태양 전지

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1. 개요
2. 태양전지의 발전 효율
3. 태양전지의 발전 원리
- 3.1. 태양전지 효율 결정 변수
- 3.2. 태양전지 작동 원리
4. 태양전지의 응용
- 4.1. 차량용 태양전지
- 4.2. 태양전지 모듈과 시스템
5. 태양전지의 역사
6. 태양전지 제조 방법 개선
7. 태양전지 비용 감소와 성장
8. 태양전지의 이론
- 8.1. 기본 원리
- 8.2. 다양한 태양전지 유형
9. 태양전지의 효율
10. 태양전지의 재료
11. 태양전지 연구
12. 태양전지의 제조
- 12.1. 결정질 실리콘 태양전지 제조 공정
- 12.2. 태양광 발전의 공급망과 인증
13. 태양전지 주요 생산 국가
14. 태양전지의 폐기 및 재활용
- 14.1. 태양전지 수명과 폐기
- 14.2. 태양전지 재활용
참조

1. 개요

태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환하는 장치이다. 1954년 벨 연구소에서 4%의 효율로 처음 개발되었으며, 꾸준한 기술 발전을 통해 효율이 향상되었다. 현재는 결정질 실리콘, 박막 태양전지, 다중 접합 태양전지 등 다양한 종류가 있으며, 페로브스카이트 태양전지 등 새로운 기술 개발도 활발하게 진행되고 있다. 태양전지는 소형 전자기기, 발전 설비, 차량 등 다양한 분야에 활용되며, 특히 중국이 세계 시장을 주도하고 있다. 태양전지는 25~30년의 수명을 가지며, 폐기 시에는 유해 물질로 인한 환경 문제를 해결하기 위한 재활용 기술 개발이 중요하다.

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태양 전지 - 염료감응형 태양전지
염료감응형 태양전지는 염료를 사용하여 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지로, 다공성 이산화티타늄 나노입자 층, 전해질 등으로 구성되어 빛을 흡수한 염료가 전자를 이산화티타늄에 주입하여 전류를 생성하는 원리로 작동하며, 저렴한 제조 비용의 장점과 낮은 에너지 변환 효율 및 액체 전해질 내구성 문제라는 과제를 안고, 효율 및 내구성 향상을 위한 연구가 진행 중이다.
태양 전지 - 태양 전지 효율
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태양 전지
기본 정보
일반적인 결정질 규소 태양 전지 (2005년 기준). 규소 웨이퍼에 인쇄된 모선 (더 큰 은색 줄무늬)과 전극 (더 작은 줄무늬)으로 만들어진 전기 접점.
유형	광전관
작동 원리	광전 효과
발명가	에드몽 베크렐
발명 년도	1839년
기호	[[File:Photovoltaic cell.svg\|80px]]
명칭
영어	solar cell
일본어	太陽電池 (たいようでんち)
발전 및 활용
발전 원리	빛을 이용하여 전기를 생산하는 광전지.
대규모 발전	빛으로부터 대규모로 전력을 생산하는 데 사용되는 광전지.
응용 분야	전력 생산 전자 기기 전원 우주선 전력
관련 용어	태양광 발전 솔라 패널 태양 전지 모듈
성능 및 사용
성능	빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율성을 나타냄
사용	다양한 분야에서 전력 공급을 위해 사용됨

2. 태양전지의 발전 효율

1954년 미국 벨 연구소에서 태양전지를 발명한 이후, 태양전지 발전 효율은 꾸준히 발전해 왔다. 초기 태양전지는 발전 효율이 4%에 불과했지만,^[237] 기술 발전과 연구 개발을 통해 효율이 크게 향상되었다.

2008년에는 한국의 주도로 발전 효율이 최고 37%에 달하는 지상용 고집광 태양전지 수신모듈이 개발되었고,^[238] 같은 해 한국 기업이 NASA로부터 최대 28% 이상의 발전 효율을 지닌 태양전지 핵심 기술을 이전받는다는 보도가 있었다.^[239]

2008년 7월에는 LG 태안 태양광 발전소가 가동을 시작했으며, 신성이엔지는 호주 뉴사우스웨일스 대학교 출신의 조영현 박사를 최고기술책임자(CTO)로 영입하는 등 국내에서도 태양전지 기술 개발 노력이 이어졌다.^[240]

2016년에는 호주 뉴사우스웨일스대학 연구팀이 34.5%의 효율을 달성했으며,^[241] 2017년에는 유니스트에서 22%의 광전변환 효율을 달성한 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

2. 1. 초기 태양전지

1954년 미국 벨 연구소에서 태양전지를 발명했으며, 4년 후 뱅가드 우주선에 사용되었다. 당시 태양전지의 발전효율은 4%였다.^[237]

2. 2. 고효율 태양전지 개발

2008년 미국 EMCORE사는 NASA와 유럽 우주국 등에 태양전지를 납품하고 있으며, 한국의 주도로 발전효율이 최고 37%인 지상용 고집광 태양전지 수신모듈(Concentrating PhotoVoltaic(CPV) System)을 개발했다. 이는 박막필름방식(6~12% 효율)보다 3배 이상 높은 효율을 가진 기술로, 박막필름방식에 이어 제3세대 태양전지 기술로 인정받고 있다.(독일 Fichtner사 평가)^[238]

같은 해, 대한민국의 3SOFT사는 NASA로부터 태양전지 핵심기술을 이전받는다는 보도가 있었다. 이 기술은 NASA가 상용화시킨 트리플정션 모듈을 업그레이드한 것으로, 최대 28% 이상의 발전효율을 가진다.^[239]

2. 3. 국내 태양전지 기술 개발 동향

2008년 7월에 본격 가동에 들어간 LG 태안 태양광 발전소는 대한민국 최대의 태양광 발전소이다. 발전효율은 17%이다.^[237]

최근에 태양전지 제조사업에 진출한 신성이엔지(대표 이완근)는 호주 뉴사우스웨일스 대학교(UNSW)의 태양전지 리서치연구소 출신의 조영현 박사를 최고기술책임자(CTO)로 영입했다. UNSW 연구소는 24%에 달하는 태양전지 발전효율 기술을 가지고 있으며, 현재 태양전지 연구기관 가운데 세계 최고 권위를 인정받고 있다. 태양전지 기업으로 급성장해 주목받고 있는 중국의 선테크를 비롯해 난징솔라 등의 CEO는 모두 UNSW의 박사 출신들이며 이들 모두 UNSW 마틴 그린 교수의 제자들이다.^[240]

2. 4. 최신 태양전지 효율 기록

2016년 5월 18일, 호주 뉴사우스웨일스대학(UNSW) 연구팀은 태양 전지 효율 34.5%를 달성했다. 이론상 53%까지 가능하다고 한다. 마틴 그린 교수는 자국의 기술이 타국에 비해 수 년 앞서있다고 말했다.^[241]

2017년 5월 25일, 유니스트는 핫프레싱 공법을 이용한 페로브스카이트 태양전지로 3세대 태양전지 중 유일하게 광전변환 효율 22%를 달성했다. 이론상 66%까지 가능하며 안정성이 매우 높고 무한한 바닷물을 사용하기 때문에 리튬 이온 전지 대비 생산 비용을 4분의 1 이하로 절감할 수 있다.

3. 태양전지의 발전 원리

태양전지에 입사한 빛의 에너지는 전자에 의해 흡수되어 전력으로 출력된다. 자세한 내용은 광전효과 항목을 참조하면 된다.

태양전지에서 태양광 발전 시스템까지. 태양광 발전 시스템의 구성 요소 다이어그램

여러 개의 태양 전지를 하나의 평면에 배치하여 태양광 발전 패널 또는 모듈을 구성한다. 태양광 모듈은 햇빛이 비치는 쪽에 유리판이 있어 빛을 통과시키면서 반도체 웨이퍼를 보호한다. 태양 전지는 일반적으로 직렬로 연결되어 전압을 높이고, 병렬로 연결하여 전류를 증가시킨다.

하지만, 병렬 연결된 전지 중 일부가 그늘 등으로 인해 약하게 빛을 받으면, 해당 전지가 직렬로 연결된 다른 전지들의 작동을 멈추게 하여 전체 전력 손실을 야기할 수 있다. 또한, 그늘진 전지에 역 바이어스가 걸려 손상될 수도 있다.

모듈은 원하는 피크 DC 전압 및 부하 전류 용량을 갖는 어레이를 생성하도록 상호 연결할 수 있다. 이때, 독립적인 최대 전력점 추적기(MPPT)를 사용하거나, 각 모듈에 마이크로인버터 또는 DC-DC 최적화기와 같은 모듈 레벨 전력 전자(MLPE) 장치를 사용할 수 있다. 션트 다이오드는 직렬/병렬로 연결된 전지를 사용하는 어레이의 그림자 전력 손실을 줄이는 데 사용될 수 있다.

'''pn 접합형의 경우'''

thumb]]

현재 일반적인 태양전지는 p형과 n형 반도체를 접합한 구조를 가진 pn 접합형 다이오드(포토다이오드)이다. 실리콘계, 화합물계 태양전지가 여기에 해당한다. 전자에 빛 에너지를 흡수시켜(광여기) 전력으로 이용하며, 이는 발광다이오드와 반대 과정이다.

'''색소감응형 태양전지의 경우'''

색소감응형 태양전지에서는, 입사광에 의해 이산화티탄에 흡착된 색소 속의 전자가 여기된다. 이 여기된 전자를 이산화티탄을 통해 전극(음극)으로 유도하여 전류로 이용한다. 전자는 외부 회로를 거쳐 대향 전극(양극)으로 돌아가고, 전극 사이에 있는 전해질 속의 이온을 통해 다시 색소 흡착부로 돌아온다.^[229]^[230]

'''회로 부품으로서의 동작'''

thumb

태양전지의 등가회로는 오른쪽 그림과 같다. 가장 단순한 모델에서는 저항 성분을 무시하고, 전류원

I_{ph}

과 (이상 다이오드가 아닌) 다이오드만으로 표시된다.

실제 소자를 근사하기 위해서는 직렬 저항(

R_s

)과 병렬 저항(

R_{sh}

) 성분도 고려해야 한다. 직렬 저항은 전류가 소자 각 부분을 흐를 때 발생하는 저항이며, 낮을수록 성능이 좋다. 병렬 저항은 pn 접합 주변에서 발생하는 누설(누출) 전류 등에 의해 발생하며, 높을수록 성능이 좋다.

frame

태양전지의 전압-전류 특성은 오른쪽 그림과 같다. 광조사 시 단자를 개방했을 때의 출력 전압을 '''개방 전압'''(

V_{oc}

), 단락했을 때의 전류를 '''단락 전류'''(

I_{sc}

)라고 한다.

I_{sc}

를 유효 수광 면적

S

로 나눈 것을 '''단락 전류 밀도'''(

J_{sc}

)라고 한다. 최대 출력 전력을 주는 동작점 P_max를 '''최대 출력점'''(maximum power point, '''최적 동작점''', '''최적 부하점''')이라고 한다.

FF = \frac{V_{\rm max}\cdot I_{\rm max}}{V_{oc}\cdot I_{sc}}

를 '''곡선 인자'''(fill factor)라고 한다.

태양전지에서 효율적으로 전력을 얻으려면, 태양전지를 최대 출력점 부근에서 동작시켜야 한다. 이를 위해 대전력용 시스템에서는 최대 전력점 추종 장치(MPPT)를 사용하여 일사량이나 부하에 관계없이 태양전지에서 본 부하를 항상 최적으로 유지하도록 운전한다.

'''그림자의 영향'''

일반적으로 태양전지는 충분한 전압을 확보하기 위해 직렬 접속되지만, 일부 태양전지에 그림자 등으로 인해 출력이 저하되면 전체 발전량이 저하될 수 있다. 이에 대한 대책으로 바이패스 다이오드를 탑재하여 해당 태양전지를 전기적으로 우회하는 방법이 있다. 또한, 전압-전류 특성에 변화가 생겨 피크가 여러 개 나타나면, 최고점 탐색법 알고리즘을 이용하는 MPPT가 최대 출력점에 도달하지 못하는 경우가 있다. 이를 피하기 위해 더 복잡한 알고리즘을 사용하거나,^[231] MPPT를 여러 단위로 나누어 개별적으로 제어하는 방법도 있다. 그림자의 영향은 태양전지 종류에 따라 다르며, 일반적으로 박막일수록 그림자에 대한 내성이 우수하다.^[232]^[233]

3. 1. 태양전지 효율 결정 변수

태양전지의 효율을 결정하는 주요 변수로는 개방 회로 전압(Voc), 단락 회로 전류(Isc), 그리고 채우기 인자(FF)가 있다.

개방 회로 전압(Open-circuit voltage, Voc): 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 저항이 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다. 동종접합(homojunction)의 경우, Voc는 p형 반도체와 n형 반도체의 일함수(work function) 차이로 결정되며, 이는 밴드갭에 의해 결정된다. 따라서 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 대체로 높은 Voc 값을 얻을 수 있다.
단락 회로 전류(Short-circuit current, Isc): 회로가 단락된 상태, 즉 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(음의 값)의 전류밀도이다. Isc는 입사광의 세기와 파장분포(spectral distribution)에 따라 달라지며, 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합(recombination)하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 외부회로로 보내지는가에 의존된다. 재결합에 의한 손실은 재료 내부나 계면에서 일어날 수 있다. Isc를 크게 하려면 태양전지 표면에서 태양 빛의 반사를 최대한 줄여야 한다. 이를 위해 반사방지 코팅(Antireflection coating)을 하거나 금속 접촉(metal contact) 면적을 최소화한다.
채우기 인자(Fill factor, FF): 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Imp)을 Voc와 Isc의 곱으로 나눈 값이다. FF는 빛이 가해진 상태에서 I-V 곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 값이다.

