태양광에너지의 개요와 현실적인 문제점

[삶이춤추도록]

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저는 귀농을 꿈꾸고 있는 현재 전업 투자자로 예전부터 미래사업으로 태양광에 대한 관심으로

그동안 수집해온 태양광 관련 아주아주 기초자료를 정리해서 올립니다~

초보님들에게 태양광에 대한 이해를 돕고저...

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우리 인류가 지금까지 사용한 에너지, 즉 석유나 석탄 같은 화석 연료는 지구의 온난화와 대기 공해의 주범이며  그  매장량 역시 유한합니다. 그러므로 우리 인간은 지속적인 발전을 위하여 공해가 없고 무한한 신. 재생 에너지를 계속 연구 개발하는 중입니다.

신. 재생에너지란 “기존의 화석 연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하여
재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지“라고 정의하며, 재생에너지와 신에너지로 나누어 11개 분야로 구분합니다.

재생에너지 : 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열(8개 분야)
신에너지 : 연료전지, 석탄액화가스, 수소에너지(3개 분야)

이중 태양에너지의 대략적인 특징을 살펴보면...

 
1.태양광 에너지

태양광 에너지는 태양광발전 시스템을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 것 입니다.

태양광발전 시스템의 분류

1)계통연계형(Grid System)  발전한 전기를 전력회사의 계통에 연결시켜 송전하는 방식

한국의 가정이나 건물에 설치되어있는 태양광발전시스템은 일반적으로 축전지를 사용하지 않고 바로 전력회사(한전)의 송전망(계통)에 접속시켜 햇볕이 있는 낮에는 태양광 발전으로 생산된 전기를 사용하며 남는 전기는 전력회사(한전)에 판매하고 야간이나 발전량이 모자랄 때는 한전 전기를 사용하는 방식입니다. 전력회사의 송전망 자체가 큰 축전지의 역할을 하고 있다고 말할 수 있습니다.

2)독립형(Off Grid System) 등대, 인공위성, 전기가 들어오지 않는 도서 벽지에서의 발전 등 독립적인 발전 방식

계통연계를 하지 않고 생산한 전기를 모두 축전지에 모은 다음 전기가 필요할 때 마다 축전지에서 꺼내어 사용하는 방식을 독립형 태양광발전시스템이라 부릅니다. 이 방식은 축전지 비용이 추가로 들지만 송전망에 접속하는 비용과 유지관리비 등을 줄일 수 있어 소비전력이 비교적 적거나 송전망으로부터 멀리 떨어진 경우 이 방식이 사용됩니다. 전기가 들어오지 않는 오지 마을과 등대용 전원, 가로등, 교통표지판, 군사용, 무선통신기지국의 전원, 농장용 양수기의 전원, 휴대용 태양광발전장치, 레져용 태양광기구, 소형의 모듈에 축전기를 직접 조립한 여러 가지 기구들과 인공위성용 태양광발전장치 역시 독립형으로 분류됩니다.
아프리카나 인도 등 국가 전력 시설이 열악한 나라에서는 UN의 도움으로 한 마을이나 가정에 독립형 태양광발전 시스템이 지원되고 있습니다. 또 정전 시를 대비하여 비상용 전원으로 설치한 경우도 있고 재해대책용으로 계통연계형과 병설하는 경우도 있습니다.

3)하이브리드(Hybrid System)

태양광발전과 풍력발전, 또는 태양광발전과 디젤발전 등 태양광발전과 다른 발전방식을 결합한 방식

2. 태양열 에너지

태양열 에너지는 집열판 등을 이용하여 태양에서 나오는 열에너지를 흡수, 저장, 열교환 등을 통하여 물을 데워 온수를 이용하고
건물의 냉난방에 활용하는 기술입니다. 태양광발전과는  개념이 전혀 다릅니다.

태양광에너지 - 태양광(빛)으로 전기생산  /    태양열에너지 - 태양열을 이용하여 온수생산

무한한 태양에너지를 전기에너지로 

 
태양은 약 50억 년 전에 생겨나 지금까지 엄청난 양의 에너지를 방출시키고 있습니다.
태양의 중심부에서 수소 핵융합반응으로 생성된 에너지는 전자파의 형태로 1억5천만km의 거리를 지나 지구 표면에 전달됩니다.
1시간동안 지구에 도달하는 태양에너지의 양은 1년간 인류전체가 소비하는 에너지의 양보다 더 많습니다.

 
이 태양에너지는 크게 빛 에너지와 열 에너지로 구분되며 그중 태야의 빛 에너지를 이용하여 전기를 만들어 내는 것이 바로 태양광발전입니다. 태양광발전의 가장 기본이 되는 소재가 태양전지인데, 태양전지란 반도체의 광기전력 효과특성을 이용하여 빛에너지를  전기에너지로 변환시키는 반도체 소자를 말합니다. 이 에너지변환은  종래의 발전방식처럼 중간에 열에너지나 운동에너지를 거치지 않고 직접 필요한 전기로 변환됩니다.

빛에서 전력을 얻을 수 있는 기술은 19세기에 처음 개발이 되었으나 20세기 초에 아인슈타인에 의해 과학적으로  설명되었고, 본격적으로 상업화 된 시점은 1970년대에 있었던 석유 파동 이후 활발한 연구가 진행되어 1980년대부터 일반화 되었습니다.
 
태양광발전의 장점은  

첫째, 아무리 많이 사용해도 고갈되지 않는 영구적인 에너지입니다. 그리고 그 양 또한 무한하여  전 세계 에너지 소비를 충족시켜 줍니다. 독일 기후 변화 협의회의 발표에 의하면 태양광 에너지의 자원량은 전 세계 에너지 소요량의 2,800배 이상 이르는 것으로 조사되었습니다. 이것은 풍력 자원의 약 200배, 바이오매스의 20배 규모보다 훨씬 많은 수치입니다.

둘째는 태양에너지는 환경오염이 없는 무공해 청정에너지입니다. 태양에너지는 화석연료발전에 비하여 이산화탄소 배출량이 월등히 적어 자연환경과 생활환경을 지켜줍니다.

