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[강남주]

태양광에너지

개요

태양광 이용기술

태양광 발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술

햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식

태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성됨

 

태양전지에 의한 발전원리

태양전지 (太陽電池 : solar cell, solar battery)

태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射)하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것

금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고, 반도체 pn접합을 사용한 것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있음

주) 광전지(光電池: photocell) : 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치

주) 광전효과 (光電效果: photoelectric effect) : 일반적으로 물질이 빛을 흡수하여 자유로이 움직일 수 있는      전자, 즉 광전자(光電子)를 방출하는 현상

주) 광기전력(光起電力: photoelectro-motive force) : 반도체에 빛을 조사했을 때 발생하는 전압

주) 반도체 半導體 (semiconductor) : 전기전도(電氣傳導)가 전자(電子:electron)와 정공(正孔:hole)에 의해  이루어지는 물질로서 그의 전기저항률 즉 비저항(比抵抗)이 도체와 절연체 비저항값의 중간값을 취하는  것. 반도체의 재료로서는 실리콘, 갈륨비소, 황화카드뮴이 또는 이것들을 복합한 것이 있으나 보통  실리콘이 많이 사용됨

 

PN접합에 의한 발전원리

태양전지는 실리콘으로 대표되는 반도체이며 반도체기술의 발달과 반도체 특성에 의해 자연스럽게 개발됨

태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 2개의 반도체 경계부분을 PN접합(PN-junction)이라 일컬음

이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 정공(正孔:hole)(+)과 전자(電子:electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공과 전자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지속을 움직이게 되지만,
전자(-)는 N형 반도체쪽으로, 정공(+)는 P형 반도체쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 되며 이 때문에 앞면과 됫면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는 데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리임

[PN접합에 의한 태양광 발전의 원리]

 

대표적인 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론 (boron:붕소)을 첨가한 P형 실리콘반도체를 기본으로 하여 그 표면에 인(phosphorous)을 확산시켜 N형 실리콘 반도체층을 형성함으로서 만들어짐. 이 PN접합에 의해 전계(電界)가 발생함

 

이 태양전지에 빛이 입사되면 반도체내의 전자(-)와 정공(+)이 여기되어 반도체 내부를 자유로이 이동하는 상태가 됨

 

자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면 전자(-)는 N형 반도체에, 정공(+)은 P형 반도체에 이르게 됨.
P형 반도체와 N형반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전류가 발생됨

 

태양전지의 역사

1839년 E.Becquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltai ceffect)를 발견

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

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 태양전지를 사용

1970년대 Oil shock이후 태양전지의 연구개발 및 상업화에 수십억 달러가 투자되면서 태양전지의 상업화가 급진전

현재 태양전지효율 7∼17%, 수명 20년 이상, 모듈가격 $6/W 내외, 발전단가 $0.25∼0.5/kWh

태양광의 특징 및 시스템 구성도

특 징

장 점	단 점
에너지원이 청정·무제한 필요한 장소에서 필요량 발전가능 유지보수가 용이, 무인화 가능 장수명(20년 이상)	전력생산량이 지역별 일사량에 의존 에너지밀도 낮아 큰 설치면적 필요 설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가 초기투자비와 발전단가 높음

[태양광발전 시스템 구성도]

[설치사례]

• 사업명 : 대체에너지 지역에너지 사업(태양광 발전)
• 설치장소 및 내용 : 광주광역시 조선대 기숙사 태양광시설 53㎾p

• 사업명 : 대체에너지 지역에너지 사업(태양광 발전)
• 설치장소 및 내용 : 삼척 세계동굴박람회장 태양광 시설 107kWp

태양광발전 기술의 분류

• 태양전지(solar cell, solar battery) : 재료에 따라 결정질 실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등으로 분류
  
  
  
  
• 시스템이용 : 독립형, 계통연계형, 복합발전형

국내ㆍ외 기술개발 현황 및 동향

해외현황

미국은 첨단기술의 전략적 개발과 시장개척 및 상업화 지원

100만호 Solar-roof 주택 보급사업에 의해 1998년까지 100MW 보급

일본은 정부주도의 상용화 기술개발과 보급촉진 및 수출시장 확대

태양전지 원료의 저가화 및 신형 태양전지 개발

3kW 주택용 태양광발전시스템 보급사업 등 133MW 보급

유럽은 분야별 컨소시움 또는 EC를 통한 기술개발및 실증시험등 공동수행

복합기능 태양전지 모듈개발 및 복합 발전시스템 실용화

태양전지 모듈과 시스템의 실증시험 및 규격화 등 국가별, 공동체별 사업 수행중

1998년까지 독일은 54MW, 이태리 18MW 등을 보급

선진국에서는 보급 프로그램과 병행하여 기술개발을 종합적으로 추진

세계시장은 1987년 이후 매년 15% 증가하고 있으며 1996년 이후 25%이상의 급신장 추세

1991년 55.3MW, 1999년 201.5MW 생산

2000년말 280MW 생산

일본 128.6MW, 미국 78.5MW로 대부분 차지

2001년말 400MW생산 예상

 

 국내현황

 사업비 지원현황

'88년부터 '2001년까지 태양광분야에 52개과제에 27,066백만원을 투자하였으며 그중 15,272백만원을 정부에서 지원

[표- 사업비 지원현황]

구분＼년도		'88∼'95	'96	'97	'98	'99	2000	2001	계
과제수	신 규	35	3	5	1	3	3	2	52
	계 속	50	7	4	9	3	4	6	83
	계	85	10	9	10	6	7	8	135
사업비(백만원)	정 부	5,606	1,892	1,380	1,596	822	1,815	2,161	15,272
	민 간	7,854	1,292	338	409	354	637	910	11,794
	계	13,460	3,184	1,718	2,005	1,176	2,452	3,071	27,066