태양전지에서 최대한의 Voc와 Isc 값을 얻기 위해 계산된 이론적인 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV이다. 하지만, 가능한 모든 파장의 빛을 흡수하기 위해서는 반도체의 밴드갭 에너지가 작을수록 유리하지만, Voc도 감소하므로 적절한 밴드갭을 가진 재료가 필요하다.^[7]

3. 2. 태양전지 작동 원리

태양 전지의 효율은 개방 회로 전압(Voc), 단락 회로 전류(Isc), 그리고 채우기 인자(FF)로 결정된다.^[7]^[8]^[9] 개방 회로 전압(Voc)은 회로가 개방된 상태, 즉 무한대 저항에서 빛을 받았을 때 태양 전지 양단에 형성되는 전위차이다. 동종 접합의 경우, 최대 Voc 값은 p형 반도체와 n형 반도체 사이의 일함수 값 차이로 주어지며, 이는 반도체의 밴드갭에 의해 결정된다. 따라서 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 대체로 높은 Voc 값을 얻을 수 있다.

단락 회로 전류(Isc)는 회로가 단락된 상태, 즉 외부 저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향 전류 밀도이다. 이 값은 입사광의 세기와 파장 분포에 따라 달라지지만, 광 흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합하여 손실되지 않고 외부 회로로 효과적으로 보내지는 정도에 의존한다. 재결합 손실은 재료 내부나 계면에서 일어날 수 있다.

Isc를 크게 하려면 태양 전지 표면에서 태양 빛의 반사를 최대한 감소시켜야 한다. 이를 위해 반사 방지 코팅(Antireflection coating)을 하거나, 금속 접촉(metal contact)을 만들 때 빛을 가리는 면적을 최소화해야 한다. 모든 파장의 빛을 흡수하기 위해선 반도체의 밴드갭 에너지가 작을수록 유리하지만, Voc도 감소하므로 적절한 밴드갭을 가진 재료가 필요하다. 이론적으로 최대 Voc와 Isc 값을 얻기 위한 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV이다.

채우기 인자(FF)는 최대 전력점에서의 전류 밀도와 전압 값의 곱(Vmp × Imp)을 Voc와 Isc의 곱으로 나눈 값이다. 따라서 FF는 빛이 가해진 상태에서 I-V 곡선이 사각형에 얼마나 가까운지를 나타낸다.

4. 태양전지의 응용

태양 전지 어셈블리는 태양전지 모듈을 제작하는 데 사용되며, 햇빛으로부터 전력을 생산한다. 태양광 발전은 태양 에너지를 사용하여 전력을 생산하는 방식이다.

태양전지는 다음과 같은 다양한 분야에서 응용된다.

배터리 교체 불필요: 계산기, 손목시계, 휴대전화 충전기, 손전등, 라디오 등
급전선 배선 공사 불필요: 도로 표지판, 정원등, 가로등, 주차권 발행기, 자판기, 태양열 온수기, 자동차 배터리 충전기 등
계통 연계 없이 발전 가능: 해양 및 산악 지대의 관측 장비, 인공위성, 우주 정거장, 도서 지역, 비상 전원 등
환경 부하 저감: 가정용 태양광 발전 설비, 산업용 태양광 발전소, 솔라카, 솔라플레인, 태양열 온수기 등 (화석 연료 소비 감소)
장기 사용 시 전기 요금 절감: 가정용 태양광 발전 설비, 산업용 태양광 발전소 등

4. 1. 차량용 태양전지

태양 에너지 또는 햇빛으로 작동하는 전기 자동차는 일반적으로 태양광 자동차라고 한다. 이러한 차량은 태양 전지판을 사용하여 흡수된 빛을 전기에너지로 변환한 다음 배터리에 저장한다. 온도, 재료 특성, 날씨, 태양 복사량 등 태양 전지의 출력 전력에 영향을 미치는 여러 가지 요인이 있다.^[4]

차량용 광전지가 처음으로 사용된 것은 1900년대 후반 중반 무렵이었다. 태양열 자동차에 대한 대중의 관심과 인식을 높이기 위해 한스 톨스트룹(Hans Tholstrup)은 1987년에 첫 번째 월드 솔라 챌린지를 개최했다. 이 대회는 호주 아웃백을 가로지르는 3000km 경주였으며, 전 세계의 산업 연구 그룹과 최고 대학의 경쟁자들이 초청을 받았다. 제너럴 모터스(General Motors)는 썬레이서(Sunraycer) 차량으로 이 대회에서 상당한 차이로 우승했다. 그러나 일반적인 통념과는 달리 태양열 자동차는 가장 오래된 대체 에너지 자동차 중 하나이다.^[5]

현재 태양광 자동차는 태양으로부터 태양 전지판을 통해 에너지를 얻는데, 이는 공통 목표를 향해 함께 작동하는 태양 전지의 집합체이다.^[6] 이러한 고체 장치는 주어진 양의 태양 에너지를 전기에너지로 변환하기 위해 양자 역학적 전이를 사용한다.^[6] 그 결과 생성된 전기는 차량의 배터리에 저장되어 차량의 모터를 작동시킨다.^[6]

4. 2. 태양전지 모듈과 시스템

하나의 평면에 배열된 여러 개의 태양 전지를 통합한 그룹은 태양광 발전 패널 또는 모듈을 구성한다. 태양광 모듈은 햇빛이 비치는 쪽에 유리판을 둬서 빛은 통과시키면서 반도체 웨이퍼를 보호한다. 태양 전지는 일반적으로 직렬로 연결되어 전압을 높인다. 전지를 병렬로 연결하면 전류가 증가한다.

그러나 병렬 전지는 그림자 효과와 같은 문제가 있다. 약한(조명이 덜 된) 병렬 스트링(직렬로 연결된 여러 개의 전지)을 멈추게 하여 전력 손실을 유발하고, 조명된 부분에 의해 그림자 전지에 가해지는 역 바이어스로 인해 손상될 수 있다.

모듈은 원하는 피크 DC 전압 및 부하 전류 용량을 갖는 어레이를 생성하도록 상호 연결할 수 있다. 독립적인 최대 전력점 추적기(MPPT)를 사용하거나 사용하지 않고, 또는 각 모듈에 특정적으로 마이크로인버터 또는 DC-DC 최적화기와 같은 모듈 레벨 전력 전자(MLPE) 장치를 사용하거나 사용하지 않고 수행할 수 있다. 션트 다이오드는 직렬/병렬로 연결된 전지를 사용하는 어레이의 그림자 전력 손실을 줄일 수 있다.

2013년 일부 국가의 일반적인 태양광 발전 시스템 가격 (US|달러^영어/W)
	오스트레일리아	중국	프랑스	독일	이탈리아	일본	영국	미국
주택용	1.8USD	1.5USD	4.1USD	2.4USD	2.8USD	4.2USD	2.8USD	4.9USD
상업용	1.7USD	1.4USD	2.7USD	1.8USD	1.9USD	3.6USD	2.4USD	4.5USD
발전소 규모	2달러	1.4USD	2.2USD	1.4USD	1.5USD	2.9USD	1.9USD	3.3USD
출처: IEA – 기술 로드맵: 태양광 에너지 보고서, 2014년판^[7] 참고: DOE – 태양광 발전 시스템 가격 동향 보고서는 미국의 가격이 더 낮다고 보고한다.^[8]

2020년까지 미국의 발전소 규모 시스템의 와트당 비용은 0.94USD로 감소했다.^[9]

5. 태양전지의 역사

1954년 미국의 벨 연구소에서 발전효율 4%의 태양전지를 발명하여, 4년 후 뱅가드 우주선에 사용했다.^[237] 1960년대에 태양전지는 대부분의 지구 궤도 위성과 여러 태양계 탐사선의 주요 전력원이 되었는데, 이는 무게당 출력이 가장 높았기 때문이다. 그러나 우주 응용 분야는 전력 시스템 비용이 높았고, 다른 전력 옵션이 거의 없어 최고의 전지를 위해 비용을 지불했다. 미국 국립과학재단의 "국가적 필요에 적용된 연구" 프로그램이 지상 응용 분야를 위한 태양전지 개발을 추진하기 시작할 때까지 태양전지의 효율 향상은 우주 전력 시장이 주도했다.

1990년대 초, 우주 태양전지에 사용되는 기술은 지상용 패널에 사용되는 실리콘 기술과 달라졌으며, 우주선 응용 분야는 갈륨 비소 기반 III-V 반도체 재료로 전환되었고, 이후 우주선에 사용되는 현대적인 III-V 다중 접합 태양전지로 발전했다.

최근 연구는 경량, 유연성 및 고효율 태양전지를 설계하고 제조하는 데 초점을 맞추고 있다. 지상용 태양전지 기술은 일반적으로 강도와 보호를 위해 유리층으로 적층된 광전지 셀을 사용한다. 태양전지의 우주 응용 분야에서는 전지와 어레이가 고효율이고 매우 가벼워야 한다. 위성에 구현된 일부 새로운 기술은 다중 접합 광전지 셀인데, 이는 다양한 밴드갭을 가진 서로 다른 p-n 접합으로 구성되어 더 넓은 태양 에너지 스펙트럼을 활용한다. 대형 위성에는 전기를 생산하기 위해 대형 태양전지판을 사용해야 하는데, 이러한 태양전지판은 위성이 궤도에 진입하기 전 발사체의 기하학적 제약에 맞게 분해되어야 한다. 최신 위성은 매우 가볍고 작은 부피로 포장할 수 있는 유연한 롤러블 태양전지판을 사용하는 것을 목표로 한다. 이러한 유연한 어레이는 크기와 무게가 작아 위성 발사의 전반적인 비용을 크게 감소시킨다.^[20]

2008년 NASA, 유럽 우주국 등에 태양전지를 납품하는 미국 EMCORE사는 한국의 주도로 발전효율이 최고 37%에 달하는 지상용 고집광 태양전지 수신모듈(CPV)을 개발했다. 이는 박막필름방식(6~12% 효율)보다 3배 이상 높은 효율로, 제3세대 태양전지 기술로 인정받고 있다.(독일 Fichtner사 평가)^[238] 같은 해, 대한민국의 3SOFT사는 NASA로부터 최대 28% 이상 발전효율을 가진 태양전지 핵심기술을 이전받는다는 보도가 있었다.^[239]

최근 태양전지 제조사업에 진출한 신성이엔지(대표 이완근)는 호주 뉴사우스웨일스 대학교(UNSW) 태양전지 리서치연구소 출신 조영현 박사를 최고기술책임자(CTO)로 영입했다. UNSW 연구소는 24% 발전효율 기술을 보유, 세계 최고 권위를 인정받고 있다. 중국 선테크, 난징솔라 등 태양전지 기업 CEO들은 모두 UNSW 마틴 그린 교수의 제자들이다.^[240]

2008년 7월, LG 태안 태양광 발전소가 본격 가동에 들어갔다. 이 발전소는 대한민국 최대 태양광 발전소이며, 발전효율은 17%이다.

2016년 5월 18일, 호주 뉴사우스웨일스대학(UNSW) 연구팀은 34.5%의 효율을 달성했다. 마틴 그린 교수는 이론상 53%까지 가능하며, 자국 기술이 타국에 비해 수 년 앞서있다고 말했다.^[241]

2017년 5월 25일, 유니스트는 핫프레싱 공법을 이용한 페로브스카이트 태양전지로 3세대 태양전지 중 유일하게 광전변환 효율 22%를 달성했다. 이론상 66%까지 가능하며 안정성이 매우 높고 무한한 바닷물을 사용, 리튬 이온 전지 대비 생산 비용을 4분의 1 이하로 절감할 수 있다.

1839년, 프랑스 물리학자 알렉상드르 에드몽 베크렐이 태양전지의 기본 원리인 광전 효과를 발견했다.^[222]^[223]^[224] 1884년, 미국 발명가 찰스 프리츠가 셀레늄과 금 박막을 접합하여 최초로 발전에 성공했으나, 변환 효율은 1% 정도였다.^[225] 이 발명은 1960년대까지 카메라 노출계 등에 널리 응용되었지만, 실리콘형 보급과 함께 사라졌다.

1954년, 벨 연구소의 다릴 샤핀, 캘빈 풀러, 제럴드 피어슨이 결정질 실리콘 태양전지를 발명했다.^[226] 이는 전력 기기로서 태양전지의 선구자적 역할을 했다. 당시 Bell Solar Battery^영어 라고 불렸으며,^[224] 태양광 에너지 변환 효율은 6%였다.^[227] 초기에는 통신, 우주용 등으로 사용되었고, 태양전지를 사용한 최초의 인공위성 뱅가드 1호^[228]는 6년 이상 작동하여 유용성을 보여주었다. 이후 무인 등대 등 점차 용도를 확대, 일본에서도 1960년대에 양산이 시작되었다.

1974년 석유쇼크 이후, 전원으로서 본격적인 개발이 시작되었다. 개발 초기 수W에 불과했던^[226] 생산량은 2010년 23GWp/년으로 증가했다. 변환 효율 향상과 다양화도 진행되어, 현재 변환 효율 40%를 넘는 화합물 다중 접합형 태양전지도 개발되었다.

5. 1. 초기 태양전지 개발

1839년 프랑스 물리학자 에드몽 베크렐이 광전 효과를 처음으로 실험적으로 증명했다. 그는 19세의 나이에 아버지의 연구실에서 세계 최초의 광전지(태양 전지)를 만들었다. 1873년 윌로비 스미스는 네이처지에 "전류 통과 중 셀레늄에 대한 빛의 영향"을 처음으로 기술했다. 1883년 찰스 프리츠는 반도체인 셀레늄에 얇은 금 층을 코팅하여 접합을 형성, 최초의 고체 상태 광전지를 만들었는데, 이 장치의 효율은 약 1%에 불과했다.^[10]

초기 태양전지 개발의 주요 이정표는 다음과 같다.

