3. 태양전지 효율

태양전지 효율?

 

 

태양전지에서 가장 중요한 것을 말하라고 한다면 효율 지표이다

상용 태양전지의 효율을 나타낸다면 실리콘 기준 대략 20% 수준의 효율이 나온다

실리콘 기준 세계 최고 효율은 26.6%로 일본의 Kaneka 그룹에서 달성하였다

겨우 26%? 라고 생각할 수도 있겠지만 사실 이 효율은 엄청 높은 수치이다

이 효율을 달성하고 네이쳐 에너지에 논문이 실렸다(네이쳐는 이 분야에서 연구하는 사람들이 꿈꾸는 최고 수준의 저널이다)

(물론 이런 태양전지가 상용화 되어 양산되기까지는 시간이 필요하다)

 

 

(출처 : 26.3% 달성하여 Nature energy에 개제된 논문에서 발췌)

 

 

 

 

 

 

 

 

왜냐하면 실리콘으로 만든 태양전지의 이론상 최대 효율은 대략 29% 정도 되는 수준이기 때문이다

(물론 다른 물질을 쓴다면 이론상 최대 효율은 달라진다.)

 

 

이론 최대 효율이 겨우 29%라고?

 

 

태양광에 대해 처음 접하는 사람들은 효율이 생각보다 낮다고 생각하는 사람들이 많다

이 부분을 이해 하려면 다음과 같은 상황을 이해해야 한다

 

 

빛이 태양전지에 들어오면 그 빛이 태양전지에 흡수되어 전기로 전환 되는 비율이 효율인데

100%의 빛을 다 전기로 변환 할 수는 없는 것일까?

위에서 말했듯이 안타깝게도 그럴 수 없다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

첫번째 이유는 태양으로 부터 오는 빛은 여러가지 에너지를 가지는 전자기파의 집합이고 앞의 포스팅에서 설명했듯이

태양전지를 이루는 분자는 어떠한 에너지를 가지는 빛만 흡수하여 전기로 변환 할 수 있다

그럼 나머지 빛은 열로 변환 되거나 투과되어 버린다

 

두번째 이유는 광학적인 이유로 빛을 물질이 흡수할수 있어야 하는데

표면으로 입사되는 빛이 반사되어 다시 나가는 것을 막아야 한다

또한 빛을 흡수하기 위해서 태양전지는 충분한 두께를 가져야 한다

일정 에너지를 가지는 빛이 태양전지로 방사되어도 빛을 모두 흡수 할 수 있는 충분한 두께가 되지 않는다면

미쳐 흡수되지 못한 빛은 투과되어 손실이 될 것이다.

 

세번째 이유는 빛을 흡수하여 생성된 케리어(전자,홀)이 전극에 도달하지 못하고 재결합에 의해 소멸되는 경우이다

 

마지막으로 전기 저항에 의해 손실되는 경우이다

 

이런 모든경우를 고려하면 위와 같이 태양전지에 대한 이론효율을 계산해 볼 수 있다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

첫번째 이유에 대해 자세하게 알아보자

태양으로 부터 오는 빛은 여러가지 에너지를 가지고 있다

에너지와 파장은 아래와 같은 관계를 가지고 있다

파장이 짧을 수록 에너지가 높으며 파장이 길수록 에너지가 낮다

 

 

위 식은 여러 에너지를 가지는 태양광을 앞으로 파장에 따라 표현할 것인데 이해를 돕기 위해 쓴 식으로

파장이 다르면 그 빛이 가지는 에너지도 다르구나 정도로 이해하면 된다

 

태양으로부터 복사되어 오는 빛은 아래 그림과 같이 나타낼 수 있는데

파장(에너지)에 따라 지구에 입사되는 빛의 세기를 나타낸 것이다 (태양 빛의 스펙트럼)

태양으로 부터 지구에 입사되는 빛은 회색 영역(Outside atmosphere)으로 나타난 스펙트럼이고

지구의 대기권 밖에서 측정한 값이라고 보면 되겠다.

이 빛은 대기(공기층)를 통과하면서 일부 흡수되거나 산란되는데 지표면에 도달한 빛은 진하게 표시된 영역(Sea level)이다

(사진 출처 : http://www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/weather/photosynthetically-active-radiation/)

 

지표면에 입사되는 태양광을 들여다보면 다양한 파장을 가지고 입사되는 것을 알 수 있다

 이렇게 여러 파장(에너지)으로 오는 빛을 태양전지에서는 모두 전기로 변환되지 못하고

특정 에너지 이상을 가지는 빛만 흡수하여 전기로 변환 된다

진하게 표시된 영역의 빛을 가지고 얼마큼의 전기가 생길 수 있는지 알아보자

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

앞서 포스팅 한 내용에도 있지만 원자는 자기가 전자를 가두고 있는 에너지만큼의 빛을 받을때 전자를 내놓는다

에너지가 낮은 상태의 전자에 에너지(빛)이 가해지면 에너지를 얻고 높은 상태로 이동한다.

