[스크랩] 태양전지의 원리

26. 태양전지 원리)

이제 이 규소판, 즉 태양전지가 태양빛을 받는다고 가정해보자. 태양빛의 에너지를 전달하는 광자(photon)가 규소판에 부딪치면, 그 에너지의 일부가 규소를 붙들어주는 결합 전자에게 전달되어 이 전자가 자유롭게 움직일 수 있도록 한다. 이렇게 광자로부터 에너지를 받은 전자가 떨어져나가면 n-면의 표면으로 모여들고, 원래 자리는 빈 곳이 된다. 이 빈 자리는 전자 부족 상태의 양으로 하전된 것으로 볼 수 있는데, 이것은 아래의 p-면 쪽으로 이동하여 그 표면에 집결한다. 이러한 이동의 결과로 양쪽 면 사이에서는 위의 양전하와 아래의 음전하로 인해 전압이 형성되는데, 이때 두 면을 전자를 통과시키는 금속선으로 연결해주면 n-면 표면의 전자들이 금속선을 통해서 p-면 쪽으로 이동하여 그곳에 모인 빈 곳을 채워주게 된다. 이 과정에서 전자의 흐름인 전류가 발생하고 전기에너지가 생산되는 것이다.

규소판의 n-면이 다시 햇빛을 받으면 전자가 또 떨어져나가고 이때 생긴 빈 자리가 다시 이동하여 전자의 흐름이 일어난다. 이 과정은 햇빛이 태양전지에 비치는 동안 계속되고, 이에 따라 계속해서 전기에너지가 생겨난다. 이때 형성되는 전류의 세기는 햇빛의 세기와 태양전지판의 면적에 비례한다. 1제곱미터당 900와트의 직광이 비칠 때 가로, 세로가 10cm인 태양전지에서 발생하는 전류는 약 3암페어(A)이다. 태양전지 표면에는 들어온 빛의 반사를 방해하는 반사방지막이 코팅되어 있는데, 이것은 가능한 한 많은 양의 빛에너지를 태양전지판에 붙들어들여서 전기에너지로 변환하기 위한 것이다. 규소는 원래 회색이지만 이 반사방지막 코팅으로 인해 규소 결정으로 만든 태양전지는 약간 푸른빛을 띠게 된다.

시장에서 판매되는 규소 태양전지는 어떤 형태의 규소를 가지고 만들었느냐에 따라 단결정(monocrystalline) 전지, 다결정(polycrystalline) 전지, 비결정질(amorphous) 전지의 세 종류로 나눌 수 있다. 이들 태양전지를 만드는 데 사용되는 규소는 순도가 거의 100%에 가까운 것으로 규사(SiO2)를 규소로 환원한 후 여러차례 정제해서 얻는다. 이들 중에서 값이 가장 비싼 것은 제조과정이 가장 복잡하고, 따라서 에너지가 가장 많이 투입되는 단결정 태양전지이고, 값이 가장 싼 것은 비결정질 전지(amorphous cell)이다. 단결정 전지는 값은 비싸지만 오랫동안 안정적으로 전기에너지를 만들어내고 빛을 전기로 바꾸는 (변환)효율이 가장 높다는 장점을 가지고 있다. 단결정 전지의 효율은 이론적으로는 30%에 달하고 실험실에서 만들어진 것은 24%의 효율을 보인다. 대량생산을 통해서 생산된 것은 16-18%의 효율을 나타낸다. 반면에 비결정질 전지는 값은 싸지만 효율이 낮고(5-10%) 시간이 지나면 안정성이 떨어진다는 흠이 있다.

비결정질 태양전지가 결정질에 비해 단점만 있는 것은 아니다. 장점도 여럿 가지고 있다. 결정질 태양전지는 대부분 단단한 형태로만 가공할 수 있고 두께를 0.2밀리미터 이하로 줄이기가 어렵다. 원료가 많이 들고 유연하게 적용하기 어려운 것이다. 반면에 비결정질 전지는 박막 기술을 이용해서 엷고 유연한 판의 형태로 만들 수 있기 때문에, 단단한 형태는 물론이고 휘거나 접어서 쓰는 용도로도 이용할 수 있다. 또한 단결정이나 다결정 전지는 여름에 온도가 올라가면 효율이 떨어지지만 비결정질 전지는 온도가 올라갈수록 효율이 높아지기 때문에 더운 여름이 긴 지역에서 사용하기에 유리하다.

다만 효율이 낮기 때문에 같은 양의 전기를 만들기 위해서는 단결정 전지보다 더 많은 면적에 설치해야 한다. 비결정질 전지는 현재 효율이 10%에 달하는 것이 개발되어 있지만, 아직도 시장 점유율은 낮다. 다결정 전지는 효율이 대략 14% 정도밖에 안되지만, 가격이 단결정보다 싸다는 잇점이 있기 때문에 태양광 발전시설에 널리 이용된다.

아직 시장에서는 아주 소량밖에 판매되지 않지만 규소가 아닌 다른 물질을 이용한 태양전지들도 여러 종류가 개발되어 있다. 이러한 것들로는 주기율표에서 제3족의 갈륨과 제5족의 비소를 섞어서 만든 갈륨-비소(Ga-As) 태양전지, 카드뮴-텔루륨(Cd-Te) 태양전지, 구리-인듐-셀레늄(Cu-I-Se, CIS) 태양전지 등을 들 수 있는데, 어떤 것은 실험실 내에서이긴 하지만 효율이 상당히 높은 것도 있다. 그밖에 유기화합물 중에서 색소를 지닌 화합물을 이용한 태양전지도 연구 중이다. 색소화합물은 생산 단가가 규소 결정에 비해서 매우 낮기 때문에, 유기화합물 태양전지가 실용화되면 태양전지의 가격이 크게 떨어질 것이고 이와 더불어 태양전기의 발전단가도 크게 낮아질 것이다. 지금까지 개발된 색소화합물 전지의 최대 효율은 10%에 달한다.