1888년 – 러시아 물리학자 알렉산드르 스톨레토프는 1887년 하인리히 헤르츠가 발견한 외부 광전 효과를 기반으로 최초의 전지를 만들었다.^[11]
1904년 – 율리우스 엘스터와 한스 프리드리히 가이텔이 최초의 실용적인 광전지를 고안했다.^[12]
1905년 – 알베르트 아인슈타인이 새로운 양자 이론을 제안하고 획기적인 논문에서 광전 효과를 설명하여 1921년 노벨 물리학상을 수상했다.^[13]
1941년 – 바딤 라시카료프가 Cu₂O와 Ag₂S 원형 전지에서 p-n 접합을 발견했다.^[14]
1946년 – 러셀 오가 트랜지스터로 이어지는 일련의 발전 과정에서 근대적인 접합 반도체 태양 전지를 특허를 받았다.^[15]
1948년 - ''반도체의 세계 소개''는 쿠르트 레호벡이 동료 심사 저널인 ''Physical Review''에서 광전 효과를 처음으로 설명했을 수도 있다고 언급한다.^[16]^[17]
1954년 – 벨 연구소에서 최초의 실용적인 광전지가 공개적으로 시연되었다.^[18] 발명가는 캘빈 사우더 풀러, 데릴 채핀, 제럴드 피어슨이었다.^[19]
1958년 – 뱅가드 1호 위성에 태양 전지가 통합되면서 중요성을 얻었다.

5. 2. 현대 태양전지 개발

1888년 러시아 물리학자 알렉산드르 스톨레토프는 1887년 하인리히 헤르츠가 발견한 외부 광전 효과를 기반으로 최초의 전지를 만들었다.^[11] 1904년 율리우스 엘스터와 한스 프리드리히 가이텔은 최초의 실용적인 광전지를 고안했다.^[12] 1905년 알베르트 아인슈타인은 새로운 양자 이론을 제안하고 획기적인 논문에서 광전 효과를 설명하여 1921년 노벨 물리학상을 수상했다.^[13]

1941년 바딤 라시카료프는 Cu₂O와 Ag₂S 원형 전지에서 p-n 접합을 발견했다.^[14] 1946년 러셀 오는 트랜지스터로 이어지는 일련의 발전 과정에서 근대적인 접합 반도체 태양 전지를 특허를 받았다.^[15] 1948년 '반도체의 세계 소개'는 쿠르트 레호벡이 동료 심사 저널인 ''Physical Review''에서 광전 효과를 처음으로 설명했을 수도 있다고 언급한다.^[16]^[17]

5. 3. 상용화 및 우주 응용

1954년 미국의 벨 연구소에서 태양전지를 발명하고 4년 후 뱅가드 우주선에 사용했다. 그 당시 태양전지는 발전효율 4%였다.^[237]

1958년 뱅가드 위성에 태양전지가 탑재되어 일차 전지 전원의 대안으로 제안되었고, 비행하면서 중요한 응용 분야에 처음으로 사용되었다. 본체 외부에 전지를 추가함으로써 우주선이나 전력 시스템을 크게 변경하지 않고 임무 시간을 연장할 수 있었다. 1959년 미국은 큰 날개 모양의 태양전지판을 장착한 익스플로러 6호를 발사했는데, 이는 위성의 일반적인 특징이 되었다. 이러한 배열은 9600개의 호프만 태양전지로 구성되었다.

1960년대에 태양전지는 (그리고 현재도) 대부분의 지구 궤도 위성과 여러 태양계 탐사선의 주요 전력원이 되었는데, 이는 최고의 무게당 출력을 제공했기 때문이다.

미항공우주국(NASA)은 초창기부터 우주선에 태양전지를 사용했으며, 두 번째로 성공적인 위성인 뱅가드 1호(1958년)에는 최초의 우주 태양전지가 장착되었다.

6. 태양전지 제조 방법 개선

태양전지 기술은 1960년대부터 꾸준히 발전해왔다. 초기에는 우주 탐사용으로 높은 비용에도 불구하고 고효율 태양전지가 사용되었지만, 반도체 산업 발전과 함께 집적 회로 기술이 도입되면서 가격이 점차 하락했다. 1971년에는 와트당 가격이 약 100달러까지 떨어졌다.^[23]^[24]

1969년 말, 엘리엇 버먼은 엑손모빌에서 태양광 발전의 미래를 연구했고, 1973년 솔라 파워 코퍼레이션(SPC)을 설립하여 태양전지 가격을 와트당 20달러 수준으로 낮추는 것을 목표로 했다. SPC는 웨이퍼 연마 및 반사 방지막 코팅 단계를 생략하고, 거친 웨이퍼 표면을 활용하는 등 제조 공정을 단순화했다. 또한, 인쇄 회로 기판, 아크릴 플라스틱, 실리콘 접착제 등 저렴한 재료를 사용하여 1973년에 제품을 출시하고 Tideland Signal의 항해용 부표에 적용했다.^[23]

1973년 석유 위기 이후, 엑손, 아르코, 쉘, 모빌 등 주요 석유 회사들이 태양광 사업에 뛰어들면서 태양전지 생산 기술은 더욱 발전했다. 이들은 다중 접합 태양 전지 개발에 힘썼는데, 이 기술은 여러 개의 얇은 박막을 사용하여 다양한 파장의 빛을 흡수함으로써 효율을 높이는 방식이다. 집광형 광전 발전 (CPV), 특히 고농도 광전 발전 (HCPV) 기술은 태양광을 최대 천 배까지 집중시켜 기존 태양광 발전의 효율을 뛰어넘을 가능성을 제시했다.^[84]

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조의 물질을 사용하는 차세대 태양전지로, 저렴한 생산 비용과 높은 효율(2020년 기준 25.5%) 덕분에 주목받고 있다.^[95] 그러나 작동 안정성 문제는 상용화를 위한 과제로 남아있다.^[97]

양면형 태양전지는 앞면과 뒷면 모두에서 빛을 흡수하여 발전 효율을 높인 기술이다. 1966년 일본에서 처음 특허가 출원되었고,^[103] 1970년대 러시아 우주 프로그램에 사용되었다. 이후 1976년 마드리드 공과대학교 연구팀이 개발을 시작하여, 흰색 배경에서 양면형 태양전지의 출력이 단면형에 비해 50% 증가함을 입증했다.^[107] 최근 제조 비용 감소로 양면형 모듈 생산이 다시 증가하고 있으며, 2027년에는 세계 시장 점유율이 30%에 이를 것으로 예상된다.^[108] 연구에 따르면, 양면형 모듈은 지면 반사율에 따라 단면형 모듈보다 연간 전력 생산량이 최대 30%까지 증가하며, 특히 눈이 많이 오는 환경에서 더 우수한 성능을 보인다.^[111]

6. 1. 초기 제조 방법 개선

1960년대 동안 태양 전지 기술은 점진적으로 개선되었다. 우주에서 사용하기 위해 높은 비용에도 불구하고 최고의 전지가 사용되었는데, 이는 저비용의 효율이 낮은 솔루션에 투자할 이유가 없었기 때문이다. 반도체 산업에서 집적 회로 기술이 발전하면서 더 큰 단결정 잉곳을 저렴하게 사용할 수 있게 되었고, 이에 따라 태양 전지 가격도 하락하여 1971년에는 와트당 약 100달러까지 떨어졌다.^[23]^[24]

1969년 말, 엘리엇 버먼은 엑손모빌의 태스크포스에 합류하여 30년 후의 프로젝트를 모색했고, 1973년 4월 솔라 파워 코퍼레이션(SPC)을 설립했다. 이들은 2000년까지 전력 비용이 크게 상승할 것으로 예상하고, 와트당 약 20달러의 와트당 가격이 상당한 수요를 창출할 것이라고 결론지었다. SPC는 웨이퍼 연마 및 반사 방지막 코팅 단계를 생략하고, 거친 웨이퍼 표면을 사용했다. 또한 고가의 재료와 수작업 배선 대신 인쇄 회로 기판, 아크릴 플라스틱, 실리콘 접착제를 사용했다. 전자 시장의 폐기물을 활용하여 태양 전지를 제조함으로써, 1973년 제품을 발표하고 Tideland Signal을 설득하여 항해용 부표 전력 공급에 사용하게 했다.^[23]

갈륨 비소(GaAs)는 단결정 박막 태양전지에 사용되는 반도체 재료이다. GaAs 전지는 매우 비싸지만, 단접합 태양전지 효율 세계 기록인 28.8%를 보유하고 있다.^[81]

6. 2. 엑손모빌의 태양전지 생산 방식 개선

엑손모빌은 1980년대 초 솔라 파워 코퍼레이션(SPC)을 설립하고 저비용 태양전지 생산 기술을 개발하여 태양전지 제조 비용 절감을 추구했다.^[82] 이 기술은 실리콘 웨이퍼 연마 및 반사 방지막 코팅 과정을 생략하고,^[82] 후면에 인쇄 회로 기판을 사용하고 전면에 아크릴 폴리머를 적용하는 것을 포함했다.^[82] 이러한 개선을 통해 엑손모빌은 당시 가장 저렴한 비용으로 태양전지를 생산할 수 있었다.^[82]

6. 3. 연구 및 산업 생산의 발전

미국 국립과학재단(NSF)은 1969년부터 1977년까지 "국가적 필요에 적용되는 연구(RANN)" 프로그램을 통해 육상용 태양광 발전 연구를 지원했다.^[25] 1973년 "체리힐 회의"에서는 태양광 발전 개발 목표와 연구 프로그램을 제시했고,^[26] 이 프로그램은 미국 에너지 연구개발청(ERDA)을 거쳐 미국 에너지부(DOE)에 통합되었다.^[27]

1973년 석유 위기 이후, 엑손(Exxon), 아르코(ARCO), 쉘(Shell), 아모코(Amoco, 나중에 BP에 인수됨), 모빌(Mobil) 등 석유 회사들은 태양광 사업에 진출하여 수십 년 동안 주요 생산업체였다. 제너럴 일렉트릭(GE), 모토롤라(Motorola), IBM, 타이코(Tyco), RCA 등 기술 회사들도 참여했다.^[28]

다중 접합 태양 전지는 여러 개의 얇은 박막으로 구성되어 있으며, 각 층은 서로 다른 대역 간격 에너지를 가져 다양한 전자기 방사선을 흡수한다. 이 기술은 인공위성과 우주 탐사에 사용되었으나, 최근에는 집광형 광전 발전 (CPV)에 활용된다. 특히, 고농도 광전 발전 (HCPV)은 태양광을 최대 천 배까지 집중시켜 기존 태양광 발전을 능가할 가능성이 있다.^[84]

탠덤 태양 전지는 비용 압박에도 불구하고 판매량이 증가하고 있다.^[85] 2006년 12월부터 2007년 12월 사이에 4N 갈륨 금속 가격은 kg당 약 350USD에서 680USD로, 게르마늄 금속 가격은 kg당 1000USD~1200USD로 상승했다. 갈륨(4N, 6N, 7N Ga), 비소(4N, 6N 및 7N), 게르마늄 등은 기판 제조 산업에 중요하다.

삼중 접합 GaAs 태양 전지는 2003년, 2005년, 2007년 네덜란드의 세계 태양 자동차 챌린지 우승팀 누나(Nuna)의 동력원으로 사용되었다. GaAs 기반 다중 접합 장치는 2012년 10월 15일, 삼중 접합 변태형 전지가 44%의 기록을 달성했다.^[87] 2022년 독일 프라이부르크 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소(ISE)는 665배의 태양광 집중 하에서 사중 접합 집광형 태양 전지를 사용하여 47.6%의 효율을 시연했다.^[88]^[89]

2016년, III-V 다중접합 태양전지의 효율과 실리콘의 경제성을 결합한 하이브리드 광전지 웨이퍼 생산 방법이 제시되었다. 플라즈마 증강 화학 기상 증착법(PECVD)을 이용해 저온에서 GaAs 위에 실리콘을 에피택시 성장시키는 방식이다.^[90]

단일접합 실리콘 태양전지는 1-sun 조건에서 약 26%의 효율에 도달하고 있다.^[91] 이중접합 태양전지는 이론적으로 45%를 넘는 효율을 달성할 수 있다.^[92] 탠덤 셀은 투명한 유리 슬라이드로 분리되어 18.1%의 효율을 보였고, 실리콘 하부 셀은 11.7%의 효율을 달성하여 누적 탠덤 셀 효율은 29.8%가 된다.^[93]

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조의 물질을 포함하는 태양전지이다. 유기-무기 하이브리드 주석 또는 납 할라이드 기반 물질이 주로 사용되며, 2009년 최초 사용 당시 5% 미만이었던 효율은 2020년 25.5%까지 증가했다.^[95] 로체스터 대학교 연구진은 2023년에 퍼셀 효과를 이용하여 효율을 더 개선할 수 있다고 보고했다.^[96] 페로브스카이트 태양전지는 대량 생산 비용이 저렴할 것으로 예상되지만, 작동 안정성 문제가 상용화의 걸림돌이다.^[97]

양면형 태양전지는 앞면과 뒷면 모두에서 빛을 흡수하여 더 많은 전기를 생산한다. 1966년 일본 연구원 모리 히로시(Hiroshi Mori)가 최초 특허를 출원했고,^[103] 1970년대 러시아가 우주 프로그램에 처음 배치했다. 1976년 마드리드 공과대학교 루케 교수 팀이 양면형 태양전지 개발 연구를 시작했다. 1980년, 안드레스 쿠에바스(Andrés Cuevas)는 흰색 배경에서 양면형 태양전지의 출력이 단면형에 비해 50% 증가함을 입증했다.^[107] 1981년 이소포톤(Isofoton)이 설립되어 양면형 전지를 생산했다.

