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■ 태양전지의 분류 및 구조
태양전지에 사용되는 반도체의 재료에 따라 태양전지의 종류를 분류할 수 있다. 반도체의 재료로서는 실리콘, 갈륨비소, 카드뮴텔루르, 황화카드뮴, 인듐인 또는 이것들을 복합한 것이 있으나 보통 실리콘을 사용하는 실리콘계 태양전지가 대표적이다.
실리콘계 태양전지는 실리콘의 상(phase)에 따랄 크게 단결정 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지로 분류할 수 있다. 단결정 실리콘 태양전지와 다결정 실리콘 태양전지는 묶어서 결정질 실리콘 태양전지라고도 한다.
태양전지의 구조는 단결정 실리콘 태양전지의 경우 실리콘에 5가원소 인, 비소, 안티몬 등을 첨가시킨 n형 반도체와 3가원소 붕소, 칼륨들을 침투시켜 만든 p형 반도체로 이루어진 pn접합 구조를 가지고 있고 기본 구조는 다이오드와 동일하다.
* 단결정 실리콘 태양전지
단결정 실리콘 태양전지는 높은 순도의 실리콘을 1,500℃로 융해시키고 밑에서 실리콘인 고트를 끌어 올려 그것을 얇게 잘라 가공한 것을 원료로 한 태양전지다. 단결정타입의 태양전지에서는 다결정실리콘이나 아몰퍼스를 사용한 것에 비해 변환효율이 높아 15~17%정도의 성능을 가지고 있다.
단결정 실리콘 기판에는 FZ기판과 CZ기판이 있는데 FZ기판은 성장 중에 실리콘이 접촉하는 물질이 없기 때문에 순도가 높은 기판을 제조할 수 있지만 기판가격이 비싸기 때문에 일부 고효율 태양전지에 국한해서 사용되고 있다. CZ 기판은 성장 중에 용융실리콘의 유동도를 줄여 산소의 유입을 최대한 줄이면서 성장하는 방법으로 산소 농도의 조절이 어려워 변환효율이 약간 떨어진다는 단점을 가지고 있으며 기판의 가격이 다결정기판에 비해 비싼 단점이 있다. 하지만 피라미드 모양의 텍스펴링 에칭이 용이해 반사율이 작고 기판의 품질이 좋아 높은 태양전지를 얻을 수 있다.
* 다결정태양전지
다결정 실리콘 태양전지는 결정이 서로 다른 방향으로 배열되어있어서 기판의 강도가 크다. 기판의 강도가 크게 되면 기판의 두께를 줄일 수 있고 성장속도를 빨리 할 수 있으며 저가로 대량생산이 가능한 장점이 있다.
하지만 기판의 성장방향이 각각 달라 피라미드 형태로 텍스쳐링 하는데 적합하지 않아 반사율을 줄이기 힘든 점이 단점으로 꼽힌다.
* 비정질 태양전지
광흡수 계수가 결정질 실리콘에 비해 10배 이상 높아 얇은 막으로도 충분히 제조가 가능하며 기판의 소재비가 결정계 태양전지에 비해 매우 낮다는 장점을 가진다.
하지만 에너지 변환효율이 낮아 10%미만 빛에 의해 효율이 감소하는 광열화 현상 발생하는 단점이 있다.
* 박막형 태양전지
결정계 실리콘은 재료비용이 그대로 가격에 반영되기 때문에 셀에 이용되는 실리콘 기반을 박막화 함으로써 직접 비용 달성으로 이어지며 경량화로 인해 취급하기 쉽다는 이점이 있다. 실리콘의 사용량을 줄이기 위한 기술과 태양전지용 실리콘 상용화의 양면어프로치를 꾀하여 원료부족에 대응하고 있다.
박막태양전지는 흡수 계수가 높고 안정성이 뛰어나 종래의 결정질 및 비정질 실리콘 태양전지의 대체 방안으로 저가 고효율화가 가능한 태양전지 재료로 각광받아 선진국에서 집중적인 연구개발이 추진되고 있으며 국내에서는 한국과학기술원과 서울대학교가 공동으로 효율향상을 위한 연구를 추진 중에 있다.
현재 효율면에 있어서는 기존의 다결정 실리콘 태양전지의 최고효율에 근접했으나 박막의 재료 물성제어와 대량생산 시스템에 있어 아직까지 많은 문제점을 내포하고 있다.
* 화합물 태양전지의 특성
단경정 화합물 3-5족 태양전지는 주로 집과 발전용이나 우주용 태양전지로 개발되고 있으며 GaAs 태양전지는 25.7%, AlGaAs/GaAs 탄템형은 27.5%, GaAs와 GaSb를 붙여 만든 탄딤형은 집광시에 35.8%에의 변화효율이 보고되고 있다. InP 태양전지는 22%의 변환효율이 실현되고 있으며 이전지는 우주선에 의한 열화가 광조사, 순방향 전류에 의하여 회복되는 등 우주에서 이점이 되는 특성을 가지고 있다
하지만 GaAs 단결정 기판의 가격이 높고 Si 에 비해 무거우며 표면재결합속도가 큰 단점을 보인다.
* 유기분자형 태양전지
1990년대 중반부터 주로 연구되기 시작한 유기화합물 태양전지는 유기물중 정자주개 혹은 전자주개 특성을 갖는 유기물을 서로 이질 접합하여 만든 형태로 무기반도체의 pn 접합원리와 비슷하다.
* 염료감응형 태양전지
반도체 접합 태양전지와는 달리 광합성의 원리를 이용하고 있으며 염료감응 나노입자들이 빛을 받아 전자와 홀을 발생시켜 전기를 생성한다. 염료감응형 태양전지의 특징은 염료감응 입자에 빛이 도달되기 위해 투명전도막이 한쪽면의 전극으로 사용된다 |
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