셋째, 지역에 관계없이 설치할 수 있습니다. 빛이 있는 곳이면 어느 곳에서나 간단히 설치할 수 있고 규모 역시 필요한 전력량만큼 설치 가능합니다.

넷째, 한번 설치해 놓으면 유지비용이 거의 들지 않습니다. 발전용 연료가 필요 없으며 구동부가 없어 고장이 나지 않아 유지보수비가 적게 듭니다.

다섯째, 현재는 다른 발전 방식보다 발전 단가가 높지만 반도체 기술을 활용하고 있어 기술 혁신을 통한 지속적인 원가 절감이 이루어져 멀지않은 장래에 화석 연료를 이용한 발전보다 저렴해 질 전망입니다. (업계에서는 2-3년내로 추정합니다) 

 태양전지의 원리와 특성

태양에너지는 크게 빛에너지와 열에너지로 나뉘는데 그중 태양의 빛에너지를 이용해서 전기를 생산하는 것이 바로 태양전지입니다.

태양전지는 반도체에 빛을 쏘이면 전자와 정공이 발생하여 +전극과 -전극이 형성되고 그 전극이 외부회로와 접속되어 있으면 전류가 흐르게 됩니다. 이것이 태양전지가 직접 빛을 전기로 변환시키는 기본원리입니다. 이 전기로 다양한 전기기구를 작동시킬 수 있으며 전등도 밝힐 수 있습니다. 그런데 태양전지는 우리가 일반적으로 알고있는 건전지나 납축전지와는 그 구조나 특성이 전혀 다릅니다.

일반 전지는 전기를 저장하는 기구인데 비하여 태양전지에는 전지를 저장하는 능력이 없습니다. 태양전지는 빛을 직접 전기로 변화시키는 전기 변환 장치입니다. 이것이 태양전지의 가장 큰 특징입니다. 대부분의 태양전지 소재는 컴퓨터 칩과 같은 소재인 실리콘 반도체로 되어있습니다.

태양전지의 전원은 빛 에너지이며 이것은 무공해이며 고갈될 염려가 전혀 없으므로 매우 훌륭한 에너지원입니다. 이 태양전지는 1950년대부터 상용화되었는데 초기에는 만드는 비용이 매우 높아서 인공위성 등 특수한 용도에만 사용되었으나 기술의 발달로 현재는 발전소를 비롯하여 가로등, 일상 생활용품인 시계, 계산기, 무선통신, 레져용 전원, 솔라자동차 등 여러 부분에 사용되고있습니다.

키포인트 : 태양전지는 태양빛을 직접 전기로 변환 시키는 장치
               대부분의 태양전지 소재는 실리콘 반도체(아닌것도 있음-화합물,염료등)
               태양전지는 전기를 생산만하고 저장하지 못한다.-배터리 필요함

용어해설 : 반도체 - 물질을 전기 전도도에 따라 도체와 반도체, 부도체로 분류. 
                           반도체는 순수상태에서는 부도체와 비슷한 특성이지만 불순물 첨가로 인해 
                           전기 전도도가 늘어나서 빛이나 열에너지에 의해 일시적으로 전기 전도성을 갖기도 한다.
                            (실리콘,게르마늄,갈바비소 등)

셀, 모듈, 어레이, 시스템
 

1. 셀 (Solar Cell , Photovoltaic Cell)

셀은 태양전지의 가장 기본 소자를 말하며 보통 실리콘 계열의 태양전지 셀 1개에서 약 0.5~0.6V의 전압과 3~7A의 전류를 생산할 수 있습니다. 결정질실리콘 셀은 실리콘의 원료와 제조방법에 따라  단결정질 셀(MONO CRYSTALLINE CELL)과 다결정질 셀(MULTI CRYSTALLINE CELL)로 구분합니다. 단결정질 셀은 실리콘원자가 규칙적으로 방향이 균일하게 배열된 상태의 재료를 사용하여 순도가 높은 제품이며 다결정질 셀은 비교적 순도가 낮고 생산방법도 차이가 납니다.

참고로 5인치 단결정 솔라셀과 다결정 솔라셀의 성능표를 비교해 보겠습니다.

이 셀을 직렬로 연결시키면 전압이 올라가고 병렬로 연결시키면 전류치가 증가하게 됩니다.

이렇게 직병렬 조합을 하여 우리가 필요한 전압, 전류치를 가진 태양전지모듈을 만들게 됩니다.

2. 태양전지모듈(PV Module)

태양전지모듈은 셀을 직병렬로 연결하여 태양광 아래서 일정한 전압과 전류를 발생시키는 장치로  그 용도에 따라서 여러 가지 형태로 제작되어 있으나 일반적으로 가장 많이 사용되는 것은 결정질실리콘 태양전지모듈입니다.

결정질실리콘 태양전지모듈은 여러 개의 셀을 원상태 또는 잘라서 서로 직병렬로 연결시키고, 셀 자체가 너무 얇아 파손되기 쉬우므로 외부충격이나 악천후로부터 보호하기 위하여 견고한 알루미늄 프레임 안에 표면유리 / 충진재 / 태양전지 셀 / 충진재 / 후면시트 등의 순서로 제작한 제품에 케이블과 배전반을 붙여 하나의 태양전지판 형태로 만든 제품을 태양전지모듈이라 부릅니다.

표면유리는 유리 자체의 반사 손실을 최대한 줄이기 위해 표면 반사율이 낮은 저철분강화유리를 사용하며 충진제는 보통 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)를 사용하는데 이 EVA는 깨지기 쉬운 셀을 보호하는 역할을 합니다.

모듈의 종류는 그 모양과 셀의 종류, 그리고 용도에 따라 일반 결정질실리콘모듈, 박막형 후렉시블 모듈, 지붕기와형 모듈, 삼각형모듈, 유리창으로 쓸 수 있는 건축자재일체형모듈(BIPV),등 아주 다양한 형태로 개발되어 있습니다. 우리가 사용하는 계산기에 붙어있는 조그만 태양전지도 하나의 모듈인 것입니다. 