제조 비용 감소로 2010년부터 양면형 모듈 생산이 다시 시작되었다. 국제 광전 기술 로드맵(ITRPV)은 양면형 기술의 세계 시장 점유율이 2027년 30%로 확대될 것으로 예측했다.^[108]

연구 결과에 따르면 지상 설치형 양면형 모듈은 지면 반사율 계수가 25%일 때 단면형 모듈에 비해 연간 전력 생산량이 약 10% 증가한다. 모듈을 지상에서 1m 높이로 올리고 지면 반사율 계수를 50%로 높이면 이득을 약 30%까지 높일 수 있다. 양면형 패널은 눈이 많이 오는 환경에서 기존 패널보다 성능이 더 우수하며, 이중축 추적 장치에 장착된 양면형 패널은 단면형 패널보다 연간 14% 더 많은 전기를 생산했고, 겨울철에는 40% 더 많은 전기를 생산했다.^[111]

7. 태양전지 비용 감소와 성장

태양전지 비용은 지속적으로 감소해 왔으며, 이는 태양광 발전 시장의 성장을 견인하는 주요 요인 중 하나이다. 태양광 발전의 비용 하락은 재생 에너지의 급속한 성장에 있어 가장 큰 요인 중 하나로 여겨지며, 2010년(태양광과 풍력이 전 세계 전력 생산량의 1.7%를 차지)부터 2021년(8.7%를 차지) 사이 약 85% 하락했다.^[41] 2019년 태양전지는 세계 전력 생산량의 약 3%를 차지했다.^[42]

태양광 발전은 아시아에서 가장 빠르게 성장하고 있으며, 현재 중국과 일본이 전 세계 설치량의 절반을 차지하고 있다.^[38] 2016년 전 세계 설치 PV 용량은 최소 301기가와트에 달했으며, 전 세계 전력 공급의 1.3%를 차지했다.^[39]

PV(태양광 발전)에서 생산되는 전기가 유럽 전역의 도매 전기 비용과 경쟁력을 갖추게 될 것이며, 결정질 실리콘 모듈의 에너지 투자 회수 기간은 2020년까지 0.5년 미만으로 단축될 것으로 예상되었다.^[40]

7. 1. 태양전지 비용 감소

물가 상승률을 고려하면, 1970년대 중반 태양광 모듈의 와트당 가격은 96달러였다. 공정 개선과 생산량의 급증으로 이 수치는 99% 이상 감소하여 2018년에는 와트당 30센트^[31], 2020년에는 와트당 20센트까지 낮아졌다.^[32] 스완슨 법칙은 무어의 법칙과 유사한 관찰 결과로, 산업 생산량이 두 배로 증가할 때마다 태양전지 가격이 20% 하락한다는 법칙이다. 이 법칙은 2012년 말 영국의 주간 신문 이코노미스트 기사에 실렸다.^[33] 당시 시스템의 균형 비용은 패널 비용보다 높았다. 2018년 기준으로 대규모 상업용 어레이는 완전히 준공된 상태에서 와트당 1달러 미만으로 건설될 수 있었다.^[9]

반도체 산업이 점점 더 큰 부울로 이동함에 따라 구형 장비는 저렴해졌다. 잉여 시장에서 장비를 구할 수 있게 되면서 셀 크기가 커졌다. ARCO Solar의 초기 패널은 지름 5.1~10.2cm (2~4인치)의 셀을 사용했다. 1990년대와 2000년대 초반의 패널은 일반적으로 125mm 웨이퍼를 사용했지만, 2008년 이후 거의 모든 신규 패널은 156mm 이상의 셀을 사용했고,^[34] 2020년에는 182mm ‘M10’ 셀이 더욱 확대되었다.^[35] 1990년대 후반과 2000년대 초반 평면 스크린 텔레비전의 널리 보급은 패널을 덮는 데 사용할 수 있는 크고 고품질의 유리 시트를 광범위하게 이용할 수 있게 했다.

1990년대에는 폴리실리콘("폴리") 셀이 점점 인기를 얻었다. 이러한 셀은 모노실리콘("모노") 셀보다 효율이 떨어지지만, 비용을 줄이는 대형 탱크에서 성장한다. 2000년대 중반까지 폴리는 저가형 패널 시장에서 우세했지만, 최근에는 모노가 다시 널리 사용되고 있다.

웨이퍼 기반 셀 제조업체는 2004~2008년 실리콘 가격 상승에 대응하여 실리콘 소비량을 빠르게 줄였다. 2008년 IMEC 유기 및 태양광 부서장인 Jef Poortmans에 따르면, 당시 셀은 와트당 8~9g (8g~9g)의 실리콘을 사용했으며 웨이퍼 두께는 약 200마이크로미터였다. 결정질 실리콘 패널은 전 세계 시장을 지배하고 있으며 대부분 중국과 대만에서 제조된다. 2011년 말 유럽 수요 감소로 결정질 태양광 모듈 가격이 2010년보다 훨씬 낮은 와트당 약 1.09달러^[36]로 급락했다. 가격은 2012년에도 계속 하락하여 2012년 4분기에는 와트당 0.62달러에 달했다.^[37]

태양광 발전은 아시아에서 가장 빠르게 성장하고 있으며, 현재 중국과 일본이 전 세계 배치량의 절반을 차지하고 있다.^[38] 2016년 전 세계 설치 PV 용량은 최소 301기가와트에 달했으며, 2016년까지 전 세계 전력 공급의 1.3%를 차지했다.^[39]

PV에서 생산되는 전기가 유럽 전역의 도매 전기 비용과 경쟁력을 갖추게 될 것이며, 결정질 실리콘 모듈의 에너지 투자 회수 기간은 2020년까지 0.5년 미만으로 단축될 것으로 예상되었다.^[40]

비용 하락은 재생 에너지의 급속한 성장에 있어 가장 큰 요인 중 하나로 여겨지며, 태양광 발전 전기의 비용은 2010년(태양광과 풍력이 전 세계 전력 생산량의 1.7%를 차지했을 때)부터 2021년(8.7%를 차지했을 때)까지 약 85% 하락했다.^[41] 2019년 태양전지는 세계 전력 생산량의 약 3%를 차지했다.^[42]

7. 2. 태양광 발전 시장 성장

1990년대에는 폴리실리콘(폴리) 셀이 인기를 얻었다. 폴리실리콘 셀은 모노실리콘(모노) 셀보다 효율은 낮지만, 대형 탱크에서 성장시켜 비용을 절감할 수 있었다. 2000년대 중반까지 폴리실리콘은 저가형 패널 시장에서 우세했지만, 최근에는 모노실리콘이 다시 널리 사용되고 있다.^[34]

웨이퍼 기반 셀 제조업체는 2004~2008년 실리콘 가격 상승에 대응하여 실리콘 소비량을 빠르게 줄였다. 2008년 IMEC 유기 및 태양광 부서장인 Jef Poortmans에 따르면, 당시 셀은 와트당 8g ~ 9g의 실리콘을 사용했으며 웨이퍼 두께는 약 200um였다. 결정질 실리콘 패널은 전 세계 시장을 지배하고 있으며 대부분 중국과 대만에서 제조된다. 2011년 말 유럽 수요 감소로 결정질 태양광 모듈 가격이 2010년보다 훨씬 낮은 와트당 약 1.09달러^[36]로 급락했다. 가격은 2012년에도 계속 하락하여 2012년 4분기에는 와트당 0.62달러에 달했다.^[37]

태양광 발전은 아시아에서 가장 빠르게 성장하고 있으며, 현재 중국과 일본이 전 세계 배치량의 절반을 차지하고 있다.^[38] 2016년 전 세계 설치 PV 용량은 최소 301기가와트에 달했으며, 2016년까지 전 세계 전력 공급의 1.3%를 차지했다.^[39]

PV에서 생산되는 전기가 유럽 전역의 도매 전기 비용과 경쟁력을 갖추게 될 것이며, 결정질 실리콘 모듈의 에너지 투자 회수 기간은 2020년까지 0.5년 미만으로 단축될 것으로 예상되었다.^[40]

7. 3. 보조금과 계통 연계 가격 평등

태양광 발전에 대한 직접지원금은 국가 및 국가 내 지역에 따라 다르다. 이러한 요금은 태양광 발전 프로젝트 개발을 장려한다. 광범위한 계통연계 가격 평등(보조금 없이 광전지 발전이 기존 전력망 전력보다 같거나 저렴해지는 시점)은 세 가지 측면 모두에서 발전이 필요할 가능성이 높다. 태양광 발전 지지자들은 캘리포니아와 일본처럼 일사량이 풍부하고 전기 요금이 높은 지역에서 먼저 계통연계 가격 평등을 달성하기를 희망한다.^[43] 2007년 BP는 하와이와 다른 섬들에서 전기를 생산하는 데 경유를 사용하는 지역에서 계통연계 가격 평등을 달성했다고 주장했다. 조지 W. 부시는 미국의 계통연계 가격 평등 시점을 2015년으로 설정했다.^[44]^[45] 태양광 발전 협회는 2012년에 호주가 (직접지원금을 무시할 경우) 계통연계 가격 평등에 도달했다고 보고했다.^[46]

태양광 패널 가격은 40년 동안 꾸준히 하락했지만, 2004년 독일의 높은 보조금으로 인해 수요가 급증하면서 고순도 실리콘(컴퓨터 칩과 태양광 패널에 사용됨) 가격이 크게 상승하는 사건이 있었다. 2008년 금융 위기와 중국 제조업의 등장으로 가격 하락이 다시 시작되었다. 2008년 1월 이후 4년 동안 독일의 태양광 모듈 가격은 피크 와트당 3EUR에서 1EUR로 하락했다. 같은 기간 생산능력은 연간 50% 이상 성장했다. 중국의 시장 점유율은 2008년 8%에서 2010년 4분기 55% 이상으로 증가했다.^[47] 2012년 12월 중국산 태양광 패널 가격은 0.6달러/Wp(결정질 모듈)로 하락했다.^[48] (Wp는 피크 와트 용량, 즉 최적 조건에서의 최대 용량을 나타낸다.^[49])

2016년 말 현재, 조립된 태양광 ''패널''(셀이 아닌)의 현물가격은 Wp당 0.36USD의 최저 기록을 경신했다고 보고되었다. 두 번째로 큰 공급업체인 캐나디안 솔라(Canadian Solar Inc.)는 2016년 3분기에 Wp당 0.37USD의 비용을 보고했는데, 이는 전 분기보다 0.02USD 하락한 것이며, 따라서 적어도 손익분기점을 유지하고 있었을 가능성이 높다. 많은 생산업체들은 2017년 말까지 비용이 0.3달러 부근으로 하락할 것으로 예상했다.^[50] 또한 새로운 태양광 설비가 세계 일부 지역에서는 석탄 기반 화력 발전소보다 저렴했으며, 10년 이내에 세계 대부분 지역에서도 그럴 것으로 예상되었다.^[51]

8. 태양전지의 이론

태양전지의 효율은 개방 회로 전압(Voc), 단락 회로 전류(Isc), 채움 인자(FF) 등의 변수에 의해 결정된다. 개방 회로 전압(Voc)은 회로가 개방된 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지 양단에 형성되는 전위차이다. 동종접합의 경우, 최대 Voc 값은 p형 반도체와 n형 반도체 사이의 일함수 값 차이로 주어지며, 이는 반도체의 밴드갭에 의해 결정된다. 따라서 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 대체로 높은 Voc 값을 얻을 수 있다. 단락 회로 전류(Isc)는 회로가 단락된 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향 전류밀도이다. 이 값은 입사광의 세기와 파장 분포에 따라 달라지며, 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합하여 손실되지 않고 외부 회로로 보내지는 정도에 의존한다. 재결합에 의한 손실은 재료 내부나 계면에서 일어날 수 있다.

Isc를 크게 하려면 태양전지 표면에서의 태양광 반사를 최대한 감소시켜야 한다. 이를 위해 반사 방지 코팅(Antireflection coating)을 하거나 금속 접촉(metal contact)을 만들 때 태양광을 가리는 면적을 최소화해야 한다. 가능한 모든 파장의 빛을 흡수하기 위해서는 반도체의 밴드갭 에너지가 작을수록 유리하지만, Voc도 감소하므로 적절한 밴드갭을 가진 재료가 필요하다. 따라서 최대 Voc와 Isc 값을 얻기 위한 이론적인 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV이다. 채움 인자(FF)는 최대 전력점에서의 전류 밀도와 전압 값의 곱(Vmp × Imp)을 Voc와 Isc의 곱으로 나눈 값이다. 따라서 FF는 빛이 가해진 상태에서 I-V 곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운지를 나타내는 값이다.

태양전지의 기본 원리와 다양한 유형에 대해서는 기본 원리 및 다양한 태양전지 유형 하위 섹션을 참조하라.

8. 1. 기본 원리

태양 전지에 입사한 빛 에너지는 전자에 흡수되어 전력으로 태양 전지 외부로 출력된다. 더 자세한 내용은 광전효과 항목에서 확인할 수 있다.

현재 일반적으로 사용되는 태양 전지는 p형과 n형 반도체를 접합한 구조인 pn 접합형 다이오드(포토다이오드)이다. 실리콘계, 화합물계 태양 전지가 여기에 해당된다. 전자에 빛 에너지를 흡수시켜(광여기) 전력으로 이용하며, 이는 발광 다이오드와 반대 과정이다.

태양 전지의 등가회로는 위 그림과 같다. 가장 단순한 모델에서는 저항 성분을 무시하고 전류원과 다이오드만으로 표시된다.

태양 전지의 전압-전류 특성은 위 그림과 같다. 광조사 시에 단자를 개방했을 때의 출력 전압을 '''개방 전압'''(open circuit voltage), 단락했을 때의 전류를 '''단락 전류'''(short-circuit current)라고 한다. 단락 전류를 유효 수광 면적으로 나눈 것을 '''단락 전류 밀도'''라고 한다. 최대 출력 전력을 제공하는 동작점을 '''최대 출력점'''(maximum power point, '''최적 동작점''', '''최적 부하점''')이라고 한다.