태양전지를 여러개 붙이고 유리 등의 보호장치를 붙인 것을 태양전지 모듈이라 한다. 태양전지 하나의 발전량은 1.5와트 정도밖에 되지 않기 때문에, 이것이 전기용품에 이용되기에는 충분하지 않다. 따라서 태양전기를 생산하는 데에는 일반적으로 태양전지를 여러개 연결해서 만든 태양전지 모듈을 사용한다. 모듈로 연결되면 태양전지의 효율은 약간 떨어져서 단결정 전지의 경우 15% 정도가 된다. 태양광 발전기는 이러한 모듈이 여러개 합쳐져서 이루어진다. 태양전지 모듈은 태양전지의 위아래를 투명한 합성수지로 싸고, 위에 유리판을 덮은 형태로 되어 있다. 유리나 합성수지는 태양전지를 보호하는 작용을 한다. 이러한 모듈의 보호장치 없이는 태양전지는 외부의 습기나 오염물질 등의 영향을 받아 얼마 지나지 않아서 못쓰게 된다. 태양광 모듈은 보통 20년 동안 고장없이 사용할 수 있다. 시중에서 판매되는 제품의 보증기간도 20년으로 되어 있다. 물론 이 기간이 지나도 전기는 생산되지만, 효율은 처음보다 20% 가량 떨어진다.

(31. 태양전지판 모듈)

여러개의 모듈을 연결해서 태양광 발전기를 만들 때, 모듈을 연결하는 방식은 여러개의 건전지를 연결할 때와 마찬가지로 직렬과 병렬이 있다. 직렬로 연결하면 전압이 늘어나고, 병렬로 연결하면 전압은 늘어나지 않지만 전류의 세기가 늘어난다. 보통 직렬과 병렬을 섞어서 연결하는데, 이를 통해서 원하는 전압을 얻게 된다.

태양전지를 이용한 태양광 발전기는 대체로 독립형과 계통 연계형으로 나뉜다. 독립형은 생산된 전기를 전선망에 연결하지 않고 생산된 장소에서 사용하는 것을 가리키고, 계통연계형은 전선을 통해 전기를 받아들이거나 전기를 내보낼 수 있는 형태를 가리킨다. 독립형은 자가발전 시스템과 같은 것으로, 전기를 만들어내는 장치, 전기를 저장하는 장치, 충전 상태를 조정하는 장치, 배전 장치 및 전기 소비장치로 구성되어 있다. 여기서 전기 생산장치는 당연히 태양전지가 되고, 저장장치로는 일반적으로 축전지가 사용된다. 축전지는 햇빛이 비칠 때 태양전지에서 생산된 전기를 저장했다가 햇빛이 비치지 않을 때 내놓는 일을 반복하는 역할을 하는데, 니켈-카드뮴 축전지, 니켈-수소 축전지, 니켈-나트륨 축전지, 납축전지 등 다양한 종류가 있다. 조정장치는 축전지와 태양전지 사이에 설치되는 것으로, 축전지가 가득 충전되었을 때 태양전지로부터 전기가 축전지로 더 이상 오지 들어오지 못하도록 막거나 축전지로부터 모듈 쪽으로 전기가 방전되는 것을 방지하는 작용을 한다. 이로써 축전지의 수명을 가능한 한 오래 유지시키는 역할을 한다.

독립형 시스템에서는 축전지가 전체 설비 비용 중에서 차지하는 비율이 20-30%에 달하기 때문에 적절한 조정장치를 설치하여 축전지의 수명을 늘리는 것이 매우 중요하다. 독립형 태양광발전기에서 가장 취약한 부분이 전기를 저장하는 축전지이다. 축전지는 비쌀 뿐만 아니라 자리도 아주 많이 차지한다. 게다가 축전지의 수명이 길지 않다는 점도 문제다. 일반적으로 사용되는 납축전지는 아무리 조심스럽게 사용해도 5년을 쓰기가 어렵다. 다른 축전지는 수명이 더 길지만 가격이 훨씬 비싸기 때문에, 이것을 사용하면 설치비가 크게 높아진다.

배전장치는 생산된 전기를 축전지로부터 또는 축전지를 거치지 않고 태양전지로부터 직접 전기 사용장치로 전달해주는 장치이다. 태양전지에서는 항상 직류전기가 생산되고, 축전지에도 직류전기가 저장된다. 그러나 가정에서 사용하는 조명기구나 가전제품은 일반적으로 교류전기에 맞도록 제작되었기 때문에 태양전기를 이들 기구에 사용하기 위해서는 직류를 교류로 바꾸어주어야 한다. 이 장치를 변환기(inverter)라 부르는데, 독립형의 경우도 대부분 이 장치를 설치한다. 변환기는 태양광발전 시스템의 심장이라고 불릴 정도로 중요한 장치이다. 이 장치에서 태양전지의 전기를 받아서 전달해주는 일을 제대로 해주지 못하면 전기가 아무리 많이 생산되어도 소용이 없기 때문이다.

 

출처 : IB

글쓴이 : rainmaker 원글보기

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