태양전지의 발전 원리 및 종류

◈ 태양전지 (太陽電池 : solar cell, solar battery)란?

- 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서, 금속과 반도체의

접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射)하면, 광전효과에 의해 광기전력이

일어나는것을이용한 것
ㆍ광전효과를 이용하여 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 반도체소자로서
각각 +, -의 극성을 띄는 반도체 박막으로 구성

- 대부분의 반도체들은 광기전력효과(photovoltaic effect)를 나타내지만,태양전지로

대량 생산이 가능한 반도체들은 주로 실리콘(Si)과 갈륨아세나이드(GaAs)이며,

실리콘이가장 많이 사용하고있음.

최근에는 카드뮴텔러라이드(CdTe)와 카파인듐다이셀레나이드(CulnSe2) 等도활용

※ 광전효과(光電效果: photoelectric effect) : 물질이 빛을 흡수해, 자유로이 움직일 수

있는전자, 즉 광전자(光電子)를 방출하는 현상

※ 광기전력(光起電力: photoelectro-motive force) : 반도체에 빛을 조사했을 때, 발생

하는전압

※ 반도체 (半導體: semiconductor) : 전기전도(電氣傳導 : electric conduction)가

전자(電子 : electron)와 정공(正孔:hole)에 의해 이루어지는 물질로서 그의 전기

저항률즉, 비저항(比抵抗:resistivity)이 도체와 절연체 비저항값의 중간값을 취

하는 것.

반도체의 재료로는 실리콘, 갈륨비소, 황화카드뮴이 또는 이것들을 복합한 것이

있으나, 보통 실리콘(Si)이 많이 사용됨

◈ PN접합에 의한 태양광 발전 원리

- N형 및 P형 반도체가 접합을 이루고 내부 전계차(電界差)가 발생함
ㆍ 대표적인 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론(boron:붕소)을 첨가한 P형 실리콘

반도체를기본으로 하여 그 표면에 인(phosphorous)을 확산시켜, N형 실리콘반도체

층을 형성함으로서생성

- 빛이 입사되면 반도체 내의 전자(-), 정공(+)이 여기(Exciting)되어 내부를 자유로이 이동

하는상태가 됨

- 자유로이 이동하다 PN접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면,전자(-)는 N형 반도체에,

정공(+)은P형 반도체에 이르게 됨.
P형 반도체와 N형 반도체 표면에 전극을 형성하여, 전자를 외부 회로로 흐르게 하면,

전류가 발생됨

※ 이러한 태양전지는 필요에 따라, 직병렬로 연결하여 장기간 자연 환경 및 외부 충격에

견딜 수 있는구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소단위를 태양광 모듈(Photovoltaic

Module)이라 한다.

그리고, 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여

설치.

◈ 태양전지의 역사

- 1839년 E.Becquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltaic effect)를 발견

- 1870년대 H. Hertz의 Se의 광전효과연구이후 효율 1~2%의 Se cell이 개발되어 사진기의

노출계에사용

- 1940년대∼1950년대초 초고순도 단결정실리콘을 제조할 수있는 Czochralski process가

개발됨

- 1954년 Bell Lab.에서 효율 4%의 실리콘 태양전지를 개발

- 1958년 미국의 Vanguard 위성에 최초로 태양전지를 탑재한 이후, 모든 위성에 태양전지

사용

- 1970년대 Oil shock이후 태양전지의 연구개발 및 상업화에 수십억 달러가 투자되면서

태양전지의상업화가 급진전

- 현재, 태양전지 효율 7∼17%, 수명 20년 이상, 모듈 가격 $6/W 내외,

발전 단가 $0.25∼0.5/kWh

◈ 태양전지의 종류

- 반도체 접합형 : n형 및 p형 반도체를 접합하여 제작
n형 반도체는 電子전달체 역할, p형은 정공(hole) 전달체 역할

- 유기형 : 전자(電子)주개(electron donor : hole acceptor로 불림) 특성과

전자(電子)받개(electron acceptor)특성을 갖는 유기물로 구성

- 염료 감응형 : 광합성 원리를 이용한 광전기 화학적 태양전지

<태양전지의 종류>

※ 염료 감응형 전지
효율, 생산원가, 판가 등 경제성 측면에서 기존Si를 이용한 태양전지보다 좀더 우수한

특성을 나타내는 전지로 최근 활발히 연구개발이 진행中
ㆍ효율 : 실리콘 태양전지 : 20% (이론적효율) → 염료 감응형 33%(현재 최대효율 10%

달성)
ㆍ생산원가 : 염료 감응형은 프린팅방식을 이용하므로 10~20% 정도 저렴할 것으로

예상
ㆍ환경적인 측면 : 산화물의 회수가 쉽고 환경오염 물질의 배출이 작다

※ 염료 감응형 태양전지
- Sensitizer를 이용하여 빛을 전기에너지로 변환
ㆍSensitizer에 의한 전자발생
ㆍPorous semiconductor layer에 의한 발생전자 전달(ex. TiO2)
ㆍMediator에서 redox(산화환원)반응에 의한 전자전달(ex. I3-/I-)
ㆍMediator에 의한 sensitizer의 재생

- 확보해야 할 주요 기술이슈
ㆍ효율향상, 장기안정성, Flexibility, 대면적화, Module

<염료 감응형 태양전지의 원리 모식>

<출처> 한국에너지기술연구원 태양전지 연구센터
에너지관리공단 신ㆍ재생에너지센터
부산대학교

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