태양 전지에서 효율적으로 전력을 얻기 위해서는 태양 전지를 최대 출력점 부근에서 동작시켜야 한다. 따라서 대전력용 시스템에서는 일반적으로 최대 전력점 추종 장치(Maximum Power Point Tracker, MPPT)를 사용하여 일사량이나 부하에 관계없이 태양 전지 측에서 본 부하를 항상 최적으로 유지하도록 운전한다.

일반적으로 태양 전지는 충분한 전압을 확보하기 위해 직렬 접속되지만, 직렬 접속된 일부 태양 전지에서 그림자 등에 의해 출력이 저하되면 거기서 전류량이 제한되어 전체 발전량이 저하될 수 있다. 대책으로는 바이패스 다이오드를 탑재하여 해당 태양 전지를 전기적으로 우회하는 방법이 있다.

8. 2. 다양한 태양전지 유형

페로브스카이트 태양전지는 활성층으로 페로브스카이트 구조의 물질을 포함하는 태양전지이다. 2009년 최초 사용 당시 5% 미만이었던 효율은 2020년 25.5%까지 증가하여 매우 빠르게 발전하는 기술이며 태양전지 분야의 주요 관심사가 되었다.^[95] 페로브스카이트 태양전지는 대량 생산 비용이 매우 저렴할 것으로 예상되어 상용화에 매우 매력적인 선택지이다.

색소감응형 태양전지는 입사광에 의해 이산화티탄에 흡착된 색소 속의 전자가 여기되는 원리를 이용한다. 이 여기된 전자는 이산화티탄을 매개로 전극(음극)으로 유도되어 전류로 이용된다. 전자는 외부 회로를 경유하여 대향 전극(양극)으로 돌아가고, 전해질 속의 이온을 매개로 다시 색소 흡착부로 돌아간다.^[229]^[230]

9. 태양전지의 효율

1954년 미국의 벨 연구소에서 발명한 태양전지는 4년 후 뱅가드 우주선에 사용되었으며, 당시 발전효율은 4%였다.^[237]

2008년 NASA, 유럽 우주국 등에 태양전지를 납품하는 미국의 EMCORE사는, 한국의 주도하에 최고 37%에 달하는 지상용 고집광 태양전지 수신모듈 (Concentrating PhotoVoltaic(CPV) System)을 개발했다. 이는 박막필름방식의 6~12% 효율보다 3배 이상 높은 효율을 가진 기술로, 제3세대 태양전지 기술로 인정받고 있다.(독일 Fichtner사 평가)^[238]

같은 해, 대한민국의 3SOFT사는 NASA로부터 태양전지 핵심기술을 이전받는다는 보도가 있었다. 이 기술은 NASA가 상용화시킨 트리플정션 모듈을 업그레이드한 기술로 최대 28% 이상의 발전효율을 지니고 있다고 한다.^[239]

뉴사우스웨일스 대학교(UNSW) 태양전지 리서치연구소는 24%의 태양전지 발전효율 기술을 보유하여, 현재 태양전지 연구기관 가운데 세계 최고 권위를 인정받고 있다. 최근 태양전지 제조사업에 진출한 신성이엔지(대표 이완근)는 이 연구소 출신의 조영현 박사를 최고기술책임자(CTO)로 영입했다. 태양전지 기업으로 주목받고 있는 중국의 선테크 등 CEO는 모두 UNSW의 박사 출신들이며 마틴 그린 교수의 제자들이다.^[240]

2008년 7월에 본격 가동에 들어간 LG 태안 태양광 발전소는 대한민국 최대의 태양광 발전소이며, 발전효율은 17%이다.

9. 1. 태양전지 효율 요소

태양전지의 효율은 여러 요소에 의해 결정된다.

'''반사 효율''': 태양전지 표면에서 반사되는 빛의 양을 줄이는 것이 중요하다. 이를 위해 반사 방지 코팅을 하거나, 금속 전극이 빛을 가리는 면적을 최소화한다. 표면 텍스처링 기술을 통해 빛 흡수를 극대화하기도 한다.^[141]^[142]^[143]^[144]^[145]
'''열역학적 효율''': 태양전지 재료의 밴드갭 에너지가 작을수록 더 많은 파장의 빛을 흡수할 수 있지만, 개방 회로 전압(Voc)이 감소하므로 적절한 밴드갭을 가진 재료를 선택해야 한다. 이론적으로 최대 크기의 Voc와 Isc값을 얻기 위해 계산된 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV이다.
'''전하 운반자 분리 효율''': 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 재결합하여 손실되지 않고 외부 회로로 효과적으로 이동해야 한다. 재료 내부나 계면에서의 재결합은 손실을 유발한다.
'''전도 효율''':
* 개방 회로 전압(Voc): 회로가 개방된 상태에서 태양전지 양단에 형성되는 전위차이다. 동종 접합의 경우 p형 반도체와 n형 반도체의 일함수 값 차이로 결정되며, 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 높은 Voc 값을 얻을 수 있다.
* 단락 회로 전류(Isc): 회로가 단락된 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향 전류 밀도이다. 입사광의 세기와 파장 분포, 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공의 재결합 여부에 따라 달라진다.
* 충전 계수(FF): 최대 전력점에서의 전류 밀도와 전압 값의 곱을 Voc와 Isc의 곱으로 나눈 값이다. I-V 곡선이 사각형에 가까울수록 높은 값을 가진다.

이 외에도 광자 상향 변환, 하향 변환 기술을 통해 태양 광자를 효율적으로 사용하여 효율을 높일 수 있다.^[118] 또한, 태양전지 봉입재의 구조를 변경하여 광 수집을 증가시키기도 한다.^[146]^[147]^[148]^[149]^[150]^[151]^[152]^[153]^[154]^[155]^[156]

최근에는 태양전지판의 먼지 축적 문제를 해결하기 위한 자체 세척 기술도 개발되고 있다.^[157]^[158]^[159]

9. 2. 충전 계수와 효율 한계

태양 전지의 효율을 결정하는 변수는 개방 회로 전압(Voc), 단락 회로 전류(Isc), 그리고 충전 계수(FF) 등이다.^[1] 개방 회로 전압(Voc)은 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 저항이 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양 전지의 양단에 형성되는 전위차이다.^[1] 동종 접합(homojunction)의 경우, 얻을 수 있는 최대 Voc 값은 p형 반도체와 n형 반도체 사이의 일함수 값의 차이로 주어지며, 이 값은 반도체의 밴드갭에 의해 결정되므로 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 대체로 높은 Voc 값을 얻을 수 있다.^[1] 단락 회로 전류(Isc)는 회로가 단락된 상태, 즉 외부 저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(음의 값)의 전류 밀도이다.^[1] 이 값은 우선 입사광의 세기와 파장 분포에 따라 달라지지만, 이러한 조건이 결정된 상태에서는 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지 내부에서 외부 회로 쪽으로 보내어지는가에 의존된다.^[1] 이때 재결합에 의한 손실은 재료 내부에서나 계면에서 일어날 수 있다.^[1]

Isc를 크게 하기 위해서는 태양 전지 표면에서 태양 빛의 반사를 최대한 감소시켜야 한다.^[1] 이를 위해 반사 방지 코팅(Antireflection coating)을 하거나 금속 접촉(metal contact)을 만들 때 태양 빛을 가리는 면적을 최소화해야 한다.^[1] 가능한 모든 파장의 빛을 흡수하려면 반도체의 밴드갭 에너지가 작을수록 유리하지만, 그렇게 되면 Voc도 감소하므로 적정한 밴드갭을 가진 재료가 필요하다.^[1] 따라서 최대 크기의 Voc와 Isc 값을 얻기 위해 계산된 이론적인 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV이다.^[1] 충전 계수(FF)는 최대 전력점에서의 전류 밀도와 전압값의 곱(Vmp × Imp)을 Voc와 Isc의 곱으로 나눈 값이다.^[1] 따라서 충전 계수는 빛이 가해진 상태에서 I-V 곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 값이다.^[1]

9. 3. 연구 개발 동향

2016년 5월 18일, 호주 뉴사우스웨일스대학(UNSW) 연구팀은 태양전지 효율 34.5%를 달성했다. 이론상 53%까지 가능하다고 한다. 마틴 그린 교수는 자국의 기술이 타국에 비해 수 년 앞서있다고 말했다.^[241]

2017년 5월 25일, 유니스트는 핫프레싱 공법을 이용한 페로브스카이트 태양전지로 3세대 태양전지 중 유일하게 광전변환 효율 22%를 달성했다. 이론상 66%까지 가능하며 안정성이 매우 높고 무한한 바닷물을 사용하기 때문에 리튬 이온전지 대비 생산 비용을 4분의 1 이하로 절감할 수 있다.

10. 태양전지의 재료

태양전지는 일반적으로 사용되는 반도체 물질의 이름을 따서 명명된다. 이러한 재료들은 햇빛을 흡수하기 위해 특정 특성을 가져야 한다.^[64] 일부 전지는 지구 표면에 도달하는 햇빛을 처리하도록 설계된 반면, 다른 전지는 우주에서의 사용에 최적화되어 있다. 태양전지는 단일층의 광흡수 물질(단접합)로 만들어지거나 여러 물리적 구성(다접합)을 사용하여 다양한 흡수 및 전하 분리 메커니즘을 활용할 수 있다.

태양전지는 1세대, 2세대, 3세대로 분류할 수 있는데, 하위 섹션에서 자세한 내용을 다루고 있다.

10. 1. 태양전지 재료 분류

태양전지는 일반적으로 사용되는 반도체 물질의 이름을 따서 명명된다. 이러한 재료는 햇빛을 흡수하기 위해 특정 특성을 가져야 한다.^[64] 일부 전지는 지구 표면에 도달하는 햇빛을 처리하도록 설계된 반면, 다른 전지는 우주에서의 사용에 최적화되어 있다. 태양전지는 단일층의 광흡수 물질(단접합)로 만들어지거나 여러 물리적 구성(다접합)을 사용하여 다양한 흡수 및 전하 분리 메커니즘을 활용할 수 있다.

태양전지는 1세대, 2세대, 3세대 전지로 분류할 수 있다. 1세대 전지(일반적인, 전통적인 또는 웨이퍼 기반 전지라고도 함)는 상업적으로 가장 우세한 PV 기술인 결정질 실리콘으로 만들어지며, 폴리실리콘과 단결정 실리콘과 같은 재료가 포함된다. 2세대 전지는 박막 태양전지로, 비정질 실리콘, CdTe 및 CIGS 전지가 포함되며, 유틸리티 규모의 태양광 발전소, 건물 일체형 태양광 발전 또는 소규모 독립형 발전 시스템에서 상업적으로 중요하다. 3세대 태양전지는 종종 신흥 광전지로 설명되는 여러 박막 기술을 포함하며, 대부분은 아직 상업적으로 적용되지 않았고 여전히 연구 또는 개발 단계에 있다. 많은 경우 유기 물질, 종종 유기금속 화합물과 무기 물질을 사용한다. 효율이 낮고 흡수체 재료의 안정성이 상업적 응용에 너무 짧았다는 사실에도 불구하고, 저비용 고효율 태양전지를 생산하는 목표를 달성할 수 있다는 약속 때문에 이러한 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.^[65] 2016년 현재 가장 인기 있고 효율적인 태양전지는 실리콘 박막으로 만들어진 것으로, 가장 오래된 태양전지 기술이기도 하다.^[66]

광흡수층의 재료 및 소자 형태 등에 따라 여러 종류로 분류된다. 각각 다른 특징을 가지며 용도에 따라 사용된다.

10. 2. 결정질 실리콘

태양전지에 가장 널리 사용되는 재료는 결정질 실리콘(c-Si)으로, "태양 등급 실리콘"이라고도 불린다.^[67] 대량 생산되는 실리콘은 만들어지는 잉곳, 리본, 웨이퍼의 결정성과 결정 크기에 따라 여러 종류로 나뉜다. 이러한 태양전지들은 모두 p-n 접합의 원리를 기반으로 만들어지며, 160~240 마이크로미터 두께의 웨이퍼 형태로 제작된다.

결정질 실리콘은 크게 단결정 실리콘과 다결정 실리콘으로 나눌 수 있다.

'''단결정 실리콘'''은 원자 배열이 규칙적인 단일 결정 구조를 가져 전자가 자유롭게 이동할 수 있어 효율이 높다.
'''다결정 실리콘'''은 여러 개의 작은 결정들로 이루어져 있어 단결정보다 효율은 낮지만, 제조 비용이 저렴하다.

실리콘을 사용하는 태양전지는 재료의 성질에 따라 결정질 실리콘과 비정질 실리콘으로, 형태에 따라 박막형이나 다접합형 등으로 분류할 수 있다. 그 형식과 성능은 매우 다양하며, 최근에는 여러 형태를 복합시킨 것도 실용화되고 있다.

태양전지에 사용되는 실리콘의 순도와 격자 결함은 집적회로용에 비해 기준이 느슨하며, 태양전지의 생산량이 증가함에 따라 솔라급 실리콘 재료의 공급이 요구되고 있다. 실리콘의 고순도화에는 종래 수소와 실리콘을 반응시켜 증류하여 순도를 높이는 화학적인 방법이 사용되어 왔지만, 최근에는 야금적인 방법으로 진공 중에서 전자빔을 조사하여 실리콘 내 불순물을 기화, 응고 정제하여 제거하는 공정도 개발되고 있다.^[190]

결정질 실리콘(c-Si)의 금지대폭은 1.12 eV이며, 근자외영역부터 1.2 μm 정도까지의 빛을 흡수하여 발전할 수 있다. 간접 천이형 반도체이기 때문에 광흡수 계수가 낮아 실용적인 흡수량을 얻으려면 최소 200μm 정도의 실리콘층이 필요하다고 여겨져 왔지만, 표면 텍스처 등을 이용한 빛 가둠 기술이 발달하면서 최근에는 실리콘층이 수 μm~50 μm 정도로 매우 얇은 박막 태양전지도 개발되고 있다.