3. 태양전지 어레이 (PV Array)

태양전지 어레이란 필요한만큼의 전력을 얻기 위하여 1장 또는 여러 장의 태양전지모듈을 최상의 조건(경사각, 방위각)을 고려하여 거치대를 설치하여 사용여건에 맞게 연결시켜놓은 장치를 말합니다.

                                                           [태양전지 어레이]

4. 태양광발전시스템 (Solar Power System)

태양광발전시스템은 보통 계통연계형(Grid) 발전시스템과 독립형(Off Grid) 발전시스템으로 구분하는데 계통연결형은 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환시켜 전력계통으로 접속시켜 전기회사로 전기를 판매하는 것을 이야기하며 독립형발전시스템은 발전된 직류전력을 배터리에 저장하였다가 필요할 때 직류전력이나 교류전력으로 가정이나 설비에 사용하는 시스템을 말합니다.

 키포인트 

               셀(Cell) : 1개가 생산하는 전기는 전압 0.5V-0.6V,  전류 3A-7A
               모듈(Module) : 여러 개의 셀을 직병렬로 연결시켜 1개의 패키지로만듬
               어레이(Array) : 여러개의 모듈을 연결하여 용도에 맞게 구성한 발전장치
               시스템(System) : 계통연계형시스템 : 한전의 계통으로 연결하여 전기를 판매함.(태양광발전소)
                                        독립형시스템 : 태양광가로등 과 같이 태양광발전을 이용한 단독 시설물

태양전지의 종류와 용도

태양전지는 학문적으로 재료, 형태, 원리에 따라서 분류할 수 있습니다.
재료에 따라서는 크게 실리콘계 태양전지와 화합물계 태양전지 그리고 유기물계 태양전지로 나누어지며, 형태에 따라서 결정형, 박막형, 그리고 적층형으로 구분할 수 있으며 원리에 따른 구분은 반도체의 pn접합으로 만든 반도체접합형과 염료감응형과 같은 광전기화학형으로 구분됩니다.

그러나 “알기쉬운 태양광발전 기초지식” 에서는 일반적인 산업 분류 방법에 의해 결정질실리콘 태양전지(1세대 태양전지), 그리고 박막형 태양전지(2세대 태양전지),그리고 3세대 태양전지로 불리는 유기물, 염료감응형, 나노구조 태양전지로만 구분하겠습니다.

(실리콘계) 

1.결정질 실리콘 태양전지

가. 단결정질 실리콘 태양전지

먼저 태양전지 중에서 가장 역사가 오래된 단결정질 실리콘 태양전지에 대하여 알아보겠습니다. 단결정질 실리콘 태양전지는 실리콘의 원자배열이 규칙적이며 배열방향이 일정하여 전자이동에 걸림이 없어 변환효율이 높습니다. 또 아침, 저녁이나 흐린 날 등 일조량이 적을 때도 비교적 발전이 양호합니다. 현재 단결정질 실리콘 태양전지의 효율은 실험실에서는 20% 이상을 나타내고 있으며 양산품도 14%-18%의 효율을 나타냅니다.

제조공정을 아주 간단히 알아보겠습니다.
가장 전형적인 실리콘결정질 태양전지의 제조방법은 실리콘을 포함하고 있는 광석 (규석, 모래)을 전기로에서 정제시켜 폴리실리콘을 만드는 것부터 시작됩니다. 이 폴리실리콘을 석영도가니에 넣고 불순물(붕소, 또는 인)을 함께 넣어 고온으로 용융시켜 원주 모양의 단결정질 실리콘 잉곳(Ingot)을 만든 후 이것을 약 200㎛정도로 얇게 절단한 것이 단결정실리콘 웨이퍼입니다. 이렇게 만들어진 단결정실리콘 웨이프 위에 p-n접합을 형성시킨 후, 내부의 전류가 밖으로 흐를 수 있도록 상. 하부 전극을 만들고 빛의 반사율을 줄이기 위하여 반사방지막을 입히고 최종 테스트 과정을 거치면 드디어 단결정실리콘 태양전지 셀이 완성되는 것입니다. 단결정질 실리콘 셀의 모양이 정사각형이 아니고 네 귀퉁이가 약간 원형으로 된 이유는 원주형의 잉곳을 가공했기 때문입니다.

                      

                                                              [단결정질 실리콘 잉곳]

나. 다결정질 실리콘 태양전지

단결정질 실리콘 태양전지는 효율이 좋고 신뢰도도 높지만 가격이 비싸고 대량생산에 문제가 있습니다. 이에 반해 다결정 실리콘 태양전지는 단결정질에 비해 공정이 간단하고 단결정질보다 가격도 저렴해서 늘리 사용되고 있습니다. 그러나  변환효율이 단결정질보다 낮은 것이 단점입니다. (양산제품의 변환효율 : 12%-15%)

다결정질 실리콘 웨이퍼의 제조방법은 실리콘 원석을 도가니에 넣고 높은 온도로 가열하여 녹인 후, 정제하여 일정한 틀에 부어 응고시키는 방법으로 잉곳을 만듭니다. 이런 주조 방법은 단결정질 제조 방법보다 간단하여 원가를 낮출 수 있고 대량 생산이 가능합니다.
이렇게 제조된 잉곳은 많은 결정체가 모여서 하나의 잉곳을 형성하고 있으며 그 형상은 원주형이 아니라 대부분 주형틀에서 찍혀 나온 사각형 기둥 모양입니다.

다결정 잉곳을 자세히 보면 여러 부분에 실리콘 결정체의 경계선이 보이고 실리콘 원자의 결합 역시 불안전하게 되어 있습니다.
이 구조적 결함으로 인하여 단결정질보다 효율이 떨어지는 것입니다.

이 잉곳을 두께 200㎛ 정도로 절단하여 웨이퍼를 만들고 이 웨이퍼를 단결정질과 마찬가지로 pn 접합을 형성시키고 전극을 만들고 효율을 높이기 위해 표면 빛의 반사를 막기 위하여 반사방지막을 입히고 테스트를 마치면 다결정질 실리콘 셀이 완성됩니다.

다결정질 실리콘 태양전지는 양산 체제로 인하여 효율 대비 가격이 저렴하며 현재 나와 있는 태양전지 중 가장 많이 사용되고 있는 제품입니다.

