분야
doc태양전지 재료별 분류
1) 실리콘계 태양전지
2) 화합물 태양전지
태양전지 세대별 분류
1) 1세대 태양전지
2) 2세대 태양전지
3) 3세대 태양전지
Solar cell의 동작 원리
1) 광기전력 효과
2) 태양전지의 전류-전압 특성
2. Silicon Solar cell
결정 실리콘 태양전지
1) 단결정
2) 다결정
박막 실리콘 태양전지
1) 비정질 실리콘 박막 태양전지
2) 나노 결정 실리콘 박막 태양전지
3) 적층형 박막 태양전지
3. Compound Semiconductor Solar cell
1) 다중접합(multi-junction) 탠덤 셀 구조
2) 집광형 모듈 시스템
CIS 박막 태양전지
1) 이종접합
2) 구조
맺음말
Reference
태양전지 재료별 분류
Fig. 1-1 재료별 태양전지 분류
1) 실리콘계 태양전지
결정 실리콘 태양전지는 1954년 벨 연구소의 피어슨 등이 발명해 전력용으로 처음 실용화된 태양전지이다. 가장 긴 사용실적을 가진 태양전지이며 주택용 태양광발전 시스템이나 인공위성용 전원 등 폭넓은 용도에 쓰이고 있다. 결정 실리콘 태양전지는 일본 태양전지 출하량 중 90% 정도를 차지하고 있다. 다결정 실리콘은 생산성이 높은 반면 기판에 존재하는 결함 때문에 단결정보다 품질이 떨어진다는 결점이 있는데, 최근에는 뛰어난 결정 패시베이션 기술의 개발로 양산레벨의 다결정 실리콘 태양전지의 변환효율은 15~16%까지 개선되었다. 이런 결정 실리콘 태양전지는 비교적 좁은 면적에서 높은 발전효율을 얻을 수 있는 용도에 적합해, 현재 태양광발전 시장에서 고위도 지역의 전력용 태양전지 주력상품이 되었다.
박막 실리콘 태양전지는 결정 실리콘 태양전지와 달리 CVD법 등으로 SiH4 같은 원료가스를 분해해서 유리기판이나 필름 기판 상에 실리콘 박막을 퇴적해서 제조한다. 박막 실리콘의 종류로는 비정질 실리콘과 미세결정 실리콘이 있다. 비정질 실리콘 태양전지는 결정 실리콘 태양전지에 비해 밴드갭이 커서 흡수가능한 범위의 태양광 최대파장이 짧아져 변환효율이 낮다. 뿐만 아니라 광조사에 의해 10% 정도의 초기열화가 일어나는 등의 결점이 있다. 그런 반면 광흡수 계수가 높아 단파장~중파장 영역의 빛을 1µm 이하 두께로 충분히 흡수할 수 있어서 실리콘 사용량을 대폭 줄일 수 있고 고온 시에도 출력이 저하되지 않는다는 이점이 있다. 미세결정 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘과 마찬가지로 CVD 등으로 제조되는데, 결정성이 없는 비정질 실리콘형과 달리 결정 실리콘형에 가까운 거동을 보인다. 미세결정 실리콘은 비정질 실리콘으로는 흡수할 수 없는 적외역 태양광을 흡수할 수 있다. 그래서 고효율 박막 실리콘 태양전지로 비정질 실리콘 태양전지를 수광면 축으로 미세결정 태양전지와 직렬로 접합해서 태양광의 흡수량을 개선하는 탠덤형 박막 태양전지가 개발되었다.
2) 화합물 태양전지
화합물 태양전지의 대표적으로 단결정 GaAs계, 다결정 CIGS계나 CdTe계등 화합물 반도체를 이용한 것들이 있다. 화합물 반도체 대부분은 직접천이형 광흡수를 보이기 때문에 결정 실리콘형과 달리 수 µm 정도만으로도 태양광을 충분히 흡수할 수 있어 박막화에 적합하다.
단결정 다접합 화합물 태양전지는 효율이 높은 반면 재료나 프로세스 비용이 많이 든다. 그래서 기존에는 인공위성용 등 특히 경량, 고출력이 요구되는 용도에 제한적으로 쓰였다. 프레넬 렌즈 등을 이용하여 입사광량 증가와 더불어 변환효율을 높일 수 있어 일반 전력용으로 보급할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 다결정 화합물 재료를 이용한 집광 시스템에 의존하지 않는 저렴한 화합물 태양전지가 실용화되었다. CIGS형이나 CdTe형 태양전지는 비교적 높은 변환효율과 간단한 제조 프로세스를 가지고 있다.
