태양전지 소개및 사양...

[희노애락]

태양전지의 기초지식

태양에너지의 이용이라고 하면, 곧 태양열 온수기(태양의 열에너지로 물을 미지근하게 하는 장치)를 떠올리는 사람도 많다고 생각합니다. 또 태양광 발전이 태양의 열에너지를 이용해 전기를 발전하고 있다고 오해하고 있는 사람도 있을지도 모릅니다.
그러나 태양광 발전이란, 「 태양으로부터의 광에너지를 전기에너지로 변환하여 이용하는 발전 방법이다 라는 것입니다.

@ 태양광 발전의 소개

우리 나라에는 섬이나 산이 깊은 곳이 많습니다.  그런 곳까지 전기선을 연결하는 데는 비용이 많이 듭니다.
물론 디젤 발전기를 이용하여 전기를 만들 수 있지만, 이때에는 계속하여 경유를 공급해 주어야 하고, 전기를 만들 때 태우는 경유가 이산화탄소나 유황을 만들어 대기 오염도 일으킵니다.
이런 외딴 섬이나 낙도의 등대 등에는 환경 오염이 없으면서 원료를 계속 공급하지 않고도 전기를 얻을 수 있는 에너지원이 필요합니다.

또한 현대는 계산기나 손목시계 라디오 등 간편하게 쓸 수 있는 휴대용 전자제품이나, 연료비를 아낄 수 있는 다양한 품목들이 인기를 얻고 있습니다. 휴대용 전자제품은 어떻게 하면 작고 가볍게 만드느냐가 제일 중요한 문제입니다.

위의 모든 문제의 해결책으로 현재 태양광 발전 기술을 많이 이용하고 있습니다.

지구의 못쓰는 땅인 사막에는 태양빛이 많이 비치기 때문에 태양광 발전에 아주 좋은 장소입니다. 중국의 고비 사막이나, 아프리카의 사하라 사막에 태양광 발전소를 세워놓고, 지구상의 필요한 전기를 공급해 사용할 수도 있습니다.
또, 지구의 밖으로 나가게 되면 어디에나 태양빛이 있고 태양빛의 세기가 4배로 높아집니다. 따라서 이러한 태양빛을 이용하면 우주에서 대규모로 전기를 만들어 사용할 수도 있습니다.
땅이 부족한 우리 나라는 바다 위에 해상 도시를 건설할 수도 있습니다. 해상도시에서 사용할 에너지로 태양광 발전을 이용하는 것입니다. 이렇게 태양광 발전의 응용범위는 아주 넓습니다. 태양광 발전을 더욱 발전시키려면 앞으로 값싸고 성능이 좋은 태양 전지를 만들어 내는 것이 연구 과제입니다.

@ 태양광 발전의 장/단점

태양광 발전의 장점

태양광 발전의 단점

1. 에너지원이 방대하고 비고갈    태양은 무진장하고 무상, 게다가 자원 고갈 걱정이 없는    에너지원입니다. 2. 무공해 에너지원     발전시에는 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에, 자연이     나 생활환경을 손상할 걱정이 없습니다. 3. 누구라도 전기를 자급할 수 있다     전기는 전력회사에서 구입하는 것뿐으로는 없습니다.     태양전지가 있으면 전기를 자급할 수 있습니다. 남은 전     기는 전력회사가 사 주는 제도도 있습니다. 4. 여러가지 발전 규모로 이용 가능     태양전지의 발전 효율은, 발전 규모와 상관없이 거의 같      습니다.(solar 탁상계산기, 주택용 태양광 발전 시스템) 5. 햇빛이 있는 곳이면 어느 곳에서나 간단히 설치할 수 있     습니다. 6. 한번 설치해 놓으면 유지 비용이 거의 들지 않습니다.     그리고 태양전지 숫자만큼 전기를 생산하기에 태양전지     를 많이 설치할수록 많은 량의 전기를 얻을 수 있습니다. 7. 별도의 기계 가동 부분이 없으므로 소음과 진동 등이 없     어 환경오염을 일으키지 않습니다. 8. 수명은 20년 이상으로 비교적 오랫동안 이용할 수 있습니     다.