결정질 실리콘 태양전지를 생산하는 대표적인 회사는 독일의 Q-Cell, Schott Solar,  일본의 Sharp, Kyocera, Sanyo, 중국의 Suntech Power,  미국의 Sunpower, 대만의 Motech, 그리고 다국적 기업인 BP Solar 등이 있으며,  한국 기업으로는 폴리실리콘을 생산하는 동양제철화학,    그리고 Cell 제작사인 미리넷 솔라와 모듈을 생산하는 현대중공업 등이 있습니다.

 키포인트 

태양전지의 종류

              1세대 태양전지 - 단결정질 실리콘 태양전지, 다결정질 실리콘태양전지

              2세대 태양전지 - 실리콘계 박막형 태양전지, 화합물계 박막형 태양전지
              3세대 태양전지 - 염료감응형 태양전지, 유기물 태양전지, 나노구조 태양전지

             결정질태양전지 제조과정

             규석광석 - 폴리실리콘 - 잉곳 - 웨이퍼 - 셀 - 모듈

 (박막형)

2. 박막형 태양전지(Thin Film PV)

박막 태양전지라 함은 유리, 금속판, 또는 플라스틱 같은 저가의 일반적인 물질을 기판(웨이퍼)으로 사용하여 광흡수층 물질을 마이크론 두께로 아주 얇은 막을 입혀 만든 태양전지를 말합니다.

고가의 실리콘에 의존하는 결정질 실리콘 태양전지보다 원료비 비중이 훨씬 낮고 생산시설을 자동화할 수 있어 대량생산이 가능하며 생산원가가 저렴합니다.

 이렇게 모듈 생산 공정까지 일관 작업이 가능하여 가격은 싸지만 아직은 효율이 낮으며 수명에 대한 실증 연구가 부족하다는 단점을 가지고 있습니다.

박막형 태양전지는 광흡수층 물질을 실리콘을 이용하는 실리콘 박막형 태양전지와 CIS(Cu, In, Se2), CIGS(Cu, In, Ga, Se2),또는 3-5족 등 의 여러가지 화합물 박막형 태양전지가 있습니다.
또, 우리가 3세대 태양전지로 분류한 염료감응형 태양전지와 유기물 태양전지도 형태는 박막형 태양전지에 속하나 이 장에서는 다루지 않고  다음 장에서 알아보겠습니다.

먼저 박막형 태양전지 중 현재 가장 많은 연구가 진행되었고 널리 상용화 되고 있는 실리콘 박막형 태양전지에 대하여 알아보겠습니다.

 가. 실리콘 박막형 태양전지

실리콘 박막형 태양전지는 크게 비정질 실리콘 박막형 태양전지와 미세결정질 실리콘 박막형 태양전지, 그리고 적층형 박막형 태양전지로 나눌 수 있습니다.

비정질 실리콘 박막형 태양전지는 아몰포스 실리콘(Amorphous Silicon : a-Si)태양전지 라고 하며 현재 박막형 태양전지 중 가장 늘리 사용되고 있는 제품으로 변환효율은 현재 상업화되어 있는 제품이 약 10%정도 되며 2015년에는 12%까지 도달할 것으로 예상하고 있습니다. 제조 공정을 알아보면,
결정질 실리콘 태양전지는 실리콘 원석을 잉곳으로 만들어 그것을 절단한 웨이퍼를 사용하지만 비정질 박막형 실리콘 태양전지는 기판위에 실리콘을 얇게 증착시키는 방법을 사용합니다. 먼저 진공상태에서 모노실란(SiH4) 등의 원료가스를 분해시키고 분해된 실리콘을 가열된 전극을 지닌 유리, 금속, 또는 플라스틱 기판에 증착시키고  pn 접합을 형성시킨 후 전극과 반사방지막을 만들어 주는 방법으로 생산합니다.

또한 접합구조에 따라 단일접합, 이중접합, 삼중접합의 다중접합구조 태양전지로 나눌수 있습니다. 이것을 적층형 박막형 태양전지라고 이야기 합니다. 적층형의 경우 다중 접합에 의하여 효율은 향상되나 상업적 측면에서는 투자비가 많이 들고 대량생산이 아직 어렵습니다.

다음으로 미세결정질(마이크로결정질) 실리콘 박막형 태양전지가 있습니다.

이 미세결정질 실리콘(μc-Si)은 단결정질 실리콘 과 다결정질 실리콘의 경계물질로 그 두께는 나노미터(nm)단위이며 저온에서 생산 할 수 있고 유리와 같은 저렴한 기판을 사용할 수 있어 앞으로 매우 낮은 제조원가가 기대되는 제품입니다.

실리콘 박막형 태양전지의 주요 생산회사를 살펴보면 미국의 Uni Solar, 일본의 Kaneka, Sharp, Mitsubishi, 독일의 Schott, ErSol, Q-Cell등이 있으며 한국의 한국철강이 GETWATT란 브랜드로  90W 급의 유리기판을 사용한 모듈을 생산하고 있습니다.

                                                             [유리기판을 사용한 박막형 태양전지 모듈]

현재까지 발표된 박막형 실리콘 태양전지의 최고 효율은 미국 유니솔라에서 개발한 삼중접합구조(Triple Junction)제품이 안정화 효율 13%를 달성하였고, 미세결정질 쪽에서는 일본의 Kaneka사와 Sharp의 탠덤구조 박막형 태양전지가 안정화 효율 11% 이상을 나타냅니다.

또한 미국의 PowerFilm사는 플렉시블한 플라스틱에 증착시켜서 소형 전자기기충전용 태양전지와 휴대가 간편한 Roll형태와 접어서 사용할 수 있는 Fold형태 등 다양한 제품을 생산하고 있습니다. 