태양전지 세대별 분류
Fig. 1-2 세대별 분류
태양전지는 일반적으로 소재에 따라 분류하지만, 단순 전지 소자가 아닌 차세대 에너지 관점에서 소재나 제조 기술보다는 광변환 효율 향상을 위한 메커니즘에 따른 태양전지 세대 구분이 필요하다.
Fig. 1-3 세대별 태양전지의 특징
1) 1세대 태양전지
1세대 태양전지는 빛에너지를 전지에너지로 변환 가능한 물질을 이용한 단일 접합(single junction)구조이다. 1세대 태양전지는 p형과 n형 반도체 물질을 접합한 단일 접합구조를 가지고 있으며, 광 변환 효율은 물질의 광 흡수율과 광 흡수 대역폭에 의해 결정된다. 대표적인 1세대 태양전지인 실리콘 태양전지는 1985년 passivation 기술을 적용한 rear point contact 태양전지로 최초로 22% 효율을 달성하였다. 실리콘 태양전지는 Fig. 1-3a와 같이 빛을 흡수할 수 있는 흡수 대역이 좁아 이론적 변환효율이 30% 미만이다. 현재 정부에서 보조금을 지급하는 방법으로 실리콘 태양전지 기반의 태양광 발전 시스템 보급을 확대하고 있으나 변환 효율이 낮아 다른 재생에너지에 비해 발전 단가가 매우 높아 재생에너지로서의 효용성이 낮아 미래 에너지로서의 입지를 확보하지 못하고 있다.
2) 2세대 태양전지
2세대 태양전지는 빛 흡수를 극대화하기 위해 빛흡수 대역을 넓혀 광 흡수율을 높이는 구조를 가진다. 1세대 태양전지의 이론적 최대 효율이 30%를 넘지 못하는 이유는 P-N 접합을 이루는 반도체 박막의 밴드갭 에너지보다 매우 큰 에너지를 가지는 빛을 흡수하면 여기된 전하들이 열로 소멸되고 밴드갭 에너지보다 낮은 에너지를 가지는 빛은 투과됨으로써 좁은 흡수 대역으로 인한 손실이 매우 크기 때문이다. 이러한 손실을 최소화하기 위해 2세대 태양전지는 Fig. 1-4와 같이 광 흡수 대역이 서로 다른 단일 접합 태양전지를 적층함으로써 광 흡수 대역을 Fig. 1-3b와 같이 넓힐 수 있다. 2세대 태양전지는 MOCVD와 MBE 같은 박막 증착 장비의 발달로 인하여 III-V 화합물 반도체 분야에서 빠르게 발전하고 있다. III-V 화합물 반도체는 다양한 밴드갭 에너지를 가지는 박막 제조가 용이하고, 직접천이(direct bandgap) 구조를 가지고 있어 실리콘에 비해 광 흡수율이 높다. 또한 터널접합(tunnel junction) 구조를 이용하여 P-N 접합 태양전지를 금속 전극 없이 반도체 박막만으로 직렬 연결이 가능하여 한 번의 박막 증착 공정으로 넓은 흡수대역을 가지는 다중접합 태양전지 제작이 가능하다. 2006년 Spectralab에서 Fig. 1-4와 같은 GaInP/GaInAs/Ge 3중 접합 태양전지 구조를 이용하여 AM 1.5에서 x240배 집광하여 변환 효율 40.7%를 얻었다. 또한 4중 접합 이상의 접합 태양전지는 이론적으로 최대 59% 효율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. III-V 화합물 반도체 태양전지는 제조 단가가 실리콘 태양전지에 비해 매우 높아 인공 위성과 같은 특수 용도로 주로 사용되었지만, 최근 효율이 실리콘 태양전지의 2배가 되면서 지상용 전원으로 사용하려는 연구가 미국, 일본, 호주에서 주도적으로 진행중이다.
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[11] Nano-Manhattan: 3D Solar Cells Boost Efficiency While Reducin