1. 태양 빛의 에너지 밀도가 적다    태양전지에 큰 전력을 얻기 위해서는, 비교적 큰 면적이    필요합니다. 2. 기상 조건, 설치 장소에 의해 발전량이 변한다     태양전지를 설치하는 방향에 의해 발전량은 변합니다. 3. 축전기능이 없다     태양전지는 빛을 전기로 변환하는 장치이고, 축전기능은     없습니다.     즉, 비오는 날이나 야간 등은 전력 계통으로 접속하는     축전지(battery)를 편성하는 등 연구가 필요합니다. 4. 에너지 밀도가 낮아, 많은 수의 태양 전지를 사용해야 합     니다. 그래서 많은 공간이 필요합니다. 5. 태양전지의 재료는 아직까지 값이 비싼 반도체 재료인 실    리콘을 사용하고 있습니다. 때문에 태양광 발전 시스템을    처음에 설치하는 데는 많은 비용이 듭니다.

 

태양전지의 종류

태양전지의 종류로서는, 실리콘 반도체를 재료로 사용하는 것과 화합물 반도체를 재료로 하는 것에 대별되고, 또 실리콘 반도체에 의한 것은, 결정계와 AMOLFASS(비결정 계)에 분류됩니다.
현재도 개발 중인 것도 포함시키면 더욱 더 다양합니다.

태양전지의 기술 개발에 관해서는, 변환 효율의 향상이나 cost-down 등이 계획되고 있고, 또 실리콘 및 화합물 반도체 태양전지의 양방에 있어서,  변환 효율20 %를 초월하는 태양전지 개발이나 cost-down을 가능하게 하는 박막 태양전지의 개발등도 하고 있습니다.

태양전지의 재료별 특성

표. 태양전지의 재료별 특성

태양전지 재료	변환 효율	신뢰성	특성	주요 용도
단결정 실리콘	매우 좋다	매우 좋다	풍부한 사용실적이 있다.	우주용 지상용
다결정 실리콘	좋다	매우좋다	장래, 대량생산에 적합하고 있다.	지상용
AMOLFASS	보통	보통	형광등 불빛에서도 비교적 잘 작동.	민생용 (탁상계산기, 손목시계)
단결정 화합물	매우 좋다	매우 좋다	무겁고, 갈라지기 쉽다.	우주용
다결정 화합물	보통	보통	자원량이 적다. 공해 물질을 포함하는 것도 있다.	민생용

현재, 태양광 발전 시스템으로 일반적으로 사용되고 있는 태양전지는 실리콘 반도체에 의한 것이 대부분입니다. 특히, 실리콘 반도체 결정계의 단결정 및 다결정 태양전지는, 변환 효율의 좋음, 신뢰성 등으로 널리 사용되고 있습니다. 이미 시계나 탁상계산기 등에 보급하고 있는 AMOLFASS 태양전지도, 제조 기술이 대량생산에 적합하고, 또한 결정계에 비해 저코스트이지만, 변환 효율에 있어서는 결정계에 비해 뒤떨어지고 있습니다.

태양전지의 변환 효율

태양전지의 가장 중요한 성능 지수는, 빛부터 전기로의 변환 효율입니다. 변환 효율은, 태양전지에 흐르는 광에너지 중에, 몇%를 전기에너지 전적으로 변환할 수 있는지를 나타내는 수치를 나타내는 것입니다.

아래에 표시된 수식을 사용합니다.

효율 (%) = (생산된 전력량) / (태양 빛에너지) x 100

당연히 효율이 높은 태양전지를 만드는 것이 좋겠지요. 그러나 과연 태양전지로 전기를 생산한다면 전력비가 얼마나 될까를 따지려면 아무래도 경제적인 측면, 그러니까 태양전지를 제작하는데 얼마가 들어가느냐 하는 점도 생각해야 합니다. 아무리 효율이 높은 태양전지라도 제작비가 너무 높으면 실용성이 없는 것이고 반대로 효율이 비교적 낮더라도 제작비가 저렴하면 경제성이 있는 겁니다. 아직은 어느 한가지가 경제성 면에서 확실히 우월하다는 점이 입증되지 않았기 때문에 현재 여러 가지 물질과 형태의 태양전지가 연구되고 있습니다.

태양전지의 발전 원리

태양전지는, P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용해 전기를 일으킵니다. 여기에서는 태양광이 태양전지로 입사하고, 전기로서 만들어지기 까지를 간단히 설명합니다.

1. 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생합니다.

2. 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 됩니다

태양전지를 부르는 방법

태양전지 모듈은 대형의 시스템에서는 여러 태양전지를 직,병렬로 연결하여 전력을 꺼냅니다.

셀 : 전기를 일으키는 최소 단위입니다.
모듈 : 전기를 꺼내는 최소 단위입니다. 현관문의 반만한 크기입니다.
array : 직, 병렬로 끼어진 여러 패널을 말합니다. 이후"array"라고 부릅니다.
서브 array : 설치 작업이나 유지보수의 편리함 때문에 여러 개의 모듈을 정리한 단위입니다.