                      [소형 전자기기 충전용 플라스틱 태양전지 ]               [ FOLD형 태양전지]             [Roll형 태양전지]

 많은 기술 개발에도 불구하고 박막형 실리콘 태양전지의 시장점유율이 낮았던 것은 기술적으로 해결해야할 몇 가지 문제점이 남아있기 때문입니다.
그것은 우선 결정질 실리콘 태양전지에 비하여 낮은 변환효율을 개선해야하며 대량생산화 하는 기술이 연구개발 되어야 합니다. 그리고 박막형 태양전지도 결정질 태양전지처럼 대면적 모듈을 일관 공정으로 생산할 수 있어야 가격이 더 낮아져 시장점유율이 높아질 것입니다.

나. 화합물 박막형 태양전지

화합물 태양전지는 실리콘 이외에 반도체 특성을 갖는 화합물인 구리(Cu), 인디움(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se),로 구성된 CIGS계 박막형 태양전지와 CuInSe2, CuGaSe등 황동광계 화합물 태양전지와 원소주기율표상 2족과 6족의 화합물인 CdTe계 태양전지, 그리고 3족과 5족화합물인 갈바비소(GaAs), 인디움인(InP), 갈륨인(GaP)등이 있습니다.

화합물 태양전지의 대표격인 CIGS계 박막형 태양전지는 광흡수계수가 반도체 중 가장 높아, 두께 1-2 ㎛의 얇은 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하여 1980년대에 미국의 보잉사에서 그때까지 우주용으로 사용하고 있던 단결정질 실리콘 태양전지의 대체품으로 GaAs계 태양전지와 함께   차세대 우주용 태양전지로 개발되었습니다.

우주용 태양전지에서 가장 중요한 요소는 단위중량당 발전전력량(W/Kg)입니다.
CIGS계 박막형 태양전지는 단일접합에서도 단위중량당 발전전력량이 100W/Kg으로 단결정질 실리콘 태양전지의 20W/Kg, GaAs계 태양전지의 20-40W/Kg에 비하여 월등히 높습니다.
이렇게 CIGS계 박막형 태양전지는 변환효율도 19.5%로 매우 높고 광흡수가 매우 뛰어나 얇은 두께로도 빛을 완전히 흡수할 수 있어 차세대 태양전지로 각광을 받고 있습니다.
이 제품의 또 하나 장점은 다양한 기판을 사용하여 여러 방면에 응용할 수 있다는 것입니다.
유연성 있는 플라스틱 기판을 사용하여 구부릴 수 있는 플렉시블 태양전지도 만들 수 있습니다. 플렉시블 태양전지는 얇고 가벼워서 운반이나 시공하기 쉽고 롤 형태의 대형 태양전지로 제작이 가능합니다.
이러한 많은 장점을 가진 CIGS계 박막형 태양전지는  건축용, 일상생활용등 다양한 용도로 개발되고 있습니다.

한가지 문제점을 가지고 있는데 그것은 중요 원료인 인디움의 자원량이 적다는 것입니다.
인디움을 대체할 소재가 계속 연구되고 있어 그 문제가 해결되면 가격이 낮아져서 시장점유율은 급격히 늘어날 것입니다.

 키포인트

박막형 태양전지
실리콘 박막형 태양전지 - 비정질(아몰퍼스)
                                    미세결정질(마이크로)
                                    적층형(다중접합)

 화합물 박막형 태양전지 - CIGS계, CdTe계, GaAs계,

(3세대 태양전지)

1950년대 처음으로 태양전지가 상용화되고부터 현재까지 태양전지의 연구개발과제의 방향은 첫째 변환효율이 높은 고효율 태양전지의 개발과 둘째 태양전지의 생산원가를 낮추는 것이 최대 목표입니다.
지속적인 연구개발의 결과로  초기의 실리콘계 태양전지에서 발전하여 지금은 물질합성과 적층구조 등을 이용하여  변환효율을 높인 제품들이 많이 개발되었고,  신물질 개발과 대량생산공정으로 저가의 태양전지를 생산하는 연구가 계속 빠른 속도로 추진되고 있습니다.
 
태양전지 발달 변천사를 살펴보면 최초의 태양전지인 1세대 태양전지는 현재 가장 많이 사용하고 있는 결정질 실리콘 태양전지를 말하며  현재 태양전지 시장의 80%정도를  이 1세대 태양전지가 차지하고 있습니다. 그러나 실리콘 태양전지는 광흡수대역이 좁아 단일접합 구조의 경우 이론적 변환효율이 30%를 넘지 못합니다. 그리고 주원료인 실리콘의 가격도 만만치 않습니다. 
그러므로 다른 재생 에너지에 비하여 발전단가가 높아 경제성이 떨어지므로 미래의 에너지원의 주역으로서는 부적합합니다.

그 대안으로 박막형 태양전지가 차세대 태양전지로 부상하고 있습니다.
2세대 태양전지라 불리는 박막형 태양전지는 실리콘계(a-Si)와 CIGS화합물계, CdTe화합물계가 주를 이루고 있으며 그 중 CIGS화합물계 태양전지가 앞으로 효율 측면이나 가격면에서 2세대 태양전지의 주류를 이룰 것이라고 예상하고 있습니다. 아마 이 때쯤이면 화석연료의 발전단가와 태양광 발전단가가 같아지는 그리드 패리티 시점이 될 것입니다.

그 다음 세대 제품으로 연구 개발되고 있는 태양전지를 3세대 태양전지라고 부르는데  이 3세대 태양전지의 조건은 효율이 높아 발전단가가 초저가형이 되어야 함은 물론이고 또한 친환경적인 제품이어야 합니다. 여기에 부합되는 제품이 염료감응형과 유기물, 그리고 나노 태양전지 등입니다.
 

1.염료감응태양전지(Dye Sensitized Solar Cell : DSSC)

1991년 스위스의 마이클 그래첼(Michael Gratzel)박사는 세계 최초로 광합성 반응 원리를 이용하여 전기를 생산하는 새로운 형태의 염료감응태양전지를 발명하였습니다.
염료감응 태양전지는 금속산화물인 산화티타늄(TiO2) 표면에 특수한 염료를 흡착시키고, 흡착된 특수 염료가 태양빛을 흡수하면  광전기화학적 반응을 일으켜 전기를 생산하는 원리입니다.
그 염료는 가시광선에서부터 근적외선 영역까지 폭 넓은 광 흡수성을 가진 루테늄(Ru)염료가 가장 일반적으로 사용되고 있으며 다른 유기 염료를 사용하는 태양전지도 속속 개발되고 있습니다.
염료감응태양전지는 실리콘계 태양전지에 버금가는 변환효율을 갖고 있으며 생산원가가 적게 들어 차세대 태양전지로 주목받고 있습니다.
현재는 루테인 염료 가격이 매우 고가이지만 많은 연구 기관에서 생산원가를 낮추기 위해 대체물질을 개발하고 있어 앞으로는 생산원가가 더 낮아질 전망입니다.