10. 2. 1. 단결정 실리콘

고순도 실리콘 단결정 웨이퍼를 반도체 기판으로 이용하는 것으로, 가장 오래전부터 사용되어 왔다. 변환 효율은 높지만 고순도 실리콘의 사용량이 많고, 생산에 필요한 에너지와 비용이 높아진다. 그 때문에 최근에는 다결정 실리콘이나 박막 실리콘 태양전지로의 이행이 진행되고 있다.^[190]

10. 2. 2. 에피택시 실리콘 개발

화학적 기상 증착법을 이용하면 단결정 실리콘 "종자" 웨이퍼 위에 결정질 실리콘 에피택시 웨이퍼를 성장시킬 수 있다. 이후 손으로 조작할 수 있고 단결정 실리콘 잉곳에서 절단한 웨이퍼 셀을 직접 대체할 수 있는 일정 두께(예: 250 μm)의 자립형 웨이퍼로 분리할 수 있다. 이러한 "커프리스" 기술로 제작된 태양 전지는 대기압에서 고 처리량 인라인 공정으로 CVD를 수행할 경우 웨이퍼 절단 셀에 근접하는 효율을 달성할 수 있지만, 비용은 상당히 낮다.^[59]^[60] 에피택시 웨이퍼의 표면은 빛 흡수를 향상시키기 위해 텍스처링 처리될 수 있다.^[69]^[70]

2015년 6월, n형 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 에피택시적으로 성장한 헤테로접합 태양 전지가 총 셀 면적 243.4 cm²에서 22.5%의 효율에 도달했다고 보고되었다.^[71]

10. 2. 3. 다결정 실리콘

다결정 실리콘(polycrystalline silicon) 또는 다결정 실리콘(multi-Si) 셀은 주괴(ingot)라 불리는 큰 덩어리의 용융 실리콘을 주의 깊게 냉각 및 고화하여 만든다. 이는 작은 결정들로 구성되어 있어 재료에 전형적인 금속 조각 효과를 나타낸다. 다결정 실리콘 셀은 광전지에 가장 일반적으로 사용되는 유형이며, 단결정 실리콘으로 만든 것보다 저렴하지만 효율이 낮다.^[190]

결정의 입경이 수 mm 정도의 다결정 실리콘을 이용한 태양전지이다. 다른 실리콘 반도체 소자의 제조 과정에서 생긴 부재나 오프그레이드품의 실리콘 원료를 이용하여 제조할 수 있다. 단결정 실리콘에 비해 면적당 출력(변환 효율)은 떨어지지만, 생산에 필요한 에너지는 적고, 에너지 수지나 EPT, GEG 배출량 면에서는 단결정 실리콘보다 뛰어나다. 비용과 성능의 균형이 좋다는 점에서 현재 주류가 되고 있다. 최근에는 웨이퍼를 박형화하는 비용 절감 기술의 경쟁이 진행되고 있으며, 2004년의 300um 두께에서 2010년에는 150um 두께로 반감될 것으로 예상된다.^[191] 또한, 유리 위에 매우 얇은 다결정 실리콘 태양전지를 형성하는 CSG(또는 SOG) 기술의 보급도 유망시되고 있다.^[192] 화학 기상 증착에 의해 박막을 형성하기 때문에 생산 과정에서 SiH₄, NH₃, H₂ 등의 기체를 사용한다.

10. 2. 4. 리본 실리콘

리본 실리콘은 다결정 실리콘의 한 종류이다. 용융(녹인) 실리콘에서 얇고 평평한 필름을 뽑아내어 다결정 구조를 만드는 방식으로, 잉곳(ingot)을 자르는 과정이 필요 없다. 따라서 실리콘 폐기물이 크게 줄어들어, 멀티 실리콘(multi-Si)보다 제조 비용이 저렴하다.^[72] 하지만 효율은 다소 떨어진다.

10. 2. 5. 모노 라이크 멀티 실리콘 (MLM)

이 방식은 2000년대에 개발되어 2009년경 상용화되었다. 주조 단결정(cast-mono)이라고도 불리는 이 설계는 다결정 주조 챔버에 소량의 단결정 재료 "씨앗"을 사용한다. 그 결과, 외곽은 다결정이고 내부는 단결정과 유사한 벌크 재료가 생성된다. 가공을 위해 절단하면 내부는 고효율의 단결정과 유사한 셀(하지만 정사각형이며 "잘린" 모양이 아님)이 되고, 외곽은 기존의 다결정 셀로 판매된다. 이 생산 방식은 다결정과 유사한 가격에 단결정과 유사한 셀을 얻을 수 있게 한다.^[73]

10. 3. 박막 태양전지

박막 태양전지는 전지의 활성 물질량을 줄이는 기술이다. 대부분 활성 물질을 두 장의 유리판 사이에 끼우는 방식으로 설계된다. 결정질 실리콘 태양 전지는 유리판을 한 장만 사용하기 때문에 박막 패널은 결정질 실리콘 패널보다 약 두 배 무겁지만, 환경적 영향은 더 작다.^[74]

광흡수층 재료 및 소자 형태에 따라 여러 종류로 분류되며, 각각 다른 특징을 가지고 용도에 따라 사용된다. 대표적인 박막 태양전지 기술로는 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS), 비정질 실리콘(a-Si) 등이 있으며, 주로 야외용으로 사용된다.

10. 3. 1. 실리콘 박막

CVD법 등을 사용하여 실리콘 층의 두께를 얇게 함으로써 원료 사용량, 생산에 필요한 에너지, 비용 등을 절감한 기술이다. 비교적 새로운 기술이며 다양한 형태가 존재하기 때문에 한데 묶기는 어렵다. 광의로는 자원 절약의 의미에서 기존의 수백 μm보다 얇은 것 전반(예: 100 μm 이하)을 가리키며, 협의로는 유연성을 충분히 얻을 수 있는 두께(예: 10 μm 이하)를 의미한다. 실리콘 용융액에서 표면 장력으로 리본 모양으로 뽑아내는 스트링 리본법^[194]을 사용하거나, CVD법 등을 사용하는 미결정형 등이 대표적이다. 두께는 생산 방법에 따라 100nm(0.1μm) 단위에서 수백 μm 이상까지 연속적으로 조절 가능하며, 목적에 따라 구분하여 사용한다. 잉곳에서 절단한 웨이퍼를 사용하는 경우는 일반적으로 수백 μm 단위가 되는 반면, 용융액에서 직접 박막 형태로 만드는 리본법 등에서는 100 μm 이하, CVD법 등을 사용하는 경우(비정질형이나 미결정형 등)에는 0.5~수 μm까지 얇아진다. 박막 그대로는 충분히 입사광을 흡수할 수 없기 때문에, 표면 텍스처나 중간층을 사용하여 광학적 특성을 제어하고, 입사광의 이용률을 높이는 장치(라이트 트래핑)가 마련된다. 효율 저하분보다 생산 시의 사용 에너지나 비용이 더 많이 절감되기 때문에 환경 부하 관점에서 우수한 것이 많다.

박막 기술은 전지의 활성 물질량을 줄이며, 대부분 활성 물질을 두 장의 유리판 사이에 끼우는 방식으로 설계된다. 실리콘 태양 전지는 유리판을 한 장만 사용하기 때문에 박막 패널은 결정질 실리콘 패널보다 약 두 배 무겁지만, 환경적 영향은 더 작다.^[74]

실리콘 박막 태양전지는 다음과 같이 분류할 수 있다.

'''비정질 실리콘형 (a-Si):''' 실란 가스에서 화학 기상 증착(CVD)시켜 만들 수 있는 비정질 실리콘을 이용한다. 형태적으로는 박막 실리콘 태양전지에도 분류할 수 있다.
'''미결정 실리콘형:''' 미세한 결정으로 구성된 박막을 CVD법 등으로 제막하는 것이다. 다결정형의 일종으로 볼 수 있지만, 제막 조건에 따라 비정질적인 성질도 함께 가진다.
'''다결정 실리콘형:''' 결정의 입경이 수 mm 정도인 다결정 실리콘을 이용한다. 화학 기상 증착에 의해 박막을 형성하기 때문에 생산 과정에서 SiH₄, NH₃, H₂ 등의 기체를 사용한다.

10. 4. 다중 접합 셀

다접합형 (탠덤형, 스택형, 적층형으로도 불림) 태양전지는 이용 파장이 다른 태양전지를 여러 개 겹쳐 쌓은 태양전지이다.

'''특징'''

태양광 에너지를 더욱 낭비 없이 이용함으로써 변환 효율을 높일 수 있다.
재료의 조합에 따라 온도 특성이나 필요한 자원량을 줄이는 등의 효과도 얻을 수 있다.

'''원리'''

다접합형 태양전지의 개념도: 각 파장의 광자 에너지를 효율적으로 이용한다.

태양광의 스펙트럼은 자외선부터 적외선까지 넓게 분포하지만, 단파장(자외선, 보라색, 파란색)의 빛일수록 광자는 큰 에너지를 가지며, 더 큰 금지대폭을 넘어 전자를 উত্তেজিত(여기)시킬 수 있다. 이 단파장 측의 빛에 대응하는 금지대폭을 가진 단접합 태양전지를 사용하면 더 큰 전압을 얻을 수 있으며, 단파장 영역의 빛 에너지를 더 효율적으로 이용할 수 있다. 그러나 금지대폭을 너무 넓히면 더 긴 파장의 빛은 그대로 통과하여 이용되지 않고, 출력 전류가 감소한다.
pn접합이 하나뿐인 단접합 태양전지에서는 금지대폭보다 큰 에너지의 광자 에너지 일부가 낭비되고, 금지대폭보다 작은 에너지의 광자 에너지는 이용할 수 없다. 이러한 균형 때문에 단접합 태양전지에서는 금지대폭 1.3~1.4 eV 부근이 가장 높은 변환 효율을 얻을 수 있다. 단접합의 경우, 변환 효율의 한계는 약 30%로 여겨진다.^[234]
금지대폭이 다른 여러 개의 pn접합 소자를 적층하여 빛의 입사측 소자부터 순서대로 단파장의 빛을 이용하여 발전하고, 더 긴 파장의 빛은 더 아래층의 소자에서 이용한다. 이렇게 하면 각 파장 영역의 광자 에너지를 더 낭비 없이 꺼낼 수 있고(더 높은 전압을 얻을 수 있으며), 더 긴 파장까지 포함한 더 많은 광자를 이용할 수 있다(더 많은 전류를 얻을 수 있다). 변환 효율은 최종적으로 꺼낼 수 있는 전력(전압 × 전류)으로 결정되기 때문에 단접합의 경우에 비해 더 높은 효율을 얻을 수 있다.
이론적으로는 접합을 무한히 늘리면 약 86%의 변환 효율이 된다고 계산되지만, 실제로는 상층 소자를 통과할 때의 빛 손실이나 소자 간 전류의 일치 문제로 그보다 낮아진다. 2012년 당시 기록은 3접합 셀에서 얻어졌다. 4접합, 5접합 셀도 연구되고 있다.^[234]

'''응용'''

GaInP/GaAs/Ge의 3접합 셀에서 30%를 넘는 효율을 얻을 수 있으며, 주로 우주용으로 사용되고 있다. 2012년 5월, 샤프(Sharp)는 InGaP, GaAs, InGaAs의 집광형 화합물 3접합 셀에서 43.5%를 달성했다.^[234]
민생품에서는 미결정 실리콘과 비정질 실리콘을 적층한 것, 일반적인 a-Si와 금지대폭이 다른 a-SiC나 a-SiGe를 적층한 것 등이 개발·실용화되고 있다.^[235] 비정질 실리콘은 금지대폭이 넓고 이용 파장 영역이 결정 실리콘과 다르기 때문에, 동일 원소끼리라도 다접합 태양전지를 형성할 수 있다.

10. 4. 1. GaInP/Si 이중 접합 태양 전지

주어진 원문(`source`)에는 "GaInP/Si 이중 접합 태양 전지"에 대한 구체적인 정보가 포함되어 있지 않다. 원문은 다접합 태양전지의 일반적인 원리, 특징, 응용 분야, 그리고 비정질 실리콘 및 박막 태양전지와 관련된 내용을 다루고 있다. 따라서 주어진 `section-title`에 해당하는 내용을 작성하는 것은 불가능하다.

11. 태양전지 연구

광흡수층의 재료 및 소자 형태에 따라 태양전지는 여러 종류로 분류된다. 각 태양전지는 서로 다른 특징을 가지며, 용도에 따라 적합한 태양전지가 사용된다.

