[태양전지 교과서] Week 2 - Technology insight into PV

그림들의 출처는 모두 EPFL의 MICRO-565, IEM NEUCHATEL PV-lab 에 있습니다

Prof. Christophe Ballif

그동안 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 많은 방법을 연구가 이뤄져 왔다. Crystalline Si를 이용한 태양전지부터 시작해서, CIGS등 얇은 막을 이용한 태양전지, 13족 원소와 15족 원소를 이용한 Ⅲ-Ⅴ 태양전지까지 다양하다. 참고로 Si는 빛을 흡수하는 absorption coefficient가 낮아서 빛을 잘 흡수하지 못한다. 그래서 두꺼워야 한다. 그래서 absorption coefficient가 큰 CIGS같은 물질을 이용하면 얇아도 빛을 잘 흡수할 수 있다. 그래서 thin film으로 만들 수 있다. Si 태양전지의 경우 19~23%의 효율이 나오고 25%까지 향상될 수 있을 것 같다. thin film의 경우 6~19% 정도, concentration의 경우 25~35% 정도로 나온다.

 

요즘에는 monocrystalline Si가 유행인 것 같다. 

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Thin film PV는 꾸준히 줄어들고 있다. 그 중에서는 CdTe가 제일 비중이 높다.

Thin film 만드는 과정은 복잡한 것 같다. 그리고 thin film 기술이 발전하려면 돈과 시간도 필요하고 많은 투자도 필요하기 때문에 쉽지 않다.

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Triple junction

한편, triple junction과 concentrator를 사용하면 효율을 높일 수 있다. 2012년에는 빛을 모아주는 concentrator 조건 하에 triple junction solar cell 효율을 측정했더니 44%가 나왔다. 2022년에는 47.6%로 향상되었다.

Ⅲ-Ⅴ solar cell은 우주용으로도 사용된다. 우주의 경우 비용의 측면보다는 효율이 높은 것이 중요하기 때문에 무조건 효율을 높은 cell을 쓴다. 그래서 대부분 triple junction cell을 쓴다. 그래도 비싸긴 하다.

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Ⅲ-Ⅴ 같이 비싼 태양전지는 size를 줄이면 비용을 아낄 수 있다. 그래서 concentrator를 통해 작은 size로도 충분한 양의 전기를 생산하도록 할 수 있다.

Concentrator

저기 파란색 구역에만 태양전지를 설치해도 충분히 잘 먹고 살 수 있다.

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Si crystalline solar cell 만들기는 더 어렵다.

Si 태양전지에도 종류가 여러 개 있는데 각각을 자세히 배우진 않아서 잘 모르겠다

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아무튼 중요한 것은 태양광의 시장이 빠른 속도로 변화하고 있다는 것이다.

위 그래프는 각 태양전지가 차지하는 시장 비율을 나타낸 것이다. 시장은 multicrystalline에서 monocrystalline으로 빠르게 변하고 있다. crystal을 정제하는 기술이 발전하기도 했고 Si의 가격도 싸졌으며 높은 효율이 중요하게 여겨지기 때문이다.

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태양전지 모듈, cell 속에서 태양전지의 효율을 높일 수도 있다. module design을 잘 바꾸면 0.5~1.5% 정도 효율을 향상시킬 수 있다. bus bar를 늘려서 전자가 도선까지 이동할 때 저항에 의한 손실을 줄이고 half cell을 통해 ohmic loss를 줄일 수 있다. cell과 module 크기를 늘리면 빈 공간의 비율이 줄어든다.

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그래서 결론은 c-Si를 이용한 태양전지의 효율이 연간 0.4~0.5%씩 꾸준히 증가하고 있답니다. 그리고 같은 종류의 태양전지이더라도 cell의 효율은 module 효율보다 조금 더 높다는 거