가격 측면 이외의 다른 장점도 많이 있습니다.
염료감응 태양전지는 날씨가 흐려도 발전이 가능하며 빛의 조사 각도가 10도 만 되어도 전기가 생산됩니다.
그리고 투명 또는 반투명하게 만들 수도 있고 사용하는 유기염료의 종류에 따라 황색, 적색, 녹색, 청색 등 다양한 색상과 아름다운 무늬를 가진 태양전지도 만들 수 있습니다.
여러장을 겹쳐 다중적층형으로 생산하면 같은 면적에서 2배, 3배이상의 발전도 가능합니다.
이러한 장점을 가진 염료감응형 태양전지는 앞으로 건물의 유리창호, 소형전기전자제품, 군사용 등으로 널리 활용될 것입니다.

                                                    [호주 DYESOL사의 염료감응 태양전지 모듈]

                                [일본 Shimane Institue for Industrial Technology 의 염료감응 태양전지 ]

                                                  [한국전자통신연구원 (ETRI)에서 개발한 염료감응 태양전지]

2.유기물 태양전지(Organic PV : OPV)

유기물 박막 태양전지는 3세대 태양전지의 하나로 실리콘계 태양전지보다 변환효율은 떨어지지만 다양한 용도로 개발이 가능하며 아주 저렴한 가격으로 발전할 수 있는 플라스틱필름 형태의 태양전지입니다.
일 반적으로 플라스틱의 원료인 유기물질 재료는 전기가 통하지 않는 절연물질로 알려져 왔습니다. 그러나 1970년대초 일본 도쿄공대 연구소의 시라카와 히데키 교수팀이 실험 도중 우연히 전기가 흐르는 고분자화합물(전도성 폴리머)를 발견하게 되어 노벨화학상을 받게 됩니다. 이렇게 개발된 전도성 폴리머는  일반전도체인 금속보다 훨씬 가볍고 성형하기 쉬워 컴퓨터의 백업 전지나 플라스틱축전지, 휴대전화의 화면표시장치 등 많은 분야에 응용되었으며 유기물 태양전지도 이 기술을 이용하여 개발 되었습니다.
유기물 태양전지는 매우 가볍고 플렉시블하며 프린팅까지 가능하여 종래의 실리콘계 태양전지로는 구현할 수 없었던 값싸고 다양한 용도의 응용제품 개발이 가능하여 미래의 태양전지로 기대되고 있습니다.

                                  [미국 KONARKA사 의 유기물 태양전지로 개발가능한 여러가지 생활용품]

사 실 유기물 태양전지는 1970년대부터 그 가능성이 제기되었으나 효율이 1%정도로 매우 낮아 오랜 기간 동안  상품화되지 못하였습니다. 그러나 2005년에 일본의 한 연구소에서 나노구조의 pn접합을 이용하여 변환효율을 4%까지 향상시켰으며 계속 연구 개발한 결과 지속적인 효율 증가를 보여 현재 단층 구조에서 5%, 2층 적층구조에서 6.5%대의 상당한 효율을 보일 정도로 발전하였습니다. 실제 미국의 KONARKA사와 PLEXTRONICS사 등의 회사에서 많은 실용화 프로젝트연구가 진행 중입니다.

 [KONARKA사의 플라스틱 필름 형태의 유기물 태양전지]

  키포인트 

              1세대 태양전지 대표주자 - 다결정질 실리콘 태양전지

              2세대 태양전지 대표주자 - CIGS 실리콘 태양전지

              3세대 태양전지 대표주자 - 유기물 태양전지

우리 가정에서 태양전지를 ....

태양전지를 우리 가정에서 사용하기 위하여 어떻게 하면 좋을까요? 먼저 평소에 우리가 사용하고 있는  냉장고, 세탁기, 텔레비전 등 가전제품에 전기를 공급하기위한 방법을 생각해 봅니다.

한국의 일반 가정에서 1년에 평균 약 3100 KW의 전기를 소비하고 있습니다. 이정도의 전력 소비를  충족시키는 데는 약 3KW 용량의 태양광 발전이 필요합니다. 우리 집 지붕위에 3KW 태양광발전을 설치하였을 때 대략 월 평균 300KW이상의 전기를 생산하실 수 있습니다. 3KW의 시설을 하려면  200W용량의 태양전지모듈 15장을 배열한 태양전지어레이와 한전 전력망(계통)으로 연결시켜주는 전력변환장치 등이 필요합니다.

설치에 필요한 면적은 얼마나 될까요? 200W 태양전지모듈 1장의 크기가 1.5M2정도이니 전체 필요한 면적은 25-30M2정도입니다. 설치할 장소는 마당도 좋지만 옥상이나 지붕은 이 정도크기의 태양전지를 설치하기에 딱 적격입니다.  대부분의 주택이 남향으로 지어졌으니 효율도 높을 것입니다. 그리고 태양전지를 지붕 위에 올려놓음으로 뜨거운 햇볕을 막아주어 주택의 단열에도 많은 도움이 되며 지붕재의 수명도 연장시킬 수 있습니다.

