 많은 의문이 제기되고 있으며 효율 측정시 역시 완벽한 자료를 제출하지 않으면 인정해 주지 않는 추세로 흘러 가고 있다. 측정하고 나면 효율이 떨어질 정도로 소자가 불안정하기 때문으로, 이 소자의 최대 단점이 이것이다. 연구가 진행돼도 안정성 향상은 지지부진하고, 납이 포함되어있는 물질이 많아 앞으로도 상용화는 힘들어 보인다. 연구 추세도 상용화는 버리고 작동 원리 알아내서 다른 태양전지에 적용하자는 쪽으로 가고 있다.

2.2 결정구조 기준

2.2.1 결정질

우리가 주위에서 가장 흔히 볼 수 있는, 이 페이지의 맨 위에 걸려있는 이미지가 바로 결정질(다결정) 태양전지다. 종류로는 다결정과 단결정 방식 2가지가 있는데 단결정은 검은색, 다결정은 파란색으로 나타난다. 다만 이 색은 소자 자체의 색뿐만 아니라 표면의 여러 가공층에 의한 색도 있으며, 각 소자에 맞는 최적의 가공을 하다보니 색이 달라지는 것. 가장 확실한 구분법은 빛에 비추었을 때 반짝이는 덩어리처럼 보이는 주변과 다른 부분들이 있는지 확인하는 것으로, 이 덩어리 하나하나가 결정이다. 전체가 똑같이 빛나면 단결정, 다르게 빛나는 덩어리가 보이면 다결정, 소자 자체가 박막형인 경우는 다음에 설명할 비정질.
주요 특징만을 간단히 정리하자면

• 단결정 - 검은색 , 효율 높다 , 비싸다 잘 안깨진다
• 다결정 - 파란색 , 효율 낮다 , 싸다 잘 깨진다

단결정은 효율은 더 높으나 제조공정에 고열솔찍히 다결정도 고열에서 지진다.이 필요해 가격이 비싸고웨이퍼 한장이 한달월급 창문을 비롯한 다양한 공간에 사용할 수 있는 박막형태로의 제조가 힘들다. 규소를 단순히 용융하여 얇게 뿌려 식히는 수준의 것은 아니기 때문이다. 규소의 단결정질을 유지하고 있어야 웨이퍼로 사용할 수 있는데 이는 단순한 주괴 제조 방식으로는 만들 수 없다. 그래서 초크랄스키법 같은 실리콘 결정 성장기술을 이용하는데, 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액으로 만들고, 여기에 결정을 넣고 천천히 돌려가면서 들어올리면서 뽑아낸다. 여기서 성장된 단결정 덩어리(잉곳(ingot))를 다이아몬드 소우 머신을 이용해 균일한 두께로 절단하고 연마하면 웨이퍼가 된다. 얇게 자르는게 상당한 기술력을 요구하는 부분이라 이걸 얼마나 얇게 하느냐에 따라서 가격도 천차만별로 변한다. 국내의 기술기준으로는 두께를 100㎛(마이크로 미터)이하가 되도록 잘라야 경제적인 두께로 인정하고 있다.

2.2.2 비정질(amorphous silicon)

비정질 방식의 큰 특징은 도포가 가능하다는 점이다. 에너지도 적게 든다. 결정적으로 가격도 싸다. 그래서 단결정이나 다결정 방식보다 재료가 덜 들어 생산비를 절감할 수 있다. 발전량도 다결정보다 효율이 떨어지지만 온도차에 따른 발전량의 저하가 결정질보다 낮기때문에 사막같이 매우 온도가 높은 지방에서 효율적으로 사용할 수 있다. 그 외에도 휘어지는등의 특징덕분에 아웃도어용, 혹은 군사용으로 각광을 받고 있다.

2.3 소자구조 기준

2.3.1 벌크(Bulk)

상대적으로 두꺼운 단결정 통소자에 도핑을 가하는 방식으로 제조된 상대적으로 두꺼운 소자. 수명이 길다는 장점이 있다. 결정질 소자는 아무리 얇게 잘라도 결정구조를 이루는 결합 자체가 유연하진 않다면 100% 이 소자.