기술개발 현황

'70년대 초부터 대학과 연구소를 중심으로 연구 시작하여 '88년부터 대체에너지개발촉진법에 따라 정부차원에서 기술개발

• 저가화와 효율향상을 위한 태양전지 제조기술개발 및 시스템 이용기술개발을 병행하여 추진

태양전지

• 실리콘계 태양전지
  • 단결정질 실리콘계 태양전지(기판형)는 시스템화 연구를 통해 상품화단계
  • 다결정질 실리콘 태양전지(기판형) 및 다결정질 실리콘 박막형태양전지는 기초연구단계로 요소기술을 확보하였으나 상품화를 위한 제조설비의 투자비 과다로 사업화가 중단된 상태임
    
    
• 화합물계 태양전지
  • 결정화합물계 Ⅲ-Ⅵ족 (CdTe, CuInSe2 등) 태양전지는 효율이 높은 것이 장점이나 저가화, 대면적화가 문제로 이러한 부분을 해결하기 위한 기초 요소연구를 수행
    
    
  • 미래 박막형 태양전지로서 실용화를 위한 시스템연구를 기반성으로 추진
  • 화합물 반도체는 에기연 등에서 기반기술 확보 수준

[태양광분야 대체에너지기술개발 기본계획]

제 1, 2단계(∼'96까지)	제 3단계('97∼2001)	제 4단계(2002∼2006)
태양전지 제조 기술 확립 결정질 Si태양전지 국산화 신형 태양전지 기반기술 태양광발전 요소기술 주변장치 국산화 독립형이용 기술개발 보급 계통연계형 및 복합이용 기반기술	고효율 태양전지 실용화 저가, 고효율 SI 태양전지 실용화 신형 태양전지개발 및 효율향상 태양광발전 이용기술 주변장치 신뢰성 향상 및 표준화 계통연계형 및 복합이용 기반기술 응용제품 개발	고효율 태양전지 상용화 저가 박막 태양전지 양산화 신형 태양전지 고효율화 태양광발전 활용기술 주변장치의 저가화 대규모발전 플랜트 실증운전 응용제품 개발 보급

향후 기술개발 추진계획

결정화합물계 Ⅲ-Ⅵ족 (CdTe, CuInSe2 등) 태양전지는 효율이 높은 것이 장점이나 저가화, 대면적화가
문제로 이러한 부분을 해결하기 위한 기초 요소연구를 수행

미래 박막형 태양전지로서 실용화를 위한 시스템 연구를 추진

기술개발결과 및 실용화 관련

단결정질 실리콘계 태양전지는 국산화되어 생산 체제 갖추었음 생산기반 확충(태양광용 원재료 확보, 기판제조)과 생산ㆍ제조공정 기술개선에 연구 필요   태양전지(Cell) 결정질 실리콘 태양전지는 상용화 수준으로 네스코쏠라에서 생산능력 확보, 삼성 SDI는 연구개발중 (Pilot 수준) 결정질 실리콘 태양전지 제조 기술 및 시스템 이용기술은 선진국 대비 80% 수준   모 듈(Module) 태양전지 모듈은 삼성전자, LG산전, 해성쏠라, 쏠라테크 등에서 생산 인버터 LG산전에서 태양광발전용 직.교류 변환장치의 국산화 축전지 세방하이테크(주)에서 태양광발전용 무보수 밀폐형 연축전지 개발 및 실용화 추진중 시스템 이용 독립형 태양광발전시스템은 에기연 및 전력연구원에서 개발, 표준화 계통연계형 태양광발전시스템은 삼성전자에서 개발 ※ 세계 1위의 기술경쟁력을 가지고 있는 반도체 및 TFT-LCD 산업기반을 활용하여 세계 태양전지 산업을 주도할 수 있는 잠재력을 보유 태양전지의 저가화를 위한 실리콘계 박막 태양전지는 현재 태양전지 자체보다는 박막성장법 연구 진행중이며, 박막성장은 거의 진공상태에서 진행되므로 대단히 느린 공정이며, 양산화를 위한 고속 박막성장 기술 개발시 향후 실용화 가능함

참고

[태양전지 필요 요소기술]

Si계 태양전지

Si 기판 제조 기술(Cast, 리본 기판)

Si계 건식, 습식 PN 접합 기술

다중접합 형성 및 태양전지 적층 기술

투명 전극 및 배면 전극 형성 기술

화합물 태양전지

박막 성장 기술

밴드갭 제어 및 다중 접합 형성 기술

투명 전극 및 배면 전극 형성 기술

다중접합 형성 및 태양전지 적층 기술

박막 장비 기술

[태양광발전 필요 요소기술]

주변장치 제조기술

축전지 제조

직교류 변환장치 개발

소형 인버터 장치 개발

시스템 이용기술

독립형 시스템 개발(주변장치 연계 기술)

계통연계형 시스템 개발(주변장치 연계 기술)

복합이용 시스템 개발(태양광-풍력 연계 기술)

시스템 성능평가 기술

인버터 및 축전지 평가기술 개발

시스템 효율개선에 필요한 시스템 평가기법 개발

시스템 설치대상의 목적·특성 등에 따른 최적시스템 설계기법의 확립

실증운전 계측 데이터베이스화에 의한 설계 변수의 도출

 

                                         (한국신 재생에너지협회 자료)