 

 

 

 

위의 그림을 다른 표현으로 그리면 아래와 같다

 

 

 

(그림의 왼쪽 부터 에너지가 높은 경우 Band gap과 같은경우 낮은경우)

 

 

일정 에너지 이상의 빛은 흡수가 되는데 일반적으로 안정되어 있는 물질 내부의 전자는

Valence Band라고 불리는 영역에 위치하고 있다

앞에서 설명했듯 특정 에너지 값이 같은 에너지는 흡수 되어지는데 그 에너지 값이

위 그림에서의 Conduction Band와 Valence Band 의 크기 차이 이다

이 값을 Band gap(Eg) 라고 불르며 이 값보다 큰 에너지의 빛이 들어오면 물질은 그 빛을 흡수하고 전자와 홀을 생성한다

 

위 그림에서 보면 왼쪽은 에너지가 밴드갭보다 높은 빛이 입사된 경우이고 

가운데는 밴드갭만큼의 오른쪽은 밴드갭 보다 에너지가 낮은 경우이다.

에너지가 높다고 해서 많은 수의 전자를 만드는 것이 아니고 

Band gap 크기 만큼의 에너지 이상이면 1쌍의 전자와 홀을 생성한다

그럼 그 이상의 빛의 경우 남은 에너지는 어떻게 될까

이 경우 물질 내에서 열로 일부 에너지를 잃으면서 물질의 Band gap 만큼의

에너지까지 떨어진 다음 흡수되어 전자와 홀을 생성한다.

 

에너지가 낮은 빛은 흡수되지 못하고 투과 한다.

 

 

 

 

 

 

아래 파란 영역은 실리콘 태양전지로 변환할 수 있는 에너지를 나타내었다

화살표로 표시된 위치가 실리콘의 Band gap에너지를 파장으로 나타내 표시한 위치이다

화살표보다 왼쪽(높은 에너지)의 빛은 흡수가능한 빛이고 오른쪽(낮은 에너지)은 흡수하지 못하고 투과되는 빛이다.

 

 

(사진 출처 : http://me.hku.hk/solar/)

 

 

왼쪽을 자세히 보면 파장(wavelength)이 작아질수록(에너지가 높아질수록) 모두 흡수되어 전기가 되지 못하고

점차 손실되는 양이 많아지는 것을 알 수 있다.

이는 Band gap 보다 차이가 큰 빛들은 그만큼 많은 에너지를 열로 손실하기 때문이다

 

 

 

※ 만약 보다 큰 Band gap을 가지는 물질을 쓴다면 해당 위치에서 더 큰 흡수 효율을 상승할 수 있지만

그만큼 흡수할수 있는 파장대역이 줄게 된다

두가지 다른 에너지 band gap을 가지는 Tandem 구조에 대해서도 최근 연구가 활발히 이루어지고 있다

해당 부분에 대해서는 별도로 포스팅하겠다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

두번째 이유인 광학적인 이유에 대해 알아보자

우리가 일반적으로 알고 있는 태양전지의 경우 태양광이 입사되는 전면과 반대면인 후면에 전극이 형성되어 있고

이를 통해 생성된 케리어(전자, 홀)이 수집되어 전기를 생성한다

그러다보니 어쩔 수 없이 전면에 형성된 전극 영역에 대해서는 태양 빛이 가려져 흡수하지 못하는 영역이 발생한다

전극이 없으면 전자나 홀을 수집할 수가 없기에 전극을 가능한 적은 영역에 분포하게 만들면 되겠지만

이 경우 전극의 자체 저항이 높아져 손실이 커지게 된다

빛 수광 면적은 최대로 하면서 전기적 저항이 충분히 낮은 면적을 확보 하는것이 전면 전극 형성의 핵심 포인트이다

 

한마디로 생성된 전기를 수집하기 위한 전극이 빛을 가려 그림자같이 어둡게 만든 영역은 전기를 생성하지 못한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그리고 전극을 피해 태양전지에 입사된 빛이라 할지라도 표면에서 빛을 반사해 버리면 아무 의미가 없다

일반적으로 실리콘은 40%가 넘는 표면 반사도를 가지고 있는데

이말을 다르게 표현하면 실리콘을 그대로 쓰면 처음부터 40%의 빛을 날려버리는 샘이다.