2.3.2 박막(Thin Film)

모든 층이 얇게 제조된 소자. 활용이 쉽고 소자간의 연결구조를 쉽게 만들 수 있으며 재료도 적게 드나 수명이 짧고 단순구조로는 효율이 약간 떨어진다. 때문에 여러 층을 겹쳐 여러 주파수대역에서 오는 출력을 합할 수 있도록 제조된다. 단순히 녹여서 적당량 부으면 되기 때문에 가장 싸게 만들 수 있다.

2.3.3 구상

1 mm 정도 크기의 작은 구형 소자들을 복합적으로 연결해 만든 소자. 원하는 모양을 만들기가 쉽다.

2.3.4 다중접합

PN 소자가 만나는 층에서 발전이 이뤄지는 태양전지의 특성을 이용해 PNPNPNPN....식으로 층을 여럿 만들어 효율을 올리는 형태. 박막소자는 이 구조를 필수적으로 사용해야 쓸만한 효율이 나온다. 각 층마다 서로 다른 결정구조나 구성물질의 소자일 수도 있다. 다만 층이 너무 많으면 아래층엔 빛이 닿지 않을 수 있으니 모든 건 적당히...

• Heterojunction with Intrinsic Thin layer(HIT): 실리콘으로 구성된 소자인데, 층마다 결정질/비정질 여부가 다르다.
• III-V족 다접합 태양전지: 주로 우주용으로 사용되어 오던 소자. 안그래도 효율이 좋은 계열인데 이것을 접합해 효율을 더 끌어올렸으므로 집광하면 40% 이상의 변환효율을 가진다. 매우 고가이고, 지상에서 직사광선이 많은 나라나 지역에서 이용 검토 중이다.

2.3.5 양자점 태양전지 (Quantum Dot Solar Cell)

MEG(Multiple excition generation)효과를 이용한 것으로 단순한 p-n 접합 다이오드구조를 사용하지 않는다. 에너지 밴드 간격이 서로 다른 두 물질중 큰 물질을 배경으로, 작은 물질을 나노사이즈로 분포시키면 서로 다른 밴드간격이 점 형태의 포텐셜 우물을 형성하는 것을 이용한다.
이 소자를 역으로 돌리면 LG G4가 사용한다고 사기치려다 뽀록난 양자점 LED, 사용된 물질의 굴절률이 일정 조건을 만족하면 레이저가 발진되는 레이저 다이오드다.

2.3.6 염료감응(Dye-Sensitized Solar Cell)

식물의 광합성처럼 염료층이 빛을 흡수하여 전기 에너지로 변환하는 방식이다. 빛을 흡수한 염료가 전자를 넘겨주면 전해질이 다시 염료에게 전자를 넘겨서 환원하는 구조이다. 일반적으로 다공성 구조의 이산화티타늄에 염료를 흡착시켜 소자를 만든다.

다른 태양전지와 다르게 실내 조명, 흐린 날에서도 괜찮은 효율을 가지고 있고, 제조가 용이 할 뿐만 아니라 염료를 바꾸어서 다양한 색을 낼 수 있기 때문에 실내에서 적용하기 쉽다. 게다가 플렉서블한 소자를 구현 할 수 있다. 그래서 건물일체형 태양광 모듈(BIPV)에 적용하기에 유리하며, 양산이 시작되면 가격이 떨어질 가능성이 높다.

그러나 최대 효율은 ~12-14% 정도로 아직 무기물계의 소자에 비해 부족하다. 개발 당시에도 10%정도 효율이었는데 그간의 연구에 비해 효율이 거의 오르질 않았다. 또한 주로 액체로 된 요오드 전해질을 사용하기 때문에 안정성에 문제가 있으며, 루테늄 구조의 염료를 주로 사용하기 때문에 비용에도 문제가 있다. 이 부분은 유기물 염료를 사용하면 해결 할 수 있지만, 유기물은 분해가 되기 쉬워 수명에 문제가 생긴다. 그렇기 때문에 상용화에는 부족하고, 아직 연구소 단계에서 주로 다루는 게 현실이다. 국내 기업들 중에서는 대표적으로 동진케미칼에서 염료감응형에 연구를 하고 있다. 이것은 중간에 다른 물질이 끼어든다는 점 등 OLED에 대응되고, 단점도 수명 부분에서 비슷하다. 염료로 유기물을 쓸 수 있기에, 유기물 소자의 초기형으로도 볼 수 있다. 실제로 유무기하이브리드 페로브스카이트 때문에 논문 숫자가 팍 죽었다.

이 외에도 여러 방식이 있다.