또 태양전지모듈 자체가 지붕재로 만들어진 건재일체형 태양전지(BIPV)를 사용하면 건축비용을 절감할 수 있습니다. 태양전지에서 발생되는 전기는 직류 전기입니다. 직류전기는  직류를 교류로 변환시키는 인버터(직교류 변환기)에 의해  가정에서 사용할 수 있는 220V 교류전류로 만들어집니다. 이 전기로 우리는 전등을 켜고 냉장고, 텔레비전 등 가전제품을 사용할 수가 있습니다. 전기가 남으면 어떻하느냐구요? 태양발전에서 발생되는 전력이 주택내의 소비전력보다 많을 때는 남는 전력은 전력회사(한전)으로 보내지는데 그냥 주는 것이 아니라 같은 값을 받고 파는 것입니다. 가정에 있는 전력계량기가 거꾸로 회전시켜 전기료를 차감하는 방법으로 정산하여 전기요금의 절약효과가 훨씬 크집니다.이 시스템을 계통연계형시스템(grid-connected system)이라 부릅니다.
그것 뿐 만아니라 정부에서의 지원도 있습니다.

‘그린홈 100만호 보급사업’ 지원정책으로 일반주택이나 공동주택에 1주택 당 3KW이하의 태양광발전시설을 할 때 정부에서 총 시설비용의 60%에 해당하는 비용을 무상으로 보조해 주고 있습니다.(2008년 현재 1Kw당 4,356,000원 보조)

태양광발전시설의 수명은 약15년에서 20년이고 투자비 회수기간은 8년 정도로 알려져 있습니다. 여러분도 이런 좋은 제도를 잘 알고 활용하시기 바랍니다.

 그린홈 100만호 보급사업 활용--시설비의 60% 무상지원

                                            (주관부서-에너지관리공단 신재생에너지센타)www.knrec.or.kr

그린홈 100만호 보급사업--2020년까지 신재생에너지주택(Green home) 100만호   보급을  목표로 추진하는 사업으로 태양광, 태양열, 지열, 소형풍력,바이오 등의 신ㆍ재생에너지원을 일반주택 및 공동주택에 설치 시 설치비의 일부를 무상 지원하는 사업으로 태양광주택은 3KW이내 설치할 경우 설 치비를  최대 60%까지 정부에서 무상으로 지원해 주는 제도 (에너지관리공단 산하 신재생 에너지 센타 www.energy.or.kr에 신청)

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우리나라 태양광 발전 - 현실적인 문제점

우선 한국의 상황을 논하기전에 이번달 일본의 "Nikkei Electronics" Asia판 cover story에 실린 이야기중 현재 일본의 주택용 태양광 발전 상황을 보면  2009년 새로운 보조금 정책이 시행됨에 따라  전체50만가구의 신규주택중 약 12만 가구에 태양광 발전 설비가 설치되어서 20%를 상회하는 급신장을 보였다고 합니다

일본의 주택용 태양광 발전 보조금은 중앙정부 보조금이 일률적으로 7만엔/KW(정해진 일정기준 효율이상의 전환효율 가진 모듈중 電氣安全環境硏究所 (JET)의 인증을 받은 모듈에 한하고, 씨스템 설치비가 65만엔/KW이하여함) 이고  여기에 다시 도 및 시.군구 보조고금이 차별적으로 지급 된다고 합니다

예를 들어 도쿄도의 경우 태양광 주택에 대한 보조금은 중앙정부 보조금 보다 많은 10만엔/KW 입니다 
여기에 구정부가 태양광 발전 씨스템을 설치하는 개별가구에 대해 별도로 지급하는 가구당 정액 보조금이 있는데 도쿄도 신주쿠구의 경우 가구당 54만엔의 정액 보조금을 지급한다고 합니다
일본정부가 제시한 태양광주택 설치비는 65만엔/KW로 10 KW이하의 설비에 보조금을 지불하는 형편 입니다

이금액은 말하자면 최종소비자를 위한 가이드라인으로 금액 상한선 정도라고 보시면 됩니다

2008년 일본에서 말하는 이른바"스페인 쇼크" 이후 2009년 지속적으로 하락한 태양광 모듈 가격의 영향 때문에 실제 시장에서 제시되는 가격은  42만엔/KW 정도라고 합니다 이경우 한국산이나 중국산 저가 모듈을 사용한 경우라고 합니다

따라서 실제로 태양광 발전 설비를 설치할 실수요자가 부담해야할 가격은 대략 7만엔-최대 22만엔/KW 가 된다고 합니다

이렇케 생산된 전기를 올 4월부터 48엔/KW로 다시 전력 회사에 팔수있을테니 일본의 태양광 발전 주택수요는 좀더 확실하게 늘어날것으로 보입니다

세쿠시화학 이라는 회사는 자신들이 공급하는 신규 주택의 77%에 태양광 발전 씨스템을 설치했고 새로운 보조금 정책에 힘입어서 용량도 평균 6KW로 늘어났다고 합니다 즉 보조금을 받는한에서 설치가능한 최대 용량을 설치 하려는 경향 이라고 보시면 될듯 합니다

신규주택을 사려는 소비자들에게 태양광 설비가 설치되었는가 아닌가는 중요한 판단기준중에 하나로 자리잡고있다고 합니다
일본의 전기료는 세계에서도 상위권에속하는 비싼 편인데요 요금체계는 최저요금(기본료)에 암페어따른 기본요금+ 사용량에 따른 종량제 등등 꽤복잡하지만대략  22엔/KW정도 보시면 무난할듯 합니다(아래의 도쿄전력 전력요금표 참조, 우측의 표는 도쿄전력홈피에 발표된 새로운 보조금 정책에 따른 매입단가 )

따라서 이런 비싼 전력 요금대비 낮아진 투지비등이 또다른 호조건으로 작용하는듯 합니다

* 이번의 새로운 보조금제도에 대해서 도쿄전력은 사들이는 잉여전력을 가정에서 사용하고 남은전기라고 표기하고 있지만 담당정부 부서는 태양광 발전량을 말하는것이라고 말하고있으며, 도쿄전력도 인버터 상의 전력이라고 표시하기하도해서 좀 혼란스러운 느낌 입니다     

이제 우리들 문제로 돌아와서 이른바 그린홈 백만호사업에 따라서 현재 3KW정도의 계통연계형 주택용 태양광 발전씨스템을  설치하는데 들어가는 비용이 얼마인지 아시는 분이 있는지요? 