이를 낮추어 주어 최대한 반사되는 빛을 최소화 해야만 효율이 상승할 수 있다

표면 구조를 복잡하게 만드는 Texturing 공정을 진행하면 이를 ~15% 수준으로 낮추는 것이 가능하다

 

표편이 평면인 경우 표면에서 반사된  빛은 바로 밖으로 나가버리지만

오른쪽 그림처럼 구조가 복잡한 경우 반사된 빛을 주변 구조에서 흡수하는 것이 가능하다

오른쪽과 같은 구조를 만드는 것을 Texturing 공정을 한다고 하고 저 구조는 Texture라고 불른다

 

 

 

 

또한 반사 방지막이라는 것을 이용하면 표면에서 일어나는 반사의 양을 줄이는 것이 가능하고

또한 내부에서 추가 반사를 유도하여 빛 흡수를 개선할 수 있는데

Texturing 공정과 같이 적용하면 3%이하의 표면 반사도를 만드는 것도 가능하다

 

정리하면 texture와 반사방지막(ARC:Antireflective coating)을 적용하면 97% 빛을 흡수하는게 가능하다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이렇게 입사된 빛은 물질을 통과하면서 흡수되어지는데

물질마다 빛을 흡수하는 정도에 차이가 있다

광 흡수계수가 낮으면 두께가 충분히 두꺼워야 하고

광 흡수계수가 높으면 두께가 얇은 박막이어도 충분하다

아래의 그래프는 광 흡수계수에 다른 흡수 정도를 나타낸다

실리콘의 경우 200um 정도가 필요하며 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 두께가 200um 인것은 이런 이유이다

광흡수계수가 좋은 다른 태양전지의 경우 박막으로 제작이 가능하여 많은 연구가 이루어지고 있다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

세번째 이유는 빛이 태양전지에 흡수되어 케리어(전자, 홀)를 생성해도 끝이 아니다 

앞선 포스팅에서도 언급한 적이 있는데 빛을 흡수하여 전자와 홀이 생성되기도 하지만

 전자와 홀이 다시 재결합하여 소멸되기도 하는데 이 경우 전기로 생성되지 않는다

다양한 요인이 있는데 물질내에 존재하는 결함으로 인한 트랩이 원인이 되기도하고

불순물에 의해 트랩되는 것이 원인이 되기도 한다

또한 실리콘은 4개의 전자가 서로 공유결합을하여 옥텟 규칙을 만드는데

표면에 존재하는 실리콘은 전자를 공유하지 못하고 전자만 존재하게 된다

이런 전자들은 지나가는 전자를 붙잡고 옥텟 규칙을 만족하려고 한다

이런 본딩을 댕글링 본드라고 하며 표면에 얇은 막을 증착하여 재결합을 최소화 주려고 한다

패시베이션을 한다고 하며 주로 SiNx막이나 Oxide 막 들을 증착하여 패시베이션 막을 형성 한다

이 내용은 별도로 포스팅을 통해 자세히 다루도록 하겠다

 

 

 

 

마지막 이유는 전기적 손실이다

태양 전지도 전기가 흐르는 장치이고 내부에 수많은 저항이 존재한다

이로 인한 손실이 마지막 이유이지만 여기서는 건전지의 내부저항처럼 생각하고 넘어가자

자세하게는 별도로 포스팅하도록 하겠다

 

 

지금까지 여러가지 태양전지 효율에 미치는 부분에 대해 알아보았다

여기에 언급되지는 않았지만 자세하게 공부하면 나오게 되는 상세한 내용중 일부는 여기에서는 언급하지 않거나

다른 이유들에 포함하여 간단하게만 설명하였다

내용이 상당히 어려워서 이부분은 나중에 따로 포스팅을 하는 것이 좋겠다고 생각했다

 

 

이렇게 각 요소들을 가지고 자연적(물리적)으로 어쩔수 없는 부분을 제외한 영역이

그 물질로 만드는 태양전지의 이론 효율이 된다

 

 

 

 

 

 

 

 

태양전지에서 효율은 이 산업의 생존과도 관련이 있다

전기를 생성하는 수많은 방법들이 세상에 존재하고 굳이 비싼 돈을 들여 전기를 만들 필요가 없기 때문이다

같은 돈을 들여 만든 태양전지이지만 효율이 다르다면 생성되는 전기의 양이 달라지고

이는 태양광 발전의 경쟁력이 되게 된다

이렇게 효율이 중요하다보니 NREL이라는 기관에서는 각 분야별 태양전지에 대해 새로운 효율이 발표될 때마다

그 효율 수치를 집계하여 차트를 제공한다

아래 보면 처음 접하는 사람들은 이해하기 어려울 정도로 복잡하고 많은 data가 집합되어 있다

향후 다양한 태양전지에 대해서도 설명하고 어떤것이 다른지에 대해서 따로 포스팅 하도록 하겠다

이번에는 이런 다양한 태양전지가 연구되고 있다는 정도로만 이해하고 넘어가자

 

(사진 출처 :https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png)

 

 

나중에 기회가 된다면 차트를 보는 법을 포스팅 할까 한다

처음에 이 차트를 접하고 어떻게 보는지 한참을 들여다 보았던 기억이 있다

 

 

 

 

 

 

 

출처 [참고문헌]

1. 신, 재생에너지공학 - 강형식외 4인, 태영문화사 (2012)

2. 네이버 지식백과

3. http://www.pveducation.org/

4. Semiconductor device fundamentals - Robert F. Pierret, Addison Wesley Longman

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