태양전지의 사양

태양전지의 카탈로그 등에 표시되어 있는 출력 값은, 다음과 같은 일정 기준에 의해 측정한 값에 표현하고 있습니다.

기준 상태:모듈 온도25℃, 분광분포:AM1.5, 방사 조도1000W/㎡

1. 모듈 온도
태양전지 모듈은 온도가 상승하면 발전 전압이 내립니다. 또 차가 와지면 발전 전압이 올라가는 특성을 갖고 있습니다. 그 때문에, 태양전지의 사양을 정함에 있어서, 일정 온도로 측정하지 않으면 비교가 되지 않습니다.  따라서, 25℃를 기준 상태로서 출력 특성을 표시하고 있습니다.

2. 분광분포
어떠한 파장 분포 빛을 충당하는지를 규정하고 있습니다. 태양광은 대기권을 통과하는 것에 보다 대기 중의 오존이나 수증기 등에 의해 빛의 일부가 흡수됩니다. AM(Air Mass:air mass)란 대기 통과량의 것으로 AM1.0이란 빛의 입사각이 90도(바로 위)부터 입사 한 빛을 의미하고, AM1.5는 그 통과량이 1.5배(입사각41.8도)에서의 도달광을 나타내고 있습니다.
아래그림의 이미지를 참고 하여 주십시오.

3. 방사 조도
1㎡당에 도달하는 태양광 에너지의 질김을 나타내고, 단위는 (W/㎡)를 사용합니다. 대기권 외에서는 대체로 1400W/㎡ 있다.) 태양광 에너지도 대기를 통과해 지표에 도달하면 1000W/㎡정도가 됩니다. 이 1000W/㎡라고 하는 값을 방사 조도의 기준 상태로 하고 있습니다.

분광분포 이미지

태양전지의 출력 특성

일반적으로 태양전지의 출력은, 도면에 나타내는 바와 같이 발생하는 전압과 전류의 상관관계 곡선에 표현해집니다. 즉, 태양전지가 발생하는 전압은, 그 태양전지의 특성에 의해 어느 값에 정해져 버린다 라는 것입니다.

1. 개방 전압:Voc
태양전지에 아무 것도 연결하지 않는 상태로, 태양전지의 양단에 발생하는 전압을 나타냅니다.
2. 합선 전류:Isc
태양전지의 양단을 short 하게 한 상태로, short 한 전류를 표시합니다.
3. 동작점:P
태양전지부터 출력을 꺼내기 위해서 설정된 전압에 대해 발생하는 전류가 정해집니다.
이 때의 전압, 전류의 점을 동작점이라고 합니다.

태양전지의 최대 출력점
태양전지의 출력은 Iop와 Vop와 원점을 잇는 면적(위의 그림의 그레이 부분)에 나타내집니다. 즉, 태양전지를 효율적으로 사용하기 위하여, 그레이 부분의 면적을 최대로 하는 Iop와 Vop를 설정할 필요가 있습니다.
또 태양전지의 출력이 최고가 되는 동작점을 최적 동작점(이 때의 출력을 최대 출력:Pmax, 전압을 최적 동작 전압, 전류를 최적 동작 전류)라고 부릅니다.

BP사의 태양전지 규격표



일반적인 solar 패널의 사양서에는 앞에서 말한 정보가 기재되고 있기 때문에, 시스템 설계를 할 때에 참고로 합니다.

태양전지의 온도 특성

온도 특성
태양전지 모듈은 외부 기온이나 일조에 의해 모듈 온도가 상승하면 발전 전압이 내리는 특성을 갖고 있습니다. 그 저하율은 태양전지의 물성에 의해 다르지만, 결정계에서는 1℃온도가 상승하면 약0.4% 저하합니다. 그 때문에 태양전지를 설치할 때는 가능한 온도가 상승하지 않도록 배려하여야 합니다.

태양전지의 방사 조도 특성

방사 조도 특성
광면의 방사 조도가 변화하면 그 질김에 비례해 발생 전류가 변화하고, 게다가 동반하여 출력 전력도 변화합니다. 방사 강도는 날씨에 크게 의존합니다. 또 태양전지의 설치 방향이나 설치 각도에 의해 광면에서의 방사 강도도 바뀝니다. 그 때문에 태양전지가 최적으로 동작할 수 있도록 설치 상태도 배려가 필요합니다.


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