작년도 같은경우 공시가격(이런게 있는지 확실히 모르겟지만)이 대략 3천만원 정도였고 이중 50%를 중앙정부가 지원하고 10%정도를 지방부가 지원하는 것으로 압니다

하지만 올해들어서는 40-50% 가까이 떨어진 모둘가격  덕분에 설치비가 대폭 낮아질줄 알았는데 그도 아닌 모양 입니다

신재생에너지 쎈터가 전문업체로 선정한 시공업체가 설치를 원하는 소비자와 직접견적을 진행하는 씨스템 이라서 확실하지는 않지만 아직도 3KW에 대략 2천만원 정도가 들어가는 것으로 압니다 (이중 약 40%만이 본인부담)

모듈가격은 작년대비 더 떨어져서 한국시장을 장악하고 있는 저가의 중국산 모듈 같은 경우 모두 USD 2/watt 이하로 떨어진게 몇개월전인데 최대로 본다고해도  USD2/watt x3,000watt=USD 6,000불입니다

뭐 수입에따른 부대비용등등을 감안하고 인버터, 컨트롤러, 새로운 미터기, 어레이설치비및 재료값 인건비에 시공업체 이익 까지 생각한다고 해도 좀 지나치게 많은게 아닌게 하는 생각이듭니다

씨스템에서 모듈가격이 60-70%를 차지하는 구조인데 정말 2천만원의 견적이 나온다면 시공업체 이익이 최저 50%는 넘는다는건데 한국 시장이 협소하다는것을 감안 한다고해도 이런 가격은 좀 비정상적인듯 합니다

여러분들의 생각은 어떠신지요?

확실히 소비자가 특히 소용량을 설치하는 주택의 개별소비자 가격은 시장변화에 즉각적으로 연동되기 어렵다는것은 세계적인현상인듯 하지만 매년 경쟁심화, 생산능력 확충에따른 생산 cost 절감, 시장확대에 따른 원가절감 부분등이  제대로 반영되지 못하는것은 시장의 고유 system에 구조적 문제가 있는게 아닐지 하는 생각이 듭니다..

[꿈의속도]

많이 공부하게 됩니다

[야인시대]

좋은정보 감사합니다. 저는 지금 당장 태양열발전을 3kw정도 설치 하려고 하는데 연락 좀 주실 수 있을런지요. 011-243-2234 나 033-243-7205 입니다.

[솔 향]

3년전에 집을지으면서 태양발전을설치하려했엇는데 3키로 생산에 650만원의 자금이 필요하였지요 3세대 1950만원 결코적은 액수가 아니라서 포기하였습니다

[향수33]

태양광에 관해 말은 많이 들었어도 실제로는 잘 몰랐었는데...이 글을 통해 많이 배웁니다 감사합니다

[무진거사]

저도 님의 말씀에 공감합니다. 저도 주택을 지을때 꼭 태양광 시스템으로 하고 싶답니다.

[1등이다]

아직까진 어려워서 이해가 안되는군요. 하지만 많은 도움이 되었습니다

[베두리]

좋은자료감사합니다

[하늘속]

관심있는 부분이였는데..공부 잘했습니다...
한국의 실정과 이상정도로 느껴지는 점도 있네요..
투자대비 회수기간이 너무 길다는게 단점인것 같네요..( 보통 2~3년에 회수 )
회수기간8년 중 유지보수비를 포함한다면.....

주변지인들 중에는 관상용으로 전락하는 경우도...

[양현]

좋은글 감사합니다. 많은 참고가 되었습니다.

[다모다모]

3k 설치비용은요

[설로]

저는 정부지원해준다는 태양광 신청했는데 안됐거든요. 3키로설치하려 했는데... 연락한번 주세요.
010-3812-3844번 입니다.

[삶이춤추도록]

말은 다 지원해주는것처럼 말하지만 당해지구 지원예산이 없으면 안돼는걸로 알고 있습니다

[태암]

좋은정보 감사합니다,^^

[둥이맘신비]

전 작년에 3k로 설치했구요 저희 옆진분도 3k로 설치하셨는데 올 시지원금 신청하셔서 600인가로 알고 있어요...도시지원금 혜택 보시려면 3월전에 업체 정하셔서 업체랑 상담하셔야 할꺼예요...설치전엔 평균 5만원 전기료가 겨울엔 9000원으로 검침원분께 말씀 드려놓고 여름엔 전기세 기본료(880원만)내고 있어요..

[산수처럼]

좋은 정보 감사합니다. 저도 집을 지을때 태양광을 이용하고 싶습니다.

[솔씨]

좋은 정보 고맙습니다.

[반시]

잘봤습니다 감사합니다 ^^

[파랑..]

좋은글 감사합니다

[전원limjyj]

좋은정보 고맙읍니다

[우학]

궁금 했는데 많은 공부가 되었습니다

[숯검뎅]

고맙습니다. 지금은 너무 늦었고, 내일 아침에 찬찬히 읽어보겠습니다.

[겨울 나그네]

다시 찬찬히 읽어 봐야 겠습니다. 아 정말 좋은 자료인데요. 감사합니다.

[두루미1]

말씀데로 거품이 너무 낀것같네요.
좀 우리 회원끼리 저렴하게 해주시는분이 있으면 해보고싶은데..

[마안도]

정말 좋은정보 감사합니다. 공부가 많이 되겠습니다.

[산골출신인]

관심있는 분야인데 공부 잘하고 갑니다
집 짓기 전인데 신청 가능합니까

[하늘나리 (의성)]

태양광발전 참으로 관심이 많았는데 조금 알것 같군요 앞으로 더욱 공부도하고 이용할 방법도 찾아 보아야겟네요 감사합니다

[타오옌밍]

그래요. 신재생에너지인 이 태양광이 차세대에너지인데 아직까지 설치비가 많이 들어서
정부보조금이 충분치 않으며는 개인 스스로 설치하기에는 부담이 크죠.
하지만 미래는 밝죠. 신재생에너지!!! 분명히 지금의 화력, 원자력을 대체할것이니까요.

[자연인green]

자료 고맙게봤음니다.

[김영동]

자료 고맙습니다.

[제주블루베리]

감사합니다. 근데요 좀 어렵기는 하네요

[깜둥이3세]

자료 감사합니다