페로브스카이트 태양전지는 2009년 미야사카 치카라 교수 연구팀이 개발한 페로브스카이트 결정을 이용한 태양전지이다. 에너지 변환 효율이 2009년 3.9%에서 2016년 최대 21.0%^[215]로 크게 향상되어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.^[216]^[217]^[218]

염료감응형 태양전지는 유기 염료를 사용하여 빛 에너지를 전기로 바꾸는 태양전지이다. 이산화티타늄 층과 전해질을 이용한 간단한 구조로, 제조가 쉽고 저렴하며 가볍고 색을 입힐 수 있다는 장점이 있다. 그러나 효율과 수명이 낮고, 루테늄이나 백금과 같은 비싼 금속을 사용해야 한다는 단점이 있다. 2016년 스위스 연방 공과대학교 로잔 연구팀은 15%의 에너지 변환 효율을 달성했다.^[213]

양자점을 규칙적으로 배열한 양자점 태양전지(QDSC)는 제3세대 태양전지로 연구되고 있다.^[219] 양자점 간 간격을 조절하여 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 같은 기본 반도체의 밴드갭 안에 여러 개의 미니 밴드를 형성할 수 있다.^[220] 이론적으로 60% 이상의 변환 효율을 기대할 수 있지만,^[220] 미세 가공 공정 개발이 필요하다. 2012년 도호쿠 대학은 실리콘을 사용한 양자점형 태양전지로 12.6%의 변환 효율을 달성했다.^[221]

유기 화합물을 광흡수층으로 사용하는 유기/고분자 태양전지는 제조가 간편하고 생산 비용이 저렴하며, 착색 및 유연성을 부여할 수 있다. 풀러렌 등 유기 박막 반도체를 사용하는 유기 박막 태양전지는 롤투롤(roll-to-roll) 인쇄로 제조가 가능하여 염료감응형 태양전지보다 간단하고 유연성과 수명 향상에 유리하다. 2016년 독일 헬리아텍(Heliatek)은 다접합형 셀의 13.2%의 변환 효율을 기록했다.^[214]

태양전지의 효율을 극대화하고 가격을 낮추기 위해 표면 텍스처링 기술이 사용된다. 표면 텍스처링은 흡수되는 빛을 극대화하여 광 손실을 줄이는 기술이다.^[141] 단결정 실리콘 기판은 이방성 식각제를 사용하여 표면에 무작위로 분포된 정사각형 기반의 피라미드를 생성할 수 있다.^[141] 다결정 실리콘 태양전지는 등방성 식각 또는 포토리소그래피 기술을 통해 단결정 실리콘 전지에 필적하는 효율을 얻을 수 있다고 보고되었다.^[142]^[143] 2012년 MIT 연구원들은 나노 스케일의 역피라미드로 텍스처링된 c-Si 박막이 30배 더 두꺼운 평면 c-Si와 비교할 만한 빛 흡수를 달성할 수 있다고 보고했다.^[145]

태양전지는 일반적으로 폴리비닐 아세테이트 또는 유리로 만들어진 투명한 고분자 수지인 봉입재로 보호된다. 봉입재는 빛의 전반사로 인한 광 트래핑으로 인해 광 수집을 증가시킨다. 봉입제의 구조를 변경하여 빛을 더 많이 모으는 연구가 진행되었으며, 프리즘 어레이는 총 태양 에너지 변환에서 5% 증가를 보인다.^[149]

태양전지판의 자체 세척 메커니즘도 개발되고 있다. 2019년에는 습식 화학적 식각된 나노선과 소수성 코팅을 표면에 사용하여 물방울이 먼지 입자의 98%를 제거할 수 있었다.^[157]^[158] 2022년 MIT 연구원들은 정전기적 반발력을 이용하여 먼지 입자를 패널 표면에서 분리하는 물 없는 세척 시스템을 개발했다.^[159]

11. 1. 페로브스카이트 태양전지

페로브스카이트 결정을 이용한 태양전지이다. 2009년 가나가와현립 기린요코하마대학의 미야사카 치카라 교수 연구실에서 할로겐화납계 페로브스카이트를 이용한 태양전지가 개발되었다. 에너지 변환 효율은 2009년 당시 CH3NH3PbI3를 사용한 3.9%에서 2016년에는 최대 21.0%^[215]에 달하는 획기적인 성능 향상을 보여 차세대 태양전지로 기대된다.^[216]^[217]^[218]

11. 2. 상향 변환 및 하향 변환

광자 상향 변환은 두 개의 낮은 에너지(예: 적외선) 광자를 사용하여 하나의 더 높은 에너지 광자를 생성하는 과정이다. '''하향 변환'''은 하나의 높은 에너지 광자(예: 자외선)를 사용하여 두 개의 더 낮은 에너지 광자를 생성하는 과정이다. 이러한 기술들은 태양 광자를 더 효율적으로 사용할 수 있도록 하여 더 높은 효율의 태양 전지를 생산하는 데 사용될 수 있다. 그러나 상향 또는 하향 변환을 나타내는 기존의 인광체의 변환 효율이 낮고 일반적으로 좁은 대역이라는 점이 어렵다.

하나의 상향 변환 기술은 란타넘족 원소가 도핑된 재료(Er, Yb, Ho 또는 조합)를 통합하여 루미네선스를 이용해 적외선을 가시광선으로 변환하는 것이다. 상향 변환 과정은 두 개의 적외선 광자가 희토류 이온에 흡수되어 (고에너지) 흡수 가능한 광자를 생성할 때 발생한다. 예를 들어, 에너지 전달 상향 변환 과정(ETU)은 근적외선에서 여기된 이온 사이의 연속적인 전달 과정으로 구성된다. 상향 변환 물질은 실리콘을 통과하는 적외선을 흡수하기 위해 태양 전지 아래에 배치될 수 있다. 유용한 이온은 가장 일반적으로 3가 상태에서 발견된다. Er|에르븀^영어 이온이 가장 많이 사용되었다. Er|에르븀^영어 이온은 약 1.54 μm의 태양 복사를 흡수한다. 이 복사를 흡수한 두 개의 Er|에르븀^영어 이온은 상향 변환 과정을 통해 서로 상호 작용할 수 있다. 여기된 이온은 Si 밴드갭 위의 빛을 방출하며, 이는 태양 전지에 의해 흡수되어 전류를 생성할 수 있는 추가적인 전자-정공 쌍을 만든다. 그러나 효율 증가는 미미했다. 또한, 플루오로인산염 유리는 포논 에너지가 낮아 Ho|홀뮴^영어 이온으로 도핑된 적합한 매트릭스로 제안되었다.^[118]

11. 3. 빛 흡수 염료

염료감응형 태양전지는 유기 염료를 사용하여 빛 에너지를 전기로 바꾸는 태양전지이다. 대표적인 예로 그레첼형(또는 습식 태양전지)이 있는데, 이는 두 장의 투명 전극 사이에 루테늄 착체와 같은 염료를 흡착시킨 이산화티타늄 층과 전해질을 끼운 간단한 구조로 되어 있다.

제조가 쉽고 재료 비용이 저렴하여, 현재 많이 쓰이는 다결정 실리콘 태양전지보다 훨씬 낮은 비용(10분의 1에서 수십 분의 1)으로 만들 수 있다. 또한 가볍고 색을 입힐 수 있다는 장점도 있다. 그러나 루테늄이나 백금과 같은 비싼 금속을 사용해야 하고, 효율과 수명이 낮다는 단점이 있어 기술적 개선이 필요하다. 전해액이 증발하지 않도록 하는 것이 중요하며, 이를 위해 고체 전해질 개발과 같은 기술 연구가 진행되고 있다. 2016년 2월, 스위스 연방 공과대학교 로잔 연구팀은 15%의 에너지 변환 효율을 달성했다.^[213]

11. 4. 양자점

양자점을 규칙적으로 배열한 양자점 태양전지(QDSC)는 제3세대 태양전지로 연구되고 있다.^[219] p-i-n 구조를 가진 태양전지의 i층에 수 nm(나노미터)에서 수십 nm 정도 크기의 양자점을 규칙적으로 배열한다.^[219] 양자점 간 간격을 조절하면, 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 같은 기본 반도체의 밴드갭 안에 여러 개의 미니 밴드를 형성할 수 있다.^[220]

이러한 특징으로 단일 접합 태양전지에서도 서로 다른 파장의 빛을 각각 효율적으로 전력으로 변환할 수 있다. 따라서 양자점 태양전지의 변환 효율은 이론적으로 60% 이상이다.^[220] 하지만, 현재 반도체 공정보다 더 미세한 가공 공정 개발이 필요하다. 2012년 6월, 도호쿠 대학은 실리콘을 사용한 양자점형 태양전지로 12.6%의 변환 효율을 달성했다.^[221]

11. 5. 유기/고분자 태양전지

유기 화합물을 광흡수층(광전변환층)으로 사용하는 태양전지는 실리콘이나 무기 화합물 기반 태양전지에 비해 제조가 간편하고 생산 비용이 저렴하며, 착색 및 유연성을 부여할 수 있다는 장점이 있다. 변환 효율과 수명이 과제이지만, 미래 시장에서 큰 파급 효과가 기대되어 개발 경쟁이 치열하다.

; 유기 박막 태양전지

풀러렌 등 유기 박막 반도체를 사용하는 태양전지이다. 차세대 조명/TV의 유기 EL의 역반응으로 연구가 진행되었다. 롤투롤(roll-to-roll) 인쇄로 제조가 가능하여 염료감응형 태양전지보다 구조와 제조법이 간단하고, 전해액을 사용하지 않아 유연성과 수명 향상에 유리하다. 21세기에 들어 개발이 활발하게 진행되고 있다. 변환 효율과 수명이 과제이며, 2016년 2월 기준 독일 헬리아텍(Heliatek)이 개발한 다접합형 셀의 13.2%가 세계 기록이다.^[214]

11. 6. 표면 텍스처링

지난 몇 년 동안 연구자들은 태양전지의 효율을 극대화하면서 가격을 낮추기 위해 노력해왔다. 박막 태양전지는 빛 흡수 효율을 희생하여 두께를 크게 줄인 비용 효율적인 2세대 태양전지이다. 두께를 줄이면서 빛 흡수 효율을 극대화하기 위해 표면 텍스처링 기술이 사용된다. 표면 텍스처링은 흡수되는 빛을 극대화하여 광 손실을 줄이는 기술 중 하나이다.^[141]

표면 텍스처링은 여러 가지 방법으로 수행될 수 있다. 단결정 실리콘 기판을 이방성 식각제를 사용하여 식각하면 표면에 무작위로 분포된 정사각형 기반의 피라미드를 생성할 수 있다.^[141] 최근 연구에 따르면 c-Si 웨이퍼는 나노 스케일의 역피라미드를 형성하도록 식각될 수 있다. 다결정 실리콘 태양전지는 결정학적 품질이 떨어지기 때문에 단결정 태양전지보다 효율이 낮지만, 제조상의 어려움이 적어 mc-Si 태양전지가 여전히 널리 사용되고 있다. 등방성 식각 또는 포토리소그래피 기술을 통해 다결정 태양전지의 표면을 텍스처링하여 단결정 실리콘 전지에 필적하는 태양 에너지 변환 효율을 얻을 수 있다고 보고되었다.^[142]^[143]

텍스처링된 표면에 입사하는 빛은 평평한 표면에 입사하는 빛과 달리 공기 중으로 반사되지 않는다. 표면의 기하학적 구조로 인해 일부 광선이 다른 표면으로 다시 반사되어 빛 흡수가 증가하고 광-전기 변환 효율이 향상된다. 이러한 텍스처 효과와 PV 모듈의 다른 계면과의 상호 작용은 어려운 광학 시뮬레이션 과제이다. 모델링 및 최적화를 위한 효율적인 방법은 OPTOS 형식론이다.^[144] 2012년 MIT 연구원들은 나노 스케일의 역피라미드로 텍스처링된 c-Si 박막이 30배 더 두꺼운 평면 c-Si와 비교할 만한 빛 흡수를 달성할 수 있다고 보고했다.^[145]

반사 방지 코팅과 결합하여 표면 텍스처링 기술은 박막 실리콘 태양전지 내에서 광선을 효과적으로 가둘 수 있다. 결과적으로, 광선의 흡수가 증가함에 따라 태양전지에 필요한 두께가 감소한다.

11. 7. 봉입재

태양전지는 습기, 먼지, 얼음 및 기타 작동 중이거나 야외에서 사용될 때 예상되는 조건으로부터 민감한 태양전지 영역이 접촉되는 것을 방지하기 위해 일반적으로 투명한 고분자 수지로 봉입된다. 봉입재는 일반적으로 폴리비닐 아세테이트 또는 유리로 만들어진다. 대부분의 봉입재는 구조와 구성이 균일하여 수지 내에서 빛의 전반사로 인한 광 트래핑으로 인해 광 수집이 증가한다. 봉입제의 구조를 변경하여 빛을 더 많이 모으는 연구가 진행되었다. 이러한 봉입제에는 거친 유리 표면,^[146] 회절 요소,^[147] 프리즘 어레이,^[148] 공기 프리즘,^[149] V-홈,^[150] 확산 요소 및 다방향 도파관 어레이^[151]가 포함된다. 프리즘 어레이는 총 태양 에너지 변환에서 5% 증가를 보인다.^[149] 수직으로 정렬된 광대역 도파관 어레이는 수직 입사에서 10% 증가와 최대 4%의 광각 수집 향상을 제공하며,^[152] 최적화된 구조는 단락 회로 전류를 최대 20% 증가시킨다.^[153] 적외선을 가시광선으로 변환하는 활성 코팅은 30% 증가를 보였다.^[154] 플라즈모닉 광 산란을 유도하는 나노입자 코팅은 광각 변환 효율을 최대 3% 증가시킨다. 금속 전면 접점을 효과적으로 "가리기" 위해 봉입재에 광학 구조도 생성되었다.^[155]^[156]

11. 8. 자율 유지보수

태양전지판의 새로운 자체 세척 메커니즘이 개발되고 있다. 예를 들어, 2019년에는 습식 화학적 식각된 나노선과 소수성 코팅을 표면에 사용하여 물방울이 먼지 입자의 98%를 제거할 수 있었는데, 이는 특히 사막 지역의 응용 분야에 중요할 수 있다.^[157]^[158]

2022년 3월, MIT 연구원들은 태양전지판과 거울의 먼지 축적 문제를 해결하기 위한 물 없는 세척 시스템을 개발했다고 발표했다. 먼지 축적은 한 달 만에 태양광 발전량을 최대 30%까지 감소시킬 수 있다. 이 시스템은 정전기적 반발력을 이용하여 먼지 입자를 패널 표면에서 분리하여 물이나 브러시가 필요 없다. 간단한 전극을 패널 위로 통과시켜 먼지 입자에 전하를 부여하면 패널 자체에 가해진 전하에 의해 먼지 입자가 반발하게 된다. 이 시스템은 기본적인 전기 모터와 가이드 레일을 사용하여 자동화할 수 있다.^[159]

12. 태양전지의 제조

태양 전지는 다른 반도체 소자와 일부 동일한 공정 및 제조 기술을 공유한다. 하지만 반도체 제작에 필요한 엄격한 청정도 및 품질 관리 요구 사항은 태양 전지의 경우 더 완화되어 비용이 절감된다.

