4. 태양전지의 종류

태양전지의 종류

 

흔히 태양전지라고 하면 실리콘을 기반으로 하는 태양전지를 떠올리고

실리콘 태양전지가 배열되어 모듈 되어 있거나 그 Array를 생각하곤 한다.

물론 시중에 판매되거나 생산되는 대부분의 태양전지는 실리콘이 압도적으로 많은 것이 사실이지만

실제로 연구되고 개발되는 태양전지의 종류는 무척 다양하다.

태양전지는 사용하는 재료에 따라 분류를 할 수도 있는데

위의 그림을 보면 이해하기가 쉽다.

가장 많이 사용되는 실리콘도 그 소재의 결정질에 따라 분류가 이루어지며

같은 실리콘이라 할지라도 그 종류에 따라 발생하는 효율도 최종 결과물인 태양전지의 형태도 달라지기도 한다.

실리콘 그리고 화합물 반도체 그 외로 나뉘며 최근에는 다양한 물질에서도 태양전지의 특성이 나오는 것을 확인하여

정말 다양한 태양전지가 연구되고 있다.

 

1) 실리콘 태양전지

단결정과 다결정 그리고 비정질의 형태로 구분되며 같은 물질이지만 결정형태에 따라 효율과 특성이 달라져

구분하여 그 특징을 정리하고 있다.

단결정 실리콘 태양전지는 1개의 태양전지(cell)에서 그 내부의 결정 구조가 단 1개의 방향만을 가질 경우를 뜻한다.

우리 눈에는 보이지 않지만 모든 물질은 결정 구조를 가지게 되는데

특히 실리콘의 경우 다이아몬드와 동일한 FCC의 구조를 가지게 된다.

 

이러한 구조로 셀 안의 모든 분자가 정렬되어 있으면 이것을 단결정 실리콘이라고 부른다.

다결정은 셀 안에 정렬된 분자들이 있지만 그 집단이 여러 개가 존재하는 것으로

단결정에 비하면 순도가 낮지만 저렴한 생산성을 가지는 특징이 있다.

사진에서 보면 알 수 있듯이 왼쪽의 단결정의 경우 한 방향으로 결정이 배열되어 있고

오른쪽의 다결정의 경우 육안으로도 구분될 정도로 결정의 방향의 집단이 여러 개가 있는 것을 확인할 수 있다.

여러 가지 이유가 있을 수 있지만 크게는 저런 결정의 방향의 경계(grain boundary) 그리고 순도에 의해

효율이 낮은 것으로 알려져 있으며 대신 생산 단가가 낮아 시장에서는 더 많은 점유율을 나타내고 있다.

최근 들어 단결정 실리콘의 생산 단가가 많이 낮아지고 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 위해

단결정이 많이 도입되고 있으며 그 비율은 6:4의 비율까지 따라왔고 단결정의 비율이 점차 늘어나고 있는 추세다.

일반적으로 단결정의 태양전지 효율이 다결정보다 2-3% 정도 높고 단결정은 n-type과 p-type가 모두 개발 생산되고 있다.

특히 최근 효율을 더욱 높이기 위해 PERL 방식이나 IBC 방식 등 다양한 연구가 이루어지고 있으며

이를 통해 기존 대비 효율을 대폭 상승시키는 연구가 진행되고 있다.

 

벌크 형태의 실리콘 이 외에도 박막 형태의 실리콘도 연구 개발되고 있는데

벌크 형태에 비해 실리콘의 사용량을 비약적으로 낮추는 것은 가능하지만 효율이 벌크에 미치지 못하여서

(벌크 다결정 18~20%, 박막 실리콘 14~16%)

기존의 시장(발전)에 적용되는 방식과는 다른 분야에서의 가능성을 확인하고 있다.

 

실리콘은 결정 구조로만 생성되지 않고 비정질(amorphous) 형태로도 생성되는데

이 경우 기존과는 다른 밴드갭(Band gap)을 가진다.

하지만 결정 구조를 가진 실리콘에 비해 공유결합을 하지 못하고 남은 최외각 전자들이

미결합 상태(dangling bond)로 남게 되어 생성된 전자나 홀을 붙잡는 방해요소로 남게 된다.

이를 완화시키기 위해 수소와 같은 물질을 사용하여 결합을 해주게 되는데 (Hydrogenated amorphous silicon ; a-Si:H)

이로써 안정적인 도핑이 가능해지고 태양전지로 활용이 가능하다.

밴드갭을 조절할 수 있고 박막 형태로 제작이 가능하여 투명하게 만드는 태양전지 등 다양한 연구가 이루어지고 있다.

 

2) 화합물 태양전지

화합물 태양전지는 실리콘에 비해 그 종류가 엄청나게 많고

같은 화합물을 사용할지라도 그 비율이나 일부 첨가되는 물질에 따라 공정에 따라

그 효율이 많이 다르기 때문에 단순히 설명하기에는 그 분류가 너무 많다.