다양한 유형의 제조 및 재활용은 배출량 감소와 긍정적인 환경 효과에 얼마나 효과적인지 부분적으로 결정한다.^[42] 이러한 차이점과 효과는 시간에 따라 다양한 지역에서 다양한 목적에 가장 적합한 유형의 제품을 생산하기 위해 정량화할 수 있다.^[42]

12. 1. 결정질 실리콘 태양전지 제조 공정

다결정 실리콘 웨이퍼는 와이어소잉으로 블록 주조 실리콘 잉곳을 180~350 마이크로미터 두께로 절단하여 제작한다. 웨이퍼는 일반적으로 약하게 p형으로 도핑된다. 웨이퍼 앞면에 n형 도펀트의 표면 확산을 수행하면, 표면 아래 수백 나노미터 지점에 p-n 접합이 형성된다.

반사 방지 코팅은 일반적으로 태양 전지에 결합되는 빛의 양을 늘리기 위해 적용된다. 질화규소는 우수한 표면 패시베이션 특성으로 인해 이산화티타늄을 대체하는 기본 재료가 되었다. 이는 셀 표면에서 캐리어 재결합을 방지한다. 플라즈마 증강 화학 기상 증착을 사용하여 두께가 수백 나노미터인 층을 적용한다. 일부 태양 전지는 반사 방지 코팅과 마찬가지로 웨이퍼에 도달하는 빛의 양을 늘리는 텍스처 처리된 앞면을 가지고 있다.

뒷면에는 전체 면적의 금속 접촉부가 만들어지고, 미세한 "핑거"와 더 큰 "버스 바"로 구성된 그리드 형태의 금속 접촉부는 은 페이스트를 사용하여 스크린 인쇄된다. 이것은 1981년 바이엘(Bayer AG)이 미국 특허에 최초로 설명한 전극 적용의 "습식" 공정의 발전이다.^[160] 후면 접촉부는 일반적으로 알루미늄인 금속 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성된다. 일반적으로 이 접촉부는 전체 후면을 덮지만, 일부 설계에서는 그리드 패턴을 사용한다. 그런 다음 페이스트를 수백 도의 섭씨 온도로 가열하여 실리콘과 옴 접촉하는 금속 전극을 형성한다. 일부 회사는 효율을 높이기 위해 추가적인 전기도금 단계를 사용한다. 금속 접촉부가 만들어지면 태양 전지는 평평한 와이어 또는 금속 리본으로 상호 연결되고 모듈 또는 "태양 전지판"으로 조립된다. 태양 전지판은 앞면에 강화 유리 시트가 있고 뒷면에 폴리머 캡슐화가 있다.

12. 2. 태양광 발전의 공급망과 인증

미국 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)는 태양광 기술을 시험하고 검증한다. UL과 IEEE(미국 표준), 그리고 IEC는 태양광 장비를 인증하는 세 개의 신뢰할 수 있는 단체이다.

IEA의 2022년 특별 보고서에 따르면, 2011년 이후 500억달러 이상의 투자와 약 30만 개의 일자리 창출을 통해 중국이 태양광 발전 공급망을 장악하고 있다.^[162] 중국은 태양 전지판 제조 단계의 80% 이상을 장악하고 있다. 이러한 장악은 비용을 획기적으로 절감했지만, 수요-공급 불균형 및 폴리실리콘 생산 제약과 같은 문제도 야기했다. 그럼에도 불구하고 중국의 전략적 정책은 태양광 발전 비용을 80% 이상 절감하여 전 세계적인 가격 경쟁력을 높였다. 2021년 중국의 태양광 발전 수출액은 300억달러가 넘었다.^[162]

IEA의 "2050년까지 순 제로 배출을 위한 로드맵"에 따르면, 세계 에너지 및 기후 목표 달성에는 2030년까지 630GW가 넘는 태양광 발전 제조 확장이 필요하다. 주요 태양광 발전 부품의 약 95%와 신장 위구르 자치구의 세계 폴리실리콘 생산량의 40%를 장악하고 있는 중국의 지배력은 공급 부족과 비용 급증의 위험을 초래한다. 은과 같은 중요 광물의 수요는 2030년까지 2020년 세계 생산량의 30%를 초과할 수 있다.^[162]

2021년 중국의 태양광 PV 모듈 생산량 점유율은 2010년 50%에서 약 70%로 증가했다. 다른 주요 생산국으로는 베트남(5%), 말레이시아(4%), 한국(4%), 태국(2%)이 있으며, 이들 국가의 생산 능력 상당 부분은 특히 미국으로의 수출을 목표로 하는 중국 기업에 의해 개발되었다.^[162]

13. 태양전지 주요 생산 국가

세계 태양전지 생산 시장은 중국이 주도하고 있으며, 베트남, 말레이시아 등이 뒤를 잇고 있다. 2018년부터 2022년까지 중국은 세계 태양광 발전 모듈 및 PV 모듈 생산량의 상당 부분을 차지했다.^[163]^[162]^[166]

미국의 태양 에너지 생산량은 2013년부터 2019년까지 두 배로 증가했는데,^[167] 이는 고품질 실리콘 가격 하락과^[168]^[169]^[170] 전 세계적인 광전지 모듈 비용 급락에^[164]^[171] 의한 것이었다.

13. 1. 중국

중국은 세계 태양광 발전 모듈 생산과 설치에서 압도적인 비중을 차지하고 있다. 2018년 9월 기준으로 세계 태양광 발전 모듈의 60%가 중국에서 생산되었으며,^[163] 2018년 5월 기준 세계 최대 규모의 태양광 발전소는 중국 텅거 사막에 있다.^[164] 2018년 한 해 동안 중국은 다른 9개 주요 국가들의 설치 용량을 합친 것보다 더 많은 태양광 발전 설비를 설치했다.^[165]

중국의 태양광 발전 시장은 빠르게 성장하여, 2021년에는 전 세계 PV 모듈 생산량의 약 70%를 차지했다.^[162] 2022년에는 세계 최대 PV 모듈 생산국으로서 77.8%의 시장 점유율을 기록했으며,^[166] 2023년 상반기에는 PV 모듈 생산량이 220GW를 초과하여 전년 동기 대비 62% 이상 증가했다.^[166]

13. 2. 베트남

2022년 베트남은 중국에 이어 세계에서 두 번째로 큰 태양광 모듈 생산국이었다. 베트남의 태양광 모듈 생산능력은 2021년 16.4GW에서 2022년 24.1GW로 47% 증가했으며, 세계 태양광 생산량의 6.4%를 차지한다.^[166]

13. 3. 말레이시아

2022년 말레이시아는 10.8GW의 생산능력으로 세계 3위의 태양광 모듈 생산국이었으며, 세계 생산량의 2.8%를 차지했다. 이는 77.8%의 점유율로 압도적인 1위를 차지한 중국과 6.4%를 차지한 베트남에 이은 순위이다.^[166]

13. 4. 미국

미국의 태양 에너지 생산량은 2013년부터 2019년까지 두 배로 증가했다.^[167] 이는 고품질 실리콘 가격 하락^[168]^[169]^[170]과 전 세계적인 광전지 모듈 비용 급락^[164]^[171]에 의해 주도되었다. 2018년 미국은 10.8GW의 태양광 발전 설비 용량을 추가하여 21% 증가했다.^[165]

13. 5. 재료 조달

다른 많은 에너지 생산 기술과 마찬가지로, 특히 태양전지의 급속한 확장은 환경 및 공급망에 많은 영향을 미친다. 태양전지의 종류에 따라 필요한 광물을 조달하기 위해 세계 광산업이 적응하고 잠재적으로 확장될 수 있다.^[173]^[174] 태양전지 재활용은 그렇지 않으면 채굴해야 할 재료의 원천이 될 수 있다.^[42]

14. 태양전지의 폐기 및 재활용

태양전지는 시간이 지남에 따라 성능이 저하되며, 일반적으로 25~30년의 수명을 가진다.^[176] 수명이 다한 태양전지는 폐기되는데, 국제재생에너지기구(IRENA)는 2016년에 발생한 태양전지 전자폐기물의 양이 43500ton~250000ton에 달했다고 추산했다. 이 수치는 2030년까지 크게 증가하여 2050년에는 60MT~78MT에 이를 것으로 예상되어, 태양전지 폐기 및 재활용 문제가 중요한 과제로 떠오르고 있다.^[177]

14. 1. 태양전지 수명과 폐기

태양전지는 시간이 지남에 따라 성능이 저하된다. 사막이나 극지방과 같은 극한 기후에 설치된 태양전지는 각각 강한 자외선과 눈에 의한 하중으로 인해 성능 저하가 더욱 심할 수 있다.^[175] 일반적으로 태양전지는 25~30년의 수명을 가지며, 그 이후에는 폐기된다.^[176]

국제재생에너지기구(IRENA)는 2016년에 발생한 태양전지 전자폐기물의 양이 43500ton~250000ton에 달했다고 추산했다. 이 수치는 2030년까지 크게 증가하여 2050년에는 60MT~78MT에 이를 것으로 예상된다.^[177]

14. 2. 태양전지 재활용

시장에서 가장 널리 사용되는 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지이다. 2016년 파리협정에서 195개국은 화석연료에서 벗어나 재생에너지원으로 초점을 전환함으로써 탄소 배출량을 줄이기로 합의했다. 이에 따라 태양광 발전이 증가하면서 수명이 다한 태양광 패널 재활용의 필요성이 커지고 있다.^[178]^[179]^[180]^[181]

태양전지에는 납(Pb), 카드뮴(Cd), 황화 카드뮴(CdS), 셀레늄(Se), 바륨(Ba)과 같은 유해 물질과 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu)와 같은 유용한 물질이 포함되어 있다. 유해 물질은 적절하게 처리하지 않으면 인간과 야생 동물에 해로운 영향을 미칠 수 있다.^[182]
재활용 방법결정질 실리콘(c-Si) 태양전지 재활용에는 주로 열 및 화학적 분리 방법이 사용되며, 두 단계로 진행된다.^[183]

PV 태양전지 분리: 열을 가해 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)를 제거하고 유리, Tedlar®, 알루미늄 프레임, 강철, 구리, 플라스틱 등을 분리한다.
PV 태양전지 표면 세척: 분리된 실리콘 태양전지에서 반사 방지층, 금속 코팅, p-n 반도체 등 불필요한 층을 제거하여 재사용 가능한 실리콘 기판을 회수한다.

폐기된 태양전지의 전환과학자들은 폐기된 태양전지를 나노실리콘 및 나노실리콘/흑연 하이브리드로 전환하는 연구를 수행했다.^[182]

1. 폐기된 PV 모듈에서 PV 셀 회수: 특허 기술을 이용해 태양전지를 분해하고 각 재료를 개별적으로 세척한다.

2. 파손된 PV 셀 정제: 파손된 PV 셀 40g을 20% KOH(산화칼륨) 수용액에 넣고 80°C에서 30분간 열처리한다. 알루미늄(Al) 금속 및 기타 불순물은 KOH 용액에 용해되고, 고체 PV 실리콘은 침전물로 가라앉는다. 진공 건조 후 불순물이 없는 PV 재활용 실리콘 32g을 얻는다.

3. 정제된 PV 재활용 실리콘을 나노실리콘 및 나노실리콘/흑연 하이브리드로 전환: 대규모 행성 볼 밀(PULVERISETTE P5 5/4 classic line)을 사용한다. 불순물이 없는 PV 재활용 실리콘을 스테인리스강 밀링 용기에 넣고 300kPa의 아르곤 분위기에서 160rpm으로 15시간 동안 밀링한다. 고에너지 볼 밀링을 통해 입자 크기가 나노미터 수준(<100nm)으로 감소한다. PV 나노 Si/흑연 하이브리드는 상업용 흑연 분말(Product-282863, Sigma-Aldrich, 분말 <20μm, 합성)을 첨가하여 동일한 공정으로 20시간 동안 밀링하여 만든다. 5wt% PV 나노 Si와 95wt% 흑연의 중량비를 갖는 PV 나노 Si/흑연 하이브리드가 얻어진다.

얻어진 PV 나노 Si/흑연 전극은 600회 사이클 후에도 높은 용량 유지를 보이며 우수한 안정성을 나타냈다. 이는 실리콘을 나노 Si/흑연 하이브리드로 전환하여 c-Si 모듈과 동일한 효율로 작동하는 PV 모듈을 만들 수 있음을 보여준다.
과제다양한 구성의 PV 모듈이 존재하여 공통적인 PV 셀 분해 공정을 적용하기 어렵다. 재활용업체는 품질 관리에 어려움을 겪을 수 있다. 순수 Si는 태양광 산업 외에도 다양한 응용 분야가 있어 재활용업체가 더 높은 가치를 얻기 위해 다른 용도로 판매할 수 있다.^[184]

해결해야 할 질문은 다음과 같다.^[185]

재활용업체는 회수된 모듈, 구성 요소 및 재료를 누구에게 판매하는가?
재활용 시나리오별 비용은 얼마인가?
재활용 시설은 어디에 위치해야 하는가?
이동식 재활용 시설이 중앙 집중식 시설보다 효율적인가?
폐기물 모듈 수집을 위한 인프라는 어떻게 구축해야 하는가?
폐기물 모듈 재활용 비용은 누가 부담해야 하는가?

프랑스 루세에는 2018년에 첫 번째 퍼스트 솔라 패널 재활용 공장이 문을 열었다. 연간 1300톤의 태양광 패널 폐기물을 재활용할 수 있으며, 4000톤까지 용량을 늘릴 수 있다.^[186]^[187]^[188] 재활용이 환경 규제뿐만 아니라 시장 가격에 의해서만 주도되는 경우 경제적 인센티브는 불확실하며, 개발된 다양한 재활용 기술의 환경적 영향은 여전히 정량화되어야 한다.^[42]

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