그 태양전지의 군을 설명하고 그중 가장 대표적인 태양전지를 소개하겠지만

그 외에도 많은 태양전지가 있음을 미리 밝힌다.

 

(1) I-III-V 족 화합물 태양전지

CuInSe2 로 대표되며 찰코게나이드(Chalcopyrite)계 화합물 반도체는 직접 천이형 에너지 벤드 구조를 가진다.

위에서 미리 설명하였듯 In이 Ga로 대체되거나 Se가 S로 대체되면서 밴드갭(1.04eV~ 2.5cV)이나 효율이 바뀌며

다양한 연구가 이루어지고 있다

 

 

(2) II-VI 족 화합물 태양전지

주기율표상 II 족(Zn, Cd 등) VI 족(S, Se, Te 등)으로 구성되는 II-VI족 화합물 반도체는 모두 직접 천이형 에너지대 구조를 가지고 있고

흡수단 이하의 파장 영역에서 광 흡수 계수가 매우 크다.

이로써 케리어를 발생시키기 위한 흡수층의 두께가 매우 얇아지고 재료비를 절감할 수 있는 장점이 있다.

가장 활발하게 연구되는 물질은 CdTe로 소면적에서는 16% 수준의 결과도 나오고 있지만

대면적에서의 효율이 겨우 10%을 넘기는 수준으로 아직 많은 연구가 필요한 분야이다.

 

 

(3) III-V 족 화합물 반도체 태양전지

GaAs, InP로 대표되는 III-V족 태양전지는 효율이 40%를 넘는 고효율 태양전지를 만들 수 있어 각광받고 있다.

에너지 밴드갭이 1.4eV로 단일 전지로 최대 효율을 낼 수 있는 최적의 밴드갭을 가지고 있으며 현재 최고의 변환 효율을 내고 있다.

InP 또한 밴드갭이 1.35eV로  거의 일치하고 이론 한계 효율이 GaAs와 비슷한 수준이다.

문제는 생산 단가인데 비용이 제일 비싸고 재료비도 비싸서 현재로는 특수 목적을 가지는 공간에만 설치되거나 활용되고 있다.

한정적 공간에서 극한의 효율이 필요한 우주용 태양전지로 개발되거나

빛을 한점의 집중시키는 집광 시스템으로 개발 연구되고 있다.

이럴 경우 집광을 위한 비용이 추가되지만 태양전지의 비용이 줄어

생산 및 재료의 비용이 높은 태양전지에서 이런 연구가 활발히 이루어 지고 있다.

 

3) 그 외 태양전지

그 외에도 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell; DSSC)

위에서 영감을 얻어 발전했다고 알려지는 Perovskite 구조를 가지는 태양전지

태양전지의 밴드갭이 다른 물질을 같이 사용하는 적층(Tandem) 구조 등 다양한 태양전지가 연구 개발되고 있으며

이런 태양전지들을 한눈에 볼 수 있도록 NREL이라는 기관은 매번 차트를 갱신하여 공개하고 있다.

 

NREL 차트 보는 법

이 분야에 처음 들어와서 이 차트를 보고 대체 뭘 봐야 하는지 모르겠다는 어려움을 겪었던 적이 있다.

지금에야 너무 친절하게 잘 정리되어 있다고 생각하지만 이 자료를 보는 사람들은 나와 같은 사람이 있을 수 있다는 생각에

추가로 설명을 달려고 한다.

 

대분류는 왼쪽 상단에 색으로 구분된다

보라색으로 되어 있는 집단은 고효율인 GaAs이거나 그것을 적층 한 태양전지들이며

각 방식 중 최고 효율을 기록한 태양전지가 시간 순으로 기록된다.

액스 축이 시간 축이며 단위는 연도이다.

각 기록을 달성한 기관이 명시되며 집광형(Concentrator)의 경우 (숫자 x)로 나타내진다.

 

파란색으로 되어 있는 집단은 실리콘 태양전지들이다.

녹색은 박막형 태양전지들이다.

최근 들어 발견되거나 급격하게 효율이 올라 관심을 받는 태양전지 군들은 주황색으로 구분된다.

 

자기가 찾고자 하는 태양전지의 종류를 왼쪽 상단에서 찾고

해당 마커를 차트에서 추적해 나가면 시간 순으로 어떻게 발전했는지 

최고 기록을 달성한 기관과 연도를 확인할 수 있다.

 

 

 

 출처[참고문헌]

1. 태양전지 원론 - 이재형,임동건,이준신 공저

2. NREL : https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

3. 고효율 결정질 Si 태양전지 요소기술 - 김동환 외 2인, 북두